(57)【要約】【課題】レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できる多結晶シリコン膜の製造方法を提供する。【解決手段】酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザ（例えばＹＡＧ２ωレーザ）を照射するレーザアニールにより、基板上に形成された膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する。この際には、レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍの範囲内となるレーザの照射エネルギー密度(例えば０.３６６〜０.３７８Ｊ／ｃｍ2の範囲Ｒｇ）を選定し、この選定した照射エネルギー密度でレーザアニールを行って非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜を製造する。これにより、結晶粒径の標準偏差相対値が小さい多結晶シリコン膜を形成でき、結晶粒径の均一性を向上できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコン膜を製造する方法であって、
基板上に膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜を形成する工程と、
酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールにより、前記非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する結晶化工程と、
を備え、
前記結晶化工程は、
前記レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍの範囲内となるレーザの照射エネルギー密度を選定する選定工程と、
前記選定工程で選定したレーザの照射エネルギー密度で前記レーザアニールを行い、前記多結晶シリコン膜を製造する製造工程と、
を有することを特徴とする多結晶シリコン膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の多結晶シリコン膜の製造方法において、
前記レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の表面でレーザの走査方向と垂直な方向に沿った筋状の凹凸が生じるレーザの照射エネルギー密度の下限値を特定する特定工程、
をさらに備え、
前記選定工程では、前記特定工程で特定したレーザの照射エネルギー密度の下限値から、当該下限値の９５％までの範囲において前記照射エネルギー密度を選定することを特徴とする多結晶シリコン膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の多結晶シリコン膜の製造方法において、
前記照射エネルギー密度を変化させつつ前記レーザアニールを行うことで形成された多結晶シリコン膜の各表面に対して可視光を含んだ所定の光を照射し、当該各表面で散乱する散乱光の強度を測定する測定工程、
をさらに備え、
前記測定工程で得られた測定結果に基づき前記照射エネルギー密度に対する前記散乱光の強度をグラフ化し、前記照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値、第１の極小値、第２の極大値および第２の極小値からなる４の極値を特定するとともに、
前記選定工程では、前記第１の極小値に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲から前記照射エネルギー密度を選定することを特徴とする多結晶シリコン膜の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の多結晶シリコン膜の製造方法において、
前記所定の光は、白色光であることを特徴とする多結晶シリコン膜の製造方法。
【請求項５】
多結晶シリコン膜を製造する方法であって、
基板上に膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜を形成する工程と、
酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールにより、前記非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する結晶化工程と、
前記レーザの照射エネルギー密度を変化させつつ前記レーザアニールを行うことで形成された多結晶シリコン膜の各表面に対して可視光を含んだ所定の光を照射し、当該各表面で散乱する散乱光の強度を測定する測定工程と、
を備え、
前記測定工程で得られた測定結果に基づき前記照射エネルギー密度に対する前記散乱光の強度をグラフ化し、前記照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値、第１の極小値、第２の極大値および第２の極小値からなる４の極値を特定するとともに、
前記結晶化工程は、
前記第２の極小値に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲から選定した照射エネルギー密度で前記レーザアニールを行い、前記多結晶シリコン膜を製造する製造工程、
を有することを特徴とする多結晶シリコン膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質シリコン膜にレーザを照射して多結晶シリコン膜を得る方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶パネルや有機ＥＬ(electro luminescence)パネルの画素部では、ガラス製または合成石英製基板上の非晶質または多結晶のシリコン膜に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）によるスイッチングにより、画像を構成している。現在は主として外部に独立して設置しているが、この液晶パネルに、画素トランジスタを駆動するドライバ回路を同時に構成することができれば、液晶パネルや有機ＥＬパネルの製造コストや信頼性等の面で飛躍的なメリットを得ることができる。現在は、ＴＦＴの能動層を構成するシリコン膜の結晶性が悪いために、キャリアの移動度に代表されるＴＦＴの性能が低く、高速性および高機能性が要求される集積回路の作製は困難である。高移動度のキャリアを有するＴＦＴを実現することを目的として、シリコン膜の結晶性を改善するために、レーザ照射による熱処理（レーザアニール）が一般に行なわれている。
【０００３】
シリコン膜の結晶性とＴＦＴにおけるキャリア移動度との関係は以下のように説明される。非晶質シリコン膜をレーザアニールすることにより得られるシリコン膜は一般に多結晶体である。多結晶体の結晶粒界には結晶欠陥が局在しており、これがＴＦＴの能動層のキャリア移動を阻害する。したがって、ＴＦＴにおけるキャリア移動度を高くするには、キャリアが能動層を移動中に結晶粒界を横切る回数を少なくし、かつ結晶欠陥密度を小さくすればよい。レーザアニールの目的は、結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における結晶欠陥が少ない多結晶シリコン膜を形成することにある。
【０００４】
次に、従来のＴＦＴの製造方法を説明する。まず、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相蒸着法）により、ガラス基板上にシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜上に例えばプラズマＣＶＤにより非晶質シリコン膜を堆積する。次いで、そのエキシマレーザ（ＸｅＣｌ（波長：３０８ｎｍ））またはＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ。以下「ＹＡＧ２ωレーザ」と称する。）を非晶質シリコン膜上に照射する。非晶質シリコン膜は該レーザが照射された部分が溶融し、その後温度が低下するに従って、溶融したシリコンが結晶化して多結晶シリコン膜が形成される。
【０００５】
その後、多結晶シリコン膜をパターニングし、パターニング後の多結晶シリコン膜上にシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に例えばＴａ、ＣｒおよびＭｏ等の低電気抵抗の金属膜を形成する。そして当該金属膜をパターニングすることにより、ゲート電極を形成する。
【０００６】
次いで、ゲート電極あるいは当該ゲート電極のパターニングに用いたレジストをマスクにするイオンドーピングを行うことにより、多結晶シリコン膜にＮ型またはＰ型の不純物を導入して、ソース／ドレイン領域を自己整合的に形成する。すなわち、Ｎ型の不純物を導入した部分にはｎチャネル型ＭＯＳ（ＮＭＯＳ）トランジスタのＴＦＴが形成され、Ｐ型不純物が導入された部分にはｐチャネル型ＭＯＳ（ＰＭＯＳ）トランジスタのＴＦＴが形成される。
【０００７】
続いてシリコン酸化膜を堆積し、ＴＦＴのソース／ドレイン領域およびゲート電極上にコンタクトホールを形成する。そして金属膜（例えばＡｌ、Ｗ、Ｍｏ等）を堆積し、それをパターニングすることにより、ソース／ドレイン、ゲートの配線を行う。さらにこのＴＦＴ上に絶縁膜、透明電極、液晶、偏光膜、カラーフィルタ等の膜を順次形成することによりＴＦＴ液晶表示パネル（ＴＦＴパネル）が完成する。
【０００８】
上記のエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）によるレーザアニールは、非晶質シリコン膜をレーザビームで走査（スキャン）することにより行われる（例えば特許文献１）。このときレーザビームは、走査方向（スキャン方向）に垂直方向な線状のスポット形状で、且つ、その照射エネルギー密度がトップフラット分布のプロファイルになるように成形されるのが一般的である。具体的には、例えば幅０．４ｍｍ、長さ２５０ｍｍの線状スポットのレーザビームを、３００Ｈｚのパルスとして照射し、その線状スポットの幅方向に向かって重ね９５％のスキャンピッチ（送りピッチ）で走査する（即ち、連続する２つのレーザビームのパルスが互いに９５％重なるように走査する）。重ね９５％の場合、線状のレーザビームの幅が０．４ｍｍであればスキャンピッチは２０μｍとなる。
【０００９】
エキシマレーザアニールでは、レーザの照射エネルギー密度プロファイル（以下、単に「プロファイル」と称することもある）がトップフラット分布である上、波長３０８ｎｍの光は非晶質シリコンおよび多結晶シリコン内で吸収されやすく浸透長が短い（７ｎｍ程度）ので、シリコン膜の表面のみが加熱されて膜厚方向での温度差ができやすい。そこで、シリコン膜全体が溶融せずにその底部に結晶核が残る程度の照射エネルギー密度でレーザを照射し、当該底部の結晶核から結晶を成長させることが行われる。仮にレーザの照射エネルギー密度が高く、シリコン膜全体が溶融して結晶核がなくなると、冷却の際に過冷却状態となり、自然に結晶核が形成される温度になると多数の結晶核ができて一気に固化するため、微結晶の集合体となってしまう。
【００１０】
さらに、３０８ｎｍの光は多結晶シリコンと溶融シリコンとでその吸収率がほぼ同じであるため、レーザ照射により一旦大きな結晶が形成されたとしても、その後にレーザが重ねて照射された結果、閾値以上の照射エネルギーを受けてしまうと、上記のメカニズムにより微結晶化してしまう。従って、エキシマレーザアニールによる多結晶シリコンの形成手法は、レーザの照射エネルギー密度のマージンが狭いという問題がある。
【００１１】
通常、レーザの照射エネルギー密度を高くすればシリコンの結晶粒径を大きくすることができる。しかし、レーザの照射エネルギー密度のマージンが狭い場合には、照射エネルギー密度のばらつきによって上記閾値以上の照射エネルギーに達しやすく、上記のようにシリコンの微結晶化が生じる。つまりエキシマレーザアニールにおいては、照射エネルギー密度のばらつきによる微結晶化が発生しやすく、結晶粒径を余り大きくすることができない。
【００１２】
エキシマレーザとしては、ＸｅＣｌガスの放電ガスを放電させて放出される紫外線が利用される。しかしその放電ガスは反応性が高く寿命が短いため、ガス交換を頻繁に行う必要がある上、放電電極も腐食されるので、定期的な放電チャンバーの交換も必要である。さらに、紫外線により分解された付着物が光学系に生じ易く、外気に晒される石英窓の交換が必要である。このように、エキシマレーザアニール装置は、その維持・保守のために多大な労力、費用を要する。
【００１３】
ＹＡＧ２ωレーザでは、パルス当たりのエネルギーがエキシマレーザの１桁下で小さいが、繰り返し周波数はエキシマレーザより１桁高い。そこで、半値幅４０μｍ程度にビームを絞り込み、照射エネルギー密度をシリコンが溶融する閾値以上に高めると共に、レーザビームを３μｍ以下の狭いスキャンピッチで走査させることにより、結晶化を行う。ＹＡＧ２ωレーザはビーム品質がよいことが、半値幅４０μｍまでビームを絞り込むことを可能にしている。
【００１４】
一方、ＹＡＧ２ωレーザによるレーザアニールにおいては、ＹＡＧ２ωレーザの波長は５３２ｎｍであり、多結晶シリコンの浸透長は８３０ｎｍと長く浸透性に優れている。従って、シリコン膜内での減衰が少なく、シリコン膜が一様に加熱されるので、その膜厚方向の温度差は生じにくい。このため、膜全体が深さ方向も完全に溶融し易い。従って、レーザ照射によりシリコンが完全に溶融した溶融部分とそうでない未溶融部分との境界部において、レーザ照射後の冷却の際に未溶融部分から溶融部分内に向かって結晶が横方向に成長し易い特徴がある。
【００１５】
さらに、波長５３２ｎｍのＹＡＧ２ωレーザは、溶融シリコンと比較して多結晶シリコンでの吸収率が低いので、レーザ照射で溶融が早く開始する結晶粒界部と、遅く開始する結晶の内部とで吸熱率が異なる。従って、ＹＡＧ２ωレーザアニールにおいては、一旦結晶化した多結晶シリコンにレーザが重ねて照射されても再溶融しにくく、照射エネルギー密度が多少ばらついたとしても、一旦形成された大きな結晶がその後に微結晶化しにくい。従って、ＹＡＧ２ωレーザアニールによる多結晶シリコンの形成手法は、エキシマレーザアニールの場合よりもレーザの照射エネルギー密度のマージンが広いという利点がある。
【００１６】
また、ＹＡＧ２ωレーザアニール装置における消耗部分は、波長１０６４ｎｍのＮｄ３＋：ＹＡＧレーザを、波長５３２ｎｍのＹＡＧ２ωレーザに変換するための波長変換結晶のみであり、また、光学部品への付着物の発生も起こりにくいため、その維持・保守はエキシマレーザアニール装置に比較すると遥かに容易である。
【００１７】
ところで、一般的にシリコン膜は、エキシマレーザあるいはＹＡＧレーザが照射されると、その表面粗さが増加する。これは結晶粒界部に突起が発生するためであり、その突起は結晶粒径が大きいほど大きくなる。突起ができる原因としては、溶融シリコンの密度が固体シリコンの密度より大きいことが考えられる。すなわち、シリコンはレーザ照射により溶融する際に体積が減少し、その後に固化（結晶化）する際には体積が増加するので、溶融したシリコンが結晶核を起点として成長しながら結晶化すると、最後に固化する結晶粒界部に体積増加に起因して押し出された溶融シリコンが寄せ集められ、それが突起を形成する。
【００１８】
この突起によるシリコン膜の表面粗さの増加は、それに形成されたＴＦＴの信頼性の低下を招く原因となる。ＴＦＴはシリコン膜上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有する構造となるが、シリコン膜の表面に突起があると、ゲート電極に電圧を印加した際に当該突起部分に電界が集中し、その部分を起点として電流がリークしやすくなる。
【００１９】
そのため、多結晶シリコン膜の表面粗さを小さくするための試みがなされている。例えば、エキシマレーザアニ−ルによる多結晶シリコンの形成において、レーザ照射を酸素の存在下で行った場合には、形成される多結晶シリコンの表面粗さが大きくなるが、窒素中或いは真空中で照射すると表面粗さが小さくなることが報告されている（例えば非特許文献１）。
【００２０】
一方、ＹＡＧ２ωレーザアニールによる多結晶シリコンの形成においては、通常、レーザ照射は大気中或いはＮ2雰囲気で行われ、レーザが照射される非晶質シリコン膜の厚さは通常は５０ｎｍ程度、場合によっては５０〜１００ｎｍである。またレーザビームのスポット形状は線状であり、その照射エネルギー密度の分布は、例えば線状スポットの幅方向（集光方向）には半値幅４０μｍのガウス分布、線状スポットの長さ方向にはトップフラット分布のプロファイルが用いられている（例えば非特許文献２）。
【００２１】
【特許文献１】特開２００２−２１７１２４号公報
【非特許文献１】菅勝行  他「エキシマレーザアニールpoly-Si膜におけるレーザ照射雰囲気と照射回数が表面モフォロジーに与える影響」，２００２年８月，電子情報通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏｌ，Ｊ８５−Ｃ，Ｎｏ．８，ｐｐ．６３０−６３８
【非特許文献２】K. Tamagawa  et. al，「Solid Laser Crystallization of a-Si Films Using a Newly Developed 200W Nd:YAG2w Pulse Laser Annealing System for Poly-Si TFT-FPDs」２００３年，第１０回ディスプレイ国際ワークショップ，ＩＤＷ’０３  Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ.５８５−５８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上記のＹＡＧ２ωレーザアニールによって非晶質シリコン膜を結晶化し多結晶シリコン膜を製造する際には、レーザの照射エネルギー密度を増加させるとシリコン膜の結晶粒径が大きくなるものの、照射エネルギー密度を増加しすぎると結晶粒径のばらつきが大きくなってしまう。このように結晶粒径のばらつきが大きい多結晶シリコン膜を薄膜トランジスタで使用すると、薄膜トランジスタの品質が低下することとなる。
【００２３】
すなわち、多結晶シリコン膜を形成して薄膜トランジスタを製造する場合、薄膜トランジスタの特性が均一であることが望まれる。特に有機ＥＬパネルの画素や駆動回路を構成する薄膜トランジスタでは、画素電流の僅かな差が有機ＥＬの発光状態の差を発生させるため、薄膜トランジスタ特性のばらつきによる画像むらが生じやすい。ここで、薄膜トランジスタの特性のばらつきを低減させるには、薄膜トランジスタのチャネルの電流パスを横断する粒界の数のばらつきを小さくすること、つまり結晶粒径の均一性を高めることが有効である。
【００２４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できる多結晶シリコン膜の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第１の局面に係る多結晶シリコン膜の製造方法は、基板上に膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜を形成する工程と、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールにより、前記非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する結晶化工程とを備え、前記結晶化工程は、前記レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍの範囲内となるレーザの照射エネルギー密度を選定する選定工程と、前記選定工程で選定したレーザの照射エネルギー密度で前記レーザアニールを行い、前記多結晶シリコン膜を製造する製造工程とを有するものである。
【００２６】
本発明の第２の局面に係る多結晶シリコン膜の製造方法は、基板上に膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜を形成する工程と、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールにより、前記非晶質シリコン膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する結晶化工程と、前記レーザの照射エネルギー密度を変化させつつ前記レーザアニールを行うことで形成された多結晶シリコン膜の各表面に対して可視光を含んだ所定の光を照射し、当該各表面で散乱する散乱光の強度を測定する測定工程とを備え、前記測定工程で得られた測定結果に基づき前記照射エネルギー密度に対する前記散乱光の強度をグラフ化し、前記照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値、第１の極小値、第２の極大値および第２の極小値からなる４の極値を特定するとともに、前記結晶化工程は、前記第２の極小値に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲から選定した照射エネルギー密度で前記レーザアニールを行い、前記多結晶シリコン膜を製造する製造工程を有するものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る多結晶シリコン膜の製造方法によれば、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍの範囲内となるレーザの照射エネルギー密度を選定し、この選定したレーザの照射エネルギー密度でレーザアニールを行って多結晶シリコン膜を製造する。その結果、レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できる。
【００２８】
また、本発明に係る多結晶シリコン膜の製造方法によれば、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で波長３９０ｎｍ〜６４０ｎｍのレーザを照射するレーザアニールを、レーザの照射エネルギー密度を変化させつつ行うことで形成された多結晶シリコン膜の各表面に対して可視光を含む所定の光を照射し、当該各表面で散乱する散乱光の強度を測定する。そして、この測定結果に基づき照射エネルギー密度に対する散乱光の強度をグラフ化し、照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値、第１の極小値、第２の極大値および第２の極小値からなる４の極値を特定するとともに、第２の極小値に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲から選定した照射エネルギー密度でレーザアニールを行って多結晶シリコン膜を製造する。その結果、レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１に係る多結晶シリコン膜の製造方法を説明する前に、この製造方法を実施するためのレーザアニール装置の構成をまず説明する。
【００３０】
図１は、レーザアニール装置１の要部構成を示す図である。
【００３１】
レーザアニール装置１は、例えば不要な水素を除去するための熱処理（脱水素アニール）が施された非晶質のシリコン膜２０に対しレーザ照射を行って、多結晶シリコンを生成する。すなわち、レーザアニール装置１は、ガラス基板上（以下では、単に「基板」とも称する）に形成された非結晶シリコン膜をレーザ光のスキャン照射により結晶化するレーザ結晶化を行って、多結晶シリコン膜を製造する。
【００３２】
レーザアニール装置１は、レーザ発振器１２０と、照射部１１０と、可動ステージ１３１と、駆動モータ１３２と、制御部１４０とを備えている。
【００３３】
そして、非晶質シリコン膜２０が上面に形成された基板１０は、可動ステージ１３１上に載置される。レーザ発振器１２０はＹＡＧ２ωレーザを発振する。当該レーザは照射部１１０を介して、基板１０上の非晶質シリコン膜２０に照射される。照射部１１０は、ミラー１１１とビーム成形光学系１１２とにより構成される。ビーム成形光学系１１２はレーザ発振器１２０から射出されたレーザのスポット形状を線状に成形するものであり、ミラー１１１はビーム成形光学系１１２から射出されたレーザビーム１０１を反射し、可動ステージ１３１上の非晶質シリコン膜２０に向けて照射するものである。
【００３４】
可動ステージ１３１は基板１０を支持し、レーザビーム１０１に対して移動することが可能である。つまり可動ステージ１３１が移動することにより、非晶質シリコン膜２０上においてレーザビーム１０１が走査されることになる。この可動ステージ１３１の移動は、駆動モータ１３２によって行われる。
【００３５】
制御部１４０は、駆動モータ１３２を制御して可動ステージ１３１をレーザの線状スポットの幅方向(走査方向Ｄｓ)に一定速度で移動させるとともに、レーザ発振器１２０を制御してレーザビーム１０１を発振させる。すなわち、レーザビーム１０１のプロファイル、レーザの１パルス当たりの照射エネルギー密度、走査方向およびスキャンピッチ等は、制御部１４０によって制御される。
【００３６】
以上の構成を有するレーザアニール装置１を利用し、多結晶シリコン膜を製造する方法について以下で説明する。
【００３７】
図２は、レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径等との関係を示すグラフである。このグラフは、レーザの照射エネルギー密度を変化させた実験によって得られた多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径(μｍ)と、この平均粒径に対する標準偏差(μｍ)の比率を表す粒径標準偏差相対値とをプロットしたものである。
【００３８】
この実験では、レーザの走査方向Ｄｓの照射エネルギー密度プロファイルをトップフラット分布(走査方向Ｄｓのトップ幅２０μｍ)とし、レーザビームのパルス間の送りピッチ(スキャンピッチ)を２μｍとした条件で、例えばレーザビーム１０１の照射部分に窒素ガスを吹き付けることによって、その部分の雰囲気において酸素分圧を２Ｐａ以下として波長５３２ｎｍのＹＡＧ２ωレーザの照射が行われた。そして、シリコンの酸化膜および窒化膜からなる２層構造を下地膜とし、無アルカリガラス基板として構成された基板１０上に形成された膜厚６５ｎｍの非晶質シリコン膜に対して、レーザ照射を行うことにより結晶化した粒子の粒径を計測している。
【００３９】
この粒径の計測においては、例えばＨＦおよびＫ2Ｃｒ2Ｏ７の混合液によって結晶粒界を溶解させる「Ｓｅｃｃｏエッチング」を多結晶シリコン膜に施して結晶粒界を顕在化させたものを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、このＳＥＭ観察で得られた画像に対する画像処理を行って粒径を求めている。ここでは、粒子の面積を与える円の直径（円相当径）を、その粒子の粒径とみなすとともに、５μｍ角〜１０μｍ角の領域における上記の円相当径を求めて平均したものを平均粒径としている。
【００４０】
図２を見ると、平均粒径は照射エネルギー密度の増加に伴って大きくなっており、また標準偏差相対値は照射エネルギー密度０.３８Ｊ／ｃｍ2を境に急増していることが分かる。ただし、照射エネルギー密度０.３６６〜０.３７８Ｊ／ｃｍ2の範囲Ｒｇでは、照射エネルギー密度が異なっても平均粒径が略一定となる平坦な部分（以下では「プラトー領域」という）となっている。そして、このプラトー領域における多結晶シリコン膜の結晶は、図３に示すようにレーザのスキャン方向(走査方向)と垂直方向の粒界が、０.２５μｍ±０.０３μｍ（例えば０.２６６μｍ）で等ピッチとなっている。このような粒子の平均粒径を、上述した円相当径から求めると０.２８μｍ±０.０３μｍとなる。
【００４１】
また、図２を見ると、粒径標準偏差相対値は照射エネルギー密度の増加に伴って大きくなる傾向であるものの、上記のプラトー領域、つまり照射エネルギー密度０.３６６〜０.３７８Ｊ／ｃｍ2の範囲Ｒｇでは、粒径標準偏差相対値が小さくなっている。よって、このプラトー領域においては、多結晶シリコン膜の結晶粒径の均一性が向上していることが分かる。
【００４２】
次に、プラトー領域における多結晶シリコン膜の結晶粒子の形状について説明する。
【００４３】
図４は、レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜の結晶の平均最大弦長比との関係を示すグラフである。この平均最大弦長比とは、レーザのスキャン方向における粒子の最大幅（スキャン方向の最大弦長）と、レーザのスキャン方向と垂直な方向における粒子の最大幅（垂直方向の最大弦長）とに関して平均値をそれぞれ求めた後に、その垂直方向の平均値とスキャン方向の平均値との比率を算出したものであり、平均最大弦長比が１(１００％)に近いほど結晶形状についての等方性が高いこととなる。
【００４４】
図４を見ると、平均最大弦長比は照射エネルギー密度が低い領域で１００％より大きく、照射エネルギー密度が高い領域で１００％より小さいことが分かる。そして、上記のプラトー領域に対応する照射エネルギー密度の範囲Ｒｈ(図２)を含む照射エネルギー密度０.３６６〜０.３９０Ｊ／ｃｍ2の範囲Ｒｈでは、平均最大弦長比が１００％±５％の範囲内の数値となっている。
【００４５】
薄膜トランジスタのチャネルは一般に縦方向および横方向に形成されるが、これら各方向による特性の違いは少ない方が好ましい。ここで、このような薄膜トランジスタ特性のばらつきを低減するには、シリコン結晶の粒子形状の等方性が高いほど、つまり上記の平均最大弦長比が１００％に近いほど効果的となる。
【００４６】
すなわち、上述した平均最大弦長比が１００％付近の照射エネルギー密度０.３６６〜０.３９０Ｊ／ｃｍ2の範囲Ｒｈでは、シリコンの結晶が等方的となり、トランジスタの方向依存性が小さくなるため、薄膜トランジスタの品質が向上することとなる。
【００４７】
次に、プラトー領域における多結晶シリコン膜の表面の状態を説明する。
【００４８】
図５は、レーザの照射エネルギー密度を変化させた場合の各光学顕微鏡像を示す図である。ここで、図５(ａ)〜図５(ｆ)については、それぞれ照射エネルギー密度を０.３５５Ｊ／ｃｍ2、０.３７８Ｊ／ｃｍ2、０.３８９Ｊ／ｃｍ2、０.４０１Ｊ／ｃｍ2、０.４１２Ｊ／ｃｍ2、０.４３５Ｊ／ｃｍ2に設定して得られた光学顕微鏡写真である。
【００４９】
レーザの照射エネルギー密度が０.３７８Ｊ／ｃｍ2の場合には、図５(ｂ)に示すようにシリコン膜の表面において、レーザのスキャン方向と垂直な方向に延びる筋状の凹凸（以下では「縦筋」という）が視認可能に現われ始めるが、これより低い照射エネルギー密度０.３５５Ｊ／ｃｍ2の場合には、図５(ａ)に示すように縦筋が現われていない。なお、図示は省略しているが、レーザの照射エネルギー密度が０.３５５Ｊ／ｃｍ2と０.３７８Ｊ／ｃｍ2との中間値である０.３６６Ｊ／ｃｍ2の場合にも、図５(ａ)と同様に縦筋が現われないことを確認している。
【００５０】
縦筋はシリコン膜の表面が凹凸形状であるために視認されるものであり、縦筋の発生はシリコン膜の表面が粗いことを示している。よって、図５(ｃ)〜図５(ｆ)からは、縦筋が生じ始める０.３７８Ｊ／ｃｍ2から照射エネルギー密度が大きくなるほど、縦筋の密度が高くなって表面粗さも増加することが分かる。なお、図５(ｅ)に示す照射エネルギー密度０.４１２Ｊ／ｃｍ2の場合には、照射エネルギー密度０.４０１Ｊ／ｃｍ2の場合(図５(ｄ))および０.４３５Ｊ／ｃｍ2の場合(図５(ｆ))に比べて、縦筋のコントラストが多少弱くなっている。この現象については後述の実施の形態４で説明する。
【００５１】
以上説明したように、プラトー領域に対応するレーザの照射エネルギー密度の範囲（約０.３７〜０.３８Ｊ／ｃｍ2）では、図２に示すように照射エネルギー密度に対する粒径(平均粒径)の変化が小さくなるとともに、粒径標準偏差相対値が小さくなって粒径のばらつきが抑えられ、結晶形状の等方性も向上するという特性を有している。さらに、図５に示す光学顕微鏡像のようにプラトー領域に対応する照射エネルギー密度の範囲では、シリコン膜の表面粗さが小さく縦筋の発生が認められないが、プラトー領域を超える照射エネルギー密度では、縦筋の発生が光学顕微鏡像で観察されるようになる。
【００５２】
このようなプラトー領域に対応する照射エネルギー密度の範囲では、上述のようにトップフラット分布のプロファイルを有するレーザを膜厚６５ｎｍのシリコン膜に照射する場合に限らず、シリコン膜の膜厚を６０〜８０ｎｍで変化させたりビームのプロファイルをガウシアン分布に設定する場合であっても、結晶粒径のばらつきが抑えられるといった上記の特性を得られることが、実験で確認されている(図示等は省略)。すなわち、シリコン膜厚やビームプロファイルを変化させるとプラトー領域に関する照射エネルギー密度が増減するが、プラトー領域の照射エネルギー密度を選定すればビームの走査方向と垂直な方向に関するシリコン膜の結晶粒界が０.２５μｍ±０.０３μｍの等ピッチになるとともに、結晶粒径(円相当径)が０.２８μｍ±０.０３μｍとなって略一定になる。
【００５３】
以上のことから、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気でレーザアニールを行うことにより多結晶シリコンを生成する際には、多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍとなるプラトー領域の照射エネルギー密度(の範囲)を選定するとともに、この選定した照射エネルギー密度でレーザアニールを行って多結晶シリコン膜を製造するようにする。これにより、シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できるとともに結晶形状の等方性が高まるため、薄膜トランジスタの特性のばらつきが低減されて信頼性の向上を図れることとなる。また、酸素分圧が２Ｐａ以下の雰囲気で膜厚６０ｎｍ以上の非晶質シリコン膜に対してレーザ照射を行うことにより、シリコン膜の表面における突起が小さくなって、表面粗さを小さく保ちつつ、結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を生成できることとなるが、これについて図６を参照しつつ説明する。
【００５４】
図６は、膜厚７０μｍの非晶質シリコン膜にＹＡＧ２ωレーザアニールを行った場合における、レーザの照射エネルギー密度と、形成された多結晶シリコン膜の表面粗さとの関係を示すグラフである。なお、図６のグラフ中には、代表的なポイントに、上述した「Ｓｅｃｃｏエッチング」を施してＳＥＭで測定した多結晶シリコン膜の結晶サイズも記入している。
【００５５】
図６のグラフにおいて、シリコン膜の結晶がサブミクロンサイズとなる照射エネルギー密度の範囲で比較すると、酸素分圧が２Ｐａ以下(真空を含む)である場合と、それを超える場合とで、照射エネルギー密度と表面粗さとの関係が大きく異なっていることが分かる。
【００５６】
具体的には、酸素分圧が２Ｐａを超える場合には、レーザの照射エネルギー密度を上げて多結晶シリコン膜の結晶粒径がサブミクロンオーダー以上（特に０．２μｍ以上）にすると、表面粗さが３０ｎｍを大きく超えている。これに対し、酸素分圧が２Ｐａ以下である場合には、多結晶シリコン膜の結晶粒径が１μｍ程度になるような高い照射エネルギー密度であっても、表面粗さは３０ｎｍ程度に抑えられている。つまり、レーザ照射雰囲気の酸素分圧を２Ｐａ以下にすることによって、表面粗さを小さく保ちつつ、結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を作成することができることとなる。
【００５７】
一方、非晶質シリコンの膜厚５０ｎｍ、６０ｎｍ、１００ｎｍのサンプルについても、同様にレーザ照射雰囲気の酸素分圧を変化させて、作成した多結晶シリコン膜の表面粗さの測定および表面のＳＥＭ観察を行う実験を実施した。
【００５８】
その結果、膜厚６０ｎｍ、１００ｎｍのサンプルでは、上記の膜厚７０μｍと同様に、酸素分圧２Ｐａ以下での突起の縮小効果が確認されたものの、膜厚５０ｎｍのサンプルでは、酸素分圧を小さくすることによって表面粗さが減少する傾向は見られたが、表面の突起の大きさ自体は明確には縮小されなかった。
【００５９】
以上の実験結果から、６０ｎｍ以上の膜厚の非晶質シリコン膜に対し、酸素分圧２Ｐａ以下の雰囲気でＹＡＧ２ωレーザアニールを行うと、多結晶シリコン膜表面の突起を小さくして、表面粗さを小さくすることができることが分かる。
【００６０】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２に係る多結晶シリコン膜の製造方法については、図１に示すレーザアニール装置１を用いレーザアニールによって多結晶シリコン膜を形成する点で実施の形態１と類似しているが、上述したプラトー領域に係るレーザの照射エネルギー密度を選定する方法が異なっている。
【００６１】
このプラトー領域に係る照射エネルギー密度の選定方法について、以下で詳しく説明する。
【００６２】
＜プラトー領域に係る照射エネルギー密度の選定方法について＞
上述のようにレーザの照射エネルギー密度とシリコン膜の結晶粒径との関係は、レーザのビームプロファイルやシリコン膜厚によって変化する。そこで、実施の形態１では、Ｓｅｃｃｏエッチングによりシリコン膜の結晶粒を顕在化してからＳＥＭ観察を行うことで、結晶粒径が０.２８μｍ±０.０３μｍとなるプラトー領域の照射エネルギー密度を選定していた。
【００６３】
これに対して、実施の形態２では、実施の形態１のようにＳｅｃｃｏエッチング（およびＳＥＭ観察）を行わずに、シリコン膜の表面を単に光学顕微鏡で観察することによって適切な照射エネルギー密度を選定するようにしている。
【００６４】
すなわち、図５に示すような光学顕微鏡像において縦筋が現われ始めるレーザの照射エネルギー密度、つまり図５(ｂ)の照射エネルギー密度０.３７８Ｊ／ｃｍ2を求め、この照射エネルギー密度を基準としてプラトー領域に係る照射エネルギー密度を選定する。具体的には、縦筋が現れる照射エネルギー０.３７８Ｊ／ｃｍ2から、これより５％程度低い照射エネルギー密度までの範囲を、プラトー領域に係るレーザの照射エネルギー密度の範囲として選定する。このようにプラトー領域に係る照射エネルギー密度の下限値として、縦筋が現れる照射エネルギー密度の９５％程度の値を採用するのは、図２に示すプラトー領域に係る照射エネルギー密度の範囲Ｒｇの下限値が上限値の９５％程度であることや、経験的に得られた知見によるものである。
【００６５】
以上のことから、レーザアニールによって形成される多結晶シリコン膜の表面でレーザの走査方向と垂直な方向に沿った筋状の凹凸が生じるレーザの照射エネルギー密度の下限値を特定し、この特定した下限値から当該下限値の９５％までの範囲においてレーザの照射エネルギー密度を選定するようにすれば、光学顕微鏡観察だけでプラトー領域に係る適切な照射エネルギー密度の範囲を選定できるため、その選定が一層容易になる。そして、選定された照射エネルギー密度の範囲内でレーザ照射を行えば、実施の形態１のようにシリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できるとともに結晶形状の等方性が高まるため、薄膜トランジスタの特性ばらつきが低減されて信頼性の向上を図れる。
【００６６】
なお、光学顕微鏡を用いたシリコン膜の表面の観察においては、縦筋が現れるか否かを目視で判断するのは必須でなく、光学顕微鏡を用いて得られた画像に対して画像処理を施し機械的に判断するようにしても良い。
【００６７】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３に係る多結晶シリコン膜の製造方法については、図１に示すレーザアニール装置１を用いレーザアニールによって多結晶シリコン膜を形成する点で実施の形態１と類似しているが、上述したプラトー領域に係るレーザの照射エネルギー密度を選定する方法が異なっている。
【００６８】
このプラトー領域に係る照射エネルギー密度の選定方法について、以下で詳しく説明する。
【００６９】
＜プラトー領域に係る照射エネルギー密度の選定方法について＞
実施の形態３に係るプラトー領域の照射エネルギー密度の選定においては、実施の形態１〜２のように走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や光学顕微鏡を用いてシリコン膜の結晶状態を判断するのではなく、シリコン膜の表面に照射された光の散乱光強度を測定しシリコン膜の結晶状態について簡易で客観的な判断を行えるようにしている。この散乱光強度の測定について、以下で説明する。
【００７０】
図７は、シリコン膜の散乱光強度を測定する測定装置３の構成を示す概略図である。
【００７１】
測定装置３は、シリコン膜２１に光を照射する光照射部３０と、光照射部３０から照射されシリコン膜２１の表面で散乱(反射)した光を検知する光検知部３３とを備えている。
【００７２】
光照射部３０は、シリコン膜２１の上方に配置された光源３１と、光源３１から発せられた光をコリメート（平行化）させるレンズ３２とを有している。この光源３１は、例えば白色光を射出する白色ＬＥＤとして簡易に構成されている。このような構成の光照射部３０により、基板１０上のシリコン膜２１に対して、その垂直方向から数ｍｍ程度のスポット光の照射を行える。
【００７３】
光検知部３３は、シリコン膜２１で散乱した光を集光するレンズ３４と、レンズ３４で集光された光を検知するフォトダイオード３５とを備えており、光照射部３０から射出される光の光路に対して角度θだけ傾斜した方向からの光検知が行われる。このフォトダイオード３５は、例えばシリコン(Ｓｉ)フォトダイオードとして構成されており、シリコン膜２１の表面で散乱した光の強度を測定する。
【００７４】
このような測定装置３を利用し、プラトー領域に係るレーザの照射エネルギー密度を選定する方法について説明する。
【００７５】
まず、非晶質シリコン膜に対して照射エネルギー密度を変化させつつレーザ照射を行うことにより、レーザの照射エネルギー密度が異なる複数の多結晶シリコン膜を作成する。そして、各多結晶シリコン膜の表面における散乱光の強度を測定装置３を用いて測定する。この測定結果からプラトー領域に係る照射エネルギー密度を選定することとなるが、この選定方法について以下で説明する。
【００７６】
図８は、レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜表面での散乱光の強度との関係を示すグラフである。すなわち、図８のグラフでは、レーザの照射エネルギー密度を変化させつつレーザアニールを行うことで形成された多結晶シリコン膜の各表面に対して白色光を照射し、当該各表面で散乱する散乱光の強度を測定した測定結果をプロットしている。この散乱光強度の測定では、図７に示す測定装置３の角度θを５５度とし暗室内で測定を行った。
【００７７】
図８のグラフにおいては、散乱光強度に関して照射エネルギー密度０.３４Ｊ／ｃｍ2付近に第１の極大値(ピーク)Ｐ１が存在し、０.３９Ｊ／ｃｍ2付近に第２の極大値(ピーク)Ｐ２が存在する。この第１の極大値Ｐ１と第２の極大値Ｐ２との間にある第１の極小値Ｍ１は、照射エネルギー密度が０.３６６Ｊ／ｃｍ2であり、上述のプラトー領域に係る照射エネルギー密度の範囲に属している。よって、この第１の極小値Ｍ１付近に照射エネルギー密度を設定してレーザ照射を行うことにより適切な多結晶シリコン膜を生成できることとなる。また、照射エネルギー密度が第２の極大値Ｐ２より大きくなると散乱光強度が一旦低下し、照射エネルギー密度０.４１２Ｊ／ｃｍ2で第２の極小値Ｍ２をとる。
【００７８】
第１の極大値Ｐ１については、この照射エネルギー密度付近でのレーザ照射によってシリコン膜の結晶サイズが０.２μｍ以下となるため、顕微鏡によってシリコン膜表面の凹凸を観察できないものの、粒界に生じた突起での散乱による散乱光の極大値と考えられる。そして、第１の極大値Ｐ１より照射エネルギー密度が高くなるとシリコン膜の結晶サイズが大きくなって粒界の数が減少するため、散乱光強度が低下し、プラトー領域に係る適切な照射エネルギー密度を与える第１の極小値Ｍ１をとるものと考えられる。この第１の極小値Ｍ１を超えると、シリコン膜の表面において部分的に大きな結晶が生じ、これが縦筋(図５参照)となって表面粗さを増加させる。
【００７９】
以上のことから、測定装置３を用いて事前にレーザの照射エネルギー密度と散乱光強度との関係を調べた上で、散乱光強度に関する最初のピーク(第１の極大値Ｐ１)と次のピーク(第２の極大値Ｐ２)との間に存在する極小値(第１の極小値Ｍ１)を与える照射エネルギー密度を求めれば、プラトー領域に係るレーザの照射エネルギー密度が選定できることとなる。この照射エネルギー密度の選定においては、第１の極小値に対応する照射エネルギー密度０.３６６Ｊ／ｃｍ2を中心とした一定の範囲、具体的には最適値０.３６６Ｊ／ｃｍ2と上述したプラトー領域の上限値０.３７８Ｊ／ｃｍ2との差０.０１Ｊ／ｃｍ2だけ前後に幅をもった照射エネルギー密度０.３６６±０.０１Ｊ／ｃｍ2の範囲内の値となるようにする。
【００８０】
すなわち、測定装置３で得られた測定結果に基づきレーザの照射エネルギー密度に対する散乱光の強度を図８のようにグラフ化し、照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値Ｐ１、第１の極小値Ｍ１、第２の極大値Ｐ２および第２の極小値Ｍ２からなる４の極値を特定するとともに、この第１の極小値Ｍ１に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲において照射エネルギー密度を選定するようにする。これにより、プラトー領域に関する適切な照射エネルギー密度の範囲を定量的で客観的に選定できるため、この選定した照射エネルギー密度の範囲内でレーザ照射を行えば、実施の形態１のようにシリコン膜の結晶粒径の均一性を向上できるとともに結晶形状の等方性を高めることが可能となる。
【００８１】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４に係る多結晶シリコン膜の製造方法については、シリコン膜表面の散乱光強度を測定することにより適切なレーザの照射エネルギー密度の範囲を選定しレーザアニールを行う点で実施の形態３と類似しているが、プラトー領域と異なる適切な照射エネルギー密度の範囲を選定する点が異なっている。この適切な照射エネルギー密度の選定について、以下で詳しく説明する。
【００８２】
＜適切な照射エネルギー密度の選定について＞
実施の形態４に係る適切な照射エネルギー密度の選定では、実施の形態３と同様にシリコン膜表面の散乱光強度を測定して行うこととなるが、実施の形態３で選定する照射エネルギーの範囲と異なる適切な照射エネルギー密度を選定するようにしている。
【００８３】
図８に示すように第２の極大値Ｐ２を与える照射エネルギー密度０.３９Ｊ／ｃｍ2を超えると、照射エネルギー密度０.４０Ｊ／ｃｍ2で散乱光の強度が一旦減少し、第２の極小値Ｍ２をとっている。この第２の極小値Ｍ２付近の散乱光強度とシリコン膜の結晶状態との関係について図９〜図１１を参照して説明する。
【００８４】
図９は、照射エネルギー密度０.３９Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図であり、図１０は、照射エネルギー密度０.４０Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図である。また、図１１は、照射エネルギー密度０.４１Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図である。なお、図９〜図１１は、シリコン膜の結晶をＳＥＭ観察して得られたものである。
【００８５】
レーザの照射エネルギー密度０.３９Ｊ／ｃｍ2での結晶状態においては、図９に示すように部分的に大きいサイズの結晶が現れて始めている。よって、この０.３９Ｊ／ｃｍ2より低い照射エネルギー密度では、シリコン膜表面の凹凸が顕著になって、結晶粒径のばらつきが大きくなる。
【００８６】
第２の極小値Ｍ２(図８)を与えるレーザの照射エネルギー密度０.４０Ｊ／ｃｍ2での結晶状態については、図１０に示すように比較的大きなサイズの結晶が面全体を埋めた状態になる。このように結晶粒径のばらつきが小さくなる状態では、シリコン膜の表面粗さが減少し、散乱光の強度が一旦低下することとなる。
【００８７】
また、レーザの照射エネルギー密度０.４１Ｊ／ｃｍ2での結晶状態においては、図１１に示すように図１０の結晶サイズより大きいサイズの結晶と小さいサイズの結晶との２分化が生じ結晶粒径のばらつきが大きくなり始めている。
【００８８】
以上のことから第２の極小値Ｍ２を与える照射エネルギー密度０.４J／ｃｍ2の付近、具体的には０.４０±０.０１Ｊ／ｃｍ2の範囲では、プラトー領域に係る照射エネルギー密度のレーザ照射で生成された結晶(図３参照)に比べて結晶粒径のばらつきが多少大きくなるものの、結晶の平均粒径が０.６μｍを超えるため、良好な特性の薄膜トランジスタが得られることとなる。
【００８９】
すなわち、測定装置３で得られた測定結果に基づきレーザの照射エネルギー密度に対する散乱光の強度を図８のようにグラフ化し、照射エネルギー密度の低い順に第１の極大値Ｐ１、第１の極小値Ｍ１、第２の極大値Ｐ２および第２の極小値Ｍ２からなる４の極値を特定するとともに、この第２の極小値に対応する照射エネルギー密度を中心とした±１０ｍＪ／ｃｍ2の範囲において照射エネルギー密度を選定するようにする。これにより、適切な照射エネルギー密度の範囲を定量的で客観的に選定できるため、この選定した照射エネルギー密度の範囲内でレーザ照射を行えば、シリコン膜の結晶粒径の均一性を向上でき、品質の高い薄膜トランジスタが得られることとなる。
【００９０】
＜変形例＞
上記の各実施の形態１〜４におけるレーザ照射については、ＹＡＧ２ωレーザに限らず、波長が３９０ｎｍから６４０ｎｍの範囲のレーザであれば同様の効果が得られる。すなわち、例えばＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波などが使用できる。
【００９１】
上記の実施の形態３〜４における散乱光強度測定用の光源については、白色光を発するものに限らず、可視光を含んだ光を発するもので良い。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザアニール装置１の要部構成を示す図である。
【図２】レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜の結晶の平均粒径等との関係を示すグラフである。
【図３】プラトー領域に係る多結晶シリコン膜の結晶状態を示す図である。
【図４】レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜の結晶の平均最大弦長比との関係を示すグラフである。
【図５】レーザの照射エネルギー密度を変化させた場合の各光学顕微鏡像を示す図である。
【図６】膜厚７０μｍの非晶質シリコン膜にレーザアニールを行った場合における、レーザの照射エネルギー密度と、形成された多結晶シリコン膜の表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図７】シリコン膜の散乱光強度を測定する測定装置３の構成を示す概略図である。
【図８】レーザの照射エネルギー密度と、レーザ照射により生成された多結晶シリコン膜表面での散乱光の強度との関係を示すグラフである。
【図９】照射エネルギー密度０.３９Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図である。
【図１０】照射エネルギー密度０.４０Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図である。
【図１１】照射エネルギー密度０.４１Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射した場合のシリコン膜の結晶状態を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  レーザアニール装置、３  散乱光強度の測定装置、１０  基板、２０，２１  シリコン膜、３１  光源、３５  フォトダイオード、１０１  レーザビーム、１２０  レーザ発振器、Ｄｓ  レーザの走査方向、Ｍ１  第１の極小値、Ｍ２  第２の極小値、Ｐ１  第１の極大値(ピーク)、Ｐ２  第２の極大値(ピーク)。    
【図１】
2008016717.tif 000003
【図２】
2008016717.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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