(57)【要約】【課題】半導体膜の表面の状態や結晶性にむらが生じるのを抑え、半導体膜の結晶化を均一に行なうことができるレーザ照射装置の提供を課題とする。本発明はさらに、該レーザ照射装置を用い、ＴＦＴのオン電流、移動度、閾値のばらつきを抑えることができる半導体装置の作製方法と、該作製方法を用いて作製された半導体装置の提供を課題とする。【解決手段】絶縁表面上に形成された半導体膜に、イオンドーピング法を用いて希ガスを添加し、希ガスの雰囲気下において、希ガスが添加された半導体膜に第１及び第２のレーザ光を照射する半導体装置の作製方法であって、第１のレーザ光は高調波を有しており、第２のレーザ光は基本波を有しており、第１及び第２のレーザ光の照射の際に、希ガスが添加された半導体膜に磁場を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。【選択図】  図１
2004158795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、イオンドーピング法を用いて希ガスを添加し、
希ガスの雰囲気下において、前記希ガスが添加された半導体膜に第１及び第２のレーザ光を照射する半導体装置の作製方法であって、
前記第１のレーザ光は高調波を有しており、
前記第２のレーザ光は基本波を有しており、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記希ガスが添加された半導体膜に磁場を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、イオンドーピング法を用いて希ガスを添加し、
希ガスの雰囲気下において、前記希ガスが添加された半導体膜に連続発振の第１及び第２のレーザ光を照射する半導体装置の作製方法であって、
前記第１のレーザ光は高調波を有しており、
前記第２のレーザ光は基本波を有しており、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記希ガスが添加された半導体膜に、前記半導体膜に対して垂直の方向に磁場を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、イオンドーピング法を用いて希ガスを添加し、
希ガスの雰囲気下において、前記希ガスが添加された半導体膜に連続発振の第１及び第２のレーザ光を照射する半導体装置の作製方法であって、
前記第１のレーザ光は高調波を有しており、
前記第２のレーザ光は基本波を有しており、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記希ガスが添加された半導体膜に、前記第１のレーザ光の走査方向と平行となる方向に磁場を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、イオンドーピング法を用いて希ガスを添加し、
希ガスの雰囲気下において、前記希ガスが添加された半導体膜に連続発振の第１及び第２のレーザ光を照射する半導体装置の作製方法であって、
前記第１のレーザ光は高調波を有しており、
前記第２のレーザ光は基本波を有しており、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記希ガスが添加された半導体膜に、前記半導体膜に対して平行であり、なおかつ前記第１のレーザ光の走査方向と垂直となる方向に磁場を印加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、
前記第１及び第２のレーザ光は連続発振であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
前記第１のレーザ光は第２高調波であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項において、
前記第１のレーザ光のビームスポットは、前記第２のレーザ光のビームスポットに完全に重なっていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項において、
前記希ガスはＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項において、
前記希ガスの濃度は、５×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項において、前記磁場の磁束密度は１０００Ｇ〜１００００Ｇであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
第１及び第２のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ発振器から発振された第１のレーザ光を集光する第１の光学系と、
前記第２のレーザ発振器から発振された第２のレーザ光を集光する第２の光学系と、
前記第１及び第２のレーザ光を透過する窓を備えたチャンバーと、
前記チャンバー内にガスを供給する手段と、
前記チャンバー内の排気を行なう手段と、
被処理物を載置するステージと、
前記被処理物に磁場を印加する手段と、
を有し、
前記第１のレーザ光は高調波を有しており、前記第２のレーザ光は基本波を有していることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記第１及び第２のレーザ発振器は連続発振であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、
前記第１のレーザ光は第２高調波であることを特徴とするレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体膜の結晶化に用いられる連続発振のレーザ照射装置に関する。また該レーザ照射装置を用いて半導体膜を結晶化する工程を含む半導体装置の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（多結晶ＴＦＴ）は、非晶質半導体膜を用いたＴＦＴに比べて移動度が２桁以上高く、半導体表示装置の画素部とその周辺の駆動回路を同一基板上に一体形成できるという利点を有している。
【０００３】
多結晶半導体膜は、レーザアニール法を用いることで、安価なガラス基板上に形成することができる。しかし発振器から出力されるレーザ光のエネルギーは、様々な要因によって少なくとも数％の揺らぎを有しており、この揺らぎによって半導体膜の結晶化を均一に行なうことが妨げられている。結晶化が均一に行なわれず、多結晶半導体膜の結晶性にばらつきが生じると、該多結晶半導体膜を活性層として用いるＴＦＴの特性、例えばオン電流、移動度等にばらつきが生じてしまう。
【０００４】
例えば、各画素に発光素子と、該発光素子への電流の供給を制御するＴＦＴとが各画素に設けられたアクティブマトリクス型の発光装置の場合、ＴＦＴのオン電流にばらつきが生じると、発光素子の輝度もそれに合わせてばらついてしまう。
【０００５】
また、大気中においてレーザ光を照射し結晶化を行なった場合、半導体膜の表面に多少なりとも荒れが生じる。この半導体膜の表面の荒れは、レーザ光のエネルギーの強度が強いほど顕著に現れる。そして表面の荒れが著しい領域ほど光が散乱して明るく見えるため、エネルギーの揺らぎに起因する数ミリ間隔の縞状の濃淡が視認される場合がある。
【０００６】
なお、半導体膜の表面状態がレーザ光照射時における雰囲気中の酸素と密接な関連性を有していることが、下記特許文献１に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１３８１８０号公報（第３−４頁）
【０００８】
上記特許文献１には、雰囲気中における酸素の含有量が多い程、レーザ光の照射により結晶化された半導体膜の表面の荒れが著しくなることが記載されており、さらにレーザ光の照射の際にＡｒを半導体膜に吹き付けることについて記載されている。
【０００９】
半導体膜の表面が荒れると、半導体膜と、該半導体膜に接して形成されるゲート絶縁膜との界面における界面準位密度が高くなり、閾値電圧がよりノーマリーオフ側へ変化する。よってレーザ光のエネルギーの揺らぎによって半導体膜の表面の状態にむらが生じると、後に形成されるゲート絶縁膜との界面における界面準位密度にばらつきが生じ、ＴＦＴの閾値がばらついてしまう。
【００１０】
また半導体膜への吸収係数が大きいレーザ光を用いることで、半導体膜の結晶化をより効率良く行なうことができる。吸収係数は半導体膜の材料及び膜厚によっても異なるが、半導体装置に通常用いられる数十〜数百ｎｍ厚のシリコン膜をエキシマレーザやＹＶＯ４レーザで結晶化させる場合、基本波よりも波長が短い第２高調波の方が吸収係数が高く、より効率良く結晶化を行なうことができる。
【００１１】
そのため、結晶化の効率を高めるために、非線形光学素子を用いた波長の変換が一般的に行なわれている。しかし高調波に変換されたレーザ光は、基本波の場合に比べてそのエネルギーが低くなりがちである。例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、基本波（波長：１０６４ｎｍ）から第２高調波（波長：５３２ｎｍ）へ変換効率は５０％前後である。レーザ光のエネルギーが落ちると結晶化におけるスループットが落ちてしまい、生産性が悪くなる。
【００１２】
また非線形光学素子はレーザ光によって劣化されやすく耐久性に劣るため、エネルギーの高い高調波のレーザ光を得るために基本波のエネルギーを高めると、メンテナンスを頻繁に行なう必要性が高くなりよろしくない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題に鑑み、半導体膜の表面の状態や結晶性にむらが生じるのを抑え、半導体膜の結晶化を均一に行なうことができるレーザ照射装置の提供を課題とする。本発明はさらに、該レーザ照射装置を用い、ＴＦＴのオン電流、移動度、閾値のばらつきを抑えることができる半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
【００１４】
さらに本発明は、上述した問題に鑑み、スループットの高いレーザ照射方法及びレーザ処理装置の提供を課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
レーザ光のエネルギー密度と半導体膜の結晶性との間には密接不可分な関係があると推測される。しかし本発明者らは、輝度のばらつきが視認されるほどの大きな結晶性のばらつきは、数％のエネルギー密度の揺らぎという原因のみでは説明がつかないと考えた。そこで、エネルギー密度の揺らぎによって生じるだろう、結晶性を左右する２次的な要因について考察した。
【００１６】
本発明者らは、大気中に存在する酸素または窒素の、レーザ光により溶融した半導体膜への混入に着目した。
【００１７】
レーザ光の照射により瞬間的に溶融した半導体膜は、パルス発振では数十ｍ／ｓ、連続発振では数ｃｍ／ｓの比較的速い速度で再結晶化すると言われており、そのため空気中の不純物は熱平衡状態の溶解度以上に半導体膜中に溶解すると推測される。
【００１８】
そして、半導体膜の結晶化に用いられるレーザ光の照射時間は、走査速度にも依存するが、パルス発振だと数〜数十ナノ秒程度であるのに対し、連続発振だと数〜数十マイクロ秒程度と比較的長い。そのため連続発振の方がパルス発振よりも、半導体膜が溶融している時間が長いため、空気中の不純物が半導体膜により混入しやすいと考えられる。
【００１９】
そして半導体膜の温度が高いほど気体の溶解度も高まるので、より空気中の不純物が半導体膜中に溶解しやすくなる。よって、エネルギー密度の揺らぎにより、半導体膜に与えられる温度に高低差が生じると、半導体膜の不純物の濃度にばらつきが生じると推測される。
【００２０】
大気中から混入した酸素や窒素等の不純物は、溶融した半導体膜中における偏析係数が正であるので、再結晶化の際に粒界に偏析しやすい。この粒界偏析（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）と呼ばれる現象は、固溶度の小さい不純物ほど起きやすい。偏析した酸素や窒素などの不純物は、シリコンと結合し、酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素などの絶縁物を形成しやすい。そして粒界に偏析した該絶縁物が、半導体膜中におけるキャリアの移動を妨げ、移動度低下の原因となる。
【００２１】
したがって、エネルギー密度の揺らぎによって生じる不純物濃度のばらつきが、半導体膜の移動度のばらつきの原因となっていると考えられる。
【００２２】
そこで本発明者らは、レーザ光の照射による結晶化の前に半導体膜にＡｒをドーピングした後、Ａｒ雰囲気中で該半導体膜にレーザ光を照射して結晶性を高めるようにした。なお、ドーピングする元素はＡｒに限定されず、０族の元素（希ガス元素）であれば良い。またレーザ光を照射する際に必ずしもＡｒ雰囲気にする必要はなく、０族の気体または０族の気体に水素を添加した気体であれば良い。０族の元素は半導体膜中において中性であり、ドーパントととならないということと、シリコンに代表される半導体を構成する元素と化合物を形成しにくいという点で最も適している。特にＡｒは安価であるため、半導体装置の作製工程にかかるコストを抑えることができる。
【００２３】
そして、半導体膜にＡｒをドーピングしてからレーザ光を照射する工程までは、半導体膜を酸素が含まれる雰囲気中に曝さないように、ロードロック方式のチャンバー内において行なう。例えば半導体膜を成膜する工程を行なうチャンバーと、半導体膜にＡｒをドーピングする工程を行うチャンバーと、半導体膜にレーザ光を照射するチャンバーとを有するマルチチャンバー方式の製造装置を用いることで、半導体膜を大気に曝すことなく、一連の工程を順に行なうことができる。
【００２４】
一定体積の液体に溶ける気体の質量は、液体に接している気体の分圧に比例する。よって、半導体膜中に予めＡｒ等をドーピングしておき、なおかつＡｒ等の雰囲気中でレーザ光を照射することで、半導体膜中に大気中から酸素や窒素が入り込むのを効果的に防ぐことができる。
【００２５】
したがって、エネルギー密度の揺らぎによって生じる不純物濃度のばらつきを抑え、半導体膜の移動度のばらつきを抑えることができる。また該半導体膜を用いて形成されたＴＦＴにおいては、移動度に加えてオン電流のばらつきをも抑えることができる。
【００２６】
また特許文献１に記載されている通り、経験則により酸素が存在する雰囲気中においてレーザ光を照射すると、半導体膜の表面が荒れる。しかし本発明の構成によって、レーザ光照射による半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じる閾値のばらつきを抑えることができる。
【００２７】
また半導体膜が溶融すると、温度勾配や表面張力の差などによって、半導体膜内に流動が生じると考えられる。本発明者らは、該流動によって、半導体膜の表面から入った酸素や窒素などの不純物が局所的に偏って分布してしまうのではないかと考えた。半導体膜内における流動は、半導体膜の温度が高くなると不規則さが増す。その結果、再結晶化の際に微視的な再溶解が起こるため、固相と液相の界面が不均一になり、不純物が不規則に偏析してしまう。
【００２８】
そこで本発明では、レーザ光を照射する際に半導体膜に磁場をかけ、流動を抑える。シリコンは固相では半導体だが、液相では導電体である。導電体に磁場を加えると、フレミングの法則により、磁力線を横切って移動する導体内部に電流が発生し、この電流によって導電体は移動方向と反対向きの力を受けるので粘性が高まり、流動を抑えることができる。したがって流動による不純物の偏析を抑えることができ、移動度やオン電流のばらつきを抑えることができる。
【００２９】
また、磁場を加えることで半導体膜の粘性が高まると、酸素や窒素などの不純物が半導体膜に入り込むのを防ぐことができ、半導体膜の移動度をより高めることができるとも考えられる。
【００３０】
なお磁場はコイルなどを用いて電磁誘導により発生させて印加しても良いし、永久磁石を用いて印加しても良い。永久磁石としては、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、異方性フェライト磁石、等方性フェライト磁石、アルニコ磁石、ネオジボンド磁石やその他の磁石を用いることができる。
【００３１】
なお本発明では、触媒元素を半導体膜に添加した後、レーザ光の照射を行ない結晶性を高めるようにしても良い。
【００３２】
さらに本発明では、半導体膜に吸収されやすい高調波に変換された第１のレーザ光と、基本波を有する第２のレーザ光を同時に半導体膜に照射し、結晶化を行なう。具体的に第１のレーザ光は、可視光よりも短い波長を有する。
【００３３】
本発明では半導体膜に吸収されやすい高調波に変換された第１のレーザ光を照射することで半導体膜を溶融し、基本波の吸収係数を高める。その状態で基本波を有する第２のレーザ光の照射をすることで、基本波の吸収係数が高められた半導体膜に第２のレーザ光が効率良く吸収されるので、レーザ結晶化のスループットを高めることができる。
【００３４】
第２のレーザ光は波長を変換する必要がないので、非線形光学素子の劣化を考慮してエネルギーを抑えなくともよい。例えば第２のレーザ光は、第１のレーザ光の１００倍以上の出力とすることも可能である。よって非線形光学素子のメンテナンスの煩雑さをなくし、半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーを高めることができ、より大粒径の結晶を得ることができる。
【００３５】
なおレーザ光は２つに限定されず、２つ以上であれば良い。高調波を有する第のレーザ光を複数用いたり、基本波を有する第２のレーザ光を複数用いていても良い。
【００３６】
また基本波の照射により、高調波のエネルギーを補うという効果の他に、レーザ結晶化において半導体膜の温度が急激に低下するのを抑えることができ、より粒径の大きい結晶に成長させることができるという効果を得ることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１を用いて、本発明のレーザ光の照射方法について説明する。図１（Ａ）に、基板１００上に形成された半導体膜１０１にレーザ光を照射する様子を示す。本発明では、レーザ光の照射による結晶化の前に、半導体と化合物を形成しにくく、なおかつ半導体膜中で中性を示してドーパントとして機能しない０族の元素を、半導体膜１０１にドーピングする。
【００３８】
ドーピングする０族の元素として、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等が代表的に挙げられる。０族の元素のドーピングは、半導体膜に導電性を付与するＰやＢのドーピングと同様に、プラズマ化し、多孔電極で加速してドーピングすることができる。そしてＰやＢと異なり法律上の規制がないので、ドーピングするガスを水素で希釈しなくとも良く、スループットは高い。
【００３９】
例えばＡｒの場合、半導体膜中の濃度が５×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、望ましくは１×１０１８〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度となるように添加する。また加速電圧は、半導体膜１０１の厚さ方向におけるＡｒの濃度分布を左右する。よって、膜の表面に向かうほど濃度が高くなるようにするか、膜の基板に近くなるほど濃度が高くなるようにするか、または膜全体の濃度が均一になるようにするかによって、加速電圧を適宜定めるようにする。
【００４０】
また本発明では、上記した０族の気体の雰囲気中において、半導体膜１０１にレーザ光を照射する。なお、ドーピングする０族元素とレーザ光を照射する際に用いる０族元素とは、必ずしも同じである必要はない。
【００４１】
なお、０族元素に水素を添加したガスの雰囲気下で、レーザ光の照射を行なうようにしても良い。この場合、水素の分圧を１〜３％とする。
【００４２】
また図１（Ａ）において、１０２ａは、高調波を有する第１のレーザ光が半導体膜１０２に照射されることで得られる第１のビームスポットに相当する。そして１０２ｂは、基本波を有する第２のレーザ光が半導体膜１０２に照射されることで得られる第２のビームスポットに相当する。
【００４３】
第１のレーザ光または第２のレーザ光は、連続発振の気体レーザ、固体レーザまたは金属レーザから射出されたものである。前記気体レーザとして、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＸｅＦエキシマレーザ、ＣＯ２レーザ等があり、前記固体レーザとして、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ｔｉ：サファイヤレーザ等があり、前記金属レーザとしてはヘリウムカドミウムレーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザが挙げられる。
【００４４】
そして第１のレーザ光は、非線形光学素子を用いることで基本波から第２高調波〜第４高調波に波長が変換されている。高調波の波長は用いるレーザの種類によっても異なるので、レーザによって適切な高調波を使い分ける。例えばＮｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波１０６４ｎｍ）の場合、第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）を用いるのが望ましい。具体的には、出力１０Ｗの連続発振のＹＶＯ４レーザの発振器から射出されたレーザ光を非線形光学素子により高調波に変換する。
【００４５】
なお非線形光学素子は、発振器が有する共振器内に設けていても良いし、基本波の共振器の外に別途非線形光学素子を備えた共振器を設けていても良い。前者は装置が小型になり、共振器長の精密制御が不要になるという利点を有し、後者は基本波と高調波の相互作用を無視できるという利点を有する。
【００４６】
非線形光学素子には、非線形光学定数の比較的大きいＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＧｄＹＣＯＢ（ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３）、ＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４）、ＫＢ５、ＬｉＮｂＯ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５等の結晶が用いられており、特にＬＢＯやＣＬＢＯ等を用いることで基本波から高調波への変換効率を高めることができる。
【００４７】
また第１のレーザ光と第２のレーザ光は、安定形共振器から得られるＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。ＴＥＭ００モードの場合、レーザ光はガウス形の強度分布を持ち、集光性に優れているため、ビームスポットの加工が容易となる。
【００４８】
第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂは互いに重なるように、その位置を制御する。よって、第１のレーザ光によって半導体膜１０１のうち第１のビームスポット１０２ａがあたっている部分が溶融し、吸収係数が高まる。そのため、第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂ重なっている部分において、第２のレーザ光が効率的に半導体膜１０１に吸収され、結晶化の工程におけるスループットを高めることができる。
【００４９】
なお第１のレーザ光と第２のレーザ光は必ずしも同じレーザを用いなくとも良い。例えば、第１のレーザ光に１０Ｗの第２高調波が得られるＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用い、第２のレーザ光に３０ＷのＹＡＧレーザを用いることができる。無論本発明はこれらの組み合わせに限定されない。
【００５０】
そして実線の矢印で示した方向に基板１０１を走査することで、半導体膜１０１に対する第１のビームスポット１０２ａ及び第２のビームスポット１０２ｂの相対的な位置が移動する。
【００５１】
１０３は、半導体膜１０１の特に第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂが重なっている部分に、磁場を印加することができる磁気回路の磁極に相当する。磁極１０３から発せられる磁場の磁力線を、破線の矢印で示す。
【００５２】
半導体膜１０１に対する、磁力線の方向と基板の走査方向との関係をより明確にするため、図１（Ｂ）に半導体膜１０１の上面図を示し、図１（Ｃ）に図１（Ｂ）の破線Ａ−Ａ’における断面図を示す。図１では、基板１００の走査方向が、実線の矢印に示すように基板１００の面内に存在している。基板１００の走査によって、第１のビームスポット１０２ａ及び第２のビームスポット１０２ｂの半導体膜１０１に対する相対的な位置は、白抜きの矢印で示す方向に移動する。
【００５３】
また、磁極１０３は基板１００のレーザ光が照射される面とは反対の面側に設けられており、磁力線の方向は磁極１０３から半導体膜１０１の面に向かっている。
【００５４】
なお必ずしも半導体膜１０１で形成される面と、磁力線の方向とが垂直であるとは限らない。本発明では、半導体膜１０１の第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【００５５】
そして、半導体膜１０１の第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂが重なっている部分における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【００５６】
図１では、半導体膜１０１の第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂが重なっている部分において、半導体膜１０１で形成される面と、磁力線の方向とが垂直である場合を示しており、この場合、基板１００の走査方向と磁力線の方向も垂直となる。ただし磁力線は図１に示した方向に限定されない。
【００５７】
なお第１のビームスポット１０２ａは、第２のビームスポット１０２ｂと重なっている部分とそうでない部分との間で、半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーに差が生じるのを防ぐため、完全に第２のビームスポット１０２ｂと重ねるのが最も好ましい。そして第１のビームスポット１０２ａにおける、エネルギー密度の均一な領域の占める割合を高めるために、第１のビームスポット１０２ａは線状、矩形状または短軸に対する長軸の長さの比が５より大きい楕円形状を有しているのが望ましい。
【００５８】
本実施の形態では、図１（Ｂ）に示すように第１のビームスポット１０２ａの長軸方向の長さＷｂを、第１のビームスポット１０２ａの長軸方向における磁極１０３の幅Ｗｍ１よりも短くすることで、半導体膜１０１の第１のビームスポット１０２ａがあたっている部分、より望ましくは第１のビームスポット１０２ａと第２のビームスポット１０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向をほぼ一定とすることができる。
【００５９】
上述したように本発明では、半導体膜中に予めＡｒ等をドーピングしておき、なおかつＡｒ等の雰囲気中でレーザ光を照射することで、半導体膜中に酸素や窒素が入り込むのを効果的に防ぐことができる。したがって、エネルギー密度の揺らぎによって生じる不純物濃度のばらつきを抑え、半導体膜の移動度のばらつきを抑えることができる。また該半導体膜を用いて形成されたＴＦＴにおいては、移動度に加えてオン電流のばらつきをも抑えることができる。
【００６０】
また特許文献１に記載されている通り、経験則により酸素が存在する雰囲気中においてレーザ光を照射すると、半導体膜の表面が荒れる。しかしＡｒ等の雰囲気中でレーザ光を照射することで、レーザ光照射による半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じる閾値のばらつきを抑えることができる。
【００６１】
また、レーザ光を照射する際に半導体膜に磁場をかけ、流動による不純物の偏析を抑えることができ、さらに磁場をかけることで半導体膜の粘性を高め、それにより不純物が半導体膜に混入するのを抑えることができる。したがって、移動度やオン電流のばらつきを抑えることができる。
【００６２】
次に、島状の半導体膜５０７〜５０９を覆うようにゲート絶縁膜を成膜する。ゲート絶縁膜には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。また成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。
【００６３】
次に、ゲート絶縁膜上に導電膜を成膜しパターニングすることでゲート電極を形成する。そして、ゲート電極や、あるいはレジストを成膜しパターニングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜５０７〜５０９にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を添加し、ソース領域、ドレイン領域、さらにはＬＤＤ領域等を形成する。
【００６４】
上記一連の工程によってＴＦＴを形成することができる。なお本発明の半導体装置の作製方法は、島状の半導体膜を形成した後に続く、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。本発明のレーザ光の照射方法を用いて結晶化された半導体膜をＴＦＴの活性層として用いることで、素子間の移動度、閾値及びオン電流のばらつきを抑えることができる。
【００６５】
また本発明では半導体膜に吸収されやすい高調波に変換された第１のレーザ光を照射することで半導体膜を溶融し、基本波の吸収係数を高める。その状態で基本波を有する第２のレーザ光の照射をすることで、基本波の吸収係数が高められた半導体膜に第２のレーザ光が効率良く吸収されるので、レーザ結晶化のスループットを高めることができる。
【００６６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、図１の場合とは異なる方向に磁場を印加する、本発明の一形態について説明する。
【００６７】
図２（Ａ）に半導体膜２０１の上面図と、図２（Ｃ）に図２（Ｂ）の破線Ａ−Ａ’における断面図を示す。なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、基板２００は基板上に形成された半導体膜に相当する。
【００６８】
基板２００の走査方向は、実線の矢印に示すように基板２００の面内に存在している。また２０２ａは、高調波を有する第１のレーザ光が半導体膜２０２に照射されることで得られる第１のビームスポットに相当する。そして２０２ｂは、基本波を有する第２のレーザ光が半導体膜２０２に照射されることで得られる第２のビームスポットに相当する。
【００６９】
第１のレーザ光または第２のレーザ光は、連続発振の気体レーザ、固体レーザまたは金属レーザから射出されたものであり、例えば実施の形態１に挙げたレーザを用いることが可能である。
【００７０】
そして第１のレーザ光は、非線形光学素子を用いることで基本波から第２高調波〜第４高調波に波長が変換されている。高調波の波長は用いるレーザの種類によっても異なるので、レーザによって適切な高調波を使い分ける。非線形光学素子は、例えば実施の形態１に挙げた結晶を用いることが可能である。
【００７１】
また第１のレーザ光と第２のレーザ光は、安定形共振器から得られるＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。ＴＥＭ００モードの場合、レーザ光はガウス形の強度分布を持ち、集光性に優れているため、ビームスポットの加工が容易となる。
【００７２】
第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂは互いに重なるように、その位置を制御する。よって、第１のレーザ光によって半導体膜２０１のうち第１のビームスポット２０２ａがあたっている部分が溶融し、吸収係数が高まる。そのため、第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂ重なっている部分において、第２のレーザ光が効率的に半導体膜２０１に吸収され、結晶化の工程におけるスループットを高めることができる。
【００７３】
実線の矢印で示した方向に基板２００を走査することで、半導体膜２０１に対する第１のビームスポット２０２ａ及び第２のビームスポット２０２ｂの相対的な位置が白抜きの矢印で示す方向に移動する。
【００７４】
磁極２０３ａ、２０３ｂは、半導体膜２０１の特に第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分に、磁場を印加することができる磁気回路の磁極に相当する。磁極２０３ａと磁極２０３ｂの間に生じている磁場の磁力線を、破線の矢印で示す。磁極２０３ａ及び磁極２０３ｂは、基板２００のレーザ光が照射される面側に設けられており、磁力線の方向は半導体膜２０１の面内に存在している。そして、図２では、半導体膜２０１の第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分において、基板２００の走査方向と、磁力線の方向とが垂直になっている。
【００７５】
なお磁力線は、磁極２０３ａと磁極２０３ｂを結ぶように分布しており、磁極２０３ａと磁極２０３ｂからの距離がより近い空間においてほぼ直線であるが、離れるほど曲率の高い曲線になる。よって必ずしも基板２００の走査方向と、磁力線の方向とが垂直であるとは限らない。本発明では、半導体膜２０１の第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【００７６】
半導体膜２０１の第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【００７７】
なお第１のビームスポット２０２ａは、第２のビームスポット２０２ｂと重なっている部分とそうでない部分との間で、半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーに差が生じるのを防ぐため、完全に第２のビームスポット２０２ｂと重ねるのが最も好ましい。そして第１のビームスポット２０２ａにおける、エネルギー密度の均一な領域の占める割合を高めるために、第１のビームスポット２０２ａは線状、矩形状または短軸に対する長軸の長さの比が５より大きい楕円形状を有しているのが望ましい。
【００７８】
そして本実施の形態では、図２（Ａ）に示すように、第１のビームスポット２０２ａの長軸方向の長さＷｂを、磁極２０３ａと磁極２０３ｂ間の距離Ｗｍ２よりも短くすることで、半導体膜２０１の第１のビームスポット２０２ａがあたっている部分、より望ましくは第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向をほぼ一定とすることができる。
【００７９】
またＷｍ２の幅によって印加する磁場の大きさを調整することができる。Ｗｍ２は１〜５ｍｍ程度が望ましい。
【００８０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１及び図２の場合とは異なる方向に磁場を印加する、本発明の一形態について説明する。
【００８１】
図３（Ａ）に半導体膜３０１の上面図と、図３（Ｃ）に図３（Ｂ）の破線Ａ−Ａ’における断面図を示す。なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、基板３００は基板上に形成された半導体膜に相当する。
【００８２】
基板３００の走査方向は、実線の矢印に示すように基板３００の面内に存在している。また３０２ａは、高調波を有する第１のレーザ光が半導体膜３０２に照射されることで得られる第１のビームスポットに相当する。そして３０２ｂは、基本波を有する第２のレーザ光が半導体膜３０２に照射されることで得られる第２のビームスポットに相当する。
【００８３】
第１のレーザ光または第２のレーザ光は、連続発振の気体レーザ、固体レーザまたは金属レーザから射出されたものであり、例えば実施の形態１に挙げたレーザを用いることが可能である。
【００８４】
そして第１のレーザ光は、非線形光学素子を用いることで基本波から第２高調波〜第４高調波に波長が変換されている。高調波の波長は用いるレーザの種類によっても異なるので、レーザによって適切な高調波を使い分ける。非線形光学素子は、例えば実施の形態１に挙げた結晶を用いることが可能である。
【００８５】
また第１のレーザ光と第２のレーザ光は、安定形共振器から得られるＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。ＴＥＭ００モードの場合、レーザ光はガウス形の強度分布を持ち、集光性に優れているため、ビームスポットの加工が容易となる。
【００８６】
第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂは互いに重なるように、その位置を制御する。よって、第１のレーザ光によって半導体膜３０１のうち第１のビームスポット３０２ａがあたっている部分が溶融し、吸収係数が高まる。そのため、第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂ重なっている部分において、第２のレーザ光が効率的に半導体膜３０１に吸収され、結晶化の工程におけるスループットを高めることができる。
【００８７】
実線の矢印で示した方向に基板３００を走査することで、半導体膜３０１に対する第１のビームスポット３０２ａ及び第２のビームスポット３０２ｂの相対的な位置が白抜きの矢印で示す方向に移動する。
【００８８】
磁極３０３ａ、３０３ｂは、半導体膜３０１の特に第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂが重なっている部分に、磁場を印加することができる磁気回路の磁極に相当する。磁極３０３ａと磁極３０３ｂの間に生じている磁場の磁力線を、破線の矢印で示す。磁極３０３ａ及び磁極３０３ｂは、基板３００のレーザ光が照射される面側に設けられており、磁力線の方向は半導体膜３０１の面内に存在している。そして、図３では、半導体膜３０１の第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂが重なっている部分において、基板３００の走査方向と、磁力線の方向とが平行で、なおかつ逆方向になっている。
【００８９】
なお磁力線は、磁極３０３ａと磁極３０３ｂを結ぶように分布しており、磁極３０３ａと磁極３０３ｂからの距離がより近い空間においてほぼ直線であるが、離れるほど曲率の高い曲線になる。よって必ずしも基板３００の走査方向と、磁力線の方向とが平行であるとは限らない。本発明では、半導体膜３０１の第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【００９０】
半導体膜２０１の第１のビームスポット２０２ａと第２のビームスポット２０２ｂが重なっている部分における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【００９１】
なお第１のビームスポット３０２ａは、第２のビームスポット３０２ｂと重なっている部分とそうでない部分との間で、半導体膜に吸収されるレーザ光のトータルのエネルギーに差が生じるのを防ぐため、完全に第２のビームスポット３０２ｂと重ねるのが最も好ましい。そして第１のビームスポット３０２ａにおける、エネルギー密度の均一な領域の占める割合を高めるために、第１のビームスポット３０２ａは線状、矩形状または短軸に対する長軸の長さの比が５より大きい楕円形状を有しているのが望ましい。
【００９２】
そして本実施の形態では、図３（Ａ）に示すように、第１のビームスポット３０２ａの長軸方向の長さＷｂを、磁極３０３ａと磁極３０３ｂ間の距離Ｗｍ４よりも短くすることで、半導体膜３０１の第１のビームスポット３０２ａがあたっている部分、より望ましくは第１のビームスポット３０２ａと第２のビームスポット３０２ｂが重なっている部分において、通過する磁力線の方向をほぼ一定とすることができる。
【００９３】
またＷｍ３の幅によって印加する磁場の大きさを調整することができる。Ｗｍ３は１〜５ｍｍ程度が望ましい。
【００９４】
なおレーザ光の走査は、被処理物である基板を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型と、レーザ光の照射位置を固定して基板を移動させる被処理物移動型と、上記２つの方法を組み合わせた方法とがある。
【００９５】
実施の形態１〜３では、被処理物移動型のレーザ照射装置を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。照射系移動型のレーザ照射装置や、被処理物移動型と照射系移動型を組み合わせたレーザ照射装置にも用いていても良い。いずれの場合においても、ビームスポットの半導体膜に対する相対的な移動方向と、磁力線の方向との関係を制御できることが前提である。
【００９６】
また実施の形態１〜３では、互いに引き合う異種の磁極間において生じる磁界を用いているが、本発明はこれに限定されない。互いに反発しあう同種の磁極間において生じる磁界を用いていても良い。例えば図２において磁極２０３ａと磁極２０３ｂを同種の磁極とすることで、半導体膜２０１に対し垂直方向の磁場を印加することができる。
【００９７】
なお磁力線の方向は実施の形態１乃至３において示した方向に限定されず、図１乃至図３に示した方向と逆向きであっても良いし、レーザ光の走査方向及び半導体膜に対して垂直または平行とはならない角度にその方向が定められていても良い。
【００９８】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明のレーザ照射装置が有する光学系の構成について説明する。
【００９９】
図４（Ａ）に、高調波を有する第１のレーザ光と、基本波を有する第２のレーザ光とを用いて、レーザ結晶化を行なうための光学系の一例を示す。７０１は第１のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、図４（Ａ）では、出力が１０Ｗで、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用いる。なお、図４（Ａ）では第２高調波を用いているが、本発明はこれに限定されず、さらに高次の高調波を用いても良い。ただし高次の高調波ほどエネルギーの変換効率が低く、また波長が短すぎるとｎｍからμｍ単位の膜厚の半導体膜を透過してしまい、かえって結晶化の効率が悪くなるので、第２高調波を用いるのが望ましい。
【０１００】
また７０２は第２のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、図４（Ａ）では、出力が３０Ｗで、基本波（波長１．０６４μｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる。各レーザ発振器７０１、７０２から得られる第１及び第２のレーザ光は、ＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。
【０１０１】
レーザ発振器７０１から発振された第１のレーザ光は、ミラー７０３において反射し、平凸レンズ７０４において集光され、基板に成膜された半導体膜７０５に照射される。７０６は、第１のレーザ光の照射により半導体膜７０５上に形成された第１のビームスポットに相当する。
【０１０２】
なお第１のレーザ光の半導体膜７０５に対する入射角θ１を本実施の形態では２０°とする。入射角θ１はこれに限定されず、適宜変更が可能である。また平凸レンズ７０４は、焦点距離を２０ｍｍとし、平面の部分を半導体膜７０５の表面と平行に保つ。また半導体膜７０５と平凸レンズ７０４との距離は２０ｍｍ程度とする。これにより、長軸５００μｍ、短軸２０μｍ程度の楕円形状に近い第１のビームスポット７０５が形成される。
【０１０３】
一方、レーザ発振器７０２から発振された第２のレーザ光は、平凸レンズ７０７において集光され、基板に成膜された半導体膜７０５に照射される。７０８は、第２のレーザ光の照射により半導体膜７０５上に形成された第２のビームスポットに相当する。
【０１０４】
第２のレーザ光の半導体膜７０５に対する入射角θ２を本実施の形態では４０°とする。入射角θ２はこれに限定されず、適宜変更が可能である。また平凸レンズ７０７は、焦点距離を１５ｍｍとし、平面の部分を半導体膜７０５の表面と平行に保つ。これにより、長軸１ｍｍ、短軸０．２ｍｍ程度の楕円形状に近い第２のビームスポット７０８が形成される。
【０１０５】
そして第１のビームスポット７０６は、第２のビームスポット７０８に完全に重なっている。ステージ７０９は、Ｘ軸用の一軸ロボット７１０とＹ軸用の一軸ロボット７１１により、半導体膜７０５の表面に平行な面上をＸＹ方向に移動させることが可能である。走査速度は数十ｃｍ／ｓ〜数百ｃｍ／ｓ程度が適当であり、ここでは５０ｃｍ／ｓとする。
【０１０６】
次に、本発明のレーザ照射装置が有する光学系の、別の一例について説明する。
【０１０７】
図４（Ｂ）では、４つのレーザ発振器から出力されるレーザ光を合成し、第１のレーザ光として用いる。図４（Ｂ）では、第１のレーザ光を形成する４つのレーザ発振器に、出力が１０Ｗで、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用いる。なお、本実施の形態では第２高調波を用いているが、本発明はこれに限定されず、さらに高次の高調波を用いても良い。
【０１０８】
矢印の方向から入射した４つの第１のレーザ光は、４つのシリンドリカルレンズ７１９〜７２２のそれぞれに入射する。そしてシリンドリカルレンズ７１９、７２１において成形された２つのレーザ光は、シリンドリカルレンズ７１７において再びそのビームスポットの形状が成形されて半導体膜が成膜された基板７２３に照射される。一方シリンドリカルレンズ７２０、７２２において成形された２つのレーザ光は、シリンドリカルレンズ７１８において再びそのビームスポットの形状が成形されて基板７２３に照射される。
【０１０９】
各レンズの焦点距離及び入射角は設計者が適宜設定することが可能であるが、基板７２３に最も近いシリンドリカルレンズ７１７、７１８の焦点距離は、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２の焦点距離よりも小さくする。例えば、基板７２３に最も近いシリンドリカルレンズ７１７、７１８の焦点距離を２０ｍｍとし、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２の焦点距離を１５０ｍｍとする。そしてシリンドリカルレンズ７１７、７１８から被処理物７００へのレーザ光の入射角は、本実施の形態では２５°とし、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２からシリンドリカルレンズ７１７、７１８へのレーザ光の入射角を１０°とするように各レンズを設置する。
【０１１０】
基板７２３における各第１のレーザ光のビームスポットは、互いに一部重なることで合成されて第１のビームスポットを形成している。第１のビームスポットは長軸４００μｍ、短軸２０μｍ程度の楕円形状に成形する。
【０１１１】
また第２のレーザ光は、出力５００Ｗのレーザ発振器から得られ、該発振器は基本波（波長１．０６４μｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる。各レーザ発振器７０１、７０２から得られる第１及び第２のレーザ光は、ＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。
【０１１２】
第２のレーザ光は、平凸レンズ７２５において集光され、基板に成膜された半導体膜７０５に照射される。なお平凸レンズ７２５の代わりに２枚のシリンドリカルレンズを直交させて用いても良い。
【０１１３】
そして４つの第１のレーザ光によって得られる第１のビームスポットと、第２のレーザ光によって得られる第２のビームスポットとを重ね、半導体膜の結晶化を行なう。第１のビームスポットは、第２のビームスポットと完全に重なっている。そして図４に示したようなＸ軸用、Ｙ軸用の一軸ロボットを用いて、基板を移動し、レーザ結晶化を行なう。走査速度は数十ｃｍ／ｓ〜数百ｃｍ／ｓ程度が適当であり、ここでは５０ｃｍ／ｓとする。
【０１１４】
次に、本発明のレーザ照射装置が有する光学系の、別の一例について説明する。
【０１１５】
図５において、７３１は第１のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、出力が１０Ｗで、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用いている。なお、図５では第２高調波を用いているが、本発明はこれに限定されず、さらに高次の高調波を用いても良い。
【０１１６】
また７３２は第２のレーザ光を発振するレーザ発振器であり、図５では、出力が２０００Ｗで、基本波（波長１．０６４μｍ）を有する連続発振のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる。各レーザ発振器７３１、７３２から得られる第１及び第２のレーザ光は、ＴＥＭ００モード（シングルモード）であることが望ましい。
【０１１７】
レーザ発振器７３１から発振された第１のレーザ光は、２枚のシリンドリカルレンズ７３３、７３４を用いたビームエキスパンダーによって楕円形状に集光され、ガルバノミラー７３５において反射し、ｆθレンズ７３６において再び集光され、基板に成膜された半導体膜７３７に照射される。７３８は、第１のレーザ光の照射により半導体膜７３７上に形成された第１のビームスポットに相当する。第１のビームスポット７３８は、例えば短軸２０μｍ、長軸４００μｍの楕円形状とする。
【０１１８】
ガルバノミラー５０３の角度を変化させることで、第１のビームスポット７３８を走査させることができる。ｆθレンズ７３６を用いることで、ガルバノミラーの角度の変化に伴うビームスポットの形状の変化を極力抑えることができる。第１のレーザ光の半導体膜７３７に対する入射角度は２０°とする。そして本実施の形態では、ガルバノミラー７３５と１軸ステージとを組み合わせることにより、半導体膜７３７全面に第１のレーザ光を照射することができる。第１のレーザ光の走査の速度は、１００〜２０００ｍｍ／ｓとし、好ましくは５００ｍｍ／ｓ程度とする。
【０１１９】
一方、レーザ発振器７３２から発振された第２のレーザ光は、凹レンズ７４１において一様に拡大された後、平凸シリンドリカルレンズ７３９により一方向に集光され、基板に成膜された半導体膜７３７に照射される。７４０は、第２のレーザ光の照射により半導体膜７３７上に形成された第２のビームスポットに相当する。本実施の形態では、第１のビームスポット７３８の走査領域全体を第２のビームスポット７４０で覆うことで、第２のビームスポット７４０を一方向のみに走査させ、第１のビームスポット７３８との同期を取りやすくした。なおこのような、第１のビームスポット７３８の走査領域全体を覆うことができる第２のビームスポット７４０は、ビームホモジナイザーを用いて形成することも可能である。
【０１２０】
なお、照射面に垂直な平面であって、かつ各ビームスポットの形状を長方形と見立てたときの短辺を含む面または長辺を含む面のいずれか一方を入射面と定義すると、前記レーザ光の入射角度θは、入射面に含まれる前記短辺または前記長辺の長さがＷ、前記照射面に設置され、かつ、前記レーザ光に対して透光性を有する基板の厚さがｄであるとき、θ≧ａｒｃｔａｎ（Ｗ／２ｄ）を満たすのが望ましい。なお、レーザ光の軌跡が、前記入射面上にないときは、該軌跡を該入射面に射影したものの入射角度をθとする。この入射角度θでレーザ光が入射されれば、基板の表面での反射光と、前記基板の裏面からの反射光とが干渉せず、一様なレーザ光の照射を行うことができる。以上の議論は、基板の屈折率を１として考えた。実際は、基板の屈折率が１．５前後のものが多く、この数値を考慮に入れると上記議論で算出した角度よりも大きな計算値が得られる。しかしながら、ビームスポットの長手方向の両端のエネルギーは減衰があるため、この部分での干渉の影響は少なく、上記の算出値で十分に干渉減衰の効果が得られる。上記のθに対する不等式は、基板がレーザビームに対して透光性のあるもの以外には適用されない。
【０１２１】
なお本発明のレーザ照射装置における、光学系は、本実施の形態で示した構成に限定されない。
【０１２２】
（実施の形態５）
本実の形態では、本発明のレーザ照射装置を用いた半導体膜の結晶化方法について、具体的に説明する。
【０１２３】
まず図５（Ａ）に示すように、基板５００上に下地膜５０１を成膜する。基板５００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ＳＵＳ基板等を用いることができる。また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【０１２４】
下地膜５０１は基板５００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。よってアルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍ（好ましくは５０〜３００ｎｍ）の膜厚になるように成膜した。
【０１２５】
なお下地膜５０１は単層であっても複数の絶縁膜を積層したものであっても良い。またガラス基板、ＳＵＳ基板またはプラスチック基板のように、アルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合は、必ずしも設ける必要はない。
【０１２６】
次に下地膜上に半導体膜５０２を形成する。半導体膜５０２の膜厚は２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。なお半導体膜５０２は、非晶質半導体であっても良いし、多結晶半導体であっても良い。また半導体は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムも用いることができる。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。
【０１２７】
次に、０族元素をイオンドープ法により半導体膜５０２に添加する。本実施の形態では０族の元素としてＡｒを用いた例について説明する。例えばＡｒの場合、半導体膜中の濃度が５×１０１８〜１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、望ましくは１×１０１８〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度となるように添加する。また加速電圧は、半導体膜５０２の厚さ方向におけるＡｒの濃度分布を左右する。よって、膜の表面に向かうほど濃度が高くなるようにするか、膜の基板に近くなるほど濃度が高くなるようにするか、または膜全体の濃度が均一になるようにするかによって、加速電圧を適宜定めるようにする。本実施の形態では加速電圧を３０ｋＶとして行なった。
【０１２８】
なお、０族元素に水素を添加したガスの雰囲気下で、レーザ光の照射を行なうようにしても良い。この場合、水素の分圧を１〜３％とする。
【０１２９】
次に図５（Ｂ）に示すように、半導体膜５０２を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施の形態では、第１のレーザ光として、エネルギー５．５Ｗ、第２高調波（５３２ｎｍ）のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用い、また第２のレーザ光としてエネルギー１５Ｗ、基本波（１．０６４μｍ）のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた。
【０１３０】
そして本発明では、レーザ光が照射される領域に磁場を、磁極５０４、５０５を用いて印加する。本実施の形態では、レーザ光の走査方向と、磁場の磁力線の方向とを一致させる。図５（Ｂ）には、レーザ光の基板５００に対して相対的な移動方向を白抜きの矢印で、磁力線の方向を破線の矢印で示す。
【０１３１】
なお磁力線は、磁極５０４と磁極５０５を結ぶように分布しており、磁極５０４と磁極５０５からの距離がより近い空間においてほぼ直線であるが、離れるほど曲率の高い曲線になる。よって必ずしもビームスポットの移動方向と、磁力線の方向とが平行であるとは限らない。本発明では、半導体膜５０２のビームスポットがあたっている部分５０６において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【０１３２】
そして、ビームスポットがあたっている部分５０６における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【０１３３】
またレーザ光の照射は、レーザ光の照射はロードロック方式のチャンバー内において、０族のガスが９９．９９％以上、望ましくは９９．９９９９％以上の雰囲気下において行なう。本実施の形態では０族の気体としてＡｒを用いる。
【０１３４】
なお、ドーピングする０族元素とレーザ光を照射する際に用いる０族元素とは、必ずしも同じである必要はない。
【０１３５】
上述した半導体膜５０２へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５０３が形成される。
【０１３６】
次に、図５（Ｃ）に示すように半導体膜５０３をパターニングし、島状の半導体膜５０７〜５０９が形成され、該島状の半導体膜５０７〜５０９を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子が形成される。
【０１３７】
（実施の形態６）
本実施の形態では実施の形態５とは異なり、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に、触媒元素による結晶化方法を組み合わせた例について説明する。
【０１３８】
まず、半導体膜５０２を成膜し、該半導体膜５０２に０族の元素をドーピングを行なう工程まで、実施の形態５の図５（Ａ）までを参照して行なう。次に図６（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の表面に、重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布した。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。
【０１３９】
次に、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行った。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、基板５００に向かって縦方向に結晶化が促進された半導体膜５２０が形成される（図６（Ａ））。
【０１４０】
なお、本実施の形態では触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いても良い。
【０１４１】
次に図６（Ｂ）に示すように、半導体膜５２０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施の形態では、第１のレーザ光として、エネルギー１０Ｗ、第２高調波（５３２ｎｍ）のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用い、また第２のレーザ光としてエネルギー５００Ｗ、基本波（１．０６４μｍ）のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた。
【０１４２】
そして本発明では、レーザ光が照射される領域に磁場を、基板５００の半導体膜５２０が形成されている面とは逆の面側から、磁極５２７を用いて印加する。本実施の形態では、レーザ光の走査方向及び半導体膜５２０で形成される面と、磁場の磁力線の方向とを垂直にする。図６（Ｂ）には、レーザ光の基板５００に対して相対的な移動方向を白抜きの矢印で、磁力線の方向を破線の矢印で示す。
【０１４３】
なお必ずしも半導体膜５２０で形成される面と、磁力線の方向とが垂直であるとは限らない。本発明では、半導体膜５２０のビームスポットがあたっている部分５２８において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【０１４４】
そして、ビームスポットがあたっている部分５２８における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【０１４５】
またレーザ光の照射は、レーザ光の照射はロードロック方式のチャンバー内において、０族のガスが９９．９９％以上、望ましくは９９．９９９９％以上の雰囲気下において行なう。本実施の形態では０族の気体としてＡｒを用いる。
【０１４６】
なお、ドーピングする０族元素とレーザ光を照射する際に用いる０族元素とは、必ずしも同じである必要はない。
【０１４７】
上述した半導体膜５２０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５２１が形成される。
【０１４８】
なお図６（Ｂ）に示したように触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５２１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５２１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。
【０１４９】
まず、図６（Ｃ）に示すように半導体膜５２１の表面に酸化膜５２２を形成する。１〜１０ｎｍ程度の膜厚を有する酸化膜５２２を形成することで、後のエッチング工程において半導体膜５２１の表面がエッチングにより荒れるのを防ぐことができる。
【０１５０】
酸化膜５２２は公知の方法を用いて形成することができる。例えば、硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液や、オゾン水で、半導体膜５２１の表面を酸化することで形成しても良いし、酸素を含む雰囲気中でのプラズマ処理や、加熱処理、紫外線照射等により形成しても良い。また酸化膜を別途、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、蒸着法などで形成しても良い。
【０１５１】
次に酸化膜５２２上に、希ガス元素を１×１０２０  ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度で含むゲッタリング用の半導体膜５２３を、スパッタ法を用いて２５〜２５０ｎｍの厚さで形成する。ゲッタリング用の半導体膜５２３は、半導体膜５２１とエッチングの選択比を大きくするため、半導体膜５２１よりも膜の密度の低い方がより望ましい。
【０１５２】
希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用いる。
【０１５３】
次にファーネスアニール法やＲＴＡ法を用いて加熱処理を施し、ゲッタリングを行なう。ファーネスアニール法で行う場合には、窒素雰囲気中にて４５０〜６００℃で０．５〜１２時間の加熱処理を行う。また、ＲＴＡ法を用いる場合には、加熱用のランプ光源を１〜６０秒、好ましくは３０〜６０秒点灯させ、それを１〜１０回、好ましくは２〜６回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には６００〜１０００℃、好ましくは７００〜７５０℃程度にまで加熱されるようにする。
【０１５４】
加熱処理により、半導体膜５２１内の触媒元素が、拡散により矢印に示すようにゲッタリング用の半導体膜５２３に移動し、ゲッタリングされる。
【０１５５】
次にゲッタリング用の半導体膜５２３を選択的にエッチングして除去する。エッチングは、ＣｌＦ３によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行うことができる。この時酸化膜５２２によって半導体膜５２１がエッチングされるのを防ぐことができる。
【０１５６】
次に酸化膜５２２を、フッ酸により除去する。
【０１５７】
次に、酸化膜５２２除去後の半導体膜５２１をパターニングし、島状の半導体膜５２４〜５２６を形成する（図６（Ｄ））。
【０１５８】
なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施の形態に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。
【０１５９】
次に、図６（Ｄ）に示すように半導体膜５０３をパターニングし、島状の半導体膜５２４〜５２６が形成され、該島状の半導体膜５２４〜５２６を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子が形成される。
【０１６０】
なお本実施の形態のように、触媒元素による結晶化の後にレーザ光を照射による結晶化を行うことで、実施の形態５の場合に比べてより半導体膜の結晶性を高めることができる。また実施の形態５ではレーザ光の照射後に結晶核がランダムに発生して結晶化が進む。一方本実施の形態の場合、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、基板により近い側においてレーザ光の照射により溶融されずに残存し、該結晶を結晶核として結晶化が進む。よってレーザ光の照射による結晶化は基板側から表面に向かって均一に進みやすく、実施の形態５の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。
【０１６１】
なお本実施の形態では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光の照射を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。
【０１６２】
（実施の形態７）
本実施の形態では実施の形態６とは異なり、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に、触媒元素による結晶化方法を組み合わせた例について説明する。
【０１６３】
まず、半導体膜５０２を成膜し、該半導体膜５０２に０族の元素をドーピングを行なう工程まで、実施の形態５の図５（Ａ）までを参照して行なう。次に、半導体膜５０２の上に開口部を有するマスク５４０を形成した。そして図７（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の表面に重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布した。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。塗布された酢酸ニッケル塩溶液は、マスク５４０の開口部において半導体膜５０２と接する（図７（Ａ））。
【０１６４】
次に、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行った。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、実線の矢印で示したように結晶化が促進された半導体膜５３０が形成される（図７（Ａ））。
【０１６５】
なお、触媒元素は実施の形態６に列記したものを用いることができる。
【０１６６】
次にマスク５４０を除去した後、図７（Ｂ）に示すように、半導体膜５３０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施の形態では、第１のレーザ光として、エネルギー１０Ｗ、第２高調波（５３２ｎｍ）のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用い、また第２のレーザ光としてエネルギー２０００Ｗ、基本波（１．０６４μｍ）のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた。
【０１６７】
そして本発明では、レーザ光が照射される領域に磁場を、、磁極５４１、５４２を用いて印加する。本実施の形態では、レーザ光の走査方向と、磁場の磁力線の方向とを一致させる。図７（Ｂ）には、レーザ光の基板５００に対して相対的な移動方向を白抜きの矢印で、磁力線の方向を破線の矢印で示す。
【０１６８】
なお磁力線は、磁極５４１と磁極５４２を結ぶように分布しており、磁極５４１と磁極５４２からの距離がより近い空間においてほぼ直線であるが、離れるほど曲率の高い曲線になる。よって必ずしもビームスポットの移動方向と、磁力線の方向とが平行であるとは限らない。本発明では、半導体膜５３０のビームスポットがあたっている部分５３８において、通過する磁力線の方向がほぼ一定となる磁界成分が加わっていれば良い。
【０１６９】
そして、ビームスポットがあたっている部分５３８における磁束密度は、１０００Ｇ〜１００００Ｇ、望ましくは１５００Ｇ〜４０００Ｇとする。
【０１７０】
またレーザ光の照射は、レーザ光の照射はロードロック方式のチャンバー内において、０族のガスが９９．９９％以上、望ましくは９９．９９９９％以上の雰囲気下において行なう。本実施の形態では０族の気体としてＡｒを用いる。
【０１７１】
なお、ドーピングする０族元素とレーザ光を照射する際に用いる０族元素とは、必ずしも同じである必要はない。
【０１７２】
上述した半導体膜５３０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５３１が形成される。
【０１７３】
なお図７（Ｂ）に示したように触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５３１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５３１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。
【０１７４】
まず図７（Ｄ）に示すように、半導体膜５３０を覆うように、マスク用の酸化シリコン膜５３２を１５０ｎｍの厚さで形成し、パターニングにより開口部を設け、半導体膜５３０の一部を露出させる。そして、リンを添加して、半導体膜５３０にリンが添加された領域５３３を設ける。
【０１７５】
この状態で、窒素雰囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６００℃、１２時間の熱処理を行うと、半導体膜５３０にリンが添加された領域５３３がゲッタリングサイトとして働き、半導体膜５３０に残存していた触媒元素が、リンの添加されたゲッタリング領域５３３に偏析する（図７（Ｂ））。
【０１７６】
そして、リンが添加された領域５３３をエッチングで除去することにより、半導体膜５３０の残りの領域において、触媒元素の濃度を１×１０１７ａｔｍｓ／ｃｍ３以下にまで低減させることができる。
【０１７７】
そして、マスク用の酸化シリコン膜５３２を除去した後、半導体膜５３１をパターニングし、島状の半導体膜５３４〜５３６を形成する（図７（Ｄ））。
【０１７８】
なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施の形態に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。
【０１７９】
次に、図７（Ｄ）に示すように半導体膜５０３をパターニングし、島状の半導体膜５３４〜５３６が形成され、該島状の半導体膜５３４〜５３６用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子が形成される。
【０１８０】
本実施の形態のように、触媒元素による結晶化の後にレーザ光を照射による結晶化を行うことで、実施の形態５の場合に比べてより半導体膜の結晶性を高めることができる。また実施の形態５ではレーザ光の照射後に結晶核がランダムに発生して結晶化が進む。一方本実施の形態の場合、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、基板により近い側においてレーザ光の照射により溶融されずに残存し、該結晶を結晶核として結晶化が進む。よってレーザ光の照射による結晶化は基板側から表面に向かって均一に進みやすく、実施の形態５の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。
【０１８１】
なお本実施の形態では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光の照射を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。
【０１８２】
（実施の形態８）
本実施の形態では、ロードロック方式のチャンバーを有するレーザ照射装置の構成について説明する。
【０１８３】
図９に本実施の形態のレーザ照射装置の構成を示す。レーザ照射室１２０６は隔壁１２３０によって囲まれている。なお、レーザ光は指向性およびエネルギー密度の高い光であるため、隔壁１２３０は反射光が不適切な箇所を照射するのを防ぐために、反射光を吸収させる性質を有していることが好ましい。なお、隔壁内に冷却水が循環させておき、反射光の吸収により隔壁の温度が上昇するのを防ぐようにしても良い。
【０１８４】
また図９に示すように、隔壁を加熱する手段（隔壁加熱手段）１２４０を設け、レーザ照射室内を排気する際に、隔壁を加熱するようにしてもよい。
【０１８５】
そして、ゲート１２１０は、レーザ照射室１２０６への基板の搬送口に相当する。また、レーザ照射室１２０６は、排気ポート１２１１に接続されている排気系１２３１によって、レーザ照射室１２０６内のガスを排気することができる。また、供給ポート１２５１に接続されている希ガス供給系１２５０によって、レーザ照射室１２０６内への希ガスの供給を行なうことができる。
【０１８６】
１２１２はステージであり、基板１２０３が載置される。位置制御手段１２４２によってステージの位置を動かすことで、基板の位置を制御し、レーザ光の照射位置を動かすことができる。図９に示すように、ステージ１２１２に基板を加熱するための手段（基板加熱手段）１２４１を設けるようにしても良い。
【０１８７】
隔壁１２３０に設けられている開口部１２３２は、レーザ光を透過する窓（透過窓）１２３３で覆われている。なお、透過窓１２３３はレーザ光を吸収しにくい材料であることが望ましく、例えば石英等が適している。透過窓１２３３と隔壁１２３０の間にはガスケット１２３６が設けられており、透過窓１２３３と隔壁１２３０の隙間から大気がレーザ照射室内に侵入するのを防ぐことができる。
【０１８８】
まず、半導体膜が成膜された基板１２０３が搬送され、ゲート１２１０を閉じた後、排気系１２３１及び希ガス供給系１２５０を用いてレーザ照射室１２０６内を希ガス雰囲気に保つ。
【０１８９】
そして本発明では、レーザ発振器１２１３ａから発振された第１のレーザ光が光学系１２１４ａによってそのビームスポットの形状が加工され、基板１２０３に照射される。さらにレーザ発振器１２１３ｂから発振された第２のレーザ光が光学系１２１４ｂによってそのビームスポットの形状が加工され、基板１２０３に照射される。入射角θは戻り光を防ぐために、また均一な照射を行なうために、０°より大きく、より望ましくは５°〜３０°程度にするのが望ましい。
【０１９０】
また１２５２は磁気回路の磁極に相当し、基板１２０３に成膜された半導体膜への磁場の印加を行なう。なお本実施の形態では、基板１２０３のレーザ光が照射される面側から磁場が印加されるようになっているが、本発明はこれに限定されない。磁極１２５２をステージ１２１２内に組み込み、基板１２０３のレーザ光が照射される面とは逆の面側から磁場が印加されるようになっていても良い。
【０１９１】
なお、図９に示すレーザ照射室１２０６は、マルチチャンバーが有するチャンバーの１つであってもよい。半導体膜への希ガス元素のドーピングを行なうチャンバーを設け、希ガス元素のドーピングからレーザ光の結晶化までの一連の工程を大気に曝すことなくマルチチャンバー内で行なうことで、不純物の半導体膜への混入をより効果的に防ぐことができる。
【０１９２】
なお上記レーザ照射装置を半導体膜の結晶化に用いることで、半導体膜の結晶性をより均一にすることができる。本発明の半導体装置の製造方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法に用いることができる。特に、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等の半導体表示装置の画素部に設けられたトランジスタ等の半導体素子に用いた場合、画素部において照射されたレーザ光のエネルギーの分布に起因する横縞が、視認されるのを抑えることができる。
【０１９３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１９４】
（実施例１）
図１０を用いて、本発明のレーザ照射装置を用いて形成される半導体装置の１つである、発光装置の画素の構成について説明する。
【０１９５】
図１０において、基板６０００に、下地膜６００１が形成されており、該下地膜６００１上にトランジスタ６００２が形成されている。トランジスタ６００２は活性層６００３と、ゲート電極６００５と、活性層６００３とゲート電極６００５の間に挟まれたゲート絶縁膜６００４と、を有している。
【０１９６】
活性層６００３は、本発明のレーザ照射装置を用いることで結晶化された多結晶半導体膜が用いられている。なお、活性層は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムを用いるようにしても良い。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。また窒化炭素が添加された珪素を用いていても良い。
【０１９７】
またゲート絶縁膜６００４は、酸化珪素、窒化珪素または酸化窒化珪素を用いることができる。またそれらを積層した膜、例えばＳｉＯ２上にＳｉＮを積層した膜を、ゲート絶縁膜として用いても良い。またＳｉＯ２は、プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とＯ２とを混合し、反応圧力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃とし、高周波（１３．５６ＭＨｚ）、電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ２で放電させて、酸化シリコン膜を形成した。このようにして作製される酸化シリコン膜は、その後４００〜５００℃の熱アニールによりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。また窒化アルミニウムをゲート絶縁膜として用いることができる。窒化アルミニウムは熱伝導率が比較的高く、ＴＦＴで発生した熱を効果的に拡散させることができる。またアルミニウムの含まれない酸化珪素や酸化窒化珪素等を形成した後、窒化アルミニウムを積層したものをゲート絶縁膜として用いても良い。また、ＳｉをターゲットとしたＲＦスパッタ法を用いて形成されたＳｉＯ２をゲート絶縁膜として用いても良い。
【０１９８】
またゲート電極６００５として、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成する。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また単層の導電膜ではなく、複数の層からなる導電膜を積層したものであっても良い。
【０１９９】
例えば、第１の導電膜を窒化タンタル（ＴａＮ）で形成し、第２の導電膜をＷとする組み合わせ、第１の導電膜を窒化タンタル（ＴａＮ）で形成し、第２の導電膜をＴｉとする組み合わせ、第１の導電膜を窒化タンタル（ＴａＮ）で形成し、第２の導電膜をＡｌとする組み合わせ、第１の導電膜を窒化タンタル（ＴａＮ）で形成し、第２の導電膜をＣｕとする組み合わせで形成することが好ましい。また、第１の導電膜及び第２の導電膜としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜や、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。
【０２００】
また、２層構造に限定されず、例えば、タングステン膜、アルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜、窒化チタン膜を順次積層した３層構造としてもよい。また、３層構造とする場合、タングステンに代えて窒化タングステンを用いてもよいし、アルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜に代えてアルミニウムとチタンの合金膜（Ａｌ−Ｔｉ）を用いてもよいし、窒化チタン膜に代えてチタン膜を用いてもよい。なお、導電膜の材料によって、適宜最適なエッチングの方法や、エッチャントの種類を選択することが重要である。
【０２０１】
またトランジスタ６００４は、第１の層間絶縁膜６００６で覆われており、第１の層間絶縁膜６００６上には第２の層間絶縁膜６００７と、第３の層間絶縁膜６００８とが積層されている。第１の層間絶縁膜６００６は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、酸化珪素、窒化珪素または酸化窒化珪素膜を単層でまたは積層して用いることができる。また酸素よりも窒素のモル比率が高い酸化窒化珪素膜上に、窒素よりも酸素のモル比率が高い酸化窒化珪素膜を積層した膜を第１の層間絶縁膜６００６として用いても良い。なお、第１の層間絶縁膜６００６を成膜した後、加熱処理（３００〜５５０℃で１〜１２時間の熱処理）を行うと、第１の層間絶縁膜６００６に含まれる水素により、活性層６００３に含まれる半導体のダングリングボンドを終端する（水素化）ことができる。
【０２０２】
また第２の層間絶縁膜６００７は、非感光性のアクリルを用いることができる。第３の層間絶縁膜６００８は、水分や酸素などの発光素子の劣化を促進させる原因となる物質を、他の絶縁膜と比較して透過させにくい膜を用いる。代表的には、例えばＤＬＣ膜、窒化炭素膜、ＲＦスパッタ法で形成された窒化珪素膜等を用いるのが望ましい。
【０２０３】
また図１０において６０１０は陽極、６０１１は電界発光層、６０１２は陰極であり、陽極６０１０と電界発光層６０１１と陰極６０１２が重なっている部分が発光素子６０１３に相当する。トランジスタ６００２は、発光素子６０１３に供給する電流を制御する駆動用トランジスタであり、発光素子６０１３と直接、または他の回路素子を介して直列に接続されている。
【０２０４】
電界発光層６０１１は、発光層単独かもしくは発光層を含む複数の層が積層された構成を有している。
【０２０５】
陽極６０１０は第３の層間絶縁膜６００８上に形成されている。また第３の層間絶縁膜６００８上には隔壁として用いる有機樹脂膜６０１４が形成されている。有機樹脂膜６０１４は開口部６０１５を有しており、該開口部において陽極６０１０と電界発光層６０１１と陰極６０１２が重なり合うことで発光素子６０１３が形成されている。
【０２０６】
そして有機樹脂膜６０１４及び陰極６０１２上に、保護膜６０１６が成膜されている。保護膜６０１６は第３の層間絶縁膜６００８と同様に、水分や酸素などの発光素子の劣化を促進させる原因となる物質を、他の絶縁膜と比較して透過させにくい膜を用いる。代表的には、例えばＤＬＣ膜、窒化炭素膜、ＲＦスパッタ法で形成された窒化珪素膜等を用いるのが望ましい。また上述した水分や酸素などの物質を透過させにくい膜と、該膜に比べて水分や酸素などの物質を透過させやすい膜とを積層させて、保護膜として用いることも可能である。
【０２０７】
また有機樹脂膜６０１４は、電界発光層６０１１が成膜される前に、吸着した水分や酸素等を除去するために真空雰囲気下で加熱しておく。具体的には、１００℃〜２００℃、０．５〜１時間程度、真空雰囲気下で加熱処理を行なう。望ましくは３×１０−７Ｔｏｒｒ以下とし、可能であるならば３×１０−８Ｔｏｒｒ以下とするのが最も望ましい。そして、有機樹脂膜に真空雰囲気下で加熱処理を施した後に電界発光層を成膜する場合、成膜直前まで真空雰囲気下に保つことで、信頼性をより高めることができる。
【０２０８】
また有機樹脂膜６０１４の開口部６０１５における端部は、有機樹脂膜６０１４上に一部重なって形成されている電界発光層６０１１に、該端部において穴があかないように、丸みを帯びさせることが望ましい。具体的には、開口部における有機樹脂膜の断面が描いている曲線の曲率半径が、０．２〜２μｍ程度であることが望ましい。
【０２０９】
上記構成により、後に形成される電界発光層や陰極のカバレッジを良好とすることができ、陽極６０１０と陰極６０１２が電界発光層６０１１に形成された穴においてショートするのを防ぐことができる。また電界発光層６０１１の応力を緩和させることで、発光領域が減少するシュリンクとよばれる不良を低減させることができ、信頼性を高めることができる。
【０２１０】
なお図１０では、有機樹脂膜６０１４として、ポジ型の感光性のアクリル樹脂を用いた例を示している。感光性の有機樹脂には、光、電子、イオンなどのエネルギー線が露光された箇所が除去されるポジ型と、露光された箇所が残るネガ型とがある。本発明ではネガ型の有機樹脂膜を用いても良い。また感光性のポリイミドを用いて有機樹脂膜６０１４を形成しても良い。ネガ型のアクリルを用いて有機樹脂膜６０１４を形成した場合、開口部６０１５における端部が、Ｓ字状の断面形状となる。このとき開口部の上端部及び下端部における曲率半径は、０．２〜２μｍとすることが望ましい。
【０２１１】
陽極６０１０は透明導電膜を用いることができる。ＩＴＯの他、酸化インジウムに２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合した透明導電膜を用いても良い。図１０では陽極６０１０としＩＴＯを用いている。陽極６０１０は、その表面が平坦化されるように、ＣＭＰ法、ポリビニルアルコール系の多孔質体で拭浄（ベルクリン洗浄）で研磨しても良い。またＣＭＰ法を用いた研磨後に、陽極６０１０の表面に紫外線照射、酸素プラズマ処理などを行ってもよい。
【０２１２】
また陰極６０１２は、仕事関数の小さい導電膜であれば公知の他の材料を用いることができる。例えば、Ｃａ、Ａｌ、ＣａＦ、ＭｇＡｇ、ＡｌＬｉ等が望ましい。
【０２１３】
なお図１０では、発光素子から発せられる光が基板６０００側に照射される構成を示しているが、光が基板とは反対側に向かうような構造の発光素子としても良い。
【０２１４】
また図１０ではトランジスタ６００２と発光素子の陽極６０１０が接続されているが、本発明はこの構成に限定されず、トランジスタ６００２と発光素子の陰極６００１が接続されていても良い。この場合、陰極は第３の層間絶縁膜６００８上に形成される。そしてＴｉＮ等を用いて形成される。
【０２１５】
なお、実際には図１０まで完成したら、さらに外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（ラミネートフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）や透光性のカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。その際、カバー材の内部を不活性雰囲気にしたり、内部に吸湿性材料（例えば酸化バリウム）を配置したりするとＯＬＥＤの信頼性が向上する。
【０２１６】
なお、本発明の発光装置は上述した作製方法に限定されない。また本発明の半導体装置は発光装置に限定されない。
【０２１７】
（実施例２）
本実施例では、図４（Ｂ）に示した複数の第１のレーザ光を合成することで得られる、第１のビームスポットの形状について説明する。なお本実施例では第１のビームスポットを、以下単にビームスポットと呼ぶ。
【０２１８】
図１１（Ａ）に、複数のレーザ発振器からそれぞれ発振されるレーザ光の、被処理物におけるビームスポットの形状の一例を示す。図１１（Ａ）に示したビームスポットは楕円形状を有している。なお本発明において、レーザ発振器から発振されるレーザ光のビームスポットの形状は、楕円に限定されない。ビームスポットの形状はレーザの種類によって異なり、また光学系により成形することもできる。例えば、ラムダ社製のＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ）Ｌ３３０８から射出されたレーザ光の形状は、１０ｍｍ×３０ｍｍ（共にビームプロファイルにおける半値幅）の矩形状である。また、ＹＡＧレーザから射出されたレーザ光の形状は、ロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。このようなレーザ光を光学系により、さらに成形することにより、所望の大きさのレーザ光をつくることもできる。
【０２１９】
図１１（Ｂ）に図１１（Ａ）に示したビームスポットの長軸Ｙ方向におけるレーザ光のエネルギー密度の分布を示す。図１１（Ａ）に示すビームスポットは、図１１（Ｂ）におけるエネルギー密度のピーク値の１／ｅ２のエネルギー密度を満たしている領域に相当する。ビームスポットが楕円形状であるレーザ光のエネルギー密度の分布は、楕円の中心Ｏに向かうほど高くなっている。
【０２２０】
次に、図１１（Ａ）に示したビームスポットを有するレーザ光を合成したときの、ビームスポットの形状を、図１１（Ｃ）に示す。なお図１１（Ｃ）では４つのレーザ光のビームスポットを重ね合わせることで１つの線状のビームスポットを形成した場合について示しているが、重ね合わせるビームスポットの数はこれに限定されない。
【０２２１】
図１１（Ｃ）に示すように、各レーザ光のビームスポットは、各楕円の長軸が一致し、なおかつ互いにビームスポットの一部が重なることで合成され、１つのビームスポットが形成されている。なお以下、各楕円の中心Ｏを結ぶことで得られる直線をビームスポットの中心軸とする。
【０２２２】
図１１（Ｄ）に、図１１（Ｄ）に示した合成後のビームスポットの、中心軸ｙ方向におけるレーザ光のエネルギー密度の分布を示す。なお、図１１（Ｃ）に示すビームスポットは、図１１（Ｂ）におけるエネルギー密度のピーク値の１／ｅ２のエネルギー密度を満たしている領域に相当する。合成前の各ビームスポットが重なり合っている部分において、エネルギー密度が加算される。例えば図示したように重なり合ったビームのエネルギー密度Ｅ１とＥ２を加算すると、ビームのエネルギー密度のピーク値Ｅ３とほぼ等しくなり、各楕円の中心Ｏの間においてエネルギー密度が平坦化される。
【０２２３】
なお、Ｅ１とＥ２を加算するとＥ３と等しくなるのが理想的だが、現実的には必ずしも等しい値にはならない。Ｅ１とＥ２を加算した値とＥ３との値のずれの許容範囲は、設計者が適宜設定することが可能である。
【０２２４】
図１１（Ａ）に示すように、ビームスポットを単独で用いると、エネルギー密度の分布がガウス分布に従っているので、絶縁膜の平坦な部分に接している半導体膜またはアイランドとなる部分全体に均一なエネルギー密度のレーザ光を照射することが難しい。しかし、図１１（Ｄ）からわかるように、複数のレーザ光を重ね合わせてエネルギー密度の低い部分を互いに補い合うようにすることで、複数のレーザ光を重ね合わせないで単独で用いるよりも、エネルギー密度が均一な領域が拡大され、半導体膜の結晶性を効率良く高めることができる。
【０２２５】
本実施例の構成は、実施例１と組み合わせて実施することが可能である。
【０２２６】
【発明の効果】
本発明では、半導体膜中に予めＡｒ等をドーピングしておき、なおかつＡｒ等の雰囲気中でレーザ光を照射することで、半導体膜中に酸素や窒素が入り込むのを効果的に防ぐことができる。したがって、エネルギー密度の揺らぎによって生じる不純物濃度のばらつきを抑え、半導体膜の移動度のばらつきを抑えることができる。また該半導体膜を用いて形成されたＴＦＴにおいては、移動度に加えてオン電流のばらつきをも抑えることができる。
【０２２７】
また特許文献１に記載されている通り、経験則により酸素が存在する雰囲気中においてレーザ光を照射すると、半導体膜の表面が荒れる。しかしＡｒ等の雰囲気中でレーザ光を照射することで、レーザ光照射による半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じる閾値のばらつきを抑えることができる。
【０２２８】
また、レーザ光を照射する際に半導体膜に磁場をかけ、流動による不純物の偏析を抑えることができ、さらに磁場をかけることで半導体膜の粘性を高め、それにより不純物が半導体膜に混入するのを抑えることができる。したがって、移動度やオン電流のばらつきを抑えることができる。
【０２２９】
また本発明では半導体膜に吸収されやすい高調波に変換された第１のレーザ光を照射することで半導体膜を溶融し、基本波の吸収係数を高める。その状態で基本波を有する第２のレーザ光の照射をすることで、基本波の吸収係数が高められた半導体膜に第２のレーザ光が効率良く吸収されるので、レーザ結晶化のスループットを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ照射装置における基板とビームスポットの走査方向と磁力線の方向の関係を示す図。
【図２】本発明のレーザ照射装置における基板とビームスポットの走査方向と磁力線の方向の関係を示す図。
【図３】本発明のレーザ照射装置における基板とビームスポットの走査方向と磁力線の方向の関係を示す図。
【図４】本発明のレーザ照射装置に用いる光学系の構成を示す図。
【図５】本発明のレーザ照射装置に用いる光学系の構成を示す図。
【図６】半導体装置の作製方法を示す図。
【図７】半導体装置の作製方法を示す図。
【図８】半導体装置の作製方法を示す図。
【図９】ロードロック方式のチャンバーを有するレーザ照射装置の構成を示す図。
【図１０】本発明のレーザ照射装置を用いて作製された発光装置の断面図。
【図１１】ビームスポットのエネルギー密度の分布を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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