(57)【要約】【課題】  ビームスポットの面積を飛躍的に広げ、結晶性の劣る領域の占める割合を低減することができるレーザ照射装置の提供を課題とする。また連続発振のレーザ光を用いつつ、スループットをも高めることができる、レーザ照射装置の提供を課題とする。さらに本発明は、該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。【解決手段】  高調波のパルス発振の第１のレーザ光により溶融した領域に、連続発振の第２のレーザ光を照射する。具体的に第１のレーザ光は、可視光線と同程度かそれより短い波長（７８０ｎｍ以下程度）を有する。第１のレーザ光によって半導体膜が溶融することで、第２のレーザ光の半導体膜への吸収係数が飛躍的に高まり、第２のレーザ光が半導体膜に吸収されやすくなる。【選択図】  図２
2004193592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物に対する吸収係数が１×１０4ｃｍ-1以上の波長を有する第１のレーザ光をパルス発振する第１のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光のビームスポットの形状及びその位置を制御する手段と、
第２のレーザ光を連続発振する第２のレーザ発振器と、
前記第２のレーザ光のビームスポットの形状及びその位置を、前記第１のレーザ光のビームスポットと重なるように制御する手段と、
前記第１のレーザ光のビームスポット及び前記第２のレーザ光のビームスポットの被処理物に対する相対的な位置を制御する手段とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
可視光線に含まれる波長または可視光線より短い波長を有する第１のレーザ光をパルス発振する第１のレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光のビームスポットの形状及びその位置を制御する手段と、
第２のレーザ光を連続発振する第２のレーザ発振器と、
前記第２のレーザ光のビームスポットの形状及びその位置を、前記第１のレーザ光のビームスポットと重なるように制御する手段と、
前記第１のレーザ光のビームスポット及び前記第２のレーザ光のビームスポットの被処理物に対する相対的な位置を制御する手段とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１のレーザ光は第２高調波を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、
前記第２のレーザ光は基本波を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【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のレーザ光のビームスポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【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２のレーザ光のビームスポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【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のレーザ発振器は、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザであることを特徴とするレーザ照射装置。
【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、前記第２のレーザ発振器は、Arレーザ、Krレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3レーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザまたはヘリウムカドミウムレーザであることを特徴とするレーザ照射装置。
【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、
前記被処理物は前記第１のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板を含んでおり、
前記第１のレーザ光のビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ１とすると、前記第１のレーザ光の前記被処理物表面に対する入射角度φ１は、
φ１≧arctan（W１/2d）
を満たすことを特徴とするレーザ照射装置。
【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、
前記被処理物は前記第２のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板を含んでおり、
前記第２のレーザ光のビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ２とすると、前記第２のレーザ光の前記被処理物表面に対する入射角度φ２は、
φ２≧arctan（W２/2d）
を満たすことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１１】
被処理物に対する吸収係数が１×１０4ｃｍ-1以上の波長を有するパルス発振された第１のレーザ光と、連続発振された第２のレーザ光とを被処理物に照射するレーザ照射方法であって、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記第１のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットと、前記第２のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットとを重ねることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１２】
可視光線に含まれる波長または可視光線より短い波長を有するパルス発振された第１のレーザ光と、連続発振された第２のレーザ光とを被処理物に照射するレーザ照射方法であって、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記第１のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットと、前記第２のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットとを重ねることを特徴とするレーザ照射方法。
【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高調波を有することを特徴とするレーザ照        射方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項において、
前記第２のレーザ光は基本波を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１項において、
前記第１のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビーム        スポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とするレ        ーザ照射方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至請求項１５のいずれか１項において、
前記第２のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１７】
請求項１１乃至請求項１６のいずれか１項において、前記第１のレーザ光は、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザを用いたレーザ発振器から発振されることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１８】
請求項１１乃至請求項１７のいずれか１項において、前記第２のレーザ光は、Arレーザ、Krレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3レーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザまたはヘリウムカドミウムレーザを用いたレーザ発振器から発振されることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１９】
請求項１１乃至請求項１８のいずれか１項において、
前記被処理物は前記第１のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板を含んでおり、
前記第１のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ１とすると、前記第１のレーザ光の前記被処理物表面に対する入射角度φ１は、
φ１≧arctan（W１/2d）
を満たすことを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２０】
請求項１１乃至請求項１９のいずれか１項において、
前記被処理物は前記第２のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板を含んでおり、
前記第２のレーザ光によって前記被処理物の表面に形成されるビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ２とすると、前記第２のレーザ光の前記被処理物表面に対する入射角度φ２は、
φ２≧arctan（W２/2d）
を満たすことを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２１】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、前記半導体膜に対する吸収係数が１×１０4ｃｍ-1以上の波長を有するパルス発振された第１のレーザ光と、連続発振された第２のレーザ光とを照射することで、前記半導体膜を結晶化する半導体装置の作製方法であって、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記第１のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットと、前記第２のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットとを重ねることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】
絶縁表面上に形成された半導体膜に、可視光線に含まれる波長または可視光線より短い波長を有するパルス発振された第１のレーザ光と、連続発振された第２のレーザ光とを照射することで、前記半導体膜を結晶化する半導体装置の作製方法であって、
前記第１及び第２のレーザ光の照射の際に、前記第１のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットと、前記第２のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットとを重ねることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２３】
請求項２１または請求項２２において、
前記第１のレーザ光は第２高調波を有することを特徴とする半導体装        置の作製方法。
【請求項２４】
請求項２１乃至請求項２３のいずれか１項において、
前記第２のレーザ光は基本波を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２５】
請求項２１乃至請求項２４のいずれか１項において、
前記第１のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビーム        スポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とする半        導体装置の作製方法。
【請求項２６】
請求項２１乃至請求項２５のいずれか１項において、
前記第２のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットは、楕円形状、矩形状または線状を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２７】
請求項２１乃至請求項２６のいずれか１項において、前記第１のレーザ光は、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザを用いたレーザ発振器から発振されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２８】
請求項２１乃至請求項２７のいずれか１項において、前記第２のレーザ光は、Arレーザ、Krレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3レーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザまたはヘリウムカドミウムレーザを用いたレーザ発振器から発振されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２９】
請求項２１乃至請求項２８のいずれか１項において、
前記半導体膜は、前記絶縁表面を有し、なおかつ前記第１のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板上に形成されており、
前記第１のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ１とすると、前記第１のレーザ光の前記半導体膜表面に対する入射角度φ１は、
φ１≧arctan（W１/2d）
を満たすことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３０】
請求項２１乃至請求項２９のいずれか１項において、
前記半導体膜は、前記絶縁表面を有し、なおかつ前記第２のレーザ光に対して透光性を有する厚さｄの基板上に形成されており、
前記第２のレーザ光によって前記半導体膜の表面に形成されるビームスポットの、長軸または短軸の長さをＷ２とすると、前記第２のレーザ光の前記半導体膜表面に対する入射角度φ２は、
φ２≧arctan（W２/2d）
を満たすことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置に関する。また該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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。
【０００３】
レーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別される。エキシマレーザに代表されるパルス発振のレーザは、連続発振のレーザと比べて、単位時間あたりのレーザ光の出力エネルギーが３〜６桁程度高い。よって、ビームスポット（被処理物の表面において実際にレーザ光が照射される領域）を数ｃｍ角の矩形状や、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて成形し、半導体膜へのレーザ光の照射を効率的に行い、スループットを高めることができる。そのため、半導体膜の結晶化には、パルス発振のレーザを用いるのが主流となりつつあった。
【０００４】
なお、ここでいう「線状」は、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形（もしくは長楕円形）を意味する。例えば、アスペクト比が２以上（好ましくは１０〜１００００）のものを線状と呼ぶが、線状が矩形状に含まれることに変わりはない。
【０００５】
しかし、このようにパルス発振のレーザ光を用いて結晶化された半導体膜は、複数の結晶粒が集合して形成されており、その結晶粒の位置と大きさはランダムなものである。結晶粒内と比較して、結晶粒の界面（結晶粒界）は非晶質構造や結晶欠陥などに起因する再結合中心や捕獲中心が無数に存在している。この捕獲中心にキャリアがトラップされると、結晶粒界のポテンシャルが上昇し、キャリアに対して障壁となるため、キャリアの輸送特性が低下するという問題がある。
【０００６】
上記問題が背景にあり、連続発振のレーザを一方向に走査させながら半導体膜に照射することで、走査方向に向かって結晶を連続的に成長させ、該走査方向に沿って長く延びた単結晶からなる結晶粒の集まりを形成する技術が、近年注目されている。上記方法を用いることで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜が形成できると考えられている。
【０００７】
ところで、半導体膜に対するレーザ光の吸収係数は、大きいほど半導体膜の結晶化を効率良く行なうことができるので、好ましい。吸収係数は半導体膜の材料及び膜厚によっても異なる。半導体装置に通常用いられる数十〜数百ｎｍ厚の珪素膜をＹＡＧ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、効率良く結晶化を行なうことができる。
【０００８】
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エネルギーが低く、ビームスポットの面積を広げてスループットを高めることが難しい。特に連続発振のレーザは、パルス発振のレーザに比べて、単位時間あたりのレーザ光の出力エネルギーが低いため、この傾向が顕著である。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）への変換効率は５０％前後である。また、高調波に変換する非線形光学素子のレーザ光に対する耐性が著しく低いため、例えば連続発振のＹＡＧレーザは、基本波を１０ｋＷ出力できるのに対し、第２高調波の出力エネルギーは１０Ｗ程度しか得られない。そのため、半導体膜の結晶化に必要なエネルギー密度を得るためにはビームスポットの面積を１０-3ｍｍ2程度と小さくしなければならず、スループットの面でパルス発振のエキシマレーザと比べ劣っている。
【０００９】
また、走査方向に対して垂直方向におけるビームスポットの両端には、ビームスポットの中心と比較して結晶粒が著しく小さく、結晶性の劣っている領域が形成される。この領域に半導体素子を形成しても高い特性は期待できない。よって、半導体素子のレイアウト上の制約を緩和するために、レーザ光が照射された領域全体に占める、該結晶性の劣っている領域の割合を減らすことが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述した問題に鑑み、ビームスポットの面積を飛躍的に広げ、結晶性の劣る領域の占める割合を低減することができるレーザ照射装置の提供を課題とする。また連続発振のレーザ光を用いつつ、スループットをも高めることができる、レーザ照射装置の提供を課題とする。さらに本発明は、該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のレーザ照射方法は、高調波のパルス発振の第１のレーザ光により溶融した領域に、連続発振の第２のレーザ光を照射する。具体的に第１のレーザ光は、可視光線と同程度かそれより短い波長（８３０ｎｍ、好ましくは７８０ｎｍ以下程度）を有する。第１のレーザ光によって半導体膜が溶融することで、第２のレーザ光の半導体膜への吸収係数が飛躍的に高まり、第２のレーザ光が半導体膜に吸収されやすくなる。
【００１２】
図８（Ａ）に、レーザ光の波長（ｎｍ）に対する、非晶質珪素膜の吸収係数（ｃｍ-1）の値を示す。また図８（Ｂ）に、レーザ光の波長（ｎｍ）に対する、多結晶珪素膜の吸収係数（ｃｍ-1）の値を示す。なお、測定は分光エリプソメーターで得られる消衰係数から求めた。図８（Ａ）、図８（Ｂ）から、吸収係数が１×１０4ｃｍ-1以上であれば、第１のレーザ光により半導体膜を十分溶融させることができると考えられる。この数値範囲の吸収係数を得るためには、非晶質珪素膜の場合、第１のレーザ光の波長を７８０ｎｍ以下とするのが望ましいと考えられる。なお、第１のレーザ光の波長と吸収係数の関係は、半導体膜の材料および結晶性等などによって異なる。よって第１のレーザ光の波長はこれに限定されず、吸収係数が１×１０4ｃｍ-1以上となるように適宜第１のレーザ光の波長を設定すれば良い。
【００１３】
また本発明のレーザ照射装置は、可視光線以下の波長である第１のレーザ光をパルス発振する第１のレーザ発振器と、基本波である第２のレーザ光を連続発振する第２のレーザ発振器を有している。第１のレーザ光のビームスポットと第２のレーザ光のビームスポットは、それぞれ対応する第１及び第２の光学系によって、その形状及び位置が制御される。そして第１のレーザ光と第２のレーザ光は、上記２つの光学系によってビームスポットが互いに重なっている。さらに本発明のレーザ照射装置は、第１のレーザ光のビームスポット及び第２のレーザ光のビームスポットの被処理物に対する相対的な位置を制御する手段を有している。
【００１４】
これにより、第１のレーザ光により溶融した部分が、連続発振である第２のレーザ光の照射により溶融状態が維持されたまま半導体膜中で移動するので、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。該走査方向に沿って長く延びた単結晶の粒を形成することで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜の形成が可能となる。
【００１５】
溶融状態の維持できる時間はパルス発振のレーザと連続発振のレーザの出力のバランスにより決まる。溶融状態の維持できる時間内で、次のパルス発振のレーザが半導体膜に照射されれば、前記溶融状態は保持されたまま半導体膜のアニールを続けることができる。極端な場合、一旦パルスレーザで半導体膜を溶融させれば、その後は、基本波の照射のみで、溶融状態が維持できる条件もあり得る。この場合、パルスレーザは１ショットのみ照射し、その後は連続発振のレーザで溶融状態を維持させればよい。
【００１６】
なお高次の高調波ほどエネルギーが低くなるため、第１のレーザ光は、その基本波の波長が１μｍ程度である場合、第２高調波が最も望ましい。しかし本発明はこれに限定されず、第１のレーザ光は可視光線以下の波長を有していれば良い。また第２のレーザ光は、第１のレーザ光に対するエネルギーの補助という目的からして、半導体膜への吸収係数よりも出力されるパワーが重要視される。よって、第２のレーザ光は基本波を用いるのが最も望ましい。しかし本発明はこれに限定されず、第２のレーザ光は基本波であっても高調波であってもよい。
【００１７】
第２のレーザ光に基本波を用いる場合、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、連続発振の可視光線以下のレーザと比較して出力が１００倍以上（例えば出力１０００W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。
【００１８】
またパルス発振は連続発振に比べて、発振されるレーザ光の、単位時間あたりのエネルギーが高い。また高調波と基本波では、高調波の方がエネルギーは低く、基本波の方がエネルギーは高い。本発明では、高調波または可視光線以下の波長を有するレーザ光はパルス発振とし、基本波のレーザ光は連続発振とすることで、高調波と基本波を共に連続発振とする構成や、高調波を連続発振とし基本波をパルス発振とする構成に比べて、高調波のビームスポットと基本波のビームスポットが互いに重なり合う領域の広さを確保することができる。
【００１９】
連続発振のＹＡＧレーザとパルス発振のエキシマレーザを例に挙げて、２つのレーザによって形成される２つのビームスポットの重なりについて説明する。
【００２０】
図１（Ａ）に、基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、第２高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１を重ねている様子を示す。基本波のＹＡＧレーザは１０ｋＷ程度の出力エネルギーを得ることができ、また、第２高調波のＹＡＧレーザは、１０Ｗ程度の出力エネルギーを得ることができる。
【００２１】
そして、レーザ光のエネルギーは１００％半導体膜に吸収されるものと仮定すると、各レーザ光のエネルギー密度を０．０１〜１００ＭＷ／ｃｍ2とすることで、半導体膜の結晶性の向上を図ることができる。よってここでは、エネルギー密度を１ＭＷ／ｃｍ2とする。
【００２２】
そして基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬX1、長軸方向の長さをＬY1とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、ＬX1は２０μm〜１００μmとし、例えばＬX1＝２０μmの場合だとＬY1＝５０ｍｍ程度、ＬX1＝３０μmの場合だとＬY1＝３０ｍｍ程度とするのが適当である。
【００２３】
また高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬX2、長軸方向の長さをＬY2とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、ＬX2は２０μm〜１００μmとし、例えばＬX2＝１０μmの場合だとＬY2＝１００μｍ程度とするのが適当である。
【００２４】
基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、第２高調波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１１とが重なる領域の面積は、ビームスポット１１が完全にビームスポット１０に重なっていると仮定すると、ビームスポット１１の面積に相当する。
【００２５】
次に、図１（Ｂ）に、基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２を重ねている様子を示す。パルス発振のエキシマレーザは、１パルスあたり１Ｊ程度の出力エネルギーを得ることができる。また、パルス幅を３０ｎｓ程度とすると、単位時間あたりの出力は３０ＭＷとなる。よって、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２の形状を矩形と仮定し、その短軸方向の長さをＬX3、長軸方向の長さをＬY3とすると、上記エネルギー密度を満たすためには、ＬX3は２０μm〜５００μmとし、例えばＬX3＝４００μmの場合だとＬY3＝３００ｍｍ程度とするのが適当である。
【００２６】
基本波を有する連続発振のＹＡＧレーザのビームスポット１０と、パルス発振のエキシマレーザのビームスポット１２とが重なる領域の面積は、ビームスポット１０が完全にビームスポット１２に重なっていると仮定すると、ビームスポット１０の面積に相当する。
【００２７】
よって、図１（Ａ）のように第１のレーザ光と第２のレーザ光を共に連続発振とするよりも、本発明のように第１のレーザ光を連続発振、第２のレーザ光をパルス発振としたほうが、２つのレーザ光の重なる領域を大幅に広げることが可能であり、スループットをより高めることができる。
【００２８】
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１のレーザ光を複数用いたり、第２のレーザ光を複数用いたりしていても良い。
【００２９】
なおビームスポットを線状とすることで、走査方向に結晶化された結晶粒が集まっている領域の、前記ビームスポットの長軸方向における幅を、できるだけ広くとることができる。つまり、長軸の両端に形成される結晶性の劣った領域の、全ビームスポットに占める面積の割合を、低減させることができると言える。しかし本発明においてビームスポットの形状は線状に限定されず、矩形状や面状であっても被照射体に対して十分なアニールを行なえるのであれば問題はない。
【００３０】
なお第１のレーザ光は、パルス発振のArレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3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、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザを用いることで得られる。
【００３１】
また第２のレーザ光は、連続発振のArレーザ、Krレーザ、ＣＯ2レーザ、YAGレーザ、Y2O3レーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YalO3レーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti：サファイヤレーザまたはヘリウムカドミウムレーザを用いることで得られる。
【００３２】
なお連続発振のレーザによる半導体膜の結晶化工程において、ビームスポットを一方向に長い楕円状または矩形状に加工し、該ビームスポットの短軸方向に走査させて半導体膜を結晶化させるとスループットを高めることができる。加工後のレーザビームの形状が楕円状になるのは、元のレーザ光の形状が円形もしくはそれに近い形状であるからである。レーザ光の元の形状が長方形状であれば、それをシリンドリカルレンズなどで１方向に拡大することでさらに長軸がさらに長くなるように加工してから、用いても良い。また複数のレーザビームをそれぞれ一方向に長い楕円状または矩形状に加工し、それらをつなげて一方向にさらに長いビームを作って、スループットをより高めるようにしても良い。
【発明の効果】
【００３３】
本発明では、半導体膜に吸収されやすい可視光線以下の波長を有する、パルス発振の第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。第１のレーザ光をパルス発振とすることで、連続発振のときよりもビームスポットの面積を飛躍的に広く取ることができる。そしてその溶融した状態で基本波を有する第２のレーザ光を照射することで、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。よって、ビームスポットの長軸を長く取ることができるため、レーザ結晶化のスループットを高めることができ、またデザインルールの緩和に有効である。
【００３４】
また第１のレーザ光によって溶融し、吸収係数が高められた領域を、第２のレーザ光を走査することで移動させることができ、該走査方向に結晶成長した結晶粒が敷き詰められた領域を形成することができる。さらに、第１のレーザ光の照射が途絶えた後も、その溶融して吸収係数が高められた領域を、第２のレーザ光の走査によりある程度一方向に移動させることができる。
【００３５】
また第２のレーザ光を基本波とすることで、高調波への変換に用いる非線形光学素子の耐性を考慮する必要はなく、第２のレーザ光として、非常に大出力のレーザ、例えば高調波の１００倍以上のエネルギーのものを用いることができる。そして、非線形光学素子の変質によるメンテナンスの煩雑さがなくなる。特に、メンテフリーの状態を長く保てるという固体レーザの利点を、生かすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（実施の形態１）
図２を用いて、本発明のレーザ照射装置の構成について説明する。
【００３７】
１０１はパルス発振のレーザ発振器であり、本実施の形態では、６ＷのNd:YLFレーザを用いる。レーザ発振器１０１は、ＴＥＭ00の発振モードで、非線形光学素子により第２高調波に変換されている。特に第２高調波に限定する必要はないがエネルギー効率の点で、第２高調波の方が、さらに高次の高調波と比較して優れている。周波数は１ｋＨｚ、パルス幅は６０ｎｓ程度である。本実施の形態では、出力が６Ｗ程度の固体レーザを使用するが、出力が３００Ｗに達するような大型レーザ、例えばXeClエキシマレーザなどを用いてもよい。
【００３８】
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。
【００３９】
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ＢＢＯ、ＫＤＰ、ＫＴＰ、ＫＢ５、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。
【００４０】
レーザ光は通常水平方向に射出されることから、レーザ発振器１０１から発振された第１のレーザ光は、反射ミラー１０２にて、鉛直方向からの角度（入射角）がθ１となる方向に、その進行方向が変換される。本実施の形態では、θ１＝２１°とする。進行方向が変換された第１のレーザ光は、レンズ１０３によりそのビームスポットの形状が加工され、被処理物１０４に照射される。図２では、反射ミラー１０２とレンズ１０３とが第１のレーザ光のビームスポットの形状及び位置を制御する光学系に相当する。
【００４１】
図２では、レンズ１０３として平凹シリンドリカルレンズ１０３ａと、平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂを用いている。
【００４２】
平凹シリンドリカルレンズ１０３ａは、曲率半径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、第１のレーザ光の進行方向を光軸としたときに、被処理物１０４の表面から光軸に沿って２９ｍｍの位置に配置されている。そして平凹シリンドリカルレンズ１０３ａの母線と被処理物１０４に入射する第１のレーザ光の入射面とを垂直とする。
【００４３】
平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂは、曲率半径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、被処理物１０４の表面から光軸に沿って２４ｍｍの位置に配置されている。そして平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂの母線は、被処理物１０４に入射する第１のレーザ光の入射面と平行とする。
【００４４】
これにより、被処理物１０４において３ｍｍ×０.２ｍｍのサイズの第１のビームスポット１０６が形成される。
【００４５】
また１１０は、連続発振のレーザ発振器であり、本実施の形態では２ｋＷ、基本波のNd:YAGレーザを用いる。レーザ発振器１１０から発振された第２のレーザ光は、φ３００μｍの光ファイバー１１１により伝送される。光ファイバー１１１は、鉛直方向に対する射出口の向きが角度θ２となるように配置されている。本実施の形態ではθ２＝４５°とする。また光ファイバー１１１の射出口は、レーザ発振器１１０から射出する第２のレーザ光の光軸に沿って被処理物１０４から１０５ｍｍの位置に配置されており、該光軸は入射面に含まれるようにする。
【００４６】
光ファイバー１１１から出射した第２のレーザ光は、レンズ１１２によりそのビームスポットの形状が加工され、被処理物１０４に照射される。図２では、光ファイバー１１１とレンズ１１２とが第２のレーザ光のビームスポットの形状及び位置を制御する光学系に相当する。
【００４７】
図２では、レンズ１１２として平凸シリンドリカルレンズ１１２ａと、平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂを用いている。
【００４８】
平凸シリンドリカルレンズ１１２ａは、曲率半径１５ｍｍ、厚さ４ｍｍであり、被処理物１０４の表面から第２のレーザ光の光軸に沿って８５ｍｍの位置に配置されている。平凸シリンドリカルレンズ１１２ａの母線の方向は入射面と垂直とする。
【００４９】
平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂは、曲率半径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、被処理物１０４の表面から第２のレーザ光の光軸に沿って２５ｍｍの位置に配置されている。
【００５０】
これにより、被処理物１０４において、３ｍｍ×０.１ｍｍのサイズの第２のビームスポット１０５が形成される。
【００５１】
本実施の形態では、被処理物１０４として半導体膜が成膜された基板を、水平面と平行になるように設置する。半導体膜は例えば、ガラス基板の表面に成膜する。半導体膜が成膜された基板は、厚さ０.７ｍｍのガラス基板であり、レーザ照射の際に基板が落ちないように、吸着ステージ１０７に固定されている。
【００５２】
吸着ステージ１０７は、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８とＹ軸用の一軸ロボット１０９により、被処理物１０４に平行な面内においてＸＹ方向に移動が可能である。
【００５３】
なお、レーザ光に対して透光性を持つ基板上に成膜された半導体膜をアニールする場合、均一なレーザ光の照射を実現するためには、照射面に垂直な平面であって、かつビーム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φ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、φ≧arctan（W/2d）を満たすのが望ましい。複数のレーザ光を使用する場合、この議論は個々のレーザ光について成り立つ必要がある。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φとする。この入射角度φ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なうことができる。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、ビームスポットのエネルギーはビームスポットの端に近づくに従い減衰があるため、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。この議論は、第１のレーザ光に対しても、第２のレーザ光に対しても成り立ち両方とも上記不等式を満たしているほうが好ましいが、エキシマレーザのように極端にコヒーレント長の短いレーザに関しては、上記不等式を満たさなくても問題はない。上記のφに対する不等式は、基板がレーザ光に対して透光性を有する場合にのみ適用される。
【００５４】
一般に、ガラス基板は波長が１μｍ程度の基本波や緑色の第２高調波に対して透光性を有する。本レンズが不等式を満たすためには、平凸シリンドリカルレンズ１０３ｂと平凸シリンドリカルレンズ１１２ｂの位置を入射面と垂直な方向にずらしてビームスポットの短軸を含む被処理物１０４の表面に垂直な面内において入射角度φ１、φ２を持たせ、不等式を満たすようにすればよい。この場合、第１のビームスポット１０６においては、φ１＝１０°、第２のビームスポット１０５においてはφ２＝５°程度の傾きがあれば、干渉は起こらない。
【００５５】
なお第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。
【００５６】
被処理物１０４として半導体膜が成膜された基板を用いる場合、例えば、厚さ０.７ｍｍのガラス基板の片面に、厚さ２００ｎｍの酸化窒化珪素を成膜し、その上に半導体膜として、厚さ７０ｎｍの非晶質珪素（a-Si）膜を、プラズマCVD法を用いて成膜する。さらに半導体膜のレーザに対する耐性を高めるために、５００℃、１時間の熱アニールを該非晶質珪素膜に対して行なう。熱アニールの他に、触媒金属を用いた結晶化を施していてもよい。熱アニールを施した半導体膜でも、触媒金属を用いて結晶化された半導体膜でも、最適なレーザ光の照射条件はほぼ同様である。
【００５７】
そして、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９を用いて第２のビームスポット１０５の短軸方向に、被処理物１０４（半導体膜が成膜された基板）を走査する。このとき各レーザ発振器１０１、１０２の出力は仕様値とする。この被処理物１０４の走査により、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５が、被処理物１０４の表面に対して相対的に走査されることになる。
【００５８】
第１のビームスポット１０６が当たっている領域において半導体膜が溶融することで、連続発振の第２のレーザ光の半導体膜への吸収係数が飛躍的に高まる。よって、走査方向に延びた、第２のビームスポット１０５の長軸に相当する幅１ｍｍ〜２ｍｍの領域に、該走査方向に結晶成長した単結晶の結晶粒が敷き詰められた状態で形成される。
【００５９】
なお半導体膜のうち、第１ビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５が重なって照射される領域は、第２高調波の第１のレーザ光によって吸収係数が高められた状態が、基本波である第１のレーザ光によって維持されていることになる。よって、たとえ第２高調波の第１のレーザ光の照射が途絶えたとしても、その後基本波である第１のレーザ光によって、半導体膜が溶融して吸収係数が高められた状態が維持される。したがって、第２高調波の第１のレーザ光の照射が途絶えた後も、その溶融して吸収係数が高められた領域を、走査によりある程度一方向に移動させることができ、これにより走査方向に向かって成長した結晶粒が形成されることとなる。そして、吸収係数が高められた領域を、走査の過程において連続して維持しつづけるために、第２高調波の第１のレーザ光を再び照射し、エネルギーを補充するのが望ましい。
【００６０】
なお第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５の走査速度は、数ｃｍ/ｓ〜数百ｃｍ/ｓ程度が適当であり、ここでは５０ｃｍ/ｓとする。
【００６１】
次に図３に、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５の、被処理物１０４表面における走査経路を示す。被処理物１０４である半導体膜全面に第２のレーザ光を照射する場合、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９を用いて一方向への走査を行なった後、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９による走査方向に対して垂直の方向に、第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。
【００６２】
例えば、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９により走査速度５０ｃｍ/ｓにて、半導体膜を一方向に走査する。図３において、該走査経路をＡ１で示す。次に、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ１に対して垂直の方向に第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。該スライドによる走査経路をＢ１で示す。次に、走査経路Ａ１とは反対方向に向かって、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９により半導体膜を一方向に走査する。該走査経路をＡ２で示す。次に、Ｘ軸用の一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ２に対して垂直の方向に第１のビームスポット１０６及び第２のビームスポット１０５をスライドさせる。該スライドによる走査経路をＢ２で示す。このように、Ｙ軸用の一軸ロボット１０９による走査とＸ軸用の一軸ロボット１０８による走査とを順に繰り返すことで、被処理物１０４全面に第２のレーザ光または第１のレーザ光を照射することができる。
【００６３】
なお、走査経路Ｂ１、Ｂ２…の長さは、第２のビームスポット１０５の長軸に相当する幅１ｍｍ〜２ｍｍ分とするのが望ましい。
【００６４】
第２のレーザ光が照射され、走査方向に成長した結晶粒が形成されている領域は、結晶性に非常に優れている。そのため、該領域をＴＦＴのチャネル形成領域に用いることで、極めて高い電気移動度や、オン電流を期待できる。しかし半導体膜のうち、そのような高い結晶性が必要とされない部分が存在する場合、該部分にはレーザ光を照射しないようにしても良い。もしくは、走査の速度を増加させるなど、高い結晶性が得られないような条件でレーザ光の照射を行なうようにしても良い。例えば、２ｍ/ｓ程度の速度で走査させると、a-Si膜を結晶化させることができるが、上述したような走査方向に連続して結晶化されているような領域は形成されにくい。そして、走査速度を部分的に高めることで、スループットを更に高めることができる。
【００６５】
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。本発明のレーザ照射装置は、第１のレーザ光と第２のレーザ光の少なくとも２つのレーザ光を用いるので、光学系の構成が最も単純にすることができる被処理物移動型とするのが適している。しかし本発明のレーザ照射装置はこれに限定されず、光学系を工夫することで、照射系移動型としたり、被処理物移動型と照射系移動型を組み合わせたりすることも不可能ではない。いずれの場合においても、各ビームスポットの半導体膜に対する相対的な移動方向を制御できることが前提である。
【００６６】
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。
【００６７】
（実施の形態２）
次に図４を用いて、本発明のレーザ光の照射方法及び半導体装置の作製方法について説明する。
【００６８】
まず図４（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、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
次に下地膜５０１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０．０１atomic％〜４．５atomic％程度であることが好ましい。
【００７２】
次に図４（Ｂ）に示すように、本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜５０２に第１及び第２のレーザ光を照射し、結晶化を行なう。
【００７３】
本実施の形態では第１のレーザ光として、エネルギー６Ｗ、１パルスのエネルギー６ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ00の発振モード、第２高調波（５２７ｎｍ）、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅６０ｎｓのＹＬＦレーザを用いる。なお、第１のレーザ光を光学系により加工することで半導体膜５０２の表面に形成される第１のビームスポットは、短軸２００μm、長軸３ｍｍの矩形状とし、エネルギー密度を１０００ｍJ／ｃｍ2とする。
【００７４】
また本実施の形態では、第２のレーザ光としてエネルギー２ｋＷ、基本波（１．０６４μm）のＹＡＧレーザを用いる。なお、第２のレーザ光を光学系により加工することで半導体膜５０２の表面に形成される第２のビームスポットは、短軸１００μm、長軸３ｍｍの矩形状とし、エネルギー密度を０．７ＭＷ／ｃｍ2とする。
【００７５】
そして、半導体膜５０２の表面において、第１のビームスポットと第２のビームスポットを重ね合わせるように照射し、上記２つのビームを図４（Ｂ）に示した白抜きの矢印の方向に向かって走査する。第１のレーザ光により溶融することで、基本波の吸収係数が高められ、第２のレーザ光のエネルギーが半導体膜に吸収されやすくなる。そして連続発振である第２のレーザ光の照射により溶融した領域が半導体膜中で移動するので、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒が形成される。該走査方向に沿って長く延びた単結晶の粒を形成することで、少なくともＴＦＴのチャネル方向には結晶粒界のほとんど存在しない半導体膜の形成が可能となる。
【００７６】
なお、希ガスや窒素などの不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射するようにしても良い。これにより、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。
【００７７】
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。
【００７８】
次に、図４（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。
【００７９】
例えばＴＦＴを作製する場合、次に図示しないが、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。
【００８０】
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。
【００８１】
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、島状の半導体膜の形成以降の、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。
【００８２】
なお第１のレーザ光と第２のレーザ光は、本実施の形態で示した照射条件に限定されない。
【００８３】
例えば第１のレーザ光として、エネルギー４Ｗ、１パルスのエネルギー２ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ00の発振モード、第２高調波（５３２ｎｍ）、発振周波数１ｋＨｚ、パルス幅３０ｎｓのＹＡＧレーザを用いることもできる。また例えば、第１のレーザ光として、エネルギー５Ｗ、１パルスのエネルギー０．２５ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ00の発振モード、第３高調波（３５５ｎｍ）、発振周波数２０ｋＨｚ、パルス幅３０ｎｓのＹＶＯ4レーザを用いることもできる。また例えば、第１のレーザ光として、エネルギー３．５Ｗ、１パルスのエネルギー０．２３３ｍＪ／ｐ、ＴＥＭ00の発振モード、第４高調波（２６６ｎｍ）、発振周波数１５ｋＨｚ、パルス幅３０ｎｓのＹＶＯ4レーザを用いることもできる。
【００８４】
そして、第２のレーザ光として、例えばエネルギー５００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いることができる。また例えば第２のレーザ光として、エネルギー２０００Ｗ、基本波（１．０６４μm）のNd:YAGレーザを用いることができる。
【００８５】
また、レーザ光による結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けても良い。触媒元素としては、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ることができる。触媒元素を用いた結晶化工程の後に、レーザ光による結晶化工程を行なうと、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半導体膜の表面に向かって均一に進みやすく、レーザ光による結晶化工程のみの場合に比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザ光による結晶化後の半導体膜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、オフ電流を抑えることができる。
【００８６】
なお、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ても良いし、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を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。
【００８７】
なお本実施の形態では、半導体膜の結晶化に本発明のレーザ照射方法を用いた例を示したが、半導体膜にドーピングした不純物元素の活性化を行なうのに用いても良い。
【００８８】
本発明の半導体装置の作製方法は、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。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９０】
（実施例１）
本実施例では、本発明のレーザ照射装置の一形態について説明する。
【００９１】
図５に本実施例のレーザ照射装置の構成を示す。本実施例では、パルス発振の可視光線以下の波長を有する第１のレーザ光が、レーザ発振器１５２０から発振される。また連続発振の第２のレーザ光が、２つのレーザ発振器１５００、１５０１から発振されている。
【００９２】
なお本実施例では、レーザ発振器１５２０にエキシマレーザを用い、１パルスあたりの出力エネルギーを１Ｊ、パルス幅を３０ｎｓ程度、従って単位時間あたりの出力を３０ＭＷとする。またレーザ発振器１５００、１５０１には共にＹＡＧレーザを用い、それぞれ出力エネルギーを１０ｋＷとする。
【００９３】
レーザ発振器１５２０から発振される第１のレーザ光は、ミラー１５２３において反射された後、光学系１５２４において矩形状、楕円形状または線状に集光され、被処理物１５１４に照射される。なお本実施例では、レーザ発振器１５２０とミラー１５２３との間に、第１のレーザ光を遮るシャッター１５２１が設けられているが、必ずしも設ける必要はない。また光学系１５２４は、線状、矩形状または楕円形状にビームスポットを集光し、エネルギー分布を均一にできるものであれば良い。
【００９４】
一方、レーザ発振器１５００、１５０１から発振された第２のレーザ光は、それぞれビームエキスパンダー１５０８、１５６０に入射する。本実施例では、レーザ発振器１５００、１５０１とビームエキスパンダー１５０８、１５６０との間に、第２のレーザ光を遮るシャッター１５０２、１５０３がそれぞれ設けられているが、必ずしも設ける必要はない。
【００９５】
そして、ビームエキスパンダー１５０８、１５６０によって、入射してきた第２のレーザ光の広がりを抑え、なおかつ、ビームの断面形状の大きさを調整することができる。
【００９６】
ビームエキスパンダー１５０８、１５６０から出射した第２のレーザ光は、シリンドリカルレンズ１５０９、１５６１において、そのビームの断面形状が矩形状、楕円形状または線状になるようにそれぞれ伸長される。そして、該伸長された第２のレーザ光は、ミラー１５１０、１５６２においてそれぞれ反射し、共にレンズ１５１１に入射する。入射したレーザ光はレンズ１５１１によって線状に集光され、レーザ照射室１５１３内の被処理物１５１４に照射される。本実施例ではレンズ１５１１としてシリンドリカルレンズを用いたが、ビームスポットを矩形状、楕円形状または線状にすることができるレンズであれば良い。
【００９７】
本実施例においては、ミラー１５２３、光学系１５２４が第１のレーザ光に対応する光学系に相当する。またビームエキスパンダー１５０８、１５６０、シリンドリカルレンズ１５０９、１５６１、ミラー１５１０、１５６２が、第２のレーザ光に対応する光学系に相当する。これら２つの光学系によって、第１のレーザ光により被処理物１５１４の表面に形成される第１のビームスポットと、第２のレーザ光により被処理物１５１４の表面に形成される第２のビームスポットとを重ね合わせることができる。
【００９８】
図７に、図５に示すレーザ照射装置において用いられる各ビームスポットの形状及びその配置の一例を示す。図７において、１５７０は第１のビームスポットに相当し、１５７１、１５７２はそれぞれ第２のビームスポットに相当する。図７では、第２のビームスポット１５７１と１５７２を、その長軸が一致するように、互いに一部重ね合わされている。そして、第２のビームスポット１５７１、１５７２を完全に覆うように、第１のビームスポット１５７０が重なっている。
【００９９】
本実施例では、第１のビームスポット１５７０の短軸方向の長さＬX1570を４００μｍ、長軸方向の長さＬY1570を１１０ｍｍとし、エネルギー密度を２５ＭＷ／ｃｍ2程度とする。１パルスあたりのエネルギー密度に換算すると１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ2程度が適当である。また第２のビームスポット１５７１の短軸方向の長さＬX1571を２００μｍ、長軸方向の長さＬY1571を６０ｍｍとし、エネルギー密度を０．１ＭＷ／ｃｍ2とする。また第２のビームスポット１５７１の短軸方向の長さＬX1571を２００μｍ、長軸方向の長さＬY1571を６０ｍｍとし、エネルギー密度を０．１ＭＷ／ｃｍ2とする。そして第２のビームスポット１５７１、１５７２は、互いに２０ｍｍ分重なっており、第２のビームスポット１５７１、１５７２の長軸を連ねた長さが１００ｍｍとなるようにする。
【０１００】
このように第２のレーザ光を複数合成することで、第１のレーザ光と第２のレーザ光が重なる領域を広げることができ、レーザ光が照射された領域全体に占める、該結晶性の劣っている領域の割合を減らすことができる。
【０１０１】
なお本実施例では２つのレーザ発振器を用いて、２系統の第２のレーザ光を被処理物に照射しているが、本発明はこれに限定されず、３以上の複数の系統の第２のレーザ光を用いるようにしても良い。また第１のレーザ光も複数の系統としても良い。
【０１０２】
レーザ照射室１５１３内において、被処理物１５１４はステージ１５１５上に載置されており、該ステージ１５１５は３つの一軸ロボット１５１６〜１５１８によってその位置が制御されている。具体的には、φ軸用の一軸ロボット１５１６により、水平面内においてステージ１５１５を回転させることができる。また、Ｘ軸用の一軸ロボット１５１７により、水平面内においてステージ１５１５をＸ軸方向に移動させることができる。また、Ｙ軸用の一軸ロボット１５１８により、水平面内においてステージ１５１５をＹ軸方向に移動させることができる。各位置制御手段の動作は、中央処理装置１５１９において制御されている。
【０１０３】
Ｙ軸方向に長く伸ばされた線状のビームスポットを照射しながら被処理物をＸ方向に走査させることで、走査方向に沿って長く伸びた結晶粒の集まりを形成できる。走査の速度は例えば１０〜２０００ｍｍ／ｓ、好ましくは１００〜１０００ｍｍ／ｓとすれば良いが、半導体膜の膜厚、材料等の条件により、走査速度の最適な範囲は前後する。これにより、走査方向に延びた幅１００ｍｍの領域に、該走査方向に結晶成長した単結晶の結晶粒を敷き詰めるように形成することができる。この走査方向に結晶成長した結晶粒が敷き詰められた領域は、単に連続発振のレーザ光のみを用いて結晶化を行なう従来技術の場合と比較して、その幅が１００倍程度と飛躍的に広い。
【０１０４】
なお本実施例のように、ＣＣＤ等の受光素子を用いたモニター１５１２を設け、被処理物１５１４の位置を正確に把握できるようにしても良い。
【０１０５】
（実施例２）
図６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。
【０１０６】
図６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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
またトランジスタ６００２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。
【０１１０】
また第２の層間絶縁膜６００７は、有機樹脂膜、無機絶縁膜、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ結合とＳｉ−ＣＨx結合手を含む絶縁膜等を用いることができる。本実施例では非感光性のアクリルを用いる。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。
【０１１１】
また図６において６０１０は陽極、６０１１は電界発光層、６０１２は陰極である。トランジスタ６００２の一つは、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。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。
【０１１２】
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。なお本実施例では隔壁として有機樹脂膜を用いているが、無機絶縁膜、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ結合とＳｉ−ＣＨx結合手を含む絶縁膜等を隔壁として用いることができる。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。
【０１１３】
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、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。
【０１１４】
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。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。
【０１１５】
なお図６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。
【０１１６】
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６では陽極６０１０としＩＴＯを用いている。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。
【０１１７】
なお図６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。また図６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。
【０１１８】
なお、実際には図６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。
【０１１９】
なお、本実施例では半導体装置の一例として発光装置を例に挙げたが、本発明の作製方法を用いて形成される半導体装置はこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】ビームスポットの大小関係を示す図。
【図２】本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。
【図３】本発明のレーザ照射方法において、被処理物の走査経路を示す図。
【図４】半導体装置の作製方法を示す図。
【図５】本発明のレーザ照射装置の構成を示す図。
【図６】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７】図５に示すレーザ照射装置において用いられるビームスポットの形状を示す図。
【図８】レーザ光の波長と吸収係数の関係を示す図。
【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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