(57)【要約】【課題】  レーザの発振状態の変化や、メンテナンス前後において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布が変化する。【解決手段】  本発明は、ビームスポットの形成用光学系において、向い合う２つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は、曲面形状に成形されているビームホモジナイザを用いることを特徴とする。光導波路とは、放射光を一定領域に閉じ込め、そのエネルギーの流れを経路の軸に平行に案内して伝送する能力を持った回路である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項２】
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを長方形状のレーザビームに成形し射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項４】
請求項２において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記長方形状のレーザビームの長辺方向における中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項５】
請求項２又は請求項４において、前記長方形状のレーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５において、前記長方形状のアスペクト比は１０以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項７】
請求項２乃至請求項５において、前記長方形状のアスペクト比は１００以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項８】
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項９】
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを長方形状のレーザビームに成形し射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１０】
請求項８又は９において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１１】
請求項９において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記長方形状のレーザビームの長辺方向における中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１２】
請求項９又は請求項１１において、前記長方形状のレーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２において、前記長方形状のアスペクト比は１０以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１２において、前記長方形状のアスペクト比は１００以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１５】
レーザ発振器と、
ビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１６】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から射出されたレーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段と、
前記レーザビームの前記一方向と直交する方向におけるエネルギー分布を均一化するビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを前記一方向と直交する方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１７】
請求項１６において、前記レーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段は、少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１８】
請求項１５乃至請求項１７のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１９】
レーザ発振器と、
ビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２０】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から射出されたレーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段と、
前記レーザビームの前記一方向と直交する方向におけるエネルギー分布を均一化するビームホモジナイザと、
被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを前記一方向と直交する方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記ビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、
前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２１】
請求項２０において、前記レーザビームの一方向のエネルギー分布を均一化する手段は、少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２２】
請求項１９乃至請求項２１のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２３】
請求項１５乃至請求項２２のいずれか一項において、前記レーザビームは長方形状であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２４】
請求項２３において、前記ビームホモジナイザは、前記レーザビームの短辺方向のエネルギー分布を均一化することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２５】
請求項２３又は請求項２４において、前記長方形状のアスペクト比は１０以上であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２６】
請求項２３又は請求項２４において、前記長方形状のアスペクト比は１００以上であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２７】
請求項１５乃至請求項２４のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２８】
基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールす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２８において、前記曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３０】
基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、
向い合う２つの反射面を有し、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出するライトパイプを備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３１】
請求項３０において、前記曲面形状は、前記ライトパイプから射出されたレーザビームを投影レンズで被照射面に投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３２】
請求項２８乃至３１のいずれか一項において、前記レーザビームの発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザのいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３３】
請求項２８乃至請求項３２のいずれか一項において、前記長方形状のアスペクト比は１０以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３４】
請求項２８乃至請求項３２のいずれか一項において、前記長方形状のアスペクト比は１００以上である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】
本発明は被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布をある特定の領域で均一化するビームホモジナイザに関する。また、前記ビームスポットを前記被照射面に照射するレーザ照射装置及びそれを用いた半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）に対し、レーザアニールを施す技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。なお、ここでいうレーザアニールとは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。このため、上記研究が盛んに行われている。結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり変えずに非単結晶半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有する。そのため、この結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は盛んに利用され、例えば、一枚のガラス基板上に、画素用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置や発光装置等に盛んに利用されている。前記結晶性珪素膜は多数の結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。
【０００５】
また、エキシマレーザ等の出力の大きいパルス発振式のレーザビームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長辺方向の長さ１０ｃｍ以上の長方形状となるように光学系にて加工し、ビームスポットの照射位置を被照射面に対して相対的に走査させて、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。なお、長方形状のビームスポットの内、特にアスペクト比が高いものを線状のビームスポットと呼ぶこととする。
【０００６】
特に、線状のビームスポットを用いると、前後左右の走査が必要な点状のビームスポットを用いた場合とは異なり、線状のビームスポットのビーム幅が長い方向に直角な方向だけの走査で大面積の被照射面にレーザビームを照射することができるため、高い量産性が得られる。ビーム幅の長い方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振のエキシマレーザのビームスポットを適当な光学系で加工した線状のビームスポットを使用することが主流になりつつある。
【０００７】
図７に、被照射面においてビームスポットの断面形状を線状に加工するための光学系の例を示す。図７中に示す光学系はきわめて一般的なものである。前記光学系は、ビームスポットの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、被照射面におけるビームスポットのエネルギー均一化を果たすものである。一般に、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。図７に示した光学系もビームホモジナイザである。
【０００８】
ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を光源に使用するならば、上記光学系の母材は例えばすべて石英とするとよい。なぜならば、高い透過率が得られるからである。また、コーティングは、使用するエキシマレーザの波長に対する透過率が９９％以上得られるものを使用するとよい。その他のエキシマレーザで、さらに短波長のものを光源とする場合は、フローライトやＭｇＦ2などの母材を用いれば高い透過率を得ることが可能である。しかしながら、これらの母材は結晶であるため、切断面やコーティングの選択などに注意する必要がある。
【０００９】
まず、図７（ａ）の側面図について説明する。レーザ発振器１２０１から射出されたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａと１２０２ｂにより、前記レーザビームのスポットを１方向に分割する。前記方向を、縦方向と呼ぶことにする。前記縦方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、４分割となっている。これらの分割されたスポットは、シリンドリカルレンズ１２０４により、いったん１つのスポットにまとめられる。再び分離したスポットはミラー１２０７で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ１２０８により、被照射面１２０９にて再び１つのスポットに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状のビームスポットの縦方向のエネルギー均一化がなされ、縦方向の長さが決定される。
【００１０】
次に、図７（ｂ）の上面図について説明する。レーザ発振器１２０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０３により、前記レーザビームのスポットを、前記縦方向に対し直角方向に分割する。前記直角方向を、横方向と呼ぶことにする。前記横方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、７分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ１２０５にて、７分割された前記スポットは被照射面１２０９にて１つに合成される。ミラー１２０７以降が破線で示されているが、前記破線は、ミラー１２０７を配置しなかった場合の正確な光路とレンズや被照射面の位置を示している。これにより、線状のビームスポットの横方向のエネルギーの均一化がなされ、横方向の長さが決定される。
【００１１】
上述したように、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａとシリンドリカルレンズアレイ１２０２ｂとシリンドリカルレンズアレイ１２０３とがレーザビームのスポットを分割するレンズとなる。これらの分割数により、得られる線状ビームスポットのエネルギー分布の均一性が決まる。
【００１２】
上記の諸レンズは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、該エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施してあり、これにより、レンズ１つあたりのエキシマレーザの透過率は９９％以上となる。
【００１３】
上記の構成で加工された線状のビームスポットをそのビームスポットの短辺方向に徐々にずらしながら重ねて照射する。そうすると、例えば非単結晶珪素膜全面に対しレーザアニールを施して結晶化させたり結晶性を向上させることができる。
【００１４】
ビームホモジナイザには、反射鏡を用いているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１５】
【特許文献１】特開２００１−２９１６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
現在は、量産工場において、上記のような光学系により長く線状に加工されたビームスポットを使って半導体膜のアニールが行われている。しかしながら、パルス発振式のエキシマレーザの繰り返し周波数により、均一なビームスポットの得られる面の位置が変化したり、エキシマレーザのレーザ媒質であるガスと外気を遮断するウインドウのクリーニングにより、被照射面におけるビームスポットの均一性が悪化したりするなど、量産装置としての完成度はあまり高いものとは言えない。
【００１７】
本発明は上記の問題点を鑑みて、エキシマレーザの発振状態の変化や、メンテナンス前後において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布の変化を極力抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布を均一化する方法には、光導波路を用いた。光導波路とは、放射光を一定領域に閉じ込め、そのエネルギーの流れを経路の軸に平行に案内して伝送する能力を持った回路である。
【００１９】
本発明が開示するビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記光導波路におけるレーザビームの射出側の端面が曲率を有する理由は以下のとおりである。本発明人はレーザビームが光学系によって長方形状に長く伸ばされ、レーザビームの広がる角度が著しく大きくなることがエネルギー分布を不均一にさせる原因の一つではないかと考えた。つまり、長方形状ビームの中央付近と長方形状ビームの長辺方向における両端では、前記光導波路から射出されるレーザビームを被照射面に投影するレンズの焦点の位置が異なっているのではないかと推測した。そこで、長方形状の長辺方向に長く伸ばされた光線と長方形状の中央付近に到達する光線とが同じ被照射面上で焦点を結ぶよう前記光導波路のレーザビームの射出側の端面を曲面形状とし、前記光導波路の射出口から被照射面までの距離を、長方形状ビームスポットの両端部分と中央付近で異なるようにする。これにより、長辺方向全長において、同じ被照射面上が焦点位置となり、エネルギー分布を均一化することが可能となる。
【００２１】
つまり、本発明が開示するビームホモジナイザにおけるレーザビームの射出側の端面が有する曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。ライトパイプとは、通常、全反射によって一端から他端に光を送る円錐形、ピラミッド形、円柱形などの形状に引き出される透明部材のことをいう。なお、光伝送にはミラーによる反射を用いてもよい。
【００２３】
本発明が開示するレーザ照射装置の構成は、レーザ発振器と、ビームホモジナイザと、前記被照射面において、前記ビームホモジナイザから射出されるレーザビームを集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、前記ビームホモジナイザは、向い合う２つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は、曲面形状に成形されていることを特徴とする。
【００２４】
上記レーザ照射装置の発明の構成において、前記ビームホモジナイザのレーザビームの射出側の端面が有する曲面形状は、前記光導波路から射出されたレーザビームを投影レンズで投影する際、前記レーザビームの中央と端の焦点位置が被照射面に合うようにする曲面形状であることを特徴とする。
【００２５】
上記レーザ照射装置の発明の構成において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザのいずれかであることを特徴としている。
【００２６】
本発明が開示するレーザ照射装置の他の発明の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。
【００２７】
本発明が開示する半導体装置の作製方法に関する発明の構成は、基板上に非晶質半導体膜を成形する工程と、レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非晶質半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及びビームホモジナイザを用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非晶質半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、前記ビームホモジナイザは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、向い合う２つの反射面が形成され、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する光導波路を備え、前記他方の端面は曲面形状に成形されている前記ビームホモジナイザによってエネルギー分布が均一されたレーザビームを用いて、前記非晶質半導体膜をレーザアニールすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【００２８】
上記半導体装置の作製方法に関する発明の構成において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザのいずれかであることを特徴としている。
【００２９】
本発明が開示する半導体装置の作製方法の他の発明の構成は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を、ライトパイプに置き換えたものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明が開示する光導波路を用いた長方形状のビームスポットを形成するビームホモジナイザを用いれば、短辺方向のエネルギー分布が均一かつ長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能となる。また、被照射面上に形成されるビームスポットの位置及びエネルギー分布がレーザ発振器の発振状態の影響を受けにくくなるため、ビームの安定性を高めることが可能となる。
【００３１】
本発明が開示する光学系を用いたレーザ照射装置から射出される長方形状のビームスポットを、半導体膜に長方形状の短辺方向に走査すると、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性の不均一性の発生を抑制することができ、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。また、本発明により、レーザ照射装置としての高い安定性が確保でき、またメンテナンス性の向上により、ランニングコストの低減が図れる。本発明を、低温ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いＴＦＴを効率良く生産することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
最初に、図６を用いて、光導波路によるビームスポットのエネルギー分布を均一化の方法を説明する。まず、図６（ａ）の側面図について説明する。向い合う２つの反射面６０２ａ、６０２ｂを有する光導波路６０２、被照射面６０３を用意し、光線を紙面左側から入射させる。前記光線は、光導波路６０２が存在するときの光線を実線６０１ａで、光導波路６０２が存在しないときの光線を破線６０１ｂで示す。光導波路６０２が存在しないとき紙面左側から入射する光線は、破線６０１ｂで示したように、被照射面６０３ａ、６０３ｂ及び６０３ｃの領域に到達する。
【００３３】
一方、光導波路６０２が存在するときには、実線６０１ａで示したように、光線は光導波路６０２の反射面によって反射され、すべての光線が被照射面６０３ｂの領域に到達する。つまり、光導波路６０２が存在するときには、光導波路６０２が存在しないときに被照射面６０３ａ及び６０３ｃの領域に到達する光線が、すべて被照射面６０３ｂの領域に到達する。従って、光導波路６０２に光線を入射すると、前記光導波路内において反射を繰り返し、射出口に至る。つまり入射する光線が折りたたまれるように、同じ位置である被照射面６０３ｂに重ね合わされることになる。この例において、光導波路がない場合の被照射面６０３での光の拡がり６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃをあわせた長さをＡとし、光導波路がある場合の被照射面６０３での光の拡がり６０３ｂの長さをＢとしたとき、Ａ／Ｂが従来技術で述べたホモジナイザの分割数に相当する。このように、入射する光線を分割し、分割される光線を同じ位置に重ね合わせることで、重ね合わされた位置における光線のエネルギー分布は均一化される。
【００３４】
ホモジナイザは一般的に光線の分割数が多くなるほど、分割された光線が重ね合わされた位置でのエネルギー分布の均一性は高くなる。上記光導波路６０２において、光線の分割数を多くするには、上記光導波路６０２内での反射回数を多くすることで可能となる。つまり、光導波路が有する２つの反射面の光線入射方向における長さを長くするとよい。また、向い合う反射面の間隔を小さくすることでも分割数を大きくすることができる。あるいは、入射する光線のＮＡ（開口数）を大きくすることによっても分割数を大きくすることができる。
【００３５】
本発明で開示する長方形状のビームスポット形成光学系を、図３を用いて説明する。まず、図３（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器１３１から出たレーザビームは図３中、矢印の方向に伝搬される。まず、レーザビームは球面レンズ１３２ａ及び１３２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器１３１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。
【００３６】
レーザビームはシリンドリカルレンズ１３４により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞られ、シリンドリカルレンズ１３４の後方に配置された向い合う２つの反射面１３５ａ及び１３５ｂを有する光導波路１３５に入射する。前記光導波路１３５の射出面に長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一面が形成される。
【００３７】
光導波路１３５の入射方向への長さが長いければ長いほど、また、シリンドリカルレンズ１３４の焦点距離が短ければ短いほどエネルギー分布の均一化は進む。しかしながら、光学系の大きさを考えて実際の系は作製されなければならないため、前記光導波路の長さや、前記焦点距離は系の大きさに合わせて実際的なものとしなくてはならない。
【００３８】
図３中、光導波路１３５の後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ１３６により、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方に配置した被照射面に光導波路１３５直後に形成された前記均一面を投影する。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズ１３６ａ、１３６ｂで構成されているレンズのことをいう。これにより、光導波路１３５の射出面に形成された均一面を他の面（被照射面）に投影することができる。すなわち、前記均一な面と、被照射面１３７とは、ダブレットシリンドリカルレンズ１３６に対して共役な位置にある。光導波路１３５とダブレットシリンドリカルレンズ１３６により、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。なお、被照射面においてビームスポットの均一性をあまり要求しない場合、あるいはダブレットシリンドリカルレンズのＦ値が非常に大きい場合は、シングレットシリンドリカルレンズを用いても良い。
【００３９】
次に、図３（ａ）の上面図について説明する。レーザ発振器１３１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１３３により、スポットが長方形の長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ１３３は、シリンドリカルレンズを曲率方向に並べたものである。本実施形態においては、５個シリンドリカルレンズを並べたシリンドリカルレンズアレイを用いている。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。なお、シリンドリカルレンズアレイの後方に前記シリンドリカルレンズアレイによって分割された光線を合成するシリンドリカルレンズを配置してもよい。
【００４０】
シリンドリカルレンズアレイ１３３から出たレーザビームは後方に配置した光導波路１３５に入射する。光導波路１３５を構成する向い合う２つの反射面１３５ａ及び１３５ｂのレーザビームの射出側の端面に曲率を持たせる。図１及び図２を用いて、光導波路１３５のレーザビームの射出側の端面に曲率をつける理由を説明する。図２において、実線で示した光線１０１は長方形状ビームの中央付近を形成する光線であり、点線で示した光線１０２は長方形状ビームの長辺方向における両端部分を形成する光線である。向い合う２つの反射面を有する光導波路１０３から射出した光線は、投影レンズ１０４によって被照射面１０５に長方形状ビームを形成する。光線１０２は被照射面１０５上において焦点を結んでいるのに対して、光線１０１は被照射面１０５の手前で焦点を結んでいる。
【００４１】
一方、図１は、光導波路１１３の形状以外は図２で示した光学系と同じ構成を示し、長方形状の長辺方向に長く伸ばされた光線１１２と長方形状の中央付近に到達する光線１１１とが同じ照射面上で焦点を結ぶよう光導波路１１３の光線の射出側の端面を曲面とする。曲面は、長辺方向のみに曲率を付けた円筒面とする。
【００４２】
図１に示されるような構成により、向い合う２つの反射面を有する光導波路１１３からの光線の射出位置を、長方形状の長辺方向における中央と両端とで差をつけることができる。これにより、投影レンズ１１４による被照射面１１５上での焦点位置を長方形状の長辺方向における中央と両端とで同一にすることが可能となる。したがって、長辺方向全長においてエネルギー分布が均一化された長方形状のビームスポットを成形することができる。
【００４３】
光導波路を使用する利点は、均一面の位置が光学系により完全に固定されることである。すなわち、光導波路の射出面に均一面が形成されるため、レーザ発振器から射出されるビームの特性がパルス毎及びメンテナンス等によって変化しても前記均一面の位置は全く変化しない。つまりポインティングスタビリティーの影響を受けにくい。これにより、レーザ発振器の状態の変化に左右されない均一なビームを被照射面に得ることが可能となる。
【００４４】
本発明のビームホモジナイザと組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は６００ｎｍ以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ（高調波）、ガラスレーザ（高調波）がある。
【００４５】
また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、ＹＶＯ4レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザがある。
【００４６】
以下、本発明のビームホモジナイザ及びレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板としてガラス基板を用意する。この基板には６００℃までの温度であれば充分な耐久性のあるものを使用する。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマＣＶＤ法にて成膜してもよい。
【００４７】
次に、上記成膜済の基板に、窒素雰囲気中で加熱処理を施す。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。  前記膜内の水素の濃度は１０20atoms/ｃｍ3オーダーが適当である。ここで、１０20atoms/ｃｍ3とは、１ｃｍ3あたりに水素原子が１０20個存在するという意味である。
【００４８】
本実施の形態では、レーザ発振器として、ＸｅＣｌエキシマレーザを使う。前記エキシマレーザは、パルスレーザである（発振波長は３０８ｎｍ）。基板１枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの１パルスごとのエネルギー変動は、±５％以内、好ましくは±２％以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。
【００４９】
ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。すなわち、基板１枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を％で表したものである。
【００５０】
レーザビームの照射は例えば、図３に示した被照射面１３７をのせたステージを長方形の短辺方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。だいたいの目安は、エネルギー密度２００ｍＪ/ｃｍ2〜１０００ｍＪ/ｃｍ2の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が９０％程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。
【００５１】
こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイや、発光素子として有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイ等を公知の方法に従って作製することができる。
【００５２】
上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μｍと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、作為的にコヒーレント長を変えたものを用いればよい。ＹＡＧレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当なレーザ発振器として、ＹＶＯ4レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザなどがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。
【００５３】
上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。
〔比較例〕
【００５４】
本比較例では、レーザビームの照射対象となる半導体膜の典型的な作製方法を示す。まず基板として、厚さ０．７ｍｍ、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７基板を用意した。基板にプラズマＣＶＤ装置を用いて、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜（酸化珪素膜）を成膜し、ＳｉＯ2膜表面に厚さ５０ｎｍの非晶質珪素膜（以下、ａ-Ｓｉ膜と表記する）を成膜した。基板を、温度５００℃の窒素雰囲気に１時間さらして、膜中の水素濃度を減らした。前記膜内の水素の濃度は１０20atoms/cm3オーダーが適当である。ここで、１０20atoms/cm3とは、１ｃｍ3あたりに水素原子が１０20個存在するという意味である。これにより、膜の耐レーザ性が著しく向上した。
【００５５】
次に、前記ａ-Ｓｉ膜をレーザアニールするのに適当なレーザの仕様の例を示す。レーザ発振器は、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）Ｌ４３０８を使用すると十分な出力とスループットが得られるため好ましい。前記レーザ発振器はパルス発振レーザを発し、１パルスあたり６７０ｍＪのエネルギーを出す能力を持っている。レーザビームのスポットサイズは、レーザビームの出口で、およそ１０×３０ｍｍ（共に半値幅）である。レーザビームの出口は、レーザ発振器からレーザビームが出た直後における、レーザビームの進行方向に垂直な平面で定義する。
【００５６】
エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、１〜５位の範囲に入る。レーザビームのスポットの強度は、レーザビームのスポットの中央ほど強い、ガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのスポットサイズは、図７に示した光学系により、エネルギー分布が一様のスポット形状１２５ｍｍ×０.４ｍｍの線状のビームスポットに変換される。
【００５７】
本発明人の実験によると、上述の半導体膜に対しレーザビームを照射する場合、重ね合わせのピッチは線状のビームスポットの短幅（半値幅）の１／１０前後が最も適当であった。これにより、前記半導体膜内における結晶性の均一性が向上した。上記の例では、前記半値幅が０．４ｍｍであったので、エキシマレーザのパルス周波数を３０Ｈｚ、走査速度を１．０ｍｍ／ｓとし、レーザビームを照射した。このとき、レーザビームの被照射面におけるエネルギー密度は４５０ｍＪ／ｃｍ2とした。これまで述べた方法は線状のビームスポットを使って半導体膜を結晶化するために用いられる極めて一般的なものである。
【実施例１】
【００５８】
図４に本実施例で説明する光学系の例を示す。まず、図４（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器１５１から出たレーザビームは図４中、矢印の方向に伝搬される。まず、レーザビームは球面レンズ１５２ａ及び１５２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器１５１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。
【００５９】
第２面が曲率半径−１９４．２５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズ１５５により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞る。曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対して光線の射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。また、レンズ面は光が入射する面を第１面、射出する面を第２面とする。シリンドリカルレンズ１５５の後方４２８．８ｍｍに配置された向い合う２つの反射面１５６ａ及び１５６ｂを有する光導波路１５６により、被照射面における長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。こうして、光導波路１５６の射出口に均一な面が形成される。前記光導波路１５６は光線の入射方向に長さ３００ｍｍ、反射面間の距離が０．４ｍｍとする。
【００６０】
光導波路１５６の４００ｍｍ後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ１５７（２枚のシリンドリカルレンズ１５７ａ及び１５７ｂからなる）により、前記ダブレットシリンドリカルレンズ１５７から後方４１６．９ｍｍに配置した被照射面１５８に長方形の短辺方向に光導波路１５６から射出される光線を集光する。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。前記ダブレットシリンドリカルレンズを構成する２枚のシリンドリカルレンズは、１枚は第1面の曲率半径が＋１２２．９９ｍｍ、第２面の曲率半径が＋９０．１２ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、もう１枚は第１面の曲率半径が＋１４２．３２ｍｍ、第２面の曲率半径が−１６５．５４ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、２枚のシリンドリカルレンズの間隔は５ｍｍである。これにより、光導波路１５６の射出面に形成された均一面を被照射面に投影することができる。光導波路１５６とダブレットシリンドリカルレンズ１５７により、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。
【００６１】
次に、図４（ａ）の上面図について説明する。レーザ発振器１５１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１５３により、スポットが長方形の長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ１５３は、第１面の曲率半径が＋２４．５ｍｍで、厚さが５ｍｍ、幅６．５ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に５個並べたものである。
【００６２】
シリンドリカルレンズアレイ１５３の後方５００ｍｍに配置されたシリンドリカルレンズ１５４によって前記シリンドリカルレンズアレイ１５３によって分割された光線が被照射面１５８上で重ね合わされる。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。シリンドリカルレンズ１５４は、発明実施の形態においては、用いていない。このレンズが入ることにより長方形のビームスポットの長辺方向における両端で発生する、エネルギーの減衰部分を少なくすることが可能になる。しかしながら、装置構成上、本レンズの焦点距離が著しく長くなる場合があり、このようなときは、本レンズの効果が薄くなるため用いなくてもよいことがある。
【００６３】
シリンドリカルレンズ１５４から出たレーザビームは１９００．８ｍｍ後方に配置した光導波路１５６に入射する。光導波路１５６を構成する向い合う２つの反射面１５６ａ及び１５６ｂの後面に＋３７５１．５ｍｍの曲率を持たせる。これにより、長方形状の長辺方向における中央と両端部分で入射位置に差を設けることができる。よって、被照射面上が、長方形状の長辺方向における中央及び両端ともに焦点位置にすることが可能となり、長辺方向全長においてエネルギー分布が均一化された長方形状（３００ｍｍ×０．４ｍｍ）のビームスポットを成形することができる。
【００６４】
本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型のディスプレイや発光装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。
【実施例２】
【００６５】
本実施例では、実施の形態に記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図５に本実施例で説明する光学系の例を示す。
【００６６】
図５中、光導波路１６５以外は、図３に示した光学系と全く同じ光路を通る。つまり、レーザ発振器１６１から出たレーザビームは球面レンズ１６２ａ及び１６２ｂにより拡大され、シリンドリカルレンズアレイ１６３により長辺方向のエネルギー分布が均一化される。そして、シリンドリカルレンズ１６４により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞られ、シリンドリカルレンズ１６４の後方に配置された光導波路１６５に入射する。そして、光導波路１６５の後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ１６６（シリンドリカルレンズ１６６ａ、１６６ｂで構成されている）により、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方に配置した被照射面１６７に光導波路１３５直後に形成された前記均一面を投影する。
【００６７】
光導波路１６５は、光導波路１３５と同様に向い合う２つの反射面１６５ａ及び１６５ｂを有する。光導波路１３５は向い合う２つの反射面間の空間が中空である一方で、光導波路１６５の反射面間の空間は屈折率ｎの媒質１６５ｃで満たされている。この点で両者は異なる。媒質の屈折率ｎが反射面の材質の屈折率よりも大きければ、光線が臨界角以下の角度で前記光導波路１６５に入射すると、反射面において光線は全反射する。つまり、このときは光導波路の光線の透過率は全反射しない場合と比べて高くなる。従って、より高効率で光源であるレーザ発振器１６１からの光線を被照射面１６７に集光することができる。
【００６８】
図５に示した光学系により、短辺方向の長さが０．４ｍｍ、長辺方向の長さが３００ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。例えば媒質には、紫外光に対する屈折率が１．５２であり、透過率が高いＨＯＹＡ製ＢＳＣ７などを用いるのがよい。
【００６９】
本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイや、発光素子として有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬディスプレイ等を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。
【実施例３】
【００７０】
本実施例では、本発明のレーザ照射装置を用いて結晶性半導体膜を作製し、半導体装置とするところまでを図８及び図９を参照しながら述べる。
【００７１】
まず、基板１１００上に下地絶縁膜１１０１ａ、１１０１ｂを形成する。基板の材料としては、ガラス基板、石英基板、結晶性ガラスなどの絶縁性基板や、セラミック基板、ステンレス基板、金属基板（タンタル、タングステン、モリブデン等）、半導体基板、プラスチック基板（ポリイミド、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン等）等を用いることができるが、少なくともプロセス中に発生する熱に耐えうる材料を使用する。本実施例においてはガラス基板を使用する。
【００７２】
下地絶縁膜１１０１ａ、１１０１ｂとしては酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などが使用でき、これら絶縁膜を単層又は２以上の複数層で形成する。これらはスパッタ法や減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等公知の方法を用いて形成する。本実施例では２層の積層構造としているが、もちろん単層でも３層以上の複数層でも構わない。本実施例においては１層目の絶縁膜１１０１ａとして窒化酸化シリコン膜を５０ｎｍ、２層目の絶縁膜１１０１ｂとして酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍで形成した。なお、窒化酸化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜はその窒素と酸素の割合が異なっていることを意味しており、前者の方がより窒素の含有量が高いことを示している。
【００７３】
次いで、非晶質半導体膜を形成する。非晶質半導体膜はシリコンまたはシリコンを主成分とする材料（例えばＳｉxＧｅ1-x等）で２５〜８０ｎｍの厚さに形成すればよい。作製方法としては、公知の方法、例えばスパッタ法、減圧ＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等が使用できる。本実施例では、アモルファスシリコンにより膜厚６６ｎｍに形成する。
【００７４】
続いて、アモルファスシリコンの結晶化を行う。本実施例においては、レーザアニールし結晶化を行う工程を説明する。
【００７５】
レーザアニールは、本発明のレーザ照射装置を用いる。レーザ発振装置としては、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ等を用いればよい。
【００７６】
本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニールしアモルファスシリコンの結晶化を行う。より具体的には、実施例１及び実施例２に記載されている方法で行えばよい。例えば、エネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ2〜１０００ｍＪ／ｃｍ2で、ショット数１０〜５０ｓｈｏｔｓで行えばよい。
【００７７】
次いで、結晶性半導体膜をエッチングにより所望の形状１１０２ａ〜１１０２ｄとする。続いて、ゲート絶縁膜１１０３を形成する。膜厚は１１５ｎｍ程度とし、減圧ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法、スパッタ法などでシリコンを含む絶縁膜を形成すれば良い。本実施例では酸化シリコン膜を形成する。この場合、プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）とＯ2とを混合し、反応圧力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃の条件下で、高周波（１３．５６ＭＨｚ）電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ2で放電させることで形成する。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℃の加熱処理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。
【００７８】
本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜を結晶化することにより、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性の不均一性を抑制することができ、良好で均一な特性を持つ結晶質半導体を得ることができる。
【００７９】
次いで、ゲート絶縁膜上に第１の導電層として膜厚３０ｎｍの窒化タンタル（ＴａＮ）とその上に第２の導電層として膜厚３７０ｎｍのタングステン（Ｗ）を形成する。ＴａＮ膜、Ｗ膜共スパッタ法で形成すればよく、ＴａＮ膜はＴａのターゲットを用いて窒素雰囲気中で、Ｗ膜はＷのターゲットを用いて成膜すれば良い。ゲート電極として使用するには抵抗が低いことが要求され、特にＷ膜の抵抗率は２０μΩｃｍ以下であることが望ましいため、Ｗのターゲットは高純度（９９．９９％）のターゲットを用いることが望ましく、成膜時の不純物混入にも注意をはらわなければならない。こうして形成されたＷ膜の抵抗率は９〜２０μΩｃｍとすることが可能である。
【００８０】
なお、本実例では第１の導電層を膜厚３０ｎｍのＴａＮ、第２の導電層を膜厚３７０ｎｍのＷとしたが、これに限定されず、第１の導電層と第２の導電層は共にＴａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｄ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若しくは化合物材料で形成してもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶珪素膜に代表される半導体膜を用いてもよい。また、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。さらに、その組み合わせも適宜選択すればよい。膜厚は第１の導電層が２０〜１００ｎｍ、第２の導電層が１００〜４００ｎｍの範囲で形成すれば良い。また、本実施例では、２層の積層構造としたが、１層としてもよいし、もしくは３層以上の積層構造としてもよい。
【００８１】
次に、前記導電層をエッチングして電極及び配線を形成するため、フォトリソグラフィーにより露光工程を経てレジストからなるマスクを形成する。第１のエッチング処理では第１のエッチング条件と第２のエッチング条件でエッチングを行う。レジストによるマスクを用い、エッチングし、ゲート電極及び配線を形成する。エッチング条件は適宜選択すれば良い。
【００８２】
本法では、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）エッチング法を使用した。第１のエッチング条件として、エッチング用ガスにＣＦ4、Ｃｌ2とＯ2を用い、それぞれのガス流量を２５／２５／１０（ｓｃｃｍ）とし、１．０Ｐａの圧力でコイル型電極に５００ＷのＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入してプラズマを生成してエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも１５０ＷのＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。この第１のエッチング条件によりＷ膜をエッチングして第１の導電層の端部をテーパー形状とする。第１のエッチング条件でのＷ膜に対するエッチング速度は２００ｎｍ／ｍｉｎ、ＴａＮに対するエッチング速度は８０ｎｍ／ｍｉｎ、でありＴａＮに対するＷの選択比は約２．５である。また、この第１のエッチング条件によって、Ｗ膜のテーパー角度は約２６°となる。
【００８３】
続いて、第２のエッチング条件に移ってエッチングを行う。レジストからなるマスクを除去せず、のこしたまま、エッチング用ガスにＣＦ4とＣｌ2を用い、それぞれのガス流量を３０／３０（ｓｃｃｍ）、圧力１．０Ｐａでコイル型の電極に５００ＷのＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入してプラズマを生成して約１５秒程度のエッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも２０ＷのＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加する。ＣＦ4とＣｌ2を混合した第２のエッチング条件ではＷ膜及びＴａＮ膜とも同程度にエッチングされる。
【００８４】
第２のエッチング条件でのＷに対するエッチング速度は５９ｎｍ／ｍｉｎ、ＴａＮに対するエッチング速度は６６ｎｍ／ｍｉｎである。なお、ゲート絶縁膜上に残渣を残すことなくエッチングするためには、１０〜２０％程度の割合でエッチング時間を増加させると良い。この第１のエッチング処理において、電極に覆われていないゲート絶縁膜は２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度エッチングされる。
【００８５】
上記の第１のエッチング処理においては、基板側に印加されたバイアス電圧の効果により第１の導電層及び第２の導電層の端部はテーパー状となる。
【００８６】
次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第２のエッチング処理を行う。第２のエッチング処理では、エッチング用のガスにＳＦ6とＣｌ2とＯ2を用い、それぞれのガス流量を２４／１２／２４（ｓｃｃｍ）とし、１．３Ｐａの圧力でコイル側の電力に７００ＷのＲＦ(１３．５６ＭＨｚ)電力を投入してプラズマを発生して２５秒程度エッチングを行う。基板側（試料ステージ）にも１０ＷのＲＦ(１３．５６ＭＨｚ)電力を投入し、実質的に負の自己バイアス電圧を印加した。このエッチング条件ではＷ膜が選択的にエッチングされ、第２形状の導電層を形成した。このとき第１の導電層はほとんどエッチングされない。第１、第２のエッチング処理によって第１の導電層１１０４ａ〜１１０４ｄ、第２の導電層１１０５ａ〜１１０５ｄよりなるゲート電極が形成される。
【００８７】
そして、レジストからなるマスクを除去せず、第１のドーピング処理を行う。これにより、結晶性半導体層にＮ型を付与する不純物が低濃度に添加される。第１のドーピング処理はイオンドープ法又はイオン注入法で行えば良い。イオンドープ法の条件はドーズ量が１×１０13〜５×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2、加速電圧が４０〜８０ｋＶで行えばよい。本実施例では加速電圧を５０ｋＶとして行った。Ｎ型を付与する不純物元素としては１５族に属する元素を用いることができ、代表的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）が用いられる。本実施例ではリン（Ｐ）を使用した。その際、第１の導電層をマスクとして、自己整合的に低濃度の不純物が添加されている第１の不純物領域（Ｎ--領域）を形成した。
【００８８】
続き、レジストからなるマスクを除去する。そして新たにレジストからなるマスクを形成して第１のドーピング処理よりも高い加速電圧で、第２のドーピング処理を行う。第２のドーピング処理もＮ型を付与する不純物を添加する。イオンドープ法の条件はドーズ量を１×１０13〜３×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2、加速電圧を６０〜１２０ｋＶとすれば良い。本実施例ではドーズ量を３．０×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2とし、加速電圧を６５ｋＶとして行った。第２のドーピング処理は第２の導電層を不純物元素に対するマスクとして用い、第１の導電層の下方に位置する半導体層にも不純物元素が添加されるようにドーピングを行う。
【００８９】
第２のドーピングを行うと、結晶性半導体層の第１の導電層と重なっている部分のうち、第２の導電層に重なっていない部分もしくはマスクに覆われていない部分に、第２の不純物領域（Ｎ-領域、Ｌｏｖ領域）が形成される。第２の不純物領域には１×１０18〜５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度範囲でＮ型を付与する不純物が添加される。また、結晶性半導体膜のうち、第１形状の導電層にもマスクにも覆われておらず、露出している部分（第３の不純物領域：Ｎ+領域）には１×１０19〜５×１０21ａｔｏｍ／ｃｍ3の範囲で高濃度にＮ型を付与する不純物が添加される。また、半導体層にはＮ+領域が存在するが、一部マスクのみに覆われている部分がある。この部分のＮ型を付与する不純物の濃度は、第１のドーピング処理で添加された不純物濃度のままであるので、引き続き第１の不純物領域（Ｎ--領域）と呼ぶことにする。
【００９０】
なお、本実施例では２回のドーピング処理により各不純物領域を形成したが、これに限定されることは無く、適宜条件を設定して、一回もしくは複数回のドーピングによって所望の不純物濃度を有する不純物領域を形成すれば良い。
【００９１】
次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスクを形成し、第３のドーピング処理を行う。第３のドーピング処理により、Ｐチャネル型ＴＦＴとなる半導体層に前記第１の導電型及び前記第２の導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）が形成される。
【００９２】
第３のドーピング処理では、レジストからなるマスクに覆われておらず、更に第１の導電層とも重なっていない部分に、第４の不純物領域（Ｐ+領域）が形成され、レジストからなるマスクに覆われておらず、且つ第１の導電層と重なっており、第２の導電層と重なっていない部分に第５の不純物領域（Ｐ-領域）が形成される。Ｐ型を付与する不純物元素としては、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）など周期律表第１３族の元素が知られている。
【００９３】
本実施例では、第４の不純物領域及び第５の不純物領域を形成するＰ型の不純物元素としてはホウ素（Ｂ）を選択し、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いたイオンドープ法で形成した。イオンドープ法の条件としては、ドーズ量を１×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2とし、加速電圧を８０ｋＶとした。
【００９４】
なお、第３のドーピング処理の際には、Ｎチャネル型ＴＦＴを形成する半導体層Ａ，Ｃはレジストからなるマスクに覆われている。
【００９５】
ここで、第１及び第２のドーピング処理によって、第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されている。しかし、第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）のいずれの領域においても、第３のドーピング処理によって、Ｐ型を付与する不純物元素の濃度が１×１０19〜５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となるようにドーピング処理される。そのため、第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）は、Ｐチャネル型ＴＦＴのソース領域及びドレイン領域として問題無く機能する。
【００９６】
なお、本実施例では、第３のドーピング一回で、第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）を形成したが、これに限定はされない。ドーピング処理の条件によって適宜複数回のドーピング処理により第４の不純物領域（Ｐ+領域）及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）を形成してもよい。
【００９７】
これらのドーピング処理によって、第１の不純物領域（Ｎ--領域）１１１２ｂ、第２の不純物領域（Ｎ-領域、Ｌｏｖ領域）１１１１ｂ、第３の不純物領域（Ｎ+領域）１１１１ａ、１１１２ａ、第４の不純物領域（Ｐ+領域）１１１３ａ、１１１４ａ、及び第５の不純物領域（Ｐ-領域）１１１３ｂ、１１１４ｂが形成される。
【００９８】
次いで、レジストからなるマスクを除去して第１のパッシベーション膜１１２０を形成する。この第１のパッシベーション膜としてはシリコンを含む絶縁膜を１００〜２００ｎｍの厚さに形成する。成膜法としてはプラズマＣＶＤ法や、スパッタ法を用いればよい。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成した。酸化窒化シリコン膜を用いる場合には、プラズマＣＶＤ法でＳｉＨ4、Ｎ2Ｏ、ＮＨ3から作製される酸化窒化シリコン膜、またはＳｉＨ4、Ｎ2Ｏから作製される酸化窒化シリコン膜を形成すれば良い。この場合の作製条件は反応圧力２０〜２００Ｐａ、基板温度３００〜４００℃とし、高周波（６０ＭＨｚ）電力密度０．１〜１．０Ｗ／ｃｍ2である。また、第１のパッシベーション膜としてＳｉＨ4、Ｎ2Ｏ、Ｈ2から作製される酸化窒化水素化シリコン膜を適用しても良い。もちろん、第１のパッシベーション膜１１２０は、本実施例のような酸化窒化シリコン膜の単層構造に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層構造、もしくは積層構造として用いても良い。
【００９９】
その後、本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニール法を行い、半導体層の結晶性の回復、半導体層に添加された不純物元素の活性化を行う。例えば、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ2〜１０００ｍＪ／ｃｍ2で、ショット数１０〜５０ｓｈｏｔｓで行えばよい。なお、レーザアニール法の他に、熱処理法、又はラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を適用することができる。
【０１００】
また、第１のパッシベーション膜１１２０を形成した後で熱処理を行うことで、活性化処理と同時に半導体層の水素化も行うことができる。水素化は、第１のパッシベーション膜に含まれる水素によって、半導体層のダングリングボンドを終端するものである。
【０１０１】
また、第１のパッシベーション膜１１２０を形成する前に加熱処理を行ってもよい。但し、第１の導電層１１０４ａ〜１１０４ｄ及び第２の導電層１１０５ａ〜１１０５ｄを構成する材料が熱に弱い場合には、本実施例のように配線などを保護するため、第１のパッシベーション膜１１２０を形成した後で熱処理を行うことが望ましい。さらに、この場合、第１のパッシベーション膜がないため、当然パッシベーション膜に含まれる水素を利用しての水素化は行うことができない。
【０１０２】
この場合は、プラズマにより励起された水素を用いる手段（プラズマ水素化）を用いての水素化や、３〜１００％の水素を含む雰囲気中において、３００〜４５０℃で１〜１２時間の加熱処理による水素化を用いれば良い。
【０１０３】
次いで、第１のパッシベーション膜１１２０上に、第１の層間絶縁膜１１２１を形成する。第１の層間絶縁膜としては、無機絶縁膜や有機絶縁膜を用いることができる。無機絶縁膜としては、ＣＶＤ法により形成された酸化シリコン膜や、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）法により塗布された酸化シリコン膜などを用いることができ、有機絶縁膜としてはポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、アクリルまたはポジ型感光性有機樹脂、ネガ型感光性有機樹脂等の膜を用いることができる。また、アクリル膜と酸化窒化シリコン膜の積層構造を用いても良い。
【０１０４】
また、層間絶縁膜は、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成され、置換基に少なくとも水素を含む材料で形成することができる。さらには、置換基にフッ素、アルキル基、または芳香族炭化水素のうち少なくとも１種を有する材料で形成することができる。これらの材料の代表例としては、シロキサン系ポリマーが挙げられる。
【０１０５】
シロキサン系ポリマーは、その構造により、例えば、シリカガラス、アルキルシロキサンポリマー、アルキルシルセスキオキサンポリマー、水素化シルセスキオキサンポリマー、水素化アルキルシルセスキオキサンポリマーなどに分類することができる。
【０１０６】
また、Ｓｉ−Ｎ結合を有するポリマー（ポリシラザン）を含む材料で層間絶縁膜を形成してもよい。
【０１０７】
上記の材料を用いることで、膜厚を薄くしても十分な絶縁性および平坦性を有する層間絶縁膜を得ることができる。また、上記の材料は耐熱性が高いため、多層配線におけるリフロー処理にも耐えうる層間絶縁膜を得ることができる。さらに、吸湿性が低いため、脱水量の少ない層間絶縁膜を形成することができる。
【０１０８】
本実施例では、膜厚１．６μｍの非感光性アクリル膜を形成した。第１の層間絶縁膜によって、基板上に形成されたＴＦＴによる凹凸を緩和し、平坦化することができる。とくに、第１の層間絶縁膜は平坦化の意味合いが強いので、平坦化されやすい材質の絶縁膜を用いることが好ましい。
【０１０９】
その後、第１の層間絶縁膜上に窒化酸化シリコン膜等からなる第２のパッシベーション膜（図示せず）を形成する。膜厚は１０〜２００ｎｍ程度で形成すれば良く、第２のパッシベーション膜によって第１の層間絶縁膜へ水分が出入りすることを抑制することができる。第２のパッシベーション膜には、他にも窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜やカーボンナイトライド（ＣＮ）膜も同様に使用できる。
【０１１０】
またＲＦスパッタ法を用いて成膜された膜は緻密性が高く、バリア性に優れている。ＲＦスパッタの条件は、例えば酸化窒化珪素膜を成膜する場合、Ｓｉターゲットで、Ｎ2、Ａｒ、Ｎ2Ｏをガスの流量比が３１：５：４となるように流し、圧力０．４Ｐａ、電力３０００Ｗとして成膜する。また、例えば窒化珪素膜を成膜する場合、Ｓｉターゲットで、チャンバー内のＮ2、Ａｒをガスの流量比が１：１となるように流し、圧力０．８Ｐａ、電力３０００Ｗ、成膜温度を２１５℃として成膜する。本実施例では、ＲＦスパッタ法を用いて、酸化窒化シリコン膜を７０ｎｍの膜厚で形成した。
【０１１１】
次いで、エッチングにより第２のパッシベーション膜、第１の層間絶縁膜及び第１のパッシベーション膜をエッチングし、第３の不純物領域及び第４の不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。
【０１１２】
続いて、各不純物領域とそれぞれ電気的に接続する配線及び電極１１２２〜１１２８を形成する。なお、これらの配線は、膜厚５０ｎｍのＴｉ膜と膜厚５００ｎｍの合金膜（ＡｌとＴｉ）との積層膜をパターニングして形成する。もちろん、に２層構造に限らず、単層構造でも良いし、３層以上の積層構造にしても良い。また、配線材料としては、ＡｌとＴｉに限らない。例えばＴａＮ膜上にＡｌ膜やＣｕ膜を形成し、更にＴｉ膜を形成した積層膜をパターニングして配線を形成しても良い。
【０１１３】
このように本発明のレーザ照射装置を用いて作製された半導体装置は良好で均一な特性をしめすため、様々な電子機器や特に表示装置に好適に利用することができる。また、製品の信頼性も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の手段を説明する図。
【図２】本発明の課題を説明する図。
【図３】本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図４】本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図５】本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図６】光導波路によるエネルギー分布の均一化を説明する図。
【図７】従来技術を説明する図。
【図８】本発明が開示する半導体装置の作製方法を示す図。
【図９】本発明が開示する半導体装置の作製方法を示す図。
【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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