(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体膜を形成する工程と、
可視領域の波長を有する、強度分布の均一なレーザビームを前記半導体膜に対して垂直に照射する工程とを有し、
前記基板は、前記半導体膜を透過した前記レーザビームを吸収する特性を有し、
前記基板の厚さをｄ［ｍｍ］とすると、前記レーザビームに対する前記基板の吸収係数α［ｍｍ−１］は、α≧ｌｎ１０／２ｄの条件を満たし、
前記基板に対して前記レーザビームを相対的に往復走査させて照射し、
前記基板は、可視光に対して不透明な着色ガラス基板であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
第１の面及び第２の面を有する基板において、当該第１の面上に半導体膜を形成する工程と、
可視領域の波長を有する、強度分布の均一なレーザビームを前記半導体膜に対して垂直に照射する工程とを有し、
前記基板は、前記半導体膜を透過した前記レーザビームの一部を吸収し、一部を前記第１の面で反射する特性を有し、
前記基板の厚さをｄ［ｍｍ］とすると、前記レーザビームに対する前記基板の吸収係数α［ｍｍ−１］は、α≧ｌｎ１０／２ｄの条件を満たし、
前記基板に対して前記レーザビームを相対的に往復走査させて照射し、
前記基板は、可視光に対して不透明な着色ガラス基板であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記レーザビームに対する前記基板の吸収係数αは１［ｍｍ−１］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４】
第１の面及び第２の面を有する基板において、当該第１の面上に半導体膜を形成する工程と、
可視領域の波長を有する、強度分布の均一なレーザビームを前記半導体膜に対して垂直に照射する工程とを有し、
前記基板は、前記半導体膜を透過して前記第１の面に達した前記レーザビームを、前記第１の面で反射する特性を有し、
前記第２の面で反射される前記レーザビームの反射率は０．４％以下であり、
前記基板に対して前記レーザビームを相対的に往復走査させて照射し、
前記基板は、可視光に対して不透明な着色ガラス基板であ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４のいずれか一において、前記基板は、前記レーザビームに対して不透明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５のいずれか一において、基板に不純物を混入して着色することにより、前記着色ガラス基板を形成す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、基板上形成した半導体膜でトランジスタ等の素子を形成した半導体装置、並びに該半導体膜のアニール等をするためのレーザビームの照射方法、及びレーザビームの照射を工程に含んだ半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板上に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す。）を製造する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたＴＦＴは、従来の非晶質半導体膜を用いたＴＦＴよりも電界効果移動度が高いので、高速動作が可能である。そのため、画素の駆動用の回路を外付けのＩＣチップで実装していたものを、画素と同一の基板上にＴＦＴを用いて一体形成することが可能となっている。
【０００３】
ＴＦＴを作製するために適した多結晶半導体膜は、非晶質半導体膜を結晶化して得られているが、通常この結晶化にはレーザアニール法が用いられている。これは、通常の熱アニールでは６００℃以上の高温が必要であるのに対し、廉価なガラス基板は耐熱性に劣り熱変形しやすいためである。すなわち、レーザアニール法は輻射加熱あるいは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないといった有利な特徴を有しているため、ガラス基板上に形成した非晶質半導体膜の結晶化に広く用いられている。
【０００４】
なお、ここでいうレーザアニール法とは、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。
【０００５】
レーザアニールに用いられるレーザ発振器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。近年では、半導体膜の結晶化においてエキシマレーザのようなパルス発振のレーザ発振器よりもＡｒレーザや、ＹＶＯ4レーザのような連続発振（略してＣＷともいう）のレーザ発振器を用いる方が、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。このとき用いる連続発振のレーザビームの波長としては、非晶質半導体膜の吸収率が比較的高く、レーザ出力の得易い可視領域の波長が用いられる。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴチャネル領域に入る粒界の数が減るので移動度が高くなり、より高性能なデバイスの開発に利用できる。そのため、連続発振のレーザ発振器を使った半導体膜の結晶化技術は注目を集めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、連続発振のレーザ発振器を用いてレーザアニールを行うにあたって、半導体膜においてアニールの状態が不均一になるという問題がある。その原因として、レーザ発振器から発振されたレーザビームは、ガウス分布で中心から端に向かってエネルギーが弱まる特徴を有していることが挙げられる。従って、均一にアニールすることは難しい。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑み、基板上に形成した半導体膜などの加工対象物に対し、均一にアニールなどのレーザ処理をすることができるレーザビームの照射方法、及びそれを用いた半導体装置の作製方法、並びにその方法により作製される半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
半導体装置を作製するにあたって、基板としてガラス基板を使用し、このガラス基板に半導体膜を形成したものを照射面として、可視のレーザビームを垂直に入射することでレーザアニールを行うとき、ガラス基板は可視光に対して吸収率が低いために、基板に入射したレーザビーム（以下、入射光と呼ぶ。）は基板の第１の面内を透過し、基板の第２の面に到達する。なおここで、基板の第１の面とは半導体膜が形成され、レーザビームを照射する基板の面を示し、基板の第２の面とは基板の第１の面の反対の面を示している。そして、基板の第２の面でレーザビームは反射し、この反射したレーザビーム（以下、反射光と呼ぶ。）は、半導体膜に再入射する。このとき、入射光によって加熱され、溶融した半導体膜に反射光が再入射する。このことによって、半導体膜上において入射光と反射光による干渉が起こる為に、レーザビーム同士が強め合う部分と弱め合う部分ができ、レーザビームでアニールされる半導体膜の状態にバラツキが生じてしまうことが判明した。
【０００９】
本発明では、レーザアニール等のレーザ処理を行うに際し、照射するレーザビームの波長に合わせて、そのレーザビームを基板の第１の面で反射するか又は基板内で吸収することができる基板、或いは一部を基板の第１の面で反射し一部を基板内で吸収することができる基板を用いるものである。
【００１０】
本発明は、基板の基板の第１の面上に結晶性を有する半導体膜が備えられた半導体装置に関し、その基板は、一部が半導体膜に吸収され、一部が透過光となり基板の第１の面に達し、かつ、該半導体膜を結晶化可能なエネルギー密度で照射されるレーザビームを、基板の第１の面で反射するか若しくはその基板内で吸収するか、又は一部を基板の第１の面で反射し一部を基板内で吸収する特性を有している。そのような特性を有する基板を用いることで、基板上にレーザビームが入射したとき、基板の第２の面からの反射光の強度が半導体膜のアニール状態に影響を及ぼす閾値未満になれば、反射光は半導体膜のアニールの均一性に影響しなくなる。従って、強度分布が均一なレーザビームを用いたとき、反射光の影響を受けることなく、半導体膜を均一にアニールすることができる。さらに、ＹＶＯ4レーザの第二高調波のような可視領域の波長をもつ連続発振のレーザ発振器を用いてレーザアニールを行うことで、他の高次の高調波と比較して比較的効率よく基板全面を大粒径の多結晶からなる領域（以下、大粒径領域と呼ぶ。）とすることができる。
【００１１】
上記の発明において、基板の厚さをｄとすると、レーザビームに対する基板の吸収係数αは、α≧ln１０／２ｄの条件を満たすことが好ましい。実際には、基板の第２の面からの反射率は４％程度あり、これが影響して不均一なアニールとなる。本発明者の実験によると、その反射率を０．４％とすることで、その影響を無くすことができた。よって、光が基板の厚さの２倍の距離（２ｄ）を進む間に、光の強度が１/１０になれば、干渉の影響が消失することが可能であると考えられ、上記の式が導出されることとなる。ここで上記した条件において、入射光強度Ｉ0の光が吸収係数αの媒質中を距離2d進んだときの強度（つまりはビームが入射する基板の第１の面における基板の第２の面での反射光の強度）をIとし、Ｉ＝Ｉ0／１０になるときの吸収係数αを最小値とした。基板の吸収係数αがこの条件を満たせば、基板の第２の面からの反射光の強度が半導体膜のアニール状態に影響を及ぼす閾値未満になるため、反射光の影響を考慮することなくアニールを行うことができる。
【００１２】
ＴＦＴ付きの基板の製造に用いられるガラスを素材とした基板は０．５〜１．１ｍｍ程度のものが市販されている。このことを考慮すると、１．１ｍｍの厚さの基板において、基板の第２の面からの反射光の強度が半導体膜のアニール状態に影響を及ぼさないための吸収係数αは、上記の計算式から約１／ｍｍである。従って、薄い基板でも、基板の第２の面からの反射光の強度が半導体膜のアニール状態に影響を及ぼさない程度とするためには、吸収係数αが１／ｍｍ以上である必要がある。このことから、上記の発明において、レーザビームに対する基板の吸収係数αは１／ｍｍ以上である。
【００１３】
上記発明において、上記した基板は照射するレーザビームに対して不透明である。照射するレーザビームに対して不透明であるとは、レーザビームの透過率が小さいことを意味するものであり、すなわち、基板の第２の面（レーザビームが入射しない側の面）で反射光が発生しないものである。これにより入射光と反射光との干渉が発生せず、アニールの均一性に影響を及ぼすことを無くすことができる。特に、ＹＶＯ4レーザの第二高調波（５３２ｎｍ）のような可視領域の波長をもつ連続発振のレーザ発振器を用いてレーザアニールを行う場合には、基板は、可視光に対して不透明であることが好ましく、例えば色付きガラス基板や、セラミックス基板などの絶縁性基板を用いることができる。
【００１４】
本発明では、このような特性を有する基板を用いることで、その基板上に形成される半導体膜は、多結晶性を有し、その結晶粒は一方向に長く、結晶粒の長さがレーザビームを走査する一方向に沿って６００ｎｍ以上であるものを得ることができる。
【００１５】
本発明は、レーザ発振器から射出されたレーザビームを、光学系を用いて強度分布の均一なレーザビームとし、半導体膜等の光吸収性の薄膜を形成した基板に照射するレーザ照射方法に関し、そのレーザビームを基板の第１の面で反射するか若しくはその基板内で吸収するか、又は一部を基板の第１の面で反射し一部を吸収する特性を有する基板を用い、そのレーザビームは、光吸収性の薄膜が形成された基板に対して垂直に照射し、基板に対して該レーザビームを相対的に往復走査させて照射する。
【００１６】
上記の発明において、基板の厚さをｄとすると、レーザビームに対する基板の吸収係数αは、α≧ln１０／２ｄの条件を満たすようにすることが好ましい。また、基板の厚さが０．５〜１．１ｍｍ程度のものが多く流通していることを考慮すると、基板の吸収係数αは１／ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
本発明は、レーザビームを基板に対して垂直に入射することができる。なぜならば、レーザビームを、基板の第１の面で反射する基板、又は吸収する基板、或いは基板の第１の面で一部を反射し一部を吸収する基板を用いることで、基板の第２の面からの反射光の影響を考慮する必要がないためである。
【００１８】
上記の発明において、レーザ発振器はＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザのいずれか一種又は複数種を組み合わせて用いることができる。
【００１９】
上記の発明において、ＹＶＯ4レーザの第二高調波（５３２ｎｍ）のような可視領域の波長をもつ連続発振のレーザ発振器を用いてレーザアニールを行う場合には、基板は、可視光に対して不透明であることが好ましく、例えば色付きガラス基板や、セラミックス基板などの絶縁性基板を用いることができる。不透明な基板を用いることによって、基板裏面からの反射光が発生せず、このため、反射光の影響を考慮することなくレーザアニールを行うことができる。このように、基板裏面からの反射光の影響がなくなると、レーザビームを半導体膜に対して垂直に入射させることが可能になるため、基板の走査方向によらずレーザアニールをより同じにできる。
【００２０】
本発明は、基板に半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器から射出されたレーザビームを光学系を用いて強度分布の均一なレーザビームとし、基板を照射面としてレーザアニールする工程とを有し、そのレーザアニールする工程は、半導体膜をレーザアニールする際に照射するレーザビームを、その基板の第１の面で反射若しくはその基板で吸収するか、又は一部を基板の第１の面で反射し一部を吸収する特性を有する基板を用い、レーザビームは、基板に対して垂直に照射し、基板に対して該レーザビームを相対的に往復走査させて照射する半導体装置の作製方法である。
【００２１】
上記の発明において、基板の厚さをｄとすると、レーザビームに対する基板の吸収係数αは、α≧ln１０／２ｄの条件を満たす基板を用いることが好ましい。特に、基板の吸収係数αが１／ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
レーザ発振器はＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザのいずれか一種あるいは複数種を組み合わせて用いることができる。
【００２３】
上記の発明において、ＹＶＯ4レーザの第二高調波（５３２ｎｍ）のような可視領域の波長をもつ連続発振のレーザ発振器を用いてレーザアニールを行う場合には、基板は、可視光に対して不透明であることが好ましく、例えば色付きガラス基板や、セラミックス基板などの絶縁性基板を用いることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明を用いてレーザアニールを行うことにより、レーザビームが、その基板の第１の面で反射するか、又はその基板で吸収するか、或いは一部を基板の第１の面で反射し一部を吸収することにより、基板上にレーザビームが入射したとき、基板の第２の面からの反射光の強度が半導体膜のアニール状態に影響を及ぼす閾値未満になれば、半導体膜のアニールの均一性を向上させることができる。そして、アニールに用いるレーザビームに対して不透明である基板を用いれば、レーザビームの透過率は小さくなり、基板上にレーザビームが入射したとき、基板の第２の面に入射光が到達しないため、基板の第２の面で反射光が発生せず、アニールの均一性を向上させることができる。従って、レーザアニールするにあたって、反射光の影響を考慮する必要がなくなる。
【００２５】
このことから、反射光の影響を抑えるために、半導体膜に対してレーザビームを斜めに入射させる必要もなくなり、半導体膜に対してレーザビームを垂直に入射させることが可能となる。垂直入射が可能となると、光学設計により大きな自由度を持たせることができるので、例えばディフラクティブオプティクスを用いたビームホモジナイザを使い、強度分布が均一なレーザビームを容易に形成することができる。また、本発明を用いれば、強度分布の均一なレーザビームを基板に垂直に入射させても、基板の第２の面からの反射光の影響がほとんどない、あるいは全くないため、レーザアニールされた半導体膜の結晶性の均一性を著しく向上させることができる。この時、Ａｒレーザの発振波長やＹＶＯ4レーザの第二高調波のような可視領域の波長をもつ連続発振のレーザ発振器を用いると、他の高次の高調波と比較してエネルギー効率が高いため、比較的短時間で、半導体膜の全面を大粒径領域とすることができる。また、該半導体膜を用いてＴＦＴを作製すると、従来の結晶性半導体膜に比べて移動度が著しく高くなり、高速動作の必要な半導体装置にも該ＴＦＴを適用できる。
【００２６】
さらに、本発明を用いるとレーザビームを基板に対して垂直に入射させることが可能となるため、レーザアニールの走査方向による違いがなくなり、レーザビームを往復走査させてアニールを行っても、往路、復路ともに同様な大粒径領域とすることができることから、短時間で多数の基板を処理できる。即ち、スループットが高くなるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の態様について図１及び図３を用いて詳細に説明する。
【００２９】
まず、基板として、不純物を混入して着色し、可視光に対して不透明なガラス基板を用意する。ガラス基板上には、非晶質半導体膜または非単結晶半導体膜を形成し、この基板を照射面としてレーザアニールを行う。なお、ガラス基板としては、着色ガラス基板のほかに、セラミックスなどレーザアニール処理に耐え得る耐熱性を有し、用いるレーザビームに対して不透明な材料であれば、基板として用いることができる。
【００３０】
次にレーザ照射方法について、図１を用いて説明する。図１において、レーザビームは実線の矢印の方向に伝搬する。レーザ発振器１００は、ＹＶＯ4レーザであり、第二高調波を出力する。なお、レーザ発振器１００は、ＹＶＯ4レーザに限らず、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、ガラスレーザの中から一種、あるいは複数を組み合わせて用いてもよい。エキシマレーザ、ガラスレーザなどは、パルスレーザであるが、これらのレーザを用いても、本発明が特徴とする効果を得ることは可能である。その後、ビームホモジナイザとしてディフラクティブオプティクス１０１を用いて強度分布の均一な矩形状のレーザビームを形成する。そして、凸シリンドリカルレンズ１０２及び１０３を用いて長尺方向及び短尺方向に長さを調節する。これによって、望みの縦横比の長方形状レーザビームに整形し、ミラー１０４で反射した後、集光レンズ１０５で長方形状のレーザビームのサイズを調節し、非晶質半導体膜１０６を形成した不透明なガラス基板１０７に入射する。なお、集光レンズ１０５によって集光されたレーザビームは、ガラス基板１０７に対して垂直に入射する。また、基板を移動させる移動ステージとしては、Ｘ軸ステージ１０８及びＹ軸ステージ１０９を使用する。
【００３１】
ガラス基板１０７の第１の面において、レーザビームは垂直に入射するが、ガラス基板１０７は可視光に対して不透明な着色ガラスであり、レーザビームはガラス基板１０７を透過しないために、ガラス基板１０７の第２の面には到達せず、従ってガラス基板１０７の第２の面からの反射光も発生しない。このため、ガラス基板１０７の第２の面からの反射光の影響を考慮することなく、レーザアニールを行うことができる。さらに、基板に対して垂直に入射できることから、ディフラクティブオプティクス１０１及び凸シリンドリカルレンズ１０２、１０３によって形成された強度分布の均一な長方形状のレーザビームは、ガラス基板１０７の走査方向Ａ、Ｂに対して全く対称な関係にある。従って、走査方向Ａ、Ｂによらず、同様なレーザアニールを行うことができるため、効率よくガラス基板１０７全面に均一なアニールを行うことができる。
【００３２】
次に、図３を用いて非晶質半導体膜１０６全面を大粒径領域とする照射方法について説明する。識別を容易にするため図中の符号は図１と同じものを使った。非晶質半導体膜１０６が形成された基板１０７を吸着ステージに固定し、レーザビームを照射する。まずＸ軸ステージ１０８により、非晶質半導体膜１０６を一筋走査する。一筋は図３中において、Ａ１の部分に相当する。図３中、Ｘ軸ステージ１０８にて、往路Ａｍ（ｍは正の整数）の部分をレーザ照射した後、大粒径領域１１０の幅の長さ分だけＹ軸ステージ１０９を走査方向とは垂直な方向にスライドさせ、復路Ｂｍの部分をレーザ照射する。このような一連の動作を繰り返すことにより、非晶質半導体膜１０６全面を大粒径領域とすることができる。
【００３３】
このような問題を解決するためには、基板の第１面に対してレーザビームを斜めに入射してアニールする方法もある。これについて、図２を参照して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、半導体膜２０１を形成した基板２０２を、移動ステージ２０３をＡ方向又はＢ方向に移動させながら、可視のレーザビームを用いてレーザアニールを行う様子を示している。このとき、上記のように基板としてガラス基板を用いる場合、基板は可視光に対して透明であるため、入射光は基板の第１面内を透過し、基板の第２の面で反射して半導体膜２０１に再入射する。干渉を防ぐためには、図２（ｂ）のように、入射光と反射光とが半導体膜２０１上で重ならないような入射角度でレーザビームを入射する必要がある。しかしながら、図２（ａ）のように入射角度が小さい場合、たとえレーザビームの強度分布が均一であったとしても、入射光と反射光とが半導体膜２０１上で重なり合うため、干渉を起こし、アニールの状態は不均一になる可能性がある。
【００３４】
したがって、入射光と反射光との干渉を防ぐためにとられていた手法の一つとして、図２（ｂ）に示すように入射角度を大きくとって斜めに入射し、入射光と反射光とが半導体膜上で重ならないようにする手法があり、この場合、干渉による不均一なアニールは起こらない。しかしながら、この場合、入射角度を大きくとるため、光学系の設計が難しく、またビームホモジナイザを用いることが難しいという問題がある。ビームホモジナイザとは、ディフラクティブオプティクスのような、レーザビームの強度分布を均一化する光学系である。上記のように、レーザ発振器から発振されたレーザビームの強度分布はガウス分布であり、その強度分布は均一ではない。従って、照射面において強度分布の均一なレーザビームを形成しようとするとき、レーザ発振器と照射面との間に、光学系としてビームホモジナイザを配置することが必要となる。しかしながら、一般的なビームホモジナイザは、ビームホモジナイザと平行に位置した照射面において強度分布の均一なレーザビームを形成するように設計されている。従って、一般的なビームホモジナイザを使って、基板に対してレーザビームの入射角度を大きくとって入射させた場合、強度分布の均一なレーザビームを形成できないため、基板全面に均一なアニールを行うことができない。しかし、本発明を適用することで、基板に対してレーザビームを垂直に入射できることから、一般的なビームホモジナイザを用いて、照射面において均一なレーザビームを形成することができる。照射面である半導体膜を形成する基板には、本発明による基板を利用し、かつ強度分布が均一なレーザビームを用いてレーザアニールを行えば、基板全面に均一なアニールを行うことができる。
【００３５】
また、図２（ｂ）に示したように、Ａ方向に基板を動かしてアニールした後の半導体膜の状態（具体的には結晶性や結晶の配向）は、Ｂ方向に基板を動かしてアニールした後の半導体膜の状態とは異なるという問題がある。この理由は以下の通りである。まず、Ａ方向に動かした場合、半導体膜には入射光より先に反射光が入射する。一方、Ｂ方向に基板を動かした場合、反射光より先に入射光が入射する。入射光は、基板の第１の面において一部が反射、あるいは基板の第２の面で透過しているため、基板の第２の面からの反射光は、入射光よりエネルギーが弱く、Ａ方向に動かした場合、半導体膜は、まず弱い反射光によって加熱され、その後、強い入射光によって加熱される。また、Ｂ方向に動かした場合はその逆になるため、加熱のされ方が異なる。このことから、Ａ方向によるアニールと、Ｂ方向によるアニールとでは、アニール後の半導体膜の状態が異なる結果となる。従って、半導体膜の全面が同じ状態になるようにアニールしたい場合に、一方向にしか走査できない。つまり、Ａ方向及びＢ方向に移動ステージを往復走査させてアニールすることはできないため、一枚の基板を処理するために要する時間が長く、スループットが低いという問題がある。
【００３６】
しかし、本発明が開示するレーザ照射方法を用いれば、レーザアニールの際に、レーザビームが基板の第１の面で反射するか、あるいは基板に吸収されるか、あるいはその両方がおこるために、上記で説明したように基板の第２の面からの反射光の強度が小さくなり、反射光は半導体膜のアニールの均一性に影響しなくなるため、基板の第２の面からの反射光の影響を考慮する必要がない。従って、半導体膜が入射光によってのみ加熱されることから、基板全面において半導体膜の加熱のされ方が同じになり、アニール後の半導体膜の状態が均一になる。従って、図２において、Ａ方向及びＢ方向ともにレーザビームを照射することができる。つまり、レーザビームを往復走査させてアニールをすることが可能になるため、従来の手法に比べてスループットが向上する。
【００３７】
図２に示したように、レーザビームを、基板に対して斜めに入射する場合、移動ステージの移動方向によって、アニールされた半導体膜の状態が異なるが、本発明によると、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すＡ方向またはＢ方向ともにレーザビームを照射してアニールしても、アニール後の半導体膜の状態は基板全面において均一な大粒径の多結晶半導体膜である。従って、レーザビームの往復走査によるアニールが可能であるため、一枚の基板を処理する時間が短縮され、短時間で多数の基板を処理することができる。即ち、スループットが高くなる。
【００３８】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の態様について図７を参照して詳細に説明する。図７は、大型のガラス基板にレーザアニールを行う一例を示している。
【００３９】
まず、大型のガラス基板７０６を用意する。ガラス基板７０６は、発明を実施するための最良の形態１と同様に、不純物を混入して着色した可視光に対して不透明なガラス基板とする。そして、ガラス基板７０６上に、公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）を用いて非晶質半導体膜７０５を形成し、ガラス基板７０６を照射面としてレーザアニールを行う。あるいはレーザアニール前に、金属元素などを半導体膜に導入後、熱処理を行うことで、該半導体膜を結晶化させてもよい。
【００４０】
レーザ発振器７０１としては連続発振のＹＡＧレーザまたはＹＶＯ4レーザの第二高調波を用いるが、図７に示すように、同じレーザ発振器を計１０台用いて、大型のガラス基板７０６のレーザアニールを行う。レーザ発振器及び、光学系は全てのレーザ照射装置において同様のものを使用するため、符号は全てには付けず、一つのレーザ照射装置を取り上げて説明する。
【００４１】
また、図７に示すように、レーザビームの照射開始位置を一つずつ前後にずらしている理由は以下の通りである。非晶質半導体膜７０５上において、矩形状のレーザビームの中心から、該レーザビームと隣り合う矩形状のレーザビームの中心までの距離は６０ｍｍと短く、集光レンズ７０４をこの間隔で配置するのは、少し無理がある。仮に配置が可能であっても、光学調整の際に必要な空間が充分でないことが予想される。そこで、光学系間で適度な距離を保つためには、図７に示すようにレーザビームの照射位置を一つずつ前後にずらすことが有効である。これによって、隣り合う光学系が触れ合うこともなく、また光学系の配置、調整を容易に行うことができる。しかし、レーザビームの照射開始位置が前後にずれるために、非晶質半導体膜７０５全面を結晶化させるためには、ガラス基板７０６の走査距離を少し長めにとる必要がある。
【００４２】
レーザ発振器７０１から射出されたレーザビームは、ディフラクティブオプティクス７０２によって強度分布の均一な矩形状のレーザビームに整形され、該レーザビームはミラー７０３で反射された後、集光レンズ７０４によって集光され、非晶質半導体膜７０５に対して垂直に入射する。他のレーザ照射装置においても同様に、強度分布が均一な矩形状のレーザビームを形成し、非晶質半導体膜７０５に垂直に入射する。
【００４３】
ガラス基板７０６を移動させる移動ステージとしては、Ｘ軸ステージ７０７、Ｙ軸ステージ７０８を使用する。ガラス基板７０６が大型なため、より安定して基板を移動させるために、Ｘ軸ステージ７０７の稼動軸は二軸用意する。そして、Ｘ軸ステージ７０７及びＹ軸ステージ７０８は、発明を実施するための最良の形態１で図３を用いて説明したように、まず、Ｘ軸ステージ７０７で非晶質半導体膜７０５をＰ方向に一筋走査した後、大粒径領域の幅方向の長さ分だけＹ軸ステージ７０８をＰ方向に垂直な方向にスライドさせ、再びＸ軸ステージ７０７をＱ方向に走査させレーザ照射する。このような一連の動作を繰り返すことにより、非晶質半導体膜７０５全面を大粒径領域とすることができる。
【００４４】
本実施の形態では、レーザ照射装置を１０系統使用してレーザアニールを行ったが、例えば半数の５系統、あるいは倍の２０系統を用いても、本発明を適用してレーザアニールを行うことができる。こうして、大型ガラス基板上に形成した非晶質半導体膜の全面を大粒径領域とすることができる。該半導体膜を用いてＴＦＴを作製すると、従来の結晶性半導体膜に比べて移動度が著しく高くなり、高速動作の必要な半導体装置にも該ＴＦＴを適用できる。
【実施例１】
【００４５】
本実施例では、本発明の第２の実施の態様として説明した方法で作製した基板を用いて、薄膜チップを作製し、画素部が形成された基板に実装する過程を図５及び図６を用いて説明する。
【００４６】
まず、実施の形態２に従って作製した、レーザアニールにより多結晶半導体薄膜が形成された基板を用意する。図４（Ａ）に、レーザアニール後の基板４０１及び基板上に形成された半導体膜４０２を示す。そして、基板４０１上の結晶化した半導体膜４０２をパターニングしたり、ゲート電極やマスク等を形成したりした後、ドーピングを行う。なお、半導体膜はレーザビームによる結晶化の前にパターニングしておいても良いし、パターニング前に結晶化しても良い。その後ドーパントの活性化、各種絶縁膜、配線などの形成を行うことで、基板上に複数の集積回路が形成される。この過程において、ガラス基板やセラミックスを用いることで、シリコン基板やSOI基板を用いた場合に比べてメートル単位の大基板を利用することができ、一枚当たりの基板から得られる集積回路が多くなる。従って、スループットの向上が期待され、大量生産に向いている。そして、集積回路が形成されたら、図４（Ｂ）に示すように、基板４０１を分断することで、集積回路どうしが分離した薄膜チップ４０３が形成される。
【００４７】
次に、上記作製方法を用いて形成された薄膜チップを、画素部が形成された基板に実装する様子を、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）では、基板５０１上に画素部５０２と、走査線駆動回路５０３とが形成されている。そして、薄膜チップ５０４に形成された信号線駆動回路が、基板５０１に実装されている。具体的には、薄膜チップ５０４に形成された信号線駆動回路が、基板５０１に貼り合わされ、画素部５０２と電気的に接続されている。また５０５はＦＰＣであり、画素部５０２と、走査線駆動回路５０３と、薄膜チップ５０４に形成された信号線駆動回路とに、それぞれ電源の電位、各種信号等が、ＦＰＣ５０５を介して供給される。
【００４８】
図５（Ｂ）では、基板５１１上に画素部５１２と、走査線駆動回路５１３とが形成されている。そして、薄膜チップ５１４に形成された信号線駆動回路が、基板５１１に実装されたＦＰＣ５１５に更に実装されている。画素部５１２と、走査線駆動回路５１３と、薄膜チップ５１４に形成された信号線駆動回路とに、それぞれ電源の電位、各種信号等が、ＦＰＣ５１５を介して供給される。
【００４９】
薄膜チップの実装方法は、特に限定されるものではなく、公知のＣＯＧ方法やワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ方法などを用いることができる。また薄膜チップを実装する位置は、電気的な接続が可能であるならば、図５に示した位置に限定されない。また、図５では信号線駆動回路のみを薄膜チップで形成する例について示したが、走査線駆動回路を薄膜チップで形成しても良いし、またコントローラ、ＣＰＵ、メモリ等を薄膜チップで形成し、実装するようにしても良い。また、信号線駆動回路や走査線駆動回路全体を薄膜チップで形成するのではなく、各駆動回路を構成している回路の一部だけを、薄膜チップで形成するようにしても良い。
【００５０】
なお、駆動回路が薄膜チップとして実装された半導体表示装置において、画素部に用いるトランジスタは、アモルファスシリコンのような非晶質半導体膜で形成されたＴＦＴに限定されない。微結晶半導体膜や多結晶半導体膜を用いたＴＦＴであっても良い。単結晶シリコンを用いて形成されたトランジスタであっても良いし、ＳＯＩを用いたトランジスタであっても良い。また、有機半導体を用いたトランジスタであっても良いし、カーボンナノチューブを用いたトランジスタであってもよい。駆動回路などの集積回路を別途薄膜チップで形成して基板に実装することで、全ての回路を画素部と同じ基板上に形成する場合に比べて、歩留まりを高めることができ、また各回路の特性に合わせたプロセスの最適化を容易に行うことができる。
【実施例２】
【００５１】
本実施例では、本発明の第１の実施の態様として説明した方法で作製した多結晶半導体薄膜基板を用いて作製するＣＰＵ(Central Processing Unit)の構成について説明する。
【００５２】
図６に、本実施例のＣＰＵの構成を示す。図６に示すＣＰＵは、基板６００上に、演算回路（ＡＬＵ：Arithmetic logic unit）６０１、ＡＬＵコントローラ(ALU Controller)６０２、インストラクション・デコーダー(Instruction Decoder)６０３、インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)６０４、タイミングコントローラ(Timing Controller)６０５、レジスタ(Register)６０６、レジスタ・コントローラ(Register Controller)６０７、バスインターフェース（Bus I/F）６０８、読み出し専用メモリー(ＲＯＭ：read only memory)６０９とを主に有している。勿論、図６に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。
【００５３】
バスインターフェース(Bus I/F)６０８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクション・デコーダー(Instruction Decoder)６０３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ(ALU Controller)６０２、インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)６０４、レジスタ・コントローラ(Register Controller)６０７、タイミングコントローラ(Timing Controller)６０５に入力される。
【００５４】
ＡＬＵコントローラ(ALU Controller)６０２、インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)６０４、レジスタ・コントローラ(Register Controller)６０７、タイミングコントローラ(Timing Controller)６０５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行う。具体的にＡＬＵコントローラ(ALU Controller)６０２は、演算回路(ＡＬＵ)６０１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)６０４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタ・コントローラ(Register Controller)６０７は、レジスタ(Register)６０６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてRegister６０６の読み出しや書き込みを行う。
【００５５】
タイミングコントローラ(Timing Controller)６０５は、演算回路(ＡＬＵ)６０１、ＡＬＵコントローラ(ALU Controller)６０２、インストラクション・デコーダー(Instruction Decoder)６０３、インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)６０４、レジスタ・コントローラ(Register Controller)６０７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ(Timing Controller)６０５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。読み出し専用メモリー(ＲＯＭ)６０９はＣＰＵにおいて実行される各種プログラムが記憶されている。
【００５６】
また本実施例では、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、本発明の半導体装置はＣＰＵに限定されない。なお、実施例１と同様に、ガラス基板やセラミックス基板を用いることで、一枚の大面積基板に多数のＣＰＵを作製することができ、大量生産に向いていることが利点である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のレーザ照射方法を説明する図。
【図２】レーザビームを斜めに入射してアニールする方法について説明する図。
【図３】半導体膜１０６全面を大粒径領域とする照射方法について説明する図。
【図４】実施例１の薄膜チップを説明する図。
【図５】実施例１の薄膜チップを画素が形成された基板に実装する態様を説明する図。
【図６】実施例２のＣＰＵを説明する図。
【図７】本発明の実施の形態２を説明する図。
【符号の説明】
【００５８】
１００  レーザ発振器
１０１  ディフラクティブオプティクス
１０２  凸シリンドリカルレンズ
１０３  凸シリンドリカルレンズ
１０４  ミラー
１０５  集光レンズ
１０６  非晶質半導体膜
１０７  ガラス基板
１０８  Ｘ軸ステージ
１０９  Ｙ軸ステージ
１１０  大粒径領域
２０１  半導体膜
２０２  基板
２０３  移動ステージ
４０１  基板
４０２  半導体膜
４０３  薄膜チップ
５０１  基板
５０２  画素部
５０３  走査線駆動回路
５０４  薄膜チップ
５０５  ＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）
５１１  基板
５１２  画素部
５１３  走査線駆動回路
５１４  薄膜チップ
５１５  ＦＰＣ
６００  基板
６０１  演算回路（ＡＬＵ：Arithmetic logic unit）
６０２  ＡＬＵコントローラ(ALU Controller)
６０３  インストラクション・デコーダー(Instruction Decoder)
６０４  インタラップ・コントローラ(Interrupt Controller)
６０５  タイミングコントローラ(Timing Controller)
６０６  レジスタ(Register)
６０７  レジスタ・コントローラ(Register Controller)
６０８  バスインターフェース(Bus I/F)
６０９  読み出し専用メモリー(ＲＯＭ)
７０１  レーザ
７０２  ディフラクティブオプティクス
７０３  ミラー
７０４  集光レンズ
７０５  非晶質半導体膜
７０６  ガラス基板
７０７  Ｘ軸ステージ
７０８  Ｙ軸ステージ
【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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