(57)【要約】【課題】  回折光学素子の結像位置にスリット開口部の長さを可変可能なスリットを配置することにより、エネルギー分布が均一で、アニールに必要な形状のレーザビームを容易に形成することのできるレーザ照射装置を提供すること。【解決手段】レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットとを有するレーザ照射装置において、スリットはスリット開口部の長手方向の長さを可変可能であり、基板方向への入射は斜めからであり、更に、レーザは、連続発振の固体レーザまたは気体レーザまたは金属レーザ、もしくは１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザであることを特徴とする。【選択図】  図１
2005347741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを照射可能であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを斜めに照射可能であ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のいずれか一項において、前記スリット開口部の長手方向の長さを可変可能に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のいずれか一項において、
前記スリットは、前記回折光学素子と前記集光レンズとの間に位置し、かつ前記レーザ発振器から出射されるレーザビームの光路上に位置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のいずれか一項において、前記レーザ発振器からのレーザは、連続発振の固体レーザまたは気体レーザまたは金属レーザであ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のいずれか一項において、前記レーザ発振器からのレーザは、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４、アレキサンドライト、Ｔｉ：サファイア、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とする連続発振のレーザから選ばれた一種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６のいずれか一項において、前記レーザ発振器からのレーザは、連続発振のＡｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザから選ばれた一種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５のいずれか一項において、前記レーザ発振器からのレーザは、周波数が１０ＭＨｚ以上のパルス発振のレーザであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記レーザ発振器からのレーザは、単結晶のＧｄＶＯ４、ＹＶＯ４、ＹＡＧ、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体材料に対して行われるようなアニールを均一に、かつ効率的に行うためのレーザ照射装置（レーザと該レーザから出力されるレーザビームを被照射体まで導くための光学系を含む装置）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、従来基板の外に設けられた駆動回路を、画素と同一の基板上に形成し、該駆動回路で画素の制御を行うことが試みられている。
【０００３】
ところで半導体装置の需要の増大に伴い、その作製には低温化及び短時間化が強く求められるようになっている。半導体装置に用いる基板もコストの面から単結晶半導体基板よりも有利な、ガラス基板が採用されるようになってきている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいが、ガラス基板上に多結晶半導体膜を用いたＴＦＴを形成する場合には、レーザアニールを用いることにより低温度で半導体膜の結晶化を容易に行うことができる。
【０００４】
それとともにレーザアニールは、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、基板上の半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えない利点を有している。
【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。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は脚光を浴びている。
【０００６】
しかしながら、連続発振のレーザ照射器を用いてレーザアニールを行うにあたって、照射面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、連続発振のレーザ照射器から射出されたレーザビームはガウス分布状のエネルギー分布をしており、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】
照射面におけるレーザビームの形状を線状にし、かつレーザビームのエネルギーを均一化する装置として、図６に示すレーザ照射装置が知られている。該レーザ照射装置は、複数個のシリンドリカルレンズアレイ等を有し、レーザ発振器１から出射されたレーザビームは、複数個のシリンドリカルレンズアレイ２〜６により複数の光に分割乃至集光され、母線の向きが互いに直交な凸シリンドリカルレンズ５、６と、ミラー７で反射された後、２枚のシリンドリカルレンズで構成されるダブレットシリンドリカルレンズ８とにより、再び前記複数の光を１つの線状のレーザビームに合成して集光され照射面９に照射される。
【０００８】
そして、上記の構成で形成された線状ビームをそのレーザビームの短手方向にずらしながら照射することにより、非晶質半導体の全面に対し、レーザアニールを施して結晶化させたり、結晶性を向上させたり、不純物元素の活性化を行うことになる。
【０００９】
ところが、従来のレーザ照射装置は、上記したように複数個の高価なシリンドリカルレンズアレイを用い、それらを所望の線状ビームが形成されるように配置する必要がある等、装置が大型化し、且つコストが嵩むという問題があった。また、レーザアニールを行うにあたって、線状ビームを望みのサイズに加工して行うことになるが、そのサイズを再度変える時には光学系の再配置または光学部品の交換が必要になる。従って、線状ビームのサイズを変える度に光学調整を必要とし、且つその光学調整には多大な時間を要するため、スループットが低いという問題もあった（特許文献１参照）。
【００１０】
本出願人は、これら従来のレーザ照射装置が有する弊害を解消した小型で、且つ低コストのレーザ照射装置を既に提案している。そのレーザ照射装置を図７に示す。このレーザ照射装置は、矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームを形成することができる素子である回折光学素子を用いるものである。
【００１１】
即ち、レーザ発振器１１から出射されたレーザビームを、ミラー１２で反射した後、回折光学素子１３により矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビーム１４に形成し、その矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビーム１４が結像される位置に照射面１５を配置したものである（特許文献１参照）。
【００１２】
しかしながら、上記のレーザ照射装置においても矩形状ビームの端部は均一とはいえず、また、ビームのサイズを変えるには回折光学素子またはその他のレンズを交換する、もしくは光学素子の配置を変える必要がある等、やはりその光学調整に時間を要し、スループットが低いという問題を有していた。
【特許文献１】特開２００３−２５７８８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記の問題を解決することを課題とするものであり、詳細には、回折光学素子の結像位置にスリット開口部の長さを可変可能にしたスリットを配置することにより、エネルギー分布が均一で、アニールに必要な形状のレーザビームを容易に形成することのできるレーザ照射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】
【００１４】
上記目的を達成するため、本願発明は以下の構成を採用する。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にレーザ照射を行って半導体膜を結晶化させる技術、基板上に形成された非晶質半導体膜にニッケルなどの結晶化を促進する元素を導入した後にレーザ照射を行うことによって結晶化をさせる技術などを指している。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。また、本明細書中では、照射面における形状が線状、楕円状、矩形状であるレーザビームをそれぞれ線状ビーム、楕円状ビーム、矩形状ビームと呼ぶ。
【００１５】
本明細書で開示する発明の一つは、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であることを特徴とする。
【００１６】
他の発明の構成は、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを照射可能であることを特徴とする。
【００１７】
また他の発明の構成は、レーザ発振器と、回折光学素子と、スリットと、集光レンズとを有するレーザ照射装置において、前記スリットはスリット開口部の長さを可変可能であって、照射面に対して長さの異なるレーザビームを斜めに照射可能であることを特徴とする。
【００１８】
また他の発明の構成は、スリット開口部の長手方向の長さを可変可能にすることを特徴とする。
【００１９】
また、上記の構成において、スリットの位置は、回折光学素子と集光レンズとの間に位置し、かつレーザ発振器から出射するレーザビームの光路上に位置することを特徴とする。
【００２０】
また他の発明の構成は、前記レーザ発振器からのレーザは、連続発振のレーザ、または発振周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザを用いることを特徴とする。連続発振のレーザとしては、（１）単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４、アレキサンドライト、Ｔｉ：サファイア、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、（２）Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザなどの気体レーザを挙げることができる。また、発振周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザとして、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４にドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザを挙げることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、まず、レーザ発振器から出射されたレーザビームが回折光学素子を通過することによって、スリット上にエネルギー分布の均一な線状、楕円状または矩形状のレーザビームの断面を形成し、照射面上に投影することで、エネルギー分布の均一なレーザビームを照射面上に形成することができる。そしてこのレーザビームを用いてアニールを行うことにより、基板上の非晶質半導体膜に均一なアニールを行うことができる。
【００２２】
また、スリット開口部の長手方向の長さを、レーザビームの進行方向とは垂直の方向に可変することにより、矩形状ビームの端部を遮蔽することができるとともに、望みのサイズに整形することができる。そのため、光学調整や光学部品の交換を不要とし、短時間でさまざまなサイズの矩形状ビームを形成することができる。
【００２３】
さらに、作製するデバイスによって、用いる矩形状ビームのサイズを容易に変えることができるために、結果的に短時間で多数の基板を処理することができ、スループットを高めることができる。また、基板上に均一なアニールを行うことができるため、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。そのため、電気特性のバラツキを低減することができるため、信頼性を高めることができる。そして、本発明をＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いＴＦＴを効率よく生産することができる。
【００２４】
その結果、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に代表される半導体装置において、半導体装置の動作特性及び信頼性の向上を実現することができる。さらに、半導体装置の作製工程において、マージンを拡大することができ、歩留まりが向上するため、半導体装置の製造コストの低減を実現させることができる。
【実施例１】
【００２５】
図１に本発明のレーザ照射装置の一例を示す。まず、非単結晶半導体膜１０６を成膜した基板１０７を用意する。基板１０７は、Ｘ軸ステージ１０８及びＹ軸ステージ１０９上に置かれ、該Ｘ軸ステージ１０８及びＹ軸ステージ１０９を図示しないモータによりそれぞれ矢印の方向に移動することにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に自在に移動可能にされる。
【００２６】
レーザ照射装置は、概略レーザ発振器１０１、回折光学素子１０２、スリット１０３、ミラー１０４及び集光レンズ１０５から構成される。集光レンズ１０５として、凸レンズ（凸型球面レンズ、または凸シリンドリカルレンズ）を用いることができる。レーザ発振器１０１は、公知のもので連続発振形式のレーザ、即ち、固体レーザとしては単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４、アレキサンドライト、Ｔｉ：サファイア、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザのいずれかであり、気体レーザとしてはＡｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザのうちのいずれかが用いられる。または、パルス発振のレーザであっても、周波数が１０ＭＨｚ以上の単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４にドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザを用いてもよい。このように、レーザ発振器１０１として連続発振形式のもの、または周波数が１０ＭＨｚ以上のパルスレーザを用いることにより、少なくとも１つの結晶粒の中に１つのＴＦＴが形成可能な粒径を持つ半導体膜を形成することができる。
【００２７】
半導体膜のアニール処理に連続発振のレーザだけではなく、発振周波数が高いパルスレーザを用いてもよい理由は以下の通りである。レーザビームを半導体膜に照射してから半導体膜が完全に固化するまでの時間は、数十ｎｓｅｃ〜数百ｎｓｅｃといわれている。従って、発振周波数が低いパルスレーザでは、半導体膜がレーザによって溶融して固化した後に次のパルスが照射されることになる。したがって、それぞれのパルスが照射された後、再結晶時に結晶粒は中心対称的に放射状に成長する。そして、隣り合う結晶粒の境界に粒界が形成されるため、半導体膜の表面には凹凸が生じる。
【００２８】
ところが、発振周波数が高いパルスレーザを用いると、半導体膜がレーザによって溶融してから固化するまでの間に、次のパルスが半導体膜に照射される。従って、発振周波数が低いパルスレーザを用いる場合と異なり、半導体膜中において固液界面を連続的に移動させることができる。従って、レーザの走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を有する半導体膜が形成される。
【００２９】
前記回折光学素子１０２は、ディフラクティブオプティカルエレメント（ＤＯＥ）、またはディフラクティブオプティクスとも呼ばれ、光の回折を利用してスペクトルを得る素子で、その表面に多数の溝を形成することにより集光レンズ機能を奏するものが用いられる。そして、この回折光学素子１０２を用いることにより、連続発振のレーザ発振器１０１から出射されたレーザビームのガウス分布状のエネルギー分布を、矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームに形成することができる。
【００３０】
前記スリット１０３は、回折光学素子１０２の結像位置に配置される平板状部材であり、前記回折光学素子１０２により形成される矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームが結像される位置に配置される。その概略を図２に示す。スリット１０３は、その中央部に矩形状のスリット開口部１１０を有するとともに、該スリット開口部１１０の長手方向の両端部１１５ａ、１１５ｂには、該両端部１１５ａ、１１５ｂを開放並びに遮蔽するための遮蔽板１１３ａ、１１３ｂが配設される。なお、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを移動させる方向と回折光学素子１０２のレーザビームを受ける面とが平行になるようにスリット１０３を配置すればよい。
【００３１】
それぞれの遮蔽板１１３ａ、１１３ｂの略中央部には、内面に雌ネジが形成された円形の穴１１６を有する支持片１１４がそれぞれ取り付けられている。また、それぞれの遮蔽板１１３ａ、１１３ｂのスリット１０３と反対側には、ネジ軸１１２の一方端を取り付け、該ネジ軸１１２を回動自在にするモータ１１１が配置されるとともに、各ネジ軸１１２の他方端は、前記遮蔽板１１３ａ、１１３ｂの支持片１１４の穴１１６に形成される雌ネジに螺合される。そのため、モータ１１１が駆動されるとネジ軸１１２が回動し、支持片１１４を介して遮蔽板１１３ａ、１１３ｂをスリット開口部１１０の長手方向に沿って矢印で示すように移動させ、スリット開口部１１０の長手方向の長さを可変させる。なお、モータ１１１は、リニアモータ等を用いることができる。また、モータ以外であれば、例えば超音波ステージを用いることができる。また、スリットの開閉する際のストロークが１００μｍ以下と小さければピエゾ素子等を用いることができる。
【００３２】
このように、スリット開口部１１０の両端で遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを左右方向に移動させることによりスリット開口部１１０の長手方向の長さを可変することができる。そのため、回折光学素子１０２で形成した矩形状のビームのうち、特に長手方向の両端部のエネルギー分布が不均一な部分を必要に応じてカットすることが可能となり、エネルギー分布が均一なビームを照射面上に形成することができる。このビームを用いてアニールを行うことにより、基板上の非晶質半導体膜に均一なアニールを行うことができる。
【００３３】
また、スリットを開閉することの利点は、ビームの長手方向の両端部のエネルギー分布が不均一な領域を遮断することだけではない。照射面のデザインルールに従って、所望するサイズにビームの長手方向の長さを調節することができる利点もある。なお、その際には、光学調整や光学部品の交換は不要である。
具体的には、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを左右方向に移動させることにより、基板１０７上に形成されるＴＦＴの位置に応じてビーム長Ｈを可変することができる。可変の形態を図３、図４に示す。隣り合うレーザビームが重なって照射される箇所１２１は、結晶が不均一になるため通常ＴＦＴを作製しない。ところが、設計上いろいろな位置にＴＦＴを配置しなければならない場合が生ずる。このような場合、同じビーム長Ｈで走査すると、どうしてもレーザビームが重なって照射される箇所１２１にＴＦＴが位置することが生ずる。
【００３４】
図３に示すものは、照射領域毎にビーム長Ｈを可変するものである。即ち、照射領域１では、短い長さであるビーム長Ｈ１でビームを走査し、照射領域１に形成される予定のＴＦＴ１３０の作製位置を全て含むように結晶化する。次いで、照射領域２では、照射領域１より長い長さであるビーム長Ｈ２でビームを走査し、照射領域２に形成される予定のＴＦＴ１３０の作製位置を全て含むように結晶化する。さらに、照射領域３では、照射領域２より長い長さであるビーム長Ｈ３でビームを走査し、照射領域３に形成される予定のＴＦＴ１３０の作製位置を全て含むように結晶化する。このように、スリット開口部１１０の長さを可変し、照射領域毎にビーム長Ｈを可変することにより、隣り合うレーザビームが重なって照射される箇所１２１にＴＦＴ１３０が位置しないように結晶化することができる。
【００３５】
図４（Ａ）に示すものは、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂによってレーザ照射中にビーム長Ｈを変化させる例である。即ち、図３に示すようにそれぞれの照射領域ごとにビーム長Ｈを変えるのではなく、基板上のＴＦＴの配置に応じて照射中に遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを動かすことによってビーム長Ｈを調節し、ビームの端がＴＦＴ形成部に重なることを個別に避けるものである。
即ち、第１の照射領域２０１において、ＴＦＴ２０３の形成部に重なるまでの領域（（１）の領域）ではビーム長Ｈ１でレーザを照射する。次に、ビームの端がＴＦＴ２０３の形成部に重なる領域（（２）の領域）に差し掛かる前に、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを調節することによってビーム長を変え、ビーム長Ｈ１より長いビーム長Ｈ２にする。ビーム長Ｈ２でレーザを照射することによって、ビームの端がＴＦＴ２０３の形成部に重なることを避ける。なお、レーザ照射領域の端部がＴＦＴ２０３の形成部に重なることを確実に避けるために、ビームの幅を変える際には、マージンを持たせてもよい。また、レーザがＴＦＴ２０３の形成部を過ぎた領域（（３）の領域）では、ビーム長をＨ１に戻してレーザを照射する。このようにして、第１の照射領域２０１が形成される。
同様に、第２の照射領域２０２において、ビームがＴＦＴ２０３形成部に重なるまでの領域（（１）の領域）ではビーム長Ｈ１でレーザを照射する。次に、ビームの端がＴＦＴ２０３形成部に重なる領域（（２）の領域）にさしかかる直前に、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを調節することによって、ビーム長Ｈ１より短いビーム長Ｈ３にして、ＴＦＴ２０３の形成部を避けるように照射する。また、ＴＦＴ２０３の形成部を過ぎた領域（３）では、ビーム長Ｈ１に戻して照射する。
【００３６】
また、本発明では、図４（Ｂ）に示すように、ビームを照射する方向を変えて照射することが可能である。第１の照射領域２０１では図４（Ａ）と同様に、ビーム長Ｈ１からビーム長Ｈ２に短く変えてＴＦＴ２０３の形成部を避け、第１の領域２０１にレーザ照射を行う。その後、第１の照射方向とは別の方向、例えば、第１の照射方向と直交する方向から、第２の領域２０２に、ＴＦＴ２０３の形成領域を照射可能な長さであるビーム長Ｈ３でレーザ照射を行う。具体的には、（１）光学系のセッティング位置を変更することによりレーザの入射方向を変更する方法、（２）ステージを回転させることにより基板の方向を変えた後にビームを照射する方法、の２つが挙げられる。どちらの方法も可能であるが、後者の方が光学系の交換または再調整が不要であるため、より好ましい。
【００３７】
このような構成により、レーザ発振器１０１から照射されたレーザビームは、回折光学素子１０２により、線状、楕円状、または矩形状で、且つエネルギー分布が均一なビームに形成されるとともに、スリット１０３でいったん結像される。その後、ビームは、スリット１０３を通過して、ミラー１０４で反射され、さらに集光レンズ１０５によって集光され、非単結晶半導体膜１０６を成膜した基板１０７に対して斜めに線状、楕円状、または矩形状のビーム１２０として入射される。そしてＸ軸ステージ１０８、またはＹ軸ステージ１０９を移動させ、非単結晶半導体膜１０６の全面に亘ってレーザが走査することになる。
【００３８】
なお、基板１０７上に形成される矩形状のビーム１２０は、長手方向の長さが約１５０〜４００μｍ、短手方向の長さが約１〜３０μｍのものが用いられる。ビーム１２０の大きさのうち、長手方向の長さは、エネルギー密度が結晶化に十分であるように短手方向の長さに伴って決めればよい。ここで、短手方向の長さは、光学設計の制限から下限が約１μｍである。また、短手方向の長さの上限は約３０μｍである。それは、短手方向の長さが上限以上の長さになると、半導体膜の表面に荒れが生じ、好ましくないからである。実際には、１０Ｗで短手方向の長さが約１０μｍの場合、長手方向の長さは約４００μｍになり、３Ｗで短手方向の長さが約８μｍの場合、長手方向の長さは約１５０μｍになる。
【００３９】
また、上記したように基板１０７へのビーム１２０は、斜めに入射されるが、その理由は基板１０７の下面からの反射光との干渉を防止するためである。この点について図５を用いて説明する。非単結晶半導体膜１０６を成膜した基板１０７に対して、ビーム長Ｗの入射光１４０を入射角θで斜めに入射させると、基板１０７の上面から上面反射光１４１が発生する。一方、基板１０７の上面で反射しなかった光は基板内に進み、基板１０７の下面から下面反射光１４２を発生する。ここで、基板１０７の上下面からそれぞれ発生する上面反射光１４１、下面反射光１４２が重なると光の干渉が起こることが知られている。
【００４０】
この干渉が発生すると発生箇所の結晶が不均一になる。ところが図５に示すように、入射角θを所定角度以上にすることにより、上面反射光１４１と下面反射光１４２とを重ならないようにすることができる。このように、上面反射光１４１と下面反射光１４２とを重ならないよう入射光１４０を傾斜させて基板１０７に入射させることにより、干渉による弊害を防止することができる。なお、この入射角θをあまり大きくすると結晶化ができなくなる。入射角θの適正な角度は、基板１０７の厚さｄやビーム長Ｗによって異なり、基板１０７の厚さｄが約７００μｍかつビーム長Ｗが２００μｍの場合では、θは約２０度になる。しかし、厚さｄが約７００μｍかつビーム長Ｗが１０００μｍの場合では、θは約６０度にもなり、適正ではなくなる。
【００４１】
上記したように、スリット開口部１１０の長さを可変可能にすることにより、線状、楕円状、または矩形状のビームのサイズを望みのサイズに調節することができるため、照射面の大きさに合わせてビームを整形することや、利用したい領域のレーザアニールを行うことができる。
【００４２】
本願発明は、上記実施例の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能である。
【実施例２】
【００４３】
本実施例では、本発明によるレーザアニール装置を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作成する工程を示す。
【００４４】
図８（Ａ）に示すように、絶縁表面を有する基板８００上に下地膜８０１を形成する。本実施例では、基板８００としてガラス基板を用いる。なお、ここで用いる基板８００には、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、セラミックス基板、ステンレス基板などを用いることができる。また、プラスチック、アクリルなどに代表される可撓性を有する材料からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、本工程の処理に耐え得るのであれば用いることができる。
【００４５】
下地膜８０１は、基板８００に含まれるナトリウムなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が半導体中に拡散し、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。このため、アルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体中への拡散を抑えることの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。また、下地膜８０１は単層または積層構造のいずれでもよい。本実施例では、プラズマＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長法）を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍの膜厚になるように成膜した。
【００４６】
なお、基板８００として、ガラス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ている場合には、不純物の拡散を防ぐために下地膜８０１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ほど問題にならない基板を用いる場合には必ずしも下地膜８０１を設ける必要はない。
【００４７】
次いで、下地膜８０１上に非晶質半導体膜８０２を形成する。非晶質半導体層８０２は、公知の方法（スパッタリング法、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法など）により、２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）の厚さで形成する。ここで用いる非晶質半導体膜８０２は、珪素やシリコンゲルマニウムなどを用いることができるが、ここでは珪素を用いる。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。
【００４８】
続いて図８（Ｂ）に示すように、本発明のレーザアニール装置を用いて非晶質半導体膜８０２にレーザビーム８０３を照射して結晶化を行う。本実施例では、レーザビームとして１０Ｗ、第２高調波、ＴＥＭ００モード（シングル横モード）発振のＮｄ：ＹＶＯ４レーザを用いる。このレーザビームの照射により、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。なお、ここで挙げたレーザに限らず、連続発振のレーザまたは１０ＭＨｚ以上の周波数を持つパルス発振のレーザを用いてもよい。連続発振のレーザとしては、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４、アレキサンドライト、Ｔｉ：サファイア、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４に、ドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザなどを用いることができる。１０ＭＨｚ以上の周波数のパルスレーザとして、単結晶のＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、または多結晶のＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、ＹＶＯ４、ＹＡｌＯ３、ＧｄＶＯ４にドーパントとしてＮｄ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔａのうち１種または複数種添加されているものを媒質とするレーザなどを用いてもよい。
【００４９】
電子機器の小型化と性能向上のためには、限られた面積の中にできるだけ効率よくＴＦＴを配置し、配線を短くすることが必要となる。このため、実際にはビームの幅を生かしたレイアウトにならないこともある。つまり、実際のレイアウトでは、単一のレーザの幅でアニールを行うと、ビームの端がＴＦＴ形成を予定している部分に重なることが往々にして起こることになる。このままＴＦＴをレイアウト通りに形成すると、ＴＦＴが有する半導体膜の結晶化状態がばらつくため、電子機器の性能に大きな影響を及ぼす。例えば、図９（Ａ）のような発光素子の配線図を表すレイアウト（図９（Ｂ））の場合では、トランジスタおよび容量の部分は良好な結晶性を持つ半導体膜である必要がある。このような場合でも、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）のように２回に分けて、ビーム幅の調節を行いながらレーザ照射を行えばよい。なお、図９において、９００は半導体膜、９０１はソース信号線、９０２はゲート信号線、９０３は電流供給線、９０４はスイッチング用ＴＦＴ、９０５は駆動用ＴＦＴ、９０６は容量、９０７は発光素子である。
【００５０】
本実施例では、図１に示すスリット１０３中の遮蔽板１１３ａ、１１３ｂをレイアウトに対応するように動かすことによって自由にビーム幅の調整を行うことができる。なお、遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを動かすモータを制御するコンピュータなどの制御装置に予めレイアウトを入力し、制御装置はこの入力したレイアウトに従ってモータを制御する信号を送り、この信号を受信したモータが遮蔽板１１３ａ、１１３ｂを開閉することによってビーム幅の調整を行う機構にしてもよい。
【００５１】
さらに、スリット１０３を用いると、レーザビームのエネルギー強度が弱い部分を遮断することができるため、このビームを用いてアニールを行うことにより、一定以上の強度を持つ線状、楕円状、あるいは矩形状のレーザビームを基板上の非晶質半導体膜に照射し、均一なアニールをすることができる。
【００５２】
その後、レーザビームの照射によって形成された結晶性半導体膜８０４をパターニングし、島状の半導体膜８０５を形成する。さらに、この島状の半導体膜を覆うようにゲート絶縁膜８０６を形成する。ゲート絶縁膜８０６には、酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素などを用いることができる。その際の成膜方法はプラズマＣＶＤ法、スパッタ法を用いることができる。ここではプラズマＣＶＤ法で窒化酸化珪素膜を１１５ｎｍの厚さに成膜した。
【００５３】
次に、ゲート絶縁膜８０６上に導電膜を形成し、パターニングすることでゲート電極８０７を形成する。その後、ゲート電極、またはレジストを形成してパターニングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を選択的に添加し、ソース領域８０８、ドレイン領域８０９、ＬＤＤ領域８１０などを形成する。上記の工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴ８１１および８１３と、Ｐチャネル型ＴＦＴ８１２を同一基板上に形成することができる。
【００５４】
続いて、それらの保護膜として、絶縁膜８１４を形成する。この絶縁膜８１４は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、窒化珪素膜または窒化酸化珪素膜を単層または積層構造で１００〜２００ｎｍの厚さに形成する。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。絶縁膜８１４を設けることにより、酸素や空気中の水分をはじめとする不純物の侵入を阻止するブロッキング作用を得ることができる。
【００５５】
次いで、さらに絶縁膜８１５を形成する。ここでは、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）法またはスピンコート法によって塗布されたポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、アクリル、シロキサン（シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成された物質である。置換基として、少なくとも水素を含む有機基（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。）などの有機樹脂膜、ＴＯＦ膜、無機層間絶縁膜（窒化珪素、酸化珪素などの珪素を含む絶縁膜）、ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）材料などを用いることができる。絶縁膜８１５は、ガラス基板上に形成されたＴＦＴによる凹凸を緩和し、平坦化する意味合いが強いため、平坦性に優れた膜が好ましい。
【００５６】
さらに、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁膜８１４および絶縁膜８１５をパターン加工して、不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。
【００５７】
次に、導電性材料を用いて導電膜を形成し、この導電膜をパターン加工することによって配線８１６を形成する。その後、保護膜として絶縁膜８１７を形成すると、図８（Ｄ）に示すような半導体装置が完成する。なお、本発明のレーザアニール方法を用いた半導体装置の作製方法は、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。
【００５８】
また、レーザビームの照射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よい。その触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その他にゲルマニウム（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ビームの照射による結晶化工程を行うと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶がレーザビームの照射により溶融されずに残存し、この結晶を結晶核として結晶化が進む。
【００５９】
このため、レーザビームの照射による結晶化工程のみに比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザビームの照射による結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられることができる。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。
【００６０】
なお、触媒元素を添加し、加熱処理を行って結晶化を促進した後にレーザビームの照射を行ってもよいし、加熱処理の工程を省略してもよい。また、結晶化のための加熱処理を行って、その温度を保ちつつレーザ処理を行ってもよい。
【００６１】
本実施例では、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うために用いてもよい。また、本発明を用いた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も用いることができる。
【００６２】
ドライバやＣＰＵ（中央演算処理装置）などの回路を用途としたトランジスタは、ＬＤＤ構造またはＬＤＤがゲート電極とオーバーラップする構造が好適であり、高速化のためにはトランジスタの微細化を図ることが望ましい。本実施例により完成されるトランジスタは、ＬＤＤ構造を有するため、高速動作が必要な回路に用いることが好適である。
【実施例３】
【００６３】
本発明を用いることにより、薄膜トランジスタを用いて様々な電子機器を完成させることができる。その具体例を図１０を用いて説明する。
【００６４】
図１０（Ａ）は表示装置であり、筐体１００１、支持台１００２、表示部１００３、スピーカー部１００４、ビデオ入力端子１００５などを含む。この表示装置は、他の実施例で示した作製方法により形成した薄膜トランジスタをその表示部１００３に用いることにより作成される。なお、表示装置には液晶表示装置、発光装置などがあり、具体的にはコンピュータ用、テレビ受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【００６５】
図１０（Ｂ）はコンピュータであり、筐体１０１１、表示部１０１２、キーボード１０１３、外部接続ポート１０１４、ポインティングマウス１０１５などを含む。他の実施例で示した作製方法を用いることにより、表示部１０１２やその他の回路への適用が可能である。さらに、本発明は本体内部のＣＰＵ、メモリなどの半導体装置にも適用が可能である。
また、図１０（Ｃ）は携帯電話であり、携帯端末の１つの代表例である。この携帯電話は筐体１０２１、表示部１０２２、操作キー１０２３などを含む。上記の携帯電話を初めとして、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ、情報携帯端末）、デジタルカメラ、小型ゲーム機などの電子機器は携帯端末であるため、表示画面が小さい。従って、本発明の他の実施例で示した微細なトランジスタを用いてＣＰＵ、メモリなどの機能回路を形成することによって、小型・軽量化を図ることができる。
【００６６】
また、本実施例で作成したトランジスタをＩＤチップとして用いることもできる。例えば、他の実施例で示した作製方法を用いることにより、ＩＤチップ内の集積回路やメモリとしての利用、ＩＤタグとしての利用が可能である。メモリとして用いた場合には、生産地、生産者、製造年月日、加工方法などの生産段階のプロセスや、商品の流通プロセスを記録することが可能になる。これらの情報を卸売業者、小売業者、消費者が把握することが容易になる。
【００６７】
さらに、無線機能を搭載したＩＤタグとして用いた場合は、従来のバーコードの代わりに用いることにより、商品の会計や棚卸し業務の簡素化につながる。
【００６８】
以上のように、本発明により作成された半導体装置の適用範囲は極めて広く、本発明により作成された半導体装置をあらゆる分野の電子機器に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本願発明のレーザ照射装置の概要を示す図
【図２】本願発明のスリットの概要を示す図
【図３】基板上でのビームの走査状態を示す図
【図４】基板上でのビームの他の走査状態を示す図
【図５】基板上でのビームの反射状態を示す図
【図６】従来のレーザ照射装置の概要を示す図
【図７】従来の他のレーザ照射装置の概要を示す図
【図８】本願の発明を用いたＴＦＴの作成の概要を示す図
【図９】本願の発明を用いたレーザ照射の概要を示す図
【図１０】本願の発明を用いた電子機器の例を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１０１…レーザ発振器
１０２…回折光学素子
１０３…スリット
１０４…ミラー
１０５…集光レンズ
１０６…非単結晶半導体膜
１０７…基板
１０８…Ｘ軸ステージ
１０９…Ｙ軸ステージ
１１０…スリット開口部
１１１…モータ
１１２…ネジ軸
１１３…遮蔽板
１１４…支持片
１２０…ビーム光
１３０…ＴＦＴ
１４０…入射光
１４１…上面反射光
１４２…下面反射光
【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】
2005347741.tif 000008
【図７】
2005347741.tif 000009
【図８】
2005347741.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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