(57)【要約】      （修正有）【課題】  連続発振のレーザに比べてビームスポットの面積を飛躍的に広げ、なおかつガラス基板へ与える熱的なダメージを抑えることができ、なおかつ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ことができるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】  レーザ発振器１０１と、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子１０２と、波長が変換されたレーザ光を半導体膜１０６において集光させるための光学系とを有し、パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。【選択図】  図１
2005191546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をパルス発振するレーザ発振器を有し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下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、前記レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子と、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物において集光させるための光学系とを有し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上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、前記レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子と、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物において集光させるための光学系とを有し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子と、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物において集光させるための光学系とを有し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜２ｎｄを満たすことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子と、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物において集光させるための光学系とを有し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜４ｎｄを満たすことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１項において、前記波長が変換されたレーザ光は第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７】
請求項２乃至請求項６のいずれか一に記載のレーザ照射装置は、前記レーザ光を前記被処理物に照射するためのステージを有し、
前記ステージの走査速度は１００ｍｍ／ｓ以上２０００ｍｍ／ｓ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２乃至請求項７のいずれか一において、前記被処理物は、半導体膜であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項９】
周波数が１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であるパルス発振のレーザ光を被処理物に照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１０】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１１】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１２】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜２ｎｄを満たすことを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１３】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜４ｎｄを満たすことを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１４】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
前記波長が変換されたレーザ光と、前記波長が変換されたレーザ光のうち前記被処理物の形成された基板の裏面において反射したレーザ光とが、前記レーザ光のパルス幅の１０％以下に相当する時間において前記被処理物のある領域に照射されていることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項において、前記波長が変換されたレーザ光は第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１６】
周波数が１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であるパルス発振のレーザ光を被処理物に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１７】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ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１８】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１９】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜２ｎｄ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２０】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
真空中の光速をｃ、前記被処理物が形成された基板の屈折率をｎ、前記基板の厚さをｄ、前記レーザ光のパルス幅をｔとすると、ｃｔ＜４ｎｄ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２１】
非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、
前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であり、
前記波長が変換されたレーザ光と、前記波長が変換されたレーザ光のうち前記被処理物の形成された基板の裏面において反射したレーザ光とが、前記レーザ光のパルス幅の１０％以下に相当する時間において前記被処理物のある領域に照射されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】
請求項１７乃至請求項２１のいずれか１項において、前記波長が変換されたレーザ光は第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。
【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、単位時間あたりに出力されるレーザ光のエネルギーが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照射領域）が数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ない、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、その位置と大きさがランダムな複数の結晶粒の集まりで形成されている。結晶粒内と比較して、結晶粒の界面（結晶粒界）に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用いた半導体膜の結晶化に関する技術が、近年注目されている。連続発振のレーザの場合、従来のパルス発振のレーザとは異なり、一方向に走査させながら半導体膜にレーザ光を照射して、結晶を走査方向に向かって連続的に成長させ、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ことができる。上記方法を用いることで、少なくともＴＦＴのチャネル方向に交差する結晶粒界がほとんど存在しない、半導体膜を形成できると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで半導体膜の結晶化は、半導体膜に対するレーザ光の吸収係数が大きいほど、より効率良く行なうことができる。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、吸収係数ははるかに高いため、通常、高調波を結晶化工程に適用し、基本波を用いることは殆どない。基本波から高調波への変換は、非線形光学素子を用いることで行なうことができる。
【０００８】
しかし連続発振のレーザの場合、連続的に非線形光学素子に負荷を与えるために、非線形光学素子のレーザ光に対する耐性が、パルス発振のレーザに比べて著しく低いという問題がある。さらに連続発振のレーザは、パルス発振のレーザに比べて、単位時間あたりに出力されるレーザ光のエネルギーが低いため、時間に対する光子の密度も低く、よって非線形光学素子における高調波への変換効率が低い。具体的には、入射光のモード特性や時間特性にもよるが、パルス発振のレーザの変換効率が１０〜３０％程度であるのに対し、連続発振のレーザの変換効率は０．２〜０．３％程度である。
【０００９】
したがって連続発振のレーザは、パルス発振のレーザに比べて、高調波を有するレーザ光の、単位時間あたりに出力されるレーザ光のエネルギーが低く、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。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高調波のエネルギーは１０Ｗ程度しか得られない。この場合、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ない。このように連続発振のレーザは、パルス発振のエキシマレーザに比べてスループットが劣っており、このことが量産に際し経済性を落とす一因となっている。
【００１０】
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。この結晶性が劣っている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。そしてこの微結晶が形成される領域を小さくするのには、光学系の調整のみでは限界がある。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は、走査方向に対して垂直方向におけるビームスポットの幅を大きくすることが重要である。しかし連続発振のレーザの場合、上述した理由からビームスポットの面積を広げることが難しく、よってビームスポットの幅もパルス発振のレーザに比べて小さくなってしまい、上記レイアウト上の制約が厳しくなってしまう。
【００１１】
また連続発振のレーザを用いて熱力学的に非平衡状態を形成することは可能であるが、パルス発振のレーザでは数ＭＷ以上の尖頭出力が得られるのに対し、連続発振のレーザでは数ｋＷ程度で出力されるエネルギーが低い。そのため、非平衡状態ではあっても、パルス発振のレーザよりも連続発振のレーザの方が、ガラス基板上の半導体膜をレーザアニールする際にガラス基板へ与える熱的なダメージが大きく、好ましくない。熱的なダメージが著しいと、シュリンクが発生するという問題も生じる。
【００１２】
本発明は上述した問題に鑑み、連続発振のレーザに比べてビームスポットの面積を飛躍的に広げ、なおかつガラス基板へ与える熱的なダメージを抑えることができ、なおかつ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。さらに非線形光学素子が劣化するのを抑えることができ、より高いエネルギーのレーザ光を得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】
【００１３】
本発明者らは、パルス発振のレーザであっても、半導体膜がレーザ光によって溶融してから固化するまでに、次のパルスのレーザ光を照射できるような発振周波数でレーザ光を発振させることで、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を得ることができるのではないかと考えた。すなわち本発明では、パルス発振の周期が、半導体膜が溶融してから完全に固化するまでの時間よりも短くなるように、パルス発振の周波数の下限を定める。
【００１４】
実際に本発明で用いるパルス発振のレーザは、その発振周波数を１０ＭＨｚ以上とし、通常用いられている数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの周波数帯よりも著しく高い周波数帯を用いる。パルス発振でレーザ光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ｎｓ〜数百ｎｓと言われており、よって本発明では上記周波数帯を用いることで、半導体膜がレーザ光によって溶融してから固化するまでに、次のパルスのレーザ光を照射できる。したがって、従来のパルス発振の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ので、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。具体的には、含まれる結晶粒の走査方向における幅が１０〜３０μｍ、走査方向に対して垂直な方向における幅が１〜５μｍ程度の結晶粒の集合を形成することができる。該走査方向に沿って長く延びた単結晶の結晶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】
また、従来のパルス発振のレーザを用いて半導体膜の結晶化を行なった場合、結晶の粒界において、酸素、窒素、炭素等の不純物が偏析する傾向がある。特にレーザ光を用いた結晶化と触媒金属を用いた結晶化とを組み合わせた場合は、ゲッタリングしきれなかった触媒金属が偏析することもある。本発明では、固液界面を連続的に移動させることができるので、帯域溶融法のごとく、偏析係数が正の不純物の偏析を防ぎ、半導体膜の純化や溶質濃度の一様化を行なうことができる。したがって、該半導体膜を用いた半導体素子の特性を高め、また素子間の特性のバラツキを抑えることができる。
【００１６】
また、連続発振のレーザの場合、半導体膜のある１点にレーザ光が照射される時間は１０μｓのオーダーである。しかし本発明では、１０ＭＨｚを超える高い発振周波数でレーザ光を発振させるのでパルス幅が１ｎｓ以下となっており、１点にレーザ光が照射される時間を１０-4倍とすることができ、なおかつ連続発振のレーザに比べて尖頭出力を飛躍的に高めることができる。そのため本発明では、基板上に形成された半導体膜の結晶化の際に、基板に与えられる熱量を連続発振のレーザよりも大幅に抑えることができ、よって基板のシュリンクや、半導体膜と、他の膜との間で起こる不純物の拡散を防ぐことができ、それにより半導体素子の特性を高め、歩留まりを高めることが可能になる。
【００１７】
また本発明のように、従来に比べて著しく高い発振周波数を用いる場合、必然的にパルス幅もその発振周波数に合わせてｐｓのオーダーまで短くなり、それによってレーザ光を基板に対して垂直の方向から照射しても、基板の裏面における光の反射によって生じる干渉が抑えられるという、副次的な効果も得ることができる。干渉が抑えられるのは、１ｍｍ程度のガラス基板を往復して半導体膜に戻ってきた光と、新たに半導体膜に入射する光とが混在している時間が、ｐｓのオーダーのパルス幅だと著しく短くすることができるからである。通常の発振周波数を用いたパルス発振のレーザでは、パルス幅が１０ｎｓ〜数１００ｎｓであり、この期間に光が進む距離は３ｍ〜１００ｍ程度である。しかし本発明の場合、パルス幅はｐｓのオーダーである。例えばパルス幅１０ｐｓの期間に光が進む距離は３ｍｍ程度であり、従来のパルス発振のレーザに比べてその距離が著しく短い。よって、１ｍｍ程度のガラス基板を往復して半導体膜に戻ってきた光と、新たに半導体膜に入射する光とが混在している時間が短く、干渉が抑えられやすい。よって、干渉の影響を考慮してレーザ光を半導体膜に対して斜めに照射する必要がなくなり、レーザ光を基板に対して垂直の方向から照射することができる。したがって光学設計が容易になり、得られるビームスポットのエネルギー分布をより均一にすることができる。またレーザ光を斜めに照射する場合、被処理物の走査方向によってレーザ光の照射条件が変化するため、均一なレーザアニールを行なうことが難しい。この場合、均一なレーザアニールを行なうためには、一方向の走査のみによってレーザアニールを行なう必要があり、スループットを犠牲にせざるを得ない。しかし本発明では、垂直にレーザ光を照射することができるので、走査方向によってレーザ光の照射条件が変化することがない。よって被処理物を往復させるように走査してもレーザアニールの均一性が損なわれることがなく、スループットを高めることができる。
【００１８】
なおレーザ光が全く干渉を起こさないようにするには、真空中の光速をｃ、基板の屈折率をｎ、基板の厚さをｄとすると、レーザ光のパルス幅ｔは以下の数１に示す式１を満たせばよい。
【００１９】
【数１】
2005191546.tif 000003
【００２０】
例えば、基板に厚さ０．７ｍｍ、屈折率１．５のガラス基板を用い、真空中の光速を３０万ｋｍ／ｓとすると、レーザ光が全く干渉を起こさないようにするには、ｔ＜７ｐｓを満たしていれば良い。
【００２１】
また多結晶半導体膜をレーザアニール法で形成する場合、レーザ光が有するエネルギーの揺らぎが大きいと、結晶化が均一に行なわれず、該多結晶半導体膜を活性層として用いるＴＦＴ間の特性、例えばオン電流、移動度等にばらつきが生じてしまう。なお、干渉を起こしていない状態でもレーザ光は時間的に±１％のエネルギーの揺らぎを有しているので、半導体表示装置の画素部に用いられているＴＦＴを形成する際に、該エネルギーの空間的な揺らぎが±１％よりも小さくなる程度に干渉を抑えることで、干渉に起因する輝度の濃淡が画素部において視認されてしまうのを防ぐことができると考えられる。
【００２２】
一方、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に第２高調波のレーザ光を照射する場合、該レーザ光は、該非晶質半導体膜の表面において約半分が反射され、残り約半分が非晶質半導体膜内に進入すると考えられる。半導体表示装置が有するＴＦＴの活性層に用いられる半導体膜は、その膜厚がおおよそ数十ｎｍ程度であるので、非晶質半導体膜の吸収係数を考慮すると、非晶質半導体膜内に進入したレーザ光のうち、さらに約半分が非晶質半導体膜に吸収され、残りの半分がガラス基板に進入すると考えられる。そしてガラス基板に進入した光は、その裏面において約４％反射し再び非晶質半導体膜内に進入する。よって、レーザ発振器から非晶質半導体膜に入射する光に対し、ガラス基板の裏面において反射することで非晶質半導体膜に入射する光の割合は約２％であり、この２つのレーザ光が干渉を起こすと±２％のエネルギーの揺らぎが生じることになる。
【００２３】
したがって、該エネルギーの揺らぎが±１％よりも小さくなる程度に干渉を抑えるためには、干渉する時間をパルス幅ｔの半分より短くすれば良い。より好ましくは、該２つのレーザ光が非晶質半導体膜のある１点に同時に照射されている時間が、レーザ光のパルス幅の１０％以下に相当するのが良い。干渉する時間をパルス幅ｔの半分より短くする場合、式１から、レーザ光のパルス幅ｔは以下の数２に示す式２を満たせばよいことが分かる。
【００２４】
【数２】
2005191546.tif 000004
【００２５】
具体的に本発明のレーザ照射装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換する非線形光学素子と、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物において集光させるための光学系とを有し、前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。上記構成を有する本発明のレーザ照射装置は、連続発振のレーザを用いる場合に比べて非線形光学素子の劣化を抑えることができ、波長が変換されたレーザ光のエネルギーを高め、被処理物上に形成されるビームスポットの面積を広げることができる。また、本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜を照射すれば、従来のパルス発振のレーザを用いる場合と異なり、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を得ることができる。
【００２６】
また具体的に本発明のレーザ照射方法は、非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。上記構成を有する本発明のレーザ照射方法では、連続発振のレーザを用いる場合に比べて非線形光学素子の劣化を抑えることができ、また尖頭出力が高まるので時間に対する光子の密度が高まり、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めることができる。よって、波長が変換されたレーザ光のエネルギーを高め、被処理物上に形成されるビームスポットの面積を広げることができる。そのためスループットを向上させることができる。また、本発明のレーザ照射装置を用いて半導体膜を照射すれば、従来のパルス発振のレーザを用いる場合と異なり、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を得ることができる。
【００２７】
また具体的に本発明の半導体装置の作製方法は、非線形光学素子を用いて、レーザ発振器からパルス発振されたレーザ光の波長を変換し、前記波長が変換されたレーザ光を被処理物に照射し、前記パルス発振の周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。上記構成を有する本発明の半導体装置の作製方法では、連続発振のレーザを用いる場合に比べて非線形光学素子の劣化を抑えることができ、また尖頭出力が高まるので時間に対する光子の密度が高まり、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めることができる。よって、波長が変換されたレーザ光のエネルギーを高め、被処理物上に形成されるビームスポットの面積を広げることができる。そのためスループットを向上させ、半導体素子のレイアウト上の制約を緩和することができる。また、本発明の作製方法を用いて半導体素子を形成すると、従来のパルス発振のレーザを用いる場合と異なり、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を有する半導体素子を得ることができ、形成された半導体素子の特性を高めることができる。
【００２８】
なおビームスポットを線状とすることで、ビームスポットの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、より低減させることができる。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。
【００２９】
なお本発明で用いることができるのは、周波数１０ＭＨｚ以上でパルス発振させることができるレーザである。上記周波数での発振が可能であるならば、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、ＧｄＶＯ4レーザ、セラミックレーザ、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ができる。
【００３０】
なお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。
【００３１】
なお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。半導体表示装置は、例えば液晶表示装置、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）等が挙げられる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明では、連続発振のレーザに比べてビームスポットの面積を飛躍的に広げることができる。よって、ビームスポットのうち結晶性の劣る領域の占める割合を低減することができ、スループットをも高めることができる。また本発明では、連続発振のレーザに比べてガラス基板へ与える熱的なダメージを抑えることができる。また本発明では、連続発振のレーザよりも非線形光学素子の耐性を高めることができるので、非線形光学素子のメンテナンスの煩雑さを低減することができる。特に固体レーザの場合、メンテナンス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。なおかつ本発明では、従来のパルス発振のレーザを用いる場合と異なり、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ことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１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。
【００３４】
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、１．８ＷのＹＶＯ4レーザを用いる。また１０２は非線形光学素子に相当する。レーザ発振器１０１は安定形共振器とし、ＴＥＭ00の発振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。レーザ発振器１０１から発振されたレーザ光は、非線形光学素子１０２により第２高調波（５３２ｎｍ）に変換される。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。発振周波数は８０ＭＨｚ、パルス幅は１２ｐｓ程度とする。本実施の形態では、出力が１．８Ｗ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を用いてもよい。また、レーザスクライブなどに用いられる発振周波数が８０ＭＨｚの第３高調波のレーザを用いても良い。
【００３５】
なお、本発明において発振周波数は８０ＭＨｚに限定されず、１０ＭＨｚ以上であればよい。さらに本発明では、集光性が阻害されない程度に、波面が揃い、なおかつ真円度の高いレーザ光が得られるように、パルス発振の周波数の上限を１００ＧＨｚとしても良い。
【００３６】
なお本発明のレーザ照射装置は、非線形光学素子１０２をレーザ発振器１０１が有する共振器内に設けていても良いし、基本波のレーザ発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。
【００３７】
非線形光学素子１０２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。
【００３８】
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から発振されたレーザ光は、反射ミラー１０３にて、鉛直方向からの角度（入射角）がθとなるように、その進行方向が変換される。本実施の形態では、θ＝１８°とする。進行方向が変換されたレーザ光は、レンズ１０４によりそのビームスポットの形状が加工され、ステージ１０７上に載置された被処理物に照射される。図１では、基板１０５上に形成された半導体膜１０６が被処理物に相当する。図１では、反射ミラー１０３とレンズ１０４とがレーザ光を半導体膜１０６において集光させるための光学系に相当する。
【００３９】
図１では、レンズ１０４として平凸球面レンズを用いている例を示している。平凸球面レンズは焦点距離２０ｍｍである。そしてその曲面の中央にレーザ光が入射するように、平面が基板１０５と平行になるように配置されている。また平凸球面レンズの平面と半導体膜１０６との距離は２０ｍｍとする。これにより、半導体膜１０６の表面において、１０μｍ×１００μｍ程度のサイズを有するビームスポット１１０が形成される。ビームスポット１１０を細長く伸ばすことができるのは、レンズ１０４の非点収差の影響である。
【００４０】
図１のように、被処理物として半導体膜１０６が成膜された基板１０５を用いる場合において、半導体膜１０６が非晶質半導体のとき、半導体膜１０６のレーザ光に対する耐性を高めるために、レーザ光の照射の前に熱アニールを該半導体膜１０６に対して行なうことが好ましい。具体的に熱アニールは、例えば窒素雰囲気下において５００℃、１時間程度で行なえばよい。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。
【００４１】
またステージ１０７は、Ｘ軸方向に走査を行なうためのロボット（Ｘ軸用一軸ロボット）１０８とＹ軸方向に走査を行なうためのロボット（Ｙ軸用一軸ロボット）１０９とにより、基板１０５に平行な面内においてＸＹ方向に移動が可能である。
【００４２】
そして、Ｙ軸用一軸ロボット１０９を用いてビームスポット１１０の短軸方向に、ステージ１０７を走査する。なおステージ１０７の走査速度は、数十ｍｍ／ｓ〜数千ｍｍ／ｓ程度が適当であり（より好ましくは１００〜２０００ｍｍ／ｓ）、ここでは４００ｍｍ／ｓとする。このステージ１０７の走査により、ビームスポット１１０が、半導体膜１０６の表面に対して相対的に走査されることになる。よって、ビームスポット１１０が当たっている領域において半導体膜が溶融し、その固液界面が走査方向に向かって連続的に移動し、幅７０μｍの領域に、該走査方向に結晶成長した、幅数μｍ、長さ１０〜３０μｍ程度の単結晶の結晶粒が敷き詰められた状態が形成される。
【００４３】
次に図２を用いて、ビームスポット１１０の、半導体膜１０６の表面における走査経路について説明する。被処理物に相当する半導体膜１０６全面にレーザ光を照射する場合、Ｙ軸用一軸ロボット１０９を用いて一方向への走査を行なった後、Ｘ軸用一軸ロボット１０８を用いて、Ｙ軸用一軸ロボット１０９による走査方向と交差する方向に、ビームスポット１１０をスライドさせる。
【００４４】
例えば、Ｙ軸用一軸ロボット１０９によりビームスポット１１０を一方向に走査する。図２において、該走査経路をＡ１で示す。次に、Ｘ軸用一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ１に対して垂直の方向にビームスポット１１０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軸用一軸ロボット１０９によりビームスポット１１０を一方向に走査する。該走査経路をＡ２で示す。次に、Ｘ軸用一軸ロボット１０８を用いて、走査経路をＡ２に対して垂直の方向にビームスポット１１０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軸用一軸ロボット１０９による走査とＸ軸用一軸ロボット１０８による走査とを順に繰り返すことで、半導体膜１０６全面にレーザ光を照射することができる。
【００４５】
レーザ光が照射され、走査方向に向かって成長した結晶粒が形成されている領域は、結晶性が非常に優れている。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。
【００４６】
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、図１、図２のように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、または上記２つの方法を組み合わせた方法を用いることができる。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。
【００４７】
図３に、レーザ光照射後における半導体膜の、光学顕微鏡による倍率５００倍の拡大写真を示す。なお図３では、厚さ０．７ｍｍのガラス基板の片面に、厚さ２００ｎｍの酸化珪素を形成し、その上に半導体膜として厚さ６６ｎｍの非晶質珪素（ａ−Ｓｉ）膜をプラズマＣＶＤ法で形成した後、半導体膜のレーザに対する耐性を高めるために、窒素雰囲気下において５００℃、１時間の熱アニールを行なった。そして図１に示すレーザ照射装置を用い、１．８ＷのＹＶＯ4レーザの第２高調波（５３２ｎｍ）、ＴＥＭ00モード、発振周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２ｐｓ、走査速度４００ｍｍ／ｓ、１０μｍ×１００μｍ程度のサイズを有するビームスポットで、レーザ光を照射し、結晶化を行なった。
【００４８】
本発明のレーザ照射方法を用いることで、図３に示すように、Ａ−Ａ’で示す幅７０μｍの領域に、該走査方向に結晶成長した、幅数μｍ、長さ１０〜３０μｍ程度の単結晶の結晶粒が敷き詰められた状態が形成される。
【００４９】
なお比較例として、１８ＷのＹＶＯ4レーザの第２高調波（５３２ｎｍ）、ＴＥＭ00モード、発振周波数１００ｋＨｚ、パルス幅４０ｎｓ、走査速度２００ｍｍ／ｓ、７μｍ×６ｍｍ程度のサイズを有するビームスポットで、レーザ光を照射し、結晶化を行なった。この場合、１パルスのレーザ光で形成される結晶粒と、その次の１パルスのレーザ光で形成される結晶粒とは、結晶レベルではつながらず、図３のＡ−Ａ’に示したような結晶は得られなかった。
【実施例１】
【００５０】
本実施例では、本発明のレーザ照射装置が有する光学系について、図４（Ａ）、図４（Ｂ）を用いて説明する。
【００５１】
図４（Ａ）に示す光学系は、２つのシリンドリカルレンズ７０１、７０２を有している。そして、矢印の方向から入射したレーザ光は、２つのシリンドリカルレンズ７０１、７０２によってそのビームスポットの形状が成形され、被処理物７０３に照射される。なお、被処理物７０３により近いシリンドリカルレンズ７０２は、シリンドリカルレンズ７０１に比べて、その焦点距離が小さい。
【００５２】
なお本発明では、パルス幅が１０ｐｓ程度のレーザを用いる場合、干渉の影響を考慮せずに光学系を配置することができる。すなわち、レーザ光を被処理物７０３に対して垂直に入射させても良い。
【００５３】
図４（Ｂ）は、ビームスポットを４つ合成して１つのビームスポットにする場合の光学系を示している。図４（Ｂ）に示す光学系は、６つのシリンドリカルレンズ７１７〜７２２を有している。矢印の方向から入射した４つのレーザ光は、４つのシリンドリカルレンズ７１９〜７２２のそれぞれに入射する。そしてシリンドリカルレンズ７１９、７２１において成形された２つのレーザ光は、シリンドリカルレンズ７１７において再びそのビームスポットの形状が成形されて被処理物７２３に照射される。一方シリンドリカルレンズ７２０、７２２において成形された２つのレーザ光は、シリンドリカルレンズ７１８において再びそのビームスポットの形状が成形されて被処理物７２３に照射される。
【００５４】
被処理物７２３における各レーザ光のビームスポットは、互いに一部重なることで合成されて１つのビームスポットを形成している。
【００５５】
各レンズの焦点距離及び入射角は設計者が適宜設定することが可能であるが、被処理物７２３に最も近いシリンドリカルレンズ７１７、７１８の焦点距離は、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２の焦点距離よりも小さくする。例えば、シリンドリカルレンズ７１７、７１８の焦点距離を２０ｍｍとし、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２の焦点距離を１５０ｍｍとする。そしてシリンドリカルレンズ７１７、７１８から被処理物７２３へのレーザ光の入射角は、本実施例では２５°とし、シリンドリカルレンズ７１９〜７２２からシリンドリカルレンズ７１７、７１８へのレーザ光の入射角を１０°とするように各レンズを設置する。
【００５６】
図４（Ｂ）では、４つのビームスポットを合成する例について示しており、この場合４つのレーザ発振装置にそれぞれ対応するシリンドリカルレンズを４つと、該４つのシリンドリカルレンズに対応する２つのシリンドリカルレンズとを有している。合成するビームスポットの数はこれに限定されず、合成するビームスポットの数は２以上８以下であれば良い。ｎ（ｎ＝２、４、６、８）のビームスポットを合成する場合、ｎのレーザ発振装置にそれぞれ対応するｎのシリンドリカルレンズと、該ｎのシリンドリカルレンズに対応するｎ／２のシリンドリカルレンズとを有している。ｎ（ｎ＝３、５、７）のビームスポットを合成する場合、ｎのレーザ発振装置にそれぞれ対応するｎのシリンドリカルレンズと、該ｎのシリンドリカルレンズに対応する（ｎ＋１）／２のシリンドリカルレンズとを有している。
【００５７】
そして、ビームスポットを５つ以上重ね合わせるとき、光学系を配置する場所及び干渉等を考慮すると、５つ目以降のレーザ光は基板の反対側から照射するのが望ましく、基板は透過性を有していることが必要である。
【００５８】
なお本発明のレーザ照射装置における、光学系は、本実施例で示した構成に限定されない。
【実施例２】
【００５９】
次に図５（Ａ）〜（Ｃ）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。
【００６０】
まず図５（Ａ）に示すように、基板５００上に下地膜５０１を成膜する。基板５００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ステンレス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。
【００６１】
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。本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０ｎｍ〜４００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍ）の膜厚になるように成膜する。
【００６２】
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、ステンレ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。
【００６３】
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２５ｎｍ〜１００ｎｍ（好ましくは３０ｎｍ〜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。
【００６４】
次に図５（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にレーザ光を照射し、結晶化を行なう。
【００６５】
本実施例ではレーザ光として、エネルギー２Ｗ、ＴＥＭ00の発振モード、第２高調波（５３２ｎｍ）、発振周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２ｐｓのＹＶＯ4レーザを用いる。なお、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ビームスポット５１０は、短軸１０μｍ、長軸１００μｍの矩形状とする。なお本発明は、本実施例で示した照射条件に限定されない。
【００６６】
そして、半導体膜５０２の表面において、ビームスポット５１０を図５（Ｂ）に示した白抜きの矢印の方向に向かって走査する。発振周波数を８０ＭＨｚとすることで、固液界面を白抜きの矢印の方向に向かって連続的に移動させることができるので、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。
【００６７】
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。
【００６８】
次に、図５（Ｃ）に示すように半導体膜５０３をパターニングすることで、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。
【００６９】
図示しないが、例えばＴＦＴを作製する場合、次に島状の半導体膜５０７〜５０９を覆うようにゲート絶縁膜を成膜する。ゲート絶縁膜には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。また成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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）、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、レーザ照射によって、半導体膜の表層部が溶融し、下層部は溶融せず、その下層部で残った結晶が結晶核となり、下層部から上層部に向かって均一に結晶化が進む。よって、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。
【００７３】
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。
【００７４】
なお本実施例では、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なうのに用いても良い。
【実施例３】
【００７５】
本実施例では実施例２とは異なり、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に、触媒元素による結晶化方法を組み合わせた例について説明する。
【００７６】
まず、半導体膜５０２を成膜する工程まで、実施例２の図５（Ａ）を参照して行なう。次に図６（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の表面に、重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布する。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。そして、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行なう。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、基板５００に向かって縦方向に結晶化が促進された半導体膜５２０が形成される（図６（Ａ））。
【００７７】
加熱処理には、例えば、ランプの輻射を熱源としたＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、又は加熱された気体を用いるＲＴＡ（ガスＲＴＡ）で設定加熱温度７４０℃、１８０秒のＲＴＡを行なう。設定加熱温度は、パイロメータで測る基板の温度であり、その温度を熱処理時の設定温度としている。他の方法としては、ファーネスアニール炉を用いて５５０℃にて４時間の熱処理があり、これを用いても良い。結晶化温度の低温化及び時短化は触媒作用のある金属元素の作用によるものである。
【００７８】
なお、本実施例では触媒元素としてニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いても良い。
【００７９】
次に図６（Ｂ）に示すように、半導体膜５２０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施例ではレーザ光として、発振周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２ｐｓ程度の、パルス発振のＹＶＯ4レーザの第２高調波を用いる。なお、レーザ光を光学系により加工することで半導体膜５２０の表面に形成されるビームスポット５２７は、短軸１０μｍ、長軸１００μｍの矩形状とする。なお本発明は、本実施例で示した照射条件に限定されない。
【００８０】
そして、半導体膜５２０の表面において、ビームスポット５２７を図６（Ｂ）に示した白抜きの矢印の方向に向かって走査する。発振周波数を８０ＭＨｚとすることで、固液界面を白抜きの矢印の方向に向かって連続的に移動させることができるので、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。
【００８１】
上述した半導体膜５２０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５２１が形成される。なお、触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５２１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５２１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。
【００８２】
まず、図６（Ｃ）に示すように半導体膜５２１の表面に酸化膜５２２を形成する。１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有する酸化膜５２２を形成することで、後のエッチング工程において半導体膜５２１の表面がエッチングにより荒れるのを防ぐことができる。酸化膜５２２は公知の方法を用いて形成することができる。例えば、硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液や、オゾン水で、半導体膜５２１の表面を酸化することで形成しても良いし、酸素を含む雰囲気中でのプラズマ処理や、加熱処理、紫外線照射等により形成しても良い。また酸化膜５２２を別途、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、蒸着法などで形成しても良い。
【００８３】
次に酸化膜５２２上に、希ガス元素を１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の濃度で含むゲッタリング用の半導体膜５２３を、スパッタ法を用いて２５〜２５０ｎｍの厚さで形成する。ゲッタリング用の半導体膜５２３は、半導体膜５２１とエッチングの選択比を大きくするため、半導体膜５２１よりも膜の密度の低い方がより望ましい。希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用いる。
【００８４】
次にファーネスアニール法やＲＴＡ法を用いて加熱処理を施し、ゲッタリングを行なう。ファーネスアニール法で行なう場合には、窒素雰囲気中にて４５０〜６００℃で０．５〜１２時間の加熱処理を行なう。また、ＲＴＡ法を用いる場合には、加熱用のランプ光源を１〜６０秒、好ましくは３０〜６０秒点灯させ、それを１〜１０回、好ましくは２〜６回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には６００〜１０００℃、好ましくは７００〜７５０℃程度にまで加熱されるようにする。
【００８５】
加熱処理により、半導体膜５２１内の触媒元素が、拡散により矢印に示すようにゲッタリング用の半導体膜５２３に移動し、ゲッタリングされる。
【００８６】
次にゲッタリング用の半導体膜５２３を選択的にエッチングして除去する。エッチングは、ＣｌＦ3によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行なうことができる。この時酸化膜５２２によって半導体膜５２１がエッチングされるのを防ぐことができる。
【００８７】
次に酸化膜５２２をフッ酸により除去した後、半導体膜５２１をパターニングし、島状の半導体膜５２４〜５２６を形成する（図６（Ｄ））。該島状の半導体膜５２４〜５２６を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子を形成することができる。なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施例に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。
【００８８】
本実施例の場合、レーザ照射によって、半導体膜の表層部が溶融し、下層部は溶融せず、その下層部で残った結晶が結晶核となり、下層部から上層部に向かって均一に結晶化が進む。またその結晶方位を揃えやすいため、実施例２の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。
【００８９】
なお本実施例では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光の照射を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。
【実施例４】
【００９０】
本実施例では、本発明のレーザ照射装置による結晶化方法に触媒元素による結晶化方法を組み合わせた、実施例３とは異なる例について説明する。
【００９１】
まず、半導体膜５０２を成膜する工程まで、実施例２の図５（Ａ）を参照して行なう。次に、半導体膜５０２の上に開口部を有するマスク５４０を形成する。そして図７（Ａ）に示すように、半導体膜５０２の表面に重量換算で１〜１００ｐｐｍのＮｉを含む酢酸ニッケル塩溶液をスピンコート法で塗布する。なお触媒の添加は上記方法に限定されず、スパッタ法、蒸着法、プラズマ処理などを用いて添加しても良い。塗布された酢酸ニッケル塩溶液は、マスク５４０の開口部において半導体膜５０２と接する（図７（Ａ））。
【００９２】
次に、５００〜６５０℃で４〜２４時間、例えば５７０℃、１４時間の加熱処理を行なう。この加熱処理により、酢酸ニッケル塩溶液が塗布された表面から、実線の矢印で示したように結晶化が促進された半導体膜５３０が形成される（図７（Ａ））。加熱処理の方法はこれに限定されず、実施例３に示したその他の方法で行なっても良い。なお、触媒元素は実施例３に列記したものを用いることができる。
【００９３】
次にマスク５４０を除去した後、図７（Ｂ）に示すように、半導体膜５３０を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本実施例では、エネルギー２Ｗ、第２高調波（５３２ｎｍ）、発振周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１２ｐｓのＹＶＯ4レーザを用いる。なお、レーザ光を光学系により加工することで半導体膜５３０の表面に形成されるビームスポット５３８は、短軸１０μｍ、長軸１００μｍの矩形状とする。なお、本発明は、実施例で示した照射条件に限定されない。
【００９４】
そして、半導体膜５３０の表面において、ビームスポット５３８を図７（Ｂ）に示した白抜きの矢印の方向に向かって走査する。発振周波数を８０ＭＨｚとすることで、固液界面を白抜きの矢印の方向に向かって連続的に移動させることができるので、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。
【００９５】
上述した半導体膜５３０へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５３１が形成される。
【００９６】
なお図７（Ｂ）に示したように触媒元素を用いて結晶化された半導体膜５３１内には、触媒元素（ここではＮｉ）がおおよそ１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の濃度で含まれていると考えられる。次に、半導体膜５３１内に存在する触媒元素のゲッタリングを行なう。
【００９７】
まず図７（Ｃ）に示すように、半導体膜５３１を覆うように、マスク用の酸化シリコン膜５３２を１５０ｎｍの厚さで形成し、パターニングにより開口部を設け、半導体膜５３１の一部を露出させる。そして、リンを添加して、半導体膜５３１にリンが添加された領域５３３を設ける。この状態で、窒素雰囲気中で５５０〜８００℃、５〜２４時間、例えば６００℃、１２時間の熱処理を行なうと、半導体膜５３１にリンが添加された領域５３３がゲッタリングサイトとして働き、半導体膜５３１に残存していた触媒元素が、リンの添加されたゲッタリング領域５３３に偏析する。
【００９８】
そして、リンが添加された領域５３３をエッチングで除去することにより、半導体膜５３１の残りの領域において、触媒元素の濃度を１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にまで低減させることができる。次に、マスク用の酸化シリコン膜５３２を除去した後、半導体膜５３１をパターニングし、島状の半導体膜５３４〜５３６を形成する（図７（Ｄ））。該島状の半導体膜５３４〜５３６用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子を形成することができる。なお、本発明においてゲッタリング工程は、本実施例に示した方法に限定されない。その他の方法を用いて半導体膜中の触媒元素を低減するようにしても良い。
【００９９】
本実施例の場合、レーザ照射によって、半導体膜の表層部が溶融し、下層部は溶融せず、その下層部で残った結晶が結晶核となり、下層部から上層部に向かって均一に結晶化が進む。またその結晶方位を揃えやすいため、実施例２の場合に比べて表面の荒れが抑えられる。よって後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられる。
【０１００】
なお本実施例では、触媒元素を添加してから加熱処理を行なって結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めている構成について説明した。本発明はこれに限定されず、加熱処理の工程を省略しても良い。具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光の照射を照射し、結晶性を高めるようにしても良い。
【実施例５】
【０１０１】
図８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表示装置の１つである、発光装置の画素の構成について説明する。
【０１０２】
図８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は島状の半導体膜６００３と、ゲート電極６００５と、島状の半導体膜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。
【０１０３】
島状の半導体膜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、島状の半導体膜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。
【０１０４】
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６００４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。
【０１０５】
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とが順に積層されている。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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また図８において６０１０は第１の電極、６０１１は電界発光層、６０１２は第２の電極であり、第１の電極６０１０と電界発光層６０１１と第２の電極６０１２が重なっている部分が発光素子６０１３に相当する。トランジスタ６００２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。
【０１０８】
第１の電極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、該開口部において第１の電極６０１０と電界発光層６０１１と第２の電極６０１２が重なり合うことで発光素子６０１３が形成されている。
【０１０９】
そして有機樹脂膜６０１４及び第２の電極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。
【０１１０】
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第２の電極のカバレッジを良好とすることができ、第１の電極６０１０と第２の電極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。
【０１１１】
なお図８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。
【０１１２】
なお、第１の電極６０１０と、第２の電極６０１２は、いずれか一方が陽極、他方が陰極に相当する。
【０１１３】
陽極には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）などその他の透光性酸化物導電材料を用いることが可能である。ＩＴＯ及び酸化珪素を含む酸化インジウムスズ（以下、ＩＴＳＯとする）や、酸化珪素を含んだ酸化インジウムに、さらに２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合したものを用いても良い。また陽極として上記透光性酸化物導電材料の他に、例えばＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｇ、Ａｌ等の１つまたは複数からなる単層膜の他、窒化チタンとアルミニウムを主成分とする膜との積層、窒化チタン膜とアルミニウムを主成分とする膜と窒化チタン膜との三層構造等を用いることができる。ただし透光性酸化物導電材料以外の材料で陽極側から光を取り出す場合、光が透過する程度の膜厚（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）で形成する。
【０１１４】
陰極は、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物、およびこれらの混合物などを用いることができる。具体的には、ＬｉやＣｓ等のアルカリ金属、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、これらを含む合金（Ｍｇ：Ａｇ、Ａｌ：Ｌｉ、Ｍｇ：Ｉｎなど）、およびこれらの化合物（ＣａＦ2、ＣａＮ）の他、ＹｂやＥｒ等の希土類金属を用いることができる。また電界発光層６０１１中に電子注入層を設ける場合、Ａｌなどの他の導電層を用いることも可能である。また陰極側から光を取り出す場合は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）などその他の透光性酸化物導電材料を用いることが可能である。ＩＴＯ及び酸化珪素を含む酸化インジウムスズ（以下、ＩＴＳＯとする）や、酸化珪素を含んだ酸化インジウムに、さらに２〜２０％の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混合したものを用いても良い。透光性酸化物導電材料を用いる場合、後に形成される電界発光層６０１１に電子注入層を設けるのが望ましい。また透光性酸化物導電材料を用いずとも、陰極を光が透過する程度の膜厚（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）で形成することで、陰極側から光を取り出すことができる。この場合、該陰極の上または下に接するように透光性酸化物導電材料を用いて透光性を有する導電層を形成し、陰極のシート抵抗を抑えるようにしても良い。
【０１１５】
なお図８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。
【０１１６】
なお、実際には図８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発光素子の信頼性が向上する。
【０１１７】
なお、本実施例では半導体表示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表示装置はこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明のレーザ照射装置の図。
【図２】ビームスポット１１０の、半導体膜１０６の表面における走査経路を示す図。
【図３】レーザ光照射後における半導体膜の、光学顕微鏡による拡大写真。
【図４】本発明のレーザ照射装置が有する光学系の一例を示す図。
【図５】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を示す図。
【図６】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を示す図。
【図７】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を示す図。
【図８】本発明のレーザ照射装置を用いて形成される半導体表示装置の１つである、発光装置の画素の構成を示す図。
【符号の説明】
【０１１９】
１０１    レーザ発振器
１０２    非線形光学素子
１０３    反射ミラー
１０４    レンズ
１０５    基板
１０６    半導体膜
１０７    ステージ
１０８    ロボット（Ｘ軸用一軸ロボット）
１０９    ロボット（Ｙ軸用一軸ロボット）
１１０    ビームスポット
【図１】
2005191546.tif 000005
【図２】
2005191546.tif 000006
【図８】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005191546.tif 000010
【図６】
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【図７】
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