(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたシリコン膜中の非結晶領域におけるある一領域を、該シリコン膜上方からレーザ光を照射することにより瞬時に多結晶化し、
その後、前記レーザ光の照射領域が少なくとも一部に非結晶領域を含む位置に前記レーザ光の照射領域をずらし、同様に前記レーザ光を照射することにより前記非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
前記シリコン膜中の前記非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれ、
非結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＡと、平均粒径が０．０５〜０．２ｕｍである粒状結晶で構成される粒状結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＰとの関係が、下記式（１）を満たすような照射条件でレーザ光を照射することにより、
前記非結晶領域が前記粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている前記粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０・・・（１）
【請求項２】
前記シリコン膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査させることを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記レーザ光として連続発振レーザ光を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項５】
前記レーザ光の波長が４００〜４２０ｎｍであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された非結晶シリコン膜に対してレーザ光を照射し、多結晶化膜を作製するレーザアニール方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬなどの表示装置は、基板上に形成された非結晶及び多結晶半導体膜を有する画素表示用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と、この画素表示用ＴＦＴを駆動する駆動回路や信号処理回路、及び画像処理回路などで構成されている。安価なガラスなどの基板上に駆動回路等を形成できれば、製造コスト低減及び信頼性向上が期待できるため、現在結晶化半導体膜の形成において、エキシマレーザなどの高エネルギーパルス光を試料に照射して、基板に影響を与えることなく半導体材料を瞬間的に溶融させ結晶化するレーザアニール法が広く用いられている。
【０００３】
しかし、従来のレーザ発生装置を用いた場合には、１３インチを越える大面積表示装置を作製するに際し、１つの表示装置用パネルを１回の走査で形成することができず、レーザ光端部の照射領域を重ねて、２回以上の走査をする必要があった。しかしながら、このレーザ光が重なる部分では、照射量が他の部分よりも多くなるため再融解等により結晶粒径の標準偏差（ばらつき）増加及び表面平坦性の劣化を招く恐れがある。このように結晶性が不均一な半導体膜上にＴＦＴ等の半導体素子を作製した場合、半導体素子の性能を均一化することができない。この結果、半導体素子の性能の均一性に左右されやすい有機ＥＬなどの表示装置では、点欠陥、線欠陥及びコントラスト等の表示品位を保てなくなる。これらの表示品位を保つ方法として、レーザ光の副相対走査方向であるｙ方向（基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。）の制限された領域内に表示装置用パネルを配置する（つまり、上記重なったレーザ光によって照射された結晶領域を避ける）等が挙げられるが、これでは表示装置のサイズにも制限が設けられ、２０インチ以上などの大型表示装置を作製することができなくなる。
【０００４】
また、上記のような場合には、有機ＥＬなどの表示装置を製品化する際、電気的特性の標準偏差が小さくなるように、標準偏差を補正する回路を個々設けなくてはならない。しかしながら、補正回路を設けることは、画素小型化の阻害、輝度の低下及び生産コストの増加を招くため、例えばＴＦＴならば実用的にはしきい値の標準偏差を０．１Ｖ程度以下に抑えて補正回路を組み込まないようにする必要がある。
【０００５】
この問題を解決する試みとして、特許文献１及び特許文献２等に示されているような提案がなされている。特許文献１では、複数の半導体レーザ素子を用いてレーザ光の時空間的な強度のゆらぎを５％以内に抑制しかつビームを重ね合わせないことにより、結晶粒径の標準偏差及び表面平坦性を改善しており、また特許文献２では、継ぎ足した尺長形状のレーザ光を２行に渡って並べることにより、照射領域のｙ方向の継ぎ目部分における結晶性の不均一性を低減している。
【特許文献１】特許第３３４７０７２号明細書
【特許文献２】特開２００５−２４３７４７号公報
【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、特許文献１では、１回の走査によるレーザ光の照射を前提としているため、半導体膜の大きさに合わせてその都度半導体レーザ素子を増減させ、さらに照射位置を厳密に制御してアニールする必要がある。また、デバイスの設計の自由度が低くなるため好ましくない。さらに、これを実現するには照射機構が複雑で設備コストがかかるという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２では、ビームプロファイル端のスロープ領域において比較的結晶性の悪い多結晶領域が形成されてしまう。また、非結晶領域と多結晶領域では半導体膜の光エネルギー吸収率が異なるため、同出力では同様な温度分布とならず均一な結晶化ができない。さらに、特許文献１同様、これを実現するには照射機構が複雑で設備コストがかかるという問題がある。
【０００８】
このように、上記のような半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させ、かつ従来のレーザアニール装置を使用して安価に多結晶半導体膜を作製する方法が切望されている。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、２度以上レーザ光が照射された領域も均一に結晶化させて、通常のレーザアニール装置を使用しても安価に多結晶シリコン膜の作製を可能とするレーザアニール方法の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明者は、照射するレーザ光の照射条件と形成される結晶粒径サイズとの関係に注目して、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明によるレーザアニール方法は、基板上に形成されたシリコン膜中の非結晶領域におけるある一領域を、シリコン膜上方からレーザ光を照射することにより瞬時に多結晶化し、
その後、レーザ光の照射領域を少なくとも一部非結晶領域を含む位置にずらし、同様にレーザ光を照射することにより非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれ、
非結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＡと、粒状結晶領域における単位面積あたりの光エネルギー吸収量ＥＰとの関係が、下記式（１）を満たすような照射条件でレーザ光を照射することにより、
非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするものである。  
０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０・・・（１）
【００１２】
なお、本発明において「レーザアニール」とは、レーザ光が直接照射される領域のアニールと、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導して結晶状態が変化する領域のアニールとを意味するものとする。
【００１３】
また、「シリコン膜」とはシリコンを主成分とする膜である。本発明において「主成分」は含有量５０質量％以上の成分と定義する。ＴＦＴ用のシリコン膜では、シリコン含有量９０質量％以上が望ましい。
【００１４】
さらに、シリコン膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつこのレーザ光を相対走査させることが望ましく、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが望ましい。
【００１５】
また、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが望ましく、レーザ光の波長が４００〜４２０ｎｍであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるレーザアニール方法は、レーザ光の照射が、シリコン膜中の非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないような照射条件で行われる。このため、前者の照射条件によって、シリコン膜上に形成されうる半導体素子に比して結晶粒径が小さくなるため、半導体素子における電気的特性の標準偏差を増加させる要因となる結晶粒界の不均一が解消される。また、後者の照射条件によって、レーザ光が重なって照射されても、一度形成された粒状結晶が再度相変化しないため、レーザ光の相対走査領域の継ぎ目においても均一な結晶粒径を有する多結晶化を行うことができる。これらの効果により、半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させることが可能となり、補正回路を組み込む必要がなくなり、低コストかつ高品位な表示装置を製造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】
【００１７】
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【００１８】
まず、本発明において、半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させるため、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成すると規定した理由を以下に示す。
【００１９】
本発明者は、走査照射可能な半導体レーザを用いて、波長が４００ｎｍ〜４２０ｎｍのレーザ光における時空間的な強度分布を２％以内に抑制し、そのレーザ光強度及び走査速度を変えてアニールを実施して、シリコンの結晶粒径サイズを変え半導体素子としてＴＦＴを作成し、そのしきい値（Ｖｔｈ）の標準偏差を検討した結果、Ｖｔｈの標準偏差と結晶粒径サイズとの間に図１のような関係があることを発見した。
【００２０】
この図より、ＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差を０．１Ｖ程度以下にするには、結晶粒径サイズを０．２ｕｍ以下に抑制すればよいことがわかる。これは、前述したようにシリコン膜上に形成されうる半導体素子に比して結晶粒径が小さくなるため、電気的特性の標準偏差を増加させる要因となる結晶粒界の不均一が解消されるためである。
【００２１】
一方、下限の０．０５ｕｍは、有機ＥＬ等の表示装置を駆動させるのに最低限必要な電気的特性を有するＴＦＴを考慮した場合の結晶粒径サイズである。
【００２２】
さらに図１は、同じ結晶粒径サイズで比べた場合に、上記ＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差が、エキシマレーザを用いる従来のＥＬＡ（Ｅｘｉｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法によって作製されたＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差よりも小さいことを表している。詳細については後述するが、これはレーザ光の相対走査領域の継ぎ目部分における結晶の均一性の差に起因するものである。
【００２３】
したがって、上記Ｖｔｈの標準偏差と結晶粒径サイズとの関係を考慮し、本実施形態によるレーザアニール方法は、
基板上に形成されたシリコン膜中の非結晶領域におけるある一領域を、このシリコン膜上方からレーザ光を照射することにより瞬時に多結晶化し、
その後、レーザ光の照射領域を少なくとも一部非結晶領域を含む位置にずらし、同様にレーザ光を照射することにより非結晶領域を瞬時に多結晶化させる工程を１回以上実施するレーザアニール方法において、
波長が４００〜４２０ｎｍのレーザ光を用いて、シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が、非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲に含まれるような照射条件でレーザ光を照射することにより、
非結晶領域が平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶で構成される粒状結晶領域に相変化され、かつ既に形成されている粒状結晶領域が相変化されないようにレーザアニールを実施することを特徴とするものである。
【００２４】
基板は、シリコン基板及び金属基板や、石英基板、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス等のガラスからなる基板や、ステンレス基板等に表面に絶縁膜を形成しガラス同等以上の断熱性を得たもの、及び本発明における熱処理に耐えうる耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。
【００２５】
レーザ光は、波長が４００〜４２０ｎｍ帯（この数値限定の理由は語述する）のものであって、ＧａＮ系半導体レーザ等によって得られる半導体レーザ光を用いることが望ましい。
【００２６】
シリコン膜中の非結晶領域の到達温度範囲を、上記のように１２５０℃から１４５０℃までに規定した理由は、この温度範囲であれば粒状結晶（多結晶）部分を相変化させずに非結晶領域のみを相変化させることが可能となるためである。これは、図２に示すように、非結晶シリコンが１２５０℃という比較的低い温度から固相成長によって相変化を始めるためである。
【００２７】
なお、到達温度は、シリコン膜に入射する光量（この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。）、及びシリコン膜の光エネルギー吸収率から、理論的に求められる。
【００２８】
レーザ光の到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式（２）で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーは、融点にて必要なエネルギーである。  
（照射エネルギー）＝（融解エネルギー）＋（所望の温度に上昇させるために必要なエネルギー）＋（放熱エネルギー）・・・（２）
【００２９】
ただし、非結晶シリコンの到達温度が１２５０℃から１４５０℃までの温度範囲にあったとしても、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成するためには、レーザ光の照射条件を適宜選択しなければならない。その概要を以下に示す。
【００３０】
結晶粒径サイズＬは、結晶成長速度をＳ、多結晶シリコンの融点１４００℃から結晶成長が止まる温度１０００℃程度に冷却されるまでの時間をｔとすると、Ｌ∝Ｓ＊ｔの相関があると考える。そこで、さらに時間ｔは、レーザ光の走査速度との間に相関があると仮定して、その真偽を熱シミュレーション解析を用いて確かめた。その結果、シリコン膜中の非結晶領域の到達温度が１４５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施した場合、図３のような関係があることがわかった。つまり、これはレーザ光の走査速度によって結晶粒径サイズを制御できることを示唆している。
【００３１】
そこで、この結果を利用してレーザ光の走査速度により冷却時間を制御し、結晶粒径サイズを実際に制御できるか検討を行った結果、図４のような結果を得た。これから、非結晶シリコンの到達温度が１２５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施する場合、シリコン膜中に平均粒径０．０５〜０．２ｕｍの粒状結晶を形成するための最適な走査速度はおよそ０．２〜６．０ｍ／ｓとなる。一方、非結晶シリコンの到達温度が１４５０℃となる照射パワーを与えてアニールを実施する場合は、およそ６．０〜１０．０ｍ／ｓとなる。これは、従来のレーザアニール装置における現実的な走査速度が０．１〜１０．０ｍ／ｓであることを考慮している。なお、レーザ強度は、上記の条件を満たすように適宜選択することができる。
【００３２】
また、ＥＡ及びＥＰの満たすべき関係式を、上記式（１）と規定した理由を以下に示す。
【００３３】
従来、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とは、レーザ光の波長に対する光エネルギー吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、本発明者は、多結晶シリコンの中でも粒状結晶シリコン（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とラテラル結晶シリコン（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）とについて、レーザ光の波長に対する光エネルギー吸収特性が異なることを見出した。そして、これらの吸収特性に着目し詳細に検討を行うことにより、これまでラテラル結晶シリコンにより構成される多結晶シリコンの均一性を向上させる方法を提供してきた（特願２００６−２６９０２９、特願２００６−２６９０３０、特願２００６−２６９０３１等）。本発明においては、粒状結晶シリコンにより構成される多結晶シリコンの均一性を向上させるために、これらの知見を応用することができる。
【００３４】
以下、本発明者が行った評価について説明する。  
ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン膜に対して細長い矩形状のレーザ光を相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。図５に示すように、基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施すると、レーザ光Ｌの主相対走査方向ｘに延びる横方向成長のラテラル結晶シリコンが生成し、ラテラル結晶シリコンの生成領域の外側に、結晶粒径の小さい粒状結晶シリコンが生成される。この１回だけのレーザ光Ｌの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶シリコンの領域を挟んで両側に、粒状結晶シリコンが生成される。
【００３５】
そして、これらラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率ｎ＋ｉｋ（ｋは消衰係数であり、ｉｋは虚数部を示す。）を測定した。この結果得られた、各結晶状態における波長と屈折率ｎとの関係を図６に示す。また、下記式（３）に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求め、その結果を図７に示す。いずれの結晶状態においても、４００ｎｍ付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。  
吸収係数α=ｋ／４πλ・・・（３）
（式中、ｋは消衰係数、λは波長である。）
【００３６】
次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。
【００３７】
レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式（４）で表される。  
（膜に吸収される光エネルギー）＝（膜に照射される光エネルギー）×（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）・・・（４）
【００３８】
上記式（４）中の（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり下記式（５）で表される。  
吸収率＝ａ×ｂ・・・（５）
【００３９】
上記式（５）中、ａは膜に吸収される光量の割合であり、下記式（６）から求められる。膜厚ｔは、レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合に一般的な５０ｎｍとした。  
ａ＝ｅｘｐ（−αｔ）・・・（６）
（式中、αは吸収係数、ｔは膜厚）
【００４０】
また上記式（５）中、ｂは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式（７）から求められる。ｂはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。  
ｂ＝１−（（１−ｎ）／（１＋ｎ））２・・・（７）
（式中、ｎは屈折率である。）
【００４１】
さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状結晶シリコンの吸収率／非結晶シリコンの吸収率）、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラル結晶シリコンの吸収率／非結晶シリコンの吸収率）を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を１としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図８に示す。
【００４２】
粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコンであるが、図８には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。
【００４３】
すなわち、３５０ｎｍ未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の０．７〜０．９倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。３５０〜６５０ｎｍの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。
【００４４】
また、図８は非結晶シリコンの吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図７に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、５００ｎｍ以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。
【００４５】
以上のように、図６〜図８から結晶粒径の小さい粒状結晶シリコンは、非結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。
【００４６】
一方、レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚ｔによって変化する。レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合、ｔ＞１２０ｎｍでは、ＴＦＴの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、ｔ＜４０ｎｍでは、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、ＴＦＴ用では４０ｎｍ≦ｔ≦１２０ｎｍが好ましい。そして、レーザアニールにより結晶化を行って多結晶シリコンＴＦＴを形成する場合には、非結晶シリコン膜の膜厚ｔは５０ｎｍ程度が最も一般的である。
【００４７】
本発明者は、上記の各結晶状態における光エネルギーの吸収率差を踏まえ、粒状結晶シリコンと非結晶シリコンの間には、均一な粒状結晶化ができる最適な吸収率差があると考えた。そこで、非結晶シリコン膜の膜厚とレーザ光の波長を変えて、所望の粒状結晶からなる均一な多結晶が形成可能か否かを検討した結果、表１に示すような結果を得た。  
【表１】
0005236929.tif 000002
【００４８】
この結果、一般的な膜厚である５０ｎｍにおいて、所望の粒状結晶からなる均一な多結晶が形成できたのは、４０５ｎｍ帯のレーザ光を用いた場合のみであることがわかる。
【００４９】
これは以下のように説明される。  
エキシマレーザのような波長３０８ｎｍ帯の超短波長光では、多結晶シリコンと非結晶シリコンがほぼ同等の光エネルギー吸収率を持つため、レーザビームのプロファイルをいかに制御しても、照射されている領域から照射されていない領域に熱が拡散してしまう。これにより、照射領域の端部はなだらかに温度低下してしまい、再度照射される多結晶部は再融解し、その端部は多結晶粒を種結晶として横成長し結晶粒径サイズにばらつきが生じることになる。
【００５０】
一方、波長５３２ｎｍ帯のグリーンレーザでは、多結晶シリコンと非結晶シリコンで光エネルギー吸収率が異なりすぎるため、再度照射される多結晶領域は充分熱されることがない。これにより、隣接する非結晶領域とそれ以外の非結晶領域とでは放熱性が異なるため、均一な温度分布とならず粒径サイズにばらつきが生じることになる。
【００５１】
すなわち、所望の０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶からなる均一な多結晶を得るためには、多結晶領域と非結晶領域との間に、等しくもなくかつ大きく異なることもない適度な光エネルギー吸収率差となる波長で照射することが必要であることを示唆している。そして、半導体膜がシリコン膜であるような本発明の場合には、図８からその適度な吸収率差は１０〜１５％程度（すなわち、０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦０．９０）であり、その光エネルギー吸収率差と対応する波長が前述の４００〜４２０ｎｍ帯の波長域であることがわかる。
【００５２】
以上により、上記式（１）が導出されることとなる。
【００５３】
これらの条件を考慮し、具体的なレーザ光の照射条件は、レーザ光の波長を４０５ｎｍ帯とし、例えば走査速度が０．１ｍ／ｓならば、光エネルギー密度を１．０ｍＷ／ｕｍ２としたり、また走査速度が１０ｍ／ｓならば、光エネルギー密度を６．７ｍＷ／ｕｍ２としたりすることにより適宜選択することができる。
【００５４】
以下、本実施形態における作用を説明する。
【００５５】
本実施形態において図８と表１から、半導体膜がシリコン膜の場合には、光エネルギー吸収率差が１０〜１５％程度となる、すなわち上記式（１）を満たす波長４００〜４２０ｎｍのレーザ光を用いてアニールすればよいことがわかった。このときの様子を図９に示す。
【００５６】
図９は、レーザ光強度分布が均一なレーザ光を照射した場合に、光エネルギー吸収率の違いから最終的に適度な温度分布が生じることを示している。
【００５７】
領域Ａ（すなわち、シリコン膜中の非結晶領域）では、レーザ光の照射により非結晶領域が０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶粒からなる粒状結晶領域へと相変化する。一方、領域Ｐ（すなわち、既に形成されたシリコン膜中の粒状結晶領域）では、到達温度が非結晶シリコンが固相成長をはじめる１２５０℃から、多結晶シリコンの融点である１４５０℃までの温度範囲であることに加え、光エネルギー吸収率が領域Ａよりも小さいため、相変化するのに必要なエネルギーを吸収できない。その結果、レーザ照射領域の重なり度合いによらず、結晶状態はそのままとなる。
【００５８】
以上により、シリコン結晶化膜を作製するレーザアニール方法において、０．０５〜０．２ｕｍ程度の粒状結晶からなる多結晶の均一性の向上を可能とする。これにより、この多結晶上に形成された半導体素子における電気的特性の標準偏差を減少させることが可能となり、補正回路を組み込む必要がなくなり、低コストかつ高品位な表示装置を製造することが可能となる。
【実施例】
【００５９】
ガラス上に２００ｎｍの酸化珪素、５０ｎｍの非結晶シリコンをプラズマＣＶＤ法にて成膜する。そして、非結晶シリコン膜に脱水素化処理(約５００℃  約１０分)を行なう。この基板は基板搬送ステージ上に位置調整し固定される。この基板搬送ステージはステージ制御駆動系により可動されるようになっており、これにより、照射されたレーザ光が非結晶シリコン膜上を走査できるようになっている。
【００６０】
さらに、ブロードエリア半導体レーザから放出された線状のレーザ光は、コリメートレンズ、プリズム  ホモジナイザーコリメートレンズ  動的偏向素子、集光レンズ、動的偏向素子を介することで、ステージ制御駆動による走査方向とは直交方向に走査できるようにもなっている。これにより、照射されたレーザ光が、ガラス基板上に成膜された非結晶シリコン膜上を全面スキャンできるようにされている。また、ブロードエリア半導体レーザは、ＬＤ駆動電源により駆動されている。
【００６１】
レーザ光波長４０５ｎｍ、走査速度０．１ｍ／ｓ、光エネルギー密度１ｍＷ／ｕｍ２の照射条件で、非結晶シリコンに対し本発明によるレーザアニール方法を実施した。このとき得られた多結晶シリコン膜の断面写真を図１０に示す。これより、本発明によるレーザアニール方法によって、従来のＥＬＡ法よりも均一性の高い多結晶膜を形成できていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】ＴＦＴにおけるＶｔｈの標準偏差と結晶粒径サイズの関係を示す図
【図２】レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度と、生成する結晶状態との関係を示す図
【図３】シリコン膜の１４００℃から１０００℃への冷却時間と、レーザ光走査速度の関係を示す図
【図４】多結晶シリコンの平均粒径と、レーザ光走査速度の関係を示す図
【図５】あるｙ位置でレーザ光のｘ方向相対走査を１回実施したときのラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンの生成の様子を示す斜視図
【図６】シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶領域と非結晶領域とにおける、波長と屈折率ｎとの関係を示す図
【図７】シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶領域と非結晶領域とにおける、波長と吸収係数との関係を示す図
【図８】レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図
【図９】粒状結晶領域、及び非結晶領域に対して、同一照射条件で４０５ｎｍのレーザ光を照射したときの、吸収率分布、レーザ光照射時間の分布、レーザ光の吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図例
【図１０】本発明によるレーザアニール方法及び従来のＥＬＡ法を用いて形成された多結晶膜の断面図
【符号の説明】
【００６３】
２０          シリコン膜
１１０        基板ステージ（相対走査手段）
１２０        レーザヘッド
Ｌ            レーザ光
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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