(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に非晶質又は微結晶の半導体膜を形成し、
前記半導体膜にレーザー光を照射して前記半導体膜を結晶化する半導体装置の作製方法であって、
前記結晶化は、前記半導体膜の表面に照射される第１のレーザー光と、前記半導体膜の裏面に照射される第２のレーザー光とを、同時に照射することによって行われ、
前記第２のレーザー光は、反射体で反射されてから、前記反射体と前記透光性基板との間に設けられたガスを通ることで実効エネルギー強度が減衰された後、前記裏面に照射され、
前記第１のレーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ０）と、前記第２のレーザー光の前記実効エネルギー強度（Ｉ０’）との間に、０＜Ｉ０’／Ｉ０＜１の関係があり、
前記第１のレーザー光は、線状レーザー光であり、前記半導体膜の結晶化条件に応じて、長手方向の長さ及び幅方向の長さが可変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】  本発明はレーザー光を用いた半導体膜のアニール（以下、レーザーアニールという）の方法及びそれを行うためのレーザー装置（レーザーと該レーザーから出力されるレーザー光を被処理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、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）の開発が進められ、結晶質半導体膜として多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）を用いたＴＦＴが注目されている。特に、液晶表示装置（液晶ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置（ＥＬディスプレイ）においては、画素をスイッチングする素子やその画素を制御するための駆動回路を形成する素子として用いられる。【０００３】  ポリシリコン膜を得る手段としては、非晶質シリコン膜（アモルファスシリコン膜）を結晶化させてポリシリコン膜とする技術が一般的である。特に、最近ではレーザー光を用いてアモルファスシリコン膜を結晶化する方法が注目されている。本明細書中では、非晶質半導体膜をレーザー光で結晶化し、結晶質半導体膜を得る手段をレーザー結晶化という。【０００４】  レーザー結晶化は、半導体膜の瞬間的な加熱が可能であり、ガラス基板やプラスチック基板等の耐熱性の低い基板上に形成された半導体膜のアニール手段として有効な技術である。また、従来の電熱炉を用いた加熱手段（以下、ファーネスアニールという）に比べて格段にスループットが高い。【０００５】  レーザー光にも様々な種類があるが、一般的にはパルス発振型のエキシマレーザーを発振源とするレーザー光（以下、エキシマレーザー光という）を用いたレーザー結晶化が用いられている。エキシマレーザーは出力が大きく、高周波数での繰り返し照射が可能であるという利点を有し、さらにエキシマレーザー光はシリコン膜に対しての吸収係数が高いという利点を有する。【０００６】  現在、最も注目されている問題はレーザー光で結晶化された結晶質半導体膜の結晶粒径を如何に大きくするかである。当然のことながら、一つの結晶粒（グレインともいう）が大きくなれば、ＴＦＴの特にチャネル形成領域を横切る結晶粒界の数が減る。そのため、電界効果移動度やしきい値電圧といったＴＦＴの代表的な電気特性のばらつきを改善することが可能となる。【０００７】  また、各結晶粒の内部は、比較的きれいな結晶性を維持しており、上述のＴＦＴの諸特性を向上させるためには、一つの結晶粒の内部に完全にチャネル形成領域が収まるようにしてＴＦＴを形成することが望ましい。【０００８】  しかしながら、現在の技術では結晶粒径の十分に大きな結晶質半導体膜を得ることは困難であり、実験的に得られたという報告はあるものの、実用化レベルには達していないのが現状である。【０００９】  実験的には「"High-Mobility Poly-Si Thin-Film Transistors Fabricated bya Novel Excimer Laser Crystallization Method", K.Shimizu, O.Sugiura and M.Matumura, IEEE Transactions on Electron Devices vol.40, No.1, pp112-117,1993」に示されるような結果が得られている。同文献は、基板上にＳｉ／ＳｉＯ2／ｎ+Ｓｉの３層構造を形成し、エキシマレーザー光をＳｉ側とｎ+Ｓｉ側の両方向から照射している。そして、このような構成により結晶粒径を大きくできる旨が示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  本発明は、上記問題点を解決するための技術であり、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得るためのレーザーアニール方法及びそのレーザーアニール方法に用いるレーザー装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明の要旨は、非晶質半導体膜を結晶化するにあたって、レーザー光を非晶質半導体膜の表面（上に薄膜が重ねられていく面）及び裏面（表面とは反対側の面）に同時に照射し、且つ、その表面に照射されたレーザー光（以下、第一次レーザー光という）の実効エネルギー強度と裏面に照射されるレーザー光（以下、第二次レーザー光という）の実効エネルギー強度とを異なるものとする点にある。
【００１２】  即ち、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を（Ｉ0）とし、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を（Ｉ0'）とした時、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）に「０＜Ｉ0'／Ｉ0＜１」または「１＜Ｉ0'／Ｉ0」の関係が成り立つようにレーザー光を照射することを特徴とする。勿論、Ｉ0・Ｉ0'≠０である。
【００１３】  なお、本明細書中において、「実効エネルギー強度」とはレーザー光が非晶質半導体膜の表面または裏面に達した時に有するエネルギー強度であり、反射等によるエネルギー損失を考慮したエネルギー強度（ここでは、単位は密度：ｍＪ／ｃｍ2で表す）と定義する。測定することはできないが、レーザー光の経路に存在する媒質が判れば反射率や透過率の計算から求めることができる。
【００１４】  例えば、図６に示す構造に本発明を実施した場合について、実効エネルギー強度の具体的な算出方法を説明する。図６において、６０１はアルミニウムでなる反射体、６０２はコーニング社＃１７３７基板（厚さ０．７ｍｍ）、６０３は２００ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜（以下、ＳｉＯＮ膜という）、６０４は５５ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜である。このような試料に対して空気中で、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射する場合を例にとる。
【００１５】  アモルファスシリコン膜６０４に到達する直前のレーザー光（波長３０８ｎｍ）のエネルギー強度を（Ｉa）とする。このとき、第一次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0）は、アモルファスシリコン膜の表面におけるレーザー光の反射を考慮して、Ｉ0＝Ｉa（１−ＲSi）で表される。但し、ＲSiはレーザー光の反射率である。この場合、計算ではＩ0＝０．４５Ｉaとなる。
【００１６】  また、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は、Ｉ0'＝ＩaＴ1737ＲAlＴ1737（１−ＲSiON-Si）で表される。但し、Ｔ1737は＃１７３７基板の透過率、ＲAlはアルミニウム表面での反射率、ＲSiON-SiはＳｉＯＮ膜中からアモルファスシリコン膜へ入射する際の反射率である。なお、空気中からＳｉＯＮ膜へ入射する際の反射率、ＳｉＯＮ膜中の透過率、ＳｉＯＮ膜中から＃１７３７基板へ入射する際の反射率及び＃１７３７基板中からＳｉＯＮ膜へ入射する際の反射率は、実験的に無視しうることが判明したので計算に含めなかった。この場合、計算ではＩ0'＝０．１３Ｉaとなる。
【００１７】  従って、図６の構造の場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0）は０．４５Ｉa、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は０．１３Ｉaと求められる。即ち、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）は０．２９である。以上のようにして求められる実効エネルギー強度比が、０＜Ｉ0'／Ｉ0＜１を満たすという点が本発明の特徴の一つである。
【００１８】  また、第一次レーザー光の強度が第二次レーザー光の強度よりも小さい場合においても本発明は成り立つ。即ち、実効エネルギー強度比が１＜Ｉ0'／Ｉ0を満たす場合においても本発明が成り立つ。
【００１９】  第一次レーザー光と第二次レーザー光の実効エネルギー強度を異なるものとするためには、以下の方法が挙げられる。
１）基板の下に設けた反射体を用いて非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射する際に、反射体の反射率を調節することで第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
２）第一次レーザー光を途中で分割して第二次レーザー光を形成し、第一次レーザー光の実効エネルギー強度もしくは第二次レーザー光の実効エネルギー強度をフィルター（バリアブルアッテネータ等）で減衰させ、相対的に両者の実効エネルギー強度を異なるものとする方法。
３）非晶質半導体膜を形成する基板の材質によって、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
４）基板と非晶質半導体膜の間に絶縁膜を挟み、第二次レーザー光の実効エネルギー強度をその絶縁膜で減衰させ、相対的に第一次レーザー光の実効エネルギー強度よりも小さくする方法。
５）非晶質半導体膜の表面を絶縁膜で覆っておき、非晶質半導体膜の表面における第一次レーザー光の反射率を小さくすることで、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を相対的に第二次レーザー光の実効エネルギー強度よりも大きくなるようにする方法。
６）非晶質半導体膜を絶縁膜で覆っておき、第一次レーザー光の実効エネルギーをその絶縁膜で減衰させ、相対的に第二次レーザー光の実効エネルギーよりも小さくなるようにする方法。
７）第一次レーザー光と第二次レーザー光をそれぞれ別のレーザーを発振源として形成し、両者の実効エネルギー強度を異なるものとする方法。
【００２０】  また、本発明はレーザーの種類によるものではなく、一般的に知られるエキシマレーザー（代表的にはＫｒＦレーザーもしくはＸｅＣｌレーザー）、固体レーザー（代表的にはＮｄ：ＹＡＧレーザーもしくはルビーレーザー）、ガスレーザー（代表的にはアルゴンレーザーもしくはヘリウム・ネオンレーザー）、金属蒸気レーザー（代表的には銅蒸気レーザーもしくはヘリウム・カドミウムレーザー）または半導体レーザーを用いることができる。
【００２１】  なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーのように基本波（第１高調波：波長１０６４ｎｍ）の波長が長いレーザー光を用いる場合は、第２高調波、第３高調波もしくは第４高調波を用いるのが好ましい。これらの高調波は非線形結晶（非線形素子）を用いて得ることができる。また、公知のＱスイッチ方式を用いても良い。
【００２２】  〔発明に至るまでの経緯〕
ここで、本出願人が本発明に想到した経緯について、実験結果に基づいて説明する。図７に示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）写真はレーザー結晶化により形成したポリシリコン膜にセコ・エッチングを施した後の写真である。セコ・エッチング技術に関する詳細は、「F.Secco d' Aragona:"Dislocation Etch for (100) Planes in Silicon".J.Electrochem.soc.Vol.119.No.7.pp.948-950(1972)」を参考にすれば良い。
【００２３】  どちらもコーニング社製＃１７３７基板（厚さ０．７ｍｍ）の上に酸化シリコン膜（厚さ２００ｎｍ）を介してアモルファスシリコン膜（厚さ５５ｎｍ）を形成し、エキシマレーザー光を照射して得ている。なお、この実験で用いたエキシマレーザー光は、励起ガスとしてＸｅＣｌガスを用いた波長３０８ｎｍのパルスレーザー光であり、パルス幅は３０ｎｓ、ショット数は２０ショット、エネルギー密度は３７０ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００２４】  図７（Ａ）はアモルファスシリコン膜の表面のみにレーザー光を照射して得たポリシリコン膜（平均結晶粒径は約０．３μm）であり、図７（Ｂ）はアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得たポリシリコン膜（平均結晶粒径は約１．５μm）である。これによればアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得たポリシリコン膜の方が結晶粒径は約５倍も大きく、両面からの照射が非常に効果的であることが確認された。
【００２５】  なお、本明細書中において、平均結晶粒径の定義は特願平１０−０２０５６６号出願の明細書中における「結晶粒領域の平均径の定義」に準ずるものとする。
【００２６】  以上のように、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射することで結晶粒径を大きくできることが確認された。なお、従来例で示した文献中の実験は、結晶化させようとする半導体膜の裏面に直接レーザー光は照射されず、ｎ+Ｓｉの余熱を利用して蓄熱効果を狙っており、本出願人が行った実験とは全く構成が異なっている。
【００２７】  次に、本出願人は、ガラス基板の代わりに石英基板を用いて同様の実験（但し、レーザー光のエネルギー密度は２００ｍＪ／ｃｍ2とした。）を行った。その結果、図８に示すような結果（セコ・エッチング後のＳＥＭ写真）が得られた。
【００２８】  図８（Ａ）はアモルファスシリコン膜の表面のみにレーザー光を照射して得られたポリシリコン膜であり、図８（Ｂ）はアモルファスシリコン膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して得られたポリシリコン膜である。これによれば基板として石英基板を用いた場合、平均結晶粒径はせいぜい０．４〜０．５μm程度であり、図７（Ｂ）に示したような大粒径化は確認できなかった。また、基板の片面から照射しても両面から照射しても結晶粒径に差は見られなかった。即ち、前述と同様に、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射したにも拘わらず、平均結晶粒径の増大という効果は確認されなかった。
【００２９】  そこで本出願人は、以上の実験結果について考察し、図７及び図８に示した実験の差は、ガラス基板の透過率（約５０％）と石英基板の透過率（約９３％）の差、即ち、非晶質半導体膜の裏面に照射されるレーザー光の実効エネルギー強度の差であると予想した。そして、確認のため以下のような実験を行った。
【００３０】  まず、本実験では図６に示した構造の試料を、基板６０２に石英基板を用い、反射体６０１に窒化タンタル膜を用いて作製した。そして、この試料に対して図７（Ｂ）の写真を得たのと同一条件でＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射し、得られたポリシリコン膜の平均結晶粒径をセコ・エッチング後のＳＥＭ写真にて確認した。この結果を図９に示す。
【００３１】  図９を見れば判るように、得られたポリシリコン膜の結晶粒は、図７（Ｂ）のポリシリコン膜とほぼ同じ様な状態で分布していることが確認された。また、図７（Ｂ）の写真を得た試料の場合、第一次レーザー光と第二次レーザー光の実効エネルギー強度比が０．２９であることは既に述べた。これは実質的にガラス基板で第二次レーザー光が減衰した結果である。これと同じように本実験の試料について実効エネルギー強度比を計算した結果、０．３３という値が得られた。これは実質的に反射体で第二次レーザー光が減衰した結果である。
【００３２】  また、図８（Ｂ）の試料（石英とアルミニウムでなる反射体の組み合わせ）と図９の試料（石英と窒化タンタルでなる反射体の組み合わせ）は反射体表面の材質が異なる以外同一構造であり、異なる点は図９の試料では反射体表面の反射率が図８（Ｂ）の試料よりも小さい点のみである。
【００３３】  以上の結果を考察すると、非晶質半導体膜の表面及び裏面にレーザー光を照射して結晶化する場合、表面側のレーザー光（第一次レーザー光）の実効エネルギー強度よりも、裏面側のレーザー光（第二次レーザー光）の実効エネルギー強度が小さい場合において平均結晶粒径の増加が確認されることが判った。
【発明を実施するための形態】
【００３４】  〔実施形態１〕
本発明の実施形態の一つについて説明する。図１（Ａ）は本発明のレーザー装置の構成を示す図である。このレーザー装置は、レーザー１０１、レーザー１０１を発振源とするレーザー光を線状に変形する光学系２０１、透光性基板を固定するステージ１０２を有し、ステージ１０２にはヒータ１０３とヒータコントローラー１０４が具備されて、基板を室温〜５５０℃の範囲の温度に保持することができる。また、ステージ１０２上には反射体１０５が設けられ、その上に非晶質半導体膜が形成された基板１０６が設置される。
【００３５】  次に、図１（Ａ）のような構成のレーザー装置において、基板１０６の保持方法を図１（Ｂ）を用いて説明する。ステージ１０２に保持された基板１０６は、反応室１０７に設置され、レーザー１０１を発振源とする線状のレーザー光が照射される。反応室内は図示されていない排気系またはガス系により減圧状態または不活性ガス雰囲気とすることができ、半導体膜を汚染させることなく１００〜４５０℃まで加熱することができる。
【００３６】  また、ステージ１０２はガイドレール１０８に沿って反応室内を移動することができ、基板の全面に線状のレーザー光を照射することができる。レーザー光は基板１０６の上面に設けられた図示されていない石英製の窓から入射する。また、図１（Ｂ）ではこの反応室１０７にトランスファー室１０９、中間室１１０、ロード・アンロード室１１１が接続され、それぞれの室は仕切弁１１２、１１３で分離されている。
【００３７】  ロード・アンロード室１１１には複数の基板を保持することが可能なカセット１１４が設置され、トランスファー室１０９に設けられた搬送ロボット１１５により基板が搬送される。基板１０６'は搬送中の基板を表す。このような構成とすることによりレーザーアニールを減圧下または不活性ガス雰囲気中で連続して処理することができる。
【００３８】  次に、レーザー光を線状にする光学系２０１の構成について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は光学系２０１を側面から見た図であり、図２（Ｂ）は光学系２０１を上面から見た図である。
【００３９】  レーザー１０１を発振源とするレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ２０２により縦方向に分割される。この分割されたレーザー光はシリンドリカルレンズ２０３によりさらに横方向に分割される。即ち、レーザー光はシリンドリカルレンズアレイ２０２、２０３によって最終的にはマトリクス状に分割されることになる。
【００４０】  そして、レーザー光はシリンドリカルレンズ２０４により一旦集光される。その際、シリンドリカルレンズ２０４の直後にシリンドリカルレンズ２０５を通る。その後、ミラー２０６で反射され、シリンドリカルレンズ２０７を通った後、照射面２０８に達する。
【００４１】  このとき、照射面２０８に投影されたレーザー光は線状の照射面を示す。即ち、シリンドリカルレンズ２０７を透過したレーザー光の断面形状は線状になっていることを意味する。この線状に変形されたレーザー光の幅方向（短い方向）の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ２０２、シリンドリカルレンズ２０４及びシリンドリカルレンズ２０７で行われる。また、上記レーザー光の長手方向（長い方向）の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ２０３及びシリンドリカルレンズ２０５で行われる。
【００４２】  次に、基板上に形成された被処理膜の表面及び裏面からレーザー光を照射するための構成について図３を用いて説明する。図３に示したのは、図１における基板１０６と反射体１０５との位置関係を示す図である。
【００４３】  図３において、３０１は透光性基板であり、その表面（薄膜または素子が形成される側の面）には絶縁膜３０２、非晶質半導体膜（または微結晶半導体膜）３０３が形成されている。また、透光性基板３０１の下にはレーザー光を反射させるための反射体３０４が配置される。
【００４４】  透光性基板３０１はガラス基板、石英基板、結晶化ガラス基板若しくはプラスチック基板が用いられる。この透光性基板３０１自体で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することが可能である。また、絶縁膜３０２は酸化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜（ＳｉＯｘＮｙ）などの珪素を含む絶縁膜を用いれば良く、この絶縁膜３０２で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節しても良い。また、非晶質半導体膜３０３はアモルファスシリコン膜の他に、アモルファスシリコンゲルマニウム膜などの化合物半導体膜も含む。
【００４５】  また、反射体３０４は表面（レーザー光の反射面）に金属膜を形成した基板であっても良いし、金属元素でなる基板であっても良い。この場合、金属膜としては如何なる材料を用いても良い。代表的には、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）のいずれかの元素を含む金属膜を用いる。例えば、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）を用いても良い。
【００４６】  さらに、この反射体３０４は透光性基板３０１に接して設けても良いし、離して設けても良い。また、反射体３０４を配置する代わりに、基板３０１の裏面（表面の反対側の面）に直接上述のような金属膜を形成し、そこでレーザー光を反射させることも可能である。いずれにしても、この反射体３０４の反射率で第二次レーザー光の実効エネルギー強度を調節することができる。また、反射体３０４を透光性基板３０１と離して設置する場合、その隙間に充填する気体（ガス）で第二次レーザー光のエネルギー強度を制御することも可能である。
【００４７】  そして、図２で説明した光学系２０１（図中ではシリンドリカルレンズ２０７のみを示す。）を経由して線状に変形されたレーザー光が、非晶質半導体膜３０３に照射される。この線状に変形されたレーザー光の照射はレーザー光を走査することによって行われる。
【００４８】  いずれにしても、シリンドリカルレンズ２０７を透過して非晶質半導体膜３０３の表面に照射される第一次レーザー光３０５と、反射体３０４で一旦反射されて非晶質半導体膜３０３の裏面に照射される第二次レーザー光３０６との実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）が、０＜Ｉ0'／Ｉ0＜１または１＜Ｉ0'／Ｉ0の関係を満たすことが重要である。このためには、反射体３０４のレーザー光に対する反射率は２０〜８０％であることが好ましい。また、このとき、本実施形態でいくつか述べた第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させる手段を、複数組み合わせて所望の強度比としても良い。
【００４９】  また、シリンドリカルレンズ２０７を通過したレーザー光は、集光される過程で基板表面に対して４５〜９０°の入射角を持つ。そのため、第二次レーザー光３０６は非晶質半導体膜３０３の裏面側にも回り込んで照射される。また、反射体３０４の反射面に起伏部を設けてレーザー光を乱反射させることで、第二次レーザー光３０６をさらに効率良く得ることができる。
【００５０】  〔実施形態２〕
本実施形態ではの実施形態１と異なる実施の形態について説明する。本実施形態では、実施形態１のような反射体を用いず、光学系の途中で分光した二系統のレーザー光を非晶質半導体膜の表面及び裏面から照射する例を示す。
【００５１】  図４（Ａ）は本実施形態のレーザー装置の構成を示す図である。基本的な構成は実施形態１で説明した図１のレーザー装置と同様であるので異なる部分の符号を変えて説明する。
【００５２】  このレーザー装置は、レーザー１０１、レーザー１０１を発振源とするレーザー光を線状に変形し、且つ、二系統に分光する光学系４０１、透光性基板を固定する透光性のステージ４０２を有する。また、ステージ４０２上には基板４０３aが設置され、その上に非晶質半導体膜４０３bが形成されている。
【００５３】  本実施形態の場合、ステージ４０２を透過したレーザー光を非晶質半導体膜４０３bに照射するため、ステージ４０２は透光性を有してなければならない。また、ステージ４０２側から照射されるレーザー光（第二次レーザー光）はステージ４０２を透過するので、その実効エネルギー強度はステージ４０２を透過する際の減衰を考慮しなければならない。
【００５４】  また、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示したレーザー装置における基板４０３aの保持方法を説明する図面であるが、透光性ステージ４０２を用いること以外は図１（Ｂ）に示した構成と同一であるので説明は省略する。
【００５５】  次に、図４（Ａ）に示した光学系４０１の構成について図５を用いて説明する。図５は光学系４０１を側面から見た図である。レーザー５０１を発振源とするレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ５０２により縦方向に分割される。この分割されたレーザー光はシリンドリカルレンズ５０３によりさらに横方向に分割される。こうしてレーザー光はシリンドリカルレンズアレイ５０２、５０３によってマトリクス状に分割される。
【００５６】  そして、レーザー光はシリンドリカルレンズ５０４により一旦集光される。その際、シリンドリカルレンズ５０４の直後にシリンドリカルレンズ５０５を通る。ここまでは図２に示した光学系と同様である。
【００５７】  その後、レーザー光はハーフミラー５０６に入射し、ここでレーザー光は第一次レーザー光５０７と第二次レーザー光５０８とに分光される。そして、第一次レーザー光５０７はミラー５０９、５１０で反射され、シリンドリカルレンズ５１１を通った後、非晶質半導体膜４０３bの表面に達する。
【００５８】  また、ハーフミラー５０６で分光された第二次レーザー光５０８はミラー５１２、５１３、５１４で反射され、シリンドリカルレンズ５１５を通った後、基板４０３aを透過して非晶質半導体膜４０３bの裏面に達する。
【００５９】  このとき、実施形態１と同様に基板の照射面に投影されたレーザー光は線状の照射面を示す。また、この線状に変形されたレーザー光の幅方向（短い方向）の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ５０２、シリンドリカルレンズ５０４及びシリンドリカルレンズ５１５で行われる。また、上記レーザー光の長手方向（長い方向）の均質化は、シリンドリカルレンズアレイ５０３、シリンドリカルレンズ５０５及びシリンドリカルレンズ５１１で行われる。
【００６０】  いずれにしても、シリンドリカルレンズ５１１を透過して非晶質半導体膜４０３bの表面に照射される第一次レーザー光と、シリンドリカルレンズ５１５を透過して非晶質半導体膜４０３ｂの裏面に照射される第二次レーザー光との実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）が、０＜Ｉ0'／Ｉ0＜１または１＜Ｉ0'／Ｉ0の関係を満たすことが重要である。
【００６１】  本実施形態では基板４０３aとしてガラス基板（ここで用いるレーザー光の透過率が約５０％の材料でなるもの）を用いることで、上述の関係式を満たすようにしている。勿論、基板以外にも基板４０３a上に設けた絶縁膜（図示せず）や、基板４０３aを設置するステージ（図示せず）の透過率や界面の反射率を調節して第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させても良い。
【００６２】  また、光学系４０１の第二次レーザー光の光路において、任意の場所に減光フィルターを設けて、第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させることも可能であるし、逆に光学系４０１の第一次レーザー光の光路において、任意の場所に減光フィルターを設けて、第一次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させることも可能である。
【００６３】  また、本実施形態でいくつか述べた第一次レーザー光もしくは第二次レーザー光の実効エネルギー強度を減衰させる手段を、複数組み合わせて所望の強度比としても良い。
【実施例】  〔実施例１〕
本実施例では、実施形態１に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。説明には図３を用いる。【００６４】  本実施例では、基板３０１として１．１ｍｍ厚の石英基板、絶縁膜３０２として２００ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜（ＳｉＯＮ膜）、非晶質半導体膜３０３としてアモルファスシリコン膜を用いた。このとき、ＳｉＯＮ膜３０２とアモルファスシリコン膜３０３はプラズマＣＶＤ法を用いて形成した。【００６５】  本実施例では、まずＳｉＨ4を４SCCM、Ｎ2Ｏを４００SCCMとして反応室に導入し、成膜温度４００℃、反応圧力３０Pa、放電電力密度０．４１W/cm2、放電周波数６０MHzとしてＳｉＯＮ膜３０２を形成した。次に、ＳｉＨ4を１００SCCMで反応室に導入し、成膜温度３００℃、反応圧力４５Pa、放電電力密度０．０３７W/cm2、放電周波数１３．５６MHzとしてアモルファスシリコン膜３０３を形成した。なお、実際にはアモルファスシリコン膜をパターニングして島状パターンとした。【００６６】  次に、図１（Ｂ）に示したようなエキシマレーザー装置を用いてアモルファスシリコン膜３０３のレーザー結晶化を行った。このとき、図３の反射体３０４としては、シリコン基板上に窒化タングステン膜を形成したものを用いた。また、反射体３０４と石英基板３０１との間には１５０μmの隙間を空けた。【００６７】  この状態で図３に示すようにエキシマレーザー光（第一次レーザー光３０５と第二次レーザー光３０６）をアモルファスシリコン膜３０３に対して室温、大気雰囲気中で照射した。エキシマレーザー光は図２に示した光学系により断面形状を線状（０．４ｍｍ×１６０ｍｍ）に変形し、基板の一端から他端まで走査した。また、走査速度は１ｍｍ／ｓとし、エネルギー密度（図６のＩaに想到するエネルギー強度）は３３６ｍＪ／ｃｍ2、パルス幅は３０ｎｓ、繰り返し周波数は３０Ｈｚ、重ね合わせ率は９０％とした。これにより一カ所に２０ショットのレーザー光を照射することができた。【００６８】  なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0）は１５１．２ｍＪ／ｃｍ2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は７７．３ｍＪ／ｃｍ2であった。従って、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）は０．５１であった。【００６９】  ここで本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のＳＥＭ写真を図１０に示す。なお、図１０はセコ・エッチング後の状態である。このセコ・エッチングはフッ化水素酸溶液５０ｃｃと水２５ｃｃと１．１４ｇのクロム酸カリウム（二価）とを加えた室温のエッチャントを用いた。【００７０】  その結果、図１０に示すように、島状パターンの中心付近に平均結晶粒径が０．５〜０．６μm程度の比較的大きな結晶粒が確認できた。島状パターンの端部には結晶粒径の小さな結晶粒が存在するが、レーザーエネルギー密度を変えることで形成される位置が変化する。実際に本実施例によって形成したポリシリコン膜をＴＦＴの活性層として用いる場合には、このような結晶粒径の小さな部分がチャネル形成領域に当たらないように設計すれば良い。【００７１】  〔実施例２〕
本実施例では、実施形態１に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。なお、本実施例で行ったレーザー結晶化は実施例１において反射体３０４の表面に形成する膜をタングステン膜に、レーザーエネルギー密度を３６９ｍＪ／ｃｍ2に変更しただけであるので、他の条件の詳細な説明は実施例１を参考にすれば良い。【００７２】  本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のＳＥＭ写真を図１１に示す。なお、実施例１と同様に図１１はセコ・エッチング後の状態である。セコ・エッチングの条件は実施例１を参考にすれば良い。【００７３】  なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0）は１６６．１ｍＪ／ｃｍ2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は８８．６ｍＪ／ｃｍ2であった。従って、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）は０．５３であった。【００７４】  その結果、図１１に示すように、島状パターン全体に平均結晶粒径が０．６〜０．７μm程度の比較的大きな結晶粒が確認できた。なお、図１１では図１０に見られたような島状パターンの端部の小さな結晶粒は顕著に見られなかった。しかしながら、レーザーエネルギー密度を変えることで顕著に見られる条件もあったため、レーザーエネルギー密度の最適化が必要である。また、結晶粒径の小さな部分があっても、実施例１と同様にＴＦＴのチャネル形成領域に当たらないように設計すれば問題はない。【００７５】  〔実施例３〕
本実施例では、実施形態１に示した構成でアモルファスシリコン膜の結晶化を行った例を示す。なお、本実施例で行ったレーザー結晶化は実施例１において反射体３０４の表面に形成する膜を窒化チタン膜に、レーザーエネルギー密度を３８４ｍＪ／ｃｍ2に変更しただけであるので、他の条件の詳細な説明は実施例１を参考にすれば良い。【００７６】  本実施例に従って結晶化させたポリシリコン膜のＳＥＭ写真を図１２に示す。なお、実施例１と同様に図１２はセコ・エッチング後の状態である。セコ・エッチングの条件は実施例１を参考にすれば良い。【００７７】  なお、本実施例の構成でレーザー結晶化を行う場合、第一次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0）は１７２．８ｍＪ／ｃｍ2であり、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は５７．６ｍＪ／ｃｍ2であった。従って、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）は０．３３であった。【００７８】  その結果、図１２に示すように、島状パターン全体に平均結晶粒径が０．８〜１．０μm程度の大きな結晶粒が確認できた。この結晶粒は紙面に向かって横方向に長い形状であり、島状パターンの横方向の端部から結晶化が進行した可能性を示唆するものと思われる。この傾向は図１１においても若干確認される。【００７９】  また、やはりレーザーエネルギー密度を変えることで顕著に見られる条件もあったため、レーザーエネルギー密度の最適化が必要である。また、結晶粒径の小さな部分があっても、実施例１と同様にＴＦＴのチャネル形成領域に当たらないように設計すれば問題はない。【００８０】  〔実施例４〕
本実施例では、実施形態１または実施形態２の方法により、ＴＦＴの活性層となるポリシリコン膜を形成する例について説明する。説明には図１３を用いる。【００８１】  まず、ガラス基板上に厚さ２００ｎｍの窒化酸化シリコン膜（図示せず）を形成し、その上に５０ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜（図示せず）を形成する。次に、アモルファスシリコン膜をパターニングしてアモルファスシリコン膜でなる島状パターン７０１a、７０１bを形成する。（図１３（Ａ））【００８２】  次に、島状パターン７０１a、７０１bを、実施形態１または実施形態２の方法によってレーザー結晶化する。レーザー結晶化によって得られたポリシリコン膜でなる島状パターン７０２a、７０２bは端部に結晶粒の小さな領域７０３a、７０３bを有することがある。また、島状パターン７０２a、７０２bの端部は結晶欠陥や格子歪みを多く含む領域でもある。（図１３（Ｂ））【００８３】  なお、７０４a、７０４bで示された点線は、アモルファスシリコン膜でなる島状パターン７０１a、７０１bの跡であり、レーザー結晶化によって島状パターンが１〜１５％ほど縮小化することを意味する。この縮小化はシリコン膜の緻密化と気化によって起こると考えられるが詳細は明らかではない。【００８４】  次に、ポリシリコン膜でなる島状パターン７０２a、７０２bを再びパターニングして活性層７０５a、７０５bを形成する。なお、７０６a、７０６bで示された点線は結晶粒の小さな領域７０３a、７０３bの跡である。（図１３（Ｃ））【００８５】  次に、活性層７０５a、７０５bを覆って８０ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜でなるゲート絶縁膜を形成し、その上にゲート電極７０７を形成する。ゲート電極７０７は窒化タングステン膜とタングステン膜との積層構造で形成し、膜厚は３００ｎｍとする。（図１３（Ｄ））【００８６】  ゲート電極７０７を形成したら、ｎ型を付与する不純物元素の添加工程を行い、ソース領域７０８a、ドレイン領域７０９a、ＬＤＤ領域７１０を形成する。さらに、選択的にｐ型を付与する不純物元素の添加工程を行い、ソース領域７０８b、ドレイン領域７０９bを形成する。また同時に、チャネル形成領域７１１a、７１１b（活性層のうち不純物元素が添加されなかった領域）が形成される。【００８７】  次に、酸化シリコン膜でなる層間絶縁膜（図示せず）を１μmの厚さに形成した後、コンタクトホールを開けて、ソース配線７１２a、７１２b、ドレイン配線７１３を形成する。これら配線はアルミニウム膜を主体とする低抵抗な導電膜で形成すれば良い。（図１３（Ｅ））【００８８】  以上の工程によって、図１３（Ｅ）に示すような構造のｎチャネル型ＴＦＴ７１４及びｐチャネル型ＴＦＴ７１５を相補的に組み合わせたＣＭＯＳ回路７１６が形成される。【００８９】  なお、本実施例は本発明をＴＦＴの活性層を形成する際に実施した一実施例であり、この作製工程に限定する必要はない。本発明は、公知のあらゆるＴＦＴの作製工程に用いることができる。但し、活性層の下に遮光膜等を設ける場合、即ち、非晶質半導体膜の表面及び裏面を同時にレーザーアニールすることが不可能な場合を除く。【００９０】  また、本実施例ではＣＭＯＳ回路を形成する例を示しているが、アクティブマトリク��型画像表示装置の画素部に設けられる画素ＴＦＴも、公知の技術を用いれば容易に作製することが可能である。【００９１】  〔実施例５〕
実施例４ではＴＦＴの活性層の形成に本発明を実施した例を示したが、このようにＴＦＴを用いる半導体装置全ての本発明を実施することができる。即ち、アクティブマトリクス型液晶ディスプレイ、アクティブマトリクス型ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ、アクティブマトリクス型ＥＣ（エレクトロクロミクス）ディスプレイに実施しても良い。【００９２】  さらに、ＩＣやＬＳＩに使われるＳＲＡＭの負荷トランジスタを形成する際に本発明を実施することもできるし、ＩＣやＬＳＩの上に三次元構造でＴＦＴを形成する場合においても本発明は有効である。【００９３】  〔実施例６〕
本実施例では、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示した構造に対して、実施例１に示した条件でレーザー光を照射した場合について説明する。【００９４】  図１４（Ａ）の構造において、８０１は１．１ｍｍ厚の石英基板、８０２は２００ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜、８０３は５５ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜である。即ち、図１４（Ａ）の構造では通常のレーザー結晶化を行った。【００９５】  また、図１４（Ｂ）の構造において、８０４は表面（反射面）が窒化タンタル膜でなる反射体、８０５は１．１ｍｍ厚の石英基板、８０６は２００ｎｍ厚の窒化酸化シリコン膜、８０７は５５ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜である。即ち、図１４（Ｂ）の構造では本発明を実施してレーザー結晶化を行った。【００９６】  その結果得られたポリシリコン膜のＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）写真を図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）の構造でアモルファスシリコン膜８０３を結晶化して得たポリシリコン膜のＴＥＭ写真であり、図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）の構造でアモルファスシリコン膜８０７を結晶化して得たポリシリコン膜のＴＥＭ写真である。【００９７】  図１５（Ａ）と図１５（Ｂ）とを比較すると、本発明を実施した図１５（Ｂ）のポリシリコン膜の方が明らかに結晶粒径が大きいことを確認できる。以上のように、本発明を実施することで結晶質半導体膜の平均結晶粒径を拡大することができることがＴＥＭ写真からも確かめられた。【００９８】  〔実施例７〕
本出願人の実験によれば、実効エネルギー強度比（Ｉ0'／Ｉ0）が０＜Ｉ0'／Ｉ0＜１または１＜Ｉ0'／Ｉ0の関係を満たす場合において、特に平均結晶粒径の拡大が顕著な条件が存在した。【００９９】  本実施例では、図６に示した構造において基板（全て１．１ｍｍ厚）または反射体（厳密には反射体の反射面）の材質を様々に変えて行った実験について説明する。まず、実験に用いた試料（Ａ）〜（Ｂ）における基板及び反射体とその時の実効エネルギー強度比を表１に示す。【０１００】
【表１】
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【０１０１】  なお、表１において、＃１７３７はコーニング社製ガラス基板の商品名であり、ＡＮ１００は旭ガラス社製ガラス基板の商品名である。【０１０２】  このように実効エネルギー強度比が０．０７〜１．０の範囲で作製された試料に対して実施例１〜３と同様の条件でＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射し、その結果得られたポリシリコン膜をＳＥＭ写真にて観察した。【０１０３】  その結果、実効エネルギー強度比が０．２９、０．３３、０．５３または０．６７では平均結晶粒径が１μm程度となることが確認され、実効エネルギー強度比が１．０、０．１６、０．１１、０．０７の場合においては、平均結晶粒径が０．３μm程度であることが確認された。即ち、第一次レーザー光と第二次レーザー光とで実効エネルギー強度が２０％以上違う条件において、平均結晶粒径の拡大が顕著に起こると考えられる。従って、以上の結果は、実効エネルギー強度比がＩ0'／Ｉ0＝０．２〜０．９（好ましくは０．３〜０．７）である時に最適な結晶化条件が存在することを示唆していると考えられる。【０１０４】  〔実施例８〕
本実施例では、実施形態２とは異なる構造の光学系を用いた場合の例について図１６を用いて説明する。具体的には線状レーザー光の長手方向または幅方向の長さを可変にする構成例を示す。【０１０５】  本実施例に示す光学系１０を用いた場合、結晶化のためにより高いエネルギーを要する半導体膜に対しては線状レーザー光の長手方向の長さを短く、比較的低いエネルギーで結晶化できる半導体膜には線状レーザー光の長手方向の長さを長く設定できる。これによりエネルギー効率をいつでも最大にすることができる。また、線状レーザー光の幅方向の長さを可変にすることにより半導体膜の結晶化に最も適した幅方向の長さを決定することができる。【０１０６】  図１６に示した光学系と図５に示した光学系とで異なる点は、図１６に示した光学系では、レーザー光を幅方向に分割する役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ５０２に加えて同様の役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ１１と、長手方向に分割する役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ５０３に加えて同様の役割を果たすシリンドリカルアレイレンズ１２とを用いている点である。【０１０７】  本実施例において、線状レーザー光の断面形状を変更する方法は長手方向も幅方向も同じ方法をとっているので、ここでは長手方向に分割する役割を果たす２つのシリンドリカルアレイレンズについてのみ説明する。【０１０８】  シリンドリカルアレイレンズ５０３でレーザー光の長手方向に分割された個々のレーザー光は、シリンドリカルアレイレンズ１２を形成する対応する個々のシリンドリカルレンズに入射する。具体的には、シリンドリカルアレイレンズ５０３が７つに分割されていればシリンドリカルアレイレンズ１２も７つに分割されたものを用いる。なお、シリンドリカルアレイレンズ５０３とシリンドリカルアレイレンズ１２とは同一形状であってもよいし、シリンドリカルレンズの曲率半径のみ異なっていてもよい。【０１０９】  このとき、焦点距離の組み合わせによりレーザー光の長さの可変領域を決定できる。即ち、シリンドリカルアレイレンズ５０３とシリンドリカルアレイレンズ１２との距離を変化させることにより、線状レーザー光の長手方向の長さを制御することができる。【０１１０】  また、シリンドリカルアレイレンズ５０３とシリンドリカルアレイレンズ１２との間の距離は、シリンドリカルアレイレンズ５０３の焦点距離の2倍よりも短くすることが好ましい。これによりシリンドリカルアレイレンズ５０３で分割されたレーザー光は、シリンドリカルアレイレンズ１２を形成する個々のシリンドリカルレンズに１対１で対応させて入射させることができる。【０１１１】  また、本実施例では、ハーフミラー１３として透過率可変型ハーフミラーを用いている。ここで透過率可変型ハーフミラーの構成について図１７を用いて説明する。まず図１７（Ａ）の透過率可変型ハーフミラーの例を示す。【０１１２】  紙面左から入射するレーザー光９０２は、透過率可変型ハーフミラー９０１によりレーザー光９０３とレーザビーム９０４に分離される。また、透過率可変型ハーフミラー９０１には、各々透過率の異なる領域９０５〜９０８が設けられた構造となっている。【０１１３】  図中の透過率可変型��ーフミラー９０１に平行な矢印９０９の方向に前記透過率可変型ハーフミラー９０１を動かすことで、透過したレーザー光９０３と反射したレーザー光９０４とのエネルギー強度を異なるものとすることができる。なお、図１７（Ａ）では、４つの透過率の異なる領域９０５〜９０８を示したが、この領域は二つ以上であればいくつでも構わない。【０１１４】  次に、別の例を図１７（Ｂ）に示す。紙面左から入射するレーザー光９１２は、透過率可変型ハーフミラー９１１によりレーザー光９１３とレーザー光９１４に分離される。透過率可変型ハーフミラー９１１は図１７（Ａ）の透過率可変型ハーフミラー９０１よりもさらに複数の領域に分割され、各領域では細かく段階的に透過率が変化していくような構造となっている。【０１１５】  このような透過率可変型ハーフミラーは市販されているが、このように透過率の異なる領域が段階的に細かく設けられていても、矢印９１５の方向に動かすことで、透過したレーザー光９１３と反射したレーザー光９１４とのエネルギー強度を異なるものとすることができる。【０１１６】  以上に示した光学系を用いることで、最終的に半導体膜に照射されるレーザー光のエネルギー強度を調節することが可能となる。この構成は実施形態１に対して用いることも可能である。【０１１７】  〔実施例９〕
本実施例では、実施例７において、反射体の反射面における多重反射の影響を考慮して実効エネルギー強度比を求めた例を示す。なお、実験に用いた試料（Ａ）〜（Ｈ）は実施例７と同一のものである。また、本実施例の場合、第二次レーザー光の実効エネルギー強度（Ｉ0'）は、Ｉ0'＝ＩaＴsubＲmirrorＴsub（１−ＲSiON-Si）／１−ＲSiON-SiＴsubＲmirrorＴsubで表される。【０１１８】  但し、Ｔsubは基板の透過率、Ｒmirrorは反射体の表面での反射率、ＲSiON-SiはＳｉＯＮ膜中からアモルファスシリコン膜へ入射する際の反射率である。なお、空気中からＳｉＯＮ膜へ入射する際の反射率、ＳｉＯＮ膜中の透過率、ＳｉＯＮ膜中から基板へ入射する際の反射率及び基板中からＳｉＯＮ膜へ入射する際の反射率は、実験的に無視しうることが判明したので計算に含めなかった。【０１１９】  上記数式から計算されたデータを表２に示す。表２に示すデータは表１のデータに多重反射の影響を考慮して修正を加えたものである。【０１２０】
【表２】
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【０１２１】  表２に示したデータを基にしても実施例７で述べた最適な結晶化条件、即ち実効エネルギー強度比がＩ0′／Ｉ0＝０．２〜０．９（好ましくは０．３〜０．７）を満たす条件は変わらなかった。【０１２２】  〔実施例１０〕
本実施例では、本発明の効果について実験結果に基づいて説明を行う。なお、本実施例では、結晶性を相対的に５段階に分けて評価した。本明細書中において結晶状態は以下のように区別して評価することにした。【０１２３】  結晶状態（０）：膜がアブレーションにより消失するに至った状態。
結晶状態（１）：図１８（Ａ）に示されるように、細かい結晶粒が見受けられる微結晶状態。
結晶状態（２）：図１８（Ｂ）に示されるように、平均結晶粒径が３００〜４５０ｎｍ程度の結晶粒が見受けられる結晶状態。
結晶状態（３）：図１９（Ａ）に示されるように、平均結晶粒径が６００〜８００ｎｍ程度の比較的大きな結晶粒が見受けられる結晶状態。
結晶状態（４）：図１９（Ｂ）に示されるように、長径で３μm程度を超える非常に大きな結晶粒が見受けられる結晶状態。なお、本実施例ではこの状態の結晶粒をＳＬＧ（Super Lateral Growth）により形成された結晶粒と呼ぶことにする。【０１２４】  以上の評価に基づき、レーザー結晶化の条件と結晶状態の関係を調べた。図２０に示されるデータは、照射エネルギー（アモルファスシリコン膜に到達する直前のレーザー光のエネルギー強度Ｉaに相当する）と結晶状態の関係をシングル照射とデュアル照射とで比較した結果である。なお、シングル照射とは表面のみへレーザー光を照射した場合であり、デュアル照射とは表面および裏面へレーザー光を照射した場合を指す。【０１２５】  図２０から明らかなように、デュアル照射の方が低い照射エネルギーで結晶状態の良好な膜が得られる。即ち、シングル照射の場合はＳＬＧを起こすために５１０mJ/cm2前後の照射エネルギーが必要であるが、デュアル照射の場合は４４０〜４６０mJ/cm2前後の照射エネルギーで良い。このことは従来のシングル照射に比べて本発明で用いるデュアル照射の方が低い照射エネルギーでより結晶性の高い半導体膜が得られることを示している。【０１２６】  また、実験的には照射エネルギーが高いほど第一次レーザー光の実効エネルギーが高くなり、形成された結晶質半導体膜の表面荒れが増すことが判っている。このことはＳＬＧにより形成された結晶を得るにあたって、デュアル照射の方が膜表面に与えるダメージを少なくできることを示唆している。【０１２７】  次に、デュアル照射の場合において、反射体の反射率を変えて実効エネルギー強度比を変えた実験結果を示す。図２１（Ａ）は照射エネルギーと結晶状態の関係を、図２１（Ｂ）は実効入射エネルギーと結晶状態の関係を示している。【０１２８】  図２１（Ａ）に示すように、反射体の反射率が高くなるほど（第二次レーザー光の実効エネルギー強度が強くなるほど）、同じ照射エネルギーでも結晶状態が良くなる結果が得られた。これは同じ照射エネルギーの場合、デュアル照射の方が実効入射エネルギーが高いためと考えられる。なお、実効入射エネルギーとは、非晶質半導体膜に入射した実効エネルギーの総和であり、第一次レーザー光の実効エネルギー強度と第二次実効エネルギー強度の和に相当する。【０１２９】  そこで、同じ照射エネルギーに固定して実効入射エネルギーと結晶状態の関係を調べた。すると図２１（Ｂ）に示すように、反射率が高くなるほどＳＬＧにより形成された結晶（結晶状態４）を得るために必要な実効入射エネルギーが高エネルギー側へシフトしていた。換言すれば、反射体の反射率は低い方が、より少ない実効入射エネルギーでＳＬＧにより形成された結晶粒を得やすい、即ちエネルギー損失の少ない結晶化が可能であることを意味している。【０１３０】  また、図２１（Ｂ）に示すように、反射体の反射率の低くしていくとＳＬＧに至る実効入射エネルギーも低くなっていくが、反射率がゼロではＳＬＧは発生しないことが確認されている。このことから反射体の反射率には、ＳＬＧが発生する上での最適値が存在すると考えられる。
【発明の効果】
【０１３１】  本発明に示したように、非晶質半導体膜をレーザー結晶化する際に、レーザー光を非晶質半導体膜の表面及び裏面を同時に照射し、且つ、裏面側に照射される実効エネルギー強度と表面側に照射される実効エネルギー強度とを異なるものとすることにより、従来に比べて平均結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得ることが可能となる。
【０１３２】  そして、結晶粒径の大きい結晶質半導体膜を得ることにより、ＴＦＴ又はＴＦＴで形成されたアクティブマトリクス型表示装置に代表される半導体装置の性能を大幅に向上させうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    レーザー装置の構成を示す図。
【図２】    レーザー装置の光学系の構成を示す図。
【図３】    レーザーアニールの方法を示す図。
【図４】    レーザー装置の構成を示す図。
【図５】    レーザー装置の光学系の構成を示す図。
【図６】    第一次レーザー光と第二次レーザー光を説明するための図。
【図７】    ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図８】    ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図９】    ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図１０】  ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図１１】  ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図１２】  ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＳＥＭ写真。
【図１３】  ＴＦＴを用いたＣＭＯＳ回路の作製工程を示す図。
【図１４】  試料構造を示す図。
【図１５】  ポリシリコン膜の結晶粒の様子を示すＴＥＭ写真
【図１６】  レーザー装置の光学系の構成を示す図。
【図１７】  透過率可変型ハーフミラーを説明する図。
【図１８】  ポリシリコン膜の結晶状態を示すＳＥＭ写真。
【図１９】  ポリシリコン膜の結晶状態を示すＳＥＭ写真。
【図２０】  照射エネルギーと結晶状態の関係を示す図。
【図２１】  照射エネルギーまたは実効入射エネルギーと結晶状態の関係を示す図。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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