(57)【要約】【課題】レーザーアニールを行うための、均質な線状レーザービームを照射するに際し、エネルギーロスの小さい光学系とし、被照射物に十分なエネルギーを与え、またレーザー光源を長寿命として使用できるレーザーアニール装置およびレーザーアニール方法を提供する。【解決手段】パルスレーザー発振器と、レーザー光を分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、分割拡大されたレーザー光を線状に集光する第１のシリンドリカルレンズと、線状に集光されたレーザー光の線方向の均質性を向上させる第２のシリンドリカルレンズと、均質性が向上した線状レーザー光を被照射面である半導体膜上面に集光する第３のシリンドリカルレンズと、半導体膜を前記線状に集光されたパルスレーザー光の線幅方向に相対的に移動させるステージとを有し、被照射面を上下に変化させることで、被照射面と第３のシリンドリカルレンズとの距離を変化させる。【選択図】図３
2007251196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザー発振器と、
前記パルスレーザー発振器から照射されたパルスレーザー光を横方向及び縦方向に分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、
前記分割拡大されたパルスレーザー光を線状に集光する第１のシリンドリカルレンズと、
前記線状に集光されたパルスレーザー光の線方向の均質性を向上させる第２のシリンドリカルレンズと、
前記均質性が向上したパルスレーザー光を被照射面である半導体膜上面に集光する第３のシリンドリカルレンズと、
前記半導体膜を、前記線状に集光されたパルスレーザー光の線幅方向に相対的に移動させるステージとを有し、
前記被照射面を前記第３のシリンドリカルレンズに対して上下に変化させることによって、前記被照射面と前記第３のシリンドリカルレンズとの距離を変化させることを特徴とするレーザー光照射装置。
【請求項２】
パルスレーザー発振器と、
前記パルスレーザー発振器から照射されたパルスレーザー光を横方向及び縦方向に分割拡大する複眼状のフライアイレンズと、
前記分割拡大されたパルスレーザー光を線状に集光する第１のシリンドリカルレンズと、
前記線状に集光されたパルスレーザー光の線方向の均質性を向上させる第２のシリンドリカルレンズと、
前記均質性が向上したパルスレーザー光を被照射面である半導体膜上面に集光する第３のシリンドリカルレンズと、
前記半導体膜を、前記線状に集光されたパルスレーザー光の線幅方向に相対的に移動させるステージとを有し、
前記第３のシリンドリカルレンズを上下に変化させることによって、前記被照射面と前記第３のシリンドリカルレンズとの距離を変化させることを特徴とするレーザー光照射装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記パルスレーザー発振器から照射されたパルスレーザー光を拡大するためのビームエキスパンダを有し、前記拡大されたパルスレーザー光を前記フライアイレンズが分割拡大することを特徴とするレーザー光照射装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記第１のシリンドリカルレンズと前記被照射面との間の光路上に、前記パルスレーザー光の縁部を除去するスリットを有することを特徴とするレーザー光照射装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記半導体膜上面における前記パルスレーザー光の線幅方向のエネルギー密度分布の形状は台形状であることを特徴とするレーザー光照射装置。
【請求項６】
パルスレーザー光を複眼状のフライアイレンズによって横方向及び縦方向に分割拡大する工程と、
前記分割拡大されたパルスレーザー光をシリンドリカルレンズによって線状に集光する工程と、
前記線状に集光されたパルスレーザー光をシリンドリカルレンズによって被照射面である半導体膜上に集光し、走査しながら照射する工程とを有し、
前記パルスレーザー光を照射する工程中に、前記パルスレーザー光を前記半導体膜上に集光する前記シリンドリカルレンズと前記半導体膜上面との距離を変化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
パルスレーザー光を複眼状のフライアイレンズにより横方向及び縦方向に分割拡大する工程と、
前記フライアイレンズにより分割拡大されたパルスレーザー光を第１のシリンドリカルレンズにより線状に集光する工程と、
第２のシリンドリカルレンズにより前記線状に集光されたパルスレーザー光の線方向の均質性を向上させる工程と、
前記均質性が向上されたパルスレーザー光を第３のシリンドリカルレンズによって被照射面である半導体膜上に集光し、走査しながら照射する工程とを有し、
前記パルスレーザー光を照射する工程中に、前記第３のシリンドリカルレンズと前記半導体膜上面との距離を変化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項６又は７において、ビームエキスパンダによって拡大されたパルスレーザー光を、前記フライアイレンズにより分割拡大することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一項において、前記半導体膜上面における前記パルスレーザー光の線幅方向のエネルギー密度分布の形状は台形状であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか一項において、前記半導体膜上面における前記パルスレーザー光の線幅方向のエネルギー密度分布の形状は疑似台形状であり、
前記エネルギー分布は、最大エネルギーを１として、エネルギーが０．９５であるビーム幅をＬ１とし、エネルギーが０．７０であるビーム幅をＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３としたとき、０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たし、
Ｌ２は前記疑似台形状のエネルギー分布において、エネルギーが０．７０であるビーム幅のうち、前記疑似台形状のエネルギー分布の一方の側辺からの幅を示し、
Ｌ３は前記疑似台形状のエネルギー分布において、エネルギーが０．７０であるビーム幅のうち、前記疑似台形状のエネルギー分布の他方の側辺からの幅を示すものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれか一項において、前記線状に集光されたパルスレーザー光の縁部をスリットにより除去する工程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】
本明細書で開示する発明は、例えば半導体材料に対してレーザー光を照射しア
ニールを行う技術に関する。また、広くレーザー光の照射によって、被照射物の
各種処理や変質を行う技術に関する。
【０００２】
また、本明細書で開示する発明は、線状のレーザービームを用いて、半導体材
料をアニールする、レーザーアニール装置およびレーザーアニール方法に関する
。
【０００３】
また、本明細書で開示する発明は、レーザーアニールによる、アモルファス（
非晶質）のシリコン（珪素）膜を結晶性シリコン膜とする工程や、結晶性シリコ
ン膜の結晶性をさらに高める工程や、結晶性シリコン膜に導電性を付与する等の
目的で該膜に不純物を打ち込んだ場合に生じる格子欠陥の修復工程等に特に有効
である。
【背景技術】
【０００４】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。そ
の大きな理由は、安価で加工性に富んだガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形
成する必要が生じたからである。さらにいえばアクティブマトリクス型の液晶表
示装置を作製する際に、ガラス基板上に数百×数百以上の薄膜トランジスタを形
成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層化に伴う
要請もある。
【０００５】
半導体装置の作製プロセスにおいては、半導体材料に含まれる非晶質成分もし
くは非晶質半導体材料を結晶化させることや、もともと結晶性であったものの、
不純物注入のためのイオンを照射したために結晶性が低下した半導体材料の結晶
性を回復することや、結晶性であるのだが、より結晶性を向上させることが必要
とされることがある。従来、このような目的のためには熱的なアニールが用いら
れていた。半導体材料として珪素を用いる場合には、６００℃から１１００℃の
温度で０．１〜４８時間、もしくはそれ以上の時間のアニールをおこなうことに
よって、非晶質の結晶化、結晶性の回復、結晶性の向上等がなされてきた。
【０００６】
このような、熱アニールは、一般に温度が高いほど処理時間は短くても良かっ
たが、５００℃以下の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロセス
の低温化の観点からは、従来、熱アニールによってなされていた工程を他の手段
によって置き換えることが必要とされる。
【０００７】
特に基板としてガラス基板を利用する場合、熱アニールを温度を７００℃以下
とすることが求められる。しかも、その加熱時間を極力短くすることが求められ
る。これは、長時間の加熱によってガラス基板が変形するからである。液晶表示
装置においては、数μｍの隙間を有した一対のガラス基板間に液晶が保持される
ので、基板の変形は液晶表示装置の表示に大きな影響を与えることとなる。
【０００８】
熱アニールに変わるプロセスとしては、レーザー光の照射によって各種アニー
ルを行う技術が知られている。レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネルギ
ーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることができ、基板全体を高い温度に
さらす必要がないという特徴を有している。
【０００９】
レーザー光の照射に関しては、大きく分けて２つの方法が提案されている。
【００１０】
第１の方法はアルゴンイオン・レーザー等の連続発振レーザーを用いたもので
あり、スポット状のビームを半導体材料に照射する方法である。これはビーム内
部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動によって、半導体材料が溶融し
た後、緩やかに凝固することによって半導体材料を結晶化させる方法である。
【００１１】
第２の方法はエキシマーレーザーのごときパルス発振レーザーを用いて、大エ
ネルギーレーザーパルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ
、凝固させることによって半導体材料を結晶化させる方法である。
【００１２】
第１の方法の問題点は処理に時間がかかることであった。これは連続発振レー
ザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビームスポットのサイズがせ
いぜいｍｍ2 単位となるためである。これに対し、第２の方法ではレーザーの最
大エネルギーは非常に大きく、従って、数ｃｍ2 以上の大きなスポットを用いて
、より量産性を上げることができる。
【００１３】
しかしながら、通常用いられる正方形もしくは長方形の形状のビームでは、１
枚の大きな面積の基板を処理するのに、ビームを上下左右に移動させる必要があ
り、量産性の面で依然として改善する余地があった。
【００１４】
この点に関しては、ビームを線状に変形し、この線状ビームを、線方向に概略
直角方向に走査することによって、大きく改善することができる。なお、ここで
いう走査とは、線状レーザーを線幅方向（線方向に対して概略直角方向）にすこ
しずつずらして重ねながら照射することを言う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
改善すべき問題として残されていたことは、レーザー照射効果の均一性である
。この均一性を高めるために以下のような工夫がなされている。１つの工夫とし
て、スリットを介すことにより、ビームのエネルギー分布の形状を矩形にできる
だけ近づけて、線状ビーム内のばらつきを小さくする方法がある。
【００１６】
図４に、レーザービームのエネルギー分布を示す。図４（ａ）は、エネルギ
ー分布の形状を矩形にした例である（矩形とは、ここでは、図４（ｂ）にて定義
される長さを用いて、Ｌ２、Ｌ３≦０. ２Ｌ１）。
【００１７】
上記技術において、さらに不均一性を緩和するには、強いパルスレーザー光の
照射（以下本照射と呼ぶ）の前に、それよりも弱いパルスレーザー光の予備的な
照射（以下予備照射と呼ぶ）をおこなうと均一性が向上することが報告されてい
る。
【００１８】
この効果は非常に高く、半導体デバイスの特性を著しく向上させることができ
る。これは、照射エネルギーが異なる２段階のレーザー光を照射することで、半
導体膜の結晶化を段階的に行うことができ、急激な相変化に従う、結晶性に不均
一性や結晶粒界の生成、さらには応力の集中といった問題を緩和できるからであ
る。
また、この段階的な照射は、さらにその回数を増やし多段階とすることで、そ
の効果をより高めることができる。
これら２つの工夫によって、レーザー照射効果の均一性をかなり向上させるこ
とができる。
【００１９】
しかしながら、上述のような２段階照射法を用いると、レーザー処理時間が倍
になるので、スループットが低下してしまう。
また、２段階照射法を行うための設備も、１段階のみ照射を行う場合に比較し
て複雑になり、コストアップにつながる。
また、レーザー照射効果の均一性も、かなり向上させることができたといって
もまだ十分なものとは言えなかった。
【００２０】
そこで本発明は、パルスレーザー光を光源とする線状レーザービームにより、
半導体被膜に対する結晶化を行うに際し、均一性の高いレーザー照射効果を得る
ことを第１の課題とする。
特に、本照射と予備照射の２段階に分けることなく、１段階の照射において、
均一性の高いレーザー照射効果を得ることを課題とする。
【００２１】
また、正方形もしくは長方形の形状のビームを線状に、しかも均質に変形させ
るには、工夫された光学系が必要となる。
図１４に、従来のレーザーアニール装置の光学系の例を示す。
図１４に示す光学系は、エキシマレーザビームを発生するエキシマレーザ発生
手段（Ａ’) と、当該エキシマレーザビームを拡大するビームエキスパンダ（Ｂ
’) 、（Ｃ’）と、ビームエキスパンダ（Ｂ’) 、（Ｃ’）によって拡大された
ビームを分割拡大する、縦拡大用のフライアイレンズ（Ｄ’）と、横拡大用のフ
ライアイレンズ（Ｄ２’）と、フライアイレンズ（Ｄ’）、（Ｄ２’）により分
割拡大されたレーザービームを線状に集光する第１のシリンドリカルレンズ（Ｅ
’) と、該線状化されたレーザービームの線方向の均質性を良くする第２のシリ
ンドリカルレンズ（Ｆ’）と、被照射物、あるいは被照射物を有する基板等を載
置して図示矢印方向（Ｊ’）に移動するステージ（Ｉ’）とから構成される。
なお、図中の折り返しミラー（Ｇ’）、および、シリンドリカルレンズ（Ｈ’
）はレーザービームの照射をステージ（Ｉ’）上の被照射物に対して行うための
ものである。
図１４において、ビームエキスパンダ（Ｂ’）、（Ｃ’）を設けない構成もあ
る。
【００２２】
このような光学系により、均質な線状レーザービームを得ることができる。
しかしながら従来は、レーザービームを分割拡大するフライアイレンズとして
、縦拡大用（Ｄ’）と、横拡大用（Ｄ２’）の、２枚を用いるため、フライアイ
レンズ全体の透過率が下がり、レーザービームのエネルギー効率が低下する。
その結果、レーザーアニールにおいて、被照射物に与えるエネルギー量が低下
し、アニールが不十分となることがある。
これを防ぐためには、レーザー光源の出力を増加させなければないらないが、
そうすると、レーザー光源の負担が増加して、装置としての寿命が短くなってし
まう。
【００２３】
そこで本発明は、レーザーアニール、特に、ガラス等の絶縁基板上に形成され
たアモルファスシリコン膜の結晶化のためのレーザーアニールや、ガラス等の絶
縁基板上の熱結晶化された結晶性シリコン膜の結晶性向上等に対するレーザーア
ニールを行うための、均質な線状レーザービームを照射するに際し、エネルギー
ロスの小さい光学系とし、被照射物に十分なエネルギーを与え、またレーザー光
源を長寿命として使用できるレーザーアニール装置およびレーザーアニール方法
を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本明細書で開示する発明では、線状レーザービームのエネルギー分布を工夫す
ることによって、第１の課題を解決する。本明細書で開示する発明では、前述し
た線状レーザービームの焦点におけるエネルギー（密度）分布を、その狭い幅方
向（レーザービームの走査方向）において疑似台形状にする。
そして、このようなエネルギー分布（プロファイル）を持ったレーザービーム
を半導体材料の被膜上で走査し、結晶化等の処理を行う。
【００２５】
以下に本明細書で開示する主要な発明について説明する。
本明細書で開示する主要な発明の一つは、
パルスレーザーを光源とした線状レーザービームを、半導体被膜よりなる被照
射面に照射するに際し、
前記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネルギー分布は、
最大エネルギーを１として、エネルギーが０. ９５であるところのビーム幅を
Ｌ１とし、
エネルギーが０. ７０であるところのビーム幅を、Ｌ１＋Ｌ２（線幅の一方）
＋Ｌ３（線幅の他方）としたとき、
不等式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たすものである
ことを特徴とするレーザーアニール方法である。
【００２６】
他の発明の構成は、
パルスレーザーを光源とした線状レーザービームを、該線状レーザービームと
半導体被膜よりなる被照射面とを前記線状レーザービームの線幅方向に相対的に
移動させながら、複数回照射するに際し、
前記線状レーザービームの焦点における線幅方向のエネルギー分布は、
最大エネルギーを１として、エネルギーが０. ９５であるところのビーム幅を
Ｌ１とし、
エネルギーが０. ７０であるところのビーム幅を、Ｌ１＋Ｌ２（線幅の一方）
＋Ｌ３（線幅の他方）としたとき、
不等式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たすものである
ことを特徴とするレーザーアニール方法である。
【００２７】
図５に、疑似台形のエネルギー分布を有する線状レーザービームでレーザー光
を照射する様子を示す。
図５に示すように、図４の（ｂ）に示すようなエネルギー密度（ビームの線幅
は、レーザービームのエネルギー最高値の半値幅）のビームプロファイルを有す
るパルスレーザー光を少しづつ移動させながら、そのビームを一部重なるように
して照射した場合、特定の一箇所の線状の領域において、複数回のパルスが照射
され、この複数回のパルスの照射に際して、段階的に照射エネルギー密度の大き
さが大きくなったパルスが最初の段階で照射され、そして段階的に照射エネルギ
ー密度が減少したパルスが照射されることになる。
【００２８】
すなわち、線状に加工されたパルスレーザーを１方向にずらしながら照射する
工程で、被照射物のある一点に着目したとき、該パルスレーザーがその一点に複
数回照射されるようレーザービームを重ねて打つことを特徴とする。
【００２９】
この場合において、被照射面のある一点に着目したとき、該パルスレーザーを
その一点に３〜１００回、好ましくは、１０〜４０回照射する。
【００３０】
上記した発明は、第１の課題を解決するものであり、線状にビーム加工された
パルスレーザー光を、その線幅方向に走査して照射するに際して、その線状のレ
ーザービームの線幅方向において疑似台形状のエネルギー分布を有するものを用
いるものである。
【００３１】
疑似台形状のエネルギー分布とは、線状のレーザービームの線幅方向において
、最大エネルギーを１として、エネルギーが０. ９５であるところのビーム幅を
Ｌ１、エネルギーが０. ７０であるところのビーム幅を、Ｌ１＋Ｌ２（線幅の一
方）＋Ｌ３（線幅の他方）としたとき、不等式０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０. ５
Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を共に満たすものである。
【００３２】
このようなエネルギー分布を有する線状レーザービームを、走査しながら照射
することによって、被照射領域のある一点において、まず台形のエネルギー分布
の裾のエネルギー密度の弱い領域が照射され、引き続いてレーザービームが走査
されることによって、徐々に強いエネルギー密度で照射が行われ、さらに台形分
布の上辺（最大値）のエネルギー密度でレーザー光が照射され、最後に徐々にエ
ネルギー密度が弱くなる照射が行われる。
このようして、ある一点の被照射領域に対して、台形のエネルギー分布に対応
して、エネルギー密度が連続的に変化するレーザー光の照射が行われる。
【００３３】
したがって、前述した予備照射と本照射とを行なう２段階レーザー照射を行う
方法で、予備照射の弱いレーザーエネルギー領域の役割を、上述したエネルギー
分布（台形状分布）のエネルギー勾配の有る部分（裾の部分）が実質的に果たす
ので、段階的に照射エネルギーを変化させた場合と同様の効果を得ることができ
る。
【００３４】
すなわち、上記のような状態でレーザー光が照射されることで、ある一点の被
照射領域に注目した場合において、最初弱いレーザー光が照射され、徐々に強い
レーザー光が照射され、さらに徐々にエネルギー密度が弱いレーザー光が照射さ
れ、照射が終了したと同等な状況を、エネルギー密度の異なる複数のレーザー光
を用いた２段階照射を行わなくても、実現することができる。
【００３５】
このようなレーザー光の照射を行うと、被照射領域に供給されるエネルギーが
急激に変化することがないので、被照射物における急激な相変化等を防ぐことが
できる。
【００３６】
したがって、例えば、非晶質半導体をレーザー光の照射によって結晶化させる
場合、急激な相変化を従わないので、表面が荒れたり、内部に応力が蓄積したり
することがなく、均一な結晶性を与えることができる。即ち、アニール効果を均
一なものとすることができる。
【００３７】
さらに、台形状のエネルギー分布を有するレーザー光が照射されることで、レ
ーザー光の焦点深度が、従来のレーザービームと比較して、広がり、レーザー加
工がより容易となる。
【００３８】
従来の、エネルギー分布が矩形状のレーザービームの焦点深度が、±２００μ
ｍ程度であったのに対し、エネルギー分布が、０. ５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０. ５
Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たす台形状のレーザービームにおいては、±約４００μｍ
程度が得られる。
【００３９】
図７にレーザービームのエネルギー分布と焦点深度（絶対値）の関係を概念的
に示す。
図７において、斜線領域ｂが、本発明のレーザービームエネルギー分布０. ５
Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０. ５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を示したものである。
図７の横軸は、Ｌ２／Ｌ１（またはＬ３／Ｌ１）であり、この値が０に近づく
程、レーザービームのエネルギー分布形状は、矩形に近づく。逆に、大きくなる
ほど、台形〜三角形となる。
【００４０】
レーザービームの焦点深度が広がると、多少のうねり、凸凹を持った被照射面
に対しても均質にレーザー加工を行うことができるようになる。
例えば、ガラス基板上に、０．２μｍの酸化珪素膜上に、０．１μｍの非晶質
珪素膜を成膜して、６００℃で熱結晶化させた後のガラス基板は、３００×３０
０ｍｍ2 程度の大きさになると、±数十〜数百μｍ程度のうねりを有し易い。
【００４１】
したがって、図７のａ領域、すなわち、０．５Ｌ１＞Ｌ２，Ｌ３である従来の
矩形状のレーザービームは、焦点深度が±２００μｍ程度であり、前記の如き珪
素膜に対して、結晶化の不均一を招き、その結果、結晶化された珪素膜は、その
移動度が基板面内において、１０％以上のバラツキが生じやすい。
一方、図７のｂ領域、すなわち、Ｌ２，Ｌ３＞Ｌ１として、焦点深度があまり
大きくなると、焦点調整が困難となり、被照射面のエネルギー密度が不十分とな
る。その結果、珪素膜は結晶化が不十分となり、所望の移動度が得られない。
【００４２】
上記構成により得られるレーザービームは、±約４００μｍ程度以内の焦点深
度を有し、基板や被膜のうねりに対し約２〜８倍程度のマージンが得られ、前記
の如き凹凸を有する珪素膜に対するレーザー加工は、十分なエネルギー密度にて
、極めて均質に行われうる。
【００４３】
したがって、数百μｍのうねりを有する基板上の珪素膜に対しても、移動度の
バラツキが１０％以内の、均一なものとすることができる。かつ、十分な移動度
を有せしめることができる。
このように、本発明の、台形状のエネルギー分布を有するレーザー光は、半導
体被膜等の、うねり、凹凸を有する被照射面に対し、極めて均質なレーザー照射
を行うことができる。
【００４４】
これらの効果は、特に基板の面積が大きくなるほどに、有効となる。
上記発明では、±４００μm 程度の焦点深度が得られるため、被照射物が、±
４００μｍ程度までの凹凸に対しては、均一な結晶化が可能である。
【００４５】
上記焦点深度は、珪素被膜に対するレーザー結晶化の際、該被膜の移動度のバ
ラツキが±１０％以内に収まる範囲に、結晶性を均質化させる。
ただし、これらの数値は、パルスレーザーのショットごとのバラツキが３σで
±３％以内に収まっている物を使用した場合のものである。前記バラツキが３σ
で±３％以上のものを使用する場合は、焦点深度が減少する。また、該バラツキ
の３σで±１０％以上のものは、半導体の結晶化には不向きであった。
【００４６】
また、上記第２の課題を解決するために、本明細書に開示する他の発明は以下
の構成を有する。
図９において、
パルスーレーザ発生手段（Ｋ）と、
前記パルスレーザ発生手段から照射されたレーザビームを拡大するためのビー
ムエキスパンダ（Ｌ）、（Ｍ）と、
前記拡大されたレーザビームを分割拡大する複眼状のフライアイレンズ（Ｎ）
と、
前記分割拡大されたレーザービームを線状に集光する第１のシリンドリカルレ
ンズ（Ｏ）と、
前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均質性を良くする第２のシリ
ンドリカルレンズ（Ｐ）と、
被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線方向とほぼ直角の方向
に相対的に移動させるステージ（Ｓ）と、
を有することを特徴とするレーザーアニール装置である。
【００４７】
本発明の他の構成は、図１０において、
パルスレーザー発生手段（ｋ）と、
前記パルスレーザー発生手段から照射されたレーザービームを分割拡大する複
眼状のフライアイレンズと（ｌ）、
前記分割拡大されたレーザービームを線状に集光する第１のシリンドリカルレ
ンズ（ｍ）と、
前記線状に集光されたレーザービームの線方向の均質性を良くする第２のシリ
ンドリカルレンズ（ｎ）と、
被照射物を、前記線状に集光されたレーザービームの線方向とほぼ直角の方向
に相対的に移動させるステージ（ｑ）と
を有することを特徴とするレーザーアニール装置である。
【００４８】
上記構成において、パルスレーザー発生手段として、エキシマレーザー発生手
段を用いることは好ましい。
【００４９】
また、上記構成において、第１のシリンドリカルレンズの後方に、前記線状レ
ーザビームの縁部を除去するスリットを設けることは好ましい。
【００５０】
また上記構成において、複眼状のフライアイレンズは、平面形状が多角形の凸
レンズを、複数個規則的に敷きつめて、平面状に構成されたものが好ましい。個
々の凸レンズは、平面形状が、正方形、長方形、六角形等が好ましい。
【００５１】
上記第２の課題を解決する他の構成は、
パルスレーザービームを複眼状のフライアイレンズにより分割拡大し、前記分
割拡大されたレーザービームを線状に集光して、走査しながら被照射物に照射す
ることを特徴とするレーザーアニール方法である。
上記各構成において、パルスレーザービームは、エキシマレーザービームを用
いることは好ましい。
【００５２】
上記レーザーアニール装置または方法は、エキシマレーザー発生手段から発生
されたレーザービーム、または該ビームがビームエキスパンダーによって拡大整
形されたレーザービームを、一枚の複眼状フライアイレンズにより分割拡大する
ものである。
【００５３】
このようにすることで、フライアイレンズを、縦拡大用と横拡大用の２枚のフ
ライアイレンズを用いる場合に比較し、光量損失が少なくて済むため、レーザー
のエネルギーロスが大幅に減少して、エネルギー効率が向上し、良好なレーザー
アニール、シリコン膜の結晶化が可能となり、また、レーザー光源の長寿命化を
図ることができる。
【００５４】
図８に、複眼状フライアイレンズの例を示す。
図８に示すように、本発明において用いるフライアイレンズは、平面形状が多
角形、例えば正方形を有する凸レンズ８０１を、複数個規則的に、平面状に敷き
つめた、複眼状の構成を有するフライアイレンズである。
この、複眼状のフライアイレンズは、一枚で、入射光を、縦方向と横方向に均
質に分割拡大する機能を有する。
【００５５】
フライアイレンズを構成する個々の凸レンズの平面形状は、多角形、特に、長
方形、正方形、または、六角形等にすると、規則的に配置しやすいため、レンズ
の作製、加工が容易であり、また、レンズとして高い精度を有せしめることが容
易となるため、好ましい。
【００５６】
レーザーアニール装置の構成として上記に列挙したレンズは、レーザビームを
線状に集光させ、かつ、ビーム内の線方向のエネルギー分布を均一にするための
もので、ビームエキスパンダやフライアイレンズでレーザビームの幅を広げた後
、その一方向に沿って筒状の棒状集光レンズ、たとえばシリンドリカルレンズに
よって、レーザビームを線状に集光する。
【００５７】
パルスレーザー光源として、エキシマレーザ光は、照射直後のレーザービーム
断面の形状が四角形で、その強さもビームの断面内で概略均一である。
ビームエキスパンダは、レーザビームの幅を広げ、ビームの断面の形状を正方
形（もしくは長方形）に拡大整形し、その面積を大面積化するものである。
【００５８】
ただし、ビームエキスパンダを用いると、レンズ数が増加する分、レーザービ
ームのエネルギー効率は低下する。したがって、ビームエキスパンダーを有しな
い構成としてもよい。
【００５９】
フライアイレンズはビーム面積を拡大する一方で、ビームのエネルギー分布を
均一にする作用を有している。フライアイレンズは本来、ビームの均質化を目的
として開発されたものである。
【００６０】
また、この線状に集光されたレーザビームの線幅方向のエネルギー分布は、球
面収差により、集光された光の周辺部にガウス分布に従ったエネルギー密度の弱
くなる領域を発生させる。そのため、線状ビームの周辺部において、ビーム形状
の端部のきれが明確でなくなる。
このため、シリンドリカルレンズを通過後の線状レーザービームに生じる、上
記線幅方向のガウス分布近似のエネルギー分布の周辺部（すその部分）を、適当
なスリットを用いて取り除いてもよい。
【００６１】
レーザービームは、例えばガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜等
、被照射物をステージ上に載置し、該ステージを移動させながら、レーザービー
ムを被照射面（被照射物の表面）上で適度に重なるようにして照射することによ
り、たとえばアモルファスシリコン膜を高速度かつ均質に結晶化することができ
る。
【００６２】
本明細書に開示されたレーザーアニール装置、レーザーアニール方法は、レー
ザーアニールにより、アモルファスシリコン膜を結晶性シリコン膜とする工程、
結晶性シリコン膜の結晶性をさらに高める工程、結晶性シリコン膜に導電性を付
与する等の目的で、該膜に不純物イオンを打ち込んだ場合に生じる、格子欠陥の
修復工程等に用いると、特に有効である。
特に、ガラス基板上に形成されている上記各種膜に対して、有効である。
【発明の効果】
【００６３】
本発明によって、半導体被膜を結晶化する際の量産性を向上させ、半導体被膜
の結晶性の均一性を高めることができる。
【００６４】
また、本発明は、焦点深度が大きく得られるため、特に凹凸の大きい膜( ±４
００μm 以内の面) に対しても、均質なレーザーアニールを可能とする。
【００６５】
本明細書で開示する発明は、半導体デバイスのプロセスに利用される全てのレ
ーザー処理プロセスに利用できるが、中でも半導体デバイスとしてＴＦＴを作製
する場合、ＴＦＴのしきい値電圧の基板面内における均一性を向上させ、さらに
は特性の均一性を向上させることができる。
【００６６】
また、ＴＦＴのソース／ドレインの不純物元素の活性化工程に本明細書で開示
する発明を使用した場合、ＴＦＴの電界効果移動度、あるいはオン電流の、基板
面内における均一性を高めることができる。
【００６７】
また、レーザーアニール装置において、複眼状のフライアイレンズを用いるこ
とにより、縦拡大用と横拡大用の２枚のフライアイレンズを用いる場合に比較し
、光量損失を減少させ、レーザービームのエネルギーロスが大幅に減少して、エ
ネルギー効率が向上し、良好なレーザーアニール、シリコン膜の結晶化が可能と
なり、また、レーザー光源の長寿命化を図ることができる。    
【実施例１】
【００６８】
本実施例では、半導体材料として珪素膜を用いる。そして、レーザー光の照射
によって、珪素膜の結晶性を高める構成を説明する。
まず装置について説明する。
【００６９】
図１には本実施例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。
図１のレーザーアニール装置は、マルチチャンバー方式であり、ローダー／ア
ンローダー室１１から搬入され、アライメント室１２にて位置決めされた基板を
、トランスファー室１３を介して、該トランスファー室に設けられた基板搬送用
ロボット１４により、各室に運び、基板毎に連続して処理されるものである。
【００７０】
基板は、初めに熱処理室１５に搬入され、熱処理の後、レーザーアニール室１
６にてレーザーアニールが施され、その後徐冷室１７に運ばれて徐冷ののち、ロ
ーダー／アンローダー室１１へと移動される。
【００７１】
このレーザーアニール装置は周囲に対する密閉性を有しており、不純物による
汚染を防いでいる。また、レーザー照射時の雰囲気制御機能を有している。また
、基板を加熱する機能も有しており、レーザー照射時の被照射物を所望の温度に
保つことができる。
【００７２】
なお、該レーザーアニール装置のパルスごとのエネルギーのバラツキは、３σ
で±３％以内に収まっている。
これよりもバラツキの大きいパルスレーザーを用いても構わないが、焦点深度
がせばまる。なお、３σで±１０％以上のものは、本実施例には適さない。
【００７３】
また、レーザーアニール装置には、図示しないレーザービーム照射手段が設け
られており、このレーザービーム照射手段から照射された線状ビームは、レーザ
アニール室１６内入射して、レーザーアニール室１６のステージ上に載置された
試料を照射する。
【００７４】
レーザービーム照射手段において、発振器としてＬＵＭＮＩＣＳ社製ＥＸ７４
８を用いた。発振されるレーザー光は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎ
ｍ、パルス幅２５ｎｓ）である。
勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもでき
る。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要がある。
【００７５】
発振されたレーザー光は、そのビーム形状の変形のために、図２に示すような
光学系に導入される。図２に光学系の例を示す。
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２cm2 程度の長方形であ
るが、該光学系によって、長さ１０〜３０cm、幅０．０１〜０．３cm程度の細長
いビーム（線状ビーム）に加工される。
また、この光学系を通った後の線状レーザービームの幅方向におけるエネルギ
ー密度分布は図４の（ｂ）に示すような台形形状となっている。本光学系を経た
レーザー光のエネルギーは、最大で８００ｍＪ／ショットである。
【００７６】
レーザー光をこのような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるた
めである。即ち、線状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの長さが
試料の幅よりも長ければ、試料を１方向に移動させることで、試料全体に対して
レーザー光を照射することができる。
一方、ビームの長さが試料の幅よりも短い場合でも、長方形のビームと比較す
ると加工の手間がかからない。しかし、この場合、ビームを、試料に対して相対
的に、上下左右に動かす必要性が生じる。
【００７７】
レーザー光が照射される基板（試料）は、レーザーアニール室１６内のステー
ジに載置されている。このステージはコンピュータにより制御されており線状レ
ーザービームの線方向に対して直角方向に動くよう設計されている。
さらに、該ビームの線方向に対して動く機能をステージにつけておくと、ビー
ム幅が試料に対して短い場合でも、試料全体に対するレーザー加工が可能となる
。又、該ステージの下にはヒーターが内臓されており、レーザー光の照射時に試
料を所定の温度に保つことができる。
【００７８】
レーザービームを線状レーザーに加工する光学系の内部の光路（図２）の説明
をする。
該光学系に入射したレーザー光は、シリンドリカル凹レンズＢ、シリンドリカ
ル凸レンズＣ（レンズＢ、Ｃを総称してビームエキスパンダと呼ぶ）、複眼状フ
ライアイレンズＤを通過する。フライアイレンズとして、複眼状フライアイレン
ズに変えて、縦拡大用と横拡大用の２つのフライアイレンズを用いてもよい。
なお複眼状フライアイレンズについては、実施例３で詳述する。
【００７９】
レーザー光はさらに、第１のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸
レンズＥ、線状化させるビームの線方向の均質性を良くするために設けられる第
２のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズＦを通過し、ミラー
Ｇを介して、シリンドリカルレンズＨによって集束され、被照射面に照射される
。
【００８０】
シリンドリカルレンズＢ、Ｃ間を２３０ｍｍとし、フライアイレンズＤとシリ
ンドリカルレンズＥとの間を６５０ｍｍとし、シリンドリカルレンズＦと被照射
面との間を６５０ｍｍ（それぞれ各レンズの焦点距離の和）とした。もちろん、
これらは、状況に応じて変化させうる。
シリンドリカルレンズＨには、焦点距離が１２０ｍｍの物を用いる。
【００８１】
焦点におけるレーザービームのエネルギー分布の形状を、レンズＨを上下（Ｊ
方向）に変化させることで、台形状にする。
被照射面をレンズＨに対して相対的に上下させる（Ｊ方向）ことによって、被
照射面上（焦点）でのレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩形に近いも
のから台形に近いものまで変形させることができる（図２の下図参照。これらの
形をよりシャープにするには、レーザー光路の途中にスリットを入れるとよい）
。
光学系は、本発明に必要なビームに変形できるのであれば、どの様なものでも
良い。
【００８２】
なお光学系として、図２のようなものに限らず、図３に示すような、レンズＢ
、Ｃを具備しないものを用いることも有効である。
【００８３】
以下に本明細書で開示する発明を用いて、レーザー光の照射によって、ガラス
基板上に結晶性を有する珪素膜を形成する例を示す。まず、３０ｃｍ角のガラス
基板（例えばコーニング７０５９、１７３７等）を用意する。
そしてこのガラス基板上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により、
酸化珪素膜を２０００Åの厚さに形成する。この酸化珪素膜は、ガラス基板側か
ら不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地膜として機能する。
【００８４】
次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜）の
成膜を行う。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ法を用いる
のでもよい。なお、非晶質珪素膜の厚さは、５００Åとする。勿論この厚さは、
必要とする厚さとすればよい。
【００８５】
次に窒素雰囲気中において、４５０℃の温度で１時間保持することにより、非
晶質珪素膜中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図
的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるた
めである。
【００８６】
次に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入する。ここでは、当該金属元素と
してニッケルを用い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩溶液を
非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素が非晶質珪素膜の表面に接して
保持された状態とする。そして窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の加熱
処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させる。
【００８７】
こうして、ガラス基板上に結晶性を有する珪素膜を得ることができる。しかし
、このようにして得られた結晶性珪素膜は、内部に非晶質成分を多く含んでおり
、このような状態は電気特性の劣化や変化の要因となる。そこで本実施例におい
ては、上記の加熱処理による結晶化に加えて、レーザー光の照射を行い、その結
晶性を向上させる。
また、このときガラス基板上およびその上の珪素膜の凹凸は±約２００μm で
あった。
【００８８】
ここでは、図１に示す装置を用い、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ
、パルス幅２５ｎｓ）を前記結晶性を有する珪素膜に照射する。このレーザー光
の照射によって、結晶性をさらに高めることができる。
【００８９】
レーザービームは線状に整形され、被照射面でのビーム面積は１２５ｍｍ×１
ｍｍとする。ビームの線幅は、レーザービームのエネルギー最高値の半値幅とし
ている。
【００９０】
また線状レーザービームの線幅方向のエネルギープロファイル（エネルギー分
布）は、図４（ｂ）において、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．２５ｍｍと
、疑似台形状の分布を有しており、不等式０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１
≦Ｌ３≦Ｌ１を満たしている。
【００９１】
この台形状分布のすその広がりの程度は、レーザの光学系の最終レンズと照射
面までの距離で変化する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザの光
学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広がりの程度が変化するが
、その変化の範囲が、前記した不等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理
が可能となる。
なお、ここでいうところの均質とは、レーザー照射された該膜の基板面内にお
ける移動度のバラツキが、±１０％以内に収まることを表す。
【００９２】
試料は、図１のレーザーアニール室１６内のステージ上に載せられており、ス
テージを２ｍｍ／ｓ速度で移動させることによって、照射が行われる。レーザー
光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度を１００〜５００ｍＪ／ｃｍ2 、
ここでは３００ｍＪ／ｃｍ2 とし、パルス数を30パルス/sとする。なお、ここで
いうエネルギー密度とは台形状に作られたビームの上底部分（最大値を有する部
分）の密度を指す。
【００９３】
上述のような条件でレーザー照射を行なうと、試料のある一点に着目した場合
、レーザー照射は１５段階照射になる。これは、１回のビームの通過に0.5 秒か
かるので、１回のビームの走査しながらの照射によって、一箇所には１５パルス
の照射が行われるからである。この場合、上記１５回の照射において、最初の数
回の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなっていく照射であって、最
後の数回がエネルギー密度が徐々に小さくなっていく照射となる。
【００９４】
この様子を図５に模式的に示す。１５段階の前半は徐々にレーザーエネルギー
が上がっていき（図５のＡに注目）、後半では徐々にそれが下がっていく（図５
のＢに注目）。この１５という回数はレーザーのビーム幅とステージの速度とレ
ーザーのパルス数から容易に算出できる。
我々の実験によると３〜１００段階照射、好ましくは１０〜４０段階照射が最
もよい結晶性のある珪素膜が得られた。
【００９５】
レーザー光の照射の際、基板温度は５００℃に保たれている。これは、レーザ
ーによる基板表面温度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。
一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれることが知られているが、
基板温度を高く保つことでレーザー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑
えている。
【００９６】
本実施例では基板温度を５００℃に設定しているが、実際の実施では室温〜ガ
ラス基板の歪点までの間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。
また雰囲気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真空、アルゴン
・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等の雰囲気で行なってもよい。
【００９７】
本実施例の場合、被照射物の凹凸が±約２００μm であったが、結晶化された
被膜の、基板面内における移動度のバラツキは、±７％程度であり、均質なレー
ザー処理ができる。
他方、線状レーザービームの線幅方向のエネルギー分布を、図４（ｂ）におい
て、Ｌ１＝０．５ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．２ｍｍ、すなわち０．５Ｌ１＞Ｌ２（
Ｌ３）と、やや矩形に近い疑似台形状の分布を有するものとし、前記凹凸を有す
る被照射物（珪素膜）にレーザーアニールを施したところ、移動度のバラツキは
±１３％であった。
【００９８】
また、線状レーザービームの線幅方向のエネルギー分布を、図４（ｂ）におい
て、Ｌ１＝０．２ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０．３ｍｍと（Ｌ１＞Ｌ２（Ｌ３））、や
や矩形に近い疑似台形状の分布を有するものとし、前記凹凸を有する被照射物（
珪素膜）にレーザーアニールを施したところ、移動度のバラツキは、±約８％程
度であったものの、結晶性珪素膜として極めて低い移動度となってしまった。
【実施例２】
【００９９】
本実施例では、ガラス基板上にパターニングされた複数の非晶質珪素膜よりな
る島状領域を、レーザーアニールにより、実質的な単結晶珪素膜とし、該膜を活
性層として用いた薄膜トランジタを形成した例を示す。
【０１００】
実施例１と同様に、図１に示すレーザアニール装置を用いた。
発振器として、ここではラムダフィジック社製３０００−３０８を用いた。発
振されるレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅
２６ｎｓ）である。
勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもでき
る。ただし、パルス発振のレーザー光を用いる必要がある。
【０１０１】
発振されたレーザー光は、そのビーム形状の変形のために、図３に示すような
光学系に入射される。図３に光学系の例を示す。
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２cm2 程度の長方形であ
るが、該光学系によって、長さ１０〜３０cm、幅０．０１〜０．３cm程度の細長
いビーム（線状ビーム）に加工される。
また、この光学系を通った後の線状レーザービームの幅方向におけるエネルギ
ー密度分布は図４の（ｂ）に示すような台形形状となっている。本光学系を経た
レーザー光のエネルギーは、最大で１０００ｍＪ／ショットである。
【０１０２】
レーザー光をこのような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるた
めである。即ち、線状のビームが試料に照射されるとき、もし、ビームの幅が試
料の幅よりも長ければ、試料を１方向に移動させることで、試料全体に対してレ
ーザー光を照射することができる。一方、ビームの幅が試料の幅よりも短い場合
でも、長方形のビームと比較すると加工の手間がかからない。しかし、この場合
、ビームを、試料に対して相対的に、上下左右に動かす必要性が生じる。
【０１０３】
レーザー光が照射される基板（試料）のステージはコンピュータにより制御さ
れており線状レーザービームの線方向に対して直角方向に動くよう設計されてい
る。
さらに、該ビームの線方向に対して動く機能をステージにつけておくと、ビー
ム幅が試料に対して短い場合でも、試料全体に対するレーザー加工が可能となる
。又、該ステージの下にはヒーターが内臓されており、レーザー光の照射時に試
料を所定の温度に保つことができる。
【０１０４】
レーザービームを線状レーザーに加工する光学系の内部の光路（図３）の説明
をする。
レーザー光源ａから発振され、光学系に入射したレーザー光は、まず、フライ
アイレンズｂを通過する。フライアイレンズｂは縦拡大用及び横拡大用である。
【０１０５】
さらに、第１のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズｃ、線
状化させるビームの線方向の均質性を良くするために設けられる第２のシリンド
リカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズｄを通過し、ミラーｅを介して、
シリンドリカルレンズｆによって集束され、試料に照射される。
【０１０６】
光路長は、レーザー光源からミラーｅまでの距離は２０００ｍｍであり、ミラ
ーｅから被照射面までの距離は４４０ｍｍである。
シリンドリカルレンズｆには、焦点距離が１００ｍｍの物を用いる。
【０１０７】
焦点におけるレーザービームのエネルギー分布の形状を、レンズｆを上下（ｉ
方向）に変化させることで、台形状にする。
照射面をレンズｆに対して相対的に上下させる（ｉ方向）ことによって、照射
面上（焦点）でのレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩形に近いものか
ら台形に近いものまで変形させることができる（図２の下図参照。これらの形を
よりシャープにするには、レーザー光路の途中にスリットを入れるとよい）。
光学系は、本発明に必要なビームに変形できればどの様なものでも良い。
【０１０８】
なお光学系として、図３のようなものに限らず、図２に示すような、レンズＢ
、Ｃを具備するものを用いてもよい。
【０１０９】
図６を用いて、本実施例の作製工程を説明する。
まず、３０ｃｍ角のガラス基板６０１（例えばコーニング７０５９、１７３７
等）を用意する。
そしてこのガラス基板上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により、
酸化珪素膜６０２を２０００Åの厚さに形成する。この酸化珪素膜６０２は、ガ
ラス基板６０１側から不純物が半導体膜に拡散したりするのを防止する下地膜と
して機能する。
【０１１０】
次にプラズマＣＶＤ法によって、非晶質珪素膜６０３（アモルファスシリコン
膜）の成膜を行う。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いるが、減圧熱ＣＶＤ法を
用いるのでもよい。なお、非晶質珪素膜６０３の厚さは、５００Åとする。勿論
この厚さは、必要とする厚さとすればよい。（図６（Ａ））
【０１１１】
次に、珪素の結晶化を助長する金属元素を導入する。ここでは、当該金属元素
としてニッケルを用い、このニッケル元素を導入するためにニッケル酢酸塩溶液
を非晶質珪素膜上に塗布する。そしてニッケル元素が非晶質珪素膜６０３の表面
に接して保持された状態とする。
【０１１２】
次にパターニングを行うことにより、１つの島状領域が数十〜数百μｍ角、こ
こでは９０μｍ角の大きさとして、ガラス基板上に複数の島状領域を設ける。こ
れらはそれぞれ、後に形成される複数の薄膜トランジスタの位置に対応し、薄膜
トランジスタの活性層６０４を構成する。この状態においては、活性層６０４は
非晶質珪素膜で構成されている。（図６（Ｂ））
【０１１３】
この状態で、活性層６０４に対し、図１に示す装置を用い、ＸｅＣｌエキシマ
レーザー（波長３０８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）を照射して結晶化させる。
レーザービームは線状に整形され、被照射面でのビーム面積は１５０ｍｍ×０
．４ｍｍとする（ビームの線幅はエネルギーの最大値に対する半値幅）。
【０１１４】
また線状レーザービームの線幅方向のエネルギープロファイル（エネルギー分
布）は、図４（ｂ）において、Ｌ１＝０．１ｍｍとし、Ｌ２、Ｌ３＝０．０８ｍ
ｍと、疑似台形状の分布を有しており、かつ不等式０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、及
び０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たしている。
【０１１５】
この台形状分布のすその広がりの程度は、レーザの光学系の最終レンズと照射
面までの距離で変化する。レーザー処理中、被照射物の凹凸により、レーザの光
学系の最終レンズと照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広がりの程度が変化するが
、その変化の範囲が、前記した不等式の範囲に入っていれば均質なレーザー処理
が可能となる。
なお、ここでいうところの均質とは、該膜の移動度のバラツキが±１０％以内
に収まることを表す。
【０１１６】
ガラス基板６０１は、ステージ上に載せられており、ステージを２．５ｍｍ／
ｓ速度で移動させることによって照射が行われる。
レーザー照射は、活性層６０４の一方の辺から対向する辺に向かって、線状レ
ーザービームが走査される。
【０１１７】
レーザー光の照射条件は、レーザー光のエネルギー密度を１００〜５００ｍＪ
／ｃｍ2 、ここでは４００ｍＪ／ｃｍ2 とし、パルス数を２００パルス/sとする
。なおここでいうエネルギー密度とは台形状に作られたレーザービームのエネル
ギー分布の上底部分（最大値を有する部分）の密度を指す。
【０１１８】
上述のような条件でレーザー照射を行なうと、試料のある一点に着目した場合
、レーザー照射は３２段階照射になる。これは、１回のビームの通過に 0.4秒か
かるので、１回のビームの走査しながらの照射によって、一箇所には３２パルス
の照射が行われるからである。この場合、上記３２回の照射において、最初の数
回の照射は徐々にその照射エネルギー密度が大きくなっていく照射であって、最
後の数回が徐々にエネルギー密度が小さくなっていく照射となる。
【０１１９】
この様子を図５に模式的に示す。３２段階の前半は徐々にレーザーエネルギー
が上がっていき（図５のＡに注目）、後半では徐々にそれが下がっていく（図５
のＢに注目）。この３２という回数はレーザーのビーム幅とステージの速度とレ
ーザーのパルス数から算出される。
【０１２０】
レーザー光の照射の際、基板温度は５００℃に保たれている。これは、レーザ
ーによる基板表面温度の上昇と下降の速度を和らげるために行われている。
一般に環境の急激な変化は物質の均一性を損なわれることが知られているが、
基板温度を高く保つことでレーザー照射による基板表面の均一性の劣化を極力抑
えている。
【０１２１】
本実施例では基板温度を５００℃に設定しているが、実際の実施では室温〜ガ
ラス基板の歪点までの間でレーザーアニールに最適な温度を選ぶ。
また雰囲気制御はここでは特に行わず、大気中で照射を行う。真空、アルゴン
・ヘリウム等の不活性ガス、水素、窒素等の雰囲気で行なってもよい。
【０１２２】
非晶質珪素膜である活性層６０４に対して線状のレーザー光が照射されると、
レーザー光が照射された領域が瞬間的に溶融する。そして、この線状のレーザー
光が走査されて照射されることで、結晶成長が徐々に進行していき、実質的に単
結晶と見なせる領域を得ることが出来る。
【０１２３】
すなわち、図６（Ｃ）に示すように、非晶質珪素膜で構成された活性層６０４
の一方の端部から、線状のレーザービームが徐々に走査方向に走査しながら照射
されると、６０５で示されるような実質的に単結晶とみなせる領域がレーザー光
の照射に伴って成長していき、最終的に活性層全体を単結晶とみなせる状態とす
ることができる。
【０１２４】
ここで示す単結晶とみなせる領域６０５というのは、その領域中において、以
下の条件を満たしていることが必要である。
・結晶粒界が実質的に存在していない。
・点欠陥を中和するための水素またはハロゲン元素を１×１０15〜１×１０20原
子ｃｍ-3の濃度で含んでいる。
・炭素及び窒素の原子を１×１０16〜５×１０18ｃｍ-3の濃度で含んでいる。
・酸素の原子を１×１０17〜５×１０19原子ｃｍ-3の濃度で含んでいる。
【０１２５】
また、本実施例で示すような珪素の結晶化を助長する金属元素を利用している
場合には、その膜中に当該金属元素を１×１０16〜５×１０19ｃｍ-3の濃度で含
んでいる必要がある。この濃度範囲の意味するところは、これ以上の濃度範囲で
は、金属としての特性が表れてしまい半導体としての特性が得られず、またこの
濃度範囲以下では、そもそも珪素の結晶化を助長する作用を得ることができない
ということである。
【０１２６】
これらのことより分かるように、上記のレーザー光の照射によって得られる単
結晶とみなせる珪素膜の領域は、単結晶ウエハーのような一般的な単結晶とは本
質的に異なるものである。
【０１２７】
このレーザー光の照射による結晶化の際においても膜の収縮が発生し、その歪
みは活性層の周辺部に行くほど蓄積する。
【０１２８】
また、一般に活性層の厚さは、数百Å〜数千Å程度である。またその大きさは
数μｍ角〜数百μｍ角である。即ち、非常に薄い薄膜状の形状を有している。こ
のような薄い薄膜状の状態において、図６（Ｃ）に示すような結晶成長が進行す
ると、その周囲、即ち結晶成長の成長終点付近やそれ以上結晶成長が進行しない
領域に歪みが集中して発生してしまう。
【０１２９】
このように主に２つの原因により、活性層の周囲に歪みが集中して存在するこ
ととなってしまう。活性層中にこのような歪みが集中している領域が存在するこ
とは、薄膜トランジスタの動作において悪影響を及ぼす原因となるので、好まし
いものではないため、活性層の周囲全周をエッチング除去することが好ましい。
こうして図６（Ｄ）に示すような実質的に単結晶と見なせる領域６０５で構成
され、また応力の影響が低減された活性層６０６を得ることができる。
【０１３０】
活性層６０６を得た後、活性層６０６を覆ってゲイト絶縁膜６０７として酸化
珪素膜を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜した。さらにＰ（リン）を
多量にドーピングした多結晶珪素膜を減圧熱ＣＶＤ法で５０００Åの厚さに成膜
し、パターニングを施すことにより、ゲイト電極６０８を形成した。
【０１３１】
次にＰ（リン）イオンの注入をプラズマドーピング法またはイオン注入法によ
り行い、自己整合的にソース領域６０９とドレイン領域６１１を形成した。そし
てゲイト電極６０８がマスクとなることによって不純物イオンが注入されない領
域６１０をチャネル形成領域として画定した。（図６（Ｅ））
【０１３２】
次に層間絶縁膜６１２として酸化珪素膜をＴＥＯＳガスを用いたプラズマＣＶ
Ｄ法で７０００Åの厚さに成膜した。そしてコンタクトホールの形成後、チタン
とアルミニウムの積層膜を用いて、ソース電極６１３とドレイン電極６１４の形
成を行った。また図面では示されないが、ゲイト電極６０８へのコンタクト電極
も同時に形成した。そして最後に３５０℃の水素雰囲気中において１時間の加熱
処理を加えることにより、図６（Ｆ）に示すような薄膜トランジスタを完成させ
た。
【０１３３】
このようにして得られた、ガラス基板上に形成された複数の薄膜トランジスタ
は、移動度のバラツキは±５％程度となっており、均質な結晶化がなされている
ことがわかる。
【０１３４】
また、それぞれの活性層は、極めて良好に実質的な単結晶となる。
活性層が単結晶と見なせるような珪素膜で構成されているので、その電気的な
特性もＳＯＩ技術等を利用して作製された単結晶珪素膜を用いた薄膜トランジス
タに匹敵するものとすることができる。
【実施例３】
【０１３５】
本実施例では、レーザーアニール装置として図１に示したものを用いる。
図９に、実施例におけるレーザーアニールを行うための光学系の例を示す。
【０１３６】
図９において、レーザーアニール装置は、パルスレーザー発生手段として、エ
キシマレーザビームを発生するエキシマレーザ発生手段Ｋと、当該エキシマレー
ザビームを拡大するビームエキスパンダＬ、Ｍと、ビームエキスパンダＬ、Ｍに
よって拡大されたビームを分割拡大する複眼状のフライアイレンズＮと、該複眼
状フライアイレンズにより分割拡大されたレーザビームを線状に集光する第１の
シリンドリカルレンズＯと、該線状化されたレーザービームの線方向の均質性を
良くする第２のシリンドリカルレンズＰと、表面上に被照射物を有する基板を載
置して図示矢印Ｔ方向に移動するステージＳとから構成される。
【０１３７】
なお、図中の折り返しミラーＱ、および、シリンドリカルレンズＲはレーザー
加工をステージＳ上で行うためのものである。
【０１３８】
ここでは、レーザー光源ＫとシリンドリカルレンズＬ間の距離が２３０ｍｍ、
フライアイレンズＮと第１のシリンドリカルレンズＯとの間が６５０ｍｍ、シリ
ンドリカルレンズＰと被照射面との間が６５０ｍｍ（それぞれ各レンズの焦点距
離の和）とする。もちろん、これらは、状況に応じて変化させうる。
シリンドリカルレンズＲには、焦点距離が１２０ｍｍの物を用いる。
【０１３９】
上記光学系に入射するエキシマレーザビーム光源としては、たとえば、ＬＵＭ
ＮＩＣＳ社製ＥＸ７４８（ＫｒＦエキシマレーザー、波長248 ｎｍ、エネルギー
バンド（Eg）＝5.0eV 、パルス幅２５ｎｓ）を発振器として用いる。他に、ラム
ダフィジック社製３０００−３０８（ＸｅＣｌエキシマレーザー、波長３０８ｎ
ｍ、パルス幅２６ｎｓ）等を用いてもよい。もちろん、パルス発振のレーザー光
であれば、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもで
きる。
この光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で８００ｍＪ／ショットで
ある。
【０１４０】
また、光源から出力されるエキシマレーザビームの平面形状は、大きさが２０
ｍｍ×３０ｍｍである。
さらに、このエキシマレーザビームは、ビームエキスパンダＬ、Ｍによって、
正方形状に整形、拡大される。
すなわち、拡大された後のエキシマレーザビームの大きさは、30ｍｍ×30ｍｍ
と正方形にする。
【０１４１】
このように、レーザービームを概略正方形に整形しておくのは、後にレーザー
ビームが通過する複眼状フライアイレンズＮの平面形状が、概略正方形状をなし
ているからである。
複眼状フライアイレンズの平面形状に、当該フライアイレンズに入射する直前
のレーザービームの平面形状（断面形状）を似せておけば、該フライアイレンズ
の能力を最大限に引き出せるのでビームの分割をより容易かつ均一に行うことが
でき、最終的に得られる線状レーザービームの均一性を高めることができる。
もちろん、レーザービームを必ずしも正方形状に整形する必要はない。
【０１４２】
ただし、ビームを複眼状フライアイレンズに通す前に、ビームをある程度拡大
しておくと、複眼状フライアイレンズとして大きさが大きいものを使用すること
ができるので、複眼状フライアイレンズを作製する際の微細加工の精度を低くす
ることができる。
【０１４３】
上記のように整形拡大されたレーザービームを、図８に示す複眼状のフライア
イレンズに通すことにより、ビームを分割拡大する。
【０１４４】
図８に示すように、複眼状フライアイレンズの全体の平面形状は、多角形、こ
こでは概略正方形状である。複眼状フライアイレンズは、平面形状が多角形の凸
レンズ８０１を、複数個、規則的に敷きつめて配置された構成をなしている。
ここでは、複眼状フライアイレンズは、平面形状が正方形の凸レンズを、マト
リクス状に敷きつめた構成をなしている。
【０１４５】
個々の凸レンズの平面形状は、正方形以外でもよく、例えば、長方形、三角形
、六角形といった多角形が、規則的に並べやすいため好ましい。
この複眼状フライアイレンズにより、レーザービームを分割拡大することによ
り均質なレーザービームを作ることができる。
【０１４６】
さらに、上記レーザビームは、シリンドリカルレンズＯによって横長に集光さ
れ、被照射面でのビーム幅（線幅）が１ｍｍ程度、ビーム長さが１２０ｍｍ程度
の、線状のレーザビームとなる（ビーム幅はエネルギー密度の半値幅とする）。
【０１４７】
当該線状レーザーの線幅方向のエネルギー密度の分布は疑似正規分布をなして
いた。
処理の目的により、線状レーザーの線幅方向の疑似正規分布のエネルギー密度
の分布が、不都合な場合、スリットを用いることにより、エネルギー密度分布を
矩形に近づけることも可能である。
この場合、該スリットは、シリンドリカルレンズＯよりも後方、例えば、シリ
ンドリカルレンズＤと、ミラーＱとの間に設置する。当該スリットの位置及びス
リット幅は必要に応じ決定する。
【０１４８】
一方、線状レーザービームの線方向の均質性を整えるため、シリンドリカルレ
ンズＰを用いる。
図１１にシリンドリカルレンズの作用を示す。
【０１４９】
図１１に示すように、当該シリンドリカルレンズ１１０３は、フライアイレン
ズ１１０２を構成する１つ１つのレンズを通ってきたレーザー光１１０１をそれ
ぞれ被照射面１１０４のほぼ同じ場所に到達させる役割を果たす。これにより、
レーザー光は被照射面上で均質に合成される。
【０１５０】
光学系は、本実施例に必要なビームに変形できればどの様なものでもよい。
例えば、図９のようなものに限らず、図１０に示すような、レンズＬ、Ｍを具
備しないものを用いることも有効である。
【０１５１】
図１２は、線状レーザービームを用いてレーザー照射する様子を示す。
図１２に示すように、線状のレーザビーム１２０１は、長さ１２０ｍｍ、幅１
ｍｍの集光されている。線状のレーザビーム１２０１は、該ビームの線方向と直
角方向を走査方向１２０３（図９においてはＴ方向）として走査しながら、基板
上の被照射物１２０２に照射される。
【０１５２】
該レーザーはパルスレーザーなので、該レーザーを発振させながら、該線状レ
ーザービームを被照射物に対して相対的に図１２中→（矢印）の走査方向１２０
３にずらしてゆくと、該パルスレーザーの１ショット１ショットが１方向にずれ
ながら重なり合い、その結果被照射物に均質なレーザーアニールをもたらす。
【０１５３】
このように、線状のレーザービームが被照射物に照射されるとき、ビームの長
さが、被照射物の幅よりも長ければ、被照射物を１方向に移動させることで、被
照射物全体に対して均質なレーザー照射を行うことができ、長方形等のスポット
形状のレーザービームを用いた場合に比較して、高い処理能力を有せしめること
ができる。
【０１５４】
一方、ビームの長さが被照射物の幅よりも短い場合でも、スポット形状のビー
ムと比較すると加工の手間はかからない。しかし、この場合、レーザービームを
、被照射物に対して、相対的に、前後左右に動かす必要が生じる。
【０１５５】
基板が載置されるステージは、コンピュータにより動作が制御されており、線
状レーザービームの線方向に対して、直角方向に動くように設計されている。
さらに、該ビームの線方向に対して動く機能をステージに付加しておくと、ビ
ームの長さが被照射物に対して短い場合でも、被照射物全体に対するレーザー加
工が可能となる。又、ステージの下は、ヒーターが内蔵されており、レーザー光
の照射時に被照射物を所定の温度に保つことができる。
【０１５６】
このレーザーアニール装置を用い、ガラス基板上に結晶性シリコンＴＦＴを作
製する。図１３に実施例における作製工程を示す。
【０１５７】
まず、ガラス基板１０１（本実施例では１００ｍｍ角のコーニング７０５９を
用いる）上に、厚さ２０００Åの下地酸化珪素膜１０２と、そのさらに上に厚さ
５００Åのアモルファスシリコン膜１０３を、プラズマＣＶＤ法により連続的に
成膜した。そして、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液をシリコン表面に塗布し、
スピンコート法により酢酸ニッケル層を形成した。このニッケルは、上記シリコ
ン膜の結晶化を促進する役割を果たす。酢酸ニッケル水溶液には界面活性剤を添
加するとよりよかった。酢酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状となっていると
は限らないが、以後の工程に於ける問題はない。（図１３（Ａ））
【０１５８】
そして、５５０℃で４時間熱アニールすることにより、シリコン膜を結晶化さ
せる。このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコン膜の結晶化を促
進させる。
５５０℃、４時間という低温（コーニング７０５９の歪み点温度以下）、短時
間で処理できるのはニッケルの機能による。詳細については特開平６ー２４４１
０４号公報に記されている。
【０１５９】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１×１０19原子／ｃｍ3 であると好ましかっ
た。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れて、
半導体特性が消滅してしまった。
本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で１×
１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 であった。なお、これらの値は、２次イオン質
量分析法（ＴＥＭ）により分析、測定したシリコン膜中の触媒元素の濃度の最小
値である。
【０１６０】
このようにして得られた結晶性シリコン膜の結晶性をさらに高めると同時に、
該膜中のニッケルの偏析を拡散させるために、大出力パルスレーザーであるエキ
シマレーザーを該膜に照射する。ビーム型は線状に加工されており、ビームサイ
ズは１×１２０ｍｍ2 とした。
【０１６１】
ガラス基板１０１をステージ上に置き、ステージをレーザービームに対して相
対的に動かすことにより照射を行った。本実施例ではレーザービームの照射位置
を固定し、該ステージを該レーザービームの線方向（長辺）に対し概略直角方向
（この方向が最も効率よくレーザー加工できる）に走査させることにより照射を
行う。
【０１６２】
レーザーのパルス数は３０／ｓパルスとし、ステージの速度を２ｍｍ／ｓとし
た。このとき、被照射物の１点に注目すると、１５ショットのレーザー光が照射
されている。このショット数を２〜２０の範囲にしておけば、レーザー照射後の
シリコン膜の均質性がよかった。また、レーザー照射時の基板温度は２００℃と
した。
【０１６３】
レーザーの照射方法は、２段階照射とした。レーザー照射効果の不均一性を緩
和するには、強いパルスレーザー光を照射する走査（以下本照射と呼ぶ）の前に
、それよりも弱いパルスレーザー光の予備的な照射をする走査（以下予備照射と
呼ぶ）を行うと均一性が向上する。
この効果は非常に高く、半導体デバイスの特性を著しく向上させる。つまり、
１回目の照射で膜に残っているアモルファス部分を結晶化して、さらに２回目の
照射では全体的な結晶化を促進させるのが、２段階照射の作用である。
【０１６４】
このように、ゆるやかに結晶化を促進させることで、線状レーザー照射によ
りシリコン膜上にでる縞状のむらをある程度抑えることができた。
なお、レーザーのエネルギー密度は１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 
の範囲で照射を行い、例えば１回目２２０ｍＪ／ｃｍ2 、２回目３６５ｍＪ／ｃ
ｍ2 で、照射を行った。
【０１６５】
本実施例では、結晶性触媒元素としてニッケルのみにふれたが、ニッケル、鉄
、コバルト、白金、パラジュウム等の元素のうち、少なくとも１つをニッケルの
代わりに用いても良い。（図１３（Ｂ））
【０１６６】
このようにして作製された結晶性シリコン膜を用いて薄膜トランジスタを作製
する。
まず、該結晶性シリコン膜をエッチングして、島状シリコン領域１０５を形成
した。次に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１２００Åの酸化珪素膜１０６をゲ
イト絶縁膜として堆積した。プラズマＣＶＤの原料ガスとしては、ＴＥＯＳと酸
素を用いた。成膜時の基板温度は２５０〜３８０℃、例えば、３００℃とした。
【０１６７】
引き続いてスパッタ法によって、厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００
Åのアルミニウム膜（０. １〜２％のシリコンを含む）を堆積した。そして、ア
ルミニウム膜をエッチングして、ゲイト電極１０７を形成した。（図１３（Ｃ）
）
【０１６８】
次に、イオンドーピング法によって、シリコン領域にゲイト電極をマスクとし
て不純物（ボロン）を注入した。ドーピングガスとして、水素で１〜１０％に希
釈されたジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）、例えば５％のものを用いた。加速電圧は６０〜
９０ｋＶ、例えば６５ｋＶ、ドーズ量は２×１０15〜５×１０15原子／cm2 、例
えば、３×１０15原子／cm2 とした。イオンドーピング時の基板温度は室温とし
た。この結果、Ｐ型の不純物領域１０８（ソース）、１０９（ドレイン）が形成
された。（図１３（Ｄ））
【０１６９】
そして、ドーピングされたボロンを活性化するために、前述したレーザーアニ
ール装置を用いて、同様なレーザーアニールを行なった。レーザーのエネルギー
密度は１００〜３５０ｍＪ／cm2 、例えば、２５０ｍＪ／cm2 とした。このとき
、被照射物の１点に注目すると、２〜２０ショットのレーザー光が照射されるよ
うにした。また、レーザー照射時の基板温度は２００℃とした。その後、窒素雰
囲気中で２時間、４５０℃の熱アニールを行った。本工程では、レーザーアニー
ルと熱アニールとの両方を行ったが、どちらか片方だけ行ってもよい。（図１３
（Ｅ））
【０１７０】
続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１０を層間絶縁物としてプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し、これにコンタクトホールを開孔した。そして、金属材料、
例えば、チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴのソース、ドレインの電
極・配線１１１、１１２を形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で２００〜３
５０℃の熱アニールを行なった。（図１３（Ｆ））
【０１７１】
このようにして作製されたＴＦＴは移動度が１００ cm2 / Vs 程度もしくはそ
れ以上と大変高く、例えば液晶ディスプレイのシフトレジスタのごとき高い移動
度を要求するものにも十分に対応できるものである。
また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命は、フライアイレンズが２
枚の構成に比較して、５〜１０％延ばすことができる。  
【実施例４】
【０１７２】
本実施例では、実施例３とは配置の異なる光学系を用い、さらに線状レーザー
ビームの線幅方向のエネルギー密度の分布を台形状として、結晶性シリコンＴＦ
Ｔを作製した例を示す。
【０１７３】
実施例３と同様に、図１３を用いて実施例の作製工程を示す。
まず、ガラス基板（ここでは３００ｍｍ角、厚さ０．７ｍｍのコーニング１７
３７を用いる。他に、コーニング７０５９、ＯＡ２、ＮＡ４５等を用いてもよい
）１０１上に、厚さ２０００Åの下地酸化珪素膜１０２と、そのさらに上に厚さ
５００Åのアモルファスシリコン膜１０３をプラズマＣＶＤ法により連続的に成
膜した。
【０１７４】
そして、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液をアモルファスシリコン膜１０３表
面に塗布し、スピンコート法により酢酸ニッケル層を形成した。酢酸ニッケル水
溶液には界面活性剤を添加するとよりよかった。酢酸ニッケル層は極めて薄いの
で、膜状となっているとは限らないが、以後の工程における問題はない。（図１
３（Ａ））
【０１７５】
そして、５５０℃で４時間熱アニールすることにより、アモルファスシリコン
膜を結晶化させる。このとき、ニッケルが結晶の核の役割を果たし、シリコン膜
の結晶化を促進させる。
５５０℃、４時間という低温（コーニング１７３７の歪み点温度以下）、短時
間で処理できるのは、ニッケルの機能による。
【０１７６】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１×１０19原子／ｃｍ3 であると好ましかっ
た。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度ではシリコンに金属的性質が表れて、
半導体特性が消滅してしまった。
【０１７７】
本実施例記載のシリコン膜中の触媒元素の濃度は、膜中における最小値で１×
１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 であった。なお、これらの値は、２次イオン質
量分析法（ＴＥＭ）により分析、測定したシリコン膜中の触媒元素の濃度の最小
値である。
【０１７８】
このようにして結晶性シリコン膜が得られる。
このとき、ガラス基板は、結晶性シリコン膜が設けられている面側に、凹型に
そっている。ここでは、ガラス基板の中心部と周辺部とにおいて、約３００μｍ
程度の高低差を有している。
【０１７９】
そりの程度は、ガラス基板の大きさや厚さ、種類により異なる。１００ｍｍ角
の基板であれば２０〜２００μｍ程度、５００ｍｍ角になると、１〜２ｍｍ程度
になることもある。
このようにして得られた結晶性シリコン膜の結晶性をさらに高めるために、大
出力パルスレーザーであるエキシマレーザーを該膜に照射する。
【０１８０】
ここでは、実施例３と同じく、図１に示すレーザーアニール装置を用いる。
なお、該レーザーアニール装置の、レーザービームのパルス毎のエネルギーの
バラツキは、３σで±３％以内に納まっている。
これよりバラツキの大きいパルスレーザーを用いても構わないが、１走査にお
けるレーザー照射工程全体のレーザービームの焦点深度が狭まってしまう。なお
、３σで±１０％以上のものは、本実施例には適していない。
【０１８１】
本実施例では、発振器として、ラムダフィジック社製３０００−３０８を用い
た。発振されるレーザー光は、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ、パ
ルス幅２６ｎｓｅｃ）である。もちろん、他の方式のパルス発振のレーザー光を
用いてもよい。
【０１８２】
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２cm2 程度の長方形であ
るが、該光学系によって、長さ１０〜３０cm、幅0.01〜0.3 cm程度の細長いビー
ム（線状ビーム）に加工される。
【０１８３】
発振されたレーザー光は、そのビーム形状の変形のために、図１０に示すよう
な光学系に導入される。図１０に、実施例におけるレーザーアニールを行うため
の光学系の例を示す。
レーザービームを線状レーザーに加工する光学系の内部の光路（図１０）の説
明をする。
【０１８４】
レーザー光源ｋから発振され、光学系に、入射したレーザー光は、まず、図８
に示す構造を有する複眼状のフライアイレンズｌを通過する。
さらに、第１のシリンドリカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズｍ、線
状化させるビームの線方向の均質性を良くするために設けられる第２のシリンド
リカルレンズとして、シリンドリカル凸レンズｎを通過し、ミラーｏを介して、
シリンドリカルレンズｐによって集束され、被照射物に照射される。
光路長は、レーザー光源からミラーｏまでの距離が、２０００ｍｍ、ミラーｏ
から被照射面までの距離は、４４０ｍｍを有する。
シリンドリカルレンズｐには、焦点距離が約１００ｍｍの物を用いる。
【０１８５】
レーザービームの線幅方向のエネルギー分布の形を、線幅の周辺部においてシ
ャープにするために、レーザー光路の途中にスリットを設ける。
スリットを設ける位置は、図１０においては、シリンドリカルレンズｍの後が
好ましく、例えば、シリンドリカルレンズｎと、ミラーｏとの間、あるいは、シ
リンドリカルレンズｐと被照射面との間等が好ましい。
【０１８６】
この光学系は、複眼状のフライアイレンズを一枚用いて、かつビームエキスパ
ンダも備えていないため、レーザービームのエネルギー効率の低下を防ぐには最
も適した構成の一つである。
もちろん、本実施例において、図９に示すようなビームエキスパンダーを備え
た構成を用いてもよい。
【０１８７】
本光学系を経たレーザービームは線状に整形され、被照射面でのビーム面積は
、３００ｍｍ×０．４ｍｍとする（ビームの線幅は、照射エネルギー分布におい
て、半値幅とする）。
本光学系を経たレーザー光のエネルギーは、最大で１０００ｍＪ／ショットで
ある。
光学系は、必要なビーム形状に変形できれば、どの様なものでもよい。
【０１８８】
レーザー照射は、図１２に示すように、線状レーザービームを被照射物に対
し相対的にずらしながら照射を行う。線状レーザーをずらしていく方向（基板の
移動方向）は線状レーザーと概略直角（図１０、ｒ方向）とする。
【０１８９】
次に、被照射面における線状レーザービームの、線幅方向におけるエネルギー
密度の分布を示す。
図４にレーザービームのエネルギー分布を示す。
本実施例においては、レーザービームの被照射面における線幅方向のエネルギ
ー分布を、スリットを用いて形成される、図４（ａ）に示す一般的な矩形のエネ
ルギー分布ではなく、図４（ｂ）に示す、台形状のエネルギー分布を用いる。
【０１９０】
被照射面における線幅方向のエネルギー分布が台形状のレーザービームは、矩
形のエネルギー分布のものに比較して、
１）焦点深度が広くなる。
２）１回の走査で、従来の２段階照射と同等な効果を与える。
という長所がある。
【０１９１】
一般的に使用されるレーザービームの線幅方向のエネルギー密度分布は、図４
（ａ）に示す、矩形である。
この、矩形状のレーザービームは、被照射面におけるエネルギー密度は高いが
、焦点深度が狭くなる傾向がある。
具体的には、焦点深度が±約２００μｍ以下となり、被照射面が凹凸やうねり
を有する場合において、前記した台形状のエネルギー分布を有するレーザービー
ムに比較して、結晶性が不均一になりやすい。こうして得られる結晶性シリコン
膜を用いて複数の薄膜トランジスタを形成した場合、各々のしきい値電圧（Ｖth
）が不均一となってしまう。
【０１９２】
一方、図４（ｂ）に示すエネルギー分布は、線状レーザービームの線幅方向に
おいて、不等式０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を共に満たす
ものである。
この台形状のエネルギー分布を有するレーザービームは、焦点深度が広くなる
。
具体的には、±約４００μｍ以内程度を有せしめることができ、エネルギー分
布が矩形のレーザービームに比較して、被照射面が凹凸やうねりを有する場合に
おいて、結晶性を均質にし、また、結晶化に十分なエネルギー密度をも与えうる
。
【０１９３】
他方、Ｌ２（Ｌ３）＞Ｌ１として、台形〜三角形状のエネルギー分布とすると
、焦点深度は±４００μｍより大きくとれるが、焦点調整は困難となり、またエ
ネルギー密度が小さくなるため、シリコン膜は結晶化が不十分となりやすく、所
望の移動度は得られないことがある。
【０１９４】
したがって、凹凸や、そり、ゆがみ、撓み等を有する基板等、高低差の激しい
被照射面に対して、線状レーザービームの照射をする場合において、線幅方向の
エネルギー分布を、広い焦点深度を有する、前述の不等式を満たす台形状のエネ
ルギー分布とすることにより、従来の矩形状のエネルギー分布を有するレーザー
ビームを用いた場合に比較して、被照射面に均一なエネルギーを与え、結果とし
て、均質な結晶性を有するシリコン膜を得ることができる。
【０１９５】
本実施例では、被照射面におけるレーザービームの、線幅方向のエネルギー密
度分布の形状を台形状にするために、レンズｐの位置を上下（図１０、ｓ方向）
に変化させる。
【０１９６】
被照射面をレンズｐに対して相対的に上下させる（図１０、ｓ方向）ことによ
っても、照射面上でのレーザービームのエネルギー分布の形状を、矩形に近いも
のから台形に近いものまで変形させることができる。
【０１９７】
ここでは、線状レーザービームの線幅方向のエネルギー密度の分布（エネルギ
ープロファイル）は、図４（ｂ）において、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２、Ｌ３＝０
．２５と、台形状の分布を有しており、不等式、０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．
５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１を満たしている。
【０１９８】
この台形状分布のすその広がりの程度は、レーザの光学系の最終レンズと被照
射面までの距離で変化する。レーザー処理中、被照射面（物）の高低により、レ
ーザーの光学系の最終レンズと被照射面までの距離が変化する。
それに伴い、レーザービームの台形状分布のすその広がりの程度が変化するが
、その変化の範囲が、不等式０．５Ｌ１≦Ｌ２≦Ｌ１、０．５Ｌ１≦Ｌ３≦Ｌ１
の範囲に入っていれば、焦点深度が適度に広がり、結果として均質なレーザー処
理が可能となる。
なお、ここでいうところの均質とは、レーザー照射された結晶性シリコン膜の
基板面内における移動度のバラツキが、±１０％以内に納まることを表す。
【０１９９】
ガラス基板１０１は、ステージ上に載置されており、ステージを２．５ｍｍ／
ｓ速度で移動させることによって照射が行われる。
レーザービームの照射条件は、レーザービームのエネルギー密度を１００〜５
００ｍＪ／ｃｍ2 、ここでは、４００ｍＪ／ｃｍ2 とし、パルス数を２００パル
ス／ｓとする。なお、ここでいうエネルギー密度とは、台形状のレーザービーム
のエネルギー分布の上底部分（最大値を有する部分）の密度を示す。
【０２００】
上述のような条件でレーザー照射を行うと、被照射面のある一点に着目した場
合、レーザー照射は３２段階照射になる。これは、１回のビームの通過に、０．
４秒かかるので、１回のビームの走査しながらの照射によって、一箇所には３２
パルスの照射が行われるからである。
レーザー照射は、３〜１００段階照射、好ましくは、１０〜４０段階照射が、
最もよい結晶性を有するシリコン膜が得られる。
【０２０１】
本実施例のように、台形状のエネルギー分布を有する線状レーザービームを、
基板に対して、レーザービームの線幅方向（線方向に対し直角）に相対的に移動
し、ビームを重ねながら照射した際、レーザービームのエネルギー分布に勾配が
あるために、被照射面のある一点に注目すると、最初に弱いレーザー光が照射さ
れ、徐々に強いレーザー光が照射され、やがて徐々に弱いレーザー光が照射され
、照射が終了した、という状況となる。
【０２０２】
図５に、台形状のエネルギー分布を有する線状レーザービームでレーザー照射
をする様子を示す。
図５において、レーザービーム照射の前半は、レーザーエネルギーが徐々に上
がっていき（Ａに注目）、後半では徐々に下がっていく（Ｂに注目）。
したがって、前記した台形状のエネルギー分布を有する線状レーザービームを
用いると、被照射領域に供給されるエネルギーの変化が、従来の矩形のエネルギ
ー分布を有する線状レーザービームを用いた場合に比較して、極めて緩やかにな
る。
【０２０３】
これにより、従来、エネルギー密度の弱いレーザー光を最初に照射し（予備照
射）、次にエネルギー密度の強いレーザー光ーを照射（本照射）して行われた、
２段階照射と同等な状況を実現できる。
結果として、レーザー照射されたシリコン膜において、急激な相変化の発生を
防ぎ、表面の荒れや、内部応力の蓄積を防いで、均一な結晶性を有せしめること
ができる。
【０２０４】
レーザービーム照射の際、基板温度は、５００℃に保たれている。これは、レ
ーザーによる基板表面温度の上昇と下降の速度を和らげ、被照射物の均一性の劣
化を抑えるためである。基板温度は、室温〜ガラス基板の歪み点までの間で、レ
ーザーアニールに適した温度を選ぶ。
また雰囲気制御はここでは特に行わず、大気中で行う。真空、アルゴン、ヘリ
ウム等の不活性ガス、水素、窒素等の雰囲気で行ってもよい。（図１３（Ｂ））
このようにして得られた結晶性シリコン膜は、ガラス基板がそりを有している
にも係わらず、均質な結晶性を有している。
【０２０５】
その後、実施例３と同様にしてＴＦＴを作製する。該作製工程において、不純
物イオン打ち込み後の結晶性回復工程においても、図１で示したレーザーアニー
ル装置を用いる。
このようにして、得られた複数のＴＦＴのしきい値電圧は、ガラス基板がそり
を有していたにもかかわらず、しきい値電圧の分布が、基板面内において±５％
と、極めて均一化される。一方、線状レーザービームの線幅方向のエネルギー分
布を、従来一般的な矩形とした場合、基板中央部分と周辺部において、ＴＦＴの
しきい値電圧が大きく異なり、基板面内において、しきい値の分布が±１５〜２
０％となってしまう。
また、レーザーアニール装置のレーザー光源の寿命は、フライアイレンズが２
枚の構成に比較して、５〜１０％延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０６】
【図１】実施例で使用するレーザーアニール装置の概念図。
【図２】光学系の例を示す図。
【図３】光学系の例を示す図。
【図４】レーザービームのエネルギー分布を示す図。
【図５】線状に加工されたレーザー光の線幅方向（走査される方向）におけるエネルギー密度の分布を示す図。
【図６】実施例の作製工程を示す図。
【図７】レーザービームのエネルギー分布と焦点深度の関係を概念的に示す図。
【図８】複眼状フライアイレンズの例を示す図。
【図９】実施例におけるレーザーアニールを行うための光学系の例を示す図。
【図１０】実施例におけるレーザーアニールを行うための光学系の例を示す図。
【図１１】シリンドリカルレンズの作用を示す図。
【図１２】線状レーザービームを用いてレーザー照射する様子を示す図。
【図１３】実施例における作製工程を示す図。
【図１４】従来のレーザーアニール装置の光学系の例を示す図。
【符号の説明】
【０２０７】
１０１  ガラス基板
１０２  下地酸化珪素膜
１０３  アモルファスシリコン膜
１０５  島状シリコン領域
１０６  酸化珪素膜
１０７  ゲイト電極
１０８  ソース
１０９  ドレイン
１１０  酸化珪素膜
１１１  ソース電極・配線
１１２  ドレイン電極・配線
６０１  ガラス基板
６０２  酸化珪素膜（下地膜）
６０３  非晶質珪素膜
６０４  活性層（非晶質珪素）
６０５  実質的な単結晶領域
６０６  活性層（実質的な単結晶珪素）
６０７  ゲイト絶縁膜
６０８  ゲイト電極
６０９  ソース領域
６１０  チャネル形成領域
６１１  ドレイン領域
６１２  層間絶縁膜
６１３  ソース電極
６１４  ドレイン電極
【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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