(57)【要約】【課題】溶融後の結晶の横方向成長を促進することができるとともにリッジ高さを低減することができるレーザ光照射装置および結晶成長方法を提供する。【解決手段】赤外光照射手段から照射される赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積をＳとし、結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの連続発振状態における赤外レーザ光のパワー密度をＰＤcwとしたとき、  １０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］の関係を満たすように、照射パラメータ調整手段が赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御するレーザ光照射装置である。また、上記の関係を満たすように赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方が制御されて赤外レーザ光が照射される結晶成長方法である。【選択図】図３
2009032814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外レーザ光を固体状態の被処理物に照射している間にパルスレーザ光を前記被処理物に照射することによって、パルスレーザ光の照射領域の被処理物の部分をその厚さ方向にわたって溶融した後に凝固させて結晶成長させるために用いられるレーザ光照射装置であって、
被処理物にパルスレーザ光を照射するためのパルスレーザ光照射手段と、
前記パルスレーザ光照射手段から照射されたパルスレーザ光の一部を遮光するためのマスクと、
被処理物に対して赤外レーザ光を照射するための赤外レーザ光照射手段と、
前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御するための照射パラメータ調整手段と、を備え、
前記マスクはスリットを有しており、
前記赤外光照射手段から照射される赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積をＳとし、
結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの連続発振状態における赤外レーザ光のパワー密度をＰＤcwとしたとき、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、前記照射パラメータ調整手段が前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光の前記パワーＰおよび前記パルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御することを特徴とする、レーザ光照射装置。
【請求項２】
パワーデータ格納部をさらに備え、
前記パワーデータ格納部は前記パワー密度をＰＤcwを少なくとも格納しており、
前記パワーデータ格納部に格納された前記パワー密度をＰＤcwに少なくとも基づいて、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、前記照射パラメータ調整手段が前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光の前記パワーＰおよび前記パルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項３】
パワー演算部をさらに備え、
前記パワー演算部は、前記パワー密度をＰＤcwおよび前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光の最大パワーＰmaxに基づいて、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐmax［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たす前記パルス幅ＰＷを算出し、
前記照射パラメータ調整手段は、前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーを前記最大パワーＰmaxに制御するとともに、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐmax［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように前記照射パラメータ調整手段が前記赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光の前記パルス幅ＰＷを制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ光照射装置。
【請求項４】
前記パルスレーザ光は、１回の照射あたりのエネルギ量が固体状態の被処理物をその厚さ方向にわたって溶融させるエネルギ量以上であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ光照射装置。
【請求項５】
前記被処理物はシリコンを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ光照射装置。
【請求項６】
前記パルスレーザ光はエキシマレーザ光であり、前記赤外レーザ光は炭酸ガスレーザ光であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ光照射装置。
【請求項７】
赤外レーザ光を固体状態の被処理物に照射している間にパルスレーザ光を前記被処理物に照射することによって、パルスレーザ光の照射領域の被処理物の部分をその厚さ方向にわたって溶融した後に凝固させて結晶成長させる結晶成長方法であって、
パルスレーザ光はマスクのスリットを通して被処理物に照射され、
赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積をＳとし、
結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの連続発振状態における赤外レーザ光のパワー密度をＰＤcwとしたとき、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御して赤外レーザ光が前記被処理物に照射されることを特徴とする、結晶成長方法。
【請求項８】
前記パルスレーザ光はエキシマレーザ光であり、前記赤外レーザ光は炭酸ガスレーザ光であることを特徴とする、請求項７に記載の結晶成長方法。
【請求項９】
前記被処理物は、非晶質シリコンであることを特徴とする、請求項７または８に記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光照射装置および結晶成長方法に関し、特に、溶融後の結晶の横方向成長を促進することができるとともにリッジ高さを低減することができるレーザ光照射装置および結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体デバイスの製造方法として、単結晶シリコンを用いる方法があるが、この製造方法の他にもガラス基板上にシリコン薄膜を形成したシリコン薄膜を用いる製造方法がある。ガラス基板上に形成したシリコン薄膜を用いることによって製造された半導体デバイスは、イメージセンサやアクティブマトリクス液晶表示装置の一部として用いられる。
【０００３】
ここで、液晶表示装置において、半導体デバイスは、透明な基板上に規則的なアレイとして配列されるＴＦＴ（Thin Film Transisitor；薄膜トランジスタ）として用いられている。そして、アクティブマトリクス液晶表示装置における各ＴＦＴは、それぞれ画素コントローラとして作用する。
【０００４】
従来、液晶表示装置におけるＴＦＴは非晶質シリコン薄膜により形成されていた。ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン薄膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン薄膜を用いて、ＴＦＴのスイッチング特性を増強し、表示速度を高速化したＴＦＴ液晶表示装置が製造されるようになってきている。ここで、多結晶シリコン薄膜を製造する方法として、たとえば、ガラス基板上に堆積している非晶質シリコン薄膜または微結晶シリコン薄膜にエキシマレーザ光を照射して結晶化（ＥＬＣ；Excimer Laser Crystallization）する方法（ＥＬＣ法）がある。
【０００５】
上記のＥＬＣ法は、ガラス基板上に堆積されている非晶質または微結晶のシリコン薄膜に対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状のレーザ光を連続的に照射する方法が一般的である。
【０００６】
このときレーザ光が照射された部分は、膜の厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の領域を残したまま溶融する。このため、シリコン薄膜の未溶融領域と溶融領域との界面全面の至るところに結晶核が発生し、シリコン薄膜の最表層に向かって結晶が成長する縦方向成長となり、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
【０００７】
多結晶シリコン薄膜の結晶粒界には不対電子が多数存在し、ポテンシャル障壁が形成されるため、多結晶シリコン薄膜の結晶粒界において電子がよく散乱される。したがって、結晶粒界が少ない、つまり結晶粒径が大きい多結晶シリコン薄膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電界効果による電子移動度が高くなる。
【０００８】
しかしながら、上述したように、従来のＥＬＣ法においては、大粒径の多結晶シリコン薄膜を得ることは難しいため、電界効果による電子移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。
【０００９】
さらに高性能な液晶表示装置を得るためには、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を大きくすることが必要である。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン薄膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされており、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術は、結晶の成長方向に方位が揃った結晶長の長い結晶が得られるため、特に注目を集めている。
【００１０】
上記のラテラル成長法の１つに、マスクのスリットを通過したパルスレーザ光をシリコン膜に照射し、その照射領域のシリコン薄膜の部分を厚さ方向の全域にわたって溶融した後に結晶成長させる工程を繰り返して結晶化を行う（ＳＬＳ；Sequential Lateral Solidification）方法がある（たとえば、特許文献１参照）。この方法は、微細幅のパルスレーザ光をシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜をパルスレーザ光の照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融させた後、凝固させることにより結晶化を行なうものである。
【００１１】
上記のＳＬＳ法は、たとえば図１０に示す構成のレーザ光照射装置を用いて行なうことができる。ここで、レーザ光源１１から出射したパルスレーザ光は、可変減衰器１２、ミラー７、８、フィールドレンズ１３、スリットを有するレーザ投影マスク１４、結像レンズ１５およびミラー９を通った後にステージ１６上の非晶質シリコン薄膜１０４に照射される。そして、コントローラ１７によってステージ１６を所定の距離だけ移動させた後に、コントローラ１７によってレーザ光源１１からパルスレーザ光が出射するように制御される。
【００１２】
ここで、非晶質シリコン薄膜１０４は、図１１に示すように、ガラス基板等の基板１０２上に、二酸化シリコン膜等の下地膜１０３を介して形成されている。
【００１３】
そして、非晶質シリコン薄膜１０４の延設方向（図中のＡＢ方向）に沿って結晶領域を形成するにあたり、非晶質シリコン薄膜１０４の領域Ｃに熱を誘導する。熱の誘導は、非晶質シリコン薄膜１０４の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、非晶質シリコン薄膜１０４に対し、パルスレーザ光を照射することにより行なわれる。
【００１４】
これにより、領域Ｃに照射されたパルスレーザ光１０５のエネルギが熱エネルギに変換され、非晶質シリコン薄膜１０４内の領域Ｃに熱を誘導することができるとともに、その厚さ方向の全域にわたって溶融することができる。次に、領域Ｃにて溶融している非晶質シリコン薄膜１０４を冷却することにより凝固させると、領域Ｃとそれ以外の領域との境界から、領域Ｃの中心に向かうようにして、結晶が成長する（第１の工程）。
【００１５】
図１２（ａ）に、第１の工程後の非晶質シリコン薄膜１０４の模式的な上面図を示す。ここで、パルスレーザ光１０５が照射されて溶融した領域Ｃとそれ以外の領域との境界から結晶４２が横方向（領域Ｃの中心方向）に成長する。
【００１６】
次に、図１０に示すステージ１６を移動させることによって、図１２（ｂ）に示すように、領域Ｃと一部重複して隣り合う領域Ｄを新たなパルスレーザ光の照射領域として設定する（第２の工程）。
【００１７】
続いて、パルスレーザ光を領域Ｄに照射して、領域Ｄにおける非晶質シリコン薄膜１０４を厚さ方向の全域にわたって溶融させた後に凝固させることによって、図１２（ｃ）に示すように、結晶４２が成長する（第３の工程）。
【００１８】
このような手順を繰り返すことによって、所望の結晶４２を非晶質シリコン膜１０４の延設方向に沿って段階的に成長し、図１２（ｄ）に示すように、多結晶構造の結晶領域を拡大することができる。
【００１９】
これにより、従来よりも大きな粒径の結晶で構成された多結晶シリコン薄膜を形成することができ、この結晶化領域内にＴＦＴのチャネル領域を配置することによって、従来よりも特性に優れたＴＦＴを作製することができる。
【００２０】
上記のＳＬＳ法によれば、上記の工程を繰り返すことで結晶粒を大きくすることが可能となるが、１回の照射あたりの結晶成長距離が短い場合には、所望の大きさの結晶を得るために、上記の第１〜第３の工程を繰り返す回数が増加するため、ＴＦＴの製造効率が低下する。また、所望の結晶成長距離が確実に得られない場合には、第１〜第３の工程を繰り返した結果、結晶長が不均一になってＴＦＴの特性にもばらつきが生じやすい。したがって、１回の照射あたりの結晶成長距離はできるだけ長いことが好ましい。
【００２１】
１回の照射あたりの結晶成長距離を長くするためには、エキシマレーザ光の照射時に、非晶質シリコン薄膜が溶融温度に達してから凝固温度に至るまでの溶融時間を長くすることが必要である。しかしながら、ＳＬＳ法では、溶融時間が長くないため、１回の照射あたりの結晶成長距離が短くなる。そこで、非晶質シリコン薄膜の溶融時間を延長し、結晶成長距離を伸ばす方法に関する研究開発がなされており、その１つとして、パルスレーザ光とは別の赤外レーザ光をパルスレーザ光と同時に照射する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【００２２】
特許文献２においては、基板上のシリコン薄膜をエキシマレーザ光により結晶化する際に炭酸ガスレーザ光を照射することにより、基板とシリコン薄膜との界面近傍の基板部分を選択的に加熱する。これにより、基板に反りや収縮を生じさせることなく、基板の所要部分のみを選択的に加熱し、シリコン薄膜を改質することができるものである。ここで、改質とは、非晶質シリコン薄膜から多結晶シリコン薄膜への結晶化、小粒径から大粒径のシリコン薄膜の結晶粒粗大化、結晶欠陥が多いシリコン薄膜から結晶欠陥が少ないシリコン薄膜への結晶欠陥低減等の処理が含まれる。また、特許文献２においては、照射時間が５０ｎｓｅｃから１００μｓｅｃに制御されるパルス発振の炭酸ガスレーザ光を使用することが記載されている。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【特許文献２】特許第３５８６５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ところで、スリットを有するマスクを通してエキシマレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射した場合には、その照射領域端部から照射領域中央部に向けて溶融後の結晶が横方向成長する。
【００２４】
このとき、非晶質シリコン薄膜が溶融温度に達してから凝固温度に至るまでの溶融時間が十分に長い場合には、横方向成長した結晶は照射領域中央部で衝突する。溶融時間が十分に長くない場合には、横方向成長した結晶が、照射領域中央部で衝突するよりも先に、照射領域中央部付近においてシリコン薄膜の表面に向かって縦方向成長してしまう。
【００２５】
縦方向成長結晶は横方向成長結晶に比べて結晶粒径が小さいため、縦方向成長結晶の領域に作製されたＴＦＴと、横方向成長結晶の領域に作製されたＴＦＴとでは、トランジスタ特性、特に電子移動度にばらつきが生じてしまう。
【００２６】
したがって、ＴＦＴ作製位置に起因するＴＦＴの特性のばらつきを生じさせないためには、溶融時間を十分に長くすることにより、横方向成長結晶を照射領域中央部で衝突させる必要がある。
【００２７】
また、スリットを有するマスクを通してエキシマレーザ光を照射した際に、その照射領域端部から照射領域中央部に向けて横方向成長した結晶が照射領域中央部で衝突すると、照射領域中央部付近のシリコン薄膜の表面に局所的にリッジ（突起）が形成される。このリッジが高いほど、リッジ上に形成されるゲート絶縁膜はそれ以外の箇所に比べて薄くなるため、リッジを含む領域に形成されたＴＦＴと、リッジを含まない領域に形成されたＴＦＴとでは、トランジスタ特性、特に閾値電圧にばらつきが生じる。したがって、ＴＦＴの作製位置によるＴＦＴの特性のばらつきを生じさせないためには、リッジの高さをなるべく低くすることも必要となる。
【００２８】
すなわち、ＳＬＳ法により結晶成長させた結晶を用いてＴＦＴを作製する場合には、溶融後の縦方向成長結晶の生成を抑制して横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突することと、横方向成長の結果に形成されるリッジの高さを低く保つことの双方を満たすことが重要になる。
【００２９】
本発明者らは、ＳＬＳ法において、エキシマレーザ光と併用して炭酸ガスレーザ光を照射する方法で、結晶化実験Ａを行なった。結晶化実験Ａにおいては、炭酸ガスレーザ光のパルス幅を５０ｎｓｅｃ〜１００μｓｅｃとし、エキシマレーザ光のエネルギ密度をエキシマレーザ光の単独照射で結晶成長距離が照射領域幅ＳＷ１の半値となるときの値とした。
【００３０】
上記の結晶化実験Ａの結果、炭酸ガスレーザ光の５０ｎｓｅｃ〜１００μｓｅｃのすべてのパルス幅において、横方向成長結晶は照射領域中央部で衝突したが、炭酸ガスレーザ光のパルス幅の増加に伴ってリッジの高さが高くなった。
【００３１】
次に、上記の照射領域幅をＳＷ１よりも広いＳＷ２に拡大し、エキシマレーザ光および炭酸ガスレーザ光の照射条件については結晶化実験Ａと同一として結晶化実験Ｂを行なった。その結果、炭酸ガスレーザ光のパルス幅５０ｎｓｅｃ〜１００μｓｅｃのすべてでリッジの高さは低くなったが、炭酸ガスレーザ光のパルス幅の減少に伴い、横方向成長結晶は照射領域中央部で衝突しなくなった。
【００３２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、溶融後の結晶の横方向成長を促進することができるとともにリッジ高さを低減することができるレーザ光照射装置および結晶成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、赤外レーザ光を固体状態の被処理物に照射している間にパルスレーザ光を被処理物に照射することによって、パルスレーザ光の照射領域の被処理物の部分をその厚さ方向にわたって溶融した後に凝固させて結晶成長させるために用いられるレーザ光照射装置であって、被処理物にパルスレーザ光を照射するためのパルスレーザ光照射手段と、パルスレーザ光照射手段から照射されたパルスレーザ光の一部を遮光するためのマスクと、被処理物に対して赤外レーザ光を照射するための赤外レーザ光照射手段と、赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御するための照射パラメータ調整手段と、を備え、マスクはスリットを有しており、赤外光照射手段から照射される赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積をＳとし、結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの連続発振状態における赤外レーザ光のパワー密度をＰＤcwとしたとき、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2（ワット／平方ミリメートル）］・Ｓ［ｍｍ2（平方ミリメートル）］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ（マイクロ秒）］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、照射パラメータ調整手段が赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御するレーザ光照射装置である。
【００３４】
ここで、本発明のレーザ光照射装置は、パワーデータ格納部をさらに備え、パワーデータ格納部はパワー密度をＰＤcwを少なくとも格納しており、パワーデータ格納部に格納されたパワー密度をＰＤcwに少なくとも基づいて、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、照射パラメータ調整手段が赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御することが好ましい。
【００３５】
また、本発明のレーザ光照射装置は、パワー演算部をさらに備え、パワー演算部は、パワー密度をＰＤcwおよび赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光の最大パワーＰmaxに基づいて、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐmax［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすパルス幅ＰＷを算出し、照射パラメータ調整手段は、赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパワーを最大パワーＰmaxに制御するとともに、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐmax［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように照射パラメータ調整手段が赤外レーザ光照射手段から照射される赤外レーザ光のパルス幅ＰＷを制御することが好ましい。
【００３６】
また、本発明のレーザ光照射装置において、パルスレーザ光は、１回の照射あたりのエネルギ量が固体状態の被処理物をその厚さ方向にわたって溶融させるエネルギ量以上であることが好ましい。
【００３７】
また、本発明のレーザ光照射装置において、被処理物はシリコンを含むことが好ましい。
【００３８】
また、本発明のレーザ光照射装置において、パルスレーザ光はエキシマレーザ光であり、赤外レーザ光は炭酸ガスレーザ光であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明は、赤外レーザ光を固体状態の被処理物に照射している間にパルスレーザ光を被処理物に照射することによって、パルスレーザ光の照射領域の被処理物の部分をその厚さ方向にわたって溶融した後に凝固させて結晶成長させる結晶成長方法であって、パルスレーザ光はマスクのスリットを通して被処理物に照射され、赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積をＳとし、結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの連続発振状態における赤外レーザ光のパワー密度をＰＤcwとしたとき、
１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］≦Ｐ［Ｗ］・ＰＷ0.24［μｓ］≦１．５・１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］・Ｓ［ｍｍ2］
の関係を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御して赤外レーザ光が被処理物に照射される結晶成長方法である。
【００４０】
また、本発明の結晶成長方法において、パルスレーザ光はエキシマレーザ光であり、赤外レーザ光は炭酸ガスレーザ光であることが好ましい。
【００４１】
また、本発明の結晶成長方法において、被処理物は、非晶質シリコンであることが好ましい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、溶融後の結晶の横方向成長を促進することができるとともにリッジ高さを低減することができるレーザ光照射装置および結晶成長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００４４】
図１に、本発明のレーザ光照射装置によってレーザ光が照射される被処理体の一例の模式的な断面図を示す。ここで、被処理体１は、基板２と、基板２上に形成された下地膜３と、下地膜３上に形成された非晶質半導体薄膜４とから構成されている。
【００４５】
ここで、基板２としては、たとえばガラス基板または石英基板等を用いることができる。なかでも、安価である点および大面積基板を容易に製造できる点から、基板２としてはガラス基板を用いることが好ましい。
【００４６】
また、下地膜３は、主として、レーザ光による非晶質半導体薄膜４の溶融、結晶化の際に、溶融した非晶質半導体薄膜４の熱による影響が基板２に及ばないようにするために形成される。さらに、下地膜３を形成することにより、基板２から非晶質半導体薄膜４への不純物の拡散を防止することもできる。下地膜３としては、たとえば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸窒化シリコン膜等を用いることができる。下地膜３は、たとえば、蒸着、イオンプレーティングまたはスパッタリング等により、たとえば１００〜３００ｎｍの厚さに形成することができる。
【００４７】
非晶質半導体薄膜３は、たとえば、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスト化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタリング等により形成することができる。非晶質半導体薄膜３としては、半導体特性を示すものであれば特に限定なく用いることができるが、結晶質半導体膜における結晶成長長さを長くすることにより種々の特性が顕著に向上する非晶質シリコン膜を用いることが好ましい。非晶質半導体薄膜３の材質は、シリコンからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウム等の他の元素を含んだシリコンを主成分とする材質を用いることもできる。
【００４８】
図２に、本発明のレーザ光照射装置の一例の模式的な構成を示す。このレーザ光照射装置は、パルスレーザ光発振器１１と、可変減衰器１２と、フィールドレンズ１３と、スリットを有するレーザ投影マスク１４と、結像レンズ１５と、ステージ１６と、コントローラ１７と、ミラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、赤外レーザ光発振器１９と、可変減衰器２０と、を有している。
【００４９】
ここで、パルスレーザ光発振器１１、赤外レーザ光発振器１９およびステージ１６はそれぞれコントローラ１７により制御されており、コントローラ１７は、パルスレーザ光発振器１１からのパルスレーザ光の照射タイミング、赤外レーザ光発振器１９からの赤外レーザ光の照射タイミングおよびステージ１６の位置等を制御している。すなわち、コントローラ１７によりステージ１６を移動することができるため、パルスレーザ光および赤外レーザ光の照射領域を移動することができる。
【００５０】
また、コントローラ１７は、赤外レーザ光発振器１９から照射される赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御することができる。
【００５１】
また、本発明のレーザ光照射装置は、図２には記載していないが、パルスレーザ光および赤外レーザ光を所望の寸法に整形するためのビーム整形光学系および／またはこれらのレーザ光を均一な強度で照射するためのビーム均一化光学系等を必要に応じて導入してもよい。また、結像レンズ１５は、レーザ投影マスク１４上の像をレーザ光照射装置の光学設計により決定される倍率で非晶質半導体薄膜４の表面上に結像させる。したがって、レーザ投影マスク１４のスリットと非晶質半導体薄膜４の表面上に照射される像とは相似となる。
【００５２】
ここで、パルスレーザ光発振器１１は、固体状態にある非晶質半導体薄膜３への吸収率が高い範囲の波長を有するパルスレーザ光を照射することができるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば紫外域（１ｎｍ以上４００ｎｍ以下）の波長を有するパルスレーザ光を照射できるものであることが好ましい。また、パルスレーザ光発振器１１から照射されるパルスレーザ光の１回の照射あたりのエネルギ量は、固体状態の非晶質半導体薄膜４の厚さ方向にわたって溶融させるエネルギ量以上である。たとえば、パルスレーザ光発振器１１から照射されるパルスレーザ光としては、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光を挙げることができる。
【００５３】
赤外レーザ光発振器１９は、固体状態にある下地膜３または基板２への吸収率が高い範囲の波長を有する赤外レーザ光を照射することができるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば赤外域（０．７６μｍ以上１ｍｍ以下）の波長を有する赤外レーザ光を照射できるものであることが好ましい。また、赤外レーザ光発振器１９から照射される赤外レーザ光の１回の照射あたりのエネルギ量は、固体状態の非晶質半導体薄膜４の厚さ方向にわたって溶融させるエネルギ量未満である。たとえば、赤外レーザ光発振器１９から照射される赤外レーザ光としては、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を挙げることができる。なお、赤外レーザ光発振器１９から照射される赤外レーザ光の照射条件の詳細については後述する。
【００５４】
また、パルスレーザ光および赤外レーザ光の非晶質半導体薄膜４への照射方向については特に限定されないが、たとえば、パルスレーザ光を非晶質半導体薄膜４の表面に対して垂直な方向から入射し、赤外レーザ光を非晶質半導体薄膜４の表面に対して斜めの方向から入射することができる。また、赤外レーザ光の非晶質半導体薄膜４の表面における照射領域は、パルスレーザ光の非晶質半導体薄膜４の表面における照射領域を包含するような照射領域であることが好ましい。
【００５５】
また、パルスレーザ光は、赤外レーザ光の照射が開始されてから赤外レーザ光の照射が終了するまでの間に照射される。パルスレーザ光と赤外レーザ光の照射タイミングをこのように設定することで、パルスレーザ光の照射によって溶融した溶融状態の非晶質半導体薄膜４が凝固するまでの時間を延長することができるため、パルスレーザ光のみの照射の場合と比べて、１回の照射あたりの結晶成長距離を大幅に増大させることができる。
【００５６】
また、レーザ投影マスク１４のパルスレーザ光の透過領域であるスリットの形状については特に限定されるものではないが、所定の幅を有する矩形状であることが好ましい。このようにスリットが矩形状に形成されていることで、スリットの幅方向に対応する非晶質半導体薄膜４の表面の照射領域端部から照射領域中央部の方向に一様に結晶成長するため、この方向に沿ってＴＦＴ等の半導体デバイスのチャネルを形成することで、非常に特性の高い半導体デバイスを作製することができる。
【００５７】
以上のような構成の本発明のレーザ光照射装置によって、赤外レーザ光発振器１９から照射された赤外レーザ光は可変減衰器２０を通ってミラー１０ｄで反射して非晶質半導体薄膜４の表面に照射される。そして、赤外レーザ光が非晶質半導体薄膜４の表面に照射されている状態で、パルスレーザ光発振器１１からパルスレーザ光が可変減衰器１２、ミラー１０ａ、ミラー１０ｂ、フィールドレンズ１３、レーザ投影マスク１４、結像レンズ１５およびミラー１０ｃを通って非晶質半導体薄膜４の表面に照射され、非晶質半導体薄膜４の表面の照射領域がその厚さ方向にわたって溶融する。パルスレーザ光の照射が完了した後、溶融した非晶質半導体薄膜４は、赤外レーザ光が非晶質半導体薄膜４の表面に照射されている状態で、凝固し始め、パルスレーザ光の照射領域端部から照射領域中央部の方向に結晶が横方向成長する。その後、赤外レーザ光の照射を終了させた後に、ステージ１６を移動して、パルスレーザ光の照射領域を１回前の照射領域と一部重複させて、再度、赤外レーザ光、パルスレーザ光の順にレーザ光が照射される。
【００５８】
上記のＳＬＳ法と同様に、パルスレーザ光の照射領域を一部重複させながら随時結晶化していくことで、結晶長の長い結晶を得ることができる。
【００５９】
ここで、本発明者らは、ステージ１６上に所定の被処理体（ガラス基板からなる基板２上に二酸化シリコンからなる下地膜３および非晶質シリコン薄膜からなる非晶質半導体薄膜４をこの順序で積層したもの）に対して、図２に示すレーザ光照射装置を用いてパルスレーザ光としてＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）を、赤外レーザ光として炭酸ガスレーザ光（波長１０．６μｍ）を照射し、非晶質シリコン薄膜からなる非晶質半導体薄膜４を溶融させた後に凝固することによって結晶成長を行なう以下の実験１〜実験３を行なった。
【００６０】
＜実験１＞
まず最初に、本発明者らは、非晶質半導体薄膜４の表面に、種々のパルス幅およびパワー密度に設定された赤外レーザ光を照射した後にパルスレーザ光を照射し、非晶質半導体薄膜４の溶融後の凝固による結晶成長においてパルスレーザ光の１回の照射あたりの結晶成長距離を測定して、その結晶成長距離がそれぞれ５μｍ、１０μｍおよび２０μｍとなるときの赤外レーザ光のパワー密度［Ｗ／ｍｍ2］およびパルス幅［μｓ］を求めた。その結果を図３に示す。
【００６１】
なお、図３においては、パルスレーザ光の１回の照射あたりの結晶成長距離がそれぞれ５μｍ、１０μｍおよび２０μｍとなるときの赤外レーザ光のパワー密度［Ｗ／ｍｍ2］とパルス幅［μｓ］との関係が示されており、結晶成長距離が５μｍとなるときを実線で、１０μｍとなるときを破線で、２０μｍとなるときを一点鎖線で示している。
【００６２】
なお、「パルス幅」は、赤外レーザ光が照射されている間にパルスレーザ光を照射することにより結晶成長を行なう方法において、赤外レーザ光の照射開始時刻からパルスレーザ光の照射開始時刻までの時間［μｓ］と定義される。
【００６３】
また、「結晶成長距離」は、パルスレーザ光および赤外レーザ光のそれぞれの１回の照射においてパルスレーザ光の照射領域端部の一方から照射領域中央部の方向に横方向成長した結晶の成長方向の結晶成長長さ［μｍ］である。
【００６４】
図３に示す結果を分析すると、所定の結晶成長距離を得るために必要な赤外レーザ光のパワー密度（Ｐ／Ｓ）［Ｗ／ｍｍ2］およびパルス幅ＰＷ［μｓ］は下記の式（１）の関係を満たし、下記の式（１）の関係は種々の結晶成長距離において成立することがわかった。
【００６５】
（Ｐ／Ｓ）［Ｗ／ｍｍ2］・ＰＷ0.24［μｓ］＝１０．７・ＰＤcw［Ｗ／ｍｍ2］＝ｋ  …（１）
ここで、パワーＰは、系の時定数未満のパルス幅ＰＷで赤外レーザ光を照射した際に、所定の結晶成長距離を得るために必要な赤外レーザ光のパワー［Ｗ］である。
【００６６】
また、Ｓは、結晶成長時に照射される赤外レーザ光の被処理物の表面における照射領域の面積［ｍｍ2］である。
【００６７】
また、パルス幅ＰＷは、系の時定数未満となるパルス幅［μｓ］のことである。
なお、本発明において、「系の時定数」とは、赤外レーザ光により被処理物の加熱が開始された時点から熱平衡状態（被処理物の温度が一定となる）に達する時点までの時間のことをいう。なお、「系の時定数」は、一般には２０ミリ秒未満である。
【００６８】
また、パルス幅ＰＷは、たとえば、コントローラ１７によって、パルスレーザ光発振器１１からのパルスレーザ光の照射タイミング（または照射開始時刻）および／または赤外レーザ光発振器１９の赤外レーザ光の照射タイミング（または照射開始時刻）をそれぞれ制御することで制御可能である。
【００６９】
また、ＰＤcwは、赤外レーザ光が照射されている間にパルスレーザ光を照射することにより結晶成長を行なう方法において、系の時定数以上のパルス幅となるように赤外レーザ光を連続発振状態で照射した際に、結晶成長距離がパルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の幅の半値となるときの赤外レーザ光のパワー密度［Ｗ／ｍｍ2］である。ＰＤcwは、たとえば、実施される結晶成長条件（パルスレーザ光、被処理物および結晶成長距離等のパルス幅以外の条件）に合わせた事前実験により結晶成長前に予め算出することができる。ここで、事前実験で用いられる赤外レーザ光は、結晶成長に用いられる赤外レーザ光と同一波長の赤外レーザ光となる。連続発振状態は、パルス幅の短いパルス状の赤外レーザ光を連続照射若しくはパルス幅が大きい赤外レーザ光を照射、またはこれらの照射を組み合わせた方法等により実施することができる。
【００７０】
また、上記の事前実験においては、パルスレーザ光は、結晶成長時に用いられるマスクのスリット幅よりも広いスリット幅を有するマスクのスリットを通して照射することができる。
【００７１】
なお、本発明において、パルスレーザ光が透過するマスクのスリットの幅は、被処理物の表面におけるレーザ光の照射領域の結晶成長方向（パルスレーザ光の照射により溶融し、凝固する際に結晶が成長する方向）の幅に対応しているが、マスクのスリットの幅とレーザ光の照射領域の結晶成長方向の幅とが同一の幅でなくてもよいことは言うまでもない。
【００７２】
また、ｋは、結晶成長距離に応じて異なる値をとる。具体的には、結晶成長距離が５μｍ、１０μｍおよび２０μｍとなるときのｋの値はそれぞれ２３７．８、２５８．６および２７８．５であり、これらの値に対応するＰＤcwの値はそれぞれ２２．２Ｗ／ｍｍ2、２４．２Ｗ／ｍｍ2および２６．０Ｗ／ｍｍ2である。
【００７３】
上記の式（１）は、パルス幅ＰＷが小さいほど、同一の結晶成長距離を得るために必要な赤外レーザ光のパワー密度（Ｐ／Ｓ）は大きくなることを示す。ここで、ＰＷと（Ｐ／Ｓ）との積であるエネルギ密度ＥＤを用いて、上記の式（１）を変形すると、下記の式（２）が得られる。
【００７４】
ＥＤ＝（Ｐ／Ｓ）・ＰＷ＝ｋ・ＰＷ0.76  …（２）
上記の式（２）からわかるように、ＰＷが小さい方が必要なエネルギ密度ＥＤが低下する。これは、上記で定義されるパルス幅が系の時定数未満である場合には、赤外レーザ光の照射による投入熱量に比べて放熱量が小さく、赤外レーザ光の照射による投入熱量に応じて被処理物の温度が上昇することを意味している。
【００７５】
また、上記の式（１）は、上記で定義されるパルス幅が系の時定数以上である場合には、ＰＤcwのみに依存することを示している。これは、パルス幅が系の時定数以上である場合には、赤外レーザ光の照射による投入熱量と放熱量とが平衡し、被処理物の温度が投入パワーに応じた温度になっていることを意味する。
【００７６】
ここで、（Ｐ／Ｓ）・ＰＷ0.24が１０．７・ＰＤcwよりも小さくなる条件の（Ｐ／Ｓ）とＰＷとの組み合わせで赤外レーザ光を照射した場合の結晶成長距離は、ＰＤcwで赤外レーザ光を照射した場合と比べて小さくなる。
【００７７】
したがって、ＰＤcwで照射した場合の結晶成長距離の２倍をパルスレーザ光の照射領域幅（パルスレーザ光の被処理物の表面における照射領域の結晶成長方向における長さ）としたとき、（Ｐ／Ｓ）・ＰＷ0.24が１０．７・ＰＤcwよりも小さい場合には、照射領域中央部に微結晶が生じ、照射領域端部から照射領域中央部に向けて横方向成長した結晶同士が照射領域中央部で衝突しない。よって、照射領域端部から照射領域中央部に向けて横方向成長した結晶同士を照射領域中央部で衝突させるためには、１０．７・ＰＤcw≦（Ｐ／Ｓ）・ＰＷ0.24の関係を満たす必要がある。
【００７８】
ところで、照射領域端部から照射領域中央部に向けて横方向成長した結晶同士が照射領域中央部で衝突した場合には、照射領域中央部付近の半導体薄膜の表面に局所的に高さが高いリッジ（突起）が形成される。このリッジの高さは結晶成長距離が大きいほど高くなる傾向にある。リッジが高いほど、リッジ上に形成されるゲート絶縁膜はリッジ以外の箇所に形成されたゲート絶縁膜と比べて薄くなるため、リッジを含む結晶化領域に形成されたＴＦＴと、リッジを含まない結晶化領域に形成されたＴＦＴとでは、トランジスタ特性、特に閾値電圧にばらつきが生じる。したがって、ＴＦＴの作製位置による特性のばらつきを生じさせないためには、特性に影響しない程度のリッジの高さになるように、結晶成長距離を制限する必要がある。
【００７９】
＜実験２＞
次に、本発明者らは、パルスレーザ光（ＸｅＣｌエキシマレーザ光）の照射領域幅がＳＷ（μｍ）となるスリットを有するレーザ投影マスク１４を用い、赤外レーザ光（炭酸ガスレーザ光）のパルス幅ＰＷを一定としたままその赤外レーザ光のパワー密度（Ｐ／Ｓ）を変化させることによって、上記の式（１）のｋの値を変化させたときの結晶成長距離とリッジ高さを測定した。その結果を図４に模式的に示す。
【００８０】
なお、図４において、（ａ）は結晶成長距離と赤外レーザ光のパワー密度との関係を示すグラフであり、（ｂ）はリッジ高さと赤外レーザ光のパワー密度との関係を示すグラフである。
【００８１】
図４（ａ）に示すように、まず、結晶成長距離に関して、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ１よりも小さい範囲においてはパワー密度の増加に伴って結晶成長距離も増加し、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ１以上の範囲においては横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突するため、結晶成長距離はＳＷ／２（μｍ）で一定となる。
【００８２】
次に、図４（ｂ）に示すように、リッジ高さに関して、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ２以下の範囲においてはパワー密度の増加に伴ってリッジ高さも緩やかに増加し、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ２よりも大きい範囲においてはリッジ高さの増加率が急増する。
【００８３】
図４に示す結果から、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ１よりも小さい場合には、パワー密度が不足し、横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突しないため、このような横方向成長結晶を用いて作製したＴＦＴの特性、特に電子移動度が低くなる。
【００８４】
また、赤外レーザ光のパワー密度がＰＤ２よりも大きい場合には、パワー密度が過剰に高く、リッジ高さが急激に高くなることから、少しのパワー密度の変化でリッジ高さがリッジ高さが大きく異なることになる。このような横方向成長結晶を用いて作製したＴＦＴの特性、特に閾値電圧のばらつきが増加する。
【００８５】
したがって、ＰＤ１以上ＰＤ２以下のパワー密度で赤外レーザ光が照射されることが好ましい。
【００８６】
ここで、ＰＤ１は、所定のパルス幅で横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突するために必要となるパワー密度、すなわち、上記の実験１の欄で述べた結晶成長距離が横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突する結晶成長距離であると考えた場合には、上記の式（１）の関係を満たすパワー密度（Ｐ／Ｓ）になると考えられる。
【００８７】
＜実験３＞
次に、本発明者らは、上記の実験２のＰＤ１とＰＤ２との関係を調査した。その結果を図５に示す。
【００８８】
具体的には、横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突する時点の赤外レーザ光のパワー密度ＰＤ（＝ＰＤ１）を見いだし、赤外レーザ光のパワー密度以外の条件を固定した状態で赤外レーザ光のパワー密度のみを順次増大させていき、リッジ高さの増加率が急増した時点のパワー密度ＰＤを見いだした。
【００８９】
図５に示す結果から、溶融後の結晶の横方向成長を促進するとともにリッジ高さを低減するためには、赤外レーザ光のパワー密度ＰＤ（＝Ｐ／Ｓ）は、ＰＤ１≦ＰＤ≦１．５ＰＤ１の関係を満たす必要があることが明らかとなり、この関係はパルスレーザ光の照射領域の幅ＳＷが異なる場合にも成立することが確認された。
【００９０】
したがって、以上の実験１〜３の結果から、溶融後の結晶の横方向成長を促進するとともにリッジ高さを低減するためには、下記の式（３）の関係が成立するようにＰＷおよび（Ｐ／Ｓ）を制御する必要があることが確認された。
【００９１】
１０．７・ＰＤcw≦（Ｐ／Ｓ）・ＰＷ0.24≦１．５・１０．７・ＰＤcw  …（３）
また、上記の式（３）を変形すると、下記の式（４）の関係が成立する。
【００９２】
１０．７・ＰＤcw・Ｓ≦Ｐ・ＰＷ0.24≦１．５・１０．７・ＰＤcw・Ｓ  …（４）
したがって、溶融後の結晶の横方向成長を促進するとともにリッジ高さを低減するためには、上記の式（４）の関係を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御すればよいと考えられる。
【００９３】
ここで、上述したように、パルス幅ＰＷが小さいほど、すなわち赤外レーザ光のパワー密度（Ｐ／Ｓ）が大きいほど、同一の結晶成長距離を得るために必要なエネルギ量が低下する。投入エネルギ量が小さいほどレーザ光の照射により非晶質半導体薄膜４に蓄積する熱量が小さくなる。この熱蓄積が過剰に大きくなると、非晶質半導体薄膜４に対して膜飛び等の損傷を与える。したがって、赤外レーザ光のパワー密度（Ｐ／Ｓ）としては、赤外レーザ光発振器１９から照射される赤外レーザ光の最大パワーＰmaxのパワー密度である最大パワー密度（Ｐmax／Ｓ）になることが好ましい。
【００９４】
また、事前実験により、ＳＷとＰＤcwとの関係を明らかにしておけば、上記の関係を元にして、ＳＷ、Ｓ、Ｐmaxに応じた適切なＰＷを設定することができる。
【００９５】
たとえば、図２に示す本発明のレーザ光照射装置が、ＳＷとＰＤcwとの関係から好適な値として導き出されたＰＤcwを少なくとも格納したパワーデータ格納部を備えている場合には、パワーデータ格納部にＳ、Ｐmax等を入力することによって、パワーデータ格納部に格納されたデータに基づいて適切なパルス幅ＰＷを自動的に設定することができる。
【００９６】
また、たとえば、図２に示す本発明のレーザ光照射装置が、ＰＤcwおよびＰmax等に基づいて、下記の式（５）の関係を満たすパルス幅ＰＷを演算するパワー演算部を備えている場合には、演算されたパルス幅ＰＷに基づいて、コントローラ１７が上記の式（３）または（４）を満たすようにパワーＰおよびパルス幅ＰＷの少なくとも一方を制御することができる。
【００９７】
この場合において、特に、パワーＰは赤外レーザ光の最大パワーＰmaxとなることが好ましいことから、上記の式（４）から下記の式（５）が導かれる。
【００９８】
１０．７・ＰＤcw・Ｓ≦Ｐmax・ＰＷ0.24≦１．５・１０．７・ＰＤcw・Ｓ  …（５）
図６に、上記の式（３）を基にして照射条件設定領域を図示したものを示す。赤外レーザ光（炭酸ガスレーザ光）のパワー密度（Ｐmax／Ｓ）とパルス幅ＰＷを照射条件設定下限６と照射条件設定上限７とで挟まれた斜線の範囲である照射条件設定領域５内の条件に設定した場合には、パルスレーザ光（ＸｅＣｌエキシマレーザ光）の照射領域幅がＳＷ（μｍ）となるスリット幅のスリットを有するレーザ投影マスク１４を用いたときに、横方向成長結晶が照射領域中央部（照射領域端部から（ＳＷ／２）μｍの距離の位置）で衝突するとともに、リッジ高さの低い横方向成長結晶が得られる。
【００９９】
以上の結果の検証のために、図２に示す構成のレーザ光照射装置を用い、パルスレーザ光（ＸｅＣｌエキシマレーザ光）の照射領域幅ＳＷが５μｍとなるスリット幅のスリットを有するレーザ投影マスク１４を用い、種々の条件でパルスレーザ光および赤外レーザ光（炭酸ガスレーザ光）を照射して、図１に示す被処理体（ガラス基板からなる基板２上に二酸化シリコンからなる下地膜３および非晶質シリコン薄膜からなる非晶質半導体薄膜４をこの順序で積層したもの）の非晶質半導体薄膜４の溶融および凝固による結晶成長を行なった。
【０１００】
まず、下記の式（６）を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの条件を設定して結晶成長を行なった。その結晶成長後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図を図７（ａ）に示し、図７（ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢに沿った模式的な断面図を図７（ｂ）に示す。なお、赤外レーザ光の非晶質半導体薄膜４の表面における照射領域の面積をＳとする。
【０１０１】
２３７．８・Ｓ≦Ｐ・ＰＷ0.24≦３５５．６・Ｓ  …（６）
この場合には、パルスレーザ光の照射領域端部から照射領域中央部に向かって成長した結晶４２は照射領域中央部で衝突しており、リッジ４１が形成されているが、この程度のリッジ４１の高さであれば、ＴＦＴ等の特性に影響をほとんど与えない。したがって、このような結晶４２を用いてＴＦＴを作製した場合には、優れた特性を得ることができる。
【０１０２】
次に、下記の式（７）を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの条件を設定して結晶成長を行なった。その結晶成長後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図を図８（ａ）に示し、図８（ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢに沿った模式的な断面図を図８（ｂ）に示す。なお、赤外レーザ光の非晶質半導体薄膜４の表面における照射領域の面積をＳとする。
【０１０３】
Ｐ・ＰＷ0.24＜２３７．８・Ｓ  …（７）
この場合には、パルスレーザ光の照射領域端部から照射領域中央部に向かって成長した結晶４２は照射領域中央部で衝突せず、縦方向成長結晶４３が発生するため、このような結晶４２を用いてＴＦＴを作製した場合には、上記の式（６）の関係を満たすようにして結晶成長を行なって作製した結晶を用いたＴＦＴと比べて、電子移動度の点において特性の悪いものしか得られない。
【０１０４】
最後に、下記の式（８）を満たすように、赤外レーザ光のパワーＰおよびパルス幅ＰＷの条件を設定して結晶成長を行なった。その結晶成長後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図を図９（ａ）に示し、図９（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢに沿った模式的な断面図を図９（ｂ）に示す。なお、赤外レーザ光の非晶質半導体薄膜４の表面における照射領域の面積をＳとする。
【０１０５】
Ｐ・ＰＷ0.24＞３５５．６・Ｓ  …（８）
この場合には、縦方向成長結晶４３は発生していないものの、パルスレーザ光の照射領域端部から照射領域中央部に向かって成長した結晶４２は照射領域中央部で衝突して形成されるリッジ４１の高さが非常に高くなるため、このような結晶４２を用いてＴＦＴを作製した場合には、上記の式（６）の関係を満たすようにして結晶成長を行なって作製した結晶を用いたＴＦＴと比べて、閾値電圧の点において特性の悪いものしか得られない。
【０１０６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明によれば、赤外レーザ光が照射されている間にパルスレーザ光を照射することにより結晶成長を行なう方法において、系の時定数以上のパルス幅で赤外レーザ光を連続発振状態で照射する事前実験で予め算出された赤外レーザ光のパワー密度ＰＤcwに基づいて系の時定数未満のパルス幅を採用した際に所望の結晶成長距離を得るために必要な赤外レーザ光のパワー密度を決定することができる。
【０１０８】
これにより、本発明によれば、溶融後の結晶の横方向成長を促進することができるとともにリッジ高さを低減することができるレーザ光照射装置および結晶成長方法を提供することができるため、本発明はＴＦＴ等の半導体デバイスの作製に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明のレーザ光照射装置によってレーザ光が照射される被処理体の一例の模式的な断面図である。
【図２】本発明のレーザ光照射装置の一例の模式的な構成図である。
【図３】パルスレーザ光の１回の照射あたりの結晶成長距離がそれぞれ５μｍ、１０μｍおよび２０μｍとなるときの赤外レーザ光のパワー密度（Ｗ／ｍｍ2）とパルス幅（μｓ）との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は結晶成長距離と赤外レーザ光のパワー密度との関係を示すグラフであり、（ｂ）はリッジ高さと赤外レーザ光のパワー密度との関係を示すグラフである。
【図５】横方向成長結晶が照射領域中央部で衝突する時点の赤外レーザ光のパワー密度とリッジ高さの増加率が急増した時点の赤外レーザ光のパワー密度との関係を示す図である。
【図６】式（３）を基にして作成された赤外レーザ光のパワー密度とパルス幅との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は式（６）を満たすように赤外レーザ光のパワー密度およびパルス幅の条件を設定して結晶成長を行なった後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢに沿った模式的な断面図である。
【図８】（ａ）は式（７）を満たすように赤外レーザ光のパワー密度およびパルス幅の条件を設定して結晶成長を行なった後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢに沿った模式的な断面図である。
【図９】（ａ）は式（８）を満たすように赤外レーザ光のパワー密度およびパルス幅の条件を設定して結晶成長を行なった後のシリコン薄膜の表面の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢに沿った模式的な断面図である。
【図１０】従来のレーザ光照射装置の模式的な構成図である。
【図１１】図１０に示す従来のレーザ光照射装置によってレーザ光が照射される被処理体の一例の模式的な断面図である。
【図１２】従来のＳＬＳ法を用いた結晶成長方法の一例を図解するための模式的な平面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  被処理体、２，１０２  基板、３，１０３  下地膜、４，１０４  非晶質半導体薄膜、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  ミラー、１１  パルスレーザ光発振器、１２，２０  可変減衰器、１３  フィールドレンズ、１４  レーザ投影マスク、１５  結像レンズ、１６  ステージ、１７  コントローラ、１９  赤外レーザ光発振器、４１  リッジ、４２  結晶、４３  縦方向成長結晶、１０５  パルスレーザ光。
【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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【図１１】
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【図１２】
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