JPH0897141A - 多結晶半導体層の形成方法、多結晶半導体ｔｆｔ、及びビームアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高特性の多結晶半導体層を得る。 【構成】連続発振Ａｒイオンレーザ光の収束レーザビー
ム６０Ｃを１０００ｎｍの膜厚、炭素含有度（原子密
度）を５×１０¹⁸ｃｍ以下とした非晶質シリコン薄膜に
照射し、その照射面におけるビームスポットの滞留時間
Ｔ₆₀を３〜５μｓとし、さらにビームスポットの走査方
向の長さ１を５０〜１００μｍとしたことを特徴とする
多結晶半導体薄膜の形成方法。 【効果】高速ビームアニール法において、電気的特性と
しては少なくとも２５ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ以上の高移動
度が得られ、また均一な多結晶半導体層のストライプが
得られＴＦＴによって駆動される大型の液晶表示装置を
容易に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクティブマトリクス
表示素子等に用いられる薄膜トランジスタ（以下、ＴＦ
Ｔと呼ぶ）の半導体チャネルに用いる多結晶半導体層の
形成方法に関する。特に、高速ビームアニール法による
多結晶半導体層の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より多結晶半導体層の形成工程にビ
ームアニール技術が用いられている。しかし、そのほと
んどは半導体薄膜の溶融再結晶（例えば特開昭６２−２
０３８１６号公報参照）あるいは実質的には熱処理であ
る。この場合には、ビーム照射により誘起される熱現象
は、被照射体上でのビームスポットの走査速度にあまり
依存しない。

【０００３】また、被照射体である非晶質半導体薄膜を
巨視的にはほとんど温度上昇させず、かつ溶融せずに多
結晶化せしめる方法がある。原理的には非晶質半導体薄
膜に特有な光誘起構造変化及び固相での結晶化及びこの
際の結晶化熱の発生などの現象によって多結晶化が起こ
る。溶融再結晶に対して爆発的結晶化法（エクスプロー
シブ クリスタリゼーション）、あるいは固相転移によ
る再結晶化法などとも呼ばれている。

【０００４】さらに、高エネルギーのビームスポットを
高速走査して、被照射体である非晶質半導体薄膜を短時
間で効率よく、ほぼ均一に多結晶化せしめる方法があ
る。これが高速ビームアニール法（以下、ＨＳＢＡと呼
ぶ）である。実質的にほぼ室温付近で非晶質半導体薄膜
を多結晶化せしめることができる。例えば、１０〜５０
０ｎｍの膜厚の水素化アモルファスシリコン膜を多結晶
シリコン化し、ＴＦＴの能動層などに用いることができ
る。

【０００５】ＨＳＢＡにおいては用いるレーザ光源やレ
ーザ光の通過する光学系に由来するビームスポットのエ
ネルギー分布安定性、及びビームスポットの走査精度、
ビームアニール装置の機械的精度など等、種々のパラメ
ータが存在する。照射面における線走査速度としては他
の条件との関係もあるがおよそ１〜４０ｍ／ｓ程度の範
囲で可能である。なお、１ｍ／ｓを下回るような線走査
速度（数１０ｃｍ／ｓのオーダー）は境界領域となる
が、実質的にはほぼ溶融再結晶によるアニールモードと
同等になると考えられる。

【０００６】多結晶化プロセスを達成するＨＳＢＡで
は、その主たる要素としてビームスポットの走査速度Ｖ
［ｍ／ｓ］とレーザ光源のレーザ出力Ｐ［Ｗ］とがあ
る。走査速度Ｖを横軸に、レーザ出力Ｐを縦軸にすると
二本のほぼ直線に囲まれた領域が存在する。これが上述
したような爆発的結晶化法によって多結晶化が行われる
特殊な領域である。これを図１５に模式的に示す。レー
ザ出力が不足しているか、走査速度Ｖが高すぎる場合に
は、好ましい多結晶化の現象が起こらない。この爆発的
結晶化法による多結晶化のプロセスは極めて短い時間に
非晶質物質が結晶化温度に達して行われるものである。

【０００７】図１５に示すように非晶質半導体薄膜にレ
ーザビームを照射し、レーザ出力Ｐを上げるか走査速度
Ｖを低くすると何も起こらない第１の境界２０１を越
え、固相転移による多結晶化が起こり（爆発的結晶化）
多結晶半導体が形成される。さらに、レーザ出力を上げ
ると第２の境界２０２を越えて半導体薄膜の溶融現象が
起きたり、半導体薄膜の荒れが起こる。第１の境界２０
１と第２の境界２０２との間を多結晶化領域２００と呼
ぶ。従来のＨＳＢＡにおいて、線走査速度として例えば
１１〜２０ｍ／ｓの範囲が用いられている。

【０００８】従来例１として特開昭６２−１０４１１７
号公報を説明する。この従来例１に記載された発明では
膜厚１０〜４００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を１．２〜
４０ｍ／ｓの線走査速度でガラス基板上のアモルファス
シリコン薄膜の多結晶化を良好に行うことができると記
載している。

【０００９】また、従来例２として特開平４−２２６０
３９号、従来例３として特開平４−２２６０４０号公報
を説明する。これらの従来例に記載された発明では、ビ
ームスポット径＝５０μｍとし、１３ｍ／ｓの線走査速
度で、ガラス基板上の膜厚１００、又は２００ｎｍの非
晶質シリコン薄膜に対して多結晶化を室温付近で良好に
行うことができるとしている。この際のレーザ出力とし
ては、６Ｗ、８Ｗ、１０Ｗが用いられている。

【００１０】また、従来例４として特開平６−１６３４
０１号、従来例５として特開平６−９７０７３号公報を
説明する。これらの従来例に記載された発明では、ビー
ムスポット径＝５０μｍとし、膜厚１００ｎｍの非晶質
シリコン薄膜に対して１１ｍ／ｓ、又は１３ｍ／ｓの線
走査速度でＨＳＢＡを行っている。この際のレーザ出力
としては、８Ｗ、１０Ｗ、１３Ｗが用いられている。ま
た、全体の工程をほぼ４５０℃以内で処理することが可
能であると記載している。

【００１１】また、参考例１として特願平５−２０８３
９５号を説明する。この参考例１に記載されたビームア
ニール装置の発明において、レーザビームを光学系のレ
ンズで絞ることで、走査方向におけるビームスポットの
走査方向長と、その直交方向におけるビームスポット幅
との比率を可変できるように設けられている。例えば、
走査方向の長さを７０μｍ、直交する幅方向の長さを９
０μｍとした楕円形状にする。そして、およそ走査方向
の長さが７０〜１３０μｍ程度のビームスポットをビー
ムスポットの走査方向長×１０００００／秒以上の線走
査速度（例えば、１３〜２２ｍ／ｓ）で高速に走査する
ことにより高い生産性を実現できるとしている。

【００１２】上記の従来例１〜５及び参考例１における
ビームスポット径は、レーザ技術で一般に用いられてい
るＳ_13.5を示している。このＳ_13.5はレーザ光のピーク
光強度の１／ｅ² ≒１３．５％となる径のことである。
一般にレーザビームのビームスポットはその断面が円形
又は楕円形状を有している。ここで述べるレーザビーム
の径とは照射方向に対する所定の垂直断面における一方
の端から端までの長さである。実際にはビームスポット
の形状は崩れたり、変形し得るがその場合は実効的な長
さであればよい。

【００１３】このＨＳＢＡにおいては、その線走査速度
の値によって多結晶化された帯状の多結晶半導体層層の
平面形状や表面凹凸の様相がかなり変化することがあ
る。そのため、大画面かつ高精細の画像表示装置用の高
性能のＴＦＴを安定して製造するためには走査速度を精
密に制御することが求められる。上記の参考例１では、
ビームスポット径×１０００００／秒以上の速度で走査
することにより比較的良好な多結晶半導体層層を生産性
よく得ることができた。そして、一定の性能を有する液
晶表示素子のＴＦＴに形成して用いることができた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】近年、アクティブマト
リクス液晶表示素子などが広く普及し、さらに大画面
化、高精細化、高密度表示化、及び良好な視認性など、
高度の性能仕様がさらに求められるようになってきた。
そして、それとともにＴＦＴに求められる特性基準は厳
しくなり、その均一性もより高いものが求められるよう
になった。従来のＨＳＢＡにおいても一定の水準の電気
的特性を得ることができたが、依然として若干の特性ば
らつきが存在していた。このばらつきの大部分はＴＦＴ
の多結晶半導体チャネルに起因する。

【００１５】つまり、ＴＦＴではビームアニールによっ
て形成された多結晶半導体層がトランジスタの動作電流
を制御する領域となっている。そのため多結晶半導体層
の膜質や移動度などがＴＦＴの電気的特性に直接に影響
することになる。その現象について考察したところ多結
晶半導体層のビームアニール走査方向と直角方向にＴＦ
Ｔ特性の分布があることがわかった。

【００１６】非晶質半導体薄膜を従来のＨＳＢＡで多結
晶化せしめた場合における欠陥発生の一例を図１０
（ａ）に示す。Ｌが走査方向でＤが直交する幅方向であ
る。ビームアニールで得られた帯状の多結晶半導体層を
本発明ではストライプと呼ぶ。その膜質を調べるため
に、ヒドラジン水溶液による表面エッチング処理を行
い、その後ストライプ１０の表面を光学顕微鏡で観察し
たところ同図に示すように、ＴＦＴを形成しようとする
多結晶半導体層の面内の一部に縞状の欠陥（縞状模様１
１Ａ）が生じていることがあった。この欠陥は表面エッ
チング処理前では観察できなかった。

【００１７】また、電気的特性を調べてみると、形成さ
れたストライプ１０のビームアニール走査方向と垂直な
ストライプの幅方向ＤにＴＦＴ特性の分布があることが
判明した。

【００１８】このようなストライプ１０を用いて形成し
たＮチャネルＴＦＴにおいて、その幅方向Ｄにおける移
動度の分布特性の一例を図４に示す。ＰチャネルＴＦＴ
でもＮチャネルに比較すると相対的に移動度の値は低い
が同様の傾向を示す。図４の移動度の分布３０は、およ
そ１０〜３０［ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ］の間で大きく変化
している。

【００１９】このように移動度が変化するとそれに応じ
てＴＦＴの特性も大きく変動してしまう。そして、ＴＦ
Ｔによって駆動される画素の表示品位に大きく影響す
る。これに対して、一定の均一なＴＦＴ特性を有してい
れば、仕様上求められる画素数や表示性能にもよるが駆
動回路一体型のアクティブマトリクス表示素子を構成す
ることができるようになる。

【００２０】つまり、移動度が少なくとも２５［ｃｍ²
／Ｖ・ｓｅｃ］以上かつ、ほぼ均一であれば、液晶表示
装置などにおいて周辺駆動回路などを小さい回路面積の
中で同一基板上に画素領域と一体に形成して設けること
が可能となる。表１に各種の多結晶シリコンの形成方法
で得られる移動度の値を示す。なお、溶融再結晶及びそ
れに準ずるような条件で行ったビームアニールでは高温
処理での多結晶シリコンとほぼ同等の高い移動度が得ら
れることが知られている。

【００２１】

【表１】

【００２２】さらに、一般的なＴＦＴの構造について説
明する。ＴＦＴの断面構造図の一例を図１４に示す。こ
こで、ガラス基板１０１、Ｃｒなどを用いた遮光膜１０
２、ＳｉＯ₂ の絶縁膜１０３、多結晶シリコン半導体層
を用いた半導体チャネル１１０Ｃ、ドレイン領域１１０
Ｄ、ソース領域１１０Ｓ、ゲート絶縁膜１１３、ゲート
電極１１４、ドレイン電極１１２、ＩＴＯなどの透明画
素電極１２０、ソース電極１１１、表面絶縁膜１１５ｂ
などから構成されている。

【００２３】以上のようなトップゲート型のＴＦＴ構造
を有している。なお、本発明のＨＳＢＡによる多結晶半
導体の形成方法ではＴＦＴの下部構造に遮光膜１０２が
設けられていても可能である。その場合には、遮光膜１
０２に対して位置合わせを行った上でビームアニールを
行う。次に、ＴＦＴが画素を駆動する際の駆動能力を実
質的に決める大きな要素である移動度について説明す
る。一般的に、ＴＦＴの移動度は次の式（１）、（２）
によって示される。

【００２４】

【数１】 Ｖ_D ＜＜Ｖ_G −Ｖ_T ……………………………………………………（１） Ｉ_D ＝（Ｗ_T ／Ｌ_T ）・μ_FE ・Ｃ_OX・Ｖ_D ・（Ｖ_G −Ｖ_T ） ……（２）

【００２５】この式（１）、（２）で、本発明における
移動度を算出している。ここで、Ｗ_T ／Ｌ_T ＝４／２５
（μｍ／μｍ）、Ｃ_OX＝３．０×１０^-4［Ｆ／ｍ² ］と
した。そしてＶ_D ＝０．２［Ｖ］、Ｖ_G ＝１０〜１５
［Ｖ］の傾きから移動度μ_FEを算出した。また、実際に
形成したＴＦＴはリーク電流低減のためにオフセットゲ
ート構造をとっているために、オン電流は式（１）、
（２）で表される値よりも低くなり、移動度μ_TFT の値
は低めに算出されるが、その効果の比較的小さいチャネ
ル長Ｌ_T の大きなＴＦＴを用いて評価した。

【００２６】以上、説明したように高性能のＴＦＴを得
るために効率よく良好な多結晶半導体層を得る形成方法
が望まれていた。また、より安定してＨＳＢＡを行うた
めにはビームアニール装置の光学系の配置、及び調整の
高精度化とＨＳＢＡ時におけるビームスポットのエネル
ギー分布の精密計測手段が求められていた。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した問題
点を解決するものであり、すなわち、連続発振レーザ光
のビームスポットを、シリコンを主成分とする非晶質半
導体薄膜に走査しながら照射し、ビームアニールによっ
て非晶質半導体薄膜の多結晶化を行う多結晶半導体層の
形成方法であって、非晶質半導体薄膜の膜厚を５０〜２
５０ｎｍとし、非晶質半導体薄膜の炭素含有度（密度）
を５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とし、ビームスポットを照射す
る非晶質半導体薄膜上で、ピーク光強度の６０％以上の
光強度を有するビームスポットＳ₆₀の走査方向における
滞留時間Ｔ₆₀を３〜５μｓとすることを特徴とする多結
晶半導体層の形成方法を提供する。これを本願の第１の
発明と呼ぶ。

【００２８】本発明において、滞留時間とはビームスポ
ットの走査方向において照射が行われる時間を意味す
る。つまり、実質的には走査方向におけるスポットサイ
ズの長さＢＳ_L に等しい長さを走査によって通過するの
に要する時間となる。ビームスポットが不規則な形状を
有している場合には、その走査方向において実効的に寄
与する最大長をもってビームスポットの長さＢＳ_L とす
る。

【００２９】通常のレーザ光源を用いた場合、そのビー
ムスポットは円形もしくは楕円形状となる。その場合、
直径又は長径で表すことができる。あるいは、光学プリ
ズムやスリットなどを用いて積極的に照射面におけるビ
ームスポットを制御する場合、その実効的な面積又は形
状は所望の大きさそのものとなる。

【００３０】ただし、スリットの開口部が狭い場合に
は、回折が起こって照射されるビームスポットの形状が
乱れることがある。そのため本発明においてはスリット
を用いずに、主に光学系（ビームエキスパンダと収束レ
ンズ及びこれらと同等の機能を有する光学的手段）を用
いてビームスポットを制御する。

【００３１】なお、上記の第１の発明において、ＨＳＢ
Ａを行う際の環境温度はほぼ室温である。さらに、非晶
質薄膜を加熱することが考えられるがその場合はそれに
応じて条件を適合せしめればよい。ただし、基本的に本
発明はビームスポットのエネルギーのみで多結晶化を行
うことができる。例えば、非晶質半導体（基板全体）を
１００℃程度に熱すると周囲の大気が熱せられてビーム
スポットの光路が揺らぐのでかえってマイナス要因をも
たらすことになる。また、真空中や不活性ガス中でビー
ムアニールを行うことも可能であるが、実用的には大気
中かつ室温付近で行うことが好ましい。

【００３２】また、上記の第１の発明において非晶質半
導体薄膜は一定の厚さであることが必要であるが、２０
０ｎｍ以内とすると膜の厚み方向により均質な多結晶半
導体層が得られやすい。さらに、膜厚を７５〜１５０ｎ
ｍとすると非晶質半導体薄膜をより安定して形成するこ
とができる。

【００３３】また、上記の第１の発明において、用いる
非晶質半導体薄膜が微結晶を含有しないことを特徴とす
る多結晶半導体層の形成方法を提供する。ここで、微結
晶を含有しないとは非晶質半導体中に、部分的にも結晶
性の領域がほとんど存在していないことを意味する。本
発明においては、用いる非晶質半導体薄膜が微結晶をほ
とんど含まないことがより好ましい。

【００３４】半導体薄膜の結晶性はラマン散乱分光又は
Ｘ線回折分析によって測定することが可能である。これ
らの測定によって、結晶性を示すピークがないことが好
ましい。言い換えれば、ビームアニールの対象物である
非晶質半導体薄膜の非晶質構造の乱れが少なくほぼ均一
な非晶質性を有していることが良好な多結晶化をもたら
す。これを本願の第２の発明と呼ぶ。

【００３５】図１７に結晶性についてＸ線回折パターン
の測定結果の一例を示す。横軸が回折角度２θ、縦軸が
カウント数である。非晶質半導体薄膜中に微結晶が含ま
れていると面指数３．１３５７などのシリコン特有の結
晶性ピークが現れる。微結晶の大きさや分布の程度によ
って、結晶性ピーク位置やその半値幅が変わるが微結晶
の有無は確実に検証することができる。本発明において
は、ピークのない単調な変化を示す曲線３０１の非晶質
半導体薄膜からより高品質の多結晶半導体層を得ること
ができる。

【００３６】また、本願の上記の第１の発明又は第２の
発明によって形成された多結晶半導体層は水素含有量が
多く、およそ０．３ａｔｏｍ％以上である。これに対し
て、高温多結晶シリコンでは水素化処理後でもおよそ
０．１ａｔｏｍ％以下となる。言い換えれば本発明で
は、一定の水素含有量を有する多結晶シリコンを能動層
に用いた多結晶半導体ＴＦＴを提供する。表２にプロセ
ス毎の水素含有量のデータを示す。なお、得られる膜質
は表２のＡ、ＢよりＣが若干好ましい。プロセスの温度
履歴の点からはＡが好ましい。

【００３７】

【表２】

【００３８】また、上記の第１又は第２の本発明におい
て、ビームスポットＳ₆₀の走査方向における長さＢＳ_L
を５０〜１００μｍとすることを特徴とする多結晶半導
体層の形成方法を提供する。通常のレーザ光源を用い
て、高い制御性とエネルギー効率で多結晶化を実現する
ことができる。これを本願の第３の発明と呼ぶ。

【００３９】また、上記の第１〜第３の発明において、
用いるビームスポットＳ₆₀のエネルギー分布が楕円形状
であって、走査方向に短径を有していることを特徴とす
る多結晶半導体層の形成方法を提供する。これを本願の
第４の発明と呼ぶ。

【００４０】つまり、これはビームスポットの照射面に
おける形状を楕円とすることを特徴としている。また、
この第４の発明において楕円のアスペクト比Ｚ（長径Ｘ
対短径Ｙの比、Ｚ＝Ｘ／Ｙ）を１．１〜２の範囲とする
ことが好ましい。得られる多結晶半導体層のストライプ
の幅とレーザ光のエネルギー（レーザ出力）とを実用上
好ましい範囲で調整し得る。本発明はほぼ円形のビーム
スポットを用いることもできるが走査速度の範囲とビー
ムスポット形状の調整を合わせて行うことがさらに実際
の量産時での実用性を飛躍的に高めることになる。

【００４１】この場合、実用的には走査方向に垂直な幅
方向Ｄでの長さＢＳ_D を３０〜２００μｍとする。あく
までも得ようとする多結晶半導体相のストライプの幅と
の関係から一定の範囲にあることが好ましい。このよう
な場合、ピーク光強度の６０％以上となるスポット面積
は２３５０〜５５００μｍ² とすることが好ましい。以
上、説明したようにビームスポットの形状を精密に制御
して多結晶半導体層の形成を行い得る発明を本願の第５
の発明と呼ぶ。

【００４２】また、上記の第１〜５のいずれか一つの発
明（多結晶半導体層の形成方法）によって形成した多結
晶半導体層を用いてＴＦＴの半導体チャネルを形成した
ことを特徴とする多結晶半導体ＴＦＴを提供する。これ
を本願の第６の発明と呼ぶ。全工程をほぼ５００℃以
下、さらに好ましくは４５０℃以下とした低温プロセス
による多結晶半導体ＴＦＴアレー基板の製造を行うこと
ができる。このようにして、軟化点が低い安価な低膨張
性のガラス基板（例えば、コーニング７０５９など）を
用いた高スループットの生産が可能となる。

【００４３】また、連続発振レーザ光源から発したレー
ザ光が走査手段と収束手段とを備えた光学系に導かれ、
光学系を通過せしめられ、レーザ光のビームスポットが
半導体薄膜に走査しながら照射せしめられ、半導体薄膜
のビームアニールによる結晶性の改良が行われるビーム
アニール装置であって、走査手段として走査ミラーが用
いられ、該走査ミラーのレーザ光の反射率が入射角度＝
４５°±１０°の範囲で９９％以上とされ、レーザ光の
半導体薄膜への入射角度を１°以上とし半導体薄膜に斜
めにレーザ光を照射するように設けてなることを特徴と
するビームアニール装置を提供する。これを本願の第６
の発明と呼ぶ。

【００４４】また、上記の第６の発明において、半導体
薄膜がシリコンを主成分とする非晶質半導体薄膜であっ
て、１０ｍ／ｓ以上の線走査速度でビームスポットが非
晶質半導体薄膜上に照射され、非晶質半導体薄膜がビー
ムアニールによって多結晶半導体層が形成されることを
特徴とするビームアニール装置を提供する。これを本願
の第７の発明と呼ぶ。

【００４５】また、連続発振レーザ光源から発したレー
ザ光が走査手段と収束手段とを備えた光学系に導かれ、
光学系を通過せしめられ、レーザ光のビームスポットが
半導体薄膜に走査しながら照射せしめられ、半導体薄膜
のビームアニールによる結晶性の改良が行われるビーム
アニール装置であって、さらに、ビームスポットのエネ
ルギー分布測定手段とレーザ光の減衰手段とが少なくと
も備えられ、レーザ光の光路中であって半導体薄膜の近
傍に減衰手段が配置され、レーザ光は減衰手段を通過し
てから前記エネルギー分布測定手段に入射せしめられ、
ビームスポットのエネルギー分布測定が行われ得ること
を特徴とするビームアニール装置を提供する。これを本
願の第８の発明と呼ぶ。

【００４６】図１１に本発明のビームアニール装置の全
体構成を示す。レーザ光源５０、ビームエキスパンダ５
１、走査ミラー５３、ｆ・θレンズ５５（収束レンズ又
は集光レンズとして用いる）、走査ミラー駆動機構（ガ
ルバノスキャナ）５２、レーザビーム遮光機構５４、透
明性基板７１、ビームスポット形状測定器７０、走査ス
テージ８０などが設けられている。

【００４７】レーザ光源から出射されたレーザ光６０Ａ
は、ビームエキスパンダ５１によってその断面形状（進
行方向に対する垂直断面におけるエネルギー分布形状）
が所望の形状に変形せしめられる。例えば、ビームエキ
スパンダによって２ｍｍ×４ｍｍのほぼ楕円形状にせし
められ、さらにｆ・θレンズ５５で１４０μｍ×１００
μｍに収束されて対象物に照射される。

【００４８】楕円形状を有するビームスポットのアスペ
クト比はこのビームエキスパンダで調整することができ
る。さらに、走査ミラー５３で反射され、かつその反射
角度を振ることで走査ステージ８０上の被照射物を走査
する。本発明で用いる走査ミラーは、レーザ光に対する
反射性能が良好であることが必要となる。

【００４９】また、同時に高エネルギーのレーザ光に耐
えなければならない。通常のアルミニウム金属ミラーで
は反射率が低いうえに、損失分が吸収されるために一定
の時間使用し続けると走査ミラーの温度が上昇してしま
い反射面の熱変形が起こり得る。これに対して誘電体多
層膜を用いた走査ミラーでは温度上昇がほとんど起こら
ない。反射されないレーザ光が走査ミラーの基体（石英
板）を透過するからである。また、高い反射能を得るた
めに、走査ミラーへの入射角度はおよそ４５°±１０°
とすることが好ましい。また、面精度としてはおよそλ
／４とほぼ同等、又はそれ以上の面精度のものが好まし
い。

【００５０】透明性基板７１はビームスポットの測定時
にレーザ光の光路に挿入され、レーザ光の一部をビーム
スポット形状測定器７０に入射して精度よく計測するよ
うに配置している。また、非晶質半導体薄膜に対してＨ
ＳＢＡを行っている状態を図１２に示す。非晶質半導体
薄膜を多結晶化せしめている様子を示す。なお、本発明
において線走査速度とは平面上を一方向に走査する際の
速度である。次に、本発明の各構成要素の全体的な関係
について説明する。

【００５１】本発明において用いるエネルギー源、つま
りレーザ光のビームスポットの総エネルギーはレーザ光
源の出力値でありおよそ５〜２５Ｗである。光学系によ
る損失は少ない（９０％以上の透過率）のでビームスポ
ットの総エネルギーとしてはレーザ光源のレーザ出力
［Ｗ］を用いて算出することができる。勿論、このレー
ザ出力は非晶質半導体に到達するまでの損失を一定とし
た場合である。レーザ出力が低いとそれに応じて線走査
速度を下げなければならないので実効的にはおよそ７Ｗ
以上のレーザ光源を用いる。

【００５２】次に図を参照しながら説明する。図１６に
本発明によって非晶質半導体を多結晶化を行う際のビー
ムアニールの条件域２０３を示す。基本的には図１５に
示したＨＳＢＡによるビームアニールの条件域である多
結晶化領域２００を満足する。その多結晶化領域２００
の中で、被照射物である非晶質半導体薄膜の膜厚や膜質
と関係したいくつかのパラメータ及び所定の滞留時間を
満足することで、本発明の条件域２０３が存在する。

【００５３】図１６の縦軸が照射面におけるビームスポ
ットのピーク光強度Ｐ_X ［ｍＷ／μｍ² ］である。レー
ザ光のピーク光強度の６０％以上の光強度で照射される
領域の滞留時間をＴ₆₀とすると、この条件域２０３を規
定する次の式（３）〜（５）が成り立つ。

【００５４】

【数２】 Ｐ_X ≧１．５−０．１・Ｔ₆₀ ………………（３） Ｐ_X ≦２．３−０．１・Ｔ₆₀ ………………（４） ３μｓ≦Ｔ₆₀≦５μｓ ………………（５）

【００５５】この式（３）〜（５）において、横軸とし
たＴ₆₀が最も重要なパラメータである。Ｔ₆₀が５μｓよ
り長い場合は、形成された多結晶半導体層膜の表面には
光学顕微鏡観察によっても認識できるような結晶性の分
布が生ずる。また、得られた多結晶半導体層をラマン散
乱分光法による結晶性評価で対比を行った。

【００５６】すると、照射時間が短いものや長いものよ
りも所定のＴ₆₀で形成した場合のストライプの結晶性が
よいことがわかった。また、Ｔ₆₀が３μｓより小さいと
十分な多結晶半導体層が得られにくくなる。非晶質半導
体薄膜に投入されるエネルギー量の適正値は３μｓのと
きは５μｓのときのおよそ７０％となる。これは主に拡
散で失われる熱量の差と思われる。

【００５７】例えば、Ｔ₆₀が５μｓより大きいと多結晶
半導体層のストライプに三日月状の模様が見られるよう
になる。これを図１０（ｂ）の符号１１Ｂで示す。この
三日月状模様１１Ｂが形成しようとするＴＦＴの半導体
構造（例えば、半導体チャネル寸法）の中に含まれてし
まうとその電気的特性に影響がでてしまう。また、ラマ
ン散乱分光測定でも結晶性に変化が生じることがわかっ
た。

【００５８】そして、Ｔ₆₀が３〜５μｓとなる条件域２
０３を満足したＨＳＢＡによって多結晶化処理を行うと
ＴＦＴの移動度のばらつき分布が小さくなる。つまり、
多結晶半導体層から形成したＴＦＴの特性が向上するこ
とが明らかになった。さらに、Ｔ₆₀が３．７μｓ以上で
は得られる移動度がほぼ平坦な特性を示す。また、Ｔ₆₀
が４．６μｓ以下で得られる膜質（結晶性）がより安定
する。

【００５９】図１２に非晶質半導体薄膜にＨＳＢＡを行
っている状態を示す。また、図１４に多結晶半導体層の
ストライプを用いて形成したＴＦＴの一部断面図を示
す。さらに、図２と図３にストライプの幅方向Ｄにおけ
る移動度の分布特性を示す。通常、移動度はその数値が
高い程好ましく、高い駆動能力のトランジスタが得られ
ることが知られている。

【００６０】本発明では、Ｔ₆₀を主要なパラメータとし
て用いている。一般にレーザビームの径はピーク光強度
の１／ｅ² （１３．５％）となるスポットサイズ（Ｓ
_13.5）で表されていた。しかし、ＨＳＢＡにおいては、
従来一般に用いられていたこのＳ_13.5は照射条件を決定
するパラメータとしては不適であることがわかった。以
下にビームスポットについての説明を行う。

【００６１】ＨＳＢＡを行うビームアニール装置におい
てビームスポットのエネルギー分布は必ずしも理想的な
ガウス分布になるとは限らない。レーザビームの出力値
が高い場合や光学系の調整が困難であるためにその傾向
が高くなる。図７、８にこの様子を示す。符号８はエネ
ルギー値が１／ｅ² となるレベルでのスポットサイズ、
つまりＳ_13.5を示す。また、符号７はピーク光強度の６
０％レベルでのビームスポットサイズを示す。これをＳ
₆₀とする。

【００６２】例えば図８に示すように、ビームスポット
は裾を広くひいたような裾引形状６Ｃになることがしば
しばある。また非対称形状６Ｂとなることもある。図７
に示すようなガウス分布に近い理想的エネルギー分布の
ものの場合（ガウス形状６Ａと呼ぶ）に比べてピーク光
強度の６０％以上の強度となる径はほとんど等しくな
る。しかし、従来の測定方法におけるＳ_13.5は大きい値
を示すことになってしまう。

【００６３】従来のＳ_13.5で定めたビームスポットで考
えると図８の場合は図７の場合よりビームのエネルギー
分布が幅太であって、そのビームスポットＳ_13.5が大き
くなる。そのため、Ｓ_13.5の値を基準として実効的な照
射時間を等しくするためには走査速度を上げる必要があ
ると考えられていた。

【００６４】つまり、太いビームスポット（言い換えれ
ば、走査方向に長い場合）を用いる場合にはより早い速
度でアニールを行うように設定が行われていた。しか
し、ビームアニール後の多結晶半導体層を調べると、走
査速度を上げても照射時間が短すぎる場合とほぼ同じ結
果となり、好ましい走査速度は図７の場合とほぼ同じで
あることがわかった。以上のように、ビームスポットの
定量的な制御が必要であることがわかった。

【００６５】ただし、実効的に寄与する高エネルギーの
領域が重要であって、非対称のエネルー分布を有するビ
ームスポットであっても本発明の多結晶半導体層の形成
を行うことができる。次に、ビームスポットの形状、つ
まりレーザビームのエネルギー分布の計測方法について
説明する。

【００６６】従来、入手し得る一般的な測定器としては
ビームスポット径１００μｍ程度を対象とするクラスの
ものでは４Ｗが限界であった。そのため、高出力（数Ｗ
以上）のレーザ光源から出射され細く収束せしめられた
高エネルギーのビームスポットを直接測定することは困
難であった。エネルギー密度が極めて高く、精密な測定
器で直接精度よく測定することが難しいためである。ま
た、高速でビームスポットを走査する場合、その瞬時の
状態に等しいように測定を行わなければならない。

【００６７】上述した従来例２でも、レーザ出力として
６〜１０Ｗ程度が用いられていた。しかし、そのエネル
ギー範囲ではビームスポットの直接測定が困難であっ
た。そのため、ビームアニールの開始前にレーザ光源の
出力を低出力に絞って、ビームスポットの測定が可能な
４Ｗ程度に落とし、その測定が行われていた。しかし、
この場合には実際のＨＳＢＡ時にはレーザ出力が全く異
なり、また比例則を単純に適用することができなかっ
た。

【００６８】レーザ出力が異なるとそのビームスポット
形状も相当に変化していくことになる。あるいは、フィ
ルタを用いて減光せしめるとフィルタそのものが加熱し
てしまい正常な測定結果を得ることができなかった。さ
らに、フィルタそのものが焼損してしまうこともあっ
た。

【００６９】つまり、高エネルギーを有するビームスポ
ットを用いる実際のＨＳＢＡでの状態に等しくビームス
ポットのエネルギー分布の測定を行わなければならな
い。測定のためにレーザ光の走査を止めて、固定して測
定を行うとｆ・θレンズのレーザ光通過部分が相当昇温
してしまい、それによってビームのエネルギー分布が変
化してしまう。実際のＨＳＢＡ時には集光レンズの位置
を通過するのは一瞬であり、極めて長時間連続してビー
ムアニールを行わない限り、一定の定常状態にある。そ
こで本発明では、以下のようにビームスポットの測定を
行う。

【００７０】ビームアニール装置の光学系を通過した後
の照射面に近い位置に、ビームスポットの一部を透明性
基板の反射を用いて分岐して計測する。例えば、周囲媒
質（空気）と透明性基板との相対的な屈折率差を利用し
て反射せしめる。このようにしてレーザ光の一部をビー
ム測定系に分岐して取り出して、その際のエネルギーを
１／３０〜１／２０とする。透明性基板には例えば、レ
ーザ光に耐え得る石英基板を用いる。また、その表面に
は光学的なコーティングを施さずに用いる。ここで、透
明性平面基板、測定器を測定ユニットと呼ぶ。

【００７１】また、レーザビームが光学系を連続して通
過することによる温度上昇を避けて、レーザービームを
通過せしめた最初の値（瞬時値）を用いて測定し、光学
系を調整する。待期状態から走査ミラーの動作と測定器
での測定のタイミングを合わせて、レーザ光を走査して
測定器に入射されたその瞬時に測定を行うようにする。
図１３にレーザビームの走査レンズを通過する経過時間
に伴ったビームスポット径の変化を示す。時間が経過す
るに従って、ビームスポットが大きくなっていくことが
わかる。数十秒でビームスポットの大きさが安定する。
このとき、集光レンズのレーザビームの通過位置は約７
℃上昇してしまうことがわかった。

【００７２】実際のビームアニール時には集光レンズを
レーザビームが通過するのは一瞬だけであり、昇温して
安定した状態は実際の加工時とは異なる。したがって、
最初の値を用いて調整することが必要となる。レーザ光
源から集光レンズまでの間の光学系は常時ビームが照射
されて安定した状態で用いられるので走査ミラーと集光
レンズとの間に遮光機構を設けることで集光レンズの昇
温を防ぐ。又は、走査ミラー自体の動作によって集光レ
ンズの昇温を防ぐようにすることができる。集光レンズ
がほぼ室温に保たれている待機状態からレーザビームを
通過させて即時に測定を行うようにする。

【００７３】石英板を用いた場合、その反射率はおよそ
４％となる。さらに、二段階以上反射を繰り返すことで
より高エネルギーのレーザ光の測定を行うことができ
る。また、この透明性基板には反射率を調節する等の目
的で誘電体多層膜などを形成しない方がむしろ好まし
い。本発明における高エネルギーのレーザビームの精密
測定では、そのような光学膜のごくわずかな光吸収でも
局所的な温度上昇や温度分布が起こり、それによって反
射率の変化・分布が生じてしまう。

【００７４】そして測定結果に大きなずれが生ずること
になる。よって、用いる透明性基板の表面の面精度は集
光に影響のないように十分に良好な平面であることが必
要となる。

【００７５】但し、通常入手し得るλ／４程度の面精度
で十分である。また、透明性基板の厚みを十分に設け
て、表面と裏面との角度差を設けるなどして、裏面から
の反射光が測定に影響を与えないよう配慮する。一つの
反射面からの分岐光で測定するようにする。また、透明
性基板を通過した高エネルギーのレーザビームが走査ス
テージ上の試料台に当たって試料台などを損傷しないよ
うに途中に散乱板を配置することが好ましい。

【００７６】このようにして、所望のビームスポット形
状になるようにレーザ出力やレンズ光学系、走査ミラー
などを調節する。また、実際にＨＳＢＡを行う場合に
は、収束されたレーザビームを非晶質半導体薄膜に対し
て斜めに入射するようにする。これは、垂直入射せしめ
た場合、照射した非晶質半導体薄膜から垂直反射してビ
ームニアール装置のレーザ光学系に戻る反射戻り光が存
在するからである。およそ、１°以上の入射角度を持つ
ように設定する。図１２の符号９０に入射角度θを示
す。例えば、３００ｍｍの長さの走査ステージの両端で
およそ５ｍｍ程度の高低差となる。

【００７７】さらに、この入射角度を４０〜５０°と大
きくして、ビームスポットの楕円率の調整を基板面の傾
きで行うこともできる。なお、収束されたビームスポッ
トの焦点深度はおよそ１〜２ｍｍあるのでビームスポッ
トのサイズに比べて十分大きく、基板面の傾きは多結晶
化にほとんど影響はないと考えられる。

【００７８】以上のようにして、ビームスポットのエネ
ルギー分布を５０〜９０％の間の値で管理する。好まし
くは６０％を指標値として用いてＳ₆₀及びＴ₆₀を管理す
る。エネルギー分布のプロファイルが良好であれば、Ｓ
₅₀及びＴ₅₀を用いることができる。又は、Ｓ₈₀及びＴ₈₀
で管理を行うこともできる。本発明の重要な点はビーム
アニールに実効的に寄与するレーザ光のエネルギー値の
高い部分が如何に照射されるかによる。

【００７９】なお、ビームスポット形状測定とは、パワ
ーメータのようにいわゆるレーザパワーのみを測定する
ものではない。ビームスポットの大きさや、指向性、楕
円率、焦点深度、及びエネルギーの空間分布などを詳細
に測定するものである。また、実際には５μｍ程度のス
リットを高速で移動して測定が行われる。したがって、
この場合は、一方向に積分されて得られた値を用いてい
る。

【００８０】次にＨＳＢＡにおけるビームスポットとエ
ネルギー密度について説明する。

【００８１】上述した図１６のビームスポットのピーク
光強度（エネルギー密度：ｍＷ／μｍ² ）は次の式
（６）で等価的に示される。ビームスポットのエネルギ
ー分布が理想的なガウス分布を有している場合に適用で
きる。もしくは、それに準ずる場合である。レーザ光の
ビームスポットを直接計測できる場合にはその値を用い
る。なお、レーザビームが理想的なエネルギー分布を有
している場合には、ビームスポットのエネルギー密度は
ほぼ均一となる。

【００８２】

【数３】 Ｉ_O ＝８・Ｐ_L ／（π・ｄ_L ・ｄ_W ） …………（６）

【００８３】ここで、Ｐ_L は用いるレーザ光源のレーザ
出力［Ｗ］、ｄ_L はビームスポットＳ_13.5での照射面で
の走査方向での長さ［μｍ］、ｄ_W は幅方向での長さ
［μｍ］である。なお、上述したように従来技術におい
てはＨＳＢＡにおけるビームスポットの測定を高精度で
行う具体的手段に欠いていた。つまり、レーザ光源やレ
ンズ光学系の設計値などを用いていたものと思われる。
そのために先行技術におけるビームスポットの形状、及
び光ピーク強度の値を定量的に対比することが難しい。
また、非晶質シリコン膜の膜質や反射防止膜など、他の
要素も関係するために厳密な定量化が困難となる。

【００８４】図１６の縦軸のピーク強度は従属的なパラ
メータであり、照射時間に応じて適当な値を実験的に決
定し、設定すればよいが、小さすぎると１回の走査で多
結晶化される領域の面積が小さくなる。あるいは完全な
多結晶化が起こらなくなる。また大きすぎると半導体膜
の部分的な溶解による膜表面の凹凸発生、膜の剥離、膜
の飛散などが発生する。反射率等を考慮にいれた非晶質
半導体薄膜に入射するエネルギー密度として好ましくは
１〜２ｍＷ／μｍ² とする。

【００８５】また、図１６は走査方向のビームスポット
径で規格化したパラメータで示している。実際のビーム
スポットサイズＳ₆₀の値としては、走査方向の長さＢＳ
_L として３０〜１００μｍを用いる。３０μｍ未満にビ
ームスポットを安定して細く絞ることが一般的に困難と
なるからである。また、走査方向に長くすると本発明に
おける多結晶化の条件を満たしにくくなる。より好まし
くは５０〜８０μｍを用いる。通常用いられる一般のレ
ーザ光源から安定した良好なビームスポットを得られる
からである。

【００８６】また、幅方向Ｄの長さＢＳ_D としては上述
したように３０〜２００μｍを用いる。２００μｍ以上
にするにはより高出力のレーザ光源を用いなければなら
ず、また光学系の負担も増えてしまう。より好ましくは
５０〜１００μｍを用いる。通常の光学系を用いて安定
して良好なビームスポットを得ることができるからであ
る。

【００８７】その一例を図９に示す。ビームスポット４
は楕円形状であって、Ｌ方向に走査されストライプ１０
を形成する。通常、液晶表示素子に用いる多結晶半導体
ＴＦＴを形成するには、行又は列方向に画素及び／又は
周辺駆動回路に設けられるＴＦＴの配列に応じてストラ
イプを直線状に形成していくことが好ましい。

【００８８】符号３はエネルギーとしてピーク光強度の
６０％を有するビームスポットＳ_６０を示す。Ｗは得ら
れるストライプ１０の幅を示す。用いるビームスポット
のＤ方向の長さＢＳ_Ｄ を長くすればそれに応じてＷも
長くなる。ただし、ストライプ１０の良好な膜質が得ら
れる範囲でビームアニールを行わなければならない。

【００８９】ビームスポット４の径（又は、その大き
さ）が小さすぎると適正な照射時間を得るための走査速
度が小さくなり、言い換えれば線走査速度が遅くなって
生産性が悪くなる。逆に大きすぎると適正な照射時間を
得るための走査速度が大きくなる。また、必要なレーザ
光強度が大きくなる。さらに、安定した走査が困難にな
ったり光学系の熱による問題が生じやすくなる。

【００９０】図１にビームスポットの空間的プロファイ
ルと走査照射時の関係を模式的に示す。ビームスポット
の空間的なエネルギー分布６ｅのビームスポットＳ_13.5
を符号４で、ビームスポットＳ₆₀を符号３で示す。収束
されたレーザ光６０Ｃが非晶質半導体薄膜の表面に照射
され、ビームスポットＳ₆₀が移動していく様子を示して
いる。走査方向Ｌにおける実効的な長さがビームスポッ
ト走査方向の長さＢＳ_L （符号１）である。それに直交
する方向の長さがビームスポット幅方向の長さＢＳ_D
（符号２）である。このときの走査速度を符号９で示
す。次に、レーザ光源について説明する。

【００９１】レーザビームを供給するレーザ光源として
は、４００〜５３０ｎｍの波長を有する連続発振レーザ
光のビームスポットを用いる。例えば、非晶質シリコン
に対して高い吸収性を示す連続発振アルゴンイオンレー
ザ（発振波長４８８ｎｍ、５１４．５ｎｍ）を通常用い
る。これ以外に、他の青色又は緑色の波長の連続発振レ
ーザビームを用いることもできる。例えば、ＳＨＧ−Ｙ
ＡＧレーザ（発振波長５２３ｎｍ）があげられる。対象
とする非晶質半導体の波長吸収特性に応じて選択すれば
よい。

【００９２】本発明においては、一般的なＣＶＤ等によ
って形成された非晶質シリコン膜に対して青色〜緑色の
可視光域の波長域のレーザ光を用いる。また、電子線等
の他のエネルギービームの場合においても最適照射時間
の絶対値は異なっても同じ関係、同じ考え方が成り立つ
ものと考えられる。

【００９３】本発明に用いる非晶質シリコン膜は、その
内部応力としては引っ張りモードではなく圧縮モードの
性質のものを用いる。また、それが含有する水素の水素
結合様式はＩＲ吸収スペクトルでＳｉ−Ｈのピーク（２
０００ｃｍ^-1）がＳｉ−Ｈ₂（２０９０ｃｍ^-1）より大
きいことが好ましい。一定の性質を帯びたさらに良好な
非晶質シリコン膜からばらつきの少ない均質な多結晶シ
リコン半導体層を得ることができる。

【００９４】以下に、本発明の実施例及び比較例を説明
する。

【００９５】

【実施例】

（実施例１）ガラス基板上にプラズマＣＶＤにより３０
０℃でＳｉＯ₂ 膜、非晶質シリコン膜、反射防止膜とし
てＳｉＮ_x 膜をそれぞれ２００ｎｍ、１００ｎｍ、５０
ｎｍ積層し、３５０℃にて熱処理した。そして、連続発
振モードのアルゴンイオンレーザをレーザビーム光源と
して用い、ＨＳＢＡによる多結晶化処理を行った。

【００９６】この際の、ビームアニール装置の調整を以
下のように行った。図１１に示すようにビームスポット
の計測時に面精度λ／１０、１０ｍｍ厚の石英板を試料
台の上の近傍に配置した。石英板と空気との屈折率差に
よる反射光をビームスポット測定器に導いて測定を行っ
た。石英板の裏面からの反射光は光路差でビーム測定器
の感光部には入射されないようにした。さらに、試料台
の上に粗面のシリコン基板を配置した。走査ミラーの角
度を測定位置と集光レンズが降温するまでの待機位置と
切り替わるようにし、測定位置に切り替わった瞬間に測
定を行った。

【００９７】走査ミラーには石英基板上に誘電体多層膜
ミラーを形成して用いた。用いるレーザ光の波長帯域
（４８０〜５２０ｎｍ）で反射率が９９％以上、面精度
をλ／４とした。また、レーザ光の走査ミラーへの入射
角度は４５°±１０°として設定した。

【００９８】石英板からビームスポット形状測定器への
反射光は約４％であった。ビームスポット測定器には米
国フォトン社製ビームスキャン２１８０ＨＰを用いた。
その測定可能な最大エネルギー値は、直径１００μｍ
（Ｓ_13.5）のビームスポットの場合では約４Ｗである。
本発明の測定機構を用いることによりＨＳＢＡにおける
実際の照射時のビームスポットの形状を測定することが
できた。

【００９９】このときの基板面でのビーム径は非等方形
状であってほぼ楕円形状とした。エネルギー密度が最大
値の１３．５％となるＳ_13.5は、走査方向のＢＳ_L が１
００μｍ、走査方向に対しての垂直方向の長さＢＳ_D が
１４０μｍであった。光強度、つまり単位面積当たりの
エネルギー密度がピーク光強度（エネルギーの最大値）
の６０％となる走査方向の径（短軸）は５０μｍであっ
た。それに垂直な方向の径（長軸）は７０μｍであっ
た。

【０１００】この場合、Ｓ₆₀でのスポット面積Ｍ₆₀は理
想的な楕円形状であるとしておよそ２７５０μｍ² とな
る。そして、線走査速度１２ｍ／ｓ、レーザ出力９．７
Ｗの条件で非晶質シリコン膜の多結晶化処理を行った。
また、非晶質半導体シリコン薄膜への入射角度θは２°
とした。

【０１０１】このときのレーザ光ピーク強度の６０％以
上の強度が照射される時間は４．２μｓであり、反射率
等を考慮にいれた（およそ、９０％と概算する）半導体
膜に入射するピーク光強度は１．６ｍＷ／μｍ² であ
る。この多結晶シリコン半導体層を用いてＴＦＴを形成
した。反射防止膜を通過して非晶質シリコン膜に到達す
るレーザ光の透過量をおよそ９０％としている。

【０１０２】ＴＦＴはイオン注入法によりソース・ドレ
インを形成するセルフアライン・コプレーナ構造であ
る。ゲート絶縁膜はプラズマＣＶＤにより形成した。そ
の結果、ほぼ均一で高特性のＴＦＴが得られた。移動度
としては、３０［ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ］以上が得られ
た。

【０１０３】（実施例２）また、線走査速度１５ｍ／
ｓ、レーザ出力１０．５Ｗとして、その他の条件は実施
例１と同様にして多結晶化処理を行った。このときのレ
ーザの光ピーク強度の６０％以上の光強度が照射される
時間は３．３μｓであり、反射率等を考慮にいれた半導
体膜に入射するピーク強度は１．７ｍＷ／μｍ² であ
る。この多結晶シリコン層を用いてＴＦＴを形成した。
実施例１と同様に、ほぼ均一で高特性のＴＦＴが得られ
た。

【０１０４】このようにして形成したＴＦＴの移動度の
多結晶領域の幅Ｄ方向の分布を図２と図３に示す。図２
の実施例１の移動度の分布２０Ａ（９．７Ｗ、１２ｍ／
ｓ）に示すように移動度は３０〜４０ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅ
ｃの範囲に分布している。また、図３の実施例２の移動
度の分布２０Ｂ（１０．５Ｗ、１５ｍ／ｓ）に示すよう
に移動度は２５〜３４ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃの範囲に分布
している。ともに、ＴＦＴとして良好な特性が得られて
いる。

【０１０５】（比較例１）上記の各実施例と同じ基板に
ついて、同じビームスポット形状のレーザビームで走査
速度１８ｍ／ｓ、レーザ出力１１．５Ｗの条件により非
晶質シリコン膜の多結晶化を行った。さらに、実施例と
同様にＴＦＴを形成した。そして、多結晶領域の幅方向
の電界効果移動度の分布３０を図４に示す。

【０１０６】このときのレーザ光ピーク強度の６０％以
上の強度が照射される時間は２．８μｓ、反射率等を考
慮にいれた半導体膜に入射するピーク強度は１．９ｍＷ
／μｍ² である。全体に特性が悪く多結晶領域の幅方向
に分布があることがわかる。

【０１０７】（実施例３）非晶質シリコンのみ減圧ＣＶ
Ｄにより４３０℃で成膜（３５０℃の熱処理はなし）
し、他の条件は実施例１、２と同様に設定した試料につ
いても同様の実験を行い実施例１、２とほとんど同様の
結果を得た。

【０１０８】（比較例２）比較例１と同様に、他の条件
は同じくし、非晶質シリコンのみ減圧ＣＶＤにより４３
０℃で成膜（３５０℃の熱処理はなし）した試料につい
ても同様の実験を行い比較例１とほとんど同じ結果を得
た。

【０１０９】（比較例３）上記の各実施例と同様の基板
を、基板面でのビーム径がエネルギー密度が最大値の１
３．５％となるスポットサイズは、走査方向（Ｌ方向）
で１２０μｍ、幅方向（Ｄ方向）で１５０μｍとした。
走査方向において、エネルギー密度が最大値の６０％と
なる径（短軸）が５０μｍ、それに垂直な方向での径
（長軸）が６２μｍであるレーザビームを用いた。Ｓ₆₀
でのスポット面積Ｍ₆₀は理想的な楕円形状であるとして
およそ２４３０μｍ² となる。そして、走査速度１８ｍ
／ｓ、レーザ出力１２．０Ｗにより非晶質シリコン膜の
多結晶化を行い、結晶性をラマン散乱分光法により評価
した。

【０１１０】その評価結果は実施例の条件で多結晶化し
たストライプより比較例１の条件の結果に近いものであ
った。結晶性はあまり良くなかった。この比較例３のレ
ーザ光ピーク光強度の６０％以上の強度が照射される時
間は比較例１と同じ２．８μｓであるが、ピーク強度の
１３．５％以上の強度が照射される時間で考えると比較
例１の場合よりおよそ２０％長くなっている。これは実
施例２の１５ｍ／ｓの線走査速度に相当する。

【０１１１】（実施例４）上記の実施例１〜３それぞれ
の条件で、６４０×４８０の画素構成のＴＦＴアレー基
板を形成した。画素領域だけではなく周辺の駆動回路
（行駆動回路と列駆動回路を直線上に配置し、本発明の
多結晶半導体ＴＦＴを用いて一体形成した。多結晶化工
程を低温で行うことができ、かつ短時間に完了すること
ができた。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によって、高移動度を有しかつ均
一な分布特性の多結晶半導体ＴＦＴを得ることができ
る。

【０１１３】また、本発明は高温炉を用いるプロセスに
対し、相対的に低温プロセスである。６００℃前後の軟
化点を有し、安価な低膨張性のガラス基板（例えば、コ
ーニング７０５９など）を用いて高い生産性を維持しな
がら、かつばらつきを抑えて高特性のＴＦＴを確実に得
ることができる。

【０１１４】このクラスのガラス基板でも１時間処理の
場合、３００℃で３ｐｐｍ、３５０℃で６ｐｐｍ、４０
０℃で１５ｐｐｍ、４５０℃で４０ｐｐｍ程度の熱収縮
が発生すると報告されている。また、形成しようとする
ガラス基板の一辺が長ければ、よりその歪みの影響が大
きくなる。ＴＦＴアレー基板の形成において主要な多結
晶化工程を低温プロセスで処理できることは極めて大き
な意義がある。

【０１１５】また、時間的にも極めて短時間に多結晶化
の工程を完了することができる。定形の大型ガラス基板
に同時に複数のＴＦＴアレー基板を設けて、その多結晶
化工程を１〜２分程度の短時間で完了することができ
る。そして、ＥＷＳやパーソナルコンピュータの表示素
子に用いることができるような高性能の多結晶ＴＦＴを
作り込むことができるようになった。

【０１１６】また、長いストライプを高速に安定して得
ることができる。この場合、長尺の基板寸法のＴＦＴア
レーを形成する際に有利となる。

【０１１７】また、ばらつきの少ないことから太いスト
ライプを有効に得ることができる。この場合、太いスト
ライプを用いて幅方向に長い多結晶半導体層チャネルを
形成することができる。ＴＦＴアレーの設計が容易にな
るという効果が得られる。

【０１１８】また、本発明のビームアニール装置には、
新規かつ有用なビームスポットの測定機構が設けられ、
それによって従来測定できなかった高出力レーザビーム
の集光されたビームスポット形状を測定可能とした。そ
して、この測定によってＨＳＢＡの最適条件を知ること
ができ、その範囲において最適な調整を行うことができ
るようになった。

【０１１９】また、従来のビームアニール装置に測定機
構を付加するだけでビームスポットを測定することがで
きるようになった。ＨＳＢＡの生産開始前の調整を短い
時間で確実に行い得るようになった。

【０１２０】また、本発明はその効果を損しない範囲で
種々の応用ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビームアニールの状態を示す模式図。

【図２】実施例１のストライプの幅方向Ｄでの移動度分
布を示すグラフ。

【図３】実施例２のストライプの幅方向Ｄでの移動度分
布を示すグラフ。

【図４】従来例のストライプの幅方向Ｄでの移動度分布
を示すグラフ。

【図５】Ｔ₆₀に対するＴＦＴの移動度の分布を示すグラ
フ。

【図６】Ｔ₆₀に対するラマン分光測定の結果を示すグラ
フ。

【図７】ビームスポットのガウス状エネルギー分布を示
すグラフ。

【図８】ビームスポットの非ガウス状エネルギー分布を
示すグラフ。

【図９】本発明でのビームスポットとストライプを示す
模式図。

【図１０】（ａ）表面エッチング処理後の従来例のスト
ライプの平面図、（ｂ）従来例における三日月状ストラ
イプを示す平面図。

【図１１】本発明のビームアニール装置の全体構成を示
す斜視図。

【図１２】本発明でのビースポットが照射される状態を
示す斜視図。

【図１３】ビームスポットの形状変化を示すグラフ。

【図１４】本発明で形成する多結晶半導体ＴＦＴの一部
断面図。

【図１５】ＨＳＢＡの条件域を示すグラフ。

【図１６】本発明のＨＳＢＡの条件域を示すグラフ。

【図１７】非晶質半導体薄膜のＸ線回折パターンを示す
グラフ。

【符号の説明】

１：ビームスポットの走査方向の長さ ２：ビームスポットの幅方向の長さ ３：ビームスポットＳ₆₀ ４：ビームスポットＳ_13.5 ９：線走査速度 ６０Ｃ：収束レーザビーム ６ｅ：ビームスポットの空間プロファイル

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/336

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】連続発振レーザ光のビームスポットを、シ
   リコンを主成分とする非晶質半導体薄膜に走査しながら
   照射し、ビームアニールによって非晶質半導体薄膜の多
   結晶化を行う多結晶半導体層の形成方法であって、 非晶質半導体薄膜の膜厚を５０〜２５０ｎｍとし、 非晶質半導体薄膜の炭素含有度（密度）を５×１０¹⁸ｃ
   ｍ^-3以下とし、 ビームスポットを照射する非晶質半導体薄膜上で、 ピーク光強度の６０％以上の光強度を有するビームスポ
   ットＳ₆₀の走査方向における滞留時間Ｔ₆₀を３〜５μｓ
   とすることを特徴とする多結晶半導体層の形成方法。
2. 【請求項２】請求項１の多結晶半導体層の形成方法にお
   いて、 用いる非晶質半導体薄膜が微結晶を含有しないことを特
   徴とする多結晶半導体層の形成方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２の多結晶半導体層の形成方
   法において、 ビームスポットＳ₆₀の走査方向における長さＢＳ_L を５
   ０〜１００μｍとすることを特徴とする多結晶半導体層
   の形成方法。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項の多結晶半導
   体層の形成方法において、 用いるビームスポットＳ₆₀のエネルギー分布が楕円形状
   であって、走査方向に短径を有していることを特徴とす
   る多結晶半導体層の形成方法。
5. 【請求項５】０．３ａｔｏｍ％以上の水素含有量を有す
   る多結晶半導体層を用いてＴＦＴの半導体チャネルが形
   成されたことを特徴とする多結晶半導体ＴＦＴ。
6. 【請求項６】連続発振レーザ光源から発したレーザ光が
   走査手段と収束手段とを備えた光学系に導かれ、光学系
   を通過せしめられ、レーザ光のビームスポットが半導体
   薄膜に走査しながら照射せしめられ、 半導体薄膜のビームアニールによる結晶性の改良が行わ
   れるビームアニール装置であって、 走査手段として走査ミラーが用いられ、該走査ミラーの
   レーザ光の反射率が入射角度＝４５°±１０°の範囲で
   ９９％以上とされ、 レーザ光の半導体薄膜への入射角度を１°以上とし半導
   体薄膜に斜めにレーザ光を照射するように設けてなるこ
   とを特徴とするビームアニール装置。
7. 【請求項７】請求項６のビームアニール装置において、 半導体薄膜がシリコンを主成分とする非晶質半導体薄膜
   であって、 １０ｍ／ｓ以上の線走査速度でビームスポットが非晶質
   半導体薄膜上に照射され、 非晶質半導体薄膜がビームアニールによって多結晶半導
   体層が形成されることを特徴とするビームアニール装
   置。
8. 【請求項８】請求項６又は７のビームアニール装置にお
   いて、 さらに、ビームスポットのエネルギー分布測定手段とレ
   ーザ光の減衰手段とが備えられ、 レーザ光の光路中であって半導体薄膜の近傍に減衰手段
   が配置され、 レーザ光は減衰手段を通過してから前記エネルギー分布
   測定手段に入射せしめられ、 ビームスポットのエネルギー分布測定が行われることを
   特徴とするビームアニール装置。