(57)【要約】     【課題】  被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致に起因して結晶性が悪くなるのを抑えて、良好な結晶性が得られるレーザビーム投影マスクを提供する。    【解決手段】  このレーザビーム投影マスク１４は、透過エリアとしての長方形状の３つのスリット２５,２６,２７を有する。この３つのスリット２５,２６,２７は、図２(Ｃ)において矢印Ｘで示すＸ方向に所定の間隔を隔てて順次形成されており、スリット２５、スリット２６、スリット２７の順に上記Ｘ方向の幅が小さくなっている。すなわち、上記透過エリアの透過率は、図２(Ｂ)に示すシリコン膜４の温度分布曲線Ｖ１に対応して変化している。【選択図】  図２
2006013050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を透過する透過エリアを有し、
上記透過エリアは、
透過したレーザ光が被照射物に照射される照射領域が上記被照射物に対して所定の方向に相対移動されるときに上記被照射物に生じる上記所定の方向の温度分布に対応して、上記レーザ光の透過率が分布するように形成されていることを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザビーム投影マスクにおいて、
上記透過エリアは、所定の方向に向かって階段状のパターンに形成されていることを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザビーム投影マスクにおいて、
上記透過エリアは、所定の方向に向かって拡大していることを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項４】
請求項２に記載のレーザビーム投影マスクにおいて、
上記透過エリアは、所定の方向に向かって縮小していることを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザビーム投影マスクにおいて、
上記透過エリアは、上記所定の方向における端部から中央部に向かって拡大していることを特徴とするレーザビーム投影マスク。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザビーム投影マスクを用い、基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層に、上記レーザビーム投影マスクを経由してレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工方法であって、
上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを上記非晶質材料層の表面に画される第１領域内に対して照射して、上記第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
上記レーザビームが照射される領域を上記第１領域から所定の方向に所定の距離だけ移動させ、この移動の直前の上記第１領域と部分的に重畳するように上記非晶質材料層の表面に画される第２領域を定める領域移動工程と、
上記第２領域内に対して上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを照射して、上記第２領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを備え、
上記非晶質材料の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、非晶質材料層の表面への上記レーザビームの照射と上記レーザビームを照射する領域の移動とを繰返し行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ加工方法において、
上記レーザビーム投影マスクを経由して上記非晶質材料に照射する上記レーザビームを第１のレーザビームとし、
上記第１のレーザビームを上記非晶質材料に照射している期間に、上記レーザビーム投影マスクを経由せずに上記非晶質材料に第２のレーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ加工方法であって、
上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布を、上記レーザビームが照射される領域の移動の進行方向に関して後半の領域の温度を前半の領域の温度に比べて高くすることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項９】
請求項７に記載のレーザ加工方法において、
上記第２のレーザビームの強度の空間分布を、所定の方向に関して先頭が高くてこの先頭よりも後の部分が低くなる分布とし、
上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布を、上記レーザビームが照射される領域の移動の進行方向に関して後半の領域の温度を前半の領域の温度に比べて低くすることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１０】
請求項７に記載のレーザ加工方法であって、
上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布が、中央部の温度がこの中央部の周辺部の温度よりも高く、かつ、上記周辺部の温度分布が略均一になるように、上記第２のレーザビームの強度の空間分布を設定することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１１】
レーザ光源と、請求項１に記載のレーザビーム投影マスクとを備え、基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層に、上記レーザビーム投影マスクを経由してレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工装置であって、
上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを上記非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対して照射して、上記第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
上記レーザビームが照射される領域を上記第１領域から所定の方向に所定の距離だけ移動させ、この移動の直前の上記第１領域と部分的に重畳するように上記非晶質材料からなる層の表面に画される第２領域を定める領域移動工程と、
上記第２領域内に対して上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを照射して、上記第２領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを行い、
上記非晶質材料の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面への上記レーザビームの照射と上記レーザビームを照射する領域の移動とを繰返し行うことによって、上記非晶質材料の結晶化領域を非対称形状にするように制御する制御部を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば、半導体デバイスなどに半導体材料として用いられる非晶質材料をレーザビーム照射によって結晶化するのに用いられるレーザビーム投影マスク、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【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(Ｓｉ)材料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 Ｔransistor，薄膜トランジスタ)として用いられる。そして、上記ＴＦＴの各トランジスタは、液晶表示装置における画素コントローラとして作用する。なお、従来、液晶表示装置のＴＦＴは、非晶質シリコン膜により形成されている。
【０００４】
ところが、近年、電子の移動度の低い非晶質シリコン膜の代わりに、電子の移動度の高い多結晶シリコン膜を用いて、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、多結晶シリコン膜を製造する方法として、例えば、基板上に堆積している非晶質または微結晶シリコン膜にエキシマレーザを照射して結晶化(ＥＬＣ，Ｅxcimer Ｌaser Ｃrystallization)する方法がある。
【０００５】
上記ＥＬＣ法は、サンプルに対し、一定速度で走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０.２〜１.０ｍｍ程度の線状レーザビームを半導体膜上に連続的に照射する方法が一般的である。このとき、レーザを照射した部分の半導体膜は、厚さ方向全域に亘って溶融するのではなく、一部の半導体膜領域を残したまま溶融する。
【０００６】
このため、未溶融領域／溶融領域界面の全面において、いたるところに結晶核が発生し、半導体膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成されるため、結晶粒径は１００〜２００ｎｍと非常に小さくなる。
【０００７】
多結晶シリコン膜の結晶粒界には、不対電子が多数存在するためポテンシャル障壁を形成し、キャリアの強い散乱体として作用する。従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膜で形成されたＴＦＴほど、一般に電界効果移動度は高くなる。
【０００８】
しかしながら、従来のＥＬＣ法では、前述のように、未溶融領域／溶融領域界面のランダムな位置において結晶化が起こる縦方向結晶成長であるので、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることは難しい。このため、電界効果移動度の高いＴＦＴを得ることが困難であった。また、ランダムに結晶化するので、このような場合、各ＴＦＴ相互間で構造の不均一性が生じると共に、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じてしまうという不具合が生じる。また、このような不具合が生じると、ＴＦＴ液晶表示装置において、１つの表示画面中に表示速度の速い画素と表示速度の遅い画素とが並存するという問題が生じる。
【０００９】
そこで、さらに高性能なＴＦＴ液晶表示装置を得るためには、上記の多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくすることや、シリコン結晶の方位を制御することなどが必要である。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膜を得ることを目的として、数多くの提案がなされている。
【００１０】
その中でも特に、「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の揃った長結晶が得られるため、注目を集めている(たとえば、特表２０００−５０５２４１号)。
【００１１】
この方法は、図１１に示すようなレーザ加工装置によって、微細幅のパルスレーザを半導体に照射し、半導体膜をレーザ照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行うものである。このレーザ加工装置によれば、光源２１１から出射したエキシマレーザが、可変減衰器２１２、可変焦点視野レンズ２１３、投影マスク２１４、結像レンズ２１５を経由して、半導体素子１０１の上面に照射される。この半導体素子１０１は、光透過性を有する透明基板を含んでいる。ここで、半導体素子１０１は、図９に示すように、透明基板１０２とこの透明基板１０２上に形成された下地膜１０３とシリコン膜１０４とから構成される。
【００１２】
以下、上記方法の手順を示す。まず、図９に示すように、透明基板１０２上の半導体膜１０４の延設方向(図中ＡＢ方向)に沿って結晶領域を形成するに当たり、半導体膜１０４内の領域Ｃに熱を誘導する。この熱の誘導は、半導体膜１０４の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、半導体膜１０４をレーザ露光することにより行われる。これにより、領域Ｃに照射されたレーザ光１０５のエネルギーが熱エネルギーに変換され、半導体膜１０４内の領域Ｃに熱を誘導することができると共に、その半導体膜１０４の厚さにわたって溶融することができる。
【００１３】
次に、領域Ｃにおいて溶融されている半導体膜１０４を冷却することにより凝固させると、図１０(Ａ)に示すように、領域Ｃとそれ以外の領域との境界Ｃ１,Ｃ２から、領域Ｃの中心に向かうようにして、結晶が成長する。なお、図１０(Ａ)は、図９における半導体膜１０４の上面図である。
【００１４】
さらに、図９(Ｂ)に示すように、領域Ｃ内の結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｃと隣り合う新たな領域Ｄを設定し、上記手順と同様に領域Ｄを溶融する。そして、上記同様、領域Ｄにて溶融されている半導体膜１０３を凝固させると、図１０(Ｃ)に示すように、領域Ｄ内に結晶が成長する。
このような手順を繰り返し、所望の結晶を半導体膜１０４の延設方向に沿って段階的に形成させることで、図１０(Ｄ)に示すように、多結晶構造の半導体結晶を拡大させることができる。これにより、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００１５】
ところで、半導体膜１０４に入射されるレーザ光１０５のエネルギーは、理想的には、図１２(Ａ)に示すように、所定の方向に関する位置において均一になる。つまり、レーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて、レーザ光１０５として半導体膜１０４に入射される。また、図１２(Ｂ)に示すように、投影マスク２１４に形成される３つのスリット２２５は所定の間隔を隔てて配置され、各スリット２２５の幅は一定であり、各スリット２２５は、所定の方向に関して、略均一に形成されている。また、図１２(Ｃ)に示すもう１つの投影マスク２３１でも、各スリット２３２の形状(特にスリット幅)は同一であり、各スリット２３２は、所定の方向に略均一に配列されている。
【００１６】
これらの投影マスク２１４、２３１のスリット２２５、２３２を透過したレーザ光１０５を半導体膜１０４に照射することにより、均一な結晶粒長を得ることを目的としており、半導体素子１０１の等速もしくは等幅のステップ移動を可能にしている。
【００１７】
しかしながら、前述した従来の技術では、以下のような問題がある。すなわち、レーザビームは均一光学系によって均一なビーム形状に変形されて入射されることにより、均一な結晶粒長を得ることを目的として設計されている。
【００１８】
ところが、結晶化そのものに関わるパラメータはレーザ光によって発生した熱である。したがって、結晶化領域を引き継ぐために、半導体素子１０１に対してレーザ光を高速で走査すると、半導体膜１０４の表面におけるレーザ光の分布と熱の分布とが必ずしも一致せず、これに起因して均一な結晶粒長が得られないという問題がある。
【００１９】
なお、このように均一な結晶粒長が得られない場合には、上記結晶化領域の引継ぎを問題なく行なうために、スリット幅を結晶粒長の最小値に合わせる必要があるが、この状態で結晶粒長が拡大されると結晶性が悪くなるという問題点がある。
【００２０】
さらに、上記従来技術では、均一光学系によってレーザビームが均一なビーム形状に変形されているが、レーザビームを完全に均一にするためには光学部品点数の増加に伴う調整の困難さ、利用効率の低下等の問題が発生する。また、基板及び半導体材料を効率的に昇温するために第１、第２の２つのレーザビームを用いることがあるが、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの双方に対しては、通常のマスクでは対応できないという問題もある。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報(第１５から１６頁、第１図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、この発明の課題は、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致に起因して結晶性が悪くなるのを抑えて、良好な結晶性が得られるレーザビーム投影マスク及びそれを用いたレーザ加工方法、レーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するため、この発明のレーザビーム投影マスクは、レーザ光を透過する透過エリアを有し、
上記透過エリアは、透過したレーザ光が被照射物に照射される照射領域が上記被照射物に対して所定の方向に相対移動されるときに上記被照射物に生じる上記所定の方向の温度分布に対応して、上記レーザ光の透過率が分布するように形成されていることを特徴としている。
【００２３】
この発明のレーザビーム投影マスクによれば、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。さらに、本発明のレーザビーム投影マスクによれば、入射されるレーザビームを完全に均一にする必要はなく、光学系の調整の困難さを軽減でき、かつ、レーザ光の利用効率の低下を軽減できる。
【００２４】
また、一実施形態のレーザビーム投影マスクでは、上記透過エリアは、所定の方向に向かって階段状のパターンに形成されている。
【００２５】
この実施形態のレーザビーム投影マスクでは、上記透過エリアの階段状のパターンによって、上記相対移動速度を上げてスループットを向上させることが可能となる。
【００２６】
また、一実施形態のレーザビーム投影マスクでは、上記透過エリアは、所定の方向に向かって拡大している。
【００２７】
この実施形態のレーザビーム投影マスクでは、所定の方向に向かって被照射物に生じる温度が所定の方向に向かって上昇している場合に、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致を抑制できる。
【００２８】
また、一実施形態のレーザビーム投影マスクでは、上記透過エリアは、所定の方向に向かって縮小している。したがって、この実施形態のレーザビーム投影マスクでは、所定の方向に向かって被照射物に生じる温度が所定の方向に向かって低下している場合に、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致を抑制できる。
【００２９】
また、一実施形態のレーザビーム投影マスクは、上記透過エリアは、上記所定の方向における端部から中央部に向かって拡大している。
【００３０】
この実施形態では、所定の方向における端部から中央部に向かって、被照射物に生じる温度が上昇している場合に、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致を抑制できる。
【００３１】
また、一実施形態は、上記のレーザビーム投影マスクを用い、基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層に、上記レーザビーム投影マスクを経由してレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料層を結晶化させるレーザ加工方法であって、
上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを上記非晶質材料層の表面に画される第１領域内に対して照射して、上記第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
上記レーザビームが照射される領域を上記第１領域から所定の方向に所定の距離だけ移動させ、この移動の直前の上記第１領域と部分的に重畳するように上記非晶質材料層の表面に画される第２領域を定める領域移動工程と、
上記第２領域内に対して上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを照射して、上記第２領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを備え、
上記非晶質材料の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面への上記レーザビームの照射と上記レーザビームを照射する領域の移動とを繰返し行う。
【００３２】
この実施形態のレーザ加工方法では、上記レーザビーム投影マスクを経由して、非晶質材料層にレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料層を結晶化させる。これにより、上記非晶質材料層に照射するレーザ光の分布と上記非晶質材料層の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。
【００３３】
また、一実施形態のレーザ加工方法は、上記レーザビーム投影マスクを経由して上記非晶質材料に照射する上記レーザビームを第１のレーザビームとし、上記第１のレーザビームを上記非晶質材料に照射している期間に、上記レーザビーム投影マスクを経由せずに上記非晶質材料に第２のレーザビームを照射する。
【００３４】
この実施形態のレーザ加工方法では、上記レーザビーム投影マスクを経由せずに上記非晶質材料に第２のレーザビームを照射するので、上記非晶質材料層の温度低下速度を低下させることができ、半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【００３５】
また、一実施形態のレーザ加工方法では、上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布を、上記レーザビームが照射される領域の移動の進行方向に関して後半の領域の温度を前半の領域の温度に比べて高くする。
【００３６】
この実施形態のレーザ加工方法では、上記レーザビームの空間分布が上記進行方向の後半にピークを有する場合に対応して、非晶質材料層に照射するレーザ光の分布と非晶質材料層の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。
【００３７】
また、一実施形態のレーザ加工方法は、上記第２のレーザビームの強度の空間分布を、所定の方向に関して先頭が高くてこの先頭よりも後の部分が低くなる分布とし、
上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布を、上記レーザビームが照射される領域の移動の進行方向に関して後半の領域の温度を前半の領域の温度に比べて低くする。
【００３８】
この実施形態のレーザ加工方法では、非晶質材料層に照射するレーザ光の分布と非晶質材料層の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。
【００３９】
また、一実施形態のレーザ加工方法は、上記基板を形成する非晶質材料層または基板上に形成される非晶質材料層の温度の空間分布が、中央部の温度がこの中央部の周辺部の温度よりも高く、かつ、上記周辺部の温度分布が略均一になるように、上記第２のレーザビームの強度の空間分布を設定する。
【００４０】
この実施形態のレーザ加工方法では、上記非晶質材料層の温度の空間分布が、中央部の温度がこの中央部の周辺部の温度よりも高く、かつ、上記周辺部の温度分布が略均一になる場合に、非晶質材料層に照射するレーザ光の分布と非晶質材料層の温度分布との不一致を抑制できる。
【００４１】
また、一実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光源と、請求項１に記載のレーザビーム投影マスクとを備え、基板を形成する非晶質材料からなる層または基板上に形成される非晶質材料からなる層に、上記レーザビーム投影マスクを経由してレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料を結晶化させるレーザ加工装置であって、
上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを上記非晶質材料からなる層の表面に画される第１領域内に対して照射して、上記第１領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第１領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第１の結晶化工程と、
上記レーザビームが照射される領域を上記第１領域から所定の方向に所定の距離だけ移動させ、この移動の直前の上記第１領域と部分的に重畳するように上記非晶質材料からなる層の表面に画される第２領域を定める領域移動工程と、
上記第２領域内に対して上記レーザビーム投影マスクを経由して上記レーザビームを照射して、上記第２領域内の非晶質材料を溶融し、溶融した上記第２領域内の非晶質材料を凝固させて結晶化する第２の結晶化工程とを行い、
上記非晶質材料の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、非晶質材料からなる層の表面への上記レーザビームの照射と上記レーザビームを照射する領域の移動とを繰返し行うことによって、上記非晶質材料の結晶化領域を非対称形状にするように制御する制御部を備えた。
【００４２】
この実施形態のレーザ加工装置によれば、上記レーザビーム投影マスクを経由して、非晶質材料層にレーザビームを投影して照射することによって、上記非晶質材料層を結晶化させる。これにより、上記非晶質材料層に照射するレーザ光の分布と上記非晶質材料層の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。
【００４３】
また、上記レーザ加工方法並びに上記レーザ加工装置でもって作製された結晶化デバイスによれば、繰り返し結晶化プロセスにより形成された結晶化エリアの形状が非対称であるので、より大きな結晶化エリア側にスイッチング素子等を作り込むことにより、結晶粒界が少なくデバイス特性を向上できる。特に、上記結晶化エリアに配置したスイッチング素子を備えた情報表示装置によれば、結晶粒界が少ないためデバイス特性を向上でき、消費電力を低減できる。
【発明の効果】
【００４４】
この発明のレーザビーム投影マスクによれば、透過エリアは、透過したレーザ光が被照射物に照射される照射領域が上記被照射物に対して所定の方向に相対移動されるときに、上記被照射物に生じる上記所定の方向の温度分布に対応して、上記レーザ光の透過率が分布するように形成されている。
【００４５】
したがって、被照射物に照射するレーザ光の分布と被照射物の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。さらに、本発明のレーザビーム投影マスクによれば、入射されるレーザビームを完全に均一にする必要はなく、光学系の調整の困難さを軽減でき、かつ、レーザ光の利用効率の低下を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４７】
(第１の実施の形態)
図２(Ｃ)に、本発明の第１実施形態としてのレーザビーム投影マスク１４を示す。このレーザビーム投影マスク１４は、透過エリアとしての長方形状の３つのスリット２５,２６,２７を有する。また、このレーザビーム投影マスク１４の枠部分１４ａは、レーザ光を透過しない非透過エリアである。上記３つのスリット２５,２６,２７は、図２(Ｃ)において矢印Ｘで示すＸ方向に所定の間隔を隔てて順次形成されており、スリット２５、スリット２６、スリット２７の順に上記Ｘ方向の幅が小さくなっている。
【００４８】
また、図３に、上記レーザビーム投影マスク１４とレーザ光源１１を備えるレーザ加工装置を示す。このレーザ加工装置は、本発明のレーザ加工装置の実施形態をなす。このレーザ加工装置は、上記レーザ光源１１から出射されたレーザビームが、可変減衰器１２、反射ミラー７,８、可変焦点視野レンズ１３、投影マスク１４、結像レンズ１５、反射ミラー９を経由して、ステージ１６上に搭載された半導体装置１の上面に照射されるようになっている。また、このレーザ加工装置は、コントローラ１７を備え、このコントローラ１７でステージ１６およびレーザ光源１１を制御する。
【００４９】
図２(Ａ)に、上記レーザ光源１１が出射するエキシマレーザのビーム形状を示す。この実施形態では、レーザ光源１１が出射するエキシマレーザを短パルスレーザとして、波長３０８ｎｍ(ＸｅＣｌ)，パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザとした。なお、レーザ光源１１が出射するレーザ光は、上記エキシマレーザに限定されず、他のレーザであってもよい。
【００５０】
図１には、上記半導体装置１を示す。この半導体装置１は、基板としての透明基板２上に、下地膜３、シリコン膜４が順次積層されて構成されている。ここで、下地膜３として用いられる材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＮ等からなる誘電体材料である。なお、この実施形態では、下地膜３の膜厚を１００ｎｍ、シリコン膜４の膜厚を５０ｎｍとしたが、これらの数値に限定されるものではない。また、下地膜３は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどにより透明基板２上に積層される。そして、シリコン膜４は、プラズマエンハンスド化学気相堆積(ＰＥＣＶＤ，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、蒸着、またはスパッタリングなどによって下地膜３上に積層される。この時点で、シリコン膜４は、アモルファス(非晶質)の状態である。
【００５１】
次に、上記レーザ加工装置によって、上記シリコン膜４を結晶化する工程を説明する。
【００５２】
レーザ光源１１から出射されたレーザビーム５は、可変減衰器１２、反射ミラー７,８、可変焦点視野レンズ１３、投影マスク１４、結像レンズ１５、反射ミラー９を経由して、ステージ１６上に搭載された半導体装置１のシリコン膜４の上面に照射される。このレーザビーム５は、投影マスク１４によるマスキングでもって、微細幅のパルスレーザとして、図１に示す照射領域Ｃに照射される。これにより、半導体膜としてのシリコン膜４をレーザ照射領域Ｃの厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行う(第１の結晶化工程)。
【００５３】
上述のように、レーザビーム５のビーム形状は、図２(Ａ)に示すように、レーザ出力が一定のパルス波形である。このレーザビーム５を上記投影マスク１４を経由してシリコン膜４のレーザ照射領域Ｃに照射する。
【００５４】
次に、コントローラ１７は、ステージ１６を制御して、矢印２２の左方向に所定の距離だけ移動させる。この移動により、シリコン膜４は、図１の矢印ＡＢの左方向に所定の距離だけ移動する(領域移動工程)。これにより、図２(Ｃ)の各スリット２５、２６、２７を経由して、レーザ光５がシリコン膜４の表面に照射される領域は、上記第１領域からＸ方向(図１の矢印ＡＢの右方向)に所定の距離だけ移動した第２領域となる。なお、この第２領域は、上記第１領域と部分的に重複している領域とする。この実施形態では、上記ステージ１６の移動を３回行った。また、上記所定の距離は、一例として、投影マスク１４の枠部分１４ａの柱部１４ａ-１の幅Ｗよりも大きい値である。
【００５５】
上記ステージ１６を３回移動させて、上記レーザビーム投影マスク１４を経由して、上記シリコン膜４の上面にレーザ光５を照射することによって、図２(Ｄ)の模式図に示すように、結晶粒が横方向(図１の矢印ＡＢの方向)に非対称形状に形成される。
【００５６】
上記３回の移動による４回のレーザ照射によって、レーザ照射領域Ｃに生じる温度分布の概略を、図２(Ｂ)に示す。図２(Ｂ)に、温度分布曲線Ｖ１で示すように、所定の方向に関する位置Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の順に、シリコン膜４の温度は下がっており、位置Ｓ２では温度Ｔ４であり、位置Ｓ３では温度Ｔ３であり、位置Ｓ４では温度Ｔ２であり、位置Ｓ５では温度Ｔ１である(Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４)。上記所定の方向とは、図１に示す照射領域Ｃの上方に描かれた矢印ＡＢの方向であり、図１において左から右に向かう方向である。
【００５７】
そして、上記シリコン膜４の温度分布曲線Ｖ１が上記所定の方向に向かって低下しているのに対応して、図２(Ｃ)に示すように、上記レーザビーム投影マスク１４は、スリット２５の幅Ｗ１がスリット２６の幅Ｗ２よりも大きい。また、スリット２６の幅Ｗ２はスリット２７の幅Ｗ３よりも大きい。なお、図２(Ｃ)におけるＸ方向は、図１における矢印ＡＢの方向に対応している。
【００５８】
また、図２(Ｃ)の各スリット２５、２６、２７内には、各スリット２５、２６、２７を透過して上記シリコン膜４の上記照射領域Ｃに照射されたレーザ光５によって、横方向(つまりＡＢ方向)に成長した結晶粒を模式的に示している。すなわち、上記各スリット２５、２６、２７内に描かれた各結晶粒は、各スリット２５、２６、２７を経由して、レーザ光５をシリコン膜４の表面に画される第１領域内に照射して溶融させ、凝固させて結晶化させた結晶粒を示している。
【００５９】
上述のように、上記第１実施形態のレーザビーム投影マスク１４を備えたレーザ加工装置によれば、透過エリアをなすスリット２５〜２７は、透過したレーザ光５が被照射物としてのシリコン膜４に照射される照射領域(第１領域,第２領域)が上記シリコン膜４に対して所定の方向ＡＢに相対移動されるときに、上記シリコン膜４に照射されるレーザ光５の上記所定の方向ＡＢの分布が、上記シリコン膜４の上記所定の方向ＡＢの温度分布に対応するように形成されている。
【００６０】
したがって、シリコン膜４に照射するレーザ光５の分布とシリコン膜４の温度分布との不一致を抑制できる。したがって、均一な結晶粒長が得られない場合でも、結晶化領域の引継ぎを支障なく行うことができ、結晶性が悪くならず、良好な結晶性が得られる。さらに、上記レーザビーム投影マスク１４によれば、マスク１４に入射されるレーザビームを完全に均一にする必要はなく、光学系の調整の困難さを軽減でき、かつ、レーザ光の利用効率の低下を軽減できる。
【００６１】
(第２の実施の形態)
次に、図４Ｂ(Ａ)に、この発明の第２実施形態としてのレーザビーム投影マスク３４を示す。このレーザビーム投影マスク３４は、図４Ｂ(Ａ)に示すＸ方向に、所定の間隔を隔てて形成された４つのスリット３５〜３８を有する。また、各スリット３５〜３８は、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定の間隔を隔てて３個ずつ形成されている。
【００６２】
各スリット３５〜３８のＸ方向の寸法Ｕは同じであるが、スリット３５のＹ方向の寸法Ｗ４はスリット３６のＹ方向の寸法Ｗ３よりも長く、スリット３６のＹ方向の寸法Ｗ３はスリット３７のＹ方向の寸法Ｗ２よりも長い。また、スリット３７のＹ方向の寸法Ｗ２はスリット３８のＹ方向の寸法Ｗ１よりも長い。
【００６３】
また、図４Ｂ(Ａ)に示すように、Ｙ方向において、上段、中段、下段の各４つのスリット３５〜３８は、Ｘ方向への配列の仕方が同様である。すなわち、スリット３６のＹ方向の端の辺は、スリット３５のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ３だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット３７のＹ方向の端の辺は、スリット３６のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ２だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット３８のＹ方向の端の辺は、スリット３７のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ１だけＹ方向に位置ずれしている。
【００６４】
次に、図７に、上記投影マスク３４を備えるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、第１レーザ光源１１と第２レーザ光源２０を備える。上記第１レーザ光源１１から出射された第１レーザビーム１８は、図３に示したレーザ加工装置と同様、可変減衰器１２、反射ミラー７,８、可変焦点視野レンズ１３、投影マスク３４、結像レンズ１５、反射ミラー９を経由して、ステージ１６上に搭載された半導体装置１の上面に照射される。また、このレーザ加工装置は、コントローラ１７を備え、このコントローラ１７でステージ１６およびレーザ光源１１を制御する。また、このレーザ加工装置が備える第２レーザ光源２０が出射して第２レーザビーム１９は、均一照射光学系２１と反射ミラーを経由して半導体装置１の上面に照射される。
【００６５】
なお、上記半導体装置１の構造は、前述の第１実施形態において説明した図１に示す半導体装置１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００６６】
上記第１のレーザビーム１８は、上記第２のレーザビーム１９に比べて、固体状態にあるシリコン膜４への吸収率が高い範囲の波長を有する。より具体的には、上記第１のレーザビーム１８は、紫外域の波長を有することが好ましい。
【００６７】
このような紫外域の波長を有する第１のレーザビーム１８としては、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスがあげられる。また、上記第１のレーザビーム１８は、固体状態にあるシリコン膜４を溶融させるエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は、シリコン膜４の材質の種類、シリコン膜４の膜厚、シリコン膜４の結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできない。したがって、上記シリコン膜４における上記各条件に合わせて適宜適当なエネルギー量を有する第１のレーザビーム１８を用いることが望ましい。シリコン膜４に替えて他の種類の半導体膜を結晶化する場合も同様である。具体的には、半導体膜としてのシリコン膜４を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することのできるエネルギー量を有する第１のレーザビーム１８を用いることが推奨される。
【００６８】
さらに、上記第２のレーザビーム１９は、第１のレーザビーム１８に比べて、液体状態にあるシリコン膜４への吸収率が高い範囲の波長を有することが好ましい。具体的には、上記第２のレーザビーム１９は、可視域から赤外域の波長を有することが好ましい。たとえば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長１０.６μｍの炭酸ガスレーザなどがあげられる。また、上記第２のレーザビーム１９は、固体状態にあるシリコン膜４を溶融させないエネルギー量を有することが好ましい。このエネルギー量は、半導体膜としてのシリコン膜４の材質の種類、半導体膜としてのシリコン膜４の膜厚、結晶化領域の面積などにより変化し、一義的に定めることはできない。このため、上記シリコン膜４の態様に合わせて適宜適当なエネルギー量を有する第２のレーザビーム１９を用いることが望ましい。具体的には、第２のレーザビーム１９を単独で照射した場合には、シリコン膜４を、融点以上の温度に加熱することのできないエネルギー量を有する第２のレーザビーム１９を用いることが推奨される。このことは、シリコン膜４に替えて他の種類の半導体膜を採用した場合も同様である。
【００６９】
また、図７に示すレーザ加工装置では、たとえば、第１のレーザビーム１８を半導体装置１のシリコン膜４の上面に対して垂直方向から入射させると共に、第２のレーザビーム１９をシリコン膜４の上面に対して斜め方向から入射させることができる。
【００７０】
なお、図７に示す第１のレーザ光源１１は、レーザビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であるレーザ発振器であればよく、特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなどの紫外域の波長を有するレーザ発振器であることが望ましい。また、上記第１のレーザ光源１１を構成するレーザ発振器としては、上述した中でも、パルス放射可能な波長３０８ｎｍのエキシマレーザ発振器が特に好ましい。一方、第２のレーザ光源２０をなす発振器としては、溶融シリコンをはじめとする溶融状態の半導体膜に吸収される波長を有する第２レーザビーム１９を放射できることが望ましい。
【００７１】
ここで、図８に、第１、第２のレーザビーム１８、１９の出力波形の一例を示す。図８では、上記第１のレーザ光源１１が第１のレーザビーム１８を出射する時刻と出力を特性Ｖ１で示し、第２のレーザ光源２０が第２のレーザビーム１９を出射する時刻と出力を特性Ｖ２で示す。特性Ｖ１とＶ２を比較すれば分かるように、第２のレーザビーム１９は、時刻ｔ０からｔ２にわたって出射されるが、第１のレーザビーム１８が出射されるのは、時刻ｔ０の後の時刻ｔ１から時刻ｔ２以前までの期間である。つまり、第１のレーザビーム１８の出射期間は、第２のレーザビーム１９の出射期間に比べて、半分以下程度である。一方、第１のレーザビーム１８の出力のピーク値は、第２のレーザビーム１９の出力のピーク値の数倍の値である。第１のレーザビーム１８と第２のレーザビーム１９の照射時刻と出力との関係は、図８に示す関係に限定されないが、図８に示した特性と同様の関係にあることが好ましい。
【００７２】
なお、以下に説明するように、図８の時刻ｔ１からｔ２において、半導体膜としてのシリコン膜４は溶融状態にある。
【００７３】
この液体状態にある前駆体半導体薄膜であるシリコン膜４に対して、第１のレーザビーム１８に加えて第２のレーザビーム１９の照射を行うことにより、上記前駆体半導体となっているシリコン膜４の温度低下速度を低下させることができ、固化するまでの時間を延長することができる。このため、液体状態にある前駆体半導体薄膜となっているシリコン膜４が固化することによって生成する半導体多結晶のラテラル成長距離を大幅に延ばすことができる。
【００７４】
ここで、図７に示すレーザ加工装置によって、図１に示す半導体装置１のシリコン膜４に、第１のレーザビーム１８と第２のレーザビーム１９を照射して、シリコン膜４に結晶化領域を形成する工程を説明する。
【００７５】
まず、第１の結晶化工程では、図８の特性Ｖ１に示すようなタイミングで、第１レーザ光源１１から出射された第１のレーザビーム１８を上記レーザビーム投影マスク３４の各スリット３５〜３８を経由して、シリコン膜４の表面に画される第１領域内に照射する。また、図８の特性Ｖ２に示すようなタイミングで、第２レーザ光源２０から出射された第２のレーザビーム１９も上記シリコン膜４の表面に照射される。これらの照射により、上記第１領域内のシリコン膜４を溶融し、溶融した上記第１領域内のシリコン膜４を凝固させて結晶化する。
【００７６】
次に、領域移動工程では、コントローラ１７は、ステージ１６を図７の矢印２２の左方向に所定の距離だけ移動させる。この移動により、シリコン膜４は、図１の矢印ＡＢの左方向に所定の距離だけ移動する。
【００７７】
次に、第２の結晶化工程では、上記特性Ｖ１のタイミングで、第１のレーザ光源１１から第１のレーザビーム１８が出射され、図４Ｂ(Ａ)の投影マスク３４の各スリット３５〜３８を透過して、第１のレーザビーム１８によるレーザ光５がシリコン膜４の表面に照射される。この照射の領域は第２の領域であり、上記第１の領域と部分的に重なっている。また、上記移動の距離は、一例として、各スリット３５〜３８のＸ方向の寸法Ｕとしてもよい。また、第１の結晶化工程と同様に、図８の特性Ｖ２に示すようなタイミングで、第２レーザ光源２０から出射された第２のレーザビーム１９も上記シリコン膜４の表面に照射される。これらの照射により、上記第１領域内のシリコン膜４を溶融し、溶融した上記第１領域内のシリコン膜４を凝固させて結晶化する。
【００７８】
さらに、上記シリコン膜４の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、上述のシリコン膜４の表面への上記第１,第２のレーザビーム１８,１９の照射と、上記ステージ１６の移動とを繰り返して複数回行う。これにより、一例として、図４Ｂ(Ｂ)に模式的に示すように、投影マスク３４のＹ方向に相当する縦方向に非対称形状に成長した結晶化エリアＡＲを形成できる。なお、図４Ｂ(Ｂ)では、投影マスク３４の各スリット３５〜３８と、この各スリット３５〜３８を通ってシリコン膜４の表面に照射されるレーザ光の照射エリアに形成される結晶化エリアＡＲとを、両者の対応関係が分かり易いように模式的に合成して描いている。
【００７９】
ラテラル成長距離を大幅に延ばすためには、レーザ照射時のシリコン膜４の温度が高くなり、これに伴って、第１のレーザビーム１８と第２のレーザビーム１９をシリコン膜４に複数回照射した後の温度分布が高くなる。このことを、図４Ａ(Ａ),(Ｂ)に示す一例を参照して説明する。例えば、図４Ａ(Ａ)には、上記第１のレーザビーム１８をなすエキシマレーザのビーム形状を示す。また、図４Ａ(Ｂ)は、上述の工程でもって、上記第１のレーザビーム１８が上記投影マスク３４を透過してシリコン膜４の表面に複数回照射されることにより、この照射エリアに生じる概略温度分布を示している。図４Ａ(Ｂ)では、シリコン膜４の表面での位置が、図１に示すＡＢ方向の左から右に向かって、順に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６で表されている。この位置Ｓ１からＳ６に向かって(図４Ｂ(Ａ)のＸ方向に対応)、シリコン膜４の表面温度は低下している。なお、この図４Ａ(Ｂ)に示す温度分布は、図２(Ｂ)に示す温度分布に比べて、大幅に高くなっている。
【００８０】
また、図４Ａ(Ｃ)は、図４Ａ(Ｂ)の温度分布Ｔ１１〜Ｔ１４に対応して、ラテラル成長距離がどのように変化するかを示している。シリコン膜４の表面温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４に、それぞれ、ラテラル成長距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が対応しており、温度が高くなるのに応じてラテラル成長距離が増大している。
【００８１】
これに対応して、この第２実施形態のレーザビーム投影マスク３４は、図４Ｂ(Ａ)を参照して上述した如く、スリット３５〜３８で構成される透過エリアによって、Ｘ方向に向かって、レーザ光の透過率が低下している。すなわち、各スリット３５〜３８のＹ方向の寸法Ｗ４〜Ｗ１は、ラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ１に対応している。
【００８２】
また、図４Ｂ(Ａ)に示すように、この第２実施形態のレーザビーム投影マスク３４は、上述の如く、スリット３６,３７,３８は、それぞれ、スリット３５,３６,３７に対して、距離Ｇ３,Ｇ２,Ｇ１だけ、順次、Ｙ方向に位置ずれしている。このように、投影マスク３４では、スリット３６〜３８が、階段状に配置されている。このスリット３６〜３８の階段状の配置によって、ステージ１６の移動速度を上げてスループットを向上させることが可能となる。
【００８３】
ここで、図４Ｂ(Ａ)に示すレーザビーム投影マスク３４において、スリット３５〜スリット３８のＹ方向の寸法(スリット幅)Ｗ４〜Ｗ１と、各スリット幅Ｗ４〜Ｗ１に対応するラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ１の関係を次式(１)に示す。また、ラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ２とスリット間位置ずれ距離Ｇ３〜Ｇ１との関係を次式(２)に示す。
Ｗｎ＝２×Ｌｎ     (ｎ＝１〜４)          …  (１)
０.５Ｌｎ＜Ｇ(ｎ-1)＜Ｌｎ    (ｎ＝２〜４)          …  (２)
【００８４】
図４Ｂ(Ｂ)に一例を示すように、上述したような繰り返し結晶化プロセスにより形成された結晶化エリアＡＲの形状は、Ｘ方向の軸線Ｊ１に関して非対称になる。また、この一例では、結晶化エリアＡＲをなすエリアＡＲ１とエリアＡＲ２のうちの大きい方のエリアＡＲ２に、Ｈ形を横に倒した形状の半導体デバイス４０を形成した場合の配置の様子を示している。したがって、上記結晶化エリアＡＲによれば、結晶化エリアが軸線Ｊ１に関して対称である場合に比べて、より大きな結晶化エリアＡＲ２にスイッチング素子のような半導体デバイス４０を配置することによって、結晶粒界が少なくてデバイス特性を向上でき、消費電力を低減できる。
【００８５】
なお、上記第２実施形態を備えたレーザ加工装置において、上記投影マスク３４を通過した第１のレーザビーム１８が表すマスクの像をシリコン膜４上に縮小投影するような照射領域に第１のレーザビーム１８を照射してもよい。この場合、上記第２のレーザビーム１９の照射領域を上記第１のレーザビーム１８の照射領域よりも広くして、第２のレーザビーム１９の照射領域が第１のレーザビーム１８の照射領域を包含することが望ましい。さらに、この場合には、第２のレーザビーム１９は、少なくともシリコン膜４が溶融している間にも照射することが望ましい。
【００８６】
(第３の実施の形態)
次に、図５Ｂに、この発明の第３実施形態としてのレーザビーム投影マスク５４を示す。このレーザビーム投影マスク５４は、図５Ｂに示すＸ方向に、所定の間隔を隔てて形成された４つのスリット５５〜５８を有する。また、各スリット５５〜５８は、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定の間隔を隔てて３個ずつ形成されている。各スリット５５〜５８のＸ方向の寸法Ｕ１１は同じであるが、スリット５５のＹ方向寸法Ｗ１１はスリット５６のＹ方向寸法Ｗ１２よりも短く、スリット５６のＹ方向寸法Ｗ１２はスリット５７のＹ方向寸法Ｗ１３よりも短い。また、スリット５７のＹ方向寸法Ｗ１３はスリット５８のＹ方向寸法Ｗ１４よりも短い。
【００８７】
また、図５Ｂに示すように、Ｙ方向において、上段、中段、下段の各４つのスリット５５〜５８は、Ｘ方向への配列の仕方が同様である。すなわち、スリット５６のＹ方向の端の辺は、スリット５５のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ１２だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット５７のＹ方向の端の辺は、スリット５６のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ１３だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット５８のＹ方向の端の辺は、スリット５７のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ１４だけＹ方向に位置ずれしている。
【００８８】
図７に示す上述のレーザ加工装置において、前述の第２実施形態のレーザビーム投影マスク３４に替えて、この第３実施形態のレーザビーム投影マスク５４を備えてもよい。この場合のレーザ加工装置によって、第１,第２のレーザビーム１８,１９をシリコン膜４へ照射する工程については、前述の第２実施形態における説明と同様である部分については省略する。
【００８９】
この第３実施形態を備えたレーザ加工装置では、第２レーザ光源２０が出射する第２のレーザビーム１９のビーム形状が、前述の第２実施形態でのレーザ加工装置と異なっている。つまり、この第３実施形態を備えたレーザ加工装置では、第２レーザ光源２０の出射する第２のレーザビーム１９のビーム形状は、図５Ａ(Ａ)に示すように、シリコン膜４における照射領域の進行方向に向かって先頭側の位置Ｓｐにピークを有する非対称形状のビーム形状である。なお、第１のレーザビーム１８のビーム形状は、前述の第２実施形態におけるレーザ加工装置と同様である。
【００９０】
この第１のレーザビーム１８と図５Ａ(Ａ)に示すビーム形状の第２のレーザビーム１９とを用いて、前述の第２実施形態におけるレーザ加工装置による工程と同様にして、投影マスク５４を透過した第１のレーザビーム１８と上記第２のレーザビーム１９をシリコン膜４の表面に複数回照射する。これにより、シリコン膜４の表面には、図５Ａ(Ｂ)に示すような温度分布が発生する。図５Ａ(Ｂ)では、シリコン膜４の表面での位置が、図１に示すＡＢ方向の左から右に向かって、順に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６で表されている。この位置Ｓ１からＳ６に向かって(図５ＢのＸ方向に対応)、シリコン膜４の表面温度は上昇している。なお、この図５Ａ(Ｂ)に示す温度分布は、図４Ａ(Ｂ)に示す温度分布とは逆に、進行方向の先頭部分の温度が高くなっている。
【００９１】
また、図５Ａ(Ｃ)には、図５Ａ(Ｂ)の温度分布Ｔ１１〜Ｔ１４に対して、ラテラル成長距離がどのように変化するかを示している。シリコン膜４の表面温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４に、それぞれ、ラテラル成長距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が対応しており、温度が高くなるのに応じてラテラル成長距離が増大している。
【００９２】
これに対して、この第３実施形態のレーザビーム投影マスク５４は、図５Ｂを参照して上述した如く、スリット５５〜５８で構成される透過エリアによって、Ｘ方向に向かって、レーザ光の透過率が増大している。すなわち、各スリット５５〜５８のＹ方向の寸法Ｗ１１〜Ｗ１４は、ラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ１に対応している。
【００９３】
また、図５Ｂに示すように、この第３実施形態のレーザビーム投影マスク５４は、上述の如く、スリット５６,５７,５８は、それぞれ、スリット５５,５６,５７に対して、距離Ｇ１２,Ｇ１３,Ｇ１４だけ、順次、Ｙ方向に位置ずれしている。このように、投影マスク５４では、スリット５５〜５８が、階段状に配置されている。このスリット５５〜５８の階段状の配置によって、ステージ１６の移動速度を上げてスループットを向上させることが可能となる。
【００９４】
ここで、図５Ｂに示すレーザビーム投影マスク５４において、スリット５５〜スリット５８のＹ方向の寸法(スリット幅)Ｗ１１〜Ｗ１４と、各スリット幅Ｗ１１〜Ｗ１４に対応するラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ１の関係を次式(３)に示す。また、ラテラル成長距離Ｌ４〜Ｌ２とスリット間位置ずれ距離Ｇ１４〜Ｇ１２との関係を次式(４)に示す。
Ｗ１ｎ＝２×Ｌｎ     (ｎ＝１〜４)        …  (３)
０.５Ｌｎ＜Ｇ１ｎ)＜Ｌｎ   (ｎ＝２〜４)        …  (４)
【００９５】
(第４の実施の形態)
次に、図６Ｂに、この発明の第４実施形態としてのレーザビーム投影マスク７４を示す。このレーザビーム投影マスク７４は、図６Ｂに示すＸ方向に、所定の間隔を隔てて形成された４つのスリット７５〜７８を有する。また、各スリット７５〜７８は、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定の間隔を隔てて３個ずつ形成されている。各スリット７５〜７８のＸ方向の寸法Ｕ１１は同じである。
【００９６】
スリット７５のＹ方向寸法Ｗ２１はスリット７８のＹ方向寸法Ｗ２４と略同じであり、スリット７６のＹ方向寸法Ｗ２２はスリット７７のＹ方向寸法Ｗ２３と略同じである。また、Ｙ方向寸法Ｗ２２はＹ方向寸法Ｗ２１の略２倍である。
【００９７】
また、図６Ｂに示すように、Ｙ方向において、上段、中段、下段の各４つのスリット７５〜７８は、Ｘ方向への配列の仕方が同様である。すなわち、スリット７６のＹ方向の端の辺は、スリット７５のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ２２だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット７７のＹ方向の端の辺は、スリット７６のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ２３だけＹ方向に位置ずれしている。また、スリット７８のＹ方向の端の辺は、スリット７７のＹ方向の端の辺に比べて、距離Ｇ２４だけＹ方向に位置ずれしている。
【００９８】
図７に示す上述のレーザ加工装置において、前述の第２実施形態のレーザビーム投影マスク３４に替えて、この第４実施形態のレーザビーム投影マスク７４を備えてもよい。この場合のレーザ加工装置によって、第１,第２のレーザビーム１８,１９をシリコン膜４へ照射する工程については、前述の第２実施形態における説明と同様である部分については省略する。
【００９９】
この第４実施形態を備えたレーザ加工装置では、第２レーザ光源２０が出射する第２のレーザビーム１９のビーム形状が、前述の第２実施形態でのレーザ加工装置と異なっている。つまり、この第４実施形態を備えたレーザ加工装置では、第２レーザ光源２０の出射する第２のレーザビーム１９のビーム形状は、図６Ａ(Ａ)に示すように、シリコン膜４における照射領域の進行方向に向かって先頭側の位置Ｓｑにピークを有する非対称形状のビーム形状である。図６Ａ(Ａ)に示す第２のレーザビーム１９のビーム形状は、図５Ａ(Ａ)に示す第２のレーザビーム１９のビーム形状に比べると、フラット化されている。なお、第１のレーザビーム１８のビーム形状は、前述の第２実施形態におけるレーザ加工装置と同様である。
【０１００】
この第１のレーザビーム１８と図６Ａ(Ａ)に示すビーム形状の第２のレーザビーム１９とを用いて、前述の第２実施形態におけるレーザ加工装置による工程と同様にして、投影マスク７４を透過した第１のレーザビーム１８と上記第２のレーザビーム１９をシリコン膜４の表面に複数回照射する。これにより、シリコン膜４の表面には、図６Ａ(Ｂ)に示すような温度分布が発生する。図６Ａ(Ｂ)では、シリコン膜４の表面での位置が、図１に示すＡＢ方向の左から右に向かって、順に、Ｓ１、Ｓ４で表されている。この位置Ｓ１から、位置Ｓ１と位置Ｓ４との略中央に向かって(図６ＢのＸ方向に対応)、シリコン膜４の表面温度は上昇している。また、この略中央の部分から上記位置Ｓ４に向かって、シリコン膜４の表面温度は低下している。また、位置Ｓ１での温度Ｔ１１と位置Ｓ４での温度Ｔ１１とは略等しくなっている。なお、この図６Ａ(Ｂ)に示す温度分布は、図４Ａ(Ｂ)や図５Ａ(Ｂ)に示す温度分布と比べると、フラット化されているものの、中央部分の温度が高くなっている。
【０１０１】
また、図６Ａ(Ｃ)には、図６Ａ(Ｂ)に示す温度分布Ｔ１１〜Ｔ１４に対して、ラテラル成長距離がどのように変化するかを示している。シリコン膜４の表面温度Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４に、それぞれ、ラテラル成長距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が対応しており、温度が高くなるのに応じてラテラル成長距離が増大している。
【０１０２】
これに対応して、この第４実施形態のレーザビーム投影マスク５７は、図６Ｂを参照して上述した如く、スリット７５〜７８で構成される透過エリアによって、Ｘ方向の両端部分から中央部分に向かって、レーザ光の透過率が増大している。すなわち、各スリット７５〜７８のＹ方向の寸法Ｗ２１〜Ｗ２４は、図６Ａ(Ｂ)に示す温度曲線に対応している。
【０１０３】
また、図６Ｂに示すように、この第４実施形態のレーザビーム投影マスク７４は、上述の如く、スリット７６,７７,７８は、それぞれ、スリット７５,７６,７７に対して、距離Ｇ２２,Ｇ２３,Ｇ２４だけ、順次、Ｙ方向に位置ずれしている。このように、投影マスク７４では、スリット７５〜７８が、階段状に配置されている。このスリット７５〜７８の階段状の配置によって、ステージ１６の移動速度を上げてスループットを向上させることが可能となる。
【０１０４】
上記第１乃至第４の実施形態のレーザビーム投影マスク１４、３４、５４、７４を備えたレーザ加工装置によれば、上述のような工程でもって、シリコン膜４に結晶化領域を形成できる。そして、このようにして形成した半導体膜について適当な処理を行うことでトランジスタを形成することができ、液晶パネルなどの表示素子として用いることが可能である。この場合、本発明のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置によるレーザ加工方法によれば、半導体膜に形成された結晶粒が、従来例に比べて格段に大きいので、トランジスタのチャネルを流れるキャリアの移動度が高く、高性能の素子が得られる。
【０１０５】
尚、上記第１〜第４実施形態においては、非晶質材料層がアモルファスシリコン膜４である場合を説明したが、これに限定されることなく、非晶質材料層は非晶質のゲルマニウムやそれらの合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１〜４実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置によってレーザビームが照射される半導体装置１の断面図である。
【図２】図２(Ａ)は本発明の第１実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置で発生するレーザビームのビーム形状を示す波形図であり、図２(Ｂ)は上記レーザ加工装置によって半導体装置１にレーザ光を照射した結果、シリコン膜に形成される温度分布を示す温度分布図であり、図２(Ｃ)は上記第１実施形態のレーザビーム投影マスクおよびこのマスクに対応して成長される結晶粒を模式的に示す模式図であり、図２(Ｄ)は結晶粒が横方向に非対称形状に形成された様子を示す模式図である。
【図３】上記第１実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａ(Ａ)は上記第２実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置で発生するレーザビームのビーム形状を示す波形図であり、図４Ａ(Ｂ)は上記レーザ加工装置によって半導体装置１にレーザ光を照射した結果、シリコン膜に形成される温度分布を示す温度分布図であり、図４Ａ(Ｃ)は図４Ａ(Ｂ)の温度分布に対応してラテラル成長距離が変化する様子を示す特性図である。
【図４Ｂ】図４Ｂ(Ａ)は上記第２実施形態のレーザビーム投影マスクを示す平面図であり、図４Ｂ(Ｂ)は結晶化エリアＡＲの形状とスリット３５〜３８とを対応付けて描いた合成模式図である。
【図５Ａ】図５Ａ(Ａ)は上記第３実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置で発生するレーザビームのビーム形状を示す波形図であり、図５Ａ(Ｂ)は上記レーザ加工装置によって半導体装置１にレーザ光を照射した結果、シリコン膜に形成される温度分布を示す温度分布図であり、図５Ａ(Ｃ)は図５Ａ(Ｂ)の温度分布に対応してラテラル成長距離が変化する様子を示す特性図である。
【図５Ｂ】上記第３実施形態のレーザビーム投影マスクを示す平面図である。
【図６Ａ】図６Ａ(Ａ)は上記第４実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置で発生するレーザビームのビーム形状を示す波形図であり、図６Ａ(Ｂ)は上記レーザ加工装置によって半導体装置１にレーザ光を照射した結果、シリコン膜に形成される温度分布を示す温度分布図であり、図６Ａ(Ｃ)は図６Ａ(Ｂ)の温度分布に対応してラテラル成長距離が変化する様子を示す特性図である。
【図６Ｂ】上記第４実施形態のレーザビーム投影マスクを示す平面図である。
【図７】上記第２実施形態のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図８】図７のレーザ加工装置における第１のレーザビームと第２のレーザビームの照射タイミングを示す波形図である。
【図９】従来例のレーザビーム投影マスクを備えたレーザ加工装置によってレーザビームが照射される半導体装置１０１の断面図である。
【図１０】図１０(Ａ)〜図１０(Ｄ)は上記従来のレーザ加工装置によって、半導体膜に結晶を成長させる様子を順に示す模式図である。
【図１１】上記従来のレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図１２】図１２(Ａ)は上記従来のレーザ加工装置で発生するレーザビームの形状を示す波形図であり、図１２(Ｂ)は上記従来のレーザ加工装置が備えるレーザビーム投影マスク２１４を示す平面図であり、図１２(Ｃ)は従来のレーザビーム投影マスク２３１およびこのマスクのスリットとこのスリットに対応して成長した結晶粒を模式的に描いた合成模式図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  半導体デバイス
２  透明基板
３  下地膜
４  シリコン膜
５  レーザビーム
１１  レーザ光源
１２  可変減衰器
１３  可変減焦点視野レンズ
１４、３４、５４、７４  レーザビーム投影マスク
１５  結像レンズ
１６  ステージ
１７  コントローラ
１８  第１レーザビーム
１９  第２レーザビーム
２０  第２レーザ光源
２５〜２７、３５〜３８、５５〜５８、７５〜７８  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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