(57)【要約】【課題】  紫外線領域の波長を有するレーザに対して耐久性の高いマスクを提供する。【解決手段】  本発明の投影マスクは、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする。高融点金属は、タングステンまたはモリブデンが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する製造方法において、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金である投影マスクにより第１のレーザの照射領域を限定することを特徴とする。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする投影マスク。
【請求項２】
前記高融点金属は、タングステンまたはモリブデンであることを特徴とする請求項１に記載の投影マスク。
【請求項３】
基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する半導体デバイスの製造方法において、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金である投影マスクにより第１のレーザの照射領域を限定することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
紫外線領域の波長を有する前記第１のレーザを照射すると同時に、基板の温度を上げるために第２のレーザを照射することを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する半導体デバイスの製造装置であって、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを発振する光源と、投影マスクと、照射位置を移動するステージとを備え、前記投影マスクが、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させるマスクであり、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
【請求項６】
基板の温度を上げるために第２のレーザを発振する光源を備えることを特徴とする請求項５に記載の半導体デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、紫外線領域の波長を有するレーザに対して耐久性のある投影マスクに関する。また、かかる投影マスクを使用して高エネルギレーザにより非晶質半導体材料を結晶化する半導体デバイスの製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜材料の上に半導体デバイスを形成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、アクティブマトリクス液晶表示装置における表示部ならびに画素コントローラなどに用いられており、薄膜材料としては非晶質材料が主に用いられている。しかし、ＴＦＴを高速駆動させるために、従来、非晶質半導体膜が用いられていたチャネル領域を結晶化し、材料特性を向上させる試みがなされている。これは結晶という原子配列のそろった部分におけるキャリアの移動度が、非晶質部分における移動度より数百倍大きくなるためである。この場合、多結晶では、結晶粒界においてキャリアの散乱が生じるため、より結晶粒を大きくし、チャネル領域においては単結晶であることが望ましい。
【０００３】
結晶化にはいくつかの方法が提案されており、パルスレーザを用いる方法は、短時間に大きなエネルギを投入でき、低温でのプロセスが可能となるため、有望である。その中で、結晶の横方向成長法およびこれを利用する逐次横方向結晶化法（ＳＬＳ：Sequential Lateral Solidification）と呼ばれる方法がある。
【０００４】
横方向成長法により形成された結晶の平面図を図７に示す。図７（ａ）は、小さい幅のマスクを用いた場合の結晶であり、図７（ｂ）は、大きい幅のマスクを用いた場合の結晶である。結晶の横方向成長法では、非晶質半導体膜にマスクを介してレーザビームをパルス照射し、照射領域を完全に溶融させる。その後、冷却することにより、溶融した半導体膜は再凝固するが、凝固する際、溶融しなかった固体部との境界付近から横方向に向けて、結晶長さ７１の特有の結晶が生じる。
【０００５】
図７（ａ）に示すように、マスクの幅が結晶粒長７１の約２倍よりも狭いと、この横方向結晶がパターンの中央部で衝突し、突起状の表面ラフネス（以下、「リッジ」と呼ぶ。）が形成される。これは、液体状のシリコンが凝固する際に体積が増えることが原因であり、凝固することにより増えた体積の分だけ、上方へ突起が形成させる。図７（ｂ）に示すように、マスクの幅が結晶粒長７１の約２倍よりも広いと、横方向の結晶化が進む途中で、パターンの中央部付近からも冷却が始まり、下から上方向への微結晶化が起こる。これに横方向の結晶化は阻害されることとなり、リッジを形成して止まる。これらの結晶は、完全溶融した端からリッジまでの長さを持つ大きな一つの単結晶であり、この方向をＴＦＴのチャネル方向にとると、キャリアの流れに垂直な粒界は存在しないため良好な特性を得ることができる。
【０００６】
ＳＬＳ法は、さらに、結晶長を伸ばすための方法であり、結晶を種として横方向結晶化を続けることができる（特許文献１参照）。ＳＬＳ法により形成された結晶を、図８に示す。図８は、ＳＬＳ法を用いて結晶化させた膜の平面図である。まず、図８（ａ）に示すように、矩形マスクで照射領域が限定されたレーザに対して、サンプル（非晶質半導体膜）を距離８２だけ相対的に移動させ（シフトさせ）て、レーザ照射することにより、シフトさせたレーザ照射部分８３が完全に溶融し再凝固する。この際、図８（ｂ）に示すように、一つ前の結晶粒を種として再凝固するので、結晶を引き継ぐことにより、結晶長さ８２＋結晶長さ８１の単結晶を得ることができる。さらに、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、同様のシフトとレーザ照射を繰り返すことによって、所望の長さの単結晶を得ることができる。
【０００７】
ＳＬＳ法においては、矩形マスクの精度が非常に重要であり、一般には、石英基板上にクロムを形成し、パターニングしたクロムマスクが使われる。クロムマスクは、フィルムマスクなどに比べると高い耐久性を有するが、照射するレーザがエキシマレーザであると、エキシマレーザのエネルギが一般の露光に比較してはるかに高く、エキシマレーザの波長領域である紫外線領域ではマスクの反射率が低いため、クロムマスクの厚さ方向にレーザエネルギを吸収し、温度が上昇する。温度の上昇は、クロム膜そのものにダメージを与えるだけではなく、マスク基板の膨張による精度劣化を招き、ＳＬＳ法そのものの障害となる。特に、大面積にわたって所定の結晶化をするためには長時間のレーザ照射が必要となるため、より深刻な問題となり得る。
【０００８】
紫外線領域での反射率が高い金属として、アルミニウムが知られているが、クロムマスクの反射率が１０％〜２０％であり、アルミニウム薄膜の反射率が２０％〜３０％程度であり、反射率が十分に高いとは言えない。アルミニウムそのものの反射率は、９０％程度であるが、薄膜を形成すると、表面に凹凸が生じ、反射率が減少することに原因があるものと思われる。また、アルミニウムの融点は６６０℃程度であり、エキシマレーザの照射によりパターンエッジ部などの温度が局所的に上昇すると、溶融する可能性がある。また、一般的にゴーストおよびフレアをなくすため、クロムマスクの表面に酸化膜を形成し、クロムマスクの反射率を下げるような文献はあるが、耐久性に着目して、反射率を上げるような文献はない（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３２０４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、紫外線領域の波長を有するレーザに対する耐久性のある投影マスクを提供することにある。また、かかる耐久性の高い投影マスクを使用する半導体デバイスの製造方法および製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の投影マスクは、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする。高融点金属は、タングステンまたはモリブデンが好ましい。
【００１１】
本発明の半導体デバイスの製造方法は、基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する製造方法において、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金である投影マスクにより第１のレーザの照射領域を限定することを特徴とする。かかる製造方法においては、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを照射すると同時に、基板の温度を上げるために第２のレーザを照射する態様が好ましい。
【００１２】
本発明の半導体デバイスの製造装置は、基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する製造装置であって、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを発振する光源と、投影マスクと、照射位置を移動するステージとを備え、投影マスクが、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させるマスクであり、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする。この製造装置は、基板の温度を上げるために第２のレーザを発振する光源を備える態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一般の露光に比較してエネルギがはるかに高いエキシマレーザを使用しても、耐久性のある投影マスクが得られるため、投影マスクの長寿命化により、製造歩留まりの大きい半導体デバイスの製造方法を提供することが可能である。また、メンテナンス頻度の少ない製造装置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】
【００１４】
（投影マスク）
本発明の投影マスクは、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする。基板上の半導体膜にレーザを照射し、半導体膜を熔融し、冷却に伴ない、結晶化するレーザ結晶化法などにおいては、一般の露光に比べてエネルギが高いエキシマレーザを照射する。本発明の投影マスクは、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金からなるため、エキシマレーザなどの紫外線領域の波長を有するレーザに対して反射率が高く、長時間に亘りレーザを照射しても、レーザエネルギの吸収による投影マスクの温度上昇が少ない。したがって、投影マスクへのダメージが小さく、投影マスクの耐久性を高めることができる。また、投影マスクの温度上昇が少ないため、熱膨張によるマスク精度の劣化が小さい。
【００１５】
高融点金属は、単体での融点が２０００℃以上である金属をいい、かかる高融点金属としては、アルミニウムとの合金とすることにより、紫外線領域の波長を有するレーザに対する反射率の高い材質が得られる点で、モリブデンまたはタングステンが好ましい。図４は、投影マスクの遮光部に用いる材質について、照射するレーザの波長と反射率との関係を示す。図４には、アルミニウム（Ａｌ）単体と、アルミニウム９５原子数％（以下、「ａｔ％」ともいう。）とモリブデン（Ｍｏ）５ａｔ％の合金、アルミニウム９０ａｔ％とモリブデン１０ａｔ％の合金、アルミニウム９５ａｔ％とタングステン（Ｗ）５ａｔ％の合金、アルミニウム９０ａｔ％とタングステン１０ａｔ％との合金について例示する。
【００１６】
アルミニウム９５ａｔ％とモリブデン５ａｔ％の合金は、アルミニウム９０ａｔ％とモリブデン１０ａｔ％の合金と殆んど差がないため、図４では、まとめて単一の実線で示す（以下、「Ａｌ−Ｍｏ」という。）。また、アルミニウム９５ａｔ％とタングステン５ａｔ％の合金は、アルミニウム９０ａｔ％とタングステン１０ａｔ％の合金と殆んど差がないため、図４では、まとめて単一の破線で示す（以下、「Ａｌ−Ｗ」という。）。図４に示すように、エキシマレーザの波長領域Ｅｘにおける反射率は、アルミニウム単体が３０％程度であるのに対し、Ａｌ−ＭｏとＡｌ−Ｗの反射率は、６０％程度と非常に高い。反射率が高いと、ピンホールの発生を抑え、投影マスクの長寿命化につながるため、製造歩留まりの向上やメンテナンス頻度の減少によるコスト削減に寄与する。
【００１７】
Ａｌ−Ｍｏでは、エッチング特性がＡｌと大きく変わらないようにし、紫外線領域の波長における反射率を高めるとともに合金の融点がＡｌ単体よりもあまり低くならないようにするために、Ｍｏは、合金中に１ａｔ％〜２０ａｔ％配合するのが好ましく、５ａｔ％〜１０ａｔ％配合するのがより好ましい。同様に、Ａｌ−Ｗでは、エッチング特性がＡｌと大きく変わらず、紫外線領域の波長における反射率を高め、合金の融点がＡｌ単体よりもあまり低くならないようにする観点から、Ｗは、合金中に１ａｔ％〜２０ａｔ％配合するのが好ましく、５ａｔ％〜１０ａｔ％配合するのがより好ましい。また、アルミニウムと高融点金属の合金は、石英基板上に直接形成しても有効であり、さらに、耐久性を向上させるために、下地もしくは表面に酸化物からなる保護層が形成することもできる。
【００１８】
図３に、投影マスクの平面図を示す。図３に示すように、投影マスクには、レーザが通過するマスクスリット３１と遮光部３２を備える。マスクスリット３１には、特別な限定がなく、所望の結晶粒が形成されるようなスリット状のパターンが形成されるのが一般的である。図３に示すマスクスリット３１は、スリット幅をＷとすると、スリットの端部に、Ｗ×（１〜２）の高さを有する三角形の透光部が形成されている。マスクパターンを、このような形状とすることにより、投影マスクを矢印のように横方向に移動させて、結晶を引き継ぐ際に、マスクの横同士の繋がりをよくすることができる。
【００１９】
（半導体デバイスの製造方法）
本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する製造方法において、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させる投影マスクであって、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金である投影マスクにより第１のレーザの照射領域を限定することを特徴とする。
【００２０】
投影マスクにおける遮光部の材質が、アルミニウムと高融点金属を含む組成の合金からなるため、投影マスクの寿命が長く、製品の歩留まりを高めることができる。また、投影マスクの温度上昇が小さいため、熱膨張による精度劣化が小さく、高精度の結晶粒が形成された半導体デバイスを製造することができる。このため、閾値電圧の低減、閾値電圧のばらつきの低減、サブスレッショルド係数の低減など、ＴＦＴ特性の改善に有効である。
【００２１】
図１に、レーザ照射前の半導体基板の断面図を示す。図１に示すように、この半導体基板８は、基板１上に、下地絶縁膜２と、非晶質半導体膜３とを形成した構造を有し、半導体基板８に、パタニーングしたレーザ４を照射する。基板１は、絶縁性のものが好ましく、ガラス基板または石英基板などを好ましく用いることができるが、安価である点および大面積の基板を容易に製造できる点で、ガラス基板が好適である。
【００２２】
下地絶縁膜２には、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などを用いる。膜厚は、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。下地絶縁膜２は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着またはスパッタリングなどにより堆積することができる。
【００２３】
半導体膜３は、厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、触媒化学気相堆積（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着またはスパッタリングなどにより堆積することができる。半導体膜３は、半導体特性を示す従来より公知のものを使用することができ、特に限定されないが、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アモルファスシリコン膜とすることが好ましい。一方、アモルファスシリコンのような非晶質のものに限らず、レーザ照射により結晶化される前の半導体膜３は、微結晶や多結晶などの結晶性半導体膜を利用することもできる。また、半導体膜３は、シリコンのみからなる材質に限られるものではなく、ゲルマニウムなどの他の元素を含み、シリコンを主成分とする材質であってもよい。
【００２４】
ＳＬＳ法を用いて、半導体膜にレーザを照射して結晶を横方向に成長させることができるが、横方向とは、半導体膜の面と実質的に平行な方向をいう。すなわち、半導体膜において、結晶成長する方向としては、主として、半導体膜の面方向と、半導体膜の厚さ方向とが挙げられるが、このうち、面方向のことを意味する。また、結晶を横方向に単一に成長させていくために、１回のレーザパルスで生じた横方向の結晶成長を引き継ぐように、つぎのレーザパルスを照射する領域を定め、レーザパルスで生じた結晶成長を引き継ぐように、つぎのレーザパルスを照射する。本明細書においては、このように結晶成長を引き継ぐようにレーザ照射を行なうことを、段階的にレーザ照射を行なうという。このように、段階的にレーザ照射を行なうことにより、最初のレーザ照射で生じた結晶を引き継いでいくことができるので、単一の結晶、すなわち単結晶を形成することができる。また、直前のレーザパルス照射により生じたリッジは、つぎのレーザパルス照射により除去することができる。これにより、リッジ以外のエリアは、きわめて平坦で凹凸のほとんどない、具体的には１０ｎｍ以上の突起がほとんどない、結晶を得ることができる。
【００２５】
（半導体デバイスの製造装置）
本発明の半導体デバイスの製造装置は、基板上に形成された半導体膜にレーザを照射して結晶化する製造装置であって、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを発振する光源と、投影マスクと、照射位置を移動するステージとを備え、投影マスクが、紫外線領域の波長を有する第１のレーザを通過させるマスクであり、遮光部の材質がアルミニウムと高融点金属を含む組成の合金であることを特徴とする。投影マスクの寿命が長く、メンテナンス頻度の減少によるコスト低減を図ることができる。
【００２６】
図２は、本発明に係る半導体デバイスの製造装置を示す概念図である。図２に示すように、この製造装置は、第１のレーザを発振する光源２２と、可変減衰器２３と、フィールドレンズ２４と、投影マスク２５と、結像レンズ２６と、照射位置を移動するサンプルステージ２７と、いくつかのミラーと、均一照射光学系を備える。これらの部材は、コントローラ２１により制御され、ステージ２７上の半導体基板２８にレーザパルスを照射することができる。リッジに照射するレーザに対して、光の回折限界以下のスリットまたはパターンを有するマスクを用いて、レーザエネルギを減衰させることができる。
【００２７】
ＳＬＳ法に必要なエキシマレーザのエネルギ量は、２ｋＪ／ｍ2〜８ｋＪ／ｍ2であり、マスクスリットを通過して半導体膜に照射されるエネルギが最適になるように可変減衰器２３を調整する。また、エキシマレーザの照射時間は、レーザ光源２２によって決まるが、複数のミラーから構成されるパルス長幅延長器によってパルス長を長くすることにより、結晶粒長を長くすることが可能である。
【００２８】
紫外線領域の波長を有する第１のレーザを照射すると同時に、基板の温度を上げるための第２のレーザを照射する態様が好ましい。第２のレーザをアシストレーザとして用い、溶融した半導体膜の温度低下を抑制することにより、溶融した半導体膜が再凝固するまでの時間を延長することができ、生成される横方向結晶の粒径を大幅に伸ばすことができる。
【００２９】
第１のレーザを発振する光源のほかに、第２のレーザを発振する光源を備える製造装置の概念図を図５に例示する。図５に示すように、この製造装置は、第１のレーザを発振する光源５２と、可変減衰器５３と、フィールドレンズ５４と、投影マスク５５と、結像レンズ５６と、照射位置を移動するサンプルステージ５７と、第２のレーザを発振する光源５９と、いくつかのミラーと、均一照射光学系を備える。これらの部材は、コントローラ５１により制御され、ステージ５７上の半導体基板５８にレーザパルスを照射することができる。
【００３０】
第一のレーザは、第二のレーザよりも固体状態にある半導体膜への吸収率が高い波長、すなわち、紫外線領域の波長を有するレーザが好ましい。具体的には、第一のレーザは、たとえば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザパルスが好適である。一方、第二のレーザは、第一のレーザよりも、下地絶縁膜または液体状態にある半導体層への吸収率が高い波長、すなわち、可視領域から赤外線領域の波長を有するレーザが好ましい。具体的には、第二のレーザは、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好適である。なお、第一のレーザおよび第二のレーザは、それぞれ、第一のレーザ光源および第二のレーザ光源より発振されたレーザを指す。
【００３１】
第１のレーザおよび第２のレーザのエネルギの合計は、照射面積あたり、１回の照射で、固体状態にある半導体膜を溶融させ得るエネルギ量を有することが好ましい。また、第１のレーザは、照射面積あたり、１回の照射で、固体状態にある半導体膜を溶融させ得るエネルギ量を有し、第２のレーザ光は、照射面積あたり、１回の照射で、固体状態にある半導体膜を溶融させ得るエネルギ量未満である態様が好ましい。これらのエネルギ量は、半導体膜の材質、半導体膜の厚さ、結晶化領域の面積などにより調整する必要があり、一義的に定めることはできないため、半導体デバイスの製造形態に合わせて、適切なエネルギ量のレーザを設定するのが望ましい。たとえば、半導体膜として、厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン用いる場合には、ＳＬＳ法に必要な第１のレーザのエネルギ量は、１ｋＪ／ｍ2〜５ｋＪ／ｍ2であり、第２のレーザのエネルギ量は、０．１ｋＪ／ｍ2〜４ｋＪ／ｍ2である。
【００３２】
レーザ強度と照射タイミングの関係を図６に例示する。図６において、横軸は時刻を表し、縦軸はレーザ強度（Ｗ／ｍ2）を表す。図６に示す例では、第１のレーザ６１は、時刻ｔ１に照射を開始し、ｔ２にレーザ強度がほぼ０となるようにする。また、第２のレーザ６２は、時刻ｔ０に照射を開始し、ｔ３にレーザ強度がほぼ０となるようにする。なお、第１のレーザ光および第２のレーザ光の照射タイミングとレーザ出力との関係は、特に、この例に限定されるものではないが、ｔ０がｔ１より早い態様が好ましく、ｔ１をｔ’の近傍に設定すると、結晶粒子の幅を大きくする上で好ましい。
【００３３】
今回開示された実施の形態および実施例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】
【００３４】
紫外線領域の波長を有するレーザに対して耐久性のある投影マスクが得られる。また、高精度の結晶粒が形成された半導体デバイスを提供することができ、ＴＦＴ特性の改善が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】レーザ照射前の半導体基板の断面図である。
【図２】本発明に係る半導体デバイスの製造装置の概念図である。
【図３】本発明の投影マスクの平面図である。
【図４】本発明の投影マスクにおける遮光部について、照射するレーザの波長と反射率との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体デバイスの製造装置の概念図である。
【図６】第１のレーザおよび第２のレーザのレーザ強度と照射タイミングとの関係を示す図である。
【図７】横方向成長法により結晶化させた膜の平面図である。
【図８】ＳＬＳ法により結晶化させた膜の平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  基板、２  下地絶縁膜、３  非晶質半導体膜、８，２８，５８  半導体基板、２２，５２  第１のレーザ光源、２５，５５  投影マスク、２７，５７  サンプルステージ、３１  マスクスリット、３２  遮光部、５９  第２のレーザ光源。
【図１】
2006210413.tif 000003
【図２】
2006210413.tif 000004
【図３】
2006210413.tif 000005
【図４】
2006210413.tif 000006
【図５】
2006210413.tif 000007
【図６】
2006210413.tif 000008
【図７】
2006210413.tif 000009
【図８】
2006210413.tif 000010