(57)【要約】【課題】結晶方位の均一化により、高性能な半導体デバイスが実現されるレーザ光のマスク構造、レーザ加工方法、ＴＦＴ素子およびレーザ加工装置、を提供する。【解決手段】投影マスク１４には、第１方向１３０に延びる線状パターン４０が形成されている。第２方向１４０に一定ピッチずれながら第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）に並ぶ線状パターン４０により、複数の線状パターン列４１が構成されている。複数の線状パターン列４１は、第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）に形成された線状パターン４０のうち、第１帯状領域４６（１）および第ｋ帯状領域４６（ｋ）の線状パターン４０のみが第１方向１３０において部分的に重なるように間隔が設定された第１線状パターン列群４１Ａを含む。複数の線状パターン列４１は、第１線状パターン列群４１Ａをなす線状パターン列４１間に配置される第２線状パターン列群４１Ｂをさらに含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質半導体層を含む被照射物と、
前記非晶質半導体層を結晶化させるため前記被照射物に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光するマスクとを備え、
前記マスクには、第１方向に延び、同一形状を有する複数の線状パターンが形成され、
前記マスクは、前記第１方向に沿って順に並ぶ第１〜第ｋ帯状領域を含み、
前記第１方向に直交する第２方向に一定ピッチずれながら前記第１帯状領域から前記第ｋ帯状領域まで並ぶ前記線状パターンにより、複数の線状パターン列が構成され、
各前記線状パターン列では、第ｎ帯状領域に形成された前記線状パターンと第ｎ＋１帯状領域に形成された前記線状パターンとが（ｎは、１〜ｋ−１の整数）、前記第１方向において部分的に重なり、
前記複数の線状パターン列は、前記第１〜第ｋ帯状領域に形成された前記線状パターンのうち、前記第１帯状領域に形成された前記線状パターンと、前記第ｋ帯状領域に形成された前記線状パターンとのみが前記第１方向において部分的に重なるように線状パターン列間の間隔が設定された第１線状パターン列群を含み、
前記複数の線状パターン列は、さらに、前記第１線状パターン列群をなす線状パターン列間に配置される第２線状パターン列群を含み、
前記被照射物と前記マスクとが、前記第１方向に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で前記被照射物に向けてレーザ光が照射される、レーザ光のマスク構造。
【請求項２】
非晶質半導体層を含む被照射物と、
前記非晶質半導体層を結晶化させるため前記被照射物に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光するマスクとを備え、
前記マスクには、第１方向に直交する第２方向に延び、同一形状を有する複数の線状パターンが形成され、
前記複数の線状パターンは、前記第１方向に互いに等しい間隔で配置された第１線状パターン群と、前記第１線状パターン群をなす線状パターン間に配置される第２線状パターン群とを含み、
前記被照射物と前記マスクとが、前記第１方向に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で前記被照射物に向けてレーザ光が照射される、レーザ光のマスク構造。
【請求項３】
前記線状パターンは、その延びる両端に端部を含み、
前記端部は、三角形状を有する、請求項１または２に記載のレーザ光のマスク構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ光のマスク構造により、前記非晶質半導体層を結晶化させるレーザ加工方法であって、
前記マスクを経由させて、レーザ光を前記非晶質半導体層の表面に規定される第ｍ領域（ｍは、１以上の整数）に照射することにより、前記第ｍ領域内の前記非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ結晶化工程と、
前記被照射物と前記マスクとを前記第１方向に対応する方向に相対移動させ、前記線状パターンが投影される前記非晶質半導体層の表面上の位置に、前記第ｍ領域と部分的に重畳する第ｍ＋１領域を規定する移動工程と、
前記マスクを経由させて、レーザ光を前記第ｍ＋１領域に照射することにより、前記第ｍ＋１領域内の前記非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ＋１結晶化工程とを備え、
前記非晶質半導体層が結晶化される領域が所定の広さに達するまで、前記結晶化工程および前記移動工程を交互に繰り返し行なう、レーザ加工方法。
【請求項５】
前記結晶化工程の間または前記結晶化工程の直前に、前記マスクを経由させて照射するレーザ光とは別に、前記マスクを経由させずにレーザ光を前記非晶質半導体層の表面に照射する、請求項４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載のレーザ加工方法を用いて作製されたＴＦＴ素子であって、
結晶化された領域内の結晶方位が、デバイスの電流方向に対して（１００）が優先配向となるように設定された、ＴＦＴ素子。
【請求項７】
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ光のマスク構造が用いられたレーザ加工装置であって、
前記被照射物に対してレーザ光を射出するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光の射出と、前記被照射物と前記マスクとの相対移動とを制御する制御部とをさらに備え、
前記制御部は、
前記マスクを経由させて、レーザ光を前記非晶質半導体層の表面に規定される第ｍ領域（ｍは、１以上の整数）に照射することにより、前記第ｍ領域内の前記非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ結晶化工程と、
前記被照射物と前記マスクとを前記第１方向に対応する方向に相対移動させ、前記線状パターンが投影される前記非晶質半導体層の表面上の位置に、前記第ｍ領域と部分的に重畳する第ｍ＋１領域を規定する移動工程と、
前記マスクを経由させて、レーザ光を前記第ｍ＋１領域に照射することにより、前記第ｍ＋１領域内の前記非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ＋１結晶化工程とを実行し、
前記非晶質半導体層が結晶化される領域が所定の広さに達するまで、前記結晶化工程および前記移動工程を交互に繰り返し行なう、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、一般的には、レーザ光のマスク構造、レーザ加工方法、ＴＦＴ素子およびレーザ加工装置に関し、たとえば、半導体デバイス等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際に利用されるレーザ光のマスク構造、レーザ加工方法、ＴＦＴ素子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】
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。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。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が用いられつつある。多結晶シリコン膜の使用により、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液晶表示装置を製造する。多結晶シリコン膜を製造する方法として、たとえば、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する方法（Excimer Laser Crystallization：ＥＬＣ）がある。
【０００５】
ＥＬＣ法では、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する。これに伴い、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。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膜で形成されたＴＦＴほど、一般に移動度は高くなる。
【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、移動度の高いＴＦＴを得ることが困難である。また、ランダムに結晶化するため、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ともに、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。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】
以上に説明した理由から、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品質を高める、すなわち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となる。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。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、たとえば、特表２０００−５０５２４１号公報（特許文献１）に開示されるように、結晶の成長方向に方位の揃った長結晶が得られる技術として注目を集めている。
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１７は、ラテラル成長法を用いて処理される半導体デバイスを示す断面図である。図１８は、図１７中の半導体デバイスの結晶構造の変化を示す上面図である。
【００１１】
図１７を参照して、ラテラル成長法は、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なうものである。半導体デバイス５０１は、光透過性を有する透明基板５０２と、透明基板５０２上に形成された下地膜５０３および半導体膜５０４とを含む。
【００１２】
以下、ラテラル成長法の工程について説明する。まず、透明基板５０２上の半導体膜５０４の延設方向（図中の矢印５２０に示す方向）に沿って結晶領域を形成するため、半導体膜５０４内の領域Ｃに熱を誘導する。熱の誘導は、半導体膜５０４の領域Ｃ以外の領域をマスキングした後、半導体膜５０４をレーザ露光することにより行なう。領域Ｃに照射されたレーザ光５０５のエネルギーは、熱エネルギーに変換される。これにより、半導体膜５０４内の領域Ｃに熱を誘導するとともに、半導体膜５０４をその厚さに亘って溶融する。
【００１３】
次に、領域Ｃにおいて溶融されている半導体膜５０４を、冷却することにより凝固させる。このとき、図１８（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、結晶が成長する。
【００１４】
次に、図１８（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。領域Ｄにおいて溶融されている半導体膜５０４を凝固させると、図１８（Ｃ）に示すように、領域Ｄ内で結晶が成長する。このような手順を繰り返し、所望の結晶を半導体膜５０４の延設方向に沿って段階的に形成することによって、図１８（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】
このような結晶化方法では、ステージ速度が小さく結晶化に時間がかかるため、上述の特許文献１には、マスクスリットをいくつかのブロックに分割し、基板全面で結晶を引き伸ばさずに、部分的に引き伸ばした結晶を並べる手法が提案されている。特許文献１では、溶融部分が引き継がれ結晶粒が大きくなる逐次横方向結晶化で結晶化されているため、非常に高い移動度を有している。しかしながら、移動度は結晶粒の大きさのみで決定されるものではなく、結晶方位にも大きく依存しているため、不均一が生じるという問題がある。
【００１６】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、結晶方位の均一化により、高性能な半導体デバイスが実現されるレーザ光のマスク構造、レーザ加工方法、ＴＦＴ素子およびレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明の１つの局面に従ったレーザ光のマスク構造は、非晶質半導体層を含む被照射物と、非晶質半導体層を結晶化させるため被照射物に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光するマスクとを備える。マスクには、第１方向に延び、同一形状を有する複数の線状パターンが形成されている。マスクは、第１方向に沿って順に並ぶ第１〜第ｋ帯状領域を含む。第１方向に直交する第２方向に一定ピッチずれながら第１帯状領域から第ｋ帯状領域まで並ぶ線状パターンにより、複数の線状パターン列が構成されている。各線状パターン列では、第ｎ帯状領域に形成された線状パターンと第ｎ＋１帯状領域に形成された線状パターンとが（ｎは、１〜ｋ−１の整数）、第１方向において部分的に重なる。複数の線状パターン列は、第１〜第ｋ帯状領域に形成された線状パターンのうち、第１帯状領域に形成された線状パターンと、第ｋ帯状領域に形成された線状パターンとのみが第１方向において部分的に重なるように線状パターン列間の間隔が設定された第１線状パターン列群を含む。複数の線状パターン列は、さらに、第１線状パターン列群をなす線状パターン列間に配置される第２線状パターン列群を含む。被照射物とマスクとが、第１方向に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で被照射物に向けてレーザ光が照射される。
【００１８】
この発明の別の局面に従ったレーザ光のマスク構造は、非晶質半導体層を含む被照射物と、非晶質半導体層を結晶化させるため被照射物に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光するマスクとを備える。マスクには、第１方向に直交する第２方向に延び、同一形状を有する複数の線状パターンが形成されている。複数の線状パターンは、第１方向に互いに等しい間隔で配置された第１線状パターン群と、第１線状パターン群をなす線状パターン間に配置される第２線状パターン群とを含む。被照射物とマスクとが、第１方向に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で被照射物に向けてレーザ光が照射される。
【００１９】
このように構成されたレーザ光のマスク構造によれば、被照射物とマスクとが、第１方向に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で被照射物に向けてレーザ光が照射された場合に、非晶質半導体層の同一箇所が２回以上照射されるように、複数の線状パターンが形成されている。これにより、レーザ光の照射領域で結晶成長方向に対して一定の結晶方位を優先させ、高性能な半導体デバイスを実現できる。
【００２０】
また好ましくは、線状パターンは、その延びる両端に端部を含む。端部は、三角形状を有する。このように構成されたレーザ光のマスク構造によれば、結晶の成長方向を、線状パターンの端部と他の位置との間で揃えることができる。これにより、異なる方向の結晶方位が、線状パターンの端部間の引継ぎ位置で形成されることを抑制できる。
【００２１】
この発明に従ったレーザ加工方法は、上述のいずれかに記載のレーザ光のマスク構造により、非晶質半導体層を結晶化させるレーザ加工方法である。レーザ加工方法は、マスクを経由させて、レーザ光を非晶質半導体層の表面に規定される第ｍ領域（ｍは、１以上の整数）に照射することにより、第ｍ領域内の非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ結晶化工程と、被照射物とマスクとを第１方向に対応する方向に相対移動させ、線状パターンが投影される非晶質半導体層の表面上の位置に、第ｍ領域と部分的に重畳する第ｍ＋１領域を規定する移動工程と、マスクを経由させて、レーザ光を第ｍ＋１領域に照射することにより、第ｍ＋１領域内の非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ＋１結晶化工程とを備える。非晶質半導体層が結晶化される領域が所定の広さに達するまで、結晶化工程および移動工程を交互に繰り返し行なう。
【００２２】
このように構成されたレーザ加工方法によれば、結晶化工程および移動工程を交互に繰り返し行なうことによって、得られる半導体デバイスの特性を均一化することができる。また、精度を確保しつつ移動速度を増大させることにより、結晶化の処理速度を向上させることができる。
【００２３】
また好ましくは、結晶化工程の間または結晶化工程の直前に、マスクを経由させて照射するレーザ光とは別に、マスクを経由させずにレーザ光を非晶質半導体層の表面に照射する。このように構成されたレーザ加工方法によれば、非晶質半導体層に形成される結晶粒を大きくすることができる。
【００２４】
この発明に従ったＴＦＴ素子は、上述のいずれかに記載のレーザ加工方法を用いて作製されたＴＦＴ素子である。結晶化された領域内の結晶方位が、デバイスの電流方向に対して（１００）が優先配向となるように設定されている。このように構成されたＴＦＴ素子によれば、キャリアの移動度の安定化を図るとともに、スレッショールド電圧（Vth）の値とその値のばらつきとを小さく抑えることができる。これにより、低電圧および低消費電力の設計が可能となる。
【００２５】
この発明に従ったレーザ加工装置は、上述のいずれかに記載のレーザ光のマスク構造が用いられたレーザ加工装置である。レーザ加工装置は、被照射物に対してレーザ光を射出するレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光の射出と、被照射物とマスクとの相対移動とを制御する制御部とをさらに備える。制御部は、マスクを経由させて、レーザ光を非晶質半導体層の表面に規定される第ｍ領域（ｍは、１以上の整数）に照射することにより、第ｍ領域内の非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ結晶化工程と、被照射物とマスクとを第１方向に対応する方向に相対移動させ、線状パターンが投影される非晶質半導体層の表面上の位置に、第ｍ領域と部分的に重畳する第ｍ＋１領域を規定する移動工程と、マスクを経由させて、レーザ光を第ｍ＋１領域に照射することにより、第ｍ＋１領域内の非晶質半導体層を溶融、凝固させて、結晶化する第ｍ＋１結晶化工程とを実行する。非晶質半導体層が結晶化される領域が所定の広さに達するまで、結晶化工程および移動工程を交互に繰り返し行なう。
【００２６】
このように構成されたレーザ加工装置によれば、制御部によって、レーザ光の射出と、被照射物とマスクとの相対移動とを同期させることにより、高精度かつ確実な結晶化が可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、この発明に従えば、結晶方位の均一化により、高性能な半導体デバイスが実現されるレーザ光のマスク構造、レーザ加工方法、ＴＦＴ素子およびレーザ加工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】
【００２８】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、レーザ光が照射される半導体デバイスを示す断面図である。図１を参照して、半導体デバイス２１は、基板としての透明基板２２と、透明基板２２の上に順次積層された下地膜２３およびシリコン膜２４とを含む。下地膜２３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。本実施の形態では、下地膜２３の膜厚を１００ｎｍ、シリコン膜２４の膜厚を５０ｎｍとするが、各膜厚はこれらの数値に限定されない。
【００３０】
下地膜２３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の方法によって透明基板２２上に積層される。シリコン膜２４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の方法によって下地膜２３上に積層される。この時点で、シリコン膜２４は、アモルファス（非晶質）の状態にある。
【００３１】
なお、本実施の形態では、非晶質半導体層がアモルファスのシリコン膜２４である場合を説明するが、これに限らず、たとえば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。
【００３２】
図２は、図１中の半導体デバイスを処理するレーザ加工装置を模式的に表わす図である。図２を参照して、レーザ加工装置１０は、投影マスク１４およびレーザ光源１１を含む。半導体デバイス２１は、可動ステージ１６上に搭載されている。レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、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、半導体デバイス２１の上面に照射される。レーザ加工装置１０は、制御部としてのコントローラ１７を含む。コントローラ１７は、可動ステージ１６およびレーザ光源１１の動作を制御する。
【００３３】
本実施の形態では、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する。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。
【００３４】
図３は、この発明の実施の形態１におけるレーザ光のマスク構造が適用された投影マスクを示す平面図である。図２および図３を参照して、投影マスク１４は、レーザ光源１１から半導体デバイス２１に向けて進行するレーザ光の光路上に配置されている。投影マスク１４は、半導体デバイス２１のシリコン膜２４に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光する。
【００３５】
投影マスク１４は、非透過エリア３２および透過エリア３３を含む。投影マスク１４は、略矩形形状を有する。非透過エリア３２は、投影マスク１４の枠部分に配置されている。非透過エリア３２は、レーザ光を遮光するエリアである。透過エリア３３には、複数の線状パターン４０が形成されている。線状パターン４０は、投影マスク１４を貫通する孔によって形成されている。複数の線状パターン４０は、互いに同一形状を有する。線状パターン４０は、第１方向１３０に沿って延びる。線状パターン４０は、第１方向１３０に沿って相対的に大きい長さを有し、第１方向１３０に直交する第２方向１４０に沿って相対的に小さい長さを有するスリットである。複数の線状パターン４０は、第１方向１３０および第２方向１４０においてそれぞれ等ピッチに配置されている。透過エリア３３では、レーザ光が線状パターン４０を通じて透過する。
【００３６】
投影マスク１４は、第１帯状領域４６（１），第２帯状領域４６（２），…第ｎ帯状領域４６（ｎ），第ｎ＋１帯状領域４６（ｎ＋１），…第ｋ帯状領域４６（ｋ）を含む。第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）は、第１方向１３０に順に並ぶ。第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）は、第１方向１３０において互いに等しい幅を有する。各帯状領域は、第２方向１４０に沿って帯状に延在する。
【００３７】
線状パターン４０は、第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）の各領域に形成されている。線状パターン４０は、第２方向１４０に一定のピッチずれながら第１帯状領域４６（１）〜第ｋ帯状領域４６（ｋ）まで並ぶ。この際、第ｎ帯状領域４６（ｎ）に形成された線状パターン４０と、第ｎ＋１帯状領域４６（ｎ＋１）に形成された線状パターン４０とが、第１方向１３０において部分的に重なる。この第１帯状領域４６（１）〜第ｋ帯状領域４６（ｋ）まで並ぶ複数の線状パターン４０の集まりにより線状パターン列４１が構成されている。複数の線状パターン列４１が、第２方向１４０に並んで複数形成されている。
【００３８】
各線状パターン列４１では、互いに隣り合う線状パターン４０が第１方向１３０において部分的に重なる。各線状パターン列４１は、第１方向１３０に対して斜め方向に並ぶ複数の線状パターン４０から構成されている。複数の線状パターン列４１は、第２方向１４０において等間隔に配置されている。
【００３９】
複数の線状パターン列４１は、第１線状パターン列群４１Ａおよび第２線状パターン列群４１Ｂを含む。第１線状パターン列群４１Ａでは、第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）に形成された線状パターン４０のうち、第１帯状領域４６（１）に形成された線状パターン４０と、第ｋ帯状領域４６（ｋ）に形成された線状パターン４０とのみが、第１方向１３０において部分的に重なるように、線状パターン列４１の間隔が設定されている。つまり、図３中に示すように第１方向１３０に延びる直線Ｌを想定すると、第１線状パターン列群４１Ａでは、ある線状パターン列４１の第１帯状領域４６（１）に形成された線状パターン４０と、その線状パターン列４１に隣り合う線状パターン列４１の第ｋ帯状領域４６（ｋ）に形成された線状パターン４０とに、直線Ｌが重なる。このとき、第２帯状領域４６（２）〜第ｋ−１帯状領域４６（ｋ−１）に形成された線状パターン４０と、直線Ｌとが重ならない。第１線状パターン列群４１Ａを構成する各線状パターン列４１は、第２方向１４０において等ピッチに配置されている。
【００４０】
第２線状パターン列群４１Ｂを構成する線状パターン列４１は、第１線状パターン列群４１Ａを構成する線状パターン列４１間に配置されている。本実施の形態では、第２線状パターン列群４１Ｂを構成する線状パターン列４１が、第１線状パターン列群４１Ａを構成する線状パターン列４１間に１つずつ配置されている。第２線状パターン列群４１Ｂを構成する線状パターン列４１は、第２方向１４０において等ピッチに配置されている。これに限らず、第２線状パターン列群４１Ｂを構成する線状パターン列４１が、第１線状パターン列群４１Ａを構成する線状パターン列４１間に２つ以上ずつ配置されてもよい。
【００４１】
次に、図１中のシリコン膜２４を結晶化する工程について説明する。図４は、図３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第１結晶化工程を示す上面図である。図５は、図３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。
【００４２】
図１および図２を参照して、レーザ光源１１から出射されたレーザ光２５を、投影マスク１４を経由して半導体デバイス２１のシリコン膜２４の上面に照射させる。図４を参照して、レーザ光２５は、投影マスク１４によるマスキングにより、微細幅のパルスレーザとして、シリコン膜２４の第１領域４８（１）に照射される。これにより、半導体膜としてのシリコン膜２４を、第１領域４８（１）（図１中の領域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なう（第１結晶化工程）。
【００４３】
図５を参照して、次に、コントローラ１７の制御によって、可動ステージ１６を、図１中の矢印１２０および図２中の矢印１０１に示す方向の左方向に、所定の距離だけ移動させる。この可動ステージ１６の移動方向は、投影マスク１４上では第１方向１３０に沿った左方向に対応する。可動ステージ１６の移動により、シリコン膜２４と投影マスク１４とが、第１方向１３０において距離Ｙだけ相対的に移動する。この際、線状パターン４０が投影されるシリコン膜２４の上面の位置に、第１領域４８（１）と部分的に重畳する第２領域４８（２）を規定するように、可動ステージ１６を移動させる（移動工程）。
【００４４】
先と同様に、レーザ光２５をシリコン膜２４の上面に照射させ、シリコン膜２４を第２領域４８（２）の厚さ方向全域にわたって溶融、凝固させて結晶化を行なう（第２結晶化工程）。
【００４５】
可動ステージ１６の移動工程と結晶化工程とを交互に繰り返し、シリコン膜２４の所定の広さの領域を結晶化させる。
【００４６】
結晶化工程および移動工程の繰り返しにより、第１線状パターン列群４１Ａを透過したレーザ光によって、照射領域５０Ａが形成される。第２線状パターン列群４１Ｂを透過したレーザ光によって、照射領域５０Ｂが形成される。照射領域５０Ｂは、照射領域５０Ａに重なるように形成される。第１線状パターン列群４１Ａに加えて第２線状パターン列群４１Ｂを形成することにより、シリコン膜２４の上面上の同一箇所を２回以上、本実施の形態では２回照射することができる。
【００４７】
図６は、比較のための投影マスクを示す平面図である。図７は、図６中の比較のための投影マスクを用いたレーザ加工方法の第１結晶化工程を示す上面図である。図８は、図６中の比較のための投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。図６、図７および図８は、それぞれ図３、図４および図５に対応する。
【００４８】
図６から図８を参照して、比較のための投影マスク１１４では、第１線状パターン列群４１Ａを構成する線状パターン４０のみが形成されている。この投影マスク１１４を用いてシリコン膜２４の結晶化を行なった場合、第１線状パターン列群４１Ａを透過したレーザ光によって、照射領域５０Ａのみが形成される。この場合、シリコン膜２４の上面のほぼ全域において、レーザ光を１回しか照射することができない。
【００４９】
図９は、図３中の投影マスクを用いて結晶化されたシリコン膜を模式的に表わす図である。図１０は、図６中の比較のための投影マスクを用いて結晶化されたシリコン膜を模式的に表わす図である。図中のライン５６は、最終照射によって端部から成長した結晶が衝突して形成される突起部を示している。
【００５０】
図９および図１０を参照して、結晶化工程および移動工程の繰り返しによって、本実施の形態では、第２方向１４０に結晶が成長する。この際、結晶化が開始される位置（結晶化開始位置）では、結晶方位が（１１１）または（１１０）となるが、結晶がある程度引き継がれると、結晶方位は安定して（１００）となる。
【００５１】
図３中の投影マスク１４を用いた場合、透過したレーザ光が同一箇所を２回以上照射するため、結晶化開始位置付近がなくなり、結晶成長方向に対して（１００）方位が優先的に配向される。図３中の投影マスク１４を用いた場合、結晶が衝突することによって生じる突起部の間隔が短くなるものの、結晶成長方向に対して一定の方位が優先となるため、特定の安定したＴＦＴデバイスを実現することができる。図３中の投影マスク１４を用いた場合、シリコン膜２４の上面上の全領域が、数１０μｍ以上の長さを引き継いだ結晶で構成される。一方、比較のための投影マスク１１４を用いた場合、結晶成長方向に対して途中までは（１１１）や（１１０）の配向が見られ、全面にわたって（１００）方位が優先的に配向されない。
【００５２】
なお、本実施の形態では、透過したレーザ光が同一箇所を２回照射するよう線状パターン４０が配置されているが、レーザ光の照射の回数が増えるほど（１００）方位が優先的に配向される。
【００５３】
図１１は、図３中の投影マスクに形成された線状パターンの端部を示す平面図である。図１２は、比較のための線状パターンの端部を示す平面図である。
【００５４】
図１１を参照して、線状パターン４０は、第１方向１３０に延びる両端に端部６２を含む。端部６２は、三角形状に形成されている。このような構成を備える投影マスク１４を用いた場合、シリコン膜２４の成長した結晶が衝突する部分が線状となるため、結晶粒の成長方向が一定となる。これに対して、図１２に示すように線状パターン４０が矩形形状を有する場合、結晶粒の成長方向が、端部６２が投影される位置において９０°異なる方向となる。このため、移動工程および結晶化工程の繰り返しにより結晶が引き継がれたとしても、端部６２が重なる位置で異なる方向に成長した結晶粒が残る。
【００５５】
この発明の実施の形態１におけるレーザ光のマスク構造は、非晶質半導体層としてのシリコン膜２４を含む被照射物としての半導体デバイス２１と、シリコン膜２４を結晶化させるため半導体デバイス２１に向けて照射されるレーザ光を部分的に遮光するマスクとしての投影マスク１４とを備える。投影マスク１４には、第１方向１３０に延び、同一形状を有する複数の線状パターン４０が形成されている。投影マスク１４は、第１方向１３０に沿って順に並ぶ第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）を含む。第１方向１３０に直交する第２方向１４０に一定ピッチずれながら第１帯状領域４６（１）から第ｋ帯状領域４６（ｋ）まで並ぶ線状パターン４０により、複数の線状パターン列４１が構成されている。
【００５６】
各線状パターン列４１では、第ｎ帯状領域４６（ｎ）に形成された線状パターン４０と第ｎ＋１帯状領域４６（ｎ＋１）に形成された線状パターン４０とが（ｎは、１〜ｋ−１の整数）、第１方向１３０において部分的に重なる。複数の線状パターン列４１は、第１〜第ｋ帯状領域４６（１）〜（ｋ）に形成された線状パターン４０のうち、第１帯状領域４６（１）に形成された線状パターン４０と、第ｋ帯状領域４６（ｋ）に形成された線状パターン４０とのみが第１方向１３０において部分的に重なるように線状パターン列４１間の間隔が設定された第１線状パターン列群４１Ａを含む。複数の線状パターン列４１は、さらに、第１線状パターン列群４１Ａをなす線状パターン列４１間に配置される第２線状パターン列群４１Ｂを含む。半導体デバイス２１と投影マスク１４とが、第１方向１３０に対応する方向に段階的に相対移動しつつ、各段階で半導体デバイス２１に向けてレーザ光が照射される。
【００５７】
このように構成された、この発明の実施の形態１におけるレーザ光のマスク構造およびレーザ加工方法によれば、結晶化されたシリコン膜２４に対して適当な処理を実施することにより、トランジスタを形成し、液晶パネルなどの表示素子として用いることができる。この際、結晶化された領域内の結晶方位が、トランジスタの電流方向に対して（１００）が優先配向となるように設定する。本実施の形態では、シリコン膜２４に形成される結晶粒が格段に大きくなり、さらに結晶方位が揃うため、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なる。また、スレッショールド電圧（Vth）の値が低く、かつそのばらつきの小さい高性能の素子を得ることができる。
【００５８】
（実施の形態２）
図１３は、この発明の実施の形態２におけるレーザ光のマスク構造が適用された投影マスクを示す平面図である。本実施の形態では、実施の形態１におけるマスク構造と比較して重複する構造については説明を繰り返さない。
【００５９】
図１３を参照して、本実施の形態では、投影マスク７４に複数の線状パターン７０が形成されている。複数の線状パターン７０は、互いに同一形状を有する。線状パターン７０は、第２方向１４０に沿って延びる。線状パターン７０は、第１方向１３０に沿って相対的に小さい長さを有し、第２方向１４０に沿って相対的に大きい長さを有するスリットである。複数の線状パターン７０は、第１方向１３０に間隔を隔てて並ぶ。
【００６０】
複数の線状パターン７０は、第１線状パターン群７１Ａおよび第２線状パターン群７１Ｂを含む。第１線状パターン群７１Ａを構成する線状パターン７０は、第１方向１３０において等ピッチに配置されている。第２線状パターン群７１Ｂを構成する線状パターン７０は、第１線状パターン群７１Ａを構成する線状パターン７０間に配置されている。
【００６１】
図１４は、図１３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。図１４を参照して、本実施の形態では、移動工程において、可動ステージ１６の移動によってシリコン膜２４と投影マスク７４とが第１方向１３０において距離Ｙだけ相対的に移動する。この際、第１線状パターン群７１Ａを透過するレーザ光の照射領域が、移動工程の前後で部分的に重畳するように、可動ステージ１６を移動させる（移動工程）。
【００６２】
結晶化工程および移動工程の繰り返しにより、シリコン膜２４の上面上には、第１線状パターン群７１Ａおよび第２線状パターン群７１Ｂを透過したレーザ光が同一箇所を照射する照射領域７６が形成される。第１線状パターン群７１Ａに加えて第２線状パターン群７１Ｂを形成することにより、シリコン膜２４の上面上の同一箇所を２回以上照射することができる。
【００６３】
本実施の形態では、結晶化工程および移動工程の繰り返しにより、第１方向１３０に結晶が成長する。この際、投影マスク７４を用いることによって、レーザ光がシリコン膜２４の同一箇所を２回以上照射するため、結晶化開始位置付近がなくなり、結晶成長方向に対して（１００）方位が優先的に配向される。
【００６４】
このように構成された、この発明の実施の形態２におけるレーザ光のマスク構造およびレーザ加工方法によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（実施の形態３）
図１５は、この発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置を模式的に表わす図である。図１５を参照して、レーザ加工装置８０は、半導体デバイス２１のシリコン膜２４を結晶化する。半導体デバイス２１は、図１中の半導体デバイス２１と同様の構造を備えるため、説明は繰り返さない。但し、下地膜２３は、以下に説明する第２レーザ光を吸収しやすい材料から形成されている。好ましくは、下地膜２３は、第２レーザ光を吸収し易くするため多層膜構造を有する。
【００６６】
レーザ加工装置８０は、第１レーザ光源８１および第２レーザ光源８５を含む。第１レーザ光源８１から出射された第１レーザ光８８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８４、結像レンズ１５、反射ミラー９を経由して、半導体デバイス２１の上面に照射される。レーザ加工装置８０は、可動ステージ１６、第１レーザ光源８１および第２レーザ光源８５の動作を制御するコントローラ１７を含む。第２レーザ光源８５から出射された第２レーザ光８９は、均一照射光学系８２および反射ミラー８３を経由して、半導体デバイス２１の上面に照射される。
【００６７】
投影マスク８４には、図３中の投影マスク１４に比較してスリット幅が広くなった線状パターン４０が形成されている。本実施の形態では、第２レーザ光８９が同時に照射されることによって結晶粒長が長くなるため、スリット幅が広くなった線状パターン４０が形成されている。
【００６８】
第１レーザ光８８は、第２レーザ光８９と比較して、固体状態にあるシリコン膜２４への吸収率が高い範囲の波長を有する。より具体的には、第１レーザ光８８は、紫外域の波長を有することが好ましい。
【００６９】
このような紫外域の波長を有する第１レーザ光８８としては、たとえば、波長３０８ｎｍを有するエキシマレーザパルスが挙げられる。第１レーザ光８８は、固体状態にあるシリコン膜２４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２４の材質の種類、シリコン膜２４の膜厚、シリコン膜２４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、シリコン膜２４における上記の各条件に合わせて、適宜適当なエネルギー量を有する第１レーザ光８８を用いることが好ましい。シリコン膜２４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２４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レーザ光８８を用いることが推奨される。
【００７０】
第２レーザ光８９は、第１レーザ光８８と比較して、液体状態にあるシリコン膜２４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、第２レーザ光８９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５３／４ｎｍ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挙げられる。第２レーザ光８９は、固体状態にあるシリコン膜２４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、シリコン膜２４の材質の種類、シリコン膜２４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、シリコン膜２４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レーザ光８９を用いることが好ましい。具体的には、第２レーザ光８９を単独で照射した場合には、シリコン膜２４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レーザ光８９を用いることが推奨される。この点は、シリコン膜２４に替えて他の種類の半導体膜が採用される場合も同様である。
【００７１】
本実施の形態では、たとえば、第１レーザ光８８を半導体デバイス２１のシリコン膜２４の上面に対して垂直方向から入射させるとともに、第２レーザ光８９をシリコン膜２４の上面に対して斜め方向から入射させる。
【００７２】
図１６は、第１レーザ光および第２レーザ光の出力波形の一例を示すグラフである。図１６を参照して、第１レーザ光源８１が第１レーザ光８８を出射する時刻と第１レーザ光８８の出力との関係が、曲線Ｖ１で示され、第２レーザ光源８５が第２レーザ光８９を出射する時刻と第２レーザ光８９の出力との関係が、曲線Ｖ２で示されている。
【００７３】
曲線Ｖ１とＶ２とを比較して分かるように、第２レーザ光８９は、時刻ｔ０〜ｔ２にわたって出射されるが、第１レーザ光８８は、時刻ｔ０の後の時刻ｔ１から時刻ｔ２以前までの期間にわたって出射される。つまり、第１レーザ光８８の出射期間は、第２レーザ光８９の出射期間と比較して短く、半分以下程度である。一方、第１レーザ光８８の出力のピーク値は、第２レーザ光８９の出力のピーク値よりも大きく、数倍の値である。第１レーザ光８８と第２レーザ光８９の照射時刻と各レーザ光の出力との関係は、図１６中に示す関係に限定されないが、図１６に示す特性と同様の関係にあることが好ましい。時刻ｔ１の直前に、第２レーザ光８９の出力を停止してもよい。
【００７４】
なお、以下に説明するように、図１６中の時刻ｔ１からｔ２において、シリコン膜２４は溶融状態にある。
【００７５】
液体状態にある前駆体半導体薄膜であるシリコン膜２４に対して、第１レーザ光８８に加えて第２レーザ光８９の照射を行なうことにより、前駆体半導体となっているシリコン膜２４の温度低下速度を低下させ、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２４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。
【００７６】
第２レーザ光源８５が第２レーザ光８９を出射する時刻と第２レーザ光８９の出力との関係の別の例が、直線Ｖ３によって示されている。この場合、第２レーザ光８９は常時照射されているため、レーザ光の出力を曲線Ｖ２と比較して低くできる。これにより、装置を小型化することが可能となる。
【００７７】
続いて、図１５に示すレーザ加工装置８０によって、半導体デバイス２１のシリコン膜２４に、第１レーザ光８８および第２レーザ光８９を照射し、シリコン膜２４に結晶化領域を形成する工程について説明する。
【００７８】
図４および図５を参照して、まず、第１結晶化工程では、図１６中の曲線Ｖ１に示すタイミングで、第１レーザ光源８１から出射された第１レーザ光８８を投影マスク８４の各線状パターン４０を介して、シリコン膜２４の上面に画される第１領域４８（１）内に照射する。また同時に、図１６中の曲線Ｖ２に示すタイミングで、第２レーザ光源８５から出射された第２レーザ光８９を第１領域４８（１）内に照射する。これらの照射により、第１領域４８（１）内のシリコン膜２４を溶融し、溶融した第１領域４８（１）内のシリコン膜２４を凝固させて結晶化する。
【００７９】
移動工程では、可動ステージ１６の移動により、シリコン膜２４と投影マスク８４とが、第１方向１３０において距離Ｙだけ相対的に移動する。
【００８０】
次に、第２結晶化工程では、図１６中の曲線Ｖ１に示すタイミングで、第１レーザ光源８１から出射された第１レーザ光８８を投影マスク８４の各線状パターン４０を介して、シリコン膜２４の上面に画される第２領域４８（２）内に照射する。また同時に、図１６中の曲線Ｖ２に示すタイミングで、第２レーザ光源８５から出射された第２レーザ光８９を第２領域４８（２）内に照射する。これらの照射により、第２領域４８（２）内のシリコン膜２４を溶融し、溶融した第２領域４８（２）内のシリコン膜２４を凝固させ、結晶化する。
【００８１】
さらに、シリコン膜２４の結晶化される領域が所定の広さに達するまで、第１レーザ光８８および第２レーザ光８９に照射を伴う結晶化工程と移動工程とを繰り返して複数回行なう。この際、投影マスク８４を用いることによって、レーザ光がシリコン膜２４の同一箇所を２回以上照射するため、結晶化開始位置付近がなくなり、結晶成長方向に対して（１００）方位が優先的に配向される。
【００８２】
このように構成された、この発明の実施の形態３におけるレーザ光のマスク構造およびレーザ加工方法によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。また、第１レーザ光８８および第２レーザ光８９の照射により、シリコン膜２４に形成される結晶粒を大きくすることができる。これにより、より大きいチャネル長を有する半導体デバイスの作製が可能となる。また、結晶粒が大きくなることによって結晶化時間を短縮化し、量産に最適なレーザ加工装置８０を実現できる。
【００８３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】レーザ光が照射される半導体デバイスを示す断面図である。
【図２】図１中の半導体デバイスを処理するレーザ加工装置を模式的に表わす図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるレーザ光のマスク構造が適用された投影マスクを示す平面図である。
【図４】図３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第１結晶化工程を示す上面図である。
【図５】図３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。
【図６】比較のための投影マスクを示す平面図である。
【図７】図６中の比較のための投影マスクを用いたレーザ加工方法の第１結晶化工程を示す上面図である。
【図８】図６中の比較のための投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。
【図９】図３中の投影マスクを用いて結晶化されたシリコン膜を模式的に表わす図である。
【図１０】図６中の比較のための投影マスクを用いて結晶化されたシリコン膜を模式的に表わす図である。
【図１１】図３中の投影マスクに形成された線状パターンの端部を示す平面図である。
【図１２】比較のための線状パターンの端部を示す平面図である。
【図１３】この発明の実施の形態２におけるレーザ光のマスク構造が適用された投影マスクを示す平面図である。
【図１４】図１３中の投影マスクを用いたレーザ加工方法の第ｉ結晶化工程を示す上面図である。
【図１５】この発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置を模式的に表わす図である。
【図１６】第１レーザ光および第２レーザ光の出力波形の一例を示すグラフである。
【図１７】ラテラル成長法を用いて処理される半導体デバイスを示す断面図である。
【図１８】図１７中の半導体デバイスの結晶構造の変化を示す上面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０，８０  レーザ加工装置、１１  レーザ光源、１４，７４，８４  投影マスク、１７  コントローラ、２１  半導体デバイス、２４  シリコン膜、４０，７０  線状パターン、４１  線状パターン列、４１Ａ  第１線状パターン列群、４１Ｂ  第２線状パターン列群、４６（１）〜４６（ｋ）  第１帯状領域〜第ｋ帯状領域、４８（１）〜４８（ｉ）  第１領域〜第ｉ領域、６２  端部、７１Ａ  第１線状パターン群、７１Ｂ  第２線状パターン群、８１  第１レーザ光源、８５  第２レーザ光源、８８  第１レーザ光、８９  第２レーザ光、１３０  第１方向、１４０  第２方向。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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