(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質シリコン薄膜を処理して多結晶シリコン薄膜に変換する方法において、
（ａ）それぞれがほぼ所定のサイズを持つ、一連のエキシマーレーザパルスを生成するステップと、
（ｂ）所定の幅の１つまたは複数のスリットを持つマスクで、前記一連のエキシマーレーザパルスをマスクして、各ビームレットが前記所定のレーザパルスのサイズに対応する長さと、前記所定のスリットの幅とで規定される形状を持つような、前記レーザパルスに対応する１つまたは複数の第１のレーザビームレットを生成するステップと、
（ｃ）シリコン薄膜に、前記１つまたは複数の第１のレーザビームレットを照射し、前記１つまたは複数のレーザビームレットに対応した、前記シリコン薄膜の第１の領域を溶融させるステップと、
（ｄ）第２のレーザパルスに対応する１つまたは複数のレーザビームレットが前記シリコン薄膜の第２の位置に入射するように、前記シリコン薄膜および前記エキシマーレーザパルスの少なくとも１つを、もう１つのものに対して相対的に移動するステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）の後、前記シリコン薄膜の第２の領域を、前記第２のパルスに対応する前記１つまたは複数のレーザビームレットで照射して、前記第２の薄膜位置にある前記第２の領域を溶融させるステップであって、前記第２の領域が前記第１の領域に部分的に重なる、ステップと、を含み、
前記照射された領域の各々は、前記薄膜の厚さ方向に溶融され、ラテラル成長が、前記薄膜の各溶融領域でなされ、前記レーザビームレットの幅は、該レーザビームレットにより照射された前記薄膜の領域において核形成の誘発を防止するために十分狭くすることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記第２の領域は、前記第１の領域の半分未満でそこに重なる、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、
前記薄膜および前記エキシマーレーザパルスの少なくとも１つが、
もう１つのもの対して相対的に、３マイクロメータの距離で移動される、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記薄膜および前記エキシマーレーザパルスの少なくとも１つが、
前記ラテラル成長を超え、前記ビームレットの幅未満の距離で移動される、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
前記スリットが、
前記マスク上に前記レーザパルス照射が可能である限りは前記マスクの全体にわたって延在する、
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
シリコン薄膜を処理して多結晶シリコン薄膜に変換するシステムにおいて、
（ａ）所定のフルエンス（fluence）のエキシマーレーザパルスを複数生成するエキシマーレーザと、
（ｂ）前記エキシマーレーザによって出射された前記エキシマーレーザパルスの前記フルエンスを制御可能に変調する、光学的に前記エキシマーレーザに結合されている、エネルギー密度変調器と、
（ｃ）所定の平面において前記変調されたレーザパルスを均一化し、これら均一化されたレーザパルスの各々がほぼ所定のサイズを持つような、前記エネルギー密度変調器と光学的に結合されている、ビーム均一化器と、
（ｄ）前記均一化され変調されたレーザパルスの各々をマスクして、各均一化されたレーザパルスに対応する１つまたは複数のビームレットを生成し、各ビームレットは、前記スリットの幅に対応する、前記所定のレーザパルスのサイズおよび幅に対応する長さによって規定される形状を持つために、前記ビーム均一化器に光学的に結合されているとともに移動に適合した、所定の幅を有する１つまたは複数のスリットを有するマスクと、
（ｅ）各レーザパルスのための前記１つまたは複数のレーザビームレットを受けて、前記レーザビームレットの形状に対応して、そこに置かれた何らかのシリコン薄膜の一部を溶融させるための、移動に適合され、前記マスクに光学的に結合されている、サンプルステージと、
（ｆ）前記マスクおよび前記サンプルステージの相対的位置および前記エキシマーレーザパルスの前記制御可能なフルエンス変調を制御し、前記マスクおよび前記サンプルステージの前記相対的位置にあわせて、前記フルエンス変調および前記エキシマーパルス生成を調整して、これによって、その連続的な場所に対応する場所における各レーザパルスのための１つまたは複数のレーザビームレットによる前記薄膜の照射によって、および、前記マスクに対して相対的な前記サンプルステージの連続移動によって、前記シリコン薄膜を処理して多結晶シリコン薄膜に変換する、前記エネルギー密度変調器および前記エキシマーレーザに結合されている、コンピュータと、
を含むシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、
前記システムがコンピュータによって実行可能な命令：
（ｇ）シリコン薄膜に前記レーザビームレットを照射して、前記マスクにおける前記所定のスリットパターンの形状に対応して、前記薄膜の第１の領域を溶融させるステップ、および、
（ｈ）前記マスクの寸法に基づき、第２の位置に到達するように、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜の一方に対して相対的に、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜とのうちの少なくとも１つを移動させるステップ、
を含む、
ことを特徴とするシステム。
【請求項８】
シリコン薄膜を処理して多結晶シリコン薄膜に変換するシステムであって、
（ａ）各々がほぼ所定のサイズを持つ、複数のエキシマーレーザパルスを生成するパルスエキシマーレーザと、
（ｂ）前記レーザパルスの各々をマスクして、各レーザパルスに対応して１つまたは複数のレーザビームレットを生成し、このようにして、各ビームレットが、前記スリットの幅に対応した幅と前記所定のレーザパルスサイズに対応した長さとによって規定される形状を持たせるような、前記エキシマーレーザパルスに光学的に結合されているとともに移動に適合した、所定の幅を持つ１つまたは複数のスリットを持つマスクと、
（ｃ）各レーザパルスのための前記１つまたは複数のレーザビームレットを受けて、前記レーザビームレットの形状に対応して、そこに置かれた何らかのシリコン薄膜の一部を溶融させる、光学的に前記マスクに結合され、移動するように適合されている、サンプルステージと、
（ｄ）前記マスクと前記サンプルステージとの相対的位置および前記エキシマーレーザパルスを制御し、前記マスクと前記サンプルステージとの前記相多的位置にあわせて前記エキシマーレーザパルスを調整する、前記サンプルステージと前記エキシマーレーザとに結合されている、コンピュータと、
（ｅ）その場所の対応する連続的な場所で各レーザパルスのための１つまたは複数のレーザビームレットによる、前記薄膜の照射および前記マスクに対する相対的な前記サンプルステージの連続的な移動によって、前記シリコン薄膜を処理することによって多結晶シリコン薄膜に変換する変換し、ここで、照射された各々が前記薄膜の厚さ方向に溶融し、ラテラル成長が前記薄膜の各溶融場所でなされるような、コンピュータ可読な媒体上の命令と、
を含むシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記システムがコンピュータによって実行可能な命令：
（ｇ）シリコン薄膜に前記レーザビームレットを照射して、前記マスクにおける前記所定のスリットパターンの形状に対応して、前記薄膜の第１の領域を溶融させるステップ、および、
（ｈ）前記マスクの寸法に基づき、第２の位置に到達するように、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜の一方に対して相対的に、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜とのうちの少なくとも１つを移動させるステップ、
を含む、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
下基礎をなす面と共にインターフェイスを持つシリコン膜をアニールする方法であって、
シリコン粒子の長さよりも大きく、かつ、前記シリコン粒子の長さの２倍よりも小さいような、ビーム幅を持つレーザビームの第１のショットを使って、前記インターフェイスまで前記シリコン膜の区画を完全に溶融させることによって、ある長さを持つシリコン粒子を成長させるステップと、
前記レーザビームの第２のショットを使って、前記成長したシリコン粒子の部分を再溶融させることによって、前記成長したシリコン粒子の前記長さを成長させるステップと、
を含み、
前記再溶融させた部分が、前記レーザビームの前記ビーム幅の二分の一を超える長さで、前記基板に対して相対的に前記レーザビームを離間させることによって決定される、
ような方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記シリコン膜が前記レーザビームでスキャンされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記シリコン粒子を成長させるステップ、前記シリコン膜に対して相対的に前記レーザビームを離間させるステップ、前記成長したシリコン粒子の一部を再溶融させるステップ、および、前記シリコン膜に対して相対的に前記レーザビームを再度離間させるステップが繰り返されることによって、前記シリコン膜がスキャンされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記レーザビームの第１のショットによって成長した前記シリコン粒子の長さが、２から４マイクロメートルである、
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記レーザビームの第２のショットによって、前記シリコン粒子の長さが、４から８マイクロメートルに増加される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記シリコン膜が、前記レーザビームの第１のショットの前は非晶質シリコンである、
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記シリコン粒子が、大気圧で成長され、かつ、長くされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１０に記載のシリコン膜をアニールする方法において、
前記レーザビームが、１０マイクロメートル未満のビーム幅を持つ、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
基礎をなす面と共にインターフェイスを持つシリコン膜をアニールする方法であって、
レーザビームによって照射される前記シリコン膜の区画における核生成を避けるために十分な狭さであるビーム幅を持つレーザビームのショットを使って、前記インターフェイスまで前記シリコン膜の前記区画を完全に溶融させることによって、ある長さを持つシリコン粒子を成長させるステップと、
前記レーザビームの第２のショットを使って前記成長させたシリコン粒子の一部を完全に再溶融させることによって前記成長させたシリコン粒子の前記長さを増加させるステップであって、前記レーザビームの前記ビーム幅の二分の一を超える長さの基板に対して相対的に前記レーザビームをずらすことによって、前記再溶融させる部分が決定されるようなステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
非晶質のシリコン薄膜サンプルを処理して多結晶シリコン薄膜に変換する方法であって、
（ａ）一連のエキシマーレーザパルスを生成するステップと、
（ｂ）マスクの開口の所定のパターンで、前記一連のレーザパルスの各々の一部をマスクするステップであって、前記レーザパルスで照射される前記シリコン膜の前記区画における核生成を避けるのに、前記開口が十分な狭さを持つようなステップと、
（ｃ）前記レーザパルスの少なくとも１つを前記薄膜サンプルに照射して、前記マスクの開口の所定のパターンの形状に対応して前記薄膜サンプルの第１の領域を溶融せしめるステップと、
（ｄ）第２の位置に到達するように、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜サンプルのうちの一方に対して相対的に、前記エキシマーレーザパルスと前記薄膜サンプルとのうちの少なくとも１つを移動させるステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）の後、前記ビームパルスの少なくとも１つを使って、前記薄膜サンプルの第２の領域を照射し、この領域は、前記第２の領域を溶融させるために、前記一連のパルスを使って前記第２の位置の区画に対応し、この第２の領域は、前記第１の領域の二分の一未満と重なるようなステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
基礎をなす面と共にインターフェイスを持つシリコン膜をアニールする方法であって、
シリコン粒子の長さよりも大きく、かつ、前記シリコン粒子の長さの２倍未満であるような、ビーム幅を持つレーザビームの第１のショットを使って、前記インターフェイスまで、前記シリコンの区画を完全に溶融させることによって、ある長さを持つシリコン粒子を成長させるステップと、
前記レーザビームの第２のショットを使って前記成長させたシリコン粒子の一部を完全に再溶融させることによって、前記成長させたシリコン粒子の長さを増加させるステップであって、２つのレーザショットを使って、粒子が長く方位的に制御された結晶を持つ多結晶シリコンに前記シリコン薄膜を変換するために選択されたような離間距離で、前記基板に対して相対的に前記レーザビームをずらすことによって、前記再溶融される領域が決定されるようなステップと、
を含む方法。
【請求項２１】
基礎をなす面と共にインターフェイスを持つシリコン膜をアニールする方法であって、
レーザビームによって照射される前記シリコン膜の区画における核生成を避けるために十分な狭さであるビーム幅を持つレーザビームの第１のショットを使って、前記インターフェイスまで前記シリコン膜の前記区画を完全に溶融させることによって、ある長さを持つシリコン粒子を成長させるステップと、
前記レーザビームの第２のショットを使って前記成長させたシリコン粒子の一部を完全に再溶融させることによって前記成長させたシリコン粒子の前記長さを増加させるステップであって、２つのレーザショットを使って、粒子が長く方位的に制御された結晶を持つ多結晶シリコンに前記シリコン薄膜を変換するために選択されたような離間距離で、前記基板に対して相対的に前記レーザビームをずらすことによって前記再溶融される領域が決定されるようなステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理方法、特に、低温で実行され得る半導体処理方法に関する。
【０００２】
関連分野の説明
半導体処理の分野では、レーザを用いて非晶質シリコン薄膜を多結晶フィルムに変換する試みが幾つかなされてきた。例えば、ジェームズ・イム（James Im）他による「Crystalline Si Film for Integrated Active-Matrix Liquid-Crystal Displays(11MRS Bullitin39(1996))」には、従来のエキシマーレーザのアニーリング技術の概要が説明されている。このようなシステムでは、エキシマーレーザビームは、典型的には長さ３０ｃｍまでで、幅５００ミクロンメータ或いはそれ以上の長いビームに整形される。この整形されたビームを非晶質シリコンのサンプル上をスキャンさせて、これを溶融し、サンプルの再固化によって多結晶シリコンに変換する。
【０００３】
多結晶シリコンを生成するための従来のエキシマーレーザ・アニーリング技術の利用は、幾つかの理由によって問題がある。第1に、この方法で生成された多結晶シリコンは典型的には、小さな粒子であり、ランダムな微細構造であり、粒子サイズが不均一であり、従って、結果として粗悪で不均一な装置ができ、よって歩留まりが低い。第2に、許容可能な性能レベルを得るためには、多結晶シリコンの生成の製造能力を低くしなければならない。また、本方法は一般的に制御された雰囲気と非晶質シリコンサンプルの予備加熱とを必要とし、これによって、スループット（処理能力）速度の減少が導かれる。従って、本分野では、より大きなスループット速度でより高品質な多結晶シリコンを生成するという要求が存在する。同様に、フラットパネルディスプレイなどのより高品質な装置の製造で使用されるべき、より大きく、より均一な微細構造の多結晶シリコン薄膜を形成する製造技法の必要性がある。
【０００４】
発明の概要
本発明の目的は、連続（sequential）ラテラル（横方向）固化プロセスを使用して、均一で大きな粒子で、かつ、粒界位置が制御された多結晶薄膜半導体を形成する技法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、半導体サンプルの実質的に全体にわたって、粒子を大きくし、かつ、粒界位置を操作した多結晶シリコンを形成することである。
本発明のさらに別の目的は、ディスプレイやその他の製品を製造するのに便利な半導体装置の製造用の技法を提供することであり、この方法では、半導体粒界の大部分の方向が、装置の現在の流れ方向に対して制御可能に位置合わせされ、或いは、位置をずらされることが可能である、
【０００５】
これらの目的、および、同様に明細書の以下の部分の説明で明らかとなるであろう他の目的を達成するために、本発明は、非晶質シリコン薄膜を処理して開示した多結晶シリコン薄膜に変換する方法を提供することである。好適な実施態様においては、本方法は、一連のエキシマーレーザパルスを生成するステップと、前記一連のエキシマーレーザパルスにおける各エキシマーレーザパルスを所定のフルエンス（fluence：エネルギー密度）に制御可能な状態で変調するステップと、所定の平面に、前記一連のものにおける変調されたレーザパルスの各々を均一化するステップと、２次元パターンのスリットで、前記一連のものにおける均一化（homoginizing）されたフルエンスの制御されたレーザパルスの各々の一部をマスクして、線状にパターン化されたビームレットのフルエンスの制御された一連のパルスを生成するステップと（前記2次元パターンの各スリットは、このスリットに対応するビームレットによって照射されるシリコン薄膜サンプルの領域において顕著な核形成の誘発を防止するのに十分なくらい細く・狭くすること）、非晶質シリコン薄膜サンプルにフルエンスの制御されたスリットでパターン化された一連のビームレットを照射して、前記パターン化された一連のビームレットのパルスにおいて、フルエンスを制御されパターン化されたビームレットの各々に対応する部分を溶融させるステップと、前記のスリットでパターン化されたビームレットのフルエンスの制御されたパルスの各々に対する前記サンプルの相対位置を制御可能に連続的に移動するステップとを含み、これによって、前記非晶質シリコン薄膜を処理して単一或いは多結晶のシリコン薄膜に変換する。
【０００６】
好適な実施態様では、前記のマスクしパルスを生成するステップは、前記の均一化された平面の一方向に対して平行に線状に延長され、所定の離間距離で離間されたほぼ平行でまっすぐな２次元パターンのスリットで、前記一連のものおける均一化されたフルエンスの制御されたレーザパルスの各々の一部をマスクしてスリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御された一連のパルスを生成する。移動を与え、サンプルの相対位置を連続的に制御可能な状態で、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御されたパルスの各々に対して垂直な方向に、実質的に所定のスリット離間距離にわたって（over）移動させ、これによって非晶質薄膜サンプルを処理して、長粒、即ち長い粒子（long grained）であり方位を制御された結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換することが好適である。
【０００７】
特に好適な実施態様では、前記マスクしてパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスのレーザパルスの各々の一部を、前記所定の幅未満の所定の離間距離で離間され、前記均一化された平面の一方向に対して平行であり線状に延長された、所定の幅の実質的に平行でまっすぐなスリットの2次元パターンでマスクして、スリットでパターン化されたビームレットの制御されたフルエンスの一連のパルスを生成するステップを含む。本構成では、移動ステップは、前記所定の幅未満の距離ずつ、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御されたパルスの各々に対して垂直な方向にサンプルの相対位置を移動させ、これによって、非晶質シリコン薄膜サンプルを処理して、２つのレーザパルスを使用するだけで、長い粒子であり方位を制御された結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。ある実例では、前記所定の幅は約４マイクロメータであり、前記所定の離間距離は約２マイクロメータであり、そして、移動距離は約３マイクロメータである。
【０００８】
別の好適な実施態様では、前記マスクしてパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスのレーザパルスの各々の一部を、前記の均一化された平面の一方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長され、所定の離間距離で離間されたほぼ平行でまっすぐな２次元パターンのスリットでマスクして、スリットでパターン化されたビームレットの制御されたフルエンスの一連のパルスを生成するステップを含む。本構成では、前記移動ステップは、サンプルの相対位置を連続的に制御可能な状態で、前記均一化された平面の一方向に対して平行な方向に、実質的に所定のスリット離間距離にわたって（over）移動させ、これによって非晶質薄膜サンプルを処理して、長い粒子であり方位を制御され、前記シリコン薄膜のXY軸に対して方向がずらされた結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。
【０００９】
更にその他の好適な実施態様では、前記マスクしパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスのレーザパルスの各々の一部を、交差するまっすぐなスリット群（第1のスリット群は、第1の所定の離間距離で離間され、前記均一化された平面の第1の方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長される。第2のスリット群は、第２の所定の離間距離で離間され、前記均一化された平面の第２の方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長され、そして、第1のスリット群とは実質的に９０度の角度で交差する。）の2次元パターンを用いてマスクして、スリットでパターン化されたビームレットの制御されたフルエンスの一連のパルスを生成するステップを含む。対応する移動ステップは、サンプルの相対位置を、前記均一化された平面の第1の方向に対して平行な方向に、前記第1の所定のスリット離間間隔にわたって移動させ、これによって、非晶質シリコン薄膜を処理して大きなダイヤモンド状に整形された結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。
【００１０】
さらに別の実施態様では、前記マスクしパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスのレーザパルスの各々の一部を、所定の離間間隔で離間され前記均一の平面の一方向に対して全体的に平行に延長された鋸歯状に整形したスリットの2次元パターンでマスクして、これによって非晶質薄膜サンプルを処理して、スリットでパターン化されたビームレットの制御されたフルエンスの一連のパルスを生成する。本構成では、前記移動ステップは、サンプルの相対位置を制御可能な状態で連続（sequentially）に、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御されたパルスの各々に対して垂直な方向に、実質的に前記所定のスリット離間距離にわたって移動させ、前記勤一化された平面の一方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長され、所定の離間距離で離間された実質的に平行でまっすぐなスリットの２次元パターンでマスクして、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御された一連のパルスを生成する。本構成では、前記移動ステップは、前記サンプルの相対位置を、前記均一化された平面の一方向に対して平行な方向に、実質的に前記所定のスリット離間間隔にわたって制御可能な状態で連続的に移動させ、これによって、非晶質シリコン薄膜サンプルを処理してこのシリコン薄膜のXY軸に対して方向がずれるように方位を制御され、粒子の長い結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。
【００１１】
さらにその他の好適な実施態様では、前記マスクしパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスの各々の一部を、交差するまっすぐなスリット群の２次元パターン（第1のスリット群は、第1の所定の離間距離を離間され、前記均一化された平面の第１の方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長され、第2のスリット群は、第2の所定の離間距離を離間され、前記均一化された平面の第２の方向に対して実質的に４５度の角度で線状に延長され。さらに第1のスリット群と実質的に９０度の角度で交差する）を用いてマスクし、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御された一連のパルスを生成するステップを含む。対応する移動ステップは、前記サンプルの相対位置を前記均一化された平面の第1の方向に対して平行に実質的に前記第1の所定の離間距離にわたって制御可能な状態で順次に、即ち連続的に移動させ、これによって、前記非晶質シリコン薄膜サンプルを処理して大きなダイヤモンド状に整形された結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。
【００１２】
更に別の実施態様では、
前記マスクしパルスを生成するステップは、前記一連のものにおける制御され均一化されたフルエンスの各々の一部を、所定の離間距離で離間され前記均一化された平面の一方向に対して全体的に平行に延長された鋸歯状に整形されたスリットの２次元パターンでマスクして、その結果、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御された一連のパルスを生成するステップを含む。本構成では、前記移動ステップは、前記サンプルの相対位置を、スリットでパターン化されたビームレットのフルエンスを制御されたパルスの各々に対して垂直な方向に実質的に前記所定のスリット離間距離にわたって制御可能な状態で連続的に移動させ、これによって、前記非晶質シリコン薄膜を処理して大きな六方晶系の結晶を持つ多結晶シリコン薄膜に変換する。
【００１３】
変形させた実施態様では、水玉模様のパターンを使用する、非晶質シリコン薄膜を処理して多結晶シリコン薄膜に変換する代替の技法が提供される。この技法は、一連のエキシマーレーザパルスを生成するステップと、所定の平面において前記一連のレーザパルスの各々を均一化するステップと、前記一連の均一化されたレーザパルスの各々の一部を実質的に不透明な２次元パターンでマスクして水玉でパターン化されたビームレットの一連のパルスを生成するステップと、非晶質シリコン薄膜に前記一連の水玉でパターン化されたビームレットを照射して、前記一連の水玉でパターン化されたビームレットパルスの各々に対応する部分を溶融させるステップと、当該サンプルのスーパーラテラル成長（super lateral grown）距離未満の距離のところであり、かつ、２つの垂直軸へ方向を交互に変えることによって、水玉でパターン化されたビームレットのパルスの各々に対する前記サンプルの相対位置を制御可能な状態で連続的に移動させるステップとを含み、これによって、前記非晶質シリコン薄膜サンプルを処理して多結晶シリコン薄膜に変換する。
【００１４】
添付の諸図面は本開示に包含されこれの一部を構成し、本発明の好適な実施例を説明し本発明の原理を説明することに寄与する。
好適な実施態様の説明
本発明は、連続ラテラル固化プロセスを使用して均一で長い粒子であり粒界位置が制御された多結晶シリコン薄膜半導体を生成する技法を提供する。これらの技法を十分に理解するために、連続ラテラル固化プロセスを説明しなければならない。
【００１５】
連続ラテラル固化プロセスは、エキシマーレーザから放出される連続パルスの間に、シリコンサンプルを単一方向への少量の移動を通じて長い粒子のシリコン構造体を形成する技法である。各パルスが当該サンプルに吸収されるのに従って、サンプルの小さな領域が完全に溶融され、そして、ラテラル即ち横方向に固化して、パルスのセットのうちの先行パルスによって生成された結晶領域に変換される。
【００１６】
特に好適な連続ラテラル固化プロセスおよび当該プロセスを実行するための装置は、題名「単結晶或いは多結晶のシリコン薄膜を低温で生成する、連続ラテラル固化を使用するシステムおよび方法（本願と共に出願されており、本願と同じ出願人に継承されている）」という我々の同時継続出願で開示されており、本開示を参照によって本願に包含させるものとする。前述した開示は、前記の同時継続中の出願で開示された特定の技法を参照して為されたものであるが、その他の連続ラテラル固化技法は容易に本発明に利用して適応し得るものと理解すべきである。
【００１７】
図１を説明するが、我々の同時継続中の特許出願では好適な実施例として説明しているが、システムは、エキシマーレーザ１１０、レーザビーム１１１のエネルギー密度を素早く変化させるエネルギー密度変調器１２０、ビーム減衰器およびシャッター１３０、光学要素１４０、１４１、１４２、１４３、ビーム均一化器１４４、レンズ系１４５、１４６、１４８、マスキングシステム１５０、レンズ系１６１、１６２、１６３、入射レーザパルス１６４、シリコン薄膜サンプル１７０、サンプル移動ステージ１８０、花崗岩ブロック１９０、支持システム１９０、１９２、１９３，１９４、１９５、１９６、および、管理コンピュータ１００を含む。シリコンサンプルのXY方向の移動は、マスキングシステム１５０の中においてマスク７１０の移動によって、または、コンピュータ１００の指示の下、サンプル移動ステージ１８０の移動によっても行うことができる。
【００１８】
さらに詳細には我々の同時継続中の出願で説明しているが、所定のフルエンスの複数のエキシマーレーザパルスを生成するステップと、このエキシマーレーザパルスのフルエンスを制御可能な状態で変調するステップと、所定の平面において前記の変調されたレーザパルスを均一化するステップと、前記の変調され均一化されたレーザパルスの一部をマスクしてパターン化されたビームレットに変換するステップと、非晶質シリコン薄膜サンプルに前記のパターン化されたビームレットを照射してその結果ビームレットの照射された部分に対応するところを溶融するステップと、前記サンプルを前記のパターン化されたビームレットに対して、および、制御された変調に対して制御可能に移動させるステップとを含み、これによって、前記のパターン化されたビームレットに対してサンプルを連続的に移動させること、および、対応する順次（連続）の位置に変化するフルエンスのパターン化されたビームレットを照射することにより、前記非晶質シリコン薄膜サンプルを処理して単結晶或いは多結晶シリコン薄膜に変換する。本発明の以下の実施例を前述した処理技法を参照しつつ説明する。
【００１９】
図２AおよびBを参照しつつ、本発明の第１の実施例を説明する。図２Aはスリットのパターン２２０を組み込んだマスク２１０を説明する。マスク２１０は、望ましくは水晶基板から作製し、図２Aに示したもののような、マスクパターンを形成する従来の技術によってエッチされた誘電体被膜或いは金属を含む。エッチスリット２２０は、スリット２２０に対応する特定の位置におけるサンプル１７０上に作製されるであろう装置に必要な寸法に合うように選択された横幅２３０である。例えば、スリット２２０は、横に約２５マイクロメータでありこれによって２５マイクロメータの半導体デバイスを作製する、或いは、複数部品の装置の場合は、装置内の経路（channel）をサンプル１７０に作製する。スリット２２０の縦の幅２４０は、サンプル１７０の核形成を回避するのに十分小さくし、かつ、各エキシマーパルスのラテラル結晶成長を最大化するため十分大きくするために、望ましくは約２から５マイクロメータの間とする。図２Aは通常のスリットのパターン２２０を説明するものであるが、膜１７０上に作製されるべき所望の微細構造に適合するようにどんなスリットのパターンも利用し得る。
【００２０】
本発明においては、サンプル１７０の結晶領域を成長させるために、マスキングシステム１５０或いはサンプル移動ステージ１８０を動かすことによって、サンプル１７０をレーザパルス１６４に対して移動させる。サンプル１７０をY方向に移動し、マスク２１０をマスキングシステム１５０で使用した場合は、図２Bに示すように、結晶化された領域２６０を持つ処理されたサンプル２５０が形成される。それぞれの結晶化領域の横の幅２７０は、マスク２１０の横幅２３０とほぼ同じになる。各領域の縦の長さ２８０は、マスキングシステム１５０或いは移動ステージ１８０の移動によってもたらされるY方向の距離とほぼ同じになり、この縦の長さは、最終的な装置の特性に応じて選択すべきである。各結晶領域２６０は、長さと方位を制御された粒子のポリシリコンから成る。
【００２１】
次に図３AおよびBを参照しつつ、本発明の第2の実施例を説明する。図３Aは、山がたのパターン３２０を組み込んだマスク３１０を示す。パターン３２０のそれぞれの山がたの一方の側の横の幅は、サンプル１７０に形成されるべき最終的な単一の結晶領域のサイズを決定することとなる。サンプル１７０をY方向に移動し、かつ、マスキングシステム１５０にマスク３１０を使用する場合は、図３Bに示すように、結晶化された領域３６０を持つ処理されたサンプル３５０が作製される。各結晶領域３６０は、ダイヤモンド状に整形された単結晶領域３７０と、各山の後側における、２つの長さの粒子であり方位を制御された多結晶シリコン領域３８０とから構成される。
【００２２】
図２、３を参照しつつ説明した実施例は、シリコンサンプル１７０上に空間的に離れた装置を形成するのに好適であるが、シリコンサンプル１７０の少なくとも幾つかは最終的な半導体では利用されない。サンプル１７０上に作られ得る装置をより柔軟な構成で利用するために、以下の好適な実施例を説明することとする。
【００２３】
図４A、４Bを参照しつつ、本発明の第3の実施例を説明する。図４Aは、スリットパターン４２０を組み込んだマスク４１０を示す。各スリット４２０は、マスク全体にわたって延長されるべきものであり、従って、マスク上に均一化されたレーザビーム１４９の入射が可能になり、また、各スリットは、サンプル１７０の照射された領域において起こる何らかの核形成を防止するのに十分細くした縦の幅４４０を持たなければならない。縦の幅４４０は、入射レーザパルスのエネルギー密度、入射レーザパルスの持続時間、シリコン薄膜サンプルの厚さ、シリコン基板の温度および伝導性、を含む幾つかのファクターに依存する。例えば、室温で３０ｎｓであり、サンプルの完全溶融する閾値をわずかに超えるエネルギー密度を持つレーザパルスを５００オングストロームの膜に照射する場合、スリットの縦幅は２マイクロメータを超えるものとすべきである。
【００２４】
サンプル１７０をY方向に移動し、マスク４１０をマスキングシステム１５０に使用する場合は、図４Bに示すように、結晶化された領域４６０を持つ処理後のサンプル４５０が生成される。各結晶領域４６０は、粒子の長い、方位が制御された結晶４７０から構成される。サンプル４１０のマスキングスリット４２０の周期性４２１に依存して、粒子４７０の長さは、大きくなったり小さくなったりする。非晶質シリコン領域がサンプル領域１７０に残ることを防止するたにめには、Ｙ方向への移動を少なくともマスク間の距離４２１と同じ長さにしなければならず、さらに当該距離を距離４２１よりも少なくとも１ミクロン大きくすることが好適であり、その結果、方位を制御された多結晶シリコン構造の初期段階において必然的に形成する小さな結晶が除去される。
【００２５】
線のパターンを持つマスクを使用する特に好適な技法を説明する。図４Aに示すように４マイクロメータの縦の幅４４０を持つぎっしり詰まっており、各線が２マイクロメータの間隔で離間されているマスク線４２０のようなマスクを使用して、サンプル１７０は１つのレーザパルスで照射される。図５Aに示すように、レーザパルスは、サンプルの領域５１０，５１１，５１２を溶融し、ここで各溶融した領域は約４マイクロメータの幅５２０であり、約２マイクロメータの離間距離５２１で離れている。この第1のレーザパルスは、溶融境界５３０から始まり、溶融領域に成る照射された領域５１０，５１１，５１２において結晶成長の形成を生じさせ、それ故に、図５Bに示すように多結晶シリコン５４０を照射された領域に形成する。
【００２６】
溶融境界５３０に形成される多数の小さな初期結晶５４１を除去するために、サンプル１７０は、Y方向に３マイクロメータ移動され、そして、再度ひとつのエキシマーレーザパルスが照射される。この第2の照射領域５５１，５５２，５５３は、残りの非晶質シリコン５４２と多結晶シリコン５４０の初期結晶領域５４３とを融解させるが、一方、多結晶シリコンの中央区画５４５を残したままにする。図５Cに示すように、中央区画５４５に形成される結晶構造は、溶融した領域５４２の固化に基づき外側に成長し、その結果、方位が制御され、粒子の長い多結晶シリコンデバイスがサンプル１７０上に形成される。
【００２７】
図６A、６Bを参照しつつ、本発明の第4の実施例を説明する。図６Aは、斜め線のパターン６２０を組み込んだマスク６１０を示す。サンプル１７０がY方向に移動され、マスク６１０をマスキングシステム１５０に使用する場合は、図６Bに示すように、結晶領域６６０を持つ処理されたサンプル６５０が生成される。各結晶領域６６０は、粒子を長くされ、方位が制御された結晶６７０から構成されることとなる。
【００２８】
図４A、４Bと同じように上述した実施例では、移動方向は所望する結晶長さの依存する。また、４マイクロメータの幅の線６２０を持ち、それぞれが２マイクロメータで離間される図６Aに示したマスクを使用して、図５A〜Cを参照して説明した方法を容易に用いることが可能である。この実施例は、多結晶構造が前記軸に対して斜めになっていないため、XY軸に関して結晶の方位を向けられたディスプレイやその他のデバイスの製造の場合には、特に有利であり、従って、これらの装置の性能は、X或いはY座標に依存するものである。
【００２９】
図７A、７Bを参照しつつ、本発明の第5の実施例を説明する。図７Aは、ずれた（offset）鋸歯状パターン７２０，７２１を組み込んだマスク７１０を示す。サンプル１７０がY方向に移動され、マスク７１０をマスキングシステム１５０に使用する場合は、図７Bに示すように、結晶化された領域７６０を持つ処理されたサンプル７５０が生成される。各結晶領域７６０は、斜め−方形の結晶７７０の配列から構成される。移動距離を鋸歯パターンの周期よりも僅かに大きくした場合は、結晶は６角形になる。本実施例は、大きなシリコン粒子の生成に有利であり、装置の性能を向上させ得るものである。
【００３０】
次は、図８A、８Bを参照しつつ、本発明の第6の実施例を説明する。図８Aは、斜めの交差したパターン８２１，８２２を組み込んだマスク８１０を示す。サンプル１７０がY方向に移動され、マスク８１０をマスキングシステム１５０に使用する場合は、図８Bに示すように、結晶化された領域８６０を持つ処理されたサンプル８５０が生成される。各結晶領域８６０は、ダイヤモンド状に整形された結晶８７０の配列から構成される。移動方向がパターンの周期よりもわずかに大きい場合は、結晶は正方形になる。この実施例も、大きなシリコン粒子の生成に有利であり、装置の性能を向上させ得るものである。
【００３１】
次に図９Ａ〜Ｄを参照しつつ、本発明の第7の実施例を説明する。図９Aは、水玉パターン９２０を組み込んだマスク９１０を示す。この水玉マスク９１０は、逆転マスクであり、ここで水玉９２０に相当する部分がマスクされる領域であり、マスクの残部９２１が透過するところである。大きなシリコン結晶を製造するためには、この水玉パターンが、サンプル１７０上の結晶が所望されるところの点に関して連続的に移動され得る。例えば、図９Bに示すように、この水玉マスクは、第1のレーザパルスの後でYの正方向９３１に短い距離移動させ、第２のレーザパルスの後でXの正方向９３２に短い距離移動させ、第３のレーザパルスの後でYの負方向９３３に短い距離移動させ、大きな結晶の形成を促進させることができる。水玉の玉の離間距離がラテラル成長距離の２倍を越える距離である場合は、図９Cに示すように、結晶９６０が小さな粒子の多結晶シリコン領域９６１で離間された結晶９６０の結晶構造９５０が生成される。核形成を回避するためにこの離間距離がラテラル成長距離の２倍未満、或いは同じ距離である場合は、結晶９８０を持つ結晶構造９７０が、図９Dに示すように生成される。
【００３２】
次に図１０を参照しつつ、図９に関して実施される結晶成長プロセスを制御するために、コンピュータ１００により実行されるステップを説明する。図１０は、図１の本システムで実現される基本的なステップを説明するフローチャートである。図１に示した様々な電気機器は、プロセスを初期化するためにコンピュータによって１０００で初期化される。それから、シリコン薄膜サンプルは、サンプル移動ステージ１００５に装着即ちロードされる。このような装着は、コンピュータ１００の制御下、手動でも、或いは機械的にも実現され得る。次に、サンプル移動ステージは、初期ポジション１０１５に移動され、この移動は、サンプル上の参照部位に位置合わせされることも含む得る。必要であれば、本システムの様々な光学要素が１０２０で焦点を合わせられる。その後、レーザは、所望のエネルギー密度と繰り返しレートになるように１０２５で安定化され、必要に応じて実行されるべき特定の処理に応じてシリコンサンプルを完全に溶融させる。必要であれば、レーザパルスの減衰が１０３０で精密に調整される。
【００３３】
次に、１０３５でシャッターが開かれ、サンプルを１つのパルスの照射に曝し、これに応じて、連続ラテラル固化プロセスが開始する。１０４０で、サンプルは、X或いはY方向にスーパーラテラル成長距離未満の量だけ移動される。１０４５で、シャッターは再度開放され、サンプルを１つのパルスの照射に曝し、１０５０で、サンプルは再度X或いはY方向にスーパーラテラル成長距離未満の量だけ移動される。もちろん、ステップ１０４０でサンプルがX方向に移動された場合は、水玉を作成するためにステップ１０５０ではサンプルをY方向に移動するべきである。その後、１０５５でサンプルは第3のレーザパルスを照射される。サンプル移動と照射のプロセス１０５０，１０５５は、１０６０で繰り返すことができ、これにより４或いはそれよりも多くのレーザパルスで水玉領域を成長させることができる。
【００３４】
次に、サンプル上のその他の領域が結晶化するために指定されていた場合は、サンプルは１０６５、１０６６で位置変えをされ、この結晶化プロセスは新たな領域上で繰り返される。結晶化のためにさらなる領域が指定されていない場合は、１０７０でレーザは閉じられ、１０７５でハードウェアは停止され、１０８０で本プロセスは終了する。もちろん、追加のサンプルの処理を所望する場合、或いは、本発明がバッチ処理用に利用される場合は、ステップ１００５、１０１０、１０３５〜１０６５は各サンプルに対して繰り返され得る。
【００３５】
前述した事項は、単に本発明の原理を説明したものである。前述した実施例に対しては、本明細書の教示において当業者が様々な修正や変形を行うことが自明である。例えば、シリコン薄膜１７０は、予めパターン化されたシリコン膜の島を持つサンプルによって置き換えることもできる。また、線のパターンマスクを使用して、図５A〜Cを参照しつつ説明したように２つのレーザパルスを使用して多結晶シリコンを成長させ、その後、９０度回転させ、同じ方法を用いて四角形に整形された単一の結晶シリコンのアレイを生成することができる。従って、当業者は、本明細書で明示的に示されていない様々な方法やシステムを考え出し、本発明の本質の範囲内において本発明の原理を実現することができることを認識するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好適な方法を実現するのに適したラテラル固化プロセスを実施するためのシステムの機能図である。
【図２Ａ】  破線のパターンを持つマスクを示す説明図であ
【図２Ｂ】  図１のシステムで図２Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図３Ａ】  山がたのパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図３Ｂ】  図１のシステムで図３Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図４Ａ】  線のパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図４Ｂ】  図１のシステムで図４Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図５Ａ】  線のパターンを使用して照射したシリコンサンプルの領域を示す説明図である。
【図５Ｂ】  最初の照射を行いかつサンプルを移動させた後ののパターンを使用して照射したシリコンサンプルの領域を示す説明図である。
【図５Ｃ】  第２の照射をした後の結晶化したシリコン膜を示す説明図である。
【図６Ａ】  斜め線のパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図６Ｂ】  図１のシステムで図６Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図７Ａ】  鋸歯状のパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図７Ｂ】  図１のシステムで図７Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図８Ａ】  交差する斜め線のパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図８Ｂ】  図１のシステムで図８Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図９Ａ】  水玉のパターンを持つマスクを示す説明図である。
【図９Ｂ】  図９Ａのマスクを使用してマスク移動を説明する指示図である。
【図９Ｃ】  図９Ｂに示したマスク移動スキームを使用して図１のシステムで図９Ａに示したマスクを使用することで得られた結晶化シリコン膜の説明図である。
【図９Ｄ】  図９Ｂに示したマスク移動スキームを使用して図１のシステムで図９Ａに示したマスクを使用することで得られた別の結晶化シリコン膜の説明図である。
【図１０】  図１の本システムで実現されるステップを説明するフローチャートである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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