(57)【要約】【課題】  光学系の焦点深度が広く、マスクのレーザ強度耐性が高くかつレーザ利用効率が高い半導体薄膜の製造装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板上の半導体薄膜に対してレーザ光を照射することにより半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の製造装置であって、レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度１１が結晶化強度Ec以上完全溶融強度Eu以下であり、高強度領域12が完全溶融強度Eu以上であり、かつ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配10を含むプロファイル条件を満たす。【選択図】      図１
2007134637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の半導体薄膜に対してレーザ光を照射することにより半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の製造装置であって、
上記レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度が結晶化強度以上完全溶融強度以下であり、高強度領域が完全溶融強度以上であり、かつ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配を含むプロファイル条件を満たすことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
【請求項２】
前記結晶化強度は、結晶化が行われるエネルギー密度しきい値であり、
前記完全溶融強度は、微結晶粒が形成されるエネルギー密度しきい値であり、前記エネルギー密度分布は、横軸(ｘ方向)をレーザ照射領域中の位置、縦軸(y方向)をエネルギー密度として描いた密度分布であり、
x方向に対し強度勾配を含むエネルギー密度分布がパターン周期(p)で周期的に形成される場合、パターン周期内-p/2≦x≦p/2で最小となる強度を前記最小強度と定義し、
エネルギー密度が完全溶融強度となる位置について、最小強度となる位置（x0）から-x方向に最も近い位置をxu1、+x方向に最も近い位置をxu2とした場合、-p/2≦x≦xu1の領域とxu2≦x≦p/2の領域とを前記高強度領域と定義することを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項３】
前記プロファイル条件を満たすレーザ光を照射することにより、最小強度を起点とし、エネルギー密度分布の強度勾配に沿って結晶成長が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項４】
前記プロファイル条件を維持する焦点深度が20μm以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項５】
レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、
第２の基板上での投影光学系の開口数が実質的に0.1〜0.13となるように、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
前記投影光学系の瞳と前記照明光学系の光源像が四極の関係であることを特徴とする請求項５に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記投影光学系の瞳と前記照明光学系の光源像が輪帯の関係であることを特徴とする請求項５に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項８】
前記投影光学系の瞳と前記照明光学系の光源像が同心円状の関係であることを特徴とする請求項５に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項９】
レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、
第１の基板において照明光学系の開口数／投影光学系の開口数が実質的に0.85となり、かつ第２の基板上での投影光学系の開口数が0.15以下となるように、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１０】
レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、
前記第１の基板には位相シフトマスクが設けられており、
前記照明光学系と投影光学系とを介して、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１１】
基板上の半導体薄膜に対してレーザ光を照射することにより半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の製造方法であって、
上記レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度が結晶化強度以上完全溶融強度以下であり、高強度領域が完全溶融強度以上であり、かつ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配を含むプロファイル条件を満たすことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記結晶化強度は、結晶化が行われるエネルギー密度しきい値であり、
前記完全溶融強度は、微結晶粒が形成されるエネルギー密度しきい値であり、前記エネルギー密度分布は、横軸(ｘ方向)をレーザ照射領域中の位置、縦軸(ｙ方向)をエネルギー密度として描いた密度分布であり、
x方向に対し強度勾配を含むエネルギー密度分布がパターン周期(p)で周期的に形成される場合、パターン周期内-p/2≦x≦p/2で最小となる強度を前記最小強度と定義し、
エネルギー密度が完全溶融強度となる位置について、最小強度となる位置（x0）から-x方向に最も近い位置をxu1、+x方向に最も近い位置をxu2とした場合、-p/2≦x≦xu1の領域とxu2≦x≦p/2に領域とを前記高強度領域と定義することを特徴とする請求項１１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記プロファイル条件を満たすレーザ光を照射することにより、最小強度を起点とし、エネルギー密度分布の強度勾配に沿って結晶成長が行われることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１４】
前記プロファイル条件を維持する焦点深度が20μm以上であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の半導体薄膜に対してレーザ光を照射することにより半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の製造装置及び半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置の画素部スイッチング素子として、ガラス基板上に形成された薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」という。）が利用されている。近年、高精細の液晶表示装置の実現に加え、システム・オン・グラスの実現のために、ＴＦＴの動作速度向上の要求が高まっていて、高品質なレーザアニール多結晶シリコンＴＦＴ形成技術が注目を浴びている。
【０００３】
上記したＴＦＴは、通常、図１２に示すように製造される。例えば、図１２（１）に示すように、ガラス基板１２０１の表面に形成した絶縁膜上１２０２に、アモルファスシリコン１２０３を形成する。
【０００４】
続いて、図１２（２）に示すように、アモルファスシリコン１２０３の表面にレーザ光１２０４を照射し、多結晶シリコン１２０５を形成する。
【０００５】
続いて、図１２（３）に示すように、得られた多結晶シリコン１２０５上にゲート絶縁膜１２０６、ゲート電極１２０７を形成する。ゲート電極１２０７、ゲート絶縁膜１２０６を覆うようにして層間絶縁膜１２０８を形成した後、当該層間絶縁膜１２０８及びゲート絶縁膜１２０６を貫通するコンタクトホールを形成する。そして、層間絶縁膜１２０８上に、コンタクトホールと接続するソース電極１２０９及びコンタクトホールと接続するドレイン電極１２１０をそれぞれ形成することによりＴＦＴが完成する。なお、多結晶シリコン１２０５内には、ソース領域１２１１、チャネル１２１２及びドレイン領域１２１３がそれぞれ形成されている。
【０００６】
近年、ますます多結晶ＴＦＴの動作速度の向上が要望されている。チャネル内のキャリア（電子又は正孔）移動度が大きいほど、動作が速くなるが、結晶粒径が１μm以下と小さく、チャネル内に結晶粒界が多数存在すると、キャリア移動度が低下するという問題がある。このようなことから、レーザアニールの際の結晶成長を拡大または制御することにより、上記チャネル内の結晶粒界の数を低減させて、キャリア移動度を向上させる技術が下記のように提案されている。
【０００７】
特許文献１には、縮小投影方式による高解像度の光学系及びストライプ状の遮光マスクを用いて、局所的に強度勾配を有するエネルギービームを整形するレーザアニール装置が開示されている。前記エネルギービームが半導体薄膜上に照射されると、局所的な温度勾配により一定方向に結晶を成長させることが可能であり、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。
【０００８】
また、特許文献２には、位相シフトマスクを用いて空間的に強度変調をさせる製造方法が記載されている。この場合、強度分布はマスクと基板間距離に敏感であり、基板のうねりによって面内で強度分布がばらついてしまい、結晶粒径のばらつきが生じる。そのため、ステージ高さを緻密に制御させる高価な焦点位置調整機能を要する。
【０００９】
また、特許文献３及び４には、ウエハへの露光方法に関する発明が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−３３５８３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９９１９号公報
【特許文献３】特許第３２９６３４８号公報（特開２０００−１５０３７３号公報）
【特許文献４】特許第３５０５８１０号公報（特開平７−１７６４７６号公報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に記載の半導体薄膜の製造装置において、高解像度の光学系を用いる場合、光学系の焦点深度が狭くなるといった問題が生じる。光学系の焦点深度が狭いと、基板のうねりによってエネルギー密度分布が顕著に変化する。そのため、ステージ高さ方向を緻密に制御させる焦点位置調整機能が必要となる。
【００１２】
更に、遮光マスクを用いる場合、レーザ光がマスクを通過する際に、遮光部にレーザ光が吸収される。このため、照射回数が増大すると、遮光部が損傷し、遮光パターンが変形するため、高価なマスクを頻繁に交換しなければならない。従って、生産設備としてのレーザアニール装置コストが高価になると共に、稼働率が低下するといった問題が生じる。また、遮光マスクによって、レーザ利用効率が減少し、一度にレーザアニール処理できる照射面積が小さくなる。この結果、基板処理において、スループットが低下するといった問題が生じる。
【００１３】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、半導体薄膜の製造において、光学系の焦点深度が広く、マスクのレーザ強度耐性が高く、かつレーザ利用効率が高い半導体薄膜の製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明では、基板上の半導体薄膜に対してレーザ光を照射することにより半導体薄膜を結晶化する半導体薄膜の製造装置であって、上記レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度が結晶化強度以上完全溶融強度以下であり、高強度領域が完全溶融強度以上であり、かつ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配を含むプロファイル条件を満たすことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記結晶化強度は、結晶化が行われるエネルギー密度しきい値であり、前記完全溶融強度は、微結晶粒が形成されるエネルギー密度しきい値であり、前記エネルギー密度分布は、横軸(ｘ方向)をレーザ照射領域中の位置、縦軸(ｙ方向)をエネルギー密度として描いた密度分布であり、x方向に対し強度勾配を含むエネルギー密度分布がパターン周期(p)で周期的に形成される場合、パターン周期内-p/2≦x≦p/2で最小となる強度を前記最小強度と定義し、エネルギー密度が完全溶融強度となる位置について、最小強度となる位置（x0）から-x方向に最も近い位置をxu1、+x方向に最も近い位置をxu2とした場合、-p/2≦x≦xu1の領域とxu2≦x≦p/2の領域とを前記高強度領域と定義する。
【００１６】
前記プロファイル条件を満たすレーザ光を照射することにより、最小強度を起点とし、エネルギー密度分布の強度勾配に沿って結晶成長が行われる。
【００１７】
好ましくは、前記プロファイル条件を維持する焦点深度が20μm以上である。
【００１８】
また、レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、  第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、第２の基板上での投影光学系の開口数が実質的に0.1〜0.13となるように、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することが好ましい。
【００１９】
ここで、前記投影光学系の瞳と前記照明光学系の光源像は、四極の関係、あるいは輪帯の関係、あるいは同心円状の関係であることが好ましい。
【００２０】
また、レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、第１の基板において照明光学系の開口数／投影光学系の開口数が実質的に0.85となり、かつ第２の基板上での投影光学系の開口数が0.15以下となるように、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することが好ましい。
【００２１】
また、レーザ光源からの前記レーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜を有する第２の基板上に投影する投影光学系とを有し、前記第１の基板には位相シフトマスクが設けられており、前記照明光学系と投影光学系とを介して、前記レーザ光を前記半導体薄膜に照射することが好ましい。
【００２２】
ここで、上記結晶化エネルギーEcについてより詳細に説明する。半導体薄膜のレーザアニールにおいて、照射強度がある特定のエネルギー密度を越えると、半導体薄膜の一部で、結晶化が行われる。結晶化が行われるエネルギー密度しきい値を半導体薄膜の結晶化強度とし、Ecで表す。
【００２３】
さらに、完全溶融エネルギーEuについてより詳細に説明する。半導体薄膜のレーザアニールにおいて、形成される多結晶半導体の結晶粒径は、レーザのエネルギー密度に依存する。エネルギー密度が増加するに従って、粒径は拡大するが、ある特定のエネルギー密度を超えると結晶粒径が20nm以下と極めて微細になる微結晶粒が形成されることが知られている。微結晶粒が形成されるエネルギー密度しきい値を半導体薄膜の完全溶融強度とし、Euで表す。
【００２４】
本発明におけるエネルギー密度勾配とは、横軸をレーザ照射領域中の位置、縦軸をエネルギー密度として描いたエネルギー密度分布における勾配である。エネルギー密度分布の単位は(mJ/cm2)/μmで表すことができる。
【００２５】
本発明において、図１に示すように、一方向xに対し、強度勾配を含むエネルギー密度分布がパターン周期(p)で周期的に形成される場合、パターン周期内-p/2≦x≦p/2で最小となる強度を最小強度と定義する。また、エネルギー密度がEuとなる位置について、最小強度となる位置x0から-x方向に最も近い位置をxu1、+x方向に最も近い位置をxu2とした場合、-p/2≦x≦xu1とxu2≦x≦p/2を高強度領域と定義する。
【００２６】
前記プロファイル条件を満たすレーザ光を照射すると、最小強度を起点とし、エネルギー密度勾配に沿って結晶成長が行われるので、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。
【００２７】
一方、最小強度がEc以下であるエネルギー密度分布であると、Ec以下の領域に非晶質半導体領域が残存し、照射領域全面を結晶化することができない。また、最小強度がEu以上であると、照射領域全面が微結晶化され、大きい結晶粒を形成することができない。また100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配が含まれないエネルギー密度分布であると、勾配方向に成長が行われず、粒径の大きい結晶粒を形成することができない。また、高強度領域がEu以下であるエネルギー密度分布であると、高強度領域から生じる結晶成長が、最小強度からの結晶成長を阻害し大きい結晶粒を形成することができない。
【００２８】
また、上述のように、本発明では、光学系の焦点深度が20μm以上である。この結果、簡単な焦点位置調整機能とステージ構造によって、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。
【００２９】
また、上述のように、本発明では、レーザ光源からのレーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、前記第１の基板上に形成されたパターンを前記半導体薄膜からなる第２の基板上に投影する投影光学系とにより、レーザ光を前記半導体薄膜に照射し、前記第２の基板上での投影光学系の開口数が実質的に0.1〜0.13であることを特徴とする。本発明の装置構造によって、広い焦点深度で、前記プロファイル条件を形成することが可能となる。
【００３０】
また、上述のように、本発明では、前記投影光学系の瞳と前記照明光学系の光源像が、四極の関係または輪帯の関係または同心円状の関係であることを特徴とする。本発明の装置構造によって、広い焦点深度で前記プロファイル条件を形成することが可能となる。
【００３１】
また、上述のように、本発明では、レーザ光源からのレーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、前記第１の基板上に形成されたパターンを半導体薄膜からなる第２の基板上に投影する投影光学系により、レーザ光を半導体薄膜に照射し、前記第１の基板において、照明光学系の開口数／投影光学系の開口数が実質的に0.85であり、前記第２の基板上での投影光学系の開口数率が実質的に0.15であることを特徴とする。本発明の装置構造によって、広い焦点深度で前記プロファイル条件を形成することが可能となる。
【００３２】
また、上述のように、本発明では、レーザ光源からのレーザ光により第１の基板を照明する照明光学系と、前記第１の基板上に形成されたパターンを半導体薄膜からなる第２の基板上に投影する投影光学系により、レーザ光を半導体薄膜に照射し、前記第１の基板に位相シフトマスクを備えることを特徴とする。本発明の装置構造によって、レーザ強度耐性及びレーザ利用効率を向上させることができる。
【００３３】
ここで、本発明は、上記特許文献２とは異なり、投影光学系の開口率及び光学系の光源像の形状を規定すること特徴とし、広い焦点深度が実現でき、かつ安価で均一な結晶粒を形成することが可能である。
【００３４】
さらに、本発明は基板の上に形成された薄膜を高強度で溶融再結晶化する装置に関するものであり、上記特許文献３及び４とは異なるものである。また、大粒径を広い焦点深度で均一に形成することができるなど、その効果も上記特許文献３及び４とは異なる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、広い焦点深度で、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。また、光学系のレーザ強度耐性及びレーザ光利用効率が高い半導体薄膜の製造装置及びその製造方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（第１の実施の形態）
本発明においては、図１に示すように、一方向xに対し、強度勾配１０を含むエネルギー密度分布がパターン周期(p)で周期的に形成される場合、パターン周期内-p/2≦x≦p/2で最小となる強度を最小強度１１と定義する。また、エネルギー密度がEuとなる位置について、最小強度１１となる位置x0から-x方向に最も近い位置をxu1、+x方向に最も近い位置をxu2とした場合、-p/2≦x≦xu1とxu2≦x≦p/2を高強度領域１２と定義する。
【００３７】
本発明は、レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度１１が結晶化強度（結晶化エネルギーEc）以上完全溶融強度（完全溶融エネルギーEu）以下であり、高強度領域１２が完全溶融強度（Eu）以上であり、かつ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配１０を含むプロファイル条件を満たすことを特徴とする。
【００３８】
ここで、上記結晶化エネルギーEcについて説明する。半導体薄膜のレーザアニールにおいて、照射強度がある特定のエネルギー密度を越えると、半導体薄膜の一部で、結晶化が行われる。結晶化が行われるエネルギー密度しきい値を半導体薄膜の結晶化強度とし、Ecで表す。
【００３９】
さらに、完全溶融エネルギーEuについて説明する。半導体薄膜のレーザアニールにおいて、形成される多結晶半導体の結晶粒径は、レーザのエネルギー密度に依存する。エネルギー密度が増加するに従って、粒径は拡大するが、ある特定のエネルギー密度を超えると結晶粒径が20nm以下と極めて微細になる微結晶粒が形成されることが知られている。微結晶粒が形成されるエネルギー密度しきい値を半導体薄膜の完全溶融強度とし、Euで表す。
【００４０】
本発明におけるエネルギー密度勾配とは、横軸をレーザ照射領域中の位置、縦軸をエネルギー密度として描いたエネルギー密度分布における勾配である。エネルギー密度分布の単位は(mJ/cm2)/μmで表すことができる。
【００４１】
前記プロファイル条件を満たすレーザ光を照射すると、最小強度１１を起点とし、エネルギー密度勾配に沿って結晶成長が行われるので、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。
【００４２】
一方、最小強度１１がEc以下であるエネルギー密度分布であると、Ec以下の領域に非晶質半導体領域が残存し、照射領域全面を結晶化することができない。また、最小強度１１がEu以上であると、照射領域全面が微結晶化され、大きい結晶粒を形成することができない。また100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配が含まれないエネルギー密度分布であると、勾配方向に成長が行われず、粒径の大きい結晶粒を形成することができない。また、高強度領域１２がEu以下であるエネルギー密度分布であると、高強度領域１２から生じる結晶成長が、最小強度１１からの結晶成長を阻害し大きい結晶粒を形成することができない。
【００４３】
図２は、本実施の形態に係わるレーザアニール装置を示す図である。図3は本実施の形態に係わる位相シフトマスクの断面図である。図４、６及び１１は本実施の形態に係わる瞳と光源像の関係を説明する模式図である。図５、７〜９、１０中の(a)は本実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、図５、７〜９、１０中の(b)は本実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。以下、これらの図面を参照して、第１の実施の形態について説明する。
【００４４】
図２に示すレーザアニール装置を用いてレーザアニールを実施する。この図において、基板２０１はチャンバ２０２内の基板ステージ２０３に載置されている。チャンバ２０２の外側にはレーザ発振器２００が配置され、ここから波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザがパルス状に発振される。レーザ光（ビーム）２０４は、ミラー２０５を介してホモジナイザ２０６で矩形状のビームプロファイルに整えられる。その後、ミラー２０７により下方に光路を曲げられ、マスクステージ２０８上のマスク２０９を通って前駆体に照射する際のビーム形状となる。更に、レーザ光は、縮小レンズ２１０で1/3に縮小された後、チャンバ２０２に配設されたウィンドウ２１１を介して基板２０１上の前駆体の表面に照射される。
【００４５】
また、本実施の形態では、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、使用されるレーザは、KrFレーザのような他のエキシマレーザであってもよく、またNd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVO4レーザなどの固体パルスレーザであってもよい。
【００４６】
次に、基板について説明する。ガラス基板として無アルカリガラスを用いた。このガラス基板には、ガラスからの不純物の拡散を防ぐための絶縁膜を成膜した。その絶縁膜上に、前駆膜となる非晶質シリコン膜を減圧化学気相成長(LowPressureChemicalVaporDeposition：LP-CVD)法を用いて60ｎｍ成膜した。本実施の形態で用いたレーザ、基板構成では、結晶化強度Ecが240mJ/cm2程度、完全溶融強度Euが480mJ/cm2であった。
【００４７】
マスクは、図３に示す位相差180°の位相シフトマスク３０を用いた。表面の凹凸形状によって位相差を形成している。凹部、凸部の幅をそれぞれ凹部幅３１、凸部幅３２と定義する。位相差と、凹部と凸部の光路長の差Δは、レーザ波長をλとすると、
位相差＝Δ×２π/λ
で与えられ、レーザ波長λにおけるマスクの屈折率をｎ、凹部と凸部の厚みの差をｄとすると
Δ＝（ｎ−１）ｄ
で与えられる。位相差180°とは、この光路長の差Δがレーザ波長λの１/2になっている場合である。
【００４８】
位相差、凹部幅、凸部幅等の位相シフトマスク３０の構造を変化させることで、エネルギー密度分布を調節することが可能である。凹部幅３１は0.6μm、凸部幅３２は8.4μmからなる構造が周期的に形成されており、位相差は180°である。ここで、凹部幅３１、凸部幅３２はマスク上の値である。本装置では、基板上でのサイズは、マスク上のサイズの1/3の値となる。つまり、基板上では凹部幅は0.2μｍ、凸部幅は2.8μｍとなる。
【００４９】
位相シフトマスク３０を用いることで、遮光マスクを用いるよりも、マスクのレーザ強度耐性を高くすることができ、更にレーザ利用効率を向上させることができる。
【００５０】
瞳と光源像の関係は図４に示す輪帯の関係となっており、照明光学系による光軸４１を中心とした光源像４２の内側の半径をσin、外側の半径をσout、投影光学系の瞳４３の半径をNArとすると、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σout/NArは0.85であり、σin/σout＝2/3（輪帯）の関係にある。基板上での投影光学系の開口数は0.13である。
【００５１】
上記条件で照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、基板上で形成されるエネルギー密度分布は、図５(a)で示すように3μm周期で形成された。尚、本発明における照射強度とは、マスクを外した状態でレーザを照射した場合の基板面での強度を示す。最小強度が330mJ/cm2、最大の強度勾配が390(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板にレーザを照射すると、図５(b)に示すように最小強度となる位置から結晶成長５０が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。ここで、図５(b)では、ガラス基板５１上に絶縁膜５２が形成され、絶縁膜５２上に結晶粒５３が形成されている。
【００５２】
一方、光軸６１を中心とした投影光学系の瞳６３と照明光学系の光源像６２との関係を図６に示す同心円の関係に設定した。照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σｎ/NAr＝0.5、基板上での投影光学系の開口数0.18の光学系において、照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、図７(a)に示すようなエネルギー密度分布が形成された。最小強度は160mJ/cm2であった。上記エネルギー密度分布を有するレーザを基板に照射すると、図７(b)に示すように、結晶成長７０において、Ec以下の領域に非晶質シリコン７４が残存し、照射領域全面を結晶化することができなかった。この結果より、最小強度の好ましい範囲としては、Ec以上とすることができる。ここで、図７(b)では、ガラス基板７１上に絶縁膜７２が形成され、絶縁膜７２上に結晶粒７３が形成されている。
【００５３】
また、投影光学系の瞳６３と照明光学系の光源像６２との関係を図６に示す同心円の関係に設定した。照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σｎ/NAr＝0.5、基板上での投影光学系の開口数0.18の光学系において、基板ステージを縮小レンズ方向に10μm移動させて照射強度750mJ/cm2でレーザを照射すると、図８(a)に示すようなエネルギー密度分布が形成された。最小強度は510mJ/cm2であった。上記エネルギー密度分布を有するレーザを基板に照射すると、図８(b)に示すように、照射領域全面が微結晶化され、大きい結晶粒を形成することができない。この結果より、最小強度の好ましい範囲としては、Eu以下とすることができる。ここで、図８(b)では、ガラス基板８１上に絶縁膜８２が形成され、絶縁膜８２上に微結晶粒８３が形成されている。
【００５４】
次に、投影光学系の瞳６３と照明光学系の光源像６２との関係を図６に示す同心円の関係に設定した。照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σｎ/NAr＝0.5、基板上での投影光学系の開口数0.18の光学系において、基板ステージを縮小レンズ方向に10μm移動させて照射強度540mJ/cm2でレーザを照射すると、図９(a)に示すようなエネルギー密度分布が形成された。最大の強度勾配は90(mJ/cm2)/μmであった。上記エネルギー密度分布を有するレーザを基板に照射すると、図９(b)に示すように、勾配方向の成長が行われず、粒径の大きい結晶粒を形成することができなかった。また、上記条件で、照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、最大の強度勾配が100(mJ/cm2)/μmとなり、勾配方向に成長が行われた。この結果より、最大の強度勾配の好ましい範囲としては、100(mJ/cm2)/μm以上とすることができる。ここで、図９(b)では、ガラス基板９１上に絶縁膜９２が形成され、絶縁膜９２上に結晶粒９３が形成されている。
【００５５】
次に、投影光学系の瞳４３と照明光学系の光源像４２との関係を図４に示す輪帯の関係に設定した。照明光学系による光源像４２の内側の半径をσin、外側の半径をσout、投影光学系の半径をNArとすると、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σout/NArは0.85であり、σin/σout＝2/3（輪帯）の関係にあり、基板上での投影光学系の開口数が0.15の光学系において照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、図１０(a)に示すようなエネルギー密度分布が形成された。強度領域の最小エネルギー密度は400mJ/cm2であった。上記エネルギー密度分布を有するレーザを基板に照射すると、図１０(b)に示すように、高強度領域１０４において結晶成長１００が行われることで、最小強度からの結晶成長１００を阻害し、周期程度の大きい結晶粒を得ることができなかった。この結果より、高強度領域１０４の好ましい範囲としては、Eu以上とすることができる。ここで、図１０(b)では、ガラス基板１０１上に絶縁膜１０２が形成され、絶縁膜１０２上に結晶粒１０３が形成されている。
【００５６】
以上の結果から、レーザ光のエネルギー密度分布において、最小強度が結晶化強度以上完全溶融強度以下であり、且つ高強度領域が完全溶融強度以上であり、且つ100(mJ/cm2)/μm以上の強度勾配を含むプロファイル条件を満たすことで、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができる。
【００５７】
上記プロファイル条件を満足するための好ましい基板上の投影光学系の開口数の範囲は、略0.1〜0.13とすることができる。
【００５８】
瞳と光源像の関係が図４に示す輪帯の関係、照明光学系による光源像の内側の半径をσin、外側の半径をσout、投影光学系の半径をNArとすると、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σout/NArは0.85であり、σin/σout＝2/3（輪帯）の関係にある。基板上での投影光学系の開口数が0.13の光学系において、図２の基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向に10μm移動させ、上記条件でレーザを照射すると、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が380mJ/cm2、最大の強度勾配が340(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板２０１にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。また、基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向と逆の方向に10μm移動させた場合、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が370mJ/cm2、最大の強度勾配が340(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板２０１にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。以上のことから、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は20μm以上であった。
【００５９】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.1の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.1の場合、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は40μm以上であった。
【００６０】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.15の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.15の場合、本発明のプロファイル条件を満たす焦点位置は存在しなかった。
【００６１】
以上のことから、瞳と光源像の関係を図４に示す輪帯の関係、照明光学系による光源像の内側の半径をσin、外側の半径をσout、投影光学系の半径をNArとすると、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σout/NArは0.85であり、σin/σout＝2/3である場合、上記プロファイル条件を満たす基板上での投影光学系の開口数は略0.1〜0.13である。
【００６２】
本実施の形態では、周期的に形成される強度分布について説明をしたが、必ずしも照射領域全体で周期的に分布が形成される必要はなく、作製するデバイスのレイアウトに応じて、適宜設計すればよい。
【００６３】
また、本実施の形態では、位相シフトマスクを用いたが、ハーフトーンマスクを用いてビームを整形してもよい。
【００６４】
（第２の実施の形態）
図２に示すレーザアニール装置を用いてレーザアニールを行った。その方法は、第１の実施形態の説明で述べたとおりである。また、第１の実施の形態と同様の基板とマスクを用いた。本構成となるレーザ、基板構成ではEcが240mJ/cm2程度、Euが480mJ/cm2であった。
【００６５】
投影光学系の瞳１１３と照明光学系の光源像１１２の関係は図１１に示す四極の関係となっており、光軸１１１を中心として、４つの象限にそれぞれ一つずつ光源像があり、光源像の径/投影光学系の瞳＝σｓ/NAｒ＝０．２、光源像の中心位置/投影光学系の瞳＝σｒ/NAｒ＝０．７５である。基板上の投影光学系の開口数は0.13である。
【００６６】
上記条件で照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、基板上で形成されるエネルギー密度分布は、3μm周期で形成された。最小強度が320mJ/cm2、最大の強度勾配が290(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。
【００６７】
また、図２の基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向に10μm移動させ、上記条件でレーザを照射すると、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が350mJ/cm2、最大の強度勾配が270(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板２０１にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が３μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。
【００６８】
また、基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向と逆の方向に10μm移動させた場合、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が350mJ/cm2、最大の強度勾配が270(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板２０１にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。
【００６９】
以上のことから、上記光学系よって、本発明のプロファイル条件を満たすことが可能であり、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができた。また、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は20μm以上であった。
【００７０】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.1の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.1の場合、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は40μm以上であった。
【００７１】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.15の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.15の場合、本発明のプロファイル条件を満たす焦点位置は存在しなかった。
【００７２】
以上のことから、図１１において、光軸１１１を中心として、４つの象限にそれぞれ一つずつ光源像１１２があり、光源像の径/投影光学系の瞳＝σｓ/NAｒ＝０．２、光源像の中心位置/投影光学系の瞳＝σｒ/NAｒ＝０．７５である場合、上記プロファイル条件を満たす基板上の投影光学系の開口数は略0.1〜0.13である。
【００７３】
（第３の実施の形態）
図２に示すレーザアニール装置を用いてレーザアニールを行った。その方法は、第１の実施形態の説明で述べたとおりである。また、第1の実施の形態と同様の基板とマスクを用いた。本構成となるレーザ、基板構成ではEcが240mJ/cm2程度、Euが480mJ/cm2であった。瞳と光源像の関係は図６に示す同心円の関係となっているが、第1の実施の形態とは異なり、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σｎ/NAr＝0.85と大きくなっている。基板上の投影光学系の開口数は0.15である。
【００７４】
上記条件で照射強度600mJ/cm2でレーザを照射すると、基板上で形成されるエネルギー密度分布は、3μm周期で形成された。最小強度が260mJ/cm2、最大の強度勾配が460(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。
【００７５】
また、図２の基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向に10μm移動させ、上記条件でレーザを照射すると、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が370mJ/cm2、最大の強度勾配が330(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。また、結晶粒の成長方向は一方向に揃っていることが確認できた。
【００７６】
また、基板ステージ２０３を縮小レンズ２１０の方向と逆の方向に10μm移動させた場合、基板２０１上で形成されるエネルギー密度分布は、最小強度が370mJ/cm2、最大の強度勾配が330(mJ/cm2)/μm、高強度領域の最小エネルギー密度が480mJ/cm2であった。上記条件で基板にレーザを照射すると、最小強度となる位置から結晶成長が行われ、粒径が3μmの結晶粒が照射領域全面に形成された。
【００７７】
以上のことから、上記光学系よって、本発明のプロファイル条件を満たすことが可能であり、大きく且つ成長方向の揃った結晶粒が形成された半導体薄膜を形成することができた。また、光学系の焦点深度は40μm以上であった。
【００７８】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.13の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.13の場合、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は40μm以上であった。
【００７９】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.1の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.1の場合、本発明のプロファイル条件を満たす光学系の焦点深度は40μm以上であった。
【００８０】
上記光学条件において、基板上の投影光学系の開口数が0.18の場合についても、同様に照射を行った。開口数が0.18の場合、本発明のプロファイル条件を満たす焦点位置は存在しなかった。
【００８１】
以上のことから、瞳と光源像の関係が図６に示す同心円（大σ）の関係となっており、照明光学系の光源像の径/投影光学系の瞳＝σｎ/NAr＝0.85である場合、上記プロファイル条件を満たす基板上の投影光学系の開口数は0.15以下であり、焦点深度を広くするためには開口数を略0.13以下にすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係わるエネルギー密度分布を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わるレーザアニール装置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係わる位相シフトマスクを説明する断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係わる瞳と光源像の関係を説明する模式図である。
【図５】(a)は、本発明の実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、(b)は、本発明の実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係わる瞳と光源像の関係を説明する模式図である。
【図７】(a)は本発明の実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、(b)は本発明の実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。
【図８】(a)は本発明の実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、(b)は本発明の実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。
【図９】(a)は本発明の実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、(b)は本発明の実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。
【図１０】(a)は本発明の実施の形態に係わるエネルギー密度分布を示す図であり、(b)は本発明の実施の形態に係わる結晶成長を説明する基板断面の模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係わる瞳と光源像の関係を説明する模式図である。
【図１２】従来のTFTの製造工程を示す断面図であり、(1)〜(3)の順に工程が進行する。
【符号の説明】
【００８３】
１０  強度勾配
１１  最小強度
１２  高強度領域
３０  位相シフトマスク
３１  凹部幅
３２  凸部幅
４１  光軸
４２  光源像
４３  投影光学系の瞳
５０  結晶成長
５１  ガラス基板
５２  絶縁膜
５３  結晶粒
６１  光軸
６２  光源像
６３  投影光学系の瞳
７０  結晶成長
７１  ガラス基板
７２  絶縁膜
７３  結晶粒
８１  ガラス基板
８２  絶縁膜
８３  微結晶粒
９１  ガラス基板
９２  絶縁膜
９３  結晶粒
１００  結晶成長
１０１  ガラス基板
１０２  絶縁膜
１０３  結晶粒
１１１  光軸
１１２  光源像
１１３  投影光学系の瞳
２００  レーザ発信器
２０１  基板
２０２  チャンバ
２０３  基板ステージ
２０４  ビーム
２０５  ミラー
２０６  ホモジナイザ
２０７  ミラー
２０８  マスクステージ
２０９  マスク
２１０  縮小レンズ
２１１  ウィンドウ
【図１】
2007134637.tif 000003
【図２】
2007134637.tif 000004
【図３】
2007134637.tif 000005
【図４】
2007134637.tif 000006
【図５】
2007134637.tif 000007
【図６】
2007134637.tif 000008
【図７】
2007134637.tif 000009
【図８】
2007134637.tif 000010
【図９】
2007134637.tif 000011
【図１０】
2007134637.tif 000012
【図１１】
2007134637.tif 000013
【図１２】
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