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JP2006512749A - 種々の照射パターンを有するシングルショット半導体処理システム及び方法 - Google Patents

種々の照射パターンを有するシングルショット半導体処理システム及び方法 Download PDF

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Abstract

基板上に低温で堆積された薄膜半導体を再結晶化する高スループットシステム及び方法が提供される。薄膜半導体ワークピースは、レーザビームを照射され、前記レーザビームに露光された表面の目標領域は融解し、再結晶化する。前記レーザビームは、パターン化マスクを使用して１つ又はそれ以上のビームレットに成形される。前記マスクパターンは、前記ビームレットによって目標とされる領域が半導体再結晶化に通じる寸法及び方向を有するように前記レーザビーム放射をパターン化するのに適した寸法及び方向を有する。前記ワークピースは、前記レーザビームに対して線形経路に沿って機械的に平行移動され、前記ワークピースの表面全体を高速で処理する。レーザの位置感知トリガは、電動ステージにおいて平行移動されているときに前記ワークピースの表面における正確な位置において半導体材料を融解及び再結晶化するようなレーザビームパルスを発生するのに使用されることができる。

Description

関係する出願との相互参照
本願は、２００２年８月１９日に出願された米国特許出願第６０／４０４４４７号からの優先権を請求する。
本発明は、半導体処理方法に関し、より特には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造に好適な形式において半導体材料を形成する方法に関する。
フラットパネルディスプレイ及び他のディスプレイユニットは、コンピュータ、イメージセンサ及びテレビジョンセットのような一般及びユビキタス電子装置用視覚イメージインタフェースとして使用される。前記ディスプレイは、例えば、ガラス又はプラスチック基板において配置された液晶の薄膜及び半導体材料から製造される。各々のディスプレイは、前記液晶層におけるピクチャ素子（画素）のグリッド（又はマトリックス）から構成される。数千又は数百万のこれらの画素は、共に前記ディスプレイにおいて画像を形成する。前記半導体材料層において製造されたＴＦＴ装置は、各々の画素を個別に“オン”（明るい）又は“オフ”（暗い）にするスイッチとして使用される。前記ＴＦＴを形成するのに使用される半導体材料は、慣例的に、アモルファス又は多結晶シリコン薄膜である。これらの膜は、前記基板上に、使用される前記基板材料（例えばガラス又はプラスチック）の低い融解温度を考慮して比較的低い堆積温度における物理又は化学プロセスによって堆積される。前記比較的低い堆積温度は、堆積されたシリコン膜の結晶度を下げ、これらをアモルファス又は多結晶にする。
残念ながら、シリコン薄膜において製造されたＴＦＴのデバイス特性は、一般に、前記シリコン薄膜の非結晶性に比例して望ましくなく落ちる。産業ＴＦＴデバイス用途に関して、良好な結晶性品質のシリコン薄膜が望ましい。基板上に比較的低い温度において堆積されるシリコンの薄膜の結晶性は、レーザアニーリングによって有利に改善され得る。例えば、マエガワ他の米国特許第５７６６９８９号明細書は、エキシマレーザアニーリング（ＥＬＡ）を使用し、低温で堆積されたアモルファスシリコン薄膜をＬＣＤ用途用多結晶シリコン薄膜に処理することを記載している。しかしながら、慣例的なＥＬＡプロセスは、アニールされた膜における結晶粒度が工業用には十分に一様でないため、少なくとも部分的には完全に満足できない。このアニールされた膜の結晶粒度の非一様性は、ＥＬＡプロセスにおいて使用され、前記薄膜を走査するレーザビームのビーム形状に関係する。
両方とも参照によって全体においてここに含まれるイム等の米国特許第６５７３５３１号明細書及びイムの米国特許第６３２２６２５号明細書（以後、各々５３１特許及び６２５特許）は、大きい結晶粒度の多結晶又は単結晶シリコン構造を形成するレーザアニーリング装置及び改善されたプロセスを記載する。これらの特許において記載されたレーザアニーリング装置は、レーザビーム照射によって融解される薄膜の目標部分の制御された再固体化を伴う。前記薄膜は、金属又は半導体材料（例えばシリコン）である。シリコン薄膜に入射する一組のレーザビームパルスのフルエンスは、変調され、シリコン薄膜の目標部分の融解する範囲を制御する。このとき、前記入射レーザビームパルス間で、前記目標部分の位置は、問題のシリコン薄膜のわずかな物理的平行移動によってシフトされ、エピタキシャルな側方の固体化を促進する。このいわゆる側方固体化プロセスは、初期の融解した目標部分の結晶構造を、大きい結晶粒度に有利に増殖させる。このプロセスに使用される装置は、エキシマレーザと、ビームフルエンス変調器と、ビームフォーカシング光学系と、パターン化マスクと、レーザビーム照射間又は中に問題の薄膜を移動する電動平行移動ステージとを含む。（例えば、ここに再生される５３１特許の図１を参照されたい。）
現在、半導体薄膜に関して、特に薄膜の再結晶化に関してレーザアニーリングプロセスをさらに改善する方法に考察が与えられている。前記アニーリングプロセスを改善することと、例えばフラットパネルディスプレイの製造における使用に関して装置スループットを増加することを狙って、注意は装置及びプロセス技術に向けられる。
本発明は、アモルファス又は多結晶半導体薄膜を再結晶化し、これらの結晶性を改善し、これによってこれらをデバイス用途により好適にするシステム及び方法を提供する。
前記半導体薄膜の目標領域は、すべて又は一部の半導体デバイス構造に関して意図されてもよい。前記目標領域は、例えば、半導体デバイスの活性領域に関して意図される。前記目標領域はレーザビーム照射によって処理され、これらを再結晶化する。前記目標領域は、前記目標領域における半導体材料を融解するのに十分な強度又はフルエンスを有するレーザビームに露光される。ワンショットレーザビーム露光が使用されてもよく、前記レーザビームがオフにされるか前記目標領域から移動される場合、融解された前記半導体材料は再結晶化する。
半導体薄膜の表面におけるある範囲における多数の目標領域は、パターン化されたレーザ放射を使用することによって同時に処理されてもよい。プロジェクションマスクを配備し、レーザビームを適切にパターン化することができる。前記マスクは、入射レーザビームを、前記半導体薄膜の表面範囲における対応する数の目標領域に入射する多数のビームレットに分割する。前記ビームレットの各々は、該ビームレットが入射する目標領域における前記半導体材料を融解するのに十分なフルエンスを有する。前記ビーミレットの寸法は、前記目標領域の所望のサイズと、効率的に再結晶化されることができる半導体材料の量とを考慮して選択されてもよい。代表的なビームレット寸法及び対応する目標領域寸法は、約０．５ｕｍないし数ｕｍのオーダであってもよい。
前記レーザビーム放射をパターン化する好例のマスクは、互いに平行の多数の長方形スリットを有する。このマスクを使用し、入射レーザビームは多数の平行ビームレットに分割されることができる。これらのビーム領域に対応する目標領域は、表面領域において、同様の平行パターンにおいて分布される。他の好例のマスクは、平行及び直交スリットの組の長方形パターンにおいて配置された多数の長方形スリットを有する。前記スリットは、例えば、正方形の辺に沿って対において配置されてもよい。このマスクを使用し、結果として生じる放射ビームレット及び対応する目標領域は、同様の長方形パターンにおいて（平行及び直交目標領域の組において）分布される。
前記レーザビームは、前記半導体薄膜の表面を横切って走査又はステップされ、前記表面のすべての領域を目標領域の繰り返しパターンで連続的に処理することができる。逆に、前記半導体薄膜は、同じ目的に関して、固定された方向のレーザビームに対して移動されてもよい。本発明の一実施例において、電動直線平行移動ステージは、前記半導体薄膜を前記レーザビームに対して直線Ｘ−Ｙ経路において移動し、前記半導体薄膜のすべての表面領域が前記レーザビーム照射に露光されることができるようにするために使用されてもよい。前記プロセス中の前記ステージの移動は、前記半導体薄膜の幅を横切って連続してもよく、又は、ある領域から次の領域にステップされてもよい。いくつかのデバイス用途に関して、ある範囲における目標領域は、次の範囲における目標領域に隣接し、半導体材料の拡張されたストリップが再結晶化され得るようにしてもよい。隣接する目標領域の再結晶化は、融解した前記目標領域の連続した側方の固体化からの利益を受けることができる。他のデバイス用途に関して、前記目標領域は、隣接する領域における目標領域から幾何学的に分離してもよい。
前記目標領域の照射用レーザビームパルスの発生は、前記直線平行移動ステージの移動と同期し、前記レーザビームが、指定された目標領域に幾何学的に精密に入射できるようにしてもよい。前記発生されたレーザビームパルスのタイミングは、前記半導体薄膜を支持する前記平行移動ステージの位置にインデックスされてもよい。前記インデックス化は、前記ステージの位置をリアルタイムで示す位置センサに応じて生じてもよく、又は、前記半導体薄膜の上に置かれた幾何学的グリッドの計算された座標に基づいてもよい。
本発明の他の特徴、その特性、及び、種々の利点は、好適実施例の以下の詳細な説明と添付図面とからより明らかになり、添付図面において同様の参照符は終始同様の要素を表わす。
本発明は、レーザアニーリングによる半導体薄膜の再結晶化に関するプロセス及びシステムを与える。半導体薄膜の再結晶化に関する前記プロセスは、半導体薄膜ワークピースの領域へのレーザビームのワンショット照射を含む。前記システムは、レーザビームを前記半導体薄膜の領域又はスポットに向ける。前記入射レーザビームは、該レーザビームが入射する前記半導体薄膜の領域又はスポットの目標とされる部分を融解するのに十分な強度又はフルエンスを有する。前記目標とされる入射領域又は部分が融解した後、前記レーザビームは、前記半導体薄膜における他の領域又はスポットに移動又はステップされる。前記融解した半導体材料は、前記入射レーザビームが遠くに移動されると、再結晶化する。前記半導体薄膜におけるスポットにおける前記レーザビームの滞留時間は、半導体薄膜ワークピース全体の再結晶化が高いスループットレートですばやく行われるように、十分短くてもよい。
ここに説明する本発明が完全に理解されるようにするために、以下の記載は、シリコン薄膜のレーザアニーリングの文脈において説明される。アニールされたシリコン薄膜は、典型的なＴＦＴデバイス用途に予定されるかもしれない。しかしながら、本発明は他の形式の材料及び／又は他の形式のデバイス用途にも等しく適用可能であることは理解されるであろう。
本発明の一実施例は、ここに図１〜６の参照と共に説明される。薄膜シリコンワークピース（例えば図２及び４〜６のワークピース１７０を参照されたい）は、ここでは例示的なワークピースとして使用される。ワークピース１７０は、例えば、フラットパネルディスプレイにおいて使用されるガラス又はプラスチック基板上に堆積されたアモルファス又はランダムな結晶粒度の多結晶シリコンであってもよい。前記シリコン薄膜は、例えば、約１００オングストロームから約５０００オングストロームを越える範囲におけるものであってもよい。さらに、本発明は、図１に示されるレーザアニーリング装置１０００の文脈において説明され、この装置は参照によってここに含まれる５３１特許において開示されている。本発明のプロセスは、例示の目的のみにこの装置を使用して、本発明の原理は、利用可能であるかもしれない任意の他の照射装置又はシステムにも適用可能であるという理解と共に説明される。
装置１００は、強力な放射ビームを発生することができる放射源１１０と、前記放射ビームを成形しワークピースの表面に向ける適切な光学構成要素１２０〜１６３と、プロセス中ワークピース１７０を支持する電動平行移動ステージアセンブリ１８０とを含む。放射源１１０は、ワークピース１７０の半導体薄膜の入射領域又は部分を融解するのに十分な強度の放射エネルギーの連続又はパルスビームを発生することができる任意の好適な放射源であってもよい。放射源１１０は、例えば、任意の好適な固体又は他の形式のレーザ、電子ビーム又はイオンビーム源であってもよい。多くの半導体再結晶化用途において、放射源１１０によって発生された放射ビームは、約１０ｍＪ／ｃｍ２ないし１Ｊ／ｃｍ２の範囲における強度（例えば５００ｍＪ／ｃｍ２）を有してもよい。好適な光学系及び／又はエレクトロニクスは、放射源１１０によって発生された放射ビームを変調又はパルス化するのに使用されてもよい。約１０ないし約２００ｎｓｅｃの範囲におけるパルス持続時間（ＦＷＨＭ）と、約１０Ｈｚないし約２０Ｈｚの範囲におけるパルス繰り返しレートとは、例えば、シリコン薄膜ワークピース１７０のレーザアニーリングに好適であるかもしれない。シリコン薄膜ワークピース１７０のレーザアニーリング用の好適な放射源１１０は、例えば、商業的に利用可能なＸｅＸｌパルスエキシマレーザ（例えば、米国フロリダ州３３３０９、フォートローダーデール、ウエストコマーシャルブールバードの、ラムダフィジックＵＳＡ社によって売られるモデルＬＰＸ−３１５Ｉエキシマレーザ）であってもよい。
好適な光学系１２０〜１６３は、レーザ１１０によって発生された放射ビームを変調し、ワークピース１７０上にコリメート又はフォーカスするのに使用されてもよい。特に、エネルギー密度変調器１２０は、レーザビームパルスの拍子を合わせる、及び／又は、これらのフルエンスを変調するのに使用されてもよい。変調器１２０は、例えば、商業的に利用可能な制御可能ビームエネルギー密度変調器（例えば、ラムダフィジックＵＳＡ社によって売られるマイクロラス（ＭｉｃｒｏＬａｓ）２プレート可変アッテネータ）であってもよい。前記レーザビームを成形する他の光学構成要素（例えばステアリングミラー１４０、１４３、１４７、１６０及び１６２、拡張及びコリメーティングレンズ１４１及び１４２、ホモジナイザ１４４、コンデンサレンズ１４５、視野レンズ１４８、アイピース１６１、制御可能シャッタ１５２、多要素対物レンズ１６３）も、例えば、ラムダフィジックＵＳＡ社又は他の業者によって売られる任意の好適な商業的に可能な光学構成要素であってもよい。
前記放射ビームを成形及び方向付けする好適な光学構成要素１２０〜１６３は、マスキングシステム１５０を含んでもよい。マスキングシステム１５０は投影マスキングシステムであってもよく、この投影マスキングシステムは、入射放射（１４９）をパターン化するのに使用され、ワークピース１７０に最終的に入射する放射ビーム（１６４）が幾何学的に成形又はパターン化されるようにする。
プロセス中ワークピース１７０が置かれるステージアセンブリ１８０は、１つ又はより多くの方向において移動することができる任意の好適な電動平行移動ステージであってもよい。高い平行移動速度が可能な平行移動ステージは、ここに記載の高スループットシングルショットプロセスに有利であるかもしれない。ステージアセンブリ１８０は、薄膜シリコンワークピース１７０を振動から絶縁する好適な支持構造において支持されてもよい。前記支持構造は、例えば、振動絶縁及び自己水平システム１９１、１９２、１９３及び１９４において取り付けられる花崗岩ブロック光学ベンチ１９０のような慣例的な光学ベンチを含んでもよい。
コンピュータ１００は、レーザ１１０と、変調器１２０と、ステージアセンブリ１８０と、装置１０００の他の制御可能な構成要素とにリンクされてもよい。コンピュータ１００は、前記入射レーザビームパルスのタイミング及びフルエンスと、ステージアセンブリ１８０の相対運動とを制御するのに使用されてもよい。コンピュータ１００は、ステージアセンブリ平行移動ステージ１８０をＸ、Ｙ及びＺ方向において制御可能的に移動するようにプログラムされてもよい。ワークピース１７０は、例えば、コンピュータ１００からの命令に応じてＸ−Ｙ面及びＺ方向において予め決められた距離にわたって移動されてもよい。動作において、ワークピース１７０の入射放射ビーム１６４に対する位置は、ワークピース１７０のシングルショット再結晶化に関して、予めプログラムされたプロセスレシピに従って、好適な時間において、シングルショットレーザアニーリングプロセス中、連続的に調節されてもよく、又は、断続的にリセットされてもよい。ワークピース１７０の移動は、レーザ１００によって発生された放射ビームパルスのタイミングと同期又は整合されてもよい。
装置１０００において、ステージアセンブリ１８０の移動は、ワークピース１７０及び放射ビーム（１６４）を互いに対して平行移動させる。ここに記載するプロセスにおいて、放射ビーム（１６４）は位置又は方向において固定されて保たれ、ステージ１８０は移動される。光学構成要素の代わりの構成又は配置は、入射放射ビーム１６４及びワークピース１７０を互いに対して規定された経路に沿って移動するのに使用されてもよい。例えば、コンピュータ制御ビームステアリングミラーは、放射ビーム１６４を偏向するのに使用されてもよく、ステージ１８０は位置において固定されて保たれる。このようなビーム偏向配置によって、機械的な投影マスク（例えばマスキングシステム１５０）を完全に又は部分的に省き、代わりに、電子式又は光学式ビーム誘導メカニズムを使用し、ワークピース１７０の選択された部分を速い速度で走査又はステップすることが可能になるかもしれない。
装置１０００を使用し、融解した半導体材料の連続した側方固体化は、例えば、５３１特許において記載されるようなエキシマレーザパルス間のステージ１８０の位置の増大する移動又はシフトを含むプロセスを使用することによって達成されてもよい。ステージ１７０の移動は小さく、その結果、連続パルスによって融解される前記シリコン薄膜の位置は互いに近くなる。２つの融解した部分が近いことは、最初の部分が再結晶化し、その結晶構造が、次のパルスによって融解された隣接部分中に伝播することを可能にする。
ここに説明するシングルショット再結晶化プロセスにおいて、装置１０００は、ステージアセンブリ１８０の移動によって、レーザビームを、半導体薄膜の表面を横切って走査又はステップするのに使用されてもよい。前記レーザビームは、前記レーザビームパルスが入射する範囲又はスポットにおける目標領域を融解するのに十分な強度又はフルエンスを有する。ワークピース１７０全体を処理するために、ステージアセンブリ１８０は、予め決められた距離を移動され、前記レーザビームを半導体薄膜１７５／ワークピース１７０を交差した経路に沿って移動させるようにしてもよい。図２は、ワークピース１７０の表面を横切って移動されるにつれ、入射放射ビーム１６４によってトレースされることができる経路２３０、２５５等を図式的に示す。
経路の数及びこれらの幾何学的方向は、ワークピース１７０がそのために処理される回路又はデバイス用途の、前記レーザビーム及び前記目標領域の横断面寸法条件によって決定されてもよい。したがって、半導体薄膜１７５／ワークピース１７０の表面は、コンピュータ１０００用のプロセスレシピを発生するためか、そうでなければ、装置１０００の動作を制御するために、領域の幾何学的アレイにおいてパターン化されてもよい。図２は、ワークピース１７０における半導体薄膜１７５の表面の好例の幾何学的パターン化を示す。図２に示す好例の幾何学的パターン化において、前記表面は、各々が幅Ｗを有する多くの行（例えば２０５、２０６、２０７等）に分割される。行の幅Ｗは、入射放射ビーム１６４の横断面幅を考慮して選択されてもよい。各々の行は、１つ又はそれ以上の領域を含む。例示的な数値例として、ワークピース１７０は、各々約３０ｃｍ及び４０ｃｍのｘ及びｙ寸法を有してもよい。行２０５、２０６、２０７，．．．の各々は、例えば、Ｙ方向において約１／２ｃｍの幅Ｗを有してもよい。このＷの値は、例えば、ほぼ同じサイズのレーザビーム幅に対応してもよい。したがって、ワークピース１７０の表面は、各々がＸ方向において約３０ｃｍの長さを有する８０の行に分割される。各々の行は、結合された長さが３０ｃｍに等しい１つ又はそれ以上の領域を含む（図示せず）。
各々の行の座標は、前記プロセスレシピによって使用するためにコンピュータ１００において格納されてもよい。コンピュータ１００は、前記格納された座標を使用し、例えば、前記プロセス中のステージ１８０の方向、タイミング及び移動距離を計算してもよい。前記座標は、例えば、レーザ１００のファイヤリングを調節し、半導体薄膜１７５の指定された領域が、ステージ１８０が移動されるにつれて照射されるようにするのに使用されてもよい。
シリコン薄膜１７５が照射されている間、ワークピース１７０は直線方向において平行移動され、シリコン薄膜１７５の直線ストリップが融解強度又はフルエンスの放射ビームに露光されるようにしてもよい。前記放射ビームによってトレースされる平行移動経路は、薄膜シリコン１７５の表面全体の所望の部分がレーザビームへの露光によって連続的に処理されるように配置されてもよい。前記平行移動経路は、例えば、前記レーザビームが行２０５、２０６、２０７等を横切るように配置されてもよい。図２において、前記放射ビームは、初め、行２０５の左端に近い辺２１０’の点２２０に向かう。経路２３０は、例えば、ステージ１８０が負のＸ方向において移動されるにつれて行２０５を通る前記放射ビームの中心によってトレースされる平行移動経路を表わす。
ステージ１８０の移動は、断続するストップアンドゴー式における一連のステップにおいて、又は、連続的に、前記放射ビームの中心が行２０５の右端に近い点２４０に向けられるまで絶え間なく誘導される。経路セグメント２２５及び２３５は、各々、ワークピース１７０の辺２１０’及び２１０”を越えて点２２０及び２４０まで延長してもよい経路２３０の延長部分である。これらのセグメントは、経路２３０の端部におけるステージアセンブリ１８０の加速及び減速を調節するのに必要であるかもしれず、及び／又は、ステージ１８０を他の方向において移動するためにステージ１８０の位置を再初期化するのに有用であるかもしれない。ステージ１８０は、例えば、点２４０から負のＹ方向において移動され、行２０６におけるシリコン材料を処理する準備において、前記放射ビームの中心が経路２４５を点２４７まで、次に行２０６の右端までトレースするようにしてもよい。行２０５における経路２３０に沿った移動と同様に（しかし反対方向において）点２４７から、ステージ１８０はＸ方向において移動され、前記放射ビームの中心が行２０６における薄膜シリコン材料に照射する経路２５５に沿って移動するようにする。前記移動は、前記放射ビームの中心が行２０６の左端に近い点２６５において入射するまで継続されてもよい。経路延長部分２６０及び２５０は、各々、辺２１０’及び２１０”を越えて点２４７及び２６５まで延長してもよい経路２５５のセグメントを表す。Ｙ方向におけるステージ１８０のさらなる直線移動は、前記入射放射ビームの中心を、経路２７０に沿って点２７２まで、次に行２０７まで移動する。次に、行２０７における薄膜シリコン材料は、ステージ１８０を負のＸ方向において経路２７５に沿って移動し、さらにワークピース１７０の反対の辺２１０”に向かって移動することによって処理されてもよい。行２０５、２０６及び２０７に関して説明された方法におけるステージ１８０のＸ及びＹ方向移動を連続することによって、薄膜シリコン１７５の表面における行のすべては、処理すなわち照射されることができる。上述した経路の特定の方向又は順序は、例示の目的のみに使用され、他の方向又は順序は適宜使用されてもよいことは理解されるであろう。
装置１０００の動作において、シリコン薄膜１７５は、ビームパルス１６４によって照射されてもよく、ビームパルス１６４の幾何学的断面は、マスキングシステム１５０によって規定される。マスキングシステム１５０は、この目的に好適な投影マスクを含んでもよい。マスキングシステム１５０は、これに入射する単一の入射放射ビーム（例えばビーム１４９）を幾何学的パターンにおける複数のビームレットに分割する。前記ビームレットは、前記薄膜シリコンワークピースにおけるある範囲における目標領域の対応する幾何学的パターンを照射する。前記ビームレットの各々の強度は、照射される薄膜シリコン部分のこれらの厚さ全体に渡る完全な融解を生じせしめるのに十分になるように選択されてもよい。
前記投影マスクは、ビーム１４９の望まれない横断面領域を放射が通過するのを阻止し、望まれる領域を通過するのを可能にする好適な材料で形成されてもよい。好例の投影マスクは、ランダム又は幾何学的パターンにおいて配置されてもよい長方形又は他の好適な幾何学的形状の阻止／非阻止パターンを有してもよい。前記ストリップは、例えば、図３ａに示されるような平行パターンにおいて、又は、図３ｂに示されるような混合された平行パターン及び直交パターンにおいて、又は、何か他の好適なパターンにおいて配置されてもよい。
図３ａに関して、好例のマスク３００Ａは、多数の開口又は透過スリット３０１、３０２、３０３等を有するビーム阻止部分３１０を含む。ビーム阻止部分３１０は、マスク３００Ａを通る入射ビーム１４９の入射部分の通過を阻止する。対照的に、開口又は透過スリット３０１、３０２、３０３等は、マスク３００を通る放射ビーム１４９の入射部分の通過を可能にする。したがって、マスク３００Ａを出る放射ビーム１６４は、複数の開口又は透過スリット３０１、３０２、３０３等の平行パターンに対応する幾何学的パターンを有する断面を有する。したがって、マスキングシステム１５０において置かれる場合、マスク３００Ａは、平行長方形形状ビームレットの集合として半導体薄膜１７５に入射する放射ビーム１６４をパターン化するのに使用されてもよい。前記ビームレットは、半導体薄膜１７５の表面におけるある範囲における長方形目標領域の対応するパターンを照射する。前記ビームレットの寸法は、ビームレットによって融解される薄膜シリコン領域の再結晶化又は側方固体化を促進することを目的として選択されてもよい。例えば、ビームレットの横の長さは、隣接する範囲における対応する目標領域が隣接するように選択されてもよい。前記ビームレットのサイズ及びビームレット間の距離は、開口又は透過スリット３０１、３０２、３０３等のサイズ及び間隔の適切な選択によって選択されてもよい。ミクロン又はより大きいオーダの長さ寸法を有する開口又は透過スリット３０１、３０２、３０３等は、例えば、多くの場合におけるシリコン薄膜の再結晶化処理に好適な寸法を有するレーザ放射ビームレットを発生することができる。
図３ｂは、マスク３００Ａと異なるパターンを有する他の好例のマスク３００Ｂを示す。マスク３００Ｂにおいて、多数の開口又は透過スリット３５１、３５２、３６１、３６２等は、例えば、正方形の辺に沿って対において配置されてもよい。このマスク３００Ｂも、マスキング１５０において使用されてもよく、半導体薄膜１７５に入射する放射ビーム１６４をパターン化する。放射ビーム１６４は、例えば、正方形形状パターンにおいて配置されたビームレットの集合としてパターン化されてもよい。前記ビームレットの寸法は、ビームレットによって融解される薄膜シリコン領域の再結晶化又は側方固体化を促進することを目的として選択されてもよい。約５ミクロンの長さ寸法を有する開口又は透過スリット３５１、３５２、３６１、３６２等は、薄膜シリコン領域の再結晶化処理に好適な寸法を有するレーザ放射ビームレットを発生することができる。
図３ａ及び３ｂにおいて示される特定のマスクパターンは好例であることは理解されるであろう。例えば、６２５特許において記載される山形形状パターンを含む任意の他の好適なマスクパターンが使用されてもよい。特定のマスクパターンは、ＴＦＴ、又は、再結晶化された薄膜シリコン材料が予定される半導体製品における他の回路又はデバイス素子の望まれる配置を考慮して選択されてもよい。
図４は、例えば、図３ａのマスク３００Ａを使用して処理されたワークピース１７０の一部を示す。（マスク３００Ａは、図３ａに示される方向から約９０度回転されてもよい。）この図示された部分は、ある行、例えば、ワークピース１７０の行２０５（図２）に対応する。処理されたワークピース１７０の行２０５は、再結晶化された多結晶シリコン直線領域又はストリップ４０１、４０２等を含む。前記直線ストリップの各々は、対応するマスクスリット３０１、３０２等によって形成された放射ビームレットによる照射の結果である。行２０５を横切る前記直線ストリップにおける再結晶化シリコンの連続的な範囲は、例えば、レーザビーム露光の下での経路２３０に沿ったステージ１８０の連続的な移動（図２）の結果であってもよい。ストリップ４０１、４０２は、長い位置が制御された結晶粒界を形成する、中心において衝突する液体／固体成長前部を有する、ワンショット露光に対応するミクロ構造を有してもよい。代わりに、方向性固体化プロセスにおいて、前記連続的な範囲は、連続する再結晶化されたシリコンストリップの形成を可能にするのに十分に重なる、経路２３０に沿ったステージ１８０の間隔を近づけてステップされた移動の結果であってもよい。この代わりのプロセスにおいて、前記結晶化された材料のミクロ構造は、走査方向と平行な長い結晶を有することができる。前記再結晶化された多結晶シリコン（例えばストリップ４０１、４０２等）は、一般に一様な構造を有することができ、このような一様な構造は、１つ又はそれ以上のＴＦＴデバイスの活性領域の配置に好適であるかもしれない。同様に、図５は、図３ｂのマスク３００Ｂを使用する好例の結果を示す。好例の処理されたワークピース１７０は、再結晶化された多結晶シリコンストリップ５０１、５０２等を含む。再結晶化された多結晶シリコンストリップ５０１、５０２等は、ストリップ４０１及び４０２と同様に、一様な結晶構造を有することができ、この一様な結晶構造は、ＴＦＴデバイスの活性領域の配置に好適である。一般に互いに直角を成すように示されるストリップ５０１及び５０２は、直交マスクスリット（例えば、図３ｂスリット３５１、３６１）によって形成される放射ビームスリットに対応してもよい。ストリップ５０１及び５０２の異なった幾何学的方向及び物理的分離は（ストリップ４０１及び４０２の延長された長さに対比して）、例えば、ワークピース１７０の処理中のレーザ放射への物理的に分離された露光の結果であってもよい。前記分離された放射露光は、前記処理中の（例えば図２の経路２３０に沿った）ステージ１８０のステップされた移動によって達成されてもよい。加えて又は代わりに、前記分離された露光は、ステージ１８０及びレーザビーム１６４が一定の速度において互いに対して移動又は走査されている間、レーザ１１０をトリガし、適切な時間及び経路２３０に沿ったステージ１８０の位置において放射パルスを発生することによって達成されてもよい。
コンピュータ１００は、ステージ１８０の移動中、適切な時間及び位置におけるレーザ１１０のトリガを制御するのに使用されてもよい。コンピュータ１００は、例えば、プロセスにおけるワークピースに関する幾何学的設計情報を含む予めプログラムされたプロセスレシピに従って動作してもよい。図６は、適切な時間においてレーザ１１０をトリガするのにコンピュータ１０００によって使用されてもよい好例の設計パターン６００を示す。パターン６００は、薄膜シリコン１７５／ワークピース１７０を覆う幾何学的グリッドであってもよい。前記グリッドは、例えば、座標（ｘ１，ｘ２，．．．等）及び（ｙ１，ｙ２，．．．等）を有する長方形ｘ−ｙグリッドであってもよい。前記グリッドの間隔は、設計によって規則的又は不規則であってもよい。パターン６００は、（例えば前記薄膜シリコンワークピースにおける）物理的な基準マークとして設計されてもよく、又は、前記プロセスレシピにおける数学的構造であってもよい。コンピュータ１００は、ステージ１８０がグリッド座標（ｘｉ，ｙｉ）にあるとき、レーザ１１０をトリガする。コンピュータ１００は、例えば、ステージ１８０の位置を感知するように配備された慣例的な位置センサ又はインジケータに応じてこれを行ってもよい。代わりに、コンピュータ１００は、初期ステージ位置と、初期ステージ位置からのステージ移動の速度及び方向とのようなパラメータから計算される計算された時間においてレーザ１１０をトリガしてもよい。コンピュータ１００は、レーザ１１０に命令し、通常の一様なレートよりも可変レートにおいて放射パルスを生じさせるのに有利に使用されてもよい。前記可変レートのパルス発生は、例えば、経路２３０の端部等において加速又は減速するように、ステージ１８０の速度における変化を調節するのに有利に使用されてもよい。
上記は、本発明の原理の例示のみであることと、種々の変更は、請求項によってのみ限定される本発明の範囲及び精神から逸脱することなしに当業者によって行われることができることとは、理解されるであろう。
再結晶化のための半導体薄膜のレーザアニーリング用半導体処理システムの図式的なブロック図である。 好例の薄膜シリコンワークピースの上面分解組み立て図である。 ａ及びｂは本発明の原理による好例のマスクの上面図である。 本発明の原理によって図３ａのマスクを使用して処理された図２の薄膜シリコンワークピースの一部を例示する図式的な図である。 本発明の原理によって図３ｂのマスクを使用して処理された好例の処理済薄膜シリコンワークピースを例示する図式的な図である。 本発明の原理によってその座標がシリコン薄膜ワークピースに入射する放射パルスをトリガするのに使用される好例の幾何学的パターンを例示する図式的な図である。

Claims (16)

  1. 半導体薄膜を再結晶化し、その結晶品質を改善する方法において、
    （ａ）前記半導体薄膜の表面の第１範囲に放射ビームのパルスを照射するステップであって、前記放射ビームはビームレットのパターンにおける少なくとも１つのビームレットに最初にパターン化され、各々のビームレットは前記第１範囲における目標領域に入射し、各々のビームレットはこれが入射する前記表面領域における半導体材料を融解するのに十分なフルエンスを有し、前記目標領域における融解した前記半導体材料は、これが前記入射ビームレットにもはや露光されなくなった場合、再結晶化する、ステップと、
    （ｂ）前記半導体薄膜を前記放射ビームに対して連続的に平行移動させ、前記半導体薄膜の表面の次の範囲がステップ（ａ）と同じように照射されるようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、前記ビームレットは、ミクロンのオーダの断面寸法を有することを特徴とする方法。
  3. 請求項１に記載の方法において、マスクを使用し、前記放射ビームパルスからのビームレットをパターン化するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法において、前記マスクは、
    入射する放射の通過を阻止する阻止部分と、
    あるパターンにおける複数のスリットとを具え、前記スリットは入射する放射の通過を可能にし、前記スリットは前記パターンにおいて互いに実質的に平行に配置されることを特徴とする方法。
  5. 請求項３に記載の方法において、前記マスクは、
    入射する放射の通過を阻止する阻止部分と、
    あるパターンにおける複数のスリットとを具え、前記スリットは入射する放射の通過を可能にし、前記スリットは前記パターンにおいて長方形の辺に沿って対において配置されることを特徴とする方法。
  6. 請求項１に記載の方法において、前記半導体薄膜を可動ステージにおいて支持するステップをさらに含み、前記半導体薄膜を前記放射ビームに対して平行移動することは、前記可動ステージを前記次の範囲への直線経路に沿って移動することを含むことを特徴とする方法。
  7. 請求項６に記載の方法において、前記半導体薄膜は範囲の行を含み、前記可動ステージを前記半導体薄膜の表面における範囲の第１の行を通過する直線経路に沿って移動するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  8. 請求項７に記載の方法において、前記可動ステージは、前記範囲の行を通って連続的に絶え間なく移動されることを特徴とする方法。
  9. 請求項７に記載の方法において、前記可動ステージはある範囲において停止し、次に、隣接する範囲にステップされることを特徴とする方法。
  10. 請求項７に記載の範囲において、前記可動ステージを、範囲の連続する行を通る直線経路に沿って、前記半導体薄膜の表面全体が処理されるまで移動するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項１に記載の方法において、前記第１範囲における前記目標領域の少なくとも１つが、次の範囲における対応する目標領域と接触し、前記第１及び次の範囲の照射後、延長されたストリップすなわち再結晶化された半導体材料が形成されるようにすることを特徴とする方法。
  12. 半導体薄膜を再結晶化し、その結晶品質を改善する方法において、
    （ａ）レーザを使用し、放射ビームのパルスを発生するステップと、
    （ｂ）前記半導体薄膜の表面の第１範囲に前記放射ビームのパルスを照射するステップであって、前記放射ビームはビームレットのパターンにおける少なくとも１つのビームレットに最初にパターン化され、各々のビームレットは前記第１範囲における目標領域に入射し、各々のビームレットはこれが入射する前記表面領域における半導体材料を融解するのに十分なフルエンスを有し、前記目標領域における融解した前記半導体材料は、これが前記入射ビームレットにもはや露光されなくなった場合、再結晶化する、ステップと、
    （ｃ）前記半導体薄膜の表面の第１範囲に前記放射ビームのパルスを照射した後、前記半導体薄膜を前記放射ビームに対して平行移動し、前記半導体薄膜の次の範囲が前記ステップ（ａ）及び（ｂ）の方法において照射されるようにするステップとを含むことを特徴とする方法。
  13. 請求項１２に記載の方法において、前記レーザは、前記薄膜半導体範囲の前記放射ビームに対する位置にしたがって前記放射ビームのパルスを発生するようにトリガされることを特徴とする方法。
  14. 請求項１２に記載の方法において、前記半導体薄膜を可動ステージにおいて支持するステップをさらに含み、前記半導体薄膜を前記放射ビームに対して平行移動することは、前記可動ステージを移動することを含み、前記レーザは、前記可動ステージの位置にしたがって前記放射ビームのパルスを発生するようにトリガされることを特徴とする方法。
  15. 請求項１４に記載の方法において、前記可動ステージの位置は位置センサによって感知されることを特徴とする方法。
  16. 請求項１４に記載の方法において、前記可動ステージの位置は前記ステージの初期位置から計算されることを特徴とする方法。
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