(57)【要約】【課題】チャネル領域の平面形状が複雑であっても、結晶粒の成長方向をキャリアの移動方向に応じて所望の方向に伸ばすことができ、高速動作のチャネル領域を任意の位置に形成することができる低温ポリシリコン膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】基板１上の絶縁膜上に、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを所定のチャネル形状にパターン形成する。その後、このアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを包含する領域４に、レーザ光を照射して、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを一旦溶融させ、その後、凝固させる。この凝固に際し、溶融部は、チャネル領域の縁部から凝固を開始し、この縁部から中心部に向かって結晶粒界が延びるポリシリコン膜が形成される。このポリシリコン膜をチャネル領域として、ソース・ドレイン電極等を形成すれば、キャリアの移動度が高く、高速動作のトランジスタを得ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、このアモルファスシリコン膜を所定のアイランド形状の複数個のパターンにパターニングする工程と、前記１又は複数個のパターンを包絡する領域にレーザ光を照射して前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に結晶化させる工程と、前記ポリシリコン膜に対して電極を形成する工程と、を有することを特徴とする低温ポリシリコン膜の形成方法。
【請求項２】
基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極をパターン形成する工程と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、全面にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をパターニングして前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する領域に所定のチャネル領域の形状の複数個のアイランドパターンを形成する工程と、前記１又は複数個のパターンを包含する領域にレーザ光を照射して前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に結晶化させる工程と、前記ポリシリコン膜に対してソースドレイン電極を形成する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）にレーザ光を照射してアニールすることにより、ａ−Ｓｉを多結晶シリコン（以下、ポリシリコンという）に結晶化させる低温ポリシリコン膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温ポリシリコン薄膜トランジスタは、一旦、チャネル領域にａ−Ｓｉ：Ｈ膜を形成し、その後、このａ−Ｓｉ：Ｈ膜にＹＡＧレーザ又はエキシマレーザ等のレーザ光を照射してレーザアニールすることにより、極短時間での溶融凝固の相転移により、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜をポリシリコン膜に結晶化させる低温ポリシリコンプロセスにより、製造されている。このａ−Ｓｉ膜をレーザ光の照射によりアニールしてポリシリコン膜に結晶化させる結晶成長方法として、ＥＬＡ（excimer laser annealing）法と、ＳＬＳ（sequential lateral solidification）法とがある。ＥＬＡ方式では、低エネルギのレーザ光をａ−Ｓｉ膜に複数回（２０回程度）照射して、均一に結晶成長させる。一方、ＳＬＳ方式では、高いエネルギのレーザ光を１回照射して、一方向に長い結晶を形成する。このように、ＳＬＳ方式では、一方向に結晶粒が延びた結晶組織を得ることができるため、この方向にチャネル電流を流すことにより、電子移動のための障害となる結晶粒界が少ない経路でチャネル電流を流すことができ、電子移動度を速くすることができ、トランジスタの高速化及び高性能化が可能となる。このためには、結晶粒の成長方向を制御する必要がある。
【０００３】
そこで、本願出願人は、結晶粒の成長方向が一定の方向に揃った低温ポリシリコン膜を得る方法を既に提案した（特許文献１）。この方法においては、先ず、マスクを介して、マイクロレンズによりレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することにより、マスクの透過領域を透過したレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に照射して、ポリシリコン領域を形成し、次いで、前記マスクを使用しないでマイクロレンズによりレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することにより、前記ポリシリコン領域を結晶の核として残部のアモルファスシリコン膜を多結晶化する。これにより、最初のポリシリコン領域を結晶の核として、結晶化が進行し、結晶粒の主たる成長方向が揃った低温ポリシリコン膜が得られる。また、特許文献１に記載の他の方法は、レーザ光の照射条件を、前記マスクの遮光領域に対応するアモルファスシリコン膜の部分が溶融して多結晶化するに十分なものとし、多結晶化に際し、前記アモルファスシリコン膜における前記遮光領域に対応する部分と前記透過領域に対応する部分とで温度差が存在するようにするものである。この方法でも、結晶粒の主たる成長方向が揃った低温ポリシリコン膜が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来の低温ポリシリコン膜の形成方法は、チャネル領域が、湾曲している等の理由により、複雑な平面形状を有している場合、電極間のキャリアの移動方向と、結晶粒の成長方向とが一致するように、結晶の成長を制御することが、煩雑であるという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、チャネル領域の平面形状が複雑であっても、結晶粒の成長方向をキャリアの移動方向に応じて所望の方向に伸ばすことができ、高速動作のチャネル領域を任意の位置に形成することができる低温ポリシリコン膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る低温ポリシリコン膜の形成方法は、基板上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、このアモルファスシリコン膜を所定のアイランド形状の複数個のパターンにパターニングする工程と、前記１又は複数個のパターンを包絡する領域にレーザ光を照射して前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に結晶化させる工程と、前記ポリシリコン膜に対して電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極をパターン形成する工程と、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、全面にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をパターニングして前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する領域に所定のチャネル領域の形状の複数個のアイランドパターンを形成する工程と、前記１又は複数個のパターンを包含する領域にレーザ光を照射して前記アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に結晶化させる工程と、前記ポリシリコン膜に対してソースドレイン電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、チャネル領域等の所定の形状にアモルファスシリコン膜を形成しておき、その後、ＳＬＳ法により、このチャネル領域上にレーザ光を照射して、アモファスシリコン膜を一旦溶融させる。その後、このチャネル領域の形状の溶融領域が、その下層の膜への熱伝達により冷却されるが、このとき、先ず、チャネル領域の縁部から冷却が開始され、チャネル領域の中心部に向けて冷却が進行する。このため、チャネル領域の形状のアモルファスシリコン膜が溶融凝固した後、形成されるポリシリコン膜は、結晶粒が、チャネル領域の中心部から縁部に向かって長く延びる形状になる。このため、キャリアが流れる方向に結晶粒が延びる結晶組織のチャネル領域が形成され、キャリアの移動経路に結晶粒界は少なく、キャリアの移動度が高いものとなる。従って、本発明により、トランジスタの駆動の高速化及び低消費電力化が可能となる。また、チャネル領域等の所望の形状のアモルファスシリコン膜を形成するだけで、その結晶粒の成長方向を制御することができるので、トランジスタの設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る低温ポリシリコン膜の形成方法を示す模式図であり、アモルファスシリコン膜をパターニングする工程を示す。
【図２】パターニングされたアモルファスシリコン膜を、レーザアニールする工程を示す図である。
【図３】レーザアニールにより、結晶化したポリシリコン膜を示す図である。
【図４】ポリシリコン膜をチャネル領域として、トランジスタの各電極を形成する工程を示す図である。
【図５】レーザ照射による溶融部の温度分布を示す図である。
【図６】マイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置を示す図である。
【図７】本実施形態の低温ポリシリコン膜の形成方法が適用された薄膜トランジスタの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る低温ポリシリコン膜の形成方法を示す平面図であり、この低温ポリシリコン膜を薄膜トランジスタのチャネル領域の形成に適用したものである。なお、図１の右図は、基板１上の領域２を拡大して示すものである。ガラス基板等の基板１上に、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜を全面に形成し、この絶縁膜（図示せず）上に、アモルファスシリコン膜を全面に形成する。そして、レジスト膜を全面にコーティングした後、このレジスト膜に対し、露光及び現像により、チャネル領域に対応するパターンを形成し、その後、このレジストパターンをマスクとして、アモルファスシリコン膜をエッチング除去することにより、アモルファスシリコン膜をチャネル領域の形状にパターニングする。これにより、基板１上の所定の位置に、複数個のアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂが、チャネル領域を配置すべき位置に点在するように、そのチャネル領域の形状を有するアイランドパターンとして、形成される。
【００１２】
このアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂは、例えば、図１に示すように、Ｕ字形をなす。これは、図４にて後述するように、後工程において、ソース電極１５が直線状に形成され、このソース電極１５をその両側から取り囲むようにドレイン電極１４が形成される予定であるために、このソース電極１５とドレイン電極１４とが対向する領域として、チャネル領域は、Ｕ字形に形成されるからである。
【００１３】
このアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂをチャネル形状に形成した後、図２に示すように、１個又は複数個のアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを包含する領域４に、レーザ光を照射する。このレーザ光は、ＳＬＳ方式による高エネルギのものであり、例えば、エキシマレーザ光である。このアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを含む矩形の領域４の全体に、レーザ光を照射する。そうすると、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂは高エネルギのレーザ光の照射を受け、そのレーザ光のエネルギを吸収して温度が上昇し、溶融するが、その下層の絶縁膜は、レーザ光の照射を受けてもレーザ光のエネルギを吸収しないので、温度が上昇することはない。
【００１４】
このように、絶縁膜は、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂの下層の部分はもとより、露出している部分もレーザ光のエネルギを吸収しないので、殆ど、温度が上昇しない。主として、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂのみが、レーザ光の照射を受けて温度が上昇し、一旦溶融する。その後、例えば、約２０ｎｓの間に、この溶融シリコンが冷却されて凝固するが、このとき、Ｕ字形のチャネル領域の縁部から冷却が開始して凝固が開始し、Ｕ字形の中心部の凝固が最後まで残る。即ち、Ｕ字形のチャネル領域の中心部は、溶融部が凝固する際に、凝固が完了する最後まで溶け残る部分である。これにより、図３に示すように、結晶粒が前記中心部から縁部に向かうように長く延びて形成されたポリシリコン膜１３ａ、１３ｂが形成される。
【００１５】
その後、図４に示すように、このポリシリコン膜１３ａ、１３ｂをチャネル領域として、直線状に延びるソース電極１５と、このソース電極１５の両側を取り囲むドレイン電極１４とを、これらのソース電極１５とドレイン電極１４とが対向する領域が、ポリシリコン膜１３ａ、１３ｂの形成領域に整合するようにして、形成する。そして、これらのソース電極１５，ドレイン電極１４及びチャネル領域（ポリシリコン膜１３ａ、１３ｂ）の上に、ゲート絶縁膜（図示せず）を形成し、このゲート絶縁膜の上に、ゲート電極１６を形成する。
【００１６】
次に、レーザ光の照射によるアニーリング装置の一例について説明する。図６はマイクロレンズアレイにより、レーザ光を基板１上に照射して、アモルファスシリコン膜をアニールする装置を示す図である。このマイクロレンズを使用したレーザアニール装置は、光源２１から出射されたレーザ光を、レンズ群２２により平行ビームに整形し、多数のマイクロレンズ２７からなるマイクロレンズアレイ２５を介して基板１に照射する。レーザ光源２１は、例えば、波長が３０８ｎｍ又は３５３ｎｍのレーザ光を例えば５０Ｈｚの繰り返し周期で放射するエキシマレーザである。マイクロレンズアレイ２５は、透明基板に多数のマイクロレンズ２７が配置されたものであり、この透明基板の上面にはマイクロレンズ２７に対応して迷光を遮断するための遮光膜２６が形成されていて、この遮光膜２６を通過したレーザ光を、マイクロレンズ２７により、基板１に設定された薄膜トランジスタのチャネル領域の形成予定領域に集光させるものである。このマイクロレンズアレイ２５の上方には、マスク２３が配置されており、このマスク２３に設けられた遮光膜２４の開口部を介して、レーザ光が基板１上の領域４に照射される。従って、マスク２３の遮光膜２４の開口部は、基板１上のチャネル領域（アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂ）を包含する領域４に対応する大きさ及び位置に形成されている。
【００１７】
次に、上述のごとく構成された低温ポリシリコン膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法の動作について説明する。先ず、図１に示すように、基板１上に絶縁膜（図示せず）を形成し、その上に、アモルファスシリコン膜を形成する。そして、このアモルファスシリコン膜に対し、所定のチャネル領域の形状にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、アモルファスシリコン膜をエッチングして、図１に示すように、チャネル領域の形状を有するアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを形成する。
【００１８】
具体的には、図７に示すような薄膜トランジスタの製造に本発明が適用される。図７は、一例として、ＡＭＯＬＥＤ（Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode:アクティブマトリックス有機ＬＥＤ）の一般的なパネル構造のおけるトランジスタを示す断面図である。この図７は、図４に示すトランジスタのソース電極１５とドレイン電極１４の長手方向に垂直の方向の断面図である。基板１としてのガラス基板上に、絶縁膜としてのバッファ層３１を形成し、このバッファ層３１の上に、アモルファスシリコン膜を形成し、後述するようにして、このアモルファスシリコン膜をパターニングして、チャネル領域の形状を得る。そして、後述するようにして、このパターニングされたアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してアニールし、このアモルファスシリコン膜を結晶化して、ポリシリコン膜１３ａ（１３ｂ）を形成する。その後、絶縁膜３３の下層部分を全面に形成し、この絶縁膜下層部分上にゲート電極１６をパターン形成する。この絶縁膜３３の下層部分は、ゲート絶縁膜となる部分である。その後、絶縁膜３３の上層部分（層間絶縁膜）を全面に形成し、絶縁膜３３にコンタクトホールを形成し、ポリシリコン膜１３ａ（１３ｂ）に接続するソース電極１５及びドレイン電極１４を形成する。その後、全面にパッシベーション膜としての絶縁膜３８を形成し、この絶縁膜３８の上に、配線層３９ａ、３９ｂを形成する。配線層３９ａ、３９ｂは、絶縁膜３８に形成したコンタクトホールを介してドレイン電極１４に接続される。符号４０は絶縁膜３８上に形成される有機ＥＬの色素子を分離するスペーサである。図７において、ソース電極１５が中央に配置され、その両側にソース電極１４が配置され、ソース電極１５と、その両側のドレイン電極１４との間に、夫々、ポリシリコン膜１３ａ（１３ｂ）が配置されている。これは、図４に示すように、Ｕ字形のポリシリコン膜１３ａ，１３ｂと、Ｕ字形のドレイン電極１４と、その中央の直線状のソース電極１５とが配置されている状態を、ソースドレイン電極の長手方向に垂直の方向に断面をみているからであり、図７において、２個のポリシリコン膜１３ａ（１３ｂ）と２個のドレイン領域１４とは、夫々、紙面の奥又は手前で、共通に接続されている。
【００１９】
次に、アモルファスシリコン膜に対するレーザアニーリングについて詳細に説明する。図６に示すマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置を使用して、１又は複数個のアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂ毎に、これらのアモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを包含する領域４にレーザ光を照射する。このレーザ光のエネルギの強度は、１回のレーザ光の照射で、各アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂを溶融させることができる程度のものであり、所謂ＳＬＳ方式のアニール処理を行う。このアニール処理においては、アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂのみが、実質的にレーザ光のエネルギを吸収し、その下層の絶縁膜及びガラス基板１はレーザ光を吸収しない。よって、図５（ａ）に示すように、例えば、アモルファスシリコン膜３ｂの長手方向に垂直の方向について、温度分布をみると、図５（ｂ）に示すように、アモルファスシリコン膜３ｂのみが昇温して、基板１及び絶縁膜は昇温せず、基板１及び絶縁膜の温度はレーザ光の照射前と変わらず、約３０℃であり、アモルファスシリコン膜３ｂのみが約２０００℃と高温になる温度パターンが得られる。従って、アモルファスシリコン膜３ｂの部分は溶融する。但し、この図５（ｂ）に示すように、この温度パターンは、アモルファスシリコン膜３ｂの幅方向の中心部と、縁部とで対比した場合、アモルファスシリコン膜３ｂの中心部ではレーザ光の投入エネルギに対応して２０００℃という高温となっているが、アモルファスシリコン膜３ｂの縁部では、比較的低温となっており、基板１及び絶縁膜の温度（約３０℃）から、アモルファスシリコン膜３ｂの中心部の２０００℃まで、温度勾配が形成されている。このため、レーザ光の照射が停止して、溶融部が冷却された場合、溶融部の熱は、下層の絶縁膜及び基板１に流れて冷却されるが、この冷却期間の２０ｎｓの間に、チャネル領域の縁部から冷却が開始されて進行し、チャネル領域の縁部から凝固が開始されて、この凝固が、チャネル領域の縁部から、チャネル領域の中心部（アモルファスシリコン膜３ａ、３ｂであった領域の中心部）まで進行する。従って、図３に示すように、溶融部の凝固が、チャネル領域の縁部からその中心部に向かって進行するため、チャネル領域の縁部から中心部に向かって延びるように結晶粒が成長する。最終的に、チャネル領域の中心部が凝固して、凝固過程が終了する。これにより、チャネル領域の幅方向（長手方向に垂直の方向）に結晶粒が延びるポリシリコン膜１３ａ、１３ｂが形成される。
【００２０】
その後、図４に示すようにして、直線状のソース電極１５と、このソース電極１５を取り囲むような形状のドレイン電極１４とを、ソース電極１５とドレイン電極１４との間の領域がポリシリコン膜１３ａ、１３ｂに整合するように、形成する。更に、このソース電極１５，ドレイン電極１４及びポリシリコン膜１３ａ、１３ｂの上に、ゲート絶縁膜を形成した後、ゲート電極１６を形成する。これにより、キャリアが流れる方向に結晶粒界が延びたチャネル領域を有する薄膜トランジスタを得ることができる。
【００２１】
このような結晶組織のポリシリコン膜１３ａ、１３ｂをチャネル領域とするトランジスタは、チャネル領域のキャリアの移動域において通過すべき結晶粒界が少なく、キャリアの移動度が速い。このため、高速動作のトランジスタを得ることができる。また、キャリアが通過する結晶粒界が少ないため、電流の易導度が高く、低抵抗であるため、低消費電力化が可能である。
【００２２】
従来の低温ポリシリコン膜の形成方法は、先ず、アモルファスシリコン膜を形成した後、エキシマレーザ光の照射により、このアモルファスシリコン膜を一旦溶融させた後、凝固させることにより、ポリシリコン膜を形成し、その後、このポリシリコン膜をエッチングして、所定形状のチャネル領域を形成していた。このため、レーザアニール時の結晶成長方向の制御が煩雑であった。しかし、本発明においては、アモルファスシリコン膜を形成した後、このアモルファスシリコン膜をパターニングして、チャネル領域の形状にしておき、その後、このパターニングされたアモルファスシリコン膜を包含する領域にレーザ光を照射して、ポリシリコン膜に結晶化する。
【００２３】
本発明においては、アモルファスシリコン膜をパターニングして、幅が長さよりも十分に短い形状にすることにより、アニーリングに際しては、このアモルファスシリコン膜のパターンを包含する領域にレーザ光を照射するだけで、前記パターンの縁部から中心部に向かって延びる結晶粒界を有するポリシリコン膜を形成することができる。従って、アモルファスシリコン膜を所定形状にパターニングするだけで、その形状に応じて、自己整合的に、アニーリング後に結晶粒界が延びる方向を制御することができ、高速動作のチャネル領域を任意の位置に、且つ高速動作のキャリアの流れる方向を任意の方向に制御することができる。このため、トランジスタの設計が容易になる。
【００２４】
なお、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の形状は、上記実施形態にて示した形状に限らないことは勿論である。また、トランジスタの構造も、上記実施形態に限るものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、高速動作及び低消費電力であるトランジスタ特性を有し、設計が容易な薄膜トランジスタの製造に有益である。
【符号の説明】
【００２６】
１：基板
２：領域
３ａ、３ｂ：アモルファスシリコン膜
４：領域
１３ａ、１３ｂ：ポリシリコン膜
１４：ドレイン電極
１５：ソース電極
１６：ゲート電極
【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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