(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の上に非単結晶性の半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜にレーザビームを照射してその結晶化を図る照射工程と、結晶化した半導体薄膜をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する加工工程とを行なう薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記照射工程は、走査方向に沿って該レーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射して該半導体薄膜を結晶化する際、該レーザビームはその断面強度が走査方向に対して略台形分布を有しており、該台形分布の勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御するとともに、
前記照射工程は、該走査方向のサイズが５ｍｍのレーザビームを１ショット毎に５００μｍのピッチで移動しながら間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制し、
前記加工工程は個々の薄膜トランジスタのチャネル領域に流れる電流方向が該帯状部分と平行になる様に該半導体薄膜をパタニング加工し且つ該チャネル領域の幅寸法が該帯状部分の幅寸法の二倍を超える様に該半導体薄膜をパタニング加工する事を特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
絶縁基板の上に非単結晶性の半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜にレーザビームを照射してその結晶化を図る照射工程と、結晶化した半導体薄膜をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する第１加工工程と、該薄膜トランジスタに接続して画素電極を形成する第２加工工程と、予め対向電極が形成された対向基板を所定の間隙を介して該絶縁基板に接合した後該間隙に電気光学物質を注入する組立工程とを行なう表示装置の製造方法であって、
前記照射工程は、走査方向に沿って該レーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射して該半導体薄膜を結晶化する際、該レーザビームはその断面強度が走査方向に対して略台形分布を有しており、該台形分布の勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御するとともに、
前記照射工程は、該走査方向のサイズが５ｍｍのレーザビームを１ショット毎に５００μｍのピッチで移動しながら間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制し、
前記第１加工工程は個々の薄膜トランジスタのチャネル領域に流れる電流方向が該帯状部分と平行になる様に該半導体薄膜をパタニング加工し且つ該チャネル領域の幅寸法が該帯状部分の幅寸法の二倍を超える様に該半導体薄膜をパタニング加工する事を特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項３】
絶縁基板の上に非単結晶性の半導体薄膜を形成する成膜工程と、該半導体薄膜にレーザビームを照射してその結晶化を図る照射工程と、結晶化した半導体薄膜をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する加工工程とを行なう薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記照射工程は、走査方向に沿って該レーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射して該半導体薄膜を結晶化する際、該レーザビームはその断面強度が走査方向に対して略台形分布を有しており、該台形分布の勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御するとともに、
前記照射工程は勾配部分の幅寸法が１００μｍ以下に制御されたレーザビームを所定の重複比で間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制する一方、前記加工工程は個々の薄膜トランジスタのチャネル領域に流れる電流方向が該帯状部分と平行になる様に該半導体薄膜をパタニング加工し且つ該チャネル領域の幅寸法が該帯状部分の幅寸法の二倍を超える様に該半導体薄膜をパタニング加工する事を特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は絶縁基板上に成膜された半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタが集積的に形成された薄膜半導体装置の製造方法に関する。より詳しくは、絶縁基板上に半導体薄膜を成膜した後その結晶化を目的として行なわれるレーザアニール技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜半導体装置の製造方法を低温プロセス化する方法の一環として、レーザアニール技術が開発されている。これは、絶縁基板上に成膜された非単結晶性の半導体薄膜にレーザビームを照射して局部的に加熱した後、その冷却過程で半導体薄膜を結晶化するものである。この結晶化した半導体薄膜を活性層（チャネル領域）として薄膜トランジスタを集積形成する。照射工程では、一般に走査方向に沿ってレーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射している。レーザビームをオーバーラップさせる事により半導体薄膜の結晶化が比較的均一に行なえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザアニールにおいてレーザビームを部分的にオーバーラップ照射する場合、レーザビームのエネルギー断面強度分布はできるだけ平坦である事が望ましい。しかしながら、実際にはレーザビームの中央部に比べ周辺部は強度が弱くなっており、特に端部ではある傾斜を持ってエネルギー断面強度分布が減衰している。換言すると、レーザビームのエネルギー断面強度分布は平坦な中央部と傾斜した周辺部を含む台形形状となっている。この様な状態でオーバーラップ照射を行なうと、レーザビームのショットとショットの間で且つレーザビーム端が照射された部位では、結晶化の不均一な領域が帯状に発生していた。一般に、この結晶化が不均一な帯状部分では結晶粒径が小さくなっている。レーザビーム端ではエネルギー強度が殆ど０に近く、この境界からエネルギーが徐々に勾配を持って大きくなりアニールに十分なエネルギーへと到達する。従来、エネルギー断面強度分布の勾配部分の幅が０．５〜１ｍｍ程度であった為、これに応じて結晶化の不均一な帯状部分の幅寸法が１００μｍのオーダーとなっていた。この為、帯状部分をたまたまチャネル領域として薄膜トランジスタを形成した場合、数十μｍサイズの薄膜トランジスタのチャネル領域が全て帯状部分に含まれてしまい、結晶サイズが小さい事に起因する性能の低いトランジスタとなってしまう。従って、複数の薄膜トランジスタをマトリクス状に配列して絶縁基板上に集積形成した場合、結晶化の不均一な帯状部分の存在の為、個々の薄膜トランジスタの間で動作特性にバラツキが生じていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明によれば薄膜半導体装置は基本的に以下の工程により製造される。先ず成膜工程を行ない、絶縁基板の上に非単結晶性の半導体薄膜を形成する。次に照射工程を行ない、該半導体薄膜にレーザビームを照射してその結晶化を図る。最後に加工工程を行ない、結晶化した半導体薄膜をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する。特徴事項として、前記照射工程は走査方向に沿って該レーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射して該半導体薄膜を結晶化する際、該レーザビームはその断面強度が走査方向に対して略台形分布を有しており、該台形分布の勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御している。勾配部分の幅寸法が１００μｍ以下に制御されたレーザビームを所定の重複比で間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制する。請求項１では、特に該走査方向のサイズが５ｍｍのレーザビームを１ショット毎に５００μｍのピッチで移動しながら間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制している。前記加工工程は個々の薄膜トランジスタのチャネル領域に流れる電流方向が該帯状部分と平行になる様に該半導体薄膜をパタニング加工し、且つ該チャネル領域の幅寸法が該帯状部分の幅寸法の二倍を超える様に該半導体薄膜をパタニング加工する。
【０００５】
本発明は表示装置の製造方法に適用できる。この場合、表示装置は以下の工程により製造される。先ず成膜工程を行ない、絶縁基板の上に非単結晶性の半導体薄膜を形成する。次に照射工程を行ない、該半導体薄膜にレーザビームを照射してその結晶化を図る。続いて第１加工工程を行ない、結晶化した半導体薄膜をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する。さらに第２加工工程を行ない、該薄膜トランジスタに接続して画素電極を形成する。最後に組立工程を行ない、予め対向電極が形成された対向基板を所定の間隙を介して該絶縁基板に接合した後、該間隙に電気光学物質を注入する。特徴事項として、前記照射工程は走査方向に沿って該レーザビームを部分的に重複させながら間欠的に照射して該半導体薄膜を結晶化する際、該レーザビームはその断面強度が走査方向に対して略台形分布を有しており、該台形分布の勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御するとともに、勾配部分の幅寸法が１００μｍ以下に制御されたレーザビームを所定の重複比で間欠照射する事により、該走査方向と直交する方向に残される結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制する一方、前記加工工程は個々の薄膜トランジスタのチャネル領域に流れる電流方向が該帯状部分と平行になる様に該半導体薄膜をパタニング加工し且つ該チャネル領域の幅寸法が該帯状部分の幅寸法の二倍を超える様に該半導体薄膜をパタニング加工する。
【０００６】
【作用】
本発明によれば、薄膜トランジスタのチャネル領域（活性層）となる半導体薄膜に対し、レーザビームをオーバーラップしながら照射し、半導体薄膜の結晶化を図って薄膜トランジスタの特性を向上させる。この際、レーザビーム端におけるエネルギー勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御し、ビームオーバーラップ部分に発生する結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を７μｍ以下に抑制する。さらに、薄膜トランジスタのチャネル領域の幅寸法を帯状部分の幅寸法より二倍以上とし且つチャネル領域に流れる電流方向が帯状部分と平行になる様にパタニングする。これにより、仮に、チャネル領域の一部に結晶化が不均一な帯状部分が含まれていても、結晶化が均一な残りの部分により薄膜トランジスタの動作特性を実効的に確保でき、複数の薄膜トランジスタ間で特性の均一化が達成される。
【０００７】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図１は本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の主要部をなすレーザビーム照射工程を示す模式図である。（Ａ）はレーザビーム照射系の全体構成を示し、（Ｂ）はレーザビームの断面形状を示し、（Ｃ）はレーザビームのエネルギー断面強度分布を示し、（Ｄ）はレーザビームのオーバーラップ照射方法を示し、（Ｅ）は半導体薄膜に残された結晶化が不均一な帯状部分のパタンを表わしている。
【０００８】
レーザアニールを行なう場合、ＸＹステージが組み込まれたアニールチャンバ２の中に絶縁基板１を投入する。なおこの絶縁基板１の表面には非単結晶性の半導体薄膜１３が予め成膜されている。半導体薄膜１３としては例えば非晶質シリコンが形成される。このチャンバ２内で例えばＸｅＣｌエキシマレーザ３から放射されたレーザビーム４を絶縁基板１に照射する。これにより非晶質シリコンを一旦溶融し、冷却過程で結晶化を図り多結晶シリコンに転換する。これにより、薄膜トランジスタの電気特性を改善する。なお、レーザビームのエネルギー断面強度の均一性を保つ為、ビーム形成器５が挿入されている。ビーム形成器５を通過したレーザビームは反射鏡６で反射した後、チャンバ２内に収納された絶縁基板１に照射される（Ａ）。レーザアニールを行なう際、ＸＹステージを−Ｘ方向に移動する。これにより、絶縁基板はレーザビーム４に対し相対的にＸ方向に走査される事になる（Ｂ）。レーザビームのＸ方向の幅寸法より小さいピッチでステージを１ショット毎に移動し、基板１の全体にレーザビーム４が照射できる様にアニールする（Ｄ）。レーザビームは（Ｃ）に示す様に、走査方向（Ｘ方向）に沿ってエネルギー断面強度を見た時、その断面のＸ方向端部でエネルギー勾配部分７が発生する。レーザビームのサイズをＸ方向で５ｍｍ、これと直交するＹ方向で２０ｍｍとし、アニールチャンバ２内のステージをＸ方向に沿ってレーザビームの１ショット毎にピッチＰ＝５００μｍで移動する（Ｄ）。この時、１ショット分のエネルギービームの端部が照射された領域は結晶化が不均一な（結晶サイズが小さい）帯状部分８となる。本発明ではレーザビーム間のエネルギー勾配部分７をその幅寸法Ｓが１００μｍ以下となる様に制御している。この様にすると結晶化が不均一な帯状部分８の幅寸法ｗは約７μｍ前後となる。帯状部分８の幅寸法ｗはレーザビーム４の勾配部分７の幅寸法Ｓが短ければ短いほど細くなる。そして、この帯状部分８はレーザビームの１ショット間の移動ピッチＰ＝５００μｍの間隔で周期的に現われる（Ｅ）。例えば、勾配部分７の幅寸法Ｓが１ｍｍに近いレーザビームを用いてオーバーラップ照射を行なうと、結晶化が不均一な帯状部分８の幅寸法ｗは０．５ｍｍに達する。ところが、本発明によればこの勾配部分７の幅寸法Ｓを１００μｍ以下に制御する事で、帯状部分８の幅寸法ｗを３〜７μｍ程度に抑える事ができる。この様にすれば、実用的なデバイスサイズで薄膜トランジスタを集積形成できる。仮に帯状部分８の幅寸法ｗが０．５ｍｍ程度であると、実用的な薄膜トランジスタのチャネル幅（最大でも１００〜３００μｍ程度）に対応できない。
【０００９】
以上説明した様に、本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法では、絶縁基板１の上に非単結晶性の半導体薄膜１３を形成した後、半導体薄膜１３にレーザビーム４を照射してその結晶化を図る。この後、結晶化した半導体薄膜１３をチャネル領域として薄膜トランジスタを形成する。照射工程では、走査方向（Ｘ方向）に沿ってレーザビーム４を部分的に重複（オーバーラップ）させながら間欠的（パルス的）に照射して半導体薄膜１３を結晶化する。この際、レーザビーム４はそのエネルギー断面強度分布が走査方向（Ｘ方向）に対して略台形分布を有している。特徴事項として、台形分布の勾配部分７の幅寸法Ｓを１００μｍ以下に制御する。勾配部分７の幅寸法Ｓが１００μｍ以下に制御されたレーザビーム４を所定のオーバーラップ比で間欠照射（パルスショット）する事により、走査方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向に残される結晶化が不均一な帯状部分８の幅寸法ｗを７μｍ以下に抑制できる。なお、図１に示した実施例ではＸｅＣｌのエキシマレーザ３を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。例えばＫｒＦのエキシマレーザやその他のパルスレーザを用いてレーザビーム４を生成しても良い。又、絶縁基板１に非晶質シリコンを成膜したが本発明はこれに限られるものではない。例えば、半導体薄膜としてシリコンにゲルマニウムを混入した材料を絶縁基板１に成膜する事も考えられる。何れにしても、半導体薄膜はレーザアニールによって特性改善がなされる材料であれば良い。
【００１０】
図２は、本発明に従って製造された薄膜半導体装置の一例を表わす模式的な平面図である。図示する様に、絶縁基板１の上には半導体薄膜をチャネル領域とする薄膜トランジスタ９がマトリクス状（行列状）に集積形成されている。個々の薄膜トランジスタ９はゲートライン１０とソースライン１１／ドレインライン１２の交差部に配置している。なお、本例ではレーザアニールにより先に半導体薄膜を結晶化した後、パタニング加工して個々の薄膜トランジスタ９の素子領域としている。これに代えて、成膜した半導体薄膜を先にアイランド状にパタニング加工した後、レーザビームを照射して結晶化を図っても良い。
【００１１】
図３は、図２に示した薄膜トランジスタ９の１個分を拡大して表わした模式的な平面図である。この薄膜トランジスタ９はドレインライン１２に連続するドレイン領域Ｄと、ソースライン１１に連続するソース領域Ｓと、両者の間に介在するチャネル領域Ｃｈと、この上にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極Ｇとから構成されている。なおゲート電極Ｇはゲートライン１０に連続している。ドレイン領域Ｄ、ソース領域Ｓ及びチャネル領域Ｃｈは半導体薄膜１３に形成されている。ここでチャネル領域Ｃｈの幅寸法Ｗは例えば１４μｍに設定される。一方、半導体薄膜１３に残された結晶化が不均一な帯状部分８の幅寸法ｗは７μｍである。帯状部分８はチャネル領域Ｃｈの幅方向と直交している。換言すると、帯状部分８は薄膜トランジスタ９の電流が流れる方向と平行である。帯状部分８の幅寸法ｗがチャネル領域Ｃｈの幅寸法Ｗの半分以下に設定する事が重要である。チャネル領域Ｃｈの幅部分の半分が結晶粒径の小さい帯状部分８によって占められていても、残りの結晶粒径の大きい部分が電流を十分流してくれる。これに対し、従来帯状部分８の幅寸法ｗが数十μｍないし数百μｍに達すると、薄膜トランジスタのチャネル領域Ｃｈの全体が帯状部分に含まれる場合が生じ、薄膜トランジスタの動作特性にバラツキが生じる。これに対し、本発明では個々の薄膜トランジスタ９のチャネル領域Ｃｈに流れる電流方向が帯状部分８と平行になる様に半導体薄膜１３をパタニング加工し、且つチャネル領域Ｃｈの幅寸法Ｗが帯状部分８の幅寸法ｗの二倍を超える様に半導体薄膜１３をパタニング加工する。
【００１２】
図４はレーザビームのオーバーラップ照射方法の他の例を示す模式図である。先の実施例ではＸ方向のみのレーザビーム端を考慮していたが、実際にはＹ方向にもレーザビーム端は存在する。その為、本例ではビームのＹ方向を光学的に拡大し、基板１の全体を１本のレーザビーム４でカバーする。例えば３００ｍｍ角の基板１に対し、レーザビーム４の断面サイズを３００ｍｍ×５ｍｍに設定してレーザアニールを行なう。先の例と同様に、レーザビーム４の１ショット当たり、ステージを５００μｍピッチで移動する。この様にすると大型の基板１に対して半導体薄膜の結晶性のムラが顕著に抑制できる。
【００１３】
図５は、本発明に従って製造された薄膜半導体装置の一例を示す模式的な断面図である。絶縁基板５１の表面には半導体薄膜５２が所定の形状にパタニングされており素子領域を形成する。この半導体薄膜５２は本発明に従ってレーザアニール処理を施されたものである。半導体薄膜５２には不純物が高濃度に拡散されたソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとが形成されており両者の間にチャネル領域Ｃｈが設けられる。チャネル領域Ｃｈの上方にはゲート酸化膜５３及びゲート窒化膜５４を介してゲート電極Ｇが形成されており、薄膜トランジスタを構成する。この薄膜トランジスタは第１層間絶縁膜５５により被覆されている。この第１層間絶縁膜５５に設けられた第１コンタクトホールを介して信号配線５６がソース領域Ｓに電気接続されている。第１層間絶縁膜５５の上にはさらに第２層間絶縁膜５７が成膜される。この第２層間絶縁膜５７の上にはＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極５８がパタニング形成されており、第２コンタクトホールを介して薄膜トランジスタのドレイン領域Ｄに電気接続されている。かかる構成を有する薄膜半導体装置は、例えばアクティブマトリクス型表示装置の駆動基板として応用される。
【００１４】
最後に図６を参照して、本発明に従って製造された表示装置の一例を簡潔に説明する。本表示装置は駆動基板１０１と対向基板１０２と両者の間に保持された電気光学物質１０３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質１０３としては液晶材料等が広く用いられている。駆動基板１０１には画素アレイ部１０４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６とに分かれている。又、駆動基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に接続している。一方、対向基板１０２の内表面には対向電極（図示せず）が全面的に形成されている。画素アレイ部１０４には行状のゲートライン１０９と列状の信号ライン１１０が形成されている。ゲートライン１０９は垂直駆動回路１０５に接続し、信号ライン１１０は水平駆動回路１０６に接続する。両ラインの交差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜トランジスタ１１２が集積形成されている。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、レーザビーム端における勾配部分の幅寸法を１００μｍ以下に制御している。このレーザビームを用いて半導体薄膜に対しオーバーラップ照射を行なう事により、結晶化が不均一な帯状部分の幅寸法を３〜７μｍ程度に抑制できる。従って、１４μｍ程度のチャネルサイズに微細化された薄膜トランジスタを集成形成可能である。この様なチャネルサイズであってもトランジスタ特性としては十分なものが得られる。この為薄膜トランジスタをマトリクス状に配列した場合等、レーザアニールにより高性能なトランジスタ性能が均一に得られる。これにより、薄膜トランジスタを画素電極のスイッチング素子として利用したアクティブマトリクス型の表示装置等を安定的に製造できる。加えて、アクティブマトリクス型の表示装置の駆動基板に一体的に形成される周辺駆動回路部も安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の要部となるレーザビーム照射工程を示す模式図である。
【図２】本発明に従って製造された薄膜半導体装置の一例を示す模式的な平面図である。
【図３】図２に示した薄膜半導体装置に含まれる薄膜トランジスタの模式的な拡大平面図である。
【図４】レーザビーム照射方法の一例を示す模式図である。
【図５】本発明に従って製造された薄膜半導体装置に含まれる薄膜トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明に従って製造された表示装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    絶縁基板
２    チャンバ
３    エキシマレーザ
４    レーザビーム
５    ビーム形成器
６    反射鏡
７    勾配部分
８    帯状部分
９    薄膜トランジスタ
１０  ゲートライン
１１  ソースライン
１２  ドレインライン
１３  半導体薄膜
【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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