(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ装置からのレーザ光を、ダブプリズムを用いてレーザ光の半分を反転させ光の進行方向から見て略Ｖ字状のビームスポットに形状変更し、
平面的に広がる非晶質ないし微結晶の対象素材に対してビームスポットをＶ字頂点が進行方向前側となるように配向して相対的に移動させ、照射軌跡部分をラテラル成長により単結晶化することを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
基板上または積層体上に形成された、非晶質ないし微結晶の半導体膜に対して、請求項１に記載の結晶化方法により所定箇所を単結晶化し、
単結晶に対する速度より非晶質ないし微結晶に対するエッチング速度が早い剤を用いて、非晶質ないし微結晶のままである領域を除去し、
基板上または積層体上にパターンを形成することを特徴とするパターニング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のパターニング方法を用いてチャネル領域および／またはソースドレイン領域および／またはゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジスタ作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡素簡便な装置構成で非晶質の半導体膜等の所望箇所を効率的に単結晶化する方法に関し、特に、半導体レーザを用いた結晶化方法、パターニング方法、および、薄膜トランジスタの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｓｉ薄膜トランジスタの性能向上を目的とした研究が進められている。たとえば、液晶ディスプレイの高速駆動化・高精細化には、高キャリア移動度と均一性が要求され、これは結晶質に依存する。
【０００３】
ここで、エキシマレーザ結晶化方法によれば、Ｓｉ薄膜を非晶質から多結晶へと相変換させ、キャリア移動度を１００倍程度向上させることが可能である（非特許文献１，２）。しかしながら同方法では結晶粒径が均一とならず、薄膜トランジスタの性能がばらつきやすい。したがって、粒界消失すなわち単結晶化を目指した改質技術が研究されている。ただし、エキシマレーザはパルス発振であるため、同方法では結晶粒が大面積Ｓｉ膜上で連続的に成長できない。
【０００４】
近年、大面積Ｓｉ膜上で連続的に結晶成長させられる方法として、連続波レーザ結晶化法が提案されている。この方法ではレーザスポットのスキャン方向に結晶粒が連続的にラテラル成長していく。しかしながら、スキャン方向と平行に結晶粒界も延伸していくので、薄膜トランジスタの均一性の問題は依然として解決されない。
【０００５】
一方、特殊なレーザスポット形状により、スキャン領域を単結晶化する方法も提案されている。たとえば、Ｕ字型の連続波レーザスポットをＳｉ膜上で走査する技術が知られている（非特許文献３）。また、ドーナツ状の連続波レーザスポットを用いる方法も知られている（非特許文献４）。
【０００６】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
Ｕ字型のレーザスポットは、遮蔽マスクを使ってスポット形状を作出するものであり、レーザ光の使用効率が低い上にレーザパワー密度を大きくしづらく、量産性を考慮すると現実的でないという問題点があった。
また、ドーナツ状とするには、２ｍ程度の大型の気体レーザ発振器の片方の反射鏡を凸面鏡にすることで実現できるものの、そもそも半導体レーザに適用できる技術ではないという問題点があった。
【０００７】
一方、半導体レーザは、近時ハイパワー化と低コスト化が進んでいるため、これをレーザ加工の光源としたいという潜在的な需要が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１０１５３０
【特許文献２】特開２００８−０９１８１１
【特許文献３】ＵＳＰａｔ．６３６８９４５
【特許文献４】特開２０１４−１７５５０８
【特許文献５】ＵＳＰａｔ．６０２８７２２
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】T. Sameshima, S. Usui, and M. Sekiya, IEEE Electron Device Lett. 7, 276 (1986).
【非特許文献２】A. Hara, F. Takeuchi, M. Takei, K. Suga, K. Yoshino, M. Chida, Y. Sano and N. Sasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L311.
【非特許文献３】T.Stulty et.al., Appl. Phys. Lett. 39(1981)498
【非特許文献４】S. Kawamura et. al., Appl. Phys. Lett. 40(1982)394
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、半導体レーザを用いた簡素簡便な装置構成であって、非晶質の半導体膜等の所望箇所を効率的に単結晶化する方法を提供することを目的とする。
また、レジストを不要とする新たなパターニング方法およびその応用製品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】
【００１１】
請求項１に記載の結晶化方法は、半導体レーザ装置からのレーザ光を、ダブプリズムを用いてレーザ光の半分を反転させ光の進行方向から見て略Ｖ字状のビームスポットに形状変更し、平面的に広がる非晶質ないし微結晶の対象素材に対してビームスポットをＶ字頂点が進行方向前側となるように配向して相対的に移動させ、照射軌跡部分をラテラル成長により単結晶化することを特徴とする。
詳細には、図５の平面模式図に示されるように、平面的に広がる非晶質ないし微結晶の膜３０に対して、略Ｖ字状のビームスポット１２をＶ字頂点が進行方向前側となるように配向して相対的に移動させ、照射領域近傍に溶融領域３０２を作り出し、軌跡部分をラテラル成長させて単結晶化領域３０５を形成する発明である。
【００１２】
すなわち、請求項１にかかる発明は、小型かつ安価であって今後一層の高出力化が望める半導体レーザを用い、その出力光の形状特性を利用して、単結晶化に適し利用効率にも優れるビーム形状へ簡便に出力光を変化させ、照射対象を連続的に単結晶化していく。
詳細には、一般に線状または楕円形状である出力光を、その半分をプリズムを用いて反転結合してＶ字化し、Ｖ字頂点を進行方向前側として表面照射していくことで、溶融状態からの再結晶化に際し、Ｖ字由来の冷却温度勾配により、連続的な単結晶化を実現する。
【００１３】
用いる半導体レーザ装置は、出力、ビームスポットの大きさ、移動速度、対象素材の厚み等を考慮し適宜選択すればよく、対象素材を再結晶化できるのであれば特に限定されない。
Ｖ字の直線部分のビーム強度すなわちレーザパワー密度は両側（両線分）で同等であるまたは同等となるように調製されていることが好ましい。
対象素材は、結晶を形成可能な素材であれば特に限定されないが、半導体や金属を挙げることができる。
光学系はプリズムのみに限らず、コリメートレンズや集光レンズを適宜介在させてもよい。これにより、照射強度の実質的な増強や、照射軌跡幅の増大を設計可能となる。
【００１５】
また、詳細には図２に示されるように、出力形状が線分状のレーザ光１０を、ダブプリズム２２２と直進プリズム２２１からなる複合プリズム２２を用いて光の進行方向から見て略Ｖ字状のビームスポット１２に形状変更する。すなわち、請求項１にかかる発明は、簡単な光学系で単結晶化をもたらすビームスポットを作出できる。
【００１６】
ダブプリズムへの入射光の斜面入射による比較的高い反射率を考慮し、ダブプリズムに反射防止膜を形成したり、直方体プリズムを長くしたり、直方体プリズムの端面または中途にフィルタを介在させたりして強度調整をおこなうようにしてもよい。
【００１７】
請求項２に記載のパターニング方法は、基板上または積層体上に形成された、非晶質ないし微結晶の半導体膜に対して、請求項１に記載の結晶化方法により所定箇所を単結晶化し、単結晶に対する速度より非晶質ないし微結晶に対するエッチング速度が早い剤を用いて、非晶質ないし微結晶のままである領域を除去し、基板上または積層体上にパターンを形成することを特徴とする。
【００１８】
すなわち、請求項２にかかる発明は、レジストが不要な新規なパターニング技術を提供する。
【００１９】
なお、半導体膜は、半導体層とそれぞれ言い換えることができる。
【００２０】
請求項３に記載の薄膜トランジスタ製造方法は、請求項３に記載のパターニング方法を用いてチャネル領域および／またはソースドレイン領域および／またはゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
すなわち、請求項３にかかる発明は、工程数を削減した生産性の高い薄膜トランジスタ製造技術を提供可能となる。
【００２２】
具体的には次の通りである。
まず、絶縁性の基板上に、Ｓｉ膜を所定の厚さに堆積し、請求項１記載の方法により少なくともチャネルとソースドレインとなる領域を単結晶化し、請求項２記載の方法によりパターニングして、後の工程でチャネルとソースドレイン領域となるＳｉアイランドを形成する。
【００２３】
続いて、ゲート絶縁膜として酸化Ｓｉ膜等を堆積した後、金属とＳｉの積層構造を堆積する。請求項１記載の方法によりゲート電極となる領域のＳｉ膜を選択的に結晶化し、請求項２記載の方法によりＳｉ膜をパターニングし、次に露出した部分の金属膜をエッチングしてゲート電極を完成させる。
【００２４】
続いてゲート電極形成後に露出したゲート絶縁膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法でエッチングして、ソースドレイン領域となる部分のＳｉアイランドを露出させる。不純物を高濃度に含んだＳｉ膜を全面に堆積させ、ソースドレイン領域となる部分を選択的にレーザ照射することで、不純物を高濃度に含んだＳｉ膜を結晶化させると同時に不純物を下の単結晶化Ｓｉ膜に拡散させて、ソースドレイン領域を完成させる。これらにより薄膜トランジスタを得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、半導体レーザを用いた簡素簡便な装置構成であって、非晶質の半導体膜等の所定箇所を効率的に単結晶化する方法を提供することが可能となる。また、レジストを不要とする新たなパターニング方法およびその応用製品を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明である結晶化方法を実現する装置構成の一例を示した概要図である。
【図２】用いるプリズムの拡大図である。
【図３】Ｓｉ膜に照射されたレーザスポットの光学顕微鏡写真である。
【図４】非晶質シリコン膜上でＶ字ビームスポットを移動させた際の軌跡の粒界顕在化処理後のＳＥＭ写真である。
【図５】レーザスポットの形状および進行方向と、単結晶領域の形成との関係を示した説明図である。
【図６】非晶質シリコン膜上でＶ字ビームスポットを移動させた際の軌跡のＥＢＳＤ画像である。
【図７】ＭＯＳＦＥＴの形成工程の一例を示した説明図である。なお、左側に平面図、右側に対応するＡ−Ａ’断面図を示した。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、非晶質シリコン膜上でビームスポットを移動させ、所定幅の線状の単結晶領域を形成する装置および方法を説明する。図１は、装置の概要図である。図２は、プリズムの拡大図である。
【００２８】
単結晶化装置１は、図１に示したように、半導体レーザ装置４０と光学系２０と載置台５００とを主要な構成としている。
【００２９】
半導体レーザ装置４０は、線分状のレーザ光を出力する（なお、線状、Ｉ字状とも表現できるが本願では線分状と称することとする）。用いた光源は、４０５ｎｍ紫外ダイオードレーザ（日亜化学社製：型番ＮＤＶ７３７５Ｅ）であり、実際、出力光を遠方のスクリーンに投影し、形状が線分状であることを確認した。
【００３０】
光学系２０は、コリメートレンズ２１と、複合プリズム２２と、集光レンズ２３とを有する。
コリメートレンズ２１は、拡散していくレーザ光を平行光線とする。
複合プリズム２２は、後述するように線分状のレーザ光の半分を直進させ残余の半分を反転させ、全体としてＶ字形状の光線を形成する。
集光レンズ２３は、シリコン膜３０表面にレーザ光を集光しビームスポットを形成する。
【００３１】
載置台５００は、非晶質のシリコン膜３０（膜厚６０ｎｍ）が形成されたガラス基板５０を載置する。また、載置台５００は、図示しない駆動系によりガラス基板５０を水平に動かす。これによりビームスポットが表面走査するようにガラス基板５０上を相対的に移動していく。
【００３２】
複合プリズムについて詳述する。
図２に示したように、複合プリズム２２は、直方体の直進プリズム２２１と、ダブプリズム２２２とが接合した特注プリズムである。ここで、ダブプリズム２２２は像を上下に反転する性質を有する。したがって、線分状のビームの中点を接合面Ｓに合わせ、接合面Ｓの法線に対して、ビームをθ°傾けて入射させると、折れ角２θ°のＶ字状であって両方の直線部分の長さが等しいビームとなる。なお、θは９０°以下であればよいが、４５°以下であることがより望ましい。
【００３３】
ただし、ダブプリズム２２２内における長い光路により透過光は直進プリズム２２１の透過光より強度が小さくなる。用いた光学系では４０５ｎｍ光に対する透過率がそれぞれ８３％と７５％であった。したがって、直進プリズム２２１には、強度調整用のガラス２２３を取り付け、透過率をいずれも７５％に揃えることとした。これにより、パワー密度が均等化され、片側にてレーザアブレーションが起きてしまうようなことをなくすことが可能となる。
なお、図３にシリコン膜３０上に形成されるＶ字ビームスポット１２の光学写真を示した。
【００３４】
載置台５００を０．０２ｍ／秒で動かし、Ｖ字頂点を進行方向前側としてビームスポット１２をガラス基板５０に対して相対的に移動させた。なお、用いた半導体レーザ装置４０において、レーザパワー１８５ｍＷが結晶化閾値であり、２４０ｍＷが完全アブレーション閾値であることを事前に確認しており、以降は、２００ｍＷとして実験（単結晶化）をおこなった結果である。
【００３５】
結果をＳＥＭ画像として図４に示す。図の右側はレーザパワーが２００ｍＷ未満でありラテラル結晶の粒界が存在しているが、図の左側はレーザパワーが２００ｍＷ以上であり粒界が解消され、単結晶が連続的に形成していることが確認できる。
【００３６】
なお、ビームスポット１２の形状と単結晶領域の形成の関係を図５に示した。ビームスポット１２を略Ｖ字とすることによりシリコン膜３０に略Ｖ字型の溶融領域３０２が形成され、固液界面は進行方向に対して凸となり、レーザスキャン経路両端での核発生による融液部への結晶成長は妨げられ、レーザの進行とともに単結晶化領域３０５が連続形成される。
【００３７】
次に、ＥＢＳＤにより結晶質を解析した。解析結果を図６に示す。中途から同一の面方位が続いており、ひずみの影響で面方位が緩やかに回転するものの、単結晶が連続的に形成されていることをＥＢＳＤによっても確認できた。
【００３８】
以上説明したように、半導体レーザを用いて非晶質シリコン膜の所望部分を簡便かつ連続的に単結晶化できることを確認できた。
【００３９】
なお、半導体レーザは必ずしもレーザ光は大きくないものの、これを逆に利用して光学系を介在させて焦点を絞り込むことができる。これにより実質的なハイパワー化が実現され微細パターンの形成に利用できる。
【００４０】
たとえば、レジストを用いず微細バターンの作成も可能となる。具体的には、非晶質または微結晶のシリコン膜に対するエッチング速度が単結晶のシリコン膜より早い化学物質、たとえばフッ硝酸、もしくはＤａｓｈ液（ＣＨ３ＣＯＯＨ：ＨＮＯ３：ＨＦ：Ｉ２＝１００ｍＬ：４０ｍＬ：１０ｍＬ：５４ｍｇ）、もしくは水素プラズマ、もしくは原子状水素を用いて、非晶質または微結晶領域を除去し、レジストを用いることなくパターン作成が可能となる。
【００４１】
更にこの技術を用いてチャネル、ゲート、ソースドレインを形成し、新規な薄膜トランジスタ作製方法を提供できる。図７は、ＭＯＳＦＥＴの形成工程の一例を示した説明図である。なお、図の左側は平面図であり、右側は対応するＡ−Ａ’断面図である。
【００４２】
まず、ガラス基板５０上にパシベーション膜６０として酸窒化シリコン膜を堆積後、非晶質ないし微結晶の膜３０として非晶質シリコン膜を堆積する。
【００４３】
非晶質ないし微結晶の膜３０に略Ｖ字のビームスポット１２を当てて当該軌跡を単結晶（ｃ−Ｓｉ）化領域３０５とし（図７（ａ））、続いてエッチングにより単結晶（ｃ−Ｓｉ）化領域以外のＳｉ膜を除去する（図７（ｂ））。なお、残ったシリコン膜が続く工程でチャネル部とソースドレイン部となる。
【００４４】
次に、ゲート絶縁膜８０として酸化シリコン膜、ゲート金属膜９０としてアルミ膜、非晶質ないし微結晶の膜３０として非晶質シリコン膜を順次堆積する。続いて図７（ｃ）に示したように、先に形成されたシリコン膜単結晶化領域３０５と垂直に交差するようＶ字ビームスポット１２をスキャンし、当該軌跡をゲート金属膜上シリコン膜単結晶化領域３０５ａにする。エッチングにより非晶質または微結晶領域３０を除去する。実際には、ゲート金属膜上シリコン膜単結晶化領域３０５ａは必ずしも単結晶である必要はなく、非晶質または微結晶領域に対してエッチング速度が違う多結晶膜でよい。
【００４５】
続いて、アルミはエッチングするがシリコンはエッチングしない化学物質、たとえば熱リン酸等で、表面に露出しているアルミ膜をエッチングする。この工程で残った部分のゲート金属膜９０（アルミ膜）とゲート金属膜上シリコン膜単結晶化領域３０５ａの積層膜がゲート電極を構成する。続いて反応性イオンエッチング法で、表面に露出している部分のゲート絶縁膜８０をエッチングしてシリコン単結晶化領域３０５のソースとドレインとなる部分を露出させる（図８（ｄ））。
【００４６】
続いて図７（ｅ）に示すように、ドーパントを１０１９ｃｍ−３以上含んだ、高濃度に不純物ドープされた非晶質ないし微結晶の膜３５として低抵抗シリコン膜を基板表面に堆積する。その後、シリコン単結晶化領域３０５と平行方向に、シリコン単結晶化領域を完全に包含するようにＶ字ビームスポット１２をスキャンして、高濃度に不純物ドープされた非晶質ないし微結晶の膜３５の当該領域を加熱するとともに結晶化する。これにより、高濃度に不純物ドープされた非晶質ないし微結晶の膜３５と接触しているシリコン単結晶化領域３０５に不純物が拡散されて低抵抗化し、この領域がソースドレイン領域となる。
【００４７】
続いてエッチングにより、Ｖ字レーザスポットが照射されなかった非晶質または微結晶領域を除去して、薄膜トランジスタが完成する。
【００４８】
このようにして、絶縁膜を適宜介在させながら、非晶質半導体膜を形成後、所望箇所の結晶化→非晶質部分（および絶縁膜部分）のエッチング除去、を繰り返し、チャネル、ソースドレイン、電極等の形成が可能となる。レジスト自体を不要とするため、生産性に優れる。
【００４９】
なお、複数の半導体レーザをアレイ化してパターニングしてもよい。また半導体レーザを点滅させながらスキャンすることで、半導体膜の所定領域を結晶化することができる。
【００５０】
本発明は、上述の実施の形態に限定されない。
たとえば、照射対象は基板上のシリコン膜に限定されず、他の半導体、たとえば酸化チタンや酸化亜鉛を用いることもできる。半導体中にドーパントが含まれていてもよい。
また、非晶質に限らず微結晶を単結晶化してもよい。
また、半導体でなく、金属を対象とすることもできる。
また、基板はガラスではなく、プラスチックでもよく、表面が平坦な材料であればなんでもよい。
なお、用いる半導体レーザ装置は、連続発振が望ましいが、パルス発振であっても発振周波数が十分高ければ、連続発振と同じ効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、半導体レーザを用いて非晶質の半導体膜等の所望箇所を効率的かつ簡便に単結晶化する方法を提供できる。また、レジストを不要とする新たなパターニング方法およびその応用製品を提供することができる。
なお、高出力の半導体レーザであれば、逆に、光学系を用いてレーザスポットの幅を広げるなどして、大面積を単結晶化することもできる。
【符号の説明】
【００５２】
１０     線分状のレーザ光単結晶化装置
１２  略Ｖ字状のビームスポット（レーザスポット）
２０     光学系
２１     コリメートレンズ
２２     複合プリズム
２３     集光レンズ
３０  非晶質ないし微結晶の膜
３５  高濃度に不純物ドープされた非晶質ないし微結晶の膜
４０  半導体レーザ装置
５０     ガラス基板
６０  パシベーション膜
８０  ゲート絶縁膜
９０  ゲート金属膜
２２１  直進プリズム
２２２  ダブプリズム
２２３  ガラス
３０２シリコン膜溶融領域
３０５シリコン膜単結晶化領域
３０５ａ  ゲート金属膜上のシリコン膜単結晶化領域
３０５ｂ  単結晶化シリコン膜上の低抵抗領域
５００  載置台
Ｓ        接合面
【図１】
0006544090.tif 000002
【図２】
0006544090.tif 000003
【図３】
0006544090.tif 000004
【図４】
0006544090.tif 000005
【図５】
0006544090.tif 000006
【図６】
0006544090.tif 000007
【図７】
0006544090.tif 000008