(57)【要約】【課題】大粒径に結晶化を可能にする光吸収性キャップ膜の形成方法、半導体膜の結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】本発明の１態様による光吸収性キャップ膜の形成方法は、レーザー結晶化のための蓄熱効果を有する酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなる光吸収性キャップ膜の形成方法であって、二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行って半導体膜の上方に前記酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜を形成する工程を具備する。【選択図】図４
2008311425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー結晶化のための蓄熱効果を有する酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなる光吸収性キャップ膜の形成方法であって、
二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行って半導体膜の上方に前記酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜を形成する工程
を具備することを特徴とする光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項２】
前記半導体膜上に二酸化シリコン膜を形成する工程をさらに具備し、
前記光吸収性酸化シリコン膜は、前記二酸化シリコン膜上に形成されること
を特徴とする請求項１に記載の光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項３】
前記酸素分圧は、１％以上１５％以下であることを特徴とする請求項１若しくは２に記載の光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項４】
前記酸素分圧は、５％以上１０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項５】
前記光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数は、０．００２以上０．０３以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項６】
前記光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数は、０．００５以上０．０１以下であることを特徴とする請求項５に記載の光吸収性キャップ膜の形成方法。
【請求項７】
非単結晶の半導体膜にレーザー光を照射して照射部を結晶化する該半導体膜の結晶化方法であって、
基板の上方に前記非単結晶の半導体膜を形成する工程と、
二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行って酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなるキャップ膜を前記半導体膜上に形成する工程と、
前記キャップ膜を通して前記半導体膜に、逆ピークパターンの光強度分布を持つように位相変調されたレーザー光を照射して、その照射部を溶融、結晶化させる工程と
を具備することを特徴とする半導体膜の結晶化方法。
【請求項８】
前記レーザー光は、パルスエキシマレーザー光であることを特徴とする請求項７に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項９】
前記結晶化された半導体膜は、３μｍ以上の粒長を有する結晶粒を含むことを特徴とする請求項７若しくは８に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１０】
前記結晶化された半導体膜は、５μｍ以上３０μｍ以下の粒長を有する結晶粒を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体膜の結晶化方法。
【請求項１１】
基板の上方に非単結晶の半導体膜を形成する工程と、
二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングにより形成した酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなる光吸収膜を含むキャップ膜を前記半導体膜上に形成する工程と、
前記キャップ膜を通して逆ピークパターンの光強度分布を持つレーザー光を前記半導体膜に照射して、その照射部を溶融、結晶化させて単結晶粒を有する結晶化半導体膜を形成する工程と、
前記キャップ膜を除去し、前記結晶化半導体膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記結晶化半導体膜に導電性を与える不純物を導入して薄膜トランジスタを形成する工程と
を具備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、液晶、有機ＥＬ等の表示装置に用いる半導体膜のレーザー結晶化に係り、特に、光吸収性キャップ膜の形成方法、半導体膜の結晶化方法、及び薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置などの表示装置の駆動回路は、ガラス基板上に形成された非晶質半導体膜に形成されている。ＩＴ市場の拡大により取り扱う情報は、デジタル化され、高速化されるため表示装置も高画質化が要求されている。この要求を満足する手段としては、例えば各画素を切換えるスイッチングトランジスタを結晶化半導体膜に形成することによりスイッチング速度を高速化し、高画質化を可能にする手段がある。
【０００３】
ガラス基板上に形成された非晶質シリコン層を結晶化する方法としては、エキシマレーザーアニール（ＥＬＡ：Excimer Laser Anneal）法が知られている。しかしながら、このＥＬＡ法により得られる結晶の粒径は、０．１μｍ程度であり、この結晶化された領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成した場合、１個の薄膜トランジスタのチャネル領域に多数の結晶粒界が含まれる。この結果として、この結晶化シリコンに形成された薄膜トランジスタの電界効果移動度は、２００ｃｍ２／Ｖｓであり、単結晶シリコンに形成されたＭＯＳトランジスタの電界効果移動度と比較すると大幅に劣る。
【０００４】
本発明者等は、非晶質シリコン層にレーザー光を照射することにより少なくとも１個の薄膜トランジスタのチャネル部分を形成できる程度の大きな結晶粒を形成する結晶化技術の工業化技術を開発している。単一の結晶粒内にＴＦＴを形成することは、チャネル領域内に結晶粒界が存在する従来のトランジスタと異なり、結晶粒界によるトランジスタ特性への悪影響を著しく低減できる。したがって、ＴＦＴ特性を大幅に改善することができ、プロセッサ、メモリ、センサなどの優れた特性を有する機能素子を形成することができる。このような結晶化方法として本発明者等は、例えば、非特許文献１や特許文献１などに記載された結晶化方法を提案している。
【０００５】
前者の非特許文献１には、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）／二酸化シリコン（ＳｉＯ２）キャップ膜やＳｉＯ２キャップ膜を介して非晶質シリコン膜にフルエンス０．８Ｊ／ｃｍ2の位相変調したレーザー光を照射することにより、膜に平行な方向に結晶粒をラテラル成長させ、非晶質シリコン膜を結晶化する方法が記載されている。
【０００６】
また、後者の特許文献１には、ホモジナイズした後で所望の光強度分布を有するように変調したレーザー光を、基板加熱下でＳｉＯ２キャップ膜を介して非晶質シリコン膜に照射することにより、非晶質シリコン膜の照射部を溶融させ、ラテラル方向に結晶成長させる方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３４０３７３号公報
【非特許文献１】W. Yeh and M. Matsumura; Jpn. Appl. Phys., Vol.41(2002)1909.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザー結晶化技術において、キャップ膜を用いて所望の膜厚の非晶質シリコン膜を結晶化させる際に、紫外レーザー光照射によるキャップ膜の蓄熱量を最適化して、結晶粒成長を促進させることが必要である。しかしながら、紫外光に対して上記非特許文献１のＳｉＯＮ膜では吸収係数が大きすぎ、一方で上記特許文献１のＳｉＯ２膜では吸収が小さすぎるという問題が生じる場合がある。
【０００８】
本発明者らは、酸素欠損を有する光吸収性酸化シリコン（ＳｉＯｘ，ｘ＜２．０）をキャップ膜に用いることにより、結晶粒成長を促進できることを提案している（例えば、応用物理、７５巻、７号、ｐｐ．８６６−８６９，２００６年参照）。光吸収性ＳｉＯｘ膜は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスと亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法でＳｉＯ２膜を形成する通常のＳｉＯ２膜形成工程を工夫することによって形成できる。すなわち、ＳｉＨ４ガス流量に対してＮ２Ｏ流量を減量制御することで僅かな酸素欠損を有する光吸収性ＳｉＯｘ膜（ｘ＜２．０）を形成することが可能である。
【０００９】
しかしながら、プラズマＣＶＤ法で紫外線に対する吸収係数を制御して光吸収性ＳｉＯｘ膜を形成する場合、マスフローコントローラの精度、等に起因するＳｉＨ４ガス、Ｎ２Ｏガスの流量のばらつき、プラズマの安定性、等の問題から、所望の吸収係数を有する光吸収性ＳｉＯｘ膜を再現性良く形成することが困難であることがわかってきた。
【００１０】
本発明は、レーザー結晶化における上記の点に対処してなされたものであり、再現性良く精密に制御して所望の光吸収特性を有する光吸収性キャップ膜を形成する方法、そのキャップ膜を用いて大粒径の結晶粒を有する半導体膜を得ることができる結晶化方法、及びその大結晶粒を有する半導体膜を使用した薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、以下の本発明に係る光吸収性キャップ膜の形成方法、半導体膜の結晶化方法、及び薄膜トランジスタの製造方法によって解決される。
【００１２】
本発明の１態様による光吸収性キャップ膜の形成方法、レーザー結晶化のための蓄熱効果を有する酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなる光吸収性キャップ膜の形成方法であって、二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行って半導体膜の上方に前記酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜を形成する工程を具備する。
【００１３】
本発明の他の１態様による半導体膜の結晶化方法は、非単結晶の半導体膜にレーザー光を照射して照射部を結晶化する該半導体膜の結晶化方法であって、基板の上方に前記非単結晶の半導体膜を形成する工程と、二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行って酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなるキャップ膜を前記半導体膜上に形成する工程と、前記キャップ膜を通して前記半導体膜に、逆ピークパターンの光強度分布を持つように位相変調されたレーザー光を照射して、その照射部を溶融、結晶化させる工程とを具備する。
【００１４】
本発明の他の１態様による薄膜トランジスタの製造方法は、基板の上方に非単結晶の半導体膜を形成する工程と、二酸化シリコンターゲットを用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングにより形成した酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜からなる光吸収膜を含むキャップ膜を前記半導体膜上に形成する工程と、前記キャップ膜を通して逆ピークパターンの光強度分布を持つレーザー光を前記半導体膜に照射して、その照射部を溶融、結晶化させて単結晶粒を有する結晶化半導体膜を形成する工程と、前記キャップ膜を除去し、前記結晶化半導体膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記結晶化半導体膜に導電性を与える不純物を導入して薄膜トランジスタを形成する工程とを具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、レーザー結晶化に用いるために、再現性良く精密に制御して所望の光吸収特性を有する光吸収性キャップ膜を形成する方法、そのキャップ膜を用いて大粒径の結晶粒を有する半導体膜を得ることができる結晶化方法、及びその大結晶粒を有する半導体膜を使用した薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の複数の実施形態よれば、エキシマレーザー光を用いた半導体膜の結晶化において、大粒径を有する結晶粒の結晶化を可能にする精密に制御された所望の吸収係数を有する光吸収性キャップ膜の形成方法、及びそのキャップ膜を使用した半導体膜の結晶化方法が開示される。さらに、その大結晶粒を有する結晶化半導体膜を使用した薄膜トランジスタの製造方法が開示される。
【００１７】
本発明の実施形態による光吸収性キャップ膜の形成方法は、レーザー結晶化時の蓄熱効果を目的とした所定量の酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコンからなる光吸収性キャップ膜であって、二酸化シリコンをターゲットとして用い、酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリング法にて形成することを特長とする。
【００１８】
二酸化シリコンをターゲットとしたスパッタリング法では、例えば、アルゴンガスでプラズマを生成し、ターゲット物質の束縛エネルギーより大きなエネルギーのアルゴンイオンを二酸化シリコンターゲットに衝撃させ、二酸化シリコンをターゲットから離脱させて二酸化シリコン膜を処理基板上に成膜する。その際、一般に化学量論的組成よりも酸素のようなガス成分元素が欠乏した膜が得られる（応用物理データブック２９９頁、応用物理学会編、丸善株式会社）。本発明者らは、この現象を利用して所望量の酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン膜を形成することを考えた。シリコンと酸素からなる酸素欠損を含む光吸収性キャップ酸化シリコン（ＳｉＯｘ，ｘ＜２．０）膜の光吸収特性を制御するために、スパッタリング中に酸素ガスを導入した酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより酸素欠損の量を制御することが可能となることを見出した。
【００１９】
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。
【００２０】
まず、本発明の複数の実施形態で使用するレーザー結晶化装置の一例を、図１を参照して説明する。レーザー結晶化装置１０は、レーザー光源１２、照明光学系１４、位相変調素子１６、投影レンズ１８、及び基板ステージ２０を備える。
【００２１】
レーザー光源１２は、被処理基板３０（図３参照）に設けられた非単結晶の半導体膜３３、例えば、非晶質又は多結晶半導体膜を溶融するに充分なエネルギー、例えば、１Ｊ／ｃｍ2を有するレーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、上記半導体膜３３の吸収波長感度特性に合致した紫外線レーザーであり、例えば、波長３０８ｎｍの塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光、波長２４８ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザー光等のパルスレーザー光を用いることができる。レーザー光源１２は、連続発振型又はパルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚであり、パルス幅は、半値幅で、例えば、２０ｎｓｅｃから１００ｎｓｅｃである。
【００２２】
照明光学系１４は、レーザー光源１２から射出されたエキシマレーザー光の光強度を照射領域内で一様にする機能を有し、ホモジナイザとも呼ばれる。
【００２３】
位相変調素子１６、例えば、位相シフタは、一様な光強度分布を有するレーザー光を所望の光強度分布、例えば、図２に示した逆ピークパターン、に変調する。位相シフタ１６は、例えば、規則的に配置された段差を有する石英板であり、入射するレーザー光がこの段差を挟んで逆位相になるように位相差を与える。したがって、位相シフタ１６を透過したレーザー光は、この位相シフト部で光強度がゼロになり、そこから離れるにつれて光強度が増加する逆ピークパターンの光強度分布になる。位相シフタ１６は、一次元又は二次元の光強度分布を形成することができる。
【００２４】
投影レンズ１８は、基板ステージ２０上に設置された被処理基板３０上に位相変調されたレーザー光が所望の光強度分で結像するようにレーザー光を投影する。被処理基板３０は、投影レンズ１８に関して位相シフタ１６と光学的に共役な位置に設置される。
【００２５】
図３は、被処理基板３０の断面構造の一例を示す図である。基板３１上に下地膜３２を介して半導体膜３３が設けられる。さらに、半導体膜３３上にキャップ膜３４，３５が設けられる。基板３１として、例えば、ガラス基板、シリコン基板を使用できる。ガラス基板の場合、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍのような大きさの大面積基板である。下地膜３２は、例えば、ＣＶＤ法により形成した厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。下地膜３２は、半導体膜３３を溶融させて結晶化する際に、基板３１から好ましくない不純物、例えば、ナトリウム（Ｎａ）が半導体膜３３中に拡散することを防止する。
【００２６】
半導体膜３３は、例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、脱水素処理をした非晶質シリコン膜である。膜厚は、処理基板３０の用途によって異なるが、例えば、３０ｎｍから２００ｎｍである。
【００２７】
キャップ膜は、所望の光吸収特性を有する膜で、１層でも複数層の積層構造でもよい。例えば、キャップ膜３４，３５は、半導体膜３３の結晶化の際に蓄熱層として機能し、半導体膜３３の結晶粒が大粒径に成長することを促進する。第１のキャップ膜３４は、例えば、ＣＶＤ法により形成した厚さ３０ｎｍのＳｉＯ２膜である。第２のキャップ膜３５は、光吸収性ＳｉＯｘ膜（ｘ＜２．０）であり、その詳細を以下に詳しく説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、酸素欠損を含み、所望の光吸収特性を有する光吸収性ＳｉＯｘキャップ膜の形成方法である。本実施形態による光吸収性ＳｉＯｘ膜（ｘ＜２．０）は、二酸化シリコンをターゲットとして用い、所定の酸素分圧に制御した雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより形成される。
【００２９】
上記のように、一般的なＳｉＯ２膜の形成法であるプラズマＣＶＤを変形して光吸収性ＳｉＯｘ膜を形成した場合には、光吸収特性のばらつきが大きく、キャップ膜とし使用することには、問題がある。別のＳｉＯ２膜の形成方法として、ＳｉＯ２をターゲットとして使用する反応性スパッタリングが知られている。酸素を含まない雰囲気中で反応性スパッタリングを行った場合には、酸素欠損が多く良好なＳｉＯ２膜を形成できない。このため、半導体等に使用するＳｉＯ２膜を形成するために、通常、酸素雰囲気中で反応性スパッタリングを行っている。
【００３０】
本発明者らは、酸素分圧が１５％以下の低酸素分圧雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより、キャップ層として好ましい所望の光吸収特性を有する光吸収性ＳｉＯｘ膜を再現性良く形成できることを見出した。
【００３１】
ここで、光吸収性ＳｉＯｘ膜の膜組成やエキシマレーザー光に対する光吸収性ＳｉＯｘ膜の光吸収係数を直接測定することは、容易ではない。そのため、本実施形態では光吸収係数に比例する消衰係数を用いて評価した。消衰係数は、分光エリプソメトリにより容易に高精度で測定することができる。光吸収係数（α）と消衰係数（ｋ）との関係は、次式で表されることが知られている。
【００３２】
α＝４πｋ／λ                                            式（１）
ここで、λは、光の波長であり、ＸｅＣｌエキシマレーザーの場合、３０８ｎｍである。
【００３３】
図４は、ＳｉＯ２をターゲットとして用い、雰囲気のアルゴン（Ａｒ）ガス中に酸素ガス（Ｏ２）を導入して反応性スパッタリングにより形成した光吸収性酸化シリコン膜の消衰特性を示す図である。図の横軸は、雰囲気ガス中の酸素の比率（酸素分圧）（Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２））であり、縦軸は、形成された光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数ｋである。酸素分圧が２０％以上の領域では、膜の消衰係数は０．００２以下となり、形成される膜が、ほぼＳｉＯ２の構造を有することが示される。これに対して、酸素分圧が１５％以下の領域では、消衰係数の値は、酸素分圧の減少とともに０．００２から０．０４へと増加する。したがって、反応性スパタリング中の酸素分圧を制御することによって、光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数を０．００２から０．０４の間で所望の値に制御することが可能であることが分かった。すなわち、酸素ガスを導入しないでＡｒガスのみでスパッタリングを行った場合には、形成された光吸収性酸化シリコン膜は、導入される多量の酸素欠損により大きな光吸収係数を持ち、消衰係数の値として０．０４の膜が形成される。
【００３４】
レーザー結晶化の際の蓄熱を目的とした光吸収性キャップ膜３５は、結晶化を行う半導体膜３３の膜厚によって光吸収性キャップ膜３５の膜厚、消衰係数を変化させる必要がある。半導体膜３３が非晶質シリコン膜で膜厚が１００ｎｍ以下の場合には、光吸収性キャップ膜３５の消衰係数を概ね０．０１から０．００５の範囲に制御することにより、最も結晶粒径を大きくできることが見出された。この消衰係数を有する光吸収性酸化シリコン（ＳｉＯｘ，ｘ＜２．０）膜は、酸素分圧を５％から１０％の範囲に制御して反応性スパッタリングを行うことにより形成できる。このように、反応性スパッタリングによる光吸収性ＳｉＯｘ膜の光吸収特性制御、すなわち組成制御は、簡便でかつ、制御性が良いと言える。
【００３５】
次に、所望の消衰係数を有する光吸収性酸化シリコン膜の形成例を示す。ここでは、消衰係数が０．００９の光吸収性酸化シリコン膜を形成した。形成条件は、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を有するマグネトロンスパッタ装置（図示せず）を用い、基板温度を３００℃、成膜室の到達真空度を１×１０−４Ｐａとした。その後、４０ｓｃｃｍのＡｒガス、３．５ｓｃｃｍのＯ２ガスを成膜室に導入し、圧力を１．２Ｐａになるように排気側のコンダクタンスを調整した。５分間放置した後、８００Ｗの出力でスパッタ成膜を行った。分光エリプソメータを用いて形成された光吸収性酸化シリコン膜を解析し、消衰係数を算出したところ目標値の０．００９であった。再現性を調べるために１０回同じ操作を繰り返した結果、消衰係数とそのばらつきは、０．００９±０．００１以下であった。
【００３６】
このように、酸素分圧を制御した雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより、所望の消衰係数を有する酸素欠損を含む光吸収性酸化シリコン（ＳｉＯｘ、ｘ＜２．０）膜を再現性良く形成できることが示された。
【００３７】
ここで、比較例として、一般的なプラズマＣＶＤ法により光吸収性酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）を形成した場合を例示する。ここでは、ＶＨＦ(６０ＭＨｚ)、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの混合プラズマから光吸収性ＳｉＯｘ膜を形成した。この際、光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数が上記と同じ０．００９付近になるようにＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合比を決めて成膜を複数回繰り返した。このときの成膜条件は、ＳｉＨ４ガス１０５ｓｃｃｍ、Ｎ２Ｏガス３９５ｓｃｃｍ、電極間隔２．５ｍｍ、成膜圧力１５０Ｐａ、ＲＦ出力６００Ｗである。このようして形成した光吸収性酸化シリコン膜の消衰係数を分光エリプソメータで求めると、０．１６０から０．００４の間でばらつきが生じた。このように、プラズマＣＶＤ法による光吸収性酸化シリコン膜の形成は、制御性が悪く、所望の消衰係数を有する光吸収性酸化シリコン膜を再現性良く形成できないことを確認した。
【００３８】
これまでに説明したように、本実施形態により、酸素欠損を有し、所望の消衰係数（すなわち、光吸収係数）を有する光吸収性ＳｉＯｘキャップ膜は、１５％以下の所定の酸素分圧に制御した雰囲気中で反応性スパッタリングを行うことにより再現性良く形成できる。
【００３９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、大粒径を有する半導体膜の結晶化法であり、第１の実施形態にしたがって形成した酸素欠損を有し、所望の消衰係数（光吸収係数）を有する光吸収性ＳｉＯｘキャップ膜（ｘ＜２．０）を備えた被処理基板を用いる。
【００４０】
本実施形態に用いる被処理基板の断面構造の一例は、図３に示されたものである。この被処理基板３０は、以下のように形成することができる。
【００４１】
最初に、石英基板３１上に、例えば、１μｍの膜厚の下地ＳｉＯ２膜３２を例えば、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスとの混合ガスを用いて形成した。下地Ｓｉ２膜３２上に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ４とＨ２との混合ガスを用いて非晶質シリコン膜３３を１００ｎｍの膜厚で形成した。引き続き真空中でその上にＳｉＨ４ガスとＮ２Ｏガスの混合プラズマにより第１のキャップ膜（ＳｉＯ２膜）３４を３０ｎｍの膜厚で形成した。その後、上記の第１の実施形態の方法で、４００ｎｍの膜厚の光吸収性の第２のキャップ膜（ＳｉＯｘ膜）３５を形成した。すなわち、ＳｉＯ２ターゲットを使用し、酸素分圧が１％から１５％の雰囲気中で反応性スパッタリングを行った。スパッタリング条件は、形成される光吸収性ＳｉＯｘ膜３５の消衰係数が０．００９になるように酸素分圧を調整した。そして６００℃，２時間の脱水素工程の後に結晶化を行った。
【００４２】
結晶化は、位相変調エキシマレーザーアニール（Phase Modulated Excimer Laser Anneal）により行ない、例えば、図１の構成のようなレーザー結晶化装置１００を使用した。用いたＸｅＣｌエキシマレーザー光は、波長３０８ｎｍ、エネルギー密度４５０ｍＪ/ｃｍ2である。エキシマレーザー光を、位相シフタ１６を介して、例えば、図２に示した光強度分布に変調して、半導体膜３３に照射した。
【００４３】
結晶化したシリコン膜３３の結晶性をＳｅｃｃｏエッチングにより評価したところ、結晶粒長８μｍの大結晶粒の結晶化シリコン膜３３が得られたことが確認された。
【００４４】
結晶粒の大きさ及び形状は、エキシマレーザー光の逆ピーク光強度分布の２次元配置を変える、すなわち、位相シフタの設計によっても制御することができる。図５は、横方向に５μｍ間隔で、縦方向に１０μｍ間隔でエキシマレーザー光の逆ピークパターンが配置されるように設計した位相シフタを用いて結晶化した場合の結晶粒３３ｘの分布を示す図である。破線で囲まれた部分が１つの結晶粒３３ｘになり、幅５μｍ、長さ５μｍの五角形のホームベース状の大粒径結晶粒３３ｘが形成されていることが示される。結晶粒３３ａは、光強度が最も弱い部分Ａから結晶成長を開始し、エキシマレーザー光の光強度分布、すなわち半導体膜の温度分布にしたがって周囲へ成長（ラテラル成長）して延びる。Ａ点周囲の光強度分布は、図の横方向よりも縦方向の方が緩やかであるため、横方向のＡ点間では、他の結晶核が発生し易い。そのため結晶粒３３ａは、縦方向へと斜めに広がりながら大きく成長することになる。点Ｂで隣接する結晶粒３３ｂとぶつかるためここに粒界３３Ｇができ、その後結晶粒３３ａは、縦方向に成長する。線Ｃのところで反対側から成長してくる結晶粒３３ｄとぶつかり合って、結晶粒成長は、終了する。その結果、図６に示されたようなほぼ五角形のホームベース状の結晶粒になる。
【００４５】
本実施形態のように半導体膜３３が非晶質シリコン膜であり、膜厚が１００ｎｍの場合に、光吸収性の第２のキャップ（ＳｉＯｘ）膜３５の消衰係数と得られる結晶粒長との関係を図６に示す。光吸収性ＳｉＯｘ膜３５の消衰係数が０．００７付近で結晶粒長が約９μｍと最大になり、消衰係数が０．０１を超えるあたりから急激に結晶粒長は小さくなる。この結果から大粒径結晶を得るためには蓄熱のための光吸収性キャップ膜３５の消衰係数を精度良く制御することが効果的であることがわかる。すなわち、第２のキャップ（ＳｉＯｘ）膜３５の消衰係数を０．００２から０．０１５の範囲に制御する、より好ましくは、０．００５から０．０１の範囲に制御することが効果的である。ＸｅＣｌエキシマレーザー光に対してこの消衰係数を有する光吸収性ＳｉＯｘ膜は、反応性スパッタリング時の酸素分圧を１％から１５％の間で、さらに好ましくは５％から１０％の間で制御することによって生成できる。
【００４６】
上記は、１つの実施例であり、結晶化させる半導体膜３３の膜厚、及び使用するエキシマレーザー光の波長に応じて、最適な光吸収性キャップＳｉＯｘ膜の膜厚は変化するが、光吸収性キャップＳｉＯｘ膜の消衰係数は、エキシマレーザー光の光吸収特性を考慮して、上記の範囲に制御することが好ましい。結晶化させる半導体膜３３の膜厚、光吸収性キャップ膜３５の光吸収係数及び膜厚を適切に制御することにより、３０μｍに達する結晶粒を形成することができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＳｉＯ２ターゲットを使用し、反応性スパッタリン時の酸素分圧を制御することによって、所望の消衰係数を有するキャップ光吸収性ＳｉＯｘ膜を形成できる。この光吸収性キャップＳｉＯｘ膜を使用してＰＭＥＬＡ結晶化を行うことにより、大粒径、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下、の結晶粒を有する半導体膜を形成することが可能な半導体膜の形成方法を提供することができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法である。本実施形態では、第２の実施形態にしたがって形成した結晶化半導体膜の大きな結晶粒上にＴＦＴのチャネル領域を製造する。これによって、優れた特性を有し、ばらつきの少ないＴＦＴを製造することが可能になる。
【００４９】
図７は、本実施形態によるＴＦＴ４０と、使用する大粒径の結晶化半導体膜３３の結晶粒との関係を説明するために示す図である。図の横方向に３個のホームベース状の結晶粒３３ａ，３３ｂ，３３ｃが形成されている。図８は、本実施形態によるＴＦＴの構造の一例を説明する斜視図である。ＴＦＴのアクティブ領域４２は、結晶粒３３ｂを中心として３個の結晶粒３３ａ，３３ｂ，３３ｃを横切るように形成される。ゲート電極４６は、中央の結晶粒３３ｂの幅の内部に位置合わせして形成される。このように、ＴＦＴのチャネル領域は、１個の結晶粒３３ｂの範囲内に形成され、結晶粒界はチャネル領域内に存在しない。したがって、従来のＴＦＴのように、小さな結晶粒の半導体膜を使用する場合のような、チャネル領域の電界移動度の低下、リーク電流の増大等の問題を解決できる。
【００５０】
次に、図９に示したフローチャートを参照して、本実施形態による薄膜トランジスタ４０の製造方法を説明する。
【００５１】
まず、薄膜トランジスタ４０の出発材料となる半導体基板３０を形成する。工程３０２において、図３に示したように、基板３１、例えば、ガラス基板上に下地膜３２を介して半導体膜３３、例えば、非晶質シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成する。半導体膜３３は、例えば、１００ｎｍの膜厚に形成される。基板３１は、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍの大きさの大面積を有するガラス基板である。下地膜３２は、例えば、ＣＶＤ法により形成した厚さ１μｍのＳｉＯ２膜である。
【００５２】
工程３０４において、半導体膜３３の表面にキャップ膜３４，３５を形成する。第１のキャップ膜３４は、例えば、ＣＶＤ法により形成した厚さ３０ｎｍのＳｉＯ２膜である。第２のキャップ膜３５は、第１の実施形態で説明したように、ＳｉＯ２をターゲットとして用い、所定の酸素分圧に制御した雰囲気中で反応性スパッタリングにより形成した酸素欠損を有する光吸収性ＳｉＯｘ膜（ｘ＜２．０）である。ＸｅＣｌエキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）に対する光吸収性ＳｉＯｘ膜の消衰係数は、０．００９である。
【００５３】
工程３０６において、例えば、図１に示した結晶化装置により、位相シフタ１６を用いて所望の光強度分布に変調した、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を上記キャップ膜３４，３５を通して半導体膜３３に照射し、半導体膜３３を溶融、結晶化する。第２の実施形態で説明したように、この結晶化時に光吸収性の第２のキャップ（ＳｉＯｘ）膜３５の優れた蓄熱効果によって、結晶粒は、５μｍ以上の粒長を有する大結晶粒に成長する。この結晶粒は、レーザー光の光強度分布にしたがって、半導体膜３３中に規則的に配置される。
【００５４】
工程３０８において、ＴＦＴ４０のデバイス領域４２の形状に半導体膜３３をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングする。このとき、図７を参照して説明したように、ＴＦＴ４０のチャネル領域５０が結晶粒界３３Ｇを横切らないようにデバイス領域４２を残し、それ以外の領域を除去するようにパターニングする。
【００５５】
デバイス領域４２のパターニング前又は後に、ＴＦＴ４０のしきい値を調整するために不純物（ドーパント）、例えば、ボロン（Ｂ）を添加することができる。添加する不純物濃度は、例えば、２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。
【００５６】
工程３１０において、半導体膜３３上のキャップ膜３４，３５を除去した後、全面にゲート絶縁膜４４を形成する。ゲート絶縁膜４４として、例えば、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ膜）を使用することができる。
【００５７】
工程３１２において、ゲート絶縁膜４４の上に導電性膜のゲート電極用の材料４６を堆積する。ゲート電極用材料４６として、例えば、リン（Ｐ）若しくはヒ素（Ａｓ）等を高濃度に添加したｎ＋多結晶シリコンあるいはタングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等を主成分とする導電性材料を使用することができる。このゲート電極用材料４６をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングして、ゲート電極４６を形成する。ゲート電極４６下のデバイス領域４２がＴＦＴ４０のチャネル領域５０になるため、ゲート電極４６が、半導体膜３３の結晶粒界３３Ｇを横切らないようにパターニングすることが重要である。
【００５８】
工程３１４において、ゲート電極３６をマスクとしてｎ型不純物、例えば、砒素（Ａｓ）を半導体膜３３にイオン注入して、ソース／ドレイン４８を形成する。
【００５９】
その後、工程３１６において、図示していないが層間絶縁膜、配線等を形成して、本実施形態の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を完成する。
【００６０】
このようにして形成したＴＦＴのチャネル領域の電界効果移動度は、単結晶シリコン薄膜に形成したＴＦＴの電界効果移動度とほぼ同等であった。すなわち、ＴＦＴのスイッチング特性を向上させることができる。さらに、ソース−ドレイン間のリーク電流も小さく良好な特性を有することが確認された。
【００６１】
以上説明してきたように、ＳｉＯ２ターゲットを用い酸素濃度を制御した酸素分圧雰囲気ガス中での反応性スパッタリング法により、僅かな酸素欠損状態の光吸収性酸化シリコン（ＳｉＯｘ，ｘ＜２．０）膜を制御性良く形成することが可能となる。これにより、光吸収性ＳｉＯｘ膜の消衰係数が非常に小さい領域で消衰係数（光吸収係数）を所望の値に制御した光吸収性ＳｉＯｘ膜を再現性良く得ることができる。さらに、レーザー結晶化を行う際に、消衰係数を精密に所望の値に制御した光吸収性ＳｉＯｘ膜を光吸収膜（キャップ膜）として用いることにより、結晶粒のラテラル成長距離を大幅に促進することができ、大粒径の結晶粒を緻密に形成することができる。その上、この大粒径の結晶粒を有する半導体膜に薄膜トランジスタを形成することによって、薄膜トランジスタのスイッチング特性、リーク特性、等を向上させることができる。
【００６２】
このように、本発明の複数の実施形態によれば、レーザー結晶化に用いるために、再現性良く精密に制御して所望の光吸収特性を有する光吸収性キャップ膜を形成する方法、そのキャップ膜を用いて大粒径の結晶粒を有する半導体膜を得ることができる結晶化方法、及びその大結晶粒を有する半導体膜を使用した薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。
【００６３】
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、種々の変形を行って実施することができる。それゆえ、本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明の複数の実施形態で使用するレーザー結晶化装置の一例を説明するために示す図である。
【図２】図２は、本発明の複数の実施形態で使用するレーザー光の光強度分布の一例を説明するために示す図である。
【図３】図３は、本発明の複数の実施形態で使用する被処理基板の断面構造の一例を説明するために示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態による酸素欠損を有する光吸収性酸化シリコン膜の消衰特性の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態による結晶化半導体膜の結晶粒分布の一例を示す図である。
【図６】図６は、第２の実施形態による光吸収性キャップ膜の消衰係数と結晶化半導体膜の結晶粒長との関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態による半導体膜中の結晶粒と薄膜トランジスタの位置関係の一例を説明するために示す図である。
【図８】図８は、第３の実施形態による薄膜トランジスタの構造の一例を説明する斜視図である。
【図９】図９は、第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法の一例を説明するために示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０…レーザー結晶化装置，１２…レーザー光源，１４…照明光学系，１６…位相変調素子，１８…投影レンズ，２０…基板ステージ，３０…被処理基板，３１…基板上，３２…下地膜，３３…半導体膜，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ…結晶粒，３４…第１のキャップ膜，３５…第２の光吸収性キャップ膜，４０…薄膜トランジスタ，４２…アクティブ領域，４４…ゲート絶縁膜，４６…ゲート電極，４８…ソース／ドレイン，５０…チャネル領域。
【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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【図８】
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【図９】
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