(57)【要約】【課題】均一性および生産性が高く、かつ特性が良い多結晶半導体膜が得られる多結晶半導体膜の製造方法および薄膜トランジスタの製造方法を提供する。また、このためのパルスレーザアニール装置を提供する。【解決手段】絶縁体上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、前記非晶質半導体膜に、パルスレーザと、連続波レーザと、を照射して溶融再結晶化させて多結晶半導体膜を形成する多結晶半導体膜形成工程と、を備えることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法を提供する。また、これを用いた薄膜トランジスタの製造方法を提供する。また、パルスレーザを出力するパルスレーザ発振器と、連続波レーザを照射する連続波レーザ発振器と、前記パルスレーザと前記連続波レーザとを整形して絶縁体上の非晶質半導体膜の同一部分に照射させる光学系と、を備えることを特徴とするパルスレーザアニール装置を提供する。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、
前記非晶質半導体膜に、パルスレーザと、連続波レーザと、を照射して溶融再結晶化させて多結晶半導体膜を形成する多結晶半導体膜形成工程と、
を備えることを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記多結晶半導体膜形成工程において、前記連続波レーザを、前記パルスレーザが絶縁基板に照射されているときは振幅が小さく、前記パルスレーザが前記絶縁基板に照射されていないときは振幅が大きくなるように振幅を変調して、照射することを特徴とする請求項１記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項３】
能動層が多結晶シリコン膜から作られている薄膜トランジスタの製造方法であって、
絶縁基板上に非晶質シリコン膜を形成する非晶質シリコン膜形成工程と、
前記非晶質シリコン膜に、パルスレーザと、連続波レーザと、を照射して溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する多結晶シリコン膜形成工程と、
を備えることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記多結晶シリコン膜形成工程において、前記連続波レーザを、前記パルスレーザが絶縁基板に照射されているときは振幅が小さく、前記パルスレーザが前記絶縁基板に照射されていないときは振幅が大きくなるように振幅を変調して、照射することを特徴とする請求項３記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記パルスレーザが、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦを用いたエキシマレーザであり、前記連続波レーザが、Ａｒイオンレーザであることを特徴とする請求項３または４記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の薄膜トランジスタを用いて構成された表示装置。
【請求項７】
パルスレーザを出力するパルスレーザ発振器と、
連続波レーザを照射する連続波レーザ発振器と、
前記パルスレーザと前記連続波レーザとを整形して絶縁体上の非晶質半導体膜の同一部分に照射させる光学系と、
を備えることを特徴とするパルスレーザアニール装置。
【請求項８】
前記連続波レーザの振幅を、前記パルスレーザが絶縁基板に照射されているときは小さく、前記パルスレーザが前記絶縁基板に照射されていないときは大きくなるように変調する振幅変調器をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のパルスレーザアニール装置。
【請求項９】
前記パルスレーザが、ＸｅＣｌ、ＫｒＦまたはＡｒＦを用いたエキシマレーザであり、前記連続波レーザが、Ａｒイオンレーザであることを特徴とする請求項７または請求項８記載のパルスレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶半導体膜の製造方法、トランジスタの製造方法、表示装置およびパルスレーザアニール装置、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精細の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）や、周辺回路を同一基板上に形成した駆動回路一体型の小型の液晶ディスプレイを製造する目的で、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ｐｏｌｙ−Ｓｉ　ＴＦＴ：Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が研究されている。この多結晶シリコン薄膜トランジスタは、ガラスや石英等の絶縁基板上に、電界効果移動度が高い多結晶シリコンからなる能動層が形成された構造である。この多結晶シリコンは、まず絶縁基板上にＣＶＤ法により非晶質シリコン層が形成され、次にこの非晶質シリコン層が再結晶化されて得られる。この多結晶シリコン薄膜トランジスタの様々な製造方法が研究されている。なかでもレーザアニール法は、ビーム形状をライン状にすることで、大面積基板上の大面積の非晶質シリコンを容易に再結晶化することができるため、盛んに研究が行なわれている。
【０００３】
このレーザアニール法では、非晶質シリコン層にパルスレーザを照射し、非晶質シリコンを融点まで加熱した後、冷却して結晶化し、多結晶シリコンを得る。ここでパルスレーザとしては、主に、ＸｅＣｌ（発振波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（発振波長２４９ｎｍ）、ＡｒＦ（発振波長１９３ｎｍ）等を用いた紫外域の波長のエキシマレーザが用いられている。このようにエキシマレーザが用いられるのは、パワーが大きいこと、および、非晶質シリコンの光吸収が紫外域の波長で大きいために非晶質シリコンのみを融点まで加熱し基板にダメージを与えないこと、からである。
【０００４】
このレーザアニールにより得られる多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性は、主に、多結晶シリコンの結晶粒界に存在する欠陥、結晶粒界に偏析した不純物、または結晶粒内に存在する双晶などの結晶欠陥により制限されることが知られている。従って、高特性の薄膜トランジスタを製造するためには、多結晶を大結晶化して結晶粒界を少なくすること、１つ１つの多結晶の結晶粒の結晶性を向上させることが重要となる。このため、レーザアニール法では、大パワーのエキシマレーザを照射して、多結晶を大結晶化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のパルスレーザを用いたレーザアニール法で、均一性や生産性を低下させることなく、従来よりもさらに特性が良い多結晶シリコン薄膜トランジスタを得られれば、液晶表示装置等に有効に用いることができるのは明らかである。一般に、特性が良い多結晶シリコンを形成する方法の１つとして、冷却により再結晶化の速度を遅くして、溶融再結晶時間を出来るだけ長くし、多結晶シリコンの各結晶をさらに大結晶化することが有効な手段であると考えられている。しかしながら、レーザアニール法で、このように溶融結晶時間を長くする方法を用いることは、極めて困難である。
【０００６】
すなわち、レーザアニール法において、溶融結晶時間を長くして多結晶シリコンを大結晶化するための方法として、例えば、基板全体を高温に加熱しながら非晶質シリコンにエキシマレーザを照射する方法が提案されている。しかしながら基板全体を加熱する方法の場合、基板加熱用のヒーターやサセプターを保護するために、アニールする雰囲気を真空にする必要がある。ところが、真空雰囲気中でアニールを行なうと、非晶質シリコン膜に含まれている水素で溶発（アブレーション）したシリコン原子や、溶融している間に蒸発したシリコン原子が、レーザ光をアニール室内に導波するための窓の内側に真空蒸着され、徐々にレーザ光の透過率が低下してしまう。これにより、駆動回路一体型ＴＦＴ−ＬＣＤを製造するのに十分な多結晶シリコン膜を製造するためのエネルギーが、基板まで到達しなくなるおそれがある。このため、アニール室の窓を頻繁に交換しないと、基板内、基板間で結晶性が異なってしまい、特性のバラツキを大きくなって、均一性や再現性が低下してしまう。また、レーザ光の透過率を維持するために頻繁にアニール室の窓を交換すれば、装置の稼働率を著しく低下させ、生産性が低下してしまう。このように、レーザアニール法において、基板全体をヒーターにより加熱すると、生産性、均一性、再現性に問題が生じてしまうことが避けられない。
【０００７】
また、基板を加熱する方法では、基板へのダメージの観点からも問題が生じる。すなわち、液晶表示装置では、ガラス基板が多く用いられているが、このガラス基板は、よく知られているように、Ｓｉ基板等に比べて熱に弱い。このため、基板を加熱した場合、基板のダメージが大きくなるために、できあがった多結晶シリコンの特性が逆に低下してしまうおそれがある。
【０００８】
このように、レーザアニール法で、得られる結晶の品質の均一性や生産性を低下させることなく、従来のレーザアニール法よりもさらに特性が良い多結晶シリコンを得ることは極めて困難である。
【０００９】
本発明は、このような点を鑑みなされたものであり、その目的は、均一性および生産性が高く、かつ特性が高い多結晶シリコンが得られる多結晶半導体膜の製造方法および薄膜トランジスタの製造方法を提供することである。また、このような製造方法に用いるパルスレーザアニール装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の多結晶半導体膜の製造方法は、絶縁体上に非晶質半導体膜を形成する非晶質半導体膜形成工程と、前記非晶質半導体膜に、パルスレーザと、連続波レーザと、を照射して溶融再結晶化させて多結晶半導体膜を形成する多結晶半導体膜形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、能動層が多結晶シリコン膜から作られている薄膜トランジスタの製造方法であって、絶縁基板上に非晶質シリコン膜を形成する非晶質シリコン膜形成工程と、前記非晶質シリコン膜に、パルスレーザと、連続波レーザと、を照射して溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する多結晶シリコン膜形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のパルスレーザアニール装置は、パルスレーザを出力するパルスレーザ発振器と、連続波レーザを照射する連続波レーザ発振器と、前記パルスレーザと前記連続波レーザとを整形して絶縁体上の非晶質半導体膜の同一部分に照射させる光学系と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の特徴の１つは、レーザアニールにおいて、パルスレーザであるエキシマレーザと連続波（Ｃ．Ｗ．：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）レーザであるＡｒイオンレーザを併用する点にある。これにより、非晶質シリコン膜（図２の３０）の溶融再結晶時間を長くし、特性が高い多結晶シリコン膜（図２の３２）を得ることができる。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態によって得た薄膜トランジスタを示す図である。無アルカリガラスからなる絶縁基板１０上には、ＳｉＮとＳｉＯ２からなるアンダーコート膜２０が形成されている。このアンダーコート膜２０上には、多結晶シリコン膜（多結晶半導体膜）からなる能動層３３が形成されている。能動層３３は、イオンがドーピングされたソース・ドレイン領域３４、３６と、その間のチャネル領域３５とを含む。この能動層３３は、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜４０で覆われ、このゲート絶縁膜４０上に、ゲート電極５０が形成されている。このゲート電極５０は、さらに、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜６０で覆われている。この層間絶縁膜６０には、エッチングによりコンタクト・ホールが形成され、このコンタクト・ホールを介して、ソース・ドレイン領域３４、３６に接続するソース・ドレイン電極７０が形成されている。
【００１５】
次に、図１の薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態としての薄膜トランジスタの製造方法を示す図である。なお、この製造方法では、４００ｍｍ×５００ｍｍ程度の大型基板上に多数の薄膜トランジスタを製造する場合を例にとったものである。図２は、このうちの１つの薄膜トランジスタを拡大した断面図である。
【００１６】
（１）まず、図２（ａ）に示すように、無アルカリガラスからなる絶縁基板（絶縁体）１０上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮとＳｉＯ２膜からなるアンダーコート層２０を形成し、その上に非晶質シリコン膜（非晶質半導体膜）３０を形成する。この非晶質シリコン膜３０は、後述のレーザアニールが容易なように、５０ｎｍの薄膜としている。その後、５００℃、１時間のアニールを行い、非晶質シリコン膜３０内の水素濃度を低減させる。
【００１７】
（２）次に、図２（ｂ）に示すように、基板を走査させながら、パルスレーザであるエキシマレーザと、Ｃ．Ｗ．レーザであるＡｒイオンレーザと、を非晶質シリコン３０に照射し、レーザアニールを行って、多結晶シリコン膜３２を形成する。
【００１８】
（３）次に、多結晶シリコン膜３２を島状にパターニングして、図２（ｃ）に示すように、能動層３３を形成する。そして、この能動層３３上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜４０を形成する。
【００１９】
（４）次に、ゲート絶縁膜４０上に、ＭｏやＴａ等の高融点金属あるいはドープした多結晶シリコンを形成してパターニングし、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極５０を形成する。そして、このゲート電極５０をマスクとして、イオンドーピング法によりドーパントを打ち込み、自己整合的にソース・ドレイン領域３４、３６を形成する。その後、図１から分かるように、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜６０を形成し、ソース・ドレイン領域３４、３６のコンタクト・ホールを形成した後、Ａｌからなるソース・ドレイン電極７０をスパッターにより形成し、パターニングを行い、図１の多結晶シリコン薄膜トランジスタが得られる。
【００２０】
以上説明した図２の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法では、図２（ｂ）のレーザアニール法による多結晶シリコン３２の形成工程に特長を有している。そこで、次に、このレーザアニール法による多結晶シリコン膜形成工程について、図３〜図６を用いて詳しく説明する。
【００２１】
図３は、非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜とするためのパルスレーザアニール装置を模式的に示している。この装置は、基板ステージ１を備える。この基板ステージ１には、非晶質シリコン膜３０が形成された絶縁基板１０が配置され、配置された前記絶縁基板１０は図中矢印の方向に移動される。これにより、後述のように、非晶質シリコン膜３０が２種類のレーザ光によって走査されることになる。また、この装置は、パルスレーザを出力するパルスレーザ発振器２を備える。このパルスレーザ発振器２からのパルスレーザは、光学系３、４、５によって整形され、非晶質シリコン膜３０の焦点面に照射される。より詳しくは、パルスレーザ発振器２から出力されたパルスレーザビームは、ビームホモジナイザ３でライン状に整形され、折り返しミラー４によって反射されて、投影レンズ５を介して、非晶質シリコン３０の焦点面に照射される。パルスレーザビームとしては、本実施形態ではエキシマレーザを用いている。さらに、図３のパルスレーザ装置では、このパルスレーザ発振器２に加え、上記の焦点面に向けてＣ．Ｗ．レーザ（連続波レーザ）を照射するＣ．Ｗ．レーザ系９０を備えている。Ｃ．Ｗ．レーザとしては、Ａｒイオンレーザを用いている。より詳しくは、図４に示すように、Ｃ．Ｗ．レーザ発振器９１から出力され、長軸ホモジナイザ９２によりライン状に整形され、折り返しミラー４によって反射されて、投影レンズ５を介して、上記の焦点面に照射される。このように、図３の装置では、パルスレーザ発振器２からのパルスレーザと、連続波レーザ発振器９１からの連続波レーザと、が光学系３、４、５、９２により整形されて絶縁体１０上の非晶質半導体膜３０の同一部分に照射される。
【００２２】
上記の図３のパルスレーザアニール装置では、結晶化は、基板１０を走査させながら、パルスレーザを１か所当たり２０回照射して行う。照射雰囲気は常圧の窒素である。ただし、窒素中に微量の酸素を混合させた雰囲気でも、また、窒素の代わりに水素、ヘリウム、アルゴンなどでもかまわない。また処理室の圧力は、陽圧状態または減圧状態であってもよい。
【００２３】
上記の図３のパルスレーザ装置における、パルスレーザ発振器２からのエキシマレーザ、およびレーザ系９０（連続波レーザ発振器９１）からのＣ．Ｗ．レーザ、の照射のタイミングチャートを図５に示す。Ｃ．Ｗ．レーザは、パルスレーザが絶縁基板１０に照射されているときは振幅が小さく、パルスレーザが絶縁基板１０に照射されていないときは振幅が大きくなるように振幅を変調して、照射される。このような変調を行うことにより、後述のように、特性が高い多結晶シリコン３２を得ることができる。
【００２４】
以上説明した図３のパルスレーザアニール装置を用いたレーザアニールでは、パルスレーザ発振器２からのエキシマレーザに加えて、レーザ系９０（連続波レーザ発振器９１）からのＣ．Ｗ．レーザを照射したので、非晶質シリコン膜３０の溶融再結晶時間を長くして、結晶粒径が大きく特性が高い多結晶シリコン膜３２を得ることができる。また、このＣ．Ｗ．レーザを、図５のように変調して照射することにより、さらに特性が高い多結晶シリコン膜３２を得ることができる。以下、連続波レーザ９０の照射方法を変化させた比較例を参照にしつつ、図６、図７を参照にして、説明する。
【００２５】
図６は、Ｃ．Ｗ．レーザの振幅変調を行った場合（本実施形態）、Ｃ．Ｗ．レーザを一定にして振幅変調を行わなかった場合、およびＣ．Ｗ．レーザなしの場合により得られた多結晶シリコン膜３２の平均結晶粒径を示す図である。横軸はＣ．Ｗレーザの照射エネルギーを、縦軸は多結晶シリコン膜３２の平均結晶粒径を、それぞれ示している。図６から、Ｃ．Ｗ．レーザなしの場合に比べ、Ｃ．Ｗ．レーザを照射することで、多結晶シリコン膜３２の特性を良くできることが分かる。これは、Ｃ．Ｗ．レーザが照射されている場所が、通常の場所に比べ基板温度が高い状態で保持され、溶融再結晶化のための時間が長くなるために、大きな結晶粒径の成長が可能となるからである。
【００２６】
また、本実施形態のようにＣ．Ｗ．レーザの振幅変調を行うことで、Ｃ．Ｗ．レーザ一定の場合に比べて、高エネルギー側にマージンを広げることができることが分かる。これは、Ｃ．Ｗ．レーザの振幅を常に一定で照射していると、パルスレーザの照射により溶融している非晶質シリコン膜３０の中で、Ｃ．Ｗ．レーザが当たっているところだけ温度が高くなりすぎ、その場所に過冷却による微小結晶ができてしまうからであると解析される。つまり、本実施形態では、Ｃ．Ｗ．レーザの振幅変調を行うことで、部分的な微小結晶の発生を抑制し、パルスレーザの照射エネルギーマージンを確保することができる。
【００２７】
図７は、本実施形態の製造方法（Ｃ．Ｗレーザあり）により得られた図１の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と、Ｃ．Ｗレーザなしの従来の方法により得られた薄膜トランジスタと、の電気的特性比較を示す図である。本実施形態（Ｃ．Ｗ．レーザあり）では、Ｃ．Ｗ．レーザなしの場合に比べて、移動度、しきい値、Ｓ−ｆａｃｔｏｒの諸特性が、Ｃ．Ｗ．なしのものより改善されている。これは、Ｃ．Ｗ．の照射により大きな結晶が成長し、結晶粒界および結晶粒内での欠陥が低減されていることを示している。また、この特性から、本実施形態で得られた薄膜トランジスタでは、ガラス基板１０へのダメージが少なく、基板ダメージによる特性の悪化がほとんど起こっていないことが分かる。また、本実施形態の製造方法では、基板を加熱するためのヒータなどの装置が必要ないため、照射雰囲気を真空にする必要もなく、装置の稼働率を下げることもない。また、真空にすることによる均一性および生産性の低下も起こらない。
【００２８】
以上のように、本実施形態では、エキシマレーザに加えて、波長変調を加えたＣ．Ｗ．レーザを照射することにより、高い均一性および高い生産性で、高い特性の多結晶シリコン３２を得ることができる。
【００２９】
もっとも、本実施形態のように、エキシマレーザに加えてＣ．Ｗ．レーザを照射することによって多結晶シリコン膜３２の特性を向上させることは、従来の技術常識では、困難であると考えられていた。なぜなら、Ｃ．Ｗ．レーザを照射すると、熱に弱いガラス基板１０に熱ダメージを与えてしまい、薄膜トランジスタのしきい値やＳ−Ｆａｃｔｏｒが低下してしまうおそれがあると考えられていたからである。しかしながら、本発明者の実験によれば、Ｃ．Ｗ．レーザとしてＡｒイオンレーザを用い、このＡｒイオンレーザを図５のように振幅変調を行って照射することで、図７から分かるように、良好なトランジスタが得られることが分かった。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、エキシマレーザの波長は紫外光域（約３００ｎｍ以下）であるのに対し、Ａｒイオンレーザの波長は約５００ｎｍであり、両者の波長が異なっている。このように波長の異なるレーザを、図５のように周期的に照射すると、一定の波長を照射し続けた場合に比べて、ガラス基板１０の特定の箇所に集中的に負担がかかるようなことが少なくなる。この結果、Ｃ．Ｗ．レーザであるＡｒイオンレーザを用いても、ガラス基板１０へのダメージが大きな問題とならなくなると解析される。
【００３０】
以上説明した実施の形態では、パルスレーザとしてエキシマレーザを用いたが、パルスレーザとしてＹＡＧレーザ等を用いることも可能である。また、Ｃ．Ｗ．レーザとしてＡｒイオンレーザを用いたが、Ｃ．Ｗ．レーザとして他のレーザを用いることも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、非晶質シリコンにレーザを照射して多結晶シリコンを形成するレーザアニールにおいて、パルスレーザに加えて、Ｃ．Ｗ．レーザを照射するようにしたので、特性が良い多結晶シリコンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタを示す図。
【図２】本発明の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の概略を示す図。
【図３】本発明の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法のレーザアニール工程を示す図。
【図４】本発明の実施の形態のパルスレーザアニール装置。
【図５】本発明の実施の形態のパルスレーザアニール装置。
【図６】Ｃ．Ｗ．レーザの照射方法を変化させた場合の、Ｃ．Ｗ．レーザのレーザエネルギーと、多結晶シリコンの平均結晶粒径と、の関係を示す図。
【図７】本実施形態で得られたＴＦＴと、Ｃ．Ｗ．レーザを用いない従来の方法により得られたＴＦＴと、の電気的特性比較を示す図。
【符号の説明】
２　パルスレーザ発振器
３　ビームホモジナイザ（光学系）
４　折り返しミラー（光学系）
５　投影レンズ（光学系）
１０　ガラス基板（絶縁体）
３０　非晶質シリコン層
３２　多結晶シリコン層
３３　能動層
９１　連続波レーザ（Ｃ．Ｗ．レーザ）発振器
９２　長軸ホモジナイザ（光学系）
【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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