(57)【要約】【課題】ＬＣＤに用いる多結晶シリコン薄膜トランジスタは、ｐｏｌｙ−Ｓｉにした際その膜質にバラツキを生じることや、単結晶シリコンに比較して膜中に多くの欠陥があるため、移動度の向上が困難である。このため、容易に単結晶シリコンを形成する技術の開発が望まれている。【解決手段】活性領域となるアモルファスシリコンの島に、レーザ照射して溶融させて再結晶化する際、冷却が早い極細線で構成される半島をアモルファスシリコンの島に付随させることで、この半島で核発生を起こして、活性領域となるシリコンの島を単結晶化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に少なくともトランジスタの活性領域となる半導体の島を形成する工程と、半導体の島をレーザー照射によって結晶化させる工程とを含む結晶性半導体トランジスタの製造方法において、活性領域となる半導体島には、細線で構成される半島が含まれており、この細線とはレーザ照射後の溶融シリコンが凝固するまでの下地熱浸透長以下の横幅を持つ線であり、レーザー照射後にこの半島内で凝固を開始させることを特徴とする半導体トランジスタの製造方法
【請求項２】
前記細線の先端を鋭角にした請求項１記載の半導体トランジスタの製造方法
【請求項３】
前記細線を介して更に細線を複数分岐させた請求項１記載の半導体トランジスタの製造方法
【請求項４】
前記シリコン膜上に絶縁性被覆膜を堆積してから、レーザ照射を行う請求項１記載の半導体トランジスタの製造方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタに関し、特にエキシマレーザアニールを使用するる結晶薄膜トランジスタの製造方法及びかかる薄膜トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】まず最初に、本明細書で使用する単語について説明しておく。
【０００３】本明細書においては、原則として「半導体」とはシリコン（硅素、Ｓｉ）やゲルマニウム等の材料的なものを指し、「トランジスタ」とはこれら半導体を使用して形成された真空管、スイッチ等の素子的なものを指すものとする。
【０００４】近年、薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」とも記す）を用いて、各画素毎に独立して駆動するアクティブマトリクス液晶表示素子（ＬＣＤ）やアクティブマトリクス有機ＥＬ表示素子の研究開発が活発に行われている。そして、このＴＦＴは大別して、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（以下、「ｐｏｌｙ−Ｓｉ　ＴＦＴ」とも記す）とアモルファスシリコン薄膜トランジスタ（以下、「ａ−Ｓｉ　ＴＦＴ」とも記す）に分けられる。
【０００５】そして多結晶シリコン薄膜トランジスタは高い移動度を有することから、将来画素の駆動だけではなく、周辺駆動回路、更には情報処理回路をもガラス上に一体化することが、期待されている。
【０００６】十分に高速な情報処理回路をも薄膜トランジスタで形成するには、電子移動度を単結晶シリコンに近い３００ｃｍ２／ｖｓ以上にする必要があるとされている。しかし多結晶シリコン膜の結晶粒界は電子の散乱中心となるため、結晶粒界の存在は移動度を低下させてしまう。従って、単結晶シリコンに近いＴＦＴ特性を得るためには、ＴＦＴのチャネル部分の粒界を極力少なくする必要がある。すなわち単結晶薄膜トランジスタ（以下、「ｃ−Ｓｉ　ＴＦＴ」とも記す）を実現する必要がある。
【０００７】現在５００℃以下の低温で多結晶薄膜を形成する方法にａ−Ｓｉ膜をエキシマレーザーで照射して、溶融させてから凝固する際に結晶化させる方法がある。この方法はガラス基板に熱ダメージを与えないことから、有望な方法とされている。しかしこの方法では粒径が小さく、且つ結晶粒の位置を制御することが難しく、従って単結晶ＴＦＴの実現は難しかった。
【０００８】最近、レーザを利用した単結晶ＴＦＴの製造方法が発明されている。コロンビア大学のＪ．Ｓ．Ｉｍらは、Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　ＬａｔｅｒａｌＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＳＬＳ：Ｊ．Ｓ．Ｉｍ　ｅｔ．ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１６６（１９９８）６０３）方法を考案して、縦方向でＴＦＴの長さより大きい〜１００μｍ以上の粒径を持つ多結晶シリコン膜を形成して単結晶ＴＦＴを実現している。しかしこの方法では光源を数十ミクロンに集光する必要があるため、非常に高価な光学システムが必要となる。また、ラテラル結晶粒の成長を継続させるため、３μｍ毎にレーザ光を重ね照射するのでレーザ光の利用率が低い。更には、スキャン方向と平行方向には位置制御不能の粒界が存在するため、作製したＴＦＴの電気特性に不安定性がおこる。
【０００９】この他の開発動向としては、結晶粒を所定の位置に形成することで粒界を極力なくす技術が開発されている。例えば照射レーザ光の強度を変調させる方法（Ｍ．Ｎａｋａｔａ　ｅｔ．ａｌ：２０００　ＭＲＳ　ｓｐｒｉｎｇ　ｍｅｅｔｉｎｇ）等があるが、光学システムが高価なる、更にはまだ位置制御が確実ではない等と、まだ実用的ではない。
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであり、従来のＥＬＡ技術を用いて非常に簡単に低温プロセスにより優れた単結晶薄膜トランジスタやそれに近い性能の薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】レーザを用いて半導体膜を溶融して結晶化する際、半導体膜の温度変化は面拡散源から半無限体への物質の拡散と同じく、経過時間の平方根の逆数に比例して下がる。そこで本発明では極細線拡散源の場合では面拡散源と違って、横方向にも熱が逃げるので極細線の温度は時間の逆数に比例して下がることに着目した。両者を接続した場合では極細線から先に凝固するはずである。それで以下の発明に到達した。面拡散となる一定の大きさの活性領域となる半導体の島に、極細線拡散となる細線で構成される半島を含ませることで、半島を凝固開始位置として、活性領域となる半導体の島の少なくともチャネル部分を単結晶化させる。ここで極細線とは、凝固までの下地熱浸透長よりはるかに小さい程度の線幅を持つ細線である。この条件下では、温度の降下は時間の逆数に比例して下がるからである。具体的な実施形態は以下に示すとおりである。
【００１２】
【実施形態１】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の実施形態１を説明するため、製造工程に伴ってトランジスタの形成されていく様子を図１に平面図と断面図で示した。まずガラス基板１０上に下地膜２０として市販の有機シリカ膜塗付液あるいは多孔質シリカ膜塗布液で２μｍの有機シリカ膜または多孔質シリカ膜を形成する。その上に多孔質シリカ膜のバッファー膜としてＳｉＯ２膜２５をＰＥＣＶＤ法で約２００ｎｍ形成する。その上にａ−Ｓｉ膜３０をＬＰＣＶＤ法で１００ｎｍ堆積する。そしてａ−Ｓｉ膜をパターニングして図１ａ上面図に示すように幅が好ましくは２μｍ以下、より好ましくは０．４μｍ以下、そして長さが好ましくは４μｍ以上の細線の半島３０１を有するａ−Ｓｉ活性領域島３０を形成する。ここで細線先端を鋭角にすると、先端での横方向の熱流出が更に大きくなり、温度降下がここで更に早くなる。一方で活性領域島３０の大きさは島から下地への熱拡散が面拡散近似となりうるような大きさが望ましく、例えば典型的には５μｍｘ５μｍ程度でよい。そしてその上にゲート絶縁膜４０としてＳｉＯ２を堆積する。その後に基板温度５００℃で、ＸｅＣｌエキシマレーザを一回以上照射してａ−Ｓｉ膜３０を溶融させて結晶化させる。この結果、細線半島３０１で核発生が起きて、結晶は図１ａ表面図の矢印で示されるように活性領域３０にまで結晶成長して単結晶化する。
【００１３】ここで単結晶ＴＦＴを作成するには、実際にはチャネルとなる部分が単結晶化すればよく、従って図２ａに示すような大きい活性領域の島３０の場合で全体を単結晶化することができなくても、半島３０１の接続部をチャネルとなる部分に近いところにしてチャネルとなる部分だけを単結晶化（３０ｃ）すればいい。単結晶化される部分以外は多結晶化（３０ｄ）するがこの部分はソース７０ドレイン８０となるのでＴＦＴ特性に影響を与えない。また、活性領域島はレーザアニール時に互いに分離されている必要はなく、図２ｂに示すように単結晶化（３０ｃ）させたい部分に半島３０１を接続させればよく、レーザアニールしてからパターニングして素子分離すればいい。
【００１４】この後、電極としてタンタル薄膜をスパッタ堆積して、パターニングしてゲート電極５０を形成した。次にイオン注入装置をもちいて、ゲート電極をマスクとして不純物イオンを打ち込む。その結果、ゲートに対してセルフアライン的にソース領域３０ａ及びドレイン領域３０ｂが形成される。次に図１ｄに示すようにＰＥＣＶＤにより層間絶縁膜６０として５００ｎｍのＳｉＯ２を形成する。次に、水素を３％含んだアルゴンガス雰囲気下で５００℃、一時間の熱処理を行って、イオンの活性化と層間絶縁膜の改質をおこなった。次に層間絶縁膜にコンタクトホールを形成して、コンタクトホールを介してソース電極とドレイン電極をそれぞれ形成して、ＴＦＴを完成させた。
【００１５】
【実施形態２】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の実施形態２を説明するため、製造工程に伴ってトランジスタの形成されていく様子を実施例１と同様に図１に示した。ただし図１の２０は多孔質シリカ膜ではなく光吸収膜とした。ガラス基板１０上に後で照射するレーザ光に対して吸収係数が１２０００ｃｍ−１の光吸収膜２０としてＳｉＯＮＣ膜を８００ｎｍ形成し、その上にＳｉＯ２膜をバッファー層２５として１００ｎｍ堆積した。更にその上にａ−Ｓｉ膜３０をＬＰＣＶＤで１００ｎｍ堆積する。そしてａ−Ｓｉ膜をパターニングして図１ａ上面図に示すように幅が好ましくは２μｍ以下、より好ましくは０．４μｍ以下、そして長さが好ましくは４μｍ以上の細線の半島３０１を有するａ−Ｓｉ活性領域島３０を形成する。ここで細線先端を鋭角にすると、先端での横方向の熱流出が更に大きくなり、温度降下がここで更に早くなる。一方で活性領域島３０の大きさは島から下地への熱拡散が面拡散近似となりうるような大きさが望ましく、例えば典型的には５μｍｘ５μｍ程度でよい。その上にゲート絶縁膜としてＳｉＯ２を堆積する。その後に基板を室温に保った状態で、ＸｅＦエキシマレーザを一回以上ガラス裏面から照射してａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化する。この結果、細線部で核発生が起きて、結晶は活性領域にまで成長して単結晶化する。この後は、実施形態１と同様の方法でＴＦＴを作成する。
【００１６】なお、以上の説明では、半島には一本の細線を例にして説明したが、図３（ａ），（ｂ）に示すように細線で構成される任意の構造についても同様に実施可能である。（ａ）は一本の細線の先端から更に細線を分岐させた構造である。
【００１７】また以上の実施例ではＸｅＣｌ及びＸｅＦエキシマレーザを溶融結晶化に利用したが、エキシマレーザであればいずれも有効である。また、ＹＡＧレーザを用いてもよい。
【００１８】また以上の説明では、多結晶薄膜トランジスタの構造としてｎｏｎＬＤＤ構造を例にして説明したが、ＬＤＤ構造やＧＯＬＤ構造など他の構造についても同様に実施可能である。
【００１９】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれば、アモルファスシリコンや微細な結晶からなるシリコンやポリシリコンをレーザーアニールによって単結晶シリコンやそれが困難でも従来より大きな結晶からなるシリコンとすることが可能となる。このため活性領域に単結晶シリコン膜や巨大結晶シリコン膜を用いたＴＦＴを製造可能となる。ひいては、従来技術のシリコン膜を用いる場合に比較して、均一で安定した特性と、高移動度化が可能となる。
【００２０】またこれらの結晶、このシリコン、あるいはトランジスタを、例えばアクチィブマトリックスの場所を指定する回路や各ＴＦＴへ送る信号のシフトレジスタ等に、使用した液晶表示装置の性能も優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の実施の形態１と形態２を説明するため、製造工程に伴ってトランジスタの形成されていく様子を平面と断面で示した図である
【図２】本発明の実施の形態１と２の中でのパターニングされたシリコン島の形状と結晶化された様子を説明するための図
【図３】本発明の実施の形態１と２の中でのシリコン島に加えられた半島の形状を説明するための図
【符号の説明】
１０　ガラス基板
２０　実施例１：　多孔質シリカ膜或いは有機シリカ膜；
実施例２：光吸収膜
２５　バッファー膜
３０　シリコン膜活性領域の島
３０ａ　ソース領域
３０ｂ　ドレイン領域
３０ｃ　単結晶領域
３０ｄ　多結晶領域
３０１　細線の半島
４０　ゲート絶縁膜
５０　ゲート電極
６０　層間絶縁膜
７０　ソース電極
８０　ドレイン電極
【図１】
2004063478.tif 000003
【図２】
2004063478.tif 000004
【図３】
2004063478.tif 000005