(57)【要約】    【課題】  微細孔を利用した溶融結晶化を行って半導体膜の形成を行う場合において、薄膜トランジスタ等の特性を向上させることを可能とする半導体膜の製造方法を提供すること。    【解決手段】  半導体膜の製造方法であって、基板(10)上に形成された絶縁膜(12)に微細孔(14)を形成する微細孔形成工程と、上記微細孔内及び上記絶縁膜上に非単結晶半導体膜(16)を形成する成膜工程と、上記非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて上記微細孔を略中心とする結晶性半導体膜(20)を形成する溶融結晶化工程と、上記結晶性半導体膜の表面を化学的機械的研磨によって平坦化する平坦化工程と、を含む。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する微細孔形成工程と、
前記微細孔内及び前記絶縁膜上に非単結晶半導体膜を形成する成膜工程と、
前記非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて前記微細孔を略中心とする結晶性半導体膜を形成する溶融結晶化工程と、
前記結晶性半導体膜の表面を化学的機械的研磨によって平坦化する平坦化工程と、
を含む半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記平坦化工程は、前記結晶性半導体膜の膜厚を減少させる処理も兼ねる、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記成膜工程は、前記非単結晶半導体膜の膜厚が１００ｎｍ以上となるように成膜を行う、請求項２に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記平坦化工程は、アンモニア系又はアミン系のアルカリ溶液にシリカ粒子を分散させた研磨剤を用いて前記化学的機械的研磨を行う、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記平坦化工程は、前記結晶性半導体膜の表面の５０ｍｍ平方における設定基準面に対する最大凹凸量が０．３μｍ以内となるように前記化学的機械的研磨を行う、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記平坦化工程は、前記結晶性半導体膜の表面の１０μｍ平方における表面粗度を中心線平均粗さで２ｎｍ以下となるように前記化学的機械的研磨を行う、請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の製造方法によって製造される前記結晶性半導体膜を用いて半導体素子を形成する素子形成工程を備える半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置を備える集積回路。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置を備える電気光学装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置に用いられる薄膜トランジスタの電気的特性を向上させるために、略単結晶状態の珪素膜を用いて半導体薄膜を形成する技術が提案されている（非特許文献１）。この技術は、基板上の絶縁膜に微細孔を開けて、この絶縁膜上及び微細孔内に非晶質珪素膜を形成した後、この非晶質珪素膜にエネルギー密度の高いレーザを照射して溶融結晶化を行うことにより、微細孔を中心として粒径が数μｍ程度の大粒径の結晶粒を形成するものである。  
【０００３】
【非特許文献１】「Single Crystal Thin Film Transistors」， IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した方法により、大粒径の結晶粒を含む半導体膜を形成した場合には、当該半導体膜の表面の平坦性が優れない傾向にある。特に、微細孔を比較的に近接させて配置した場合には、隣接する各微細孔のそれぞれを中心に結晶成長が進行してぶつかり合うので、結晶粒同士の境界（粒界）が隆起し、半導体膜表面の平坦性が悪くなる。半導体膜の平坦性が悪くなると、半導体膜の表面側にチャネル領域を形成する構造（トップゲート型構造）の薄膜トランジスタを形成したときに、半導体膜とその上側に設けられるゲート絶縁膜との界面状態が良好にならないことに起因して、薄膜トランジスタの特性（移動度や耐圧等）が低下することになる。
【０００５】
そこで本発明は、微細孔を利用した溶融結晶化を行って半導体膜の形成を行う場合において、薄膜トランジスタ等の特性を向上させることを可能とする半導体膜の製造方法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】
【０００６】
第１の態様の本発明は、基板上に形成された絶縁膜に微細孔を形成する微細孔形成工程と、上記微細孔内及び上記絶縁膜上に非単結晶半導体膜（非晶質半導体膜又は多結晶半導体膜）を形成する成膜工程と、上記非単結晶半導体膜を溶融結晶化させて上記微細孔を略中心とする結晶性半導体膜を形成する溶融結晶化工程と、上記結晶性半導体膜の表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）によって平坦化する平坦化工程と、を含む半導体膜の製造方法である。
【０００７】
溶融結晶化により得られる結晶性半導体膜をＣＭＰ法によって平坦化することにより、非常に平坦性の高い表面を得ることが可能となる。したがって、本発明にかかる半導体膜を用いることにより、表面の平坦化による半導体素子（特に薄膜トランジスタ）の特性向上を図ることが可能となる。
【０００８】
上述した平坦化工程は、微細化したトランジスタにおける短チャネル効果の発現を避けるため、結晶性半導体膜の膜厚を減少させる処理も兼ねることが好ましい。より具体的には、結晶性半導体膜の膜厚が５０ｎｍ以下となるまで化学的機械的研磨を行うことが好ましい。
【０００９】
結晶性半導体膜の平坦化と併せて当該半導体膜の膜厚をより薄くすることにより、表面平坦性に優れ、かつ薄膜化による素子の微細化も達成し得る高品質な結晶性半導体膜を得ることが可能となる。
【００１０】
また、上述した場合に、成膜工程においては、非単結晶半導体膜の膜厚が１００ｎｍ以上となるように成膜を行うと更に好ましい。
【００１１】
後の平坦化工程によって結晶性半導体膜を所望の膜厚にすることができるので、成膜工程では、溶融結晶化により得られる略結晶粒の大粒径化を図るべく比較的に厚く成膜することが可能となる。
【００１２】
また、平坦化工程は、アンモニア系又はアミン系のアルカリ溶液にシリカ粒子を分散させた研磨剤を用いて化学的機械的研磨を行うことが好ましい。
【００１３】
かかる研磨剤を採用することにより平坦化を好適に行うことができる。
【００１４】
また、平坦化工程では、結晶性半導体膜の表面の５０ｍｍ平方における設定基準面に対する最大凹凸量が０．３μｍ以内となるように化学的機械的研磨を行うことが好ましい。更に、平坦化工程では、結晶性半導体膜の表面の１０μｍ平方における表面粗度を中心線平均粗さで２ｎｍ以下となるように化学的機械的研磨を行うことも好ましい。
【００１５】
かかる条件で研磨を行うことにより、好適な結晶性半導体膜を得る。
【００１６】
第２の態様の本発明は、上述した本発明にかかる半導体膜の製造方法によって製造される結晶性半導体膜を用いて半導体素子を形成する素子形成工程を備える半導体装置の製造方法でもある。ここで、「半導体装置」とは、本発明にかかる結晶性半導体膜を備える装置一般をいい、トランジスタ、ダイオード、抵抗、インダクタ、キャパシタ、その他能動素子又は受動素子を含むものである。本発明にかかる結晶性半導体膜を使用することにより、特性の優れた半導体装置を得ることが可能となる。
【００１７】
第３の態様の本発明は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置を備える集積回路である。ここで「集積回路」とは、一定の機能を奏するように半導体装置及び関連する配線等が集積され配線された回路（チップ）をいう。なお、本発明においては、この回路（チップ）が基板上の所定の一箇所あるいは複数箇所に配置された回路基板をも提供することができる。
【００１８】
第４の態様の本発明は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置を備える電気光学装置である。ここで「電気光学装置」とは、本発明に係る半導体装置を備えた、電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を制御するもの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動粒子が分散した分散媒体を有する電気泳動素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子を備えたアクティブマトリクス型の表示装置等をいう。
【００１９】
第５の態様の本発明は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置を備える電子機器である。ここで「電子機器」とは、本発明に係る半導体装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。その構成に特に限定が無いが、例えば、ＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態における半導体膜の製造方法を説明する図である。
【００２２】
（微細孔形成工程）
まず、基板１０上に絶縁膜としての酸化珪素膜１２を形成する。基板１０上への酸化珪素膜１２の形成方法としては、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、あるいはスパッタリング法等の物理気相堆積法が挙げられる。例えば、ＰＥＣＶＤ法により厚さ数１００ｎｍの酸化珪素膜１２を形成できる。次に、図１（Ａ）に示すように、酸化珪素膜１２の所定位置に微細孔１４を形成する。例えば、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行うことにより、酸化珪素膜１２の面内の所定位置に、断面が円形である微細孔１４を開口できる。エッチング方法としては、例えばＣＨＦ3ガスのプラズマを用いた反応性イオンエッチングなどがあげられる。
【００２３】
ここで、微細孔１４は、後述する溶融結晶化工程において、１つの結晶核を種とした結晶成長を優先的に進行させる役割を担うためのものであり「グレインフィルタ」と称される場合もある。この微細孔１４は例えば円筒状に形成することが好適であるが、円筒状以外の形状（例えば、円錐状、角柱状、角錐状など）としてもよい。また、比較的に径の大きい孔（例えば５００ｎｍ程度）を形成した後に基板全面に新たな絶縁膜（本例では酸化珪素膜）を堆積して上記孔の径を狭めることによって微細孔１４を形成するようにしてもよい。
【００２４】
（成膜工程）
次に、図１（Ｂ）に示すように、微細孔１４内及び酸化珪素膜１２上に非晶質珪素膜１６を形成する。非晶質珪素膜１６は、ＰＥＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）、スパッタリング法などによって形成することができる。なお、本工程では、非単結晶半導体膜として、非晶質珪素膜に代えて多結晶珪素膜を形成してもよい。本工程では、溶融結晶化により得られる略結晶粒の大粒径化を図るべく比較的に厚く成膜することが望ましい。より具体的には、非晶質珪素膜１６を１５０ｎｍかそれ以上の膜厚に形成すると好適である。
【００２５】
（溶融結晶化工程）
次に、図１（Ｃ）に示すように、非晶質珪素膜１６に対してレーザを照射することにより非晶質珪素膜１６の溶融結晶化を行う。例えば、ＸｅＣｌパルスエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を用い、エネルギー密度：０．４〜１．５Ｊ／ｃｍ2でレーザ照射を行うことが好適である。尚、エキシマレーザに代えて、固体レーザ、ガスレーザなどを用いてもよい。これにより、図１（Ｄ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）２０が形成される。このとき結晶化の影響により、図示のように結晶性珪素膜２０の表面は平坦性が低くなる。
【００２６】
ここで、照射されたＸｅＣｌパルスエキシマレーザは非晶質珪素膜１６の表面近傍でほとんどが吸収される。これはＸｅＣｌパルスエキシマレーザの波長（３０８ｎｍ）における非晶質珪素および結晶性珪素の吸収係数が其々０．１３９ｎｍ-1と０．１４９ｎｍ-1と大きいためである。また、酸化珪素膜１２は、上記レーザに対して略透明であってこのレーザのエネルギーを吸収しないため、レーザ照射によって溶融しない。これにより、微細孔１４以外の領域にある非晶質珪素膜１６は、膜厚方向全域に渡ってほぼ完全に溶融した状態となる。また、微細孔１４内にある非晶質珪素膜１６は上側が溶融し、かつ微細孔１４の底部では溶融しない状態（部分溶融状態）となる。
【００２７】
レーザ照射後の珪素の凝固は、微細孔１４の内部で先に始まり、その後非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態となっている部分（表面側の部分）に至る。このとき、微細孔１４の底部近傍ではいくつかの結晶粒が発生するが、微細孔１４の断面寸法（本実施形態では、円の直径）を１個の結晶粒と同程度か少し小さい程度にしておくことにより、微細孔１４の上部（開口部）には１個の結晶粒のみが到達するようになる。これにより、非晶質珪素膜１６の略完全溶融状態の部分では微細孔１４の上部に到達した１個の結晶粒を核として結晶成長が進行するようになり、図１（Ｄ）に示すように、微細孔１４を略中心とした領域に略単結晶状態の珪素膜（結晶性珪素膜）２０が形成される。尚、本実施形態において「略単結晶」とは、結晶粒が単一である場合のみならずこれに近い状態、すなわち、複数の結晶が組み合わせられていてもその数が少なく、半導体薄膜の性質の観点からほぼ単結晶により形成された半導体薄膜と同等の性質を備えている場合も含む。この結晶性珪素膜（結晶性半導体膜）２０は、内部に欠陥が少なく、半導体膜の電気特性の点で、エネルギーバンドにおける禁制帯中央部付近の捕獲準位密度が少なくなる効果が得られる。また、結晶粒界がほぼ無いと見なせるために、電子や正孔といったキャリアが流れる際の障壁を大きく減少できる効果が得られる。この結晶性珪素膜２０を薄膜トランジスタの能動層（ソース／ドレイン領域やチャネル形成領域）に用いると、オフ電流値が小さく移動度の大きな優良な薄膜トランジスタが得られる。
【００２８】
（平坦化工程）
次に、図１（Ｄ）に示すように、結晶性珪素膜２０の表面をＣＭＰ法（化学的機械的研磨法）によって平坦化する。このとき、結晶性珪素膜２０の表面の平滑化を図るとともに、当該結晶性珪素膜２０の膜厚を減少させる処理も併せて行う。より具体的には、結晶性珪素膜２０の膜厚が５０ｎｍ以下となるまで研磨を行うことが好ましい。これにより、図１（Ｅ）に示すように、表面平坦性に優れ、かつ薄膜化による素子の微細化も達成し得る高品質な結晶性半導体膜が得られる。本工程では、結晶性珪素膜２０の表面の５０ｍｍ平方における設定基準面に対する最大凹凸量が０．３μｍ以内となるように研磨を行うことが望ましい。また、本工程では、結晶性珪素膜２０の表面の１０μｍ平方における表面粗度を中心線平均粗さで２ｎｍ以下となるように研磨を行うが好ましい。このような研磨を行う好適な条件の一例を説明する。軟質ポリウレタン製のパッドと、アンモニア系又はアミン系のアルカリ溶液にシリカ粒子を分散させた研磨剤（スラリー）を組み合わせて用い、圧力３００００Ｐａ、回転数５０回転／分、研磨剤の流量を２００ｓｃｃｍ、という条件により、平坦化を好適に行うことが可能である。
【００２９】
（素子形成工程）
次に、薄膜トランジスタを例にして、上述した製造方法により製造される結晶性半導体膜２０を用いて半導体素子を形成する工程を説明する。
【００３０】
図２は、素子形成工程について説明する図である。
【００３１】
まず、図２（Ａ）に示すように、結晶性珪素膜２０をパターニングし、薄膜トランジスタの形成に不要となる部分を除去して整形する。なお、隣接して形成した複数の結晶性珪素膜２０を含むようにパターニングを行ってもよい。
【００３２】
次に、図２（Ｂ）に示すように、酸化珪素膜１２および結晶性珪素膜２０の上に酸化珪素膜２４を形成する。例えば、酸化珪素膜２４は、電子サイクロトロン共鳴ＰＥＣＶＤ法（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）またはＰＥＣＶＤ法にて形成できる。この酸化珪素膜２４は薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として機能するものである。
【００３３】
次に、図２（Ｃ）に示すように、タンタルまたはアルミニウムの金属薄膜をスパッタリング法により形成した後、パターニングすることによって、ゲート電極２６を形成する。次に、このゲート電極２６をマスクとしてドナーまたはアクセプターとなる不純物イオンを打ち込み、ソース／ドレイン領域２８とチャネル形成領域３０をゲート電極２６に対して自己整合的に作製する。ＮＭＯＳトランジスタを作製する場合、例えば、不純物元素としてリン（Ｐ）を１×１０16ｃｍ-2の濃度でソース／ドレイン領域に打ち込む。その後、ＸｅＣｌエキシマレーザを照射エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ2程度で照射するか、２５０℃〜４５０℃程度の温度で熱処理することにより不純物元素の活性化を行う。
【００３４】
次に、図２（Ｄ）に示すように、酸化珪素膜２４およびゲート電極２６の上面に、酸化珪素膜３２を形成する。例えば、ＰＥＣＶＤ法で約５００ｎｍの酸化珪素膜３２を形成する。次に、ソース／ドレイン領域２８に至るコンタクトホールを酸化珪素膜２４、３２に開けて、コンタクトホール内および酸化珪素膜３２上のコンタクトホールの周縁部にソース／ドレイン電極３４を形成する。ソース／ドレイン電極３４は、例えばスパッタリング法によりアルミニウムを堆積して形成するとよい。また、ゲート電極２６に至るコンタクトホールを酸化珪素膜３２に開けて、ゲート電極２６用の端子電極を形成する。以上で、本発明に係る半導体装置としての薄膜トランジスタＴが作製できる。
【００３５】
なお、図２に示す例では説明の便宜上、微細孔１４が薄膜トランジスタの真下に位置するように図示されているが、微細孔１４の形成位置を薄膜トランジスタＴの真下から外すようにすることも好適である。この場合には、上記図２（Ａ）において説明したパターニング工程において、薄膜トランジスタＴの活性領域３０等となるべき部分をパターニングする際に微細孔１４の形成位置を外すようにすればよい。
【００３６】
このように、本実施形態では、溶融結晶化により得られる結晶性珪素膜膜をＣＭＰ法によって平坦化することにより、非常に平坦性の高い表面を得ることが可能となる。したがって、本発明にかかる半導体膜を用いることにより、表面が平坦化されることによる半導体素子（薄膜トランジスタ）の特性向上を図ることが可能となる。
【００３７】
次に、上述した半導体装置を含んで構成される集積回路、電気光学装置、電子機器の具体例について説明する。
【００３８】
図３に、電気光学装置１００の接続図を示す。本実施形態の電気光学装置（表示装置）１００は、各画素領域に電界発光効果により発光可能な発光層ＯＥＬＤ、それを駆動するための電流を記憶する保持容量を備え、さらに本発明の製造方法によって製造される半導体装置、ここでは薄膜トランジスタＴ１〜Ｔ４を備えて構成されている。ドライバ１０１からは、走査線Ｖsel及び発光制御線Ｖgpが各画素領域に供給されている。ドライバ１０２からは、データ線Ｉdataおよび電源線Ｖddが各画素領域に供給されている。走査線Ｖselとデータ線Ｉdataとを制御することにより、各画素領域に対する電流プログラムが行われ、発光部ＯＥＬＤによる発光が制御可能になっている。
【００３９】
なお、上記駆動回路は、発光要素に電界発光素子を使用する場合の回路の一例であり他の回路構成も可能である。また、ドライバ１０１、１０２のそれぞれを構成する集積回路を本発明に係る半導体装置によって形成することも好適である。
【００４０】
図４は、上述した電気光学装置を含んで構成される電子機器の具体例を説明する図である。図４（Ａ）は携帯電話への適用例であり、当該携帯電話２３０はアンテナ部２３１、音声出力部２３２、音声入力部２３３、操作部２３４、および本発明の電気光学装置１００を備えている。このように本発明に係る電気光学装置は表示部として利用可能である。図４（Ｂ）はビデオカメラへの適用例であり、当該ビデオカメラ２４０は受像部２４１、操作部２４２、音声入力部２４３、および本発明の電気光学装置１００を備えている。図４（Ｃ）はテレビジョンへの適用例であり、当該テレビジョン３００は本発明の電気光学装置１００を備えている。なお、パーソナルコンピュータ等に用いられるモニタ装置に対しても同様に本発明に係る電気光学装置を適用し得る。図４（Ｄ）はロールアップ式テレビジョンへの適用例であり、当該ロールアップ式テレビジョン３１０は本発明の電気光学装置１００を備えている。また、電子機器はこれらに限定されず、表示機能を有する各種の電子機器に適用可能である。例えばこれらの他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイなども含まれる。なお、本発明にかかる半導体装置は、電気光学装置の構成部品として上記のような電子機器に含まれる場合の他に、単独で電子機器の構成部品としても適用し得る。
【００４１】
また、上記例に限らず本発明にかかる半導体装置の製造方法は、あらゆる電子機器の製造に適用可能である。例えば、この他に、表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ、ＩＣカードなどにも適用することができる。
【００４２】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００４３】
例えば、上述した実施形態では、半導体膜の一例として珪素膜を採り上げて説明していたが、半導体膜はこれに限定されるものではない。また、上述した実施形態では、本発明に係る結晶性半導体膜を用いて形成される半導体素子の一例として薄膜トランジスタを採り上げて説明していたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、他の素子（例えば、薄膜ダイオード等）を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】半導体膜の製造方法を説明する図である。
【図２】素子形成工程について説明する図である。
【図３】電気光学装置の接続図を示す図である。
【図４】電気光学装置を含んで構成される電子機器の具体例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…基板、  １２…酸化珪素膜、  １４…微細孔、  １６…非晶質珪素膜、  ２０…結晶性珪素膜（略単結晶状態の珪素膜）、  １００…電気光学装置、  Ｔ…薄膜トランジスタ
【図１】
2005259883.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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