(57)【要約】【課題】  電気特性、信頼性および安定性に優れた結晶性膜を容易に製造する。【解決手段】  基板１上に絶縁膜２を形成した後、不純物物元素３をイオン注入またはイオンドーピングによって結晶化領域において濃度勾配を設けて導入し、その上に非単結晶膜４を形成する。その後、非単結晶膜４にエネルギービームを照射して溶融および固化させることにより結晶化させる。エネルギービーム照射時に、非単結晶膜４の結晶化領域において不純物元素３の濃度勾配に応じた熱伝導率の勾配が生じ、緩やかな温度分布が形成されて、非単結晶膜４の溶融領域が広くなる。【選択図】  図１
2005045036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に絶縁膜を介して形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射して、該非単結晶膜を溶融させて固化させることによって、該非単結晶膜を所定方向に結晶化させる結晶性膜の製造方法であって、
該非単結晶膜が結晶化される領域において、前記絶縁膜に結晶化方向に熱伝導率の差が形成されるように、該絶縁膜に不純物元素を導入することを特徴とする結晶性膜の製造方法。
【請求項２】
前記不純物は、前記結晶化される領域において、結晶化方向に熱伝導率が小さくなるように、濃度勾配が形成されて前記絶縁膜に導入されている請求項１に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜に導入される不純物は、前記結晶化される領域において、１０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の範囲で濃度勾配が設けられている請求項２に記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項４】
前記不純物元素は、前記絶縁膜にイオン注入法またはイオンドーピング法によって導入される請求項１〜３のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物のうち、少なくともいずれか一つを含む請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜に導入される不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムのうち、少なくともいずれか一つを含む請求項１〜５のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項７】
前記不純物元素が導入された絶縁膜の熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲で膜面内に勾配が設けられている請求項１〜６のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項８】
前記非単結晶膜が半導体膜である請求項１〜７のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項９】
前記半導体薄膜がシリコン材料からなる請求項８のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁膜の膜厚は、５０ｎｍ以上である請求項１〜９のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１１】
前記非単結晶膜の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲である請求項１〜１０のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１２】
前記エネルギービームは、波長４００ｎｍ以下のレーザービームである請求項１〜１１のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１３】
前記エネルギービームは、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザーである請求項１〜１２のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法によって製造された結晶性膜。
【請求項１５】
請求項７〜１３のいずれかに記載の結晶性膜の製造方法によって製造された半導体薄膜。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体薄膜を活性層とする半導体素子を備えた半導体装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の半導体薄膜をそれぞれチャネル領域とする複数の薄膜トランジスタのそれぞれに接続された画素電極がマトリックス状に設けられたアクティブマトリクス基板と、対向電極が設けられた対向基板とが所定の間隔を開けた状態で、各画素電極と該対向電極とが対向するように配置されて、両基板の間隙に表示媒体が挟持されている表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射して、非単結晶膜を溶融させた後に固化させることによって結晶性膜を製造する方法、その方法によって製造された結晶性膜および半導体薄膜、その半導体薄膜を活性層として用いた半導体素子を有する半導体装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される薄膜半導体素子が注目されている。薄膜半導体素子は、通常、絶縁性表面を有する基板上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法等によって、数十ｎｍ〜数百ｎｍの厚さの半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜を活性層として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）、ダイオード等の薄膜半導体素子が形成されている。このような半導体薄膜素子の応用分野としては、アクティブマトリクス型の液晶電気光学装置が知られている。アクティブマトリクス型の液晶電気光学装置は、マトリクス状に配置された数十万以上の画素電極のそれぞれに、１つ以上のＴＦＴを設けて、各画素電極に供給する電荷を、各画素電極に接続されたＴＦＴによってそれぞれ制御するようになっている。
【０００３】
ＴＦＴの活性層に用いられる半導体薄膜としては、成膜が容易である非晶質珪素膜がある。しかしながら、この非晶質珪素膜は、その電気的特性が低いという問題がある。従って、ＴＦＴの特性向上を図るためには、非晶質珪素膜よりは、結晶性を有する珪素薄膜を利用することが好ましい。結晶性を有する珪素薄膜は、多結晶珪素、微結晶珪素等と称されている。
【０００４】
従来から、基板に形成された非単結晶絶縁膜上または非単結晶絶縁基板上に、非晶質または多結晶等の非単結晶半導体薄膜を形成し、形成された非単結晶半導体薄膜にエネルギーを加えることによって半導体薄膜を結晶化させる方法が知られている。
【０００５】
溶融状態の非単結晶半導体薄膜をレーザービームの照射によって結晶化させる方法は、非単結晶半導体薄膜が設けられる基板の温度を大きく上昇させることなく、非単結晶半導体薄膜のみに高いエネルギーを与えることができるため、安価なガラス基板上に結晶性半導体薄膜を形成することができる。また、ライン状（線状）のレーザービームを用いると、レーザービームの長手方向に垂直な方向に走査することによって、効率よく被照射面全体にレーザービームを照射することができるため、量産性にも優れている。そのため、このようなレーザービームの照射を用いた方法が主流になっており、各機関で盛んに研究されている。
【０００６】
例えば、ライン状のレーザービームを断続的に照射しつつ、長手方向とは直交する方向に走査することによって、非単結晶半導体薄膜を溶融させた後に固化させることを、基板における所定領域毎に繰り返すことにより、結晶半導体薄膜を形成する方法が開発されている。この方法では、広い面積にわたって効率よく結晶性半導体薄膜を形成することができる。
【０００７】
しかしながら、通常、このような方法で製造される結晶性半導体薄膜は、１μｍ以下の大きさの多数の結晶粒からなり、このような結晶性半導体薄膜を用いてＴＦＴを製造した場合、チャネル領域に多数の結晶粒界が形成されるおそれが大きく、電気的特性の低下、特性のばらつき等の原因となる。
【０００８】
このように結晶粒が小さくなる原因の一つとして、レーザービームの照射時に溶融された非単結晶半導体薄膜の冷却時間が短いことがある。
【０００９】
パルスレーザーでは、１パルス当りのレーザービームの照射時間が通常数十ｎｓ程度と短いため、結晶化される非単結晶半導体薄膜と基板との間に大きな温度差が生じ、溶融された非単結晶半導体薄膜は急速に冷却されて結晶化される。これにより、得られる結晶粒径が小さくなって結晶粒界密度が大きくなると共に、結晶粒と結晶粒との間において多くの結晶欠陥が発生する。
【００１０】
また、最近では、レーザービームが照射された場合に、溶融状態の非単結晶半導体薄膜内に不均一な温度分布を形成して、非単結晶半導体薄膜中の温度の低い領域で結晶核を発生させ、結晶核が発生した領域から、冷却が遅くて温度の高い領域へと結晶成長を行う方法が研究されている。このような方法によって、良質の結晶性半導体薄膜を製造することができる。溶融状態の非単結晶半導体薄膜内に不均一な温度分布を形成する方法としては、非晶質または多結晶等半導体薄膜の上層または下層に設けられた絶縁膜をパターニングする方法、レーザービーム自体にエネルギー強度分布を形成する方法等がある。
【００１１】
特許文献１（特開２００２−２６３３１号公報）には、半導体薄膜と基板との間に保温層を形成し、さらに半導体薄膜上にも保温層を形成することによって、レーザービームの照射時に、加熱された非単結晶半導体薄膜を緩やかに冷却して、結晶成長時間を長くすることにより、結晶粒を大粒径化する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、基板全体にわたって保温層を形成しているために、基板全体にわたってわたって結晶粒の粒径を大きくすることはできるが、基板における非単結晶が結晶化される所定領域毎に結晶粒を大粒径化することができないという問題がある。特許文献１に記載された構成では、基板における非単結晶が結晶化される領域毎に結晶粒径を大きくするためには、各領域毎に、保温層の膜厚、膜種自体を変更しなければならず、各領域毎に温度勾配を形成して、各領域毎に結晶粒を大粒径化することが容易でないという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、特性、信頼性および安定性に優れた結晶性膜を、基板における所定領域毎に容易に製造することができる結晶性膜の製造方法、その方法によって製造された結晶性膜および半導体薄膜、その半導体薄膜を活性層として半導体素子が製造された半導体装置および表示装置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】
【００１４】
本発明の結晶性膜の製造方法は、基板上に絶縁膜を介して形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射して、該非単結晶膜を溶融させて固化させることによって、該非単結晶膜を所定方向に結晶化させる結晶性膜の製造方法であって、該非単結晶膜が結晶化される領域において、前記絶縁膜に結晶化方向に熱伝導率の差が形成されるように、該絶縁膜に不純物元素を導入することを特徴とする。
【００１５】
前記不純物は、前記結晶化される領域において、結晶化方向に熱伝導率が小さくなるように、濃度勾配が形成されて前記絶縁膜に導入されている。
【００１６】
前記絶縁膜に導入される不純物は、前記結晶化される領域において、１０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の範囲で濃度勾配が設けられている。
【００１７】
前記不純物元素は、前記絶縁膜にイオン注入法またはイオンドーピング法によって導入される。
【００１８】
前記絶縁膜は、酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物のうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００１９】
前記絶縁膜に導入される不純物元素は、炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムのうち、少なくともいずれか一つを含む。
【００２０】
前記不純物元素が導入された絶縁膜の熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲で膜面内に勾配が設けられている。
【００２１】
前記非単結晶膜が半導体膜である。
【００２２】
前記半導体薄膜がシリコン材料からなる。
【００２３】
前記絶縁膜の膜厚は、５０ｎｍ以上である。
【００２４】
前記非単結晶膜の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲である。
【００２５】
前記エネルギービームは、波長４００ｎｍ以下のレーザービームである。
【００２６】
前記エネルギービームは、エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザーである。
【００２７】
本発明の結晶性膜は、前記製造方法によって製造されている。
【００２８】
本発明の半導体薄膜、前記製造方法によって製造されている。
【００２９】
本発明の半導体装置は、前記半導体薄膜を活性層とする。
【００３０】
本発明の表示装置は、前記半導体薄膜をそれぞれチャネル領域とする複数の薄膜トランジスタのそれぞれに接続された画素電極がマトリックス状に設けられたアクティブマトリクス基板と、対向電極が設けられた対向基板とが所定の間隔を開けた状態で、各画素電極と該対向電極とが対向するように配置されて、両基板の間隙に表示媒体が挟持されている。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、基板上に形成された非単結晶膜にエネルギービームを照射して結晶化を行うに際して、非単結晶膜が結晶化される領域において、絶縁膜に結晶化方向に熱伝導率の差が形成されるように、絶縁膜に不純物元素を導入しているために、エネルギービームの照射によって、非単結晶膜の結晶化領域内に緩やかな温度勾配を形成することができ、これにより、低い結晶化速度で結晶成長を行うことができ、結晶粒の大きい結晶性膜を容易に形成することができる。このようにして製造された結晶性半導体薄膜を活性領域として薄膜トランジスタなどの半導体素子を製造することによって、電気特性が良好になり、しかも、特性のばらつきが少ない信頼性に優れた半導体装置および表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施形態の結晶性珪素膜の製造方法における製造工程を説明するための概略図である。
【００３４】
まず、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１上に絶縁膜であるＳｉＯ２膜２を形成する。ガラス基板１上に形成されるＳｉＯ２膜２は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、例えば２００ｎｍに形成される。この場合のＳｉＯ２膜２の熱伝導率は、全体にわたって約１．４Ｗ／ｍ・Ｋになっている。
【００３５】
絶縁膜が形成される基板は、ガラス基板に限らず、石英基板等の絶縁性表面を有する基板、あるいは、シリコンウエハ等の半導体基板が使用される。
【００３６】
次に、図１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜２に、イオン注入法あるいはイオンドーピング法によって、不純物元素３としての窒素を導入する。不純物元素３としての窒素は、ＳｉＯ２膜２の面内において、その後の工程において、ＳｉＯ２膜２上に形成される非単結晶膜である非晶質珪素膜が結晶化される結晶化領域毎に所定の濃度勾配がそれぞれ形成されるように導入される。具体的には、後の非晶質珪素膜の結晶化工程において、結晶化領域内で非晶質珪素膜が結晶化される方向（結晶化方向）に、順次、濃度が小さくなるような濃度勾配となるように、不純物元素３としての窒素が導入される。
【００３７】
この場合、不純物元素３である窒素は、１０ａｔ％〜８０ａｔ％程度の濃度差でＳｉＯ２膜２内に導入されるる。
【００３８】
絶縁膜であるＳｉＯ２膜２は、不純物元素３が導入されることによって、熱伝導率が高くなる。従って、各結晶化領域において、不純物濃度が大きい結晶成長開始部では熱伝導率が大きく、結晶化方向に向かうにつれて、不純物濃度が小さくなっていることによって熱伝導率が順次小さくなり、結晶成長停止部において熱伝導率が最も小さくなっている。各結晶化領域における最大の熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とされる。
【００３９】
次に、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜であるＳｉＯ２膜２上に、非単結晶膜である非晶質珪素膜４を、ＳｉＯ２膜２の全面にわたって形成する。非晶質珪素膜４は、例えば、Ｓｉ２Ｈ６ガスを用いた減圧ＣＶＤ法によって、厚さ５０ｎｍに形成される。
【００４０】
次に、図２に示すように、非晶質珪素膜４に対して、エネルギービームとしてライン状のレーザービーム５を、長手方向とは垂直な走査方向（矢印Ａで示す方向）に走査させつつ照射することによって、非晶質珪素膜４を溶融および固化させて結晶化する。レーザービーム５は、例えば、非晶質珪素膜４におけるレーザービームの長手方向の全域にわたるような長手方向長さに設定されており、また、走査方向Ａに沿った幅寸法が２μｍになっている。レーザービーム５は、例えば４００ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザービームであり、走査方向Ａに１μｍ移動させる毎にオンオフが繰り返されるように照射される。
【００４１】
レーザービーム５が非晶質珪素膜４に照射されると、非晶質珪素膜４のみにエネルギーが与えられて、非晶質珪素膜４は溶融状態になる。この場合、非晶質珪素膜４の下側に接しているＳｉＯ２膜２中には、結晶化領域毎に不純物であるＮ（窒素）濃度に勾配が形成されていることによって熱伝導係数が不均一になっていることより、非晶質珪素膜４は、各結晶化領域内において、不均一に熱拡散される。これにより、溶融状態の非晶質珪素膜４内には、不均一な温度分布が形成される。
【００４２】
各結晶化領域内では、ＳｉＯ２膜２に導入されたＮ濃度が高いところでは溶融状態の非晶質珪素膜４からガラス基板１への熱拡散が大きく、逆にＮ濃度の低いところでは、この熱拡散が小さくなる。このことにより溶融状態の非晶質珪素膜４の膜面内に温度勾配が生じる。Ｎの濃度勾配を緩やかにすることにより、各結晶化領域における温度勾配も緩やかにできる。
【００４３】
このように、本実施形態では、結晶化領域において温度勾配が緩やかになっているために、溶融領域を広げて結晶成長領域を広げることができ、その結果、大粒径の結晶粒を形成することができる。
【００４４】
このようにして、非晶質珪素膜４における各結晶化領域において、非晶質珪素がそれぞれ結晶化されることにより、各結晶化領域においてそれぞれ大粒径の結晶が形成された結晶性珪素膜を形成することができる。
【００４５】
このようにして形成された結晶性珪素膜は、薄膜トランジスタ等の半導体素子の活性層として使用され、その半導体素子が、液晶表示装置のドライバー、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置に使用される。
【００４６】
また、このように、半導体薄膜である非晶質珪素膜４の溶融領域を広くすることにより、各結晶化領域における結晶成長距離が大きくなるために、断続的に照射されるレーザービームの走査ピッチを拡大することができ、これにより、レーザービームのショット数を低減することができる。
【００４７】
さらには、ライン状のレーザービームを、断続的に照射しつつ、長手方向に対して垂直方向に走査させることによって、大面積の基板における多数の結晶化領域において大粒径の結晶をそれぞれ形成することが可能である。また、このように、非晶質珪素膜４の溶融領域を広くして結晶成長距離を大きくすることができるため、レーザービームの１ショットの照射でも結晶化を行うことができ、基板上の所望の位置にのみ大粒径の結晶粒を形成させることも可能である。
【００４８】
このように１ショットのレーザービームを照射する場合、結晶化領域内で非晶質珪素膜の結晶化方向の中央部において濃度が大きく、結晶化方向の両側になるにつれて、順次、濃度が小さくなるような濃度勾配となるように、不純物元素３としての窒素が導入される。これにより、結晶化領域における非晶質珪素膜４の温度分布は、図３（ａ）に示すようになり、結晶化領域における結晶化方向の中央部と両側部分の温度差が小さく、各結晶化領域における温度勾配が緩やかになる。
【００４９】
なお、図３（ｂ）は、絶縁膜であるＳｉＯ２膜２に不純物を導入することなく、ＳｉＯ２膜上に設けられた非晶質珪素膜４にレーザービームを照射した場合における非晶質珪素膜の結晶化領域内の温度分布を示している。この場合には、結晶化領域の結晶化方向の中央部と両側部分との温度差が大きく、温度勾配が急激になっている。
【００５０】
なお、本実施形態では、絶縁膜としてＳｉＯ２膜（酸化珪素膜）を用いたが、例えば酸化珪素化合物、窒化珪素化合物、窒化酸化珪素化合物、酸化アルミニウム化合物、窒化アルミニウム化合物、フッ化酸化珪素化合物、フッ化酸化窒化珪素化合物および酸化炭化珪素化合物などを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
また、本実施形態では、不純物元素として窒素を用いたが、例えば炭素、窒素、酸素、フッ素、珪素およびアルミニウムなどのように絶縁膜よりも熱伝導性が高い不純物元素であれば、いずれも用いることができる。また、これらの不純物元素は、混合して用いることもできる。
【００５２】
また、本実施形態では、非単結晶膜として半導体膜である珪素（Ｓｉ）膜を用いたが、ＳｉＧｅ膜、ＧａＡｓ膜、ＧａＰ膜、ＩｎＰ膜等を用いてもよい。
【００５３】
不純物元素が導入された絶縁膜の熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲で勾配が設けられていることが好ましい。絶縁膜の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きくなると、非単結晶膜に与えられた熱が直ちに基板に拡散されるため、非単結晶膜の溶融時間が短くなり、結晶粒の大きい結晶性膜が得られないからである。絶縁膜の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であれば、非単結晶膜の溶融時間を長くすることかでき、結晶粒が大きい結晶性膜を得ることができる。
【００５４】
絶縁膜の膜厚は、５０ｎｍ以上であることが好ましい。絶縁膜の膜厚が５０ｎｍよりも薄いと、その後のレーザービーム等のエネルギービームが照射された際に、十分緩やかな温度勾配を形成することができないからである。絶縁膜の膜厚が５０ｎｍ以上であれば、不純物元素の濃度勾配によって、レーザービーム等のエネルギービームが照射された際に、非単結晶膜における結晶化領域の温度勾配を緩やかにして結晶化速度を低速にし、結晶粒が大きい結晶性膜を得ることができる。
【００５５】
非単結晶膜の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。非単結晶膜の膜厚が１０ｎｍよりも薄いと、エネルギービームが充分吸収されないため、非単結晶膜を溶融させることが困難となるからである。また、非単結晶膜の膜厚が２００ｎｍよりも厚いと、非単結晶膜を溶融させるために過大なエネルギーのエネルギービームが必要となり、非単結晶膜を安定して溶融させることができず、結晶化領域において緩やかな温度勾配を形成させることが困難になるからである。非単結晶膜の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であれば、非単結晶膜を安定して溶融させることができ、かつ、結晶化領域内に緩やかな温度勾配を形成させることができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、エネルギービームとしてパルス状エキシマレーザー光を用いたが、他のパルス状レーザー光やパルス光、パルス状荷電粒子等、他のエネルギービームを用いても良い。
【００５７】
エネルギービームのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２よりも小さいと、エネルギーが小さいため、非単結晶膜を充分に溶融させることができないからである。また、エネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ２よりも大きいと、エネルギーが大きいため、非単結晶膜中の一部が飛散するおそれ等がある。エネルギービームのエネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ２以上２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２以下のパルスレーザーであれば、非単結晶膜を充分に溶融させることができ、かつ、非単結晶膜の飛散も生じない。
【００５８】
図４は、前述した製造方法によって製造された結晶性珪素膜を活性層として使用した半導体素子である薄膜トランジスタが設けられた液晶表示装置のアクティブマトリクス基板の製造工程を示す断面図、図５は、そのアクティブマトリクス基板の断面図、図６は、そのアクティブマトリクス基板に液晶層を介して貼り合わされて液晶表示装置を構成する対向基板の断面図である。
【００５９】
図５に示すアクティブマトリクス基板３１には、多数の画素電極１５（図５参照）がマトリクス状に設けられており、各画素電極１５が、薄膜トランジスタ３３によってそれぞれ駆動されるようになっている。
【００６０】
アクティブマトリクス基板３１は、前記ガラス基板１に、絶縁膜としてのＳｉＯ２膜２を形成し、さらには、前述した方法によって、結晶性珪素膜が形成されると、その結晶性珪素膜を所定形状にパターンニングすることにより、各画素電極１５に対応して設けられる薄膜トランジスタ３３の活性層８がそれぞれ形成される。
【００６１】
結晶性珪素膜からなる活性層８には、中央部にチャネル領域８ａが設けられており、チャネル領域８ａの両側にソース領域８ｂおよびドレイン領域８ｃがそれぞれ形成されている。チャネル領域８ａ上には、ゲート絶縁膜９を介してゲート電極１０が設けられており、ゲート絶縁膜９およびゲート電極１０を覆うように絶縁膜１１が設けられている。ゲート絶縁膜９および絶縁膜１１には、ソース領域８ｂおよびドレイン領域８ｃに達するようにコンタクトホールが設けられ、ソース領域８ｂおよびドレイン領域８ｃに、コンタクトホールを介して、ソース電極１２ｂおよびドレイン電極１２ｃが接続されている。そして、絶縁膜１１と、ソース電極１２ｂおよびドレイン電極１２ｃとを覆うように、絶縁膜１３が設けられている。絶縁層１３には、ソース電極１２ｂおよびドレイン電極１２ｃの一部が露出するようにスルーホール１３ａがそれぞれ形成されている。
【００６２】
図４は、この状態の断面図であり、結晶性珪素膜を活性層８として用いた薄膜トランジスタ３３が形成されている。なお、このような薄膜トランジスタ３３は、液晶表示装置のドライバーとして用いる構成に限らず、半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置としても使用される。半導体メモリー、半導体論理回路等の半導体装置として使用される場合には、基板上に、抵抗、キャパシタ等が設けられる。
【００６３】
図４に示す薄膜トランジスタ１３がガラス基板１上にマトリクス状に形成された液晶表示装置のアクティブマトリクス基板３１は、図５に示すように、絶縁層１３上に、スルーホール１３ａを介してドレイン電極１２ｃと接続された画素電極１５がそれぞれ形成され、絶縁層１３および画素電極１５を覆うように保護膜１６が設けられている。そして、保護膜１６を覆うように配向膜１７が設けられている。
【００６４】
このような構成のアクティブマトリクス基板３１が、図６に示す対向基板３２と、液晶層を介して貼り合せることによって、液晶表示装置とされる。図６に示す対向基板３２は、絶縁性基板であるガラス基板１８上に、カラーフィルター１９、対向電極２０、保護膜２２および配向膜２１が設けられている。そして、配向膜２１を、アクティブマトリクス基板３１の配向膜１７に、所定の間隔をあけて対向配置して、その間隔内に液晶層を形成することによって液晶表示装置とされる。
【００６５】
図５に示すアクティブマトリクス基板３１は、次のようにして製造される。まず、前述の方法によってガラス基板１のＳｉＯ２膜２上に結晶性珪素膜が形成されると、この結晶性珪素膜を、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとを用いたＲＩＥ法によって、各画素電極１５に対応するマトリクス状にパターニングして、各薄膜トランジスタ３３の活性層８をそれぞれ形成する。
【００６６】
その後、通常の薄膜トランジスタの製造工程と同様に、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜９を、活性層８およびＳｉＯ２膜２を覆うように形成する。
【００６７】
次に、スパッタリング法によって、ＷＳｉ２／多結晶Ｓｉ膜を形成した後、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとを用いたＲＩＥ法によってパターニングすることによって、活性層８のチャネル領域８ａ上にゲート電極１０をそれぞれ形成する。
【００６８】
次いで、ゲート電極１０をマスクとして、ソース領域８ｂおよびドレイン領域８ｃにイオンドーピング法によってＰ（リン）およびＢ（ホウ素）を注入する。その後、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ２からなる絶縁膜１１を、各ゲート電極１０およびゲート絶縁膜９を覆うように形成する。このような状態になると、ＣＦ４ガスとＣＨＦ３ガスを用いたＲＩＥ法によって絶縁膜１１をエッチングすることにより、各活性層８のソース領域８ｂおよびドレイン領域８ｃが露出するように、コンタクトホールをそれぞれ形成する。
【００６９】
次に、スパッタリング法によって、絶縁膜１１上および各コンタクトホール内にＡｌ膜を形成し、ＢＣｌ３ガスとＣｌ２ガスとを用いたＲＩＥ法によってパターニングすることによって、ソース電極１２ｂおよびドレイン電極１２ｃを形成する。そして、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとＮ２ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる絶縁性の保護膜１３を、絶縁膜１１と、ソース電極１２ｂおよびドレイン電極１２ｃとを覆うように形成する。その後、ＣＦ４ガスとＣＨＦ３ガスとを用いたＲＩＥ法によってエッチングを行って保護膜１３の一部を、電極および配線１２の一部が露出するように開口する。これにより、図４に示す薄膜トランジスタ３３が形成される。
【００７０】
その後、ＴＥＯＳガスとＯ３ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２からなる絶縁層１３を形成し、ＣＦ４ガスとＣＨＦ３ガスとを用いたＲＩＥ法によってエッチングすることにより、絶縁層１３にスルーホール１３ａを形成する。
【００７１】
次に、スパッタリング法によって、絶縁層１３およびスルーホール１３ａ内にＩＴＯ膜を形成し、ＨＣｌとＦｅＣｌ３とを用いてパターニングすることにより、スルーホール１３ａを介してドレイン電極1２ｃに接続された画素電極１５を形成する。その後、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとＮ２ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる絶縁性の保護膜１６を、絶縁層１３および各画素電極１５を覆うように形成する。そして、保護膜１６の上にポリイミドからなる配向膜１７をオフセット印刷法によって形成し、ラビング処理を行う。これにより、図５に示すアクティブマトリクス基板３１が形成される。
【００７２】
図６に示す対向基板３２は、ガラス基板等の絶縁性基板１８に、赤、緑、青の各色の感光性樹脂薄膜が設けられたフィルムを熱圧着により転写し、転写されたフィルムをフォトリソグラフィー工程によってパターニングし、さらに、赤、緑および青の各着色部の間のスペースにブラックマトリクス部を同様にして形成することによって、カラーフィルター１９を形成する。その後、カラーフィルタ１９の上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜からなる対向電極２０を形成し、形成された対向電極２０上に、ポリイミドからなる配向膜２１をオフセット印刷法によって形成して、ラビング処理を行う。これにより、図６に示す対向基板３２が形成される。
【００７３】
このようにして薄膜トランジスタ３３、画素電極１５等が形成されたアクティブマトリクス基板３１と、カラーフィルター１９、対向電極２０等が形成された対向基板３２とを、所定の間隔を開けて対向配置して、相互に対向する周縁部同士を、シール樹脂で貼り合わせる。この場合、アクティブマトリクス基板３１および対向基板３２間に一定のスペースが形成されるように、真球状の微細なシリカを均一に散布しておく。このような状態で、アクティブマトリクス基板３１および対向基板３２間に液晶を注入して液晶層を形成した後に、アクティブマトリクス基板３１のガラス基板１および対向基板３２のガラス基板１８に、偏光板をそれぞれ貼り付け、さらには、アクティブマトリクス基板３１の周辺部にドライバーＩＣ等を実装することによって、液晶表示装置が製造される。
【００７４】
このようにして製造された液晶表示装置は、各画素電極１５にそれぞれ接続された薄膜トランジスタ３３の活性領域８が、大きな結晶粒の結晶性半導体薄膜によって構成されているため、各薄膜トランジスタ３３は良好な電気特性になっており、しかも、各薄膜トランジスタ３３の特性のばらつきも小さくなっている。その結果、表示領域の全体にわたって、良好な表示特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の結晶性薄膜の製造方法の実施形態の一例について説明するための断面図である。
【図２】その結晶性薄膜の製造方法を説明するための概略図である。
【図３】（ａ）は、本発明の結晶性薄膜の製造方法において、レーザービームが照射された非晶質珪素膜の結晶化領域の温度分布を示すグラフ、（ｂ）は従来の結晶性薄膜の製造方法において、レーザービームが照射された非晶質珪素膜の結晶化領域の温度分布を示すグラフである。
【図４】その結晶性薄膜の製造方法によって製造される半導体装置である薄膜トランジスタの断面図である。
【図５】その薄膜トランジスタを使用した液晶表示装置のアクティブマトリクストランジスタの断面図である。
【図６】その液晶表示装置の対向基板の断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１    ガラス基板
２    ＳｉＯ２膜
１１、１４    絶縁膜
３    不純物元素
４    非晶質珪素膜
５    レーザービーム
８    活性層
９    ゲート絶縁膜
１０    ゲート電極
１２ｂ    ソース電極
１２ｃ    ドレイン電極
１３    絶縁層
１５    画素電極
１７、２１    配向膜
１９    カラーフィルター
２０    対向電極
【図１】
2005045036.tif 000003
【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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