(57)【要約】【課題】結晶性に優れた結晶性半導体膜を有する半導体基板を安定的に製造することが可能な半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板の製造方法であって、上記製造方法は、絶縁基板上の非晶質半導体膜から結晶性半導体膜を形成するに際し、少なくとも３回の結晶化工程を行う半導体基板の製造方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板の製造方法であって、
該製造方法は、絶縁基板上の非晶質半導体膜から結晶性半導体膜を形成するに際し、少なくとも３回の結晶化工程を行うことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記製造方法は、絶縁基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、
非晶質半導体膜を結晶化し、第１結晶性半導体膜を形成する工程と、
第１結晶性半導体膜を溶融固化し、第２結晶性半導体膜を形成する工程と、
第２結晶性半導体膜を溶融固化し、第３結晶性半導体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記第１結晶性半導体膜形成工程は、固相結晶成長法を用いて行うことを特徴とする請求項２又は３記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記第１結晶性半導体膜形成工程は、触媒元素を添加し、加熱処理を行うものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記触媒元素は、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記触媒元素は、非晶質半導体膜表面の濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項５又は６記載の半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記加熱処理は、５００℃以上、７００℃以下で行うことを特徴とする請求項５記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記第２結晶性半導体膜形成工程は、波長が１２６ｎｍ以上、３７０ｎｍ未満の第２結晶化レーザビームを照射することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第２結晶化レーザビームは、パルス発振エキシマレーザビームであることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記第２結晶化レーザビームは、第１結晶性半導体膜表面上でのビーム形状が略直線状であり、かつ
レーザビームの短軸方向にステップ走査することを特徴とする請求項２〜１０のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第３結晶性半導体膜形成工程は、第２結晶性半導体膜形成工程で発生した微結晶領域のみを選択的に溶融固化することを特徴とする請求項項２〜１１のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第３結晶性半導体膜形成工程は、波長が３７０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以下の第３結晶化レーザビームを照射することを特徴とする請求項２〜１２のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記第２結晶性半導体膜形成工程及び前記第３結晶性半導体膜形成工程は、波長が異なる第２結晶化レーザビーム及び第３結晶化レーザビームを照射することを特徴とする請求項項２〜１３のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記第２結晶化レーザビームは、波長が１２６ｎｍ以上、３７０ｎｍ未満であり、かつ
前記第３結晶化レーザビームは、波長が３７０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１４記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記第３結晶化レーザビームは、連続発振固体レーザビームであることを特徴とする請求項２〜１５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
前記第３結晶化レーザビームは、イットリウムアルミニウムガーネットレーザの第２高調波であることを特徴とする請求項２〜１６のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１８】
前記第３結晶化レーザビームは、第２結晶化レーザビームの長軸方向に走査することを特徴とする請求項２〜１７のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１９】
前記第３結晶化レーザビームは、１００ｍｍ／ｓｅｃ以上の速度で走査することを特徴とする請求項２〜１８のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の半導体基板の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする半導体基板。
【請求項２１】
絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板であって、
該結晶性半導体膜は、針状結晶領域を有することを特徴とする半導体基板。
【請求項２２】
請求項２０又は２１記載の半導体基板を含んで構成されることを特徴とする表示装置。
【請求項２３】
前記表示装置は、液晶表示装置であることを特徴とする請求項２２記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造方法及び半導体基板に関する。より詳しくは、電界効果トランジスタ基板及び液晶表示装置等の表示装置に用いられる薄膜半導体装置等の製造方法に好適な半導体基板の製造方法、並びに、それを用いて得られる半導体基板及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板は、半導体の電気特性を利用した能動素子を備えた電子回路を有する基板であり、例えば、オーディオ機器、通信機器、コンピュータ、家電機器等に広く応用されている。なかでも、薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」ともいう）やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ等の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた半導体基板は、アクティブマトリクス型液晶表示装置、有機エレクトロルミネセンス表示装置等の薄型表示装置におけるスイッチング素子や制御回路等として用いられる等、幅広い分野で利用されている。
【０００３】
近年、表示装置等に用いられる半導体基板において、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させ、結晶構造を有する半導体膜（以下、「結晶性半導体膜」ともいう）を形成する技術が広く研究されている。結晶性半導体膜は、非晶質半導体膜と比較し、非常に高い移動度を有する。このため、結晶性半導体膜を用いたＴＦＴは、例えば、１枚のガラス基板上に駆動回路、画素部等を備えたアクティブマトリクス型液晶表示装置等において、画素部用ＴＦＴ、又は、画素部用ＴＦＴ及び駆動回路用ＴＦＴ等として利用され、表示装置の高精細化及び高速動画表示を可能にしている。結晶性半導体膜形成のための結晶化法としては、ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法、瞬間熱アニール法（ＲＴＡ法）、レーザアニール法等が検討されている。結晶化に際してはこれらの方法の内、いずれか一つ又は複数を組み合わせて行うことが可能である。
【０００４】
ファーネスアニール炉を用いた熱アニール法で非晶質半導体膜を結晶化させるには、通常、６００℃以上で１０時間以上の熱処理を必要とする。このため、結晶化に適用できる基板材料としては、高価な石英等に限られてしまう。また、半導体基板の生産効率を上げるためには、基板を大面積化する必要が不可欠であり、近年では一辺が１ｍを越えるサイズの基板の使用も考慮されるようになってきているが、特に石英を大面積な基板に加工するのは非常に困難であった。
【０００５】
そこで、結晶性半導体膜を形成する方法として、非晶質半導体の結晶化を助長する触媒元素を用いる熱結晶化法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。これによれば、従来課題とされていた結晶化温度の低温化及び処理時間の短縮化を可能としている。具体的には、非晶質半導体膜にニッケル、パラジウム、鉛等の元素を微量に添加し、その後６００℃にて１時間の熱処理を行うことによって結晶性半導体膜を形成している。しかしながら、熱結晶化法により形成された結晶性半導体膜を用いたＴＦＴは、トランジスタ特性の安定性及び信頼性の点で改善の余地があった。
【０００６】
それに対して、レーザアニール法は、基板の温度を余り上昇させることなく、半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができるため、基板材料として、歪点の低いガラスは勿論、プラスチック等も用いることができる点で注目されている技術である。レーザアニール法としては、例えば、エキシマレーザに代表されるパルスレーザビームを、照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて成形し、レーザビームを移動させて、又は、レーザビームの照射位置を被照射体に対し相対的に移動させてアニールを行う方法が挙げられる。しかしながら、エキシマレーザ等を用いたレーザアニール法により形成した結晶性半導体膜においては、レーザ照射装置の不安定性から結晶粒子サイズのばらつきが発生しやすく、均一な結晶性を有する結晶性半導体膜を形成するといった点で工夫の余地があった。
【０００７】
また、これらの結晶化法を組み合わせ、非晶質半導体の結晶化を助長する触媒元素を用いて熱結晶化した後、レーザアニールを行う方法が開示されている（例えば、特許文献２〜７参照。）。また、レーザアニール法において、波長の異なるレーザ照射を２回行う技術が開示されている（例えば、特許文献８参照。）。これらによれば、非晶質半導体膜の結晶化工程を複数回含むことから、結晶性半導体膜の結晶性を向上させることができる。しかしながら、良好なトランジスタ特性を有するＴＦＴを安定的に製造することができないことがあった。
したがって、結晶性に優れた結晶性半導体膜を有する半導体基板を安定的に製造するという点で更に改善の余地があった。
【特許文献１】特開平７−１８３５４０号公報
【特許文献２】特開平１０−１７３１９６号公報
【特許文献３】特開２０００−２１６０８９号公報
【特許文献４】特開２００１−９３８３５号公報
【特許文献５】特開２００１−３２６１７６号公報
【特許文献６】特開２００２−７６３６２号公報
【特許文献７】特開２００３−３７０６３号公報
【特許文献８】特開２００１−３３８８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、結晶性に優れた結晶性半導体膜を有する半導体基板を安定的に製造することが可能な半導体基板の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、結晶性に優れた結晶性半導体膜を有する半導体基板を安定的に製造することが可能な半導体基板の製造方法について種々検討したところ、結晶化を助長する触媒元素を用いて非晶質半導体膜を固相結晶成長により熱結晶化した後、更にレーザアニールを行い結晶性半導体膜を形成する方法（以下、「二段階結晶法」ともいう）に着目した。そして、固相結晶成長した結晶性半導体膜は、結晶粒径が数μｍから１００μｍを超える大きな結晶粒を含み、更にレーザビーム照射を行うことによって結晶性がより向上され、この結晶性半導体膜を活性層に用いたＴＦＴは、ほとんどの場合において良好なトランジスタ特性を有する一方、一部不充分なトランジスタ特性を示すことを確認した。
【００１０】
そこで、本発明者は、二段階結晶法を用いて形成された結晶性半導体膜を活性層に用いたＴＦＴの一部が不充分なトランジスタ特性を示した原因を詳細に調べたところ、固相結晶成長した結晶性半導体膜の結晶性を充分に向上させるために必要なレーザビーム照射のエネルギー密度のマージンは非常に狭く、また、レーザビーム照射のエネルギー密度が小さすぎると、固相結晶成長した結晶性半導体膜の結晶性を充分に向上できず、一方、レーザビーム照射のエネルギー密度が大きすぎると、固相結晶成長した結晶性半導体膜の大きな結晶粒が完全に溶融してしまい、場合によっては直径０．１μｍ以下の微結晶となり、この微結晶領域がＴＦＴの活性層として用いられるとトランジスタ特性が不充分となることが分かった。すなわち、固相結晶成長した結晶性半導体膜の結晶性を充分に向上させるには、固相結晶成長した結晶性半導体膜の大きな結晶粒が微結晶とならない程度のできるだけ大きなエネルギー密度でレーザビーム照射することが好ましいが、このような条件を満たすエネルギー密度のマージンは非常に狭く、レーザ照射装置の不安定性を考慮すると、結晶粒が大きく、かつ結晶性に優れた結晶性半導体膜を安定的に製造することは困難であり、結晶性半導体膜は少なくとも一部に微結晶領域を有するため、二段階結晶法で形成された結晶性半導体膜を活性層に用いたＴＦＴの一部は、トランジスタ特性が充分でないことが分かった。
【００１１】
そして、本発明者は更に検討を行ったところ、絶縁基板上の非晶質半導体膜から結晶性半導体膜を形成するに際し、少なくとも３回の結晶化工程を行うことにより、第１結晶化工程で形成された結晶性半導体膜の結晶性を第２結晶化工程でより向上させ、更に第２結晶化工程で発生する微結晶領域を第３結晶化工程で選択的に再結晶化させることができ、その結果として、基板全面にわたって結晶性に優れた結晶性半導体膜を有する半導体基板を安定的に製造することが可能であることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板の製造方法であって、上記製造方法は、絶縁基板上の非晶質半導体膜から結晶性半導体膜を形成するに際し、少なくとも３回の結晶化工程を行う半導体基板の製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
【００１３】
本発明は、絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板の製造方法である。したがって、本発明は、液晶表示装置等の表示装置に用いられるＴＦＴ、ＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタを備えた半導体基板等の製造方法に好適である。
【００１４】
上記製造方法は、絶縁基板上の非晶質半導体膜から結晶性半導体膜を形成するに際し、少なくとも３回の結晶化工程を行う。これにより、第１及び第２結晶化工程によって充分に結晶性の向上された結晶性半導体膜を形成することができ、更に、第３結晶化工程によって第２結晶化工程で発生する微結晶領域を選択的に再結晶化させ、基板全面にわたって結晶性に優れた結晶性半導体膜を形成することが可能となる。
【００１５】
本発明の半導体基板の製造方法としては、上記少なくとも３回の結晶化工程を必須工程として含むのである限り、その他の工程を含んでいても含んでいなくてもよく、特に限定されるものではないが、（１）絶縁基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、（２）非晶質半導体膜を結晶化し、第１結晶性半導体膜を形成する工程（第１結晶化工程）と、（３）第１結晶性半導体膜を溶融固化し、第２結晶性半導体膜を形成する工程（第２結晶化工程）と、（４）第２結晶性半導体膜を溶融固化し、第３結晶性半導体膜を形成する工程（第３結晶化工程）とを含むことが好ましい。
【００１６】
上記（１）の非晶質半導体膜成膜工程は、絶縁基板上に非晶質半導体膜を成膜するものであり、非晶質半導体膜は、非晶質ケイ素膜であることが好ましい。これにより、非晶質ケイ素膜を結晶化して、移動度に優れた連続粒界結晶シリコン（ＣＧシリコン）、多結晶シリコン（ポリシリコン）等の結晶性ケイ素膜を形成することが可能となる。なお、絶縁基板とは、絶縁性の表面を有するものであれば特に限定されないが、ガラス基板等が好適に用いられる。
【００１７】
上記（２）の第１結晶性半導体膜形成工程は、非晶質半導体膜を結晶化することによって、第１結晶性半導体膜を形成するものであり、固相結晶成長法を用いて行うことが好ましい。より具体的には、触媒元素を添加し、加熱処理を行うものであることが好ましい。これにより、粒径が数μｍの結晶粒を有する第１結晶性半導体膜を容易に形成することができる。
【００１８】
上記触媒元素は、非晶質半導体膜の結晶化を助長するものであり、鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、イリジウム、白金、銅及び金からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。また、触媒元素は、非晶質半導体膜表面の濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましく、これにより、製造工程の効率化と半導体膜の特性向上が可能となる。触媒元素の非晶質半導体膜表面の濃度が１×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満であると、触媒元素の効果が小さく、非晶質半導体膜の結晶化に要する時間が長くなり、製造工程上好ましくない。また、触媒元素の非晶質半導体膜表面の濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超えると、触媒元素に起因する結晶粒密度は高くなる一方、半導体元素に起因する結晶粒径は小さくなるため、本発明の半導体基板をＴＦＴ等に用いた場合には、トランジスタ特性が悪化することがある。非晶質半導体膜表面の触媒元素の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析法により容易に測定することができる。
【００１９】
上記加熱処理は、５００℃以上、７００℃以下で行うことが好ましい。炉等を用いて上記温度範囲で非晶質半導体膜の加熱処理を行うことによって、製造工程の効率化と半導体膜の特性向上を両立しながら第１結晶性半導体膜を容易に形成することができる。加熱処理が５００℃未満であると、固相結晶成長速度が遅く、製造工程上好ましくない。また、加熱処理が７００℃を超えると、触媒元素によって固相結晶成長する粒径数μｍ以上の結晶粒以外に、触媒元素に起因しない例えば０．２μｍ以下の小さい粒径の結晶粒が成長し、本発明により作製された半導体基板をＴＦＴ等に用いた場合には、トランジスタ特性が悪化することがある。
【００２０】
上記（３）の第２結晶性半導体膜形成工程は、第１結晶性半導体膜を溶融固化することによって、第２結晶性半導体膜を形成するものであり、波長が１２６ｎｍ以上、３７０ｎｍ未満の第２結晶化レーザビームを照射することが好ましい。上記波長範囲のレーザビームに対する結晶性半導体膜の吸収係数は大きいため、第１結晶性半導体膜よりも結晶性が向上し、かつ粒径が数μｍの結晶粒を有する第２結晶性半導体膜を簡便に形成することができる。上記波長範囲のレーザビームとしては、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム（波長３０８ｎｍ）等が挙げられる。
第２結晶化レーザビームの照射エネルギー密度は特に限定されないが、第１結晶性半導体膜の少なくとも一部が溶融しない程度の照射エネルギー密度であることが好ましく、これにより、ほぼ全面が充分な結晶性を有する第２結晶性半導体膜が得られる。
しかしながら、第２結晶性半導体膜の一部は、レーザ装置の不安定性から照射エネルギー密度が過大となり、微結晶となる領域が存在する。したがって、第２結晶性半導体膜は、充分な結晶性を有し、かつ粒径が数μｍの結晶粒領域と、結晶粒径が極めて小さな（例えば、０．１μｍ以下）微結晶領域を有することとなる。
【００２１】
上記第２結晶化レーザビームは、パルス発振エキシマレーザビームであることが好ましく、また、第１結晶性半導体膜表面上でのビーム形状が略直線状であり、かつレーザビームの短軸方向にステップ走査することが好ましい。このように絶縁基板上でエキシマレーザビームを一定方向にステップ走査させることによって、大面積のケイ素膜を効率よく簡便に結晶化することができる。略直線状とは、厳密な意味で幅のない真っ直ぐな線を意味するものではなく、アスペクト比（縦横比）の大きい長方形又は長楕円形を意味する。アスペクト比は、例えば、２以上（より好ましくは１０〜１００００）が好ましく、被照射体表面上でのビーム形状は矩形状とも呼ばれる。ビーム形状を略直線状とすることによって、被照射体を充分にアニールできる程度のエネルギー密度を確保することができるが、被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば、ビーム形状は矩形状や面状であってもよい。レーザビームの短軸方向とは、略直線方向に対して略垂直な方向のことである。ステップ走査とは、毎ビームショット後に、ある一定のステップ幅（あるビームショットと次のビームショットとの間に照射位置が移動する距離）でレーザビームを移動させる走査方法である。ステップ幅は被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば特に限定されず、適宜設定すればよい。
【００２２】
上記（４）の第３結晶性半導体膜形成工程は、第２結晶性半導体膜を溶融固化することによって、第３結晶性半導体膜を形成するものであり、第２結晶性半導体膜形成工程で発生した微結晶領域のみを選択的に溶融固化することが好ましく、また、波長が３７０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以下の第３結晶化レーザビームを照射することが好ましい。これにより、全面にわたって充分な結晶性を有する第３結晶性半導体膜を簡便に形成することができる。これは、上記波長範囲のレーザビームに対する微結晶領域の吸収係数が、結晶粒領域の吸収係数よりも大きいため、微結晶領域のみを選択的に溶融固化することが可能なためである。したがって、第２結晶性半導体膜形成工程及び前記第３結晶性半導体膜形成工程は、波長が異なる第２結晶化レーザビーム及び第３結晶化レーザビームを照射することが好ましく、第２結晶化レーザビームは、波長が１２６ｎｍ以上、３７０ｎｍ未満であり、かつ前記第３結晶化レーザビームは、波長が３７０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以下であることがより好ましい。第３結晶化レーザビームの照射エネルギー密度は被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば特に限定されず、適宜設定すればよい。
【００２３】
上記第３結晶化レーザビームは、連続発振固体レーザビームであることが好ましく、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）レーザの第２高調波であることがより好ましい。ＹＡＧレーザの第２高調波は波長が５３２ｎｍであることから、微結晶領域のみを選択的に溶融固化することが可能であり、ランニングコストの低減も可能となる。
また、第３結晶化レーザビームは、第２結晶化レーザビームの長軸方向に走査することが好ましい。第２結晶化レーザビームのビーム形状を略直線状とした場合には、略直線状レーザビームの長軸方向に沿って微結晶領域が発生するため、第３結晶化レーザビームを第２結晶化レーザビームの長軸方向に走査することによって、微結晶領域を効率よく溶融固化できる。なお、第３結晶化レーザビームのビーム形状としては、被照射体に対して充分なアニールを行えるのであれば特に限定されず、略直線状、長方形状、長楕円形状、矩形状、円状等が挙げられる。レーザビームの長軸方向とは、略直線方向に対して略平行な方向のことである。
更に、第３結晶化レーザビームは、１００ｍｍ／ｓｅｃ以上の速度で走査することが好ましい。これにより、微結晶領域において、レーザ走査方向と略平行に幅約０．２μｍ程度の針状結晶粒が成長し、第２結晶性半導体膜形成工程で形成された充分な結晶性を有し、かつ粒径が数μｍの正常な結晶粒領域と同程度の結晶性となる。
【００２４】
ここで、結晶粒領域及び微結晶領域のレーザビームに対する吸収係数について、更に詳しく説明する。なお、第２結晶化レーザビームとしてＸｅＣｌエキシマレーザビーム、第３結晶化レーザビームとしてＹＡＧレーザの第２高調波を用いた場合について説明する。
ＸｅＣｌエキシマレーザビームの波長は３０８ｎｍであるから、第１結晶性半導体膜形成工程で形成された粒径数μｍ程度の多結晶ケイ素膜である第１結晶性半導体膜のＸｅＣｌエキシマレーザビームに対する吸収係数はおよそ１．５６×１０６ｃｍ−１である。第２結晶性半導体膜形成工程で形成された微結晶領域のＸｅＣｌエキシマレーザビームに対する吸収係数は、結晶粒径によって異なるが非晶質ケイ素膜の吸収係数が１．３８×１０６ｃｍ−１であることから、１．５６×１０６〜１．３８×１０６ｃｍ−１の範囲内となる。一方、ＹＡＧレーザの第２高調波の波長は５３２ｎｍであるから、多結晶ケイ素膜である第１結晶性半導体膜のＹＡＧレーザの第２高調波に対する吸収係数は２．７４×１０４ｃｍ−１である。微結晶領域のＹＡＧレーザの第２高調波に対する吸収係数は、結晶粒径によって異なるが、９．３１×１０４〜３．５０×１０４ｃｍ−１の範囲内である。
以上のことから、ＸｅＣｌエキシマレーザビームは、粒径数μｍ程度の多結晶ケイ素膜と微結晶領域とにほぼ同程度吸収されるが、ＹＡＧレーザの第２高調波は粒径数μｍ程度の多結晶ケイ素膜より微結晶領域に吸収されやすいことが分かる。すなわち、適切な照射エネルギー密度のＹＡＧレーザの第２高調波を用いることで、第２結晶性半導体膜形成工程でレーザ装置の不安定性のために結晶性半導体膜中に発生した微結晶のみを選択的に溶融することが可能となる。
【００２５】
本発明はまた、本発明の半導体基板の製造方法により製造された半導体基板でもある。本発明の半導体基板によれば、微結晶領域等を含まない結晶性に優れた結晶性半導体膜を有することから、信頼性に優れ、かつ高性能なトランジスタ特性を有する薄膜半導体装置を高歩留まりに製造することができる。
【００２６】
本発明は更に、絶縁基板上に結晶性半導体膜を有する半導体基板であって、上記結晶性半導体膜は、針状結晶領域を有する半導体基板でもある。このような本発明の半導体基板は、本発明の半導体装置の製造方法により容易に作製することができる。本発明の半導体基板は、基板全面にわたって結晶性に優れ、かつ移動度の大きい結晶性半導体膜を有することから、高性能なトランジスタ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができるので、駆動回路及び画素部等を一体化したモノリシック液晶表示装置等のアクティブマトリクス基板に好適である。本発明はそして、本発明の半導体基板を含んで構成される表示装置でもある。本発明の表示装置は、結晶性に優れた半導体基板を含んで構成されることから、ＴＦＴやＭＯＳトランジスタ等のトランジスタ特性の高性能化が可能となり、その結果として、表示装置の画像処理能力や画質の向上を図ることができるので、液晶表示装置、有機エレクトロルミネセンス表示装置等に好適である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の半導体基板の製造方法によれば、少なくとも３回の結晶化工程を行うことによって、第１結晶化工程において結晶化された第１結晶性半導体膜の結晶性を、第２結晶化工程において溶融固化することで結晶性を充分に向上させ、かつレーザ装置の不安定性から生じる微結晶領域を第３結晶化工程において選択的に溶融固化させることが可能となり、その結果として、基板全面にわたって結晶性に優れた結晶性半導体膜を安定的に製造することが可能となる。そのため、移動度が大きく、高性能かつ高信頼性を有する薄膜半導体装置を簡便かつ高歩留まりに製造することができる。特に、アクティブマトリクス型液晶表示装置等において、本発明の半導体基板をスイッチング素子、駆動回路等に用いることによって、表示装置の高性能化及び高画質化を確実に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】
【００２８】
以下に実施例を掲げ、本発明を図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１）
実施例１では、本発明の半導体基板の製造方法によって結晶性ケイ素膜を形成し、その結晶性ケイ素膜を用いたｎチャネル型電界効果薄膜トランジスタ（以下、「ｎチャネル型ＴＦＴ」ともいう）の製造方法について説明する。図１は、本実施例のｎチャネル型ＴＦＴの構成を示す断面模式図である。
図１に示すように、本実施例のｎチャネル型ＴＦＴ１００は、絶縁基板であるガラス基板１上にベースコート層として形成されたＳｉＯ２膜２上にチャネル領域８、ソース領域９及びドレイン領域１０を有する結晶性ケイ素膜４が設けられ、結晶性ケイ素膜４上を覆うようにＳｉＯ２膜等の酸化膜からなるゲート絶縁膜１１が設けられている。チャネル領域８に対向する位置にはゲート絶縁膜１１を介してゲート電極１２が設けられ、ゲート電極１２上を覆うように基板全面に層間絶縁膜１３が設けられている。ゲート絶縁膜１１及び層間絶縁膜１３には、ソース領域９及びドレイン領域１０にそれぞれ達する各コンタクトホール部がそれぞれ設けられている。層間絶縁膜１３の上に設けられた引き出し電極１４は、各コンタクトホール部をそれぞれ介してソース領域９及びドレイン領域１０と電気的に接続されている。
【００３０】
以下に、このｎチャネル型ＴＦＴ１００の製造工程について、図２〜１３を用いて詳細に説明する。図２〜１３は、本実施例のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す模式図である。まず、チャネル領域８、ソース領域９及びドレイン領域１０を有する結晶性ケイ素膜４の形成方法について説明する。
図２に示すように、ガラス基板１上に、原料ガスとしてＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａ  ｅｔｈｏｘｙ  ｓｉｌａｎｅ）を用いＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によりベースコート層として膜厚約１００ｎｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜２を堆積させ後、原料ガスとしてＳｉＨ４を用い減圧ＣＶＤ法等により膜厚約５０ｎｍの非晶質ケイ素膜３を堆積させた。ベースコート層としては、ＳｉＯ２膜の他に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜（ｘは、任意の数字）、酸窒化シリコン（ＳｉＮＯ）膜等が挙げられ、これらの膜の積層体としてもよい。
【００３１】
次に、図３に示すように、非晶質ケイ素膜３上に、非晶質ケイ素の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル膜５を抵抗加熱法により、表面濃度５×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２となるように蒸着した。非晶質ケイ素膜３表面のニッケル膜５の濃度は、全反射蛍光Ｘ線分析法により測定した。続いて、図４に示すように、第１結晶化工程として、基板を炉にて窒素雰囲気中、６００℃で1時間加熱することによって非晶質ケイ素膜３を固相結晶成長させ、第１結晶性ケイ素膜４ａとなる。このとき結晶性ケイ素膜４ａの結晶粒は、約４μｍ程度であった。
【００３２】
次に、図５に示すように、第２結晶性半導体膜形成工程として、第１結晶性ケイ素膜４ａ表面にＸｅＣｌエキシマレーザビーム６（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ）をエネルギー密度３４０ｍＪ／ｃｍ２で照射することにより溶融固化し、第２結晶性ケイ素膜４ｂを形成した。このとき、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム６は第１結晶性ケイ素膜４ａ表面で、エネルギー分布の一様な１２５ｍｍ×０．４ｍｍの略直線状ビームに成形し、ガラス基板１上を略直線状ビームの短軸方向に２０μｍ／パルスのステップ幅（一パルス照射毎に２０μｍのビーム移動）で紙面下方から上方に走査した。本実施例においては、エネルギー密度３５０ｍＪ／ｃｍ２以上で照射すると、エネルギー密度が大きすぎ第２結晶性ケイ素膜４ｂに微結晶となる領域が発生した。また、エネルギー密度３３０ｍＪ／ｃｍ２以下で照射すると、Ｘ線回折分析の結果、３３０ｍＪ／ｃｍ２以上で照射した場合に比べて、結晶性が低下していた。また、図６に示すように、第２結晶性ケイ素膜４ｂには、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム６の短軸方向の幅が約２０μｍの線状微結晶領域４ｃがＸｅＣｌエキシマレーザビーム６の長軸方向に沿って複数発生しており、その線状微結晶領域４ｃ間の距離はランダムであった。これは、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム照射装置の照射エネルギーの不安定さから３５０ｍＪ／ｃｍ２以上のエネルギー密度で照射されたためと考えられる。したがって、第２結晶性ケイ素膜４ｂは、充分な結晶性を有し、粒径が約４μｍの結晶粒領域４ｄと、結晶粒径が極めて小さな線状微結晶領域４ｃを有することとなる。
【００３３】
次に、図７に示すように、第３結晶性半導体膜形成工程として、ＹＡＧ連続発振レーザの第２高調波７（波長５３２ｎｍ）を第２結晶性ケイ素膜４ｂ表面上にて長軸２５０μｍ、短軸２０μｍの楕円形に成形し、線状微結晶領域４ｃ上を第２結晶化工程で用いた略直線状のＸｅＣｌエキシマレーザビーム６の長軸方向（紙面左から右）に４００ｍｍ／ｓｅｃで連続的に走査した。本実施例においては、ＹＡＧ連続発振レーザの第２高調波７の出力は９Ｗであり、この出力では線状微結晶領域４ｃの微結晶ケイ素は溶融されるが、第２結晶性ケイ素膜４ｂ内の粒径約４μｍの結晶は溶融されなかった。ここで、第３結晶性半導体膜形成工程後の結晶粒界の概念図を図８に示す。第２結晶性半導体膜形成工程におけるＸｅＣｌエキシマレーザビーム６の照射により微結晶となった線状微結晶領域４ｃは、第３結晶化工程後は針状結晶４ｅとなる。第２結晶性半導体膜形成工程で線状微結晶領域４ｃとならなかった粒径約４μｍの結晶粒領域は、第３結晶性半導体膜形成工程の影響を全く受けていなかった。
【００３４】
次に、上述のようにして形成された結晶性ケイ素膜４をチャネル領域としたｎチャネル型ＴＦＴ１００の作製方法について説明する。
まず、図９に示すように、ガラス基板１上にベースコート層として形成されたＳｉＯ２膜２上の結晶粒領域４ｄ及び針状結晶４ｄからなる結晶性ケイ素膜４を、チャネル領域８、ソース領域９及びドレイン領域１０となる各領域を有する形状にフォトリソグラフィー法等によりパターニングした。
【００３５】
次に、図１０に示すように、結晶性ケイ素膜４を覆うように、ＳｉＯ２膜等の酸化膜からなるゲート絶縁膜１１を、常圧ＣＶＤ法等によって膜厚１００ｎｍ程度に形成した。ゲート絶縁膜１１の原料ガスとしては、ＴＥＯＳ等が挙げられる。ゲート絶縁膜１１の材質としてはＳｉＯ２膜の他に、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＮＯ膜等が挙げられ、これらの膜の積層体としてもよい。
【００３６】
次に、図１１に示すように、ゲート絶縁膜１１上に膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜１２ａをスパッタ法等により形成した後、図１２に示すように、Ａｌ膜１２ａをフォトリソグラフィー法等により所定の形状にパターニングしてゲート電極１２を形成した。ゲート電極１２の材質としてはＡｌ以外に、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属、上記高融点金属の窒化物等が挙げられ、また、ゲート電極を、上記複数の材料からなる積層体としてもよい。
【００３７】
次に、ゲート電極１２をマスクとして、ｎチャネル型ＴＦＴ１００の場合には不純物イオンとしてリンイオンを結晶性ケイ素膜４に自己整合的に注入し、ゲート電極１２直下のチャネル領域８の両側にソ−ス領域９及びドレイン領域１０を形成した。次に、図１３に示すように、ゲート電極１２を覆うようにガラス基板１上の全面に、膜厚５００ｎｍのＳｉＯ２膜等の酸化膜を常圧ＣＶＤ法により成膜して層間絶縁膜１３を形成した。
【００３８】
その後、図１に示すように、ソ−ス領域９及びドレイン領域１０上のゲート絶縁膜１１及び層間絶縁膜１３にコンタクトホ−ル部を形成し、コンタクトホ−ル部上を含むガラス基板１上の全面に引き出し電極１４となる電極材料をスパッタリング法等によって成膜した。そして、コンタクトホール部を介して引き出し電極１４となる電極材料とソース領域９及びドレイン領域１０の間をオ−ミック接触させ、引き出し電極１４となる材料を所定の形状にフォトリソグラフィー法等によりパターニングして引き出し電極１４とし、薄膜半導体装置としてのｎチャネル型ＴＦＴ１００を作製した。
このようにして作製されたｎチャネル型ＴＦＴ１００に対して、キャリア移動度を測定したところ、高性能である３５０ｃｍ２／Ｖ・ｓの値が得られた。このキャリア移動度は第２結晶化工程で微結晶となった線状微結晶領域４ｃ及びその境界が活性層に含まれたトランジスタでも同様であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの構成を示す断面模式図である。
【図２】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（二酸化ケイ素及び非晶質ケイ素膜の形成）。
【図３】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（ニッケル膜の形成）。
【図４】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（結晶性ケイ素膜の形成）。
【図５】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す平面模式図である（第２結晶性半導体膜形成工程）。
【図６】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す平面模式図である（第２結晶性半導体膜形成工程後の状態）。
【図７】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す平面模式図である（第３結晶性半導体膜形成工程）。
【図８】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程における結晶粒界の概念図である（第３結晶性半導体膜形成工程後の状態）。
【図９】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（結晶性ケイ素膜のパターニング）。
【図１０】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（ゲート絶縁膜の形成）。
【図１１】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（アルミニウム膜の形成）。
【図１２】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（ゲート電極形成及び不純物イオン注入）。
【図１３】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す断面模式図である（層間絶縁膜の形成）。
【符号の説明】
【００４０】
１：ガラス基板
２：二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜
３：非晶質ケイ素膜
４：結晶性ケイ素膜
４ａ：第１結晶性ケイ素膜
４ｂ：第２結晶性ケイ素膜
４ｃ：線状微結晶領域
４ｄ：結晶粒領域
４ｅ：針状結晶
５：ニッケル膜
６：ＸｅＣｌエキシマレーザビーム
７：ＹＡＧ連続発振レーザの第２高調波
８：チャネル領域
９：ソース領域
１０：ドレイン領域
１１：ゲート絶縁膜
１２：ゲート電極
１２ａ：アルミニウム膜
１３：層間絶縁膜
１４：引き出し電極
１００：ｎチャネル型ＴＦＴ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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