(57)【要約】    【課題】  半導体膜の形成に要する工程を削減することを可能とする製造技術を提供すること。    【解決手段】  液体プロセスを利用したシリコン膜の製造方法であって、基板(10)上にシリコン原子を含む液体材料(12)を塗布する第１工程と、上記第１工程において塗布された上記液体材料に対して局所的にレーザ光を照射することにより、当該レーザ光が照射された部分にシリコン膜(14)を形成する第２工程と、上記第２工程において上記レーザ光が照射されなかった部分の上記液体材料を除去する第３工程と、を含む、シリコン膜の製造方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にシリコン原子を含む液体材料を塗布する第１工程と、
前記第１工程において塗布された前記液体材料に対して局所的にレーザ光を照射することにより、当該レーザ光が照射された部分にシリコン膜を形成する第２工程と、
前記第２工程において前記レーザ光が照射されなかった部分の前記液体材料を除去する第３工程と、
を含む、シリコン膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１工程は、液滴吐出法によって前記液体材料の塗布を行う、請求項１に記載のシリコン膜の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程は、前記レーザ光を同一箇所に対して複数回に分けて照射する、請求項１に記載のシリコン膜の製造方法。
【請求項４】
前記第２工程は、前記レーザ光のエネルギー密度を各回ごとに増加させて、複数回の前記レーザ光の照射を行う、請求項３に記載のシリコン膜の製造方法。
【請求項５】
前記第２工程は、前記レーザ光を、前記液体材料の固化に要する大きさの第１のエネルギー密度に設定して１回以上照射し、その後、前記レーザ光を、前記第１のエネルギー密度よりも大きく、かつ前記シリコン膜の結晶化に要する大きさの第２のエネルギー密度に設定して１回以上照射する、請求項３又は４に記載のシリコン膜の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のシリコン膜の製造方法を含む薄膜半導体素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の製造方法によって製造される薄膜半導体素子を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン膜の製造方法及びこの製造方法を含んでなる薄膜半導体素子の製造方法、並びに当該薄膜半導体素子を備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、製造コストの削減を達成すべく、液体材料を用いた半導体膜の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの文献に記載の製造方法では、基板上にシリコン原子を含む液体材料を塗布した後に、焼成、結晶化、フォトリソグラフィ、エッチング、レジスト剥離の各工程を経て半導体膜のパターニングがなされる。
【０００３】
上記の公知技術においては、基板上への半導体膜の成膜工程については製造コストの削減効果が得られるものの、それ以外の工程については従前の製造方法と変わりない。このため、最終的には大部分がエッチングによって除去されるにも関わらず、広範囲に渡って半導体膜の成膜、焼成、結晶化を行うことになり、生産性、材料コスト、エネルギー消費といった点で更なる改良の余地がある。
【０００４】
かかる要望に対して、シリコン原子を含む液体材料を液滴吐出法によって直接的に直描する手法も検討されている。かかる手法によれば、半導体膜のパターニングに要する各工程（フォトリソグラフィ、エッチング、レジスト剥離）を省略できるため、工程数の削減を達成し得る。しかしながら、液滴吐出法によって描画されるパターンのサイズは数十μｍオーダとなるため、例えば、薄膜トランジスタを構成する半導体膜を形成する場合など、より微細なパターンを形成したい場合には適さない。
【０００５】
【特許文献１】国際公開第００／５９０４０号パンフレット
【特許文献２】国際公開第００／５９０４１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、半導体膜の形成に要する工程数を削減することを可能とする製造技術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】
【０００７】
第１の態様の本発明は、液体プロセスを利用したシリコン膜の製造方法であって、基板上にシリコン原子を含む液体材料を塗布する第１工程と、上記第１工程において塗布された上記液体材料に対して局所的にレーザ光を照射することにより、当該レーザ光が照射された部分にシリコン膜を形成する第２工程と、上記第２工程において上記レーザ光が照射されなかった部分の上記液体材料を除去する第３工程と、を含む、シリコン膜の製造方法である。
【０００８】
かかる製造方法によれば、基板上に塗布された液体材料のうち、レーザ光が照射された部分のみが固化してシリコン膜に変換され、それ以外の部分は固化しない状態（液状又は半固形状）に保たれる。したがって、液体材料を焼成してシリコン膜に変換する処理とシリコン膜を所望位置に所望形状にパターニングする処理とを一括して行うことが可能となる。これにより、半導体膜の形成に要する工程数を削減することが可能となる。また、レーザ光を利用した局所的なパターン描画によれば、液滴吐出法を利用した直接描画を行う場合によりもオーダの低い微細なパターン形成が可能となる。
【０００９】
上述した第１工程は、スピンコート法等の各種成膜方法を採用し得るが、特に液滴吐出法によって上記液体材料の塗布を行うことが好ましい。
【００１０】
これにより、シリコン膜を形成すべき領域を含む必要最小限の範囲にのみ選択的に液体材料を塗布することができるので、液体材料の使用量をより低減することが可能となる。また、第３工程における液体材料の除去に要する溶剤等の使用量も低減できる。
【００１１】
好ましくは、上記第２工程は、上記レーザ光を同一箇所に対して複数回に分けて照射する。
【００１２】
これにより、各回におけるレーザ光を照射エネルギーを低下させることができるので、より良好に成膜し得る。
【００１３】
好ましくは、上記第２工程は、上記レーザ光のエネルギー密度を各回ごとに増加させて、複数回の上記レーザ光の照射を行う。すなわち、始めは比較的に低いエネルギー密度のレーザ光を照射することにより液体材料を徐々に固化させ、その後、より高いエネルギー密度のレーザ光を照射する。
【００１４】
これにより、液体材料の発散を確実に回避し、良好な成膜を行うことができる。
【００１５】
好ましくは、上記第２工程は、上記レーザ光を、上記液体材料の固化に要する大きさの第１のエネルギー密度に設定して１回以上照射し、その後、上記レーザ光を、上記第１のエネルギー密度よりも大きく、かつ上記シリコン膜の結晶化に要する大きさの第２のエネルギー密度に設定して１回以上照射する。
【００１６】
これにより、多結晶のシリコン膜が得られる。なお、レーザ光のエネルギー密度を第２のエネルギー密度に達しない程度とした場合には、非晶質（アモルファス）のシリコン膜が得られる。
【００１７】
第２の態様の本発明は、上述した第１の態様の本発明にかかる製造方法を含んでなる薄膜半導体素子の製造方法である。ここで「薄膜半導体素子」とは、半導体膜を用いて構成される素子一般をいい、例えば、薄膜トランジスタや薄膜ダイオードなどの能動素子、及び抵抗体やキャパシタなどの受動素子が挙げられる。
【００１８】
かかる製造方法によれば、薄膜半導体素子の製造に要する工程数を削減することが可能となる。
【００１９】
第３の態様の本発明は、上記第２の態様の本発明にかかる薄膜半導体素子を備える電子機器である。ここで「電子機器」とは、電気回路や表示部などを備えた機器一般をいい、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、テレビジョン装置、ファクシミリ、デジタルスチルカメラ、ＰＤＡ、電子手帳等が該当する。
【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ながら説明する。
【００２１】
図１は、一実施形態のシリコン膜の製造方法及びこのシリコン膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法について説明する工程断面図である。また、図２は、シリコン膜の製造方法の他の態様について説明する部分的な工程断面図である。
【００２２】
（液体材料塗布工程）
まず、ガラス基板等の基板１０上にシリコン原子を含む液体材料１２を塗布する（図１（Ａ））。液体材料１２を塗布する方法としては、スピンコート法、ロールコート法、カーテンコート法、ディップコート法、スプレー法、液滴吐出法などの各種方法を採用し得る。特に、液滴吐出法を採用する場合には、図１（Ａ）に示すように基板１０の全面に液体材料１２を塗布する場合のほかに、図２（Ａ）に示すように、必要最小限の領域にのみ液体材料１２を塗布することもできる。ここで「必要最小限の領域」とは、後述するシリコン膜１４を形成したい領域とほぼ同等の領域をいう。
【００２３】
ここで、本工程において用いられる液体材料１２としては、一般式ＳｉnＸm（ｎは５以上の整数、ｍはｎ又は２ｎ−２又は２ｎの整数、Ｘは水素原子及び／又はハロゲン原子）で表される環系を有するケイ素化合物を溶媒に溶解したものが好適に用いられる。特に、ＳｉnＸmのケイ素化合物として、ｎが５以上２０以下であるものが好ましく、ｎが５又は６であるものがより好ましい。かかるケイ素化合物としては、例えばシクロペンタシラン、シリルシクロペンタシラン等が挙げられる。また、溶媒としては、通常、室温での蒸気圧が０．００１〜２００ｍｍＨｇのものが用いられる。かかる溶媒としては、ケイ素化合物を溶解し、溶媒と反応しないものであれば特に限定されないが、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン等が好適に用いられる。なお、ケイ素化合物及び溶媒の上記以外の好適例については上述した特許文献１に記載されており、ここでは説明を省略する。
【００２４】
（レーザ光照射工程）
次に、上記工程において基板１０上に塗布された液体材料１２に対して局所的にレーザ光を照射することにより、当該レーザ光が照射された部分にシリコン膜１４を形成する（図１（Ｂ）、図２（Ｂ））。このとき、レーザ光が照射されていない部分の液体材料１２については固化せずに液体のまま保たれる。
【００２５】
ここで、本工程において用いられるレーザ光としては、例えば波長が数百ｎｍ程度のパルス発振レーザが挙げられる。より具体的には、ＹＡＧレーザ、アルゴンレーザ、炭酸ガスレーザ、ＸｅＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＢｒ、ＫｒＦ、ＫｒＣｌ、ＡｒＦ、ＡｒＣｌなどのエキシマレーザ、などの各種レーザを光源として用いることができる。これらの光源から出力されるレーザ光をそのビーム径が１０μｍ程度となるように集光し、シリコン膜１４を形成すべき領域に照射する。また、光源から出力されるレーザ光を回折光学素子によって１００本程度に分岐させて得られる各分岐ビームを用いてもよい。このとき、レーザ光は、同一箇所に対して複数回に分けて照射することが好ましい。これにより、各回におけるレーザ光を照射エネルギーを低下させることができるので、より良好に成膜し得るからである。
【００２６】
更に、本工程における複数回のレーザ光の照射は、レーザ光のエネルギー密度を各回ごとに増加させて行うことも好ましい。例えば、始めは比較的に低いエネルギー密度（例えば５０ｍＪ／ｃｍ2程度）のレーザ光を照射することにより液体材料１２を徐々に固化させ、その後、より高いエネルギー密度のレーザ光（例えば、１５０ｍＪ／ｃｍ2以上）を照射するとよい。これにより、液体材料１２の発散を確実に回避し、良好な成膜を行うことができる。
【００２７】
より詳細には、始めに、レーザ光を液体材料１２の固化に要する大きさの第１のエネルギー密度に設定して１回以上照射し、その後、レーザ光を第１のエネルギー密度よりも大きく、かつシリコン膜の結晶化に要する大きさの第２のエネルギー密度に設定して１回以上照射するとよい。これにより、多結晶のシリコン膜１４が得られる。なお、レーザ光のエネルギー密度を第２のエネルギー密度に達しない程度とした場合には、非晶質（アモルファス）のシリコン膜１４が得られる。ここで、第１のエネルギー密度及び第２のエネルギー密度の具体的数値については、レーザ光の波長によっても変動するものであるが、例えば、波長５３２ｎｍのパルス発振レーザ光を用いた場合には、概ね、第１のエネルギー密度は５０ｍＪ／ｃｍ2、第２のエネルギー密度は１５０〜２００ｍＪ／ｃｍ2以上である。
【００２８】
なお、本工程におけるレーザ光の照射は、フォトマスクを介してパターン露光を行ってもよいが、直接的に照射する方法（直描）がより好ましい。かかる直描の方法としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いる方法や、上記のように回折光学素子を持ちて多数に分岐したレーザ光を用いる方法が挙げられる。これらの方法により、スループットを向上させることができる。
【００２９】
（液体材料除去工程）
次に、上記工程においてレーザ光が照射されなかった部分の液体材料１２を除去する（図１（Ｃ））。上述したように、当該部分の液体材料１２は固化しない状態（液状又は半固形状）に保たれているので、有機溶剤及び純水を用いた洗浄を行うことによって簡単に除去するととができる。
【００３０】
以上のようにして、基板１０上の所望位置に所望形状にパターニングされたシリコン膜１４が得られる。このシリコン膜１４を用いて、薄膜トランジスタ等の薄膜半導体素子を製造することができる。以下、薄膜トランジスタの製造方法について具体的に説明する。ここでは、コプレナ型の薄膜トランジスタを例示する。
【００３１】
（絶縁膜形成工程）
次に、基板１０上に、シリコン膜１４を覆う絶縁膜１６を形成する（図１（Ｄ））。例えば、ＰＥＣＶＤ法によって酸化シリコン膜からなる絶縁膜１６を形成することができる。具体的には、原料ガスとしてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素（Ｏ2）を用い、それぞれの流量を５０ｓｃｃｍ、５ｓｌｍとし、雰囲気温度を３５０℃、ＲＦパワーを１．３ｋＷ、圧力を２００Ｐａという条件にして酸化シリコン膜を成膜する。この場合には、成膜速度が３０ｎｍ／ｍｉｎ程度となり、絶縁膜に適した耐圧特性等を備える良好な酸化シリコン膜を得ることができる。
【００３２】
（ゲート電極形成工程、イオン注入工程）
次に、タンタル、アルミニウム等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、絶縁膜１６上の所定位置にゲート電極１８を形成する（図１（Ｅ））。次に、ゲート電極１８をマスクとしてシリコン膜１４に対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む。これにより、ゲート電極１８の下側にチャネル形成領域が形成され、それ以外の部分（イオン注入がされた部分）にソース／ドレイン領域が形成される。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２００〜４００ｍＪ／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。
【００３３】
（絶縁膜形成工程、ソース／ドレイン電極形成工程）
次に、絶縁膜１６及びゲート電極１８の上面に絶縁膜２０を形成する（図１（Ｆ））。例えば、ＰＥＣＶＤ法で約５００ｎｍの酸化シリコン膜からなる絶縁膜２０を形成することができる。その後、絶縁膜１６及び２０を貫通し、シリコン膜１４のソース／ドレイン領域に至るコンタクトホールを形成し、当該コンタクトホール内及び絶縁膜２０上にソース／ドレイン電極２２を形成する。ソース／ドレイン電極２２は、例えばスパッタ法によりアルミニウムを堆積し、パターニングすることにより形成可能である。
【００３４】
以上の工程を経て、薄膜トランジスタが形成される。なお、本実施形態では薄膜半導体素子の一例として薄膜トランジスタを例示したが、これ以外の薄膜半導体素子を形成することも可能である。
【００３５】
次に、上述した本実施形態にかかる薄膜トランジスタを備える装置の具体例として、有機ＥＬ装置について説明する。
【００３６】
図３は、有機ＥＬ装置の配線構造の平面模式図である。図３に示す有機ＥＬ装置１００は、複数の走査線１０１と、走査線に直交して配置される複数の信号線１０２と、信号線１０２に並列に延びる複数の電源線１０３と、各走査線１０１と各信号線１０２との交点付近にそれぞれ設けられる画素領域Ａと、を含んで構成されている。すなわち、本例の有機ＥＬ装置１００は、複数の画素がマトリクス状に配列されてなるアクティブマトリクス型の表示装置である。
【００３７】
各走査線１０１には、シフトレジスタ及びレベルシフタを備える走査線駆動回路１０５が接続されている。また、各信号線には、シフトレジスタ、レベルシフタ、ビデオライン及びアナログスイッチを備えるデータ線駆動回路１０４が接続されている。各画素領域Ａには、走査線１０１を介して走査信号がゲートに供給されるスイッチングトランジスタ１１２と、このスイッチングトランジスタ１１２を介して信号線１０２から供給される画素信号を保持する保持容量１１１と、この保持容量１１１によって保持された画素信号がゲートに供給される駆動用トランジスタ１１３と、この駆動用トランジスタ１１３を介して電源線１０３に電気的に接続されたときに当該電源線１０３から駆動電流が流れ込む画素電極（陰極）と、この画素電極と対向電極（陽極）との間に挟み込まれた機能層１１０と、が設けられている。これらの画素電極と対向電極と機能層１１０によって発光素子（有機ＥＬ素子）が構成されている。なお、機能層１１０は正孔輸送層、発光層、電子注入層等からなる。
【００３８】
この有機ＥＬ装置１００では、走査線１０１が駆動されてスイッチングトランジスタ１１２がオン状態となると、そのときの信号線１０２の電位が保持容量１１１に保持され、この保持容量１１１の状態に応じて、駆動用トランジスタ１１３のオン／オフ状態が決まる。そして、駆動用トランジスタ１１３のチャネルを介して、電源線１０３から画素電極に電流がながれ、さらに機能層１１０を介して陽極に電流がながれる。機能層１１０は、この流れる電流量に応じて発光する。各機能層１１０の発光状態を制御することにより、所望の画像表示を行うことができる。
【００３９】
本実施形態にかかる薄膜トランジスタは、上述したスイッチングトランジスタ１１２や駆動用トランジスタ１１３として用いることや、走査線駆動回路１０５やデータ線駆動回路１０４を構成するための回路素子として用いることが可能である。なお、有機ＥＬ装置は一例に過ぎず、本実施形態にかかる薄膜トランジスタはこれ以外にも液晶装置や電気泳動装置やその他各種の装置を構成するために用いることが可能である。
【００４０】
次に、上述した有機ＥＬ装置１００を備えた電子機器の具体例について説明する。
【００４１】
図４は、有機ＥＬ装置１００を備えた電子機器の具体例を示す斜視図である。図４（Ａ）は、電子機器の一例である携帯電話機を示す斜視図である。この携帯電話機１０００は、本実施形態にかかる有機ＥＬ装置１００を用いて構成された表示部１００１を備えている。図４（Ｂ）は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計１１００は、本実施形態にかかる有機ＥＬ装置１００を用いて構成された表示部１１０１を備えている。図４（Ｃ）は、電子機器の一例である携帯型情報処理装置１２００を示す斜視図である。この携帯型情報処理装置１２００は、キーボード等の入力部１２０１、演算手段や記憶手段などが格納された本体部１２０２、及び本実施形態にかかる有機ＥＬ装置１００を用いて構成された表示部１２０３を備えている。
【００４２】
このように本実施形態によれば、基板上に塗布された液体材料のうち、レーザ光が照射された部分のみがシリコン膜に変換され、それ以外の部分は固化しない状態（液状又は半固形状）に保たれる。したがって、液体材料を焼成してシリコン膜に変換する処理とシリコン膜を所望位置に所望形状にパターニングする処理とを一括して行うことが可能となる。これにより、半導体膜の形成に要する工程数を削減することが可能となる。また、レーザ光を利用した局所的なパターン描画によれば、液滴吐出法を利用した直接描画を行う場合によりもオーダの低い微細なパターン形成が可能となる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】シリコン膜の製造方法及びこのシリコン膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法について説明する工程断面図である。
【図２】シリコン膜の製造方法の他の態様について説明する部分的な工程断面図である。
【図３】有機ＥＬ装置の配線構造の平面模式図である。
【図４】有機ＥＬ装置を備えた電子機器の具体例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…基板、１２…液体材料、１４…シリコン膜、１６…絶縁膜、１８…ゲート電極、２０…絶縁膜、２２…ソース／ドレイン電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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