(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜をパターニングして下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に膜厚１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する工程と、
前記酸化珪素膜上に膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜を固相成長法により結晶化して第１多結晶珪素膜とする工程と、
前記第１多結晶珪素膜の上方から前記第１多結晶珪素膜に光を照射し、前記第１多結晶珪素膜を透過した透過光を前記下部電極で反射させ前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極と重なる部分に照射させ、前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極直上以外の部分から前記重なる部分へと横方向に結晶成長させる工程と、
前記横方向に結晶成長させる工程のあと、前記第１多結晶珪素膜を前記下部電極のパターンと同一になるようにパターニングし第２多結晶珪素膜を形成する工程と、
前記第２多結晶珪素膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程のあと、前記第２多結晶珪素膜に不純物を注入してソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を含み、
前記光が、温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の前記第１多結晶珪素膜に対して前記光を照射した場合の前記第１多結晶珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上であり、かつ、前記光の波長は５３２ｎｍである、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記金属膜がＴａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのいずれかひとつを含む、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板上に膜厚２５ｎｍ以上の下部電極用珪素膜を形成する工程と、
前記下部電極用珪素膜をパターニングして下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に膜厚１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する工程と、
前記酸化珪素膜上に膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜を固相成長法により結晶化して第１多結晶珪素膜とする工程と、
前記第１多結晶珪素膜の上方から前記第１多結晶珪素膜に光を照射し、前記第１多結晶珪素膜を透過した透過光を前記下部電極で吸収させ前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極と重なる部分を加熱し、前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極直上以外の部分から前記重なる部分へと横方向に結晶成長させる工程と、
前記横方向に結晶成長させる工程のあと、前記第１多結晶珪素膜を前記下部電極のパターンと同一になるようにパターニングし第２多結晶珪素膜を形成する工程と、
前記第２多結晶珪素膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程のあと、前記第２多結晶珪素膜に不純物を注入してソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を含み、
前記光が、温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の前記多結晶珪素膜に対して前記光を照射した場合の前記多結晶珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上であり、かつ、前記光の波長は５３２ｎｍであることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記下部電極用珪素膜がリンまたはホウ素の注入されているものである、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
さらに、前記酸化珪素膜の前記下部電極と重なる位置にコンタクト・ホールを形成する工程と、を含む、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記非晶質珪素膜を形成する工程が、前記コンタクト・ホールの内部に前記非晶質珪素膜を充填するものである、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記コンタクト・ホールを介して前記第２多結晶珪素膜と前記下部電極とが電気的に接続されているものである、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか一項に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記コンタクト・ホールを介して前記第２多結晶珪素膜の前記ソース領域と前記下部電極とが電気的に接続されているものである、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記光はレーザ光である、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記レーザ光がＹｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｍｉｎｉｕｍ  ＧａｒｎｅｔにＮｄ３+イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザ（ＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザ（ＹＡＧ２ωレーザ、波長５３２ｎｍ）光である、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記レーザ光がＹＶＯ４にＮｄ３+イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザ（ＹＶＯ４レーザ、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザ（ＹＶＯ４２ωレーザ、波長５３２ｎｍ）光である、
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は薄膜半導体装置の製造方法に関する。具体的には、ガラス等の絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴ）等の半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス等の絶縁表面を有する基板上にＴＦＴを形成する構成を利用したものとして、これらのＴＦＴを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が知られている。
これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）からなるものと、結晶性を有する珪素半導体からなるものの２つに大別される。非晶質珪素半導体は作成温度が低く、気相法で比較的容易に作成することが可能で量産性にも富む為、最も一般的に用いられているが、導電率等の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣る為、今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半導体からなるＴＦＴの製造方法の確立が強く求められていた。
【０００３】
結晶性を有する薄膜状の珪素半導体としては、製造上の容易さから、多結晶珪素半導体が多く用いられている。薄膜状の多結晶珪素半導体を得る方法としては、（１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する、（２）非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエネルギーにより結晶性を有せしめる、（３）非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを加えることにより結晶性を有せしめる、といった方法が知られている。しかしながら、この薄膜多結晶珪素半導体を用いた半導体装置のチャネル形成領域には、薄膜多結晶珪素半導体の結晶粒界が存在する為、その電気特性が単結晶の薄膜珪素半導体を用いた半導体装置に比べて著しく劣ることが分かっている。この為、大粒径の多結晶珪素半導体を用いることにより、結晶粒界の電気特性への影響を小さくする方法などがとられている。
【０００４】
また、高集積化や製造コストダウン、ＴＦＴの電気特性向上などの為に、ＴＦＴの微細化が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来のＴＦＴの製造方法においては電気特性が悪く、ばらつきが大きいという課題があった。従来のＴＦＴの製造方法では最大数μｍの結晶粒が得られるが、結晶粒及び結晶粒界の位置を制御することが出来ない為、チャネル形成領域に結晶粒界が含まれるかどうかは確率的事象であって、全く制御不可能であった。チャネル形成領域に結晶粒界が含まれるか否かによりＴＦＴの特性は大きくばらつくことになる。チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が多ければＴＦＴの電気特性は悪くなり、チャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が少なければＴＦＴの電気特性は比較的良くなる。しかし、たとえチャネル形成領域に存在する結晶粒界の数が少なくても、そのＴＦＴの電気特性は単結晶の半導体を用いた半導体装置に比べればはるかに劣っていた。
【０００６】
また、ＴＦＴを微細化することにより、新たな課題が生じてくる。その課題の一つとして、短チャネル化による寄生バイポーラ効果がある。例としてｎ型のＴＦＴを考える。ドレイン電極とゲート電極にある程度の正電圧をかけると、半導体膜のドレイン近傍では衝突電離によって電子正孔対が生じる。ドレイン電界が小さい時はほとんどの正孔は半導体膜の基板側に流れて行くが、ドレイン電界が大きくなると正孔はソースに流れるようになる。そして、ソースと半導体膜の基板側に順バイアスがかかり、ソースから半導体膜の基板側へと電子が注入され、さらにドレインへと流れていく。この現象はソースがエミッタ、半導体膜の基板側がベース、ドレインがコレクタの役割をする寄生ｎ−ｐ−ｎバイポーラ・トランジスタ効果を引き起こす。このような寄生バイポーラ効果はしきい値電圧の低下やドレイン電流の急激な上昇など、ＴＦＴの電気特性に悪影響を及ぼす。
【０００７】
本明細書で開示する発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。具体的には基板上に形成された薄膜半導体装置の製造方法において、半導体膜が結晶性の良い大粒径の結晶粒から成り、チャネル形成領域の結晶粒界の位置が制御されており、電気特性が良く、寄生バイポーラ効果が抑制されており、電気特性ばらつきの少ない薄膜半導体装置を製造する方法を提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜をパターニングして下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に膜厚１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する工程と、前記酸化珪素膜上に膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の非晶質珪素膜を形成する工程と、前記非晶質珪素膜を固相成長法により結晶化して第１多結晶珪素膜とする工程と、前記第１多結晶珪素膜の上方から前記第１多結晶珪素膜に光を照射し、前記第１多結晶珪素膜を透過した透過光を前記下部電極で反射させ前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極と重なる部分に照射させ、前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極直上以外の部分から前記重なる部分へと横方向に結晶成長させる工程と、前記横方向に結晶成長させる工程のあと、前記第１多結晶珪素膜を前記下部電極のパターンと同一になるようにパターニングし第２多結晶珪素膜を形成する工程と、前記第２多結晶珪素膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を形成する工程のあと、前記第２多結晶珪素膜に不純物を注入してソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を含み、前記光が、温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の前記第１多結晶珪素膜に対して前記光を照射した場合の前記第１多結晶珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上であり、かつ、前記光の波長は５３２ｎｍである、ことを特徴とする。
上記薄膜半導体装置の製造方法において、前記金属膜がＴａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのいずれかひとつを含む、ことが望ましい。
また、本発明にかかる薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に膜厚２５ｎｍ以上の下部電極用珪素膜を形成する工程と、前記下部電極用珪素膜をパターニングして下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に膜厚１３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する工程と、前記酸化珪素膜上に膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の非晶質珪素膜を形成する工程と、前記非晶質珪素膜を固相成長法により結晶化して第１多結晶珪素膜とする工程と、前記第１多結晶珪素膜の上方から前記第１多結晶珪素膜に光を照射し、前記第１多結晶珪素膜を透過した透過光を前記下部電極で吸収させ前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極と重なる部分を加熱し、前記第１多結晶珪素膜の前記下部電極直上以外の部分から前記重なる部分へと横方向に結晶成長させる工程と、前記横方向に結晶成長させる工程のあと、前記第１多結晶珪素膜を前記下部電極のパターンと同一になるようにパターニングし第２多結晶珪素膜を形成する工程と、前記第２多結晶珪素膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を形成する工程のあと、前記第２多結晶珪素膜に不純物を注入してソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、を含み、前記光が、温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の前記多結晶珪素膜に対して前記光を照射した場合の前記多結晶珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上であり、かつ、前記光の波長は５３２ｎｍであることを特徴とする。
上記薄膜半導体装置の製造方法において、前記下部電極用珪素膜がリンまたはホウ素の注入されているものである、ことが望ましい。また、さらに、前記酸化珪素膜の前記下部電極と重なる位置にコンタクト・ホールを形成する工程と、を含む、ことが望ましい。また、前記非晶質珪素膜を形成する工程が、前記コンタクト・ホールの内部に前記非晶質珪素膜を充填するものである、ことが望ましい。また、前記コンタクト・ホールを介して前記第２多結晶珪素膜と前記下部電極とが電気的に接続されているものである、ことが望ましい。また、前記コンタクト・ホールを介して前記第２多結晶珪素膜の前記ソース領域と前記下部電極とが電気的に接続されているものである、ことが望ましい。また、前記光はレーザ光である、ことがことが望ましい。また、前記レーザ光がＹｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｍｉｎｉｕｍ  ＧａｒｎｅｔにＮｄ３+イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザ（ＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザ（ＹＡＧ２ωレーザ、波長５３２ｎｍ）光である、ことが望ましい。また、前記レーザ光がＹＶＯ４にＮｄ３+イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザ（ＹＶＯ４レーザ、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザ（ＹＶＯ４２ωレーザ、波長５３２ｎｍ）光である、ことが望ましい。
【０００９】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に導電膜を形成する工程と、前記導電膜をパターニングして下部電極とする工程と、前記下部電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に薄膜半導体装置のソース領域と下部電極とのコンタクト・ホールを形成する工程と、前記絶縁膜上及びコンタクト・ホール内に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜側から光を照射して半導体膜の結晶性を改良する工程と、前記半導体膜をパターニングする工程と、前記パターニングされた半導体膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記パターニングされた半導体膜に不純物を注入してソース領域とドレイン領域を形成する工程とを順に施す事を特徴とする。上記製造方法によれば、半導体膜側から光を照射すると、一部の光は半導体膜に吸収され、一部の光は半導体膜を透過する。ある程度の光を吸収した半導体膜は溶融する。そして溶融した半導体膜が固化する際に結晶成長が起きる為、半導体膜の結晶性が改良される。一方、半導体膜を透過した光は下部電極で反射、吸収される。下部電極の温度は光を吸収したことにより上昇し、その温度が半導体膜に影響を及ぼす。また、下部電極で反射された光は半導体膜で吸収されるので、下部電極直上の半導体膜が吸収する光の量は、下部電極直上以外の半導体膜が吸収する光の量よりも多くなる。よって、下部電極直上の半導体膜の温度は、下部電極直上以外の半導体膜の温度よりも高くなる。すなわち下部電極直上の半導体膜は、下部電極直上以外の半導体膜よりも固化し難くなる。よって下部電極直上の半導体膜とそれ以外の半導体膜の温度差により、半導体膜では温度が低い方から高い方へと横方向に結晶が成長し、大粒径の結晶を有する半導体膜が得られる。さらに、結晶成長は下部電極直上以外の半導体膜から下部電極直上の半導体膜へと進み、最終的に下部電極直上の半導体膜の両側から成長してきた結晶が下部電極中央の直上で衝突し、下部電極中央直上の半導体膜に結晶粒界ができる。この様に  本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、結晶粒界の位置が制御された大粒径の結晶粒から成る半導体膜からなる薄膜半導体装置を製造することができる。
【００１０】
また、上記製造方法によれば、寄生バイポーラ効果の抑制された、電気特性の良い薄膜半導体装置を製造することができる。半導体膜の下に絶縁膜を挟んで下部電極が存在する場合、ゲート電界は半導体膜の下の絶縁膜及び下部電極へも入り込むことになる。その結果、半導体膜の基板側の価電子帯端と伝導帯端は通常の薄膜半導体装置に比べて低くなる。よって、ソースと半導体膜基板側の間の電位障壁は低くなり、半導体膜の正孔はソースに流れやすくなる。このように、半導体膜の下に絶縁膜を挟んで下部電極が存在する場合、寄生バイポーラ効果が起こりやすくなり、半導体装置の電気特性は悪化しやすくなる。しかし、上記製造方法によれば、下部電極とソース領域はコンタクト・ホールを介して電気的に接続されているので、下部電極はソース領域と同電位となる。よってゲート電界が下部電極まで入り込むことは無い。よって、寄生バイポーラ効果を抑制することができる。
【００１１】
以上のように、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法によれば、半導体膜が結晶性の良い大粒径の結晶粒から成り、チャネル形成領域の結晶粒界の位置が制御されており、電気特性が良く、寄生バイポーラ効果が抑制されており、電気特性ばらつきの少ない薄膜半導体装置を製造することができる。
【００１２】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記導電膜が金属膜であることを特徴とする。
【００１３】
上記製造方法によれば、金属膜から成る下部電極が半導体膜を透過してきた光を効率的に反射するので、効率的に半導体膜の結晶を横方向に成長させることができるという効果を有する。また、下部電極の抵抗が小さくなるので、下部電極とソース領域の電位を等しくすることが容易になるという効果を有する。
【００１４】
本発明に係る基板上に形成された薄膜半導体装置の製造方法において、前記金属膜がＴａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏの何れかであることを特徴とする。
【００１５】
上記金属の１気圧のもとにおける融点は、Ｔａが２９９６℃、Ｃｒが１８９０℃、Ｗが３３８７℃、Ｍｏが２６１０℃と高いので、光が照射されても損傷を受け難い。よって上記製造方法によれば、効率的に光を反射して半導体膜を結晶化することができるという効果を有する。
【００１６】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記導電膜が半導体膜であることを特徴とする。
【００１７】
上記製造方法によれば、下部電極は光を吸収し易くなり、下部電極の温度が上昇し易くなるので、半導体膜内の温度差が大きくなり、効率的に半導体膜の結晶を横方向に成長させることができるという効果を有する。
【００１８】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記導電膜が非晶質珪素膜であることを特徴とする。
【００１９】
上記製造方法によれば、半導体膜の形成が容易であるという効果を有する。
【００２０】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記導電膜が結晶性を有する珪素膜であることを特徴とする。
【００２１】
上記製造方法によれば、下部電極は結晶性を有する珪素膜から成り、非晶質珪素膜に比べて電気伝導度は高くなるため、下部電極の電位が制御し易くなり、下部電極とソース領域の電位を等しくすることが容易になるという効果を有する。
【００２２】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記導電膜がリン（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ：Ｐ）またはホウ素（Ｂｏｒｏｎ：Ｂ）が注入されている珪素膜であることを特徴とする。
【００２３】
上記製造方法によれば、Ｐはドナーとして働き、Ｂはアクセプタとして働くので、下部電極内に自由に動くことのできる電子または正孔が生じ、それによって電気伝導度が高くなるため、下部電極の電位を制御し易くなり、下部電極とソース領域の電位を等しくすることが容易になるという効果を有する。
【００２４】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜が酸化珪素膜であることを特徴とする。
【００２５】
上記製造方法によれば、絶縁膜の形成が容易であり、半導体膜と絶縁膜の間に存在する界面準位を低減することができるという効果を有する。また、光の吸収によって上昇した半導体膜の温度を保ち、結晶成長を促進させるという効果を有する。
【００２６】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜としての酸化珪素膜の膜厚が１３０ｎｍ以上且つ１８０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
上記製造方法によれば、効率的に半導体膜の結晶を横方向に成長させるという効果を有する。半導体膜の結晶を横方向に成長させるには、下部電極の温度を上げ、その熱を半導体膜に伝えて半導体膜内に温度差を付けるか、下部電極で反射した光を半導体膜に吸収させて半導体膜内に温度差を付ければ良い。ここで、下部電極と半導体膜の間の絶縁膜の膜厚が重要なパラメータとなる。半導体膜を透過した光は絶縁膜で反射、干渉された後に下部電極へと到達する。下部電極で反射された光も同様に絶縁膜で反射、干渉された後に半導体膜へと到達する。絶縁膜での反射、干渉の効果は絶縁膜厚によって異なるので、絶縁膜厚によって半導体膜から下部電極へと到達する光および下部電極から半導体膜へと到達する光の量も異なってくる。また、絶縁膜厚は熱の伝わり具合にも大きく影響する。絶縁膜厚が薄ければ下部電極の熱は半導体膜に伝わり易いが、絶縁膜厚が厚ければ下部電極の熱は半導体膜に伝わり難くなる。以上のことから、半導体膜内に温度差を付けて効率的に結晶を横方向に成長させる為には、絶縁膜厚の最適化が必要になってくる。シミュレーションや実験の結果、絶縁膜としての酸化珪素膜の膜厚を１３０ｎｍ以上且つ１８０ｎｍ以下にすれば、効率的に半導体膜の結晶を横方向に成長させることができる。
【００２８】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記半導体膜が非晶質珪素膜であることを特徴とする。
【００２９】
上記製造方法によれば、半導体膜の形成が容易であるという効果を有する。
【００３０】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記半導体膜が結晶性を有する珪素膜であることを特徴とする。
【００３１】
半導体膜の横方向の結晶成長は結晶性を有する珪素膜を結晶核として生じる。結晶成長後の半導体膜の膜質は結晶核となる半導体膜の膜質を引き継ぐので、上記製造方法によれば、結晶成長後の半導体膜は結晶性が良く、大きい結晶粒から成るという効果を有する。
【００３２】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記半導体膜を前記導電膜のパターンと同一になるようにパターニングすることを特徴とする。
【００３３】
上記製造方法によれば、ソース領域となる半導体膜の直下に下部電極があるので、ソース領域と下部電極とのコンタクトが容易にとれるという効果を有する。
【００３４】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光が温度３００Ｋでの珪素膜に対する吸収係数が１×１０−４ｎｍ−１以上且つ１×１０−１ｎｍ−１以下の光であることを特徴とする。
【００３５】
上記製造方法によれば、半導体膜を効率的に横方向に結晶成長させることができるという効果を有する。半導体膜としての膜厚５０ｎｍの珪素膜に吸収係数が１×１０−４ｎｍ−１以上且つ１×１０−１ｎｍ−１以下である光を照射すると入射光の約１％から９９％の光が半導体膜を透過することになる。この程度の透過光量があれば下部電極に十分な量の光が到達するので、半導体膜の結晶成長が横方向に生じるという効果が現れ易い。しかし珪素膜での吸収係数が約０．１５ｎｍ−１と大きい値であるＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射した場合、半導体膜を透過する光は入射光の０．１％にも満たず、エキシマレーザー光はほとんど半導体膜に吸収されてしまう。よって光は下部電極にはほとんど到達せず、半導体膜の結晶成長が横方向に生じるという効果はほとんど無い。
【００３６】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光が温度３００Ｋでの珪素膜に対する吸収係数が２×１０−３ｎｍ−１以上且つ２×１０−２ｎｍ−１以下の光であることを特徴とする。
【００３７】
上記製造方法によれば、半導体膜を効率的に横方向に結晶成長させることができるという効果を有する。今、半導体膜として膜厚５０ｎｍの珪素膜を考える。この半導体膜に温度３００Ｋでの珪素膜に対する吸収係数が２×１０−３ｎｍ−１以上且つ２×１０−２ｎｍ−１以下である光を照射すると、入射光の約３７％から９０％の光が半導体膜を透過することになる。この程度の透過光量があれば十分な量の光が下部電極に到達するので、半導体膜の結晶成長が横方向に生じるという効果が現れ易い。また、上記製造方法では半導体膜に直接吸収される入射光成分も大きいので、半導体膜を効率的に溶融させて結晶成長させることができるという効果を有する。
【００３８】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光が温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍから３００ｎｍの珪素膜に対して光を照射した場合の珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上となる光であることを特徴とする。
【００３９】
上記製造方法によれば、半導体膜として膜厚２５ｎｍから３００ｎｍの珪素膜を用いた場合、入射光の２０％以上の光が半導体膜を透過する。この程度の透過光量があれば十分な量の光が下部電極に到達するので、半導体膜の結晶成長が横方向に生じるという効果が現れ易い。また、上記製造方法では半導体膜に直接吸収される入射光成分も大きいので、半導体膜を効率的に溶融させて結晶成長させることができるという効果を有する。
【００４０】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光が温度３００Ｋで膜厚２５ｎｍから１００ｎｍの珪素膜に対して光を照射した場合の珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上となる光であることを特徴とする。
【００４１】
上記製造方法によれば、薄い半導体膜で効率的に結晶成長を横方向に生じさせることができるという効果を有する。半導体膜として膜厚５０ｎｍの珪素膜を用いた時、膜厚２５ｎｍから１００ｎｍの珪素膜に対して光を照射した場合の珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上となる光を照射すれば、光は半導体膜を４５％程度透過し、また５０％以上が半導体膜に吸収されるので、効率的に横方向の結晶成長を生じさせることができる。しかし、半導体膜としての膜厚５０ｎｍの珪素膜に、膜厚３００ｎｍの珪素膜に対して光を照射した場合の珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の２０％以上となる光を照射すれば、半導体膜が薄いので透過光強度は入射光強度の７０％以上になる。下部電極に到達する透過光強度が大きければ、半導体膜内の温度差が大きくなるので、半導体膜が横成長し易くなるが、透過光強度が大きすぎると半導体に直接吸収される光の量が少なくなるので、半導体膜は溶融し難くなり、結晶成長が生じ難くなってしまう。もし、半導体膜としての膜厚５０ｎｍの珪素膜に、膜厚３００ｎｍの珪素膜に対して光を照射した場合の珪素膜を透過する光強度の垂直成分が入射光強度の垂直成分の５０％以上となる光を照射すれば、約９０％以上の光が半導体膜を透過することになり、半導体膜に吸収される光は僅かとなる為、半導体膜は溶融し難くなる。本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、膜厚の薄い半導体膜に対して光を照射した場合でも、半導体膜を溶融させるのに十分な光が半導体膜に吸収され、また、半導体膜の結晶成長を横方向に生じさせるのに十分な光が半導体膜を透過する。よって、薄い半導体膜で効率的に結晶成長を横方向に生じさせることができるのである。
【００４２】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光が赤外光であることを特徴とする。
【００４３】
上記製造方法によれば、半導体膜と酸化珪素膜との界面における界面準位を減少させる事ができるという効果を有する。
【００４４】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記光がレーザー光であることを特徴とする。
【００４５】
上記製造方法によれば、吸収係数の小さい光でもレーザーエネルギーを大きくすることにより半導体膜を効率的に加熱する事ができるという効果を有する。また半導体膜中の欠陥を低減できるという効果を有する。
【００４６】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記レーザー光が可視光であることを特徴とする。
【００４７】
上記製造方法によれば、効率的に半導体膜の結晶を横方向に成長させるという効果を有する。珪素膜における可視光の吸収係数は１×１０−４ｎｍ−１程度から１×１０−２ｎｍ−１程度である為、光が半導体膜で効率的に吸収される一方で、半導体膜を透過する量も充分に多くなる。透過光の量が多ければ下部電極に到達する光の量も多くなり、半導体膜内の温度差が大きくなるので、効率的に結晶を横方向に成長させることができるのである。
【００４８】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記レーザー光がＹｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ＧａｒｎｅｔにＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＡＧ２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光であることを特徴とする。
【００４９】
上記製造方法によれば、効率的に結晶を横方向に成長させるという効果を有する。ＹＡＧ２ωレーザー光の非晶質珪素膜においての吸収係数は０．０１４ｎｍ−１であり、膜厚５０ｎｍの非晶質珪素膜において入射光の約５０％の光が透過する。また、ＹＡＧ２ωレーザー光の多結晶珪素膜においての吸収係数は０．００４２６ｎｍ−１であり、膜厚５０ｎｍの多結晶珪素膜において入射光の約８０％の光が透過する。以上のようにレーザー光としてＹＡＧ２ωレーザー光を用いた場合、ＹＡＧ2ωレーザー光は半導体膜で吸収される一方、半導体膜で吸収されずに透過する量も充分多くなる。透過光の量が多ければ下部電極に到達する光の量も多くなり、半導体膜内の温度差が大きくなるので、効率的に結晶を横方向に成長させることができるのである。
【００５０】
本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記レーザー光がＹＶＯ４にＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＶＯ４レーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＶＯ４２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光であることを特徴とする。
【００５１】
上記製造方法によれば、効率的に結晶を横方向に成長させるという効果を有する。ＹＶＯ４レーザー光の非晶質珪素膜においての吸収係数は０．０１４ｎｍ−１であり、膜厚５０ｎｍの非晶質珪素膜において入射光の約５０％の光が透過する。また、ＹＶＯ４レーザー光の多結晶珪素膜においての吸収係数は０．００４２６ｎｍ−１であり、膜厚５０ｎｍの多結晶珪素膜において入射光の約８０％の光が透過する。以上のようにレーザー光としてＹＶＯ４レーザー光を用いた場合、ＹＶＯ４レーザー光は半導体膜で吸収される一方、半導体膜で吸収されずに透過する量も充分多くなる。透過光の量が多ければ下部電極に到達する光の量も多くなり、半導体膜内の温度差が大きくなるので、効率的に結晶を横方向に成長させることができるのである。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５３】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。また、図１（ｃ）は、本発明の第一の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す平面工程図である。以下、この図を参照しつつ本発明の第一の実施例の半導体装置の製造方法を（１）、（２）に説明する。
【００５４】
（１）図１（ａ）の工程
基板上に形成された半導体装置の製造方法において、基板として厚さ１．１ｍｍの石英基板１１１を用い、前記石英基板１１１上に下地保護膜として電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）により酸化珪素膜１１２を膜厚２００ｎｍ程度堆積する。前記下地保護膜としての酸化珪素膜１１２上にスパッタリング法によりタンタル（Ｔａ）膜を５０ｎｍ程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により前記Ｔａ膜をパターニングして下部電極１１３とする。前記下部電極１１３上に絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化珪素膜１１４を膜厚１６０ｎｍ程度堆積する。その後、下部電極１１３と半導体膜のソース領域を電気的に接続する為にフォト・リソグラフィー法によりコンタクト・ホール１１５を開ける。このコンタクト・ホール１１５は半導体膜のソース領域からソース電極を取り出す為のソース・コンタクト・ホールと同じ位置に開ける。前記絶縁膜としての酸化珪素膜１１４上に半導体膜１１６としてＬＰＣＶＤ法により非晶質珪素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後固相成長法により窒素雰囲気下６００℃にて４８時間の熱処理を施して前記半導体膜１１６としての非晶質珪素膜を結晶化して大粒径の多結晶珪素膜とし、さらに前記半導体膜１１６としての大粒径多結晶珪素膜にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を照射して珪素膜中の欠陥を低減する。これで、下部電極１１３と半導体膜１１６は電気的に接続された。前記半導体膜としての多結晶珪素膜１１６側から温度３００Ｋでの珪素膜に対する吸収係数が１×１０−４ｎｍ−１以上且つ１×１０−１ｎｍ−１以下である光としてＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍ ＧａｒｎｅｔにＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＡＧ２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光１１７を照射する。すると、一部のＹＡＧ２ωレーザー光１１７は半導体膜としての多結晶珪素膜１１６に吸収されるが、一部のＹＡＧ２ωレーザー光１１８は半導体膜としての多結晶珪素膜１１６に吸収されず透過する。半導体膜としての多結晶珪素膜１１６を透過したＹＡＧ２ωレーザー光１１８は絶縁膜としての酸化珪素膜１１４で反射、干渉された後、下部電極１１３で反射、吸収される。下部電極１１３はＹＡＧ２ωレーザー光１１８を吸収したことにより温度が上昇し、熱を持つようになる。この下部電極１１３の熱１１９が半導体膜１１６に影響する。また、下部電極１１３で反射されたＹＡＧ２ωレーザー光１２０は下部電極１１３直上の半導体膜に吸収されるので、下部電極１１３直上の半導体膜では下部電極１１３直上以外の半導体膜よりもＹＡＧ２ωレーザー光の吸収量が多くなる。このような下部電極１１３でのＹＡＧ２ωレーザー光の反射、吸収により、下部電極１１３直上の半導体膜の温度は、下部電極１１３直上以外の半導体膜の温度よりも高くなる。この半導体膜１１６内の温度差により半導体膜の結晶成長が温度が低い領域（下部電極１１３直上以外の半導体膜）から温度が高い領域（下部電極１１３直上の半導体膜）へと横方向に生じる。最終的に下部電極中央直上で二つの結晶が衝突し、そこに結晶の横成長方向に垂直な方向の結晶粒界１２１ができる。
【００５５】
（２）図１（ｂ）の工程
ＹＡＧ２ωレーザー光１１７の照射による半導体膜１１６の結晶化を行なった後、フォト・リソグラフィー法により前記半導体膜１１６を下部電極１１３のパターンと同一になるようにパターニングする。前記半導体膜１１６上にゲート絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化珪素膜１２２を膜厚６０ｎｍ程度堆積する。前記ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１２２上にスパッタリング法により窒化タンタル（ＴａＮ）膜を５０ｎｍ程度堆積し、タンタル（Ｔａ）膜を４５０ｎｍ程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により上記ＴａＮ膜、Ｔａ膜をゲートパターンにパターニングしてゲート電極１２３とする。次に上記ゲート電極１２３をマスクとしてドナーまたはアクセプタとなる不純物イオンをイオンドーピング法により打ち込み、ソース領域１１６ａ、ドレイン領域１１６ｃとチャネル形成領域１１６ｂを自己整合的に形成する。そして、ソース領域１１６ａ、ドレイン領域１１６ｃに添加された不純物元素の活性化を行なう為に、窒素雰囲気下３００℃にて４時間の熱処理を施す。その後、層間絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によりＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）４）と酸素を原料気体とした酸化珪素膜１２４を膜厚５００ｎｍ程度堆積する。最後にフォト・リソグラフィー法によりソース・コンタクト・ホール１２５、ドレイン・コンタクト・ホール１２６を開けた後に、スパッタリング法によりアルミニウム（Ａｌ）を堆積し、フォト・リソグラフィー法によりＡｌをパターニングしてソース電極１２７、ドレイン電極１２８を形成して半導体装置が完成する。以上説明したように、本第一の実施例によれば、下部電極の電位がソース電極と同電位となるので、寄生バイポーラ効果を抑制することができ、電気特性の良い半導体装置を製造することができる。
【００５６】
（実施例２）
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第二の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。また、図２（ｅ）は、本発明の第二の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す平面工程図である。以下、この図を参照しつつ本発明の第二の実施例の半導体装置の製造方法を（１）、（２）、（３）、（４）に説明する。
【００５７】
（１）図２（ａ）の工程
基板上に形成された半導体装置の製造方法において、基板として厚さ１．１ｍｍの石英基板２１１を用い、前記石英基板２１１上に下地保護膜として電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相堆積法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）により酸化珪素膜２１２を膜厚２００ｎｍ程度堆積する。前記下地保護膜としての酸化珪素膜２１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）により非晶質珪素膜２１３を膜厚５０ｎｍ程度堆積する。次に原料ガスとして水素中に希釈された濃度５％程度のフォスフィン（ＰＨ３）２１４を用いてイオンドーピング法によりドナーとなる不純物を前記非晶質珪素膜２１３に注入する。
【００５８】
（２）図２（ｂ）の工程
熱処理装置を前記非晶質珪素膜中の不純物汚染から守る為に、前記非晶質珪素膜２１３上にＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により不純物保護膜としての酸化珪素膜２１５を膜厚２００ｎｍ程度堆積した後、窒素雰囲気下６００℃にて４８時間の熱処理を施して前記非晶質珪素膜２１３を結晶化して大粒径の多結晶珪素膜２１３とし、かつ不純物の活性化を行う。
【００５９】
（３）図２（ｃ）の工程
不純物保護膜としての酸化珪素膜２１５を剥離した後、フォト・リソグラフィー法により前記多結晶珪素膜２１３をパターニングして下部電極２１３とする。前記下部電極２１３上に絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化珪素膜２１６を膜厚１６０ｎｍ程度堆積する。その後、下部電極２１３と半導体膜を電気的に接続する為にフォト・リソグラフィー法によりコンタクト・ホール２１７を開ける。このコンタクト・ホール２１７は半導体膜のソース領域からソース電極を取り出す為のソース・コンタクト・ホールと同じ位置に開ける。前記絶縁膜としての酸化珪素膜２１６上に半導体膜２１８としてＬＰＣＶＤ法により非晶質珪素膜を膜厚５０ｎｍ程度堆積し、その後固相成長法により窒素雰囲気下６００℃にて４８時間の熱処理を施して前記半導体膜２１８としての非晶質珪素膜を結晶化して大粒径の多結晶珪素膜とし、さらに前記半導体膜２１８としての大粒径多結晶珪素膜にキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を照射して珪素膜中の欠陥を低減する。これで、下部電極２１３と半導体膜２１８は電気的に接続された。前記半導体膜としての多結晶珪素膜２１８側から温度３００Ｋでの珪素膜に対する吸収係数が１×１０−４ｎｍ−１以上且つ１×１０−１ｎｍ−１以下である光としてＹｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ＧａｒｎｅｔにＮｄ３＋イオンをドープしたものを母体結晶としたレーザー（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）の第二高調波を用いたレーザー（ＹＡＧ２ωレーザー、波長５３２ｎｍ）光２１９を照射する。すると、一部のＹＡＧ２ωレーザー光２１９は半導体膜としての多結晶珪素膜２１８に吸収されるが、一部のＹＡＧ２ωレーザー光２２０は半導体膜としての多結晶珪素膜２１８に吸収されず透過する。半導体膜としての多結晶珪素膜２１８を透過したＹＡＧ２ωレーザー光２２０は絶縁膜としての酸化珪素膜２１６で反射、干渉された後、下部電極２１３で反射、吸収される。下部電極２１３はＹＡＧ２ωレーザー光２２０を吸収したことにより温度が上昇し、熱を持つようになる。この下部電極２１３の熱２２１が半導体膜２１８に影響する。また、下部電極２１３で反射されたＹＡＧ２ωレーザー光２２２は下部電極２１３直上の半導体膜に吸収されるので、下部電極２１３直上の半導体膜では下部電極２１３直上以外の半導体膜よりもＹＡＧ２ωレーザー光の吸収量が多くなる。このような下部電極２１３でのＹＡＧ２ωレーザー光の反射、吸収により、下部電極２１３直上の半導体膜の温度は、下部電極２１３直上以外の半導体膜の温度よりも高くなる。この半導体膜２１８内の温度差により半導体膜の結晶成長は温度が低い領域（下部電極２１３直上以外の半導体膜）から温度が高い領域（下部電極２１３直上の半導体膜）へと横方向に生じる。最終的に下部電極中央直上で二つの結晶が衝突し、そこに結晶の横成長方向に垂直な方向の結晶粒界２２３ができる。
【００６０】
（４）図２（ｄ）の工程
ＹＡＧ２ωレーザー光２１９の照射による半導体膜２１８の結晶化を行なった後、フォト・リソグラフィー法により前記半導体膜２１８を下部電極２１３のパターンと同一になるようにパターニングする。前記半導体膜２１８上にゲート絶縁膜としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法により酸化珪素膜２２４を膜厚６０ｎｍ程度堆積する。前記ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜２２４上にスパッタリング法により窒化タンタル（ＴａＮ）膜を５０ｎｍ程度堆積し、タンタル（Ｔａ）膜を４５０ｎｍ程度堆積する。その後、フォト・リソグラフィー法により上記ＴａＮ膜、Ｔａ膜をゲートパターンにパターニングしてゲート電極２２５とする。次に上記ゲート電極２２５をマスクとしてドナーまたはアクセプタとなる不純物イオンをイオンドーピング法により打ち込み、ソース領域２１８ａ、ドレイン領域２１８ｃとチャネル形成領域２１８ｂを自己整合的に形成する。そして、ソース領域２１８ａ、ドレイン領域２１８ｃに添加された不純物元素の活性化を行なう為に、窒素雰囲気下３００℃にて４時間の熱処理を施す。その後、層間絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）によりＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）４）と酸素を原料気体とした酸化珪素膜２２６を膜厚５００ｎｍ程度堆積する。最後にフォト・リソグラフィー法によりソース・コンタクト・ホール２２７、ドレイン・コンタクト・ホール２２８を開けた後に、スパッタリング法によりアルミニウム（Ａｌ）を堆積し、フォト・リソグラフィー法によりＡｌをパターニングしてソース電極２２９、ドレイン電極２３０を形成して半導体装置が完成する。以上説明したように、本第二の実施例によれば、下部電極の電位がソース電極と同電位となるので、寄生バイポーラ効果を抑制することができ、電気特性の良い半導体装置を製造することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、半導体膜が結晶性の良い大粒径の結晶粒から成り、チャネル形成領域の結晶粒界の位置が制御されており、電気特性が良く、寄生バイポーラ効果が抑制されており、電気特性ばらつきの少ない薄膜半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の第二の実施例を示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１１１、２１１…石英基板
１１２、２１２…下地保護膜
１１３、２１３…下部電極
１１４、２１６…絶縁膜
１１５、２１７…ソース領域と下部電極間のコンタクト・ホール
１１６、２１８…半導体膜
１１６ａ、２１８ａ…ソース領域
１１６ｂ、２１８ｂ…チャネル形成領域
１１６ｃ、２１８ｃ…ドレイン領域
１１７、２１９…ＹＡＧ２ωレーザー光
１１８、２２０…半導体膜を透過したＹＡＧ２ωレーザー光
１１９、２２１…下部電極の熱
１２０、２２２…下部電極で反射したＹＡＧ２ωレーザー光
１２１、２２３…結晶粒界
１２２、２２４…ゲート絶縁膜
１２３、２２５…ゲート電極
１２４、２２６…層間絶縁膜
１２５、２２７…ソース電極とソース領域間のコンタクト・ホール
１２６、２２８…ドレイン電極とドレイン領域間のコンタクト・ホール
１２７、２２９…ソース電極
１２８、２３０…ドレイン電極
２１４…水素中に希釈された濃度５％程度のフォスフィン（ＰＨ３）
２１５…不純物保護膜
【図１】
0004181743.tif 000002
【図２】
0004181743.tif 000003