(57)【要約】【課題】  光照射による不純物を含む半導体層の均一な熱処理を可能とする半導体装置、及びこの半導体装置の熱処理方法を提供すること。【解決手段】  透明基板上に配列された複数の半導体パターンの集合を具備する半導体装置であって、前記半導体パターンの集合は、その上にゲート絶縁膜をはさんで対向して設けられたゲート電極を有する第１の半導体パターンと、前記第１の半導体パターンと電気的に分離され、前記第１の半導体パターンを所定の間隔で取り囲む複数の第２の半導体パターンとを含み、前記第１の半導体パターンと第２の半導体パターンとは、同一又は近似する形状及びサイズを有し、前記第１の半導体パターンと、これを取り囲む第２の半導体パターンとの間隔は、２μｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に配列された複数の半導体パターンの集合を具備する半導体装置であって、前記半導体パターンの集合は、その上にゲート絶縁膜をはさんで対向して設けられたゲート電極を有する第１の半導体パターンと、前記第１の半導体パターンと電気的に分離され、前記第１の半導体パターンを所定の間隔で取り囲む複数の第２の半導体パターンとを含み、前記第１の半導体パターンと第２の半導体パターンとは、同一又は近似する形状及びサイズを有し、前記第１の半導体パターンと、これを取り囲む第２の半導体パターンとの間隔は、２μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の半導体パターンが、前記半導体パターンの集合の最外部に位置する第２の半導体パターンの端部から２５μｍ以上離れた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体パターンの集合における、各半導体パターン間の面積率の差異が、±５％以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体パターンを熱処理する方法であって、照射時間が１ミリ秒間から１００ミリ秒間の光照射により、前記半導体パターンの熱処理を行うことを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
前記光の照射はフラッシュランプにより行なうことを特徴とする請求項４に記載の熱処理方法。
【請求項６】
前記光の照射は、連続波のレーザー光で走査することにより行なうことを特徴とする請求項４に記載の熱処理方法。
【請求項７】
前記光の照射は、可視光および赤外光の少なくとも一部を吸収する光学フィルタを介して行なうことを特徴とする請求項４に記載の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板上に形成した半導体装置及びその熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置等の表示装置として、マトリクス状に配置された多数の画素を、画素毎に駆動するために、各画素に薄膜半導体装置である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けたアクティブマトリクス型の表示装置が知られている。かかる用途に用いられるＴＦＴの製造プロセスは、以下の通りである。
【０００３】
まず、ガラス基板上に所定のパターンの能動層として機能する半導体層を形成する。次いで、この半導体層上に、ゲート絶縁膜及びパターニングしたゲート電極を順次形成し、このゲート電極をマスクとして、半導体層に対し不純物イオンを注入し、ソース領域、ドレイン領域を形成する。
【０００４】
不純物イオンの注入後、層間絶縁膜を形成し、炉アニールにより、ソース領域、ドレイン領域の不純物の活性化を行う。次に、層間絶縁膜を貫通して半導体層に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内及び層間絶縁膜上に、ソース領域及びドレイン領域に接続するソース電極及びドレイン電極を形成して、ＴＦＴが完成する。
【０００５】
以上のような方法で製造される液晶表示装置のＴＦＴでは、素子の微細化が進んでいる。素子を微細化すると、電流が流れる各部の断面積が小さくなり、結果として抵抗の上昇をもたらす。そのため、特にソースおよびドレイン領域は活性化の状態によって抵抗率に差が生じるため、効率のよい活性化のための熱処理を行うことが求められている。
【０００６】
しかし、上述したような炉アニールでは、ガラス基板の歪点が６７０℃程度であるため、活性化のための加熱温度に限りがあり、そのためソースおよびドレイン領域の抵抗率が十分に下がらないという問題が生じている。
【０００７】
上記問題点に対処して活性化率を向上する方法として、本発明者は、フラッシュランプを光源に用いて、このランプ光を被照射物に瞬時に照射し、光を吸収する半導体層を局所的に１０００℃以上の高温まで昇温する方法を開発している。
【０００８】
この方法によると、光を吸収する半導体層を約１０００℃以上に加熱することができるので、短時間で効果的にポリシリコン層に含まれる不純物の活性化を行うことができる。この光照射工程では、半導体層がほとんどの入射光を吸収し、ガラス基板は光を吸収しないため、加熱されず、歪みを生ずる６００℃には到達しないことがわかった。
【０００９】
しかし、ガラス基板だけでなく、半導体層に隣接するＳｉＯ２からなる下地絶縁膜及びゲート絶縁膜も光を吸収しないため加熱されず、その結果、半導体層と絶縁膜との間の温度勾配が大きくなって、半導体層の周辺部から絶縁膜への熱の移動により、半導体層の周辺部の温度がその内側よりも低くなり、均一な熱処理ができないという問題が生ずる。
【００１０】
この問題を解決するため、ゲート電極を覆う層間絶縁膜上に光吸収層を設け、光照射による半導体層の加熱を均一に行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
しかし、この方法によると、半導体装置の機能上不要な光吸収層を形成する成膜工程及び剥離工程が余分に必要となり、製造コストの増加を招いてしまう。
【特許文献１】特開２０００−１３８１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、以上のような事情の下になされ、光照射による不純物を含む半導体層の均一な熱処理を可能とする半導体装置、及びこの半導体装置の熱処理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】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、透明基板上に配列された複数の半導体パターンの集合を具備する半導体装置であって、前記半導体パターンの集合は、その上にゲート絶縁膜をはさんで対向して設けられたゲート電極を有する第１の半導体パターンと、前記第１の半導体パターンと電気的に分離され、前記第１の半導体パターンを所定の間隔で取り囲む複数の第２の半導体パターンとを含み、前記第１の半導体パターンと第２の半導体パターンとは、同一又は近似する形状及びサイズを有し、前記第１の半導体パターンと、これを取り囲む第２の半導体パターンとの間隔は、２μｍ以下であることを特徴とする半導体装置を提供する。
【００１４】
以上のような半導体装置において、前記第１の半導体パターンが、前記半導体パターンの集合の最外部に位置する第２の半導体パターンの端部から２５μｍ以上離れた位置にあることが望ましい。また、前記半導体パターンの集合における、各半導体パターン間の面積率の差異が、±５％以内であることが望ましい。
【００１５】
本発明の第２の態様は、上述の半導体パターンを熱処理する方法であって、照射時間が１ミリ秒間から１００ミリ秒間の光照射により、前記半導体パターンの熱処理を行うことを特徴とする熱処理方法を提供する。
【００１６】
前記光の照射はフラッシュランプにより行なうことが出来る。また、前記光の照射は、連続波のレーザー光で走査することにより行なうことが出来る。また、前記光の照射は、可視光および赤外光の少なくとも一部を吸収する光学フィルタを介して行なうことが出来る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置及び熱処理方法によれば、第１の半導体パターンの周囲に複数の第２の半導体パターンを２μｍ以内の間隔で近接して配置することにより、第１の半導体パターン端からの熱流出が、隣接した第２の半導体パターンからの熱流入によって緩和されるため、第１の半導体パターンの端部に生じる加熱温度の低下を防止することができ、第１の半導体パターンの均一な熱処理を行うことができる。その結果、半導体層に導入された不純物の均一な活性化を効率よく行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、ゲート絶縁膜を間に介して対向して設けられたゲート電極パターンを備える、トランジスタとして機能する島状半導体パターン（第１の半導体パターン）が、同一又は近似する面積の、トランジスタとして機能しない複数の島状半導体パターン（第２の半導体パターン）により、２μｍ以下の間隔で囲まれていることを特徴とする。このような半導体装置の構成は、その製造工程において、トランジスタの高性能化を目的とした光照射による活性化熱処理に非常に適している。
【００２０】
即ち、このように半導体装置を構成すると、トランジスタとして機能する第１の半導体パターンと、それに隣接する第２の半導体パターンとが、電気的分離を保持しつつ、熱的に結合しているため、その製造工程における不純物の活性化熱処理に際し、第１の半導体パターンの端部からガラス基板への熱流出が、隣接する第２の半導体パターンからの熱流入によって緩和され、第１の半導体パターンの端部に生じる加熱温度の低下を防止することができ、第１の半導体パターンの均一な熱処理を行うことができる。その結果、半導体層に導入された不純物の均一な活性化を効率よく行うことが可能となる。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１の概略を示す図である。図１において、同等又は近似する大きさを持つ半導体パターンが、ほぼ等しい間隔で格子状に配置されている。ゲート電極３は、半導体パターンが配列した領域の端部から離れた内側の位置にある半導体パターン上に設けられている。トランジスタとしての機能を持つのはゲート電極３がその上部に設けられた第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃのみであり、他の第２の半導体パターン２は、その上部にゲート電極が設けられていないため、トランジスタとしての機能を持たず、単に光照射による熱処理時に受光状態を均一にするために配置されている。
【００２２】
トランジスタとしての機能を持つ第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃと、隣接する第２の半導体パターン２との間の間隔は、２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下である。第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃと、隣接する第２の半導体パターン２との間の間隔が２μｍを越えると、両者の熱的結合が解消され、第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃの端部からガラス基板１への熱流出が、隣接する第２の半導体パターン２からの熱流入によって補償されず、第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃの端部に生じる加熱温度が低下してしまう。そのため第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃの均一な熱処理を行うことができず、半導体層に導入された不純物の均一な活性化を効率よく行うことが困難となる。その結果、ソース・ドレイン領域のシート抵抗が大きくなってしまう。
【００２３】
第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃと第２の半導体パターン２との間の間隔の下限は、絶縁膜を介しての両者の電気的な分離が妨げられない範囲であればよく、例えば、１０ｎｍ程度が理論的な下限である。ただし、加工上の制約から、０．５μｍ程度が実用的な下限となる。
【００２４】
また、トランジスタとして使用する第１の半導体パターン２ａ，２ｂ，２ｃは、半導体パターンが集合した領域の端部から２５μｍ以上離れた位置に配置することが望ましい。半導体パターンが集合した領域の端部から２５μｍ未満の位置に配置したのでは、光が照射された領域の再結晶化を十分に行うことが困難となる。
【００２５】
図１に示す半導体装置１のＡ−Ａ’ 断面および光源を図２に示す。半導体装置１は、ガラス基板４上に下地絶縁膜５を成膜し、その上に第１の半導体パターン２ａ，第２の半導体パターン２、ゲート絶縁膜６およびゲート電極３を設けることにより構成されている。
【００２６】
光源はフラッシュランプ７とリフレクタ８とで構成されている。光源を構成する複数のフラッシュランプ７としては、例えば棒状のキセノンフラッシュランプを用いることができる。キセノンフラッシュランプは、その内部にキセノンガスが封入され、その両端にコンデンサーに接続された陽極及び陰極が配置され、更にトリガー電極がガラス管外壁近傍に配置された石英ガラス管であり、トリガー電極に高電圧が加えられ、ガラス管内のキセノンガスの一部が電離して陽極と陰極間の絶縁が破壊されることで駆動電源回路のコンデンサーに蓄えられた電荷が電流として陽極と陰極間に流れガラス管内のキセノンガスを励振することにより、光が放出される。
【００２７】
フラッシュランプ光の発光波長域は、紫外域から赤外域におよび、発光時間は１ｍｓ〜１００ｍｓである。
【００２８】
図３に、不純物としてリンを注入した膜厚が１００ｎｍのシリコン薄膜をガラス基板上に設け、これに光照射して活性化熱処理した後の半導体パターン（シリコン薄膜）のシート抵抗を示す。用いた半導体パターンのサイズは３μｍ×１０μｍであり、複数の半導体パターンを等間隔で配列した。グラフの横軸は隣接した半導体パターンの間隔を示している。
【００２９】
図３に示すグラフは、隣接パターン間隔が大きくなるに伴ってシート抵抗が大きくなっていることを示している。これは、隣接パターン間隔が大きくなることにより加熱効率が低下しているためである。
【００３０】
通常、ガラス基板上の１００ｎｍ厚のシリコン薄膜の場合、シート抵抗は１０００Ω／sq. 以下であることが望ましいが、図３に示すグラフから、シート抵抗を１０００Ω／sq. 以下にするには、隣接パターン間隔を２μｍ以下にすることが必要であることがわかる。隣接パターン間隔が２μｍを越えると、半導体パターンの端部からの熱流出が、隣接する半導体パターンからの熱流入により補償されないので、半導体パターンの端部の温度が低下してしまう。その結果、半導体パターンの均一な加熱を行なうことが出来ず、半導体パターンに導入された不純物の均一な活性化を効率よく行なうことが困難となる。
【００３１】
以上のことから、トランジスタとして機能する第１の半導体パターンと、それを取り囲む第２の半導体パターンとの間隔は、２μｍ以下であることが必要である。
【００３２】
図４に示すグラフは、ガラス基板上のシリコン膜パターンにおける、光照射による活性化熱処理後のシリコン膜の結晶性とパターン集合領域端からの距離との関係を示している。なお、結晶性はラマン分光法によって評価した。
【００３３】
図４に示すグラフから、パターン集合領域端から２５μｍ未満の位置ではシリコン膜パターンの再結晶化が充分に行われておらず、結晶性が低下していることがわかる。これは、パターン集合領域端から２５μｍ未満の位置では熱処理が充分に行われていないことを示している。すなわち、パターン集合領域端から２５μｍ未満の位置では、パターン集合領域端からの熱流出により、半導体パターンの端部の温度が低下し、半導体パターンの均一な加熱を行なうことが困難となる。
【００３４】
以上のことから、トランジスタとして機能する第１の半導体パターンは、半導体パターンが集合した領域の端部から２５μｍ以上離れた位置に配置することが望ましい。
【００３５】
図５に示すグラフは、不純物としてリンを注入した膜厚が１００ｎｍのシリコン薄膜をガラス基板上に設け、光照射により活性化熱処理した後のシート抵抗と照射エネルギー密度との関係を示す。
【００３６】
図５に示すグラフから、シート抵抗を均一にするには加熱処理面内の照射エネルギー密度のばらつきを約５％以内にすることが望ましいことがわかる。照射エネルギー密度のばらつきを生じる要因の一つには、半導体パターンが集合した領域におけるパターン面積率の差異がある。半導体パターンの集合において、半導体パターン相互のパターン面積率が異なると、実効的な照射エネルギー密度が変化する。そのため、半導体パターン面積率の差異は、±５％以内であることが望ましい。
【００３７】
次に、以上説明した熱処理装置を用いて多結晶半導体薄膜に含まれる不純物の活性化を行った、液晶表示装置を駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法について説明する。図６及び図７は、この薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３８】
まず、被処理基板３１を用意する。この実施形態では、被処理基板３１としてガラス基板３２上にＳｉＯ２からなる下地絶縁層３３が形成された基板を用いている。このガラス基板３１上（下地絶縁層３３上）の略全面に層厚が例えば５０ｎｍとなるようにアモルファスシリコン層３４を形成する。その後、温度５００℃の雰囲気中でアニール処理を施し、このアモルファスシリコン層３４中の水素を離脱させる（図６（ａ））。
【００３９】
次いで、例えばＥＬＡ（Excimer Laser Anneal）法により、このアモルファスシリコン層３４を結晶化して、ポリシリコン層３５とする（図６（ｂ））。
【００４０】
次に、ＰＥＰ（Photo Engraving Process、いわゆるフォトリソグラフィー）によりポリシリコン層３５上に所定の形状のレジストマスクを形成し、このレジストマスクをマスクとして、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）法によりポリシリコン層３５にエッチングを施すことによって、ポリシリコン層３５を島形状に加工し、中央のポリシリコンパターン（第１の半導体パターン）３５ａ、及びその周囲にポリシリコンパターン（第２の半導体パターン）３５を形成する（図６（ｃ））。中央のポリシリコンパターン３５ａとその周囲のポリシリコンパターン３５との間の間隔は、２μｍ以下、例えば１μｍであり、両者の形状及びサイズはほぼ同様である。
【００４１】
その後、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて、島形状に加工されたポリシリコンパターン３５，３５ａ及び下地絶縁層３３を覆うように、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜３６を形成する（図６（ｄ））。
【００４２】
次に、ゲート絶縁膜３６上の略全面に金属層、例えばモリブデンタングステン層３７を形成する（図７（ａ））。そして、モリブデンタングステン層３７上にＰＥＰにより所定の形状のレジストマスクを形成した後、このレジストマスクをマスクとして反応性イオンエッチング法により、モリブデンタングステン層の不要部分を除去し、ゲート電極３８を形成する（図７（ｂ））。即ち、ゲート電極３８はポリシリコンパターン３５ａの上方のみに形成し、その周囲のポリシリコンパターン３５の上方には形成しない。
【００４３】
次に、ゲート電極層３８をマスクとして、ポリシリコンパターン３５，３５ａに不純物領域、例えばソース領域及びドレイン領域形成のために不純物イオン（リンもしくはボロン等）を注入する（図７（ｃ））。
【００４４】
その後、図２に示す熱処理装置を用いて、図７（ｃ）に示す構造を、ランプ７による光加熱により熱処理し、ポリシリコン層３５ａに含まれる不純物を活性化し、ソース領域及びドレイン領域を形成する（図７（ｄ））。
【００４５】
その後は、通常の薄膜トランジスタの製造工程に従って、全面にＳｉＯ２からなる層間絶縁膜（図示せず）を形成し、この層間絶縁膜にソース領域の一部及びドレイン領域の一部を露出させるように、コンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールを埋めるように金属の配線層を形成し、パターニングすることにより、ソース電極及びドレイン電極を形成して、ＴＦＴが完成する。
【００４６】
以上のようにして製造された液晶表示装置駆動用ＴＦＴでは、図７（ｄ）に示す工程において、ポリシリコンパターン３５ａの周囲に、ほぼ同様の形状及びサイズのポリシリコンパターン３５を２μｍ以下の間隔で配置した状態で、フラッシュランプ７により光照射し、熱処理しているため、ポリシリコンパターン３５ａの端部からガラス基板３２への熱流出が、ポリシリコンパターン３５からの熱流入によって緩和され、ポリシリコンパターン３５ａの端部に生じる加熱温度の低下を防止することができ、ポリシリコンパターン３５ａの均一な熱処理を行うことができる。その結果、ポリシリコンパターン３５ａの加熱を均一に行うことができ、ポリシリコンパターン３５ａ中の不純物を効率よく活性化することが可能である。
【００４７】
以上の実施形態では、熱処理装置として図２に示すように、フラッシュランプ７とリフレクタ８とで構成された光源を含むものを用いた。このような熱処理装置により熱処理を行うと、半導体層とゲート電極の光吸収特性および熱的物性が異なるため、熱処理状態に不均一性を生じるという問題があることがわかった。即ち、ゲート電極は金属からなるため、その光吸収特性は、波長によらずフラットな特性を示すが、シリコンにより構成される半導体層は、６００ｎｍ以上の波長域における吸収率が低い。これらゲート電極及び半導体層に照射されるフラッシュランプの放射特性は、紫外光から赤外光まで幅広い光を含んでいるため、ゲート電極と半導体層とで温度差が生じてしまい、均一な加熱を行うことが困難となる。
【００４８】
このような問題を解決する熱処理装置として、図８に示すような熱処理装置を用いることができる。即ち、フラッシュランプ７と半導体装置との間には、帯域除去フィルタ９が配置されている。帯域除去フィルタ９は、赤外光を吸収する光学ガラス基板上に誘電体からなる多層膜フィルタを形成したものである。このような帯域除去フィルタ９をフラッシュランプ７と半導体装置との間に配置することにより、赤外域の波長が除去された光が半導体装置に照射されることになる。その結果、赤外域の波長の吸収の少ないシリコンパターン２，２ａ、赤外域の波長を吸収する金属からなるゲート電極３の加熱状態を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略を示す平面図。
【図２】図１に示す半導体装置のＡ−Ａ’ 断面および光源を示す図。
【図３】活性化熱処理した後のシリコン膜のシート抵抗と隣接パターン間隔との関係を示す特性図。
【図４】活性化熱処理した後のシリコン膜の結晶性とパターン集合領域端からの距離との関係を示す特性図。
【図５】活性化熱処理した後のシリコン膜のシート抵抗と照射エネルギー密度との関係を示す特性図。
【図６】薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図。
【図７】薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図。
【図８】本発明の他の実施形態に係る熱処理方法を説明するための図。
【符号の説明】
【００５０】
１…半導体装置、２，３５…第２の半導体パターン、２ａ，３５ａ…第１の半導体パターン、３，３８…ゲート電極、４,２…ガラス基板、５，３３…下地絶縁膜、６，３６…ゲート絶縁膜、７…フラッシュランプ、８…リフレクタ、９…帯域除去フィルタ。
【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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