(57)【要約】【課題】平均粒径の異なる２つの領域を有する移動度に優れた結晶性半導体膜を備えた半導体基板の製造方法、半導体基板及び表示装置を提供する。【解決手段】絶縁性の表面を有する基板上に結晶性半導体膜を備えた半導体基板の製造方法であって、上記製造方法は、絶縁性の表面を有する基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、非晶質半導体膜の一部を結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成する第一結晶化工程と、非晶質半導体膜の残部を溶融固化し、第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成する第二結晶化工程と、第一結晶性半導体膜の平均粒径が第二結晶性半導体膜の平均粒径よりも大きい状態を維持しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を溶融固化する第三結晶化工程とを含む半導体基板の製造方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の表面を有する基板上に結晶性半導体膜を備える半導体基板の製造方法であって、
該製造方法は、絶縁性の表面を有する基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、
非晶質半導体膜の一部を結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成する第一結晶化工程と、
非晶質半導体膜の残部を溶融固化し、第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成する第二結晶化工程と、
第一結晶性半導体膜の平均粒径が第二結晶性半導体膜の平均粒径よりも大きい状態を維持しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を溶融固化する第三結晶化工程とを含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記半導体基板の製造方法は、非晶質半導体膜の一部に非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を添加する工程を更に含み、
前記第一結晶化工程は、エネルギー印加によって非晶質半導体膜の触媒元素が添加された領域を選択的に結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成する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】
前記結晶性半導体膜は、結晶性ケイ素膜であり、
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】
前記第二結晶化工程は、レーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射し、
前記第三結晶工程は、第二結晶化工程で用いられたレーザビームとは異なる波長のレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記第二結晶化工程は、第一結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件のレーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記第二結晶化工程は、波長が３７０〜６５０ｎｍのレーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記第三結晶化工程は、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件のレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記第三結晶化工程は、波長が１２６〜３７０ｎｍのレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記第二結晶化工程は、パルス発振固体レーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第二結晶化工程は、イットリウムアルミニウムガーネットレーザの第２高調波を非晶質半導体膜の残部に照射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記第二結晶化工程は、非晶質半導体膜の残部表面上でのビーム形状が直線状であるレーザビームを、該レーザビームの短軸方向にステップ走査しながら非晶質半導体膜の残部に照射することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第三結晶化工程は、パルス発振エキシマレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第三結晶化工程は、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜表面上でのビーム形状が直線状であるレーザビームを、該レーザビームの短軸方向にステップ走査しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記第一結晶化工程は、加熱処理による固相結晶成長法を用いて第一結晶性半導体膜を形成することを特徴とする請求項１〜１３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２〜１４のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記第一結晶化工程は、５００〜７００℃の温度で非晶質半導体膜を熱処理することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
前記触媒元素は、非晶質半導体膜表面の濃度が１×１０１０〜１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２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】
前記半導体基板の製造方法は、第一結晶化工程の前に、触媒元素が添加される領域以外の非晶質半導体膜をマスクする工程を更に含む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】
請求項１〜１８のいずれかに記載の半導体基板の製造方法によって形成された結晶性半導体膜を有することを特徴とする半導体基板。
【請求項２０】
前記結晶性半導体膜は、薄膜トランジスタのチャネル領域として用いられることを特徴とする請求項１９記載の半導体基板。
【請求項２１】
請求項１９又は２０記載の半導体基板を備える表示装置であって、
該表示装置は、第一結晶性半導体膜を用いて形成されたチャネル領域を有する第一薄膜トランジスタと、
第二結晶性半導体膜を用いて形成されたチャネル領域を有する第二薄膜トランジスタとを備えることを特徴とする表示装置。
【請求項２２】
前記第一薄膜トランジスタは、画素領域以外の回路ブロックに形成され、
前記第二薄膜トランジスタは、画素領域に形成されることを特徴とする請求項２１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、半導体基板及び表示装置に関する。より詳しくは、基板上に大きさの異なる２種の薄膜トランジスタを形成するのに好適な半導体基板の製造方法、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、ガラス基板等の絶縁性の表面を有する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。また、薄型化やコスト削減等が図れることから、基板上にドライバ回路等の駆動に必要な周辺回路が作り込まれたフルモノリシック型の液晶表示装置が増加の傾向にある。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を超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。
【０００６】
また、基板の温度をあま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技術としてレーザアニール法が開示されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。レーザアニール法では、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。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以上の直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（レーザビームの照射位置を被照射体に対して相対的に移動させて）アニールを行う方法が挙げられる。
【０００７】
更に、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、レーザアニール法を行う方法が開示されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。
【０００８】
そして、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、レーザアニール法を２回行う方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平７−１８３５４０号公報
【特許文献２】特開２０００−２１６０８９号公報
【特許文献３】特開２００７−１１５７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２及び３のように、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、結晶化膜の結晶性を向上させるためにレーザアニールを行う方法では、触媒元素を用いて熱結晶化された結晶性半導体の結晶粒が直径数μｍから１００μｍを超えるものまであり、この大きな結晶粒を更にレーザアニールを行うことで結晶性半導体の結晶性を向上させ、結晶性半導体の移動度を高くすることができる。この方法で製造された結晶性半導体膜を活性層に用いたＴＦＴの電気特性は、オン電流が大きく取れる特徴を持つ。しかしながら、例えば画素を駆動するＴＦＴのように、チャネル領域が小さいＴＦＴでは、チャネル領域内の結晶粒数が異なり、すなわちチャネル領域内の結晶粒界の数が異なり、ＴＦＴ間で閾値電圧（以下、Ｖｔｈともいう）が大きくばらつく場合がある。このようなＴＦＴ間でＶｔｈのばらつきを抑えるためには、結晶粒径がある程度小さい方が好ましいが、その場合、結晶性半導体の移動度が低くなってしまう。したがって、異なる大きさのＴＦＴが同一基板上に形成されたフルモノリシック型の半導体基板では、基板上に存在する全てのＴＦＴについて、必要充分な特性を得ることは困難であるという点で改善の余地があった。また、このような半導体基板を備える表示装置は、輝度や色のばらつきが大きくなり、表示が安定しないという点で改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、平均粒径の異なる２つの領域を有する移動度に優れた結晶性半導体膜を備えた半導体基板の製造方法、半導体基板及び表示装置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】
【００１１】
本発明者らは、平均粒径の異なる２つの領域を有する結晶性半導体膜を備えた半導体基板の製造方法について種々検討したところ、結晶性半導体膜を形成する工程の中で、半導体膜の結晶化を行う工程（以下、結晶化工程ともいう）に着目した。そして、結晶化工程の中でも、半導体膜の結晶化を複数回行う方法において、非晶質半導体膜の一部を結晶化する第一結晶化工程で第一結晶性半導体膜を形成した後、非晶質半導体膜の残部を溶融固化する第二結晶化工程で第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成することで、平均粒径の異なる２つの領域を有する結晶性半導体膜を形成することができることを見いだすとともに、第一結晶性半導体膜の平均粒径が第二結晶性半導体膜の平均粒径よりも大きい状態を維持しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を溶融固化する第三結晶化工程で第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜の結晶性を向上させることにより、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜の移動度を向上させ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、絶縁性の表面を有する基板上に結晶性半導体膜を備えた半導体基板の製造方法であって、上記製造方法は、絶縁性の表面を有する基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、非晶質半導体膜の一部を結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成する第一結晶化工程と、非晶質半導体膜の残部を溶融固化し、第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成する第二結晶化工程と、第一結晶性半導体膜の平均粒径が第二結晶性半導体膜の平均粒径よりも大きい状態を維持しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を溶融固化する第三結晶化工程とを含む半導体基板の製造方法である。
【００１３】
本発明は、絶縁性の表面を有する基板上に結晶性半導体膜を備えた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】
なお、本明細書において、平均粒径とは、半導体膜に含まれる結晶粒の大きさの平均であり、ＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法等によって測定することができる。
【００１５】
本発明の半導体基板の製造方法における好ましい態様について以下に詳しく説明する。
【００１６】
本発明の半導体基板の製造方法としては、（１）絶縁性の表面を有する基板上に非晶質半導体膜を成膜する工程と、（２）非晶質半導体膜の一部を結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成する第一結晶化工程と、（３）非晶質半導体膜の残部を溶融固化し、第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成する第二結晶化工程と、（４）第一結晶性半導体膜の平均粒径が第二結晶性半導体膜の平均粒径よりも大きい状態を維持しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を溶融固化する第三結晶化工程と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、非晶質半導体膜の一部に非晶質半導体膜の結晶化を助長する触媒元素を添加する工程を更に含み、上記第一結晶化工程は、エネルギー印加によって非晶質半導体膜の触媒元素が添加された領域を選択的に結晶化し、第一結晶性半導体膜を形成することが好ましい。これにより、触媒元素が添加された領域の非晶質半導体膜の結晶化を促進することができるため、製造工程の効率化と結晶性半導体膜の特性向上とを行うことができる。このとき、第一結晶化工程では、触媒元素が添加された領域及びその周辺領域が結晶化されてもよい。非晶質半導体膜の触媒元素が添加された領域を選択的に結晶化するエネルギー印加の方法としては、非晶質半導体膜を完全に結晶化しない条件の範囲内で、非晶質半導体膜全体にエネルギー印加してもよいし、触媒元素を添加した領域の非晶質半導体膜のみにエネルギー印加してもよい。
【００１７】
上記触媒元素は、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い。これにより、製造工程の効率化と半導体膜の特性向上をより効率よく行うことができる。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、充分なトランジスタ特性が得られないことがある。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。なお、触媒元素の非晶質半導体膜表面の濃度は、非晶質半導体膜表面から５〜１０ｎｍの深さの領域の濃度を測定した結果であればよい。
【００１８】
本発明の半導体基板の製造方法において、非晶質半導体膜の一部に非晶質半導体の結晶化を助長する触媒元素を添加する工程を含む場合、第一結晶化工程の前に、触媒元素が添加される領域以外の非晶質半導体膜をマスクする工程を更に含むことが好ましい。これにより、第一結晶性半導体膜が形成される領域を容易に規定することができる。より具体的には、マスク上から触媒元素を含む溶液を塗布したり、触媒元素を真空蒸着させることで、マスクされていない領域（マスク開口部）の非晶質半導体膜に触媒元素を接触させることができるため、第一結晶性半導体膜が形成される領域を簡便に選択することができる。マスクの材質は特に限定されないが、例えば、非晶質半導体膜を非晶質ケイ素膜とした場合には、マスクの材質を二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜とすることで、非晶質ケイ素膜を酸化させることでマスクを形成することができるため、製造工程を複雑化することなくマスクを形成することができる。
【００１９】
上記（１）の非晶質半導体膜を成膜する工程は、絶縁性の表面を有する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。また、結晶性半導体膜は、結晶性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、絶縁性の表面を有する基板としては、ベースコート膜（絶縁膜）を表面に形成した基板、例えば、ガラス基板を用いることができる。
【００２０】
上記（２）の第一結晶化工程は、非晶質半導体膜の一部を結晶化することによって、第一結晶性半導体膜を形成する工程であり、加熱処理による固相結晶成長法を用いて行うことが好ましい。これにより、平均粒径が３．０μｍ以上の結晶粒を有する第一結晶性半導体膜を容易に形成することができる。なお、第一結晶性半導体膜の移動度を高くするという観点のみからは、第一結晶性半導体膜の平均粒径は、画素を駆動するＴＦＴ等のチャネル領域が小さいトランジスタのチャネル領域に比べて充分大きいことが好ましい。
【００２１】
上記（２）の第一結晶化工程は、５００〜７００℃の温度で非晶質半導体膜を熱処理することが好ましい。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結晶化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なる。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３．０μｍ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するため、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、充分なトランジスタ特性が得られないことがある。
【００２２】
上記（３）の第二結晶化工程及び上記（４）の第三結晶化工程は、レーザアニール法を用いて溶融固化を行うことで、容易に実施することができる。また、第二結晶化工程及び第三結晶化工程でレーザアニール法を用いる場合、第二結晶化工程で用いられたレーザビームと異なる波長のレーザビームを第三結晶化工程で照射することで、第二結晶化工程及び第三結晶化工程での溶融固化を選択的に行うことができる。これにより、第二結晶化工程では第一結晶化工程で結晶化されていない領域の結晶性半導体膜を選択的に結晶化し、第三結晶化工程では、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜の平均粒径を変化させることなく結晶性を高めることができる。すなわち、上記第二結晶化工程は、レーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射し、上記第三結晶化工程は、第二結晶化工程とは異なる波長のレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することが好ましい。
【００２３】
上記（３）の第二結晶化工程は、非晶質半導体膜の残部を溶融固化することによって第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成する工程であり、非晶質半導体の残部を選択的に溶融固化するという観点からは、第一結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件のレーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することが好ましく、波長が３７０〜６５０ｎｍのレーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することがより好ましい。これにより、平均粒径が０．１〜１．０μｍ、例えば０．３μｍの第二結晶性半導体膜を容易に形成することができる。その結果、平均粒径が３．０μｍ以上の第一結晶性半導体膜と、平均粒径が０．１〜１．０μｍの第二結晶性半導体膜とが混在する結晶性半導体膜を得ることができる。第二結晶化工程において、第一結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件としては、第二結晶性半導体膜を形成できる条件の範囲内で、第一結晶性半導体膜の平均粒径を変化させない条件であることが好ましく、第一結晶性半導体膜の下層との界面から５ｎｍ程度までの領域を溶融しない条件であってもよい。
【００２４】
上記（３）の第二結晶化工程は、パルス発振固体レーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射することが好ましく、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）レーザの第２高調波を非晶質半導体膜の残部に照射す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る。また、レーザアニールを実施するためのランニングコストの低減も可能となる。
【００２５】
ここで、結晶性半導体膜及び非晶質半導体膜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、ここでは結晶性半導体膜、非晶質半導体膜がそれぞれ結晶性ケイ素膜、非晶質ケイ素膜であり、第一結晶化工程で第一結晶性半導体膜である粒径数μｍ程度の第一結晶性ケイ素膜を形成した場合について説明する。
第二結晶化工程で波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザビームを用いた場合、第一結晶性ケイ素膜、非晶質ケイ素膜のＸｅＣｌエキシマレーザビームに対する吸収係数が、それぞれ１．５６×１０６ｃｍ−１程度、１．３８×１０６ｃｍ−１程度と近い値であるため、第二結晶化工程で非晶質ケイ素膜の残部を選択的に溶融固化することが困難となる。一方、第二結晶化工程で波長が５３２ｎｍのＹＡＧレーザの第２高調波を用いた場合、第一結晶性ケイ素膜、非晶質ケイ素膜のＹＡＧレーザの第２高調波に対する吸収係数が、それぞれ２．７４×１０４ｃｍ−１程度、９．３１×１０４ｃｍ−１程度であり、ＹＡＧレーザの第２高調波は非晶質ケイ素膜に吸収されやすいことから、第二結晶化工程で非晶質ケイ素膜の残部を選択的に溶融固化することが可能となる。
【００２６】
上記（３）の第二結晶化工程は、非晶質半導体膜の残部表面上でのビーム形状が直線状であるレーザビームを、上記レーザビームの短軸方向にステップ走査しながら非晶質半導体膜の残部に照射することが好ましい。このように絶縁性の表面を有する基板上で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、非晶質半導体膜の残部を効率よく簡便に結晶化することができるため、非晶質半導体膜の残部が大面積の場合に特に有効である。なお、直線状とは、長方形（矩形）又は長楕円形を意味し、２以上のアスペクト比であることが好ましく、１０〜１００００のアスペクト比であることがより好ましい。ビーム形状を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、レーザビームの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切れ目なく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。
【００２７】
上記（４）の第三結晶化工程は、第一及び第二結晶性半導体膜を溶融固化し、第一及び第二結晶性半導体膜の結晶性を向上させる工程であり、本発明の半導体基板にＴＦＴを形成した場合の特性のバラツキを軽減するという観点からは、第一及び第二結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件のレーザビームを第一及び第二結晶性半導体膜に照射することが好ましく、波長が１２６〜３７０ｎｍのレーザビームを第一及び第二結晶性半導体膜に照射することがより好ましい。これにより、第一及び第二結晶性半導体膜の平均粒径及び結晶方位を変化させることなく、結晶性のみを向上させることができる。第三結晶化工程において、第一及び第二結晶性半導体膜の少なくとも一部を溶融しない条件としては、第一及び第二結晶性半導体膜の結晶性を向上できる条件の範囲内で、第一及び第二結晶性半導体膜の平均粒径を変化させない条件であることが好ましく、第一及び第二結晶性半導体膜の下層との界面から５ｎｍ程度の領域を溶融しない条件であってもよい。
【００２８】
このように、本発明の効果をより確実に発揮するという観点からは、上記（３）の第二結晶化工程では、波長が３７０〜６５０ｎｍのレーザビームを非晶質半導体膜の残部に照射し、上記（４）の第三結晶化工程では、波長が１２６〜３７０ｎｍのレーザビームを第一及び第二結晶性半導体膜に照射することが好ましい。
【００２９】
上記（４）の第三結晶化工程は、パルス発振エキシマレーザビームを第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することが好ましい。これにより、長尺レーザビームをステップ走査しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することができるため、大面積を短時間で容易に処理することができる。
【００３０】
上記（４）の第三結晶化工程は、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜表面上でのビーム形状が直線状であるレーザビームを、上記レーザビームの短軸方向にステップ走査しながら第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜に照射することが好ましい。このように絶縁性の表面を有する基板上で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、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜を効率よく簡便に結晶化することができる。
【００３１】
本発明の半導体基板の製造方法によって形成される第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜は多結晶膜であり、薄膜トランジスタのチャネル領域として用いることで、異なる特性を有する薄膜トランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、上記多結晶膜は、薄膜トランジスタのチャネル領域として好適に用いることができる。
【００３２】
本発明はまた、本発明の半導体基板の製造方法によって形成された結晶性半導体膜を有する半導体基板でもある。上記第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜は互いに異なる平均粒径を有するため、移動度等の電気特性が異なっている。したがって、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜のいずれかを選択することにより、大きさの異なる薄膜トランジスタ毎に要求される電気特性に適した結晶性半導体膜を選択することができる。より具体的には、例えば、フルモノリシック型の液晶表示装置において、周辺回路に用いられるチャネル領域が２０．０μｍ×２０．０μｍの薄膜トランジスタを第一結晶性半導体膜に形成し、画素駆動に用いられるチャネル領域が３．０μｍ×３．０μｍの薄膜トランジスタを第二結晶性半導体膜に形成することにより、第一結晶性半導体膜に形成された薄膜トランジスタのゲート電圧−オン電流特性を向上させるとともに、第二結晶性半導体膜に形成された薄膜トランジスタのＶｔｈのばらつきを低減することができる。すなわち、上記結晶性半導体膜は、薄膜トランジスタのチャネル領域として好適に用いることができる。また、単結晶半導体膜よりも製造が容易であるという観点からは、上記結晶性半導体膜は、多結晶半導体膜であることが好ましい。
【００３３】
本発明は更に、本発明の半導体基板を備える表示装置であって、上記表示装置は、第一結晶性半導体膜を用いて形成されたチャネル領域を有する第一薄膜トランジスタと、第二結晶性半導体膜を用いて形成されたチャネル領域を有する第二薄膜トランジスタとを備える表示装置でもある。このように、大きさの異なる薄膜トランジスタ毎に適した結晶性半導体膜を用いて形成されたチャネル領域を有する薄膜トランジスタを表示装置が備えることで、輝度や色のばらつきの少なく、安定した表示が可能な表示装置を実現することができる。したがって、本発明の表示装置は、比較的小さい薄膜トランジスタが形成される画素領域と、比較的大きい薄膜トランジスタが形成される周辺回路とが同一基板上に形成されるフルモノリシック型の表示装置に特に有効である。すなわち、上記第一薄膜トランジスタは、画素領域以外の回路ブロックに形成され、上記第二薄膜トランジスタは、画素領域に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の半導体基板の製造方法、半導体基板及び表示装置によれば、第一結晶化工程で非晶質半導体膜の一部を結晶化して第一結晶性半導体膜を形成した後、第二結晶化工程で非晶質半導体膜の残部を溶融固化して第一結晶性半導体膜よりも平均粒径の小さい第二結晶性半導体膜を形成し、更に第三結晶化工程で第一結晶膜及び第二結晶膜を溶融固化することで、第一結晶性半導体膜及び第二結晶性半導体膜の結晶性を充分に向上させることができる。また、同一基板内に平均粒径の異なる少なくとも２つの結晶性半導体膜が得られるため、要求される電気特性に応じた結晶性を有する結晶性半導体膜をチャネル領域に配置することができる。特に、フルモノリシック型の半導体基板を備えるアクティブマトリクス型液晶表示装置等の表示装置において、本発明の半導体基板をスイッチング素子や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】
【００３５】
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。
【００３６】
（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）において、第一薄膜トランジスタに対応するチャネル領域が２０μｍ×２０μｍの薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ（Ａ）ともいう）と、第二薄膜トランジスタに対応するチャネル領域が４μｍ×４μｍの薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ（Ｂ）ともいう）とを作製する場合について説明する。
【００３７】
図１は、実施例１の半導体装置に備えられたｎチャネル型ＴＦＴを示す断面図である。なお、ＴＦＴ（Ａ）及びＴＦＴ（Ｂ）は、チャネル領域の大きさと、チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域が形成される結晶性ケイ素膜の平均粒径とを除いて同一の構造であるため、図１においてはＴＦＴ（Ｂ）の図示を省略し、ＴＦＴ（Ａ）のみを図示して説明する。
図１に示すように、実施例１の半導体装置に備えられたｎチャネル型ＴＦＴであるＴＦＴ（Ａ）は、絶縁性の表面を有する基板であるガラス基板１と、ガラス基板１を覆うようにＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａ  ｅｔｈｏｘｙ  ｓｉｌａｎｅ）を用いて形成されたＳｉＯ２膜（ＴＥＯＳ膜）からなるベースコート層２と、チャネル領域８、ソース領域９及びドレイン領域１０を有するベースコート層２上に形成された第一結晶性ケイ素膜（第一結晶性半導体膜）３Ａと、第一結晶性ケイ素膜３Ａを覆うように形成されたＳｉＯ２膜等の酸化膜からなるゲート絶縁膜１１とが設けられている。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を覆うように層間絶縁膜１３が設けられている。これらのゲート絶縁膜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。
【００３８】
以下に、このｎチャネル型ＴＦＴの製造工程について、図２〜図１３を用いて詳細に説明する。図２〜１３は、実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す模式図である。なお、図２〜１３において、既に説明した部材については同一の符号を付記し、説明を省略する。また、図９〜１３においては、図１と同様にＴＦＴ（Ｂ）についての図示を省略し、ＴＦＴ（Ａ）のみを図示して説明する。
まず、チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域が形成される第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂの形成方法について説明する。
【００３９】
図２に示すように、ガラス基板１上に、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により膜厚約１００ｎｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を堆積させることでベースコート層２を形成した後、原料ガスとしてＳｉＨ４を用いたＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法等により膜厚約５０ｎｍの非晶質ケイ素膜（非晶質半導体膜）３を堆積させた。なお、ベースコート層２の材質は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。
【００４０】
次に、図３及び４に示すように、非晶質ケイ素膜３上に、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法で膜厚約５０ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させることで、非晶質ケイ素膜３の結晶化を助長する触媒元素を添加する際のマスク４を形成した。マスク４の一部に通常のフォトリソ工程とフッ酸とによるウェットエッチング工程を行い、２０μｍ×４０μｍの大きさの開口部４ａを設けることで、非結晶ケイ素膜３の一部を露出させた。
【００４１】
次に、図５に示すように、非晶質ケイ素膜３及びマスク４上に、非晶質ケイ素膜３の結晶化を助長する触媒元素として、抵抗加熱法によりニッケル膜５を蒸着した。全反射蛍光Ｘ線分析法によって測定された開口部４ａに位置する非晶質ケイ素膜３表面から５〜１０ｎｍの深さの領域のニッケル膜５の濃度は、５×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であった。
【００４２】
次に、図６に示すように、第一結晶化工程として、基板を炉にて窒素雰囲気中、６００℃で１時間加熱した。第一結晶化工程により、非晶質ケイ素膜３の開口部４ａによって露出した領域及びその周辺が固相結晶成長し、第一結晶性ケイ素膜（第一結晶性半導体膜）３ａとなった。このとき、第一結晶性ケイ素膜３ａの平均粒径は、約４μｍであった。第一結晶性ケイ素膜３ａは、後の工程でＴＦＴ（Ａ）が作製される領域である。
【００４３】
次に、マスク４を５ｍｏｌ％フッ酸に１分間浸漬することより除去した後、図７に示すように、第二結晶化工程として、波長が５３２ｎｍのＹＡＧパルス発振レーザの第２高調波６を非晶質ケイ素膜３及び第一結晶性ケイ素膜３ａの表面上で長軸１００ｍｍ、短軸４５μｍの矩形に成形し、非晶質ケイ素膜３及び第一結晶性ケイ素膜３ａ表面上をＹＡＧパルス発振レーザの第２高調波６の短軸方向（図の白抜き矢印方向）に２μｍ／パルスのステップ幅（１パルス照射毎に２μｍのビーム移動）で走査した。本実施例においては、ＹＡＧパルス発振レーザの第２高調波６の出力は、レーザ発振器に印加するエネルギーを１００Ｗとした。この出力では非晶質ケイ素膜３は溶融されたが、第一結晶性ケイ素膜３ａは溶融されなかった。第二結晶化工程により、第一結晶化工程で結晶化されなかった非晶質ケイ素３の残部は、第二結晶性ケイ素膜（第二結晶性半導体膜）３ｂとなった。第二結晶性ケイ素膜３ｂの平均粒径は、約０．３μｍであった。一方、第一結晶性ケイ素膜３ａの平均粒径は、第二結晶化工程の影響を受けず、約４μｍのままであった。第二結晶性ケイ素膜３ｂは、後の工程でＴＦＴ（Ｂ）が作製される領域である。
【００４４】
次に、図８に示すように、第一結晶性ケイ素膜３ａ及び第二結晶性ケイ素膜３ｂの表面上で、波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザビーム７を１２５ｍｍ×０．４ｍｍの矩形に成形し、ガラス基板１上をＸｅＣｌエキシマレーザビーム７の短軸方向（図の白抜き矢印方向）に２０μｍ／パルスのステップ幅で走査した。本実施例においては、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム７の出力は、第一結晶性ケイ素膜３ａ及び第二結晶性ケイ素膜３ｂの表面を照射するエネルギー密度を３５０ｍＪ／ｃｍ２とした。この出力では第一結晶性ケイ素膜３ａ及び第二結晶性ケイ素膜３ｂの表面から溶融が進行したが、ベースコート層２との界面から５ｎｍの領域の第一結晶性ケイ素膜３ａ及び第二結晶性ケイ素膜３ｂは溶融しなかった。このように、ＸｅＣｌエキシマレーザビーム７を照射することにより、第一結晶性ケイ素膜３ａ、第二結晶性ケイ素膜３ｂの溶融された領域の結晶性が向上し、それぞれ第一結晶性ケイ素膜３Ａ、第二結晶性ケイ素膜３Ｂとなった。
【００４５】
次に、このようにして形成された第一結晶性ケイ素膜３Ａ、第二結晶性ケイ素膜３Ｂをそれぞれチャネル領域として用いたＴＦＴ（Ａ）、ＴＦＴ（Ｂ）の作製方法について説明する。
図９に示すように、まず、ガラス基板１上の膜厚約１００ｎｍのベースコート層２上に形成された第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂを、チャネル領域８、ソース領域９及びドレイン領域１０となる領域を有する形状にパタ−ニングした。このとき、ＴＦＴ（Ａ）、ＴＦＴ（Ｂ）のチャネル領域８の大きさは、それぞれ２０μｍ×２０μｍ、４μｍ×４μｍであった。
【００４６】
次に、図１０に示すように、第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂ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、ＡＰＣＶＤ（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法によって膜厚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の材質はＳｉＯ２膜の他に、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＮＯ膜等が挙げられる。また、ゲート絶縁膜１１は、これらの膜の積層体としてもよい。
【００４７】
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、アルミニウム膜１２ａをフォトリソグラフィ法等により所定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る。また、ゲート電極１２は、上記複数の材料からなる積層体としてもよい。
【００４８】
次に、ゲート電極１２をマスクとして、第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂに不純物イオンであるリンイオンを注入し、ゲート電極１２によってマスクされていない領域の第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂにソ−ス領域９及びドレイン領域１０を形成した。また、ゲート電極１２によってマスクされた領域の第一結晶性ケイ素膜３Ａ及び第二結晶性ケイ素膜３Ｂはチャネル領域８とした。このように、チャネル領域８を挟んで対向するようにソ−ス領域９及びドレイン領域１０を形成した。
【００４９】
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の酸化膜をＡＰＣＶＤ法により成膜して層間絶縁膜１３を形成した。
【００５０】
最後に、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上の全面に電極材料をスパッタリング法によって成膜した後、パターニングすることで、引き出し電極１４を形成した。これにより、コンタクトホール部を介して引き出し電極１４とソース領域９及びドレイン領域１０との間にオ−ミック接触を実現させ、半導体装置としてのＴＦＴ（Ａ）、ＴＦＴ（Ｂ）を作製した。
【００５１】
このようにして作製されたＴＦＴ（Ａ）について、キャリア移動度を測定したところ、３５０ｃｍ２／Ｖ・ｓという高い特性が得られた。また、ＴＦＴ（Ｂ）について、キャリア移動度を測定したところ、１８０ｃｍ２／Ｖ・ｓであったが、５０個のＶｔｈのばらつきは０．０５Ｖと小さかった。一方、ＴＦＴ（Ａ）を配置した第一結晶性ケイ素膜３ＡにＴＦＴ（Ｂ）を作製したところ、キャリア移動度は３７０ｃｍ２／Ｖ・ｓであったが、５０個のＶｔｈのばらつきが０．１５Ｖと大きい値となった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴ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（ベースコート層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（マスク及び開口部の形成）。
【図４】実施例１のｎチャネル型ＴＦＴの製造工程を示す平面模式図である（マスク及び開口部形成後の状態）。
【図５】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（第一結晶化工程後の状態）。
【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（第二結晶化工程）。
【図８】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（第三結晶化工程）。
【図９】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（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（ゲート電極の形成及び不純物イオンの注入）。
【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】
【００５３】
１：ガラス基板
２：ベースコート層
３：非晶質ケイ素膜（非晶質半導体膜）
３ａ、３Ａ：第一結晶性ケイ素膜（第一結晶性半導体膜）
３ｂ、３Ｂ：第二結晶性ケイ素膜（第二結晶性半導体膜）
４：マスク
４ａ：開口部
５：ニッケル膜
６：ＹＡＧパルス発振レーザの第２高調波
７：ＸｅＣｌエキシマレーザビーム
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
【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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