(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にアモルファス半導体膜を形成する工程と、
ビーム中央部のエネルギー密度が前記アモルファス半導体膜の微結晶化しきい値以上に設定され、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光を前記アモルファス半導体膜に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化する工程と
を有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記アモルファス半導体膜上に酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の少なくとも一方の膜を形成した後に、前記レーザ光を前記アモルファス半導体膜に照射することを特徴とする請求項１に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光のビームプロファイルが台形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光のビームプロファイルが三角形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ光のビームプロファイルが正規曲線形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光を前記傾斜部の幅よりも短い間隔毎に前記ビーム幅方向に移動させて、前記アモルファス半導体層を多結晶化することを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置等に使用される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）の製造に好適な多結晶半導体膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、薄くて軽量であるとともに低電圧で駆動できて消費電力が少ないという長所があり、各種電子機器に広く使用されている。特に、近年、薄膜トランジスタ等の能動素子が画素毎に設けられたアクティブマトリクス方式の液晶表示装置は、表示品質の点でもＣＲＴ（cathode-ray tube）に匹敵するほど優れたものが得られるようになり、携帯テレビやパーソナルコンピュータ等のディスプレイにも使用されている。
【０００３】
ところで、薄膜トランジスタは、通常、透明ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を形成し、この多結晶シリコン薄膜を利用して形成される（特開昭６４−７６７１５号等）。
図９（ａ），（ｂ）は従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法及びそれに続く薄膜トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図、図１０は製造後の薄膜トランジスタを示す断面図である。
【０００４】
まず、図９（ａ）に示すように、透明ガラス基板３４上にアモルファスシリコン膜３３を形成する。そして、このアモルファスシリコン膜３３に、ビームプロファイル（ビーム幅方向のエネルギー分布）が破線で示すように台形状のレーザ光（パルス）５１を、１箇所当り２０ショット程度繰り返して照射する。これにより、レーザ照射した部分のアモルファス状態のシリコンが多結晶化して、多結晶シリコン膜３５を得ることができる。
【０００５】
次に、レーザ光５１を次の照射領域に移動させて、上記と同様にレーザ光５１を照射する。このようにレーザ光５１をアモルファスシリコン膜３３に照射することによりアモルファスシリコンを多結晶化させて、多結晶シリコン膜３５を選択的に形成する。この場合に、１回の照射ではシリコンの結晶粒径が小さく、レーザ光５１を繰り返し照射することにより結晶粒径は徐々に大きくなる。なお、レーザ光源としては、通常、基板の温度を上げることなくアモルファス状態のシリコンを多結晶化させることができることから、エキシマレーザが使用される。
【０００６】
次に、図９（ｂ）に示すように、薄膜トランジスタを形成すべき領域の多結晶シリコン膜３５のみを残存させ、それ以外の部分の多結晶シリコン膜３５及びアモルファスシリコン膜３３を除去する。その後、全面にゲート絶縁膜４０及びゲート電極膜３９を順次形成し、これらのゲート絶縁膜４０及びゲート電極膜３９をパターニングして多結晶シリコン膜３５の両端側を露出させる。
【０００７】
その後、露出した部分の多結晶シリコン膜３５に不純物を高濃度で導入して、ソース・ドレイン領域となる高濃度不純物領域４１を形成する。
次いで、全面に層間絶縁膜３７を形成し、この層間絶縁膜３７に不純物領域４１に到達するコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホールを埋め込むようにして全面にアルミニウム（Ａｌ）等の金属膜を形成し、前記金属膜を所定の形状にパターニングしてソース・ドレイン電極３８及び配線（図示せず）を形成する。これにより、図１０に示す薄膜トランジスタが完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の薄膜トランジスタの形成方法では、レーザ光を１箇所当り２０ショット程度照射しなければ多結晶シリコンの結晶粒が大きくならないため作業性が悪く、製造に長時間を要する。すなわち、薄膜トランジスタのキャリア移動度は多結晶シリコン膜３５の結晶粒径に関係し、結晶粒径が大きいほどキャリア移動度が大きくなる。一方、一般的に、アモルファスシリコン膜３３に照射するレーザ光５１のエネルギー密度が高いほど多結晶シリコンの粒径は大きくなるが、レーザ光５１のエネルギー密度がある特定の値（以下、微結晶化しきい値という）を超えてしまうと、多結晶シリコンの粒径は極めて小さくなる。従って、レーザ光５１のエネルギー密度は、前記微結晶化しきい値以下で且つできるだけ高いことが好ましい。しかし、レーザ光５１のエネルギー密度を精密に制御することは極めて困難であり、そのため、従来は１ショット当りのエネルギー密度が前記微結晶化しきい値よりも低いレーザパルスを多数回繰り返して照射することにより多結晶シリコンの結晶粒径を大きくしている。
【０００９】
本発明は、結晶粒径が大きく薄膜トランジスタの製造に好適な多結晶半導体膜を形成することができる多結晶半導体膜の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板上にアモルファス半導体膜を形成する工程と、ビーム中央部のエネルギー密度が前記アモルファス半導体膜の微結晶化しきい値以上に設定され、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光を前記アモルファス半導体膜に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化する工程とを有することを特徴とする多結晶半導体膜の製造方法により解決する。
【００１１】
図１１は、ラマン散乱分光法によって調べた単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）及びアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）のラマンスペクトルを示す図である。但し、この図１１において、横軸は波数であり、縦軸はラマン強度である。この図１１から明らかなように、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）ではブロードなスペクトルしか得られないが、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）では波数が５２０ｃｍ-1付近にピークが観察される。また、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）では５２０ｃｍ-1よりも若干低波数側にピークが現れる。多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）のピーク強度及び波数が単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の値に近づくほど多結晶シリコンの結晶性がよく、薄膜トランジスタを形成した場合にキャリア移動度が高くなる。
【００１２】
図１２は、横軸にビーム幅方向の位置、縦軸にレーザエネルギーをとり、ビーム中央部（平坦部）の平均エネルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ2 、３４０ｍＪ／ｃｍ2 及び３８０ｍＪ／ｃｍ2 のレーザ光のビームプロファイルを結晶化しきい値及び微結晶化しきい値と併せて示す図である。レーザ光を用いてアモルファスシリコンを多結晶化させる場合には、結晶化しきい値（約１８０〜２００ｍＪ／ｃｍ2 ）を超えるエネルギーのレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することが必要である。結晶化しきい値以上のエネルギーでは、エネルギーの増加とともに得られる結晶粒径も大きくなる。しかし、レーザ光のエネルギーが微結晶化しきい値（約３６０ｍＪ／ｃｍ2 ）を超えると、粒径が極めて小さい微結晶になってしまう。
【００１３】
また、図１３は図１２に示す台形状のビームプロファイルを持つレーザ光をアモルファスシリコンに照射することによって作成した多結晶シリコン膜を、ビーム幅方向にスキャンさせながらラマン測定を行ったときの５２０ｃｍー1付近に観察されるラマンピーク強度の変化を示す図である。この図１３に示すように、ラマン強度分布はビームプロファイルを反映しており、レーザ光のエネルギー密度が３００〜３４０ｍＪ／ｃｍ2 の場合、エネルギー密度の増加とともにラマン強度の分布も相似形で増加する。しかし、エネルギー密度が微結晶化しきい値を超えると、微結晶化しきい値を超えた部分のラマン強度は急激に減少する。この境界部分の結晶の状態を透過型顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した結果、ビームプロファイルの平坦部に対応する部分では多結晶シリコンの結晶粒径が約０．０１μｍ又はそれ以下の微結晶になっているのに対し、その両側の領域では結晶粒径が１μｍ以上と極めて大きくなっているのが観察された。従って、この結晶粒径が大きい領域に薄膜トランジスタを作成すると、キャリア移動度が大きい薄膜トランジスタを得ることができる。
【００１４】
すなわち、本発明においては、平均エネルギー密度がアモルファス半導体の微結晶化しきい値以上であり、且つビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するビームプロファイルのレーザ光をアモルファス半導体膜に照射する。そうすると、前記傾斜部には微結晶化しきい値よりも若干低いエネルギーの部分が存在し、結晶粒径が大きな多結晶半導体領域を得ることができる。つまり、本発明によれば、１回のレーザ光の照射でも薄膜トランジスタの形成に好適な多結晶半導体膜を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１，２は本発明の第１の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を工程順に示す断面図である。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法により、透明ガラス基板４上に厚さが約１０００Åの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜（図示せず）及び厚さが約５００Åのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜３を連続的に形成する。この場合に、前記酸化シリコン膜形成時の条件は、ＳｉＨ4 ガスの流量が２０sccm、Ｎ2 Ｏガスの流量が２０００sccm、圧力が１００Ｐａであり、ＲＦ（高周波）出力が３００Ｗである。また、アモルファスシリコン膜３の形成時の条件は、例えば、ＳｉＨ4 ガスの流量が２００sccm、Ｈ2 ガスの流量が８００sccm、圧力が１００Ｐａであり、ＲＦ出力が８０Ｗである。
【００１７】
次に、この基板４を窒素雰囲気中で、約４５０℃の温度で１時間の条件で熱処理を施すことによって、アモルファスシリコン膜３中の水素出しを行う。その後、レーザアニール処理を施す。すなわち、図１（ｂ）に示すように、窒素雰囲気中で基板４の温度が室温の条件で、ＸｅＣｌエキシマレーザから出力されたレーザ光１（図中破線はビームプロファイルを示す）をアモルファスシリコン膜３に照射して、アモルファスシリコンを多結晶化する。この場合に、レーザ光１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ビームプロファイルが比較的緩やかな傾斜部１ｂを持つ台形状であり、アモルファスシリコン膜３を帯状に照射するようになっている。また、このレーザ光１の平坦部１ａの平均エネルギー密度は約３８０ｍＪ／ｃｍ2 である。なお、ビームプロファイルの平坦部１ａの幅は、形成すべき薄膜トランジスタの間隔よりも小さいことが必要である。
【００１８】
このようなプロファイルのレーザ光１は、レーザ発振器から出力されたレーザ光をビームホモジナイザ、かまぼこ形レンズ及びミラー等により構成されるプロファイラで成形することにより得ることができる。
このレーザ光１を照射した部分のアモルファスシリコンは多結晶化して、多結晶シリコン膜５が得られる。この場合に、ビームプロファイルの傾斜部１ｂに対応する多結晶シリコン膜５の部分は内側ほど結晶粒径が大きくなり、平坦部１ａに対応する部分は結晶粒径が微細になる（図１３参照）。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示すように、上述のレーザアニールによって形成した多結晶シリコン膜５をアイランド状にパターニングする。すなわち、アモルファスシリコン及び微細なシリコン結晶の部分を選択的に除去して、薄膜トランジスタ形成予定領域にのみ結晶粒径が比較的大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜５ａを残存させる。
【００２０】
その後、プラズマＣＶＤ法によって、基板４上の全面にＳｉＯ2 からなるゲート絶縁膜１０を約１０００Åの厚さに形成した後、スパッタ法によりゲート絶縁膜１０上にアルミニウム（Ａｌ）からなるゲート電極膜９を３０００Åの厚さに形成する。
次に、図２（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極膜９及びゲート絶縁膜１０を所定の形状にパターニングして多結晶シリコン膜５ａの両端部を露出させ、この露出させた部分にリン（Ｐ）を高濃度にドーピングして、ソース・ドレイン領域となるｎ+ 領域１１を形成する。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によって、全面にＳｉＮからなる層間絶縁膜７を３５００Åの厚さに形成した後、この層間絶縁膜７のｎ+ 領域１１に整合する部分にコンタクトホール１２を形成する。
次いで、図２（ｃ）に示すように、全面にアルミニウムをスパッタリングしてコンタクトホール１２をアルミニウムで埋め込むとともに層間絶縁膜７上に配線用アルミニウム膜を形成し、このアルミニウム膜を所定の形状にパターニングして、配線（図示せず）及びソース・ドレイン電極８を形成する。これにより、薄膜トランジスタが完成する。
【００２２】
本実施の形態においては、台形状のビームプロファイルを持ち、且つビーム中央部（平坦部）の平均エネルギー密度が微結晶化しきい値よりも若干大きいレーザ光１を用いてアモルファスシリコンを多結晶化するので、１回のレーザ光１の照射で、レーザ光１のビームプロファイルの傾斜部１ｂに対応する部分に結晶粒径が大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜５ａを形成できる。従って、従来のように同じ部分に何度もレーザ光を繰り返し照射する必要がなく、作業性が著しく向上するという効果を奏する。
【００２３】
なお、本実施の形態では、窒素雰囲気中でレーザアニールを行っているが、これに替えて真空中でレーザアニールを実施してもよい。また、本実施の形態ではレーザアニール中の基板温度を室温としたが、基板を加熱しながらレーザーアニールを実施してもよい。また、本実施の形態ではビームプロファイルが台形状のレーザ光を用いて多結晶シリコン膜を形成したが、レーザ光のビームプロファイルは、例えば図４に示すように三角形状でもよく、また図５に示すように、ガウシァン（正規曲線）形状であってもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図６，７は本発明の第２の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を工程順に示す断面図である。
まず、図６（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を使用して、透明ガラス基板２４上に厚さが約１０００Åの第１の酸化シリコン膜（ＳｉＯ2 ）膜（図示せず）、厚さが約５００Åのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜２３及び厚さが約５００Åの第２の酸化シリコン膜２６を連続的に形成する。この場合に、前記第１の酸化シリコン膜形成時の条件は、ＳｉＨ4 ガスの流量が２０sccm、Ｎ2 Ｏガスの流量が２０００sccm、圧力が１００Ｐａ、ＲＦ出力が３００Ｗである。また、アモルファスシリコン膜２６の形成時の条件は、ＳｉＨ4 ガスの流量が２００sccm、Ｈ2 ガスの流量が８００sccm、圧力が１００Ｐａ、ＲＦ出力が８０Ｗとする。更に、第２の酸化シリコン膜２３の形成時の条件は、ＳｉＨ4 ガスの流量が２０sccm、Ｎ2 Ｏガスの流量が２０００sccm、圧力が１００Ｐａ、ＲＦ出力が３００Ｗとする。
【００２５】
次に、図６（ｂ）に示すように、窒素雰囲気中で４５０℃の温度で１時間の熱処理を施すことによって、アモルファスシリコン膜２３中の水素出しを行った後、窒素雰囲気中で、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いて、基板温度が室温の条件でアモルファスシリコン膜２３の表面にビーム中央部のエネルギー密度が３４０ｍＪ／ｃｍ2 のレーザ光１を照射する。この場合に、レーザ光１のビームプロファイルは、第１の実施の形態と同様に台形状とする。また、本実施の形態においては、アモルファスシリコン膜２３上にアモルファスシリコン膜２３よりも屈折率が低い酸化シリコン膜２６を形成しているので、レーザ光１の反射を低減することができる。このため、第１の実施の形態に比べて、レーザ光１のエネルギーが低くてもアモルファスシリコンが多結晶化して多結晶シリコン膜２５が得られる。なお、酸化シリコン膜２６に替えて窒化シリコン膜を形成しても、同様の効果が得られる。
【００２６】
次に、図６（ｃ）に示すように、酸化シリコン膜２６を除去する。その後、図７（ａ）に示すように、多結晶シリコン膜２５をアイランド状にパターニングする。すなわち、アモルファスシリコン及び微細なシリコン結晶部分を選択的に除去して、薄膜トランジスタ形成予定領域にのみ結晶粒径が比較的大きな多結晶シリコンからなる多結晶シリコン膜２５ａを残存させる。その後、プラズマＣＶＤ法により、全面にＳｉＯ2 からなるゲート絶縁膜３０を１０００Åの厚さに形成する。そして、スパッタ法により、ゲート絶縁膜３０上にアルミニウムからなるゲート電極膜２９を３０００Åの厚さに形成する。
【００２７】
次に、図７（ｂ）に示すように、ゲート電極膜２９及びゲート絶縁膜３０を所定の形状にパターニングして多結晶シリコン膜２５ａの両端部を露出させ、この露出させた部分にｎ型不純物を高濃度にイオンドーピングして、ソース・ドレイン領域となるｎ+ 領域３１を形成する。
次いで、プラズマＣＶＤ法により、全面にＳｉＮからなる層間絶縁膜２７を形成した後、この層間絶縁膜２７にｎ+ 領域３１に到達するコンタクトホールを選択的に形成する。そして、このコンタクトホールをアルミニウム等により埋め込むとともに前記層間絶縁膜２７上を被覆する配線層を形成し、該配線層をパターニングして、ソース・ドレイン電極２８及び配線（図示せず）を形成する。これにより、薄膜トランジスタが完成する。
【００２８】
本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、アモルファスシリコン膜２３上に形成された酸化シリコン膜２６によりレーザ光の反射が抑制されるので、レーザ光のエネルギーを低くしても、アモルファスシリコンが多結晶化するという効果を奏する。
（第３の実施の形態）
図８は本発明の第３の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を示す模式図である。
【００２９】
まず、透明ガラス基板４上にアモルファスシリコン膜３を形成する。次に、レーザ光１を図中破線で示すように、ビーム幅方向にビーム傾斜部１ｂよりも短い間隔毎に移動させる。この場合に、レーザ光１は、第１及び第２の実施の形態と同様に、ビーム中央部の平均エネルギー密度が微結晶化しきい値よりも若干大きく、ビームプロファイルは台形状ものを使用する。これにより、傾斜部１ｂで照射された部分が順次結晶粒径が大きい多結晶シリコンに変わって、結晶粒径が大きく且つ均一であり、しかも大面積の多結晶シリコン膜５を形成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ビーム中央部のエネルギー密度がアモルファス半導体層の微結晶化しきい値以上であり、ビームプロファイルにビーム幅方向の端部側ほどエネルギーが低くなる傾斜部を有するレーザ光をアモルファス半導体層に照射してアモルファス状態の半導体を多結晶化させるので、１回のレーザ光の照射で結晶粒径が大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。これにより、作業性が向上して製造に要する時間を著しく短縮できる。また、本発明方法により製造した多結晶半導体膜を使用することにより、キャリアの移動度が高い薄膜トランジスタを形成することができて、液晶表示装置等のより一層の高性能化が図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図（その２）である。
【図３】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルを示す図である。
【図４】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルの他の例を示す図である。
【図５】本発明に適用可能なレーザ光のビームプロファイルの更に他の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図（その１）である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を薄膜トランジスタの製造に適用した例を示す断面図（その２）である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る多結晶半導体膜の製造方法を示す模式図である。
【図９】従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法及びそれに続く薄膜トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１０】製造後の薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図１１】ラマン散乱分光法によって調べた単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）及びアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）のラマンスペクトルを示す図である。
【図１２】レーザ光のビームプロファイルを結晶化しきい値及び微結晶化しきい値と併せて示す図である。
【図１３】図１２に示す台形状のビームプロファイルを持つレーザ光をアモルファスシリコンに照射することによって作成した多結晶シリコン膜をビーム幅方向にスキャンさせながらラマン測定を行ったときの５２０ｃｍー1付近に観察されるラマンピーク強度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１，５１  レーザ光
４，２４，３４  透明ガラス基板
３，２３，３３  アモルファスシリコン膜
５，２５，２５ａ，３５  多結晶シリコン膜
７，３７，３７  層間絶縁膜
８，２８，３８  ソース・ドレイン電極
９，２９，３９  ゲート電極膜
１０，３０，４０  ゲート絶縁膜
１１，３１  ｎ+ 領域
１２  コンタクトホール
２６  酸化シリコン膜
【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】
0003844537.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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