JP2000133810A

JP2000133810A - 薄膜トランジスタの製造方法及びアニール装置

Info

Publication number: JP2000133810A
Application number: JP10306203A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Kunii; 正文国井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜トランジスタの活性層に用いる半導体薄
膜の高品質化を達成する。【解決手段】薄膜トランジスタを製造する為、まず成
膜工程を行ない、互いに直交する長手方向及び幅方向に
広がる絶縁基板０の表面に半導体薄膜を形成する。次に
アニール工程を行ない、外部からエネルギーを加えて半
導体薄膜を改質する。この後加工工程を行ない、改質さ
れた半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを形成
する。アニール工程では、絶縁基板０の幅方向に沿って
矩形状に整形された比較的高エネルギーのレーザ光５０
を間欠的なタイミングで半導体薄膜に照射する一方、上
下一対のアークランプ６１，６２を用いて絶縁基板０の
幅方向に沿って線状に形成された比較的低エネルギーの
ランプ光をレーザ光５０の照射タイミングにほぼ同期し
て間欠的に半導体薄膜に照射し、且つ照射タイミングに
合わせて絶縁基板０を長手方向に移送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜トランジスタの
製造方法及びアニール装置に関する。特に、液晶などを
電気光学物質に用いた表示装置のスイッチング素子とし
て形成される多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置のスイッチング素子として
広く用いられている薄膜トランジスタの内、多結晶シリ
コンを活性層とした薄膜トランジスタは、同一基板上に
スイッチング素子の他周辺の駆動回路を内蔵できる。
又、多結晶シリコン薄膜トランジスタは微細化が可能な
為、画素構造を高開口率化できる。これらの理由によ
り、多結晶シリコン薄膜トランジスタは高精細な表示装
置用の素子として注目されている。近年、多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタを６００℃以下の低温プロセスで作
成する技術が盛んに研究されている。所謂低温プロセス
により高価な耐熱性の基板を用いる必要がなくなり、デ
ィスプレイの低コスト化及び大型化に寄与できる。特に
近年では、画素のスイッチング素子や周辺の駆動回路に
加え、中央演算素子（ＣＰＵ）に代表される高度な機能
素子を基板上に集積化させる要求が高まっている。これ
を実現する為、単結晶シリコンに近い高品質の多結晶シ
リコン薄膜を形成する技術が待望されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の低温プロセスで
は、基板上に非晶質シリコンを成膜した後、長尺状若し
くは線状に整形したエキシマレーザビームあるいは電子
ビームを走査して基板表面を照射し、非晶質シリコンを
多結晶シリコンに転換する。あるいは、大面積の矩形状
に整形されたエキシマレーザビームを基板に一括照射し
て非晶質シリコンを多結晶シリコンに転換する。レーザ
ビームや電子ビームなどの高エネルギービームを照射す
ることにより、非晶質シリコンは基板にダメージを与え
ることなく急激に加熱され溶融状態となる。この後冷却
過程でシリコンの結晶化が起こり、ある程度の粒径を有
する多結晶の集合が得られる。しかし、従来用いていた
エネルギービームのパルス継続時間は２０ｎｓないし２
００ｎｓと非常に短い。この為、非晶質シリコンが溶融
して再凝固するまでの時間も極めて短い為、溶融状態の
シリコンは実際には急冷されて多結晶シリコンとなる。
溶融シリコンが急冷される過程で結晶核の発生密度が高
くなる。この結果、得られる多結晶シリコンの結晶粒径
が小さくなる。粒径の小さい多結晶シリコンを活性層と
して作成した薄膜トランジスタは移動度が小さく、Ｎチ
ャネル型のＭＯＳトランジスタで高々８０ｃｍ²／Ｖｓ
程度である。

【０００４】従って、高機能な回路を画素用のスイッチ
ング素子と同一基板上に集積化する為には、薄膜トラン
ジスタ素子の性能を大幅に改善する必要がある。この
為、例えば基板を４００℃程度に加熱した状態でレーザ
ビームを照射する技術が提案されている。予め基板を加
熱することでレーザビーム照射後の再結晶化速度（冷却
速度）を遅くし、結晶粒径を増大させる。しかしこの方
法ではガラス基板を用いた場合耐熱性の限界から加熱温
度は４５０℃程度が上限となり、シリコンの融点である
１４００℃よりもはるかに低い。従って、基板加熱の方
法を採用しても、現実にはレーザビームを照射した後多
結晶シリコンは急冷状態となる為、単結晶シリコンに近
い大粒径の多結晶シリコンを得ることは困難である。

【０００５】更に有力な技術として、レーザアニールと
ランプアニールを併用する方法が例えば特開平１−１９
６１１６号公報に開示されている。ランプアニールで基
板を加熱しながらレーザビームをシリコン薄膜に照射す
る。しかし、この方法は単一の光源を用いてランプアニ
ールを行なっているので、結晶粒径を増大させる為に必
要な温度まで基板を加熱させるには、極めて強力な光エ
ネルギーが必要である。逆に、強力なランプで基板温度
を上昇させようとすると、大熱量を投入する必要があ
り、基板面内で温度分布が急激に変化することから、ガ
ラス基板が湾曲若しくは収縮してしまう。ガラス基板の
湾曲や収縮を避ける為には、基板の搬送速度を下げて温
度変化を小さくすることが考えられる。しかし、基板搬
送速度を遅くすると、アニール装置のタクトタイムが長
くなり、スループットが落ちるという問題がある。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】上述した従来の技術の課題
を解決する為に、本発明は大面積の基板上に単結晶に近
い結晶性を持つ半導体薄膜をスループットよく形成する
ことを目的とする。この目的を達成する為に以下の手段
を講じた。即ち、本発明に係る薄膜トランジスタの製造
方法は、基本的に、互いに直交する長手方向及び幅方向
に広がる絶縁基板の表面に半導体薄膜を形成する成膜工
程と、外部からエネルギーを加えて該半導体薄膜を改質
するアニール工程と、改質された該半導体薄膜を活性層
として薄膜トランジスタを形成する加工工程とを含んで
いる。特徴事項として、前記アニール工程は、該絶縁基
板の幅方向に沿って矩形状又は線状に整形された比較的
高いエネルギーのビームを間欠的なタイミングで該半導
体薄膜に照射する一方、複数の光源を用いて該絶縁基板
の幅方向に沿って矩形状又は線状に形成された比較的低
エネルギーのランプ光を該ビームの照射タイミングにほ
ぼ同期して間欠的に該半導体薄膜に照射し、且つ該照射
タイミングに合わせて該絶縁基板を長手方向に移送す
る。

【０００７】好ましくは、前記アニール工程は、該絶縁
基板の表面から半導体薄膜に該ビームを照射する一方、
複数の光源を用いて該絶縁基板の表面及び裏面から同時
にランプ光を照射する。あるいは、前記アニール工程
は、該絶縁基板の表面から半導体薄膜に該ビームを照射
する一方、複数の光源を用いて該絶縁基板の裏面からラ
ンプ光を照射する様にしてもよい。好ましくは、前記ア
ニール工程は、該絶縁基板の長手方向に沿って配列した
複数の光源のランプ光出力を制御して該半導体薄膜に長
手方向に沿った温度勾配を付ける。好ましくは、前記ア
ニール工程は、該ビーム及びランプ光の照射の前後で赤
外線加熱器を用いて該絶縁基板の徐熱徐冷を行なう。

【０００８】本発明は上述した薄膜トランジスタの製造
方法に使用可能なアニール装置を包含している。本アニ
ール装置は、互いに直交する長手方向及び幅方向に広が
る絶縁基板の表面に形成された半導体薄膜の熱処理を行
なうものであり、基本的にレーザ光源と、複数のランプ
光源と、移送手段とを備えている。該レーザ光源は該絶
縁基板の幅方向に沿って矩形状又は線状に整形された比
較的高エネルギーのレーザ光を間欠的なタイミングで該
半導体薄膜に照射する。該複数のランプ光源は、該絶縁
基板の幅方向に沿って矩形状又は線状に形成され比較的
低エネルギーを有する複数のランプ光を該レーザ光の照
射タイミングにほぼ同期して間欠的に該半導体薄膜に照
射する。該移送手段は、該レーザ光及びランプ光の照射
タイミングに合わせて該絶縁基板を長手方向に搬送す
る。

【０００９】本発明によれば複数のランプ光源を用いて
基板を加熱しており、ガラスなどの基板材料にダメージ
を与えることなく短時間で基板温度を上昇可能である。
複数の光源を用いたランプアニールに同期してレーザビ
ームを照射することで、シリコンの溶融温度を遙かに超
えて加熱することが可能になる。ランプ光の作用により
高い温度から徐冷することで結晶化工程が進行する。結
果として再結晶化時間が長くなる為結晶成長距離即ち結
晶粒径を大きくすることが可能になる。又、複数のラン
プ光源の出力を制御することで、溶融した半導体薄膜内
で温度勾配を付けることができる。この結果、温度勾配
の方向に沿って結晶粒が成長し、結晶粒径の増大化が図
れ、又結晶方位も一定方向に揃えることが可能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係るアニール
装置の第一実施形態を示す模式的な斜視図である。本ア
ニール装置は基本的にＥＬＡ（ＥｘｃｉｍｅｒＬａｓ
ｅｒＡｎｎｅａｌ）とＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｒｍ
ａｌＡｎｎｅａｌ）を併用した構成になっている。Ｒ
ＴＡは波長が２４０ないし４００ｎｍの紫外光を瞬間的
（例えば約１秒）にガラスなどからなる絶縁基板０に照
射することにより、基板自体にダメージを与えることな
く高温熱処理を可能にする技術である。図示する様に、
絶縁基板０は赤外線ランプなどからなる赤外線加熱器７
１ないし７３が配されたＺｏｎｅ１ないしＺｏｎｅ３で
段階的に予備加熱（徐熱）される。この絶縁基板０を所
定速度で移送し、上下をキセノンアークランプ６１，６
２で挟まれたＲＴＡユニットに送り込む。各アークラン
プ６１，６２は反射板８２でカバーされているととも
に、その近傍には制御用の放射温度計８３が配されてい
る。ＲＴＡユニット通過後、絶縁基板０はやはり赤外線
加熱器７４が配された冷却用のＺｏｎｅ４に搬送され、
ここで徐冷される。一方、ＥＬＡはエキシマレーザ光源
５１を用いており、例えば矩形に整形されたレーザ光５
０をパルスとして間欠的に発生する。レーザ光５０はミ
ラー５２により反射され、絶縁基板０に照射される。

【００１１】係る構成を有するアニール装置は、互いに
直交する長手方向及び幅方向に広がる絶縁基板０の表面
に予め形成された半導体薄膜の熱処理に用いられる。
尚、図では絶縁基板０の長手方向が矢印で示す基板進行
方向と一致している。前述した様に、本アニール装置は
基本的にレーザ光源５１と、複数のランプ光源（アーク
ランプ６１，６２）と、移送手段とを備えている。レー
ザ光源５１は絶縁基板０の幅方向に沿って矩形状に整形
された比較的高エネルギーのレーザ光５０を間欠的なタ
イミングで半導体薄膜に照射する。上下一対のアークラ
ンプ６１，６２は絶縁基板０の幅方向に沿って線状（長
尺状）に形成された比較的低エネルギーを有する２本の
ランプ光をレーザ光５０の照射タイミングにほぼ同期し
て間欠的に半導体薄膜に照射する。移送手段は、レーザ
光５０及びランプ光の照射タイミングに合わせて絶縁基
板０を長手方向（基板進行方向）に移送する。又、レー
ザ光５０及びランプ光の照射の前後で絶縁基板０の徐熱
徐冷を行なう為、赤外線加熱器７１ないし７４が移送手
段に沿って配列されている。

【００１２】図２は、図１に示したアニール装置を用い
て半導体薄膜の結晶化処理を行なう場合の工程図を表わ
している。前述した様に、ＲＴＡは波長２４０ないし４
００ｎｍの紫外線を瞬間的（約１秒）にガラスなどから
なる絶縁基板０に照射することにより、絶縁基板０にダ
メージを与えることなく高温熱処理（５００℃以上）を
可能にする技術である。ＲＴＡのプロセス温度はＲＴＡ
ユニット内のキセノンアークランプ６１，６２のパワ
ー、予備加熱用の赤外線加熱器７１ないし７３の出力、
絶縁基板０の搬送速度の３つのパラメータで決まる。

【００１３】（ａ）に示す様に、絶縁基板０は図の右側
から左側に搬送され、まず赤外線加熱器７１ないし７３
で４００℃ないし５００℃に予備加熱される。３段目の
赤外線加熱器７３を通過直後、基板０はキセノンアーク
ランプ６１，６２で上下を挟まれた構造のＲＴＡユニッ
ト中に搬送され、ここで６００℃ないし９００℃まで加
熱される。アークランプ６１，６２の出力は上下共１な
いし１５ｋＷ、基板０の搬送速度は５〜１００ｍｍ／ｓ
ｅｃである。プロセス温度はＲＴＡユニットの直前又は
直後に配置された放射温度計で測定する。ＲＴＡユニッ
ト通過直後、基板０の上方（表面）から矩形状の例えば
１００×２００ｍｍ²の照射領域を持つエキシマレーザ
光５０が照射される。この結果、予め絶縁基板０の表面
に成膜されていた非晶質半導体薄膜４がレーザ光５０の
照射領域で多結晶半導体薄膜５に転換される。レーザの
発信周波数は１ないし３００Ｈｚである。レーザ光５０
の波長はＸｅＣｌレーザ光源を用いた場合３０８ｎｍで
あり、ＫｒＦレーザ光源を用いた場合２４３ｎｍとな
る。照射エネルギーは非晶質半導体薄膜４の膜厚に依存
するが、４００ないし１０００ｍＪ／ｃｍ²程度であ
る。レーザアニール（ＥＬＡ）はＲＴＡユニットの直後
で行われる為、ガラス基板０は６００℃以上に加熱され
た状態でレーザ結晶化工程に入る。この後、ガラス基板
０が急冷して収縮するのを避ける為、結晶化工程中もガ
ラス基板０は赤外線加熱器７４で加熱され、基板０を搬
送しながら徐冷する構造となっている。結晶化工程中は
基板が６００℃以上に加熱された状態であり、且つ冷却
速度は赤外線加熱器７４の出力と搬送速度とで制御され
ている。レーザ照射後溶融した半導体薄膜が再結晶化す
る速度は遅い程結晶核の発生密度が小さくなり結晶成長
距離は長くなる。本アニール装置を用いることにより、
ＲＴＡで加熱された状態でレーザエネルギーを照射でき
る為、従来の基板加熱で到達する温度よりも遙かに高い
温度から徐冷しつつ結晶化工程が進行する。結果として
再結晶化時間が長くなる為結晶成長距離即ち結晶粒径を
大きくできる。

【００１４】図２の（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示す様
に、レーザ光５０及びランプ光の照射タイミングに合わ
せて絶縁基板０を長手方向（基板進行方向）に移送する
ことにより、絶縁基板０の表面に形成された非晶質半導
体薄膜４の一部分を順次多結晶半導体薄膜５に転換して
いく。この様な走査を繰り返すことにより基板０の全面
に亘って非晶質半導体薄膜４を多結晶半導体薄膜５に転
換可能である。

【００１５】図３は、図２に示した結晶化工程を平面図
により模式的に表わしたものである。この例では、１０
０×２００ｍｍ²の照射領域を持つレーザビームを用い
て、幅寸法が３００ｍｍの絶縁基板０上に形成された非
晶質半導体薄膜４を多結晶半導体薄膜５に転換してい
る。まず（ａ）に示す様に、基板０の左半分からアニー
ルを開始し、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す様に右半分
に移行して、以下同様のステップを繰り返し（ｅ）及び
（ｆ）で示した様に基板０の全面を結晶化する。この場
合、ＲＴＡユニットのキセノンアークランプ６１は、基
板０の横幅全長を照射する長さを確保すべきである。基
板０の一部のみを照射する長さ寸法のアークランプを用
いると、基板面内の温度勾配が大きくなり、ガラスの収
縮を招く恐れがある。

【００１６】図４は、本発明に係るアニール装置の第二
実施形態を示す。基本的には先に説明した第一実施形態
と同様であり、対応する部分には対応する参照番号を付
して理解を容易にしている。図４は工程（ａ）ないし
（ｃ）に示す様に、本アニール装置をやはり半導体薄膜
の結晶化に用いた例である。本実施形態では、面照射レ
ーザ光５０の矩形状照射領域に合わせて、ＲＴＡユニッ
ト内のキセノンアークランプ６２ないし６５を配列する
ことにより、ランプ光の照射領域も全体として矩形とな
っている。これにより、レーザ光５０の照射タイミング
に完全に同期して４本のアークランプ６２ないし６５を
用いたＲＴＡ工程を行なえる。本実施形態では、レーザ
光５０を基板の表面から照射する一方、４本のアークラ
ンプ６２ないし６５は全て基板０の裏面側に配置してい
る。４本のアークランプ６２ないし６５の出力はそれぞ
れ独立に制御できる。本例ではガラス基板０に対する熱
衝撃を最小にし且つ基板進行方向に温度勾配をかけて結
晶成長を促す為、４本のアークランプ６２ないし６５の
内、４番目のアークランプ６５を他のアークランプ６２
ないし６４よりも出力を１０ないし５０％落としてい
る。

【００１７】図５は、本発明に係るアニール装置の第三
実施形態を示す模式的な斜視図である。基本的には先に
説明した第一実施形態と同様であり、対応する部分には
対応する参照番号を付して理解を容易にしている。本実
施形態では線状に整形されたレーザ光５０を用いてい
る。これに対応して、レーザ光５０の照射領域直前に位
置する第一のＲＴＡユニットと、直後に位置する第二の
ＲＴＡユニットを設けている。第一のＲＴＡユニットは
上下一対のアークランプ６１，６２からなり、第二のＲ
ＴＡユニットも上下一対のアークランプ６７，６８から
なる。

【００１８】図６は、図５に示したアニール装置を用い
て半導体薄膜の結晶化を行なっている状態を模式的に示
したものである。線状に整形されたレーザ光５０は絶縁
基板０の幅方向に３５０ｍｍの寸法を有し、長手方向
（基板進行方向）に３ｍｍ程度の寸法である。照射条件
は、Ｘ％のビームオーバーラップで発信周波数をＹＨｚ
とすると、基板０の搬送速度は（１−Ｘ／１００）×３
ｍｍ×Ｙ／ｓｅｃ＝３Ｙ（１−Ｘ／１００）ｍｍ／ｓｅ
ｃとなる。ここで、ビームオーバーラップは例えば９０
％程度に設定される。即ち、間欠的に照射される線状レ
ーザビームの互いに隣り合う照射領域は９０％の割合で
重なっている。一方レーザビームの発信周波数Ｙは１な
いし２００Ｈｚ程度である。レーザ光５０の照射エネル
ギーを３００ないし１０００ｍＪ／ｃｍ²程度に設定
し、ＲＴＡユニットの各キセノンアークランプの出力を
０．５ないし２０ｋＷとして上記計算式で設定された搬
送速度で基板０を移送させる。絶縁基板０は赤外線加熱
器７１ないし７３で５００℃程度まで予備加熱され、更
に第一のＲＴＡユニット（一対のアークランプ６１，６
２）で６００ないし９００℃程度に加熱され、その直後
にレーザ光５０の照射を受ける。レーザ光５０の照射直
後における基板温度の急激な低下を防ぐ為、第二のＲＴ
Ａユニット（アークランプ６７，６８）で再び６００な
いし９００℃程度に加熱する。この後赤外線加熱器７４
で徐冷しながら基板０を搬送する。係る構成により、絶
縁基板０の冷却速度を制御することが容易になる。

【００１9】図７は、本発明に係るアニール装置の第四
実施形態を示す模式的な側面図である。図５及び図６に
示した第三実施形態と対応する部分には対応する参照番
号を付して理解を容易にしている。本実施形態では、線
状に整形されたレーザ光５０の照射領域の直下に、第五
のアークランプ６６が追加されている。係る構成によ
り、一層精密な温度制御が可能になり、得られる半導体
薄膜の結晶性が一段と向上する。この様にＲＴＡユニッ
トの出力若しくは個々のキセノンアークランプの出力、
赤外線加熱器の出力、基板搬送速度などの各パラメータ
を制御することにより、絶縁基板０を構成するガラス板
の収縮などダメージを生ぜずに溶融半導体薄膜の冷却速
度を調整でき、大粒径の多結晶半導体薄膜を得ることが
可能になる。例えば、図６若しくは図７に示したアニー
ル装置で、第一のＲＴＡユニット及び第二のＲＴＡユニ
ットの間で処理温度に差を付けることにより、溶融状態
にある半導体薄膜に温度勾配をかけることが可能にな
る。この結果、温度勾配の方向に沿って結晶粒が成長
し、結晶粒径の増大が図れ、又結晶方位も一定方向に揃
えることが可能である。結晶粒径は半導体薄膜の膜厚に
よっても異なるが、１ないし１０μｍ程度の多結晶シリ
コン結晶粒を得た。又、基板の処理速度も６００×７２
０ｍｍ²程度の大型サイズの場合でも３５枚／時間以上
と十分に速くできる。

【００２０】図８は、本発明に係る薄膜トランジスタの
製造方法の第一実施例を示す工程図である。この実施例
で作成された多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度
はＮチャネル型で１３０ないし３００ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐ
チャネル型で６０ないし１５０ｃｍ²／Ｖｓであり、従
来に比べ大幅に高移動度化が達成されている。なお、本
実施例では便宜上Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製
造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパン
ト種）を変えるだけで全く同様である。ここでは、ボト
ムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す。ま
ず（ａ）に示す様に、ガラスなどからなる絶縁基板０の
上にＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕ又はこれらの合
金を１００乃至２００ｎｍの厚みで形成し、パタニング
してゲート電極１に加工する。

【００２１】次いで（ｂ）に示す様に、ゲート電極１の
上にゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、ゲート
絶縁膜はゲート窒化膜２（ＳｉＮ_x）／ゲート酸化膜３
（ＳｉＯ₂）の二層構造を用いた。ゲート窒化膜２はＳ
ｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスの混合物を原料気体として用
い、プラズマＣＶＤ法（ＰＣＶＤ法）で成膜した。な
お、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤあるいは減圧Ｃ
ＶＤを用いてもよい。本実施形態では、ゲート窒化膜２
を５０ｎｍの厚みで堆積した。ゲート窒化膜２の成膜に
連続して、ゲート酸化膜３を約２００ｎｍの厚みで成膜
する。更にゲート酸化膜３の上に連続的に非晶質シリコ
ンからなる半導体薄膜４を約３０乃至８０ｎｍの厚みで
成膜した。二層構造のゲート絶縁膜と非晶質半導体薄膜
４は成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜した。以上
の成膜でプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、４００乃
至４５０℃の温度で窒素雰囲気中１時間程度加熱処理を
行ない、非晶質半導体薄膜４に含有されていた水素を放
出する。所謂脱水素アニールを行なう。

【００２２】ここで、薄膜トランジスタのＶｔｈを制御
する目的で、Ｖｔｈイオンインプランテーションを必要
に応じて行なう。本例では、Ｂ＋をドーズ量が１×１０
¹²乃至６×１０¹²／ｃｍ²程度でイオン注入した。この
Ｖｔｈイオンインプランテーションでは６２０ｎｍ幅に
整形されたイオンのラインビームを用いた。次いで、本
発明に従って、レーザ光５０及び複数のランプ光を照射
し、非晶質半導体薄膜４を結晶化する。レーザ光５０と
してはエキシマレーザビームを用いることができる。所
謂ＥＬＡとＲＴＡの組み合わせは低温プロセスで半導体
薄膜を結晶化する為の有力な手段である。本実施例で
は、パルス状に励起され且つ矩形状又は線状に整形され
たレーザ光５０を同じく矩形状又は線状に形成された複
数のランプ光と同時に非晶質半導体薄膜４に照射して結
晶化を行なう。

【００２３】（ｃ）に示す様に、前工程で結晶化された
多結晶半導体薄膜５の上に例えばプラズマＣＶＤ法でＳ
ｉＯ₂を約１００ｎｍ乃至３００ｎｍの厚みで形成す
る。本例では、シランガスＳＨ₄と酸素ガスをプラズマ
分解してＳｉＯ₂を堆積した。この様にして成膜された
ＳｉＯ₂を所定の形状にパタニングしてエッチングスト
ッパー膜６に加工する。この場合、裏面露光技術を用い
てゲート電極１と整合する様にエッチングストッパー膜
６をパタニングしている。エッチングストッパー膜６の
直下に位置する多結晶半導体薄膜５の部分はチャネル領
域Ｃｈとして保護される。前述した様に、チャネル領域
Ｃｈには予めＶｔｈイオンインプランテーションにより
Ｂ＋イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。続い
て、エッチングストッパー膜６をマスクとしてイオンド
ーピングにより不純物（例えばＰ＋イオン）を半導体薄
膜５に注入し、ＬＤＤ領域を形成する。この時のドーズ
量は、例えば６×１０¹² 乃至５×１０¹³／ｃｍ²であ
る。更にストッパー膜６及びその両側のＬＤＤ領域を被
覆する様にフォトレジストをパタニング形成した後、こ
れをマスクとして不純物（例えばＰ＋イオン）を高濃度
で注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成す
る。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオン
シャワー）を用いることができる。これは質量分離を掛
けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、
本実施例では１×１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量で不純
物を注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成し
た。なお、図示しないが、Ｐチャネルの薄膜トランジス
タを形成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタ
の領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ＋イ
オンからＢ＋イオンに切り換えドーズ量１×１０¹⁵／ｃ
ｍ²程度でイオンドーピングすればよい。なお、ここで
は質量分離型のイオンインプランテーション装置を用い
て不純物を注入してもよい。この後ＲＴＡ６０により、
多結晶半導体薄膜５に注入された不純物を活性化する。
場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化
アニール（ＥＬＡ）を行なっても良い。この後、半導体
薄膜5とエッチングストッパー膜6の不要な部分を同時に
パタニングし、素子領域毎に薄膜トランジスタを分離す
る。

【００２４】最後に（ｄ）に示す様に、ＳｉＯ₂を約２
００ｎｍの厚みで成膜し、層間絶縁膜７とする。層間絶
縁膜７の形成後、ＳｉＮ_xをプラズマＣＶＤ法で約２０
０乃至４００ｎｍ成膜し、パシベーション膜（キャップ
膜）８とする。この段階で窒素ガス又はフォーミングガ
ス中又は真空中雰囲気下で３５０℃程度の加熱処理を１
時間行ない、層間絶縁膜７に含まれる水素原子を半導体
薄膜５中に拡散させる。この後、コンタクトホールを開
口し、Ｍｏ，Ａｌなどを２００乃至４００ｎｍの厚みで
スパッタした後、所定の形状にパタニングして配線電極
９に加工する。更に、アクリル樹脂などからなる平坦化
層１０を１μｍ程度の厚みで塗布した後コンタクトホー
ルを開口する。平坦化層１０の上にＩＴＯやＩＸＯなど
からなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパ
タニングして画素電極１１に加工する。

【００２５】図９は本発明に係る薄膜トランジスタの製
造方法の第二実施例を示す工程図である。この実施例で
作成された多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度
は、Ｎチャネル型で１８０ないし４００ｃｍ²／Ｖｓ、
Ｐチャネル型で９０ないし２２０ｃｍ²／Ｖｓと従来に
比し大きくなっている。なお、第一実施例と異なり、本
実施例はトップゲート構造の薄膜トランジスタを作成し
ている。まず（ａ）に示す様に、絶縁基板０の上にバッ
ファ層となる二層の下地膜６ａ，６ｂをプラズマＣＶＤ
法により連続成膜する。一層目の下地膜６ａはＳｉＮ_x
からなり、その膜厚は１００乃至２００ｎｍである。
又、二層目の下地膜６ｂはＳｉＯ₂からなり、その膜厚
は同じく１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。このＳｉＯ
₂からなる下地膜６ｂの上に非晶質シリコンからなる半
導体薄膜４を約３０乃至８０ｎｍの厚みでプラズマＣＶ
Ｄ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。非晶質シリ
コンからなる半導体薄膜４の成膜にプラズマＣＶＤ法を
用いた場合には、膜中の水素を脱離させる為に、窒素雰
囲気中で４００℃乃至４５０℃１時間程度のアニールを
行なう。次いで本発明に従って、レーザ光５０及び複数
のランプ光を照射し、非晶質半導体薄膜４を結晶化す
る。レーザ光５０としてはエキシマレーザビームを用い
ることができる。所謂ＥＬＡとＲＴＡの組み合わせは低
温プロセスで半導体薄膜を結晶化する為の有力な手段で
ある。

【００２６】続いて（ｂ）に示す様に多結晶シリコンに
転換された半導体薄膜５をアイランド状にパタニングす
る。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧
ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタ法などでＳｉＯ
₂を５０乃至４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜３とす
る。ここで必要ならば、前述した様にＶｔｈイオンイン
プランテーションを行ない、Ｂ＋イオンを例えばドーズ
量０．５×１０¹²乃至４×１０¹²／ｃｍ²程度で半導体
薄膜５に注入する。この場合の加速電圧は８０ＫｅＶ程
度である。なお、このＶｔｈイオンインプランテーショ
ンはゲート絶縁膜３の成膜前に行なってもよい。次いで
ゲート絶縁膜３の上にＡｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，ド
ープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を２
００乃至８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパタ
ニングしてゲート電極１に加工する。次いでＰ＋イオン
を質量分離を用いたイオン注入法で半導体薄膜５に注入
し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入はゲート電極
１をマスクとして絶縁基板０の全面に対して行なう。ド
ーズ量は６×１０¹²乃至５×１０¹³／ｃｍ²である。な
お、ゲート電極１の直下に位置するチャネル領域Ｃｈは
保護されており、Ｖｔｈイオンインプランテーションで
予め注入されたＢ＋イオンがそのまま保持されている。
ＬＤＤ領域に対するイオン注入後、ゲート電極１とその
周囲を被覆する様にレジストパタンを形成し、Ｐ＋イオ
ンを質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃
度に注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成す
る。この場合のドーズ量は例えば１×１０¹⁵／ｃｍ²程
度である。ドーピングガスには水素希釈の２０％ＰＨ₃
ガスを用いた。ＣＭＯＳ回路を形成する場合には、Ｐチ
ャネル薄膜トランジスタ用のレジストパタンを形成後、
ドーピングガスを５％乃至２０％のＢ₂Ｈ₆／Ｈ₂ガス
系に切り換え、ドーズ量１×１０¹⁵乃至３×１０ ¹⁵／ｃ
ｍ²程度でイオン注入すればよい。なお、ソース領域Ｓ
及びドレイン領域Ｄの形成は質量分離型のイオン注入装
置を用いてもよい。この後、半導体薄膜５に注入された
ドーパントの活性化処理となる。この活性化処理は第一
実施例と同様に、ＲＴＡ６０を用いることができる。

【００２７】最後に（ｃ）に示す様に、ゲート電極１を
被覆する様にＰＳＧなどからなる層間絶縁膜７を成膜す
る。この層間絶縁膜７の成膜後、ＳｉＮ_xをプラズマＣ
ＶＤ法で約２００乃至４００ｎｍ堆積しパシベーション
膜（キャップ膜）８とする。この段階で窒素ガス中３５
０℃の温度下１時間程度アニールし、層間絶縁膜７に含
有された水素を半導体薄膜５中に拡散させる。この後コ
ンタクトホールを開口する。更にパシベーション膜８の
上にＡｌ−Ｓｉなどをスパッタリングで成膜した後所定
の形状にパタニングして配線電極９に加工する。更にア
クリル樹脂などからなる平坦化層１０を約１μｍの厚み
で塗工後、これにコンタクトホールを開口する。平坦化
層１０の上にＩＴＯやＩＸＯなどからなる透明導電膜を
スパッタリングし、所定の形状にパタニングして画素電
極１１に加工する。

【００２８】第二の実施例では、第一の実施例で説明し
た方法と同様にして非晶質半導体薄膜を結晶化させる。
但し、本実施例の場合は第一の実施例と異なり、ゲート
電極のパタンが形成される前の段階で結晶化を行なう
為、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮については第一
の実施例よりも許容度が大きい。この為第一の実施例よ
りも大出力でＲＴＡ処理を施すことが可能になる。処理
温度の上限は使用するガラス基板の耐熱性に依存する
が、ガラスの軟化点を超えた温度、具体的には８００な
いし１０００℃程度まで半導体薄膜を高温に加熱するこ
とができる。この様な高温処理が可能なのは、ＲＴＡ処
理が実質１秒程度の短時間加熱工程であり、ガラス基板
に対する熱衝撃を小さくできることによる。この様に本
実施例では結晶化の処理温度を高くできることから、得
られる多結晶シリコンの結晶粒径も大きくなり、５ない
し２０μｍという巨大な結晶粒を得ることも容易であ
る。尚、第一及び第二の実施例では何れもレーザビーム
を用いて結晶化を行なっているが、これに代えて電子ビ
ームを用いてもよい。

【００２９】図１０は、第一実施例又は第二実施例に係
る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表
示装置の一例を示す。図示する様に、本表示装置は一対
の絶縁基板１０１，１０２と両者の間に保持された電気
光学物質１０３とを備えたパネル構造を有する。電気光
学物質１０３としては液晶材料が広く用いられている。
下側の絶縁基板１０１には画素アレイ部１０４と駆動回
路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回
路１０５と水平駆動回路１０６とに分かれている。ま
た、絶縁基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子
部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８
を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に
接続している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配
線１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両
配線の交差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜
トランジスタ１１２が形成されている。薄膜トランジス
タ１１２のゲート電極は対応するゲート配線１０９に接
続され、ドレイン領域は対応する画素電極１１１に接続
され、ソース領域は対応する信号配線１１０に接続して
いる。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続す
る一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続し
ている。画素電極１１１をスイッチング駆動する薄膜ト
ランジスタ１１２及び垂直駆動回路１０５と水平駆動回
路１０６に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従っ
て作成されたものであり、従来に比較して移動度が高く
なっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能
な処理回路を集積形成することも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ガ
ラス基板に熱的あるいは機械的なダメージを与えること
なく大粒径の多結晶半導体薄膜を大面積のガラス基板上
にスループット高く形成できる。従来のＥＬＡのみ、あ
るいはＲＴＡのみ、更には単純なＥＬＡとＲＴＡの組み
合わせだけでは得られない高品質の多結晶半導体薄膜が
形成できる。本発明で得られた多結晶半導体薄膜を活性
層とする薄膜トランジスタの移動度は３００ないし４０
０ｃｍ²／Ｖｓに達する。この様に高性能な薄膜トラン
ジスタを用いることにより、表示装置と同一基板上に高
機能の演算素子など周辺回路を内蔵させることが可能に
なり、所謂システム・オン・パネル化に向け本発明の効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアニール装置の第一実施形態を示
す模式的な斜視図である。

【図２】図１に示したアニール装置の使用方法を示す工
程図である。

【図３】図１に示したアニール装置の使用方法を示す工
程図である。

【図４】本発明に係るアニール装置の第二実施形態を示
す工程図である。

【図５】本発明に係るアニール装置の第三実施形態を示
す斜視図である。

【図６】本発明に係るアニール装置の第三実施形態の使
用方法を示す側面図である。

【図７】本発明に係るアニール装置の第四実施形態を示
す側面図である。

【図８】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第
一実施例を示す工程図である。

【図９】本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法の第
二実施例を示す工程図である。

【図１０】本発明に従って製造された薄膜トランジスタ
を集積形成した表示装置の一例を示す模式的な斜視図で
ある。

【符号の説明】

０・・・絶縁基板、４・・・非晶質半導体薄膜、５・・
・多結晶半導体薄膜、５０・・・レーザ光、５１・・・
レーザ光源、６１・・・アークランプ、６２・・・アー
クランプ、７１・・・赤外線加熱器、７２・・・赤外線
加熱器、７３・・・赤外線加熱器、７４・・・赤外線加
熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/268 Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｆ 21/324 29/78 ６１６ＡＦターム(参考） 5F052 AA02 AA24 AA25 BB07 DA01 DA02 JA10 JB09 5F110 AA01 BB02 CC02 CC08 DD02 DD13 DD14 DD17 EE02 EE03 EE04 EE06 EE23 FF02 FF29 FF30 FF31 FF32 GG02 GG13 GG16 GG32 GG45 GG47 HJ13 HJ23 HL03 HL04 HM15 NN03 NN05 NN23 NN25 NN35 PP01 PP02 PP03 PP08 PP29 PP35 QQ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに直交する長手方向及び幅方向に広
がる絶縁基板の表面に半導体薄膜を形成する成膜工程
と、外部からエネルギーを加えて該半導体薄膜を改質す
るアニール工程と、改質された該半導体薄膜を活性層と
して薄膜トランジスタを形成する加工工程とを行なう薄
膜トランジスタの製造方法であって、前記アニール工程は、該絶縁基板の幅方向に沿って矩形
状又は線状に整形された比較的高エネルギーのビームを
間欠的なタイミングで該半導体薄膜に照射する一方、複
数の光源を用いて該絶縁基板の幅方向に沿って矩形状又
は線状に形成された比較的低エネルギーのランプ光を該
ビームの照射タイミングにほぼ同期して間欠的に該半導
体薄膜に照射し、且つ該照射タイミングに合わせて該絶
縁基板を長手方向に移送する事を特徴とする薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項２】前記アニール工程は、該絶縁基板の表面
から半導体薄膜に該ビームを照射する一方、複数の光源
を用いて該絶縁基板の表面及び裏面から同時にランプ光
を照射することを特徴とする請求項１記載の薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項３】前記アニール工程は、該絶縁基板の表面
から半導体薄膜に該ビームを照射する一方、複数の光源
を用いて該絶縁基板の裏面からランプ光を照射すること
を特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方
法。
【請求項４】前記アニール工程は、該絶縁基板の長手
方向に沿って配列した複数の光源のランプ光出力を制御
して該半導体薄膜に長手方向に沿った温度勾配を付ける
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製
造方法。
【請求項５】前記アニール工程は、該ビーム及びラン
プ光の照射の前後で赤外線加熱器を用いて該絶縁基板の
徐熱徐冷を行なうことを特徴とする請求項１記載の薄膜
トランジスタの製造方法。
【請求項６】互いに直交する長手方向及び幅方向に広
がる絶縁基板の表面に形成された半導体薄膜の熱処理を
行なうアニール装置であって、該絶縁基板の幅方向に沿って矩形状又は線状に整形され
た比較的高エネルギーのレーザ光を間欠的なタイミング
で該半導体薄膜に照射するレーザ光源と、該絶縁基板の幅方向に沿って矩形状又は線状に形成され
た比較的低エネルギーを有する複数のランプ光を該レー
ザ光の照射タイミングにほぼ同期して間欠的に該半導体
薄膜に照射する複数のランプ光源と、該レーザ光及びランプ光の照射タイミングに合わせて該
絶縁基板を長手方向に移送する手段とを備えたことを特
徴とするアニール装置。
【請求項７】該レーザ光及びランプ光の照射の前後で
該絶縁基板の徐熱徐冷を行なう赤外線加熱器を備えてい
ることを特徴とする請求項６記載のアニール装置。
【請求項８】所定の間隙を介して互いに接合した一対
の基板と、該間隙に保持された電気光学物質とを有し、
一方の透明基板には対向電極を形成し、他方の絶縁基板
には画素電極及びこれを駆動する薄膜トランジスタを形
成し、該薄膜トランジスタを、半導体薄膜とその一面側
にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とで形成
した表示装置の製造方法であって、互いに直交する長手方向及び幅方向に広がる絶縁基板の
表面に半導体薄膜を形成する成膜工程と、外部からエネ
ルギーを加えて該半導体薄膜を改質するアニール工程
と、改質された該半導体薄膜を活性層として薄膜トラン
ジスタを形成する加工工程とを含み、前記アニール工程は、該絶縁基板の幅方向に沿って矩形
状又は線状に整形された比較的高エネルギーのビームを
間欠的なタイミングで該半導体薄膜に照射する一方、複
数の光源を用いて該絶縁基板の幅方向に沿って矩形状又
は線状に形成された比較的低エネルギーのランプ光を該
ビームの照射タイミングにほぼ同期して間欠的に該半導
体薄膜に照射し、且つ該照射タイミングに合わせて該絶
縁基板を長手方向に移送する事を特徴とする表示装置の
製造方法。