JP2002176180A - 薄膜半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
薄膜半導体素子及びその製造方法Info
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
- Y10S438/969—Simultaneous formation of monocrystalline and polycrystalline regions
Abstract
(57)【要約】
【課題】 （１１１）優先配向をした粒径ばらつきの小
さい結晶粒子の集合体を形成する。 【解決の手段】 非晶質シリコン膜に対してレーザ光を
複数回照射させることによって、複数の結晶粒子から構
成され、かつ隣接する結晶粒子の境界部分での突起の発
生を抑制した。これにより、少なくとも２個以上の結晶
粒子の集合体であるクラスタ結晶を少なくとも一部に内
在させた多結晶シリコン薄膜素子を実現し、２００ｃｍ
2／Ｖｓ以上の高移動度特性を可能にした。
さい結晶粒子の集合体を形成する。 【解決の手段】 非晶質シリコン膜に対してレーザ光を
複数回照射させることによって、複数の結晶粒子から構
成され、かつ隣接する結晶粒子の境界部分での突起の発
生を抑制した。これにより、少なくとも２個以上の結晶
粒子の集合体であるクラスタ結晶を少なくとも一部に内
在させた多結晶シリコン薄膜素子を実現し、２００ｃｍ
2／Ｖｓ以上の高移動度特性を可能にした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜半導体素子、特
に低温ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた薄膜トランジスタ素子に
係り、それを用いた液晶表示素子またはエレクトロルミ
ネッセンス表示素子等のフラットパネルディスプレイ及
びそれらの製造方法に関する。
に低温ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた薄膜トランジスタ素子に
係り、それを用いた液晶表示素子またはエレクトロルミ
ネッセンス表示素子等のフラットパネルディスプレイ及
びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、フラットパネルディスプレイに用
いられている薄膜半導体素子は、例えば（１）‘９９年
最新液晶プロセス技術（日経ＢＰ社刊，１９９９年）５
４頁に記載されているように、ガラス基板上にＰＥ−Ｃ
ＶＤ（Plasma EnhancementChemical Vapor Depositio
n）法を用いて非晶質シリコン膜を形成した後、この非
晶質シリコン膜に含まれる水素を低減するための脱水素
アニール処理を行い、次にエキシマレーザアニール処理
によって多結晶化していた。
いられている薄膜半導体素子は、例えば（１）‘９９年
最新液晶プロセス技術（日経ＢＰ社刊，１９９９年）５
４頁に記載されているように、ガラス基板上にＰＥ−Ｃ
ＶＤ（Plasma EnhancementChemical Vapor Depositio
n）法を用いて非晶質シリコン膜を形成した後、この非
晶質シリコン膜に含まれる水素を低減するための脱水素
アニール処理を行い、次にエキシマレーザアニール処理
によって多結晶化していた。
【０００３】また例えば、（２）特開平１１−３５４８
０１号公報に記載された結晶性半導体薄膜の形成方法に
よれば、非晶質シリコン膜をオゾンを含む溶液を用いた
洗浄を施して非晶質シリコン膜上に酸化膜を形成後、フ
ッ酸水にて酸化膜を除去し、その後レーザアニール処理
を行うことにより、表面の突起発生を防止した多結晶シ
リコン膜を得ていた。
０１号公報に記載された結晶性半導体薄膜の形成方法に
よれば、非晶質シリコン膜をオゾンを含む溶液を用いた
洗浄を施して非晶質シリコン膜上に酸化膜を形成後、フ
ッ酸水にて酸化膜を除去し、その後レーザアニール処理
を行うことにより、表面の突起発生を防止した多結晶シ
リコン膜を得ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】多結晶シリコン膜の結
晶粒径と電子移動度との間には相関があり，結晶粒径が
小さいと電子移動度も小さくなる。これは電子移動度が
結晶粒界における電子の散乱によって支配されることが
１つの原因として挙げられる。
晶粒径と電子移動度との間には相関があり，結晶粒径が
小さいと電子移動度も小さくなる。これは電子移動度が
結晶粒界における電子の散乱によって支配されることが
１つの原因として挙げられる。
【０００５】レーザアニール処理という方法を用いて非
結晶シリコン膜の結晶化を行った場合，レーザの照射エ
ネルギー密度が小さいと十分な大きさに結晶が成長せ
ず，結晶後の多結晶シリコン膜の粒径が高々１００ｎｍ
以下でしかない。
結晶シリコン膜の結晶化を行った場合，レーザの照射エ
ネルギー密度が小さいと十分な大きさに結晶が成長せ
ず，結晶後の多結晶シリコン膜の粒径が高々１００ｎｍ
以下でしかない。
【０００６】この時、上記した従来技術（１）を用いた
場合、レーザの照射エネルギー密度を大きくすることに
よって，結晶粒径の増大を図ることが可能である。しか
しながら結晶粒径の増大とともに，結晶粒界において少
なくとも５０ｎｍ以上の突起が発生し、素子形成プロセ
スへの適用に大きな問題を引き起こしていた。即ち、大
きな突起を有する結晶化シリコン膜の上に絶縁膜を形成
するとき、突起が絶縁膜を突き破ってその特性を損なわ
せることがあった。
場合、レーザの照射エネルギー密度を大きくすることに
よって，結晶粒径の増大を図ることが可能である。しか
しながら結晶粒径の増大とともに，結晶粒界において少
なくとも５０ｎｍ以上の突起が発生し、素子形成プロセ
スへの適用に大きな問題を引き起こしていた。即ち、大
きな突起を有する結晶化シリコン膜の上に絶縁膜を形成
するとき、突起が絶縁膜を突き破ってその特性を損なわ
せることがあった。
【０００７】一方、上記した従来技術（２）を用いるこ
とによってレーザアニール処理後の結晶粒界に起因した
突起を低減させることが可能である。しかしながらレー
ザアニール処理前にフッ酸水処理や純水等を用いた洗浄
処理を施すことが必須条件であるため、プロセスが複雑
になるばかりでなく、スループットの低下という結晶化
シリコン薄膜の生産に大きな課題を残していた。
とによってレーザアニール処理後の結晶粒界に起因した
突起を低減させることが可能である。しかしながらレー
ザアニール処理前にフッ酸水処理や純水等を用いた洗浄
処理を施すことが必須条件であるため、プロセスが複雑
になるばかりでなく、スループットの低下という結晶化
シリコン薄膜の生産に大きな課題を残していた。
【０００８】本発明の目的は，上記した課題を解決し、
結晶粒界における突起の形成を大幅に低減させることに
よって高電子移動度を有し、かつ信頼性の高い多結晶ポ
リシリコン膜を提供することにある。
結晶粒界における突起の形成を大幅に低減させることに
よって高電子移動度を有し、かつ信頼性の高い多結晶ポ
リシリコン膜を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記した目的は、基板上
方に半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜が粒子径５０
０ｎｍ以下なる複数の結晶粒子から構成され、かつ少な
くとも２個以上の結晶粒子が集合したクラスタ結晶を少
なくともその一部に内在させることによって達成され
る。
方に半導体薄膜を形成し、この半導体薄膜が粒子径５０
０ｎｍ以下なる複数の結晶粒子から構成され、かつ少な
くとも２個以上の結晶粒子が集合したクラスタ結晶を少
なくともその一部に内在させることによって達成され
る。
【００１０】結晶粒子はＳｉ、Ｇｅ、またはＳｉＧｅか
らなり、これらの結晶粒子で構成されたクラスタ結晶に
おいて、個々の結晶粒子が接する部分は個々の結晶粒子
が結晶学的に同方位を有するため，見かけ上は結晶粒界
が存在するにもかかわらず実質的には単一の結晶と同等
の特性を発揮させることが出来る。
らなり、これらの結晶粒子で構成されたクラスタ結晶に
おいて、個々の結晶粒子が接する部分は個々の結晶粒子
が結晶学的に同方位を有するため，見かけ上は結晶粒界
が存在するにもかかわらず実質的には単一の結晶と同等
の特性を発揮させることが出来る。
【００１１】そして、上記したクラスタ結晶を構成する
個々の結晶粒子の結晶方位は、少なくとも透過電子顕微
鏡による結晶格子像観察または電子線後方散乱回折を用
いた回折パターン観察によって同定される。
個々の結晶粒子の結晶方位は、少なくとも透過電子顕微
鏡による結晶格子像観察または電子線後方散乱回折を用
いた回折パターン観察によって同定される。
【００１２】本発明は、上記したクラスタ結晶を少なく
ともその一部に内在させた半導体薄膜であって、その平
均膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより
達成される。
ともその一部に内在させた半導体薄膜であって、その平
均膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより
達成される。
【００１３】更にまた、優先配向性の指標として結晶面
のＸ線回折強度比を用いることが可能であって、基板面
に平行する面のＸ線回折測定による（１１１）面のＸ線
回折強度と（２２０）面のＸ線回折強度との比が５以上
であることにより達成される。
のＸ線回折強度比を用いることが可能であって、基板面
に平行する面のＸ線回折測定による（１１１）面のＸ線
回折強度と（２２０）面のＸ線回折強度との比が５以上
であることにより達成される。
【００１４】そして、その表面凹凸（Ｒｍａｘ）を３０
ｎｍ以下で、表面凹凸の標準偏差（ＲＭＳ）を１０ｎｍ
以下とし、結晶粒界における突起を小さくすることによ
って達成される。
ｎｍ以下で、表面凹凸の標準偏差（ＲＭＳ）を１０ｎｍ
以下とし、結晶粒界における突起を小さくすることによ
って達成される。
【００１５】そして本発明では、半導体薄膜の平均電子
移動度を２００ｃｍ2／Ｖ・Ｓ以上とすることにより達
成される。
移動度を２００ｃｍ2／Ｖ・Ｓ以上とすることにより達
成される。
【００１６】また、上記した半導体薄膜を用いた薄膜ト
ランジスタにおいて、この半導体薄膜は基板面に平行な
方向に（１１１）優先配向した結晶粒子の集合体であっ
て、結晶粒子の少なくとも２個以上が集合したクラスタ
結晶をその薄膜内に内在させることにより達成される。
ランジスタにおいて、この半導体薄膜は基板面に平行な
方向に（１１１）優先配向した結晶粒子の集合体であっ
て、結晶粒子の少なくとも２個以上が集合したクラスタ
結晶をその薄膜内に内在させることにより達成される。
【００１７】そして、上記したクラスタ結晶を含む結晶
性半導体薄膜は、基板上に非晶質半導体薄膜を成膜した
のち、この非晶質薄膜をレーザ光を用いて複数回照射
し、非晶質薄膜の少なくとも一部分を結晶化させること
によって形成されるのであって、結晶の配向性に優れ、
しかも結晶粒界における突起の発生を抑制させた結晶性
半導体薄膜の形成を可能にする。
性半導体薄膜は、基板上に非晶質半導体薄膜を成膜した
のち、この非晶質薄膜をレーザ光を用いて複数回照射
し、非晶質薄膜の少なくとも一部分を結晶化させること
によって形成されるのであって、結晶の配向性に優れ、
しかも結晶粒界における突起の発生を抑制させた結晶性
半導体薄膜の形成を可能にする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて具体的に説明する。
を用いて具体的に説明する。
【００１９】図１は本実施例である多結晶シリコン薄膜
の形成工程を説明するための工程概略図である。ここで
はシリコン薄膜の場合を例示するが、ゲルマニウム薄膜
あるいはシリコン−ゲルマニウム化合物の薄膜であって
も同様に扱うことが出来る。
の形成工程を説明するための工程概略図である。ここで
はシリコン薄膜の場合を例示するが、ゲルマニウム薄膜
あるいはシリコン−ゲルマニウム化合物の薄膜であって
も同様に扱うことが出来る。
【００２０】先ず、ひとつの例としてコーニング７０５
９ガラスを基板として、このガラス基板上に良く知られ
たプラズマＣＶＤ法を用いて窒化珪素膜（膜厚５０ｎ
ｍ）を形成する。そして、この上に同じくプラズマＣＶ
Ｄ法を用いて酸化珪素膜（膜厚１００ｎｍ）を成膜す
る。更に、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン膜
（膜厚５０ｎｍ）を成膜する。
９ガラスを基板として、このガラス基板上に良く知られ
たプラズマＣＶＤ法を用いて窒化珪素膜（膜厚５０ｎ
ｍ）を形成する。そして、この上に同じくプラズマＣＶ
Ｄ法を用いて酸化珪素膜（膜厚１００ｎｍ）を成膜す
る。更に、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコン膜
（膜厚５０ｎｍ）を成膜する。
【００２１】次に、例えば４５０℃の炉体中で３０分
間、上記した基板上の薄膜をアニール処理することによ
って、非晶質シリコン膜中に含まれる水素の脱離処理を
行う。
間、上記した基板上の薄膜をアニール処理することによ
って、非晶質シリコン膜中に含まれる水素の脱離処理を
行う。
【００２２】その後、上記した脱水素処理を行った非晶
質シリコン膜を例えばＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎ
ｍ）を用いてレーザ結晶化を行った。なお本実施例では
レーザ光のエネルギー密度は３００〜５００ｍＪ／ｃｍ
2とした。
質シリコン膜を例えばＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎ
ｍ）を用いてレーザ結晶化を行った。なお本実施例では
レーザ光のエネルギー密度は３００〜５００ｍＪ／ｃｍ
2とした。
【００２３】また本実施例では非晶質シリコン膜の同一
個所に対してレーザ光を複数回照射することにより，非
晶質シリコン膜の結晶化を行っている。ここで、複数回
照射する方法として，一回目のレーザ光を照射したあ
と，レーザ光を所定の間隔で非晶質シリコン膜上をスキ
ャンさせ、そして再びレーザ光の照射を行なうというス
テップを繰り返すようにした。このようにレーザ光の照
射及び所定の間隔でスキャンを繰り返すことによって、
非晶質シリコン膜の同一個所が実質的には複数回のレー
ザ光が照射されることになる。
個所に対してレーザ光を複数回照射することにより，非
晶質シリコン膜の結晶化を行っている。ここで、複数回
照射する方法として，一回目のレーザ光を照射したあ
と，レーザ光を所定の間隔で非晶質シリコン膜上をスキ
ャンさせ、そして再びレーザ光の照射を行なうというス
テップを繰り返すようにした。このようにレーザ光の照
射及び所定の間隔でスキャンを繰り返すことによって、
非晶質シリコン膜の同一個所が実質的には複数回のレー
ザ光が照射されることになる。
【００２４】尚、レーザ光の照射回数、レーザ光のビー
ム幅、レーザ光のスキャン幅等は目的に応じて適宜選択
される。例えば、レーザ光のビーム幅を６００μｍ、そ
のスキャン幅を３０μｍとすれば，非晶質シリコン膜の
同一個所に照射されるレーザ光の照射回数は２０回とな
る。
ム幅、レーザ光のスキャン幅等は目的に応じて適宜選択
される。例えば、レーザ光のビーム幅を６００μｍ、そ
のスキャン幅を３０μｍとすれば，非晶質シリコン膜の
同一個所に照射されるレーザ光の照射回数は２０回とな
る。
【００２５】図２はレーザ光の照射回数を１〜２０回の
範囲で変化させ、またレーザ光のエネルギー密度を３０
０〜５００ｍＪ/ｃｍ2の範囲で変化させて非晶質シリコ
ン膜の結晶化を行った結果を表わしている。横軸はレー
ザ光の照射回数を、そして縦軸は所定の回数をレーザ光
照射した領域の平均結晶粒径である。
範囲で変化させ、またレーザ光のエネルギー密度を３０
０〜５００ｍＪ/ｃｍ2の範囲で変化させて非晶質シリコ
ン膜の結晶化を行った結果を表わしている。横軸はレー
ザ光の照射回数を、そして縦軸は所定の回数をレーザ光
照射した領域の平均結晶粒径である。
【００２６】上記した結晶粒径の測定は，一例として良
く知られた走査電子顕微鏡観察を用い、その顕微鏡写真
に基づいて結晶粒子の長軸と短軸を測長し，その平均値
を当該の結晶粒子の粒径と定義した。
く知られた走査電子顕微鏡観察を用い、その顕微鏡写真
に基づいて結晶粒子の長軸と短軸を測長し，その平均値
を当該の結晶粒子の粒径と定義した。
【００２７】また、走査電子顕微鏡により結晶粒径を算
出する場合，個々の結晶粒子の結晶粒界を明瞭に識別す
るために，あらかじめ結晶化させた多結晶シリコン膜の
表面をフッ酸水溶液を用いたライトエッチング処理を行
っている。また平均結晶粒径は，１０μｍ×１０μｍの
範囲内にある結晶粒子を全て観察し，その個々の結晶粒
子について粒径を測定したのち，その平均値を当該のレ
ーザ光照射条件における平均結晶粒径と定義した。
出する場合，個々の結晶粒子の結晶粒界を明瞭に識別す
るために，あらかじめ結晶化させた多結晶シリコン膜の
表面をフッ酸水溶液を用いたライトエッチング処理を行
っている。また平均結晶粒径は，１０μｍ×１０μｍの
範囲内にある結晶粒子を全て観察し，その個々の結晶粒
子について粒径を測定したのち，その平均値を当該のレ
ーザ光照射条件における平均結晶粒径と定義した。
【００２８】図２から明らかのように、３００ｍＪ／ｃ
ｍ2のエネルギー密度でレーザ光を照射した場合，レー
ザ光を一回だけ照射した場合の平均結晶粒径は約１５０
ｎｍであるが，２０回照射した場合の平均結晶粒径は４
５０ｎｍであり，レーザ光の照射回数に伴って平均結晶
粒径は著しく増大することが判った。この傾向は４００
ｍＪ／ｃｍ2あるいは５００ｍＪ／ｃｍ2のレーザエネル
ギー密度においても同様である。
ｍ2のエネルギー密度でレーザ光を照射した場合，レー
ザ光を一回だけ照射した場合の平均結晶粒径は約１５０
ｎｍであるが，２０回照射した場合の平均結晶粒径は４
５０ｎｍであり，レーザ光の照射回数に伴って平均結晶
粒径は著しく増大することが判った。この傾向は４００
ｍＪ／ｃｍ2あるいは５００ｍＪ／ｃｍ2のレーザエネル
ギー密度においても同様である。
【００２９】ここで注目すべきことは、レーザ光のエネ
ルギー密度を５００ｍＪ／ｃｍ2、その照射回数を１回
とした場合の平均結晶粒径は約４５０ｎｍであり、この
粒径は、例えばレーザ光のエネルギー密度を３００ｍＪ
／ｃｍ2、その照射回数を２０回とした場合の平均結晶
粒径がほぼ同一の大きさを示すということである。
ルギー密度を５００ｍＪ／ｃｍ2、その照射回数を１回
とした場合の平均結晶粒径は約４５０ｎｍであり、この
粒径は、例えばレーザ光のエネルギー密度を３００ｍＪ
／ｃｍ2、その照射回数を２０回とした場合の平均結晶
粒径がほぼ同一の大きさを示すということである。
【００３０】即ち、非晶質シリコン膜に対してある程度
の大きなエネルギー密度を有するレーザ光を照射すれば
それに対応した大きさの結晶粒径を持つシリコン結晶が
形成され、またそれよりも小さなエネルギー密度を有す
るレーザ光であってもレーザ光を複数回照射すれば同程
度の大きさの結晶粒子に成長することを意味している。
の大きなエネルギー密度を有するレーザ光を照射すれば
それに対応した大きさの結晶粒径を持つシリコン結晶が
形成され、またそれよりも小さなエネルギー密度を有す
るレーザ光であってもレーザ光を複数回照射すれば同程
度の大きさの結晶粒子に成長することを意味している。
【００３１】しかしながら同程度の大きさの結晶粒子で
あっても、後述するようにその結晶粒子が示す結晶学的
性質や物理的、電気的性質が大きく異なるのである。
あっても、後述するようにその結晶粒子が示す結晶学的
性質や物理的、電気的性質が大きく異なるのである。
【００３２】上記の条件で作製した結晶シリコン膜につ
いて、その表面凹凸の評価を良く知られたＡＦＭ法を用
いて行い、その結果を図３に示す。
いて、その表面凹凸の評価を良く知られたＡＦＭ法を用
いて行い、その結果を図３に示す。
【００３３】横軸はレーザ光の照射回数であり、１〜２
０回の範囲で変化させた。またパラメータとしてレーザ
光のエネルギー密度を３００〜５００ｍＪ/ｃｍ2の範囲
で変化させた。各条件で作成した各試料の任意の点につ
いて２０μｍ×２０μｍの範囲で結晶薄膜の表面形状を
測定した。この測定範囲における最大高低差をＲｍａｘ
として凹凸の指標とし、それを縦軸に表わした。
０回の範囲で変化させた。またパラメータとしてレーザ
光のエネルギー密度を３００〜５００ｍＪ/ｃｍ2の範囲
で変化させた。各条件で作成した各試料の任意の点につ
いて２０μｍ×２０μｍの範囲で結晶薄膜の表面形状を
測定した。この測定範囲における最大高低差をＲｍａｘ
として凹凸の指標とし、それを縦軸に表わした。
【００３４】その結果、３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギ
ー密度でレーザ光を照射した場合，１回のレーザ光照射
におけるＲｍａｘは約２０ｎｍであって、この値はレー
ザ光の照射回数にはほとんど依存しない。また、レーザ
光のエネルギー密度を４００ｍＪ／ｃｍ2あるいは５０
０ｍＪ／ｃｍ2と変化させた場合、表面凹凸の絶対値は
増加するが、レーザ光の照射回数にはほとんど依存しな
いことが判明した。
ー密度でレーザ光を照射した場合，１回のレーザ光照射
におけるＲｍａｘは約２０ｎｍであって、この値はレー
ザ光の照射回数にはほとんど依存しない。また、レーザ
光のエネルギー密度を４００ｍＪ／ｃｍ2あるいは５０
０ｍＪ／ｃｍ2と変化させた場合、表面凹凸の絶対値は
増加するが、レーザ光の照射回数にはほとんど依存しな
いことが判明した。
【００３５】例えば４００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密
度を有するレーザ光を照射した場合，1回の照射におけ
るＲｍａｘは５０ｎｍ程度であるが，２０回の照射では
Ｒｍａｘは４５ｎｍ程度である。また５００ｍＪ／ｃｍ
2のエネルギー密度の場合、１回のレーザ光照射におけ
るＲｍａｘは７０ｎｍ程度であって、２０回照射でもＲ
ｍａｘは６５ｎｍ程度である。
度を有するレーザ光を照射した場合，1回の照射におけ
るＲｍａｘは５０ｎｍ程度であるが，２０回の照射では
Ｒｍａｘは４５ｎｍ程度である。また５００ｍＪ／ｃｍ
2のエネルギー密度の場合、１回のレーザ光照射におけ
るＲｍａｘは７０ｎｍ程度であって、２０回照射でもＲ
ｍａｘは６５ｎｍ程度である。
【００３６】上記の図２に示した平均結晶粒径と図３に
示した表面凹凸（Ｒｍａｘ）との結果を総合的に検討
し、次のことが明確になった。
示した表面凹凸（Ｒｍａｘ）との結果を総合的に検討
し、次のことが明確になった。
【００３７】即ち、非晶質シリコン膜に対してレーザ光
を照射して結晶化を行なう場合、レーザ光の照射回数を
増加させるに従って平均結晶粒径は著しく増加するが、
その表面凹凸（Ｒｍａｘ）は殆んど変化せず、特に表面
凹凸（Ｒｍａｘ）は最初のレーザ光照射で形成された表
面凹凸がその後行なわれる複数回のレーザ光照射におい
ても保存されることである。
を照射して結晶化を行なう場合、レーザ光の照射回数を
増加させるに従って平均結晶粒径は著しく増加するが、
その表面凹凸（Ｒｍａｘ）は殆んど変化せず、特に表面
凹凸（Ｒｍａｘ）は最初のレーザ光照射で形成された表
面凹凸がその後行なわれる複数回のレーザ光照射におい
ても保存されることである。
【００３８】本実施例においては、３００ｍＪ／ｃｍ2
のエネルギー密度で２０回のレーザ光を照射した場合と
５００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回だけのレー
ザ光照射を行った場合を比較すれば、何れの場合におい
ても平均結晶粒径は４５０ｎｍ程度であるが、表面凹凸
（Ｒｍａｘ）は著しく異なっており、前者の照射条件に
おけるＲｍａｘが約１８ｎｍであることに対して後者の
照射条件ではＲｍａｘは６５ｎｍである。
のエネルギー密度で２０回のレーザ光を照射した場合と
５００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回だけのレー
ザ光照射を行った場合を比較すれば、何れの場合におい
ても平均結晶粒径は４５０ｎｍ程度であるが、表面凹凸
（Ｒｍａｘ）は著しく異なっており、前者の照射条件に
おけるＲｍａｘが約１８ｎｍであることに対して後者の
照射条件ではＲｍａｘは６５ｎｍである。
【００３９】換言すれば、非晶質シリコン膜にレーザ光
を照射して、表面凹凸（Ｒｍａｘ）を小さく保ったま
ま，レーザ光の照射領域における結晶粒径だけを大きく
する場合，比較的低いエネルギー密度を有するレーザ光
を複数回照射することが極めて有効であることが判明し
た。
を照射して、表面凹凸（Ｒｍａｘ）を小さく保ったま
ま，レーザ光の照射領域における結晶粒径だけを大きく
する場合，比較的低いエネルギー密度を有するレーザ光
を複数回照射することが極めて有効であることが判明し
た。
【００４０】次に、レーザ光のエネルギー密度と照射回
数との関係を形成された多結晶シリコン結晶の表面形状
という観点で検討した。図４Ａ及びＢはレーザ光のエネ
ルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ2の場合であり、図５Ａ
及びＢはレーザ光のエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ
2の場合である。また、図４Ａ及び図５Ａはレーザ光の
照射回数が１回の場合であり、また図４Ｂ及び図５Ｂは
照射回数が２０回の場合である。
数との関係を形成された多結晶シリコン結晶の表面形状
という観点で検討した。図４Ａ及びＢはレーザ光のエネ
ルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ2の場合であり、図５Ａ
及びＢはレーザ光のエネルギー密度が５００ｍＪ／ｃｍ
2の場合である。また、図４Ａ及び図５Ａはレーザ光の
照射回数が１回の場合であり、また図４Ｂ及び図５Ｂは
照射回数が２０回の場合である。
【００４１】これらの結果からも明らかのように、３０
０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回のレーザ光照射
を行なった場合、小さな結晶粒子が多数形成されている
が（図４Ａ）、同じエネルギー密度で複数回のレーザ光
照射を行うことによって小さな結晶粒子が複数個集合し
てひとつの大きなクラスタ結晶を形成している（図４
Ｂ）。しかしながら、５００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー
密度で１回だけレーザ光を照射した場合、結晶粒子その
ものは大きくなるが、上記した図４Ｂに示されたような
小さな結晶粒子の集合した痕跡は認められない（図５
Ａ）。尚、更にレーザ光の照射を繰り返すことによって
部分的にクラスタ結晶に成長する（図５Ｂ）。
０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回のレーザ光照射
を行なった場合、小さな結晶粒子が多数形成されている
が（図４Ａ）、同じエネルギー密度で複数回のレーザ光
照射を行うことによって小さな結晶粒子が複数個集合し
てひとつの大きなクラスタ結晶を形成している（図４
Ｂ）。しかしながら、５００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー
密度で１回だけレーザ光を照射した場合、結晶粒子その
ものは大きくなるが、上記した図４Ｂに示されたような
小さな結晶粒子の集合した痕跡は認められない（図５
Ａ）。尚、更にレーザ光の照射を繰り返すことによって
部分的にクラスタ結晶に成長する（図５Ｂ）。
【００４２】上記したＳＥＭ観察による表面形状の結果
からも明らかのように、比較的エネルギー密度の小さい
レーザ光を複数回照射することによって、本来小さな表
面突起を有する結晶粒子が、表面突起の大きさを保った
まま結晶粒子のみが集合して、おおきな結晶、すなわち
クラスタ結晶を形成すると考えられる。
からも明らかのように、比較的エネルギー密度の小さい
レーザ光を複数回照射することによって、本来小さな表
面突起を有する結晶粒子が、表面突起の大きさを保った
まま結晶粒子のみが集合して、おおきな結晶、すなわち
クラスタ結晶を形成すると考えられる。
【００４３】次に、上記したレーザ光照射領域のＸ線回
折法による測定結果を図６に示す。この例では、３００
ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で２０回のレーザ光照射
を行い、非晶質シリコン膜の結晶化を行った場合であ
る。
折法による測定結果を図６に示す。この例では、３００
ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で２０回のレーザ光照射
を行い、非晶質シリコン膜の結晶化を行った場合であ
る。
【００４４】この結果、レーザ光の照射によって結晶化
の生じた領域において、（１１１）結晶面と（２２０）
結晶面とを示す明瞭なピークが観察された。
の生じた領域において、（１１１）結晶面と（２２０）
結晶面とを示す明瞭なピークが観察された。
【００４５】そこで、非晶質から結晶質への結晶成長の
程度を表す指数として、（１１１）結晶面における回折
強度と（２２０）結晶面における回折強度との比（（１
１１）／（２２０）回折強度比）を結晶配向率と定義し
た。
程度を表す指数として、（１１１）結晶面における回折
強度と（２２０）結晶面における回折強度との比（（１
１１）／（２２０）回折強度比）を結晶配向率と定義し
た。
【００４６】一般的には多結晶シリコン膜が完全にラン
ダム配向している場合の結晶配向率は約１．８である。
この値が大きくなるほど、（１１１）結晶面に配向の揃
った結晶であると言える。
ダム配向している場合の結晶配向率は約１．８である。
この値が大きくなるほど、（１１１）結晶面に配向の揃
った結晶であると言える。
【００４７】図７はレーザ光照射条件（エネルギー密度
と照射回数）と結晶配向率との関係を表わしている。
と照射回数）と結晶配向率との関係を表わしている。
【００４８】この図からも明らかのように、例えば３０
０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回のレーザ光照射
を行った場合、（１１１）／（２２０）強度比である結
晶配向率はランダム配向に近い値を示している。そして
レーザ光の照射回数が増加するに従って、（１１１）結
晶配向率は著しく増加し始める。この傾向は他のエネル
ギー密度を有するレーザ光の場合も同様である。
０ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密度で１回のレーザ光照射
を行った場合、（１１１）／（２２０）強度比である結
晶配向率はランダム配向に近い値を示している。そして
レーザ光の照射回数が増加するに従って、（１１１）結
晶配向率は著しく増加し始める。この傾向は他のエネル
ギー密度を有するレーザ光の場合も同様である。
【００４９】しかしながら、特筆すべきことは３００ｍ
Ｊ／ｃｍ2に比較して大きなエネルギー密度を有するレ
ーザ光、例えば４００ｍＪ／ｃｍ2あるいは５００ｍＪ
／ｃｍ2のエネルギー密度を有するレーザ光を１回だけ
照射する場合よりも、３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー
密度を有するレーザ光を２０回照射した場合の方が結晶
配向率が大きくなることである。言い換えれば、より高
い（１１１）配向性を実現させることが可能である。
Ｊ／ｃｍ2に比較して大きなエネルギー密度を有するレ
ーザ光、例えば４００ｍＪ／ｃｍ2あるいは５００ｍＪ
／ｃｍ2のエネルギー密度を有するレーザ光を１回だけ
照射する場合よりも、３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー
密度を有するレーザ光を２０回照射した場合の方が結晶
配向率が大きくなることである。言い換えれば、より高
い（１１１）配向性を実現させることが可能である。
【００５０】尚、本実施例においてレーザ光の照射回数
を２０回とした時、レーザ光のエネルギー密度３００ｍ
Ｊ／ｃｍ2、４００ｍＪ／ｃｍ2、５００ｍＪ／ｃｍ2に
対して、結晶配向率は各々６、１０、１２という大きな
値を示す。
を２０回とした時、レーザ光のエネルギー密度３００ｍ
Ｊ／ｃｍ2、４００ｍＪ／ｃｍ2、５００ｍＪ／ｃｍ2に
対して、結晶配向率は各々６、１０、１２という大きな
値を示す。
【００５１】この理由は、前述の図２におけるレーザ光
の照射条件と結晶粒径との関係について述べたように、
非晶質シリコン膜にレーザ光を照射するという方法を用
いて結晶成長を促す場合、複数回のレーザ光を照射する
という作用がレーザ光照射によって形成された個々の結
晶粒子を更に集合させながら成長を繰り返し、その過程
において同時に（１１１）結晶面に結晶方位を揃えつつ
成長するため、その結果として優れた結晶配向性を示す
と考えられる。
の照射条件と結晶粒径との関係について述べたように、
非晶質シリコン膜にレーザ光を照射するという方法を用
いて結晶成長を促す場合、複数回のレーザ光を照射する
という作用がレーザ光照射によって形成された個々の結
晶粒子を更に集合させながら成長を繰り返し、その過程
において同時に（１１１）結晶面に結晶方位を揃えつつ
成長するため、その結果として優れた結晶配向性を示す
と考えられる。
【００５２】上記したように、複数回のレーザ光照射に
よって結晶粒子を集合させ、ひとつのクラスタ結晶が形
成されると言うことを確認する手法として、良く知られ
た透過電子顕微鏡を用いた結晶格子像の観察が有効であ
る。
よって結晶粒子を集合させ、ひとつのクラスタ結晶が形
成されると言うことを確認する手法として、良く知られ
た透過電子顕微鏡を用いた結晶格子像の観察が有効であ
る。
【００５３】図８は３００ｍＪ／ｃｍ2のエネルギー密
度を有するレーザ光を２０回照射した場合の多結晶シリ
コン膜において、結晶粒子が集合した境界部分の断面透
過電子顕微鏡写真を示したものである。結晶粒子の集合
体であるクラスタ結晶の大きさは約５００ｎｍである。
この図からも明確であるように上記した境界部分では結
晶粒子Ａと結晶粒子Ｂとが結晶学的に方位を同じくして
接している。
度を有するレーザ光を２０回照射した場合の多結晶シリ
コン膜において、結晶粒子が集合した境界部分の断面透
過電子顕微鏡写真を示したものである。結晶粒子の集合
体であるクラスタ結晶の大きさは約５００ｎｍである。
この図からも明確であるように上記した境界部分では結
晶粒子Ａと結晶粒子Ｂとが結晶学的に方位を同じくして
接している。
【００５４】言い換えれば、所定のエネルギー密度を有
するレーザ光を複数回照射させることによって少なくと
も２個以上の結晶粒子を集合させたクラスタ結晶は、実
質的に単一の結晶と同等の性質を有していると考えるこ
とが出来る。
するレーザ光を複数回照射させることによって少なくと
も２個以上の結晶粒子を集合させたクラスタ結晶は、実
質的に単一の結晶と同等の性質を有していると考えるこ
とが出来る。
【００５５】図８では透過電子顕微鏡写真による評価結
果を示したが，結晶性の評価可能な他の手法を用いても
同様の評価結果を得ることが可能である。
果を示したが，結晶性の評価可能な他の手法を用いても
同様の評価結果を得ることが可能である。
【００５６】図９はレーザ光照射を行った多結晶シリコ
ン膜の結晶学的方位を、良く知られた電子線後方散乱回
折法を用いて評価した例である。
ン膜の結晶学的方位を、良く知られた電子線後方散乱回
折法を用いて評価した例である。
【００５７】電子線後方散乱回折法は，１００ｎｍ程度
に収束された電子線を測定対象物に照射し，測定対象物
からの回折線を検出することによって，測定対象物の結
晶学的方位を決定する方法である。特に照射する電子線
の径が１００ｎｍ程度であるため，結晶表面における結
晶粒子個々の結晶方位を解析することが可能である。
に収束された電子線を測定対象物に照射し，測定対象物
からの回折線を検出することによって，測定対象物の結
晶学的方位を決定する方法である。特に照射する電子線
の径が１００ｎｍ程度であるため，結晶表面における結
晶粒子個々の結晶方位を解析することが可能である。
【００５８】図９では、先の図４Ｂに示した場合とほぼ
同一の領域について電子線後方散乱回折による測定を行
った結果を模式的に示した。図中、太線で囲まれた領域
がクラスタ結晶（図中、クラスタ結晶Ａ、クラスタ結晶
Ｂ等で表わす）であり、クラスタ結晶の内部には複数の
小粒径結晶（図中、ａ１、ａ２等で表わす）が集合して
いる状態を表わしている。そして、クラスタ結晶内部の
細線で示した部分が隣接する結晶粒子の境界領域を表わ
している。
同一の領域について電子線後方散乱回折による測定を行
った結果を模式的に示した。図中、太線で囲まれた領域
がクラスタ結晶（図中、クラスタ結晶Ａ、クラスタ結晶
Ｂ等で表わす）であり、クラスタ結晶の内部には複数の
小粒径結晶（図中、ａ１、ａ２等で表わす）が集合して
いる状態を表わしている。そして、クラスタ結晶内部の
細線で示した部分が隣接する結晶粒子の境界領域を表わ
している。
【００５９】上記した結晶粒子を電子線後方散乱回折法
を用いて詳細に調べ、結晶方位の同じ物には同一の記号
を用いて図中に識別して示した。この結果、多結晶シリ
コン膜は種々の結晶方位を有するクラスタ結晶で構成さ
れるが、ひとつのクラスタ結晶を構成する個々の結晶粒
子はすべて同一の方位を示しており，粒界は存在するけ
れどもクラスタ結晶自身が実質上単一の結晶と同等の性
質を有していることが判明した。
を用いて詳細に調べ、結晶方位の同じ物には同一の記号
を用いて図中に識別して示した。この結果、多結晶シリ
コン膜は種々の結晶方位を有するクラスタ結晶で構成さ
れるが、ひとつのクラスタ結晶を構成する個々の結晶粒
子はすべて同一の方位を示しており，粒界は存在するけ
れどもクラスタ結晶自身が実質上単一の結晶と同等の性
質を有していることが判明した。
【００６０】以上で説明したように、非晶質シリコン膜
に対してレーザ光を複数回照射することによって隣接す
る結晶粒子の境界における突起の発生を抑制し、かつ結
晶方位の揃った結晶粒子の集合体である大きなサイズの
クラスタ結晶を成長させることが可能である。
に対してレーザ光を複数回照射することによって隣接す
る結晶粒子の境界における突起の発生を抑制し、かつ結
晶方位の揃った結晶粒子の集合体である大きなサイズの
クラスタ結晶を成長させることが可能である。
【００６１】尚、本実施例では基板としてコーニング７
０５９ガラスを用いたが、これに限定されることなく石
英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基
板を用いても良い。また上記の本実施例では非晶質シリ
コン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した後に、雰囲
気温度が４５０℃である炉体中でアニールすることによ
って，膜中に含まれる脱水素処理を行っているが，この
非晶質シリコン膜の形成方法はＬＰＣＶＤ法（低圧化学
的気相法）やスパッタリング法、蒸着法等のであっても
良い。
０５９ガラスを用いたが、これに限定されることなく石
英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基
板を用いても良い。また上記の本実施例では非晶質シリ
コン膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜した後に、雰囲
気温度が４５０℃である炉体中でアニールすることによ
って，膜中に含まれる脱水素処理を行っているが，この
非晶質シリコン膜の形成方法はＬＰＣＶＤ法（低圧化学
的気相法）やスパッタリング法、蒸着法等のであっても
良い。
【００６２】更に、薄膜の材料はシリコンに限定される
ことなく、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含
む混合物であっても良い。また、結晶化の方法も本実施
例で述べたＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）に限ら
ず、エキシマレーザであるＫｒＦレーザ（波長２４８ｎ
ｍ）やＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等であっても構わな
い。
ことなく、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含
む混合物であっても良い。また、結晶化の方法も本実施
例で述べたＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）に限ら
ず、エキシマレーザであるＫｒＦレーザ（波長２４８ｎ
ｍ）やＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等であっても構わな
い。
【００６３】次に、他の実施例として、上記した多結晶
シリコン膜を用いた薄膜トランジスタについて説明す
る。
シリコン膜を用いた薄膜トランジスタについて説明す
る。
【００６４】図１０は薄膜トランジスタの概要を示す断
面図であって、ガラス基板１１上の第１下地層１２、第
２下地層１３、半導体シリコン層１４，絶縁層１５，電
極層１６，絶縁層１７，コンタクトホール１８，電極１
９の積層構造からなっている。
面図であって、ガラス基板１１上の第１下地層１２、第
２下地層１３、半導体シリコン層１４，絶縁層１５，電
極層１６，絶縁層１７，コンタクトホール１８，電極１
９の積層構造からなっている。
【００６５】先ず、コーニング７０５９ガラス基板１１
上に良く知られたプラズマＣＶＤ法を用いて第１の下地
層である窒化珪素膜１２（膜厚５０ｎｍ）を形成する。
そして、この上に同じくプラズマＣＶＤ法を用いて第２
の下地層である酸化珪素膜１３（膜厚１００ｎｍ）を成
膜する。更に、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコ
ン膜１４（膜厚５０ｎｍ）を成膜する。ガラス基板は石
英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基
板であっても良い。また、ＬＰＣＶＤ法（低圧化学的気
相法）やスパッタリング法あるいは蒸着法等を用いて非
晶質シリコン膜１４を形成しても良い。
上に良く知られたプラズマＣＶＤ法を用いて第１の下地
層である窒化珪素膜１２（膜厚５０ｎｍ）を形成する。
そして、この上に同じくプラズマＣＶＤ法を用いて第２
の下地層である酸化珪素膜１３（膜厚１００ｎｍ）を成
膜する。更に、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質シリコ
ン膜１４（膜厚５０ｎｍ）を成膜する。ガラス基板は石
英やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の透明基
板であっても良い。また、ＬＰＣＶＤ法（低圧化学的気
相法）やスパッタリング法あるいは蒸着法等を用いて非
晶質シリコン膜１４を形成しても良い。
【００６６】次に非晶質シリコン膜１４を形成したガラ
ス基板１１を４５０℃の炉体中で３０分間のアニール処
理を行ない、非晶質シリコン膜１４の脱水素処理を行
う。この際炉体中の雰囲気は窒素雰囲気にて行った。
ス基板１１を４５０℃の炉体中で３０分間のアニール処
理を行ない、非晶質シリコン膜１４の脱水素処理を行
う。この際炉体中の雰囲気は窒素雰囲気にて行った。
【００６７】その後、上記した非晶質シリコン膜１４を
ＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ，パルス幅２０ｎｓｅ
ｃ）を用いて結晶化を行った。レーザ光の種類はエキシ
マレーザであるＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＹＡ
Ｇレーザ、Ａｒレーザ等であっても構わない。結晶化の
条件は、レーザ光のエネルギー密度を３００〜５００ｍ
Ｊ／ｃｍ2の範囲で、照射回数を１〜２０回の範囲で行
った。尚、レーザ光の照射雰囲気は真空中であるが、窒
素雰囲気下で実施しても同様の結果が得られる。
ＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ，パルス幅２０ｎｓｅ
ｃ）を用いて結晶化を行った。レーザ光の種類はエキシ
マレーザであるＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＹＡ
Ｇレーザ、Ａｒレーザ等であっても構わない。結晶化の
条件は、レーザ光のエネルギー密度を３００〜５００ｍ
Ｊ／ｃｍ2の範囲で、照射回数を１〜２０回の範囲で行
った。尚、レーザ光の照射雰囲気は真空中であるが、窒
素雰囲気下で実施しても同様の結果が得られる。
【００６８】次に、良く知られたフォトリソグラフィー
法を用いて多結晶シリコン膜２２に所定のパターンを形
成する。その後、引き続いて例えばプラズマＣＶＤ法を
用いてＳｉＯ2からなる絶縁膜１５をパターニングされ
た多結晶シリコン膜２２を覆うようにして形成する。
尚、本実施例ではＳｉＯ2絶縁膜１５の膜厚を１００ｎ
ｍとした。
法を用いて多結晶シリコン膜２２に所定のパターンを形
成する。その後、引き続いて例えばプラズマＣＶＤ法を
用いてＳｉＯ2からなる絶縁膜１５をパターニングされ
た多結晶シリコン膜２２を覆うようにして形成する。
尚、本実施例ではＳｉＯ2絶縁膜１５の膜厚を１００ｎ
ｍとした。
【００６９】次に、ゲート電極となる電極層１６を良く
知られたスパッタリング法を用いて形成する。ここで
は、電極層１６としてＴｉＷ（膜厚２００ｎｍ）を用い
た。
知られたスパッタリング法を用いて形成する。ここで
は、電極層１６としてＴｉＷ（膜厚２００ｎｍ）を用い
た。
【００７０】この電極層１６をフォトリソグラフィー法
を用いて所定のパターンに加工した後、電極層１６をマ
スクとして上記した多結晶シリコン膜２２に対してイオ
ン注入を行い、チャネル領域２２ａ，ソース領域２２
ｂ，ドレイン領域２２ｂを形成する。Ｎ型半導体を形成
する場合には，Ｎ型の不純物としてリンを注入し，また
Ｐ型半導体を形成する場合には，Ｐ型の不純物として，
ボロンを注入する。
を用いて所定のパターンに加工した後、電極層１６をマ
スクとして上記した多結晶シリコン膜２２に対してイオ
ン注入を行い、チャネル領域２２ａ，ソース領域２２
ｂ，ドレイン領域２２ｂを形成する。Ｎ型半導体を形成
する場合には，Ｎ型の不純物としてリンを注入し，また
Ｐ型半導体を形成する場合には，Ｐ型の不純物として，
ボロンを注入する。
【００７１】更に、多結晶シリコン層２２に内在するイ
オン注入時のダメージを回復させるため，ＲＴＡ（ラピ
ッドサーマルアニーリング）法による活性化アニールを
行う。ダメージ層の活性化アニールは炉体を用いたアニ
ール処理であっても可能である。
オン注入時のダメージを回復させるため，ＲＴＡ（ラピ
ッドサーマルアニーリング）法による活性化アニールを
行う。ダメージ層の活性化アニールは炉体を用いたアニ
ール処理であっても可能である。
【００７２】その後、再びプラズマＣＶＤ法によりＳｉ
Ｏ2絶縁層１７（膜厚５００ｎｍ）を電極層１６を覆う
ようにして形成する。そして、このＳｉＯ2絶縁層１７
の所定の位置にソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２
ｂとの電気的な接続を確保するためのコンタクトホール
１８を形成し、更にコンタクトホール１８の内部を埋め
込むようにしてソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２
ｂに対応させた電極層１９（材質ＴｉＷ／Ａｌの多層
膜）を形成する。
Ｏ2絶縁層１７（膜厚５００ｎｍ）を電極層１６を覆う
ようにして形成する。そして、このＳｉＯ2絶縁層１７
の所定の位置にソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２
ｂとの電気的な接続を確保するためのコンタクトホール
１８を形成し、更にコンタクトホール１８の内部を埋め
込むようにしてソース領域２２ｂ及びドレイン領域２２
ｂに対応させた電極層１９（材質ＴｉＷ／Ａｌの多層
膜）を形成する。
【００７３】最後に、水素中にて４００℃、６０分のア
ニール処理を施して多結晶シリコン膜を用いた薄膜トラ
ンジスタが完成する。
ニール処理を施して多結晶シリコン膜を用いた薄膜トラ
ンジスタが完成する。
【００７４】図１１は、上記の方法で作製された薄膜ト
ランジスタの電子移動度特性と非晶質シリコン膜の結晶
化条件（レーザ光のエネルギー密度、照射回数）との関
係を示した図である。図中には薄膜トランジスタの特性
測定における信頼性を考慮して，各条件に対して５０点
の測定を行い、その特性の平均値とばらつきとを併記し
た。
ランジスタの電子移動度特性と非晶質シリコン膜の結晶
化条件（レーザ光のエネルギー密度、照射回数）との関
係を示した図である。図中には薄膜トランジスタの特性
測定における信頼性を考慮して，各条件に対して５０点
の測定を行い、その特性の平均値とばらつきとを併記し
た。
【００７５】図１１から明らかのように、電子移動度の
平均値はレーザ光の照射回数の増加に伴って顕著な増加
傾向を示し、この傾向はレーザ光のエネルギー密度を変
化させても同様の結果を示す。
平均値はレーザ光の照射回数の増加に伴って顕著な増加
傾向を示し、この傾向はレーザ光のエネルギー密度を変
化させても同様の結果を示す。
【００７６】特筆すべきことは、非晶質シリコン膜の結
晶化に用いたレーザ光のエネルギー密度が比較的小さい
場合、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2であっても、そのレー
ザ光の照射回数を増加させることによってレーザ光のエ
ネルギー密度を増加させた場合（５００ｍＪ／ｃｍ2）
とほぼ同様の電子移動度を実現させることが可能であ
り、しかもその特性ばらつきを併せて低減させることが
可能であることが明らかになった。
晶化に用いたレーザ光のエネルギー密度が比較的小さい
場合、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2であっても、そのレー
ザ光の照射回数を増加させることによってレーザ光のエ
ネルギー密度を増加させた場合（５００ｍＪ／ｃｍ2）
とほぼ同様の電子移動度を実現させることが可能であ
り、しかもその特性ばらつきを併せて低減させることが
可能であることが明らかになった。
【００７７】一方、レーザ光を２０回照射して結晶化を
行った薄膜トランジスタを通常の駆動条件で動作させた
ところ、薄膜トランジスタの特性変動、例えばしきい電
圧値の増加が結晶化時のレーザ光エネルギー密度の大き
い場合ほど顕著であって、薄膜トランジスタとしての機
能が低下することが判明した。この原因は電子の走行す
るチャンネル層２２ａにおいて、隣接する結晶粒子の境
界部分で形成される突起の大きさが照射エネルギー密度
が高いほど顕著であって（図３参照）、この突起がチャ
ンネル層２２ａを覆うようにして形成されたゲート絶縁
膜１３に対してその絶縁特性を損なわしめるように作用
するためと考えられる。
行った薄膜トランジスタを通常の駆動条件で動作させた
ところ、薄膜トランジスタの特性変動、例えばしきい電
圧値の増加が結晶化時のレーザ光エネルギー密度の大き
い場合ほど顕著であって、薄膜トランジスタとしての機
能が低下することが判明した。この原因は電子の走行す
るチャンネル層２２ａにおいて、隣接する結晶粒子の境
界部分で形成される突起の大きさが照射エネルギー密度
が高いほど顕著であって（図３参照）、この突起がチャ
ンネル層２２ａを覆うようにして形成されたゲート絶縁
膜１３に対してその絶縁特性を損なわしめるように作用
するためと考えられる。
【００７８】従って、上記の結果から、多結晶シリコン
膜を用いた薄膜トランジスタとして大きな電子移動度の
特性を発揮し、かつその信頼性にも優れた素子を実現さ
せるためには、結晶化に用いるレーザ光のエネルギー密
度を適切な値まで低減させ、その照射を繰り返すことが
極めて重要であることが判明した。
膜を用いた薄膜トランジスタとして大きな電子移動度の
特性を発揮し、かつその信頼性にも優れた素子を実現さ
せるためには、結晶化に用いるレーザ光のエネルギー密
度を適切な値まで低減させ、その照射を繰り返すことが
極めて重要であることが判明した。
【００７９】
【発明の効果】上記した知見をアクティブマトリックス
型の液晶表示装置における駆動回路等に応用することに
よって、高品質で優れた表示特性を実現する液晶表示装
置を提供することが可能である。
型の液晶表示装置における駆動回路等に応用することに
よって、高品質で優れた表示特性を実現する液晶表示装
置を提供することが可能である。
【図１】実施例である多結晶シリコン薄膜を形成するた
めのプロセスフロー図である。
めのプロセスフロー図である。
【図２】実施例であるレーザ光を用いた結晶化条件（照
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コンの平均結晶粒径との関係を示した図である。
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コンの平均結晶粒径との関係を示した図である。
【図３】実施例であるレーザ光を用いた結晶化条件（照
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コン膜の表面凹凸（Ｒｍａｘ）との関係を示した図であ
る。
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コン膜の表面凹凸（Ｒｍａｘ）との関係を示した図であ
る。
【図４】実施例である多結晶シリコン膜の表面ＳＥＭ写
真であって、結晶化条件はＡ：レーザ光のエネルギー密
度３００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数１回の場合、Ｂ：レー
ザ光のエネルギー密度３００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数２
０回の場合である。
真であって、結晶化条件はＡ：レーザ光のエネルギー密
度３００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数１回の場合、Ｂ：レー
ザ光のエネルギー密度３００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数２
０回の場合である。
【図５】実施例である多結晶シリコン膜の表面ＳＥＭ写
真であって、結晶化条件はＡ：レーザ光のエネルギー密
度５００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数１回の場合、Ｂ：レー
ザ光のエネルギー密度５００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数２
０回の場合である。
真であって、結晶化条件はＡ：レーザ光のエネルギー密
度５００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数１回の場合、Ｂ：レー
ザ光のエネルギー密度５００ｍＪ／ｃｍ2、照射回数２
０回の場合である。
【図６】実施例の多結晶シリコン膜のＸ線回折測定結果
を示す典型的な説明図である。
を示す典型的な説明図である。
【図７】実施例であるレーザ光を用いた結晶化条件（照
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コンの（１１１）結晶配向率との関係を示した図であ
る。
射エネルギー密度と照射回数）と形成された多結晶シリ
コンの（１１１）結晶配向率との関係を示した図であ
る。
【図８】実施例の多結晶シリコン膜における結晶粒子と
その境界部分を説明するための透過電子顕微鏡写真であ
る。
その境界部分を説明するための透過電子顕微鏡写真であ
る。
【図９】電子線後方散乱回折法を用いて、実施例の多結
晶シリコン膜におけるクラスタ結晶の様子とその結晶配
向性との関係を説明するための模式図である。
晶シリコン膜におけるクラスタ結晶の様子とその結晶配
向性との関係を説明するための模式図である。
【図１０】他の実施例である多結晶シリコン膜を用いた
薄膜トランジスタの断面構造図である。
薄膜トランジスタの断面構造図である。
【図１１】レーザ光を用いた結晶化条件（照射エネルギ
ー密度と照射回数）と薄膜トランジスタの電子移動度と
の関係を説明するための図である。
ー密度と照射回数）と薄膜トランジスタの電子移動度と
の関係を説明するための図である。
１１…基板、１２…第１下地層、１３…第２下地層、１
４…非晶質シリコン層、１５…絶縁層、１６…ゲート電
極層、１７…絶縁層、１８…コンタクトホール、１９…
電極層、２２…多結晶シリコン層
４…非晶質シリコン層、１５…絶縁層、１６…ゲート電
極層、１７…絶縁層、１８…コンタクトホール、１９…
電極層、２２…多結晶シリコン層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高原 洋一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 堀越 和彦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 山口 裕功 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 大倉 理 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 阿部 広伸 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 斉藤 雅和 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 木村 嘉伸 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 糸賀 敏彦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5F045 AA06 AA08 AB01 AB04 AB05 AF13 BB12 CA15 HA18 5F052 AA02 BB07 DA02 DA03 DB03 5F110 DD01 DD02 DD03 DD13 DD14 DD17 EE06 EE44 FF02 FF30 GG01 GG02 GG03 GG13 GG16 GG17 GG22 GG43 GG45 GG47 HJ01 HJ13 HJ23 HL03 HL06 HL11 NN04 NN23 NN35 PP03 PP04 PP05 PP13 PP35 QQ24
Claims (15)
- 【請求項１】基板の上方に設けられた半導体薄膜であっ
て、前記半導体薄膜が複数の結晶粒子から構成され、か
つ少なくとも２個以上の前記結晶粒子が集合したクラス
タ結晶を少なくともその一部に内在させてなることを特
徴とする薄膜半導体素子。 - 【請求項２】前記クラスタ結晶は、粒子径５００ｎｍ以
下の結晶粒子が少なくとも２個以上集合してなることを
特徴とする請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項３】前記クラスタ結晶は、結晶学的方位が略同
一なる少なくとも２個以上の結晶粒子の集合体であるこ
とを特徴とする請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項４】前記結晶粒子の結晶学的方位が、少なくと
も透過電子顕微鏡による結晶格子像観察または電子線後
方散乱回折による回折パターン観察を用いて同定されて
なることを特徴とする請求項３記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項５】前記半導体薄膜の基板に垂直な方向の平均
膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴と
する請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項６】前記半導体薄膜が、少なくともＳｉまたは
Ｇｅ若しくはＳｉとＧｅの混合物の何れかを含んでなる
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項７】前記クラスタ結晶、前記基板の表面に対し
て略平行な方向に（１１１）優先配向してなることを特
徴とする請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項８】前記クラスタ結晶が、前記基板の表面に対
して略平行な方向に（１１１）優先配向してなり、かつ
前記クラスタ結晶の（２２０）結晶面に対する（１１
１）結晶面のＸ線回折強度比が５以上であることを特徴
とする請求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項９】前記半導体薄膜の表面凹凸（Ｒｍａｘ）
が、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載
の薄膜半導体素子。 - 【請求項１０】前記半導体薄膜の表面凹凸の標準偏差
（ＲＭＳ）が、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請
求項１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項１１】前記半導体薄膜の平均電子移動度が、２
００ｃｍ2／Ｖ・Ｓ以上であることを特徴とする請求項
１記載の薄膜半導体素子。 - 【請求項１２】基板の上方に非晶質半導体薄膜を成膜す
る工程と、該非晶質半導体薄膜にレーザ光を照射して加
熱する工程を備え、前記レーザ光を複数回照射すること
によって前記非晶質半導体薄膜の少なくとも一部の領域
をクラスタ結晶化することを特徴とする薄膜半導体素子
の製造方法。 - 【請求項１３】基板の上方に積層して設けられた半導体
薄膜と、チャネル領域と、絶縁膜と、ゲート電極と、ソ
ース電極と、ドレイン電極とを備え、前記ソース電極と
前記ドレイン電極とが前記半導体薄膜の少なくとも一部
の領域に前記チャネル領域を挟んで設けられたソース領
域とドレイン領域とに各々接続されてなり、かつ、前記
半導体薄膜が前記基板の面に対して略平行な方向に（１
１１）優先配向した少なくとも２個以上の結晶粒子が集
合したクラスタ結晶を少なくともその一部に内在させて
なることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項１４】前記チャネル領域における前記半導体薄
膜の（２２０）結晶面に対する（１１１）結晶面のＸ線
回折強度比が、前記ソース領域及び前記ドレイン領域に
おける前記半導体薄膜の（２２０）結晶面に対する（１
１１）結晶面のＸ線回折強度比よりも少なくとも大きい
ことを特徴とする請求項１３記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項１５】前記チャネル領域における前記半導体薄
膜の（２２０）結晶面に対する（１１１）結晶面のＸ線
回折強度比が１０以上であることを特徴とする請求項１
４記載の薄膜トランジスタ。
Priority Applications (9)
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|---|---|---|---|
| JP2000376561A JP2002176180A (ja) | 2000-12-06 | 2000-12-06 | 薄膜半導体素子及びその製造方法 |
| TW090112110A TW490743B (en) | 2000-12-06 | 2001-05-21 | Thin film transistor and its manufacture method |
| EP01305976A EP1213769A3 (en) | 2000-12-06 | 2001-07-11 | Thin film transistor and method for manufacturing the same |
| KR10-2001-0043323A KR100431909B1 (ko) | 2000-12-06 | 2001-07-19 | 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
| US09/910,314 US6657227B2 (en) | 2000-12-06 | 2001-07-19 | Transistor with thin film active region having clusters of different crystal orientation |
| CNB011407077A CN1197169C (zh) | 2000-12-06 | 2001-07-20 | 薄膜晶体管及其制造方法 |
| US10/299,218 US6716688B2 (en) | 2000-12-06 | 2002-11-18 | Irradiation of manufacturing a thin film transistor by laser irradiation |
| US10/773,950 US6903371B2 (en) | 2000-12-06 | 2004-02-06 | Thin film transistor and display using the same |
| US11/123,496 US7227186B2 (en) | 2000-12-06 | 2005-05-04 | Thin film transistor and method of manufacturing the same |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000376561A JP2002176180A (ja) | 2000-12-06 | 2000-12-06 | 薄膜半導体素子及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Country Status (6)
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| KR (1) | KR100431909B1 (ja) |
| CN (1) | CN1197169C (ja) |
| TW (1) | TW490743B (ja) |
Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2004265968A (ja) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 結晶性半導体膜の作製方法及び薄膜トランジスタの作製方法 |
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| JP2009152584A (ja) * | 2007-12-06 | 2009-07-09 | Tpo Displays Corp | 薄膜トランジスタの製造方法及びその製造方法により得られた薄膜トランジスタを有する有機発光素子表示装置 |
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