JP2003100637A - 半導体膜の結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、電気光学装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温プロセスにより、大粒径の結晶粒径を有
する半導体膜の結晶化を実現する。 【解決手段】 非晶質又は多結晶の半導体膜（１０３）
を下地保護膜（１０２）を介して基板（１０１）上に堆
積する。次いで、半導体膜（１０３）上に絶縁層（１０
４）及び光吸収層（１０５）を積層する。光源（１０
０）から照射光を照射し、露光面上に形成される照射領
域を走査する一方で、半導体膜（１０３）中に形成され
る溶融領域を照射領域の走査方向に沿って移動させつ
つ、半導体膜（１０３）を溶融結晶化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に形成される
半導体膜の結晶化技術に関し、特に、ロジック回路やメ
モリ回路等の回路素子、液晶表示装置（ＬＣＤ）や有機
ＥＬ表示装置等の表示画素の駆動素子として利用される
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や、太陽電池に好適な半導
体膜の製造技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ）等の半導体薄膜は薄膜トランジスタや太陽電池に広
く利用されている。とりわけ多結晶シリコンＴＦＴは、
キャリア移動度が高い上、ガラス基板のような透明の絶
縁基板上に作製できるという特徴を生かして、液晶表示
装置や液晶プロジェクターなどのスイッチング素子、或
いは液晶駆動用ドライバの回路素子として広く用いら
れ、新しい市場の創出に成功している。

【０００３】ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作製する
方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに
実用化されている。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、最
高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般
的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴
は、シリコンの固相成長により比較的良質の多結晶シリ
コンを成膜する事ができる点、シリコンの熱酸化により
良質のゲート絶縁層を得ることができる点、及び清浄な
多結晶シリコンとゲート絶縁層との界面を形成できる点
である。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動
度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造す
ることができる。

【０００４】しかし、高温プロセスを用いてＴＦＴを作
製するためには、基板の耐熱温度が１０００℃以上であ
ることが必要である。この条件を満たす透明基板は現在
のところ石英ガラスしかない。このため昨今の多結晶シ
リコンＴＦＴは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作
製されており、コストの問題上、大型化には向かないと
されている。また、固相成長法では十数時間という長時
間の熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題
がある。また、この方法では基板全体が長時間加熱され
ている事に起因して基板の熱変形が大きな問題となる上
に、安価な大型ガラス基板を使用できないため、低コス
ト化を妨げる要因となっている。

【０００５】一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消
し、尚且つ高移動度の多結晶シリコンＴＦＴを実現する
ための技術が低温プロセスと呼ばれる技術である。ＴＦ
Ｔの製造プロセスの中でも、最高温度が概ね６００℃以
下の温度環境下において、比較的安価な耐熱性ガラス基
板上に多結晶シリコンＴＦＴを製造するプロセスは一般
に低温プロセスと呼ばれている。低温プロセスでは発振
時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の
結晶化をおこなうレーザー結晶化技術が広く使われてい
る。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出
力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶
融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用す
る技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシ
リコン膜にエキシマレーザービームを繰り返し照射しな
がらスキャンすることによって大面積の多結晶シリコン
膜を作製する技術が広く使われるようになった。また、
ゲート絶縁層としてはプラズマＣＶＤを用いた成膜方法
により二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が大面積基板上に成膜
可能となった。これらの技術によって、現在では一辺が
数十センチほどもある大型のガラス基板上に多結晶シリ
コンＴＦＴが作製可能となっている。

【０００６】しかし、この低温プロセスで問題となるの
は、ＴＦＴの能動層（ドレイン、ソース、チャネル）と
なる多結晶シリコンをレーザ結晶化技術により形成した
場合、結晶粒径が高々０．５μｍと小さいため、この多
結晶シリコンを用いて作製したＴＦＴの閾値電圧が高
く、移動度が低い事である。この問題はひとえに多結晶
シリコン膜中の結晶粒界に存在する捕獲順位に起因する
ものである。ＴＦＴの場合、ゲート電極に電圧を印加す
るとＭＯＳキャパシタ容量によって決まるキャリアが半
導体薄膜側に誘起される。しかし半導体薄膜側、すなわ
ち多結晶シリコン層に捕獲準位があると、誘起されたキ
ャリアがこれら捕獲準位に捕獲され伝導に寄与できな
い。結果として、より高いゲート電圧を印加し、捕獲準
位密度よりも多くのキャリアを誘起してやらないとドレ
イン電流が得られないことになる。これがＴＦＴの閾値
電圧を高くしている原因である。これと同時に結晶粒界
に捕獲されたキャリアはポテンシャルバリアを形成する
ので、実効的移動度はこのバリア高さにより支配される
事になる。現状では結晶粒径が小さくＴＦＴの能動層領
域内に結晶粒界が多数存在するので、ＴＦＴの移動度が
低い、閾値電圧が高いという結果を招き、これが現在の
製造プロセスでの最大の問題となっている。

【０００７】現状として、低温プロセスで作製した多結
晶シリコンＴＦＴの閾値は、概ね３〜４Ｖ程度、移動度
は１００ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1である。閾値電圧を例えば１Ｖ
程度に下げることができれば、ＴＦＴで作製した回路の
駆動電圧を現在の３分の１以下に下げることができる。
回路の消費電力は駆動電圧の２乗に比例するので、駆動
電圧を３分の１以下に下げることができれば消費電力を
１０分の１近くに飛躍的に下げることが可能となるので
ある。また移動度を５００ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1程度に向上で
きれば、動作スピードが５倍の回路を実現する事ができ
る。こうすることによって、例えば携帯情報機器向けの
ディスプレイに適した超低消費電力の液晶ディスプレイ
が実現できるのである。

【０００８】さらに、現在広く使われているエキシマレ
ーザーは装置単価が高く、レーザーチューブの交換によ
るランニングコストが高い上にスループットも低いの
で、製品の製造コストを下げられないという課題も抱え
ている。以上のような課題を解決するための手段とし
て、従来では下記の改良技術が提案されていた。

【０００９】特開昭５７−１１３２１７では、絶縁板の
一主面上に半導体膜を被着し、その半導体膜上に絶縁層
を被着した後、さらに絶縁層上に光吸収層を被着して、
光吸収層上からレーザー照射し加熱することにより、半
導体薄膜の結晶化を行う技術が開示されている。

【００１０】特開昭５９−１５８５１５では、非単結晶
半導体薄膜上に熱抵抗層を介してエネルギー吸収層を設
け、該エネルギー吸収層をエネルギー線照射により昇温
せしめることにより前記熱抵抗層を介して該半導体薄膜
を加熱溶融して単結晶化する技術が開示されている。

【００１１】特開昭５９−２０５７１２では、絶縁層上
に非単結晶半導体よりなる半導体領域を配設し、少なく
とも前記半導体領域及びその近傍を被覆する皮膜を形成
し、前記皮膜にエネルギー線を照射して該皮膜を加熱す
ることにより前記半導体領域の非単結晶半導体を融解し
て単結晶化する技術が開示されている。

【００１２】特開昭６０−１８９１３では、絶縁基板上
に再結晶化される非晶質又は多結晶の化合物半導体薄膜
を設け、この化合物半導体薄膜上に化合物半導体より高
い融点を有する加熱層を設け、エネルギー線を加熱層に
照射し吸収させ、加熱層の熱を伝導して化合物半導体薄
膜を加熱し再結晶する、半導体装置の製造方法が開示さ
れている。

【００１３】特開昭６０−１２６８１５では、部分的に
単結晶シードに接した非単結晶半導体薄膜が絶縁層上に
設けられ、該非単結晶半導体薄膜が分離層を介して設け
られたエネルギー線吸収層によって被覆された試料の該
エネルギー線吸収層にエネルギー線を照射して加熱し、
これを熱源としたヒートフローにより、該非単結晶半導
体薄膜を溶融し、前記単結晶シードから横方向にエピタ
キシャル成長させることにより、該非単結晶半導体薄膜
を単結晶化する、半導体装置の製造方法が開示されてい
る。

【００１４】特開昭６０−２３１３１９では、絶縁物基
体上に熱伝導層として寄与する第一の層を設け、該第一
の層上に単結晶化しようとする半導体島状領域を形成
し、次いで該半導体島状領域の上表面及び側面を覆いエ
ネルギー線吸収体として寄与する第２の層を形成し、該
第２の層上からエネルギー線を照射して該半導体島状領
域を単結晶化する、半導体装置の製造方法が開示されて
いる。

【００１５】特開昭６１−３００２５では、少なくとも
その表面がアモルファス絶縁層で覆われた基板上に多結
晶或いは非晶質半導体膜を形成し、当該基板上に光吸収
係数の異なる少なくとも２種類のアモルファス絶縁層を
形成し、この基板に前記半導体が吸収できる波長成分を
持つ光を照射するとともに、電子線を照射することによ
り、半導体膜を溶融再結晶させる、単結晶半導体薄膜の
形成方法が開示されている。

【００１６】特開平４−３３２１２０では、基板上にア
ニールされるべき半導体薄膜を形成し、該半導体薄膜上
に高融点金属膜を形成するに際して、半導体薄膜と高融
点金属膜との間に中間層を形成しておき、半導体薄膜上
に中間層、高融点金属膜を形成後、半導体薄膜をアニー
ルするためのエネルギービームを高融点金属膜側から照
射する、半導体結晶層の製造方法が開示されている。

【００１７】特開平６−２９１０３４では、光照射によ
り薄膜を熱処理するようにした薄膜の熱処理方法におい
て、上記薄膜を加熱層上に積層した構造体を形成した
後、上記薄膜に対して実質的に透明でかつ上記加熱層に
よって吸収される第１の波長を有する第１の光を上記構
造体に照射し、次いで上記薄膜によって吸収される第２
の波長を有する第２の光を上記構造体に照射するように
した、薄膜の熱処理方法が開示されている。

【００１８】特開平８−５１０７６では、絶縁基板上に
光反射膜を形成し、光反射膜上にバッファ層を形成した
後、さらにバッファ層上に非晶質シリコン膜を形成し
て、非晶質シリコン膜にランプ光を極短時間で複数回照
射させ、シリコン膜を溶融再結晶化させることにより多
結晶シリコン膜を形成する技術が開示されている。

【００１９】以上のような技術を用いることにより絶縁
基板上に結晶粒径が１μｍ以上の多結晶シリコン膜を形
成することが可能となるのでＴＦＴの能動層領域内の結
晶粒界を劇的に低減でき、結果としてＴＦＴの性能を向
上させることができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の製造方
法では、光吸収層にふさわしい材料、照射光源、光照射
条件（照射光のパワー密度、ビームプロファイル、照射
時間、照射方法）等の具体的な条件が不明確であったた
め、大粒径多結晶シリコンを低温プロセスで形成するの
は極めて困難であった。このため、安価なガラス基板が
使用できず、良質な多結晶シリコンを大面積にしかも低
コストで形成することが極めて困難であった。

【００２１】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、低温
プロセスによる大粒径多結晶シリコン膜の形成に好適な
条件を提案することにより、良質な多結晶シリコン膜を
大面積に形成するための改良技術を提案することを課題
とする。また本発明は能動層に大粒径多結晶シリコンを
用いた薄膜トランジスタの製造方法を提案することを課
題とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明では、非晶質又は多結晶の半導体膜を基板上
に堆積する工程と、前記半導体膜上に絶縁層を積層する
工程と、前記絶縁層上に光吸収層を積層する工程と、光
源から照射光を照射し、露光面上に形成される照射領域
を走査する一方で、前記半導体膜中に形成される溶融領
域を前記照射領域の走査方向に沿って移動させつつ、前
記半導体膜を溶融結晶化させる工程とを備える。かかる
方法により、低温プロセスにより、大粒径の結晶粒径を
備える半導体膜を結晶成長させることができる。ここ
で、溶融結晶化には、非晶質半導体膜の結晶化のみなら
ず、多結晶質や微結晶質の半導体膜の再結晶化も含まれ
るものとする。

【００２３】好ましくは、光照射は、不活性ガス雰囲気
中にて行う。かかる方法により、光吸収層の酸化を防止
し、光吸収層としての機能を維持させることができる。

【００２４】また、本発明の他の形態では、非晶質又は
多結晶の半導体膜を基板上に堆積する工程と、前記半導
体膜上に絶縁層を積層する工程と、前記絶縁層上に光吸
収層を積層する工程と、前記光吸収層上に酸化防止層を
積層する工程と、光源から照射光を照射し、露光面上に
形成される照射領域を走査する一方で、前記半導体膜中
に形成される溶融領域を前記照射領域の走査方向に沿っ
て移動させつつ、前記半導体膜を溶融結晶化させる工程
とを備える。かかる方法により、酸化防止層の機能によ
り、光吸収層の酸化を防止し、光吸収層の機能を維持さ
せることができる。

【００２５】好ましくは、光照射は、基板上の任意点に
おいてパワー密度６００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間
５００ミリ秒以下とし、さらに好ましくは、パワー密度
７００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間２００ミリ秒以下
とし、より好ましくは、パワー密度１２００Ｗ／ｃｍ²
以上、且つ照射時間１００ミリ秒以下とし、さらにより
好ましくは、パワー密度１５００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ
照射時間５０ミリ秒以下とする。かかる光照射条件の下
で半導体膜を結晶化させると、結晶粒径の大きい良質な
半導体薄膜を得ることができる。

【００２６】好ましくは、光吸収層としてタンタル、タ
ングステン、モリブデンのうち何れかの薄膜を用いる。
かかる材料によれば、低反射率、高融点で大面積の成膜
に適した光吸収層を提供することができる。

【００２７】好ましくは、光源として、露光面への照射
領域がライン状となるようにビーム整形されたランプ光
を用いる。ライン状の照射領域を形成することにより、
光源の１回のスキャンで大面積にわたって半導体膜の溶
融結晶化を実現することができる。

【００２８】好ましくは、光照射は、基板を室温下に
て、又は冷却しながら行う。かかる方法により、低温プ
ロセスで半導体膜の結晶化を行うことができる。

【００２９】好ましくは、照射は、複数の光源を用い
て、基板の表面及び裏面に対する２方向から行う。かか
る方法により、出力の小さい光源でも半導体膜を溶融結
晶化することができる。

【００３０】好ましくは、基板の表面への照射領域位置
と、裏面への照射領域位置とを、相対的にずらして光照
射を行う。かかる方法により、半導体膜の溶融結晶化に
あたり、予備加熱や冷却速度の制御等が可能となる。

【００３１】好ましくは、光照射は、基板と照射光を１
方向に相対的に移動させながら基板全面を少なくとも２
回以上走査する。かかる方法により、大面積の半導体膜
の溶融結晶化が可能となる。

【００３２】本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、
上記の方法により形成した半導体膜を能動層として薄膜
トランジスタを製造する。かかる製造方法により、キャ
リア移動度の高い高性能な薄膜トランジスタを製造する
ことができる。

【００３３】本発明の電気光学装置は、上記の方法によ
り製造された薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子と
して備える。電気光学装置として、例えば、アクティブ
マトリクス型の駆動方式を採用する液晶表示装置や、エ
レクトロルミネセンスディスプレイ等が好適である。

【００３４】本発明の電子機器は、上記の電気光学装置
を備える。このような電子機器として、例えば、携帯電
話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマ
ウントディスプレイ、プロジェクタ、ファックス装置、
デジタルカメラ、携帯型テレビ、情報携帯端末装置、電
子手帳等が好適である。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、各図を参照して本実施の形
態について説明する。 （１．半導体薄膜の形成）図１は多結晶シリコン膜の製
造工程の断面図である。同図（Ａ）に示すように、ま
ず、基板１０１上に下地保護膜１０２を介して半導体薄
膜１０３を形成する。基板１０１としては、金属等の導
電性物質、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）やアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミ
ック材料、溶融石英やガラス等の透明または非透明絶縁
性物質、シリコン、ゲルマニウムウエハ等の半導体物
質、若しくはそれを加工したＬＳＩ基板等を用いること
ができる。半導体膜１０３は基板１０１上に直接又は下
地保護膜１０２や下部電極等を介して堆積する。

【００３６】下地保護膜１０２としては酸化珪素膜（Ｓ
ｉＯ_x：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ₃Ｎ_x：０＜ｘ
≦４）等の絶縁性物質が挙げられる。ＴＦＴなどの薄膜
半導体素子を通常のガラス基板上に作製する場合の様
に、半導体薄膜膜１０３への不純物制御が重要なときに
は、ガラス基板中に含まれているナトリウムイオン（Ｎ
ａ⁺）等の可動イオンが半導体薄膜１０３中に混入しな
い様に、下地保護膜１０２を形成した後に半導体薄膜１
０３を堆積する事が好ましい。同じ事情は各種セラミッ
ク材料を基板１０１として用いる場合にも通ずる。下地
保護膜１０２はセラミック中に添加されている焼結助材
原料などの不純物が半導体薄膜１０３に拡散及び混入す
るのを防止するのである。金属材料などの導電性材料を
基板１０１として用い、且つ半導体薄膜１０３が金属基
板と電気的に絶縁されていなければならない場合には、
絶縁性を確保する為に下地保護膜１０２は当然必要不可
欠である。更に半導体基板やＬＳＩ素子上に半導体薄膜
１０３を形成する時にはトランジスタ間や配線間の層間
絶縁層が同時に下地保護膜１０２の役割を担う。

【００３７】下地保護膜１０２は、まず基板１０１を純
水やアルコールなどの有機溶剤で洗浄した後、基板１０
１上に常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）や低圧化学
気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、プラズマ化学気相堆積法
（ＰＥＣＶＤ法）等のＣＶＤ法或いはスパッタ法等で形
成する。下地保護膜１０２として酸化硅素膜を用いる場
合、常圧化学気相堆積法では基板温度を２５０℃程度か
ら４５０℃程度としてモノシラン（ＳｉＨ₄）や酸素を
原料として堆積し得る。プラズマ化学気相堆積法やスパ
ッタ法で下地保護膜１０２を形成するには、基板温度は
室温から４００℃程度に温度調整する。下地保護膜１０
２の膜厚は基板１０１からの不純物元素の拡散と混入を
防ぐのに十分な厚さが必要で、その値は最小で１００ｎ
ｍ程度以上である。ロット間や基板間のばらつきを考慮
すると、２００ｎｍ程度以上が好ましく、３００ｎｍ程
度あれば保護膜としての機能を十分に果たし得る。下地
保護膜１０２がＩＣ素子間やこれらを結ぶ配線等の層間
絶縁層を兼ねる場合には、通常４００ｎｍから６００ｎ
ｍ程度の膜厚となる。絶縁層が余りにも厚くなると絶縁
層のストレスに起因するクラックが生ずる。その為、絶
縁層の最大膜厚は２μｍ程度が好ましい。生産性を考慮
する必要が強い場合、絶縁層厚は１μｍ程度が上限であ
る。

【００３８】次に半導体薄膜１０３について説明する。
本発明が適用される半導体薄膜１０３としては、シリコ
ン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の半導
体膜の他に、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ_xＧｅ_1-x：
０＜ｘ＜１）やシリコン・カーバイド（Ｓｉ_xＣ_1-x：０
＜ｘ＜１）やゲルマニウム・カーバイド（Ｇｅ_xＣ_1-x：
０＜ｘ＜１）等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム
・ヒ素（ＧａＡｓ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳ
ｂ）等の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体
膜、またはカドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）等の二族元
素と六族元素との複合体化合物半導体膜等がある。或い
は、シリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素（Ｓｉ_x
Ｇｅ_yＧａ_zＡｓ_u：ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１）といった更な
る複合化合物半導体膜やこれらの半導体膜にリン
（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのドナ
ー元素を添加したＮ型半導体膜、或いはホウ素（Ｂ）、
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム
（Ｉｎ）等のアクセプター元素を添加したＰ型半導体膜
に対しても本発明は適応可能である。

【００３９】これら半導体薄膜１０３はＡＰＣＶＤ法や
ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法、或いはスパ
ッタ法等や蒸着法等のＰＶＤ法で形成する。半導体薄膜
１０３としてシリコン膜を用いる場合、ＬＰＣＶＤ法で
は基板温度を４００℃程度から７００℃程度としてジシ
ラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）などを原料として堆積し得る。ＰＥＣ
ＶＤ法ではモノシラン（ＳｉＨ₄）などを原料として基
板温度が１００℃程度から５００℃程度で堆積可能であ
る。スパッタ法を用いる時には、基板温度は室温から４
００℃程度である。この様に堆積された半導体膜の初期
状態（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ状態）は非晶質や混晶
質、微結晶質、或いは多結晶質等の様々な状態がある
が、本願発明の半導体薄膜の結晶化方法では、半導体薄
膜の初期状態はこれらいずれの状態であっても構わな
い。本明細書においては、非晶質半導体薄膜の結晶化の
みならず、多結晶質や微結晶質の半導体薄膜の再結晶化
をも含めて総て結晶化と称する。半導体薄膜１０３の膜
厚はそれをＴＦＴに用いるときには、２０ｎｍ程度から
１００ｎｍ程度が適している。 （２．絶縁層の形成）次に、同図（Ｂ）に示すように、
半導体薄膜１０３上に絶縁層１０４を形成する。この絶
縁層１０４の役割は、次の工程で形成する光吸収層１０
５と半導体薄膜１０３と分離することにある。後述する
熱処理工程で光吸収層１０５から半導体薄膜１０３への
不純物の拡散を防ぐためには、この絶縁層１０４には酸
化硅素膜（ＳｉＯ_x：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ₃
Ｎ_x：０＜ｘ≦４）等の絶縁性物質が適用しうる。絶縁
層１０４の形成は、半導体薄膜１０３上の自然酸化膜を
フッ酸でエッチングし、純水洗浄した後、ＡＰＣＶＤ法
やＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法或いはスパ
ッタ法等で形成する。絶縁層１０４として酸化硅素膜を
用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を２５０
℃程度から４５０℃程度としてＳｉＨ₄や酸素を原料と
して堆積し得る。プラズマ化学気相堆積法やスパッタ法
では、基板温度は室温から４００℃程度である。絶縁層
１０４の膜厚は光吸収層１０５からの不純物元素の拡散
と混入を防ぐのに十分な厚さが必要である一方、半導体
薄膜１０３への光吸収層１０５からの熱伝導が効率的に
行える程度の近傍にある必要がある。このため絶縁層１
０４の膜厚には自ずと最適範囲が存在し、その値は最小
で１００ｎｍ程度であり、最大で熱拡散長と同程度の１
μｍ程度である。 （３．光吸収層の形成）次に、同図（Ｂ）に示すよう
に、絶縁層１０４上に光吸収層１０５を形成する。この
光吸収層１０５は次の工程で照射する光を効率的に吸収
し、これによる発熱で半導体薄膜１０３を溶融せしめる
という役割を有する。したがって、照射する光の波長領
域と、その波長領域における反射率、吸収係数の関係が
重要となる。光吸収という点では金属膜が圧倒的に有利
である。金属膜中には高濃度のフリーキャリア（電子）
が存在するため、可視光領域の光は高効率で吸収され
る。１００ｎｍ程度の厚さの金属薄膜でも光の透過率は
ほぼ０％であるので、金属膜に光を照射した場合、照射
光の反射成分以外は完全に吸収されると考えることがで
きる。このため、金属薄膜によって効率的に光吸収をさ
せるためには反射率の低い金属薄膜を用いることが重要
となる。図２はスパッタリング法ににより形成したタン
タル（Ｔａ）膜の反射率スペクトルを示す。例えば、ア
ルミニウム（Ａｌ）膜では反射率が９３％以上あるが、
Ｔａ膜の場合、可視光領域である３８０ｎｍ〜７７０ｎ
ｍの広い波長範囲において反射率が３０〜４０％と極め
て低い。よってこのような低反射率の材料を用いること
によって照射した光のエネルギーは効率的に吸収され、
熱変換される。

【００４０】光吸収層１０５のもうひとつの重要な性質
として、融点が半導体薄膜１０３の材料よりも十分に高
い必要がある。溶融状態では多くの物質の反射率が固体
のそれと比較して劇的に変化するからである。本発明で
は、光吸収層１０５で発生した熱の熱伝導で半導体薄膜
１０３を溶融させる必要があるので、光吸収層１０５の
材料が高融点材料であることが必要条件となる。上記の
低反射率、高融点の金属という条件を満たしうる材料と
してはタンタル（Ｔａ）の他に、タングステン（Ｗ）、
モリブデン（Ｍｏ）等がある。これら材料を光吸収層１
０５として絶縁層１０４上に形成する方法としては真空
蒸着法やスパッタリング法がある。これら材料は高融点
金属なのでスパッタリング方が最も有効で、大面積に形
成しうるという点においてもスパッタリング法が有利で
ある。光吸収層１０５の膜厚は光を十分に吸収しうる膜
厚があればよく、おおむね１００ｎｍ以上あれば十分で
ある。 （４．光照射）次に、図１（Ｃ）に示すように、光吸収
層１０５に対して光照射を行う。先にも述べたように、
照射光は光吸収層１０５に効率的に吸収されることが求
められるので、そのスペクトルが重要である。換言すれ
ば、どのような種類の光源を用いるかがその光源の波長
を大きく左右する。本発明に適用し得る光源１００とし
ては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ラ
ンプ、Ｘｅランプ等がある。図２に示すように、Ｔａ膜
の反射率は短波長ほど低いため、短波長に光強度のピー
クを持つ光源が本発明の光照射光源１００としては適し
ている。また大面積での処理を可能にするためには出力
が高いことも要求される。このような理由から、光源１
００としてＸｅランプが最も適している。Ｘｅランプは
ピーク波長を４００ｎｍ付近に有し、出力も２０ｋＷ以
上を達成し得る。光吸収層１０５として、例えばＴａ膜
を用い、光照射の光源１００としてＸｅランプを用いる
と、一辺５０ｃｍの大面積ガラス基板上の半導体薄膜１
０３の結晶化が１回の照射光スキャンで可能となる。

【００４１】図３はライン状にビーム整形されたＸｅラ
ンプ光源からの照射光３０１を光吸収層１０５へ照射す
る様子を模式的に示す図である。光吸収層１０５として
用いられるＴａ膜の実効反射率を４０％、Ｘｅランプの
出力を２５ｋＷ、照射光３０１のビーム長（ビーム長軸
３０２の長さ）を５００ｍｍ、ビーム幅（ビーム短軸３
０３の長さ）を１０ｍｍ、Ｘｅランプ光源と基板１０１
の相対移動速度を毎秒２０ｍｍとし、光吸収層１０５上
にライン状の光照射領域を形成すると、光吸収層１０５
及び半導体薄膜１０３の温度は急激に昇温する。図４に
示すように、照射光３０１のパワー密度プロファイル３
０４はトップフラットなパワー密度プロファイルを有し
ている。上記の方法により光ビーム照射をおこなうと、
基板上の任意点における光照射強度の時間プロファイル
は図５に示すような台形となる。基板上の任意点におけ
る実効光照射時間は、上記プロファイルの上底部分が照
射される５００ｍｓとなり、照射光のパワー密度は５０
０Ｗ／ｃｍ²となる。基板１０１の予備加熱を行い、初
期基板温度を７００Ｋにて前記条件で光照射と同時に光
源１００と基板１０１の相対移動を行うと、光吸収層１
０５及び半導体薄膜１０３は図６に示すような温度とな
る。すなわち、光吸収層１０５と半導体薄膜１０３は５
００ｍｓ程度の短時間で急激に温度上昇し、最高１９６
０Ｋまで達する。これはＴａの融点３２６９Ｋよりは十
分低いが、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の融点
（約１４００Ｋ）より高いので、半導体薄膜１０３であ
るａ−Ｓｉ膜は溶融する。

【００４２】ここで輻射損失や固相から液相へ相変化に
伴うエンタルピー差を考慮しても、半導体薄膜１０３の
温度は融点以上の温度に上昇しうる。照射光と基板１０
１は相対的に移動するので、光照射領域（照射スポッ
ト）が通りすぎる直後に溶融半導体薄膜の温度は低下
し、凝固点にて固化する際に結晶化する。ここで重要な
ことは、照射光と基板１０１が相対的に毎秒２０ｍｍで
移動するので、溶融シリコンから多結晶シリコンへの相
変化も光照射領域の後ろエッジ付近（図１の１０８の位
置）で毎秒２０ｍｍの速度で行われる。この相変化にと
もなう結晶成長は照射光が連続光であるので、照射光の
移動とともに光照射領域の走査方向に連続的に行われ、
結果として光照射領域の走査方向に極めて大きな結晶サ
イズを有する多結晶半導体膜が大面積に、かつ短時間に
形成し得る。例えば、基板サイズが５００ｍｍ×６００
ｍｍの場合、５００ｍｍの辺と光照射領域の長手方向を
平行に配置し、２０ｍｍ毎秒で相対移動させれば、わず
か３０秒でこの大面積基板上に大粒径多結晶半導体薄膜
を形成し得る。本発明の方法により結晶化した多結晶半
導体薄膜は結晶粒径が極めて大きいので、これを例え
ば、薄膜トランジスタの能動層として用いた場合、移動
度が高い高性能トランジスタを実現し得る。ここで示し
た条件では最終的に基板温度が１０００℃程度にも達す
るので適用し得る基板としては石英基板が望ましい。

【００４３】本発明の半導体薄膜の結晶化方法は照射光
源の出力パワーがｋWオーダーのハイパワーで、且つミ
リ秒オーダーの熱処理時間なので、被処理半導体薄膜１
０３の膜厚が１００ｎｍを超える厚さでも結晶化が可能
である。従来のレーザー結晶化法では、１パルスの照射
時間がナノ秒と短く、且つ投入するエネルギー密度とし
て１ｃｍ²あたり１Ｊが実用上の上限なので、１００ｎ
ｍ以上の膜厚の半導体薄膜を結晶化するのは原理的に不
可能であった。これに対して本発明の半導体薄膜の結晶
化方法は、１μｍ程度の膜厚の半導体薄膜でも十分結晶
化ができるので、太陽電池の用途に用いる多結晶シリコ
ン膜の形成にも適用し得るという特徴を有する。

【００４４】更に、本発明の半導体薄膜の結晶化方法を
低温プロセスに適用するためには、初期基板温度、基板
厚さ、基板上任意点における照射光の時間プロファイル
とパワー密度（例えば図５）の関係が極めて重要であ
る。照射光の吸収により光吸収層、半導体薄膜のみでな
く基板温度も上昇するので、たとえば図５の条件では基
板温度が１０００℃程度にまで上昇し、低温プロセス用
のガラス基板には適用し得ない。基板温度が歪点よりも
十分低いことが低温プロセスの条件であるから、このよ
うな条件を満足するような照射方法が本質的に重要であ
る。

【００４５】本発明の半導体薄膜の結晶化方法を低温プ
ロセスに適用するには、初期基板温度を室温にするか、
もしくは処理中に基板冷却をおこなうのが有効である。
但し、大気中にて基板冷却をすると結露の問題があるの
で、これを回避するには基板１０１を真空中にセットし
光照射を行うか、光照射部分のみを冷却するか、あるい
は初期基板温度を室温とし、最終的な基板温度が概ね６
００℃以下になるような照射条件を選定することが重要
となる。

【００４６】図８は基板温度を室温に保持し、６００Ｗ
／ｃｍ²のパワー密度で５００ミリ秒間光照射される条
件にて処理を行った場合の光吸収層１０５／半導体薄膜
１０３（深さｚ＝０ｍｍ）及びガラス基板１０１（１．
１ｍｍ厚）の各深さにおける温度の時間変化を示す。外
部から基板温度制御を行っていないので、吸収された光
エネルギーは熱に変換され、最終的な基板温度はある一
定値に達する。ここで重要なのは、ガラス基板１０１の
極表面付近のみがある短時間に半導体薄膜１０３の融点
以上の高温であっても、その他の部分が６００℃を超え
ないような温度であれば実効的にこのプロセスは低温プ
ロセスとしてガラス基板に適用し得るとうことである。
よって照射時間をできる限り短時間に、且つパワー密度
を高くすることが低温プロセス適用条件となる。この条
件を満たすためには、図７に示すように、基板上の任意
点における光照射時間が５００ミリ秒以下且つ照射パワ
ー密度が６００Ｗ／ｃｍ²であることが条件である。こ
れより長時間の照射を行うと、到達基板温度が６００℃
を超えるし、これより低いパワー密度で照射をおこなう
と半導体薄膜１０３の温度が融点に達し得ない。更に、
基板１０１への熱ダメージを低減せしめ、基板１０１の
熱収縮や反りを低減させるためには、図９に示すよう
に、基板上任意点におけるパワー密度が７００Ｗ／ｃｍ
²以上、且つ照射時間が２００ミリ秒以下であることが
望ましい。これにより、図１０に示すように到達基板温
度が４００℃に抑えられ、基板１０１へのダメージを低
減し得るので、フォトリソグラフィ工程などにおいても
基板１０１の反りが問題にならない。このような条件を
満足するためには、ランプ光を反射光学系及びレンズ光
学系により集光する必要が生ずる場合がある。反射光学
系によりランプ光源から平行光を発生し、これをレンズ
光学系によりビーム幅１ｍｍ程度の細いライン状ビーム
に整形することが可能である。これにより、基板上での
光ビームパワー密度を６００W／cm2以上に向上させるこ
とが可能である。

【００４７】更に、完成デバイスの軽量化を目的として
薄いガラス基板を使用しなければならない場合、たとえ
ば０．５ｍｍ厚のガラス基板を用いる場合は、基板上任
意点にけるパワー密度が１２００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ
照射時間が１００ミリ秒以下であることが要求される。
これは基板厚みが半分以下になると熱容量もこれに比例
して小さくなり、結果、同じ投入パワーでも基板が薄い
ほど到達基板温度が上昇するためである。以上のように
本発明の半導体薄膜の結晶化方法は使用する基板によっ
て光照射条件を精密に制御することが肝要である。更
に、プラスチック基板を使用し、耐熱性が２００℃程度
しか確保できない場合は、照射パワー密度を１５００Ｗ
／ｃｍ²以上以上、且つ照射時間が５０ミリ秒以下であ
ることが要求される。

【００４８】以上述べたように、本発明の半導体薄膜の
結晶化方法では照射パワー密度を増加させ、照射時間を
短くするほど熱処理は非熱平衡的になり、基板１０１の
極表面部分のみが局所的に短時間加熱されることにな
る。照射時間は実際上のプロセス条件としては照射光の
短軸方向の長さと、照射光の基板に対する相対移動速度
で決まる。より非平衡度を高めるためには照射光の短軸
長さを短くするか、速い速度で照射光を移動させればよ
い。一方、照射パワー密度を増加させるには照射光を極
狭い領域に集光させる方法がある。本発明の光源は可視
光であるので、ごく普通のレンズ等の光学系を用いるこ
とが可能である。ただし照射光パワーが強烈なので石英
を用いた光学部品が耐熱性に優れるので望ましい。また
は反射鏡を用いて光を集光させてもよい。

【００４９】照射パワー密度を増加させるもうひとつの
方法としては、図１１に示すように、２つの光源を基板
１０１の表面側及び裏面側に配置し、表面側及び裏面側
の２方向から光照射を行う方法がある。１つのランプ光
源の出力には限界があるので、上下２つのランプ光から
の光照射領域を同一箇所に位置制御することで、実効的
に照射パワー密度を増加させることができる。これら２
つのランプ光の照射位置は完全に同一であってもよい
し、両者を相対的にわずかにずらすことにより、予備加
熱効果や冷却速度制御効果を得るように工夫することも
できる。例えば、図１１に示すように、基板表面を光照
射するランプ７０６が形成する光照射領域に対して、基
板裏面を光照射するランプ７０７が形成する光照射領域
をランプ７０６，７０７の走査方向に対してわずかに後
ろよりに位置するよう制御する。上述したように、光照
射では照射領域の後方エッジ付近で最も半導体薄膜温度
が上昇する。よって、溶融半導体薄膜７０８は同図に示
す位置に発生する。一旦溶融した半導体薄膜１０３は金
属的になるので、基板１０１の裏面側からの照射光の吸
収が起こり、また光吸収層７０５も基板裏面側からの光
照射によって加熱される。この方法によって結晶成長が
おこるポイント、すなわち溶融シリコン７０８と多結晶
シリコン１０６の冷却速度を制御し得るため、多結晶シ
リコン１０６の結晶粒径の制御が可能となる。この場合
のランプ７０６，７０７の各々の光強度プロファイル
を、図１４の７１１，７１２のようにすることができ
る。また、ランプ７０６，７０７の各々の光強度プロフ
ァイルを、図１３の７０９，７１０のようにすれば、ラ
ンプ７０７を予備加熱に用いることも可能である。

【００５０】本発明の半導体薄膜の結晶化方法における
処理時間を短縮するには、照射光源を異なる場所に複数
設置することが効果的である。例えば、図１２に示すよ
うに、照射光源８０６、８０７を基板端および中心に位
置する間隔にて配置し、基板と光源８０６，８０７を相
対的に移動させると同時に２ヶ所の溶融半導体薄膜８０
４、８０５が基板上を移動することになり、これで処理
時間が半分になる。複数の光源を配置することにより、
本発明の半導体薄膜の結晶化方法における処理時間をさ
らに３分の１、４分の１と短縮しうることは明白であ
る。

【００５１】本発明の半導体薄膜の結晶化方法における
特徴として、半導体薄膜の精製効果がある。一般的にＣ
ＶＤ法やスパッタリング法により形成した半導体薄膜中
には多くの不純物が含まれる。本発明の半導体薄膜の形
成方法では溶融半導体薄膜が光源の走査方向に移動する
ので、半導体中の不純物は偏析により除去され、結果的
に半導体薄膜の純度を高める事ができるのである。した
がって、溶融半導体薄膜が半導体薄膜中を複数回移動す
ることにより、結晶純度を高めることができる。ここで
照射光を複数回照射する場合でも処理時間を増加させな
いためには、上述したように、複数の光源を用い、基板
上の複数箇所で半導体薄膜の溶融、再結晶化を行うのが
有効である。但し、膜中不純物は最終的に光照射を停止
した位置に偏析するので、例えば、基板上の半導体素子
形成領域以外の位置に光照射の停止位置がくるように光
源の移動を制御するのが望ましい。不純物の偏析位置を
より精密に制御したい場合は、光吸収層をパターニング
する方法が有効である。すなわち、あらかじめ不純物を
偏析させる場所の上部に位置する光吸収層をフォトリソ
グラフィーとエッチング等の手段により除去しておけば
よいのである。フォトリソグラフィーではミクロンオー
ダーでのパターン形成が可能であるから、半導体薄膜中
の不純物が光吸収層の途切れる位置にはき集められるの
であるが、その位置を精密に制御できる。不純物が偏析
により掃き集められる位置を半導体素子形成領域以外に
しておけば、半導体素子として用いられる半導体薄膜は
高純度で、不純物領域はエッチングで除去されることに
なり、高品質の多結晶半導体膜を得る事ができるのであ
る。

【００５２】本発明の半導体薄膜の結晶化方法において
は、光照射を行う際に光吸収層１０５が変質しないよう
に注意することが必要である。短時間ではあるものの、
光吸収層１０５は高温になるため、酸化性雰囲気では光
吸収層１０５の金属が容易に酸化してしまう。たとえば
大気雰囲気中で光吸収層にＴａを用いて光照射をおこな
うと、光吸収層１０５は酸化されてＴａ₂Ｏ₅になってし
まう。同酸化膜は光を吸収しないので、光吸収層１０５
としての役割を果たさなくなってしまうのである。よっ
て、光照射中に酸化した部分は光吸収が起こらず、結果
として光吸収層１０５やその下の半導体薄膜１０３の温
度が上昇しなくなる。これを防止するには２通りの方法
がある。第１の方法は、光照射をＡｒガスなどの不活性
ガス雰囲気中で行う方法である。これにより、光吸収層
１０５の酸化は完全に抑えられるので、上述の問題は起
こらない。但し、この方法を実行するには雰囲気制御の
ために処理装置にロードロック室を設ける必要があり、
装置コストの上昇を招く。これを鑑み、第２の方法は、
図１６に示すように、光吸収層１０５上に酸化防止層１
２０を設ける方法である。たとえば１００ｎｍ以上の厚
さのＳｉＯ₂膜を光吸収層１０５の上に設けることによ
り、光照射中の光吸収層１０５の酸化は完全に防止する
ことができるのである。以上の方法により、安定した熱
処理が可能となるのである。 （５．欠陥終端処理）上述の製法によって形成した多結
晶半導体薄膜１０６を、例えば、薄膜トランジスタの能
動層として用いるために、酸化防止層１２０、光吸収層
１０５及び絶縁層１０４をエッチングで除去する。する
と、図１５（Ｄ）に示すように、多結晶シリコン膜１０
６が表面に露出する。図１５（Ａ）〜（Ｃ）は各々図１
（Ａ）〜（Ｃ）に対応している。この様にして多結晶シ
リコン膜１０６が露出した状態で、次にこの多結晶シリ
コン膜１０６中の欠陥終端処理を行う。上述の光照射に
より結晶化した多結晶シリコン膜１０６は極めて大きな
結晶粒径を有するが、結晶粒界には高濃度の欠陥が発生
している。これらは主にダングリングボンドである。こ
の欠陥を水素終端しておかないと、キャリア捕獲準位と
して働き、結果として薄膜トランジスタの閾値電圧の上
昇を招く。これを防止するため、水素プラズマ又は酸素
プラズマ処理によりシリコンの未結合手を水素で終端さ
せる。基板温度２５０〜３００℃、ガス圧力を１Ｔｏｒ
ｒ程度とし、ＲＦ放電のパワー密度を０．１〜０．５Ｗ
／ｃｍ²として、水素プラズマならば５０ｎｍ程度の多
結晶シリコン膜に対して２分、酸素プラズマならば２０
分程度の処理時間が必要である。 （６．以降のプロセス）上述の製造プロセスにより極め
て高品質の多結晶シリコン膜１０６を得る事ができる。
次に、図１５（Ｅ）に示すように、この多結晶半導体膜
１０６をエッチングによりパターニングする。引き続い
て、プラズマＣＶＤ、スパッタリング法等を用いてゲー
ト絶縁層１１０を成膜する。次いで、図１５（Ｆ）に示
すように、ゲート電極１１２となる薄膜をＰＶＤ法或い
はＣＶＤ法などで堆積する。この材質は電気抵抗が低
く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事が望ま
れ、例えば、タンタル、タングステン、クロム等の高融
点金属がふさわしい。後述するイオン注入によって、ソ
ース、ドレインを形成する場合、水素のチャネリングを
防止するためにゲート電極１１２の膜厚がおよそ７００
ｎｍ程度必要になる。上述の高融点金属の中で、７００
ｎｍもの膜厚で成膜しても膜ストレスによるクラックが
生じない材料となると、タンタルが最もふさわしい。ゲ
ート電極１１２となる薄膜を堆積後、パターニングを行
い、引き続いて多結晶シリコン膜１０６に不純物イオン
注入を行ってソース／ドレイン領域１１１を形成する。
このとき、ゲート電極１１２がイオン注入のマスクとな
っているので、チャネルはゲート電極１１２下のみに形
成される自己整合構造となる。

【００５３】不純物イオン注入は質量非分離型イオン注
入装置を用いて注入不純物元素の水素化物と水素を注入
するイオン・ドーピング法と、質量分離型イオン注入装
置を用いて所望の不純物元素のみを注入するイオン打ち
込み法の二種類が適応され得る。イオン・ドーピング法
の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度０．１％程
度から１０％程度のホスフィン（ＰＨ₃）やジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）等の注入不純物元素の水素化物を用いる。イ
オン打ち込み法では、所望の不純物元素のみを注入した
後に引き続いて水素イオン（プロトンや水素分子イオ
ン）を注入する。前述の如くＭＯＳ界面やゲート絶縁層
を安定に保つ為には、イオン・ドーピング法にしろイオ
ン打ち込み法にしろイオン注入時の基板温度は３５０℃
以下である事が好ましい。

【００５４】一方、注入不純物の活性化を３５０℃以下
の低温にて常に安定的に行うには（本明細書ではこれを
低温活性化と称する）、イオン注入時の基板温度は２０
０℃以上である事が望ましい。トランジスタのしきい値
電圧を調整する為にチャンネル・ドープ行うとか、或い
はＬＤＤ構造を作製すると云った様に低濃度に注入され
た不純物イオンを低温で確実に活性化するには、イオン
注入時の基板温度は２５０℃以上である事が必要とな
る。この様に基板温度が高い状態でイオン注入を行う
と、半導体膜のイオン注入に伴う結晶壊破の際に再結晶
化も同時に生じ、結果としてイオン注入部の非晶質化を
防ぐ事が出来るのである。即ちイオン注入された領域は
注入後も依然として結晶質として残り、その後の活性化
温度が３５０℃程度以下と低温で有っても注入イオンの
活性化が可能に成る訳である。ＣＭＯＳ ＴＦＴを作製
する時はポリイミド樹脂等の適当なマスク材を用いてＮ
ＭＯＳ又はＰＭＯＳの一方を交互にマスクで覆い、上述
の方法にてそれぞれのイオン注入を行う。

【００５５】また、不純物の効率的な活性化法としてエ
キシマレーザーなどを照射するレーザー活性化がある。
これは絶縁層１１０を通してレーザー照射することによ
り、ソース／ドレイン領域１１１のドープ多結晶シリコ
ンを溶融、固化させ、不純物を活性化させる方法であ
る。次に、図１５（Ｇ）に示すように、ソース／ドレイ
ン領域１１１上にコンタクトホールを開孔し、ソース／
ドレイン引き出し電極１１３をＰＶＤ法やＣＶＤ法など
で形成して薄膜トランジスタが完成する。 （実施例１）本発明の第１の実施例を図１を参照して説
明する。本実施例で用いられる基板１０１及び下地保護
膜１０２に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基
板１０１の一例として、３００ｍｍ×３００ｍｍの正方
形状汎用無アルカリガラスを用いた。まず、基板１０１
上に絶縁性物質である下地保護膜１０２を形成する。こ
こでは基板温度を１５０℃としてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法
にて２００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積し
た。次に、後に薄膜トランジスタの能動層となる真性シ
リコン膜等の半導体薄膜１０３を５０ｎｍ程度の膜厚に
堆積した。本実施例では、高真空型ＬＰＣＶＤ装置を用
いて、原料ガスであるジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を２００Ｓ
ＣＣＭ流し、４２５℃の堆積温度で非晶質シリコン膜を
堆積した。

【００５６】半導体薄膜１０３を堆積するため、まず高
真空型ＬＰＣＶＤ装置の反応室を２５０℃とした状態で
反応室の内部に複数枚（例えば１７枚）の基板１０１を
表側を下向きとして配置し、ターボ分子ポンプの運転を
開始した。ターボ分子ポンプが定常回転に達した後、反
応室内の温度を約１時間掛けて２５０℃から４２５℃の
堆積温度に迄上昇させ、昇温開始後の最初の１０分間は
反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温を行い、しか
る後、純度が９９．９９９９％以上の窒素ガスを３００
ＳＣＣＭ流し続けた。この時の反応室内における平衡圧
力は、３．０×１０^-3Ｔｏｒｒであった。堆積温度に到
達した後、原料ガスであるジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を２０
０ＳＣＣＭ流すと共に、純度が９９．９９９９％以上の
希釈用ヘリウム（Ｈｅ）を１０００ＳＣＣＭ流した。堆
積開始直後の反応室内圧力はおおよそ０．８５Ｔｏｒｒ
である。堆積の進行と共に反応室内の圧力は徐々に上昇
し、堆積終了直前の圧力はおおよそ１．２５Ｔｏｒｒと
成った。このようにして堆積した半導体薄膜１０３は基
板の周辺部約７ｍｍを除いた２８６ｍｍ角の領域内に於
いて、その膜厚変動は±５％以内である。

【００５７】次に、絶縁層１０４を形成した。ここで
は、ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程度の膜厚を
有する酸化硅素膜を堆積した。原料ガスとしてＳｉＨ₄
とＯ₂をそれぞれ３０ｓｃｃｍおよび４０ｓｃｃｍ流
し、基板を１００℃に加熱した状態でプラズマ放電を開
始し、成膜を行った。次に、光吸収層１０５として、Ｔ
ａＮ／Ｔａ積層膜をスパッタリングにより１５０ｎｍ形
成した。密着性を向上させるために、Ｔａ膜の下には窒
素雰囲気中でＴａスパッタリングすることによってＴａ
Ｎを５０ｎｍ形成し、真空中連続でＴａ膜を１００ｎｍ
形成した。この後、１μｍ付近に強度ピークを持つハロ
ゲンランプ光１００を長軸３００ｍｍ、短軸５ｍｍのラ
イン状に整形し、パワー密度７００Ｗ／ｃｍ²にて光吸
収層１０５側から照射した。光吸収層１０５の酸化を防
ぐために、光照射はＡｒガス雰囲気中にて行った。基板
温度の上昇を抑えるため、基板１０１を毎秒２０ｍｍの
速度で照射光の短軸方向にスキャンした。任意点におけ
る光照射時間は２００ｍｓである。これにより照射領域
後方エッジ付近に溶融シリコン層１０７が形成され、基
板１０１とともに固液界面１０８にて結晶成長が起こ
り、最終的には基板全面に多結晶シリコン層１０６を形
成した。このような方法により、幅が２０〜５０μｍ、
長さが１００μｍ以上の大粒径多結晶シリコン膜を形成
できる。本発明の半導体薄膜の結晶化方法では基板温度
はたかだか４００℃程度にまでしか上昇せず、従来の無
アルカリガラスでも十分耐え得る。よって、低温プロセ
スで結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を容易に形成し
うるのである。 （実施例２）本発明の第２の実施例を図１６を参照して
説明する。光吸収層１０５を形成する方法は実施例１と
まったく同様である。しかる後に、光吸収層１０５上に
酸化防止層１２０としてＳｉＯ₂膜を１００ｎｍ形成し
た。これは絶縁層１０４を形成した方法とまったく同様
の方法にて行った。このような試料構造を用いることに
より、不活性ガス雰囲気にてランプ光源１００による光
照射を行う必要がなくなり、雰囲気を制御する必要がな
くなる。本実施例では、大気中にて実施例１と全く同様
の光照射条件にて光照射を行った。この方法によっても
実施例１とまったく同様の大粒径多結晶シリコン膜を得
ることができた。 （実施例３）本発明の第３の実施例では、光照射条件を
変えて半導体薄膜の結晶化を行った。被処理基板の作製
方法は実施例２とまったく同じである。光源１００とし
て、波長１μｍ付近に強度ピークを持つハロゲンランプ
光を長軸３００ｍｍ、短軸１ｍｍのライン状に整形し、
パワー密度１５００Ｗ／ｃｍ²にて光吸収層１０５側か
ら照射した。基板１０１の温度上昇を抑えるため、光源
１００を毎秒２０ｍｍの速度で照射光の短軸方向にスキ
ャンした。任意点における光照射時間は５０ｍｓであ
る。これにより、基板１０１の温度上昇は更に低下で
き、たかだか１８０℃までしか上昇しない。なお且つ、
大粒径多結晶シリコン膜は実施例１、２と同品質のもの
が形成し得る。本実施例では基板１０１としてガラス基
板を用いたが、この結果からガラスの代わりにプラステ
ィック基板を用いても本発明の半導体薄膜の結晶化法方
が適用し得ることを確認できた。 （実施例４）本発明の第４の実施例を説明する。本実施
例で用いる試料構造は実施例１又はは２のいずれの構造
でも構わないが、ここでは実施例２の構造を用いた。光
照射は実施例２と同様、光源１００として、１μｍ付近
に強度ピークを持つハロゲンランプを用い、長軸３００
ｍｍ、短軸５ｍｍのライン状に整形し、パワー密度７０
０Ｗ／ｃｍ²にて光吸収層１０５側から移動速度毎秒２
０ｍｍにて照射した。但し、本実施例では、半導体薄膜
の純度を上げるために、この光照射を基板全面に対して
１０回繰り返した。 （実施例５）本発明の薄膜トランジスタの製造方法の実
施例を図１５を参照して説明する。本実施例では実施例
１乃至４の方法により形成した多結晶シリコン膜を能動
層として用いた。実施例１乃至４の光照射を行った後、
光吸収層１０５及び絶縁層１０４をエッチングにより除
去した。光吸収層１０５であるＴａ若しくはＴａＮ層は
ＣＦ₄とＯ₂混合ガスをリモートプラズマ放電させ、発生
するラジカルを用いてドライエッチングにより除去し
た。絶縁層１０４であるＳｉＯ₂膜のエッチングには５
％ＨＦ液を用いた。またこのようにして、多結晶シリコ
ン膜１０６が露出した基板をプラズマ処理チャンバーへ
セットする。プラズマ処理チャンバーでは基板温度は２
５０℃とし、水素ガスを８０ｓｃｃｍ流し、圧力１Ｔｏ
ｒｒで平行平板ＲＦ電極を用いて１ｋＷのパワーでプラ
ズマ放電を行った。これにより多結晶シリコン膜１０６
の捕獲準位（欠陥）不活性化処理および表面の水素終端
処理を１６０秒行った。この後、多結晶シリコン膜１０
６上にフォトリソグラフィによりフォトレジストパター
ンを形成し、ＣＦ₄とＯ₂混合ガスを用いたリモートプラ
ズマ放電によるドライエッチングを行った。

【００５８】島状にパターニングされた多結晶シリコン
膜１０６上にゲート絶縁層１１０を形成するために、基
板を絶縁層形成チャンバーへセットした。チャンバー内
を１０^-6Tｏｒｒ台の真空度に排気した後、シランガス
と酸素ガスを流量比１：６で導入し、チャンバー圧力を
２×１０^-3Ｔｏｒｒに調節した。チャンバー内のガス圧
力が安定したらＥＣＲ放電を開始し、ゲート絶縁層１１
０の成膜を開始した。投入したマイクロ波パワーは１ｋ
Ｗで、マイクロ波は磁力線に平行に導入窓から導入し
た。導入窓から１４ｃｍの位置にＥＣＲポイントがあ
る。成膜は１０（ｎｍ／ｍｉｎ）の成膜速度で行った。
これにより、ゲート絶縁層１１０を１００ｎｍ形成し
た。引き続いてゲート電極１１２となる薄膜をＰＶＤ法
或いはＣＶＤ法などで堆積した。

【００５９】通常はゲート電極とゲート配線は同一材料
にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が低
く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事が望ま
れる。本例では膜厚が６００ｎｍのタンタル薄膜をスパ
ッタ法により形成した。タンタル薄膜を形成する際の基
板温度は１８０℃であり、スパッタガスとして窒素ガス
を６．７％含むアルゴンガスを用いた。このように形成
したタンタル薄膜は結晶構造がα構造と成っており、そ
の比抵抗はおおよそ４０μΩｃｍである。ゲート電極１
１２となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続い
て多結晶シリコン膜１０６に不純物イオン注入を行って
ソース／ドレイン領域１１１及びチャネル領域を形成し
た。このとき、ゲート電極１１２がイオン注入のマスク
となっているため、チャネルはゲート電極１１２下のみ
に形成される自己整合構造となる。イオン・ドーピング
法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度０．１％
程度から１０％程度のホスフィン（ＰＨ₃）やジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）等の注入不純物元素の水素化物を用いる。本
例ではＮＭＯＳ形成を目指し、イオン・ドーピング装置
を用いて、水素中に希釈された濃度５％のホスフィン
（ＰＨ₃）を加速電圧１００ｋｅＶで注入した。ＰＨ₃ ^＋
やＨ₂ ^＋イオンを含む全イオン注入量量は１×１０¹⁶ｃ
ｍ^-2である。次に、ソース／ドレイン領域１１１上にコ
ンタクトホールを開孔し、ソース／ドレイン引き出し電
極１１３と配線をＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄
膜トランジスタが完成する。

【００６０】従来の技術では、結晶粒径が大きく、且つ
捕獲準位（欠陥）密度の低い高品質な多結晶シリコン膜
を低温で、且つ高いスループットで形成する有効なプロ
セスが明確でなかった。しかし、上述したように、本発
明の半導体薄膜の結晶化方法及び薄膜トランジスタの製
造方法を用いることによって、極めて高品質な多結晶シ
リコン膜形成が可能となる。結果として高移動度、低し
きい値電圧でなお且つバラツキの極めて少ない薄膜トラ
ンジスタの製造が可能となり、超低消費電力回路の実現
が可能となる。

【００６１】尚、本発明の製造方法により得られた薄膜
トランジスタは、液晶表示装置のスイッチング素子とし
て、或いはエレクトロルミネセンスディスプレイの駆動
素子として利用することができる。図１７はアクティブ
マトリクス方式で駆動する電気光学装置１０の画素領域
の回路構成図であり、各画素は、電界発光効果により発
光可能な発光層ＯＬＥＤ、それを駆動するための電流を
記憶する保持容量Ｃ、本発明の製造方法で製造される薄
膜トランジスタＴ１及びＴ２を備えて構成されている。
走査線ドライバ２０からは、選択信号線Ｖselが各画素
に供給されている。データ線ドライバ３０からは、信号
線Ｖsig及び電源線Ｖddが各画素に供給されている。選
択信号線Ｖselと信号線Ｖsigを制御することにより、各
画素に対する電流プログラムが行われ、発光部ＯＬＥＤ
による発光が制御される。

【００６２】本発明の製造方法により得られた薄膜トラ
ンジスタは電気光学装置を備える各種の電子機器に適用
可能である。図１８に電気光学装置を適用可能な電子機
器の例を挙げる。同図（ａ）は携帯電話への適用例であ
り、携帯電話２３０は、アンテナ部２３１、音声出力部
２３２、音声入力部２３３、操作部２３４、及び本発明
の電気光学装置１０を備えている。このように本発明の
電気光学装置１０を携帯電話２３０の表示部として利用
可能である。同図（ｂ）はビデオカメラへの適用例であ
り、ビデオカメラ２４０は、受像部２４１、操作部２４
２、音声入力部２４３、及び本発明の電気光学装置１０
を備えている。このように本発明の電気光学装置は、フ
ァインダーや表示部として利用可能である。同図（ｃ）
は携帯型パーソナルコンピュータへの適用例であり、コ
ンピュータ２５０は、カメラ部２５１、操作部２５２、
及び本発明の電気光学装置１０を備えている。このよう
に本発明の電気光学装置は、表示部として利用可能であ
る。

【００６３】同図（ｄ）はヘッドマウントディスプレイ
への適用例であり、ヘッドマウントディスプレイ２６０
は、バンド２６１、光学系収納部２６２及び本発明の電
気光学装置１０を備えている。このように本発明の電気
光学装置は画像表示源として利用可能である。同図
（ｅ）はリア型プロジェクターへの適用例であり、プロ
ジェクター２７０は、筐体２７１に、光源２７２、合成
光学系２７３、ミラー２７４、ミラー２７５、スクリー
ン２７６、及び本発明の電気光学装置１０を備えてい
る。このように本発明の電気光学装置は画像表示源とし
て利用可能である。同図（ｆ）はフロント型プロジェク
ターへの適用例であり、プロジェクター２８０は、筐体
２８２に光学系２８１及び本発明の電気光学装置１０を
備え、画像をスクリーン２８３に表示可能になってい
る。このように本発明の電気光学装置は画像表示源とし
て利用可能である。

【００６４】上記例に限らず本発明の電気光学装置１０
は、アクティブマトリクス型の表示装置を適用可能なあ
らゆる電子機器に適用可能である。例えば、この他に、
表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファイ
ンダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電
光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイなどにも活用するこ
とができる。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、結晶粒径の大きい高品
質の多結晶半導体膜を低温プロセスを用いて大面積に形
成することが可能となる。また、本発明の薄膜トランジ
スタの製造方法によれば、高品質の多結晶半導体膜を薄
膜トランジスタの能動層に用いることにより、高性能な
薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体薄膜の結晶化方法を示した製造
工程断面図である。

【図２】Ｔａ膜の反射率スペクトルを示した図である。

【図３】光照射方法の説明図である。

【図４】照射光の短軸方向のパワー密度プロファイルを
示した図である。

【図５】照射光の照射時間プロファイルの説明図であ
る。

【図６】光吸収層及び半導体層の温度上昇のを示す図で
ある。

【図７】照射光の照射時間プロファイルの説明図であ
る。

【図８】光吸収層及び半導体層の温度上昇のを示す図で
ある。

【図９】照射光の照射時間プロファイルの説明図であ
る。

【図１０】光吸収層及び半導体層の温度上昇のを示す図
である。

【図１１】光照射方法の説明図である。

【図１２】光照射方法の説明図である。

【図１３】照射光のパワー密度プロファイルの説明図で
ある。

【図１４】照射光のパワー密度プロファイルの説明図で
ある。

【図１５】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示し
た製造工程断面図である。

【図１６】本発明の半導体薄膜の結晶化方法の他の形態
の説明図である。

【図１７】本発明の電気光学装置の回路構成図である。

【図１８】本発明の電気光学装置を備える電子機器の例
示を示す図である。

【符号の説明】

１０１…基板 １０２…下地絶縁層 １０３…半導体膜 １０４…絶縁層 １０５…光吸収層 １０６…多結晶シリコン膜 １０７…溶融シリコン層 １０８…固液界面（結晶成長点） １００…ランプ光源 １１０…ゲート絶縁層 １１１…ソース／ドレイン領域 １１２…ゲート電極 １１３…ソース／ドレイン電極 １２０…酸化防止層 ３０１…ライン状照射光 ３０２…ビーム長軸 ３０３…ビーム短軸

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 29/786 Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｊ Ｆターム(参考） 2H088 EA12 EA22 EA25 MA09 MA20 2H092 JA24 JA28 KA04 KA05 MA28 NA21 NA25 NA27 RA05 RA10 5F052 AA28 CA04 DA01 DA02 DA03 DA04 DA05 DA06 DB02 DB03 DB04 DB07 EA02 JA01 JA09 5F110 AA30 BB01 BB04 CC02 DD01 DD02 DD03 DD05 DD13 DD14 EE04 EE43 EE44 EE45 FF02 FF28 FF30 GG01 GG02 GG03 GG04 GG13 GG25 GG42 GG43 GG45 GG47 GG58 HJ01 HJ12 HJ13 HJ23 HL23 HL24 HM15 PP02 PP05 PP11 QQ11 QQ25

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非晶質又は多結晶の半導体膜を基板上に
   堆積する工程と、 前記半導体膜上に絶縁層を積層する工程と、 前記絶縁層上に光吸収層を積層する工程と、 光源から照射光を照射し、露光面上に形成される照射領
   域を走査する一方で、前記半導体膜中に形成される溶融
   領域を前記照射領域の走査方向に沿って移動させつつ、
   前記半導体膜を溶融結晶化させる工程とを備える、半導
   体膜の結晶化方法。
2. 【請求項２】 前記光照射は、不活性ガス雰囲気中にて
   行う、請求項１に記載の半導体膜の結晶化方法。
3. 【請求項３】 非晶質又は多結晶の半導体膜を基板上に
   堆積する工程と、 前記半導体膜上に絶縁層を積層する工程と、 前記絶縁層上に光吸収層を積層する工程と、 前記光吸収層上に酸化防止層を積層する工程と、 光源から照射光を照射し、露光面上に形成される照射領
   域を走査する一方で、前記半導体膜中に形成される溶融
   領域を前記照射領域の走査方向に沿って移動させつつ、
   前記半導体膜を溶融結晶化させる工程とを備える、半導
   体膜の結晶化方法。
4. 【請求項４】 前記光照射は、基板上の任意点において
   パワー密度が６００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間が５
   ００ミリ秒以下である、請求項１乃至請求項３のうち何
   れか１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
5. 【請求項５】 前記光照射は、基板上の任意点において
   パワー密度が７００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間が２
   ００ミリ秒以下である、請求項１乃至請求項３のうち何
   れか１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
6. 【請求項６】 前記光照射は、基板上の任意点にけるパ
   ワー密度が１２００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間が１
   ００ミリ秒以下である、請求項１乃至請求項３のうち何
   れか１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
7. 【請求項７】 前記光照射は、基板上の任意点において
   パワー密度が１５００Ｗ／ｃｍ²以上、且つ照射時間が
   ５０ミリ秒以下である、請求項１乃至請求項３のうち何
   れか１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
8. 【請求項８】 前記光吸収層としてタンタル、タングス
   テン、モリブデンのうち何れかの薄膜を用いる、請求項
   １乃至請求項７のうち何れか１項に記載の半導体膜の結
   晶化方法。
9. 【請求項９】 前記光源として、露光面への照射領域が
   ライン状となるようにビーム整形されたランプ光を用い
   る、請求項１乃至請求項８のうち何れか１項に記載の半
   導体膜の結晶化方法。
10. 【請求項１０】 前記光照射は、基板を室温下にて、又
    は冷却しながら行う、請求項１乃至請求項９のうち何れ
    か１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
11. 【請求項１１】 前記光照射は、複数の光源を用いて、
    前記基板の表面及び裏面に対する２方向から行う、請求
    項１乃至請求項１０のうち何れか１項に記載の半導体膜
    の結晶化方法。
12. 【請求項１２】 前記基板の表面への照射領域位置と、
    裏面への照射領域位置とを、相対的にずらして光照射を
    行う、請求項１１に記載の半導体膜の結晶化方法。
13. 【請求項１３】 前記光照射は、基板と照射光を１方向
    に相対的に移動させながら基板全面を少なくとも２回以
    上走査する、請求項１乃至請求項１２のうち何れか１項
    に記載の半導体膜の結晶化方法。
14. 【請求項１４】 前記光照射は、前記光吸収層の一部を
    除去した後に行う、請求項１乃至請求項１３のうち何れ
    か１項に記載の半導体膜の結晶化方法。
15. 【請求項１５】 請求項１乃至請求項１４のうち何れか
    １項に記載の方法により形成した半導体膜を能動層とし
    て薄膜トランジスタを製造する、薄膜トランジスタの製
    造方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法により製造さ
    れた薄膜トランジスタを表示画素の駆動素子として備え
    る、電気光学装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の電気光学装置を備
    える、電子機器。