JP2003151904A - 半導体薄膜の結晶化方法、半導体薄膜、及び、薄膜半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体薄膜の結晶化方法、半導体薄膜、及
び、薄膜半導体装置に関し、ほぼ〈１００〉方位に揃っ
たら結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、より高移動度
で且つ特性の均一な半導体デバイスを提供することを目
的とする。 【解決手段】 絶縁性基板１上に形成された少なくとも
Ｓｉを主成分とする非単結晶半導体薄膜３にエネルギー
ビーム４を照射して表面に対する結晶方位がほぼ〈１０
０〉方位である多結晶半導体薄膜５を形成したのち、多
結晶半導体薄膜５に連続発振のレーザビーム６を照射す
ることによって結晶方位がほぼ〈１００〉方位でより大
粒径の結晶化半導体薄膜７を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の結晶化
方法、半導体薄膜、及び、薄膜半導体装置に関するもの
であり、特に、液晶表示装置の画素スイッチング素子、
或いは、データドライバ及びゲートドライバ等として用
いる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成するための大結
晶粒の多結晶シリコン薄膜の結晶方位を整列させるため
の構成に特徴のある半導体薄膜の結晶化方法、半導体薄
膜、及び、薄膜半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示装置は小型・軽量・低消
費電力であるため、ＯＡ端末やプロジェクター等に使用
されたり、或いは、携帯可能性を利用して小型液晶テレ
ビ等に使用されており、特に、高品質液晶表示装置用に
は、画素毎にスイッチング用のアクティブ素子を設けた
アクティブマトリクス型液晶表示装置が用いられてい
る。

【０００３】近年、この様なアクティブマトリクス型液
晶表示装置においては、高移動度が得られ周辺回路の同
時形成が可能な多結晶シリコンＴＦＴが実用化され始め
ており、そのために、任意の大面積の絶縁膜上に結晶性
が良く均一なシリコン薄膜を形成することが要請されて
いる。

【０００４】この様な多結晶シリコンＴＦＴに用いる高
品質の多結晶シリコン膜としては、ガラス基板等の透明
絶縁性基板上に非晶質シリコン、即ち、アモルファスシ
リコン膜や多結晶シリコン膜等の非単結晶シリコン膜を
成膜した後、紫外波長・短パルスのエキシマレーザを照
射することで、ガラス基板に影響を与えず非単結晶シリ
コン膜のみを溶融結晶化させて結晶化シリコン膜を得る
方法が主流となっている。

【０００５】ここで、図６を参照して、従来のシリコン
膜の結晶化工程を説明する（必要ならば、特開平１０−
４１２３４号公報参照）。 図６（ａ）参照 まず、石英基板３１上に、厚さが５０ｎｍのＳｉＮ膜３
２及び厚さが１００ｎｍＳｉＯ₂ 膜３３を介して、プラ
ズマＣＶＤ法を用いて厚さが３０ｎｍのアモルファスシ
リコン膜３４を堆積させる。

【０００６】図６（ｂ）参照 次いで、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを
用いて、幅Ｗが４００μｍで、長さが１５０ｍｍのビー
ム形状のパルスレーザビーム３５を３２０ｍＪ／ｃｍ²
の照射量で、０．１〜５％の移動割合（Ｌ／Ｗ）でスキ
ャンニング、例えば、スキャンニングステップＬを４μ
ｍで、即ち、１％（＝４μｍ／４００μｍ）の移動割合
でスキャンニングする。

【０００７】図６（ｃ）参照 この様なスキャンニングをアモルファスシリコン膜３４
の全面に対して行うことによってアモルファスシリコン
膜３４を結晶化シリコン膜３６に変換する。この様な結
晶化シリコン膜３６においては、結晶化シリコン膜３６
を構成する結晶粒の約３０％の露出している結晶面方位
が（１００）面であることが報告されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この様に、現在、大面
積化に対応した高出力、線状ビームのエキシマレーザー
が開発されているものの、レーザ結晶化によって得られ
る結晶化シリコン膜は照射エネルギー密度だけでなくビ
ームプロファイルや膜表面の状態等の影響を受けやす
く、結晶粒径の大きなものを大面積に均一に形成するの
は困難であるという問題がある。

【０００９】また、結晶化シリコン膜における各結晶粒
の結晶方位を揃えることは困難であり、上記の従来例の
場合には、約３０％が〈１００〉方位になるだけであ
り、高性能なＴＦＴを均一に構成するには必ずしも十分
ではなかった。

【００１０】一方、この様なパルスレーザビームを用い
た結晶化の問題を解決するためには、連続発振のレーザ
ビームを用いれば良いことが知られているが、この場合
には結晶方位の制御がより困難になるという問題がある
ので、この事情を図７を参照して説明する。

【００１１】図７参照 図７は、従来の連続発振レーザビームを用いた場合の結
晶化シリコン膜の顕微鏡写真を模写した図であり、図に
示すように、連続発振のレーザビームを用いることによ
って大粒径の結晶化シリコン膜４１が得られることが理
解される。なお、図における符号４２は結晶粒界であ
る。

【００１２】しかし、この場合の各結晶粒の面方位の制
御は難しく、結晶化シリコン膜４１の膜厚が１００ｎｍ
以上では〈１００〉方位が主流になり、１００ｎｍ以下
では〈１１１〉方位が主流になるという傾向があること
が知られており、〈１００〉方位の方が高移動度が得ら
れＴＦＴに適していることが知られているが、通常のＴ
ＦＴに用いられる１００ｎｍ以下の薄膜では〈１００〉
方位を得ることが困難であるという問題がある。

【００１３】したがって、連続発振のレーザビームを用
いたラテラル結晶化によって得られる結晶化シリコン膜
４１を用いてＴＦＴを作製した場合、チャネル領域に含
まれる結晶粒の方位によって移動度がばらつき易いとい
う問題がある。

【００１４】また、プロセスの容易性やリーク電流の観
点からは、薄膜化が望まれるが、膜厚が薄くなると結晶
粒径が小さくなる上、上述のように〈１１１〉方位が主
流になり、高移動度が得られ難いという問題がある。

【００１５】したがって、本発明は、ほぼ〈１００〉方
位に揃った結晶粒からなる半導体薄膜を形成し、より高
移動度で且つ特性の均一な半導体デバイスを提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図１（ａ）及び（ｂ）参照 上記の目的を達成するため、本発明は、半導体薄膜の結
晶化方法において、絶縁性基板１上に形成された少なく
ともＳｉを主成分とする非単結晶半導体薄膜３にエネル
ギービーム４を照射して表面に対する結晶方位がほぼ
〈１００〉方位である多結晶半導体薄膜５を形成したの
ち、多結晶半導体薄膜５に連続発振のレーザビーム６を
照射して、特に、多結晶半導体薄膜５が、完全溶融して
ラテラル結晶化が起こるより低いエネルギー或いは速い
走査速度で照射することによって結晶方位がほぼ〈１０
０〉方位でより大粒径の結晶化半導体薄膜７を得ること
を特徴とする。なお、本願明細書における「ほぼ〈１０
０〉方位」とは、厳密な〈１００〉方位のみならず、
〈１１０〉方位や〈１１１〉方位、或いは、〈２１１〉
方位等の基本的な結晶方位からみた場合、実効的に〈１
００〉方位とみなせる方位を意味する。

【００１７】上記のエネルギービームの照射工程によっ
て、１００ｎｍ以下の薄い半導体薄膜においても、〈１
００〉方位の結晶粒が主体の多結晶半導体薄膜５を得る
ことができ、また、連続発振のレーザビーム６の照射工
程によって、溶融しなかった部分を核として〈１００〉
方位の結晶粒を拡大させて、より大粒径の〈１００〉方
位の結晶化半導体薄膜７を形成することができる。な
お、この場合、下地絶縁膜２を介して非単結晶半導体薄
膜３を設けることが望ましい。

【００１８】この場合の、エネルギービーム４として
は、必ずしもパルスレーザビームである必要はないが、
非単結晶半導体薄膜３で完全に吸収され、且つ、絶縁性
基板１に影響を与えない紫外域のレーザビームが望まし
く、且つ、少なくともＳｉを主成分とする非単結晶半導
体薄膜３としては、ＳｉＧｅ薄膜等でも良いが、非晶質
シリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜、或いは、多結晶シ
リコン薄膜のいずれかであることが望ましい。

【００１９】また、この様な結晶化半導体薄膜７におい
ては、結晶化半導体薄膜７を構成する結晶粒の長軸方向
の長さが７００ｎｍ以上であることが望ましく、また、
結晶化半導体薄膜７を構成する結晶粒におけるほぼ〈１
００〉の結晶粒の割合が４０％以上であることが望まし
く、それによって、ＴＦＴのチャネル部分の面方位に起
因するバラツキが格段に低減され、ひいては、プロセス
の容易性を保ちつつ、高移動度且つ均一なＴＦＴを実現
できるので、高性能且つ高付加価値のディスプレイを提
供することが可能になる。

【００２０】

【発明の実施の形態】ここで、図２乃至図５を参照し
て、本発明の実施の形態の製造工程を説明する。 図２（ａ）参照 第一の実施例] まず、ＴＦＴ基板となる透明なガラス基板１１上に、プ
ラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ法）を用いて、下地絶縁膜
となる厚さが、例えば、２００ｎｍのＳｉＯ₂ 膜１２、
及び、厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのアモ
ルファスシリコン膜１３を順次堆積させる。

【００２１】図２（ｂ）及び（ｃ）参照 次いで、基板温度を室温とした状態で、アモルファスシ
リコン膜１３に吸収されやすい波長領域の紫外線レーザ
光、例えば、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザを用いて波長３
０８ｎｍで、例えば、１５０ｍｍ×１ｍｍの線状ビーム
形状のパルスレーザビーム１４を、２００〜４００ｍＪ
／ｃｍ² 、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密
度、ステップピッチＳを１〜５０μｍ、例えば、１０μ
ｍで、図２（ｃ）に示す矢印方向に沿って１ショットず
つスキャンニングする。なお、この場合のパルスレーザ
ビーム１４の移動割合は、１％（＝１０μｍ／１ｍｍ）
となり、また、ガラス基板１１に影響を与えず、アモル
ファスシリコン膜１３のみを加熱するためには、現状で
は、パルスレーザを用いる必要がある。

【００２２】図３（ｄ）参照 この様なスキャンニングをガラス基板１１の全面に行う
ことによって、アモルファスシリコン膜１３を多結晶シ
リコン膜１５に変換することができ、この場合の多結晶
シリコン膜１５における各結晶粒の方位は、〈１００〉
方位が優勢となっている。

【００２３】図３（ｅ）及び（ｆ）参照 次いで、連続発振レーザ、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ （2
ω, 波長５３２ｎｍ）を用いて、エネルギー5 Ｗ、ビー
ム径４００μｍ×２０μｍ、スキャン速度２０ｃｍ／秒
で、ＣＷレーザビーム１６を図３（ｆ）に示す矢印の方
向に沿ってスキャン照射する。

【００２４】図４（ｇ）参照 このスキャン照射工程において、多結晶シリコン膜１５
は一部は溶融するものの完全には溶融せず、多結晶シリ
コン膜１５において溶融しなかった部分が核となり、そ
こから結晶化が進み、結晶粒の長軸の長さが７００μｍ
以上、例えば、1 μｍで、〈１００〉方位が優勢な、例
えば、４０％以上の結晶粒における結晶方位が〈１０
０〉方位の結晶化シリコン膜１７が得られる。

【００２５】図４（ｈ）参照 図４（ｈ）は、この様な結晶化シリコン膜１７におけ
る、結晶粒１９の面方位を模式的に示したものであり、
（１００）面が表面に露出した、即ち、〈１００〉方位
が優勢な結晶化シリコン膜１７が得られる。なお、図に
おける符号１８は結晶粒界を示している。

【００２６】この場合、ＣＷレーザビーム１６のエネル
ギーが高過ぎると、多結晶シリコン膜１５は完全に溶融
して上述の図７に示すような結晶化シリコン膜になって
しまい、各結晶粒の面方位の制御ができないので、適切
なエネルギー条件を選ばなければならない。

【００２７】図５（ｉ）参照 以降は、通常のＴＦＴの形成工程に移るが、例えば、結
晶化シリコン膜１７にＣｌ₂ ＋ＢＣｌ₃ をエッチングガ
スとしたドライ・エッチングを施すことによって所定形
状にパターニングして、デバイスを形成するための島状
領域２０とする。

【００２８】図５（ｊ）参照 次いで、ゲート絶縁膜２１及びゲート電極２２を形成し
たのち、ゲート電極２２をマスクとしてＡｓイオン２３
を注入することによってｎ型ソース・ドレイン領域２４
を形成する。なお、島状領域２０におけるＡｓイオン２
３の注入されなかった領域がチャネル領域２５となる。

【００２９】図５（ｋ）参照 次いで、全面に層間絶縁膜２６を形成したのち、ｎ型ソ
ース・ドレイン領域２４に対するコンタクトホールを形
成し、次いで、全面に導電膜を蒸着したのちパターニン
グしてソース・ドレイン電極２７とすることによってＴ
ＦＴ基板の基本構成が完成することになる。

【００３０】この様に、本発明の実施の形態において
は、パルスレーザビーム１４によってアモルファスシリ
コン膜１３を〈１００〉方位が優勢な多結晶シリコン膜
１５としたのち、多結晶シリコン膜１５が完全には溶融
しない状態でレーザアニールして大粒径化しているの
で、１００ｎｍ以下の膜厚のアモルファスシリコン膜を
用いた場合にも、結晶方位が〈１００〉に揃い、且つ、
大粒径の結晶化シリコン膜１７を得ることができ、それ
によって、高移動度で特性の揃ったＴＦＴを備えたアク
ティブマトリクス型液晶表示装置を実現することが可能
になる。

【００３１】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるもの
ではなく、各種の変更が可能である。例えば、結晶化の
対象はアモルファスシリコン膜に限られるものではな
く、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）等で形成した
結晶性の劣った多結晶シリコン膜でも良いものであり、
或いは、微結晶（マイクロクリスタル）のシリコン膜で
も良いものである。

【００３２】また、素材としてはシリコンに限られるも
のではなく、Ｇｅ等の他の元素を含んだシリコンを主成
分とする半導体であれば良く、例えば、Ｇｅを添加する
ことによって結晶化半導体薄膜の禁制帯幅を任意に制御
することができ、それによって、薄膜ラインセンサの受
光部を光源の波長に応じて感度の良い半導体で形成する
ことが可能になる。

【００３３】また、上記の各実施の形態の説明において
は、基板として透明なガラス基板を用いているが、石英
基板を用いても良く、さらには、必ずしも透明である必
要はなく、ある程度の耐熱性のある他の絶縁性基板を用
いても良いものである。

【００３４】また、上記の各実施の形態の説明において
は、第１のレーザ照射工程において、Ｘｅ−Ｃｌエキシ
マレーザを用いているが、他のエキシマレーザを用いて
も良いものであり、いずれにしても、結晶化の対象とな
る非単結晶半導体薄膜の吸収しやすい波長のレーザ光を
用いれば良いものである。

【００３５】また、この第１のレーザ照射工程において
は、現状ではパルスレーザビームを照射しているが、原
理的にはパルスレーザである必要はなく、さらには、必
ずしもレーザである必要はなく、原理的には〈１００〉
方位の膜が形成できれば、エネルギー密度が高く、且
つ、短波長のアニールランプ光等のエネルギービームを
用いても良いものである。

【００３６】また、上記の各実施の形態の説明において
は、ガラス基板上に下地ＳｉＯ₂ 膜を設け、この下地Ｓ
ｉＯ₂ 膜上にアモルファスシリコン膜を設けているが、
ガラス基板上に直接アモルファスシリコン膜を堆積させ
ても良いものであり、或いは、上述の従来例に示されて
いるように、ＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ等の多層下地膜を用いて
も良いものである。

【００３７】また、上記の実施の形態においては、結晶
化シリコン膜を形成したのち、島状領域にパターニング
しているが、アモルファスシリコン膜を島状領域にパタ
ーニングしたのち、第１及び第２のレーザビーム照射工
程を行って結晶化シリコン島状領域としても良いもので
ある。

【００３８】また、上記の実施の形態においては、第２
のレーザ照射工程において、多結晶シリコン膜を完全に
は溶融させないために、レーザビームをエネルギーを制
御しているが、レーザビームのエネルギーを高くしてス
キャンニング速度を速めても良いものであり、それによ
ってスループットが向上する。

【００３９】また、上記の実施の形態においては、アク
ティブマトリクス型液晶表示装置用ＴＦＴを形成するた
めの高品質の結晶化シリコン膜の成長方法として説明し
ているが、本発明は、アクティブマトリクス型液晶表示
装置用結晶化シリコン膜に限られるものではなく、ライ
ンセンサ用の薄膜半導体装置等の他の用途の薄膜半導体
装置に用いられる結晶化シリコン膜も対象とするもので
あり、結晶化シリコン領域に形成する素子もＴＦＴに限
られるものではなく、ダイオード等の他の半導体素子を
形成しても良いものである。

【００４０】ここで、再び、図１を参照して、改めて本
発明の詳細な特徴を説明する。 図１（ａ）及び（ｂ）参照 （付記１） 絶縁性基板１上に形成された少なくともＳ
ｉを主成分とする非単結晶半導体薄膜３にエネルギービ
ーム４を照射して表面に対する結晶方位がほぼ〈１０
０〉方位である多結晶半導体薄膜５を形成する工程、前
記多結晶半導体薄膜５に連続発振のレーザビーム６を照
射して結晶方位がほぼ〈１００〉方位でより大粒径の結
晶化半導体薄膜を得る工程を備えたことを特徴とする半
導体薄膜の結晶化方法。 （付記２） 上記連続発振のレーザビーム６の照射条件
を、上記多結晶半導体薄膜５が、完全溶融してラテラル
結晶化が起こるより低いエネルギー或いは速い走査速度
とすることを特徴とする付記１記載の半導体薄膜の結晶
化方法。 （付記３） 上記エネルギービーム４が、紫外域のパル
スレーザビームであり、且つ、少なくともＳｉを主成分
とする非単結晶半導体薄膜３が、非晶質シリコン薄膜、
微結晶シリコン薄膜、或いは、多結晶シリコン薄膜のい
ずれかであることを特徴とする付記１または２に記載の
半導体薄膜の製造方法。 （付記４） 上記非単結晶半導体薄膜の膜厚が、１００
ｎｍ以下であることを特徴とする付記１乃至３のいずれ
か１に記載の半導体薄膜の結晶化方法。 （付記５） 付記１乃至４のいずれか１に記載の半導体
薄膜の結晶化方法によって形成された結晶化半導体薄膜
７であって、前記結晶化半導体薄膜７を構成する結晶粒
の長軸方向の長さが７００ｎｍ以上であることを特徴と
する半導体薄膜。 （付記６） 上記結晶化半導体薄膜７を構成する結晶粒
におけるほぼ〈１００〉方位の結晶粒の割合が４０％以
上であることを特徴とする付記５記載の多結晶シリコン
薄膜。 （付記７） 付記５または６に記載の結晶化半導体薄膜
７を用いたことを特徴とする薄膜半導体装置。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、エキシマレーザ等によ
り面方位を制御した多結晶薄膜を形成したのち、完全溶
融しない条件で連続発振レーザのスキャン照射を行うこ
とにより、面方位を保ったままで大粒径化しているの
で、例えば、１００ｎｍ以下の薄膜でも高移動度が得ら
れる〈１００〉方位の結晶粒が形成できる上、面方位に
依存するＴＦＴ特性のバラツキを抑えることが可能とな
り、ひいては、駆動回路一体型のアクティブマトリクス
型液晶表示装置等の高品質化に寄与するところが大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の実施の形態の途中までの製造工程の説
明図である。

【図３】本発明の実施の形態の図２以降の途中までの製
造工程の説明図である。

【図４】本発明の実施の形態の図３以降の途中までの製
造工程の説明図である。

【図５】本発明の実施の形態の図４以降の製造工程の説
明図である。

【図６】従来のシリコン膜の結晶化工程の説明図であ
る。

【図７】従来の連続発振レーザビームを用いた場合の結
晶化シリコン膜の顕微鏡写真の模写図である。

【符号の説明】

１ 絶縁性基板 ２ 下地絶縁膜 ３ 非単結晶半導体薄膜 ４ エネルギービーム ５ 多結晶半導体薄膜 ６ 連続発振のレーザビーム ７ 結晶化半導体薄膜 １１ ガラス基板 １２ ＳｉＯ₂ 膜 １３ アモルファスシリコン膜 １４ パルスレーザビーム １５ 多結晶シリコン膜 １６ ＣＷレーザビーム １７ 結晶化シリコン膜 １８ 結晶粒界 １９ 結晶粒 ２０ 島状領域 ２１ ゲート絶縁膜 ２２ ゲート電極 ２３ Ａｓイオン ２４ ｎ型ソース・ドレイン領域 ２５ チャネル領域 ２６ 層間絶縁膜 ２７ ソース・ドレイン電極 ３１ 石英基板 ３２ ＳｉＮ膜 ３３ ＳｉＯ₂ 膜 ３４ アモルファスシリコン膜 ３５ パルスレーザビーム ３６ 結晶化シリコン膜 ４１ 結晶化シリコン膜 ４２ 結晶粒界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千田 満 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA24 BA02 BA07 BB04 BB07 CA04 DA01 DA02 DB03 FA19 HA01 JA01 5F110 AA30 BB02 BB09 CC02 DD02 DD03 DD13 DD14 DD17 GG01 GG02 GG13 GG16 GG17 GG25 GG44 GG47 HJ01 HJ13 HL21 NN02 PP02 PP03 PP05 PP06 PP23 PP29 PP36 QQ11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板上に形成された少なくともＳ
   ｉを主成分とする非単結晶半導体薄膜にエネルギービー
   ムを照射して表面に対する結晶方位がほぼ〈１００〉方
   位である多結晶半導体薄膜を形成する工程、前記多結晶
   半導体薄膜に連続発振のレーザビームを照射して結晶方
   位がほぼ〈１００〉方位でより大粒径の結晶化半導体薄
   膜を得る工程を備えたことを特徴とする半導体薄膜の結
   晶化方法。
2. 【請求項２】 上記連続発振のレーザビームの照射条件
   を、上記多結晶半導体薄膜が、完全溶融してラテラル結
   晶化が起こるより低いエネルギー或いは速い走査速度と
   することを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の結晶
   化方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体薄膜の
   結晶化方法によって形成された結晶化半導体薄膜であっ
   て、前記結晶化半導体薄膜を構成する結晶粒の長軸方向
   の長さが７００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体
   薄膜。
4. 【請求項４】 上記結晶化半導体薄膜を構成する結晶粒
   におけるほぼ〈１００〉方位の結晶粒の割合が４０％以
   上であることを特徴とする請求項３記載の多結晶シリコ
   ン薄膜。
5. 【請求項５】 請求項３または４に記載の結晶化半導体
   薄膜を用いたことを特徴とする薄膜半導体装置。