JP2004265968A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】薄膜トランジスタの作製工程において、簡便かつ非破壊で正確に作製条件を管理し、薄膜トランジスタの特性がばらつきなく、必要とする特性が得られるように、良質な結晶性半導体膜及びそれを有する薄膜トランジスタを作製する方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶性半導体膜の作製方法及び結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、トランジスタは、多種多様広く用いられている。特に半導体層（少なくともチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域を含む）に結晶性半導体膜を用いる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）や、薄膜トランジスタを組み合わせて回路を形成しこれを内蔵して駆動回路として用いるアクティブマトリクス型表示装置が広く用いられるようになっている。
【０００３】
結晶性半導体膜は非晶質半導体膜と比較し、非常に高い移動度を持つ。よって、結晶性珪素膜（結晶性シリコン膜）を用いた薄膜トランジスタは高い電流駆動能力を持ち、ますます高精細化の求められる表示装置や駆動回路の集積化にも適していると考えられ、より結晶性のよい半導体膜を得るための技術開発が進められている。また半導体膜として珪素膜がよく用いられている。
【０００４】
非晶質半導体膜に金属元素を導入して加熱処理する結晶化方法がある（例えば、特許文献１参照。）。ここで、前記方法を簡単に説明する。まず、非晶質半導体膜にニッケルまたは、パラジウム、または鉛等の金属元素を微量に導入する。導入の方法は、プラズマ処理法や蒸着法、イオン注入法、スパッタ法、溶液塗布法等を利用する。前記導入の後、例えば５５０℃の窒素雰囲気で４時間加熱処理を行い、結晶性半導体膜を形成する。その後、結晶性半導体膜にレーザ光（例えばエキシマレーザ）を照射し再結晶化する。このレーザアニールによって未結晶化部分の結晶化などの結晶性の改善や、積層欠陥などの膜中の欠陥の減少が行える。また、加熱温度をガラス基板が耐え得る６００℃以下とすることができ、基板の大面積化をすることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３０７２８６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、薄膜トランジスタの工場での生産工程において、同工程で作製した薄膜トランジスタでも特性にばらつきが存在する。薄膜トランジスタ作製後の特性評価で特性のばらつきや不良が、はじめて判明する評価方法であると、不良原因に対する対処が遅れ、特性の不良な薄膜トランジスタを大量に作製してしまう。これは時間の面でも、コストの面でもおおいに無駄なことである。よって、良質な特性を持つ薄膜トランジスタを歩留まりよく作製するためには、作製工程においてその特性を評価し、その情報を作製工程にフィードバックし、作製条件を最適化する必要がある。
【０００７】
薄膜トランジスタの特性は、その結晶性半導体膜の結晶状態に大きく影響を受ける。よって薄膜トランジスタの特性の良否も、その結晶性半導体膜の結晶性の良否に大きく左右されるため、薄膜トランジスタの半導体膜が良好な結晶性を有するように、最適な作製条件を管理することが重要となる。
【０００８】
結晶性半導体膜の結晶性を知るためには、その評価が必要となる。結晶性半導体膜の評価方法としては、そのセコエッチング後の表面状態を走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）観察などで２次元的に評価する方法がある。しかし、破壊検査であり、人間の目における官能検査であるため、正確で一定の評価が難しいという問題がある。
【０００９】
このような不正確な評価で判断された情報が、作製工程にフィードバックされるのでは、その作製条件も的確に管理できず、均一で良質な結晶性半導体膜は作製できない。
【００１０】
そこで本発明では、薄膜トランジスタの作製工程において、簡便かつ非破壊で正確に作製条件を管理し、薄膜トランジスタの特性がばらつきなく、必要とする特性が得られるように、良質な結晶性半導体膜及びそれを有する薄膜トランジスタを作製する方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄膜トランジスタの生産工程において、簡便かつ非破壊で正確に作製条件を管理し、均一で良質な結晶性半導体膜及び薄膜トランジスタを作製する。本発明により良好な特性を持つ薄膜トランジスタを歩留まり良く量産することができる。
【００１２】
本発明は、非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、結晶性の良い結晶性半導体膜を形成することを特徴とする。またその結晶性半導体膜を用いて良好な特性を有する薄膜トランジスタを作製することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づいて、半導体膜の結晶状態、つまり結晶粒の平面形態を判断することを特徴とする。具体的には、正確な１次元的な測定によって、２次的な評価及び判断が導き出せる。
【００１４】
加熱により結晶化した結晶性半導体膜にレーザ光で再結晶化を行う場合、結晶性半導体膜の同一箇所に打つレーザショットの数（以下、レーザショット数と言う）やエネルギーの高さなどの光強度によって、結晶粒形や結晶粒径が変化する。
【００１５】
また、加熱により結晶化した結晶性半導体膜にレーザ光で再結晶化を行う場合、結晶性半導体膜の同一箇所に打つレーザショットの数（以下、レーザショット数と言う）やエネルギーの高さによって、結晶性半導体膜にリッジ（凹凸）が形成されてしまう。即ち、半導体膜にレーザ光を照射すると、半導体膜は瞬間的に溶解されて、局所的に膨張し、この膨張によって生じる内部応力を緩和するために、得られる結晶性半導体膜の結晶粒界は隆起し、リッジ（凹凸）が形成される。レーザ光のショット数を増やしたりエネルギーを高くすると、このリッジは高くなる。
【００１６】
このようにリッジが高くなり、表面の凹凸が大きくはげしくなると、表面があれて粗くなってしまう。この表面粗さを表すものとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差（Ｐｅａｋ−Ｖａｌｌｅｙ値（Ｐ―Ｖ値）：山谷値）、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値がある。表面が粗くなってしまうと、半導体膜表面の凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値も平均面粗さＲａ値も二乗平均面粗さＲｍｓ値も大きくなる。
【００１７】
後で詳述するが、本出願人は前述の結晶性半導体膜の表面粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があることを導き出した。従って、本発明によって、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づいて、結晶粒の平面状態を判断することが出来る。結晶性半導体膜の表面粗さは、比較的簡便で、かつ非破壊で正確に評価、測定が可能なので、これに基づいて作製条件を管理する管理基準を決定する。よって、作製工程で結晶性半導体膜の結晶状態が不良となった場合、その情報がフィードバックでき、直ちに管理基準に基づいて作製条件が選択される。従って、本発明により常に均一な特性を有する結晶性半導体膜及びそれを用いた薄膜トランジスタを歩留まり良く作製することができる。
【００１８】
また、官能的であった表面観察と比較し、一定の基準で正確に判断できるため、薄膜トランジスタの特性ばらつきも大きく減少する。さらに、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が評価されるため、評価情報が早く作製工程へフィードバックされ、適切な作製条件の管理が行われるので、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。
【００１９】
以下に本発明における結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準を、詳細に説明する。
【００２０】
前述の通り、表面の粗さを表すパラメータとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値があげられる。よって、本発明では、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準として、これら３つのパラメータのうち１つ以上を用いる。そして３つのパラメータにはそれぞれ以下の判断基準を設ける。
【００２１】
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００２２】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００２３】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜表面の凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００２４】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができ、キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁が低いためにキャリアの電流輸送特性を向上させ、高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にすることが可能となる。
【００２５】
しかし、上述の管理基準に結晶性半導体膜が該当しない場合（特性の良否が「否」の場合）、半導体膜の結晶状態に大きく影響を与えるレーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすような結晶性半導体膜を作製できるように、レーザ照射方法を管理する。具体的にはレーザ光のレーザショット数やエネルギー強度などレーザ光照射時の光強度を制御する。そして基準を満たす「良」の状態になるような半導体膜のレーザ照射を行い、その結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタを作製する。このように本発明を用いると、薄膜トランジスタ作製時に、レーザ照射条件を最適に管理することができ、歩留まり良く良質な薄膜トランジスタを作製することが出来る。
【００２６】
本発明により、従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた薄膜トランジスタの特性不良を、非破壊で簡便な方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出しができ、良質な結晶性半導体膜、及び必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［実施の形態］
本実施の形態では、本発明を図１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を表すフローチャートである。
【００２８】
まず、図１に示すように、非晶質半導体膜に結晶化を助長する金属元素を導入し、加熱アニールを行った後、レーザ照射を行い、結晶性半導体膜を形成する。
【００２９】
基板上に形成した非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長、促進する金属元素を導入する。また、当該金属元素を非晶質珪素膜の裏面に導入する態様も採られ、その表裏両面に導入することもできる。この珪素の結晶化を助長する金属元素としては鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）及び金（Ａｕ）から選ばれた一種又は複数種類の金属元素が用いられる。これら金属元素については、本明細書に記載する何れの発明においても珪素の結晶化を助長する元素として使用される金属元素であるが、本明細書中では例としてニッケル（Ｎｉ）を用いる。
【００３０】
また、半導体膜が形成されている基板として、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、可撓性基板などを用いることができる。前記ガラス基板として、バリウムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラスからなる基板が挙げられる。また、可撓性基板とは、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮ、アクリルなどからなるフィルム状の基板のことであり、可撓性基板を用いて半導体装置を作製すれば、軽量化が見込まれる。可撓性基板の表面、または表面および裏面にアルミ膜（ＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯなど）、炭素膜（ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）など）、ＳｉＮなどのバリア層を単層または多層にして形成すれば、耐久性などが向上するので望ましい。
【００３１】
また、非晶質珪素膜への、それら金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。
【００３２】
このように金属元素を導入し加熱により結晶化した結晶性半導体膜に、レーザ光で再度結晶化を行う場合、レーザショット数を増やすとリッジが高くなり、半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、表面の平均面粗さＲａ値、及び二乗平均面粗さＲｍｓ値が大きくなることは上述した。しかしそれだけではなく、レーザショット数を増やすと半導体膜の結晶粒形も変化する。つまり、レーザショット数と、半導体膜に形成される凹凸の最大高低差と、結晶粒形とには相関があることになる。
【００３３】
リッジが高くなってしまうレーザショット数では、半導体膜の結晶粒形は四角形や五角形や六角形といった多角形が多く、その各々の内角は１８０度以下である。また、金属元素を導入せず加熱結晶化した半導体膜も、その結晶粒形は同様に四角形や五角形や六角形といった多角形が多く、その各々の内角は９０度以上１８０度以下である。
【００３４】
一方、リッジがまだ低いレーザショット数やエネルギーでは、半導体膜の結晶粒形は不定形であり、結晶粒界は曲率を有しうねっている。つまり、結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または、数個の結晶粒がつながっており、結晶粒界が不明瞭なものが存在している。こういった結晶粒形の特徴は、金属元素を導入して加熱し結晶化した半導体膜の結晶形態を反映したものである。そのことは金属を導入せず加熱結晶化した半導体膜ではその特徴が見られないことからも分かる。結晶粒形の内角が１８０度以上のものは、亜粒界で接していた結晶粒同士がレーザ照射によって一つに融合されたものと考えられる。
【００３５】
金属元素を導入し加熱結晶化した半導体膜であっても、レーザショット数が増えると結晶粒径が、金属元素を導入せず加熱結晶化したものと近くなるのは、レーザ照射の影響が大きくなり、先の結晶化を助長する金属元素を導入し加熱結晶化で得た結晶性半導体膜の結晶粒形を引き継がなくなる為である。
【００３６】
結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係がある。本発明では結晶性半導体膜の表面の粗さを判断することにより、結晶粒の平面状態も判断することができる。
【００３７】
前述の通り、表面の粗さを表すパラメータとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値があげられる。よって、本発明では、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準として、これら３つのパラメータのうち１つ以上を用いる。そして３つのパラメータにはそれぞれ以下の判断基準を設ける。
【００３８】
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００３９】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００４０】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜表面の凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００４１】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができるため、図１に示すように、作製工程に情報をフィードバックすることなく、次の薄膜トランジスタ作製工程に進む。キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁も低い、良好な結晶性半導体膜であるため、高いキャリア移動度を有する薄膜トランジスタを作製することが可能となる。
【００４２】
しかし、上述の管理基準に結晶性半導体膜が該当しない場合（特性の良否が「否」の場合）、図１で示すように半導体膜の結晶状態に大きく影響を与えるレーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすような結晶性半導体膜を作製できるように、レーザ照射方法を管理する。具体的にはレーザ光のレーザショット数やエネルギー強度などレーザ光照射時の光強度を制御する。そして基準を満たす「良」の状態になるような半導体膜のレーザ照射を行い、その結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタを作製する。
【００４３】
従って、結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があり、結晶性半導体膜の表面の粗さを判断することにより、結晶粒の平面状態も判断することができる。つまり、簡便かつ非破壊な判断方法で、薄膜トランジスタの特性を適切に管理することができる。
【００４４】
また、官能的であった表面観察と比較し、一定の基準で正確に評価及び判断できるため、薄膜トランジスタの特性ばらつきも大きく減少する。さらに、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が判断されるため、情報が早く作製工程へフィードバックされ、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。
【００４５】
このように、一定の良質な結晶性半導体膜が作製できるように、作製時のレーザ照射の際の光強度条件を管理する。それにより、従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた特性不良、及び官能的で不正確な評価方法により生じていた特性のばらつきを、本発明の作製方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出し、管理ができ、結晶性の良好な結晶性半導体膜、および必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【００４６】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では結晶性半導体膜表面の粗さとレーザ光のショット数との関係について図２乃至図５を用いて説明する。
【００４７】
絶縁表面を有する基板２００の上に下地膜３００として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素膜５０ｎｍを形成し、酸化窒化水素化珪素膜を１００ｎｍ積層した。本実施例では基板２００として、旭硝子社製のＡＮ１００を用いたが、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよいし、可撓性基板を用いても良い。また、下地膜として２層構造を用いてもよいし、前記下地（絶縁）膜の単層膜又は２層以上積層させた構造を用いてもよい。
【００４８】
次いで、下地膜上に半導体膜３０１を形成する。半導体膜は公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により成膜すればよい。この非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法およびレーザ結晶化法を行う。
【００４９】
本実施例では半導体膜として、プラズマＣＶＤ法により非晶質珪素膜を５４ｎｍ形成した。金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により非晶質珪素膜上に導入する。非晶質珪素膜への金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。また、このとき非晶質半導体膜の表面の濡れ性を改善し、非晶質珪素膜の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜を成膜することが望ましい。
【００５０】
本実施例では金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により金属含有層３０２を形成し非晶質珪素膜３０１上に導入した後、５５０℃で４時間の熱処理を行って第１の結晶性珪素膜３０３を得た。
【００５１】
次に第１の結晶性珪素膜３０３にレーザ光を照射し結晶化を助長し、第２の結晶性珪素膜３０４を得た（図５（Ｄ））。本実施例では、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、他のレーザ、例えばＹＡＧ、ＹＶＯ４レーザ等でも同様の効果が得られる。本実施例ではＸｅＣｌエキシマレーザを用い、４８０ｍＪ／ｃｍ２のパワーでショット数を、０、２、３．９、７．９、１２．６、２５．２、４２、６３及び１２６と変化させ９パターンのレーザアニールを行いそれぞれ半導体膜を得た（以下、単に結晶性半導体膜という）。
【００５２】
しかしこのようにして得られた結晶性半導体膜は、膜中に触媒の作用を持ち結晶化を助長する金属元素を含んでおり、金属元素を含んだままで薄膜トランジスタに代表される半導体素子を形成するとオフ電流の突発的な上昇等の問題が生じてしまうため、シリコン膜中に含まれる金属元素の濃度を低減させるゲッタリング工程を行うことが望ましい。
【００５３】
よって結晶質半導体膜３０４上にバリア層を形成する（図示せず）。本実施例では、酸化シリコン膜を形成した。
【００５４】
続いて、バリア層上にゲッタリング領域となる半導体膜を形成する。本実施例では、希ガス元素を含む雰囲気で珪素からなるターゲットを用い、非晶質珪素膜５０ｎｍからなるゲッタリング領域を形成した。また、希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用い、中でも安価なガスであるアルゴン（Ａｒ）が好ましい。本実施例はアルゴンを用いた。
【００５５】
また、一導電型の不純物元素であるリンを含むターゲットを用いてゲッタリング領域を形成した場合、希ガス元素によるゲッタリングに加え、リンを利用してゲッタリングを行うこともできる。
【００５６】
半導体膜（ゲッタリング領域）は、ゲッタリング工程後、エッチングにより除去するため、除去しやすい、例えば、結晶性珪素膜とエッチングの選択比が大きい膜として非晶質珪素膜を用いるとよい。
【００５７】
加熱処理を行い、結晶性半導体膜３０４中に残留する金属元素（ニッケル）をゲッタリング領域に移動させ、濃度を低減、あるいは除去するゲッタリングを行った。ゲッタリングを行う加熱処理としては、強光を照射する処理または加熱処理を行い、結晶性半導体膜３０４に含まれるニッケルがほとんど存在しない、即ち膜中のニッケル濃度が１×１０１８／ｃｍ３以下、望ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下になるように十分ゲッタリングした。
【００５８】
次いで、バリア層をエッチングストッパーとして、ゲッタリング領域のみをエッチングして選択的に除去した後、フッ酸を用いてバリア層を除去した。
【００５９】
このようにして得られた結晶性半導体膜の表面状態をそれぞれＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した。図４に測定結果を示す。図４は、半導体膜に形成された凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値と平均面粗さＲａ値と二乗平均面粗さＲｍｓ値を示している。なお、図４は１０μｍ×１０μｍにおける領域の測定値である。
【００６０】
図４に示すようにショット数が増加するに従って、結晶性半導体膜の表面の凹凸の高低差を示すＰ―Ｖ値も、平均面粗さを示すＲａ値も二乗平均面粗さＲｍｓ値も増加している。これは多くの回数にわたるレーザショットによって結晶性半導体膜の表面のリッジが高くなり、表面があれてしまったことを示している。このように、表面の粗さを表す３つのパラメータは表面のあらさの変化に対し、同様な挙動を示す。
【００６１】
次に結晶性半導体膜の結晶粒の形態を、従来の表面観察によって評価する。そして結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係について図２及び図３を用いて説明する。
【００６２】
前述のように作製された結晶性半導体膜にそれぞれセコエッチングを行って、ＳＥＭにより３万倍にて表面を観察した結果を図２及び図３に示す。なお、セコエッチングにおけるセコ液はＨＦ：Ｈ２Ｏ＝２：１に添加剤としてＫ２Ｃｒ２Ｏ７を用いて作製されるものである。図２及び図３はそれぞれレーザショット数０、７．９、１２．６、２５．２、４２及び６３のものである。
【００６３】
図２及び図３に示すようにショット数０では結晶性半導体膜表面は微少な結晶粒の集まりだったのに対し、ショット数を７．９、１２．６、２５．２と増加していくと結晶粒同士がレーザアニールにより溶解し、融合して大きな結晶粒になっている。そして、粒形が不定形であり、うねっている結晶状態になる。よりショット数をショット数４２、６３と増加していくと、レーザアニールの影響が大きくなり、結晶粒は一定の大きさのままでその粒形が四角形や五角形といった多角形になっていく。
【００６４】
一方、リッジがまだ低いレーザショット数やエネルギーでは、半導体膜中の複数の結晶粒は結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または、数個の結晶粒がつながっており、結晶粒界が不明瞭なものが存在している。こういった結晶粒形の特徴は、金属元素を導入して加熱し結晶化した半導体膜の結晶形態を反映したものである。この結晶形態は高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にしている。
【００６５】
２次元的に観察された結晶性半導体膜中の結晶粒の平面状態と、結晶半導体膜表面の粗さを測定した測定値をショット数を用いて対応させることができる。対応させた結果より、以下のような判断基準を定義する。
【００６６】
結晶性半導体膜の結晶形態の基準を図２乃至４から定義する。
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００６７】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００６８】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍであることがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。測定領域は、半導体膜の任意の１０μｍ×１０μｍの領域であり、本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜に形成される凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００６９】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができ、キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁が低いためにキャリアの電流輸送特性を向上させ、高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にすることが可能となる。
【００７０】
従って、結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があり、結晶性半導体膜の表面の粗さを測定し判断することにより、結晶粒の平面状態も評価、判断することができることが確認できた。結晶性半導体膜の表面粗さは、比較的簡便で、かつ非破壊で正確に評価、測定が可能であるので、これを用いて簡便かつ正確に、レーザ照射条件を管理することができる。具体的には、この管理基準によってレーザ照射の際の光強度、レーザショット数またはエネルギー強度を制御し、均一で良質な結晶性半導体膜を作製することが出来る。
［実施例２］
【００７１】
実施例１でレーザショット数を変化させて作製した結晶性半導体膜を用いて、それぞれｐチャネル型薄膜トランジスタを作製した。ｐチャネル型薄膜トランジスタの作製方法は公知の方法を用いればよい。図９、図１０に前記ｐチャネル型薄膜トランジスタの電気特性と表面の粗さとの関係を示す。本実施例では表面粗さを測るパラメータとしてＰ−Ｖ値を用いたが、Ｒａ値、Ｒｍｓ値でもよい。本実施例では測定方法はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用い、測定領域は、半導体膜の任意の１０μｍ×１０μｍの領域とした。しかし、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよく、実施者が適宜設定すればよい。
【００７２】
図１０はレーザショット数とｐチャネル型薄膜トランジスタのサブスレッショルト係数（Ｓ値）との関係である。Ｓ値はドレイン電流が一桁変化するのに要するゲート電圧であり、小さいほど電気特性がよいといえる。図１０からわかるようにＰ−Ｖ値が増加するにつれ、Ｓ値も増加し、薄膜トランジスタごとのばらつきも大きくなっており特性が低下している。特に、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近を境目にして、変化が大きい。図１０より、Ｐ−Ｖ値が約４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲では薄膜トランジスタの特性は良好だと言える。
【００７３】
また、より望ましくはＰ−Ｖ値が約５０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下である。
【００７４】
なお、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近はＲａ値が約２０ｎｍであり、Ｒｍｓ値が約２０ｎｍである。
【００７５】
図９はＰ−Ｖ値とｐチャネル型薄膜トランジスタの電界効果移動度との関係である。電界効果移動度は、半導体表面の移動度（キャリアの流れやすさ）のうち、ゲート電圧の変化に注目した値であり、大きい方が特性がよいといえる。図９からわかるようにＰ−Ｖ値が増加するにつれ、電界効果移動度は減少し、薄膜トランジスタごとのばらつきが大きくなっており特性が低下している。特に、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近を境目にして変化が大きい。図９より、Ｐ−Ｖ値が約４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲では薄膜トランジスタの特性は良好だと言える。
【００７６】
また、より望ましくはＰ−Ｖ値が約５０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下である。
【００７７】
なお、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近はＲａ値が約２０ｎｍであり、Ｒｍｓ値が約２０ｎｍである。
【００７８】
よってこの実験結果からも良質な薄膜トランジスタを作製するために必要な結晶性半導体膜の結晶状態の基準は、前記半導体膜の表面のＰ−Ｖ値が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが言える。また望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが言える。
【００７９】
なお、Ｒａ値、またはＲｍｓ値で結晶性半導体膜を判断する基準としては、前記半導体薄膜の表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、または二乗平均面粗さＲｍｓ値は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下以下であることが言える。
【００８０】
よって、上記半導体膜の表面のＰ−Ｖ値が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるとき、または、Ｒａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるとき、またはＲｍｓ値は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるとき、半導体膜中の複数の結晶粒は結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または結晶粒界が不明瞭なものなどが存在する。このような結晶形態の結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタは、特性が良好であることが確認できた。従って、本発明のとおり、基準１乃至３に該当するように、情報をフィードバックしてレーザ照射条件を管理することによって、結晶性の良い結晶性半導体膜を作製することができ、その結晶性半導体膜を用いることによって特性の良好な薄膜トランジスタを作製することができる。
［実施例３］
本実施例では、本発明を薄膜トランジスタを有するアクティブマトリクス基板の作製工程例を用いて説明する。アクティブマトリクス基板は複数の薄膜トランジスタを有しているが、ｎチャネル型薄膜トランジスタ及びｐチャネル型薄膜トランジスタを有する駆動回路部とｎチャネル型薄膜トランジスタを有する画素部とを有する場合で説明する。しかし本実施例の薄膜トランジスタの作製工程は、本発明の適用例の一つであり、薄膜トランジスタの構成はどのようなものでもよい。なお、図面は図５乃至図８を用いる。
【００８１】
絶縁表面を有する基板２００の上に下地膜３００として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素膜１０〜２００ｎｍ（好ましくは５０〜１００ｎｍ）を形成し、酸化窒化水素化珪素膜を５０〜２００ｎｍ（好ましくは１００〜１５０ｎｍ）積層する基板２００としてはガラス基板、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いて良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよいし、可撓性基板を用いても良い。また、下地膜として２層構造を用いてもよいし、前記下地（絶縁）膜の単層膜又は２層以上積層させた構造を用いてもよい。
【００８２】
次いで、下地膜上に半導体膜３０１を形成する（図５（Ａ））。半導体膜は２５〜２００ｎｍ（好ましくは３０〜１５０ｎｍ）の厚さで公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により成膜すればよい。この非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法およびレーザ結晶化法を行う。
【００８３】
本実施例では半導体膜として、プラズマＣＶＤ法により非晶質珪素膜を５４ｎｍ形成する。金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により非晶質珪素膜上に導入する。非晶質珪素膜への金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。また、このとき非晶質半導体膜の表面の濡れ性を改善し、非晶質珪素膜の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜を成膜することが望ましい。
【００８４】
その後５００〜５５０℃で３〜２０時間かけて熱処理を行い、非晶質珪素膜を結晶化する。本実施例では金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により金属含有層３０２を形成し非晶質珪素膜３０１上に導入した後、５５０℃で４時間の熱処理を行って第１の結晶性珪素膜３０３を得る（図５（Ｂ）（Ｃ））。
【００８５】
次に第１の結晶性珪素膜３０３にレーザ光を照射し結晶化を助長し、第２の結晶性珪素膜３０４を得る。本実施例では、パルス発振のＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、他のレーザ、例えばパルス発振のＹＡＧ、ＹＶＯ４レーザ等でも同様の効果が得られる。本実施例ではパルス発振のＸｅＣｌエキシマレーザを用い、４８０ｍＪ／ｃｍ２のパワーで５０回ショットし、レーザアニールを行い第２の結晶性半導体膜３０４（以下、単に結晶性半導体膜という）を得る（図５（Ｄ））。
【００８６】
このようにして得られた結晶性半導体膜を、本発明の判断基準によって判断する。結晶性半導体膜の表面状態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定する。本実施例では、結晶性半導体膜表面の粗さを測る手段として、表面の粗さを表すパラメータの１つであるＰ―Ｖ値を測定する。測定した結果、Ｐ−Ｖ値が１００ｎｍであったとする。
【００８７】
結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値１００ｎｍは本発明の基準１
１）結晶性半導体膜表面のＰ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
によって、相関のある結晶粒の平面状態も特性の良い半導体トランジスタを作製するのに適した膜であるとされ、「良」と判断される。従って本発明の作製管理方法により結晶性半導体膜Ａの薄膜トランジスタ作製工程は引き続き続けられる。また、結晶性半導体膜に形成される凹凸のＰ−Ｖ値は、より望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるのでこの基準で判断を行ってもよい。
【００８８】
しかし、ある装置αで作製された結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値が４００ｎｍであったとする。装置αで作製された結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値４００ｎｍは本発明の基準１
１）結晶性半導体膜表面のＰ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
に該当しない膜（結晶性の良否が「否」の膜）であり、レーザ照射条件を制御する必要がある。従って、この装置αを用いた作製工程においてショット数５０のレーザショット数は良質な薄膜トランジスタの作製に適さない条件とされ、レーザ照射プロセスにこの情報がフィードバックされる。そしてこの「否」の情報をもとに、管理基準を満たすように新たに光強度やレーザショット数の回数やレーザエネルギー等のレーザアニール条件が決定される。また、結晶性半導体膜表面のリッジのＰ−Ｖ値は、より望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるのでこの基準で判断を行ってもよい。
【００８９】
また、本発明の基準２、３である、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
を用いて判断してもよいし、それらを自由に組み合わせて判断してもよい。測定範囲は、実施者が適宜設定すればよい。判断方法としては実施例１で説明したように、ＡＦＭなど半導体膜表面の平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段を用いてＲａ値、Ｒｍｓ値を測定し、判断すればよい。
【００９０】
結晶形態は基準１、基準２及び基準３全て満たしているのが望ましいが、少なくともどれか一つ満たしていればよい。これは表面に形成される凹凸の最大高低差と平均面粗さと二乗平均面粗さは、３つとも表面の粗さを判断するパラメータであり、表面の粗さは、結晶粒形とに相関があるからである。なお、本実施例では基準１のみを用いて判断している。
【００９１】
よって上述の基準によって結晶性半導体膜を判断し、その結果が基準を満たしていない「否」であった場合、レーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすようにレーザ照射条件を制御すればよい。具体的にはレーザ光の光強度やレーザショット数やエネルギー強度を制御すればよい。そして管理基準によって管理されたレーザ照射条件でレーザ照射を行って半導体膜を結晶化し、結晶性のよい結晶性半導体膜を作製する。
【００９２】
このようにして得られた結晶性半導体膜は、膜中に触媒の作用を持ち結晶化を助長する金属元素を含んでおり、金属元素を含んだままで薄膜トランジスタに代表される半導体素子を形成するとオフ電流の突発的な上昇等の問題が生じてしまうため、シリコン膜中に含まれる金属元素の濃度を低減させるゲッタリング工程を行うことが望ましい。
【００９３】
このようにして得られた結晶性半導体膜３０４をフォトリソグラフィ法を用いたパターニング処理により、半導体層３０５〜３０８を形成する。
【００９４】
また、半導体層３０５〜３０８を形成した後、薄膜トランジスタのしきい値を制御するために微量な不純物元素（ボロンまたはリン）のドーピングを行ってもよい。
【００９５】
次いで、半導体層３０５〜３０８を覆うゲート絶縁膜３０９を形成する。ゲート絶縁膜３０９はプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを４０〜１５０ｎｍとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により１１５ｎｍの厚さで酸化窒化珪素膜を形成する。勿論、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【００９６】
次いで、ゲート絶縁膜上に膜厚２０〜１００ｎｍの第１の導電膜と、膜厚１００〜４００ｎｍの第２の導電膜とを積層して形成する。第１の導電膜及び第２の導電膜はＴａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた元素、又は前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成すればよい。また、第１の導電膜及び第２の導電膜としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜や、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。また、２層構造に限定されず、例えば、膜厚５０ｎｍのタングステン膜、膜厚５００ｎｍのアルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜、膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜を順次積層した３層構造としてもよい。また、３層構造とする場合、第１の導電膜のタングステンに代えて窒化タングステンを用いてもよいし、第２の導電膜のアルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜に代えてアルミニウムとチタンの合金膜（Ａｌ−Ｔｉ）を用いてもよいし、第３の導電膜の窒化チタン膜に代えてチタン膜を用いてもよい。また、単層構造であってもよい。なお、本実例では、ゲート絶縁膜３０９上に膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜３１０、膜厚３７０ｎｍのタングステン膜３１１を順次積層して形成する（図６（Ａ））。
【００９７】
次に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストからなるマスク３１２〜３１６を形成し、電極及び配線を形成するための第１のエッチング処理を行う。ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用い、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節することにより、第１の導電膜及び第２の導電膜を所望のテーパー形状にエッチングすることができる。なお、エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。
【００９８】
第１のエッチング処理により第１の導電層と第２の導電層から成る第１の形状の導電層３１７〜３２１（第１の導電層３１７ａ〜３２１ａと第２の導電層３１７ｂ〜３２１ｂ）を形成する（図６（Ｂ））。
【００９９】
次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第２のエッチング処理を行う。ここでは、Ｗ膜を選択的にエッチングする。この時、第２のエッチング処理により第２の導電層３２２ｂ〜３２６ｂを形成する。一方、第１の導電層３２２ａ〜３２６ａは、ほとんどエッチングされず、第２の形状の導電層３２２〜３２６を形成する。
【０１００】
そして、レジストからなるマスクを除去せずに第１のドーピング処理を行い、半導体層にｎ型を付与する不純物元素を低濃度に添加する。ドーピング処理はイオンドープ法、若しくはイオン注入法で行えば良い。ｎ型を付与する不純物元素として１５族に属する元素、典型的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を用いるが、ここではリン（Ｐ）を用いる。この場合、導電層３２２〜３２６がｎ型を付与する不純物元素に対するマスクとなり、自己整合的に不純物領域３２７〜３３０が形成される。不純物領域３２７〜３３０には１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加する（図６（Ｃ））。
【０１０１】
レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク３３１ａ〜３３１ｃを形成して第１のドーピング処理よりも高い加速電圧で第２のドーピング処理を行う。ドーピング処理は第２の導電層３２３ｂ、３２６ｂを不純物元素に対するマスクとして用い、第１の導電層のテーパー部の下方の半導体層に不純物元素が添加されるようにドーピングする。続いて、第２のドーピング処理より加速電圧を下げて第３のドーピング処理を行って図７（Ａ）の状態を得る。第２のドーピング処理および第３のドーピング処理により、第１の導電層と重なる低濃度不純物領域３３５、３４１には１×１０１８〜５×１０１９／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加され、高濃度不純物領域３３４、３３７、３４０には１×１０１９〜５×１０２１／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加される。
【０１０２】
もちろん、適当な加速電圧にすることで、第２のドーピング処理および第３のドーピング処理は１回のドーピング処理で、低濃度不純物領域および高濃度不純物領域を形成することも可能である。
【０１０３】
次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂを形成して第４のドーピング処理を行う。この第４のドーピング処理により、ｐチャネル型薄膜トランジスタの活性層となる半導体層に前記一導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された不純物領域３４３、３４４、３４７、３４８を形成する。第１及び第２の導電層３２２、３２６を不純物元素に対するマスクとして用い、ｐ型を付与する不純物元素を添加して自己整合的に不純物領域を形成する。本実施例では、不純物領域３４３、３４４、３４７、３４８はジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いたイオンドープ法で形成する（図７（Ｂ））。この第４のドーピング処理の際には、ｎチャネル型薄膜トランジスタを形成する半導体層はレジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂで覆われている。第１乃至３のドーピング処理によって、不純物領域３３２、３４０、３４１にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されているが、そのいずれの領域においてもｐ型を付与する不純物元素の濃度を１×１０１９〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようにドーピング処理することにより、ｐチャネル型薄膜トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能するために何ら問題は生じない。
【０１０４】
以上までの工程で、それぞれの半導体層に不純物領域が形成される。
【０１０５】
次いで、レジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂを除去して第１の層間絶縁膜３４９を形成する。この第１の層間絶縁膜３４９としては、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを１００〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜で形成する（図７（Ｃ））。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成する。勿論、第１の層間絶縁膜３４９は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【０１０６】
次いで、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、又はレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜へのプラズマダメージやゲート絶縁膜と半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。
【０１０７】
第１の層間絶縁膜３４９上に無機絶縁膜材料または有機絶縁物材料から成る第２の層間絶縁膜３５０を形成する。本実施例では、膜厚１．６μｍのアクリル樹脂膜を形成するが、粘度が１０〜１０００ｃｐ、好ましくは４０〜２００ｃｐのものを用い、表面に凸凹が形成されるものを用いる。この後、第２の層間絶縁膜３５０上に窒化絶縁膜（代表的には、窒化珪素膜又は窒化酸化珪素膜）からなるパッシベーション膜３５１を形成する。
【０１０８】
次いで金属膜を形成し、金属膜をエッチングして各不純物領域とそれぞれ電気的に接続するソース電極及びドレイン電極、各配線（図示しない）を形成する。金属膜は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）もしくはシリコン（Ｓｉ）の元素からなる膜又はこれらの元素を用いた合金膜を用いればよい。なお本実施例では、チタン膜／チタンーアルミニウム合金膜／チタン膜（Ｔｉ／Ａｌ−Ｓｉ／Ｔｉ）をそれぞれ１００／３５０／１００ｎｍに積層したのち、所望の形状にパターニング及びエッチングしてソース電極、ドレイン電極３５２及び各配線（図示しない）を形成する。
【０１０９】
その後、電極（ＥＬ表示装置の場合は陽極又は陰極となり、液晶表示装置の場合は画素電極となる）を形成する。電極には、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の透明導電膜を用いたり、反射型の液晶表示装置の場合はＡｌ等の金属膜を用いたりすることができる。なお本実施の形態では、ＩＴＯを成膜し、所望の形状にエッチングすることで電極３５３を形成する（図８）。
【０１１０】
以上のような工程により、薄膜トランジスタを備えたアクティブマトリクス基板が完成する。
【０１１１】
なお、本発明は、本実施例で示した薄膜トランジスタの作製方法に限らず、トップゲート型（プレーナー型）、ボトムゲート型（逆スタガ型）、あるいはチャネル領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極を有する、デュアルゲート型やその他の構造においても適用できる。
【０１１２】
【発明の効果】
従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた特性不良、及び官能的で不正確な評価方法により生じていた特性のばらつきを、本発明の作製方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。また、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が判断されるため、情報が早く作製工程へフィードバックされ、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出し、管理ができ、結晶性の良好な結晶性半導体膜、および必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を表すフローチャ−ト。
【図２】結晶性半導体膜の結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図３】結晶性半導体膜の結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図４】結晶性半導体膜のＰ−Ｖ値とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図５】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図６】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図７】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図８】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタを示す断面図。
【図９】Ｐ−Ｖ値と薄膜トランジスタ特性の関係を示す図。
【図１０】Ｐ−Ｖ値と薄膜トランジスタ特性の関係を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶性半導体膜の作製方法及び結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、トランジスタは、多種多様広く用いられている。特に半導体層（少なくともチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域を含む）に結晶性半導体膜を用いる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）や、薄膜トランジスタを組み合わせて回路を形成しこれを内蔵して駆動回路として用いるアクティブマトリクス型表示装置が広く用いられるようになっている。
【０００３】
結晶性半導体膜は非晶質半導体膜と比較し、非常に高い移動度を持つ。よって、結晶性珪素膜（結晶性シリコン膜）を用いた薄膜トランジスタは高い電流駆動能力を持ち、ますます高精細化の求められる表示装置や駆動回路の集積化にも適していると考えられ、より結晶性のよい半導体膜を得るための技術開発が進められている。また半導体膜として珪素膜がよく用いられている。
【０００４】
非晶質半導体膜に金属元素を導入して加熱処理する結晶化方法がある（例えば、特許文献１参照。）。ここで、前記方法を簡単に説明する。まず、非晶質半導体膜にニッケルまたは、パラジウム、または鉛等の金属元素を微量に導入する。導入の方法は、プラズマ処理法や蒸着法、イオン注入法、スパッタ法、溶液塗布法等を利用する。前記導入の後、例えば５５０℃の窒素雰囲気で４時間加熱処理を行い、結晶性半導体膜を形成する。その後、結晶性半導体膜にレーザ光（例えばエキシマレーザ）を照射し再結晶化する。このレーザアニールによって未結晶化部分の結晶化などの結晶性の改善や、積層欠陥などの膜中の欠陥の減少が行える。また、加熱温度をガラス基板が耐え得る６００℃以下とすることができ、基板の大面積化をすることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３０７２８６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、薄膜トランジスタの工場での生産工程において、同工程で作製した薄膜トランジスタでも特性にばらつきが存在する。薄膜トランジスタ作製後の特性評価で特性のばらつきや不良が、はじめて判明する評価方法であると、不良原因に対する対処が遅れ、特性の不良な薄膜トランジスタを大量に作製してしまう。これは時間の面でも、コストの面でもおおいに無駄なことである。よって、良質な特性を持つ薄膜トランジスタを歩留まりよく作製するためには、作製工程においてその特性を評価し、その情報を作製工程にフィードバックし、作製条件を最適化する必要がある。
【０００７】
薄膜トランジスタの特性は、その結晶性半導体膜の結晶状態に大きく影響を受ける。よって薄膜トランジスタの特性の良否も、その結晶性半導体膜の結晶性の良否に大きく左右されるため、薄膜トランジスタの半導体膜が良好な結晶性を有するように、最適な作製条件を管理することが重要となる。
【０００８】
結晶性半導体膜の結晶性を知るためには、その評価が必要となる。結晶性半導体膜の評価方法としては、そのセコエッチング後の表面状態を走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）観察などで２次元的に評価する方法がある。しかし、破壊検査であり、人間の目における官能検査であるため、正確で一定の評価が難しいという問題がある。
【０００９】
このような不正確な評価で判断された情報が、作製工程にフィードバックされるのでは、その作製条件も的確に管理できず、均一で良質な結晶性半導体膜は作製できない。
【００１０】
そこで本発明では、薄膜トランジスタの作製工程において、簡便かつ非破壊で正確に作製条件を管理し、薄膜トランジスタの特性がばらつきなく、必要とする特性が得られるように、良質な結晶性半導体膜及びそれを有する薄膜トランジスタを作製する方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄膜トランジスタの生産工程において、簡便かつ非破壊で正確に作製条件を管理し、均一で良質な結晶性半導体膜及び薄膜トランジスタを作製する。本発明により良好な特性を持つ薄膜トランジスタを歩留まり良く量産することができる。
【００１２】
本発明は、非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、結晶性の良い結晶性半導体膜を形成することを特徴とする。またその結晶性半導体膜を用いて良好な特性を有する薄膜トランジスタを作製することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づいて、半導体膜の結晶状態、つまり結晶粒の平面形態を判断することを特徴とする。具体的には、正確な１次元的な測定によって、２次的な評価及び判断が導き出せる。
【００１４】
加熱により結晶化した結晶性半導体膜にレーザ光で再結晶化を行う場合、結晶性半導体膜の同一箇所に打つレーザショットの数（以下、レーザショット数と言う）やエネルギーの高さなどの光強度によって、結晶粒形や結晶粒径が変化する。
【００１５】
また、加熱により結晶化した結晶性半導体膜にレーザ光で再結晶化を行う場合、結晶性半導体膜の同一箇所に打つレーザショットの数（以下、レーザショット数と言う）やエネルギーの高さによって、結晶性半導体膜にリッジ（凹凸）が形成されてしまう。即ち、半導体膜にレーザ光を照射すると、半導体膜は瞬間的に溶解されて、局所的に膨張し、この膨張によって生じる内部応力を緩和するために、得られる結晶性半導体膜の結晶粒界は隆起し、リッジ（凹凸）が形成される。レーザ光のショット数を増やしたりエネルギーを高くすると、このリッジは高くなる。
【００１６】
このようにリッジが高くなり、表面の凹凸が大きくはげしくなると、表面があれて粗くなってしまう。この表面粗さを表すものとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差（Ｐｅａｋ−Ｖａｌｌｅｙ値（Ｐ―Ｖ値）：山谷値）、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値がある。表面が粗くなってしまうと、半導体膜表面の凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値も平均面粗さＲａ値も二乗平均面粗さＲｍｓ値も大きくなる。
【００１７】
後で詳述するが、本出願人は前述の結晶性半導体膜の表面粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があることを導き出した。従って、本発明によって、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づいて、結晶粒の平面状態を判断することが出来る。結晶性半導体膜の表面粗さは、比較的簡便で、かつ非破壊で正確に評価、測定が可能なので、これに基づいて作製条件を管理する管理基準を決定する。よって、作製工程で結晶性半導体膜の結晶状態が不良となった場合、その情報がフィードバックでき、直ちに管理基準に基づいて作製条件が選択される。従って、本発明により常に均一な特性を有する結晶性半導体膜及びそれを用いた薄膜トランジスタを歩留まり良く作製することができる。
【００１８】
また、官能的であった表面観察と比較し、一定の基準で正確に判断できるため、薄膜トランジスタの特性ばらつきも大きく減少する。さらに、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が評価されるため、評価情報が早く作製工程へフィードバックされ、適切な作製条件の管理が行われるので、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。
【００１９】
以下に本発明における結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準を、詳細に説明する。
【００２０】
前述の通り、表面の粗さを表すパラメータとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値があげられる。よって、本発明では、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準として、これら３つのパラメータのうち１つ以上を用いる。そして３つのパラメータにはそれぞれ以下の判断基準を設ける。
【００２１】
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００２２】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００２３】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜表面の凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００２４】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができ、キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁が低いためにキャリアの電流輸送特性を向上させ、高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にすることが可能となる。
【００２５】
しかし、上述の管理基準に結晶性半導体膜が該当しない場合（特性の良否が「否」の場合）、半導体膜の結晶状態に大きく影響を与えるレーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすような結晶性半導体膜を作製できるように、レーザ照射方法を管理する。具体的にはレーザ光のレーザショット数やエネルギー強度などレーザ光照射時の光強度を制御する。そして基準を満たす「良」の状態になるような半導体膜のレーザ照射を行い、その結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタを作製する。このように本発明を用いると、薄膜トランジスタ作製時に、レーザ照射条件を最適に管理することができ、歩留まり良く良質な薄膜トランジスタを作製することが出来る。
【００２６】
本発明により、従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた薄膜トランジスタの特性不良を、非破壊で簡便な方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出しができ、良質な結晶性半導体膜、及び必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［実施の形態］
本実施の形態では、本発明を図１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を表すフローチャートである。
【００２８】
まず、図１に示すように、非晶質半導体膜に結晶化を助長する金属元素を導入し、加熱アニールを行った後、レーザ照射を行い、結晶性半導体膜を形成する。
【００２９】
基板上に形成した非晶質珪素膜の表面に珪素の結晶化を助長、促進する金属元素を導入する。また、当該金属元素を非晶質珪素膜の裏面に導入する態様も採られ、その表裏両面に導入することもできる。この珪素の結晶化を助長する金属元素としては鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）及び金（Ａｕ）から選ばれた一種又は複数種類の金属元素が用いられる。これら金属元素については、本明細書に記載する何れの発明においても珪素の結晶化を助長する元素として使用される金属元素であるが、本明細書中では例としてニッケル（Ｎｉ）を用いる。
【００３０】
また、半導体膜が形成されている基板として、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、可撓性基板などを用いることができる。前記ガラス基板として、バリウムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラスからなる基板が挙げられる。また、可撓性基板とは、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮ、アクリルなどからなるフィルム状の基板のことであり、可撓性基板を用いて半導体装置を作製すれば、軽量化が見込まれる。可撓性基板の表面、または表面および裏面にアルミ膜（ＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯなど）、炭素膜（ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）など）、ＳｉＮなどのバリア層を単層または多層にして形成すれば、耐久性などが向上するので望ましい。
【００３１】
また、非晶質珪素膜への、それら金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。
【００３２】
このように金属元素を導入し加熱により結晶化した結晶性半導体膜に、レーザ光で再度結晶化を行う場合、レーザショット数を増やすとリッジが高くなり、半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、表面の平均面粗さＲａ値、及び二乗平均面粗さＲｍｓ値が大きくなることは上述した。しかしそれだけではなく、レーザショット数を増やすと半導体膜の結晶粒形も変化する。つまり、レーザショット数と、半導体膜に形成される凹凸の最大高低差と、結晶粒形とには相関があることになる。
【００３３】
リッジが高くなってしまうレーザショット数では、半導体膜の結晶粒形は四角形や五角形や六角形といった多角形が多く、その各々の内角は１８０度以下である。また、金属元素を導入せず加熱結晶化した半導体膜も、その結晶粒形は同様に四角形や五角形や六角形といった多角形が多く、その各々の内角は９０度以上１８０度以下である。
【００３４】
一方、リッジがまだ低いレーザショット数やエネルギーでは、半導体膜の結晶粒形は不定形であり、結晶粒界は曲率を有しうねっている。つまり、結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または、数個の結晶粒がつながっており、結晶粒界が不明瞭なものが存在している。こういった結晶粒形の特徴は、金属元素を導入して加熱し結晶化した半導体膜の結晶形態を反映したものである。そのことは金属を導入せず加熱結晶化した半導体膜ではその特徴が見られないことからも分かる。結晶粒形の内角が１８０度以上のものは、亜粒界で接していた結晶粒同士がレーザ照射によって一つに融合されたものと考えられる。
【００３５】
金属元素を導入し加熱結晶化した半導体膜であっても、レーザショット数が増えると結晶粒径が、金属元素を導入せず加熱結晶化したものと近くなるのは、レーザ照射の影響が大きくなり、先の結晶化を助長する金属元素を導入し加熱結晶化で得た結晶性半導体膜の結晶粒形を引き継がなくなる為である。
【００３６】
結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係がある。本発明では結晶性半導体膜の表面の粗さを判断することにより、結晶粒の平面状態も判断することができる。
【００３７】
前述の通り、表面の粗さを表すパラメータとして半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値、平均面粗さＲａ値、二乗平均面粗さＲｍｓ値があげられる。よって、本発明では、結晶性半導体膜の表面の粗さに基づく管理基準として、これら３つのパラメータのうち１つ以上を用いる。そして３つのパラメータにはそれぞれ以下の判断基準を設ける。
【００３８】
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００３９】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００４０】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜表面の凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００４１】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができるため、図１に示すように、作製工程に情報をフィードバックすることなく、次の薄膜トランジスタ作製工程に進む。キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁も低い、良好な結晶性半導体膜であるため、高いキャリア移動度を有する薄膜トランジスタを作製することが可能となる。
【００４２】
しかし、上述の管理基準に結晶性半導体膜が該当しない場合（特性の良否が「否」の場合）、図１で示すように半導体膜の結晶状態に大きく影響を与えるレーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすような結晶性半導体膜を作製できるように、レーザ照射方法を管理する。具体的にはレーザ光のレーザショット数やエネルギー強度などレーザ光照射時の光強度を制御する。そして基準を満たす「良」の状態になるような半導体膜のレーザ照射を行い、その結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタを作製する。
【００４３】
従って、結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があり、結晶性半導体膜の表面の粗さを判断することにより、結晶粒の平面状態も判断することができる。つまり、簡便かつ非破壊な判断方法で、薄膜トランジスタの特性を適切に管理することができる。
【００４４】
また、官能的であった表面観察と比較し、一定の基準で正確に評価及び判断できるため、薄膜トランジスタの特性ばらつきも大きく減少する。さらに、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が判断されるため、情報が早く作製工程へフィードバックされ、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。
【００４５】
このように、一定の良質な結晶性半導体膜が作製できるように、作製時のレーザ照射の際の光強度条件を管理する。それにより、従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた特性不良、及び官能的で不正確な評価方法により生じていた特性のばらつきを、本発明の作製方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出し、管理ができ、結晶性の良好な結晶性半導体膜、および必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【００４６】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では結晶性半導体膜表面の粗さとレーザ光のショット数との関係について図２乃至図５を用いて説明する。
【００４７】
絶縁表面を有する基板２００の上に下地膜３００として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素膜５０ｎｍを形成し、酸化窒化水素化珪素膜を１００ｎｍ積層した。本実施例では基板２００として、旭硝子社製のＡＮ１００を用いたが、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよいし、可撓性基板を用いても良い。また、下地膜として２層構造を用いてもよいし、前記下地（絶縁）膜の単層膜又は２層以上積層させた構造を用いてもよい。
【００４８】
次いで、下地膜上に半導体膜３０１を形成する。半導体膜は公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により成膜すればよい。この非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法およびレーザ結晶化法を行う。
【００４９】
本実施例では半導体膜として、プラズマＣＶＤ法により非晶質珪素膜を５４ｎｍ形成した。金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により非晶質珪素膜上に導入する。非晶質珪素膜への金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。また、このとき非晶質半導体膜の表面の濡れ性を改善し、非晶質珪素膜の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜を成膜することが望ましい。
【００５０】
本実施例では金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により金属含有層３０２を形成し非晶質珪素膜３０１上に導入した後、５５０℃で４時間の熱処理を行って第１の結晶性珪素膜３０３を得た。
【００５１】
次に第１の結晶性珪素膜３０３にレーザ光を照射し結晶化を助長し、第２の結晶性珪素膜３０４を得た（図５（Ｄ））。本実施例では、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、他のレーザ、例えばＹＡＧ、ＹＶＯ４レーザ等でも同様の効果が得られる。本実施例ではＸｅＣｌエキシマレーザを用い、４８０ｍＪ／ｃｍ２のパワーでショット数を、０、２、３．９、７．９、１２．６、２５．２、４２、６３及び１２６と変化させ９パターンのレーザアニールを行いそれぞれ半導体膜を得た（以下、単に結晶性半導体膜という）。
【００５２】
しかしこのようにして得られた結晶性半導体膜は、膜中に触媒の作用を持ち結晶化を助長する金属元素を含んでおり、金属元素を含んだままで薄膜トランジスタに代表される半導体素子を形成するとオフ電流の突発的な上昇等の問題が生じてしまうため、シリコン膜中に含まれる金属元素の濃度を低減させるゲッタリング工程を行うことが望ましい。
【００５３】
よって結晶質半導体膜３０４上にバリア層を形成する（図示せず）。本実施例では、酸化シリコン膜を形成した。
【００５４】
続いて、バリア層上にゲッタリング領域となる半導体膜を形成する。本実施例では、希ガス元素を含む雰囲気で珪素からなるターゲットを用い、非晶質珪素膜５０ｎｍからなるゲッタリング領域を形成した。また、希ガス元素としてはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）から選ばれた一種または複数種を用い、中でも安価なガスであるアルゴン（Ａｒ）が好ましい。本実施例はアルゴンを用いた。
【００５５】
また、一導電型の不純物元素であるリンを含むターゲットを用いてゲッタリング領域を形成した場合、希ガス元素によるゲッタリングに加え、リンを利用してゲッタリングを行うこともできる。
【００５６】
半導体膜（ゲッタリング領域）は、ゲッタリング工程後、エッチングにより除去するため、除去しやすい、例えば、結晶性珪素膜とエッチングの選択比が大きい膜として非晶質珪素膜を用いるとよい。
【００５７】
加熱処理を行い、結晶性半導体膜３０４中に残留する金属元素（ニッケル）をゲッタリング領域に移動させ、濃度を低減、あるいは除去するゲッタリングを行った。ゲッタリングを行う加熱処理としては、強光を照射する処理または加熱処理を行い、結晶性半導体膜３０４に含まれるニッケルがほとんど存在しない、即ち膜中のニッケル濃度が１×１０１８／ｃｍ３以下、望ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下になるように十分ゲッタリングした。
【００５８】
次いで、バリア層をエッチングストッパーとして、ゲッタリング領域のみをエッチングして選択的に除去した後、フッ酸を用いてバリア層を除去した。
【００５９】
このようにして得られた結晶性半導体膜の表面状態をそれぞれＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した。図４に測定結果を示す。図４は、半導体膜に形成された凹凸の最大高低差Ｐ―Ｖ値と平均面粗さＲａ値と二乗平均面粗さＲｍｓ値を示している。なお、図４は１０μｍ×１０μｍにおける領域の測定値である。
【００６０】
図４に示すようにショット数が増加するに従って、結晶性半導体膜の表面の凹凸の高低差を示すＰ―Ｖ値も、平均面粗さを示すＲａ値も二乗平均面粗さＲｍｓ値も増加している。これは多くの回数にわたるレーザショットによって結晶性半導体膜の表面のリッジが高くなり、表面があれてしまったことを示している。このように、表面の粗さを表す３つのパラメータは表面のあらさの変化に対し、同様な挙動を示す。
【００６１】
次に結晶性半導体膜の結晶粒の形態を、従来の表面観察によって評価する。そして結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係について図２及び図３を用いて説明する。
【００６２】
前述のように作製された結晶性半導体膜にそれぞれセコエッチングを行って、ＳＥＭにより３万倍にて表面を観察した結果を図２及び図３に示す。なお、セコエッチングにおけるセコ液はＨＦ：Ｈ２Ｏ＝２：１に添加剤としてＫ２Ｃｒ２Ｏ７を用いて作製されるものである。図２及び図３はそれぞれレーザショット数０、７．９、１２．６、２５．２、４２及び６３のものである。
【００６３】
図２及び図３に示すようにショット数０では結晶性半導体膜表面は微少な結晶粒の集まりだったのに対し、ショット数を７．９、１２．６、２５．２と増加していくと結晶粒同士がレーザアニールにより溶解し、融合して大きな結晶粒になっている。そして、粒形が不定形であり、うねっている結晶状態になる。よりショット数をショット数４２、６３と増加していくと、レーザアニールの影響が大きくなり、結晶粒は一定の大きさのままでその粒形が四角形や五角形といった多角形になっていく。
【００６４】
一方、リッジがまだ低いレーザショット数やエネルギーでは、半導体膜中の複数の結晶粒は結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または、数個の結晶粒がつながっており、結晶粒界が不明瞭なものが存在している。こういった結晶粒形の特徴は、金属元素を導入して加熱し結晶化した半導体膜の結晶形態を反映したものである。この結晶形態は高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にしている。
【００６５】
２次元的に観察された結晶性半導体膜中の結晶粒の平面状態と、結晶半導体膜表面の粗さを測定した測定値をショット数を用いて対応させることができる。対応させた結果より、以下のような判断基準を定義する。
【００６６】
結晶性半導体膜の結晶形態の基準を図２乃至４から定義する。
結晶性の良否を判断する基準１として、
１）結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差Ｐ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、またより望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがあげられる。
【００６７】
結晶性の良否を判断する基準２として、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
ことがあげられる。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。
【００６８】
結晶性の良否を判断する基準３として、
３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍであることがあげられる。なお、ここでいう、二乗平均面粗さとは、表面の凹凸の２乗平均の平方根である。測定領域は、半導体膜の任意の１０μｍ×１０μｍの領域であり、本明細書中におけるＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値は、すべて半導体膜表面の任意の１０μｍ×１０μｍを測定範囲とするが、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよい。測定領域のＰ−Ｖ値、Ｒａ値、Ｒｍｓ値の測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）など半導体膜に形成される凹凸の最大高低差、平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段なら何を用いてもよい。
【００６９】
基準１、基準２または基準３を１つ以上満たす結晶性半導体膜ならば、相関関係にあるその表面の結晶粒の平面形態も良好であると判断することができ、キャリアをトラップする捕獲中心が少なくキャリアに対する障壁が低いためにキャリアの電流輸送特性を向上させ、高いキャリア移動度が実現し、薄膜トランジスタの特性を良好にすることが可能となる。
【００７０】
従って、結晶性半導体膜の表面の粗さと、結晶粒の平面状態には相関関係があり、結晶性半導体膜の表面の粗さを測定し判断することにより、結晶粒の平面状態も評価、判断することができることが確認できた。結晶性半導体膜の表面粗さは、比較的簡便で、かつ非破壊で正確に評価、測定が可能であるので、これを用いて簡便かつ正確に、レーザ照射条件を管理することができる。具体的には、この管理基準によってレーザ照射の際の光強度、レーザショット数またはエネルギー強度を制御し、均一で良質な結晶性半導体膜を作製することが出来る。
［実施例２］
【００７１】
実施例１でレーザショット数を変化させて作製した結晶性半導体膜を用いて、それぞれｐチャネル型薄膜トランジスタを作製した。ｐチャネル型薄膜トランジスタの作製方法は公知の方法を用いればよい。図９、図１０に前記ｐチャネル型薄膜トランジスタの電気特性と表面の粗さとの関係を示す。本実施例では表面粗さを測るパラメータとしてＰ−Ｖ値を用いたが、Ｒａ値、Ｒｍｓ値でもよい。本実施例では測定方法はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用い、測定領域は、半導体膜の任意の１０μｍ×１０μｍの領域とした。しかし、本発明はこれに限定されない。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍより狭くても広くてもよく、実施者が適宜設定すればよい。
【００７２】
図１０はレーザショット数とｐチャネル型薄膜トランジスタのサブスレッショルト係数（Ｓ値）との関係である。Ｓ値はドレイン電流が一桁変化するのに要するゲート電圧であり、小さいほど電気特性がよいといえる。図１０からわかるようにＰ−Ｖ値が増加するにつれ、Ｓ値も増加し、薄膜トランジスタごとのばらつきも大きくなっており特性が低下している。特に、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近を境目にして、変化が大きい。図１０より、Ｐ−Ｖ値が約４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲では薄膜トランジスタの特性は良好だと言える。
【００７３】
また、より望ましくはＰ−Ｖ値が約５０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下である。
【００７４】
なお、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近はＲａ値が約２０ｎｍであり、Ｒｍｓ値が約２０ｎｍである。
【００７５】
図９はＰ−Ｖ値とｐチャネル型薄膜トランジスタの電界効果移動度との関係である。電界効果移動度は、半導体表面の移動度（キャリアの流れやすさ）のうち、ゲート電圧の変化に注目した値であり、大きい方が特性がよいといえる。図９からわかるようにＰ−Ｖ値が増加するにつれ、電界効果移動度は減少し、薄膜トランジスタごとのばらつきが大きくなっており特性が低下している。特に、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近を境目にして変化が大きい。図９より、Ｐ−Ｖ値が約４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲では薄膜トランジスタの特性は良好だと言える。
【００７６】
また、より望ましくはＰ−Ｖ値が約５０ｎｍ以上約１５０ｎｍ以下である。
【００７７】
なお、Ｐ−Ｖ値が約３００ｎｍ付近はＲａ値が約２０ｎｍであり、Ｒｍｓ値が約２０ｎｍである。
【００７８】
よってこの実験結果からも良質な薄膜トランジスタを作製するために必要な結晶性半導体膜の結晶状態の基準は、前記半導体膜の表面のＰ−Ｖ値が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが言える。また望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが言える。
【００７９】
なお、Ｒａ値、またはＲｍｓ値で結晶性半導体膜を判断する基準としては、前記半導体薄膜の表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、または二乗平均面粗さＲｍｓ値は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下以下であることが言える。
【００８０】
よって、上記半導体膜の表面のＰ−Ｖ値が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるとき、または、Ｒａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるとき、またはＲｍｓ値は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるとき、半導体膜中の複数の結晶粒は結晶粒形中に内角が１８０度以上のもの、または、結晶粒界の曲率半径が４００ｎｍ以下であるもの、または、結晶粒形の短軸と長軸の比が１：２以上であるもの、または結晶粒界が不明瞭なものなどが存在する。このような結晶形態の結晶性半導体膜を用いた薄膜トランジスタは、特性が良好であることが確認できた。従って、本発明のとおり、基準１乃至３に該当するように、情報をフィードバックしてレーザ照射条件を管理することによって、結晶性の良い結晶性半導体膜を作製することができ、その結晶性半導体膜を用いることによって特性の良好な薄膜トランジスタを作製することができる。
［実施例３］
本実施例では、本発明を薄膜トランジスタを有するアクティブマトリクス基板の作製工程例を用いて説明する。アクティブマトリクス基板は複数の薄膜トランジスタを有しているが、ｎチャネル型薄膜トランジスタ及びｐチャネル型薄膜トランジスタを有する駆動回路部とｎチャネル型薄膜トランジスタを有する画素部とを有する場合で説明する。しかし本実施例の薄膜トランジスタの作製工程は、本発明の適用例の一つであり、薄膜トランジスタの構成はどのようなものでもよい。なお、図面は図５乃至図８を用いる。
【００８１】
絶縁表面を有する基板２００の上に下地膜３００として、プラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素膜１０〜２００ｎｍ（好ましくは５０〜１００ｎｍ）を形成し、酸化窒化水素化珪素膜を５０〜２００ｎｍ（好ましくは１００〜１５０ｎｍ）積層する基板２００としてはガラス基板、石英基板やシリコン基板、金属基板またはステンレス基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いて良い。また、本実施例の処理温度に耐えうる耐熱性が有するプラスチック基板を用いてもよいし、可撓性基板を用いても良い。また、下地膜として２層構造を用いてもよいし、前記下地（絶縁）膜の単層膜又は２層以上積層させた構造を用いてもよい。
【００８２】
次いで、下地膜上に半導体膜３０１を形成する（図５（Ａ））。半導体膜は２５〜２００ｎｍ（好ましくは３０〜１５０ｎｍ）の厚さで公知の手段（スパッタ法、ＬＰＣＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法等）により成膜すればよい。この非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法およびレーザ結晶化法を行う。
【００８３】
本実施例では半導体膜として、プラズマＣＶＤ法により非晶質珪素膜を５４ｎｍ形成する。金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により非晶質珪素膜上に導入する。非晶質珪素膜への金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質珪素膜の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマＣＶＤ法も含む）、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。また、このとき非晶質半導体膜の表面の濡れ性を改善し、非晶質珪素膜の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのＵＶ光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜を成膜することが望ましい。
【００８４】
その後５００〜５５０℃で３〜２０時間かけて熱処理を行い、非晶質珪素膜を結晶化する。本実施例では金属元素としてニッケルを用い、溶液塗布法により金属含有層３０２を形成し非晶質珪素膜３０１上に導入した後、５５０℃で４時間の熱処理を行って第１の結晶性珪素膜３０３を得る（図５（Ｂ）（Ｃ））。
【００８５】
次に第１の結晶性珪素膜３０３にレーザ光を照射し結晶化を助長し、第２の結晶性珪素膜３０４を得る。本実施例では、パルス発振のＸｅＣｌエキシマレーザを用いたが、他のレーザ、例えばパルス発振のＹＡＧ、ＹＶＯ４レーザ等でも同様の効果が得られる。本実施例ではパルス発振のＸｅＣｌエキシマレーザを用い、４８０ｍＪ／ｃｍ２のパワーで５０回ショットし、レーザアニールを行い第２の結晶性半導体膜３０４（以下、単に結晶性半導体膜という）を得る（図５（Ｄ））。
【００８６】
このようにして得られた結晶性半導体膜を、本発明の判断基準によって判断する。結晶性半導体膜の表面状態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定する。本実施例では、結晶性半導体膜表面の粗さを測る手段として、表面の粗さを表すパラメータの１つであるＰ―Ｖ値を測定する。測定した結果、Ｐ−Ｖ値が１００ｎｍであったとする。
【００８７】
結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値１００ｎｍは本発明の基準１
１）結晶性半導体膜表面のＰ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
によって、相関のある結晶粒の平面状態も特性の良い半導体トランジスタを作製するのに適した膜であるとされ、「良」と判断される。従って本発明の作製管理方法により結晶性半導体膜Ａの薄膜トランジスタ作製工程は引き続き続けられる。また、結晶性半導体膜に形成される凹凸のＰ−Ｖ値は、より望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるのでこの基準で判断を行ってもよい。
【００８８】
しかし、ある装置αで作製された結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値が４００ｎｍであったとする。装置αで作製された結晶性半導体膜のＰ―Ｖ値４００ｎｍは本発明の基準１
１）結晶性半導体膜表面のＰ−Ｖ値が、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
に該当しない膜（結晶性の良否が「否」の膜）であり、レーザ照射条件を制御する必要がある。従って、この装置αを用いた作製工程においてショット数５０のレーザショット数は良質な薄膜トランジスタの作製に適さない条件とされ、レーザ照射プロセスにこの情報がフィードバックされる。そしてこの「否」の情報をもとに、管理基準を満たすように新たに光強度やレーザショット数の回数やレーザエネルギー等のレーザアニール条件が決定される。また、結晶性半導体膜表面のリッジのＰ−Ｖ値は、より望ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるのでこの基準で判断を行ってもよい。
【００８９】
また、本発明の基準２、３である、
２）結晶性半導体膜表面の平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、３）結晶性半導体膜表面の二乗平均面粗さＲｍｓ値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である
を用いて判断してもよいし、それらを自由に組み合わせて判断してもよい。測定範囲は、実施者が適宜設定すればよい。判断方法としては実施例１で説明したように、ＡＦＭなど半導体膜表面の平均面粗さ、または二乗平均面粗さを測定できる手段を用いてＲａ値、Ｒｍｓ値を測定し、判断すればよい。
【００９０】
結晶形態は基準１、基準２及び基準３全て満たしているのが望ましいが、少なくともどれか一つ満たしていればよい。これは表面に形成される凹凸の最大高低差と平均面粗さと二乗平均面粗さは、３つとも表面の粗さを判断するパラメータであり、表面の粗さは、結晶粒形とに相関があるからである。なお、本実施例では基準１のみを用いて判断している。
【００９１】
よって上述の基準によって結晶性半導体膜を判断し、その結果が基準を満たしていない「否」であった場合、レーザ照射工程にその情報をフィードバックして、基準を満たすようにレーザ照射条件を制御すればよい。具体的にはレーザ光の光強度やレーザショット数やエネルギー強度を制御すればよい。そして管理基準によって管理されたレーザ照射条件でレーザ照射を行って半導体膜を結晶化し、結晶性のよい結晶性半導体膜を作製する。
【００９２】
このようにして得られた結晶性半導体膜は、膜中に触媒の作用を持ち結晶化を助長する金属元素を含んでおり、金属元素を含んだままで薄膜トランジスタに代表される半導体素子を形成するとオフ電流の突発的な上昇等の問題が生じてしまうため、シリコン膜中に含まれる金属元素の濃度を低減させるゲッタリング工程を行うことが望ましい。
【００９３】
このようにして得られた結晶性半導体膜３０４をフォトリソグラフィ法を用いたパターニング処理により、半導体層３０５〜３０８を形成する。
【００９４】
また、半導体層３０５〜３０８を形成した後、薄膜トランジスタのしきい値を制御するために微量な不純物元素（ボロンまたはリン）のドーピングを行ってもよい。
【００９５】
次いで、半導体層３０５〜３０８を覆うゲート絶縁膜３０９を形成する。ゲート絶縁膜３０９はプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを４０〜１５０ｎｍとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により１１５ｎｍの厚さで酸化窒化珪素膜を形成する。勿論、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【００９６】
次いで、ゲート絶縁膜上に膜厚２０〜１００ｎｍの第１の導電膜と、膜厚１００〜４００ｎｍの第２の導電膜とを積層して形成する。第１の導電膜及び第２の導電膜はＴａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた元素、又は前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成すればよい。また、第１の導電膜及び第２の導電膜としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜や、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。また、２層構造に限定されず、例えば、膜厚５０ｎｍのタングステン膜、膜厚５００ｎｍのアルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜、膜厚３０ｎｍの窒化チタン膜を順次積層した３層構造としてもよい。また、３層構造とする場合、第１の導電膜のタングステンに代えて窒化タングステンを用いてもよいし、第２の導電膜のアルミニウムとシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）膜に代えてアルミニウムとチタンの合金膜（Ａｌ−Ｔｉ）を用いてもよいし、第３の導電膜の窒化チタン膜に代えてチタン膜を用いてもよい。また、単層構造であってもよい。なお、本実例では、ゲート絶縁膜３０９上に膜厚３０ｎｍの窒化タンタル膜３１０、膜厚３７０ｎｍのタングステン膜３１１を順次積層して形成する（図６（Ａ））。
【００９７】
次に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストからなるマスク３１２〜３１６を形成し、電極及び配線を形成するための第１のエッチング処理を行う。ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用い、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節することにより、第１の導電膜及び第２の導電膜を所望のテーパー形状にエッチングすることができる。なお、エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。
【００９８】
第１のエッチング処理により第１の導電層と第２の導電層から成る第１の形状の導電層３１７〜３２１（第１の導電層３１７ａ〜３２１ａと第２の導電層３１７ｂ〜３２１ｂ）を形成する（図６（Ｂ））。
【００９９】
次いで、レジストからなるマスクを除去せずに第２のエッチング処理を行う。ここでは、Ｗ膜を選択的にエッチングする。この時、第２のエッチング処理により第２の導電層３２２ｂ〜３２６ｂを形成する。一方、第１の導電層３２２ａ〜３２６ａは、ほとんどエッチングされず、第２の形状の導電層３２２〜３２６を形成する。
【０１００】
そして、レジストからなるマスクを除去せずに第１のドーピング処理を行い、半導体層にｎ型を付与する不純物元素を低濃度に添加する。ドーピング処理はイオンドープ法、若しくはイオン注入法で行えば良い。ｎ型を付与する不純物元素として１５族に属する元素、典型的にはリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を用いるが、ここではリン（Ｐ）を用いる。この場合、導電層３２２〜３２６がｎ型を付与する不純物元素に対するマスクとなり、自己整合的に不純物領域３２７〜３３０が形成される。不純物領域３２７〜３３０には１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加する（図６（Ｃ））。
【０１０１】
レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク３３１ａ〜３３１ｃを形成して第１のドーピング処理よりも高い加速電圧で第２のドーピング処理を行う。ドーピング処理は第２の導電層３２３ｂ、３２６ｂを不純物元素に対するマスクとして用い、第１の導電層のテーパー部の下方の半導体層に不純物元素が添加されるようにドーピングする。続いて、第２のドーピング処理より加速電圧を下げて第３のドーピング処理を行って図７（Ａ）の状態を得る。第２のドーピング処理および第３のドーピング処理により、第１の導電層と重なる低濃度不純物領域３３５、３４１には１×１０１８〜５×１０１９／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加され、高濃度不純物領域３３４、３３７、３４０には１×１０１９〜５×１０２１／ｃｍ３の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加される。
【０１０２】
もちろん、適当な加速電圧にすることで、第２のドーピング処理および第３のドーピング処理は１回のドーピング処理で、低濃度不純物領域および高濃度不純物領域を形成することも可能である。
【０１０３】
次いで、レジストからなるマスクを除去した後、新たにレジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂを形成して第４のドーピング処理を行う。この第４のドーピング処理により、ｐチャネル型薄膜トランジスタの活性層となる半導体層に前記一導電型とは逆の導電型を付与する不純物元素が添加された不純物領域３４３、３４４、３４７、３４８を形成する。第１及び第２の導電層３２２、３２６を不純物元素に対するマスクとして用い、ｐ型を付与する不純物元素を添加して自己整合的に不純物領域を形成する。本実施例では、不純物領域３４３、３４４、３４７、３４８はジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いたイオンドープ法で形成する（図７（Ｂ））。この第４のドーピング処理の際には、ｎチャネル型薄膜トランジスタを形成する半導体層はレジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂで覆われている。第１乃至３のドーピング処理によって、不純物領域３３２、３４０、３４１にはそれぞれ異なる濃度でリンが添加されているが、そのいずれの領域においてもｐ型を付与する不純物元素の濃度を１×１０１９〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようにドーピング処理することにより、ｐチャネル型薄膜トランジスタのソース領域およびドレイン領域として機能するために何ら問題は生じない。
【０１０４】
以上までの工程で、それぞれの半導体層に不純物領域が形成される。
【０１０５】
次いで、レジストからなるマスク３４２ａ、３４２ｂを除去して第１の層間絶縁膜３４９を形成する。この第１の層間絶縁膜３４９としては、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを１００〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜で形成する（図７（Ｃ））。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成する。勿論、第１の層間絶縁膜３４９は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【０１０６】
次いで、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、又はレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜へのプラズマダメージやゲート絶縁膜と半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。
【０１０７】
第１の層間絶縁膜３４９上に無機絶縁膜材料または有機絶縁物材料から成る第２の層間絶縁膜３５０を形成する。本実施例では、膜厚１．６μｍのアクリル樹脂膜を形成するが、粘度が１０〜１０００ｃｐ、好ましくは４０〜２００ｃｐのものを用い、表面に凸凹が形成されるものを用いる。この後、第２の層間絶縁膜３５０上に窒化絶縁膜（代表的には、窒化珪素膜又は窒化酸化珪素膜）からなるパッシベーション膜３５１を形成する。
【０１０８】
次いで金属膜を形成し、金属膜をエッチングして各不純物領域とそれぞれ電気的に接続するソース電極及びドレイン電極、各配線（図示しない）を形成する。金属膜は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）もしくはシリコン（Ｓｉ）の元素からなる膜又はこれらの元素を用いた合金膜を用いればよい。なお本実施例では、チタン膜／チタンーアルミニウム合金膜／チタン膜（Ｔｉ／Ａｌ−Ｓｉ／Ｔｉ）をそれぞれ１００／３５０／１００ｎｍに積層したのち、所望の形状にパターニング及びエッチングしてソース電極、ドレイン電極３５２及び各配線（図示しない）を形成する。
【０１０９】
その後、電極（ＥＬ表示装置の場合は陽極又は陰極となり、液晶表示装置の場合は画素電極となる）を形成する。電極には、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の透明導電膜を用いたり、反射型の液晶表示装置の場合はＡｌ等の金属膜を用いたりすることができる。なお本実施の形態では、ＩＴＯを成膜し、所望の形状にエッチングすることで電極３５３を形成する（図８）。
【０１１０】
以上のような工程により、薄膜トランジスタを備えたアクティブマトリクス基板が完成する。
【０１１１】
なお、本発明は、本実施例で示した薄膜トランジスタの作製方法に限らず、トップゲート型（プレーナー型）、ボトムゲート型（逆スタガ型）、あるいはチャネル領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲート電極を有する、デュアルゲート型やその他の構造においても適用できる。
【０１１２】
【発明の効果】
従来の装置依存性や経験則に基づいて発生していた特性不良、及び官能的で不正確な評価方法により生じていた特性のばらつきを、本発明の作製方法によって減らし、歩留まりを向上することができる。また、薄膜トランジスタ完成時ではなく、結晶性半導体膜の作製時に特性が判断されるため、情報が早く作製工程へフィードバックされ、無駄な工程を行い時間やコストをかけてしまう恐れも軽減される。さらに個々の装置の性能や工場の環境等による生産工程の条件の差異にかかわらず、いち早く最適な結晶化の条件出し、管理ができ、結晶性の良好な結晶性半導体膜、および必要な特性を有する良質な薄膜トランジスタを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を表すフローチャ−ト。
【図２】結晶性半導体膜の結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図３】結晶性半導体膜の結晶粒の形態とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図４】結晶性半導体膜のＰ−Ｖ値とレーザ光のショット数との関係を示す図。
【図５】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図６】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図７】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタの作製工程を示す断面図。
【図８】画素薄膜トランジスタ、駆動回路の薄膜トランジスタを示す断面図。
【図９】Ｐ−Ｖ値と薄膜トランジスタ特性の関係を示す図。
【図１０】Ｐ−Ｖ値と薄膜トランジスタ特性の関係を示す図。
Claims (12)
- 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の平均面粗さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射し、結晶性半導体膜を形成する結晶性半導体膜の作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の二乗平均面粗さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。 - 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記レーザ照射条件を、光強度を制御することによって管理することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。
- 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記レーザ照射条件を、照射するレーザショット数またはレーザ照射エネルギーを制御することによって管理することを特徴とする結晶性半導体膜の作製方法。
- 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射して形成する結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射して形成する結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の最大高低差が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射して形成する結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の平均面粗さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 非晶質半導体膜に金属元素を導入し、前記非晶質半導体膜を加熱し、レーザ光を照射して形成する結晶性半導体膜を有する薄膜トランジスタの作製方法において、
前記レーザ光を照射する際の照射条件を、前記結晶性半導体膜の表面粗さに基づく管理基準により管理し、
前記結晶性半導体膜に形成される凹凸の二乗平均面粗さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるように前記結晶性半導体膜を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 請求項７乃至１０のいずれか一項において、前記レーザ照射条件を、光強度を制御することによって管理することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
- 請求項７乃至１０のいずれか一項において、前記レーザ照射条件を、照射するレーザショット数またはレーザ照射エネルギーを制御することによって管理することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
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