JP2005085817A - 薄膜半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明基板の面内厚みばらつきに起因するシリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一を解消する。
【解決手段】 薄膜半導体装置の製造方法は、波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を光源とし、透明基板としてのガラス基板上にアモルファス状態のシリコン膜３を形成したものを被照射物４とするレーザアニール工程を含み、前記レーザアニール工程は、前記透明基板の前記可視レーザ光の照射する側と反対側の表面に、反射率低下部が形成された状態で照射を行なう。
【選択図】 図２

Description

本発明は、薄膜半導体装置の製造方法に関するものである。特に、薄膜半導体装置のシリコン層を再結晶化するために一般的に行なわれるレーザアニール法に関する。特に、Ｎｄイオンをドープした固体を媒質としたレーザ光の第２高調波を光源としたレーザアニール法に関する。

特開平９−２９３６８７号公報（特許文献１）には、広く一般的に用いられている、エキシマレーザ光を光源としたレーザアニール法について開示されている。また、特開２０００−２６０７３１号公報（特許文献２）には、エキシマレーザ光を光源としたレーザアニール法に比べて性能が優れたポリシリコン膜を形成できるとして近年注目されている、Ｎｄイオンをドープした固体結晶を媒質としたレーザ発振光の第２高調波を光源としたレーザアニール法について開示されている。

これらの文献においてはいずれも、被照射物は、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜が形成されたものである。これは、ガラス基板上に直接アモルファスシリコン膜が形成されたものに限らず、ガラス基板表面を酸化シリコン膜などで一旦被覆した上にアモルファスシリコン膜を形成したものである場合もある。いずれにしても、このような被照射物にレーザ光をレーザ光を照射し、アモルファスシリコン膜を溶融・結晶化させることにより、ポリシリコン膜を形成する。
特開平９−２９３６８７号公報 特開２０００−２６０７３１号公報

上記特許文献２に開示されているように、可視域のレーザ光、特にＮｄイオンをドープした固体結晶を媒質としたレーザ発振光の第２高調波を光源とするレーザアニール法が、ポリシリコン膜の形成に用いられている。アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射した際、一部の光は吸収されずにアモルファスシリコン膜を透過した後、ガラス基板の裏面で反射する。この反射光はガラス基板の内部すなわち表裏両面の間で多重反射を起こし、干渉した結果の光がシリコン膜に再照射される。こうしてガラス基板内部からシリコン膜に向けて再照射される反射光もレーザアニールに寄与する。

通常用いられるガラス基板は、１枚の中でも部位によって厚みのばらつきが存在する。以下、このばらつきを「面内厚みばらつき」という。面内厚みばらつきの量は、可視域の波長の数倍に相当する数μｍ程度であるので、ガラス基板内部で多重反射を起こす反射光の干渉度合いは、面内厚みばらつきによって差を生じ、シリコン膜に再照射される反射光の強度も異なってくる。よって、同じ条件でレーザ光の照射を行なったにもかかわらずシリコン膜に吸収される光の量が部位によって異なることになる。その結果、シリコン膜のレーザアニール度合いが面内で不均一となり、結果として得られるポリシリコン膜質が面内でばらつく。そのような膜質のばらついたポリシリコン膜を用いて作製される薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）は、特性が面内でばらつき、このようなポリシリコンＴＦＴを用いて構成された回路は正常に動作しなくなる。したがって、シリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一は、必ず解決しなければならない課題であるといえる。

そこで、本発明は、透明基板の面内厚みばらつきに起因するシリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一を解消することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく薄膜半導体装置の製造方法は、波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を光源とし、透明基板上にアモルファスシリコン膜を形成したものを被照射物とするレーザアニール工程を含み、前記レーザアニール工程は、前記透明基板の前記可視レーザ光の照射する側と反対側の表面に、反射率低下部が形成された状態で照射を行なう。

本発明によれば、シリコン膜を透過してきたレーザ光は透明基板の下面に到達した時点で反射率低下部によって拡散ないし散乱するので、透明基板の内部からシリコン膜に向けて再照射される反射光の強度は、きわめて弱くなる。その結果、レーザアニール工程における透明基板裏面からの反射光の影響は小さくなり、レーザアニールの度合いは上方から直接入射するレーザ光のみによってほぼ決まるようになる。こうして、透明基板の面内厚みばらつきに起因して従来問題となっていたシリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一は解消される。

発明者らは、可視域の各波長の光に対する被照射物の吸収率のばらつきを調査した。その結果を図１に示す。図１は、典型的な例としてアモルファスシリコン膜の厚みを５０ｎｍとし、ガラス基板とアモルファスシリコン膜との間に介在する下地膜としてのＳｉＯ₂膜の膜厚を２００ｎｍとして計算したものである。吸収率の平均値、最小値、および最大値を示している。図１によれば、波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の範囲で吸収率が大きく変動することが分かる。この範囲よりも短波長側はアモルファスシリコン膜の吸収率が大きく、照射光の大部分がシリコン膜に吸収されてしまい、透過光がほとんどないため、吸収率の変動は見られない。また、この範囲よりも長波長側は吸収率が小さく、照射光をアモルファスシリコン膜がほとんど吸収しないため、やはり吸収率の変動は見られない。上記波長範囲での吸収率の変動は、上述のように発生するガラス基板裏面での反射光が原因である。本発明は、ガラス基板裏面での光の反射を低減することにより、吸収率の変動を問題とならないレベルにまで抑制するものである。

なお、上記特許文献１のようにエキシマレーザ光を光源とするレーザアニールについては、照射光が全てアモルファスシリコン膜表面において吸収されるため、このような吸収率変動の問題は発生しない。したがって、シリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一も発生しない。

（実施の形態１）
（製造方法）
図２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体装置の製造方法について説明する。図２に示すように、被照射物４は、透明基板としてのガラス基板１の上面に下地膜２を形成してさらにその上側にシリコン膜３が形成されたものである。下地膜２は酸化シリコン膜または窒化シリコン膜である。なお、下地膜２がない構造であってもよい。シリコン膜３は当初はアモルファスシリコン膜となっている。

本実施の形態における薄膜半導体装置の製造方法は、レーザアニール工程を含んでいる。このレーザアニール工程は、この被照射物４をステージ５に載置して、この被照射物４に対して矢印４１の向きに、波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を照射するものである。ただし、この被照射物４のガラス基板１のうち、可視レーザ光を照射する側と反対側の表面には反射率低下部６が形成されている。「反射率低下部」６とは、レーザ光の反射率を低下するように機械的に多数の傷が形成された部分である。この傷は、たとえば、切削器具やカッター等を使用して形成することができ、その傷のパターンは回折格子のようなものであってもよい。回折格子の溝形状としては、通常よく用いられる、ブレーズド格子、エシェル格子、正弦波格子、ラミナー格子などであってもよい。また、サンドブラスト処理でガラス基板１の裏面のみを曇りガラスのように加工してこの部分を反射率低下部６としてもよい。

このレーザアニール工程によって、シリコン膜３は、溶融し、再結晶する。その結果、シリコン膜３は、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜へと変化する。こうして得られた多結晶シリコン膜を利用して、薄膜トランジスタなどの各種薄膜半導体装置が作製される。

（薄膜半導体装置）
本発明を適用して製造した薄膜半導体装置の一例を図３に示す。この薄膜半導体装置は、透明基板としてのガラス基板１と、ガラス基板１の一方の表面に重なるように配置されたシリコン膜３とを備える。なおかつ、ガラス基板１は、シリコン膜３があるのと反対側の表面に反射率低下部６を有する。シリコン膜３はレーザアニール工程が行なわれた結果として多結晶シリコン膜になっている。シリコン膜３とガラス基板１との間には下地膜２などが介在していてもよい。図３の例では、シリコン膜３の上面にゲート電極１１が形成されており、薄膜トランジスタを構成している。ここでは、薄膜トランジスタの例を示したが、他の種類の薄膜半導体装置であってもよい。

（作用・効果）
本実施の形態における薄膜半導体装置の製造方法によれば、図２において、矢印４１の向きに照射され、シリコン膜３を透過してきたレーザ光はガラス基板１の内部を進行し、ガラス基板１の下面に到達した時点で反射率低下部６によって拡散ないし散乱する。こうして、ガラス基板１の下面で反射して再びガラス基板１の上面に向かうレーザ光の強度が極度に低下するので、仮にガラス基板１内部で多重反射をするとしてもレーザ光の強度は極端に減衰する。したがって、ガラス基板１内部からシリコン膜３に向けて再照射される反射光の強度は、きわめて弱くなる。その結果、レーザアニール工程におけるガラス基板裏面からの反射光の影響は小さくなり、レーザアニールの度合いは上方から直接入射するレーザ光のみによってほぼ決まるようになる。よって、ガラス基板の面内厚みばらつきによるシリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一は解消される。

また、本実施の形態における薄膜半導体装置は、上述の製造方法でレーザアニール度合いの面内不均一を解消しつつ作製することができるため、信頼性の高い薄膜半導体装置となる。

なお、反射率低下部は機械的に傷を形成して作られたものには限られず、表面を化学的にエッチングして粗くすることで作られたものであってもよい。化学的な処理で表面が粗くされ、光学的拡散面となっていれば、機械的に形成された傷の場合と同様に、反射率低下部としての役割を果たすことができる。化学的にエッチングして反射率低下部を形成するための具体的方法としては、たとえば、フッ酸溶液などによるウェットエッチングが考えられる。あるいは、フッ素系ガスや塩素系ガスによるドライエッチングも考えられる。

（実施の形態２）
（製造方法）
図４を参照して、本発明に基づく実施の形態２における薄膜半導体装置の製造方法について説明する。

実施の形態１で参照した図２では、反射率低下部６がガラス基板１の下面全面に形成されている様子を示したが、必ずしも全面に形成されていなければならないわけではない。図４に示すように、真空吸引孔９を有するステージ５ｖを用いてレーザアニール工程を行なう場合には、ガラス基板１の下面に第１の領域７と第２の領域８とを設けておくことが好ましい。第１の領域７は、真空吸引孔９によって真空吸着されるための平滑な面となっており、第２の領域８は、反射率低下部６ｒが形成された面となっている。反射率低下部６ｒの形成の仕方やバリエーションについては、実施の形態１で説明したものと同様である。その他の点についても、基本的に実施の形態１と同様である。

（作用・効果）
反射率低下部は、機械的に形成された傷であっても化学的にエッチングで表面を粗くした面であっても、通常、平滑ではなくなるので真空吸着が行ないにくくなる。しかし、本実施の形態で示すように透明基板としてのガラス基板の下面を第１，第２の領域に分け、反射率低下部の形成部分を限定した状態でレーザアニール工程を行なうこととすれば、真空吸着は平滑な部分で確実に行なうことができるようになり、なおかつ、実施の形態１で説明した効果も得ることができる。このような方法は、ステージに被照射物を確実に固定したい場合には有効である。

化学的にエッチングして反射率低下部を形成する場合は、ガラス基板の裏面にフォトレジストなどでパターンを形成してからエッチングすることとすれば、所望の領域のみに反射率低下部を形成し、他の領域は平滑なままとすることができる。

図３に示した薄膜半導体装置では、ガラス基板１の下面の全面に反射率低下部６がある例が示されているが、本実施の形態における薄膜半導体装置の製造方法で得られる薄膜半導体装置であれば、ガラス基板の下面のうち一部のみに反射率低下部があることとなる。

（実施の形態３）
（製造方法）
図５を参照して、本発明に基づく実施の形態３における薄膜半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態では、被照射物４のガラス基板１の下面には反射率低下部を設けていない。被照射物４は、ステージ５の上面に直接接して載置されるのではなく、ステージ５の上面に透明板としてのガラス板１０をまず載置して、そのさらに上側にガラス基板１が載るように載置されている。ここでは、透明板をガラス板１０としたが、透明板は透明基板と同じ材質のものであればよい。本実施の形態では透明基板はガラス基板１であるので、透明板を同じ材料からなるガラス板１０としている。また、ガラス板１０は、厚みが０．５ｍｍ以上である。その他の点については、基本的に実施の形態１と同様である。

（作用・効果）
本実施の形態では、積み重ねられた透明基板と透明板とが同じ材料であるので、透明基板であるガラス基板１の下面と透明板であるガラス板１０の場面とが接する界面で屈折率の変化が生じない。したがって、この界面ではレーザ光は反射されない。したがって、この構成では、下方に向かって進行してきたレーザ光はステージ５の上面で反射されることになる。

ところで、通常のレーザアニール装置における集光光学系の焦点深度は±０．５ｍｍ程度である。現在薄膜半導体装置を製造するのに用いられる一般的なガラス基板の厚さは０．５ｍｍ程度なので、０．５ｍｍ以上の厚さのガラス板をステージ上面との間に配置することで、ステージ上面は焦点深度外となってしまう。したがって、たとえステージ上面が金属などの反射しやすい材料でできていたとしてもステージ上面で反射するレーザ光は焦点深度外で反射したにすぎないものとなるので、反射光はもはやレーザアニールにほぼ寄与しなくなる。

したがって、レーザアニール工程におけるガラス基板裏面からの反射光の影響は小さくなり、レーザアニールの度合いは上方から直接入射するレーザ光のみによってほぼ決まるようになる。よって、ガラス基板の面内厚みばらつきによるシリコン膜のレーザアニール度合いに関する面内不均一は解消される。

なお、上記各実施の形態では、波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を照射していたが、照射に用いるレーザ光としては、特に、Ｎｄイオンをレーザ媒質にドープした固体から発振されるレーザ光の第２高調波を用いることが好ましい。とりわけ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ₄レーザによるものを用いることが好ましい。固体レーザは取扱いが容易でほぼメンテナンスフリーであるので、このような種類のレーザを採用すれば、レーザアニール工程を長時間安定して行なうことができ、生産性を向上させることができるからである。

なお、上記各実施の形態では、透明基板としてガラス基板を例に挙げて説明してきたが、透明基板はガラス基板に限られず、他の材料の基板であっても透明なものであれば同様に本発明が適用可能であると考えられる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

可視域の各波長の光に対する被照射物の吸収率のばらつきを示すグラフである。 本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体装置の製造方法の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における薄膜半導体装置の断面図である。 本発明に基づく実施の形態２における薄膜半導体装置の製造方法の説明図である。 本発明に基づく実施の形態３における薄膜半導体装置の製造方法の説明図である。

符号の説明

１ ガラス基板、２ 下地膜、３ シリコン膜、４ 被照射物、５，５ｖ ステージ、６，６ｒ 反射率低下部、７ 第１の領域、８ 第２の領域、９ 真空吸引孔、１０ ガラス板、１１ ゲート電極、４１ （レーザ照射の向きを示す）矢印。

Claims (8)

1. 波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を光源とし、透明基板上にアモルファスシリコン膜を形成したものを被照射物とするレーザアニール工程を含み、前記レーザアニール工程は、前記透明基板の前記可視レーザ光の照射する側と反対側の表面に、反射率低下部が形成された状態で照射を行なう、薄膜半導体装置の製造方法。
2. 前記透明基板は、真空吸着されるための第１の領域と、前記反射率低下部が形成された第２の領域とを含み、前記レーザアニール工程は、前記透明基板を前記第１の領域において真空吸着することによって固定して行なう、請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
3. 前記反射率低下部は、機械的に傷を作成することで形成されている、請求項１または２に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
4. 前記反射率低下部は、表面を化学的にエッチングして粗くすることで形成されている、請求項１または２に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
5. 波長４５０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下の可視レーザ光を光源とし、透明基板上のアモルファスシリコン膜を被照射物とするレーザアニール工程を含み、前記レーザアニール工程は、ステージの上面に、前記透明基板と同じ材質であって厚み０．５ｍｍ以上の透明板を載置し、前記透明板の上に前記透明基板を載置した状態で行なう、薄膜半導体装置の製造方法。
6. 前記可視レーザ光として、Ｎｄイオンをレーザ媒質にドープした固体から発振されるレーザ光の第２高調波を用いる、請求項１から５のいずれかに記載の薄膜半導体装置の製造方法。
7. 前記レーザ光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザまたはＮｄ：ＹＶＯ₄レーザによるものである、請求項６に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
8. 透明基板と、前記透明基板の一方の表面に重なるように配置されたシリコン膜とを備え、前記透明基板は、前記シリコン膜があるのと反対側の表面に反射率低下部を有する、薄膜半導体装置。

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