JP2006216971A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線状のレーザー光を用いたアクティブマトリクス領域の形成工程において、レーザー光のビーム内照射エネルギー密度のバラツキによる縞模様表示を抑制する。
【解決手段】基板上に下地膜を成膜し、下地膜上にマトリクス状に配置された半導体薄膜を形成し、マトリクス状に配置された半導体薄膜の行方向および列方向に対し、０°または９０°以外の角度を有した第１の方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら半導体薄膜に対して照射した後、第１の方向とは異なり、マトリクス状に配置された行方向および列方向に対し、０°または９０°以外の角度を有した第２の方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら半導体薄膜に対して照射する。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射プロセスを用いたアクティブマトリクス型の表示装置の作製方法に関する。またそのような方法で得られたアクティブマトリクス型の表示装置の構成に関する。

近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴと称される）を用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置が注目されている。これは、マトリクス状に配置された各画素電極に薄膜トランジスタを設け、画素電極に出入りする電荷を薄膜トランジスタでもって制御する構成を有している。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用される薄膜トランジスタは、ガラス基板上に成膜された厚さ数百Å〜数千Å厚の珪素薄膜を用いて構成されている。

珪素薄膜としては、非晶質珪素膜（アモルファスシリコン膜）を用いたものが主流である。しかし、より高性能なものを得るためには結晶性珪素膜を用いることが有効である。

特に結晶性珪素膜を用いた場合、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタが実用になるので、ＣＭＯＳ回路が構成できる。そして、このＣＭＯＳ回路を利用して１枚のガラス基板上にアクティブマトリクス回路と周辺駆動回路部とを集積化できるという大きな有意性がある。

なお、非晶質珪素膜を用いた薄膜トランジスタでは、実用になるＰチャネル型の薄膜トランジスタを得ることができない。（特性が低すぎて実用にならない）

結晶性珪素膜の作製方法としては、まずプラズマＣＶＤ法等でもって非晶質珪素膜を成膜し、この非晶質珪素膜を加熱やレーザー光の照射によって結晶化させる技術がある。

特にレーザー光の照射による方法は、高い結晶性が得られるという有意性がある。

このレーザー光の照射による方法は、結晶化の他にソース／ドレイン領域の活性化にも利用することができる。即ち、不純物イオンの注入後に行われる活性化にも利用することができる。

これらレーザー光の照射を用いたプロセスは、基板に対して熱的なダメージをほとんど与えないという大きな有意性がある。このことは、基板としてガラス基板を用いる場合に非常に有用なこととなる。

レーザー光としては、コストや安定性、さらに半導体材料（特に珪素）に対する吸収性の観点から、紫外領域の波長を発振する希ガスとハロゲンガスを原料ガスとしたパルス発振型のエキシマレーザーが利用される。

しかし、レーザー光を用いたプロセスは、その照射面積が限られるという問題がある。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、その大型化が進んでおり、数ｃｍ角のビームを走査しながら照射することは、技術的に問題が多い。

この問題を解決する方法として、レーザー光を光学系でもって幅が数ｍｍ、長さが数十ｃｍの線状にレーザービームに加工し、このレーザー光を走査しながら照射することによって、大面積への対応をする技術が知られている。（例えば、特開平７−２４９５９２号参照）

上記の線状のレーザービームを用いる方法を用いてアクティブマトリクス型の液晶表示装置のアクティブマトリクス基板を作製すると以下の問題が生じる。

即ち、１０ｃｍ角以上の面内に数百×数百以上の薄膜トランジスタをマトリクス状に配置された構成（アクティブマトクス型の液晶表示装置を構成する一方の基板）を線状レーザーを利用したプロセスで作製すると、表示に縞状のムラが観察される。

なおこの場合、レーザープロセスは、結晶性珪素膜の作製の際の膜の結晶化と、ソース／ドレイン領域の形成後（不純物のイオン注入後）に行われる活性化工程において利用されている。

上記の縞模様は、レーザープロセスに起因するものと考えられる。このことは、線状のレーザー光の走査方向に対応して縞模様の向きが代わることから確認される。

上記の縞模様には、大別して２種類ある。第１の縞模様は、縞の延長方向が線状のレーザー光の長手方向と一致する縞である。第２の縞模様は、前記縞と直交する縞模様である。

第１の縞模様は、線状のパルス発振形式の線状のレーザー光を走査しながら照射するすることによって、結晶化やアニール効果のむらが発生することによるものである。即ち、パルスの重なり具合等に起因して照射ムラが生じてしまうものである。

また第２の縞模様は、線状のレーザー光の長手方向における照射エネルギー密度分布のムラに起因するものである。

線状のレーザー光は、発振器から発振された数ｃｍ角のレーザービームを光学系を用いて一方の方向では数十ｃｍ（最低でも１０ｃｍ）と大きく引延し、それに直交する方向には数ｍｍと圧縮することによって得られる。

従って、レーザー発振器から発振されるレーザー光のビーム内エネルギー密度分布がわずかでもゆらいでいると、そのゆらぎは線状の長手方向において大きく増幅され、ビーム内照射エネルギー密度の分布ムラとなる。

この分布ムラは、光学系の精度をいくら高めても本質的に無くなるものではない。

本明細書で開示する発明は、レーザープロセスを利用してアクティブマトリクス回路を形成した場合に発生する縞模様の表示を抑制する技術を提供することを課題とする。

本明細書で開示する発明は、アクティブマトリクス回路の行または列となる方向に対して、０°または９０°以外の所定の角度を有して線状のレーザー光を位置させ、その状態でレーザー光を走査して半導体薄膜の結晶化や活性化を行うことを特徴とする。

例えば図１に示すように、アクティブマトリクス基板１０１上のアクティブマトリクス回路１０２が形成される領域に対するレーザーアニールにおいて、（Ｘn,Ｙn ）で示される行列に対して線状のレーザー光１０３の長手方向が一致しないようにしてレーザー光を走査する。なお、図１において１０４で示されるのがマトリクス状に配置される薄膜トランジスタの配置位置である。

即ち、Ａで示される角度が０°または９０°とならないようにして、線状のレーザー光１０３を走査して照射する。具体的には、Ａで示される角度が１０°〜８０°または−１０°〜−８０°の範囲内となるようにする。

このようにすることで、行列に沿った方向におけるレーザーアニールのバラツキが平均化される。そして、表示を行わす際における縞模様を目立たないものとすることができる。

本明細書で開示する発明の一つは、
マトリクス状に配置されたアクティブマトリクス回路を有する半導体装置の作製方法であって、
アクティブマトリクス回路を構成する半導体薄膜に対して、
マトリクスを構成する行または列から１０°〜８０°または−１０°〜−８０°の角度を有した方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら照射することを特徴とする。

他の発明の構成は、
マトリクス状に配置されたアクティブマトリクス回路を有する半導体装置の作製方法であって、
アクティブマトリクス回路を構成する半導体薄膜に対して、
マトリクスを構成する行または列から１０°〜８０°または−１０°〜−８０°の角度を有した方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら照射する工程を有し、
前記工程は角度を変化させて複数回行われることを特徴とする。

上記ような構成とすると、レーザービーム内の照射エネルギー密度のバラツキがさらに平均化される。

本明細書に開示する発明を利用することにより、レーザープロセスを利用してアクティブマトリクス回路を形成した場合に発生する縞模様の表示を抑制することができる。

本実施例では、アクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製する工程例を示す。図２に本実施例で示す薄膜トランジスタの作製工程を示す。

図２には、１つの薄膜トランジスタを作製する工程が示されているが、実際には、数百×数百のマトリクス状に配置された画素のそれぞれに図２に示される薄膜トランジスタが同時に作製される。

図２（Ａ）に示すようにまずガラス基板２０１上に下地膜２０２としてスパッタリング法により酸化珪素膜を３０００Åの厚さに成膜する。

次に後に薄膜トランジスタの活性層を構成する非晶質珪素膜２０３減圧熱ＣＶＤ法で３００Åの厚さに成膜する。

こうして図２（Ａ）に示す状態を得る。非晶質珪素膜２０３を成膜したら、レーザー光の照射による結晶化を行う。この際、図１に示すように、（Ｘ_n , Ｙ_n ）で示されるマトリクスの行または列に平行にならないように線状のレーザー光１０３の長手方向を決める。

即ち、Ａで示される角度が０°または９０°とならないようにする。そしてＡで示される角度を保った状態でレーザー光を走査して照射する。

具体的には、Ａで示される角度を維持した状態において、１０９で示される矢印の方向に基板１０１がレーザービーム１０３に対して動くように基板１０１を移動させる。

このようなレーザー照射方法とすると、１０５〜１０８で示されるそれぞれ照射エネルギー密度がばらついている被照射領域が行または列と平行にならない状態とすることができる。

なお、加熱により一旦結晶性を与えた珪素膜に対して、さらにレーザー光を照射することにおり、結晶性を助長させる構成としてもよい。

レーザー光の照射による結晶化を行い図示しない結晶性珪素膜を得た後、これをパターニングして、薄膜トランジスタの活性層２０４を形成する。さらにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜２０５を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。こうして図２（Ｂ）に示す状態を得る。

次にゲイト電極を構成するための図示しないアルミニウム膜をスパッタリング法によって４０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、耐熱性を向上させるためにスカンジウムまたはイットリウムを微量に含有させる。

そしてこのアルミニウム膜を図示しないレジストマスクも用いてパターニングすることにより、図２（Ｃ）に示すゲイト電極の原型となるパターン２０６を形成する。

次にアルミニウムでなるパターン２０６を陽極として電解溶液中において陽極酸化を行い、２０８で示される陽極酸化膜を形成する。この陽極酸化は白金を陰極とし、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液中で行う。

この工程において形成される陽極酸化膜２０８は、多孔質状（ポーラス状）を有している。陽極酸化膜２０８は５０００Åの厚さに成膜する。なおこの陽極酸化工程においては、図示しないレジストマスクが存在する関係でゲイト電極となるパターン２０７の側面において陽極酸化膜が選択的に形成される。

次に図示しないレジストマスクを除去する。そして、電解溶液として３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液をアンモニア水で中和したものを用いて再度の陽極酸化を行う。

この工程において、２０９で示される緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。この工程においては、電解溶液が多孔質状の陽極酸化膜中に侵入するので、２０９で示されるようにゲイト電極２０７の表面周囲を覆うように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。

こうして図２（Ｄ）に示す状態を得る。次にソースおよびドレイン領域を形成するために不純物イオンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを作製するためにＰ（リン）イオンの注入を行う。

この不純物イオンの注入を行うことによって、２１０と２１４の領域に高濃度にＰイオンが注入される。

次に多孔質状の陽極酸化膜２０８を除去し、再度のＰイオンの注入を行う。このＰイオンの注入は最初のイオン注入条件に比較してライトドープの条件で行う。このライトドーピングを行うことによって、２１１と２１２で示される低濃度不純物領域が形成される。

イオンの注入が終了したら、レーザー光の照射を行い、イオンの注入された領域のアニールと注入された不純物イオンの活性化とを行う。

このレーザー光の照射も図１に示すような方法で行う。

こうして図２（Ｅ）に示す状態を得る。ここで、２１０がソース領域、２１１が低濃度不純物領域、２１２がチャネル形成領域、２１３が低濃度不純物領域（ＬＤＤ領域）、２１４がドレイン領域となる。

次に第１の層間絶縁膜２１５として酸化珪素膜を５０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。そしてコンタクトホールの形成を行い、ソース電極（ソース配線）２１６を形成する。ソース電極２１６はチタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜でもって構成する。

次に第２の層間絶縁膜２１７を成膜する。そしてコンタクトホールの形成を行い、ＩＴＯでなる画素電極２１８を形成する。こうしてアクティブマトリクス回路の画素部分に配置される薄膜トランジスタが完成する。

本実施例は、本明細書に開示する発明を実施する際に利用されるレーザー光の照射状態について示す。

図３に示すのは、移動ステージ３０１上に配置されたガラス基板３０２、該ガラス基板３０２上に成膜された非晶質珪素膜（またはアニールされるべき珪素膜）３０４である。

線状のレーザー光は、ミラー３０６で反射されて、矢印３０７の方向に移動する非晶質珪素膜３０３に対して照射される。

本実施例は、逆スタガー型の薄膜トランジスタの作製工程を示す。まずガラス基板６０１上に下地膜として酸化珪素膜６０２を３０００Åの厚さに成膜する

この酸化珪素膜６０２は、基板表面の平坦性を補正し、さらに基板からの不純物の侵入（上方の活性層への侵入）を防ぐために形成される。

次にゲイト電極６０３を構成する図示しない金属材料でなる薄膜を３０００Åの厚さに成膜する。ここでは、金属材料としてＭｏ（モリブデン）を利用する。

そして図示しないモリブデンでなる金属材料薄膜をパターニングすることにより、ゲイト電極６０３を形成する。ゲイト電極６０３は、ゲイト配線から延在して形成される。こうして図４（Ａ）に示す状態を得る。

次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜６０４を１０００Åの厚さに成膜する。

次に活性層を構成する珪素膜を成膜する。ここでは、まず非晶質珪素膜６０５をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって５００Åの厚さに成膜する。こうして図４（Ｂ）に示す状態を得る。

非晶質珪素膜６０５を成膜したらレーザー光の照射により、非晶質珪素膜６０５を結晶化させる。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を用いる。このレーザー光の照射は、図１に示すような方法で行う。

非晶質珪素膜６０５を結晶化させたら、それをパターニングして６０６で示される島状の領域を形成する。６０６が薄膜トランジスタの活性層となる。

次に図示しない窒化珪素膜を３０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。この窒化珪素膜をパターニングして６０７で示されるパターンを形成する。このパターン６０７は、ソース／ドレイン領域を自己整合的に形成するためのマスクとなる。（図４（Ｃ））

図４（Ｃ）に示す状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。ここでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを形成するためにＰ（リン）イオンの注入を行う。なお、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタを形成するのであれば、Ｂ（ボロン）イオンの注入を行う。

この不純物イオンの注入を行うことで、６０８と６１０で示される領域にＰイオンが注入される。また６０９の領域には、マスクパターン６０７がマスクとなることによってＰイオンが注入されない。（図４（Ｄ））

この不純物イオンの注入を行うことにより、ソース領域６０８、チャネル形成領域６０９、ドレイン領域６１０が自己整合的に形成される。

上記不純物イオンの注入後、レーザー光を照射し、注入された不純物イオンの活性化と不純物イオンの注入の衝撃によって損傷した領域（ソース／ドレイン領域）のアニールとを行う。このレーザー光の照射は、図１に示すような方法で行う。

次にチタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜でもって、ソース電極６１１、とドレイン電極６１２とを形成する。こうして逆スタガー型の薄膜トランジスタが完成する。（図４（Ｅ））

本実施例は、図１に示すようなレーザー光の照射を、Ａで示される角度を変化させて複数回行うものである。例えば、２回の走査しながらの照射を行うとして、１回目はＡ＝３０°とし、２回目をＡ＝−３０°とする。こうすることにより、アニール効果の不均一性に起因する表示の縞模様の発生を抑制することができる。

レーザー光の照射方法を示す図。 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。 レーザー照射を行う状態を示す図。 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

符号の説明

１０１ ガラス基板
１０２ アクティブマトリクス領域
１０３ 線状のレーザービーム
１０４ 薄膜トランジスタが配置される領域
１０５〜１０８ 線状のレーザーが照射される領域の一部分
１０９ 基板とレーザー光の相対的な移動方向
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜（酸化珪素膜）
２０３ 非晶質珪素膜
２０４ 結晶性珪素膜でなる活性層
２０５ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
２０６ ゲイト電極の基となるアルミニウム膜のパターン
２０７ ゲイト電極
２０８ 多孔質状の陽極酸化膜
２０９ 緻密な膜質を有する陽極酸化膜
２１０ ソース領域
２１１ 低濃度不純物領域
２１２ チャネル形成領域
２１３ 低濃度不純物領域（ＬＤＤ領域）
２１４ ドレイン領域
２１５ 第１の層間絶縁膜（酸化珪素膜）
２１６ ソース電極（ソース配線）
２１７ 第２の層間絶縁膜（酸化珪素膜）
２１８ 画素電極（ＩＴＯ電極）

Claims (8)

1. 基板上に下地膜を成膜し、
   前記下地膜上にマトリクス状に配置された半導体薄膜を形成し、
   前記マトリクス状に配置された半導体薄膜の行方向および列方向に対し、０°または９０°以外の角度を有した第１の方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら前記半導体薄膜に対して照射した後、
   前記第１の方向とは異なり、前記マトリクス状に配置された行方向および列方向に対し、０°または９０°以外の角度を有した第２の方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら前記半導体薄膜に対して照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 基板上に下地膜を成膜し、
   前記下地膜上にマトリクス状に配置された半導体薄膜を形成し、
   前記マトリクス状に配置された半導体薄膜の行方向および列方向に対し、０°または９０°以外の角度を有した方向に長手方向を有する線状のレーザー光を走査しながら前記半導体薄膜に対して照射する工程を複数回行い、前記工程を行う度に、前記線状のレーザー光の長手方向の角度を変更することを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記角度は１０°〜８０°または−１０°〜−８０であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記基板は、ガラス基板であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
   前記下地膜は、酸化珪素膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
   前記レーザー光の走査は、前記基板を移動して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
   前記レーザー光はエキシマレーザーであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
   前記レーザー光の照射により、前記半導体薄膜の結晶化または活性化を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。

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