JP2007088234A - 半導体装置の製造方法、半導体装置、電気光学装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜トランジスタを形成するための結晶成長の起点となる微細孔の良否を確認でき、また、所望の大きさのシリコン結晶粒が形成されたか否かを確認できる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に半導体膜の結晶化の際の起点となるべき起点部を複数形成する起点部形成工程において、基板の素子形成領域に、所定の大きさ（孔径０．８μｍ）で所定の間隔（５μｍ）の複数の孔（凹部）１２３を形成し、テストパターン形成領域Ｂに、所定の大きさの複数の孔１２３と、所定の大きさとは異なる大きさの複数の孔１２３ａ（孔径０．７μｍ）、１２３ｂ（孔径０．９μｍ）と、所定間隔とは異なる間隔（４μｍ、６μｍ）の複数の孔を形成し、かかる起点部（孔）からのシリコン結晶粒の成長により結晶成長の起点となる微細孔の良否を確認し、また、所望の大きさのシリコン結晶粒が形成されたか否かを確認する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、この製造方法により製造される半導体装置、電気光学装置及び電子機器に関し、特に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を有する半導体装置等に関するものである。

電気光学装置、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ（electroluminescence、エレクトロルミネセンス）表示装置などにおいては、薄膜回路を用いて画素のスイッチングなどを行っている。この薄膜回路には、半導体素子である薄膜トランジスタが使用されている。

従来の薄膜トランジスタは、非晶質シリコン膜を用いて、チャネル形成領域等の活性領域を形成している。また、多結晶シリコン膜を用いて活性領域を形成した薄膜トランジスタも実用化されている。多結晶シリコン膜を用いることにより、非晶質シリコン膜を用いた場合に比較して移動度などの電気的特性が向上し、薄膜トランジスタの性能を向上させることができる。

また、薄膜トランジスタの性能を更に向上させるために、大きな結晶粒からなる半導体膜を形成し、薄膜トランジスタのチャネル形成領域内に結晶粒界が入り込まないようにする技術が検討されている。

例えば、基板上に微細孔を形成し、この微細孔を結晶成長の起点として半導体膜の結晶化を行うことにより、大粒径のシリコンの結晶粒を形成する技術が提案されている。このような技術は、例えば、文献「Single Crystal Thin Film Transistors；IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258」（非特許文献１）、文献「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass；R.Ishihara et al. , proc.SPIE 2001, vol.4295 pp14-23」（非特許文献２）などに記載されている。

このような大結晶粒径のシリコン膜を用いて薄膜トランジスタを形成することにより、１つの薄膜トランジスタの形成領域（特に、チャネル形成領域）に結晶粒界が入り込まないようにすることが可能となる。これにより、移動度等の電気的特性に優れた薄膜トランジスタを実現することが可能になる。

「Single Crystal Thin Film Transistors」, IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Aug.1993 pp257-258 「Advanced Excimer-Laser Crystallization Techniques of Si Thin-Film For Location Control of Large Grain on Glass 」, R.Ishihara et al. , proc.SPIE 2001, vol.4295, pp14-23

ところで、前述の結晶成長の起点となる微細孔に関し、本願発明者らが実験したところ、その孔径が２０ｎｍから１５０ｎｍ程度が好ましく、これよりも小さい孔径では、微細孔内部にシリコン膜が堆積せず、微細孔から安定して結晶成長しないことが判明した。またこれより大きい孔径では、微細孔から結晶成長したシリコン結晶粒内に不規則粒界（ランダム粒界）が発生してしまい、このシリコン結晶粒内に形成する薄膜トランジスタの電気的特性に悪影響を及ぼしてしまう。

よって、薄膜トランジスタの形成においては、直径２０ｎｍから１５０ｎｍ程度の微細孔を安定して形成することが重要である。

一方、実際の製造プロセスにおいては様々な変動要因があるため、特に前述の非常に微細な直径を有する微細孔を形成する際には、それが正常に形成されたか否かを確認することが重要となってくる。

しかしながら、例えば一辺が３００ｍｍを超えるような大型のガラス基板上に形成された微細孔を直接観察するには、大型の電子顕微鏡などの高価な装置が必要となり、また、その逐一の観察は困難である。

また、微細孔を起点として結晶成長するシリコン結晶粒の大きさは、レーザの照射エネルギー密度やその際の基板温度に依存して変化する。特に、レーザ照射エネルギー密度は、レーザ発振器のレーザ出力の変動や、レーザ光が通過するレンズ等の光学部品等の汚れなどによって変動し易く、実効的に基板表面に到達するレーザの照射エネルギー密度の調整は容易ではない。

従って、製造プロセスの変動の有無を確認するために、レーザ照射後、所望の大きさのシリコン結晶粒が形成されたか確認する必要がある。しかしながら、前述したように大型のガラス基板上に形成されたシリコン結晶粒の大きさを直接測長するには、やはり電子顕微鏡など高価な装置が必要となる。

そこで、本発明は、結晶成長の起点となる微細孔の良否を確認でき、また、所望の大きさのシリコン結晶粒が形成されたか否かを確認できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、安定的な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、半導体装置（薄膜トランジスタ）の特性を向上させることを目的とする。

（１）本発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも一方の表面が絶縁性の基板の素子形成領域に半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成する半導体装置の製造方法であって、上記基板上に半導体膜の結晶化の際の起点となるべき起点部を複数形成する起点部形成工程と、上記起点部が形成された上記基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、上記半導体膜に熱処理を行い、上記起点部を略中心とする略単結晶粒を形成する熱処理工程と、上記半導体膜をパターニングし、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域となるべきトランジスタ領域を形成するパターニング工程と、上記トランジスタ領域上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して薄膜トランジスタを形成する素子形成工程と、を含み、上記起点部形成工程では、上記基板の上記素子形成領域に、所定の大きさの複数の凹部を形成し、上記基板のテストパターン形成領域に、上記所定の大きさの複数の凹部と、上記所定の大きさとは異なる大きさの複数の凹部と、を形成するものである。

かかる方法によれば、基板のテストパターン形成領域に、所定の大きさの複数の凹部と、所定の大きさとは異なる大きさの複数の凹部とを形成したので、これらの凹部から半導体膜が形成されているか否かにより素子形成領域に所望の凹部が形成されたか否かを判断することができる。

（２）本発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも一方の表面が絶縁性の基板の素子形成領域に半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成する半導体装置の製造方法であって、上記基板上に半導体膜の結晶化の際の起点となるべき起点部を複数形成する起点部形成工程と、上記起点部が形成された上記基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、上記半導体膜に熱処理を行い、上記起点部を略中心とする略単結晶粒を形成する熱処理工程と、上記半導体膜をパターニングし、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域となるべきトランジスタ領域を形成するパターニング工程と、上記トランジスタ領域上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して薄膜トランジスタを形成する素子形成工程と、を含み、上記起点部形成工程では、上記基板の上記素子形成領域に、所定間隔で配置された複数の凹部を形成し、上記基板のテストパターン形成領域に、上記所定間隔で配置された複数の凹部と、上記所定間隔とは異なる間隔の複数の凹部と、を形成するものである。

かかる方法によれば、基板のテストパターン形成領域に、所定間隔で配置された複数の凹部と、所定間隔とは異なる間隔の複数の凹部とを形成したので、これらの凹部間の半導体膜の状態から素子形成領域に所望の単結晶粒が形成されたか否かを判断することができる。

（３）本発明の半導体装置は、基板の素子形成領域に薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、基板上に設けられた凹部を起点部として形成された略単結晶粒の半導体膜を含み、上記基板の素子形成領域には、上記凹部であって、所定の大きさの凹部が形成され、上記基板のテストパターン形成領域には、上記凹部であって、上記所定の大きさの凹部と、上記所定の大きさとは異なる大きさの凹部が形成されているものである。

かかる構成によれば、基板のテストパターン形成領域に、所定の大きさの凹部と、所定の大きさとは異なる大きさの凹部が形成されているので、これらの凹部から半導体膜が形成されているか否かにより素子形成領域に所望の凹部が形成されたか否かの判断をすることができ、その結果、半導体装置の特性を向上させることができる。

（４）本発明の半導体装置は、基板の素子形成領域に薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、基板上に設けられた凹部を起点部として形成された略単結晶粒の半導体膜を含み、上記基板の素子形成領域には、上記凹部であって、所定間隔に配置された複数の凹部が形成され、上記基板のテストパターン形成領域には、上記凹部であって、上記所定間隔に配置された複数の凹部と、上記所定間隔とは異なる間隔に配置された複数の凹部とが形成されているものである。

かかる構成によれば、基板のテストパターン形成領域に、所定間隔に配置された複数の凹部と、所定間隔とは異なる間隔に配置された複数の凹部とが形成されているので、これらの凹部間隔の半導体膜の状態から素子形成領域に所望の半導体膜が形成されたか否かを判断することができ、その結果、半導体装置の特性を向上させることができる。

（５）本発明の電気光学装置は、上記半導体装置を有するものである。ここで「電気光学装置」とは、本発明にかかる半導体装置を備えた、電気的作用によって発光するあるいは外部からの光の状態を変化させる電気光学素子を備えた装置一般をいい、自ら光を発するものと外部からの光の通過を抑制するものの双方を含む。例えば、電気光学素子として、液晶素子、電気泳動粒子が分散した分散媒体を有する電気泳動素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、電界の印加により発生した電子を発光板に当てて発光させる電子放出素子を備えたアクティブマトリクス型の表示装置等がある。

（６）本発明の電子機器は、上記半導体装置を有するものである。ここで「電子機器」とは、本発明にかかる半導体装置を備えた一定の機能を奏する機器一般をいい、例えば電気光学装置やメモリを備えて構成される。その構成に特に限定はないが、例えばＩＣカード、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、リア型またはフロント型のプロジェクター、さらに表示機能付ファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイなどが含まれる。

なお、「起点部」とは結晶成長における起点であり、熱処理によって起点部から略単結晶粒の結晶が成長していく部分である。

「半導体膜」とは、例えば多結晶半導体膜やアモルファス半導体膜を含む。

「略中心」とは幾何的に中心という意味ではなく、上記したように結晶成長の起点となるがために成長直後の略単結晶粒の中程に位置することになるという意味である。

「略単結晶粒」とは、Σ３やΣ９やΣ２７といった規則粒界（対応粒界）は含み得るが、不規則粒界を含まないものをいう。

また、「起点部」は、例えば、基板に形成された凹部である。この凹部の径をさらに微細にするために、凹部上に絶縁膜を形成してもよい。凹部状に形成しておくと熱処理過程により凹部の底部（底面）から結晶成長が生じる。このとき凹部の径は、凹部の底部から結晶成長が生じる多結晶半導体の一つの結晶粒の粒径と同等か少し小さい径を有することが好ましい。また、凹部の径（径の細い部分）は、具体的には２０ｎｍから１５０ｎｍ程度が好ましい。

また、上記所定の大きさの凹部（起点部）に対して、所定の大きさより小さい凹部（起点部）、および所定の大きさより大きい凹部（起点部）を形成することが望ましい。これらの大きさの差を有する複数の凹部を形成する事により、所定の大きさで凹部が形成されているか容易かつ詳細に確認する事が可能となる。

また、熱処理工程は、レーザ照射によって行われることは好ましい。レーザ照射によれば、一部の半導体膜に効率よくエネルギーを供給し、一部のみを融解させることによって略単結晶粒を成長させやすいからである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

< 第１の実施の形態 >
本実施の形態の製造方法は、（１）基板上に半導体膜であるシリコン膜の結晶化の起点となる微細孔（凹部）を形成する工程と、（２）微細孔からシリコン結晶粒を成長・形成させる工程と、（３）上記シリコン結晶粒を含むシリコン膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程とを含んでいる。以下、（１）および（２）工程について図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態の薄型トランジスタ（半導体装置）の形成方法を示す工程断面図であり、図２は、本実施の形態の薄型トランジスタの構成を示す平面図である。図３〜図８は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図である。

（１）微細孔形成工程
図１（ａ）に示すように、ガラス基板１１上に下地絶縁膜１２１として例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を形成する。膜厚は例えば２００ｎｍ程度である。

ここで、ガラス基板１１は、素子形成領域Ａとテストパターン形成領域Ｂとを有し、素子形成領域Ａには、後述する薄型トランジスタが形成され、テストパターン形成領域Ｂには、後述するテストパターンが形成される。

このテストパターン形成領域Ｂは、素子形成領域Ａに形成される薄型トランジスタの形成に影響のない程度離れた位置に設ける。なお、テストパターン形成領域Ｂを、ガラス基板を分割する際の分割領域に設けてもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、下地絶縁膜１２１上に第１絶縁膜１２２として例えば酸化シリコン膜を膜厚５５０ｎｍ程度形成し、第１絶縁膜１２２に直径Ｄの孔（凹部）１２３を形成する（図１（ｂ））。この直径Ｄは１μｍ程度以下が望ましい。この形成手法としては、例えば、マスクを用いて第１絶縁膜１２２上に塗布したフォトレジスト膜を露光、現像して、孔１２３の形成位置を露出させる開口部を有するフォトレジスト膜（図示せず）を第１絶縁膜１２２上に形成する。次いで、このフォトレジスト膜をエッチングマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行い、その後、フォトレジスト膜を除去することによって孔１２３を形成する。

ここで、孔１２３の形成に際しては、素子形成領域には、図２（ａ）に示すように、直径（孔径）Ｄの孔（略円柱状の凹部）が、所定の間隔（Ｗ）を置いて配置される。一方、テストパターン形成領域には、テストパターンとして、孔径Ｄの孔が間隔Ｗで配置されたパターンの他、孔径および孔間隔の異なるパターンが形成される。

このテストパターンは、図３に示すように、孔径０．７μｍで孔間隔４μｍのパターンＰ１１と、孔径０．８μｍで孔間隔４μｍのパターンＰ１２と、孔径０．９μｍで孔間隔４μｍのパターンＰ１３と、孔径０．７μｍで孔間隔５μｍのパターンＰ２１と、孔径０．８μｍで孔間隔５μｍのパターンＰ２２と、孔径０．９μｍで孔間隔５μｍのパターンＰ２３と、孔径０．７μｍで孔間隔６μｍのパターンＰ３１と、孔径０．８μｍで孔間隔６μｍのパターンＰ３２と、孔径０．９μｍで孔間隔６μｍのパターンＰ３３と、からなる。なお、孔径０．８μｍの孔は１２３であり、孔径０．７μｍの孔を１２３ａ、孔径０．９μｍの孔を１２３ｂとする。

このように、目的とする孔径Ｄ、孔間隔Ｗを含み、孔径Ｄより小さな径Ｄ−ｄ１、孔径Ｄより大きな径Ｄ＋ｄ２、孔間隔Ｗより小さい間隔Ｗ−ｗ１、孔間隔Ｗより大きい間隔Ｗ＋ｗ２の組み合わせのパターンを形成する。これらの組み合わせ数に限定はなく、また、孔径や孔間隔のバリエーションを更に増やしてもよい。また、１パターンに形成する孔の数（例えば、図３では、５×５の２５個である）に限定はなく、９個（例えば３×３）の孔を形成してもよいし、また、１００個（例えば１０×１０）の孔を形成してもよい。また、図３では、孔径Ｄは０．８μｍ、ｄ１＝ｄ２＝０．１μｍ（１００ｎｍ）、孔間隔Ｗは５μｍ、ｗ１＝ｗ２＝１μｍであるが、これらの数値に限定されることはない。

次いで、図１（ｃ）に示すように、孔（１２３、１２３ａ、１２３ｂ）中を含む第１絶縁膜１２２上に、第２絶縁膜１２４として例えば酸化シリコン膜を形成する。この第２絶縁膜１２４の堆積膜厚を調整することによって、孔（１２３、１２３ａ、１２３ｂ）の直径を狭め、微細孔１２５が形成される。特に、微細孔１２５の直径を２０ｎｍから１５０ｎｍ程度になるように制御する。

これら下地絶縁膜１２１、第１絶縁膜１２２、第２絶縁膜１２４（これらの層を併せて絶縁層１２とも呼ぶ）はいずれも例えばＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）やシラン（ＳｉＨ₄）ガスを原料として用いたＰＥＣＶＤ法により形成可能である。

（２）結晶粒形成過程
次いで、図１（ｄ）に示すように、ＬＰＣＶＤ法やＰＥＣＶＤ法などの製膜法によって、第２絶縁膜１２４および微細孔１２５上に、半導体膜として非晶質シリコン膜１３０を形成する。この非晶質シリコン膜１３０の膜厚は、０．０５〜０．３μｍ程度の膜厚に形成することが好適である。

非晶質シリコン膜１３０に代えて、多結晶シリコン膜を形成してもよい（これらを総称してシリコン膜１３という）。なお、これらシリコン膜１３をＬＰＣＶＤ法やＰＥＣＶＤ法により形成した場合には、形成されるシリコン膜１３中の水素含有量が比較的に多くなる場合がある。このような場合には、後述するレーザ照射時に後述するシリコン膜１３のアブレーションが生じないようにするために、当該シリコン膜の水素含有量を低くする（好適には１％以下）ための熱処理を行うとよい。

次に、図１（ｅ）に示すように、シリコン膜１３に対してレーザ照射ＬＡを行う。このレーザ照射は、例えば、波長３０８ｎｍ、パルス幅２０〜３０ｎｓのＸｅＣｌパルスエキシマレーザ、またはパルス幅２００ｎｓ程度のＸｅＣｌエキシマレーザを用いて、エネルギー密度が０．４〜２．０Ｊ／ｃｍ² 程度となるように行うことが好適である。このような条件で照射したレーザは、そのほとんどがシリコン膜の表面付近で吸収される。これは、ＸｅＣｌパルスエキシマレーザの波長（３０８ｎｍ）における非晶質シリコンの吸収係数が０．１３９ｎｍ^-1と比較的に大きいためである。

レーザ照射ＬＡの条件を適宜に選択することにより、シリコン膜を、微細孔１２５内の底部には非溶融状態の部分が残り、それ以外の部分については略完全溶融状態となるようにする。これによりレーザ照射後のシリコンの結晶成長は微細孔１２５の底部近傍で先に始まり、シリコン膜１３の表面付近、すなわち略完全溶融状態の部分へ進行する（図１（ｆ））。

レーザ照射ＬＡのエネルギーがこれよりやや強く、微細孔１２５内の底部に非溶融状態の部分が残らない場合においても、略完全溶融状態であるシリコン膜１３の表面付近と、微細孔１２５の底部との間に生じる温度差により、やはりレーザ照射後のシリコンの結晶成長は微細孔１２５の底部近傍で先に始まり、先と同様にシリコン膜１３の表面付近、すなわち略完全溶融状態の部分へ進行し得る。

シリコン結晶成長の初期段階では、微細孔１２５の底部においていくつかの結晶粒が発生し得る。このとき、微細孔１２５の断面寸法（本実施の形態では、円の直径）を１個の結晶粒と同程度か少し小さい程度にしておくことにより、微細孔１２５の上部（開口部）には１個の結晶粒のみが到達するようになる。これにより、シリコン膜１３の略完全溶融状態の部分では、微細孔１２５の上部に到達した１個の結晶粒を核として結晶成長が進行するようになり、微細孔１２５を略中心とした大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成される。従って、図２（ｂ）に示すように、このシリコン略単結晶粒１３１が規則的に配列してなるシリコン膜が形成可能となる。１３２は、結晶粒界である。

ここでシリコン略単結晶粒とは、Σ３やΣ９やΣ２７といった規則粒界（対応粒界）は含み得るが、不規則粒界を含まないものを言う。一般に不規則粒界は多くのシリコン不対電子を含むため、そこに形成する薄膜トランジスタの特性の低下や特性のばらつきの大きな要因となるが、本手法によって形成されるシリコン略単結晶粒にはそれを含まないため、この中に薄膜トランジスタを形成することで、優れた特性を有する薄膜トランジスタが実現可能となる。しかしここで、微細孔１２５の直径が１５０ｎｍ程度以上の大きい直径を有する微細孔である場合は、微細孔１２５底部で発生した複数の結晶粒が微細孔上部まで成長して到達し、その結果、微細孔１２５を略中心として形成されるシリコン結晶粒には不規則粒界を含むことになる。

なお上述したレーザ照射ＬＡによる結晶化の際に、特にパルス幅の長いＸｅＣｌエキシマレーザを用いることが望ましい。これによりシリコン膜１３の膜厚が比較的薄い場合でも、レーザ照射によるシリコン膜１３の溶融時間を長くすることができ、微細孔１２５を起点に結晶成長する略結晶粒１３１の粒径を比較的大きくすることができる。

また上述のレーザ照射ＬＡの際に、併せてガラス基板１１を加熱することも好ましい。例えば、ガラス基板を載置するステージによって当該ガラス基板の温度が２００℃〜４００℃程度となるように加熱処理を行うとよい。このように、レーザ照射と基板加熱とを併用することにより、各シリコン略単結晶粒１３１の結晶粒径を更に大粒径化することが可能となる。基板加熱を併用することにより、当該加熱を行わない場合に比較してシリコン略単結晶粒１３１の粒径を概ね１．５倍〜２倍程度にすることができる。更には、基板加熱の併用によって結晶化の進行が緩やかになるため、シリコン略単結晶粒の結晶性がより向上するという利点もある。なお、現状では、微細孔１２５を起点とした結晶化を行うことにより得られるシリコン略単結晶粒１３１の結晶粒径はシリコン膜１３０の膜厚や照射するレーザＬＡのエネルギー密度に依存し、最大で６μｍから７μｍ程度が得られる。

このように基板１１上の所望の場所に微細孔１２５を形成しておくことで、レーザ照射後には微細孔１２５を略中心として、比較的結晶性の優れたシリコン略単結晶粒１３１を形成することが可能となる。

ここで図３に示したテストパターン形成領域においても、孔（１２３、１２３ａ、１２３ｂ）が第２絶縁膜１２４によって狭められた微細孔を略中心とした大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成される（図４〜図８参照）。但し、微細孔の孔径が２０ｎｍ以下の場合は、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１は形成されない。以下に種々のテストパターンから成長した大粒径のシリコン略単結晶粒１３１の状態（例）を示し、その解析方法を説明する。

（テストパターン例１）
図４は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンの形成領域の一例を示す平面図であり、この場合、パターン（テストパターン）Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１上には、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１は形成されていない。従って、孔径０．７μｍの孔（１２３ａ）は、第２絶縁膜１２４によって狭められ、その微細孔の孔径が２０ｎｍ以下であることが分かる。

一方、パターンＰ１２、Ｐ２２、Ｐ３２上には、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成され、所望の孔径（Ｄ）である０．８μｍの孔（１２３）は、第２絶縁膜１２４によって狭められた後も、その微細孔の孔径が２０ｎｍ以上を確保できていることが分かる。

また、孔１２３と孔１２３ａとの径の差がｄ１（＝０．１μｍ）であることから、これらの対応する微細孔の径の差もｄ１であると把握でき、０．８μｍの孔（１２３）が第２絶縁膜１２４によって狭められた微細孔の孔径が（ｄ１＋２０ｎｍ）以下であることが把握できる。

従って、例えばｄ１を１３０ｎｍに設定した場合には、微細孔の孔径が１５０ｎｍ以下であることを確認することができる。

また、パターンＰ１２、Ｐ２２、Ｐ３２上には、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成されているが、パターンＰ１２およびＰ２２上では、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が接している。これに対し、パターンＰ３２上では、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が接していない。

従って、所望の孔間隔５μｍにおいて、所望の大きさの大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が成長し、レーザの照射エネルギー密度やその際の基板温度が予定の範囲であったことが分かる。なお、この場合、パターンＰ１３、Ｐ２３、Ｐ３３上にも、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成される。

ここで、パターン（Ｐ１１〜Ｐ３３）上に、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成されているか否か、および、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が接しているか否かは、安価な光学顕微鏡で観察することにより容易に分かる。

（テストパターン例２）
図５は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンの形成領域の一例を示す平面図であり、この場合、図４の場合と比較し、パターンＰ１１、Ｐ２１、Ｐ３１上にも、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成されている。従って、所望の孔径（Ｄ）である０．８μｍの孔（１２３）が、プロセス変動（例えば、第２絶縁膜１２４が予定より薄く形成されたこと）により、対応する微細孔の孔径が予定より大きく（およそｄ１＋２０ｎｍ以上に）なってしまったことが分かる。

従って、例えばｄ１を１３０ｎｍに設定した場合には、微細孔の孔径が１５０ｎｍ以上であることを確認することができる。このような場合は、微細孔から結晶成長した大粒径のシリコン略単結晶粒１３１内に不規則粒界（ランダム粒界）が発生しており、低品質の膜であることが判定できる。

その結果、製造プロセスの再調整（例えば、第２絶縁膜１２４の堆積時間の調整）を行うことができ、以降に処理される薄膜トランジスタの製造プロセスの最適化を行うことができる。

また、当該基板の大粒径のシリコン略単結晶粒１３１の膜質をテストし、薄膜トランジスタの形成に適当か否かを判断することができる。

（テストパターン例３）
図６は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンの形成領域の一例を示す平面図であり、この場合、図４の場合と比較し、パターンＰ１２、Ｐ２２、Ｐ３２上に、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が形成されていない。従って、所望の孔径（Ｄ）である０．８μｍの孔（１２３）が、プロセス変動（例えば、第２絶縁膜１２４が予定より厚く形成されたこと）により、対応する微細孔の孔径が予定より小さくなり、２０ｎｍ以下となったことが分かる。

その結果、製造プロセスの再調整（例えば、第２絶縁膜１２４の堆積時間の調整）を行うことができ、以降に処理される薄膜トランジスタの製造プロセスの最適化を行うことができる。

また、当該基板の第２絶縁膜１２４をエッチングにより取り除き、第２絶縁膜１２４を薄くして再度形成する、もしくは、当該基板を不良品として廃棄することができる。

（テストパターン例４）
図７は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンの形成領域の一例を示す平面図であり、この場合、図４の場合と比較し、パターンＰ２２、Ｐ２３上の大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が接していない。従って、プロセス変動（例えば、レーザの照射エネルギー不足やその際の基板温度の低下、もしくは成長したシリコン膜の膜厚が厚すぎる等）により、所望の孔間隔（Ｗ）である５μｍの孔間隔を埋めるに足る結晶成長がなされていないことが分かる。

その結果、製造プロセスの再調整（例えば、レーザの照射エネルギーやその際の基板温度の調整）を行うことができ、以降に処理される薄膜トランジスタの製造プロセスの最適化を行うことができる。

また、当該基板の大粒径のシリコン略単結晶粒１３１をエッチングにより取り除き、レーザの照射エネルギーを上げる、もしくは基板温度を上げる等して、大粒径のシリコン略単結晶粒１３１を再度形成する、もしくは、当該基板を不良品として廃棄することができる。

（テストパターン例５）
図８は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンの形成領域の一例を示す平面図であり、この場合、図４の場合と比較し、パターンＰ３２、Ｐ３３上の大粒径のシリコン略単結晶粒１３１が接している。従って、プロセス変動（例えば、レーザの照射エネルギー過剰やその際の基板温度の上昇等）により、所望の孔間隔（Ｗ）である５μｍの孔間隔を超えて結晶が成長したことが分かる。

その結果、製造プロセスの再調整（例えば、レーザの照射エネルギーやその際の基板温度の調整）を行うことができ、以降に処理される薄膜トランジスタの製造プロセスの最適化を行うことができる。

また、当該基板の大粒径のシリコン略単結晶粒１３１の膜質をテストし、薄膜トランジスタの形成に適当か否かを判断することができる。特に、過剰なレーザの照射がなされた場合には、シリコン膜の表面がレーザ照射によって剥離（アブレーション）されることがあり、このような剥離がないかどうか検査（調査）することができる。

このように、本実施の形態においてはテストパターンとして、直径Ｄの孔以外に直径Ｄ−ｄ１および直径Ｄ＋ｄ２の孔を形成しておくことにより、孔（１２３）が第２絶縁膜１２４によって狭められた微細孔（凹部、起点部）の大きさを、レーザ照射後のシリコン結晶粒の形成の様子を光学顕微鏡で観察することによって、容易に把握することができる。これは例えば大型のガラス基板上に形成した直径２０ｎｍから１５０ｎｍ程度の微細孔を電子顕微鏡などの高価な装置で直接確認する方法に比べ、非常に容易かつ安価に実施することができ、第２絶縁膜１２４の堆積膜厚の変更や調整などの製造工程へのフィードバックを迅速に実施することができる。このことは高性能な薄膜トランジスタを得ることを可能とする半導体装置の安定な製造に寄与する。

また、本実施の形態においてはテストパターンとして、異なる間隔を有する孔（微細孔）のパターンを形成している。レーザ照射ＬＡ後には、各微細孔からシリコン結晶粒が結晶成長するが、このシリコン結晶粒の大きさより小さい間隔で配置した微細孔のパターン部では、シリコン結晶粒同士が接し、一方、シリコン結晶粒の大きさより大きい間隔で配置した微細孔のパターン部では、シリコン結晶粒同士は接しない。これらの様子は光学顕微鏡によって観察でき、シリコン結晶粒の大きさを容易に判断できる。また、孔間隔が異なるパターンを形成しておく事により、レーザの照射エネルギー密度やレーザ照射時の基板温度やシリコン膜の膜厚といった結晶成長に影響を与えるプロセス条件について、レーザ照射後のシリコン結晶粒の形成の様子を光学顕微鏡で観察することによって、容易に把握することができる。これは例えば測長機能を有する電子顕微鏡等の高価な装置を用いる必要なく、非常に容易に、かつ安価にシリコン結晶粒の大きさを把握することができ、プロセス条件の変動の有無を把握する事ができる。その結果、高性能な薄膜トランジスタを得ることを可能とする半導体装置の安定的な製造に寄与することができる。

このように、本実施の形態によれば、結晶成長の起点となる微細孔の良否を確認（判定、検査）でき、また、所望の大きさのシリコン結晶粒が形成されたか否かを確認（判定、検査）することができる。また、この判定結果をプロセスにフィードバックすることにより安定的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。また、判定結果により薄膜トランジスタを構成する半導体膜（シリコン略単結晶粒１３１）の膜質の劣化を防止でき、また、劣化した膜の改善を行うことができ、薄膜トランジスタの特性の向上を図ることができる。

（３）薄膜トランジスタ形成工程
次に、上述したシリコン膜を用いて形成される薄膜トランジスタの構造について図９および図１０を参照しながら詳細に説明する。図９は、本実施の形態の薄型トランジスタの形成方法を示す工程断面図であり、図１０は、本実施の形態の薄型トランジスタの構成を示す平面図である。図９は、図１０のＡ−Ａ’断面に対応する。

図９（ａ）および図１０に示すように、複数のシリコン略単結晶粒１３１が並んだシリコン膜（図２（ｂ）参照）に対し、薄膜トランジスタの形成に不要となる部分を除去し整形するよう、シリコン膜のパターニングを行ってパターニングされたシリコン膜１３３を形成する。この時、薄膜トランジスタのチャネル形成領域１３５（図９（ｂ）参照）となる部分には、微細孔１２５及びその近傍を含まないようにすることが望ましい。これは微細孔１２５及びその周辺は規則粒界が多いためである。またソース領域及びドレイン領域１３４となる部分、特には後の工程でコンタクトホールが形成される場所に相当するソース領域及びドレイン領域１３４においても、略単結晶が配置されていることが好ましい。

次に、第２絶縁膜１２４（１２）及びパターニングされたシリコン膜１３３の上面に、電子サイクロトロン共鳴ＰＥＣＶＤ法（ＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法）または平行平板型のＰＥＣＶＤ法等によって酸化シリコン膜１４を形成する。この酸化シリコン膜１４は、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として機能し、膜厚は１０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度が好ましい。
次に、図９（ｂ）に示すように、スパッタリング法などの製膜法によってタンタル、アルミニウム等の金属薄膜を形成した後に、パターニングを行うことによって、ゲート電極１５及びゲート配線膜を形成する。そして、このゲート電極１５をマスクとしてドナーまたはアクセプタとなる不純物元素を打ち込む、いわゆる自己整合イオン打ち込みを行うことにより、シリコン膜１３３にソース領域及びドレイン領域１３４並びにチャネル形成領域１３５を形成する。例えば、本実施形態では、不純物元素としてリン（Ｐ）を打ち込み、その後、４５０℃程度の温度で熱処理を行うことにより、不純物元素の打ち込みによって損傷したシリコン結晶粒の結晶性回復及び不純物元素の活性化を行う。

次に、図９（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１４である酸化シリコン膜及びゲート電極１５の上面に、ＰＥＣＶＤ法などの製膜法によって、５００ｎｍ程度の膜厚の酸化シリコン膜１６を形成する。この酸化シリコン膜１６は層間絶縁膜として機能する。次に、この層間絶縁膜１６とゲート絶縁膜１４を貫通してソース領域及びドレイン領域１３４のそれぞれに至るコンタクトホール１６１、１６２を形成し、これらのコンタクトホール１６１、１６２内に、スパッタリング法などの製膜法によってアルミニウム、タングステン等の金属を埋め込み、パターニングすることによって、ソース電極１８１及びドレイン電極１８２を形成する。

ここでコンタクトホール１６１、１６２の場所に位置し、ソース電極１８１及びドレイン電極１８２と接触するシリコン膜１３３の部分も、微細孔１２５からの成長によるシリコン略単結晶粒１３１が配置されていることが望ましい。これはシリコン略単結晶粒部分は不純物元素の活性化によって低抵抗化が図られるため、金属膜であるソース電極１８１及びドレイン電極１８２とシリコン膜１３３との良好な電気的接合が可能になるためである。

以上の製造方法によって、本実施の形態の薄膜トランジスタが形成される。

なお、本実施の形態においては、図２に示すように、微細孔１２５を結晶粒径と同程度以下の間隔で複数個配置することにより、複数のシリコン略単結晶粒１３１が互いに接するように形成するため、左右上下に等間隔に孔１２３（微細孔１２５）を配置したが、図１１に示すように、近接する孔１２３（微細孔１２５）が全て等間隔（Ｗ）になるように配置してもよい。この場合も、テストパターンの微細孔の孔径を、例えば、Ｄ−ｄ１、Ｄ、Ｄ＋ｄ２とし、テストパターンの孔間隔を例えばＷ−ｗ１、Ｗ、Ｗ＋ｗ２とする。図１１は、孔（微細孔）およびシリコン略単結晶粒の他のレイアウトを示す平面図である。

＜電気光学装置および電子機器の説明＞
次に、前述の実施の形態で説明したＴＦＴが使用される電気光学装置や電子機器について説明する。

本発明のＴＦＴは、例えば、電気光学装置（表示装置）の駆動素子として用いられる。図１２に、本発明の電気光学装置を用いた電子機器の例を示す。図１２（Ａ）は携帯電話への適用例であり、図１２（Ｂ）は、ビデオカメラへの適用例である。また、図１２（ｃ）は、テレビジョンへ（ＴＶ）の適用例であり、図１２（Ｄ）は、ロールアップ式テレビジョンへの適用例である。

図１２（Ａ）に示すように、携帯電話５３０には、アンテナ部５３１、音声出力部５３２、音声入力部５３３、操作部５３４および電気光学装置（表示部）５００を備えている。この電気光学装置に、本発明の電気光学装置を使用することができる。

図１２（Ｂ）に示すように、ビデオカメラ５４０には、受像部５４１、操作部５４２、音声入力部５４３および電気光学装置（表示部）５００を備えている。この電気光学装置に、本発明の電気光学装置を使用することができる。

図１２（Ｃ）に示すように、テレビジョン５５０は、電気光学装置（表示部）５００を備えている。この電気光学装置に、本発明の電気光学装置を使用することができる。なお、パーソナルコンピュータ等に用いられるモニタ装置（電気光学装置）にも本発明の電気光学装置を使用することができる。

図１２（Ｄ）に示すように、ロールアップ式テレビジョン５６０は、電気光学装置（表示部）５００を備えている。この電気光学装置に、本発明の電気光学装置を使用することができる。

なお、電気光学装置を有する電子機器としては、上記の他、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、電子手帳、電光掲示板、宣伝広告用ディスプレイなどがある。

実施の形態の薄型トランジスタ（半導体装置）の形成方法を示す工程断面図 実施の形態の薄型トランジスタの構成を示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法で用いられるテストパターンを示す平面図 実施の形態の薄型トランジスタの形成方法を示す工程断面図 本実施の形態の薄型トランジスタの構成を示す平面図 孔（微細孔）およびシリコン略単結晶粒の他のレイアウトを示す平面図 本発明の電気光学装置を用いた電子機器の例を示す図

符号の説明

１１…ガラス基板、１２…絶縁層、１３…シリコン膜、１４…ゲート絶縁膜、１５…ゲート電極、１６…層間絶縁膜、１２１…下地絶縁膜、１２２…第１絶縁膜、１２３、１２３ａ、１２３ｂ…孔、１２４…第２絶縁膜、１２５…微細孔、１３０…非晶質シリコン膜、１３１…シリコン略単結晶粒、１３２…結晶粒界、１３３…パターニングされたシリコン膜、１６１、１６２…コンタクトホール、１８１、１８２…ソース電極及びドレイン電極、５００…電気光学装置、５３０…携帯電話、５３１…アンテナ部、５３２…音声出力部、５３３…音声入力部、５３４…操作部、５４０…ビデオカメラ、５４１…受像部、５４２…操作部、５４３…音声入力部、５５０…テレビジョン、５６０…ロールアップ式テレビジョン、Ａ…素子形成領域、Ｂ…テストパターン形成領域、Ｄ…孔径、ＬＡ…レーザ照射、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３…パターン、Ｗ…孔間隔

Claims (12)

1. 少なくとも一方の表面が絶縁性の基板に半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板上に半導体膜の結晶化の際の起点となるべき起点部を複数形成する起点部形成工程と、
   前記起点部が形成された前記基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
   前記半導体膜に熱処理を行い、前記起点部を略中心とする略単結晶粒を形成する熱処理工程と、
   前記半導体膜をパターニングし、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域となるべきトランジスタ領域を形成するパターニング工程と、
   前記トランジスタ領域上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して薄膜トランジスタを形成する素子形成工程と、を含み、
   前記起点部形成工程では、大きさの異なる複数の起点部を同一基板上に形成する半導体装置の製造方法。
2. 少なくとも一方の表面が絶縁性の基板に半導体膜を用いて薄膜トランジスタを形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板上に半導体膜の結晶化の際の起点となるべき起点部を複数形成する起点部形成工程と、
   前記起点部が形成された前記基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
   前記半導体膜に熱処理を行い、前記起点部を略中心とする略単結晶粒を形成する熱処理工程と、
   前記半導体膜をパターニングし、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域となるべきトランジスタ領域を形成するパターニング工程と、
   前記トランジスタ領域上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成して薄膜トランジスタを形成する素子形成工程と、を含み、
   前記起点部形成工程では、起点部間の距離を変えた複数の起点部を同一基板上に形成する半導体装置の製造方法。
3. 前記起点部形成工程では、
   前記基板にテストパターン形成領域を設け、この領域に所定の大きさの複数の起点部と、前記所定の大きさとは異なる大きさの複数の起点部と、を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記起点部形成工程では、
   前記基板にテストパターン形成領域を設け、この領域に所定間隔で配置された複数の起点部と、前記所定間隔とは異なる間隔の複数の起点部と、を形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記テストパターン形成領域に形成された略単結晶粒の状態を検査することにより、
   前記素子形成領域に形成された前記起点部および前記略単結晶粒の良否を判定する判定工程を有することを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記起点部は、略円柱状の凹部であることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記起点部は、略円柱状の凹部であり、その最も径の細い部分の直径が２０ｎｍから１５０ｎｍであることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記熱処理工程は、レーザ照射によって行われることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
9. 基板の素子形成領域に薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、
   基板上に設けられた凹部を起点部として形成された略単結晶粒の半導体膜を含み、
   前記基板の素子形成領域には、前記凹部であって、所定の大きさの凹部が形成され、
   前記基板のテストパターン形成領域には、前記凹部であって、前記所定の大きさの凹部と、前記所定の大きさとは異なる大きさの凹部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
10. 基板の素子形成領域に薄膜トランジスタを有する半導体装置であって、
    基板上に設けられた凹部を起点部として形成された略単結晶粒の半導体膜を含み、
    前記基板の素子形成領域には、前記凹部であって、所定間隔に配置された複数の凹部が形成され、
    前記基板のテストパターン形成領域には、前記凹部であって、前記所定間隔に配置された複数の凹部と、前記所定間隔とは異なる間隔に配置された複数の凹部とが形成されていることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項９または１０に記載の半導体装置を有する電気光学装置。
12. 請求項９または１０に記載の半導体装置を有する電子機器。
    
    

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