JP2007258234A - 半導体素子，薄膜トランジスタ，レーザーアニール装置，並びに半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グリーンレーザーのような半導体レーザーを用いて半導体薄膜の結晶化を実現する方法を提案する。
【解決手段】基板上に下地層と半導体層が順に二層以上形成させることによって、上層の半導体層に照射されたレーザーエネルギーを、上層の半導体層だけでなく、下層の半導体層にも、エネルギーを与えることによって、多層構造の半導体薄膜を１度に得る。
上層の多結晶Ｓｉ膜を透過したレーザーエネルギーを下層の非結晶Ｓｉ膜が吸収することによって生じる熱によって、下層が熱浴として働くために、上層の多結晶Ｓｉ膜に対して緩やかなアニール効果が生じて、高品質の結晶化薄膜が得られると同時に、必要なレーザーエネルギーを低減できる。メンテ、コスト、容量などの点で有利なグリーンレーザーにより高品質な薄膜を実現するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーを用いて半導体材料を結晶化した半導体素子，薄膜トランジスタ，それに用いるレーザーアニール装置，並びに半導体素子の製造方法に関するものである。

低温多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタは、携帯電話などの小型・モバイル機器の液晶ディスプレイの画素駆動素子として現在幅広く活用されており、その性能および信頼性向上を目指した様々な研究開発が行われている（例えば、特許文献１乃至５を参照。）。中でもエキシマレーザーアニール（ＥＬＡ：excimer laser annealing）によるＳｉ薄膜の結晶化は、高品質な多結晶Ｓｉ作製に欠かせない技術となっており、低温多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタの液晶ディスプレイの製造において、エキシマレーザーアニールにより結晶化された多結晶Ｓｉ基板が標準で利用されているのが現状である。
このエキシマレーザーは、ＸｅＣｌやＫｒＦなどのガスを励起することにより得られる高出力の紫外光パルス発振レーザー（ＸｅＣｌガスの場合は波長３０８ｎｍ，ＫｒＦガスの場合は波長２５４ｎｍ）であり、Ｓｉ膜に対する吸収が大きい波長であるため、Ｓｉ膜表面部分のみを瞬間的（数１０ｎｓ）に加熱することが可能である。そのためガラス基板に熱変形等のダメージを与えることが無く、耐熱性の低い安価なガラス基板が利用できるようになり、更にはプラスチック基板を用いることも可能である。

しかし、エキシマレーザーは、（１）エネルギー揺らぎ幅が５％以下と高いこと、（２）変換効率が１〜３％と低いこと、また、（３）エキシマレーザーで用いられるＸｅＣｌやＫｒＦなどのガスは非常に腐食性が大きく、エキシマレーザー照射装置の配管を一定期間（２０００時間程度の使用）ごとに交換する必要があり、装置のランニングコストが高いこと、また、（４）配管を交換するたびに、レーザー照射条件が微妙に変化するため、交換後の再調整が必要であること、更に、（５）装置が大型であることなど多くの技術的課題がある。

一方、半導体レーザー励起固体レーザを用いたレーザーアニール技術の研究も長く行われてきた。特に、近年、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（基本波長：１０６４ｎｍ）の二倍波（波長５３２ｎｍ）であるグリーンレーザーを用いた、大出力，長尺ラインビーム照射によるグリーンレーザーアニール（ＧＬＡ：Green Laser Anneal）装置が開発され、その装置操作の容易さや日常的な装置保守が不要であることにおいて非常に優れており、エキシマレーザーアニール装置に替わる液晶パネルディスプレイ用多結晶Ｓｉ基板製造装置として注目されている。
しかし、グリーンレーザーはエキシマレーザーに比べて、多結晶Ｓｉに対する光吸収係数が小さいことから、レーザーエネルギーの一部が透過するという特徴があるため、エネルギーの高効率利用の観点で課題がある。

特開平４−８５９２３号公報 特開２００３−２５７８６１号公報 特開２００５−１２３２６２号公報 特許第２５８６８１０号 特許第３３５７６８７号

従来は、低温多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタの製造においては、単層のシリコン薄膜に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌのエキシマレーザーを照射し、非晶質Ｓｉの溶融，固化によってＳｉを結晶化している。その狙いとしては、Ｓｉ膜以外に熱が逃げないように有効に利用しようとするものであった。
しかし、エキシマレーザーは、上述したように多くの技術的課題を有している。

本発明は、エキシマレーザーよりも操作性・保守性に優れたグリーンレーザーを高効率利用して、低温多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタを製造することを目的とする。また、本発明は、製造される多結晶Ｓｉ薄膜の膜質の高品質化を目的とする。さらに、グリーンレーザーを高効率利用し、かつ、多結晶Ｓｉ薄膜の膜質の高品質化を達成するためのレーザーアニール装置、並びに、その製造方法を確立することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、基板上に下地層と半導体層とが順に積層された半導体素子であって、基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成され、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーが照射されることにより、多層半導体膜が同時に結晶化されることを特徴とする。
本発明の技術的ポイントは、基板上に下地層と半導体層が順に二層以上形成させることによって、上層の半導体層に照射されたレーザーエネルギーを、上層の半導体層だけでなく、下層の半導体層にも、エネルギーを与えることにある。これによって、多層構造の半導体薄膜を１度に得るものである。前述した特許文献の中にも、多層構造の半導体薄膜の構造があるが、あくまで上層の半導体層の多結晶化であって、これまで多層の薄膜の結晶化を試みた事例は見当たらない。

また、可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーは、そのエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることが好ましい。
より具体的には、可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーは、レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは、レーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（基本波長：１０６４ｎｍ）の二倍波（波長５３２ｎｍ）であるグリーンレーザーを用いるのがよい。

グリーンレーザーは、エキシマレーザーに比べて多結晶Ｓｉに対する光吸収係数が小さいため、レーザーエネルギーの一部が透過するという特徴がある。これはエネルギーの高効率利用の観点からは望ましいことではない。この点に着目し、基板表面の非結晶Ｓｉ膜と基板の間に、もう一層非結晶Ｓｉ膜を堆積することによる二層乃至は多層構造化したＳｉ薄膜基板を用いた結晶化を行うのである。

本発明の構成により狙いとする所は、一つには上層の多結晶Ｓｉ膜を透過したレーザーエネルギーを下層の非結晶Ｓｉ膜が吸収することによって生じる熱による上層の多結晶Ｓｉ膜のアニール効果である。下層の半導体膜を熱浴として利用するのである。これにより結晶粒内欠陥の低減や結晶粒界の高品質化が期待されると同時に、結晶化に必要なレーザーエネルギーを低減できるという効果がある。
また、もう一つの狙いは、下層の非結晶Ｓｉ膜の結晶化であり、結晶化した下層のＳｉ膜を利用することにより付加価値のあるデバイス開発への発展が期待される。結晶化した下層のＳｉ膜は、上層の半導体素子の構成要素に使う補助配線（ゲート、ボディ端子、配線）として利用できる。

また、本発明は、使用するレーザーが可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーであることから、基板の裏面からレーザーを照射することが可能である。すなわち、この基板はガラス基板などの透明絶縁体基板である場合、基板の裏面から可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射できるのである。
基板の裏面からレーザーを照射できるとなると、下層の半導体膜の特質を制御しておくことで（例えば、水素を多く含有させておく。）、レーザーを照射することによって、下層の半導体薄膜の部分において容易に剥離されることにより、ガラス基板から独立して半導体薄膜を得ることができるのである。

また、本発明の半導体素子は、基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成され、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーが照射されることにより、多層半導体膜が同時に結晶化されることを特徴とする。
基板がガラス基板などの透明絶縁体基板である場合、基板の裏面から可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射できるからである。

次に、本発明の薄膜トランジスタは、上述した多層半導体膜において、上層の半導体膜を能動層、下層の半導体膜を熱浴若しくは補助配線（ゲート、ボディ端子、配線）に用いたことを特徴とする。
また、上層と下層の利用用途を反転させて、上述した多層半導体膜において、下層の半導体膜を能動層、上層の半導体膜を熱浴若しくは補助配線（ゲート、ボディ端子、配線）に用いたことを特徴とする。
同時に結晶化される多層半導体膜を効率よく利用することにより付加価値のあるデバイス開発への発展が図れることとなる。

次に、本発明のレーザーアニール装置は、基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成された半導体素子に対して、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする。
また、本発明のレーザーアニール装置は、基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成された半導体素子に対して、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させ、その後、基板の裏面から前記レーザーを照射して、上層の半導体膜を剥離することにより、半導体薄膜を形成させることを特徴とする。
さらに、本発明のレーザーアニール装置は、基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成された半導体素子に対して、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする。
これらのレーザーの特徴は上述したものと同様であり、レーザーが有するエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることが好ましく、また、レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることが好ましく、より具体的にはグリーンレーザーであることが更に好ましい。

次に、本発明の半導体素子の製造方法は、基板上に下地層と半導体層とを順に積層させた半導体素子の製造方法であって、基板上に下地層と半導体層を少なくとも各二層形成する工程と、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射する工程とを備え、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする。
また、本発明の半導体素子の製造方法は、基板上に下地層と半導体層とを順に積層させた半導体素子の製造方法であって、基板上に下地層と半導体層を少なくとも各二層形成する工程と、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射する工程と、多層半導体膜を同時に結晶化させた後に前記基板の裏面から前記レーザーを照射する工程と、上層の半導体層の半導体膜を剥離する工程とを備えたことを特徴とする。
更に、基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成された半導体素子の製造方法であって、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする。
これらのレーザーの特徴は上述したものと同様であり、レーザーの有するエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることが好ましく、また、レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることが好ましく、より具体的にはグリーンレーザーであることが更に好ましい。

本発明によれば、上層の多結晶Ｓｉ膜を透過したレーザーエネルギーを下層の非結晶Ｓｉ膜が吸収することによって生じる熱によって、下層が熱浴として働くために、上層の多結晶Ｓｉ膜に対して緩やかなアニール効果が生じて、高品質の結晶化薄膜が得られるといった効果がある。すなわち、下層が熱浴として働いて、上層の多結晶Ｓｉ膜に対して緩やかなアニール効果を生ずることによって、上層の多結晶Ｓｉ膜の結晶粒内欠陥の低減や結晶粒界の高品質化が図られるのである。

また、上層の多結晶Ｓｉ膜の結晶化に必要なレーザーエネルギーを低減できるという効果がある。

また、多層にすることで、上層の薄膜の結晶化だけでなく、下層の薄膜も結晶化することで、多層の結晶化薄膜が得られる。特に、グリーンレーザーアニールによる結晶化において、Ｓｉ膜を多層構造化することは、単に結晶化のレーザーエネルギー密度を低減させるだけの効果のみならず、上層の多結晶Ｓｉ膜の結晶化を促進させ、その結晶粒界の改質する効果がある。
上層以外の下層の微結晶化するＳｉ膜も有効的に利用することにより、高品質な上層の多結晶Ｓｉ膜と合わせて、新規なデバイス開発が行えるといった効果もある。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。
ガラス基板上に酸化シリコンを下地層として積層し、次いで、Ｓｉ半導体層を順に積層する実施例について説明する。また、可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーとしてはグリーンレーザーを用いる。
グリーンレーザーは、その波長（５３２ｎｍ）が結晶Ｓｉに対して大きい透過性を持つため、半導体薄膜の製造過程で、一度上層の非晶質Ｓｉが結晶化してしまうと、そこに照射されたグリーンレーザー光の大部分は透過してしまうこととなる。
このグリーンレーザー光を高効率に利用すべく、本発明では、上層のＳｉ膜の下部に、間に酸化シリコン層を挟み、もう一層Ｓｉ膜を形成する。
そのようにすることで、上層のＳｉ膜を透過したグリーンレーザー光を、下層のＳｉ膜に吸収させ、それにより生じる発熱によって、上層のＳｉの横方向の結晶化の促進および結晶粒界・欠陥の改質を図り、さらには結晶化レーザーエネルギーの低減を目指すのである。これがグリーンレーザーアニールを用いた結晶化におけるＳｉ薄膜の二層構造化の狙いである。

図１は、二層構造のＳｉ薄膜におけるグリーンレーザーアニールを用いた結晶化の概念図を一層構造のＳｉ薄膜におけるグリーンレーザーアニールを用いた結晶化の概念図と対比して示している。
図１に示されるように、Ｓｉ薄膜を二層構造化することにより、上層のＳｉ膜を透過したグリーンレーザー光を下層のＳｉ膜が吸収することにより生じる発熱によって、上層の多結晶Ｓｉの横方向の結晶化の促進および結晶粒界・欠陥の改質を図ることができるのである。

図２にグリーンレーザーアニール（ＧＬＡ：Ｇｒｅｅｎ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌ）をする前の二層構造Ｓｉ薄膜と一層構造Ｓｉ薄膜の構造模式図を示す。二層構造Ｓｉ薄膜は、一層構造Ｓｉ薄膜の上にさらに酸化シリコンを５０ｎｍ、非晶質Ｓｉを５０ｎｍ、プラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）を用いて連続成膜により堆積している。レーザー結晶化の前には、４９０℃、４９０秒の脱水素アニールが施されてある。
ここで、二層構造Ｓｉ薄膜において、下層のＳｉ膜を1層目Ｓｉ膜、上層のＳｉ膜を２層目Ｓｉ膜と呼ぶことにする。以下では、二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉとは、ＧＬＡ結晶化された二層構造Ｓｉ薄膜の２層目の多結晶Ｓｉ膜を指すこととする。
また、一層構造ｐｏｌｙ−ＳｉとはＧＬＡ結晶化された一層構造Ｓｉ薄膜を指すこととする。

また、実施例で用いたグリーンレーザーアニール装置について説明する。多結晶Ｓｉの結晶化に用いられたグリーンレーザーアニール装置は、ＵＬＶＡＣ製の固体グリーンレーザーアニール装置である。また、そのレーザー照射条件は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの二倍波である５３２ｎｍの波長のグリーン光を用いて、１０５ｍｍの長尺ラインビームスキャンにより非晶質Ｓｉ薄膜を結晶化するもので、ビーム強度分布はガウシャンであり、半値幅は４０μｍである。この半値幅は、基板に照射されるビーム幅に等しい。パルス発振周波数は４ＫＨｚであり、オーバーラップは９５％である。すなわち、４ＫＨｚの２μｍ刻みでパルス発振を行うので、同位置がパルス照射される回数は２０回、スキャン速度は２μｍ×４ＫＨｚ＝８０００μｍ／ｓ＝８ｍｍ／ｓである。

図３にＧＬＡ結晶化した二層構造Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，透過型電子顕微鏡）像を示す。このときの結晶化レーザーエネルギー密度は４４９ｍＪ／ｃｍ2である。一層構造Ｓｉ薄膜の結晶化よりも約３割低いレーザーエネルギー密度で２層目の非晶質Ｓｉ膜を結晶化することが確認された。
図４にＧＬＡ結晶化した二層構造Ｓｉ薄膜を用いた薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）の断面模式図を示す。
図５に結晶化レーザーエネルギー密度を変えていったときの二層構造ｐｏｌｙ−ＳｉのＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、走査型電子顕微鏡）像およびＡＦＭ（Ａｔｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，原子間力顕微鏡）像を示す。二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの表面ＳＥＭ像を示す。ＳＥＭ観察前にサンプル表面はセコエッチングされている。
ＳＥＭ像より、レーザーエネルギー密度が４４９ｍＪ／ｃｍ2のときまでは二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶粒径は２００〜３００ｎｍ程度で変化しないが、４７３ｍＪ／ｃｍ2のときには約２μm間隔で並ぶＳｉの隆起が観察され、結晶粒径も５００ｎｍ以上になる。
ここで特筆すべき点は、結晶化のレーザーエネルギー密度が一層構造Ｓｉ薄膜の結晶化よりも約３割低減できていることと、成長した結晶粒はスキャン方向に長くなるばかりではなく、スキャン方向に垂直な方向にも大きく成長していることである。これは１層目非晶質Ｓｉ膜が2層目Ｓｉ膜を透過したレーザー光を吸収・発熱することにより、レーザー光を吸収して発熱・溶融した2層目Ｓｉ膜の溶融時間が延長したことによるものといえる。
ＧＬＡ結晶化においてＳｉ膜を二層構造化することにより、結晶化レーザーエネルギーを低減でき、かつ粒径の大きな多結晶Ｓｉ膜を成長させることに成功したといえる。

また、図５に示されるように、レーザーエネルギー密度が４４９ｍＪ／ｃｍ2のときまでは二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの表面ラフネスは大きく、細かい凹凸が確認される。レーザーエネルギー密度が４７３ｍＪ／ｃｍ2になると約２μm間隔で並ぶＳｉの隆起が観察されるが、その間の領域はＳｉの凹凸等なく平坦であることが確認された。

レーザーエネルギー密度を４９６ｍＪ／ｃｍ2に上げると、約２μm間隔で並ぶＳｉの隆起は観察されなくなり、２μmを超える結晶粒と２００〜３００ｎｍ程度の結晶粒が混在する多結晶Ｓｉが確認された。
今まで異方性を帯びていた多結晶Ｓｉが、この結晶化エネルギー条件で等方性を帯びるようになり、これは薄膜トランジスタを作製した場合、その薄膜トランジスタ特性のチャネル方向依存性が低減されていることが期待されることになる。

図６（１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの平均粒径の結晶化レーザーエネルギー依存性を示す。これより、レーザーエネルギー密度が大きくなり、４７３ｍＪ／ｃｍ2で急激に結晶粒径の増大が見られる。さらに、結晶粒径のスキャン方向平行成分、スキャン方向垂直成分ともに同様な増減の振る舞いをしていることがわかる。これは図６（２）の一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの平均粒径の結晶化レーザーエネルギー依存性の振る舞いと異なる点である。

図７（１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの表面ラフネスの結晶化レーザーエネルギー依存性を示す。二層構造ｐｏｌｙ−ＳｉのＲｍｓ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ、二乗平均面荒さ）は結晶化エネルギーが大きくなるにつれて減少していくことが分かる。それに対して、最大高低差はレーザーエネルギー密度４７３ｍＪ／ｃｍ２で極大をとり、４９６ｍＪ／ｃｍ２で急激に減少することが分かった。Ｓｉの凹凸の最大高低差がゲート酸化シリコン膜厚の１００ｎｍを大きく超えると、ゲート耐圧の信頼性の低下が懸念される。二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの場合、結晶化のレーザーエネルギー密度が大きくなり、約２μｍ間隔で現れるＳｉの隆起が消失するあたりのエネルギー密度で結晶化した多結晶Ｓｉが、表面ラフネスも少なく、結晶粒形状の異方性もあまり無いデバイス応用に適した多結晶Ｓｉであることがわかる。

[一層目Ｓｉ膜の結晶性評価]
次に、結晶化後の１層目Ｓｉの結晶性について説明する。1層目Ｓｉの評価は、２層目Ｓｉをフッ硝酸で、中間の酸化シリコンをBHF（Ｂｕｆｆｅｒｄ Ｈｙｄｒｏｆｌｏｒｉｃ Ａｃｉｄ、緩衝フッ酸溶液）でウェットエッチングした後に評価を実施した。
図８に１層目Ｓｉの表面SEM像を示す。Ｓｉ表面はセコエッチングされている。これより結晶化レーザーエネルギー密度が４４９ｍＪ／ｃｍ２のときまでは、１層目Ｓｉはほとんど結晶化していないことがわかる。すなわち、大部分が非晶質Ｓｉの状態であったため、セコエッチングした際にすべてエッチングされてしまい、ＳＥＭ観察ができなかった。
結晶化レーザーエネルギー密度が大きくなり４７３ｍＪ／ｃｍ２、４９６ｍＪ／ｃｍ２になると、１層目Ｓｉは微結晶Ｓｉになりセコエッチングしても結晶が残り、ＳＥＭ観察することができた。これは、2層目多結晶Ｓｉを透過したレーザー光が１層目の非晶質Ｓｉを微結晶化するのに十分なエネルギーを持っていたためによると考えられる。その１層目の微結晶化の際の発熱が2層目の結晶化を促進したと思われ、2層目Ｓｉが大粒径の多結晶Ｓｉに成長するためには少なくとも2層目Ｓｉを透過したレーザー光が１層目を微結晶化するのに必要なエネルギーを有していなくてはならないことが理解される。

図９に１層目Ｓｉのラマンシフトをプロットしたものを示す。これより結晶化レーザーエネルギー密度が４４９ｍＪ／ｃｍ２のときまでは、１層目Ｓｉはほぼ非晶質Ｓｉの状態であり、４７３ｍＪ／ｃｍ２ではピーク強度が大きくなり、ピーク値も結晶Ｓｉの値５２０ｃｍ−1に近づき微結晶化していることが確認できる。従って、レーザーエネルギー密度が大きくなると１層目Ｓｉの結晶性も良くなることがわかる。

[二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた薄膜トランジスタの電気特性]
図１０（１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いて作製された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の伝達特性を、図１０（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いて作製されたＴＦＴの伝達特性をそれぞれ示す。結晶化エネルギー条件は二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉは４７３ｍＪ／ｃｍ２、一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉは５９１ｍＪ／ｃｍ２である。
ここで、ＴＦＴのチャネル方向がレーザースキャン方向に平行なものをスキャン方向平行、チャネル方向がレーザースキャン方向に垂直なものをスキャン方向垂直と以下指すこととする。
上記2つのＴＦＴはスキャン方向平行である。これより二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いて作製されたＴＦＴの方が大きい移動度を有していることがわかる。
これらから、二層構造化したＳｉ膜を用いて結晶化した多結晶ＳｉがＴＦＴに応用できることが理解できよう。

図１１に結晶化エネルギー密度が４７３ｍＪ／ｃｍ２と４９６ｍＪ／ｃｍ２の二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴの伝達特性を示す。結晶化エネルギー密度が４７３ｍＪ／ｃｍ２の方はスキャン方向平行であり、４９６ｍＪ／ｃｍ２の方はスキャン方向垂直である。
これらの伝達特性の移動度はともに３００ｃｍ２／Ｖｓを超えており、飽和領域の伝達特性のドレイン電流の立ち上がりの電圧が線形領域のそれとほぼ同じであり、非常に良好な特性を示していることが理解される。
これは、結晶化エネルギーが大きくなるにつれて結晶粒径が大きくなり、結晶性が良い領域にチャネルが位置するようなＴＦＴではこのような良好な伝達特性が得られるものと考えられる。

図１２に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉおよび一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴの電界効果移動度のレーザーエネルギー依存性を示す。図１２（１）より、二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴの電界効果移動度は、スキャン方向平行なＴＦＴ，スキャン方向垂直なＴＦＴ共に結晶化レーザーエネルギーが増加するにつれて、電界効果移動度も増加することがわかる。特にスキャン方向垂直のＴＦＴの電界効果移動度の増加は、一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴでは見られなかった振る舞いであり、このことから二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶粒界の性質が一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉのそれとは異なり、粒界に位置するキャリアのトラップ準位が低減されていることが理解される。

また、結晶化レーザーエネルギー密度４９６ｍＪ／ｃｍ２で結晶化された二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴでは平均の電界効果移動度がチャネル方向平行，チャネル方向垂直共に２００ｃｍ／Ｖｓ程度の値を有し、一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴにおいて顕著であったトランジスタ特性のチャネル方向の依存性がなくなっている。
これは、この結晶化レーザーエネルギー密度で結晶化された二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの表面ＳＥＭ像、ＡＦＭ像から分かるように、多結晶Ｓｉの結晶粒形状や表面状態が等方的であり、また局所的に２μmを超える大粒径の結晶粒が成長しているためであると考えられる。

図１３に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉおよび一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴのＳ値のレーザーエネルギー依存性を示す。図１３（１）より、二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴのＳ値は、エキシマレーザーアニールにより結晶化された多結晶Ｓｉを用いたＴＦＴに比べて、また一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴのそれよりも、結晶化レーザーエネルギー密度に特に相関性はなく、小さいことがわかる。
また、レーザーエネルギー依存性は特に確認されなかった。これは、すなわち二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴのＳ値は多結晶Ｓｉの粒径に依存していないということであり、結晶粒界の性質がエキシマレーザーアニールにより結晶化された多結晶Ｓｉや一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉとは異なり、そこに位置する電子のトラップ準位が１層目Ｓｉの発熱による２層目多結晶Ｓｉの結晶粒界の改質効果により十分に低減されているものと考えられる。

図１４に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉおよび一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉのシート抵抗のレーザーエネルギー依存性を示す。図１４（１）より、二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉのシート抵抗は電流の流れる方向がスキャン方向に平行，垂直にかかわらず共にレーザーエネルギーが大きくなるにつれて減少していることがわかる。
これは、図１４（２）に示されるように、一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉでは電流の流れる方向がスキャン方向に垂直な方向のシート抵抗が、結晶化レーザーエネルギーの増大に対して変化しないことと対照的であり、これも１層目Ｓｉの発熱による２層目多結晶Ｓｉの結晶粒界に対する改質効果により、粒界に位置するキャリアのトラップ準位が低減されていることによるものと考えられる。

以上より、二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉは、１層目Ｓｉの発熱による２層目多結晶Ｓｉの結晶粒界の改質がなされており、その多結晶Ｓｉの膜質の改善効果が、その多結晶Ｓｉを用いて実際にＴＦＴを作製して、電気特性の評価を行い、一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉおよびエキシマレーザーアニールにより結晶化された多結晶Ｓｉを用いたＴＦＴの電気特性と比較することにより得られた結果によって明らかになったのである。

以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。なお、本発明の技術的範囲は上述した実施例に示した具体的な用途に限定されるものではない。

本発明は、携帯電話などの小型・モバイル機器の液晶ディスプレイの画素駆動素子である薄膜トランジスタおよびその製造に利用することができる。

二層構造のＳｉ薄膜におけるグリーンレーザーアニールを用いた結晶化の概念図 （１）にグリーンレーザーアニールをする前の二層構造Ｓｉ薄膜基板を、（２）に一層構造Ｓｉ薄膜基板の構造模式図を示す。 ＧＬＡ結晶化した二層構造Ｓｉ薄膜の断面ＴＥＭ像を示す。 ＧＬＡ結晶化した二層構造Ｓｉ薄膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の断面模式図を示す。 二層構造ｐｏｌｙ−ＳｉのＳＥＭ像およびＡＦＭ像を示す。 （１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの、（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの平均粒径の結晶化レーザーエネルギー依存性を示す。 二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの表面ラフネスの結晶化レーザーエネルギー依存性を示す。 １層目Ｓｉの表面ＳＥＭ像を示す。 １層目Ｓｉのラマンシフトをプロットしたものを示す。 （１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いて作製された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の伝達特性を、（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いて作製されたＴＦＴの伝達特性をそれぞれ示す。 （１）に結晶化エネルギー密度が４７３ｍＪ／ｃｍ２の、（２）に４９６ｍＪ／ｃｍ２の二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いたＴＦＴの伝達特性を示す。 （１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを、（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉ用いたＴＦＴの電界効果移動度のレーザーエネルギー依存性を示す。 （１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉを、（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉ用いたＴＦＴのＳ値のレーザーエネルギー依存性を示す。 （１）に二層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉの、（２）に一層構造ｐｏｌｙ−Ｓｉのシート抵抗のレーザーエネルギー依存性を示す。

Claims (21)

1. 基板上に下地層と半導体層とが順に積層された半導体素子であって、基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成され、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーが照射されることにより、多層半導体膜が同時に結晶化されることを特徴とする半導体素子。
2. 前記基板の裏面から前記レーザーが照射され、上層の半導体膜が剥離されることにより、半導体薄膜が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成され、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーが照射されることにより、多層半導体膜が同時に結晶化されることを特徴とする半導体素子。
4. 前記レーザーが有するエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 前記レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
6. 前記レーザーがグリーンレーザーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体素子の多層半導体膜において、上層の半導体膜を能動層、下層の半導体膜を熱浴若しくは補助配線（ゲート、ボディ端子、配線）に用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体素子の多層半導体膜において、下層の半導体膜を能動層、上層の半導体膜を熱浴若しくは補助配線（ゲート、ボディ端子、配線）に用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
9. 前記基板の裏面から前記レーザーを照射することにより、下層の半導体膜が結晶化されたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
10. 基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成された半導体素子に対して、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とするレーザーアニール装置
11. 基板上に下地層と半導体層が少なくとも各二層形成された半導体素子に対して、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させ、その後、基板の裏面から前記レーザーを照射して、上層の半導体膜を剥離することにより、半導体薄膜を形成させることを特徴とするレーザーアニール装置。
12. 基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成された半導体素子に対して、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とするレーザーアニール装置。
13. 前記レーザーが有するエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のレーザーアニール装置。
14. 前記レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のレーザーアニール装置。
15. 前記レーザーがグリーンレーザーであることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のレーザーアニール装置。
16. 基板上に下地層と半導体層とを順に積層させた半導体素子の製造方法であって、基板上に下地層と半導体層を少なくとも各二層形成する工程と、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射する工程とを備え、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
17. 基板上に下地層と半導体層とを順に積層させた半導体素子の製造方法であって、基板上に下地層と半導体層を少なくとも各二層形成する工程と、上層の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射する工程と、多層半導体膜を同時に結晶化させた後に前記基板の裏面から前記レーザーを照射する工程と、上層の半導体層の半導体膜を剥離する工程とを備えたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
18. 基板の表裏両面に下地層と半導体層が形成された半導体素子の製造方法であって、基板の表裏の半導体層に可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーを照射して、多層半導体膜を同時に結晶化させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
19. 前記レーザーが有するエネルギーが、上層の半導体膜で全て吸収されるのではなく、下層の半導体膜にも吸収されるエネルギーの大きさであることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
20. 前記レーザーのピーク波長が５００〜１６００ｎｍであることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
21. 前記レーザーがグリーンレーザーであることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。