JP2008294460A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層の選択された領域に所望の結晶粒径の結晶化を実現すること。
【解決手段】移動ステージの基板とレーザ光源との間に、ビームプロファイル変調部を設置し、基板面におけるレーザ光のビームプロファイルを予め設定した目標と一致するように変調し、移動ステージを結晶領域に位置を合わせて動かしながら、この変調されたレーザ光を基板上の半導体層に照射して、結晶を横方向に成長させることにより、所望の結晶粒径に結晶化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いた多結晶半導体装置の製造方法に関する。

現在の液晶ディスプレイの表示方式として、個々の画素をスイッチングするアクティブマトリックス方式がある。画素スイッチにおいては、電界効果トランジスタの一種である非晶質シリコン薄膜トランジスタ（a-SiTFT）が主に用いられている。
液晶ディスプレイの技術開発において、高精細化、高開口率化、軽量化、及び、低コスト化などを目指している。これらの性能を実現するために、電界効果トランジスタの一種である多結晶シリコン薄膜トランジスタ（poly-SiTFT）を用いた技術が注目されている。Poly-SiTFTは、a-SiTFTに比べて、移動度が２桁以上高いため、素子サイズを小さくすることができ、また集積回路を形成することもできることから、ディスプレイに駆動回路や演算回路も搭載することが可能である。

以下に従来技術によるエキシマレーザ結晶化法による多結晶半導体薄膜トランジスタの製造法を説明する。
図5(a)に示すように、ガラス基板101の上に下地保護膜（例えばSiO₂膜、SiN膜、およびSiN/SiO₂積層膜など）102および非晶質シリコン薄膜103を堆積する。次に図5(b)に示すように、光学系により四角形状もしくは長尺状にビーム整形されたエキシマレーザ（XeClやKrFなど）104で、非晶質シリコン薄膜の表面を照射すると、非晶質シリコン薄膜103は、エキシマレーザ104の照射加熱により、50-100nsの極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から多結晶構造に変換される。非晶質シリコン膜103の表面全体をエキシマレーザ104で105矢方向に走査加熱すると、図5(c)に示すような多結晶シリコン薄膜106が形成される。以上のプロセスはエキシマレーザ結晶化技術と呼ばれている。ガラスなどの低融点材料の基板上に高品質な多結晶シリコン薄膜を製造する際に用いられる。これらに関しては、例えば「日経マイクロデバイス別冊フラットパネル・ディスプレイ1999（日経BP社、1998年、pp.132-139）」に詳しい。

図5(c)の多結晶シリコン薄膜106を用いてトランジスタを形成したのが図5(d)である。多結晶シリコン薄膜106の上部には、成膜によりSiO₂膜などのゲート絶縁膜107が設けられている。さらにソース不純物注入領域109、ドレイン不純物注入領域108が設けられている。ソース、ドレイン領域、およびゲート絶縁膜上にゲート電極110を設け、保護膜111を成膜し、ソース電極112、ドレイン電極113を形成する。以上により、ゲート電極の電圧によって、ソースとドレイン間の電流を制御できるTFTが完成する。

一般に、画素部に用いられるTFTは、アクティブマトリックス制御において電荷を保持することが目的で、極端な高移動度は要求されず、むしろ低オフ電流が要求される。
オフ電流を低減するには、ドレイン端の電界強度を緩和するために開口率を低下させない程度にTFTのチャネル長を長くするなどの必要がある。
一方、駆動回路や演算回路に用いられるTFTは、高速動作のために高移動度が求められ、オフ電流はあまり問題にならない。
このため、特にチャネル長の微細化が高速化に有効なことからTFTのサイズを小さくする必要がある。
このように、画素部に用いられるTFTと、駆動回路や演算回路に用いられるTFTでは、要求される特性やサイズが異なる。
これらのTFTは、同一基板内にすべて同時に形成されなくては内蔵化の経済効果が薄れる。

ところが、従来技術による結晶化法では、一定の結晶性を持ったpoly-Si薄膜しか形成できず、同一基板内に異なるサイズのTFTを作ると以下のような問題が生じる。
サイズの大きなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が多くなるため、特性のバラツキは小だが性能が低い。
サイズの小さなTFTは、TFTのチャネル領域での結晶粒界が少なくなるため、性能は高いが特性のバラツキは大きい。

そこで本発明は、２種以上の平均結晶粒径を有する半導体層を直接または間接的に同一基板上に形成することができ、またその結果、サイズの異なるTFTに対してTFTの活性層となるチャネル領域での電流方向を横切る平均結晶粒界数Naが一定となるように結晶粒径が制御された半導体装置の製造方法を提案することを目的になされたものである。

かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。
すなわち、レーザ光源と、移動ステージに設けられる基板との間に、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生する位相シフトマスクおよび当該逆ピークパターンの形状と幅を制御する結像光学系を設けて、基板面におけるレーザ光の光強度とビームプロファイルを変調可能になし、
前記基板面におけるレーザ光の光強度とビームプロファイルを測定する工程と、
測定した光強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するように調節する工程と、
前記位相シフトマスクおよび結像光学系を通して光強度とビームプロファイルを変調したレーザ光を前記基板上に設けられた半導体層に照射して結晶を横方向に成長させる工程と、
前記移動ステージを前後、左右、上下の方向に移動させて結晶領域に位置合わせして予め設定された強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する工程を繰り返して前記基板内を結晶化する工程と、
を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、あらかじめ設定した目標と一致するように、光強度とビームプロファイルを変調したレーザ光を、基板上の半導体層に照射して結晶を横方向に成長させるので、半導体層の選択された領域に所望の結晶粒径の結晶化が実現でき、ビームプロファイルに依存した結晶領域のつくり分けができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明に使用するレーザ結晶化装置の概略図を示す。
レーザ結晶化装置は、レーザ光源１の光軸aの始端にアッテネータ（減衰器）２とビームプロファイル変調部３を配置し、ミラー４を経由して終端に半導体基板５を設置する。
また、半導体基板５にビームプロファイル測定部６を並設し、半導体基板５とビームプロファイル測定部６を移動ステージ７に固定する。
また、制御用のパソコン８を設置して入力側にビームプロファイル測定部６を接続し、出力側にアッテネータ２、ビームプロファイル変調部３、移動ステージ７の制御系をそれぞれ接続する。

アッテネータ２は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の強度（振幅）を光学的に変調するもので、図示しないセンサ、モータ、制御系を備える。

ビームプロファイル変調部３は、レーザ光の空間的な強度分布を変調するもので、位相シフトマスク31と結像光学系32で構成する。
位相シフトマスク31は、マスクパターンを通過する光の位相を交互に０、πとずらすことにより、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生し、この逆ピークパターンにより半導体基板５上において一番最初に凝固する領域（結晶核）を位置制御し、そこから周囲に結晶を横方向に成長させる（ラテラル成長）ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。
このとき、位相シフトマスクの形状や半導体基板５との距離、レーザ光の角度分布などにより、所望のビームプロファイルを設定する。
位相シフトマスク31は、また、マスクパターンの交換や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備える。

結像光学系32は、レンズなどの光学部品で構成し、結像光学系32の焦点位置からデフォーカスした位置に半導体基板５を保持してレーザ光を照射する。
このときのマスクパターンとデフォーカス量により逆ピークパターンの形状と幅を制御する。
逆ピークパターンの幅は、デフォーカス量の１／２乗に比例して拡大する。

ビームプロファイル測定部６は、紫外光のエキシマレーザを蛍光板61で受光して可視光に変換し、ミラー62に反射した可視光をCCD63で受光してレーザ光の強度とビームプロファイルを同時に測定する。
レーザ光の強度は、半導体パワーメータなどを用いて別々に測定してもよい。
また、紫外光のエキシマレーザを直接CCD63に受光してもよい。

蛍光板61は、半導体基板５と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。
蛍光板61を段差のある平行平面上に設置する場合は、移動ステージ７を上下して蛍光板61を半導体基板５と同じ高さに位置付けて測定する。
これにより、基板面におけるレーザ光のビームプロファイルを実際の照射時と同一条件で測定できるようにする。

CCD63で受光した画像は、パソコン８に入力して任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度とビームプロファイルを測定する。
そして、測定した強度とあらかじめ設定した目標の強度を比較して操作量を計算し、アッテネータ２に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ２の角度を調節する。
また、測定したビームプロファイルとあらかじめ設定した目標のビームプロファイルを比較して操作量を計算し、ビームプロファイル変調部３と移動ステージ７に操作信号を出力して測定したビームプロファイルが目標のビームプロファイルになるようにフィードバックしながら位相シフトマスク31の位置と移動ステージ７の高さを調節する。

移動ステージ７は、前後、左右、上下の３次元方向に移動が可能で、面内方向や光軸方向の位置合わせのための図示しないセンサ、アクチュエータ、制御系を備える。

本発明に使用するレーザ結晶化装置は以上のような構成で、レーザ結晶化工程は、最初に移動ステージ７を面内方向に移動してレーザ光源１の光軸aの先端をビームプロファイル測定部６の蛍光板61に位置付け、レーザ光を照射してその強度とビームプロファイルを測定する。
次に、測定した強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ２の角度、位相シフトマスク31の位置、移動ステージ７の高さをそれぞれ位置合わせする。
次に、移動ステージ７を面内方向に移動して今度は光軸aの先端を半導体基板５の所定の結晶領域に位置付け、あらかじめ設定した強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する。
以上の測定、位置合わせ、照射を繰り返して同一基板内にTFTのサイズは異なるがチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａが一定の結晶領域を同時に作り分ける。
測定、位置合わせ、照射はこのように交互に行うのではなく、最初にすべての測定を行って位置合わせに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を平行して行うようにしてもよい。

本発明の実施例として、サイズは異なるが同一特性のTFT−A（小サイズTFT）およびTFT−B（大サイズTFT）の作成例を以下に示す。
まず基板の準備として、図3(a)に示すように、絶縁体基板301（例えばコーニング1737ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミドなど）の表面に第一薄膜302（例えばテトラエチルオルソシリケート（TEOS）とO₂のプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚300nmのSiO₂膜、もしくはSiN/SiO₂積層膜、アルミナ、マイカなど）、第一薄膜302の表面に、第二薄膜の非晶質半導体薄膜303（例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚100nmの非晶質Si、非晶質SiGeなど）を成膜する。その上にSiO₂を成膜ゲート絶縁膜として、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）とO₂のプラズマ化学気相成長による（例えば膜厚100nm）のSiO₂膜305を成膜する。次に薄膜の脱水素処理を行う（例えば窒素雰囲気で600℃、１時間の加熱処理）。

次に、図１のレーザ結晶化装置を用いてレーザ結晶化を行う。レーザ光源１は、例えばKrFエキシマレーザなどのパルス発振の高エネルギーレーザを用いる。
レーザ光源１から発したレーザ光は、パワーおよびビームプロファイルを変調可能なアッテネータ２とビームプロファイル変調部３を透過する。その結果、パワーとビームプロファイルが変調される。その後、ミラー４などの光学素子を経て移動ステージ７へ到達する。移動ステージ７には、半導体基板５が配置されている。レーザ結晶化は、変調されたレーザ光を半導体基板５に照射することで行う。移動ステージ７にはビームプロファイルを測定可能でパワーメータとしても使用可能な、ビームプロファイル測定部６を設置している。この装置は測定用のパソコン８と連動し、好適なビームプロファイルを持つように移動ステージ７高さｚ、パワーおよびビームプロファイルを変調可能な光学系のパラメータ（例えばアッテネータ２の角度と位相シフトマスク31の位置など）を設定する。
図2(a)のビームプロファイルAは小粒径結晶領域、図2(b)のビームプロファイルBは、大結晶粒径結晶領域の形成可能なビームプロファイルである。このビームプロファイルは、前述の測定用のパソコン８と連動したシステムで条件設定を行う。
ビームプロファイルAまたはビームプロファイルBによって結晶化した結果、所望の結晶粒径のpoly-Siが形成される。例えばビームプロファイルAでレーザ結晶化を行った場合、図2(a)のような、選択された領域に小結晶粒径領域ｒ1が形成される。また、ビームプロファイルBにおいてレーザ結晶化を行った場合、図2(b)のような、選択された領域に大結晶径粒領域ｒ2が形成され、ビームプロファイルに依存した結晶領域のつくり分けが出来る。

TFTのチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａの評価は、以下のように行う。TFTの活性層のエッジが分かるように、図4で示すようにレーザマーカｂなどでマーキングを四ヶ所に行う。そのあと図3(b)で示されている、ソース電極312、ドレイン電極313、ゲート電極309、層間絶縁膜314を塩酸やフッ酸などで除去し、TFTの活性層であるpoly-Si層306を露出させる。このあと、seccoエッチング液などで30秒ほどウエットエッチングを行い、結晶粒界を際立たせる。乾燥させたのち、走査型電子顕微鏡による像観察を行う。なお、像観察装置としては、表面粗さ計や原子間力顕微鏡などを用いてもよい。

チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数のカウントは、ソース部分の２箇所のマーキングおよびドレイン部分の２箇所のマーキングを例えばそれぞれ10等分し、おのおのが平行となる直線を決定する。その直線と粒界がクロスする数を平均化して計算する。
ビームプロファイルによって粒径が制御されることから、小粒径結晶領域には大粒径結晶領域よりも密に結晶粒界が存在する。

TFT-Aのゲート長Laは2μm、TFT-Bのゲート長Lbは4μmとし、幅Wはいずれも2μmとした。
図２に示すように、同一の性能を達成することが出来るTFT特性を得るためのビームプロファイルAとビームプロファイルBをあらかじめ計測した。図６に示すように、この場合はステージ高さZと1μm当たりの結晶粒界数との関係データを基に、所望のプロファイルをZ値によって決定できた。
この場合では、位相シフトマスクの高さd=0μm一定で
TFT-Aに必要なプロファイルは、Z=30μmでレーザ強度を500mJ/cm2、
TFT-Bに必要なプロファイルは、Z=20μmでレーザ強度を700mJ/cm2、
であることが計測された。
この条件で、結晶化を基板上の複数の領域に行った。

作製した結晶は、図2(a)(b)に示すようなビームプロファイルによって、結晶化した。
これらの方法で作製された結晶領域は、それぞれTFT−A、TFT−Bのあったサイズでパターニングを行い、以下のプロセスを行う。図3(b)に示すようにゲート絶縁膜の上にゲート電極309（例えば高濃度リンドープポリシリコン、W、TiW、WSi2、MoSi₂）を設ける。ゲート電極309をマスクにして、イオン注入を行って、ソース領域311、ドレイン領域310を形成する。例えばイオン注入は、N型TFTであれば、P+を10¹⁵cm^-2オーダで注入し、P型TFTでは、BF²⁺を10¹⁵ cm^-2オーダで注入する。その後、電気炉内で窒素をキャリアガスとして、500℃から600℃で約１時間のアニールを行い不純物の活性化を行う。また、ラピッドサーマルアニーリング（RTA）で700℃、１分加熱してもよい。最後に、層間絶縁膜314を成膜し、コンタクト穴を形成し、ソース電極312、ドレイン電極313を形成する。ソース電極312、ドレイン電極313の材料は例えばAl、W、Al/TiNを用いる。

TFTの評価は、350mm×400mm基板において、２本の対角線を引いてクロスした中央位置、中央位置と基板四隅との中点の合計５点において行った。
領域内にはTFTの幅Ｗが2μm一定で、長さLa=2μmのTFT-A、Lb=4μmのTFT-Bが一定のパターンで形成されている。５点それぞれの位置において、TFT特性を測定したところ、TFT-A、TFT-Bともに同一の特性が得られた。さらに、チャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａとゲート長Lの比Na/Lを調査するために、特性を測定したTFTについて、poly-Si層を明確にするように位置のマーキングと上層部の除去を行い、50um×50umの範囲内を走査型電子顕微鏡によって評価した。その結果、複数計測したTFT-A、TFT-Bそれぞれにおけるチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａとゲート長Lの比Na/Lは、いずれも±5%以内の度数分布となっていた。
本発明で作製した複数のTFTの特性測定を行った結果、TFT−AおよびTFT−Bは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能（電子移動度：250cm^２／V・s）を得ることが出来た。

さらに、ビームプロファイル計測において、前述の条件
TFT-Aに必要なプロファイルは、Z=30μmでレーザ強度を500mJ/cm²、
TFT-Bに必要なプロファイルは、Z=20μmでレーザ強度を700mJ/cm²、
に加えて、位相シフトマスクの高さdを調整し、最適なdを検出したところ、
TFT-Aではd=5μm
TFT-Bではd=1μm
が好適であった。
この条件で前述のTFTを作製し、複数計測したTFT-A、TFT-Bそれぞれにおけるチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値Ｎａとゲート長Lの比Na/Lは、いずれも±2%以内の度数分布となっていた。
作製した複数のTFTの特性測定を行った結果、TFT−AおよびTFT−Bは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能（電子移動度：250cm^２／V・s）を得ることが出来た。

本発明に使用するレーザ結晶化装置の概略図である。 本発明に使用する製造装置・方法を用いて作製した電子装置の模式図である。 本発明に使用する製造装置・方法を用いて作製した電子装置の工程断面図である。 TFTの活性層に設けたレーザマーカの模式図である。 従来の電子装置の工程断面図である。 ステージ高さZと1μm当たりの結晶粒界数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ レーザ光源
２ アッテネータ
３ 光強度パターン調整部
31 位相シフトマスク
32 結像光学系
４ ミラー
５ 半導体基板
６ 光強度パターン測定部
61 蛍光板
62 ミラー
63 CCD
７ 移動ステージ
８ パソコン
101 ガラス基板
102 下地保護膜
103 非晶質シリコン薄膜
104 エキシマレーザ
105 走査加熱方向を示す矢印
106 多結晶シリコン薄膜
107 ゲート絶縁膜
108 ドレイン不純物注入領域
109 ソース不純物注入領域
110 ゲート電極
111 保護膜
112 ソース電極
113 ドレイン電極
301 絶縁体基板
302 第一薄膜
303 第二薄膜
305 SiO₂膜
306 poly-Si層
309 ゲート電極
310 ドレイン領域
311 ソース領域
312 ソース電極
313 ドレイン電極
314 層間絶縁膜
a 光軸
b レーザマーカ
r1 小結晶粒径領域
r2 大結晶径粒領域

Claims (1)

1. レーザ光源と、移動ステージに設けられる基板との間に、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンを発生する位相シフトマスクおよび当該逆ピークパターンの形状と幅を制御する結像光学系を設けて、基板面におけるレーザ光の光強度とビームプロファイルを変調可能になし、
   前記基板面におけるレーザ光の光強度とビームプロファイルを測定する工程と、
   測定した光強度とビームプロファイルがあらかじめ設定した目標と一致するように調節する工程と、
   前記位相シフトマスクを通して光強度とビームプロファイルを変調したレーザ光を前記基板上に設けられた半導体層に照射して結晶を横方向に成長させる工程と、
   前記移動ステージを前後、左右、上下の方向に移動させて結晶領域に位置合わせして予め設定された強度とビームプロファイルのレーザ光を照射する工程を繰り返して前記基板内を結晶化する工程と、
   を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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