JP2997375B2 - 多結晶シリコン薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
造方法に係り、特に、非結晶シリコン(Amorpho
us Silicon:a−Si)薄膜をレーザを用い
て熱処理(アニーリング)することにより多結晶シリコ
ン(PolycrystallineSilicon:
p−Si)薄膜に結晶化させるための多結晶シリコン薄
膜の製造方法に関する。
DRAM素子またはディスプレイの多結晶シリコン、T
FT、LCDあるいはCIS(Contact Ima
geSensor)等に広範囲に使用されている。
製造方法としては、非結晶シリコンあるいは微結晶シリ
コン(Microcrystalline Silic
on:μ−Si)等を1000℃付近の高温で熱処理す
るものがあった。このような製造方法により製造された
多結晶シリコンは、その特性においては優れるものであ
るが、熱処理を高温でおこなうため、基板が曲ったり、
あるいは、薄膜が剥離される現象が発生してしまう。そ
のため、単結晶シリコン(Crystal Silic
on:c−Si)または石英(Quartz)等の高価
な基板を使用しなければならないという問題があった。
特に、薄膜が厚いほどその現象が顕著であり、その次の
工程であるフォトリソグラフィ工程を進行することがで
きない問題があった。
結晶シリコン薄膜に結晶化する具体的な方法としては、
炉等で加熱する固相結晶化(Solid Phase
Crystallization:SPC)法と、レー
ザで加熱するレーザアニーリング(Laser Ann
ealing:LA)法とがある(米国特許明細書第4
851363号、第4880753号および日本国特開
昭62−104117号公報、特開昭63−11957
6号公報、特開昭64−25515号公報、特開平2−
33935号公報、特開平2−143559号公報参
照)。
非結晶シリコンを均一に多結晶シリコンに結晶化するこ
とができるという長所を有しているが、熱処理が100
0℃付近という高温で行なわれるため、やはり使用する
基板に制約を受けてしまう。なお、現在、600℃付近
で低温熱処理を行なうことが研究されているが、それも
やはり安価なガラス基板を使用することができる程度に
は達していない(Extended Abstract
of the 1991Int.Conferenc
e on Solid stateDevice an
d Material,1991,pp571)。
シリコンの光吸収が高いエクシマレーザを用いて熱処理
するエクシマレーザアニーリング(Excimer L
aser Annealing:ELA)法が研究され
ている。
く、短波長のパルスであるため、非結晶シリコンの表面
で光エネルギが吸収され、そのため、基板への熱伝達が
少なくてアニーリングに有利である。
ザビーム自体のレーザビームエネルギが均一でないの
で、中央の高エネルギ部分でアニーリングされた非結晶
シリコンは容易に多結晶シリコンに結晶化するが、低エ
ネルギ部分であるビーム周辺部の非結晶シリコンはエネ
ルギが足りなくて非結晶シリコンで残るかまたは微結晶
シリコンに変化するという問題がある。
ーザビームの高エネルギ部分の範囲を拡大して均一化す
る研究が行なわれている。
に、所定の基板11の表面に非結晶シリコン3を形成し
た後、この基板11の表面に前記均一化されたエクシマ
レーザビーム1を重ねてスキャンニングさせることによ
り、前記非結晶シリコン3を多結晶シリコン2に結晶化
させるようになっている。
結晶シリコン薄膜の製造方法においては、エクシマレー
ザビーム1の高エネルギ範囲Xは拡大されたもののエク
シマレーザビーム1を完全に均一化することができず、
図9に示すように、レーザビーム1の高エネルギ範囲X
の周辺部ΔXのエネルギは均一でなく、このΔX部分
は、非結晶シリコン3を結晶化させるエネルギが不足し
ているため、非結晶シリコン3を適正に多結晶シリコン
2に結晶化させることができず、微結晶シリコン4に変
化されてしまう。
うに、レーザビーム1を重ねながら、スキャンニングし
ても、基板11全面には微結晶シリコン4と多結晶シリ
コン2とが共存することになる。
コン2との電気的特性の差により、素子の位置により動
作特性が異なってしまい、さらに、フォトリソグラフィ
等の製造工程においても、化学物質に対する反応特性ま
たは耐熱特性が異なるため、適正な処理を行なうことが
できず、素子の信頼性が著しく低下してしまうという問
題を有している。
シリコン4に変化されると、エンタルピ値が30%以上
上昇するため、3倍のエネルギを加えることにより、多
結晶シリコン2に結晶化させることができるが、実際に
3倍のエネルギを加えると、薄膜が破壊してしまうの
で、この問題は解決されなかった。
で、エクシマレーザ等の短波長のレーザビームを均一に
照射して600℃以下の低温工程でも非結晶シリコンを
均一に多結晶シリコンに結晶化することのできる多結晶
シリコン薄膜の製造方法を提供することを目的とするも
のである。
本発明に係る多結晶シリコン薄膜の製造方法は、基板の
表面に形成された非結晶シリコン薄膜をレーザを用いて
熱処理することにより、多結晶シリコン薄膜を製造する
ための多結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非
結晶シリコンの表面の不均一なレーザビームが照射され
る部分に金属反射膜を形成し、この金属反射膜の表面全
体にSiO2 絶縁膜を形成し、前記金属反射膜の両端の
上方にマイクロレンズを配置した後、レーザビームを照
射するようにしたことを特徴とするものである。
ルミニウム、金、銀、銅等の金属のうちいずれか1つを
選択して形成され、前記金属反射膜にフォトリソグラフ
ィにより窓部分が形成され、さらに、前記マイクロレン
ズは、低屈折率のSiO2 絶縁膜に高屈折率の物質を挿
入して凹レンズ状に形成したものであることを特徴とす
るものである。
反射膜およびSiO2 絶縁膜を形成し、前記金属反射膜
の両端の上方にマイクロレンズを配置した後、前記金属
反射膜が形成されていない部分が均一なエネルギ強度部
分と重なるようにレーザビームを照射すると、前記金属
反射膜の両端のマイクロレンズがビーム周辺の低エネル
ギ強度のレーザビームを高エネルギ強度部分に屈折させ
て分散させることにより、高エネルギ強度部分および低
エネルギ強度部分の一部が多結晶シリコン結晶化に寄与
して、金属反射膜が形成されていない部分における非結
晶シリコン部分を多結晶シリコンに結晶化する。そし
て、低エネルギ強度のビームの残りは金属反射膜に反射
されるかまたは吸収されるので、金属反射膜の下部の非
結晶シリコン部分は結晶化されず、非結晶シリコンとし
て残ることになり、不均一なレーザビームの照射による
非結晶シリコンの微結晶シリコン等への変化を確実に防
止することができるものである。
して説明する。
ン薄膜の製造方法の一実施例を示したもので、前述のよ
うに、エクシマレーザビーム1のエネルギ強度を空間的
に均一にすると図9のような形態が得られ、エネルギの
均一な部分Xが非結晶シリコン3を多結晶シリコン2に
結晶化するために必要なエネルギ強度を有するように調
整すると、周辺のΔX部分の非結晶シリコン3はエネル
ギが不足して微結晶シリコン4に変化するので、本発明
においては、微結晶シリコン4に変化する部分が非結晶
シリコン3として残るように、凹マイクロレンズおよび
金属反射膜を使用してΔX部分のエネルギ強度を除去す
るものである。
7に示すように、エクシマレーザビーム1を反射する役
目を果たす金属反射膜7と、非結晶シリコン3と前記金
属反射膜7との間に位置しアニーリング時の高温による
非結晶シリコン3と前記金属反射膜7との望まない反応
を抑えるSiO2 絶縁膜8と、金属反射膜7の上方に位
置しレーザビーム1の周辺部のエネルギを散乱させてエ
ネルギ集中を防止するマイクロレンズ6とを用いること
により、均一にレーザビーム1を照射することができる
ものである。
に、非結晶シリコン3薄膜を素子が要求する所望の形態
にフォトリソグラフィ法によりパターンニングした後、
化学蒸着法(Chemical Vapour Dep
osition:CVD)法またはスパッタリング等の
薄膜形成方法により1000オングストローム以上のS
iO2 絶縁膜8を形成する。
の表面に、アルミニウム、金、銀、銅等の金属のうちい
ずれか1つを選択してスパッタリングまたは蒸着等の一
般の半導体薄膜形成法により厚み1000オングストロ
ーム以上の金属反射膜7を形成した後、フォトリソグラ
フィ法により均一なレーザビーム1の大きさであるXよ
り小さく窓9を形成する。前記形成された金属反射膜7
の幅は、微結晶シリコン4が位置するΔX部分より大き
くXより小さいようにしてレーザビーム1が漏らないよ
うになされている。
の上部に、ΔX部分のエネルギを分散させて結晶化を防
ぐためのマイクロレンズ6を形成する。このマイクロレ
ンズ6の一般的な形成手段としては、SiO2 等の低屈
折率(約1.45)の薄膜を製造した後、フォトリソグ
ラフィ法を用いて前記金属反射膜7の周縁に沿って溝を
形成した後、高屈折率のSi3 N4 (約2.0)等をス
パッタリングまたは化学蒸着法により挿入することによ
り、凹レンズの形態に形成する(Optronics,
No8,1991,pp53、Ieee Electr
on Deviceletters,Vol.10,N
o8,August 1989,pp349参照)。
造された金属反射膜7の窓9部分をエクシマレーザでア
ニーリングし、このアニーリングにより窓9部分におけ
る非結晶シリコン3部分の一部を多結晶シリコン2に結
晶化する。すなわち、前記金属反射膜7の窓9部分にお
いて均一なエネルギ強度部分と重なるようにレーザビー
ム1を照射すると、窓9の周縁のマイクロレンズ6がΔ
X部分の低エネルギ強度のレーザビーム1を高エネルギ
強度部分Xに屈折させて分散させる。これにより、低エ
ネルギ強度部分のレーザビーム1の一部だけが内部の多
結晶シリコン2結晶化に寄与することになり、残りのレ
ーザビーム5は、金属反射膜7に反射されるかまたは吸
収されるので、金属反射膜7の下部の非結晶シリコン3
部分は結晶化されず非結晶シリコン3として残ることに
なる。
べて結晶化した後、図6に示すように、金属反射膜7お
よびマイクロレンズ6をフォトリソグラフィ法で除去
し、その後、図7に示すように、金属反射膜7の下部の
結晶化されなかった残留非結晶シリコン3部分をエクシ
マレーザで結晶化する。このとき、既に結晶化された部
分(窓9部分)の多結晶シリコン2部分は安定した状態
に存在するため、再び、レーザビーム1に露出されても
結晶化に影響を受けない。したがって、金属反射膜7の
下部の大きさがXより小さいようにして、その部分をレ
ーザビーム1でアニーリングすると全面を均一に結晶化
することができるものである。
11全面を均一にレーザアニーリングした多結晶シリコ
ン2薄膜が完成する。
造方法をより具体的にした実施例について説明するもの
であるが、本発明の範囲を限定するものではない。
晶シリコン3薄膜をフォトリソグラフィ法でパターンニ
ングした後、SiO2 絶縁膜8をスパッタリング方法で
1000オングストロームの薄膜に製造した(図2)。
て前記SiO2 絶縁膜8の上に厚み1000オングスト
ロームの金属反射膜7を形成した後、フォトリソグラフ
ィ法により均一なレーザビーム1の大きさであるXより
小さく窓9を形成した(図3)。
分のエネルギを分散させて結晶化させないようにするマ
イクロレンズ6を製造した(図4)。ここで、前記凹マ
イクロレンズ6は、SiO2 等の低屈折率(約1.4
5)の薄膜を全体的に1500オングストロームに形成
した後、フォトリソグラフィ法により前記金属反射膜7
の窓9の周縁に沿って溝を形成し、高屈折率(約2.
0)等を化学蒸着法で挿入することにより、凹レンズ形
態に形成される。
部分をエクシマレーザでアニーリングし(図5)、非結
晶シリコン3部分の一部を多結晶シリコン2部分に結晶
化させた後、金属反射膜7およびマイクロレンズ6を除
去した(図6)。
れなかった非結晶シリコン3部分をエクシマレーザで結
晶化することにより、基板11全面が均一にレーザアニ
ーリングされた多結晶シリコン2薄膜を製造した(図
7)。
の製造方法は、従来のように高温工程ではなく低温工程
により多結晶シリコン2薄膜を製造することができるの
で、高価な単結晶または石英基板の代わりに安価なガラ
ス基板、プラスチック、セラミック等の種々の基板を使
用することができる。また、精密、かつ、均一な強度分
布のレーザビーム1を製造するためには、高価な光学設
備が必要であるが、本発明は、従来の半導体製造工程を
応用することができるので、現在保有の設備および技術
を用いることができ、経済的である。
造することができるので、素子の動作性および信頼性を
向上させることができる。
れるものではなく、必要に応じて種々変更することが可
能である。
リコン薄膜の製造方法は、従来のように高温工程ではな
く低温工程により多結晶シリコン薄膜を製造することが
できるので、高価な単結晶または石英基板の代わりに安
価なガラス基板、プラスチック、セラミック等の種々の
基板を使用することができる。また、精密、かつ、均一
な強度分布のレーザビームを製造するためには、高価な
光学設備が必要であるが、本発明は、従来の半導体製造
工程を応用することができるので、現在保有の設備およ
び技術を用いることができ、経済的である。さらに、均
一な多結晶シリコン薄膜を製造することができるので、
素子の動作性および信頼性を向上させることができる等
の効果を奏する。
晶シリコン薄膜を示す断面図
よび絶縁膜形成工程を示す断面図
程を示す断面図
成工程を示す断面図
工程を示す断面図
程を示す断面図
ンへのレーザビーム照射工程を示す断面図
ギ強度を示す線図
強度を示す線図
ン薄膜を示す断面図
ン薄膜を示す平面図
Claims (4)
- 【請求項1】 基板の表面に形成された非結晶シリコン
薄膜をレーザを用いて熱処理することにより、多結晶シ
リコン薄膜を製造するための多結晶シリコン薄膜の製造
方法において、前記非結晶シリコンの表面の不均一なレ
ーザビームが照射される部分に金属反射膜を形成し、こ
の金属反射膜の表面全体にSiO2 絶縁膜を形成し、前
記金属反射膜の両端の上方にマイクロレンズを配置した
後、レーザビームを照射するようにしたことを特徴とす
る多結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 【請求項2】前記金属反射膜は、アルミニウム、金、
銀、銅等の金属のうちいずれか1つを選択して形成され
ることを特徴とする請求項1に記載の多結晶シリコン薄
膜の製造方法。 - 【請求項3】前記金属反射膜にフォトリソグラフィによ
り窓部分を形成することを特徴とする請求項1に記載の
多結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 【請求項4】前記マイクロレンズは、低屈折率のSiO
2 絶縁膜に高屈折率の物質を挿入して凹レンズ状に形成
したものであることを特徴とする請求項1に記載の多結
晶シリコン薄膜の製造方法。
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