JP3345363B2 - 多結晶シリコン薄膜の形成方法及び薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコン薄
膜の形成方法、薄膜トランジスタの製造方法、及び液晶
表示装置の製造方法に係り、特に、耐熱温度の低い基板
上に低温で多結晶シリコン薄膜を形成することができる
多結晶シリコン薄膜の形成方法、その多結晶シリコン薄
膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法、及びその薄膜
トランジスタを用いた液晶表示装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、省電力、省スペース、応答速度の
速さ、表示の美しさ等の理由から、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ、Thin Film Transistor）を画素用のスイッチ
ング素子として用いた液晶ディスプレイ（ＬＣＤ、Liqu
id Crystal Display)が注目されている。

【０００３】このような液晶ディスプレイには、一般に
ガラス基板が用いられ、ガラス基板上に薄膜トランジス
タが形成されている。かかる薄膜トランジスタのチャネ
ル層としては、多結晶シリコン薄膜が用いられているこ
とが多い。ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を形成す
る方法としては、ガラス基板上にアモルファスシリコン
薄膜を形成し、この後、６００℃、５０時間程度の熱処
理を行うことによりアモルファスシリコン薄膜を結晶化
して、多結晶シリコン薄膜を形成する方法が従来より知
られている。これは、熱処理の初期段階に結晶の核を生
成し、その核を成長させることにより多結晶シリコン薄
膜を形成する技術である。

【０００４】しかし、上記の多結晶シリコン薄膜の形成
方法では、６００℃で５０時間程度もの熱処理を行うこ
ととなるため、ガラス基板が変形してしまっていた。し
かも、こうして形成された多結晶シリコン薄膜の結晶粒
には欠陥や双晶が多かった。従って、このような方法で
は、電子移動度の高い良質な多結晶シリコン薄膜を形成
するのは困難であった。

【０００５】また、ガラス基板上に、６００℃以上の高
温においてＣＶＤ（Chemical VaporDeposition、化学気
相堆積）法により多結晶シリコン薄膜を形成する方法も
考えられるが、６００℃以上の高温によりガラス基板が
変形してしまい、また、十分な結晶性を有する多結晶シ
リコン薄膜を形成することはできなかった。そこで、ガ
ラス基板上にアモルファスシリコン薄膜を形成し、この
アモルファスシリコン薄膜にレーザビームを照射するこ
とにより多結晶シリコン薄膜を形成する方法が提案され
ている。この方法によれば、レーザビームにより溶解さ
れたシリコンが固化する過程で、多結晶シリコン薄膜が
形成される。レーザビームにより短い時間でアモルファ
スシリコン薄膜が溶解されるので、ガラス基板が高温に
なってしまうことはなく、従ってガラス基板を変形する
ことなく多結晶シリコン薄膜が形成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
提案されている多結晶シリコン薄膜の形成方法では、シ
リコンが固化する速度が速いため、結晶粒径の大きい多
結晶シリコン薄膜を形成することができなかった。この
ため、かかる多結晶シリコン薄膜を薄膜トランジスタの
チャネル層として用いた場合には、電子移動度は１５０
ｃｍ²／Ｖｓ程度と極めて低かった。

【０００７】本発明の目的は、低温で形成する場合であ
っても、高い電子移動度を得ることができる多結晶シリ
コン薄膜の形成方法、その多結晶シリコン薄膜を用いた
薄膜トランジスタ、及びその薄膜トランジスタを用いた
液晶表示装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、基板上にシ
リコン層を形成する工程と、前記シリコン層上及び前記
シリコン層側面に保温層を形成する工程と、前記シリコ
ン層に短パルスレーザを照射し、前記シリコン層を結晶
化する工程とを有し、前記保温層を形成する工程では、
前記シリコン層上に開口部が形成された前記保温層を形
成することを特徴とする多結晶シリコン薄膜の形成方法
により達成される。これにより、シリコン層が保温層に
より覆われているので、シリコン層にレーザ照射が行わ
れた後におけるシリコン層の冷却速度を遅くすることが
でき、これにより粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形
成することができる。従って、電子移動度の高い多結晶
シリコン薄膜を形成することができる。

【０００９】また、上記目的は、基板上にシリコン層を
形成する工程と、前記シリコン層上及び前記シリコン層
側面に保温層を形成する工程と、前記シリコン層に短パ
ルスレーザを照射し、前記シリコン層を結晶化してチャ
ネル層を形成する工程とを有し、前記シリコン層は、幅
が異なる領域を含んでなることを特徴とする薄膜トラン
ジスタの製造方法により達成される。これにより、シリ
コン層が、幅が異なる領域を含むので、結晶核の位置や
結晶核の数を制御することができ、高品質な多結晶シリ
コン薄膜を形成することができる。結晶粒径の大きい多
結晶シリコン薄膜をチャネル層として用いることができ
るので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供する
ことができる。

【００１０】また、上記の薄膜トランジスタの製造方法
において、前記基板は前記短パルスレーザを透過する基
板であり、前記シリコン層を結晶化する工程では、前記
基板の前記保温層が形成されていない側の面から前記短
パルスレーザを照射することが望ましい。これにより、
保温層が形成されていない側の面から短パルスレーザを
照射することによりシリコン層を結晶化することができ
るので、簡便な工程で多結晶シリコン薄膜を形成するこ
とができる。

【００１１】また、上記の薄膜トランジスタの製造方法
において、前記シリコン層を結晶化する工程では、前記
基板を所定の温度に加熱しながら前記短パルスレーザを
前記シリコン層に照射することが望ましい。これによ
り、基板を加熱しながら短パルスレーザを照射するの
で、短パルスレーザを照射した後のシリコン層の冷却速
度を遅くすることができる。従って、粒径の大きい多結
晶シリコンが生成された多結晶シリコン薄膜を形成する
ことができる。

【００１２】また、上記の薄膜トランジスタの製造方法
において、前記保温層を形成する工程では、前記シリコ
ン層上に開口部が形成された前記保温層を形成すること
が望ましい。また、上記の薄膜トランジスタの製造方法
において、前記シリコン層を形成する工程の後、前記保
温層を形成する工程の前に、前記シリコン層上に、前記
保温層とエッチング特性が異なる分離膜を形成する工程
を更に有することが望ましい。これにより、保温層とエ
ッチング特性が異なる分離膜を形成するので、分離膜を
エッチングストッパとして保温層をエッチングすること
ができる。

【００１３】また、上記の薄膜トランジスタの製造方法
において、前記シリコン層は、アモルファスシリコン
膜、多結晶シリコン膜、又は微結晶シリコン膜より成る
ことが望ましい。また、上記の薄膜トランジスタの製造
方法において、前記保温層は、アモルファスシリコン
層、多結晶シリコン層、金属層、金属を含むシリコン
層、又は不純物を含むシリコン層より成ることが望まし
い。

【００１４】

【００１５】また、上記目的は、基板上にシリコン層を
形成する工程と、前記シリコン層上及び前記シリコン層
側面に保温層を形成する工程と、前記シリコン層に短パ
ルスレーザを照射し、前記シリコン層を結晶化してトラ
ンジスタのチャネル層を形成する工程とを有し、前記シ
リコン層は、幅が異なる領域を含んでなることを特徴と
する液晶表示装置の製造方法により達成される。これに
より、良好な電気的特性を有する液晶表示装置を提供す
ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］本発明の第１実
施形態による多結晶シリコン薄膜の形成方法を図１乃至
図５を用いて説明する。図１乃至図３は、本実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図で
ある。図４は、レーザ照射後の各部の温度を示すグラフ
である。図５は、多結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す
概念図である。

【００１７】まず、ガラス基板１０上に、ＰＥＣＶＤ
（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition、プラ
ズマ化学気相堆積）法により、膜厚２００ｎｍのシリコ
ン酸化膜より成るバッファ層１２を形成する。次に、バ
ッファ層１２上に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚５０ｎｍ
のアモルファスシリコン層より成るシリコン層１４を形
成する。

【００１８】次に、４５０℃、２時間の熱処理を行い、
これによりシリコン層１４から水素を除去する（図１
（ａ）参照）。次に、フォトリソグラフィ技術を用い、
シリコン層１４を８μｍ×８μｍの形状にパターニング
する（図１（ｂ）参照）。次に、ＨＦ系のエッチング液
を用い、シリコン層１４をマスクとしてバッファ層１２
の表面をエッチングし、バッファ層１２に段差を形成す
る（図１（ｃ）参照）。

【００１９】次に、全面に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚
３０ｎｍのシリコン酸化膜より成る分離膜１６を形成す
る（図２（ａ）参照）。分離膜１６には、シリコン層１
４より融点が高い材料を用いることが望ましい。シリコ
ン層１４を結晶化する際に分離膜１６が溶解してしまう
と、シリコン層１４と保温層１８（図２（ｂ）参照）と
が一体になってしまうからである。また、分離膜１６
は、保温層１８をエッチングする際のエッチングストッ
パとして機能することが望ましい。

【００２０】次に、全面に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚
３００ｎｍの多結晶シリコン膜より成る保温層１８を形
成する（図２（ｂ）参照）。成膜条件は、例えば、Ｓｉ
Ｈ₄ガスとＨ₂ガスとの流量比を２：９８とし、成膜室内
の温度を５５０℃とすることができる。次に、室温に
て、ガラス基板１０の下面側、即ちバッファ層１２が形
成されていない面の側から、シリコン層１４に短パルス
レーザを照射し、シリコン層１４を結晶化する（図３
（ａ）参照）。短パルスレーザとは、短時間のパルスを
発生するレーザのことである。短パルスレーザとして
は、例えばエキシマレーザを用いることができる。パル
ス幅は、例えば３０ｎｓ、パルス数は２０回／秒とする
ことができる。短パルスレーザの照射方法としては、例
えばオーバラッピングスキャン照射法を用いることがで
きる。

【００２１】図３（ａ）に示すように、本実施形態で
は、シリコン層１４が保温層１８により覆われている。
シリコン層１４が保温層１８に覆われているので、シリ
コン層１４にレーザパルスが照射が行われた後における
シリコン層１４の冷却速度が遅くなる。レーザ照射後の
各部の温度を図４を用いて説明する。図４において、ｔ
₁、ｔ₂、ｔ₃とは、それぞれレーザパルスの照射が終わ
ってからの時間を示している。図４において、ｔ₁とは
レーザパルスの照射が終了してからｔ₁時間後の各部の
温度を示しており、ｔ₂とはレーザパルスの照射が終了
してからｔ₂時間後の各部の温度を示しており、ｔ₃とは
レーザパルスの照射が終了してからｔ₃時間後の各部の
温度を示している。ｔ₁よりｔ₂の方が遅い時間であり、
ｔ₂よりｔ₃の方が遅い時間である。

【００２２】シリコン層１４が保温層１８に覆われてい
るので、シリコン層１４の端部近傍では冷却速度が遅
い。レーザパルスの照射を終了してからｔ₂時間後の各
部の温度を比較してみると、シリコン層１４の中央部で
はシリコン結晶の融点以下まで温度が下がってしまって
いるが、シリコン層１４の端部近傍領域ではシリコン結
晶の融点より高い温度を維持している。このように、シ
リコン層１４が保温層１８により覆われているので、シ
リコン層１４の端部近傍領域は冷却速度が遅くなる。換
言すれば、シリコン層１４の端部近傍領域では、シリコ
ン結晶の融点以下に温度が下がるまでの時間が長いの
で、シリコン層１４の内部で核が発生して横方向に結晶
が成長し、大きい結晶粒を生成することができる。

【００２３】こうしてシリコン層１４が結晶化され、多
結晶シリコン薄膜１４ａが生成される。次に、ＲＩＥ
（Reactive Ion Etching、反応性イオンエッチング）法
により、分離膜１６をエッチングストッパとして、保温
層１８をエッチングする。次に、ＨＦ系のウエットエッ
チングにより、分離膜１６をエッチングする（図３
（ｂ）参照）。

【００２４】こうして、本実施形態により多結晶シリコ
ン薄膜１４ａが形成されることとなる。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について図５（ａ）を用いて説
明する。図５（ａ）は、本実施形態により形成された多
結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図である。図５
（ａ）は、シリコン層の端部近傍領域を拡大して示した
ものである。なお、多結晶シリコン薄膜の結晶状態は、
例えばＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy、透
過型電子顕微鏡）法により観察することができる。

【００２５】図５（ａ）の紙面左側は多結晶シリコン薄
膜１４ａの中央部側であり、紙面右側は多結晶シリコン
薄膜１４ａの端部側である。紙面左側、即ち、多結晶シ
リコン薄膜１４ａの中央部側では結晶粒径は小さく、微
小粒径の多結晶シリコン領域４０ａとなっている。紙面
右側、即ち、多結晶シリコン薄膜１４ａの端部から一定
距離離間した領域には大粒径のシリコン結晶４０ｂが生
成されている。そして更に紙面右側、即ち、多結晶シリ
コン薄膜１４ａの端部近傍領域においては、横方向に成
長した大粒径のシリコン結晶４０ｃが生成されている。
核形成は大粒径のシリコン結晶４０ｂで行われ、横方向
成長によりシリコン結晶４０ｃが生成されている。

【００２６】このように、本実施形態によれば、シリコ
ン層が保温層により覆われているので、シリコン層にレ
ーザ照射が行われた後におけるシリコン層の冷却速度を
遅くすることができ、これにより粒径の大きい多結晶シ
リコン薄膜を形成することができる。 ［第２実施形態］本発明の第２実施形態による多結晶シ
リコン薄膜の形成方法を図６乃至図８を用いて説明す
る。図６乃至図８は、本実施形態による多結晶シリコン
薄膜の形成方法を示す工程断面図である。図１乃至図５
に示す第１実施形態による多結晶シリコン薄膜の形成方
法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省
略または簡潔にする。

【００２７】バッファ層１２に段差を形成する工程まで
は、図１（ａ）乃至図１（ｃ）に示す第１実施形態によ
る多結晶シリコン薄膜の形成方法と同様であるので説明
を省略する。次に、全面に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚
３０ｎｍのシリコン酸化膜より成る分離膜１６を形成す
る（図６（ａ）参照）。

【００２８】次に、全面に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚
３００ｎｍのアモルファスシリコン膜より成る保温層１
８を形成する。次に、全面に、スパッタ法により、膜厚
３ｎｍのＮｉ膜より成る不純物層２０を形成する（図６
（ｂ）参照）。次に、５５０℃、８時間の熱処理を行
い、不純物層２０のＮｉを保温層１８中に固相拡散す
る。これにより、Ｎｉを用いたアモルファスシリコンの
固相成長により、多結晶シリコン層より成る保温層１８
ａが形成される（図７（ａ）参照）。

【００２９】次に、室温にて、ガラス基板１０の下面側
から、シリコン層１４に短パルスレーザを照射し、シリ
コン層１４を結晶化する（図７（ｂ）参照）。短パルス
レーザは、第１実施形態と同様に例えばエキシマレーザ
を用いることができる。また、パルス幅、パルス数等に
ついても第１実施形態と同様とすることができる。シリ
コン層１４が保温層１８ａにより覆われているので、シ
リコン層１４にレーザ照射が行われた後におけるシリコ
ン層１４の冷却速度が遅くなる。シリコン層の端部近傍
領域において、シリコン層の温度がシリコン結晶の融点
以下に下がるまでの時間が長くなるので、シリコン層の
内部で核が発生し、結晶が横方向に成長するラテラル成
長が実現する。こうして、結晶が横方向に成長するの
で、大きい結晶粒を生成することができる。

【００３０】こうしてシリコン層１４が結晶化され、多
結晶シリコン薄膜１４ｂが生成される。次に、ＲＩＥ法
により、分離膜１６をエッチングストッパとして、保温
層１８ａをエッチングする。次に、ＨＦ系のウエットエ
ッチングにより、分離膜１６をエッチングする（図８参
照）。

【００３１】こうして、本実施形態により多結晶シリコ
ン薄膜が形成されることとなる。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について説明する。本実施形態
により形成された多結晶シリコン薄膜１４ｂは、図５
（ａ）と同様の結晶状態となっていた。

【００３２】このように、本実施形態によれば、シリコ
ン層が保温層により覆われているので、シリコン層にレ
ーザ照射が行われた後におけるシリコン層の端部近傍領
域の冷却速度を遅くすることができる。シリコン層の端
部近傍領域において冷却速度が遅くなるので、シリコン
層の内部で核が発生し、結晶が横方向に成長する。これ
により、粒径の大きい多結晶シリコン薄膜を形成するこ
とが可能となる。

【００３３】一方、比較例として、ガラス基板１０の上
側、即ち、保温層１８ａの上側から短パルスレーザを照
射した場合について、シリコン層の結晶状態の評価を行
った。この結果、シリコン層の結晶粒径は小さく、微小
粒径の多結晶シリコンとなっていることがわかった。こ
れは、エキシマレーザが保温層１８ａにより吸収されて
しまい、シリコン層１４の結晶化に必要とされる熱がシ
リコン層１４に十分に伝わらないためと考えられる。

【００３４】［第３実施形態］本発明の第３実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法を図９及び図１０を
用いて説明する。図９は、本実施形態による多結晶シリ
コン薄膜の形成方法を示す工程断面図である。図１０
は、レーザ照射後の各部の温度を示すグラフである。図
１乃至図８に示す第１又は第２実施形態による多結晶シ
リコン薄膜の形成方法と同一の構成要素には、同一の符
号を付して説明を省略または簡潔にする。

【００３５】本実施形態による多結晶シリコン薄膜の形
成方法は、保温層１８ａを形成する工程までは第２実施
形態による多結晶シリコン薄膜の形成方法と同様である
ので、説明を省略する。次に、ガラス基板１０の温度を
３００℃とし、ガラス基板１０の下側から短パルスレー
ザを照射し、シリコン層１４を結晶化する（図９（ａ）
参照）。なお、ガラスの歪みは約６００℃〜７００℃以
上で生じるので、ガラス基板１０を３００℃としても、
ガラス基板１０が変形してしまうことはない。

【００３６】レーザ照射後の各部の温度を図１０を用い
て説明する。図１０のグラフにおいて、破線はガラス基
板１０の温度を室温とした場合、即ち第２実施形態の場
合の各部の温度を示しており、実線はガラス基板１０の
温度を３００℃とした場合、即ち本実施形態の場合の各
部の温度を示している。本実施形態ではガラス基板１０
が３００℃に加熱されているので、シリコン層１４の各
部における冷却速度は遅い。ｔ₂時間後のシリコン層１
４の各部の温度を比較してみると、第２実施形態ではシ
リコン層１４の中央部はシリコン結晶の融点以下まで温
度が下がってしまっているが、本実施形態ではシリコン
層１４の全体がシリコン結晶の融点より高い温度を維持
している。このように本実施形態では、ガラス基板１０
が３００℃に加熱されているので、シリコン層１４の冷
却速度が遅くなる。換言すれば、本実施形態では、シリ
コン結晶の融点以下にシリコン層１４の温度が下がるま
での時間が第１及び第２実施形態より長くなるので、広
い範囲に亘って結晶が横方向に成長し、これにより大き
い粒径のシリコン結晶を生成することができる。

【００３７】こうしてシリコン層１４が結晶化され、多
結晶シリコン薄膜１４ｃが生成される。次に、ＲＩＥ法
により、分離膜１６をエッチングストッパとして、保温
層１８ａをエッチングする。次に、ＨＦ系のウエットエ
ッチングにより、分離膜１６をエッチングする（図９
（ｂ）参照）。

【００３８】こうして、本実施形態による多結晶シリコ
ン薄膜が形成される。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について図５（ｂ）を用いて説
明する。図５（ｂ）は、本実施形態により形成された多
結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図である。

【００３９】図５（ｂ）に示すように、本実施形態で
は、横方向に成長した大粒径の多結晶シリコン結晶４０
ｃが生成されている領域が、図５（ａ）に示す第１及び
第２実施形態の場合より広くなっている。このように、
本実施形態によれば、ガラス基板を３００℃に加熱して
レーザ照射を行うので、短パルスレーザを照射した後の
シリコン層の冷却速度を遅くすることができる。これに
より、シリコン層の内部で核が発生し、シリコン層の端
部に向かって広い範囲に亘って横方向に結晶が成長し、
粒径の大きい多結晶シリコンが生成された多結晶シリコ
ン薄膜を形成することができる。

【００４０】［第４実施形態］本発明の第４実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法を図１１を用いて説
明する。図１１は、本実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図である。図１乃至図１０
に示す第１乃至第３実施形態による多結晶シリコン薄膜
の形成方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して
説明を省略または簡潔にする。

【００４１】本実施形態による多結晶シリコン薄膜の形
成方法は、ガラス基板１０上に７００ｎｍと厚いバッフ
ァ層１２を形成する点、バッファ層１２上に１００ｎｍ
と厚いシリコン層１４を形成する点、ガラス基板１０の
温度を５００℃と高く設定して短パルスレーザを照射す
る点に特徴がある。まず、ガラス基板１０上に、ＰＥＣ
ＶＤ法により、膜厚７００ｎｍのシリコン酸化膜より成
るバッファ層１２を形成する。バッファ層１２の厚さを
７００ｎｍと第１乃至第３実施形態より厚く形成してい
るのは、レーザ照射後のシリコン層１４の冷却速度を遅
くするためである。

【００４２】次に、バッファ層上に、ＰＥＣＶＤ法によ
り、膜厚１００ｎｍのアモルファスシリコン層より成る
シリコン層１４を形成する。シリコン層１４の厚さを１
００ｎｍと第１乃至第３実施形態より厚く形成している
のは、シリコン層１４の熱容量を大きくしてシリコン層
１４の冷却速度を遅くするためである。この後の保温層
１８ａを形成する工程までは第２実施形態と同様である
ので、説明を省略する。

【００４３】次に、ガラス基板１０の温度を５００℃と
し、ガラス基板１０の下側から短パルスレーザを照射
し、シリコン層１４を結晶化する（図１１（ａ）参
照）。なお、ガラスの歪みは約６００℃〜７００℃以上
で生じるので、ガラス基板１０を５００℃としても、ガ
ラス基板１０が変形してしまうことはない。ガラス基板
が５００℃と高く加熱されており、しかもシリコン層が
１００ｎｍと厚いので、シリコン層の冷却速度が遅くな
る。換言すれば、本実施形態では、シリコン結晶の融点
以下にシリコン層１４の温度が下がるまでの時間を第１
乃至第３実施形態より長くすることができるので、より
広い範囲に亘って横方向成長が実現され、大きい粒径の
シリコン結晶を生成することができる。

【００４４】こうしてシリコン層１４が結晶化され、多
結晶シリコン薄膜１４ｄが生成される。次に、ＲＩＥ法
により、分離膜１６をエッチングストッパとして、保温
層１８ａをエッチングする。次に、ＨＦ系のエッチング
液を用い、分離膜１６をエッチングする（図１１（ｂ）
参照）。

【００４５】こうして、本実施形態による多結晶シリコ
ン薄膜が形成されることとなる。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について図５（ｃ）を用いて説
明する。図５（ｃ）は、本実施形態により形成された多
結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図である。

【００４６】図５（ｃ）に示すように、本実施形態で
は、横方向に成長した大粒径の多結晶シリコン結晶４０
ｃが生成されている領域が、図５（ａ）及び図５（ｂ）
に示す第１乃至第３実施形態の場合より広くなってい
る。なお、本実施形態では、図５（ａ）及び図５（ｂ）
で観測された大粒径の多結晶シリコン結晶４０ｂは観測
されない。

【００４７】このように、本実施形態によれば、シリコ
ン層を厚く形成し、ガラス基板を５００℃に加熱してレ
ーザ照射を行うので、短パルスレーザを照射した後のシ
リコン層の冷却速度を第３実施形態の場合より更に遅く
することができる。これにより、シリコン層の内部で核
が発生し、シリコン層の端部に向かって広い範囲に亘っ
て結晶が横方向に成長するので、粒径の大きい多結晶シ
リコンが生成された多結晶シリコン薄膜を形成すること
ができる。

【００４８】［第５実施形態］本発明の第５実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法を図１２乃至図１３
を用いて説明する。図１２及び図１３は、本実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法を示す工程断面図で
ある。図１乃至図１１に示す第１乃至第４実施形態によ
る多結晶シリコン薄膜の形成方法と同一の構成要素に
は、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

【００４９】本実施形態による多結晶シリコン薄膜の形
成方法は、保温層１８ａに開口部２２を形成することに
より、シリコン層１４の各部の冷却速度を適宜設定する
ことに主な特徴がある。まず、保温層１８ａを形成する
工程までは、第４実施形態による多結晶シリコン薄膜の
形成方法と同様であるので説明を省略する。

【００５０】次に、保温層１８ａに、表面から深さ２０
０ｎｍまで開口部２２を形成する（図１２（ａ）参
照）。開口部２２の直径は、例えば１μｍとすることが
できる。なお、開口部の形状や深さは、所望の冷却速度
でシリコン層１４の各部が冷却されるよう適宜設定する
ことができる。次に、ガラス基板１０の温度を５００℃
とし、ガラス基板１０の下側から短パルスレーザを照射
し、シリコン層１４を結晶化する（図１２（ｂ）参
照）。シリコン層１４上の保温層１８ａに開口部２２が
形成されているため、保温層１８ａによる保温機能が弱
まり、開口部２２の近傍のシリコン層１４の冷却速度が
速くなる。一方、シリコン層１４の端部近傍領域は、開
口部２２から離間しているため、保温層１８ａが十分に
保温機能を有している。従って、シリコン層１４の端部
近傍領域では、シリコン層１４の冷却速度が遅い。これ
により、第１乃至第４実施形態の場合より更に広い領域
で、横方向に成長した大粒径の多結晶シリコン結晶が生
成される。

【００５１】こうしてシリコン層１４が結晶化され、多
結晶シリコン薄膜１４ｅが生成される。次に、ＲＩＥ法
により、分離膜１６をエッチングストッパとして、保温
層１８ａをエッチングする。次に、ＨＦ系のエッチング
液を用い、分離膜１６をエッチングする（図１３参
照）。

【００５２】こうして、本実施形態による多結晶シリコ
ン薄膜が形成されることとなる。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について図５（ｄ）を用いて説
明する。図５（ｄ）は、本実施形態により形成された多
結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図である。

【００５３】図５（ｄ）に示すように、本実施形態で
は、横方向に成長した大粒径の多結晶シリコン結晶４０
ｃが生成されている領域が、図５（ａ）乃至図５（ｃ）
に示す第１乃至第４実施形態の場合より広くなってい
る。なお、本実施形態では、図５（ａ）及び図５（ｂ）
で観測された大粒径の多結晶シリコン結晶４０ｂは観測
されない。

【００５４】このように、本実施形態によれば、保温層
に開口部を形成することにより、シリコン層の中央部か
ら端部に向かって広い温度勾配が生じるので、広い範囲
に亘って粒径の大きい多結晶シリコン結晶が生成された
多結晶シリコン薄膜を形成することができる。 ［第６実施形態］本発明の第６実施形態による多結晶シ
リコン薄膜の形成方法を図１４及び図１５を用いて説明
する。図１４は、本実施形態による多結晶シリコン薄膜
の形成方法を示す平面図である。図１５は、本実施形態
により形成された多結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す
概念図である。図１乃至図１３に示す第１乃至第５実施
形態による多結晶シリコン薄膜の形成方法と同一の構成
要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔に
する。

【００５５】本実施形態による多結晶シリコン薄膜の形
成方法は、図１４に示すように、シリコン層１４の平面
形状が長方形ではなく、一部の幅が狭くなっていること
に特徴がある。まず、保温層１８ａを形成する工程まで
は、第４実施形態による多結晶シリコン薄膜の形成方法
と同様であるので説明を省略する。但し、本実施形態に
よる多結晶シリコン薄膜の形成方法は、シリコン層１４
をパターニングする際に図１４に示すような平面形状に
シリコン層１４をパターニングする点で、第４実施形態
と異なっている。即ち、本実施形態では、シリコン層１
４の一部の幅が狭くなっている。シリコン層１４の紙面
左右方向の幅は例えば５μｍとすることができる。ま
た、シリコン層１４の紙面上下方向の長さは、幅の太い
ところで例えば５μｍとすることができる。シリコン層
１４の厚さは、第４実施形態と同様に例えば１００ｎｍ
とすることができる。

【００５６】次に、ガラス基板１０の温度を５００℃と
し、ガラス基板１０の下面側から短パルスレーザを照射
する。これにより、シリコン層１４が結晶化する。次
に、ＲＩＥ法により、分離膜１６をエッチングストッパ
として、保温層１８ａをエッチングする。次に、ＨＦ系
のエッチング液を用い、分離膜１６をエッチングする。

【００５７】こうして本実施形態による多結晶シリコン
薄膜が形成される。 （評価結果）次に、上記のようにして形成された多結晶
シリコン薄膜の結晶状態について図１５を用いて説明す
る。図１５に示すように、幅が広い領域における中央部
は、微小粒径の多結晶シリコン領域４０ａとなってい
る。

【００５８】一方、幅が広い領域における端部近傍領域
は、端部に向かって広い領域で横方向に成長した大粒径
の多結晶シリコン結晶４０ｃが生成されている。幅が広
い領域と幅が狭い領域との間の近傍では、シリコン層の
内部の一点からシリコン層の端部に向かって横方向に結
晶が成長しており、単結晶となっている。

【００５９】幅が狭い領域では、保温層１８ａによる保
温効果が強いために、紙面下側に向かって横方向に結晶
が成長し、単結晶シリコン４０ｄが生成されている。こ
のように、本実施形態によれば、一部の領域の幅が狭く
なるようにシリコン層がパターニングされているので、
幅が狭い領域のシリコン層に単結晶シリコンを生成する
ことができる。

【００６０】［第７実施形態］本発明の第７実施形態に
よる薄膜トランジスタの製造方法を図１６乃至図１９を
用いて説明する。図１６乃至図１９は、本実施形態によ
る薄膜トランジスタの製造方法を示す工程断面図であ
る。図１乃至図１５に示す第１乃至第６実施形態による
多結晶シリコン薄膜の形成方法と同一の構成要素には、
同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

【００６１】本実施形態による薄膜トランジスタの製造
方法は、第１乃至第６実施形態により形成された多結晶
シリコン薄膜を薄膜トランジスタのチャネル層として用
いることに主な特徴がある。まず、第１乃至第６実施形
態による多結晶シリコン薄膜の形成方法のいずれかによ
り多結晶シリコン薄膜を形成する。ここでは、例えば、
第４実施形態による多結晶シリコン薄膜の形成方法を用
いて、長さ３μｍ、幅５μｍの多結晶シリコン薄膜１４
ｅより成るチャネル層２４を形成する（図１６（ａ）参
照）。

【００６２】次に、全面に、ＰＥＣＶＤ法により、膜厚
１２０ｎｍのシリコン酸化膜より成るゲート酸化膜２６
を形成する。なお、ゲート酸化膜２６は、ＬＰ（Low Pr
essure、減圧）ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いて形成し
てもよい（図１６（ｂ）参照）。次に、全面に、スパッ
タ法により、膜厚３００ｎｍのアルミニウム層２８を形
成する（図１６（ｃ）参照）。

【００６３】次に、フォトリソグラフィ技術を用い、ア
ルミニウム層２８をゲート電極３０の形状にパターニン
グする（図１７（ａ）参照）。次に、ゲート電極３０に
自己整合でゲート酸化膜２６をエッチングする（図１７
（ｂ）参照）。次に、ゲート電極３０に自己整合で、チ
ャネル層２４に不純物イオンを注入する。不純物として
は、例えばリンを用いることができる。

【００６４】次に、ガラス基板１０上からエキシマレー
ザを照射し、チャネル層２４に導入された不純物を活性
化する。こうしてゲート電極３０に自己整合でソース／
ドレイン拡散層３２を形成する（図１８（ａ）参照）。
次に、全面に、膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜より成る層間
絶縁膜３４を形成する（図１８（ｂ）参照）。

【００６５】次に、層間絶縁膜３４に、ソース／ドレイ
ン拡散層３２、ゲート電極３０に達するコンタクトホー
ル３６をそれぞれ形成する。次に、全面に、膜厚１００
ｎｍのＴｉ膜、膜厚２００ｎｍのＡｌ膜、膜厚１００ｎ
ｍのＴｉ膜が積層されて成る導電層を形成する。次に、
フォトリソグラフィ技術を用いて導電層をパターニング
し、これにより導電層より成るゲート電極３８ａ及びソ
ース／ドレイン電極３８ｂを形成する。

【００６６】こうして、本実施形態による薄膜トランジ
スタが製造されることとなる。 （評価結果）次に、上記のようにして製造された薄膜ト
ランジスタの電子移動度を測定した。この結果、電子移
動度は３００ｃｍ²／Ｖｓと高い値を得ることができ
た。

【００６７】このように、本実施形態によれば、上記の
ようにして形成された結晶粒径の大きい多結晶シリコン
薄膜をチャネル層として用いるので、電子移動度の高い
薄膜トランジスタを提供することができる。 ［変形実施形態］本発明は上記実施形態に限らず種々の
変形が可能である。

【００６８】例えば、上記実施形態ではシリコン層を覆
うように保温層を形成したが、保温層はシリコン層上の
一部にのみ形成してもよい。また、第７実施形態では、
薄膜トランジスタを製造する場合を例に説明したが、第
１乃至第６実施形態により形成された多結晶シリコン薄
膜はあらゆる用途に用いることができる。

【００６９】また、第７実施形態により製造された薄膜
トランジスタは、あらゆる用途に用いることができる。
例えば、周辺回路一体型のＴＦＴ−ＬＣＤや、システム
オンパネル、システムオンガラス等に用いてもよい。ま
た、上記実施形態では、短パルスレーザとしてエキシマ
レーザを用いたが、エキシマレーザのみならずあらゆる
短パルスレーザを広く用いることができる。

【００７０】また、上記実施形態では、分離膜をシリコ
ン層の上面及び側面に形成したが、分離膜を上面にのみ
形成してもよい。また、上記実施形態では、アモルファ
スシリコン層よりなるシリコン層を形成したが、アモル
ファスシリコン層のみならず例えば、多結晶シリコン
層、微結晶シリコン層等を用いてもよい。

【００７１】また、上記実施形態では、分離膜としてシ
リコン酸化膜を用いたが、レーザ照射をした際に溶解す
ることのない膜であれば、シリコン酸化膜のみならず、
シリコン窒化膜、シリコンを含む絶縁膜等を用いてもよ
い。また、上記実施形態では、保温層として多結晶シリ
コン層を用いたが、これらに限定されるものではなく、
保温することができる膜であればあらゆる膜を用いても
よい。また、上記実施形態では、保温層を形成する際に
ＰＥＣＶＤ法を用いたが、ＰＥＣＶＤ法のみならず、他
のあらゆるＣＶＤ法を用いてもよい。また、ＰＶＤ（Ph
ysical Vapor Deposition、物理蒸着）法を用いて保温
層を形成してもよい。

【００７２】また、上記実施形態では、Ｎｉを用いた固
相成長により多結晶シリコン層より成る保温層を形成し
たが、Ｎｉのみならず他の金属触媒を用いてもよい。他
の金属触媒としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ、Ａｌ等のアモルファスシリコンの結晶化に効果のあ
る金属を用いることができる。また、複数種の金属触媒
を保温層内に導入してもよい。また、III族、Ｖ族の不
純物を適宜保温層に導入してもよい。

【００７３】また、上記実施形態では、保温層として多
結晶シリコン層等を用いたが、金属を保温層に用いても
よい。また、上記実施形態では、分離膜を形成したが、
分離膜を形成せず、シリコン層上に、短パルスレーザを
照射しても溶解することのない第１の保温層を形成して
もよい。そして、更に第１の保温層上に第２の保温層を
形成してもよい。第２の保温層としてシリコン酸化膜や
シリコン窒化膜等を用いてもよい。

【００７４】また、上記実施形態では、ガラス基板の裏
側からレーザ照射することによりシリコン層を結晶化し
たが、ガラス基板の上側、即ち保温層上からレーザ照射
することによりシリコン層を結晶化してもよい。この場
合、レーザ光を吸収しにくい保温層を用いることが望ま
しい。また、上記実施形態では、シリコン層の膜厚を５
０ｎｍや１００ｎｍとしたが、シリコン層の膜厚はこれ
らに限定されるものではなく、適宜膜厚を設定すること
ができる。例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下として
もよい。

【００７５】また、第５実施形態では、シリコン層上の
保温層の一部に開口部を形成したが、所望の結晶性を有
するシリコン層を形成することができるよう、保温層の
形状適宜設定すればよい。また、第６実施形態では、図
１４に示すようなシリコン層を形成したが、シリコン層
の形状はいかなる形状にしてもよい。例えば、幅が狭く
なっている領域において所望の結晶を成長することがで
きるよう、適宜幅が狭くなっている領域の形状を変化さ
せてもよい。

【００７６】また、上記実施形態では、基板温度を室
温、３００℃、５００℃としてレーザ照射を行ったが、
基板が歪まない程度の温度範囲で適宜加熱してもよい。
また、上記実施形態では、ガラス基板は歪み点の高いガ
ラス基板を用いることが望ましく、例えば歪み点が６０
０℃〜７００℃程度の歪み点の高いガラス基板を用いる
ことができる。

【００７７】また、上記実施形態では、ガラス基板を用
いたが、ガラス基板のみならず、例えば石英ガラス基板
等のレーザ光を透過できる基板を適宜用いてもよい。ま
た、バッファ層の厚さは、シリコン層に所望のシリコン
結晶が形成できるよう適宜設定してもよい。また、上記
実施形態では、バッファ層としてシリコン酸化膜を用い
たが、バッファ層はシリコン酸化膜に限定されるもので
はなく、例えばシリコン窒化膜等を用いてもよい。

【００７８】また、シリコン層の形状は上記実施形態に
限定されるものではなく、所望の形状に適宜形成するこ
とが望ましい。また、シリコン層を結晶化して多結晶シ
リコン薄膜を形成した後、更に多結晶シリコン薄膜を所
望の形状にパターニングしてもよい。

【００７９】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、シリコン
層が保温層により覆われているので、シリコン層にレー
ザ照射が行われた後におけるシリコン層の冷却速度を遅
くすることができ、これにより粒径の大きい多結晶シリ
コン薄膜を形成することができる。従って、高い電子移
動度を得ることができる多結晶シリコン薄膜を形成する
ことができる。

【００８０】また、本発明によれば、ガラス基板の下面
側から短パルスレーザを照射するので、簡便な工程で多
結晶シリコン薄膜を形成することができる。また、本発
明によれば、基板を加熱しながら短パルスレーザを照射
するので、短パルスレーザを照射した後のシリコン層の
冷却速度を遅くすることができる。従って、シリコン層
の内部で核が発生して、シリコン層の端部に向かって結
晶が成長し、粒径の大きい多結晶シリコンが生成された
多結晶シリコン薄膜を形成することができる。

【００８１】また、本発明によれば、結晶粒径の大きい
多結晶シリコン薄膜をチャネル層として用いることがで
きるので、電子移動度の高い薄膜トランジスタを提供す
ることができる。また、本発明によれば、電子移動度の
高い薄膜トランジスタを用いることにより、良好な電気
的特性を有する液晶表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その１）である。

【図２】本発明の第１実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その２）である。

【図３】本発明の第１実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その３）である。

【図４】レーザ照射後の各部の温度を示すグラフであ
る。

【図５】多結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図で
ある。

【図６】本発明の第２実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その１）である。

【図７】本発明の第２実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その２）である。

【図８】本発明の第２実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図（その３）である。

【図９】本発明の第３実施形態による多結晶シリコン薄
膜の形成方法を示す工程断面図である。

【図１０】レーザ照射後の各部の温度を示すグラフであ
る。

【図１１】本発明の第４実施形態による多結晶シリコン
薄膜の形成方法を示す工程断面図である。

【図１２】本発明の第５実施形態による多結晶シリコン
薄膜の形成方法を示す工程断面図（その１）である。

【図１３】本発明の第５実施形態による多結晶シリコン
薄膜の形成方法を示す工程断面図（その２）である。

【図１４】本発明の第６実施形態による多結晶シリコン
薄膜の形成方法を示す平面図である。

【図１５】多結晶シリコン薄膜の結晶状態を示す概念図
である。

【図１６】本発明の第７実施形態による薄膜トランジス
タの製造方法を示す工程断面図（その１）である。

【図１７】本発明の第７実施形態による薄膜トランジス
タの製造方法を示す工程断面図（その２）である。

【図１８】本発明の第７実施形態による薄膜トランジス
タの製造方法を示す工程断面図（その３）である。

【図１９】本発明の第７実施形態による薄膜トランジス
タの製造方法を示す工程断面図（その４）である。

【符号の説明】

１０…ガラス基板 １２…バッファ層 １４…シリコン層 １４ａ…多結晶シリコン薄膜 １４ｂ…多結晶シリコン薄膜 １４ｃ…多結晶シリコン薄膜 １４ｄ…多結晶シリコン薄膜 １４ｅ…多結晶シリコン薄膜 １６…分離膜 １８…保温層 １８ａ…保温層 ２０…不純物層 ２２…開口部 ２４…チャネル層 ２６…ゲート酸化膜 ２８…アルミニウム層 ３０…ゲート電極 ３２…ソース／ドレイン拡散層 ３４…層間絶縁膜 ３６…コンタクトホール ３８ａ…ゲート電極 ３８ｂ…ソース／ドレイン電極 ４０ａ…微小粒径の多結晶シリコン領域 ４０ｂ…シリコン結晶 ４０ｃ…シリコン結晶 ４０ｄ…単結晶シリコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｆ 1/1368 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｎ Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｇ０２Ｆ 1/136 ５００ 21/336 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｇ 29/786 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にシリコン層を形成する工程と、 前記シリコン層上及び前記シリコン層側面に保温層を形
   成する工程と、 前記シリコン層に短パルスレーザを照射し、前記シリコ
   ン層を結晶化する工程とを有し、 前記保温層を形成する工程では、前記シリコン層上に開
   口部が形成された前記保温層を形成する ことを特徴とす
   る多結晶シリコン薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】 基板上にシリコン層を形成する工程と、 前記シリコン層上及び前記シリコン層側面に保温層を形
   成する工程と、 前記シリコン層に短パルスレーザを照射し、前記シリコ
   ン層を結晶化してチャネル層を形成する工程とを有し、 前記シリコン層は、幅が異なる領域を含んでなることを
   特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の薄膜トランジスタの製造
   方法において、 前記基板は前記短パルスレーザを透過する基板であり、 前記シリコン層を結晶化する工程では、前記基板の前記
   保温層が形成されていない側の面から前記短パルスレー
   ザを照射することを特徴とする薄膜トランジスタの製造
   方法。
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の薄膜トランジスタ
   の製造方法において、 前記シリコン層を結晶化する工程では、前記基板を所定
   の温度に加熱しながら前記短パルスレーザを前記シリコ
   ン層に照射することを特徴とする薄膜トランジスタの製
   造方法。
5. 【請求項５】 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の
   薄膜トランジスタの製造方法において、 前記保温層を形成する工程では、前記シリコン層上に開
   口部が形成された前記保温層を形成することを特徴とす
   る薄膜トランジスタの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の
   薄膜トランジスタの製造方法において、 前記シリコン層を形成する工程の後、前記保温層を形成
   する工程の前に、前記シリコン層上に、前記保温層とエ
   ッチング特性が異なる分離膜を形成する工程を更に有す
   ることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項２乃至６のいずれか１項に記載の
   薄膜トランジスタの製造方法において、 前記シリコン層は、アモルファスシリコン膜、多結晶シ
   リコン膜、又は微結晶シリコン膜より成ることを特徴と
   する薄膜トランジスタの製造方法。
8. 【請求項８】 請求項２乃至７のいずれか１項に記載の
   薄膜トランジスタの製造方法において、 前記保温層は、アモルファスシリコン層、多結晶シリコ
   ン層、金属層、金属を含むシリコン層、又は不純物を含
   むシリコン層より成ることを特徴とする薄膜トランジス
   タの製造方法。
9. 【請求項９】 基板上にシリコン層を形成する工程と、 前記シリコン層上及び前記シリコン層側面に保温層を形
   成する工程と、 前記シリコン層に短パルスレーザを照射し、前記シリコ
   ン層を結晶化してトランジスタのチャネル層を形成する
   工程とを有し、 前記シリコン層は、幅が異なる領域を含んでなる ことを
   特徴とする液晶表示装置の製造方法。