JP3892150B2 - 多結晶薄膜の形成方法及び形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶薄膜の形成方法及び形成装置、特に、耐熱温度の低い基板上に低温で形成する多結晶薄膜の形成方法及び形成装置に関する。
【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、Liquid 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ものである。
【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 Vapor Deposition、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、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。
【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薄膜の形成方法及び形成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、基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成方法により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるので、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【０００９】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１０】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記基板は減圧されたチャンバ内に載置され、前記ガスは、前記基板近傍に位置する吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられることが望ましい。
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記吹き出し口に対する前記基板の位置を徐々に移動することにより、徐々に前記多結晶薄膜を形成することが望ましい。これにより、吹き出し口に対する基板の位置が徐々に移動するので、最終的に、基板上の全面に良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１１】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記ガスが吹きかけられ始める時間より、前記エネルギービームが照射され始める時間の方が遅く、前記ガスが吹きかけられる時間は、前記エネルギービームが照射される時間より長いことが望ましい。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１２】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記エネルギービームが照射されている際には、少なくとも前記ガスが吹きかけられていることが望ましい。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１３】
また、上記目的は、基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を有する薄膜トランジスタを形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成す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形成することができる。
【００１４】
また、上記の薄膜トランジスタの形成方法において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１５】
また、上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスをパルス状に吹きかけ、前記エネルギービーム照射手段は、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成装置により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【００１６】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１７】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記基板を載置するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する減圧手段とを更に有し、前記ガス吹きかけ手段には、前記ガスを吹き出す吹き出し口が形成されており、前記ガスは、前記吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられることが望ましい。
【００１８】
また、上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスの流出を制御する開閉弁を有し、前記開閉弁は、弁の開閉に応じて信号を出力し、前記エネルギービーム照射手段は、前記開閉弁からの前記信号に応じてエネルギービームを照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成装置により達成される。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１９】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記吹き出し口に対する前記基板の位置を、前記開閉弁からの前記信号に応じて徐々に移動する基板移動手段を更に有することが望ましい。これにより、吹き出し口に対する基板の位置が徐々に移動するので、最終的に、基板上の全面に良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成方法及び形成装置を図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による多結晶薄膜の形成装置の全体構成を示す概念図である。図２は、本実施形態による多結晶薄膜の形成装置の一部を示す概念図である。図３は、高温ガスを吹きかけるタイミング、レーザビームを照射するタイミング、及び半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【００２１】
（多結晶薄膜の形成装置）
まず、本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置を図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、チャンバ１０内にはＸ−Ｙステージ１２が設けられており、Ｘ−Ｙステージ１２には表面に半導体薄膜１５（図２参照）が形成された基板１４が載置される。Ｘ−Ｙステージ１２には開閉弁１６の開閉に応じて開閉弁１６からパルス信号が入力され、Ｘ−Ｙステージ１２は開閉弁１６からのパルス信号に基づいて例えば０．０５ｍｍ／パルスで移動する。また、Ｘ−Ｙステージ１２にはヒータ（図示せず）が設けられており、基板１４は必要に応じて加熱される。
【００２２】
チャンバ１０の排気管１８にはターボポンプ２０が接続されており、ターボポンプ２０とロータリーポンプ２２とによりチャンバ１０内の空気が排気される。基板１４上に形成された半導体薄膜１５には、下記のようにして高温の不活性ガスがパルス状に吹きかけられる。
即ち、図１に示すように、ガスボトル２４内の不活性ガスは、予備加熱室２６に流入し、予備加熱室２６内で所定の温度、例えば１００℃に加熱される。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス等を用いることができる。予備加熱室２６で所定の温度に加熱された不活性ガスは、一定周期でパルス状に開く開閉弁１６により、加熱室２８と吹きかけノズル３０とを通り、図２に示すように半導体薄膜１５の表面にパルス状に吹きかけられる。
【００２３】
加熱室２８と吹きかけノズル３０にはそれぞれヒータ３２、３４が設けられており、不活性ガスはヒータ３２、３４により例えば６００℃に加熱される。吹きかけノズル３０の吹き出し口３０ａは、基板１４上の半導体薄膜のレーザビームが照射される領域より広い領域に高温の不活性ガスを吹きかけることができるよう、大きめに形成されている。
【００２４】
一方、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からは、高温の不活性ガスが吹きかけられるタイミングに対応してレーザビーム３８がパルス状に照射され、レーザビーム３８はホモジェナイザ４０により均質化された後、基板１４上の半導体薄膜１５に照射される。
即ち、開閉弁１６の開閉に応じてディレイ回路４２にパルス信号が入力され、ディレイ回路４２で遅延された信号は、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６に入力される。ＸｅＣｌエキシマレーザ３６は入力された信号に基づいて、一定時間レーザビーム３８を照射する。ＸｅＣｌエキシマレーザ３６から照射されたレーザビーム３８は、図２に示すようにホモジェナイザ４０により均質化され、半導体薄膜１５に照射される。
【００２５】
こうして、基板１４上に形成された半導体薄膜１５の表面には、高温の不活性ガスがパルス状に吹きかけられながら、レーザビーム３８がパルス状に照射される。基板１４はＸ−Ｙステージ１２により図２の矢印の方向に適宜移動されるので、結果的に全面に多結晶薄膜が形成されることとなる。
（多結晶薄膜の形成方法）
次に、本実施形態による多結晶薄膜の形成方法を、多結晶シリコン薄膜を形成する場合を例に図１乃至図３を用いて説明する。図３（ａ）は高温ガスを吹きかけるタイミング、図３（ｂ）はレーザビームを照射するタイミング、図３（ｃ）は半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【００２６】
まず、基板１４上に、例えば膜厚７０ｎｍのシリコン薄膜より成る半導体薄膜１５を形成する。基板１４としては、例えばガラス基板を用いることができ、シリコン薄膜としては、例えばアモルファスシリコン薄膜を用いることができる。
次に、半導体薄膜１５が形成された基板１４を、チャンバ１０内のＸ−Ｙステージ１２上に載置する。
【００２７】
次に、チャンバ１０内の空気を排気し、チャンバ１０内の圧力を例えば１×１０-2Ｐａにまで低下させる。
次に、基板１４上の半導体薄膜１５に高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながら、レーザビーム３８をパルス状に照射する。高温の不活性ガスを吹きかけるタイミングは例えば図３（ａ）のように設定すればよく、レーザビームを照射するタイミングとは例えば図３（ｂ）のように設定すればよい。
【００２８】
即ち、図３（ａ）に示すように、高温の不活性ガスを吹きかける場合のパルス幅は例えば７０ｍｓとし、パルスの周波数は例えば１Ｈｚ（周期：１秒）とすればよい。不活性ガスは加圧する必要はない。不活性ガスを加圧しなくても、チャンバ１０内の圧力が予備加熱室２６内の圧力よりも低いため、チャンバ１０と予備加熱室２６との間の気圧差により不活性ガスが半導体薄膜１５に吹きかけられる。不活性ガスがチャンバ１０内に流入することによりチャンバ１０内の圧力は一時的に上昇し、例えば１Ｐａ程度となる場合もあるが、この程度の圧力であれば何ら問題なく不活性ガスを半導体薄膜１５に吹きかけることができる。
【００２９】
一方、図３（ｂ）に示すように、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からレーザビーム３８を照射し始めるタイミングは、不活性ガスにより半導体薄膜１５及びその近傍が高温に保持されている際にレーザビーム３８が半導体薄膜１５に照射されるよう、不活性ガスを吹きかけ始めるタイミングより例えば３０ｍｓ間遅らせればよい。ディレイ回路４２による遅延時間を３０ｍｓ間とすることにより、このようなタイミングでレーザビーム３８を照射することができる。また、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からレーザビーム３８を照射する時間、即ちパルス幅は、半導体薄膜１５を溶融することができるように適宜設定することが望ましく、例えば図３（ｂ）に示すように３０ｎｓとすることができる。
【００３０】
なお、レーザビーム３８が照射されなくなった後も、高温の不活性ガスは半導体薄膜１５に吹きかけられていることが望ましい。レーザビーム３８が照射されなくなった後も高温の不活性ガスが半導体薄膜１５に吹きかけられているので、図３（ｃ）に示すように半導体薄膜１５が冷却されるまでの時間を長くすることができる。これにより、レーザビーム３８により溶解された半導体薄膜１５の固化速度を遅くすることができるので、良質な多結晶薄膜を形成することが可能となる。
【００３１】
こうして、パルス幅３０ｎｓ、パルスの周波数１Ｈｚのレーザビーム３８が、高温の不活性ガスの吹きかけ開始から３０ｍｓ間ずつ遅延して、基板１４上の半導体薄膜１５に照射されることとなる。なお、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６から発せられるレーザビーム３８は、ホモジェナイザ４０により適宜成形することが望ましく、例えば１００ｍｍ×１ｍｍの形状に成形すればよい。
【００３２】
開閉弁１６から出力される信号は、Ｘ−Ｙステージ１４に入力され、Ｘ−Ｙステージ１４は０．０５ｍｍ／パルスで移動する。こうして、最終的に基板１４上に良質な多結晶薄膜が形成されることとなる。
（結晶構造）
次に、提案されている方法により多結晶薄膜を形成した場合、即ち高温の不活性ガスを吹きかけることなくレーザビームを照射して多結晶薄膜を形成した場合の結晶構造と、本実施形態により多結晶薄膜を形成した場合、即ち高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射して多結晶薄膜を形成した場合の結晶構造について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。ここでは、多結晶薄膜の一例として、多結晶シリコン薄膜を形成した場合について説明する。
【００３３】
図４（ａ）は、提案されている方法により多結晶シリコン薄膜を形成した場合の結晶構造を示す模式図である。多結晶シリコン薄膜を形成した後、セコエッチングを行い、走査電子顕微鏡により観測した。ガラス基板上に予め形成する半導体薄膜としてはアモルファスシリコン薄膜を用い、照射するレーザビームのエネルギーは３５０ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００３４】
一方、図４（ｂ）は、本実施形態により多結晶シリコン薄膜を形成した場合の結晶構造を示す模式図である。図４（ａ）と同様に、多結晶シリコン薄膜を形成した後、セコエッチングを行い、走査電子顕微鏡により観測した。ガラス基板上に予め形成するシリコン薄膜としては図４（ａ）の場合と同様にアモルファスシリコン薄膜を用い、照射するレーザビームのエネルギーは３００ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、提案されている方法により形成された多結晶シリコン薄膜の結晶構造は、結晶粒子４４の粒径は約１００ｎｍ〜約２００ｎｍである。
これに対し、図４（ｂ）に示すように、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構造は、結晶粒子４６の粒径が約３００ｎｍ〜約６００ｎｍである。即ち、本実施形態によれば、提案されている方法に比べて、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を約３倍程度に大きくすることが可能となる。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができる。
（電気的特性）
次に、本実施形態による多結晶薄膜の電気的特性について、薄膜トランジスタに用いた場合を例に、図５乃至図７を用いて説明する。図５は、多結晶薄膜の電気的特性の評価に用いた薄膜トランジスタを示す断面図及び平面図である。図５（ａ）は薄膜トランジスタの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。図６は、薄膜トランジスタのＩD−ＶG（ＩD：ドレイン電流、ＶG：ゲート電圧）特性を示すグラフである。図７は、薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。
【００３７】
図５（ｂ）に示すように、ガラス基板４８上には、上記のようにして形成された膜厚７０ｎｍの多結晶シリコン薄膜より成る多結晶薄膜５０が形成されている。なお、提案されている方法により形成した多結晶薄膜を用いた場合と、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた場合とを比較するため、それぞれの多結晶薄膜を用いてそれぞれ薄膜トランジスタを形成した。
【００３８】
また、多結晶薄膜５０上には、膜厚１２０ｎｍのゲート絶縁膜５２が形成されている。ゲート絶縁膜５２上には、アルミニウム膜より成るゲート電極５４が形成されている。なお、ゲート電極５４のゲート長ａ（図５（ａ）参照）は１０μｍであり、多結晶薄膜５０の幅ｂは３０μｍである。
多結晶薄膜５０には、ゲート電極５４に自己整合で不純物としてリンが低濃度に導入されており、これにより低濃度拡散層５６ａが形成されている。また、多結晶薄膜５０には、高濃度拡散層５６ｂが形成されている。これら低濃度拡散層５６ａと高濃度拡散層５６ｂとにより、ソース／ドレイン拡散層５６が構成されている。
【００３９】
そして更に、全面に層間絶縁膜５８が形成されており、層間絶縁膜５８には、層間絶縁膜５８表面から高濃度拡散層５６ｂに達するコンタクトホール６０が形成されている。高濃度拡散層５６ｂには、コンタクトホール６０を介してソース／ドレイン電極６２が形成されている。
このようにして形成された薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を図６を用いて説明する。
【００４０】
図６（ａ）は、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。一方、図６（ｂ）は、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。図６（ａ）及び図６（ｂ）のいずれも、横軸はゲート電圧ＶGを示しており、縦軸はドレイン電流ＩDを示している。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）のいずれもＶD＝１Ｖ（ＶD：ドレイン電圧）でのＩD−ＶG特性である。
【００４１】
図６（ｂ）に示すように、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性は、図６（ａ）に示す提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタより良好なＩD−ＶG特性が得られている。
次に、上記の薄膜トランジスタの電子移動度特性を図７を用いて説明する。
【００４２】
図７（ａ）は、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。一方、図７（ｂ）は、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。図７（ａ）及び図７（ｂ）のいずれも、横軸はゲート電圧ＶGを示しており、縦軸は電子移動度を示している。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）のいずれもＶD＝１Ｖ（ＶD：ドレイン電圧）での電子移動度、即ち薄膜トランジスタの線形領域での電子移動度である。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度の最大値は１００ｃｍ2／Ｖsecであるのに対し、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度の最大値は２００ｃｍ2／Ｖsecであった。このように本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、提案されている方法で形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタに比べて、約２倍の電子移動度を得られた。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に吹きかけられる高温の不活性ガスはパルス状であるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【００４５】
［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。
例えば、上記実施形態では、高温の不活性ガスが吹きかけられている際にレーザビームをパルス状に照射したが、レーザビームを照射するタイミングは上記実施形態に限定されるものではなく、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができるならば、例えば、高温の不活性ガスを吹きかけ終わった直後にレーザビームをパルス状に照射してもよい。高温の不活性ガスを吹きかけ終わった直後であれば、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されているので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、膜厚７０ｎｍのシリコン薄膜を用いたが、シリコン薄膜の膜厚は７０ｎｍに限定されるものではなく、例えば３０〜１００ｎｍ程度の範囲で適宜設定してもよい。
また、上記実施形態では、不活性ガスを６００℃に加熱して基板上の半導体薄膜に吹きかけたが、不活性ガスの温度は６００℃に限定されるものではなく、例えば５００℃〜３０００℃の範囲に適宜設定することができ、好ましくは６００℃〜２０００℃の範囲に設定することができる。
【００４７】
また、上記実施形態では、基板上の半導体薄膜に吹きかけるガスとしてアルゴンガスを用いたが、アルゴンガスに限定されるものではなく、半導体薄膜の特性を劣化させないガスであれば、例えば窒素ガスなど他のガスを用いてもよい。
また、上記実施形態では基板上に形成するシリコン薄膜として、アモルファスシリコン膜を用いたが、アモルファスシリコン膜に限定されるものではなく、例えば多結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン（Microcrystal、Nanocrystal）薄膜等のシリコン薄膜を用いてもよい。
【００４８】
また、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかける際の周波数、レーザビームをパルス状に照射する際の周波数、高温の不活性ガスの吹きかけとレーザビームの照射とのタイミング、高温の不活性ガスを吹きかける時間、高温の不活性ガスの流量、高温の不活性ガスの種類、高温の不活性ガスの温度、Ｘ−Ｙステージによりガラス基板を移動する速度、吹きかけノズルとレーザビームとの位置関係などは適宜設定することが望ましい。これらのパラメータの最適化により、更に高品質な多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００４９】
また、上記実施形態では基板を加熱しなかったが、基板を加熱することにより、溶解した半導体薄膜の固化速度を更に遅くしてもよい。溶解した半導体薄膜の固化速度を更に遅くすることにより、更に結晶粒径を大きくすることができる。
また、シリコン薄膜にレーザビームを照射する際の面積を大きくすれば、より効率よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００５０】
また、上記実施形態では、レーザビームをエネルギービームとして用いたが、エネルギービームはレーザビームに限定されるものではなく、半導体薄膜を溶解することができるエネルギービームであれば例えば電子ビーム等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、ガラス基板を基板として用いたが、基板はガラス基板に限定されるものではなく、例えば石英、サファイア等の透明な基板を用いることができる。
【００５１】
また、上記実施形態では多結晶シリコン薄膜を形成する場合を例に説明したが、多結晶シリコン薄膜を形成する場合のみならず、多結晶のゲルマニウム薄膜や多結晶のシリコンゲルマニウム合金薄膜を形成する場合にも適用することができる。この場合は、予め基板上にゲルマニウム薄膜やシリコンゲルマニウム合金薄膜を形成しておけばよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に吹きかけられる高温の不活性ガスはパルス状であるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置の一部を示す概念図である。
【図３】高温ガスを吹きかけるタイミング、レーザビームを照射するタイミング、及び半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【図４】多結晶シリコン薄膜の結晶構造を示す模式図である。
【図５】多結晶薄膜の電気的特性の評価に用いた薄膜トランジスタを示す断面図及び平面図である。
【図６】薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。
【図７】薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…チャンバ
１２…Ｘ−Ｙステージ
１４…基板
１５…半導体薄膜
１６…開閉弁
１８…排気管
２０…ターボポンプ
２２…ロータリーポンプ
２４…ガスボトル
２６…予備加熱室
２８…加熱室
３０…ノズル
３０ａ…吹き出し口
３２…ヒータ
３４…ヒータ
３６…ＸｅＣｌエキシマレーザ
３８…レーザビーム
４０…ホモジェナイザ
４２…ディレイ回路
４４…結晶粒子
４６…結晶粒子
４８…ガラス基板
５０…多結晶薄膜
５２…ゲート絶縁膜
５４…ゲート電極
５６…ソース／ドレイン拡散層
５６ａ…低濃度拡散層
５６ｂ…高濃度拡散層
５８…層間絶縁膜
６０…コンタクトホール
６２…ソース／ドレイン電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶薄膜の形成方法及び形成装置、特に、耐熱温度の低い基板上に低温で形成する多結晶薄膜の形成方法及び形成装置に関する。
【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、Liquid 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ものである。
【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 Vapor Deposition、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、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。
【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薄膜の形成方法及び形成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、基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成方法により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるので、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【０００９】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１０】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記基板は減圧されたチャンバ内に載置され、前記ガスは、前記基板近傍に位置する吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられることが望ましい。
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記吹き出し口に対する前記基板の位置を徐々に移動することにより、徐々に前記多結晶薄膜を形成することが望ましい。これにより、吹き出し口に対する基板の位置が徐々に移動するので、最終的に、基板上の全面に良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１１】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記ガスが吹きかけられ始める時間より、前記エネルギービームが照射され始める時間の方が遅く、前記ガスが吹きかけられる時間は、前記エネルギービームが照射される時間より長いことが望ましい。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１２】
また、上記の多結晶薄膜の形成方法において、前記多結晶薄膜形成工程では、前記エネルギービームが照射されている際には、少なくとも前記ガスが吹きかけられていることが望ましい。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１３】
また、上記目的は、基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を有する薄膜トランジスタを形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成す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形成することができる。
【００１４】
また、上記の薄膜トランジスタの形成方法において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１５】
また、上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスをパルス状に吹きかけ、前記エネルギービーム照射手段は、前記エネルギービームをパルス状に照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成装置により達成される。これにより、高温のガスを吹きかけながらエネルギービームを照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に高温のガスをパルス状に吹きかけるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【００１６】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃であることが望ましい。
【００１７】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記基板を載置するチャンバと、前記チャンバ内を減圧する減圧手段とを更に有し、前記ガス吹きかけ手段には、前記ガスを吹き出す吹き出し口が形成されており、前記ガスは、前記吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられることが望ましい。
【００１８】
また、上記目的は、基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスの流出を制御する開閉弁を有し、前記開閉弁は、弁の開閉に応じて信号を出力し、前記エネルギービーム照射手段は、前記開閉弁からの前記信号に応じてエネルギービームを照射することを特徴とする多結晶薄膜の形成装置により達成される。これにより、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されている際に、半導体薄膜にエネルギービームが照射されるので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００１９】
また、上記の多結晶薄膜の形成装置において、前記吹き出し口に対する前記基板の位置を、前記開閉弁からの前記信号に応じて徐々に移動する基板移動手段を更に有することが望ましい。これにより、吹き出し口に対する基板の位置が徐々に移動するので、最終的に、基板上の全面に良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成方法及び形成装置を図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による多結晶薄膜の形成装置の全体構成を示す概念図である。図２は、本実施形態による多結晶薄膜の形成装置の一部を示す概念図である。図３は、高温ガスを吹きかけるタイミング、レーザビームを照射するタイミング、及び半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【００２１】
（多結晶薄膜の形成装置）
まず、本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置を図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、チャンバ１０内にはＸ−Ｙステージ１２が設けられており、Ｘ−Ｙステージ１２には表面に半導体薄膜１５（図２参照）が形成された基板１４が載置される。Ｘ−Ｙステージ１２には開閉弁１６の開閉に応じて開閉弁１６からパルス信号が入力され、Ｘ−Ｙステージ１２は開閉弁１６からのパルス信号に基づいて例えば０．０５ｍｍ／パルスで移動する。また、Ｘ−Ｙステージ１２にはヒータ（図示せず）が設けられており、基板１４は必要に応じて加熱される。
【００２２】
チャンバ１０の排気管１８にはターボポンプ２０が接続されており、ターボポンプ２０とロータリーポンプ２２とによりチャンバ１０内の空気が排気される。基板１４上に形成された半導体薄膜１５には、下記のようにして高温の不活性ガスがパルス状に吹きかけられる。
即ち、図１に示すように、ガスボトル２４内の不活性ガスは、予備加熱室２６に流入し、予備加熱室２６内で所定の温度、例えば１００℃に加熱される。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス等を用いることができる。予備加熱室２６で所定の温度に加熱された不活性ガスは、一定周期でパルス状に開く開閉弁１６により、加熱室２８と吹きかけノズル３０とを通り、図２に示すように半導体薄膜１５の表面にパルス状に吹きかけられる。
【００２３】
加熱室２８と吹きかけノズル３０にはそれぞれヒータ３２、３４が設けられており、不活性ガスはヒータ３２、３４により例えば６００℃に加熱される。吹きかけノズル３０の吹き出し口３０ａは、基板１４上の半導体薄膜のレーザビームが照射される領域より広い領域に高温の不活性ガスを吹きかけることができるよう、大きめに形成されている。
【００２４】
一方、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からは、高温の不活性ガスが吹きかけられるタイミングに対応してレーザビーム３８がパルス状に照射され、レーザビーム３８はホモジェナイザ４０により均質化された後、基板１４上の半導体薄膜１５に照射される。
即ち、開閉弁１６の開閉に応じてディレイ回路４２にパルス信号が入力され、ディレイ回路４２で遅延された信号は、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６に入力される。ＸｅＣｌエキシマレーザ３６は入力された信号に基づいて、一定時間レーザビーム３８を照射する。ＸｅＣｌエキシマレーザ３６から照射されたレーザビーム３８は、図２に示すようにホモジェナイザ４０により均質化され、半導体薄膜１５に照射される。
【００２５】
こうして、基板１４上に形成された半導体薄膜１５の表面には、高温の不活性ガスがパルス状に吹きかけられながら、レーザビーム３８がパルス状に照射される。基板１４はＸ−Ｙステージ１２により図２の矢印の方向に適宜移動されるので、結果的に全面に多結晶薄膜が形成されることとなる。
（多結晶薄膜の形成方法）
次に、本実施形態による多結晶薄膜の形成方法を、多結晶シリコン薄膜を形成する場合を例に図１乃至図３を用いて説明する。図３（ａ）は高温ガスを吹きかけるタイミング、図３（ｂ）はレーザビームを照射するタイミング、図３（ｃ）は半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【００２６】
まず、基板１４上に、例えば膜厚７０ｎｍのシリコン薄膜より成る半導体薄膜１５を形成する。基板１４としては、例えばガラス基板を用いることができ、シリコン薄膜としては、例えばアモルファスシリコン薄膜を用いることができる。
次に、半導体薄膜１５が形成された基板１４を、チャンバ１０内のＸ−Ｙステージ１２上に載置する。
【００２７】
次に、チャンバ１０内の空気を排気し、チャンバ１０内の圧力を例えば１×１０-2Ｐａにまで低下させる。
次に、基板１４上の半導体薄膜１５に高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながら、レーザビーム３８をパルス状に照射する。高温の不活性ガスを吹きかけるタイミングは例えば図３（ａ）のように設定すればよく、レーザビームを照射するタイミングとは例えば図３（ｂ）のように設定すればよい。
【００２８】
即ち、図３（ａ）に示すように、高温の不活性ガスを吹きかける場合のパルス幅は例えば７０ｍｓとし、パルスの周波数は例えば１Ｈｚ（周期：１秒）とすればよい。不活性ガスは加圧する必要はない。不活性ガスを加圧しなくても、チャンバ１０内の圧力が予備加熱室２６内の圧力よりも低いため、チャンバ１０と予備加熱室２６との間の気圧差により不活性ガスが半導体薄膜１５に吹きかけられる。不活性ガスがチャンバ１０内に流入することによりチャンバ１０内の圧力は一時的に上昇し、例えば１Ｐａ程度となる場合もあるが、この程度の圧力であれば何ら問題なく不活性ガスを半導体薄膜１５に吹きかけることができる。
【００２９】
一方、図３（ｂ）に示すように、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からレーザビーム３８を照射し始めるタイミングは、不活性ガスにより半導体薄膜１５及びその近傍が高温に保持されている際にレーザビーム３８が半導体薄膜１５に照射されるよう、不活性ガスを吹きかけ始めるタイミングより例えば３０ｍｓ間遅らせればよい。ディレイ回路４２による遅延時間を３０ｍｓ間とすることにより、このようなタイミングでレーザビーム３８を照射することができる。また、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６からレーザビーム３８を照射する時間、即ちパルス幅は、半導体薄膜１５を溶融することができるように適宜設定することが望ましく、例えば図３（ｂ）に示すように３０ｎｓとすることができる。
【００３０】
なお、レーザビーム３８が照射されなくなった後も、高温の不活性ガスは半導体薄膜１５に吹きかけられていることが望ましい。レーザビーム３８が照射されなくなった後も高温の不活性ガスが半導体薄膜１５に吹きかけられているので、図３（ｃ）に示すように半導体薄膜１５が冷却されるまでの時間を長くすることができる。これにより、レーザビーム３８により溶解された半導体薄膜１５の固化速度を遅くすることができるので、良質な多結晶薄膜を形成することが可能となる。
【００３１】
こうして、パルス幅３０ｎｓ、パルスの周波数１Ｈｚのレーザビーム３８が、高温の不活性ガスの吹きかけ開始から３０ｍｓ間ずつ遅延して、基板１４上の半導体薄膜１５に照射されることとなる。なお、ＸｅＣｌエキシマレーザ３６から発せられるレーザビーム３８は、ホモジェナイザ４０により適宜成形することが望ましく、例えば１００ｍｍ×１ｍｍの形状に成形すればよい。
【００３２】
開閉弁１６から出力される信号は、Ｘ−Ｙステージ１４に入力され、Ｘ−Ｙステージ１４は０．０５ｍｍ／パルスで移動する。こうして、最終的に基板１４上に良質な多結晶薄膜が形成されることとなる。
（結晶構造）
次に、提案されている方法により多結晶薄膜を形成した場合、即ち高温の不活性ガスを吹きかけることなくレーザビームを照射して多結晶薄膜を形成した場合の結晶構造と、本実施形態により多結晶薄膜を形成した場合、即ち高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射して多結晶薄膜を形成した場合の結晶構造について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。ここでは、多結晶薄膜の一例として、多結晶シリコン薄膜を形成した場合について説明する。
【００３３】
図４（ａ）は、提案されている方法により多結晶シリコン薄膜を形成した場合の結晶構造を示す模式図である。多結晶シリコン薄膜を形成した後、セコエッチングを行い、走査電子顕微鏡により観測した。ガラス基板上に予め形成する半導体薄膜としてはアモルファスシリコン薄膜を用い、照射するレーザビームのエネルギーは３５０ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００３４】
一方、図４（ｂ）は、本実施形態により多結晶シリコン薄膜を形成した場合の結晶構造を示す模式図である。図４（ａ）と同様に、多結晶シリコン薄膜を形成した後、セコエッチングを行い、走査電子顕微鏡により観測した。ガラス基板上に予め形成するシリコン薄膜としては図４（ａ）の場合と同様にアモルファスシリコン薄膜を用い、照射するレーザビームのエネルギーは３００ｍＪ／ｃｍ2とした。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、提案されている方法により形成された多結晶シリコン薄膜の結晶構造は、結晶粒子４４の粒径は約１００ｎｍ〜約２００ｎｍである。
これに対し、図４（ｂ）に示すように、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構造は、結晶粒子４６の粒径が約３００ｎｍ〜約６００ｎｍである。即ち、本実施形態によれば、提案されている方法に比べて、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を約３倍程度に大きくすることが可能となる。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができる。
（電気的特性）
次に、本実施形態による多結晶薄膜の電気的特性について、薄膜トランジスタに用いた場合を例に、図５乃至図７を用いて説明する。図５は、多結晶薄膜の電気的特性の評価に用いた薄膜トランジスタを示す断面図及び平面図である。図５（ａ）は薄膜トランジスタの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。図６は、薄膜トランジスタのＩD−ＶG（ＩD：ドレイン電流、ＶG：ゲート電圧）特性を示すグラフである。図７は、薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。
【００３７】
図５（ｂ）に示すように、ガラス基板４８上には、上記のようにして形成された膜厚７０ｎｍの多結晶シリコン薄膜より成る多結晶薄膜５０が形成されている。なお、提案されている方法により形成した多結晶薄膜を用いた場合と、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた場合とを比較するため、それぞれの多結晶薄膜を用いてそれぞれ薄膜トランジスタを形成した。
【００３８】
また、多結晶薄膜５０上には、膜厚１２０ｎｍのゲート絶縁膜５２が形成されている。ゲート絶縁膜５２上には、アルミニウム膜より成るゲート電極５４が形成されている。なお、ゲート電極５４のゲート長ａ（図５（ａ）参照）は１０μｍであり、多結晶薄膜５０の幅ｂは３０μｍである。
多結晶薄膜５０には、ゲート電極５４に自己整合で不純物としてリンが低濃度に導入されており、これにより低濃度拡散層５６ａが形成されている。また、多結晶薄膜５０には、高濃度拡散層５６ｂが形成されている。これら低濃度拡散層５６ａと高濃度拡散層５６ｂとにより、ソース／ドレイン拡散層５６が構成されている。
【００３９】
そして更に、全面に層間絶縁膜５８が形成されており、層間絶縁膜５８には、層間絶縁膜５８表面から高濃度拡散層５６ｂに達するコンタクトホール６０が形成されている。高濃度拡散層５６ｂには、コンタクトホール６０を介してソース／ドレイン電極６２が形成されている。
このようにして形成された薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を図６を用いて説明する。
【００４０】
図６（ａ）は、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。一方、図６（ｂ）は、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。図６（ａ）及び図６（ｂ）のいずれも、横軸はゲート電圧ＶGを示しており、縦軸はドレイン電流ＩDを示している。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）のいずれもＶD＝１Ｖ（ＶD：ドレイン電圧）でのＩD−ＶG特性である。
【００４１】
図６（ｂ）に示すように、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性は、図６（ａ）に示す提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタより良好なＩD−ＶG特性が得られている。
次に、上記の薄膜トランジスタの電子移動度特性を図７を用いて説明する。
【００４２】
図７（ａ）は、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。一方、図７（ｂ）は、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。図７（ａ）及び図７（ｂ）のいずれも、横軸はゲート電圧ＶGを示しており、縦軸は電子移動度を示している。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）のいずれもＶD＝１Ｖ（ＶD：ドレイン電圧）での電子移動度、即ち薄膜トランジスタの線形領域での電子移動度である。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、提案されている方法により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度の最大値は１００ｃｍ2／Ｖsecであるのに対し、本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタの電子移動度の最大値は２００ｃｍ2／Ｖsecであった。このように本実施形態により形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタでは、提案されている方法で形成された多結晶薄膜を用いた薄膜トランジスタに比べて、約２倍の電子移動度を得られた。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に吹きかけられる高温の不活性ガスはパルス状であるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【００４５】
［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。
例えば、上記実施形態では、高温の不活性ガスが吹きかけられている際にレーザビームをパルス状に照射したが、レーザビームを照射するタイミングは上記実施形態に限定されるものではなく、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができるならば、例えば、高温の不活性ガスを吹きかけ終わった直後にレーザビームをパルス状に照射してもよい。高温の不活性ガスを吹きかけ終わった直後であれば、高温の不活性ガスにより半導体薄膜及びその近傍が高温に保持されているので、半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより良質な多結晶薄膜を形成することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、膜厚７０ｎｍのシリコン薄膜を用いたが、シリコン薄膜の膜厚は７０ｎｍに限定されるものではなく、例えば３０〜１００ｎｍ程度の範囲で適宜設定してもよい。
また、上記実施形態では、不活性ガスを６００℃に加熱して基板上の半導体薄膜に吹きかけたが、不活性ガスの温度は６００℃に限定されるものではなく、例えば５００℃〜３０００℃の範囲に適宜設定することができ、好ましくは６００℃〜２０００℃の範囲に設定することができる。
【００４７】
また、上記実施形態では、基板上の半導体薄膜に吹きかけるガスとしてアルゴンガスを用いたが、アルゴンガスに限定されるものではなく、半導体薄膜の特性を劣化させないガスであれば、例えば窒素ガスなど他のガスを用いてもよい。
また、上記実施形態では基板上に形成するシリコン薄膜として、アモルファスシリコン膜を用いたが、アモルファスシリコン膜に限定されるものではなく、例えば多結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン（Microcrystal、Nanocrystal）薄膜等のシリコン薄膜を用いてもよい。
【００４８】
また、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかける際の周波数、レーザビームをパルス状に照射する際の周波数、高温の不活性ガスの吹きかけとレーザビームの照射とのタイミング、高温の不活性ガスを吹きかける時間、高温の不活性ガスの流量、高温の不活性ガスの種類、高温の不活性ガスの温度、Ｘ−Ｙステージによりガラス基板を移動する速度、吹きかけノズルとレーザビームとの位置関係などは適宜設定することが望ましい。これらのパラメータの最適化により、更に高品質な多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００４９】
また、上記実施形態では基板を加熱しなかったが、基板を加熱することにより、溶解した半導体薄膜の固化速度を更に遅くしてもよい。溶解した半導体薄膜の固化速度を更に遅くすることにより、更に結晶粒径を大きくすることができる。
また、シリコン薄膜にレーザビームを照射する際の面積を大きくすれば、より効率よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００５０】
また、上記実施形態では、レーザビームをエネルギービームとして用いたが、エネルギービームはレーザビームに限定されるものではなく、半導体薄膜を溶解することができるエネルギービームであれば例えば電子ビーム等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、ガラス基板を基板として用いたが、基板はガラス基板に限定されるものではなく、例えば石英、サファイア等の透明な基板を用いることができる。
【００５１】
また、上記実施形態では多結晶シリコン薄膜を形成する場合を例に説明したが、多結晶シリコン薄膜を形成する場合のみならず、多結晶のゲルマニウム薄膜や多結晶のシリコンゲルマニウム合金薄膜を形成する場合にも適用することができる。この場合は、予め基板上にゲルマニウム薄膜やシリコンゲルマニウム合金薄膜を形成しておけばよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、高温の不活性ガスをパルス状に吹きかけながらレーザビームをパルス状に照射するので、溶融した半導体薄膜の固化速度を遅くすることができ、これにより、結晶粒径が大きく、結晶粒内の欠陥や双晶の少ない良好な多結晶薄膜を形成することができる。半導体薄膜の表面に吹きかけられる高温の不活性ガスはパルス状であるため、基板の温度が上昇して基板が変形してしまうことはなく、耐熱温度の低い基板上に多結晶薄膜を形成する場合であっても、良質な多結晶薄膜を形成することができる。低温で形成する場合であっても、結晶粒径の大きい多結晶薄膜を形成することができるので、電子移動度の高い多結晶薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施形態による多結晶薄膜の形成装置の一部を示す概念図である。
【図３】高温ガスを吹きかけるタイミング、レーザビームを照射するタイミング、及び半導体薄膜の表面温度の変化を示すタイムチャートである。
【図４】多結晶シリコン薄膜の結晶構造を示す模式図である。
【図５】多結晶薄膜の電気的特性の評価に用いた薄膜トランジスタを示す断面図及び平面図である。
【図６】薄膜トランジスタのＩD−ＶG特性を示すグラフである。
【図７】薄膜トランジスタの電子移動度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…チャンバ
１２…Ｘ−Ｙステージ
１４…基板
１５…半導体薄膜
１６…開閉弁
１８…排気管
２０…ターボポンプ
２２…ロータリーポンプ
２４…ガスボトル
２６…予備加熱室
２８…加熱室
３０…ノズル
３０ａ…吹き出し口
３２…ヒータ
３４…ヒータ
３６…ＸｅＣｌエキシマレーザ
３８…レーザビーム
４０…ホモジェナイザ
４２…ディレイ回路
４４…結晶粒子
４６…結晶粒子
４８…ガラス基板
５０…多結晶薄膜
５２…ゲート絶縁膜
５４…ゲート電極
５６…ソース／ドレイン拡散層
５６ａ…低濃度拡散層
５６ｂ…高濃度拡散層
５８…層間絶縁膜
６０…コンタクトホール
６２…ソース／ドレイン電極
Claims (13)
- 基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、
前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、
多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射する
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 請求項１記載の多結晶薄膜の形成方法において、
前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃である
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 請求項１又は２記載の多結晶薄膜の形成方法において、
前記多結晶薄膜形成工程では、前記基板は減圧されたチャンバ内に載置され、前記ガスは、前記基板近傍に位置する吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられる
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 請求項３記載の多結晶薄膜の形成方法において、
前記多結晶薄膜形成工程では、前記吹き出し口に対する前記基板の位置を徐々に移動することにより、徐々に前記多結晶薄膜を形成する
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多結晶薄膜の形成方法において、
前記多結晶薄膜形成工程では、前記ガスが吹きかけられ始める時間より、前記エネルギービームが照射され始める時間の方が遅く、前記ガスが吹きかけられる時間は、前記エネルギービームが照射される時間より長い
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の多結晶薄膜の形成方法において、
前記多結晶薄膜形成工程では、前記エネルギービームが照射されている際には、少なくとも前記ガスが吹きかけられている
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成方法。 - 基板上に半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成工程と、
前記半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけながら、前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解し、固化する過程で前記半導体薄膜を結晶化して多結晶薄膜を形成する多結晶薄膜形成工程とを有し、
多結晶薄膜形成工程では、前記ガスをパルス状に吹きかけながら、前記エネルギービームをパルス状に照射する
ことを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法。 - 請求項７記載の薄膜トランジスタの形成方法において、
前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃である
ことを特徴とする薄膜トランジスタの形成方法。 - 基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、
前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、
前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスをパルス状に吹きかけ、
前記エネルギービーム照射手段は、前記エネルギービームをパルス状に照射する
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成装置。 - 請求項９記載の多結晶薄膜の形成装置において、
前記ガスの温度は５００℃〜３０００℃である
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成装置。 - 請求項９又は１０記載の多結晶薄膜の形成装置において、
前記基板を載置するチャンバと、
前記チャンバ内を減圧する減圧手段とを更に有し、
前記ガス吹きかけ手段には、前記ガスを吹き出す吹き出し口が形成されており、
前記ガスは、前記吹き出し口から前記チャンバ内に流入することにより前記半導体薄膜に吹きかけられる
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成装置。 - 基板上に形成された半導体薄膜に加熱されたガスを吹きかけるガス吹きかけ手段と、
前記ガスが吹きかけられている領域の前記半導体薄膜にエネルギービームを照射して前記半導体薄膜を溶解するエネルギービーム照射手段とを有し、
前記ガス吹きかけ手段は、前記ガスの流出を制御する開閉弁を有し、
前記開閉弁は、弁の開閉に応じて信号を出力し、
前記エネルギービーム照射手段は、前記開閉弁からの前記信号に応じてエネルギービームを照射する
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成装置。 - 請求項１２記載の多結晶薄膜の形成装置において、
前記吹き出し口に対する前記基板の位置を、前記開閉弁からの前記信号に応じて徐々に移動する基板移動手段を更に有する
ことを特徴とする多結晶薄膜の形成装置。
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