JP4100962B2

JP4100962B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4100962B2
Application number: JP2002156649A
Authority: JP
Inventors: 哲也小川; 秀忠時岡; 和敏森川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2003347210A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より具体的には液晶表示装置のアクティブマトリックス等に用いられる薄膜半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置のアクティブマトリックスの製造などにおいて、基板の上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ:Thin Film Transistor)を形成する。ＴＦＴが形成される半導体層として非晶質シリコン膜を用いると、キャリアの移動度が小さいため高速動作ができない。このため、通常、ガラス基板上に積層した非晶質シリコン膜をレーザアニールして結晶化した多結晶シリコン膜を用いる。
【０００３】
多結晶シリコンの結晶粒界はキャリアの移動を妨げるので、多結晶シリコン膜を構成するシリコン結晶粒はできるだけ粗粒にして、キャリアが結晶粒界に遭遇する頻度を減らすようにする。このため、レーザアニール処理では、線状または細長い矩形状のビームプロファイルのレーザビームを用い、その矩形の短辺の方向に沿って部分的ずらしながら、非晶質シリコン膜にパルスビームを打ってゆく。このとき、非晶質シリコン膜はパルスビームからエネルギーを得て高温に加熱され、所定の部分は溶融され、粗大に結晶化した多結晶シリコン膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
非晶質シリコン膜をレーザアニール処理することによって多結晶シリコン膜を形成する場合、結晶粒の成長方向は、照射されるレーザ光のエネルギー密度勾配に大きく影響を受ける。図７において、細長い矩形断面のビームプロファイル１１１を有するレーザビームを、短辺方向に所定のピッチＰでマイナスｙ方向にずらしながら照射する。このレーザアニールにより、非晶質シリコン膜１０５は、多結晶シリコン膜１０８に変化する。このとき、エネルギー密度勾配の大きいレーザ光が照射されると、シリコンに大きな温度差が生じるため再結晶速度が大きくなり、そのエネルギー密度勾配に沿う方向に長い結晶粒が成長する。
【０００５】
この結果、図７に示すように、シリコン粒は、エネルギー密度勾配の大きい矩形の短辺方向（ｙ軸方向）に長い楕円形の結晶粒１０６ａとなる（特開２０００−２８６１９５号公報）。なお、シリコン粒の形状を表現する「楕円形」は、必ずしも楕円を意味せず、所定の方向に長い粒であれば、たとえ矩形状であっても楕円形と呼ぶ。以後の説明でも同様とする。
【０００６】
このような楕円形の結晶粒から構成される多結晶シリコン膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ:Thin Film Transistor）を作製した場合、ＴＦＴのチャネルの向きが、楕円形の結晶粒の長軸方向と平行か、または短軸方向と平行かによって、ＴＦＴの性能が変動する。これは、チャネル中を移動するキャリアが遭遇する結晶粒界が多いほど、ＴＦＴの特性が低下するためである。この結果、同じＴＦＴの中で配置するトランジスタの向きによって、トランジスタ特性がばらつくことになる。
【０００７】
本発明は、レーザアニール処理によって多結晶シリコン粒に異方性を生じないようにする半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法では、基板上に非晶質シリコン膜を成膜した後、固体レーザ発振装置を光源とするパルスレーザ光により、非晶質シリコン膜をレーザアニール処理する際に、パルスレーザ光を、直線偏光状態および楕円偏光状態のいずれかにして、かつ矩形断面の短辺方向にエネルギー勾配をもつレーザビームにして、その直線偏光方向または楕円偏光の長軸方向を矩形断面の長辺方向に揃えて、非晶質シリコン膜に部分的に重複させながら照射することによって、平面的に見て等方的な結晶粒の多結晶シリコン膜を形成する。
【０００９】
レーザアニール対象の半導体膜を非晶質シリコン膜とした場合について説明する。シリコン結晶粒の楕円形状の扁平度（長軸長さ／短軸長さ、または長手方向長さ／短手方向長さ）を大きくする要因として、（Ａ1）エネルギー密度勾配と、（Ａ2）偏光方向（光の電気ベクトル方向）とがある。（Ａ1）エネルギー密度勾配の要因からは、シリコン結晶粒は矩形断面の短辺方向に長くなることを助長する。また、（Ａ2）電気ベクトルの方向に結晶粒を長くすることを助長する。このため、パルスレーザ光を直線偏光または楕円偏光にして、その電気ベクトルの長手方向をレーザビームの矩形断面の長辺方向に揃えるようにすると、上記２つの要因（Ａ1）、（Ａ2）が相殺し、平面的に見て等方的な結晶粒が生成する。この結果、トランジスタの向きによって特性が変動することを防ぐことができる。なお、上記の半導体膜は、非晶質シリコン膜に限られず、多結晶シリコン膜をレーザアニールして平面的に見て等方的なシリコン結晶粒を形成する場合であってもよい。
【００１０】
また、パルスレーザ光として、ＮｄをドープしたＹＡＧ(Y₃Al₅O₁₂)レーザ、ＮｄをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＮｄをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、Ｎｄをドープしたガラスレーザ、ＹｂをドープしたＹＡＧ(Y₃Al₅O₁₂)レーザ、ＹｂをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＹｂをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、およびＹｂをドープしたガラスレーザのいずれかの発振装置から出射された光の第２高調波または第３高調波を用いることができる。
【００１１】
これら固体レーザ発振装置からは直線偏光が出射されるので、そのまま、または任意の形状の楕円偏光を精度よく得ることができる。また、上記第２高調波および第３高調波はエキシマレーザよりも長波長域にあり、たとえばシリコン膜をアニールする場合、エキシマレーザ光ほどシリコンによる吸収率は大きくない。このため、シリコン膜を透過した光を反射させる反射機構を設けて、シリコン膜の底部から再照射させるようにすると、シリコン膜表面のみならず底部からもエネルギーが吸収される。この結果、シリコン膜厚全体にわたって均一に、等方的に粗大化したシリコン結晶粒を得ることができる。
【００１２】
上記の固体レーザ発振装置として、Ｑスイッチによりパルス発振する装置を用いることができる。
【００１３】
パルス光を、矩形断面のビームを所定のピッチでずらしながら打ってゆくことにより、大面積のアニール対象に対して均一なアニールを効率よく行うことができる。
【００１６】
固体レーザ発振装置より出射された直線偏光状態の光ビームを楕円偏光状態の光ビームに変換するために、直線偏光状態の光ビームの直交する成分間に位相差を生じさせる偏光素子を用いることができる。
【００１７】
上記により、光の楕円偏光の扁平度を精度よく制御し、すなわち電気ベクトルの異方性の度合いをエネルギ密度要因と精度よく相殺するようにすることができる。
【００１８】
偏光素子としては、複屈折性結晶より作製された波長板およびフレネルロムの少なくとも一方を用いることができる。
【００１９】
直線偏光状態から、直交成分の間に任意の位相差を精度よくつけ、任意の扁平度の楕円偏光を精度よく形成することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
（実施の形態１）−本発明の原理−
非晶質シリコン膜をレーザアニールする際、多結晶シリコン膜の結晶粒は、レーザの偏光方向（電気ベクトルＥの方向）により大きく成長する。そのメカニズムに関して図１を用いて説明する。図１において、非晶質シリコン膜５の中には多結晶シリコンの結晶粒の芽ともいうべき微小な結晶粒１が存在する。その微小な結晶粒１と、非晶質シリコン５との境界１ａには、電気双極子モーメント２が存在する。光の吸収率は、電気双極子モーメントベクトル２と光の電気ベクトルＥとの内積の２乗に比例する。図１では、レーザ光は直線偏光状態であり、電気ベクトルＥはｘ軸方向に平行としている。
【００３６】
したがって、結晶粒と非晶質シリコンの境界に対して、電気ベクトルＥが直交する部分１ｇで、光の吸収が最も大きくなる。この結果、この部分１ｇで外側方向３に結晶成長が大きく進む。つまり、直線偏光のレーザ光を照射すると偏光方向に結晶粒が大きく成長する。また、これとは逆に、円偏光のレーザ光を照射すると結晶粒が等方的に成長する。
【００３７】
レーザ光はコヒーレンスが良いので、その出射レーザ光は一般的に位相がきれいに揃っている。このレーザ光の偏光状態を、偏光素子を用いて、所望の結晶粒が得られるような所望の偏光状態、すなわち所望の電気ベクトルの方向分布に変換することにより、シリコン結晶粒の形状の制御が可能となる。
【００３８】
図２を参照して、上述のように、非晶質シリコン膜５には結晶粒の芽ともいうべき微小な結晶粒１が混在している。この非晶質シリコン膜５にレーザアニール処理を施す。
【００３９】
非晶質シリコン膜のレーザアニール処理では、一般的に線状ビームプロファイル、すなわち細長い矩形状ビームプロファイル１１が用いられる。矩形ビームプロファイル１１を有するパルスビームを、部分的に重複させながら所定のピッチでマイナスｙ方向に照射してゆく。パルスビームが照射された箇所では、非晶質シリコン膜５は多結晶シリコン膜８に変わってゆく。要因（Ａ1）のエネルギー密度勾配に限定すると、形成される多結晶シリコン膜の結晶粒６ａは、矩形状（線状）プロファイルの短辺方向、すなわちｙ軸方向に沿って長い楕円形となる。
【００４０】
一方、偏光としてｘ軸方向に長軸を有する楕円偏光を用いた場合、要因（Ａ2）の電気ベクトル方向分布（偏光状態）に限定すれば、生成するシリコン結晶粒はｘ軸方向に長い結晶粒６ｂとなる。
【００４１】
２つの要因（Ａ1）および（Ａ2）を足し合わせると、平面的に見て等方的なシリコン結晶粒７を得ることができる。なお、レーザビームの断面形状と、偏光状態とは相互に無関係に独立に制御できる要因である。
【００４２】
上記のように、エネルギー密度勾配大の方向への結晶粒成長と、偏光方向への結晶粒成長とのバランスをとることにより、平面的に見て等方的な結晶粒を得ることができる。このため、ＴＦＴに配置されたトランジスタの向きによってトランジスタの特性が変動することを防止することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
ＮｄがドープされたＹＡＧレーザ等の固体レーザの出射光は、一般的にコヒーレンス度が高く位相がきれいに揃っているため、非常に高い直線偏光度を有する。当然のことながら、これらの固体レーザの第２高調波および第３高調波も同様の性質を有する。また、これら第２高調波および第３高調波は、固体レーザから出射されたばかりの基本波よりも波長が短く、非晶質シリコン膜に吸収される割合が高いという性質も併せ持つ。したがって、ＮｄをドープしたＹＡＧレーザ等の固体レーザの第２高調波または第３高調波を用いてレーザアニールを行うことにより、偏光方向を利用した結晶粒成長方向制御を非常に効率良く行うことが可能となる。
【００４４】
固体レーザ発振装置として、ＮｄがドープされたＹＡＧレーザの他に、ＮｄをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＮｄをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、Ｎｄをドープしたガラスレーザ、ＹｂをドープしたＹＡＧ(Y₃Al₅O₁₂)レーザ、ＹｂをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＹｂをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、およびＹｂをドープしたガラスレーザのいずれかの発振装置などを用いることができる。また、これらの固体レーザ発振装置から出射された光の第２高調波または第３高調波を、パルスレーザ光として用いることができる。
【００４５】
図３〜図５は、ＮｄがドープされたＹＡＧレーザから出射された基本波の第２高調波および第３高調波を用い、直線偏光の偏光方向を矩形状ビームプロファイルの長辺方向に揃えて照射して得られた多結晶シリコン膜を示す図である。図３に示すように、ガラス基板１２の上に窒化シリコン膜１３が配置され、その上に上記のレーザ光を用いてアニールされた多結晶シリコン膜８が位置している。ガラス基板１２と窒化シリコン膜１３との界面、および窒化シリコン膜１３と多結晶シリコン膜８との界面、ガラス基板底面と他の光媒体との界面は、いずれも上記のレーザ光の反射面として機能する。この結果、多結晶シリコン膜の底面からもレーザ光の照射がなされ、非晶質シリコン膜の膜厚全体に均一にエネルギが投入される。
【００４６】
図４によれば、上記のレーザアニールにより生じる多結晶シリコン膜は、厚さ方向（ｚ方向）に膜厚一杯に成長する結晶粒を有する。また、図５によれば、平面的（ｘ-ｙ平面）に見て、等方的であり、径長（直径）Ｄが２５０ｎｍ以上のシリコン粒が生成する。
【００４７】
上記の多結晶シリコン膜を有する半導体装置では、配置されたトランジスタの向きによってトランジスタの特性が変動しない。このため、同じＴＦＴに配置された個々のトランジスタの特性を、所定レベルに揃えることができる。また、シリコン膜の底部からもエネルギーが投入されるので、シリコン結晶粒をより粗大化することができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法を示す図である。本実施の形態では、固体レーザ発振器２１から、非晶質シリコン膜等の被照射物５へ、レーザビームＬＢを伝送するビーム伝送光学系２５中に、直線偏光を楕円偏光へ変換する偏光素子２３を配置する。上記のレーザビームＬＢの経路内には、ミラー２２などを配置する。
【００４９】
偏光素子２３としては、複屈折性結晶より作製されたいわゆる波長板、または全反射時のｓ波とｐ波の位相ジャンプのズレを利用するフレネルロムを使用する。波長板の場合は、使用する波長に関して進相軸と遅相軸の位相遅れを調整して、任意の楕円偏光を得ることができる。また、フレネルロムの場合は全反射時のｓ波とｐ波の位相ジャンプの差を利用しているので波長には依存せず、入射角度によって位相ジャンプの差を調整して任意の楕円偏光を得ることができる。
【００５０】
上記の固体レーザ発振器２１の中には、基本波から第２高調波または第３高調波を得るための素子を配置することができる。
【００５１】
上記のように偏光素子２３を配置することにより、直線偏光を構成する一方の成分を他方に成分に対して所望の位相差、精度よくつけることが容易にできる。
【００５２】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法を用いることにより、レーザアニール処理によって多結晶シリコン膜に異方性を生じないようにすることができ、トランジスタの向きによって特性が変動しない半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法における偏光状態要因を説明する図である。
【図２】本発明の製造方法の原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態２における半導体装置を示す図である。
【図４】図３における多結晶シリコン膜の断面図である。
【図５】図３における多結晶シリコン膜の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法を示す図である。
【図７】半導体装置の製造方法におけるエネルギー密度勾配要因を説明する図である。
【符号の説明】
１非晶質シリコン中の微小な結晶、１ａ微小な結晶の粒界、１ｇ電気ベクトルと直交する粒界部分、２微小な結晶粒の粒界に生じる双極子モーメント、３結晶粒の成長方向、５非晶質シリコン、６ａエネルギー密度勾配要因のみを考慮した成長結晶粒、６ｂ偏光状態要因のみ考慮した成長結晶粒、７等方的なシリコン粒、８多結晶シリコン膜、１１レーザビーム断面（矩形）、１２ガラス基板、１３窒化シリコン膜、２１固体レーザ発振器、２２ミラー、２３偏光素子、２４ステージ、２５レーザビーム伝送光学系、ＬＢレーザビーム、Ｄシリコン結晶粒径。

Claims

基板上に非晶質シリコン膜を成膜した後、固体レーザ発振装置を光源とするパルスレーザ光により、前記非晶質シリコン膜をレーザアニール処理する際に、前記パルスレーザ光を、直線偏光状態および楕円偏光状態のいずれかにして、かつ矩形断面の短辺方向にエネルギー勾配をもつレーザビームにして、その直線偏光方向または楕円偏光の長軸方向を前記矩形断面の長辺方向に揃えて、前記非晶質シリコン膜に部分的に重複させながら照射することによって、平面的に見て等方的な結晶粒の多結晶シリコン膜を形成する、半導体装置の製造方法。
前記パルスレーザ光として、ＮｄをドープしたＹＡＧ(Y₃Al₅O₁₂)レーザ、ＮｄをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＮｄをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、Ｎｄをドープしたガラスレーザ、ＹｂをドープしたＹＡＧ(Y₃Al₅O₁₂)レーザ、ＹｂをドープしたＹＶＯ₄レーザ、ＹｂをドープしたＹＬＦ(LiYF₄)レーザ、およびＹｂをドープしたガラスレーザのいずれかの発振装置から出射された光の第２高調波または第３高調波を用いる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記固体レーザ発振装置として、Ｑスイッチによりパルス発振する装置を用いる、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記固体レーザ発振装置より出射された直線偏光状態の光ビームを前記楕円偏光状態の光ビームに変換するために、前記直線偏光状態の光ビームの直交する成分間に位相差を生じさせる偏光素子を用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記偏光素子として、複屈折性結晶より作製された波長板およびフレネルロムの少なくとも一方を用いる、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。