JP4216068B2 - 多結晶シリコン膜の製造方法および製造装置ならびに半導体装置の製造方法 - Google Patents

多結晶シリコン膜の製造方法および製造装置ならびに半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多結晶シリコン膜の製造方法および製造装置ならびに半導体装置の製造方法に関し、特に、移動度が高い薄膜トランジスタを実現するために、結晶性に優れた多結晶シリコン膜の製造方法および製造装置ならびにその多結晶シリコン膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、液晶パネルの画素部は、ガラスまたは合成石英の基板上の非晶質または多結晶のシリコン膜で作製された薄膜トランジスタのスイッチングにより、画像を構成している。このパネル上に画素トランジスタを駆動するドライバ回路（主として現在は外部に独立して設置してある）を同時に構成することが可能となれば、液晶パネルの製造コスト・信頼性等の面で飛躍的なメリットが生じることになる。しかし、現在は、トランジスタの能動層を構成するシリコン膜の結晶性が悪いため、移動度に代表される薄膜トランジスタの性能が低く、高速性・高機能性が要求される集積回路の作製は困難である。高移動度の薄膜トランジスタを実現することを目的とする、シリコン膜の結晶性を改善する手法として、一般にレーザによる熱処理が行なわれている。
【０００３】
シリコン膜の結晶性と薄膜トランジスタの移動度の関係は以下のように説明される。レーザ熱処理により得られるシリコン膜は一般に多結晶である。多結晶の結晶粒界には結晶欠陥が局在しており、これが薄膜トランジスタの能動層のキャリア移動を阻害する。したがって、薄膜トランジスタの移動度を高くするには、キャリアが能動層を移動中に結晶粒界を横切る回数を少なくし、かつ結晶欠陥密度を小さくすればよい。レーザ熱処理の目的は、結晶粒径が大きくかつ結晶粒界における結晶欠陥が少ない多結晶のシリコン膜を形成することである。
【０００４】
図１８〜図２０は、従来の多結晶シリコン膜の製造方法を説明する断面図である。まず、図１８を参照して、ガラス基板上にたとえばＣＶＤ（化学気相蒸着法）により、ガラス基板３１上にシリコン酸化膜３２を形成する。シリコン酸化膜３２上にたとえばＣＶＤにより非晶質シリコン膜３３を形成する。
【０００５】
図１９を参照して、エキシマレーザ（ＫｒＦ（波長：２４８ｎｍ））を矢印３３５で示す方向から非晶質シリコン膜３３に照射する。これにより、エキシマレーザが照射された部分が溶融する。その後、温度が低下するに従って溶融したシリコンが結晶化して、多結晶シリコン膜３３４を形成する。
【０００６】
図２０を参照して、一部分にだけ多結晶シリコン膜３３４を残存させるように多結晶シリコン膜３３４をパターニングする。次に、多結晶シリコン膜３３４上にシリコン酸化膜および金属膜（Ｔａ、ＣｒおよびＡｌ等の低抵抗金属膜）を形成する。金属膜とシリコン酸化膜とをパターニングすることによりゲート絶縁膜３６ａおよび３６ｂとゲート電極３７ａおよび３７ｂを形成する。これにより能動領域３９ａおよび３９ｂを形成する。次に、ゲート電極３７ａおよび３７ｂをマスクとして、イオンドーピング法で、ソースおよびドレイン領域を自己整合的に形成する。これにより図２０で示す薄膜トランジスタが完成する。
【０００７】
従来の方法では、図１９で示すように、エキシマレーザを用いて非晶質シリコン膜を多結晶化していたため、その多結晶シリコン膜上に形成されるトランジスタでのキャリアの移動度は小さかった。その結果、トランジスタの高速動作が困難で液晶表示装置の高応答性を達成することが困難であった。
【０００８】
また、レーザとして、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用いて非晶質シリコン膜を多結晶化し、その多結晶膜を用いて薄膜トランジスタを構成すれば移動度が向上することが、たとえば文献１（T Ogawa et al.,“Thin Film Transistors of Polysilicon Recrystallized by the Second Harmonics of a Q-Switched Nd: YAG Laser”EuroDisplay'99 The 19th International Display Research Conference Late-news papers September 6-9, 1999 Berlin, Germany）に開示されている。しかしＹＡＧレーザの第２高調波は出力が小さいので、小さな面積の非晶質シリコン膜を多結晶化できるにすぎなかった。そのため、大きな面積の液晶ディスプレイを製造するための多結晶シリコン膜の製造が困難であった。
【０００９】
【非特許文献１】
T Ogawa et al.,“Thin Film Transistors of Polysilicon Recrystallized by the Second Harmonics of a Q-Switched Nd: YAG Laser”EuroDisplay'99 The 19th International Display Research Conference Late-news papers September 6-9, 1999 Berlin, Germany
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものである。
【００１１】
この発明の１つの目的は、高性能の薄膜トランジスタを作製するのに適しており、かつ面積の大きい多結晶シリコン膜を製造する方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、この発明は、高性能の薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った多結晶シリコン膜の製造方法は、以下の工程を備える。
【００１４】
（１） 第１の領域と、この第１の領域と接する第２の領域とを有する非晶質シリコン膜を基板の上に形成する工程。
【００１５】
（２） 非晶質シリコン膜の第１の領域に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成する工程。
【００１６】
（３） 非晶質シリコン膜の第２の領域とその第２の領域に接する第１の多結晶部分の一部領域とに波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成する工程。
【００１７】
このような工程を備えた多結晶シリコン膜の製造方法では、まず、（２）で示す工程において非晶質シリコン膜の第１の領域にレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、その後非晶質シリコン膜の第２の領域と、第１の多結晶部分の一部領域とにレーザを照射して第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成しているため、第１の多結晶部分と第２の多結晶部分とを形成することができる。その結果、広い面積において、非晶質シリコン膜を多結晶化することができ、面積の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００１８】
さらに、上述の波長の範囲のレーザは非晶質シリコンに対する吸収係数が大きく、多結晶シリコンに対する吸収率が小さいため、二度レーザを照射された部分は、一度目の照射により非晶質シリコンから多結晶シリコンへ変化すると、二度目の照射では、特性が変化しない。そのため、一度レーザが照射された部分と二度レーザが照射された部分とで特性が変化せず、品質の高い多結晶シリコン膜を提供することができる。
【００１９】
レーザの波長を３９０ｎｍ以上としたのは、レーザの波長が３９０ｎｍ未満であれば多結晶シリコン膜の吸収率が非晶質シリコン膜の吸収率の６０％を超え、多結晶シリコン膜が二度目のレーザの照射により特性が変化するため好ましくないからである。また、レーザの波長を６４０ｎｍ以下としたのは、レーザの波長が６４０ｎｍを超えると非晶質シリコンでの吸収率が１０％以下となり、生産性が低下するためである。
【００２０】
また好ましくは、第１の多結晶部分を形成する工程は、非晶質シリコン膜上でレーザを走査させて一方向に延在する第１の多結晶部分を形成することを含む。第２の多結晶部分を形成する工程は、第１の多結晶部分が延在する方向にレーザを走査させて第１の多結晶部分に沿って延びる第２の多結晶部分を形成することを含む。
【００２１】
この場合、第１の多結晶部分および第２の多結晶部分ともに、レーザを走査させて形成されるため、所定の方向に延びる第１および第２の多結晶部分を形成することができる。そのため、さらに面積の大きい基板上に第１および第２の多結晶部分を形成することができる。
【００２２】
また好ましくは、第１の多結晶部分を形成する工程は、非晶質シリコン膜に第１のレーザ光源から波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の第１のレーザを照射することを含む。第２の多結晶部分を形成する工程は、非晶質シリコン膜に第２のレーザ光源から波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の第２のレーザを照射することを含む。この場合、第１のレーザ光源からレーザを照射して、第１の多結晶部分を形成し、第２のレーザ光源からレーザを照射して第２の多結晶部分を形成するため第１および第２の多結晶部分をほぼ同時に形成することができる。そのため、多結晶シリコン膜の生産性が向上するとともに、安定して大出力のレーザが得られる。
【００２３】
また好ましくは、上述のレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波およびＤｙｅレーザからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。この場合、これらのレーザにより、波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを発生させることができる。
【００２４】
また好ましくは、第１のレーザ光源からレーザを照射した後所定の時間をあけて第２のレーザ光源からレーザを照射することを多結晶シリコン膜の製造方法は含む。この場合、第１のレーザ光源からレーザを照射した後に第２のレーザ光源からレーザを照射することができるので、第１の多結晶部分および第２の多結晶部分を連続的に形成することができる。その結果、生産効率がさらに向上する。
【００２５】
この発明に従った多結晶シリコン膜の製造装置は、発振手段と、照射手段と、移動手段と、制御手段とを備える。発振手段は、波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを発振させる。照射手段は、発振手段から発振したレーザを基板の上に形成された非晶質シリコン膜に照射する。移動手段は照射手段に対して基板を移動させる。制御手段は、非晶質シリコン膜に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、かつ第１の多結晶部分に重なるように非晶質シリコン膜に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分に接する第２の多結晶部分を形成するようにレーザを走査させる移動手段を制御する。
【００２６】
このような多結晶シリコン膜の製造装置では、制御手段は、非晶質シリコン膜にレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、かつ第１の多結晶部分に重なるようにレーザを照射して第２の多結晶部分を形成するため、広い面積にわたって第１および第２の多結晶部分を形成することができる。そのため、広い面積の多結晶シリコン膜を提供することができる。さらに上述の波長の範囲のレーザは非晶質シリコンに対する吸収率が大きく、多結晶シリコンに対する吸収率が小さいため、二度照射された部分が変化しない。そのため、品質の高い多結晶シリコン膜を提供することができる。
【００２７】
レーザの波長を３９０ｎｍ以上としたのは、レーザの波長が３９０ｎｍ未満であれば多結晶シリコン膜の吸収率が非晶質シリコン膜の吸収率の６０％を超え、多結晶シリコン膜が二度目のレーザの照射により特性が変化するため好ましくないからである。また、レーザの波長を６４０ｎｍ以下としたのは、レーザの波長が６４０ｎｍを超えると非晶質シリコンでの吸収率が１０％以下となり、生産性が低下するためである。
【００２８】
また好ましくは、照射手段は第１の照射手段と第２の照射手段とを含む。発振手段から発振したレーザの一部が第１の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射される。発振手段から発振したレーザの他の一部が第２の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射される。この場合、１つの発振手段から発生したレーザにより、第１の照射手段と第２の照射手段を介してレーザを非晶質シリコン膜に照射することができるので、装置を低コストで製造することができる。
【００２９】
また好ましくは、第１の照射手段がレーザを照射した後所定の時間をあけて第２の照射手段がレーザを照射するように第１および第２の照射手段、発振手段ならびに移動手段を制御手段が制御する。この場合、第１の照射手段がレーザを照射した後に第２の照射手段がレーザを照射するため、第１の多結晶部分および第２の多結晶部分を効率よく製造することができる。そのため、生産性の高い多結晶シリコン膜製造装置を提供することができる。
【００３０】
また好ましくは、照射手段は、第１の照射手段と第２の照射手段とを含み、発振手段は第１の発振手段と第２の発振手段とを含む。第１の発振手段から発振したレーザが第１の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射される。第２の発振手段から発振したレーザが第２の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射される。この場合、２つの発振手段でそれぞれレーザを発振させるため、十分に出力の大きなレーザを安定して発振させることができ、第１および第２の多結晶部分を効率よく製造することができる。
【００３１】
また好ましくは、第１の照射手段がレーザを照射した後時間をあけて第２の照射手段がレーザを照射するように第１および第２の照射手段、第１および第２の発振手段ならびに移動手段を制御手段が制御する。この場合、第１の照射手段がレーザを照射した後に第２の照射手段がレーザを照射することができるので効率よく多結晶シリコン膜を製造することができる。
【００３２】
また好ましくは、発振手段は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波およびＤｙｅレーザからなる群より選ばれた少なくとも１種を含むレーザを発振させる。
【００３３】
この発明に従った半導体装置の製造方法は、第１の領域と、この第１の領域と接する第２の領域とを有する非晶質シリコン膜を基板の上に形成する工程と、非晶質シリコン膜にレーザを照射して多結晶シリコン膜を形成する工程とを備える。多結晶シリコン膜を形成する工程は、非晶質シリコン膜の第１の領域に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成する工程と、非晶質シリコン膜の第２の領域と第２の領域に接する第１の多結晶部分の一部領域とに波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成する工程とを含む。
【００３４】
このような方法に従えば、非晶質シリコン膜の第１の領域にレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、その後非晶質シリコン膜の第２の領域と、第１の多結晶部分の一部領域とにレーザを照射して第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成しているため、第１の多結晶部分と第２の多結晶部分とを形成することができる。その結果、広い面積において、非晶質シリコン膜を多結晶化することができ、面積の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００３５】
さらに、上述の波長の範囲のレーザは非晶質シリコンに対する吸収係数が大きく、多結晶シリコンに対する吸収率が小さいため、二度レーザを照射された部分は、一度目の照射により非晶質シリコンから多結晶シリコンへ変化すると、二度目の照射では、特性が変化しない。そのため、一度レーザが照射された部分と二度レーザが照射された部分とで特性が変化せず、品質の高い多結晶シリコン膜を提供することができる。
【００３６】
レーザの波長を３９０ｎｍ以上としたのは、レーザの波長が３９０ｎｍ未満であれば多結晶シリコン膜の吸収率が非晶質シリコン膜の吸収率の６０％を超え、多結晶シリコン膜が二度目のレーザの照射により特性が変化するため好ましくないからである。また、レーザの波長を６４０ｎｍ以下としたのは、レーザの波長が６４０ｎｍを超えると非晶質シリコンでの吸収率が１０％以下となり、生産性が低下するためである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１〜６は、この発明の実施の形態１に従った多結晶シリコン膜の製造方法を示す図である。図１を参照して、ガラス基板３１上に、たとえばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜３２を形成する。シリコン酸化膜３２上にＣＶＤ法により非晶質シリコン膜３３を形成する。この非晶質シリコン膜３３は、第１の領域３３ａと、この第１の領域３３ａと接する第２の領域３３ｂとを有する。
【００３８】
図２および図３を参照して、非晶質シリコン膜３３の第１の領域３３ａに、ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧの第２高調波レーザ（波長５３２ｎｍ）を照射する。これにより、レーザ３５を照射された部分が多結晶化して第１の多結晶部分３４ａを形成する。このとき、レーザの照射には、図３で示すような装置を用いる。
【００３９】
図３を参照して、多結晶シリコン膜製造装置１００は、波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを発振させる発振手段としてのレーザ発振器１２０と、レーザ発振器１２０から発振したレーザを基板の上に形成された非晶質シリコン膜に照射する照射手段１１０と、照射手段に対して基板を移動させる移動手段１３０と、非晶質シリコン膜に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、かつ第１の多結晶部分に重なるように非晶質シリコン膜に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分に接する第２の多結晶部分を形成するようにレーザを走査させる移動手段を制御する制御手段１４０とを備える。
【００４０】
レーザ発振器１２０は、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ第２高調波発振器であり、レーザを発振させ、このレーザが照射手段１１０を介してガラス基板３１上に形成された非晶質シリコン膜３３に照射される。なお、図３では、ガラス基板３１と非晶質シリコン膜３３との間のシリコン酸化膜を省略している。
【００４１】
照射手段１１０は、ミラー１１１とビーム成形光学系１１２とにより構成される。ビーム成形光学系１１２は、レーザ発振器１２０から射出されたレーザビームを所定の形状に成形する。そして、ビーム成形光学系１１２から射出されたレーザはミラー１１１で反射して非晶質シリコン膜３３に照射される。ビーム成形光学系１１２およびミラー１１１は、ともに非晶質シリコン膜３３上に位置決めされる。
【００４２】
移動手段１３０は、可動ステージ１３１と、可動ステージ１３１を駆動させる駆動モータ１３２とにより構成される。可動ステージ１３１は、ガラス基板３１を支持し、レーザ発振器１２０および照射手段１１０に対して移動することが可能である。そのため、可動ステージ１３１が動くと、その上に載置されているガラス基板３１および非晶質シリコン膜３３も動く。
【００４３】
可動ステージ１３１は駆動モータ１３２に接続されており、駆動モータ１３２が可動ステージ１３１を駆動させる。なお、可動ステージ１３１は、所定の平面上であらゆる方向に移動することが可能である。
【００４４】
制御手段１４０は、駆動モータ１３２およびレーザ発振器１２０に接続されている。制御手段１４０は、駆動モータ１３２に対して所定の時期に可動ステージ１３１を駆動させるように信号を送る。この信号を受けた駆動モータ１３２は可動ステージ１３１を所定の方向に移動させる。また制御手段１４０はレーザ発振器１２０に信号を送り、レーザ発振器１２０にレーザを発振させる。
【００４５】
このような装置を用いて、制御手段１４０がレーザ発振器１２０に信号を送る。レーザ発振器１２０がレーザを発振させ、このレーザをビーム成形光学系１１２およびミラー１１１を介して非晶質シリコン膜３３の第１の領域３３ａに照射する。この状態で制御手段１４０が駆動モータ１３２に信号を送り、駆動モータ１３２が可動ステージ１３１を矢印１３１ａで示す方向に移動させる。これにより、レーザが照射された部分を結晶化して第１の多結晶部分３４ａを形成する。
【００４６】
図４および図５を参照して、第１の多結晶部分３４ａを形成すると、レーザ発振器１２０がレーザを発振させるのを停止する。可動ステージ１３１を用いて非晶質シリコン膜３３を移動させ、線状のレーザ３５が第１の多結晶部分３４ａと第２の領域３３ｂとに照射されるようにする。この状態でレーザ３５を走査させることにより第２の多結晶部分３４ｂを形成する。
【００４７】
すなわち、第１の多結晶部分３４ａを形成する工程は、非晶質シリコン膜３３上でレーザ３５を走査させて一方向に延在する第１の多結晶部分３４ａを形成することを含み、第２の多結晶部分３４ｂを形成する工程は、第１の多結晶部分３４ａが延在する方向にレーザ３５を走査させて第１の多結晶部分３４ａに沿って延びる第２の多結晶部分３４ｂを形成することを含む。
【００４８】
この動作を繰返すことにより、非晶質シリコン膜３３の大部分を多結晶化して多結晶シリコン膜３４を形成する。
【００４９】
図６を参照して、所定の部分だけ多結晶シリコン膜３４を残すように多結晶シリコン膜３４をパターニングして能動領域３９ａおよび３９ｂを形成する。次に、多結晶シリコン膜３４上にシリコン酸化膜を形成する。シリコン酸化膜上にＴａ、Ｃｒ、Ａｌなどの低抵抗金属からなる金属膜を形成する。金属膜およびシリコン酸化膜を所定の形状にパターニングすることによりゲート絶縁膜３６ａおよび３６ｂならびにゲート電極３７ａおよび３７ｂを形成する。その後、ゲート電極３７ａおよび３７ｂをマスクとしてイオンドーピング法でソース・ドレインを自己整合的に形成する。これにより薄膜トランジスタが完成する。
【００５０】
すなわち、この発明に従った半導体装置の製造方法では、ガラス基板３１上に第１の領域３３ａと、この第１の領域３３ａに接続する第２の領域３３ｂとを有する非晶質シリコン膜をガラス基板３１に形成する。次に、非晶質シリコン膜３３にレーザを照射して多結晶シリコン膜３４を形成する。多結晶シリコン膜３４を形成する工程において、非晶質シリコン膜３３の第１領域３３ａに波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分３４ａを形成し、次に、非晶質シリコン膜の第２の領域３３ｂと第２の領域３３ｂに接する第１の多結晶部分３４ａの一部領域とに波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分３４ａに接するように第２の多結晶部分３４ｂを形成する工程とを含む。また、このようにして得られた半導体装置は上述の工程で製造した多結晶シリコン膜を能動領域３９ａおよび３９ｂとして用いる。
【００５１】
図７は、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜におけるレーザの波長と吸収率との関係を示すグラフである。図７を参照して、非晶質シリコン膜および多結晶シリコン膜においてレーザの吸収率はその波長によってさまざまに変化する。本発明では、レーザの波長を３９０ｎｍ以上としているので、多結晶シリコン膜の吸収率は非晶質シリコン膜の吸収率の６０％以下となる。そのため、非晶質シリコンにレーザが照射されて多結晶シリコンが形成されれば、その多結晶シリコンにレーザを照射してもレーザのエネルギを多結晶シリコンがあまり吸収しない。その結果、多結晶シリコンの特性が変化せず、多結晶シリコン膜の全体でほぼ等しい特性を発揮することができる。
【００５２】
また、レーザの波長を６４０ｎｍ以下としているので、非晶質シリコン膜での吸収率が１０％以上となる。その結果、非晶質シリコンがレーザの熱を吸収しやすくなり、非晶質シリコンを容易に多結晶化することができる。
【００５３】
なお、波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であれば、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜との吸収率の差がより大きくなるため好ましい。波長が５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であれば、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜との吸収率の差が特に大きくなるためより好ましい。
【００５４】
図８は、この発明で用いたレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧの第２高調波（波長λ＝５３２ｎｍ）での、シリコン膜厚と吸収率との関係を示すグラフである。この発明で用いたレーザでは、シリコン膜の厚さをさまざまに設定した場合でも、多結晶シリコン膜での吸収率は非晶質シリコン膜での吸収率よりも小さくなっている。
【００５５】
また、図６で示すような構造のｎチャネル型およびｐチャネル型のトランジスタを作製し、そのトランジスタでの移動度およびスレショルド電位を図９および図１０で示す。
【００５６】
図９を参照して、実線２０１で囲んだ部分は、レーザが二度照射された部分を示す。図９より、ｎチャネル型トランジスタおよびｐチャネル型トランジスタを形成した場合のいずれであっても、移動度はほぼ一定に保たれていることがわかる。また、二度レーザを照射された部分であっても移動度はその他の部分とほぼ等しくなっていることがわかる。
【００５７】
図１０を参照して、実線２０２で囲んだ部分が、レーザが二度照射された部分である。図１０より、ｎチャネル型トランジスタおよびｐチャネル型トランジスタのいずれにおいても、あらゆる位置において、スレショルド電位がほぼ等しいことがわかる。また、レーザが二度照射された部分と、レーザが一度しか照射されない部分であっても、スレショルド電位がほぼ等しいことがわかる。
【００５８】
このように、本発明によれば、レーザの波長を最適な範囲としているため、レーザが一度照射された部分およびレーザが二度照射された部分のいずれにおいても、移動度およびスレショルド電位が一定であり品質の高い半導体装置を提供することができる。
【００５９】
つまり、通常薄膜トランジスタを形成する場合に、シリコン膜の膜厚は１００ｎｍ以下であるが、その領域では、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜の吸収率は大きく異なり、多結晶シリコン膜の吸収率は非晶質シリコン膜の吸収率に比べて小さい。その結果、非晶質シリコン膜に対する最適照射エネルギ密度で多結晶シリコン膜にレーザが照射されると、多結晶シリコン膜で吸収されるエネルギが小さく多結晶シリコン膜が溶融しない。つまり、非晶質シリコン膜の部分のみが選択的にレーザ熱処理を受けることになるため、二度のレーザ熱処理を受ける部分と一度のレーザ熱処理のみを受ける部分とで特性ずれが起こらず、基板全域で均一な特性の多結晶シリコン膜を形成することができる。また同様の効果は、レーザを照射する膜として、結晶欠陥が多く吸収率が高い多結晶シリコン膜を用いる場合にも得ることができる。
【００６０】
図１１は、従来の非晶質シリコン膜と、エキシマレーザを用いて製造した多結晶シリコン膜の膜厚と吸収率の関係を示すグラフである。図１１より、多結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜の吸収率が同程度であることがわかる。このような非晶質シリコン膜では、一度レーザを照射されて多結晶シリコン膜に変化した場合でも、その後再度その多結晶シリコン膜にレーザが照射されることにより、多結晶シリコン膜がレーザのエネルギを吸収する。これにより、多結晶シリコン膜が再度溶融し、多結晶シリコン膜の特性が変化する。そのため、一度レーザを照射された部分と二度レーザを照射された部分とにおいて多結晶シリコン膜の特性が異なり、膜全体にわたって均一な特性を有する多結晶シリコン膜を得ることができない。
【００６１】
つまり、図１１で示すように、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を非晶質シリコン膜および多結晶シリコン膜に照射した場合には、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜との吸収率の差は約７％である。非晶質シリコン膜のレーザ熱処理時には、照射エネルギ密度は、非晶質シリコン膜の最適値に設定される。
【００６２】
図１２は、図１１で示す多結晶シリコン膜を製造する差異のレーザエネルギ密度とｎチャネル型トランジスタの移動度との関係を示すグラフである。図１２に示すように、エキシマレーザによる熱処理では、照射エネルギ密度の最適値の許容幅が非常に狭いため、吸収率が７％異なると問題となる。つまり、多結晶シリコン膜の部分はエキシマレーザ照射により一旦溶融した後、再結晶成長を行なうが、照射エネルギ密度が最適値の許容幅の外にあるため、二度のレーザ照射を受けた領域は特性が悪い多結晶シリコン膜に変化する。
【００６３】
すなわち、従来の多結晶シリコン膜では、一度レーザが照射された部分と二度レーザが照射された部分とではレーザエネルギ密度が異なる。そのため、ｎチャネル型トランジスタの移動度も異なり、多結晶シリコン膜の全体で均一な特性を得ることができない。その結果、好ましい特性の薄膜トランジスタを得ることができない。
【００６４】
（実施の形態２）
図１３は、この発明の実施の形態２に従った多結晶シリコン膜の製造方法を示す斜視図である。図１３で示す多結晶シリコン膜製造装置１８０では、図３で示す多結晶シリコン膜製造装置１００と比較して照射手段が異なる。すなわち、図１３で示す多結晶シリコン膜製造装置１８０では、照射手段として、第１の照射手段１１０ａ、第２の照射手段１１０ｂおよび第３の照射手段１１０ｃが存在する。第１、第２および第３の照射手段１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃは、それぞれミラー１１１とビーム成形光学系１１２とにより構成される。ミラー１１１およびビーム成形光学系１１２は、図３で示すものと同様のものである。それぞれのビーム成形光学系１１２には、第１の発振手段としてのレーザ発振器１２０ａ、第２の発振手段としてのレーザ発振器１２０ｂおよび第３の発振手段としてのレーザ発振器１２０ｃが接続されている。それぞれのレーザ発振器１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃは、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ第２の高調波発振器である。それぞれのレーザ発振器１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃから射出された光がビーム成形光学系に照射される。また、それぞれのレーザ発振器１２０ａ、１２０ｂおよび１２０ｃは制御手段１４０と接続されている。
【００６５】
レーザ発振器１２０ａから発振したレーザが第１の照射手段１１０ａを介して非晶質シリコン膜３３に照射される。レーザ発振器１２０ｂから発振したレーザが第２の照射手段１１０ｂを介して非晶質シリコン膜３３に照射される。第１の照射手段１１０ａがレーザ３５ａを照射した後所定の時間をあけて第２の照射手段１１０ｂがレーザ３５ｂを照射するように第１および第２の照射手段１１０ａおよび１１０ｂ、レーザ発振器１２０ａおよび１２０ｂならびに移動手段１３０を制御手段１４０が制御する。
【００６６】
すなわち、図１３で示すように、非晶質シリコン膜３３にレーザ３５ａ、３５ｂおよび３５ｃを照射し、この状態で移動手段１３０がガラス基板３１を矢印１３１ａで示す方向に移動させることによって非晶質シリコン膜３３表面にレーザ３５ａ、３５ｂおよび３５ｃを照射し、非晶質シリコン膜３３に多結晶シリコン膜を形成することができる。
【００６７】
図１４は、非晶質シリコン膜に照射されるレーザの態様を示す図である。図１４を参照して、まず、矢印１３１ａで示す可動ステージの移動方向に対してレーザ３５ａが先頭となるようにし、その次にレーザ３５ｂ、その次にレーザ３５ｃが位置するように配置してもよい。
【００６８】
また、図１５を参照して、レーザ３５ａおよび３５ｃが矢印１３１ａで示す進行方向に向かって前に位置するように配置し、レーザ３５ｂが後側に位置するように配置してもよい。これらの方法では、各線状ビームを平行にずらした上、続き合う線状ビームによる熱処理跡が重なるように、線状ビームのエッジが少し続き合う相手の領域にかかるようにしておく。このような構成の複数の線状ビームを同時または時間をずらして照射しながらステージをスキャンする。
【００６９】
さらに、図１６で示すように、それぞれのレーザ３５ａ、３５ｂおよび３５ｃが重なるようにビームを配置してもよい。図１６では、各線状ビームを図のようにつなぎ合せて１本の線状ビームにする。レーザ照射は各レーザ光を時間をずらして照射し、続き合う２本が同時に照射されることはないようにしながらステージをスキャンする。
【００７０】
このような多結晶シリコン膜製造装置１８０を用いても、実施の形態１の方法と同様の方法により多結晶シリコン膜を有する半導体装置を製造することができる。さらに、この装置では、レーザ発振器を３台用いるので、スループットが向上し、効率よく広い面積の多結晶シリコン膜を製造することができる。
【００７１】
（実施の形態３）
図１７は、この発明の実施の形態３に従った多結晶シリコン膜の製造装置の斜視図である。図１７を参照して、実施の形態３に従った多結晶シリコン膜製造装置１９０では、１つのレーザ発振器４２０から発振したレーザが３つの照射手段に照射される点で異なる。すなわち、照射手段は第１の照射手段２１０ａ、第２の照射手段２１０ｂおよび第３の照射手段２１０ｃを有する。それぞれの照射手段２１０ａ、２１０ｂおよび２１０ｃは、実施の形態１と同様のビーム成形光学系１１２と、ミラー１１１とを有する。ミラー１１１は、レーザ発振器４２０が発振した波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを反射させ、このレーザがビーム成形光学系１１２およびミラー１１１を介してレーザ３５ａ、３５ｂおよび３５ｃとして非晶質シリコン膜３３上に照射される。すなわち、この多結晶シリコン膜製造装置１９０では、照射手段は第１の照射手段２１０ａと第２の照射手段２１０ｂとを含む。レーザ発振器４２０から発振したレーザの一部が第１の照射手段２１０ａを介して非晶質シリコン膜３３に照射される。レーザ発振器４２０から発振したレーザの他の一部が第２の照射手段２１０ｂを介して非晶質シリコン膜３３に照射される。また、第１の照射手段２１０ａがレーザを照射した後、所定の時間をあけて第２の照射手段２１０ｂがレーザを照射するように第１および第２の照射手段２１０ａおよび２１０ｂ、レーザ発振器４２０ならびに移動手段１３０を制御手段１４０が制御する。
【００７２】
レーザ発振器４２０から射出されたＮｄ：ＹＡＧの第２高調波（波長５３２ｎｍ）レーザは、それぞれのレーザに対応するビーム成形光学系１１２により線状ビームプロファイルに成形される。
【００７３】
このような方法でも、実施の形態１と同様の効果がある。さらに、レーザ発振器４２０を１つで装置を構成することができるので、装置のコストを低下させることができる。
【００７４】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、図１７で示す装置において、レーザの照射方法としては、実施の形態２で示した図１４から図１６のようなものを用いることができる。さらに、レーザ発振器として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を発振する手段を示したが、その他にも、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波およびＤｙｅレーザを発振させるようなレーザ発振器を用いてもよい。
【００７５】
［産業上の利用可能性］
この発明は、液晶ディスプレイに用いられる薄膜トランジスタの製造方法の分野で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に従った多結晶シリコン膜の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に従った多結晶シリコン膜の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図３】 図２で示す工程を詳細に示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に従った多結晶シリコン膜の製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図５】 図４で示す工程を詳細に示す斜視図である。
【図６】 この発明の実施の形態１に従った多結晶シリコン膜の製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図７】 非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜においてレーザの波長と吸収率との関係を示すグラフである。
【図８】 非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜において、シリコン膜の膜厚と吸収率との関係を示すグラフである。
【図９】 この発明により得られた多結晶シリコンにおいて、照射位置と移動度との関係を示すグラフである。
【図１０】 この発明によって得られた多結晶シリコン膜において、レーザの照射位置とスレショルド電位との関係を示すグラフである。
【図１１】 従来のエキシマレーザを用いた場合に、非晶質シリコン膜と多結晶シリコン膜における膜厚と吸収率との関係を示すグラフである。
【図１２】 エキシマレーザを用いて多結晶シリコン膜を製造した場合のレーザエネルギ密度と移動度との関係を示すグラフである。
【図１３】 この発明の実施の形態２に従った多結晶シリコン膜を製造する工程を示す斜視図である。
【図１４】 図１３におけるレーザの走査方法の一例を示す図である。
【図１５】 図１３におけるレーザの走査方法の別の例を示す図である。
【図１６】 重なり合う線状ビームを示す図である。
【図１７】 この発明の実施の形態３に従った多結晶シリコン膜の製造方法を示す図である。
【図１８】 従来の多結晶シリコン膜の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図１９】 従来の多結晶シリコン膜の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図２０】 従来の多結晶シリコン膜の製造方法の第３工程を示す断面図である。

Claims (7)

  1. 第１の領域と、この第１の領域と接する第２の領域とを有する非晶質シリコン膜を基板の上に形成する工程と、
    前記非晶質シリコン膜の第１の領域に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成する工程と、
    前記非晶質シリコン膜の第２の領域と前記第２の領域に接する前記第１の多結晶部分の一部領域とに前記波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して前記第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成する工程とを備え、
    前記第１の多結晶部分を形成する工程は、前記非晶質シリコン膜上で第１のレーザを走査させて一方向に延在する前記第１の多結晶部分を形成することを含み、前記第２の多結晶部分を形成する工程は、前記第１の多結晶部分が延在する方向に第２のレーザを走査させて前記第１の多結晶部分に沿って延びる前記第２の多結晶部分を形成することを含み、
    前記第１のレーザが前記第２のレーザよりも走査方向に対して前に位置するとともに、前記第１のレーザが走査してできた前記第１の多結晶部分の一部領域を前記第２のレーザの一部が走査するように配置されて、前記第１のレーザと前記第２のレーザとは同時に照射されながら走査され、
    前記第２のレーザの照射によって、前記非晶質シリコン膜の第２の領域が第２の多結晶部分とされる一方、前記第１の多結晶部分の一部領域は溶融されない、多結晶シリコン膜の製造方法。
  2. 前記第１のレーザおよび前記第２のレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波およびＤｙｅレーザからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、請求項１に記載の多結晶シリコン膜の製造方法。
  3. 波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の第１のレーザと第２のレーザとを発生させる発振手段と、
    前記発振手段から発生した第１のレーザと第２のレーザとを基板の上に形成された非晶質シリコン膜に照射する照射手段と、
    前記照射手段に対して基板を移動させる移動手段と、
    前記非晶質シリコン膜に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の前記第１のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成し、かつ前記第１の多結晶部分に重なるように前記非晶質シリコン膜に前記波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下の第２のレーザを照射して前記第１の多結晶部分に接する第２の多結晶部分を形成するように前記第１のレーザと前記第２のレーザとを走査させる移動手段を制御する制御手段とを備え、
    前記照射手段は、前記第１のレーザの位置を基板の移動方向に対して前記第２のレーザよりも前に位置させるとともに、前記第２のレーザの一部が前記第１のレーザが走査して形成される前記第１の多結晶部分の一部領域に重なって走査するように前記第１のレーザと前記第２のレーザとを配置し、
    前記制御手段は、前記第１のレーザと前記第２のレーサとを同時に照射しながら走査させ、
    前記第２のレーザは照射する前記非晶質シリコン膜を第２の多結晶部分にする一方、前記第１のレーザが走査した前記第１の多結晶部分の一部領域は溶融しないレーザである、多結晶シリコン膜の製造装置。
  4. 前記照射手段は、第１の照射手段と第２の照射手段とを含み、
    前記発振手段から発生したレーザの一部が前記第１の照射手段を介して前記第１のレーザとして非晶質シリコン膜に照射され、
    前記発振手段から発生したレーザの他の一部が前記第２の照射手段を介して前記第２のレーザとして非晶質シリコン膜に照射される、請求項３に記載の多結晶シリコン膜の製造装置。
  5. 前記照射手段は、第１の照射手段と第２の照射手段とを含み、前記発振手段は前記第１のレーザを発生させる第１の発振手段と前記第２のレーザを発生させる第２の発振手段とを含み、
    前記第１の発振手段から発生した前記第１のレーザが前記第１の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射され、
    前記第２の発振手段から発生した前記第２のレーザが前記第２の照射手段を介して非晶質シリコン膜に照射される、請求項３に記載の多結晶シリコン膜の製造装置。
  6. 前記発振手段は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第２高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの第２高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの第２高調波、Ａｒイオンレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザの第２高調波およびＤｙｅレーザからなる群より選ばれた少なくとも１種を含むレーザを発生させる、請求項３から５のいずれか１項に記載の多結晶シリコン膜の製造装置。
  7. 第１の領域と、この第１の領域と接する第２の領域とを有する非晶質シリコン膜を基板の上に形成する工程と、
    前記非晶質シリコン膜の第１の領域に波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して第１の多結晶部分を形成する工程と、
    前記非晶質シリコン膜の第２の領域と前記第２の領域に接する前記第１の多結晶部分の一部領域とに前記波長が３９０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下のレーザを照射して前記第１の多結晶部分に接するように第２の多結晶部分を形成する工程と、
    前記第１の多結晶部分および前記第２の多結晶部分の一部を能動領域とする薄膜トランジスタを形成する工程と、を備え、
    前記第１の多結晶部分を形成する工程は、前記非晶質シリコン膜上で第１のレーザを走査させて一方向に延在する前記第１の多結晶部分を形成することを含み、前記第２の多結晶部分を形成する工程は、前記第１の多結晶部分が延在する方向に第２のレーザを走査させて前記第１の多結晶部分に沿って延びる前記第２の多結晶部分を形成することを含み、
    前記第１のレーザが前記第２のレーザよりも走査方向に対して前に位置するとともに、前記第１のレーザが走査してできた前記第１の多結晶部分の一部領域を前記第２のレーザの一部が走査するように配置されて、前記第１のレーザと前記第２のレーザとは同時に照射されながら走査され、
    前記第２のレーザの照射によって、前記非晶質シリコン膜の第２の領域が第２の多結晶部分とされる一方、前記第１の多結晶部分の一部領域は溶融されない、半導体装置の製造方法。
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