JP4610178B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶構造を有する半導体膜の作製方法及びそれを用いた半導体装置の作製方法に関し、具体的には半導体膜にレーザー光を照射して結晶化又は結晶性を向上させる技術に関するものである。また、本発明は、当該半導体膜又は半導体装置の作製に用いるレーザー処理装置に関する。

ガラス基板上に堆積した非晶質シリコン膜に、レーザー光を照射して多結晶シリコン膜を形成する結晶化技術が知られている。パルス発振するエキシマレーザー発振器はこの結晶化技術において代表的に用いられている光源である。パルス発振レーザー光の照射によりシリコンは瞬間的に加熱されて溶融し、その後の冷却過程で結晶化が起こると考えられている。その結果、異なる面方位を持った複数の結晶粒が集合した多結晶体が形成されることが知られている。

典型的に用いられているエキシマレーザーを用いた非晶質シリコンの結晶化は、発振パルス幅が数十〜数百ナノ秒のパルス発振レーザー光の照射を照射して、シリコンを選択的に加熱することが可能であり、ガラス基板に熱的な損傷を与えることなく結晶化することが可能となっている。この結晶化技術は、液晶表示装置で使う薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）の半導体層を形成する技術として注目を集めている。

従来よく用いられている多結晶シリコン膜は、図５で示すように、ガラス基板１０上に窒化シリコンや酸化シリコンなどの下地絶縁膜１１を形成し、その上に形成した５０nmの非晶質シリコン膜を、周波数３００Hzでパルス発振（発振パルス幅３０nsec）するエキシマレーザー光を照射して結晶化したものである。その多結晶シリコン膜１３には、その表面に山脈状の突起１４が形成される。

ＴＦＴを形成する場合、その上に１００nm程度のゲート絶縁膜を形成することになるが、突起の部分で電界集中が起こり、ゲートリーク電流を増加させ、ゲート絶縁膜の耐圧を低下させる要因となっている。その対策として、レーザー光を照射して結晶化する際に、基板に超音波振動を与えることで、不純物の偏析を阻止して、表面に不純物の偏析による突起の発生を抑制する技術が開示されている（特許文献１参照。）。
特開平１１−２０４４３３号公報

これまでの経験的な知見として、レーザー光を照射して非晶質シリコン膜を結晶化するときに、酸素を含む雰囲気中で結晶化を行うと大粒径化が図られることが知られている。

パルス発振するエキシマレーザー光を、光学レンズを組み合わせて線状に集光し、その線状ビームを走査することにより、ガラス基板上の非晶質シリコン膜の全面を結晶化することを可能としている。しかしながら、レーザー光が照射された半導体膜は高温となり溶融状態ともなるので、雰囲気中にある酸素や窒素などと反応して、それが膜表面又は膜中に不純物として取り込まれる。すなわち、外因性の不純物が混入する。それが結晶欠陥の原因となる。或いは、結晶粒界に偏析して結晶の品質を著しく損なう要因と考えられる。

このような不純物の混入は非意図的に発生してしまうので、レーザー光で処理した結晶性の半導体膜は局所的に異なった特性を内包することとなる。従って、これを用いて作製するＴＦＴの特性ばらつきの要因となり、同一の基板面内においても複数のＴＦＴ素子間でばらついてしまう問題が生じてしまう。

上記した特許文献１では、基板に超音波振動を与えることで、不純物の偏析を阻止して、表面に不純物の偏析による突起の発生を抑制することが示されている。しかし、ガラス基板を載置するステージに超音波振動源を接続する方法では、ガラス基板に反りがあるのでステージと完全に密着せず、効率良く超音波振動を伝搬させることができない。その傾向はガラス基板のサイズが大きくなるに従い益々顕著になる。

本発明は、このような問題点に鑑み成されたものであり、レーザー光を照射して半導体膜の結晶化又は結晶性の改質を行うに際し、不純物の偏析を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明者は、レーザー光を照射して結晶化した半導体膜について、その結晶性がばらつく原因を以下のように考察した。この考察について図４を用いて説明する。

図４（Ａ）で示すように、非晶質シリコン膜４１２は基板４１０上に下地絶縁膜４１１を介して形成されている。パルス発振レーザー光４２０ａが照射された領域は結晶化して、結晶性シリコン膜４１３が形成される。このとき、大気雰囲気中など酸素を含む雰囲気中でパルス発振レーザー光４２０ａを照射すると、シリコンは加熱されて溶融状態となる。一例として、パルス発振レーザー光４２０ａの発振周波数は３００Hz、パルス幅は３０nsecとすると、次のパルス発振レーザー光が照射される迄の間にシリコンは冷却され固化してしまう。パルス発振レーザー光の照射から固化する迄の間に結晶化は進行するが、シリコンは高温となるので、大気中で処理を行うと表面に酸化物４１４（ＳｉＯx）が形成されるのを避けることはできない（図４（Ａ））。

ここで、レーザー光の照射領域を重畳させて次のパルス発振レーザー光４２０ｂを照射すると、シリコンよりも融点の高い酸化物４１４が切片となり、そのまま溶融したシリコン中に混入してしまう（図４（Ｂ）で示す４１４ｂなど）。この酸化物４１４ｂが偏析して結晶粒界に集まると、その量の大小又は有無により電気抵抗のばらつきとして現れる。すなわち、結晶粒界におけるバリアの影響の大小として現れることとなる。

レーザー光を窒素雰囲気中で照射した場合には、窒化物（ＳｉＮx）の切片が同様に溶融したシリコンの中に混入して、結晶粒界に偏析することが予想される。

酸化物や窒化物は共に電気絶縁性であるため、電気伝導性のばらつきは小さくならない。また、酸化物の切片は溶融した半導体中において、一部の酸素が溶けた分混入して格子歪みを緩和する方向に働く。また、水素化における水素を取り込むことを窒化物のようにじゃまをしないため、電気的特性は窒素雰囲気中で行うよりも、酸化雰囲気中で行う方が良好となることを期待できる。

本発明は、レーザー光を照射してシリコンに代表される半導体膜の結晶化又は結晶性の改善を図る処理において、基板又は基板上の半導体膜に超音波振動を与えて行うものであり、それにより酸化物又は窒化物の切片を細かく粉砕し分散させることにより、酸化物又は窒化物などの偏析を防ぐものである。

本発明は、基板上に形成した非晶質半導体膜の結晶化、又は多結晶性半導体膜の結晶性の改質、或いはイオン注入後の再結晶化などを目的とするレーザーアニール技術において、基板上に形成した半導体膜にレーザー光を照射して結晶化するに際し、該基板の周辺部を保持して超音波振動を与えながら該レーザー光を照射するというものである。また、半導体膜が形成された基板は、開孔が設けられたステージ上に保持して、当該開孔から気体を噴出して基板を浮上させると共に、基板の周辺部を保持して超音波振動を与えながら該レーザー光を照射することでより効率良く超音波振動を与えることができる。

また本発明は、基板上に形成した非晶質半導体膜の結晶化、又は多結晶性半導体膜の結晶性の改質をする工程を含む半導体装置の作製方法において、基板上に非晶質構造を含む半導体膜を形成し、該基板に超音波振動を与えながらレーザー光を照射して半導体膜の結晶化を行うというものである。

レーザー光の照射に当たっては、基板を浮上させると共に超音波振動を与えながら線状に集光したパルス発振レーザー光を照射して半導体膜の結晶化を行っても良い。パルス発振レーザー光は、その照射位置を重畳させながら移動させることで半導体膜の全面を結晶化するものである。レーザー光を照射する雰囲気は、空気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中、酸化雰囲気中、減圧下（若しくは真空中）で行うことができる。

また本発明は、基板を浮上させ水平に搬送する手段と、レーザー光を線状又は矩形状に集光する光学系と、前記基板に超音波振動を与える手段とを備えたレーザー処理装置である。基板の周辺部を保持して一方向に移動させる手段と、基板を基板を浮上させる手段とにより基板の水平方向の移動を可能とし、レーザー光を集光して前記基板に照射する光学系が備えられ、基板を保持する部位から該基板に超音波振動を与える手段が付加されているものである。

超音波振動のエネルギーは、レーザー光の照射により表面に形成された酸化物又は窒化物を粉砕するのに利用する。その振動周波数は１００kHz以上であり、３０MHz未満とする。超音波振動による効果はその振動周波数によって異なり、切片を細かく粉砕するには１００kHz以上であり、２MHz以下を選択するのが好ましい。また、半導体膜表面の突起を無くすには１MHz以上であり、３０MHz未満を選択することが好ましい。

すなわち、図３で示すモデルのように、基板４１０に形成した下地絶縁膜４１１上の非晶質シリコン膜４１２に、超音波振動を加えながらパルス発振レーザー光４２０ａを照射して結晶性シリコン膜４１３を形成する。その過程で半導体膜の表面には酸化物４１４（ＳｉＯx）が形成されるが、超音波振動により酸化物は細かく粉砕されてしまう（図３（Ａ））。また、パルス発振レーザー光４２０ｂが照射された後も酸化物４１４が結晶性シリコン膜４１３に特定の領域に偏析するのを防ぐことができる（図３（Ｂ））。このため、結晶粒界には酸化物の切片が集まるのが抑制され、電気抵抗のばらつきを低減することが可能となる。

レーザー光の照射により半導体膜の表面に酸化物や窒化物が生成するのを防ぐために、希ガス雰囲気中、還元雰囲気中、又は真空中で処理を行っても良い。

上記したように、本発明は、非晶質半導体膜を形成した基板に超音波振動を与えながらレーザー光を照射することで不純物の偏析のない結晶化を行うものである。本発明はさらに、触媒元素を用いる半導体膜の結晶化法にも適用することができる。すなわち、基板上に形成した非晶質半導体膜に、その半導体の結晶化を助長する触媒作用のある金属元素又は金属化合物を添加して、加熱処理により当該半導体膜の一部又は全部を結晶化した後に、超音波振動を与えながらレーザー光を照射することで、非意図的に混入する不純物や前記金属元素又は金属化合物を特定の領域に偏析させることなく結晶化することを可能とする。

なお、本発明でいう非晶質半導体膜とは、狭義の意味で完全な非晶質構造を有するものだけではなく、微細な結晶粒子が含まれた状態、又はいわゆる微結晶半導体膜、局所的に結晶構造を含む半導体膜を含む。代表的には非晶質シリコン膜が適用され、その他に非晶質シリコンゲルマニウム膜、非晶質シリコンカーバイト膜などを適用することもできる。

本発明によれば、レーザー光を照射して半導体膜の結晶化又は結晶性の改質を行うに際し、基板の外周部を保持して超音波振動を与えることにより、不純物の偏析を抑制することができる。超音波振動のエネルギーは、レーザー光の照射により表面に形成された酸化物又は窒化物を粉砕する作用があり、結晶粒界には酸化物の切片が集まるのが抑制され、電気抵抗のばらつきを低減することが可能となる。

また、触媒元素を用いる半導体膜の結晶化法に本発明を適用することにより、結晶性半導体膜中に残存する金属元素を分散させることができる。それにより、その後行うゲッタリングを容易にすることができる。

本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は本発明に係るレーザー処理装置の一態様を示す図である。この装置はレーザー発振器１０１、光学系１０２、ステージ１０３、基板浮上手段１０４、基板１１４を狭持して移動させる移動手段１０５と、そのチャック１０７に超音波振動を与える超音波振動源１０６とを含んでいる。

光学系１０２は、レーザー発振器１０１から放射されるレーザー光を集光及び伸張して、照射面形状を細い線状に成形するものである。光学系１０２の構成は適宜設計すれば良いが、例えば、シリンドリカルレンズアレイ１１０、シリンドリカルレンズ１１１、ミラー１１２、ダブレットシリンドリカルレンズ１１３などを用いて構成する。レンズの大きさにもよるが、長手方向は１００〜４００mm程度、短手方向は１００〜５００μm程度の線状レーザービームを照射することが可能である。

また、レーザー光の照射部周辺の雰囲気制御を目的として、気体供給手段１０８とノズル１０９が備えられていても良い。レーザー光の照射領域周辺の雰囲気をノズル１０９から噴出する気体で置換することにより、特別なチャンバーを設けることなく雰囲気制御をすることができる。気体供給手段１０８からは、酸化性気体、還元性気体、不活性気体などの供給が可能である。気体の選択により酸素を半導体膜中に積極的に取り込ませたり、アルゴンなどの希ガスを取り込ませたりすることができる。

さらに、この雰囲気制御を行う手段に加熱手段を付加して、加熱された気体をノズル１０９から噴出させる構成としても良い。その結果、レーザー光の照射部周辺にある基板又は基板上の半導体膜などの形成物を加熱することができる。これにより、レーザー光の照射で溶融した半導体膜の溶融時間が長くなり、基板に与える超音波振動の周波数は１MHz以下であっても平坦化の効果を得ることができる。

勿論、特段このような手段を設けずに、空気中でレーザー光の照射を行っても良いし、ステージ１０３をチャンバー内に保持して減圧下（若しくは真空中）でレーザー光の照射を可能としても良い。

レーザーは波長４００nm以下の光を発振するエキシマレーザーなどの気体レーザーや、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ₄レーザー、ＹＬＦレーザーなどの固体レーザーを用いる。Ｃｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｔｉ又はＴｍがドーピングされたＹＡＧレーザーやＹＶＯ₄レーザーでは、ＹＡＧレーザーでは基本波（１０６４nm）の他に、第２高調波（５３２nm）や第３高調波（３５４．７nm）などを用いることができる。これらのレーザーはパルス発振するものを用い、発振周波数は５〜３００Hz程度のものが採用される。

ステージ１０３は基板浮上手段１０４が備えられている。気体を噴出する開孔と吸引する開孔を設け、それそれの流量や流速を制御して基板１１４をステージ１０３上で浮上させるものである。この基板浮上手段１０４と、基板の周辺部を狭持して一軸方向又は二軸方向に移動させる移動手段１０５とを組み合わせることにより、基板１１４を空間に浮かせて支持して搬送する搬送手段を構成することができる。この搬送手段を用いることにより、矩形又は線状に集光したレーザー光を基板全面に照射することができる。さらに、移動手段１０５のチャック部１０７に超音波振動源１０６から供給される超音波振動を与えることで、基板にその振動を効率良く伝搬させることができる。或いは、基板１１４はチャック１０７で狭持して固定し、レーザー光をガルバノミラーなどの偏向手段で走査する構成としても良い。

このようなレーザー照射装置は、特に一辺が１０００mmを超え、かつ厚さが１mm以下のガラス基板を処理する場合に有用である。例えば、１２００mm×１６００mmや２０００mm×２５００mmであって、厚さが０．４〜０．７mmのガラス基板を処理することもできる。ガラス基板の面積が大型化しその厚さが薄くなると、ガラス基板は容易に湾曲するが、ステージ１０３の構成として説明したように細孔から噴出する気体をもって基板を保持することにより平坦な面を保って基板を保持することができる。また、超音波振動を与える移動手段１０５以外に物体と接触するところがないので、超音波振動を減衰させることなく効率良く与えることができる。

また、レーザー照射装置は、ノズル１０９から吹き付ける気体を酸化性気体、還元性気体、不活性気体から選択することで、適宜結晶化の条件を選択することができる。このようなレーザー照射装置の構成は、レーザービームの照射時の雰囲気の制御をするためのチャンバーを必要とせず、基板が大型化してもレーザー照射装置の小型化を図ることができる。

図２（Ａ）（Ｂ）は、ステージ１０３周辺の詳細を示す図である。（Ａ）は上面図であり（Ｂ）は断面図を示している。ステージ１０３上の基板１１４は、基板浮上手段１０４によって浮上し、チャック１０７に狭持されている。基板浮上手段１０４は、ステージ１０３に設けられた開孔から気体の吹き付けと吸引を同時に行って基板の浮上する高さを調整している。チャック１０７には超音波振動源１０６から超音波振動が与えられる仕組みとなっている。

基板１１４は、例えば、市販の無アルカリガラス基板が選択可能であり、厚さに限定はないが、０．２〜２mm程度のものが好ましい。この基板１１４上には、窒化シリコンや酸化シリコンなどで形成する下地絶縁膜１１５が形成され、その上に２０〜２００nmの半導体膜１１６が形成されている。この半導体膜１１６は非晶質半導体膜であっても良いし、すでに熱処理などで結晶化している結晶性の半導体膜を適用しても良い。なお、図２で示す構成は、チャック１０７を用いて２点で基板１１４を狭持する構成を示しているが、本発明はこれに限定されず、基板の周辺部の複数箇所を狭持して超音波振動源との接点を多くする構成としても良い。或いは、基板の端部側面を押さえるように固定しても良い。

レーザー光１１７は図２で示す様に、パルス発振毎のレーザー光ａ〜ｃを重ね合わせながら照射する。すなわち、パルス発振レーザー光の照射領域の重畳部分を１０〜９９％、好ましくは８０〜９８％の割合で重ね合わせながら照射する。

本実施の形態で示すように、基板を空間に浮上させて、該基板の周辺部から超音波振動を加えることにより、効率良く基板に超音波振動を与えることができる。それにより、半導体膜中に非意図的に混入する不純物を特定の領域に偏析させることなく結晶化することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、複数のレーザー光を用い、その照射領域を重畳させるレーザー処理装置の一態様について図６と図７を用いて説明する。本実施の形態に係るレーザー処理装置は、個体レーザーの第２高調波を成形してビームスポットの形状が長楕円又は矩形となるレーザー光をガルバノミラー等の偏向手段を用いて基板上を走査すると共に、基本波のレーザー光を重畳させて、エネルギーの補助を施すものである。

図７において、第１レーザー発振器１２１には、レーザーダイオード（ＬＤ）励起式の固体レーザー発振器を用いることが好ましい。例えば、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振器、連続発振（ＣＷ）、第２高調波（５３２nm）を用いることができる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振器は、ＴＥＭ₀₀の発振モードで、共振器にＬＢＯ結晶が内蔵されており第２高調波に変換されているものが好ましい。ビーム径は２．２５mmである。広がり角は０．３mrad程度を得ることができる。

光学系１２２は、照射面で長楕円形又は矩形にレーザー光を集光するものである。例えば、ＴＥＭ₀₀の発振モードで出力されるレーザー光の断面形状は丸型なので、これを長楕円形に変換する光学系は、シリンドリカルレンズを２枚で構成したビームエキスパンダーとし、１方向だけビームを伸張する構成を適用することができる。また、通常のビームエキスパンダーを当該ビームエキスパンダーに組み合わせて用い、広がり角を制御してもよい。

次いで、偏向手段１２３で長楕円形状に変換されたレーザー光を偏向する。偏向手段１２３としてはガルバノミラーやポリゴンミラーなどの反射体を適用することが可能である。偏向されたレーザー光はｆθレンズ１２４を介して基板１１４に照射する。ｆθレンズ１２４により楕円形状に変換された第１レーザー光１２５を基板１１４上で集光することにより、例えば短径２０μm、長径４００μmの長楕円形ビームを成形することができる。

偏向手段１２３の偏向角を変化させることで、第１レーザー光１２５を走査する。偏向手段１２３の角度による第１レーザー光１２５のビームスポットの形状変化はｆθレンズ１２４により抑えられる。第１レーザー光１２５の基板１１４の主表面に対する入射角度は２０度とする。これにより、第１レーザー光１２５の入射光と基板の裏面からの反射光との干渉の発生を防ぐことができる。本実施の形態では、偏向手段１２３は、ガルバノミラーを一枚構成で用いて一軸方向のみの走査としている。２次元平面の全面走査するために、基板１１４を搬送手段により当該一軸方向と交差する方向に移動させる。第１レーザー光１２５の走査の速度は１００〜２０００mm/sとし、好ましくは５００mm/s程度とする。

また、第２高調波（５３２nm）を用いる第１レーザー光１２５に合わせて、同時に基板１１４に基本波（１０６４nm）の第２レーザー光１３１を照射するため、第２レーザー発振器１２８を設けても良い。第２レーザー発振器１２８はＬＤ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器を用いる。第２レーザー光１３１の形成手段として、例えば、凹レンズ１２９よりビームを一様に拡大後、平凸シリンドリカルレンズ１３０を用いて一方向に集光して成形する。また、他の構成の光学系により同様なビームを形成してもよい。第２レーザー光１３１のエネルギー分布を均一するためにホモジナイザを用いてもよいが、そのときはレーザー光の干渉性を考慮して設計する必要がある。例えば、レーザービームを分割して合成することでエネルギー分布を平均化する方法がホモジナイザで用いられるが、その場合にはレーザー光のコヒーレント長以上の光路差を、分割されたレーザー光のそれぞれに付けるなどの処置をして干渉の発生を抑制することが必要となる。

ステージ１０３は基板浮上手段１０４が備えられている。この手段と、基板の周辺部を狭持して一方向又は二方向に移動させる移動手段１０５とを組み合わせることにより、薄い基板を空間に浮かせて支持して搬送する搬送手段を構成することができる。基板移動手段１０５のチャック部１０７に超音波振動源１０６から供給される超音波振動を与えることで、基板にその振動を効率良く伝搬させることができる。

図６は、ステージ１０３周辺の詳細を示す図である。基板１１４上に非晶質シリコン膜１１６が形成されているものを結晶化する態様を示している。基板１１４は、基板浮上手段によって浮上しているものであり、移動手段１０５のチャック１０７に狭持されている。チャック１０７には超音波振動源１０６から超音波振動が与えられる仕組みとなっている。

第２レーザー光１３１は、偏向手段で走査される第１レーザー光１２５の走査方向に伸張されている。そして、第１レーザー光１２５が一軸方向に走査されて照射する領域を完全に覆うようにすることが好ましい。

発振波長が１０６４nmであるＮｄ：ＹＡＧレーザーの基本波は、シリコンの吸収係数が１０⁴/cm以下となり小さいが、第２高調波を同時に照射して溶融させると基本波の吸収係数が増加する。すなわち、シリコンの液化による吸収係数の上昇を利用することで、基本波での結晶化を容易にする。その効果は、シリコン膜の急激な温度変化を抑えることや、出力の小さい第２高調波のエネルギーを補助して結晶化を容易にすることである。基本波は高調波とは異なり、波長変換のための非線形光学素子を用いる必要がなく、非常に大出力なレーザー光を得ることができる。例えば、高調波の１００倍以上のエネルギーをもつものを得ることが可能である。非線形光学素子の対レーザーの耐力が非常に弱いために、このようなエネルギー差が生じる。また、高調波を発生させる非線形光学素子は変質しやすく、固体レーザーの利点であるメンテフリーの状態を長く保てない等の欠点がある。

本実施の形態のように、半導体膜に溶融帯を形成して、それを連続的に走査して結晶化する場合においても、超音波振動を与えることにより半導体膜中に非意図的に混入する不純物を特定の領域に偏析させることなく結晶化することが可能となり、同時に不純物の偏析をなくした結晶性の半導体膜を形成することができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、溶媒を介して超音波振動を基板に与える構成を設けたレーザー照射装置の構成について図１４を用いて説明する。

図１４（Ａ）はレーザー光１５３が照射される基板１１４を上面から見た図であり、基板１１４の両端にガイドレール１５０が備えられている。ガイドレール１５０には超音波振動子１５１が備えられており、そこから基板１１４に超音波振動を与える仕組みとなっている、ずなわち、図１４（Ｂ）で示すように、ガイドレール１５０の内側には溶媒１５２が入れられており、それを介して基板１１４に超音波振動を伝搬している。溶媒１５２としては、液体またはゼリー状の物質で良く、基板とのインピーダンスが近いものが好ましいが、簡便には水を用いても良い。このように、超音波振動子と液体を介在させて接触することで、効率良く超音波振動を基板１１４に加えることができる。また基板１１４はステージ１０３に備えた基板浮上手段１０４により、浮上させておいても良い。

基板１１４は、例えば、市販の無アルカリガラス基板が選択可能であり、厚さに限定はないが、０．２〜２mm程度のものが好ましい。この基板１１４上には、下地絶縁膜１１５が形成されその上に２０〜２００nmの半導体膜１１６が形成されている。基板１１４はガイドレール１５０に挟まれて固定され、レーサー光１５３を偏向手段により走査しても良いし、レーザー光１５３に照射位置は一定として、基板１１４をチャック１０７で挟んで、ガイドレール１５０に沿って移動させても良い。

レーザー光１５３はパルス発振のレーザー光、連続発振又は連続発光のレーザー光でも良く、その種類に限定はない。すなわち、本実施の形態のレーザー処理装置において、レーザー光を照射する光学系は、半導体膜に対する結晶化等の所望のレーザー処理をすることが可能なものであれば特に限定されず、第１の実施形態で示す光学系、第２の実施形態で示す光学系などと組み合わせて実施することができる。

また、本実施の形態によれば、基板１１４の水平面に対して平行な方向に超音波振動を与えることが容易となる。それにより、半導体膜中に非意図的に混入する不純物を特定の領域に偏析させることなく結晶化することが可能となり、同時にレーザー光の照射による不純物の偏析や半導体膜表面の突起の形成を抑制することができる。

（第４の実施の形態）
本発明は、非晶質半導体膜を形成した基板に超音波振動を与えながらレーザー光を照射することで、不純物の偏析のない結晶化を可能としている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、触媒元素を用いる半導体膜の結晶化法にも適用することができる。

まず、図８（Ａ）で示すように、基板２０１上に酸化シリコン膜、窒化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜等の絶縁膜から成る下地絶縁膜２０２を形成する。代表的にはＳｉＨ₄、ＮＨ₃及びＮ₂Ｏを反応ガスとしてプラズマＣＶＤにより４００℃の基板加熱温度で成膜され窒素含有量が酸素含有量よりも多い又は同程度の第１酸窒化シリコン膜と、ＳｉＨ₄及びＮ₂Ｏを反応ガスとしてプラズマＣＶＤにより４００℃の基板加熱温度で成膜され酸素含有量が窒素含有量よりも多い第２酸窒化シリコン膜を積層形成する構造である。

この構成において、第１酸窒化シリコン膜を高周波スパッタリング法で形成する窒化シリコン膜と置き換えても良い。当該窒化シリコン膜は、レーザー光の照射時においても、ナトリウム（Ｎａ）等ガラス基板に微量に含まれるアルカリ金属が拡散するのを防ぐことができる。

ＴＦＴのチャネル部やソース及びドレイン部を形成する半導体層は、下地絶縁膜２０２上に形成した非晶質シリコン膜２０３を結晶化して得る。プラズマＣＶＤ法で３００℃の基板加熱温度で成膜する非晶質シリコン膜は２０〜６０nmの厚さで形成する。半導体層は非晶質シリコン膜に換えて非晶質シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_1-xＧｅ_x；ｘ＝０．００１〜０．０５）膜を適用しても良い。

結晶化はニッケル（Ｎｉ）等半導体の結晶化に対し触媒作用のある金属元素を添加して結晶化させて行う。図８（Ａ）では白金（Ｐｔ）含有層２０４を非晶質シリコン膜２０３上に保持させた後、輻射加熱又は伝導加熱による熱処理で結晶化を行う。例えば、ランプの輻射を熱源としたＲＴＡ(Rapid Thermal Anneal)、又は加熱された気体を用いるＲＴＡ（ガスＲＴＡ）で設定加熱温度７４０℃で１８０秒のＲＴＡを行う。設定加熱温度はパイロメータで測る基板の温度であり、その温度を熱処理時の設定温度としている。他の方法としては、ファーネスアニール炉を用いて５５０℃にて４時間の熱処理がありこれを用いても良い。結晶化温度の低温化及び時短化は触媒作用のある金属元素の作用によるものである。

結晶性シリコン膜２０５に対し、更に結晶性を向上させるためにレーザー処理を加える（図８（Ｂ））。このレーザー処理は第１の実施の形態、第２の実施の形態、または第３の実施の形態のレーザー処理装置を用いて行うことができる。すなわち、基板２０１をチャック１０７で狭持して超音波振動源１０６からの超音波振動を与えてパルス発振又は連続発振するレーザー光２０６を照射する。レーザー光２０６は図１で示すようにパルス発振のエキシマレーザー光、又は図７で示すように連続発振のレーザー光を照射する方法のどちらでも良い。或いは、連続発光するエキシマレーザー光を照射しても良い。

このレーザー光２０６の照射により、非晶質領域を無くし結晶化率を向上させるなどの結晶性の向上を図ることができる。同時に、結晶性シリコン膜２０５中に残存する金属元素を分散させることができる。こうして結晶性シリコン膜２０７を得る（図８（Ｃ））。

図９で示すゲッタリングは、結晶性シリコン膜中に含まれる金属等の不純物を除去するために行う。すなわち、図８（Ａ）で添加した白金（Ｐｔ）を１×１０¹⁷/cm³以下の濃度にまで低減するために行う。図９で示す様に、結晶性シリコン膜２０７上にバリア層２０８を介在して非晶質シリコン膜２０９を形成し、ゲッタリングサイトとしている。非晶質シリコン膜２０９にはリンやボロン等の不純物元素、又はＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガス元素、酸素、窒素等を１×１０²⁰/cm³以上含ませて歪み場を形成する。好ましい形成方法として高周波スパッタリングでＡｒをスパッタガスとして非晶質シリコン膜を形成する。

熱処理はランプを熱源とするＲＴＡ、又は加熱された気体を用いるＲＴＡ（ガスＲＴＡ）で７５０℃、１８０秒のＲＴＡを行う。或いは、ファーネスアニール炉を用いて５５０℃にて４時間の熱処理を行う。触媒として用いた金属元素は超音波振動を加えながら行ったレーザー光の照射により分散されているので、この熱処理による金属元素の除去がされやすくなっている。すなわち、金属元素は非晶質シリコン膜２０９側に偏析して、結果的に結晶性シリコン膜２０７の高純度化をすることができる。その後、非晶質シリコン膜２０９はＮＦ₃やＣＦ₄を用いたドライエッチング、ＣｌＦ₃によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド（化学式 （ＣＨ₃）₄ＮＯＨ）を含む水溶液等アルカリ溶液によるウエットエッチングで除去する。またバリア層２０８はフッ酸でエッチング除去する。

以上のようにして結晶性の半導体膜を得ることができる。なお、図８及び図９において説明した結晶化とゲッタリングの条件は一例であり、熱処理温度やレーザー処理条件などは実施者が適宜決定すれば良い。

（第５の実施の形態）
本実施の形態では、半導体膜とゲート絶縁膜及び導電層を積層した構造を有する部位に、レーザーアニールを加える加工段階を含む半導体装置の作製工程について説明する。

まず、第４の実施の形態に基づいて、基板上に形成された半導体膜を所望の形状にエッチング処理して島状に分割することで、図１０（Ａ）で示す半導体膜２１３が得られている。この半導体膜２１３は、ＴＦＴのチャネル領域やソース及びドレイン等を形成する主要構成部となる。基板２０１は市販の無アルカリガラス基板等の使用が可能であり、半導体膜との間には窒化シリコン、酸化シリコン、酸窒化シリコン等の下地絶縁膜２０２が５０〜２００nmの厚さで形成している。また、この半導体膜２１３に対し、しきい値電圧をプラス側にシフトするにはｐ型を付与する不純物元素を、マイナス側にシフトさせるにはｎ型を付与する不純物元素を添加する。

次いで、半導体膜２１３上に厚さ１０〜１２０nmのゲート絶縁膜２１４を堆積する。ゲート絶縁膜２１４は、プラズマＣＶＤ法又は高周波スパッタリング法により、酸化シリコン、窒化シリコン、又はこれらを積層させた複合体として形成する。スパッタリング法で形成する場合には、ターゲトとして単結晶シリコンを用い、酸素又は窒素をスパッタガスとして用いる。スパッタリングは１〜１２０MHzの高周波電力を印加してグロー放電を形成して行う。

ゲート絶縁膜２１４の構成は、例えば、酸化シリコン膜を１０〜６０nmの厚さで形成し、窒化シリコン膜を１０〜３０nmの厚さで形成した積層構造とする。この積層構造のゲート絶縁膜は、酸化シリコンの比誘電率３．８に対し窒化シリコンの比誘電率は約７．５であることから実質的にはその薄膜化を図るのと同等の効果を得ることができる。

また、半導体膜２１３の表面の平滑性に関しては、レーザー光の照射時に超音波振動を与えたことにより、凹凸形状の最大値を１０nm以下好ましくは５nm以下となることを可能としている。ここで、ゲート絶縁膜２１４を、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の２層構造とすれば、当該ゲート絶縁膜の全厚さを３０〜８０nmとしてもゲートリーク電流を低減させ、２．５〜１０V、代表的には３．０〜５．５VでＴＦＴを駆動させることが可能となる。

ゲート絶縁膜２１４を形成した後、第１導電膜２１５を形成する。第１導電膜２１５はモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン等の金属窒化物、タングステンシリサイド（ＷＳｉ₂）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ₂）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉ₂）、クロムシリサイド（ＣｒＳｉ₂）、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ₂）、白金シリサイド（ＰｔＳｉ₂）等のシリサイド、リンやボロンをドーピングした多結晶シリコン等この種の材料から選択する。第１導電膜２１５の厚さは１０〜１００nm、好ましくは２０〜５０nmとする。

図１０（Ｂ）で示すように、ＲＴＡ又はフラッシュランプアニールにより、熱源からの電磁波２１６を照射して第１導電膜２１５を加熱する。第１導電膜２１５が形成されている領域で温度が上昇し、局所的な加熱をすることができる。この処理により膜中に取り込まれた微小なシリコンクラスターを酸化若しくは窒化させ、また、内部歪みを緩和して膜中欠陥密度、界面欠陥準位密度を低減させることができる。

その後、図１０（Ｃ）で示すように、第２導電膜２１７としてタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）から選ばれた元素又は当該金属元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料を堆積する。第１導電膜２１５と第２導電膜２１７とを加工してゲート電極を形成するが、その好ましい組み合わせは第１導電膜２１５を窒化タンタル（ＴａＮ）膜で形成し、第２導電膜２１７をタングステン（Ｗ）とする組み合わせ、第１導電膜２１５を窒化タンタル（ＴａＮ）膜で形成し、第２導電膜２１７をＴｉ膜とする組み合わせなどである。

次に、図１１（Ａ）で示すように、第１導電層２１５上に、ゲート電極のパターンに合わせてエッチング加工した第２導電層２１８を形成する。次いで、この第２導電層２１８をマスクとして一導電型の不純物をドーピングする。第１導電膜２１５を通過させて半導体膜２１３に一導電型の不純物を注入し、第１不純物領域２１９を形成する（図１１（Ｂ））。

次に、第１導電層２１５、第２導電層２１８上に酸化シリコン膜等の絶縁層を形成し、異方性エッチングによりサイドスペーサ２２０を形成する（図１１（Ｃ））。このサイドスペーサ２２０と第２導電層２１８をドーピング時のマスクとして用い、第１導電層２１５を通して一導電型の不純物が添加された第２不純物領域２２１を自己整合的に形成する（図１１（Ｄ））。

一導電型の不純物として、ｎ型不純物（ドナー）であればリン又はヒ素等の周期律１５族元素、ｐ型不純物（アクセプタ）であればボロン等の周期律１３族元素を添加する。これらの不純物を適宜選択することによりｎチャネル型又はｐチャネル型のＴＦＴを作製することができる。また、ｎチャネル型とｐチャネル型のＴＦＴを同一基板上に作り込むことも、ドーピング用のマスクパターンを追加するのみで実施することができる。

図１１（Ｅ）で示すように、ソース及びドレインを形成する第２不純物領域２２１、ＬＤＤを形成する第１不純物領域２１９の活性化は基板表面に対してレーザー光２２２を半導体層２１３に照射して不純物元素の活性化処理を行う。レーザー光２２２を照射する場合には、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態で示すいずれか一のレーザー処理装置を適用することができる。

その後、第２導電層２１８とサイドスペーサ２２０をマスクとして第１導電層２１５のエッチングを行う。そして、第３絶縁層２２３に水素を含有する酸窒化シリコン膜をＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃、Ｈ₂の混合ガスを用いてプラズマＣＶＤ法により基板加熱温度２５０〜３５０℃で形成する。膜厚は５０〜２００nmの厚さとし、成膜後に窒素雰囲気中で４１０℃の加熱処理により半導体層の水素化を行う（図１２（Ａ））。

さらにアクリル又はポリイミド等を主成分とする感光性又は非感光性の有機樹脂材料で第５絶縁層２２４を形成する。Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ等の導電性材料で形成する配線２２５は第３〜第５絶縁層に形成したコンタクトホールに合わせて設ける。第５絶縁膜を有機樹脂材料で形成することで配線間容量が低減し、又表面が平滑化されるため、この層上で配線の高密度化を実現することができる（図１２（Ｂ））。

こうして、ゲートオーバーラップＬＤＤ（低濃度ドレイン）構造のＴＦＴを完成させることができる。本実施の形態によれば、半導体膜２１３中における不純物の偏析による特性ばらつきの影響を排除したＴＦＴを得ることができる。

（第６の実施の形態）
第５の実施の形態により作製することができる半導体装置の一例として、マイクロコンピュータの一実施形態を図１３を用いて説明する。図１３に示すように、０．３〜１．１mmの厚さのガラス基板上に各種の機能回を集積化したマイクロコンピュータを実現することができる。各種の機能回路部は実施の形態５により作製されるＴＦＴによる集積回路で実現可能である。

図１３で示すマイクロコンピュータ３００の要素としては、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、割り込みコントローラ３０３、キャッシュメモリー３０４、ＲＡＭ３０５、ＤＭＡＣ３０６、クロック発生回路３０７、シリアルインターフェース３０８、電源発生回路３０９、ＡＤＣ／ＤＡＣ３１０、タイマカウンタ３１１、ＷＤＴ３１２、Ｉ／Ｏポート３０２などである。

本実施の形態ではマイクロコンピュータの形態を一例として示したが、各種機能回路の構成や組み合わせを換えれば、メディアプロセッサ、グラフィクス用ＬＳＩ、暗号ＬＳＩ、メモリー、グラフィクス用ＬＳＩ、携帯電話用ＬＳＩなど様々な機能の半導体装置を完成させることができる。

また、その他にもガラス基板上にＴＦＴを形成することにより、それを用いた液晶表示装置、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）表示装置を作製することができる。そのような表示装置を用いた電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポ等）、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又は電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはDigital Versatile Disc（ＤＶＤ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）等が挙げられる。また、家庭電化製品として冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ、固定電話機、ファクシミリ、真空掃除機、魔法瓶、炊飯器などに組み込む表示装置としても適用することも可能である。このように本発明の適用範囲はきわめて広く、さまざまな製品に適用することができる。

本発明に係るレーザー処理装置の一態様を示す図である。 本発明に係るレーザー処理装置のステージ部及び搬送手段の詳細を説明する図である。 レーザー光の照射により結晶化する過程で不純物が偏析するモデルを説明する図である。 本発明によりレーザー光照射の過程で不純物の偏析をなくすことができるモデルを説明する図である。 従来のレーザーアニールにより形成される多結晶半導体膜を示す図である。 本発明に係るレーザー処理装置の一態様を示す図である。 本発明に係るレーザー処理装置のステージ部及び搬送手段の詳細を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図である。 本発明による集積回路の構成を説明する図である。 本発明に係るレーザー処理装置のステージ部及び超音波振動を与える構成の詳細を説明する図である。

Claims (8)

1. 基板上に形成した半導体膜にレーザー光を照射して結晶化するに際し、チャックによって前記基板の端部を保持し、ステージ上に設けられた開孔から気体を噴出して前記基板を浮上させると共に、前記チャックに超音波振動を与えることにより前記基板に超音波振動を与えながら前記半導体膜に該レーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 基板上に形成した半導体膜にレーザー光を照射して結晶化するに際し、ガイドレールに充填した溶媒によって前記基板の端部を保持し、ステージ上に設けられた開孔から気体を噴出して前記基板を浮上させると共に、前記ガイドレールに超音波振動を与えることにより前記基板に超音波振動を与えながら前記半導体膜に該レーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 請求項１または２において、
   前記レーザー光の照射位置を重畳させながら前記半導体膜の全面を結晶化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記レーザー光は線状に集光されたレーザー光であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
   前記レーザー光の照射部周辺にはノズルから気体が供給されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 請求項５において、
   前記気体は加熱された気体であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
   前記レーザー光は酸素雰囲気中で照射されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
   前記超音波振動の振動周波数は１００ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ未満であることを特徴とする半導体装置の作製方法。

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