JP4935059B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
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。上記特許文献1によれば、レーザの波長を390nm以上640nm以下とする。多結晶シリコン膜の上記390nm以上の波長域のレーザ光の吸収率は、図20に示すとおり、非晶質シリコン膜のそれの60%以下である。そのため、非晶質シリコン膜にレーザが照射されてひとたび多結晶シリコン膜が形成されれば、その多結晶シリコン膜に上記波長域のレーザを、再度、照射しても、多結晶シリコン膜はレーザ光のエネルギを非晶質シリコン膜ほど多くは吸収しない。その結果、多結晶シリコン膜は再照射よって溶融することはなく、その特性はレーザの再照射によって大きく変化しない。このため、多結晶シリコン膜全体でほぼ均質な特性を得ることができる。
最初に一回のレーザ光照射によって形成された多結晶シリコンのレーザ光端部の状況を詳細に評価した。図21は非晶質シリコン膜にエネルギー密度490mJ/cm2のYAG2ωパルスレーザ(波長λ=532nm)を一回のみ走査して結晶化した多結晶シリコン上に作製されたNMOSトランジスタ(NMOS−TFT)の電気特性(移動度、スレッショルド電圧(Vth)、サブスレッショルド特性(S値=ゲート電圧がVth以下の領域においてドレイン電流を1桁上げるのに必要なゲート電圧の増分))の位置依存性を示したものである。移動度、Vth、S値はレーザ照射領域の中心部に作製されたTFTの特性で規格化している。YAG2ωレーザは1kHzで発振しており、1パルス当たり3μm基板を移動させて照射した。TFTは36μm間隔でレーザ光の長辺方向に平行に多数配置されている。非晶質シリコン膜の膜厚は70nmである。図21において横軸は基準位置からの距離を示し、レーザ照射領域は基準から900〜1600μmの領域であり、0〜900μmの領域はレーザ非照射領域である。ここで、レーザ照射領域端部は900μmである。
非晶質薄膜にレーザを照射する装置の構成を図2に示す。図2のレーザ照射装置はYAG2ω等の390〜640nm領域で発振するレーザ発振器20と、レーザ発振器20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10と、照射手段10に対して基板を移動させる移動手段30と、レーザを走査させる移動手段30を制御する制御手段40とからなる。
以下、その具体的な態様を説明する。
図6〜8は本発明の実施の形態1におけるTFTの製造方法を示す工程別断面図である。図6(a)においてガラス基板3上にシリコン窒化膜(SiN膜)4を100nm、シリコン酸化膜(SiO2膜)5を100nm、非晶質シリコン膜33を70nm、それぞれプラズマCVD法により順次形成した。ガラス基板3にはコーニング社製1737を用いた。SiN膜4はガラス基板中の不純物が半導体層に拡散するのを防ぐために形成しており、これに限るものではなく、SiON、SiC、AlN、Al2O3などの材料を用いても良い。また、今回は非晶質シリコン膜33の下地膜としてSiO2膜5とSiN膜4の2層構造を用いたが、これに限るものではなく、これらの膜は省いても良いし、更に積層構造としても良い。次に非晶質シリコン膜33を真空中で熱処理し、不要な水素を除去した。
1回目のレーザ光の走査の後、2回目のレーザ光の走査を1回目のレーザ照射領域と長辺方向に0.5mm重なるようにガラス基板3を移動させて行った。この走査を繰り返すことにより、ガラス基板3上の非晶質シリコン膜33を多結晶シリコン膜34にした。多結晶シリコン膜34はレーザ照射部37およびレーザ重畳部36とからなる。得られた多結晶シリコン膜の粒径は0.5μm程度である。
次に図8(b)に示すように、アッシングと薬液処理によりレジスト13を除去した後にPを加速エネルギー70keVで1×1013cm−2注入した。この工程によりNMOS−TFTのLDD(Lightly Doped Drain)領域6a、6bがソース領域42a、42b、ドレイン領域52a、52bよりゲート電極16に近いところに形成される。なお、保持容量部ではLDD領域の表示を省略した。
なお実施の形態5ではレーザにTi:サファイヤ2ωレーザを使用したが、Dyeレーザを使用しても良い。
図6において、レーザ重畳部36の表面凹凸は、走査の重なっていない部分にできたレーザ照射部37の表面凹凸よりも大きい。この表面の平均凹凸をレーザ干渉式3次元表面形状測定機(Veeco社製NT3300、分解能0.1nm)で測定したところ、レーザ重畳部36でRa=8nm、レーザ照射部37でRa=6nmであった。このレーザ光走査を重ねたレーザ重畳部36の表面凹凸が大きくなる理由を図16により説明する。短辺方向の幅40μmのレーザ光を3μmステップでずらしながら照射しているために、ある一点の非晶質シリコン(2度目以降のパルス照射後は多結晶シリコン)は13回レーザ光の照射を受ける。
さて、レーザ光の走査の重なり部分では、照射されるレーザパルスの回数が重なっていない部分の2倍になるために得られたレーザ重畳部36の表面凹凸は大きくなる。この結果、本発明で波長390から640nmのレーザ光を使用し、シリコン膜厚を60nm以上100nm以下にするとレーザ光走査を重ねた部分の表面凹凸がそうでない部分より大きいシリコン膜が得られる。
このメカニズムを以下に説明する。
突起部には前述したように必ず結晶粒界がある。これはシリコンが最後に固化した点が突起部になるからである。レーザ走査を重ねた領域すなわち表面凹凸が増大した場所では、突起部の高さが高くなるため結晶粒界の面積が増大する。
この結晶粒界はシリコンのエネルギー帯中に準位を作る不純物(Fe、Cr、Niなど)をトラップするサイトとして働く。いわゆる半導体でいうゲッタリング効果である。
従って、レーザ走査を重ねた領域すなわち表面凹凸が増大した場所では、結晶粒界の面積が大きいため、不純物のゲッタリング効果が大きくなる。そのためシリコン結晶中の不純物の密度を減らすことができる。
つまり、表面凹凸を大きくすることによりリーク電流の少ないTFTを得ることができる。
実施の形態1ではレーザ光走査の重なり部分のシリコン膜も、そうでない部分のシリコン膜にもTFTを作製し、NMOSトランジスタは全て同一の電源電圧で、PMOSトランジスタは全て同一の電源電圧で動作させたが、最近では異なった電源電圧を使用する表示装置が製造されるようになってきている。これはゲートドライバ回路、ソースドライバ回路に限らず、信号制御回路、対向電極駆動回路、階調電圧回路、電源昇圧回路など表示装置を動作させるための回路を全てガラス基板上のTFTで作製するようになってきたためである。このように全ての回路を搭載した液晶表示装置の場合、回路によってTFTトランジスタを異なった電源電圧で駆動する必要がある。図18に示す液晶表示装置において、例えば信号制御回路105は3V、対向電極駆動回路103、階調電圧回路106、ゲートドライバ102、ソースドライバ101は5V、電源昇圧回路104は7Vで動作させる必要がある。液晶表示部107は通常は5Vで動作させるが、動画等を再生する場合には液晶を高速に動作させるために7Vを印加する場合もある。この場合にはソースドライバ101にも7Vを印加する。
Claims (6)
- 絶縁体上に形成された非晶質シリコン膜に、照射面が矩形のパルス状発振のレーザ光を前記照射面の長手方向に交差する方向にスキャンしながら照射し第1の多結晶シリコン膜を形成する第1スキャン工程と、前記第1の多結晶シリコン膜に照射面の一部を重畳し、かつ前記第1の多結晶シリコン膜に隣接する非晶質シリコン膜に前記レーザ光を前記照射面の長手方向に交差する方向にスキャンしながら照射し第2の多結晶シリコン膜形成する第2スキャン工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第1スキャン工程と前記第2スキャン工程との前記レーザ光の照射面の重畳部の幅は、前記レーザ光のビーム端部において干渉を起こしている領域を含む幅であり、
前記レーザ光の波長範囲が390nmから640nmであり、前記非晶質シリコン膜の膜厚が60nm以上100nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - レーザ光は、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レーザのいずれかから発振されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 絶縁体上に形成された非晶質シリコン膜に、断面が細長に成形されたパルス状発振のレーザ光を用い、その細長断面の長手方向に交差する方向に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第1スキャン工程により照射領域を第1の多結晶シリコン膜とし、前記第1の多結晶シリコン膜に一部を重畳し、かつ前記第1の多結晶シリコン膜に隣接する非晶質シリコン膜に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第2スキャン工程により照射領域を第2の多結晶シリコン膜とする半導体装置の製造方法であって、
前記第1スキャン工程と前記第2スキャン工程との前記レーザ光の照射面の重畳部の幅は、前記レーザ光のビーム端部において干渉を起こしている領域を含む幅であり、
前記レーザ光の波長が532nmであり、前記非晶質シリコン膜の膜厚が55nm以上150nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 絶縁体上に形成された非晶質シリコン膜に、断面が細長に成形されたパルス状発振のレーザ光を用い、その細長断面の長手方向に交差する方向に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第1スキャン工程により照射領域を第1の多結晶シリコン膜とし、前記第1の多結晶シリコン膜に一部を重畳し、かつ前記第1の多結晶シリコン膜に隣接する非晶質シリコン膜に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第2スキャン工程により照射領域を第2の多結晶シリコン膜とする半導体装置の製造方法であって、
前記第1スキャン工程と前記第2スキャン工程との前記レーザ光の照射面の重畳部の幅は、前記レーザ光のビーム端部において干渉を起こしている領域を含む幅であり、
前記レーザ光の波長が390nmであり、前記非晶質シリコン膜の膜厚が60nm以上100nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 絶縁体上に形成された非晶質シリコン膜に、断面が細長に成形されたパルス状発振のレーザ光を用い、その細長断面の長手方向に交差する方向に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第1スキャン工程により照射領域を第1の多結晶シリコン膜とし、前記第1の多結晶シリコン膜に一部を重畳し、かつ前記第1の多結晶シリコン膜に隣接する非晶質シリコン膜に前記レーザ光をスキャンしながら照射する第2スキャン工程により照射領域を第2の多結晶シリコン膜とする半導体装置の製造方法であって、
前記第1スキャン工程と前記第2スキャン工程との前記レーザ光の照射面の重畳部の幅は、前記レーザ光のビーム端部において干渉を起こしている領域を含む幅であり、
前記レーザ光の波長が640nmであり、前記非晶質シリコン膜の膜厚が50nm以上200nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 絶縁体はガラス基板または石英基板であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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