JP5211294B2 - 半導体素子,薄膜トランジスタ,レーザーアニール装置,並びに半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
このエキシマレーザーは、XeClやKrFなどのガスを励起することにより得られる高出力の紫外光パルス発振レーザー(XeClガスの場合は波長308nm,KrFガスの場合は波長254nm)であり、Si膜に対する吸収が大きい波長であるため、Si膜表面部分のみを瞬間的(数10ns)に加熱することが可能である。そのためガラス基板に熱変形等のダメージを与えることが無く、耐熱性の低い安価なガラス基板が利用できるようになり、更にはプラスチック基板を用いることも可能である。
しかし、グリーンレーザーはエキシマレーザーに比べて、多結晶Siに対する光吸収係数が小さいことから、レーザーエネルギーの一部が透過するという特徴があるため、エネルギーの高効率利用の観点で課題がある。
しかし、エキシマレーザーは、上述したように多くの技術的課題を有している。
本発明の技術的ポイントは、基板上に下地層と半導体層が順に二層以上形成させることによって、上層の半導体層に照射されたレーザーエネルギーを、上層の半導体層だけでなく、下層の半導体層にも、エネルギーを与えることにある。これによって、多層構造の半導体薄膜を1度に得るものである。前述した特許文献の中にも、多層構造の半導体薄膜の構造があるが、あくまで上層の半導体層の多結晶化であって、これまで多層の薄膜の結晶化を試みた事例は見当たらない。
より具体的には、可視光領域にピーク波長を有するレーザーは、レーザーのピーク波長が500〜1600nmであることが好ましく、より好ましくは、レーザーは、Nd:YAGレーザー(基本波長:1064nm)の二倍波(波長532nm)であるグリーンレーザーを用いるのがよい。
また、もう一つの狙いは、下層の非結晶Si膜(第1のシリコン膜)の結晶化であり、結晶化した下層のSi膜(第1のシリコン膜)を利用することにより付加価値のあるデバイス開発への発展が期待される。結晶化した下層のSi膜(第1のシリコン膜)は、上層(第2のシリコン膜)の半導体素子の構成要素に使う補助配線(ゲート、ボディ端子、配線)として利用できる。
基板の裏面からレーザーを照射できるとなると、下層の半導体膜(第1のシリコン膜)の特質を制御しておくことで(例えば、水素を多く含有させておく。)、レーザーを照射することによって、下層の半導体薄膜(第1のシリコン膜)の部分において容易に剥離されることにより、ガラス基板から独立して半導体薄膜を得ることができるのである。
基板がガラス基板などの透明絶縁体基板である場合、基板の裏面から可視光領域にピーク波長を有するレーザーを照射できるからである。
また、上層と下層の利用用途を反転させて、上述した多層半導体膜において、下層の半導体膜(第1のシリコン膜)を能動層、上層の半導体膜(第2のシリコン膜)を熱浴若しくは補助配線(ゲート、ボディ端子、配線)に用いたことを特徴とする。
同時に結晶化される多層半導体膜を効率よく利用することにより付加価値のあるデバイス開発への発展が図れることとなる。
上層以外の下層の微結晶化するSi膜も有効的に利用することにより、高品質な上層の多結晶Si膜と合わせて、新規なデバイス開発が行えるといった効果もある。
ガラス基板上に酸化シリコンを下地層として積層し、次いで、Si半導体層を順に積層する実施例について説明する。また、可視光領域若しくは赤外領域にピーク波長を有するレーザーとしてはグリーンレーザーを用いる。
グリーンレーザーは、その波長(532nm)が結晶Siに対して大きい透過性を持つため、半導体薄膜の製造過程で、一度上層の非晶質Siが結晶化してしまうと、そこに照射されたグリーンレーザー光の大部分は透過してしまうこととなる。
このグリーンレーザー光を高効率に利用すべく、本発明では、上層のSi膜の下部に、間に酸化シリコン層を挟み、もう一層Si膜を形成する。
そのようにすることで、上層のSi膜を透過したグリーンレーザー光を、下層のSi膜に吸収させ、それにより生じる発熱によって、上層のSiの横方向の結晶化の促進および結晶粒界・欠陥の改質を図り、さらには結晶化レーザーエネルギーの低減を目指すのである。これがグリーンレーザーアニールを用いた結晶化におけるSi薄膜の二層構造化の狙いである。
図1に示されるように、Si薄膜を二層構造化することにより、上層のSi膜を透過したグリーンレーザー光を下層のSi膜が吸収することにより生じる発熱によって、上層の多結晶Siの横方向の結晶化の促進および結晶粒界・欠陥の改質を図ることができるのである。
ここで、二層構造Si薄膜において、下層のSi膜を1層目Si膜、上層のSi膜を2層目Si膜と呼ぶことにする。以下では、二層構造poly−Siとは、GLA結晶化された二層構造Si薄膜の2層目の多結晶Si膜を指すこととする。
また、一層構造poly−SiとはGLA結晶化された一層構造Si薄膜を指すこととする。
図4にGLA結晶化した二層構造Si薄膜を用いた薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)の断面模式図を示す。
図5に結晶化レーザーエネルギー密度を変えていったときの二層構造poly−SiのSEM(Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡)像およびAFM(Atmic Force Microscope,原子間力顕微鏡)像を示す。二層構造poly−Siの表面SEM像を示す。SEM観察前にサンプル表面はセコエッチングされている。
SEM像より、レーザーエネルギー密度が449mJ/cm2のときまでは二層構造poly−Siの結晶粒径は200〜300nm程度で変化しないが、473mJ/cm2のときには約2μm間隔で並ぶSiの隆起が観察され、結晶粒径も500nm以上になる。
ここで特筆すべき点は、結晶化のレーザーエネルギー密度が一層構造Si薄膜の結晶化よりも約3割低減できていることと、成長した結晶粒はスキャン方向に長くなるばかりではなく、スキャン方向に垂直な方向にも大きく成長していることである。これは1層目非晶質Si膜が2層目Si膜を透過したレーザー光を吸収・発熱することにより、レーザー光を吸収して発熱・溶融した2層目Si膜の溶融時間が延長したことによるものといえる。
GLA結晶化においてSi膜を二層構造化することにより、結晶化レーザーエネルギーを低減でき、かつ粒径の大きな多結晶Si膜を成長させることに成功したといえる。
今まで異方性を帯びていた多結晶Siが、この結晶化エネルギー条件で等方性を帯びるようになり、これは薄膜トランジスタを作製した場合、その薄膜トランジスタ特性のチャネル方向依存性が低減されていることが期待されることになる。
次に、結晶化後の1層目Siの結晶性について説明する。1層目Siの評価は、2層目Siをフッ硝酸で、中間の酸化シリコンをBHF(Bufferd Hydrofloric Acid、緩衝フッ酸溶液)でウェットエッチングした後に評価を実施した。
図8に1層目Siの表面SEM像を示す。Si表面はセコエッチングされている。これより結晶化レーザーエネルギー密度が449mJ/cm2のときまでは、1層目Siはほとんど結晶化していないことがわかる。すなわち、大部分が非晶質Siの状態であったため、セコエッチングした際にすべてエッチングされてしまい、SEM観察ができなかった。
結晶化レーザーエネルギー密度が大きくなり473mJ/cm2、496mJ/cm2になると、1層目Siは微結晶Siになりセコエッチングしても結晶が残り、SEM観察することができた。これは、2層目多結晶Siを透過したレーザー光が1層目の非晶質Siを微結晶化するのに十分なエネルギーを持っていたためによると考えられる。その1層目の微結晶化の際の発熱が2層目の結晶化を促進したと思われ、2層目Siが大粒径の多結晶Siに成長するためには少なくとも2層目Siを透過したレーザー光が1層目を微結晶化するのに必要なエネルギーを有していなくてはならないことが理解される。
図10(1)に二層構造poly−Siを用いて作製された薄膜トランジスタ(TFT)の伝達特性を、図10(2)に一層構造poly−Siを用いて作製されたTFTの伝達特性をそれぞれ示す。結晶化エネルギー条件は二層構造poly−Siは473mJ/cm2、一層構造poly−Siは591mJ/cm2である。
ここで、TFTのチャネル方向がレーザースキャン方向に平行なものをスキャン方向平行、チャネル方向がレーザースキャン方向に垂直なものをスキャン方向垂直と以下指すこととする。
上記2つのTFTはスキャン方向平行である。これより二層構造poly−Siを用いて作製されたTFTの方が大きい移動度を有していることがわかる。
これらから、二層構造化したSi膜を用いて結晶化した多結晶SiがTFTに応用できることが理解できよう。
これらの伝達特性の移動度はともに300cm2/Vsを超えており、飽和領域の伝達特性のドレイン電流の立ち上がりの電圧が線形領域のそれとほぼ同じであり、非常に良好な特性を示していることが理解される。
これは、結晶化エネルギーが大きくなるにつれて結晶粒径が大きくなり、結晶性が良い領域にチャネルが位置するようなTFTではこのような良好な伝達特性が得られるものと考えられる。
これは、この結晶化レーザーエネルギー密度で結晶化された二層構造poly−Siの表面SEM像、AFM像から分かるように、多結晶Siの結晶粒形状や表面状態が等方的であり、また局所的に2μmを超える大粒径の結晶粒が成長しているためであると考えられる。
また、レーザーエネルギー依存性は特に確認されなかった。これは、すなわち二層構造poly−Siを用いたTFTのS値は多結晶Siの粒径に依存していないということであり、結晶粒界の性質がエキシマレーザーアニールにより結晶化された多結晶Siや一層構造poly−Siとは異なり、そこに位置する電子のトラップ準位が1層目Siの発熱による2層目多結晶Siの結晶粒界の改質効果により十分に低減されているものと考えられる。
これは、図14(2)に示されるように、一層構造poly−Siでは電流の流れる方向がスキャン方向に垂直な方向のシート抵抗が、結晶化レーザーエネルギーの増大に対して変化しないことと対照的であり、これも1層目Siの発熱による2層目多結晶Siの結晶粒界に対する改質効果により、粒界に位置するキャリアのトラップ準位が低減されていることによるものと考えられる。
Claims (7)
- 基板上に第1の下地層、第1のシリコン膜、第2の下地層、第2のシリコン膜が順に積層された多層半導体素子であって、前記第2のシリコン膜の上方から可視光領域にピーク波長を有するレーザーが照射されることにより、多層半導体膜が結晶化される半導体素子において、
前記レーザーがグリーンレーザーであって、該グリーンレーザーのエネルギー密度を前記第2のシリコン膜を500nm以上の結晶粒径を有するように多結晶化させると同時に、前記第1のシリコン膜を微結晶化させるエネルギー密度とし、
微結晶化した前記第1のシリコン膜を熱浴として、多結晶化した前記第2のシリコン膜の結晶粒界及び欠陥の改質が図られたことを特徴とする半導体素子。 - 前記グリーンレーザーのエネルギー密度が、449 mJ/cm2より大きく496 mJ/cm2未満であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記基板の裏面から前記レーザーが照射され、前記第1のシリコン膜の部分で剥離され、前記基板から独立した多層半導体膜が形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。
- 請求項1乃至3のいずれかの半導体素子の多層半導体膜を用いた薄膜トランジスタであって、前記第2のシリコン膜を能動層、前記第1のシリコン膜を補助配線(ゲート、ボディ端子、配線)に用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項1乃至3のいずれかの半導体素子の多層半導体膜を用いた薄膜トランジスタであって、前記第1のシリコン膜を能動層、前記第2のシリコン膜を補助配線(ゲート、ボディ端子、配線)に用いたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項1の半導体素子を作製するための装置であって、
前記多層半導体素子に対して、前記第2のシリコン膜の上方から可視光領域にピーク波長を有するレーザーを照射させて、多層半導体膜を結晶化させる手段を備え、
前記レーザーがグリーンレーザーであって、該グリーンレーザーのエネルギー密度を、前記第2のシリコン膜を500nm以上の結晶粒径を有するように多結晶化させると同時に、前記第1のシリコン膜を微結晶化させるエネルギー密度とし、
微結晶化した前記第1のシリコン膜を熱浴として、多結晶化した前記第2のシリコン膜の結晶粒界及び欠陥を改質し得ることを特徴とする多層半導体膜作製用レーザーアニール装置。 - 請求項1の半導体素子を製造する方法であって、
前記多層半導体素子に対して、前記第2のシリコン膜の上方から可視光領域にピーク波長を有するレーザーを照射させて、多層半導体膜を結晶化させる工程を備え、
前記レーザーがグリーンレーザーであって、該グリーンレーザーのエネルギー密度を、前記第2のシリコン膜を500nm以上の結晶粒径を有するように多結晶化させると同時に、前記第1のシリコン膜を微結晶化させるエネルギー密度とし、
微結晶化した前記第1のシリコン膜を熱浴として、多結晶化した前記第2のシリコン膜の結晶粒界及び欠陥を改質し得ることを特徴とする半導体素子の製造方法。
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