JPH05190451A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大面積基板上に堆積された非晶質半導体層上
に紫外線を照射させて多結晶半導体層を得る際、従来使
用されているエキシマレーザー装置を用いながら、結晶
性の均一を図ることにより高品質の多結晶半導体層を得
る。 【構成】 絶縁性基板上に堆積した非晶質半導体層を、
所定面積のビームスポットを有するエキシマレーザーで
照射することにより結晶化させて多結晶半導体層を得る
工程を具備する半導体素子の製造方法において、前記ビ
ームスポットによる照射面積が１ｍｍ以下のピッチでず
れるように、ビームスポットを半導体層上で相対的に走
査することにより、半導体層上での各部分において照射
される総エネルギー量を均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜プロセスで積層形
成される半導体素子の製造方法に係り、特に、大面積基
板上に堆積された非晶質半導体層上に紫外線を照射さ
せ、アニールすることにより結晶化させて多結晶半導体
層を得る際の照射方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶パネルや、
高速で高解像度の密着型イメージセンサへの要求が高ま
るにつれ、大面積の絶縁性基板上に薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を高性能かつ均一に作製することが望まれて
いる。薄膜トランジスタは、例えば、歪点温度は低いが
安価で大面積化が容易なガラス基板上に多結晶半導体層
を形成し、この多結晶半導体層にチャンネルが形成され
る半導体活性領域、低抵抗のソース電極及びドレイン電
極、ゲート電極を各々形成して構成される。歪点温度が
低いガラス基板を使用した場合、ガラス基板への熱ダメ
ージを少なくする必要があるので、次のような方法で多
結晶半導体層を得ていた。すなわち、ガラス基板上にア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を堆積した後、エキシ
マレーザーから照射される紫外線でアニールすることに
より多結晶シリコン（poiy-Si）層を得る。エキシマレ
ーザーから照射される紫外線は、ビームホモジナイザー
等を介することにより、約１０ｍｍ角のビームスポット
とすることができるが、ガラス基板に比較して小さいた
め、図４に示すように、ガラス基板上でエキシマレーザ
ーのビームスポットをずらして複数回照射し、ガラス基
板上に堆積された大面積の非晶質半導体層をアニールす
ることが行なわれていた。その際、紫外線が照射されな
い部分を排除するため、及びビームスポットの照射面積
端部で照射エネルギーが急激に減少するためにアニール
が不完全になるのを防止するため、ビームスポットの照
射面積端部で重なり合うよう（図４及び図５のＬ部分）
に照射を行なっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法によると、前記したビームスポットの重なり部分にお
ける照射される総エネルギー量を、他の部分と均一にす
るのが困難であり、その結果、その重なり部分で膜スト
レスが増加したり表面平坦性が劣化し高品質な多結晶半
導体層を得ることができないという問題点があった。ま
た、ビームホモジナイザー等でビームを加工，整形して
も、図５に示すように、ビーム内でのエネルギー密度の
バラツキが数％残存し、これによっても半導体層上での
各部分における照射される総エネルギー量を均一にでき
ず、前記同様の問題点が生じる。

【０００４】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、大面積基板上に堆積された非晶質半導体層上に紫外
線を照射させて多結晶半導体層を得る際、従来使用され
ているエキシマレーザー装置を用いながら、結晶性の均
一を図ることにより高品質の多結晶半導体層を得ること
ができる半導体素子の製造方法を提供することを目的と
している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記従来例の問題点を解
決するため請求項１の半導体素子の製造方法は、絶縁性
基板上に堆積した非晶質半導体層を、所定面積のビーム
スポットを有するエキシマレーザーで照射することによ
り結晶化させて多結晶半導体層を得る工程を具備する半
導体素子の製造方法において、前記ビームスポットによ
る照射面積が１ｍｍ以下のピッチでずれるように、ビー
ムスポットを半導体層上で相対的に走査することを特徴
としている。

【０００６】また請求項２の半導体素子の製造方法は、
請求項１において、結晶化のためのしきい値より大きい
エネルギー密度でエキシマレーザーによる照射を行なう
第１の照射工程と、第１の照射より大きいエネルギー密
度でエキシマレーザーによる照射を行なう第２の照射工
程とを有することを特徴としている。

【０００７】

【作用】請求項１の発明方法によれば、ビームスポット
による照射面積が１ｍｍ以下のピッチでずれるように走
査するので、半導体層上での各部分において照射される
総エネルギー量を均一化して、結晶性の均一化を図るこ
とができる。

【０００８】また、請求項２の発明方法によれば、非晶
質半導体層を低エネルギー密度の光で結晶化することに
より欠陥は多いものの平坦な多結晶半導体膜を形成し、
高エネルギー密度の光を再度照射することにより、平坦
性を維持しつつ前記半導体膜中の欠陥を溶解することに
より、平坦性に優れ且つ結晶性の更なる均一化を図るこ
とができる。

【０００９】

【実施例】本発明方法の第１の実施例について、図２
（ａ）〜（ｄ）に示すｎ型薄膜トランジスタの製造方法
を例に説明する。大面積の液晶パネルや密着型イメージ
センサでは、能動素子として複数の薄膜トランジスタが
絶縁性基板上に形成される。絶縁性基板としてガラス基
板１を使用し、ステージ（図示せず）上に配置されたガ
ラス基板１の表面にＬＰＣＶＤ法により５００℃の着膜
温度で１０００オングストロームの厚膜でアモルファス
シリコン（ａ−Ｓｉ）膜２を堆積し（図２（ａ））、エ
キシマレーザー（ＫｒＦ ２４８ｎｍ，１０Ｈｚ）から
の紫外線の照射によりアニールを行なって多結晶シリコ
ン（poly-Si）層２′を形成する（図２（ｂ））。前記
堆積は、スパッタ法，ＰＥＣＶＤ法等で行なってもよ
い。エキシマレーザーのビームスポットは、ビームホモ
ジナイザー（図示せず）等を介することにより約１０ｍ
ｍ角の照射面積とし、ビームスポット内のエネルギーの
均一性は±５％以下にできる。

【００１０】前記アニールは、エキシマレーザーとステ
ージとを相対的に移動させることにより、図１に示すよ
うに、ガラス基板１上に堆積されたアモルファスシリコ
ン膜２上をビームスポットが０．５ｍｍずつ移動してア
モルファスシリコン膜２の全体面を走査するようになっ
ている。すなわち先ず初めに、ガラス基板１の左下にビ
ームスポットの照射面積Ａを位置させ、この照射面積Ａ
が右側方向（Ｘ方向）へ０．５ｍｍずつ移動するように
走査する。照射面積Ａがガラス基板１の右側端部に達し
たら、照射面積Ａを上側方向（Ｙ方向）へ０．５ｍｍ移
動させ、今度は照射面積Ａが左側方向へ０．５ｍｍずつ
移動するように走査する。照射面積Ａがガラス基板１の
左側端部に達したら、照射面積Ａを上側方向（Ｙ方向）
へ０．５ｍｍ移動させ、今度は照射面積Ａが再び右側方
向（Ｘ方向）へ０．５ｍｍずつ移動するように走査す
る。以上の走査を繰り返すことによりガラス基板１上に
堆積されたアモルファスシリコン膜２の全体面について
ビームスポットの照射面積Ａが走査される。

【００１１】また、アニールはアモルファスシリコン層
２の全体面をビームスポットが２回走査することにより
行なう（ステップアニール）。すなわち、１回めの照射
によるエネルギー密度は、結晶化のためのしきい値より
大きいエネルギー密度で行ない、２回めの照射では、１
回めの照射より大きいエネルギー密度で行なう。本実施
例においては、前記しきい値エネルギー密度が２００ｍ
Ｊ／ｃｍ²であるので、１回めは２７０ｍＪ／ｃｍ²のエ
ネルギー密度で、２回めは４５０ｍＪ／ｃｍ²のエネル
ギー密度でそれぞれ行なった。

【００１２】次に、多結晶シリコン層２′を島状にパタ
ーニングして各薄膜トランジスタについて島状部３をそ
れぞれ形成する。次いで、ＬＰＣＶＤ法により１０００
オングストロームの厚膜で酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜
を堆積してゲート絶縁膜４を形成し、更にＰＣＶＤ法に
よりpoly-Si膜を堆積し、このpoly-Si膜をフォトリソ法
によりパターニングしてゲート電極５を形成する（図２
（ｃ））。

【００１３】次に、イオン注入法により島状部３及びゲ
ート電極５にリンを注入し、島状部３にソース領域３ａ
及びドレイン領域３ｂを形成する。次いでＬＰＣＶＤ法
により７０００オングストロームの厚膜で酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）膜を堆積して層間絶縁膜６を形成する。注
入リンを活性化した後、各ソース領域３ａ及びドレイン
領域３ｂに対応するゲート絶縁膜４及び層間絶縁膜６に
コンタクト孔７を穿孔し、アルミニウム（Ａｌ）膜を堆
積及びパターニングして配線８を形成する（図２
（ｄ））。

【００１４】第２の実施例として、上記実施例のように
ステップアニールすることなく、アモルファスシリコン
膜２の全体面を、４５０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度
を有するビームスポットが１回走査することによりアニ
ールを行なって（シングルアニール）薄膜トランジスタ
を形成した。他の手順は第１の実施例と同様であるので
説明を省略する。

【００１５】上記実施例によれば、エキシマレーザーの
ビームスポットによる照射面積が０．５ｍｍのピッチで
ずれるように走査するので、ビームスポット内にエネル
ギー密度のバラツキが存在しても、小さいピッチで照射
面積が進行していくので、アモルファスシリコン層の微
小部分でみた場合、照射される総エネルギー量はアモル
ファスシリコン層の各部分において均一となり、結晶性
の均一化を図ることができる（図３）。これに対してビ
ームスポットの端部が重なるようずらしていく従来方法
であると、重なり部分における総エネルギー量を他の部
分と同じにするのが困難であり、また、ビームスポット
内のエネルギー密度のバラツキが、そのままアモルファ
スシリコン層の結晶性のバラツキに反映されてしまう
（図５）。

【００１６】また、ビームスポット端ではエネルギー密
度が急激に減少するが、その幅は約２００μｍである。
本実施例ではエキシマレーザーのビームスポットが小さ
いピッチで進行（微小ピッチ走査）していくので、ビー
ムスポット端前方に隣接するアモルファスシリコン層部
分（次照射部）は、アニールされている部分から放射さ
れる熱によって温度上昇しているものろ考えられる。従
って、隣接するアモルファスシリコン層部分がアニール
される時には、この温度の上昇分だけ冷却速度が低下す
るため、結晶化において得られる粒径は大きく良質なも
のとすることができると考えられる。実験結果によれ
ば、隣接部分に有効な温度上昇を与えるためには、走査
ピッチ量Ｍは０．５ｍｍ以下にすることが望ましい。

【００１７】また、アニール部分に隣接するアモルファ
スシリコン層部分の温度上昇が大きい程、前記した冷却
速度の低下により結晶化が緩やかに進み、得られる多結
晶シリコン膜の膜ストレスは小さくなるものと考えられ
る。従って、エキシマレーザーのビームスポットの微小
ピッチ走査を行なうと、結晶性の向上とともに膜ストレ
スの低下による結晶性の均一化を図ることができる。

【００１８】次に、具体的な数値例をあげて上記実施例
の効果について説明する。第１の実施例（微小ピッチ走
査あり、ステップアニール）及び第２の実施例（微小ピ
ッチ走査あり、シングルアニール）で形成された薄膜ト
ランジスタの移動度μ，しきい値電圧Ｖth，リーク電流
Ｉleakの各々のガラス基板内でのバラツキを特性均一性
（３σ／aveで示される。σ：分布の標準偏差、ave：平
均値）を測定し、照射方法依存性として表１に示す。表
１では比較のため、従来例で述べたようにビームスポッ
トの重なり幅Ｌ（図４及び図５）を０．５ｍｍとし、４
５０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度を有するビームスポ
ットでアニールを行なった場合（微小ピッチ走査なし、
シングルアニール）と、ビームスポットの重なり幅Ｌを
０．５ｍｍとし、１回めは２７０ｍＪ／ｃｍ2のエネル
ギー密度で、２回めは４５０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー
密度でアニールを行なった場合（微小ピッチ走査なし、
ステップアニール）で得られた薄膜トランジスタの移動
度μ，しきい値電圧Ｖth，リーク電流Ｉleakの特性均一
性を示した。

【００１９】

【表１】 特性均一性［％］（３σ／ave） レーザ−照射方法 μ Ｖth Ｉleak 微小ピッチ走査あり、ステップアニール ５ ２２ ２２ 微小ピッチ走査あり、シングルアニール ２０ １５ ５２ 微小ピッチ走査なし、ステップアニール ３５ ３７ ５６ 微小ピッチ走査なし、シングルアニール ８１ ３８ １１８

【００２０】表１より、ステップアニール及びシングル
アニールの両方の場合において、ビームスポットを０．
５ｍｍずつ移動してアニールを行なう（微小ピッチ走査
あり）方法によって形成された薄膜トランジスタの方
が、特性の均一性が向上していることが確認できた。ま
た、微小ピッチ走査ありでステップアニールを行なった
場合、微小ピッチ走査ありでシングルアニールを行なっ
た場合に比較して、しきい値電圧Ｖthに関しては変化が
ないものの移動度μ及びリーク電流Ｉleakについては著
しく均一化することがわかった。また、微小ピッチ走査
ありでステップアニールを行なった場合の薄膜トランジ
スタ特性としては、移動度μが６０ｃｍ²／V・S、しき
い値電圧Ｖthが１．５Ｖ以下、リーク電流Ｉleakが０．
１pA／μｍ以下と良好なものであった。

【００２１】ステップアニールを行なうと更に結晶性が
均一化するのは、以下の理由によるものと考えられる。
第１回めの照射によりアモルファスシリコン層を低エネ
ルギー密度の光で結晶化して、欠陥は多いものの平坦な
poly-Si膜を準備し、欠陥の溶解除去のための第２回め
の高エネルギー密度の光の照射が行なわれた場合、ビー
ムスポット端でのエッジヒーティング効果が減少するた
めである。すなわち、アモルファスシリコンに比較して
１ケタ熱伝導率が良い多結晶シリコンに膜全体が変換さ
れているため、ビームスポット端において熱がこもりに
くくなり、ビームスポット端での平坦性が劣化したり膜
ストレスが増加したりすることを防止する。また、第１
回めの照射による低エネルギー密度のアニールにおいて
は、低エネルギー密度のため平坦性がよく、第２の照射
による高エネルギー密度のアニールでは、前記平坦性を
大きく劣化せずにしかも膜中の欠陥を溶解することがで
きる。従って、ステップアニールでは、単一エネルギー
密度の光のみでアニールする場合（シングルアニール）
に比較して、平坦性にすぐれ且つ結晶性の更なる均一化
を図ることができる。

【００２２】第１の実施例（微小ピッチ走査あり、ステ
ップアニール）で作製された多結晶シリコン膜の粒径と
平坦性とをそれぞれＴＥＭ，ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）
にて観察したところ、粒径が通常の０．１０μｍが０．
１５μｍ〜０．２０μｍの大きさに向上し、平坦性は２
０％以下であった。尚、平坦性は、表面の凹凸差の１／
２を膜厚で割った値で定義した。また、第１の実施例に
おいて、第２回めの照射に際し、高エネルギー密度を４
５０ｍＪ／ｃｍ²から６００ｍＪ／ｃｍ²と大きくした場
合、粒径はより大きくなったが平坦性が膜内で劣化し、
薄膜トランジスタの特性のバラツキも増加した。薄膜ト
ランジスタの特性が良好でかつ粒径をできるだけ大きく
するためには、第１の実施例において、第２の照射によ
る高エネルギー密度の大きさを、平坦性が膜厚の２０％
以下となる値に設定することが好ましい。

【００２３】上述した実施例では、薄膜トランジスタの
半導体活性層について多結晶シリコンとする場合につい
て説明したが、ゲート電極や配線等、多結晶シリコン膜
の形成が必要な場合に適用することができる。また、実
施例ではアモルファスシリコン層から多結晶シリコン層
を得る場合に適用したが、ＧｅやＳｉ−Ｇｅ等、他の半
導体膜の形成にも適用することができる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１の発明方法によれば、ビームス
ポットによる照射面積が１ｍｍ以下のピッチでずれるよ
うに微小ピッチ走査を行なうので、次期照射部分の非晶
質半導体層の温度上昇を行ないながらアニールし、膜ス
トレスの小さい良好な多結晶半導体層とするとともに、
半導体層上での各部分において照射される総エネルギー
量を均一化するので、結晶性が均一化された多結晶半導
体膜を得ることができる。

【００２５】また、請求項２の発明方法によれば、非晶
質半導体層を低エネルギー密度の光で結晶化することに
より平坦な多結晶半導体膜を形成し、高エネルギー密度
の光を再度照射することにより、平坦性を担保しつつ前
記半導体膜中の完全溶解を行なうので、平坦性に優れ且
つ結晶性の更なる均一化を図った多結晶半導体膜を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法の一実施例のビームスポット照射
による微小ピッチ走査を示すためのアニール処理説明図
である。

【図２】 （ａ）ないし（ｄ）は、一実施例による薄膜
トランジスタの製造工程を示す断面説明図である。

【図３】 本発明方法の微小ピッチ走査によるビームス
ポット内でのエネルギー密度の分布を示すグラフ図であ
る。

【図４】 従来方法によるビームスポット照射によるア
ニール処理説明図である。

【図５】 従来方法によるビームスポット内でのエネル
ギー密度の分布を示しグラフ図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板、 ２…アモルファスシリコン層、
２′…多結晶シリコン層、 ３ａ…ソース領域、 ３ｂ
…ドレイン領域、 ４…ゲート絶縁膜、 ５…ゲート電
極、 ６…層間絶縁膜、 ７…コンタクト孔、 ８…配
線、 Ａ…ビームスポットの照射面積

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板上に堆積した非晶質半導体層
   を、所定面積のビームスポットを有するエキシマレーザ
   ーで照射することにより結晶化させて多結晶半導体層を
   得る工程を具備する半導体素子の製造方法において、前
   記ビームスポットによる照射面積が１ｍｍ以下のピッチ
   でずれるように、ビームスポットを半導体層上で相対的
   に走査することを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 【請求項２】 結晶化のためのしきい値より大きいエネ
   ルギー密度でエキシマレーザーによる照射を行なう第１
   の照射工程と、第１の照射より大きいエネルギー密度で
   エキシマレーザーによる照射を行なう第２の照射工程と
   を有する請求項１記載の半導体素子の製造方法。