JPH06275524A

JPH06275524A - 薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JPH06275524A
Application number: JP6574093A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inushima; 喬犬島; Nobuo Kubo; 伸夫久保
Original assignee: G T C KK; GTC KK
Current assignee: G T C KK; GTC KK
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は前記事情に鑑みてなされたものであ
り、大面積基板を用いて電界効果移動度の高い薄膜トラ
ンジスタを安定かつ再現性の高いプロセスで製造するこ
とができる方法を提供することを目的とする。【構成】本発明は、少なくとも成膜面がガラス等の絶
縁材料からなる基板７上に、非晶質シリコン膜１を形成
し、その後に非晶質シリコン膜１にレーザ等の強エネル
ギー線を複数回照射することにより前記非晶質シリコン
膜１を結晶化する薄膜トランジスタの製造方法におい
て、４５０℃以下の温度におけるジシランの熱分解反応
により生成させた非晶質シリコン膜１を使用し、この非
晶質シリコン膜１に対し、エネルギー密度２００ｍＪ／
ｃｍ²以上の強エネルギー線をパルス照射して結晶化す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）の製造方法に関し、更に詳述すれば液晶ディスプレ
イ等の表示装置に好適に使用される薄膜トランジスタの
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタは、例えば、液晶ディ
スプレイ用の能動素子、イメージセンサ用の能動素子を
はじめ、各種測定器、スイッチ表示器等の電気電子分野
に広く利用されている。これらのうち高電界効果移動度
を有する薄膜トランジスタは、単にスイッチとしての機
能の外に記憶伝達、蓄積機能を持たせることができる点
で有用である。

【０００３】近年の情報処理技術の発展に伴って、ブラ
ウン管に代る表示装置として液晶ディスプレイや強誘電
体を用いた各種の固体ディスプレイが開発されている。
これらの表示装置には、能動素子として高電界効果移動
度を有する薄膜トランジスタが不可欠である。また電気
信号と光信号との相互作用または相互変換による新電気
光学素子や、記録材料において二次元的あるいは三次元
的な広がりを必要とする場合にも能動素子として薄膜ト
ランジスタが必要である。特に近年、液晶ディスプレ
イ、エレクトロルミネッセンスディスプレイ、プラズマ
ディスプレイ等の電子表示装置や蛍光表示装置等におい
ては高画素表示の要求が高まっており、イメージセンサ
等では高速読み取りが必須となっているので高電界効果
移動度を有する薄膜トランジスタを画素部に直接形成す
ると同時に、画素周辺の駆動回路部分をも一体形成する
ことが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】液晶ディスプレイ等の
表示装置において用いられる薄膜トランジスタは、非晶
質シリコン膜あるいはポリシリコン膜から構成されてい
る。薄膜トランジスタの電界効果移動度（μ_FE）は、そ
の構成材料に依存するが、非晶質シリコンの電界効果移
動度は０.１〜１cm²/Vsec程度、ポリシリコンを用いた
薄膜トランジスタで５〜２０cm²/Vsecであるので、これ
以上の電界効果移動度を有する薄膜トランジスタを得る
ことは従来できなかった。

【０００５】非晶質シリコンから構成される薄膜トラン
ジスタの電界効果移動度が小さい理由は、主にダングリ
ングボンド（シリコン原子の不対電子対）が非晶質シリ
コン中に多量に存在するためである。よって、薄膜トラ
ンジスタを構成するシリコン膜が非晶質状態である限
り、薄膜トランジスタの電界効果移動度をこれ以上向上
させることは困難であると考えられる。

【０００６】一般に非晶質シリコン膜を基板上に形成す
る場合には、シランガス（ＳｉＨ₄）あるいはジシラン
ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）等のシリコンを含有する原料ガスを高
周波電場中で分解して基板上にシリコンを析出させる方
法が利用されているが、シリコンが基板表面で急冷され
て非晶質シリコンとなって析出する際に、ＳｉＨやＳｉ
Ｈ₂等の不対電子対を含む活性種が必然的にとり込まれ
ることとなる。よって、非晶質シリコン膜からダングリ
ングボンドを完全に除去することは不可能であり、その
結果として１cm²/Vsec以上の電界効果移動度を有する非
晶質シリコン膜を形成することは不可能であった。

【０００７】このような問題を解決する方法として、非
晶質シリコン膜の表面を熱アニール処理して結晶化させ
ることにより、電界効果移動度の向上を図ることが試み
られている。この方法は、ガラス基板等を使用できる６
００℃以下の温度において、薄膜トランジスタを製造す
る際に現在広く使用されている方法ではあるが、この方
法にあっては、高い電界効果移動度をもつ薄膜トランジ
スタを得ることが困難であるという不都合があった。更
にこの方法では、ガラス基板とシリコン膜との間の熱膨
張係数の差によって薄膜トランジスタに歪が発生し、割
れや剥離等を発生するので、大面積の薄膜トランジスタ
を作製することは不可能であった。

【０００８】ところで最近、６００℃以下の温度で処理
できるＬＰＣＶＤ法（低圧化学気相法）によって４０cm
²/Vsecを越える電界効果移動度を有する薄膜トランジス
タを製造可能であることが報告されている。しかしなが
らこのＬＰＣＶＤ法では、３０cm角程度の基板上にしか
成膜することができなく、かつ、基板の縮みの問題から
大面積かつ高画素表示装置用の薄膜トランジスタを製造
する場合には利用することができないという不都合があ
った。

【０００９】このため従来、紫外光レーザや可視光レー
ザを用いて非晶質シリコン膜の表面を局所加熱し、１０
０cm²/V.secを越える電界効果移動度を有する薄膜トラ
ンジスタを製造する方法が提案されている。例えば、電
子情報通信学会技術研究報告ＥＤ９２ー４２によれば、
原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）を用い、６００℃
付近で熱分解して形成した非晶質シリコンを用いたＸｅ
Ｃｌのエキシマレーザアニールにおいて、移動度として
１００cm²/V.sec程度が得られるという報告があるが、
この方法では、成膜温度が５００℃を超えており、使用
する基板が限られるという問題があった。更にこのよう
なエキシマレーザアニールを行う場合、現状のエキシマ
レーザの安定性が充分ではないために、プロセスの制御
が難しく、実際のプロセス用基板のハンドリングに際し
て再現性が取りきれないという本質的な問題がある。

【００１０】本発明は前記事情に鑑みてなされたもので
あり、大面積基板を用いて電界効果移動度の高い薄膜ト
ランジスタを安定かつ再現性の高いプロセスで製造する
ことができる方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は前
記課題を解決するために、少なくとも成膜面がガラス等
の絶縁材料からなる基板上に、非晶質シリコン膜を形成
し、その後に非晶質シリコン膜にレーザ等の強エネルギ
ー線を複数回照射することにより前記非晶質シリコン膜
を結晶化する薄膜トランジスタの製造方法において、４
５０℃以下の温度におけるジシランの熱分解反応により
生成させた非晶質シリコン膜を使用し、この非晶質シリ
コン膜に対し、エネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ²以上
の強エネルギー線をパルス照射して結晶化するものであ
る。なお、従来において、４５０℃程度、あるいはそれ
以下の温度で生成した膜では含有水素濃度が高く、か
つ、成膜速度が遅いために、一般にはこの種のエネルギ
ー線の照射には適用されなかったが、今回我々は、Ｓｉ
₂Ｈ₆ガスを用い、かつ、流量を増すことでこのような困
難を克服し、エネルギー線の照射に耐える膜を得た。

【００１２】請求項２記載の発明は前記課題を解決する
ために、請求項１記載の強エネルギー線の照射開始と照
射停止に伴う非晶質シリコン膜の溶融から固化に要する
時間よりも長いタイミングのパルス間隔で強エネルギー
線をパルス照射するものである。

【００１３】請求項３記載の発明は前記課題を解決する
ために、少なくとも成膜面がガラス等の絶縁材料からな
る基板上に、非晶質シリコン膜を形成し、その後に非晶
質シリコン膜にレーザ等の強エネルギー線を複数回照射
することにより前記非晶質シリコン膜を結晶化する薄膜
トランジスタの製造方法において、前記基板上に２ヶ所
以上のプロセスモニター用の領域を設け、前記２ヶ所以
上の領域で強エネルギー線の強度をモニターすることで
プロセスの確認とフィードバックを行うものである。

【００１４】請求項４記載の発明は前記課題を解決する
ために、請求項３記載のプロセスモニターとして、ラマ
ン分光測光を行い、その横波光学フォノンのラマン散乱
強度をモニターして制御するものである。

【００１５】

【作用】本発明においては、薄膜トランジスタの製造方
法の出発膜である非晶質シリコン膜の製造工程におい
て、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を原料ガスに用い、熱分解に
おいてできる限り低温、即ち、４５０℃以下の温度にお
いてこの非晶質シリコン膜を形成することで、高電界移
動度を示す薄膜トランジスタの製造を可能にする。な
お、従来において、４５０℃程度、あるいはそれ以下の
温度で生成した膜では含有水素濃度が高く、かつ、成膜
速度が遅いために、一般にはこの種のエネルギー線の照
射には適用されなかったが、今回我々は、Ｓｉ₂Ｈ₆ガス
を用い、かつ、流量を増すことでこのような困難を克服
し、エネルギー線の照射に耐える膜を得た。また、この
ような条件で作製された非晶質シリコン膜は、エキシマ
レーザなどの強エネルギー線の耐性に優れるために、多
数回の強エネルギー線の照射に耐えるものであり、２０
０ｍＪ／ｃｍ²以上のエネルギー密度のレーザ照射によ
っても損傷することがなく、この強エネルギー線の照射
により、均一なＴＦＴ特性を再現性良く確保できる膜と
なる。なお、前記のような特性を確保するためには、好
ましくは出発膜中の酸素濃度を１０²⁰個／ｃｍ³以下、
更に好ましくは１０¹⁹個／ｃｍ³程度にする。

【００１６】強エネルギー線のパルス照射の際のパルス
間隔を、非晶質シリコンの溶融から凝固までの時間より
も長くすることで、最初の照射で非晶質シリコンの結晶
核の発生を促進し、この照射による膜の結晶化により強
エネルギー線の吸収係数を低下させ、これに続く次の照
射により、結晶粒の成長と各結晶粒どうしの整合化、並
びに非晶質シリコン膜の深い領域におけるアモルファス
ライクな部分の結晶化を促進する。このような繰り返し
の照射により非晶質シリコン膜を効率良く結晶化する。

【００１７】次に、基板上に２ヶ所以上のプロセスモニ
ター用の領域を設けてこの領域で強エネルギー線の強度
をモニターすると、強エネルギー線の照射状態を把握す
ることができ、これにより必要なフィート゛バックをか
けることで結晶化処理の安定性と再現性を高める。そし
て、プロセスモニターとしてラマン分光測光を行い、そ
の横波光学フォノンのラマン散乱強度をモニターするこ
とで強エネルギー線の照射強度を正確に把握できる。よ
ってこのラマン散乱強度をモニターしてその結果により
強エネルギー線の強度を調節するならば、安定性と再現
性に優れた結晶化ができる。

【００１８】以下に本発明について、更に詳細に説明す
る。本発明で利用可能な非晶質シリコン形成装置は、低
圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）装置を用いる方法を代表とする
が、他に、希釈ガスを用いた常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）
装置でも本質的には差し支えない。強エネルギー線の一
例としてエキシマレーザを使用することができるが、こ
のエキシマレーザに関し、１９５ｎｍの発振線を持つＡ
ｒＦエキシマレーザ、２４８ｎｍの発振線を持つＫｒＦ
エキシマレーザ、３０８ｎｍの発振線を持つＸｅＣｌエ
キシマレーザ等でも構わない。要は、１０^-8秒オーダー
の加熱において、非晶質シリコン膜を瞬間的に結晶化さ
せる際に、必要とするエネルギーが２００ｍＪ／ｃｍ²
以上ということであるので、それ以上のエネルギーを生
じさせるエネルギー線であれば、エキシマレーザ以外の
ものでも本発明に用いることができるのは勿論である。

【００１９】実際の大面積基板の処理にあたっては、現
状のエキシマレーザの発振周波数とプロセスの制約を考
慮すると、例えば、Ａ４版サイズの基板の全面に結晶化
のためのレーザ処理を施すと、１０分以上の処理時間を
要する。ところが、このようなプロセスの処理時間内に
おいて、エキシマレーザの出力を一定に保つのは極めて
困難なことである。これは、主に薄膜トランジスタの動
特性がエキシマレーザの強度に強く依存しており、現在
市販されているレーザビームの強度フィート゛バックシ
ステムによる安定化レベルでは不十分なことに起因して
いる。

【００２０】そこで本発明では、大面積基板の処理に当
たり、このレーザビームの強度状態を各基板毎にモニタ
ーして選別し区分けする。この具体的手段として、大面
積基板上に少なくとも２ヶ所以上の基板チェックポイン
トを設け、例えば特定の基板または基板上の特定の領域
におけるレーザ結晶化プロセスの開始前と終了後のレー
ザ強度をモニターすることで、この区分けを行う。ま
た、この区分けにあたってはこのＴＦＴ動特性に一番敏
感なラマン分光法によるシリコンの横波光学フェノンの
強度による区分けを実施することで課題を解決すること
ができる。

【００２１】図１に、本発明方法に使用される光アニー
ル装置の一例とその装置に用いる基板の一例を示した。
この例の光アニール装置Ａは、ジシランを４５０℃未満
で熱分解して基板７の上に生成された非晶質シリコン膜
１に対して光アニールを行うためのチャンバ２と、この
チャンバ２内の雰囲気を制御するための排気システム３
と、前記非晶質シリコン膜１に照射する強エネルギー線
を発振する光源４と、この光源４から発振された強エネ
ルギー線を非晶質シリコン膜１の全面に掃引照射するた
めの掃引光学系５と、この掃引光学系５を制御するため
の掃引制御システム６とを具備して構成されている。そ
して更に前記光アニール装置Ａは、図２に示すように、
非晶質シリコン膜１上に設けられるサンプリング用の領
域８、８を分析するためのラマン分光系システム９を備
えている。

【００２２】前記の装置により非晶質シリコン膜１を光
アニールするには、まずチャンバ２内を排気システム３
により水素雰囲気、不活性ガス雰囲気、水素と不活性ガ
スとの混合ガス雰囲気、あるいは真空に調整する。非晶
質シリコン膜１は温度を自在に調整可能な試料ステージ
Ｓ上に固定される。なおここで、前記のように４５０℃
未満の温度で成膜した非晶質シリコン膜１を使用するな
らば、基板７を高温に加熱しないので、基板材料として
低融点ガラス製の基板などのような安価なものを用いる
ことができる。掃引光学系５は光源４から発振された強
エネルギー線が非晶質シリコン膜１の表面を隈無く走査
できるように掃引制御システム６によって制御されてい
る。掃引光学系５にはハーフミラー１０が配置されてい
る。このハーフミラーは、光源４から発振された強エネ
ルギー線はほぼ１００％反射するものである。

【００２３】一方、ラマン分光系システム９から出射さ
せたる測定プローブ光をチャンバ２内に保持されている
非晶質シリコン膜１の領域８、８に、前記強エネルギー
線と同時に照射できるようになっていて、測定プローブ
光のラマン散乱光をラマン分光系システム９内に配置さ
れた集光系で集光した後、実時間もしくは時分割測定で
きるようになっている。そして、この測定結果を直ちに
フィードバック系を介して、掃引制御システム６に伝送
することができ、非晶質シリコン膜１に照射される強エ
ネルギー線の掃引条件（照射エネルギー等）をコントロ
ールできるようになっている。この測定によるプロセス
コントロールは、プロセスの途中、随時実行可能であ
り、特にチャンバ２内に基板を保持する必要はない。

【００２４】次に、薄膜トランジスタを製造する場合
に、基板上に水素化アモルファスシリコン膜（ａ-Ｓ
ｉ：Ｈ、以下単に非晶質シリコン膜と称する）を形成
し、それを前記の装置を用いてアニールして多結晶化す
る場合について説明する。まず、この例において用いる
作製条件、即ち、ガラス基板などの絶縁性の基板上に、
自己整合型薄膜トランジスタを形成する場合の一般的な
作製手順の一例を以下に説明する。この例においては、
下地となるＳｉＯ₂膜を基板上に形成し、次にｉ層Ｓｉ
薄膜を成膜し、パターニングを行った後に結晶化アニー
ルを行う。次に、ゲート絶縁膜形成用のＳｉＯ₂層を成
膜し、ゲートＳｉ層を成膜し、パターニングしてからゲ
ート用ＳｉＯ₂層をエッチングする。次に、ｎ⁺層をレー
ザドーピングにより形成し、層間絶縁層用のＳｉＯ₂層
を成膜し、パターニングする。この後、コンタクトホー
ルをエッチングにより形成してそこにＡｌ層を蒸着した
後にパターニングを行い、コンタクトホール内に導電層
を形成し水素化を行って薄膜トランジスタを形成し、そ
の後に薄膜トランジスタの測定を行う。以上のような薄
膜トランジスタの製造工程において、基板上に形成した
非晶質シリコン膜をアニールして結晶化する場合に本発
明方法を適用する。

【００２５】非晶質シリコン膜を結晶化するには、この
例では、ＫｒＦ-エキシマレーザを用い、非晶質シリコ
ン膜にパルス状にレーザを照射する。照射する際の雰
囲気は真空などの減圧雰囲気が好ましく、温度は室温〜
４５０℃程度、レーザの出力は２００ｍＪ／ｃｍ²以
上、好ましくは４４０〜５００ｍＪ／ｃｍ²とする。ま
た、パルス幅は、２０ナノｓｅｃ〜４０ナノｓｅｃの範
囲が好ましく、繰り返し回数、即ち、パルス回数も複数
回であれば任意の回数で良いが、非晶質シリコン膜が損
傷しない程度の回数とする。この処理により非晶質シリ
コン膜を結晶化することができる。そして、このレーザ
照射を行う場合、レーザ強度が高いほど電界効果移動度
の高い膜を得ることができる。

【００２６】ここで、非晶質シリコンのレーザ結晶化プ
ロセスにおいては、非晶質シリコン中に含有される水素
量が重要な因子となっていることを本発明者らは知見し
ている。非晶質シリコン中に数％以上の水素が含有され
ていると、エキシマレーザアニールにおいては、結晶化
プロセスにおいて水素が内に閉じ込められ、表面の荒れ
の原因となる。逆に、水素が全く存在しないと結晶化の
際に余裕が無くなり、結晶性が良くない。このため、４
５０℃以下で成膜されたＬＰＣＶＤ膜が適度の水素濃度
を含むことを本発明では利用して結晶化する。更に、エ
キシマレーザに対する耐性は、この水素濃度に依存する
ので、Ｓｉ₂Ｈ₆を使用し、耐性を上げることができる。

【００２７】一方、前記のレーザ照射の際に、最初のレ
ーザ照射の前に基板７上の領域８の一方にレーザ照射を
行ってこの際のレーザ強度をラマン分光系システム９に
より計測しておく。それには、ラマン分光系システム９
から出射された測定プローブ光をチャンバ２内に保持さ
れている非晶質シリコン膜１の領域８に照射し、測定プ
ローブ光のラマン散乱光はラマン分光系システム９内に
配置された集光系で集光した後、実時間もしくは時分割
測定する。次に、非晶質シリコン膜１上に順次レーザ照
射を行って必要部分の結晶化を行い、所定数の部分の結
晶化を終了した時点で他の領域８に再度測定プローブ光
を照射してこの際のレーザ強度を測定する。この操作に
より、照射開始前と所定数照射後のレーザ強度を求める
ことができ、これによりそれまで結晶化した部分の品質
の安定性を推定できる。

【００２８】従って他の基板を結晶化する場合、あるい
は同一基板上で他の領域を結晶化する場合に前記の測定
結果に基づいて光源４あるいは掃引システム６のフィー
ドバック系を操作して非晶質シリコン膜１に照射される
強エネルギー線の掃引条件等をコントロールすること
で、できる限り同一条件で結晶化を行うことができ、こ
れにより品質の安定性を高めることができる。なお、前
記の例においては、非晶質シリコン膜１上に、２ヶ所の
領域を設けて強エネルギー線の強度を測定したが、非晶
質シリコン膜１に２ヶ所よりも多い数の領域８を設けて
より綿密にレーザ強度を測定して強エネルギー線の強度
を制御するようにしても良いのは勿論である。

【００２９】

【実施例】

「実施例１」以下に記載する作製条件で薄膜トランジス
タを作製した。１.活性層ＬＰＣＶＤ法によるジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）の熱分解
反応により、水素化アモルファスシリコン膜（ａ-Ｓ
ｉ：Ｈ層）を４３０℃と４５０℃と４８０℃のそれぞれ
の温度でガラス基板上に成膜する。各条件における層の
厚さは８０ｎｍとした。２.結晶化ＫｒＦ-エキシマレーザ（２４８ｎｍ）を用い、２また
は５パルスでレーザを照射する。雰囲気は真空、温度Ｔ
ｓ＝４５０℃、レーザの出力を４４０〜５００ｍＪに設
定。レーザ照射の際のパルス幅は１０^-8秒とした。３.ゲート酸化膜スパッタによりＳｉＯ₂膜を形成する。雰囲気酸素濃度
１００％、酸素ガス流量５０ｓｃｃｍ、膜厚１１０ｎ
ｍ、圧力Ｐ＝０.６Ｐａ、処理温度Ｔｓ＝１５０℃、パ
ワーＰｒｆ＝５００Ｗに設定。４.ゲートスパッタによりａ-Ｓｉ：Ｈ層を形成する。Ｐ_H2／Ｐ_r＝
４０％、厚さ１５０ｎｍ、圧力Ｐ_T＝０.５Ｐａ、処理温
度Ｔｓ＝３５０℃、パワーＰｒｆ＝２５００Ｗに設定。５.ドーピングＫｒＦ-エキシマレーザを用い、６０パルスで照射。Ｐ
Ｈ３（５％）／Ｈ２、圧力Ｐ＝９５Ｐａ、処理温度Ｔｓ
＝４５０℃、レーザ出力＝３２０〜４４０ｍＪ、６.
層間絶縁膜スパッタによりＳｉＯ₂膜を形成する。雰囲気酸素濃度
１００％、酸素ガス流量３０ｓｃｃｍ、厚さ５００ｎ
ｍ、圧力Ｐ＝１.０Ｐａ、処理温度Ｔｓ＝１５０℃、Ｐ
ｒｆ＝５００Ｗ。７.水素化３２５℃にて大気圧水素アニールを３０分間行う。

【００３０】前記の作製条件において、ＬＰＣＶＤ法に
よる４３０℃成膜非晶質シリコン膜をレーザアニールし
て結晶化した場合のレーザパワーと電界効果移動度の関
係を図３に示す。レーザパルス数が２パルスと５パルス
の場合、両者の差異は、明瞭に移動度の差となって表わ
れている。そして、高エネルギーのレーザにより結晶化
した方がより高い移動度が得られ、これらの領域では更
に高いエネルギーでレーザを照射することにより更に高
い移動度が期待できる。

【００３１】ここで以下に、前記レーザによる結晶化過
程を考察する。レーザパルス照射を繰り返すことは、非晶質シリコ
ン膜の溶融・固化を行っていることである。このレーザ
パルスの発振時間（パルス間隔）は、溶融・固化過程に
対して充分に長い時間とすることが好ましく、例えば、
時間比に換算すると、（発振時間）／（溶融・固化過程時間）＝１０^-8／１０
^-5ｓｅｃ＝１０^-3 である。従って第２パルスは、第１パルスによる非晶質
シリコン膜の溶融・固化過程に対して影響を与えること
はできない。

【００３２】第１パルスを照射することで非晶質シ
リコンは、多結晶シリコン（Poly-Ｓｉ）に状態が変化
するので、第２パルスが照射される時は、エキシマレー
ザ光（２４８ｎｍ）に対して吸収係数が低下する。従っ
て、第２パルス以降の実際の照射のエネルギーは第１パ
ルスと大きく異ることになるが、更に前記した時間比の
関係から、第１パルスで発生した溶融・固化現象を引き
続いて捕足していることになる。

【００３３】より高いレーザ強度でより高い移動度
を得ることができること、第２パルスから受けるエネル
ギーが低下することから、第１パルスのレーザ強度が初
期の核発生に関与し、第１パルス以降のエネルギーが粒
成長に関与しているものと思われる。以上、〜に記載した考察から、第１パルスではシリ
コンの結晶の核形成と粒成長、第２パルスでは粒成長お
よび各結晶粒どうしの整合化、深さ方向での膜の深い領
域のアモルファスライクな部分の結晶化等を生じさせて
いるものと考えられる。従って、第２パルス以降のパル
スによる粒成長および各結晶どうしの整合化等によっ
て、２パルスと５パルスのレーザによる結晶化が、移動
度の違いとなって現われたものと考えられる。

【００３４】次に図４に、４３０℃と、４５０℃と、４
８０℃の各成膜温度においてＬＰＣＶＤ法により形成し
た非晶質シリコン膜を活性層として用い、レーザ結晶化
条件をパラメータとし、他の条件は前記と同等の条件と
して作製した薄膜トランジスタにおけるレーザエネルギ
ー強度と電界効果移動度（μ_FE）の関係を示す。この薄
膜トランジスタのドレイン電流としきい値電圧（Ｖ_th）
とＳ値（サブスレッショルド電圧）については、図５と
図６に示す。

【００３５】図４〜図６に示す結果から、相対的に成膜
温度が低いほど良好な結果が得られ、高いＯＮドレイン
電流が得られた。ＬＰＣＶＤ法あるいはＰＣＣＶＤ法に
おけるａ-Ｓｉ：Ｈの固相成長において、通常は、成膜
温度が低いほど移動度、ドレイン電流、薄膜トランジス
タのＯＮ／ＯＦＦ比、Ｓ値の増加が見られるとされてい
る。なぜならば、低温成膜ほど結晶化工程での粒成長が
起きやすいこと、大きい粒になり、膜の構造的性質（結
晶性）が改善されるために、更には、Poly-Ｓｉ-ＳｉＯ
₂界面のラフネス散乱によるのではないかと考えられて
いる。しかし、前記エキシマレーザのパルス照射による
結晶化のように、ナノ秒オーダーでの結晶化現象に対
し、前述の固相成長の粒成長概念で説明することは無理
がある。従って、本発明に関するエキシマレーザのパル
ス照射による結晶化においては、むしろ、ＬＰＣＶＤ法
の低温成膜条件に依存した非晶質シリコン膜中の水素濃
度、酸素濃度、その他不純物濃度、ダングリングボンド
密着、核発生に寄与する核発生点密度、光吸収係数等が
特性に依存していると考えるのが妥当である。従って、
４５０℃以下、例えば、４３０℃で非晶質シリコン膜を
成膜し、２００ｍＪ／ｃｍ²以上のエネルギー密度のレ
ーザを２回以上、好ましくは５回程度照射することによ
って電界効果移動度とＳ値としきい値等の優れた薄膜ト
ランジスタを製造できることが明かになった。

【００３６】「実施例２」前記の実施例１で詳述した作
製手順により薄膜トランジスタを作製した場合におい
て、非晶質シリコンの結晶化エネルギーと、得られた薄
膜トランジスタの電界効果移動度の関係を図７に示す。
図７では、非晶質シリコンの膜厚として、１００ｎｍ、
１５０ｎｍの２種類の膜について評価したが、いずれも
結晶化エネルギーと得られた結果は比例関係にあり、大
面積基板の処理にあたってはレーザエネルギーの制御が
重要であることが示された。

【００３７】更に、このようにしてレーザ処理された膜
の評価をラマン散乱スペクトルで行った結果を図８に示
す。結晶シリコンの場合、横波光学フォノンのラマン散
乱が、５２０ｃｍ^-1付近に観測されるが、この図８にお
いてそのラマン散乱強度とピーク位置についての照射エ
ネルギー依存性を示したものである。ピーク位置につい
てはあまり明確な依存性は見られなかったが、散乱強度
に関しては、ほぼ比例関係になることが観測された。こ
の結果は、繰り返しの実験の中でも再確認された。即
ち、エキシマレーザのエネルギー強度は、薄膜トランジ
スタの電界効果移動度に比例し、かつ、シリコンの横波
光学フォトンに相当するラマン散乱強度にも比例するこ
とを見出すことができた。従って本発明では、実際のプ
ロセスの制御あるいはモニタに際しての効果的な手法と
して、このラマン散乱の手法を用いることにした。

【００３８】使用された基板には、レーザアニール開始
前と終了時の２回において、基板内に設けた１ｃｍ角の
モニタ領域の２ヶ所における非晶質シリコン膜をエキシ
マレーザで処理し、その部分のラマンスペクトルを測定
することでプロセスのチェックと基板の選別をすること
ができた。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によれば、薄膜トランジスタの製造方法において、非晶
質シリコン膜の表面に強エネルギー線を照射して非晶質
シリコン膜を光アニールする場合、４５０℃未満の温度
においてジシランガスの熱分解を利用して成膜した非晶
質シリコン膜を用い、これに対して２００ｍＪ／ｃｍ²
以上の出力のレーザもしくは強エネルギー線を複数回パ
ルス状に照射するので、高い高電界移動度を示す薄膜ト
ランジスタを製造することができる。また、このような
条件で作製された非晶質シリコン膜は、エキシマレーザ
などの強エネルギー線の耐性に優れるために、多数回の
強エネルギー線の照射に耐えるものであり、２００ｍＪ
／ｃｍ²以上のエネルギー密度のレーザ照射によっても
損傷することがなく、この強エネルギー線の照射によ
り、均一なＴＦＴ特性を再現性良く確保できる膜とな
る。

【００４０】一方、強エネルギー線のパルス照射の際の
パルス間隔を、非晶質シリコンの溶融から凝固までの時
間よりも長くすることで、最初の照射で非晶質シリコン
の結晶核の発生を促進し、この照射による膜の結晶化に
より強エネルギー線の吸収係数を低下させ、これに続く
次の照射により、結晶粒の成長と各結晶粒どうしの整合
化、並びに非晶質シリコン膜の深い領域におけるアモル
ファスライクな部分の結晶化を促進する。このような繰
り返しの照射により非晶質シリコン膜を効率良く結晶化
することができ、高い電界移動度の結晶化シリコン膜を
得ることができる。

【００４１】次に、基板上に２ヶ所以上のプロセスモニ
ター用の領域を設けてこの領域で強エネルギー線の強度
をモニターすると、強エネルギー線の照射状態を把握す
ることができ、これにより必要なフィート゛バックをか
けて強エネルギー線の強度を制御することで結晶化作業
の安定性と再現性を高めることができる。そして、プロ
セスモニターとしてラマン分光測光を行い、その横波光
学フォノンのラマン散乱強度をモニターすることで強エ
ネルギー線の照射強度を正確に把握することができ、高
電界移動度を示す品質の安定した結晶化シリコン膜を備
えた薄膜トランジスタを再現性良く製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明方法の実施に使用する装置の一例
を示す構成図である。

【図２】図２は図１に示す装置に適用される基板および
サンプリング領域とラマン分光系システムを示す構成図
である。

【図３】図３はレーザエネルギーと電界効果移動度の関
係を示す図である。

【図４】図４はレーザエネルギーと電界効果移動度の関
係を示す図である。

【図５】図５はドレイン電流とレーザエネルギーの関係
を示す図である。

【図６】図６はレーザエネルギーとＶ値およびＳ値の関
係を示す図である。

【図７】図７は電界効果移動度のレーザパワー依存性を
示す図である。

【図８】図８はレーザエネルギーのラマンシフトおよび
強度の依存性を示す図である。

【符号の説明】

１非晶質シリコン膜、２チャンバ、７基板、８領域９ラマン分光系システム、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも成膜面がガラス等の絶縁材料
からなる基板上に、非晶質シリコン膜を形成し、その後
に非晶質シリコン膜にレーザ等の強エネルギー線を複数
回照射することにより前記非晶質シリコン膜を結晶化す
る薄膜トランジスタの製造方法において、４５０℃以下の温度におけるジシランの熱分解反応によ
り生成させた非晶質シリコン膜を使用し、この非晶質シ
リコン膜に対し、エネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ²以
上の強エネルギー線をパルス照射して結晶化することを
特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】強エネルギー線の照射開始と照射停止に
伴う非晶質シリコン膜の溶融から固化に要する時間より
も長いタイミングのパルス間隔で強エネルギー線をパル
ス照射することを特徴とする請求項１記載の薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項３】少なくとも成膜面がガラス等の絶縁材料
からなる基板上に、非晶質シリコン膜を形成し、その後
に非晶質シリコン膜にレーザ等の強エネルギー線を複数
回照射することにより前記非晶質シリコン膜を結晶化す
る薄膜トランジスタの製造方法において、前記基板上に２ヶ所以上のプロセスモニター用の領域を
設け、前記２ヶ所以上の領域で強エネルギー線の強度を
モニターすることでプロセスの確認とフィードバックを
行うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】請求項３記載のプロセスモニターとし
て、ラマン分光測光を行い、その横波光学フォノンのラ
マン散乱強度をモニターして制御することを特徴とする
薄膜トランジスタの製造方法。