JPH0851076A - 半導体装置，半導体装置の製造方法，薄膜トランジスタ ，薄膜トランジスタの製造方法，表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】結晶粒径が均一で且つ大きな多結晶シリコン膜
を形成する。 【構成】絶縁基板１上にＲＴＡ装置のランプ光を反射す
る膜２を形成する。次に、反射膜２上にバッファ膜３を
形成する。続いて、バッファ膜３上に非晶質シリコン膜
４を形成して、ランプ光を極短時間で複数回照射させ
る。ランプ光が照射されると非晶質シリコン膜４の表面
は加熱されて溶融し、冷やされると凝固して結晶化する
ことで多結晶シリコン膜５が形成される。ランプ光は非
晶質シリコン膜４の全面に一括して照射されるため、多
結晶シリコン膜５の結晶粒径は均一になる。また、非晶
質シリコン膜４を透過したランプ光は反射膜２によって
反射されるためランプ光の利用効率が高まり、非晶質シ
リコン膜４の加熱溶融が効率的に行われる。その結果、
非晶質シリコン膜４の凝固速度が遅くなり、多結晶シリ
コン膜５の結晶粒径を大きくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置，半導体装置
の製造方法，薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Tr
ansistor），薄膜トランジスタの製造方法，表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、アクティブマトリクス方式の液晶
ディスプレイ（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）が高
画質な表示装置として注目されている。そのアクティブ
マトリクス方式ＬＣＤの画素駆動素子（画素駆動用トラ
ンジスタ）として、透明絶縁基板上に形成された多結晶
シリコン膜を能動層に用いた薄膜トランジスタ（以下、
多結晶シリコンＴＦＴという）の開発が進められてい
る。

【０００３】多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコン
膜を能動層に用いた薄膜トランジスタ（以下、非晶質シ
リコンＴＦＴという）に比べ、移動度が大きく駆動能力
が高いという利点がある。そのため、多結晶シリコンＴ
ＦＴを用いれば、高性能なＬＣＤを実現できる上に、画
素部（表示部）だけでなく周辺駆動回路（ドライバ）ま
でも同一基板上に一体にして形成することができる（ド
ライバ一体型ＬＣＤと呼ばれる）。

【０００４】従来の多結晶シリコンＴＦＴは、1000℃程
度の高温の工程（高温プロセスと呼ばれる）を使って形
成されていた。高温プロセスは長年に渡る十分な技術的
蓄積のあるＬＳＩ技術を踏襲したものである。そのた
め、高温プロセスで形成された多結晶シリコンＴＦＴ
（高温多結晶シリコンＴＦＴと呼ばれる）は、素子特
性，信頼性，再現性に優れている。しかし、高温プロセ
スはプロセス温度が高いため、基板には石英ガラスを使
わざるを得ない。石英ガラスは大型化に伴って著しく高
価になる上に現在のところ大型化には限りがあるため、
基板の寸法が制限を受ける。そのため、コスト的に見合
うＬＣＤのパネルサイズは２型以下となり、ビデオカメ
ラのビューファインダ用や液晶プロジェクタ用としては
十分に使用できるものの、直視用としてはパネルサイズ
が小さすぎて使用できない。

【０００５】一方、非晶質シリコンＴＦＴは、400 ℃以
下の低温の工程を使って形成可能なため、基板に通常の
ガラスを使うことができる。通常のガラスは石英ガラス
の約1/10の価格で寸法にも制限がないが、ＬＣＤ用に市
販されている高耐熱ガラス（例えば、米国Corning Inc.
製の「7059」）でも600 ℃程度の耐熱温度しかない。

【０００６】そこで、基板に通常のガラス（高耐熱ガラ
ス）を使用できるように、多結晶シリコンＴＦＴを600
℃程度以下の低温の工程（低温プロセスと呼ばれる）を
使って形成することが求められている。低温プロセスで
形成された多結晶シリコンＴＦＴは低温多結晶シリコン
ＴＦＴと呼ばれる。低温多結晶シリコンＴＦＴで問題と
なるのは、能動層となる多結晶シリコン膜の形成方法、
ゲート絶縁膜の形成方法、ソース・ドレイン領域の形成
方法などである。

【０００７】シリコン薄膜の形成方法には種々の方法
（ＣＶＤ法，蒸着法，スパッタ法など）があるが、いず
れの方法でもシリコン薄膜を低温でガラス基板上に形成
すると、膜は非晶質になる。その非晶質シリコン膜を多
結晶化する方法としては、固相成長法や溶融再結晶化法
がある。

【０００８】固相成長法は、非晶質シリコン膜に600 ℃
前後で長時間の熱処理を行うことにより、固体のままで
多結晶化させて多結晶シリコン膜を得る方法である。溶
融再結晶化法は、非晶質シリコン膜の表面だけを溶融さ
せて再結晶化を図りながら基板温度を600 ℃以下に保つ
方法であり、レーザアニール法やＲＴＡ（Rapid Therma
l Annealing ）法がある。レーザアニール法は、非晶質
シリコン膜の表面にレーザを照射して加熱溶融させる方
法である。ＲＴＡ法は、非晶質シリコン膜の表面にタン
グステンランプやキセノンランプなどのランプ光を照射
して加熱溶融させる方法である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】固相成長法には以下の
問題がある。１）多結晶シリコンの結晶粒径に対する制
御方法がないため、基板全体にわたって均一な結晶粒径
の多結晶シリコン膜を形成することが難しい。

【００１０】非晶質シリコン膜における結晶成長は、主
に非晶質シリコン膜と基板との界面から起こるが、非晶
質シリコン膜中で起こることも多い。つまり、非晶質シ
リコン膜中のどの場所から結晶成長が起こるかは不確定
である。従って、結晶成長が密に起こった場所では結晶
粒径が小さくなり、結晶成長が疎らに起こった場所では
結晶粒径が大きくなるため、結晶粒径の均一性が低下す
る。

【００１１】多結晶シリコン膜は結晶粒径が大きいほど
電界効果移動度が高くなり、電界効果移動度の高い多結
晶シリコン膜を能動層として用いれば多結晶シリコンＴ
ＦＴの素子特性は向上する。そのため、多結晶シリコン
膜中で結晶粒径が大きい場所に形成された多結晶シリコ
ンＴＦＴの素子特性は優れたものになる一方、結晶粒径
が小さい場所に形成された多結晶シリコンＴＦＴの素子
特性は劣ったものになる。つまり、多結晶シリコン膜に
おける結晶粒径の均一性が低下すると、多結晶シリコン
ＴＦＴの素子特性にバラツキが生じる。その結果、ＬＣ
Ｄのパネル全面にわたって均質な画像を表示できなくな
る。

【００１２】低温プロセスを採用する目的は、通常のガ
ラス基板を用いてパネルサイズの大きなＬＣＤを安価に
提供することにある。多結晶シリコン膜における結晶粒
径の均一性の低下は基板の大型化に伴って顕著になるた
め、パネルサイズの大きなＬＣＤでは特に問題となる。

【００１３】２）非晶質シリコン膜が完全に多結晶化す
るには（すなわち、100 ％の結晶化率を得るには）、20
時間といった長時間の熱処理が必要となる。従って、ス
ループットが低下してしまう。また、ＬＣＤ用の高耐熱
ガラスを用いた場合でも、その耐熱温度限界近くで長時
間の熱処理を行うことになるため、基板に歪みなどのダ
メージが生じやすくなる。熱処理時間を短くするには、
基板の耐熱温度の範囲内においてできるだけ高温で熱処
理を行えばよい。しかし、処理温度を高くすると結晶化
速度を速くできる反面、結晶粒径が小さくなってしま
う。その結果、ＬＣＤのパネル全面にわたって多結晶シ
リコンＴＦＴの素子特性が悪化し、画質が低下してしま
う。特に、ドライバ一体型ＬＣＤでは、周辺駆動回路に
用いられる多結晶シリコンＴＦＴに対して、画素部に用
いられる多結晶シリコンＴＦＴよりも優れた素子特性が
要求される。従って、多結晶シリコン膜の結晶粒径が小
さくなると、ドライバ一体型ＬＣＤを具体化することが
できなくなる。

【００１４】レーザアニール法では、固相成長法に比べ
て熱処理時間が短いため、基板にダメージが生じること
はなく、スループットが低下することもない。しかし、
現在のところ大型の基板を一括して処理できるような大
口径のレーザ装置がないため、レーザスポットを基板全
面に走査させる必要がある。そのため、レーザスポット
が照射される部分に重なりができ、非晶質シリコン膜に
は、レーザスポットが２回照射されて２回加熱溶融され
る場所と、レーザスポットが１回しか照射されず１回し
か加熱溶融されない場所とが生じる。すると、２回加熱
溶融された場所では結晶粒径が小さくなり、１回しか加
熱溶融されない場所では結晶粒径が大きくなるため、結
晶粒径の均一性が低下する。従って、レーザアニール法
においても固相成長法と同様に、基板全体にわたって均
一な結晶粒径の多結晶シリコン膜を形成することが難し
いという問題がある。そこで、レーザアニール法では、
レーザスポットの走査速度を落として重なり部分を極力
小さくさせたり、レーザスポットを複数回照射してレー
ザスポットの重なり部分を平均化させることで、結晶粒
径の均一性を向上させる方法がとられている。しかし、
それでもなお十分な均一性を得ることは難しい。

【００１５】ＲＴＡ法においても、固相成長法に比べて
熱処理時間が短いため、基板にダメージが生じることは
なく、スループットが低下することもない。加えて、Ｒ
ＴＡ法では、基板全面に一括してランプ光を照射するこ
とができるため、非晶質シリコン膜全体を均一に加熱溶
融することができる。そのため、基板全体にわたって均
一な結晶粒径の多結晶シリコン膜を形成することができ
る。しかし、あまり長時間にわたってランプ光を照射し
続けると、基板全体が加熱され過ぎて基板にダメージが
生じるため、ランプ光の照射時間はできるだけ短くする
必要がある。ところが、ランプ光の照射時間を短くする
と非晶質シリコン膜の熱処理時間も短くなり、多結晶シ
リコン膜の結晶粒径を大きくすることができなくなる。
つまり、ＲＴＡ法では、基板全体にわたって均一な結晶
粒径の多結晶シリコン膜を形成することはできるもの
の、その結晶粒径を大きくすることはできないという問
題がある。

【００１６】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、以下の目的を有するものである。 １〕結晶粒径が均一な多結晶シリコン膜を備えた半導体
装置およびその製造方法を提供する。

【００１７】２〕結晶粒径が均一で且つ大きな多結晶シ
リコン膜を備えた半導体装置およびその製造方法を提供
する。 ３〕優れた多結晶シリコン膜を能動層として用いる優れ
た薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供する。

【００１８】４〕優れた薄膜トランジスタを画素駆動素
子として用いる安価で大面積で優れた表示装置を提供す
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、溶融再結晶化法によって形成された多結晶シリコン
膜を備えたことをその要旨とする。

【００２０】請求項２に記載の発明は、ＲＴＡ法または
レーザアニール法によって形成された多結晶シリコン膜
を備えたことをその要旨とする。請求項３に記載の発明
は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置におい
て、多結晶シリコン膜は絶縁基板上に形成されたことを
その要旨とする。

【００２１】請求項４に記載の発明は、基板上に、光を
反射する膜、基板よりも熱伝導率の低い材料による膜、
光を吸収する材料による膜のうち少なくともいずれか一
つの膜が形成され、その膜の上に多結晶シリコン膜が形
成されたことをその要旨とする。

【００２２】請求項５に記載の発明は、非晶質シリコン
膜を複数回だけ溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を
形成する工程を備えたことをその要旨とする。請求項６
に記載の発明は、ＲＴＡ法によって非晶質シリコン膜に
ランプ光を複数回照射させることで非晶質シリコン膜を
溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程を
備えたことをその要旨とする。

【００２３】請求項７に記載の発明は、レーザアニール
法によって非晶質シリコン膜にレーザ光を複数回照射さ
せることで非晶質シリコン膜を溶融再結晶化させて多結
晶シリコン膜を形成する工程を備えたことをその要旨と
する。

【００２４】請求項８に記載の発明は、基板上に、光を
反射する膜、基板よりも熱伝導率の低い材料による膜、
光を吸収する材料による膜のうち少なくともいずれか一
つの膜を形成する工程と、その膜の上に非晶質シリコン
膜を形成する工程と、非晶質シリコン膜を溶融再結晶化
させて多結晶シリコン膜を形成する工程とを備えたこと
をその要旨とする。

【００２５】請求項９に記載の発明は、基板上に、光を
反射する膜、基板よりも熱伝導率の低い材料による膜、
光を吸収する材料による膜のうち少なくともいずれか一
つの膜を形成する工程と、その膜の上に非晶質シリコン
膜を形成する工程と、ＲＴＡ法によって非晶質シリコン
膜にランプ光を複数回照射させることで非晶質シリコン
膜を溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工
程とを備えたことをその要旨とする。

【００２６】請求項１０に記載の発明は、基板上に、光
を反射する膜、基板よりも熱伝導率の低い材料による
膜、光を吸収する材料による膜のうち少なくともいずれ
か一つの膜を形成する工程と、その膜の上に非晶質シリ
コン膜を形成する工程と、レーザアニール法によって非
晶質シリコン膜にレーザ光を複数回照射させることで非
晶質シリコン膜を溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜
を形成する工程とを備えたことをその要旨とする。

【００２７】請求項１１に記載の発明は、請求項１〜４
のいずれか１項に記載の半導体装置における多結晶シリ
コン膜を能動層として用いることをその要旨とする。請
求項１２に記載の発明は、請求項５〜１０のいずれか１
項に記載の半導体装置の製造方法によって形成された多
結晶シリコン膜を能動層として用いることをその要旨と
する。

【００２８】請求項１３に記載の発明は、請求項５〜１
０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によっ
て形成された多結晶シリコン膜上にゲート絶縁膜を形成
する工程と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工
程と、ゲート電極を用いた自己整合技術により多結晶シ
リコン膜にソース領域およびドレイン領域を形成する工
程とを備えたことをその要旨とする。

【００２９】請求項１４に記載の発明は 請求項１３に
記載の薄膜トランジスタの製造方法において、デバイス
の全面に層間絶縁膜を形成する工程と、その層間絶縁膜
にソース領域およびドレイン領域とコンタクトするコン
タクトホールを形成する工程と、ソース電極およびドレ
イン電極を形成する工程とを備えたことをその要旨とす
る。

【００３０】請求項１５に記載の発明は、請求項１１ま
たは請求項１２に記載の薄膜トランジスタを画素駆動素
子として用いることをその要旨とする。請求項１６に記
載の発明は、請求項１３また請求項１４に記載の薄膜ト
ランジスタの製造方法によって製造された薄膜トランジ
スタを画素駆動素子として用いることをその要旨とす
る。

【００３１】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、溶融再結晶化
法によって形成された多結晶シリコン膜を備えることが
できる。

【００３２】請求項２に記載の発明によれば、ＲＴＡ法
またはレーザアニール法によって形成された多結晶シリ
コン膜を備えることができる。請求項３に記載の発明に
よれば、多結晶シリコン膜を絶縁基板上に形成すること
により、その多結晶シリコン膜を利用して液晶ディスプ
レイ，密着型イメージセンサ，ＤＲＡＭのメモリセル内
の電荷転送素子，ＳＲＡＭのメモリセル内の負荷素子，
三次元ＩＣなどを形成することができる。

【００３３】請求項４に記載の発明によれば、ＲＴＡ法
またはレーザアニール法によって非晶質シリコン膜を溶
融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する際に、光
を反射する膜が設けられていると、ＲＴＡ法におけるラ
ンプ光またはレーザアニール法におけるレーザ光の利用
効率を高めることができる。また、基板よりも熱伝導率
の低い材料による膜や光を吸収する材料による膜が設け
られていると、非晶質シリコン膜からの潜熱の流出が少
なくなり、非晶質シリコン膜の加熱溶融を効率的に行う
ことができる。従って、結晶粒径が大きな多結晶シリコ
ン膜を形成することができる。

【００３４】請求項５〜７のいずれか１項に記載の発明
によれば、加熱溶融された非晶質シリコン膜中の潜熱が
流出し難くなり、凝固速度が遅くなるため、結晶粒径が
大きな多結晶シリコン膜を形成することができる。ま
た、請求項６に記載の発明によれば、ランプ光を非晶質
シリコン膜の全面に照射することで、非晶質シリコン膜
全体を均一に加熱溶融することができ、結晶粒径の均一
な多結晶シリコン膜を形成することができる。

【００３５】請求項８に記載の発明によれば、請求項４
と請求項５とに記載の発明の相乗作用により、結晶粒径
が大きな多結晶シリコン膜を形成することができる。請
求項９に記載の発明によれば、請求項４と請求項６とに
記載の発明の相乗作用により、結晶粒径が大きな多結晶
シリコン膜を形成することができる。

【００３６】請求項１０に記載の発明によれば、請求項
４と請求項７とに記載の発明の相乗作用により、結晶粒
径が大きな多結晶シリコン膜を形成することができる。
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１〜４のいず
れか１項に記載の発明と同様の作用によって優れた能動
層を得ることができ、薄膜トランジスタの高性能化を図
ることができる。

【００３７】請求項１２に記載の発明によれば、請求項
５〜１０のいずれか１項に記載の発明と同様の作用によ
って優れた能動層を得ることができ、薄膜トランジスタ
の高性能化を図ることができる。

【００３８】請求項１３に記載の発明によれば、請求項
５〜１０のいずれか１項に記載の発明と同様の作用によ
り優れた能動層を短時間に得ることができる。また、自
己整合技術によりソース領域およびドレイン領域を形成
することができる。従って、プレーナ型またはスタガ型
の薄膜トランジスタを短時間に得ることができ、その高
性能化を図ることができる。そして、低温プロセスによ
って能動層を形成できることから、ゲート絶縁膜の形成
工程およびソース領域およびドレイン領域の形成工程に
も低温プロセスを導入すれば、全工程を低温プロセス化
することが可能になり、絶縁基板として耐熱温度の低い
材料を用いることができる。

【００３９】請求項１４に記載の発明によれば、層間絶
縁膜，ソース電極，ドレイン電極を形成して薄膜トラン
ジスタを完成することができる。請求項１５または請求
項１６に記載の発明によれば、優れた薄膜トランジスタ
を画素駆動素子として用いることにより、優れた表示装
置を得ることができる。また、薄膜トランジスタの製造
に係る全工程を低温プロセス化すれば、基板に耐熱温度
の低い材料を用いることができ、安価に大面積な表示装
置を得ることができる。

【００４０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例の製造方
法を図１〜図３に従って説明する。

【００４１】工程１（図１（ａ）参照）；透明絶縁基板
１（石英ガラス，高耐熱ガラス）上に、後記するＲＴＡ
装置のランプ光を反射する膜（以下、反射膜という）２
を形成する。反射膜２はランプ光を反射する性質があれ
ばどのような材質でもよいが、例えば、金属（アルミ，
銅，金，銀，プラチナなど），高融点金属（チタン，タ
ンタル，モリブデン，タングステンなど），金属シリサ
イドなどが用いられ、その形成にはＣＶＤ法またはＰＶ
Ｄ法が用いられる。ＣＶＤ法には常圧ＣＶＤ法，減圧Ｃ
ＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，光励起ＣＶＤ法などがあ
る。また、ＰＶＤ法には蒸着法，ＥＢ（Electron Beam
）蒸着法，ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法，ス
パッタ法などがある。そして、反射膜２の膜厚は、反射
膜２の材質およびランプ光の波長に合わせて、ランプ光
を十分に反射するために必要十分な膜厚に設定されてい
る。

【００４２】工程２（図１（ｂ）参照）；反射膜２上に
バッファ膜３を形成する。バッファ膜３は、後記するＲ
ＴＡ処理において、反射膜２と多結晶シリコン膜とが反
応するのを防ぐために設けられている。従って、ＲＴＡ
処理において多結晶シリコン膜と反応しないような材質
で反射膜２を形成した場合には、バッファ膜３を省いて
もよい。バッファ膜３の材質としては、シリコン酸化
膜，シリコン窒化膜，シリコン窒酸化膜（ＳｉＯ
_x Ｎ_y ）などが用いられ、その形成にはＣＶＤ法または
ＰＶＤ法が用いられる。

【００４３】工程３（図１（ｃ）参照）；バッファ膜３
上に非晶質シリコン膜４（膜厚；500 Å）を形成する。
非晶質シリコン膜４の形成にはＣＶＤ法またはＰＶＤ法
が用いられるが、以下の方法が一般的である。

【００４４】減圧ＣＶＤ法を用いる方法；減圧ＣＶＤ
法でシリコン膜を形成するには、モノシラン（Ｓｉ
Ｈ₄ ）またはジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）の熱分解を用い
る。この場合、処理温度が550 ℃以下では非晶質、620
℃以上では多結晶となる。

【００４５】プラズマＣＶＤ法を用いる方法；プラズ
マＣＶＤ法で非晶質シリコン膜を形成するには、プラズ
マ中でのモノシランまたはジシランの熱分解を用いる。
この場合、処理温度は300 ℃程度で水素を添加すると反
応が促進される。

【００４６】工程４（図１（ｄ）参照）；ＲＴＡ処理を
行うことにより、非晶質シリコン膜４を多結晶化させて
多結晶シリコン膜５を形成する。図３に、ＲＴＡ処理を
行うためのＲＴＡ装置の概略構成を示す。ＲＴＡ装置１
１は、予備加熱室Ａ，処理室Ｂ，冷却室Ｃを備えてい
る。各室Ａ〜Ｃにまたがってステージ１２が設けられ、
そのステージ１２上をＲＴＡ処理されるサンプル（基板
１）が一定速度で移動する。予備加熱室Ａ内では基板１
が予備加熱される。処理室Ｂ内には、円柱状のランプ本
体（タングステンランプまたはキセノンランプ）１３と
反射板１４（集光光学系）とからなるランプ装置１５
が、基板１の移動方向に沿って均等な間隔で複数個配置
されている。ランプ本体１３から照射されたランプ光は
反射板１４によって反射され、基板１の表面（非晶質シ
リコン膜４の表面）に照射される。冷却室Ｃ内では基板
１が冷却される。

【００４７】ランプ光が照射されると非晶質シリコン膜
４の表面は加熱されて溶融し、続いて、冷やされると凝
固して結晶化することで多結晶シリコン膜５が形成され
る。ここで、ランプ光は非晶質シリコン膜４の全面に一
括して照射されるため、非晶質シリコン膜４全体を均一
に加熱溶融することができる。そのため、基板１全体に
わたって均一な結晶粒径の多結晶シリコン膜５を形成す
ることができる。

【００４８】このとき、非晶質シリコン膜４はランプ光
のごく一部しか吸収せず、ランプ光の大部分は非晶質シ
リコン膜４を透過する。非晶質シリコン膜４を透過した
ランプ光は反射膜２によって反射され、再び非晶質シリ
コン膜４中へ戻される。そのため、反射膜２を設けない
場合に比べてランプ光の利用効率が高まり、非晶質シリ
コン膜４の加熱溶融を効率的に行うことができる。例え
ば、蒸着法で形成された銀からなる反射膜２を用い、ラ
ンプ本体１３にはキセノンランプを用いた場合、反射膜
２はキセノンアークスペクトル全波長の98％以上を反射
することができる。また、ランプ光が反射膜２によって
反射されるため、非晶質シリコン膜４を透過したランプ
光によって基板１が加熱されるのを防止することができ
る。

【００４９】そして、基板１の移動速度に対応して各ラ
ンプ装置１５を順次発光させると、非晶質シリコン膜４
へのランプ光の照射は複数回行われる。ここで、基板１
の移動速度と各ランプ装置１５の発光のタイミングとを
調整すれば、非晶質シリコン膜４へのランプ光の照射を
極短時間で複数回行うことができる。その結果、加熱溶
融された非晶質シリコン膜４中の潜熱が基板１に流出し
難くなり、凝固速度が早くなるのが防止される。

【００５０】このように、反射膜２を設けることでラン
プ光の利用効率を高めて非晶質シリコン膜４の溶融を効
率的に行うと共に、ランプ光の照射を極短時間で複数回
行うことにより、非晶質シリコン膜４の凝固速度を遅く
することができる。その結果、多結晶シリコン膜５の結
晶粒径を大きくすることができる。また、ランプ光の照
射を極短時間で複数回行うことで、基板１全体が加熱さ
れ過ぎることはなくなり、基板１に歪みなどのダメージ
が生じるのを防ぐことができる。さらに、ＲＴＡ処理に
要する時間は固相成長法における熱処理時間に比べれば
はるかに短いため、スループットが低下することもな
い。

【００５１】但し、非晶質シリコン膜４へのランプ光の
照射回数および１回当たりの照射時間については、ラン
プ光（ランプ装置１５の投射光）の性質（波長や光の強
度など）および非晶質シリコン膜４の性質（光の吸収係
数）を勘案して最適化する必要がある。

【００５２】このように、本実施例によれば、結晶粒径
が均一で且つ大きな多結晶シリコン膜５を低温プロセス
によって短時間に得ることができる。従って、基板１に
高耐熱ガラスを用いることが可能になるだけでなく、そ
の耐熱温度を下げることもできる。

【００５３】尚、非晶質シリコン膜４の形成に減圧ＣＶ
Ｄ法を用いた場合、多結晶シリコン膜５の膜質が良好に
なる反面、処理温度が高くなるため基板１に石英ガラス
を用いなければならない。一方、プラズマＣＶＤ法を用
いた場合、多結晶シリコン膜５の膜質は減圧ＣＶＤ法に
比べれば劣るものの、処理温度が低くなるため基板１に
高耐熱ガラスを用いることができる。従って、目的に合
わせていずれかの方法を選択すればよい。

【００５４】工程５（図２参照）；多結晶シリコン膜５
を能動層として用いるプレーナ型の多結晶シリコンＴＦ
Ｔを形成する。まず、多結晶シリコン膜５上にゲート絶
縁膜６（膜厚；1000Å) を形成する。ゲート絶縁膜６の
形成方法には以下のものがある。

【００５５】[1] 酸化法を用いてシリコン酸化膜を形成
する方法；高温酸化法（乾燥酸素を用いるドライ酸化
法，湿った酸素を用いるウェット酸化法，水蒸気雰囲気
中での酸化法），低温酸化法（高圧水蒸気雰囲気中での
酸化法，酸素プラズマ中での酸化法），陽極酸化法など
を用いる。

【００５６】この中では、900 〜1200℃程度の高温酸化
法が一般的である。 [2] 被着法を用いてシリコン酸化膜，シリコン窒化膜，
シリコン窒酸化膜を形成する方法；ＣＶＤ法やＰＶＤ法
を用いる。また、各膜を組み合わせて多層構造にする方
法もある。

【００５７】ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜の形成に
は、モノシランまたはジシランの熱分解，有機オキシシ
ラン（ＴＥＯＳなど）の熱分解，ハロゲン化珪素の加水
分解などを用いる。ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜の形
成には、アンモニアおよびジクロルシラン（ＳｉＨ₂ Ｃ
ｌ₂ ），アンモニアおよびモノシラン，窒素およびモノ
シランなどの熱分解などを用いる。シリコン窒酸化膜は
酸化膜と窒化膜の両膜の特性をもつもので、ＣＶＤ法に
よるシリコン窒化膜の形成の系に酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）を
少量導入することで形成することができる。

【００５８】尚、ゲート絶縁膜６の形成方法にも高温プ
ロセスおよび低温プロセスがある。高温プロセスでは、
一般に前記した高温酸化法が用いられる。一方、低温プ
ロセスでは、一般に前記した酸素プラズマ中での酸化法
や被着法などが用いられ、処理温度が600 ℃程度以下に
抑えられる。

【００５９】次に、ゲート絶縁膜６上にゲート電極７を
形成して所望の形状にパターニングする。ゲート電極７
の材質としては、不純物がドープされた多結晶シリコン
（ドープドポリシリコン），金属シリサイド，ポリサイ
ド，高融点金属単体，その他の金属などが用いられ、そ
の形成にはＣＶＤ法またはＰＶＤ法が用いられる。

【００６０】続いて、自己整合技術により、ゲート電極
７をマスクとして多結晶シリコン膜５にソース・ドレイ
ン領域８を形成する。ソース・ドレイン領域８の形成方
法にも高温プロセスおよび低温プロセスがある。高温プ
ロセスでは、不純物をイオン注入後に高温の熱処理を行
って不純物を活性化させる。低温プロセスでは、ホスフ
ィンガス（ＰＨ₃ ）またはジボランガス（Ｂ₂ Ｈ₆ ）と
水素ガスとの混合ガスによるイオンシャワーを照射する
ことで、特別な熱処理工程を設けることなく不純物の注
入と活性化を同時に行う。尚、低温プロセスでは、不純
物をイオン注入後に600 ℃程度以下の低温で数時間〜数
十時間の熱処理を行うことで不純物を活性化させる方法
もある。基板１に高耐熱ガラスを用いた場合には、多結
晶シリコン膜５の形成時だけでなく、ゲート絶縁膜６の
形成時およびソース・ドレイン領域８の形成時にも低温
プロセスを用いなければならない。

【００６１】そして、デバイスの全面に層間絶縁膜９を
形成する。層間絶縁膜９の材質としては、シリコン酸化
膜，シリケートガラス，シリコン窒化膜などが用いら
れ、その形成にはＣＶＤ法またはＰＶＤ法が用いられ
る。

【００６２】その後、ソース・ドレイン領域８とコンタ
クトするコンタクトホール１０が層間絶縁膜９に形成さ
れ、ソース・ドレイン電極１１が形成されて多結晶シリ
コンＴＦＴが完成する。

【００６３】このように、本実施例によれば、多結晶シ
リコン膜５の結晶粒径が均一で且つ大きいため、基板１
の全体にわたって素子特性にバラツキがない上に、優れ
た素子特性の多結晶シリコンＴＦＴを形成することがで
きる。そのような多結晶シリコンＴＦＴをアクティブマ
トリクス方式ＬＣＤの画素駆動素子として用いれば、Ｌ
ＣＤのパネル全面にわたって均質で高品位な画像を表示
することができる。また、素子特性の優れた多結晶シリ
コンＴＦＴは、画素駆動素子としてだけでなく、周辺駆
動回路にも使用することができるため、ドライバ一体型
ＬＣＤを具体化することができる。さらに、多結晶シリ
コン膜５が短時間で形成されることから、多結晶シリコ
ンＴＦＴおよびＬＣＤのスループットを向上させること
ができる。

【００６４】また、本実施例において、ゲート絶縁膜６
およびソース・ドレイン領域８の形成に低温プロセスを
採用すれば、基板１に高耐熱ガラスを用いてパネルサイ
ズの大きなＬＣＤを安価に提供することができる。

【００６５】ところで、ＬＣＤでは、画素駆動素子とし
ての多結晶シリコンＴＦＴに光が当たると、多結晶シリ
コンＴＦＴの素子特性が変化して、性能劣化や誤動作を
引き起こすことがある。本実施例においては、反射膜２
が設けられているために、基板１側から多結晶シリコン
ＴＦＴに光が当たることがなくなり、ＬＣＤの性能劣化
や誤動作を防止することができる。

【００６６】尚、上記実施例は以下のように変更しても
よく、その場合でも同様の作用および効果を得ることが
できる。 （１）反射膜２の成膜後にフォトリソ工程によって反射
膜２の不要な部分をエッチング除去し、反射膜２を必要
とする部分にだけアイランド形成する。

【００６７】（２）反射膜２を、光を吸収する膜（非晶
質シリコン膜４が吸収しない波長の光を吸収する膜、ま
たは非晶質シリコン膜４に吸収されずに透過した光を吸
収する材料による膜。以下、光吸収膜という）に置き代
える。この場合には、非晶質シリコン膜４を透過したラ
ンプ光が光吸収膜によって吸収され、光吸収膜が加熱さ
れることで光吸収膜および非晶質シリコン膜４に熱が蓄
えられる。その結果、非晶質シリコン膜４からの潜熱の
流出が少なくなり、非晶質シリコン膜４の加熱溶融を効
率的に行うことができる。光吸収膜の材質としては、酸
化チタン，酸化タンタル，窒化チタン，酸化アルミなど
が用いられ、その形成にはＣＶＤ法またはＰＶＤ法が用
いられる。

【００６８】また、可視光領域やその近傍の光はシリコ
ンを含む多くの物質に吸収されるが、透明絶縁基板上に
形成された非晶質シリコン薄膜は輻射のごく一部しか吸
収しないため、大部分の光は透過する。そこで、光吸収
膜の材質としては、シリコン系の化合物（非晶質シリコ
ン，微結晶を含む非晶質シリコン，多結晶シリコン，酸
化シリコン，窒化シリコン，窒酸化シリコン，炭化シリ
コンなど）を用いてもよく、その形成にはＣＶＤ法また
はＰＶＤ法が用いられる。

【００６９】（３）反射膜２を、基板１よりも熱伝導率
の低い材料による膜（以下、低熱伝導膜という）に置き
代える。この場合には、非晶質シリコン膜４から基板１
への潜熱の流出が少なくなり、非晶質シリコン膜４の加
熱溶融を効率的に行うことができる。低熱伝導膜の材質
としては酸化シリコンが用いられ、その形成にはＣＶＤ
法，ＰＶＤ法，ＬＰＤ（液相成長）法，塗布法などが用
いられる。

【００７０】（４）反射膜２と光吸収膜と低熱伝導率膜
とをそれぞれ組み合わせる。例えば、反射膜２の上層に
低熱伝導膜を形成する。また、反射膜２の上層に光吸収
膜を形成する。また、反射膜２の上層に光吸収膜を形成
し、その上層に低熱伝導膜とを形成する。これらの場合
には、各膜の相乗作用により、本発明の効果をさらに高
めることができる。

【００７１】（５）ＲＴＡ法ではなくレーザアニール法
に適用する。この場合には、非晶質シリコン膜４表面へ
のレーザスポット（レーザ光）の照射を複数回行うこと
で、加熱溶融された非晶質シリコン膜４中の潜熱が基板
１に流出し難くなり、凝固速度が早くなるのが防止され
る。

【００７２】（６）多結晶シリコンＴＦＴの製造工程に
おいて、多結晶シリコン膜５の形成後に、水素化処理を
行うことで多結晶シリコンＴＦＴの素子特性を向上させ
る。水素化処理とは、多結晶シリコンの結晶欠陥部分に
水素原子を結合させることにより、欠陥を減らして結晶
構造を安定化させ、電界効果移動度を高める方法であ
る。

【００７３】（７）多結晶シリコン膜５のチャネル領域
に相当する部分に不純物をドーピングして多結晶シリコ
ンＴＦＴの閾値電圧（Ｖth）を制御する。溶融再結晶化
法で形成された多結晶シリコンＴＦＴにおいては、ｎチ
ャネルトランジスタではディプレッション方向に閾値電
圧がシフトし、ｐチャネルトランジスタではエンハンス
メント方向に閾値電圧がシフトする傾向にある。特に、
水素化処理を行った場合には、その傾向がより顕著とな
る。この閾値電圧のシフトを抑えるには、チャネル領域
に不純物をドーピングすればよい。

【００７４】（８）プレーナ型だけでなく、逆プレーナ
型，スタガ型，逆スタガ型などあらゆる構造の多結晶シ
リコンＴＦＴに適用する。 （９）多結晶シリコンＴＦＴだけでなく、絶縁ゲート型
半導体素子全般に適用する。また、太陽電池や光センサ
などの光電変換素子，バイポーラトランジスタ，静電誘
導型トランジスタ（ＳＩＴ；Static Induction Transis
tor ）などの多結晶シリコン膜を用いるあらゆる半導体
装置に適用する。

【００７５】（１０）絶縁基板１をセラミックス基板や
シリコン酸化膜などの絶縁層に置き代え、ＬＣＤではな
く密着型イメージセンサや三次元ＩＣなどに適用する。 （１１）多結晶シリコンＴＦＴを、ＬＣＤではなくダイ
ナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）のメモリセル内の電荷転送
素子やスタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）のメモリセル内
の負荷素子などに用いる。

【００７６】以上、各実施例について説明したが、各実
施例から把握できる請求項以外の技術的思想について、
以下にそれらの効果と共に記載する。 （イ）請求項１３または請求項１４に記載の薄膜トラン
ジスタの製造方法において、多結晶シリコン膜に水素化
処理を施した薄膜トランジスタの製造方法。

【００７７】このようにすれば、多結晶シリコン膜の結
晶欠陥部分に水素原子が結合することにより、欠陥が減
って結晶構造が安定化し、電界効果移動度を高めること
ができる。

【００７８】（ロ）請求項１３または請求項１４に記載
の薄膜トランジスタの製造方法において、多結晶シリコ
ン膜のチャネル領域に相当する部分に不純物をドーピン
グした薄膜トランジスタの製造方法。

【００７９】このようにすれば、多結晶シリコンＴＦＴ
の閾値電圧を制御することができる。 （ハ）請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置
の製造方法によって形成された多結晶シリコン膜を基板
上に形成する工程と、多結晶シリコン膜下にゲート絶縁
膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜下にゲート電極を形
成する工程とを備えた薄膜トランジスタの製造方法。

【００８０】このようにすれば、逆スタガ型または逆プ
レーナ型の多結晶シリコンＴＦＴを得ることができる。 （ニ）基板上に、光を反射する膜、基板よりも熱伝導率
の低い材料による膜、シリコンが吸収しない波長の光を
吸収する材料による膜のうち少なくともいずれか一つの
膜が形成され、その膜の上にバッファ膜を介して多結晶
シリコン膜が形成された半導体装置。

【００８１】このようにすれば、非晶質シリコン膜を溶
融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する際に、前
記膜と多結晶シリコン膜とが反応するのを防ぐことがで
きる。 （ホ）請求項８〜１０のいずれか１項に記載の半導体装
置の製造方法において、基板上に、光を反射する膜、基
板よりも熱伝導率の低い材料による膜、シリコンが吸収
しない波長の光を吸収する材料による膜のうち少なくと
もいずれか一つの膜を形成する工程と、その膜の上に非
晶質シリコン膜を形成する工程との間に、バッファ膜を
形成する工程を加えた半導体装置の製造方法。

【００８２】このようにすれば、非晶質シリコン膜を溶
融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する際に、前
記膜と多結晶シリコン膜とが反応するのを防ぐことがで
きる。

【００８３】ところで、本明細書において、発明の構成
に係る部材は以下のように定義されるものとする。 （ａ）基板としては、石英ガラス，高耐熱ガラス，高耐
熱樹脂，セラミックスなどのあらゆる絶縁材料による基
板を含むだけでなく、表面にシリコン酸化膜などの絶縁
層を設けた金属などの導電性基板をも含むものとする。

【００８４】（ｂ）薄膜トランジスタとしては、プレー
ナ型だけでなく、逆プレーナ型，スタガ型，逆スタガ型
などをも含むものとする。 （ｃ）ゲート絶縁膜としては、高温の熱酸化法などの高
温プロセスで形成されたシリコン酸化膜だけでなく、プ
ラズマ酸化法，常圧ＣＶＤ法，減圧ＣＶＤ法，プラズマ
ＣＶＤ法，ＥＣＲプラズマＣＶＤ法，光励起ＣＶＤ法，
蒸着法，スパッタ法などの低温プロセスで形成されたシ
リコン酸化膜，シリコン窒化膜，シリコン窒酸化膜など
をも含むものとする。

【００８５】

【発明の効果】

１〕結晶粒径が均一な多結晶シリコン膜を備えた半導体
装置およびその製造方法を提供することができる。

【００８６】２〕結晶粒径が均一で且つ大きな多結晶シ
リコン膜を備えた半導体装置およびその製造方法を提供
することができる。 ３〕優れた多結晶シリコン膜を能動層として用いる優れ
た薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供すること
ができる。

【００８７】４〕優れた薄膜トランジスタを画素駆動素
子として用いる安価で大面積で優れた表示装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の製造方法を説明するための概略断面
図。

【図２】一実施例の製造方法を説明するための概略断面
図。

【図３】ＲＴＡ装置の概略構成図。

【符号の説明】

１ 絶縁基板 ３ 反射膜 ４ 非晶質シリコン膜 ５ 多結晶シリコン膜 ６ ゲート絶縁膜 ７ ゲート電極 ８ ソース領域またはドレイン領域（ソース・ドレイン
領域） ９ 層間絶縁膜 １０ コンタクトホール １１ ソース電極またはドレイン電極（ソース・ドレイ
ン電極）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/84 29/786 21/336 9056−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/78 ３１１ Ｙ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融再結晶化法によって形成された多結
   晶シリコン膜を備えた半導体装置。
2. 【請求項２】 ＲＴＡ法またはレーザアニール法によっ
   て形成された多結晶シリコン膜を備えた半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の半導体
   装置において、多結晶シリコン膜は絶縁基板上に形成さ
   れた半導体装置。
4. 【請求項４】 基板上に、光を反射する膜、基板よりも
   熱伝導率の低い材料による膜、光を吸収する材料による
   膜のうち少なくともいずれか一つの膜が形成され、その
   膜の上に多結晶シリコン膜が形成された半導体装置。
5. 【請求項５】 非晶質シリコン膜を複数回だけ溶融再結
   晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程を備えた半
   導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 ＲＴＡ法によって非晶質シリコン膜にラ
   ンプ光を複数回照射させることで非晶質シリコン膜を溶
   融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程を備
   えた半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 レーザアニール法によって非晶質シリコ
   ン膜にレーザ光を複数回照射させることで非晶質シリコ
   ン膜を溶融再結晶化させて多結晶シリコン膜を形成する
   工程を備えた半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 基板上に、光を反射する膜、基板よりも
   熱伝導率の低い材料による膜、光を吸収する材料による
   膜のうち少なくともいずれか一つの膜を形成する工程
   と、 その膜の上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、 非晶質シリコン膜を溶融再結晶化させて多結晶シリコン
   膜を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 基板上に、光を反射する膜、基板よりも
   熱伝導率の低い材料による膜、光を吸収する材料による
   膜のうち少なくともいずれか一つの膜を形成する工程
   と、 その膜の上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、 ＲＴＡ法によって非晶質シリコン膜にランプ光を複数回
   照射させることで非晶質シリコン膜を溶融再結晶化させ
   て多結晶シリコン膜を形成する工程とを備えた半導体装
   置の製造方法。
10. 【請求項１０】 基板上に、光を反射する膜、基板より
    も熱伝導率の低い材料による膜、光を吸収する材料によ
    る膜のうち少なくともいずれか一つの膜を形成する工程
    と、 その膜の上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、 レーザアニール法によって非晶質シリコン膜にレーザ光
    を複数回照射させることで非晶質シリコン膜を溶融再結
    晶化させて多結晶シリコン膜を形成する工程とを備えた
    半導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の
    半導体装置における多結晶シリコン膜を能動層として用
    いる薄膜トランジスタ。
12. 【請求項１２】 請求項５〜１０のいずれか１項に記載
    の半導体装置の製造方法によって形成された多結晶シリ
    コン膜を能動層として用いる薄膜トランジスタ。
13. 【請求項１３】 請求項５〜１０のいずれか１項に記載
    の半導体装置の製造方法によって形成された多結晶シリ
    コン膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、 ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、 ゲート電極を用いた自己整合技術により多結晶シリコン
    膜にソース領域およびドレイン領域を形成する工程とを
    備えた薄膜トランジスタの製造方法。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の薄膜トランジスタ
    の製造方法において、 デバイスの全面に層間絶縁膜を形成する工程と、 その層間絶縁膜にソース領域およびドレイン領域とコン
    タクトするコンタクトホールを形成する工程と、 ソース電極およびドレイン電極を形成する工程とを備え
    た薄膜トランジスタの製造方法。
15. 【請求項１５】 請求項１１または請求項１２に記載の
    薄膜トランジスタを画素駆動素子として用いる表示装
    置。
16. 【請求項１６】 請求項１３また請求項１４に記載の薄
    膜トランジスタの製造方法によって製造された薄膜トラ
    ンジスタを画素駆動素子として用いる表示装置。