JPH0864526A

JPH0864526A - 光照射による材料の改質方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0864526A
Application number: JP6224294A
Authority: JP
Inventors: Uesutouootaa Jiyonasan; ウェストウォータージョナサン; Paru Gosain Daramu; パルゴサインダラム; Setsuo Usui; 節夫碓井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、低温プロセスによって、厚い非晶
質シリコン薄膜を粒径が大きい状態に結晶化する。また
その技術を用いて半導体装置を形成するのに用いる材料
の結晶性を改質する。【構成】第１工程で、基板11に形成した薄膜12に光Ｌ
を１パルス照射して、その薄膜12の表面から所定の深さ
まで照射した光Ｌを吸収させる。そして薄膜12の吸光係
数よりも小さい吸光係数を有する改質層13を形成する。
次いで第２工程で、さらに光Ｌを１パルス照射して、改
質層13を透過させ、その改質層13の直下の領域に照射し
た光Ｌを吸収させて、さらに改質層13を所望の深さまで
延ばす。そして第３工程では、必要に応じて上記第２工
程を繰り返す。また図示はしないが、上記改質方法を用
いて、半導体装置製造に用いる非晶質シリコン膜を結晶
性シリコン膜の改質して、半導体装置を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に用いる材
料の結晶性の改質方法であって、光照射による材料の改
質方法およびそれを適用した半導体装置の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】非晶質シリコンを結晶化させる技術に
は、代表的な方法として、レーザ光照射を用いた溶融−
再成長による結晶化方法と、固相成長による結晶化方法
とがある。レーザ溶融−再成長法によって非晶質シリコ
ンを結晶化して得た多結晶シリコンは、非常に小さな結
晶粒（一般的には数十ｎｍの大きさ）によって構成され
る。一方、固相成長による結晶化法によって形成した多
結晶シリコンは、一般に大きな結晶粒を有している。そ
のため、半導体装置を形成するうえで、品質に優れてい
る。

【０００３】上記結晶性シリコンの薄膜の用途として
は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と太陽電池とがある。
ＴＦＴは１００ｎｍ厚み以下の多結晶シリコンを用いて
製造されるので、レーザ溶融−再成長法によって形成さ
れた薄膜でも、十分に薄膜の厚みの条件を満足する。ま
た固相成長法で形成された多結晶シリコンを用いたＴＦ
Ｔでは、キャリア移動度が高くなりＯＮ電流が大きくな
る。したがって、性能に優れたＴＦＴが得られる。一
方、太陽電池は数μｍの厚みの薄膜を必要とし、また、
キャリアのライフタイムが結晶粒界の存在によって制限
されため、結晶粒の大きさも大きいものが要求されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記レ
ーザ溶融−再成長法による非晶質シリコンの結晶化で
は、約１５０ｎｍより厚い多結晶シリコン薄膜を形成す
ることは困難である。そのため、数μｍの厚さの多結晶
シリコン薄膜を必要とする太陽電池の製造方法に、上記
レーザ溶融−再成長法を適用することはできない。また
太陽電池では、大きな結晶粒の多結晶シリコンを必要と
するため、非常に小さな結晶粒（一般的には数十ｎｍの
大きさ）になる上記溶融−再成長法で形成された多結晶
シリコンは適用できない。

【０００５】一方、ＴＦＴに用いられる多結晶シリコン
の厚みは１００ｎｍ厚み以下なので、レーザ溶融−再成
長法によって形成された薄膜でも、厚みの条件を十分に
満足する。しかしながら、結晶粒径が小さいため、キャ
リアの移動度や素子のＯＮ電流が制限され、十分な性能
を得ることができない。そこで、一般に大きな結晶粒に
なる固相成長法によって形成された多結晶シリコンを適
用する。しかしながら、固相成長法は、結晶化に５００
℃以上の温度が要求される。そのため、安価なガラス基
板を用いることができない。そこで、高価な石英ガラス
基板を用いなければならないので、製造コストが高くな
る。

【０００６】本発明は、低温プロセスによって、厚い非
晶質シリコン薄膜を粒径が大きい状態に結晶化するのに
優れている光照射による材料の改質方法およびそれを用
いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた方法である。すなわち、光照射に
よる材料の改質方法は、第１工程で、基板に形成した薄
膜に光を１パルス照射して、その薄膜の表面から所定の
深さまで照射した光を吸収させる。そして薄膜の吸光係
数よりも小さい吸光係数を有する改質層を形成する。次
いで第２工程で、さらに光を１パルス照射して、改質層
を透過し、その改質層直下の領域に照射した光を吸収さ
せて、さらに改質層を所望の深さまで延ばす。そして第
３工程では、必要に応じて上記第２工程を繰り返す。

【０００８】上記光のエネルギーは１．８ｅＶ〜２．５
ｅＶの範囲の所定値に設定する。上記光は波長が４６０
ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の所定波長を有するレーザ光を
用いる。また、上記薄膜は非晶質であって、パルス光の
照射によって形成された改質層が結晶層となる。この結
晶層は、前の照射で形成した結晶層を種として連続成長
させる。

【０００９】半導体装置の第１の製造方法は、第１工程
で、基板上に非晶質シリコン層を形成する。次いで第２
工程で、パルスレーザ光照射によって、非晶質シリコン
層を改質して結晶性シリコン層を形成する。その後第３
工程で、結晶性シリコン層上にゲート誘電体層を形成
し、さらにゲート誘電体層上にゲート電極を形成した
後、このゲート電極をマスクにして結晶性シリコン層に
導電型不純物を導入することでソース・ドレイン領域を
形成する。

【００１０】半導体装置の第２の製造方法は、第１工程
で、基板上にゲート電極を形成した後、さらにこのゲー
ト電極を覆うゲート誘電体層を形成する。次いで第２工
程で、ゲート誘電体層上に非晶質シリコン層を形成した
後、パルスレーザ光照射によって、非晶質シリコン層を
改質して結晶性シリコン層を形成する。その後第３工程
で、ゲート電極上方の結晶性シリコン層上にエッチング
ストッパ層を形成した後、このエッチングストッパ層の
両側にソース・ドレイン領域を形成する。

【００１１】半導体装置の第３の製造方法は、第１工程
で、表面が絶縁性の基板上に金属電極層と第１導電型不
純物を含む第１非晶質シリコン層と不純物を含まない第
２非晶質シリコン層と第２導電型不純物を含む第３非晶
質シリコン層とを順に積層する。次いで第２工程で、パ
ルスレーザ光を複数回照射することによって、第３，第
２および第１非晶質シリコン層を順次結晶化して、上層
側から第２導電型不純物を含む第３結晶性シリコン層と
不純物を含まない第２結晶性シリコン層と第１導電型不
純物を含む第１結晶性シリコン層とを形成する。続いて
第３工程では、第３結晶性シリコン層上に透明電極を形
成する。

【００１２】半導体装置の第４の製造方法は、第１工程
で、表面が絶縁性の基板上に不純物を含まない第１非晶
質シリコン層と導電型不純物を含む第２非晶質シリコン
層とを順に積層する。次いで第２工程では、パルスレー
ザ光を複数回照射することによって、前記第２非晶質シ
リコン層および第１非晶質シリコン層を順次結晶化し
て、上層側から導電型不純物を含む第２結晶性シリコン
層と不純物を含まない第１結晶性シリコン層とを形成す
る。続いて第３工程では、第２結晶性シリコン層上に透
明電極を形成した後、該透明電極と第２結晶性シリコン
層との一部分を除去して第１結晶性シリコン層の一部分
を露出させ、その露出部分に電極を形成する。

【００１３】

【作用】上記光照射による材料の改質方法では、薄膜に
光を１パルス照射して、光を薄膜に吸収させることで、
光を吸収した領域は、薄膜の吸光係数よりも小さい吸光
係数を有する改質層になる。そのため、さらに光を１パ
ルス照射した際には、照射した光は、改質層を透過し
て、その直下の領域に吸収される。その結果、改質層の
深さをさらに延ばせる。したがって、パルス数を制御す
ることによって、所望の深さまで薄膜は改質される。

【００１４】上記光のエネルギーは１．８ｅＶ〜２．５
ｅＶの範囲の所定値に設定することから、特に非晶質シ
リコン薄膜に光エネルギーが効率よく吸収される。上記
光は波長が４６０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の所定波長を
有するレーザ光を用いることから、特に非晶質シリコン
薄膜に光エネルギーが効率よく吸収されるとともに、Ｙ
ＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）レーザ光の第２高調波のような
高出力のパルスレーザ光を用いることが可能になる。

【００１５】また、上記薄膜は非晶質であって、上記改
質層が結晶層となることから、光照射によって非晶質シ
リコンは結晶化され、しかもそのプロセスはガラス基板
を使用できるようなプロセス温度であるいわゆる低温プ
ロセスになる。

【００１６】半導体装置の第１〜第４の製造方法では、
パルスレーザ光を照射することによって、非晶質シリコ
ン層を結晶性シリコン層に改質することから、基板が悪
影響を受けないような温度（例えば基板温度が４００℃
程度以下）で非晶質シリコン層が結晶化される。また、
パルスレーザ光照射によって、結晶層を深く形成してい
く際に、結晶化した層と結晶化しない層との界面の結晶
粒を種として結晶を成長させるので結晶粒は大きく成長
する。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図１の改質工程図により説
明する。

【００１８】図１の（１）に示すように、第１工程で
は、基板１１に形成した薄膜１２に波長λの光Ｌを１パ
ルス照射する。この光Ｌが薄膜１２の表面に達した瞬間
の時間ｔ＝０のとき、光Ｌは薄膜１２の表面に入射す
る。

【００１９】そして図１の（２）に示すように、ｔ＝ｔ
1 のときには、その薄膜１２の表面から所定の深さｄ1
まで、上記光Ｌが吸収されて、その構造が変化する（例
えば、その吸収熱によって）。その結果、光Ｌを吸収し
た薄膜１２の領域は所望の特性を有する構造になる。そ
の構造の変化は、材料の光学的性質の変化をもたらす。
すなわち、薄膜１２の光Ｌの吸光係数α1 よりも小さい
吸光係数α2 を有する改質層１３を形成する。

【００２０】続いて図１の（３）に示す第２工程を行
う。この工程では、さらに光Ｌを１パルス照射する。こ
の瞬間ｔ＝ｔ2 ＞ｔ1 のときには、照射した光Ｌは、上
記改質層１３を透過して改質層１３の直下に在る薄膜１
２の領域に吸収される。その結果、光Ｌを吸収して構造
変化を起こした領域はさらに深くなる。すなわち、改質
層１３が所定の深さｄ2 まで延びる。

【００２１】さらに必要に応じて、図１の（４）に示す
第３工程を行う。この工程では、上記第２工程を繰り返
す。すなわち、さらに光Ｌを１パルス照射する。この照
射した光Ｌは、上記工程によって形成された改質層１３
を透過して、その直下の薄膜１２に吸収される。その結
果、改質層１３が所定の深さｄ3 までさらに延びる。こ
の工程を改質層１３が所望の深さになるまで繰り返す。

【００２２】波長λでの吸光係数（α）は薄膜の材質に
よって著しく異なる。そこで薄膜１２の非改質領域の吸
光係数をα1 、改質領域の吸光係数をα2 とすると、下
記の（１）式のような関係を満足しなければならない。

【００２３】

【数１】α1 ／α2 ≪１・・・（１）

【００２４】このように改質領域の光吸収は十分に小さ
いので、入射する光は改質領域を良く透過する。そして
非改質領域に入って行くにつれて、光は強く吸収され
る。

【００２５】その結果、図２に示す吸光モデルが得られ
る。図の（１）は縦軸に光エネルギー吸収量を示し、横
軸に深さ方向の位置を示す。また図の（２）には、上記
横軸に対応させた薄膜１２の改質領域１２a （前記図１
の改質層１３に相当）と非改質領域１２naのモデルを示
す。図に示すように、改質領域１２a における表面深さ
（１／α）以下の深さでは、入射光エネルギーの大部分
が改質領域１２a と非改質領域１２naとの界面の近傍で
吸収される。

【００２６】次に吸光曲線の経時的変化を図３によって
説明する。この図３では、上記図２と同様に、光エネル
ギー吸収量と深さ方向の位置との関係図と改質領域１２
a と非改質領域１２naのモデルとを組にして示してい
る。

【００２７】図に示すように、光を照射した瞬間のｔ＝
０から照射後の経過時間がｔ1 からｔ2 （ｔ2 ＞ｔ1 ＞
０）に進むにしたがい、薄膜１２の改質が進行して改質
領域１２a と非改質領域１２naとの界面が深くなる。そ
れにともなって、照射光の吸収位置が変化していること
わかる。光の吸収が行われるのは、改質領域１２a と非
改質領域１２naとの界面の近傍であり、その界面が深く
なるにつれて、吸収光エネルギー量は小さくなってい
る。すなわち、光は改質領域１２a においても少しでは
あるが吸収されている。

【００２８】次に上記技術は、非晶質シリコン薄膜のレ
ーザ結晶化に適用できる。非晶質シリコン薄膜の結晶化
は薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）や太陽電池の
技術にとって重要のものとなっている。非晶質シリコン
薄膜のレーザ結晶化では、薄膜の改質（この場合は結晶
化）における吸光係数αの変化に関して上記（１）式の
条件が満足される。

【００２９】次いで図４に、結晶性シリコンとスパッタ
リングで堆積した非晶質シリコンとに対する吸光係数α
の光エネルギー依存性を示す。図では、縦軸に吸光係数
を示し、横軸に光エネルギーを示す。

【００３０】図に示すように、結晶性シリコンのダイレ
クトギャップ以下の光エネルギーにおける非晶質シリコ
ンの吸光係数αは、結晶性シリコン（多結晶シリコン）
の吸光係数αよりも高い。それは、非晶質シリコンの光
学的遷移における運動量保存の法則の緩和によるもので
ある。また、非晶質シリコンの吸光係数αは、その非晶
質シリコン内に含まれる水素量に大きく依存する。そし
て水素を含む非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）中の水素
の存在は、バンドギャップを広げ、そのバンドギャップ
中の欠陥状態を終端化させる。

【００３１】このように、非晶質シリコン中に水素が含
まれることは吸光係数αを減少させるので好ましくな
い。加えて、素子に使われる非晶質シリコンとして水素
を含むことは重要ではあるが、レーザ結晶化の前に非晶
質シリコン中から水素を除去しないとレーザ結晶化時に
水素が爆発的に発生して薄膜を破壊することになる。こ
のため、プラズマＣＶＤによって堆積したａ−Ｓｉ：Ｈ
薄膜を用いるときは、水素を含まない非晶質シリコンが
得られるような付加的なプロセスが必要になる。そこ
で、付加的なプロセスを必要としないスパッタリングに
よる非晶質シリコンの堆積が望ましい。また、スパッタ
リングによる堆積はより急速に薄膜を成長させることが
できる利点もある。

【００３２】次に非晶質シリコン薄膜の結晶化技術を図
５によって説明する。ここで説明する結晶化技術は、非
晶質シリコンの吸光係数αa と結晶性シリコンとの吸光
係数αc の差を利用する。

【００３３】図に示すように、基板２１上には緩衝層２
２が形成されている。例えばスパッタリングによって、
上記緩衝層２２上に非晶質シリコン薄膜２３を堆積す
る。上記緩衝層２２は、後の工程でのレーザ光照射中に
基板２１が過度の高温になるのを避けるために設けられ
ている。上記図１で説明したと同様に、１パルスの光Ｌ
を非晶質シリコン薄膜２３に照射する。上記光Ｌは、例
えば波長が４６０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の所定波長
（ここでは波長が６８０ｎｍ、パルス幅が５ｎｓ）を有
するレーザ光を用いる。

【００３４】上記非晶質シリコン薄膜２３にパルスの光
Ｌを照射することによって、照射部分が改質されて改質
層２４を形成する。この改質層２４は結晶層となる。さ
らに改質層２４を深く形成するには、さらに１パルスの
光Ｌを照射する。そして改質層２４が所望の深さになる
まで光Ｌの照射を繰り返す。このように光Ｌをパルスで
繰り返し照射することによって、新たに形成された改質
層２４は前の照射で形成した改質層２４を結晶種として
連続成長によって結晶が成長していく。

【００３５】ここで光エネルギーに対する非晶質シリコ
ンの吸光係数αa ／結晶性シリコンの吸光係数αc で示
される比率を図６によって説明する。図では、縦軸にα
a ／αc を示し、横軸に光エネルギーを示す。

【００３６】図６に示すように、レーザ光の波長が短い
と上記比率は小さくなる。例えば、非晶質シリコンの結
晶化に広く使われているキセノンクロライド（ＸｅＣ
ｌ）エキシマレーザ光（波長＝３０８ｎｍ）の場合、そ
の比率は１に近い。この場合、吸収に対する選択性がな
く、上記改質方法の原理を適用することができない。し
たがって、照射光の吸収に対する選択性を確保するため
に、吸光係数の比率αa／αc はある程度以上の値が必
要になる。そこでαa ／αc が１０以上であれば、非改
質領域の光吸収の選択比が十分にとれる。この値であれ
ば、非晶質シリコンの結晶化に対して上記改質方法を適
用することができる。そして低い光エネルギーでは吸収
係数αの比率が非常に大きくなるので理想的な改質条件
になる。しかし、他の臨界要素もあるため、それらも考
慮しなければならない。

【００３７】すなわち、非晶質シリコンの表層深さと光
エネルギーとの関係を考慮しなければならない。この関
係を図７によって説明する。図では、縦軸に非晶質シリ
コン層の表層深さを示し、横軸に光エネルギーを示す。

【００３８】図７に示すように、低い光エネルギー（例
えば１．８ｅＶ以下）では、非晶質シリコン層の表層深
さは深くなる。すなわち、非晶質シリコン層の光エネル
ギー吸収端が長くなるので、結晶性シリコン層と非晶質
シリコン層との界面より深い非晶質シリコンは著しく加
熱される。そして５５０℃以上の温度で、結晶種の形成
が急速に始まる（このプロセスにおける活性化エネルギ
ーは約５ｅＶである）。もし結晶種の形成が成長界面以
下で起きるならば、液相エピタキシャル成長になって成
長結晶の粒子径が制限される。

【００３９】したがって、非晶質シリコン層の表層深さ
の上限は制限される。適性値として２００ｎｍの表層深
さを選択するなら、図６および図７で説明した条件を満
足する狭いエネルギーバンドが得られる。この範囲は
１．８〜２．５ｅＶ（レーザ光波長：４６０ｎｍ〜６８
０ｎｍ）である。

【００４０】上記非晶質シリコンの結晶化法の第１ステ
ップは非晶質シリコン表面での溶融−再成長を含み、こ
れによって、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）の結晶種が
得られる。第２ステップは、第１ステップで形成された
結晶種から、レーザ光照射によるＬＰＥ（液相エピタキ
シャル）を行う。第１ステップとしてはエキシマレーザ
光を用いることもできるが、結晶化の両方のステップに
対して同時に行えるレーザ光を利用する方が有効であ
る。この第２ステップは、波長が４６０ｎｍ〜６８０ｎ
ｍの範囲に在るレーザ光が要求される。そのため、光源
を有効に利用するために、第２ステップを行うレーザ光
を第１ステップでも用いるべきである。したがって、波
長は４６０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に在るレーザ光を用
いる。

【００４１】次にコンピュータシミュレーションを用い
て、熱拡散を解析するために温度と深さの関係および温
度と時間の関係を計算によって求めた。この計算は、ガ
ラス基板上に１μｍの厚みの非晶質シリコン層とその上
層に４μｍの厚みの多結晶シリコン層が形成されている
試料に、波長が６８０ｎｍのレーザ光を、１パルスの照
射時間を５ｎｓ、エネルギー密度を７５０ｍＪ／ｃｍ²
に設定して１パルスを照射した。

【００４２】まず温度と深さとの関係を図８によって説
明する。図では、縦軸に温度を示し、横軸に最表面から
の深さを示す。そして、レーザ光を照射して０．１ｎｓ
後と２０ｎｓ後の状態を求めた。

【００４３】図に示すように、曲線Ｃt1は０．１ｎｓ後
に対する曲線である。これは、レーザ光照射を開始した
直後の状態である。このような短い時間間隔では熱拡散
はほとんど無視できる。したがって、曲線は吸光曲線を
表しているといえる。曲線Ｃt2は２０ｎｓ後に対する曲
線である。この温度分布では、多結晶シリコン層の中間
近傍に最小値がある。この現象は、熱流は最表面から下
降し、そして非晶質シリコン層と多結晶シリコン層との
界面から上昇するように生じていることを示している。

【００４４】次に温度と照射後の経過時間の関係を図９
によって説明する。図では、縦軸に温度を示し、横軸に
照射後の経過時間を示す。そして、最表面からの深さが
０μｍ，４．００μｍ，４．０２μｍ，４．１０μｍお
よび４．２０μｍの状態を求めた。

【００４５】図に示すように、曲線Ｃd1は、表面（最表
面からの深さが０μｍ）に対する温度−深さ曲線であ
る。温度は、最初の５ｎｓ（パルスレーザ光の間隔）の
間に直線的に上昇する。曲線Ｃd2は、非晶質シリコン層
と多結晶シリコン層との界面（最表面からの深さが４．
００μｍ）での温度曲線である。曲線Ｃd3，Ｃd4および
Ｃd5は、それぞれ非晶質シリコン層と多結晶シリコン層
との界面より下の点２０ｎｍ（最表面からの深さ：４．
０２μｍ），１００ｎｍ（最表面からの深さ：４．１０
μｍ）および２００ｎｍ（最表面からの深さ：４．２０
μｍ）に対する温度−深さ曲線である。

【００４６】液相エピタキシャルを行うために、多結晶
シリコンとの界面が溶融することが重要である。曲線Ｃ
d2は、この状況を示している。そして、これらの曲線を
さらに詳しく調べると、溶融が界面の下から始まり、そ
の上側の溶融部が界面に向かって上昇することが明らか
になる。一旦、溶融が表面下で生じると、液相の金属的
性質によって、溶融部に達する全ての光が固体／溶融界
面の１０ｎｍ以内の領域で吸収される。これは、溶融／
固体界面が多結晶シリコンに向かって急速に前進するこ
とを示している。

【００４７】そしてこのシミュレーションでは、全ての
点における温度は多結晶シリコンの融点（単結晶シリコ
ンの場合と同じであり、１６８３Ｋ）以下に保持されて
いる。

【００４８】曲線Ｃd5（非晶質シリコン／多結晶シリコ
ンの界面下の２００ｎｍ）は融点に達していないが、非
晶質シリコン／多結晶シリコンの界面下１００ｎｍの面
（曲線４）は数百ｎｓの間、溶融の状態にある。

【００４９】非晶質シリコン層は表面深さに匹敵する厚
み分だけ、各パルス毎に溶融する。これは、波長が６８
０ｎｍのレーザ光を用いた場合、５μｍを結晶化させる
のに、約１００パルスのレーザ光が必要であることを示
している。界面が深くなるにつれて、多結晶シリコン中
での損失を補うために、さらにエネルギーが必要であ
る。レーザ光照射の間、レーザ光のエネルギー密度は系
統的に増大させる必要がある。そして結晶化を完結する
ために最後の数パルスはパワーを高めるが、界面が深く
なるまでその必要はない。

【００５０】上記シミュレーションの結果、１パルスが
５ｎｓで波長が６８０ｎｍのパルスレーザ光を使用した
結晶化の場合、ガラス基板にスパッタリングによって堆
積した５μｍ厚の非晶質シリコン層に対する表面溶融の
しきい値は、１２０ｍＪ／ｃｍ²になる。しかしなが
ら、第１パルス（溶融−再成長）はもっと高いエネルギ
ー密度が好ましい。例えば、２００ｍＪ／ｃｍ²のエネ
ルギー密度では１００ｎｍ厚の非晶質シリコンを溶融す
ることができる。このことは重要なことであって、もし
初期の多結晶シリコン薄膜が極端に薄い場合には、それ
が液相エピタキシャルのアニール処理中に消費されるこ
とになる。

【００５１】ここでエネルギー密度の増大させていく一
例を、図１０によって説明する。図では、縦軸にレーザ
光のエネルギー密度を示し、横軸にレーザ光の照射時間
を示す。

【００５２】図に示すように、例えば、第１パルスで
は、非晶質シリコン層の上層が溶融−再成長されて結晶
化されるようなエネルギー密度に設定する。その後の第
２パルス以降のレーザ光の照射では、そのエネルギー密
度を徐々に増加させながら、液相エピタキシーを行う。
そして最終の第ｎパルスは最も高いエネルギー密度に設
定する。

【００５３】また、多結晶シリコンは、非晶質シリコン
よりはるかに高い熱伝導率を有している。〔非晶質シリ
コンの熱伝導率〕／〔非晶質シリコンの熱伝導率〕の値
は、常温でも高温でも小さい。この比率は室温で０．０
１であり、１０００℃で０．０３まで上昇する。したが
って、多結晶シリコンは熱吸収体として有効に作用す
る。この結果、多結晶シリコンが厚くなると、その熱吸
収体としての多結晶シリコンの存在が重要になる。

【００５４】熱は、多結晶シリコンを介在して非晶質シ
リコンと多結晶シリコンとの界面から急速に拡散する。
そこで、レーザ光のエネルギー使用効率を低下させるの
を避けるために、非常に短いパルスレーザ光（ｎｓ単
位）が必要になる。例えば、厚い非晶質シリコンの結晶
化にμｓ単位のパルスレーザ光を用いると、多結晶シリ
コンが照射時間内で熱平衡に達するまでに非常に多くの
エネルギーを必要とする。

【００５５】そこで、例えば第２次高調波発生器を有す
るイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）レー
ザ光（波長：５３２ｎｍ）を用いることが適当である。
このレーザ光は短いパルス幅（４ｎｓ）で高いパワーを
有している。その他のレーザ光源としては、一例とし
て、ガラスレーザ光の第２次高調波、色素レーザ等があ
げられる。

【００５６】次に前記図５で説明した光照射による材料
の改質方法を適用した半導体装置として、トップゲート
型薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）の製造方法の
一例を、図１１の製造工程図によって説明する。

【００５７】図１１の（１）に示すように、基板３１上
には緩衝層３２が形成されている。この緩衝層３２は、
例えば窒化シリコンからなる。まず第１工程では、例え
ばスパッタリングによって、上記緩衝層３２上に非晶質
シリコン層３３を成膜する。

【００５８】次いで図１１の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、パルスレーザ光Ｌｐを上記非晶質シ
リコン層（３３）に照射することにより、この非晶質シ
リコン層（３３）を結晶性シリコン（多結晶シリコン）
層３４を改質する。上記パルスレーザ光Ｌｐは、例えば
ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）レーザ光の第２次高調波を用
い、エネルギー密度を７５０ｍＪ／ｃｍ²、パルス幅を
５ｎｓに設定する。

【００５９】そして図１１の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、例えばプラズマＣＶＤ法によって、
上記結晶性シリコン層３４上に、例えば酸化シリコンか
らなるゲート誘電体層３５を形成する。その後、例えば
スパッタリング，蒸着法等の成膜技術によって、上記ゲ
ート誘電体層３５上にゲート電極形成膜（図示省略）を
成膜した後、リソグラフィー技術とエッチングとによっ
てパターニングを行い、ゲート電極３６を形成する。そ
の後、例えばイオン注入法，プラズマドーピング法等の
不純物導入技術によって、ゲート電極３６をマスクにし
て結晶性シリコン層３５に導電型不純物を導入してソー
ス・ドレイン領域３７，３８を形成する。上記の如くに
して、ＴＦＴ３０は形成される。

【００６０】図示はしないが、その後、層間絶縁膜を形
成した後、ソース・ドレイン領域３７，３８上およびゲ
ート電極３６上のゲート誘電体層３５および層間絶縁膜
にコンタクトホールを開口する。そして電極形成膜の成
膜，そのパターニングを行うリソグラフィーとエッチン
グからなる通常の電極形成技術によって、各コンタクト
ホールに通じる電極を形成する。

【００６１】上記ＴＦＴ３０の製造方法では、非晶質シ
リコン層３３にパルスレーザ光Ｌｐを照射することによ
って、非晶質シリコン層３３の構造が変化して結晶性シ
リコン層３４に改質される。さらにパルスレーザ光Ｌｐ
を非晶質シリコン層３３に照射すると、光エネルギーの
吸収端は非晶質シリコン層３３と改質によって得られた
結晶性シリコン層３４との界面よりも深くなる。そのた
め、その界面よりも深い非晶質シリコン層３３が加熱さ
れる。その結果、界面近傍が５５０℃以上の温度になっ
て、その界面から結晶種の成長が急速に始まる（このプ
ロセスにおける活性化エネルギーは約５ｅＶである）。
このとき、上記加熱は界面近傍のみでなされるため、基
板３１は４００℃を超えるような温度にはならない。こ
のように、基板３１が悪影響を受けないような温度（例
えば基板温度が４００℃程度以下）で非晶質シリコン層
３３が結晶化される。

【００６２】次に前記図５で説明した光照射による材料
の改質方法を適用した半導体装置としてボトムゲート型
ＴＦＴの製造方法の一例を、図１２の製造工程図によっ
て説明する。ここでは、チャネル領域を形成する際に適
用した例を説明する。

【００６３】図１２の（１）に示すように、通常のボト
ムゲート型ＴＦＴの製造方法によって、第１工程では、
例えばプラズマＣＶＤ法によって、基板５１上に窒化シ
リコンからなる緩衝層５２を形成する。さらに、例えば
スパッタリングによってゲート電極形成膜（図示省略）
を形成した後、リソグラフィーとエッチングとによって
ゲート電極形成膜をパターニングして、上記緩衝層５２
上にゲート電極５３を形成する。その後、例えばプラズ
マＣＶＤ法によって、上記ゲート電極５３を覆うゲート
誘電体層５４を形成する。

【００６４】次いで図１２の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、例えばスパッタリングまたは蒸着法
によって、上記ゲート誘電体層５４上に非晶質シリコン
層５５を形成する。その後、パルスレーザ光Ｌｐを照射
することによって、非晶質シリコン層（５５）を改質し
て結晶性シリコン層５６を形成する。上記パルスレーザ
光Ｌｐは、例えばＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）レーザ光の
第２次高調波を用いる。

【００６５】そして図１２の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、例えばプラズマＣＶＤ法による酸化
シリコン膜の成膜後、リソグラフィーとエッチングとに
よって上記酸化シリコン膜をパターニングして、上記ゲ
ート電極５３の上方における上記結晶性シリコン層５６
上にエッチングストッパ層５７を形成する。その後、例
えばプラズマＣＶＤ法によって、結晶性シリコン層５６
上に導電型不純物を含む非晶質シリコン層（５８）を形
成する。次いで非晶質シリコン層（５８）を結晶化す
る。その後、リソグラフィーとエッチングとによって、
結晶化した非晶質シリコン層（５８）をパターニングし
て、エッチングストッパ層５７の両側にソース・ドレイ
ン領域５９，６０を形成する。上記エッチングでは、上
記エッチングストッパ層５７がエッチングストッパにな
るので、その下方にの結晶性シリコン層５６を損傷する
ことはない。上記の如くにして、ＴＦＴ５０は形成され
る。

【００６６】また図示はしないが、その後、層間絶縁膜
を形成した後、ソース・ドレイン領域５９，６０上の層
間絶縁膜にコンタクトホールを開口する。そして電極形
成膜の成膜を行った後，リソグラフィーとエッチングと
によって電極形成膜をパターニングして各コンタクトホ
ールに通じる電極を形成する。

【００６７】上記ＴＦＴ５０の製造方法では、非晶質シ
リコン層５５にパルスレーザ光Ｌｐを照射することによ
って、非晶質シリコン層５５の構造が変化して結晶性シ
リコン層５６に改質される。この改質のメカニズムは上
記光照射による材料の改質方法で説明したのと同様であ
る。したがって、いわゆる低温プロセスで結晶化が図れ
る。また、ソース・ドレイン領域５９，６０を形成する
非晶質シリコン層５８の結晶化に上記光照射による材料
の改質方法を適用することも可能である。

【００６８】次に別の半導体装置として太陽電池の製造
方法を、図１３の製造工程図によって説明する。

【００６９】図１３の（１）に示すように、ガラスから
なる基板７１上には緩衝層７２が形成されている。この
緩衝層７２は、例えば窒化シリコンからなる。まず第１
工程では、例えばスパッタリングによって、緩衝層７２
に金属電極層７３と第１導電型不純物を含む第１非晶質
シリコン層７４と不純物を含まない第２非晶質シリコン
層７５と第２導電型不純物を含む第３非晶質シリコン層
７６とを順に積層して形成する。上記金属電極層７３
は、例えばモリブデン，タンタルまたはニッケルからな
る。

【００７０】次いで図１３の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、パルスレーザ光Ｌｐを複数回照射す
ることによって、上記第３，第２および第１非晶質シリ
コン層（７６，７５，７４）を順次結晶化（多結晶化）
して、第１導電型不純物を含む第１多結晶シリコン層７
７と不純物を含まない第２多結晶シリコン層７８と第２
導電型不純物を含む第３多結晶シリコン層７９とを上層
側から形成する。上記パルスレーザ光Ｌｐには、例えば
ＹＡＧレーザ光の第２次高調波を用いる。

【００７１】そして図１３の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、スパッタリングによって、上記第３
多結晶シリコン層７９上に、例えばインジウムスズ酸化
物〔ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）〕からなる透明電極
８０を形成する。上記の如くに、太陽電池７０は形成さ
れる。

【００７２】上記太陽電池７０の製造方法では、第１，
第２，第３非晶質シリコン層７４，７５，７６にパルス
レーザ光Ｌｐを複数回照射することによって、第３，第
２，第１非晶質シリコン層７６，７５，７４をの構造が
順次変化して結晶化されていく。

【００７３】例えば、パルスレーザ光Ｌｐが照射される
と、まず第３非晶質シリコン層７６の上層側からが結晶
化されていく。そのとき、光エネルギーの吸収端は、第
３非晶質シリコン層７６と改質によって得られた結晶性
シリコン層７９との界面よりも深くなる。そしてその界
面よりも深い部分の非晶質シリコン層７６が加熱される
と、その界面近傍が５５０℃以上の温度になる。その結
果、その界面から結晶種の成長が急速に始まる（このプ
ロセスにおける活性化エネルギーは約５ｅＶである）。
このとき、上記加熱は界面近傍のみになされるため、基
板７１は４００℃を超えるような温度にはならない。こ
のように、基板７１が悪影響を受けないような温度（例
えば基板温度が４００℃程度以下）で順次各第３，第
２，第１非晶質シリコン層７６，７５，７４が結晶化さ
れて第３，第２，第１多結晶シリコン層７９，７８，７
７に改質されていく。

【００７４】次に半導体装置として太陽電池の別の製造
方法を、図１４の製造工程図によって説明する。

【００７５】図１４の（１）に示すように、ガラスから
なる基板９１上には緩衝層９２が形成されている。この
緩衝層９２は、例えば窒化シリコンからなる。まず第１
工程では、例えばスパッタリングによって、緩衝層９２
に不純物を含まない第１非晶質シリコン層９３と導電型
不純物を含む第２非晶質シリコン層９４とを順に積層し
て形成する。

【００７６】次いで図１４の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、パルスレーザ光Ｌｐを複数回照射す
ることによって、上記第２および第１非晶質シリコン層
（９４，９３）を順次結晶化（多結晶化）して、下層側
から導電型不純物を含まない第１多結晶シリコン層９５
と導電型不純物を含む第２多結晶シリコン層９６とを形
成する。上記パルスレーザ光Ｌｐには、例えばＹＡＧレ
ーザ光の第２次高調波を用いる。

【００７７】そして図１４の（３）に示す第３工程を行
う。この工程では、スパッタリングによって、上記第２
多結晶シリコン層９６上に、例えばインジウムスズ酸化
物〔ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）〕からなる透明電極
９７を形成する。その後、リソグラフィー技術とエッチ
ングとによって、上記透明電極９７と上記第２多結晶シ
リコン層９６との一部分を除去して、第１多結晶シリコ
ン層９５の一部分を露出させる。その後、スパッタリン
グによって電極形成膜（図示省略）を成膜する。続い
て、リソグラフィーとエッチングとによって、上記電極
形成膜をパターニングして、上記第１多結晶シリコン層
９５の露出部分に電極９８を形成する。上記の如くに、
太陽電池９０は形成される。

【００７８】上記太陽電池９０の製造方法では、第１，
第２非晶質シリコン層９３，９４にパルスレーザ光Ｌｐ
を複数回照射することによって、第２，第１非晶質シリ
コン層９４，９３の構造が変化して第２，第１結晶性シ
リコン層９６，９５に改質される。

【００７９】例えば、パルスレーザ光Ｌｐが第２非晶質
シリコン層９４に照射されると、光エネルギーの吸収端
は第２非晶質シリコン層９４と改質された第２多結晶シ
リコン層９６との界面よりも深くなる。そしてこの界面
近傍よりも深い第２非晶質シリコン層９４が加熱され
る。そして界面近傍の温度が５５０℃以上の温度になる
と、その界面から結晶種の成長が急速に始まる（このプ
ロセスにおける活性化エネルギーは約５ｅＶである）。
このとき、上記加熱は界面近傍のみになされるため、基
板９１は４００℃を超えるような温度にはならない。こ
のように、基板９１が悪影響を受けないような温度（例
えば基板温度が４００℃程度以下）で第２非晶質シリコ
ン層９４が結晶化される。さらに第１非晶質シリコン層
９３も同様にして第１多結晶シリコン層９５に改質され
る。

【００８０】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の光照射に
よる材料の改質方法によれば、パルス光を照射した際
に、その光吸収領域の吸光係数が非吸収領域よりも小さ
くなるので、光照射側の薄膜に光透過性に優れた改質層
を形成することができる。そして、次のパルス光を照射
した際には、改質層側の改質されていない薄膜の界面近
傍で光吸収による改質反応が起きて、さらに改質層を深
く形成することができる。このため、数μｍ（例えば５
μｍ）程度の厚みの薄膜も改質することが可能になると
ともに、パルス光の照射回数を制御することによって所
望の深さまで薄膜を改質することができる。そして上記
改質反応は改質層側の改質されていない薄膜の界面近傍
で起きるので、光照射による基板への熱の悪影響を減少
することができる。

【００８１】また、薄膜が非晶質であって改質層が結晶
層になる光照射による材料の改質方法によれば、前の照
射で形成した結晶層を種として連続成長させることが出
来るので、結晶層の結晶を大粒径に成長できる。そして
非晶質の薄膜の結晶化をいわゆる低温プロセスで行うこ
とができる。

【００８２】本発明の請求項６〜請求項９の製造方法に
よれば、上記光照射による材料の改質方法で非晶質シリ
コン層を結晶性シリコン層に改質するので、大粒径の結
晶性シリコン層を形成することができる。また基板が悪
影響を受けないような温度で非晶質シリコン層の結晶化
が図れる。したがって、本発明の方法をＴＦＴのチャネ
ル領域の形成に利用した場合には、キャリアの移動度に
優れたＴＦＴのチャネル領域を形成することができる。
このため、ＴＦＴの性能の向上が図れる。また、低温プ
ロセスが可能になるので安価なガラス基板を採用するこ
とができる。そのため、コストの低減を図ることができ
る。さらに太陽電池の製造方法に適用することによっ
て、結晶性シリコン層の品質が向上してキャリア寿命が
長くなるため、太陽電池の性能の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の改質工程図である。

【図２】吸光モデルの説明図である。

【図３】吸光曲線の経時的変化の説明図である。

【図４】吸光係数αと光エネルギーとの関係図である。

【図５】非晶質シリコン薄膜の結晶化技術の説明図であ
る。

【図６】αa ／αc と光エネルギーとの関係図である。

【図７】非晶質シリコン層の表層深さと光エネルギーと
の関係図である。

【図８】温度と深さとの関係図である。

【図９】温度と照射後の経過時間との関係図である。

【図１０】エネルギー密度の増大状況の説明図である。

【図１１】トップゲート型ＴＦＴの製造工程図である。

【図１２】ボトムゲート型ＴＦＴの製造工程図である。

【図１３】太陽電池の製造工程図である。

【図１４】太陽電池の別の製造工程図である。

【符号の説明】

１１基板１２薄膜１３改質層２１基板２３非晶質シリコン薄膜２４改質層３０ＴＦＴ３１基板３２非晶質シリコン層３４結晶性シリ
コン層３５ゲート誘電体層３６ゲート電極３７ソース・ドレイン領域３８ソース・ド
レイン領域５０ＴＦＴ５１基板５３ゲート電極５４ゲート誘電
体層５５非晶質シリコン層５５結晶性シリ
コン層５７エッチングストッパ層５９ソース・ド
レイン領域６０ソース・ドレイン領域７０太陽電池７１基板７３金属電極層７４第１非晶質シリコン層７５第２非晶質
シリコン層７６第３非晶質シリコン層７７第１結晶性
シリコン層７８第２結晶性シリコン層７９第３結晶性
シリコン層８０透明電極９０太陽電池９１基板９３第１非晶質
シリコン層９４第２非晶質シリコン層９５第１結晶性
シリコン層９６第２結晶性シリコン層９７透明電極９８電極Ｌ光Ｌｐパルスレーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成した薄膜に光を１パルス照射
して、該薄膜の表面から所定の深さまで該光を吸収させ
て、該薄膜の吸光係数よりも小さい吸光係数を有する改
質層を形成する第１工程と、さらに光を１パルス照射し、前記改質層を透過して該改
質層直下の前記薄膜の領域に該光を吸収させて、該改質
層を所定の深さまで延ばす第２工程と、前記第２工程を必要に応じて繰り返す第３工程とからな
ることを特徴とする光照射による材料の改質方法。
【請求項２】請求項１記載の光照射による材料の改質
方法において、前記光のエネルギーは１．８ｅＶ〜２．５ｅＶの範囲の
所定量であることを特徴とする光照射による材料の改質
方法。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の光照射に
よる材料の改質方法において、前記光は波長が４６０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の所定波
長を有するレーザ光であることを特徴とする光照射によ
る材料の改質方法。
【請求項４】請求項１，請求項２または請求項３記載
の光照射による材料の改質方法において、前記薄膜は非晶質であって、パルス光の照射によって形
成される改質層が結晶層となることを特徴とする光照射
による材料の改質方法。
【請求項５】請求項４記載の光照射による材料の改質
方法において、前記結晶層は、前の照射で形成した結晶層を種として連
続成長させることを特徴とする光照射による材料の改質
方法。
【請求項６】請求項４または請求項５記載の光照射に
よる材料の改質方法を適用した半導体装置の製造方法で
あって、基板上に非晶質シリコン層を形成する第１工程と、パルスレーザ光照射によって、前記非晶質シリコン層を
改質して結晶性シリコン層を形成する第２工程と、前記結晶性シリコン層上にゲート誘電体層を形成し、続
いて該ゲート誘電体層上にゲート電極を形成した後、該
ゲート電極をマスクにして前記結晶性シリコン層に導電
型不純物を導入してソース・ドレイン領域を形成する第
３工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項７】請求項４または請求項５記載の光照射に
よる材料の改質方法を適用した半導体装置の製造方法で
あって、基板上にゲート電極を形成した後、該基板上に該ゲート
電極を覆うゲート誘電体層を形成する第１工程と、前記ゲート誘電体層上に非晶質シリコン層を形成した
後、パルスレーザ光照射によって、該非晶質シリコン層
を改質して結晶性シリコン層を形成する第２工程と、前記ゲート電極上方の前記結晶性シリコン層上にエッチ
ングストッパ層を形成した後、該エッチングストッパ層
の両側にソース・ドレイン領域を形成する第３工程とか
らなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】請求項４または請求項５記載の光照射に
よる材料の改質方法を適用した半導体装置の製造方法で
あって、表面が絶縁性の基板上に金属電極層と第１導電型不純物
を含む第１非晶質シリコン層と不純物を含まない第２非
晶質シリコン層と第２導電型不純物を含む第３非晶質シ
リコン層とを順に積層する第１工程と、パルスレーザ光照射によって、前記第３非晶質シリコン
層，第２非晶質シリコン層および第１非晶質シリコン層
を順次結晶化して、上層側から第２導電型不純物を含む
第３結晶性シリコン層と不純物を含まない第２結晶性シ
リコン層と第１導電型不純物を含む第１結晶性シリコン
層とを形成する第２工程と、前記第３結晶性シリコン層上に透明電極を形成する第３
工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項９】請求項４または請求項５記載の光照射に
よる材料の改質方法を適用した半導体装置の製造方法で
あって、表面が絶縁性の基板上に不純物を含まない第１非晶質シ
リコン層と導電型不純物を含む第２非晶質シリコン層と
を順に積層する第１工程と、パルスレーザ光照射によって、前記第２非晶質シリコン
層および第１非晶質シリコン層を順次結晶化して、上層
側から導電型不純物を含む第２結晶性シリコン層と不純
物を含まない第１結晶性シリコン層とを形成する第２工
程と、前記第２結晶性シリコン層上に透明電極を形成するとと
もに、該透明電極と前記第２結晶性シリコン層との一部
分を除去して前記第１結晶性シリコン層の一部分を露出
させ、該露出部分に電極を形成する第３工程とからなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。