JPH09172181A

JPH09172181A - 薄膜半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH09172181A
Application number: JP7348096A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Shimogaichi; 康下垣内
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギービームの走査方向を最適化して薄
膜トランジスタの電気特性を改善する。【解決手段】薄膜半導体装置の製造方法では絶縁基板
１上に半導体薄膜４を成膜する成膜工程を行なう。又、
照射工程を行ない線状の照射エリアを有するエネルギー
ビーム５を照射エリアと直交する走査方向に沿って相対
的に移動しながら絶縁基板１に照射して半導体薄膜４を
結晶化する。この結晶化された半導体薄膜４をチャネル
領域Ｃｈとしこれに交差するゲート電極２を備えた薄膜
トランジスタ８を集積形成する。この際、照射工程では
チャネル領域Ｃｈと平行でゲート電極２に直交する走査
方向にエネルギービーム５を移動している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁基板上に成膜さ
れた半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタが集積
的に形成された薄膜半導体装置の製造方法に関する。よ
り詳しくは、絶縁基板上に半導体薄膜を成膜した後その
結晶化を目的として行なわれるレーザアニール技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜半導体装置の製造方法を低温プロセ
ス化する方法の一環として、レーザアニール技術が開発
されている。これは、絶縁基板上に成膜された非単結晶
性の半導体薄膜にエネルギービームの一種であるレーザ
ビームを照射して局部的に加熱した後、その冷却過程で
半導体薄膜を結晶化するものである。この結晶化した半
導体薄膜を活性層（チャネル領域）として薄膜トランジ
スタを集積形成する。照射工程では、一般に走査方向に
沿って線状のレーザビームを部分的に重複させながら間
欠的にパルス照射している。レーザビームをオーバラッ
プせさる事により半導体薄膜の結晶化が比較的均一に行
なえる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レーザアニールにおい
てレーザビームを部分的にオーバラップ照射する場合、
レーザビームのエネルギー断面強度分布はできるだけ平
坦である事が望ましい。しかしながら、実際にはレーザ
ビームの中央部に比べ周辺部は強度が弱くなっている。
この様な状態でオーバラップ照射を行なうと、レーザビ
ームのショットとショットの間で且つレーザビーム端が
照射された部位では、結晶化の不均一な領域が帯状に発
生していた。一般に、この結晶化が不均一な帯状部分で
は結晶粒径が小さくなっている。この為、帯状部分をた
またまチャネル領域として薄膜トランジスタを形成した
場合、結晶サイズが小さい事に起因する性能の低いトラ
ンジスタとなってしまう。従って、複数の薄膜トランジ
スタを絶縁基板上に集積形成した場合、結晶化の不均一
な帯状部分の存在の為、個々の薄膜トランジスタの間で
動作特性にばらつきが生じていた。又、移動度が低くな
ったり、劣化しやすくなったりする為、薄膜トランジス
タの信頼性に問題が生じる。この様な薄膜トランジスタ
を集積形成した絶縁基板を例えばアクティブマトリクス
型表示装置の駆動基板に用いた場合、画質のユニフォー
ミティに問題が生じる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かる薄膜半導体装置の製造方法は基本的に成膜工程と照
射工程を含んでいる。成膜工程では絶縁基板上に半導体
薄膜を成膜する。照射工程では線状の照射エリアを有す
るエネルギービームを該照射エリアと直交する走査方向
に沿って相対的に移動しながら該絶縁基板に照射して該
半導体薄膜を結晶化する。結晶化された半導体薄膜をチ
ャネル領域としこれに交差するゲート電極を備えた薄膜
トランジスタを集積形成して薄膜半導体装置が製造され
る。特徴事項として、前記照射工程は該チャネル領域と
平行で該ゲート電極に直交する走査方向にエネルギービ
ームを移動する。

【０００５】本発明の一態様では、前記照射工程は絶縁
基板に形成された画素電極を駆動する薄膜トランジスタ
のチャネル領域となる半導体薄膜にエネルギービームを
照射する。他の態様では、前記照射工程はボトムゲート
構造を有する薄膜トランジスタのチャネル領域となる半
導体薄膜にエネルギービームを照射する。別の態様で
は、前記照射工程はＮチャネル型の薄膜トランジスタの
チャネル領域となる半導体薄膜にエネルギービームを照
射する。

【０００６】一般に走査方向に沿って線状のエネルギー
ビームを部分的に重複させながら間欠的にパルス照射す
る場合、走査方向とゲート電極の方向（ゲート方向）と
の間には２通りの関係が選択可能である。即ち、ゲート
方向と直交する走査方向にエネルギービームを移動する
場合（直交走査）とゲート方向と平行な走査方向にエネ
ルギービームを移動する場合（平行走査）である。本発
明では前者の直交走査方式を採用している。この直交走
査ではエネルギービームの走査方向がチャネル領域に流
れる電流の方向（チャネル方向）と平行になる。これに
対し、平行走査ではエネルギービームの走査方向がチャ
ネル方向と直交する。実際に直交走査方式と平行走査方
式で薄膜トランジスタのサンプルを作成し電気特性を評
価したところ、前者の方が後者に比べて優れている事が
判明した。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の最
良な実施形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかる
薄膜半導体装置製造方法を示す工程図である。先ず工程
（Ａ）で、ガラス等からなる絶縁基板１の上にゲート電
極２をパタニング形成する。例えば、Ｍｏ／Ｔａをスパ
ッタリング等で全面的に成膜した後所定の形状にパタニ
ングしてゲート電極２に加工する。ゲート電極２のメタ
ルとしてはＭｏ／Ｔａに代えＡｌやＣｒを用いる事がで
きる。

【０００８】次に工程（Ｂ）でゲート電極２を被覆する
様にゲート絶縁膜３を形成する。例えばプラズマＣＶＤ
法によりＳｉＮ_xを５０nmの厚みで堆積してゲート絶縁
膜３とする。あるいは、プラズマＣＶＤでＳｉＯ₂を１
００nmの厚みで堆積しゲート絶縁膜３としても良い。さ
らには、ＳｉＮ_xとＳｉＯ₂の積層構造からなるゲート
絶縁膜を形成しても良い。

【０００９】工程（Ｃ）に進み、ゲート絶縁膜３の上に
薄膜トランジスタの素子領域となる半導体薄膜４を成膜
する。本例では、プラズマＣＶＤを用いて非晶質シリコ
ンをゲート絶縁膜３に続いて連続成膜している。その厚
みは例えば３０nmである。

【００１０】この後工程（Ｄ）に進み、線状の照射エリ
アを有するエネルギービーム５を照射エリアと直交する
走査方向に沿って相対的に移動しながら絶縁基板１に照
射して半導体薄膜４を結晶化する。図示の例ではエネル
ギービーム５は紙面と垂直な方向に沿って線状に整形さ
れており、走査方向はこれと直交する為紙面に平行とな
る。なお、図示では線状に整形されたエネルギービーム
５の幅は理解を容易にする為極端に狭く誇張されてい
る。特徴事項として、本発明ではゲート電極２を横切る
様にエネルギービーム５を走査している。即ち、走査方
向はチャネル領域と平行で且つゲート電極に直交する。
本例では、エネルギービーム５として３０８nmの波長を
有するＸｅＣｌエキシマレーザビームを線状に整形して
照射している。このレーザビームは高速で繰り返しパル
ス照射する。レーザビームは例えば３００mm×０．５mm
の線状に整形され、照射エネルギー密度は３５０mJ／cm
²に設定される。レーザビームのパルス幅は例えば４０
nsec程度であり、１５０Hz程度の繰り返し周波数でパル
ス照射する。この際、線状のレーザビームは２０％程度
のオーバラップ状態でパルス照射する。なお、以上に説
明した照射条件は一例であり、何等本発明の範囲を限定
するものではない。

【００１１】工程（Ｅ）に進み、半導体薄膜４の上に比
較的厚い絶縁膜を堆積する。本例ではプラズマＣＶＤで
ＳｉＯ₂を１００〜２００nmの厚みで堆積している。こ
の絶縁膜の上にフォトレジストを塗布する。さらにメタ
ル等からなる遮光性を有するゲート電極２をマスクとし
て裏面から露光処理を行ないフォトレジストをパタニン
グする。パタニングされたフォトレジストを介して絶縁
膜をウェットエッチングし、マスク（チャネルストッ
パ）６に加工する。即ち、マスク６は裏面露光を利用し
てゲート電極２の形状に合わせてパタニングされる。こ
の状態でイオンドーピングを行なう。即ち、不純物イオ
ン（例えばＰ⁺）を含むイオンシャワー７を電界加速し
て半導体薄膜４にマスク６を介して照射し、ソース領域
Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この結果、ボトムゲ
ート型の薄膜トランジスタ８が形成される。又、マスク
６の直下にはチャネル領域Ｃｈが残される事になる。
（Ｅ）と（Ｄ）を合わせて参照すれば容易に理解される
様に、エネルギービーム５の走査方向はチャネル領域Ｃ
ｈに流れる電流の方向（チャネル方向）と平行である。
一方、ゲート電極２はチャネル領域Ｃｈと交差してお
り、エネルギービーム５の走査方向はゲート方向と直交
する事になる。即ち、本発明では直交走査方式を採用し
ている。

【００１２】工程（Ｆ）に進み、再びエネルギービーム
５を半導体薄膜４に照射して、注入された不純物の活性
化を図る。これにより、薄膜トランジスタ８のソース領
域Ｓ及びドレイン領域Ｄが低抵抗化される。

【００１３】最後に工程（Ｇ）に進み、薄膜トランジス
タ８をＰＳＧ等からなる層間絶縁膜９で被覆する。この
層間絶縁膜９にウェットエッチングでコンタクトホール
を開口する。続いて層間絶縁膜９の上にＩＴＯ等の透明
導電膜を成膜し、所定の形状にパタニングして画素電極
１０に加工する。この結果、画素電極１０はコンタクト
ホールを介して薄膜トランジスタ８のドレイン領域Ｄに
電気接続する。又、層間絶縁膜９の上にアルミニウム等
の金属膜をスパッタリングで成膜し、所定の形状にパタ
ニングして配線電極１１に加工する。この配線電極１１
は同じく層間絶縁膜９に開口したコンタクトホールを介
して薄膜トランジスタ８のソース領域Ｓに電気接続す
る。以上の様にして、アクティブマトリクス型表示装置
の駆動基板に好適な薄膜半導体装置が完成する。本例で
は、特に絶縁基板１に形成された画素電極１０を駆動す
る薄膜トランジスタ８のチャネル領域となる半導体薄膜
４にエネルギービーム５を照射したものである。なお、
同時に周辺駆動回路を構成する薄膜トランジスタに対し
ても本発明にかかる直交走査方式を適用してエネルギー
ビームの照射による半導体薄膜の結晶化を行なっても良
い。

【００１４】図２は直交走査方式と平行走査方式を模式
的に示したものである。先ず（Ａ）に示す様に、エネル
ギービームは線状に整形された照射エリア５ａを有して
いる。エネルギービームは線状エリア５ａと直交する走
査方向に沿って部分的にオーバラップしながら移動す
る。オーバラップ部分５ｂをハッチングを付して示す。
次に（Ｂ）に示す様に、直交走査ではエネルギービーム
の走査方向がゲート方向に直交している。従って、走査
方向はチャネル方向と平行になる。なお、図ではチャネ
ル領域Ｃｈの長手寸法をＬで表わし幅寸法をＷで表わし
ている。これに対し（Ｃ）に示す様に、平行走査ではエ
ネルギービームの走査方向がゲート方向と平行である。
換言すると、走査方向はチャネル方向に直交している。

【００１５】次に、直交走査方式と平行走査方式で薄膜
トランジスタのサンプルを作成し、その電気特性を評価
した。図３は平行走査サンプルと直交走査サンプルで夫
々測定したオン電流の分布を示したグラフである。なお
このサンプルはＮチャネル型で且つボトムゲート構造の
薄膜トランジスタであり、アクティブマトリクス型表示
装置に用いられる薄膜半導体装置の周辺駆動回路部に形
成されるものである。そのチャネル寸法はＷ／Ｌ＝２０
μｍ／７μｍに設定されている。この様な薄膜トランジ
スタのサンプルに対しゲート電圧ＶＧＳ＝１５Ｖとしド
レイン電圧ＶＤＳ＝１５Ｖとした条件でオン電流を測定
している。図３のグラフから明らかな様に、直交走査サ
ンプルは平行走査サンプルに比べオン電流のばらつきが
小さくなっている。従って、直交走査方式で半導体薄膜
を結晶化させる事により、薄膜トランジスタの電気特性
のばらつきを抑制できる事が明らかになった。又、オン
電流の値自体も平行走査サンプルに比べ直交走査サンプ
ルの方が大きい。なお、かかる効果はＰチャネル型の薄
膜トランジスタよりもＮチャネル型の薄膜トランジスタ
で顕著である事も分かった。

【００１６】図４は、図３に示した直交走査サンプルに
ついてドレイン電圧ＶＤＳとドレイン電流ＩＤＳとの関
係を測定した結果を表わしている。なお、このグラフで
はゲート電圧ＶＧＳをパラメータとしている。グラフか
ら明らかな様に、ドレイン電圧ＶＤＳの上昇に伴なって
ドレイン電流ＩＤＳが順調に上昇している。

【００１７】これに対し、図５は図３に示した平行走査
サンプルについてＶＤＳ／ＩＤＳ特性を測定したグラフ
である。この測定結果では、特にＶＤＳが低い領域でＩ
ＤＳが顕著に不足しており、十分なオン電流が得られな
い。従って、平行走査方式を採用した場合ＶＤＳが低い
領域で十分な薄膜トランジスタの駆動能力が得られな
い。

【００１８】図６は画素電極のスイッチング駆動に用い
られる薄膜トランジスタについて直交走査サンプルと平
行走査サンプルを作成し、オン電流を測定した結果を表
わしている。この薄膜トランジスタはＮチャネル型であ
り且つボトムゲート構造である。さらにダブルゲート構
造となっており各チャネルのサイズＷ／Ｌは１０μｍ／
５μｍに設定されている。ＶＧＳ＝１４Ｖ及びＶＤＳ＝
１０Ｖの条件でオン電流を測定すると、平行走査サンプ
ルに比べ直交走査サンプルの方がばらつきが小さく且つ
電流値自体も大きくなる。

【００１９】図７は、図６に示した直交走査サンプルに
ついてＶＤＳ／ＩＤＳ特性を測定したグラフである。Ｖ
ＤＳの上昇に伴なってＩＤＳが順調に増加している。特
に、ＶＤＳが低い領域でも十分なＩＤＳが流れている。

【００２０】これに対し図８は、図６に示した平行走査
サンプルのＶＤＳ／ＩＤＳ特性を測定したグラフであ
る。ＶＤＳが低い領域で、ＩＤＳが顕著に欠乏してい
る。この様な薄膜トランジスタをスイッチング素子とし
て用いた場合、ＶＤＳが低い領域で画素電極に十分な信
号電位を書き込む事が困難となり、例えばノーマリホワ
イトモードの表示装置の場合輝点欠陥となってしまう。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、線
状の照射エリアを有するエネルギービームを該照射エリ
アと直交する走査方向に沿って相対的に移動しながら半
導体薄膜を結晶化する場合、チャネル領域と平行でゲー
ト電極に直交する走査方向にエネルギービームを移動し
ている。この直交走査方式を採用する事により平行走査
方式に比べトランジスタ特性のキャリア移動度が高くな
り、且つばらつきを抑えられ歩留り向上や画質向上につ
ながる。又、トランジスタ特性の劣化が抑制でき信頼性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法を示す
工程図である。

【図２】エネルギービームの直交走査方式及び平行走査
方式を示した模式図である。

【図３】平行走査サンプルと直交走査サンプルのオン電
流を比較したグラフである。

【図４】直交走査サンプルのドレイン電圧／ドレイン電
流特性を示すグラフである。

【図５】平行走査サンプルのドレイン電圧／ドレイン電
流特性を示すグラフである。

【図６】直交走査サンプルと平行走査サンプルのオン電
流を比較したグラフである。

【図７】直交走査サンプルのドレイン電圧／ドレイン電
流特性を示すグラフである。

【図８】平行走査サンプルのドレイン電圧／ドレイン電
流特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１絶縁基板２ゲート電極３ゲート絶縁膜４半導体薄膜５エネルギービーム７イオンシャワー８薄膜トランジスタ９層間絶縁膜１０画素電極１１配線電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に半導体薄膜を成膜する成膜
工程と、線状の照射エリアを有するエネルギービームを該照射エ
リアと直交する走査方向に沿って相対的に移動しながら
該絶縁基板に照射して該半導体薄膜を結晶化する照射工
程とを含み、該半導体薄膜をチャネル領域としこれに交差するゲート
電極を備えた薄膜トランジスタを集積形成した薄膜半導
体装置の製造方法であって、前記照射工程は、該チャネル領域と平行で該ゲート電極
に直交する走査方向にエネルギービームを移動する事を
特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記照射工程は、絶縁基板に形成された
画素電極を駆動する薄膜トランジスタのチャネル領域と
なる半導体薄膜にエネルギービームを照射する事を特徴
とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記照射工程は、ボトムゲート構造を有
する薄膜トランジスタのチャネル領域となる半導体薄膜
にエネルギービームを照射する事を特徴とする請求項１
記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記照射工程は、Ｎチャネル型の薄膜ト
ランジスタのチャネル領域となる半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射する事を特徴とする請求項１記載の薄膜
半導体装置の製造方法。