JPH09213964A

JPH09213964A - 薄膜半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH09213964A
Application number: JP1353796A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Ito; 友幸伊藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】特性のばらつきが小さく、再現性・信頼性に優
れた薄膜半導体装置をレーザーアニールプロセスを利用
して製造する方法を提供する。【解決手段】絶縁基板上に、前記絶縁基板よりも熱伝導
率が高く、かつレーザービームを反射する熱伝導層を設
ける第一の工程と、前記熱伝導層の上に絶縁膜を形成す
る第二の工程と、前記絶縁膜上にアモルファスシリコン
を堆積する第三の工程と、前記アモルファスシリコン膜
をレーザービームにより活性層となる多結晶シリコン膜
に改質する第四の工程と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜トランジスタの
製造方法に関し、特にアクティブマトリックス基板を構
成する薄膜半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコンを活性層に用いた多結晶
シリコン薄膜トランジスタは、アクティブマトリックス
型液晶表示装置のスイッチング素子あるいは駆動回路用
素子として用いられている。特に駆動回路用の薄膜トラ
ンジスタは、高速動作が可能な高性能な薄膜トランジス
タによって構成される必用がある。この薄膜トランジス
タは、ガラス等の絶縁基板上にアモルファスシリコン膜
を堆積し、このアモルファスシリコン膜をレーザーアニ
ール等により多結晶化することにより、活性層となる多
結晶シリコンを形成し、作製されている。レーザーアニ
ール法によれば、基板に熱的損傷を与えることが少ない
ために安価な低融点ガラスを基板として用いることがで
きる。

【０００３】通常のレーザーアニールを用いた多結晶シ
リコン薄膜トランジスタの製造工程では、絶縁性基板上
に直接あるいは絶縁膜を介してアモルファスシリコン膜
を堆積させ、エキシマレーザーなどを用いたレーザーア
ニールにより多結晶シリコン膜を製造している。一方、
レーザー照射時の熱エネルギーを拡散させたり、トラン
ジスタを動作させたときに発生する熱エネルギーを拡散
させる目的で、絶縁性基板上に絶縁性があって熱伝導率
がよい熱伝導層を形成し、多結晶シリコンを形成する方
法が提案されている（特開平５−２０６４６８）。

【０００４】一方、アモルファスシリコン膜の結晶化の
際の結晶粒の均一化を目的として、アモルファスシリコ
ン膜の一部をレーザービーム照射により結晶化させ、そ
の後固相成長法により結晶化させる方法（特開平０６−
０２９３２０）、あるいは、結晶成長に対して触媒とな
る微量の不純物金属イオン等をアモルファスシリコン膜
中に導入する方法（特開平７−２８３１３４）などがあ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザーアニールを用いた薄膜トランジスタの製造方法
では、多結晶シリコン表面に多くの凹凸が形成され、電
界集中によりゲート耐圧が劣化したり、キャリアの散乱
やトラップ等により移動度が低下するという問題があっ
た。従来のレーザーアニールを用いた薄膜トランジスタ
の形成方法では、熱伝導率が大きくないガラス基板上に
直接あるいは酸化珪素膜を介してアモルファスシリコン
膜を堆積し、これに、レーザービームを照射して多結晶
化し、多結晶シリコン膜を形成する。この際、レーザー
ビームのスポットあるいはライン内で照射強度の分布が
あるため、レーザー照射内で熱の分布が生じ、結果とし
て膜面内で均一かつ凹凸の少ない多結晶シリコン膜を形
成する事が難しいという課題がある。

【０００６】熱分布を均一化するための一つの方法とし
て、シリサイドや前記の絶縁性があって熱伝導率の良い
ダイヤモンド薄膜などの熱伝導層を設けるという提案が
あるが、これらの膜は一般に形成温度が高く、低融点ガ
ラス上に形成することは難しいという欠点がある。ま
た、アモルファスシリコン膜の薄膜化にともない絶縁基
板側へ到達するレーザービームエネルギーが大きくな
り、低融点ガラス表面を損傷するという問題もある。

【０００７】さらに、結晶粒径が結晶ごとに異なった
り、界面の結晶粒径のばらつきに起因した不規則な凹凸
が発生したり、結晶粒界に起因した凹凸も形成されるた
め膜表面が荒れるという課題がある。この点を解決する
ための方法として、結晶成長核を基板表面上に備える方
法、あるいは触媒金属を導入する方法等が考案されてい
るが、前者はレーザービーム照射した後に固相成長させ
て結晶化させるなど工程が複雑となり、また、後者は導
入した金属イオンがTFT特性の劣化を招く恐れがあると
いう課題がある。

【０００８】そこで、本発明は上述の諸課題の解決を目
指し、レーザー照射内での膜面内の熱分布を均一化し、
膜面内で均一な多結晶シリコン膜を得ること、また、平
坦な膜表面を持つ多結晶シリコン膜を得ることを第一の
目的としている。また、本発明は、膜面内で結晶粒径の
ばらつきを抑え、結晶粒界に起因した凹凸の形成を抑え
ることを第二の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するための本発明の手段を以下に示す。

【００１０】請求項１に記載の発明は、絶縁性基板上に
レーザービームを反射し、かつ熱伝導率が前記絶縁性基
板よりも大きな熱伝導率を持つ層を基板上に一様に設
け、その上に絶縁膜及びアモルファスシリコン層を堆積
し、レーザービームによりアモルファスシリコン層を多
結晶化し、活性層となる多結晶シリコン層を形成し、薄
膜トランジスタを製造することを特徴とする。

【００１１】また、請求項２に記載の発明は、絶縁性基
板上にシリコン徴微粒子を分散させた絶縁膜を形成し、
その上にアモルファスシリコン膜を堆積し、レーザーア
ニールする事により前記徴微粒子を結晶成長核として多
結晶シリコン膜を形成し、薄膜トランジスタを製造する
ことを特徴とする。

【００１２】また、請求項３に記載の発明は、絶縁性基
板上に金属微粒子を分散させた絶縁性膜を形成し、その
上にアモルファスシリコン膜を堆積し、レーザーアニー
ルする事により前記徴微粒子を結晶成長核として多結晶
シリコン膜を形成し、薄膜トランジスタを製造すること
を特徴とする。

【００１３】さらに、請求項４及び５に記載の発明は、
絶縁性基板上に請求項１に記載の熱伝導層を形成し、そ
の上に結晶成長核となるシリコンあるいは金属微粒子を
分散させた絶縁膜を形成し、その上にアモルファスシリ
コン膜を堆積し、レーザーアニールする事により前記徴
微粒子を結晶成長核として多結晶シリコン膜を形成し、
薄膜トランジスタを製造することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明による薄膜半導体装置の製造方法によれ
ば、絶縁性基板上に熱伝導率が高い層が形成されている
ために、アモルファスシリコンを結晶化する際に熱伝導
率が高い層が無い場合に比べて膜面内で熱分布が均一化
され、均質な多結晶シリコン膜を形成できる。さらに、
アモルファスシリコンを透過した光は絶縁性基板上に設
けられた熱伝導層により反射され、再びアモルファスシ
リコン膜へ到達するため入射光を効率よく利用すること
ができ、さらに絶縁性基板表面の損傷を抑えることがで
きる。また、急激な温度変化も熱伝導率が高い層がある
ことにより抑えられるので膜表面の凹凸も少なくでき
る。

【００１５】絶縁性基板上にシリコンあるいは金属の徴
微粒子を分散させた絶縁性膜を設けることにより、これ
らの徴微粒子が多結晶膜を形成する際の結晶成長核とな
り結晶粒径サイズが揃った多結晶膜を得ることができ
る。

【００１６】これらの結果、基板内で特性の揃った移動
度の高いトランジスタを得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明図面を用いて説明す
る。

【００１８】（実施例１）図１に、本発明の実施例にお
ける薄膜トランジスタの各製造工程を示した。これらの
図を参照しながら、薄膜トランジスタの製造方法を説明
する。

【００１９】まず、図１（Ａ）に示すように、ガラス等
の絶縁性材料からなる絶縁性基板１のすぐ上に、基板１
より熱伝導率が高くレーザービームを反射する層２を設
け、その上に酸化珪素などの絶縁性材料からなる絶縁膜
３を設け、さらに、全面にアモルファスシリコン膜４を
堆積する。熱伝導率が高い層２としては、基板として用
いられるガラスの熱伝導率（熱伝導率k=〜1.1〜1.4W/m
k）より高ければよく、Ｃｒ（熱伝導率k=〜90.3W/m
k）、Ａｌ（熱伝導率k=〜237W/mk）、Ｎｉ（熱伝導率k=
〜91W/mk）、Ｆｅ（熱伝導率k=〜80.3W/mk）、Ｔｉ（熱
伝導率k=〜22W/mk）、Ｐｔ（熱伝導率k=〜71.4W/mk）、
Ｐｄ（熱伝導率k=〜76W/mk）、Ｗ（熱伝導率k=〜178W/m
k）、Ｃｏ（熱伝導率k=〜99W/mk）などが用いられ、こ
れらの膜はスパッタ法、蒸着法などによって形成する。
膜厚は、熱伝導が良くするためには厚い方がよいが、10
0nm程度以上あれば良い。また、絶縁膜３は、薄膜トラ
ンジスタを構成したときに熱伝導層２がソース・ドレイ
ン領域の直下にも形成されているため、絶縁性を充分確
保するために絶縁膜３の膜厚は100nm以上あることが要
求される。

【００２０】次に、この全面にレーザービームをシリコ
ン膜の溶融しきい値以下のエネルギーで照射し、アモル
ファスシリコン層を多結晶シリコン層とする。この時、
アモルファスシリコン膜の吸収係数αは10⁵〜10⁶程度で
あるため、波長30nm程度のレーザー光を照射すると、厚
さ30〜100nm程度のアモルファスシリコン膜には90〜95
％程度の入射光が吸収され、約5〜10％はアモルファス
膜を透過する。絶縁基板上に形成された金属膜の反射率
（例えば、Alの反射率は〜92%）が高いために、透過し
たレーザー光の大部分は反射されアモルファスシリコン
層へ戻り、レーザー光は絶縁基板面にはほとんど到達し
ない。それゆえ、絶縁基板を損傷することがない。

【００２１】次に、熱伝導層２、絶縁膜３及び多結晶シ
リコン層４をリソグラフィ技術により同時に島状加工し
（図１（Ｂ））、ゲート絶縁膜５を堆積する。その上
に、ゲート電極材料を500〜800nm程度の厚さに形成す
る。次に、パターニングしてゲート電極６をマスクとし
て、活性層７にＢ＋またはＰ＋を注入して、ソース及び
ドレイン領域を形成する。

【００２２】次に、層間絶縁膜８を500nm程度の厚さに
形成し、層間絶縁膜８の所定の位置にリソグラフィ技術
により、コンタクトホールを形成し、このコンタクトホ
ールにＡｌ等の導電性材料を堆積してソース領域及びド
レイン領域から電極９を引き出す。

【００２３】あるいは、図２（Ａ）に示したようにゲー
ト絶縁膜をアモルファスシリコン層上に形成した後レー
ザーアニールし、これらの熱伝導層、絶縁膜、多結晶シ
リコン層及びゲート絶縁膜を同時にリソグラフィ技術に
より島状加工した後、図２（Ｂ）に示したようにゲート
電極、ソース・ドレイン領域を形成し、層間絶縁膜を形
成した後、電極を形成し、薄膜トランジスタを構成する
こともできる。

【００２４】このように、基板全面に熱伝導率が高い層
を形成したままでレーザーアニールすることによりレー
ザー照射による局所的な発熱を抑え、レーザービームの
形状、照射強度あるいはエネルギー分布の影響を最小限
に抑え、膜面内で均一に結晶化させることができる。ま
た、局所的な発熱が抑えられるので膜表面の凹凸も抑え
ることができる。

【００２５】また、熱伝導層２は遮光性もあるのでこの
層が各薄膜トランジスタの下部にあることにより、これ
を液晶表示デバイスに用いた場合には光リーク電流を抑
える効果もある。

【００２６】（実施例２）絶縁性基板上に熱伝導率が高
い連続膜を設ける代わりに、図３に示したようにシリコ
ンあるいは金属の徴微粒子を酸化珪素等の絶縁膜に分散
させた徴微粒子分散膜１０を設ける。微粒子分散膜は、
ゾル・ゲル法により酸化珪素膜を形成する条件におい
て、出発溶液中にシリコンあるいはＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属徴微粒子を分散させ基板上に
塗布することにより形成する。シリコン微粒子分散膜
は、0.5〜1μmの粒径のシリコン微粒子を分散させた溶
液を用いて形成する。この時、膜厚は微粒子の表面が絶
縁膜表面に現れる程度に調整すればよく、1μm程度有れ
ば良い。絶縁膜中のシリコンあるいは金属微粒子の密度
は、体積比率で50%程度以下にすれば、連続膜となら
ず、かつ絶縁性を持つ微粒子分散膜を形成することがで
きる。

【００２７】一方、金属微粒子の場合には、前記のよう
に金属微粒子を分散させた溶液を用いて形成しても良い
が、金属イオンが溶解している溶液を用いて膜を形成
し、還元性の雰囲気中で熱処理することによって金属微
粒子を析出させることもできる。熱処理条件によって、
金属微粒子の粒径、密度を制御できるので、0.1μm程度
の粒径の金属微粒子が分散した絶縁膜を形成することが
できる。金属微粒子を分散させた絶縁膜の場合には、金
属微粒子の粒径等によって膜厚を調整する必要がある
が、概ね0.1μm以上有れば良い。

【００２８】この様に形成した膜表面に結晶成長核とな
る徴微粒子の表面が現れているため、レーザーアニール
する際の結晶成長核となる。特に徴微粒子にシリコンを
用いた場合にはその表面から膜がエピタキシャル的に成
長する。この様に形成した多結晶シリコンを用いて、実
施例１と同様に薄膜トランジスタを製造する。

【００２９】また、微粒子を分散させた絶縁膜は、微粒
子による光散乱効果もあるので遮光性もあり、実施例１
と同じように光リーク電流を抑える効果もある。

【００３０】（実施例３）図４に示したように絶縁性基
板上に反射率が高く、かつ熱伝導率が高い層２を設け、
さらにその上にシリコンあるいは金属徴微粒子が分散し
た絶縁膜１０を設け、その上にアモルファスシリコン膜
を堆積させ、レーザーアニールする。この様に形成した
膜を用いて、実施例１と同様に薄膜トランジスタを形成
する。

【００３１】熱伝導率が高い層と徴微粒子を分散させた
絶縁膜を用いることにより、レーザーアニールする際の
熱分散性がよく、かつ結晶成長核がアモルファスシリコ
ン膜と絶縁膜の界面に分布しているために結晶粒径が均
一となり結晶粒径が揃い、それ故均一な特性を持つ多結
晶膜を形成することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので以下に記載されるような効果がある。

【００３３】基板面に一様に熱伝導率が高く、かつレー
ザービームを反射する層を設けたので、膜面内での熱分
布を均一にでき、均質な多結晶シリコンを得ることがで
きる。その結果、基板内での薄膜トランジスタ特性のば
らつきが小さく、再現性・信頼性に優れた多結晶薄膜半
導体装置を製造することができる。

【００３４】そして、シリコンあるいは金属徴微粒子な
どの結晶成長核を含んだ層を設けることにより、結晶粒
径を均一にすることができ、均一な特性を持つ多結晶
シリコン膜を作製できる。さらに、結晶成長核を含んだ
層を、熱伝導率が高く、かつレーザービームを反射する
熱伝導層上に設けることにより結晶粒径を均一にして、
均質な多結晶シリコンを得ることができる。

【００３５】この様な均質な特性を持った薄膜トランジ
スタを用いることにより均一な画素特性を持った液晶表
示ディスプレイを製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施例における製造方法を説明する図。

【図２】第一の実施例における製造方法を説明する図。

【図３】第二の実施例におけるレーザーアニール時の構
造断面図。

【図４】第三の実施例におけるレーザーアニール時の構
造断面図。

【符号の説明】

１・・・絶縁性基板、２・・・熱伝導層、３・・・絶縁
層、４・・・アモルファスあるいは多結晶シリコン層、
５・・・絶縁膜、６・・・ゲート電極、７・・・活性
層、８・・・層間絶縁膜、９・・・ソースおよびドレイ
ン電極、１０・・・微粒子分散膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に、前記絶縁基板よりも熱伝導
率が高く、かつレーザービームを反射する熱伝導層を設
ける第一の工程と、前記熱伝導層の上に絶縁膜を形成す
る第二の工程と、前記絶縁膜上にアモルファスシリコン
を堆積する第三の工程と、前記アモルファスシリコン膜
をレーザービームにより活性層となる多結晶シリコン膜
に改質する第四の工程と、を含む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】絶縁基板上にシリコン微粒子を分散させた
絶縁膜を形成する第一の工程と、前記絶縁膜上にアモル
ファスシリコンを堆積する第二の工程と、前記アモルフ
ァスシリコン膜をレーザービームにより活性層となる多
結晶シリコン膜に改質する第三の工程と、を含むことを
特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】絶縁基板上に金属微粒子を分散させた絶縁
膜を形成する第一の工程と、前記絶縁膜上にアモルファ
スシリコンを堆積する第二の工程と、前記アモルファス
シリコン膜をレーザービームにより活性層となる多結晶
シリコン膜に改質する第三の工程と、を含むことを特徴
とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】絶縁基板上に、前記絶縁基板よりも熱伝導
率が高く、かつレーザービームを反射する熱伝導層を設
ける第一の工程と、前記熱伝導層の上にシリコン微粒子
を分散させた絶縁膜を形成する第二の工程と、前記絶縁
膜上にアモルファスシリコンを堆積する第三の工程と、
前記アモルファスシリコン膜をレーザービームにより活
性層となる多結晶シリコン膜に改質する第四の工程と、
を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】絶縁基板上に前記絶縁基板よりも熱伝導率
が高く、かつレーザービームを反射する熱伝導層を設け
る第一の工程と、前記熱伝導層の上に金属微粒子を分散
させた絶縁膜を形成する第二の工程と、前記絶縁膜上に
アモルファスシリコンを堆積する第三の工程と、前記ア
モルファスシリコン膜をレーザービームにより活性層と
なる多結晶シリコン膜に改質する第四の工程と、を含む
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。