JPH09306839A - 半導体の溶融結晶化方法及び不純物活性化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １台のパルスレーザによって半導体を溶融さ
せ、その後の結晶化時の凝固速度を遅くすることがで
き、薄膜トランジスタ用半導体膜の結晶化工程に用いて
好適な半導体の溶融結晶化方法を提供するとともに、半
導体の結晶性を損なうことなく、トランジスタ特性の悪
化を回避できる半導体の不純物活性化方法を提供する。 【解決手段】 １台のパルスレーザによる半導体の溶融
結晶化方法において、パルス半値幅Δｔを制御すること
によって、パルスの立ち上がり、または立ち下がりの傾
きｍ１，ｍ２を時間的に制御する。また、半導体の温度
が高くなりすぎないように１パルスのパルス強度を制御
する。同様に、パルスレーザを用いる不純物活性化方法
において、パルス半値幅Δｔ並びにパルス強度を制御す
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、パルスレーザによ
る半導体の溶融結晶化方法及び不純物活性化方法に関す
る。これらの方法は、例えば、基板上に薄膜トランジス
タを製造する工程中に好適に実施される。

【０００２】

【従来の技術】石英、ガラス等の絶縁性基板上に形成し
た非晶質または結晶性半導体膜を、パルスレーザによっ
て溶融させ、凝固（固化）させる方法は、一般にレーザ
アニール方法と呼ばれる。即ち、半導体膜にレーザ照射
を行うと、該半導体の溶融（再）結晶化が起こり、結晶
成長させることによって基板上に所望の特性を有する結
晶性半導体膜を得る方法である。このレーザアニール方
法は、例えば、アクティブマトリクス型の画像表示装置
等に利用される薄膜トランジスタ用半導体膜の結晶化工
程などで実施される。

【０００３】特開平６−５５３８号公報では、上記レー
ザアニール方法において、半導体の凝固時間を長くする
方法が開示されている。即ち、パルスレーザと半導体層
との間に２枚のメニスカス凸レンズと１枚の両面凸レン
ズとを設置し、光路差が発生することを利用してパルス
幅が時間的に拡がるようにして半導体の凝固時間が長く
なるようにしている。

【０００４】また、１９９５年春の応用物理学会の講演
予稿集２９ｐ−Ｑ−４、及び１９９５年秋の応用物理学
会の講演予稿集２６ｐ−ＺＮ−１では、２台のパルスエ
キシマレーザを用いてシリコン薄膜を溶融結晶化させる
方法が報告されている。即ち、まず、１台の２３ｎｓ幅
のパルスレーザでシリコンを溶融させ、凝固させる間に
もう１台のパルスレーザを照射して、凝固速度を遅くし
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の２台の
パルスレーザを組み合わせたレーザアニール方法では、
以下の問題を生じる。

【０００６】上記方法では、１台目のパルスエキシマレ
ーザでシリコン薄膜を溶融させ、その後、もう１台のパ
ルスレーザを１台目のレーザパルスに対して数μ秒の遅
れ時間で照射し、シリコンの凝固速度を遅くしている。
その結果、４μ秒の遅れ時間のとき１６μｍの粒径とな
る多結晶シリコンを作製している。しかしながら、レー
ザは共にパルス幅が２３ｎｓ程度のため、最初のレーザ
エネルギ密度を大きくしてシリコンの溶融温度を高く
し、レーザのパルス幅に依存したシリコンの凝固時間を
できるだけ長くする必要がある。そうしなければ、ある
遅れ時間で２番目のレーザを照射する時に、すでに凝固
が終了していてシリコンの凝固速度を遅くする効果が生
じない。ところが、レーザのエネルギ密度が高く、パル
スの立ち上がり（時間に対するパルス強度）が大きい場
合、シリコンの表面荒れや膜蒸発が発生しやすくなり、
また大面積で均一性の良い膜を作製することが困難とな
る。そこで、１番目のレーザのエネルギ密度を低く抑え
て溶融させるとすると、２番目のレーザ照射の遅れ時間
をかなり短くしなければならなくなる。この場合、２台
のレーザを使用する効果が小さくなる。

【０００７】また、２台のレーザで溶融結晶化する場
合、大面積の基板上のシリコンに対して結晶化すること
は装置の幾何学的な問題のために困難となる。

【０００８】さらに、薄膜トランジスタを製造する際に
実施される不純物活性化工程においても、パルスレーザ
を用いる場合がある。具体的には、半導体のソース／ド
レイン部に注入された不純物イオンを、パルスレーザに
よるレーザ照射を行って活性化させる。この場合、半導
体の結晶性を損なわないように、かつ、トランジスタ特
性を悪化させることのないように、パルスレーザのパル
ス半値幅並びにパルス強度を設定する必要がある。

【０００９】本発明は、上記の問題点に鑑みなされたも
のであり、その第１の目的は、１台のパルスレーザによ
って半導体を溶融させ、その後の結晶化時の凝固速度を
遅くすることができ、薄膜トランジスタ用半導体膜の結
晶化工程に用いて好適な半導体の溶融結晶化方法を提供
することにある。

【００１０】また、本発明の第２の目的は、半導体の結
晶性を損なうことなく、トランジスタ特性の悪化を回避
できる半導体の不純物活性化方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る半
導体の溶融結晶化方法及び不純物活性化方法は、上記の
課題を解決するために、パルスレーザによる半導体の溶
融結晶化方法及び不純物活性化方法において、パルスの
立ち下がり、または立ち上がりの傾きもしくは形状を時
間的に制御することを特徴としている。

【００１２】上記の溶融結晶化方法により、半導体を１
台のパルスレーザによって溶融させた後、凝固（固化）
させる溶融結晶化方法において、半導体の結晶化時の凝
固速度を遅くすることができる。その結果、結晶内、及
び粒界欠陥を減少させるとともに、結晶粒径を大きくす
ることができるので、例えば、薄膜トランジスタ用半導
体膜の結晶化工程に用いた場合に、良好な特性を有する
薄膜トランジスタを得ることができる。

【００１３】また、１台のレーザによって半導体を溶融
させ、その後の結晶化時の凝固速度を遅くすることがで
きるので、大面積の基板上の半導体を良好に溶融結晶化
させることができる。

【００１４】さらに、上記の不純物活性化方法により、
半導体の温度を不所望に著しく上昇させることなく、半
導体に注入された不純物を活性化させるレーザ照射が可
能になる。これにより、半導体の急激な温度上昇に伴っ
て、急激に水素が移動し該半導体から突沸するように飛
び出すことを防止できる。また、不純物が真性領域へ拡
散することを抑制できる。したがって、半導体の結晶性
を損なうことがなく、かつ、トランジスタ特性の悪化を
回避できる。

【００１５】請求項２の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、請求項１の方法において、パルスレーザの半値幅
を制御してパルスの立ち上がり、及び立ち下がりの傾き
を時間的に制御することを特徴としている。

【００１６】上記の方法によれば、パルスレーザの半値
幅を制御して適当な値に設定することで、パルスの立ち
上がり、及び立ち下がりの傾きを時間的に制御する。パ
ルスの半値幅は長い時間に設定することが好ましく、こ
れにより、半導体の結晶化時の凝固速度を遅くすること
ができ、或いは、半導体に注入された不純物を良好に活
性化することができる。

【００１７】請求項３の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、請求項１の方法において、パルスの立ち上がり、
及び立ち下がりの傾きをそれぞれ独立して時間的に制御
することを特徴としている。

【００１８】上記の方法によれば、パルスの立ち上が
り、及び立ち下がりの傾きをそれぞれ独立して時間的に
制御する。これにより、半導体の結晶化時の凝固速度を
遅くすることができ、或いは、半導体に注入された不純
物を良好に活性化することができる。

【００１９】請求項４の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、請求項３の方法において、パルスの立ち上がりの
傾きｍ１とパルスの立ち下がりの傾きｍ２との絶対値が
異なり、パルスの半値幅Δｔを変えることでｍ１とｍ２
を共に時間的に制御することを特徴としている。

【００２０】即ち、本発明の方法では、立ち上がりの傾
きｍ１と立ち下がりの傾きｍ２との絶対値が異なってい
ても、何ら差し支えることなく、パルスの半値幅Δｔを
調整しｍ１とｍ２を共に時間的に制御することで、上記
した作用・効果を奏するものである。

【００２１】請求項５の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、請求項３の方法において、パルスの立ち上がりの
傾きｍ１とパルスの立ち下がりの傾きｍ２とを｜ｍ１｜
≧｜ｍ２｜となるように時間的に制御することを特徴と
している。

【００２２】上記の方法によれば、半導体の結晶化時の
凝固時間を遅くでき、或いは、半導体に注入された不純
物を良好に活性化できるので、薄膜トランジスタ用半導
体膜の結晶化工程に用いた場合、或いは、該半導体膜に
注入された不純物の活性化工程に用いた場合に、良好な
特性を有する薄膜トランジスタを得ることができる。

【００２３】請求項６の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、パルスレーザによる半導体の溶融結晶化方法及び
不純物活性化方法において、温度を半導体の融点以上に
上昇させる強度であって、かつ、温度が前記融点より高
くなりすぎない強度に１パルスのパルス強度を設定する
ことを特徴としている。

【００２４】上記の溶融結晶化方法により、１パルスの
パルス強度を制御することによって、半導体を溶融させ
るとともに、半導体の温度を該半導体の融点付近となる
ように低く抑えることができる。これにより、半導体の
表面荒れ、膜飛び、膜蒸発の発生を防止・抑制すること
ができるので、半導体を良好に溶融結晶化させることが
できる。

【００２５】さらに、上記の不純物活性化方法により、
半導体の温度を不所望に著しく上昇させることなく、半
導体に注入された不純物を活性化させるレーザ照射が可
能になる。これにより、半導体の急激な温度上昇に伴っ
て、急激に水素が移動し該半導体から突沸するように飛
び出すことを防止できる。また、不純物が真性領域へ拡
散することを抑制できる。したがって、半導体の結晶性
を損なうことがなく、かつ、トランジスタ特性の悪化を
回避できる。

【００２６】請求項７の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、上記の課題を解決するた
めに、請求項６の方法において、パルスの強度が、パル
スレーザのエネルギ密度をＷ、パルスレーザの半値幅を
Δｔとすると、Ｗ／Δｔの値によって決定されることを
特徴としている。

【００２７】上記の方法によれば、パルス強度をＷ／Δ
ｔの値によって決定する。即ち、Ｗ／Δｔの値を、半導
体は溶融するがその溶融温度が高くなりすぎない程度に
制御・設定した上でレーザアニールを行う。これによ
り、半導体を良好に溶融結晶化させることができ、或い
は、半導体に注入された不純物を良好に活性化させるこ
とができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１〜図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

【００２９】本形態に係る半導体の溶融結晶化方法及び
不純物活性化方法は、基板上に薄膜トランジスタを製造
する工程中に実施される。該溶融結晶化方法は、より詳
細には、大面積の基板上に複数の薄膜トランジスタを製
造する際に、基板上に作製される半導体薄膜を溶融結晶
化させる工程で実施される。製造された薄膜トランジス
タは、例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置
等に利用される。

【００３０】以下では、まず、図２及び図３を参照して
上記薄膜トランジスタの製造方法を詳述する。尚、比較
のため、後述する半導体の溶融結晶化工程において、使
用するパルスレーザのパルス半値幅及びエネルギ密度を
相互に異なる条件にしてレーザアニールを行い、試料と
して複数の薄膜トランジスタを製造した。

【００３１】図２及び図３は、それぞれこの薄膜トラン
ジスタの製造工程を説明するための断面図と工程図であ
る。まず図２（ａ）及び図３のステップＳ１に示すよう
に、厚さ１．１ｍｍ、対角５インチの正方形のガラス板
を電気絶縁性の基板１として用意し、この基板１上に、
ガラス基板中に含まれる不純物による悪影響を防止する
ために、コーティング膜としてＳｉＯ₂ 膜やＳｉＮ_x 膜
等からなる層間絶縁膜２を成膜する。例えば、層間絶縁
膜２の膜厚は１００〜５００ｎｍとした。より詳細に
は、常圧ＣＶＤ法により４３０℃でＳｉＨ₄ ガスとＯ₂
ガスとを用いて成膜したＳｉＯ₂ 膜や、スパッタ法、減
圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、リモートプラズマＣＶ
Ｄ法のいずれかによる膜厚１００〜５００ｎｍのＳｉＯ
₂ 膜等を、層間絶縁膜２として用いることができる。

【００３２】次いで図２（ａ）及びステップＳ２に示す
ように、層間絶縁膜２上に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）
からなる半導体膜３を成膜する。半導体膜３の膜厚は３
０〜１５０ｎｍとする。この半導体膜３は、プラズマＣ
ＶＤ法によりＳｉＨ₄ ガスとＨ₂ ガスとを用いて基板温
度２００〜３００℃で成膜するか、または減圧ＣＶＤ法
により基板温度４００〜５７０℃で成膜することができ
る。尚、半導体膜３としては、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、または
リンやボロンを含むシリコン半導体を用いることがで
き、非晶質に限らず微結晶や多結晶半導体を成膜しても
よい。

【００３３】次に、図２（ｂ）及びステップＳ３に示す
ように、パルスレーザ５によって半導体膜３にレーザを
照射し、該半導体を溶融させ結晶化させて多結晶シリコ
ンからなる結晶性半導体膜４を得る。このレーザアニー
ル方法においては、特に短波長のパルスレーザ５を用い
れば下地の基板１に熱的ダメージを与えることなく半導
体膜３を効率良くアニールすることができ、例えば、Ｘ
ｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）等のエキシマレーザを
用いることができる。通常、このように非晶質シリコン
膜をアニールして多結晶シリコン膜にしたほうが、直接
多結晶シリコン膜を成膜するよりも結晶粒径が大きくな
り、良好な特性の多結晶シリコン膜が得られる。

【００３４】また上述のように、上記半導体の溶融結晶
化工程において、使用するパルスレーザ５のパルス半値
幅及びエネルギ密度を相互に異なる条件にしてレーザア
ニールを行い、各条件で製造された薄膜トランジスタの
トランジスタ特性を調べた。これについては、後述す
る。

【００３５】次に、図２（ｃ）及びステップＳ４に示す
ように、作製した上記結晶性半導体膜４を、エッチング
によってパターニングして島状の結晶性半導体膜４を形
成する（アイランド化）。その後、図２（ｄ）及びステ
ップＳ５に示すように、膜厚５０〜１５０ｎｍのゲート
絶縁膜６を成膜する。ゲート絶縁膜６としては、常圧Ｃ
ＶＤ法により４３０℃でＳｉＨ₄ ガスとＯ₂ ガスとを用
いて成膜したＳｉＯ₂膜を用いた。尚、ここでは常圧Ｃ
ＶＤ法を用いたが、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法、プラズ
マＣＶＤ法、リモートプラズマＣＶＤ法のいずれかによ
る膜厚５０〜１５０ｎｍのＳｉＯ₂ 膜を用いてもよいこ
とは言うまでもない。また、段差の被覆性良好なＴＥＯ
Ｓ（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate、Si(OC₂H₅)₄）ガスを
用いた常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂
膜を用いてもよい。さらに、ここではＳｉＯ₂ 膜を用い
たが、ＳｉＮ_x 、Ａl₂Ｏ₃ 、Ｔa₂Ｏ₅ 、またはこれらの
組み合わせを用いてもよい。

【００３６】その後ステップＳ６に示すように、ゲート
絶縁膜６を改善するために、Ｎ₂ 雰囲気中６００℃で１
２時間のアニールを行った。

【００３７】次に、図２（ｅ）及びステップＳ７に示す
ように、ゲート絶縁膜６上に膜厚２００〜５００ｎｍの
ゲート電極７を形成する。ゲート電極７はスパッタ法に
より形成し、材料としてＴａまたはＡｌ、ＡｌＳｉ、Ａ
ｌＴｉ、ＡｌＳｃ等のＡｌを含む金属を用いた。特に、
Ａｌを含む金属のほうが低抵抗電極配線を形成できるの
で好ましい。その後、図２（ｆ）及びステップＳ８に示
すように、ゲート金属を陽極酸化して陽極酸化膜８を形
成する。陽極酸化膜８の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍとす
る。

【００３８】次に、図２（ｇ）及びステップＳ９に示す
ように、ゲート電極７と陽極酸化膜８とをマスクにして
自己整合でゲート絶縁膜６をエッチングし、結晶性半導
体膜４のソース／ドレイン部となる部分を露出させる。
エッチングには、エッチング液を用いたウエットエッチ
ングやプラズマを用いたドライエッチングを用いること
ができる。

【００３９】次に、図２（ｈ）及びステップＳ１０に示
すように、不純物イオン９の注入を行う（イオンドーピ
ング）。Ｎ型にするにはリン、ヒ素を、Ｐ型にするには
ボロンを注入する。このようにして、不純物注入された
ソース部シリコン半導体４Ｓと不純物注入されたドレイ
ン部シリコン半導体４Ｄとを形成する。また、結晶性半
導体膜４におけるソース部シリコン半導体４Ｓとドレイ
ン部シリコン半導体４Ｄとの間は、不純物イオン９が注
入されない真性領域４Ｃとなる。

【００４０】上記イオン注入方法としてプラズマを利用
したイオン注入装置で行った。ここで注入条件の一例を
示す。水素希釈５％のＰＨ₃ ガスを導入し、プラズマ形
成のための高周波パワーを１００〜２００Ｗ、イオンの
トータル加速電圧を１０〜６０ｋＶ、イオン電流密度を
５〜２０μＡ／ｃｍ² 、全イオン注入量を２×１０¹⁴〜
５×１０¹⁶個／ｃｍ³ とした。このようなイオン注入装
置を用いた場合、不純物イオン９と同時に水素イオンを
注入することになり、不純物イオン９より多い水素を結
晶性半導体膜４中に注入してしまう。上記のような注入
条件の場合、注入された結晶性半導体膜４中の水素量
は、１０¹⁹〜１０²¹個／ｃｍ³ 程度になる。

【００４１】次に、図２（ｉ）及びステップＳ１１に示
すように、脱水素処理（脱水素アニール）を行う。即
ち、Ｎ₂ 雰囲気中で３００〜５００℃の熱アニールを行
い、結晶性半導体膜４やそれ以外のゲート絶縁膜６、ゲ
ート電極７等の部分に含まれる水素を抜く。３００℃以
上の温度で水素は抜けるが、５００℃以上の温度になる
と水素が急激に抜けるためデバイスに悪影響を及ぼすの
で、３００〜５００℃の温度で脱水素処理を行った。た
だし、３００℃では水素が抜ける量が少ないため処理に
時間がかかるので、好ましくは３５０℃以上の温度で処
理する。さらに、できるだけ水素を抜くときにデバイス
に悪影響を及ぼさないために、時間をかけて脱水素する
ほうがよいので４５０℃以下の温度で処理することが好
ましい。例えば、ここでは４００℃で１〜２時間の処理
を行った。また、脱水素処理によって、多結晶シリコン
からなる結晶性半導体膜４中の水素量を５×１０¹⁹個／
ｃｍ³ 以下、特に好ましくは５×１０¹⁸個／ｃｍ³ 以下
にするほうがよい。結晶性半導体膜４中の残留水素量
は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次
イオン質量分析計）によって評価した。結晶性半導体膜
４中の水素量を５×１０¹⁹個／ｃｍ³ 以下にしたとき、
逆バイアス電圧を低く抑えて使用すれば（例えばＶ_G ＝
−５Ｖ）特に問題がないので、水素量は５×１０¹⁹個／
ｃｍ³ 以下にすることが必要である。また、特に水素量
を５×１０¹⁸個／ｃｍ³ 以下にしたほうが、特性マージ
ンも大きくなり安定して良好なトランジスタを作製でき
ることがわかったので、好ましくは水素量を５×１０¹⁸
個／ｃｍ³ 以下にするほうがよい。

【００４２】また、上記脱水素処理をレーザ照射によっ
て行ってもよい。例えば、前述のソース／ドレイン部シ
リコン半導体４Ｓ，４Ｄに注入した不純物イオン９を電
気的に活性化するためのレーザ照射よりも低いエネルギ
密度のレーザ照射によって行うことができる。

【００４３】次に、図２（ｊ）及びステップＳ１２に示
すように、ソース／ドレイン部シリコン半導体４Ｓ，４
Ｄに注入した不純物イオン９を電気的に活性化するため
のパルスレーザ５によるレーザ照射を行う。特に、短波
長のパルスレーザ５を用いれば下地の基板１に熱的ダメ
ージを与えることなく結晶性半導体膜４を効率良くアニ
ールすることができ、例えば、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎ
ｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３
ｎｍ）等のエキシマレーザを用いることができる。レー
ザのエネルギ密度は、例えば２００〜３００ｍＪ／ｃｍ
² で照射した。しかし、通常レーザ照射によって不純物
の活性化を行うとレーザ照射された半導体膜表面は６０
０℃以上になり、また、シリコン半導体の場合には表面
が溶融することもあり１０００℃以上に急激に温度上昇
する。このとき半導体膜中に水素が含まれていると急激
に水素が移動し、場合によっては突沸するように膜から
飛び出すので、半導体の結晶性が損なわれてしまう。特
に、半導体の溶融温度を大きく越えると、ソース／ドレ
イン部シリコン半導体４Ｓ，４Ｄに注入されたリン、ヒ
素、ボロン等の不純物イオン９が真性領域４Ｃへ拡散し
やすくなり、トランジスタ特性を悪くする。これらの不
純物の拡散の程度は、結晶の温度とその時間に依存す
る。例えば、表面拡散の場合、ポテンシャル障壁の高さ
をＵ、結晶の温度をＴ、ボルツマン定数をｋとすると、
拡散係数ＤはＤ₀ ｅｘｐ（−Ｕ／ｋＴ）と表される。異
なる２種類のパルス強度で照射して共に半導体が溶融し
たとき、パルス強度の強い照射のほうが拡散係数が大き
くなる。仮に凝固するまでの時間が同じとすると拡散距
離（Ｄｔ）^1/2 （ｔは時間）も大きくなる。従って、パ
ルスレーザ５の強度は半導体が溶融する温度に設定し、
パルス半値幅を適当な長い時間（例えば、最高１μｓ程
度）に設定して、不純物イオン９を活性化させたほうが
よい。ただし、半導体の溶融温度を大きく超えないほう
がよい。これにより、不純物イオン９の真性領域４Ｃへ
の拡散を抑制することができる。

【００４４】尚、上記の不純物活性化方法では、パルス
半値幅を制御して適切な値に設定することで、パルスの
立ち下がり、または立ち上がりの形状（傾き）を時間的
に制御している。該不純物活性化方法における好ましい
パルス半値幅の値並びにパルス強度の値は、溶融結晶化
方法におけるそれぞれの好ましい値に準ずるものであ
る。

【００４５】また、ここではレーザ照射による不純物の
活性化を示したが、炉アニール等の熱処理によって活性
化を行ってもよい。

【００４６】次に、図２（ｋ）及びステップＳ１３に示
すように、層間絶縁膜１０を成膜する。ここで、層間絶
縁膜１０は段差の被覆性良好な常圧ＣＶＤ法によるＳｉ
Ｏ₂膜、またはＴＥＯＳ（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicat
e、Si(OC₂H₅)₄）ガスを用いた常圧ＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法によるＳｉＯ₂ 膜を膜厚３００〜５００ｎｍで
成膜した。あるいは、プラズマＣＶＤ法により２００〜
２５０℃で窒化シリコン膜を形成してもよい。

【００４７】次に、図２（ｌ）及びステップＳ１４に示
すように、コンタクトホール１１を形成する。最後に、
図２（ｍ）及びステップＳ１５に示すように、電極（ソ
ース／ドレイン配線）１２を、スパッタ法により成膜し
たのちパターニングして形成する。

【００４８】以上のようにして、上述の図２（ｂ）及び
ステップＳ３に示す溶融結晶化工程において、パルスレ
ーザ５のパルス半値幅及びエネルギ密度の条件のみが異
なる複数の薄膜トランジスタを試料として作製した。

【００４９】図１は、パルス化したエキシマレーザ、即
ちパルスレーザ５の時間に対する模式的なパルス形状を
表したグラフであり、上記パルス半値幅は、図１におい
てΔｔで示される。また、パルスの立ち上がりの傾きと
立ち下がりの傾きとが、それぞれｍ１とｍ２とで示され
る。同図においては、立ち上がりの傾きｍ１と立ち下が
りの傾きｍ２の絶対値が同じ状態のパルスを示してい
る。本形態の溶融結晶化方法では、これらの傾きｍ１，
ｍ２を時間的に制御した。本形態の溶融結晶化方法で
は、パルスの立ち上がりの傾きｍ１と立ち下がりの傾き
ｍ２の絶対値が異なっていても差し支えない。

【００５０】図４（ａ）は、パルス半値幅Δｔ＝４０ｎ
ｓに設定したパルスレーザ５の時間に対する実際のパル
ス形状を表したグラフであり、同図に示すように、実際
のパルスにおける立ち上がり及び立ち下がりの形状は直
線ではない。しかしながら、図４（ａ）に示す実際のパ
ルス形状を近似的に表せば、図４（ｂ）に示すように、
立ち上がり及び立ち下がりの形状をほぼ直線とみなすこ
とができる。図１においては、実際のパルス形状が模式
的に示され、立ち上がり及び立ち下がりの形状は傾きｍ
１，ｍ２として示される。

【００５１】パルス半値幅Δｔを変えることによって、
上記の傾きｍ１，ｍ２が変更される。即ち、パルス半値
幅Δｔを制御することによって、傾きｍ１，ｍ２を時間
的に制御することができる。そこで、パルスのパルス半
値幅Δｔが互いに異なり、従って傾きｍ１，ｍ２が相互
に異なるパルスレーザ５を使用して、複数のＮ型シリコ
ン薄膜トランジスタを作製し、各薄膜トランジスタの特
性を調べた。同時に、パルス半値幅Δｔは同じでエネル
ギ密度が互いに異なるパルスレーザ５を使用して、複数
のＮ型シリコン薄膜トランジスタを作製し、各薄膜トラ
ンジスタの特性を調べた。その結果を、表１に示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】パルスレーザ５となるエキシマレーザに
は、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、またはＫｒＦ（波長
２４８ｎｍ）を使用して溶融結晶化を行った。発振周波
数は、１０〜３００Ｈｚの間に設定した。図２（ｂ）及
びステップＳ３に示す溶融結晶化工程において、試料１
−１，１−２は、エキシマレーザのパルス半値幅Δｔが
４０ｎｓのときにレーザのエネルギ密度Ｗをそれぞれ２
００と２４０ｍＪ／ｃｍ² で照射した。試料２−１，２
−２では、パルス半値幅Δｔが１３０ｎｓのときにエネ
ルギ密度Ｗをそれぞれ３５０と３７０ｍＪ／ｃｍ² で照
射した。試料３−１では、△ｔが２５ｎｓのときにＷを
２００ｍＪ／ｃｍ² で照射した。μは電子移動度を表
し、Ｉ_off は、ソース／ドレイン間電圧Ｖ_DSが１４Ｖ、
ゲート電圧Ｖ_G が−５Ｖのときのドレイン電流を表す。
Ｖ_thは、しきい値電圧を意味する。また、トランジスタ
サイズはＬ／Ｗ＝８／８μｍである。

【００５４】表１で明らかなことは、試料２−１，２
−２ではドレイン電流Ｉ_off の値が他の試料の値よりも
小さいこと、また、試料２−２においてしきい値電圧
Ｖ_thの値が５．３Ｖともっとも小さい値となっているこ
と、である。これらの結果は、パルス半値幅△ｔが大き
くなるとレーザパルスの傾きｍ２が小さくなり、これに
よりシリコンの凝固時間が遅くなる（長くなる）ことが
反映されているためであると考えられる。そして、結晶
欠陥がより少ない結晶となるために、ドレイン電流Ｉ
_off としきい値電圧Ｖ_thとが良好なものとなる。

【００５５】表１において、Ｗ／Δｔは１パルス時間あ
たりのレーザのエネルギ密度、即ち１パルスのパルス強
度に相当している。Ｗ／Δｔが大きくなることは、シリ
コンの溶融時の最高温度が高くなることを意味する。試
料１−２と３−１は、Ｗ／Δｔが大きいため、高い移動
度を示している。これは、シリコンの高い溶融温度が遅
い（長い）凝固時間に反映されているためであると考え
られる。

【００５６】ところが、溶融温度が高すぎると表面荒れ
や膜飛びが発生しやすくなり、試料１−２と３−１のド
レイン電流Ｉ_off としきい値電圧Ｖ_thとは共に試料２−
２の場合よりも悪い。従って、１パルスのパルス強度で
あるＷ／Δｔの値を、シリコンは溶融するがその溶融温
度が高すぎない程度に設定し、パルス半値幅Δｔはでき
るかぎり長くしたほうがよい。これにより、半導体の結
晶化時の凝固時間を遅くすることができ、結晶粒径が大
きくなるとともに、結晶内、及び粒界欠陥を減少させ、
さらに、半導体の表面荒れ、膜飛び、膜蒸発を防止・抑
制することができる。

【００５７】上記の結果より、パルス半値幅Δｔの値は
１３０ｎｓ以上と長く設定することが好ましい。ただ
し、ＳｉＯ₂ より低い熱伝導率の材料を下地に使用する
ことが実現するならば、１３０ｎｓ未満の短い値も好ま
しいパルス半値幅Δｔの範囲に含まれる可能性がある。
また、パルスの立ち上がり及び立ち下がりの形状は、直
線あるいは直線に近い形状が好ましい。ただし、どのよ
うな形状が好ましいかを定性的、定量的に特定すること
はむずかしい。

【００５８】また、Δｔ≧１３０ｎｓの場合に、１パル
スのパルス強度であるＷ／Δｔの値は、３×１０⁹ (mJ/
cm²s) 以下に設定することが好ましい。換言すれば、温
度が半導体の融点より１００〜２００Ｋ程度以上高くな
ることがない強度に、Ｗ／Δｔの値を制御することが好
ましい。ただし、半導体の膜厚方向に温度分布が生じる
ので、厳密に温度範囲を特定することはむずかしい。

【００５９】尚、本形態の溶融結晶化方法では、傾きｍ
１，ｍ２を時間的に制御するにあたり、パルスの立ち上
がりの傾きｍ１は立ち下がりの傾きｍ２の絶対値と概ね
同じにしたが、例えば｜ｍ１｜≧｜ｍ２｜の条件で、傾
きｍ１と傾きｍ２とをそれぞれ独立に制御してもよい。
これにより、上記と同様に、半導体の結晶化時の凝固時
間を遅くできるとともに、半導体の表面荒れ及び膜飛び
等を防止できる。

【００６０】以上のように、本形態の溶融結晶化方法
は、パルスレーザ５の時間的なパルス形状に依存した半
導体膜３の結晶化方法である。即ち、本形態の溶融結晶
化方法では、パルス半値幅Δｔを制御することによっ
て、パルスの立ち上がり、または立ち下がりの傾きｍ
１，ｍ２を時間的に制御している。これにより、半導体
膜３の結晶化時の凝固速度を遅くすることができる。そ
の結果、結晶粒径を大きくすることができるので、薄膜
トランジスタ用半導体膜の結晶化工程に用いた場合に、
良好な特性を有する薄膜トランジスタを得ることができ
る。

【００６１】また、１台のパルスレーザ５によって半導
体を溶融させ、その後の結晶化時の凝固速度を遅くする
ことができるので、大面積の対角５インチの正方形の基
板１上の半導体膜３を良好に溶融結晶化させることがで
きる。

【００６２】さらに、１パルス当たりの光強度、即ち１
パルスのパルス強度であるＷ／Δｔの値を、溶融温度が
半導体膜３の融点付近となるように制御することで、半
導体の表面荒れ、膜飛び、膜蒸発を防止・抑制すること
ができる。

【００６３】一方、本形態の不純物活性化方法では、ソ
ース／ドレイン部シリコン半導体４Ｓ，４Ｄに注入した
不純物イオン９を活性化するレーザ照射を行う際に、結
晶性半導体膜４の温度を不所望に著しく上昇させること
がないように、パルス半値幅Δｔの値並びにパルス強度
Ｗ／Δｔの値を制御して適切な値に設定するものであ
る。これにより、結晶性半導体膜４の急激な温度上昇に
伴って、急激に水素が移動し結晶性半導体膜４から突沸
するように飛び出すことを防止できる。また、不純物イ
オン９が真性領域４Ｃへ拡散することを抑制できる。し
たがって、結晶性半導体膜４の結晶性を損なうことがな
く、かつ、トランジスタ特性の悪化を回避できる。

【００６４】

【発明の効果】請求項１の発明に係る半導体の溶融結晶
化方法及び不純物活性化方法は、以上のように、パルス
の立ち下がり、または立ち上がりの傾きもしくは形状を
時間的に制御する方法である。

【００６５】上記の溶融結晶化方法により、半導体を１
台のパルスレーザによって溶融させた後、凝固させる溶
融結晶化方法において、半導体の結晶化時の凝固速度を
遅くすることができるので、結晶欠陥をより少なくする
とともに、結晶粒径を大きくすることができるという効
果を奏する。

【００６６】それゆえ、例えば、薄膜トランジスタ用半
導体膜の結晶化工程に用いた場合に、良好なトランジス
タ特性を有する薄膜トランジスタを得ることができる。

【００６７】また、１台のレーザによって半導体を溶融
させ、その後の結晶化時の凝固速度を遅くすることがで
きるので、大面積の基板上の半導体を良好に溶融結晶化
させることができる。

【００６８】さらに、上記の不純物活性化方法により、
半導体の温度を不所望に著しく上昇させることなく、半
導体に注入された不純物を活性化させるレーザ照射が可
能になる。これにより、半導体の急激な温度上昇に伴っ
て、急激に水素が移動し該半導体から突沸するように飛
び出すことを防止できる。また、不純物が真性領域へ拡
散することを抑制できる。

【００６９】それゆえ、半導体の結晶性を損なうことが
なく、かつ、トランジスタ特性の悪化を回避できるとい
う効果を奏する。

【００７０】請求項２の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、請求項１
の方法において、パルスレーザの半値幅を制御してパル
スの立ち上がり、及び立ち下がりの傾きを時間的に制御
する方法である。

【００７１】即ち、パルスレーザの半値幅を制御して適
当な値に設定することで、パルスの立ち上がり、及び立
ち下がりの傾きを時間的に制御できる。これにより、半
導体の結晶化時の凝固速度を遅くすることができ、或い
は、半導体に注入された不純物を良好に活性化すること
ができる。

【００７２】請求項３の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、請求項１
の方法において、パルスの立ち上がり、及び立ち下がり
の傾きをそれぞれ独立して時間的に制御する方法であ
る。

【００７３】即ち、パルスの立ち上がり、及び立ち下が
りの傾きをそれぞれ独立して時間的に制御することで、
半導体の結晶化時の凝固速度を遅くすることができ、或
いは、半導体に注入された不純物を良好に活性化するこ
とができる。

【００７４】請求項４の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、請求項３
の方法において、パルスの立ち上がりの傾きｍ１とパル
スの立ち下がりの傾きｍ２との絶対値が異なり、パルス
の半値幅Δｔを変えることでｍ１とｍ２を共に時間的に
制御する方法である。

【００７５】即ち、立ち上がりの傾きｍ１と立ち下がり
の傾きｍ２との絶対値が異なっていても、何ら差し支え
ることなく、パルスの半値幅Δｔを調整しｍ１とｍ２を
共に時間的に制御することで、半導体の結晶化時の凝固
速度を遅くすることができ、或いは、半導体に注入され
た不純物を良好に活性化することができる。

【００７６】請求項５の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、請求項３
の方法において、パルスの立ち上がりの傾きｍ１とパル
スの立ち下がりの傾きｍ２とを｜ｍ１｜≧｜ｍ２｜とな
るように時間的に制御する方法である。

【００７７】これにより、半導体の結晶化時の凝固時間
を遅くでき、或いは、半導体に注入された不純物を良好
に活性化できるので、薄膜トランジスタ用半導体膜の結
晶化工程に用いた場合、或いは、該半導体膜に注入され
た不純物の活性化工程に用いた場合に、良好な特性を有
する薄膜トランジスタを得ることができる。

【００７８】請求項６の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、温度を半
導体の融点以上に上昇させる強度であって、かつ、温度
が前記融点より高くなりすぎない強度に１パルスのパル
ス強度を設定する方法である。

【００７９】上記の溶融結晶化方法により、１パルスの
パルス強度を制御することによって、半導体を溶融させ
るとともに、半導体の温度を該半導体の融点付近となる
ように低く抑えることができる。

【００８０】それゆえ、半導体の表面荒れ、膜飛び、膜
蒸発の発生を防止・抑制することができるので、半導体
を良好に溶融結晶化させることができるという効果を奏
する。

【００８１】さらに、上記の不純物活性化方法により、
半導体の温度を不所望に著しく上昇させることなく、半
導体に注入された不純物を活性化させるレーザ照射が可
能になる。これにより、半導体の急激な温度上昇に伴っ
て、急激に水素が移動し該半導体から突沸するように飛
び出すことを防止できる。また、不純物が真性領域へ拡
散することを抑制できる。

【００８２】それゆえ、半導体の結晶性を損なうことが
なく、かつ、トランジスタ特性の悪化を回避できるとい
う効果を奏する。

【００８３】請求項７の発明に係る半導体の溶融結晶化
方法及び不純物活性化方法は、以上のように、請求項６
の方法において、パルスの強度が、パルスレーザのエネ
ルギ密度をＷ、パルスレーザの半値幅をΔｔとすると、
Ｗ／Δｔの値によって決定される方法である。

【００８４】即ち、Ｗ／Δｔの値を、半導体は溶融する
がその溶融温度が高くなりすぎない程度に制御・設定し
た上でレーザアニールを行う。これにより、半導体を良
好に溶融結晶化させることができ、或いは、半導体に注
入された不純物を良好に活性化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体の溶融結晶
化方法及び不純物活性化方法を説明するための、パルス
レーザの時間に対する模式的なパルス形状を表したグラ
フである。

【図２】上記溶融結晶化方法及び不純物活性化方法が実
施される薄膜トランジスタの製造方法を説明するための
断面図である。

【図３】上記溶融結晶化方法及び不純物活性化方法が実
施される薄膜トランジスタの製造方法を説明するための
工程図である。

【図４】上記溶融結晶化方法及び不純物活性化方法を説
明するための、パルスレーザの時間に対する実際のパル
ス形状並びにこれに近似的なパルス形状を表したグラフ
である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 層間絶縁膜 ３ 半導体膜 ４ 結晶性半導体膜 ５ パルスレーザ ６ ゲート絶縁膜 ７ ゲート電極 ８ 陽極酸化膜 ９ 不純物イオン １０ 層間絶縁膜 １１ コンタクトホール １２ 電極 ｍ１ パルスの立ち上がりの傾き ｍ２ パルスの立ち下がりの傾き Δｔ パルス半値幅

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルスレーザによる半導体の溶融結晶化方
   法及び不純物活性化方法において、 パルスの立ち下がり、または立ち上がりの傾きもしくは
   形状を時間的に制御することを特徴とする半導体の溶融
   結晶化方法及び不純物活性化方法。
2. 【請求項２】パルスレーザの半値幅を制御してパルスの
   立ち上がり、及び立ち下がりの傾きを時間的に制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体の溶融結晶化方
   法及び不純物活性化方法。
3. 【請求項３】パルスの立ち上がり、及び立ち下がりの傾
   きをそれぞれ独立して時間的に制御することを特徴とす
   る請求項１記載の半導体の溶融結晶化方法及び不純物活
   性化方法。
4. 【請求項４】パルスの立ち上がりの傾きｍ１とパルスの
   立ち下がりの傾きｍ２との絶対値が異なり、パルスの半
   値幅Δｔを変えることでｍ１とｍ２を共に時間的に制御
   することを特徴とする請求項３記載の半導体の溶融結晶
   化方法及び不純物活性化方法。
5. 【請求項５】パルスの立ち上がりの傾きｍ１とパルスの
   立ち下がりの傾きｍ２とを｜ｍ１｜≧｜ｍ２｜となるよ
   うに時間的に制御することを特徴とする請求項３記載の
   半導体の溶融結晶化方法及び不純物活性化方法。
6. 【請求項６】パルスレーザによる半導体の溶融結晶化方
   法及び不純物活性化方法において、 温度を半導体の融点以上に上昇させる強度であって、か
   つ、温度が前記融点より高くなりすぎない強度に１パル
   スのパルス強度を設定することを特徴とする半導体の溶
   融結晶化方法及び不純物活性化方法。
7. 【請求項７】パルスの強度は、パルスレーザのエネルギ
   密度をＷ、パルスレーザの半値幅をΔｔとすると、Ｗ／
   Δｔの値によって決定されることを特徴とする請求項６
   記載の半導体の溶融結晶化方法及び不純物活性化方法。