JPH0982662A - 薄膜半導体装置の製造方法 - Google Patents

薄膜半導体装置の製造方法

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JPH0982662A JP26499995A JP26499995A JPH0982662A JP H0982662 A JPH0982662 A JP H0982662A JP 26499995 A JP26499995 A JP 26499995A JP 26499995 A JP26499995 A JP 26499995A JP H0982662 A JPH0982662 A JP H0982662A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜半導体装置に集積形成される薄膜トラン
ジスタの活性層となる半導体薄膜の効率的な結晶化を行
なう。 【解決手段】 薄膜半導体装置を製造する為、先ず成膜
工程を行ない互いに直交する長手方向（Ｘ方向）及び幅
方向に広がる絶縁基板１の表面に非晶質の半導体薄膜２
を形成する。次にアニール工程を行ない外部からエネル
ギーを加えて半導体薄膜２を非晶質から多結晶に転換す
る。この後半導体薄膜２を活性層として薄膜トランジス
タを集成形成する。アニール工程では絶縁基板１の幅方
向に沿って線状に形成された比較的低エネルギーの紫外
線２３を絶縁基板１の裏面側から照射する一方、同じく
絶縁基板１の幅方向に沿って線状に整形された比較的高
エネルギーのレーザビーム４を絶縁基板１の表面側から
紫外線２３の照射領域と略整合する様に照射する。この
時、照射領域に対して相対的に絶縁基板１をＸ方向に移
動する。

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照射技術（結晶化
アニール）に関する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜半導体装置の製造工程を低温プロセ
ス化する方法の一環として、レーザ光を用いた結晶化ア
ニールが開発されている。これは、絶縁基板上に成膜さ
れた非晶質シリコンや多結晶シリコン等非単結晶性の半
導体薄膜に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させ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】薄膜半導体装置はアク
ティブマトリクス型表示装置の駆動基板等に好適であ
り、近年盛んに開発が進められている。表示装置に応用
する場合透明絶縁基板の大型化及び低コスト化が強く要
求されている。これを満たす為上述したレーザビームを
利用する結晶化アニールが注目を集めている。レーザ照
射により比較的低温部で半導体薄膜を結晶化できる為低
融点ガラス等比較的低コストの透明絶縁基板を採用でき
る。又、線状のレーザビームを走査しオーバラップ照射
する事で比較的大面積の半導体薄膜を非晶質から多結晶
にスループット良く転換できる。しかしながら、線状の
レーザビームを用いた結晶化アニールによっても半導体
薄膜の大面積化には限界があり、レーザエネルギーの出
力により制限されていた。例えば、１Ｊの総エネルギー
出力を有するエキシマレーザを用いた場合、結晶化の為
に５００mJ／cm2 程度の照射エネルギー密度が必要であ
るとすると、線状のレーザビームの断面形状は１mm×２
００mm程度になる。これでは、幅寸法が２００mmを超え
る大面積の絶縁基板に対する結晶化アニールをスループ
ット良く行なう事はできない。この様に、大面積化はレ
ーザの出力に依存するが、現在高速（１５０Hz程度）の
パルス照射が可能で出力１Ｊ，２００Ｗを超えるエキシ
マレーザ光源は実用化されておらず、線状レーザビーム
の長さ寸法に限界があった。実際には３００mmを超える
線状のレーザビームを用いる事は困難である。無理に線
状レーザビームの長さ寸法を延長するとエネルギー密度
（mJ／cm2 ）が小さくなり、結晶化アニールを十分に行
なう事ができない。
【０００４】そこで、ヒータ等を用いて絶縁基板を予備
加熱し、レーザビームを用いた結晶化アニールをアシス
トする技術が提案されている。一般に、非晶質シリコン
を結晶化する為には６００℃以上の温度に昇温する必要
がある。そこで、基板の予備加熱を行なって予め基板温
度を４００℃程度に高めておけば、レーザビームのエネ
ルギー密度をその分節約でき、半導体薄膜の結晶性及び
均一性にも有利に作用する。又、エネルギー密度が節約
できるのでその分レーザビームの断面形状を拡大でき
る。しかしながらヒータを用いた予備加熱方式では絶縁
基板を所定の温度に昇温するまで相当の時間を要しスル
ープットに難点があった。例えば、通常ガラス等からな
る絶縁基板を４００℃まで昇温させる為には２５分程度
の予備加熱時間が必要であった。
【０００５】ヒータ（電気炉）を用いた基板予備加熱
（ファーネスアニール）に代えてランプからの光源光を
基板に一括照射して予備加熱を行なう所謂ランプアニー
ルも提案されている。一般に、ランプアニールでは赤外
光を大量に含むハロゲンランプを用いているが、これは
通常のＩＣ製造に用いるシリコンウェハを効率良く加熱
できる一方、ガラス等の絶縁基板に形成されたシリコン
膜は殆ど赤外光を吸収せず昇温しない。ハロゲンランプ
に代えて紫外光を大量に含むキセノンアークランプを用
いる事もできる。しかしながら、これでも一括照射で薄
いシリコン膜を４００℃まで速やかに昇温する事は困難
であった。大面積のシリコン膜を一度に昇温する事は光
源となるキセノンアークランプに極端な負担がかかり実
際的ではない。
【０００６】
【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、本発明によ
れば薄膜半導体装置は以下の工程により製造される。基
本的には先ず成膜工程を行ない、互いに直交する長手方
向及び幅方向に広がる絶縁基板の表面に非晶質の半導体
薄膜を形成する。次にアニール工程を行ない外部からエ
ネルギーを加えて該半導体薄膜を非晶質から多結晶に転
換する（結晶化アニール）。この後加工工程を行ない、
該半導体薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集成形
成する。特徴事項として、前記アニール工程は、該絶縁
基板の幅方向に沿って線状に形成された比較的低エネル
ギーの紫外線を該絶縁基板の裏面側から照射する一方、
同じく該絶縁基板の幅方向に沿って線状に整形された比
較的高エネルギーのレーザビームを該絶縁基板の表面側
から該紫外線の照射領域と略整合する様に照射し、且つ
該照射領域に対して相対的に該絶縁基板を長手方向に移
動する。好ましくは、前記アニール工程はキセノンアー
クランプ光源を用いて紫外線を照射する一方、エキシマ
レーザ光源を用いてレーザビームを照射する。又好まし
くは、前記アニール工程は該紫外線を連続的に照射する
一方、該レーザビームを間欠的且つ部分的にオーバラッ
プしながら照射する。
【０００７】本発明ではガラス等の透明絶縁基板上に成
膜された非晶質シリコン等の半導体薄膜をレーザビーム
により結晶化アニールする。この時、透明絶縁基板の裏
面から線状の紫外線を照射すると同時に、半導体薄膜が
形成された表面側から線状のレーザビームを照射する。
紫外線とレーザビームとが裏表両側から整合的に照射さ
れる領域に対して絶縁基板を相対的に走査（シフト）さ
せる事により、大面積の透明絶縁基板上に成膜された非
晶質シリコン等の半導体薄膜を効率良く結晶化アニール
できる。紫外線を線状に絞った形で局所的に照射する為
極めて短時間で半導体薄膜を所望の温度まで昇温でき、
スループットが良くなる。予め予備加熱されているので
レーザ照射エネルギー密度は従来に比べ低くて良く、そ
の分レーザビームの断面形状を拡大化できる。この為、
大面積の絶縁基板を容易に結晶化アニールできる。換言
すると、レーザビームのエネルギーを効率的に利用する
事で大面積の結晶化アニールを可能にしている。レーザ
ビームの断面形状を拡大化できる為その分スループット
も向上する。
【０００８】
【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の主要部をなすレーザビーム照射
工程（結晶化アニール）を示す模式図である。結晶化ア
ニールを行なう場合、ＸＹステージ１１が組み込まれた
アニールチャンバ１２の中に低融点ガラス等からなる絶
縁基板１を投入する。なおこの絶縁基板１の表面には予
め非単結晶性の半導体薄膜２が成膜されている。半導体
薄膜２としては例えばＰ−ＣＶＤ法により非晶質シリコ
ンが形成される。このチャンバ１２内で例えばＸｅＣｌ
エキシマレーザ光源３から放射されたレーザビーム４を
絶縁基板１に照射する。これにより非晶質シリコンを一
旦溶融し、冷却過程で結晶化を図り多結晶シリコンに転
換する。これにより、薄膜トランジスタの電気特性を改
善する。なお、レーザビーム４の断面形状を線状（ライ
ン状）に整形し且つエネルギー断面強度の均一性を保つ
為、ビーム形成器５が挿入されている。ビーム形成器５
を通過した線状のレーザビーム４は反射鏡６で反射した
後、チォンバ１２内に収納された絶縁基板１に照射され
る。レーザ照射を行なう際、ＸＹステージ１１をＸ方向
に移動する。これにより、絶縁基板１は線状のレーザビ
ーム４に対し相対的にＸ方向に走査される事になる。
【０００９】本発明の特徴事項として、絶縁基板１の裏
面側に対面してキセノンアークランプ２１が配置されて
いる。キセノンアークランプ２１は反射鏡２２内に収納
されている。キセノンアークランプ２１及び反射鏡２２
から出射した紫外線２３はシリンドリカルレンズ２４に
より線状に集光された後、チャンバ１２の下部に設けた
ウィンドウを介して絶縁基板１の裏面側に照射される。
この様に、本発明では半導体薄膜２が形成された絶縁基
板１の表面側から線状のレーザビーム４を照射すると共
に、裏面側から同じく線状の紫外線２３を照射して結晶
化アニールを行なっている。
【００１０】図２は上述した結晶化アニールを具体的に
表わした模式的な斜視図である。絶縁基板１の幅方向
（Ｙ方向）に沿って線状に形成された比較的低エネルギ
ーの紫外線２３を絶縁基板１の裏面側から照射する。同
じく絶縁基板１の幅方向（Ｙ方向）に沿って線状に整形
された比較的高エネルギーのレーザビーム４を絶縁基板
１の表面側から紫外線２３の照射領域と略整合する様に
照射する。この時照射領域に対して相対的に絶縁基板１
を長手方向（Ｘ方向）に移動する。本例ではキセノンア
ークランプ２１から放射された紫外線２３を連続的に照
射する一方、エキシマレーザ光源３から放射されたレー
ザビーム４を間欠的且つ部分的にオーバラップしながら
照射している。即ち、絶縁基板１はレーザビーム４及び
紫外線２３に対し相対的にＸ方向にステージ１１を介し
て走査される。線状のレーザビーム４の幅寸法より小さ
いピッチでステージ１１をワンショット毎に移動し、基
板１の全体にレーザビーム４及び紫外線２３が照射でき
る様にして結晶化アニールを行なう。
【００１１】さらに図３を参照して具体的な結晶化アニ
ールの条件を説明する。前述した様に本発明では線状の
レーザビーム４による半導体薄膜の加熱をアシストする
為、キセノンアークランプ等の紫外線光源から放射され
る紫外線を線状に集光して半導体薄膜に裏面から照射し
ている。例えば比較的低価格の耐熱ガラス（ホヤガラス
ＮＡ３５）を透明絶縁基板とし、その上に約３０nmの厚
みで非晶質シリコンからなる半導体薄膜を堆積させる。
この絶縁基板１の表面側から３０８nmの波長を有するＸ
ｅＣｌエキシマレーザビームを線状に整形して照射する
と共に、キセノンアークランプからの紫外線（図示省
略）を同じく線状に集光して絶縁基板１の裏面から照射
する。本例では紫外線は連続的に照射する一方、レーザ
ビームはその照射領域に整合して高速で繰り返しパルス
照射する。両光源は固定させる一方絶縁基板１は前述し
た様にＸ方向に移動する事が構造上有利である。なお、
半導体薄膜を結晶化した後は一般的なＴＦＴプロセスに
より６００℃以下のプロセス温度で薄膜トランジスタを
集積形成する。レーザビーム４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
／cm2 に設定される。レーザビームのパルス幅は例えば
４０nsec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。一方、キセ
ノンアークランプの出力は絶縁基板の照射領域における
ピーク温度が例えば４００℃程度になる様に設定してお
く。
【００１２】図４はシリコン（Ｓｉ）の光吸収特性（一
点鎖線）とキセノンアークランプの波長分布（実線）を
示すグラフである。横軸に波長（μｍ）をとり、縦軸に
光強度及び吸収係数を別々のスケールでとってある。キ
セノンアークランプから放射した光はグラフの実線に示
す様な波長分布を有しており、１μｍ未満の波長成分が
大部分である。この為グラフから明らかな様にＳｉによ
る吸収効率が非常に高い。従って予備加熱を行なった場
合の半導体薄膜の温度上昇が非常に急峻である。これに
対してハロゲンランプはシリコンウェハ等については高
温の熱処理を短時間で行なう事ができるが、ハロゲンラ
ンプの光源光は赤外線である。この為Ｓｉ等からなる半
導体薄膜では吸収効率が悪く、加熱処理を短時間で行な
う事はできない。
【００１３】図５は、本発明に従って製造された薄膜半
導体装置の一例を示す模式的な断面図である。絶縁基板
５１の表面には半導体薄膜５２が所定の形状にパタニン
グされており素子領域を形成する。この半導体薄膜５２
は本発明に従って結晶化アニールされたものである。こ
の為半導体薄膜５２は均一な多結晶構造を有し薄膜トラ
ンジスタの活性層として優れた特性を備えている。半導
体薄膜５２には不純物が高濃度に拡散されたソース領域
Ｓとドレイン領域Ｄとが形成されており両者の間にチャ
ネル領域Ｃｈが設けられる。チャネル領域Ｃｈの上方に
はゲート酸化膜５３及びゲート窒化膜５４を介してゲー
ト電極Ｇが形成されており、薄膜トランジスタを構成す
る。この薄膜トランジスタは移動度μや閾値Ｖｔｈ等の
点で特性が向上している。この薄膜トランジスタは第１
層間絶縁膜５５により被覆されている。この第１層間絶
縁膜５５に設けられた第１コンタクトホールを介して信
号配線５６がソース領域Ｓに電気接続されている。第１
層間絶縁膜５５の上にはさらに第２層間絶縁膜５７が成
膜される。この第２層間絶縁膜５７の上にはＩＴＯ等の
透明導電膜からなる画素電極５８がパタニング形成され
ており、第２コンタクトホールを介して薄膜トランジス
タのドレイン領域Ｄに電気接続されている。かかる構成
を有する薄膜半導体装置は、例えばアクティブマトリク
ス型表示装置の駆動基板として応用される。
【００１４】最後に図６を参照して、本発明に従って製
造されたアクティブマトリクス型表示装置の一例を簡潔
に説明する。本表示装置は駆動基板１０１と対向基板１
０２と両者の間に保持された電気光学物質１０３とを備
えたパネル構造を有する。電気光学物質１０３としては
液晶材料等が広く用いられている。駆動基板１０１は大
面積化が可能であり且つ比較的低コストのガラス等を用
いる事ができる。駆動基板１０１には画素アレイ部１０
４と駆動回路部とが集積形成されており、モノリシック
構造を採用できる。即ち、画素アレイ部１０４に加え周
辺の駆動回路部を一体的に内蔵する事ができる。駆動回
路部は垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６とに分
かれている。又、駆動基板１０１の周辺部上端には外部
接続用の端子部１０７が形成されている。端子部１０７
は配線１０８を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動
回路１０６に接続している。一方、対向基板１０２の内
表面には対向電極（図示せず）が全面的に形成されてい
る。画素アレイ部１０４には行状のゲートライン１０９
と列状の信号ライン１１０が形成されている。ゲートラ
イン１０９は垂直駆動回路１０５に接続し、信号ライン
１１０は水平駆動回路１０６に接続する。両ラインの交
差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜トランジ
スタ１１２が集積形成されている。又、垂直駆動回路１
０５及び水平駆動回路１０６にも薄膜トランジスタが集
積形成されている。
【００１５】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ガ
ラス等の絶縁基板に成膜された非晶質シリコン等からな
る半導体薄膜をレーザビームにより結晶化アニールして
いる。絶縁基板の表面から線状のエキシマレーザビーム
をパルスショットする一方、絶縁基板の裏面からも線状
の紫外線を照射して予備加熱を行なっている。これらレ
ーザビーム及び紫外線の互いに整合した照射領域に対し
絶縁基板を相対的にスキャン（シフト）させる事で、大
面積の絶縁基板に成膜された半導体薄膜の結晶化アニー
ルを実現している。大面積で且つ低コストのガラス等か
らなる絶縁基板に高スループットで薄膜トランジスタが
集積形成可能であり、周辺駆動回路を内蔵したモノリシ
ックタイプのアクティブマトリクス型表示装置を作成で
きる。又、レーザビームのスキャンショットのみでは結
晶化された半導体薄膜の結晶粒子が不均一になるが、紫
外線照射による基板予備加熱を併用しているので改善が
可能になりミクロな結晶構造が均一化できる。又基板予
備加熱で結晶性が良くなる為、キャリア移動度や閾値等
薄膜トランジスタの特性が向上しアクティブマトリクス
型表示装置の高精細化に寄与できる。
【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
説明図である。
【図２】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の要部
となる結晶化アニールを示す模式図である。
【図３】結晶化アニールの具体例を示す模式図である。
【図４】シリコンの吸収特性及びキセノンアークランプ
の波長分布を示すグラフである。
【図５】本発明に従って製造された薄膜半導体装置の一
例を示す断面図である。
【図６】図５に示した薄膜半導体装置を駆動基板として
組み立てたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示
す斜視図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板 ２ 半導体薄膜 ３ エキシマレーザ光源 ４ レーザビーム ５ ビーム形成器 ６ 反射鏡 １１ ＸＹステージ １２ チャンバ ２１ キセノンアークランプ ２２ 反射鏡 ２３ 紫外線
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/336 Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｌ Ｈ０１Ｓ 3/00 29/78 ６２７Ｇ // Ｇ０２Ｆ 1/136 ５００

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに直交する長手方向及び幅方向に広
    がる絶縁基板の表面に非晶質の半導体薄膜を形成する成
    膜工程と、外部からエネルギーを加えて該半導体薄膜を
    非晶質から多結晶に転換するアニール工程と、該半導体
    薄膜を活性層として薄膜トランジスタを集成形成する加
    工工程とを行なう薄膜半導体装置の製造方法であって、 前記アニール工程は、該絶縁基板の幅方向に沿って線状
    に形成された比較的低エネルギーの紫外線を該絶縁基板
    の裏面側から照射する一方、同じく該絶縁基板の幅方向
    に沿って線状に整形された比較的高エネルギーのレーザ
    ビームを該絶縁基板の表面側から該紫外線の照射領域と
    略整合する様に照射し、且つ該照射領域に対して相対的
    に該絶縁基板を長手方向に移動する事を特徴とする薄膜
    半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記アニール工程は、キセノンアークラ
    ンプ光源を用いて紫外線を照射する一方、エキシマレー
    ザ光源を用いてレーザ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。
  3. 【請求項３】 前記アニール工程は、該紫外線を連続的
    に照射する一方、該レーザビームを間欠的且つ部分的に
    オーバラップしながら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。
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