JP2002025906A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラス基板上の多数のトランジスタの能動領
域に、均一で、かつ大きな結晶粒を形成することができ
る半導体の製造方法及び半導体装置を提供する。 【解決手段】 絶縁性基板１０の上に、下から順に、非
単結晶シリコン膜と透光性の絶縁膜のパターン１６ａ
と、前記絶縁膜のパターンの面積より小さい面積を有す
る金属膜のパターン１８ａとが積層された構造を形成す
る工程と、金属膜のパターンをマスクとして、かつ絶縁
膜のパターンを通して、非単結晶シリコン膜にレーザー
光を照射して加熱し、非単結晶シリコン膜の一部を溶融
させる工程とを有し、熱伝導により非単結晶シリコン膜
の溶融領域を広げて、金属膜のパターンの下の前記非単
結晶シリコン膜を溶融させた後、前記溶融した非単結晶
シリコン膜が冷却されて、結晶化し、多結晶シリコン１
４ｂを形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置及び半導
体装置の製造方法に関する。さらに、詳しくは液晶パネ
ルなどに用いられる薄膜トランジスタなどに関する。

【０００２】

【従来の技術】低消費電力、低電圧動作、軽量、薄型、
カラー表示などを特徴とする液晶パネルは、パーソナル
コンピューター（ＰＣ）やビデオ機器などへ急速にその
用途を拡大している。近年、アクティブマトリクス駆動
のカラー液晶パネルは、ブラウン管（cathod ray tube
: ＣＲＴ）に近い高画質が期待できるので、高画質
化、大画面化が進められている。

【０００３】ところで、液晶パネルには薄膜トランジス
タ（以下、ＴＦＴという）が設けられており、ＴＦＴが
スイッチング素子となり、液晶の配向が制御され、画像
が表示される。ＴＦＴは通常、ガラス基板上にアモルフ
ァスシリコン膜を成長させ、これをチャネル導体として
トランジスタを構成する。ＴＦＴは液晶パネルの高画質
化のため、速い応答速度が要求されている。しかしなが
ら、アモルファスシリコンは単結晶シリコンや多結晶シ
リコンに比べて電流担体の移動度が低いため、ＴＦＴの
応答速度を上げるには限界がある。

【０００４】また、アモルファスシリコンは電流担体の
移動度が低いので、ＴＦＴを駆動させるドライバＩＣを
ガラス基板上にＴＦＴと同時に製造できない。従って、
ドライバＩＣは単結晶シリコン基板を用いた通常のＬＳ
Ｉのプロセスで製造され、液晶パネルに実装されてい
る。多結晶シリコンはアモルファスシリコンより電流担
体の移動度が高いので、多結晶シリコンを能動層に用い
ることにより、所望の応答速度をもつＴＦＴやドライバ
ＩＣを製造することができる。しかしながら、多結晶シ
リコンは６００℃以上の加熱雰囲気でＳｉＨ₄ などを熱
分解するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法で成
膜される。液晶パネルに使用する基板であるガラス基板
の融点は、多結晶シリコンの成長温度より低いため、ガ
ラス基板上に直接、結晶性のよい多結晶シリコンを成長
させることができない。このため、結晶性がよく、高移
動度が得られる多結晶シリコンを成長させる基板として
融点が高い石英ガラスを使用する必要がある。しかし、
この石英ガラスは高価であるため、特殊用途の液晶パネ
ルにのみに用いられ、一般の液晶パネルには用いられて
いない。

【０００５】ガラス基板上に多結晶シリコン膜を得る方
法としては、まず、ガラス基板上にアモルファスシリコ
ン膜を低温のＣＶＤ法にて成膜し、短パルスのエキシマ
レーザーを照射することにより、ガラス基板に影響を与
えないで、アモルファスシリコン膜のみを溶融し、結晶
化させて多結晶シリコンを得る方法が多く用いられてい
る。近年では、このために、ガラス基板の大口径化に対
応した高出力、線状ビームのエキシマレーザーが開発さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、レーザ
ー照射によって溶融結晶化して得られる多結晶シリコン
は、照射エネルギー密度だけではなくビームプロファイ
ルやアモルファスシリコンの膜表面の状態にも影響を受
け易い。従って、大口径のガラス基板上に、広範囲にわ
たって、均一に結晶粒径の大きな多結晶シリコンを形成
することは困難であった。

【０００７】図６（ａ）及び図６（ｂ）はガラス基板内
のシリコンの結晶性を評価したグラフである。図６
（ａ）は高いエネルギーで照射した場合のピーク波数を
示すグラフであり、図６（ｂ）は比較的低いエネルギー
で照射した場合のピーク波数を示すグラフである。図６
（ａ）及び図６（ｂ）の横軸はともにガラス基板上に形
成した多結晶シリコンの位置を示し、縦軸はともにピー
ク波数を示す。非晶質シリコン（α−Ｓｉ）は４８０ｃ
ｍ^-1付近にブロードな山をもち、単結晶シリコン（ｃ−
Ｓｉ）は５２０．５ｃｍ^-1にピークをもち、多結晶シリ
コン（ｐ−Ｓｉ）はその中間的なピークを示す。エキシ
マレーザーで形成した多結晶シリコンはピーク波数が大
きい方が電流担体の移動度が高いものが得られやすいと
いう相関がある。

【０００８】比較的低いレーザーエネルギーの条件で
は、図６（ｂ）に示すように、ピーク波数のバラツキ、
すなわち、結晶粒径のバラツキは小さいが、ピーク波数
が低い、すなわち、結晶粒径の小さい結晶しか得られな
い。従って、この条件で得られた多結晶シリコンを用い
ても速い応答速度のＴＦＴを製造することができない。
一方、比較的高いエネルギーの条件では、図６（ａ）に
示すように、部分的にはに示すようなピーク波数の高
い箇所があり、大きな結晶粒径の多結晶シリコンが得ら
れていることがわかる。しかし、に示すようにピーク
波数が低いところがあり、結晶粒径のバラツキが大きい
ことを示している。また、得られた多結晶シリコンの表
面の凹凸も大きくなっている。結晶性のバラツキが大き
くなるのは、レーザーパワーの変動やビームのエッジの
影響があったためである。

【０００９】以上のように、従来の技術ではガラス基板
上のアモルファスシリコン膜にレーザー光を照射するこ
とにより、結晶粒径の大きい多結晶シリコンを広範囲に
わたって均一に得ることができない。ＴＦＴやドライバ
ＩＣの応答速度は能動層である多結晶シリコンの結晶粒
の大きさに依存し、結晶粒が大きい方が、応答速度が速
い。従って、従来の技術では、ＴＦＴやドライバＩＣの
応答速度のバラツキが大きく、所望の応答速度をもつＴ
ＦＴやドライバＩＣをガラス基板上に歩留りよく製造す
ることができないという問題がある。

【００１０】本発明は以上の問題点を鑑みて創作された
ものであり、ガラス基板上の多数のトランジスタの能動
領域に、均一で、かつ大きな結晶粒を形成することがで
きる半導体の製造方法及び半導体装置を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ため、本発明は絶縁性基板の上に、下から順に、非単結
晶シリコン膜と透光性の絶縁膜のパターンと、前記絶縁
膜のパターンの面積より小さい面積を有する金属膜のパ
ターンとが積層された構造を形成する工程と、前記金属
膜のパターンをマスクとして、かつ前記絶縁膜のパター
ンを通して、前記非単結晶シリコン膜にレーザー光を照
射して加熱し、前記非単結晶シリコン膜の一部を溶融さ
せる工程と、熱伝導により前記非単結晶シリコン膜の溶
融領域を広げて、前記金属膜のパターンの下の前記非単
結晶シリコン膜を溶融させる工程と、前記溶融した非単
結晶シリコン膜が冷却されて、結晶化し、多結晶シリコ
ンを形成する工程とを有することを特徴とする。

【００１２】以上のように、本発明においては、非単結
晶シリコン膜全体にわたって結晶粒径が均一でかつ、大
きな多結晶シリコンを得るのではなく、結晶粒径の大き
さにより特性に影響を与える領域のみに結晶粒径が均一
でかつ大きな多結晶シリコン膜を得ることができるよう
にすることを目的としている。本発明によれば、非単結
晶シリコン膜上に下から順に絶縁膜のパターンと、この
絶縁膜のパターンより小さい面積を有する金属膜のパタ
ーンとを積層した構造、いわゆる、階段形状を形成して
いる。そして、この階段形状でレーザー光を照射して非
単結晶シリコン膜を溶融している。このとき、レーザー
光は絶縁膜のパターンを通過し、非単結晶シリコン膜ま
で達する。この場合、絶縁膜のパターンに反射防止膜の
機能をもたせることにより、レーザーエネルギーをより
効率よく用いることができる。

【００１３】すなわち、非単結晶シリコン膜は金属膜の
パターンの外側の絶縁膜のパターンの下の領域でレーザ
ー光の照射を受けるので、そこは金属膜のパターンの直
下の領域より高温となり溶融させることがきる。また、
金属膜のパターンの直下の非単結晶シリコン膜はレーザ
ー光の照射を受けないが、金属膜のパターンの外側の領
域から熱拡散（熱伝導）で温度が上がり溶融させること
ができる。このとき、非単結晶シリコン膜の温度分布
は、金属膜のパターンの直下の領域では、金属膜のパタ
ーンの外側であって絶縁膜のパターンの下の領域より温
度が低い状態となる。

【００１４】これが冷却されるときには、金属膜のパタ
ーンは熱伝導度が高いので、金属膜のパターンの直下の
非単結晶シリコン膜の冷却速度は速い。これに対して、
絶縁膜のパターンは熱伝導度が低いので、絶縁膜のパタ
ーンの下の非単結晶シリコン膜の冷却速度は遅い。従っ
て、金属膜のパターンの下の中央部から外側両側に向か
って結晶化が進む。

【００１５】これにより、絶縁性基板上の非単結晶シリ
コン膜の所望の領域を自己整合的に結晶粒径が均一で、
かつ大きな多結晶シリコンに変換することができる。従
って、上記階段形状を絶縁性基板上の多数のトランジス
タを形成する領域に形成しておくことにより、特にその
能動層に限って電流担体の移動度が高い多結晶シリコン
を広い範囲にわたって、均一に形成することができる。

【００１６】上記方法をトランジスタの作成に適用した
場合、例えば、金属膜のパターンをゲート電極とし、そ
の下の絶縁膜のパターンをゲート絶縁膜とし、その下の
多結晶シリコン膜をトランジスタのチャネル領域とする
と、そのチャネル領域ではチャネル長の方向に一つの結
晶粒が形成される。このとき、チャネル長方向に交差す
る方向に延びるチャネル幅が広い場合、チャネル幅方向
にこの結晶粒が複数並ぶことになる。このように、チャ
ネル長方向に大きな粒径の結晶が一つしかなく、この結
晶粒がチャネル幅方向に連なってチャネル領域を構成し
ている。従って、チャネル長の方向には結晶と結晶との
粒界が存在しないので、電流担体の移動度が上がり、ト
ランジスタの応答速度をはじめとするその他の特性を向
上させることができる。

【００１７】さらに、上記階段状形状を絶縁性基板上の
多数のトランジスタを形成する領域に形成しておくこと
により、単結晶シリコンを能動層としたトランジスタに
近い特性をもつ高性能なトランジスタを大口径の絶縁性
基板上に歩留りよく形成することができる。さらに、絶
縁性基板上に駆動回路一体型の液晶パネルを容易に製造
することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図を参照しながら説明する。 （第１の実施の形態）図１（ａ）は本発明の第１の実施
の形態の半導体装置を示す断面図であり、図１（ｂ）は
平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＩＶ―ＩＶ
に沿った断面図である。

【００１９】図１（ａ）に示すように、ガラス基板１０
の上に下から順に、ｐ−Ｓｉ膜パターン１４、ＳｉＯ₂
膜パターン１６ａ及びＭｏからなる金属膜パターン１８
ａが形成されている。ＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａはＳｉ
Ｏ₂ 膜パターン１６ａの下に形成されたｐ−Ｓｉ膜パタ
ーン１４ｂの面積より小さく形成されている。また、Ｓ
ｉＯ₂ 膜パターン１６ａの上に形成された金属膜パター
ン１８ａはＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａの面積より小さく
形成されている。

【００２０】すなわち、下から順に、ａ−Ｓｉ膜パター
ン１４、ＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａ及び金属膜パターン
１８ａがいわゆる、階段形状に形成されている。ここ
で、ｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｂはトランジスタの能動層
であり、ＳｉＯ₂膜パターン１６ａはゲート絶縁膜であ
り、金属膜パターン１８ａはゲート電極である。ｐ−Ｓ
ｉ膜パターン１４ｂにはソース１５ｂ及びドレイン１５
ａが形成されている。ソース１５ｂとドレイン１５ａと
の間のチャネル長の方向には結晶粒（グレイン）が一つ
形成され、それがチャネル長に交差する方向に複数並ん
でトランジスタのチャネル部を構成している。

【００２１】この実施の形態の半導体装置によれば、ト
ランジスタのチャネル長の方向にｐ−Ｓｉの結晶粒が一
つしかない。すなわち、チャネル長の方向には結晶と結
晶の粒界が存在しないので、電流担体の移動度を向上さ
せることができる。従って、トランジスタの応答速度を
はじめとするトランジスタ特性を向上させることができ
る。

【００２２】（第２の実施の形態）図２（ａ）〜（ｄ）
の左側の図面は本発明の第２の実施の形態の半導体装置
の製造方法を工程順に説明する断面図であり、図２
（ａ）〜（ｃ）の右側の図面は平面図である。図２
（ａ）〜（ｃ）の左側の断面図は右側の平面図のＶ−
Ｖ、ＶＩ―ＶＩ及びＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面を示
す。第２の実施の形態の半導体装置の製造方法において
は、ａ−Ｓｉ膜１４ｃをパターニングした後に溶融・結
晶化させてｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｄを形成し、かつａ
−Ｓｉ膜パターン１４ｃ上のレーザー光を透光させるた
めのＳｉＯ₂ 膜パターン１６ｂ及びレーザー光を反射さ
せるための金属膜パターン１８ｂをそのまま残して、そ
れぞれゲート絶縁膜及びゲート電極として用いているこ
とを特徴としている。

【００２３】図２（ａ）に示すように、まず、ＰＥ−Ｃ
ＶＤ（Plasma enhanced chemicalvapor deposition)に
より、絶縁性基板であるガラス基板１０ａ上に下から順
に、ＳｉＯ₂ 、及び非単結晶シリコンである非晶質シリ
コン（以下、ａ−Ｓｉという）を連続成長させ、それぞ
れ、下地ＳｉＯ₂ 膜１２ａ、及びａ−Ｓｉ膜を形成す
る。ａ−Ｓｉ膜の膜厚は例えば５０ｎｍとする。なお、
ガラス基板１０ａ上にシリカコートされたものを使用し
てもよい。

【００２４】次いで、ａ−Ｓｉ膜上にフォトリソグラフ
ィーによりレジスト膜（図示せず）をパターニングし、
これをマスクにしてａ−Ｓｉ膜を島状にパターニングし
てａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃを形成する。次に、図２
（ｂ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの上
に、ＣＶＤ法にてＳｉＯ₂ 膜を５０ｎｍ成膜し、スパッ
タリングによりＳｉＯ₂ 膜１２ａ上にＭｏ膜を３００ｎ
ｍ成膜する。フォトリソグラフィーにてレジスト膜（図
示せず）をａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの面積より小さく
なるようにパターニングし、これをマスクにしてＭｏ膜
をエッチングして、ゲート電極１８ｂを形成する。ゲー
ト電極１８ｂの幅は２μｍ以下で形成するのが好まし
く、例えば、０．８μｍで形成する。

【００２５】次に、同じく図２（ｂ）に示すように、フ
ォトリソグラフィーでレジスト膜（図示せず）をａ−Ｓ
ｉ膜パターン１４ｃの面積より小さく、かつゲート電極
１８ｂより大きい面積になるようにパターニングし、こ
れをマスクにしてＳｉＯ₂ 膜をエッチングして、ゲート
絶縁膜１６ｂを形成する。これにより、ａ−Ｓｉ膜パタ
ーン１４ｃ、ゲート絶縁膜１６ｂ及びゲート電極１８ｂ
が下から順に階段形状になるように形成される。

【００２６】次に、ガラス基板１０ａの温度を室温に保
持した状態で、パルス幅が４０ｎｓｅｃ〜数１００ｎｓ
ｅｃのパルス状の紫外線レーザー、例えば、Ｘｅ−Ｃｌ
エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を用いて、エネル
ギー密度約３５０ｍＪ／ｃｍ ² で、ガラス基板１０ａ上
のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃに照射する。パルス状の紫
外線レーザーを用いているのはガラス基板１０に影響を
与えないで、ａ−Ｓｉ膜１４ｃを加熱するためである。

【００２７】次に、図３及び図４を参照して、エキシマ
レーザー光を照射したときのａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃ
からｐ−Ｓｉ膜（多結晶シリコン膜）１４ｄへの変換の
様子を詳細に説明する。図３は図２（ｂ）で示す工程が
完了した後、試料にレーザー光を照射している状態を示
す断面図である。すなわち、図２（ｃ）を拡大したもの
である。

【００２８】図４は図３に示すａ−Ｓｉ膜１４ｃにエキ
シマレーザー光を照射したときの温度分布を示すグラフ
である。図４のＡ領域はＭｏからなるゲート電極１８ｂ
の下のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの温度分布を示し、Ｂ
領域及びＣ領域は金属膜パターン１８ｂの外側両側のゲ
ート絶縁膜１６ｂの下のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの温
度分布を示している。また、Ｄ領域及びＥ領域はゲート
絶縁膜１６ｂの両側外側のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃが
露出している部分の温度分布を示している。

【００２９】ゲート電極１８ｂはレーザーを反射させる
Ｍｏからなり、その下にはレーザーの反射が最小になる
膜厚で形成されたゲート絶縁膜１６ｂが、ゲート電極１
８ｂより大きく形成されている。図３に示すように、レ
ーザー光を照射したとき、レーザー光はゲート電極１８
ｂにより反射されて、その下のａ−Ｓｉ膜パターン１４
ｃには達しない。一方、ゲート絶縁膜１６ｂは透光性で
あるのでその下のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃにレーザー
が到達する。レーザー光が照射されるとＢ領域及びＣ領
域からの熱の拡散によりＡ領域の温度も上昇する。この
とき、ゲート電極１８ｂの下のａ−Ｓｉ膜パターン１４
ｃのＡ領域では、レーザー光の照射を直接受けないた
め、Ｂ領域及びＣ領域より温度が低くなる。なお、Ｄ領
域及びＥ領域がＢ領域及びＣ領域より温度が低くなって
いるのは入射状態及び放熱状態が違うためである。

【００３０】このようにして、レーザー光を照射するこ
とにより、ａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃでは図４のような
温度分布を保ちながら全体にわたってａ−Ｓｉ膜パター
ン１４ｃが溶融する。その後、レーザー光のパルスが終
わると、溶融したａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃは冷却され
て結晶化する。ここで、領域Ａと領域Ｂ及び領域Ｃとの
冷却速度は異なる。これは、領域Ａの上方には熱伝導率
の大きいゲート電極１８ｂがあり、領域Ｂ及び領域Ｃの
上方には熱伝導率の小さいゲート絶縁膜１６ｂがあり、
放熱状態が異なるためである。すなわち、領域Ａでは熱
が逃げやすいので冷却速度が速く、領域Ｂ及び領域Ｃの
上部には熱が逃げにくいので冷却速度が遅い。従って、
図４の温度分布はＡ領域とＢ，Ｃ領域との温度差が拡大
するように変化していく。

【００３１】これにより、図３に示すように、溶融した
ａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃはＡ領域からＢ領域及びＣ領
域に向かって結晶化が進む。すなわち、金属膜パター１
８ｂの下部の中心部から金属膜パターン１８ｂの短手方
向の両側外側に向かって結晶化が進む。これにより、ゲ
ート電極１８ｂの短手方向の全体の幅である０．８μｍ
程度にわたって一つの結晶粒を成長させることができ
る。一方、ゲート電極１８ｂの長手方向には一つの結晶
粒が複数個連なるように形成される。このようにして、
ゲート電極１８ｂの下部に局所的に結晶粒径が大きいｐ
−Ｓｉ膜パターン１４ｄを得ることができる。

【００３２】このようにして、チャネル長の方向に結晶
粒が一つのみ形成されたチャネル部をゲート電極１８ｂ
に対して自己整合的に形成することができる。次に、ゲ
ート電極１８ｂをマスクにして、イオンドーピング法な
どによりリンなどの導電型不純物をｐ−Ｓｉ膜１４ｄに
注入する。続いて、アニールし、導電型不純物を活性化
させて、ソース１５ｂとドレイン１５ａとを形成する。
このイオンドーピング法は発生させた導電型不純物のイ
オン種を質量分離することなくすべて打ち込む方法であ
る。これにより、プラズマ中の水素も同時に打ち込ま
れ、イオン電流密度が高くなるので、ｐ−Ｓｉ膜１４ｄ
の温度が上昇する。従って、ｐ−Ｓｉ膜１４ｄの結晶性
が維持されるため、低温アニール、例えば、３００℃の
温度でリンなどの導電型不純物を活性化させることがで
きる。

【００３３】なお、ＬＤＤ（lightly doped dorain) 構
造とする場合，まず、低濃度のリンなどの導電型不純物
をゲート絶縁膜１６ｂを突き抜ける加速エネルギーに設
定してｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｄに注入する。その後、
高濃度のリンなどの導電型不純物をゲート絶縁膜１６ｂ
がマスクになる加速エネルギーでｐ−Ｓｉ膜パターン１
４ｄに注入する。

【００３４】これにより、自己整合的にソース１５ｂ及
びドレイン１５ａが形成され、素子サイズ及び寄生容量
が小さいＬＤＤ構造を有するトランジスタをガラス基板
１０ａ上に容易に形成することができる。次に、図２
（ｄ）に示すように、カバーＳｉＯ₂ 膜２４をＣＶＤ法
にて形成し、続いて、フォトリソグラフィーとエッチン
グによりドレイン１５ａのコンタクト窓を開口する。そ
して、ＩＴＯ（Indium tin oxide) をスパッタリングに
て成膜し、フォトリソグラフィー及びエッチングによ
り、ＩＴＯをパターニングして画素電極２６を形成す
る。

【００３５】次に、カバーＳｉＯ₂ 膜２４にフォトリソ
グラフィー及びエッチングによりソース１５ｂ部のコン
タクト窓を形成する。そして、Ａｌをスパッタリングに
て成膜し、フォトリソグラフィー及びエッチングによ
り、Ａｌをパターニングして、ソース電極２８を形成す
る。以上により、図１の半導体装置が完成する。

【００３６】上記第２の実施の形態によれば、大口径の
ガラス基板１０ａ上のａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃにゲー
ト絶縁膜１６ｂ及びゲート電極１８ｂを階段形状で形成
し、レーザー光を照射することにより、チャネル長の方
向に結晶粒が一つのみ形成されたチャネル部をゲート電
極１８ｂに対して自己整合的に形成することができる。

【００３７】このため、ゲート電極１８ｂをチャネル部
に位置合わせする必要がない。従って、ゲート電極１８
ｂの短手方向の幅を縮小することができるため、容易に
チャネル長を短くすることができる。これにより、トラ
ンジスタの応答速度をはじめとする特性を向上させるこ
とができる。また、上記階段形状をガラス基板１０ａ上
の多数のトランジスタを形成する領域に形成しておくこ
とにより、特にその能動層に限って電流担体の移動度が
高い多結晶シリコンを均一に形成することができる。

【００３８】従って、大口径のガラス基板上に高性能な
トランジスタを歩留りよく製造することができ、また、
ＴＦＴとドライバＩＣとを同時に形成することができ
る。そして、ＴＦＴとドライバＩＣとを同時に形成する
ことができるので、駆動回路一体型の液晶パネルを容易
に製造することができる。また、予め、ａ−Ｓｉ膜を島
状にエッチングしてａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃを形成し
てからレーザー光を照射している。このため、ａ−Ｓｉ
膜パターン１４ｃからの放熱は少ないので、低いエネル
ギーのレーザー光で効率よくａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃ
を溶融して、結晶を得ることができる。また、複数のａ
−Ｓｉ膜パターン１４ｃ間での温度差を小さくすること
ができるので、ガラス基板１０ａ上に、均一なｐ−Ｓｉ
結晶粒１７ｂを有する複数のｐ−Ｓｉ膜パターン１４を
広い範囲にわたって得ることができる。

【００３９】なお、本実施の形態において、レーザー照
射後にソース及びドレインに導電型不純物を注入し、そ
の後、導電型不純物の活性化アニールを行っているが、
レーザー照射の工程の前にソース１５ｂ及びドレイン１
５ａに導電型不純物の注入を行い、レーザー光の照射で
ａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの溶融と導電型不純物の活性
化とを同時に行ってもよい。このときのレーザーのエネ
ルギー密度は、例えば、ａ−Ｓｉ膜パターン１４ｃの溶
融エネルギ密度３５０ｍＪ／ｃｍ² とする。なお、一般
に不純物の活性化のみが目的のときは２５０ｍＪ／ｃｍ
² 〜２８０ｍＪ／ｃｍ² である。

【００４０】（第３の実施の形態）図５（ａ）〜（ｄ）
の左側の図面は本発明の第３の実施の形態の半導体装置
の製造方法を工程順に示す断面図であり、図５（ａ）〜
（ｄ）の右側の図面は平面図である。図５（ｂ）〜
（ｄ）の断面図はそれぞれ同平面図のＩ−Ｉ、ＩＩ―Ｉ
Ｉ及びＩＩＩ―ＩＩＩに沿った断面を示す。

【００４１】第２の実施の形態との相違点は、ａ−Ｓｉ
膜１４をパターニングせずにそのまま溶融・結晶化させ
た後、ｐ−Ｓｉ膜をパターニングし、かつ形成されたｐ
−Ｓｉ膜パターン１４ｂ上のレーザー光を透光させるた
めのＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａ及びレーザー光を反射さ
せるための金属膜パターン１８ａを除去し、新たにゲー
ト絶縁膜１３及びゲート電極１８ｃを形成していること
である。

【００４２】まず、図５（ａ）に示すように、絶縁性基
板であるガラス基板１０に下から順に、下地ＳｉＯ₂ 膜
１２、ａ−Ｓｉ膜１４及びＳｉＯ₂ 膜１６を形成する。
ａ−Ｓｉ膜１４の膜厚は例えば５０ｎｍとする。ＳｉＯ
₂ 膜１６の膜厚はレーザ光に対する反射防止膜になる膜
厚に設定し、例えば５０ｎｍとする。その後、ＳｉＯ₂
膜１６の上にＭｏ（モリブデン）をスパッタリングによ
り、２０ｎｍの厚さで成膜し、金属膜１８を形成する。

【００４３】次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより、レジスト膜（図せず）をパターニ
ングし、このレジスト膜をマスクとして金属膜１８をエ
ッチングして、金属膜パターン１８ａを形成する。ａ−
Ｓｉ膜１４をレーザー光で溶融する際、金属膜パターン
１８ａの直下のａ−Ｓｉ膜１４は金属膜パターン１８ａ
の両側外側の下のａ−Ｓｉ膜１４から、すなわち、左右
からの熱拡散により溶融するので、ガラス基板１０が耐
えられる温度で溶融できるａ−Ｓｉ膜１４の幅Ｗとして
は２μｍ程度が限界である。従って、金属膜パターン１
８ａの幅Ｗは２μｍ以下とすることが好ましい。

【００４４】次に、フォトリソグラフィーにより、金属
膜パターン１８ａを被覆し、かつその面積より大きくレ
ジスト膜（図示せず）をパターニングし、これをマスク
にしてＳｉＯ₂ 膜１６をエッチングして、ＳｉＯ₂ 膜パ
ターン１６ａを形成する。なお、金属膜パターン１８ａ
から側方にＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａがはみ出す寸法Ｗ
ａは３μｍより小さくすることが好ましい。

【００４５】これにより、ａ−Ｓｉ膜１４の上に、下か
ら順に、ＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａとこのＳｉＯ₂ パタ
ーン１６ａより小さい面積を有する金属膜パターン１８
ａを積層した構造、いわゆる階段形状を形成することが
できる。次に、ガラス基板１０全面にパルス幅が４０ｎ
ｓｅｃ〜数１００ｎｓｅｃのパルス状の紫外線レーザー
を照射し、ａ−Ｓｉ膜１４を多結晶シリコン膜（以下、
ｐ−Ｓｉという）に変換する。紫外線レーザとしてＸｅ
−Ｃｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を用い、エ
ネルギー密度を約３５０ｍＪ／ｃｍ² とする。このと
き、ａ−Ｓｉ膜１４、ＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａ及び金
属膜パターン１８ａはいわゆる、階段形状に形成されて
いるので、第２の実施の形態と同様に、金属膜パターン
１８ａはレーザー光を反射し、金属膜パターン１８ａの
外側両側のＳｉＯ₂ 膜パターン１６ａの領域のみがレー
ザー光を透過し、この下のａ−Ｓｉ膜１４の温度が上昇
する。

【００４６】そして、金属膜パターン１８ａの下部のａ
−Ｓｉ膜１４は横からの熱拡散で温度上昇しａ−Ｓｉ膜
１４全体にわたって溶融する。これが冷却されて、金属
膜パターン１８ａの中心から外側両側に向かって結晶化
が進む。これにより、金属膜パターン１８ａの短手方向
の全体の幅である２．０μｍ程度にわたって一つの結晶
粒を成長させることができる。一方、金属膜パターン１
８ａの長手方向には一つの結晶粒が連なるように形成さ
れる。このようにして、金属膜パターン１８ａの下部に
局所的に結晶粒径が大きいｐ−Ｓｉ膜１４ａを得ること
ができる。

【００４７】次に、金属膜パターン１８ａ及びＳｉＯ₂
膜パターン１６ａを除去した後、図１（ｄ）に示すよう
に、ｐ−Ｓｉ膜１４ａ上にフォトリソグラフィーにより
レジスト膜（図示せず）のマスクを形成し、このマスク
に従って、ｐ−Ｓｉ膜１４ａをエッチングして、ｐ−Ｓ
ｉ膜パターン１４ｂを形成する。このｐ−Ｓｉ膜パター
ン１４ｂはガラス基板１０上に多数形成され、これをト
ランジスタの能動層として使用するすることができる。

【００４８】次に、ｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｂの上にＣ
ＶＤ（chemical vapor deposition)法により、シリコン
酸化膜からなるゲート絶縁膜１３を形成する。続いて、
ゲート絶縁膜１３の上に、スパッタ法によりＡｌ膜を形
成する。次に、Ａｌ膜の上に、フォトリソグラフィーに
より、レジスト膜（図示せず）のマスクを形成する。こ
のとき、複数のトランジスタのゲートパターンを有する
露光用マスクを、ｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｂの中に形成
されている大きな結晶粒の長手方向の幅がトランジスタ
のゲート長、すなわち、チャネル長になるように位置合
わせし、露光、現像して、レジスト膜をパターニングす
る。続いて、このレジスト膜をマスクにして、Ａｌ膜を
エッチングして、ゲート電極１８ｃを形成する。

【００４９】次に、公知の方法により、リンなどの導電
型不純物を導入し、ソース及びドレインを形成して、Ｔ
ＦＴなどのトランジスタを形成する。以上により、図１
の半導体装置が完成する。上記第３の実施の形態によれ
ば、上記のような階段形状をガラス基板１０上の予め決
まられたトランジスタを形成する領域に多数形成し、こ
れにレーザー光を照射することにより、ａ−Ｓｉ膜１４
の所望の領域、すなわち、ａ−Ｓｉ膜１４のトランジス
タを形成するための領域をｐ−Ｓｉ膜１４ａに変換する
ことができる。また、ａ−Ｓｉ膜１４をＳｉＯ₂ 膜パタ
ーン１６ａで覆われた状態でレーザーを照射するので、
平坦性のよいｐ−Ｓｉ膜１４を得ることができる。

【００５０】すなわち、上記階段形状を絶縁性基板上の
多数のトランジスタを形成する領域に形成しておくこと
により、特にその能動層に限って単結晶に近い電流担体
の移動度をもつ多結晶シリコンを広い範囲にわたって均
一に、かつ平坦に形成することができる。この各トラン
ジスタを形成する領域のｐ−Ｓｉ膜パターン１４ｂには
一つの大きな結晶粒が複数連なって形成された領域があ
り、この一つの結晶粒の長手方向の幅がトランジスタの
チャネル長になるようにして、トランジスタを形成して
いる。これにより、トランジスタのチャネル長には結晶
と結晶の粒界が存在しないので、単結晶を能動層に用い
たトランジスタと同等の応答速度をもつトランジスタを
ガラス基板１０上に容易に形成することができる。

【００５１】従って、大口径のガラス基板１０上に単結
晶を能動層としたトランジスタに近い応答速度をもつ、
高性能なトランジスタを歩留りよく形成することができ
る。また、大口径のガラス基板上にＴＦＴとドライバＩ
Ｃとを同時に形成することができるので、駆動回路一体
型の液晶パネルを容易に製造することができる。前述の
実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的
に解釈してはならない。本発明は、その要旨から逸脱す
ることなく、他のいろいろな形で実施することができ
る。本発明の範囲は、特許請求範囲によって示すもので
あって、実施の形態には、なんら拘束されない。

【００５２】（付記１） 絶縁性基板の上に、下から順
に、非単結晶シリコン膜と透光性の絶縁膜のパターン
と、前記絶縁膜のパターンの面積より小さい面積を有す
る金属膜のパターンとが積層された構造を形成する工程
と、前記金属膜のパターンをマスクとして、かつ前記絶
縁膜のパターンを通して、前記非単結晶シリコン膜にレ
ーザー光を照射して加熱し、前記非単結晶シリコン膜の
一部を溶融させる工程とを有し、熱伝導により前記非単
結晶シリコン膜の溶融領域を広げて、前記金属膜のパタ
ーンの下の前記非単結晶シリコン膜を溶融させた後、前
記溶融した非単結晶シリコン膜が冷却されて、結晶化
し、多結晶シリコンを形成することを特徴とする半導体
装置の製造方法。

【００５３】（付記２） 前記絶縁性基板は石英ガラス
以外のガラス基板であるか、又は前記ガラス基板上にシ
リコン含有絶縁膜が形成されたものであることを特徴と
する付記１に記載の半導体装置の製造方法。 （付記３） 前記金属膜のパターンの幅が２μｍ以下で
あることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造
方法。

【００５４】（付記４） 前記絶縁膜のパターンは前記
レーザー光に対する反射防止膜であることを特徴とする
付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方
法。 （付記５） 前記非単結晶シリコン膜にレーザー光を照
射して加熱する工程の前に、前記金属膜のパターンをマ
スクとして前記非単結晶シリコン膜に導電型不純物を導
入する工程を有し、前記非単結晶シリコン膜にレーザー
光を照射して加熱する工程で前記非単結晶シリコン膜の
溶融とともに前記導電型不純物の活性化を行うことを特
徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置
の製造方法。

【００５５】（付記６） 前記多結晶シリコン膜は前記
金属膜のパターンの下がチャネル領域となっており、か
つ前記金属膜のパターンの両側がソース／ドレイン領域
となっているトランジスタの能動層であり、前記絶縁膜
のパターンはゲート絶縁膜であり、前記金属膜のパター
ンはゲート電極であることを特徴とする付記１〜５のい
ずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【００５６】（付記７） 絶縁性基板と、前記絶縁性基
板上に形成された多結晶シリコン膜と、前記多結晶シリ
コン膜の上に形成された、前記多結晶シリコン膜の形成
領域よりも小さい面積を有する透光性の絶縁膜のパター
ンと、前記絶縁膜のパターン上に形成された、前記絶縁
膜のパターンの面積よりも小さい面積を有する金属膜の
パターンとを有する半導体装置であって、前記多結晶シ
リコン膜は前記金属膜のパターンの下がチャネル領域と
なっており、かつ前記金属膜のパターンの両側がソース
／ドレイン領域となっているトランジスタの能動層であ
り、前記絶縁膜のパターンはゲート絶縁膜であり、前記
金属膜のパターンはゲート電極であり、前記金属膜のパ
ターンの下の多結晶シリコンはチャネル長の方向で結晶
粒が一つとなっていることを特徴とする半導体装置。

【００５７】（付記８） 前記結晶粒の長さは２μｍ以
下であることを特徴とする付記７に記載の半導体装置。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、非単結晶シリコン
膜上に下から順に透光性の絶縁膜のパターンと、この絶
縁膜のパターンより小さい面積を有する金属膜のパター
ンとを積層した構造、いわゆる、階段形状を形成してい
る。そして、この階段形状で絶縁膜のパターンを通して
レーザー光を照射し、非単結晶シリコン膜を全体にわた
って溶融している。これが冷却されると、金属膜のパタ
ーンと、絶縁膜のパターンとの熱伝導度の違いにより、
金属膜のパターンの下の中央部から外側両側に向かって
結晶化が進むことになる。これにより、絶縁性基板上の
非単結晶シリコン膜の所望の領域を自己整合的に結晶粒
径が均一で、かつ大きな多結晶シリコンに変換すること
ができる。

【００５９】すなわち、上記階段形状を絶縁性基板上の
多数のトランジスタを形成する領域に形成しておくこと
により、特にその能動層に限って電流担体の移動度が高
い多結晶シリコンを広い範囲にわたって均一に形成する
ことができる。従って、高性能なトランジスタを大口径
の絶縁性基板上に歩留りよく形成することが可能とな
る。さらに、絶縁性基板上に駆動回路一体型の液晶パネ
ルを容易に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】( ａ）は第１の実施の形態である半導体装置を
示す断面図であり、（ｂ）は同じく平面図であり、
（ａ）は（ｂ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図に相当す
る。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は第２の実施の形態である半導
体装置の製造方法を工程順に示す断面図及び平面図であ
る。

【図３】図１（ｃ）を拡大した断面図であり、レーザー
照射によりａ−Ｓｉ膜を溶融している状態を示す。

【図４】図３におけるａ−Ｓｉ膜の温度分布を示す図で
ある。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は第３の実施の形態である半導
体装置の製造方法を工程順に示す断面図及び平面図であ
る。

【図６】従来技術のレーザー照射による結晶化の状態を
面内にわたって示すグラフである。

【符号の説明】

１０ ガラス基板、 １２ 下地ＳｉＯ₂ 膜、 １４ ａ−Ｓｉ膜、 １４ｂ ａ−Ｓｉ膜パターン、 １５ａ ドレイン、 １５ｂ ソース、 １６ ＳｉＯ₂ 膜 、 １６ａ ＳｉＯ₂ 膜パターン、 １６ｂ ゲート絶縁膜、 １７ａ，１７ｂ 結晶粒、 １８ 金属膜、 １８ａ 金属膜パターン、 １８ｂ ゲート電極、 ２４ カバーＳｉＯ₂ 膜、 ２６ 画素電極、 ２８ ソース電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F052 AA02 BB07 CA00 DA02 DB03 EA02 FA04 JA01 5F110 AA30 BB02 CC02 DD02 DD13 EE03 EE04 EE44 FF02 FF29 GG02 GG13 GG25 GG45 HJ01 HJ12 HJ23 HL03 HL07 HL23 HM07 HM15 NN02 NN23 NN35 PP03 PP04 PP11 PP23 PP27 QQ11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板の上に、下から順に、非単結
   晶シリコン膜と透光性の絶縁膜のパターンと、前記絶縁
   膜のパターンの面積より小さい面積を有する金属膜のパ
   ターンとが積層された構造を形成する工程と、 前記金属膜のパターンをマスクとして、かつ前記絶縁膜
   のパターンを通して、前記非単結晶シリコン膜にレーザ
   ー光を照射して加熱し、前記非単結晶シリコン膜の一部
   を溶融させる工程とを有し、 熱伝導により前記非単結晶シリコン膜の溶融領域を広げ
   て、前記金属膜のパターンの下の前記非単結晶シリコン
   膜を溶融させた後、 前記溶融した非単結晶シリコン膜が冷却されて、結晶化
   し、多結晶シリコンを形成することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記非単結晶シリコン膜にレーザー光を
   照射して加熱する工程の前に、 前記金属膜のパターンをマスクとして前記非単結晶シリ
   コン膜に導電型不純物を導入する工程を有し、前記非単
   結晶シリコン膜にレーザー光を照射して加熱する工程で
   前記非単結晶シリコン膜の溶融とともに前記導電型不純
   物の活性化を行うことを特徴とする請求項１に記載の半
   導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 絶縁性基板と、 前記絶縁性基板上に形成された多結晶シリコン膜と、 前記多結晶シリコン膜の上に形成された、前記多結晶シ
   リコン膜の形成領域よりも小さい面積を有する透光性の
   絶縁膜のパターンと、 前記絶縁膜のパターン上に形成された、前記絶縁膜のパ
   ターンの面積よりも小さい面積を有する金属膜のパター
   ンとを有する半導体装置であって、 前記多結晶シリコン膜は前記金属膜のパターンの下がチ
   ャネル領域となっており、かつ前記金属膜のパターンの
   両側がソース／ドレイン領域となっているトランジスタ
   の能動層であり、前記絶縁膜のパターンはゲート絶縁膜
   であり、前記金属膜のパターンはゲート電極であり、前
   記金属膜のパターンの下の多結晶シリコンはチャネル長
   の方向で結晶粒が一つとなっていることを特徴とする半
   導体装置。