JP2003224070A

JP2003224070A - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP2003224070A
Application number: JP2001367099A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Koichiro Tanaka; 幸一郎田中; Hisashi Otani; 久大谷; 正明 ▲ひろ▼木; Masaaki Hiroki; Akira Tsunoda; 朗角田; Hiroshi Shibata; 寛柴田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-08-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】非晶質半導体膜を結晶化して形成される結晶
性半導体膜の結晶性を改善し、より高速に動作可能なＴ
ＦＴを実現する。【解決手段】絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜
５０３に金属元素を添加して加熱処理により固相結晶化
させて結晶性半導体膜５０６を形成し、金属元素を結晶
性半導体膜に残存させたまま連続的に供給されるエネル
ギービーム５０８を照射して溶融帯を形成し、該溶融帯
を走査することにより結晶性半導体膜の結晶性を改質す
る各段階を有することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶構造を有する
半導体膜（以下、結晶性半導体膜という）を用いた半導
体装置の作製方法に係り、特に結晶性半導体膜にレーザ
ー処理を行い結晶性の改質を図った半導体装置の作製方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラスなどの基板上に形成した非晶質半
導体膜を、レーザー処理により結晶化させる技術が知ら
れている。ここで言うレーザー処理とは、半導体基板又
は半導体膜に形成された損傷層や非晶質層を再結晶化す
る技術、又は基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶
化させる技術、又は結晶構造を有する半導体膜（結晶質
半導体膜）の結晶性を向上させる技術を指している。レ
ーザー処理に使われるレーザー発振装置は、エキシマレ
ーザーに代表される気体レーザー発振装置や、ＹＡＧレ
ーザー発振装置に代表される固体レーザー発振装置が通
常用いられている。

【０００３】レーザー処理の一例は、特開平２−１８１
４１９号公報に開示されているように被照射物の全面に
レーザー光を均一照射する方法や、特開昭６２−１０４
１１７号公報に開示のスポット状のビームを走査する方
法、或いは特開平８−１９５３５７号公報に開示のレー
ザー処理装置のように光学系にて線状にビームを加工し
て照射する方法が知られている。

【０００４】上記特開昭６２−１０４１１７号公報にお
いては、レーザー光の走査速度をビームスポット径×５
０００／秒以上として高速走査により非晶質半導体膜を
完全な溶融状態に至らしめることなく多結晶化する技術
が開示されている。また、米国特許4,330,363号には島
状に形成された半導体領域に、引き延ばされたレーザー
光を照射して実質に単結晶領域を形成する技術が開示さ
れている。

【０００５】また、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振装置な
ど固体レーザー発振装置を用いた結晶化技術は、特開２
００１−１４４０２７号公報に開示されている。同公報
では、当該固体レーザー発振装置から放射されるレーザ
ー光の第２高調波を使うことにより、従来に比べ結晶粒
径の大きい結晶性半導体膜が得られることが開示されて
いる。

【０００６】このような固体レーザー発振装置を用いた
結晶化技術のＴＦＴへの応用の一例は、「"Ultra-high
Performance Poly-Si TFTs on a Glass by a Stable Sc
anning CW Laser Lateral Crystallization",A. Hara,
F. Takeuchi, M. Takei, K.Yoshino, K. Suga and N. S
asaki, AMLCD '01 Tech. Dig.,2001,pp.227-230.」に報
告例が有り、ダイオード励起の固体連続発振レーザー
（ＹＶＯ₄）の第２高調波を用いて結晶化した多結晶珪
素膜を用いてＴＦＴを試作し、電界効果移動度の改善が
成果として記載されている。

【０００７】レーザー光を用いることの特徴は、ファー
ネスアニールやランプアニールにおける輻射加熱或いは
伝導加熱を利用する加熱処理と比較して、レーザー光が
照射されそのレーザー光のエネルギーを吸収する領域の
みを選択的に加熱することができる点にある。例えば、
エキシマレーザー発振装置を用いたレーザー処理は半導
体膜を選択的且つ局所的に加熱して、ガラス基板に殆ど
熱的損傷を与えずに、半導体膜の結晶化や活性化処理を
実現している。

【０００８】一方、ファーネスアニール炉などを用い、
加熱処理により非晶質半導体膜を結晶化させる技術は従
来から知られているが、特に特開平１１−３５４４４２
号公報で開示されているように、ガラス基板上に形成し
た非晶質珪素膜に金属元素を添加して、６００℃以下の
温度で数時間の熱処理により結晶化する技術が開示され
ている。

【０００９】上記特開平１１−３５４４４２号公報に関
連する技術として、特開平９−３１２２６０号公報には
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入
して低温で結晶化する技術が開示されており、加熱処理
により結晶化させた後にＫｒＦエキシマレーザー光の照
射を行い結晶性を助長させる技術が開示されている。ま
た、特開２００１−１４４０２７号公報には、ファーネ
スアニールにより非晶質半導体膜を結晶化させた後、固
体レーザー光を照射して結晶性を改善する技術が記載さ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】１枚の基板に、映像表
示領域とその駆動回路、さらにマイクロプロセッサやメ
モリなど様々な電子回路を混載集積化するシステム・オ
ン・パネル或いはシステム・オン・グラス又はシートコ
ンピュータを実現するには、当該電子回路を１００MHz
以上、望ましくは２００MHz以上で動作させることが可
能なＴＦＴが要求される。

【００１１】しかしながら、上記いずれの結晶化法によ
って作製されたＴＦＴでは、電界効果移動度（電子）が
６００cm²/Vsecを越えることはなかった。ＴＦＴの電界
効果移動度を律速する大きな要因として考慮されるもの
が、結晶粒界であり、粒界が抵抗となり電界効果移動度
を低下させる要因として指摘されている。さらに結晶粒
内の欠陥も同様な作用をすることから、単結晶と同程度
まで低減させる必要がある。

【００１２】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たものであり、非晶質半導体膜を結晶化して形成される
結晶性半導体膜の結晶性を改善し、より高速に動作可能
なＴＦＴを実現することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は、絶縁表面上に形成された非晶質半導体
膜に金属元素を添加して加熱処理により固相結晶化させ
て結晶性半導体膜を形成し、金属元素を結晶性半導体膜
に残存させたまま連続的に供給されるエネルギービーム
の照射して溶融帯を形成し、該溶融帯を走査することに
より結晶性半導体膜の結晶性を改質する各段階を有する
ことを特徴としている。

【００１４】また、絶縁表面上に形成された非晶質半導
体膜に金属元素を添加して第１加熱処理により固相結晶
化させて結晶性半導体膜を形成し、金属元素を結晶性半
導体膜に残存させたまま連続的に供給されるエネルギー
ビームの照射して溶融帯を形成し、該溶融帯を走査する
ことにより結晶性半導体膜の結晶性を改質し、その後、
当該結晶質半導体膜に残存する金属元素をゲッタリング
し、且つ、歪みを緩和する第２加熱処理を行う各段階を
有することを特徴としている。

【００１５】加熱処理は非晶質半導体膜に金属元素を添
加した後６００℃以下の温度で行われ、結晶化された結
晶性半導体膜に対し金属元素を残存させたままの状態
で、エネルギービームとして連続発振する波長４００〜
６００nmのレーザー光を当該結晶質半導体膜に照射して
その結晶性を改質する。当該レーザー光は半導体膜の照
射領域において干渉による強度分布が生じないように、
一定の入射角をもって照射され、均一な改質処理を行う
ものである。

【００１６】エネルギービームの照射、典型的には特定
波長のレーザー光の照射による結晶性半導体膜の結晶性
の改質処理は、結晶粒の拡大又は大型化、結晶の配向の
単一化、格子歪みの緩和又は内部応力の緩和であり、結
晶粒界及び結晶粒内の欠陥を低減し、単結晶又は単結晶
群を形成する。

【００１７】この作用は、金属元素を添加して固相結晶
化した結晶性半導体膜において、残存する金属元素が、
エネルギービームを照射し溶融再結晶化させる過程で、
結晶粒の拡大又は大型化、結晶の配向の単一化、格子歪
みの緩和又は内部応力の緩和に有効に作用することによ
り得られるものであると考えられる。勿論、最終的にそ
の金属元素はゲッタリング処理により除去すれば良い。

【００１８】より具体的に示される本発明の構成は、絶
縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、非晶質半導体膜に
金属元素を添加し、その後、加熱処理により結晶化して
結晶性半導体膜を形成し、結晶性半導体膜に連続発振レ
ーザー光を照射し、且つ、一方向に当該レーザー光を走
査して結晶性を改質する各段階を有し、波長４００〜６
００nmである連続発振レーザー光を適用するものであ
る。

【００１９】また、絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成
し、非晶質半導体膜に金属元素を添加し、その後、加熱
処理により結晶化して結晶性半導体膜を形成し、結晶性
半導体膜に連続発振レーザー光を照射し、且つ、一方向
に当該レーザー光を走査して結晶性を改質する各段階を
有し、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振装置を光源とし、そ
の第２高調波である連続発振レーザー光を適用するもの
である。

【００２０】また、ガラス基板上に酸窒化珪素膜を形成
し、酸窒化珪素膜に密接して非晶質半導体膜を形成し、
非晶質半導体膜に金属元素を添加し、第１の加熱処理に
より結晶化して結晶性半導体膜を形成し、結晶性半導体
膜に連続発振レーザー光を照射し、かつ、一方向に当該
レーザー光を走査して結晶性を改質し、その後、結晶性
半導体膜に含まれる金属元素をゲッタリングし、且つ、
結晶性半導体膜の歪みを緩和させる第２に加熱処理を行
う各段階を有し、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振装置を光
源とし、その第２高調波である連続発振レーザー光を適
用するものである。

【００２１】また、ガラス基板上に酸窒化珪素膜を形成
し、酸窒化珪素膜に密接して第１非晶質半導体膜を形成
し、第１非晶質半導体膜に金属元素を添加し、第１の加
熱処理により結晶化して結晶性半導体膜を形成し、結晶
性半導体膜に連続発振レーザー光を照射し、かつ、一方
向に当該レーザー光を走査して結晶性を改質し、その
後、結晶性半導体膜に接して酸化珪素を含むバリア層及
び当該バリア層に接し希ガス元素を含有する第２非晶質
半導体膜を形成し、第２非晶質半導体膜に結晶性半導体
膜に含まれる金属元素を偏析させ、且つ、結晶性半導体
膜の歪みを緩和させる第２に加熱処理を行う各段階を有
し、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザー発振装置を光源とし、その
第２高調波である連続発振レーザー光を適用するもので
ある。

【００２２】上記発明の構成において、非晶質半導体膜
に金属元素を添加して結晶化させることにより、特定面
方位の配向が揃った結晶性半導体膜を形成することがで
きる。そして、特定面方位の配向が揃った結晶性半導体
膜に連続発振レーザー光を照射して一旦溶融し再度結晶
化させることで、その配向性を保持したまま結晶粒径の
大型化を図ることができる。さらに当該レーザー光を走
査することで、その走査方向に沿って連続的に結晶を成
長させることができる。走査の方向をＴＦＴのチャネル
長方向とすることにより、チャネル形成領域内にキャリ
アの走行を阻害する結晶粒界の存在確率を低減すること
ができる。

【００２３】照射する連続発振レーザー光の波長４００
〜６００nmとして、結晶性半導体膜の内部まで侵入する
波長帯を使用し、さらにレーザー光は、結晶性半導体膜
に対し一定の角度を持って入射して、反射光と入射光と
が干渉しないようにして、結晶性半導体膜の内側から照
射領域全体を均一に加熱する。

【００２４】上記発明により、配向性の高い結晶性半導
体膜に対し、連続発振レーザー光を照射して溶融結晶化
させることで結晶粒径を拡大し粒界の密度を低減してい
る。さらに、結晶性半導体膜の粒内欠陥をより低減させ
る手段として、連続発振レーザー光を照射した後に、添
加した金属元素を除去するゲッタリング処理が有効であ
る。この処理により、金属元素が除去されることは勿
論、歪みが緩和され、欠陥密度を低減させる作用を得る
ことができる。

【００２５】尚、本発明でいう非晶質半導体膜とは、狭
義の意味で、完全な非晶質構造を有するものだけではな
く、微細な結晶粒子が含まれた状態、又はいわゆる微結
晶半導体膜、局所的に結晶構造を含む半導体膜を含む。
代表的には非晶質珪素膜が適用され、その他に非晶質シ
リコンゲルマニウム膜、非晶質シリコンカーバイト膜な
どを適用することもできる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様を図面
を参照しながら説明する。まず、図８（Ａ）に示すよう
に、ガラス基板５０１上に下地絶縁膜５０２と、その上
にプラズマＣＶＤ法で形成される非晶質半導体膜５０３
を形成する。

【００２７】ガラス基板５０１には、アルミノホウケイ
酸ガラスなど市販されている無アルカリガラス基板が適
用される。下地絶縁膜５０２は、酸窒化珪素膜で形成す
ることが望ましく、その一例としてはＳｉＨ₄、ＮＨ₃、
Ｎ₂Ｏで形成される第１酸窒化珪素膜と、ＳｉＨ₄、Ｎ₂
Ｏで形成される第２酸窒化珪素膜とを、それぞれ５０nm
と１００nmの厚さに形成し、ガラス基板５０１からの不
純物の拡散防止と応力緩和を兼ね備えた構造とする。

【００２８】非晶質半導体膜５０３は、５０〜１５０nm
代表的にはＳｉＨ₄又はＳｉＨ₄とＨ ₂との混合気体より
プラズマＣＶＤ法で作製される非晶質珪素膜が適用さ
れ、膜中の酸素、炭素、窒素などの不純物濃度を５×１
０¹⁸/cm³以下とする。

【００２９】その後、結晶化温度の低温化と結晶成長を
促進させる金属元素を添加する。適用される金属元素と
してはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種又は複数種の混
合体が知られている。代表的にはＮｉが適用され、それ
を添加するために酢酸ニッケル塩が５ppmの水溶液をス
ピン塗布して触媒元素含有層５０４を形成する。勿論、
金属元素の添加方法はスピン塗布法に限定されるもので
はなく、蒸着法やスパッタリング法など様々な代替手段
を適用しても良い。

【００３０】その後、図８（Ｂ）において、５００℃、
１時間の脱水素処理及び５５０℃、４〜１２時間の加熱
処理により非晶質珪素膜を固相結晶化させる。結晶化は
Ｎｉの作用により非晶質珪素膜中にシリサイドを形成し
ながら拡散してそれと同時に結晶成長する。こうして形
成された結晶性珪素膜５０６は棒状または針状の結晶が
集合して成り、その各々の結晶は巨視的にはある特定の
方向性をもって成長しているため結晶性が揃っている。
また、（１１０）面の配向率が高いという特徴がある。

【００３１】その後、図８（Ｃ）で示すように連続発振
レーザー光５０８を照射して溶融させ、溶融帯を形成
し、レーザー光５０８の照射位置を走査することにより
溶融帯を連続的に移動させ、結晶性珪素膜５０６の結晶
性を向上させる。この処理に伴って、レーザー光の走査
方向に結晶粒が延在するように結晶成長が成される。こ
の場合、予め結晶面が揃った結晶性珪素膜が形成されて
いるので異なる面の結晶の析出や転位の発生を防ぐこと
ができる。

【００３２】レーザー光の照射による結晶性珪素膜の溶
融領域は、膜の表面、内部（バルク）、下地との界面領
域の全体渡って形成されるべきものであり、溶融状態か
ら固化する過程で結晶粒の拡大又は大型化、結晶の配向
の単一化、格子歪みの緩和又は内部応力の緩和であり、
結晶粒界及び結晶粒内の欠陥を低減しといった好ましい
改質処理が行われる。後述するように、この処理により
結晶性半導体膜の結晶性は、ラマン散乱スペクトルから
実証されるように単結晶珪素と比較して同程度の半値幅
が得られ、単結晶又は単結晶群を得ることができる。

【００３３】また、結晶方位及びその分布は反射電子回
折パターン（ＥＢＳＰ：Electron Backscatter diffrac
tion Pattern）により求めた。ＥＢＳＰは走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）に専用
の検出器を設け、電子ビームを結晶面に照射してその菊
池線からの結晶方位同定をコンピューターで画像認識さ
せることによって、そのミクロな結晶性を表面配向のみ
ならず、結晶の全方向に関して測定するものである（以
下、この手法を便宜上ＥＢＳＰ法と呼ぶ）。

【００３４】図１３（ａ）にＥＢＳＰデータを解析する
ことによって求めた表面配向の逆極点図のマッピング図
を示す。この逆極点図マッピングは結晶表面の配向がど
の面であるのかを図右下に表示した結晶方位に対応する
逆極点図の濃淡で表したものである。結晶方位は｛１０
１｝、｛００１｝、｛１１１｝について示されている。
図１３（ａ）（ｂ）に示す表面配向の逆極点図のマッピ
ング図において、結晶成長方向は縦方向であり、レーザ
ー光の走査方向が結晶粒界の方向と一致している。しか
し、各グレイン間では表面の配向は完全に一致してはい
ない。

【００３５】図１３（ｂ）はＥＢＳＰデータ解析によっ
て求めた結晶成長方向に関する結晶配向の逆極点図のマ
ッピングを示す。図１３（ａ）に示した結晶表面の配向
は各々の粒が独立しているように見えたが、この図１３
（ｂ）からは成長方向に関してはより大きな配向性の揃
った粒の集まりが観測される。また、図１３（ａ）では
交互に出ていた面方位が、図１３（ｂ）では同じほぼ面
方位になっていると判断され、結晶成長方向にはゆらぎ
の少ない双晶が多いことが判明した。このことから、電
流を流す方向を結晶成長方向にとれば、粒界も少なく配
向性も高いためより高移動度のＴＦＴを作製することが
可能となる。

【００３６】図１３（ｃ）は図１３（ａ）で示すサイト
１〜３の結晶が持つ(001)面の分布を極点図によって表
している。各サイトは黒枠で囲んである。この極点図は
各サイト結晶が持つ配向を地球の中心から地球儀の表面
に投影した場合に、北半球側の地球表面に位置する結晶
配向を北極点に接する平面に対して南極点から投影した
ものである。この時円の中心が上面つまり表面配向を、
ＴＤ、ＲＤが示す方向は試料を置いた場合の右方向及び
下方向をしている。今回はスキャン方向がＲＤと一致し
ている。｛００１｝面は図１３（ｂ）の各極点図一つ一
つのサイト中では面配向のみならず、結晶方位はほぼ全
方向に関して一致しているが、それぞれのサイトの面配
向は異なっている。

【００３７】作製した結晶性半導体膜のラマンスペクト
ルにおいて、結晶の成長に垂直な方向に測定しその位置
依存性を調べた。図１４に示すように、平均２．５７cm
^-1と従来の多結晶珪素膜に比べて単結晶珪素(ref (001)
wafer 2.22cm^-1)に近い半値半幅が得られている。この
結果から、結晶粒内の結合のゆらぎが小さいことがわか
る。ラマンシフトが平均５１７．０cm^-1と低いのはレー
ザー結晶化による応力が残存するためであるのと考えら
れる。これらの結果から、１５０μmという広範囲にわ
たって結晶成長方向とは異なる方向に向かって調べた場
合でも均一で単結晶珪素に近い結晶性をもつ結晶性珪素
膜がガラス基板上に作製可能であることが実証された。

【００３８】レーザー処理装置は図９で示す構成を用い
る。図９はレーザー発振装置１０１、シャッター１０
２、高変換ミラー１０３〜１０５、スリット１１４、凸
レンズ１０６、載置台１０７、載置台１０７をＸ方向及
びＹ方向に変位させる駆動手段１０８、１０９、当該駆
動手段をコントロールする制御手段１１０、予め記憶さ
れたプログラムに基づいてレーザー発振装置１０１や制
御手段１１０に信号を送る情報処理手段１１３等から成
っているレーザー処理装置の構成を正面図と側面図によ
り示すものである。

【００３９】レーザー光は凸レンズ１０６に対して斜め
に入射させる。これは、非点収差などの収差により焦点
位置がずれ、照射面またはその近傍において楕円状の集
光面を形成することができる。ここでいう長楕円形状と
は、楕円の短軸と長軸の比が、１対１０〜１対１００の
範囲に含まれるものを指している。尚、凸レンズ１０６
は合成石英製とすれば、高い透過率が得られ、凸レンズ
１０６の表面に施されるコーティングは、レーザー光の
波長に対する透過率が９９％以上を実現するために適用
される。また、凸レンズ１０６は球面収差を補正した非
球面レンズとするのが望ましく、集光性が改善され、ア
スペクト比やエネルギー密度の均一性を向上させるのに
寄与することができる。

【００４０】レーザー発振装置としては、気体レーザー
発振装置、固体レーザー発振装置が適用され、特に連続
発振可能なレーザー発振装置を適用する。連続発振の固
体レーザー発振装置としてはＹＡＧ、ＹＶＯ₄、ＹＬ
Ｆ、ＹＡｌＯ₃などの結晶にＣｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、
Ｃｅ、Ｃｏ、Ｔｉ又はＴｍをドープした結晶を使ったレ
ーザー発振装置を適用する。発振波長の基本波はドープ
する材料によっても異なるが、１μmから２μmの波長で
発振する。より高い出力を得る為には、ダイオード励起
の固体レーザー発振装置が適用され、カスケード接続さ
れていても良い。

【００４１】非晶質半導体膜を結晶化させるためにはレ
ーザー光を半導体膜で選択的に吸収させるために、可視
域の波長のレーザー光を適用し、基本波の第２高調波を
適用するのが好ましい。第２高調波を得るためには波長
変換素子（ＳＨＧ）を用いる。波長変換素子としてはＡ
ＤＰ（リン酸二水素化アンモニウム）、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅
Ｏ₁₅（ニオブ酸バリウムナトリウム）、ＣｄＳｅ（セレ
ンカドミウム）、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）、Ｌ
ｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）、Ｓｅ、Ｔｅ、ＬＢ
Ｏ、ＢＢＯ、ＫＢ５などが適用される。特にＬＢＯを用
いることが望ましい。代表的には、非晶質半導体膜の結
晶化に際して、Ｎｄ:ＹＶＯ₄レーザー発振装置（基本波
１０６４nm）の第２高調波（５３２nm）を用いる。ま
た、レーザーの発振モードはＴＥＭ₀₀モードであるシン
グルモードを適用する。

【００４２】また、載置台１０７を駆動手段１０８、１
０９により二軸方向に動かすことにより基板１２０のレ
ーザー処理を可能としている。一方の方向への移動は基
板１２０の一辺の長さよりも長い距離を１〜２００cm/s
ec、好ましくは５〜５０cm/secの等速度で連続的に移動
させることが可能であり、他方へは楕円ビームの長手方
向と同程度の距離を不連続にステップ移動させることが
可能となっている。レーザー発振装置１０１の発振と、
載置台１０７は、マイクロプロセッサを搭載した情報処
理手段１１３により同期して作動するようになってい
る。

【００４３】このような構成のレーザー照射装置により
基板１２０に照射されるレーザー光は、図中に示すＸ方
向又はＹ方向に相対移動させることにより半導体膜の所
望の領域または全面を処理することができる。

【００４４】しかしながら、波長５３２nmのレーザー光
は、照射される半導体膜とその基板との各界面で反射
し、その反射光と干渉することが問題となる。この干渉
によるレーザー光の強弱により、均一な結晶化を阻害し
て良質な結晶性半導体膜が得られなくなる。

【００４５】図１０で説明するように、基板１０上の半
導体膜１１が形成された形態において、半導体膜１１で
の反射光と基板１０の裏面での反射光とが重ならなけれ
ば光の干渉は起こらないことになる。

【００４６】そこで、被照射体に入射するときのビーム
長１５をｗ₁、基板１０の裏面での反射光のビーム長を
ｗ₂、基板の厚さをｄとし、半導体膜の厚さは基板の厚
さより大きいため半導体膜の厚さを無視すると、ｓｉｎ
θ＝ｗ／２ｄ（但し、ｗ＝（ｗ₁＋ｗ₂）／２）より、θ
＝ａｒｃｓｉｎ（ｗ／２×ｄ）を満たす入射角φより大
きければ、干渉は起こらないことになる。つまり、θ≧
ａｒｃｓｉｎ（ｗ／２×ｄ）を満たすとき干渉は起こら
ない。そのため、レーザー光は半導体膜に対してこの角
度θを満たす角度で入射させるのが望ましい。また、半
導体膜に対する入射角θをブリュースタ―角とすれば反
射率が最も低くなるので、レーザー光を効率的に用いる
ことができる。

【００４７】実際には、非点収差光学系により照射面に
おける断面形状が５００μm×２０μmのビームを形成
し、半導体膜の表面に対して２０度の角度で入射させ
た。レーザー光のエネルギー強度は発振出力で５．５W
である。

【００４８】この条件に基づいて作製された１５０nmの
結晶性珪素膜の結晶性についてラマン散乱分光法で評価
した結果を図７に示す。ラマン散乱光の波数シフトスペ
クトルは、５１７．３cm^-1にピークがあり、その半値幅
は４．９６cm^-1であり、非常に鋭いピークが測定されて
いる。この値は、リファレンスとして示した単結晶珪素
の値4.44cm^-1に匹敵するものである。この結果より、結
晶性珪素膜中の原子の結合状態が安定であり、結合状態
のゆらぎが小さく、実質的の単結晶又は単結晶領域が形
成されていることが推察可能である。

【００４９】レーザー光の走査は一方向のみの走査でな
く、往復走査をしても良い。往復走査する場合には１回
の走査毎にレーザーエネルギー密度を変えて、段階的に
結晶成長をさせることも可能である。また、非晶質珪素
膜を結晶化させる場合にしばしば必要となる水素出しの
処理を兼ねることも可能であり、最初に低エネルギー密
度で走査し、水素を放出した後、エネルギー密度を上げ
て２回目に走査で結晶化を完遂させても良い。このよう
な作製方法によっても同様にレーザー光の走査方向に結
晶粒が延在する結晶質半導体膜を得ることができる。

【００５０】その後、結晶性珪素膜５０７を形成した
後、膜中に１０¹⁹/cm³以上の濃度で残存する触媒元素を
ゲッタリングにより除去する工程を行う。

【００５１】図１１で示すように、結晶性珪素膜５０７
上に、薄い酸化珪素膜で成るバリア層５０９を形成し、
その上にゲッタリングサイト５１０としてアルゴン又は
リンが１×１０²⁰/cm³〜１×１０²¹/cm³添加された非晶
質珪素膜をスパッタリング法で形成する。

【００５２】その後、ファーネスアニール炉による５５
０℃、４時間の加熱処理、又はランプ光又は加熱された
気体を加熱手段とするＲＴＡにより６５０〜８００℃、
３０〜６０分の加熱処理により、添加されているＮｉを
ゲッタリングサイト５１０に偏析させることができる。
この処理により結晶性珪素膜５０７の触媒元素濃度は１
０¹⁷/cm³以下とすることができる。また、同時に結晶内
に残された結晶欠陥を減少させることができる。

【００５３】こうして作製される結晶性珪素膜を島状に
分割してＴＦＴを形成する。図１２では、ｎチャネル型
ＴＦＴとｐチャネル型ＴＦＴとを形成する工程を示して
いる。

【００５４】図１２（Ａ）はガラス基板５０１、下地絶
縁膜５０２が形成された上に結晶性珪素膜５０３から形
成された活性層５０３ａ、５０３ｂ、ゲート絶縁膜５１
１、ゲート電極５１２ａ、５１２ｂを示している。適用
する結晶性珪素膜にはしきい値を制御する目的で、硼素
が１０¹⁶〜１０¹⁷/cm³程度添加されていても良い。ゲー
ト絶縁膜５１１はＳｉＨ₄とＮ₂Ｏとを用い、プラズマＣ
ＶＤ法で１１５nmの厚さに形成する。活性層５１２ａ、
５１２ｂは結晶の粒径が大きく、チャネル長方向に延在
しているため、その上に形成するゲート絶縁膜の膜質の
バラツキが小さくなり、しきい値電圧のバラツキを小さ
くする効果もある。ゲート電極５１２ａ、５１２ｂを形
成する材料としては、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏなど
の導電性材料又はこれらの合金を適用し、４００nmの厚
さに形成する。Ａｌをゲート電極とし、その表面を陽極
酸化により酸化膜を形成して安定化しても良い。

【００５５】図１２（Ｂ）は不純物領域の形成であり、
イオンドーピング法（注入イオンの質量分離をしない）
又はイオン注入法によりｎチャネル型ＴＦＴに対するソ
ース又はドレイン領域５１３及びｐチャネル型ＴＦＴに
対するソース又はドレイン領域５１５を形成する。

【００５６】イオンドーピングにより不純物元素を注入
した領域は、結晶性が破壊され非晶質化する。結晶性の
回復と不純物元素の活性化による低抵抗化を実現するた
めに、レーザー光の照射を行い結晶性を回復する処理が
必要になる。また、注入した不純物元素を活性化させる
必要がある。熱処理による活性化処理は、５０nmの酸化
珪素膜５１６を形成した後、窒素雰囲気中５５０℃にて
４時間行われる。又は、パルス発振のエキシマレーザー
光、或いは連続発振レーザー光を照射して活性化処理を
行うこともできる。

【００５７】その後、図１２（Ｃ）に示すように５０nm
の水素を含有する窒化珪素膜又は酸窒化化珪素膜５１７
と、４００nmの酸化珪素膜５１８を形成し、窒素雰囲気
中４１０℃の熱処理により活性層５１２ａ、５１２ｂの
水素化処理を行う。次いで、各活性層の不純物領域に達
するコンタクトホールを形成し、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａなど
を用いて配線５１９、５２０を形成する。さらに、窒化
珪素膜でパッシベーション膜５２１を形成する。

【００５８】こうしてｎチャネル型ＴＦＴ５５０とｐチ
ャネル型ＴＦＴ５６０を形成することができる。ここで
はそれぞれのＴＦＴを単体として示しているが、これら
のＴＦＴを使ってＣＭＯＳ回路やＮＭＯＳ回路、ＰＭＯ
Ｓ回路を形成することができる。

【００５９】図１は上記の工程で作製されたｎチャネル
型ＴＦＴのIds-Vgs特性（ドレイン電流対ゲート電圧と
特性）であり、チャネル長６μm、チャネル幅４μmの寸
法を有している。また、図２は同ＴＦＴのIds-Vds特性
（ドレイン電流対ドレイン電圧と特性）を示している。
また、図３はｐチャネル型ＴＦＴのIds-Vgs特性（ドレ
イン電流対ゲート電圧と特性）を示している。

【００６０】ｎチャネル型ＴＦＴの電子電界効果移動度
は、ノーマリーオフ状態で６５７cm ²/Vsecが得られてお
り、単結晶珪素基板に形成されるＭＯＳトランジスタと
比較して同等の特性が得られている。サブスレッショル
ド係数（Ｓ値）も１１０mV/decと良好な値が得られてい
る。一方、ｐチャネル型ＴＦＴにおいても、正孔電界効
果移動度が２１９cm²/Vsecと非常に高い値が得られてい
る。

【００６１】このような非常に高い特性が得られた裏付
けは、絶縁表面上に半導体層が形成されたＳＯＩ構造の
トランジスタをシミュレーションすることにより実証さ
れる。シミュレーションの前提としては、シリコン層９
２．５nmのＳＩＭＯＸ(Separation by Implanted Oxyge
n)基板を用い、プラズマＣＶＤ法により１１０nmの酸窒
化珪膜を形成したシングルドレイン構造のＴＦＴを試作
し、この試料の特性を元に、物理モデルのパラメータフ
ィティングのデータを求めた。

【００６２】また、主要なパラメータとしては、ゲート
酸化膜は膜内電荷密度を２×１０¹⁶/cm³、比誘電率４．
１とし、ｎチャネル型ＴＦＴのソース・ドレインのｎ⁺
キャリア密度を５×１０¹⁸/cm³、チャネル形成領域のｐ
^-キャリア密度を４×１０¹⁶/cm³、ｐチャネル型ＴＦＴ
のソース・ドレインのｐ⁺キャリア密度を５×１０¹⁸/cm
³、チャネル形成領域のｎ^-キャリア密度を３×１０¹⁶/c
m³とした。デバイスシミュレータにはSilvaco社のＡＴ
ＬＡＳを用い、キャリア間やゲート酸化膜界面での散乱
を考慮したモデルを用いた。

【００６３】図４はｎチャネル型ＴＦＴの対するシミュ
レーションの結果であり、Ids-Vgs特性を示している。
また、図５はIds-Vds特性（ドレイン電流対ドレイン電
圧と特性）を示している。また、ｐチャネル型ＴＦＴに
対する結果は、Ids-Vgs特性として図６に示されてい
る。電子の電界効果移動度のピーク値は６７２cm2/Vsec
であり、本発明において作製されたｎチャネル型ＴＦＴ
より１５cm2/Vsec高くなっている。ｐチャネル型ＴＦＴ
についても正孔移動度はシミュレーション結果とほぼ同
等の特性が得られている。

【００６４】注目される特性の違いは、図２と図５の比
較で解るように、シミュレーションされたトランジスタ
特性の方がｇｍ(Trance Conductance)の曲線形状が鋭
く、実測値とは異なっている。この理由は、活性層中の
残留欠陥の影響と考慮されるが、電子及び正孔の電界効
果移動度がＳＯＩ構造における単結晶珪素と同等なの
は、結晶化に際して触媒として添加した金属元素が結晶
粒内の欠陥を大幅に低減したためと考えられる。

【００６５】以上、説明したように本発明により形成さ
れる活性層はチャネル長方向と平行に結晶成長が成され
るので、実質的にキャリアが横切る結晶粒界が無くな
り、高い電界効果移動度を得ることができる。こうして
作製されるＴＦＴは、液晶素子、電子源素子、有機エレ
クトロルミネセンス材料又は無機エレクトロルミネセン
ス材料を用いた発光素子などと組み合わせ、様々な形態
のアクティブマトリクス型表示手段を構成することがで
きる。さらに、その表示手段とメモリやマイクロプロセ
ッサなど様々な信号処理回路又は機能回路を同一基板上
に形成した半導体装置を構成することができる。

【００６６】

【発明の効果】非晶質半導体膜に金属元素を添加して加
熱処理により結晶化した後、さらに連続発振ＹＶＯ₄レ
ーザーの第２高調波を照射して結晶性半導体膜の改質処
理を行うことにより、単結晶珪素で形成するＭＯＳトラ
ンジスタと同等の特性を有するＴＦＴを作製することが
できる。本発明を適用することにより、実測値として６
５７cm²/Vsecの電界効果移動度を得ることができ、この
ようなＴＦＴを用いることにより、映像表示領域とその
駆動回路、さらにマイクロプロセッサやメモリなどを混
載集積化するシステム・オン・パネル或いはシステム・
オン・グラス、又はシートコンピュータを実現すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により作製されたｎチャネル型ＴＦＴ
のIds-Vgs特性を示すグラフである。

【図２】本発明により作製されたｎチャネル型ＴＦＴ
のIds-Vds特性を示すグラフである。

【図３】本発明により作製されたｐチャネル型ＴＦＴ
のIds-Vgs特性を示すグラフである。

【図４】シミュレーションにより求められたＳＯＩ基
板ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタのIds-Vgs特性を示
すグラフである。

【図５】シミュレーションにより求められたＳＯＩ基
板ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタのIds-Vds特性を示
すグラフである。

【図６】シミュレーションにより求められたＳＯＩ基
板ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタのIds-Vgs特性を示
すグラフである。

【図７】本発明により作製された結晶性半導体膜のラ
マン散乱スペクトルを示すグラフである。

【図８】本発明によるＴＦＴの作製工程を説明する断
面図である。

【図９】本発明に適用されるレーザー処理装置の構成
を説明する図である。

【図１０】半導体膜に対するレーザー光の入射角度θ
と干渉の影響を説明する図である。

【図１１】本発明によるＴＦＴの作製工程を説明する
断面図である。

【図１２】本発明によるＴＦＴの作製工程を説明する
断面図である。

【図１３】本発明により作製された結晶性半導体膜に
おける結晶配向の逆極点図のマッピング図である。

【図１４】本発明により作製された結晶性半導体膜の
ラマンスペクトルの位置依存性について解析したグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲ひろ▼木正明神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者角田朗神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者柴田寛神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA11 AA17 AA24 BA01 BB02 BB04 BB07 DA01 DA02 DA03 DA10 DB03 EA16 FA06 FA19 HA01 JA01 5F110 AA01 BB02 BB04 CC02 DD02 DD14 DD15 DD17 EE03 EE04 EE34 FF03 FF30 GG01 GG02 GG13 GG17 GG24 GG28 GG29 GG32 GG33 GG34 GG45 HJ12 HJ13 HJ23 HL03 HL04 NN03 NN22 NN24 PP01 PP03 PP04 PP05 PP06 PP10 PP24 PP29 PP34 PP35 QQ23 QQ28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜に
金属元素を添加して加熱処理により固相結晶化させて結
晶性半導体膜を形成し、前記金属元素を前記結晶性半導
体膜に残存させたまま連続的に供給されるエネルギービ
ームの照射して溶融帯を形成し、該溶融帯を走査するこ
とにより前記結晶性半導体膜の結晶性を改質する各段階
を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】絶縁表面上に形成された非晶質半導体膜に
金属元素を添加して第１加熱処理により固相結晶化させ
て結晶性半導体膜を形成し、前記金属元素を前記結晶性
半導体膜に残存させたまま連続的に供給されるエネルギ
ービームの照射して溶融帯を形成し、該溶融帯を走査す
ることにより前記結晶性半導体膜の結晶性を改質し、そ
の後、当該結晶質半導体膜に残存する前記金属元素をゲ
ッタリングし、且つ、歪みを緩和する第２加熱処理を行
う各段階を有することを特徴とする半導体装置の作製方
法。
【請求項３】絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前
記非晶質半導体膜に金属元素を添加し、加熱処理により
結晶化して結晶性半導体膜を形成し、前記結晶性半導体
膜に連続発振レーザー光を照射し、且つ、一方向に当該
レーザー光を走査して結晶性を改質する各段階を有し、
前記連続発振レーザー光は、波長４００〜６００nmであ
ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】絶縁表面上に非晶質半導体膜を形成し、前
記非晶質半導体膜に金属元素を添加し、加熱処理により
結晶化して結晶性半導体膜を形成し、前記結晶性半導体
膜に連続発振レーザー光を照射し、且つ、一方向に当該
レーザー光を走査して結晶性を改質する各段階を有し、
前記連続発振レーザー光は、固体レーザー発振装置を光
源とし、その第２高調波であることを特徴とする半導体
装置の作製方法。
【請求項５】ガラス基板上に酸窒化珪素膜を形成し、前
記酸窒化珪素膜に密接して非晶質半導体膜を形成し、前
記非晶質半導体膜に金属元素を添加し、第１の加熱処理
により結晶化して結晶性半導体膜を形成し、前記結晶性
半導体膜に連続発振レーザー光を照射し、且つ、一方向
に当該レーザー光を走査して結晶性を改質し、その後、
前記結晶性半導体膜に含まれる前記金属元素をゲッタリ
ングし、かつ、前記結晶性半導体膜の歪みを緩和させる
第２に加熱処理を行う各段階を有し、前記連続発振レー
ザー光は、固体レーザー発振装置を光源とし、その第２
高調波であことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】ガラス基板上に酸窒化珪素膜を形成し、前
記酸窒化珪素膜に密接して第１非晶質半導体膜を形成
し、前記第１非晶質半導体膜に金属元素を添加し、第１
の加熱処理により結晶化して結晶性半導体膜を形成し、
前記結晶性半導体膜に連続発振レーザー光を照射し、且
つ、一方向に当該レーザー光を走査して結晶性を改質
し、その後、前記結晶性半導体膜に接して酸化珪素を含
むバリア層及び当該バリア層に接し希ガス元素を含有す
る第２非晶質半導体膜を形成し、前記第２非晶質半導体
膜に前記結晶性半導体膜に含まれる前記金属元素を偏析
させ、かつ、前記結晶性半導体膜の歪みを緩和させる第
２に加熱処理を行う各段階を有し、前記連続発振レーザ
ー光は、固体レーザー発振装置を光源とし、その第２高
調波であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】請求項３乃至請求項６のいずれか一項にお
いて、前記固体レーザー発振装置としてＮｄ：ＹＶＯ₄
レーザー発振装置が適用されることを特徴とする半導体
装置の作製方法。