JP2004134773A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン層のパターニングを行うことなく、シリコン層の塊状化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体装置の製造方法は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜５の上面に接触するように、非晶質シリコン膜６を形成する工程と、連続発振型のＹＡＧレーザの基本波を用いて、非晶質シリコン膜６を加熱することにより溶融した後、非晶質シリコン膜６の結晶化を行う工程とを備えている。
【選択図】図３

Description

　この発明は、半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、シリコン層の結晶化を行う工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

　近年、液晶表示装置の画素駆動用トランジスタとして、多結晶シリコン膜を能動層として用いた薄膜トランジスタ（以下、多結晶シリコンＴＦＴ）が採用されている。このような液晶表示装置では、低コスト化、高性能化および軽量コンパクト化のために、多結晶シリコンＴＦＴの高性能化が要求されている。多結晶シリコンＴＦＴの高性能化には、基板上の多結晶シリコン膜をできるだけ単結晶に近づける必要がある。

　従来、上記した多結晶シリコン膜をできるだけ単結晶に近づける方法の１つとして、連続発振型レーザを用いたものが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
ＡＭ−ＬＣＤ’０２,ＤＩＧＥＳＴ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＰＡＰＥＲＳ，Ｊｕｌｙ　１０−１２,２００２,ｐｐ．２２７−２３０　この非特許文献１では、基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を介して形成された非晶質シリコン層に、直接、連続発振型レーザであるＹＶＯ４レーザの高調波（５３２ｎｍ）を照射することによって、シリコン層の結晶化を行う。

　ところで、従来では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）は、溶融シリコンとの接触角が小さいため、シリコン酸化膜とその上に形成される溶融シリコンとのぬれ性が悪い。このため、結晶化の際に溶融シリコンが凝集して塊状化するという不都合が生じる。そして、レーザの走査により、シリコン層の溶融／結晶界面を移動させる結晶成長方法では、加熱領域の移動に伴い、溶融領域も移動するため、塊状化の傾向が顕著になる。非特許文献１では、このような溶融シリコンの塊状化を抑制するために、シリコン酸化膜上に形成されたシリコン層を予めリボン状にパターニングすることによって溶融されるシリコン層の面積を少なくしている。

　しかしながら、非特許文献１では、上記のように、シリコン層をリボン状にパターニングしているため、パターニングされたシリコン層の領域に素子（ＴＦＴ）を形成する必要がある。このため、パターニングしていない場合に比べて、素子を形成する領域が少なくなるという問題点がある。また、シリコン層をパターニングする工程が増加するため、その分、歩留りが低下するという問題点もある。

　また、非特許文献１では、ＹＶＯ_４レーザの高調波（５３２ｎｍ）を用いてシリコン層の結晶化を行うため、レーザ出力が小さい。その結果、生産性（スループット）を向上させるのが困難であるという問題点もある。

　この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、シリコン層のパターニングを行うことなく、シリコン層の塊状化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

　この発明の一の局面による半導体装置の製造方法は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下である第１の膜の上面および下面の少なくとも一方に接触するように、シリコン層を形成する工程と、電磁波を用いてシリコン層を直接または間接的に加熱することにより溶融した後、シリコン層の結晶化を行う工程とを備えている。なお、この場合において、シリコン層を加熱するために用いる電磁波は、連続発振電磁波であることが望ましい。

　この一の局面による半導体装置の製造方法では、上記のように、溶融シリコンとの接触角が４５°以下である第１の膜の上面および下面の少なくとも一方に接触するように、シリコン層を形成した後、シリコン層を溶融して結晶化を行うことによって、シリコン層が溶融する際に、溶融シリコンとの接触角が小さい第１の膜により溶融シリコンと第１の膜との界面エネルギが小さくなるので、溶融シリコンと第１の膜とのぬれ性を向上させることができる。これにより、シリコン層をパターニングすることなく、シリコン層が溶融した状態で凝集するのを抑制することができるので、シリコン層が溶融した状態で塊状化するのを抑制することができる。その結果、シリコン層のパターニングに起因する不都合を解消しながら、シリコン層の塊状化を抑制することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、第１の膜は、シリコン酸化膜よりも溶融シリコンとの接触角が小さい。このように構成すれば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）をシリコン層の上面または下面に接触するように形成した状態でシリコン層の結晶化を行う場合よりも、シリコン層の塊状化を抑制することができる。

　この場合、好ましくは、第１の膜は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜およびＳｉＣＮ膜の少なくともいずれか一方を含む。このように構成すれば、溶融シリコンと接触する第１の膜は、シリコン酸化膜よりも溶融シリコンとの接触角が小さくなるので、容易に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）をシリコン層の上面または下面に接触するように形成した状態でシリコン層の結晶化を行う場合よりも、シリコン層の塊状化を抑制することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層の結晶化を行う工程は、シリコン層に対し第１の膜を介して、吸収膜を形成する工程と、吸収膜に電磁波としての連続発振型レーザを照射することにより吸収膜を発熱させ、その熱を利用してシリコン層の結晶化を行う工程とを含む。このように構成すれば、シリコン層に吸収されない大きなレーザ出力を有する連続発振型レーザを用いて、シリコン層の結晶化を行うことができるので、生産性（スループット）を向上させることができる。また、連続発振型レーザが照射された吸収膜の発熱を利用してシリコン層を間接的に加熱することにより結晶化を行うことによって、吸収膜に照射される連続発振型レーザにある程度ばらつきがあったとしても、吸収膜から熱がシリコン層に放射される際に、熱のばらつきを緩和することができる。これにより、巨大な結晶粒または単結晶を歩留りを低下することなく形成することができる。

　この場合において、好ましくは、吸収膜を形成する工程は、表示装置の画素部の遮光膜として流用可能なように予めパターニングする工程を含む。このように構成すれば、吸収膜を遮光膜として流用することができるので、遮光膜を別途形成する必要がない。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層の結晶化を行う工程は、シリコン層に対し第１の膜とは反対側に吸収膜を形成する工程と、吸収膜に電磁波としての連続発振型レーザを照射することにより吸収膜を発熱させ、その熱を利用してシリコン層の結晶化を行う工程とを含む。このように構成すれば、シリコン層に吸収されない大きなレーザ出力を有する連続発振型レーザを用いて、シリコン層の結晶化を行うことができるので、生産性（スループット）を向上させることができる。また、連続発振型レーザが照射された吸収膜の発熱を利用してシリコン層を間接的に加熱することにより結晶化を行うことによって、吸収膜に照射される連続発振型レーザにある程度ばらつきがあったとしても、吸収膜から熱がシリコン層に放射される際に、熱のばらつきを緩和することができる。これにより、巨大な結晶粒または単結晶を歩留りを低下することなく形成することができる。

　この場合において、好ましくは、吸収膜を形成する工程の後に、吸収膜をパターニングすることによってゲート電極を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、吸収膜をゲート電極として流用することができるので、吸収膜を除去する工程およびゲート電極を新たに形成する工程を省略することができる。これにより、製造プロセスを簡略化することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層の結晶化を行う工程は、連続発振型レーザの基本波を用いてシリコン層を加熱する工程を含む。このように構成すれば、高調波に比べてレーザ出力が大きい基本波により、シリコン層をより効率良く加熱することができるので、シリコン層の結晶化をより促進することができる。これにより、生産性（スループット）をより向上させることができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層を形成する工程は、第１の膜の上面上に接触するようにシリコン層を形成する工程を含み、シリコン層の形成に先立って、基板上に、基板への熱の伝達を緩和するためのバッファ層を介して、第１の膜を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、第１の膜によりシリコン層の塊状化を抑制しながら、バッファ層により熱衝撃に起因する基板のクラックや歪みなどの発生を抑制することができる。この場合、バッファ層は、シリコン酸化膜を含んでいてもよい。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層に不純物を注入することによりシリコン層にソース／ドレイン領域を形成する工程と、連続発振電磁波を用いてソース／ドレイン領域の不純物の活性化を行う工程とをさらに備える。このように構成すれば、第１の膜によりシリコン層の塊状化を抑制しながら、ソース／ドレイン領域を有するシリコン層を備えたシリコンＴＦＴを形成することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、好ましくは、シリコン層を形成する工程に先立って、シリコン層が形成される第１の膜の表面に凹凸を形成する工程をさらに含む。このように構成すれば、シリコン層が形成される第１の膜の表面に凹凸が形成されることに起因して、第１の膜の溶融シリコンに対する接触角をより低下させることができる。これにより、シリコン層の塊状化をより抑制することができる。

　上記一の局面による半導体装置の製造方法において、溶融シリコンとの接触角が４５°以下である第１の膜は、プラズマＣＶＤ法を用いて形成したＳｉＮ_ｘ膜であってもよい。この場合、ＳｉＮ_ｘ膜は、ＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスとＮ_２ガスとの流量比を、２：１：１００〜２：２：１００に設定した状態でプラズマＣＶＤ法により形成されるのが好ましい。このような流量比でプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ_ｘ膜を形成すれば、容易に、溶融シリコンとの接触角が４５°以下のＳｉＮ_ｘ膜を形成することができる。

　なお、本発明では、以下のような構成も考えられる。すなわち、上記一の局面において、好ましくは、第１の膜は、ＳｉＣ膜を含む。このように構成すれば、ＳｉＣ膜は、溶融シリコンとの接触角が４５°よりも小さいので、容易に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）をシリコン層の上面または下面に接触するように形成した状態でシリコン層の結晶化を行う場合よりも、シリコン層の塊状化を抑制することができる。

　また、上記吸収膜に連続発振型レーザを照射する工程を含む構成において、好ましくは、連続発信型レーザは、０．７５μｍ以上２．０μｍ以下の波長を有する赤外線レーザを含む。このように構成すれば、赤外線レーザは、シリコン層に吸収されにくいので、吸収膜に効率的にレーザ光を吸収させることができる。これにより、吸収膜を効率よく加熱することができる。

　この場合、好ましくは、連続発振型レーザは、連続発振型ＹＡＧレーザを含む。このように構成すれば、容易に、吸収膜を効率よく加熱することができる。

　また、上記吸収膜を形成する工程を含む構成において、好ましくは、吸収膜は、Ｍｏを含む材料からなる。このように構成すれば、容易に、連続発振型ＹＡＧレーザなどの連続発振型レーザのレーザ光を吸収膜に吸収させることができる。

　また、上記吸収膜を予めパターニングする工程を含む構成において、好ましくは、吸収膜を表示装置の画素部の遮光膜として流用可能なように予めパターニングする工程は、吸収膜にマトリックス状の穴をパターニングする工程を含む。このように構成すれば、容易に、吸収膜を表示装置の画素部の遮光膜として流用可能な構造に形成することができる。

　また、上記シリコン層にソース／ドレイン領域を形成する工程を含む構成において、好ましくは、シリコン層にソース／ドレイン領域を形成する工程に先立って、シリコン層の上にパターニングされたゲート電極を形成する工程をさらに含む。このように構成すれば、容易に、パターニングされたゲート電極をマスクとして、シリコン層に不純物を注入することによりシリコン層にソース／ドレイン領域を形成することができる。

　また、上記シリコン層にソース／ドレイン領域を形成する工程を含む構成において、好ましくは、シリコン層のソース／ドレイン領域のうちの一方と、吸収膜との間にバイアス電圧を印加する工程をさらに含む。このように構成すれば、吸収膜が基板バイアスプレートとして働くため、シリコンＴＦＴのしきい値電圧の調整を行うことができる。

　また、上記第１の膜の表面に凹凸を形成する工程を含む構成において、好ましくは、凹凸を形成する工程は、第１の膜の表面をエッチングすることにより第１の膜の表面に凹凸を形成する工程を含む。このように構成すれば、容易に、第１の膜の表面に凹凸を形成することができる。

　以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
　図１〜図５は、本発明の第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図および平面図である。図６は、本発明の効果を確認するための実験に用いた第１実施形態の製造方法により作製した構造を示した断面図であり、図７は、比較例による製造方法により作製した構造を示した断面図である。また、図８は、図６および図７に示した製造方法によるレーザ出力と結晶化状態との関係を示した概略図である。以下、図１〜図８を参照して、第１実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。

　まず、図１に示すように、減圧ＣＶＤ法を用いて、ガラス基板１上に、ＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）２を約３００ｎｍの厚みで形成する。このシリコン酸化膜２は、ガラス基板１への熱の伝達を緩和するためのバッファ層として機能する。この後、スパッタ法を用いて、シリコン酸化膜２上の所定領域に、Ｍｏからなる吸収膜３を約５０ｎｍの厚みで形成する。

　そして、吸収膜３を、図２に示すように、液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置の画素部のブラックマトリックス（遮光膜）として後に流用できるように、マトリックス状の穴パターン３ａを有するようにパターニングする。

　次に、図１に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、吸収膜３を覆うように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）４を、約８０ｎｍの厚みで形成する。

　その後、第１実施形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜４上に、ＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）５を約２０ｎｍの厚みで形成する。ここで、ＳｉＮ_ｘ膜５は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であり、かつ、ＳｉＯ_２膜よりも溶融シリコンとの接触角が小さい。なお、ＳｉＮ_ｘ膜５は、本発明の「第１の膜」の一例である。その後、ＳｉＮ_ｘ膜５上に、減圧ＣＶＤ法を用いて、非晶質シリコン膜６を約５０ｎｍの厚みで形成する。なお、非晶質シリコン膜６は、本発明の「シリコン層」の一例である。

　次に、図３に示すように、ガラス基板１の裏面側から、連続発振型のＹＡＧレーザの基本波を照射することによって、非晶質シリコン膜６の結晶化を行う。この場合のレーザ照射条件は、レーザ出力：約３７５Ｗ、走査速度：約１ｍ／ｓである。

　次に、図４に示すように、結晶化されたシリコン膜６ａを覆うように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなるゲート絶縁膜７を形成する。そのゲート絶縁膜７上の所定領域に、Ｍｏなどからなるパターニングされたゲート電極８を形成する。ゲート電極８をマスクとして、結晶化されたシリコン膜６ａに、不純物を注入することによって、ＬＤＤ構造を有する一対のソース／ドレイン領域６ｂを形成する。また、必要に応じて、ゲート電極８の形成前に、結晶化されたシリコン膜６ａにチャネルドープを行ってもよい。そして、注入した不純物を活性化するために、結晶化の場合と同様、連続発振型のＹＡＧレーザによる照射を行う。これにより、一対のソース／ドレイン領域６ｂと、ゲート絶縁膜７と、ゲート電極８とからなる第１実施形態による多結晶シリコンＴＦＴが形成される。

　また、第１実施形態では、図５に示すように、吸収膜３と、ＴＦＴのドレイン側に位置する電源ラインを構成する一方のソース／ドレイン領域６ｂとの間に、バイアス電圧を印加する。これにより、吸収膜３が基板バイアスプレートとして働くため、ＴＦＴのしきい値電圧Ｖ_ｔｈの調整を行うことができる。

　第１実施形態では、上記のように、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）５の上面上に接触するように非晶質シリコン膜６を形成した後、非晶質シリコン膜６を溶融して結晶化を行うことによって、非晶質シリコン膜６が溶融する際に、溶融シリコンとの接触角が小さいＳｉＮ_ｘ膜５により溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜５との界面エネルギが小さくなるので、溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜５とのぬれ性を向上させることができる。これにより、従来のように非晶質シリコン膜６をパターニングすることなく非晶質シリコン膜６が溶融した状態で凝集するのを抑制することができるので、非晶質シリコン膜６が溶融した状態で塊状化するのを抑制することができる。その結果、非晶質シリコン膜６のパターニングに起因する歩留りの低下などの不都合を解消しながら、非晶質シリコン膜６の塊状化を抑制することができる。

　ここで、図６〜図８を参照して、非晶質シリコン膜の下面に接触するように溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜を形成する場合の効果を確認するために行った実験について説明する。図６には、この実験で用いた第１実施形態の製造方法により作製した構造が示されており、図７には、この実験で用いた比較例の製造方法により作製した構造が示されている。まず、図６に示した第１実施形態の製造方法により作製した構造では、ガラス基板１上に、減圧ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ_２膜２を３００ｎｍの厚みで形成した後、ＳｉＯ_２膜２上にスパッタ法を用いてＭｏからなる吸収膜３を５０ｎｍの厚みで形成した。そして、吸収膜３上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、８０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ_２膜４および２０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ_ｘ膜５を順次形成した。その後、減圧ＣＶＤ法を用いてＳｉＮ_ｘ膜５上に非晶質シリコン膜６を５０ｎｍの厚みで形成した。

　その一方、図７に示した比較例の製造方法により作製した構造では、ガラス基板１上に、減圧ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ_２膜２を３００ｎｍの厚みで形成した後、ＳｉＯ_２膜２上にスパッタ法を用いてＭｏからなる吸収膜３を５０ｎｍの厚みで形成した。そして、吸収膜３上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、１００ｎｍの厚みを有するＳｉＯ_２膜４ａを形成した後、そのＳｉＯ_２膜４ａ上に、非晶質シリコン膜６を減圧ＣＶＤ法を用いて５０ｎｍの厚みで形成した。

　上記のようにして作製した図６および図７に示した構造に対して、連続発振型のＹＡＧレーザを１ｍ／ｓの走査速度で、レーザ出力を２５０Ｗから４５０Ｗに変化させて照射することによって、結晶化の状態を確認した。その結果、図８に示すような結果が得られた。具体的には、第１実施形態による構造および比較例による構造ともに、レーザ出力が２７０Ｗ以下である場合には、アモルファスの結晶状態であり、２７０Ｗから３００Ｗまでは、固相成長状態であった。また、第１実施形態による構造および比較例による構造ともに、３００Ｗから３４０Ｗまでは、溶融シリコンと溶融していないシリコンとが混在する結晶状態であった。その一方、レーザ出力が液相成長可能な出力を超えると、塊状化が発生することにより、膜構造の消失が発生した。この場合、良好に結晶化を行うことができるのは、液相成長が可能な領域である。

　図８に示すように、ＳｉＯ_２膜４ａ上に非晶質シリコン膜６が形成される比較例による製造方法では、液相成長することが可能なレーザ出力の範囲が３４０Ｗ〜３６０Ｗ（３５０Ｗ±３％）であり、狭いことがわかる。これに対して、ＳｉＮ_ｘ膜５上に非晶質シリコン膜６が形成される第１実施形態による製造方法では、３４０Ｗ〜４１０Ｗ（３７５Ｗ±９％）であり、比較例による製造方法に比べて、液相成長可能なレーザ出力範囲が拡大していることがわかる。このことから、第１実施形態による製造プロセスでは、プロセスマージンを拡大することができることが判明した。また、第１実施形態の製造方法による構造では、図８に示すように、比較例の製造方法による構造に比べて、より大きなレーザ出力のＹＡＧレーザが照射された場合でも、膜構造の消失が発生しにくいことがわかる。すなわち、第１実施形態の製造方法による構造では、比較例の製造方法による構造に比べて、溶融シリコンの塊状化（凝集）が発生しにくいことがわかった。

　ここで、レーザ装置におけるレーザ出力の発振安定性を計測したところ、±４％の範囲でレーザ出力が変動する（ばらつく）ことが判明した。このことから、安定して液相成長を行うためには、レーザ出力の設定値に対して±４％の範囲よりも大きい範囲で液相成長することが可能なプロセス条件が必要である。この点を考慮すると、第１実施形態では、上記のように、３７５Ｗ±９％の範囲で液相成長を行うことができるので、レーザ出力装置の出力変動よりも広いプロセス条件を有する。その結果、第１実施形態では、安定して非晶質シリコン膜６の結晶化を行うことができることが判明した。

　図９は、溶融シリコンの塊状化が発生することにより、膜構造の消失が発生した試料の表面の構造を示した断面図である。図１０は、図６に示した第１実施形態による構造および図７に示した比較例による構造における溶融シリコンの接触角の分布を示した図である。次に、図６〜図１０を参照して、図６に示した第１実施形態の製造方法により作製した構造を有する試料および図７に示した比較例の製造方法により作製した構造を有する試料について、塊状化した溶融シリコンの接触角を実際に測定した実験について説明する。具体的には、塊状化が発生することにより膜構造の消失が発生した試料の表面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察すると、図９に示すように、溶融シリコンが塊状化することにより形成された凝集シリコンが観察された。そして、第１実施形態の製造方法により作製した構造を有する試料および比較例の製造方法により作製した構造を有する試料について、それぞれ、１０個の試料の凝集シリコンの接触角θ（図９参照）を測定することにより、各試料の溶融シリコンの接触角を測定した。その測定結果を図１０に示す。なお、図６に示した第１実施形態の製造方法による構造を有する試料では、４１０Ｗ以上のレーザ出力を有するＹＡＧレーザを照射することにより膜構造の消失が発生した試料について接触角を測定した。一方、図７に示した比較例の製造方法による構造を有する試料では、３６０Ｗ以上のレーザ出力を有するＹＡＧレーザを照射することにより膜構造の消失が発生した試料について接触角を測定した。

　図１０を参照して、図６に示した第１実施形態の製造方法による構造を有する試料では、溶融シリコンの接触角は、４５°以下の範囲に分布していることがわかる。一方、図７に示した比較例の製造方法による構造を有する試料では、溶融シリコンの接触角は、４７°以上の範囲に分布していることがわかる。この結果および図８に示した結果から、非晶質シリコン膜の下面に接するように溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜を形成することにより、溶融シリコンの塊状化が発生しにくくなることが確認できた。

　なお、以下の表１に、通常の結晶組成比での種々の材料の溶融シリコンとの接触角を示す。

　上記表１から、通常の結晶組成比であれば、ＳｉＣ膜が溶融シリコンとの接触角が４５°以下であることがわかる。これにより、非晶質シリコン膜の下面に接するようにＳｉＣ膜を形成した場合には、溶融シリコンの接触角を４５°以下にすることができるので、溶融シリコンの塊状化を発生しにくくすることが可能である。また、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）は、通常の結晶組成比（Ｓｉ_３Ｎ_４）であれば、溶融シリコンとの接触角が４５°より大きい（５０°）であることがわかる。

　図１１は、ＳｉＮ_ｘ膜上の溶融シリコンに働く表面張力を表した模式図である。図１２は、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成した場合の試料の表面の構造を示した断面図である。図１３は、ＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な場合の溶融シリコンの接触角と、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合の溶融シリコンの接触角との関係を示した図である。次に、図６および図１１〜図１３を参照して、溶融シリコンとの接触角を４５°以下にするのに適したＳｉＮ_ｘ膜の製造条件を調べるために行った実験について説明する。一般的に、プラズマＣＶＤ法などにより作製された窒化珪素（ＳｉＮ）は、ＳｉＮ_ｘと表記される。このプラズマＣＶＤ法などにより作製された窒化珪素は、Ｓｉ_３Ｎ_４以外にも種々の組成比を有するとともに、水素を数パーセント含有するものもある。そして、このようなプラズマＣＶＤ法などにより作製されたＳｉＮ_ｘ膜の溶融シリコンとの接触角は、ＳｉＮ_ｘ膜の組成比や水素含有量によって変化する。また、ＳｉＮ_ｘ膜の組成比や水素含有量は、ＳｉＮ_ｘ膜の製造条件によって変化する。

　まず、図６に示した第１実施形態の製造方法による構造と同様の構造を有するとともに、ＳｉＮ_ｘ膜の製造条件（プラズマＣＶＤ条件）のみが異なる２種類の試料（試料１および試料２）を作製した。なお、ＳｉＮ_ｘ膜以外の膜の製造条件は、上記した第１実施形態による製造条件と同様である。そして、ＳｉＮ_ｘ膜上に形成した非晶質シリコン層をＹＡＧレーザを照射することにより溶融させた後、凝集した凝集シリコンのＳｉＮ_ｘ膜に対する接触角を測定することによって、ＳｉＮ_ｘ膜の溶融シリコンとの接触角を測定した。以下、その測定結果について説明する。

　まず、試料１によるＳｉＮ_ｘ膜を以下の表２に示すプラズマＣＶＤ条件下で作製した。

　上記表２に示す条件下で作製した試料１によるＳｉＮ_ｘ膜では、溶融シリコンとの接触角は、４５°以上であった。

　次に、試料２によるＳｉＮ_ｘ膜を以下の表３に示すプラズマＣＶＤ条件下で作製した。

　上記表３に示す条件下で作製した試料２によるＳｉＮ_ｘ膜では、溶融シリコンとの接触角は、約３０°〜約４５°であった。

　上記試料１および試料２の測定結果から、ＳｉＮ_ｘ膜の溶融シリコンとの接触角を４５°以下にするためには、ＳｉＮ_ｘ膜のプラズマＣＶＤ条件は、試料２によるＳｉＮ_ｘ膜のプラズマＣＶＤ条件（基板温度：４００℃〜４５０℃、圧力：７００Ｐａ、流量比ＳｉＨ_４：ＮＨ_３：Ｎ_２＝２：１：１００〜２：２：１００、パワー密度：２Ｗ／ｃｍ^２）にするのが好ましいことがわかった。この試料２によるＳｉＮ_ｘ膜のプラズマＣＶＤ条件では、試料１によるＳｉＮ_ｘ膜のプラズマＣＶＤ条件と比較して、アンモニアガスの流量比を大きくしているとともに、パワー密度を高くしている。

　また、試料２のように、表２に示す条件下で作製することにより、溶融シリコンとの接触角が４５°以上になった場合にも、溶融シリコンと接触するＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成することにより、接触角を４５°以下にすることが可能である。以下に、その原理を説明する。まず、図１１に示すように、溶融シリコンと雰囲気との間に働く表面張力、溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜との間に働く表面張力およびＳｉＮ_ｘ膜と雰囲気との間に働く表面張力を、それぞれ、γ１、γ２およびγ３とする。また、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成していない状態（表面が平坦な状態）での、溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜との接触角をθ_０とする。この場合、γ１、γ２、γ３およびθ_０の関係は、以下の式（１）のように表される。

　γ１・ｃｏｓθ_０＝（γ３−γ２）…（１）
　上記式（１）を変形すると、次の式（２）のように表すことができる。

　ｃｏｓθ_０＝（γ３−γ２）／γ１…（２）
　ここで、図１２に示すように、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合には、ＳｉＮ_ｘ膜の表面積が大きくなるので、それに比例して、溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜との間に働く表面張力γ２およびＳｉＮ_ｘ膜と雰囲気との間に働く表面張力γ３が大きくなる。たとえば、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成されることによりＳｉＮ_ｘ膜の表面積がＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な場合のｚ倍（ｚ＞１）になったとすると、表面張力γ２および表面張力γ３はｚ倍になる。したがって、図１２に示すようにＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合の溶融シリコンの接触角をθ_γとすると、上記式（２）から、γ１、γ２、γ３およびθ_γの関係は、以下の式（３）のように表すことができる。

　ｃｏｓθ_γ＝（ｚ・γ３−ｚ・γ２）／γ１＝ｚ（γ３−γ２）／γ１…（３）
　上記式（２）および上記式（３）から、ＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な場合の溶融シリコンの接触角θ_０とＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合の溶融シリコンの接触角θ_γとの関係は、次の式（４）のように表すことができる。

　ｃｏｓθ_γ-＝ｚ・ｃｏｓθ_０…（４）
　また、上記式（４）から接触角θ_０と接触角θ_γとの関係は、図１３のように表すことができる。図１３から、接触角θが９０°未満の場合には、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合の接触角θ_γは、ＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な場合の接触角θ_０よりも小さくなることがわかる。このようにＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な状態で溶融シリコンの接触角が９０°未満である場合には、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成することにより、溶融シリコンの接触角を小さくすることができると考えられる。また、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成するための方法としては、エッチングなどを用いることができる。たとえば、以下の表４に示すエッチング条件により、ＳｉＮ_ｘ膜の表面をエッチングすることにより、溶融シリコンとの接触角を小さくするための凹凸を形成することができる。

　また、第１実施形態では、上記のように、連続発振型のＹＡＧレーザの基本波を照射することにより結晶化を行うことよって、高調波を用いる場合に比べて、レーザ出力を大きくすることができるので、生産性（スループット）を向上させることができる。

　また、第１実施形態では、連続発振型ＹＡＧレーザの基本波は、非晶質シリコン膜６に吸収されにくい一方、Ｍｏからなる吸収膜３には吸収されやすいため、吸収膜３に効率的にレーザ光を吸収させることができる。これによっても、吸収膜３を効率よく加熱することができるので、非晶質シリコン膜６の結晶化をより効率よく行うことができる。

　また、第１実施形態では、連続発振型のＹＡＧレーザビーム１００が照射された吸収膜３の発熱を利用して非晶質シリコン膜６を間接的に加熱することにより結晶化を行うことによって、吸収膜３に照射される連続発振型のＹＡＧレーザビームにある程度ばらつきがあったとしても、吸収膜３から熱が非晶質シリコン膜６に伝導される際に、熱のばらつきを緩和することができる。これにより、巨大な結晶粒または単結晶を歩留りを低下させることなく形成することができる。

　また、第１実施形態では、非晶質シリコン膜６の結晶化後に、吸収膜３を液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置の画素部のブラックマトリックス（ＢＭ）として流用することができるとともに、吸収膜３を基板バイアスプレートとして流用することができるので、吸収膜３を除去する工程とブラックマトリックスおよび基板バイアスプレートを新たに形成する工程とを省略することができる。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。
（第２実施形態）
　図１４および図１５は、本発明の第２実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。図１４および図１５を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、上方からレーザビームを照射する場合について説明する。

　まず、図１４に示すように、減圧ＣＶＤ法を用いて、ガラス基板１１上に、ＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）１２を約３００ｎｍの厚みで形成する。このシリコン酸化膜１２は、ガラス基板１１への熱の伝達を緩和するためのバッファ層として機能する。その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜１２上に、ＳｉＮ_ｘ膜１３を約２０ｎｍの厚みで形成する。ここで、ＳｉＮ_ｘ膜１３は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であり、かつ、ＳｉＯ_２膜よりも溶融シリコンとの接触角が小さい。なお、ＳｉＮ_ｘ膜１３は、本発明の「第１の膜」の一例である。その後、ＳｉＮ_ｘ膜１３上に、減圧ＣＶＤ法を用いて、非晶質シリコン膜１４を約５０ｎｍの厚みで形成する。なお、非晶質シリコン膜１４は、本発明の「シリコン層」の一例である。この後、非晶質シリコン膜１４を所定の形状にパターニングする。

　次に、非晶質シリコン膜１４を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなるゲート絶縁膜１５を形成する。スパッタ法を用いて、ゲート絶縁膜１５上の所定領域に、Ｍｏからなる吸収膜１６を約５０ｎｍの厚みで形成する。この後、ガラス基板１の上方側から、連続発振型のＹＡＧレーザの基本波を照射することによって、非晶質シリコン膜１４の結晶化を行う。この場合のレーザ照射条件は、レーザ出力：約４００Ｗ、走査速度：約１ｍ／ｓである。

　次に、吸収膜１６をパターニングすることによって、図１５に示すように、ゲート電極１６ａを形成する。ゲート電極１６ａをマスクとして、結晶化されたシリコン膜１４ａに、不純物を注入することによって、ＬＤＤ構造を有する一対のソース／ドレイン領域１４ｂを形成する。そして、注入した不純物を活性化するために、結晶化の場合と同様、連続発振型のＹＡＧレーザによる照射を行う。これにより、一対のソース／ドレイン領域１４ｂと、ゲート絶縁膜１５と、ゲート電極１６ａとからなる第２実施形態による多結晶シリコンＴＦＴが形成される。

　第２実施形態では、上記のように、ＳｉＮ_ｘ膜１３とガラス基板１１との間に、ＳｉＯ_２膜１２からなるバッファ層を大きい厚み（約３００ｎｍ）で形成することによって、ＳｉＮ_ｘ膜１３により溶融シリコンの塊状化を抑制しながら、バッファ層により熱衝撃に起因するガラス基板１１のクラックや歪みなどの発生を抑制することができる。

　また、第２実施形態では、上記のように、吸収膜１６をゲート電極１６ａとして流用することができるので、吸収膜１６を除去する工程およびゲート電極を新たに形成する工程を省略することができる。

　また、第２実施形態では、上記第１実施形態と同様、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）１３の上面上に接触するように非晶質シリコン膜１４を形成した後、非晶質シリコン膜１４を溶融して結晶化を行うことによって、非晶質シリコン膜１４が溶融する際に、溶融シリコンとの接触角が小さいＳｉＮ_ｘ膜１３により溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜１３との界面エネルギが小さくなるので、溶融シリコンとＳｉＮ_ｘ膜１３とのぬれ性を向上させることができる。これにより、非晶質シリコン膜１４が溶融した状態で塊状化するのを抑制することができる。

　なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

　なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　たとえば、上記実施形態では、溶融シリコンとの接触角が４５°以下である膜の例として、ＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）を用いたが、本発明はこれに限らず、他の膜を用いてもよい。たとえば、ＳｉＯＮなどの絶縁膜や、ＳｉＣなどの半導体が考えられる。

　また、上記実施形態では、非晶質シリコン膜の下面に接触するように、ＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）を形成したが、本発明はこれに限らず、非晶質シリコン膜の上面または上下両面に接触するように、ＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜）を形成してもよい。

　また、上記実施形態では、連続発振型のＹＡＧレーザを用いたが、本発明はこれに限らず、赤外線レーザであれば、他のレーザを用いてもよい。たとえば、半導体レーザや、ガラスレーザ、ＹＶＯ_４レーザなどが考えられる。また、連続発振型レーザに代えて、連続加熱が可能な高周波、マイクロ波、ランプ光を用いても良い。これらの連続発振型レーザ、高周波、マイクロ波、ランプ光などを総称して、本発明では、「電磁波」という。

　また、上記実施形態では、吸収膜にＹＡＧレーザなどの電磁波を照射することにより吸収膜を発熱させ、その熱を利用して、間接的に非晶質シリコン膜（シリコン層）を溶融加熱するようにしたが、本発明はこれに限らず、ＹＡＧレーザなどの電磁波を用いて直接非晶質シリコン膜（シリコン層）を溶融加熱するようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、ソース／ドレイン領域の不純物の活性化を、連続発振型ＹＡＧレーザを用いて行う例を示したが、本発明はこれに限らず、ソース／ドレイン領域の不純物の活性化を、ＥＬＡ（エキシマレーザアニール）法、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法、または、比較的低温のアニール法によって行うようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、Ｍｏからなる吸収膜を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、高融点金属や合金その他の導電膜等も吸収膜として使用可能である。

本発明の第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した吸収膜を形成する工程を示した平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の効果を確認するための実験に用いた第１実施形態の製造方法によって作製した構造を示した断面図である。 本発明の効果を確認するために行った実験に用いた比較例による製造方法により作製した構造を示した断面図である。 図６および図７に示した製造方法によるレーザ出力と結晶化状態との関係を示した概略図である。 溶融シリコンの塊状化が発生することにより、膜構造の消失が発生した試料の表面の構造を示した断面図である。 図６に示した第１実施形態による構造および図７に示した比較例による構造における溶融シリコンの接触角の分布を示した図である。 ＳｉＮ_ｘ膜上の溶融シリコンに働く表面張力を表した模式図である。 ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸を形成した場合の試料の表面の構造を示した断面図である。 ＳｉＮ_ｘ膜の表面が平坦な場合の溶融シリコンの接触角と、ＳｉＮ_ｘ膜の表面に凹凸が形成された場合の溶融シリコンの接触角との関係を示した図である。 本発明の第２実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。

符号の説明

　１、１１　ガラス基板
　２、１２　ＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜、バッファ層）
　３、１６　吸収膜
　４　ＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）
　５、１３　ＳｉＮ_ｘ膜（シリコン窒化膜、第１の膜）
　６、１４　非晶質シリコン膜（半導体層）
　７、１５　ゲート絶縁膜
　８、１６ａ　ゲート電極

Claims (12)

1. 　溶融シリコンとの接触角が４５°以下である第１の膜の上面および下面の少なくとも一方に接触するように、シリコン層を形成する工程と、
   　電磁波を用いて前記シリコン層を直接または間接的に加熱することにより溶融した後、前記シリコン層の結晶化を行う工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
2. 　前記第１の膜は、シリコン酸化膜よりも溶融シリコンとの接触角が小さい、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 　前記第１の膜は、溶融シリコンとの接触角が４５°以下であるＳｉＮ_ｘ膜およびＳｉＣＮ膜の少なくともいずれか一方を含む、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 　前記シリコン層の結晶化を行う工程は、前記シリコン層に対し前記第１の膜を介して、吸収膜を形成する工程と、前記吸収膜に前記電磁波としての連続発振型レーザを照射することにより前記吸収膜を発熱させ、その熱を利用して前記シリコン層の結晶化を行う工程とを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 　前記吸収膜を形成する工程は、表示装置の画素部の遮光膜として流用可能なように予めパターニングする工程を含む、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 　前記シリコン層の結晶化を行う工程は、前記シリコン層に対し前記第１の膜とは反対側に吸収膜を形成する工程と、前記吸収膜に前記電磁波としての連続発振型レーザを照射することにより前記吸収膜を発熱させ、その熱を利用して前記シリコン層の結晶化を行う工程とを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 　前記吸収膜を形成する工程の後に、前記吸収膜をパターニングすることによってゲート電極を形成する工程をさらに備える、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 　前記シリコン層の結晶化を行う工程は、前記連続発振型レーザの基本波を用いて前記シリコン層を加熱する工程を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 　前記シリコン層を形成する工程は、前記第１の膜の上面上に接触するようにシリコン層を形成する工程を含み、
   　前記シリコン層の形成に先立って、基板上に、前記基板への熱の伝達を緩和するためのバッファ層を介して、前記第１の膜を形成する工程をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
10. 　前記シリコン層に不純物を注入することにより前記シリコン層にソース／ドレイン領域を形成する工程と、
    　前記連続発振電磁波を用いて前記ソース／ドレイン領域の不純物の活性化を行う工程とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 　前記シリコン層を形成する工程に先立って、前記シリコン層が形成される前記第１の膜の表面に凹凸を形成する工程をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 　前記溶融シリコンとの接触角が４５°以下である第１の膜は、プラズマＣＶＤ法を用いて形成したＳｉＮ_ｘ膜である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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