JP2817613B2 - 結晶シリコン膜の形成方法 - Google Patents

結晶シリコン膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は結晶シリコン膜の形成方
法に関し、特にレーザアニール法を用いる結晶シリコン
膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】結晶シリコン膜、例えば多結晶シリコン
膜は、液晶表示装置,イメージセンサ,一般の半導体装
置等に多く用いられるようになってきている。
【0003】液晶表示装置は、駆動回路として透明基板
上に形成した多結晶シリコン膜を活性層として薄膜トラ
ンジスタを形成するものであり、品質の高い液晶表示装
置を得るためには多結晶シリコン膜の結晶性を向上させ
ることが必須となっている。また、製造コストの面から
は耐熱温度600℃程度の安価なガラス基板を用いる必
要性から、プロセス温度を600℃以下とするいわゆる
低温プロセスが検討され実施されている。
【0004】多結晶シリコン膜は主に減圧化学気相成長
(LPCVD)法で形成されるが、600℃以上の高温
プロセスとなるため、ガラス基板を用いることはできな
い。このため、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射して
多結晶化する方法が一般に用いられている。以下図4を
用いて説明する。
【0005】まず図4(a)に示すように、耐熱温度が
約600℃のガラス基板1上にLPCVD法を用い50
0℃程度の成長温度で、非晶質シリコン膜2を厚さ約1
00nm堆積する。そののち、シリコン膜に対する消衰
係数の大きい短波長レーザ、例えば、XeClエキシマ
レーザ光を照射する。非晶質シリコン膜2では、膜表面
から10nm以内の表面領域3でレーザ光がほとんど吸
収され、この領域の温度が上昇して溶融が始まる。
【0006】レーザ光照射がさらに続くと、図4(b)
に示すように、溶融領域4が拡大し、レーザ光の照射エ
ネルギーが十分大きいと、膜全体が溶融し、図4(c)
のように、膜全体が溶融シリコン層となる。
【0007】レーザ光の照射が終わると、図4(d)に
示すように、膜が冷却され溶融シリコンが結晶化して、
多結晶シリコン膜5が形成される。
【0008】以上の工程を用いて作成した多結晶シリコ
ン膜5は、通常のLPCVD法で作成されたものに比べ
て結晶欠陥が少なく、これを薄膜トランジスタの活性層
に用いることにより、トランジスタ特性を大きく向上さ
せることができる。イメージセンサ等の場合においても
ほぼ同様の工程が用いられる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】非晶質シリコン膜をレ
ーザアニールする場合には、溶融したシリコン層が結晶
化する時に移動するため、図4(d)に示したように、
多結晶シリコン膜5に30nm程の表面荒れやうねりが
生じる。
【0010】表面荒れを防ぐ方法として従来は、図5
(a)に示すように、非晶質シリコン膜2上に500℃
以下の低温で透明で除去が容易なシリコン酸化膜6を堆
積してキャップした後に、レーザアニールすることによ
り、表面での溶融シリコンの結晶化時の移動を防ぐ方法
が提案され実施されている。しかし、この方法では、図
5(b)にしめすように、非晶質シリコン膜の溶融時に
キャップ酸化膜6から酸素9が溶融シリコン層4内に拡
散して、多結晶シリコン膜中の酸素濃度が上昇し、トラ
ンジスタ特性を低下させるという問題がある。
【0011】また、キャップ酸化膜6を用いた場合に
は、レーザ光の照射(ショット)回数が多くなるにつれ
て、溶融シリコンの移動度が大きく低下するので、ショ
ットを連続させ照射領域を移動させてウエハ全面を結晶
化する必要がある。照射領域の隅ではショットが4回重
なるが、このショットの重なる領域では酸素の拡散が多
くなるため多結晶シリコン膜の特性が低下し、トランジ
スタ特性のばらつきの原因となる。
【0012】本発明の目的は、トランジスタ特性のばら
つきを少くするための結晶シリコン膜の形成方法を提供
することにある。
【0013】本発明の他の目的は、表面荒れのない結晶
シリコン膜の形成方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本願発明の参考例の結晶
シリコン膜、例えば多結晶シリコン膜の形成方法は、基
板上に形成された非晶質シリコン膜にレーザ光を照射し
て結晶化する結晶シリコン膜の形成方法において、非晶
質シリコン膜における消衰係数が結晶シリコン膜におけ
る消衰係数より大きな波長のレーザ光を用いることを特
徴とするものである。
【0015】本発明の結晶シリコン膜、例えば多結晶シ
リコン膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質シリ
コン膜にレーザ光を照射して結晶化する結晶シリコン膜
の形成方法において、非晶質シリコン膜における消衰係
数の大きなレーザ光を非晶質シリコン膜に照射して該非
晶質シリコン膜の表面のみを結晶化した後に、結晶シリ
コン膜における消衰係数が小さく非晶質シリコン膜にお
ける消衰係数が大きなレーザ光を照射して、前記非晶質
シリコン膜全体を結晶化することを特徴とするものであ
る。
【0016】
【実施例】次に本発明を図面を用いて説明する。図1
(a),(b)は本発明の参考例を説明するための基板
の断面図である。
【0017】まず図1(a)に示すように、ガラス基板
上1にLPCVD法を用いて、非晶質シリコン膜2を1
00nmの厚さに堆積したのち、その上にキャップ酸化
膜6を100nmの厚さに堆積した。次に非晶質シリコ
ン膜における消衰係数の大きい波長のレーザ光を照射す
る。
【0018】図2に結晶シリコン膜および非晶質シリコ
ン膜に対する消衰係数kをしめす。波長400nmから
500nmの間では、非晶質シリコン膜の消衰係数が結
晶シリコン膜の消衰係数に比べて大きいので、この波長
領域のレーザ光を多結晶シリコン膜に照射すると、ほと
んど吸収されずに下地の基板へ透過し、非晶質シリコン
膜に照射すると、表面から数10nm程度の深さでほと
んど吸収される。
【0019】そこで、波長486nmのKrFエキシマ
レーザ光を用いて、非晶質シリコン膜2を結晶化した。
レーザ光7の照射は、照射領域が重なるようにした。つ
まり、レーザ光照射の重ね合わせ領域の多結晶シリコン
膜は溶融せず、非晶質シリコン膜2のみの溶融し結晶化
がおこるように、照射エネルギーを400mJ/cm2
程度に設定した。
【0020】第1回目の照射によりその領域8Aの非晶
質シリコン膜2は多結晶シリコン膜5Aとなり、第2回
の照射によりその領域8Bの非晶質シリコン膜2は、図
1(b)に示すように、多結晶シリコン膜5Bとなる。
【0021】この場合、レーザ照射の重なる領域の多結
晶シリコン膜は溶融しないために、キャップ酸化膜6か
ら、多結晶シリコン膜5A,5Bへの酸素の拡散は起こ
らず、多結晶シリコン膜の特性の低下は起こらない。つ
まり、レーザ照射領域が重なって照射されても、多結晶
シリコン膜の特性ばらつきは起こらないことになる。従
ってこの多結晶シリコン膜を用いて液晶表示装置やイメ
ージセンサのトランジスタを作った場合、トランジスタ
の特性のばらつきを小さくすることができる。
【0022】図3(a)〜(c)は本発明の実施例を説
明するための基板の断面図である。
【0023】まず図3(a)に示すように、ガラス基板
1上に、LPCVD法により非晶質シリコン膜2を10
0nmの厚さに堆積したのち、波長248nmのKrF
エキシマレーザを光7Aを照射した。この波長のレーザ
光では、図2に示したように、非晶質及び結晶シリコン
膜における消衰係数が大きく、エネルギーはほぼ表面か
ら10nm以内で全て吸収される。照射エネルギーを、
200mJ/cm2 程度に設定することにより非晶質シ
リコン膜2の表面から30nm程度を結晶化し、多結晶
シリコン膜5Cを形成した。この多結晶シリコン膜の表
面は、膜全体が溶融しないので、比較的平坦で荒れは少
ない。
【0024】更に2回目の照射では、波長486nmの
KrFエキシマレーザ光7を用いた。この波長では、結
晶シリコン膜での消衰係数が小さく、ほぼ透明なので、
レーザ光7は多結晶シリコン膜5Cを透過する。しか
し、非晶質シリコン膜での消衰係数は大きいため、レー
ザ光7は非晶質シリコン膜2と多結晶シリコン膜5Cの
界面から40nm以内の領域でほとんど全て吸収され
る。つまり、2回目の照射では、下地側の非晶質部分が
選択的に温度上昇でき、溶融、結晶化することになり、
図3(c)に示すように、表面荒れの小さい多結晶シリ
コン膜5Dが形成できる。
【0025】以上述べたように、本実施例では、第1回
目の照射により形成された表面の多結晶シリコン膜5C
がキャップ層になり、表面荒れを10nm以下に抑制す
ることができる。しかも従来のキャップ酸化膜を用いた
とき問題となった、酸素のシリコン膜中への混入は起こ
らないという利点がある。また、1回目の照射に際し、
結晶シリコンでの消衰係数が高いレーザ光を用いると、
照射を繰り返しても、結晶化した領域が広がらないよう
にできるので、照射のかさなる領域での結晶性のばらつ
きを低減させることができる。
【0026】この本実施例の方法は、シリコンの非晶質
部分にのみ吸収されるレーザ光を用いるという特徴を生
かし、結晶性が良好でなく、非晶質相を持つ多結晶シリ
コン膜の膜質改善にも適用できる。例えばプラズマCV
D法で形成された多結晶シリコン膜では、下地基板側に
非晶質に近い結晶性の良好でない領域が存在する。この
多結晶シリコン膜に波長486nmのKrFエキシマレ
ーザを照射することにより、非晶質相に近い領域のみを
選択的にアニールして、結晶性を改善することができ
る。
【0027】尚、上記実施例においてはガラス基板上に
多結晶シリコン膜を形成する場合について説明したが、
石英等他の絶縁基板を用いてもよいことは勿論である。
【0028】
【発明の効果】以上述べたように本発明の参考例は、非
晶質シリコン膜におけるの消衰係数が結晶シリコン膜の
消衰係数より大きな波長のレーザ光を用いて、非晶質シ
リコンのみが溶融するエネルギー密度で、基板上に形成
された非晶質シリコン膜をレーザアニールすることによ
り、レーザ照射の重なる多結晶シリコン膜の領域は溶融
させずに、非晶質シリコン膜のみを結晶化できるため、
従来のようにキャップ酸化膜からの酸素のシリコン膜中
への拡散を防止できるため、特性のばらつきの少い多結
晶シリコン膜を容易に形成できる。この為トランジスタ
の特性のばらつきも小さくできる。
【0029】また本発明は、非晶質シリコンを結晶化す
る工程で、非晶質シリコン膜の消衰係数の大きなレーザ
光を非晶質シリコン膜に照射して、その表面を結晶化し
た後に、結晶シリコン膜での消衰係数が小さく非晶質シ
リコン膜の消衰係数が大きなレーザ光を照射して、非晶
質シリコン膜を選択的にアニールし膜全体を結晶化する
ことにより、表面荒れの少い多結晶シリコン膜を容易に
形成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例を説明するための基板の断面
図。
【図2】結晶シリコン膜及び非晶質シリコン膜に対する
光の波長と消衰係数との関係を示す図。
【図3】本発明の実施例を説明するための基板の断面
図。
【図4】従来の多結晶シリコン膜の形成方法を説明する
ための基板の断面図。
【図5】従来の他の多結晶シリコン膜の形成方法を説明
するための基板の断面図。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 非晶質シリコン膜 3 表面領域 4 溶融領域 5,5A〜5D 多結晶シリコン膜 6 キャップ酸化膜 7,7A レーザ光 8A,8B 照射領域 9 酸素

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成された非晶質シリコン膜に
    レーザ光を照射して結晶化する結晶シリコン膜の形成方
    法において、非晶質シリコン膜における消衰係数の大き
    なレーザ光を非晶質シリコン膜に照射して該非晶質シリ
    コン膜の表面のみを結晶化した後に、結晶シリコン膜に
    おける消衰係数が小さく非晶質シリコン膜における消衰
    係数が大きなレーザ光を照射して、前記非晶質シリコン
    膜全体を結晶化することを特徴とする結晶シリコン膜の
    形成方法。
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