JP4570028B2 - ポリシリコンパターンの形成方法、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、アモルファスシリコンにレーザ照射をして得られるポリシリコンパターンの形成方法、このポリシリコンパターンを用いた薄膜トランジスタの製造方法及びこれによって得られる薄膜トランジスタに関する。

液晶ディスプレイでは、その各画素を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）により駆動させている。高精細な液晶ディスプレイを得るためにはアモルファスシリコンよりもキャリア移動度の高いポリシリコンを用いたＴＦＴが必要とされている。なお、ポリシリコンは、一般に、１０〜２０ｎｍ以上の粒径をもつ微細結晶の集合体と定義される。そのポリシリコンの膜を得る方法として、アモルファスシリコン膜をレーザアニールする方法がある。これによって、高温処理に耐えられる高価な石英ガラス基板を用いることなく、廉価なガラス基板（無アルカリガラス）を用いてのポリシリコンＴＦＴが多くの液晶製品に用いられるようになってきた。

従来は、図５に示すように、ガラス基板１上に下地層として例えばＳｉＮｘ膜２とＳｉＯ₂膜３を形成し、その上にアモルファスシリコン膜４を全面的に形成し、そのアモルファスシリコン膜４にレーザアニールを行ってポリシリコン化してから所望のパターンにパターニングしていた。あるいは、図６に示すようにアモルファスシリコン膜４の上にキャップ層（例えばＳｉＯ₂膜）５を形成し、そのキャップ層５に覆われたアモルファスシリコン膜４にレーザアニールを行う方法もある（特許文献１参照）。
特開２００４−６４０６０号公報

一般にアモルファスシリコンの表面は平滑性が高いが、レーザアニールによるポリシリコンへの移行過程で、融解したシリコンが固化するときのシリコン原子の凝集により表面が粗くなるという問題がある。

表面の凹凸が著しくなると、その上に積まれる膜にも凹凸が反映され、段差部での膜厚が薄くなり断線が生じやすくなったり、また、露光時、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなり、特に微細パターンの加工性が悪くなるなどといった問題がある。さらに、ポリシリコンパターンを薄膜トランジスタの活性領域として用いる場合にはポリシリコンパターンの上にはゲート絶縁膜が形成されるので、ポリシリコンパターンの表面が粗くなると、リーク電流の増加や絶縁耐圧の低下など薄膜トランジスタの特性低下に結びつくおそれもある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、レーザアニールによるアモルファスシリコンからポリシリコンへの移行過程で表面が粗くなることを抑制するポリシリコンパターンの形成方法、薄膜トランジスタの製造方法及び薄膜トランジスタを提供することにある。

本発明のポリシリコンパターンの形成方法は、絶縁体にアモルファスシリコンからなる島状部を形成する工程と、その島状部を覆うように絶縁体上にキャップ層を形成する工程と、キャップ層で覆われた島状部にレーザ照射を行い、アモルファスシリコンをポリシリコン化する工程とを含むことを特徴としている。

このような本発明によれば、先にアモルファスシリコンを所望のパターン（島状部）にしてからレーザ照射を行う。そのレーザ照射を受けるアモルファスシリコンからなる島状部はその上面及び周囲がキャップ層に覆われ、そのキャップ層は島状部と島状部との間の部分で絶縁体表面にしっかりと固定されているので、キャップ層に拘束された状態で島状部はレーザ照射を受ける。これにより、レーザ照射を受けた際の融解及びこの後の再結晶時の変形を抑えることができ、表面の粗さを低減できる。

また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、上記方法により形成されたポリシリコンパターンに活性領域を形成する工程を含むことを特徴としている。

この薄膜トランジスタの製造方法において、特に、上記キャップ層を除去せずにそのままゲート絶縁膜として残せば、工数及びコストの低減が図れる。

また、本発明の薄膜トランジスタは、上述した薄膜トランジスタの製造方法によって得られることを特徴としている。

この薄膜トランジスタにおいて、特に、ポリシリコンパターンである島状部の外形線が持つ角部を１つだけとすれば、上記レーザアニールによる再結晶化の際にその角部を起点として結晶成長が進みやすくなり、複数方向から結晶成長が進んでいく場合に比べて結晶粒径を大きくできる。結晶粒径の増大は移動度の向上につながる。

本発明によれば、アモルファスシリコンをレーザアニールすることによって得られるポリシリコンパターンの表面が粗くなるのを抑制でき、加工性及び品質の向上が図れる。特に、そのポリシリコンパターンを薄膜トランジスタの活性領域として用いれば薄膜トランジスタの特性向上に大きく寄与する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係るポリシリコンパターンの形成方法を示す。

先ず、図１（ａ）に示すように基板１上にプリカーサ膜を形成する。本実施形態では、基板１は例えばガラス基板であり、プリカーサ膜は例えばＳｉＮｘ膜２、ＳｉＯ₂膜３、アモルファスシリコン膜４の３層からなる。ＳｉＮｘ膜２は基板１上に例えばプラズマＣＶＤ法で形成される。そのＳｉＮｘ膜２の上にＳｉＯ₂膜３が例えばプラズマＣＶＤ法で形成される。アモルファスシリコン膜４は例えばシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂膜３の上に形成される。

以上により、基板１、ＳｉＮｘ膜２、ＳｉＯ₂膜３からなる絶縁体８上にアモルファスシリコン膜４が形成された構造が得られる。ＳｉＮｘ膜２及びＳｉＯ₂膜３からなる下地層は、その上に形成される各種パターンや薄膜トランジスタなどの素子に作用する応力を緩和したり、パターン間や素子間を絶縁分離する役割を担う。その下地層としては、図１に示す構成以外にも、ＳｉＮｘ膜２のみ、ＳｉＯ₂膜３のみ、ＳｉＯＮ膜のみ、あるいはこれらのうち少なくとも２つ以上を組み合わせた積層体としてもよい。あるいは、下地層を形成せずに、アモルファスシリコン膜４を基板１上に直接形成してもよい。

次いで、ＳｉＯ₂膜３の上に全面的に形成されているアモルファスシリコン膜４のパターニングを行い、図１（ｂ）に示すような島状部４ａとする。具体的には、アモルファスシリコン膜４上にレジスト膜を塗布し、その上に所望のパターンが形成されたマスクを密着させてレジスト膜を露光及び現像してレジストパターンを形成する。そして、そのレジストパターンをマスクとしてアモルファスシリコン膜４を選択的にエッチングする。

本実施形態では島状部４ａ（厳密に言うと後述する工程にてポリシリコン化された島状部６）は液晶ディスプレイの各画素をスイッチングする薄膜トランジスタの活性領域として用いられ、ｍ行×ｎ列の画素に対応してｍ×ｎ個の島状部４ａが配置されている。各々の島状部４ａの（上面及び底面とも）その平面形状は図３に示すように四角形であり、断面形状は台形状であり、厚さは５０ｎｍほどである。

上記エッチング後レジストマスクは除去され、島状部４ａが露出された絶縁体８表面は洗浄される。この後、例えばＴＥＯＳ（tetra ethoxy silane）と酸素との混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法で、島状部４ａを覆うようにＳｉＯ₂膜３上にＳｉＯ₂膜からなるキャップ層５を形成する（図１（ｃ）参照）。キャップ層５の厚さ（島状部４ａ上に位置していない部分の厚さ）は、１００ｎｍ〜３００ｎｍほどである。

なお、ＳｉＯ₂膜の原料ガスとしては、ＴＥＯＳと酸素との混合ガス以外にも、ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏとの混合ガスも使用することができる。また、ＳｉＯ₂膜以外にＳｉＮｘ膜をキャップ層５として用いてもよい。

次いで、図１（ｄ）に示すように、キャップ層５側から島状部４ａに向けてレーザ照射を行う。例えば、アルゴンガスとフッ素ガスとを反応させたときに出る紫外光を基にして作られるエキシマレーザが用いられる。レーザ照射を受けた島状部４ａは局所的に高温とされ、照射された部分のアモルファスシリコンが融解して、そのあとに再結晶がなされポリシリコンができる。すなわち、アモルファスシリコンからなる島状部４ａは、ポリシリコン化された島状部６となる（図３参照）。

本実施形態では、上述したように、レーザ照射を行う前に、ポリシリコン化すべきアモルファスシリコンの膜を島状にパターニングし、且つキャップ層５で上面からだけでなく周囲からも覆い、島状部４ａと島状部４ａとの間を埋めるキャップ層５は絶縁体８表面にしっかりと固定されている。そのキャップ層５に島状部４ａが拘束された状態でレーザ照射を受けるので、ポリシリコンへの移行過程で融解したシリコンが再結晶化するときの変形を抑えることができ、レーザアニール後の島状部６表面の粗れを抑制できる。これにより、その島状部６の上に積まれる膜も良好な平滑性が得られ、段差部での断線防止や、パターンの加工性の向上が図れる。

また、通常、一度のレーザビーム照射ではポリシリコン化すべき面のすべてをカバーできないため、レーザビームを複数回にわたって走査させる必要がある。この場合に、複数回の走査でレーザビームが重ねられて照射される部分が生じると、重ねられなかった部分との間で結晶化の度合いに差が生じ、ポリシリコンの膜質の特性にばらつきが生じるおそれがある。

しかし、本実施形態では、ポリシリコン化すべきアモルファス膜は、既にパターニングされて島状に小さくされているので、島状部と島状部との間に上記レーザビーム走査の重なり部分を位置させることで、島状部にレーザビーム走査の重なり部分が位置してしまうことを防げる。これにより各々の島状部における結晶化の度合いに差が生じてしまうのを防げる。ポリシリコンの膜質特性のばらつきを抑制できることは、結果としてそのポリシリコンを活性領域として利用する薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑制できる。

以上のようにしてポリシリコンパターンが形成された後、以下に示すようにして薄膜トランジスタの製造工程が続けられる。

上述したレーザアニールによるアモルファスシリコンのポリシリコン化の後、通常、キャップ層５はエッチングなどにより除去されるが、本実施形態ではキャップ層すなわちＳｉＯ₂膜５をそのまま残して薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いる。これにより、別途ゲート絶縁膜を形成する工程を省け、工数及びコスト低減が図れる。

上述した図１（ｄ）の工程の後、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂膜５上におけるポリシリコン化された島状部６の上に位置する部分に、ゲート電極Ｇを形成する。そして、そのゲート電極Ｇをマスクとして（自己整合的に）イオンドーピング法で不純物を注入し、島状部６にソースＳ及びドレインＤを形成する。

次いで、図２（ｆ）に示すように、ゲート電極Ｇを覆うようにＳｉＯ₂膜５上に層間絶縁膜９を形成し、その層間絶縁膜９及びＳｉＯ₂膜５に、ソースＳ及びドレインＤに達するコンタクトホールを開口した後、そのコンタクトホールを充填する電極１１、１２ａを形成する。ソースＳに接続される電極１１はデータ線（図示せず）に接続される。ゲート電極Ｇはゲート線（図示せず）に接続される。これらゲート線とデータ線とはマトリクス状に交差している。また、電極１２ａは画素電極１２ｂと接続される。以上のようにして薄膜トランジスタが完成する。

ポリシリコン化された島状部６は薄膜トランジスタの活性領域として機能し、上述した不純物注入によりソースＳ及びドレインＤが形成される共に、ゲート電極Ｇに電圧が印加されるとソースＳ−ドレインＤ間にチャネルが形成される。そして、平滑性に優れた島状部６の上にゲート絶縁膜、さらにはゲート電極が形成されるので、リーク電流の低減や絶縁耐圧の向上など薄膜トランジスタの品質の向上が図れる。

次に、島状部のパターンサイズ変化に対する表面粗さの測定を行った結果について説明する。島状部の平面形状は正方形とした。そして、その上面の１辺の長さを３、５、１０、２０、５０μｍと変えたものを用意し、これら各々に波長５４３ｎｍのＹＡＧレーザを用いたレーザアニールによりポリシリコン化を行った。ポリシリコン化後の島状部の表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａの測定結果を表１に示す。

この結果から明らかなように、１辺の長さが５０μｍ以下の島状部のすべてについて、従来例に相当する島状部パターニング前の全面膜の状態でレーザアニールを受けたものよりも表面粗さＲａを小さくできている。特に２５μｍ以下のものではＲａ＜１００Åとなっており、著しい表面粗さの低減効果が得られている。

［第２の実施形態］
上記第１の実施形態では島状部の平面形状は四角形としたが、その形状を変えることで、結晶化の進行方向を制御することも可能である。例えば、本実施形態では図４に示す平面形状の島状部２０を形成した。この島状部２０は、各々の一端が結ばれて角部２０ａを形成する２直線部２１ａ、２１ｂと、これら直線部２１ａ、２１ｂ各々の他端を結ぶ弧状部２２とからなる外形線を有する。角部２０ａの内角は１８０゜より小さく、例えば図示の例では略９０゜である。

図において矢印は、小さな結晶粒が大きな結晶粒に成長していく進行方向を示す。このような形状の島状部２０に対してレーザアニールを行ったところ、角部２０ａを起点として結晶粒の成長が進み、第１の実施形態の正方形パターンに比べて大きな粒径の結晶粒となった。ポリシリコンにおいて結晶粒径の増大は、キャリアの移動度を増大させポリシリコンの品質を高めることにつながる。

本実施形態の島状部２０では、結晶の核が、１つしかない角部２０ａにでき、矢印の方向に成長していった。これに対して、結晶の核が複数存在し、それら核を起点として結晶が成長した場合にはそれぞれの結晶粒がぶつかるところで粒界ができてしまうため結晶粒が大きくなりにくい。そのため結晶成長の起点となりやすい角部は１つとすることが好ましい。なお、この島状部２０においては、上述した５０μｍ以下とするのが好ましい平面寸法の代表長さとしては直線部２１ａ、２１ｂのうち長い方の直線部の長さとする。

また、島状部の平面形状は円形であってもよい。この場合には、上記５０μｍ以下とするのが好ましい平面寸法の代表長さとしては直径とする。正方形以外の角形の場合には、最長辺の長さを上記代表長さとする。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

液晶ディスプレイにおいて表示部の他に、駆動回路やマイクロプロセッサなどの周辺回路もガラス基板上に形成するシステム・オン・ガラス構造の場合には、それら周辺回路にも、本発明によって得られるポリシリコンパターンや薄膜トランジスタを適用できる。また、ポリシリコンパターンは、薄膜トランジスタに限らず、ダイオードやキャパシタなどに用いてもよい。

上記実施形態では、アモルファスシリコンからなる島状部に対するレーザ照射は、キャップ層５側から行ったが、基板１側から行ってもよい。この場合には、特に、島状部上面（基板１側に向く面の反対面）の凹凸を抑えることができる。

アモルファスシリコンからなる島状部を形成する方法としては、上記実施形態で説明した方法以外にも、例えば、絶縁体８表面に、得るべき島状部の平面形状に応じた平面形状の開口部を形成し、その開口部を埋めるようにアモルファスシリコン膜を絶縁体８上に形成し、そのアモルファスシリコン膜を絶縁体８表面に到達するまでＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）やエッチバックにて削り取るようにしてもよい。

本発明の実施形態に係るポリシリコンパターンの形成方法を示す断面図である。 図１に続く工程にて薄膜トランジスタを形成する方法を示す断面図である。 島状部の平面形状の一例を示す図である。 図３とは異なる平面形状を示す図である。 基板上に形成された従来例のプリカーサ膜の断面図である。 他従来例のプリカーサ膜の断面図である。

符号の説明

１…基板、２…ＳｉＮｘ膜、３…ＳｉＯ₂膜、４…アモルファスシリコン膜、４ａ…アモルファスシリコンからなる島状部、５…キャップ層（ゲート絶縁膜）、６…ポリシリコン化された島状部、８…絶縁体、９…層間絶縁膜、２０…島状部、２０ａ…角部、Ｓ…ソース、Ｄ…ドレイン、Ｇ…ゲート。

Claims (6)

1. 絶縁体にアモルファスシリコンからなる島状部を形成する工程と、
   前記島状部を覆うように前記絶縁体上にキャップ層を形成する工程と、
   前記キャップ層で覆われた前記島状部にレーザ照射を行い、前記アモルファスシリコンをポリシリコン化する工程と、
   を含み、
   前記島状部の外形線が持つ角部は１つだけであることを特徴とするポリシリコンパターンの形成方法。
2. 前記島状部を形成する工程は、
   前記絶縁体上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
   前記アモルファスシリコン膜を選択的にエッチングして島状に残す工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
3. 前記島状部の平面寸法の代表長さを５０μｍ以下にする請求項１または請求項２に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかの方法で形成されたポリシリコンパターンに活性領域を形成する工程を含む薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記キャップ層を除去せずにゲート絶縁膜として残す請求項４に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6. 請求項４または請求項５の方法で製造された薄膜トランジスタ。

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