JPH1174198A - 半導体薄膜およびその製造方法および薄膜半導体装置 - Google Patents
半導体薄膜およびその製造方法および薄膜半導体装置Info
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- JPH1174198A JPH1174198A JP23436897A JP23436897A JPH1174198A JP H1174198 A JPH1174198 A JP H1174198A JP 23436897 A JP23436897 A JP 23436897A JP 23436897 A JP23436897 A JP 23436897A JP H1174198 A JPH1174198 A JP H1174198A
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Abstract
膜およびその製造方法を提供し、上記半導体薄膜を素子
材料として、高性能でかつ信頼性,安定性が高く、複数
の素子間の特性の均一性が高い薄膜半導体装置を提供す
る。 【解決手段】 絶縁表面を有する基板上に膜中水素濃度
が1×1020atoms/cm3以下の非晶質または微結晶状態
のケイ素膜を形成し、そのケイ素膜にエネルギービーム
を照射することによってケイ素膜を結晶化させる。
Description
る基板上に設けられた薄膜トランジスタ等に用いられる
半導体薄膜およびその製造方法に関し、さらに、その半
導体薄膜を用いてアクティブマトリクス型の液晶表示装
置,密着型イメージセンサ,三次元IC等に使用される薄
膜半導体装置に関する。
高速で高解像度の密着型イメージセンサ、三次元IC等
の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や絶縁膜上に高
性能な半導体素子を形成する試みがなされている。これ
らの装置に用いられる半導体素子には、ケイ素半導体薄
膜を用いるのが一般的である。上記ケイ素半導体薄膜と
しては、非晶質ケイ素半導体(a−Si)からなる薄膜と
結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜の2つに大別
される。
作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが
可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられてい
る。しかしながら、上記非晶質ケイ素半導体からなる薄
膜は、結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜に比べ
て導電性等の物性が劣るため、より高速な特性を得るた
めには、結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜の製
造方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有
するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ
素等が知られている。
製造方法としては、次の(1)〜(3)がある。
膜する方法。
熱エネルギーを加えることにより結晶性化する方法。
レーザー光等の強光のエネルギーにより結晶化する方
法。
晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素膜を得るこ
とが難しく、結晶粒径を大きくするには、ケイ素膜の厚
膜化が不可欠となる。しかしながら、例え厚膜化したと
しても、基本的には膜厚と同程度の結晶粒径しか得られ
ず、この(1)の方法により良好な結晶性を有するケイ素
膜を作製することは原理的にほとんど不可能である。
0℃以上の高温で数十時間にわたって加熱処理を行う必
要があるため、生産性に非常に乏しい。また、固相結晶
化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に拡がり
数μmの粒径を有するものも現れるが、成長した結晶粒
同士がぶつかり合って粒界が形成され、その粒界がキャ
リアに対するトラップ準位として働き、薄膜トランジス
タの移動度を低下させる大きな原因となっている。さら
に、それぞれの結晶粒は双晶構造を示し、一つの結晶粒
内においても、いわゆる双晶欠陥と呼ばれる結晶欠陥が
多量に存在している。
ている。この(3)の方法では、溶融固化過程を利用して
結晶化するので、個々の結晶粒内の結晶性は非常に良好
である。また、照射光の波長を選ぶことで、アニールの
対象であるケイ素膜のみを効率的に加熱し、下層のガラ
ス基板等への熱的損傷を防ぐことができると共に、(2)
の方法のような長時間にわたる加熱処理が不要である。
また、製造に用いられる装置面でも、高出力のエキシマ
レーザーアニール装置等が開発され、大面積基板に対し
ても対応可能になりつつある。
薄膜を形成する方法が、特開平6−163588公報に
示されている。上記結晶性ケイ素薄膜を形成する方法で
は、結晶化された結晶性ケイ素膜に対して、研磨剤を用
いてその表面を研磨して、結晶性ケイ素膜表面の凹凸を
低減している。
れている結晶性ケイ素薄膜を形成する方法では、5×1
020atoms/cm3以下の低水素濃度の非晶質ケイ素膜を形
成した後、エキシマレーザーや連続発振Arレーザー等
のレーザー光を照射し、上記非晶質ケイ素膜を溶融固化
過程において結晶化している。
高性能な薄膜半導体装置を実現するためには、その活性
領域を構成するケイ素半導体薄膜の作製において、少な
くとも上記(3)の方法を用いざるをえない。ところが、
上記(3)の方法で得られる結晶性ケイ素膜では、その表
面ラフネスの大きさに大きな問題がある。すなわち、上
記(3)の方法では、非晶質ケイ素膜は、強光のエネルギ
ーにより、その融点1414℃以上まで瞬時に加熱さ
れ、数十nsec程度の冷却時間で室温付近まで冷却されて
固化する。このとき、あまりにも固化速度が速いので、
ケイ素膜は過冷却状態となり、一瞬にして固化される結
果、一般的に結晶粒径は100〜200nm程度と非常に
小さくなると共に、結晶粒がぶつかり合った点、すなわ
ち結晶粒界は山状に盛り上がる。この現象は、特に3つ
の結晶粒がぶつかり合った三極点で顕著となる。この結
晶成長に起因する山状の盛り上がりを以後「リッジ」と
呼ぶ。
結晶性ケイ素膜の表面状態の原子間力顕微鏡(AFM)像
を示している。図7において、X−Y方向のフルスケー
ルは1μmであり、Z方向のフルスケールは100nmで
ある。図7に示すように、結晶性ケイ素膜の表面には、
多くのリッジが存在する。このような結晶性ケイ素膜に
より、MOS型トランジスタ等の薄膜半導体装置の活性
領域を作製すると、結晶性ケイ素膜表面のリッジに電界
集中が起こるため、上層の絶縁膜の耐圧低下やリーク電
流の原因となる。したがって、薄膜半導体装置としての
信頼性が大きく低下し、実用に耐える薄膜半導体装置を
得ることは非常に困難である。
クス基板においては、液晶容量と並列に補助容量が設け
られているが、画素用薄膜トランジスタのチャネル部と
共にその補助容量の電極として、上記結晶性ケイ素膜を
用いた場合、そのリッジによる表面積率の変化のため、
容量は設計値からずれて、表示むらやフリッカ等の表示
不良を引き起こす原因となる。
び特開平7−38110号公報は、上記問題点に対して
の一つの解決策として提案されているが、実際にはこれ
らの技術を用いても上記問題点の解決にはならない。
の半導体薄膜の製造方法では、研磨剤により結晶性ケイ
素膜の表面凹凸を研磨しているが、上記結晶性ケイ素膜
は薄膜半導体装置の活性領域であり、MOSトランジス
タにおいてはその表面はチャネル面を構成するため、こ
の面に対してダメージを与えることは、好ましくない。
上記研磨工程においては、結晶性ケイ素膜表面はかなり
の研磨ダメージを受け、このようなケイ素膜を活性領域
を用い薄膜半導体装置を製造したとしても、この発明の
目的とする高品質な半導体薄膜およびそれを用いた高信
頼性および高性能な薄膜半導体装置は全く得られない。
体薄膜の製造方法は、薄膜トランジスタにおける電界効
果移動度の向上に注目したものであり、結晶性ケイ素膜
の表面ラフネス(リッジ)について考慮されたものではな
い。実際に、本出願人が特開平7−38110号公報に
従って薄膜トランジスタを作製し、評価を行ったとこ
ろ、その活性領域となる結晶性ケイ素膜表面のラフネス
は従来法に比べて大差なく、トランジスタ特性において
は、高信頼性と高性能は両立できず、トレードオフの関
係を示すことがわかっている。したがって、特開平7−
38110号公報の技術だけでは、この発明の目的とす
る高品質な半導体薄膜およびそれを用いた高信頼性を有
する高性能な薄膜半導体装置を得ることはできない。
を低減でき、高品質な半導体薄膜およびその製造方法を
提供することにある。
半導体薄膜を用いて、表示品位の高い液晶表示装置等に
使用される高信頼性を有する高性能な薄膜半導体装置を
提供することにある。
より高解像度のアクティブマトリクス液晶表示装置、同
一基板上に液晶駆動用のドライバを作り込むドライバモ
ノリシック型アクティブマトリクス液晶表示装置、高速
で高解像度の密着型イメージセンサおよび三次元IC
(集積回路)等を実現するために、それらを構成する半導
体素子の活性領域となる高品質な半導体薄膜を供給する
ことを目的とする。すなわち、この発明は、上述のよう
にレーザー光等の強光照射により得られる高品質な半導
体薄膜における従来の問題点を解決するものである。具
体的には、この発明は以下の特徴を有する。
度が1×1020atoms/cm3以下の非晶質または微結晶状
態のケイ素膜にエネルギービームを照射することによっ
て結晶化させたケイ素膜であることを特徴としている。
結晶化された結晶性ケイ素半導体薄膜において、上述の
問題点を解決することで、高性能な薄膜半導体装置や高
表示品位の液晶表示装置等様々な分野に応用される高品
質な結晶性ケイ素膜について研究した。その結果、つい
に、上記ケイ素膜表面のリッジによる問題点が解決で
き、目的とする高品質な結晶性ケイ素膜である半導体薄
膜およびそれを用いた高信頼性で高性能な薄膜半導体装
置を実現できることがわかった。
ム照射後におけるケイ素膜の表面ラフネスすなわちリッ
ジの大きさは、エネルギービーム照射前のケイ素膜(出
発膜)の水素濃度に大きく左右され、水素含有量が多い
ほど表面ラフネスも大きくなった。これだけなら、一般
的にも考えられていることであるが、さらに膜中の水素
濃度が極めて低くなったときに、全く考えられなかった
ような表面ラフネスの減少傾向を示すことがわかった。
ギービームに波長308nmのXeClエキシマレーザーを
用いた場合のレーザー光の照射エネルギー密度に対する
結晶化後のケイ素膜表面の平均面粗さRaの変化を示し
ている。なお、図1の横軸は結晶化のときにケイ素膜に
照射されるレーザーの照射エネルギー密度を表し、縦軸
はレーザー照射後のケイ素膜表面の平均面粗さRaを表
している。
られている非晶質ケイ素膜は、一般的にプラズマCVD
法により基板上に堆積させたものであり、膜中水素濃度
は1×1022atoms/cm3程度と非常に高濃度である。こ
のような膜にレーザー光を照射すると、その照射エネル
ギー密度に対する結晶化後のケイ素膜表面の平均面粗さ
Raは、照射エネルギー密度に対して図1のAで表され
るような関係を示している。すなわち、ある照射エネル
ギー密度aより急激に表面ラフネスが大きくなり、それ
以上の照射エネルギー密度では膜自身が飛散する。この
原因としては、結晶化工程におけるリッジの発生に加え
て、膜中水素の突沸が考えられる。
られた非晶質ケイ素膜に対して、450℃程度の熱処理
を行って、脱水素化してからレーザー光照射を行うのが
望ましい。上記熱処理後に得られたa−Si膜の膜中水
素濃度は、5×1020atoms/cm3程度である。この膜に
レーザー光を照射したとき、その照射エネルギー密度に
対するケイ素膜表面の平均面粗さRaは、図1のBのよ
うな関係を示している。すなわち、急激に表面ラフネス
が大きくなる点が、照射エネルギー密度bで示されるよ
うに、照射エネルギー密度のより高い側にシフトし、結
果としてAに比べて、より高い照射エネルギー密度でレ
ーザー光照射が行えるようになる。
以下のケイ素膜を出発膜としてレーザー照射した場合
が、図1におけるCである。上記Bに比べ、急激なケイ
素膜表面ラフネスの増大が全く見られないことがわか
る。明らかに、BからCへの過程で大きな変化が生じて
いることが予想される。
がb以上の大きさとなる点(具体的には照射エネルギー
密度350mJ/cm2)において、出発膜の膜中水素濃度
と、レーザー照射後のケイ素膜表面の平均面粗さRaと
の関係を示している。なお、図2の横軸は出発膜の膜中
水素濃度、縦軸はレーザー照射後のケイ素膜表面の平均
面粗さRaを表している。
素濃度が減少するに従って、レーザー照射後の表面ラフ
ネスも減少するが、膜中水素濃度が1×1020atoms/c
m3より小さくなったときに、表面ラフネスを表す平均面
粗さRaが急激に減少し、さらに、膜中水素濃度が2×
1019atoms/cm3以下では、平均面粗さRaが飽和して
安定している。
1020atoms/cm3以下とすることで、レーザー照射後の
ケイ素膜において、劇的に表面ラフネスが低減できる。
これにより、レーザー照射工程における処理マージンが
拡大すると共に、結晶化後のケイ素膜において膜質の均
一性が向上する。さらに当然のことながら、表面ラフネ
スが低減でき、半導体素子における信頼性低下を防ぐこ
とができ、また、結晶化のためのエネルギーを大きくす
ることができるため、より高品質な結晶性を有するケイ
素膜が得られ、それを利用してより高性能な薄膜半導体
装置を実現することが可能となる。
の半導体薄膜おいて、上記非晶質または微結晶状態のケ
イ素膜の膜中水素濃度が2×1019atoms/cm3以下であ
ることを特徴としている。
について前述したように、出発膜における膜中水素濃度
が減少するに従って、エネルギービーム照射後の表面ラ
フネスも減少するが、膜中水素濃度が1×1020atoms
/cm3より小さくなると、表面ラフネスを表す平均面粗
さが急激に減少し、さらに、膜中水素濃度が2×1019
atoms/cm3以下では、平均面粗さが飽和して安定してい
る。したがって、膜中水素濃度2×1019atoms/cm3以
下とすることで、図1のCに見られるようにエネルギー
ビーム照射時の照射エネルギー密度に依存せず、ケイ素
膜の表面ラフネスを一定値以下に抑えることができる。
または2の半導体薄膜において、上記エネルギービーム
照射後のケイ素膜表面の平均面粗さRaは、5nm以下で
あり、かつ、上記ケイ素膜自体の膜剥がれが起こってい
ないことを特徴としている。
ば、トップゲート型の電界効果薄膜トランジスタにこの
半導体薄膜を用いた場合では、活性領域表面(チャネル
面)の平均面粗さRaが5nmを境として、それ以上の値と
なった場合には、急激な素子の信頼性低下(例えばゲー
ト絶縁膜を介したりーク電流増大等)が生じる。しかし
ながら、活性領域であるケイ素膜の結晶性が向上するに
つれて、素子性能が向上するため、従来法においては、
ケイ素膜表面の平均面粗さRaが5nm程度となるように
していた。これでは、ケイ素膜の結晶性を、ある程度以
上に向上することはできず、また、ケイ素膜表面の平均
面粗さRaを5nm程度となるようにしても、エネルギー
ビーム照射工程におけるばらつきのため、局所的にケイ
素膜表面の平均面粗さRaが大きくなる領域が存在し、
そこに形成された薄膜トランジスタは、信頼性が他の薄
膜トランジスタに比べて劣っている。この発明の半導体
薄膜では、例えエネルギービーム照射工程において照射
エネルギーがばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さ
Raが5nmで、かつ、膜剥がれが起こらないようにする
ので、全ての半導体素子において同様の高い信頼性が得
られると共に、表面ラフネスにかかわらず、ケイ素膜の
結晶化エネルギーを最適化できるため、所望の高品質な
結晶性ケイ素膜である半導体薄膜およびそれを用いた高
性能な薄膜半導体装置を得ることができる。
の半導体薄膜において、上記ケイ素膜表面の平均面粗さ
Raは、原子間力顕微鏡によって10μm□以下の測定エ
リアに対して測定された値であることを特徴としてい
る。
ケイ素膜表面の平均面粗さRaとは、基準面(指定面の高
さの平均値となるフラット面)から指定面までの偏差の
絶対値を平均した値であり、 Ra=1/S0∫∫|F(X,Y)−Z0|dXdY で表される。なお、S0は基準面の面積、Z0は基準面の
高さ、F(X,Y)は座標(X,Y)における指定面の高さ
を表している。この発明の半導体薄膜において定義され
る平均面粗さRaが、原子間力顕微鏡(AFM)で10μm
□以下の測定エリアに対して測定された値であれば、サ
ブnmオーダーまでの測定信頼性があり、この発明の主旨
を損なうことはない。
乃至4のいずれか1つの半導体薄膜において、上記非晶
質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが20nmから60
nmの範囲内であることを特徴としている。
60nm以下にケイ素膜を薄膜化することによって、レー
ザー光等のエネルギービームを照射し、溶融固化過程で
結晶化するときに、ケイ素膜全体(表面から下層界面に
わたって)が均一に溶融し、結晶粒が大きく成長すると
共に、結晶粒径のばらつきも小さく抑えることができ
る。さらに、上記ケイ素膜を60nm以下に薄膜化するこ
とによって、上述のようにエネルギービーム照射後に得
られる結晶性ケイ素膜表面の平均面粗さRaを、その照
射エネルギーによらず、5nm以下に抑えることが可能と
なる。しかし、上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜
の厚さが20nm以下になると、エネルギービームの照射
エネルギーが低い領域でも、ケイ素膜の膜飛びや膜剥が
れが発生するようになり、半導体薄膜として用いるのは
困難となる。
は、膜中水素濃度が1×1020atoms/cm3以下の非晶質
または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程と、上記ケ
イ素膜に対してエネルギービームを照射することによっ
て、上記ケイ素膜を結晶化させる工程とを有することを
特徴としている。
れば、出発膜の膜中水素濃度を1×1020atoms/cm3以
下とすることで、エネルギービーム照射後のケイ素膜に
おいて、劇的に表面ラフネスが低減できる。これによ
り、エネルギービーム照射工程における処理マージンが
拡大すると共に、結晶化後のケイ素膜において膜質の均
一性が向上する。さらに当然のことながら、表面ラフネ
スが低減でき、半導体素子における信頼性低下を防ぐこ
とができると共に、結晶化のためのエネルギーを大きく
することができるため、より高品質な結晶性ケイ素膜が
得られ、それを利用してより高性能な薄膜半導体装置を
実現することが可能となる。
は、請求項6の半導体薄膜の製造方法において、上記非
晶質または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程におい
て、上記ケイ素膜の膜中水素濃度を2×1019atoms/c
m3以下にしたことを特徴としている。
れば、出発膜における膜中水素濃度が減少するに従っ
て、エネルギービーム照射後の表面ラフネスも減少する
が、膜中水素濃度が1×1020atoms/cm3より小さくな
ると、表面ラフネスを表す平均面粗さが急激に減少し、
さらに、膜中水素濃度が2×1019atoms/cm3以下で
は、平均面粗さが飽和して安定する。したがって、膜中
水素濃度2×1019atoms/cm3以下とすることで、エネ
ルギービーム照射時の照射エネルギーに依存せず、ケイ
素膜の表面ラフネスを一定値以下に抑えることができ
る。
は、請求項6または7の半導体薄膜の製造方法におい
て、上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を結晶化す
るためのエネルギービームは、波長500nm以下のレー
ザー光であることを特徴としている。
れば、膜中水素濃度が所定値の非晶質または微結晶状態
のケイ素膜を絶縁性基板等に堆積し、その後にエネルギ
ービームを照射して結晶化させるとき、上記非晶質また
は微結晶状態のケイ素膜を結晶化するためのエネルギー
ビームに波長500nm以下のレーザー光を用いる。そう
すると、上記波長500nm以下のレーザー光は、ケイ素
膜に対する吸収係数が極めて高いため、絶縁性基板に熱
的ダメージを与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加
熱することができる。また、上記レーザー光を用いるこ
とで、非晶質ケイ素膜を瞬時に、融点1414℃に加熱
するだけの高出力化が可能となる。
は、請求項8の半導体薄膜の製造方法において、上記波
長500nm以下のレーザー光は波長308nmのXeClエ
キシマレーザー光であって、上記ケイ素膜に対して照射
エネルギー密度が250〜400mJ/cm2の範囲内の上
記XeClエキシマレーザー光を照射することによって、
上記ケイ素膜を結晶化させることを特徴としている。
れば、上記波長308nmのXeClエキシマレーザー光
は、出力が大きいため、ケイ素膜を形成する基板に照射
するときのビームサイズを大きくでき、大面積基板に対
応しやすく、また出力も比較的安定しており、量産装置
に適用する上で最も望ましい。また、上記エキシマレー
ザー光をケイ素膜に照射して結晶化するとき、250mJ
/cm2以上の照射エネルギー密度であれば、薄膜ケイ素
膜がほぼ完全に下層まで溶融し、高品質な結晶性ケイ素
膜が得られる。しかしながら、400mJ/cm2以上の照
射エネルギー密度においては、ケイ素膜の膜飛びや膜剥
がれが発生するため、これ以上エネルギーアップしても
良好な状態の結晶性ケイ素薄膜は得られない。
は、請求項6乃至9のいずれか1つの半導体薄膜の製造
方法において、上記膜中水素濃度を有する非晶質または
微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程において、シリコ
ンターゲットを用いたスパッタリング法により上記ケイ
素膜を堆積することを特徴としている。
よれば、堆積段階において膜中に取り込まれた水素原子
は、その後に熱処理を行っても、所望の低濃度までは低
減することはできないので、結晶化の出発膜としての非
晶質ケイ素膜の形成は、堆積段階において十分に低水素
濃度化しておく必要がある。上記シリコンターゲットを
用いたスパッタリング法では、水素を用いることなく膜
形成が行えるため、極めて低水素濃度の非晶質ケイ素膜
が得られる。なお、このシリコンターゲットを用いたス
パッタリング法では、ソースとなるシリコンターゲット
自身の純度と、成膜前の装置チャンバー内の到達真空度
の高さがポイントであり、ターゲットに高純度単結晶シ
リコンを用いて、成膜前の到達真空度を1×10-7Torr
以下にすることによって、膜中の水素濃度をさらに低減
できると共に、より緻密な非晶質あるいは微結晶状態の
ケイ素膜が得られる。この場合、結晶成長に悪影響を与
える酸素等の不純物も低減できる。
は、請求項6乃至9のいずれか1つの半導体薄膜の製造
方法において、上記膜中水素濃度を有する非晶質または
微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程を、SiH4ガスを
用いて、温度550℃以上の化学気相成長法により上記
ケイ素膜を堆積することを特徴としている。
よれば、極低水素濃度のケイ素薄膜の形成するには、S
iH4ガスを用いて、温度550℃以上の化学気相成長
(CVD)法が有効である。このCVD法は、その成膜過
程において水素が存在するため、スパッタリング法に比
べて膜中の膜中水素濃度は必然的に多くなる。したがっ
て、Si2H6に比べ、反応性の低いSiH4ガスを用いる
ことによって、成膜温度を高めると共に成膜速度を低減
し、得られるケイ素膜の膜中濃度を低減できる。また、
所望の極低水素濃度のケイ素膜を得るためには、成膜時
の温度が550℃以上である必要がある。また、熱CV
D法は、常圧状態と減圧状態で行うものに大別できる
が、膜中の水素濃度低減とケイ素膜の繊密性を高める意
味から、減圧状態でのCVD法がより望ましい。このよ
うにして形成したケイ素膜は、より低水素濃度という面
ではスパッタリング法により形成されたケイ素膜には及
ばないが、その他の不純物元素濃度は低くなる。
縁表面を有する基板上に構成されたトップゲート型薄膜
トランジスタを有する薄膜半導体装置において、上記薄
膜トランジスタの活性領域を、請求項1乃至5のいずれ
か1つの半導体薄膜を用いて形成したことを特徴として
いる。
ば、上記トップゲート型薄膜トランジスタでは、活性領
域表面に存在するリッジは、電界集中が生じるウィーク
ポイントとなり、ゲート絶縁膜の耐圧特性を大きく損な
わせ、また、リッジが存在する活性領域表面がトランジ
スタ動作におけるチャネル面となるため、キャリアに対
する散乱中心ともなり、電界効果移動度の低下を招く。
ところが、上記半導体薄膜を、MOS構造を有するトッ
プゲート型薄膜トランジスタの活性領域として利用する
ことによって、そのような耐圧不良や電界効果移動度の
低下を防止できる。上記トップゲート型薄膜トランジス
タは、この発明の半導体薄膜の効果を最も享受すること
ができる薄膜半導体装置である。また、従来のレーザー
結晶化の問題点である照射エネルギーのばらつきによる
複数の薄膜トランジスタ間での特性ばらつきに対して、
そのマージンを広げ、複数の薄膜トランジスタ間での特
性ばらつきを最低レベルに抑えることができる。上記高
品質な結晶性ケイ素膜である半導体薄膜は、上記トップ
ゲート型薄膜トランジスタを初めとする薄膜半導体装置
全般において、その活性領域に利用できる。
縁表面を有する基板上に構成された画素電極を駆動する
薄膜トランジスタを有し、上記薄膜トランジスタに上記
画素電極による液晶容量と並列に補助容量が接続された
薄膜半導体装置において、上記薄膜トランジスタのチャ
ネル領域とその薄膜トランジスタに接続された上記補助
容量を構成する一方の電極とを、請求項1乃至5のいず
れか1つの半導体薄膜を用いて形成したことを特徴とし
ている。
ば、液晶表示用のアクティブマトリクス基板では、ゲー
トパルス信号がオフされたときに発生する画素電極部に
おける電圧降下現象を緩和するため、液晶画素容量と並
列に補助容量を設けている。この補助容量が大きいほど
上記電圧降下を小さくできるため、また、製造プロセス
簡略の面からも、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜と同
一層により構成するのが最も望ましい。しかしながら、
上記補助容量のばらつきは、画面上にフリッカ等の表示
むらを引き起こす原因となる。従来のエネルギービーム
照射により得られる結晶性ケイ素膜を用い補助容量電極
を作製した場合には、リッジによる表面ラフネスのため
補助容量がばらつき、良好な表示品位の液晶表示装置を
得ることは難しかった。これに対して、上記液晶表示用
のアクティブマトリクス基板において、上記半導体薄膜
を用いて、画素用薄膜トランジスタのチャネル領域に加
え、液晶画素容量と並列に接続された補助容量の一方の
電極を構成することによって、表面ラフネスの絶対値お
よびばらつきが大きく低減されるため、補助容量のばら
つきを抑え、表示むらのない表示品位の高い液晶表示装
置が得られる。したがって、基板上に複数の薄膜トラン
ジスタが配置された液晶表示用アクティブマトリクス基
板のような薄膜半導体装置において、上記半導体薄膜を
用いることによってさらにこの発明の効果が発揮でき
る。
びその製造方法および薄膜半導体装置を図示の実施の形
態により詳細に説明する。
の半導体薄膜およびその製造方法および薄膜半導体装置
について説明する。この第1実施形態では、ガラス基板
上に高品質な結晶性を有するケイ素膜を作製し、さらに
そのケイ素膜を用いて、液晶表示装置用のアクティブマ
トリクス基板を作製する工程について説明する。なお、
上記アクティブマトリクス基板には、各画素電極をスイ
ッチングするための素子としてN型薄膜トランジスタを
形成している。また、実際のアクティブマトリクス基板
では、数十万個以上の薄膜トランジスタが配列している
が、この第1実施形態では、説明を簡略化するために、
任意の画素用薄膜トランジスタ一つに注目して説明を行
う。
リクス基板の画素用薄膜トランジスタの作製工程を示す
図であり、(A)から(E)の順に作製工程が順次進行す
る。また、図4はこの発明による結晶性ケイ素薄膜を形
成するときの、レーザー光照射工程における概略図であ
る。そして、図3および図4において、3aで示される
のがこの発明により得られる高品質な半導体薄膜として
の結晶性ケイ素膜であり、完成した画素用薄膜トランジ
スタ17の断面を図3(E)に示している。
1上に例えばスパッタリング法等によって厚さ300nm
程度の酸化ケイ素からなる下地膜2を形成する。この酸
化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐた
めに設けられる。次に、同じくスパッタリング法によっ
て、厚さ20〜60nm(例えば30nm)の非晶質ケイ素
(以下、a−Siという)膜3を成膜する。上記下地膜2
とa−Si膜3は、マルチチェンバー型スパッタリング
装置を用い、大気中に出すことなく連続して形成するの
がより望ましい。このようにすることで、上記下地膜2
とa−Si膜3の界面特性が向上し、より安定した特性
の薄膜トランジスタを得ることができる。上記a−Si
膜3の成膜条件としては、基板全体を200℃に加熱
し、成膜前の到達真空度を1×10-7Torr以下としてか
ら、アルゴンガス雰囲気中にて成膜を行う。上記成膜ソ
ースとしては、単結晶シリコンを用いた。このようにし
て得られたa−Si膜3の膜中水素濃度は、二次イオン
質量分析法(SIMS)により測定した結果、5×1018
〜1×1019atoms/cm3であった。なお、上記a−Si
膜3の膜中水素濃度は、二次イオン質量分析法により測
定されて、定義される値であるので、データの再現性も
良好で、この発明に適用するのに十分な測定精度(測定
下限は、1×1018atoms/cm3程度)を有しており、膜
中水素濃度の値としての信頼性が高い。
4をa−Si膜3に照射し、a−Si膜3を結晶化して、
高品質な結晶性ケイ素膜3aを形成する。このときのレ
ーザー光として、XeClエキシマレーザー(波長308n
m、パルス幅40nsec)を用いる。上記レーザー光4の照
射条件は、照射時に基板を200〜500℃(例えば4
00℃)に加熱し、照射エネルギー密度250〜400m
J/cm2(例えば320mJ/cm2)とした。実際には、図4
に示すように、長尺型ビーム形状を有するパルスレーザ
ー光を順次走査することで、基板全面にわたってa−S
i膜3を結晶化する。上記レーザー光は、図4におい
て、基板表面におけるビームサイズが長辺W×短辺L
(具体的には例えば150mm×lmm)の長尺矩形状となる
ように、ホモジナイザーによって成型されており、その
短辺方向20に順次走査される。また、上記レーザー光
は、走査方向20に対して台形状の強度プロファイル1
9を有しており、a−Si膜3に対する溶融しきい値の
強度が21のラインで示されている。したがって、その
強度値でのビーム幅22が実際に結晶化に寄与する範囲
であり、レーザー光の1パルスにて結晶化されるケイ素
膜3aの幅は、ビーム幅22となる。
23にて20の方向に走査しながら照射し、目的とする
高品質な結晶性ケイ素膜3aを基板1全面に形成する。
上記レーザー光19では、走査ピッチを0.1mmと設定
したため、ケイ素膜3の任意の一点につき計10回のレ
ーザー照射が行われる。このようにして得られた結晶性
ケイ素膜3a表面の平均面粗さRaを原子間力顕微鏡(A
FM)にて、5μm□以下のエリアに対して測定すると
3.5〜4.5nm程度と、従来に比べ非常にスムースな
表面となった。また、上記結晶性ケイ素膜3aを構成す
る各結晶粒をTEM(透過型電子顕微鏡)にて観察する
と、平均結晶粒径は250〜300nm程度であり、結晶
粒内の結晶欠陥が低く抑えられていた。また、上記結晶
性ケイ素膜3aにおいて、ガラス基板1全面にわたる膜
質の均一性を評価するため、ラマン分光法により結晶S
iのフォノンピークを基板内の任意の100点で測定
し、その均一性を評価した。その結果、そのピーク半値
全幅は4.6〜4.8cm-1の範囲内であり、非常に良好
な均一性を示した。これに対して、従来の結晶性ケイ素
膜では、同様の測定にてピーク半値全幅は4.6〜5.
1cm-1程度を示している。以上の工程により、高品質な
結晶性ケイ素膜3aが得られる。
分を除去することで、図3(C)に示すような素子間分離
を行って、後に薄膜トランジスタの活性領域(ソース/
ドレイン領域、チャネル領域)を構成する島状のケイ素
膜5を形成する。
活性領域となる島状のケイ素膜5を覆うように厚さ20
〜150nm、ここでは100nmの酸化ケイ素膜をゲート
絶縁膜7として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成に
は、ここではTEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)
を原料とし、酸素とともに基板温度150〜600℃
(好ましくは300〜450℃)で、RF(高周波)プラズ
マCVD法で分解・堆積した。あるいは、TEOSを原
料としてオゾンガスとともに減圧CVD法または常圧C
VD法によって、基板温度を350〜600℃(好まし
くは400〜550℃)として形成してもよい。
厚さ300〜600nm(例えば400nm)のアルミニウム
膜を成膜する。そして、上記アルミニウム膜をパターニ
ングして、ゲート電極8を形成する。上記ゲート電極8
は、同層で形成されるゲートバスライン(図示せず)に接
続されており、このゲートバスラインを介してゲート信
号がゲート電極8に入力される。さらに、このアルミニ
ウムのゲート電極8の表面を陽極酸化して、表面に酸化
物層9を形成する。この状態が図3(D)に相当する。上
記ゲート電極8の陽極酸化は、酒石酸が1〜5%含まれ
たエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で2
20Vまで電圧を上げ、その状態で1時間保持して終了
させる。このようにして得られた酸化物層9の厚さは2
00nmである。なお、上記酸化物層9は、後のイオンド
ーピング工程において、オフセットゲート領域を形成す
る厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記
陽極酸化工程で決めることができる。上記オフセットゲ
ート領域によって、薄膜トランジスタのオフ動作時のリ
ーク電流を低減する。
ピング法によって、ゲート電極8とその周囲の酸化物層
9をマスクとして活性領域に不純物(リン)10を注入す
る。このときのドーピングガスとして、フォスフィン
(PH3)を用い、加速電圧を60〜90kV(例えば80
kV)、ドーズ量を1×1015〜8×1016cm-2(例えば
2×1015cm-2)とする。この工程により、不純物が注
入された領域12,13は、後に薄膜トランジスタのソ
ース/ドレイン領域となり、ゲート電極8およびその周
囲の酸化層9にマスクされ不純物が注入されない領域1
1は、後に薄膜トランジスタのチャネル領域を形成す
る。
ルを行って、イオン注入した不純物の活性化を行うと同
時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の
結晶性を改善する。このとき、使用するレーザーとして
XeClエキシマレーザー(波長308nm、パルス幅40n
sec)を用い、照射エネルギー密度150〜400mJ/cm
2(好ましくは200〜250mJ/cm2)で照射を行う。こ
うして形成されたN型不純物(リン)領域12,13のシ
ート抵抗は、200〜800Ω/□であった。
0nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜14として形成す
る。上記酸化ケイ素膜は、TEOSを原料として、これ
と酸素とのプラズマCVD法またはオゾンとの減圧CV
D法あるいは常圧CVD法によって形成すると、段差被
覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。
ールを形成して、ソース電極15と画素電極16を形成
する。上記ソース電極15は、金属材料、例えば窒化チ
タンとアルミニウムの二層膜によって形成する。上記室
化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを
防止する目的のバリア膜として設けられる。また、上記
ソース電極15と同層でソースバスライン(図示せず)を
形成し、そのソースバスラインを介してソース電極15
に映像信号を入力する。上記画素電極16は、ITO等
の透明導電膜により形成される。
50℃で1時間程度のアニールを行い、図3(E)に示す
N型薄膜トランジスタ17を完成させる。上記アニール
処理には、薄膜トランジスタ17の活性領域/ゲート絶
縁膜の界面に水素原子を供給し、薄膜トランジスタ特性
を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。なお、
さらに薄膜トランジスタ17を保護する目的で、必要な
箇所のみSiH4とNH3を原料ガスとしたプラズマCV
D法により形成された室化ケイ素膜でカバーしてもよ
い。
トランジスタ17は、電界効果移動度で80〜100cm
2/Vs、しきい値電圧1.5〜2Vという良好な特性を
示した。また、パネル内の薄膜トランジスタの均一性は
電界効果移動度で±8%程度、しきい値電圧で±0.2
V程度と非常に良好であり、繰り返し測定しても特性の
劣化は全く見られず、信頼性も非常に高いものであっ
た。その結果、この第1実施形態にて作製されたアクテ
ィブマトリクス基板を用いて、液晶表示パネルを作製
し、全面表示を行った結果、薄膜トランジスタ特性の不
均一性に起因する表示むらは大きく低減され、信頼性の
高い高表示品位の液晶表示装置ができた。
1019atoms/cm3以下とすることで、レーザー照射後の
結晶性ケイ素膜3aにおいて、劇的に表面ラフネスが低
減することができる。これによって、レーザー照射工程
における処理マージンが拡大すると共に、結晶化後の結
晶性ケイ素膜3aにおいて膜質の均一性が向上する。ま
た、表面ラフネスが低減でき、半導体素子における信頼
性低下を防止できると共に、結晶化のための照射エネル
ギーを大きくすることができるため、より高品質な結晶
性ケイ素膜3aである半導体薄膜を得ることができる。
そうして、その半導体薄膜を利用して、より高性能な薄
膜半導体装置を実現することができる。また、図2に示
すように、出発膜における膜中水素濃度が2×1019at
oms/cm3以下では、平均面粗さRaが飽和して安定する
ので、膜中水素濃度を2×1019atoms/cm3以下とする
ことによって、レーザー照射時の照射エネルギー密度に
依存せず、ケイ素膜の表面ラフネスを一定値以下に抑え
ることができる。
ルギーがばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さRa
が一定値の5nmを越えないので、全ての半導体素子にお
いて同様の高い信頼性が得られると共に、表面ラフネス
にかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネルギーを最適化で
きるため、所望の高品質な結晶性ケイ素膜およびそれを
用いた高性能な薄膜半導体装置を得ることができる。
間力顕微鏡(AFM)にて、5μm□以下の測定エリアに
対して測定された値であるので、サブnmオーダーまでの
測定信頼性がある。
に薄膜化して、厚さ20nm〜60nmの範囲内にすること
によって、XeClエキシマレーザーを照射し、溶融固化
過程で結晶化するときに、ケイ素膜全体(表面から下層
界面にわたって)が均一に溶融し、結晶粒が大きく成長
すると共に、結晶粒径のばらつきも小さく抑えることが
できる。さらに、上記XeClエキシマレーザー照射後に
得られる結晶性ケイ素膜3a表面の平均面粗さRaを、そ
の照射エネルギーによらず、5nm以下に抑えることがで
きる。
ためのエネルギービームに波長500nm以下のXeClエ
キシマレーザー(波長308nm)を用いると、非晶質ケイ
素膜3に対する吸収係数が極めて高いため、ガラス基板
1に熱的ダメージを与えることなく、非晶質ケイ素膜3
のみを瞬時に加熱することができる。また、上記レーザ
ー光を用いることで、非晶質ケイ素膜3を瞬時に、融点
1414℃に加熱するだけの高出力化が可能となる。
パッタリング法では、水素を用いることなく膜形成が行
えるため、極めて低水素濃度の非晶質ケイ素膜3を得る
ことができる。
ト型薄膜トランジスタ17の活性領域を結晶性ケイ素膜
3aにより形成したので、活性領域表面がなめらかにな
り、電界集中が生じてゲート絶縁膜の耐圧特性を大きく
損うリッジを低減でき、薄膜トランジスタの電界効果移
動度が大きくなる。また、照射エネルギー密度のばらつ
きによる複数の薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを
最低レベルに抑えることができる。したがって、このよ
うなガラス基板1上に複数の薄膜トランジスタ17が配
置された液晶表示用アクティブマトリクス基板等の薄膜
半導体装置において、さらにこの発明の効果を発揮する
ことができる。
の半導体薄膜およびその製造方法および薄膜半導体装置
について説明する。この第2実施形態でも、ガラス基板
上に液晶表示装置用のアクティブマトリクス基板を作製
するときの工程について説明する。上記アクティブマト
リクス基板は、各画素電極をスイッチングするための素
子としてN型薄膜トランジスタを形成し、そのドレイン
領域側には画素液晶容量と並列に補助容量を設けてい
る。
いたアクティブマトリクス基板の任意の一画素部分を示
す平面図である。図6(A)〜(E)は画素用薄膜トランジ
スタの製造工程を示し、図6(A)から(E)の順に工程が
順次進行する。図6(E)は図5のVIE−VIE線から見た断
面図を示し、47は画素スイッチング用のN型薄膜トラ
ンジスタ、48は補助容量である。また、この発明によ
る高品質な半導体薄膜としての結晶性ケイ素膜は、図6
(B)において示される35である。
31上に減圧CVD法によって厚さ300nm程度の酸化
ケイ素膜からなる下地膜32を形成する。そして、酸化
ケイ素膜32上に、減圧CVD法によって、厚さ40nm
程度の真性(I型)の非晶質ケイ素膜(a−Si膜)33を
成膜する。このときの成膜条件としては、成膜材料とし
てSiH4ガスを用い、基板温度(反応温度)550〜60
0℃(例えば580℃)として、ガス圧が0.05〜0.
3Torr(例えば0.15Torr)として、a−Si膜33の
堆積を行った。このようにして得られたa−Si膜33
の膜中水素濃度をSIMSにより分析した結果、2×1
019〜7×1019atoms/cm3程度であった。水素濃度の
絶対値としては、第1実施形態のスパッタリング法に比
較して大きいが、水素以外の元素として、結晶成長に悪
影響を与える酸素の膜中濃度は、5×1017〜1×10
18atoms/cm3と非常に低濃度であった。
方法を用い、a−Si膜33にXeClエキシマレーザー
(波長308nm、パルス幅40nsec)光34を順次走査し
ながら照射し、a−Si膜33の結晶化を行う。この工
程により、ケイ素膜は溶融・固化され、基板全面にわた
って膜質の均一性の良好な高品質な結晶性ケイ素膜とな
る。ここで、原子間力顕微鏡(AFM)により、結晶性ケ
イ素膜表面の平均面粗さRaを測定すると、4〜5nm程
度の値であり、基板全体においてほぼ同様の値を示し
た。同様のレーザー照射条件にて作製された従来の結晶
性ケイ素膜では、表面の平均面粗さRaが4〜9nmの範
囲内にわたって、特に絶対値が大きくなる方向に対して
大きくばらつく。この主なばらつきは局所的なばらつき
であり、この発明では、こういった局所的な特異点・異
常点等に起因するばらつきが大きく低減される。この第
2実施形態で得られた結晶性ケイ素膜の結晶粒径は30
0〜400nm程度であり、第1実施形態のスパッタリン
グ法により得られた結晶性ケイ素膜に比べて、若干大き
くなっている。
除去することで、図6(B)に示すような素子間分離を行
って、後に薄膜トランジスタの活性領域(ソース/ドレ
イン領域、チャネル領域)および補助容量の下部電極を
構成する島状の結晶性ケイ素膜35を形成する。このと
きの状態を基板上方より見ると、図5において35で示
されるような形状にケイ素膜が形成されている。
ケイ素膜35の島状領域上にフォトレジストを塗布し、
露光・現像してマスク36とする。上記マスク36によ
り、後に薄膜トランジスタのチャネル領域となる部分の
みが覆われた状態となっている。そして、イオンドーピ
ング法によって、フォトレジスト36をマスクとして不
純物(リン)40を注入する。このときのドーピングガス
として、フォスフィン(PH3)を用い、加速電圧を5〜
30kV(例えば15kV)、ドーズ量を1×1015〜8
×1015cm-2(例えば2×1015cm-2)とする。この工程
により、不純物が注入された領域42は、後の薄膜トラ
ンジスタ47のソース領域となると共に、不純物が注入
された領域43は、薄膜トランジスタ47のドレイン領
域と補助容量48の下部電極43を形成する。上記フォ
トレジスト36にマスクされ不純物が注入されない領域
41は、後に薄膜トランジスタ47のチャネル領域とな
る。
スト36を除去し、島状の結晶性ケイ素膜35を覆うよ
うに厚さ20〜150nm(ここでは100nm)の酸化ケイ
素膜をゲート絶縁膜37として成膜する。この酸化ケイ
素膜の形成には、TEOS(Tetra Ethoxy Ortho Silica
te)を原料とし、酸素とともに基板温度150〜600
℃(好ましくは300〜400℃)で、RFプラズマCV
D法で分解・堆積した。そして、成膜後、ゲート絶縁膜
37自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜とゲート絶
縁膜との界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気
下で400〜600℃で数時間のアニールを行う。それ
と同時に、このアニール処理により、領域42および4
3にドーピングされた不純物が活性化され、領域42お
よび43が低抵抗化された結果、そのシート抵抗は80
0〜2000Ω/□となる。
厚さ300〜500nm(例えば400nm)のアルミニウム
膜を成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニング
して、ゲート電極38aと補助容量48の上部電極38
bを形成する。ここで、ゲート電極38aは平面的に見
れば、図5に示すように、No.nのゲートバスラインを
構成しており、補助容量48の上部電極38bはNo.n
+1のゲートバスラインを構成する。
0nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜44として形成す
る。上記酸化ケイ素膜は、TEOSを原料として、これ
と酸素とのプラズマCVD法またはオゾンとの減圧CV
D法あるいは常圧CVD法により形成することによっ
て、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。
を形成して、ソース電極45と画素電極46を形成す
る。ソース電極45は、金属材料、例えば窒化チタンと
アルミニウムの二層膜によって形成する。上記窒化チタ
ン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止す
る目的のバリア膜として設けられる。上記画素電極46
は、ITO等の透明導電膜により形成される。このとき
の状態を基板上方より見れば、図5に示すように、ソー
ス電極45は、薄膜トランジスタ47に映像信号を伝達
するソースバスラインを構成しており、各バスライン間
に画素電極46が配置されている。
50℃で1時間程度のアニールを行い、図6(E)に示す
薄膜トランジスタ47および補助容量48を完成させ
る。上記アニール処理により、薄膜トランジスタ47の
活性領域とゲート絶縁膜との界面へ水素原子を供給し、
薄膜トランジスタ特性を劣化させる不対結合手を低減す
る効果がある。さらに、上記薄膜トランジスタ47を保
護する目的で、必要な箇所のみプラズマCVD法により
形成された窒化ケイ素膜でカバーしてもよい。
トランジスタは、第2実施形態と同様の良好な特性を示
すのに加えて、そのチャネル領域41とその補助容量4
8の下部電極43の表面平均粗さRaを共に4〜5nm程
度の範囲内に全て抑えて、ゲート絶縁膜37を介したリ
ーク電流はほとんどなく、それぞれの容量の不均一性も
小さく抑えられる。その結果、この第2実施形態にて作
製されたアクティブマトリクス基板を用い、液晶表示パ
ネルを作製し、全面表示を行った結果、信頼性が高く、
表示むらの無い高表示品位の液晶表示装置ができた。
1020atoms/cm3以下とすることで、レーザー照射後の
結晶性ケイ素膜35において、劇的に表面ラフネスを低
減することができる。これによって、レーザー照射工程
における処理マージンが拡大すると共に、結晶化後の結
晶性ケイ素膜35において膜質の均一性が向上する。ま
た、表面ラフネスが低減でき、半導体素子における信頼
性低下を防止できると共に、結晶化のためのエネルギー
を大きくすることができるため、より高品質な結晶性ケ
イ素膜35である半導体薄膜を得ることができる。そう
して、その半導体薄膜を利用して、より高性能な薄膜半
導体装置を実現することができる。
ルギーがばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さRa
が一定値の5nmを越えないので、全ての半導体素子にお
いて同様の高い信頼性が得られると共に、表面ラフネス
にかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネルギーを最適化で
きるため、所望の高品質な半導体薄膜としての結晶性ケ
イ素膜およびそれを用いた高性能な薄膜半導体装置を得
ることができる。
間力顕微鏡(AFM)にて、5μm□以下の測定エリアに
対して測定された値であるので、サブnmオーダーまでの
測定信頼性がある。
nmに薄膜化して、厚さ20nm〜60nmの範囲内にするこ
とによって、XeClエキシマレーザーを照射し、溶融固
化過程で結晶化するときに、ケイ素膜全体(表面から下
層界面にわたって)が均一に溶融し、結晶粒が大きく成
長すると共に、結晶粒径のばらつきも小さく抑えること
ができる。さらに、上記XeClエキシマレーザー照射後
に得られる結晶性ケイ素膜35表面の平均面粗さRa
を、その照射エネルギーによらず、5nm以下に抑えるこ
とができる。
るためのエネルギービームに波長500nm以下のXeCl
エキシマレーザー(波長308nm)を用いると、非晶質ケ
イ素膜33に対する吸収係数が極めて高いため、ガラス
基板31に熱的ダメージを与えることなく、非晶質ケイ
素膜33のみを瞬時に加熱することができる。また、上
記レーザー光を用いることで、非晶質ケイ素膜33を瞬
時に、融点1414℃に加熱するだけの高出力化が可能
となる。
を化学気相成長法により形成するとき、反応性の低いS
iH4ガスを用いることで、成膜温度を高めると共に成膜
速度を低減し、非晶質ケイ素膜33の膜中水素濃度を低
減することができる。また、成膜時の基板温度が550
℃以上にすることによって、極低水素濃度の非晶質ケイ
素膜33を得ることができる。このようにして形成され
た非晶質ケイ素膜33は、より低水素濃度という面では
スパッタリング法により形成された非晶質ケイ素膜には
及ばないが、その他の不純物元素濃度を低くすることが
できる。
ある半導体薄膜は、上記トップゲート型薄膜トランジス
タを初めとする薄膜半導体装置全般において、その活性
領域に利用できる一方、液晶表示用のアクティブマトリ
クス基板において、上記半導体薄膜を用いて、画素用薄
膜トランジスタ47のチャネル領域と共に、液晶画素容
量と並列に接続された補助容量48の一方の電極を構成
するので、その補助容量48の一方の電極の表面ラフネ
スの絶対値およびばらつきが大きく低減され、補助容量
48のばらつきを抑えて、表示むらのない表示品位の高
い液晶表示装置が得られる。
態について具体的に説明したが、この発明は上述の実施
形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想
に基づく各種の変形が可能である。
て、低水素濃度の非晶質ケイ素膜の形成方法として、ス
パッタリング法と550℃以上の熱CVD法を用いた
が、その他の方法でも、この発明における膜中水素濃度
を満足する方法であれば、特に問題なく、この発明の効
果が得られる。
有するケイ素膜を用いても、同様の効果が得られる。特
に、微結晶成分を有するケイ素膜を用いた場合には、レ
ーザー照射工程における溶融固化過程において微結晶成
分を核とした結晶化が行われ、結晶粒径がより大きく、
結晶粒径が揃った均一な結晶性ケイ素膜が得られる。
ネルギービームとしてXeClエキシマレーザーを用いた
が、その他のエネルギービームも勿論、利用可能であ
る。例えば、赤外光、フラッシュランプを使用して短時
間に1000〜1200℃まで上昇させて加熱するRT
A(ラピッド・サーマル・アニールまたはRTP(ラピッ
ド・サーマル・プロセスともいう))等のいわゆるレーザ
ー光と同等の強光を用いてもよい。さらに、レーザー光
としては、波長248nmのKrFエキシマレーザーや、
波長488nmの連続発振Arレーザー等も同様に適用可
能であり、同様の効果が得られる。
発明による半導体薄膜および薄膜半導体装置としての薄
膜トランジスタを用いた液晶表示装置用のアクティブマ
トリクス基板についての説明を行ったが、上記薄膜トラ
ンジスタは、アクティブマトリクス基板以外に薄膜集積
回路全般に利用できる。すなわち、アクティブマトリク
ス部の周辺に駆動用回路を同一形成するドライバモノリ
シック型のアクティブマトリクス基板も同様に実現可能
である。勿論、上記N型薄膜トランジスタに加えて、P
型薄膜トランジスタを相補的に構成し、CMOS回路を
作製することも可能である。このように薄膜集積回路に
上記薄膜トランジスタを利用する場合は、第1実施形態
において、画素電極16を金属による電極・配線とし、
ゲート電極8上にもコンタクトホールを形成して必要と
する配線を施せばよい。また、CMOS回路を作製する
場合には、それぞれの不純物のドーピング工程におい
て、不必要な領域をフォトレジストで覆うことにより、
N型領域、P型領域を選択形成すればよい。さらに、液
晶表示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例え
ば、密着型イメージセンサ、ドライバ内蔵型のサーマル
ヘッド、有機系EL等を発光素子としたドライバ内蔵型
の光書き込み素子や表示素子、三次元IC等にこの発明
の薄膜半導体装置を適用してもよい。この場合、これら
の素子の高速化、高解像度化等の高性能化を実現するこ
とができる。さらにこの発明は、上述の第1,第2実施
形態で説明したMOS型トランジスタに限らず、結晶性
半導体を素子材料としたバイポーラトランジスタや静電
誘導トランジスタをはじめとして幅広く半導体プロセス
全般に応用することができる。
明の半導体薄膜は、絶縁表面を有する基板上に形成され
た結晶性を有する半導体薄膜であって、膜中水素濃度が
1×1020atoms/cm3以下の非晶質または微結晶状態の
ケイ素膜にエネルギービームを照射することによって上
記ケイ素膜を結晶化させたものである。
によれば、レーザー光等のエネルギービーム照射により
結晶化された結晶性ケイ素膜において、表面のラフネス
を大幅に低減することができると共に、表面ラフネスに
制限されることなく、最適な照射エネルギーを加えて結
晶化できるようになり、従来法では得ることができなか
った高品質な結晶性ケイ素膜を得ることができる。ま
た、パルスレーザー順次走査により結晶化された結晶性
ケイ素膜においては、従来の課題であった膜質の不均一
性を改善することができる。そして、上記半導体薄膜を
素子材料とする薄膜半導体装置全般において、高性能で
かつ信頼性、安定性が高く、複数の素子間の特性均一性
の高い薄膜半導体装置を実現することができる。特に、
液晶表示装置においては、高信頼性を有し、結晶性ケイ
素膜の不均一性による表示不良のない表示品位の高い液
晶表示装置が、簡単な製造プロセスにて得られる。さら
に、周辺駆動回路部を構成する薄膜トランジスタに要求
される高性能化・高集積化・特性均一化が図れ、同一基
板上にアクティブマトリクス部と周辺駆動回路部を構成
するフルドライバモノリシック型のアクティブマトリク
ス基板を実現でき、モジュールのコンパクト化、高性能
化、低コスト化が図れる。
求項1の半導体薄膜おいて、上記非晶質または微結晶状
態のケイ素膜の膜中水素濃度が2×1019atoms/cm3以
下であるので、エネルギービーム照射時の照射エネルギ
ー密度に依存せず、結晶化されたケイ素膜の表面ラフネ
スを一定値以下に抑えることができる。
求項1または2の半導体薄膜において、上記エネルギー
ビーム照射後のケイ素膜表面の平均面粗さRaは、5nm
以下であり、かつ、上記ケイ素膜自体の膜剥がれが起こ
っていないので、例えエネルギービーム照射工程におい
て照射エネルギー密度がばらついても、ケイ素膜表面の
平均面粗さRaが一定値以上にはならないので、全ての
半導体素子において同様の高い信頼性が得られると共
に、表面ラフネスにかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネ
ルギーを最適化でき、所望の高品質な半導体薄膜として
の結晶性ケイ素膜およびそれを用いた高性能な薄膜半導
体装置を得ることができる。
求項3の半導体薄膜において、上記ケイ素膜表面の平均
面粗さRaは、原子間力顕微鏡によって10μm□以下の
測定エリアに対して測定された値であるので、サブnmオ
ーダーまでの測定信頼性があり、この発明の主旨を損な
うことはない。
求項1乃至4のいずれか1つの半導体薄膜において、上
記非晶質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが20nmか
ら60nmの範囲内であるので、厚さ60nm以下にケイ素
膜を薄膜化することによって、レーザー光等のエネルギ
ービームを照射し、溶融固化過程で結晶化するときに、
ケイ素膜全体(表面から下層界面にわたって)が均一に溶
融し、結晶粒が大きく成長すると共に、結晶粒径のばら
つきも小さく抑えることができる。さらに、上記ケイ素
膜を60nm以下に薄膜化することによって、エネルギー
ビーム照射後に得られる結晶性ケイ素膜表面の平均面粗
さRaを、その照射エネルギーによらず、5nm以下に抑
えることが可能となる。なお、上記ケイ素膜の厚さが2
0nm以下になると、エネルギービームの照射エネルギー
が低い領域でも、ケイ素膜の膜飛びや膜剥がれが発生
し、半導体薄膜として利用することが困難になる。
方法は、膜中水素濃度が1×1020atoms/cm3以下の非
晶質または微結晶状態のケイ素膜を堆積した後、上記ケ
イ素膜に対してエネルギービームを照射することによっ
て、上記ケイ素膜を結晶化させるものである。
の製造方法によれば、エネルギービーム照射後のケイ素
膜において、表面ラフネスを特に低減することができ、
エネルギービーム照射工程における処理マージンが拡大
すると共に、結晶化後のケイ素膜において膜質の均一性
が向上する。また、結晶化されたケイ素膜の表面ラフネ
スが低減でき、半導体素子における信頼性低下を防止で
きると共に、結晶化のためのエネルギーを大きくするこ
とができるため、より高品質な結晶性ケイ素膜である半
導体薄膜が得られ、その半導体薄膜を用いてより高性能
な薄膜半導体装置を実現することができる。
方法は、請求項6の半導体薄膜の製造方法において、上
記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程に
おいて、上記ケイ素膜の膜中水素濃度を2×1019atom
s/cm3以下にしたので、エネルギービーム照射時の照射
エネルギー密度に依存せず、ケイ素膜の表面ラフネスを
一定値以下に抑えることができる。
方法は、請求項6または7の半導体薄膜の製造方法にお
いて、上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を結晶化
するためのエネルギービームは、波長500nm以下のレ
ーザー光であるので、上記非晶質または微結晶状態のケ
イ素膜を結晶化するのに波長500nm以下のレーザー光
を用いると、ケイ素膜に対する吸収係数が極めて高いた
め、ガラス基板に熱的ダメージを与えることなく、ケイ
素膜のみを瞬時に加熱できると共に、非晶質または微結
晶状態のケイ素膜を瞬時に、融点1414℃に加熱でき
るようにレーザーを高出力化することが可能となる。
方法は、請求項8の半導体薄膜の製造方法において、上
記波長500nm以下のレーザー光は波長308nmのXe
Clエキシマレーザー光であって、上記ケイ素膜に対し
て照射エネルギー密度が250〜400mJ/cm2の範囲
内のXeClエキシマレーザー光を照射することによっ
て、上記ケイ素膜を結晶化させたので、上記波長308
nmのXeClエキシマレーザー光は、出力が大きいため、
基板に照射するときのビームサイズを大きくでき、大面
積基板に対応しやすく、また出力も比較的安定してお
り、量産装置に適用するのが最も望ましい。また、上記
エキシマレーザー光をケイ素膜に照射して結晶化すると
き、250mJ/cm2以上の照射エネルギー密度では、ケ
イ素膜がほぼ完全に下層まで溶融し、高品質な結晶性ケ
イ素膜が得られる一方、400mJ/cm2以上の照射エネ
ルギー密度では、ケイ素膜の膜飛びや膜剥がれが発生す
るため、これ以上エネルギーアップしても良好な状態の
結晶性ケイ素薄膜は得られない。
造方法は、請求項6乃至9のいずれか1つの半導体薄膜
の製造方法において、上記膜中水素濃度を有する非晶質
または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程において、
シリコンターゲットを用いたスパッタリング法により上
記ケイ素膜を堆積ので、上記シリコンターゲットを用い
たスパッタリング法では、水素を用いることなく膜形成
が行えるため、極めて低水素濃度のケイ素膜が得られ
る。また、ターゲットに高純度単結晶シリコンを用い、
成膜前の到達真空度を1×10-7Torr以下にすることに
よって、膜中の水素濃度をさらに低減できると共に、よ
り緻密な非晶質あるいは微結晶状態のケイ素膜が得られ
ると共に、結晶成長に悪影響を与える酸素等の不純物を
低減することができる。
造方法は、請求項6乃至9のいずれか1つの半導体薄膜
の製造方法において、上記膜中水素濃度を有する非晶質
または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程を、SiH4
ガスを用いて、温度550℃以上の化学気相成長法によ
り上記ケイ素膜を堆積するので、Si2H6に比べ、反応
性の低いSiH4ガスを用いることによって、成膜温度を
高めると共に成膜速度を低減し、得られるケイ素膜の膜
中濃度を低減することができる。また、成膜時の温度を
550℃以上によることによって、極低水素濃度のケイ
素膜を得ることができ、その他の不純物元素濃度も低く
できる。
は、絶縁表面を有する基板上に構成されたトップゲート
型薄膜トランジスタを有する薄膜半導体装置において、
上記薄膜トランジスタの活性領域を、請求項1乃至5の
いずれか1つの半導体薄膜を用いて形成したものであ
る。
体装置によれば、上記MOS構造を有するトップゲート
型薄膜トランジスタの活性領域を結晶化されたケイ素膜
により形成したので、活性領域表面がなめらかになり、
電界集中が生じてゲート絶縁膜の耐圧特性を大きく損う
リッジがなくなり、トランジスタ動作における電界効果
移動度が大きくなる。また、照射エネルギー密度のばら
つきによる複数の薄膜トランジスタ間での特性ばらつき
を最低レベルに抑えることができる。したがって、この
ような基板上に複数の薄膜トランジスタが配置された液
晶表示用アクティブマトリクス基板のような薄膜半導体
装置において、さらにこの発明の効果が発揮することが
できる。
は、絶縁表面を有する基板上に構成された画素電極を駆
動する薄膜トランジスタを有し、上記薄膜トランジスタ
に上記画素電極による液晶容量と並列に補助容量が接続
された薄膜半導体装置において、上記薄膜トランジスタ
のチャネル領域とその薄膜トランジスタに接続された上
記補助容量を構成する一方の電極とを、請求項1乃至5
のいずれか1つの半導体薄膜を用いて形成したものであ
る。
体装置によれば、上記高品質な結晶化されたケイ素膜で
ある半導体薄膜は、上記トップゲート型薄膜トランジス
タを初めとする薄膜半導体装置全般において、その活性
領域に利用できる一方、液晶表示用のアクティブマトリ
クス基板において、上記半導体薄膜を用いて、画素用薄
膜トランジスタのチャネル領域と共に、液晶画素容量と
並列に接続された補助容量の一方の電極を構成するの
で、その補助容量の一方の電極の表面ラフネスの絶対値
およびばらつきが大きく低減され、補助容量のばらつき
を抑えて、表示むらのない表示品位の高い液晶表示装置
が得られる。
膜表面の平均面粗さとの関係を示す図である。
濃度とケイ素膜表面の平均面粗さとの関係を示す図であ
る。
を示す工程図である。
程の概要を示す図である。
を用いた液晶表示装置のアクティブマトリクス基板の平
面図である。
を示す工程図である。
(AFM)像を示す図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 膜中水素濃度が1×1020atoms/cm3以
下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜にエネルギービ
ームを照射することによって結晶化させたケイ素膜であ
ることを特徴とする半導体薄膜。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体薄膜おいて、 上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜の膜中水素濃度
が2×1019atoms/cm3以下であることを特徴とする半
導体薄膜。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体薄膜に
おいて、 上記エネルギービーム照射後のケイ素膜表面の平均面粗
さRaは、5nm以下であり、かつ、上記ケイ素膜自体の
膜剥がれが起こっていないことを特徴とする半導体薄
膜。 - 【請求項4】 請求項3に記載の半導体薄膜において、 上記ケイ素膜表面の平均面粗さRaは、原子間力顕微鏡
によって10μm□以下の測定エリアに対して測定され
た値であることを特徴とする半導体薄膜。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1つに記載の
半導体薄膜において、 上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが20nm
から60nmの範囲内であることを特徴とする半導体薄
膜。 - 【請求項6】 膜中水素濃度が1×1020atoms/cm3以
下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程
と、 上記ケイ素膜に対してエネルギービームを照射すること
によって、上記ケイ素膜を結晶化させる工程とを有する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の半導体薄膜の製造方法
において、 上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を堆積する工程
において、上記ケイ素膜の膜中水素濃度を2×1019at
oms/cm3以下にしたことを特徴とする半導体薄膜の製造
方法。 - 【請求項8】 請求項6または7に記載の半導体薄膜の
製造方法において、 上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を結晶化するた
めのエネルギービームは、波長500nm以下のレーザー
光であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項9】 請求項8に記載の半導体薄膜の製造方法
において、 上記波長500nm以下のレーザー光は波長308nmのX
eClエキシマレーザー光であって、上記ケイ素膜に対し
て照射エネルギー密度が250〜400mJ/cm2の範囲
内の上記XeClエキシマレーザー光を照射することによ
って、上記ケイ素膜を結晶化させることを特徴とする半
導体薄膜の製造方法。 - 【請求項10】 請求項6乃至9のいずれか1つに記載
の半導体薄膜の製造方法において、 上記膜中水素濃度を有する非晶質または微結晶状態のケ
イ素膜を堆積する工程において、シリコンターゲットを
用いたスパッタリング法により上記ケイ素膜を堆積する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項11】 請求項6乃至9のいずれか1つに記載
の半導体薄膜の製造方法において、 上記膜中水素濃度を有する非晶質または微結晶状態のケ
イ素膜を堆積する工程を、SiH4ガスを用いて、温度5
50℃以上の化学気相成長法により上記ケイ素膜を堆積
することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項12】 絶縁表面を有する基板上に構成された
トップゲート型薄膜トランジスタを有する薄膜半導体装
置において、 上記薄膜トランジスタの活性領域を、請求項1乃至5の
いずれか1つに記載の半導体薄膜を用いて形成したこと
を特徴とする薄膜半導体装置。 - 【請求項13】 絶縁表面を有する基板上に構成された
画素電極を駆動する薄膜トランジスタを有し、上記薄膜
トランジスタに上記画素電極による液晶容量と並列に補
助容量が接続された薄膜半導体装置において、 上記薄膜トランジスタのチャネル領域とその薄膜トラン
ジスタに接続された上記補助容量を構成する一方の電極
とを、請求項1乃至5に記載のいずれか1つの半導体薄
膜を用いて形成したことを特徴とする薄膜半導体装置。
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---|---|---|---|
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-
1997
- 1997-08-29 JP JP23436897A patent/JP3392325B2/ja not_active Expired - Fee Related
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