JPH07302913A

JPH07302913A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH07302913A
Application number: JP11600694A
Authority: JP
Inventors: Fuminobu Urazono; 丈展浦園; Masumitsu Ino; 益充猪野; Masabumi Kunii; 正文国井; Shizuo Nishihara; 静夫西原; Hisao Hayashi; 久雄林
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-05-02
Filing date: 1994-05-02
Publication date: 1995-11-14
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP3326650B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低温プロセスで高品質の多結晶半導体薄膜を
成膜する。【構成】絶縁基板１上に形成した半導体薄膜２を活性
層とする薄膜トランジスタを含む半導体装置を製造す
る。先ず最初に絶縁基板１に非晶質の半導体薄膜２又は
比較的微小な粒径を有する多結晶の半導体薄膜２を成膜
する。次に半導体薄膜２の熱アニールを行ない比較的大
粒径の結晶粒を固相成長させる。続いて半導体薄膜２に
レーザ光を照射して結晶粒中に残留する結晶の除去及び
結晶粒間に残留する非結晶部分の結晶化を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアクティブマトリクス型
液晶表示パネルの駆動基板等に用いられる半導体装置の
製造方法に関する。より詳しくは、活性層として用いら
れる多結晶半導体薄膜の成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素化非晶質シリコン薄膜を活性層とす
る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型液
晶表示パネルの開発が進み、ＣＲＴと同等かそれ以上の
画質が実現できる様になって一大産業の地位を築きつつ
ある。水素化非晶質シリコン薄膜トランジスタは例えば
３５０℃以下のプロセス温度で作成でき、低コストのガ
ラス基板を使える事から、大面積ディスプレイ実用化の
期待を集めている。しかし、ＣＲＴと同等な製造コスト
を実現する為には、解決しなければならない多くの問題
がある。例えば、ＩＣチップを用いた周辺ドライバ回路
とその実装コストの問題は無視する事ができない。

【０００３】ＨＤＴＶ対応の液晶表示パネルあるいは大
画面高精細の液晶表示パネルでも問題は大きい。これら
の場合、ライン数が増え画素の蓄積容量を大きくする必
要があり、移動度の小さな水素化非晶質シリコン薄膜ト
ランジスタではデバイスサイズを小さくして画素の開口
率を確保する事が難かしくなる。さらに、プラズマＣＶ
Ｄで形成した非晶質シリコン薄膜には多くのトラップが
あり、トランジスタの動作を不安定化している。

【０００４】この様な水素化非晶質シリコン薄膜トラン
ジスタの限界を考えた時、これと略同等な製造プロセス
で作成できる低温多結晶シリコン薄膜を活性層として薄
膜トランジスタを作成するプロセス技術の必要性が高ま
っている。これを使って周辺ドライバ回路をガラス基板
上に一体化したアクティブマトリクス型液晶表示パネル
の開発が待たれる。

【０００５】水素化非晶質シリコン薄膜トランジスタで
はチャネル層に多くの準安定欠陥が存在する。これが閾
値電圧の経時変化の一因になっている。これに対して、
多結晶シリコンは水素を含まず準安定欠陥の数は少な
い。この為多結晶シリコン薄膜トランジスタは安定動作
が期待できる。その代わり、多結晶シリコンは結晶粒界
に多くのダングリングボンドが存在する。これらの欠陥
はバンドギャップの中心に位置してキャリアの生成再結
合センタとして働く。従って、多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタは特にドレイン付近の高電界領域で大きなリー
ク電流を発生する。多結晶シリコンの利点にはキャリア
移動度の大きい事もある。水素化非晶質シリコンに比べ
ると２桁以上大きい。多結晶シリコンのキャリア移動度
は結晶粒界でのポテンシャル障壁によって支配されてい
る。電界効果移動度はこの障壁の大きさに対して指数関
数的に変わる。高移動度多結晶シリコンの開発は、でき
るだけ結晶粒を大きくする事によって欠陥密度総数を少
なくする事に着目して研究されてきた。又、結晶粒界の
欠陥密度を少なくして障壁の高さを下げる事も重要であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】６５０℃以下の低温プ
ロセスでガラス基板上に高品質の多結晶シリコンを作成
する技術として従来から固相成長法が知られている。前
駆膜としてＬＰＣＶＤ法によりシリコン膜を形成し、こ
れを熱アニールする方法である。ＬＰＣＶＤ法の成膜条
件及びそれに引き続いて行なうアニール条件と結晶粒径
との関係を見ると、粒径の大きな多結晶シリコンを得る
為には例えば５８０℃以下の低温で非晶質シリコンを形
成し、これを６００℃程度の低温でアニールすると良い
事が分かっている。熱アニール固相成長の場合は非晶質
シリコン膜を例えば６００℃で長時間加熱処理する必要
があるが、結晶粒径が大きく従って移動度の大きな膜が
実現している。しかしながら、熱アニールの固相成長で
は結晶型が一定ではなく、結晶像を見ると結晶粒の中に
多くの双晶欠陥が見られる。さらに、結晶粒間に非結晶
部分が残留している。これらの欠陥により、薄膜トラン
ジスタの劣化を招くという課題がある。

【０００７】低温で高品質の多結晶シリコンを成膜する
技術としてはレーザアニール法も従来から行なわれてお
り、例えば特開昭６０−２４５１２４号公報に開示され
ている。この方法では基板全体を高温にする事なく比較
的低温にてシリコン薄膜の結晶化が行なえる。結晶化し
ようとするシリコン薄膜に短波長のレーザパルスを照射
すると、そのレーザ光がシリコン薄膜の極く表面のみで
吸収され、その後熱伝導によって薄膜の内部が溶け再結
晶化する。あるいはアニールされて結晶粒が大きくな
る。この方法で成膜された多結晶シリコン薄膜は粒状を
した結晶粒が略均一分布している。格子像を見ても固相
成長の場合に比べて双晶欠陥の数は非常に少なく、しか
も結晶粒界で格子像の乱れがないのが特徴的である。し
かしながら、レーザアニールの場合、結晶粒の大きさが
例えば６０〜１００nmと比較的小さく、結晶粒界が多数
存在し薄膜トランジスタの特性劣化に繋がるという課題
がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は低温プロセスで高品質の半導体薄膜
を作成する事を目的とする。かかる目的を達成する為に
以下の手段を講じた。即ち、絶縁基板上に形成した半導
体薄膜を活性層とする薄膜素子を含む半導体装置の製造
方法において、絶縁基板に非晶質の半導体薄膜又は比較
的微小な粒径を有する多結晶の半導体薄膜を成膜する工
程と、該半導体薄膜のアニールを行ない比較的大粒径の
結晶粒を固相成長させる工程と、該半導体薄膜にレーザ
光を照射して結晶粒中に残留する欠陥の除去及び／又は
結晶粒間に残留する非結晶部分の結晶化を行なう工程と
を有する事を特徴とする。

【０００９】又、絶縁基板上に形成された多結晶半導体
薄膜を活性層とする薄膜素子を含む半導体装置におい
て、前記活性層はアニールにより固相成長した結晶粒を
含んでおり、且つレーザ光照射により結晶粒中から欠陥
が除去されているとともに結晶粒間に介在する非結晶部
分の結晶化が図られている事を特徴とする。

【００１０】さらに、所定の間隙を介して対面配置した
絶縁基板及び対向基板と該間隙に保持された液晶層とを
含むフラットパネル構造を有し、該絶縁基板には多結晶
半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタと画素電極
とが集積形成されており、該対向基板には対向電極が形
成されている液晶表示装置において、前記活性層はアニ
ールにより固相成長した結晶粒を含んでおり、且つレー
ザ光照射により結晶粒中から欠陥が除去されているとと
もに結晶粒間に介在する非結晶部分の結晶化が図られて
いる事を特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によれば熱アニールとレーザアニールを
併用する事により６５０℃以下の低温プロセスで高品質
の多結晶半導体薄膜を成膜している。先ず最初に非晶質
もしくは比較的微小な粒径を有する半導体薄膜の熱アニ
ールを行ない比較的大粒径の結晶粒を固相成長させる。
次にレーザアニールを行ない結晶粒中に残留する欠陥の
除去及び結晶粒間に残留する非結晶部分の結晶化を行な
う。これにより、薄膜トランジスタ等薄膜素子の活性層
に含まれる結晶粒が大きくなる為単結晶に近くなり、且
つ結晶粒間の非結晶領域が結晶化もしくは再結晶化する
為電流が流れ易くなり、薄膜トランジスタのオン電流増
加に寄与する。又、薄膜トランジスタの活性層に含まれ
るキャリアトラップ密度が低くなる為、リーク電流を低
減化する事が可能になる。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる半導体装置製造
方法を示す工程図である。先ず工程（Ａ）で低融点ガラ
ス等からなる透明な絶縁基板１の上に、薄膜トランジス
タ等薄膜素子の活性層となる半導体薄膜２を４０〜１５
０nmの厚みで成膜する。本例ではＬＰＣＶＤ法により５
００℃の温度で非晶質シリコンを６０nmの厚みで成膜し
た。次いで、窒素雰囲気中６００℃の温度で熱アニール
を１０時間施こし、比較的大粒径の結晶粒を固相成長さ
せた。次に工程（Ｂ）に移り半導体薄膜２の表面にフォ
トレジスト３をパタニングした。このフォトレジスト３
をマスクとして半導体薄膜２に不純物をイオン注入しソ
ース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成した。Ｎチャネル
トランジスタに対しては砒素をイオン注入し、Ｐチャネ
ルトランジスタについては硼素をイオン注入した。不純
物のドーズ量は例えば５×１０¹⁵／cm²に設定した。次
に工程（Ｃ）で、使用済みとなったフォトレジスト３を
除去した後、半導体薄膜２の上に反射防止膜４を成膜し
た。これは後工程で行なうレーザ光照射の反射防止に用
いられ、例えばＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等からなる。使用
するレーザ光の波長に合わせて２０〜１００nmの厚みで
反射防止膜４を成膜する。本実施例ではレーザ光源とし
てＸｅＣｌエキシマレーザを使用する為、ＳｉＯ₂を６
０nmの厚みで成膜し反射防止膜４とした。次に工程
（Ｄ）に移り、反射防止膜４の上からレーザパルスを２
００mJ／cm²〜７００mJ／cm²のエネルギー密度で照射
する。この時レーザ光の照射領域は、少なくとも半導体
装置の１チップ分に相当する面積区画を含み、レーザパ
ルスをワンショット照射する。このレーザアニールによ
り半導体薄膜２の結晶粒中に残留する欠陥の除去及び／
又は結晶粒間に残留する非結晶部分の結晶化が促進され
る。

【００１３】工程（Ｅ）に進み、レーザ照射後使用済み
となった反射防止膜４を剥離する。次に工程（Ｆ）で、
結晶化したシリコン半導体薄膜２を所定の形状にパタニ
ングして素子領域５とする。次に工程（Ｇ）で素子領域
５を被覆する様にゲート絶縁膜６を形成する。本例では
常圧ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂を１２０nmの厚みで成膜し
ゲート絶縁膜６とした。次に工程（Ｈ）で、先に形成し
たソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間にゲート電極７
を形成した。本例ではゲート絶縁膜６の上に金属膜を成
膜した後所定の形状にパタニングしてメタルゲート電極
７とした。続いて工程（Ｉ）でＳｉＯ₂を３００nmの厚
みで成膜し第１パッシベーション膜８とした。次に工程
（Ｊ）で第１パッシベーション膜８にコンタクトホール
を開口し、ソース領域Ｓに連通する配線９を形成した。
さらに工程（Ｋ）でＳｉＯ₂を３００nmの厚みで成膜し
第２パッシベーション膜１０とした。最後に工程（Ｌ）
で第２パッシベーション膜１０及び第１パッシベーショ
ン膜８を通じてコンタクトホールを開口しドレイン領域
Ｄを露出させる。この後ＩＴＯ等の透明導電膜を成膜し
た後所定の形状にパタニングして画素電極１１とする。

【００１４】以上により、絶縁基板１上に形成された多
結晶半導体薄膜２を活性層とする薄膜トランジスタを含
む半導体装置が完成する。薄膜トランジスタの活性層即
ち素子領域５は熱アニールにより固相成長した結晶粒を
含んでおり、且つレーザアニールにより結晶粒中から欠
陥が除去されているとともに、結晶粒間に介在する非結
晶部分の結晶化が図られている。

【００１５】図２を参照してレーザアニールの具体的な
方法を詳細に説明する。前述した様に、本発明にかかる
半導体装置製造方法では、先ず最初に絶縁基板２１上に
半導体薄膜２２を成膜している。次に半導体薄膜２２の
加熱処理を含む一連の処理を行ない１チップ分の面積区
画２３に薄膜トランジスタを集積形成する。最後に面積
区画２３内に１画面分の画素電極を形成する。これによ
り表示用半導体チップ２７となる半導体装置が製造され
る。かかる工程において、レーザアニールでは面積区画
２３に対してレーザパルス２８をワンショットで照射し
１チップ分の半導体薄膜２２の一括結晶化を行なってい
る。図示する様にレーザパルス２８の断面形状は面積区
画２３の形状と一致している。又、面積区画２３内には
最終的にマトリクスアレイ２４、水平走査回路２５、垂
直走査回路２６が集積形成される。マトリクスアレイ２
４は薄膜トランジスタと画素電極を含む一方、周辺ドラ
イバ部の水平走査回路２５及び垂直走査回路２６は薄膜
トランジスタで構成されている。

【００１６】図３は大判の透明絶縁基板５１から多数個
の表示用半導体チップを作成する際行なわれるレーザ照
射の方法を表わしている。図示する様に、透明絶縁基板
５１の上には半導体薄膜５２が全面的に成膜されてい
る。さらにその上には反射防止膜５３が形成される。こ
の反射防止膜５３を介してレーザパルス５４を照射する
事により上述したレーザアニールを行なう。この際透明
絶縁基板５１に予め設定された複数の面積区画５５に対
して順次レーザパルス５４をワンショット照射してい
く。これにより成膜プロセスのスループットが著しく改
善できる。

【００１７】図４は図２に示した表示用半導体チップを
用いて組み立てられたアクティブマトリクス型液晶表示
装置の一例を示す模式的な斜視図である。図示する様
に、液晶表示装置は所定の間隙を介して対向配置した絶
縁基板１０１及び対向基板１０２と該間隙に保持された
液晶層１０３とを含むフラットパネル構造を有してい
る。下側の透明絶縁基板１０１には多結晶半導体薄膜を
活性層とする薄膜トランジスタ１０４と画素電極１０５
とが集積形成されておりマトリクスアレイ１０６が形成
される。又絶縁基板１０１の周辺部には同じく薄膜トラ
ンジスタから構成される水平走査回路１０７及び垂直走
査回路１０８が形成されている。一方上側の対向基板１
０２の内表面には対向電極（図示せず）が形成されてい
る。かかる構成において薄膜トランジスタ１０４の素子
領域となる活性層は熱アニールにより固相成長した結晶
粒を含んでおり、且つレーザアニールにより結晶粒中か
ら欠陥が除去されているとともに結晶粒間に介在する非
結晶部分の結晶化が図られている。

【００１８】最後に図５〜図７のグラフを参照して本発
明の効果を説明する。これらのグラフは何れも薄膜トラ
ンジスタのゲート電圧Ｖｇｓ／ドレイン電流Ｉｄｓ特性
を示している。なおドレイン電流Ｉｄｓは対数メモリで
表わしている。図５は従来の固相成長のみにより成膜さ
れたシリコン多結晶半導体薄膜を活性層とした場合であ
り、図６は従来のレーザアニールのみにより成膜された
シリコン多結晶半導体薄膜を活性層として用いた場合で
あり、図７は本発明に従って固相成長とレーザアニール
を組み合わせて成膜されたシリコン多結晶半導体薄膜を
活性層として用いた場合を表わしている。固相成長のみ
では結晶内に結晶欠陥が含まれるとともに結晶粒間に非
結晶部分が残留している。従って図５のグラフに示す様
に薄膜トランジスタの特性は必ずしも満足すべきもので
はない。一方、レーザアニールにより結晶化させた場合
は結晶粒が一般的に小さく結晶粒の境界が多数存在す
る。従って図６のグラフに示す様に薄膜トランジスタの
電気特性は必ずしも満足すべきものではない。これに対
し、固相成長とレーザアニールを組み合わせた場合薄膜
トランジスタ活性層の結晶粒が大きくなる為単結晶に近
くなり、且つ結晶粒間の非結晶領域が結晶化又は再結晶
化する為に電流が流れ易くなる。従って図７のグラフに
示す様に薄膜トランジスタのオン電流が図５及び図６の
場合に比べ増加している。又薄膜トランジスタ活性層の
キャリアトラップ密度が低くなる。この為図７のグラフ
に示す様にリーク電流が低減化されている。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、先
ず最初に半導体薄膜の熱アニールを行ない比較的大粒径
の結晶粒を固相成長させている。次にレーザアニールを
行ない結晶粒中に残留する結晶の除去及び／又は結晶粒
間に残留する非結晶部分の結晶化を行なっている。これ
により薄膜トランジスタ活性層の結晶粒が大きくなる為
単結晶に近くなり、且つ結晶粒間の非結晶領域が結晶化
又は再結晶化する為電流が流れ易くなり、薄膜トランジ
スタのオン電流増加に寄与するという効果がある。又薄
膜トランジスタ活性層のキャリアトラップ密度が低くな
りリーク電流の低減が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体装置製造方法を示す工程
図である。

【図２】レーザアニール処理の一例を示す模式図であ
る。

【図３】同じくレーザアニール処理を示す模式図であ
る。

【図４】本発明に従って製造された半導体装置を用いて
組み立てられた液晶表示装置の一例を示す模式的な斜視
図である。

【図５】熱アニールにより成膜された多結晶半導体薄膜
を活性層とする薄膜トランジスタの電気特性を示すグラ
フである。

【図６】レーザアニールにより成膜された多結晶半導体
薄膜を活性層とする薄膜トランジスタの電気特性を示す
グラフである。

【図７】固相成長及びレーザ照射を併用して成膜された
多結晶半導体薄膜を活性層とする薄膜トランジスタの電
気特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１絶縁基板２半導体薄膜４反射防止膜５素子領域６ゲート絶縁膜７ゲート電極１１画素電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/20 27/12 Ｒ (72)発明者西原静夫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者林久雄東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に形成した半導体薄膜を活性
層とする薄膜素子を含む半導体装置の製造方法におい
て、絶縁基板に非晶質の半導体薄膜又は比較的微小な粒径を
有する多結晶の半導体薄膜を成膜する工程と、該半導体薄膜のアニールを行ない比較的大粒径の結晶粒
を固相成長させる工程と、該半導体薄膜にレーザ光を照射して結晶粒中に残留する
欠陥の除去及び／又は結晶粒間に残留する非結晶部分の
結晶化を行なう工程とを有する事を特徴とする半導体装
置の製造方法。
【請求項２】絶縁基板上に形成した多結晶半導体薄膜
を活性層とする薄膜素子を含む半導体装置において、前記活性層はアニールにより固相成長した結晶粒を含ん
でおり、且つレーザ光照射により結晶粒中から欠陥が除
去されているとともに結晶粒間に介在する非結晶部分の
結晶化が図られている事を特徴とする半導体装置。
【請求項３】所定の間隙を介して対面配置した絶縁基
板及び対向基板と該間隙に保持された液晶層とを含むフ
ラットパネル構造を有し、該絶縁基板には多結晶半導体
薄膜を活性層とする薄膜トランジスタと画素電極とが集
積形成されており、該対向基板には対向電極が形成され
ている液晶表示装置であって、前記活性層はアニールにより固相成長した結晶粒を含ん
でおり、且つレーザ光照射により結晶粒中から欠陥が除
去されているとともに結晶粒間に介在する非結晶部分の
結晶化が図られている事を特徴とする液晶表示装置。