JPH0945926A - 多結晶半導体薄膜の形成方法、並びに薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶の均一性に優れた多結晶半導体薄膜を形
成できる多結晶半導体薄膜の形成方法を提供する。 【解決手段】 非晶質半導体薄膜にパルス状レーザービ
ームを各ショット毎にその照射領域が所定ピッチで移動
するよう照射し、非晶質半導体薄膜を溶融・結晶化して
多結晶半導体薄膜を形成する際、前記移動ピッチをＰと
し、前記レーザービームのエネルギー強度プロファイル
における，前記非晶質半導体薄膜の結晶化を開始させる
強度ＥTHを与えるビーム照射面での位置をＸ(ＥTH)と
し、前記非晶質半導体薄膜のその厚み方向の全体を完全
に結晶化させる強度Ｅ0 を与えるビーム照射面での位置
をＸ(Ｅ0) としたとき、下記式を満足するように、パル
ス状レーザービームの照射領域を移動させる。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は様々な用途に用いられて
いる多結晶半導体薄膜の形成方法、並びに液晶ディスプ
レイや，画像読み取り用センサ及びＲＡＭ（Random Acc
ess Memory）の負荷等に用いられている薄膜トランジス
タ（ thin film toransistor:TFT）及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、液晶ディスプレイ用に開発が進め
られている多結晶シリコン薄膜トランジスタとその製造
方法について図面を用いて説明する。

【０００３】近年薄膜トランジスタを用いて液晶表示を
行う技術分野では、高価な石英基板ではなく安価なガラ
ス基板を使用できる比較的低温（概ね６００℃以下）に
おいてその作成が可能な多結晶シリコン薄膜を用いた薄
膜トランジスタ（以下、poly-Si ＴＦＴと略記する）が
注目を集めている。低温で多結晶シリコンを形成する手
法の一つに、レーザーアニールを用いて非晶質シリコン
を溶融・結晶化させる方法がある。この方法の欠点はレ
ーザーとしてパルス・レーザーを用い、このパルス・レ
ーザーを重ね合わせて照射することにより、半導体膜を
溶融・結晶化するため、パルス重ね合せ部分における半
導体膜の結晶性が低下し、パルス重ね合せ部分における
トランジスタ特性が悪いことである。この欠点を解消で
きる方法として、例えば、Extended Abstracts of the
1991 International Conferenceon Solid State Device
s and Materials, Yokohama, 1991, p.p.623-625 に、
エキシマ・レーザー照射時に基板を加熱する方法が提案
されている。以下、かかる方法について図５を用いて簡
単に説明する。図５は従来の薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）の構成を示す断面図であり、図において、１はガラ
ス基板、４ａは多結晶シリコン層、５はゲート絶縁層、
６はゲート電極、７はソース領域、８はドレイン領域、
９は層間絶縁層、１０はコンタクトホール、１１はソー
ス電極、１２はドレイン電極である。

【０００４】まずガラス基板１上に非晶質シリコン層を
全面に堆積した後、基板を４００℃に加熱してエキシマ
レーザーを照射し基板上の非晶質シリコン層を局所的に
加熱溶融して結晶化させ、そして、フォトリソグラフィ
ーとエッチング技術を用いて所望の島状のパターンとな
るようパターニングして多結晶シリコン層４ａを得る。
次にＡＰ（Atomospheric Vapor )−ＣＶＤ（Chemical V
apor Deposition ）法により例えばＳｉＯ2 からなるゲ
−ト絶縁層５を形成する。次に、ゲ−ト電極６を形成
し、続いてドナーもしくはアクセプタとなる不純物を多
結晶シリコン層４ａに部分的に導入して、ソ−ス領域７
とドレイン領域８を形成する。次に、層間絶縁層９を形
成した後、ゲ−ト絶縁層５及び層間絶縁層９にコンタク
ト・ホール１０を形成し、そして最後にコンタクト・ホ
ール１０介してソース電極１１及びドレイン電極１２を
形成する。また、このようなpoly-Si ＴＦＴでは、非晶
質シリコンを半導体層として用いるトランジスタよりも
大きな電界効果移動度（以下、単に移動度とも呼ぶ。）
を有するので、不純物としてボロンもしくはリンを用い
ることによりＰチャンネル及びＮチャンネルトランジス
タを選択的に作成することができる。従って、ＣＭＯＳ
（ complementary-MOS）回路を形成することができ、画
素トランジスタの駆動回路を同一基板上に作り込むこと
も可能である（特に図示はしない）。

【０００５】以上のようにして作製されたpoly-Si ＴＦ
Ｔでは、基板加熱により移動度のバラツキが±１０％以
内に抑えられるとされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ようにして作製された，その移動度のバラツキが±１０
％以内に抑えられたpoly-Si ＴＦＴであっても、これを
用いて液晶ディスプレイを作製した場合、画像上に移動
度の低い部分が筋状のムラとなって現われ、表示品位が
低くなってしまうという課題がある。

【０００７】本発明はかかる課題に鑑みてなされたもの
であり、結晶の均一性に優れた多結晶半導体薄膜を形成
できる多結晶半導体薄膜の形成方法、並びに、移動度の
バラツキが極めて小さい薄膜トランジスタ及びその製造
方法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる多結晶半
導体薄膜の形成方法は、基板の主面状に形成された多結
晶化すべき半導体薄膜に、パルス状レーザービームを、
各ショット毎にその前記半導体薄膜への照射領域が所定
ピッチで移動するよう照射して、前記半導体薄膜全域を
溶融・結晶化する多結晶半導体薄膜の形成方法におい
て、前記パルス状レーザービームの前記半導体薄膜への
照射領域の移動ピッチをＰとし、前記レーザービームの
エネルギー強度プロファイルにおける，前記多結晶化す
べき半導体薄膜の結晶化を開始させる強度ＥTHを与える
前記レーザービームの照射面での位置をＸ(ＥTH)とし、
前記多結晶化すべき半導体薄膜のその厚み方向の全体を
完全に結晶化させる強度Ｅ0 を与える前記レーザービー
ムの照射面での位置をＸ(Ｅ0) としたとき、下記式を満
足するように、前記パルス状レーザービームの前記半導
体薄膜への照射領域を移動させることを特徴とするもの
である。

【０００９】

【数２】

【００１０】また、本発明にかかる多結晶半導体薄膜の
形成方法は、前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により
得られた多結晶半導体薄膜に、前記パルス状レーザービ
ームが有する最大のエネルギー強度よりも大きなエネル
ギー強度を有するレーザービームを走査・照射すること
を特徴とするものである。

【００１１】また、本発明にかかる多結晶半導体薄膜の
形成方法は、前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により
得られた多結晶半導体薄膜に、水素をドーピングするこ
とを特徴とするものである。

【００１２】次に、本発明にかかる薄膜トランジスタ
は、その能動層が多結晶半導体薄膜からなる薄膜トラン
ジスタにおいて、前記多結晶半導体薄膜が前記の多結晶
半導体薄膜の形成方法により形成されたものであること
を特徴とするものである。

【００１３】次に、本発明にかかる薄膜トランジスタの
製造方法は、その能動層が多結晶半導体薄膜からなる薄
膜トランジスタの製造方法において、前記多結晶半導体
薄膜を前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により形成す
ることを特徴とするものである。

【００１４】本発明者は、前記構成を得るために非晶質
シリコン膜をレーザーアニールにより結晶化した時の結
晶化のメカニズムについて研究した。以下これについて
説明する。

【００１５】図６はパルス状エキシマレーザービームの
１ショットの空間的エネルギープロファイルを説明する
ための図で、図６(a) はエキシマレーザービームの１シ
ョットのビーム形状を模式的に示した図、図６(b) は図
６(a) のＡ−Ａ’線に対応するビームのエネルギー分布
を示した図である。図６(a) において、外側の斜線によ
り特定されてる領域はビームのエッジ領域である。図６
(a) ，図６(b) からビームのエッジ部では次第にエネル
ギーが低くなりついには０になっていることがわかる。
また、図７はエキシマレーザーアニールでしばしば用い
られるエキシマレーザービームの走査照射方式（ステッ
プ・アンド・リピート照射方法）を説明するための図
で、図７(a) は被アニール体（非晶質シリコン膜）のレ
ーザー照射面におけるレーザの照射状態を模式的に示し
た図であり、図７(b) はこの照射方法により多結晶化し
たシリコン膜を用いて薄膜トランジスタを形成した場合
の図７(a) Ｂ−Ｂ’線に対応する移動度の変化状態を示
した図である。図７(b) において、斜線により特定され
てる領域はレーザービーム中央のエネルギー強度が高い
領域、白抜きの領域はレーザービームエッジのエネルギ
ー強度が低い領域であり、第１回目の走査で図の右側方
向に順次レーザービームを移動させ、第２回目の走査で
図の左側方向に順次レーザービームを移動させている。
図７(a) ，図７(b) から、レーザービームの各ショット
の重ね合せ部分（ビームエッジを含む部分）で移動度が
低くなっていることがわかる。本発明者は、鋭意研究の
結果、この薄膜トランジスタの局所的な移動度の低下
に、半導体膜に照射するパルス状レーザービームのエネ
ルギー強度が大きく影響を与えていることをつきとめ
た。

【００１６】即ち、前記したようにパルス状エキシマレ
ーザービーム（の１ショット）はエネルギー強度の分布
をもっており、このレーザービームは（１）前駆体（結
晶化がなされる前の）半導体膜の結晶化が開始するエネ
ルギー強度（閾値エネルギー強度）未満の強度を有する
領域，（２）前駆体半導体膜の結晶化が開始する閾値エ
ネルギー強度から前駆体半導体薄膜がその厚み方向の全
体が完全に結晶化するエネルギー強度（完全結晶化エネ
ルギー強度）までの強度を有する領域，（３）前記完全
結晶化エネルギー強度以上で設定された最大エネルギー
強度までの強度を有する領域の３つの領域，を有してい
る。

【００１７】このため、第１ショット目でレーザービ
ームの前記（１）の領域が照射された前駆体半導体膜の
領域は、第１ショット目照射後はもとの前駆体のままで
あるが、かかる領域には第２ショット目以降において、
レーザービームが定寸移動して前駆体半導体膜へのレー
ザービームの照射領域が移動していることにより、レー
ザービームのうちの前記（３）の完全結晶化エネルギー
強度以上のエネルギー強度を有する領域が照射されて、
完全結晶化がなされる。

【００１８】また、第１ショット目でレーザービーム
の前記（３）の領域が照射された前駆体半導体膜の領域
は、この第１ショット目で完全結晶化がなされる。とこ
ろが、第１ショット目でレーザービームの前記（２）
の領域が照射された前駆体半導体膜の領域は、第１ショ
ット目の照射により非晶質部分と多結晶部分が混在し、
第２ショット目以降においてレーザービームの前記
（３）の領域が照射されると、第１ショット目で部分的
に結晶化した部分が種結晶となってその厚み方向の全体
にかけて結晶化されるので、前記，で説明した領域
とは異なった結晶性を有するものとなり、薄膜トランジ
スタとした場合に、前記，で説明した領域とはその
移動度が異なることとなる。

【００１９】従って、本発明者は前駆体半導体膜の全域
にわたり、第１ショット目でレーザービームの前記
（２）の領域が照射され、第２ショット目以降でレーザ
ービーム前記（３）の領域が照射されて結晶化されるよ
う、レーザービームを前駆体半導体膜の一端から半導体
膜の全域にかけて定寸移動させていけば、前駆体半導体
膜の全域が、前記で説明した，第１ショット目で結晶
化した部分が種結晶となって第２ショット目以降でその
厚み方向の全体にかけて結晶化がなされたものとなり、
その全域にかけて結晶性が均一な多結晶半導体膜を得る
ことができると考え、前記構成からなる本発明の多結晶
半導体膜の形成方法、並びに薄膜トランジスタ及びその
製造方法を想到したのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の多結晶半導体薄膜の形成
方法においては、基板の主面状に形成された多結晶化す
べき半導体薄膜に、パルス状レーザービームを、各ショ
ット毎にその前記半導体薄膜への照射領域が所定ピッチ
で移動するよう照射して、前記半導体薄膜全域を溶融・
結晶化する多結晶半導体薄膜の形成方法において、前記
パルス状レーザービームの前記半導体薄膜への照射領域
の移動ピッチをＰとし、前記レーザービームのエネルギ
ー強度プロファイルにおける，前記多結晶化すべき半導
体薄膜の結晶化を開始させる強度ＥTHを与える前記レー
ザービームの照射面での位置をＸ(ＥTH)とし、前記多結
晶化すべき半導体薄膜のその厚み方向の全体を完全に結
晶化させる強度Ｅ0を与える前記レーザービームの照射
面での位置をＸ(Ｅ0)としたとき、下記式を満足するよ
うに、前記パルス状レーザービームの前記半導体薄膜へ
の照射領域を移動させるようにしたから、前記パルス状
レーザービームが各ショット毎に前記移動ピッチＰで移
動すると、第１ショット目のレーザービームの照射によ
って半導体膜に非晶質部分と多結晶部分が混在した領域
が形成される第１の結晶化プロセスと、この領域に第２
ショット目以降のレーザービームが照射されることによ
り，当該領域において前記第１ショット目で結晶化した
結晶が種結晶となってその厚み方向の全体にかけて結晶
化がなされる第２の結晶化プロセスとからなる結晶化プ
ロセスにより、前記半導体膜の全域が結晶化されること
となり、その結果、前記半導体膜がその全域において均
一な結晶性を有する多結晶半導体膜に改質される。

【００２１】

【数３】

【００２２】また本発明においては、前記構成の好まし
い例として、前記多結晶化すべき半導体薄膜にパルス状
レーザービームを照射する前に、前記多結晶化すべき半
導体薄膜を加熱処理して当該半導体薄膜中に含有されて
いる水素を除去するようにすると、前記半導体膜の結晶
化プロセスが水素に阻害されることなく進行し、前記半
導体膜がその全域においてより均一な結晶性を有する多
結晶半導体膜に改質される。

【００２３】更に本発明の多結晶半導体薄膜の形成方法
においては、前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により
得られた多結晶半導体薄膜に、前記パルス状レーザービ
ームが有する最大のエネルギー強度よりも大きなエネル
ギー強度を有するレーザービームを走査・照射するよう
にしたから、前記多結晶半導体薄膜中の転位及び点欠陥
等の結晶欠陥が緩和され、結晶性がより良好なものとな
る。

【００２４】更に本発明の多結晶半導体薄膜の形成方法
においては、前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により
得られた多結晶半導体薄膜に、水素をドーピングするよ
うにしたから、多結晶の粒界にあるダングリング・ボン
ドが補償され、結晶性がより良好なものとなる。

【００２５】更に本発明の薄膜トランジスタにおいて
は、その能動層が多結晶半導体薄膜からなる薄膜トラン
ジスタにおいて、前記多結晶半導体薄膜を前記の多結晶
半導体薄膜の形成方法により形成されたものにしたか
ら、その能動層がその全域において均一な結晶性を有す
る多結晶半導体薄膜で構成された，移動度のバラツキが
極めて小さい薄膜トランジスタを得ることができる。

【００２６】更に本発明の薄膜トランジスタの製造方法
においては、その能動層が多結晶半導体薄膜からなる薄
膜トランジスタの製造方法において、前記多結晶半導体
薄膜を前記の多結晶半導体薄膜の形成方法により形成す
るようにしたから、前記の移動度のバラツキが極めて小
さい薄膜トランジスタを合理的に製造することができ
る。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 （実施例１）図１は本発明の実施例１による多結晶半導
体薄膜の形成工程を示す工程断面図である。以下、この
図に従って多結晶半導体薄膜の形成工程を説明する。

【００２８】ガラス基板中の不純物の拡散を防ぐバッフ
ァー層としてのＳｉＯ₂ 膜（図示せず。）を被着したガ
ラス基板１（コ−ニング社製＃７０５９ガラス（商品
名））上に例えばシラン（ＳｉＨ₄）と水素（Ｈ₂）を原
料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により膜厚８５ｎ
ｍの非晶質シリコン薄膜２を形成し、次いでこの非晶質
シリコン薄膜２に波長３０８ｎｍ，パルス幅４５ｎｓｅ
ｃのＸｅＣｌエキシマ・レーザービーム３を各ショット
毎に所定ピッチＰにて定寸移動させながら溶融し、結晶
化して（図１（ａ））、非晶質シリコン薄膜２を多結晶
シリコン膜５に改質する（図１（ｂ））。

【００２９】図３は膜厚８５ｎｍの非晶質シリコンにＸ
ｅＣｌエキシマレーザーを照射した時の紫外光の反射率
を示している。紫外光反射率は非晶質シリコンが多結晶
化することにより上昇するので、紫外光反射率の変化か
ら多結晶化の進行具合いを見積ることが出来る。この場
合、紫外光反射率は、レーザーのエネルギー強度（密
度）が約１６０ｍＪ／ｃｍ² である時から上昇を始め、
約２５０ｍＪ／ｃｍ² での時に飽和しているので、約１
６０ｍＪ／ｃｍ² が前駆体である非晶質シリコン薄膜の
結晶化閾値エネルギー強度（密度）で、約２５０ｍＪ／
ｃｍ² が完全結晶化エネルギー強度（密度）であること
がわかる。

【００３０】本実施例では、前記波長３０８ｎｍ，パル
ス幅４５ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザー照射工程
において、レーザーのエネルギー強度（密度）を、完全
結晶化エネルギー強度（密度）２５０ｍＪ／ｃｍ² より
やや高い２６０ｍＪ／ｃｍ²に設定して照射した。

【００３１】図４はこのパルス状ＸｅＣｌエキシマレー
ザーの設定エネルギー（密度）を２６０ｍＪ／ｃｍ² に
した場合の、被照射体である非晶質シリコン表面におけ
る（１ショット目の）レーザーのエネルギー強度（密
度）のプロファイルである。図において、ＥTHは結晶化
閾値エネルギー強度（密度）、Ｅ0 は完全結晶化エネル
ギー強度（密度）、Ｘ(ＥTH)はレーザーのエネルギー
（密度）が結晶化閾値エネルギー強度（密度）ＥTHとな
る非晶質シリコン表面でのレーザーのエッジ端部（基準
点）からの位置、Ｘ(Ｅ0 )はレーザーのエネルギー強度
（密度）が完全結晶化エネルギー強度（密度）Ｅ0 とな
る非晶質シリコン表面でのレーザーのエッジ端部（基準
点）からの位置である。この図から、レーザーのエネル
ギー強度（密度）が結晶化閾値エネルギー強度（密度）
ＥTHである１６０ｍＪ／ｃｍ² となる位置と、完全結晶
化エネルギー強度（密度）Ｅ0 である２５０ｍＪ／ｃｍ
² となる位置との間の距離（長さ）が約１ｍｍであるこ
とが分かる。本実施例では、照射ピッチＰが、Ｐ≦ Ｘ
(Ｅ0)−Ｘ(ＥTH)＝１ｍｍを満たすもの、すなわち、照
射ピッチＰ１が１ｍｍ以下となるようパルス状ＸｅＣｌ
エキシマレーザーを各ショット毎に定寸移動させて、非
晶質シリコン薄膜２を溶融・結晶化することにより、極
めて均一な結晶性を有する多結晶シリコン膜５を得るこ
とができた。より詳細には、生産性を考慮して、照射ピ
ッチＰを１ｍｍに設定して照射を行った。図４中の一点
鎖線で示す特性線（プロファイル）ａ，ｂは、１ショッ
ト目のレーザー光（図中の実線の特性線（プロファイ
ル））を照射した後、照射ピッチＰを１ｍｍにして順次
照射した２ショット目，３ショット目のレーザー光の特
性線（プロファイル）を示している 尚、本実施例１では、レーザーの設定エネルギー強度
（密度）を２６０ｍＪ／ｃｍ2 にしたが、これに限定さ
れるものではなく、完全結晶化エネルギー強度（密度）
２５０ｍＪ／ｃｍ² 以上で、薄膜が爆発的な結晶化を示
すエネルギー強度（密度）である５００ｍＪ／ｃｍ² 以
下であればよい。

【００３２】また、本実施例１では前駆体半導体薄膜と
しての非晶質シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法により形
成したが、このプラズマＣＶＤ法による非晶質シリコン
薄膜は水素を含有するので、エキシマレーザーを照射す
る前に４００℃から４５０℃程度に加熱して膜中の水素
を除去することが好ましく、これにより、より均一な結
晶性の多結晶半導体膜を形成することができる。

【００３３】（実施例２）図２は本発明の実施例２によ
る薄膜トランジスタの製造工程を示す工程別断面図であ
る。以下、この図に従って薄膜トランジスタの製造工程
を説明する。

【００３４】先ず、前記実施例１の多結晶半導体膜の形
成工程と同様にして、ガラス基板中の不純物の拡散を防
ぐバッファー層としてのＳｉＯ₂ 膜（図示せず。）を被
着したガラス基板１（コ−ニング社製＃７０５９ガラス
（商品名））上に例えばシラン（ＳｉＨ₄）と水素
（Ｈ₂）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法によ
り膜厚８５ｎｍの非晶質シリコン薄膜２を形成し、次い
でこの非晶質シリコン薄膜２に波長３０８ｎｍ，パルス
幅４５ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマ・レーザービーム３
を、設定エネルギー強度（密度）２６０ｍＪ／ｃｍ² で
各ショット毎に１ｍｍピッチで定寸移動させながら照射
して溶融・結晶化させ（図２（ａ））、非晶質シリコン
薄膜２を多結晶シリコン膜（層）４に改変する（図２
（ｂ））。

【００３５】次に、多結晶シリコン膜（層）４を覆うよ
うにＳｉＯ₂ からなるゲート絶縁層５を常圧ＣＶＤ法を
用いて１００ｎｍの厚みで堆積形成し、続いてゲート絶
縁層５上に例えばスパッタ法によりクロム（Ｃｒ）膜を
被着し、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用
いてこのＣｒ膜をパターニングしてゲート電極６を形成
した後、このゲート電極６をマスクとして用いて、リ
ン，アルミニウム等のドナーとなる不純物元素、または
ボロン，砒素等のアクセプタとなる不純物元素を質量分
離を行わないイオンドーピング法，或いは，バケットタ
イプイオンドープ法（このバケットタイプイオンドープ
法は例えばExtended Abstracts of the 22nd (1990) In
ternational Conference on Solid State Devices and
Materials,p. 971または p.1197に記載されている。）
を用いてドーピングして、多結晶シリコン膜（層）４に
ソ−ス及びドレイン領域７及び８を作る（図２
（ｃ））。

【００３６】次に、前記導入された不純物を活性化させ
るために多結晶シリコン膜（層）４を３００〜６００℃
程度で熱処理した後、ゲート絶縁層５及びゲート電極６
を覆うように、層間絶縁用として例えばＡＰ−ＣＶＤ法
によりＳｉＯ₂ からなる層間絶縁層９を形成し、次いで
ゲート絶縁層５及び層間絶縁層９にコンタクト・ホ−ル
１０を形成し、この後、アルミニウム（Ａｌ）膜をスパ
ッタ法で堆積形成し、フォトリソグラフィー及びエッチ
ング技術を用いてこのアルミニウム（Ａｌ）膜をパター
ニングしてソース電極及びドレイン電極１１を形成する
と、多結晶シリコンＴＦＴが完成する（図２（ｄ））。

【００３７】このような本実施例の多結晶シリコンＴＦ
Ｔは、能動層となる多結晶シリコン膜（層）４の結晶性
がその全域にわたって均一であることから、移動度のバ
ラツキが小さいものとなる。特に、前記製造工程におけ
るレーザー結晶化以降，ＴＦＴ完成までのいずれかの工
程の後に、水素をドーピングする工程もしくは水素雰囲
気下での熱処理（３００〜４００℃）工程もしくは水素
プラズマ処理工程を付加することにより、多結晶シリコ
ン膜（層）４における多結晶の粒界にあるダングリング
・ボンドが補償されて、結晶性の均一化がより高いレベ
ルでなされることとなり、ＴＦＴの移動度のバラツキは
３％程度の極めて小さいものとなる。また、前記工程で
は特に明記していないが、オフ特性を改善するためＬＤ
Ｄ（Lightly doped drain ）構造を採用することも可能
である。また、前記のボロン，砒素等のアクセプタとな
る不純物元素及びリン，アルミニウム等のドナーとなる
不純物元素の両方を選択的に用いることにより、Ｐチャ
ンネル及びＮチャンネルトランジスタを選択的に作成し
て、ＣＭＯＳ回路を基板上に作り込むことも可能であ
る。

【００３８】（実施例３）本実施例３は前記実施例２よ
りも更に能動層となる多結晶シリコン膜（層）の特性が
向上した薄膜トランジスタを得るために、前記実施例２
と同様にエキシマレーザーを設定エネルギー２６０ｍＪ
／ｃｍ² で走査しながら非晶質シリコン薄膜２に照射し
て多結晶シリコン膜（層）４を得た後、この多結晶シリ
コン膜（層）４にエキシマレーザーを設定エネルギー強
度（密度）３９０ｍＪ／ｃｍ² で走査しながら照射し
て、結晶内部の転位及び点欠陥等の結晶欠陥を減少さ
せ、この後、前記実施例２と同様にして薄膜トランジス
タに形成を行うものである。ここで、多結晶シリコン膜
（層）４に照射するエキシマレーザーの設定エネルギー
強度（密度）は、多結晶シリコン膜（層）４が溶融して
爆発的な結晶化を起こすエネルギー強度（密度）より小
さいもので、結晶の原子の配列状態が変化するに必要な
強度（密度）である。

【００３９】尚、前記実施例２，３では、ゲート電極６
材料としてＣｒを用いたが、本発明においては、ゲート
電極材料として、アルミニウム（Ａｌ），タンタル（Ｔ
ａ），モリブデン（Ｍｏ），クロム（Ｃｒ）及びチタン
（Ｔｉ）から選ばれる１種の金属または２種以上の金属
の合金、不純物を多量に含む多結晶シリコン、多結晶Ｓ
ｉＧｅ合金を用いても同様の効果を得ることができる、
また、ゲート電極６をＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）
膜等の透明導電層で構成しても同様の効果を得ることが
できる。

【００４０】また、前記実施例２，３では、ソース電極
１１およびドレイン電極１２材料としてアルミニウム
（Ａｌ）を用いたが、本発明においては、ソース電極お
よびドレイン電極材料として、アルミニウム（Ａｌ），
タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），クロム（Ｃ
ｒ）及びチタン（Ｔｉ）から選ばれる１種の金属または
２種以上の金属の合金を用いても同様の効果を得ること
ができる。

【００４１】また、前記実施例２，３では、ゲート絶縁
層５をＳｉＯ₂ からなるものとしたが、本発明において
は、例えば、窒化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミ
ニウム等の他の絶縁性物質によりゲート絶縁層を形成し
ても同様の効果を得ることができる。また、ゲート絶縁
層５の堆積方法としても、前記の常圧ＣＶＤ法に限定さ
れるものではなく、ＥＣＲ（Eiectron Cyclotron Reson
ance）−ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
スパッタ法等を用いることができる。

【００４２】また、前記実施例１〜３ではＸｅＣｌエキ
シマレーザーを用いたが、本発明においてＫｒレーザ
ー，Ａｒレーザー等の他のレーザーアニール用光源を適
用できることは言うまでもない。

【００４３】また、前記実施例１〜３では、結晶化閾値
エネルギー強度（密度）ＥTHが１６０ｍＪ／ｃｍ² 、完
全結晶化エネルギー強度（密度）Ｅ0 が２５０ｍＪ／ｃ
ｍ²であったが、これは非晶質半導体薄膜の材料，膜
厚，レーザーの種類等のパラメータに大きく依存するも
のであり、前記値に限定されるものではない。また、Ｘ
( Ｅ0)−Ｘ(ＥTH)は１ｍｍであったが、これもレーザー
ビームの設定エネルギー，ビーム径等に依存するもので
あり、前記値に限定されるものではない。

【００４４】また、前記実施例１〜３では、基板１とし
てコ−ニング社製＃７０５９ガラス（商品名）からなる
ガラス基板を用いたが、本発明においては他の材料組成
のガラス基板，石英基板またはサファイア基板等の他の
絶縁性基板を適用できることは言うまでもない。

【００４５】また、前記実施例１〜３では、非晶質半導
体薄膜として非晶質シリコン層を用いたが、本発明にお
いては、他の非晶質半導体材料、例えば非晶質のゲルマ
ニウム（Ｇｅ），非晶質のシリコン・ゲルマニウム合金
（ＳｉＧｅ）等からなる非晶質半導体薄膜を適用できる
ことは言うまでもない。また、非晶質半導体材料の堆積
方法としてプラズマＣＶＤを用いたが、他の堆積方法、
例えば熱ＣＶＤ，ＥＣＲ−ＣＶＤ、リモートプラズマＣ
ＶＤ、スパッタ法等を適用できることは言うまでもな
い。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
その全域において結晶性の均一化が図られた多結晶半導
体薄膜が形成することができる。また、本発明によれ
ば、移動度のバラツキが極めて小さい薄膜トランジスタ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による多結晶半導体薄膜の形
成工程を示す工程断面図である。。

【図２】本発明の実施例２による薄膜トランジスタの製
造工程を示す工程別断面図である。

【図３】膜厚８５ｎｍの非晶質シリコンにＸｅＣｌエキ
シマレーザーを照射した時の紫外光反射率の照射エネル
ギー依存性を示した図である。

【図４】ＸｅＣｌエキシマレーザーの設定エネルギー
（密度）を２６０ｍＪ／ｃｍ² にした場合の、被照射体
である非晶質シリコン表面におけるレーザーのエネルギ
ー強度（密度）のプロファイルを示した図である。

【図５】従来の薄膜トランジスタの構成を示す断面図で
ある。

【図６】図６(a) はエキシマレーザービームの１ショッ
トのビーム形状を模式的に示した図であり、図６(b) は
図６(a) のＡ−Ａ’線に対応するビームのエネルギー分
布を示した図である。

【図７】図７(a) は被アニール体（非晶質シリコン膜）
のレーザー照射面におけるレーザの照射状態を模式的に
示した図であり、図７(b) はこの照射方法により多結晶
化したシリコン膜を用いて薄膜トランジスタを形成した
場合の図７(a) Ｂ−Ｂ’線に対応する移動度の変化状態
を示した図である。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ 非晶質シリコン層 ３ エキシマ・レーザー光 ４，４ａ 多結晶シリコン層 ５ ゲ−ト絶縁層 ６ ゲ−ト電極 ７ ソース領域 ８ ドレイン領域 ９ 層間絶縁層 １０ コンタクト・ホール １１ ソース電極 １２ ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 哲也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 宮田 豊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の主面状に形成された多結晶化すべ
   き半導体薄膜に、パルス状レーザービームを各ショット
   毎にその前記半導体薄膜への照射領域が所定ピッチで移
   動するよう照射して、前記半導体薄膜全域を溶融・結晶
   化する多結晶半導体薄膜の形成方法において、 前記パルス状レーザービームの前記半導体薄膜への照射
   領域の移動ピッチをＰとし、前記レーザービームのエネ
   ルギー強度プロファイルにおける，前記多結晶化すべき
   半導体薄膜の結晶化を開始させる強度ＥTHを与える前記
   レーザービームの照射面での位置をＸ(ＥTH)とし、前記
   多結晶化すべき半導体薄膜のその厚み方向の全体を完全
   に結晶化させる強度Ｅ0 を与える前記レーザービームの
   照射面での位置をＸ(Ｅ0) としたとき、下記式を満足す
   るように、前記パルス状レーザービームの前記半導体薄
   膜への照射領域を移動させることを特徴とする多結晶半
   導体薄膜の形成方法。 【数１】
2. 【請求項２】 前記多結晶化すべき半導体薄膜にパルス
   状レーザービームを照射する前に、前記多結晶化すべき
   半導体薄膜を加熱処理することにより当該半導体薄膜中
   に含有されている水素を除去する請求項１に記載の多結
   晶半導体薄膜の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の多結晶半導体薄膜の形
   成方法により得られた多結晶半導体薄膜に、前記パルス
   状レーザービームが有する最大のエネルギー強度よりも
   大きなエネルギー強度を有するレーザービームを走査・
   照射する多結晶半導体薄膜の形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の多結晶半導体薄膜の形
   成方法により得られた多結晶半導体薄膜に、水素をドー
   ピングする多結晶半導体薄膜の形成方法。
5. 【請求項５】 その能動層が多結晶半導体薄膜からなる
   薄膜トランジスタにおいて、 前記多結晶半導体薄膜が請求項１〜４のいずれかに記載
   の多結晶半導体薄膜の形成方法により形成されたもので
   あることを特徴とする薄膜トランジスタ。
6. 【請求項６】 その能動層が多結晶半導体薄膜からなる
   薄膜トランジスタの製造方法において、 前記多結晶半導体薄膜を請求項１〜４のいずれかに記載
   の多結晶半導体薄膜の形成方法により形成することを特
   徴とする薄膜トランジスタの製造方法。