JP3577755B2

JP3577755B2 - 多結晶シリコン薄膜の製造方法

Info

Publication number: JP3577755B2
Application number: JP24872894A
Authority: JP
Inventors: 利雄工藤; 達也宮川
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH0878330A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は多結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン薄膜を多結晶化して例えば薄膜トランジスタを製造する方法には、比較的大きなガラス基板等からなる絶縁基板の上面全体にアモルファスシリコン薄膜を形成し、このアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザビームを照射することにより該アモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とし、この多結晶シリコン薄膜を素子分離して多数の薄膜トランジスタを形成する方法がある。この場合、絶縁基板の大きさに対してエキシマレーザビームのビームサイズが最大でも１０ｍｍ角程度とかなり小さいので、エキシマレーザビームをスキャンさせて絶縁基板上のアモルファスシリコン薄膜全体を照射するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のこのような多結晶シリコン薄膜の製造方法では、絶縁基板上のアモルファスシリコン薄膜全体を確実に照射するには、例えば図３（Ａ）において斜線（ハッチング）で示すように、互いに隣接する４つのレーザビーム照射領域の境界部分を左右方向および上下方向で重複して照射する必要がある。しかるに、高エネルギ密度のエキシマレーザビームを照射しているので、重複して照射すると、結晶粒同士の融着が起こり、この結果多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさにバラツキが生じ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凸凹が大きくなり、ひいては移動度やオン電圧、リーク電流等の薄膜トランジスタ特性に大きなバラツキが生じ、量産には適さないという問題があった。
この発明の目的は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさを均一化することができ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凸凹を小さくすることのできる多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、レーザビームのスキャン照射によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とする際に、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法であって、２回目またはそれ以降のスキャン照射を１回目のスキャンピッチより小さいスキャンピッチで行うようにしたものである。
請求項２記載の発明は、レーザビームのスキャン照射によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とする際に、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法であって、２回目またはそれ以降のスキャン照射を１回目のスキャンピッチとは異なるスキャンピッチであり、しかも、レーザビームのビームサイズよりも小さく且つその１／３以上のスキャンピッチで行うようにしたものである。
【０００５】
【作用】
この発明によれば、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法において、２回目またはそれ以降のスキャン照射を、１回目のスキャンピッチより小さいスキャンピッチで行うか、あるいは１回目のスキャンピッチとは異なるスキャンピッチであり、しかも、レーザビームのビームサイズよりも小さく且つその１／３以上のスキャンピッチで行うようにしたものであり、これにより、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさを均一化することができ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凹凸を小さくすることができる。
【０００６】
【実施例】
次に、この発明の第１実施例における多結晶シリコン薄膜の製造方法について図１〜図３を参照しながら説明する。まず、図１に示すように、厚さが１．１ｍｍで３２０×３４０ｍｍの比較的大きなガラス基板１の上面にマグネトロンスパッタリング装置を用いて酸化シリコンからなる厚さが１０００Å程度の下地層２を成膜する。次に、下地層２の上面にＰＥＣＶＤ装置を用いて厚さが５００Å程度の水素化アモルファスシリコン薄膜３を成膜する。次に、後の工程でエキシマレーザビーム照射により高エネルギを与えたとき水素が突沸して欠陥が生じるのを回避するために、窒素ガス雰囲気中において４５０℃程度の温度で１時間程度の脱水素処理を行う。
【０００７】
次に、図２に示すように、真空熱処理炉中において脱水素処理後のアモルファスシリコン薄膜３にエキシマレーザビームを照射することにより、アモルファスシリコン薄膜３を多結晶化して多結晶シリコン薄膜４とする。この場合、７．２〜９．３ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームをビームサイズよりもある程度小さいスキャンピッチでスキャン照射し、図３（Ａ）において斜線（ハッチング）で示すように、互いに隣接する４つのレーザビーム照射領域の境界部分を左右方向および上下方向に重複照射する。また、このときのエネルギ密度は、アモルファスシリコン薄膜３が溶融した後急冷により再アモルファス化しないようにするために、３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２程度の高エネルギ密度とする。
【０００８】
次に、同じく真空熱処理炉中において多結晶シリコン薄膜４に１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度の低エネルギ密度のエキシマレーザビームを照射する。この場合も、７．２〜９．３ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームをビームサイズよりもある程度小さいスキャンピッチでスキャン照射するが、レーザビーム照射領域を図３（Ａ）に示す先のレーザビーム照射領域とは異ならせる。すなわち、図３（Ｂ）において斜線（ハッチング）で示すように、点線で示す図３（Ａ）のレーザビーム照射領域とは異なるレーザビーム照射領域とする。これは、今回のレーザビーム重複照射領域と前回のレーザビーム重複照射領域とをなるべく異ならせることにより、過度のエネルギ吸収領域が生じるのを避けるためである。そして、今回のエネルギ密度は１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度の低エネルギ密度であるので、先のレーザビーム照射により多結晶化した多結晶シリコン薄膜４を溶融させることなく、先のレーザビーム照射により形成された微細なシリコン種結晶粒の成長が促進されるとともに、先のレーザビーム照射により多結晶化した多結晶シリコン薄膜４の急冷による歪が緩和されることになる。この結果、多結晶シリコン薄膜４の結晶粒の大きさを均一化することができ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凸凹を小さくすることができる。
【０００９】
次に、この多結晶シリコン薄膜４を用いて構成した薄膜トランジスタの構造の一例について図４を参照しながら説明する。まず、多結晶シリコン薄膜４を周知の如く素子分離した後、ゲート絶縁膜５およびゲート電極６を形成し、ゲート電極６をマスクとして多結晶シリコン薄膜４に不純物を拡散し、層間絶縁膜７およびこの層間絶縁膜７に形成したコンタクトホール８を介して不純物拡散層に接続されるソース・ドレイン電極９を形成すると、薄膜トランジスタが完成する。この薄膜トランジスタでは、移動度やオン電圧、リーク電流等の特性を均一化することができる。
【００１０】
次に、この発明の第２実施例における多結晶シリコン薄膜の製造方法について説明する。この第２実施例では、上記第１実施例の場合と比較して、エキシマレーザビーム照射工程が異なるだけであるので、この工程について説明する。まず、１回目のエキシマレーザビームの照射は、７．２〜９．３ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームを３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２程度の高エネルギ密度で且つビームサイズと同一のスキャンピッチでスキャン照射する。したがって、この１回目のスキャン照射だけでは、重複照射領域は生じない。次に、２回目のエキシマレーザビームの照射は、７．２〜９．３ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームを１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度の低エネルギ密度で且つビームサイズよりも小さいスキャンピッチでスキャン照射する。
【００１１】
次に、具体的な例について説明するに、まず、スキャン照射回数を２回とし、各スキャン照射におけるエネルギ密度の最適値を選択する場合について説明する。さて、上記第１実施例において図１を参照して説明したように、厚さが１．１ｍｍで３２０×３４０ｍｍの比較的大きなガラス基板１の上面に酸化シリコンからなる厚さが１０００Å程度の下地層２を成膜し、その上面に厚さが５００Å程度の水素化アモルファスシリコン薄膜３を成膜した後脱水素処理を行い、かくして得られた試料を複数用意する。
【００１２】
そして、１回目のスキャン照射において、８．９ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームを３１５〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２の範囲内の予め設定した複数のエネルギ密度で且つビームサイズと同一のスキャンピッチでスキャン照射し、各照射エネルギ密度に対する各試料のシート抵抗を測定した。この測定は、各試料を切断して２０×２４０ｍｍの試料片を取り出し、この取り出した各試料片の表面に、１ｍｍ間隔で直列に並んだ４本のプローブを試料片の幅方向に並べて接触させ、０〜２３０ｍｍの範囲を１０ｍｍピッチで移動させて行った。その結果、次の表１が得られた。なお、以下の説明において、シート抵抗を測定する場合の測定条件は上記の場合と同じである。
【表１】

【００１３】
この表１は、照射エネルギ密度に対するシート抵抗の平均値とその確率誤差を示したものである。このうち確率誤差は次の式で求めた。ただし、ｘ_ｉはシート抵抗、ｘ_ａｖはシート抵抗の平均値、ｎはシート抵抗の測定箇所数である。
確率誤差＝０．６７４５√｛Σ（ｘ_ｉ−ｘ_ａｖ）^２／ｎ（ｎ−１）｝
そして、表１に示す数値データのうち照射エネルギ密度に対するシート抵抗の平均値をグラフ化したものを図５に示し、照射エネルギ密度に対するシート抵抗の平均値の確率誤差をグラフ化したものを図６に示す。図５および図６から明らかなように、シート抵抗の平均値とその確率誤差は、３６５ｍＪ／ｃｍ^２の照射エネルギ密度の付近で急激に減少している。この場合のシート抵抗の平均値とその確率誤差の減少比をそれぞれ概算してみると、３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２の照射エネルギ密度領域ではそれぞれ最大値の１／５〜１／８と１／８〜１／１２となる。そして、シート抵抗の平均値が結晶子サイズや結晶化度と相関関係にあり、またシート抵抗の平均値の確率誤差が膜構造の均一性を反映することを考慮すると、１回目の照射エネルギ密度は３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２の範囲内から選択するのが望ましい。
【００１４】
次に、１回目の照射エネルギ密度を３４０ｍＪ／ｃｍ^２として得られた複数の試料に対して、２回目のスキャン照射を行い、シート抵抗の平均値の確率誤差の２回目の照射エネルギ密度に対する依存性を調べたところ、図７に示す結果が得られた。この場合、１回目の照射エネルギ密度として３４０ｍＪ／ｃｍ^２を選択したのは、図６から明らかなように、この場合のシート抵抗の平均値の確率誤差が最大であるので、この最悪の場合を選択して、２回目のスキャン照射の影響を分析すると、得られるデータが最も顕著になるからである。また、この場合の１回目のスキャン照射は、８．９ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームをビームサイズと同一のスキャンピッチでスキャン照射した。２回目のスキャン照射は、８．７〜９．２ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームを１７５〜３４０ｍＪ／ｃｍ^２の範囲内の予め設定した複数のエネルギ密度で且つビームサイズと同一のスキャンピッチでスキャン照射した。この場合、２回目のスキャン照射のスキャンピッチをビームサイズと同一としたのは、シート抵抗の平均値の確率誤差の２回目の照射エネルギ密度に対する依存性をただ単に調べるためである。ただし、２回目のスキャン照射の出発点は、１回目のスキャン照射に対してＸＹ方向にビームサイズの半分だけシフトさせた。
【００１５】
さて、図７から明らかなように、シート抵抗の平均値の確率誤差は、２回目の照射エネルギ密度が１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度であると±１０％以内であり、２４０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２程度であると±５％以内であり、２７５ｍＪ／ｃｍ^２付近であると±２．９％程度と最も小さい。したがって、２回目の照射エネルギ密度は、好ましくは１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度であり、より好ましくは２４０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２程度であり、最も好ましくは２７５ｍＪ／ｃｍ^２付近である。このような２回目の照射エネルギ密度の条件は、１回目の照射エネルギ密度が３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２程度である場合も同様であると言える。
【００１６】
以上のことから、１回目の照射エネルギ密度として５２０ｍＪ／ｃｍ^２を選択し、２回目の照射エネルギ密度として２７５ｍＪ／ｃｍ^２を選択し、さらに実験を行った。この場合、１回目のスキャン照射は７．２ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームをビームサイズと同一のスキャンピッチでスキャン照射し、２回目のスキャン照射は７．２ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームをＸ＝Ｙ＝３．６ｍｍ、２．４ｍｍ、１．５ｍｍの３通りのスキャンピッチでスキャン照射した。以下、これにより得られた試料を順に第１、第２、第３試料という。また、比較のために、８．９ｍｍ角のパルス化したエキシマレーザビームを３４０ｍＪ／ｃｍ^２の照射エネルギ密度で且つスキャンピッチをＸ＝Ｙ＝４．５ｍｍとして１回だけスキャン照射したものを用意した。以下、これを比較試料という。
【００１７】
さて、第１、第２、第３試料および比較試料のシート抵抗の平均値とその確率誤差を測定したところ、次の表２に示す結果が得られた。
【表２】

【００１８】
この表２から明らかなように、シート抵抗の平均値の確率誤差についてみると、第３試料では比較試料の１／４と小さく、第１および２試料では比較試料の約１／９、１／８とかなり小さい。したがって、特に第１および２試料では、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさの均一性に優れていることになる。ちなみに、最も良い場合の第１試料と比較試料とのシート抵抗の面内分布を調べたところ、図８に示す結果が得られた。この図８において、黒丸のグラフは第１試料を表し、白丸のグラフは比較試料を表している。この図８から明らかなように、第１試料では、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさの均一性が比較試料の９倍程度（表２に示す確率誤差の判断からして）改善されていることが判る。このことから、第２試料では比較試料の８倍程度改善され、第３試料では比較試料の４倍程度改善されていると言える。したがって、第１および第２試料の場合には第３試料よりもかなり改善され、２回目のスキャン照射のスキャンピツチがビームサイズよりもただ単に小さいだけでなく、その１／３以上である方が望ましいと言える。
【００１９】
次に、第１、第３試料および比較試料の各中心付近の２μｍ角のエリアについて、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による膜表面粗さを調べたところ、次の表３に示す結果が得られた。
【表３】

【００２０】
この表３から明らかなように、第１および第３試料では、膜表面粗さが比較試料の半分以下となっており、また膜表面構造の均一性が比較試料と比較してかなり改善されていることが判る。第２試料については調べなかったが、第１と第３試料の中間当たりの結果を示すものと思われる。
【００２１】
以上のことから、１回目のスキャン照射はエネルギ密度３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２程度で且つレーザビームのビームサイズと同一のスキャンピッチで行い、２回目のスキャン照射はエネルギ密度１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２程度で且つレーザビームのビームサイズよりも小さいスキャンピッチで行うと、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさを均一化することができ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凸凹を小さくすることができる。この場合、２回目のスキャン照射のスキャンピッチはレーザビームのビームサイズよりも小さく且つその１／３以上とするとより好ましく、また２回目のスキャン照射のエネルギ密度は２４０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２程度望ましくは２７５ｍＪ／ｃｍ^２程度とするとより好ましい。
【００２２】
次に、第１、第３試料および比較試料を用いてＮＭＯＳ型の図４に示すような薄膜トランジスタを形成し、移動度μ_ＦＥ、閾値電圧Ｖ_ｔ１ｎ、ＳパラメータＳ_１の各バラツキを調べたところ、図９〜図１１にそれぞれ示す結果が得られた。この場合、図１０における閾値電圧Ｖ_ｔ１ｎはドレイン電流Ｉ_Ｄが１ｎＡのときのゲート電圧Ｖ_Ｇであり、また、図１１におけるＳパラメータＳ_１はドレイン電流Ｉ_Ｄが１ｎＡ〜１０ｎＡに変化したときのゲート電圧Ｖ_Ｇの変化分である。なお、図９〜図１１において各試料には、左側と右側との二列の測定点群が示されているが、これらは、それぞれ、ＰＥＣＶＤ装置を用いて水素化アモルファスシリコン薄膜を成膜する際に、ＰＥＣＶＤ装置内におけるガラス基板の設置位置を左側とした場合および右側とした場合での測定結果を示す。これらの図から明らかなように、第１および第３試料を用いて形成した薄膜トランジスタの場合、比較試料を用いて形成した薄膜トランジスタと比較して、移動度μ_ＦＥ、閾値電圧Ｖ_ｔ１ｎ、ＳパラメータＳ_１のいずれもバラツキが小さく、トランジスタの性能バラツキを半分程度に抑えることができる。第２試料については調べなかったが、第１および第３試料と同様の結果を示すものと思われる。
【００２３】
なお、スキャン照射は２回のみに限らず、何回行ってもよい。その場合、３回目以降のスキャン照射の照射領域は例えば２回目のスキャン照射のときと同一であっても異ならせても構わず、またエネルギ密度も同一であっても異ならせても構わない。しかしながら、好ましくは、２回目以降のスキャン照射のエネルギ密度は１回目のスキャン照射のエネルギ密度よりも小さく、且つ前回のスキャン照射のエネルギ密度と同一かそれよりも小さくすることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法において、２回目またはそれ以降のスキャン照射を、１回目のスキャンピッチより小さいスキャンピッチで行うか、あるいは１回目のスキャンピッチとは異なるスキャンピッチであり、しかも、レーザビームのビームサイズよりも小さく且つその１／３以上のスキャンピッチで行うようにしたものであり、これにより、多結晶シリコン薄膜の結晶粒の大きさを均一化することができ、また多結晶シリコン薄膜の表面の凹凸を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例において、ガラス基板上に形成された下地層上にアモルファスシリコン薄膜を形成した状態の断面図。
【図２】エキシマレーザビームの照射によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とした状態の断面図。
【図３】（Ａ）は１回目のスキャン照射を説明するために示す平面図、（Ｂ）は２回目のスキャン照射を説明するために示す平面図。
【図４】図２に示す多結晶シリコン薄膜を用いて構成した薄膜トランジスタの構造の一例を示す断面図。
【図５】１回目の照射エネルギ密度に対するシート抵抗の平均値を示す図。
【図６】１回目の照射エネルギ密度に対するシート抵抗の平均値の確率誤差を示す図。
【図７】シート抵抗の平均値の確率誤差の２回目の照射エネルギ密度に対する依存性を示す図。
【図８】第１試料と比較試料とのシート抵抗の面内分布を示す図。
【図９】第１、第３試料および比較試料を用いて形成した薄膜トランジスタの移動度μ_ＦＥのバラツキを示す図。
【図１０】同薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖ_ｔ１ｎのバラツキを示す図。
【図１１】同薄膜トランジスタのＳパラメータＳ_１のバラツキを示す図。
【符号の説明】
１ガラス基板
２下地層
３アモルファスシリコン薄膜
４多結晶シリコン薄膜

Claims

レーザビームのスキャン照射によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とする際に、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法であって、２回目またはそれ以降のスキャン照射を１回目のスキャンピッチより小さいスキャンピッチで行うことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
レーザビームのスキャン照射によりアモルファスシリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜とする際に、レーザビーム照射領域を異ならせて複数回スキャン照射する方法であって、２回目またはそれ以降のスキャン照射を１回目のスキャンピッチとは異なるスキャンピッチであり、しかも、レーザビームのビームサイズよりも小さく且つその１／３以上のスキャンピッチで行うことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
請求項１または２に記載の発明において、１回目のスキャン照射は高エネルギ密度で行い、２回目またはそれ以降のスキャン照射は１回目のスキャン照射よりも低エネルギ密度で行うことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
請求項３記載の発明において、１回目のスキャン照射のエネルギ密度は３９０〜５２０ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
請求項３記載の発明において、２回目またはそれ以降のスキャン照射のエネルギ密度は１８０〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
請求項３記載の発明において、２回目またはそれ以降のスキャン照射のエネルギ密度は２４０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
請求項３記載の発明において、２回目またはそれ以降のスキャン照射のエネルギ密度は２７５ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。