JP4203141B2 - 非晶質シリコン層の結晶化方法及びこれを使用する薄膜トランジスターの製造方法 - Google Patents
非晶質シリコン層の結晶化方法及びこれを使用する薄膜トランジスターの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非晶質シリコン層の結晶化方法及び、これを使用する薄膜トランジスターの製造方法に係わり、特にキャッピング層(capping layer)を形成せずに非晶質シリコン層のチャンネル領域(channel region)を結晶化することにより、キャッピング層を形成するときに生じるチャンネル領域の損傷を減少できる非晶質シリコン層の結晶化方法及び、これを利用したトランジスターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非晶質シリコン(amorphous silicon)にレーザーなどのエネルギーを供給して溶融状態にした後、冷却または固化させると結晶として析出されていく。この時、最初に生じた小さい結晶核がシード(seed)になって次第に成長しながら大きい結晶を形成することによって結晶化される。単結晶領域のそれぞれが、通常の成長条件のもとで、一定だが任意の方向に成長する。それゆえ、多数の結晶が同時に成長するとき、非晶質シリコン層は多結晶(poly-crystallization)になる。
【０００３】
非晶質シリコンを使用する薄膜トランジスターは、単結晶或は多結晶シリコンを使用する薄膜トランジスターより低温で形成されるという長所があるが、チャンネル領域でキャリア(carrier)の移動度が低いという短所を持っている。また、多結晶のシリコンを使用する薄膜トランジスターは、非単一特性をもつ、すなわち、基板上の異なる位置に形成された薄膜トランジスタは異なる特性を示す。これはポリシリコンでのキャリアの移動度は、単結晶シリコンの移動度より低く、結晶化の程度に依存し、基板上で結晶化の程度のばらつきが存在するからである。また、多結晶薄膜トランジスターは、単結晶シリコンに比して多くの結晶粒子を含むため、粒界を通過しなければならないという粒界効果(grain boundary effect)の影響をより多く受けるからである。したがって、非結晶シリコンを結晶化してチャンネル領域として使用する薄膜トランジスターにおいて、それぞれの単結晶領域（すなわちそれぞれの粒）は、結晶領域の数を減らしキャリアの移動度を高められるようにできるだけ大きく形成されるべきである。レーザーによる非晶質シリコンの結晶化の間に形成される結晶粒の大きさは、レーザービームのエネルギー密度、基板の温度及び結晶化の速さに関数的な関係がある。したがって、これらパラメータを適切に調整して非晶質シリコンからの結晶の生成及び成長を規制することが重要である。
【０００４】
一般的に、非晶質シリコン層は、酸化シリコンや窒化シリコンのような反射防止コーティング物質(antireflective coating)で形成するキャッピング層の下に位置する。キャッピング層の下の非晶質シリコン領域は、他の領域よりも速く熱せられるから、チャンネル領域の結晶化で用いられるレーザーは、キャッピング層の下の非晶質シリコン領域を完全に溶融させるが非晶質シリコン層の他の領域を溶融させないように、適当なエネルギー密度を持たせる。
【０００５】
図１（ａ）から図２（ｂ）は、従来の技術による薄膜トランジスターのチャンネル領域を結晶化させるプロセスを示す図面で、キャッピング層を利用して行われる典型的な工程を示している。
【０００６】
図１（ａ）を参照すると、ガラス基板１０上に薄膜トランジスターの活性層としての非晶質シリコン層１１を形成する。その後、シリコン酸化膜を形成してから写真蝕刻することによりキャッピング層１２を形成する。キャッピング層１２は、非晶質シリコン層１１のチャンネル領域になる部分の上に位置するべきである。続いて、適当なエネルギー密度を持つレーザーを全面に照射する。
【０００７】
図１（ｂ）を参照すると、レーザーはキャッピング層１２の下の非晶質シリコン領域を完全に溶融させる。溶かされた非晶質シリコン領域は「チャンネル領域１１C」と参照される。キャッピング領域１２をもたない非晶質シリコン領域の他の部分（「非チャネル領域」と参照される）は完全には溶融されず、個体粒子１１ｓが残存するようになる。
【０００８】
図２（ａ）を参照すると、非チャンネル領域１１Aの溶融された非晶質シリコン層は徐々に冷却され、固化して複数の単結晶粒を生成する。非チャンネル領域１１Aに残る固体粒１１ｓは結晶の成長を始める種（seed）結晶として働き、異なる位置に同時に成長する非常に多数の結晶領域を生成し、多結晶シリコンを生成する。一方、キャッピング層１２の下のチャネル領域１１Cは、非チャンネル領域１１Aと比べてゆっくり冷え固体化するので、依然溶融状態を維持している。
【０００９】
図２（ｂ）を参照すると、非チャンネル領域１１Aの多結晶質がまだ溶融状態で存在するチャンネル領域１１Cに到達すると、新しいシード結晶として働くチャネル領域１１Cと非チャンネル領域１１Aの間の多結晶質の境界１１Lが、バウンダリ・ラテラル成長(boundary lateral growth)を引き起こし、チャネル領域１１Cで大きな結晶領域が生じる。
【００１０】
結晶の境界の数が、チャネル領域で生じる大きなサイズの結晶により減少するので、粒界効果を抑制し、チャネル領域でのキャリアはより高い移動度をもつようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では、例えば酸化シリコンで形成するキャッピング層は完全に均一であるか適当な厚さでないとき、キャッピング層１２はレーザー照射の間に損傷を受ける。その結果、チャネル領域の役割を果たすキャッピング層１２の下の非晶質シリコン層１１は不十分な結晶化特性をもつようになり、トランジスタの特性を劣化させる。
【００１２】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、チャネル領域がレーザー照射の間で損傷を受けることがなく、結晶化工程で結晶をより大きくすることができて、薄膜トランジスタの信頼性を高めることができる非晶質シリコン層の結晶化方法及びこれを使用する薄膜トランジスターの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、レーザー・アニーリング(annealing)を実施して、非晶質シリコンから形成されたチャンネル領域を結晶化する工程において、キャッピング層を形成することなく、非晶質シリコンの厚さを適切に調節してレーザー・エネルギーの吸収度を調節することによってチャンネル領域に損傷を与えない状態で結晶化工程を進行させる。
【００１４】
上記の目的を達成するために、この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層に溝領域を形成する段階と、前記溝領域を含む前記非晶質シリコン層をレーザーによって結晶化する段階とを備える。
【００１５】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００１６】
この発明は、絶縁基板上に厚さが異なる領域をもつ非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層をレーザー照射して結晶化する段階とを備える。
【００１７】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記絶縁基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００１８】
この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層に薄膜トランジスターのチャンネル領域に対応する部分に溝を形成する段階と、前記溝を含む非晶質シリコン層をレーザー照射によって結晶化して、結晶化されたシリコンを形成する段階と、前記結晶化されたシリコンをパターニングして、前記チャンネル領域を含む薄膜トランジスターの活性層を形成する段階と、前記の活性層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極をマスクとしてイオン・ドーピングを行い、前記チャンネル領域の両側に接するソース領域とドレーン領域をそれぞれ形成する段階と、層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜と前記ゲート絶縁膜に、前記ソース領域とドレーン領域を露出するコンタクト・ホールを形成する段階と、前記層間絶縁膜上に、前記ソース領域とドレーン領域にそれぞれ接するソース電極とドレーン電極をそれぞれ形成する段階とを備える。
【００１９】
この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層をパターニングして活性層を形成する段階と、前記活性層の薄膜トランジスターのチャンネル領域に該当する部分に溝を形成する段階と、前記溝を含む前記活性層をレーザー照射によって結晶化し、結晶化された活性層を形成する段階と、前記結晶化された活性層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極をマスクとしてイオン・ドーピングを行い、前記チャンネル領域の両側に接するソース領域とドレーン領域をそれぞれ形成する段階と、層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜と前記ゲート絶縁膜に、前記ソース領域とドレーン領域を露出するコンタクト・ホールを形成する段階と、前記層間絶縁膜上に、前記ソース領域とドレーン領域にそれぞれ接するソース電極とドレーン電極をそれぞれ形成する段階とを備える。
【００２０】
また、前記活性層は、前記溝が形成された後に形成されることができる。
【００２１】
この発明は、基板上に溝領域を持つ非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層のうちの前記溝領域は溶融されるが他の領域は溶融されない部分が残るようにエネルギー密度を定め、前記非晶質シリコン層にレーザーを照射する段階と、前記他の領域の溶融されない部分をシードとして複数の結晶粒が成長するとともに、前記複数の結晶粒子が前記溝領域に達してラテラル結晶成長のシードとして作用することにより前記溝領域における結晶境界の数を少なくし粒界効果を抑制するように、シリコン結晶を成長させる段階とを備える。
【００２２】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００２３】
この発明は、上記非晶質シリコンの結晶化方法を用いた薄膜トランジスターの製造方法であって、さらに、結晶化されたシリコン層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記溝領域に対応する部分の前記ゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成する段階と、前記結晶化されたシリコン層に不純物をドーピングして、ソース領域とドレーン領域を形成する段階とを備える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
第１実施の形態
図３（ａ）から図４（ｂ）は、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を説明するための図面である。
【００２５】
図３（ａ）を参照すると、ガラス基板２０に後に薄膜トランジスターの活性層となる非晶質シリコン層２１を形成する。溝領域(recess region)２１Cとして参照される非晶質シリコン層の部分は、非溝領域(non recess region)２１Aとして参照される他の領域よりも薄い。この厚さの違いは、レーザー照射下において溝領域２１Cが完全に溶融し、非溝領域２１Aが単に部分的に溶融するように定められる。レーザー光吸収及び冷却は非晶質シリコン層２１の厚さに依存するので、このようなことが可能になる。
【００２６】
非晶質シリコン層２１は、スパッタリングあるいは化学気相蒸着法により非晶質シリコンを堆積し、写真蝕刻工程を用いて非晶質シリコンをエッチングすることによりガラス基板２０上に形成される。ここで、写真蝕刻工程に用いられるパターンマスクは、非晶質シリコン層２１上に溝領域２１Cを定義し、図３（ａ）に示すように非晶質シリコン層２１の溝領域２１Cに溝（trench）を形成する。
【００２７】
非晶質シリコン層２１の全表面にレーザービームを照射する。レーザービームのエネルギー密度は、レーザービームが溝領域２１Cを完全に溶融させるが、非溝領域２１Aをたかだか部分的に溶融し、非溝領域２１Aにいくつかの固体粒を残すように、非晶質シリコン層２１の溝領域２１C及び非溝領域２１Aの厚さに依存して設定される。
【００２８】
図３（ｂ）を参照すると、比較的薄い溝領域２１Cはレーザーのエネルギーを吸収し、完全に溶融する。適当なエネルギー密度をもつレーザービームが照射された非溝領域２１Aは、いくつかの固体粒２１ｓが非溝領域２１Aに残るように、たかだか部分的に溶融するにすぎない。
【００２９】
図４（ａ）を参照すると、溶融した非晶質シリコン層２１は徐々に冷却され固化され、結晶の成長を促す。非溝領域２１Aに残る固体粒２１ｓは、より大きな結晶の成長を始めさせるシード結晶としてふるまう。このように、多くの結晶が異なる場所で同時に成長し、多結晶シリコンが非溝領域２１Aに形成される。一方、溝領域２１Cは非溝領域２１Aと比べてゆっくりと固化及び冷却されるので、溶融したままである。
【００３０】
図４（ｂ）を参照すると、非溝領域２１Aの多結晶質が、なお溶融状態の溝領域２１Cに達すると、非溝領域２１Aと溝領域２１Cとの間の多結晶の境界２１Ｌが、新しいシード結晶として作用し、溝領域２１Cにより大きな結晶を形成するバウンダリ・ラテラル成長(boundary lateral growth)を発生させる。
【００３１】
結晶境界の数が減少し、溝領域２１Cでのより大きなサイズの結晶を生成することにより粒界効果を抑制するので、溝領域２１Cのキャリアはより高い移動度をもつ。そして、結晶化されたシリコン層２１は写真蝕刻工程によりパターン化され、薄膜トランジスタの活性層を形成する。
【００３２】
図５（ａ）から図６は、本発明の第1実施の形態によって形成する多結晶化されたシリコン層を利用して薄膜トランジスターを製造する工程を説明するための図面である。
【００３３】
図５（ａ）を参照すると、上述のように本発明の第1実施の形態によって得られた多結晶化シリコン層(図４（ｂ）に表す)に写真蝕刻工程を実施して活性層２１'を形成する。
【００３４】
図５（ｂ）を参照すると、活性層上２１'に第1絶縁膜２２と第1導電層を連続的に形成した後、第1導電層に写真蝕刻工程を進行して、ゲート電極２３を形成する。そして、全面にイオン・ドーピング工程を実施して活性層２１'の非溝領域２１Aにソース領域２１Sとドレーン領域２１Dを形成する。
【００３５】
図６を参照すると、第2絶縁膜２４を形成し、そして写真蝕刻工程を実施してソース領域２１Sとドレーン領域２１Dを露出するコンタク・ホールを形成する。そして、前面に第2導電層を形成してから、写真蝕刻工程を実施してソース電極２５Sとドレーン電極２５Dを形成する。
【００３６】
このようにして製造された薄膜トランジスターは、結晶粒子が大きい溝領域２１Cを活性層２１’の一部として使うことで、キャリアの移動度を高められる。
【００３７】
第２実施の形態
図７（ａ）から図８（ｂ）は、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を示した図面である。この実施の形態は、薄膜トランジスターの活性層になる部分を予め写真蝕刻工程で形成してから、結晶化工程を実施したものである。
【００３８】
図７（ａ）を参照すると、ガラス基板４０上に酸化シリコン或は窒化シリコンのような絶縁物質を含む緩衝膜４９を、例えば化学気相蒸着法により形成する。緩衝膜４９は、非晶質シリコン層を結晶化する工程で、ガラス基板の不純物が非晶質シリコン層に浸透するのを防止する。
【００３９】
図７（ｂ）を参照すると、緩衝膜４９上に非晶質シリコン層を形成してから、非晶質シリコン層に写真蝕刻工程を実施して活性層４１を形成する。活性層４１の溝領域４１Cとして定義された部分は、非溝領域部分４１Aより薄い。膜厚の違いは、レーザーエネルギーの吸収と層の厚さの間の関数的な関係を用いて、レーザービームが溝領域４１Cを完全に溶融させるが非溝領域部分４１Aをたかだか部分的に溶かすように定められる。このような厚さの違いを作り出すために、活性層４１で溝の領域（recessed region）を定義するパターンマスク及び写真蝕刻工程を使用して、トレンチ（trench）が溝領域４１Cに対応する活性層４１の部分に形成される。
【００４０】
これらの工程は逆の順番で行うこともできる。すなわち、緩衝層４９の上に非晶質シリコン層を形成した後、溝領域４１Cになる部分にトレンチを形成し、非晶質シリコン層が写真蝕刻工程によりエッチングされて活性層４１を形成する。
【００４１】
以後、活性層４１を溶融させるためにレーザーを全面に照射する。レーザーのエネルギーの密度は、レーザービームが溝領域４１Cを完全に溶融させるが非溝領域部分４１Aをたかだか部分的に溶かすように、溝領域４１Cと非溝領域４１Aの厚さに依存して設定され、非溝領域部分４１Aにはいくつかの固体粒が残る。
【００４２】
図７（ｃ）を参照すると、比較的薄い溝領域４１Cはレーザーエネルギーを吸収し、完全に溶融される。溝領域４１Cより厚い非溝領域部分４１Aはレーザービームが照射され、いくつかの固体粒４１Ｓが残存するようにたかだか部分的に溶融する。
【００４３】
図８（ａ）を参照すると、非溝領域部分４１Aの溶融した活性層４１は徐々に冷却し、固化して結晶を成長させる。非溝領域部分４１Aに残る固体粒４１Ｓは、結晶の成長を始めさせるシード結晶としてふるまう。非常に多くの結晶が異なる場所で同時に成長するので、多結晶シリコンは非溝領域部分４１Aに形成される。一方、溝領域４１Cは、非溝領域部分４１Aに比べてゆっくりと冷却し固化するので溶融状態のままである。
【００４４】
図８（ｂ）を参照すると、非溝領域部分４１Aの多結晶質が、なお溶融状態の溝領域４１Cに達すると、非溝領域部分４１Aと溝領域４１Cの間の多結晶質の境界４１Ｌは新しいシード結晶として作用し、結晶とその境界を横方向に成長させる。
【００４５】
結晶の境界の数が少なくなり、溝領域（recessed region）で大きなサイズの結晶を生成することにより粒界効果を抑制するので、溝領域のキャリアはより高い移動度をもつ。このように、結晶化した活性層４１を用いて薄膜トランジスタが形成される。
【００４６】
本発明の第2実施の形態は、緩衝層の形成により不純物拡散を防止することを除き、本発明の第1実施の形態と同様である。図９に示すように、第１実施の形態の第１の工程で緩衝層２９を追加で形成することにより同様の効果が得られる。
【００４７】
図１０は、本発明の第2実施の形態によって形成された多結晶シリコン層を利用して製造された薄膜トランジスターの断面図である。製造工程は、この構造をつくるために用いられた図５（ａ）から図６を参照して述べた説明と実質的に同じである。
【００４８】
図１０において、４０は絶縁基板、４１Ｓはソース領域、４１Ｄはドレーン領域、４１Ｃは溝領域、４２はゲート絶縁膜、４３はゲート電極、４４は層間絶縁膜、４５Ｓはソース電極、及び４５Ｄはドレーン電極を表したものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、キャッピング層を使用することなく非晶質シリコン層の厚さを調整することにより、薄膜トランジスターのチャネル領域を結晶化することができる。このように、本発明によれば、チャネル領域がレーザー照射の間で損傷を受けることがないという優れた効果を奏する。その結果、結晶化工程で結晶の大きさを増加させ、チャネル領域に損傷を与えることなく粒界の数を減らすので、薄膜トランジスタの信頼性が高められる。
【００５０】
特定の実施の形態を参照してこの発明を詳細に説明したが、この技術分野における通常の知識を有する者にとって、その精神や範囲を逸脱することなく変更や改良を加えることができる。このように、本発明は、特許請求の範囲及びその均等の範囲内に含まれる、この発明の改良及び変更をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明するための図面。
【図２】 従来の技術による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明するための図面（続き）。
【図３】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を図示した図面。
【図４】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を図示した図面（続き）。
【図５】 本発明の第1実施の形態によるシリコン層を利用する薄膜トランジスターの製造工程図。
【図６】 本発明の第1実施の形態によるシリコン層を利用する薄膜トランジスターの製造工程図（続き）。
【図７】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を図示した図面。
【図８】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を図示した図面（続き）。
【図９】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態の変形例を図示した図面。
【図１０】 本発明の第2実施の形態によるシリコン層を利用して製造した薄膜トランジスター。
【符号の説明】
２０ 絶縁基板
２１ 非晶質シリコン層
２１Ａ 非溝領域
２１Ｃ 溝領域
２１Ｌ 溝領域のラテラル成長時、シードとして作用するバウンダリ部分
２１Ｓ ソース領域
２１Ｄ ドレーン領域
２３ ゲート電極
２５Ｓ ソース電極
２５Ｄ ドレーン電極
【発明の属する技術分野】
本発明は非晶質シリコン層の結晶化方法及び、これを使用する薄膜トランジスターの製造方法に係わり、特にキャッピング層(capping layer)を形成せずに非晶質シリコン層のチャンネル領域(channel region)を結晶化することにより、キャッピング層を形成するときに生じるチャンネル領域の損傷を減少できる非晶質シリコン層の結晶化方法及び、これを利用したトランジスターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非晶質シリコン(amorphous silicon)にレーザーなどのエネルギーを供給して溶融状態にした後、冷却または固化させると結晶として析出されていく。この時、最初に生じた小さい結晶核がシード(seed)になって次第に成長しながら大きい結晶を形成することによって結晶化される。単結晶領域のそれぞれが、通常の成長条件のもとで、一定だが任意の方向に成長する。それゆえ、多数の結晶が同時に成長するとき、非晶質シリコン層は多結晶(poly-crystallization)になる。
【０００３】
非晶質シリコンを使用する薄膜トランジスターは、単結晶或は多結晶シリコンを使用する薄膜トランジスターより低温で形成されるという長所があるが、チャンネル領域でキャリア(carrier)の移動度が低いという短所を持っている。また、多結晶のシリコンを使用する薄膜トランジスターは、非単一特性をもつ、すなわち、基板上の異なる位置に形成された薄膜トランジスタは異なる特性を示す。これはポリシリコンでのキャリアの移動度は、単結晶シリコンの移動度より低く、結晶化の程度に依存し、基板上で結晶化の程度のばらつきが存在するからである。また、多結晶薄膜トランジスターは、単結晶シリコンに比して多くの結晶粒子を含むため、粒界を通過しなければならないという粒界効果(grain boundary effect)の影響をより多く受けるからである。したがって、非結晶シリコンを結晶化してチャンネル領域として使用する薄膜トランジスターにおいて、それぞれの単結晶領域（すなわちそれぞれの粒）は、結晶領域の数を減らしキャリアの移動度を高められるようにできるだけ大きく形成されるべきである。レーザーによる非晶質シリコンの結晶化の間に形成される結晶粒の大きさは、レーザービームのエネルギー密度、基板の温度及び結晶化の速さに関数的な関係がある。したがって、これらパラメータを適切に調整して非晶質シリコンからの結晶の生成及び成長を規制することが重要である。
【０００４】
一般的に、非晶質シリコン層は、酸化シリコンや窒化シリコンのような反射防止コーティング物質(antireflective coating)で形成するキャッピング層の下に位置する。キャッピング層の下の非晶質シリコン領域は、他の領域よりも速く熱せられるから、チャンネル領域の結晶化で用いられるレーザーは、キャッピング層の下の非晶質シリコン領域を完全に溶融させるが非晶質シリコン層の他の領域を溶融させないように、適当なエネルギー密度を持たせる。
【０００５】
図１（ａ）から図２（ｂ）は、従来の技術による薄膜トランジスターのチャンネル領域を結晶化させるプロセスを示す図面で、キャッピング層を利用して行われる典型的な工程を示している。
【０００６】
図１（ａ）を参照すると、ガラス基板１０上に薄膜トランジスターの活性層としての非晶質シリコン層１１を形成する。その後、シリコン酸化膜を形成してから写真蝕刻することによりキャッピング層１２を形成する。キャッピング層１２は、非晶質シリコン層１１のチャンネル領域になる部分の上に位置するべきである。続いて、適当なエネルギー密度を持つレーザーを全面に照射する。
【０００７】
図１（ｂ）を参照すると、レーザーはキャッピング層１２の下の非晶質シリコン領域を完全に溶融させる。溶かされた非晶質シリコン領域は「チャンネル領域１１C」と参照される。キャッピング領域１２をもたない非晶質シリコン領域の他の部分（「非チャネル領域」と参照される）は完全には溶融されず、個体粒子１１ｓが残存するようになる。
【０００８】
図２（ａ）を参照すると、非チャンネル領域１１Aの溶融された非晶質シリコン層は徐々に冷却され、固化して複数の単結晶粒を生成する。非チャンネル領域１１Aに残る固体粒１１ｓは結晶の成長を始める種（seed）結晶として働き、異なる位置に同時に成長する非常に多数の結晶領域を生成し、多結晶シリコンを生成する。一方、キャッピング層１２の下のチャネル領域１１Cは、非チャンネル領域１１Aと比べてゆっくり冷え固体化するので、依然溶融状態を維持している。
【０００９】
図２（ｂ）を参照すると、非チャンネル領域１１Aの多結晶質がまだ溶融状態で存在するチャンネル領域１１Cに到達すると、新しいシード結晶として働くチャネル領域１１Cと非チャンネル領域１１Aの間の多結晶質の境界１１Lが、バウンダリ・ラテラル成長(boundary lateral growth)を引き起こし、チャネル領域１１Cで大きな結晶領域が生じる。
【００１０】
結晶の境界の数が、チャネル領域で生じる大きなサイズの結晶により減少するので、粒界効果を抑制し、チャネル領域でのキャリアはより高い移動度をもつようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では、例えば酸化シリコンで形成するキャッピング層は完全に均一であるか適当な厚さでないとき、キャッピング層１２はレーザー照射の間に損傷を受ける。その結果、チャネル領域の役割を果たすキャッピング層１２の下の非晶質シリコン層１１は不十分な結晶化特性をもつようになり、トランジスタの特性を劣化させる。
【００１２】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、チャネル領域がレーザー照射の間で損傷を受けることがなく、結晶化工程で結晶をより大きくすることができて、薄膜トランジスタの信頼性を高めることができる非晶質シリコン層の結晶化方法及びこれを使用する薄膜トランジスターの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、レーザー・アニーリング(annealing)を実施して、非晶質シリコンから形成されたチャンネル領域を結晶化する工程において、キャッピング層を形成することなく、非晶質シリコンの厚さを適切に調節してレーザー・エネルギーの吸収度を調節することによってチャンネル領域に損傷を与えない状態で結晶化工程を進行させる。
【００１４】
上記の目的を達成するために、この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層に溝領域を形成する段階と、前記溝領域を含む前記非晶質シリコン層をレーザーによって結晶化する段階とを備える。
【００１５】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００１６】
この発明は、絶縁基板上に厚さが異なる領域をもつ非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層をレーザー照射して結晶化する段階とを備える。
【００１７】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記絶縁基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００１８】
この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層に薄膜トランジスターのチャンネル領域に対応する部分に溝を形成する段階と、前記溝を含む非晶質シリコン層をレーザー照射によって結晶化して、結晶化されたシリコンを形成する段階と、前記結晶化されたシリコンをパターニングして、前記チャンネル領域を含む薄膜トランジスターの活性層を形成する段階と、前記の活性層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極をマスクとしてイオン・ドーピングを行い、前記チャンネル領域の両側に接するソース領域とドレーン領域をそれぞれ形成する段階と、層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜と前記ゲート絶縁膜に、前記ソース領域とドレーン領域を露出するコンタクト・ホールを形成する段階と、前記層間絶縁膜上に、前記ソース領域とドレーン領域にそれぞれ接するソース電極とドレーン電極をそれぞれ形成する段階とを備える。
【００１９】
この発明は、基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層をパターニングして活性層を形成する段階と、前記活性層の薄膜トランジスターのチャンネル領域に該当する部分に溝を形成する段階と、前記溝を含む前記活性層をレーザー照射によって結晶化し、結晶化された活性層を形成する段階と、前記結晶化された活性層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極をマスクとしてイオン・ドーピングを行い、前記チャンネル領域の両側に接するソース領域とドレーン領域をそれぞれ形成する段階と、層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜と前記ゲート絶縁膜に、前記ソース領域とドレーン領域を露出するコンタクト・ホールを形成する段階と、前記層間絶縁膜上に、前記ソース領域とドレーン領域にそれぞれ接するソース電極とドレーン電極をそれぞれ形成する段階とを備える。
【００２０】
また、前記活性層は、前記溝が形成された後に形成されることができる。
【００２１】
この発明は、基板上に溝領域を持つ非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層のうちの前記溝領域は溶融されるが他の領域は溶融されない部分が残るようにエネルギー密度を定め、前記非晶質シリコン層にレーザーを照射する段階と、前記他の領域の溶融されない部分をシードとして複数の結晶粒が成長するとともに、前記複数の結晶粒子が前記溝領域に達してラテラル結晶成長のシードとして作用することにより前記溝領域における結晶境界の数を少なくし粒界効果を抑制するように、シリコン結晶を成長させる段階とを備える。
【００２２】
また、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることができる。
【００２３】
この発明は、上記非晶質シリコンの結晶化方法を用いた薄膜トランジスターの製造方法であって、さらに、結晶化されたシリコン層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記溝領域に対応する部分の前記ゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成する段階と、前記結晶化されたシリコン層に不純物をドーピングして、ソース領域とドレーン領域を形成する段階とを備える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
第１実施の形態
図３（ａ）から図４（ｂ）は、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を説明するための図面である。
【００２５】
図３（ａ）を参照すると、ガラス基板２０に後に薄膜トランジスターの活性層となる非晶質シリコン層２１を形成する。溝領域(recess region)２１Cとして参照される非晶質シリコン層の部分は、非溝領域(non recess region)２１Aとして参照される他の領域よりも薄い。この厚さの違いは、レーザー照射下において溝領域２１Cが完全に溶融し、非溝領域２１Aが単に部分的に溶融するように定められる。レーザー光吸収及び冷却は非晶質シリコン層２１の厚さに依存するので、このようなことが可能になる。
【００２６】
非晶質シリコン層２１は、スパッタリングあるいは化学気相蒸着法により非晶質シリコンを堆積し、写真蝕刻工程を用いて非晶質シリコンをエッチングすることによりガラス基板２０上に形成される。ここで、写真蝕刻工程に用いられるパターンマスクは、非晶質シリコン層２１上に溝領域２１Cを定義し、図３（ａ）に示すように非晶質シリコン層２１の溝領域２１Cに溝（trench）を形成する。
【００２７】
非晶質シリコン層２１の全表面にレーザービームを照射する。レーザービームのエネルギー密度は、レーザービームが溝領域２１Cを完全に溶融させるが、非溝領域２１Aをたかだか部分的に溶融し、非溝領域２１Aにいくつかの固体粒を残すように、非晶質シリコン層２１の溝領域２１C及び非溝領域２１Aの厚さに依存して設定される。
【００２８】
図３（ｂ）を参照すると、比較的薄い溝領域２１Cはレーザーのエネルギーを吸収し、完全に溶融する。適当なエネルギー密度をもつレーザービームが照射された非溝領域２１Aは、いくつかの固体粒２１ｓが非溝領域２１Aに残るように、たかだか部分的に溶融するにすぎない。
【００２９】
図４（ａ）を参照すると、溶融した非晶質シリコン層２１は徐々に冷却され固化され、結晶の成長を促す。非溝領域２１Aに残る固体粒２１ｓは、より大きな結晶の成長を始めさせるシード結晶としてふるまう。このように、多くの結晶が異なる場所で同時に成長し、多結晶シリコンが非溝領域２１Aに形成される。一方、溝領域２１Cは非溝領域２１Aと比べてゆっくりと固化及び冷却されるので、溶融したままである。
【００３０】
図４（ｂ）を参照すると、非溝領域２１Aの多結晶質が、なお溶融状態の溝領域２１Cに達すると、非溝領域２１Aと溝領域２１Cとの間の多結晶の境界２１Ｌが、新しいシード結晶として作用し、溝領域２１Cにより大きな結晶を形成するバウンダリ・ラテラル成長(boundary lateral growth)を発生させる。
【００３１】
結晶境界の数が減少し、溝領域２１Cでのより大きなサイズの結晶を生成することにより粒界効果を抑制するので、溝領域２１Cのキャリアはより高い移動度をもつ。そして、結晶化されたシリコン層２１は写真蝕刻工程によりパターン化され、薄膜トランジスタの活性層を形成する。
【００３２】
図５（ａ）から図６は、本発明の第1実施の形態によって形成する多結晶化されたシリコン層を利用して薄膜トランジスターを製造する工程を説明するための図面である。
【００３３】
図５（ａ）を参照すると、上述のように本発明の第1実施の形態によって得られた多結晶化シリコン層(図４（ｂ）に表す)に写真蝕刻工程を実施して活性層２１'を形成する。
【００３４】
図５（ｂ）を参照すると、活性層上２１'に第1絶縁膜２２と第1導電層を連続的に形成した後、第1導電層に写真蝕刻工程を進行して、ゲート電極２３を形成する。そして、全面にイオン・ドーピング工程を実施して活性層２１'の非溝領域２１Aにソース領域２１Sとドレーン領域２１Dを形成する。
【００３５】
図６を参照すると、第2絶縁膜２４を形成し、そして写真蝕刻工程を実施してソース領域２１Sとドレーン領域２１Dを露出するコンタク・ホールを形成する。そして、前面に第2導電層を形成してから、写真蝕刻工程を実施してソース電極２５Sとドレーン電極２５Dを形成する。
【００３６】
このようにして製造された薄膜トランジスターは、結晶粒子が大きい溝領域２１Cを活性層２１’の一部として使うことで、キャリアの移動度を高められる。
【００３７】
第２実施の形態
図７（ａ）から図８（ｂ）は、本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を示した図面である。この実施の形態は、薄膜トランジスターの活性層になる部分を予め写真蝕刻工程で形成してから、結晶化工程を実施したものである。
【００３８】
図７（ａ）を参照すると、ガラス基板４０上に酸化シリコン或は窒化シリコンのような絶縁物質を含む緩衝膜４９を、例えば化学気相蒸着法により形成する。緩衝膜４９は、非晶質シリコン層を結晶化する工程で、ガラス基板の不純物が非晶質シリコン層に浸透するのを防止する。
【００３９】
図７（ｂ）を参照すると、緩衝膜４９上に非晶質シリコン層を形成してから、非晶質シリコン層に写真蝕刻工程を実施して活性層４１を形成する。活性層４１の溝領域４１Cとして定義された部分は、非溝領域部分４１Aより薄い。膜厚の違いは、レーザーエネルギーの吸収と層の厚さの間の関数的な関係を用いて、レーザービームが溝領域４１Cを完全に溶融させるが非溝領域部分４１Aをたかだか部分的に溶かすように定められる。このような厚さの違いを作り出すために、活性層４１で溝の領域（recessed region）を定義するパターンマスク及び写真蝕刻工程を使用して、トレンチ（trench）が溝領域４１Cに対応する活性層４１の部分に形成される。
【００４０】
これらの工程は逆の順番で行うこともできる。すなわち、緩衝層４９の上に非晶質シリコン層を形成した後、溝領域４１Cになる部分にトレンチを形成し、非晶質シリコン層が写真蝕刻工程によりエッチングされて活性層４１を形成する。
【００４１】
以後、活性層４１を溶融させるためにレーザーを全面に照射する。レーザーのエネルギーの密度は、レーザービームが溝領域４１Cを完全に溶融させるが非溝領域部分４１Aをたかだか部分的に溶かすように、溝領域４１Cと非溝領域４１Aの厚さに依存して設定され、非溝領域部分４１Aにはいくつかの固体粒が残る。
【００４２】
図７（ｃ）を参照すると、比較的薄い溝領域４１Cはレーザーエネルギーを吸収し、完全に溶融される。溝領域４１Cより厚い非溝領域部分４１Aはレーザービームが照射され、いくつかの固体粒４１Ｓが残存するようにたかだか部分的に溶融する。
【００４３】
図８（ａ）を参照すると、非溝領域部分４１Aの溶融した活性層４１は徐々に冷却し、固化して結晶を成長させる。非溝領域部分４１Aに残る固体粒４１Ｓは、結晶の成長を始めさせるシード結晶としてふるまう。非常に多くの結晶が異なる場所で同時に成長するので、多結晶シリコンは非溝領域部分４１Aに形成される。一方、溝領域４１Cは、非溝領域部分４１Aに比べてゆっくりと冷却し固化するので溶融状態のままである。
【００４４】
図８（ｂ）を参照すると、非溝領域部分４１Aの多結晶質が、なお溶融状態の溝領域４１Cに達すると、非溝領域部分４１Aと溝領域４１Cの間の多結晶質の境界４１Ｌは新しいシード結晶として作用し、結晶とその境界を横方向に成長させる。
【００４５】
結晶の境界の数が少なくなり、溝領域（recessed region）で大きなサイズの結晶を生成することにより粒界効果を抑制するので、溝領域のキャリアはより高い移動度をもつ。このように、結晶化した活性層４１を用いて薄膜トランジスタが形成される。
【００４６】
本発明の第2実施の形態は、緩衝層の形成により不純物拡散を防止することを除き、本発明の第1実施の形態と同様である。図９に示すように、第１実施の形態の第１の工程で緩衝層２９を追加で形成することにより同様の効果が得られる。
【００４７】
図１０は、本発明の第2実施の形態によって形成された多結晶シリコン層を利用して製造された薄膜トランジスターの断面図である。製造工程は、この構造をつくるために用いられた図５（ａ）から図６を参照して述べた説明と実質的に同じである。
【００４８】
図１０において、４０は絶縁基板、４１Ｓはソース領域、４１Ｄはドレーン領域、４１Ｃは溝領域、４２はゲート絶縁膜、４３はゲート電極、４４は層間絶縁膜、４５Ｓはソース電極、及び４５Ｄはドレーン電極を表したものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、キャッピング層を使用することなく非晶質シリコン層の厚さを調整することにより、薄膜トランジスターのチャネル領域を結晶化することができる。このように、本発明によれば、チャネル領域がレーザー照射の間で損傷を受けることがないという優れた効果を奏する。その結果、結晶化工程で結晶の大きさを増加させ、チャネル領域に損傷を与えることなく粒界の数を減らすので、薄膜トランジスタの信頼性が高められる。
【００５０】
特定の実施の形態を参照してこの発明を詳細に説明したが、この技術分野における通常の知識を有する者にとって、その精神や範囲を逸脱することなく変更や改良を加えることができる。このように、本発明は、特許請求の範囲及びその均等の範囲内に含まれる、この発明の改良及び変更をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の技術による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明するための図面。
【図２】 従来の技術による非晶質シリコン層の結晶化方法を説明するための図面（続き）。
【図３】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を図示した図面。
【図４】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態を図示した図面（続き）。
【図５】 本発明の第1実施の形態によるシリコン層を利用する薄膜トランジスターの製造工程図。
【図６】 本発明の第1実施の形態によるシリコン層を利用する薄膜トランジスターの製造工程図（続き）。
【図７】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を図示した図面。
【図８】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第2実施の形態を図示した図面（続き）。
【図９】 本発明による非晶質シリコン層の結晶化方法の第1実施の形態の変形例を図示した図面。
【図１０】 本発明の第2実施の形態によるシリコン層を利用して製造した薄膜トランジスター。
【符号の説明】
２０ 絶縁基板
２１ 非晶質シリコン層
２１Ａ 非溝領域
２１Ｃ 溝領域
２１Ｌ 溝領域のラテラル成長時、シードとして作用するバウンダリ部分
２１Ｓ ソース領域
２１Ｄ ドレーン領域
２３ ゲート電極
２５Ｓ ソース電極
２５Ｄ ドレーン電極
Claims (5)
- 基板上に非晶質シリコン層を形成する段階と、
前記非晶質シリコン層をパターニングして活性層を形成する段階と、
前記活性層の薄膜トランジスターのチャンネル領域に該当する部分に溝を形成する段階と、
前記活性層のうちの前記溝の領域は溶融されるが他の領域は溶融されない部分が残るようにエネルギー密度を定め、前記活性層にレーザーを照射することによって、結晶化された活性層を形成する段階であって、前記活性層の溶融されない部分をシードとして複数の結晶粒が成長するとともに、前記複数の結晶粒が前記溝の領域に達してラテラル結晶成長のシードとして作用することにより、前記溝の領域における結晶境界の数を少なくし粒界効果を抑制するようにシリコン結晶を成長させる結晶化された活性層を形成する段階と、
前記結晶化された活性層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極をマスクとしてイオン・ドーピングを行い、前記チャンネル領域の両側に接するソース領域とドレーン領域をそれぞれ形成する段階と、
層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜と前記ゲート絶縁膜に、前記ソース領域とドレーン領域を露出するコンタクト・ホールを形成する段階と、
前記層間絶縁膜上に、前記ソース領域とドレーン領域にそれぞれ接するソース電極とドレーン電極をそれぞれ形成する段階とを備える薄膜トランジスターの製造方法。 - 請求項１記載の薄膜トランジスターの製造方法において、前記活性層は、前記溝が形成された後に形成することを特徴とする薄膜トランジスターの製造方法。
- 基板上に溝領域を持つ非晶質シリコン層を形成する段階と、前記非晶質シリコン層のうちの前記溝領域は溶融されるが他の領域は溶融されない部分が残るようにエネルギー密度を定め、前記非晶質シリコン層にレーザーを照射する段階を備え、前記他の領域の溶融されない部分をシードとして複数の結晶粒が成長するとともに、前記複数の結晶粒が前記溝領域に達してラテラル結晶成長のシードとして作用することにより、前記溝領域における結晶境界の数を少なくし粒界効果を抑制するようにシリコン結晶を成長させる非晶質シリコンの結晶化方法。
- 請求項３記載の非晶質シリコンの結晶化方法において、前記非晶質シリコン層を形成する前に、前記基板上に緩衝膜を形成する段階を備えることを特徴とする非晶質シリコン層の結晶化方法。
- 請求項３記載の非晶質シリコンの結晶化方法を用いた薄膜トランジスターの製造方法であって、さらに、結晶化されたシリコン層上にゲート絶縁膜を形成する段階と、前記溝領域に対応する部分の前記ゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成する段階と、前記結晶化されたシリコン層に不純物をドーピングして、ソース領域とドレーン領域を形成する段階とを備える薄膜トランジスターの製造方法。
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