薄膜半导体装置的制造方法

专利名称：薄膜半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及适合于有源矩阵型液晶显示装置等薄膜半导体装置的制造方法。
背景技术：
在能使用通用的玻璃基板的约600℃以下、或在与非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)的制造温度同等程度的425℃以下的低温来制造以多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)为代表的薄膜半导体装置的情况下，以往采取了以下的制造方法。首先，利用低压化学汽相淀积法(LPCVD法)以约50nm的厚度在基板上淀积成为半导体膜的非晶硅膜。其次，对该非晶硅膜照射XeCl受激准分子激光(波长308nm)，形成多晶硅膜(p-Si膜)。由于XeCl受激准分子激光的在非晶硅和多晶硅中的吸收系数分别大到0.139nm-1和0.149nm-1，故入射到半导体膜中的激光的9成从表面开始在15nm以内被吸收。此外，在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数小7％。其后，利用化学汽相淀积法(CVD法)或物理汽相淀积法(PVD法)形成成为栅绝缘膜的氧化硅膜。其次，利用钽等制成栅电极，构成由金属(栅电极)-氧化膜(栅绝缘膜)-半导体(多晶硅膜)构成的场效应晶体管(MOS-FET)。最后，在这样的膜上淀积层间绝缘膜，在开出接触孔后利用金属薄膜进行布线，完成薄膜半导体装置。
但是，在该现有的薄膜半导体装置的制造方法中，受激准分子激光的能量密度的控制是困难的，即使因微小的能量密度的变动，半导体的膜质在同一基板内也显示出较大的离散性。此外，即使照射能量密度稍微比根据膜厚或氢含量决定的阈值大，在半导体膜中也造成很大的损伤，导致半导体特性或制品成品率的显著的下降。根据这样的情况，为了在基板内得到质量均匀的多晶硅半导体膜，必须尽可能将激光的能量密度设定得比最佳值低，因此，能量密度不足以得到良好的多晶硅薄膜。此外，即使用最佳的能量密度进行激光照射，也难以增大构成多晶硅膜的结晶粒，现状是在膜中残留了较多的缺陷。按照这样的事实，存在下述的问题为了用现有的制造方法稳定地制造p-Si TFT等的薄膜半导体装置，不得不牺牲已完成的薄膜半导体装置的电特性。
因此，本发明是鉴于上述的诸情况而进行的，其目的在于提供一种利用在约600℃以下、理想地为425℃以下的低温工序稳定地制造优良的薄膜半导体装置的方法。
发明的公开在说明了本发明的概要后，详细地说明本发明及其基础原理和作用。
本发明的概要本发明是一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用，其特征在于包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜；以及第二工序，对半导体膜照射脉冲激光，该脉冲激光在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大。此外，本发明的特征在于脉冲激光在多晶硅中的吸收系数μpSi为10-3nm-1以上至10-2nm-1以下。此时，如果将半导体膜的膜厚设为d(nm)，则膜厚d与前面的吸收系数μpSi最好满足下述关系式0.105·μpSi-1＜d＜0＜0.693·μpSi-1更为理想的是满足下述关系式0.405·μpSi-1＜d＜0.693·μpSi-1为了使本发明适合于液晶显示装置等，希望基板对于可视光是透明的。此外，不管应用的情况如何，希望基板对于脉冲激光为大致透明的。所谓大致透明，意味着脉冲激光在基板中的吸收系数约为在多晶硅中的吸收系数的十分之一以下，具体地说，在基板中的吸收系数μSub约为10-4nm-1以下。通常，前面的半导体膜的形成包含了依据化学汽相淀积法(CVD法)的淀积工序。在化学汽相淀积法中，低压化学汽相淀积法(LPCVD法)特别适合，再者，可以说利用高真空型低压化学汽相淀积装置来淀积半导体膜是理想的。所谓高真空型低压化学汽相淀积装置指的是在典型情况下在淀积半导体膜之前的背景真空度为5×10-7Torr以下的装置。脉冲激光最好用固体发光元件来形成，特别是脉冲激光是进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波(简称为YAG2ω)的情况是最好的。在对以硅为主体的半导体膜照射YAG2ω激光时，半导体膜的厚度最好为约25nm以上至约165nm以下，理想的是在约25nm以上至约95nm以下。
在第二工序中照射激光时的脉冲激光的在半导体膜上的照射区域为宽度W(μm)、长度L(mm)的线状乃至大致长方形。在照射区域内，脉冲激光的照射能量密度在长度方向上以大致梯形来分布。另一方面，宽度方向的照射能量密度以大致梯形乃至大致高斯函数的形状来分布是较为理想的。照射区域的长度L对宽度W的比(L/W)最好为100以上，理想的可以说在1000以上。脉冲激光在宽度方向上的照射能量密度的最大梯度值希望为3mJ·cm-2·μm-1以上。通过在每次照射中在宽度方向上错开具有这样的特征的照射区域，来完成基板整个面的激光照射。此时，最好这样来进行第二工序，使半导体膜上的任意一点受到约10次以上至约80次以下的脉冲激光照射。
本发明的详细的说明本发明涉及以在玻璃的应变点温度为约550℃至约650℃的所谓低耐热性玻璃基板、或耐热性塑料基板等的各种透明基板上被形成的结晶性半导体膜作为有源层来使用的薄膜半导体装置的制造方法，包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜；以及第二工序，对以这种方式形成的半导体膜照射脉冲激光。
在将本申请的发明应用于液晶显示装置时，基板最好对可见光是透明的，在应用于除此以外的装置时，也希望基板至少对于脉冲激光是大致透明的。具体地说，将基板对脉冲激光的吸收系数为硅对脉冲激光的吸收系数的约十分之一以下定为所希望的条件。这是因为，由于本申请的发明采用了严格地调整脉冲激光的在半导体膜中的透射率的技术，故如果基板中的激光的吸收系数不充分地小于半导体膜中的吸收系数，则在基板中就会造成因激光引起的损伤。如后述那样，为了得到高质量的结晶性半导体膜，必须使脉冲激光的强度、波长、半导体膜的厚度等实现最佳化，为此，基板对于脉冲激光必须是大致透明的。实际上，如果基板中的脉冲激光的吸收系数为半导体膜中的吸收系数的约十分之一以下，则在基板内吸收激光的层的厚度为半导体膜的厚度的约十倍以上。由于在基板中吸收光的体积以这种方式增大，故与其相应地，热容量也增加，可较好地抑制基板的温度上升。换言之，为了制成优良的薄膜半导体装置而不对基板或薄膜半导体装置造成损伤，基板满足上述的光学特性条件这一点可以说是不可缺少的。
在第二工序中被照射的脉冲激光的波长λ为370nm以上至710nm以下，具有这样的波长的光显示出在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大的特征。再者，即使在这样的脉冲激光内，激光的在多晶硅中的吸收系数μpSi为10-3nm-1以上至10-2nm-1以下的情况更为理想。脉冲激光的在半导体膜上的照射能量密度必须为足以至少使半导体膜的一部分熔融的强度。
在第一工序中，在基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜。作为半导体膜，使用以硅膜(Si)或硅锗膜(SixGe1-x:0＜x＜1)为代表的半导体物质，将硅定为其主构成元素(硅原子构成比为80％以上)。关于基板，通常使用在液晶显示装置中被使用的透明无碱玻璃或塑料、陶瓷等的绝缘性基板，但如果基板的耐热性(在玻璃基板的情况下，是应变点温度)为约550℃以上，则对其种类不作限制。在这样的基板的表面上，以约100nm至10μm的厚度淀积了氧化硅膜，作为对于半导体膜的基底保护膜。作为基底保护膜的氧化硅膜不仅取得半导体膜与基板的电绝缘性或防止基板含有的杂质扩散混入到半导体膜中，而且使基底氧化膜与结晶性半导体膜的界面变得良好。在本申请的发明中，薄膜半导体装置的半导体膜具有约10nm至约200nm的厚度，将能带在半导体膜的整个膜厚方向上弯曲的情况(相当于SOI的完全耗尽化模型)作为主要的对象。在这样的状况下，与栅绝缘膜与半导体膜的界面一起，基底保护膜与半导体膜的界面对于电传导来说也不能忽略。因为氧化硅膜是与半导体膜形成界面时能使界面俘获能级减少到最低的物质，故作为基底保护膜来说是适合的。在该基底保护膜上形成半导体膜。因而，作为基底保护膜，在本申请中希望使用在与半导体膜的界面上具有1012cm-2以下的界面能级的氧化硅膜。再者，在本发明中，由于与现有技术相比半导体膜的下部也被加热到高温的趋势较强， 故容易产生来自基板的杂质扩散。为了防止这一点、在本申请的发明中使用高纯度的半导体膜来制成优良的薄膜半导体装置，将密度高的、致密的氧化硅膜作为基底保护膜来使用是不可缺少的。这样的的氧化硅膜是在液温为25±5℃下、浓度为1.6±0.2％的氢氟酸(HF)水溶液中的刻蚀速度为1.5nm/s以下的膜。通常，利用所谓的等离子化学汽相淀积法(PECVD法)、低压化学汽相淀积法(LPCVD法)、溅射法的气相淀积法来形成基底保护膜。在这些方法内，为了制成特别适合于本申请的发明的基底保护膜，最好在PECVD法中也利用电子回旋共振PECVD法(ECR-PECVD法)、螺旋波PECVD法、遥控PECVD法。此外，为了利用使用了工业用频率(13.56MHz)或其整数倍的频率的通用的PECVD法来得到适合于本申请的发明的氧化硅膜，使用TEOS(Si-(O-CH2CH3)4)和氧(O2)作为原料物质，将氧流量设定为TEOS流量的5倍以上来淀积氧化硅膜即可。或者，使用单硅烷(SiH4)和氧化亚氮(N2O)作为原料物质，使用氦(He)乃至氩(Ar)这样的稀有气体作为稀释气体，将总气体流量中的稀有气体的比例定为90％以上(即，使总气体流量中的原料物质的比例定为不到约10％)来淀积氧化硅膜即可。此时，希望基板温度为280℃以上。在基板由高纯度的石英构成时，也可兼用基底保护膜和石英基板，但为了使表面状态始终为恒定以使半导体膜的质量的变动为最小，最好利用上述的方法来形成基底保护膜。
利用化学汽相淀积法(CVD法)、最好将高次硅烷(SinH2n+2:n=2、3、4)作为原料气体的一种来使用、在基底保护膜上淀积形成处于非晶状态或多晶状态的半导体膜。在半导体膜的淀积中，可使用等离子化学汽相淀积法(PECVD法)、低压化学汽相淀积法(LPCVD法)、常压化学汽相淀积法(APCVD法)、溅射法等各种气相淀积法，但从容易淀积高纯度的半导体膜的观点来看，在其中特别适合的是低压化学汽相淀积法(LPCVD法)。利用高真空型低压化学汽相淀积装置来进行低压化学汽相淀积法。这是为了提高半导体膜的纯度和使起因于杂质的结晶核的发生为最小、在本申请的发明中以高纯度且由大的结晶粒来构成最终得到的结晶性半导体膜。特别是在本发明中，由于在第二工序中在厚度方向上比较均匀地加热半导体膜以促进向横方向的结晶生长，故如果假定起因于杂质的结晶核的发生为最小，则可容易地得到由大结晶粒构成的多晶半导体薄膜。所谓高真空型，指的是能在淀积半导体膜之前的在成膜室中的背景真空度为约5×10- 7Torr以下的装置。这样的高真空型低压化学汽相淀积装置不仅成膜室的气密性优良，而且更希望在成膜室中的排气速度具有约100sccm/mTorr(使惰性气体以100sccm流到成膜室时能得到的平衡压力为1mTorr的排气速度)以上的排气能力。这是因为，在具有这样的高排气能力的装置中，能在约1小时的比较短的时间内充分地减少来自基板等的脱离气体流量，保持高的生产率，来淀积高纯度的半导体薄膜。
最好将高次硅烷(SinH2n+2:n为2以上的整数)作为原料气体的一种来淀积以非晶硅膜为代表的硅作为主体的半导体膜。如果考虑价格或安全性，则作为高次硅烷，乙硅烷(Si2H6)是最合适的。如果将乙硅烷应用于低压化学汽相淀积法，则可在约425℃以下的低温、以约0.5nm/min以上的比较快的淀积速度来得到高纯度的非晶硅膜。为了得到适合于本申请的发明的优质的非晶半导体膜，淀积温度和淀积速度的控制是重要的。必须确定乙硅烷的流量及成膜时的压力，使得淀积温度为约430℃以下、且淀积速度约为0.6nm/min以上。
在使用基板面积约为2000cm2以上的大型基板的情况下，使用LPCVD法是困难的。在这样的状况下，利用等离子箱型的PECVD装置来淀积半导体膜。由于在等离子箱型的PECVD装置中，进行等离子处理的成膜时被设置在比其大的另外的真空的室内，故可使成膜室内的背景真空度为约1×10-6Torr以下。虽然在高真空型PECVD装置中背景真空度较差，但由于可使半导体膜的淀积速度为约3nm/min以上，故作为结果，可得到使起因于杂质的结晶核的发生为最小的高纯度的半导体膜。为了将PECVD法应用于本申请的发明，在使成膜室内的背景真空度为约1×10-6Torr以下且使半导体膜的淀积速度为约3nm/min以上的条件下淀积半导体膜。非晶膜淀积时的基板温度在约250℃至450℃之间。如果温度比250℃高，则可将非晶膜中含有的氢量降低到8％以下，可稳定地进行第二工序的结晶化。如果温度比450℃低，则构成非晶膜的非晶粒变大，构成对该非晶膜进行了结晶化时得到的多晶膜的结晶粒也可变大。理想的是在约300℃至约400℃之间。为了稳定地进行第二工序中的激光结晶化，最好使非晶半导体膜内的氢量相对于硅为不到5％。如果使淀积速度为25nm/min以下，则可以这种方式对氢含量少的硅膜进行成膜。在应用PECVD法的情况下，除了乙硅烷外，也可使用单硅烷作为原料气体。
在以这种方式得到了非晶半导体膜或多晶半导体膜后，作为第二工序，对该半导体膜照射脉冲激光，进行非晶半导体膜的结晶化乃至多晶半导体膜的再结晶化。作为激光，也可使用连续振荡的激光，但使用脉冲振荡的激光更为理想。这是因为，如后述那样，本申请的发明促进结晶的横向生长，与连续振荡相比，在每一次照射中可移动适当的距离的脉冲振荡容易可靠地得到由大的结晶粒构成的多晶半导体薄膜。在对半导体膜照射激光时，使用波长λ为370nm以上至710nm以下的脉冲激光。在

图1中示出该光的在非晶硅中和多晶硅中的吸收系数。图1的横轴为光的波长，纵轴为吸收系数。虚线表示非晶硅，实线表示多晶硅。从图1可知，在370nm至710nm的波长区域中，在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大。换言之，对半导体膜照射光在在非晶硅中的吸收系数比光在多晶硅中的吸收系数大那样的脉冲激光。例如，波长约为532nm的掺Nd的YAG激光的二次谐波(简称为YAG2ω光)的在非晶硅中的吸收系数μASi和在多晶硅中的吸收系数μpSi分别为μaSi(YAG2ω)=0.01723nm-1μpSi(YAG2ω)=0.00426nm-1在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大4倍多。多晶膜在微观上由结晶成分和非晶成分构成。所谓结晶成分，是在结晶粒内层叠缺陷等的缺陷非常少的部位，可以说是处于大致单晶状态的部位。另一方面，所谓非晶成分，是可看到结晶粒界或结晶粒内的缺陷部等的结构无序的部位，可以说处于所谓非晶状态的部位。在照射结构以进行结晶化的熔融结晶化中，非熔融部成为在冷却固化过程时的结晶生长的核。如果具有高的结构秩序的结晶成分成为结晶生长核，则从该处生长的结晶仍然成为具有高的结构秩序的优质的结晶化膜。反之，如果结构无序的部位成为结晶生长核，则由于层叠缺陷等在冷却固化过程时从该处生长，故最终得到的结晶化膜成为包含缺陷等的低质量的膜。因而，为了得到优良的结晶化膜，不使多晶膜中的结晶成分熔融，以其作为结晶生长的核，优先地使非晶成分熔融即可。在本申请的发明中，由于照射激光的在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大，故与结晶成分相比，非晶成分优先地被加热。具体地说，由于结晶粒界或缺陷部容易熔融，处于大致单晶状态的优质的结晶成分成为结晶生长核，故可大幅度地减少缺陷部或悬挂键等，关于粒界，也是结构秩序高的对应粒界占支配地位。如果从半导体膜的电特性来观察这一点，则起到使能带图中的禁带中央附近的俘获能级密度大幅度减少的效果。此外，如果将这样的半导体膜用作薄膜半导体装置的有源层(源区、漏区、沟道形成区)，则显示出关断电流小且陡峭的阈值下特性(子阈值变动值(sub-threshold-swing)小)，得到阈值电压低的晶体管。在现有技术中，之所以不容易制造这样的优良的薄膜半导体装置，没有使用具有适合于熔融结晶化的波长的激光，使结晶成分与非晶成分一起熔融是原因之一。此处所述的本申请的发明的原理最起作用是在非晶硅中的吸收系数对在多晶硅中的吸收系数之比(μaSi/μpSi)大时。如果看图1，则可知光的波长在约450nm至约650nm时，该比值大。因而，可以说，在本申请的发明的第二工序中照射的脉冲激光的最理想的波长为约450nm以上至约650nm以下。波长为450nm的光的在多晶硅中的吸收系数μpSi为1.127×10- 2nm-1，波长为650nm的光的在多晶硅中的吸收系数μpSi为8.9×10- 4nm-1。因而，在波长为约450nm以上至约650nm以下的第二工序中，作为脉冲激光，使用了在多晶硅中的吸收系数μpSi大致为10-3nm-1以上至10-2nm-1以下的脉冲激光。
为了得到优质的多晶半导体膜，激光的振荡稳定性是最重要的，故希望用固体发光元件来形成脉冲激光(在本申请中，将其简称为固体激光)。在现有的受激准分子气体激光器中，已知道，起因于激光振荡室内的氙(Xe)或氯(Cl)等的气体的不均匀性、气体本身的性能变坏或因卤素引起的振荡室内的腐蚀等，振荡强度的离散性约为5％，再者，振荡角的离散性也为5％。由于振荡角的离散性导致照射区域面积的离散性，故作为结果，在半导体膜表面上的能量密度(单位面积的能量值)总计也变动了10％以上，这一点成为妨碍制造优良的薄膜半导体装置方面的一个主要原因。此外，激光振荡的长期稳定性方面也较差，导致了薄膜半导体装置的批次间的变动。与此不同，在固体激光器中，由于不存在这样的问题，故激光器振荡极为稳定，可使在半导体膜表面上的能量密度的变动(标准偏差与平均值的比)为约5％以下。为了使本申请的发明更有效地实用，要求使用在半导体膜表面上的激光能量密度的变动为约5％以下的固体激光器。再者，使用固体激光器具有使薄膜半导体装置制造时的批次间变动达到最小化的效果和在薄膜半导体装置的制造中避免以往频繁地进行的繁琐的气体更换操作以导致提高制造薄膜半导体装置时的生产率及降低价格的效果。能同时满足前面的波长或吸收系数的要求和固体激光器的要求的是在氧化钇(Y2O3)和氧化铝(Al2O3)的复合氧化物中的添加了钕(Nd)的钕添加钇铝拓榴石(Nd:YAG)激光的二次谐波(YAG2ω光， 波长532nm)。因而，在本申请的发明的第二工序中，对半导体膜照射半导体膜表面上的能量密度的变动为5％以下的YAG2ω光是最合适的。
在半导体膜中，光被吸收，使入射光的强度以指数函数的方式衰减。现在，如果将入射光强度定为I(o)、将在以硅为主体的多晶半导体膜中的离表面的距离定为x(nm)、将在场所x处的强度定为I(x)，则在其间使用吸收系数μpSi以下的关系成立。I(x)/I(o)=exp(-μpsi·x)(式1)图2中示出在吸收系数μpSi为10-3nm-1的情况、10-2nm-1的情况和作为本申请的发明的脉冲激光最好的Nd:YAG激光的二次谐波(YAG2ω光)的情况以及现有技术的XeCl受激准分子激光的情况下式1的关系。为了有效地对硅膜进行加热，必须使入射光的至少约10％被半导体膜吸收，故在图2中，在成为其条件的0.9的位置上引了横点线。此外，光的强度意味着照原样对硅施加的热量，故图2也表示了激光照射时在硅膜中的温度分布。依据本申请人等的研究，在现有的受激准分子激光的照射中，半导体膜的表面受到很大的损伤，另一方面，在其下部，留下低质量的半导体层，之所以不能得到优良的多晶半导体膜的原因，在于表面与下部之间存在的大的温度差。不产生在表面处的损伤、且在半导体膜的厚度方向上大致整体比较均匀地熔融这一点，是在半导体膜下部的光的强度为入射光强度的约一半以上时。在满足该条件时，表面与下部的温度差变小。因此，在图2中，在光的强度为表面的一半的0.5的位置上引了横点线。因而，可有效地对以硅为主体的半导体膜进行加热、且在不对半导体膜造成损伤的情况下在整个膜厚上实现良好的结晶化的条件为在图2中被夹在0.9的横点线与0.5的横点线的区域。由于现有技术的XeCl受激准分子激光的入射光的大部分在半导体膜的表面处被吸收，故可知适合于激光结晶化的半导体膜的膜厚限于1nm至4nm。与此不同，在本申请的发明的条件下，可在宽的膜原范围内实现良好的结晶化。
在使用了激光的熔融结晶化中，即使使用任一种激光，结晶也沿温度梯度而生长。另一方面，在薄膜半导体装置中被利用的半导体膜的厚度通常约为30nm至100nm。如前面所述的那样，在现有的XeCl受激准分子激光的结晶化中，起因于在半导体膜表面的约4nm以内大部分的光被吸收、只是表面附近被加热的情况，在半导体膜内在上下方向上产生急剧的温度梯度(图3,a-1)。 因此，结晶从半导体膜的下部朝向表面生长，在激光照射后得到的多晶膜由小的结晶粒构成的趋势较强(图3,a-2) (这样，由于在现有技术中很多小的结晶粒从下向上生长，故起因于半导体膜中的杂质的结晶核的存在不是那么重要的问题)。与此不同，在本申请的发明中，由于照射具有最适合于熔融结晶化的吸收系数的激光，故半导体膜在膜厚方向上均匀地被加热。其结果，在激光照射区域的端部，在横方向上产生温度梯度(图3,b-1)，与上下方向相比，结晶在横方向上容易生长。即，在照射区域的端部大的结晶生长(图3,b-2)。由于即使在照射区域内的端部以外的场所，上下方向的温度差也小，故在半导体膜下部的结晶核发生概率与以往相比显著地减少，平均地说，构成多晶半导体膜的结晶粒与以往相比变大。朝向横方向的结晶生长被促进的情况是在表面与下部的光强度不那么变化时，根据实验，在半导体膜下部的光强度为入射光强度的约三分之一以上的情况。 因此，在图2中，在横向生长变得容易产生的条件的0.667的位置上也描出了横点线。因而，以硅为主体的半导体膜有效地被加热、且产生横向生长形成由大的结晶粒构成的多晶半导体膜的条件为图2中被0.9的横点线与0.667的横点线夹住的区域。当然，为了增大结晶粒，除了这里所述的温度梯度外，必须抑制基于杂质的结晶核，因此，在形成基底保护膜或在第一工序中的半导体膜等时，也要求上述的考虑。
如果观察图2，则可知，即使吸收系数为10-3nm-1以上至10-2nm-1以下，也不能在所有的半导体膜厚中得到优良的多晶膜。例如，在YAG2ω光(吸收系数μpSi=4.26×10-3nm-1)下，硅膜有效地被加热的情况是在半导体膜的厚度为约25nm以上时，没有表面损伤且整个膜厚大致熔融的情况是半导体膜的厚度为约165nm以下时。此外，产生横向生长且结晶粒变大的情况是半导体膜的厚度为约95nm以下时。因而，对以硅为主体的半导体膜照射YAG2ω激光时，较为理想的半导体膜的厚度为约25nm以上至约165nm以下，理想的是约25nm以上至约95nm以下。最佳的半导体膜厚根据以这种方式使用的激光的在多晶硅中的波长或吸收系数的不同而不同。具体地说，硅膜有效地被加热且没有表面损伤而整个膜厚大致熔融的情况相当于在式1中将x作为半导体膜的厚度d、I(d)/I(o)处于0.5与0.9之间的条件。
0.5＜I(d)/I(o)＜0.9 (式2)如果使用式1关于d求解上列式2，则可得到式3的关系式0.105·μpSi-1＜d＜0.693·μpSi-1(式3)同样，因为硅膜有效地被加热且产生横向生长、结晶粒变大的情况是I(d)/I(o)处于0.667与0.9之间时，故可得到式4的关系式0.405·μpSi-1＜d＜0.693·μpSi-1(式4)在半导体膜的厚度d与对该半导体膜照射的脉冲激光的在多晶硅中的吸收系数μpSi满足上述的式3乃至式4时，必定能得到优良的多晶半导体薄膜，以制造优质的薄膜半导体装置。
图4是考虑了图1中示出的光的波长与吸收系数的关系、将上述的式3和式4的关系重新描绘成波长与以硅为主体的半导体薄膜的厚度的关系的图。图4的三角标记之上的区域中，半导体薄膜被加热，在圆标记之下的区域中，可存在不产生表面损伤而在半导体膜的厚度方向上整体比较均匀地熔融的照射能量密度。此外，由于在四角标记之下的区域中上下的温度差变小，故结晶的朝向横方向的生长被促进。在图4中，分别用直线来近似圆标记、四角标记、三角标记。如果使用该近似直线，则在照射激光的波长λ在440nm以上至710nm以下的情况下，如果波长λ与膜厚d满足式5的关系9.8×10α12(λ-440)＜d＜53×10αH2(λ-440)(式5)其中，αL2=4.9×10-3nm-1αH2=5.4×10-3nm-1则以硅为主体的半导体薄膜有效地被加热，且在表面上不产生损伤的情况下在半导体膜的厚度方向上可使薄膜的大致整体熔融。例如，在使用YAG2ω光作为激光的情况下，波长为532nm，满足该条件的半导体膜厚为28nm至166nm。再者，如果波长λ与膜厚d满足式6的关系9.8×10αL2(λ-440)＜d＜32×10αM2(λ-440)(式6)其中，αL2=4.9×10-3nm-1αM2=5.2×10-3nm-1则以硅为主体的半导体薄膜有效地被加热，且结晶的朝向横方向的生长也被促进，故更为理想。如果使用YAG2ω光作为激光，则在半导体膜厚为28nm至96nm时满足该条件。
同样，在照射激光的波长λ在370nm以上至440nm以下的情况下，如果波长λ与膜厚d满足式7的关系2.4×10αL1(λ-370)＜d＜11.2×10αH1(λ-370)(式7)其中，αL1=8.7×10-3nm-1αH1=9.6×10-3nm-1则以硅为主体的半导体薄膜有效地被加热，且在表面上不产生损伤的情况下在半导体膜的厚度方向上可使薄膜的大致整体熔融。如果波长λ与膜厚d满足式8的关系2.4×10αL1(λ-370)＜d＜6,0×10αM1(λ-370)(式8)其中，αL1=8.7×10-3nm-1αM1=1.04×10-2nm-1则以硅为主体的半导体薄膜有效地被加热，且结晶的朝向横方向的生长也被促进，故更为理想。
为了得到优良的结晶性半导体薄膜，脉冲激光的在半导体膜上的照射能量密度的控制也是重要的。换言之，为了制造优良的薄膜半导体装置，必须将照射能量密度控制在适当的范围内。首先，为了进行熔融结晶化，脉冲激光必须具有足以使被照射半导体膜的至少一部分熔融的强度。这是半导体膜上的脉冲激光照射能量密度适当范围的最下限值(由于通常最表面熔融的照射能量密度相当于该值，故在本申请的说明书中，将其简称为表面熔融能量密度(ESM))。再者，依据实验，在脉冲激光的能量密度使被照射半导体膜的厚度方向上的体积成分的约3分之2以上熔融时，可得到极为优质的结晶性半导体膜，为此，将这样的结晶性半导体膜作为有源层使用的薄膜半导体装置显示出优良的电特性。这是因为，本申请的发明的脉冲激光从非晶成分等的结构无序的部位开始优先地熔融，同时，有选择地留下高质量的结晶成分，再者，由于在薄膜的厚度方向上大致均匀地进行熔融，故通过重复几次使约3分之2以上熔融的工序，即使用少的照射次数也能容易地得到优质的结晶化膜。因而，更为理想的下限值是使半导体膜的厚度方向上的体积成分的约3分之2以上熔融的照射能量密度(在本申请的说明书中，将该照射能量密度简称为2/3熔融能量密度(E2/3))。
在适当的照射能量密度中，也存在上限值。如果在半导体膜表面的激光的能量密度太高，则由于半导体膜消失，故能量密度必须比引起消失(Abrasion)的值小(在本申请的说明书中，将产生消失的照射能量密度简称为消失能量密度(EAb))。该值为最上限值。此外，即使不产生全面的消失，如果半导体膜的厚度方向的整体完全地熔融(在本申请的说明书中，将该照射能量密度简称为完全熔融能量密度(ECM))，则容易发生部分的消失。由于这一点可成为引起制成了薄膜半导体装置时的缺陷并使成品率下降的主要原因，故当然是不理想的。再者，如果半导体膜的厚度方向的整体完全熔融，则在膜中爆发性地发生结晶核，因此，在激光照射后得到的结晶化膜由微细的结晶粒构成。如果成为这样，则薄膜半导体装置的电特性也是不优良的。因而，为了以高的成品率来制造优良的薄膜半导体装置，希望在半导体膜表面的脉冲激光的能量密度比半导体膜的厚度方向的整体完全地熔融的值(ECM)低。该值成为对于适当的照射能量密度的较为理想的上限值。
结果，在对以硅为主体的、具有满足式5至式8的关系的厚度的半导体膜照射波长λ在370nm以上至710nm以下的脉冲振荡的固体激光来制成薄膜半导体装置的情况下，固体激光的在半导体膜上的希望的照射能量密度为表面熔融能量密度(ESM)以上至消失能量密度(EAb)以下。可以说，更为理想的是，表面熔融能量密度(ESM)以上至完全熔融能量密度(ECM)以下、或2/3熔融能量密度(E2/3)以上至消失能量密度(EAb)以下、理想的是2/3熔融能量密度(E2/3)以上至完全熔融能量密度(ECM)以下。具体地说，图5中示出固体脉冲激光为Nd:YAG激光的二次谐波、在透明基板上形成的以硅为主体的半导体膜的厚度为约28nm至约96nm的情况的半导体膜表面的YAG2ω脉冲激光的照射能量密度(x轴)与被照射半导体膜的熔融体积成分(y轴)的关系。从图5可知，由于在这样的条件下，
ESM=100mJcm-2ECM=850mJcm-2EAb=1500mJcm-2故被照射半导体膜的厚度方向的体积成分的3分之2熔融的照射能量密度为E2/3=600mJcm-2因而，可以说，YAG2ω光的在半导体膜上的希望的照射能量密度为约100mJcm-2以上至约1500mJcm-2以下，更为理想的是约100mJcm-2以上至约850mJcm-2以下，或约600mJcm-2以上至约1500mJcm-2以下，理想的是约600mJcm-2以上至约850mJcm-2以下。
为了促进上述的朝向横方向的结晶生长、再者用半导体装置有效地利用这一点，除了至此所述的条件外，脉冲激光的在半导体膜表面上的照射区域的形状的控制也是重要的。例如，考虑照射区域如图6-a所示那样是圆形的、激光强度从圆的中心朝向外侧减少的情况(图6-b)。此时，由于结晶从温度低的外周朝向高温的中心生长，故各结晶粒随着生长而互相碰在一起，肯定不能形成大的结晶粒。另外，即使将半导体装置的有源区的方向(如果是FET，则是源·沟道·漏的方向，如果是双极型晶体管，则是发射极·基极·集电极的方向)取为哪一方向，在有源区内也必定出现多个结晶粒界，即使以这样的照射区域形状进行激光照射来制成薄膜半导体装置，也肯定不能制成优质的半导体装置。与此不同，在本申请的发明中，将照射区域定为宽度W(μm)、长度L(mm)的线状乃至大致长方形(图7-a)。照射区域内的长度方向上的剖面(图7-a,A-A’剖面)处的激光照射能量密度除照射区域的端部(图7-b,±L/2附近)外，大致呈一样地分布(图7-b)，具体地说，除了长度方向的左右各自的端部5％外的中央部90％以内的能量密度的变动(标准偏差对平均值的比)不到约5％。另一方面，照射区域内的宽度方向上的剖面(图7-a,B-B’剖面)处的激光照射能量密度或大致呈梯形形状(图8-a)、或呈大致高斯函数形状(图8-b)。所谓宽度方向的剖面呈大致高斯函数形状，不仅宽度方向的激光强度(图8-b)实际上呈能用高斯函数近似的分布形状，而且也包含其强度从中心(图8-b中的0点)开始以可微分的函数朝向端部区域(图8-b中的±W/2附近)平滑地减少的分布形状。在宽度方向的剖面呈大致梯形形状(图8-a)的情况下，照射能量密度的变动不到约5％的中央平坦区域的比例最好为约30％至约90％，为此，上下各自的端部区域(图8-a、±W/2附近)为约5％至约35％。例如，在W=100μm的情况下，希望中央平坦区域为约30μm至约90μm，上下各自的端部区域为约5μm至约35μm。
本申请的发明的要点被认为是通过结晶核及激光的控制在半导体膜的熔融结晶化时促进横向生长。为了促进横向生长，除了激光源的选择及适合于该选择的半导体膜厚的决定这样的膜厚方向的结晶生长抑制外，膜的朝向水平方向的生长控制也是重要的。具体地说，通过使线上乃至长方形的激光照射区域的长度(简称为照射长度)L对宽度(简称为照射宽度)W的比(L/W)和照射区域的扫描方法达到最佳化，可实现朝向所希望的方向的结晶生长。首先，假定照射长度L对照射宽度W的比(L/W)为约100以上。如果该比(L/W)为约100以上，则在每次照射时，在照射区域的长度方向上几乎不产生温度梯度，温度梯度主要在宽度方向(图7-a,B-B’方向)上产生。其结果，结晶显示出朝向照射区域的横方向的一维的横向生长。因为希望照射宽度W为约5μM至约500μM，故如果考虑生产率，则希望比(L/W)为约1000以上。其次，在每次照射中，在宽度方向上错开这样的形状的照射区域，进行基板整个面的扫描。由于在每次照射中结晶在照射宽度方向上生长，故如果在宽度方向上错开照射区域，则也可在宽度方向上将多个结晶粒连结起来。通过采用这样的照射方法，构成多晶半导体膜的结晶粒在照射区域的宽度方向(图7-a,B-B’方向)上变大。因而，通过将薄膜半导体装置的有源区的方向(如果是MOSFET，则是源·漏方向、如果是双极型晶体管，则是发射极·集电极方向)取为照射宽度方向，可实现在有源区内(MOSFET的沟道形成区内、或双极型晶体管的发射极·基极结区、基区和基极·集电极结区)不存在结晶粒界或即使存在结晶粒界、其数也非常少的这样优良的薄膜半导体装置。
在基板上扫描激光照射区时希望将在每次照射中错开照射区域的量定为在一次的照射中生长的结晶的大小(将其简称为结晶生长尺寸)以下。理想的错开量为结晶生长尺寸的约一半以下。这是因为，通过这样做，在每次照射中将结晶连结起来的概率显著地增大，朝向照射区域的宽度方向的结晶粒径变大。在利用了YAG2ω光作为激光光源的情况下，结晶生长尺寸通常为约1μm至约3μm。因而，如果错开量为约3μm以下，则产生结晶连结起来的可能性，如果为约2μm以下，则其概率进一步增大。结晶生长尺寸不总是为约3μm，其按照概率函数来分布。尽管结晶生长尺寸有时取大的值，但也可取小的值。即使结晶生长尺寸小到约1μm的值，为了可靠地将结晶粒连结起来，换言之，为了对几乎所有的结晶生长尺寸的值可靠地将结晶粒连结起来，也将错开量定为约1μm以下。理想的是约0.5μm以下。如果将错开量定为约0.1μm以下，则即使使YAG2ω光以20kHz的高频进行脉冲振荡，扫描速度也慢到约2mm/sec以下。为了处理500mm那样的大型基板，如果考虑生产率，则使扫描速度也慢到约2mm/sec以下是不现实的。因而，错开量的下限值可以说为约0.1μm。如果生产率比将结晶连结起来这一点更重要，则错开量的上限值大致为25μm。
为了制成优良的薄膜半导体装置，也必须使照射半导体膜上的任意的一点的脉冲激光的照射次数(简称为照射次数)最佳化。如果照射次数不到约10次，则不能有效地减少多晶半导体膜中的缺陷。相反，如果为约80次以上，则导致从气相朝向半导体膜的杂质混入及半导体膜表面的粗糙度的增大。特别是如果照射次数为约200次以上，则表面变得很粗糙，即使利用这样的膜制成薄膜半导体装置，由于栅漏泄等，半导体装置完全不能工作。为了有效地减少结晶性半导体膜中的缺陷、且保持半导体膜的表面平滑来制造优良的薄膜半导体装置，以照射次数为约10次以上至约80次以下的方式使激光照射区域在基板上扫描。为了可靠地制造优良的半导体装置，以照射次数为约20次以上至约60次以下的方式使脉冲激光扫描。
由于在错开量和照射次数中存在最佳值，故由该值来决定最佳的照射宽度W。照射宽度W是错开量与照射次数的积。在用x(μm)来表示错开量、用n次来表示照射次数时，照射宽度W(μm)为W(μm)=x(μm)×n(式9)不管宽度方向的激光能量密度分布如何，照射宽度W相当于激光能量密度分布的强度为最大值的一半的点的宽度(最大半振幅的全宽度FWHM)。因为错开量的较为理想的范围的最下限为约0.1μm，照射次数的较为理想的最小值为约10次，故较为理想的最小照射宽度为约1μm。相反，因为错开量的最大值为约25μm，照射次数的最大值为约80次，故较为理想的最大照射宽度为约2000μm。作为更为理想的照射宽度，在错开量为约0.5μm且照射次数为约10次时的约5μm至错开量为3μm且照射次数为约80次时的约240μm之间。在错开量为约1μm且照射次数为约20次时的或错开量为约0.5μm且照射次数为约40次时的约20μm至错开量为约2μm且照射次数为约60次时的约120μm之间可以说是理想的照射宽度。
在这样的条件下的所希望的发送频率为扫描速度为约2mm/sec以上的值。因为脉冲激光的发送频率f(Hz)与扫描速度v(mm/sec)的关系使用前面的错开量x(μm)来表示，v(mm/sec)=x(μm)×10-3×f(Hz)(式10)故所希望的发送频率f(Hz)为f＞2×103/x (式11)因为错开量的较为理想的范围为约0.μm以上值25μm以下，故由式11可知，发送频率的较为理想的范围为约0.08kHz以上至约20kHz以下。可以说，更为理想的是约0.67kHz以上至约20kHz以下、理想的是约1kHz以上至约20kHz以下。从式9和式11发现了发送频率f(Hz)与照射次数n(次)和照射宽度W(μm)之间的下述的关系f＞2×103×n/x (式12)即，如果将发送频率、照射次数和照射宽度设定成满足式12的条件，对半导体膜照射脉冲激光，则能以高的生产率来制造优质的薄膜半导体装置。
在半导体膜的熔融结晶化时促进结晶粒的朝向宽度方向的一维的横向生长的另一个重要的要素是照射区域的宽度方向上的激光能量密度的梯度(简称为能量密度梯度)。熔融结晶化时的结晶生长速度u(x)与半导体膜的温度梯度dT(x)/dx成比例。
u(x)=k·dT(x)/dx (式13)这里，k是速度常数，T(x)是半导体膜上的任意点x的半导体膜的温度。如果用tm来表示半导体膜的熔融时间，则结晶生长尺寸Lc用结晶生长速度与熔融时间tm的积来表示。
Lc=u×Lc=k·dT(x)/dx-tm(式14)因为速度常数k为恒定的，熔融时间也大致恒定，故结晶生长尺寸与半导体膜的温度梯度成比例。另一方面，因为半导体膜的温度与照射脉冲激光的能量密度成比例，故结晶生长尺寸Lc与能量密度梯度dE/dx成比例。
Lc∝cdE/dx (式15)为了增大结晶生长尺寸，增大能量密度梯度即可。依据申请人等进行的实验结果，在使用YAG2ω光作为脉冲激光对玻璃基板上的半导体膜进行了熔融结晶化时，在能量密度梯度的最大值为约3mJ·cm-2·μm-1以上、即，在约3.0mJ·cm-2·μm-1至约4.0mJ·cm-2·μm-1时，朝向照射宽度方向的结晶生长尺寸为约1μm以上。此外，在能量密度梯度的最大值为约10mJ·cm-2·μm-1至约20J·cm-2·μm-1时，朝向照射宽度方向的结晶生长尺寸增大到约2μm以上。再者，在能量密度梯度的最大值为约30mJ·cm-2·μm-1时，朝向照射宽度方向的结晶生长尺寸为约3μm。因而，为了得到优质的结晶性半导体膜以制造优良的薄膜半导体装置，最好使能量密度梯度的最大值为约3mJ·cm-2·μm-1以上、如果为约10mJ·cm-2·μm-1至约20mJ·cm-2·μm-1则更为理想，理想的是约30mJ·cm-2·μm-1以上。
依据本申请的发明，为了实现朝向所希望的方向的一维结晶生长，使照射激光的波长、吸收系数、进而是半导体膜的厚度、纯度等实现最佳化以抑制朝向厚度方向的结晶生长，在此基础上，使用作成线状乃至大致长方形的照射区域的形状以抑制朝向长度方向的结晶生长，而且使朝向宽度方向的能量密度梯度实现最佳化，从而只朝向宽度方向有选择地使结晶生长。在作成这样的状况后，如果在每次照射中在照射区域的宽度方向上以适当的量错开照射区域来扫描，则可在扫描方向上将结晶连结起来。这样，可得到对于照射宽度方向的结晶粒径增大、且结晶内缺陷少的、表面也平滑的、且纯度也高的优质的结晶性半导体薄膜。如果使薄膜半导体装置的有源层的方向与照射区域的扫描方向平行，则可显著地降低横断有源层内的结晶粒界数，容易地制造极为优良的薄膜半导体装置。
如以上所详细地叙述的那样，通过在本申请的发明中改进成膜方法及结晶化工序，可将以往低质量的、离散性大的结晶性半导体膜作成均匀的、高质量的结晶性半导体膜。由此，可得到以下的显著的效果使以薄膜晶体管为代表的薄膜半导体装置的电特性显著地提高，同时，使薄膜半导体装置在低电压下工作，进而，能稳定地制造这样的薄膜半导体装置。
附图的简单说明图1是说明光的波长与半导体的吸收系数的关系的图。图2是说明半导体膜厚与膜中的光强度的关系的图。图3是说明本申请的发明的原理的图。图4是说明本申请的发明的范围的波长与半导体膜厚的关系图。图5是本申请的发明的一例的能量密度与体积成分的关系图。图6是说明激光的照射形状的图。图7说明本申请的发明的激光的照射形状的图。图8是说明本申请的发明的激光的照射形状的图。图9说明本申请的发明的制造工序的图。图10至图16是说明本申请的发明的效果的图。
101是基板，102是基底保护膜，103是半导体膜的岛，104是氧化硅膜，105是栅电极，106是杂质离子，107是源·漏区，108是沟道形成区，109是层间绝缘膜，110是布线。
用于实施发明的最佳形态一边参照附图，一边说明本发明的实施形态。
(实施例1)图9(a)～(d)是用剖面示出了形成MOS型场效应晶体管的薄膜半导体装置的制造工序的图。在本实施例1中，作为基板101，使用了应变点温度为650℃的无碱玻璃。然而，即使是除此以外的基板，如果是能耐薄膜半导体装置制造工序中的最高温度的基板，则不问其种类和大小如何。首先，在基板101上淀积成为基底保护膜102的氧化硅膜。在基板是陶瓷基板等包含了对于半导体膜来说是不希望有的杂质的情况下，可在淀积氧化硅膜之前淀积氧化钽膜或氮化硅膜等的第一基底保护膜。在本实施例1中，用等离子化学汽相淀积法(PECVD法)在基板101上淀积约200nm的氧化硅膜，作成基底保护膜102。利用ECR-PECVD法在以下的淀积条件下淀积了氧化硅膜。
单硅烷(SiH4)流量…60sccm氧(O2)流量…100sccm压力…2.40mTorr微波(2.45GHz)输出…2250W
施加磁场…875高斯基板温度…100℃成膜时间…40秒该氧化膜的在液温为25℃下在浓度为1.67％的氢氟酸水溶液中的刻蚀速度为0.5nm/s。
利用高真空型LPCVD装置，作为第一工序，在以这种方式形成的基底保护膜上以约50nm的膜厚淀积了本征非晶硅膜。高真空型LPCVD装置为热壁型的，容积为184.51，基板插入后的可淀积的区域的总面积约为44000cm2。成膜室中的最大排气速度为120sccm/mTorr。淀积温度为425℃，在半导体膜淀积前，在该温度下进行了1小时15分的基板的加热干燥处理。在干燥热处理中，在设置了基板的成膜室中以200(sccm)导入了纯度为99.9999％以上的氦(He)和以100(sccm)导入了纯度为99.9999％以上的氢(H2)，将成膜室的压力保持为约2.5mTorr。结束干燥处理、且在淀积半导体膜之前的成膜室背景真空度在425℃的温度平衡条件下为2.5×10-7Torr。在淀积非晶硅膜时，对成膜室以200sccm的流量供给纯度为99.99％以上的乙硅烷(Si2H6)，将淀积压力大体保持为1.1Torr。在该条件下，硅膜的淀积速度为0.77nm/min。
其次，作为第二工序，对由第一工序得到的本征非晶硅膜照射脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波，进行了熔融结晶化。脉冲激光的时间半值宽度为约60ns，发送频率为200Hz。激光在宽度方向上大致呈高斯形状，被聚束为照射宽度为270μm、照射长度为5mm的线状。能量密度梯度对于宽度方向的最大值为3.72mJ·cm-2·μm-1。在每次照射中，使该线状的光在宽度方向上逐次错开2.5％，在基板上进行了扫描。错开量为6.75μm，半导体膜上的任意一点受到约40次的激光照射。激光的照射能量密度为750mJ·cm-2。对于在半导体膜表面上的照射能量密度对平均值的变动约为4％。在本实施例1中使用了的YAG2ω激光中，因为只使50nm的半导体膜的最表面熔融的能量密度约为100mJ·cm-2，使其完全熔融的能量密度约为850mJ·cm-2，故半导体膜的约87％熔融了。对以这种方式得到的结晶性硅膜进行构图加工，形成了半导体膜的岛103。晶体管的源漏方向与YAG2ω激光的扫描方向大致平行(图9-a)。
其次，利用ECR-PECVD法形成了氧化硅膜104，使其覆盖已构图加工的半导体膜的岛103。该氧化硅膜起到半导体装置的栅绝缘膜的功能。成为栅绝缘膜的氧化硅膜的淀积条件，除了淀积时间缩短为24秒之外，与基底保护膜的氧化硅膜的淀积条件相同。但是，在淀积氧化硅膜之前，在ECR-PECVD装置内对基板照射氧等离子体，在半导体的表面上形成了低温等离子氧化膜。等离子氧化条件如下所述。
氧(O2)流量…100sccm压力…1.85mTorr微波(2.45GHz)输出…2000W施加磁场…875高斯基板温度…100℃处理时间…24秒利用等离子氧化，在半导体表面上形成了大致3.5nm的氧化膜。在氧等离子体照射结束后，在维持真空的情况下，连续地淀积了氧化膜。因而，成为栅绝缘膜的氧化硅膜由等离子氧化膜和气相淀积膜这两者构成，其膜厚为122nm。这样，完成了栅绝缘膜的淀积。(图9-b)接着，利用溅射法，用金属薄膜形成栅电极105。溅射时的基板温度为150℃。在本实施例1中，利用具有750nm的膜厚的α结构的钽(Ta)制成栅电极，该栅电极的薄层电阻为0.8Ω/□。其次，以栅电极为掩模，注入成为施主或受主的杂质离子106，以自对准的方式相对于栅电极制成源·漏区107和沟道形成区108。在本实施例1中，制成了CMOS半导体装置。在制造NMOS晶体管时，用铝(Al)薄膜覆盖了PMOS晶体管部后，选择在氢中以5％的浓度被稀释了的磷烷(PH3)作为杂质元素，用加速电压80kV以7×1015cm-2的浓度将包含氢的总离子注入到NMOS晶体管的源·漏区中。相反，在制造PMOS晶体管时，用铝(Al)薄膜覆盖了NMOS晶体管部后，选择在氢中以5％的浓度被稀释了的乙硼烷(B2H6)作为杂质元素，用加速电压80kV以5×1015cm-2的浓度将包含氢的总离子注入到PMOS晶体管的源·漏区中(图9-c)。离子注入时的基板温度为300℃。
其次，利用PECYD法，将TEOS(Si-(OCH2CH3)4)和氧作为原料气体，在基板温度为300℃下淀积了层间绝缘膜109。层间绝缘膜由二氧化硅膜构成，其膜厚大致为500nm。在淀积层间绝缘膜后，兼作层间绝缘膜的烧固和在源·漏区中被添加了的杂质元素的激活，在氮气氛下以350℃进行了2小时的热处理。最后，开出接触孔，利用溅射法以基板温度为180℃淀积铝，制成布线110，完成了薄膜半导体装置。(图9-d)测定了以这种方式制成的薄膜半导体装置的转移特性。所测定的半导体装置的沟道形成区的长度及宽度分别为10μm。测定在室温下进行。从4个NMOS晶体管的在Vds=8V下的饱和区求出的平均的迁移率为117cm2·V-1·s-1，平均的阈值电压为3.41V，平均的子阈值变动值为0.260V，从阈值电压和平带电压求出的平均的受主型俘获能级密度为2.05×1016cm-3。此外，从4个PMOS晶体管的在Vds=-8V下的饱和区求出的平均的迁移率为62cm2·V-1·s-1，平均的阈值电压为-0.81V，平均的子阈值变动值为0.368V，从阈值电压和平带电压求出的平均的施主型俘获能级密度为1.62×1016cm-3。该半导体装置的特性在基板内几乎没有变动，均匀地制造了高性能的半导体装置。与此不同，在现有技术中淀积非晶硅膜用受激准分子激光进行了结晶化的比较例中，NMOS晶体管的平均的迁移率为33cm2·V-1·s-1，平均的阈值电压为3.70V，平均的子阈值变动值为0.646V，平均的受主型俘获能级密度为2.65×1016cm-3,PMOS晶体管的平均的迁移率为16cm2·V-1·s-1，平均的阈值电压为-7.06V，平均的子阈值变动值为0.617V，平均的施主型俘获能级密度为6.55×1016cm-3。如该例中示出的那样，依据本发明，利用可使用通用的玻璃基板的低温工序、可简便且容易地、可稳定地制成N型和P型这两半导体装置都有高迁移率、低阈值电压，而且显示出陡峭的子阈值特性的良好的薄膜半导体装置。特别是从子阈值变动值可知，具有显著地减少禁带中央部附近的俘获能级密度或施主型俘获能级密度的俘获能级密度的非常好的效果，可用低电压来驱动使用了薄膜半导体装置的电路。此外，在现有技术中，如果迁移率变大，则阈值电压或俘获能级密度也变大，但依据本申请的发明，还可得到能同时实现高迁移率、低阈值电压或低俘获能级密度的良好的效果(实施例2)除了在第二工序中的对半导体膜照射脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的工序外，其它制造工序与实施例1完全相同地制成了薄膜半导体装置。在本实施例2中，与实施例1相比，变更了在每次照射中在宽度方向上错开被聚束为照射宽度为270μm、照射长度为5mm的线状的YAG2ω脉冲激光的比例和在半导体膜上的激光照射能量密度这二点。在每次照射中在宽度方向上错开线状的激光的比例选择了5％、2.5％、1.2％、0.6％这四个水准。与此相应，半导体膜上的任意一点分别受到约20次、40次、约80次、约250次的激光照射。在半导体膜上的激光的照射能量密度从300mJ·cm-2至800mJ·cm-2变化。与其成比例地，激光能量密度梯度的最大值也从1.49mJ·cm-2·μm-1至3.97mJ·cm-2·μm-1变化。与实施例1同样，对于半导体膜表面上的YAG2ω光的照射能量密度的平均值的变动约为4％，ESM约为100mJ·cm-2，EcM约为850mJ·cm-2。
在图10至图15中示出以这种方式制成的薄膜半导体装置的电特性。这些图的横轴(x轴)都表示YAG2ω光的在半导体膜表面的照射能量密度，纵轴(y轴)表示对应的电特性。此外，为了参考起见，用黑圆圈(KrF受激准分子激光的20次照射)表示了利用与现有技术相当的受激准分子激光能得到的最好的结果。
图10和图11示出了NMOS和PMOS的子阈值变动值。如果照射能量密度超过约500mJ·cm-2，即，如果半导体膜的厚度方向的体积成分的约60％以上熔融，则可知，与以往相比可改善阈值下特性。再者，在约600mJ·cm-2以上时(半导体膜的厚度方向的体积成分的约67％以上熔融时)，与以往相比可显著地改善特性，而且，可确认，显示出良好的特性的能量密度范围扩展到完全熔融之前的约800mJ·cm-2。
图12和图13示出了受主型俘获能级和施主型俘获能级与能量密度的依存性。除了与图10或图11相同的趋势外，如果照射能量密度超过约650mJ·cm-2，即，如果半导体膜的厚度方向的体积成分的约73％以上熔融，则可看到能将施主型俘获能级减少到以往的3分之1以下的显著的效果。
图14和图15是关于NMOS和PMOS的迁移率的曲线图。如果照射能量密度超过约650mJ·cm-2，即，如果半导体膜的厚度方向的体积成分的约73％以上熔融，则对于NMOS也好、PMOS也好，都可得到非常大的迁移率。
如本实施例2示出的那样，可以理解下述的优良效果产生的情况如果半导体膜的厚度方向的体积成分的约60％以上熔融，则与以往相比，可容易地制造优质的薄膜半导体装置，如果约67％以上熔融，则可显著地减少俘获能级密度，再者，如果约73％以上熔融，则低阈值电压与高迁移率可兼顾。
(实施例3)除了在第二工序中的对半导体膜照射脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的工序外，其它制造工序与实施例1完全相同地制成了薄膜半导体装置。在本实施例3中，对半导体膜照射了对于宽度方向大致呈高斯型的被聚束为照射宽度为60μm、照射长度为10mm的线状的YAG2ω脉冲激光。照射次数为40次，因而，错开量为1.5μm。考虑了生产率的较为理想的发送频率为1334Hz以上。在宽度方向上的能量密度梯度的最大值为约16.1mJ·cm-2·μm-1。照射能量密度定为600mJ·cm-2。除此以外的条件总的来说与实施例1完全相同地制成了薄膜半导体装置。从所得到的N型薄膜半导体装置的在Vds=8V下的饱和区求出的平均的迁移率为159cm2·V-1·s-1，此外，从P型薄膜半导体装置的在Vds=-8V下的饱和区求出的平均的迁移率为70cm2·V-1·s-1。如果与实施例1和实施例2的图14和图15的结果相比较，则可以理解，即使是相同的照射激光能量密度，反映错开量变小、能量密度梯度的最大值变大的事实，也制成了更为优良的晶体管。
(实施例4)除了在第二工序中的对半导体膜照射脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的工序和栅绝缘膜的厚度外，其它制造工序与实施例1完全相同地制成了薄膜半导体装置。在本实施例4中，将栅绝缘膜的厚度定为60nm。此外，将照射半导体膜的YAG2ω光聚束为对于宽度方向大致呈高斯型的照射宽度为50μm、照射长度为10mm的线状。照射次数为40次，因而，错开量为1.25μm。考虑了生产率的较为理想的发送频率为1600Hz以上。在从300mJ·cm-2至900mJ·cm-2之间每隔100mJ·cm-2设定了照射激光能量密度。与此相应，在宽度方向上的能量密度梯度的最大值也从11.25mJ·cm-2·μm-1至33.75mJ·cm-2·μm-1变化。除此以外的条件总的来说与实施例1完全相同地制成了薄膜半导体装置。在图16中示出从所得到的N型薄膜半导体装置(沟道长度为5μm，沟道宽度为10μm)的在Vds=5V下的饱和区求出的平均的迁移率和YAG2ω光的能量密度梯度的最大值。
在图16中示出了，如果激光能量密度超过600mJ·cm-2，则能量密度梯度的最大值也超过20mJ·cm-2·μm-1，迁移率也骤增至171cm2·V-1·s-1。如果照射能量密度为半导体膜的体积成分的3分之2熔解的E2/3=600mJ·cm-2以上，同时能量密度梯度的最大值超过20mJ·cm-2·μm-1，则可理解半导体特性急剧地改善的情况。再者，可以理解，即使是激光能量密度超过完全熔融的ECM=850mJ·cm-2的900mJ·cm-2，迁移率也显示出188cm2·V-1·s-1的良好的值。这是因为，即使因完全熔融在半导体膜中随机地产生核，但由于在多次激光照射的最后可进行能量密度梯度的最大值超过30mJ·cm-2·μm-1的照射，故也产生朝向照射区域的宽度方向的结晶生长。在现有的受激准分子激光照射中，如果超过完全熔融条件，则晶体管特性急剧地恶化。与此相对照地，在本申请的发明中，即使多少超过完全熔融条件，也制成了优良的薄膜半导体装置。换言之，这意味着制造优良的半导体装置的条件范围非常宽，可稳定地制造优良的半导体装置。实际上从图16可知，在从激光能量密度为从600mJ·cm-2至900mJ·cm-2的300mJ·cm-2的宽的制造条件范围内制成了高迁移率的薄膜半导体装置。
如以上所述，根据本发明的薄膜半导体装置的制造方法，采用能使用廉价的玻璃基板的低温工艺可容易地且稳定地制造高性能的薄膜半导体装置。因而，在将本发明应用于有源矩阵型的液晶显示装置的制造的情况下，可容易地且稳定地制造大型且高质量的液晶显示装置。再者，即使在应用于其它的电子电路的制造的情况下，也能容易地且稳定地制造高质量的电子电路。
权利要求
1．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用，其特征在于包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射脉冲激光，该脉冲激光在非晶硅中的吸收系数比在多晶硅中的吸收系数大。
2．如权利要求1中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于该脉冲激光在上述半导体膜上的照射区域为宽度为W(μm)、长度为L(mm)的大致长方形。
3．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述长度方向上的上述脉冲激光的照射能量密度以大致梯形的形状来分布。
4．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述宽度方向上的上述脉冲激光的照射能量密度以大致梯形的形状来分布。
5．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述宽度方向上的上述脉冲激光的照射能量密度以大致高斯函数的方式来分布。
6．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述长度L对上述宽度W的比(L/W)为100以上。
7．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述长度L对上述宽度W的比(L/W)为1000以上。
8．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述脉冲激光的在上述宽度方向上的照射能量密度的最大梯度值为3mJ·cm-2·μm-1以上。
9．如权利要求2中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在每次照射中，使上述照射区域在宽度方向上错开来进行。
10．如权利要求1中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于对上述半导体膜上的任意一点进行约10次以上至80次以下的脉冲激光照射。
11．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用，其特征在于，包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波。
12．如权利要求11中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的在上述半导体膜上的照射区域为宽度为W(μm)、长度为L(mm)的大致长方形。
13．如权利要求11中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述长度方向上的上述进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的照射能量密度以大致梯形的形状来分布。
14．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述宽度方向上的上述进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的照射能量密度以大致梯形的形状来分布。
15．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在上述照射区域中，在上述宽度方向上的上述进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的照射能量密度以大致高斯函数的方式来分布。
16．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述长度L对上述宽度W的比(L/W)为100以上。
17．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述长度L对上述宽度W的比(L/W)为1000以上。
18．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波的在上述宽度方向上的照射能量密度的最大梯度值为3mJ·cm-2·μm-1以上。
19．如权利要求12中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于在每次照射中，使上述照射区域在宽度方向上错开来进行。
20．如权利要求11中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于对上述半导体膜上的任意一点进行约10次以上至80次以下的进行脉冲振荡的Nd:YAG激光的二次谐波照射。
21．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用，其特征在于包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射脉冲激光，该脉冲激光在多晶硅中的吸收系数μpSi为10-3nm-1以上至10-2nm-1以下。
22．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述基板是透明的。
23．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由化学汽相淀积法(CVD法)进行的淀积。
24．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由低压化学汽相淀积法(LPCVD法)进行的淀积。
25．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含用高真空型低压化学汽相淀积装置进行淀积的工序。
26．如权利要求25中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述高真空型低压化学汽相淀积装置在半导体膜淀积之前的背景真空度为5×10-7Torr以下。
27．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述脉冲激光由固体发光元件来形成。
28．如权利要求21中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述脉冲激光为Nd:YAG激光的二次谐波。
29．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的半导体膜作为有源层来使用，其特征在于包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的、膜厚为d(nm)的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射在多晶硅中的吸收系数μpSi为103nm-1以上至10-2nm-1以下的脉冲激光，该膜厚d与该吸收系数μpSi满足下述关系式，0.105·μpSi-1＜d＜0.693·μpSi-1。
30．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的半导体膜作为有源层来使用，其特征在于包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的、膜厚为d(nm)的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射在多晶硅中的吸收系数μpSi为10- 3nm-1以上至10-2nm-1以下的脉冲激光，该膜厚d与该吸收系数μpSi满足下述关系式，0.405·μpSi-1＜d＜0.693·μpSi-1。
31．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述基板是透明的。
32．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由化学汽相淀积法(CVD法)进行的淀积。
33．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由低压化学汽相淀积法(LPCVD法)进行的淀积。
34．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含用高真空型低压化学汽相淀积装置进行淀积的工序。
35．如权利要求34中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述高真空型低压化学汽相淀积装置在半导体膜淀积之前的背景真空度为5×10-7Torr以下。
36．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述脉冲激光由固体发光元件来形成。
37．如权利要求29中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述脉冲激光为Nd:YAG激光的二次谐波。
38．一种薄膜半导体装置的制造方法，上述薄膜半导体装置将以在基板上被形成的硅(Si)作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用，其特征在于，包括基底保护膜形成工序，在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜；第一工序，在该基底保护膜上形成以硅(Si)作为主体的、厚度约为25nm以上至约165nm以下的半导体膜；以及第二工序，对该半导体膜照射Nd:YAG激光的二次谐波。
39．如权利要求38中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的厚度为约25nm以上至约95nm以下。
40．如权利要求38中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述基板是透明的。
41．如权利要求38中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由化学汽相淀积法(CVD法)进行的淀积。
42．如权利要求38中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含由低压化学汽相淀积法(LPCVD法)进行的淀积。
43．如权利要求38中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述半导体膜的形成包含用高真空型低压化学汽相淀积装置进行淀积的工序。
44．如权利要求43中所述的薄膜半导体装置的制造方法，其特征在于上述高真空型低压化学汽相淀积装置在半导体膜淀积之前的背景真空度为5×10-7Torr以下。
全文摘要
一种以在基板上被形成的硅作为主体的结晶性半导体膜作为有源层来使用的半导体装置的制造方法,包括:在基板上形成成为基底保护膜的氧化硅膜的基底保护膜形成工序;在该基底保护膜上形成以硅作为主体的半导体膜的第一工序;以及对半导体膜照射脉冲激光的第二工序,脉冲激光的波长定为370nm以上至710nm以下。由此,采用低温工艺可容易地且稳定地制造高性能的薄膜半导体装置。
文档编号H01L29/04GK1304547SQ00800777
公开日2001年7月18日 申请日期2000年1月14日 优先权日1999年3月5日
发明者宫坂光敏, 小川哲也, 时冈秀忠, 佐藤行雄, 井上满夫, 笹川智广 申请人:精工爱普生株式会社, 三菱电机株式会社