半导体器件及其制造方法

专利名称：半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及非常适宜在液晶显示器等的显示设备中使用的半导体器件及其制造方法。
背景技术：
在液晶显示器中，有源矩阵型液晶显示器是主流，该显示器通过薄膜晶体管(TFTThin Film Transistor)的开关动作来显示图像。而薄膜晶体管使用了在玻璃或者合成石英衬底上形成的非晶或者多晶的硅膜。该液晶板现在主要使用独立设置在外部的驱动像素晶体管的驱动电路来动作。如果能够把该驱动电路和液晶显示器的像素电路构成在同一衬底上，则在液晶显示器的制造成本和可靠性等的方面能够得到飞跃性的效果。
但是，目前因为构成TFT的有源层的硅膜的结晶性差，所以代表载流子的迁移率的TFT的性能低，要求高速性以及高功能性的驱动电路等的集成电路的制作困难。以实现具有高迁移率的载流子的TFT为目的，为了改善硅膜的结晶性，一般是采用激光对硅膜进行热处理。
以下说明硅膜的结晶性和在TFT中的载流子迁移率的关系。通过对非晶硅膜进行激光热处理得到的硅膜一般是多晶体。在多晶体的结晶晶粒边界上局部存在结晶缺陷，这阻碍TFT的有源层的载流子移动。因而，为了提高在TFT中的迁移率，只要减少载流子在有源层中移动过程中横切结晶晶粒边界的次数，并且减小结晶缺陷密度即可。激光热处理的目的在于形成结晶粒子直径大并且在结晶晶粒边界上的结晶缺陷少的多晶硅膜。
接着说明以往的TFT的制造方法。首先，例如用等离子CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相淀积法)，在玻璃衬底上形成氧化硅膜。在该氧化硅膜上例如用等离子CVD淀积非晶硅膜。
接着在非结晶质硅膜上照射准分子激光(XeCl(波长308nm))，或者Nd:YAG激光的二次谐波(以下称为YAG2ω)(波长532nm)。通过该激光的照射，受到激光照射的部分融化。其后，随着温度下降融化的硅结晶，形成多晶硅膜。
此后构图多晶硅膜。接着，在多晶硅膜上形成氧化硅膜以及金属膜(Ta、Cr以及Mo等的低电阻的金属膜)。
接着通过构图金属膜而形成栅电极。以下，把栅电极或者在形成栅电极时的抗蚀剂作为掩模，用离子掺杂法法在多晶硅膜上导入N型或者P型的杂质，自对准地形成源极以及漏极区域。其后淀积氧化硅膜，在源极、漏极、栅极上形成接触孔，并淀积金属膜(Al，W，Mo等)。通过构图该金属膜而进行源极、漏极、栅极的布线。由此在导入了N型杂质的部分上完成n沟道型(NMOS)晶体管的TFT，在导入了P型杂质的部分上完成了p沟道型(PMOS)晶体管的TFT。进而在该TFT上形成绝缘膜、透明电极得到TFT板。使用该TFT板，进一步通过组合液晶、偏振膜、彩色滤光器等完成液晶显示器。
使用上述那样照射激光形成的多晶硅膜来形成TFT板。此时的重要点是例如当是手机用的TFT板的情况下，至少是激光的细长剖面光束的长度比该TFR板的短边长。这是因为当用准分子激光器等的紫外激光使光束的端部重叠的情况下，在该重叠的照射部分(重叠照射部分)中特性大大劣化，TFT特性(迁移率，阈值电压)降低的缘故(例如参照非专利文献1)。但是，在通常的TV用板中，因为板的尺寸大所以满足上述条件困难。
为了改善上述的重叠照射部分的特性，公开了这样的方法，即在非晶硅膜的第1区域上照射波长大于等于390nm且小于等于640nm的激光从而形成第1多晶硅膜部分，接着，在第1多晶硅膜部分的端部，和与该第1多晶硅膜部分接触的非晶硅膜的第2区域上照射大于等于390nm且小于等于640nm的激光，以与第1多晶硅膜部分连接的方式形成第2多晶硅膜部分(例如参照专利文献1、2、非专利文献1)。
使用上述波长范围的激光的理由如下。
在非晶硅膜以及多晶硅膜中激光的吸收率根据其波长而各自变化。如果采用上述专利文献1，则把激光的波长设置为大于等于390nm且小于等于640nm。多晶硅膜的大于等于上述390nm的波长域的激光的吸收率如图20所示那样，小于等于非晶硅膜的60％。因此，如果在非晶硅膜上照射激光形成一次多晶硅膜，则即使再次在该多晶硅膜上照射上述波长域的激光，多晶硅膜也不会像非晶膜那样吸收很多的激光能量。其结果，多晶硅膜不会因再次照射而融化，该特性不会因激光的再照射而有大变化。因此在多晶硅膜整体上能够得到大致均匀的特性。
进而，因为如上所述把激光的波长域设置在小于等于640nm，所以如图20所示能够确保非晶硅膜的吸收率大于等于10％。其结果，非晶硅膜容易吸收激光的能量，能够容易经过融化而多晶化。
而且，如图20所示，如果波长大于等于500nm且小于等于550nm，则因为非晶硅膜和多晶硅膜的吸收率的差更大所以理想。如果波长大于等于520nm且小于等于550nm，因为非晶硅膜和多晶硅膜的吸收率的差特别大所以更理想。
在上述专利文献1中，因为使用YAG2ω，所以即使把硅膜的厚度设置成各种各样，因为波长是532nm，所以从图20可知，在多晶硅膜中的吸收率也比非结晶硅膜的吸收率小。
TFT的像素驱动晶体管如上所述用NMOS晶体管和PMOS晶体管构成。需要研究在这些晶体管中的载流子的迁移率以及阈值电压在TFT板整体中的变化程度。在激光二次照射的部分(重叠部分)上，NMOS晶体管以及PMOS晶体管都大致保持迁移率一定。另外，即使是重叠部分迁移率也和其他的部分大致相等。
进而，NMOS晶体管以及PMOS晶体管都是在所有的位置上阈值电压大致相等。这意味着在激光二次照射的部分(重叠部分)，和激光只照射一次的部分中，阈值电压大致相等。
如上所述，在使用了波长532nm的激光的例子中，因为把激光的波长设定在适宜的范围中，所以在激光照射了一次的部分和照射了二次的部分中的迁移率以及阈值电压都是一定的，能够提供高品质的半导体器件。
国际公开第02/31871号小册子[专利文献2]特开2002-16015号公报[非专利文献1]森川，外8名，“SID 04 DIGEST”(美国)2004年P.1088-1091但是，使用上述理想的波长范围的激光实际制作TFT板，发现人的眼睛能够微妙地识别重叠区域。其原因是人识别非常微妙的灰度差的缘故。如果人的眼睛能识别上述重叠部分，则例如即使它对显示性能没有影响也有可能影响商品价值。

发明内容
因而，本发明的目的在于提供一种半导体器件及其制造方法，该半导体器件利用在和激光束的剖面长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射390nm-640nm波长的剖面细长的激光束以使非晶硅膜多晶化的激光热处理方法来制作，且激光照射的重叠部分不会被人眼识别出。
本发明的半导体器件的制造方法包括第1扫描步骤，利用照射面是矩形的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长范围是390nm到640nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于60nm且小于等于100nm。
如果采用上述的半导体器件的制造方法，则在第1多晶半导体膜和第2多晶半导体膜重叠的部分中，多晶半导体膜通过第2扫描步骤而容易融化，在用一次激光扫描形成的多晶半导体膜和重叠部分的多晶半导体膜显示同等的性质。其结果，该重叠部分不能被人眼所识别，在晶体管特性中也能够得到均匀的性能。


图1是表示在本发明的实施方式1中的长度方向的激光束剖面的光强度分布的图。
图2是表示在本发明的实施方式1中的激光扫描装置的图。
图3是表示在本发明的实施方式1中的激光扫描方法的侧视图。
图4是表示在本发明的实施方式1中的长度方向的激光束的光强度分布和得到硅膜的对应的图。
图5是表示本发明的实施方式1中的进行了1次激光扫描时的硅膜的结晶状态的平面图。
图6是表示本发明的实施方式1中的TFT的制造方法的各步骤的剖面图。
图7是表示本发明的实施方式1中的TFT的制造方法的各步骤的剖面图。
图8是表示本发明的实施方式1中的TFT的制造方法的各步骤的剖面图。
图9是表示在本发明的实施方式1中的NMOS-TFT的载流子迁移率、阈值电压、S值的相对值分布的图。
图10是表示在本发明的实施方式1中的PMOS-RFT的载流子迁移率、阈值电压、S值的相对值分布的图。
图11是表示在本发明的实施方式1中的非晶硅膜的膜厚度和波长532nm的激光的功率密度的关系的图。
图12是表示在本发明的实施方式1中的非晶硅膜的膜厚度和波长390nm的激光的功率密度的关系的图。
图13是表示在本发明的实施方式1中的非晶硅膜的膜厚度和波长640nm的激光的功率密度的关系的图。
图14是表示非晶硅膜的膜厚度和波长308nm的激光的功率密度的关系的图。
图15是表示在本发明的实施方式1中的激光的波长和硅膜的膜厚度的关系的图。
图16A-16D是表示在本发明的实施方式2中的硅膜的表面形状的形成过程的图。
图17是表示在本发明的实施方式2中的NMOS-TFT的漏电流分布的图。
图18是表示在本发明的实施方式3中的液晶显示装置的图。
图19是表示在本发明的实施方式3中的TFT的剖面构造的图。
图20是表示非晶硅膜以及多晶硅膜的吸收率和激光波长的关系的图。
图21是表示采用以往方法的激光扫描端单元的TFT的载流子迁移率、阈值电压、S值的相对值的分布的图。
图22是表示采用以往方法的TFT的载流子迁移率、阈值电压、S值的相对值的分布的图。
具体实施例方式
首先，用

本发明的基本原理。
详细评价最初通过一次激光照射形成的多晶硅的激光端部的状况。图21表示在非晶硅膜上只经过功率密度490mJ/cm2的YAG2ω脉冲激光(波长λ＝532nm)的一次扫描而结晶的在多晶硅上制成的NMOS晶体管(NMOS-TFT)的电特性(迁移率，阈值电压(Vth)，子阈值特性(S值＝栅极电压在小于等于Vth的区域中将漏电流提高1位以上需要的栅极电压的增量))的位置依赖性。迁移率、Vth、S值用在激光照射区域的中心部分制成的TFT的特性来标准化。YAG2ω激光器以1kHz发振，在每1脉冲使衬底移动3μm进行照射。TFT以36μm间隔与激光的长度方向平行地配置多个。非晶硅膜的膜厚度是70nm。在图21中横轴表示离基准位置的距离，激光照射区域是从基准离开900～1600μm的区域，0～900μm的区域是激光非照射区域。在此，激光照射区域端部是900μm。
从图21可知迁移率(μ)从激光照射区域端部算起向激光照射区域一侧200μm的附近开始减少，在激光照射区域端部上升一次后单调地减少。TFT的阈值电压(Vth)从激光照射区域端部算起向激光照射区域一侧200μm的附近稍有增加后，再次在激光非照射区域中上升，从激光照射区域端部算起向非照射区域一侧400μm的位置显示最大值。S值也显示和Vth一样的趋势，但S值即使远离激光照射区域也保持高值。另外虽然未图示，但截止电流(把栅极电压从-5V改变到10V时的漏电流的最小值)也在Vth为最大的位置上出现最大值。另外，从图21可知，Vth为最大的硅膜的区域是宽度30μm左右的非常窄的区域。这是因为TFT以36μm间隔配置的缘故。进而在PMOS晶体管(PMOS-TFT)中，也是在硅膜厚度是50nm的情况下进行同样的评价，并得到了同样的结果。
接着，在重叠激光照射区域而结晶的多晶硅膜上制作TFT，评价了重叠的部分的特性。图22是NMOS-TFT的特性的位置依存性，上述NMOS-TFT晶体管制作于在用YAG2ω激光照射了第一次后的硅膜上从第一次的照射区域错开位置地照射了第二次激光后的硅膜的，重复照射激光的区域附近的硅膜上。硅膜厚度设置成50nm。YAG2ω激光器的功率密度是670mJ/cm2。激光器的1次发振和每一脉冲的移动距离和只照射一次的情况是同一条件。在图22中横轴表示离开基准位置的距离，第1次的激光照射区域是0～1000μm，第2次的激光照射区域是0～2000μm。即，重叠照射激光的区域是0～1000μm。
从第1次的激光照射区域端部算起向激光照射区域一侧200μm的位置，和向非照射一侧200～300μm的位置的TFT的S值上升，迁移率劣化。虽然未图示但已知截止电流也是在该迁移率和S值劣化的位置增大。在Vth值中未看到显著的增减。另外可知，S值和迁移率劣化的区域是TFT的1至2个，如果用距离表示则是36μm到72μm左右。
如上所述，详细评价TFT特性的激光照射区域端部，以及第1次和第2次激光照射区域端部的位置依赖性的结果，可知人的眼睛能够微妙地识别重叠区域的问题是由在重叠照射了激光的区域附近产生的迁移率和S值、截止电流劣化的TFT引起的。在是液晶显示装置的情况下，例如如果驱动像素的TFT的迁移率降低，则无法在规定的时间内将存在于像素中的电容器充电到所希望的电压。另外如果驱动像素的TFT的截止电流大，则充电到电容器中的电荷在1帧的时间内泄漏，无法保持所希望的电压。该劣化量作为透过液晶的光量虽然是1/256灰度左右的小的量，但成为被人眼识别出的缺陷。进而虽然特性劣化的区域从30μm到70μm的非常窄的区域，但TFT液晶显示器的像素间距是30μm左右，在劣化的区域上必然形成TFT，从而成为被人眼识别的缺陷。但是，该缺陷例如在以500μm和250μm间隔排列的TFT的测试模式中不能检测出。
寻找在重叠部分的第1次照射区域端部附近TFT特性稍微降低的原因的结果，判明如下。即，如图1所示，细长剖面的激光的剖面长度方向的光强度分布是梯形，在其端部具有宽度并衰减，形成倾斜区域。当只进行1次扫描照射具有这样的剖面光强度分布的光束的情况下，在上述倾斜区域上受到超过融化阈值的光强度的激光的非晶硅膜变为结晶晶粒直径非常小的微结晶的多晶硅膜。另一方面，受到比它高的光强度的激光的非晶硅膜与光强度的增大相应地增大结晶晶粒直径。在结晶晶粒直径小的多晶硅膜上与结晶晶粒直径大的多晶硅膜相比，单位体积的结晶晶粒边界的数(面积)多。结晶晶粒边界因为起到作为相对载流子的电位势垒的作用，所以在结晶晶粒直径小的多晶硅膜中迁移率减少，Vth上升。进而结晶晶粒边界也起到载流子的陷阱的作用。在栅极电压小于等于Vth的子阈值区域中产生的少数的载流子在结晶晶粒边界上被捕获，因为没有成为漏电流，所以在结晶晶粒直径小的多晶硅膜中S值增大。而且，在非晶硅膜中虽然不存在结晶晶粒边界，但因为存在非常多的硅原子的未结合键，所以迁移率是接近0的值，S值非常大。
另外，判明了激光照射区域内的迁移率的降低、Vth和S值的若干上升是由激光的干涉引起的。对此进行详细说明。
图2展示在非晶薄膜上照射激光的装置的构成。图2的激光照射装置由以下部分构成在YAG2ω等的在390～640nm区域上发振的激光发振器20；把从激光发振器20发振的激光照射在形成在衬底上的非晶硅膜上的照射部件10；使衬底相对照射部件10移动的移动部件30；控制使激光扫描的移动部件30的控制部件40。
照射部件10由反射镜11和光束形成光学系统12构成。光束形成光学系统12把从激光发振器20射出的激光束形成为规定的形状(例如在光束的发送方向上是从数百μm到数十μm的光束宽度，在与之正交的方向上具有数百mm长度的极细的细长剖面光束)。而后，从光束形成光学系统12射出的激光在反射镜11上反射成为长方形形状的光束35，照射在非晶硅膜33上。光束形成光学系统12以及反射镜11都定位在非晶硅膜33上。
移动部件30由可动载台1和驱动可动载台1的驱动电机2构成。可动载台1还可以支撑玻璃衬底31，相对激光发振器20以及照明部件10移动。因此，如果可动载台1移动，则放置在其上的玻璃衬底31以及非晶硅膜33也移动。
可动载台1与驱动电机2连接，驱动电机2驱动可动载台1。而且，可动载台1可以在规定的平面上的所有的方向上移动。
控制部件40与驱动电机2以及激光发振器20连接。控制部件40对驱动电机2发送信号使得在规定的时期驱动可动载台1。接收到该信号的驱动电机2使可动载台1在规定的方向上移动。另外控制部件40向激光发振器20发送信号，把从激光发振器20射出的激光导入到光束形成光学系统12。
激光发振器20使发振激光，并将该激光经由光束形成光学系统12以及反射镜11照射图3所示的非结晶硅膜33的一定区域。在该状态下控制部件40向驱动电机2发送信号，驱动电机2使可动载台1在图2所示的箭头1a所示的方向上移动。此时，形成为细长的光束35照射在非晶硅膜33上，该部分在多晶硅膜34上结晶。进而，如图3所示以和多晶硅膜34一部分重叠(A)的方式照射光束35。由此，把非晶硅膜33的所希望的部分结晶为多晶硅膜34。
在图2中，光束形成光学系统12把来自激光发振器20的圆形或者椭圆形的激光分割为5到10个部分，以分别成为长方形的光束形状的方式改变光路。以某种程度重叠来整形分割出的光束，以使在图1所示那样的长方形的长度方向上激光功率为一定。此时，因为分割出的光束的光路长度不同，所以重叠后的光束产生干涉。光束端部因为距离光束中央远，所以在光束端部上的干涉大。图4(a)是模式化表示在激光的长度方向位置的光束端部上的光强度的图。在光束端部上，因激光的干涉的原因激光强度减少。在因该干涉激光强度减小的区域上，硅膜的结晶晶粒直径变小。如果激光强度极端减小，则该区域的结晶晶粒进一步减小，也有出现微结晶的情况。因此制作在从激光照射区域端部算起向照射区域一侧的内侧200μm处的TFT的迁移率、Vth、S值劣化。
图4(b)是表示与激光照射区域端部对应的硅膜的结晶性的图。在激光照射区域一侧的内侧200μm的区域以及外侧300～400μm的区域中能够形成小结晶区域，制作成的TFT的特性劣化。图5表示只扫描照射1次激光时形成的硅膜的结晶性的平面模式图。如果只扫描照射1次激光，则经过照射的区域成为多晶硅膜34。从该多晶硅膜34的端部到200μm以内形成小结晶区域38。另外从多晶硅膜34的端部到300～400μm的外侧形成小结晶区域38。
将激光的照射面错开后对使用图5所示的激光扫描1次制成的多晶硅膜34以及小结晶区域38进行第2次的激光扫描，以使激光偏移在第1次扫描区域上第2次激光照射区域的一部分重叠。此时，小结晶区域38多晶化，由于图20所示的非结晶硅膜和多晶硅膜中的激光的波长和吸收率的关系，在多晶硅膜中光的吸收率降低，即使照射同样功率密度的激光也不会再融化。
因此，在小结晶区域38中不因第2次激光扫描而融化，小的结晶剩下，成为使特性劣化的原因。这是图22所示的TFT的迁移率和S值劣化的原因，因该特性劣化而导致激光重叠的部分成为人眼睛看出的缺陷。另外该特性劣化的区域因为通常是36μm，即使大也就是72μm，非常窄，所以在用以往的500μm和250μm间隔排列的试验用TFT中无法检测出。
本发明就是基于上述的见解而提出的，改善在上述重叠部分中的特性，在板上不能看到在重叠区域上的微小的特性的差异。
以下，说明具体的形态。
实施方式1.
图6～图8是表示本发明的实施方式1中的TFT的制作方法的各步骤的剖面图。在图6(a)中分别用等离子CVD法在玻璃衬底3上顺序形成厚度100nm的氮化硅膜(SiN膜)4，厚度100nm的氧化硅膜(SiO2)5，厚度70nm的非晶硅膜33。该玻璃衬底3使用可尼古公司生产的1737。SiN膜4是为了防止玻璃衬底中的杂质扩散到半导体层中而形成，并不限于此，也可以使用SiON、SiC、AIN、Al2O3等的材料。另外，此次作为非晶硅膜33的基底膜使用了SiO2膜5和SiN膜4的2层构造，但并不限于此，可以省略这些膜，进而也可以设置成叠层构造。接着在真空中热处理非晶膜33，除去不需要的氢。
接着如图6(b)所示，把波长532nm的YAG2ω激光调整为功率密度在非晶硅膜33上是0.5J/cm2后对非晶硅膜33照射，使非晶硅膜33多晶化为多晶硅膜34。所使用的激光的长度方向的长度是100mm，短边方向的宽度是40μm。激光的发振频率是1kHz，在每1脉冲使激光的照射区域在短边方向移动3μm进行结晶。
在第1次的激光的扫描后，以和第1次激光照射区域在长度方向重叠0.5mm的方式移动玻璃衬底3进行第2次激光的扫描。通过重复该扫描，使玻璃衬底3上的非晶硅膜33成为多晶硅膜34。多晶硅膜34由激光照射部分37以及激光重叠部分36组成。得到的多晶硅膜的晶粒直径是0.5μm左右。
接着如图6(c)所示，通过照光刻工艺形成抗蚀剂掩模，通过干蚀刻多晶硅膜34，形成多晶硅膜34的岛。其后用灰化和药液处理除去抗蚀剂。在图6(c)中激光重叠部分36虽然直接成为1个多晶硅的岛，但只要不有意调整重叠部分和岛位置，就未必成为这样，也有多晶硅膜的岛的一部分是激光重叠部分36，或者激光重叠部分36完全不在岛上的情况。在本实施方式中，说明激光重叠部分36直接成为1个岛的情况。
接着如图7(a)所示，作为栅极绝缘膜14用等离子CVD法形成100nm厚度的SiO2膜。作为等离子CVD的原料使用TEOS和O2。接着，为了控制阈值用离子注入法向多晶Si的岛注入硼(B)。该注入不用抗蚀剂掩模，对整个面进行。注入量是1012cm-2，加速能量是60KeV。该步骤根据需要也可以省略。接着用光刻工艺形成抗蚀剂13a，在所希望的多晶硅膜34上用70KeV注入磷(P)1015cm-2，形成保持电容下部电极15。其后用灰化和药液除去抗蚀剂13a。
接着如图7(b)所示，用溅射法形成200nm的铬(Cr)，只在用光刻工艺形成PMOS-TFT的位置上形成抗蚀剂13b，用Cr的湿蚀刻形成栅电极16。此时制成NMOS-TFT的区域的抗蚀剂13b遮盖制作NMOS-TFT的区域整个面，不形成栅电极16的图案。
接着如图7(c)所示以40KeV的加速能量注入硼(B)2×1015cm-2。其后用灰化和药液处理除去抗蚀剂13b。通过该步骤形成PMOS-TFT的源区域41和漏区域51。制作NMOS-TFT的区域如图7(b)所示因为被抗蚀剂13b覆盖所以不能注入B。
接着，如图8(a)所示在形成NMOS-TFT的区域以及形成保持电容的区域上通过光刻工艺形成抗蚀剂13c。其后用Cr的湿蚀刻形成NMOS-TFT区域的栅电极16以及保持电容上部电极17。在栅电极16的湿时刻时对Cr进行过蚀刻，在Cr中进行侧面蚀刻，通过调整蚀刻时间使得Cr图案比抗蚀剂13c小。其后在留下抗蚀剂13c的状态下以加速能量60keV注入磷(P)2×1015cm-2。通过该步骤形成NMOS-TFT的源区域42a、42b和漏区域52a、52b。
接着如图8(b)所示，在用灰化和药液处理除去抗蚀剂13后用加速能量70keV注入1×1013cm-2的硼。通过该步骤NMOS-TFT的LDD(轻掺杂漏)区域6a、6b形成在比源区域42a、42b，漏区域52a、52b靠近栅电极16的位置上。而且，在保持电容部分中省略了LDD区域的显示。
接着，用等离子CVD法形成400nm厚度的SiO2膜，作为层间绝缘膜18。用光刻工艺形成抗蚀剂掩模(未图示)，通过干蚀刻层间绝缘膜18和栅极绝缘膜14而形成接触孔。进而，形成Cr和Al的叠层膜，通过光刻工艺和干蚀刻形成了源电极71、72a、72b、漏电极81、82a、82b。实际上此时在形成在显示部分上的像素晶体管中还同时形成像素电极。通过以上步骤，形成了保持电容、NMOS-TFT、PMOS-TFT。在实施方式1中在重叠了激光扫描的区域上制成的晶体管是NMOS-TFT，是具有图8(c)的源电极72b、漏电极82b的晶体管。根据激光的重叠部分的位置，在重叠部分上有形成PMOS-TFT的情况，也有形成保持电容的情况，而哪种情况都不会产生特性劣化的问题。通常在像素部分(显示部分)中使用保持电容和NMOS-TFT，在驱动电路等的外围电路中使用NMOS-TFT和PMOS-TFT。
用36μm间隔评价了用上述的制作方法制成的晶体管的电特性。图9表示用实施方式1制成的NMOS-TFT的迁移率、Vth、S值的位置依赖性。另外，图10同样表示PMOS-TFT的迁移率、Vth、S值的位置依赖性。知道NMOS-TFT、PMOS-TFT都不会引起迁移率的减少和S值的增大，能够得到良好特性的晶体管。即，表示激光的端部以及重叠扫描的区域的硅膜的结晶性良好。
这是因为由于硅膜的厚度厚达70nm，所以充分吸收波长532nm的激光，因此由第1次激光扫描产生的照射区域内的小结晶和照射区域外的小结晶通过重叠照射的第2次激光扫描而完全融化，成为足够大小的多晶硅的缘故。
图11是表示波长532nm的YAG2ω激光的功率密度和各种硅膜的结晶形态的图。在玻璃衬底上形成100nm厚度氮化硅膜(SiN膜)和100nm厚度的氧化硅膜(SiO2)。其后，在从40nm到200nm的范围中用等离子CVD法形成非晶硅膜。接着在真空中热处理非晶硅膜，除去不需要的氢。
接着，在非晶硅膜上改变波长532nm的YAG2ω激光的功率密度进行照射，使非晶硅膜多晶化为多晶硅膜。该激光照射重叠2次照射。旧蚀刻该多晶硅膜的结晶状态(采用重铬酸钾溶液和氢氟酸的混合液的蚀刻)，使结晶晶粒边界显著化并进行了观察。
图11表示各种膜厚度的多晶化硅膜的结晶状态。在图11中，融化功率表示非结晶硅膜融化的最小的功率密度。即在小于等于融化功率下非晶硅膜不融化。如果增大照射的激光的功率，则融化的硅膜的温度上升，如果达到大于等于某一功率密度，因为表面张力降低，所以局部产生融化硅膜变薄的现象。这种情况下，硅膜凝聚固化，在衬底的各处有不存在硅膜的区域。把该硅膜凝聚，有硅膜不存在的区域的功率密度称为剥离功率。即，在大于等于剥离功率中不能得到质地均匀的多晶硅膜。
虽然在该融化功率和剥离功率的范围内能得到没有凝聚剥离的多晶硅膜，但得到的结晶未必是均匀的尺寸。图11表示对各种硅膜的膜厚度能得到均匀尺寸的结晶的激光功率密度。在图11中所谓均匀融化下限是能得到均匀尺寸的结晶的激光功率密度的最小值。在小于等于该功率密度中，照射了因激光的功率密度离散引起的功率密度小的激光的区域的硅的结晶尺寸不大，成为小结晶。
在图11中所谓均匀融化上限是能得到均匀大小的结晶的激光功率密度的最大值。在大于等于该功率密度中，在因激光的功率密度离散引起的功率密度大的激光照射的区域的硅中产生小结晶。这是因为功率密度大的区域的融化硅的温度高，所以与周围的融化硅相比融化时间长而最后固化。因此，结晶生长受到在该附近的已经固化的结晶的阻碍而产生小结晶。因而，在从均匀融化下限到均匀融化上限的功率密度的范围内能得到均匀尺寸的结晶。在该范围外不能得到多晶硅膜，或者成为包含小结晶的硅膜。在包含小结晶的硅膜中即使制成TFT也不能得到电特性良好的TFT。
从图11中可知非结晶硅膜的膜厚度在从55nm到150nm的范围内可以得到均匀的结晶。因而使用该膜厚度范围的非结晶硅膜制作的TFT即使在使激光重叠的部分上也可以得到良好的电特性。
而且，当照射波长532nm的激光的情况下，融化非晶硅膜所需要的功率密度在非晶硅膜的膜厚度是70nm时为最小。这是因为由于波长532nm的激光的穿透长度是1000nm，因而如果非晶硅膜的膜厚度薄，则几乎所有的激光透过硅膜，因为不使硅膜的温度上升，所以为了使硅膜融化需要高的功率密度的缘故。另外，如果硅膜的膜厚度大于等于70nm，则在激光照射时，因为硅中的横方向的热扩散增大，所以融化所需要的功率密度上升。
图12是表示波长390nm的Ti蓝宝石2ω激光器的功率密度和各种硅膜的结晶状态的图。在玻璃衬底上形成100nm厚度的氮化硅膜(SiN膜)，100nm厚度的氧化硅膜(SiO2)。其后，在45nm到150nm的范围内用等离子CVD法形成非晶硅膜。接着在真空中热处理非晶硅膜，除去不需要的氢。
接着，在非晶硅膜上改变波长390nm的Ti蓝宝石2ω激光器的功率密度照射非晶硅膜，使非晶硅膜多晶化为多晶硅膜。该激光照射重叠2次照射。旧蚀刻该多晶硅膜的结晶状态，使结晶晶粒边界显著化并进行了观察。
图12表示各种膜厚度的经过了多晶化的硅膜的结晶状态和功率密度的关系。融化功率、剥离功率、均匀融化下限、均匀融化上限的定义和实施方式4一样。从图20可知在非晶硅膜的膜厚度从60nm到100nm的范围内能得到均匀的结晶。因而当照射波长390nm的激光的情况下，使用该膜厚度范围的非晶硅膜制作的TFT即使在使激光重叠的部分上也可以得到良好的电特性。
而且在实施方式5中，在激光器中使用了Ti蓝宝石2ω激光器，但也可以使用Dye激光器。
图13是表示波长640nm的Ti蓝宝石2ω激光器的功率密度和各种硅膜的结晶状态的图。在玻璃衬底上形成100nm厚度的氮化硅膜(SiN膜)，100nm厚度的氧化硅膜(SiO2)。其后，在40nm到250nm的范围中用等离子CVD法形成非晶硅膜。接着在真空中热处理非晶硅膜，除去不需要的氢。
接着，在非晶硅膜上改变640nm的Ti蓝宝石激光器的功率密度照射非晶硅膜，使非晶硅膜多晶化为多晶硅膜。在此，使用Ti蓝宝石激光器的基波。该激光照射使2次照射重叠进行照射。旧蚀刻该多晶硅膜的结晶状态，使结晶晶粒边界显著化并进行了观察。
在图13中展示各种膜厚经过多晶化的硅膜的结晶状态和功率密度的关系。融化功率、剥离功率、均匀融化下限、均匀融化上限的定义和实施方式4一样。从图13中可知在非晶硅膜的膜厚度从50nm到200nm的范围内得到均匀的结晶。因而当照射波长640nm的激光的情况下，使用该膜厚度范围的非晶硅膜制作的TFT即使在使激光重叠的部分上也可以得到良好的电特性。
而且，即使用波长308nm的准分子激光进行了同样的实验。图14是各种膜厚度的多晶化的硅膜的结晶状态和准分子激光的功率密度的关系。
在从45nm到80nm的范围内用等离子CVD法形成了非晶硅膜。其他的膜形成条件和上述一样。从图14可知在准分子激光照射中，虽然从膜厚度45nm到70nm的范围的硅膜融化，但未产生小结晶的均匀尺寸的多晶硅膜在哪种膜厚度中都没有得到。
在图15中展示采用上述各种波长的激光照射的实验结果。图15表示激光的波长和得到良好结果的硅膜的厚度的关系的图。在图15中，下限表示在激光扫描的重叠部分以及周边部分上TFT的特性未劣化的最小的硅膜的膜厚度。如果激光的波长变短，因为对硅膜的穿透长度减少，所以为了融化微结晶硅所需要的硅膜的膜厚度增加。例如通过实验确认波长390nm的光对硅膜的穿透长度是147nm，在硅膜的膜厚度大于等于60nm中微结晶硅完全融化，周围和特性未劣化。但是在波长308nm的激光中，在重叠部分中不能得到良好的结晶。
另外，图15所示的上限值表示可以得到良好的结晶的最大的硅膜的膜厚度。该上限的膜厚度在激光的波长是390nm的激光中是100nm，随着波长增加而上升，在激光的波长640nm中是200nm。如果波长增加，因为光对硅膜的穿透长度增大，所以即使是更厚的硅膜也可以得到良好的结晶。但是，当超过该上限值的情况下，即使在表面上融化而结晶在硅膜下部也不能进行充分的结晶。如上所述，在从波长390到640nm的激光中，在硅的膜厚度从60nm至100nm的范围中，在激光扫描的重叠部分上能得到良好的结晶。
另外，在本发明的实施方式1中，把激光扫描的重叠部分(图6(b)的A)设定为0.5mm。如上所述由于激光的干涉产生的激光照射区域内的微结晶区域在从激光端部到内侧200μm处产生。因而为了用第2次激光扫描完全融化该微结晶区域，得到充分大的多晶硅膜，需要把第1次和第2次激光扫描的重叠部分最低设定在大于等于0.2mm，理想的是设定在大于等于0.3mm。产生小结晶的区域因为是36μm左右，非常窄，所以如果激光扫描区域重叠0.2mm则小结晶区域消失。而且激光扫描区域的重叠部分宽度的上限从本发明的基本原理看不存在，而增大重叠部分的宽度这一点需要在大面积的玻璃衬底上形成多晶硅，需要更多的激光扫描，制作成本上升，是不理想的。重叠部分的宽度考虑到玻璃衬底的大小和激光束的长度方向的长度来确定。通常考虑规模生产性希望使重叠部分的宽度在2mm以内那样设定激光束的长度方向等。
实施方式2.
在图6中，激光重叠部分36的表面粗糙度比在扫描不重叠的部分上形成的激光照射部分37的表面粗糙度还大。用激光干涉式3维表面形状测定仪(Veeco公司生产NT3300，分辨率0.1nm)测定该表面的平均粗糙度的结果，在激光重叠部分36上Ra＝8nm，在激光照射部分37上Ra＝6nm。用图16说明重叠了该激光扫描的激光重叠部分36的表面粗糙度增大的原因。因为一边使短边方向的宽度40μm的激光以3μm步幅移动(错开)一边照射，所以某一点的非晶硅(第2次以后的脉冲照射后的多晶硅)受到13次激光的照射。
受到激光照射的非晶硅融化成为液体硅200。液体硅200经冷却一部分如图16(a)所示那样固化。即，在融化的区域中以岛形状存在固体的硅201。此时，液体硅200的密度因为比固定硅201的密度还大，所以固体硅201比液体硅200体积增加，一边推挤液体硅200一边固化。
岛形的固体硅201存在许多，最后固化的液体硅200因为从两侧被固体硅201挤压，所以如图16(b)所示比周边隆起固化。最后固化的区域因为从两侧结晶成长(固化)，所以在此能够形成结晶晶粒边界202。该融化以及固化合计进行13次。
结晶硅对波长532nm的YAG2ω激光的吸收系数是104cm-1。即激光强度为1/e(e是自然对数的底)的穿透长度是1000nm(1μm)。另一方面，硅膜的膜厚度与实施方式1相同，为60nm到100nm。在这样的硅膜中因为与穿透长度相比膜厚度非常薄，所以厚的一方更加吸收激光而使温度进一步上升。因此如果一旦形成粗糙的表面，则该膜的膜厚度厚的部分(凸部分)和薄的部分(凹部分)的温度差在下一激光脉冲照射时比前一次激光脉冲照射时还增大，从图16(c)、(d)可知，在固化时进一步隆起。如果对硅的穿透长度比与膜厚度相比非常长，则结晶后的硅膜的表面粗糙度在激光照射次数越多时越增大。
另一方面，在波长308nm的准分子激光中，该结晶硅的吸收系数是106cm-1，穿透长度只有10nm。因此在准分子激光照射下即使形成粗糙的表面，因为激光只被硅膜的表面吸收，所以突起部分的温度与凹部分的温度相比没有上升，因而即使激光脉冲的照射次数多，表面粗糙度也不会增大。
在激光的扫描的重叠部分中，照射的激光脉冲的次数因为是不重叠的部分的2倍，所以得到的激光重叠部分36的表面粗糙度增大。其结果，如果在本发明中使用从波长390到640nm的激光，并把硅膜厚度设置在大于等于60nm小于等于100nm，则可以得到重叠激光扫描的部分的表面粗糙度比不重叠的部分大的硅膜。
在图17中展示这样在表面粗糙度增大的硅上制成NMOS-TFT，测定了漏电流的结果。在图17中-2000～0μm是激光重叠照射的部分，是表面粗糙度大的部分，0～2000μm是表面粗糙度小的部分。
从该结果可知，表面粗糙度大的部分的漏电流少。
以下说明其机理。
在突起部分上如上所述必然有结晶晶粒边界。这是因为硅最后固化的点成为突起点的缘故。在使激光扫描重叠的区域即表面粗糙度增大的部位因为突起部分的高度增高，所以结晶晶粒边界的面积增大。
该结晶晶粒边界起到作为捕捉在硅的能量带中制作能级的杂质(Fe，Cr，Ni等)的场所的作用。即在半导体中起到所谓的吸杂效果。
因而，在使激光扫描重叠的区域即表面粗糙度增大的部位，因为结晶晶粒的面积大，所以吸杂效果增大。因此能够减少硅结晶中的杂质的密度。
因此，在使激光扫描重叠的区域即表面粗糙度增大的部位，在该硅膜上制成的TFT的漏电流(Ioff)减少。
即，通过增大表面粗糙度能够得到漏电流少的TFT。
实施方式3.
在实施方式1中在激光扫描的重叠部分的硅膜上和不重叠的部分的硅膜上都制作TFT，NMOS晶体管全部用同一电源电压驱动，PMOS晶体管全部用同一电源电压驱动，但最近已经制造出了使用不同的电源电压的显示装置。这是因为并不限于栅极驱动电路、源极驱动电路，信号控制电路、相对电极驱动电路、灰度电压电路、电源升压电路等用于驱动显示装置的电路全部用玻璃衬底上的TFT制作的缘故。在这样装载有全部电路的液晶显示装置的情况下，需要用电路以不同的电源电压驱动TFT晶体管。在图18所示的液晶显示装置中，例如信号控制电路105需要在3V下工作，相对电极驱动电路103、灰度电压电路106、栅极驱动器102、源极驱动器101需要在5V下工作，电源升压电路104需要在7V下工作。液晶显示单元107通常以5V被驱动，而在重放运动图像等时，为了高速驱动液晶，有时需要施加7V。这种情况下源极驱动器101也施加7V。
在激光重叠部分36中如上所述，硅膜的表面粗糙度增大。因此栅极绝缘膜的击穿电压减低一些。为了提高显示装置的可靠性，把激光重叠部分36设定在制作电源电压低的信号控制电路105的部位。图19是表示用在实施方式1中说明的制作方法制作的TFT的图。在图19中展示了晶体管A91、晶体管B92、晶体管C93和保持电容94，其中晶体管B92制作在激光扫描的激光重叠部分36上。该晶体管B92在电源电压低的信号控制电路105中使用。
因为设定成在激光扫描的重叠部分上制作电源电压低的TFT，所以在制作在表面粗糙度大的硅膜上的TFT上不会被施加高电压，可以避免因栅极绝缘膜劣化而使TFT不工作的问题。
在本实施方式中在结晶中使用了YGA2ω激光器，但并不限于此。只要是Nd:YVO4激光器的二次谐波、Nd:YLF激光器的二次谐波、Nd玻璃激光器的二次谐波、Yb:YAG激光器的二次谐波、Yb玻璃激光器的二次谐波、Ar离子激光器、Ti蓝宝石激光器的二次谐波等波长在390nm到640nm的范围即可。
另外，在上述实施方式中展示了制作液晶显示装置的例子，但显示装置并不限于液晶，当然也可以使用OLED(有机发光二极管)。
在以上说明中，说明了本发明的实施方式，但以上公开的本发明的实施方式只不过是示例，本发明的范围并不限定于这些发明的实施方式。本发明的范围用权利要求的范围记述表示，进而包含和权利要求的范围记述相等的意思以及范围内的全部的变更。
权利要求
1.一种半导体器件的制作方法，包括第1扫描步骤，利用照射面是矩形的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长范围是390nm到640nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于60nm且小于等于100nm。
2.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于激光从Nd:YAG激光器的二次谐波、Nd:YVO4激光器的二次谐波、Nd:YLF激光器的二次谐波、Nd玻璃激光器的二次谐波、Yb:YAG激光器的二次谐波、Yb玻璃激光器的二次谐波、Ar离子激光器、Ti蓝宝石激光器的二次谐波以及Dye激光器中的任意一个发振。
3.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于第1多晶半导体膜和第2多晶半导体膜重叠的区域与扫描方向正交的宽度大于等于0.2mm且小于等于2mm。
4.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于非晶半导体膜包含硅。
5.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于绝缘体是玻璃衬底或者石英衬底。
6.一种半导体器件的制作方法，包括第1扫描步骤，利用剖面细长的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与该细长剖面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，使照射区域成为第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜一边扫描一边照射，使照射区域成为第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长是532nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于55nm且小于等于150nm。
7.一种半导体器件的制造方法，包括第1扫描步骤，利用剖面细长的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与该细长剖面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，使照射区域成为第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜一边扫描一边照射，使照射区域成为第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长是390nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于60nm且小于等于100nm。
8.一种半导体器件的制造方法，包括第1扫描步骤，利用剖面细长的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与该细长剖面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，使照射区域成为第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜一边扫描一边照射，使照射区域成为第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长是640nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于50nm且小于等于200nm。
9.一种半导体器件，由第1扫描步骤和第2扫描步骤形成，其中第1扫描步骤为利用照射面是矩形的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的膜厚度大于等于60nm且小于等于100nm的非晶半导体膜，在和上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第1多晶半导体膜，第2扫描步骤为在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第2多晶半导体膜，其特征在于上述第1多晶半导体膜和上述第2多晶半导体膜的重叠部分的表面粗糙度比不重叠部分的表面粗糙度大。
10.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于形成在重叠部分上的晶体管的驱动电压比形成在其他区域上的晶体管低。
11.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于非晶半导体膜包含硅。
12.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于激光从Nd:YAG激光器的二次谐波、Nd:YVO4激光器的二次谐波、Nd:YLF激光器的二次谐波、Nd玻璃激光器的二次谐波、Yb:YAG激光器的二次谐波、Yb玻璃激光器的二次谐波、Ar离子激光器、Ti蓝宝石激光器的二次谐波以及Dye激光中的任意一个发振。
13.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于绝缘体是玻璃衬底或者石英衬底。
全文摘要
目的在于提供一种激光照射的重叠部分能够不被人的眼睛识别的半导体器件及其制作方法。一种半导体器件的制作方法包括第1扫描步骤，利用照射面是矩形的脉冲形发振的激光，对形成在绝缘体上的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第1多晶半导体膜；以及第2扫描步骤，在上述第1多晶半导体膜上重叠照射面的一部分，并且利用上述激光对与上述第1多晶半导体膜相邻的非晶半导体膜，在与上述照射面的长度方向交叉的方向上一边扫描一边照射，形成第2多晶半导体膜，其特征在于上述激光的波长范围是390nm到640nm，上述非晶半导体膜的膜厚度大于等于60nm且小于等于100nm。
文档编号G02F1/1368GK1822318SQ20061000859
公开日2006年8月23日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月17日
发明者须贺原和之, 中川直纪, 园淳弘, 由良信介, 山吉一司 申请人:三菱电机株式会社