薄膜半導体装置及びその製造方法
【課題】チャネル保護型の薄膜トランジスタにおいて、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１を準備する第１工程と、基板１上にゲート電極２を形成する第２工程と、ゲート電極２上に第１絶縁膜としてゲート絶縁膜３を形成する第３工程と、ゲート絶縁膜３上に非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する第４工程と、非結晶質の半導体薄膜４ａ上に第２絶縁膜としてチャネル保護膜５を形成する第５工程と、チャネル保護膜５の上方からレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、結晶化領域の上方にソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する第７工程と、を含み、第５工程において、チャネル保護膜５は、前記レーザー光に対して透明となるように形成される。
【解決手段】基板１を準備する第１工程と、基板１上にゲート電極２を形成する第２工程と、ゲート電極２上に第１絶縁膜としてゲート絶縁膜３を形成する第３工程と、ゲート絶縁膜３上に非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する第４工程と、非結晶質の半導体薄膜４ａ上に第２絶縁膜としてチャネル保護膜５を形成する第５工程と、チャネル保護膜５の上方からレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、結晶化領域の上方にソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する第７工程と、を含み、第５工程において、チャネル保護膜５は、前記レーザー光に対して透明となるように形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体装置及びその製造方法に関し、特にチャネル保護型の薄膜トランジスタ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイに変わる次世代フラットパネルディスプレイの一つとしての有機材料のＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を利用した有機ＥＬディスプレイが注目されている。有機ＥＬディスプレイ等のアクティブマトリクス方式の表示装置では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる薄膜半導体装置が用いられる。
【０００３】
特に、有機ＥＬディスプレイは、電圧駆動型の液晶ディスプレイと異なり電流駆動型のディスプレイデバイスであり、アクティブマトリクス方式の表示装置の駆動回路として優れたオンオフ特性を有する薄膜トランジスタの開発が急がれている。薄膜トランジスタの構成は、基板上に、ゲート電極、半導体層（チャネル層）、ソース電極及びドレイン電極が形成されたものであり、チャネル層にはシリコン薄膜を用いることが一般的である。
【０００４】
また、ディスプレイデバイスには大画面化及び低コスト化が求められており、容易に低コスト化が可能な薄膜トランジスタとして、一般的には、ゲート電極がチャネル層より基板側に形成されたボトムゲート型の薄膜トランジスタが用いられる。
【０００５】
ボトムゲート型の薄膜トランジスタは、チャネル層がエッチングされるチャネルエッチング型の薄膜トランジスタと、チャネル層をエッチング処理から保護するチャネル保護型（エッチングストッパ型）の薄膜トランジスタとの２つに大別される。
【０００６】
チャネルエッチング型の薄膜トランジスタは、チャネル保護型の薄膜トランジスタに比べて、フォトリソグラフィ工程数を削減することができ、製造コストを抑えられるという利点がある。
【０００７】
一方、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、エッチング処理によるチャネル層へのダメージを防ぐことができ、基板面内での特性ばらつきを抑制することができる。また、チャネル保護型の薄膜トランジスタの方がチャネル層を薄膜化することができ、寄生抵抗成分を低減してオン特性を向上させることができるため、高精細化には有利である。
【０００８】
このため、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、例えば有機ＥＬ素子を用いた電流駆動型の有機ＥＬ表示装置における駆動トランジスタに適しており、チャネルエッチング型の薄膜トランジスタに比べて製造コストが増加したとしても、有機ＥＬ表示装置の画素回路に採用する試みがなされている。
【０００９】
例えば特許文献１には、微結晶半導体薄膜をチャネル層とするチャネル保護型のＴＦＴが開示されており、チャネル層上にバッファ層を介してチャネル保護層を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−７６８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に正の固定電荷が存在するので、この固定電荷によってチャネル層にバックチャネルが形成され、その結果、リーク電流が増大し、薄膜トランジスタのオフ特性が悪化するという問題がある。特に、有機材料を塗布することによってチャネル保護層を形成すると、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層に正の固定電荷が多く含まれるので、リーク電流がさらに増大し、オフ特性が一層悪化する。
【００１２】
また、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に含まれる不純物等によってチャネル保護層内にはトラップ準位が存在するため、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすく、その結果、薄膜トランジスタの閾値電圧がシフトして、薄膜トランジスタの信頼性が悪化するという問題もある。特に、塗布型の有機材料からなるチャネル保護層は、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層内にトラップ準位が多く存在するため、閾値電圧のシフト量が大きくなり、薄膜トランジスタの信頼性が一層悪化する。
【００１３】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、チャネル保護型の薄膜トランジスタにおいて、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、従来の薄膜半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【図５】図５は、酸化シリコン膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図６】図６は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図７】図７は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７の（ｃ）における有機膜のＩＲスペクトルの拡大図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７の（ｄ）における有機膜のＩＲスペクトルの拡大図である。
【図９Ａ】図９Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、屈折率に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、屈折率に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、消衰係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、消衰係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、材料Ｂの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、材料Ｂの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、材料Ｃの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、材料Ｃの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１４】図１４は、有機膜の吸収係数と有機膜の膜厚とに対する有機膜の透過率の関係を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図１６】図１６は、チャネル保護膜の膜厚を変化させた場合における非結晶質の半導体薄膜の吸収率の変化を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、界面層が形成された場合における第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、界面層が形成された場合における第１の実施の形態に係る他の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、図１７Ａに示す薄膜半導体装置の界面層周辺における断面ＴＥＭ像である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａの破線で囲まれる領域Ｂの断面構造を説明するための模式図である。
【図１９】図１９は、図１７Ａに示す薄膜半導体装置を構成する膜中に含まれる炭素及び硫黄の濃度分布を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の第３の実施の形態に係る有機ＥＬ表示装置の一部切り欠き斜視図である。
【図２２】図２２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置を用いた表示装置における画素の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成される。
【００１９】
本態様によれば、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線に対して透明である第２絶縁膜を非結晶質の半導体薄膜の上に形成し、当該第２絶縁膜の上方から光線を照射して非結晶質の半導体薄膜を結晶化する。これにより、第２絶縁膜の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜を結晶化することができるとともに、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱によって第２絶縁膜を無機化することができる。従って、第２絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第２絶縁膜を無機化することにより、第２絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法では、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上となるように形成されることが好ましい。
【００２１】
これにより、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線が第２絶縁膜を確実に透過することができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜に効率良く伝導させることができる。
【００２２】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法では、前記第６工程において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化される、とすることができる。
【００２３】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、とすることができる。
【００２４】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明である。
【００２５】
本態様によれば、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線に対して透明である第２絶縁膜を非結晶質の半導体薄膜の上に形成し、当該第２絶縁膜の上方から光線を照射して非結晶質の半導体薄膜を結晶化する際に、光線が第２絶縁膜を透過して非結晶質の半導体薄膜に照射する。これにより、第２絶縁膜の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜が結晶化されるとともに、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱によって第２絶縁膜が無機化される。従って、第２絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第２絶縁膜を無機化することにより、第２絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。
【００２６】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上である。
【００２７】
これにより、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線を、第２絶縁膜に対して確実に透過させることができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜に効率良く伝導させることができる。
【００２８】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化したものである。
【００２９】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、有機材料からなる。
【００３０】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、さらに、前記結晶質の半導体薄膜と前記第２絶縁膜との間に形成された、カーボンを含有する界面層を有し、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の５０倍以上である。
【００３１】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である。
【００３２】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層は、硫黄を含む。
【００３３】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含まれる不純物としての硫黄の濃度の１００倍以上である。
【００３４】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である。
【００３５】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の比抵抗は、２×１０６［Ω・ｃｍ］以上である。
【００３６】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の厚みは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態における薄膜半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。すなわち、本発明は、特許請求の範囲だけによって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、各図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００３８】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の構成を模式的に示した断面図である。
【００３９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０は、チャネル保護型でボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、基板１と、基板１の上方に順次形成された、ゲート電極２、ゲート絶縁膜（第１絶縁膜）３、チャネル層（半導体薄膜）４及びチャネル保護膜（第２絶縁膜）５とを備え、さらに、チャネル保護膜５を挟んでチャネル層４の上方に形成された一対のコンタクト層６と、コンタクト層６の上に形成された一対のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄとを備える。
【００４０】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の各構成要素について詳述する。
【００４１】
基板１は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料からなるガラス基板である。なお、ガラス基板の中に含まれるナトリウムやリン等の不純物がチャネル層４に侵入することを防止するために、表面に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｙ）又はシリコン酸窒化膜（ＳｉＯｙＮｘ）等からなるアンダーコート層が形成された基板を用いてもよい。また、アンダーコート層は、レーザーアニール等の高温熱処理プロセスにおいて、基板１への熱の影響を緩和させる役割を担うこともある。アンダーコート層の膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度とすることができる。
【００４２】
ゲート電極２は、基板１の上方に所定形状で形成される。ゲート電極２は、シリコンの融点温度に耐えられる導電性材料又はその合金等の単層構造又は多層構造からなり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等を用いることができる。ゲート電極２は、基板１上にこれらの材料からなるゲート金属膜を形成し、これを所定形状にパターニングすることで形成される。ゲート電極２の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これは、ゲート電極２の膜厚が薄いと、ゲート電極２の透過率が増加してしまい、レーザー光の反射が低下しやすくなるからである。一方、ゲート電極２の膜厚が厚いとゲート絶縁膜３のカバレッジが低下してしまい、特にはゲート電極２の端部でゲート絶縁膜３が段切れしてしまう等、薄膜トランジスタの特性が劣化しやすくなるからである。
【００４３】
ゲート絶縁膜３は、ゲート電極２の上に形成された第１絶縁膜であり、基板１上のゲート電極２を覆うように基板１及びゲート電極２の上に形成される。ゲート絶縁膜３は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコン酸窒化膜、酸化アルミニウム（ＡｌＯｚ）、酸化タンタル（ＴａＯｗ）又はその積層膜等を用いて形成することができる。
【００４４】
本実施の形態では、チャネル層４として結晶質シリコン薄膜を用いているので、ゲート絶縁膜３としては酸化シリコンを用いることが好ましい。これは、ＴＦＴにおける良好な閾値電圧特性を維持するためにはチャネル層４とゲート絶縁膜３との界面状態を良好なものにすることが好ましく、これには酸化シリコンが適しているからである。
【００４５】
チャネル層４は、ゲート絶縁膜３上に形成される結晶質の半導体薄膜を含み、ゲート電極２の電圧によってキャリアの移動が制御される領域であるチャネル領域を有する。本実施の形態において、チャネル層４の少なくともチャネル領域は、多結晶質シリコン薄膜からなる結晶質シリコン薄膜であり、前駆体としての非結晶質シリコン薄膜（アモルファスシリコン膜）における非晶質のシリコンの少なくとも一部をレーザー照射することにより多結晶質化（微結晶化も含む）することで形成された結晶化領域である。なお、チャネル層４は、非結晶性シリコンと結晶性シリコンとの混晶構造を有する結晶質シリコン薄膜とすることもできる。また、チャネル層４に含まれる結晶の平均粒径は例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００４６】
本実施の形態において、チャネル層４の結晶化は、レーザー光に対して透過率が高いチャネル保護膜５の上方からレーザー光を走査することにより行われる。これにより、有機膜５ａの下方の領域も含めて非結晶質シリコン薄膜が結晶化して結晶質シリコン薄膜となる。
【００４７】
チャネル保護膜５は、チャネル層４の上に形成される第２絶縁膜であり、チャネル層４のチャネル領域を保護する保護膜である。すなわち、チャネル保護膜５は、一対のコンタクト層６を形成するときのエッチング処理時において、チャネル層４がエッチングされてしまうことを防止するためのチャネルエッチングストッパ（ＣＥＳ）層として機能する。なお、チャネル保護膜５は、絶縁性を有するので、一対のコンタクト層６同士は電気的に接続されていない。
【００４８】
また、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時におけるレーザー光に対して透明となるように形成されている。本実施の形態において、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時におけるレーザー光に対する透過率が３７％以上となるように形成されている。これにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光がチャネル保護膜５を確実に透過するので、チャネル保護膜５の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜４ａを容易に結晶化させることができる。
【００４９】
上記レーザー光に対して透明なチャネル保護膜５は、チャネル層４上に塗布した有機膜に対してレーザー光を照射することにより形成することができる。この場合、チャネル保護膜５は、前駆体（レーザー光照射前のチャネル保護膜５）である不透明の有機膜がレーザー照射によって透明化された透明化膜であり、チャネル保護膜５を透明化するためのレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後においてレーザー光の照射前よりも高くなっている。具体的には、チャネル保護膜５において、有機膜（前駆体）のレーザー光に対する透過率は３７％未満である。すなわち、チャネル保護膜５を透明化するためのレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で３７％未満である。このとき、レーザー光の照射前において、チャネル保護膜５の吸収係数とチャネル保護膜５の膜厚との積が１より大きくなっている。この場合、レーザー光の照射前におけるチャネル保護膜５（第２絶縁膜）の透過率は３７％以下であるため、レーザー光はチャネル保護膜５に吸収され熱発生する。これにより、チャネル保護膜５を容易に透明化することができる。
【００５０】
一方、この有機膜（前駆体）はレーザー光の照射により透明化し、レーザー光に対する透過率は３７％以上となる。すなわち、レーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後で３７％以上となる。このとき、レーザー光の照射後において、チャネル保護膜５の吸収係数とチャネル保護膜５の膜厚との積が１以下となっている。
【００５１】
なお、チャネル保護膜５の透過率は、有機膜の膜厚及び有機膜の吸収係数によって決定される。また、有機膜の吸収係数は、レーザー光の波長及び有機膜の加熱温度によって決定される。詳細については後述する。
【００５２】
さらに、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時のレーザー光の照射によって、酸化シリコン成分や窒化シリコン成分等の無機成分を主成分とする無機化膜に改質される。すなわち、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時において上方からレーザー光が照射されると、当該レーザー光はチャネル保護膜５を透過してチャネル層４に照射される。これにより、チャネル層４の前駆体である非結晶質の半導体薄膜が結晶化する。この結晶化時に発生するチャネル層４の発生熱がチャネル保護膜５に伝導して、チャネル保護膜５の温度が上昇し、これにより、チャネル保護膜５が無機化する。
【００５３】
ここで、チャネル保護膜５の前駆体である有機膜は、シリコン、酸素及びカーボンを含む有機材料を主として含有する有機材料からなり、例えば、感光性塗布型の有機材料をパターニング及び固化することによって形成することができる。
【００５４】
この有機膜（前駆体）を形成するための有機材料は、例えば、有機樹脂材料、界面活性剤、溶媒及び感光剤からなる。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト及びベンゾシクロブテン等の中から選ばれる１種又は複数種からなる感光性又は非感光性の有機樹脂材料を用いることができる。界面活性剤としては、シロキサン等のシリコン化合物からなる界面活性剤を用いることができる。溶媒としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート又は１，４−ジオキサン等の有機溶媒を用いることができる。また、感光剤としては、ナフトキノンジアジト等のポジ型感光剤を用いることができる。なお、感光剤には、炭素及び硫黄が含まれている。
【００５５】
一対のコンタクト層６は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体層、又は不純物を高濃度に含む多結晶半導体層からなり、その一部がチャネル層４の上方にチャネル保護膜５を介して形成され、他部がチャネル層４の上に接して形成される。また、一対のコンタクト層６は、チャネル保護膜５上において所定の間隔をあけて対向配置されている。
【００５６】
一対のコンタクト層６のそれぞれは、チャネル保護膜５の上面端部からチャネル層４の上面までを跨るようにして形成されており、チャネル保護膜５の上面と側面、及び、チャネル層４の上面を覆うように形成されている。より具体的には、２つのコンタクト層６は、チャネル層４の両端部の上方に設けられており、チャネル保護膜５の端部の上面及び側面、チャネル保護膜５の側面につらなるチャネル層４の上面上に形成されている。
【００５７】
一対のコンタクト層６は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン（Ｐ）をドーピングしたｎ型半導体層であって、１×１０１９（ａｔｍ／ｃｍ３）以上の高濃度の不純物を含むｎ＋層である。各コンタクト層６の膜厚は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。
【００５８】
一対のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、それぞれチャネル層４のチャネル領域（結晶化領域）の上方にチャネル保護膜５を介して同層に形成されており、本実施の形態では、一対のコンタクト層６上に所定の間隔をあけて対向配置される。すなわち、ソース電極７Ｓは、コンタクト層６を介してチャネル層４の一方の端部の上方に形成されており、また、ドレイン電極７Ｄは、コンタクト層６を介してチャネル層４の他方の端部の上方に形成されている。
【００５９】
ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、それぞれ導電性材料又はこれらの合金等からなる単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）等の材料により構成される。また、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造とすることもできる。なお、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄの膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることができる。
【００６０】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程の構成を模式的に示した断面図である。
【００６１】
本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板１を準備する第１工程と、基板１上にゲート電極２を形成する第２工程と、ゲート電極２上に第１絶縁膜としてゲート絶縁膜３を形成する第３工程と、ゲート絶縁膜３上に非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する第４工程と、非結晶質の半導体薄膜４ａ上に第２絶縁膜としてチャネル保護膜５を形成する第５工程と、チャネル保護膜５の上方からレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化して結晶化領域を形成する第６工程と、結晶化領域の上方にソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する第７工程と、を含む。そして、第５工程において、チャネル保護膜５は、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明となるように形成される。
【００６２】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程について、図面を用いて詳細に説明する。
【００６３】
まず、図２の（ａ）に示すように、基板１としてガラス基板を準備する。なお、ゲート電極２を形成する前に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等によって基板１の表面に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及びシリコン酸窒化膜等からなるアンダーコート層を形成してもよい。アンダーコート層は、１．５＜ｙ＜２．０のシリコン酸化膜（ＳｉＯｙ）で、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の膜厚で構成されるのが好ましい。より好ましいアンダーコート層の膜厚範囲は、５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。これは、アンダーコート層の厚みを厚くすると基板１への熱負荷を低減できるが、厚すぎると膜剥がれやクラックが発生してしまうことによる。なお、基板１を準備する工程には、アンダーコート層を形成する工程の他に、基板１を洗浄する工程も含まれる。
【００６４】
次に、図２の（ｂ）に示すように、基板１上に所定形状のゲート電極２を形成する。例えば、基板１上にＭｏ又はＭｏＷを含む高融点金属あるいは当該高融点金属の合金からなるゲート金属膜をゲート電極２としてスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いてゲート金属膜をパターニングすることにより、所定形状のゲート電極２を形成することができる。ＭｏＷのウェットエッチングは、例えば、リン酸（ＨＰＯ４）、硝酸（ＨＮＯ３）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行うことができる。なお、基板１の表面にアンダーコート層が形成されている場合には、アンダーコート層上にゲート電極２を形成する。
【００６５】
次に、図２の（ｃ）に示すように、ゲート電極２を覆って基板１及びゲート電極２の上にゲート絶縁膜３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、ゲート絶縁膜３として酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜あるいはこれらの積層膜をゲート電極２の上に成膜する。
【００６６】
次に、図２の（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜３上に、チャネル層４となる非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する。例えば、ゲート絶縁膜３上に、非結晶質の半導体薄膜４ａとして、アモルファスシリコンからなる非結晶質シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。この非結晶質シリコン薄膜は、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）とを所定の濃度比で導入することで成膜することができる。なお、非結晶質シリコン薄膜は、プラズマＣＶＤによってゲート絶縁膜３の成膜と連続的に成膜することができる。
【００６７】
次に、図２の（ｅ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａの上に、チャネル保護膜５の前駆体として、有機材料からなる有機膜５ａを所定の塗布方法によって形成する。例えば、所定の有機材料を非結晶質の半導体薄膜４ａ上に塗布及びスピンコートすることによって有機膜５ａを非結晶質の半導体薄膜４ａの全面に形成する。なお、有機膜５ａの所定の有機材料としては、シリコン、酸素及びカーボンを含む上述の感光性塗布型の有機材料を用いることができる。また、有機膜５ａは、本工程で照射されるレーザー光に対する透過率が３７％未満となるように形成されることが好ましい。なお、その後、有機膜５ａに対してプリベークを行って有機膜５ａの仮焼成を行う。例えば、約１１０℃の温度で約６０秒間の加熱を行う。これにより、有機膜５ａに含まれる溶剤が気化する。
【００６８】
次に、図２の（ｆ）に示すように、フォトマスクを用いて露光及び現像することにより、有機膜５ａを所定形状にパターニングする。なお、現像液としては、例えば、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｙｄｅ）の２．３８％水溶液を用いることができる。その後、パターン形成された有機膜５ａに対してポストベークを行うことにより、有機膜５ａの本焼成を行う。例えば、２８０℃〜３００℃の温度で約１時間の加熱を行う。これにより、有機膜５ａ中の有機成分の一部が気化、分解して、膜質が改善される。
【００６９】
次に、図２の（ｇ）に示すように、有機膜５ａに対して所定のレーザー光を走査して照射することにより有機膜５ａを透明化することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５を形成する。具体的には、有機膜５ａにレーザー光が照射されると、有機膜５ａは、レーザー光のエネルギーを吸収して光反応、あるいは熱反応し、不透明から透明に改質されて透明化する。すなわち、レーザー光が照射された有機膜５ａは透過率が高くなって透明化する。なお、このときに、有機膜５ａは、レーザー光のエネルギーを吸収して熱反応し、有機膜５ａは無機化する場合もある。
【００７０】
本実施の形態において、チャネル保護膜５のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で３７％未満であり、レーザー光の照射後で３７％以上とすることが好ましい。すなわち、透明化のためのレーザー光は、当該レーザー光の照射後における有機膜５ａの透過率が３７％以上となるような条件にて行うことが好ましい。これにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光を、チャネル保護膜５に確実に透過させることができるので、チャネル保護膜５の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜４ａを容易に結晶化させることができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜５に効率良く伝導させることができる。従って、チャネル保護膜５の無機化を容易に行うことができる。
【００７１】
次に、図２の（ｈ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａをアニールすることによって、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化させることにより、結晶化領域を有するチャネル層４を形成する。この工程により、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化して、多結晶質（微結晶を含む）の結晶化領域を含むチャネル層４とすることができる。
【００７２】
本実施の形態において、非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化は、同図に示すように、チャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対してレーザー光を照射することによって行った。このとき、チャネル保護膜５は透明化されているので、レーザー光はチャネル保護膜５を透過して、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａにも照射される。従って、チャネル保護膜５の下方の非結晶質の半導体薄膜４ａについても結晶化することができる。
【００７３】
非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化は、非結晶質の半導体薄膜４ａがレーザー光のエネルギーを吸収して温度上昇することによって発現する。本実施の形態では、非結晶質の半導体薄膜４ａとしてアモルファスシリコン膜を用いているので、アモルファスシリコンが１４１４度（シリコンの融点）以上の温度にまで上昇して多結晶化する場合だけではなく、アモルファスシリコンが７５０度〜１４１４度程度の温度により固相成長又は過冷却液体状態を経て微結晶化する場合も含まれる。この場合、チャネル層４における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であり、チャネル層４には、平均結晶粒径が１００ｎｍ以上の多結晶シリコンだけではなく、平均結晶粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍのマイクロクリスタル（μｃ）と呼ばれる微結晶シリコンも含まれる場合もある。
【００７４】
そして、この工程において、チャネル保護膜５は、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化して結晶化領域が形成される際に発生する熱によって無機化される。すなわち、結晶化時に非結晶質の半導体薄膜４ａから熱が発生し、この熱がチャネル保護膜５に伝導することによってチャネル保護膜５の加熱されて無機化する。有機膜５ａの無機化の詳細については後述する。
【００７５】
このように、本実施の形態では、基板１に対してレーザー光を相対走査することによってチャネル保護膜５の上方からレーザー光の照射を行うことにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともにチャネル保護膜５を無機化する。
【００７６】
なお、レーザー光のレーザー光源としては、紫外線領域、可視光領域、又は赤外線領域の波長の光を発する光源を用いることができ、これらの光源を、図２の（ｇ）に示す有機膜の透明化の工程、あるいは図２の（ｈ）に示す半導体薄膜の結晶化の工程のそれぞれに応じて使い分けることができる。
【００７７】
本実施の形態では、紫外線領域の波長の光を発するレーザーを用いることができる。例えば、有機膜の吸収係数が不透明領域から透明領域に急峻に変化する発光波長が約１９０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であるエキシマレーザーを用いることができる。
【００７８】
また、線状に集光されたレーザー光を非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａに照射するが、この照射の方法には例えば２つある。１つは、線状に集光されたレーザー光の照射位置を固定し、非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａが形成された基板１が載せられたステージを移動させる方法である。もう１つは、逆に、ステージ（基板１）を固定し、レーザー光の照射位置を移動させる方法である。いずれの方法においても、レーザー光は、非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａに対して相対的に移動しながら照射される。
【００７９】
次に、図２の（ｉ）に示すように、チャネル保護膜５の上面からチャネル層４の上面までを跨るようにして、コンタクト層６を形成する。具体的には、チャネル保護膜５の上面及び側面上と、チャネル層４の上面上とを覆うようにして、例えばプラズマＣＶＤによってリン等の５価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンからなるコンタクト層６を成膜する。
【００８０】
次に、図２の（ｊ）に示すように、コンタクト層６を覆うようにして、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄとなるソースドレイン金属膜７を形成する。例えば、スパッタによって、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜７を成膜する。
【００８１】
その後、図示しないが、所定形状のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄをパターン形成するために、ソースドレイン金属膜７上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。
【００８２】
次に、このレジストをマスクとしてエッチングを施してソースドレイン金属膜７をパターニングすることにより、図２の（ｋ）に示すように、所定形状のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する。このとき、コンタクト層６がエッチングストッパとして機能する。その後、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄ上のレジストを除去し、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層６をパターニングするとともにチャネル層４を島状にパターニングする。これにより、所定形状の一対のコンタクト層６と島状のチャネル層４とを形成することができる。ドライエッチングの条件としては、例えば、塩素系ガスを用いることができる。
【００８３】
以上のようにして、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０を製造することができる。
【００８４】
次に、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の特性について、発明に至った経緯も含めて、図３Ａ〜図１４を用いて説明する。
【００８５】
まず、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を用いて、従来の薄膜半導体装置１００の課題について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。また、図４は、従来の薄膜半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【００８６】
図３Ａ及び図３Ｂに示す従来の薄膜半導体装置１００と図１に示す本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０とは、チャネル保護膜の構成が異なっており、従来の薄膜半導体装置１００のチャネル保護膜１０５は有機材料で構成されているが、レーザー照射されておらず、透明化されていない。
【００８７】
このような構成の従来の薄膜半導体装置１００では、図３Ａに示すように、有機材料からなるチャネル保護膜１０５には正の固定電荷が多く含まれる。このため、固定電荷によってチャネル保護膜１０５の下のチャネル層４（チャネル保護膜５とチャネル層４との界面近傍）に微弱な電圧（Ｖｆ）が印加される状態となる。この場合、固定電荷による電圧（Ｖｆ）が、チャネル層４におけるバックチャネルの閾値電圧（Ｖｂｃ）以上になってしまうと、寄生トランジスタが動作してバックチャネルが形成される。その結果、リーク電流が増大し、図４に示すように、薄膜半導体装置のオフ特性が悪化する。
【００８８】
また、有機材料からなるチャネル保護膜１０５に含まれる不純物等によってチャネル保護膜１０５にはトラップ準位が多数存在し、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすくなっている。このトラップ準位によってキャリアがトラップされるので、図４に示すように、薄膜半導体装置１００の閾値電圧がシフトし、薄膜半導体装置の信頼性が悪化したり、電気特性にバラツキが生じて基板面内均一性が悪化したりする。
【００８９】
このように、有機材料のチャネル保護膜を有する薄膜半導体装置は、オフ特性及び信頼性が悪いという問題がある。
【００９０】
そこで、本願発明者は、以下の実験を行って鋭意検討した結果、有機膜からなるチャネル保護膜を無機化することによって、すなわち有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけるように膜改質することによって、上記課題を解決できることを見出した。以下、詳細に説明する。
【００９１】
まず、無機材料からなる無機膜としては、酸化シリコン膜がある。そこで、まず、酸化シリコン膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に１００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を形成してＩＲスペクトルを測定した。図５は、酸化シリコン膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【００９２】
測定の結果、図５に示すように、酸化シリコン膜には、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの振動として３つのピークが見られることが分かった。具体的には、４８０ｃｍ−１（Ａ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（横揺れ振動）と、７８０ｃｍ−１（Ｂ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（変角振動）と、１０８０ｃｍ−１（Ｃ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮振動）とを確認することができる。
【００９３】
次に、有機膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に１００ｎｍ程度の有機材料からなる有機膜を形成してＩＲスペクトルを測定した。また、有機膜は熱処理によって固化させるが、有機膜のＩＲスペクトルの温度依存性についても調べた。図６は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。なお、有機膜は、上述の本実施の形態におけるチャネル保護膜５の有機材料を用いた。また、有機膜は、２０分間のベークを行ったものである。
【００９４】
測定の結果、図６に示すように、有機膜には、Ａ〜Iの９個のピークが見られることが分かった。具体的には、４８０ｃｍ−１（Ａ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（横揺れ）と、７００ｃｍ−１（Ｂ）におけるＣ−Ｈ（変角（芳香族））と、７８０ｃｍ−１（Ｃ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（変角）と、１０８０ｃｍ−１（D）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮）と、１１３０ｃｍ−１（E）におけるＳｉ−ｐｈｅｎｙｌと、１２８０ｃｍ−１（F）におけるＳｉ−ＣＨ３（変角）と、１４３０ｃｍ−１（G）におけるＳｉ−ｐｈｅｎｙｌと、１５００ｃｍ−１（H）におけるＣ−Ｃ（伸縮（芳香族））と、１５８０ｃｍ−１（I）におけるＣ−Ｃ（伸縮（芳香族））とを確認することができる。
【００９５】
また、ベーク温度を３００度〜６００度の温度範囲で変化させて測定しているが、図６に示すように、ベーク温度の上昇とともに、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が増加するとともに、Ｓｉ−ＯＨ、Ｓｉ−ｐｈｅｎｙｌ結合が減少していることが確認できる。
【００９６】
図５及び図６に示す結果に基づいて、本願発明者は、有機膜を加熱することによって有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけることができ得るという知見を得ることができた。
【００９７】
しかしながら、図６に示すように、６００度の熱処理後においても、相当な量の有機成分が残っていることが分かる。そこで、有機膜に対して６００度以上の熱処理を施すことにより、有機膜をさらに無機化することができると考えられるが、ベーク温度を６００度以上にするとガラス基板が溶融してしまうので、ベーク温度を６００度以上にすることは難しい。また、ベーク温度を６００度以上にすると、上限が４００度程度である低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することができなくなる。なお、通常、有機膜のチャネル保護膜のベーク温度は最大でも４００度程度で十分であることからも、ベーク温度を６００度以上にすることは好ましくない。このように、ベークは、基板全体が高温に曝されてしまうので、ベーク温度を上昇させるには限界がある。
【００９８】
そこで、本願発明者は、有機膜に対してレーザー光を照射することによって有機膜を６００度以上の高温にすることを考えた。レーザー光であれば、レーザー光の照射部分を局所的に高温にすることができるので、ガラス基板を溶融させることなく、また、低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することも可能となる。
【００９９】
図７は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図であり、有機膜を３００度〜１１００度の温度範囲で5分間の熱処理を行った後、ＩＲ測定した結果を示している。なお、図７における有機膜は、シロキサンを主骨格に含む有機材料（材料Ａ）によって構成されている。
【０１００】
図７に示すように、温度の増加に伴って、１２８０ｃｍ−１でピークが見られるＳｉ−ＣＨ３（変角）等の有機物に起因する振動モードが消失し、１０８０ｃｍ−１でピークが見られるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮）が増加してＳｉＯの結合が増加していることが分かる。特に、５００度と６００度との間においてスペクトルが急に変化していることが分かる。図８Ａの（ａ）及び図８Ｂの（ａ）は、それぞれ図７の（ｃ）及び（ｄ）を拡大したものである。図８Ａの（ｂ）及び図８Ｂの（ｂ）は、それぞれ図８Ａの（ａ）及び図８Ａの（ａ）における破線で囲まれる領域を拡大した図である。
【０１０１】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、５００度と６００度との間において吸収係数が急に大きくなるとともに半値幅が急に小さくなることも分かる。従って、本実施の形態では、有機膜のＩＲスペクトルが急に変化する５００度と６００度とにおける１０８０ｃｍ−１に存在するピークの半値幅が（６０ｃｍ−１＋１７０ｃｍ−１）／２＝１１５ｃｍ−１以下となる場合を無機化と定義する。
【０１０２】
次に、上記有機材料（材料Ａ）によって形成された有機膜におけるレーザー光に対する光学特性について、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の屈折率の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の屈折率との関係を示した図である。また、図１０Ａ及び図１０Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の消衰係数に関する波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の消衰係数との関係を示した図である。なお、図９Ｂは、図９Ａと横軸のパラメータが異なるのみで、図９Ａと同じ特性を示している。図１０Ｂも同様に図１０Ａと同じ特性を示している。
【０１０３】
まず、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、屈折率が小さくなり、酸化シリコンの屈折率（ｎ＝１．４）に近づくことが分かる。すなわち、屈折率の観点から、レーザー光によって有機膜を加熱することによって有機膜を酸化シリコン膜に近づけることができる、ということが分かる。
【０１０４】
また、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、消衰係数が小さくなることが分かる。すなわち、レーザー光によって有機膜を加熱することによって、有機膜を透明化することができる。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、約８００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、これは測定装置の検出限界を超えたためである。この範囲では、消衰係数の値は小さく、１×１０−７ｃｍ−１以下となっている。なお、測定装置は、分光エリプソメーターを用いた。
【０１０５】
また、吸収係数αは、入射する波長をλ、消衰係数をｋとすると、α=４πｋ／λとして表すことができるので、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す消衰係数の特性は吸収係数の特性としても表すことができ、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す結果となる。図１１Ａ及び図１１Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の吸収係数との関係を示す図である。なお、図１１Ｂは、図１１Ａと横軸のパラメータが異なるのみで、図１１Ａと同じ特性を示している。
【０１０６】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、有機膜（材料Ａ）の吸収係数は、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、約８００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図１０Ｂと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は１×１０−１ｃｍ−１以下となっている。
【０１０７】
以上のように、有機膜は、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにＳｉＯの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。
【０１０８】
次に、有機膜の材料を変えて、図１１Ａ及び図１１Ｂと同様にして有機膜における吸収係数の波長及び温度の依存性を測定した結果について説明する。図１２Ａ及び図１２Ｂは、材料Ｂによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。また、図１３Ａ及び図１３Ｂは、材料Ｃによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。なお、図１２Ｂ及び図１３Ｂは、それぞれ、図１２Ａ及び図１３Ａに対して横軸のパラメータが異なるのみで、図１２Ａ及び図１２Ｂと同じ特性を示している。
【０１０９】
ここで、材料Ｂは、材料Ａと同様に、シロキサンを主骨格に含む有機材料である。また、材料Ｃは、シルセスシオキサンを主骨格に含む有機材料である。なお、材料Ｂ及び材料Ｃのその他の構成は材料Ａと同様である。
【０１１０】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、有機膜（材料Ｂ）の吸収係数は、有機膜（材料Ａ）と同様に、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。
【０１１１】
また、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、有機膜（材料Ｃ）の吸収係数は、有機膜（材料Ａ）と同様に、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、約７００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図１１Ｂと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は１×１０−１ｃｍ−１以下となっている。
【０１１２】
以上のように、異なる有機材料からなる有機膜であっても、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにＳｉＯの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。
【０１１３】
また、有機膜の材料を異ならせることによって、レーザー光の波長に対する吸収係数を変えることができることも分かる。これにより、レーザー光の照射前においては非透明（色付き）となるように、かつ、レーザー光の照射後においては透明となるように、有機材料の種類及びレーザー光の波長を選択することができる。
【０１１４】
本実施の形態では、チャネル保護膜５の前駆体である非透明の有機膜５ａにレーザー光を照射することによって、当該有機膜５ａを透明化してチャネル保護膜５を形成する。従って、レーザー光照射前における透過率が３７％未満となるように、また、レーザー光照射後における透過率が３７％以上となるように、有機膜５ａの材料及びレーザー光の波長を選択することが好ましい。
【０１１５】
ここで、有機膜の透過率τは、入射光の強度Ｉ０と、有機膜を通過した光の強度Ｉとを用いて表すと、τ＝Ｉ／Ｉ０で表され、さらに、有機膜の吸収係数αと、有機膜の膜厚ｔとを用いて表すと、τ＝Ｉ／Ｉ０＝ｅｘｐ（−αｔ）で表すことができる。本実施の形態において、有機膜が不透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚ｔとの積が１より大きい場合とすると、この場合、−αｔ＝−１となる透過率τは、τ＝ｅｘｐ（−１）＝０．３６７８９≒３７％となるので、透過率は３７％未満となる。一方、有機膜が透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚ｔとの積が１以下の場合とすると、この場合、透過率は３７％以上となる。なお、吸収率は、１−透過率（τ）で表すことができる。
【０１１６】
図１４は、有機膜の吸収係数α（ｃｍ−１）と有機膜の膜厚ｔ（ｃｍ）とに対する有機膜の透過率の関係を示す図である。図１４に示すように、本実施の形態では、有機膜の透過率が３７％未満となる場合を不透明とし、有機膜の透過率が３７％以上となる場合を透明としている。
【０１１７】
これにより、図１４と、図１１Ａ〜図１３Ｂとを用いることにより、レーザー光を照射する前には不透明としつつレーザー光を照射した後には透明となるような、所望の有機材料の種類、レーザー光の波長及びレーザー照射条件（加熱温度）を選択することができる。
【０１１８】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０によれば、結晶化時のレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対して所望のレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともに、このときに発生する熱によってチャネル保護膜５を無機化する。すなわち、チャネル保護膜５には、非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化時に発生する熱が伝導し、この熱によってチャネル保護膜５の温度が上昇してチャネル保護膜５が無機化される。
【０１１９】
従って、図１５Ａに示すように、チャネル保護膜５が無機化されることによって、チャネル保護膜５の固定電荷が減少するので、バックチャネルの形成を抑えることができる。これにより、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２０】
また、チャネル保護膜５が無機化されることによって、図１５Ｂに示すように、チャネル保護膜５のトラップ準位を減少させることもできるので、チャネル保護膜５におけるキャリアのトラップを抑えることができる。これにより、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２１】
なお、本実施の形態において、チャネル保護膜５の膜厚は、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
【０１２２】
図１６は、チャネル保護膜５の膜厚を変化させた場合における非結晶質の半導体薄膜４ａの吸収率の変化を示す図である。なお、図１６では、チャネル保護膜５の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値を横軸に、非結晶質の半導体薄膜４ａの吸収率を縦軸に示している。また、図１６の計算では、ゲート絶縁膜３が酸化シリコンからなり、ゲート絶縁層３の光学膜厚、すなわちゲート絶縁層３の膜厚にゲート絶縁層３の屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が０．２７６（波長５３２ｎｍで酸化シリコン層膜厚が１００ｎｍに対応）からなり、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａ（非結晶性シリコン薄膜）の光学膜厚に非結晶質の半導体薄膜４ａの屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が０．４７７（波長５３２ｎｍで非結晶性シリコン層の膜厚が５０ｎｍに対応）からなるモデルを用いている。そして、図１６の破線、二点鎖線および実線は、それぞれゲート電極２がＣｕ、ＡｌおよびＭｏＷの場合の計算結果を示している。
【０１２３】
図１６に示すように、チャネル保護膜５の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値をＺとし、ｋを０から始まる整数とし、Ｚが下記の（式１）を満たせば、非結晶質の半導体薄膜４ａにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができる。なお、図１６のｋ＝０、１、２は、それぞれ（式１）におけるｋ＝０、１、２のときのＺの範囲を示している。
【０１２４】
（式１）０．５×（ｋ＋０．３）≦Ｚ≦０．５×（ｋ＋０．７）
【０１２５】
このように、チャネル保護膜５の膜厚を（式１）の条件を満たすように設定することにより、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができるので、チャネル保護膜５の下の領域を効率的に加熱処理でき、非結晶質の半導体薄膜を効率的に結晶化することができるとともに、半導体薄膜からの熱伝播によりチャネル保護膜５を効率的に透明化できる。これによりオフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２６】
また、本実施の形態において、図２の（ｅ）において、有機膜５ａに対してプリベークを行ったが、このときに、非結晶質の半導体薄膜４ａと有機膜５ａとの界面に界面層５０が生成する場合がある。界面層５０は、カーボンを主成分として含むものであり、その主成分であるカーボンは有機膜５ａの有機材料に由来するカーボンである。
【０１２７】
図１７Ａは、界面層５０が形成された場合における第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０Ａの構成を示す断面図である。
【０１２８】
図１７Ａに示すように、界面層５０は、チャネル層４とチャネル保護膜５との間に形成される。界面層５０は、絶縁性を有する絶縁膜であって、界面層５０の比抵抗は、２×１０６（Ω・ｃｍ）以上とすることが好ましい。
【０１２９】
また、図１７Ａに示すように、薄膜半導体装置１０Ａでは、界面層５０とコンタクト層６との間に、一対の非結晶質のシリコン薄膜６０が形成されている。非結晶質のシリコン薄膜６０は、アモルファスシリコン膜からなり、意図的な不純物のドーピングが行われていないｉ層である。従って、非結晶質のシリコン薄膜６０は、不純物がドープされたコンタクト層６と比べて電気抵抗が高くなっている。但し、非結晶質のシリコン薄膜６０には、自然に含まれる不純物は存在し、非結晶質のシリコン薄膜６０の不純物濃度としては、１×１０１７（ａｔｍ／ｃｍ３）以下である。
【０１３０】
次に、図１７Ａに示す薄膜半導体装置１０Ａにおける界面層５０の構成について、図１８Ａ及び図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａは、図１７Ａに示す薄膜半導体装置の界面層周辺における断面ＴＥＭ像である。また、図１８Ｂは、図１８Ａの破線で囲まれる領域Ｂの断面構造を説明するための模式図である。
【０１３１】
図１８Ａに示すように、チャネル層４とチャネル保護膜５との界面に、極薄膜の界面層５０が形成されていることが分かる。また、図１８Ａから、膜厚が２ｎｍ程度の界面層５０が形成されていることが分かる。
【０１３２】
界面層５０は、上述のように、チャネル保護膜５を加熱固化する際に生成される層であり、図１８Ｂに示すように、界面層５０のチャネル層４側は、チャネル保護膜５の前駆体である有機膜５ａの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と、チャネル層４のシリコン原子とが結合した状態となっていると考えられる。
【０１３３】
具体的には、図１８Ｂに示すように、界面層５０とチャネル層との界面は、界面活性剤のＹ−Ｓｉ−（Ｏ）３と結晶シリコン薄膜のＳｉとが結合し、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が存在する状態となっている。なお、Ｙ−Ｓｉ−（Ｏ）３におけるＹは、有機材料と反応結合する官能基であって、アミノ基、エポキシ基、メタクリル基、ビニル基又はメルカプト基等である。
【０１３４】
また、界面層５０のチャネル保護膜５側は、ＳｉＯＣ系ポリマー（少なくともＳｉ、Ｏ、Ｃを主成分元素として形成された薄膜）及びＳ（硫黄）系ポリマー（構成元素としてＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｓを含有する薄膜）が存在する状態となっている。ＳｉＯＣ系ポリマーは、有機膜５ａの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と感光性有機樹脂材料に含まれるカーボンとがポリマー化したものと考えられる。また、Ｓ系ポリマーは、有機膜５ａの有機材料に含まれる感光剤、界面活性剤及び感光剤がポリマー化した薄膜であると考えられる。
【０１３５】
このように、界面層５０は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合とポリマーとが複合的にマトリクス状となった構成であると考えられる。また、界面層５０の上には、バルクのＳｉＯＣ系ポリマーからなるチャネル保護膜５が存在する。
【０１３６】
なお、界面層５０がチャネル層４及びチャネル保護膜５のいずれとも異なる材料で構成されることは、図１８Ａからも明らかである。すなわち、図１８ＡのＴＥＭ像に示されるように、チャネル層４とチャネル保護膜５との間にはコントラストの異なる層が確認できる。なお、ＴＥＭ像においてコントラストの違いは材料の密度が異なることを表しており、異なる層が存在することを意味する。従って、チャネル層４とチャネル保護膜５との間には、これらの層とは異なる層として界面層５０が存在している。
【０１３７】
次に、図１７Ａに示す薄膜半導体装置１０Ａにおける炭素（Ｃ）及び硫黄（Ｓ）の濃度分布について、図１９を用いて説明する。図１９は、図１７Ａに示す薄膜半導体装置を構成する膜中に含まれる炭素及び硫黄の濃度分布を示す図であって、図１７Ａの矢印Ａに示される厚み（深さ）方向における元素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定してプロットしたものである。
【０１３８】
図１７Ａに示される薄膜半導体装置１０Ａにおいて、同図の矢印Ａの深さ方向に従って炭素及び硫黄の濃度を測定すると、すなわち、コンタクト層６、非結晶質のシリコン薄膜６０、界面層５０及びチャネル層４の順に炭素及び硫黄の濃度を測定すると、図１９に示す測定結果となる。なお、図１９において、「１２Ｃ」及び「３２Ｓ」で示す曲線は、それぞれ炭素及び硫黄の濃度分布を表している。
【０１３９】
図１９に示すように、界面層５０は他の層と比べて炭素濃度及び硫黄濃度が高くなっており、界面層５０に含まれる炭素濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上であり、また、界面層５０に含まれる硫黄濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上であることが分かる。
【０１４０】
さらに、界面層５０に含まれる炭素濃度は、チャネル層４に含まれる不純物としての炭素濃度の５０倍以上であることも分かる。また、界面層５０に含まれる硫黄濃度は、チャネル層４に含まれる不純物としての硫黄濃度の１００倍以上であることも分かる。
【０１４１】
このように形成された界面層５０は、カーボンを主成分としているので、チャネル層４と比較してより多くのカーボンを含有している。このように、チャネル層４の凸部とチャネル保護層５との界面にカーボンを主成分とする界面層５０が存在するので、チャネル保護層５とチャネル層４との界面において散乱を増大させることができ、当該界面層５０がキャリアの移動をブロックする障壁として機能する。すなわち、チャネル層４の上部における抵抗値を増加させることができる。これにより、チャネル層４のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。
【０１４２】
また、界面層５０に含まれる硫黄は、チャネル保護層５の有機材料の感光剤に含まれる硫黄である。すなわち、界面層５０に含まれる硫黄は、チャネル保護層５の有機材料に由来する。硫黄は、カーボン及び酸素に比べて原子半径が大きいため、キャリアの移動を妨げる効果がカーボン及び酸素に比べて大きい。従って、界面層６に硫黄が含まれていることにより、上記のキャリア移動度をさらに低下させることができ、薄膜半導体装置のオフ特性を一層向上させることができる。
【０１４３】
これにより、仮にチャネル保護層５に固定電荷が発生した場合であっても、界面層５０による散乱によって、キャリアのバックチャネル伝導を抑制することができる。
【０１４４】
なお、図１７Ａに示した薄膜半導体装置１０Ａは、界面層５０の成分を詳細に検討するために、界面層５０を除去せずに意図的にチャネル層４の全面に界面層５０を残しているが、ＴＦＴ特性を向上させるという観点からは、電流経路に存在する界面層５０は十分除去することが好ましい。つまり、図１７Ａに示した薄膜半導体装置１０Ａでは、電流経路となるコンタクト層６０とチャネル層４の間に高抵抗の界面層５０が存在するため、オン特性が低下する。従って、優れたオン特性を有する薄膜半導体装置を実現するためには、有機膜５ａを所定形状にパターニングする際、残渣として残りうる界面層５０を現像処理、またはエッチング処理を用いて十分除去することによって、図１７Ｂに示す薄膜半導体装置１０Ｂのように、電流経路となるコンタクト層６０とチャネル層４の間に高抵抗の界面層５０が存在させないことが好ましい。
【０１４５】
以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る他の薄膜半導体装置１０Ｂによれば、チャネル層４の上部とチャネル保護層５との間にカーボンを主成分として含む界面層５０が形成されているので、チャネル層４のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。これにより、オフ時のリーク電流を抑制することができるので、オフ特性を向上させることができる。
【０１４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法について、図２０を用いて説明する。図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、図２０において、図２に示す構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付している。
【０１４７】
本実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成は、図１に示す第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成と同様であるが、本実施の形態は、チャネル保護膜５が無機膜からなる点で、チャネル保護膜５を有機膜とする第１の実施の形態と異なる。また、第１の実施の形態では、チャネル保護膜５を非透明から透明にして透明化したが、本実施の形態では、チャネル保護膜５を最初から透明膜で構成している。
【０１４８】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の具体的な製造方法について、図２０を参照して説明する。
【０１４９】
まず、図２０の（ａ）〜（ｄ）に示すように、図２の（ａ）〜（ｄ）と同様の工程を行う。これにより、図２０の（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜３の上に、非結晶質の半導体薄膜４ａが形成される。
【０１５０】
次に、図２０の（ｅ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａの上に、無機材料からなる無機膜５ｂを形成する。無機膜５ｂは、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明な材料によって構成されており、本実施の形態でも、当該レーザー光に対する透過率は３７％以上とすることが好ましい。
【０１５１】
無機膜５ｂは、例えば、プラズマＣＶＤによって酸化シリコンを成膜することによって形成することができる。なお、透明な無機膜５ｂとしては、酸化シリコン以外の無機材料を用いても構わない。
【０１５２】
次に、図２０の（ｆ）に示すように、無機膜５ｂをパターニングすることによって所定形状のチャネル保護膜５を形成する。無機膜５ｂのパターニングは、フォトリソグラフィ及びエッチングによって行うことができる。
【０１５３】
次に、図２０の（ｇ）〜（ｊ）に示すように、図２の（ｈ）〜（ｋ）と同様の工程を行う。これにより、第１の実施の形態と同様の構成の薄膜半導体装置を得ることができる。
【０１５４】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置によれば、第１の実施の形態と同様に、結晶化時のレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対して所望のレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともに、このときに発生する熱によってチャネル保護膜５を無機化する。
【０１５５】
これにより、チャネル保護膜５の固定電荷を減少させることができるので、バックチャネルの形成を抑えることができる。従って、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１５６】
また、チャネル保護膜５を無機化することによってチャネル保護膜５のトラップ準位を減少させることもできる。これにより、チャネル保護膜５におけるキャリアのトラップを抑えることができるので、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができる。従って、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１５７】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記の各実施の形態に係る薄膜半導体装置を表示装置に適用した例であり、本実施の形態では、有機ＥＬ表示装置への適用例について説明する。
【０１５８】
図２１は、本発明の第３の実施の形態に係る有機ＥＬ表示装置の一部切り欠き斜視図である。上述の薄膜半導体装置は、有機ＥＬ表示装置におけるアクティブマトリクス基板のスイッチングトランジスタ又は駆動トランジスタとして用いることができる。
【０１５９】
図２１に示すように、有機ＥＬ表示装置２０は、アクティブマトリクス基板（ＴＦＴアレイ基板）２１と、アクティブマトリクス基板２１においてマトリクス状に配置された複数の画素２２と、複数の画素２２のそれぞれに対応して形成された有機ＥＬ素子２３と、画素２２の行方向に沿って形成された複数の走査線（ゲート線）２７と、画素２２の列方向に沿って形成された複数の映像信号線（ソース線）２８と、映像信号線２８と並行して形成された電源線２９（不図示）とを備える。有機ＥＬ素子２３は、アクティブマトリクス基板２１上に順次積層された、陽極２４、有機ＥＬ層２５及び陰極２６を有する。なお、陽極２４は、実際には画素２２に対応して複数形成される。また、有機ＥＬ層２５も画素２２に対応して複数形成されるとともに、それぞれ、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等の各層が積層されて構成されている。
【０１６０】
次に、上記有機ＥＬ表示装置２０における画素２２の回路構成について、図２２を用いて説明する。図２２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置を用いた画素の回路構成を示す図である。
【０１６１】
図２２に示すように、各画素２２は、直交する走査線２７と映像信号線２８とによって区画されており、駆動トランジスタ３１と、スイッチングトランジスタ３２と、コンデンサ３３と、有機ＥＬ素子２３とを備える。駆動トランジスタ３１は、有機ＥＬ素子２３を駆動するトランジスタであり、また、スイッチングトランジスタ３２は、画素２２を選択するためのトランジスタである。
【０１６２】
駆動トランジスタ３１において、ゲート電極３１Ｇがスイッチングトランジスタ３２のドレイン電極３２Ｄに接続され、ソース電極３１Ｓが中継電極（不図示）を介して有機ＥＬ素子２３のアノードに接続され、ドレイン電極３１Ｄが電源線２９に接続される。
【０１６３】
また、スイッチングトランジスタ３２において、ゲート電極３２Ｇは走査線２７に接続され、ソース電極３２Ｓは映像信号線２８に接続され、ドレイン電極３２Ｄはコンデンサ３３及び駆動トランジスタ３１のゲート電極３１Ｇに接続されている。
【０１６４】
この構成において、走査線２７にゲート信号が入力されて、スイッチングトランジスタ３２がオン状態になると、映像信号線２８を介して供給された映像信号電圧がコンデンサ３３に書き込まれる。コンデンサ３３に書き込まれた映像信号電圧は、１フレーム期間を通じて保持され、この保持された映像信号電圧により、駆動トランジスタ３１のコンダクタンスがアナログ的に変化し、発光階調に対応した駆動電流が有機ＥＬ素子２３のアノードからカソードへと流れて有機ＥＬ素子２３が発光する。
【０１６５】
なお、本実施の形態では、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置について説明したが、アクティブマトリクス基板が用いられる他の表示装置にも適用することができる。また、このように構成される表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのあらゆる表示パネルを有する電子機器に適用することができる。
【０１６６】
以上、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置及びその製造方法について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１６７】
例えば、上記の実施の形態では、半導体薄膜としてシリコン薄膜を用いたが、シリコン薄膜以外の半導体薄膜を用いることができる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はＳｉＧｅからなる半導体薄膜を結晶化させて結晶質の半導体薄膜からなるチャネル層を形成することもできる。
【０１６８】
また、上記の実施の形態において、結晶質シリコン薄膜は、ｎ型半導体であっても、ｐ型半導体であっても良い。
【０１６９】
なお、その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明に係る薄膜半導体装置は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの表示装置、又はその他薄膜トランジスタを有する様々な電気機器等に広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１７１】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ チャネル層
４ａ 非結晶質の半導体薄膜
５、１０５ チャネル保護膜
５ａ 有機膜
５ｂ 無機膜
６ コンタクト層
７ ソースドレイン金属膜
７Ｄ ドレイン電極
７Ｓ ソース電極
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１００ 薄膜半導体装置
２０ 有機ＥＬ表示装置
２１ アクティブマトリクス基板
２２ 画素
２３ 有機ＥＬ素子
２４ 陽極
２５ 有機ＥＬ層
２６ 陰極
２７ 走査線
２８ 映像信号線
２９ 電源線
３１ 駆動トランジスタ
３２ スイッチングトランジスタ
３１Ｇ、３２Ｇ ゲート電極
３１Ｓ、３２Ｓ ソース電極
３１Ｄ、３２Ｄ ドレイン電極
３３ コンデンサ
５０ 界面層
６０ 非結晶質のシリコン薄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体装置及びその製造方法に関し、特にチャネル保護型の薄膜トランジスタ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイに変わる次世代フラットパネルディスプレイの一つとしての有機材料のＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を利用した有機ＥＬディスプレイが注目されている。有機ＥＬディスプレイ等のアクティブマトリクス方式の表示装置では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる薄膜半導体装置が用いられる。
【０００３】
特に、有機ＥＬディスプレイは、電圧駆動型の液晶ディスプレイと異なり電流駆動型のディスプレイデバイスであり、アクティブマトリクス方式の表示装置の駆動回路として優れたオンオフ特性を有する薄膜トランジスタの開発が急がれている。薄膜トランジスタの構成は、基板上に、ゲート電極、半導体層（チャネル層）、ソース電極及びドレイン電極が形成されたものであり、チャネル層にはシリコン薄膜を用いることが一般的である。
【０００４】
また、ディスプレイデバイスには大画面化及び低コスト化が求められており、容易に低コスト化が可能な薄膜トランジスタとして、一般的には、ゲート電極がチャネル層より基板側に形成されたボトムゲート型の薄膜トランジスタが用いられる。
【０００５】
ボトムゲート型の薄膜トランジスタは、チャネル層がエッチングされるチャネルエッチング型の薄膜トランジスタと、チャネル層をエッチング処理から保護するチャネル保護型（エッチングストッパ型）の薄膜トランジスタとの２つに大別される。
【０００６】
チャネルエッチング型の薄膜トランジスタは、チャネル保護型の薄膜トランジスタに比べて、フォトリソグラフィ工程数を削減することができ、製造コストを抑えられるという利点がある。
【０００７】
一方、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、エッチング処理によるチャネル層へのダメージを防ぐことができ、基板面内での特性ばらつきを抑制することができる。また、チャネル保護型の薄膜トランジスタの方がチャネル層を薄膜化することができ、寄生抵抗成分を低減してオン特性を向上させることができるため、高精細化には有利である。
【０００８】
このため、チャネル保護型の薄膜トランジスタは、例えば有機ＥＬ素子を用いた電流駆動型の有機ＥＬ表示装置における駆動トランジスタに適しており、チャネルエッチング型の薄膜トランジスタに比べて製造コストが増加したとしても、有機ＥＬ表示装置の画素回路に採用する試みがなされている。
【０００９】
例えば特許文献１には、微結晶半導体薄膜をチャネル層とするチャネル保護型のＴＦＴが開示されており、チャネル層上にバッファ層を介してチャネル保護層を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−７６８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に正の固定電荷が存在するので、この固定電荷によってチャネル層にバックチャネルが形成され、その結果、リーク電流が増大し、薄膜トランジスタのオフ特性が悪化するという問題がある。特に、有機材料を塗布することによってチャネル保護層を形成すると、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層に正の固定電荷が多く含まれるので、リーク電流がさらに増大し、オフ特性が一層悪化する。
【００１２】
また、チャネル保護型の薄膜トランジスタでは、チャネル保護層に含まれる不純物等によってチャネル保護層内にはトラップ準位が存在するため、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすく、その結果、薄膜トランジスタの閾値電圧がシフトして、薄膜トランジスタの信頼性が悪化するという問題もある。特に、塗布型の有機材料からなるチャネル保護層は、無機材料のチャネル保護層と比べて、チャネル保護層内にトラップ準位が多く存在するため、閾値電圧のシフト量が大きくなり、薄膜トランジスタの信頼性が一層悪化する。
【００１３】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、チャネル保護型の薄膜トランジスタにおいて、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、オフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、従来の薄膜半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【図５】図５は、酸化シリコン膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図６】図６は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図７】図７は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７の（ｃ）における有機膜のＩＲスペクトルの拡大図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７の（ｄ）における有機膜のＩＲスペクトルの拡大図である。
【図９Ａ】図９Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、屈折率に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、屈折率に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、消衰係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、消衰係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、材料Ａの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、材料Ｂの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、材料Ｂの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、材料Ｃの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が波長）である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、材料Ｃの有機膜を熱処理したときにおける、吸収係数に関する波長及び温度の依存性を示す図（横軸が温度）である。
【図１４】図１４は、有機膜の吸収係数と有機膜の膜厚とに対する有機膜の透過率の関係を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図１６】図１６は、チャネル保護膜の膜厚を変化させた場合における非結晶質の半導体薄膜の吸収率の変化を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、界面層が形成された場合における第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、界面層が形成された場合における第１の実施の形態に係る他の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、図１７Ａに示す薄膜半導体装置の界面層周辺における断面ＴＥＭ像である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａの破線で囲まれる領域Ｂの断面構造を説明するための模式図である。
【図１９】図１９は、図１７Ａに示す薄膜半導体装置を構成する膜中に含まれる炭素及び硫黄の濃度分布を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の第３の実施の形態に係る有機ＥＬ表示装置の一部切り欠き斜視図である。
【図２２】図２２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置を用いた表示装置における画素の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板を準備する第１工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成される。
【００１９】
本態様によれば、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線に対して透明である第２絶縁膜を非結晶質の半導体薄膜の上に形成し、当該第２絶縁膜の上方から光線を照射して非結晶質の半導体薄膜を結晶化する。これにより、第２絶縁膜の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜を結晶化することができるとともに、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱によって第２絶縁膜を無機化することができる。従って、第２絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第２絶縁膜を無機化することにより、第２絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法では、前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上となるように形成されることが好ましい。
【００２１】
これにより、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線が第２絶縁膜を確実に透過することができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜に効率良く伝導させることができる。
【００２２】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法では、前記第６工程において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化される、とすることができる。
【００２３】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置の製造方法において、前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、とすることができる。
【００２４】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成したゲート電極と、前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明である。
【００２５】
本態様によれば、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線に対して透明である第２絶縁膜を非結晶質の半導体薄膜の上に形成し、当該第２絶縁膜の上方から光線を照射して非結晶質の半導体薄膜を結晶化する際に、光線が第２絶縁膜を透過して非結晶質の半導体薄膜に照射する。これにより、第２絶縁膜の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜が結晶化されるとともに、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱によって第２絶縁膜が無機化される。従って、第２絶縁膜の固定電荷を少なくしてバックチャネルの形成を抑えることができ、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現できる。さらに、第２絶縁膜を無機化することにより、第２絶縁膜のトラップ準位を少なくしてキャリアのトラップを抑えて閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性の高い薄膜半導体装置を実現できる。
【００２６】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上である。
【００２７】
これにより、非結晶質の半導体薄膜を結晶化するときの光線を、第２絶縁膜に対して確実に透過させることができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜が結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜に効率良く伝導させることができる。
【００２８】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化したものである。
【００２９】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記第２絶縁膜は、有機材料からなる。
【００３０】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、さらに、前記結晶質の半導体薄膜と前記第２絶縁膜との間に形成された、カーボンを含有する界面層を有し、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の５０倍以上である。
【００３１】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である。
【００３２】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層は、硫黄を含む。
【００３３】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含まれる不純物としての硫黄の濃度の１００倍以上である。
【００３４】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層に含有される硫黄の濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である。
【００３５】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の比抵抗は、２×１０６［Ω・ｃｍ］以上である。
【００３６】
また、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置において、前記界面層の厚みは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態における薄膜半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。すなわち、本発明は、特許請求の範囲だけによって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、各図面において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００３８】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の構成を模式的に示した断面図である。
【００３９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０は、チャネル保護型でボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、基板１と、基板１の上方に順次形成された、ゲート電極２、ゲート絶縁膜（第１絶縁膜）３、チャネル層（半導体薄膜）４及びチャネル保護膜（第２絶縁膜）５とを備え、さらに、チャネル保護膜５を挟んでチャネル層４の上方に形成された一対のコンタクト層６と、コンタクト層６の上に形成された一対のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄとを備える。
【００４０】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の各構成要素について詳述する。
【００４１】
基板１は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料からなるガラス基板である。なお、ガラス基板の中に含まれるナトリウムやリン等の不純物がチャネル層４に侵入することを防止するために、表面に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｙ）又はシリコン酸窒化膜（ＳｉＯｙＮｘ）等からなるアンダーコート層が形成された基板を用いてもよい。また、アンダーコート層は、レーザーアニール等の高温熱処理プロセスにおいて、基板１への熱の影響を緩和させる役割を担うこともある。アンダーコート層の膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度とすることができる。
【００４２】
ゲート電極２は、基板１の上方に所定形状で形成される。ゲート電極２は、シリコンの融点温度に耐えられる導電性材料又はその合金等の単層構造又は多層構造からなり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｉ（ニッケル）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はモリブデンタングステン（ＭｏＷ）等を用いることができる。ゲート電極２は、基板１上にこれらの材料からなるゲート金属膜を形成し、これを所定形状にパターニングすることで形成される。ゲート電極２の膜厚は、好ましくは３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これは、ゲート電極２の膜厚が薄いと、ゲート電極２の透過率が増加してしまい、レーザー光の反射が低下しやすくなるからである。一方、ゲート電極２の膜厚が厚いとゲート絶縁膜３のカバレッジが低下してしまい、特にはゲート電極２の端部でゲート絶縁膜３が段切れしてしまう等、薄膜トランジスタの特性が劣化しやすくなるからである。
【００４３】
ゲート絶縁膜３は、ゲート電極２の上に形成された第１絶縁膜であり、基板１上のゲート電極２を覆うように基板１及びゲート電極２の上に形成される。ゲート絶縁膜３は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコン酸窒化膜、酸化アルミニウム（ＡｌＯｚ）、酸化タンタル（ＴａＯｗ）又はその積層膜等を用いて形成することができる。
【００４４】
本実施の形態では、チャネル層４として結晶質シリコン薄膜を用いているので、ゲート絶縁膜３としては酸化シリコンを用いることが好ましい。これは、ＴＦＴにおける良好な閾値電圧特性を維持するためにはチャネル層４とゲート絶縁膜３との界面状態を良好なものにすることが好ましく、これには酸化シリコンが適しているからである。
【００４５】
チャネル層４は、ゲート絶縁膜３上に形成される結晶質の半導体薄膜を含み、ゲート電極２の電圧によってキャリアの移動が制御される領域であるチャネル領域を有する。本実施の形態において、チャネル層４の少なくともチャネル領域は、多結晶質シリコン薄膜からなる結晶質シリコン薄膜であり、前駆体としての非結晶質シリコン薄膜（アモルファスシリコン膜）における非晶質のシリコンの少なくとも一部をレーザー照射することにより多結晶質化（微結晶化も含む）することで形成された結晶化領域である。なお、チャネル層４は、非結晶性シリコンと結晶性シリコンとの混晶構造を有する結晶質シリコン薄膜とすることもできる。また、チャネル層４に含まれる結晶の平均粒径は例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００４６】
本実施の形態において、チャネル層４の結晶化は、レーザー光に対して透過率が高いチャネル保護膜５の上方からレーザー光を走査することにより行われる。これにより、有機膜５ａの下方の領域も含めて非結晶質シリコン薄膜が結晶化して結晶質シリコン薄膜となる。
【００４７】
チャネル保護膜５は、チャネル層４の上に形成される第２絶縁膜であり、チャネル層４のチャネル領域を保護する保護膜である。すなわち、チャネル保護膜５は、一対のコンタクト層６を形成するときのエッチング処理時において、チャネル層４がエッチングされてしまうことを防止するためのチャネルエッチングストッパ（ＣＥＳ）層として機能する。なお、チャネル保護膜５は、絶縁性を有するので、一対のコンタクト層６同士は電気的に接続されていない。
【００４８】
また、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時におけるレーザー光に対して透明となるように形成されている。本実施の形態において、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時におけるレーザー光に対する透過率が３７％以上となるように形成されている。これにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光がチャネル保護膜５を確実に透過するので、チャネル保護膜５の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜４ａを容易に結晶化させることができる。
【００４９】
上記レーザー光に対して透明なチャネル保護膜５は、チャネル層４上に塗布した有機膜に対してレーザー光を照射することにより形成することができる。この場合、チャネル保護膜５は、前駆体（レーザー光照射前のチャネル保護膜５）である不透明の有機膜がレーザー照射によって透明化された透明化膜であり、チャネル保護膜５を透明化するためのレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後においてレーザー光の照射前よりも高くなっている。具体的には、チャネル保護膜５において、有機膜（前駆体）のレーザー光に対する透過率は３７％未満である。すなわち、チャネル保護膜５を透明化するためのレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で３７％未満である。このとき、レーザー光の照射前において、チャネル保護膜５の吸収係数とチャネル保護膜５の膜厚との積が１より大きくなっている。この場合、レーザー光の照射前におけるチャネル保護膜５（第２絶縁膜）の透過率は３７％以下であるため、レーザー光はチャネル保護膜５に吸収され熱発生する。これにより、チャネル保護膜５を容易に透明化することができる。
【００５０】
一方、この有機膜（前駆体）はレーザー光の照射により透明化し、レーザー光に対する透過率は３７％以上となる。すなわち、レーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射後で３７％以上となる。このとき、レーザー光の照射後において、チャネル保護膜５の吸収係数とチャネル保護膜５の膜厚との積が１以下となっている。
【００５１】
なお、チャネル保護膜５の透過率は、有機膜の膜厚及び有機膜の吸収係数によって決定される。また、有機膜の吸収係数は、レーザー光の波長及び有機膜の加熱温度によって決定される。詳細については後述する。
【００５２】
さらに、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時のレーザー光の照射によって、酸化シリコン成分や窒化シリコン成分等の無機成分を主成分とする無機化膜に改質される。すなわち、チャネル保護膜５は、チャネル層４の結晶化時において上方からレーザー光が照射されると、当該レーザー光はチャネル保護膜５を透過してチャネル層４に照射される。これにより、チャネル層４の前駆体である非結晶質の半導体薄膜が結晶化する。この結晶化時に発生するチャネル層４の発生熱がチャネル保護膜５に伝導して、チャネル保護膜５の温度が上昇し、これにより、チャネル保護膜５が無機化する。
【００５３】
ここで、チャネル保護膜５の前駆体である有機膜は、シリコン、酸素及びカーボンを含む有機材料を主として含有する有機材料からなり、例えば、感光性塗布型の有機材料をパターニング及び固化することによって形成することができる。
【００５４】
この有機膜（前駆体）を形成するための有機材料は、例えば、有機樹脂材料、界面活性剤、溶媒及び感光剤からなる。有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト及びベンゾシクロブテン等の中から選ばれる１種又は複数種からなる感光性又は非感光性の有機樹脂材料を用いることができる。界面活性剤としては、シロキサン等のシリコン化合物からなる界面活性剤を用いることができる。溶媒としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート又は１，４−ジオキサン等の有機溶媒を用いることができる。また、感光剤としては、ナフトキノンジアジト等のポジ型感光剤を用いることができる。なお、感光剤には、炭素及び硫黄が含まれている。
【００５５】
一対のコンタクト層６は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体層、又は不純物を高濃度に含む多結晶半導体層からなり、その一部がチャネル層４の上方にチャネル保護膜５を介して形成され、他部がチャネル層４の上に接して形成される。また、一対のコンタクト層６は、チャネル保護膜５上において所定の間隔をあけて対向配置されている。
【００５６】
一対のコンタクト層６のそれぞれは、チャネル保護膜５の上面端部からチャネル層４の上面までを跨るようにして形成されており、チャネル保護膜５の上面と側面、及び、チャネル層４の上面を覆うように形成されている。より具体的には、２つのコンタクト層６は、チャネル層４の両端部の上方に設けられており、チャネル保護膜５の端部の上面及び側面、チャネル保護膜５の側面につらなるチャネル層４の上面上に形成されている。
【００５７】
一対のコンタクト層６は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン（Ｐ）をドーピングしたｎ型半導体層であって、１×１０１９（ａｔｍ／ｃｍ３）以上の高濃度の不純物を含むｎ＋層である。各コンタクト層６の膜厚は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。
【００５８】
一対のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、それぞれチャネル層４のチャネル領域（結晶化領域）の上方にチャネル保護膜５を介して同層に形成されており、本実施の形態では、一対のコンタクト層６上に所定の間隔をあけて対向配置される。すなわち、ソース電極７Ｓは、コンタクト層６を介してチャネル層４の一方の端部の上方に形成されており、また、ドレイン電極７Ｄは、コンタクト層６を介してチャネル層４の他方の端部の上方に形成されている。
【００５９】
ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、それぞれ導電性材料又はこれらの合金等からなる単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）等の材料により構成される。また、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄは、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造とすることもできる。なお、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄの膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることができる。
【００６０】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程の構成を模式的に示した断面図である。
【００６１】
本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板１を準備する第１工程と、基板１上にゲート電極２を形成する第２工程と、ゲート電極２上に第１絶縁膜としてゲート絶縁膜３を形成する第３工程と、ゲート絶縁膜３上に非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する第４工程と、非結晶質の半導体薄膜４ａ上に第２絶縁膜としてチャネル保護膜５を形成する第５工程と、チャネル保護膜５の上方からレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化して結晶化領域を形成する第６工程と、結晶化領域の上方にソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する第７工程と、を含む。そして、第５工程において、チャネル保護膜５は、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明となるように形成される。
【００６２】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程について、図面を用いて詳細に説明する。
【００６３】
まず、図２の（ａ）に示すように、基板１としてガラス基板を準備する。なお、ゲート電極２を形成する前に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等によって基板１の表面に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及びシリコン酸窒化膜等からなるアンダーコート層を形成してもよい。アンダーコート層は、１．５＜ｙ＜２．０のシリコン酸化膜（ＳｉＯｙ）で、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の膜厚で構成されるのが好ましい。より好ましいアンダーコート層の膜厚範囲は、５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。これは、アンダーコート層の厚みを厚くすると基板１への熱負荷を低減できるが、厚すぎると膜剥がれやクラックが発生してしまうことによる。なお、基板１を準備する工程には、アンダーコート層を形成する工程の他に、基板１を洗浄する工程も含まれる。
【００６４】
次に、図２の（ｂ）に示すように、基板１上に所定形状のゲート電極２を形成する。例えば、基板１上にＭｏ又はＭｏＷを含む高融点金属あるいは当該高融点金属の合金からなるゲート金属膜をゲート電極２としてスパッタによって成膜し、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いてゲート金属膜をパターニングすることにより、所定形状のゲート電極２を形成することができる。ＭｏＷのウェットエッチングは、例えば、リン酸（ＨＰＯ４）、硝酸（ＨＮＯ３）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行うことができる。なお、基板１の表面にアンダーコート層が形成されている場合には、アンダーコート層上にゲート電極２を形成する。
【００６５】
次に、図２の（ｃ）に示すように、ゲート電極２を覆って基板１及びゲート電極２の上にゲート絶縁膜３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、ゲート絶縁膜３として酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜あるいはこれらの積層膜をゲート電極２の上に成膜する。
【００６６】
次に、図２の（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜３上に、チャネル層４となる非結晶質の半導体薄膜４ａを形成する。例えば、ゲート絶縁膜３上に、非結晶質の半導体薄膜４ａとして、アモルファスシリコンからなる非結晶質シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ等によって成膜する。この非結晶質シリコン薄膜は、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）とを所定の濃度比で導入することで成膜することができる。なお、非結晶質シリコン薄膜は、プラズマＣＶＤによってゲート絶縁膜３の成膜と連続的に成膜することができる。
【００６７】
次に、図２の（ｅ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａの上に、チャネル保護膜５の前駆体として、有機材料からなる有機膜５ａを所定の塗布方法によって形成する。例えば、所定の有機材料を非結晶質の半導体薄膜４ａ上に塗布及びスピンコートすることによって有機膜５ａを非結晶質の半導体薄膜４ａの全面に形成する。なお、有機膜５ａの所定の有機材料としては、シリコン、酸素及びカーボンを含む上述の感光性塗布型の有機材料を用いることができる。また、有機膜５ａは、本工程で照射されるレーザー光に対する透過率が３７％未満となるように形成されることが好ましい。なお、その後、有機膜５ａに対してプリベークを行って有機膜５ａの仮焼成を行う。例えば、約１１０℃の温度で約６０秒間の加熱を行う。これにより、有機膜５ａに含まれる溶剤が気化する。
【００６８】
次に、図２の（ｆ）に示すように、フォトマスクを用いて露光及び現像することにより、有機膜５ａを所定形状にパターニングする。なお、現像液としては、例えば、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｙｄｅ）の２．３８％水溶液を用いることができる。その後、パターン形成された有機膜５ａに対してポストベークを行うことにより、有機膜５ａの本焼成を行う。例えば、２８０℃〜３００℃の温度で約１時間の加熱を行う。これにより、有機膜５ａ中の有機成分の一部が気化、分解して、膜質が改善される。
【００６９】
次に、図２の（ｇ）に示すように、有機膜５ａに対して所定のレーザー光を走査して照射することにより有機膜５ａを透明化することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５を形成する。具体的には、有機膜５ａにレーザー光が照射されると、有機膜５ａは、レーザー光のエネルギーを吸収して光反応、あるいは熱反応し、不透明から透明に改質されて透明化する。すなわち、レーザー光が照射された有機膜５ａは透過率が高くなって透明化する。なお、このときに、有機膜５ａは、レーザー光のエネルギーを吸収して熱反応し、有機膜５ａは無機化する場合もある。
【００７０】
本実施の形態において、チャネル保護膜５のレーザー光に対する透過率は、レーザー光の照射前で３７％未満であり、レーザー光の照射後で３７％以上とすることが好ましい。すなわち、透明化のためのレーザー光は、当該レーザー光の照射後における有機膜５ａの透過率が３７％以上となるような条件にて行うことが好ましい。これにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光を、チャネル保護膜５に確実に透過させることができるので、チャネル保護膜５の下方に位置する非結晶質の半導体薄膜４ａを容易に結晶化させることができる。この結果、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化するときの熱を、直上のチャネル保護膜５に効率良く伝導させることができる。従って、チャネル保護膜５の無機化を容易に行うことができる。
【００７１】
次に、図２の（ｈ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａをアニールすることによって、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化させることにより、結晶化領域を有するチャネル層４を形成する。この工程により、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化して、多結晶質（微結晶を含む）の結晶化領域を含むチャネル層４とすることができる。
【００７２】
本実施の形態において、非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化は、同図に示すように、チャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対してレーザー光を照射することによって行った。このとき、チャネル保護膜５は透明化されているので、レーザー光はチャネル保護膜５を透過して、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａにも照射される。従って、チャネル保護膜５の下方の非結晶質の半導体薄膜４ａについても結晶化することができる。
【００７３】
非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化は、非結晶質の半導体薄膜４ａがレーザー光のエネルギーを吸収して温度上昇することによって発現する。本実施の形態では、非結晶質の半導体薄膜４ａとしてアモルファスシリコン膜を用いているので、アモルファスシリコンが１４１４度（シリコンの融点）以上の温度にまで上昇して多結晶化する場合だけではなく、アモルファスシリコンが７５０度〜１４１４度程度の温度により固相成長又は過冷却液体状態を経て微結晶化する場合も含まれる。この場合、チャネル層４における結晶シリコンの平均結晶粒径は、５ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であり、チャネル層４には、平均結晶粒径が１００ｎｍ以上の多結晶シリコンだけではなく、平均結晶粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍのマイクロクリスタル（μｃ）と呼ばれる微結晶シリコンも含まれる場合もある。
【００７４】
そして、この工程において、チャネル保護膜５は、非結晶質の半導体薄膜４ａが結晶化して結晶化領域が形成される際に発生する熱によって無機化される。すなわち、結晶化時に非結晶質の半導体薄膜４ａから熱が発生し、この熱がチャネル保護膜５に伝導することによってチャネル保護膜５の加熱されて無機化する。有機膜５ａの無機化の詳細については後述する。
【００７５】
このように、本実施の形態では、基板１に対してレーザー光を相対走査することによってチャネル保護膜５の上方からレーザー光の照射を行うことにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともにチャネル保護膜５を無機化する。
【００７６】
なお、レーザー光のレーザー光源としては、紫外線領域、可視光領域、又は赤外線領域の波長の光を発する光源を用いることができ、これらの光源を、図２の（ｇ）に示す有機膜の透明化の工程、あるいは図２の（ｈ）に示す半導体薄膜の結晶化の工程のそれぞれに応じて使い分けることができる。
【００７７】
本実施の形態では、紫外線領域の波長の光を発するレーザーを用いることができる。例えば、有機膜の吸収係数が不透明領域から透明領域に急峻に変化する発光波長が約１９０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であるエキシマレーザーを用いることができる。
【００７８】
また、線状に集光されたレーザー光を非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａに照射するが、この照射の方法には例えば２つある。１つは、線状に集光されたレーザー光の照射位置を固定し、非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａが形成された基板１が載せられたステージを移動させる方法である。もう１つは、逆に、ステージ（基板１）を固定し、レーザー光の照射位置を移動させる方法である。いずれの方法においても、レーザー光は、非結晶質の半導体薄膜４ａ及び有機膜５ａに対して相対的に移動しながら照射される。
【００７９】
次に、図２の（ｉ）に示すように、チャネル保護膜５の上面からチャネル層４の上面までを跨るようにして、コンタクト層６を形成する。具体的には、チャネル保護膜５の上面及び側面上と、チャネル層４の上面上とを覆うようにして、例えばプラズマＣＶＤによってリン等の５価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンからなるコンタクト層６を成膜する。
【００８０】
次に、図２の（ｊ）に示すように、コンタクト層６を覆うようにして、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄとなるソースドレイン金属膜７を形成する。例えば、スパッタによって、ＭｏＷ／Ａｌ／ＭｏＷの三層構造のソースドレイン金属膜７を成膜する。
【００８１】
その後、図示しないが、所定形状のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄをパターン形成するために、ソースドレイン金属膜７上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。
【００８２】
次に、このレジストをマスクとしてエッチングを施してソースドレイン金属膜７をパターニングすることにより、図２の（ｋ）に示すように、所定形状のソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄを形成する。このとき、コンタクト層６がエッチングストッパとして機能する。その後、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄ上のレジストを除去し、ソース電極７Ｓ及びドレイン電極７Ｄをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層６をパターニングするとともにチャネル層４を島状にパターニングする。これにより、所定形状の一対のコンタクト層６と島状のチャネル層４とを形成することができる。ドライエッチングの条件としては、例えば、塩素系ガスを用いることができる。
【００８３】
以上のようにして、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０を製造することができる。
【００８４】
次に、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の特性について、発明に至った経緯も含めて、図３Ａ〜図１４を用いて説明する。
【００８５】
まず、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を用いて、従来の薄膜半導体装置１００の課題について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、従来の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。また、図４は、従来の薄膜半導体装置の電流電圧特性を示す図である。
【００８６】
図３Ａ及び図３Ｂに示す従来の薄膜半導体装置１００と図１に示す本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０とは、チャネル保護膜の構成が異なっており、従来の薄膜半導体装置１００のチャネル保護膜１０５は有機材料で構成されているが、レーザー照射されておらず、透明化されていない。
【００８７】
このような構成の従来の薄膜半導体装置１００では、図３Ａに示すように、有機材料からなるチャネル保護膜１０５には正の固定電荷が多く含まれる。このため、固定電荷によってチャネル保護膜１０５の下のチャネル層４（チャネル保護膜５とチャネル層４との界面近傍）に微弱な電圧（Ｖｆ）が印加される状態となる。この場合、固定電荷による電圧（Ｖｆ）が、チャネル層４におけるバックチャネルの閾値電圧（Ｖｂｃ）以上になってしまうと、寄生トランジスタが動作してバックチャネルが形成される。その結果、リーク電流が増大し、図４に示すように、薄膜半導体装置のオフ特性が悪化する。
【００８８】
また、有機材料からなるチャネル保護膜１０５に含まれる不純物等によってチャネル保護膜１０５にはトラップ準位が多数存在し、このトラップ準位によりキャリアがトラップされやすくなっている。このトラップ準位によってキャリアがトラップされるので、図４に示すように、薄膜半導体装置１００の閾値電圧がシフトし、薄膜半導体装置の信頼性が悪化したり、電気特性にバラツキが生じて基板面内均一性が悪化したりする。
【００８９】
このように、有機材料のチャネル保護膜を有する薄膜半導体装置は、オフ特性及び信頼性が悪いという問題がある。
【００９０】
そこで、本願発明者は、以下の実験を行って鋭意検討した結果、有機膜からなるチャネル保護膜を無機化することによって、すなわち有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけるように膜改質することによって、上記課題を解決できることを見出した。以下、詳細に説明する。
【００９１】
まず、無機材料からなる無機膜としては、酸化シリコン膜がある。そこで、まず、酸化シリコン膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に１００ｎｍ程度の酸化シリコン膜を形成してＩＲスペクトルを測定した。図５は、酸化シリコン膜のＩＲスペクトルを示す図である。
【００９２】
測定の結果、図５に示すように、酸化シリコン膜には、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの振動として３つのピークが見られることが分かった。具体的には、４８０ｃｍ−１（Ａ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（横揺れ振動）と、７８０ｃｍ−１（Ｂ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（変角振動）と、１０８０ｃｍ−１（Ｃ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮振動）とを確認することができる。
【００９３】
次に、有機膜の化学構造を調べるために、シリコン基板上に１００ｎｍ程度の有機材料からなる有機膜を形成してＩＲスペクトルを測定した。また、有機膜は熱処理によって固化させるが、有機膜のＩＲスペクトルの温度依存性についても調べた。図６は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図である。なお、有機膜は、上述の本実施の形態におけるチャネル保護膜５の有機材料を用いた。また、有機膜は、２０分間のベークを行ったものである。
【００９４】
測定の結果、図６に示すように、有機膜には、Ａ〜Iの９個のピークが見られることが分かった。具体的には、４８０ｃｍ−１（Ａ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（横揺れ）と、７００ｃｍ−１（Ｂ）におけるＣ−Ｈ（変角（芳香族））と、７８０ｃｍ−１（Ｃ）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（変角）と、１０８０ｃｍ−１（D）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮）と、１１３０ｃｍ−１（E）におけるＳｉ−ｐｈｅｎｙｌと、１２８０ｃｍ−１（F）におけるＳｉ−ＣＨ３（変角）と、１４３０ｃｍ−１（G）におけるＳｉ−ｐｈｅｎｙｌと、１５００ｃｍ−１（H）におけるＣ−Ｃ（伸縮（芳香族））と、１５８０ｃｍ−１（I）におけるＣ−Ｃ（伸縮（芳香族））とを確認することができる。
【００９５】
また、ベーク温度を３００度〜６００度の温度範囲で変化させて測定しているが、図６に示すように、ベーク温度の上昇とともに、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が増加するとともに、Ｓｉ−ＯＨ、Ｓｉ−ｐｈｅｎｙｌ結合が減少していることが確認できる。
【００９６】
図５及び図６に示す結果に基づいて、本願発明者は、有機膜を加熱することによって有機膜のストイキオメトリーを無機膜のストイキオメトリーに近づけることができ得るという知見を得ることができた。
【００９７】
しかしながら、図６に示すように、６００度の熱処理後においても、相当な量の有機成分が残っていることが分かる。そこで、有機膜に対して６００度以上の熱処理を施すことにより、有機膜をさらに無機化することができると考えられるが、ベーク温度を６００度以上にするとガラス基板が溶融してしまうので、ベーク温度を６００度以上にすることは難しい。また、ベーク温度を６００度以上にすると、上限が４００度程度である低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することができなくなる。なお、通常、有機膜のチャネル保護膜のベーク温度は最大でも４００度程度で十分であることからも、ベーク温度を６００度以上にすることは好ましくない。このように、ベークは、基板全体が高温に曝されてしまうので、ベーク温度を上昇させるには限界がある。
【００９８】
そこで、本願発明者は、有機膜に対してレーザー光を照射することによって有機膜を６００度以上の高温にすることを考えた。レーザー光であれば、レーザー光の照射部分を局所的に高温にすることができるので、ガラス基板を溶融させることなく、また、低温プロセスを用いて薄膜トランジスタを製造することも可能となる。
【００９９】
図７は、有機膜のＩＲスペクトルを示す図であり、有機膜を３００度〜１１００度の温度範囲で5分間の熱処理を行った後、ＩＲ測定した結果を示している。なお、図７における有機膜は、シロキサンを主骨格に含む有機材料（材料Ａ）によって構成されている。
【０１００】
図７に示すように、温度の増加に伴って、１２８０ｃｍ−１でピークが見られるＳｉ−ＣＨ３（変角）等の有機物に起因する振動モードが消失し、１０８０ｃｍ−１でピークが見られるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ（伸縮）が増加してＳｉＯの結合が増加していることが分かる。特に、５００度と６００度との間においてスペクトルが急に変化していることが分かる。図８Ａの（ａ）及び図８Ｂの（ａ）は、それぞれ図７の（ｃ）及び（ｄ）を拡大したものである。図８Ａの（ｂ）及び図８Ｂの（ｂ）は、それぞれ図８Ａの（ａ）及び図８Ａの（ａ）における破線で囲まれる領域を拡大した図である。
【０１０１】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、５００度と６００度との間において吸収係数が急に大きくなるとともに半値幅が急に小さくなることも分かる。従って、本実施の形態では、有機膜のＩＲスペクトルが急に変化する５００度と６００度とにおける１０８０ｃｍ−１に存在するピークの半値幅が（６０ｃｍ−１＋１７０ｃｍ−１）／２＝１１５ｃｍ−１以下となる場合を無機化と定義する。
【０１０２】
次に、上記有機材料（材料Ａ）によって形成された有機膜におけるレーザー光に対する光学特性について、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の屈折率の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の屈折率との関係を示した図である。また、図１０Ａ及び図１０Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の消衰係数に関する波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の消衰係数との関係を示した図である。なお、図９Ｂは、図９Ａと横軸のパラメータが異なるのみで、図９Ａと同じ特性を示している。図１０Ｂも同様に図１０Ａと同じ特性を示している。
【０１０３】
まず、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、屈折率が小さくなり、酸化シリコンの屈折率（ｎ＝１．４）に近づくことが分かる。すなわち、屈折率の観点から、レーザー光によって有機膜を加熱することによって有機膜を酸化シリコン膜に近づけることができる、ということが分かる。
【０１０４】
また、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、有機膜の加熱温度が上昇するに従って、消衰係数が小さくなることが分かる。すなわち、レーザー光によって有機膜を加熱することによって、有機膜を透明化することができる。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、約８００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、これは測定装置の検出限界を超えたためである。この範囲では、消衰係数の値は小さく、１×１０−７ｃｍ−１以下となっている。なお、測定装置は、分光エリプソメーターを用いた。
【０１０５】
また、吸収係数αは、入射する波長をλ、消衰係数をｋとすると、α=４πｋ／λとして表すことができるので、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す消衰係数の特性は吸収係数の特性としても表すことができ、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す結果となる。図１１Ａ及び図１１Ｂは、材料Ａの有機膜に熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものであり、照射するレーザー光の波長と、有機膜の熱処理温度と、有機膜の吸収係数との関係を示す図である。なお、図１１Ｂは、図１１Ａと横軸のパラメータが異なるのみで、図１１Ａと同じ特性を示している。
【０１０６】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、有機膜（材料Ａ）の吸収係数は、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、約８００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図１０Ｂと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は１×１０−１ｃｍ−１以下となっている。
【０１０７】
以上のように、有機膜は、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにＳｉＯの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。
【０１０８】
次に、有機膜の材料を変えて、図１１Ａ及び図１１Ｂと同様にして有機膜における吸収係数の波長及び温度の依存性を測定した結果について説明する。図１２Ａ及び図１２Ｂは、材料Ｂによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。また、図１３Ａ及び図１３Ｂは、材料Ｃによって形成された有機膜を熱処理したときにおける、有機膜の吸収係数の波長依存性と熱処理温度の依存性を示したものである。なお、図１２Ｂ及び図１３Ｂは、それぞれ、図１２Ａ及び図１３Ａに対して横軸のパラメータが異なるのみで、図１２Ａ及び図１２Ｂと同じ特性を示している。
【０１０９】
ここで、材料Ｂは、材料Ａと同様に、シロキサンを主骨格に含む有機材料である。また、材料Ｃは、シルセスシオキサンを主骨格に含む有機材料である。なお、材料Ｂ及び材料Ｃのその他の構成は材料Ａと同様である。
【０１１０】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、有機膜（材料Ｂ）の吸収係数は、有機膜（材料Ａ）と同様に、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。
【０１１１】
また、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、有機膜（材料Ｃ）の吸収係数は、有機膜（材料Ａ）と同様に、５００度までは一定あるいは微増しているが、５００度から６００度になると１桁以上小さくなることが分かる。また、６００度を超えてさらに高温になると、吸収係数はさらに小さくなることが分かる。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、約７００度〜約９００度までの温度範囲についてはデータがプロットされていないが、図１１Ｂと同様に、実際には限りなく小さい値の吸収係数であり、吸収係数は１×１０−１ｃｍ−１以下となっている。
【０１１２】
以上のように、異なる有機材料からなる有機膜であっても、レーザー光の照射によって温度が上昇し、これにより、吸収係数が小さくなって透明化するということが分かる。また、有機膜の温度が上昇することによって、有機物に起因する振動モードが消失するとともにＳｉＯの結合が増加し、これにより、無機化することが分かる。
【０１１３】
また、有機膜の材料を異ならせることによって、レーザー光の波長に対する吸収係数を変えることができることも分かる。これにより、レーザー光の照射前においては非透明（色付き）となるように、かつ、レーザー光の照射後においては透明となるように、有機材料の種類及びレーザー光の波長を選択することができる。
【０１１４】
本実施の形態では、チャネル保護膜５の前駆体である非透明の有機膜５ａにレーザー光を照射することによって、当該有機膜５ａを透明化してチャネル保護膜５を形成する。従って、レーザー光照射前における透過率が３７％未満となるように、また、レーザー光照射後における透過率が３７％以上となるように、有機膜５ａの材料及びレーザー光の波長を選択することが好ましい。
【０１１５】
ここで、有機膜の透過率τは、入射光の強度Ｉ０と、有機膜を通過した光の強度Ｉとを用いて表すと、τ＝Ｉ／Ｉ０で表され、さらに、有機膜の吸収係数αと、有機膜の膜厚ｔとを用いて表すと、τ＝Ｉ／Ｉ０＝ｅｘｐ（−αｔ）で表すことができる。本実施の形態において、有機膜が不透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚ｔとの積が１より大きい場合とすると、この場合、−αｔ＝−１となる透過率τは、τ＝ｅｘｐ（−１）＝０．３６７８９≒３７％となるので、透過率は３７％未満となる。一方、有機膜が透明である場合を、有機膜の吸収係数αと有機膜の膜厚ｔとの積が１以下の場合とすると、この場合、透過率は３７％以上となる。なお、吸収率は、１−透過率（τ）で表すことができる。
【０１１６】
図１４は、有機膜の吸収係数α（ｃｍ−１）と有機膜の膜厚ｔ（ｃｍ）とに対する有機膜の透過率の関係を示す図である。図１４に示すように、本実施の形態では、有機膜の透過率が３７％未満となる場合を不透明とし、有機膜の透過率が３７％以上となる場合を透明としている。
【０１１７】
これにより、図１４と、図１１Ａ〜図１３Ｂとを用いることにより、レーザー光を照射する前には不透明としつつレーザー光を照射した後には透明となるような、所望の有機材料の種類、レーザー光の波長及びレーザー照射条件（加熱温度）を選択することができる。
【０１１８】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置１０によれば、結晶化時のレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対して所望のレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともに、このときに発生する熱によってチャネル保護膜５を無機化する。すなわち、チャネル保護膜５には、非結晶質の半導体薄膜４ａの結晶化時に発生する熱が伝導し、この熱によってチャネル保護膜５の温度が上昇してチャネル保護膜５が無機化される。
【０１１９】
従って、図１５Ａに示すように、チャネル保護膜５が無機化されることによって、チャネル保護膜５の固定電荷が減少するので、バックチャネルの形成を抑えることができる。これにより、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２０】
また、チャネル保護膜５が無機化されることによって、図１５Ｂに示すように、チャネル保護膜５のトラップ準位を減少させることもできるので、チャネル保護膜５におけるキャリアのトラップを抑えることができる。これにより、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができるので、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２１】
なお、本実施の形態において、チャネル保護膜５の膜厚は、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
【０１２２】
図１６は、チャネル保護膜５の膜厚を変化させた場合における非結晶質の半導体薄膜４ａの吸収率の変化を示す図である。なお、図１６では、チャネル保護膜５の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値を横軸に、非結晶質の半導体薄膜４ａの吸収率を縦軸に示している。また、図１６の計算では、ゲート絶縁膜３が酸化シリコンからなり、ゲート絶縁層３の光学膜厚、すなわちゲート絶縁層３の膜厚にゲート絶縁層３の屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が０．２７６（波長５３２ｎｍで酸化シリコン層膜厚が１００ｎｍに対応）からなり、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａ（非結晶性シリコン薄膜）の光学膜厚に非結晶質の半導体薄膜４ａの屈折率を積算した値を、レーザー光の波長で除算した値が０．４７７（波長５３２ｎｍで非結晶性シリコン層の膜厚が５０ｎｍに対応）からなるモデルを用いている。そして、図１６の破線、二点鎖線および実線は、それぞれゲート電極２がＣｕ、ＡｌおよびＭｏＷの場合の計算結果を示している。
【０１２３】
図１６に示すように、チャネル保護膜５の光学膜厚をレーザー光の波長で除算した値をＺとし、ｋを０から始まる整数とし、Ｚが下記の（式１）を満たせば、非結晶質の半導体薄膜４ａにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができる。なお、図１６のｋ＝０、１、２は、それぞれ（式１）におけるｋ＝０、１、２のときのＺの範囲を示している。
【０１２４】
（式１）０．５×（ｋ＋０．３）≦Ｚ≦０．５×（ｋ＋０．７）
【０１２５】
このように、チャネル保護膜５の膜厚を（式１）の条件を満たすように設定することにより、チャネル保護膜５の下の非結晶質の半導体薄膜４ａにおけるレーザー光の吸収効率を増大させることができるので、チャネル保護膜５の下の領域を効率的に加熱処理でき、非結晶質の半導体薄膜を効率的に結晶化することができるとともに、半導体薄膜からの熱伝播によりチャネル保護膜５を効率的に透明化できる。これによりオフ特性及び信頼性に優れた薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１２６】
また、本実施の形態において、図２の（ｅ）において、有機膜５ａに対してプリベークを行ったが、このときに、非結晶質の半導体薄膜４ａと有機膜５ａとの界面に界面層５０が生成する場合がある。界面層５０は、カーボンを主成分として含むものであり、その主成分であるカーボンは有機膜５ａの有機材料に由来するカーボンである。
【０１２７】
図１７Ａは、界面層５０が形成された場合における第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置１０Ａの構成を示す断面図である。
【０１２８】
図１７Ａに示すように、界面層５０は、チャネル層４とチャネル保護膜５との間に形成される。界面層５０は、絶縁性を有する絶縁膜であって、界面層５０の比抵抗は、２×１０６（Ω・ｃｍ）以上とすることが好ましい。
【０１２９】
また、図１７Ａに示すように、薄膜半導体装置１０Ａでは、界面層５０とコンタクト層６との間に、一対の非結晶質のシリコン薄膜６０が形成されている。非結晶質のシリコン薄膜６０は、アモルファスシリコン膜からなり、意図的な不純物のドーピングが行われていないｉ層である。従って、非結晶質のシリコン薄膜６０は、不純物がドープされたコンタクト層６と比べて電気抵抗が高くなっている。但し、非結晶質のシリコン薄膜６０には、自然に含まれる不純物は存在し、非結晶質のシリコン薄膜６０の不純物濃度としては、１×１０１７（ａｔｍ／ｃｍ３）以下である。
【０１３０】
次に、図１７Ａに示す薄膜半導体装置１０Ａにおける界面層５０の構成について、図１８Ａ及び図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａは、図１７Ａに示す薄膜半導体装置の界面層周辺における断面ＴＥＭ像である。また、図１８Ｂは、図１８Ａの破線で囲まれる領域Ｂの断面構造を説明するための模式図である。
【０１３１】
図１８Ａに示すように、チャネル層４とチャネル保護膜５との界面に、極薄膜の界面層５０が形成されていることが分かる。また、図１８Ａから、膜厚が２ｎｍ程度の界面層５０が形成されていることが分かる。
【０１３２】
界面層５０は、上述のように、チャネル保護膜５を加熱固化する際に生成される層であり、図１８Ｂに示すように、界面層５０のチャネル層４側は、チャネル保護膜５の前駆体である有機膜５ａの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と、チャネル層４のシリコン原子とが結合した状態となっていると考えられる。
【０１３３】
具体的には、図１８Ｂに示すように、界面層５０とチャネル層との界面は、界面活性剤のＹ−Ｓｉ−（Ｏ）３と結晶シリコン薄膜のＳｉとが結合し、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が存在する状態となっている。なお、Ｙ−Ｓｉ−（Ｏ）３におけるＹは、有機材料と反応結合する官能基であって、アミノ基、エポキシ基、メタクリル基、ビニル基又はメルカプト基等である。
【０１３４】
また、界面層５０のチャネル保護膜５側は、ＳｉＯＣ系ポリマー（少なくともＳｉ、Ｏ、Ｃを主成分元素として形成された薄膜）及びＳ（硫黄）系ポリマー（構成元素としてＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｓを含有する薄膜）が存在する状態となっている。ＳｉＯＣ系ポリマーは、有機膜５ａの材料に含まれる界面活性剤のシリコン化合物と感光性有機樹脂材料に含まれるカーボンとがポリマー化したものと考えられる。また、Ｓ系ポリマーは、有機膜５ａの有機材料に含まれる感光剤、界面活性剤及び感光剤がポリマー化した薄膜であると考えられる。
【０１３５】
このように、界面層５０は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合とポリマーとが複合的にマトリクス状となった構成であると考えられる。また、界面層５０の上には、バルクのＳｉＯＣ系ポリマーからなるチャネル保護膜５が存在する。
【０１３６】
なお、界面層５０がチャネル層４及びチャネル保護膜５のいずれとも異なる材料で構成されることは、図１８Ａからも明らかである。すなわち、図１８ＡのＴＥＭ像に示されるように、チャネル層４とチャネル保護膜５との間にはコントラストの異なる層が確認できる。なお、ＴＥＭ像においてコントラストの違いは材料の密度が異なることを表しており、異なる層が存在することを意味する。従って、チャネル層４とチャネル保護膜５との間には、これらの層とは異なる層として界面層５０が存在している。
【０１３７】
次に、図１７Ａに示す薄膜半導体装置１０Ａにおける炭素（Ｃ）及び硫黄（Ｓ）の濃度分布について、図１９を用いて説明する。図１９は、図１７Ａに示す薄膜半導体装置を構成する膜中に含まれる炭素及び硫黄の濃度分布を示す図であって、図１７Ａの矢印Ａに示される厚み（深さ）方向における元素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定してプロットしたものである。
【０１３８】
図１７Ａに示される薄膜半導体装置１０Ａにおいて、同図の矢印Ａの深さ方向に従って炭素及び硫黄の濃度を測定すると、すなわち、コンタクト層６、非結晶質のシリコン薄膜６０、界面層５０及びチャネル層４の順に炭素及び硫黄の濃度を測定すると、図１９に示す測定結果となる。なお、図１９において、「１２Ｃ」及び「３２Ｓ」で示す曲線は、それぞれ炭素及び硫黄の濃度分布を表している。
【０１３９】
図１９に示すように、界面層５０は他の層と比べて炭素濃度及び硫黄濃度が高くなっており、界面層５０に含まれる炭素濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上であり、また、界面層５０に含まれる硫黄濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上であることが分かる。
【０１４０】
さらに、界面層５０に含まれる炭素濃度は、チャネル層４に含まれる不純物としての炭素濃度の５０倍以上であることも分かる。また、界面層５０に含まれる硫黄濃度は、チャネル層４に含まれる不純物としての硫黄濃度の１００倍以上であることも分かる。
【０１４１】
このように形成された界面層５０は、カーボンを主成分としているので、チャネル層４と比較してより多くのカーボンを含有している。このように、チャネル層４の凸部とチャネル保護層５との界面にカーボンを主成分とする界面層５０が存在するので、チャネル保護層５とチャネル層４との界面において散乱を増大させることができ、当該界面層５０がキャリアの移動をブロックする障壁として機能する。すなわち、チャネル層４の上部における抵抗値を増加させることができる。これにより、チャネル層４のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。
【０１４２】
また、界面層５０に含まれる硫黄は、チャネル保護層５の有機材料の感光剤に含まれる硫黄である。すなわち、界面層５０に含まれる硫黄は、チャネル保護層５の有機材料に由来する。硫黄は、カーボン及び酸素に比べて原子半径が大きいため、キャリアの移動を妨げる効果がカーボン及び酸素に比べて大きい。従って、界面層６に硫黄が含まれていることにより、上記のキャリア移動度をさらに低下させることができ、薄膜半導体装置のオフ特性を一層向上させることができる。
【０１４３】
これにより、仮にチャネル保護層５に固定電荷が発生した場合であっても、界面層５０による散乱によって、キャリアのバックチャネル伝導を抑制することができる。
【０１４４】
なお、図１７Ａに示した薄膜半導体装置１０Ａは、界面層５０の成分を詳細に検討するために、界面層５０を除去せずに意図的にチャネル層４の全面に界面層５０を残しているが、ＴＦＴ特性を向上させるという観点からは、電流経路に存在する界面層５０は十分除去することが好ましい。つまり、図１７Ａに示した薄膜半導体装置１０Ａでは、電流経路となるコンタクト層６０とチャネル層４の間に高抵抗の界面層５０が存在するため、オン特性が低下する。従って、優れたオン特性を有する薄膜半導体装置を実現するためには、有機膜５ａを所定形状にパターニングする際、残渣として残りうる界面層５０を現像処理、またはエッチング処理を用いて十分除去することによって、図１７Ｂに示す薄膜半導体装置１０Ｂのように、電流経路となるコンタクト層６０とチャネル層４の間に高抵抗の界面層５０が存在させないことが好ましい。
【０１４５】
以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る他の薄膜半導体装置１０Ｂによれば、チャネル層４の上部とチャネル保護層５との間にカーボンを主成分として含む界面層５０が形成されているので、チャネル層４のバックチャネル領域でのキャリア移動度を低下させることができる。これにより、オフ時のリーク電流を抑制することができるので、オフ特性を向上させることができる。
【０１４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法について、図２０を用いて説明する。図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、図２０において、図２に示す構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付している。
【０１４７】
本実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成は、図１に示す第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置の構成と同様であるが、本実施の形態は、チャネル保護膜５が無機膜からなる点で、チャネル保護膜５を有機膜とする第１の実施の形態と異なる。また、第１の実施の形態では、チャネル保護膜５を非透明から透明にして透明化したが、本実施の形態では、チャネル保護膜５を最初から透明膜で構成している。
【０１４８】
以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置の具体的な製造方法について、図２０を参照して説明する。
【０１４９】
まず、図２０の（ａ）〜（ｄ）に示すように、図２の（ａ）〜（ｄ）と同様の工程を行う。これにより、図２０の（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜３の上に、非結晶質の半導体薄膜４ａが形成される。
【０１５０】
次に、図２０の（ｅ）に示すように、非結晶質の半導体薄膜４ａの上に、無機材料からなる無機膜５ｂを形成する。無機膜５ｂは、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するときのレーザー光に対して透明な材料によって構成されており、本実施の形態でも、当該レーザー光に対する透過率は３７％以上とすることが好ましい。
【０１５１】
無機膜５ｂは、例えば、プラズマＣＶＤによって酸化シリコンを成膜することによって形成することができる。なお、透明な無機膜５ｂとしては、酸化シリコン以外の無機材料を用いても構わない。
【０１５２】
次に、図２０の（ｆ）に示すように、無機膜５ｂをパターニングすることによって所定形状のチャネル保護膜５を形成する。無機膜５ｂのパターニングは、フォトリソグラフィ及びエッチングによって行うことができる。
【０１５３】
次に、図２０の（ｇ）〜（ｊ）に示すように、図２の（ｈ）〜（ｋ）と同様の工程を行う。これにより、第１の実施の形態と同様の構成の薄膜半導体装置を得ることができる。
【０１５４】
以上、本実施の形態に係る薄膜半導体装置によれば、第１の実施の形態と同様に、結晶化時のレーザー光に対して透明なチャネル保護膜５の上方から非結晶質の半導体薄膜４ａに対して所望のレーザー光を照射することにより、非結晶質の半導体薄膜４ａを結晶化するとともに、このときに発生する熱によってチャネル保護膜５を無機化する。
【０１５５】
これにより、チャネル保護膜５の固定電荷を減少させることができるので、バックチャネルの形成を抑えることができる。従って、優れたオフ特性を有する薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１５６】
また、チャネル保護膜５を無機化することによってチャネル保護膜５のトラップ準位を減少させることもできる。これにより、チャネル保護膜５におけるキャリアのトラップを抑えることができるので、薄膜半導体装置における閾値電圧のシフトを抑えることができる。従って、信頼性に優れ、かつ、面内均一性が高い薄膜半導体装置を実現することができる。
【０１５７】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記の各実施の形態に係る薄膜半導体装置を表示装置に適用した例であり、本実施の形態では、有機ＥＬ表示装置への適用例について説明する。
【０１５８】
図２１は、本発明の第３の実施の形態に係る有機ＥＬ表示装置の一部切り欠き斜視図である。上述の薄膜半導体装置は、有機ＥＬ表示装置におけるアクティブマトリクス基板のスイッチングトランジスタ又は駆動トランジスタとして用いることができる。
【０１５９】
図２１に示すように、有機ＥＬ表示装置２０は、アクティブマトリクス基板（ＴＦＴアレイ基板）２１と、アクティブマトリクス基板２１においてマトリクス状に配置された複数の画素２２と、複数の画素２２のそれぞれに対応して形成された有機ＥＬ素子２３と、画素２２の行方向に沿って形成された複数の走査線（ゲート線）２７と、画素２２の列方向に沿って形成された複数の映像信号線（ソース線）２８と、映像信号線２８と並行して形成された電源線２９（不図示）とを備える。有機ＥＬ素子２３は、アクティブマトリクス基板２１上に順次積層された、陽極２４、有機ＥＬ層２５及び陰極２６を有する。なお、陽極２４は、実際には画素２２に対応して複数形成される。また、有機ＥＬ層２５も画素２２に対応して複数形成されるとともに、それぞれ、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等の各層が積層されて構成されている。
【０１６０】
次に、上記有機ＥＬ表示装置２０における画素２２の回路構成について、図２２を用いて説明する。図２２は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜半導体装置を用いた画素の回路構成を示す図である。
【０１６１】
図２２に示すように、各画素２２は、直交する走査線２７と映像信号線２８とによって区画されており、駆動トランジスタ３１と、スイッチングトランジスタ３２と、コンデンサ３３と、有機ＥＬ素子２３とを備える。駆動トランジスタ３１は、有機ＥＬ素子２３を駆動するトランジスタであり、また、スイッチングトランジスタ３２は、画素２２を選択するためのトランジスタである。
【０１６２】
駆動トランジスタ３１において、ゲート電極３１Ｇがスイッチングトランジスタ３２のドレイン電極３２Ｄに接続され、ソース電極３１Ｓが中継電極（不図示）を介して有機ＥＬ素子２３のアノードに接続され、ドレイン電極３１Ｄが電源線２９に接続される。
【０１６３】
また、スイッチングトランジスタ３２において、ゲート電極３２Ｇは走査線２７に接続され、ソース電極３２Ｓは映像信号線２８に接続され、ドレイン電極３２Ｄはコンデンサ３３及び駆動トランジスタ３１のゲート電極３１Ｇに接続されている。
【０１６４】
この構成において、走査線２７にゲート信号が入力されて、スイッチングトランジスタ３２がオン状態になると、映像信号線２８を介して供給された映像信号電圧がコンデンサ３３に書き込まれる。コンデンサ３３に書き込まれた映像信号電圧は、１フレーム期間を通じて保持され、この保持された映像信号電圧により、駆動トランジスタ３１のコンダクタンスがアナログ的に変化し、発光階調に対応した駆動電流が有機ＥＬ素子２３のアノードからカソードへと流れて有機ＥＬ素子２３が発光する。
【０１６５】
なお、本実施の形態では、有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置について説明したが、アクティブマトリクス基板が用いられる他の表示装置にも適用することができる。また、このように構成される表示装置については、フラットパネルディスプレイとして利用することができ、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのあらゆる表示パネルを有する電子機器に適用することができる。
【０１６６】
以上、本発明の実施の形態に係る薄膜半導体装置及びその製造方法について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１６７】
例えば、上記の実施の形態では、半導体薄膜としてシリコン薄膜を用いたが、シリコン薄膜以外の半導体薄膜を用いることができる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はＳｉＧｅからなる半導体薄膜を結晶化させて結晶質の半導体薄膜からなるチャネル層を形成することもできる。
【０１６８】
また、上記の実施の形態において、結晶質シリコン薄膜は、ｎ型半導体であっても、ｐ型半導体であっても良い。
【０１６９】
なお、その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明に係る薄膜半導体装置は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの表示装置、又はその他薄膜トランジスタを有する様々な電気機器等に広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１７１】
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ チャネル層
４ａ 非結晶質の半導体薄膜
５、１０５ チャネル保護膜
５ａ 有機膜
５ｂ 無機膜
６ コンタクト層
７ ソースドレイン金属膜
７Ｄ ドレイン電極
７Ｓ ソース電極
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１００ 薄膜半導体装置
２０ 有機ＥＬ表示装置
２１ アクティブマトリクス基板
２２ 画素
２３ 有機ＥＬ素子
２４ 陽極
２５ 有機ＥＬ層
２６ 陰極
２７ 走査線
２８ 映像信号線
２９ 電源線
３１ 駆動トランジスタ
３２ スイッチングトランジスタ
３１Ｇ、３２Ｇ ゲート電極
３１Ｓ、３２Ｓ ソース電極
３１Ｄ、３２Ｄ ドレイン電極
３３ コンデンサ
５０ 界面層
６０ 非結晶質のシリコン薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を準備する第１工程と、
前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、
前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、
前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、
前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、
前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、
前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、
前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成される、
薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上となるように形成される、
請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第６工程において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化される、
請求項１又は２に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に形成したゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、
前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、
前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、
前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明である、
薄膜半導体装置。
【請求項６】
前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上である、
請求項５に記載の薄膜半導体装置。
【請求項７】
前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化したものである、
請求項５又は６に記載の薄膜半導体装置。
【請求項８】
前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、
請求項５ないし７のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項９】
さらに、前記結晶質の半導体薄膜と前記第２絶縁膜との間に形成された、カーボンを含有する界面層を有し、
前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の５０倍以上である、
請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１０】
前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である、
請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１１】
前記界面層は、硫黄を含む、
請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１２】
前記界面層に含有される硫黄の濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含まれる不純物としての硫黄の濃度の１００倍以上である、
請求項１１に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１３】
前記界面層に含有される硫黄の濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である、
請求項１１に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１４】
前記界面層の比抵抗は、２×１０６［Ω・ｃｍ］以上である、
請求項５ないし請求項１３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１５】
前記界面層の厚みは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である、
請求項５ないし請求項１４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１】
基板を準備する第１工程と、
前記基板上にゲート電極を形成する第２工程と、
前記ゲート電極上に第１絶縁膜を形成する第３工程と、
前記第１絶縁膜上に非結晶質の半導体薄膜を形成する第４工程と、
前記非結晶質の半導体薄膜上に第２絶縁膜を形成する第５工程と、
前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより、前記非結晶質の半導体薄膜を結晶化させて結晶化領域を形成する第６工程と、
前記結晶化領域の上方にソース電極及びドレイン電極を形成する第７工程と、を含み、
前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明となるように形成される、
薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第５工程において、前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上となるように形成される、
請求項１に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第６工程において、前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化される、
請求項１又は２に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に形成したゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に形成された結晶質の半導体薄膜と、
前記結晶質の半導体薄膜の上方に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記結晶質の半導体薄膜上に形成された第２絶縁膜と、を具備し、
前記結晶質の半導体薄膜は、前記第２絶縁膜の上方から光線を照射することにより非結晶質の半導体薄膜の少なくとも一部を結晶化したものであり、
前記第２絶縁膜は、前記光線に対して透明である、
薄膜半導体装置。
【請求項６】
前記第２絶縁膜は、前記光線に対する透過率が３７％以上である、
請求項５に記載の薄膜半導体装置。
【請求項７】
前記第２絶縁膜は、前記結晶化領域が形成される際の熱によって無機化したものである、
請求項５又は６に記載の薄膜半導体装置。
【請求項８】
前記第２絶縁膜は、有機材料からなる、
請求項５ないし７のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項９】
さらに、前記結晶質の半導体薄膜と前記第２絶縁膜との間に形成された、カーボンを含有する界面層を有し、
前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含有される不純物としてのカーボンの濃度の５０倍以上である、
請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１０】
前記界面層に含有されるカーボンの濃度は、５×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である、
請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１１】
前記界面層は、硫黄を含む、
請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１２】
前記界面層に含有される硫黄の濃度は、前記結晶質の半導体薄膜に含まれる不純物としての硫黄の濃度の１００倍以上である、
請求項１１に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１３】
前記界面層に含有される硫黄の濃度は、５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上である、
請求項１１に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１４】
前記界面層の比抵抗は、２×１０６［Ω・ｃｍ］以上である、
請求項５ないし請求項１３のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【請求項１５】
前記界面層の厚みは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下である、
請求項５ないし請求項１４のいずれか１項に記載の薄膜半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１８Ａ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１８Ａ】
【公開番号】特開２０１３−９８２４４（Ｐ２０１３−９８２４４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７５６８（Ｐ２０１１−２３７５６８）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【出願人】（５０６０８７８１９）パナソニック液晶ディスプレイ株式会社 (443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【出願人】（５０６０８７８１９）パナソニック液晶ディスプレイ株式会社 (443)
【Ｆターム（参考）】
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