JPH04296015A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、更に詳述すれば、例えば液晶ディスプレイ等の表
示装置に好適に使用される半導体装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来技術とその課題】薄膜半導体能動素子（以下、Ｔ
ＦＴと略称する。）は例えば液晶ディスプレイ用の能動
素子、イメージセンサ用の能動素子をはじめ各種測定器
、スイッチ表示器等の電気電子分野に広く利用されてい
る。これらのうち高電界効果移動度を有するＴＦＴは、
単にスイッチとしての機能の外に記憶伝達、蓄積機能を
持たせることができる点で有用である。

【０００３】近年の情報処理技術の発展に伴って、ブラ
ウン管に代る表示装置として液晶ディスプレイや強誘電
体を用いた各種の固体ディスプレイが開発されている。 これらの表示装置には、能動素子として高電界効果移動
度を有するＴＦＴが不可欠である。また電気信号と光信
号との相互作用または相互変換による新電気光学素子や
、記録材料において二次元的あるいは三次元的広がりを
必要とする場合にも能動素子としてＴＦＴが必要である
。特に近年、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセ
ンスディスプレイ、プラズマディスプレイ等の電子表示
装置や蛍光表示装置等においては高画素表示の要求が高
まっており、イメージセンサ等では高速読み取りが必須
となっているので高電界効果移動度を有するＴＦＴを画
素部に直接形成すると同時に、画素周辺の駆動回路部分
をも一体形成することが提案されている。

【０００４】液晶ディスプレイ等の表示装置において用
いられるＴＦＴはアモルファスシリコン薄膜あるいはポ
リシリコン薄膜から構成されている。ＴＦＴの電界効果
移動度（以下、μＦＥと略記する。）はＴＦＴの構成材
料に依存するが、アモルファスシリコンのμＦＥは０．
１〜１ｃｍ２／Ｖｓｅｃ程度、ポリシリコンＴＦＴで５
〜２０ｃｍ２／Ｖｓｅｃであるので、これ以上のμＦＥ
を有するＴＦＴを得ることはできなかった。

【０００５】アモルファスシリコンから構成されるＴＦ
ＴのμＦＥが小さい理由は、主にダングリングボンド（
シリコン原子の不対電子対）がアモルファスシリコン中
に多量に存在するためである。よってＴＦＴを構成する
シリコン薄膜がアモルファス状態であるかぎりＴＦＴの
μＦＥを向上させることは困難であると考えられる。一
般にアモルファスシリコン薄膜を基板上に形成する場合
には、シランガス（ＳｉＨ４）あるいはジシランガス（
Ｓｉ２Ｈ６）等のシリコンを含有する原料ガスを高周波
電場中で分解して、基板上にシリコンを析出させる方法
が利用されるが、シリコンが基板表面で急冷されてアモ
ルファスシリコンとなって析出する際に、ＳｉＨやＳｉ
Ｈ２等の不対電子対を含む活性種が必然的にとり込まれ
ることとなる。よってアモルファスシリコン薄膜からダ
ングリングボンドを完全に除去することは不可能であり
、その結果として１ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上のμＦＥを有
するアモルファスシリコン薄膜を形成することは不可能
であった。

【０００６】このような問題を解決する方法として、ア
モルファスシリコン薄膜表面を熱アニール処理し結晶化
させることによってμＦＥの向上を計ることが試みられ
ている。この方法はガラス基板等を使用できる６００℃
以下でＴＦＴを製造する際に現在広く使用されている方
法であるが、この方法にあっては、高いμＦＥをもつＴ
ＦＴを得ることが困難であるという不都合があった。さ
らにはガラス基板とシリコン薄膜との間の熱膨張係数の
差によってＴＦＴに歪が発生し、割れや剥離等を発生す
るので、大面積のＴＦＴを作製することは不可能であっ
た。

【０００７】一方、６００℃以下のＬＰＣＶＤ法によっ
て４０ｃｍ２／Ｖｓｅｃを越えるμＦＥを有するＴＦＴ
を製造可能であることが報告されている。しかしながら
ＬＰＣＶＤ法では、３０ｃｍ角程度の基板上にしか形成
することができなく、かつ基板の縮みの問題から大面積
かつ高画素表示装置用のＴＦＴを製造する場合には利用
することができないという不都合があった。

【０００８】このため紫外光レーザや可視光レーザを用
いてアモルファスシリコン薄膜の表面を局所加熱し、１
００ｃｍ２／Ｖ．ｓｅｃを越えるμＦＥを有するＴＦＴ
を製造する方法が提案されている。しかしながらこの方
法は、レーザ光を均一にアモルファスシリコン薄膜表面
に照射することが困難なことや、レーザ光強度のゆらぎ
によりアモルファスシリコン薄膜の製膜条件の制御が困
難なこと等に起因して、得られる結晶化シリコン膜の均
一性に欠けるという問題があった。本発明は上記課題を
解決するためになされたものであって、大面積でかつ高
いμＦＥを有するＴＦＴを供給可能とする製造方法を提
供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決する手段】本発明の半導体装置の製造方法
は、半導体装置の製造工程において、半導体薄膜表面に
レーザもしくは強エネルギー線を一回もしくは多数回照
射することによって該半導体薄膜表面を光アニールする
と共に、半導体薄膜の光アニール面のラマン分光スペク
トルを同時あるいは時分割測定し、この測定値に基づい
て光アニール条件を制御することを解決手段とした。

【００１０】本発明の製造方法において、アモルファス
シリコン薄膜を製造する方法は特に限定されるものでは
なく、６００℃以下におけるプラズマＣＶＤ法、スパッ
タ法、ＬＰＣＶＤ法の通常の成膜手段を利用することが
できる。通常の製膜手段によって得られたシリコン薄膜
は、体積比率で水素を３５％以下含有するか、あるいは
水素を全く含有ないものであって、さらにはアモルファ
ス成分を必然的に含有するものである。プラズマＣＶＤ
法を用いてアモルファスシリコン薄膜を製造するには、
たとえばシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）
等のシラン系ガスを、直流電流にて２．４５ＧＨｚ迄の
高電界中で分解させる方法を利用することができる。ま
たスパッタ法を用いる場合には、直流電流あるいはマグ
ネトロン方式のＲＦ印加スパッタリング法等を利用する
ことができる。その際にターゲットとしては高純度シリ
コン単結晶および高純度シリコン多結晶等を用いること
ができ、その雰囲気にはアルゴンあるいは水素添加のア
ルゴン雰囲気、さらには１００％水素雰囲気等を利用す
ることができる。ＬＰＣＶＤ法としては、たとえば１０
Ｔｏｒｒ以下の減圧下において加熱された基板上に、シ
ランガスやジシンランガス等のシラン系ガスを不活性気
体と共に接触せしめる方法が利用できる。上記のいずれ
の方法においても雰囲気中の酸素含有率を１０２１／ｃ
ｍ３以下望ましくは１０２０／ｃｍ３にする必要がある
。

【００１１】本発明で利用可能なラマン分光光度計は光
源としてアルゴンイオンレーザ、クリプトンレーザ等の
可視から紫外領域のレーザを使ったものであって、分光
器としては迷光比が１０−９程度であれば良いが、測定
システムとしては光電子増倍管（ＰＭ）あるいは固体素
子ディテクタ（ＳＳＤ）を有し、シリコンの光学フォノ
ンである５２０ｃｍ−１付近の光強度を高速かつ波長幅
広く測定できる必要がある。また光アニールには紫外光
源、例えばＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレー
ザ等の紫外領に波長をもち、かつパルス当り１５０ミリ
ジュール以上のエネルギーを有するパルス型レーザの他
、Ａｒイオン、Ｋｒイオンレーザ等の可視および紫外領
に波長を有するもの、あるいは炭酸ガスレーザ等の赤外
域に波長をもつレーザ、さらにはこの連続発振型レーザ
のＱスイッチ化によるパルス変調型レーザ等を利用する
ことができる。そしてこれらレーザ発振器により発生さ
れたレーザあるいは高エネルギー線をアモルファスシリ
コン薄膜に照射することによって、該シリコン薄膜を短
時間で加熱溶融して該シリコン薄膜中に含まれている不
対電子等の影響を低減除去させることでＴＦＴとした際
に４０ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上のμＦＥを有するように処
理することができる。

【００１２】この光アニールは真空中、水素雰囲気、不
活性ガス雰囲気もしくは水素と不活性ガスとの混合雰囲
気中で行なわれることが好ましい。

【００１３】光アニールされるアモルファスシリコン薄
膜表面のラマン分光スペクトルの同時または時分割測定
とは、半導体薄膜表面をレーザもしくは強エネルギー線
を一回もしくは多数回照射することで光アニールされる
アモルファスシリコン薄膜の結晶状態変化を光アニール
の際にラマン分光光度計により測定するものであり、ア
モルファス状態から結晶状態までの変化をリアルタイム
で測定できるものである。なお本発明でいうところの時
分割測定には、加工基板上に一定箇所の条件設定用領域
を設けておき、光アニールの状態を随時、短時間でラマ
ンスペクトルの測定を行うことでモニタしながら、ひき
続き光アニールを続行する場合をも含めるものとする。

【００１４】ラマン分光スペクトルの測定データの判定
規準を、一例としてμＦＥ＝４０ｃｍ２／Ｖｓｅｃを得
る時の場合を以下に示す。この場合には判定基準として
、以下の３条件のうちの少なくとも１つ以上を満足する
か否かを判定することとする。すなわちラマン分光光度
計により測定したデータが測定プローブ光の波長がラマ
ン効果によってシフトしたラマンシフトが５１６ｃｍ−
１以上であること、シリコンの光学フォノンの半値幅比
が２以下であること、結晶状態シリコンに起因する５１
９ｃｍ−１附近の鋭いラマンピークと、アモルファス状
態シリコンに起因する４８０ｃｍ−１附近の幅広いラマ
ンピークとの強度比が１０：１以上、換言すれば５１９
ｃｍ−１ラマンピーク強度が４８０ｃｍ−１ラマンピー
ク強度の１０倍以上であること、の３条件のうちのいず
れか１つ以上を満足するかどうかを判定するものとする
。

【００１５】図１に本発明の工程に使用される光アニー
ル装置の一例を示した。この光アニール装置は、アモル
ファスシリコン薄膜１に光アニールを行なうためのチャ
ンバ２と、このチャンバ２内の雰囲気を制御するための
排気システム３と、アモルファスシリコン薄膜１に照射
する高エネルギー線を発振する光源４と、この光源４か
ら発振された高エネルギー線をアモルファスシリコン薄
膜１全面に掃引照射するための掃引光学系５と、この掃
引光学系５を制御するための掃引制御システム６とこの
掃引制御システム６へラマン分光系７で測定された測定
値をフィードバックするためのフィードバック系８とか
ら構成される。

【００１６】本発明の製造方法に従ってアモルファスシ
リコン薄膜１を光アニールするには、まずチャンバ２内
を排気システム３により水素雰囲気、不活性ガス雰囲気
、水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気、あるいは真空
に調整する。アモルファスシリコン薄膜１は温度を自在
に調整可能な試料ステージ９上に固定される。掃引光学
系５は光源４から発振された高エネルギー線がアモルフ
ァスシリコン薄膜１ほ表面を隈無く走査できるように掃
引制御システム６によって制御されている。掃引光学系
５にはハーフミラー１０が配置されている。このハーフ
ミラーは、光源４から発振された高エネルギー線はほぼ
１００％反射するが、ラマン分光系７から発振された測
定プローブ光はほぼ１００％透過できるものである。 測定プローブ光はラマン分光系７からチャンバ２内に保
持されているアモルファスシリコン薄膜１に照射され、
測定プローブ光のラマン散乱光は掃引光学系５内に配置
された集光系１１で集光された後、ラマン分光系７で実
時間もしくは時分割測定される。この測定結果は直にフ
ィードバック系８を介して、掃引制御システム６に伝送
され、アモルファスシリコン薄膜１に照射される高エネ
ルギー線の掃引条件（照射回数、照射エネルギー、照射
面積）等をコントロールできるようになっている。

【００１７】

【実施例】ＲＦスパッタ電力２００Ｗ、反応圧力０．５
Ｐａ、水素フリーのアルゴン雰囲気中でガラス基板を１
５０℃に保持して、このガラス基板上にアモルファス状
のシリコン薄膜を厚さ１０００オングストロームでＲｆ
スパッタリングにより製膜した。

【００１８】このアモルファスシリコン薄膜を図１に示
したと同様の光アニール装置内に配置して、パルス幅４
０ｎ秒、１パルス当り２００ミリジュール、波長２５４
ｎｍの紫外レーザ光をＫｒＦエキシマレーザより照射し
て光アニール処理を施した。この際にレーザ光がアモル
ファスシリコン薄膜表面に約４ｎｍ角で均一に照射され
るように調整した。またここでレーザラマン分光系とし
ては、日本分光株式会社製のＮＲ−１８００ラマン分光
光度計を用い、測定プローブ波長は４８８ｎｍのＡｒレ
ーザ光をビームサイズφ１．０μｍとした。この際の分
解能は４．０ｃｍ−１であった。

【００１９】このようにして光アニールが施されたアモ
ルファスシリコン薄膜を用いてプレーナ構造のＴＦＴを
製造した。この時のゲート絶縁膜としてはＲｆスパッタ
法でＳｉＯ２を製膜し、ｎ＋のコンタクト層はＫｒＦレ
ーザによるレーザドーピング法を用いた。またＴＦＴの
動作確認は水素雰囲気中加熱下でのアニール処理を行な
った後実施した。ゲート電極としては蒸着アルミニウム
を使用した。

【００２０】本発明の製造方法に従って製造された種々
のＴＦＴのμＦＥと、シリコン薄膜のラマン分光スペク
トルとの関係を調べた。なおこの際のラマン分光スペク
トル測定は、ＴＦＴのゲートアルミ電極を除去して、レ
ーザ光をほとんど吸収しないゲートＳｉＯ２を厚さ１０
０ｎｍで残したまま、ＴＦＴのチャンネル領域（活性層
）の結晶性を評価したものである。この結果を図２に示
した。

【００２１】図２の結果からμＦＥが高い程、ラマンシ
フトは単結晶シリコンの５２１ｃｍ−１に近付き、また
そのピークは次第に急峻になることがわかった。

【００２２】活性層膜のラマンスペクトルとμＦＥの関
係を定性的に説明するために、図３ないし図５にＴＯフ
ォノンのｓｅｃｏｎｄ　ｏｒｄｅｒのピークを含む２種
類の活性層膜のラマンスペクトルを示した。図３、図４
はそれぞれμＦＥ＝２２ｃｍ２／Ｖｓ、μＦＥ＝２０１
ｃｍ２／Ｖｓの活性層膜のラマンスペクトルであり、図
５は単結晶Ｓｉのものである。低μＦＥのＴＦＴでは（
μ＝２２ｃｍ２／Ｖｓ）のＴＯフォノンのｓｅｃｏｎｄ
　ｏｒｄｅｒのピークがほとんど見えないに対して、高
μＦＥのＴＦＴ（μ＝２０１ｃｍ２／Ｖｓ）では単結晶
Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）とほぼ同様な強度のピークがある。こ
の結果から、ＴＦＴのμＦＥはチャンネル領域となる活
性層膜の結晶性と直接に関連していることがわかった。

【００２３】ここでＭＦＥと結晶性の関係を詳細に検討
するために、ラマンスペクトルから得られる活性層Ｓｉ
膜（ｐ−Ｓｉ）の結晶性を評価する幾つかのパラメータ
を定義することにする。先ず、ピークの急峻さと関係す
る半値幅比（ＦＷＨＭ　ｒａｔｉｏ）を（１）式で表す
。

【００２４】 　　半値幅比（ＦＷＨＭ　ｒａｔｉｏ）＝ＦＷＨＭ（ｐ
−Ｓｉ）／ＦＷＨＭ（ｃ−Ｓｉ）・・・（１）

【００２
５】ここで、ＦＷＨＭ（ｐ−Ｓｉ）とＦＷＨＭ（ｃ−Ｓ
ｉ）とはそれぞれｐ−Ｓｉとｃ−Ｓｉの半値幅である。 次に膜中のアモルファス成分と関係するａ−Ｓｉピーク
強度比（ｐｅａｋ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｒａｔｉｏ）を
式（２）で表す。

【００２６】ａ−Ｓｉピーク強度比＝Ｉａ／Ｉｃ・・・
（２）

【００２７】ここで、Ｉｃは単結晶Ｓｉの５２１
ｃｍ−１付近ＴＯフォノンによるピークの強度で、Ｉａ
は活性層Ｓｉ膜の４８０ｃｍ−１付近のａ−Ｓｉ成分に
よるピークの強度である。

【００２８】図６に電界効果移動度のラマンスペクトル
から評価したラマンシフト依存性を示した。μＦＥはラ
マンシフトの増加に従って指数的に増加し、５１９ｃｍ
−１で２００ｃｍ２／Ｖｓ程度の値になる。μＦＥのラ
マンシフトに対する依存性は、低波数領域（５１５〜５
１６ｃｍ−１以下）と高波数領域（５１５〜５１６ｃｍ
−１以上）とに分けられ、２本の直線は異なった傾きを
もっている。低波数領域の直線の傾きは小さく単結晶Ｓ
ｉのラマンシフト（５２１ｃｍ−１）に対するμＦＥの
外挿値は４０〜５０ｃｍ２／Ｖｓ程度で、高波数領域の
直線の傾きは大きくμＦＥの外挿値８００〜１０００ｃ
ｍ２／Ｖｓ程度となって、これは単結晶Ｓｉを活性層と
したＭＯＳＦＥＴの電界効果移動度の値に相当すると考
えられる。

【００２９】図６に電界効果移動度のラマンシフト依存
性を示した。

【００３０】５１５〜５１６ｃｍ−１にある分岐点の物
理上の意味はまだ明確に分からないが、多分これはシリ
コンの溶融点（ｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ）と対応し
ている。５１５〜５１６ｃｍ−１以下の低波数領域にお
ける結晶化は溶融が含まれない単純な熱固相成長過程で
、高波数領域における結晶化は溶融→冷却→結晶成長等
一連の過程と関連していると考えられる。

【００３１】図７に電界効果移動度の半値幅比依存性を
示した。

【００３２】図７と図８にそれぞれμＦＥの半値幅比（
ＦＷＨＭ　ｒａｔｉｏ）依存性とａ−Ｓｉピーク強度比
依存性を示した。 移動度の半値比（ＦＷＨＭ　ｒａｔｉｏ）またａ−Ｓｉ
ピーク強度比依存性は前述のラマンシフト依存性と同様
な傾向を示しており二つの領域に分けられる。また移動
度の単結晶シリコンに対する外挿値も図６と一致してい
る。図６〜図８の実験結果より高移動度をもつエキシマ
レーザ結晶化ＴＦＴを実現するための基本的条件が分か
った。すなわち２００ｃｍ２／Ｖｓ以上の移動度を得る
ためにはラマンシ　フトを５１９ｃｍ−１以上、ａ−Ｓ
ｉピーク強度比１．０％以内、半値幅比を１．５以下に
制御することが必要であることが確認できた。一般にラ
マンシフトで膜の結晶性を評価する場合、結晶膜中の応
力によるラマンシフトを考慮しなければならない。エキ
シマレーザはシリコンの極く表面層のみを加熱するため
基板の縮みなどに応力型のラマンシフトが無視できると
考えられる。

【００３３】図８にはμＦＥのａ−Ｓｉピーク強度比依
存性を示した。

【００３４】以上の結果からＴＦＴを光アニールする際
に本発明で用いるラマンスペクトルの測定値をフィード
バックする判定規準として以下の条件を用いることが可
能であることが確認できた。すわなち例えばμＦＥ＝４
０ｃｍ２／ＶｓｅｃをもつＴＦＴを均一性よく作製する
のであれば図６〜図８によりラマン分光光度計により測
定したデーターがラマンシフトとして５１６ｃｍ−１以
上であること、光学フォノンの半値幅比が２以下である
こと、シリコン薄膜中のアモルファス成分のラマンピー
クの強度が結晶成分のラマンピークの強度の１０分の１
以下であること、のいずれかの条件を満足するまで照射
回数を積算すればよく、あるいは走査開始前に条件設定
用実験箇所にて条件を合せ込めばよく、上記いずれかの
条件をみたした段階でＴＦＴを形成する次のスポットへ
光学系を移行させることで小面積のみならず大面積ディ
スプレイへの対応が出来るようになった。

【００３５】ここで注意するべきは光アニールの際のエ
ネルギーが強すぎると、例えば実施例で述べたスパッタ
により成膜されたシリコン膜の場合ＫｒＦエキシマレー
ザの強度が３５０ミリジュールを越えると半導体層その
ものに損傷が発生しＴＦＴ作成が不可能となるためエネ
ルギーの上限が存在することである。

【発明の効果】以上説明したように本発明の製造方法は
、半導体装置の製造工程において、半導体薄膜表面にレ
ーザもしくは強エネルギー線を照射することによって該
半導体薄膜表面を光アニールすると共に、半導体薄膜の
光アニール面のラマン分光スペクトルを同時あるいは時
分割測定し、この測定値に基づいて光アニール条件を制
御するものであるので、高い電界効果移動度を有する半
導体装置を大面積で製造することができる。また本発明
の製造方法では半導体装置を加熱することがないために
、均一な特性を有する半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置に製造方法に好適に使用さ
れる光アニール装置の一例を示した概略構成図である。

【図２】本発明の製造方法に従って製造されたＴＦＴの
電界効果移動度とラマンシフトとの関係を示したグラフ
である。

【図３】移動度２２ｃｍ２／ＶｓｅｃのＴＦＴの活性層
のラマンスペクトルを示したグラフである。

【図４】移動度２０１ｃｍ２／ＶｓｅｃのＴＦＴの活性
層のラマンスペクトルを示したグラフである。

【図５】単結晶Ｓｉのラマンスペクトルを示したグラフ
である。

【図６】電界効果移動度とＴＦＴの活性層のラマンシフ
ト依存性を示したグラフである。

【図７】電界効果移動度とＴＦＴ活性層のラマンピーク
の半値幅の依存性を示したグラフである。

【図８】電界効果移動度とａ−Ｓｉピーク強度の依存性
を示したグラフである。

【符号の説明】

１　　シリコン薄膜 ２　　光アニールチャンバ ３　　排気システム ４　　光源 ５　　掃引光学系 ６　　掃引制御システム ７　　ラマン分光系 ８　　フィードバック系 ９　　基板ホルダ １０　　ミラー １１　　集光レンズシステム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体装置の製造工程において、半導
   体薄膜表面にレーザもしくは強エネルギー線を一回もし
   くは多数回照射することによって該半導体薄膜表面を光
   アニールすると共に、半導体薄膜の光アニール面のラマ
   ン分光スペクトルを同時あるいは時分割測定し、この測
   定値に基づいて光アニール条件を制御することを特徴と
   する半導体装置の製造方法
2. 【請求項２】　　半導体薄膜のラマンシフトが、半値幅
   比、アモルファスシリコンピーク強度比を、ラマン分光
   スペクトル測定に基づく光アニール条件の制御基準とし
   て使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置
   の製造方法