JPH118195A

JPH118195A - 薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JPH118195A
Application number: JP16147297A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Azuma; 清一郎東
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-01-12
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: JP4200530B2

Abstract

(57)【要約】【課題】欠陥の少ない良質な多結晶半導体薄膜、表面
準位の少ない良好な界面を形成するプロセスを与える。【解決手段】非晶質半導体薄膜上に真空中でレーザー
照射をおこなった後、酸素ガスまたは酸素ラジカルを導
入し、この雰囲気中で該半導体膜に再びレーザー照射を
おこなう。または、単に酸素ラジカルによって表面安定
化をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁体上に形成され
る薄膜トランジスタ、液晶表示装置の表示画素または液
晶駆動回路の構成素子として利用される薄膜トランジス
タの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン等の半導体膜は薄膜トラ
ンジスタ（以下本願明細書中ではＴＦＴと称する）や太
陽電池に広く利用されている。とりわけ多結晶シリコン
（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）ＴＦＴは高移動度化が可能であり
ながらガラス基板のように透明で絶縁性の基板上に作成
できるという特徴を生かして、液晶表示装置（ＬＣＤ）
や液晶プロジェクターなどの光変調素子あるいは液晶駆
動用内蔵ドライバーの構成素子として広く用いられ、新
しい市場の創出に成功している。

【０００３】電界効果型トランジスタであるＴＦＴの性
能は、当然のことながらゲート絶縁膜の膜質、その能動
部を構成する半導体膜の膜質、そしてこれらゲート絶縁
膜と半導体膜との界面の善し悪しによって決定されてい
る。いうまでもなく高品質の半導体膜、ゲート絶縁膜、
および清浄な界面が得られれば、それに応じた高性能の
ＴＦＴが得られる。逆にこれらの要件の全てが同時に満
たされていなければ高性能のＴＦＴは決して実現できな
い。

【０００４】ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作成する
方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに
実用化されている。ＴＦＴの製造方法として工程最高温
度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に
高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シ
リコンの固相成長により比較的良質のｐｏｌｙ−Ｓｉを
作成する事ができることと、熱酸化により良質のゲート
絶縁膜（一般的に二酸化珪素）および清浄なｐｏｌｙ−
Ｓｉとゲート絶縁膜の界面を形成できることである。高
温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも
信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することがで
きる。しかし、高温プロセスを用いるためにはＴＦＴを
作成する基板が１０００℃以上の高温の熱工程に耐え得
る必要がある。この条件を満たす透明な基板は現在のと
ころ石英ガラスしかない。このため昨今のｐｏｌｙ−Ｓ
ｉＴＦＴは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作成
されており、コストの問題上大型化には向かないとされ
ている。また、固相成長法では十数時間という長時間の
熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題があ
る。また、この方法では基板全体が長時間加熱されてい
る事に起因して基板の熱変形が大きな問題と化し実質的
に安価な大型ガラス基板を使用し得ないとの課題が生じ
ており、これもまた低コスト化の妨げとなっている。

【０００５】一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消
し、尚且つ高移動度のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを実現し
ようとしているのが低温プロセスと呼ばれる技術であ
る。比較的安価な耐熱性ガラス基板を使うために、工程
最高温度としておおむね６００℃以下のｐｏｌｙ−Ｓｉ
ＴＦＴ製造プロセスを一般的に低温プロセスと呼ぶ。
低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザー
を用いてシリコン膜の結晶化をおこなう技術が広く使わ
れている。レーザー結晶化とは、ガラス基板上のアモル
ファスシリコン膜に高出力のパルスレーザー光を照射す
ることによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で
結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス
基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービ
ームをくり返し照射しながらスキャンすることによって
大面積のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作成する技術が広く使われ
るようになった。また、ゲート絶縁膜としてはプラズマ
ＣＶＤをもちいた成膜方法で比較的高品質の二酸化珪素
（ＳｉＯ２）膜が成膜可能となり実用化への見通しが得
られるほどになった。これらの技術によって、現在では
一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にｐｏ
ｌｙ−ＳｉＴＦＴが作成可能となっている。

【０００６】しかし、この低温プロセスで安定的に作成
できるＴＦＴは現在のところ移動度で５０〜６０（ｃｍ
²／Ｖｓｅｃ）以下のものである。これはゲート絶縁膜
とｐｏｌｙ−Ｓｉの界面形成方法が確立されていないこ
とに最大の原因がある。現在レーザーによって結晶化し
た後のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を一旦大気中に取り出してから
ゲート絶縁膜を形成するプロセスが一般的にとられてい
る。従って、清浄性が保たれなければならないｐｏｌｙ
−Ｓｉとゲート絶縁膜との界面を如何に積極的にコント
ロールするかが重要なプロセスとなる。このためにはレ
ーザー結晶化の前処理、レーザー結晶化時の表面安定化
により表面欠陥の発生を制御することがキーポイントに
なる。

【０００７】上記課題を解決することを目的とした従来
の技術としては以下のようなものがある。まず、特開
昭６２−３１１１１にあるように水素雰囲気中でレーザ
ー結晶化を行うという方法がある。水素によって結晶化
したｐｏｌｙ−Ｓｉ表面の欠陥をターミネートする技術
である。しかし水素でターミネートされたｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ表面は容易に酸化されやすく、次の工程に進むまでに
再び表面状態が変化してしまうと言う欠点がある。加え
て、水素でターミネートされたＭＯＳ界面はデバイス動
作中のホットキャリアによる劣化が問題となり、信頼性
にかけるという欠点をもっている。

【０００８】また、特開昭６１−８３６１７では酸素ガ
ス雰囲気中でＣＯ２レーザーとエキシマレーザーを同時
に照射することで酸化をおこなっている。これによって
界面欠陥を低減している。しかしｐｏｌｙ−Ｓｉにこの
技術を応用しようとすると酸化によるストレスが界面に
発生し、デバイス特性を下げてしまう。高温処理が使え
るプロセスでは、１０００度近くのアニール処理によっ
てこのストレスを緩和できるが、低温プロセスではこの
様な高温のアニール処理が使えないため残留応力が界面
に準位を発生させる結果となってしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は上述の
諸課題を鑑み、レーザー結晶化ｐｏｌｙ−Ｓｉの前処
理、後処理などにより表面を安定化させ、清浄な界面を
形成することによって、高性能な薄膜トランジスタの製
造方法を提供する事に有る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
請求項１記載の発明は、半導体薄膜にレーザービームを
照射し結晶化することによって能動層を形成する薄膜ト
ランジスタの製造方法において、真空中で前記レーザー
ビーム照射をおこなった後、連続的に酸素ガス雰囲気中
でレーザービーム照射をおこなうことを特徴とする。こ
こで能動層とは、トランジスタにおいて実質的にそのコ
ンダクタンスを変調させ素子を流れる電流を制御してい
る薄膜領域を言う。また、連続的にとは真空チャンバー
内でレーザー結晶化を行った後そのチャンバー内に酸素
ガスを導入して再びレーザー照射をおこなうか、或いは
別のチャンバーに真空搬送したあとで酸素雰囲気に置換
すると言った一連のプロセスを言う。つまり、ここで一
旦真空を大気解放したりその他のガスに半導体薄膜がさ
らされたりしないことを言う。

【００１１】上記課題を解決する為に請求項２記載の発
明は、半導体薄膜にレーザービームを照射し結晶化する
ことによって能動層を形成する薄膜トランジスタの製造
方法において、真空中で前記レーザービーム照射をおこ
なった後、連続的に酸素ラジカル雰囲気中でレーザービ
ーム照射をおこなうことを特徴とする。ここで酸素ラジ
カルとは化学的に活性な状態にある酸素分子または酸素
原子を言う。

【００１２】上記課題を解決する為に請求項３記載の発
明は、請求項１または２記載の薄膜トランジスタの製造
方法で前記レーザービーム照射は同一箇所に対して複数
回おこなうことを特徴とする。

【００１３】上記課題を解決する為に請求項４記載の発
明は、請求項１〜３記載の薄膜トランジスタの製造方法
において前記レーザービーム照射は、その照射エネルギ
ー密度が半導体薄膜が微結晶化を起こすエネルギーを越
えないようにおこなうことを特徴とする。

【００１４】上記課題を解決する為に請求項５記載の発
明は、請求項４記載の薄膜トランジスタの製造方法にお
いて前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中でのレー
ザービーム照射は同一箇所に対して最大でも３０回であ
ることを特徴とする。

【００１５】上記課題を解決する為に請求項６記載の発
明は、請求項１〜５記載の薄膜トランジスタの製造方法
において前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中での
レーザービーム照射時の半導体薄膜温度が１００℃〜５
００℃であることを特徴とする。

【００１６】上記課題を解決する為に請求項７記載の発
明は、請求項１〜６記載の薄膜トランジスタの製造方法
において前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中での
レーザービーム照射後、再び真空雰囲気とし、連続的に
ゲート絶縁膜成膜をおこなうことを特徴とする。ここで
連続的とは、酸素ガスまたは酸素ラジカル中でのレーザ
ー照射後これらの雰囲気ガスを真空排気し、その後ゲー
ト絶縁膜成膜をおこなうことを言う。すなわち、結晶化
からゲート絶縁膜成膜までの一連のプロセス中半導体薄
膜のおかれている雰囲気が大気や他のガス雰囲気になら
ず、常に真空または酸素ガス、酸素ラジカル雰囲気でコ
ントロールされていることを言う。

【００１７】上記課題を解決する為に請求項８記載の発
明は、請求項１〜７記載の薄膜トランジスタの製造方法
において前記レーザー照射の前処理として、弗酸処理を
おこなっていることを特徴とする。ここで弗酸処理とは
例えば、弗酸溶液中に半導体薄膜基板を浸す処理を言
う。

【００１８】上記課題を解決する為に請求項９記載の発
明は、半導体薄膜にレーザービームを照射し結晶化する
ことによって能動層を形成する薄膜トランジスタの製造
方法において、始めに真空中で前記レーザービーム照射
をおこなった後、続けて酸素ラジカルに結晶化半導体膜
をさらすことを特徴とする。

【００１９】上記課題を解決する為に請求項１０記載の
発明は、請求項９記載の薄膜トランジスタの製造方法に
おいて前記酸素ラジカル処理中の半導体膜温度は１００
℃〜４００℃であることを特徴とする。

【００２０】上記課題を解決する為に請求項１１記載の
発明は、請求項２〜１０記載の薄膜トランジスタの製造
方法において前記酸素ラジカルはリモートプラズマによ
って発生させていることを特徴とする。ここでリモート
プラズマとは、プラズマ発生源と半導体薄膜が異なる場
所に位置していることを言う。すなわち、半導体薄膜が
プラズマを発生させる電極間に位置している場合はこれ
に相当しない。

【００２１】上記課題を解決する為に請求項１２記載の
発明は、請求項１１記載の薄膜トランジスタの製造方法
において前記リモートプラズマはヘリコン波プラズマま
たは誘導結合型プラズマによって発生させていることを
特徴とする。

【００２２】上記課題を解決する為に請求項１３記載の
発明は、請求項９〜１２記載の薄膜トランジスタの製造
方法において前記レーザー照射の前処理として、弗酸処
理をおこなっていることを特徴とする。

【００２３】上記課題を解決する為に請求項１３記載の
発明は、請求項９〜１３記載の薄膜トランジスタの製造
方法において前記酸素ラジカル処理後、真空を維持した
ままゲート絶縁膜成膜をおこなうことを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図面に基づいて詳述する。図１に工程を追うごとのｐ
ｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの構造を図示する。

【００２５】（１．半導体薄膜の形成）本願発明の実施
のためには通常、基板（１０１）の上に下地保護膜（１
０２）を形成しその上に半導体薄膜（１０３）を形成す
るので、この一連の形成方法について説明する。

【００２６】図１（ａ）に示されるように、本発明を適
応し得る基板（１０１）としては金属等の導電性物質、
シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ
₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック材
料、溶融石英やガラス等の透明または非透明絶縁性物
質、シリコンウェーハー等の半導体物質、並びにそれを
加工したＬＳＩ基板等が可能である。次に、図１（ｂ）
に示されるように、半導体膜は基板上に直接又は下地保
護膜や下部電極等を介して堆積する。

【００２７】下地保護膜（１０２）としては酸化硅素膜
（ＳｉＯ_X：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ₃Ｎ_x：
０＜ｘ≦４）等の絶縁性物質が挙げられる。ＴＦＴなど
の薄膜半導体装置を通常のガラス基板上に作成する場合
の様な半導体膜への不純物制御が重要である時、ガラス
基板中に含まれているナトリウム（Ｎａ）等の可動イオ
ンが半導体膜中に混入しない様に下地保護膜を形成した
後に半導体膜を堆積する事が好ましい。同じ事情は各種
セラミック材料を基板として用いる場合にも通ずる。下
地保護膜はセラミック中に添加されている焼結助材原料
などの不純物が半導体部に拡散及び混入するのを防止す
るのである。金属材料などの導電性材料を基板として用
い、且つ半導体膜が金属基板と電気的に絶縁されていな
ければならない場合には、絶縁性を確保する為に当然下
地保護膜は必要不可欠である。更に半導体基板やＬＳＩ
素子上に半導体膜を形成する時にはトランジスタ間や配
線間の層間絶縁膜が同時に下地保護膜でもある。

【００２８】下地保護膜はまず基板を純水やアルコール
などの有機溶剤で洗浄した後、基板上に常圧化学気相堆
積法（ＡＰＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶ
Ｄ法）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）等の
ＣＶＤ法或いはスパッター法等で形成する。下地保護膜
として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法で
は基板温度を２５０℃程度から４５０℃程度としてモノ
シラン（ＳｉＨ₄）や酸素を原料として堆積し得る。プ
ラズマ化学気相堆積法やスパッター法では基板温度は室
温から４００℃程度である。下地保護膜の膜厚は基板か
らの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必
要で、その値は最小で１００ｎｍ程度以上である。ロッ
ト間や基板間のばらつきを考慮すると２００ｎｍ程度以
上が好ましく、３００ｎｍ程度あれば保護膜としての機
能を十分に果たし得る。下地保護膜がＩＣ素子間やこれ
らを結ぶ配線等の層間絶縁膜を兼ねる場合には、通常４
００ｎｍから６００ｎｍ程度の膜厚となる。絶縁膜が余
りにも厚くなると絶縁膜にストレスに起因するクラック
が生ずる。その為最大膜厚は２μｍ程度が好ましい。生
産性を考慮する必要が強い場合、絶縁膜厚は１μｍ程度
が上限である。

【００２９】次に図１（ｃ）に示されるように、下地絶
縁膜１０２上に半導体薄膜（１０３）を形成する。本発
明が適用される半導体膜としてはシリコン（Ｓｉ）やゲ
ルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の半導体膜の他に、シ
リコン・ゲルマニウム（Ｓｉ_xＧｅ_1-x ：０＜ｘ＜１）
やシリコン・カーバイド（Ｓｉ_xＣ_1-x ：０＜ｘ＜１）
やゲルマニウム・カーバイド（Ｇｅ_xＣ_1-x ：０＜ｘ＜
１）等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）等
の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体膜、また
はカドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）等の二族元素と六族
元素との複合体化合物半導体膜等がある。或いはシリコ
ン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素（Ｓｉ_xＧｅ_yＧａ
_zＡｓ_z：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）と云った更なる複合化合物
半導体膜やこれらの半導体膜にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａ
ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのドナー元素を添加した
Ｎ型半導体膜、或いはホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のアク
セプター元素を添加したＰ型半導体膜に対しても本発明
は適応可能である。これら半導体膜はＡＰＣＶＤ法やＬ
ＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法、或いはスパッ
ター法等や蒸着法等のＰＶＤ法で形成する。半導体膜と
してシリコン膜を用いる場合、ＬＰＣＶＤ法では基板温
度を４００℃程度から７００℃程度としてジシラン（Ｓ
ｉ₂Ｈ₆）などを原料として堆積し得る。ＰＥＣＶＤ法で
はモノシラン（ＳｉＨ₄）などを原料として基板温度が
１００℃程度から５００℃程度で堆積可能である。スパ
ッター法を用いる時には基板温度は室温から４００℃程
度である。この様に堆積された半導体膜の初期状態（ａ
ｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ状態）は非晶質や混晶質、微結
晶質、或いは多結晶質等様々な状態があるが、本願発明
にあっては初期状態はいずれの状態であっても構わな
い。尚本願明細書中では非晶質の結晶化のみならず、多
結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼
ぶ。半導体膜の膜厚はそれをＴＦＴに用いる時には２０
ｎｍ程度から１００ｎｍ程度が適している。

【００３０】（２．半導体薄膜のレーザー結晶化）基板
１０１上に下地絶縁膜１０２と半導体膜１０３を形成し
た後、図１（ｄ）に示されるように、この半導体膜をレ
ーザー照射によって結晶化する。通常、ＬＰＣＶＤ法、
ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法で堆積させたシリコン膜表面
は自然酸化膜で覆われていることが多い。従って、レー
ザー光を照射する前にこの自然酸化膜を除去する必要が
ある。このためには図１（ｄ）に示されるように、弗酸
溶液１０４に浸してウエットエッチングする方法や、フ
ッ素ガスを含んだプラズマ中でのドライエッチング等が
ある。

【００３１】次に図１（ｅ）に示されるように、半導体
膜のついた基板をレーザー照射チャンバー（１０８）に
セットする。レーザー照射チャンバーは一部分が石英の
窓（１０６）によってできており、排気管１０９により
チャンバーを真空に排気した後この石英窓からレーザー
光（１０７）を照射する。レーザー照射を行うことによ
り、半導体膜１０３はｐ−Ｓｉ膜１１０に結晶成長させ
ることができる。

【００３２】ここでレーザー光について説明する。レー
ザー光は半導体薄膜（１０３）表面で強く吸収され、そ
の直下の絶縁膜（１０２）にはほとんど吸収されないこ
とが望まれる。従ってこのレーザー光としては紫外域ま
たはその近傍の波長を持つエキシマレーザー、アルゴン
イオンレーザー、ＹＡＧレーザー高調波等が好ましい。
また、半導体薄膜を高温に加熱すると同時に基板へのダ
メージを防ぐためには大出力でしかも極短時間のパルス
発振であることが必要となる。従って、上記レーザー光
の中でも特にキセノン・クロライド（ＸｅＣｌ）レーザ
ー（波長３０８ｎｍ）やクリプトンフロライド（Ｋｒ
Ｆ）レーザー（波長２４８ｎｍ）等のエキシマ・レーザ
ーが最も適している。次にこれらのレーザー光の照射
方法について図２にそって述べる。レーザーパルスの強
度半値幅は１０ｎｓ程度から５００ｎｓ程度の極短時間
である。レーザー照射は基板（２００）を室温（２５
℃）程度から４００℃程度の間とし、背景真空度が１０
^-4Ｔｏｒｒ程度から１０^-9Ｔｏｒｒ程度の真空中にて行
う。レーザー照射の一回の照射面積は対角５ｍｍ□程度
から６０ｍｍ□程度の正方形または長方形状である。レ
ーザー照射の一回の照射で例えば８ｍｍ□の正方形面積
が結晶化できるビームを用いた場合について説明する。
１カ所に１発のレーザー照射（２０１）をおこなった
後、基板とレーザーとの位置を相対的に水平方向にわず
かにずらす（２０３）。この後再び１発のレーザー照射
（２０２）をおこなう。このショットアンドスキャンを
連続的に繰り返していく事によって大面積の基板にも対
応できる。更に具体的には、各照射毎に照射領域を１％
程度から９９％程度ずらして行く（例えば５０％：先の
例では４ｍｍ）。最初に水平方向（Ｘ方向）に走査した
後、次に垂直方向（Ｙ方向）に適当量（２０４）ずらせ
て、再び水平方向に所定量（２０３）ずつずらせて走査
し、以後この走査を繰り返して基板全面に第一回目のレ
ーザー照射を行う。この第一回目のレーザー照射エネル
ギー密度は５０ｍＪ／ｃｍ²程度から６００ｍＪ／ｃｍ²
程度の間が好ましい。第一回目のレーザー照射が終了し
た後、必要に応じて第二回目のレーザー照射を全面に施
す。第二回目のレーザー照射を行う場合、そのエネルギ
ー密度は一回目より高い値が好ましく、１００ｍＪ／ｃ
ｍ²程度から１０００ｍＪ／ｃｍ²程度の間としても良
い。走査方法は第一回目のレーザー照射と同じで正方形
状の照射領域をＹ方向とＸ方向に適当量ずらせて走査す
る。更に必要に応じてエネルギー密度をより高くした第
三回目或いは第四回目のレーザー照射を行う事も可能で
有る。こうした多段階レーザー照射法を用いるとレーザ
ー照射領域端部に起因するばらつきを完全に消失させる
事が可能になる。多段階レーザー照射の各回目の照射に
限らず通常の一段階照射でも、レーザー照射は総て半導
体膜に損傷が入らぬエネルギー密度で行う。これ以外に
も図３に示すように、照射領域形状を幅１００μｍ程度
以上で長さが数１０ｃｍ以上のライン状（３０１）と
し、このライン状レーザー光を走査して結晶化を進めて
も良い。この場合各照射毎のビームの幅方向の重なり
（３０１と３０２の重なり）はビーム幅の５％程度から
９５％程度とする。ビーム幅が１００μｍでビーム毎の
重なり量が９０％で有れば、一回の照射毎にビームは１
０μｍ進むので同一点は１０回のレーザー照射を受ける
事となる。通常半導体膜を基板全体で均一に結晶化させ
るには少なくとも５回程度以上のレーザー照射が望まれ
るので、照射毎のビームの重なり量は８０％程度以上が
求められる。高い結晶性の多結晶膜を確実に得るには同
一点が１０回程度から３０回程度の照射が行われる様に
重なり量を９０％程度から９７％程度へと調整するのが
好ましい。

【００３３】（３．半導体薄膜の酸素ガスまたは酸素ラ
ジカル中でのレーザー結晶化）上記工程によって全面結
晶化が終了した後、図１（ｆ）に示されるように真空雰
囲気であったレーザー結晶化チャンバー内に酸素ガスま
たは酸素ラジカル（１１１）をガスバルブ（１０５）を
経て導入する。ここで酸素ガスは例えばほぼ大気圧に等
しい圧力までレーザー結晶化チャンバーに導入する。た
だし、レーザー結晶化チャンバーは常に大気には触れな
いようにする。すなわち常に真空かまたは酸素ガス、酸
素ラジカルの雰囲気にコントロールする。酸素ラジカル
は、酸素プラズマや高温のフィラメント部分に酸素ガス
を流す方法等によって発生させる。一般に酸素ラジカル
は寿命が長いので、この様に外部で発生させた後配管を
通してチャンバー内に導入しても十分に効果が得られ
る。この様にしてレーザー結晶化チャンバー内を酸素ガ
スまたは酸素ラジカル雰囲気とした状態で再びレーザー
光を照射する。

【００３４】レーザー光の照射は、前に示したショット
アンドスキャンの方法と全く同じ方法を用いる。ただ
し、酸素ガス、酸素ラジカル雰囲気中でのレーザー照射
は結晶化ではなくｐ−Ｓｉ表面やｐ−Ｓｉ中の粒界等に
存在する欠陥を酸素原子で安定化させることが目的なの
で、その照射エネルギーや照射回数には注意が必要であ
る。このように酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中で
レーザー照射することによってｐ−Ｓｉ膜を極めて安定
な状態にすることができる。

【００３５】（４．ゲート絶縁膜形成）この後基板をレ
ーザー結晶化チャンバーより取り出し、図１（ｇ）に示
されるようにｐ−Ｓｉ膜のパターニングをおこないアイ
ランド状のｐ−Ｓｉ膜（１１２）を形成する。しかる後
ゲート絶縁膜１１３を成膜する。ゲート絶縁膜の成膜方
法としては、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、平行平板プラズ
マＣＶＤ法などがある。このようにＭＯＳ界面となるｐ
−Ｓｉの表面を常に保護するようなプロセスを行うこと
によって、極めて良好な半導体−ゲート絶縁膜構造が完
成するのである。

【００３６】（５．以降の工程）引き続いて図１（ｈ）
に示されるように、ゲート電極１１４となる薄膜をＰＶ
Ｄ法或いはＣＶＤ法などで堆積する。この材質は電気抵
抗が低く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事
が望まれ、例えばタンタル、タングステン、クロム等の
高融点金属がふさわしい。また、イオンドーピングによ
ってソース、ドレインを形成する場合、水素のチャネリ
ングを防止するためにこのゲート電極の膜厚がおよそ７
００ｎｍ程度必要になる。前記高融点金属の中で７００
ｎｍもの膜厚で成膜しても膜ストレスによるクラックが
生じない材料となると、タンタルが最もふさわしい。ゲ
ート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き
続いて図１（ｉ）に示されるように、半導体膜に不純物
イオン注入を行ってソース・ドレイン領域１１５を形成
する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクと成って
いるので、チャンネルはゲート電極下のみに形成される
自己整合構造となる。不純物イオン注入は質量非分離型
イオン注入装置を用いて注入不純物元素の水素化物と水
素を注入するイオン・ドーピング法と、質量分離型イオ
ン注入装置を用いて所望の不純物元素のみを注入するイ
オン打ち込み法の二種類が適応され得る。イオン・ドー
ピング法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度
０．１％程度から１０％程度のホスフィン（ＰＨ₃）や
ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等の注入不純物元素の水素化物を用
いる。イオン打ち込み法では所望の不純物元素のみを注
入した後に引き続いて水素イオン（プロトンや水素分子
イオン）を注入する。前述の如くＭＯＳ界面やゲート絶
縁膜を安定に保つ為には、イオン・ドーピング法にしろ
イオン打ち込み法にしろイオン注入時の基板温度は３５
０℃以下である事が好ましい。一方注入不純物の活性化
を３５０℃以下の低温にて常に安定的に行うには（本願
ではこれを低温活性化と称する）、イオン注入時の基板
温度は２００℃以上である事が望ましい。トランジスタ
のしきい値電圧を調整する為にチャンネル・ドープ行う
とか、或いはＬＤＤ構造を作成すると云った様に低濃度
に注入された不純物イオンを低温で確実に活性化するに
は、イオン注入時の基板温度は２５０℃以上で有る事が
必要となる。この様に基板温度が高い状態でイオン注入
を行うと、半導体膜のイオン注入に伴う結晶壊破の際に
再結晶化も同時に生じ、結果としてイオン注入部の非晶
質化を防ぐ事が出来るのである。即ちイオン注入された
領域は注入後も依然として結晶質として残り、その後の
活性化温度が３５０℃程度以下と低温で有っても注入イ
オンの活性化が可能に成る訳で有る。ＣＭＯＳＴＦＴ
を作成する時はポリイミド樹脂等の適当なマスク材を用
いてＮＭＯＳ又はＰＭＯＳの一方を交互にマスクで覆
い、上述の方法にてそれぞれのイオン注入を行う。

【００３７】ソース、ドレイン形成後、図１（ｊ）に示
されるように層間絶縁膜１１６を形成し、次に図１
（ｋ）に示されるように、ソース・ドレイン上にコンタ
クトホールを開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極１
１７と配線をＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄膜ト
ランジスタが完成する。

【００３８】［実施例］本発明の実施例を図４にそって
説明する。本発明で用いられる基板及び下地保護膜に関
しては前述の説明に準ずるが、図４（ａ）のように、こ
こでは基板の一例として３００ｍｍ×３００ｍｍの正方
形状汎用無アルカリガラス４０１を用いる。図４（ｂ）
に示されるように、まず基板４０１上に絶縁性物質であ
る下地保護膜４０２を形成する。ここでは基板温度を１
５０゜ＣとしてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程
度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積する。次に図４
（ｃ）に示されるように、後に薄膜トランジスタの能動
層となる真性シリコン膜等の半導体膜４０３を堆積す
る。半導体膜の厚みは５０ｎｍ程度で有る。本例では高
真空型ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスで有るジシラ
ン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を２００ＳＣＣＭ流し、４２５℃の堆
積温度で非晶質シリコン膜４０３を堆積する。まず高真
空型ＬＰＣＶＤ装置の反応室を２５０℃とした状態で反
応室の内部に複数枚（例えば１７枚）の基板を表側を下
向きとして配置する。こうした後にターボ分子ポンプの
運転を開始する。ターボ分子ポンプが定常回転に達した
後、反応室内の温度を約１時間掛けて２５０℃から４２
５℃の堆積温度に迄上昇させる。昇温開始後の最初の１
０分間は反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温を行
ない、しかる後純度が９９．９９９９％以上の窒素ガス
を３００ＳＣＣＭ流し続ける。この時の反応室内におけ
る平衡圧力は、３．０×１０^-3Ｔｏｒｒで有る。堆積温
度に到達した後、原料ガスであるジシラン（Ｓｉ
₂Ｈ₆）を２００ＳＣＣＭ流すと共に、純度が９９．９
９９９％以上の希釈用ヘリウム（Ｈｅ）を１０００ＳＣ
ＣＭ流す。堆積開始直後の反応室内圧力は凡そ０．８５
Ｔｏｒｒで有る。堆積の進行と共に反応室内の圧力は徐
々に上昇し、堆積終了直前の圧力は凡そ１．２５Ｔｏｒ
ｒと成る。斯様に堆積したシリコン膜４０３は基板の周
辺部約７ｍｍを除いた２８６ｍｍ角の領域内に於いて、
その膜厚変動は±５％以内で有る。

【００３９】非晶質シリコン膜形成後、図４（ｄ）に示
されるように、これを弗酸溶液４０４に浸し、半導体膜
４０３上の自然酸化膜をエッチングする。一般的にシリ
コン膜が露出した表面は非常に不安定で、シリコン薄膜
を保持している雰囲気物質と容易に反応を起こす。従っ
て、レーザー照射をおこなう前処理では単に自然酸化膜
を除去するだけでなく、露出したシリコン膜表面を安定
化させる必要がある。このためには、弗酸溶液による処
理が望ましい。弗酸は純水との混合比が１：３０になる
ようにする。この弗酸溶液中に約２０から３０秒浸した
後、すぐに純水洗浄を１０から２０分おこなう。この後
スピンナーで純水を取り除く。これによって、シリコン
膜表面は水素原子でターミネートされた安定化表面にな
る。この工程を取らないと、レーザー照射時のシリコン
膜表面の状態は全くコントロールされていないことにな
り、後に述べる雰囲気をコントロールしたレーザー照射
の効果が得られなくなってしまう。従って、本願におい
てはこの弗酸洗浄のプロセスは必須になる。

【００４０】次に図４（ｅ）に示されるように、レーザ
ー光４０７の照射をおこなう。本例ではキセノン・クロ
ライド（ＸｅＣｌ）のエキシマ・レーザー（波長：３０
８ｎｍ）を照射する。レーザーパルスの強度半値幅（時
間に対する半値幅）は４５ｎｓである。基板４０１を室
温（２５℃）でレーザー結晶化チャンバー４０８にセッ
トした後、排気管４０５を介して真空排気をおこなう。
基板４０１を加熱した状態で石英窓４０６を介してレー
ザー光４０７によりレーザー照射することでｐ−Ｓｉ膜
４１０の結晶性を向上することができるので、真空排気
後基板温度を４００℃まで上昇させる。一回のレーザー
照射面積は８ｍｍ角の正方形状で、照射面でのエネルギ
ー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ²である。このレーザー光を
９０％ずつ重ねつつ（つまり照射するごとに０．８ｍｍ
づつ）相対的にずらしながら照射を繰り返す（図２参
照）。こうして一辺３００ｍｍの基板全体のアモルファ
スシリコンを結晶化する。同様な照射方法を用いて２回
目のレーザー照射を行う。２回目のエネルギー密度は１
８０ｍＪ／ｃｍ²で有る。これをくり返し、３回目、４
回目と約２０ｍＪ／ｃｍ²づつ照射エネルギー密度を上
昇させながら最終的にはのエネルギー密度３００ｍＪ／
ｃｍ²の照射をおこないレーザー照射を終了する。ここ
で３００ｍＪ／ｃｍ²の照射レーザーエネルギー密度を
超えた高いエネルギーを照射すると、ｐ−Ｓｉのグレイ
ンが微結晶化を起こすため、これ以上のエネルギー照射
を避けた。

【００４１】次に図４（ｆ）に示されるように、このレ
ーザー結晶化チャンバー４０８に酸素ガスまたは酸素ラ
ジカル４１１を導入する。本例では９９．９９９％酸素
ガスを約１気圧までガスバルブ４０５から導入した。こ
の状態で、石英の窓４０６を通してエキシマレーザー照
射をおこなう。レーザー照射は先の真空中のレーザー照
射と同様にスキャニングで行う。このときビームの重ね
率は９０％とし、照射レーザーエネルギーは３００ｍＪ
／ｃｍ²とした。真空中でレーザー照射をおこなうこと
によって、はじめにシリコン膜表面を覆っていた水素原
子は脱離する。通常、シリコンと結合した水素は４００
℃前後または６２０℃前後の温度で脱離する。複数回の
レーザー照射をおこなったｐ−Ｓｉ膜は１０００℃以上
の温度になるため、その表面水素は完全に脱離してい
る。従ってダングリングボンドを形成している表面シリ
コン原子は極めて活性な状態で真空中に存在しているこ
とになる。これをこのまま大気中に取り出してしまう
と、大気中の炭素や水などと瞬時に結合してしまい、こ
れが最終的にはｐ−ＳｉＴＦＴのＭＯＳ界面に残留す
る結果となってしまう。通常、レーザー結晶化後に弗酸
等による処理を行うが、一旦不純物と結合してしまった
シリコン表面は酸洗浄では変化しない。これを防ぐため
にはレーザー結晶化に引き続いて酸素ガス雰囲気中でレ
ーザー照射をすることが極めて有効であることがわかっ
た。その他の種種のガスも試してみたが、酸素ガスが最
も効果が大きい。これは酸素ガス中でレーザー照射する
ことによって、極めて活性化したシリコン膜表面や結晶
粒界等が酸素原子によって再び安定化されるためであ
る。酸素により欠陥のターミネートを行うためには少な
くとも複数回のレーザー照射が必要であることがわかっ
た。また、照射するエネルギーが先に述べた微結晶化の
エネルギー領域より弱いエネルギーである必要があるこ
とがわかったので、ここでは照射エネルギー密度は３０
０ｍＪ／ｃｍ²とした。このエネルギーでの照射が３０
回を越えるとｐ−Ｓｉ表面の荒れが激しくなり、逆に表
面の欠陥を増やしてしまう事がわかったので、酸素雰囲
気中でのレーザー照射は１カ所に対して３０回未満とす
るのが好ましい。

【００４２】また、酸素ガスや酸素ラジカル中でレーザ
ー照射する代わりに単に酸素ラジカルをレーザー結晶化
したｐ−Ｓｉ膜に導入する方法も有効である。酸素ラジ
カルは寿命が長いので、外部のプラズマ源で発生させた
物を配管でガスバルブ４１１を通して導入する。酸素ラ
ジカル発生源としてはヘリカルアンテナと磁場を組み合
わせたヘリコン波プラズマや、巻き数が少ないアンテナ
を用いた誘導結合型プラズマなどがある。これらのプラ
ズマは放電電圧が低いので、酸素ラジカルの寿命が他の
方式のプラズマ発生方法より長く、本発明の目的を達成
するには最適のプラズマ発生源であることがわかった。
また、低圧力で酸素ラジカルを発生できるのでラジカル
を配管から供給しているにも関わらず基板内での表面安
定化効果の均一性に極めて優れていることがわかった。
また、酸素ラジカルでｐ−Ｓｉ表面を安定化させる場
合、基板温度は概ね１００℃〜４００℃が好ましいこと
がわかった。これにより比較的短時間での安定化が可能
となった。

【００４３】次に図４（ｇ）に示されるように、レーザ
ー結晶化チャンバーを再び真空排気し、真空を保ったま
まで基板をゲート絶縁膜成膜チャンバーへと搬送する。
ここでＣＶＤ法やＰＶＤ法などでゲート絶縁膜４１３を
形成する。本例では平行平板型ｒｆ放電ＰＥＣＶＤ法で
基板温度を３５０℃として平行平板電極４１９にｒｆを
印加することにより、１２０ｎｍの酸化硅素膜を堆積す
る。原料ガスとしてはＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ₂−
ＣＨ₃）₄）と酸素（Ｏ₂）の混合ガス４１８をもちい
た。一旦酸素で安定化させたｐ−Ｓｉ表面はかなり安定
で、図１に示すようにゲート絶縁膜成膜前にパターニン
グの工程をとっても良いが、更に清浄な界面を形成する
ために連続でゲート絶縁膜を成膜する事はその効果があ
ることがわかった。

【００４４】引き続いて図４（ｉ）に示されるように、
ゲート電極４１４となる薄膜をＰＶＤ法或いはＣＶＤ法
などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線は同一
材料にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が
低く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事が望
まれる。本例では膜厚が６００ｎｍのタンタル薄膜をス
パッタ法により形成する。タンタル薄膜を形成する際の
基板温度は１８０℃であり、スパッタガスとして窒素ガ
スを６．７％含むアルゴンガスを用いる。斯様に形成し
たタンタル薄膜は結晶構造がα構造と成っており、その
比抵抗は凡そ４０μΩｃｍである。ゲート電極となる薄
膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて図４（ｊ）
に示されるように半導体膜に不純物イオン注入を行って
ソース・ドレイン領域４１５及びチャンネル領域を形成
する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクとなって
いるため、チャンネルはゲート電極下のみに形成される
自己整合構造となる。イオン・ドーピング法の原料ガス
としては水素中に希釈された濃度０．１％程度から１０
％程度のホスフィン（ＰＨ₃）やジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等
の注入不純物元素の水素化物を用いる。本例ではＮＭＯ
Ｓ形成を目指し、イオン・ドーピング装置を用いて、水
素中に希釈された濃度５％のホスフィン（ＰＨ₃）を加
速電圧１００ｋｅＶで注入する。ＰＨ₃ ⁺やＨ₂ ⁺イオンを
含むの全イオン注入量量は１×１０¹⁶ｃｍ^-2である。

【００４５】次に図４（ｋ）に示されるように、層間絶
縁膜４１６をＣＶＤ法或いはＰＶＤ法で形成する。本例
ではＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ₂−ＣＨ₃）₄）と酸素
（Ｏ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）を原料気体とし、希釈気体として
アルゴンを用いて基板表面温度３００℃で５００ｎｍの
膜厚に成膜する。イオン注入と層間絶縁膜形成後、３５
０℃程度以下の適当な熱環境下にて数十分から数時間の
熱処理を施して注入イオンの活性化及び層間絶縁膜の焼
き締めを行う。この熱処理温度は注入イオンを確実に活
性化する為にも２５０℃程度以上が好ましい。又層間絶
縁膜を効能的に焼き締めるには３００℃以上の温度が好
ましい。通常ゲート絶縁膜と層間絶縁膜とではその膜品
質が異なっている。その為に層間絶縁膜形成後二つの絶
縁膜にコンタクトホールを開ける際、絶縁膜のエッチン
グ速度が違っているのが普通である。斯様な条件下では
コンタクトホールの形状が下方程広い逆テーパー状に成
ったり或いは庇が発生して仕舞い、その後電極形成した
時に電気的な導通がうまく取れない所謂接触不良の原因
となる。層間絶縁膜を効能的に焼き締めるとこうした接
触不良の発生を最小限に止められるので有る。本例では
露点が８０℃の水蒸気を含んだ酸素雰囲気１気圧下にて
３００℃１時間の熱処理を施す。単純な熱処理に比べ、
水蒸気を露点で３５℃程度から１００℃程度含んだ酸素
含有気体（酸素濃度は２５％程度から１００％が好まし
い）雰囲気下で圧力を０．５気圧程度から１．５気圧程
度として１００℃程度から４００℃程度の温度で熱処理
を３０分程度から６時間程度行うと、酸化膜（下地保護
膜、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜等）の膜質改善が進み、
高電圧や高電流下でも安定に動作する信頼性の高いトラ
ンジスタが得られる。層間絶縁膜形成後図４（ｌ）に示
されるように、ソース・ドレイン上にコンタクトホール
を開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極４１７と配線
をＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄膜トランジスタ
が完成する。

【００４６】以上述べて来た様に本願発明に依れば、安
価な汎用ガラス基板を用いようともレーザー結晶化後の
膜表面の安定化を酸素を用いて行うことによって優れた
ＭＯＳ界面形成が実現可能となり、この技術を適応する
事で高性能な薄膜トランジスタや太陽電池と云った薄膜
半導体装置が製造されるので有る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示した
工程断面図。

【図２】レーザー結晶化時のレーザービーム照射方法。

【図３】レーザー結晶化時のレーザービーム照射方法。

【図４】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示した
工程断面図。

【符号の説明】

１０１．．．基板１０２．．．下地絶縁膜１０３．．．半導体膜１０４．．．絶縁膜１０６．．．石英窓１０７．．．レーザー光１１０．．．結晶化半導体膜１１１．．．酸素ガスまたは酸素ラジカル１０９．．．排気管１１３．．．ゲート絶縁膜１１４．．．ゲート電極１１５．．．ソース、ドレイン領域１１６．．．層間絶縁膜１１７．．．ソース、ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体薄膜にレーザービームを照射し結晶
化することによって能動層を形成する薄膜トランジスタ
の製造方法において、真空中で前記レーザービーム照射
をおこなった後、連続的に酸素ガス雰囲気中でレーザー
ビーム照射をおこなうことを特徴とする薄膜トランジス
タの製造方法。
【請求項２】半導体薄膜にレーザービームを照射し結晶
化することによって能動層を形成する薄膜トランジスタ
の製造方法において、真空中で前記レーザービーム照射
をおこなった後、連続的に酸素ラジカル雰囲気中でレー
ザービーム照射をおこなうことを特徴とする薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項３】前記レーザービーム照射は同一箇所に対し
て複数回おこなうことを特徴とする請求項１または２記
載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】前記レーザービーム照射は、その照射エネ
ルギー密度が半導体薄膜が微結晶化を起こすエネルギー
を越えないようにおこなうことを特徴とする請求項１〜
３記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中
でのレーザービーム照射は同一箇所に対して最大でも３
０回であることを特徴とする請求項４記載の薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項６】前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中
でのレーザービーム照射時の半導体薄膜温度が１００℃
〜５００℃であることを特徴とする請求項１〜５記載の
薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】前記酸素ガスまたは酸素ラジカル雰囲気中
でのレーザービーム照射後、再び真空雰囲気とし、連続
的にゲート絶縁膜成膜をおこなうことを特徴とする請求
項１〜６記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】前記レーザー照射の前処理として、弗酸処
理をおこなっていることを特徴とする請求項１〜７記載
の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】半導体薄膜にレーザービームを照射し結晶
化することによって能動層を形成する薄膜トランジスタ
の製造方法において、始めに真空中で前記レーザービー
ム照射をおこなった後、続けて酸素ラジカルに結晶化半
導体膜をさらすことを特徴とする薄膜トランジスタの製
造方法。
【請求項１０】前記酸素ラジカル処理中の半導体膜温度
は１００℃〜４００℃であることを特徴とする請求項９
記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】前記酸素ラジカルはリモートプラズマに
よって発生させていることを特徴とする請求項２〜１０
記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】前記リモートプラズマはヘリコン波プラ
ズマまたは誘導結合型プラズマによって発生させている
ことを特徴とする請求項１１記載の薄膜トランジスタの
製造方法。
【請求項１３】前記レーザー照射の前処理として、弗酸
処理をおこなっていることを特徴とする請求項９〜１２
記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】前記酸素ラジカル処理後、真空を維持し
たままゲート絶縁膜成膜をおこなうことを特徴とする請
求項９〜１３記載の薄膜トランジスタの製造方法。