JP2000294507A

JP2000294507A - 半導体薄膜およびそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP2000294507A
Application number: JP2000087439A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Koyu Cho; 宏勇張; Naoto Kusumoto; 直人楠本; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-01-01
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ばらつきの少ない半導体薄膜を提供するこ
と。【解決手段】本発明によると、炭素、窒素および酸素の
濃度がいずれも１×１０ ¹⁹ｃｍ^-3以下であるシリコン−
ゲルマニウム薄膜にレーザ光を照射して、ラマン・ピー
クのラマンシフトが５１５ｃｍ^-1以下の波数にせしめる
ことによって得られたことを特徴とする半導体薄膜が提
供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、珪素を主成分とす
る半導体材料に関する。特に本発明は、薄膜状の珪素半
導体材料の特性向上を目的とし、本発明による半導体材
料を利用することによって特性の改善された薄膜半導体
装置（薄膜トランジスター等）を作製することが可能と
なる。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜電界効果トランジスター等の
薄膜半導体装置を作製するにあたっては、非結晶質の半
導体材料（いわゆるアモルファス半導体）あるいは多結
晶質の半導体材料を利用していた。本明細書でアモルフ
ァスという言葉は、純粋に原子レベルでの無秩序さだけ
を意味するのではなく、数ｎｍ程度の近距離秩序が存在
しているような物質をも含めて使用される。具体的には
電子移動度にして１０ｃｍ²／Ｖ・ｓ以下の珪素材料も
しくはその物質のキャリヤ移動度が、その半導体物質の
本質的なキャリヤ移動度の１％以下の材料を意味してい
る。

【０００３】さて、アモルファス半導体（アモルファス
シリコンやアモルファスゲルマニウム等）を利用する場
合には、その作製は４００度Ｃ以下の比較的低温でおこ
なえるため、高温プロセスが採用できない液晶電気光学
装置等において有望な方法として注目されている。

【０００４】しかしながら、純粋なアモルファス半導体
はそのキャリヤ移動度（電子移動度やホール移動度）が
著しく小さいため、これをそのまま、例えば薄膜トラン
ジスター（ＴＦＴ）のチャネル形成領域として用いるこ
とは稀で、通常はこれらアモルファス半導体材料にレー
ザー光やキセノンランプ光等の強光を照射して、溶融再
結晶させ、結晶質の半導体材料に変成せしめて、そのキ
ャリヤ移動度を向上させて用いていた。（以下の文章で
はこの方法を「レーザーアニール」と呼ぶことにする
が、必ずしもレーザーを用いなければならないわけでは
ない。レーザー光照射と同様に強力なフラッシュランプ
を照射する場合も含まれるものとする。）

【０００５】しかしながら、レーザーアニール法によっ
て従来得られていた半導体材料のキャリヤ移動度は単結
晶半導体材料で得られるものより、一般には小さかっ
た。例えば、珪素被膜の場合には、報告されているもの
で最も大きな電子移動度は２００ｃｍ²／Ｖ・ｓであ
り、これは単結晶珪素の電子移動度、１３５０ｃｍ²／
Ｖ・ｓの７分の１でしかない。また、レーザーアニール
法によって得られる半導体材料の特性（主として移動
度）は再現性に乏しく、かつ、同じ被膜内における移動
度のばらつきが大きく、多数の素子を同一平面内に形成
する場合には、得られる半導体素子の特性のばらつきが
大きいため製品の歩留りが著しく低下した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のレー
ザーアニール法では、移動度が単結晶半導体材料に比べ
て極めて小さく、かつ、その再現性が悪いため、実用に
供することができなかった薄膜状の半導体材料の特性を
改善することを目的とする。すなわち、移動度の高い薄
膜状半導体材料を提供するとともに、再現性よく高い移
動度を得る半導体材料の作製方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】さて、ラマン分光法は、
物質の結晶性を評価する上で有効な方法であり、レーザ
ーアニール法によって作製された半導体被膜の結晶性を
定量化する目的でも使用される。本発明人らは、レーザ
ーアニール法の研究において、得られる半導体被膜のラ
マン・ピークの中心値、ラマン・ピークの幅、およびラ
マン・ピークの高さ等に着目することによって、これら
の数値が得られる半導体薄膜と極めて密接な関係を有す
ることを見出した。

【０００８】例えば、単結晶珪素では、５２１ｃｍ^-1に
ラマン・ピークが存在するが、レーザーアニール処理さ
れた珪素被膜のラマン・ピークは、それよりも短波数
（長波長）側に移動する傾向が観察された。そして、こ
のときのラマン・ピークの中心値と得られた半導体薄膜
のキャリヤ移動度には強い相関関係があることが発見さ
れた。

【０００９】図１はこの関係を示す１例であるが、アモ
ルファスシリコン被膜をレーザーアニール処理して得ら
れた被膜のラマン・ピークの中心値（横軸）と被膜の電
子移動度（縦軸）の関係を示す。電子移動度は、珪素被
膜によってＴＦＴを作製し、そのＣＶ（容量−電圧）特
性を測定することによって得られた値を示してある。図
から明らかなように、ラマン・ピークの中心値が５１５
ｃｍ^-1を境として、電子移動度の挙動に大きな違いが見
られる。すなわち、５１５ｃｍ^-1以下では電子移動度の
ラマン・ピーク依存性は小さいが、５１５ｃｍ^-1以上で
はピークの中心値の増加に伴って、急速に電子移動度が
増加する。

【００１０】この現象は明らかに、２つの相が存在する
ことを示している。本発明者らの研究によると、５１５
ｃｍ^-1以下では、レーザーアニールによっても、被膜が
溶融することなく、固相のまま原子の秩序化が進行した
ものであり、５１５ｃｍ^-1以上では、レーザーアニール
によって被膜が溶融し、液相状態を経て固化したもので
あると推定されている。

【００１１】ラマン・ピークの中心値は、単結晶珪素の
ラマン・ピーク値５２１ｃｍ^-1を越えることはなく、得
られた電子移動度の最大値は約２００ｃｍ²／Ｖ・ｓで
あった。しかし、このような高い電子移動度を有する珪
素被膜を再現性よく得ることは難しく、同じ条件でレー
ザーアニールをおこなったつもりであっても、微妙に結
晶の状態が異なるらしく、移動度が１００ｃｍ²／Ｖ・
ｓに満たない場合が大多数であった。そして、このよう
に低い電子移動度を示すものはラマン・ピークの中心値
は、５２１ｃｍ^-1よりかなり小さく、５１５ｃｍ^-1以下
がほとんでどあった。

【００１２】再現性よく、高い移動度が得られないとい
う事実は、例えば、同じ条件で２００個のアモルファス
シリコン膜のレーザーアニールをおこなった際に、２０
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上のものは３個、１００ｃｍ²／Ｖ
・ｓ以上２００ｃｍ²／Ｖ・ｓ未満のものが１１個、１
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上１００ｃｍ²／Ｖ・ｓ未満のもの
が６１個、１０ｃｍ²／Ｖ・ｓ未満のものが１２５個と
いう結果から裏付けられている。

【００１３】その理由としては、レーザーの出力がパル
スごとでかなりバラつくためと、レーザーアニールの最
適条件が極めて狭い範囲であるためと考えられる。例え
ば、レーザーの出力が小さすぎるとアモルファスシリコ
ンは溶融せず、また、レーザーの出力が大きすぎると、
再結晶化がうまく起こらず、アモルファス化してしまう
ことが観察される。

【００１４】さらに、それらの理由に付け加えて、本発
明人らは膜中の酸素、窒素、炭素等の異元素の存在が、
再現性の低下をもたらしているのではないかと考えた。
図１に示される実験に用いられた被膜にはレーザーアニ
ール後の測定から、２×１０ ²¹ｃｍ^-3もの、酸素原子が
含まれていた。これは、アモルファスシリコン成膜時に
何らかの経路で侵入したものと考えられる。窒素、炭素
は痕跡程度しか観測されなかった。そこで、アモルファ
スシリコン膜作製の際の原料ガスやチャンバー、排気系
統等を充分清浄に保ちつつ、意図的に雰囲気に微量の酸
素を添加して、膜中に存在する酸素原子の量をコントロ
ールし、得られた被膜をレーザーアニールして、そのラ
マン・ピークの中心値と電子移動度の関係を調べた。

【００１５】ただし、本明細書ではこれらの異種元素の
濃度とは、被膜の中心部分の濃度をいう。なぜならば、
被膜の基板より、あるいは被膜の表面近傍は、これらの
異種元素の濃度が極めて高いのであるが、これらの領域
に存在する異種元素は、本発明で問題とするキャリヤ移
動度には大した影響を与えないものと考えたからであ
る。被膜中で、もっともこれら異種元素の濃度の小さい
部分は、通常の被膜では膜の中央部分であり、また、膜
の中央部分は電界効果型トランジスター等の半導体装置
において重要な役割を果たすものと考えられるからであ
る。以上のような理由から、本発明で、単に異種元素の
濃度という場合には、被膜の中央部の濃度をさすものと
定義する。

【００１６】これを図２に示す。図２より明らかなよう
に、膜中の酸素濃度を減らすことによって、著しく電子
移動度を向上させることはできた。この傾向は膜中に炭
素や窒素が含まれる場合においても同様であった。その
理由としては、本発明人らは、膜中の酸素原子が多い場
合には、レーザーアニールによって被膜が溶融・再結晶
化する際に、酸素原子の少ない部分が結晶核となって結
晶成長するのであるが、膜中に含まれる酸素原子はその
結晶の成長とともに周辺へ追いやられ、粒界に析出し
て、よって、被膜全体を通して見た場合、粒界に生じる
バリヤのために移動度が小さくなるという説と、レーザ
ーアニールによって酸素原子あるいは酸素原子の濃度の
大きな領域（一般に融点が純粋な珪素より大きいと考え
られる）が結晶核となって結晶成長するのであるが、酸
素原子の数が多い場合には結晶核の発生が多く、よって
１つあたりの結晶の大きさが小さくなって、移動度が小
さく、また、結晶性が損なわれるという説を提案してい
る。

【００１７】いずれにしても、被膜中の酸素濃度を小さ
くすることによって、レーザーアニールによって極めて
大きな電子移動度を得ることができた。例えば、酸素濃
度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3とすることによって、１０００ｃ
ｍ²／Ｖ・ｓという大きな電子移動度が得られた。酸素
濃度以外にも、窒素の濃度や炭素の濃度を小さくするこ
とによっても同様な効果を得ることができた。さらに、
ホール移動度についても同様な傾向が得られた。

【００１８】さらに、酸素濃度が大きい場合でも小さい
場合でも、ラマン・ピークの位置と電子移動度の曲線は
図１の場合と同様に折れ曲がった様子を示した。本発明
人らは、図２の点線より右側の領域は、レーザーアニー
ルによって、被膜が一度溶融した後に再結晶したものと
推定し、この領域を溶融−再結晶領域と名付けた。この
溶融−再結晶領域において大きな移動度が得られた。

【００１９】しかしながら、このような高い移動度を再
現性よく得るということは特に改善されなかった。例え
ば、膜中の酸素原子の量が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下のアモ
ルファスシリコン膜を１００個作製して、１０００ｃｍ
²／Ｖ・ｓが得られたのと同じ条件でレーザーアニール
したつもりでも、電子移動度が１００ｃｍ²／Ｖ・ｓを
越えたのは９例しかなかった。レーザーアニール後の被
膜を観察したところ、レーザー出力が大きすぎて、結晶
化がうまくできず、再アモルファス化している場合が多
く観察された。

【００２０】図２において、点線より右側の領域を、溶
融ー再結晶領域として示したが、実際に、この領域のデ
ータが得られることは上記のように極めて確率が低く、
むしろ、失敗する確率が大きいため望ましくないことが
明らかになった。一方、本発明人らは、溶融ー再結晶領
域の左側に存在する領域において、酸素、窒素、炭素の
濃度を低減せしめることによって、高い移動度が得られ
ることを見出した。このことは図２に示されているが、
例えば、酸素濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下にすることに
よって最大で１００ｃｍ²／Ｖ・ｓもの電子移動度を得
ることができた。さらに付け加えるならば、この程度の
移動度を得ることは難しくなく、例えば、同じ条件で１
００個のアモルファスシリコン膜をレーザーアニールし
た場合、７２個の膜が８０ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上であっ
た。

【００２１】本発明人らは、この領域ではアッモルファ
スシリコン膜が溶融せず、固相状態、もしくは固相と液
相の中間状態で何らかの格子の秩序化が起こり、ある程
度の長い周期性が得られたものと考えている。本発明人
らはこの領域を、固相秩序化領域と名付けた。本発明人
らは、この固相秩序化領域において、酸素、窒素、炭素
等の元素の濃度が低いと高い移動度が得られるという事
実の理由は明らかにしていないが、以下のように推定し
ている。

【００２２】すなわち、この固相秩序化領域では溶融過
程が存在しないものの、レーザー光の光エネルギーもし
くは熱エネルギーを吸収した原子が移動して、最もエネ
ルギーの低い状態、すなわち結晶状態に移行しようとす
る。しかしながら、溶融過程を経ないので、完全な結晶
化には到らず、ところどころで数ｎｍ〜数１０ｎｍの秩
序化した領域が存在し、それらの領域間は、通常のアモ
ルファス状態になっているものと考えられる。この状態
は通常の溶融状態を経過した多結晶状態とは大きく異な
る。すなわち、溶融状態を経過して再結晶化する過程に
おいては、液相の中に結晶核が発生し、それが周囲に成
長して大きくなるため、結晶と結晶のぶつかり合う部分
が生じ、その部分が粒界となる。そして、粒界は、格子
の欠陥や不純物が析出し、またイオン化して分極したり
するため、多くの場合、キャリヤに対する障壁が発生す
る。

【００２３】一方、固相秩序化した場合には、結晶と結
晶のぶつかることはなく、不純物が特に粒界に析出する
こともない。したがって、固相秩序化の場合には、結晶
のような秩序化領域間の障壁は極めて低いものと考えら
れる。そして、固相秩序化した半導体においては、半導
体特性を劣化させる異種元素の存在が、主としてその電
気特性を左右することとなる。

【００２４】図２から明らかなように、例えば酸素濃度
が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の場合には、電子移動度が１０
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ程度であるが、そのときのラマン・ピ
ークの中心値は、単結晶珪素のもの（５２１ｃｍ^-1）か
らは掛け離れており、結晶性が単結晶に近づいたわけで
はないことは明白である。そのことは、後に示す他のデ
ータからも裏付けられる。

【００２５】本発明人らは、さらに、同様な傾向がラマ
ン・ピークの半値幅（以下ＦＷＨＭという）においても
見られることを発見した。この様子を図３に示す。図３
の横軸は、レーザーアニールした被膜のラマン・ピーク
の半値幅を単結晶珪素の半値幅でわったものであり、こ
こではラマン・ピークの半値幅比（以下ＦＷＨＭＲＡ
ＴＩＯ）とよぶ。ＦＷＨＭＲＡＴＩＯが小さく、１に
近いものほど単結晶珪素に近い構造を有していると考え
られる。そして、図から明らかなように、溶融ー再結晶
化領域（図の点線より左側）と固相秩序化領域（図の点
線より右側）が存在し、固相秩序化領域においては、先
のラマン・ピークの中心値の場合と同様に膜中の酸素濃
度が小さいものほど電子移動度が大きく、同様な傾向は
酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見ら
れた。図３より明らかなように酸素濃度２×１０²¹ｃｍ
^-3の場合では、ＦＷＨＭＲＡＴＩＯが２より大きい領
域が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度１×１
０¹⁹ｃｍ^-3の場合では、ＦＷＨＭＲＡＴＩＯが３より
大きい領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。す
なわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動
度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な
傾向が見られた。

【００２６】さらに、本発明人らは、ラマン・ピークの
うち、膜中のアモルファス成分に起因するピークの強度
に関しても、電子移動度と密接な相関が有ることが明ら
かになった。図４は、レーザーアニールした被膜のラマ
ン・ピークのうち、アモルファス成分に起因するラマン
・ピーク（４８０ｃｍ^-1付近のピーク）の強度Ｉａを単
結晶珪素のラマン・ピークＩｃ（５２１ｃｍ^-1付近のピ
ーク）で割ったものであり、以下、ラマン・ピークの強
度比（ＩＮＴＥＮＳＩＴＹＲＡＴＩＯ）と呼ぶ。ラマ
ン・ピークの強度比に関しても、固相秩序化領域（図の
点線より右側）において膜中に含まれる酸素の量が少な
いほど電子移動度が大きくなった。同様な傾向は酸素の
濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見られた。
図４より明らかなように酸素濃度２×１０²¹ｃｍ^-3の場
合では、ラマン・ピークの強度比が略０．２以上の領域
が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度１×１０
¹⁹ｃｍ^-3の場合では、ラマン・ピークの強度比が０．４
以上の領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。す
なわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動
度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な
傾向が見られた。この場合にも図２、図３の場合と同様
に図４の点線より左側は溶融−再結晶領域であると考え
ている。

【００２７】さて、以上のように、キャリヤ移動度を向
上させるためには、膜中の酸素、窒素、炭素の量を減ら
せば良いことが明らかになった。特に、本発明人らはこ
れらの元素の量がそれぞれ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下、望
ましくは１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とすることによって、さ
らに失敗する確率の大きい溶融過程を経ずして、より歩
留りの大きい固相秩序化過程によって、最高で８０％も
の確率で、例えば、異種元素の濃度を５×１０¹⁹ｃｍ^-3
以下とすることによって、珪素膜で電子移動度として５
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上、１×１０¹⁹ｃｍ²／Ｖ・ｓ以下
とすることによって、１００ｃｍ²／Ｖ・ｓもの値が得
られることを見出した。また、同様な方法によって、ホ
ール移動度として、３０〜８０ｃｍ²／Ｖ・ｓの値を安
定に得ることができた。

【００２８】以上のように、膜中の異種元素の濃度を低
減せしめることによって、固相秩序化過程を経た特殊な
状態（本発明人らは、これをセミアモルファス状態と命
名する）のキャリヤ移動度を向上せしめることが可能と
なることがわかった。セミアモルファス状態を実現する
ためには、膜が溶融状態とならないことが必要条件であ
る。したがって、長い時間では、レーザーが照射されて
いる部分の温度が、その半導体の融点以下、すなわち、
珪素の場合には大気圧下で１４００度Ｃ、ゲルマニウム
の場合には大気圧下で１０００度Ｃ以下であることが必
要である。しかしながら、例えば、エキシマーレーザー
で実現されているような１０ナノ秒という極めて短い時
間においては、瞬間的には２０００度Ｃを越えるような
温度が分光学的には観測されても、被膜の溶融は観測さ
れないということも起こることがあり、この温度の定義
は実際にはあまり意味を持たない。

【００２９】高い移動度をえるためには、異種元素の濃
度を低減せしめることが有効であることは上記の通りで
あるが、例えば、これらの元素の濃度を１×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下にすることは、極めて真空度の高い環境におい
て、きわめてこれらの元素の濃度が小さい（１×１０¹⁶
ｃｍ^-3以下）アモルファス半導体の被膜にレーザーアニ
ールをおこなっても、容易には達成できない。これは、
雰囲気中に微量含まれる酸素ガス、窒素ガス、水分、二
酸化炭素等がレーザーアニールの際に膜中に取り込まれ
るため、あるいは、膜の表面に吸着されていたこれらの
ガスがレーザーアニールの際に膜中に取り込まれたから
であると推測される。

【００３０】そして、これらの困難を避けるためには特
別な作製方法が必要である。１つの方法は、酸素、窒
素、炭素の濃度が極めて小さい、例えば、１０¹⁵ｃｍ^-3
以下のアモルファス半導体膜の表面を覆って、酸化珪
素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成し、その後、
真空雰囲気中（１０^-4ｔｏｒｒ以下）でレーザーアニー
ルをおこなうことによって、極めて酸素、窒素、炭素の
濃度の小さく、高い移動度の半導体被膜を形成すること
ができる。例えば、炭素、窒素、酸素の濃度がいずれも
１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下で、電子移動度が３００ｃｍ²／
Ｖ・ｓの珪素被膜が得られた。

【００３１】アモルファス半導体膜の表面を覆って、酸
化珪素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成するに際
しては、１つの真空装置を有するチャンバーで、例えば
ＣＶＤ法やスパッタ法によってアモルファス半導体被膜
を形成した後に、同じチャンバー内で雰囲気を変えず
に、あるいは一度、極めて高真空の状態にした後、成膜
に適した雰囲気にすることによって、連続的に成膜する
方法が適している。しかしながら、より製品の歩留り、
再現性、信頼性を向上させるためには、それぞれの被膜
の形成に専用のチャンバーを用意し、製品は極めて高真
空に保たれた状態のまま、各チャンバーを移動する方式
を採用することが望ましい。これらの成膜の方法の選択
は設備投資の規模によってなされる。いずれの方法を採
用するにしても、重要なことは下地のアモルファス半導
体膜に含まれる酸素、窒素、炭素は十分に少ないこと、
およびアモルファス半導体とその上の保護膜の界面には
ガスが吸着されていないこと、である。例えば、極めて
純粋なアモルファス半導体膜を形成しても、一度、その
膜を大気にさらしたのち、その上に窒化珪素被膜を形成
した場合には、その被膜をレーザーアニールして得られ
る被膜のキャリヤ移動度は、一般に小さなものであり、
また、移動度の大きなものが得られる確率は極めて小さ
い。これは、アモルファス半導体膜の表面にガスが吸着
され、これが後のレーザーアニールの際に被膜中に拡散
するためであると考えられる。

【００３２】また、このときの保護膜の材料としてはレ
ーザー光を透過する条件を満たせば、酸化珪素、窒化珪
素や炭化珪素であってもよく、また、これらの混在し
た、化学式ＳｉＮ_xＯ_yＣ_z（０≦ｘ≦４／３、０≦
ｙ≦２、０≦ｚ≦１、０≦３ｘ＋２ｙ＋４ｚ≦４）で表
される材料を含む材料であってもかまわない。また、そ
の厚さは５〜１０００ｎｍが適していた。

【００３３】さて、本発明はアモルファス半導体被膜中
の酸素、窒素、炭素の濃度を低減することおよびレーザ
ーアニールの際に存在する酸素、窒素、炭素の濃度を低
減することにより、高いキャリヤ移動度を有する半導体
被膜を得ることを明らかにしたのであるが、このとき得
られる電子移動度もしくはホール移動度は、測定のため
に形成された電界効果トランジスターのチャネル形成領
域の平均値であり、チャネル形成領域の微細な各部分に
おける移動度は求めることはできない。しかしながら、
本発明の図１〜図４およびそれらに関連する記述から明
らかなように、キャリヤ移動度はラマン・ピークの位
置、ラマン・ピークの半値幅、ラマン・ピーク中のアモ
ルファス成分の強度およびラマン・ピークの強度等のパ
ラメータから、一義的に決定できることが明らかになっ
た。したがって、直接には移動度が測定できない微小な
領域の移動度も、ラマン分光によるこれらの情報から、
おおよその移動度を推定することができる。

【００３４】図５は、固相秩序化過程を経て形成され
た、セミアモルファスシリコンで、電子移動度が１０１
ｃｍ²／Ｖ・ｓのもの、および溶融過程を経て形成され
た電子移動度が２０１ｃｍ²／Ｖ・ｓのもののチャネル
形成領域を有する電界効果トランジスターの、チャネル
形成領域の各部におけるラマン・ピークの半値幅（ＦＷ
ＨＭ）を示したものである。図において、横軸はチャネ
ル形成領域の位置を表す。Ｌはチャネル形成領域の長さ
であって、１００μｍである。Ｘはチャネル形成領域の
座標を表し、Ｘ／Ｌ＝０とは、チャネル形成領域のソー
ス領域との界面、Ｘ／Ｌ＝１とは、チャネル形成領域の
ドレイン領域との界面、Ｘ／Ｌ＝０．５とは、チャネル
形成領域の中央を表している。図５から明らかなように
電子移動度が１０１ｃｍ²／Ｖ・ｓのものはＦＷＨＭが
１０ｃｍ^-1より大きいがその変動（場所によるバラツキ
程度）は小さく、電子移動度が２０１ｃｍ²／Ｖ・ｓの
ものはＦＷＨＭが１０ｃｍ^-1より小さいがその変動（場
所によるバラツキ程度）は大きい。ＦＷＨＭが小さいほ
ど被膜の結晶性が単結晶のものに近く、それゆえ電子移
動度が大きいことは図３およびそれに関連する説明で述
べたとおりであり、このデータ事態はそれと矛盾するも
のではない。しかしながら、ＦＷＨＭの場所による変動
（場所依存性）が小さいということは、被膜の結晶性が
場所によらずほぼ同じものであることを物語っている。
なお、この被膜の酸素濃度は約１×１０ ¹⁹ｃｍ^-3であっ
た。

【００３５】一方、電子移動度が２０１ｃｍ²／Ｖ・ｓ
のものは、酸素濃度が同じく１×１０¹⁹ｃｍ^-3であっ
た。図から明らかなように、全般的にＦＷＨＭは低下し
ているが、ＦＷＨＭの場所依存性が大きかった。そし
て、場所によっては、電子移動度が単結晶もＦＷＨＭ
（４．５ｃｍ^-1）と同等あるいはそれより小さなＦＷＨ
Ｍの値を示しその部分の電子移動度が単結晶並に大きい
ということを示唆するが、このことは、同一被膜中に単
結晶珪素と同等な結晶性を有する部分が局在してあるこ
とを意味している。しかしながら、デバイスとして量産
する場合には、いかに移動度が大きいといってもこのよ
うに場所によって特性が大きく異なる材料を用いること
は望ましくない。特にデバイスの大きさが小さくなるに
したがって、それまで平均化されていたため問題となら
なかった不均一性が目立つようになり、デバイスの歩留
りを著しく低下させてしまう原因となる。

【００３６】これに対し、電子移動度が１０１ｃｍ²／
Ｖ・ｓのもの（セミアモルファス）は、図から明らかな
ように、全般的にＦＷＨＭの場所依存性は小さい。この
ことはデバイスを量産する上で歩留りの向上につなが
り、材料として適していることをしめしている

【００３７】高いキャリヤ移動度を得るためには、上記
のように、膜中の異種元素の濃度を低減せしめるととも
に、レーザーアニールの条件を最適化しなければならな
い。このレーザーアニールの条件は、レーザーの発振条
件（連続発振もしくはパルス発振、繰り返し周波数、強
度、波長、被膜等）によって異なり、一概には言えな
い。レーザーとしてはエキシマーレーザーの如き紫外線
レーザー、ＹＡＧレーザーの如き可視、赤外レーザーが
使用でき、レーザーアニールする被膜の厚さ等によって
選択することが必要である。すなわち、一般に珪素ある
いはゲルマニウム材料においては、紫外線に対する吸収
長が短いため、レーザー光は深部までは入らず、レーザ
ーアニールは表面の比較的浅い領域でのみ起こる。これ
に対し、可視光、赤外線に対しては吸収長が長く、光が
比較的内部まで侵入し、よって、レーザーアニールは深
い部分でも起こる。

【００３８】付加的な事項であるが、半導体被膜をレー
ザーアニールした後に、水素雰囲気中で２００〜６００
度Ｃで１０分〜６時間のアニール処理を施すことは高い
キャリヤ移動度を再現性よく得るために有効であった。
これは、レーザーアニールによって特定の領域において
固相秩序化が起こると同時に、残されたアモルファス領
域には不対結合手（タングリング・ボンド）が残された
ままになっているため、あるいはレーザーアニールによ
って新たに生じ、これがキャリヤに対する障壁として機
能するためであると考えられる。半導体中に酸素、窒
素、炭素等が多く含まれる場合にはこれらが、ダングリ
ング・ボンドを埋めるのであるが、本発明のように酸
素、窒素、炭素等の濃度が著しく小さい場合には、ダン
グリング・ボンドを埋めることができず、よって、レー
ザーアニール後に水素雰囲気中でアニールすることが必
要となる。

【００３９】

【実施例】〔実施例１〕プレーナ構造のＴＦＴを作製
し、その電気特性を評価した。作製方法を図６に示す。
まず、通常のＲＦスパッタ法によって、厚さ約１００ｎ
ｍのアモルファスシリコン被膜を形成した。基板は石英
６０１、基板温度１５０度Ｃ、雰囲気は実質的に１００
％アルゴンで圧力は０．５パスカル（ｐａ）であった。
アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加しなかっ
た。アルゴンの濃度は９９．９９％以上であった。投入
電力は２００Ｗで、ＲＦ周波数は１３．５６ＭＨｚであ
った。その後、このアモルファスシリコン膜を１００μ
ｍ×５００μｍの長方形にエッチングし、アモルファス
シリコン膜６０２を得た。

【００４０】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることを、２次イオン質
量分析法（ＳＩＭＳ）によって確認した。

【００４１】ついで、この膜を１０^-5ｔｏｒｒの圧力の
真空容器中に置き、真空容器に設けられた石英窓を通し
てエキシマーレーザー光（ＫｒＦレーザー、波長２４８
ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エネルギー２００ｍ
Ｊ、照射パルス数５０ショット）を照射して、レーザー
アニールをおこなった。

【００４２】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約１００ｎｍのゲイト絶縁膜６０３を形
成した。このときの基板温度は１５０度Ｃ、ＲＦ（１
３．５６ＭＨｚ）投入電力は４００Ｗであった。雰囲気
は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかっ
た。酸素の濃度は９９．９％以上であった。圧力は０．
５ｐａであった。

【００４３】その後、アルミニウム膜（厚さ２００ｎ
ｍ）を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分
を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電
極６０４を形成した。ゲイト電極の幅は１００μｍであ
った。このとき、ドライエッチングに用いられたフォト
レジスト６０５はゲイト電極の上に残されていた。

【００４４】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを１０¹⁴ｃｍ^-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域６０６とドレイン領域６０７が形成さ
れた。このようすを図６（Ｂ）に示す。

【００４５】さらに、基板全体を真空容器中に置き、１
０^-5ｔｏｒｒの圧力でエキシマーレーザー光（ＫｒＦレ
ーザー、波長２４８ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エ
ネルギー１００ｍＪ、照射パルス数５０ショット）を照
射して、レーザーアニールをおこなった。この工程によ
って、イオン打ち込みされてアモルファス化した不純物
領域がセミアモルファス化された。

【００４６】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん１０^-6ｔｏｒｒまでターボ分子ポンプによって
排気し、この状態を３０分保ったのち、９９．９９％以
上の純度の水素ガスを１００ｔｏｒｒまでチャンバー内
に導入し、基板を３００度Ｃで６０分アニールした。こ
こで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・
水分等を除去するためである。これらが残存した状態で
熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得ら
れないことが経験的にわかっていた。

【００４７】最後に、ソース領域およびドレイン領域の
上に存在する酸化珪素膜（厚さ１００ｎｍ）に穴を開
け、アルミニウム電極６０８、６０９をこれらの領域に
形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスタ
ーが形成された。

【００４８】この電界効果型トランジスターのＣＶ特性
を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は９８
ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。さらに、しきい値電圧（スレ
シュホールド電圧）は４．８Ｖであった。また、この電
界効果型トランジスターのチャネル形成領域中の酸素、
窒素、炭素の濃度をＳＩＭＳによって測定した結果、い
ずれも１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であった。

【００４９】〔実施例２〕プレーナ構造のＴＦＴを作製
し、その電気特性を評価した。まず、通常のＲＦスパッ
タ法によって、３×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度のリンを含む厚
さ約１００ｎｍのアモルファスシリコン被膜を形成し
た。この膜厚では、後のレーザーアニールに使用される
ＫｒＦレーザー光（２４８ｎｍ）によって、膜全体がア
ニールされる。基板は石英、基板温度１５０度Ｃ、雰囲
気は実質的に１００％アルゴンで圧力は０．５パスカル
（ｐａ）であった。アルゴンには水素その他のガスを意
図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は９９．９９％
以上であった。投入電力は２００Ｗで、ＲＦ周波数は１
３．５６ＭＨｚであった。その後、このアモルファスシ
リコン膜を１００μｍ×５００μｍの長方形にエッチン
グした。

【００５０】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることを、２次イオン質
量分析法（ＳＩＭＳ）によって確認した。

【００５１】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約１００ｎｍのゲイト絶縁膜を形成し
た。このときの基板温度は１５０度Ｃ、ＲＦ（１３．５
６ＭＨｚ）投入電力は４００Ｗであった。雰囲気は実質
的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかった。酸素
の濃度は９９．９％以上であった。圧力は０．５ｐａで
あった。

【００５２】その後、アルミニウム膜（厚さ２００ｎ
ｍ）を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分
を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電
極を形成した。ゲイト電極の幅は１００μｍであった。
このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジス
トはゲイト電極の上に残されていた。

【００５３】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを１０¹⁴ｃｍ^-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域とドレイン領域が形成された。

【００５４】さらに、基板全体を真空容器に置き、１０
^-5ｔｏｒｒの圧力でエキシマーレーザー光（ＫｒＦレー
ザー、波長２４８ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エネ
ルギー１００ｍＪ、照射パルス数５０ショット）を、基
板の裏面から照射して、レーザーアニールをおこなっ
た。この工程によって、アモルファス・シリコン膜がセ
ミアモルファス化された。この方法は実施例１の場合と
異なり、ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル形
成領域のセミアモルファス化が同時におこなわれる。そ
のため、実施例１の方法では、ソース領域あるいはドレ
イン領域とチャネル形成領域の界面に多くの欠陥が生じ
たのに対し、欠陥が少なく、結晶性が連続的な界面が得
られた。

【００５５】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん１０^-6ｔｏｒｒまでターボ分子ポンプによって
排気し、さらに１００度Ｃに加熱した。この状態を３０
分保ったのち、９９．９９％以上の純度の水素ガスを１
００ｔｏｒｒまでチャンバー内に導入し、基板を３００
度Ｃで６０分アニールした。ここで、一度真空排気した
のは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためで
ある。これらが残存した状態で熱アニールをおこなう
と、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的に
わかっていた。

【００５６】最後に、ソース領域およびドレイン領域の
上に存在する酸化珪素膜（厚さ１００ｎｍ）に穴を開
け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上
の工程によって電界効果型トランジスターが形成され
た。

【００５７】この電界効果型トランジスターのＣＶ特性
を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は１１
２ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。さらに、しきい値電圧（ス
レシュホールド電圧）は３．９Ｖであった。しきい値電
圧が実施例１に比べて改善された（低下した）のは、裏
面からレーザーアニールをおこなうことにより、不純物
領域もチャネル形成領域も同時に均一に結晶化したため
であると考えられる。また、ゲイト電圧をＯＮ／ＯＦＦ
したときのドレイン電流の比率は５×１０⁶であった。

【００５８】この電界効果型トランジスターのチャネル
形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をＳＩＭＳによっ
て測定した結果、いずれも１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であっ
た。また、チャネル形成領域をラマン分光法によって測
定したところ、ラマン・ピークの中心値は５１５ｃ
ｍ^-1、ラマン・ピークの半値幅は１３ｃｍ^-1であり、一
度溶融したのち再結晶化した珪素の存在は特に観察され
ず、セミアモルファス状態であることが確認された。

【００５９】〔実施例３〕プレーナ構造のＴＦＴを作製
し、その電気特性を評価した。まず、２つのチャンバー
を有する成膜装置を用いて、厚さ約１００ｎｍのアモル
ファスシリコン被膜とその上の厚さ１０ｎｍの窒化珪素
被膜とを厚さ１０ｎｍの窒化珪素被膜でコーティングさ
れた石英基板上に連続的に形成した。アモルファスシリ
コン膜は通常のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜
はグロー放電プラズマＣＶＤ法によって作製した。

【００６０】まず、第１の予備室に基板をセットし、予
備室を２００度Ｃに加熱するとともに、真空排気し、予
備室の圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持し
た。ついで、成膜時以外は常に１０^-4ｔｏｒｒ以下に保
持され、外気が入らないように管理された第１のチャン
バーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気し、予備室から基板を移
動させて第１のチャンバーに基板をセットし、基板およ
びターゲットを２００度Ｃに保持したまま、真空排気
し、チャンバーの圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１
時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを
導入し、ＲＦプラズマを発生させて、スパッタ成膜をお
こなった。スパッタのターゲットは９９．９９９９％以
上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、１ｐｐｍの
リンを含んでいる。成膜時の基板温度は１５０度Ｃ、雰
囲気は実質的に１００％アルゴンで圧力は５×１０^-2ｔ
ｏｒｒであった。アルゴンには水素その他のガスを意図
的に添加しなかった。アルゴンの濃度は９９．９９９９
％以上であった。投入電力は２００Ｗで、ＲＦ周波数は
１３．５６ＭＨｚであった。

【００６１】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第１のチ
ャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。ついで、常に
１０^-5ｔｏｒｒ以下に保持され、第１のチャンバーと第
２のチャンバーの間に設けられている第２の予備室を１
０^-6ｔｏｒｒまで真空排気し、第１のチャンバーから第
２の予備室に基板を移送した。さらに、成膜時以外は常
に１０^-4ｔｏｒｒ以下に保持され、外気が入らないよう
に管理された第２のチャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排
気し、第２の予備室から基板を移動させて第２のチャン
バーに基板をセットし、基板およびターゲットを２００
度Ｃに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が
１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持した。

【００６２】そして、第２のチャンバーに水素で希釈さ
れた純度９９．９９９９％以上のアンモニアガスおよび
ジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）を３：２の割合で導入し、
全体の圧力を１０^-1ｔｏｒｒとした。そして、チャンバ
ーにＲＦ電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の
成膜をおこなった。投入電力（１３．５６ＭＨｚ）は２
００Ｗであった。

【００６３】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第２のチ
ャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。ついで、第２
のチャンバーの片側に設けられ、石英の窓を有する第３
の予備室を１０^-6ｔｏｒｒまで真空排気し、第２のチャ
ンバーから第３の予備室に基板を移送した。そして、第
３の予備室の窓を通してエキシマーレーザー光（ＫｒＦ
レーザー、波長２４８ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射
エネルギー１００ｍＪ、照射パルス数５０ショット）を
照射し、レーザーアニールをおこなった。こうして、ア
モルファスシリコン膜のセミアモルファス化をおこなっ
た。

【００６４】このように、成膜状態から実質的に真空状
態を破ることなく、連続的にレーザーアニールをおこな
う方法は、この実施例に示されているように、アモルフ
ァス半導体膜上に保護膜が形成されている場合であって
も、また、実施例１および２のように保護膜が形成され
ていない場合であっても極めて有効であった。その理由
としては、被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核となる材
料が付着したり傷が付いたりする場合には、勿論のこと
であるが、水分やガスの吸着があるだけで、レーザーア
ニールによって、被膜が容易に多結晶化してしまうから
である。また、真空状態から大気圧状態に移行する際
に、被膜が非均一な応力を受けることがあり、その際に
生じる、小さな膜表面の変化、突起等が容易に多結晶化
の核となってしまうためであると考えている。

【００６５】また、このように成膜とレーザーアニール
を連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室
と予備室とを設け、予備室に窓を設けて、レーザーアニ
ールをおこなう方法と、成膜室に窓を設け、成膜室で成
膜終了後にレーザーアニールをおこなう方法とが考えら
れるが、後者は成膜によって窓が曇ってしまうため、常
に窓に付着する被膜をエッチングしなければならないの
に対し、前者ではその必要がない。したがって、量産性
とメンテナンス性を考慮すれば、前者の方法が優れてい
るといえる。

【００６６】さて、第３の予備室においてレーザーアニ
ールを終了したのち、第３の予備室に乾燥窒素ガスを導
入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、窒化珪
素膜を公知のドライエッチング法によって除去したの
ち、珪素膜を１００μｍ×５００μｍの長方形にエッチ
ングした。

【００６７】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることは、同じ工程で作
製された別の被膜を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
によって分析することによって確認した。

【００６８】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約１００ｎｍのゲイト絶縁膜を形成し
た。このときの基板温度は１５０度Ｃ、ＲＦ（１３．５
６ＭＨｚ）投入電力は４００Ｗであった。スパッタのタ
ーゲットは９９．９９９９％以上の純度の酸化珪素であ
った。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは
加えなかった。酸素の濃度は９９．９９９％以上であっ
た。圧力は５×１０^-2ｔｏｒｒであった。

【００６９】その後、アルミニウム膜（厚さ２００ｎ
ｍ）を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分
を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電
極を形成した。ゲイト電極の幅は１００μｍであった。
このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジス
トはゲイト電極の上に残されていた。

【００７０】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを１０¹⁴ｃｍ^-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域とドレイン領域が形成された。

【００７１】さらに、基板全体を真空容器に置き、１０
^-5ｔｏｒｒの圧力でエキシマーレーザー光（ＫｒＦレー
ザー、波長２４８ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エネ
ルギー５０ｍＪ、照射パルス数５０ショット）を、基板
の裏面から照射して、レーザーアニールをおこなった。
この工程によって、イオン打ち込み工程によってアモル
ファス化した不純物領域のアモルファス・シリコン膜が
セミアモルファス化された。

【００７２】この方法は２段階のレーザーアニールをお
こなうという点では実施例１と同じであるが、２回目の
レーザーアニールを基板の裏面からおこなうということ
によって、不純物領域とチャネル形成領域の連続的な接
続を目的とする。しかしながら、実施例２の方法と異な
り、わざわざ、チャネル形成領域作製のために１回目の
レーザーアニールをおこなう理由は、紫外線レーザーに
よって、レーザーアニールをおこなうと、レーザー照射
面のアニールは起こるが、深い部分ではおこらない、あ
るいは移動度の高い状態が得られない可能性が大きく、
製品の歩留りを下げてしまうことがあるからである。そ
こで、製品の歩留りを向上せしめるために、本実施例で
は最初にアモルファスシリコン膜の表面からレーザーを
照射し、後に基板の裏面からもレーザーを照射して、チ
ャネル形成領域と不純物領域の連続的な接合を得るとい
う方法を採用した。

【００７３】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん１０^-6ｔｏｒｒまでターボ分子ポンプによって
排気し、さらに１００度Ｃに加熱した。この状態を３０
分保ったのち、９９．９９％以上の純度の水素ガスを１
００ｔｏｒｒまでチャンバー内に導入し、基板を３００
度Ｃで６０分アニールした。ここで、一度真空排気した
のは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためで
ある。これらが残存した状態で熱アニールをおこなう
と、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的に
わかっていた。最後に、ソース領域およびドレイン領域
の上に存在する酸化珪素膜（厚さ１００ｎｍ）に穴を開
け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上
の工程によって電界効果型トランジスターが形成され
た。

【００７４】この電界効果型トランジスターを１００個
作製して、それらのＣＶ特性を測定した結果、チャネル
形成領域の電子移動度は平均で２７５ｃｍ²／Ｖ・ｓで
あった。さらに、しきい値電圧（スレシュホールド電
圧）の平均は４．２Ｖであった。ドレイン電流の比率の
平均は８×１０⁶であった。電子移動度の基準値を１０
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ、スレシュホールド電圧の基準値を
５．０Ｖ、ドレイン電流比の基準値を１×１０⁶とし
て、１００個の電界効果トランジスターの合格・不合格
を調べたところ、８１個が合格した。

【００７５】また、これらの電界効果型トランジスター
のチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をＳＩ
ＭＳによって測定した結果、合格した電界効果型トラン
ジスターでは、いずれも１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であっ
た。

【００７６】〔実施例４〕プレーナ構造のＴＦＴを作製
し、その電気特性を評価した。まず、２つのチャンバー
を有する成膜装置を用いて、厚さ約１００ｎｍのアモル
ファスシリコン被膜とその上の厚さ１０ｎｍの窒化珪素
被膜とを厚さ１０ｎｍの窒化珪素被膜でコーティングさ
れた石英基板上に連続的に形成した。アモルファスシリ
コン膜は通常のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜
はグロー放電プラズマＣＶＤ法によって作製した。

【００７７】まず、第１の予備室に基板をセットし、予
備室を２００度Ｃに加熱するとともに、真空排気し、予
備室の圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持し
た。ついで、成膜時以外は常に１０^-4ｔｏｒｒ以下に保
持され、外気が入らないように管理された第１のチャン
バーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気し、予備室から基板を移
動させて第１のチャンバーに基板をセットし、基板およ
びターゲットを２００度Ｃに保持したまま、真空排気
し、チャンバーの圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１
時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを
導入し、ＲＦプラズマを発生させて、スパッタ成膜をお
こなった。スパッタのターゲットは９９．９９９９％以
上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、１ｐｐｍの
リンを含んでいる。成膜時の基板温度は１５０度Ｃ、雰
囲気は実質的に１００％アルゴンで圧力は５×１０^-2ｔ
ｏｒｒであった。アルゴンには水素その他のガスを意図
的に添加しなかった。アルゴンの濃度は９９．９９９９
％以上であった。投入電力は２００Ｗで、ＲＦ周波数は
１３．５６ＭＨｚであった。

【００７８】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第１のチ
ャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。ついで、常に
１０^-5ｔｏｒｒ以下に保持され、第１のチャンバーと第
２のチャンバーの間に設けられている第２の予備室を１
０^-6ｔｏｒｒまで真空排気し、第１のチャンバーから第
２の予備室に基板を移送した。さらに、成膜時以外は常
に１０^-4ｔｏｒｒ以下に保持され、外気が入らないよう
に管理された第２のチャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排
気し、第２の予備室から基板を移動させて第２のチャン
バーに基板をセットし、基板およびターゲットを２００
度Ｃに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が
１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持した。

【００７９】そして、第２のチャンバーに水素で希釈さ
れた純度９９．９９９９％以上のアンモニアガスおよび
ジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）を３：２の割合で導入し、
全体の圧力を１０^-1ｔｏｒｒとした。そして、チャンバ
ーにＲＦ電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の
成膜をおこなった。投入電力（１３．５６ＭＨｚ）は２
００Ｗであった。

【００８０】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第２のチ
ャンバーを１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。ついで、第２
のチャンバーの片側に設けられ、石英の窓を有する第３
の予備室を１０^-6ｔｏｒｒまで真空排気し、第２のチャ
ンバーから第３の予備室に基板を移送した。そして、第
３の予備室に純度９９．９９９９％以上のアルゴンガス
を導入し、内部の圧力を５気圧とした。そして、第３の
予備室の窓を通してエキシマーレーザー光（ＫｒＦレー
ザー、波長２４８ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エネ
ルギー１００ｍＪ、照射パルス数５０ショット）を照射
し、レーザーアニールをおこなった。こうして、アモル
ファスシリコン膜のセミアモルファス化をおこなった。

【００８１】このように、成膜状態から外気に触れるこ
となく、連続的にレーザーアニールをおこなう方法は、
この実施例に示されているように、アモルファス半導体
膜上に保護膜が形成されている場合であっても、また、
実施例１および２のように保護膜が形成されていない場
合であっても極めて有効であった。その理由としては、
被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核となる材料が付着し
たり傷が付いたりすることがないというためであると考
えられる。さらに、本実施例の場合のように、加圧した
雰囲気でのレーザーアニールは、レーザー照射によっ
て、被膜内にミクロな気泡行が発生することを抑制し、
したがって、これらの気泡が核となって被膜が多結晶化
することを防止する効果がある。

【００８２】また、このように成膜とレーザーアニール
を連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室
と予備室とを設け、予備室に窓を設けて、レーザーアニ
ールをおこなう方法と、成膜室に窓を設け、成膜室で成
膜終了後にレーザーアニールをおこなう方法とが考えら
れるが、後者は成膜によって窓が曇ってしまうため、常
に窓に付着する被膜をエッチングしなければならないの
に対し、前者ではその必要がない。したがって、量産性
とメンテナンス性を考慮すれば、前者の方法が優れてい
るといえる。

【００８３】さて、第３の予備室においてレーザーアニ
ールを終了したのち、第３の予備室に乾燥窒素ガスを導
入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、窒化珪
素膜を公知のドライエッチング法によって除去したの
ち、珪素膜を１０μｍ×１μｍの長方形にエッチングし
た。

【００８４】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることは、同じ工程で作
製された別の被膜を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
によって分析することによって確認した。

【００８５】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約１００ｎｍのゲイト絶縁膜を形成し
た。このときの基板温度は１５０度Ｃ、ＲＦ（１３．５
６ＭＨｚ）投入電力は４００Ｗであった。スパッタのタ
ーゲットは９９．９９９９％以上の純度の酸化珪素であ
った。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは
加えなかった。酸素の濃度は９９．９９９％以上であっ
た。圧力は５×１０^-2ｔｏｒｒであった。

【００８６】その後、アルミニウム膜（厚さ２００ｎ
ｍ）を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分
を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電
極を形成した。ゲイト電極の幅（チャネル長）は０．５
μｍ、チャネル幅は１μｍであった。このとき、ドライ
エッチングに用いられたフォトレジストはゲイト電極の
上に残されていた。

【００８７】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを１０¹⁴ｃｍ^-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域とドレイン領域が形成された。さら
に、基板全体を真空容器に置き、１０^-5ｔｏｒｒの圧力
でエキシマーレーザー光（ＫｒＦレーザー、波長２４８
ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒、照射エネルギー５０ｍＪ、
照射パルス数５０ショット）を、基板の裏面から照射し
て、レーザーアニールをおこなった。この工程によっ
て、イオン打ち込み工程によってアモルファス化した不
純物領域のアモルファス・シリコン膜がセミアモルファ
ス化された。

【００８８】この方法は２段階のレーザーアニールをお
こなうという点では実施例１と同じであるが、２回目の
レーザーアニールを基板の裏面からおこなうということ
によって、不純物領域とチャネル形成領域の連続的な接
続を目的とする。しかしながら、実施例２の方法と異な
り、わざわざ、チャネル形成領域作製のために１回目の
レーザーアニールをおこなう理由は、紫外線レーザーに
よって、レーザーアニールをおこなうと、レーザー照射
面のアニールは起こるが、深い部分ではおこらない、あ
るいは移動度の高い状態が得られない可能性が大きく、
製品の歩留りを下げてしまうことがあるからである。そ
こで、製品の歩留りを向上せしめるために、本実施例で
は最初にアモルファスシリコン膜の表面からレーザーを
照射し、後に基板の裏面からもレーザーを照射して、チ
ャネル形成領域と不純物領域の連続的な接合を得るとい
う方法を採用した。

【００８９】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん１０^-6ｔｏｒｒまでターボ分子ポンプによって
排気し、さらに１００度Ｃに加熱した。この状態を３０
分保ったのち、９９．９９％以上の純度の水素ガスを１
００ｔｏｒｒまでチャンバー内に導入し、基板を３００
度Ｃで６０分アニールした。ここで、一度真空排気した
のは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためで
ある。これらが残存した状態で熱アニールをおこなう
と、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的に
わかっていた。最後に、ソース領域およびドレイン領域
の上に存在する酸化珪素膜（厚さ１００ｎｍ）に穴を開
け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上
の工程によって電界効果型トランジスターが形成され
た。

【００９０】この電界効果型トランジスターを１００個
作製して、それらのＣＶ特性を測定した結果、チャネル
形成領域の電子移動度は平均で２５９ｃｍ²／Ｖ・ｓで
あった。さらに、しきい値電圧（スレシュホールド電
圧）の平均は４．２Ｖであった。ドレイン電流の比率の
平均は８×１０⁶であった。電子移動度の基準値を１０
０ｃｍ²／Ｖ・ｓ、スレシュホールド電圧の基準値を
５．０Ｖ、ドレイン電流比の基準値を１×１０⁶とし
て、１００個の電界効果トランジスターの合格・不合格
を調べたところ、７１個が合格した。この例は、本発明
が、デバイスの微細化に極めて有効であるということを
示している。

【００９１】また、これらの電界効果型トランジスター
のチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をＳＩ
ＭＳによって測定した結果、合格した電界効果型トラン
ジスターでは、いずれも１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であっ
た。

【００９２】

【発明の効果】本発明によって、再現性よく、移動度の
大きな膜状半導体が得られることが明らかになった。本
発明では、主として石英等の絶縁性基板状に形成した半
導体被膜のレーザーアニールについて説明したが、基板
の材料としては、モノリシックＩＣ等で用いられるよう
な単結晶珪素基板等の単結晶半導体であってもよい。し
かし、レーザーアニールが起こる程度の比較的薄いアモ
ルファス膜を単結晶もしくは多結晶の基板上にじかに形
成した場合には、レーザー照射によって、これらの基板
を核として結晶が成長し、多結晶化してしまうため望ま
しくない。しかしながら、十分厚いアモルファス膜を単
結晶もしくは多結晶基板上に形成した場合には、レーザ
ーアニールはアモルファス膜の深部にまでは到達しない
ため、良好なセミアモルファス状態が得られる。もちろ
ん、単結晶もしくは多結晶基板上に酸化珪素、窒化珪素
等のアモルファス材料が形成されている場合には何ら問
題はない。

【００９３】また、実施例では珪素被膜に関して述べた
が、ゲルマニウム被膜であっても、また、シリコンーゲ
ルマニウム合金被膜であっても、その他の真性半導体材
料あるいは化合物半導体材料であっても、本発明を適用
することができる。最初に述べたように、本明細書で
は、アモルファス被膜の移動度改善方法としてレーザー
アニールという方法を用いると記述したが、この表現に
は例えばフラッシュランプアニールのようにレーザーは
使用されない方法も含むのである。すなわち、本発明は
強力な光学的エネルギーを利用して半導体材料の結晶性
を改善する方法に関するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザーアニールされた珪素被膜のラマン・ピ
ークの中心値（ＲＡＭＡＮＳＨＩＦＴ、横軸）と電子
移動度（縦軸）の関係を示す。被膜中の酸素の濃度は２
×１０²¹ｃｍ^-3である。

【図２】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素
被膜のラマン・ピークの中心値（ＲＡＭＡＮＳＨＩＦ
Ｔ、横軸）と電子移動度（縦軸）の関係を示す。

【図３】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素
被膜のラマン・ピークの半値幅の単結晶珪素のラマン・
ピークの半値幅に対する比率（ＦＷＨＭＲＡＴＩＯ、
横軸）と電子移動度（縦軸）の関係を示す。

【図４】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素
被膜のラマン・ピークのアモルファス成分の強度（４８
０ｃｍ^-1のピーク）の単結晶珪素成分の強度（５２１ｃ
ｍ^-1のピーク）に対する比率（Ｉａ／Ｉｃ、横軸）と電
子移動度（縦軸）の関係を示す。

【図５】２つの電界効果トランジスターのチャネル形成
領域におけるラマン・ピークのＦＷＨＭの場所依存性を
示す。縦軸：ＦＷＨＭ、横軸：Ｘ／Ｌ（Ｌ：チャネル
長）

【図６】電界効果型トランジスターの作製方法の例を示
す。

【符号の説明】

６０１・・・基板６０２・・・半導体被膜６０３・・・絶縁体被膜６０４・・・ゲイト電極６０５・・・フォトレジスト６０６・・・ソース領域６０７・・・ドレイン領域６０８・・・ソース電極６０９・・・ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも１
×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であるシリコン−ゲルマニウム薄膜
にレーザ光を照射して、ラマン・ピークのラマンシフト
が５１５ｃｍ^-1以下の波数にせしめることによって得ら
れたことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項２】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも１
×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であるシリコン−ゲルマニウム薄膜
にレーザ光を照射して、ラマン・ピークの半値幅が１０
ｃｍ^-1より大きい波数にせしめることによって得られた
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項３】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも１
×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であるシリコン−ゲルマニウム薄膜
にレーザ光を照射して、ラマン・ピークの半値幅比を３
より大きくせしめることによって得られたことを特徴と
する半導体薄膜。
【請求項４】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも１
×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であるシリコン−ゲルマニウム薄膜
にレーザ光を照射して、ラマン・ピークの強度比を０．
４以上にせしめることによって得られたことを特徴とす
る半導体薄膜。
【請求項５】前記レーザ光の出力は、溶融−再結晶領域
に至らない出力を用いることを特徴とする請求項１乃至
請求項４のいずれか一に記載の半導体薄膜。
【請求項６】前記レーザ光は、エキシマレーザ光である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に
記載の半導体薄膜。
【請求項７】前記レーザ光は、ＹＡＧレーザー光である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に
記載の半導体薄膜。
【請求項８】請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載
の半導体薄膜を半導体領域に用いたことを特徴とする半
導体装置。
【請求項９】請求項８に記載の半導体装置を複数用いた
ことを特徴とする液晶電気光学装置。