JP2001210828A

JP2001210828A - 薄膜半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001210828A
Application number: JP2000020823A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Miyasaka; 光敏宮坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】電気的特性のばらつきの少ない多結晶薄膜半
導体装置を比較的低温で製造する。【解決手段】多結晶半導体膜形成後、希ガス元素イオ
ンを半導体膜のチャネル形成領域およびその近傍領域に
のみ選択的に、また、飛程中心が該半導体膜の下側界面
から１０ｎｍ±１０ｎｍ内になるよう注入する。その
後、Ｘｅｃｌエキシマレーザを、該半導体膜の膜厚方向
に対して８５％以上９７％程度以下溶融させるエネルギ
ー密度で照射し、該半導体膜を再結晶化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は６００℃程度以下
の比較的低温にて、基板上に形成された結晶性半導体膜
の品質を向上せしめ、且つ其の品質変動を最小にし得る
技術に関する。取り分け此の技術を適応して、基板上に
形成された結晶性半導体膜を半導体装置のチャンネル形
成領域として活用している薄膜半導体装置の性能を著し
く改善し、且つ半導体装置素子間の品質が均一と成り得
る、薄膜半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶硅素薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ
ＴＦＴ）に代表される半導体装置を汎用ガラス基板を
使用し得る６００℃程度以下の低温にて製造する場合、
従来以下の如き製造方法が取られて居た。まず基板上に
半導体膜と成る非晶質硅素膜を低圧化学気相堆積法（Ｌ
ＰＣＶＤ法）で形成する。次に此の非晶質膜にエキシマ
レーザー等を照射して多結晶硅素膜（ｐ−Ｓｉ膜）とし
た後、ゲート絶縁膜と成る酸化硅素膜を化学気相堆積法
（ＣＶＤ法）や物理気相堆積法（ＰＶＤ法）にて形成す
る。次にタンタル等でゲート電極を作成して、金属（ゲ
ート電極）−酸化膜（ゲート絶縁膜）−半導体（多結晶
硅素膜）から成る電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ）を構成させる。最後に層間絶縁膜を此等の膜上に堆
積し、コンタクトホールを開孔した後に金属薄膜にて配
線を施して、半導体装置が完成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら此等従来
の半導体装置の製造方法では、半導体特性を良好する為
に照射レーザー光のエネルギー密度を増すと、僅かなエ
ネルギー密度の変動に依っても半導体特性が同一基板内
に於いてすら大きくばらつ居ていた。それ故、基板内で
比較的均質な多結晶半導体膜を得るには、レーザー光の
エネルギー密度を最適値よりも可成り低く設定する必要
が有った。又、レーザー光の出力変動に対して非晶質硅
素膜が窮めて敏感である為に、同一基板上に形成された
薄膜半導体素子間で移動度や閾値電圧に代表される電気
特性の偏差が非常に大きい物となっていた。斯くした事
実に則し、従来の製造方法にてｐ−ＳｉＴＦＴ等の半
導体装置を製造すると、完成した半導体装置の電気特性
の平均値は、例えばＮＭＯＳの移動度の平均値ならば８
０ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1と低く、加えて偏差も平均値に対して
２０％程度認められるとの課題を有して居た。

【０００４】そこで本発明は上述の諸事情を鑑み、その
目的とする所は６００℃程度以下との低温工程で優良な
半導体装置を安定的に製造する方法を提供する事に有
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は基板上に形成さ
れた結晶性半導体膜を半導体装置のチャンネル形成領域
として活用している薄膜半導体装置の製造方法に於い
て、基板上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
此の半導体膜に希ガス元素イオンを打ち込むイオン注入
工程と、イオン注入工程後に半導体膜を溶融結晶化させ
る結晶性半導体膜形成工程とを含む事を特徴とする。

【０００６】半導体膜形成工程は低圧化学気相堆積法
（ＬＰＣＶＤ法）にて執り行われ、此の工程にて形成さ
れる半導体膜は多結晶半導体膜である。多結晶半導体膜
はモノシラン（ＳｉＨ₄）を少なくとも原料気体の一種
として用いたＬＰＣＶＤ法に依り基板上に多結晶膜とし
て直接堆積される。多結晶半導体膜の品質を改善する為
に、此の段階にて多結晶膜を基板全体の０．１％程度未
満の局所的で、且つ１０ｎｓ程度から１μｓ程度の極短
時間の溶融状態を経て再結晶化しても良い。半導体膜を
局所的且つ極短時間溶融状態を経て再結晶化させるに
は、多結晶半導体膜にレーザー光を照射するのが最も簡
便である。

【０００７】イオン注入工程にて打ち込まれる希ガス元
素イオンはアルゴン（Ａｒ）イオン或いはヘリウム（Ｈ
ｅ）イオン、又はネオン（Ｎｅ）イオンが好ましい。此
等のイオンが半導体膜に打ち込まれる際には、希ガス元
素イオンの半導体膜内での最大濃度（飛程中心に於ける
濃度）が２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度以上１×１０²¹ｃｍ^-3程
度以下と成る様にする。更に打ち込まれる希ガス元素イ
オンの飛程中心は半導体膜の下側界面と半導体膜の下側
界面からの厚みの４０％程度との間に存在する様に工程
処理を行う。此は半導体膜の下側界面近傍に後の結晶性
半導体膜形成工程での結晶核が多く存在し、此等を効率
的に破壊する事が求められるからで有る。換言すれば、
イオン注入工程にて打ち込まれる希ガス元素イオンの飛
程中心が、半導体膜の下側界面から１０ｎｍ±１０ｎｍ
内に来る様にイオン注入工程を行う。希ガス元素イオン
は半導体装置のチャンネル形成領域及び其の周辺となる
近傍領域のみに選択的に注入するのが殊の外望ましい。
具体的に近傍領域とはチャンネル形成領域から１μｍ程
度以内の領域を示す。

【０００８】結晶性半導体膜形成工程は半導体膜に表側
より光照射を施して半導体膜の溶融結晶化を進めるのが
好ましい。光照射としてはレーザー光照射が望まれる。
レーザー光は半導体膜の膜厚方向に対して８５％程度以
上９７％程度以下を溶融させるエネルギー密度で半導体
膜を照射すと良い。レーザー光の内ではエキシマレーザ
ー光が利用でき、より具体的にはキセノン塩素（ＸｅＣ
ｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）やクリプト
ン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザー光（波長２４８ｎ
ｍ）等が用いられる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は薄膜半導体装置の製造方
法に関し、ガラスの歪点温度が６００℃程度から７５０
℃程度と云った低耐熱性ガラス基板、或いは単結晶硅素
基板等の各種基板上に多結晶硅素膜（Ｓｉ）や多結晶硅
素ゲルマニウム膜（Ｓｉ_xＧｅ_1-x：０＜ｘ＜１）に代表
される半導体物質を半導体薄膜として形成する半導体膜
形成工程と、此の半導体膜に希ガス元素イオンを打ち込
んで半導体膜を非晶質化するイオン注入工程と、イオン
注入工程後に半導体膜の一部を溶融させた後に冷却固化
過程を経て半導体膜の溶融結晶化を進める結晶性半導体
膜形成工程とを少なくとも含む事を特徴とする（図
１）。

【００１０】半導体膜形成工程では下地保護膜の形成方
法や其れに引き続く半導体膜堆積工程直前の洗浄工程、
及び半導体膜堆積工程等を工夫してまず結晶粒が比較的
大きい多結晶膜を形成する（図２Ａ）。此の状態では結
晶粒は十分に大きくなく、其の分布も広がりを有して居
る。そこで次のイオン注入工程にて希ガス元素イオンを
多結晶半導体膜に打ち込み、多結晶体を構成していた結
晶粒の大半を破壊する。結晶粒の大半が破壊され、結晶
粒の一部のみが僅かに残る為、希ガス元素イオンを打ち
込まれた半導体中の結晶核密度は著しく低下する（図２
Ｂ）。此の原理に則りイオン注入工程後の結晶核密度は
確実に半導体膜形成工程直後の多結晶半導体膜の結晶粒
密度よりも小さくなる。その後に結晶性半導体膜形成工
程が行わる。結晶核密度が低下した半導体膜を溶融結晶
化させるので、最終的に得られる結晶性半導体膜は必ず
イオン注入工程以前に形成された膜よりも結晶粒密度が
小さく、故に平均結晶粒径は増大するに至る（図２
Ｃ）。

【００１１】イオン注入工程に於ける希ガス元素イオン
の半導体膜への打ち込みを、半導体膜の特定な領域にイ
オン注入保護膜を設けるなどとして局所的に行えば（図
３Ａ）、半導体膜内でイオン注入保護膜に被われていな
い領域の結晶粒のみが選択的に破壊され、其の一方でイ
オン注入保護膜に被われていた領域の結晶粒は保護され
て生き残る（図３Ｂ）。その後に結晶性半導体膜形成工
程が行われ、保護されて生き残った結晶粒が溶融再結晶
化時の結晶種として機能するので結晶は横方向に成長
し、大粒径の結晶粒となる（図３Ｃ）。加えて此の場合
には結晶粒界の位置を或程度制御出来るので、ゲート長
やベース長が４μｍ程度未満の小さい半導体装置で有れ
ば、半導体装置の電流方向（ＭＯＳＦＥＴではソース・
ドレイン方向、バイポーラトランジスタではエミッター
・コレクター方向）を横切る結晶粒界を無くし、窮めて
高性能な結晶性半導体装置を作成し得る。結晶粒界を或
程度制御可能なので半導体装置の移動度や閾値電圧等の
変動は著しく小さくなり、常に高性能な半導体装置を安
定的にばらつきなく製造出来るのである。以下、本願発
明の薄膜半導体装置の製造方法を図面を用いて詳述す
る。

【００１２】半導体膜形成工程では基板上に硅素（Ｓ
ｉ）を主体とした半導体膜を形成する。半導体膜は硅素
をその主構成元素（硅素原子構成比が８０％程度以上）
として居り、多結晶状態にある。基板としては単結晶硅
素等の半導体基板、或いは無アルカリガラスやセラミッ
ク等の絶縁性基板が用いられるのが通常だが、基板の耐
熱性が６００℃程度以上有れば其の種類に囚われない。
此等の基板の表面には半導体膜に対する下地保護膜とし
て、酸化硅素膜が１００ｎｍ程度から１０μｍ程度の厚
みに堆積されて居るのが好ましい。下地保護膜としての
酸化硅素膜は単に半導体膜と基板との電気的絶縁性を取
ったり、或いは基板が含有する不純物の半導体膜への拡
散混入を防ぐにのみならず、下地酸化膜と結晶性半導体
膜との界面を良質な物として居る。本願発明では薄膜半
導体装置の半導体膜は１０ｎｍ程度から１５０ｎｍ程度
の厚みを有し、半導体膜の膜厚方向全域に渡ってエネル
ギーバンドが曲がって居る場合（ＳＯＩの完全空乏化モ
デルに相当する）が考えられる。斯様な状況下ではゲー
ト絶縁膜と半導体膜との界面と共に、下地保護膜と半導
体膜との界面も電気伝導に無視できぬ関与を及ぼす。酸
化硅素膜は半導体膜と界面を成す際に界面捕獲準位を最
も低減し得る物質で有るから下地保護膜として適してい
る訳で有る。半導体膜は此の下地保護膜上に形成され
る。従って下地保護膜としては半導体膜との界面に１０
¹²ｃｍ^-2程度以下の界面準位を有する酸化硅素膜が望ま
れる。更に本願発明では半導体膜下部に於ける結晶核発
生を抑制する事が重要な役割を演ずる。斯うした意味か
らも下地保護膜は半導体膜との界面に生ずる結晶核の密
度を３×１０⁷ｃｍ^-2程度未満とし得る絶縁膜で有る事
が求められる。結晶核となりうる物は１ｎｍ程度以上の
凹凸や段差、塵、埃、微粒子（パーティクル）等であ
る。従って此等の絶縁膜表面での濃度は３×１０⁷ｃｍ^-
²程度未満でなければならない。

【００１３】下地保護膜はプラズマ化学気相堆積法（Ｐ
ＥＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）、
スパッター法と云った気相堆積法や硅素の熱酸化法等で
形成される。基板が高純度の石英から成る時には下地保
護膜と石英基板とが兼用される事も可能で有る。此等下
地保護膜上に比較的粒径の大きい結晶粒から構成される
多結晶半導体膜が低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）
にて直接堆積形成される。本願発明では斯様にして得ら
れた多結晶性半導体膜の大半を次工程のイオン注入工程
にて破壊する。イオン注入は半導体膜の表側より執り行
われ、飛程中心は半導体膜の下部に合わせられるので、
注入された領域では半導体膜の下側界面近傍のみに僅か
な結晶核が残留する事になる。最後に結晶性半導体膜形
成工程にてイオン注入された半導体膜の下部を除いた他
の部分を溶融させ、溶融した半導体膜の冷却固化時に残
留した下部を結晶源として半導体膜の再結晶化を進めて
結晶性半導体膜（溶融結晶化膜）を得る。半導体膜形成
工程にて堆積された多結晶膜を構成する結晶粒が大きけ
れば、結晶核密は小さい事を意味するので、イオン注入
後に残留する結晶核の密度も自ずから小さくなる。従っ
て結晶性半導体膜形成工程後に得られる結晶性半導体膜
を構成する結晶粒は著しく大きく成り、斯くして薄膜半
導体装置の高性能化が実現される。更に此等の条件を満
たすと、イオン注入工程が半導体装置のチャンネル形成
領域とその周辺の近傍領域とに限定される場合、注入領
域では結晶核発生確率が窮めて小さく、其の反面で注入
領域のすぐ外側は大粒径の結晶粒から構成される多結晶
膜で有る為に、結晶性半導体膜形成工程時に注入領域の
外側から内側に向かって大粒径の結晶が成長する。最終
的には此の領域に半導体装置の心臓部であるチャンネル
形成領域が作られるので、窮めて優良な薄膜半導体装置
が実現される事になる。斯うした意味に於いて、又結晶
粒径の大きい多結晶膜を堆積するとの立場からも、半導
体膜形成工程に先立つ下地保護膜形成、及び半導体膜形
成方法が重要となる。

【００１４】本願発明では半導体膜形成工程に先立ち、
下地保護膜形成工程として、基板上に半導体膜に対する
下地保護膜と成る酸化硅素膜を気相堆積法等で形成す
る。更に此の下地保護膜形成工程が終了した後に、此の
基板を洗浄する洗浄工程を設ける。洗浄工程は酸を含む
水溶液を少なくとも含んでおり、酸の内でも弗化水素酸
水溶液にて基板を洗浄する事が殊の他重要で有る。下地
保護膜上の塵や埃は其の上に形成される半導体の純度を
落とすにのみならず、更には多結晶半導体膜を堆積する
際の不要な結晶核とも成る。即ち、下地保護膜上の塵や
埃の存在は最終的に得られる結晶性半導体膜の純度を落
とすと同時に多結晶膜の結晶粒を小さくし、イオン注入
後の結晶核密度を上げ、斯様にして溶融結晶化膜の結晶
粒を小さくし、結局薄膜半導体装置の性能を落とす事に
繋がるので有る。従って優良な半導体装置を得る為に
は、半導体膜堆積前に基板を十分洗浄する必要が有る。
此に依り純度が高く、結晶粒の大きい結晶性半導体膜が
後に得られる事と成る。下地保護膜の付いた基板は石鹸
等の界面活性剤を含む水溶液や酸を含む水溶液、或いは
アルカリを含む水溶液、更にはエタノール等のアルコー
ルやアセトン等のケトンなどの有機溶剤にて洗浄され
る。酸を含む水溶液としては硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）や塩酸
（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ₃）、弗酸（ＨＦ）等の水溶
液、或いは硫酸と過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）と純水（Ｈ₂
Ｏ）との混合液（以下本願明細書中では硫酸過水と略
す）、塩酸と過酸化水素水と純水との混合液（塩酸過水
と略す）、硝酸と過酸化水素水と純水との混合液（硝酸
過水と略す）、硫酸と弗酸と純水（Ｈ₂Ｏ）との混合
液、塩酸と弗酸と純水との混合液、硝酸と弗酸と純水と
の混合液、アンモニアと弗酸と純水との混合液等が特に
適して居る。アルカリを含む水溶液としてはアンモニア
（ＮＨ₃）水溶液や、アンモニアと過酸化水素水と純水
との混合液（アンモニア過水と略す）が適して居る。半
導体膜堆積前には此等の各種洗浄を適宜組み合わせ、最
終的には純水で十分洗い流す必要が有る。ガラス基板の
好ましい洗浄の一例としては次の方法が有る。（１）有機溶剤洗浄（１−１）アセトン等のケトン洗浄（有機物除去）（０℃程度から３０℃程度で１分程度から１０分程度）（１−２）エタノール等のアルコール洗浄（有機物除
去）（０℃程度から３０℃程度で１分程度から１０分程度）（１−３）純水洗浄（ケトン、アルコール除去）（０℃程度から３０℃程度で１分程度から１０分程度）（２）アルカリ洗浄（２−１）アンモニア過水洗浄（金属除去）（５０℃程度から１００℃程度で１分程度から１０分程
度）（２−２）純水洗浄（アンモニア除去）（０℃程度から５０℃程度で１分程度から１０分程度）（３）酸洗浄（３−１）硫酸過水洗浄（金属除去）（５０℃程度から１００℃程度で１分程度から１０分程
度）（３−２）純水洗浄（硫酸除去）（０℃程度から５０℃程度で１分程度から１０分程度）（３−３）塩酸過水洗浄（金属除去）（５０℃程度から１００℃程度で１分程度から１０分程
度）（３−４）純水洗浄（塩酸除去）（０℃程度から５０℃程度で１分程度から１０分程度）（４）表面酸化膜除去（４−１）弗酸水溶液洗浄（酸化膜表面除去及び酸化膜
表面の水素終端化）（０℃程度から３０℃程度で１分程度から１０分程度）（４−２）純水洗浄（弗酸除去）（０℃程度から３０℃程度で１分程度から１０分程度）此の四工程から成る洗浄の内で最も重要なのは表面酸化
膜除去の洗浄で有る。下地保護膜を成す酸化膜の表面層
を除去すれば表面層に付着していた金属や塵等も自動的
に取り除かれるからで有る。従って工程簡略化等の要請
に依り半導体膜堆積前の洗浄工程を最少とさせたい時に
は、少なくとも表面酸化膜除去の洗浄だけは含まれる様
に洗浄工程を設定すれば良い。但し、表面酸化膜除去に
用いる洗浄液の寿命を長くして生産性を上げ、且つ下地
保護膜上の不純物をより確実に除去するとの視点からは
表面酸化膜除去工程の前にアルカリ洗浄乃至は酸洗浄を
行うのが好ましい。表面酸化膜除去の洗浄では上例の如
く弗酸と純水の混合液（弗化水素酸水溶液）の他に弗酸
水溶液とアンモニア等のアルカリ水溶液との混合液を用
いても良い。此の混合液はガラスへの損傷を小さくする
との利点が有り、汎用無アルカリガラスを基板として用
いる時の表面酸化膜除去の洗浄として最も適して居る。
弗酸水溶液とアルカリ水溶液の混合液の一例としては弗
化アンモン（ＮＨ₄Ｆ）水溶液が考えられる。

【００１５】上述の洗浄と最後の純水に依る洗い流しが
済んだ後に、下地保護膜上に多結晶半導体膜を堆積す
る。半導体膜堆積には各種気相堆積法が可能で有るが、
高純度の半導体膜が容易に堆積されるとの立場からは、
其等の内でも特に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）
が適して居る。基板は純水に依る洗い流しが終了した
後、基板に新たな塵や埃の付着を防ぐ為に、直ちに（長
くとも２時間程度以内に）気相堆積装置内に設置される
べきで有る。低圧化学気相堆積法は高真空型低圧化学気
相堆積装置にて行われる。此は半導体膜の純度を高める
事と、酸素や水等の不純物に起因する結晶核の発生を最
小として、本願発明で最終的に得られる結晶性半導体膜
を高純度で且つ大きな結晶粒から構成される様にする為
で有る。高真空型とは半導体膜堆積直前の背景真空度が
５×１０^-7Ｔｏｒｒ程度以下とし得る装置で、具体的に
は成膜室への装置外部からの漏洩流量が、洗浄した基板
からの最大脱ガス総流量（例えば３００ｍｍ×３００ｍ
ｍのガラス基板１７枚で最大脱ガス総流量は１×１０^-2
（ｓｃｃｍ）程度）の十分の一程度以下（先の例に則る
と装置外部からの漏洩流量は１×１０^-3（ｓｃｃｍ）程
度以下）の気密性を有する装置で有る。装置成膜室の気
密性は避け得ない基板からの脱ガスの最大流量の十分の
一程度以下で有れば、仮令気密性に多少の変動が有ろう
とも、総不純物流量（成膜室への装置外部からの漏洩流
量と基板からの脱ガス流量との和）に対して著しい影響
を及ぼさないからで有る。斯様な高真空型低圧化学気相
堆積装置は単に成膜室の気密性が優れて居るにのみなら
ず、成膜室に於ける排気速度が１００ｓｃｃｍ／ｍＴｏ
ｒｒ（不活性ガスを１００ｓｃｃｍ成膜室に流した時に
得られる平衡圧力が１ｍＴｏｒｒと成る排気速度）程度
以上の排気能力を有して居る事が更に望まれる。斯うし
た高排気能力を有する装置では１時間程度の比較的短時
間で、十分な洗浄を施された基板からの水等の脱ガス流
量を装置の漏洩流量と同程度の水準迄低下せしめ、生産
性を著しく高める事が可能と成るからで有る。

【００１６】高純度で高品質の半導体膜を堆積するに
は、低圧化学気相堆積装置に於ける装置外部からの漏洩
流量（Ｑ_L）のモノシラン流量（Ｑ_SiH）に対する比（Ｒ
＝Ｑ_L／Ｑ_SiH）を１０ｐｐｍ程度以下（Ｒ≦１０^-5）と
せねばならない。（先の漏洩流量が１×１０^-3（ｓｃｃ
ｍ）程度の例の場合、モノシラン流量は１００ｓｃｃｍ
程度以上とする。）前述の如く、本願発明では高真空型
低圧化学気相堆積装置を用いて基板からの脱ガス流量が
外部からの漏洩流量（Ｑ_L）程度以下に成ってから半導
体膜の堆積を試みる。従って総不純物流量は外部からの
漏洩流量（Ｑ_L）と同程度の水準で有る。装置外部から
成膜室へ漏洩する物質は主として空気で有る。空気中の
８０％を占める窒素は不活性で有るから、半導体品質に
対して大きな問題は生じせしめず、不純物として問題と
成るのは残りの２０％を占める酸素で有る。一方、成膜
室に導入されたモノシランの内で、実際に反応に関与し
て半導体膜に取り込まれる物は、成膜条件に依存して多
少の変動は有るものの、大凡２０％程度で有る。それ
故、仮令成膜室内に存在する酸素等の不純物が総て半導
体膜中に取り込まれるとの現実には有り得ぬ最悪の状況
を想定しても、外部からの漏洩流量（Ｑ_L）のモノシラ
ン流量（Ｑ_SiH）に対する比（Ｒ＝Ｑ_L／Ｑ_SiH）を１０
ｐｐｍ程度以下（Ｒ≦１０^-5）とすれば、堆積された半
導体膜中の硅素原子に対する酸素原子等の不要な不純物
の濃度は多くとも１０¹⁷ｃｍ^-3程度以下（実際は１０¹⁶
ｃｍ^-3程度以下）と成り、高純度な半導体膜が得られる
ので有る。高純度な多結晶半導体膜はそれを薄膜半導体
装置の活性層（電界効果トランジスタのソース・ドレイ
ン領域やチャンネル形成領域、或いはバイポーラトラン
ジスタのエミッター・ベース・コレクター領域）として
用いた時に、半導体膜禁制帯中の捕獲準位を減らすと共
に不純物元素に起因する移動度低下を最小限に押さえる
との効果を有する。

【００１７】上述の諸条件に加え、ＬＰＣＶＤ法にて結
晶粒径の大きい多結晶半導体膜を得るには堆積圧力を下
げたり、原料気体流量を減らす等の気相に於ける原料輸
送速度を遅くする事が肝要になる。堆積圧力が下がると
其れに伴い背景真空度を上げる必要があるし、原料気体
流量を減らすと総不純流量を減らさねばならない。従っ
て原料輸送速度を遅くした状態で高純度且つ大粒径多結
晶半導体膜を得るには、前述の高真空型ＬＰＣＶＤ装置
の使用が不可欠と云える。半導体膜堆積の際にはモノシ
ラン（ＳｉＨ₄）を原料気体の一種として多結晶半導体
膜を堆積する。これは本願発明が対象としている６００
℃程度以下の低温工程で最も容易に高純度な多結晶半導
体膜が得られるからである。半導体膜堆積時に於ける堆
積温度Ｔ（℃）とＬＰＣＶＤ装置内の総圧力Ｐ（Ｔｏｒ
ｒ）とは、Ｐ＜１０^aT×１０^-31 Ｔｏｒｒ（式１）ａ＝０．０５℃^-1 との関係を満たす様に設定される。この条件を満たすと
多結晶半導体膜は比較的粒径の大きい結晶粒より構成さ
れる事になる。具体的には堆積温度が５４０℃の時には
総圧力は１０^-4Ｔｏｒｒ程度以下が好ましく、５６０℃
程度の時には１０ ^-3Ｔｏｒｒ程度以下、５８０℃の時に
は１０^-2Ｔｏｒｒ程度以下と、温度が２０℃低下する度
に堆積時の真空度が一桁上昇する関係にある。結晶核密
度を下げて比較的大きな結晶粒より構成される多結晶膜
を得るには、此の堆積温度と総圧力との関係を満たすと
同時に、前述の如き下地保護膜表面の結晶核密度を低く
する事が求められる。半導体膜堆積の際に基板洗浄が不
十分で有ると、基板上に付着した不純物が結晶核として
作用する為、結晶粒は小さく成って仕舞う。同様に気相
堆積装置の機密度が不十分で有ると（例えばＲ＝Ｑ_L／
Ｑ_SiH＞１０^-5）、外部から成膜室に漏洩した不純物気
体が基板上に付着して矢張り結晶核と成って仕舞い、結
果として大粒径の結晶粒から成る優れた多結晶膜は得ら
れない。又、成膜室内での基板乾燥が不十分で有ると
（この時には半導体膜堆積直前の背景真空度が５×１０
^-7Ｔｏｒｒ程度以下と成って居ない）、全く同じ原理で
結晶粒は小さく成る。高性能薄膜半導体装置を得る為に
は、基板に十分な洗浄（少なくとも表面酸化膜除去の洗
浄工程）を施し、原料気体流量に対する機密度が十分で
有る成膜装置（Ｒ＝Ｑ_L／Ｑ_SiH≦１０^-5）を用いて、基
板を成膜室で良く乾燥させた後（半導体膜堆積直前の背
景真空度が５×１０^-7Ｔｏｒｒ程度以下とした後）、モ
ノシランを原料気体として用いて式１の関係を満たす堆
積温度と総圧力で多結晶半導体膜を堆積する事が肝要な
ので有る。

【００１８】斯様にして半導体膜形成工程にて形成され
た多結晶半導体膜に希ガス元素イオンを注入して、結晶
核密度の一段たる低減を図る（多結晶半導体膜の非晶質
化を図る）。イオン注入工程にて打ち込まれるイオンは
アルゴン（Ａｒ）イオン或いはヘリウム（Ｈｅ）イオ
ン、又はネオン（Ｎｅ）イオン等の希ガス元素が好まし
い。此等の元素は化学的に不活性なので半導体中に残留
しても半導体装置の電気特性に影響を及ぼさないからで
ある。此に反して硅素やゲルマニウムなどの半導体元素
もイオン注入元素として候補に挙がるが、後述する様に
イオン注入の飛程中心は半導体膜の下側界面近傍に設定
される。その為に半導体元素が注入されると半導体膜の
下側界面が不明瞭な広がりを有する事になり、半導体膜
全体に渡ってエネルギーバンドが曲がる本願発明の半導
体装置では下側界面の悪い状態が半導体特性に悪影響を
及ぼす事になる。希ガス元素ならば下側界面近傍に飛程
中心が設定されても下側界面を乱すことなく、故に完全
空乏型の半導体装置を作成しても良好な性能を示す訳で
ある。希ガス元素がアルゴンならば、製造コストが下が
るとの利点と質量が重いので容易に多結晶膜を破壊し、
結晶核密度を最小とした非晶質膜を得るとの効果が認め
られる。希ガス元素がヘリウムで有れば、半導体膜に打
ち込まれた後で容易に半導体膜から離脱して残留しない
との利点が認められる。希ガス元素がネオンで有れば、
此等の中間で或程度確実に結晶粒を破壊して非晶質膜を
得、且つ半導体膜への希ガス元素の残留を最小に止めら
れる。

【００１９】アルゴン等の希ガス元素イオンが半導体膜
に打ち込まれる際には、希ガス元素イオンの半導体膜内
での最大濃度（飛程中心に於ける濃度）が２×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3程度以上１×１０²¹ｃｍ^-3程度以下と成る様にす
る。２×１０¹⁹ｃｍ^-3程度以上の濃度で打ち込めば、多
結晶半導体膜を構成する結晶粒の大半は確実に破壊され
る。１×１０²¹ｃｍ^-3程度以下の打ち込みならば、後の
熱工程で希ガスイオン元素は半導体膜から離脱し、半導
体膜の密度を落としたり、或いは半導体膜中に空隙（ｖ
ｏｉｄ）を作ったりすることはない。理想的な打ち込み
量としては飛程中心に於ける濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3程
度から３×１０²⁰ｃｍ^-3程度の間である。

【００２０】打ち込まれる希ガス元素イオンの飛程中心
は半導体膜の下側界面と半導体膜の下側界面からの厚み
の４０％程度との間に存在する様に工程処理を行う。例
えば半導体膜の厚みが５０ｎｍで有れば、飛程中心が下
側界面と下側界面より２０ｎｍとの間に来るようにイオ
ン注入時のイオン加速エネルギーを設定する。此は半導
体膜の下側界面近傍に後の結晶性半導体膜形成工程での
結晶核が多く存在し、此等を効率的に破壊する事が求め
られるからで有る。希ガスイオン注入では飛程中心当た
りの半導体が最も損傷を被り、それ故最も確実に結晶核
密度が低減される。最も結晶核密度の高い部位を最も確
実に破壊するには、其の部位に飛程中心を合わせるので
ある。換言すれば、イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンの飛程中心が、半導体膜の下側界面から
１０ｎｍ±１０ｎｍ内に来るようにイオン注入工程を行
うのである。

【００２１】希ガス元素イオンは半導体薄膜全体に一様
に打ち込まれても良いが、半導体装置のチャンネル形成
領域及び其の周辺となる近傍領域のみに選択的に注入さ
れるのが殊の外望ましい（図４Ａ）。近傍領域とは、具
体的に後に薄膜半導体装置のチャンネル形成領域となる
領域からの周辺１μｍ程度以内の領域を示す。図４Ａに
局所的なイオン注入工程に於ける素子断面図を示し、図
４Ｂには局所的なイオン注入工程を経て作成された半導
体素子断面図を示す。図４Ａと４Ｂとではチャンネル形
成領域が一致する様に描かれている。此等の図より希ガ
ス元素イオンが注入される領域は半導体膜の内で後にゲ
ート電極下に来る部分とその周辺である事が分かる。希
ガス元素イオンを半導体膜全体に一様に打ち込むと半導
体膜全体で一様に結晶核密度が減少し、全体に大きな結
晶粒が形成される。此に対して半導体薄膜の特定部位の
みに選択的に希ガス元素イオンを注入すると、此の部位
のみ半導体膜が破壊され、結晶核密度は著しく減少す
る。その一方でイオン注入保護膜に保護された多結晶膜
は多結晶の状態を維持して残る。即ち結晶核密度が高い
状態に残る。此の為、次の結晶性半導体膜形成工程にて
半導体膜の溶融再結晶化を進めると、希ガス元素イオン
の注入された領域は周辺の多結晶膜を結晶成長の核とし
て横方向への成長が生ずる。溶融結晶化時の結晶成長速
度は１０ｍ／ｓ程度であり、溶融時間はレーザー照射条
件に応じて１００ｎｍ程度から４００ｎｍ程度と変わる
ので、結晶の横成長距離は１μｍ程度から４μｍ程度と
なる。結局、イオン注入された領域の左右１μｍ程度か
ら４μｍ程度がイオン注入保護膜に覆われた多結晶体か
ら横方向に結晶成長する事になる。この事はゲート長が
短いトランジスタでは或る程度の結晶粒界制御が可能と
の事実を物語っている（図４Ｃ）。例えば横成長が４μ
ｍ生ずる条件では、近傍領域の距離を１μｍに取って
も、ゲート長が６μｍ以下のトランジスタではソースド
レイン方向を横切る結晶粒界は、常にチャンネル形成領
域の中央部に一個のみとなる。図４Ｃは此の様子を模式
的に描いてある。左右両方向の多結晶体から横成長した
結晶粒がゲート電極の略中央部で衝突して、ソースドレ
イン方向を横切る結晶粒界を只一つだけ作っている（此
を横成長効果と称する）。多結晶トランジスタの移動度
は結晶粒界を電子又は正孔が横切る時に大きな低下を示
すので、斯うした構造の多結晶半導体装置は明らかに優
れた性能を示す。ゲート長が長いトランジスタでは、横
成長が届かなかった領域は先の全体に均一にイオン注入
された半導体膜と同じ結晶核密度を以て結晶成長する。
此等の領域も従来よりは著しく結晶核発生密度が落とさ
れているので、横成長は届かぬものの大きな粒径の結晶
粒から半導体膜は構成される。斯うしたトランジスタで
は結晶粒が大きい効果と横成長効果が共に働き、従来よ
りも際だって優れた半導体装置を形作る事になる。先に
も述べたように横成長効果を最大限に発揮するにはゲー
ト長は８μｍ程度以下で有る事が望まれ、近傍領域距離
を考慮するとゲート長は６μｍ程度以下が好ましい。

【００２２】局所的なイオン注入工程を行う際のチャン
ネル形成領域（図４Ａ）と半導体装置作成終了後のチャ
ンネル形成領域（図４Ｂ）とが厳密に一致して居ればチ
ャンネル形成領域内に横成長結晶粒を最大限取り込むべ
く（横成長効果を最大限取り入れるべく）、近傍領域の
距離は小さい方が好ましい。然るに現実には製造途上で
必ずアライメントエラーが発生し、此等チャンネル形成
領域は厳密には一致しない。従って近傍領域距離の最小
値はアライメントエラーの最大値よりも大きくする。４
００ｍｍ×５００ｍｍ或いは５５０ｍｍ×６５０ｍｍと
云った様な大型ガラス基板を使用する際のアライメント
エラーは０．３μｍ程度なので、近傍領域距離は余裕を
持って１μｍ程度とする。無論アライメントエラーが小
さくなれば、近傍領域距離も小さくし得る。近傍領域距
離が小さい程トランジスタに於ける横成長効果が強く発
揮されるので、此の距離は短いに越した事はない。近傍
領域距離が結晶横成長距離よりも短い時に、トランジス
タの横成長効果が生ずる。従って近傍領域距離の最大値
は結晶横成長距離の最大値であり、その値は大凡４μｍ
程度と云える。

【００２３】斯うしてイオン注入工程で結晶核密度を激
減された後に、結晶性半導体膜形成工程にて半導体膜の
少なくとも表面を溶融結晶化して、大粒径な結晶性半導
体膜或いは横成長効果が認められる結晶性半導体膜を得
る。結晶性半導体膜形成工程は半導体膜に表側より光照
射を施して半導体膜の溶融結晶化を進めるのが好まし
い。光照射を表側より行うのはイオン注入工程などで制
御された結晶成長核が半導体膜の下側界面近傍に位置
し、制御された此等の核を利用して結晶化を進める為で
ある。表側より光照射を行えば必ず表側の温度は下側界
面近傍よりも高くなり、下側界面近傍の結晶成長核を利
用出来るのである。光照射としてはエネルギー効率が高
く、半導体膜の局所的な極短時間溶融状態を経て結晶化
し得るレーザー光照射が最適である。斯様なレーザー光
照射では基板への熱損傷を殆どもたらさず、基板の選択
範囲が広がるとの利点を有するからである。レーザー光
の内ではエキシマレーザー光が利用でき、より具体的に
はキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長
３０８ｎｍ）やクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレー
ザー光（波長２４８ｎｍ）等が用いられる。

【００２４】一般に非晶質半導体膜へのレーザー照射で
は照射後の半導体膜の状態に応じて三種類の相に分類で
きる（図５）。即ち照射レーザーエネルギー密度が弱す
ぎて照射後も非晶質状態にある非晶質相と、適度な照射
エネルギー密度で照射後に多結晶状態が得られる多結晶
相、及び照射エネルギー密度が強すぎて照射後に微結晶
状態となる微結晶相である。非晶質相と多結晶相とを隔
てるのが表面溶融エネルギー密度（Ｅ_SM）で、此のエネ
ルギー密度の時に非晶質半導体膜の極表面のみが溶融す
る事になる。半導体膜の表面のみが溶融するので表面溶
融エネルギー密度は半導体膜の厚みに対して独立であ
る。一方、多結晶相と微結晶相とを隔てるのが完全溶融
エネルギー密度（Ｅ_CM）で、此のエネルギー密度の時に
非晶質半導体膜が膜厚方向の全域に渡って完全に溶融す
る事になる。従って完全溶融エネルギー密度（Ｅ_CM）は
半導体膜が厚くなるに連れて其の値を増加させて行く。

【００２５】本願発明の結晶性半導体膜形成工程にて、
局所的乃至は全面均一にイオン注入された半導体膜にエ
キシマレーザー光を照射するには、その際のレーザーエ
ネルギー密度をＥ_CRで表現すると、Ｅ_CRの値は次の不等
式を満たす様にする。

【００２６】（Ｅ_CM−Ｅ_SM）×ｋ_LC＋Ｅ_SM＜Ｅ_CR＜（Ｅ
_CM−Ｅ_SM）×ｋ_HC＋Ｅ_SM ｋ_LC＝０．８５ｋ_HC＝０．９７此処でＥ_CMはイオン注入された半導体膜の完全溶融エネ
ルギー密度で、Ｅ_SMは矢張りイオン注入された半導体膜
の表面溶融エネルギー密度である。此の不等式は結晶性
半導体膜形成工程でのレーザーエネルギー密度Ｅ_CRを多
結晶相エネルギー密度の８５％から９７％の間に設定す
る事を意味しており、換言すれば半導体膜の厚み方向の
大凡８５％程度から９７％程度がレーザー照射にて溶融
する事を意味している。レーザーエネルギー密度Ｅ_CRを
用いてｋ_CRをＥ_CR＝（Ｅ_CM−Ｅ_SM）×ｋ_CR＋Ｅ_SM と定義すると、先の不等式はｋ_LC＜ｋ_CR＜ｋ_HC ｋ_LC＝０．８５ｋ_HC＝０．９７と記載し直される。即ちｋ_CRを０．８５程度から０．９
７程度としてレーザー光照射を施すと、半導体膜の厚み
方向の大凡８５％程度から９７％程度が溶融し、結果と
して得られる多結晶膜は比較的大きい結晶粒から構成さ
れる事になる。粒径の大きい結晶粒を得るにはＥ_CRは出
来る限りＥ_CMに近い事が望まれ、それ故にｋ_CRは出来る
限り１に近い事が望まれる。然るに従来技術の欄にて詳
述した様に現在のエキシマレーザー装置の出力変動は数
％のオーダーで認められる為、ｋ_CRを０．９７程度より
も大きくすると半導体膜は微結晶相に入って仕舞う場合
も認められる。エキシマレーザー光の変動を考慮すると
ｋ_CRは実質的に０．９５程度程度以下が好ましい（ｋ_HC
＝０．９５）。又良好な特性を確実に得るにはｋ_CRは実
質的に０．８９程度以上とする（ｋ_LC＝０．８９）。溶
融結晶化は半導体膜の同一地点を２０回程度以上８０回
程度以下の回数で繰り返される様に行う。２０回程度以
上の照射回数で有れば結晶内欠陥が少なく平均結晶粒径
も大きい多結晶膜が得られる。照射回数が８０回程度以
下で有ればレーザー結晶化に伴う面荒れや不純物混入を
防いで、平滑で清浄なＭＯＳ界面を得る事が可能であ
る。

【００２７】（実施例１）図６（ａ）〜（ｅ）はＭＯＳ
型電界効果トランジスタを形成する薄膜半導体装置の製
造工程を断面で示した図で有る。本実施例１では基板１
０１としてガラスの歪点温度が７５０℃の結晶化ガラス
を用いた。然るに此以外の基板で有っても、薄膜半導体
装置製造工程中の最高温度に耐えられれば、その種類や
大きさは無論問われない。まず基板１０１上に下地保護
膜１０２と成る酸化硅素膜を堆積する。基板が高濃度に
不純物がドープされた単結晶硅素基板等の導伝性物質の
場合や、セラミックス基板等で半導体膜に取って望まし
からざる不純物を含んでいる場合、酸化硅素膜堆積前に
酸化タンタル膜や窒化硅素膜等の第一の下地保護膜を堆
積しても良い。本実施例１では基板１０１上にプラズマ
化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）で酸化硅素膜を２００
ｎｍ程度堆積し、下地保護膜１０２とした。酸化硅素膜
はＥＣＲ−ＰＥＣＶＤにて以下の堆積条件で堆積され
た。

【００２８】モノシラン（ＳｉＨ₄）流量・・・６０ｓｃｃｍ酸素（Ｏ₂）流量・・・１００ｓｃｃｍ圧力・・・２．４０ｍＴｏｒｒマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）出力・・・２２５０Ｗ印可磁場・・・８７５Ｇａｕｓｓ基板温度・・・１００℃ 成膜時間・・・４０秒次に下地保護膜堆積後、基板を次の手順で洗浄した。

【００２９】（１）超音波照射に依るイソプロピルアル
コール洗浄（２７℃、５分間）（２）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（３）アンモニア過水洗浄（８０℃、５分間）（４）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（５）硫酸過水洗浄（９７℃、５分間）（６）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）（７）希釈弗酸水溶液（弗酸濃度１．６７％）洗浄（２
７℃、２０秒間）（８）窒素バブリングされた純水洗浄（２７℃、５分
間）上記７番目の希釈弗酸水溶液洗浄により、下地酸化膜の
表層部が凡そ１０ｎｍ除去されて居る。斯うして洗浄さ
れた下地保護膜上に真性多結晶硅素膜をＬＰＣＶＤ法に
て５０ｎｍ程度の膜厚に堆積した。上記８番目の純水洗
浄が終了してから基板がＬＰＣＶＤ装置の成膜室に設置
される迄の時間は約２５分間で有った。

【００３０】ＬＰＣＶＤ装置はホット・ウォール型で容
積が１８４．５ｌ有り、基板挿入後の反応総面積は約４
４０００ｃｍ²で有る。成膜室に於ける最大排気速度は
１２０ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒで有る。堆積温度は５６０
℃で、此の温度にて１時間１５分間に渡る基板の加熱乾
燥処理が施された。乾燥熱処理の最中、基板が設置され
た成膜室には純度が９９．９９９９％以上のヘリウム
（Ｈｅ）を２００（ｓｃｃｍ）と純度が９９．９９９９
％以上の水素（Ｈ₂）を１００（ｓｃｃｍ）導入し、成
膜室の圧力は約２．５ｍＴｏｒｒに保たれた。乾燥処理
後に成膜室を孤立させた際の成膜室内圧力上昇は５．２
×１０^-6Ｔｏｒｒ／ｍｉｎで有ったから、成膜室への装
置外部からの漏洩流量（Ｑ_L）と基板からの脱ガス流量
の和で有る総不純物漏洩流量（Ｑ_TL）はボイル・シャル
ルの法則に則り、Ｑ_TL（ｓｃｃｍ）＝２７３．１５（Ｋ）／８３３．１５
（Ｋ）×５．２×１０^-6（Ｔｏｒｒ／ｍｉｎ）／７６０
（Ｔｏｒｒ）×１８４．５×１０³（ｃｍ³）＝４．１４×１０^-4（ｓｃｃｍ）で有る。原料ガスで有る純度９９．９９９％以上のモノ
シラン（ＳｉＨ₄）は１００ｓｃｃｍの流量で成膜室に
供給されたから、総不純物漏洩流量（Ｑ_TL）に対するモ
ノシランの比（Ｑ_TL／Ｑ_SiH）は４．１４×１０^-6と成
る。従って、漏洩流量（Ｑ_L）のモノシラン流量
（Ｑ_SiH）に対する比（Ｒ＝Ｑ_L／Ｑ_SiH）は４．１４ｐ
ｐｍ以下で有る。斯うした乾燥処理が終了した半導体膜
堆積直前の成膜室背景真空度は、５６０℃に於ける温度
平衡条件で３．３×１０^-7Ｔｏｒｒで有った。多結晶硅
素膜堆積時に於ける反応室内圧力は凡そ０．９ｍＴｏｒ
ｒで有り、此の条件下で硅素膜の堆積速度は０．７ｎｍ
／ｍｉｎで有る。（半導体膜形成工程終了）。

【００３１】次にイオン注入工程として、多結晶半導体
膜１０３のチャンネル形成領域１０５と其の近傍領域１
０６にアルゴンイオン１０７を注入した（図６ａ）。イ
オン注入保護膜１０４としては厚みが１μｍのフォトレ
ジストを用いた。近傍領域距離は１．０μｍである。ア
ルゴンイオン（⁴⁰Ａｒ⁺）は加速エネルギー４０ｋｅＶ
で、５×１０¹⁴ｃｍ^-2のドーズ量で半導体膜に打ち込ん
だ。此の条件に於ける飛程中心は半導体膜の下側界面よ
り９．６ｎｍの半導体膜中にあり、其の飛程中心での濃
度は凡そ１．２×１０²⁰ｃｍ^-3である。斯うして後に薄
膜半導体装置のチャンネル形成領域と其の近傍領域にア
ルゴンイオンが打ち込まれ、多結晶膜は破壊された半導
体膜１０８と化した（イオン注入工程終了）。

【００３２】イオン注入工程終了後にイオン注入保護膜
であるフォトレジストを剥離し、結晶性半導体膜形成工
程として、局所的にアルゴンイオン注入された硅素膜に
キセノン塩素（ＸｅＣｌ）のエキシマ・レーザー光を照
射し、溶融再結晶化を進めた。レーザー光は幅３５０μ
ｍで長さ１５ｃｍの線状に集光され、此の線状の光を各
照射毎に２．５％づつ幅方向にずらして、基板上を走査
した。従って半導体膜上の同一地点は４０回のレーザー
光照射を被る事になる。レーザー光の照射エネルギー密
度は３８５ｍＪ・ｃｍ^-2で有った。本実施例１にて使用
したエキシマレーザー光では、アルゴンイオンの注入さ
れた５０ｎｍの半導体膜の最表面のみを溶融させるエネ
ルギー密度Ｅ_SMは１２０ｍＪ・ｃｍ^-2で有り、完全溶融
させるエネルギー密度Ｅ_CMは４００ｍＪ・ｃｍ^-2で有っ
た。従って照射エネルギー密度の３８５ｍＪ・ｃｍ^-2は
ｋ_CRの０．９４６を意味し、半導体膜の膜厚方向に対し
て約９４．６％が溶融した事に成る。斯様にして得られ
た結晶性硅素膜をパターニング加工して半導体膜の島１
０９を形成した（結晶性半導体膜形成工程終了）（図６
ｂ）。

【００３３】次にパターニング加工された半導体膜の島
１０９を被う様に酸化硅素膜１１０をＥＣＲ−ＰＥＣＶ
Ｄ法にて形成した。此の酸化硅素膜は半導体装置のゲー
ト絶縁膜として機能する。ゲート絶縁膜と成る酸化硅素
膜堆積条件は堆積時間が２４秒と短縮された事を除い
て、下地保護膜の酸化硅素膜の堆積条件と同一で有る。
但し、酸化硅素膜堆積の直前にはＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ装
置内で基板に酸素プラズマを照射して、半導体の表面に
低温プラズマ酸化膜を形成した。プラズマ酸化条件は次
の通りで有る。

【００３４】酸素（Ｏ₂）流量・・・１００ｓｃｃｍ圧力・・・１．８５ｍＴｏｒｒマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）出力・・・２０００Ｗ印可磁場・・・８７５Ｇａｕｓｓ基板温度・・・１００℃ 処理時間・・・２４秒プラズマ酸化に依り凡そ３．５ｎｍの酸化膜が半導体表
面に形成されて居る。酸素プラズマ照射が終了した後、
真空を維持した侭連続で酸化膜を堆積した。従ってゲー
ト絶縁膜と成る酸化硅素膜はプラズマ酸化膜と気相堆積
膜の二者から成り、その膜厚は１２６ｎｍで有った。斯
様にしてゲート絶縁膜堆積が完了した（図６ｃ）。

【００３５】引き続いて金属薄膜に依りゲート電極１１
１をスパッター法にて形成する。スパッター時の基板温
度は１５０℃で有った。本実施例１では７５０ｎｍの膜
厚を有するα構造のタンタル（Ｔａ）にてゲート電極を
作成し、このゲート電極のシート抵抗は０．８Ω／□で
有った。次にゲート電極をマスクとして、ドナー又はア
クセプターとなる不純物イオン１１２を打ち込み、ソー
ス・ドレイン領域１１３とチャンネル形成領域１１４を
ゲート電極に対して自己整合的に作成する。本実施例１
ではＣＭＯＳ半導体装置を作製した。ＮＭＯＳトランジ
スタを作製する際にはＰＭＯＳトランジスタ部をアルミ
ニウム（Ａｌ）薄膜で覆った上で、不純物元素として水
素中に５％の濃度で希釈されたフォスヒィン（ＰＨ₃）
を選び、加速電圧８０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを
７×１０¹⁵ｃｍ^-2の濃度でＮＭＯＳトランジスタのソー
ス・ドレイン領域に打ち込んだ。反対にＰＭＯＳトラン
ジスタを作製する際にはＮＭＯＳトランジスタ部をアル
ミニウム（Ａｌ）薄膜で覆った上で、不純物元素として
水素中に５％の濃度で希釈されたジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を
選び、加速電圧８０ｋＶにて水素を含んだ総イオンを５
×１０¹⁵ｃｍ^ー ²の濃度でＰＭＯＳトランジスタのソース
・ドレイン領域に打ち込んだ（図６ｄ）。イオン打ち込
み時の基板温度は３００℃で有る。

【００３６】次にＰＥＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ
ＣＨ₂ＣＨ₃）₄）と酸素を原料気体として、基板温度３
００℃で層間絶縁膜１１５を堆積した。層間絶縁膜は二
酸化硅素膜から成り、その膜厚は凡そ５００ｎｍで有っ
た。層間絶縁膜堆積後、層間絶縁膜の焼き締めとソース
・ドレイン領域に添加された不純物元素の活性化を兼ね
て、窒素雰囲気下３５０℃にて２時間の熱処理を施し
た。最後にコンタクト・ホールを開穴し、スパッター法
で基板温度を１８０℃としてアルミニウムを堆積し、配
線１１６を作成して薄膜半導体装置が完成した（図６
ｅ）。

【００３７】この様にして作成した薄膜半導体装置の伝
達特性を測定した。測定した半導体装置のチャンネル形
成領域の長さ及び幅は其々１０μｍで、測定は室温にて
行われた。ＮＭＯＳトランジスタのＶｄｓ＝８Ｖに於け
る飽和領域より求めた移動度の平均値±標準偏差は２２
８±２ｃｍ²・Ｖ^ー ¹・ｓ^-1で有り、閾値電圧は３．２９
３±０．２０４Ｖ、サブスレーシュホールド・スイング
は０．４０５±０．００８Ｖで有った。又、ＰＭＯＳト
ランジスタのＶｄｓ＝−８Ｖに於ける飽和領域より求め
た移動度は７６±４ｃｍ²・Ｖ^ー ¹・ｓ^-1で有り、閾値電
圧は−３．４７０±０．２３７Ｖ、サブスレーシュホー
ルド・スイングは０．３２９±０．０１７Ｖで有った。
此等の半導体装置は其の特性が基板内で殆ど変動が無
く、高性能半導体装置が均一に製造されて居た。此に対
して従来技術で非晶質硅素膜を堆積してＸｅＣｌエキシ
マ・レーザーで結晶化した比較例ではＮＭＯＳトランジ
スタの移動度が１１２±２５ｃｍ²・Ｖ^ー ¹・ｓ^-1、閾値
電圧が３．９０８±０．４２１Ｖ、サブスレーシュホー
ルド・スイングが０．５８７±０．０９６Ｖで、ＰＭＯ
Ｓトランジスタの移動度が４１±１０ｃｍ²・Ｖ^ー ¹・ｓ
^-1、閾値電圧が−４．５０５±０．９４６Ｖ、サブスレ
ーシュホールド・スイングが０．４９２±０．０７４Ｖ
で有った。この例が示す様に本発明に依るとＮ型とＰ型
の両半導体装置共に高移動度で低閾値電圧を有し、且つ
急峻なサブスレーシュホールド特性を示す良好な薄膜半
導体装置が汎用ガラス基板を使用し得る低温工程にて、
簡便且つ容易に、又安定的に作成し出来るので有る。
又、総ての電気特性で其のばらつきが低減された。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述してきた様に、従来低品質で品
質のばらつきが大きかった多結晶薄膜半導体装置を本願
発明は高性能で均一な薄膜半導体装置へと簡便且つ安定
的に改質でき、同時に半導体装置の動作安定性をも高め
るとの効果が認められる。斯うした事実に基づき半導体
装置回路の高速動作や電源電圧の低下との効果をもたら
し、以て電子機器の高速応答や省エネルギーを導くとの
効果が認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の原理を説明した図。

【図２】本願発明の原理を説明した図。

【図３】本願発明の原理を説明した図。

【図４】本願発明の原理を説明した図。

【図５】レーザー結晶化の相を説明した図。

【図６】本願発明の製造工程を説明した図。

【符号の説明】

１０１・・・基板１０２・・・下地保護膜１０３・・・多結晶半導体膜１０４・・・イオン注入保護膜１０５・・・チャネル形成領域１０６・・・近傍領域１０７・・・希ガス元素イオン１０８・・・破壊された半導体膜１０９・・・半導体膜の島１１０・・・ゲート絶縁膜１１１・・・ゲート電極１１２・・・不純物イオン１１３・・・ソース・ドレイン領域１１４・・・チャネル形成領域１１５・・・層間絶縁膜１１６・・・配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F052 AA02 BB07 CA04 DA01 DB02 EA11 FA05 JA01 5F110 AA08 AA17 CC02 DD01 DD02 DD03 DD05 DD07 DD12 DD13 DD14 DD17 EE04 EE44 FF02 FF09 FF25 FF31 GG01 GG02 GG13 GG25 GG28 GG47 GG57 HJ01 HJ13 HJ23 HL03 HL23 NN04 NN23 NN35 PP03 PP04 PP15 PP23 PP33 QQ11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された結晶性半導体膜を半
導体装置のチャンネル形成領域として活用している薄膜
半導体装置の製造方法に於いて、基板上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）にて多結
晶半導体膜を堆積する半導体膜形成工程と、該半導体膜に希ガス元素イオンを打ち込むイオン注入工
程と、該イオン注入工程後に該半導体膜を溶融結晶化させる結
晶性半導体膜形成工程とを含む事を特徴とする薄膜半導
体装置の製造方法。
【請求項２】前記多結晶半導体膜が、モノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）を少なくとも原料気体の一種として用いたＬＰ
ＣＶＤ法に依り、直接前記基板上に堆積される事を特徴
とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンがアルゴン（Ａｒ）イオンで有る事を特
徴とする請求項１乃至２記載の薄膜半導体装置の製造方
法。
【請求項４】前記イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンがヘリウム（Ｈｅ）イオンで有る事を特
徴とする請求項１乃至２記載の薄膜半導体装置の製造方
法。
【請求項５】前記イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンの前記半導体膜内での最大濃度が２×１
０¹⁹ｃｍ^-3程度以上１×１０²¹ｃｍ^-3程度以下で有る事
を特徴とする請求項１乃至４記載の薄膜半導体装置の製
造方法。
【請求項６】前記イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンの飛程中心が前記半導体膜の下側界面と
該半導体膜の下側界面からの厚みの４０％程度との間に
存在する事を特徴とする請求項１乃至５記載の薄膜半導
体装置の製造方法。
【請求項７】前記イオン注入工程にて打ち込まれる希
ガス元素イオンの飛程中心が、前記半導体膜の下側界面
から１０ｎｍ±１０ｎｍ内に存在する事を特徴とする請
求項１乃至５記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記イオン注入工程にて、前記希ガス元
素イオンを前記半導体装置のチャンネル形成領域及び其
の周辺となる近傍領域のみに選択的に注入する事を特徴
とする請求項１乃至７記載の薄膜半導体装置の製造方
法。
【請求項９】前記近傍領域がチャンネル形成領域から
１μｍ程度以内の領域である事を特徴とする請求項８記
載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記結晶性半導体膜形成工程が光照射
にて行われる事を特徴とする請求項１乃至９記載の薄膜
半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記光照射がレーザー光照射である事
を特徴とする請求項１０記載の薄膜半導体装置の製造方
法。
【請求項１２】前記レーザー光が前記半導体膜の膜厚
方向に対して８５％程度以上９７％程度以下を溶融させ
るエネルギー密度で該半導体膜を照射する事を特徴とす
る請求項１１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１３】前記レーザー光がエキシマレーザー光
である事を特徴とする請求項１１乃至１２記載の薄膜半
導体装置の製造方法。
【請求項１４】前記エキシマレーザー光がキセノン塩
素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光（波長３０８ｎｍ）
である事を特徴とする請求項１３記載の薄膜半導体装置
の製造方法。