JP2001237430A - 酸窒化膜の形成方法および薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板温度が６００℃以下の低温プロセスにお
いて、ホットキャリア耐性に優れたゲート絶縁膜を形成
すること、および基板温度を低温に保ったまま、高スル
ープットで性能の優れた信頼性が高い薄膜トランジスタ
を提供することを目的とする。 【解決手段】 シリコンを含む半導体薄膜またはゲート
絶縁膜に酸素イオンおよび窒素イオンを添加した後、熱
処理することにより、基板温度が６００℃以下の低温プ
ロセスにおいて、シリコンを含む半導体薄膜の結晶化ま
たは再結晶化と共に酸窒化膜を形成することにより、高
スループットで、ホットキャリア耐性に優れた、界面状
態が良い薄膜トランジスタを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の半導体装置
に使用される酸窒化膜の形成方法と、液晶表示装置およ
びセンサーアレイ等に応用される薄膜トランジスタの製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ
ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を
原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により形成した
酸化シリコンをゲート酸化膜として用いた、従来の薄膜
トランジスタの例として、液晶表示装置用に開発が進め
られている低温多結晶シリコン薄膜トランジスタ（以
下、「低温Ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ」と略記する）を、図
面を用いて説明を行う。

【０００３】多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いた
大型液晶表示装置は、大面積を必要とするため安価なガ
ラス基板が用いられている。しかし、ガラスを基板とし
て用いる場合、その耐熱性が十分でないため、比較的低
温（おおよそ６００℃以下）で薄膜トランジスタを作製
しなくてはならない。従来例として、図５を参照しなが
ら簡単に説明する。

【０００４】この従来例の低温Ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの
製造方法では、まず、ガラス（コーニング＃１７３７
等）基板１１の表面に、ガラス基板中の不純物の拡散を
防ぐための酸化シリコンによるアンダーコート膜１２
（４００ｎｍ程度）を設けた基板上に、シラン（ＳｉＨ
₄）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により非
結晶シリコン１３を５０ｎｍ形成する（図５（ａ））。
次いで、ＸｅＣｌエキシマレーザー１５を照射すること
により非結晶シリコンを結晶化し多結晶シリコン１４を
形成する（図５（ｂ））。このときの照射条件は、非結
晶シリコンの膜厚や膜質などの条件にもよるが、エネル
ギー密度が１５０〜４５０ｍＪｃｍ^-2、照射回数が１〜
５００回の範囲で行う。この多結晶シリコンを公知のフ
ォトリソグラフィ・エッチングにより島状にパターニン
グする（図５（ｃ））。その後、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ
ｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）
₄Ｓｉ）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法によ
り、島状の多結晶シリコン上に、酸化シリコン２１を９
０ｎｍ形成する（図５（ｄ））。そして、モリブテン・
タングステンの合金（ＭｏＷ）を用いてゲート電極３１
を形成し、酸化シリコン２１およびゲート電極３１を公
知のフォトリソグラフィ・エッチングにより島状にパタ
ーニングする。そして、水素希釈フォスフィン（Ｐ
Ｈ₃）のプラズマを生成し、加速電圧７０ｋＶ、ドーズ
量１０¹⁵ｃｍ^-2の条件でイオンドーピングすることによ
り、ソース領域３２およびドレイン領域３３を形成する
（図５（ｅ））。その後、熱処理を行い、注入されたイ
オンを活性化する。そして、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔ
ｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓ
ｉ）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により層
間絶縁膜３４として二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を全面
に堆積し、次にコンタクトホールを形成し、ソース電極
３５およびドレイン電極３６として例えばアルミニウム
（Ａｌ）をスパッタ法により堆積し、その後フォトリソ
グラフィ・エッチングによりパターニングすることによ
り、薄膜トランジスタが完成する（図５（ｆ））。

【０００５】薄膜トランジスタのゲート絶縁膜に、ＴＥ
ＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔ
ｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとして用いたプラ
ズマＣＶＤ法により形成される二酸化シリコンを用いる
例としては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス・１９９２年・第４５７０ページか
ら第４５７３ページ（Ｊａｐａｎｅｅｓ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｐ．ｐ．
４５７０〜４５７３）に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す従来の低温
Ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを作製する場合、以下の課題が生
じる。

【０００７】図５に示した例では、結晶化によって得ら
れた多結晶シリコン層上に、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔ
ｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓ
ｉ）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により、
ゲート絶縁膜として二酸化シリコン層を形成している。
ところが、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏ
ｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスと
して用いたプラズマＣＶＤ法により得られる二酸化シリ
コンの膜中には、炭素およびシリコンのダングリングボ
ンドが多く含まれる。その量は、成膜方法、条件、熱処
理の有無による差はあるが、１０¹⁶ｃｍ^-3から多い場合
では１０¹⁹ｃｍ^-3のオーダーにも達する。これらのダン
グリングボンドはキャリアトラップの原因となり、薄膜
トランジスタの特性だけでなく、素子の信頼性にも大き
な影響を与える。また、プラズマＣＶＤ法では、原料ガ
スを分解するプラズマが活性層である多結晶シリコンに
ダメージを与えるため、二酸化シリコン／多結晶シリコ
ン界面に１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-2eV^-1オーダーの界面準位
が生じる。これらのダングリングボンドおよび界面準位
はキャリアトラップの原因となり、薄膜トランジスタの
初期特性だけでなく、素子の信頼性（ホットキャリア効
果等による薄膜トランジスタの特性の劣化）にも悪影響
を与えるという問題を有する。

【０００８】本発明は、かかる点を鑑み、基板温度を低
く保持したまま、高スループットで、特性の信頼性が高
い薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ために、本発明の発明者が様々に検討したところ、ホッ
トキャリア効果による特性の劣化を抑えるためには、ゲ
ート絶縁膜とシリコンを含む半導体薄膜の界面に酸窒化
膜を形成することが効果的である。ただし、単に、シリ
コンを含む半導体薄膜を、酸素および窒素雰囲気中の温
度６００℃以下（ガラスが歪まない温度）の炉の中に入
れても、酸窒化膜は成長しないので、シリコンを含む半
導体薄膜に酸素イオンおよび窒素イオンを添加した後に
酸窒化膜を形成することを特徴としたものである。ま
た、シリコンを含む半導体薄膜とゲート絶縁膜を連続形
成して界面準位を減少させるために、シリコンを含む半
導体薄膜の結晶化または再結晶化と酸窒化膜の形成を同
時にすることを特徴としたものである。

【００１０】また、プラズマによるダメージを回復する
ため、イオン注入によるダメージを抑えるために、シリ
コンを含む半導体薄膜上に酸化シリコンを形成した後に
酸素イオンおよび窒素イオンを添加し酸窒化膜を形成す
ることを特徴としたものである。

【００１１】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法は、前記酸窒化膜の形成方法を用いて酸窒化膜を形成
する工程を含むことを特徴としたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の酸窒化膜
の形成方法は、シリコンを含む半導体薄膜に、少なくと
も窒素イオンおよび酸素イオンを含む物質を添加し、前
記シリコンを含む半導体薄膜を結晶化または再結晶化す
ると共に酸窒化膜を形成する工程を含むことを特徴とし
たものである。本発明によれば、基板温度を低く保持し
たまま、ホットキャリア耐性に優れた高品質の酸窒化膜
を形成できるという作用を有する。

【００１３】本発明の請求項２記載の酸窒化膜の形成方
法は、シリコンを含む半導体薄膜上に酸化膜を形成後、
少なくとも窒素イオンおよび酸素イオンを含む物質を前
記シリコンを含む半導体薄膜および前記酸化膜、または
前記酸化膜のみに添加し、前記シリコンを含む半導体薄
膜を結晶化または再結晶化すると共に酸窒化膜を形成す
る工程を含むことを特徴としたものである。本発明によ
れば、基板温度を低く保持したまま、ホットキャリア耐
性に優れ、界面状態が良い酸窒化膜を形成できるという
作用を有する。

【００１４】本発明の請求項６記載の薄膜トランジスタ
の製造方法は、絶縁性基板上に、チャネル領域とドナー
またはアクセプタとなる不純物を含有するソース・ドレ
イン領域からなるシリコンを含む半導体薄膜とゲート絶
縁膜とゲート電極とソース・ドレイン電極を少なくとも
有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記シリ
コンを含む半導体薄膜に、少なくとも窒素イオンおよび
酸素イオンを含む物質を添加し、前記シリコンを含む半
導体薄膜を結晶化または再結晶化すると共に酸窒化膜を
形成する工程を含むことを特徴としたものである。本発
明によれば、基板温度を低く保持したまま、ホットキャ
リア耐性に優れた薄膜トランジスタを製造できるという
作用を有する。

【００１５】本発明の請求項７記載の薄膜トランジスタ
の製造方法は、絶縁性基板上に、チャネル領域とドナー
またはアクセプタとなる不純物を含有するソース・ドレ
イン領域からなるシリコンを含む半導体薄膜とゲート絶
縁膜とゲート電極とソース・ドレイン電極を少なくとも
有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記シリ
コンを含む半導体薄膜上に酸化膜を形成後、少なくとも
窒素イオンおよび酸素イオンを含む物質を前記シリコン
を含む半導体薄膜および前記酸化膜、または前記酸化膜
のみに添加し、前記シリコンを含む半導体薄膜を結晶化
または再結晶化すると共に酸窒化膜を形成する工程を含
むことを特徴としたものである。本発明によれば、基板
温度を低く保持したまま、ホットキャリア耐性に優れ、
界面特性がよい薄膜トランジスタを製造できるという作
用を有する。

【００１６】（実施の形態１）図１は本発明の第１の実
施の形態の酸窒化膜の形成方法を説明するための工程断
面図であり、以下順を追って説明する。

【００１７】まず、ガラス（コーニング＃１７３７等）
基板１１の表面に、ガラス基板中の不純物の拡散を防ぐ
ための酸化シリコンによるアンダーコート膜１２（４０
０ｎｍ程度）を設けた基板上に、例えばシラン（ＳｉＨ
₄）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により非
結晶シリコン１３を３０ｎｍ〜２００ｎｍ形成する（図
１（ａ））。その後、例えばイオン注入法を用いて酸素
イオン１６および窒素イオン１７を非結晶シリコン１３
に添加する（図１（ｂ））。このときの添加イオン濃度
はそれぞれ１．０×１０¹²ｃｍ^-2〜１．０×１０¹⁸ｃｍ
^-2の範囲で行う。その後、例えばＸｅＣｌエキシマレー
ザー１５を照射することにより、酸素イオン１６および
窒素イオン１７が注入された部分の非結晶シリコン１３
を酸窒化膜１８にすると共に、注入されなかった部分の
非結晶シリコン１３を結晶化し多結晶シリコン１４を形
成する（図１（ｃ））。このときの照射条件は、非結晶
シリコン１３の膜厚や膜質などの条件にもよるが、エネ
ルギー密度が１５０〜４５０ｍＪｃｍ^-2、照射回数が１
〜５００回の範囲で行う。

【００１８】非結晶シリコンに注入された酸素原子およ
び窒素原子は、熱エネルギーにより容易にシリコン原子
と結合するため、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの酸窒化
膜が形成できた。また、界面準位密度は多結晶シリコン
のミッドギャップ付近で６．２×１０¹¹ｃｍ^-2ｅＶ^-1で
あり、プラズマＣＶＤ法により形成される絶縁膜と多結
晶シリコンの界面に存在する界面準位密度に比べると低
いレベルである。また、バイアス・温度ストレス試験
（電圧３０Ｖ、印加時間６００秒、基板温度８５℃）に
対する可動イオンの増加も０．５×１０¹¹ｃｍ^-2以下で
ある。このことは、本実施の形態により形成した酸窒化
膜が、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として利用する
のに十分な界面特性を有していることを示している。

【００１９】なお、本実施の形態１では酸窒化膜を形成
する場合の下地膜として、プラズマＣＶＤ法による非結
晶シリコンを用いたが、プラズマＣＶＤ法以外の減圧Ｃ
ＶＤ法やスパッタ法等で形成してもよい。また、非結晶
シリコン以外にも微結晶シリコンや多結晶または単結晶
シリコンを用いてもよい。また、酸窒化膜の形成と共に
非結晶シリコンを結晶化させるのではなく、下地膜に多
結晶シリコンを用いて酸窒化膜の形成と共に再結晶化さ
せてもよい。また、公知のフォトリソグラフィ工程およ
びエッチング工程を使用して所望の形状に加工されてい
てもよい。

【００２０】また、本実施の形態１ではアンダーコート
膜として、酸化シリコンを用いたが、窒化シリコン等の
絶縁膜を用いてもよく、また、アンダーコート膜を形成
しなくてもよい。

【００２１】また、本実施の形態１ではレーザーとし
て、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用いたが、他のＡｒ
Ｆ，ＫｒＦ等のエキシマレーザやアルゴンレーザを用い
てもよい。

【００２２】また、本実施の形態１では酸素イオンおよ
び窒素イオンの添加方法としてイオン注入法を用いた
が、イオンドーピング法やＦＩＢ法（イオンフォーカス
ビーム法）等を用いてもよい。

【００２３】また、本実施の形態１では結晶化および酸
窒化膜の形成に、レーザーによる方法を用いたが、温度
６００℃以下の熱処理炉による方法やＲＴＡ（Ｒａｐｉ
ｄＴｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）等を用いてもよい。

【００２４】また、本実施の形態１では添加する材料と
して、酸素イオンと窒素イオンのみを用いたが、これら
の他に、アルゴンイオン等のイオンや酸素クラスター等
のクラスターを用いてもよい。

【００２５】（実施の形態２）図２は本発明の第２の実
施の形態の酸窒化膜の形成方法を説明するための工程断
面図であり、以下順を追って説明する。

【００２６】（実施の形態１）と同様にして基板上に非
結晶シリコン１３を形成する（図２（ａ））。その後、
ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃ
ａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとして用いた
プラズマＣＶＤ法により、非結晶シリコン１３上に、酸
化シリコン２１を１０ｎｍ〜１００ｎｍ形成する（図２
（ｂ））。次いで、例えばイオン注入法を用いて窒素イ
オン１７および酸素イオン１６を非結晶シリコン１３お
よび酸化シリコン２１に添加する（図２（ｃ））。この
ときの添加イオン濃度は１．０×１０¹²ｃｍ^-2〜１．０
×１０¹⁸ｃｍ^-2の範囲で行う。その後、例えばＸｅＣｌ
エキシマレーザー１５を照射することにより、酸素イオ
ン１６および窒素イオン１７が注入された部分の非結晶
シリコン１３および酸化シリコン２１を酸窒化膜１８に
すると共に、注入されなかった部分の非結晶シリコン１
３を結晶化し多結晶シリコン１４を形成する（図２
（ｄ））。このときの照射条件は、非結晶シリコンの膜
厚や膜質などの条件にもよるが、エネルギー密度が１５
０〜４５０ｍＪｃｍ^-2、照射回数が１〜５００回の範囲
で行う。

【００２７】注入された窒素原子は、熱エネルギーによ
り容易にシリコン原子および酸素原子と結合するため、
膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの酸窒化膜が形成できた。
また、界面準位密度は多結晶シリコンのミッドギャップ
付近で４．４×１０¹¹ｃｍ^-2ｅＶ^-1であり、プラズマＣ
ＶＤ法により形成される絶縁膜と多結晶シリコンの界面
に存在する界面準位密度に比べると低いレベルである。
また、バイアス・温度ストレス試験（電圧３０Ｖ、印加
時間６００秒、基板温度８５℃）に対する可動イオンの
増加も０．５×１０¹¹ｃｍ^-2以下である。このことは、
本実施の形態により形成した酸窒化膜が、薄膜トランジ
スタのゲート絶縁膜として利用するのに十分な界面特性
を有していることを示している。

【００２８】なお、本実施の形態２では酸窒化膜を形成
する場合の下地として、プラズマＣＶＤ法による非結晶
シリコンを用いたが、プラズマＣＶＤ法以外の減圧ＣＶ
Ｄ法やスパッタ法等で形成してもよい。また、非結晶シ
リコン以外にも微結晶シリコンや多結晶または単結晶シ
リコンを用いてもよい。また、酸窒化膜の形成と共に非
結晶シリコンを結晶化させるのではなく、下地膜に多結
晶シリコンを用いて酸窒化膜の形成と共に再結晶化させ
てもよい。また、公知のフォトリソグラフィ工程および
エッチング工程を使用して所望の形状に加工されていて
もよい。

【００２９】また、本実施の形態２ではアンダーコート
膜として、酸化シリコンを用いたが、窒化シリコン等の
絶縁膜を用いてもよく、また、アンダーコート膜を形成
しなくてもよい。

【００３０】また、本実施の形態２ではレーザーとし
て、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用いたが、他のＡｒ
Ｆ，ＫｒＦ等のエキシマレーザやアルゴンレーザを用い
てもよい。

【００３１】また、本実施の形態２では窒素イオンの添
加方法としてイオン注入法を用いたが、イオンドーピン
グ法やＦＩＢ法（イオンフォーカスビーム法）等を用い
てもよい。

【００３２】また、本実施の形態２では結晶化および酸
窒化膜の形成に、レーザーによる方法を用いたが、温度
６００℃以下の熱処理炉による方法やＲＴＡ等を用いて
もよい。

【００３３】また、本実施の形態２では添加する材料と
して、窒素イオンおよび酸素イオンを用いたが、この他
に、アルゴンイオン等のイオン、窒素クラスターや酸素
クラスター等のクラスターを用いてもよい。

【００３４】また、本実施の形態２では、酸素イオンお
よび窒素イオンを非結晶シリコンおよび酸化シリコンに
添加したが、酸化シリコンのみに添加してもよい。

【００３５】（実施の形態３）図３は本発明の第３の実
施の形態の薄膜トランジスタの形成方法を説明するため
の工程断面図であり、以下順を追って説明する。

【００３６】（実施の形態１）と同様の方法で非結晶シ
リコン１３を形成し、この非結晶シリコン１３を公知の
フォトリソグラフィ・エッチングにより島状にパターニ
ングする（図３（ａ））。そして、例えばイオン注入法
を用いて酸素イオン１６および窒素イオン１７を非結晶
シリコン１３に添加する（図３（ｂ））。このときの添
加イオン濃度はそれぞれ１．０×１０¹²ｃｍ^-2〜１．０
×１０¹⁸ｃｍ^-2の範囲で行う。その後、例えばＸｅＣｌ
エキシマレーザー１５を照射することにより、酸素イオ
ン１６および窒素イオン１７が注入された部分の非結晶
シリコン１３を酸窒化膜１８にすると共に、注入されな
かった部分の非結晶シリコン１３を結晶化し多結晶シリ
コン１４を形成する（図３（ｃ））。このときの照射条
件は、非結晶シリコン１３の膜厚や膜質などの条件にも
よるが、エネルギー密度が１５０〜４５０ｍＪｃｍ^-2、
照射回数が１〜５００回の範囲で行う。その後、例えば
モリブテン・タングステンの合金（ＭｏＷ）を用いてゲ
ート電極３１を形成し、酸化膜１８およびゲート電極３
１を公知のフォトリソグラフィ・エッチングにより島状
にパターニングする。そして、水素希釈フォスフィン
（ＰＨ₃）のプラズマを生成し、加速電圧７０ｋＶ、ド
ーズ量１０¹⁵ｃｍ^-2の条件でイオンドーピングすること
により、ソース領域３２およびドレイン領域３３を形成
する（図３（ｄ））。その後、例えばＲＴＡ（Ｒａｐｉ
ｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）により局所的な加
熱を行い、注入されたイオンを活性化する。そして、例
えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌ
ｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとして用
いたプラズマＣＶＤ法により層間絶縁膜３４として二酸
化シリコン（ＳｉＯ₂）を全面に堆積し、次にコンタク
トホールを形成し、ソース電極３５およびドレイン電極
３６として例えばアルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法に
より堆積し、その後フォトリソグラフィ・エッチングに
よりパターニングすることにより、薄膜トランジスタが
完成する（図３（ｅ））。

【００３７】本実施の形態３の製造方法により得られる
ＴＦＴのサブスレッショルドスイング（Ｓ値）は０．２
５Ｖ／ｄｅｃａｄｅであり、ＡＣストレスによるＴＦＴ
特性のＯＮ電流の低下は１０％以下である。この結果
は、プラズマＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜を形成した
場合よりも特性が優れている。

【００３８】なお、本実施の形態３では、ゲート絶縁膜
として、多結晶シリコン上に酸窒化膜を１層だけ形成し
たが、ゲート絶縁膜は必ずしも１層である必要はない。
本実施の形態３に記載の酸窒化膜の膜厚を薄くして他の
絶縁膜を積層してもよい。例えば実施の形態３に記載の
酸窒化膜（おおよそ１０ｎｍ）上にＴＥＯＳ−ＣＶＤ
法、ＮＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法またはリモートプラ
ズマＣＶＤ法等を用いて絶縁膜を形成することによりで
きる積層構造であってもよい。このとき、酸窒化膜上に
形成する絶縁膜は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x，ＴａＯ_x等を用
いることができる。

【００３９】また、本実施の形態３ではレーザーとし
て、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用いたが、他のＡｒ
Ｆ，ＫｒＦ等のエキシマレーザやアルゴンレーザを用い
てもよい。

【００４０】また、本実施の形態３では酸素イオンおよ
び窒素イオンの添加方法としてイオン注入法を用いた
が、イオンドーピング法やＦＩＢ法（イオンフォーカス
ビーム法）等を用いてもよい。

【００４１】また、本実施の形態３では結晶化および酸
窒化膜の形成に、レーザーによる方法を用いたが、温度
６００℃以下の熱処理炉による方法やＲＴＡ等を用いて
もよい。

【００４２】また、本実施の形態３では添加する材料と
して、酸素イオンと窒素イオンのみを用いたが、これら
の他に、アルゴンイオン等のイオンや酸素クラスター等
のクラスターを用いてもよい。

【００４３】また、本実施の形態３では活性層として、
プラズマＣＶＤ法による非結晶シリコンを用いたが、プ
ラズマＣＶＤ法以外の減圧ＣＶＤ法やスパッタ法等で形
成してもよい。また、非結晶シリコン以外にも微結晶シ
リコンや多結晶または単結晶シリコンを用いてもよい。
また、酸窒化膜の形成と共に非結晶シリコンを結晶化さ
せるのではなく、下地膜に多結晶シリコンを用いて酸窒
化膜の形成と共に再結晶化させてもよい。

【００４４】また、本実施の形態３では、アンダーコー
ト膜として酸化シリコンを用いたが、窒化シリコン等の
絶縁膜を用いてもよく、また、アンダーコート膜を形成
しなくてもよい。

【００４５】また、本実施の形態３では、注入されたイ
オンの活性化としてＲＴＡを用いたが、４００℃以上の
雰囲気中でアニールしてもよいし、また、同時に注入さ
れた水素による自己活性化を期待して故意に活性化しな
くてもよい。

【００４６】また、本実施の形態３では、ゲート電極や
ソース電極およびドレイン電極としてＭＯＷとＡｌを用
いたが、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、モ
リブテン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等
の金属またはそれらの合金を用いてもよいし、ＩＴＯ等
の透明導電層等でもよい。

【００４７】また、本実施の形態３では、層間絶縁膜と
してＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌ
ｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとするプ
ラズマＣＶＤ法により作製した二酸化シリコンを用いた
が、ＡＰ−ＣＶＤ法やＥＣＲ−ＣＶＤ法を用いてもよ
く、また窒化シリコン等の絶縁膜を用いてもよい。

【００４８】また、本実施の形態３では、注入するイオ
ンとしてリンイオンを用いたが、アルミニウム等を用い
てもよく、また、アクセプタとなるボロン等を用いてよ
い。

【００４９】（実施の形態４）図４は本発明の第４の実
施の形態の薄膜トランジスタの形成方法を説明するため
の工程断面図であり、以下順を追って説明する。

【００５０】（実施の形態３）と同様の方法で島状の非
結晶シリコン１３を形成する（図４（ａ））。その後、
ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃ
ａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとして用いた
プラズマＣＶＤ法により、非結晶シリコン１３上に、酸
化シリコン２１を１０ｎｍ〜１００ｎｍ形成する（図４
（ｂ））。次いで、例えばイオン注入法を用いて窒素イ
オン１７および酸素イオン１６を非結晶シリコン１３お
よび酸化シリコン２１に添加する（図４（ｃ））。この
ときの添加イオン濃度は１．０×１０¹²ｃｍ^-2〜１．０
×１０¹⁸ｃｍ^-2の範囲で行う。その後、例えばＸｅＣｌ
エキシマレーザー１５を照射することにより、酸素イオ
ン１６および窒素イオン１７が注入された部分の非結晶
シリコン１３および酸化シリコン２１を酸窒化膜１８に
すると共に、注入されなかった部分の非結晶シリコン１
３を結晶化し多結晶シリコン１４を形成する（図４
（ｄ））。このときの照射条件は、非結晶シリコンの膜
厚や膜質などの条件にもよるが、エネルギー密度が１５
０〜４５０ｍＪｃｍ^-2、照射回数が１〜５００回の範囲
で行う。その後、例えばモリブテン・タングステンの合
金（ＭｏＷ）を用いてゲート電極３１を形成し、酸化膜
１８およびゲート電極３１を公知のフォトリソグラフィ
・エッチングにより島状にパターニングする。そして、
水素希釈フォスフィン（ＰＨ₃）のプラズマを生成し、
加速電圧７０ｋＶ、ドーズ量１０¹⁵ｃｍ^-2の条件でイオ
ンドーピングすることにより、ソース領域３２およびド
レイン領域３３を形成する（図４（ｅ））。その後、例
えばＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａ
ｌ）により局所的な加熱を行い、注入されたイオンを活
性化する。そして、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈ
ｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓ
ｉ）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により層
間絶縁膜３４として二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を全面
に堆積し、次にコンタクトホールを形成し、ソース電極
３５およびドレイン電極３６として例えばアルミニウム
（Ａｌ）をスパッタ法により堆積し、その後フォトリソ
グラフィ・エッチングによりパターニングすることによ
り、薄膜トランジスタが完成する（図４（ｆ））。

【００５１】本実施の形態４の製造方法により得られる
ＴＦＴのサブスレッショルドスイング（Ｓ値）は０．２
２Ｖ／ｄｅｃａｄｅであり、ＡＣストレスによるＴＦＴ
特性のＯＮ電流の低下は７％以下である。この結果は、
プラズマＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜を形成した場合
よりも特性が優れている。

【００５２】なお、本実施の形態４では窒素イオンの添
加方法として、イオン注入法を用いたが、イオンドーピ
ング法やＦＩＢ法（イオンフォーカスビーム法）等を用
いてもよい。

【００５３】また、本実施の形態４ではレーザーとし
て、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用いたが、他のＡｒ
Ｆ，ＫｒＦ等のエキシマレーザやアルゴンレーザを用い
てもよい。

【００５４】また、本実施の形態４では結晶化および酸
窒化膜の形成に、レーザーによる方法を用いたが、温度
６００℃以下の熱処理炉による方法やＲＴＡ等を用いて
もよい。

【００５５】また、本実施の形態４では添加する材料と
して、窒素イオンのみを用いたが、この他に、アルゴン
イオン等のイオン、窒素クラスターや酸素クラスター等
のクラスターを用いてもよい。

【００５６】また、本実施の形態４では、窒素イオンお
よび酸素イオンを非結晶シリコンおよび酸化シリコンに
添加したが、酸化シリコンのみに添加してもよい。

【００５７】また、本実施の形態４ではゲート絶縁膜と
して、多結晶シリコン上に酸窒化膜と酸化シリコンを積
層した２層構造を用いたが、ゲート絶縁膜は必ずしも２
層である必要はない。本実施の形態４に記載の２層絶縁
膜の上に他の絶縁膜を積層してもよい。例えば実施の形
態４に記載の２層絶縁膜の上にＴＥＯＳ−ＣＶＤ法、Ｎ
ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法またはリモートプラズマＣ
ＶＤ法等を用いて絶縁膜を形成することによりできる多
層構造であってもよい。このとき、積層する絶縁膜は、
ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x，ＴａＯ_x等を用いることができる。

【００５８】また、本実施の形態４では活性層として、
プラズマＣＶＤ法による非結晶シリコンを用いたが、プ
ラズマＣＶＤ法以外の減圧ＣＶＤ法やスパッタ法等で形
成してもよい。また、非結晶シリコン以外にも微結晶シ
リコンや多結晶または単結晶シリコンを用いてもよい。
また、酸窒化膜の形成と共に非結晶シリコンを結晶化さ
せるのではなく、下地膜に多結晶シリコンを用いて酸窒
化膜の形成と共に再結晶化させてもよい。

【００５９】また、本実施の形態４では、アンダーコー
ト膜として酸化シリコンを用いたが、窒化シリコン等の
絶縁膜を用いてもよく、また、アンダーコート膜を形成
しなくてもよい。

【００６０】また、本実施の形態４では、注入されたイ
オンの活性化としてＲＴＡを用いたが、４００℃以上の
雰囲気中でアニールしてもよいし、また、同時に注入さ
れた水素による自己活性化を期待して故意に活性化しな
くてもよい。

【００６１】また、本実施の形態４では、ゲート電極や
ソース電極およびドレイン電極としてＭＯＷとＡｌを用
いたが、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、モ
リブテン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等
の金属またはそれらの合金を用いてもよいし、ＩＴＯ等
の透明導電層等でもよい。

【００６２】また、本実施の形態４では、層間絶縁膜と
してＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌ
ｉｃａｔｅ：（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄Ｓｉ）を原料ガスとするプ
ラズマＣＶＤ法により作製した二酸化シリコンを用いた
が、ＡＰ−ＣＶＤ法やＥＣＲ−ＣＶＤ法を用いてもよ
く、また窒化シリコン等の絶縁膜を用いてもよい。

【００６３】また、本実施の形態４では、注入するイオ
ンとしてリンイオンを用いたが、アルミニウム等を用い
てもよく、また、アクセプタとなるボロン等を用いてよ
い。

【００６４】

【発明の効果】以上説明を行なってきたように、本発明
の酸窒化膜の形成方法によれば、多結晶シリコンに注入
された酸素原子および窒素原子は、熱エネルギーにより
容易にシリコン原子と結合するため、低温で効率的にホ
ットキャリア耐性に優れた酸窒化膜を形成できる。

【００６５】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法によれば、非結晶シリコンの結晶化による多結晶シリ
コンの形成とゲート絶縁膜である酸窒化膜の形成を同一
プロセスで形成できるのでスループットが向上し、また
連続形成であるため界面状態がよい薄膜トランジスタを
提供することができる。

【００６６】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法によれば、基板温度を低温に保ったまま、性能の優れ
た信頼性の高い薄膜トランジスタを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の酸化膜の形
成方法を説明するための主要工程ごとの概略断面図

【図２】本発明に基づく第２の実施の形態の酸化膜の形
成方法を説明するための主要工程ごとの概略断面図

【図３】本発明に基づく第３の実施の形態の薄膜トラン
ジスタの製造方法を説明するための主要工程ごとの概略
断面図

【図４】本発明に基づく第４の実施の形態の薄膜トラン
ジスタの製造方法を説明するための主要工程ごとの概略
断面図

【図５】従来の薄膜トランジスタの製造方法を説明する
ための概略断面図

【符号の説明】

１１ 基板 １２ アンダーコート膜 １３ 非結晶シリコン １４ 多結晶シリコン １５ レーザー光 １６ 酸素イオン １７ 窒素イオン １８ 酸窒化膜 ２１ 酸化シリコン ３１ ゲート電極 ３２ ソース領域 ３３ ドレイン領域 ３４ 層間絶縁膜 ３５ ソース電極 ３６ ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F052 AA02 AA17 AA24 BA02 BB01 BB07 CA02 CA10 DA02 DB02 DB03 FA05 FA06 JA01 5F058 BA20 BB04 BB07 BC11 BE07 BF62 BF64 BF77 BH01 BJ10 5F110 AA16 AA17 AA30 DD02 DD13 DD14 EE03 EE04 EE06 EE07 FF01 FF02 FF03 FF04 FF06 FF09 FF10 FF21 FF29 FF30 FF31 FF36 GG02 GG13 GG24 GG25 GG43 GG45 GG47 HJ01 HJ12 HJ23 HL03 HL04 HL06 HL07 HL23 NN02 NN23 NN24 NN35 PP01 PP02 PP03 PP10 PP26 QQ09 QQ11

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンを含む半導体薄膜に、少なくと
   も窒素イオンおよび酸素イオンを含む物質を添加し、前
   記シリコンを含む半導体薄膜を結晶化または再結晶化す
   ると共に酸窒化膜を形成する工程を含むことを特徴とす
   る酸窒化膜の形成方法。
2. 【請求項２】 シリコンを含む半導体薄膜上に酸化膜を
   形成後、少なくとも窒素イオンおよび酸素イオンを含む
   物質を前記シリコンを含む半導体薄膜および前記酸化
   膜、または前記酸化膜のみに添加し、前記シリコンを含
   む半導体薄膜を結晶化または再結晶化すると共に酸窒化
   膜を形成する工程を含むことを特徴とする酸窒化膜の形
   成方法。
3. 【請求項３】 結晶化または再結晶化すると共に酸窒化
   膜を形成する工程が、熱処理によるものであることを特
   徴とする請求項１または２記載の酸窒化膜の形成方法。
4. 【請求項４】 結晶化または再結晶化すると共に酸窒化
   膜を形成する工程が、レーザー照射によるものであるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の酸窒化膜の形成
   方法。
5. 【請求項５】 窒素濃度の最大値が、酸素濃度の最大値
   よりも、酸窒化膜とシリコンを含む半導体薄膜との界面
   に近くなるように、少なくとも窒素イオンおよび酸素イ
   オンを含む物質を添加することを特徴とする請求項１か
   ら４のいずれかに記載の酸窒化膜の形成方法。
6. 【請求項６】 絶縁性基板上に、チャネル領域とドナー
   またはアクセプタとなる不純物を含有するソース・ドレ
   イン領域からなるシリコンを含む半導体薄膜とゲート絶
   縁膜とゲート電極とソース・ドレイン電極を少なくとも
   有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記シリ
   コンを含む半導体薄膜に、少なくとも窒素イオンおよび
   酸素イオンを含む物質を添加し、前記シリコンを含む半
   導体薄膜を結晶化または再結晶化すると共に酸窒化膜を
   形成する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジスタ
   の製造方法。
7. 【請求項７】 絶縁性基板上に、チャネル領域とドナー
   またはアクセプタとなる不純物を含有するソース・ドレ
   イン領域からなるシリコンを含む半導体薄膜とゲート絶
   縁膜とゲート電極とソース・ドレイン電極を少なくとも
   有する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記シリ
   コンを含む半導体薄膜上に酸化膜を形成後、少なくとも
   窒素イオンおよび酸素イオンを含む物質を前記シリコン
   を含む半導体薄膜および前記酸化膜、または前記酸化膜
   のみに添加し、前記シリコンを含む半導体薄膜を結晶化
   または再結晶化すると共に酸窒化膜を形成する工程を含
   むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
8. 【請求項８】 結晶化または再結晶化すると共に酸窒化
   膜を形成する工程が、熱処理によるものであることを特
   徴とする請求項６または７記載の薄膜トランジスタの製
   造方法。
9. 【請求項９】 結晶化または再結晶化すると共に酸窒化
   膜を形成する工程が、レーザー照射によるものであるこ
   とを特徴とする請求項６または７記載の薄膜トランジス
   タの製造方法。
10. 【請求項１０】 窒素濃度の最大値が、酸素濃度の最大
    値よりも、酸窒化膜と前記シリコンを含む半導体薄膜と
    の界面に近くなるように、少なくとも窒素イオンおよび
    酸素イオンを含む物質を添加することを特徴とする請求
    項６から９のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造
    方法。