JP2003017505A

JP2003017505A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法

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Publication number: JP2003017505A
Application number: JP2001266139A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kawamura; 村真一河; Takashi Fujimura; 村尚藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-01-17
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: JP4987198B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高性能な多結晶シリコン薄膜トランジスタを
高い生産性、および高い歩留まりで得ることができる多
結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】基板上に成膜された、２×１０^２０／ｃ
ｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下の濃度の酸素が添加
された非晶質シリコン層、または１×１０^１５／ｃｍ^２
以上１×１０^１６／ｃｍ^２以下の単位面積あたりの総量
の酸素が添加された非晶質シリコン層、に真空雰囲気中
あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射
して、活性層として用いる多結晶シリコン層を形成する
工程を備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アクティブマトリクス型液晶表示装置で
は、半導体活性層が大面積の基板上に均一性良く、比較
的低温で形成できるので、表示画素のスイッチング素子
に非晶質シリコンの薄膜トランジスタが用いられてい
る。また、最近では、表示画素のスイッチング素子のみ
ならず、周辺の駆動用回路素子にも同一基板上に形成し
た薄膜トランジスタを用いるようになってきている。た
だし、この周辺駆動用回路素子の薄膜トランジスタに
は、非晶質シリコンの薄膜トランジスタよりも電界効果
移動度の大きい多結晶シリコンを半導体活性層に用いた
多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いている。

【０００３】この多結晶シリコン薄膜トランジスタの半
導体活性層となる多結晶シリコン層は、例えば、図１８
のように、まず、ガラス基板上に薄膜の非晶質シリコン
３２を形成し（図１８(a)）、次に、これにＸｅＣｌエ
キシマレーザー等のエネルギービームを照射し、非晶質
シリコン３２を融解し再結晶化して多結晶シリコン３３
にすることにより（図１８(b)）、形成することができ
る。ここで、図１８(b)に示したエネルギービーム照射
は、薄膜トランジスタの動作の不安定要因となる雰囲気
中からの不純物の混入を防ぐため、真空雰囲気中あるい
は窒素等の不活性ガス雰囲気中で行われる。さらに大気
中のように酸素を含む雰囲気中でエネルギービームを照
射し、多結晶シリコンを形成すると、シリコン表面には
突起状の凸凹が生じ、表面荒れが大きくなる。この突起
部では、電界集中が起こりやすい、あるいはゲート絶縁
層の被覆率が悪くなり、耐圧劣化を引き起こすといった
薄膜トランジスタの信頼性及び歩留まりに関わる問題も
生じてくる。これを防ぐためにも、多くの場合エネルギ
ービーム照射は真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガ
ス雰囲気中で行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】エネルギービーム照射
を真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中で
行うと、多結晶シリコン中への不純物の混入を防ぎ、且
つ多結晶シリコン表面を平滑にすることができる。しか
し、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中では、大
気中に比較して高いエネルギー密度を照射しなければ結
晶粒径が成長しない。結晶粒径が小さいままでは移動度
の高い高性能な薄膜トランジスタを形成することができ
ない。

【０００５】このため従来の方法では、多結晶シリコン
の結晶粒径を大きくするため、大気中で照射する場合に
比較し、真空中あるいは不活性ガス中では照射するエネ
ルギービームの面積を小さくしてエネルギー密度を高く
しなければならず、これにより基板全体を処理するのに
必要なビームの照射回数が増えるのが避けられず、生産
性が落ていた、と本発明者は考えている。

【０００６】このようなことから、本発明者は、薄膜ト
ランジスタの生産性をさらに向上させるため、さまざま
な条件で、真空雰囲気中あるいは窒素雰囲気中で非晶質
シリコンにエネルギービームを照射して多結晶シリコン
を形成する実験を繰り返した。その実験の結果得られた
薄膜トランジスタを解析することにより、予め非結晶シ
リコンに所定の濃度または単位面積あたり所定量の酸素
を積極的に添加すれば、エネルギーを真空雰囲気中ある
いは窒素等の不活性ガス雰囲気中で照射しても、多結晶
シリコンを短時間で形成でき、且つ移動度が高く、表面
も平滑な高性能な薄膜トランジスタを高い生産性で製造
できることを独自に知得するに至った。

【０００７】しかしながら、非晶質シリコンに酸素を積
極的に添加することは、従来の技術常識に反することで
ある。そのため、上述のように酸素を添加することは技
術者にとって思いもよらぬことである。なぜなら、一般
に非晶質シリコン膜中に不純物として酸素が混入すると
結晶特性が悪化し、これにより薄膜トランジスタの特性
が悪化すると考えられたからである。しかし本発明者の
実験によれば、従来の技術常識に反し、前述のように、
非晶質シリコン膜中に所定の濃度または単位面積あたり
所定量の酸素を積極的に混入することにより、高性能な
多結晶シリコン薄膜トランジスタを高い生産性で製造で
きることを知得したのである。

【０００８】本発明はこのことに着目してなされたもの
である。つまり、この方法は、従来の技術常識とは異な
った本発明者の独自の実験結果によって得られたもので
あり、本発明者の独自の知得に基づくものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造方法は、酸素が添加された非晶
質シリコン層を基板上に形成する工程と、前記非晶質シ
リコン層に真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で
エネルギービームを照射して多結晶シリコン層を形成す
る工程と、前記多結晶シリコン層を活性層とする薄膜ト
ランジスタを形成する工程とを有することを特徴とす
る。

【００１０】また、本発明の多結晶シリコン薄膜トラン
ジスタの製造方法は、基板上に成膜された、１×１０
^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下の濃度の酸
素が添加された非晶質シリコン層に、真空雰囲気中ある
いは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射し
て、活性層として用いる多結晶シリコン層を形成する工
程を備えることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の多結晶シリコン薄膜トラン
ジスタの製造方法は、基板上に成膜された、単位面積あ
たりの総量として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０
^１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加された非晶質シリコン層
に、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネル
ギービームを照射して、活性層として用いる多結晶シリ
コン層を形成する工程を備えることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照にしつつ本発
明の実施の形態について説明する。本実施形態の多結晶
シリコン薄膜トランジスタの製造方法は、プラズマＣＶ
Ｄ法により酸素が添加された非晶質シリコンを形成し、
この酸素が添加された非晶質シリコンにエネルギービー
ムを照射して多結晶シリコンを形成する工程を備えるこ
とを１つの特徴とする。このように非晶質シリコンに酸
素を添加することにより、多結晶シリコンの結晶粒径成
長を容易にすることができ、高性能な多結晶シリコン薄
膜トランジスタを高い生産性で製造することができる。
さらに、後述のように、非晶質シリコンに酸素を添加す
ることにより、非晶質シリコン膜中の残留水素の脱気に
よる膜破壊を防止することがき、多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの歩留まりを向上させることもできる。

【００１３】以下、この多結晶シリコン薄膜トランジス
タの製造方法について、第１の実施の形態では上記の非
晶質シリコンの酸素の濃度に着目して、第２の実施の形
態では非晶質シリコン中の単位面積あたりの総酸素量に
着目して、それぞれ説明する。

【００１４】（第１の実施の形態）図１〜図１０は、本
発明の第１の実施の形態に係わる多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの製造方法、および、その製造方法を用いて
得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性を示す
図である。以下では、まず、図１〜図８を参照にして多
結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の全体につい
て簡単に説明し、次に、図９〜図１０を参照にして、エ
ネルギービームを照射する工程（図２）の際の、非晶質
シリコンの酸素濃度の範囲（幅）について検討する。

【００１５】まず、図１〜図８を参照にして、多結晶シ
リコン薄膜トランジスタの製造方法の全体について簡単
に説明する。

【００１６】（１）まず、図１に示すように、洗浄され
たガラス基板１の上に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置
で、１００ｎｍのアンダーコートとしての酸窒化シリコ
ン２を形成する。次いで、非晶質シリコンの原料として
のモノシラン２００ｓｃｃｍ、酸素の原料としての亜酸
化窒素５ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤに供給し、これらを
プラズマ励起して、酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非
晶質シリコン３を５０ｎｍ形成する。この様に、本発明
では、非晶質シリコン３を酸素が添加された状態に形成
している。次いで、ガラス基板１を４５０℃程度で１時
間ほど加熱処理（熱アニール）し、酸窒化シリコン２及
び非晶質シリコン３膜中の水素を脱気する。ここで、こ
の熱アニールは、非晶質シリコン３膜中の残留水素の脱
気による膜破壊を防止するためのものである。すなわ
ち、この熱アニールを行わないと、非晶質シリコン内に
水素が残留し、次の（２）の工程で、残留水素の急激な
脱気により非晶質シリコン膜３が破壊されてしまう。こ
の後、非晶質シリコン膜３表面に形成された図示しない
自然酸化膜をフッ酸処理により除去する。

【００１７】（２）次に、図２に示すように、窒素雰囲
気中で、酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ ^３の非晶質シリコ
ン３にＸｅＣｌエキシマレーザーを照射し、この非晶質
シリコン３を融解・再結晶化させ、多結晶シリコン４に
する。なお、ここで大気中のように酸素を含む雰囲気中
でこのエキシマレーザを照射すると、非晶質シリコン３
が融解する際に表面付近に過剰の酸素が溶け込んでしま
い、再結晶化の際にこの過剰な酸素が多結晶シリコン４
の結晶粒界に編析して、多結晶シリコン４の表面が突起
状になり、表面荒れが大きくなってしまう。

【００１８】（３）次に、図３に示すように、多結晶シ
リコン薄膜４をフォトリソグラフィーによりパターニン
グし、ＣＦ４ドライエッチングにより島状の多結晶シリ
コン薄膜からなる半導体活性層５を形成する。

【００１９】（４）次に、図４に示すように、島状の半
導体活性層５の上にプラズマＣＶＤを用いて酸化シリコ
ン薄膜を堆積し、ゲート絶縁膜６を形成する。

【００２０】（５）次に、図５に示すように、ゲート絶
縁膜６の上にスパッタリングによりモリブデンタングス
テン合金を堆積し、これをフォトリソグラフィーにより
パターニングしてゲート電極７を形成する。

【００２１】（６）次に、図６に示すように、ゲート電
極７をマスクとして用いて、質量分離型のイオン注入装
置によりゲート絶縁層６を介して半導体活性層５に不純
物としてＰ（リン）を注入し、ソース領域８及びドレイ
ン領域９を形成する。この後、再度４５０℃程度でアニ
ールを行い注入したリンを活性化する。

【００２２】（７）次に、図７に示すように、プラズマ
ＣＶＤを用いて酸化シリコン薄膜を堆積し、層間絶縁膜
１０を形成した後、フォトリソグラフィーにより層間絶
縁膜１０をパターニングしてコンタクトホールを形成す
る。

【００２３】（８）次に、図８に示すように、スパッタ
リングによりモリブデンタングステン合金を堆積し、こ
れをフォトリソグラフィーによりパターニングしてソー
ス電極１１及びドレイン電極１２を形成する。

【００２４】以上の工程によって、本実施形態による多
結晶薄膜トランジスタが形成される。

【００２５】次に、図９〜図１０を参照にして、上述工
程（２）でエネルギービームが照射される非晶質シリコ
ン３の酸素濃度の幅について検討する。即ち、上述の薄
膜トランジスタの製造方法では、エネルギービームが照
射される非晶質シリコン３の酸素濃度が２×１０^２０／
ｃｍ^３の場合であるが、他の酸素濃度の非晶質シリコン
にエネルギービームを照射することもできるので、この
酸素濃度の幅について検討する。なお、本実施形態で
は、この酸素の量について濃度に着目して検討し、第２
の実施の形態では単位面積あたりの総量に着目して検討
する。

【００２６】まず、エネルギービームが照射される非晶
質シリコンの酸素濃度を所定の幅にすることにより、薄
膜トランジスタの生産性が向上することを、本発明者は
実験結果から知得した。このことを、本発明者の実験結
果を示す図９のデータを参照にして説明する。

【００２７】図９は、窒素雰囲気中で酸素濃度が異なる
非晶質シリコンにＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した
際の、酸素濃度に対する、平均結晶粒径０．３μｍ以上
の多結晶シリコンが得られるエキシマレーザーの照射エ
ネルギー密度の変化を示している。図９から、エネルギ
ービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×
１０^２０／ｃｍ^３以上だと、結晶粒径０．３μｍ以上の
多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度が急激に
低減することがわかる。

【００２８】これは、エネルギービームが照射される非
晶質シリコンの酸素濃度が１×１０ ^２０／ｃｍ^３以上だ
と、薄膜トランジスタの生産性が向上することを意味し
ている。以下に詳しく説明する。

【００２９】ビームの照射エネルギー密度が図９の実線
で示した量に満たないと、平均結晶粒径０．３μｍ以上
の多結晶シリコンが得られず、薄膜トランジスタの高い
電界効果移動度を得ることができない。従って、図９か
らは、例えば、酸素濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３の非晶
質シリコンを用いた時は、ビームの照射エネルギー密度
が約３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上でなければ、薄膜トランジ
スタの電界効果移動度を高くできないことが分かる。こ
のように、図９から、酸素濃度が５×１０^１８〜５×１
０^１９／ｃｍ^３の非晶質シリコンを用いた時は、ビーム
の照射エネルギー密度を約３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上とし
なければ薄膜トランジスタの電界効果移動度を高くでき
ないのに対し、酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上の
非晶質シリコンを用いた時は、ビームの照射エネルギー
密度を約２８０ｍＪ／ｃｍ^２以上にすれば薄膜トランジ
スタの電界効果移動度を高くできることが分かる。従っ
て、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸
素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、ビームのエネ
ルギー密度を低くすることが可能になる。そして、ビー
ムのエネルギー密度を低くすることが可能になると、ビ
ーム面積を拡げることが可能となり、基板全体を処理す
るのに必要なビームの照射回数を減らすことができる。
よって、図９から、エネルギービームが照射される非晶
質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だ
と、ビームの照射回数を減らすことができ、生産性を向
上できることがわかる。

【００３０】次に、エネルギービームが照射される非晶
質シリコンの酸素濃度が所定の幅だと、薄膜トランジス
タの製造歩留まりが向上することを、本発明者は実験結
果から知得した。このことを、図１０を参照にして、以
下に説明する。

【００３１】図１０は、窒素雰囲気中で、酸素濃度が異
なる非晶質シリコンにエネルギー密度３２０ｍＪ／ｃｍ
^２のＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した際の、非晶質
シリコン膜の破壊発生箇所密度を示す図である。図１０
から、例えば、酸素濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３の非晶
質シリコンにエネルギー密度３２０ｍＪ／ｃｍ^２のＸｅ
Ｃｌエキシマレーザーを照射すると、１ｍｍ^２あたり８
箇所の非晶質シリコン膜の破壊が発生することがわか
る。この膜破壊は以下の理由で起こると解析される。

【００３２】前述のように、図１の工程では、熱アニー
ルにより非晶質シリコン膜中の残留水素の脱気を行う。
しかし、ガラス基板を用いて薄膜トランジスタを製造す
る場合には、アニール温度は基板が損傷しない５００℃
程度が限度であるため、アニールを行ってもある程度の
水素が非晶質シリコン内に残留してしまう。このように
アニール後の非晶質シリコンに残留水素があると、非晶
質シリコンにエネルギーを照射する工程（図２）の際
に、非晶質シリコン膜中からこの残留水素が脱気し、非
晶質シリコンの膜破壊を起こしてしまうのである。

【００３３】この残留水素の脱気に着目すると、図１０
から、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの
酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、非晶質シリ
コン膜の水素脱気が急激に低減し、非晶質シリコン膜の
破壊箇所密度が急激に低減することがわかる。そして、
非晶質シリコン膜の破壊箇所密度が低減すれば、多結晶
シリコン薄膜トランジスタの製造歩留まりが向上する。

【００３４】このように、エネルギービームが照射され
る非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以
上だと、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造歩留ま
りが向上することがわかる。また、この歩留まり向上の
効果は、液晶表示装置で用いられるガラス基板等、高温
で損傷してしまう基板を用いる多結晶薄膜トランジスタ
の場合に、特に大きいといえる。

【００３５】但し、非晶質シリコン膜中の酸素濃度が１
×１０^２１／ｃｍ^３を超えると、エネルギービームを照
射して、シリコンの溶融、再結晶化により多結晶シリコ
ン膜を形成した際に、多結晶シリコン膜表面の凹凸が大
きくなる。このように多結晶シリコン膜表面の凹凸が大
きくなると、この多結晶シリコン膜上に形成されるゲー
ト絶縁膜の被覆性が悪くなる。また、ゲート絶縁膜中に
局部的に電界集中が起こりゲート耐圧が劣化してしま
う。さらに、非晶質シリコン膜中の酸素濃度が１×１０
^２１／ｃｍ^３を超えると、多結晶シリコン薄膜トランジ
スタの電界効果移動度が低下してしまう。このように、
非晶質シリコン膜中の酸素濃度は１×１０ ^２１／ｃｍ^３
以下であることが望ましい。なお、この凹凸、および電
界効果移動度については、第２の実施の形態で詳しく説
明する。

【００３６】以上のように、図２の工程においてエネル
ギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度を１
×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下、望
ましくは１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ
^３以下、さらに望ましくは２×１０^２０／ｃｍ^３以上５
×１０^２０／ｃｍ^３以下にすると、高性能な薄膜トラン
ジスタが高い生産性、および高い歩留まりで得られる。

【００３７】以上説明した、本実施形態の薄膜トランジ
スタの製造方法では、非晶質シリコン中に添加された酸
素濃度を深さ方向に一様としたが、酸素濃度を深さ方向
に異なるようにすることも可能である。ただし、酸素濃
度を深さ方向に異なるようにする場合には、非晶質シリ
コンの表面に高酸素濃度領域を形成することが望まし
い。なぜなら、非晶質シリコンの表面に高酸素濃度領域
を形成すると、得られた薄膜トランジスタの電界効果移
動度が特に高くなるからである。なお、この点について
は、第２の実施の形態で詳しく説明する。

【００３８】また、本実施形態の薄膜トランジスタの製
造方法では、酸素が添加された非晶質シリコン層３を形
成する方法として、亜酸化窒素が添加されたモノシラン
ガスを用いたプラズマＣＶＤによって形成する方法を用
いたが（図１）、モノシランを用いたプラズマＣＶＤ法
により非晶質シリコンを形成し、この非晶質シリコンに
質量分離型あるいは非質量分離型のイオン注入装置によ
り酸素を注入する方法を用いることも可能である。この
ようにイオン注入装置により酸素を注入する変形例を示
す。

【００３９】（変形例）上記実施の形態の説明における
（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、モ
ノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ装
置を用いて厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン層を形成す
る。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されてい
ない。次に、この非晶質シリコン層に加速電圧１０ｋｅ
Ｖで酸素をイオン注入することにより酸素濃度２×１０
^２０／ｃｍ^３の酸素添加層を非晶質シリコン層中に形成
することができる。

【００４０】（第２の実施の形態）第２の実施の形態の
多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法が第１の実
施の形態と異なるのは、図１１から分かるように、膜厚
５０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂにおいて、表面か
ら１５ｎｍまでの浅い領域３ｂに単位面積あたりの総量
（面密度）が５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素を添加した点
である。

【００４１】図１１〜図１７は、本発明の第２の実施の
形態に係わる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方
法、および、その製造方法を用いて得られた多結晶シリ
コン薄膜トランジスタの特性を示す図である。以下で
は、まず、図１１〜図１２を参照にして多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造方法について簡単に説明し、次
に、図１３〜図１６を参照にしてエネルギービームを照
射する工程（図１２）の際の非晶質シリコンに添加する
単位面積あたりの総酸素量の範囲について検討し、次
に、図１７を参照にしてエネルギービームを照射する工
程（図１２）の際の非晶質シリコンの酸素の添加領域の
深さについて検討する。

【００４２】まず、図１１〜図１２を参照にして、多結
晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法について説明す
る。図１１、図１２は、本発明の第２の実施の形態の多
結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の一部を示す
図であり、それぞれ、図１、図２に対応する図である。
図１、図２と同じ構成部分には、同じ番号を示してい
る。以下、この図１１、図１２を参照にして、本実施形
態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法を簡単
に説明する。

【００４３】まず、図１１に示すように、洗浄されたガ
ラス基板１の上に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置で、
１００ｎｍのアンダーコートとしての酸窒化シリコン２
を形成する。次いで、非晶質シリコンの原料としてのモ
ノシラン２００ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤに供給し、こ
れらをプラズマ励起して、酸素が添加されていない非晶
質シリコン３ａを３５ｎｍ形成する。次いで、プラズマ
ＣＶＤにモノシランに加え亜酸化窒素３０ｓｃｃｍを供
給し、これらをプラズマ励起して、単位面積あたりの総
量として５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素が添加された非晶
質シリコン３ｂを１５ｎｍ形成する。この結果、全厚５
０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂを得る。なお、酸素
の原料として、亜酸化窒素の替わりに酸素を用いること
もできる。

【００４４】次に、図１２に示すように、窒素雰囲気中
で、非晶質シリコン３ａ、３ｂにＸｅＣｌエキシマレー
ザー（エネルギービーム）を照射し、この非晶質シリコ
ン３ａ、３ｂを融解・再結晶化させ、多結晶シリコン４
にする。なお、ここで大気中のように酸素を含む雰囲気
中でこのエキシマレーザを照射すると、非晶質シリコン
３ａ、３ｂが融解する際に表面付近に過剰の酸素が溶け
込んでしまい、再結晶化の際にこの過剰な酸素が多結晶
シリコン４の結晶粒界に編析して、多結晶シリコン４の
表面が突起状になり、表面荒れが大きくなってしまう。

【００４５】図１２に続く製造方法は、第１の実施の形
態図３〜図８と同じであり、詳細な説明は省略する。第
１の実施の形態と同様に、本実施形態の製造方法でも、
酸素が添加された非晶質シリコン３ａ、３ｂにエネルギ
ービームを照射することにより、高性能な薄膜トランジ
スタを高い生産性、および高い歩留まりで得ることがで
きる。

【００４６】次に、図１３〜図１６を参照にして、エネ
ルギービームを照射する工程（図１２）の際の、非晶質
シリコン３ｂの単位面積あたりの総酸素量の範囲につい
て検討する。

【００４７】図１３は、第１の実施の形態の図９に対応
する図であり、窒素雰囲気中で、単位面積あたりに添加
された酸素の総量が異なる非晶質シリコン３ａ、３ｂ
に、ＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した際の、非晶質
シリコン３ｂの酸素添加量に対する、平均結晶粒径０．
３μｍ以上の多結晶シリコン４が得られるエキシマレー
ザーの照射エネルギー密度の変化を示している。図１３
から、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３
ｂの単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１５／ｃｍ
^２以上だと、結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコン
４が得られる照射エネルギー密度が急激に低減すること
がわかる。これは、第１の実施の形態（図９）と同様
に、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂ
の単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃｍ^２
以上にすることにより、薄膜トランジスタの生産性を向
上させることができることを意味している。

【００４８】また、本発明者はさらに詳細に実験を行っ
た結果、エネルギービームが照射される非晶質シリコン
３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃ
ｍ^２以上にすることにより、非晶質シリコン３ｂに照射
されるビームのエネルギー密度のマージンを広くするこ
とができることを知得した。以下、図１４を参照にして
説明する。

【００４９】図１４は、異なる量の酸素を非晶質シリコ
ン３ｂに添加し、非晶質シリコン３ａ、３ｂに窒素雰囲
気中でＸｅＣｌエキシマレーザーを照射し多結晶シリコ
ンを形成する際、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶
シリコンが得られるエキシマレーザーのエネルギー範囲
を示している。例えば、図１４から分かるように、非晶
質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量が３×１０
^１４／ｃｍ^２の場合は、平均粒径０．３μｍ以上の多結
晶シリコンが得られるエネルギーの範囲は、５ｍＪ／ｃ
ｍ^２である。図１３を参照にすれば分かるように、これ
は照射エネルギー密度が３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上３２５
ｍＪ／ｃｍ^２以下の場合に、平均粒径０．３μｍ以上の
多結晶シリコンが得られることを意味している。図１４
から、非晶質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量
が１×１０^１４／ｃｍ^２〜５×１０^１４／ｃｍ^２の場合
は、平均粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコン４が得ら
れるエネルギーの範囲は５ｍＪ／ｃｍ^２と狭いのに対
し、非晶質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量が
１×１０^１５／ｃｍ^２以上の場合は、この範囲が３０ｍ
Ｊ／ｃｍ^２以上と広くなることが分かる。つまり、エネ
ルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面
積あたりの酸素の総量が１×１０^１５／ｃｍ^２以上だ
と、照射されるビームのエネルギー密度のマージンを広
くすることができる。なお、本実施形態（酸素添加量５
×１０^１５／ｃｍ^２）で、大気中で多結晶シリコンを形
成した場合は、このエネルギー密度の範囲は約３５ｍＪ
／ｃｍ^２であった。

【００５０】次に、非晶質シリコン３ｂの単位面積あた
りの酸素の総量を一定の値以上にすると、エネルギービ
ームを照射して多結晶シリコン膜４を形成した際に、多
結晶シリコン４表面の凹凸が大きくなることを、本発明
者は実験結果から知得した。このことを、図１５を参照
にして、以下に説明する。

【００５１】図１５は、窒素雰囲気中で、単位面積あた
りの総量が異なる酸素が添加された非晶質シリコン３
ａ、３ｂにエキシマレーザを照射して、平均結晶粒径が
０．３〜０．５μｍの多結晶シリコン４を形成する際
の、非晶質シリコン３ｂへの酸素添加量と、多結晶シリ
コン４表面の平均突起高さと、の関係を示している。図
１５から、非晶質シリコン３ｂの酸素添加量を増やす
と、多結晶シリコン４の表面突起平均高さが高くなり、
多結晶シリコン４表面の凹凸が大きくなることがわか
る。このように、凹凸が大きくなると、第１の実施の形
態で説明したように、多結晶シリコン４上に形成される
ゲート絶縁膜の被覆性が悪くなったり、ゲート絶縁膜中
に局部的に電界集中が起こりゲート耐圧が劣化してしま
ったりする。本発明者の実験によれば、添加する単位面
積あたりの酸素の総量が１×１０^１６／ｃｍ^２よりも大
きくなると、このようなゲート絶縁膜の被覆性の悪化
や、ゲート耐圧の劣化が見られるようになった。なお、
本実施形態（酸素添加量５×１０^１５／ｃｍ^２）で、大
気中で多結晶シリコンを形成した場合の平均突起高さは
４０ｎｍであった。

【００５２】次に、非晶質シリコン３ｂの単位面積あた
りの酸素の総量を一定の値以上にすると、これを用いて
得られる多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移
動度が低下することを本発明者は実験結果から知得し
た。このことを、図１６を参照にして、以下に説明す
る。

【００５３】図１６は、窒素雰囲気中で、異なる単位面
積あたりの総量の酸素を添加した非晶質シリコン３ａ、
３ｂにエキシマレーザを照射して、平均結晶粒径が０．
３〜０．５μｍの多結晶シリコン４を形成し、得られた
多結晶シリコン４を用いて多結晶シリコン薄膜トランジ
スタを形成した場合の、非晶質シリコン３ｂへの酸素添
加量と、薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係
を示す図である。図１６から、酸素添加量が１×１０
^１５／ｃｍ^２以上、１×１０^１６／ｃｍ^２以下の範囲で
は、約１５０ｃｍ^２／Ｖの高い電界効果移動度を維持す
ることが可能であるが、酸素添加量を１×１０^１６／ｃ
ｍ^２よりも多くすると、急激に薄膜トランジスタの電界
効果移動度が低下することが分かる。なお、本実施形態
（酸素添加量５×１０^１５／ｃｍ^２）で、大気中で多結
晶シリコンを形成した場合、電界効果移動度は約１５０
ｃｍ^２／Ｖであった。

【００５４】以上のように、本実施形態の製造工程にお
いてエネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂ
の単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃｍ^２
以上１×１０^１６／ｃｍ^２以下、望ましくは１×１０
^１５／ｃｍ^３以上５×１０^１６／ｃｍ^３以下、さらに望
ましくは２×１０^１５／ｃｍ^３以上５×１０^１６／ｃｍ
^３以下にすると、高性能な薄膜トランジスタが高い生産
性、および高い歩留まりで得られる。

【００５５】また、本実施形態の薄膜トランジスタの製
造方法では、酸素が添加された非晶質シリコン層３ａ、
３ｂを形成する方法として、亜酸化窒素が添加されたモ
ノシランガスを用いたプラズマＣＶＤによって形成する
方法を用いたが（図１１）、モノシランを用いたプラズ
マＣＶＤ法により非晶質シリコンを形成し、この非晶質
シリコンに質量分離型あるいは非質量分離型のイオン注
入装置により酸素を注入する方法を用いることも可能で
ある。

【００５６】次に、図１７を参照にして、エネルギービ
ームが照射される非晶質シリコン３ａ、３ｂに添加する
酸素の領域の深さについて検討する。即ち、図１１、図
１２に示す本実施形態の多結晶シリコン薄膜トランジス
タの製造方法では、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン３
ａ、３ｂのうち、表面から１５ｎｍの深さの部分３ｂに
のみ単位面積あたりの酸素の総量として５×１０^１５／
ｃｍ^２の酸素を添加したが、酸素が添加された領域３ｂ
の深さを変えることもできるので、この深さについて検
討する。

【００５７】図１７は、表面から異なる範囲まで単位面
積あたりの酸素の総量が５×１０^１ ^５／ｃｍ^２の酸素を
添加した非晶質シリコン３ａ、３ｂにエキシマレーザを
照射して、平均結晶粒径が０．３μｍの多結晶シリコン
４を形成し、得られた多結晶シリコン４を用いて多結晶
シリコン薄膜トランジスタを形成した場合の、表面から
の酸素添加範囲と、電界効果移動度と、の関係を示す図
である。

【００５８】図１７から分かるように、酸素を添加する
範囲を５０ｎｍにし、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン３
ａ、３ｂの全体に酸素を添加すると、電界効果移動度は
約９０ｃｍ^２／Ｖｓになる。酸素を添加する範囲を徐々
に浅くすると、電界効果移動度はさに高くなる。そし
て、表面から１５ｎｍ以下の浅い範囲に酸素を集中的に
添加した場合は、約１５０ｃｍ^２／Ｖｓの特に高い電界
効果移動度が得られる。

【００５９】このように、添加する単位面積あたりの酸
素の総量が同じ場合でも、表面から約１５ｎｍ以下の浅
い領域に集中して酸素を添加することにより、薄膜トラ
ンジスタの電界効果移動度をさらに高くすることができ
る。以下、このように非晶質シリコン層の浅い領域に選
択的に酸素を添加するための変形例を説明する。

【００６０】（変形例１）上記実施の形態の説明におけ
る（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、
モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ
装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成す
る。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されてい
ない。次にプラズマＣＶＤ装置にモノシランに加え亜酸
化窒素５ｓｃｃｍを供給し、これらをプラズマ励起する
ことにより、酸素の添加されていない非晶質シリコン層
の上に酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン
層を５ｎｍの厚さに形成する。この様にすることによ
り、本変形例によれば、非晶質シリコン層の表面から５
ｎｍまでの部分にのみ酸素が添加された非晶質シリコン
層を形成することができる。

【００６１】（変形例２）上記実施の形態の説明におけ
る（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、
モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ
装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成す
る。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されてい
ない。次に装置内のモノシランを排気した後、プラズマ
ＣＶＤ装置に亜酸化窒素１０ｓｃｃｍと希釈ガスとして
のアルゴンガス１０００ｓｃｃｍを供給し、これらをプ
ラズマ励起することにより、酸素の添加されていない非
晶質シリコン層の表面上に高酸素濃度領域を形成する。
尚、ここでは酸素の原料として亜酸化窒素を用いたが、
酸素ガスなどに代えてもよい。この後、亜酸化窒素（ま
たは酸素など）とアルゴンを排気してから再びモノシラ
ン２００ｓｃｃｍを供給しプラズマ励起することにより
非晶質シリコン層を５ｎｍの厚さに形成する。この様に
することにより、本変形例によれば、非晶質シリコン層
の表面から５ｎｍの深さの部分にのみ酸素が添加された
高酸素濃度領域を形成することができる。

【００６２】（変形例３）上記実施の形態の説明におけ
る（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、
モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ
装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成す
る。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されてい
ない。次に装置内のモノシランを排気した後、プラズマ
ＣＶＤ装置に亜酸化窒素１０００ｓｃｃｍを供給し、こ
の亜酸化窒素の酸化力を利用して、酸素の添加されてい
ない非晶質シリコン層の表面上に酸化層を形成する。
尚、このとき、亜酸化窒素の酸化力を有効に利用する
為、基板温度を３００℃以上にすることが好ましい。ま
た、ここでは酸素の原料として亜酸化窒素を用いたが、
酸素ガスなどに代えてもよい。この後、亜酸化窒素（ま
たは酸素など）を排気してから再びモノシラン２００ｓ
ｃｃｍを供給しプラズマ励起することにより非晶質シリ
コン層を５ｎｍの厚さに形成する。この様にすることに
より、本変形例によれば、非晶質シリコン層の表面から
５ｎｍの深さの部分にのみ酸素が添加された高酸素濃度
領域を形成することができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、酸素が添加された非晶
質シリコン層にエネルギービームを照射して多結晶シリ
コンを形成する工程を備えたので、高性能な多結晶シリ
コン薄膜トランジスタを高い生産性、および高い歩留ま
りで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図１に続く
図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図２に続く
図。

【図４】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図３に続く
図。

【図５】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図４に続く
図。

【図６】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図５に続く
図。

【図７】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図６に続く
図。

【図８】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図７に続く
図。

【図９】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シ
リコン膜中の酸素濃度と、平均結晶粒径０．３μｍ以上
の多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度との関
係を示す図。

【図１０】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコン膜中の酸素濃度と、シリコン膜破壊発生箇所密
度との関係を示す図。

【図１１】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造工程を示す図。

【図１２】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造工程を示す図で、図１１に続く
図。

【図１３】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコン膜中の単位面積あたりの酸素の総量と、平均結
晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射
エネルギー密度との関係を示す図。

【図１４】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコン中の単位面積あたりの酸素の総量と、平均粒径
０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射エネル
ギー密度の範囲との関係を示す図。

【図１５】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコン中の酸素添加量と、多結晶シリコン表面の平均
突起高さと、の関係を示す図。

【図１６】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコン膜中の酸素添加量と、得られた多結晶シリコン
薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係を示す
図。

【図１７】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質
シリコンの表面からの酸素添加範囲と、得られた多結晶
シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係
を示す図。

【図１８】従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製
造工程を示す図。

【符号の説明】

１基板３酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン３ａ酸素が添加されていない非晶質シリコン３ｂ単位面積あたりの酸素の総量が５×１０^１５／ｃ
ｍ^２の非晶質シリコン４多結晶シリコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F045 AA08 AB03 AB04 AB32 AC01 AC19 AF07 BB09 CA15 DA58 DA59 EE14 HA13 HA15 HA16 HA18 HA20 5F052 AA02 BB07 CA08 DA02 DB03 EA15 HA06 JA01 5F110 AA01 AA30 CC02 DD02 DD15 EE06 EE44 FF02 FF30 GG02 GG13 GG16 GG25 GG33 GG34 GG36 GG45 GG52 HJ01 HJ12 HJ13 HJ23 HL06 HL23 NN02 NN23 NN35 PP03 PP13 PP31 PP35 QQ11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素が添加された非晶質シリコン層を基板
上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層に真空雰囲
気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを
照射して多結晶シリコン層を形成する工程と、前記多結
晶シリコン層を活性層とする薄膜トランジスタを形成す
る工程と、を有することを特徴とする多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】基板上に成膜された、１×１０^２０／ｃｍ
^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下の濃度の酸素が添加さ
れた非晶質シリコン層に、真空雰囲気中あるいは不活性
ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して、活性層と
して用いる多結晶シリコン層を形成する工程を備えるこ
とを特徴とする、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製
造方法。
【請求項３】前記酸素が添加された非晶質シリコン層
を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラン原料ガス
を用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴
とする、請求項１または２記載の多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの製造方法。
【請求項４】シランを含む原料ガスを用いたプラズマＣ
ＶＤ法により非晶質シリコン層を形成する工程と、前記
非晶質シリコン層に酸素を注入する工程とによって、前
記酸素が添加された非晶質シリコン層を形成することを
特徴とする、請求項１または２記載の多結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の
多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記多結晶シリコン薄膜トランジスタは液晶表示装置に
用いるものである、多結晶シリコン薄膜トランジスタの
製造方法。
【請求項６】前記非晶質シリコン層の深さ方向全体にわ
たって酸素が添加されていることを特徴とする請求項１
または２記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造
方法。
【請求項７】前記非晶質シリコン層の深さ方向の一部に
選択的に酸素が添加されていることを特徴とする請求項
１または2記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製
造方法。
【請求項８】基板上に成膜された、単位面積あたりの総
量として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０^１６／ｃｍ
^２以下の酸素が添加された非晶質シリコン層に、真空雰
囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービーム
を照射して、活性層として用いる多結晶シリコン層を形
成する工程を備えることを特徴とする、多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】前記非晶質シリコン層の中心に対して表面
が高濃度になることを特徴とする請求項8記載の多結晶
シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】前記非晶質シリコン層の表面部分に単位
面積あたりの総量として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×
１０^１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加されることを特徴と
する請求項8記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの
製造方法。
【請求項１１】前記非晶質シリコン層の表面から深さ１
５ｎｍ以下の浅い領域に選択的に単位面積あたりの総量
として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０^１６／ｃｍ^２
以下の酸素が添加されていることを特徴とする請求項８
記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１２】前記非晶質シリコン層の酸素が添加され
ている領域を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラ
ン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成する
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１１のいずれか
に記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１３】前記非晶質シリコン層の酸素が添加され
ている領域を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラ
ン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成し、
酸素が添加されていない領域を、シラン原料ガスを用い
たプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする
請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の多結晶シリ
コン薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１４】シラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ
法によって前記非晶質シリコンの一部を形成する工程
と、前記非晶質シリコンの一部の表面を酸化処理する工
程と、シラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によっ
て前記非晶質シリコンの残部を形成する工程と、によっ
て前記非晶質シリコン層を形成することを特徴とする請
求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの製造方法。