JP2005056971A - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産効率を低下させることなく、薄膜トランジスタとしての動作特性、特に、閾値電圧特性や電界移動度を向上させた薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 絶縁性基板１上に窒化シリコン膜２を形成するステップと、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、窒化シリコン膜２上に第１の酸化シリコン膜３ａを形成するステップと、テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、第１の酸化シリコン膜３ａ上に第２の酸化シリコン膜３ｂを形成するステップと、第２の酸化シリコン膜３ｂ上に非晶質シリコン膜１０を形成するステップと、非晶質シリコン膜１０が形成された基板にＹＡＧレーザーを照射するステップと、レーザー照射後の基板をパターニングするステップにより構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に係り、さらに詳しくは、プラズマＣＶＤにより形成される酸化シリコン膜を半導体層のアンダーコート膜として用いる薄膜トランジスタ、例えば、液晶表示装置の各画素を構成する薄膜トランジスタの製造方法の改良に関する。

アクティブマトリクス型と呼ばれる液晶表示装置は、ガラス基板上に多数の薄膜トランジスタをマトリクス状に形成することによって構成される。一般に、非晶質シリコン膜は、多結晶シリコン膜よりも低温で製造することができるため、従来の液晶表示装置では、非晶質シリコン膜を半導体層とする薄膜トランジスタ、いわゆるアモルファスシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）が広く採用されている。

ところが、非晶質シリコン膜にレーザーを照射し、局所的に溶融結晶化させるレーザーアニール技術の開発によって、多結晶シリコン膜を低温でも製造できるようになった。このようなレーザーアニールで得られる多結晶シリコン膜を半導体層とする薄膜トランジスタは、低温ポリシリコンＴＦＴと呼ばれている。低温ポリシリコンＴＦＴは、アモルファスシリコンＴＦＴに比べて動作特性が優れていることから、最近注目されている。

この低温ポリシリコンＴＦＴは、アモルファスシリコンＴＦＴと比較して動作特性や駆動能力が高い一方、個々のＴＦＴ特性の制御が容易ではなかった。そこで、半導体層のアンダーコート膜（下地膜）として酸化シリコン膜を形成することにより、ＴＦＴ特性を安定化させようとするものが提案されている（例えば、特許文献１）。

図８は、従来の低温ポリシリコンＴＦＴの構成を示した断面図である。この低温ポリシリコンＴＦＴは、いわゆるトップゲート型の薄膜トランジスタである。ガラス基板などの絶縁性基板１上には、窒化シリコン膜２及び酸化シリコン膜３からなる２層の絶縁膜がアンダーコート膜として形成され、このアンダーコート膜上に、多結晶シリコン（ポリシリコン）膜４が形成されている。多結晶シリコン膜４は、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）膜を形成した後、レーザーを照射して溶融結晶化させることによって得られる。多結晶シリコン膜４が形成された基板を写真製版によりパターニングすると、島状の半導体層（多結晶シリコン膜４）が形成される。この半導体層上には、ゲート絶縁膜（酸化シリコン膜）５が形成されている。

ゲート絶縁膜５上には、スパッタリングによりクロム膜などの導電性の金属膜が形成されており、この導電性金属膜を写真製版によってパターニングしたのがゲート電極６である。このゲート電極６は、半導体層（多結晶シリコン膜４）にリンなどの不純物を注入する際のマスクとしても用いられる。すなわち、ゲート絶縁膜５を介して、多結晶シリコン膜４に不純物がイオンドーピングされ、その後の加熱処理（アニール）によって不純物が活性化され、半導体層にソース・ドレイン領域が形成されている。

ゲート電極６上には、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により酸化シリコン膜が堆積され、層間絶縁膜７が形成されている。その後、写真製版によるパターニングにより層間絶縁膜７にコンタクトホールが形成され、スパッタリングによって層間絶縁膜７上にクロム膜などの導電性金属膜が形成される。この導電性金属膜を写真製版によってパターニングすることにより、ソース及びドレイン電極８が形成される。ソース及びドレイン電極８上には、パッシベーション膜（窒化シリコン膜）９が形成されている。

図９は、従来における低温ポリシリコンＴＦＴの製造プロセスの要部の一例を示した図であり、島状の半導体層が形成されるまでの工程が示されている。まず、絶縁性基板１上に窒化シリコン膜２及び酸化シリコン膜３が順次に形成される（図９（ａ）の工程）。この窒化シリコン膜２によって、絶縁性基板１から半導体層への不純物の拡散が阻止される。また、酸化シリコン膜３を窒化シリコン膜２と半導体層との間に設けることにより、半導体層を窒化シリコン膜２から遠ざけることができる。このため、窒化シリコン膜２の欠陥準位の影響を抑制することができ、ＴＦＴ特性を向上させることができる。なお、レーザーアニールなどの加熱処理において絶縁性基板１と半導体層との間に生じる応力が酸化シリコン膜３によって緩和されるという効果も考えられる。この様な酸化シリコン膜３の形成は、例えば、平行平板型ＲＦプラズマＣＶＤ装置を用いて行われる。酸化シリコン膜３上には、非晶質シリコン膜１０が形成される（図９（ｂ）の工程）。

次に、非晶質シリコン膜１０中の水素を脱気するための加熱処理が行われ、この加熱処理の後、レーザー照射が行われる（図９（ｃ）の工程）。レーザー照射には、波長が紫外領域であるエキシマレーザーが用いられる。レーザー照射により非晶質シリコン膜１０が溶融され、その後の自然冷却により結晶化される。この様なレーザーアニールによって、多結晶シリコン膜４が形成される。レーザーアニール後、多結晶シリコン膜４が形成された基板を写真製版によりパターニングすると、島状の半導体層（多結晶シリコン膜４）が形成される（図９（ｄ）の工程）。

一般に、プラズマＣＶＤにおける材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：Tetra Ethyl Ortho Silicate）系の材料ガスを用いることによって、他の材料ガス、例えば、モノシラン系の材料ガスを用いるのに比べ、組成が緻密で良質の酸化シリコン膜を形成することができる。つまり、ＴＥＯＳ系の材料ガスによる酸化シリコン膜は、結晶構造における欠陥が少なく、これをアンダーコート膜として用いることによってＴＦＴ特性が良くなると考えられる。

ところが、所望のＴＦＴ特性を得るためには、半導体層のアンダーコート膜としての酸化シリコン膜３の膜厚を一定値以上とする必要があるのに対し、ＴＥＯＳを材料ガスとして用いるプラズマＣＶＤは、他の材料ガスを用いるものに比べて成膜速度（デポレート）が遅い。このため、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤによって酸化シリコン膜３を形成しようとすると、所望の膜厚を形成するのに要する時間が長くなり、生産効率が低くなってしまうという問題があった。
特開２０００−１８３３６０号公報

ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いて半導体層のアンダーコート膜としての酸化シリコン膜を形成すれば、ＴＦＴ特性が良くなる。その一方で、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いて上記酸化シリコン膜を形成しようとすると、上述した従来の薄膜トランジスタの製造方法では、生産効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、薄膜トランジスタとしての動作特性、特に、閾値電圧の特性を向上させた薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的としている。また、生産性を低下させることなく、動作特性を向上させることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的としている。

本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、基板上に酸化シリコンからなる第１の下地膜を形成するステップと、テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、上記第１の下地膜上に酸化シリコンからなる第２の下地膜を形成するステップと、上記第２の下地膜上に非晶質シリコンからなる半導体膜を形成するステップにより構成される。

この様な構成によれば、成膜速度が相対的に速いモノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤと、成膜速度が相対的に遅いテトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤとによって順次に第１及び第２の下地膜の形成が行われるので、テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤだけで形成するのに比べて、所望の膜厚を形成するのに要する時間が短縮され、生産効率を向上させることができる。また、半導体膜に接する第２の下地膜がテトラエトキシシラン系の材料ガスを用いて形成されるので、半導体膜に接する下地膜を組成が緻密で良質なものとすることができる。このため、薄膜トランジスタとしての動作特性、特に、閾値電圧の特性を向上させることができる。

また、本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、上記構成に加え、上記第１の下地膜、第２の下地膜及び半導体膜が真空状態を保ちながら順次に形成されるように構成される。この様な構成によれば、第１の下地膜表面及び第２の下地膜表面を大気などに触れさせることなく、半導体膜を形成することができるので、薄膜トランジスタとしての動作特性を向上させることができる。

また、本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、上記構成に加え、上記第２の下地膜の膜厚が上記第１の下地膜の膜厚より小さくなるように構成される。この様な構成によれば、成膜速度の遅い第２の下地膜の膜厚が成膜速度の速い第１の下地膜より小さいので、さらに生産効率を向上させることができる。この様な生産効率の向上によって、下地膜の膜厚をさらに厚くすることができ、ＴＦＴ特性の向上が期待できる。

また、本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、上記構成に加え、基板上に非晶質シリコンからなる第３の下地膜を形成するステップと、この第３の下地膜上に窒化シリコンからなる第４の下地膜を形成するステップとを備え、上記第１の下地膜が上記第４の下地膜上に形成され、上記第３の下地膜、第４の下地膜、第１の下地膜、第２の下地膜及び半導体膜が真空状態を保ちながら順次に形成されるように構成される。この様な構成によれば、基板にレーザーを照射することによって、半導体膜の溶融結晶化と同時に、第１，２及び４の下地膜の加熱処理を行うことができる。特に、ＹＡＧレーザーによりレーザー照射を行えば、半導体膜及び第３の下地膜を効果的に加熱することができるので、これら２つの膜の間に挟まれた第１，２及び４の下地膜を効果的に加熱することができる。第１，２及び４の下地膜を加熱処理することにより、結晶構造における欠陥が取り除かれるので、ＴＦＴ特性をさらに向上させることができる。

本発明による薄膜トランジスタは、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、基板上に形成された酸化シリコンからなる第１の下地膜と、テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、上記第１の下地膜上に形成された酸化シリコンからなる第２の下地膜と、上記第２の下地膜上に形成された多結晶シリコンからなる半導体膜により構成される。

また、本発明による薄膜トランジスタは、上記構成に加え、プラズマＣＶＤにより基板上に形成されたシリコンからなる第３の下地膜と、この第３の下地膜上に形成された窒化シリコンからなる第４の下地膜とを備え、上記第１の下地膜が上記第４の下地膜上に形成され、上記半導体膜が、上記第２の下地膜上に形成された非晶質シリコン膜にＹＡＧレーザーを照射して形成されるように構成される。この様な構成によれば、透過性の高いＹＡＧレーザーを照射することによって、半導体膜のアニールに伴って第３の下地膜が加熱されるので、第１，２及び４の下地膜を効果的に加熱処理することができる。

本発明による薄膜トランジスタ及びその製造方法によれば、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤと、テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤとによって第１及び第２の下地膜の形成が行われ、半導体膜に接する第２の下地膜がテトラエトキシシラン系の材料ガスを用いて形成されるので、生産性を低下させることなく、ＴＦＴ特性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１の（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法について、その要部の一例を示した図であり、島状の半導体層が形成されるまでの各工程が示されている。

絶縁性基板１は、ガラス基板などの絶縁性を有する透明基板であり、この絶縁性基板１上に窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂが順次に形成される（図１（ａ）の工程）。窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂからなる３層の絶縁膜は、半導体層の特性を安定化させるためのアンダーコート膜であり、いずれもプラズマＣＶＤによって形成される。

絶縁性基板１中には、アルカリ金属などの不純物が含まれている場合がある。この不純物が絶縁性基板１表面から半導体層へ拡散すると、半導体層の特性を劣化させる。不純物の拡散を阻止するには、酸化シリコン膜よりも窒化シリコン膜の方が適している。このため、アンダーコート膜の絶縁性基板１側に窒化シリコン膜２が設けられ、半導体層の特性を安定化させている。この様な不純物の拡散を阻止するバリア機能を十分に発揮させるためには、窒化シリコン膜２の膜厚が少なくとも１０ｎｍ必要である。

第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂからなる酸化シリコン膜を窒化シリコン膜２と半導体層との間に設けることにより、半導体層を窒化シリコン膜２から遠ざけることができる。このため、窒化シリコン膜２の欠陥準位の影響を抑制することができ、ＴＦＴ特性を向上させることができる。また、後述するレーザーアニールなどの加熱処理によって絶縁性基板１と半導体層との間に応力が生じる場合があり、半導体層の特性を低下させる。加熱処理によって生じる応力を緩和するには、窒化シリコン膜よりも酸化シリコン膜の方が適している。このため、アンダーコート膜の半導体層側に酸化シリコン膜が設けられ、半導体層の特性を安定化させている。窒化シリコン膜２の欠陥準位の影響を抑制し、絶縁性基板１と半導体層との間の応力を緩和する機能を有するので、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂからなる酸化シリコン膜の膜厚は、厚い方が半導体層の特性が良いと考えられる。

第１及び第２の酸化シリコン膜は、プラズマＣＶＤにおいて用いられる材料ガスの種類が異なっている。第１の酸化シリコン膜３ａは、モノシラン系の材料ガス、例えば、ＳｉＨ_４及びＮ_２Ｏの混合ガスを用いて形成される。一方、第２の酸化シリコン膜３ｂは、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）系の材料ガス、例えば、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４及びＯ_２の混合ガスを用いて形成される。

一般に、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤは、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるものに比べて成膜速度が速い（デポレートが高い）。このため、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤと、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤとによって所望の膜厚の酸化シリコン膜を形成すれば、ＴＥＯＳ系の材料ガスだけを用いるものに比べて酸化シリコン膜の形成に要する時間が短縮されるので、生産効率を向上させることができる。特に、成膜に要する時間が長い第２の酸化シリコン膜３ｂの膜厚を第１の酸化シリコン膜３ａの膜厚より小さくすれば、生産効率を大幅に向上させることができる。

また、モノシラン系の材料ガスは、ＴＥＯＳ系の材料ガスよりも安価である。このため、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤと、モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤとによって所望の膜厚の酸化シリコン膜を形成すれば、ＴＥＯＳ系の材料ガスだけを用いるものに比べて、酸化シリコン膜を安価に形成することができる。

ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いて形成された第２の酸化シリコン膜３ｂは、モノシラン系の材料ガスを用いて形成された第１の酸化シリコン膜３ａに比べて組成が緻密で良質な酸化シリコン膜である。このため、半導体層に接する酸化シリコン膜を、良質な第２の酸化シリコン膜３ｂとすることにより、半導体層の特性、例えば、閾値電圧特性や電界移動度を向上させることができる。

また、生産効率が向上するので、酸化シリコン膜の膜厚を厚くすることも可能となり、半導体層の特性、特に、閾値電圧特性や電界移動度を向上させることができる。例えば、所望の動作特性を得るために、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂからなる酸化シリコン膜の膜厚を１００ｎｍ以上とすることが望ましい。一方、膜厚が５００ｎｍを超えると動作特性の向上は期待できないので、上記酸化シリコン膜の膜厚は５００ｎｍ以下であれば十分である。つまり、生産効率と動作特性に基づいて、上記酸化シリコン膜の膜厚は、１００〜５００ｎｍのいずれかとすることが望ましい。

次に、第２の酸化シリコン膜３ｂ上に非晶質シリコン膜１０が形成される（図１（ｂ）の工程）。非晶質シリコン膜１０は、後述するレーザーアニールにより溶融結晶化され、イオンドーピングによって活性半導体層となるアモルファス状のシリコン膜であり、その膜厚は通常５０ｎｍ程度である。窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ、第２の酸化シリコン膜３ｂ及び非晶質シリコン膜１０は、いずれもＣＶＤ装置（例えば、平行平板型ＲＦプラズマＣＶＤ装置）によって順次に形成される。しかも、これら全ての層がＣＶＤ装置の真空チャンバー内において連続して形成される。つまり、真空チャンバー内から基板が搬出されることなく、真空状態を保ちながら窒化シリコン膜２の形成から非晶質シリコン膜１０の形成までの処理が行われる。従って、結晶構造における欠陥の原因となる酸化膜が各層の界面に形成されるのを防止することができる。特に、半導体層としての非晶質シリコン膜１０と第２の酸化シリコン膜３ｂとの界面が酸化膜によって汚染されるのを防止することができるので、半導体層の特性を安定化させることができる。

次に、非晶質シリコン膜１０が形成された基板に対してレーザーが照射され、非晶質シリコン膜１０を溶融結晶化して多結晶シリコン膜４が形成される（図１（ｃ）の工程）。レーザー照射には、波長が赤外領域であるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーが用いられる。例えば、基本波の波長が１０６４ｎｍであるレーザーの２次高調波（波長５３２ｎｍ）成分が用いられる。

このＹＡＧレーザーは、固体レーザーの一種であり、エキシマレーザーに比べ、非晶質シリコン膜１０のレーザーアニール（溶融結晶化）に適した波長を有する。すなわち、ＹＡＧレーザの波長は、非晶質シリコンによる吸収率が多結晶シリコンによる吸収率よりも高くなる波長領域にあり、非晶質シリコンを選択的にアニールすることができる。また、酸化シリコンや窒化シリコンにより吸収されにくい。

さらに、ＹＡＧレーザーは透過性が高く、非晶質シリコン膜１０に対し、レーザーの照射方向について概ね均一に加熱することができるので、照射方向に垂直な方向、すなわち、基板面に平行な方向に結晶を成長させることができる。従って、基板面に平行な方向にＹＡＧレーザーの照射光１１をスキャンさせれば、非晶質シリコン膜１０が順次に溶融され、その後の自然冷却によって多結晶シリコン膜４を順次に形成し、その照射領域を基板面の全面に移動させることにより、非晶質シリコン膜１０の全面を多結晶化することができる。

また、ＹＡＧレーザーの照射によって半導体層が照射方向、すなわち、深さ方向に均一に加熱されるので、半導体層の温度上昇によって、半導体層より下の層を加熱することができる。この加熱によってアンダーコート膜（窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂ）中の結晶構造における欠陥が取り除かれるので、欠陥密度が減少し、動作特性を向上させることができる。

なお、ＹＡＧレーザーでは、透過性が高いので、照射光１１と界面による反射光との干渉を考慮する必要がある。すなわち、レーザー照射における入射光と、各層を透過して界面で反射された反射光との干渉により、非晶質シリコン膜１０の加熱が十分に行えない場合がある。例えば、波長が５３２ｎｍであるレーザーの場合、窒化シリコン膜２の表面で反射した反射光と入射光との干渉によって定在波が生じ、窒化シリコン膜２から距離が半波長である位置に定在波の節が形成されると考えられる。ここでいう半波長とは、酸化シリコン膜の場合、その屈折率が１．４６であることから１８２ｎｍに相当するが、成膜条件等により膜の屈折率がこれと異なる場合は、その屈折率に応じた値となる。このため、この位置に非晶質シリコン膜１０が形成された場合には、干渉によって照射光１１が弱められるので、非晶質シリコン膜１０を十分に加熱することができない。

つまり、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂからなる酸化シリコン膜上に形成された非晶質シリコン膜１０内に定在波の節が形成される場合には、非晶質シリコン膜１０を十分に加熱することができない。従って、窒化シリコン膜２と非晶質シリコン膜１０との間に形成する上記酸化シリコン膜の膜厚としては、１８２ｎｍ及び１８２ｎｍの整数倍を除くことが好ましい。なお、この値は、酸化シリコン膜の成膜条件等により膜の屈折率が１．４６とは異なる場合には、その屈折率に応じた値となる。

次に、レーザーアニール後の多結晶シリコン膜４を写真製版によりパターニングすると、島状の半導体層（多結晶シリコン膜４）が形成される（図１（ｄ）の工程）。

図２は、本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの一構成例を示した断面図である。この薄膜トランジスタは、図１に示した製造プロセスによって島状の半導体層（多結晶シリコン膜４）が形成された後、さらに従来の薄膜トランジスタと同様の製造プロセスにより、ゲート絶縁膜５、ゲート電極６、層間絶縁膜７、ソース及びドレイン電極８及びパッシベーション膜９が形成されたものである。

この薄膜トランジスタは、絶縁性基板１と半導体層（多結晶シリコン膜４）との間に窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂが存在し、これら３層の絶縁膜がアンダーコート膜として機能している。すなわち、絶縁性基板１に接する窒化シリコン膜２が絶縁性基板１からの不純物の拡散を阻止する一方、半導体層に接する酸化シリコン膜が窒化シリコン膜２の欠陥準位による影響を低減している。この酸化シリコン膜が良質な第２の酸化シリコン膜３ｂと、成膜に要する時間が短い第１の酸化シリコン膜３ａとにより構成されることから、生産効率を低下させることなく、薄膜トランジスタとしての動作特性を向上させることができる。

図３は、薄膜トランジスタにおける動作特性の一例を示した図であり、酸化シリコンからなるアンダーコート膜の膜厚に対する閾値電圧Ｖｔｈの測定結果が示されている。この測定は、アンダーコート膜として、ＴＥＯＳ系の材料ガスを使用したプラズマＣＶＤにより酸化シリコン膜を形成した薄膜トランジスタについて行われた。薄膜トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈとは、薄膜トランジスタをオフ状態からオン状態に変化させるために必要なゲート・ソース電極間の印加電圧である。この閾値電圧Ｖｔｈを低減できれば、消費電力を低減することができ、また、動作速度を向上させることができる。従って、ＴＦＴ特性を向上させようとする場合、さらにＴＦＴ基板上に複雑な周辺回路を形成しようとする場合には、低い閾値電圧Ｖｔｈを有するＴＦＴを安定して得られることが重要となる。

上記測定結果によれば、酸化シリコン膜の膜厚の増加に伴って、閾値電圧Ｖｔｈは減少するが、この特性は次第に飽和し、膜厚５００ｎｍを超えれば、膜厚が変化しても閾値電圧Ｖｔｈはほとんど低下しないことがわかる。その一方で、膜厚が１００ｎｍより小さくなると、閾値電圧Ｖｔｈが急激に増加することがわかる。このため、所望の閾値電圧特性を得るには、酸化シリコン膜の膜厚を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。

図４は、ＹＡＧレーザーの照射により基板上に生じる定在波の様子を示した図であり、照射光１１と窒化シリコン膜２の表面による反射光との干渉によって生じる定在波Ａを示している。酸化シリコン膜中でのＹＡＧレーザーの波長をλとすると、照射光１１と、ガラス基板上の窒化シリコン膜２表面による反射光との干渉により生じる定在波の節Ａ１は、窒化シリコン膜２からλ／２（半波長）の位置に形成され、定在波の腹Ａ２は（２ｎ−１）λ／４の位置に形成される（ｎは自然数）。

このため、窒化シリコン膜２上の酸化シリコン膜（第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂ）の膜厚をＤ１、非晶質シリコン膜１０の膜厚をＤ２とした場合、次式（１）及び（２）をともに満足させれば、定在波の節Ａ１は非晶質シリコン膜１０中に存在せず、効果的に加熱を行うことができるので望ましい。

さらに、次式（３）を満足させれば、定在波の腹Ａ２は非晶質シリコン膜１０中に存在し、より効果的に加熱を行うことができるため、より望ましい。

酸化シリコン膜中におけるＹＡＧレーザの波長λを５３２／１．４６＝３６４ｎｍとすれば、上式（３）を満たすＤ１及びＤ２の関係は次式（４）で表されるが、このうち、ｎ＝２の場合が最も現実的な値と考えられる。例えば、非晶質シリコン膜の膜厚Ｄ２を５０ｎｍ程度とすれば、酸化シリコンの膜厚は２２３<Ｄ１<２７３となり、２５０ｎｍ程度が妥当となる。

図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０７は、本発明の実施の形態１による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法における要部の一例を示したフローチャートである。まず、絶縁性基板１上にアンダーコート膜として窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂを順次にプラズマＣＶＤにより形成する（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）。第１の酸化シリコン膜３ａは、モノシラン系の材料ガスを用いて形成され、第２の酸化シリコン膜３ｂは、ＴＥＯＳ系の材料ガスにより形成される。

次に、このアンダーコート膜上に非晶質シリコン膜１０をプラズマＣＶＤにより形成する（ステップＳ１０４）。これらの窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ、第２の酸化シリコン膜３ｂ及び非晶質シリコン膜１０の形成は、同一の真空チャンバー内において真空状態を維持したまま順次に行われる。

次に、非晶質シリコン膜１０が形成された基板にＹＡＧレーザーを照射し、非晶質シリコン膜１０をアニールする（ステップＳ１０５）。このレーザー照射により、非晶質シリコン膜１０は溶融結晶化され、多結晶シリコン膜４が形成される。基板面内における所定の照射領域を全てスキャンすれば、レーザー照射を終了する（ステップＳ１０６）。

その後、レーザーアニールによって結晶化された多結晶シリコン膜４を写真製版によりパターニングする（ステップＳ１０７）。このパターニングによって島状の半導体層が形成される。

本実施の形態によれば、成膜速度が速いモノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤと、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤとによってアンダーコート膜としての酸化シリコン膜の形成が行われるので、ＴＥＯＳ系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤだけで上記酸化シリコン膜を形成するのに比べて生産効率を向上させることができる。また、半導体層に接する第２の酸化シリコン膜３ｂがＴＥＯＳ系の材料ガスを用いて形成されるので、生産効率を低下させることなく、薄膜トランジスタとしての動作特性、特に、閾値電圧特性や電界移動度を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、ＹＡＧレーザーによりレーザー照射が行われる場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ＹＡＧレーザーに代えて、波長が紫外領域であるＸｅＣｌエキシマレーザーを用いてレーザー照射を行っても良い。

実施の形態２．
実施の形態１では、アンダーコート膜上に非晶質シリコン膜１０が形成される場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、絶縁性基板１とアンダーコート膜としての窒化シリコン膜２との間に非晶質シリコン膜を新たに設け、２層の非晶質シリコン膜によってアンダーコート膜のアニール効果を向上させている。

図６の（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法について、その要部の一例を示した図であり、レーザー照射により多結晶シリコン膜４が形成されるまでの各工程が示されている。本実施の形態は、図１の実施の形態１と比較して、絶縁性基板１と窒化シリコン膜２との間に非晶質シリコン膜１２を設けている点で異なる。

まず、絶縁性基板１上に非晶質シリコン膜１２がプラズマＣＶＤにより形成される。次に、この非晶質シリコン膜１２上に窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂが順次に形成される（図６（ａ）の工程）。第２の酸化シリコン膜３ｂの形成後、２層目となる非晶質シリコン膜（半導体膜）１０が形成される（図６（ｂ）の工程）。これらの非晶質シリコン膜１２、窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ、第２の酸化シリコン膜３ｂ及び非晶質シリコン膜１０が真空チャンバー内において真空状態を保ちながら順次に形成される。その後、ＹＡＧレーザーによって、非晶質シリコン膜１０のアニールが行われる（図６（ｃ）の工程）。

ＹＡＧレーザーは、非晶質シリコン膜を選択的に加熱することができるので、非晶質シリコン膜１０を透過した照射光１１の一部は、アンダーコート膜においてエネルギーをほとんど吸収されることなくアンダーコート膜を透過して非晶質シリコン膜１２に達し、非晶質シリコン膜１２が加熱される。つまり、ＹＡＧレーザーを照射すれば２層の非晶質シリコン膜を同時に加熱することができるので、これらの層の間に存在するアンダーコート膜が効果的に加熱され、結晶構造における欠陥を効果的に取り除くことができる。

図７は、本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの一構成例を示した断面図である。この薄膜トランジスタは、図６に示した製造プロセスによって多結晶シリコン膜４が形成された後、さらに従来の薄膜トランジスタと同様の製造プロセスにより、ゲート絶縁膜５、ゲート電極６、層間絶縁膜７、ソース及びドレイン電極８及びパッシベーション膜９が形成されたものである。

この薄膜トランジスタでは、絶縁性基板１と窒化シリコン膜２との間に非晶質シリコン膜１２が存在し、２層の非晶質シリコン膜によってアンダーコート膜が十分に加熱処理されている。

本実施の形態によれば、基板にＹＡＧレーザーを照射することによって、非晶質シリコン膜１０の溶融結晶化と同時に、窒化シリコン膜２、第１の酸化シリコン膜３ａ及び第２の酸化シリコン膜３ｂの加熱処理を効果的に行うことができる。これらのアンダーコート膜を加熱処理することにより、結晶構造における欠陥が取り除かれるので、ＴＦＴ特性をさらに向上させることができる。

本発明の実施の形態１による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法について、その要部の一例を示した図である。 本発明の実施の形態１による薄膜トランジスタの一構成例を示した断面図である。 薄膜トランジスタにおける動作特性の一例を示した図である。 ＹＡＧレーザーの照射により基板上に生じる定在波の様子を示した図である。 本発明の実施の形態１による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法における要部の一例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態２による低温ポリシリコンＴＦＴの製造方法について、その要部の一例を示した図である。 本発明の実施の形態２による薄膜トランジスタの一構成例を示した断面図である。 従来の低温ポリシリコンＴＦＴの構成を示した断面図である。 従来における低温ポリシリコンＴＦＴの製造プロセスの要部の一例を示した図である。

符号の説明

１ 絶縁性基板
２ 窒化シリコン膜
３ａ 第１の酸化シリコン膜
３ｂ 第２の酸化シリコン膜
４ 多結晶シリコン膜（半導体層）
５ ゲート絶縁膜
６ ゲート電極
７ 層間絶縁膜
８ ソース及びドレイン電極
９ パッシベーション膜
１０，１２ 非晶質シリコン膜
１１ ＹＡＧレーザーの照射光
Ａ 干渉により生じる定在波
Ａ１ 定在波の節
Ａ２ 定在波の腹
Ｄ１ 酸化シリコン膜の膜厚
Ｄ２ 非晶質シリコン膜の膜厚

Claims (8)

1. モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、基板上に酸化シリコンからなる第１の下地膜を形成するステップと、
   テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、上記第１の下地膜上に酸化シリコンからなる第２の下地膜を形成するステップと、
   上記第２の下地膜上に非晶質シリコンからなる半導体膜を形成するステップとを備えたことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
2. 上記第１の下地膜、第２の下地膜及び半導体膜が真空状態を保ちながら順次に形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
3. 上記第２の下地膜の膜厚が上記第１の下地膜の膜厚より小さいことを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
4. 上記第１の下地膜及び第２の下地膜からなる下地膜の膜厚が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
5. 基板上に非晶質シリコンからなる第３の下地膜を形成するステップと、
   この第３の下地膜上に窒化シリコンからなる第４の下地膜を形成するステップとを備え、
   上記第１の下地膜は上記第４の下地膜上に形成され、
   上記第３の下地膜、第４の下地膜、第１の下地膜、第２の下地膜及び半導体膜が真空状態を保ちながら順次に形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
6. 上記半導体膜が形成された基板にＹＡＧレーザーを照射し、半導体膜をアニールするステップを備えたことを特徴とする請求項１又は５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
7. モノシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、基板上に形成された酸化シリコンからなる第１の下地膜と、
   テトラエトキシシラン系の材料ガスを用いるプラズマＣＶＤにより、上記第１の下地膜上に形成された酸化シリコンからなる第２の下地膜と、
   上記第２の下地膜上に形成された多結晶シリコンからなる半導体膜とを備えたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
8. プラズマＣＶＤにより基板上に形成されたシリコンからなる第３の下地膜と、
   この第３の下地膜上に形成された窒化シリコンからなる第４の下地膜とを備え、
   上記第１の下地膜は上記第４の下地膜上に形成され、
   上記半導体膜は、上記第２の下地膜上に形成された非晶質シリコン膜にＹＡＧレーザーを照射して形成されることを特徴とする請求項７に記載の薄膜トランジスタ。

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