JP2006165557A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス基板の熱処理（成膜、結晶成長、酸化等で、特にガラス基板の歪み点付近もしくはそれ以上の温度でおこなわれる場合）工程において、良好な基板処理手段・方法を提供する。また、発熱する素子が形成されても良好な放熱性を有するガラス基板を提供する。
【解決手段】ガラス基板の表面に窒化アルミニウム膜を形成する。この窒化アルミニウム膜は、ヒートシンクとして機能し、ガラス基板表面に形成される素子（例えばＴＦＴ）から発生られる熱が局所的に集中しないように機能する。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置がその上に形成されるガラス基板に関する。特に、ガラス基板の表面に形成される下地膜とその作製方法。さらにはガラス基板の熱処理方法に関する。

ガラス基板上に形成される薄膜半導体装置として、薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）が知られている。このようなガラス基板上に形成されたＴＦＴは、液晶表示装置の画素駆動部分や周辺回路に配置され、高画像表示をさせる場合に利用される。また、イメージセンサやその他集積回路にも利用される。

基板としてガラス基板を用いることは、
・光学的に可視光線に対しては透光性であるので、液晶表示装置のように光が装置中を透過する場合に利用しやすい。
・価格が安い。
といった有用性があるが、ガラス基板の耐熱温度で、熱処理温度の上限が制限されるという問題がある。

ガラス基板としては、ガラス基板中からの不純物の析出の問題、価格の問題等からコーニング７０５９ガラスが一般に用いられる。この７０５９ガラスの転移点温度は、６２８℃であり、歪点は５９３℃である。他の、歪点が５５０〜６５０℃の実用的な工業用ガラス材料としては下記表１に示されるものが知られている。

一方、ガラス基板上に気相法で形成された非晶質珪素膜を加熱により結晶化させる場合、一般に６００℃以上の温度が必要とされており、７０５９ガラス基板を用いた場合、基板が加熱によって縮んでしまう。

ガラス基板上に形成されたＴＦＴを利用した装置としては、アクティブマトリックス型の液晶表示装置が知られているが、この場合、ガラス基板上に数万〜数百万個のＴＦＴをマトリックス状に形成する必要がある。ＴＦＴを形成するには、多数のマスクを用いたプロセスが必要になる訳で、基板の縮みの問題は、作製工程上の大きな障害となる。

特に、加熱処理前にマスク合わせを行なう必要がある場合には、加熱処理に従う基板の収縮が生じることは問題がある。
一方、基板を加熱処理する工程は、処理速度の問題から、基板を鉛直に複数枚立てて加熱炉内に配置されるのが普通であるが、基板の歪点温度以上の加熱処理においては基板の撓みが顕著になってしまう。

また、ガラス基板上にＴＦＴを形成する場合、特に大電流を流すことのできるＴＦＴを形成した場合、動作に従う発熱が問題となる。この発熱の問題は、珪素の熱伝導率が１４８Ｗｍ^−１Ｋ^−１（３００Ｋ）であり、ガラス基板の熱伝導率が１．３８Ｗｍ^−１Ｋ^−１（３００Ｋ）であることに起因する。（ただし、この珪素の熱伝導率は、単結晶珪素のものであり、ガラス基板の熱伝導率は、石英ガラスのものである）

上記のように珪素の熱伝導率に比較して、ガラス基板の熱伝導率が著しく低い為、ＴＦＴの動作時において、ＴＦＴで発生する熱が逃げることができず、発熱に起因する動作不良や熱破壊が問題となる。

特にこの問題は、結晶性珪素を利用した場合に特に顕著になる問題である。即ち、非晶質珪素膜を用いたＴＦＴにおいては、扱う電流値が小さいために、発熱の問題はそれほど心配する必要はないが、結晶性珪素膜を用いたＴＦＴにおいては、大きな電流を流すことができるので、発熱が大きな問題となる。

本発明は、ガラス基板を用いた半導体装置の作製に際する加熱工程における
・ガラス基板の縮みの問題
・ガラス基板の撓み（たわみ）の問題
・ＴＦＴの動作時における発熱の問題
を解決することを発明の目的とする。

本発明は、ガラス基板をその歪点より高い温度で加熱処理し、０．０１℃／分〜０．５℃／分の速度で徐冷し、さらに後の加熱工程は、当該ガラス基板の歪点より低い温度で行ない、しかもその際に１０℃／分〜３００℃／秒という急速な降下速度で急冷することによって、この際のガラス基板の縮みを５０ｐｐｍ以下に抑えることができるという実験事実に基づくものである。

上記のような処理を施すことにより、一般に５５０℃〜６９０℃の歪点を有し、６００℃以下の加熱処理工程における縮みが５０ｐｐｍ以下であるガラス基板を得ることができる。

本発明においては、ガラス基板の加熱処理時における基板の撓みの問題を解決するために、ガラス基板を概略水平に保持して加熱処理することが好ましい。この基板を概略水平に保持して加熱処理を行う装置の一例を図１に示す。

図１に示すのは、加熱炉の概略を示すものであり、石英製の反応管１１、基板保持手段（基板ホルダー）１２、水平に配置された基板１３が示されている。また、図には示されていないが、この装置は外部から反応管１１を加熱するためのヒーターが備えられている。また、反応管内に所定のガスを供給する手段、基板保持手段を反応管から外部に移動させる手段を備えている。

図１には、基板保持手段１２にガラス基板１３が水平に保持されている状態が示されている。ここでガラス基板を水平に保持するのは、基板を水平に保持して加熱処理することによって、基板が撓み、その平面性が損なわれることを防ぐためである。このような構成は、ガラス基板に歪点以上の温度が加わる工程が必要とされる場合に有用である。

また、加熱工程においてガラス基板を縮ませたくない場合に、ガラス基板を予め加熱処理（前熱処理）して収縮させておき、後の加熱工程における収縮を低減させる方法がある。

本発明者らの実験によれば、この前熱処理をガラス基板の歪点温度以上で行い、しかも熱処理後に徐冷させた場合、ガラス基板が大きく縮み、そしてその後の加熱工程をガラス基板の転移点温度以下あるいはその付近で行い、しかもこの熱処理後に急冷した場合、ガラス基板がほとんど縮まないことが判明した。

上記前熱処理は、ガラス基板を０．０１〜０．５℃／分、例えば、０．２℃／分以下の速度でゆっくりと冷却することが重要である。ガラス基板は、加熱することによって縮む、特に加熱終了後にゆっくりと冷却すると、極めて大きく縮むと同時にガラス基板内での局所的な応力が緩和される。その結果、大きく縮ませれば縮ませる程、後の加熱工程における基板の縮みは小さくなる。また、この加熱処理温度が高い程、その効果も大きくなる。

また、上記前熱処理後に行なわれる成膜、結晶成長、酸化等に必要な加熱処理においては、加熱後１０℃／分〜３００℃／秒の速度で急冷することが重要である。特にガラス材料の歪点付近の±１００℃、好ましくは±５０℃においては、上記の速度で急冷するとガラス材料の伸縮を抑制することができる。例えば、コーニング７０５９ガラスでは４９３〜６９３℃での処理温度が必要なプロセスにおいては、４９３℃までは、少なくとも急冷することが、さらなる縮み（場合によっては伸び）を５０ｐｐｍ以下に抑える上で有効である。

前熱処理後に行なわれる加熱処理工程としては、当該ガラス基板上に形成された非晶質半導体の加熱による結晶化、当該ガラス基板上に形成された半導体膜や半導体装置に対する熱アニール、当該ガラス基板上に半導体膜や絶縁膜を形成する際に必要とされる加熱処理、等々のガラス基板に対して熱が加えられる工程を挙げることができる。

上記において説明したガラス基板を予め縮ませておくための加熱処理（前熱処理）は、その後に行われる加熱工程における加熱温度よりも高い温度で行うことが必要である。

具体的には、歪点が５５０度〜６９０度にあるガラス基板を６００度以上の温度（この温度はガラス基板の歪点温度より大きい必要がある）で熱処理することが必要となる。

また、ガラス基板上に予め下地膜として窒化アルミ（ＡｌＮ）膜を形成することによって、ガラス基板上にＴＦＴを形成した場合におけるＴＦＴの発熱の問題を解決することができる。

窒化アルミは、熱伝導率が２００Ｗｍ^−１Ｋ^−１程度あるいはそれ以上あり、ＴＦＴを構成する結晶性珪素の熱伝導率（単結晶珪素の１５０Ｗｍ^−１Ｋ^−１より小さいと考えられる）よりも大きく、放熱器（ヒートシンク）として機能する。しかも窒化アルミ膜は、可視光に対しては透光性であるので、液晶表示装置等に利用しても支障はない。

この窒化アルミ（ＡｌＮ）の作製方法としては、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等が知られているが、特にガラス基板の両面に同時に成膜を行なうことができる陽光柱方式のプラズマＣＶＤ装置を利用することが有用である。また、その厚さは、厚い方がＴＦＴのヒートシンクとしての機能を高めることができるが、実用的には５００Å〜３μｍ、好ましくは１０００Å〜１μｍとすることが有用である。

この陽光柱プラズマＣＶＤ装置の概要を図６、図７に示す。図７は、図６をＡ−Ａ’で切った断面を示すものである。図６、図７において、５８が真空チャンバーであり、５０と５１とが１３．５６ＭＨｚの高周波電源であり、一対の電極５４と５５とに高周波を印加し、これら電極間において高周波放電を生じさせる。成膜がされる基板５３は、枠構造を有する基板支持体５６の内部に複数配置される。基板５３は、その端部が基板支持部材５７によって基板支持体５６の内部に保持されており、基板の両面に成膜がされるようになっている。また、５２が反応性気体やキャリアガスの導入系であり、不必要になったガスは、真空排気ポンプ６０によって、排気系５９より排出される。

この図６、図７に示す装置を利用することの有用性は、複数の基板を同時に処理することができるという点、基板の両面に成膜を行なうことができるという点、である。特に窒化アルミ膜を下地膜としてガラス基板表面に成膜する場合、ガラス基板の両面に窒化アルミ膜を成膜することは以下に説明するような有用性がある。

（１）ガラス基板の両面に窒化アルミ膜を成膜することにより、ガラス基板からの析出物の影響を抑えることができる。
（２）後の加熱処理工程において、基板が片面側に反ってしまうことを防ぐことができる。

上記のような有用性を、普通のスパッタ法や平行平板型のプラズマＣＶＤ法で得る場合には、基板の片面それぞれに成膜を行なわなくてはならず、基板をひっくり返す際の汚染の問題や、工程が増えることでの生産性の低下が問題となる。

また、スパッタ法やＣＶＤ法で形成された窒化アルミ膜は、アルミの成分が少なく、窒素成分が過多である場合がある。この場合、成膜しただけの窒化アルミ膜は、黄色に着色して見え、その抵抗も絶縁物として十分なものではない。

このことを改善するには、窒素雰囲気中、あるいは窒素と酸素との混合雰囲気（例えば空気）中において、加熱処理すればよい。窒素雰囲気中で加熱処理した場合には、当然必要とする透過率と抵抗とを有した窒化アルミ膜を得ることができる。また、窒素と酸素との混合雰囲気中において加熱処理した場合には、ＡｌＮｘＯｙで示される酸化された窒化アルミ膜を得ることができる。この場合、酸素（Ｏ）を０．００１〜１０原子％含有させることができる。そして、良好な透過性と絶縁特性、さらにはＴＦＴのヒートシンク（クールシンク、基板上に局部発熱領域がＴＦＴ等で存在していても、その発熱を基板全体に広げて均一化するための手段）としての機能を有せしめることができる。

この窒化アルミ膜の加熱処理工程と、前述のガラス基板を予め縮めておくための前熱処理工程とを兼用させることは作製工程上非常に有用である。即ち、窒化アルミ膜の加熱処理とガラス基板の前熱処理とを同時に行なうことによって、高移動度ＴＦＴに最適な窒化アルミ膜が下地膜として成膜され、しかも加熱が必要とされる工程においてもガラス基板の縮みを最小限に抑えることのできるガラス基板を提供することができる。

勿論、ガラス基板の前熱処理を行なった後に窒化アルミ膜を成膜し、しかる後に窒化アルミ膜の加熱処理を行なってもよい。この場合、前熱処理はガラス基板の歪点温度より高い温度で行ない、窒化アルミ膜の加熱処理は、前記前熱処理よりも低い温度で、行なうことが重要である。そしてこの際、前熱処理の後に徐冷させてガラス基板を縮ませておき、窒化アルミ膜の加熱処理の後は急冷することによって、この窒化アルミ膜の加熱処理工程における基板の縮みを最小限度に抑えることができる。

また、本発明者らによる研究によると、非晶質珪素膜中に結晶化を促進する不純物としてＮｉやＰｂ、さらにはＳｉを導入することによって、６００℃以下の温度でも非晶質珪素膜の結晶化を行なうことができ、しかもこの結晶化を促進する不純物であるＮｉやＰｂさらにはＳｉを選択的に導入することによって、基板と平行な方向への結晶成長や、選択的な結晶成長が行なえることが判明している。

このような工程を採用する場合、加熱による結晶化を行なう前に、不純物を選択的に導入するために、マスク合わせを行なう工程が必要になる。従って、この場合、マスク合わせ後の加熱工程におけるガラス基板の縮み（ガラスによっては伸縮に異方性があるものがある）を５０ｐｐｍ以下に抑えることが可能な本願発明は極めて有効である。

また、酸化性雰囲気中における加熱によって、半導体表面に酸化膜を形成する際（一般に熱酸化といわれる）にも本願発明は有用である。また、成膜せんとする原材料を含む雰囲気中での加熱によって、所定の被膜を形成する際にも有効である。

いずれにしても、これらの加熱工程は、最初にガラス基板に対して当該ガラス基板の歪点温度以上の温度で行なわれる前熱処理の工程における温度よりも低い温度で行なわれることが重要である。

しかも、前熱処理の際には当該処理工程後に徐冷を行ない、その後に行なわれる加熱処理の際には、急冷を行なうことが重要である。

ガラス基板を予め転移点温度以上の温度で熱処理し、しかもこの熱処理後に徐冷することによって、基板を収縮させ、その後にガラス基板の歪温度以下の温度における熱処理を行ない、さらに急冷することによって、この際におけるガラス基板の縮みを最小限度に抑えることができる。

また、半導体膜の下地膜として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を設けることで、ＴＦＴの発熱に対するマージンを得ることができ、ＴＦＴを利用した装置（例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置）の信頼性や安定性を高めることができる。

さらに、先のガラス基板の前熱処理工程を窒素雰囲気中や窒素と酸素との混合雰囲気中で行なうことによって、この予めガラス基板を縮めておくための熱処理と窒化アルミ膜の絶縁性や透過性を高めるための熱アニール工程とを同時に行なうことができ、作製工程上極めて有用である。

本発明の実施例においては、主としてコーニング７０５９ガラス基板を中心に説明を加えたが、その他のガラス基板、例えば、表１にあるようなコーニング１７３３、ＨＯＹＡ・ＬＥ３０、同ＮＡ３５、同ＮＡ４５、日本電気ガラスＯＡ２、アサヒガラスＡＮ１、同ＡＮ２、というような材料であっても同様に効果が得られることはいうまでもない。

本実施例は図２（Ａ）〜（Ｄ）に示されるガラス基板上に形成された結晶性珪素膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴという）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴという）とを相補型に組み合わせた回路を形成する例である。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の画素電極のスイッチング素子や周辺ドライバー回路、さらにはイメージセンサや３次元集積回路に応用することができる。特に、アクティブマトリックス型の液晶表示装置の周辺回路をも同一基板上に形成した場合における、周辺ドライバー回路のＴＦＴに利用することが有用である。これは、周辺ドレイバー回路のＴＦＴは、大電流の駆動を行なうので、その発熱による信頼性を高めることが必要だからである。

本実施例においては、基板としてＮＡ３５（表１参照）を用いる。このＮＡ３５は、歪点が６５０℃であり、コーニング７０５９ガラス（歪点５９３℃）より耐熱性が高く、高温処理工程が必要とされる場合には有用である。

まず、ガラス基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ、ｙは０を含む）膜２０２を４０００Åの厚さに図６に示す陽光柱プラズマＣＶＤ装置によって０．１μｍ〜２μｍ代表的には、０．２μｍ〜０．５μｍ、ここでは０．３μｍの厚さに成膜する。成膜に際しては、原料ガスとしてＡｌ（Ｃ_４Ｈ_９)_３とＮ_２ ガスを用いた。この工程によって、ガラス基板の両面に窒化アルミ膜２０２が同時に形成される。

次に、ガラス基板を前熱処理する。この工程は、ガラス基板を予め縮ませるための前熱処理と、先に成膜された窒化アルミ膜のアニール工程とを同時に果たすものである。

この工程は、ＮＡ３５ガラス基板の歪点（６５０℃）より高い６９０℃の温度で４時間行う。雰囲気な窒素１００％であり、圧力は常圧とする。

この工程は、図１に示す加熱炉を用い、基板１３を複数、水平に保持して行うものである。加熱処理雰囲気は窒素雰囲気（常圧）とする。この熱処理は、基板の湾曲を防ぐために、水平から±３０度以下の角度で行なうことが望ましい。

なお、前述のように、ガラス基板の両面に窒化アルミ膜を成膜した場合には、加熱処理によって基板が反る危険性が少なくなるので、基板を立てた状態でこの加熱処理を行なうことも可能である。

加熱処理終了後は、０．０１〜０．５℃／分の間の速度、例えば、０．２℃／分の速度でガラス基板を冷却する。この冷却速度の制御は、窒素ガス（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）等の窒素を含むガスを用い、その流入量を変化させることによって行う。また窒素ガス中には、酸素を１〜２５原子％混入してもよい。この徐冷工程において、ガラス基板においては１０００ｐｐｍ以上の縮みが生ずる。さらに、この前熱処理後おける冷却の際、窒素、アンモニア、亜酸化窒素を用いれば、これらのガスによってガラス基板の表面近傍をさらに窒化させることができる。すると、窒化アルミ膜のアニールを行なうのと同時に、ガラスの不純物であるホウ素、バリウム、ナトリウム等が後工程で形成される半導体中に析出することを防ぐ構成を実現でき、信頼性の高い半導体デバイスを形成するうえで有効である。

また、上記工程の前または後において、窒化アルミ膜２０２上にさらに酸化珪素膜を下地膜として形成してもよい。ただし、この場合、窒化アルミ膜のヒートシンクとしての機能は低下する。

また、基板を収縮させるための前熱処理を行なった後に窒化アルミ膜を形成し、さらに窒化アルミ膜に対する熱アニールを行なってもよい。

そして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ３００〜１５００Å、例えば８００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜２０３を成膜する。さらに、その上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ１００〜８００Å、例えば２００Åの酸化珪素膜２０４を堆積する。これは、以下の熱アニール工程において保護膜となり、膜表面の荒れを防止するためのものである。（図２（Ａ））

次に、窒素雰囲気下（大気圧）、６００℃で８時間、熱アニールする。この熱アニールによって、非晶質珪素膜２０３は結晶化され結晶性珪素膜となる。そして、１０〜３００℃／分、例えば、ほぼ５０℃／分以上の速度でガラスの歪点から１００℃下の温度まで、すなわち、この場合には４９３℃まで、急冷を行なう。この際、ガラス基板には、０〜４４ｐｐｍの縮み（平均で２０ｐｐｍ以下）が観察された。なお、この工程も図１に示す加熱炉を用いる。

一方、ガラス基板に対する６４０℃の前処理加熱を行わないガラス基板上に下地膜と非晶質珪素膜を形成し、上記のような６００℃、８時間の熱アニールを行った場合は、１０００ｐｐｍ以上の縮みが観察された。
上記非晶質珪素膜の加熱による結晶化に先立ち、ＮｉやＰｂを結晶化促進材料として、非晶質珪素膜の上面または下面に成膜したり、また前記材料をイオン注入方によって、非晶質珪素膜中に注入することによって、この結晶化材料を導入した領域から、基板に平行な方向に結晶成長をさせることができる。また、選択的に珪素イオンの注入を行なった場合にも、選択的な結晶成長を行なうことができる。

このような場合、結晶化のための加熱工程の前にマスクを形成し、成膜やイオン注入工程を行なわなくてはならなず、加熱工程において基板の縮みが生じることは、極力抑えなければならない。従ってこのような場合には、ガラス基板の縮みを抑えることができる本発明は有効である。
本実施例におけるガラス基板（コーニング７０５９）の縮みのデータを図３に示す。図３に示されているのは、基板を同一条件で前熱処理し、しかる後に下地膜を成膜し、さらに非晶質珪素膜を成膜し、異なる条件において、加熱結晶化を行なった際の基板の最終的な縮みを示したものである。
図３を見れば明らかなように、ガラス基板の転移点（この場合は６２８℃）以下での加熱処理、すなわち、少なくともガラス歪み点から上下１００℃の範囲では冷却速度が大きい方が基板の縮みは小さいことが分かる。

上記加熱による非晶質珪素膜２０３の結晶化工程の後に、保護膜２０４を取り除き、珪素膜２０３をパターニングして、ＴＦＴの島状の活性層２０５を形成する。活性層２０５の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャネル幅を考慮して決定される。小さなものでは、５０μｍ×２０μｍ、大きなものでは１００μｍ×１０００μｍである。

次に０．６〜４μｍ、ここでは０．８〜１．４μｍにピークをもつ赤外光を３０〜１８０秒照射し、活性層２０５のアニールを行う。このアニールは、活性層２０５の結晶性をさらに高めるために行なうものである。
この際、赤外光の照射によって、活性層２０５は８００〜１３００℃、代表的には９００〜１２００℃、例えば１１００℃に加熱される。この温度はガラス上の実際の温度ではなく（ガラスは赤外光を透過するため）、モニターとして用いた珪素ウェハー上の温度である。ここでは、活性層の表面の状態を良くするために、照射はＨ_２雰囲気中で行なう。本工程は、活性層を選択的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えることができる。そして、活性層中の欠陥や不体結合手を減少させるのに非常に効果がある。（図２（Ｂ））

赤外線の光源としてはハロゲンランプを用いた。可視・近赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェハー上の温度が８００〜１３００℃、代表的には９００〜１２００℃の間にあるように調整した。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィードバックさせた。ガラス基板上の珪素表面の温度は、その約２／３程度に低下しているものと推定される。本実施例では、昇温は、一定で速度は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却の急冷で２０〜１００℃／秒でと処理する。

なお、赤外光照射の際、その表面に保護膜として酸化珪素または窒化珪素膜を形成しておくことが好ましい。これは、珪素膜２０５の表面の状態を良くするためである。本実施例では、珪素膜２０５の表面の状態を良くするために、Ｈ_２雰囲気中にておこなったが、Ｈ_２雰囲気に０．１〜１０容量％のＨＣｌ、その他ハロゲン化水素やフッ素や塩素、臭素の化合物を混入してもよい。

この可視・近赤外光照射は、結晶化した珪素膜を選択的に加熱することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑えることができる。そして、珪素膜中の欠陥や不体結合手を減少させるのに非常に効果がある。また、この工程が終了したのちに、２００〜５００℃、代表的には３５０℃で水素アニールをおこなうことも、欠陥を減少させる上で有効である。これは１×１０^１３〜１×１０^１５ｃｍ^−２の量の水素のイオンドープをおこない、さらに２００〜３００℃の熱処理によっても同じ効果が得られる。

上記赤外光の照射工程後に、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜２０６をゲイト絶縁膜として成膜する。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）と酸素とを用い、成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃とする。
このゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜２０６の成膜後に、前記赤外光の照射工程と同じ条件で可視・近赤外線の照射による光アニールを再度行なう。このアニールによって、主に酸化珪素膜２０６と珪素膜２０５との界面及びその近傍における準位を消滅させることができる。これは、ゲイト絶縁膜とチャネル形成領域との界面特性が極めて重要である絶縁ゲイト型電界効果半導体装置にとっては極めて有用である。

引き続いて、スパッタリング法によって、厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミニウム（０．０１〜０．２５重量％の周期律表III ａの希土類元素を含む）を成膜する。アルミニウム以外にもＩＩＩｂ族の元素を用いてもよい。そしてアルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極２０７、２０９を形成する。さらに、このアルミニウムの電極の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層２０８、２１０を形成する。この陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコール溶液中で行う。得られた酸化物層２０８、２１０の厚さは２０００Åである。なお、この酸化物２０８と２１０とは、後のイオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めることができる。

次に、イオンドーピング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、ゲイト電極部（すなわちゲイト電極２０７とその周囲の酸化層２０８、ゲイト電極２０９とその周囲の酸化層２１０）をマスクとして、自己整合的にＰもしくはＮ導電型を付与する不純物を珪素膜２０５に添加する。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ_３）およびジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドーズ量は１×１０^１４〜８×１０^１５ｃｍ^−２、例えば、燐を２×１０^１５ｃｍ^−２、ホウ素を５×１０^１５ｃｍ^−２とする。ドーピングに際しては、一方の領域をフォトレジストで覆うことによって、それぞれの元素を選択的にドーピングする。この結果、Ｎ型の不純物領域２１４と２１６、Ｐ型の不純物領域２１１と２１３とが形成され、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）との領域を形成することができる。

その後、レーザー光の照射によってアニール行う。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いたが、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ^２、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ^２とし、一か所につき２〜１０ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱することによって、効果を増大せしめてもよい。（図２（Ｃ））

また、この工程は、可視・近赤外光によるランプアニールによる方法でもよい。可視・近赤外線は結晶化した珪素、または燐またはホウ素が１０^１７〜１０^２１ｃｍ^−３添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１０００℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うことができる。燐またはホウ素が添加されていると、その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸収される。このことは肉眼による観察でも黒色であることから十分に推測がつく。その反面、ガラス基板へは吸収されにくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程においては最適な方法であるといえる。

続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１７を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成する。この層間絶縁物としてはポリイミドまたは酸化珪素とポリイミドの２層膜を利用してもよい。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴの電極・配線２１８、２２０、２１９を形成する。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニールを行い、ＴＦＴを相補型に構成した半導体回路を完成させる。（図２（Ｄ））
上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴとを相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程において、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断することにより、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可能である。

本実施例は、アクティブ型の液晶表示装置において、Ｎチャネル型ＴＦＴをスイッチング素子として各画素に設けた例である。以下においては、一つの画素について説明するが、他に多数（一般には数十万）の画素が同様な構造で形成される。また、Ｎチャネル型ＴＦＴではなくＰチャネル型ＴＦＴでもよいことはいうまでもない。

本実施例の作製工程の概略を図４に示す。本実施例において、基板４００としてはコーニング７０５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。まず、スパッタ法もしくは反応性スパッタ法によって窒化アルミニウム膜４０１を厚さ１０００〜５０００Å、代表的には２０００Å形成した。この窒化アルミニウム膜は透明度が高く、また、イオンの移動を抑制するので、基板４００から可動イオンがＴＦＴ領域に拡散することをブロッキングする上で有効である。さらに下地膜として、酸化珪素膜４０２をプラズマＣＶＤ法で２０００Åの厚さに形成した。

次に６４０℃、４時間の加熱処理を窒素雰囲気中で行い、０．１℃／分の冷却速度でアンモニア中で徐冷させる。この工程は、０．５℃／分以下の速度で行なうと効果があるものである。この工程によって、下地膜が形成されたガラス基板を予め縮ませることができる。なお、この工程は、窒化アルミ膜のアニール工程をも兼ねるものである。また本実施例においても、加熱工程は図１に示す加熱炉を用いた。

さらに非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって、１０００Åの厚さに形成する。つぎに、フォトレジストによってマスクを形成し、チャネル形成領域となる部分に珪素イオンを注入する。この際、打ち込まれる珪素イオンの投影飛程が珪素膜の中央付近になるようにする。

そして、マスクを取り除き、５５０℃、８時間の熱アニールを行う。この工程において、先に珪素イオンが注入された領域が選択的に結晶化される。そして、この工程の後に、５０℃／分以上の冷却速度でもって急冷を行う。この工程は、加熱炉外に基板を取り出し、自然冷却させる方法を採用するのでもよい。

次に珪素膜をパターニングしてＴＦＴの島状活性層４０３のみを残存させる。この際、島状活性層４０３の中央部分が先に珪素イオンを注入した領域であって、チャネル形成領域を形成する部分である。このような構成を採用するのは、チャネル形成領域部分を選択的に結晶性の高い構造とするためである。 そして、酸素、もしくは亜酸化窒素雰囲気において島状活性層４０３に可視・近赤外光を照射し、珪素膜の結晶性を向上させるとともに、その表面に厚さ５０〜２００Å、代表的には１００Åの酸化珪素膜４０４を形成させる。温度は１１００℃、時間は３０秒とした。この酸化珪素膜４０４を形成する工程は、酸素もしくは亜酸化窒素雰囲気において、５５０〜６５０℃に加熱しても実施できる。
その際には、図１に示す装置を用いて行えばよいことはいうまでもない。（図４（Ａ））

さらに窒化アルミニウムをターゲットとするスパッタ法、もしくはアルミニウムをターゲットとする反応性スパッタ法によって、窒化アルミニウムのゲイト絶縁膜（厚さ５００〜３０００Å、典型的には１２００Å）４０６を形成する。基板温度は３５０℃とする。この結果、熱酸化による薄い酸化珪素膜４０４とスパッタ法による窒化アルミニウム膜４０６の２層構造となる。窒化アルミニウムは酸化珪素の５倍以上の強誘電率であるので、ＴＦＴのしきい値電圧、特にＰチャネル型ＴＦＴのしきい値電圧を低減するうえで有効である。また、窒化アルミニウムは、窒化珪素とは異なって局在中心を発生する確率が少なく、ゲイト絶縁膜材料としては好ましい。そしてこの後、窒素雰囲気での加熱アニールや、ランプ照射によって、窒化アルミニウム膜４０６をアニールする。

次に公知の多結晶珪素を主成分とした膜をＬＰＣＶＤ法で形成し、パターニングを行うことによって、ゲイト電極４０７を形成する。この際、多結晶珪素には導電性を向上させるために不純物として燐を０．１〜５原子％導入する。（図４（Ｂ））

その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオンドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域４０８、チャネル形成領域４０９、ドレイン領域４１０を同時に形成する。そして、ＫｒＦレーザー光を照射することによって、イオン注入のために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善させる。このときのレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２とする。このレーザー光の照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／ｃｍ^２となる。なお、通常よりもドーピング濃度を低下させた低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造とする場合には、シート抵抗は１０〜２００ｋΩ／□となる。レーザー照射によるアニールの工程は可視・近赤外光のランプアニールによって行ってもよい。

その後、酸化珪素またはポリイミドによって層間絶縁物４１１を形成し、さらに、画素電極４１２をＩＴＯによって形成する。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極４１３、４１４を形成し、このうち一方の電極４１４はＩＴＯ４１２にも接続するようにする。最後に、水素中で２００〜４００℃で２時間アニールして、水素化を行なう。このようにして、ＴＦＴを完成する。（図４（Ｃ））

図５を用いて、本実施例を説明する。本実施例において、基板５０１として、図６、図７に示す陽光柱プラズマＣＶＤ法でその両面に厚さ５０００Åの窒化アルミ膜（図示せず）が成膜されたガラス基板（コーニング７０５９）を用いる。

この基板を窒化アルミ膜のアニールと収縮防止のために、事前に６４０℃、窒素中で４時間アニールする。このアニールの終了後は、０．１℃／分で４５０℃まで窒素中で徐冷した後、加熱炉から取り出す。

この工程によって、ガラス基板は大きく収縮し、後の加熱工程における収縮を５０ｐｐｍ以下に抑えることができる。また同時に、窒化アルミ（ＡｌＮ）膜のアニールを行なうことができ、その絶縁性や透過性を改善することができる。

まず基板５０１上に下地膜５０２を形成し、さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３００〜８００Åの非晶質珪素膜を成膜した。そして、６００℃、１時間の加熱アニールを行った。熱アニール後、基板を２〜２００℃／秒の速度、好ましくは１０℃／秒以上の速度で４５０℃までは急激に冷却した。これは、この熱アニール工程によって、基板が収縮することを防止するためである。このような急激な冷却が不可能な加熱炉においては、基板を炉外に取り出して、室温に放置することによっても同様な効果が得られる。なお、本実施例においても加熱工程は、図１に示す加熱炉を用いた。

本実施例では、熱アニール温度が、コーニング７０５９の歪点（５９３℃）よりも高いために、事前に熱処理／徐冷処理をおこなっても、基板の収縮を抑えることは難しかった。そのような場合には、以上のようなアニール温度からの急冷が有効である。
次に、珪素膜をパターニングして、島状の活性層領域５０５および５０６を形成する。活性層のエッチングは垂直方向に異方性を有するＲＩＥ法によって行った。（図５Ａ））

次いで、厚さ２００〜３０００Åの厚さの酸化珪素または窒化珪素膜５０７をプラズマＣＶＤ法によって形成する。酸化珪素膜の形成には、減圧ＣＶＤや光ＣＶＤを用いてもよい。そして、可視・近赤外光の光処理を行なう。条件は実施例１と同じとする。本実施例では可視・近赤外光照射の際に、酸化珪素または窒化珪素の保護膜が活性層の表面に形成されており、このため、赤外光照射の際の表面の荒れや汚染を防止することができる。（図５（Ｂ））

可視・近赤外光照射後、保護膜５０７を除去する。この後は実施例１と同様にゲイト絶縁膜５０８、ゲイト電極及びその周囲の酸化物層５０９、ゲイト電極及びその周囲の酸化物層５１０を形成し、イオンドーピング法によって、不純物領域を形成し、これをレーザー照射によって活性化させる。（図５（Ｃ））

さらに、層間絶縁物５１１を形成して、これにコンタクトホールを形成し、メタル配線５１２、５１３、５１４を形成する。（図５（Ｄ））
このようにして、相補型ＴＦＴ回路を形成する。本実施例では可視・近赤外光照射の際に活性層の表面に保護膜が形成されており、表面の荒れや汚染が防止される。このため、本実施例のＴＦＴの特性（電界移動度やしきい値電圧）および信頼性は極めて良好であった。また、本実施例からも明らかなように、本発明はガラス歪み点が５５０〜６５０℃の基板材料において、特に有効であった。さらに、本発明においては、徐冷工程を窒素、アンモニア、亜酸化窒素等の窒素系の気体を含む雰囲気中でおこなうと、ガラスを窒化させることになり、ガラスに含有される各種不純物元素がガラス表面に拡散、析出することを抑制できるので、半導体素子を形成するうえで、高い信頼性を得ることができた。

加熱炉の構成を示す。 実施例の作製工程を示す。 ガラス基板の縮みのデータを示す。 実施例の作製工程を示す。 実施例の作製工程を示す。 実施例で用いたＣＶＤ装置の構成を示す。 実施例で用いたＣＶＤ装置の構成を示す。

符号の説明

１１ 反応管
１２ 基板保持手段
１３ 基板
２０１ ガラス基板
２０２ 下地膜（窒化アルミ膜）
２０３ 珪素膜
２０４ 酸化珪素膜
２０５ 島状珪素膜（活性層）
２０６ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
２０７ ゲイト電極（アルミニウム）
２０８ 陽極酸化層（酸化アルミニウム）
２０９ ゲイト電極
２１０ 陽極酸化層
２１１ ソース（ドレイン）領域
２１２ チャネル形成領域
２１３ ドレイン（ソース）領域
２１４ ソース（ドレイン）領域
２１５ チャネル形成領域
２１６ ドレイン（ソース）領域
２１７ 層間絶縁物
２１８ 電極
２１９ 電極
２２０ 電極

Claims (4)

1. ガラス基板上に形成された、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜と、
   前記被膜上の、ソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を有する島状珪素膜と、
   前記島状珪素膜上の酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上の窒化アルミニウム膜と、
   前記窒化アルミニウム膜上のゲイト電極とを有することを特徴とする半導体装置。
2. ガラス基板上に形成された、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜と、
   前記被膜上の、ソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を有する島状珪素膜と、
   前記島状珪素膜上の酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上の窒化アルミニウム膜と、
   前記窒化アルミニウム膜上のゲイト電極とを有し、
   前記被膜が形成されている前記ガラス基板の面と反対側の面に、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. ガラス基板上に形成された、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜と、
   前記被膜上の、ソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を有する島状珪素膜と、
   前記島状珪素膜上の酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上の窒化アルミニウム膜と、
   前記窒化アルミニウム膜上のゲイト電極とを有し、
   前記ガラス基板は６００℃以下の熱処理後における急速な冷却において、５０ｐｐｍ以下の縮み特性を有することを特徴とする半導体装置。
4. ガラス基板上に形成された、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜と、
   前記被膜上の、ソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を有する島状珪素膜と、
   前記島状珪素膜上の酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上の窒化アルミニウム膜と、
   前記窒化アルミニウム膜上のゲイト電極とを有し、
   前記被膜が形成されている前記ガラス基板の面と反対側の面に、酸素が０．００１原子％〜１０原子％混入した窒化アルミニウムを主成分とする被膜が形成されており、
   前記ガラス基板は６００℃以下の熱処理後における急速な冷却において、５０ｐｐｍ以下の縮み特性を有することを特徴とする半導体装置。

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