JP2759411B2

JP2759411B2 - 半導体装置およびその作製方法

Info

Publication number: JP2759411B2
Application number: JP5253825A
Authority: JP
Inventors: 宏勇張; 広樹安達; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH0794751A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた非単結晶珪素膜を用いた絶縁ゲイト構造を有する半
導体装置、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜
ダイオード（ＴＦＤ）、またはそれらを応用した薄膜集
積回路、特にアクティブ型液晶表示装置（液晶ディスプ
レー）用薄膜集積回路、およびその作製方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー等が開
発されている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】これらの珪素膜を用いて絶縁ゲイト構造を
得るには、珪素膜表面に何らかの手段によって界面特性
の優れたゲイト絶縁膜を形成する必要があった。例え
ば、石英基板のように高温に耐える基板上であれば、熱
酸化法を用いてゲイト絶縁膜を得ることができた。（例
えば、特公平３−７１７９３）しかし、石英基板は高価
であり、かつ、融点が高いために大面積化が困難である
ということで、融点が低くてより量産性に優れ、安価な
他のガラス材料（例えば、コーニング７０５９番）を基
板として使用することが望まれた。しかし、より安価な
ガラス基板材料は、歪み点（歪み温度ともいう）が、７
５０℃以下、一般的には５５０〜６５０℃で、通常の方
法で熱酸化膜を得るだけの高温に基板が耐えないという
問題があった。そのため、より低温で形成できる物理的
気相成長法（ＰＶＤ法、例えばスパッタ法）や化学的気
相成長法（ＣＶＤ法、例えばプラズマＣＶＤ法、光ＣＶ
Ｄ法等）によってゲイト絶縁膜が形成された。

【０００５】しかしながら、これらＰＶＤ法、ＣＶＤ法
によって作製した絶縁膜はピンホールが多く、また、界
面特性も良くなかった。さらにホットキャリヤ等の注入
に対しても弱く、電荷捕獲中心等が形成されやすかっ
た。このため、ＴＦＴとした場合の電界移動度やサブス
レシュホールド特性値（Ｓ値）が、良くないという問題
点、あるいはゲイト電極のリーク電流が多く、劣化がひ
どく、歩留りが低いという問題点があった。特にもとも
と移動度の小さな非晶質珪素を用いたＴＦＴの場合に
は、このようなゲイト絶縁膜の特性はあまり問題となら
なかったが、移動度の高い結晶性の珪素膜を用いたＴＦ
Ｔでは、珪素膜自体よりもゲイト絶縁膜の特性の方が大
きな問題となった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。すなわち、結晶
性珪素膜を用いて、特性、信頼性、歩留りに優れたＴＦ
Ｔの作製方法を提供する場合において、特に基板材料に
影響を与えない条件のもとで、ゲイト絶縁膜の作製方法
やゲイト絶縁膜の構造を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、珪素膜を酸
素と水素の反応（一般的には水素／酸素＝１．０〜１．
９の割合で混合し、反応せしめる方法。特にパイロジェ
ニック反応方法）または、水（水蒸気）を含んだ雰囲気
において５００〜７５０℃、好ましくは５５０〜６５０
℃で加熱することによって、珪素膜を酸化させることに
よって、珪素膜の厚さを初期の状態から５０Å減少さ
せ、結果として珪素膜の表面の汚れを酸化によって除去
する。そして、このようにして活性層の表面に得られた
酸化珪素を主成分とする絶縁膜を形成し、これをゲイト
絶縁膜として用いる。酸化の温度は使用する基板の種類
によって決定すればよく、代表的なガラス基板であるコ
ーニング社７０５９番基板では、５５０〜６００℃が適
当であった。本発明では、基板は、コーニング社７０５
９番ガラス（無アルカリ、ホウ珪酸ガラス）に代表され
るような歪み温度（歪み点）が７５０℃以下、代表的に
は５５０〜６５０℃の各種ガラス基板とする。

【０００８】本発明では、酸化速度を高めるに、上述の
ように雰囲気に０．１〜１００％の水を添加する。これ
によって乾燥雰囲気に比較して酸化速度を１０倍程度増
加させることができる。図５には、本発明の酸化法（水
蒸気分圧１００％）によって得られる酸化珪素の厚さと
時間の関係を示したものであり、５００〜６５０℃、例
えば、５５０〜６５０℃という低温で珪素膜を全面的に
酸化することが示されている。また、雰囲気中に塩化水
素等が含有されていても、酸化速度向上の上で効果があ
った。

【０００９】より酸化速度を向上させるには、１気圧
（大気圧）のみでなく、加圧して１気圧を越え、１５気
圧以下の加圧雰囲気での酸化が好ましい。例えば、１０
気圧の水蒸気雰囲気では、１気圧の水蒸気雰囲気での酸
化に比較して、１０倍の酸化速度が得られる。また、酸
化温度を下げることもできる。図５には１０気圧での酸
化速度の変化も記した。雰囲気に水を含有せしめるに
は、一定の温度に保たれた水をキャリヤガスでバブリン
グする手法が簡便であるが、水の温度を厳密に制御しな
いと、水蒸気の分圧が変動するという欠点を有する。雰
囲気中の水蒸気の分圧を安定化させるには、酸素と水素
を反応させるいわゆるパイロジェニック酸化法を用いれ
ばよい。これは、純粋な水素を燃焼させて水蒸気を生成
する方法で、水素の流入量を制御すれば雰囲気中の水蒸
気の濃度が決定される。

【００１０】また、本発明では、上記の酸化工程の後
に、アンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等
の窒化水素、あるいは一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化
窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等の酸化窒素、も
しくはこれらの混合物を含む雰囲気において、４００〜
７５０℃、好ましくは５５０〜６５０℃でアニールする
ことによって、珪素活性層と酸化珪素絶縁膜の界面、ま
たは、酸化珪素膜中に窒素を添加すると同時に酸化珪素
中の水素を脱気することによるゲイト絶縁膜の特性を改
善する。

【００１１】この工程に関しては、酸化窒素（例えば一
酸化二窒素）の雰囲気において、５００〜７５０℃、例
えば５５０〜６５０℃の温度でアニールをおこなった後
に、窒化水素（例えばアンモニア）の雰囲気で再びアニ
ールをおこなうという方法（第１の方法）を採用する
と、より大きな効果が得られた。また、アニール時にＲ
Ｆ放電またはマイクロ波放電をおこなって、プラズマ化
した雰囲気中の酸化窒素、窒化水素を励起し、活性化し
た原子を酸化珪素膜中に０．１〜１０原子％添加させて
も高い効果が得られた。

【００１２】一方、酸化窒素、窒化水素雰囲気におい
て、瞬間的に強力な可視光線もしくは近赤外線（好まし
くは波長が０．６〜４μｍ）を基板に照射する方法（ラ
ンプアニール法、ラピッド・サーマル・アニール（ＲＴ
Ａ）もしくはラピッド・サーマル・プロセッシング（Ｒ
ＴＰ）法、以下、第２の方法という）によっても同様な
効果が得られた。第１の方法と第２の方法を組み合わせ
て、すなわち基板を該雰囲気において４００〜７５０℃
に加熱した状態で、ＲＴＰをおこなうと、より多くのＳ
ｉ−Ｎ、Ｏ−Ｎ結合を酸化珪素膜中に形成し、不対結合
手の発生を抑制することにより一層大きな効果が得られ
た。

【００１３】

【作用】元来、雰囲気に水を含む状態で熱酸化をおこな
うと、水の触媒的な作用によって酸化速度が向上するこ
とが知られていた。そのため、従来において、単結晶半
導体集積回路の素子間の分離のための厚い（〜１μｍ）
絶縁膜を形成する目的で用いられていた。しかし、この
ようにして形成された酸化膜はゲイト絶縁膜には用いら
れないとされていた。これは、酸化珪素中に多量の水素
がＳｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−ＯＨ結合という形で残存するた
めである。このＳｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−ＯＨ結合は、結合
力が弱く、ホットキャリヤ等のエネルギーの高いキャリ
ヤの注入で、簡単に分断され、Ｓｉ−の不対結合手の発
生による電荷捕獲中心を形成した。このため、ゲイト絶
縁膜中にＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ結合結合が多量に存在す
ると、特性が低下するだけでなく、長期の使用において
劣化が著しく信頼性が低かった。

【００１４】この問題に対して本発明は明確な答えを提
供したものである。すなわち、水を含む雰囲気の熱酸化
によって形成された酸化珪素膜を酸化窒素、窒化水素の
雰囲気において熱的な処理あるいは光処理をおこなうこ
とによって、酸化珪素の特性を改善せしめることができ
た。ここで、酸化窒素と窒化水素では作用が異なること
に注意する必要がある。

【００１５】酸化窒素雰囲気での処理では、酸化珪素中
のＳｉ−Ｈ結合は窒化あるいは酸化され、Ｓｉ≡Ｎ、あ
るいはＳｉ₂＝Ｎ−Ｏ結合に変化する。特にこの反応は
酸化珪素と珪素の界面で進行しやすく、結果として窒素
は酸化珪素−珪素界面に集中する。後者においてはＯ原
子の他方の結合手が自由であり、不対結合手となった
り、水素と結合したりするので注意が必要である。そこ
で、再度、アンモニア等の窒化水素中で熱処理すると、
Ｓｉ−Ｎ＝Ｈ₂が形成され、安定化する。そして、この
窒素は酸化珪素の内部に比較的均一に添加される。この
ような手段で添加される窒素の量はＳＩＭＳ（二次イオ
ン質量分析）法により、０．１〜１０原子％であること
が明らかになった。

【００１６】一方、窒化水素雰囲気での処理では、Ｓｉ
−Ｈ結合は単純に窒化され、Ｓｉ≡Ｎ、あるいはＳｉ−
Ｎ＝Ｈ₂となる。しかし、この反応の確率は小さく、ど
ちらかというとＳｉ＝Ｏ結合を窒化して上記の結合に変
化させる割合が多く、Ｓｉ−Ｈ結合は反応から取り残さ
れる傾向がある。したがって、より反応を促進するには
酸化窒化を用いてＳｉ−Ｈ結合を無くしてから、窒化水
素処理をおこなう方が望ましい。本発明では、酸化珪素
中に０．１〜１０原子％、代表的には、１〜５原子％の
窒素が含有されていることが好ましい。なお、上記の反
応は４００〜７５０℃の熱アニールによっても進行する
が、温度が低いと反応速度は緩やかである。そこで、雰
囲気でＲＦ放電またはマイクロ波放電をおこなうと窒化
水素、酸化窒素のイオンや活性種が生成し、温度を１０
００℃以上に上昇させたのと実質的に同じ効果が得られ
る。同様に、ＲＴＰでも実質的な温度を１０００℃以上
に上昇させることができるので効果がある。

【００１７】

【実施例】〔実施例１〕図１に本実施例の作製工程の断
面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１
上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪
素の下地膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の
前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度でアニールを
おこなった後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下ま
で徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工程（本発明の
熱酸化工程およびその後の熱アニール工程を含む）での
基板の収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コー
ニング７０５９基板では、６２０〜６６０℃で１〜４時
間アニールした後、０．０３〜１．０℃／分、好ましく
は、０．１〜０．３℃／分で徐冷し、４００〜５００℃
まで温度が低下した段階で取り出すとよい。

【００１８】次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜した。そして、窒素雰囲気（大気
圧）、６００℃、４８時間アニールして結晶化させ、珪
素膜を１０〜１０００μｍ角の大きさにパターニングし
て、島状の珪素膜（ＴＦＴの活性層）１０３を形成し
た。（図１（Ａ））

【００１９】その後、７０〜９０％の水蒸気を含む１気
圧、５００〜７５０℃、代表的には６００℃の酸素雰囲
気を水素／酸素＝１．５〜１．９の比率でパイロジェニ
ック反応法を用いて形成した。かかる雰囲気中におい
て、３〜５時間放置することによって、珪素膜表面を酸
化させ、厚さ５００〜１５００Å、例えば１０００Åの
酸化珪素膜１０４を形成した。注目すべき歯、かかる酸
化により、初期の珪素膜は、その表面が５０Å以上減少
し、結果として、珪素膜の最表面部分の汚染が、珪素−
酸化珪素界面には及ばないようになった、すなわち、清
浄な珪素−酸化珪素界面が得られたことである。酸化珪
素膜の厚さは酸化される珪素膜の２倍であるので、１０
００Åの厚さの珪素膜を酸化して、厚さ１０００Åの酸
化珪素膜を得た場合には、残った珪素膜の厚さは５００
Åということになる。

【００２０】一般に酸化珪素膜（ゲイト絶縁膜）と活性
層は薄ければ薄いほど移動度の向上、オフ電流の減少と
いう良好な特性が得られる。一方、初期の非晶質珪素膜
の結晶化はその膜厚が大きいほど結晶化させやすい。し
たがって、従来は、活性層の厚さに関して、特性とプロ
セスの面で矛盾が存在していた。本発明はこの矛盾を初
めて解決したものであり、すなわち、結晶化前には非晶
質珪素膜を厚く形成し、良好な結晶性珪素膜を得る。そ
して、次にはこの珪素膜を酸化することによって珪素膜
を薄くし、ＴＦＴとしての特性を向上させるものであ
る。さらに、この熱酸化においては、再結合中心の存在
しやすい非晶質成分、結晶粒界が酸化されやすく、結果
的に活性層中の再結合中心を減少させるという特徴も有
する。このため製品の歩留りが高まる。

【００２１】熱酸化によって酸化珪素膜１０４を形成し
たのち、基板を一酸化二窒素雰囲気（１気圧、１００
％）、６００℃で２時間アニールした。（図１（Ｂ））引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ３０００〜８
０００Å、例えば６０００Åの多結晶珪素（０．０１〜
０．２％の燐を含む）を成膜した。そして、珪素膜をパ
ターニングして、ゲイト電極１０５を形成した。さら
に、この珪素膜をマスクとして自己整合的に、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、活性層領域（ソース／ドレイン、チャネルを構成す
る）にＮ導電型を付与する不純物（ここでは燐）を添加
した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃ ）
を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶと
した。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例え
ば、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この結果、Ｎ型の不純物
領域１０６と１０７が形成された。

【００２２】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行った。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／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² 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１（Ｃ））

【００２３】また、この工程は、近赤外光によるランプ
アニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よ
りも結晶化した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。その反面、ガラス基板（遠赤外光はガラス
基板に吸収されるが、可視・近赤外光（波長０．５〜４
μｍ）は吸収されにくい）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。

【００２４】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１０
８を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよ
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ＴＦ
Ｔの電極・配線１０９、１１０を形成した。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を完成した。（図１（Ｄ））

【００２５】上記に示す方法で得られたＴＦＴの移動度
は１１０〜１５０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｓ値は０．２〜０．５
Ｖ／桁であった。また、同様な方法によってソース／ド
レインにホウ素をドーピングしたＰチャネル型ＴＦＴも
作製したところ、移動度は９０〜１２０ｃｍ²／Ｖｓ、
Ｓ値は０．４〜０．６Ｖ／桁であり、公知のＰＶＤ法や
ＣＶＤ法によってゲイト絶縁膜を形成した場合に比較し
て、移動度は２割以上高く、Ｓ値は２０％以上も減少し
た。また、信頼性の面からも、本実施例で作製されたＴ
ＦＴは１０００℃の高温熱酸化によって作製されたＴＦ
Ｔにひけをとらない良好な結果を示した。

【００２６】〔実施例２〕本実施例は、アクティブマ
トリクスの画素の制御に用いられるＴＦＴの作製工程に
関するものである。図２に本実施例の作製工程を示す。
まず、実施例１と同様に、ガラス基板（コーニング７０
５９）を歪み点（５９３℃）よりも高い６２０〜６６０
℃、例えば６４０℃で１〜４時間、例えば１時間アニー
ルし、その後、０．０３〜１℃／分、例えば０．２℃／
分で徐冷し、４００〜５００℃、例えば４５０℃まで温
度が低下した段階で取り出した。

【００２７】このような処理を施した基板２０１を洗浄
し、ＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン）と酸素を原
料ガスとしてプラズマＣＶＤ法によって厚さ２０００Å
の酸化珪素の下地膜２０２を形成した。そして、プラズ
マＣＶＤ法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば
１０００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜２０３を成膜
した。次に連続的に厚さ５００〜２０００Å、例えば１
０００Åの酸化珪素膜２０５をプラズマＣＶＤ法によっ
て成膜した。そして、酸化珪素膜２０５を選択的にエッ
チングして、非晶質珪素の露出した領域２０６を形成し
た。そして、全面に平均厚さ２０〜５０Åのニッケル膜
２０７をスパッタ法で成膜した。ニッケル膜は連続した
膜状でなくともよい。

【００２８】ここで、ニッケルは結晶化を助長せしめる
作用を有する。結晶化を助長させる元素としては、他に
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐ
ｔ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、
Ａｇにおいて作用が確認されている。このような金属元
素を用いて、通常の固相成長温度よりも低温・短時間で
結晶化をおこなうことができる。

【００２９】この後、窒素雰囲気下で５００〜６２０
℃、例えば５５０℃、８時間の加熱アニールを行い、珪
素膜３０３の結晶化を行った。結晶化は、ニッケルと珪
素膜が接触した領域２０６を出発点として、矢印で示さ
れるように基板に対して平行な方向に結晶成長が進行し
た。図においては領域２０４は結晶化した部分、領域２
０３は未結晶化（非晶質）の部分を示す。（図２
（Ａ））

【００３０】次に、酸化珪素膜２０５を除去し、珪素膜
２０４をパターニング後、ドライエッチングして、島状
の活性層領域２０８を形成した。この際、図２（Ａ）で
２０６で示された領域は、ニッケルが直接導入された領
域であり、ニッケルが高濃度に存在する領域である。ま
た、結晶成長の先端にも、やはりニッケルが高濃度に存
在することが確認されている。これらの領域では、その
中間の領域に比較してニッケルの濃度が１桁近く高いこ
とが判明している。したがって、本実施例においては、
活性層２０８において、これらのニッケル濃度の高い領
域がチャネル形成領域と重ならないようにした。本実施
例の活性層中でのニッケル濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオ
ン質量分析）法による測定で１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹原
子ｃｍ^-3程度であった。

【００３１】その後、１００体積％の水蒸気を含む１０
気圧、５００〜６００℃の、代表的には５５０℃の雰囲
気中において、１時間放置することによって、活性層
（珪素膜）２０８の表面を酸化させ、酸化珪素膜２０９
を形成した。酸化珪素膜の厚さは１０００Åとした。熱
酸化によって酸化珪素膜２０９を形成したのち、基板
を、アンモニア雰囲気（１気圧、１００％）、４００℃
に保持した。そして、この状態で基板に対して、波長
０．６〜４μｍ、例えば、０．８〜１．４μｍにピーク
をもつ赤外光を３０〜１８０秒照射し、酸化珪素膜２０
９に対して窒化処理をほどこした。雰囲気に０．１〜１
０％のＨＣｌを混入してもよかった。

【００３２】赤外線の光源としてはハロゲンランプを用
いた。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。本実施例では、昇温は、一定で速度
は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却で２０〜１００
℃であった。この赤外光照射は、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。（図２（Ｂ））

【００３３】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極２１０を形成した。（図２（Ｃ））

【００３４】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２１１を形成した。この
陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコ
ール溶液中で行った。得られた酸化物層２１１の厚さは
２０００Åであった。なお、この酸化物２１１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。（図２
（Ｄ））

【００３５】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、活性層領域（ソース／ド
レイン、チャネルを構成する）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極２１０とその周囲の酸化層２１１をマスク
として、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物（ここ
では燐）を添加した。ドーピングガスとして、フォスフ
ィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例
えば８０ｋＶとした。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、例えば、４×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この結
果、Ｎ型の不純物領域２１２と２１３を形成することが
できた。図からも明らかなように不純物領域とゲイト電
極とは距離ｘだけ放れたオフセット状態となった。この
ようなオフセット状態は、特にゲイト電極に逆電圧（Ｎ
チャネルＴＦＴの場合はマイナス）を印加した際のリー
ク電流（オフ電流ともいう）を低減する上で有効であっ
た。特に、本実施例のようにアクティブマトリクスの画
素を制御するＴＦＴにおいては良好な画像を得るために
画素電極に蓄積された電荷が逃げないようにリーク電流
が低いことが望まれるので、オフセットを設けることは
有効であった。

【００３６】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行った。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／ｃｍ² 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
（Ｅ））

【００３７】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜２１
４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。さらに、スピンコーティング法によって透明なポリ
イミド膜２１５を形成し、表面を平坦化した。このよう
にして形成された平面上にスパッタ法によって厚さ８０
０Åの透明導電性膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これをパタ
ーニングして画素電極２１６を形成した。

【００３８】そして、層間絶縁物２１４、２１５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
２１７、２１８を形成した。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を有す
るアクティブマトリクスの画素回路を完成した。（図２
（Ｆ））

【００３９】〔実施例３〕図３に本実施例の作製工程の
断面図を示す。まず、実施例１と同様に基板（コーニン
グ７０５９）を歪み点（５９３℃）よりも高い６２０〜
６６０℃、例えば６４０℃で１〜４時間、例えば１時間
アニールし、その後、０．０１〜１℃／分、例えば０．
２℃／分で徐冷し、４００〜５００℃、例えば４５０℃
まで温度が低下した段階で取り出した。このような処理
を施した基板３０１を洗浄し、ＴＥＯＳを原料とするプ
ラズマＣＶＤ法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下
地膜３０２を形成した。そして、プラズマＣＶＤ法によ
って、厚さ１００〜１０００Å、例えば８００Åの真性
（Ｉ型）の非晶質珪素膜を成膜し、実施例１もしくは２
の手法のいずれかを用いて結晶化された。そして、結晶
化した珪素膜をパターニングして、島状の珪素膜（活性
層）３０３を形成した。

【００４０】次に、基板をアニール炉に投入し、１００
％の水蒸気を含む４気圧、５００〜６００℃、代表的に
は５５０℃の雰囲気中において、１時間放置することに
よって、珪素膜３０３の表面に酸化珪素膜３０４を形成
した。かくして、珪素膜の厚さを５０Å以上減少させ、
珪素−酸化珪素界面に自然酸化物が存在しないようにし
た。熱酸化によって厚さ５００Åの酸化珪素膜３０４を
形成したのち、アニール炉の雰囲気を一酸化二窒素雰囲
気（１気圧、１００％）に変更し、６００℃で２時間ア
ニールした。さらに、雰囲気をアンモニア（１気圧、１
００％）に変更し、６００℃で２時間アニールした。

【００４１】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極３０５を形成した。（図３（Ａ））

【００４２】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３０６を形成した。この
陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコ
ール溶液中で行った。得られた酸化物層の厚さは２００
０Åであった。なお、この酸化物は、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。

【００４３】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、結晶シリコン領域３０３
にゲイト電極部（すなわち、ゲイト電極３０５とその周
囲の陽極酸化物３０６）をマスクとして、自己整合的に
Ｎ導電型を付与する不純物（ここでは燐）を添加した。
ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用
い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとし
た。ドーズ量は１×１０¹³〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2、例え
ば、２×１０¹⁴ｃｍ^-2とした。この結果、Ｎ型の不純物
領域（低濃度不純物領域、ＬＤＤ）３０７と３０８を形
成することができた。実施例２と同様に不純物領域はゲ
イト電極とｘだけ離れている。

【００４４】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行った。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／ｃｍ² 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３
（Ｂ））

【００４５】続いて、厚さ５０００Åの酸化珪素膜３０
９をプラズマＣＶＤ法によって形成した。（図３
（Ｃ））そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によっ
て、異方性エッチングをおこない、酸化珪素膜３０９を
エッチングして、ゲイト電極部の側面にサイドウォール
（側壁）３１０を残存せしめた。この際、ゲイト絶縁膜
である酸化珪素膜３０４も同時にエッチングした。

【００４６】さらにスパッタ法によってチタンもしくは
ニッケルの金属被膜３１１を厚さ１００〜５００Å、例
えば３００Å全面に形成した。（図３（Ｄ））そして、これにレーザー光、もしくは可視光線・近赤外
線の強光を照射して、金属膜３１１とソース／ドレイン
領域３０７、３０８を反応させ、シリサイド領域３１
２、３１３を形成した。

【００４７】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜３１
４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。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ＴＦ
Ｔの電極・配線３１５、３１６を形成した。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を完成した。本実施例のＴＦＴでは、ソース
／ドレイン領域のシート抵抗がシリサイド３１２、３１
３の存在によって著しく低下し、よって、ＴＦＴの諸特
性（例えば、電界効果移動度）を向上させることができ
た。（図３（Ｅ））

【００４８】〔実施例４〕本実施例は、アクティブマ
トリクスの画素の制御に用いられるＴＦＴの作製工程に
関するものである。図４に本実施例の作製工程を示す。
まず、実施例２と同様に、ガラス基板（コーニング７０
５９）４０１を熱処理した後、ＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン）と酸素を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ
法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜４０２を
形成した。そして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜し、実施例２と同様な手段によっ
て、ニッケルを選択的に添加し、珪素膜を結晶化せしめ
た。マスクとしては、プラズマＣＶＤ法によって成膜し
た厚さ５００〜２０００Å、例えば１０００Åの窒化珪
素膜４０５を用いた。そして、全面に平均厚さ２０〜５
０Åのニッケル膜をスパッタ法で成膜した後、窒素雰囲
気下で５００〜６２０℃、例えば５５０℃、８時間の加
熱アニールを行い、珪素膜の結晶化を行った。次に、窒
化珪素膜２０５をマスクとして、珪素膜を３００Åドラ
イエッチング法によってエッチングし、珪素膜の厚い領
域４０３と薄い領域４０４を形成した。（図４（Ａ））

【００４９】その後、１００体積％の水蒸気を含む１０
気圧、５００〜６００℃の、代表的には５５０℃の雰囲
気中において、２時間放置することによって、薄い領域
４０４を酸化させ、酸化珪素膜４０７を形成した（図５
参照）。この結果、厚い珪素膜領域４０３は酸化珪素４
０７に囲まれて、互いに絶縁された。この語、窒化珪素
膜４０５のみを除去して、厚い珪素膜領域４０３の表面
を露呈させた。そして、この表面に実施例１と同様にパ
イロジェニック熱酸化または前記した酸化珪素４０７の
熱酸化と同様な方法で酸化珪素膜４０８を形成した。酸
化珪素膜４０８の厚さは１０００Åとした。熱酸化によ
って酸化珪素膜４０８を形成したのち、基板を、アンモ
ニア雰囲気（１気圧、１００％）、４００℃に保持し
た。そして、この状態で実施例２と同様に波長０．６〜
４μｍ、例えば、０．８〜１．４μｍにピークをもつ赤
外光を３０〜１８０秒照射し、酸化珪素膜４０８に対し
て窒化処理をほどこした。（図４（Ｂ））

【００５０】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２％のスカンジウムを含む）を
成膜した。そして、アルミニウム膜をパターニングし
て、ゲイト電極４０９を形成した。（図４（Ｃ））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４１０を形成した。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
中で行った。得られた酸化物層４１０の厚さは２０００
Åであった。なお、この酸化物４１０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。（図４（Ｄ））

【００５１】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、活性層領域（ソース／ド
レイン、チャネルを構成する）にゲイト電極部、すなわ
ちゲイト電極４０９とその周囲の酸化層４１０をマスク
として、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物（ここ
では燐）を添加した。ドーピングガスとして、フォスフ
ィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例
えば８０ｋＶとした。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、例えば、４×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この結
果、Ｎ型の不純物領域４１１と４１２を形成することが
できた。

【００５２】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行った。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／ｃｍ² 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４
（Ｅ））続いて、層感絶縁物としてスピンコーティング法によっ
て透明なポリイミド膜４１３を形成し、表面を平坦化し
た。このようにして形成された平面上にスパッタ法によ
って厚さ８００Åの透明導電性膜（ＩＴＯ膜）を成膜
し、これをパターニングして画素電極４１４を形成し
た。

【００５３】そして、層間絶縁物４１３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４１５、
４１６を形成した。そして、１気圧の水素雰囲気で３５
０℃、３０分のアニールを行い、さらに全面にパッシベ
ーション膜として、プラズマＣＶＤ法による厚さ１００
０Åの窒化珪素膜４１７を形成した。こうしてＴＦＴを
有するアクティブマトリクスの画素回路を完成した。
（図４（Ｆ））

【００５４】

【発明の効果】本発明によって、ＴＦＴの特性が大幅に
改善された。また、本発明による熱酸化膜は薄くてもピ
ンホールが皆無であるので、歩留りも向上させることが
できた。特に、従来は各種ＰＶＤ法、ＣＶＤ法を用いて
ゲイト絶縁膜の成膜をおこなっていたが、このような成
膜方法ではフレークやパーティクルが発生し、そのた
め、装置のメンテナンスに多くの時間がかかり、量産性
が低下したが、本発明では、このようなフレークやパー
ティクルはほとんど発生しない。そのため、装置のメン
テナンスの時間が短縮され、量産性が向上した。また、
本発明を実施する際の初期投資も、従来のＰＶＤ法、Ｃ
ＶＤ法の場合に比べると、十分に小さいものであり、特
に実施例３に示したように、熱酸化と窒化水素、酸化窒
素アニールを同一チャンバーでおこなうとより設備投資
を削減できる。このように本発明は工業上有益な発明で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＴＦＴの作製工程例を示す。（実
施例１参照）

【図２】本発明のＴＦＴの作製工程例を示す。（実
施例２参照）

【図３】本発明のＴＦＴの作製工程例を示す。（実
施例３参照）

【図４】本発明のＴＦＴの作製工程例を示す。（実
施例４参照）

【図５】低温（６００℃以下）での水蒸気酸化の様
子を示す。

【符号の説明】

１０１・・・基板１０２・・・下地膜１０３・・・島状珪素膜（活性層）１０４・・・熱酸化によって形成された酸化珪素膜１０５・・・ゲイト電極１０６・・・不純物領域１０７・・・不純物領域１０８・・・層間絶縁物１０９・・・電極１１０・・・電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−39070（ＪＰ，Ａ) 特開平２−224340（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−145775（ＪＰ，Ａ) 特開平１−149475（ＪＰ，Ａ) 特開平４−304677（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/336

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】歪み点が７５０℃以下の絶縁表面を有す
るガラス基板上に形成された薄膜トランジスタを有する
半導体装置において、前記薄膜トランジスタが、前記絶縁表面上に形成された珪素を主成分とする薄膜活
性層と、前記薄膜活性層を熱酸化することにより形成されたゲイ
ト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極とを有し、前記ゲイト絶縁膜と前記薄膜活性層との界面または前記
ゲイト絶縁膜中に窒素を含有することを特徴とする半導
体装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体装置において、前記薄膜活性層の膜厚は５００Åないし１４５０Åであ
り、前記ゲイト絶縁膜の膜厚は１００Åないし１５００
Åであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の半導体装置に
おいて、前記ゲイト絶縁膜には０．１〜１０原子％の窒素が含有
されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】歪み点が７５０℃以下の絶縁表面を有す
るガラス基板上に薄膜トランジスタを形成する半導体装
置の作製方法において、前記絶縁表面上に珪素を主成分とする薄膜活性層を形成
する第１の工程と、前記薄膜活性層を選択的にエッチングすることによっ
て、島状の領域を形成する第２の工程と、酸素と水素との反応または水を含む第１の雰囲気におい
て７５０℃以下の温度に加熱することによって、前記島
状の領域を酸化し熱酸化膜を形成する第３の工程と、窒化水素化合物もしくは酸化窒素化合物あるいはそれら
の混合物を含む第２の雰囲気において、前記ガラス基板
を７５０℃以下でアニールする第４の工程と、前記熱酸化膜上にゲイト電極を形成する第５の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】請求項４に記載の半導体装置の作製方法
において、前記第３の工程の前記第１の雰囲気中にさらに塩化水素
を含有させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】請求項４または５に記載の半導体装置の
作製方法において、前記第３の工程の前記酸化は１気圧
以上１５気圧以下で行なわれることを特徴とする半導体
装置の作製方法。
【請求項７】請求項４ないし６のいずれか１項に記載
の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記第２の雰囲気中での前記アニール
は、酸化窒素化合物を含む雰囲気中での第１のアニール
と、窒化水素化合物を含む雰囲気中での第２のアニールとか
らなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】請求項４ないし７のいずれか１項に記載
の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記アニールは、前記第２の雰囲気を
高周波放電またはマイクロ波放電によりプラズマ化し、
前記窒化水素化合物もしくは酸化窒素化合物あるいはそ
れらの混合物を励起し活性化して行うことを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項９】請求項４ないし８のいずれか１項に記載
の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記アニールが、熱アニールであるこ
とを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】請求項４ないし８のいずれか１項に記
載の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記アニールが、可視光線もしくは近
赤外線を照射するＲＴＰ（ラピッド・サーマル・プロセ
ッシング）であることを特徴とする半導体装置の作製方
法。
【請求項１１】請求項４ないし１０のいずれか１項に
記載の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記第２の雰囲気中の前記窒化水素化
合物がアンモニアであり、前記酸化窒素化合物が一酸化
二窒素であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】請求項４ないし１１のいずれか１項に
記載の半導体装置の作製方法において、前記第４の工程の前記第２の雰囲気中に塩化水素を含有
させることを特徴とする半導体装置の作製方法。