JP2860894B2

JP2860894B2 - 半導体装置作製方法

Info

Publication number: JP2860894B2
Application number: JP29348495A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: JPH08213635A

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
れた半導体装置、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
または、それ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）用薄膜集積回路の
作製方法に関し、特に、良好な特性のゲイト絶縁膜を得
るための加熱処理方法に関する。

【０００２】特に、本発明は、ゲイト電極がチャネル形
成領域の上方にあるトップゲイト型の絶縁ゲイト型電界
効果トランジスタで、ゲイト絶縁膜下のチャネル形成領
域の少なくとも一部が、非晶質もしくは多結晶のいわゆ
る非単結晶半導体よりなる半導体装置に関する。

【０００３】

【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。

【０００４】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、非晶質珪素半導体や多結晶の珪素
半導体からなるものの２つに大別される。これらはいず
れも非単結晶半導体であり、その内部に不対結合手等に
よる再結合中心が存在する。この再結合中心は半導体内
部のみならず、ゲイト絶縁膜との界面にも存在してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな再結合中心が存在するためにＴＦＴの特性に大きな
影響を与えている。すなわち、単結晶珪素を用いた絶縁
ゲイト型電界効果トランジスタに比較して、非単結晶珪
素を用いたものは電界移動度やサブスレシュホールド特
性値（Ｓ値）が劣り、また、ゲイト電極のリーク電流が
大きく、長時間使用する際に、オン電流の低下（劣化・
経時変化）が甚だしいという問題点がある。

【０００６】本発明は非単結晶珪素半導体の再結合中心
を中和、消滅せしめることにより、ＴＦＴの特性を単結
晶を用いた場合に匹敵する程度にまで向上せしめること
を課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、少なく
ともゲイト電極が形成された後において、窒素酸化物を
有する雰囲気中において、３００〜６５０℃に保持しつ
つ、半導体装置の上面および／または裏面より波長３５
０ｎｍ以下の紫外光を照射する工程を設けることを特徴
とする。

【０００８】また加熱処理温度の上限は、利用する基板
の歪点以下として定義することができる。基板としてガ
ラス基板を用いた場合には、一般に加熱に従うガラス基
板の歪みや変形が問題となる。従って、ガラス基板の歪
みや変形を抑制するためには、加熱処理温度をガラス基
板の歪み点以下とすることが効果的となる。即ち、加熱
温度を３００℃以上基板の歪み点以下とすればよい。例
えば、歪み点はコーニング７０５９ガラス基板では５９
３℃であり、コーニング１７３７ガラス基板では６６７
℃である。

【０００９】窒素酸化物としては、一酸化二窒素（Ｎ₂
Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂ ）、あ
るいは化学式ＮＯ_X（０．５＜Ｘ＜２）で示される物質
を用いるとよい。

【００１０】一般的にトップゲイト型のＴＦＴは、以下
の工程によって作製される。チャネル形成領域となる非単結晶半導体層の形成ゲイト絶縁膜の形成ゲイト電極の形成層間絶縁物の形成ソース／ドレイン電極・配線の形成。

【００１１】上記の工程において、ソース／ドレイン領
域の形成は、工程以前においてなされる。特に、自己
整合型のソース／ドレイン領域は工程との工程の間
において作製される。

【００１２】本発明においては、上記窒素酸化物の作用
により、非単結晶のチャネル形成領域中もしくはチャネ
ル形成領域とゲイト絶縁膜の界面における再結合中心は
窒化もしくは酸化されることにより中和、消滅される。
このような目的を成就するには加熱処理工程前後での珪
素膜中の窒素もしくは酸素の増加濃度が０．１原子％以
上であることが好ましい。

【００１３】本発明においては、上記の各工程〜の
うち、工程以降に再結合中心の中和・消滅処理がおこ
なわれることが必要である。もし、工程以前に再結合
中心の中和・消滅処理がおこなわれても、ゲイト電極を
形成する際に、チャネル形成領域とゲイト絶縁膜の状態
が変化してしまい、再び再結合中心が生成する恐れがあ
るからである。特に、ゲイト電極の形成に際して、スパ
ッタ法やプラズマＣＶＤ法等の手段を用いると、プラズ
マによるダメージによって再結合中心が生成しやすい。

【００１４】しかしながら、ゲイト電極が一旦形成され
ると、チャネル形成領域、およびチャネル形成領域とゲ
イト絶縁膜の界面は極めて安定に保たれる。したがっ
て、ゲイト電極の形成の後に再結合中心を中和・消滅せ
しめることは効果的である。なお、再結合中心を中和・
消滅工程が後になる程、チャネル形成領域、およびチャ
ネル形成領域とゲイト絶縁膜の界面はより外部の変化を
受けにくくなり、工程の追加による再結合中心の生成確
率が低下するが、その分だけ窒素酸化物がチャネル形成
領域やゲイト絶縁膜にまで侵入しにくくなり、該部分の
再結合中心を中和する作用も低下する。

【００１５】本発明において、紫外光の照射は窒素酸化
物を分解する上で効果的である。この際に使用される紫
外光の波長としては１００〜３５０ｎｍ、好ましくは１
５０〜３００ｎｍとする。また、処理時間は温度、紫外
光強度、工程等に依存するが、５分〜２時間が好まし
い。

【００１６】また、処理工程における基板温度の上昇あ
るいは下降の速度は本発明を実施するものが決定すれば
よいのであるが、量産性を考慮した場合、５〜３０℃／
ｍｉｎの速度で、昇温または冷却することが望ましい。
また、この昇温・冷却の際には窒素雰囲気でおこなって
もよい。

【００１７】本発明の第２は、少なくともゲイト電極が
形成された後において、水素化窒素を有する雰囲気中に
おいて、３００〜６５０℃、或いは３００℃以上基板の
歪み点以下に保持しつつ、半導体装置の上面および／ま
たは裏面より波長３５０ｎｍ以下の紫外光を照射する工
程を設けることを特徴とする。水素化窒素としては、ア
ンモニア（ＮＨ₃ ）、ヒドラジン（Ｎ₂ Ｈ₄ ）、あるい
は化学式ＮＨ_X（１＜Ｘ＜３）で示される物質を用いる
とよい。

【００１８】本発明においては、上記水素化窒素の作用
により、非単結晶のチャネル形成領域中もしくはチャネ
ル形成領域とゲイト絶縁膜の界面における再結合中心は
窒化もしくは水素化されることにより中和、消滅され
る。このような目的を成就するには加熱処理工程前後で
の珪素膜中の窒素の増加濃度が０．１原子％以上である
ことが好ましい。水素で中和された再結合中心は分解し
やすく、不安定であり、その密度は低いことが好まし
い。すなわち、再結合中心を窒素を中心として中和する
ことが望まれる。

【００１９】このような目的には、加熱処理温度を４０
０℃以上でおこなうとよい。水素と珪素の結合は弱いの
で４００℃以上では分離しやすく、結果的に窒素によっ
て中和された再結合中心が選択的に残る。

【００２０】本発明においても、本発明の第１と同様
に、トップゲイト型ＴＦＴの作製工程のうち工程以降
に再結合中心の中和・消滅処理がおこなわれることが必
要である。なお、本発明の第１と同様に、再結合中心の
中和・消滅工程が後になる程、再結合中心を中和する作
用も低下する。

【００２１】本発明においても、紫外光の照射は水素化
窒素を分解する上で効果的である。また、本発明の第１
と第２を組み合わせて、窒素酸化物と水素化窒素の混合
雰囲気において上記処理をおこなうと相乗的な効果を得
ることができる。すなわち、窒素酸化物は一般に強い酸
化作用を有し、一方、水素化窒素は強い還元作用を有す
る。この両者を混合すると酸化還元反応が起こり、結果
的に水と化学的に活性な窒素が生成する。このような窒
素は極めて窒化作用が強く、したがって、再結合中心を
中和させるうえで効果的である。

【００２２】

【作用】上記のように窒素酸化物あるいは水素化窒素を
有する雰囲気において加熱紫外光照射処理をおこなうこ
とにより、チャネル形成領域中やゲイト絶縁膜界面での
再結合中心を中和・消滅せしめることができ、この結
果、例えば、多結晶珪素半導体を用いたＴＦＴにおいて
は、単結晶を用いたものと同等な特性を得ることができ
る。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明す
る。

【００２３】

【実施例】

〔実施例１〕図７は、一般的なトップゲイト型ＴＦＴ
の作製工程を示す。本実施例のＴＦＴは自己整合的に形
成されたソース／ドレインを有する。このようなＴＦＴ
の作製工程は大きく以下の５つの工程よりなる。もちろ
ん、これ以外にも工程が追加されることは言うまでもな
い。（１）基板上に珪素膜を堆積する工程（図７（Ａ）に対
応）（２）珪素膜上にゲイト絶縁膜を堆積する工程（図７
（Ｂ）に対応）（３）ゲイト電極を形成し、これをマスクとして自己整
合的にソース／ドレインを形成する工程（図７（Ｃ）に
対応）（４）層間絶縁物を形成する工程（図７（Ｄ）に対応）（５）層間絶縁物をエッチングしてコンタクトホールを
形成し、ソース／ドレインに電極・配線を形成する工程
（図７（Ｅ）に対応）

【００２４】本実施例においては基板として、ガラス基
板を用いる。ガラス基板としては、コーニング７０５９
ガラス基板（歪点５９３℃）またはコーニング１７３７
ガラス基板（歪点６６７℃）を用いることができる。

【００２５】以下、各工程について詳細に述べる。本実
施例では、基板７０１上に下地の酸化珪素膜７０２をプ
ラズマＣＶＤ法やスパッタ法によって１０００〜５００
０Åに形成した。そして、非晶質珪素膜をプラズマＣＶ
Ｄ法もしくは減圧ＣＶＤ法によって１００〜２０００
Å、好ましくは、４００〜１０００Åに成膜した。その
後、窒素雰囲気中において加熱処理を施して、非晶質珪
素膜を結晶化せしめ、多結晶珪素膜７０３を得る。この
とき、非晶質珪素膜の結晶化を促進させるために、ニッ
ケル等の非晶質珪素の結晶化を促進する元素を微量添加
してもかまわない。多結晶珪素膜７０３の結晶性をより
向上させるためにレーザー光等の強光を照射してもよ
い。また、結晶化の工程を加熱処理の代わりにレーザー
光等の照射による光アニールでおこなってもよい。（図
７（Ａ））

【００２６】次に、結晶化した珪素膜７０３をエッチン
グして、島状領域７０４を形成した。この島状領域７０
４はＴＦＴの活性層であり、この中にチャネル形成領域
が形成される。島状領域７０４には、ゲイト絶縁膜とし
て、１０００Åの酸化珪素膜７０５を形成した。本実施
例では、以下に示す第１〜第３の異なる方法によって酸
化珪素膜７０５を作製する。（図７（Ｂ））

【００２７】第１は一酸化二窒素（もしくは酸素）とモ
ノシラン（ＳｉＨ₄ ）を原料とするプラズマＣＶＤ法に
よるものである。原料ガスを平行平板型の電極を有する
チャンバーに導入し、ＲＦ電力（例えば、周波数１３．
５６ＭＨｚ）を導入して、プラズマを発生させ、基板温
度３５０〜５００℃、好ましくは３８０〜４５０℃で堆
積させた。本実施例では、反応圧力は４Ｐａ、投入電力
を１５０Ｗ、基板温度を４３０℃とした。

【００２８】第２はスパッタ法によるものである。これ
は、ターゲットとして合成石英を用い、酸素１００％、
１Ｐａの雰囲気において、スパッタすることによって成
膜した。投入電力は３５０Ｗ、基板温度は２００℃とし
た。

【００２９】第３はＥＣＲ−ＣＶＤ法によるもので、原
料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素を用いた。
酸素の代わりにＮ₂ Ｏ、ＮＯ、ＮＯ₂ 等の窒素酸化物ガ
スを用いてもよい。また、このときの成膜条件として
は、基板加熱をおこなわず、マイクロ波（周波数２．４
５ＭＨｚ）の投入電力を４００Ｗとした。

【００３０】次に、多結晶珪素、アルミニウム、タンタ
ル、モリブテン、タングステン等の材料によって、被膜
を形成し、これをエッチングすることによって、ゲイト
電極とそれにつながる配線を形成する。本実施例では
０．１〜２％の燐を含有させた厚さ１０００〜６０００
Åの多結晶珪素膜を減圧ＣＶＤ法によって堆積し、これ
をエッチングして、ゲイト電極７０６を形成する。

【００３１】またゲイト電極７０６としては、スカンジ
ウム（Ｓｃ）またはジルコニウム（Ｚｒ）を微量に（0.
1 〜１ｗｔ％程度）添加したアルミニウムを利用するこ
とはゲイト電極７０６およびその配線の抵抗を低減する
意味で有用となる。ただし、加熱に対する耐性が低いの
で、加熱温度を４５０℃以下とすることが必要とされ
る。

【００３２】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜７０４にゲイト電極７０６をマスクとして自己
整合的に不純物（ここでは燐）を注入する。この場合の
ドーズ量は１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵原子／ｃｍ² 、加速
電圧は１０〜９０ｋＶ、例えば、ドーズ量を１×１０¹⁵
原子／ｃｍ² 、加速電圧を８０ｋＶとする。この結果、
Ｎ型不純物領域（すなわちソース／ドレイン）７０７が
形成される。（図７（Ｃ））

【００３３】その後、図１に示す加熱処理装置によっ
て、Ｎ₂ Ｏ雰囲気での加熱処理を施した。図１に示すよ
うに、本実施例に用いた加熱処理装置は、加熱処理をお
こなうためのチャンバー１０１と、処理前の基板を保管
してある予備室１０２と、処理後の基板を保管する予備
室１０３と、搬送機１１０を備えた前室１０９から構成
されており、基板１１１はこれらのチャンバー間を搬送
機１１０によって移送される。なお、本実施例において
は、チャンバー１０１においては、一度に一枚の処理が
おこなえる枚葉式となっている。

【００３４】また、チャンバー１０１は、基板１０５を
加熱するためのヒーターが下部に設けられた基板ホルダ
ー１０４を有している。さらに、チャンバー１０１の外
部には、紫外光源１０６が設けられてある。本実施例に
おいて紫外光源１０６として、低圧水銀ランプ（中心波
長２４６ｎｍ、および１８５ｎｍ）を使用する。チャン
バー１０１の上部で紫外光源１０６が取りつけられてい
る部分は、紫外光を取り込むために石英等の紫外光を吸
収しない素材によって窓が形成されている。なお、本実
施例においては紫外光源１０６はチャンバー１０１の外
部に設置されているが、チャンバー１０１の内部に設置
しても構わない。

【００３５】また照射強度は７ｍＷ／ｃｍ² 〜１５ｍＷ
／ｃｍ² の範囲で行うことが好ましい。また、波長２５
４ｎｍに中心波長を有する水銀ランプを用いてもよい。

【００３６】また、チャンバー１０１と前室１０９に
は、排気をおこなうための排気系１０８とガスを導入す
るためのガス導入系１０７が設けられている。

【００３７】まず、未処理の基板を複数枚カセットにセ
ットして、予備室１０２にセットした。そして、基板は
搬送機１１０によって前室１０９に移送され、そこで排
気系１０８により真空引きして前室１０９を減圧してか
ら、既に減圧されている加熱処理用のチャンバー１０１
に移送されて、基板ホルダー１０４に設置される。

【００３８】そして、チャンバー１０１内にガス導入系
１０７よりＮ₂ Ｏを導入して、チャンバー１０１内部の
圧力を大気圧とし、実質的に１００％Ｎ₂ Ｏ雰囲気にお
いて、紫外光源１０６により紫外光を照射しながら加熱
処理をおこなった。この際、加熱温度は３５０〜６５０
℃、例えば５５０℃とする。また、処理時間は３０分〜
６時間、例えば３時間の加熱処理をおこなう。

【００３９】このような加熱処理をおこなった後、処理
された基板は搬送機１１０によって前室１０９に移送さ
れ、その後、処理後の基板を設置する予備室１０３内の
カセットにセットして、１枚の基板の処理工程が終了し
た。以後、同様の工程を繰り返しおこなう。

【００４０】以上のようにして本発明の加熱処理がなさ
れたが、この結果、同時にイオンドーピングされた燐も
活性化された。また、比較のため、図１の装置を使用し
て、一酸化二窒素の代わりに窒素（Ｎ₂ ）を用いて加熱
処理をおこなう。

【００４１】次に層間絶縁膜７０８として、プラズマＣ
ＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ２０００Å〜２μｍに
成膜する。（図７（Ｄ））

【００４２】そして、層間絶縁膜７０８とゲイト絶縁膜
７０５のエッチングをおこない、ソース／ドレイン７０
７にコンタクトホールを形成した。その後、アルミニウ
ム膜をスパッタリング法によって成膜し、パターニング
をおこなってソース／ドレイン電極７０９を形成する。

【００４３】なおソース／ドレイン電極７０９を形成す
る際には、アルミニウム膜中にはシリコンまたは鉄を微
量に添加することが好ましい。これは、最後に行われる
水素熱処理の工程において、アルミニウムの異常成長に
起因するヒロックの発生を抑制するためである。

【００４４】最後に３５０℃の温度の水素雰囲気中にお
いて加熱処理を行いＮチャネル型の薄膜トランジスタを
完成させる。

【００４５】本実施例では、ゲイト絶縁膜７０５の成膜
方法および加熱処理方法を変えて、６種類の試料を作製
した。この結果、本発明の加熱処理方法によって、ＴＦ
Ｔの特性が改善されることが示された。例えば、ゲイト
電極７０６の電位Ｖ_Gを−１０Ｖ、ソースの電位を０
Ｖ、ドレインの電位を＋１０Ｖとしたときのドレイン電
流（リーク電流）は以下のようになった。

【００４６】試料名ゲイト絶縁膜成膜法加熱処理法ドレイン電流Ａ−１第１（プラズマＣＶＤ）Ｎ₂ Ｏ雰囲気３．５ｐＡＡ−２第１（プラズマＣＶＤ）Ｎ₂ 雰囲気２５０．６ｐＡＢ−１第２（スパッタ法）Ｎ₂ Ｏ雰囲気２．６ｐＡＢ−２第２（スパッタ法）Ｎ₂ 雰囲気８２．５ｐＡＣ−１第３（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）Ｎ₂ Ｏ雰囲気１．８ｐＡＣ−２第３（ＥＣＲ−ＣＶＤ法）Ｎ₂ 雰囲気１２１．６ｐＡ

【００４７】このように、いずれの試料においても本発
明のＮ₂ Ｏ雰囲気において、加熱処理をおこなう際に紫
外光を照射することによって、リーク電流が著しく低下
することが明らかとなった。この他の特性についても同
様に改善された。また、同様の実験より、Ｎ₂ Ｏ雰囲気
において、加熱処理をおこなう際に紫外光を照射しなけ
れば、特性改善が見られないことも明らかになった。

【００４８】本実施例では、図３、図４に示される加熱
処理装置を用いて、加熱処理をおこなってもよい。図
３、図４に示される装置を用いることにより、加熱処理
工程の効率を高めることができる。その他のＴＦＴの作
製工程条件は変更しなくてもよい。

【００４９】図３に示す加熱処理装置は、加熱処理をお
こなうためのチャンバー３０１と、処理前の基板を保管
してある予備室３０２と、処理後の基板を保管する予備
室３０３と、搬送機３０６、３０７を備えた前室３０
４、３０５から構成されており、基板３０８、３０９は
これらの室間を搬送機３０６、３０７によって移送され
る。なお、本実施例においては、加熱処理をおこなうた
めのチャンバーは、コンベアーによって一度に複数枚の
基板が移動して加熱処理がおこなえるバッチ式になって
いる。

【００５０】図４（Ａ）、（Ｂ）にチャンバー３０１内
部の構造を示す。チャンバー３０１には、基板を移動し
ながら加熱処理がおこなえるように耐熱性の金属で構成
されているコンベアー４０１が設けられている。また、
コンベアー４０１の下部には、基板４０２を加熱するた
めのヒーター４０６が設けられている。

【００５１】コンベアー４０１において、ヒーター４０
６により、ゾーン４０３で基板は温度を上昇しながら加
熱され、ゾーン４０４で基板は一定温度で加熱され、ゾ
ーン４０５で基板は冷却される。

【００５２】さらに、チャンバー３０１の天井部には、
紫外光源４０９が設けられており、コンベアー４０１の
ゾーン４０４にある基板に紫外線を照射するようになっ
ている。本実施例では、紫外光源４０９として低圧水銀
ランプ（中心波長２４６ｎｍ、および１８５ｎｍ）を使
用した。

【００５３】また、チャンバー３０１には、排気をおこ
なうための排気系４１２、４１３とガスを導入するため
のガス導入系４０９、４１０、４１１が設けられてい
る。基板を昇温および冷却させるゾーン４０３、４０５
においてはＮ₂ 雰囲気中となっており、また、紫外光を
照射しながら、一定温度で加熱するゾーン４０４におい
てはＮ₂ Ｏ雰囲気中となっているため、各部分それぞれ
にガス導入系が設けられてある。なお、各ゾーン４０３
〜４０５の境界付近には導入されたガスを排気するため
の排気系４１２、４１３が設けられている。この境界部
分に排気系４１２、４１３が設けられていることによっ
て、各ゾーン４０３〜４０５でＮ₂ ガスとＮ₂ Ｏガスと
が混合するのを防いでいる。

【００５４】次に作業工程を示す。まず、未処理の基板
を複数枚カセットにセットして、予備室３０２にセット
した。ここで本実施例においては、未処理の基板をセッ
トするための予備室、および、処理された基板をセット
するための予備室がそれぞれ２室づつあるが、これは流
れ作業をおこなう際に、装置を停止することなく基板を
交換できるようにして、作業の効率を高めるためであ
る。この後、基板は搬送機３０６によって前室３０４に
移送され、さらに、加熱処理用のチャンバー３０１に移
送されてコンベアー４０１に設置された。このとき、コ
ンベアー４０１上には基板４０２が２枚並んで設置され
るようになっている。

【００５５】以下に、加熱処理工程の条件を示す。コン
ベアー４０１上における温度勾配を図４（Ｃ）に示す。
まず加熱ゾーン４０３において、基板は５〜３０℃／ｍ
ｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎの割合で加熱される。こ
のとき、ガス導入系４０９からはＮ₂ が導入されていて
Ｎ₂ 雰囲気中において加熱がおこなわれた。

【００５６】その後、基板は一定温度で加熱されるゾー
ン４０４に移動した。ここでは、コンベアー上に設けら
れた紫外光源より紫外光が照射されながら加熱処理がお
こなわれた。加熱温度は５００〜６５０℃、例えば、５
５０℃とした。この際、ガス導入系４１０からはＮ₂ Ｏ
が導入されてＮ₂ Ｏ雰囲気になっていた。なお、ゾーン
４０４においては一度に２０枚の基板が処理できるよう
になっている。また、１枚の基板がこのゾーンを通過す
るのに要する時間、つまり、１枚の基板が加熱処理され
るのに要する時間は、３０分〜６時間、例えば３時間と
した

【００５７】このような加熱処理をおこなった後、冷却
ゾーン４０５によって２５０℃まで冷却される。このと
きの冷却速度は、加熱時と同じく５〜３０℃／ｍｉｎ、
例えば、１０℃／ｍｉｎとした。なお、このときガス導
入系４１１よりＮ₂ を導入してＮ₂ 雰囲気とした。

【００５８】その後、処理された基板は搬送系３０７に
よって前室３０５に移送され、その後、処理後の基板を
設置する予備室３０３内のカセットにセットされ、基板
の処理工程が終了した。

【００５９】このようにして、紫外光照射を併用したＮ
₂ Ｏ雰囲気中での加熱処理がおこなわれたが、図１に示
した装置においては１枚の基板を処理するのに、４時間
程度要していたが、図３（図４）に示す装置を用いるこ
とによって、１０数分となり生産性が向上した。

【００６０】同様に図５、図６に示される加熱処理装置
を用いて、加熱処理をおこなってもよい。図５に示す加
熱処理装置は、加熱処理をおこなうためのチャンバー５
０１と、処理前の基板を保管してある予備室５０２と、
処理後の基板を保管する予備室５０３と、搬送機５０５
を備えた前室５０４から構成されており、基板５０６は
これらのチャンバー間を搬送機５０５によって移送され
る。なお、本実施例においては、チャンバー５０１は、
コンベアーによって一度に複数枚の基板が移動して加熱
処理がおこなえるバッチ式になっている。

【００６１】図６（Ａ）、（Ｂ）にチャンバー５０１内
部の構造を示す。チャンバー５０１には、基板６０２を
設置するための耐熱性のメタルで構成されているコンベ
アー６０１が設けられている。また、コンベアー６０１
の下部には、基板を加熱するためのヒーター６０３が設
けられている。さらに、コンベアー６０１の上部には、
紫外光源６０４が設けられてある。本実施例において紫
外光源６０４として、低圧水銀ランプ（中心波長２４６
ｎｍ、および１８５ｎｍ）を使用した。

【００６２】また、チャンバー５０１には、基板を昇温
および冷却させるときはＮ₂ 雰囲気中とし、また、一定
温度で加熱するときにおいてはＮ₂ Ｏ雰囲気中とするた
めに、ガス導入系６０５が設けられてある。さらに、導
入されたガスを排気するための排気系６０６が設けられ
ている。また、基板に紫外光を照射するための光源６０
５が設けられている。

【００６３】次に処理工程の条件について説明する。未
処理の基板を複数枚カセットにセットして、予備室５０
２にセットした。そして、基板は搬送機５０５によって
前室５０４に移送され、さらに、加熱処理用のチャンバ
ー５０１に移送されてコンベアー６０１に設置された。
このとき、基板６０２はコンベアー６０１上を送られ、
横に２枚づつ並び、計２０枚設置された段階で停止する
ようになっている。加熱処理中の時間による温度変化の
様子を図６（Ｃ）に示す。昇温時は、基板は５〜３０℃
／ｍｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎの割合で加熱され
た。このとき、ガス導入系６０５よりＮ₂ が導入され
て、Ｎ₂ 雰囲気中において加熱がおこなわれた。

【００６４】その後、加熱処理をおこなう温度に達する
と、コンベアー６０１上に設けられた紫外光源６０４よ
り紫外光が照射された。加熱温度は５００〜６５０℃、
例えば、５５０℃で加熱をおこなった。この際、温度が
加熱処理をおこなう温度に達する直前にガス導入系６０
５よりＮ₂ Ｏを導入して、加熱処理をおこなう温度に達
したときには完全にＮ₂ Ｏ雰囲気において加熱処理がお
こなわれるようにしてもよい。加熱処理時間は、３０分
〜６時間、例えば４時間とした。

【００６５】このような加熱処理をおこなった後、２５
０℃まで冷却された。このときの冷却速度は、加熱時と
同じく５〜３０℃／ｍｉｎ、例えば、１０℃／ｍｉｎと
した。なお、このときガス導入系６０５よりＮ₂ を導入
して、Ｎ₂ 雰囲気においておこなった。その後、処理さ
れた基板は搬送機５０５によって前室５０４に移送さ
れ、その後、処理後の基板を設置する予備室５０３内の
カセットにセットされ、基板の処理工程が終了した。

【００６６】〔実施例２〕図８に実施例２のＴＦＴの作
製方法を示す。本実施例は図２に示す装置を用いて本発
明の加熱処理をおこなった例である。図２に示すよう
に、本実施例に用いた加熱処理装置は、実施例１に示し
た枚葉式のチャンバーとは異なり、加熱処理をおこなう
ためのチャンバーのみから構成されていて、一度に複数
枚の基板を処理することができるバッチ式の構造になっ
ている。

【００６７】本実施例では、作製工程のどの段階で加熱
処理をおこなうかによって、４種類の試料（試料Ｐ、
Ｑ、Ｒ、Ｓ、各１０枚）を作製した。以下に図８に従っ
て、このような装置を用いてＴＦＴを作製する工程につ
いて説明する。

【００６８】基板８０１上に下地の酸化珪素膜８０２と
非晶質珪素膜を成膜した。そして、イオンドーピング法
によってＮ型不純物（燐）をドーピングし、さらに、さ
らに、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パル
ス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、ドーピングされた不純
物領域７０７の活性化をおこなった。レーザーのエネル
ギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２
５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ² が適当であった。

【００６９】そして、珪素膜を島状にエッチングした。
この結果、ソース８０３、ドレイン８０４、チャネル形
成領域８０５を有する活性層を得た。活性層上にはプラ
ズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜８０６をゲイト絶縁膜
として形成した。（図８（Ａ））その後、厚さ５０００Åのアルミニウム（１重量％のＳ
ｉ、もしくは０．１〜０．５重量％のＳｃを含む）膜を
スパッタリング法によって形成して、これをエッチング
し、ゲイト電極８０７を形成した。この際、ゲイト電極
８０７がドレイン８０４から離れるようにした。（図８
（Ｂ））

【００７０】次にアンモニアでｐＨ≒７に調整した１〜
３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に基板を浸し
て、白金を陰極として、アルミニウムのゲイト電極８０
７を陽極として、陽極酸化をおこなう。陽極酸化は、最
初一定電流で１２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時
間保持して終了させる。このようにして、厚さ１５００
Åの陽極酸化物８０８を形成した。このような陽極酸化
物８０８を形成したのは、後の加熱処理工程でゲイト電
極８０７が受けるダメージを低減するためである。

【００７１】また、図から明らかなように、ゲイト電極
８０７はドレイン８０４から距離ｘだけ離れたオフセッ
ト状態となった。このようにオフセット状態とすると、
ドレイン８０４のリーク電流を低減するうえで効果があ
ることが知られている。（図８（Ｃ））

【００７２】その後、試料Ｐを図２の装置で加熱処理し
た。本実施例のチャンバー２０１は、円柱状になってお
り、内壁にそって基板２０３を設置できるようになって
いる。なお、基板２０３はチャンバー２０１の周囲に設
けられたヒーター２０２によって加熱されるようになっ
ている。さらに、すべての基板に等しく紫外光が照射さ
れるように、チャンバー２０１内の中央部に紫外光源２
０４が設けられてある。本実施例において紫外光源とし
て、低圧水銀ランプ（中心波長２４６ｎｍ、および１８
５ｎｍ）を使用した。

【００７３】また、チャンバー２０１には、排気をおこ
なうための排気系２０６とガスを導入するためのガス導
入系２０５が設けられている。更に、チャンバー２０１
の害側面を取り囲むようにヒーター２０１が設けられて
いる。

【００７４】本処理装置を用いた処理方法について説明
する。まず、基板２０３をチャンバー２０１の内壁にそ
って、紫外光源２０４を取り囲むようにしてセットし
た。そして、チャンバー２０１内にガス導入系よりＮ₂
を導入して、チャンバー２０１内をＮ₂ に置換した。こ
のとき、排気系２０６から排気して、チャンバー２０１
内が常に一定の圧力を保つようにした。

【００７５】次に、チャンバー２０１内の雰囲気がＮ₂
に置換されたら、ヒーター２０２を加熱して、紫外光源
２０４により紫外照射をおこなった。この際、加熱温度
は３００〜６５０℃、例えば４５０℃とした。

【００７６】基板が所定の温度に加熱されたら、チャン
バー２０１の雰囲気をＮ₂ からＮＨ₃ に置換した後に、
紫外光源２０４により紫外光を照射した。このとき、処
理時間は３０分〜６時間、例えば４時間の加熱処理をお
こなった。

【００７７】その後、プラズマＣＶＤ法によって厚さ６
０００Åの層間絶縁物８０９を堆積した。（図８
（Ｄ））

【００７８】その後、試料Ｑを図２の装置で加熱処理し
た。条件は試料Ｐと同じとした。

【００７９】最後に、層間絶縁物８０９とゲイト絶縁膜
８０６をエッチングして、コンタクトホールを設け、チ
タン５００Å／アルミニウム５０００Å／チタン５００
Åの多層金属膜でソース電極８１０、ドレイン電極８１
１を形成した。（図８（Ｅ））

【００８０】その後、試料Ｒを図２の装置で加熱処理し
た。条件は試料Ｐ、Ｑと同じとした。なお、試料Ｓは図
２の装置での加熱処理をおこなわなかった。以上のよう
にして得られた試料の結果を以下に示す。ドレイン電流
（リーク電流）は実施例１と同じ条件での測定値（基板
１０枚の平均値）である。

【００８１】試料名加熱処理工程（ＮＨ₃ 雰囲気）ドレイン電流Ｐゲイト電極形成と層間絶縁物形成の間０．８ｐＡＱ層間絶縁物形成とソース／ドレイン電極形成の間２．３ｐＡＲソース／ドレイン電極形成の後２．１ｐＡＳ加熱処理無し１１２．５ｐＡ

【００８２】本実施例のようなオフセットゲイト構造に
よって、リーク電流を低減できるのであるが、結晶性が
不十分な多結晶珪素をチャネル形成領域に用いた場合に
は、その効果は非常に限られたものであった。しかしな
がら、本発明を実施することにより、チャネル形成領域
の再結合中心が中和、消滅して、単結晶珪素と同等な特
性を示すようになるため、リーク電流も飛躍的に改善さ
れることが明らかになった。

【００８３】実施例１、２においては、半導体として多
結晶珪素を中心に説明した。しかし、これは非晶質で
も、また、単結晶に極めて近いながらも再結合中心を多
く有する材質のものでも構わない。さらに、半導体材料
としても、珪素半導体以外に、ゲルマニウムやＧａＰ、
ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＢＰ等の化合物半導
体であってもよい。

【００８４】

【発明の効果】本発明は、ゲイト電極を形成したのち
に、窒素酸化物又は水素窒化物を含む雰囲気中で、紫外
線を照射するようにしたため、非単結晶半導体中の再結
合中心が中和・消滅されて、非単結晶ＴＦＴの特性を大
きく向上せしめることが可能となった。実施例では主と
してリーク電流の低減効果について具体的に説明した
が、その他の特性、例えば、電界効果移動度、Ｓ値、し
きい値電圧等もより単結晶に近い値を得ることができ
る。また、特性の劣化も小さくなる。

【００８５】また、本発明に係るは半導体装置はＴＦＴ
のみに限定されるものではなく、同様に絶縁ゲイト構造
を有するキャパシタやその他の素子、あるいは複数の素
子を複合形成したものや集積回路であっても同様であ
り、全ての絶縁ゲイト構造を有する半導体装置に対して
有効である。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】実施例１に使用した加熱処理装置を示す。

【図２】実施例２に使用した加熱処理装置を示す。

【図３】実施例１に使用した加熱処理装置を示す。

【図４】図３の加熱処理装置のチャンバー内部構造お
よび加熱時の温度勾配を示す。

【図５】実施例１に使用した加熱処理装置を示す。

【図６】図５の加熱処理装置のチャンバー内部構造お
よび加熱時の温度勾配を示す。

【図７】実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。

【図８】実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。

【符号の説明】

１０１・・・・・・加熱処理用チャンバー１０２、１０３・・予備室１０４・・・・・・基板ホルダー１０５・・・・・・基板１０６・・・・・・紫外光源１０７・・・・・・ガス導入系１０８・・・・・・排気系１０９・・・・・・前室１１０・・・・・・搬送機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/20 H01L 21/336 H01L 21/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トップゲイト型でゲイト絶縁膜に隣接す
るチャネル領域の少なくとも一部が非単結晶半導体より
なる絶縁ゲイト型薄膜半導体装置において、少なくとも前記半導体装置のゲイト電極を形成したのち
に、窒素酸化物を有する雰囲気中において、３００〜６
５０℃に保持しつつ、前記半導体装置の上面および／ま
たは裏面より波長３５０ｎｍ以下の紫外光を照射する工
程を有することを特徴とする半導体装置作製方法。
【請求項２】トップゲイト型でゲイト絶縁膜に隣接す
るチャネル領域の少なくとも一部が非単結晶半導体より
なる絶縁ゲイト型薄膜半導体装置において、少なくとも前記半導体装置のゲイト電極を形成したのち
に、窒素酸化物を有する雰囲気中において、３００℃以
上基板の歪み点以下に保持しつつ、前記半導体装置の上
面および／または裏面より波長３５０ｎｍ以下の紫外光
を照射する工程を有することを特徴とする半導体装置作
製方法。
【請求項３】請求項１、請求項２において、前記窒素
酸化物は一酸化二窒素、一酸化窒素、二酸化窒素のいず
れかであることを特徴とする半導体装置作製方法。
【請求項４】トップゲイト型でゲイト絶縁膜に隣接す
るチャネル領域の少なくとも一部が非単結晶半導体より
なる絶縁ゲイト型薄膜半導体装置において、少なくとも前記半導体装置のゲイト電極を形成したのち
に、水素化窒素を有する雰囲気中において、３００〜６
５０℃に保持しつつ、前記半導体装置の上面および／ま
たは裏面より波長３５０ｎｍ以下の紫外光を照射する工
程を有することを特徴とする半導体装置作製方法。
【請求項５】トップゲイト型でゲイト絶縁膜に隣接す
るチャネル領域の少なくとも一部が非単結晶半導体より
なる絶縁ゲイト型薄膜半導体装置において、少なくとも前記半導体装置のゲイト電極を形成したのち
に、水素化窒素を有する雰囲気中において、３００℃以
上基板の歪み点以下保持しつつ、前記半導体装置の上面
および／または裏面より波長３５０ｎｍ以下の紫外光を
照射する工程を有することを特徴とする半導体装置作製
方法。
【請求項６】請求項４、請求項５において、前記水素
化窒素はアンモニア、ヒドラジンのいずれかであること
を特徴とする半導体装置作製方法。