JP3925085B2 - Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device Download PDF

Info

Publication number
JP3925085B2
JP3925085B2 JP2001003027A JP2001003027A JP3925085B2 JP 3925085 B2 JP3925085 B2 JP 3925085B2 JP 2001003027 A JP2001003027 A JP 2001003027A JP 2001003027 A JP2001003027 A JP 2001003027A JP 3925085 B2 JP3925085 B2 JP 3925085B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
film
insulating film
manufacturing
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001003027A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002208707A (en
Inventor
清一郎 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2001003027A priority Critical patent/JP3925085B2/en
Publication of JP2002208707A publication Critical patent/JP2002208707A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3925085B2 publication Critical patent/JP3925085B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法、光変調素子の製造方法、および表示装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
多結晶シリコン等の半導体膜は薄膜トランジスタ(以下本願明細書中ではTFTと称する)や太陽電池に広く利用されている。とりわけ多結晶シリコン( poly−Si)TFTは高移動度化が可能でありながらガラス基板のように透明で絶縁性の基板上に作成できるという特徴を生かして、液晶表示装置(LCD)や液晶プロジェクターなどの光変調素子あるいは液晶駆動用内蔵ドライバーの構成素子として広く用いられ、新しい市場の創出に成功している。
【0003】
ガラス基板上に高性能なTFTを作成する方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに実用化されている。TFTの製造方法として工程最高温度が1000℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質のpoly−Siを作成する事ができることと、熱酸化により良質のゲート絶縁膜(一般的に二酸化珪素)および清浄なpoly−Siとゲート絶縁膜の界面を形成できることである。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能TFTを安定的に製造することができる。しかし、高温プロセスを用いるためにはTFTを作成する基板が1000℃以上の高温の熱工程に耐え得る必要がある。この条件を満たす透明な基板は現在のところ石英ガラスしかない。このため昨今のpoly−Si TFTは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作成されており、コストの問題上大型化には向かないとされている。また、固相成長法では十数時間という長時間の熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題がある。また、この方法では基板全体が長時間加熱されている事に起因して基板の熱変形が大きな問題と化し実質的に安価な大型ガラス基板を使用し得ないとの課題が生じており、これもまた低コスト化の妨げとなっている。
【0004】
一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消し、尚且つ高移動度のpoly−Si TFTを実現しようとしているのが低温プロセスと呼ばれる技術である。比較的安価な耐熱性ガラス基板を使うために、工程最高温度としておおむね600℃以下のpoly−Si TFT製造プロセスを一般に低温プロセスと呼ぶ。低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化をおこなうレーザー結晶化技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービームを繰り返し照射しながらスキャンすることによって大面積のpoly−Si膜を作成する技術が広く使われるようになった。また、ゲート絶縁膜としてはプラズマCVDをもちいた成膜方法により二酸化珪素(SiO)膜が成膜可能となり実用化への見通しが得られるほどになった。これらの技術によって、現在では一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にpoly−Si TFTが作成可能となっている。
【0005】
しかし、この低温プロセスで問題となるのは能動層となる半導体層(poly−Si)内部および半導体層表面とゲート絶縁膜の界面(以下MOS界面)に高い密度の捕獲準位が発生し、これがTFTの移動度の低下、閾値電圧の増大を招く。なお且つ、これら移動度、閾値の値が素子間、基板間およびロット間でバラつくという深刻な問題がある。単結晶シリコンを能動層として用いた場合、結晶中の捕獲準位密度は1015(cm−3)以下という極めて低い値となるが、多結晶シリコン膜の場合、膜中には1017〜1018(cm−3)の高い密度で捕獲準位が存在する。多結晶シリコン膜の場合、半導体層内に結晶粒界や結晶欠陥をはじめとする構造的乱れが多く存在し、これらが半導体のバンドギャップ中に準位を形成するため、これが捕獲準位として悪影響を及ぼすのである。更にもう一つの問題点は低温プロセスで形成したMOS界面である。1000℃以上の熱酸化によって形成される良好なMOS界面における界面順位密度は2×1010(cm−2eV−1)程度に低減することができるが、プラズマCVDなどにより400℃以下の低温で絶縁膜を形成した場合、MOS界面準位密度は1011〜1012(cm−2eV−1)という高い値となる。これら界面順位のエネルギーも半導体のバンドギャップ中に位置するため、これらも捕獲準位として作用し、これもTFT特性向上の妨げとなる。
【0006】
TFTの場合、ゲート電極に電圧を印加するとMOSキャパシタ容量によって決まるキャリアが半導体層側に誘起される。しかし半導体層側、すなわち能動層およびMOS界面に捕獲準位があると、誘起されたキャリアがこれら捕獲準位に捕獲され伝導に寄与できない。結果として、より高いゲート電圧を印加し、捕獲準位密度よりも多くのキャリアを誘起してやらないとドレイン電流が得られないことになる。これがTFTの閾値電圧を高くしている原因である。 現状では上記捕獲準位を積極的に制御する有効な手段がないため、TFTの移動度が低い、閾値電圧が高い、TFT特性のバラツキが大きいという結果を招き、これが現在の製造プロセスでの最大の問題となっている。現状として低温poly−SiTFTの閾値電圧はおおむね3〜4V程度である。閾値電圧を例えば1V程度に下げることができればTFTで作製した回路の駆動電圧を現在の3分の1以下に下げることができる。回路の消費電力は駆動電圧の2乗に比例するので、駆動電圧を3分の1以下に下げることができれば消費電力を10分の1ちかくに飛躍的に下げることが可能となるのである。こうすることによって、例えば携帯情報機器向けのディスプレイに適した超低消費電力の液晶ディスプレイが実現できるのである。このような目的を達成するためには、poly−SiおよびMOS界面の捕獲準位面密度を共に1010(cm−2eV−1)程度にまで低減することが求められる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上述の諸課題を鑑み、低温プロセスで形成した半導体層およびMOS界面の捕獲準位を低減せしめ、poly−SiTFTおよび回路の特性向上を実現する薄膜トランジスタの製造方法を与えるものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にて前記基板上の半導体層にレーザー光を照射し前記半導体層を結晶化する結晶化工程と、前記結晶化工程のあと、前記基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にて前記半導体層に水素プラズマ処理を施し、水素原子を前記半導体膜中に拡散させる水素プラズマ処理工程と、前記水素プラズマ処理工程のあと、前記基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にてプラズマCVD法を用いて前記半導体層上に第1ゲート絶縁膜を形成する第1ゲート絶縁膜形成工程と、前記第1ゲート絶縁膜形成工程のあと、前記基板を加熱し、前記基板の温度が100℃以上の条件にて熱処理を施し、前記半導体膜中に拡散している前記水素原子を活性化させ、前記半導体膜中のダングリングボンドを終端させる熱処理工程と、前記熱処理工程のあと、前記第1ゲート絶縁膜及び前記半導体膜をエッチングし島状の第1ゲート絶縁膜及び島状の半導体膜を形成するエッチング工程と、前記エッチング工程のあと、前記島状の第1ゲート絶縁膜上に第2ゲート絶縁膜をプラズマCVD法を用いて形成する第2ゲート絶縁膜形成工程と、前記第2ゲート絶縁膜形成工程のあと、前記第2ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
【0009】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の加熱をおこなわずに前記基板上の半導体層に光を照射し前記半導体層を結晶化する結晶化工程と、前記結晶化工程のあと、前記基板の加熱をおこなわずに前記半導体層にプラズマ処理を施し、第1原子を前記半導体膜中に拡散させるプラズマ処理工程と、前記プラズマ処理工程のあと、前記基板の加熱をおこなわずにプラズマCVD法を用いて前記半導体層上にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜形成工程のあと、前記基板の加熱をおこなわずに熱処理を施し、前記半導体膜中に拡散している前記第1原子を活性化させ、前記半導体膜中のダングリングボンドを終端させる熱処理工程と、を含むことを特徴とする。これにより、半導体膜とゲート絶縁膜との界面を良好に保つことができる。ここで基板加熱をおこなわないとは、ヒーターやランプ等をもちいた積極的な加熱をおこなわないことを指し、プロセスによる基板の自然加熱が起こるような状態も含む。
【0011】
また、上記半導体装置の製造方法は、前記第1ゲート絶縁膜形成工程における前記プラズマCVD法はマイクロ波放電プラズマを用いて行われることが好ましい。
【0012】
また、上記半導体装置の製造方法は、前記熱処理は250℃以上の水素混合ガス雰囲気中でおこなうことが好ましい。
【0013】
また、上記半導体装置の製造方法は、前記熱処理は200℃以上の水分雰囲気中でおこなうことが好ましい。
【0014】
また、上記半導体装置の製造方法は、前記熱処理工程のあと、前記半導体膜と前記ゲート絶縁膜とをエッチングするエッチング工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、をさらに含むことが好ましい。
【0015】
また、本発明に係る光変調素子の製造方法は、上記半導体装置の製造方法を含むことを特徴とする。
【0016】
また、表示装置の製造方法は、上記半導体装置の製造方法を含むことを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて詳述する。図1に工程を追うごとのpoly−Si TFTの構造を図示する。
【0024】
(1.半導体薄膜の形成)(図1(A))
本願発明の実施のためには通常、基板(101)の上に下地保護膜(102)を形成しその上に半導体薄膜(103)を形成するので、この一連の形成方法について説明する。
【0025】
本発明を適応し得る基板(101)としては金属等の導電性物質、シリコン・カーバイト(SiC)やアルミナ(Al)や窒化アルミニウム(AlN)等のセラミック材料、溶融石英やガラス等の透明または非透明絶縁性物質、シリコンウェーハー等の半導体物質、並びにそれを加工したLSI基板等が可能である。半導体膜は基板上に直接又は下地保護膜や下部電極等を介して堆積する。またシリコンウェーハーなどの単結晶基板はこれをそのまま能動層となる半導体層(103)として使用する。
【0026】
下地保護膜(102)としては酸化硅素膜(SiO:0<x≦2)や窒化硅素膜(Si:0<x≦4)等の絶縁性物質が挙げられる。TFTなどの薄膜半導体装置を通常のガラス基板上に作成する場合の様な半導体膜への不純物制御が重要である時、ガラス基板中に含まれているナトリウム(Na)等の可動イオンが半導体膜中に混入しない様に下地保護膜を形成した後に半導体膜を堆積する事が好ましい。同じ事情は各種セラミック材料を基板として用いる場合にも通ずる。下地保護膜はセラミック中に添加されている焼結助材原料などの不純物が半導体部に拡散及び混入するのを防止するのである。金属材料などの導電性材料を基板として用い、且つ半導体膜が金属基板と電気的に絶縁されていなければならない場合には、絶縁性を確保する為に当然下地保護膜は必要不可欠である。更に半導体基板やLSI素子上に半導体膜を形成する時にはトランジスタ間や配線間の層間絶縁膜が同時に下地保護膜でもある。
【0027】
下地保護膜はまず基板を純水やアルコールなどの有機溶剤で洗浄した後、基板上に常圧化学気相堆積法(APCVD法)や低圧化学気相堆積法(LPCVD法)、プラズマ化学気相堆積法(PECVD法)等のCVD法或いはスパッター法等で形成する。下地保護膜として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法では基板温度を250℃程度から450℃程度としてモノシラン(SiH)や酸素を原料として堆積し得る。プラズマ化学気相堆積法やスパッター法では基板温度は室温から400℃程度である。下地保護膜の膜厚は基板からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが必要で、その値は最小で100nm程度以上である。ロット間や基板間のばらつきを考慮すると200nm程度以上が好ましく、300nm程度あれば保護膜としての機能を十分に果たし得る。下地保護膜がIC素子間やこれらを結ぶ配線等の層間絶縁膜を兼ねる場合には、通常400nmから600nm程度の膜厚となる。絶縁膜が余りにも厚くなると絶縁膜のストレスに起因するクラックが生ずる。その為最大膜厚は2μm程度が好ましい。生産性を考慮する必要が強い場合、絶縁膜厚は1μm程度が上限である。
【0028】
次に半導体薄膜(103)について説明する。本発明が適用される半導体膜としてはシリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)等の四族単体の半導体膜の他に、シリコン・ゲルマニウム(SiGe1−x:0<x<1)やシリコン・カーバイド(Si1−x:0<x<1)やゲルマニウム・カーバイド(Ge1−x:0<x<1)等の四族元素複合体の半導体膜、ガリウム・ヒ素(GaAs)やインジウム・アンチモン(InSb)等の三族元素と五族元素との複合体化合物半導体膜、またはカドミウム・セレン(CdSe)等の二族元素と六族元素との複合体化合物半導体膜等がある。或いはシリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素(SiGeGaAs:x+y+z=1)と云った更なる複合化合物半導体膜やこれらの半導体膜にリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などのドナー元素を添加したN型半導体膜、或いはホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)等のアクセプター元素を添加したP型半導体膜に対しても本発明は適応可能である。 これら半導体膜はAPCVD法やLPCVD法、PECVD法等のCVD法、或いはスパッター法等や蒸着法等のPVD法で形成する。半導体膜としてシリコン膜を用いる場合、LPCVD法では基板温度を400℃程度から700℃程度としてジシラン(Si)などを原料として堆積し得る。PECVD法ではモノシラン(SiH)などを原料として基板温度が100℃程度から500℃程度で堆積可能である。スパッター法を用いる時には基板温度は室温から400℃程度である。この様に堆積された半導体膜の初期状態(as−deposited状態)は非晶質や混晶質、微結晶質、或いは多結晶質等様々な状態があるが、本願発明にあっては初期状態はいずれの状態であっても構わない。尚本願明細書中では非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼ぶ。半導体膜の膜厚はそれをTFTに用いる時には20nm程度から100nm程度が適している。
【0029】
(2.半導体薄膜のレーザー結晶化)(図1(B))
基板上に下地絶縁膜と半導体膜を形成した後、この半導体膜をレーザ光照射手段104によりレーザー照射によって結晶化する。通常、LPCVD法、PECVD法等のCVD法で堆積させたシリコン膜表面は自然酸化膜で覆われていることが多い。従って、レーザー光を照射する前にこの自然酸化膜を除去する必要がある。このためには弗酸溶液に浸してウエットエッチングする方法や、フッ素を含んだプラズマ中でのドライエッチング等がある。
【0030】
次に半導体膜のついた基板をレーザー照射チャンバーにセットする。レーザー照射チャンバーは一部分が石英の窓によってできており、チャンバーを真空に排気した後この石英窓からレーザー光を照射する。
【0031】
ここでレーザー光について説明する。レーザー光は半導体薄膜(103)表面で強く吸収され、その直下の絶縁膜(102)や基板(101)にはほとんど吸収されないことが望まれる。従ってこのレーザー光としては紫外域またはその近傍の波長を持つエキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、YAGレーザー高調波等が好ましい。また、半導体薄膜を高温に加熱すると同時に基板へのダメージを防ぐためには大出力でしかも極短時間のパルス発振であることが必要となる。従って、上記レーザー光の中でも特にキセノン・クロライド(XeCl)レーザー(波長308nm)やクリプトンフロライド(KrF)レーザー(波長248nm)等のエキシマレーザーが最も適している。次にこれらのレーザー光の照射方法について図2にそって述べる。レーザーパルスの強度半値幅は10ns程度から500ns程度の極短時間である。レーザー照射は基板(200)を室温(25℃)程度から400℃程度の間とし、背景真空度が10−4Torr程度から10−9Torr程度の真空中にて行う。レーザー照射の一回の照射面積は対角5mm□程度から60mm□程度の正方形または長方形状である。レーザー照射の一回の照射で例えば8mm□の正方形面積が結晶化できるビームを用いた場合について説明する。1カ所に1発のレーザー照射(201)をおこなった後、基板とレーザーとの位置を相対的に水平方向にわずかにずらす(203)。この後再び1発のレーザー照射(202)をおこなう。このショットアンドスキャンを連続的に繰り返していく事によって大面積の基板にも対応できる。更に具体的には、各照射毎に照射領域を1%程度から99%程度ずらして行く(例えば50%:先の例では4mm)。最初に水平方向(X方向)に走査した後、次に垂直方向(Y方向)に適当量(204)ずらせて、再び水平方向に所定量(203)ずつずらせて走査し、以後この走査を繰り返して基板全面に第一回目のレーザー照射を行う。この第一回目のレーザー照射エネルギー密度は50mJ/cm程度から600mJ/cm程度の間が好ましい。第一回目のレーザー照射が終了した後、必要に応じて第二回目のレーザー照射を全面に施す。第二回目のレーザー照射を行う場合、そのエネルギー密度は一回目より高い値が好ましく、100mJ/cm程度から1000mJ/cm程度の間としても良い。走査方法は第一回目のレーザー照射と同じで正方形状の照射領域をY方向とX方向に適当量ずらせて走査する。 更に必要に応じてエネルギー密度をより高くした第三回目或いは第四回目のレーザー照射を行う事も可能で有る。こうした多段階レーザー照射法を用いるとレーザー照射領域端部に起因するばらつきを完全に消失させる事が可能になる。多段階レーザー照射の各回目の照射に限らず通常の一段階照射でも、レーザー照射は総て半導体膜に損傷が入らぬエネルギー密度で行う。これ以外にも図3に示すように、照射領域形状を幅100μm程度以上で長さが数10cm以上のライン状(301)とし、このライン状レーザー光を走査して結晶化を進めても良い。この場合各照射毎のビームの幅方向の重なりはビーム幅の5%程度から95%程度とする。ビーム幅が100μmでビーム毎の重なり量が90%で有れば、一回の照射毎にビームは10μm進むので同一点は10回のレーザー照射を受ける事となる。通常半導体膜を基板全体で均一に結晶化させるには少なくとも5回程度以上のレーザー照射が望まれるので、照射毎のビームの重なり量は80%程度以上が求められる。高い結晶性の多結晶膜を確実に得るには同一点が10回程度から30回程度の照射が行われる様に重なり量を90%程度から97%程度へと調整するのが好ましい。ラインビームを用いることによって1方向のスキャニングで広い面積の結晶化ができるので、前述の正方形ビームに比べてスループットを高められるというメリットがえられる。
【0032】
ここでレーザー結晶化工程での基板加熱について説明する。先に述べたようにレーザー照射により半導体薄膜は溶融・結晶化するので、シリコン膜の温度は1400℃以上に上昇し、その後基板への熱拡散により1010(K/s)程度のレートで急冷される。すなわち、レーザーを照射してからせいぜい100nsで溶融および結晶成長が完了するのである。これから容易に推察できるように、結晶粒界の形成時間が極端に短時間であるためシリコン原子同士が良好な結合を形成できず、結晶粒界ではダングリングボンドが大量に発生するという結果になる。これらダングリングボンドが捕獲準位を形成する。結果として、レーザー結晶化のような高速の結晶成長では結晶粒界に1018(cm−3)以上の捕獲準位が発生する。この高い捕獲準位密度は400℃程度の基板加熱をおこなってもほとんど低減されない。これは、結晶粒界形成時間は基板加熱程度では変わらないからである。このように、レーザー結晶化過程の制御に関して基板加熱はほとんど必要ないのである。言い換えると、レーザー結晶か過程での基板温度には特に制限がないといえる。
【0033】
TFTの特性を向上させる、あるいはバラツキを低減させるためには、むしろレーザー結晶化過程に引き続く工程を真空中連続でおこなうことが重要である。これは真空中でプロセスをおこなうことが捕獲準位の制御に圧倒的に有利だからである。特にバラツキ制御に重要なレーザー結晶化、プラズマ処理、ゲート絶縁膜形成は少なくとも真空中連続プロセスでおこなうことが望まれる。連続プロセスをおこなう場合、それらのプロセス間で基板温度が一定であることが極めて重要である。なぜならば、真空中で基板の温度を上げたり下げたりすることは工程のスループットを極端に低下させることになるからである。この観点に立って考えると、真空中連続プロセスを前提とした場合レーザー結晶化をおこなう場合の基板温度は他の温度に左右されやすいプロセスに合わせることが有効である。後述するが、特にゲート絶縁膜形成プロセスにより形成されるMOS界面の界面準位密度が基板温度により強く影響されるためレーザー結晶化はゲート絶縁膜形成プロセスの温度に合わせるのがよい。具体的には100℃以下が望ましい。
【0034】
(3.半導体薄膜のプラズマ処理)
レーザー結晶化直後のpoly−Si膜中には1018(cm−3)程度の高い密度で捕獲準位が存在する。これはレーザー結晶化が極めて高速の結晶成長であるためで、特に結晶粒界に多くの捕獲準位が局在する。これら捕獲準位の正体はシリコンの未結合手(ダングリングボンド)であり、通常は中性であるがキャリアを捕獲して電荷を帯びる性質がある。これら捕獲準位が高密度でpoly−Si膜中に存在すると、TFTを動作させようとしたとき電界効果によって誘起されたキャリアがことごとく捕獲準位に捕獲されてしまうので、ソース−ドレイン電極間に電流が流れないことになってしまう。結果としてより高いゲート電圧をかける必要が生じ、閾値電圧の上昇を招くのである。これを防ぐために上記レーザー結晶化工程によって全面結晶化が終了した後、基板を真空ロボットによりプラズマ処理チャンバーに移送し、このチャンバーに水素や酸素、窒素ガスをマスフローコントローラを経て導入し、平行平板RF電極により試料全面にてプラズマ放電をおこなう。ここでガス圧力は例えば1Torr程度になるように調整する。プラズマ発生は、他にも誘導結合型RF放電やECR放電、直流放電あるいは熱フィラメントによる熱電子をもちいた電離によって発生させることが出来る。 レーザー結晶化直後のpoly−Si膜に基板温度100℃で水素プラズマ処理を5秒から300秒施す。水素はシリコン膜中での拡散速度が極めて大きいので、例えば50nm程度の膜厚のpoly−Siならば処理時間は160秒程度で十分である。水素は原子半径が小さくpoly−Si膜の深い位置、すなわち下地層との界面まで効率的に捕獲準位パシベーションが短時間で可能となる。
【0035】
従来の水素プラズマによる捕獲準位のパシベーションは基板温度を200℃以上にしておこなわれている。これは膜中への水素の拡散を早め、なお且つ捕獲準位の原因であるダングリングボンドと水素が効率的に反応するのを助けるためである。しかし、先に述べたように真空中連続プロセスを前提とした場合、プロセス温度は100℃以下が望ましい。しかし、本発明が開示するプロセスは、低温でプラズマ処理をおこなっても、後の工程で熱処理をすることによってpoly−Si膜中のダングリングボンドを低減できるというものである。すなわち、基板温度を200℃以上にあげた状態でプラズマ処理をすればダングリングボンドは即座に水素終端されるが、基板温度100℃以下ではすぐには水素終端されない。しかし100℃程度の基板温度でのプラズマ処理でもpoly−Si膜中には十分な濃度の水素が拡散しているので、後の工程で250℃程度以上の熱処理をすることでpoly−Si膜中の水素原子は拡散およびダングリングボンドと反応し、結果的に効率的なダングリングボンドの水素終端が実現できるのである。先に述べたように、真空中連続プロセスにおけるスループットを確保しつつ、なお且つpoly−Si膜中の捕獲準位を効率的に低減するという目的を両立するためには、真空中連続プロセスでのプラズマ処理は100℃以下の基板温度でおこない、後に熱処理をおこなうというのがもっとも理想的なプロセスとなるのである。
【0036】
捕獲準位を低減させるプロセスとしては水素プラズマが適しているが、他にも酸素プラズマ、窒素プラズマ、フッ素プラズマなどのプラズマ処理を100℃以下の基板温度でおこない、後に熱処理を施すによって捕獲準位を低減することも十分可能である。
【0037】
(4.ゲート絶縁膜形成)(図1(C))
斯様にしてpoly−Si膜の高品質化を達成することが可能であるが、更に重要なプロセスは高品質なMOS界面を形成する工程である。poly−Si表面に存在するシリコン原子にうまく酸素原子を結合させて界面順位密度を低減させる必要がある。シリコン膜表面にはおよそ1015(cm−2)の結合手が存在するので、これらのほとんどがSiOと清浄な化学結合を形成することが重要となる。TFTのトランジスタ特性を良好なものにするには、界面順位密度を1010(cm−2)程度に抑える必要がある。すなわち、10万個のシリコン結合手に対して1個程度の欠陥しか許容されず、あとの結合手は酸素原子と秩序正しく結合をしていなければならないという大変厳しいものである。従来のプラズマCVDプロセスにおいて、この界面順位密度はせいぜい1012(cm−2eV−1)程度にしか制御することができなかった。本発明が開示する技術は、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程は基板温度を100℃以下でおこなうことが特徴である。同時に、MOS界面形成では絶対的に基板温度が重要であるため、これより前の真空中連続プロセス、すなわちレーザー結晶化、プラズマ処理の基板温度をゲート絶縁膜形成プロセスの基板温度に統一することが特徴である。
【0038】
プラズマCVDはプラズマ中の活性酸素ラジカルによってSiHガスが分解され、気相でSiOが形成されこれが基板上に堆積するものである。このような反応性にとんだ雰囲気下で堆積されたSiOは半導体表面でシリコンと化学結合を形成し良好な界面を作りうる。しかしながら、成膜雰囲気中に存在する酸素の活性種によりSiOの堆積と同時に半導体表面の酸化が進行するのである。ここで酸化というのは原子層1層レベル以下での現象である。シリコンは酸化されると体積が1.5倍に増加するため、酸化されたSi−SiO結合には局所的な応力発生がともなう。これが界面順位の主たる原因である。よって、SiOの堆積により良好なSi−SiO結合が形成される割合に対して、酸化によって形成されたSi−SiO結合の割合が増加すると結果的に高い界面順位を有するMOS界面が形成されるのである。定量的に説明すると、界面に存在するシリコン結合手およそ1015(cm−2)のうちほとんどがSiOの堆積により良好な結合を形成する。しかしこのうちの1010(cm−2)以上のSi−O結合がシリコンの酸化によって形成されると、これがそっくり界面準位となるのである。すなわち、ここで議論しているのは10分の1の確率、すなわち10万個に1個のSi−O結合でも酸化が起こると無視できない程度の界面準位を発生するということである。このような界面形成機構は当然の事ながら成膜初期段階で起こる。すなわち、半導体上にSiOが堆積開始すると同時に、前記酸化過程が起こっているのである。本発明はこの界面形成機構を開示すると同時に、先に述べた酸化によって形成される界面順位密度の活性化エネルギーが極めて大きいことを開示するものである。言い換えると、基板温度によって界面準位密度を制御できるということである。図4は絶縁膜形成時の基板温度と界面順位密度:Dit(cm−2eV−1)の水雰囲気中での熱アニール時間依存性の実験結果を示すものである。この結果からわかるように、水雰囲気中熱アニールで相当量の界面順位が低減できるのだが、この処理は一旦酸化された結合を修復することはできない。ところが、成膜時の基板温度を低くすることによってシリコン表面においておこる酸化の確率を劇的に低減することができるのである。これは界面で起こる酸化が基板温度に強く依存する、すなわち基板温度が高いほど酸化が起こりやすいということを示している。同グラフからわかるように、基板温度を100℃以下にすることによって界面順位密度を1×1011(cm−2eV−1)程度に低減できる。また基板温度を100℃程度にしておけば、プラズマCVDの反応副生成物であるOH結合が絶縁膜中で発生するのを低減することができるためフラットバンド電圧のシフトや絶縁膜の信頼性を確保することができるので実用上良好な条件を与える。また先に述べたpoly−Si膜のプラズマ処理に於いても、基板温度が少しでも高い方が水素原子の拡散が促進されるので、工程のスループットを高めるのに有利である。このため、基板温度を100℃に統一した条件下でレーザー結晶化、プラズマ処理、ゲート絶縁膜形成を真空中連続プロセスでおこなうのがきわめて有効である。また、基板加熱をしない条件下で成膜をおこなってもよい。これは装置構造が簡単になるため製造コストの面で非常に有利であり、基板温度の調整が不要なため真空中連続プロセスであっても極めて高いスループットを確保できる。なお且つ基板加熱をしないことにより8×1010(cm−2eV−1)の良好な界面順位密度を与える、すぐれたMOS界面を形成できるのである。プラズマCVDによる成膜ではプラズマから基板への熱輸送が起こり基板温度は自然に上昇するため、基板を積極的に低い温度に制御することも有効である。すなわち基板温度を室温程度または室温以下に冷却することによって、さらに良好な界面準位密度をえることができる。図4に見られるように、室温で3×1010(cm−2eV−1)の界面準位密度が、さらに基板をー50℃に冷却することで1×1010(cm−2eV−1)の界面準位密度をえることができるのである。これらの界面準位の値は熱酸化膜で絶縁膜を形成した際にえられる界面準位密度と同程度の値である。すなわち、絶縁膜形成時の基板温度を下げることによって、低温でも極めて優れたMOS界面を形成することができるのである。このような超高品質MOS界面を用いることによって、薄膜トランジスタの閾値電圧を1V程度に下げることが可能である。これにより、超低消費電力の回路を実現することができる。
【0039】
以上のような界面制御技術は特にプラズマにより絶縁膜を形成する場合に重要である。それは減圧下で大量の酸素活性種が発生されるためである。すなわちこれら酸素活性種による半導体表面における極わずかな確率で起こる酸化過程を制御することがプラズマを用いたMOS界面形成では本質的となるのである。さらに、マイクロ波放電を用いたプラズマCVDでは本発明が開示する技術の効果は顕著である。これは一般的にマイクロ波放電プラズマはプラズマ密度が高いという利点がある反面、10−3(Torr)程度の比較的低圧力下で生成されるためプラズマ中の電子の平均自由行程が長く、より高次の分解が促進されるからである。すなわち、酸素分子ラジカルよりも、原子状酸素、酸素ラジカルが反応の主体であり、これらは界面の酸化に関して極めて活性である。従ってマイクロ波放電プラズマを用いた絶縁膜形成においては、基板温度を下げて成膜することによって劇的に界面順位密度を低減できるのである。
【0040】
具体的な工程としては、レーザー結晶化によって形成されたpoly−Si膜は真空中連続で水素プラズマ処理され、その後更に真空を破ること無く絶縁膜形成チャンバーへと真空搬送される。真空チャンバー中で基板を100℃以下に調温し、背景真空度が10−6(torr)台になるまで真空排気する。この状態で真空チャンバー内に酸素ガスとシランガス(SiH)を流す。放電を安定させるためにHeガスで希釈する方法も有効である。一般的には酸素ガス流量はシランガス流量の5倍以上とする。この状態でプラズマ放電をおこない、SiO膜(105)形成をおこなう。放電の形態としては平行平板型RF放電、ICP放電、ECR放電などがあり、電源としてはRF電源やVHF、UHF電源、マイクロ波源を用いることができる。以上がゲート絶縁膜形成工程である。
【0041】
繰り返し述べるように、TFTの特性向上、バラツキ低減には真空中連続プロセスが重要であるが、工程のスループットを高めるためには連続プロセスにおける基板温度を統一することが求められる。 これまでの説明で述べたように、ゲート絶縁膜形成工程で界面準位密度を制御するためには基板温度を100℃以下にすることが絶対的に求められる。よって、レーザー結晶化、プラズマ処理、ゲート絶縁膜形成の一連の真空中連続プロセスは100℃以下の統一温度でおこなうのである。このときの温度はゲート絶縁膜形成工程の温度によって100℃、加熱なし、あるいは室温以下のいずれかに温度とする。
【0042】
(5.アニール工程)
前記絶縁膜形成行程を経た後、基板を真空装置から取り出し、250℃以上の基板温度で、水素ガスを含んだガス雰囲気中で熱処理をおこなう。これは先にも述べたように、レーザー結晶化後に100℃以下の低温プラズマ処理をおこなった場合、poly−Si膜中の捕獲準位は低減されていないからである。しかし、本発明は水素プラズマにさらされたpoly−Si膜中にはダングリングボンドの密度に比較すると十分高い密度の水素原子がすでに導入されており、熱処理によりこれらの水素原子を活性化させ拡散およびダングリングボンドとの反応を促進させダングリングボンドの終端が可能であることを開示するものである。特に水素の場合、poly−Si膜中で活性化させるためには、脱離温度である420℃より少し低い400℃の熱処理が効果的である。あるいは水分を含んだ雰囲気中にて200℃以上の温度で加熱処理をおこなうのも有効である。水分雰囲気中での熱処理によってpoly−Si膜中の捕獲準位が低減できるのに加えて、前記工程にて低い基板温度で形成された絶縁膜(105)は反応副生成物であるSi−OH結合を多く含み、バルク絶縁膜特性が悪いため、これを改善するのが目的である。 特に半導体表面とキャリアのやり取りができる程度にMOS界面近傍に存在するする絶縁膜中の欠陥はMOS界面準位にも影響を与える。図5に絶縁膜成膜直後と、前記アニールを施した後でのCV特性を示す。OH結合が絶縁膜の界面近傍に多く存在すると、これが界面特性に悪影響を及ぼす。またバルク絶縁膜の耐圧低下を招く。 しかし、100℃以上の水蒸気雰囲気中にて熱処理を施すことによって、このSi−OH結合を劇的に低減することができる。この効果が絶大であることは図5から明白である。これにより、界面順位の劇的な低減および絶縁耐圧、信頼性の確保が可能となる。特に短時間で特に絶縁膜の改善を実現するためには300℃程度の処理温度が有効である。このように水分雰囲気中での熱処理はpoly−Si膜中およびMOS界面における捕獲準位の低減に極めて有効であるが、さらにこの効果をより低温且つ短時間で実現するためには大気圧以上に加圧した100℃以上の水分雰囲気中で熱処理をおこなうのが有効である。これは絶縁膜中およびpoly−Si膜中への水素原子、酸素原子の拡散を早め、なお且つ反応速度を高めることができるからである。具体的には40気圧程度の圧力下において190℃の飽和水分雰囲気中で熱処理をおこなうとよい。
【0043】
以上述べたように、先のレーザー結晶化、プラズマ処理、ゲート絶縁膜形成にひきつづいて熱処理をおこなうことにより、poly−Si膜中およびMOS界面、更には絶縁膜中の捕獲準位を劇的に低減することができるのである。なお、本実施例では真空中連続プロセスの直後に熱処理をおこなう場合を記したが、この熱処理は更に後の工程でおこなってもまったく同様の効果を得ることができるものである。
【0044】
(6.素子分離工程)(図1(D))
レーザー結晶化、プラズマ処理、MOS界面形成の真空中連続プロセスおよび熱処理により極めて高品質のMOS構造が形成された。次にTFT素子同士を電気的に絶縁するために素子分離工程をおこなう。ここでは図1に示すように絶縁膜とpoly−Si膜を連続でエッチングする。絶縁膜(105)上にフォトリソグラフィーによりパターンを形成した後、ウエットまたはドライエッチングによりSiOをエッチングする。引き続きpoly−Si膜をドライエッチングによりエッチングする。ここではSiOとpoly−Si膜の2層をエッチングするので、エッチング後のエッジの形状が庇状にならないよう注意する必要がある。
【0045】
(7.第2段階ゲート絶縁膜形成)(図1(E))
アイランド状のSiO、poly−Si膜を形成した後、基板全面に更にゲート絶縁膜(106)を形成する。ゲート絶縁膜の成膜方法としては、ECRプラズマCVD法、平行平板RF放電プラズマCVD法などがある。または再度酸素ラジカル中でSiO蒸着することによって絶縁膜を形成してもよい。しかし、この第2段階の絶縁膜は段差被覆性がよくないと、段差部分での電気的ショートを引き起こしたり、耐圧低下の原因となる。このため段差被覆性に優れたTEOSと酸素を原料ガスとしたプラズマCVDが有効である。 また、第1段階の絶縁膜は低温で形成するため絶縁耐圧が低くなる傾向が強い。しかしながら第2段階として100℃以上の基板温度で絶縁膜を形成することにより絶縁膜全体としての絶縁耐圧を向上させることができる。図6は第1段階の絶縁膜の成膜(基板温度100℃)のみで絶縁膜の耐圧を調べた場合(single layer)と、第2段階の絶縁膜成膜(基板温度300℃、TEOS+O)をおこなった後で2層構造絶縁膜(double layer)の耐圧を調べた結果である。これから明らかなように本発明が開示する2段階での絶縁膜形成法により、絶縁膜の耐圧を実用上十分な7(MV/cm)程度にまで改善することが可能となる。このようにMOS界面形成とバルク絶縁膜形成に異なる絶縁膜形成法を用いることによって、従来の低温プロセスでは実現し得なかった、優れたMOS界面特性およびバルク絶縁膜特性の両立を実現することができるのである。
【0046】
(8.以降の工程)(図1(F)及び(G))
引き続いてゲート電極(107)となる薄膜をPVD法或いはCVD法などで堆積する。この材質は電気抵抗が低く、350℃程度の熱工程に対して安定である事が望まれ、例えばタンタル、タングステン、クロム等の高融点金属がふさわしい。また、イオンドーピングによってソース、ドレインを形成する場合、水素のチャネリングを防止するためにこのゲート電極の膜厚がおよそ700nm程度必要になる。前記高融点金属の中で700nmもの膜厚で成膜しても膜ストレスによるクラックが生じない材料となると、タンタルが最もふさわしい。ゲート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて半導体膜に不純物イオン注入を行ってソース・ドレイン領域(108、109)を形成する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクとなっているので、チャンネルはゲート電極下のみに形成される自己整合構造となる。不純物イオン注入は質量非分離型イオン注入装置を用いて注入不純物元素の水素化物と水素を注入するイオン・ドーピング法と、質量分離型イオン注入装置を用いて所望の不純物元素のみを注入するイオン打ち込み法の二種類が適応され得る。イオン・ドーピング法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度0.1%程度から10%程度のホスフィン(PH)やジボラン(B)等の注入不純物元素の水素化物を用いる。イオン打ち込み法では所望の不純物元素のみを注入した後に引き続いて水素イオン(プロトンや水素分子イオン)を注入する。前述の如くMOS界面やゲート絶縁膜を安定に保つ為には、イオン・ドーピング法にしろイオン打ち込み法にしろイオン注入時の基板温度は350℃以下である事が好ましい。一方注入不純物の活性化を350℃以下の低温にて常に安定的に行うには(本願ではこれを低温活性化と称する)、イオン注入時の基板温度は200℃以上である事が望ましい。トランジスタのしきい値電圧を調整する為にチャンネル・ドープ行うとか、或いはLDD構造を作成すると云った様に低濃度に注入された不純物イオンを低温で確実に活性化するには、イオン注入時の基板温度は250℃以上で有る事が必要となる。この様に基板温度が高い状態でイオン注入を行うと、半導体膜のイオン注入に伴う結晶壊破の際に再結晶化も同時に生じ、結果としてイオン注入部の非晶質化を防ぐ事が出来るのである。即ちイオン注入された領域は注入後も依然として結晶質として残り、その後の活性化温度が350℃程度以下と低温で有っても注入イオンの活性化が可能に成る訳で有る。CMOS TFTを作成する時はポリイミド樹脂等の適当なマスク材を用いてNMOS又はPMOSの一方を交互にマスクで覆い、上述の方法にてそれぞれのイオン注入を行う。
【0047】
また、不純物の効率的な活性化法としてエキシマレーザーなどを照射するレーザー活性化がある。これは絶縁膜を通してレーザー照射することによりソース、ドレイン部のドープpoly−Siを溶融・固化させ、不純物を活性化させる方法である。
【0048】
次にソース・ドレイン上にコンタクトホールを開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極(110、111)と配線をPVD法やCVD法などで形成して薄膜トランジスタが完成する。
【0049】
【実施例】
本発明の実施例を図1にそって説明する。本発明で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基板の一例として300mm×300mmの正方形状汎用無アルカリガラス(101)を用いる。まず基板101上に絶縁性物質である下地保護膜(102)を形成する。ここでは基板温度を150℃としてECR−PECVD法にて200nm程度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積する。次に後に薄膜トランジスタの能動層となる真性シリコン膜等の半導体膜(103)を堆積する。半導体膜の厚みは50nm程度で有る。本例では高真空型LPCVD装置を用いて、原料ガスで有るジシラン(Si)を200SCCM流し、425℃の堆積温度で非晶質シリコン膜103を堆積する。まず高真空型LPCVD装置の反応室を250℃とした状態で反応室の内部に複数枚(例えば17枚)の基板を表側を下向きとして配置する。こうした後にターボ分子ポンプの運転を開始する。ターボ分子ポンプが定常回転に達した後、反応室内の温度を約1時間掛けて250℃から425℃の堆積温度に迄上昇させる。昇温開始後の最初の10分間は反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温を行ない、しかる後純度が99.9999%以上の窒素ガスを300SCCM流し続ける。 この時の反応室内における平衡圧力は、3.0×10−3Torrで有る。堆積温度に到達した後、原料ガスであるジシラン(Si)を200SCCM流すと共に、純度が99.9999%以上の希釈用ヘリウム(He)を1000SCCM流す。堆積開始直後の反応室内圧力は凡そ0.85Torrで有る。堆積の進行と共に反応室内の圧力は徐々に上昇し、堆積終了直前の圧力は凡そ1.25Torrと成る。斯様に堆積したシリコン膜(103)は基板の周辺部約7mmを除いた286mm角の領域内に於いて、その膜厚変動は±5%以内で有る。
【0050】
次にレーザー結晶化を行うのであるが、これに先立って非晶質シリコン膜を弗酸溶液に浸し、半導体膜(103)上の自然酸化膜をエッチングする。一般的にシリコン膜が露出した表面は非常に不安定で、シリコン薄膜を保持している雰囲気物質と容易に反応を起こす。従って、レーザー照射をおこなう前処理では単に自然酸化膜を除去するだけでなく、露出したシリコン膜表面を安定化させる必要がある。このためには、弗酸溶液による処理が望ましい。弗酸は純水との混合比が1:30になるようにする。この弗酸溶液中に約20から30秒浸した後、すぐに純水洗浄を10から20分おこなう。 この後スピンナーで純水を取り除く。これによって、シリコン膜表面は水素原子でターミネートされた安定化表面になる。
【0051】
次にレーザー光の照射をおこなう。本例ではキセノン・クロライド(XeCl)のエキシマ・レーザー(波長:308nm)を照射する。レーザーパルスの強度半値幅(時間に対する半値幅)は25nsである。基板をレーザー結晶化チャンバーにセットした後、真空排気をおこなう。真空排気後基板温度を250度℃まで上昇させる。一回のレーザー照射面積は10mm角の正方形状で、照射面でのエネルギー密度は160mJ/cmである。このレーザー光を90%ずつ重ねつつ(つまり照射するごとに1mmづつ)相対的にずらしながら照射を繰り返す(図2参照)。こうして一辺300mmの基板全体のアモルファスシリコンを結晶化する。同様な照射方法を用いて2回目のレーザー照射を行う。2回目のエネルギー密度は180mJ/cmで有る。これをくり返し、3回目、4回目と約20mJ/cmづつ照射エネルギー密度を上昇させながら最終的にはのエネルギー密度440mJ/cmの照射をおこないレーザー照射を終了する。ここで450mJ/cmの照射レーザーエネルギー密度を超えた高いエネルギーを照射すると、p−Siのグレインが微結晶化を起こすため、これ以上のエネルギー照射を避けた。レーザー結晶化において積極的基板加熱はおこなわず、室温程度の基板温度で処理をおこなった。
【0052】
次にこの基板を真空を保持した状態でプラズマ処理チャンバーに搬送し、このチャンバー内に水素ガスを導入する。本例では99.999%水素ガスをマスフローコントローラから導入し、チャンバー内圧力は1(torr)になるように調整した。この状態で平行平板電極に13.56MHzのRFを印可することによって放電を行い、水素によるレーザー結晶化poly−Si膜中の捕獲準位終端をおこなった。基板加熱はおこなわなかったので基板温度は室温程度で、投入したRFパワーは3W/cmとした。この程度のRFパワーではプラズマからの熱流入による基板温度上昇はほとんど無視できる程度である。水素は十分短時間に膜中に拡散しうるので、160秒の処理で特にpoly−Si膜の深い位置および下地層との界面付近まで効率的に拡散する。
【0053】
次に真空を保ったままで基板(100)を絶縁膜形成チャンバーへと搬送する。基板搬送終了後、チャンバー内を10−6(torr)台の真空度に排気する。基板はここでも積極的に加熱されず、ほぼ室温程度の基板温度となっている。この間、チャンバー内にシランガスと酸素ガスを流量比1:6で導入し、チャンバー圧力を2×10−3(Torr)に調節する。チャンバー内のガス圧力が安定したらECR放電を開始し、絶縁膜の成膜を開始する。投入したマイクロ波パワーは1kWで、マイクロ波は磁力線に平行に導入窓から導入した。導入窓から14cmの位置にECRポイントがある。成膜は100(nm/min.)の成膜速度でおこなった。これにより、第1層目のゲート絶縁膜(105)を30nm形成した。
【0054】
次に基板を真空チャンバから取り出し、これを330℃の飽和水蒸気雰囲気中にセットし、90分間熱処理をおこなった。これにより先の水素プラズマ処理でpoly−Si膜中に導にゅされた水素が効率的にpoly−Si膜中の捕獲準位を終端し、且つ良好なMOS界面形成も同時に実現できる。次にpoly−Si膜と第1層絶縁膜の連続エッチングをおこなった。引き続き、第2層絶縁膜(106)を本例では平行平板型rf放電PECVD法で基板温度を350℃として70nm堆積した。原料ガスとしてはTEOS(Si−(O−CH−CH)と酸素(O)の混合ガスをもちいた。引き続いてゲート電極(107)となる薄膜をPVD法或いはCVD法などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線は同一材料にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が低く、350℃程度の熱工程に対して安定である事が望まれる。本例では膜厚が600nmのタンタル薄膜をスパッタ法により形成する。タンタル薄膜を形成する際の基板温度は180℃であり、スパッタガスとして窒素ガスを6.7%含むアルゴンガスを用いる。斯様に形成したタンタル薄膜は結晶構造がα構造と成っており、その比抵抗は凡そ40μΩcmである。ゲート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて半導体膜に不純物イオン注入を行ってソース・ドレイン領域(108、109)及びチャンネル領域を形成する。この時ゲート電極がイオン注入のマスクとなっているため、チャンネルはゲート電極下のみに形成される自己整合構造となる。イオン・ドーピング法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度0.1%程度から10%程度のホスフィン(PH)やジボラン(B)等の注入不純物元素の水素化物を用いる。本例ではNMOS形成を目指し、イオン・ドーピング装置を用いて、水素中に希釈された濃度5%のホスフィン(PH)を加速電圧100keVで注入する。PH やH イオンを含むの全イオン注入量量は1×1016cm−2である。
【0055】
次にソース・ドレイン上にコンタクトホールを開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極(110、111)と配線をPVD法やCVD法などで形成して薄膜トランジスタが完成する。
【0056】
従来の技術では、高品質なpoly−Si膜およびMOS界面を低温で、且つ高いスループットで形成する有効なプロセスが明確でなかった。しかし、以上述べて来た様に本発明の薄膜トランジスタの製造方法を用いることによって極めて高品質なpoly−SiおよびMOS界面形成が可能となる。結果として高移動度、低しきい値電圧でなお且つバラツキの極めて少ない薄膜トランジスタの製造が可能となり、超低消費電力回路の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜トランジスタの製造方法の一実施形態をその工程に沿って示す断面図。
【図2】レーザー結晶化時のレーザービーム照射方法を模式的に示す図。
【図3】レーザー結晶化時のレーザービーム照射方法を模式的に示す図。
【図4】MOS界面の界面順位密度の基板温度依存性を示す線図。
【図5】MOS界面形成工程によって作製したMOS構造の高周波C−V特性を示す線図。
【図6】本発明の2段階絶縁膜形成工程によって作製したMOS構造と単層で形成したMOS構造の絶縁耐圧特性を示す図。
【符号の説明】
101...基板
102...下地絶縁膜
103...半導体膜
104...レーザー光照射手段
105...第1層ゲート絶縁膜
106...第2層ゲート絶縁膜
107...ゲート電極
108...ソース
109...ドレイン
110...ソース電極
111...ドレイン電極
201...レーザー照射領域
203...x方向移動
204...y方向移動
301...ライン状レーザービーム
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, a method for manufacturing a light modulation element, and a method for manufacturing a display device.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor films such as polycrystalline silicon are widely used for thin film transistors (hereinafter referred to as TFTs in the present specification) and solar cells. In particular, polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs can be made on a transparent and insulating substrate such as a glass substrate while being capable of high mobility, making it possible to make liquid crystal display devices (LCD) and liquid crystal projectors. It is widely used as a component of light modulation elements such as built-in drivers for driving liquid crystals, and has succeeded in creating new markets.
[0003]
As a method for producing a high-performance TFT on a glass substrate, a manufacturing method called a high-temperature process has already been put into practical use. A process using a high temperature with a maximum process temperature of about 1000 ° C. as a TFT manufacturing method is generally called a high temperature process. The characteristics of the high-temperature process are that a relatively high-quality poly-Si can be produced by solid phase growth of silicon, a high-quality gate insulating film (generally silicon dioxide) and a clean poly-Si and gate by thermal oxidation. That is, the interface of the insulating film can be formed. Due to these characteristics, a high-performance TFT having high mobility and high reliability can be stably manufactured in a high-temperature process. However, in order to use a high temperature process, it is necessary that the substrate on which the TFT is formed can withstand a high temperature heat process of 1000 ° C. or higher. The only transparent substrate that satisfies this condition is currently quartz glass. For this reason, poly-Si TFTs of recent years are all manufactured on a small and expensive quartz glass substrate, and are not suitable for enlargement due to cost problems. In addition, the solid phase growth method requires a heat treatment for a long time of ten and several hours, and there is a problem that productivity is extremely low. In addition, this method has caused a problem that the thermal deformation of the substrate becomes a big problem due to the whole substrate being heated for a long time, and it is impossible to use a substantially inexpensive large glass substrate. This also hinders cost reduction.
[0004]
On the other hand, a technique called a low-temperature process is intended to solve the above-mentioned drawbacks of a high-temperature process and to realize a poly-Si TFT with high mobility. In order to use a relatively inexpensive heat-resistant glass substrate, a poly-Si TFT manufacturing process having a maximum process temperature of approximately 600 ° C. or lower is generally called a low-temperature process. In a low temperature process, a laser crystallization technique for crystallizing a silicon film by using a pulse laser having an extremely short oscillation time is widely used. Laser crystallization is a technique that utilizes the property of crystallizing in the process of solidifying instantaneously by irradiating a silicon thin film on a substrate with high-power pulsed laser light. Recently, a technique for forming a poly-Si film having a large area by scanning an amorphous silicon film on a glass substrate while repeatedly irradiating it with an excimer laser beam has been widely used. In addition, as a gate insulating film, silicon dioxide (SiO 2) is formed by a film forming method using plasma CVD.2) The film can be formed, and the prospects for practical use have been obtained. With these technologies, poly-Si TFTs can be created on a large glass substrate that is currently several tens of centimeters on a side.
[0005]
However, the problem in this low-temperature process is that a high-density trap level is generated inside the semiconductor layer (poly-Si) that becomes the active layer and at the interface between the semiconductor layer surface and the gate insulating film (hereinafter referred to as MOS interface). This causes a decrease in TFT mobility and an increase in threshold voltage. In addition, there is a serious problem that these mobility and threshold values vary between elements, substrates, and lots. When single crystal silicon is used as the active layer, the trap level density in the crystal is 1015(Cm-3) Although the value is extremely low as follows, in the case of a polycrystalline silicon film, 10% is included in the film.17-1018(Cm-3) There is a trap level at a high density. In the case of a polycrystalline silicon film, there are many structural disturbances such as crystal grain boundaries and crystal defects in the semiconductor layer, and these form a level in the semiconductor band gap, which adversely affects the trap level. It affects. Yet another problem is the MOS interface formed by a low temperature process. The interface order density at a good MOS interface formed by thermal oxidation at 1000 ° C. or higher is 2 × 1010(Cm-2eV-1However, when the insulating film is formed at a low temperature of 400 ° C. or lower by plasma CVD or the like, the MOS interface state density is 1011-1012(Cm-2eV-1) Is a high value. Since the energy of these interface levels is also located in the band gap of the semiconductor, these also act as trap levels, which also hinders the improvement of TFT characteristics.
[0006]
In the case of a TFT, when a voltage is applied to the gate electrode, carriers determined by the MOS capacitor capacitance are induced on the semiconductor layer side. However, if there are trap levels on the semiconductor layer side, that is, on the active layer and the MOS interface, the induced carriers are trapped in these trap levels and cannot contribute to conduction. As a result, a drain current cannot be obtained unless a higher gate voltage is applied and more carriers than the trap level density are induced. This is the reason why the threshold voltage of the TFT is increased. At present, there is no effective means for positively controlling the above trapping levels, which results in low TFT mobility, high threshold voltage, and large variations in TFT characteristics. This is the maximum in the current manufacturing process. It has become a problem. At present, the threshold voltage of the low-temperature poly-Si TFT is about 3 to 4V. If the threshold voltage can be lowered to, for example, about 1 V, the driving voltage of a circuit made of TFTs can be lowered to one third or less. Since the power consumption of the circuit is proportional to the square of the drive voltage, if the drive voltage can be lowered to 1/3 or less, the power consumption can be drastically reduced to 1/10. By doing so, an ultra-low power consumption liquid crystal display suitable for a display for portable information devices, for example, can be realized. In order to achieve such an object, both the trap level density at the poly-Si and MOS interfaces are 1010(Cm-2eV-1) To a certain extent.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a thin film transistor that reduces the trap level of a semiconductor layer and a MOS interface formed by a low-temperature process and realizes improvement in characteristics of a poly-Si TFT and a circuit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problem, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention does not heat a substrate, and irradiates a semiconductor layer on the substrate with laser light under a condition where the temperature of the substrate is 100 ° C. or less. A crystallization step of crystallizing the semiconductor layer; and after the crystallization step, the substrate is not heated, and the semiconductor layer is subjected to hydrogen plasma treatment under a condition that the temperature of the substrate is 100 ° C. A hydrogen plasma treatment step for diffusing in the semiconductor film; and after the hydrogen plasma treatment step, the substrate is not heated, and the temperature of the substrate is 100 ° C. or lower using a plasma CVD method on the semiconductor layer. After the first gate insulating film forming step for forming the first gate insulating film and the first gate insulating film forming step, the substrate is heated and subjected to heat treatment under the condition that the temperature of the substrate is 100 ° C. or higher. The half A heat treatment step for activating the hydrogen atoms diffusing in the body film and terminating dangling bonds in the semiconductor film; and after the heat treatment step, etching the first gate insulating film and the semiconductor film. An etching process for forming an island-shaped first gate insulating film and an island-shaped semiconductor film, and after the etching process, a second gate insulating film is formed on the island-shaped first gate insulating film using a plasma CVD method. A second gate insulating film forming step to be formed; and a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the second gate insulating film after the second gate insulating film forming step.
[0009]
  Further, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the semiconductor layer on the substrate is irradiated with light without heating the substrate to crystallize the semiconductor layer, and after the crystallization step, Plasma processing is performed on the semiconductor layer without heating the substrate, and first atoms are diffused into the semiconductor film, and plasma CVD is performed without heating the substrate after the plasma processing step. A gate insulating film forming step for forming a gate insulating film on the semiconductor layer using a method, and after the gate insulating film forming step, heat treatment is performed without heating the substrate, and diffusion into the semiconductor film is performed. A heat treatment step of activating the first atoms and terminating dangling bonds in the semiconductor film. Thereby, the interface between the semiconductor film and the gate insulating film can be kept good. Here, “not heating the substrate” means that no positive heating is performed using a heater, a lamp, or the like, and includes a state where the substrate is naturally heated by the process.
[0011]
  In the semiconductor device manufacturing method, the plasma CVD method in the first gate insulating film forming step is preferably performed using microwave discharge plasma.
[0012]
  In the semiconductor device manufacturing method, the heat treatment is preferably performed in a hydrogen mixed gas atmosphere at 250 ° C. or higher.
[0013]
  In the semiconductor device manufacturing method, the heat treatment is preferably performed in a moisture atmosphere of 200 ° C. or higher.
[0014]
  The method for manufacturing a semiconductor device includes an etching step for etching the semiconductor film and the gate insulating film, and a gate electrode forming step for forming a gate electrode on the gate insulating film after the heat treatment step. Furthermore, it is preferable to include.
[0015]
  According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a light modulation element including the above-described method for manufacturing a semiconductor device.
[0016]
  A method for manufacturing a display device includes the method for manufacturing the semiconductor device.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 illustrates the structure of a poly-Si TFT for each step.
[0024]
(1. Formation of semiconductor thin film) (FIG. 1A)
In order to carry out the present invention, usually, a base protective film (102) is formed on a substrate (101) and a semiconductor thin film (103) is formed thereon, and this series of forming methods will be described.
[0025]
The substrate (101) to which the present invention can be applied is a conductive material such as metal, silicon carbide (SiC), alumina (Al2O3) And aluminum nitride (AlN), a transparent or non-transparent insulating material such as fused quartz or glass, a semiconductor material such as a silicon wafer, and an LSI substrate processed therewith. The semiconductor film is deposited directly on the substrate or via a base protective film, a lower electrode, or the like. A single crystal substrate such as a silicon wafer is used as it is as a semiconductor layer (103) which becomes an active layer.
[0026]
As the base protective film (102), a silicon oxide film (SiOX: 0 <x ≦ 2) or silicon nitride film (Si3Nx: Insulating substances such as 0 <x ≦ 4). When it is important to control impurities in a semiconductor film as in the case where a thin film semiconductor device such as a TFT is formed on a normal glass substrate, movable ions such as sodium (Na) contained in the glass substrate are transferred to the semiconductor film. It is preferable to deposit the semiconductor film after forming the base protective film so as not to be mixed therein. The same is true when various ceramic materials are used as the substrate. The base protective film prevents impurities such as a sintering aid material added to the ceramic from diffusing and mixing into the semiconductor portion. In the case where a conductive material such as a metal material is used as a substrate and the semiconductor film must be electrically insulated from the metal substrate, a base protective film is naturally indispensable to ensure insulation. Further, when a semiconductor film is formed on a semiconductor substrate or an LSI element, an interlayer insulating film between transistors or wirings is also a base protective film.
[0027]
For the base protective film, the substrate is first cleaned with an organic solvent such as pure water or alcohol, and then an atmospheric pressure chemical vapor deposition method (APCVD method), a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD method), or a plasma chemical vapor phase is formed on the substrate. It is formed by a CVD method such as a deposition method (PECVD method) or a sputtering method. When a silicon oxide film is used as an undercoat protective film, monosilane (SiH) is used with atmospheric pressure chemical vapor deposition with a substrate temperature of about 250 ° C. to 450 ° C.4) Or oxygen as a raw material. In the plasma chemical vapor deposition method or the sputtering method, the substrate temperature is about room temperature to 400 ° C. The film thickness of the base protective film needs to be sufficient to prevent the impurity element from diffusing and mixing from the substrate, and its value is at least about 100 nm. Considering the variation between lots and substrates, the thickness is preferably about 200 nm or more, and if it is about 300 nm, the function as a protective film can be sufficiently achieved. In the case where the base protective film also serves as an interlayer insulating film such as a wiring connecting IC elements or wirings between them, the film thickness is usually about 400 nm to 600 nm. If the insulating film becomes too thick, cracks due to the stress of the insulating film occur. Therefore, the maximum film thickness is preferably about 2 μm. When it is necessary to consider productivity, the upper limit of the insulating film thickness is about 1 μm.
[0028]
Next, the semiconductor thin film (103) will be described. As a semiconductor film to which the present invention is applied, a silicon-germanium (Si) in addition to a group 4 simple semiconductor film such as silicon (Si) or germanium (Ge).xGe1-x: 0 <x <1) and silicon carbide (SixC1-x: 0 <x <1) and germanium carbide (GexC1-x: Group 4 element composite semiconductor film such as 0 <x <1), a compound compound semiconductor film of a group 3 element and a group 5 element such as gallium / arsenic (GaAs) or indium / antimony (InSb), or cadmium A composite compound semiconductor film of a group 2 element and a group 6 element such as selenium (CdSe) is available. Or silicon, germanium, gallium, arsenic (SixGeyGazAsz: X + y + z = 1), further compound compound semiconductor films, N-type semiconductor films in which donor elements such as phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb) are added to these semiconductor films, or boron (B ), Aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In) and the like, the present invention can be applied to a P-type semiconductor film to which an acceptor element is added. These semiconductor films are formed by a CVD method such as an APCVD method, an LPCVD method, or a PECVD method, or a PVD method such as a sputtering method or a vapor deposition method. When a silicon film is used as the semiconductor film, the LPCVD method sets the substrate temperature to about 400 ° C. to 700 ° C. and disilane (Si2H6) Or the like as a raw material. In the PECVD method, monosilane (SiH4) Or the like as a raw material, and can be deposited at a substrate temperature of about 100 ° C. to 500 ° C. When using the sputtering method, the substrate temperature is about room temperature to 400 ° C. There are various states, such as amorphous, mixed crystal, microcrystalline, and polycrystalline, as the initial state (as-deposited state) of the semiconductor film deposited in this way. May be in any state. In the present specification, not only amorphous crystallization but also polycrystalline and microcrystalline recrystallization are all called crystallization. The thickness of the semiconductor film is suitably about 20 nm to 100 nm when it is used for a TFT.
[0029]
(2. Laser crystallization of semiconductor thin film) (FIG. 1B)
After a base insulating film and a semiconductor film are formed on the substrate, the semiconductor film is crystallized by laser irradiation by the laser light irradiation means 104. Usually, the surface of a silicon film deposited by a CVD method such as an LPCVD method or a PECVD method is often covered with a natural oxide film. Therefore, it is necessary to remove this natural oxide film before irradiating the laser beam. For this purpose, there are a method of wet etching by dipping in a hydrofluoric acid solution, dry etching in a plasma containing fluorine, and the like.
[0030]
Next, the substrate with the semiconductor film is set in a laser irradiation chamber. A part of the laser irradiation chamber is made of a quartz window, and after the chamber is evacuated to vacuum, laser light is irradiated from the quartz window.
[0031]
Here, laser light will be described. It is desired that the laser light is strongly absorbed on the surface of the semiconductor thin film (103) and hardly absorbed by the insulating film (102) and the substrate (101) immediately below the laser light. Therefore, excimer laser, argon ion laser, YAG laser harmonic, etc. having a wavelength in the ultraviolet region or the vicinity thereof are preferable as this laser light. Further, in order to heat the semiconductor thin film to a high temperature and simultaneously prevent damage to the substrate, it is necessary to have a pulse output with a large output and a very short time. Therefore, excimer lasers such as a xenon chloride (XeCl) laser (wavelength 308 nm) and a krypton fluoride (KrF) laser (wavelength 248 nm) are most suitable among the above laser beams. Next, the laser light irradiation method will be described with reference to FIG. The half width of the intensity of the laser pulse is an extremely short time of about 10 ns to about 500 ns. In the laser irradiation, the substrate (200) is set between room temperature (25 ° C.) and about 400 ° C., and the background vacuum is 10 °.-4About 10 Torr-9It is performed in a vacuum of about Torr. The single irradiation area of the laser irradiation is a square or rectangular shape with a diagonal of about 5 mm □ to about 60 mm □. A case where a beam capable of crystallizing, for example, a square area of 8 mm □ by one irradiation of laser irradiation will be described. After one laser irradiation (201) is performed at one place, the position of the substrate and the laser is slightly shifted in the horizontal direction relatively (203). Thereafter, one laser irradiation (202) is performed again. By repeating this shot and scan continuously, it is possible to cope with a large area substrate. More specifically, the irradiation region is shifted from about 1% to about 99% for each irradiation (for example, 50%: 4 mm in the previous example). After scanning in the horizontal direction (X direction) first, the scanning is then shifted by an appropriate amount (204) in the vertical direction (Y direction) and again by a predetermined amount (203) in the horizontal direction, and this scanning is repeated thereafter. The first laser irradiation is performed on the entire surface of the substrate. The first laser irradiation energy density is 50 mJ / cm.2About 600mJ / cm2Between about is preferred. After the first laser irradiation is completed, the second laser irradiation is performed on the entire surface as necessary. When performing the second laser irradiation, the energy density is preferably higher than that of the first, and 100 mJ / cm.2About 1000mJ / cm2It may be between degrees. The scanning method is the same as the first laser irradiation, and the square irradiation region is scanned by shifting an appropriate amount in the Y direction and the X direction. Furthermore, it is possible to perform the third or fourth laser irradiation with a higher energy density as required. When such a multi-stage laser irradiation method is used, it is possible to completely eliminate variations caused by the end of the laser irradiation region. The laser irradiation is performed at an energy density that does not damage the semiconductor film, not only in the multi-stage laser irradiation but also in the normal one-step irradiation. In addition to this, as shown in FIG. 3, the irradiation region shape may be a line shape (301) having a width of about 100 μm or more and a length of several tens of centimeters, and crystallization may be advanced by scanning this line-shaped laser beam. . In this case, the overlap in the beam width direction for each irradiation is about 5% to 95% of the beam width. If the beam width is 100 μm and the overlap amount for each beam is 90%, the beam advances 10 μm for each irradiation, so that the same point receives 10 laser irradiations. Usually, in order to crystallize the semiconductor film uniformly over the entire substrate, at least about 5 times of laser irradiation is desired. Therefore, the overlap amount of the beam for each irradiation is required to be about 80% or more. In order to reliably obtain a highly crystalline polycrystalline film, it is preferable to adjust the overlap amount from about 90% to about 97% so that the same point is irradiated about 10 to 30 times. By using a line beam, it is possible to crystallize a wide area by scanning in one direction, so that an advantage can be obtained that the throughput can be increased as compared with the square beam described above.
[0032]
Here, the substrate heating in the laser crystallization process will be described. As described above, the semiconductor thin film is melted and crystallized by laser irradiation, so that the temperature of the silicon film rises to 1400 ° C. or higher, and then the thermal diffusion to the substrate causes10It is rapidly cooled at a rate of about (K / s). That is, melting and crystal growth are completed at most after 100 ns after laser irradiation. As can be easily inferred from this, the formation time of the crystal grain boundary is extremely short, so that silicon atoms cannot form a good bond with each other, resulting in a large amount of dangling bonds occurring at the crystal grain boundary. . These dangling bonds form trap levels. As a result, in high-speed crystal growth such as laser crystallization, 1018(Cm-3) The above capture levels are generated. This high trap level density is hardly reduced even when the substrate is heated to about 400 ° C. This is because the crystal grain boundary formation time does not change with substrate heating. Thus, almost no substrate heating is required for controlling the laser crystallization process. In other words, it can be said that there is no particular limitation on the substrate temperature in the course of laser crystallization.
[0033]
In order to improve the characteristics of the TFT or reduce variations, it is rather important to perform the process following the laser crystallization process continuously in a vacuum. This is because the process in vacuum is overwhelmingly advantageous for controlling the trap level. In particular, it is desired that laser crystallization, plasma treatment, and gate insulating film formation, which are important for variation control, be performed at least in a continuous process in a vacuum. When performing continuous processes, it is extremely important that the substrate temperature be constant between the processes. This is because raising or lowering the temperature of the substrate in a vacuum extremely reduces the process throughput. From this point of view, it is effective to adjust the substrate temperature when laser crystallization is performed to a process that is easily influenced by other temperatures, assuming a continuous process in vacuum. As will be described later, in particular, since the interface state density of the MOS interface formed by the gate insulating film forming process is strongly influenced by the substrate temperature, the laser crystallization is preferably matched with the temperature of the gate insulating film forming process. Specifically, 100 ° C. or lower is desirable.
[0034]
(3. Plasma treatment of semiconductor thin film)
10 in the poly-Si film immediately after laser crystallization.18(Cm-3) There are trap levels at a high density. This is because laser crystallization is an extremely fast crystal growth, and many trap levels are localized particularly at the crystal grain boundaries. The identity of these trap levels is a dangling bond of silicon, which is normally neutral, but has the property of trapping carriers and charging. If these trap levels exist at a high density in the poly-Si film, carriers induced by the electric field effect are all trapped in the trap level when the TFT is operated, and therefore, between the source and drain electrodes. Current will not flow. As a result, it is necessary to apply a higher gate voltage, leading to an increase in threshold voltage. In order to prevent this, after the entire crystallization is completed by the laser crystallization process, the substrate is transferred to a plasma processing chamber by a vacuum robot, and hydrogen, oxygen, and nitrogen gas are introduced into the chamber through a mass flow controller, and a parallel plate RF Plasma discharge is performed on the entire surface of the sample by the electrodes. Here, the gas pressure is adjusted to be, for example, about 1 Torr. Plasma generation can also be generated by ionization using thermoelectrons by inductively coupled RF discharge, ECR discharge, DC discharge, or hot filament. Hydrogen plasma treatment is performed on the poly-Si film immediately after laser crystallization at a substrate temperature of 100 ° C. for 5 to 300 seconds. Since hydrogen has a very high diffusion rate in the silicon film, a processing time of about 160 seconds is sufficient for poly-Si having a film thickness of about 50 nm, for example. Hydrogen has a small atomic radius and can be efficiently trapped in a short time to a deep position in the poly-Si film, that is, to the interface with the underlying layer.
[0035]
Conventional trapping level passivation by hydrogen plasma is performed at a substrate temperature of 200 ° C. or higher. This is to accelerate the diffusion of hydrogen into the film and to help the hydrogen react efficiently with the dangling bond that causes the trap level. However, as described above, when a continuous process in vacuum is assumed, the process temperature is preferably 100 ° C. or lower. However, the process disclosed by the present invention can reduce dangling bonds in the poly-Si film by performing heat treatment in a later step even if plasma treatment is performed at a low temperature. That is, if plasma treatment is performed with the substrate temperature raised to 200 ° C. or higher, the dangling bonds are immediately hydrogen terminated, but are not immediately hydrogen terminated at the substrate temperature of 100 ° C. or lower. However, even with plasma treatment at a substrate temperature of about 100 ° C., a sufficient concentration of hydrogen is diffused in the poly-Si film, so that heat treatment at about 250 ° C. or higher is performed in the subsequent step to form a poly-Si film. Hydrogen atoms react with diffusion and dangling bonds, and as a result, efficient hydrogen termination of dangling bonds can be realized. As described above, in order to achieve both the objective of efficiently reducing the trap level in the poly-Si film while ensuring the throughput in the continuous process in vacuum, The most ideal process is to perform the plasma treatment at a substrate temperature of 100 ° C. or lower and then perform the heat treatment.
[0036]
Hydrogen plasma is suitable as a process for reducing the trap level. However, the trap level can also be obtained by performing a plasma treatment such as oxygen plasma, nitrogen plasma, or fluorine plasma at a substrate temperature of 100 ° C. or lower, followed by heat treatment. Can be sufficiently reduced.
[0037]
(4. Formation of gate insulating film) (FIG. 1C)
Although it is possible to achieve high quality of the poly-Si film in this way, a more important process is a step of forming a high quality MOS interface. It is necessary to bond oxygen atoms to silicon atoms existing on the poly-Si surface to reduce the interface order density. Approximately 10 on the silicon film surface15(Cm-2Most of these are SiO2It is important to form clean chemical bonds. In order to improve the transistor characteristics of the TFT, the interface order density is 1010(Cm-2) It is necessary to suppress to a degree. That is, only about one defect is allowed for 100,000 silicon bonds, and the remaining bonds must be in order with oxygen atoms. In conventional plasma CVD processes, this interfacial order density is at most 1012(Cm-2eV-1) Could only be controlled to a certain extent. The technique disclosed in the present invention is characterized in that the step of forming a gate insulating film over a semiconductor layer is performed at a substrate temperature of 100 ° C. or lower. At the same time, since the substrate temperature is absolutely important in forming the MOS interface, it is necessary to unify the substrate temperature of the continuous process in vacuum, that is, the laser crystallization and plasma processing, before that to the substrate temperature of the gate insulating film formation process. It is a feature.
[0038]
Plasma CVD uses SiH by active oxygen radicals in the plasma.4Gas is decomposed and SiO in the gas phase2Is formed and deposited on the substrate. SiO deposited in such a reactive atmosphere2Can form a chemical bond with silicon on the semiconductor surface to form a good interface. However, due to the active species of oxygen present in the film formation atmosphere, SiO2Simultaneously with the deposition of the semiconductor, the oxidation of the semiconductor surface proceeds. Oxidation is a phenomenon below the atomic layer level. When silicon is oxidized, the volume increases by a factor of 1.5. Therefore, oxidized Si-SiO2Bonding is accompanied by local stress generation. This is the main cause of the interface order. Therefore, SiO2Better Si-SiO due to the deposition of2Si-SiO formed by oxidation relative to the rate at which bonds are formed2As the coupling ratio increases, a MOS interface having a high interface order is formed as a result. Quantitatively speaking, there are approximately 10 silicon bonds present at the interface.15(Cm-2) Is mostly SiO2A good bond is formed by the deposition of. But 10 of these10(Cm-2) When the above Si-O bond is formed by oxidation of silicon, this becomes an interface state. In other words, we are discussing 105One-hundred probability, that is, an interface state of a level that cannot be ignored when oxidation occurs even with one Si-O bond per 100,000. Such an interface formation mechanism naturally occurs at the initial stage of film formation. That is, SiO on the semiconductor2At the same time as the deposition starts, the oxidation process occurs. The present invention discloses this interface formation mechanism and also discloses that the activation energy of the interface order density formed by the oxidation described above is extremely large. In other words, the interface state density can be controlled by the substrate temperature. FIG. 4 shows the substrate temperature and the interface order density during the formation of the insulating film: Dit (cm-2eV-1) Shows the experimental result of the thermal annealing time dependence in a water atmosphere. As can be seen from this result, a considerable amount of interfacial order can be reduced by thermal annealing in a water atmosphere, but this treatment cannot repair the bond once oxidized. However, the probability of oxidation occurring on the silicon surface can be dramatically reduced by lowering the substrate temperature during film formation. This indicates that the oxidation occurring at the interface strongly depends on the substrate temperature, that is, the higher the substrate temperature, the easier the oxidation occurs. As can be seen from the graph, the interface order density is 1 × 10 5 by setting the substrate temperature to 100 ° C. or lower.11(Cm-2eV-1). Further, if the substrate temperature is set to about 100 ° C., it is possible to reduce the occurrence of OH bonds, which are reaction byproducts of plasma CVD, in the insulating film, so that the shift of flat band voltage and the reliability of the insulating film are improved. Since it can be secured, practically favorable conditions are given. Also in the above-described plasma treatment of the poly-Si film, diffusion of hydrogen atoms is promoted when the substrate temperature is as high as possible, which is advantageous in increasing the process throughput. For this reason, it is very effective to perform laser crystallization, plasma treatment, and gate insulating film formation in a continuous process in a vacuum under the condition that the substrate temperature is unified at 100 ° C. Alternatively, the film may be formed under conditions where the substrate is not heated. This is very advantageous in terms of manufacturing cost because the structure of the apparatus is simple, and it is not necessary to adjust the substrate temperature, so that extremely high throughput can be secured even in a continuous process in vacuum. In addition, by not heating the substrate, 8 × 1010(Cm-2eV-1It is possible to form an excellent MOS interface that provides a good interface order density. In film formation by plasma CVD, heat transfer from the plasma to the substrate occurs and the substrate temperature naturally rises. Therefore, it is also effective to positively control the substrate to a low temperature. That is, a better interface state density can be obtained by cooling the substrate temperature to about room temperature or below room temperature. As seen in FIG. 4, 3 × 10 at room temperature.10(Cm-2eV-1) Interface state density of 1 × 10 by further cooling the substrate to −50 ° C.10(Cm-2eV-1) Interface state density can be obtained. These interface state values are approximately the same as the interface state density obtained when an insulating film is formed of a thermal oxide film. That is, by reducing the substrate temperature when forming the insulating film, a very excellent MOS interface can be formed even at a low temperature. By using such an ultra-high quality MOS interface, the threshold voltage of the thin film transistor can be lowered to about 1V. As a result, an ultra-low power consumption circuit can be realized.
[0039]
The interface control technique as described above is particularly important when an insulating film is formed by plasma. This is because a large amount of oxygen active species is generated under reduced pressure. In other words, controlling the oxidation process occurring at a very small probability on the semiconductor surface by these oxygen active species is essential in forming the MOS interface using plasma. Furthermore, the effect of the technique disclosed in the present invention is remarkable in plasma CVD using microwave discharge. This is because microwave discharge plasma generally has an advantage of high plasma density, but 10-3This is because it is generated under a relatively low pressure of (Torr), so that the mean free path of electrons in plasma is long, and higher-order decomposition is promoted. That is, atomic oxygen and oxygen radicals are the main components of reaction rather than oxygen molecular radicals, and these are extremely active with respect to interface oxidation. Therefore, in forming an insulating film using microwave discharge plasma, the interface state density can be dramatically reduced by forming the film at a lower substrate temperature.
[0040]
As a specific process, the poly-Si film formed by laser crystallization is continuously subjected to a hydrogen plasma treatment in a vacuum, and then transferred to an insulating film forming chamber without breaking the vacuum. The temperature of the substrate is adjusted to 100 ° C. or lower in a vacuum chamber, and the background vacuum is 10-6(Torr) Evacuate until it reaches the stage. In this state, oxygen gas and silane gas (SiH) are placed in the vacuum chamber.4). In order to stabilize discharge, a method of diluting with He gas is also effective. In general, the oxygen gas flow rate is at least five times the silane gas flow rate. In this state, plasma discharge is performed and SiO2A film (105) is formed. There are parallel plate type RF discharge, ICP discharge, ECR discharge, and the like as discharge forms, and RF power supply, VHF, UHF power supply, and microwave source can be used as the power supply. The above is the gate insulating film formation step.
[0041]
As described repeatedly, a continuous process in vacuum is important for improving TFT characteristics and reducing variations. However, in order to increase the throughput of the process, it is required to unify the substrate temperature in the continuous process. As described in the foregoing description, in order to control the interface state density in the gate insulating film forming step, it is absolutely required to set the substrate temperature to 100 ° C. or lower. Therefore, a series of vacuum continuous processes of laser crystallization, plasma treatment, and gate insulating film formation are performed at a unified temperature of 100 ° C. or less. The temperature at this time is set to 100 ° C., no heating, or below room temperature depending on the temperature of the gate insulating film formation step.
[0042]
(5. Annealing process)
After the insulating film formation step, the substrate is taken out of the vacuum apparatus and heat-treated in a gas atmosphere containing hydrogen gas at a substrate temperature of 250 ° C. or higher. As described above, this is because the trap level in the poly-Si film is not reduced when low-temperature plasma treatment at 100 ° C. or less is performed after laser crystallization. However, in the present invention, hydrogen atoms having a sufficiently high density compared to the density of dangling bonds are already introduced into the poly-Si film exposed to hydrogen plasma, and these hydrogen atoms are activated and diffused by heat treatment. Further, it is disclosed that the termination of the dangling bond is possible by promoting the reaction with the dangling bond. In particular, in the case of hydrogen, heat treatment at 400 ° C., which is slightly lower than the desorption temperature of 420 ° C., is effective for activation in the poly-Si film. Alternatively, it is also effective to perform heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher in an atmosphere containing moisture. In addition to being able to reduce the trap level in the poly-Si film by heat treatment in a moisture atmosphere, the insulating film (105) formed at a low substrate temperature in the above step is a reaction byproduct, Si-OH. The purpose is to improve this because it contains many bonds and has poor bulk insulating film characteristics. In particular, defects in the insulating film existing in the vicinity of the MOS interface to the extent that carriers can be exchanged with the semiconductor surface also affect the MOS interface state. FIG. 5 shows CV characteristics immediately after the insulating film is formed and after the annealing. If many OH bonds exist in the vicinity of the interface of the insulating film, this adversely affects the interface characteristics. In addition, the breakdown voltage of the bulk insulating film is reduced. However, this Si—OH bond can be dramatically reduced by performing a heat treatment in a steam atmosphere at 100 ° C. or higher. It is clear from FIG. 5 that this effect is enormous. As a result, it is possible to dramatically reduce the interface order and to ensure the withstand voltage and reliability. In particular, a processing temperature of about 300 ° C. is effective for realizing improvement of the insulating film in a short time. As described above, the heat treatment in the moisture atmosphere is extremely effective for reducing the trap level in the poly-Si film and at the MOS interface. However, in order to realize this effect at a lower temperature and in a shorter time, the atmospheric pressure or higher is used. It is effective to perform the heat treatment in a pressurized moisture atmosphere of 100 ° C. or higher. This is because the diffusion of hydrogen atoms and oxygen atoms into the insulating film and the poly-Si film can be accelerated and the reaction rate can be increased. Specifically, heat treatment may be performed in a saturated moisture atmosphere at 190 ° C. under a pressure of about 40 atmospheres.
[0043]
As described above, the trap levels in the poly-Si film, MOS interface, and further in the insulating film are dramatically improved by performing heat treatment following the previous laser crystallization, plasma processing, and gate insulating film formation. It can be reduced. In this embodiment, the case where the heat treatment is performed immediately after the continuous process in vacuum is described. However, even if this heat treatment is performed in a later process, the same effect can be obtained.
[0044]
(6. Element isolation step) (FIG. 1D)
A very high quality MOS structure was formed by laser crystallization, plasma treatment, continuous process in vacuum of MOS interface formation and heat treatment. Next, an element isolation step is performed to electrically insulate the TFT elements from each other. Here, as shown in FIG. 1, the insulating film and the poly-Si film are continuously etched. After a pattern is formed on the insulating film (105) by photolithography, SiO or SiO2 is formed by wet or dry etching.2Etch. Subsequently, the poly-Si film is etched by dry etching. Here, SiO2Since the two layers of the poly-Si film and the poly-Si film are etched, care must be taken so that the edge shape after the etching does not become wrinkled.
[0045]
(7. Formation of second stage gate insulating film) (FIG. 1E)
Island-like SiO2After the poly-Si film is formed, a gate insulating film (106) is further formed on the entire surface of the substrate. Examples of the method for forming the gate insulating film include an ECR plasma CVD method and a parallel plate RF discharge plasma CVD method. Alternatively, the insulating film may be formed by again depositing SiO in oxygen radicals. However, if the second-stage insulating film does not have a good step coverage, it may cause an electrical short circuit at the step portion or a decrease in breakdown voltage. For this reason, plasma CVD using TEOS and oxygen having excellent step coverage as raw material gas is effective. In addition, since the first stage insulating film is formed at a low temperature, the withstand voltage tends to be low. However, by forming the insulating film at a substrate temperature of 100 ° C. or higher as the second stage, the withstand voltage of the entire insulating film can be improved. FIG. 6 shows a case where the breakdown voltage of the insulating film is examined only by forming the first stage insulating film (substrate temperature 100 ° C.) (single layer), and the second stage insulating film forming (substrate temperature 300 ° C., TEOS + O2This is a result of investigating the breakdown voltage of the double-layer insulating film (double layer). As is clear from this, it is possible to improve the breakdown voltage of the insulating film to about 7 (MV / cm), which is practically sufficient, by the two-stage insulating film forming method disclosed in the present invention. Thus, by using different insulating film formation methods for MOS interface formation and bulk insulating film formation, it is possible to realize both excellent MOS interface characteristics and bulk insulating film characteristics that could not be realized by conventional low-temperature processes. It can be done.
[0046]
(8. Subsequent steps) (FIGS. 1F and 1G)
Subsequently, a thin film to be the gate electrode (107) is deposited by the PVD method or the CVD method. This material has a low electric resistance and is desired to be stable to a heat process of about 350 ° C., and a high melting point metal such as tantalum, tungsten, or chromium is suitable. Further, when the source and drain are formed by ion doping, the thickness of the gate electrode needs to be about 700 nm in order to prevent hydrogen channeling. Among the refractory metals, tantalum is most suitable when it becomes a material that does not cause cracks due to film stress even if it has a film thickness of 700 nm. After depositing a thin film to be a gate electrode, patterning is performed, and subsequently impurity ion implantation is performed on the semiconductor film to form source / drain regions (108, 109). At this time, since the gate electrode is a mask for ion implantation, the channel has a self-aligned structure formed only under the gate electrode. Impurity ion implantation uses an ion doping method in which hydride and hydrogen of an implanted impurity element are implanted using a mass non-separable ion implanter, and ion implantation in which only a desired impurity element is implanted using a mass separated ion implanter. Two types of law can be applied. The source gas for the ion doping method is phosphine (PH) having a concentration of about 0.1% to about 10% diluted in hydrogen.3) And diborane (B2H6) Of the implanted impurity element such as In the ion implantation method, only a desired impurity element is implanted, and then hydrogen ions (protons and hydrogen molecular ions) are implanted. As described above, in order to keep the MOS interface and the gate insulating film stable, it is preferable that the substrate temperature at the time of ion implantation is 350 ° C. or lower, regardless of the ion doping method or the ion implantation method. On the other hand, in order to always stably activate the implanted impurities at a low temperature of 350 ° C. or lower (this is referred to as low-temperature activation in the present application), the substrate temperature at the time of ion implantation is desirably 200 ° C. or higher. In order to reliably activate impurity ions implanted at a low concentration at a low temperature, such as channel doping to adjust the threshold voltage of the transistor or creation of an LDD structure, it is necessary to The substrate temperature must be 250 ° C. or higher. When ion implantation is performed in such a state where the substrate temperature is high, recrystallization occurs at the same time as crystal breakage accompanying ion implantation of the semiconductor film, and as a result, it is possible to prevent the ion implantation portion from becoming amorphous. It is. That is, the ion-implanted region remains as crystalline after the implantation, and the implanted ions can be activated even if the subsequent activation temperature is as low as about 350 ° C. or less. When a CMOS TFT is formed, one of NMOS and PMOS is alternately covered with a mask using an appropriate mask material such as polyimide resin, and each ion implantation is performed by the method described above.
[0047]
Further, there is laser activation that irradiates an excimer laser or the like as an efficient method for activating impurities. This is a method of activating impurities by melting and solidifying doped poly-Si in the source and drain portions by laser irradiation through an insulating film.
[0048]
Next, contact holes are formed on the source / drain, and source / drain extraction electrodes (110, 111) and wirings are formed by a PVD method, a CVD method, or the like to complete the thin film transistor.
[0049]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The substrate and the base protective film used in the present invention conform to the above description, but here, as an example of the substrate, a 300 mm × 300 mm square general-purpose non-alkali glass (101) is used. First, a base protective film (102) which is an insulating material is formed on the substrate 101. Here, a silicon oxide film having a thickness of about 200 nm is deposited by ECR-PECVD at a substrate temperature of 150 ° C. Next, a semiconductor film (103) such as an intrinsic silicon film to be an active layer of the thin film transistor later is deposited. The thickness of the semiconductor film is about 50 nm. In this example, using a high vacuum type LPCVD apparatus, disilane (Si2H6) At 200 SCCM, and an amorphous silicon film 103 is deposited at a deposition temperature of 425 ° C. First, in a state where the reaction chamber of the high vacuum LPCVD apparatus is set to 250 ° C., a plurality of (for example, 17) substrates are arranged inside the reaction chamber with the front side facing downward. After this, the operation of the turbo molecular pump is started. After the turbomolecular pump reaches steady rotation, the temperature in the reaction chamber is increased from 250 ° C. to a deposition temperature of 425 ° C. over about 1 hour. During the first 10 minutes after the start of temperature increase, no gas is introduced into the reaction chamber and the temperature is increased in vacuum, and then nitrogen gas having a purity of 99.9999% or more is continuously supplied at 300 SCCM. The equilibrium pressure in the reaction chamber at this time is 3.0 × 10-3It is Torr. After reaching the deposition temperature, the source gas disilane (Si2H6) At 200 SCCM and 1000 SCCM of dilution helium (He) having a purity of 99.9999% or more. The pressure in the reaction chamber immediately after the start of deposition is about 0.85 Torr. As the deposition proceeds, the pressure in the reaction chamber gradually increases, and the pressure immediately before the end of the deposition is approximately 1.25 Torr. The silicon film (103) thus deposited has a film thickness variation within ± 5% within a 286 mm square area excluding the peripheral part of the substrate of about 7 mm.
[0050]
Next, laser crystallization is performed. Prior to this, the amorphous silicon film is immersed in a hydrofluoric acid solution, and the natural oxide film on the semiconductor film (103) is etched. In general, the surface on which the silicon film is exposed is very unstable, and easily reacts with the atmospheric substance holding the silicon thin film. Therefore, it is necessary to stabilize not only the natural oxide film but also the exposed silicon film surface in the pretreatment with laser irradiation. For this purpose, treatment with a hydrofluoric acid solution is desirable. The mixing ratio of hydrofluoric acid with pure water is 1:30. After being immersed in the hydrofluoric acid solution for about 20 to 30 seconds, pure water washing is immediately performed for 10 to 20 minutes. After this, pure water is removed with a spinner. As a result, the surface of the silicon film becomes a stabilized surface terminated with hydrogen atoms.
[0051]
Next, laser light is irradiated. In this example, xenon chloride (XeCl) excimer laser (wavelength: 308 nm) is irradiated. The intensity half width (half width with respect to time) of the laser pulse is 25 ns. After setting the substrate in the laser crystallization chamber, evacuation is performed. After evacuation, the substrate temperature is raised to 250 ° C. The laser irradiation area is a square of 10 mm square, and the energy density on the irradiated surface is 160 mJ / cm.2It is. Irradiation is repeated while overlapping the laser light by 90% (that is, by 1 mm for each irradiation) (see FIG. 2). In this way, the amorphous silicon of the entire substrate having a side of 300 mm is crystallized. A second laser irradiation is performed using the same irradiation method. The second energy density is 180 mJ / cm2It is. Repeat this for the third and fourth times and about 20 mJ / cm.2While gradually increasing the irradiation energy density, the final energy density is 440 mJ / cm.2The laser irradiation is terminated. 450 mJ / cm here2When high energy exceeding the irradiation laser energy density was irradiated, the p-Si grains were microcrystallized, so that further energy irradiation was avoided. In laser crystallization, the substrate was not heated positively, but was processed at a substrate temperature of about room temperature.
[0052]
Next, the substrate is transferred to a plasma processing chamber while maintaining a vacuum, and hydrogen gas is introduced into the chamber. In this example, 99.999% hydrogen gas was introduced from the mass flow controller, and the pressure in the chamber was adjusted to 1 (torr). In this state, discharge was performed by applying RF of 13.56 MHz to the parallel plate electrodes, and the trap level termination in the laser-crystallized poly-Si film by hydrogen was performed. Since the substrate was not heated, the substrate temperature was about room temperature and the input RF power was 3 W / cm.2It was. With this level of RF power, the substrate temperature rise due to heat inflow from the plasma is almost negligible. Since hydrogen can diffuse into the film in a sufficiently short time, it is efficiently diffused to a deep position of the poly-Si film and to the vicinity of the interface with the underlayer in a treatment of 160 seconds.
[0053]
Next, the substrate (100) is transferred to the insulating film forming chamber while maintaining the vacuum. After substrate transfer is completed, the inside of the chamber is 10-6(Torr) Exhaust to a degree of vacuum. The substrate is not actively heated here, and the substrate temperature is about room temperature. During this time, silane gas and oxygen gas were introduced into the chamber at a flow ratio of 1: 6, and the chamber pressure was 2 × 10.-3Adjust to (Torr). When the gas pressure in the chamber is stabilized, ECR discharge is started and film formation of the insulating film is started. The input microwave power was 1 kW, and the microwave was introduced from the introduction window parallel to the magnetic field lines. There is an ECR point at a position 14 cm from the introduction window. The film formation was performed at a film formation rate of 100 (nm / min.). As a result, a first-layer gate insulating film (105) was formed to a thickness of 30 nm.
[0054]
Next, the substrate was taken out of the vacuum chamber, set in a saturated steam atmosphere at 330 ° C., and heat-treated for 90 minutes. As a result, the hydrogen introduced into the poly-Si film by the previous hydrogen plasma treatment efficiently terminates the trap levels in the poly-Si film, and a good MOS interface can be simultaneously formed. Next, continuous etching of the poly-Si film and the first layer insulating film was performed. Subsequently, in the present example, the second layer insulating film (106) was deposited to a thickness of 70 nm at a substrate temperature of 350 ° C. by a parallel plate type rf discharge PECVD method. As the source gas, TEOS (Si- (O-CH2-CH3)4) And oxygen (O2) Was used. Subsequently, a thin film to be the gate electrode (107) is deposited by the PVD method or the CVD method. Usually, since the gate electrode and the gate wiring are made of the same material and in the same process, it is desirable that this material has a low electric resistance and is stable to a heat process of about 350 ° C. In this example, a tantalum thin film having a thickness of 600 nm is formed by sputtering. The substrate temperature when forming the tantalum thin film is 180 ° C., and an argon gas containing 6.7% nitrogen gas is used as the sputtering gas. The tantalum thin film thus formed has an α structure in crystal structure and a specific resistance of approximately 40 μΩcm. After depositing a thin film to be a gate electrode, patterning is performed, and subsequently impurity ion implantation is performed on the semiconductor film to form source / drain regions (108, 109) and a channel region. At this time, since the gate electrode is a mask for ion implantation, the channel has a self-aligned structure formed only under the gate electrode. The source gas for the ion doping method is phosphine (PH) having a concentration of about 0.1% to about 10% diluted in hydrogen.3) And diborane (B2H6) Of the implanted impurity element such as In this example, aiming at NMOS formation, an ion doping apparatus is used to dilute 5% phosphine (PH3) At an acceleration voltage of 100 keV. PH3 +And H2 +The total ion implantation amount including ions is 1 × 1016cm-2It is.
[0055]
Next, contact holes are formed on the source / drain, and source / drain extraction electrodes (110, 111) and wirings are formed by a PVD method, a CVD method, or the like to complete the thin film transistor.
[0056]
In the prior art, an effective process for forming a high-quality poly-Si film and a MOS interface at a low temperature and with a high throughput has not been clarified. However, as described above, extremely high quality poly-Si and MOS interface can be formed by using the thin film transistor manufacturing method of the present invention. As a result, a thin film transistor with high mobility, low threshold voltage, and extremely small variation can be manufactured, and an ultra-low power consumption circuit can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention along the process.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a laser beam irradiation method during laser crystallization.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a laser beam irradiation method during laser crystallization.
FIG. 4 is a diagram showing the substrate temperature dependence of the interface order density at the MOS interface.
FIG. 5 is a diagram showing a high-frequency CV characteristic of a MOS structure manufactured by a MOS interface forming process.
FIG. 6 is a graph showing the withstand voltage characteristics of a MOS structure formed by a two-step insulating film forming process of the present invention and a MOS structure formed by a single layer.
[Explanation of symbols]
101. . . substrate
102. . . Base insulation film
103. . . Semiconductor film
104. . . Laser light irradiation means
105. . . First layer gate insulating film
106. . . Second layer gate insulating film
107. . . Gate electrode
108. . . Source
109. . . drain
110. . . Source electrode
111. . . Drain electrode
201. . . Laser irradiation area
203. . . Move in x direction
204. . . y-direction movement
301. . . Line laser beam

Claims (7)

基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にて前記基板上の半導体層にレーザー光を照射し前記半導体層を結晶化する結晶化工程と、前記結晶化工程のあと、前記基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にて前記半導体層に水素プラズマ処理を施し、水素原子を前記半導体膜中に拡散させる水素プラズマ処理工程と、
前記水素プラズマ処理工程のあと、前記基板を加熱せず、前記基板の温度が100℃以下の条件にてプラズマCVD法を用いて前記半導体層上に第1ゲート絶縁膜を形成する第1ゲート絶縁膜形成工程と、
前記第1ゲート絶縁膜形成工程のあと、前記基板を加熱し、前記基板の温度が100℃以上の条件にて熱処理を施し、前記半導体膜中に拡散している前記水素原子を活性化させ、前記半導体膜中のダングリングボンドを終端させる熱処理工程と、
前記熱処理工程のあと、前記第1ゲート絶縁膜及び前記半導体膜をエッチングし島状の第1ゲート絶縁膜及び島状の半導体膜を形成するエッチング工程と、
前記エッチング工程のあと、前記島状の第1ゲート絶縁膜上に第2ゲート絶縁膜をプラズマCVD法を用いて形成する第2ゲート絶縁膜形成工程と、
前記第2ゲート絶縁膜形成工程のあと、前記第2ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Without heating the substrate, the semiconductor layer on the substrate is irradiated with laser light under the condition that the temperature of the substrate is 100 ° C. or less, and the semiconductor layer is crystallized. After the crystallization step, A hydrogen plasma treatment step in which the semiconductor layer is subjected to hydrogen plasma treatment without heating the substrate and the temperature of the substrate is 100 ° C. or less, and hydrogen atoms are diffused into the semiconductor film;
After the hydrogen plasma treatment step, a first gate insulation film is formed on the semiconductor layer using a plasma CVD method without heating the substrate and under a condition that the substrate temperature is 100 ° C. or less. A film forming step;
After the first gate insulating film formation step, the substrate is heated, heat treatment is performed under a condition where the temperature of the substrate is 100 ° C. or more, and the hydrogen atoms diffused in the semiconductor film are activated, A heat treatment step for terminating dangling bonds in the semiconductor film;
An etching step of etching the first gate insulating film and the semiconductor film to form an island-shaped first gate insulating film and an island-shaped semiconductor film after the heat treatment step;
A second gate insulating film forming step of forming a second gate insulating film on the island-shaped first gate insulating film using the plasma CVD method after the etching step;
And a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the second gate insulating film after the second gate insulating film forming step.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化工程と前記プラズマ処理工程とが真空中連続処理で行われる、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the crystallization step and the plasma treatment step are performed by continuous treatment in a vacuum.
請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1ゲート絶縁膜形成工程における前記プラズマCVD法はマイクロ波放電プラズマを用いて行われる、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the plasma CVD method in the first gate insulating film forming step is performed using microwave discharge plasma.
請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理は250℃以上の水素混合ガス雰囲気中でおこなう、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 1 thru | or 3,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the heat treatment is performed in a hydrogen mixed gas atmosphere at 250 ° C. or higher.
請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理は200℃以上の水分雰囲気中でおこなう、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the heat treatment is performed in a moisture atmosphere of 200 ° C. or higher.
請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を含むことを特徴とする光変調素子の製造方法。  A method for manufacturing a light modulation element, comprising the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を含むことを特徴とする表示装置の製造方法。  A method for manufacturing a display device, comprising the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
JP2001003027A 2001-01-10 2001-01-10 Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device Expired - Fee Related JP3925085B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001003027A JP3925085B2 (en) 2001-01-10 2001-01-10 Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001003027A JP3925085B2 (en) 2001-01-10 2001-01-10 Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002208707A JP2002208707A (en) 2002-07-26
JP3925085B2 true JP3925085B2 (en) 2007-06-06

Family

ID=18871434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001003027A Expired - Fee Related JP3925085B2 (en) 2001-01-10 2001-01-10 Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3925085B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040021758A (en) * 2002-09-04 2004-03-11 엘지.필립스 엘시디 주식회사 Method for fabricating of a poly-Si TFT
JP2005327925A (en) * 2004-05-14 2005-11-24 Dainippon Printing Co Ltd Method for manufacturing polycrystalline silicon film
US7781775B2 (en) 2006-01-25 2010-08-24 Sharp Kabushiki Kaisha Production method of semiconductor device and semiconductor device
WO2010067588A1 (en) * 2008-12-08 2010-06-17 国立大学法人東京農工大学 Method for reducing defect of semiconductor substrate and defect reducing device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002208707A (en) 2002-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6905920B2 (en) Method for fabrication of field-effect transistor to reduce defects at MOS interfaces formed at low temperature
US6455360B1 (en) Method for forming crystalline semiconductor layers, a method for fabricating thin film transistors, and a method for fabricating solar cells and active matrix liquid crystal devices
US6995053B2 (en) Vertical thin film transistor
JPH06232158A (en) Thin film transistor and manufacture thereof
JP3927634B2 (en) Laser annealing method and thin film transistor manufacturing method
JP3925085B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device, manufacturing method of light modulation element, and manufacturing method of display device
JP4200530B2 (en) Thin film transistor manufacturing method
JP3680677B2 (en) Semiconductor element manufacturing apparatus and semiconductor element manufacturing method
JP2004288864A (en) Thin film semiconductor, manufacturing method thereof, electro-optical device and electronic equipment
JP3911947B2 (en) Method for manufacturing field effect transistor
JP2002359192A (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2002237598A (en) Manufacturing method of thin-film transistor
JP4123410B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2002237600A (en) Manufacturing method of thin-film transistor
JP2002237599A (en) Manufacturing method of thin-film transistor
JP2001060690A (en) Manufacture of thin film transistor
JP2811763B2 (en) Method for manufacturing insulated gate field effect transistor
JPH1041513A (en) Method and device for manufacture of semiconductor element
JP2001053278A (en) Thin film transistor and manufacture of display device wherein it is used
JP2004273629A (en) Method for manufacturing thin-film transistor, electrooptical apparatus, and electronic equipment
JP2000277579A (en) Method for testing crystallinity of semiconductor thin film
JP2004349581A (en) Manufacturing method of thin film transistor, electrooptical device, and electronic apparatus
JP3684909B2 (en) Thin film transistor manufacturing method
JP2001053277A (en) Manufacture of thin film transistor
JP2002289862A (en) Method for manufacturing semiconductor thin-film transistor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040322

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20051202

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051213

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060322

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060518

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20060822

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20061016

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20061129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100309

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110309

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120309

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120309

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130309

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140309

Year of fee payment: 7

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees