JP4101409B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に多結晶シリコン膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法について説明する。ガラス基板上に、化学気相成長により、アモルファスシリコン膜を形成する。このアモルファスシリコン膜にエキシマレーザを照射し、多結晶化させる。レーザ照射による多結晶化は、ガラス基板の歪点以下の温度で行うことができるため、高価な石英基板を用いる必要がないという利点を有する。
【0003】
多結晶化されたシリコン膜の上に、厚さ100〜150nmのゲート絶縁膜を形成する。その上に、ゲート電極となる金属膜を形成する。金属膜とゲート絶縁膜をパターニングし、ソース及びドレイン領域となる多結晶シリコン膜を露出させる。露出した多結晶シリコン膜に不純物をドープすることにより、ソース及びドレイン領域を形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
エキシマレーザを用いて多結晶化を行うと、多結晶シリコン膜の結晶粒界に沿って突起が形成される。この突起は、石英基板上のアモルファスシリコン膜を電気炉で加熱して多結晶化する場合に形成される突起に比べて、高くなる。このため、多結晶シリコン膜の表面に比較的大きな凹凸が形成される。
【0005】
多結晶シリコン膜の表面に大きな凹凸が形成されていると、その上に薄いゲート絶縁膜を形成することが困難になる。また、突起の先端に電界が集中し絶縁破壊が起こりやすくなる。さらに、多結晶シリコン膜の表面の凹凸は、微細化の妨げになる。
【0006】
本発明の目的は、表面の凹凸の少ない多結晶シリコン膜を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、下地基板の表面上にアモルファスシリコンもしくは多結晶シリコンからなる第1の層を形成する工程と、前記第1の層に第1のレーザを照射して表面に突起または凹凸が形成された多結晶シリコンからなる第2の層に変化させる工程と、前記第2の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置き、該第2の層の表面に覆われている酸化シリコン膜を除去する工程と、酸化シリコン膜の除去された前記第2の層に、第2のレーザを照射して、第2の層の表面を平坦化する工程とを有し、該第2のレーザを照射する時の第2の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量が、前記第1のレーザを照射する時の前記第1の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量よりも少ない不活性ガス雰囲気中で該第2のレーザ照射を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0008】
酸化シリコン膜を除去して前記第2の層に、第2のレーザを照射すると、第2の層の表面平均凹凸を小さくすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、まず本発明に係る参考例による多結晶シリコン膜の形成方法について説明する。
【0010】
図1(A)に示すように、ガラス基板1の表面上に化学気相成長(CVD)により厚さ200nmのSiO2膜2を形成する。なお、SiO2膜2の代わりにSiN膜を形成してもよいし、SiNとSiO2との2層膜を形成してもよい。SiO2膜2の上に、プラズマ励起型化学気相成長(PE−CVD)により厚さ50nmのアモルファスシリコン膜3を形成する。
【0011】
図1(B)に示すように、大気中で、アモルファスシリコン膜3にXeClエキシマレーザを照射して多結晶化させることにより、多結晶シリコン膜3aを得る。エキシマレーザのビーム断面形状は幅1.2mmの帯状であり、一ショットの時間幅(パルス幅)は40nsである。この帯状の照射領域を、一ショットごとに、その長軸に直交する方向に移動させ、基板全面を走査する。あるショットの照射領域と次のショットの照射領域との重なった部分の割合(オーバラップ率)が、一ショットの照射領域の92〜99%程度になるように、照射領域を移動させる。エキシマレーザのエネルギ密度は、例えば300〜500mJ/cm2である。
【0012】
多結晶シリコン膜3aの表面に、結晶粒界に沿った突起4が形成される。原子間力顕微鏡(AFM)により測定した表面平均凹凸(RMS)は約14nmであった。また、アモルファスシリコン膜3の厚さ50nmを上回る高さの突起も観測された。
【0013】
また、酸素の存在する雰囲気中で熱処理を行ったため、多結晶シリコン膜3aの表面が酸化され、酸化シリコン膜5が形成される。
【0014】
図1(C)に示すように、フッ酸系のエッチング液を用いて酸化シリコン膜5を除去する。多結晶シリコン膜3aの表面が露出する。酸化シリコン膜5を除去した後の多結晶シリコン膜3aの表面平均凹凸は、約12nmであった。なお、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより酸化シリコン膜を除去してもよい。
【0015】
図1(D)の状態に至るまでの工程を説明する。酸化シリコン膜5を除去した後、基板を素早く真空装置内に設置し、圧力が1×10-7Torrになるまで真空排気する。温度550℃で2時間の熱処理を行う。熱処理後の多結晶シリコン膜3aの表面平均凹凸は約6nmであった。
【0016】
上述のように、酸化シリコン膜5を除去した後、平坦化のための熱処理を行うことにより、多結晶シリコン膜5aの表面平均凹凸を小さくすることができる。なお、図1(C)に示す工程で行った酸化シリコン膜5の除去を行うことなく、平坦化熱処理を行った場合には、平坦化の効果は小さかった。これは、多結晶シリコン膜の表面が酸化シリコン膜で覆われていると、熱処理期間中のシリコン原子の移動が起こりにくいためと考えられる。上記実施例では、酸化シリコン膜5を除去した後、基板を素早く真空装置内に設置したが、基板を大気に曝すことなく平坦化のための熱処理を行うことがより好ましい。
【0017】
上記参考例では、平坦化の熱処理を、圧力1×10-7Torr、温度550℃の条件で行った。この熱処理時の圧力を1×10-5Torrにした場合には、温度550℃では平坦化がほとんど進まなかった。圧力1×10-5Torrの条件で温度を580℃まで上げると、第1の参考例の場合と同等の平坦化を行うことができた。
【0018】
上記第1の参考例では、図1(D)で説明した平坦化の熱処理を、真空装置内で行った。真空装置による熱処理の代わりにランプ加熱法を適用したところ、凹凸の低減量は少ないものの、表面平均凹凸の低減が見られた。
【0019】
次に、第2の参考例による多結晶シリコン膜の形成方法について説明する。上記第1の参考例で説明したように、図1(B)に示す多結晶化直後の多結晶シリコン膜3aの表面平均凹凸が約12nmであり、図1(B)に示す酸化シリコン膜5を除去した直後の多結晶シリコン膜3aの表面平均凹凸が約10nmであった。このように、酸化シリコン膜5を除去しただけで、表面平均凹凸がやや小さくなっている。これは、突起の先端部近傍が酸化されやすく、その部分の酸化シリコン膜が他の部分に比べて厚いためと考えられる。第2の参考例では、この現象を積極的に利用する。
【0020】
第1の参考例では、図1(B)に示す酸化シリコン膜5が形成された後、図1(C)に示す工程で酸化シリコン膜5を除去した。第2の参考例では、図1(B)に示す多結晶化後に、多結晶シリコン膜3aの表面を積極的に酸化する。この酸化は、例えば多結晶シリコン膜5の表面を酸素プラズマに晒すことにより行う。このとき、図1(B)に示す突起4の先端部近傍が優先的に酸化されると考えられる。
【0021】
酸素プラズマ処理後、CHF3をもちいたドライエッチングにより酸化シリコン膜を除去する。なお、第1の実施例の酸化シリコン膜除去と同様に、フッ酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより酸化シリコン膜を除去してもよい。その後、第1の参考例の図1(D)の工程と同様の平坦化のための熱処理を行う。
【0022】
第2の参考例による方法で形成された多結晶シリコン膜の表面平均凹凸は、約5nmであった。第1の参考例の場合に比べて、表面平均凹凸がより小さくなっていることがわかる。
【0023】
多結晶シリコン膜を用いてTFTを形成する場合、例えば、多結晶シリコン膜が幅数μmの帯状にパターニングされる。エキシマレーザ照射による多結晶化を行ったシリコン膜(表面平均凹凸12nm)を、幅3μmの帯状にパターニングしたところ、シリコンパターンの縁がぎざぎざになった。このぎざぎざは、TFTの微細化の妨げになる。また、シリコン膜の表面の凹凸が、エッチング特性に影響を与え、エッチング残渣が生じやすくなる。これに対し、第2の参考例による方法で作製した多結晶シリコン膜を幅3μmの帯状にパターニングしたところ、その縁は滑らかになった。このため、TFTの微細化を図ることが可能になる。
【0024】
上記第1の参考例では、図1(B)の工程で説明したように、エキシマレーザ照射によりアモルファスシリコン膜の多結晶化を行った。レーザ照射の代わりに、真空装置内で熱処理することにより多結晶化したシリコン膜の表面平均凹凸は、レーザ照射で多結晶化したシリコン膜の表面平均凹凸に比べて少ない。真空装置内で熱処理することにより多結晶化したシリコン膜の表面平均凹凸は、約4nmであった。この場合にも、第1の参考例の図1(C)に示す工程で行った酸化シリコン膜の除去、及び図1(D)に示す工程で行った平坦化のための熱処理を行うことにより、表面平均凹凸が低減することがわかった。
【0025】
例えば、石英基板上にアモルファスシリコン膜を形成し、600℃程度の高温熱処理で多結晶化したシリコン膜を平坦化したところ、表面平均凹凸が約3.8nmになった。また、ガラス基板上にNi含有のアモルファスシリコン膜を形成し、550℃程度の低温熱処理で多結晶化したシリコン膜を平坦化したところ、表面平均凹凸が約3.5nmになった。
【0026】
次に、図1及び図2を参照して、本発明の実施例による多結晶シリコン膜の形成方法について説明する。上記第1の参考例では、図1(B)の工程で説明したように、大気中でレーザ照射を行ってシリコン膜を多結晶化し、図1(D)の工程で説明したように、真空装置内で基板加熱することにより多結晶シリコン膜の表面の平坦化を行った。本発明の実施例では、多結晶化の処理のみならず平坦化の処理もレーザ照射により行う。すなわち、アモルファスシリコンを多結晶化するためのレーザ照射(1回目のレーザ照射)を行い、次に、多結晶シリコン膜を平坦化するためのレーザ照射(2回目のレーザ照射)を行う。
【0027】
本発明の実施例による半導体装置の製造工程を第1の参考例による製造工程と比較すると、第1の参考例の図1(C)で説明した酸化シリコン膜5の除去工程までが共通である。本発明の実施例では、図1(C)に示す多結晶シリコン膜3aにエキシマレーザを照射して表面の平坦化を行う。なお、第2回目のレーザ照射は、圧力1×10-1Pa、オーバラップ率95%の条件で行った。また、図1(B)に示す酸化シリコン膜5を除去した後、基板を大気に曝すことなく第2回目のレーザ照射を行うことが好ましい。
【0028】
図2を参照して、1回目のレーザ照射の条件について説明する。図2の横軸は、1回目のレーザ照射のレーザエネルギ密度を単位mJ/cm2で表し、縦軸は、表面平均凹凸を単位nmで表す。
【0029】
図2中の黒丸は、パルス幅40ns、帯状照射領域の幅1.2mm、オーバラップ率96%の条件でXeClエキシマレーザを照射して多結晶化した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を表す。図中の白丸は、圧力1×10-3Paの真空中でレーザ照射を行って得られた多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を表す。
【0030】
大気中でレーザ照射を行う場合には、エネルギ密度が400mJ/cm2のときに表面平均凹凸が最大になり、その値は約12nmにも達する。これに対し、真空中でレーザ照射を行う場合には、表面平均凹凸は5nm以下である。両者を走査型電子顕微鏡で観察したところ、大気中でレーザ照射を行ったシリコン膜の平均結晶粒径が約0.5μmであるのに対し、真空中でレーザ照射を行ったシリコン膜の平均結晶粒径は、0.25μm以下であった。大気中でレーザ照射を行ったシリコン膜の表面の突起は、結晶粒界に沿って形成されていた。
【0031】
真空中で第1回目のレーザ照射を行うことにより、表面平均凹凸の小さな多結晶シリコン膜が得られるが、この膜は、平均結晶粒径が小さい。平均結晶粒径の小さなシリコン膜では、十分な特性のTFTを得ることが困難である。
【0032】
図3に、本発明の実施例による方法で形成した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を、参考例と比較して示す。図3の横軸は、レーザエネルギ密度を単位mJ/cm2で表し、縦軸は、表面平均凹凸を単位nmで表す。図中の白四角が、本発明の実施例による方法で形成した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を示す。黒四角は、図1に示す酸化シリコン膜5を除去しないで第2回目のレーザ照射を行った場合を示す。横軸のレーザエネルギ密度は、第2回目のレーザ照射のエネルギ密度に相当する。なお、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度は、400mJ/cm2である。
【0033】
図3に記載された破線は、図2の黒丸で表した表面平均凹凸を示す。この場合の横軸は、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度に相当する。
【0034】
酸化シリコン膜の除去を行わないで第2回目のレーザ照射を行った場合、黒四角で示すように、レーザエネルギ密度が400mJ/cm2以下の範囲では、表面平均凹凸の低減はほとんど見られなかった。レーザエネルギ密度が400mJ/cm2以上の範囲では、表面平均凹凸の低減が見られたが、得られた多結晶シリコン膜の表面平均凹凸は、多結晶化のためのレーザ照射のみを、400mJ/cm2以上のエネルギ密度で行った場合と同等であった。
【0035】
これに対し、本発明の実施例の場合には、白四角で示すように、第2回目のレーザ照射により、表面平均凹凸の低減が見られた。特に、第2回目のレーザ照射時のエネルギ密度を400〜480mJ/cm2としたときに、表面平均凹凸が4nm以下になる。これは、真空炉加熱による固相成長で多結晶化したシリコン膜の表面平均凹凸と同程度である。
【0036】
本発明の実施例による方法で形成された多結晶シリコン膜を走査型電子顕微鏡で分析した。本発明の実施例による方法で形成された多結晶シリコン膜の結晶粒径は、第1回目のレーザ照射後の平均結晶粒径と同程度かやや拡大していることがわかった。また、結晶粒界に沿って形成されていた突起は、ほぼ消滅していた。
【0037】
第1回目のレーザ照射は、表面平均凹凸の大きくなるエネルギ密度で行うことが好ましい。このとき、結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜が得られる。例えば、表面平均凹凸が5nm以上になる条件で第1回目のレーザ照射を行うことが好ましい。また、第2回目のレーザ照射は、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度よりも大きなエネルギ密度で行うことが好ましい。これにより、多結晶シリコン膜の表面平均凹凸の低減効果を高めることができる。なお、第2回目のレーザ照射のエネルギ密度を高くしすぎると、シリコン膜の微結晶化が進む。このため、エネルギ密度を、微結晶化が生ずる閾値以下とすることが好ましい。また、第2回目のレーザ照射時に、基板を加熱してもよい。基板加熱を行うことにより、結晶の質を高めることが可能になる。
【0038】
本発明の実施例では、第2回目のレーザ照射時のオーバラップ率を95%としたが、その他のオーバラップ率としてもよい。本願発明者らの実験によると、オーバラップ率が90%未満のときには、平坦化の効果が少ないことがわかった。従って、第2回目のレーザ照射時のオーバラップ率を90%以上とすることが好ましい。なお、装置の制約からオーバラップ率を90%以上にできない場合には、例えば、同一個所に2ショットの照射を行い、オーバラップ率が80%になるように照射領域を移動させることにより、実質的にオーバラップ率90%の場合と同様の効果を得ることができるであろう。
【0039】
本発明の実施例では、第2回目のレーザ照射時の雰囲気の圧力を1×10-1Paとしたが、その他の圧力としてもよい。
【0040】
図4に、第2回目のレーザ照射時の雰囲気圧力と多結晶シリコン膜の表面平均凹凸との関係を示す。図4の横軸は圧力を単位Paで表し、縦軸は表面平均凹凸を単位nmで表す。圧力を大気圧から1×104Paまで低下させると、表面平均凹凸が急激に小さくなる。また、圧力が1×104Paから1×10-1Paまでの範囲では、圧力の低下に従って、表面平均凹凸が緩やかに小さくなる。圧力が1×10-1Pa以下になると、表面平均凹凸の低下傾向がより強くなる。
【0041】
図4から、第2回目のレーザ照射時の圧力を1×104Pa以下とすることが好ましく、1×10-1Pa以下とすることがより好ましいことがわかる。
【0042】
なお、第2回目のレーザ照射を、不活性ガス雰囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で行ってもよい。この場合、基板を収容した真空容器内に窒素ガスを満たす前に、圧力1×104Pa以下に真空排気することが好ましく、圧力1×10-1Pa以下に真空排気することがより好ましい。
【0043】
また、この結果より、第2回目のレーザ照射時の圧力を、第1回目のレーザ照射時の圧力よりも低くすることによって、多結晶シリコン膜の平坦化を行えることがわかる。つまり、第1回目のレーザ照射時の圧力を1×102Paとし、第2回目のレーザ照射時の圧力を1×10-3Paとしてもよいのである。これは、圧力が低下することによって酸素分圧が低下することが原因と考えられる。
【0044】
すなわち、レーザ照射時の全圧が重要なのではなく、レーザ照射時の雰囲気中の酸素分圧、もしくはシリコン膜表面の単位面積あたりに供給される酸素量が重要であると考えられる。いいかえると、第2回目のレーザ照射時の酸素分圧もしくはシリコン膜表面の単位面積あたりに供給される酸素量を、第1回目のレーザ照射時におけるそれよりも少なくすることにより、シリコン膜表面を平坦化することが可能になる。
【0045】
1回目のレーザ照射を圧力1×10-2Paの雰囲気中で行った後、1×10-3Paまで真空排気し、窒素で置換して圧力を1×105Paとする場合を考える。このとき、2回目のレーザ照射時の雰囲気圧力が1回目のレーザ照射時のそれよりも高くなる。しかし、酸素分圧に着目すると、2回目のレーザ照射時の方が1回目のレーザ照射時のそれよりも低い。このため、シリコン膜の平坦化を行うことが可能である。
【0046】
次に、1回目のレーザ照射時にシリコン膜の表面上に酸化シリコン膜が形成されている場合を考える。1回目のレーザ照射時の圧力を1×10-3Paとし、2回目のレーザ照射時の圧力を1×10-1Paとする。酸素分圧に着目すると、第2回目のレーザ照射時の方が第1回目のレーザ照射時よりも高い。ところが、第1回目のレーザ照射時には、シリコン膜表面に酸化シリコン膜が形成されているため、シリコン膜表面の単位面積あたりに供給される酸素量に着目すると、第2回目のレーザ照射時の方が第1回目のレーザ照射時よりも少なくなる。このため、シリコン膜の平坦化を行うことが可能になる。
【0047】
酸化シリコン膜を除去した後、大気中で第2回目のレーザ照射を行った場合には、平坦化の効果がみられなかった。このことから、第2回目のレーザ照射を、非酸化性雰囲気中で行うことが好ましいことがわかる。
【0048】
次に、第3の参考例による多結晶シリコン膜の製造方法について説明する。上記本発明の実施例では、第1回目のレーザ照射を大気中で行うことにより、平均結晶粒径の大きな多結晶シリコン膜を形成した。真空中で第1回目のレーザ照射を行う場合に比べて平均結晶粒径が大きくなるのは、シリコン膜の表面が酸化膜で覆われているためか、大気中に存在する酸素の影響であると考えられる。
【0049】
大気中で第1回目のレーザ照射を行う場合には、レーザ照射時の雰囲気、例えば湿度や気温によりシリコン膜表面の酸化シリコン膜の状態が変化し、形成される多結晶シリコン膜の状態、例えば結晶粒径等が変化してしまう可能性がある。第3の参考例では、第1回目のレーザ照射時の雰囲気の影響を受けにくい多結晶シリコン膜の形成方法が提供される。
【0050】
以下、図1を参照し、第1の参考例による多結晶シリコン膜の形成方法と比較しながら、第3の参考例を説明する。図1(A)に示すアモルファスシリコン膜3を形成した後、表面の酸化シリコン膜を除去する。酸化シリコン膜の除去後、アモルファスシリコン膜3の表面上に、一定の厚さの酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜の形成は、酸素雰囲気中で熱処理する方法、紫外線を照射する方法、酸素プラズマに曝す方法、化学気相成長(CVD)やスパッタリングにより酸化シリコン膜を堆積する方法等により行うことができる。
【0051】
アモルファスシリコン膜表面に酸化シリコン膜を形成した後、第1回目のレーザ照射を行い、アモルファスシリコン膜を多結晶化させる。第1回目のレーザ照射は、真空中または不活性ガス中で行う。図1(B)に示す多結晶シリコン膜3aが形成される。これ以降の工程は、上記第1の実施例の場合と同様である。
【0052】
図5に、アモルファスシリコン膜3の表面上に形成する酸化シリコン膜の厚さを変化させたときの結晶化度を、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度の関数として示す。横軸はエネルギ密度を単位mJ/cm2で表し、縦軸は結晶化度を単位%で表す。結晶化度は、シリコン膜に紫外線を照射したときの波長280nmの位置に現れる反射光のピークの高さによって評価した。なお、単結晶シリコンウエハを測定したときのピークの高さを結晶化度100%とした。図中の白丸は酸化シリコン膜を形成しない場合、黒丸及び黒四角は、それぞれ酸化シリコン膜の厚さが1nm及び10nmの場合を示す。
【0053】
酸化膜の厚さが10nmのとき、レーザエネルギ密度が340mJ/cm2を超えると、結晶化度が急激に低下する。このため、アモルファシシリコン膜の表面に形成する酸化シリコン膜の厚さを10nmよりも薄くすることが好ましい。
【0054】
第3の参考例では、第1回目のレーザ照射の前に、アモルファスシリコン膜の表面が酸化シリコン膜で覆われている。このため、多結晶シリコン膜の膜質が、第1回目のレーザ照射時の雰囲気の影響を受けにくい。
【0055】
第3の参考例では、第1回目のレーザ照射を行う前に酸化シリコン膜を形成したが、レーザ照射前に酸化シリコン膜を形成する代わりに、第1回目のレーザ照射時の雰囲気を制御することによっても、多結晶シリコン膜の膜質を安定化させることができるであろう。例えば、アモルファスシリコン膜の表面に形成されている酸化シリコン膜を除去した後、基板を真空容器内に配置し、酸素ガスの流量を制御しながらレーザ照射を行ってもよい。また、酸素ガスと不活性ガスとを、両者の流量比を制御しながら流してもよいであろう。
【0056】
また、不活性ガス中で基板加熱を行いながら第1回目のレーザ照射を行ったところ、第3の参考例の場合と同様の結晶粒径を有する多結晶シリコン膜を形成することができた。これは、基板加熱を行うことによって真空容器が加熱され、真空容器の壁に吸着されていた水分や酸素が容器内に放出されたため、または基板加熱の効果によって結晶粒径が大きくなったためと考えられる。
【0057】
上記本発明の実施例では、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度を400mJ/cm2としたが、結晶化度が大きくなる条件であれば、その他のエネルギ密度のレーザを照射してもよい。例えば、第1回目のレーザ照射のエネルギ密度の好適な範囲は360mJ/cm2以上である。なお、エネルギ密度を高くしすぎると、結晶化度は高くなるが微結晶化が生ずる。微結晶化が生ずると、シリコン膜にダメージが残ってしまうため、エネルギ密度を微結晶化が生ずる閾値以下とすることが好ましい。本願発明者らの実験によると、エネルギ密度を450mJ/cm2以上にしたときに微結晶化が生じた。なお、好適なレーザエネルギ密度は、使用するレーザのパルス幅、ビームプロファイル、基板加熱の有無等によって変化する。
【0058】
上記第3の参考例では、第1回目のレーザ照射時のオーバラップ率を95%とした。シリコン膜表面の一箇所に照射される回数が100回を超えると、膜表面の粗さが大きくなり、膜の受けるダメージも大きくなる。このため、1回目のレーザ照射時のオーバラップ率を99%以下とすることが好ましい。なお、第2回目のレーザ照射時にはオーバラップ率を99%以上にしてもシリコン膜がダメージを受けることはなかった。
【0059】
次に、上記本発明の実施例による方法で作製した多結晶シリコン膜を用いてTFTを作製する方法を説明する。
【0060】
図6(A)に示すように、ガラス基板1の表面上に、厚さ200nmのSiO2膜2及び厚さ50nmの多結晶シリコン膜3aが形成されている。ここまでの製造工程は、図1(A)から図1(D)に示す製造工程と同様である。多結晶シリコン膜3aは、第1〜第2の実施例のいずれかの方法で形成される。
【0061】
図6(B)に示すように、シリコン膜3aをパターニングして、多結晶シリコン薄膜の活性領域3cを残す。多結晶シリコン膜のエッチングは、CF4とO2との混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により行う。活性領域3cを覆うように、SiO2膜2の上にSiO2からなる厚さ120nmのゲート絶縁膜14を形成する。ゲート絶縁膜14の形成は、SiH4とN2Oを用いたプラズマ励起型化学気相成長(PE−CVD)により行う。
【0062】
ゲート絶縁膜14の表面のうち、活性領域3cの上方の一部の領域上に、AlSi合金からなる厚さ300nmのゲート電極15を形成する。ゲート電極15のSi濃度は0.2重量%である。AlSi合金膜の堆積は、スパッタリングにより行い、AlSi合金膜のエッチングは、リン酸系のエッチャントを用いて行う。
【0063】
図7(A)に示すように、ゲート絶縁膜14をパターニングし、ゲート絶縁膜14aを残す。ゲート絶縁膜14のエッチングは、CHF3とO2との混合ガスを用いたRIEにより行う。ゲート絶縁膜14aは、ゲート電極15の両側に約1μm程度張り出している。ゲート絶縁膜14aの両側には、活性領域3cが張り出している。
【0064】
図7(A)では、ゲート電極15とゲート絶縁膜14aとの位置合わせを、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて行うが、自己整合的に両者の位置合わせを行ってもよい。例えば、特開平8−332602号公報に開示されているAlゲート電極の陽極酸化を利用して、ゲート絶縁膜14aの張り出し部分を自己整合的に形成することができる。
【0065】
イオンドーピング法により、活性領域3cのうちゲート絶縁膜14aの両側に張り出した部分にリンイオンを注入する。このイオンドーピングは、ゲート絶縁膜14aに覆われている部分にリンイオンが注入されない条件で行う。
【0066】
図7(B)に示すように、イオンドーピング法により2回目のリンイオンの注入を行う。このイオンドーピングは、ゲート絶縁膜14aのうちゲート電極15の両側に張り出した部分の下方までリンイオンが到達する条件で行う。エキシマレーザアニールを行い、注入されたPを活性化させる。ゲート絶縁膜14aのうちゲート電極15の両側に張り出した部分の下方に、ソース低濃度領域11S及びドレイン低濃度領域11Dが形成される。さらにその外側に、ソース高濃度領域10S及びドレイン高濃度領域10Dが形成される。
【0067】
図8は、図7(B)に示したTFTを適用したアクティブマトリクス型液晶表示装置の断面図を示す。ガラス基板1の上にSiO2膜2が形成され、その表面上にTFT20が形成されている。
【0068】
TFT20を覆うように、SiO2膜2の上に、厚さ400nmのSiO2膜30が形成されている。SiO2膜30は、例えばPE−CVDにより形成される。SiO2膜30の、ドレイン高濃度領域10D及びソース高濃度領域10Sに対応する位置に、それぞれコンタクトホール31及び32が形成されている。コンタクトホール31及び32の形成は、例えばCHF3とO2との混合ガスを用いたRIEにより行う。
【0069】
SiO2膜30の表面上に、ドレインバスライン33が形成されている。ドレインバスライン33は、コンタクトホール31内を経由してドレイン高濃度領域10Dに接続されている。ドレインバスライン33は、厚さ50nmのTi膜と厚さ200nmのAlSi合金膜との2層構造を有する。
【0070】
SiO2膜30の表面上の、コンタクトホール32に対応する位置に、接続電極34が形成されている。接続電極34は、ソース高濃度領域10Sに接続されている。
【0071】
SiO2膜30の上に、ドレインバスライン33及び接続電極34を覆うように、SiN膜35が形成されている。SiN膜35の表面上に、インジウム錫オキサイド(ITO)からなる画素電極36が形成されている。画素電極36は、SiN膜35に形成されたコンタクトホールを介して接続電極34に接続されている。SiN膜35の上に、画素電極36を覆うように配向膜37が形成されている。
【0072】
ガラス基板1に対向するように、対向基板40が配置されている。対向基板40の対向面上に、ITOからなる共通電極41が形成されている。共通電極41の表面の所定の遮光すべき領域上に、遮光膜42が形成されている。共通電極41の表面上に、遮光膜42を覆うように配向膜43が形成されている。2枚の配向膜37及び43の間に、液晶材料50が充填されている。
【0073】
TFT20の活性領域3cは、本発明の実施例による方法で形成された多結晶シリコン膜であるため、その表面平均凹凸は小さい。このため、TFT20の微細化を図ることが可能になるとともに、電界の集中によるゲート絶縁膜の絶縁破壊を防止することができる。
【0074】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0075】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面平均凹凸の小さな多結晶シリコン膜を形成することが可能になる。この多結晶シリコン膜を用いて、信頼性が高く、かつ微細なTFTを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例による多結晶シリコン膜の作製方法を説明するための基板の断面図である。
【図2】 レーザ照射により多結晶化した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を、レーザエネルギ密度の関数として示すグラフである。
【図3】 本発明の実施例による方法及び比較例による方法で作製した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を、第2回目のレーザ照射時のレーザエネルギ密度の関数として示すグラフである。
【図4】 本発明の実施例による方法で作製した多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を、第2回目のレーザ照射時の雰囲気圧力の関数として示すグラフである。
【図5】 第3の参考例による多結晶シリコン膜の作製時に形成されるアモルファスシリコン膜上の酸化シリコン膜の厚さを変えたときの多結晶シリコン膜の表面平均凹凸を、第1回目のレーザ照射時のエネルギ密度の関数として示すグラフである。
【図6】 本発明の実施例による方法で作製した多結晶シリコン膜を用いてTFTを作製する方法を説明するための基板の断面図である。
【図7】 本発明の実施例による方法で作製した多結晶シリコン膜を用いてTFTを作製する方法を説明するための基板の断面図である。
【図8】 本発明の実施例による方法で作製した多結晶シリコン膜を適用したTFTを用いた液晶表示装置の断面図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板
2 SiO2膜
3 アモルファスシリコン膜
3a 多結晶シリコン膜
3c 活性領域
4 突起
5 酸化シリコン膜
10D ドレイン高濃度領域
10S ソース高濃度領域
11D ドレイン低濃度領域
11S ソース低濃度領域
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
20 TFT
30 SiO2膜
31、32 コンタクトホール
33 ドレインバスライン
34 接続電極
35 SiN膜
36 画素電極
37、43 配向膜
40 対向電極
41 共通電極
42 遮光膜
50 液晶材料
Claims (5)
- 下地基板の表面上にアモルファスシリコンもしくは多結晶シリコンからなる第1の層を形成する工程と、
前記第1の層に第1のレーザを照射して表面に突起または凹凸が形成された多結晶シリコンからなる第2の層に変化させる工程と、
前記第2の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置き、該第2の層の表面に覆われている酸化シリコン膜を除去する工程と、
酸化シリコン膜の除去された前記第2の層に、第2のレーザを照射して、第2の層の表面を平坦化する工程とを有し、
該第2のレーザを照射する時の第2の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量が、前記第1のレーザを照射する時の前記第1の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量よりも少ない不活性ガス雰囲気中で該第2のレーザ照射を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 下地基板の表面上にアモルファスシリコンもしくは多結晶シリコンからなる第1の層を形成する工程と、
前記第1の層に第1のレーザを照射して表面に突起または凹凸が形成された多結晶シリコンからなる第2の層に変化させる工程と、
前記多結晶シリコンに変化された第2の層の表面を酸化する工程と、
前記第2の層の表面を、酸化シリコンをエッチングする環境下に置き、該第2の層の表面に覆われている酸化シリコン膜を除去する工程と、
酸化シリコン膜の除去された前記第2の層に、第2のレーザを照射して、第2の層の表面を平坦化する工程とを有し、
該第2のレーザを照射する時の第2の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量が、前記第1のレーザを照射する時の前記第1の層の表面の単位面積あたりに供給される酸素量よりも少ない条件で該第2のレーザ照射を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1のレーザを照射する工程において、酸化性雰囲気中で前記第1のレーザを照射する請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の層を形成した後、前記第1のレーザを照射する前に、さらに、前記第1の層の表面を酸化シリコン膜で覆う工程を含む請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の層を形成する工程の後、前記酸化シリコンをエッチングする環境下に置く前に、前記第2の層の表面を酸化する工程を含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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