JP4112451B2

JP4112451B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP4112451B2
Application number: JP2003272798A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: JP2004006953A

Description

本発明は、４００℃以下の低温で絶縁基板上に特性がよく信頼性の高い絶縁ゲイト型半導体装置およびそれらが多数形成された集積回路を歩留りよく形成する方法に関する。本発明による半導体装置は、液晶ディスプレー等のアクティブマトリクスやイメージセンサー等の駆動回路、あるいはＳＯＩ集積回路や従来の半導体集積回路（マイクロプロセッサーやマイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、あるいは半導体メモリー等）における薄膜トランジスタとして使用されるものである。

近年、絶縁基板上に絶縁ゲイト型半導体装置（ＭＯＳＦＥＴ）を形成する研究が盛んに成されている。このように絶縁基板上に半導体集積回路を形成することは回路の高速駆動の上で有利である。なぜなら、従来の半導体集積回路の速度は主として配線と基板との容量（浮遊容量）によって制限されていたのに対し、絶縁基板上ではこのような浮遊容量が存在しないからである。このように絶縁基板上に形成され、薄膜状の活性層を有するＭＯＳＦＥＴを薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）という。従来の半導体集積回路においても、例えばＳＲＡＭの負荷トランジスタとしてＴＦＴが使用されている。

また、最近になって、透明な基板上に半導体集積回路を形成する必要のある製品が出現した。例えば、液晶ディスプレーやイメージセンサーというような光デバイスの駆動回路である。ここにもＴＦＴが用いられている。これらの回路は大面積に形成することが要求されるのでＴＦＴ作製プロセスの低温化が求められている。また、例えば、絶縁基板上に多数の端子を有する装置で、該端子を半導体集積回路に接続する必要がある場合にも、実装密度を低減するために、半導体集積回路の最初の方の段、あるいは半導体集積回路そのものを、同じ絶縁基板上にモノリシックに形成することも考えられている。

従来、ＴＦＴは、アモルファスもしくはセミアモルファス、あるいは微結晶の半導体被膜を４５０℃〜１２００℃の温度で熱的なアニールをおこなうこと、もしくはレーザー等の強光を照射することによって、結晶性を改善し、良質な（すなわち、移動度の十分に大きな）半導体被膜に改善することがなされてきた。半導体被膜にアモルファス材料を使用するアモルファスＴＦＴもあるが、移動度が５ｃｍ^２／Ｖｓ以下、通常は１ｃｍ^２／Ｖｓ程度と小さく、動作速度の点からで、また、Ｐチャネル型のＴＦＴが得られない点からその利用は大きく制限されている。移動度が５ｃｍ^２／Ｖｓ以上のＴＦＴを得るには、上記のような温度でのアニールが必要であった。また、このようなアニールによってＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦＴ）を形成することができた。

しかしながら、上記のうち、特に高温を要するプロセスでは、基板材料が著しい制約を受けた。すなわち、いわゆる高温プロセス（最高プロセス温度が９００〜１２００℃のプロセス）では、ゲイト酸化膜として質のよい熱酸化膜が使用できるのであるが、基板は石英やサファイヤ、スピネルのような高価で大面積化の困難な材料しか使用できなかった。

これに対し、低温プロセス（最高プロセス温度が７５０℃以下のプロセス、レーザー照射による結晶化プロセスも含む）では、高温プロセスよりも基板材料の選択の巾は広がるが、低温でステップカバーレージのよい絶縁膜を高いスループットで形成する技術も課題であった。低温での絶縁膜の形成方法としてはスパッタ法が利用されているが、ステップカバレージが悪く、また、スループットも十分でなかった。一方、テトラ・テトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を始めとするシリコン原子を含有する有機材料（以下、有機シランという）を気化させてこれを原料として、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、常圧ＣＶＤ等の化学的気相成長法によって、低温で高スループットの酸化珪素膜を得る技術が知られていたが、このようにして得られた膜には多くの炭素原子、炭化水素基が含まれ、これらがクラスターを形成し、トラップセンターとなった。このため絶縁特性も十分でなく、また、界面準位密度が非常に大きいためゲイト絶縁膜としては使用できなかった。

このような有機シランを原料として形成された酸化珪素膜は、そのままではゲイト絶縁膜のような十分な電気特性が要求される材料には使用できず、通常、６００℃以上の温度で長時間の酸化処理を必要とした。このような熱処理が基板にダメージを与え、また、スループットを低下させる原因となることが問題であった。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたもので、低温でのステップカバレージのよい酸化膜の形成と、スループットの向上、さらにその酸化膜の質を向上させることを目的とする。また、このような技術の積み重ねによって最高プロセス温度が４００℃以下のＴＦＴの作製方法を提案するものである。

本発明の第１の方法は、有機シランを各種ＣＶＤ法によって分解・堆積することによって酸化珪素膜を形成し、これをパルスレーザー光の照射によってその特性を改善せしめ、特に膜中に含まれる炭素や炭化水素基を排除し、よって、トラップセンターを無くし、これをＴＦＴのゲイト絶縁膜に使用することを主旨とするものである。本発明で使用するパルスレーザーとしては、ＫｒＦ、ＡｒＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦ等のエキシマーレーザーのような紫外光レーザーが望ましい。また強光としては、紫外光または赤外光を用いることが望ましい。紫外光は、後述するように、膜中に含まれる炭素や炭化水素基を排除する作用を有する。また赤外光は、膜を急速に加熱し、膜中の欠陥や不対結合手等のトラップセンターを減少させる効果がある。

また、レーザー照射や赤外光の照射によって、半導体被膜の結晶性の改善（例えばアモルファス状態から結晶化状態へ変えること）をおこなうことも可能である。もちろん、半導体被膜の結晶性の改善と酸化珪素膜の改質を別々におこなうことも可能である。

本発明の第２の方法は、有機シランを各種ＣＶＤ法によって分解・堆積することによって酸化珪素膜を形成し、これを酸素、オゾン、酸化窒素等を含む酸化性の雰囲気にさらし、１５０〜４００℃まで、加熱した状態で、３００ｎｍ以下の波長の紫外光の照射によって膜中に含まれる炭素や炭化水素基を排除し、よって、トラップセンターを無くし、これをＴＦＴのゲイト絶縁膜に使用することを主旨とするものである。

もちろん第１の発明と第２の発明を組み合わせてもより一層の効果が得られる。例えば、有機シランを原料とした酸化珪素膜を酸化雰囲気中にさらして、１５０〜４００℃に加熱して、波長３００ｎｍの紫外光レーザーを照射してもよい。

ＴＥＯＳ等の有機シラン（その炭化水素基、エトキシ基、水素等の一部がフッ素によって置換されているものを含む）は多くの場合、常圧・室温では液体であるので、必要に応じて、これを減圧下で昇温して気化させ、反応チャンバーに導入する。プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を得る場合には、有機シランに酸素を適量混合し、また、キャリヤガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを混入させて反応をおこなう。減圧ＣＶＤもしくは常圧ＣＶＤによって作製する場合には、有機シランとオゾンとを混入し、必要に応じて上記のキャリヤガスを混入して、反応をおこなえばよい。

この結果、もはや半導体被膜の結晶性を改善するためのアニールが最高プロセス温度を決定するのではなく、その他の要因（例えば、水素化アニールやゲイト酸化膜のアニール等）が最高プロセス温度を決定することとなり、基板の選択の巾は著しく改善される。具体的には最高プロセス温度は４００℃以下である。特に、従来であれば熱的な膨張やソリ等の影響で大面積基板上ではパターンがずれてしまったが、本発明では上述の通り４００℃以下のプロセスであるので、何ら問題が生じない。例えば３００ｍｍ×４００ｍｍというような大きな基板であっても極めて精度良く多数のＴＦＴを作製することができる。このため、多面取りによってスループットを向上させることが可能である。

また、基板の選択に関しては、例えば、ソーダーガラスは、軟化点が低く、従来はＴＦＴをその上に形成して動作させることは不可能とされてきたが、本発明によって適切な処置を施せばＴＦＴを動作させることが可能である。

本発明の第１の応用例としては、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）ＴＦＴを用いたアクティブマトリクス（ＡＭ）型の液晶表示装置（ＬＣＤ）の周辺回路がある。ａ−ＳｉＴＦＴ−ＡＭＬＣＤは、基板として無アルカリガラス（例えばコーニング７０５９）を用い、通常４００℃以下の温度でａ−ＳｉＴＦＴを形成するものである。ａ−ＳｉＴＦＴは、ＯＦＦ抵抗が高く、アクティブマトリクスのスイッチング素子としては理想的であるが、先にも述べたように動作速度が遅く、また、ＣＭＯＳが形成できないという理由から、周辺駆動回路は単結晶集積回路（ＩＣ）を使用し、マトリクスの端子をＴＡＢ等の方法でＩＣの端子に接続している。しかしながら、このような実装方法は、画素の大きさが小さくなるにしたがって、困難なものとなり、また、実装に要する費用がモジュールの大きな部分を占めるようになった。

しかしながら、従来のプロセスではマトリクスと同じ基板上に周辺回路を形成することは、熱的な問題から困難であった。しかしながら、本発明によって、ａ−ＳｉＴＦＴの形成に要する温度と同じ程度の温度でより移動度の大きなＴＦＴを形成することができるようになった。

第２の応用例としては、無アルカリガラスよりも安価なソーダガラス等の材料の上にＴＦＴを形成することである。この場合には、ＴＦＴをソーダガラスに密着して形成すると、ガラス中に含まれるナトリウム等の可動イオンが侵入するので、ガラス上には窒化珪素もしくは酸化アルミニウムを主成分とする絶縁被膜を形成し、さらにその上に酸化珪素等の材料で下地の絶縁膜を形成してから、本発明を適用してＴＦＴを形成することが望まれる。また、より不良を少なくするには、マトリクスのＴＦＴとしては、ＮＴＦＴよりもＰＴＦＴを用いることが好まれる。なぜならば、ＮＴＦＴでは、基板から可動イオンが侵入した場合にはチャネルが形成されてＴＦＴが常時オン状態となるが、ＰＴＦＴでは、例え可動イオンが侵入してもチャネルが形成されないからである。

第３の応用例としては、スタティックな駆動をする単純マトリクスのＬＣＤの周辺回路がある。例えば、強誘電性液晶材料（ＦＬＣ）は、メモリー性があるので、単純マトリクスであっても高コントラストが得られるが、従来は周辺回路はａ−ＳｉＴＦＴ−ＡＭＬＣＤと同じくＩＣをＴＡＢ等の方法で接続していた。同様に液晶のコレステリック相とネマティック相との間の相変化を利用してスタティックな動作をおこなうＬＣＤも周辺回路をＴＡＢ接続していた。また、ネマティック液晶と強誘電ポリマーを組み合わせることによってスタティックな駆動をおこなうＬＣＤ（例えば、特開昭６１−１１５２）も提案されているが、やはり周辺回路はＴＡＢ接続されることが前提とされている。

これらのＬＣＤは単純マトリクスであるので、安価な基板を使用して大画面が得られると同時により高精彩が得られることも特徴である。高精彩とするためには端子間のピッチを狭めなければならないが、そうするとＩＣ実装が困難となるという矛盾を抱えていた。本発明によって、安価な基板であっても熱的な問題を気にすること無く周辺回路をモノリシックに形成できる。

第４の応用例としては、金属配線が形成された後の半導体集積回路において、ＴＦＴを形成する、いわゆる３次元ＩＣが上げられる。その他にも様々な応用が可能である。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。

本発明によって、低温で極めて歩留りよくＴＦＴを作製することが出来た。特に大面積基板上にＴＦＴを形成し、これをアクティブマトリクスや駆動回路に利用することによる産業上のインパクトは大きい。実施例では示さなかったが、本発明を単結晶結晶ＩＣやその他のＩＣの上にさらに半導体回路を積み重ねるといういわゆる立体ＩＣを形成することに用いてもよい。また、実施例では主として各種ＬＣＤに本発明を使用する例を示したが、その他の絶縁基板上に形成することが要求される回路、例えばイメージセンサー等においても本発明が実施できることは自明である。

本発明によって、ＴＦＴを作製する例を図１に示す。まず、基板（コーニング７０５９、３００ｍｍ×３００ｍｍもしくは１００ｍｍ×１００ｍｍ）１０１上に下地酸化膜１０２として厚さ１００〜３００ｎｍの酸化珪素膜を形成した。この酸化膜の形成方法としては、酸素雰囲気中でのスパッタ法やＴＥＯＳをプラズマＣＶＤ法で分解・堆積した膜を４５０〜６５０℃でアニールしてもよい。

その後、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によってアモルファス状のシリコン膜１０３を３０〜１５０ｎｍ、好ましくは５０〜１００ｎｍ堆積した。そして、図１（Ａ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、シリコン膜１０３の結晶性を改善させた。レーザー照射装置は図３（Ｂ）に示されるものを用いた。この結晶性の改善は、ＲＴＡ（ラピッドサーマルアニール）法、即ちレーザー光と同等の強光を照射することによって行ってもよい。また、レーザー光の照射や加熱によって結晶化させたシリコン膜に対して、上記強光の照射によるアニールを行い、さらに結晶性を助長させる方法も有効である。特にこの強光として、赤外光（例えば、波長１．３μｍにピークを有するハロゲン光）を用いた場合、ガラス基板よりシリコン膜により多くの吸収がなされるので、シリコン膜のみを選択的に加熱することができ、有用である。

レーザー照射時には、試料の温度を１５０〜４００℃に加熱した。また、雰囲気は１０ｍｔｏｒｒ以下とした。この結果、結晶性を良好にすることができた。レーザーのエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ^２、好ましくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２とした。このようにして形成されたシリコン膜１０３の結晶性をラマン散乱分光法によって調べたところ、単結晶シリコンのピーク（５２１ｃｍ^−１）とは異なって、５１５ｃｍ^−１付近に比較的ブロードなピークが観測された。

次にシリコン層１０３を島状にパターニングして、ＮＴＦＴ領域１０４とＰＴＦＴ領域１０５を形成した。さらに、ＴＥＯＳを原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜４００℃、好ましくは２００〜２５０℃で、ＲＦプラズマＣＶＤ法で酸化珪素膜を分解・堆積し、これをゲイト酸化膜１０６とした。ＴＥＯＳと酸素の圧力比は１：１〜１：３、また、圧力は０．０５〜０．５ｔｏｒｒ、ＲＦパワーは１００〜２５０Ｗとした。この工程においては、やはりＴＥＯＳを原料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法もしくは常圧ＣＶＤ法によって、基板温度を１５０〜４００℃、好ましくは２００〜２５０℃として形成してもよい。

このような酸化膜中には多量の炭化水素基が含まれており、そのため、膜には多数のトラップセンターが存在し、このままではゲイト酸化膜としては使用できない。そこで、図３（Ｂ）に示す装置によってレーザー照射をおこなって、酸化膜中のトラップセンターを減少せしめた。図に示すように、チャンバー３０８には、酸素ガス導入口３１０と排気ポート３１３、石英製の窓３０９が設けられ、また、チャンバー内にはヒーター３１４を有するホルダー３１１が配置され、その上に試料３１２が置かれる。そして、窓３０９を通して、レーザー光もしくは強光が試料に照射される。この強光の照射を行うことで、上記酸化膜中のトラップセンターを減少させることができ、また半導体−酸化珪素膜界面の改質と酸化珪素膜の高密度化を行うことができる。

この工程は以下のようにして行われる。まず、チャンバー内に、十分な真空まで排気された後、酸素、オゾン、もしくは酸化窒素（ＮＯ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ等）が導入される。そして、レーザー光または強光の照射が行われる。この照射は１０ｔｏｒｒ以下の減圧下または大気圧の酸化雰囲気で行われる。レーザーはＫｒＦレーザー光を使用するのが一般的である。また強光としては、インコヒーレントな紫外光を用いる得る。レーザー光を用いる場合には、そのエネルギー密度を２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２と設定し、また、ショット数も１０回とした。この際、好ましくは、温度を１５０〜４００℃、代表的には３００℃に保つと良い。また強光として、赤外光、例えばハロゲン光（波長１．３μｍ）を用いて、ＲＴＯ（ラピッドサーマルオキシデーション）法を行うことも有用である。この方法は、赤外光を用いた急速な加熱を行うことによって、酸化膜中のトラップセンターを減少させるものである。この方法を用いた場合、被照射面が１０００〜１２００度の温度に急速に加熱され、半導体−ゲイト酸化膜界面の特性改善が行われる。このようなアニールの結果、ゲイト酸化膜の界面準位密度は１０^１１ｃｍ^−２以下に減少させることができる。

その後、厚さ２００ｎｍ〜５μｍのアルミニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、図１（Ｃ）に示すようにゲイト電極１０７、１０８を形成した。このとき、アルミニウムは後のレーザー照射に耐える必要があるので、電子ビーム蒸着によって形成した反射率の高いアルミニウム膜を用いた。電子ビーム蒸着で形成したアルミニウム膜では光学顕微鏡では粒の存在が確認できないほど表面が平坦であった。電子顕微鏡によって観測した結果、粒の大きさは２００ｎｍ以下であった。すなわち、使用するレーザーの波長よりも小さな粒径となるようにしなければならない。

その後、イオンドーピング法によって、各ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物を注入した。この際には、最初に全面にフォスフィン（ＰＨ_３）をドーピングガスとして燐を注入し、その後、図の島状領域１０４だけをフォトレジストで覆って、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）をドーピングガスとして、島状領域１０５だけに硼素を注入した。ドーズ量は、燐は２〜８×１０^１５ｃｍ^−２、硼素は４〜１０×１０^１５ｃｍ^−２とし、硼素のドーズ量が燐を上回るように設定した。

さらに、図１（Ｄ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、上記不純物領域の導入によって、結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させた。この際の装置としても、やはり図３（Ｂ）に示されるものを用いた。レーザーのエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ^２、好ましくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２とした。試料は特に加熱しなかった。こうして、Ｎ型不純物（燐）を領域１０９、１１０に、Ｐ型不純物（硼素）を領域１１１、１１２を形成した。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／□であった。その後、全面に層間絶縁物１１３として、ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３００ｎｍ形成した。基板温度は１５０〜４００℃、好ましくは２００℃〜３００℃とした。

そして、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを形成し、アルミニウム配線１１４〜１１６を形成した。図１（Ｅ）には、左側のＮＴＦＴとＰＴＦＴでインバータ回路が形成されていることが示されている。ＴＦＴの移動度はＮＴＦＴで５０〜１００ｃｍ^２／Ｖｓ、ＰＴＦＴで３０〜１００ｃｍ^２／Ｖｓが得られた。本実施例では最高プロセス温度は４００℃以下であるので、コーニング７０５９等の無アルカリガラスであれば、基板の縮みやソリ等は皆無である。このため、基板が本実施例の如く大きなものであってもパターンのずれが発生することはほとんどなく、したがって、大面積ディスプレーもしくはその駆動回路に応用する上で都合がよい。

ソーダガラス基板上にＴＦＴを形成し、アクティブマトリクス型の液晶表示素子を作製した例を示す。基板２０１としてはソーダガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使用した。ソーダガラスは多量のナトリウムを含有するので、このナトリウムがＴＦＴ中に拡散しないようにプラズマＣＶＤ法で全面に厚さ５〜５０ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍの窒化珪素膜２０２を形成した。このように、基板を窒化珪素または酸化アルミニウムの皮膜でコーティングしてこれをブロッキング層とする技術は、本発明人等の出願である特願平３−２３８７１０、同３−２３８７１４に記述されている。

ついで下地酸化膜２０３（酸化珪素）を形成した後、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラズマＣＶＤ法でシリコン膜２０４（厚さ３０〜１５０ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍ）を形成し、４００℃で１時間脱水素化を行った後、これをパターニングして島状の半導体領域（ＴＦＴの活性層）を形成した。さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０〜１２０ｎｍ、典型的には１００ｎｍ）２０５を形成した。基板温度はガラスの縮みやソリを防止するために４００℃以下、好ましくは２００〜３５０℃とした。しかしながら、この程度の基板温度では、酸化膜中には多量の炭化水素基が含まれ、多くの再結合中心が存在し、例えば、界面準位密度は１０^１２ｃｍ^−２以上でゲイト絶縁膜としては使用できないレベルのものであった。

そこで、図２（Ａ）に示すようにＫｒＦレーザー光またはそれと同等の強光を照射して、このシリコン膜２０４の結晶性を改善せしめると同時にゲイト酸化膜２０５の再結合中心（トラップセンター）を減少させ、ゲイト酸化膜２０５の特性の改善を図った。すなわち、本工程では、実施例１においては２つの工程に分けてなされていた、シリコン膜の結晶化と、ゲイト酸化膜の改善という２つの作用を１つの工程でおこなった。また、この場合において、強光を用いるのであれば、赤外光（例えば波長１．３μｍのハロゲン光）を用いたアニール法が効果的である。

好ましくはこのレーザー照射は１０ｔｏｒｒ以下の酸素過剰雰囲気の減圧下で行われる。なぜならば、減圧状態の方が酸化膜中の炭素原子の離脱が容易であるからである。酸素分圧は、例えば１〜１０ｔｏｒｒとした。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２と設定し、また、ショット数も１０回とした。好ましくは、温度を１５０〜４００℃、代表的には３００℃に保つと良い。レーザー照射の装置としては図３（Ｂ）に示すものを用いた。その結果、シリコン膜２０４は結晶性が改善され、また、ゲイト酸化膜の界面準位密度も１０^１１ｃｍ^−２以下に減少した。

次に、実施例１と同じ要領でアルミニウムのゲイト電極２０８を形成し、基板ごと電解溶液に浸漬して、これを陽極として通電し、ゲイト電極等のアルミニウム配線表面に陽極酸化物の被膜２０９を厚さ２０６ｎｍ形成した。このような陽極酸化の技術は本発明人等の出願である特願平４−３０２２０、同４−３８６３７、および同４−５４３２２に記述されている。この工程の完了した様子を図２（Ｂ）に示す。また、陽極酸化工程が終了した後に、逆に負の電圧、例えば−１００〜−２００Ｖの電圧を０．１〜５時間印加してもよい。このときには、基板温度は１００〜２５０℃、代表的には１５０℃とすることが好ましい。この工程によって、酸化珪素中あるいは酸化珪素とシリコン界面にあった可動イオンがゲイト電極（Ａｌ）に引き寄せられる。このように、陽極酸化後、もしくは陽極酸化中にゲイト電極に負の電圧を印加する技術は、本発明人等の出願の特願平４−１１５５０３（平成４年４月７日出願）に記述されている。

その後、Ｐ型の不純物として、硼素をイオンドーピング法でシリコン層に自己整合的に注入し、ＴＦＴのソース／ドレイン２０８、２０９を形成し、さらに、図２（Ｃ）に示すように、これにＫｒＦレーザー光を照射して、このイオンドーピングのために結晶性の劣化したシリコン膜の結晶性を改善せしめた。このときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ^２と設定した。このレーザー照射によって、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３００〜８００Ω／□となった。またこの工程において、強光、好ましくは赤外光の照射によるアニールを行うことも有用である。

その後、ポリイミドによって層間絶縁物２１０を形成し、さらに、画素電極２１１をＩＴＯによって形成した。そして、コンタクトホールを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多層膜で電極２１２、２１３を形成し、このうち一方の電極２１３はＩＴＯにも接続するようにした。クロム／アルミニウム多層膜は、下層にクロム膜２０〜２００ｎｍ、典型的には１００ｎｍ、上層にアルミニウム膜１００〜２０００ｎｍ、典型的には５００ｎｍが堆積されてできている。これらは連続的にスパッタ法にて形成することが望まれる。最後に、水素中で２００〜３００℃で２時間アニールして、シリコンの水素化を完了した。このようにして、ＴＦＴが完成した。同時に作製した多数のＴＦＴをマトリクス状に配列せしめてアクティブマトリクス型液晶表示装置とした。

本発明によって、ＴＦＴを作製する例を図１に示す。まず、基板１０１上に下地酸化膜１０２として厚さ１００〜３００ｎｍの酸化珪素膜を形成した。その後、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法によってアモルファス状のシリコン膜１０３を３０〜１５０ｎｍ、好ましくは５０〜１００ｎｍ堆積した。そして、図１（Ａ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、シリコン膜１０３の結晶性を改善させた。この結晶化は、レーザー光と同等の強光の照射によって、シリコン膜を１０００〜１２００度に加熱して行ってもよい。

次にシリコン層１０３を島状にパターニングして、ＮＴＦＴ領域１０４とＰＴＦＴ領域１０５を形成した。さらに、ＴＥＯＳを原料としＲＦプラズマＣＶＤ法で酸化珪素膜を分解・堆積し、これをゲイト酸化膜１０６とした。このような酸化膜中には多量の炭化水素基が含まれており、そのため、膜には多数のトラップセンターが存在し、このままではゲイト酸化膜としては使用できない。そこで、図３（Ａ）に示す装置によってレーザー照射またはそれと同等の強光の照射を行って、酸化膜中のトラップセンターを減少せしめた。また同時に酸化膜の高密度化を行った。強光の照射は、紫外光の照射によるものと、赤外光の照射による急速な加熱によるものとがある。図３に示すのは、チャンバー３０１に、シャワー状の酸素ガス導入管３０５と排気ポート３０６、紫外光ランプ３０３が設けられ、また、チャンバー内にはヒーター３０７を有するホルダー３０２が配置され、その上に試料３０４が置かれ、紫外光の照射によりアニールを行う場合の装置である。この場合、消費電力が４０Ｗで発光スペクトルが２５０ｎｍ付近にピークを持っている紫外光ランプを用いる。

チャンバー内は、シャワー状の酸素、オゾン、もしくは酸化窒素（ＮＯ_２、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ等）が試料に吹きつけられた。特にチャンバー内を真空にまで排気することはしなかった。紫外光照射処理は大気圧でおこなわれた。この紫外光と酸化性ガスとの光化学反応によって、活性状態の酸素、もしくはオゾンが生成し、これが酸化珪素膜中の炭素、炭化水素等と反応して、膜中の炭素原子を十分な量にまで減らすことができた。好ましくは、試料の温度を１５０〜４００℃、代表的には３００℃に保つと良い。その結果、ゲイト酸化膜の界面準位密度は１０^１１ｃｍ^−２以下に減少した。

図３（Ａ）の装置の代わりに、図３（Ｃ）に示される装置を使用してもよい。この装置には、チャンバー３１５に酸素導入口３２０と排気ポート３２１、紫外光ランプ３１７が設けられ、また、チャンバー内にはヒーター３１６とその上のホルダー３１８が配置され、その上に試料３１９が置かれる。この装置では、チャバー内を十分な真空にまで排気した後、酸素、オゾン、もしくは酸化窒素等の酸化性ガスを導入した。

その後、厚さ２００ｎｍ〜５μｍのアルミニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これをパターニングし、図１（Ｃ）に示すようにゲイト電極１０７、１０８を形成した。さらに、イオンドーピング法によって、各ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクとして自己整合的に不純物を注入し、図１（Ｄ）に示すようにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、上記不純物領域の導入によって、結晶性の劣化した部分の結晶性を改善させた。こうして、Ｎ型不純物（燐）を領域１０９、１１０に、Ｐ型不純物（硼素）を領域１１１、１１２を形成した。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／□であった。その後、全面に層間絶縁物１１３として、ＴＥＯＳを原料として酸化珪素膜を厚さ３００ｎｍ形成した。

そして、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホールを形成し、アルミニウム配線１１４〜１１６を形成した。図１（Ｅ）には、左側のＮＴＦＴとＰＴＦＴでインバータ回路が形成されていることが示されている。ＴＦＴの移動度はＮＴＦＴで５０〜１００ｃｍ^２／Ｖｓ、ＰＴＦＴで３０〜１００ｃｍ^２／Ｖｓが得られた。また、このようにして作製されたシフトレジスタ（５段）では、２０Ｖのドレイン電圧で１０ＭＨｚ以上の駆動を確認した。

本発明によるＴＦＴの作製方法を示す。本発明によるＴＦＴの作製方法を示す。本発明に使用したレーザー、紫外光処理装置の概念図を示す。

符号の説明

１０１絶縁基板
１０２下地酸化膜
１０３半導体領域
１０４島状半導体領域（ＮＴＦＴ用）
１０５島状半導体領域（ＰＴＦＴ用）
１０６ゲイト絶縁膜
１０７ゲイト電極（ＮＴＦＴ用）
１０８ゲイト電極（ＰＴＦＴ用）
１０９、１１０Ｎ型不純物領域
１１１、１１２Ｐ型不純物領域
１１３層間絶縁物
１１４〜１１６金属配線

Claims

絶縁基板上に窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜を形成し、
前記窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上にシリコン膜を形成し、
前記シリコン膜にレーザー光を照射し、
前記レーザー光を照射したシリコン膜を島状にパターニングし、
前記パターニングしたシリコン膜上にＴＥＯＳを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法によってゲイト酸化膜を形成し、
酸素を含む雰囲気中１０Ｔｏｒｒ以下の減圧下で、前記ゲイト酸化膜に赤外光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
絶縁基板上に窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜を形成し、
前記窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上にシリコン膜を形成し、
前記シリコン膜を島状にパターニングし、
前記パターニングしたシリコン膜上にＴＥＯＳを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法によって、ゲイト酸化膜を形成し、
酸素を含む雰囲気中１０Ｔｏｒｒ以下の減圧下で、前記ゲイト酸化膜及び前記パターニングしたシリコン膜に赤外光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
絶縁基板上に窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜を形成し、
前記窒化珪素膜または酸化アルミニウム膜上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上にシリコン膜を形成し、
前記シリコン膜を島状にパターニングし、
前記パターニングしたシリコン膜上にＴＥＯＳを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法によって、ゲイト酸化膜を形成し、
酸素を含む雰囲気中１０Ｔｏｒｒ以下の減圧下で、前記ゲイト酸化膜及び前記パターニングしたシリコン膜に赤外光を照射し、
前記ゲイト酸化膜上にゲイト電極を形成し、
不純物イオンを前記パターニングしたシリコン膜に注入してソース領域及びドレイン領域を形成し、
レーザー光を照射して前記ソース領域及び前記ドレイン領域を活性化し、
前記ゲイト酸化膜及び前記ゲイト電極上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜上に画素電極を形成し、
前記層間絶縁膜に前記ソース領域及び前記ドレイン領域へのコンタクトホールを形成し、
前記ソース領域と電気的に接続されるソース電極並びに前記ドレイン領域及び前記画素電極と電気的に接続されるドレイン電極を形成し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極はクロム膜及び前記クロム膜上のアルミニウム膜からなることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項３において、
前記クロム膜及び前記アルミニウム膜は連続的にスパッタ法にて形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。