JP4128552B2

JP4128552B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP4128552B2
Application number: JP2004222717A
Authority: JP
Inventors: 直人楠本; 徹高山; 雅人米澤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: JP2005012232A

Description

本発明は、結晶性珪素膜を有する薄膜トランジスタの作製方法に関する。
本発明は、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質（アモルファス）珪素膜や結晶性シリコン膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させる、あるいは結晶性を向上させる方法に関する。
本発明は、結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタのしきい値制御に関する。

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質珪素膜や結晶性珪素膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する珪素膜）、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。

レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。

また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて（レーザービームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。

特に、線状レーザービームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線方向に直角な一方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことができる場合が多いため、高い量産性が得られる。

結晶性珪素膜を用いたＴＦＴは、チャネル形成領域を構成する結晶性珪素膜が真性の場合、一般的にそのしきい値は０Ｖよりやや負（−）側にシフトされ、立ち上がり開始電圧が、Ｎチャネル型の場合、−２〜−４Ｖぐらいになる傾向がある。その結果、ノーマリオン状態（ゲイト電圧が０Ｖであっても、ＯＮとなる状態）の傾向が著しくなる。

ノーマリオン状態になると、例えば、ＴＦＴをスイッチング素子として用いた場合、ゲイト電圧が０Ｖでも電流が流れてしまうため、スイッチをＯＦＦ状態にするためには、ゲイト電圧を常に正（＋）側にバイアスにしておく必要が生じ、このＴＦＴを使用して構成された回路は、消費電流が大きくなり、またバイアス電圧印加用の回路を設ける必要が生じるなどの問題が生じてしまう。

この問題を解決するために、従来は、Ｎチャネル型のＴＦＴを作製する場合でも、チャネル形成領域を構成する結晶性珪素膜に対して、Ｐ型の不純物、例えば硼素をドープして、しきい値電圧を正（＋）側にシフトさせる、しきい値制御が行われている。その結果、ノーマリオフ状態（ゲイト電圧が０Ｖのとき、ＯＦＦとなる状態）のＴＦＴを作製することができる。しかし、しきい値制御を行うために、作製工程数が増加してしまい、製造コスト低下の妨げになっている。

本発明は、上記課題を解決するものである。

上記課題を解決するために、本明細書で開示する構成は、
絶縁表面を有する基板上に設けられた非単結晶珪素膜を、水素雰囲気中でレーザーアニールする第１の工程と、
前記非単結晶珪素膜上に、ゲイト絶縁膜となる絶縁膜を形成する第２の工程とを有し、
前記第１の工程と前記第２の工程とが連続して行われることを特徴する半導体装置の作製方法である。

上記方法において、前記非単結晶珪素膜は、前記第１の工程と第２の工程との間において、大気に曝されないことは好ましい。

また、本明細書で開示する他の構成は、
レーザー照射室、基板搬送室、処理室を有し、前記各室は気密性を有する連続処理装置を用い、
前記レーザー処理室において、絶縁表面を有する基板上に設けられた非単結晶珪素膜を、水素雰囲気中でレーザーアニールする工程と、
前記基板搬送室を介して前記基板を前記処理室に運ぶ工程と、
前記処理室において、前記非単結晶珪素膜上に、ゲイト絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程とでなることを特徴とする半導体装置の作製方法である。

上記方法において、絶縁膜として窒化珪素膜または窒化珪素膜を含む多層膜を用いることは好ましい。

また、上記方法において、窒化珪素膜を含む多層膜は、前記非単結晶珪素膜上に成膜される酸化窒化珪素膜と、該膜上に成膜される窒化珪素膜とでなるものとすることは好ましい。

また、窒化珪素膜を含む多層膜は、前記非単結晶珪素膜上に成膜される酸化珪素膜と、該膜上に成膜される窒化珪素膜とでなるものとすることは好ましい。

また、窒化珪素膜を含む多層膜は、前記非単結晶珪素膜の表面を窒化して形成される窒化珪素膜と、該膜上に成膜される窒化珪素膜とでなるものとすることは好ましい。

本明細書において、連続とは、第１の工程と第２の工程との間に、第１の工程終了後の非単結晶珪素膜の、組成、膜質、形状、構造を変化させる工程を含まないことを意味する。

したがって例えば、第１の工程と第２の工程との間に、基板搬送工程、アライメント工程、徐冷工程、第２の工程に必要な温度まで基板を加熱する工程等を有することは、本明細書における連続の範囲にあるといえる。

他方、非単結晶珪素膜を、膜質を変化させる特定の雰囲気（例えば酸化雰囲気）に曝す工程、結晶性珪素膜の膜質を意図的に変化させる加熱工程（例えば、水素離脱を意図する加熱工程、酸化雰囲気等における加熱工程）、イオンドーピング、成膜、エッチング、プラズマ処理、被膜の塗布といった工程が、第１の工程と第２の工程との間にある場合、本明細書でいう連続の定義には当てはまらない。

〔作用〕
本発明は、非単結晶珪素膜にレーザーアニールを施して、結晶化また結晶性を向上させるに際し、非単結晶珪素膜を、水素を含有する雰囲気中に配置した状態で、レーザー照射を行うものである。

水素含有雰囲気にて、非単結晶珪素膜に対してレーザーアニールを行って得られる結晶性珪素膜を用いて、ＴＦＴを作製すると、作製されたＴＦＴはＮチャネル型、Ｐチネャル型とも、しきい値が２〜４Ｖ程度正（＋）側にシフトされ、立ち上がり開始電圧は０Ｖ付近またはそれ以上となる。理由はわかっていない。

したがって、従来行われていた、硼素をドープしてしきい値を制御する工程は全く不要とすることもできる。

レーザーアニール工程での雰囲気中の水素含有量が増えると、しきい値の正（＋）側へのシフトの度合いが大きくなる傾向がある。したがって、雰囲気中の水素含有量でしきい値のシフトの度合いを制御することが可能である。

このようにすることで、ＴＦＴの製造工程において、新たな工程を設けることなく、しきい値制御をすることが可能となる。そのため、従来の硼素をドープして行われたしきい値制御方法に比較して、ＴＦＴの製造工程を簡略化することができ、低コスト化を図れる。

加えて、水素雰囲気でのレーザーアニールによってしきい値をシフトさせても、Ｓ値（Ｖ／decade）で示される、ＴＦＴの電流−電圧特性の立ち上がり状態はほとんど変化せず、シフトによりＳ値が大きくなる（立ち上がりが悪くなる）ことはほとんどない。すなわち、しきい値のシフトによりＴＦＴのスイッチング時の立ち上がりが悪化することがない。

このように、水素雰囲気中のレーザーアニールにより、非単結晶珪素膜の結晶化、結晶性の向上をさせるとともに、結晶性珪素膜を用いて作製されたＴＦＴのしきい値を、Ｓ値を大きくすることなく、正（＋）側にシフトさせることができる。よって、スイッチング時の電流の立ち上がりのよい、ノーマリオフ状態を呈するＴＦＴが、製造工程数を増加させることなく得られる。

そして上記した水素雰囲気中でのレーザーアニールを第１の工程とし、第１の工程終了後の非単結晶珪素膜にゲイト絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程を第２の工程とする。そして、第１の工程と第２の工程とを連続して行うことで、第１の工程終了後の非単結晶珪素膜の状態の変化が極めて少ない状態で、ゲイト絶縁膜となる絶縁膜を形成できる。

そのため、水素雰囲気でのレーザーアニールで非単結晶珪素膜中に取り込まれて不対結合手を中和、補償している水素の離脱を極めて少なくし、チャネル形成領域中への水素の閉じ込めを良好に行うことができる。

その結果、しきい値の正側へのシフトの程度がより大きくなる。またチャネル形成領域の不対結合手の数が低減されるため、移動度が向上する。

また、チャネル形成領域とゲイト絶縁膜との間の界面が良好となって、Ｓ値が低減される。

さらに、第１の工程終了後の非単結晶半導体膜を大気に曝さないようにすることで、非単結晶珪素膜の表面への酸化膜の形成や不純物の付着を防ぐことができる。

その結果、界面の酸化膜や不純物といったトラップの要因を低減して、Ｓ値の低減、移動度の向上を得ると共に、不純物イオンによるしきい値の不安定性の発生を低減できる。

第１の工程と第２の工程を連続して、大気に曝さないように実施するために、レーザーアニールを行う室と絶縁膜を形成する室とが、気密性を有する基板搬送室を介して接続された、マルチャンバー型の連続処理装置を用いることは有効である。

さらに、作製されるゲイト絶縁膜を窒化珪素膜を含む多層膜とすることで、水素の閉じ込めが効果が増大し、より効果的である。

窒化珪素膜を含む多層膜としては、酸化珪素膜上に窒化珪素膜を設けたもの、酸化窒化珪素膜上に窒化珪素膜を設けたもの、非単結晶半導体の表面を窒化して得た窒化珪素膜上に窒化珪素膜を設けたもの等が好ましい。

絶縁膜として窒化珪素膜のみを用いてもよいが、多層膜に比較すると、作製された薄膜トランジスタの温度変化に対するしきい値の安定性が低下する。

水素雰囲気中でのレーザアニールを実施するには、雰囲気制御可能なレーザー照射室内において、非単結晶珪素膜にレーザーアニールを施すレーザーアニール装置であって、レーザー照射室内へ少なくとも水素を供給する手段を有するものを用いる。

また、水素を含有する雰囲気としては、水素と、窒素、ヘリウム、アルゴン、等の不活性気体や空気との混合気体が好ましい。

また、水素含有雰囲気において、水素は大気圧下において１ｐｐｍ以上、好ましくは、０．１％以上、さらに好ましくは１％以上含有されていることが好ましい。

また、レーザーアニールを行う際の、水素を含有する雰囲気を構成する水素および不活性気体は、その純度が、９９．９％（３Ｎ）以上、９９．９９９９９％（７Ｎ）以下のものが、特に好ましい。このような純度の気体を用いた雰囲気とすることで、安定した膜質、特性の結晶性珪素膜が得られる。雰囲気を構成する水素や不活性気体の純度が、３Ｎ未満であると、雰囲気中の不純物、例えば炭素、水、炭化水素等により、膜質や特性が不安定になりやすい。また、７Ｎより高純度のものを用いても、７Ｎ以下の場合と比べて効果に大差なく、コストが高くなるだけであるので、好ましくない。

レーザーアニール時の圧力は、大気圧でよい。また、レーザーアニール時の圧力を、大気圧以下、特に０．０１Ｔｏｒｒ以上、７００Ｔｏｒｒ以下に減圧して行う場合、パルスレーザーの複数回の照射による、結晶性珪素膜の上面や膜全体の荒れが少なくなり、好ましい。すなわち、耐パルスレーザー性が向上し、荒れの少ない膜が得られる。レーザーアニール時の圧力が、７００Ｔｏｒｒより大きいと、膜の荒れ方が大気圧とほとんど変わらなくなる。圧力が０．０１Ｔｏｒｒ未満となると、水素含有雰囲気を用いることによる、しきい値のシフトは、ほとんど認められなくなる。

また、レーザービームの照射は、被照射面における断面形状が、スポット状または線状のレーザービームを走査して行われることが好ましい。

また、レーザービームは、パルスレーザーを光源とするものであることが好ましい。

本発明により、レーザーアニールにより、非単結晶珪素膜の結晶化、結晶性の向上をさせるとともに、こうして作製された結晶性珪素膜を用いて形成されたＴＦＴのしきい値を、Ｓ値を大きくすることなく、正（＋）側にシフトさせることができる。すなわち、スイッチング時の電流の立ち上がりのよい、ノーマリオフ状態を呈するＴＦＴが、従来の硼素ドープによるしきい値制御のような製造工程数の増加を伴わずに、得ることができる。したがって、製造コストの低下を図ることができる。

また、水素雰囲気でのレーザーアニール工程とゲイト絶縁膜の形成工程を、途中で大気に曝さずに連続して行うことにより、ＴＦＴのチャネル形成領域の界面特性を向上させることができ、しきい値のシフトやＳ値を更に改善することができる。

〔実施例１〕
実施例１では、水素雰囲気中でのレーザーアニール工程の例を示す。
図２に、実施例の作製工程を示す。まず、基板２０１として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７上に、下地膜としての酸化珪素膜２０２が２００ｎｍ、その上に、非晶質珪素膜が、５０ｎｍ、共にプラズマＣＶＤ法にて、連続的に成膜される。

次に、１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、非晶質珪素膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程における問題はない。

次に、上記のようにして各膜が積層された基板２０１に、６００℃で４時間の熱アニールが施され、非晶質珪素膜が結晶化し、結晶性珪素膜２０３が形成される。（図２（Ａ））

このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化を促進させる。６００℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平６−２４４１０４号に記載されている。

触媒元素の濃度は、１×１０¹⁵〜１０¹⁹原子／ｃｍ³であると好ましい。１×１０¹⁹原子／ｃｍ³以上の高濃度では、結晶性珪素膜２０３に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅する。本実施例において、結晶性珪素膜２０３中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸原子／ｃｍ³である。これらの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析、測定したものである。

このようにして得られる結晶性珪素膜２０３の結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。

図１に、実施例におけるレーザー照射室を示す。図１は、レーザー照射室の側断面図である。

図３に、実施例におけるレーザーアニール装置の上面図を示す。ここでは、図３に示すマルチチャンバー型のレーザーアニール装置を用いる。図３におけるＡ−Ａ’断面を示す図が図１に相当する。

図１において、レーザー照射室１０１は、レーザー発振装置１０２から照射され、光学系１１２により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー１０３で反射させ、石英で構成された窓１０４を介して被処理基板１０５に照射される機能を有している。

レーザー発振装置１０２は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を用いてもよい。

被処理基板１０５は、台１０６上に設けられたステージ１１１上に配置され、台１０６内に設置されたヒーターによって、所定の温度（１００〜７００℃）に保たれる。

台１０６は、移動機構１０７によって、線状レーザービームの線方向に対して直角方向に移動され、被処理基板１０５上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。

雰囲気制御が可能なレーザー照射室１０１は、減圧、排気手段として、真空排気ポンプ１０８を有する。また、気体供給手段として、バルブを介して水素ボンベに接続された気体供給管１０９と、窒素やその他の気体のボンベにバルブを介して接続された気体供給管１１０を有する。

レーザー照射室１０１は、ゲイトバルブ３０１を介して、基板搬送室３０２に連結されている。

図３において、図１のレーザー照射室１０１がゲイトバルブ３０１を介して基板搬送室３０２に連結されている。

図３に示す装置の説明をする。ロード／アンロード室３０６に、被処理基板１０５が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット３１２が配置される。ロボットアーム３０５により、カセット３１２から一枚の基板がアライメント室に移動される。

アライメント室３０３には、被処理基板１０５とロボットアーム３０５との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室３０３は、ロード／アンロード室３０６とゲイトバルブ３０７を介して接続されている。

予備加熱室３０８は、レーザーアニールされる基板を所定の温度まで予備的に加熱して、レーザー照射室１０１において基板加熱に要する時間を短縮させ、スループットの向上を図るものである。

予備加熱室３０８は、その内部は円筒状の石英で構成されている。円筒状の石英はヒーターで囲まれている。また石英で構成された基板ホルダーを備えている。基板ホルダーには、基板が多数枚収容可能なサセプターが備えられている。基板ホルダーは、エレベーターにより上下される。基板はヒーターで加熱される。予備加熱室３０８は、基板搬送室３０２とは、ゲイトバルブ３０９によって連結されている。

予備加熱室３０８において、所定の時間予熱された基板は、ロボットアーム３０５によって基板搬送室３０２に引き戻され、アライメント室３０３にて再度アライメントされた後、ロボットアーム３０５によって、レーザー照射室１０１に移送される。

レーザー照射終了後、被処理基板１０５はロボットアーム３０５によって基板搬送室３０２に引き出され、徐冷室３１０に移送される。

徐冷室３１０は、ゲイトバルブ３１１を介して、基板搬送室３０２と接続されており、石英製のステージ上に配置された被処理基板１０５が、ランプ、反射板からの赤外光を浴びて、徐々に冷却される。

徐冷室３１０で徐冷された被処理基板１０５は、ロボットアーム３０５によって、ロード／アンロード室３０６に移送され、カセット３１２に収納される。

こうして、レーザーアニール工程が終了する。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。

図１、図３に示す装置を用いてレーザーアニールを行う工程を説明する。まず、被処理基板１０５（結晶性珪素膜２０３を有する基板２０１）は、ＨＦ水溶液、またはＨＦとＨ₂Ｏ₂の混合水溶液で洗浄されて自然酸化膜が除去された後、カセット３１２に納められ、カセット３１２がロード／アンロード室３０６に配置される。

図３において、本実施例においては、ロード／アンロード室３０６から搬送される被処理基板１０５は、予備加熱室における空気による酸化を防ぐため、アライメントされた後、予備加熱室３０８には搬送されず、直接レーザー照射室１０１に搬送される。ただし、予備加熱室３０８にて、結晶性珪素膜２０３上面が酸化されない程度に加熱することは有効である。また、予備加熱室３０８内を非酸化雰囲気、例えば窒素雰囲気として加熱を行ってもよい。

レーザー照射室１０１内は、真空排気ポンプ１０８により真空引きされた後、気体供給管１０９から水素が、気体供給管１１０から窒素がそれぞれ供給され、水素３％、窒素９７％の雰囲気となる。レーザー照射室内に供給される水素、窒素とも、その純度は、ここでは、９９．９９９９９％（７Ｎ）である。このとき、圧力は大気圧とする。

レーザー照射室１０１に搬送された被処理基板１０５は、ステージ１１１上に載置された状態で、台１０６内のヒータにより、２００℃に加熱される。

また、図１において、被処理基板１０５上に照射される線状レーザービームは、幅０．３４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ²〜５００ｍＪ／ｃｍ²の範囲で、例えば２６０ｍＪ／ｃｍ²とする。台１０６を２．５ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は２００Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０〜５０ショットのレーザービームが照射される。

このようにして結晶性珪素膜２０３に対し、レーザーアニールが施され、結晶性が向上される。（図２（Ｂ））

上記水素含有雰囲気でのレーザーアニールを、大気圧ではなく、それ以下、特に、０．０１Ｔｏｒｒ以上、７００Ｔｏｒｒ以下の減圧下で行ってもよい。このような減圧下でレーザーアニールを行うことで、アニールされた結晶性珪素膜の表面や膜全体の荒れを少なくすることができる。

その後、被処理基板１０５が徐冷室３１０に搬送され、徐冷の後、ロード／アンロード室３０６のカセット３１２に収納される。その後、カセットがレーザーアニール装置の外に取り出される。

次に、作製された結晶性珪素膜２０３を用いてＴＦＴを作製する。まず結晶性珪素膜２０３をエッチングして、島状領域２０５を形成する。

次に、ゲイト絶縁膜２０６となる酸化珪素膜が、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１２０ｎｍに形成される。原料ガスとして、ＴＥＯＳおよび酸素を用いる。成膜時の基板温度は、２５０℃〜３８０℃、例えば、３００℃とする。（図２（Ｃ））

次に、ゲイト電極２０７を作製する。アルミニウム膜をスパッタ法により、厚さ３００ｎｍ〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍ堆積させる。アルミニウム膜中に０．１〜２％の珪素を含有させてもよい。該膜をエッチングして、ゲイト電極２０７が作製される。

次に、不純物を添加する。Ｎチャネル型のＴＦＴを作製する場合、燐イオンが、ゲイト電極２０７をマスクとしてイオンドーピング法により、島状領域２０５に打ち込まれる。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃）を用いる。加速電圧は１０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、ドーズ量は、１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵原子／ｃｍ²、例えば、１×１０¹⁵原子／ｃｍ²とする。基板温度は室温とする。この結果、チャネル形成領域２１０と、Ｎ型の不純物領域として、ソース２０８、ドレイン２０９が形成される。

また、Ｐチャネル型のＴＦＴを作製する場合、硼素イオンが、ゲイト電極をマスクとしてイオンドーピング法により、島状領域２０５に打ち込まれる。ドーピングガスとして、水素で１〜１０％、例えば５％に希釈されたジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用いる。加速電圧は６０〜９０ｋＶ、例えば６５ｋＶ、ドーズ量は、２×１０¹⁵〜５×１０¹⁵原子／ｃｍ²、例えば、３×１０¹⁵原子／ｃｍ²とする。基板温度は室温とする。この結果、チャネル形成領域２１０と、Ｐ型の不純物領域として、ソース２０８、ドレイン２０９が形成される。（図２（Ｄ））

次に、ドーピングされた不純物を活性化するために、再び図３に示すレーザーアニール装置を用いて、線状レーザービームによりレーザーアニールを行う。レーザー照射室１０１内の雰囲気は、空気（大気圧）とする。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は１００ｍＪ／ｃｍ²〜３５０ｍＪ／ｃｍ²の範囲とし、ここでは１６０ｍＪ／ｃｍ²とする。線状レーザービームを走査させる。被照射物の一点に注目すると、２０〜４０ショットのレーザービームが照射される。基板温度は２００℃とする。その後、窒素雰囲気中にて２時間、４５０℃の熱アニールを行う。（図２（Ｅ））

続いて、酸化珪素膜が厚さ６００ｎｍ、プラズマＣＶＤ法により形成され、層間絶縁膜２１１が形成される。次に、エッチングにより層間絶縁膜２１１にコンタクトホールが開孔される。さらに、金属材料、例えば、チタンとアルミニウムの多層膜が形成、エッチングされることで、コンタクトホールを介して、ソース電極・配線２１２、ドレイン電極・配線２１３が形成される。

最後に、１気圧の水素雰囲気で、２００〜３５０℃の熱アニール処理が行われる。

このようにして、複数のＮチャネル型またはＰチャネル型の結晶性ＴＦＴが形成される。これらのＴＦＴの移動度は、Ｎチャネル型で、７０〜１２０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｐチャネル型で６０〜９０ｃｍ²／Ｖｓを有する優れたものである。（図２（Ｆ））

次に、上記した方法において、レーザーアニール時の雰囲気、およびレーザービームのエネルギー密度を変化させて、同様にしてＴＦＴを作製し、その特性の比較を行う。

図４に、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の、雰囲気とレーザービームのエネルギー密の依存性を示す。図４において、（ａ）はＮチャネル型、（ｂ）はＰチャネル型のＴＦＴの特性を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）において、ＴＦＴを構成する結晶性珪素膜が、上記工程で示した水素含有雰囲気Ｎ₂／Ｈ₂（３％）で作製されたものを◇、Ｎ₂１００％雰囲気で作製されたものを〇、Ｏ₂１００％雰囲気で作製されたものを□、Ｎ₂／Ｏ₂（２０％）雰囲気で作製されたものを▽で示す。各気体は、いずれも純度が９９．９９９９９％（７Ｎ）である。気圧は大気圧とする。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、水素含有雰囲気で作製されたＴＦＴは、他の雰囲気に比較して、Ｎチャネル型、Ｐチャネル型共に、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が、正（＋）側に大きくシフトしていることがわかる。すなわち、水素含有雰囲気でレーザーアニールを行うことにより、硼素をドープする等のしきい値制御を行わなくても、しきい値が正（＋）側にシフトされ、ノーマリオフ状態を実現できる。

図５に、Ｓ値の、雰囲気とレーザービームのエネルギー密度の依存性を示す。図５において、（ａ）はＮチャネル型、（ｂ）はＰチャネル型のＴＦＴの特性を示す。ＴＦＴを構成する結晶性珪素膜作製時の雰囲気を示す記号は、図４と同じである。

図４にて示したように、水素雰囲気で作製されたＴＦＴは、しきい値電圧が正（＋）側にシフトしているが、図５に示すように、シフトしてもＳ値が大きくなることはなく、スイッチング時の電流の立ち上がりが良好なものが得られる。

〔実施例２〕
実施例２では、実施例１におけるレーザーアニール時の水素含有雰囲気を実施例１より低下させ、０．５％とし、他は同様として結晶性珪素膜を形成する。
この結晶性珪素膜を用いて作製されたＴＦＴは、Ｓ値は実施例１のものとほとんど変わらない。また、従来の空気雰囲気でレーザーアニールされたものよりは、しきい値が正（＋）側にシフトされているが、実施例１のＴＦＴより少ないシフト量となる。すなわち、レーザーアニール時の雰囲気中の水素含有量により、しきい値のシフトの程度が制御できることがわかる。

〔実施例３〕
実施例３では、実施例４以降で使用する連続処理装置の例を示す。図８に実施例における連続処理装置の上面図を示す。図８の装置は、図３に示した装置に、プラズマ処理室を２つ加えた構成を有する。この装置を用いて、水素雰囲気中でのレーザーアニール工程に連続してゲイト絶縁膜を形成することができる。

図８において、基板搬送室８０１には、レーザー照射室８０２、予備加熱室８０３、徐冷室８０４、第１のプラズマ処理室８０７、第２のプラズマ処理室８０８、およびアライメント室８０６を介したロード／アンロード室８０５が、ゲイトバルブ８０９〜８１３を介して連結されている。

基板搬送室８０１には、基板搬送手段としてロボットアーム８１４が配置されている。ロード／アンロード室８０５には、複数枚の基板が納められるカセット８１５が配置される。

図８に示す構成のうち、基板搬送室８０１、レーザー照射室８０２、予備加熱室８０３、徐冷室８０４、ロード／アンロード室８０５、アライメント室８０６に関する説明は、実施例１で説明した図３に示す装置と同様の構成なので省略する。

図８において、第１の処理室８０７、第２の処理室８０８は、図示しない高周波電界発生手段および該手段に接続された平行平板型の電極を有し、基板上にプラズマ雰囲気を形成して各種のプラズマ処理が可能な、公知のプラズマ処理装置である。処理される基板は、平行平板型電極の一方の上に配置される。

第１の処理室８０７、第２の処理室８０８は、それぞれ気体供給手段および排気手段（図示せず）が設けられ、内部の雰囲気および圧力が制御可能となっている。

各処理室は、気体供給手段から室内に導入される気体を電極間に印加される高周波電界により活性化させ、基板上面に対して、成膜、窒化、酸化等のプラズマ処理を行うことかできる。

図８に示す装置は、各室および各室間の気密性が保たれている。また各室の雰囲気は任意に制御できる。このような装置によって処理される基板は、外部の雰囲気から遮断されるため、大気に触れることを防ぐことができる。

この装置により、結晶性珪素膜に対する水素雰囲気でのレーザーアニール工程とゲイト絶縁膜となる膜を形成する工程とを、工程間で結晶性珪素膜を大気に曝すことなく連続的に行うことができる。

〔実施例４〕
実施例４では、結晶性珪素膜に対する水素雰囲気でのレーザーアニールとゲイト絶縁膜の形成を連続的に行う例を示す。

図６に本実施例での薄膜トランジスタの作製工程を示す。実施例１と同様にして、コーニング１７３７等の基板６０１上に、下地膜としての酸化珪素膜６０２、非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法にて連続的に成膜し、酢酸ニッケル水溶液を塗布した後、６００℃、４時間の熱アニールを施し、結晶性珪素膜６０３が形成される。（図６（Ａ））

次に、結晶性珪素膜６０３を公知の方法によりエッチングして、島状領域６０４を形成する。

次に、図８に示す連続処理装置により、基板上の島状領域６０４に対する水素雰囲気中でのレーザーアニール工程とゲイト絶縁膜となる膜の形成工程を連続的に行う。

本実施例では、図８に示す基板搬送室８０１内は、窒素雰囲気とした。

まず、島状領域６０４が形成された被処理基板は、ＨＦ水溶液、またはＨＦとＨ₂Ｏ₂の混合水溶液で洗浄されて自然酸化膜が除去された後、カセット８１５に納められ、カセット８１５がロード／アンロード室８０５に配置される。

図８において、本実施例においては、ロード／アンロード室８０５から搬送される被処理基板は、予備加熱室における空気による酸化を防ぐため、アライメントされた後、予備加熱室８０３には搬送されず、直接レーザー照射室８０２に搬送される。ただし、予備加熱室８０３にて、島状領域６０４上面が酸化されない程度に加熱することは有効である。また、予備加熱室８０３内を非酸化雰囲気、例えば窒素雰囲気として加熱を行ってもよい。

レーザー照射室８０２内は、真空引きされた後、水素、窒素が供給され、水素３％、窒素９７％の雰囲気となる。レーザー照射室内に供給される水素、窒素とも、その純度は、ここでは、９９．９９９９９％（７Ｎ）である。このとき、圧力は大気圧とする。

その後、実施例１と同様の条件により水素雰囲気中でレーザーアニールを行う。このようにして島状領域６０４に対し、水素雰囲気中でのレーザーアニールが施され、結晶性が向上される。（図６（Ｂ））

その後、被処理基板が徐冷室８０４に搬送され徐冷される。この徐冷工程は必要に応じて実施する。

次に、ゲイト絶縁膜を形成する。本実施例では、ゲイト絶縁膜として、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜と窒化珪素（ＳｉＮ）膜との積層膜を用いる。

徐冷が終了し、徐冷室から搬出された基板は、大気に曝されることなく第１の処理室８０７に搬送され、レーザーアニール工程に連続して第１のゲイト絶縁膜６０６の形成が行われる。

まず、基板６０１が第１の処理室８０７に搬送され、該室内においてプラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜が形成され、第１のゲイト絶縁膜６０６が得られる。原料ガスとして、例えばＴＥＯＳガスとＮ₂Ｏガスとを用いて、２０〜２００ｎｍ、例えば約１５０ｎｍの膜厚に形成される。基板温度は４００℃とする。

その後、基板６０１が第２の処理室８０８に搬送され、プラズマＣＶＤ法により窒化珪素（ＳｉＮ）膜が形成され、第２のゲイト絶縁膜６０７が得られる。原料ガスとして、例えばシランとアンモニアを用いて、２５〜１００ｎｍ、例えば約５０ｎｍの膜厚に形成される。基板温度は３００℃とする。

その後被処理基板は、必要に応じて徐冷室８０４にて徐冷の後、ロード／アンロード室８０５のカセット８１５に収納され、外部に取り出される。

このようにして、結晶性珪素膜を大気に曝さずに、レーザーアニール工程とゲイト絶縁膜の形成工程を、マルチチャンバー方式を用いて連続的に行う。（図６（Ｃ））。

次に、ゲイト電極６０８を作製する。アルミニウム膜をスパッタ法により、厚さ３００ｎｍ〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍ堆積させる。ヒロックの発生を防ぐため、アルミニウム膜中に０．１〜２％の珪素を含有させてもよい。該膜をエッチングして、ゲイト電極６０８が作製される。

次に、ゲイト電極６０８をマスクとしたイオンドーピング法により、島状領域６０４に対しリンイオンまたはホウ素イオンの打ち込みが行われる。基板温度は室温とする。

この結果、チャネル形成領域６１０と、不純物領域として、ソース６０９、ドレイン６１１が形成される。図６（Ｄ））

次に、ドーピングされた不純物を活性化するために、レーザーアニールが行われる。条件は実施例１と同様とする。その後、窒素雰囲気中にて２時間、４５０℃の熱アニールを行う。（図６（Ｅ））

続いて実施例１と同様にして、層間絶縁膜６１２、ソース電極・配線６１３、ドレイン電極・配線６１４が形成される。最後に、１気圧の水素雰囲気で、２００〜３５０℃の熱アニール処理が行われ、薄膜トランジスタが作製される。（図６（Ｆ））

本実施例で作製された薄膜トランジスタは、実施例１で作製されたものに比較して、薄膜トランジスタのしきい値のシフトが、正側に３〜５Ｖと、シフトの程度が大きくなる。またＳ値がより小さくなる。さらに移動度も若干向上する。

また、ゲイト絶縁膜を、酸化窒化珪素と窒化珪素膜の２層としたため、窒化珪素膜のみを用いる場合より、耐圧が向上する。

なお本実施例において、ゲイト絶縁膜を、実施例１と同様な酸化珪素膜のみとしてもよい。この場合、実施例１に比較してしきい値のシフトの程度は向上するものの、Ｓ値や移動度の向上はあまりみられない。

〔実施例５〕
本実施例では、実施例４に示した薄膜トランジスタの作製工程において、ゲイト絶縁膜を、第１の絶縁膜として酸化珪素（ＳｉＯ₂）、第２の絶縁膜として窒化珪素（ＳｉＮ）を用いた例を示す。ゲイト絶縁膜の構成以外は、実施例４と同じである。以下に本実施例を図６、図８を用いて説明する。

実施例４と同様の工程にて基板６０１上に非単結晶珪素膜でなる島状領域６０１を形成する。そして図８に示した装置により、基板６０１上の島状領域６０４に対する水素雰囲気でのレーザーアニールが行われる。工程、条件は実施例４と同じである。（図６（Ｂ））

徐冷が終了し、徐冷室から搬出された基板は、大気に曝されることなく第１の処理室８０７に搬送され、レーザーアニール工程に連続して第１のゲイト絶縁膜の形成が行われる。

および徐冷終了後、基板６０１は大気に曝されることなく第１の処理室８０７に搬送され、レーザーアニール工程に連続して第１のゲイト絶縁膜６０６の形成が行われる。

まず、第１の処理室８０７において、プラズマＣＶＤ法により酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜が形成され、第１のゲイト絶縁膜６０６が得られる。原料ガスとして、例えばＴＥＯＳガスを用いて、１００〜４００ｎｍ、例えば約２００ｎｍの膜厚に形成する。

次に、基板６０１が第２の処理室８０８に搬送され、プラズマＣＶＤ法により窒化珪素膜（ＳｉＮ）が第２のゲイト絶縁膜６０７として、約１００ｎｍ形成される。原料ガスとして、例えばシランとアンモニアを用いる。基板温度は３００℃とする。

このようにして、レーザーアニールとゲイト絶縁膜の形成を連続的に行う。結果として、チャネル形成領域となる島状領域６１０とゲイト絶縁膜との界面の、酸化膜の形成や不純物の混入を防ぎ、界面特性を良好なものとすることができる（図６（Ｃ））。

その後、実施例４と同様にして、薄膜トランジスタが完成される。

本実施例で作製された薄膜トランジスタも、実施例１で作製した薄膜トランジスタに比較して、しきい値のシフト量の増大、Ｓ値の低減、移動度の向上がみられた。

〔実施例６〕
実施例６では、第１の絶縁膜として結晶性珪素膜の上面を窒化して形成される窒化珪素膜を用いた例を示す。ゲイト絶縁膜の構成以外は、実施例４と同じである。

実施例６の薄膜トランジスタの作製工程を図７に示す。実施例４と同様にして、ガラス基板７０１、該基板上の酸化珪素膜でなる下地膜７０２の上に形成された非晶質珪素でなる島状領域７０４を形成し、熱結晶化を行う。

図８に示した連続処理装置を用い、レーザー照射室８０２内にて、実施例４と同様にして水素雰囲気でのレーザーアニールを行い、島状領域７０４を結晶化させる。（図７（Ａ））

徐冷終了後、基板７０１は徐冷室８０４から第１の処理室８０７に大気に曝されずに搬送さる。そして、レーザーアニール工程に連続して第１のゲイト絶縁膜７０６を形成する。

第１の処理室８０７には、アンモニア（ＮＨ₃）と窒素（Ｎ）が導入され、高周波電界によって、活性化されたアンモニア（ＮＨ₃ ^*）を含んだプラズマ雰囲気が形成される。

このプラズマ雰囲気に島状領域７０４が曝され、島状領域７０４の表面が窒化されて窒化珪素（ＳｉＮ）膜が１０ｎｍ程度形成され、第１のゲイト絶縁膜７０６となる。基板温度は３００〜４００℃、例えば３５０℃とした。（図７（Ｂ））

次に、基板７０１が第２の処理室８０８に搬送され、プラズマＣＶＤ法により窒化珪素膜が第２のゲイト絶縁膜７０７として、連続して形成される。膜厚は２０〜１００ｎｍ、ここで約３０ｎｍ形成される。原料ガスとして、例えばシランとアンモニアを用いる。基板温度は３００℃とする。（図７（Ｃ））

その後、実施例４と同様にして、薄膜トランジスタが完成される。（図７（Ｄ）〜図７（Ｆ））

このようにして作製された薄膜トランジスタは、チャネル形成領域とゲイト絶縁膜との界面特性が極めて良好となる。その結果、実施例４で作製した薄膜トランジスタに比較して、更なるしきい値のシフト、Ｓ値の減少、移動度の向上といった効果が得られる。

これらの効果は、第１のゲイト絶縁膜である窒化珪素膜を島状領域表面を窒化して得たため、成膜による場合に比較してチャネル形成領域の水素を十分に閉じ込めることができること、良好な界面が得られること、などによるものと考えられる。

特に、窒化雰囲気として活性かされたアンモニアＮＨ₃ ^*雰囲気としたため、島状領域表面は、窒化されると共に水素が導入されるため、水素によるしきい値のシフトや不対結合手の中和などが促進されると考えられる。

本明細書で示した実施例において、非晶質珪素膜の結晶化工程は、熱結晶化とレーザーアニールを併用した場合のものを示した。しかし、レーザーアニールのみとしてもよい。

実施例におけるレーザー照射室を示す図。実施例の作製工程を示す図。実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。しきい値電圧（Ｖｔｈ）の、雰囲気とレーザービームのエネルギー密の依存性を示す図。Ｓ値の、雰囲気とレーザービームのエネルギー密度の依存性を示す図。実施例の作製工程を示す図。実施例き作製工程を示す図。実施例における連続処理装置の上面図。

符号の説明

１０１レーザー照射室
１０２レーザー発振装置
１０３ミラー
１０４窓
１０５被処理基板
１０６台
１０７移動機構
１０８真空排気ポンプ
１０９、１１０気体供給管
１１１ステージ
１１２光学系
２０１基板
２０２酸化珪素膜（下地膜）
２０３結晶化珪素膜
２０５島状領域
２０６ゲイト絶縁膜
２０７ゲイト電極
２０８ソース
２０９ドレイン
２１０チャネル形成領域
２１１層間絶縁膜
２１２ソース電極・配線
２１３ドレイン電極・配線
３０１ゲイトバルブ
３０２基板搬送室
３０３アライメント室
３０５ロボットアーム
３０６ロード／アンロード室
３０７ゲイトバルブ
３０８予備加熱室
３０９ゲイトバルブ
３１０徐冷室
３１１ゲイトバルブ
３１２カセット

Claims

基板上に下地膜を形成し、前記下地膜上に非晶質珪素膜を連続形成し、
前記非晶質珪素膜上に酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法にて塗布して、前記非晶質珪素膜上に酢酸ニッケル層を形成し、
熱アニールによって前記非晶質珪素膜を結晶性珪素膜にし、
水素含有雰囲気において、前記結晶性珪素膜にレーザーアニールを行って前記結晶性珪素膜の結晶性を向上させ、
前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
前記島状の結晶性珪素膜上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極をドーピングマスクとして、ｎ型又はｐ型の不純物をドープして前記島状の結晶性珪素膜にソース領域及びドレイン領域を形成し、
レーザーアニール及び窒素雰囲気下での熱アニールを行って前記ドーピングされた不純物を活性化し、
前記ゲート電極及び前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成し、
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に達するコンタクトホールを形成し、
金属膜を形成、エッチングしてソース電極及びドレイン電極を形成し、
水素雰囲気下で熱アニールを行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
基板上に下地膜を形成し、前記下地膜上に非晶質珪素膜を連続形成し、
前記非晶質珪素膜上に酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法にて塗布して、前記非晶質珪素膜上に酢酸ニッケル層を形成し、
熱アニールによって前記非晶質珪素膜を結晶性珪素膜にし、
前記結晶性珪素膜を島状の結晶性珪素膜にし、
水素含有雰囲気において、前記島状の結晶性珪素膜にレーザーアニールを行って前記島状の結晶性珪素膜の結晶性を向上させ、
前記レーザーアニール後、大気に曝すことなく、前記島状の結晶性珪素膜上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
前記ゲート電極をドーピングマスクとして、ｎ型又はｐ型の不純物をドープして前記島状の結晶性珪素膜にソース領域及びドレイン領域を形成し、
レーザーアニール及び窒素雰囲気下での熱アニールを行って前記ドーピングされた不純物を活性化し、
前記ゲート電極及び前記ゲート絶縁膜上に層間絶縁膜を形成し、
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に達するコンタクトホールを形成し、
金属膜を形成、エッチングしてソース電極及びドレイン電極を形成し、
水素雰囲気下で熱アニールを行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２において、前記水素含有雰囲気でのレーザーアニール後、大気に曝すことなく、前記島状の結晶性珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、前記酸化珪素膜上に窒化珪素膜を形成して、前記酸化珪素膜及び前記窒化珪素膜の積層膜からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２において、前記水素含有雰囲気でのレーザーアニール後、大気に曝すことなく、活性化されたアンモニア雰囲気において、前記島状の結晶性珪素膜の表面にプラズマ窒化処理をすることにより、窒化珪素膜を形成してゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至４のいずれか一において、前記水素含有雰囲気は水素と窒素の混合気体雰囲気であり、水素が１％以上含有されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。