JP4987198B2 - 多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブマトリクス型液晶表示装置では、半導体活性層が大面積の基板上に均一性良く、比較的低温で形成できるので、表示画素のスイッチング素子に非晶質シリコンの薄膜トランジスタが用いられている。また、最近では、表示画素のスイッチング素子のみならず、周辺の駆動用回路素子にも同一基板上に形成した薄膜トランジスタを用いるようになってきている。ただし、この周辺駆動用回路素子の薄膜トランジスタには、非晶質シリコンの薄膜トランジスタよりも電界効果移動度の大きい多結晶シリコンを半導体活性層に用いた多結晶シリコン薄膜トランジスタを用いている。
【０００３】
この多結晶シリコン薄膜トランジスタの半導体活性層となる多結晶シリコン層は、例えば、図１８のように、まず、ガラス基板上に薄膜の非晶質シリコン３２を形成し（図１８(a)）、次に、これにＸｅＣｌエキシマレーザー等のエネルギービームを照射し、非晶質シリコン３２を融解し再結晶化して多結晶シリコン３３にすることにより（図１８(b)）、形成することができる。ここで、図１８(b)に示したエネルギービーム照射は、薄膜トランジスタの動作の不安定要因となる雰囲気中からの不純物の混入を防ぐため、真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中で行われる。さらに大気中のように酸素を含む雰囲気中でエネルギービームを照射し、多結晶シリコンを形成すると、シリコン表面には突起状の凸凹が生じ、表面荒れが大きくなる。この突起部では、電界集中が起こりやすい、あるいはゲート絶縁層の被覆率が悪くなり、耐圧劣化を引き起こすといった薄膜トランジスタの信頼性及び歩留まりに関わる問題も生じてくる。これを防ぐためにも、多くの場合エネルギービーム照射は真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中で行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エネルギービーム照射を真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中で行うと、多結晶シリコン中への不純物の混入を防ぎ、且つ多結晶シリコン表面を平滑にすることができる。しかし、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中では、大気中に比較して高いエネルギー密度を照射しなければ結晶粒径が成長しない。結晶粒径が小さいままでは移動度の高い高性能な薄膜トランジスタを形成することができない。
【０００５】
このため従来の方法では、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくするため、大気中で照射する場合に比較し、真空中あるいは不活性ガス中では照射するエネルギービームの面積を小さくしてエネルギー密度を高くしなければならず、これにより基板全体を処理するのに必要なビームの照射回数が増えるのが避けられず、生産性が落ていた、と本発明者は考えている。
【０００６】
このようなことから、本発明者は、薄膜トランジスタの生産性をさらに向上させるため、さまざまな条件で、真空雰囲気中あるいは窒素雰囲気中で非晶質シリコンにエネルギービームを照射して多結晶シリコンを形成する実験を繰り返した。その実験の結果得られた薄膜トランジスタを解析することにより、予め非結晶シリコンに所定の濃度または単位面積あたり所定量の酸素を積極的に添加すれば、エネルギーを真空雰囲気中あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中で照射しても、多結晶シリコンを短時間で形成でき、且つ移動度が高く、表面も平滑な高性能な薄膜トランジスタを高い生産性で製造できることを独自に知得するに至った。
【０００７】
しかしながら、非晶質シリコンに酸素を積極的に添加することは、従来の技術常識に反することである。そのため、上述のように酸素を添加することは技術者にとって思いもよらぬことである。なぜなら、一般に非晶質シリコン膜中に不純物として酸素が混入すると結晶特性が悪化し、これにより薄膜トランジスタの特性が悪化すると考えられたからである。しかし本発明者の実験によれば、従来の技術常識に反し、前述のように、非晶質シリコン膜中に所定の濃度または単位面積あたり所定量の酸素を積極的に混入することにより、高性能な多結晶シリコン薄膜トランジスタを高い生産性で製造できることを知得したのである。
【０００８】
本発明はこのことに着目してなされたものである。つまり、この方法は、従来の技術常識とは異なった本発明者の独自の実験結果によって得られたものであり、本発明者の独自の知得に基づくものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
また、本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法は、
酸素が添加された非晶質シリコン層を基板上に形成する工程と、
前記非晶質シリコン層に真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して多結晶シリコン層を形成する工程と、
前記多結晶シリコン層を活性層とする薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有し、
さらに、前記基板上に成膜された、１×１０２０／ｃｍ^３以上１×１０２１／ｃｍ^３以下の濃度の酸素が添加された前記非晶質シリコン層に、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して、活性層として用いる前記多結晶シリコン層を形成する工程を備え、
前記エネルギービームの照射エネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ^２以上、３２０ｍＪ／ｃｍ^２以下とした、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法は、
基板上に成膜された、単位面積あたりの総量として１×１０１５／ｃｍ^２以上１×１０１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加された非晶質シリコン層に、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して、活性層として用いる多結晶シリコン層を形成する工程を備え、
前記非晶質シリコン層の中心に対して表面が高濃度になり、
前記非晶質シリコン層の表面部分に単位面積あたりの総量として１×１０１５／ｃｍ^２以上１×１０１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加され、
前記エネルギービームの照射エネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ^２以上、３２０ｍＪ／ｃｍ^２以下とした、
ことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照にしつつ本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法は、プラズマＣＶＤ法により酸素が添加された非晶質シリコンを形成し、この酸素が添加された非晶質シリコンにエネルギービームを照射して多結晶シリコンを形成する工程を備えることを１つの特徴とする。このように非晶質シリコンに酸素を添加することにより、多結晶シリコンの結晶粒径成長を容易にすることができ、高性能な多結晶シリコン薄膜トランジスタを高い生産性で製造することができる。さらに、後述のように、非晶質シリコンに酸素を添加することにより、非晶質シリコン膜中の残留水素の脱気による膜破壊を防止することがき、多結晶シリコン薄膜トランジスタの歩留まりを向上させることもできる。
【００１３】
以下、この多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法について、第１の実施の形態では上記の非晶質シリコンの酸素の濃度に着目して、第２の実施の形態では非晶質シリコン中の単位面積あたりの総酸素量に着目して、それぞれ説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１〜図１０は、本発明の第１の実施の形態に係わる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法、および、その製造方法を用いて得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性を示す図である。以下では、まず、図１〜図８を参照にして多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の全体について簡単に説明し、次に、図９〜図１０を参照にして、エネルギービームを照射する工程（図２）の際の、非晶質シリコンの酸素濃度の範囲（幅）について検討する。
【００１５】
まず、図１〜図８を参照にして、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の全体について簡単に説明する。
【００１６】
（１）まず、図１に示すように、洗浄されたガラス基板１の上に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置で、１００ｎｍのアンダーコートとしての酸窒化シリコン２を形成する。次いで、非晶質シリコンの原料としてのモノシラン２００ｓｃｃｍ、酸素の原料としての亜酸化窒素５ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤに供給し、これらをプラズマ励起して、酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン３を５０ｎｍ形成する。この様に、本発明では、非晶質シリコン３を酸素が添加された状態に形成している。次いで、ガラス基板１を４５０℃程度で１時間ほど加熱処理（熱アニール）し、酸窒化シリコン２及び非晶質シリコン３膜中の水素を脱気する。ここで、この熱アニールは、非晶質シリコン３膜中の残留水素の脱気による膜破壊を防止するためのものである。すなわち、この熱アニールを行わないと、非晶質シリコン内に水素が残留し、次の（２）の工程で、残留水素の急激な脱気により非晶質シリコン膜３が破壊されてしまう。この後、非晶質シリコン膜３表面に形成された図示しない自然酸化膜をフッ酸処理により除去する。
【００１７】
（２）次に、図２に示すように、窒素雰囲気中で、酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン３にＸｅＣｌエキシマレーザーを照射し、この非晶質シリコン３を融解・再結晶化させ、多結晶シリコン４にする。なお、ここで大気中のように酸素を含む雰囲気中でこのエキシマレーザを照射すると、非晶質シリコン３が融解する際に表面付近に過剰の酸素が溶け込んでしまい、再結晶化の際にこの過剰な酸素が多結晶シリコン４の結晶粒界に編析して、多結晶シリコン４の表面が突起状になり、表面荒れが大きくなってしまう。
【００１８】
（３）次に、図３に示すように、多結晶シリコン薄膜４をフォトリソグラフィーによりパターニングし、ＣＦ４ドライエッチングにより島状の多結晶シリコン薄膜からなる半導体活性層５を形成する。
【００１９】
（４）次に、図４に示すように、島状の半導体活性層５の上にプラズマＣＶＤを用いて酸化シリコン薄膜を堆積し、ゲート絶縁膜６を形成する。
【００２０】
（５）次に、図５に示すように、ゲート絶縁膜６の上にスパッタリングによりモリブデンタングステン合金を堆積し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングしてゲート電極７を形成する。
【００２１】
（６）次に、図６に示すように、ゲート電極７をマスクとして用いて、質量分離型のイオン注入装置によりゲート絶縁層６を介して半導体活性層５に不純物としてＰ（リン）を注入し、ソース領域８及びドレイン領域９を形成する。この後、再度４５０℃程度でアニールを行い注入したリンを活性化する。
【００２２】
（７）次に、図７に示すように、プラズマＣＶＤを用いて酸化シリコン薄膜を堆積し、層間絶縁膜１０を形成した後、フォトリソグラフィーにより層間絶縁膜１０をパターニングしてコンタクトホールを形成する。
【００２３】
（８）次に、図８に示すように、スパッタリングによりモリブデンタングステン合金を堆積し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングしてソース電極１１及びドレイン電極１２を形成する。
【００２４】
以上の工程によって、本実施形態による多結晶薄膜トランジスタが形成される。
【００２５】
次に、図９〜図１０を参照にして、上述工程（２）でエネルギービームが照射される非晶質シリコン３の酸素濃度の幅について検討する。即ち、上述の薄膜トランジスタの製造方法では、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３の酸素濃度が２×１０^２０／ｃｍ^３の場合であるが、他の酸素濃度の非晶質シリコンにエネルギービームを照射することもできるので、この酸素濃度の幅について検討する。なお、本実施形態では、この酸素の量について濃度に着目して検討し、第２の実施の形態では単位面積あたりの総量に着目して検討する。
【００２６】
まず、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度を所定の幅にすることにより、薄膜トランジスタの生産性が向上することを、本発明者は実験結果から知得した。このことを、本発明者の実験結果を示す図９のデータを参照にして説明する。
【００２７】
図９は、窒素雰囲気中で酸素濃度が異なる非晶質シリコンにＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した際の、酸素濃度に対する、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られるエキシマレーザーの照射エネルギー密度の変化を示している。図９から、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度が急激に低減することがわかる。
【００２８】
これは、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、薄膜トランジスタの生産性が向上することを意味している。以下に詳しく説明する。
【００２９】
ビームの照射エネルギー密度が図９の実線で示した量に満たないと、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られず、薄膜トランジスタの高い電界効果移動度を得ることができない。従って、図９からは、例えば、酸素濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３の非晶質シリコンを用いた時は、ビームの照射エネルギー密度が約３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上でなければ、薄膜トランジスタの電界効果移動度を高くできないことが分かる。このように、図９から、酸素濃度が５×１０^１８〜５×１０^１９／ｃｍ^３の非晶質シリコンを用いた時は、ビームの照射エネルギー密度を約３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上としなければ薄膜トランジスタの電界効果移動度を高くできないのに対し、酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上の非晶質シリコンを用いた時は、ビームの照射エネルギー密度を約２８０ｍＪ／ｃｍ^２以上にすれば薄膜トランジスタの電界効果移動度を高くできることが分かる。従って、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、ビームのエネルギー密度を低くすることが可能になる。そして、ビームのエネルギー密度を低くすることが可能になると、ビーム面積を拡げることが可能となり、基板全体を処理するのに必要なビームの照射回数を減らすことができる。よって、図９から、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、ビームの照射回数を減らすことができ、生産性を向上できることがわかる。
【００３０】
次に、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が所定の幅だと、薄膜トランジスタの製造歩留まりが向上することを、本発明者は実験結果から知得した。このことを、図１０を参照にして、以下に説明する。
【００３１】
図１０は、窒素雰囲気中で、酸素濃度が異なる非晶質シリコンにエネルギー密度３２０ｍＪ／ｃｍ^２のＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した際の、非晶質シリコン膜の破壊発生箇所密度を示す図である。図１０から、例えば、酸素濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３の非晶質シリコンにエネルギー密度３２０ｍＪ／ｃｍ^２のＸｅＣｌエキシマレーザーを照射すると、１ｍｍ^２あたり８箇所の非晶質シリコン膜の破壊が発生することがわかる。この膜破壊は以下の理由で起こると解析される。
【００３２】
前述のように、図１の工程では、熱アニールにより非晶質シリコン膜中の残留水素の脱気を行う。しかし、ガラス基板を用いて薄膜トランジスタを製造する場合には、アニール温度は基板が損傷しない５００℃程度が限度であるため、アニールを行ってもある程度の水素が非晶質シリコン内に残留してしまう。このようにアニール後の非晶質シリコンに残留水素があると、非晶質シリコンにエネルギーを照射する工程（図２）の際に、非晶質シリコン膜中からこの残留水素が脱気し、非晶質シリコンの膜破壊を起こしてしまうのである。
【００３３】
この残留水素の脱気に着目すると、図１０から、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、非晶質シリコン膜の水素脱気が急激に低減し、非晶質シリコン膜の破壊箇所密度が急激に低減することがわかる。そして、非晶質シリコン膜の破壊箇所密度が低減すれば、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造歩留まりが向上する。
【００３４】
このように、エネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３以上だと、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造歩留まりが向上することがわかる。また、この歩留まり向上の効果は、液晶表示装置で用いられるガラス基板等、高温で損傷してしまう基板を用いる多結晶薄膜トランジスタの場合に、特に大きいといえる。
【００３５】
但し、非晶質シリコン膜中の酸素濃度が１×１０^２１／ｃｍ^３を超えると、エネルギービームを照射して、シリコンの溶融、再結晶化により多結晶シリコン膜を形成した際に、多結晶シリコン膜表面の凹凸が大きくなる。このように多結晶シリコン膜表面の凹凸が大きくなると、この多結晶シリコン膜上に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が悪くなる。また、ゲート絶縁膜中に局部的に電界集中が起こりゲート耐圧が劣化してしまう。さらに、非晶質シリコン膜中の酸素濃度が１×１０^２１／ｃｍ^３を超えると、多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度が低下してしまう。このように、非晶質シリコン膜中の酸素濃度は１×１０^２１／ｃｍ^３以下であることが望ましい。なお、この凹凸、および電界効果移動度については、第２の実施の形態で詳しく説明する。
【００３６】
以上のように、図２の工程においてエネルギービームが照射される非晶質シリコンの酸素濃度を１×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下、望ましくは１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下、さらに望ましくは２×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２０／ｃｍ^３以下にすると、高性能な薄膜トランジスタが高い生産性、および高い歩留まりで得られる。
【００３７】
以上説明した、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法では、非晶質シリコン中に添加された酸素濃度を深さ方向に一様としたが、酸素濃度を深さ方向に異なるようにすることも可能である。ただし、酸素濃度を深さ方向に異なるようにする場合には、非晶質シリコンの表面に高酸素濃度領域を形成することが望ましい。なぜなら、非晶質シリコンの表面に高酸素濃度領域を形成すると、得られた薄膜トランジスタの電界効果移動度が特に高くなるからである。なお、この点については、第２の実施の形態で詳しく説明する。
【００３８】
また、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法では、酸素が添加された非晶質シリコン層３を形成する方法として、亜酸化窒素が添加されたモノシランガスを用いたプラズマＣＶＤによって形成する方法を用いたが（図１）、モノシランを用いたプラズマＣＶＤ法により非晶質シリコンを形成し、この非晶質シリコンに質量分離型あるいは非質量分離型のイオン注入装置により酸素を注入する方法を用いることも可能である。このようにイオン注入装置により酸素を注入する変形例を示す。
【００３９】
（変形例）
上記実施の形態の説明における（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン層を形成する。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されていない。次に、この非晶質シリコン層に加速電圧１０ｋｅＶで酸素をイオン注入することにより酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の酸素添加層を非晶質シリコン層中に形成することができる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法が第１の実施の形態と異なるのは、図１１から分かるように、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂにおいて、表面から１５ｎｍまでの浅い領域３ｂに単位面積あたりの総量（面密度）が５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素を添加した点である。
【００４１】
図１１〜図１７は、本発明の第２の実施の形態に係わる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法、および、その製造方法を用いて得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性を示す図である。以下では、まず、図１１〜図１２を参照にして多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法について簡単に説明し、次に、図１３〜図１６を参照にしてエネルギービームを照射する工程（図１２）の際の非晶質シリコンに添加する単位面積あたりの総酸素量の範囲について検討し、次に、図１７を参照にしてエネルギービームを照射する工程（図１２）の際の非晶質シリコンの酸素の添加領域の深さについて検討する。
【００４２】
まず、図１１〜図１２を参照にして、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法について説明する。図１１、図１２は、本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法の一部を示す図であり、それぞれ、図１、図２に対応する図である。図１、図２と同じ構成部分には、同じ番号を示している。以下、この図１１、図１２を参照にして、本実施形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法を簡単に説明する。
【００４３】
まず、図１１に示すように、洗浄されたガラス基板１の上に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置で、１００ｎｍのアンダーコートとしての酸窒化シリコン２を形成する。次いで、非晶質シリコンの原料としてのモノシラン２００ｓｃｃｍをプラズマＣＶＤに供給し、これらをプラズマ励起して、酸素が添加されていない非晶質シリコン３ａを３５ｎｍ形成する。次いで、プラズマＣＶＤにモノシランに加え亜酸化窒素３０ｓｃｃｍを供給し、これらをプラズマ励起して、単位面積あたりの総量として５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素が添加された非晶質シリコン３ｂを１５ｎｍ形成する。この結果、全厚５０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂを得る。なお、酸素の原料として、亜酸化窒素の替わりに酸素を用いることもできる。
【００４４】
次に、図１２に示すように、窒素雰囲気中で、非晶質シリコン３ａ、３ｂにＸｅＣｌエキシマレーザー（エネルギービーム）を照射し、この非晶質シリコン３ａ、３ｂを融解・再結晶化させ、多結晶シリコン４にする。なお、ここで大気中のように酸素を含む雰囲気中でこのエキシマレーザを照射すると、非晶質シリコン３ａ、３ｂが融解する際に表面付近に過剰の酸素が溶け込んでしまい、再結晶化の際にこの過剰な酸素が多結晶シリコン４の結晶粒界に編析して、多結晶シリコン４の表面が突起状になり、表面荒れが大きくなってしまう。
【００４５】
図１２に続く製造方法は、第１の実施の形態図３〜図８と同じであり、詳細な説明は省略する。第１の実施の形態と同様に、本実施形態の製造方法でも、酸素が添加された非晶質シリコン３ａ、３ｂにエネルギービームを照射することにより、高性能な薄膜トランジスタを高い生産性、および高い歩留まりで得ることができる。
【００４６】
次に、図１３〜図１６を参照にして、エネルギービームを照射する工程（図１２）の際の、非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの総酸素量の範囲について検討する。
【００４７】
図１３は、第１の実施の形態の図９に対応する図であり、窒素雰囲気中で、単位面積あたりに添加された酸素の総量が異なる非晶質シリコン３ａ、３ｂに、ＸｅＣｌエキシマレーザーを照射した際の、非晶質シリコン３ｂの酸素添加量に対する、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコン４が得られるエキシマレーザーの照射エネルギー密度の変化を示している。図１３から、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１５／ｃｍ^２以上だと、結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコン４が得られる照射エネルギー密度が急激に低減することがわかる。これは、第１の実施の形態（図９）と同様に、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃｍ^２以上にすることにより、薄膜トランジスタの生産性を向上させることができることを意味している。
【００４８】
また、本発明者はさらに詳細に実験を行った結果、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃｍ^２以上にすることにより、非晶質シリコン３ｂに照射されるビームのエネルギー密度のマージンを広くすることができることを知得した。以下、図１４を参照にして説明する。
【００４９】
図１４は、異なる量の酸素を非晶質シリコン３ｂに添加し、非晶質シリコン３ａ、３ｂに窒素雰囲気中でＸｅＣｌエキシマレーザーを照射し多結晶シリコンを形成する際、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られるエキシマレーザーのエネルギー範囲を示している。例えば、図１４から分かるように、非晶質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量が３×１０^１４／ｃｍ^２の場合は、平均粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られるエネルギーの範囲は、５ｍＪ／ｃｍ^２である。図１３を参照にすれば分かるように、これは照射エネルギー密度が３２０ｍＪ／ｃｍ^２以上３２５ｍＪ／ｃｍ^２以下の場合に、平均粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られることを意味している。図１４から、非晶質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１４／ｃｍ^２〜５×１０^１４／ｃｍ^２の場合は、平均粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコン４が得られるエネルギーの範囲は５ｍＪ／ｃｍ^２と狭いのに対し、非晶質シリコン３の単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１５／ｃｍ^２以上の場合は、この範囲が３０ｍＪ／ｃｍ^２以上と広くなることが分かる。つまり、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１５／ｃｍ^２以上だと、照射されるビームのエネルギー密度のマージンを広くすることができる。なお、本実施形態（酸素添加量５×１０^１５／ｃｍ^２）で、大気中で多結晶シリコンを形成した場合は、このエネルギー密度の範囲は約３５ｍＪ／ｃｍ^２であった。
【００５０】
次に、非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を一定の値以上にすると、エネルギービームを照射して多結晶シリコン膜４を形成した際に、多結晶シリコン４表面の凹凸が大きくなることを、本発明者は実験結果から知得した。このことを、図１５を参照にして、以下に説明する。
【００５１】
図１５は、窒素雰囲気中で、単位面積あたりの総量が異なる酸素が添加された非晶質シリコン３ａ、３ｂにエキシマレーザを照射して、平均結晶粒径が０．３〜０．５μｍの多結晶シリコン４を形成する際の、非晶質シリコン３ｂへの酸素添加量と、多結晶シリコン４表面の平均突起高さと、の関係を示している。図１５から、非晶質シリコン３ｂの酸素添加量を増やすと、多結晶シリコン４の表面突起平均高さが高くなり、多結晶シリコン４表面の凹凸が大きくなることがわかる。このように、凹凸が大きくなると、第１の実施の形態で説明したように、多結晶シリコン４上に形成されるゲート絶縁膜の被覆性が悪くなったり、ゲート絶縁膜中に局部的に電界集中が起こりゲート耐圧が劣化してしまったりする。本発明者の実験によれば、添加する単位面積あたりの酸素の総量が１×１０^１６／ｃｍ^２よりも大きくなると、このようなゲート絶縁膜の被覆性の悪化や、ゲート耐圧の劣化が見られるようになった。なお、本実施形態（酸素添加量５×１０^１５／ｃｍ^２）で、大気中で多結晶シリコンを形成した場合の平均突起高さは４０ｎｍであった。
【００５２】
次に、非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を一定の値以上にすると、これを用いて得られる多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度が低下することを本発明者は実験結果から知得した。このことを、図１６を参照にして、以下に説明する。
【００５３】
図１６は、窒素雰囲気中で、異なる単位面積あたりの総量の酸素を添加した非晶質シリコン３ａ、３ｂにエキシマレーザを照射して、平均結晶粒径が０．３〜０．５μｍの多結晶シリコン４を形成し、得られた多結晶シリコン４を用いて多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した場合の、非晶質シリコン３ｂへの酸素添加量と、薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係を示す図である。図１６から、酸素添加量が１×１０^１５／ｃｍ^２以上、１×１０^１６／ｃｍ^２以下の範囲では、約１５０ｃｍ^２／Ｖの高い電界効果移動度を維持することが可能であるが、酸素添加量を１×１０^１６／ｃｍ^２よりも多くすると、急激に薄膜トランジスタの電界効果移動度が低下することが分かる。なお、本実施形態（酸素添加量５×１０^１５／ｃｍ^２）で、大気中で多結晶シリコンを形成した場合、電界効果移動度は約１５０ｃｍ^２／Ｖであった。
【００５４】
以上のように、本実施形態の製造工程においてエネルギービームが照射される非晶質シリコン３ｂの単位面積あたりの酸素の総量を１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０^１６／ｃｍ^２以下、望ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以上５×１０^１６／ｃｍ^３以下、さらに望ましくは２×１０^１５／ｃｍ^３以上５×１０^１６／ｃｍ^３以下にすると、高性能な薄膜トランジスタが高い生産性、および高い歩留まりで得られる。
【００５５】
また、本実施形態の薄膜トランジスタの製造方法では、酸素が添加された非晶質シリコン層３ａ、３ｂを形成する方法として、亜酸化窒素が添加されたモノシランガスを用いたプラズマＣＶＤによって形成する方法を用いたが（図１１）、モノシランを用いたプラズマＣＶＤ法により非晶質シリコンを形成し、この非晶質シリコンに質量分離型あるいは非質量分離型のイオン注入装置により酸素を注入する方法を用いることも可能である。
【００５６】
次に、図１７を参照にして、エネルギービームが照射される非晶質シリコン３ａ、３ｂに添加する酸素の領域の深さについて検討する。即ち、図１１、図１２に示す本実施形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法では、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂのうち、表面から１５ｎｍの深さの部分３ｂにのみ単位面積あたりの酸素の総量として５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素を添加したが、酸素が添加された領域３ｂの深さを変えることもできるので、この深さについて検討する。
【００５７】
図１７は、表面から異なる範囲まで単位面積あたりの酸素の総量が５×１０^１５／ｃｍ^２の酸素を添加した非晶質シリコン３ａ、３ｂにエキシマレーザを照射して、平均結晶粒径が０．３μｍの多結晶シリコン４を形成し、得られた多結晶シリコン４を用いて多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した場合の、表面からの酸素添加範囲と、電界効果移動度と、の関係を示す図である。
【００５８】
図１７から分かるように、酸素を添加する範囲を５０ｎｍにし、膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン３ａ、３ｂの全体に酸素を添加すると、電界効果移動度は約９０ｃｍ^２／Ｖｓになる。酸素を添加する範囲を徐々に浅くすると、電界効果移動度はさに高くなる。そして、表面から１５ｎｍ以下の浅い範囲に酸素を集中的に添加した場合は、約１５０ｃｍ^２／Ｖｓの特に高い電界効果移動度が得られる。
【００５９】
このように、添加する単位面積あたりの酸素の総量が同じ場合でも、表面から約１５ｎｍ以下の浅い領域に集中して酸素を添加することにより、薄膜トランジスタの電界効果移動度をさらに高くすることができる。以下、このように非晶質シリコン層の浅い領域に選択的に酸素を添加するための変形例を説明する。
【００６０】
（変形例１）
上記実施の形態の説明における（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成する。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されていない。次にプラズマＣＶＤ装置にモノシランに加え亜酸化窒素５ｓｃｃｍを供給し、これらをプラズマ励起することにより、酸素の添加されていない非晶質シリコン層の上に酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン層を５ｎｍの厚さに形成する。この様にすることにより、本変形例によれば、非晶質シリコン層の表面から５ｎｍまでの部分にのみ酸素が添加された非晶質シリコン層を形成することができる。
【００６１】
（変形例２）
上記実施の形態の説明における（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成する。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されていない。次に装置内のモノシランを排気した後、プラズマＣＶＤ装置に亜酸化窒素１０ｓｃｃｍと希釈ガスとしてのアルゴンガス１０００ｓｃｃｍを供給し、これらをプラズマ励起することにより、酸素の添加されていない非晶質シリコン層の表面上に高酸素濃度領域を形成する。尚、ここでは酸素の原料として亜酸化窒素を用いたが、酸素ガスなどに代えてもよい。この後、亜酸化窒素（または酸素など）とアルゴンを排気してから再びモノシラン２００ｓｃｃｍを供給しプラズマ励起することにより非晶質シリコン層を５ｎｍの厚さに形成する。この様にすることにより、本変形例によれば、非晶質シリコン層の表面から５ｎｍの深さの部分にのみ酸素が添加された高酸素濃度領域を形成することができる。
【００６２】
（変形例３）
上記実施の形態の説明における（１）の工程において、アンダーコート膜２の上に、モノシラン２００ｓｃｃｍが供給されたプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ４５ｎｍの非晶質シリコン層を形成する。尚、この非晶質シリコン層には酸素は添加されていない。次に装置内のモノシランを排気した後、プラズマＣＶＤ装置に亜酸化窒素１０００ｓｃｃｍを供給し、この亜酸化窒素の酸化力を利用して、酸素の添加されていない非晶質シリコン層の表面上に酸化層を形成する。尚、このとき、亜酸化窒素の酸化力を有効に利用する為、基板温度を３００℃以上にすることが好ましい。また、ここでは酸素の原料として亜酸化窒素を用いたが、酸素ガスなどに代えてもよい。この後、亜酸化窒素（または酸素など）を排気してから再びモノシラン２００ｓｃｃｍを供給しプラズマ励起することにより非晶質シリコン層を５ｎｍの厚さに形成する。この様にすることにより、本変形例によれば、非晶質シリコン層の表面から５ｎｍの深さの部分にのみ酸素が添加された高酸素濃度領域を形成することができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素が添加された非晶質シリコン層にエネルギービームを照射して多結晶シリコンを形成する工程を備えたので、高性能な多結晶シリコン薄膜トランジスタを高い生産性、および高い歩留まりで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図１に続く図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図２に続く図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図３に続く図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図４に続く図。
【図６】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図５に続く図。
【図７】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図６に続く図。
【図８】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図であり、図７に続く図。
【図９】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン膜中の酸素濃度と、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度との関係を示す図。
【図１０】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン膜中の酸素濃度と、シリコン膜破壊発生箇所密度との関係を示す図。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図で、図１１に続く図。
【図１３】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン膜中の単位面積あたりの酸素の総量と、平均結晶粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度との関係を示す図。
【図１４】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン中の単位面積あたりの酸素の総量と、平均粒径０．３μｍ以上の多結晶シリコンが得られる照射エネルギー密度の範囲との関係を示す図。
【図１５】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン中の酸素添加量と、多結晶シリコン表面の平均突起高さと、の関係を示す図。
【図１６】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコン膜中の酸素添加量と、得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係を示す図。
【図１７】本発明者が行った実験結果に基づく、非晶質シリコンの表面からの酸素添加範囲と、得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタの電界効果移動度と、の関係を示す図。
【図１８】従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す図。
【符号の説明】
１ 基板
３ 酸素濃度２×１０^２０／ｃｍ^３の非晶質シリコン
３ａ 酸素が添加されていない非晶質シリコン
３ｂ 単位面積あたりの酸素の総量が５×１０^１５／ｃｍ^２の非晶質シリコン
４ 多結晶シリコン

Claims (11)

1. 酸素が添加された非晶質シリコン層を基板上に形成する工程と、
   前記非晶質シリコン層に真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して多結晶シリコン層を形成する工程と、
   前記多結晶シリコン層を活性層とする薄膜トランジスタを形成する工程と、
   を有し、
   さらに、前記基板上に成膜された、１×１０ ^２０ ／ｃｍ ^３ 以上１×１０ ^２１ ／ｃｍ ^３ 以下の濃度の酸素が添加された前記非晶質シリコン層に、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して、活性層として用いる前記多結晶シリコン層を形成する工程を備え、
   前記エネルギービームの照射エネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ ^２ 以上、３２０ｍＪ／ｃｍ ^２ 以下とした、
   ことを特徴とする、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
2. 前記酸素が添加された前記非晶質シリコン層を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
3. シランを含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記非晶質シリコン層を形成する工程と、前記非晶質シリコン層に酸素を注入する工程とによって、前記酸素が添加された非晶質シリコン層を形成する、ことを特徴とする、請求項１記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法であって、前記多結晶シリコン薄膜トランジスタは液晶表示装置に用いるものである、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記非晶質シリコン層の深さ方向全体にわたって酸素が添加されていることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
6. 前記非晶質シリコン層の深さ方向の一部に選択的に酸素が添加されていることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
7. 基板上に成膜された、単位面積あたりの総量として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０^１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加された非晶質シリコン層に、真空雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中でエネルギービームを照射して、活性層として用いる多結晶シリコン層を形成する工程を備え、
   前記非晶質シリコン層の中心に対して表面が高濃度になり、
   前記非晶質シリコン層の表面部分に単位面積あたりの総量として１×１０ ^１５ ／ｃｍ ^２ 以上１×１０ ^１６ ／ｃｍ ^２ 以下の酸素が添加され、
   前記エネルギービームの照射エネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ ^２ 以上、３２０ｍＪ／ｃｍ ^２ 以下とした、
   ことを特徴とする多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
8. 前記非晶質シリコン層の表面から深さ１５ｎｍ以下の浅い領域に選択的に単位面積あたりの総量として１×１０^１５／ｃｍ^２以上１×１０^１６／ｃｍ^２以下の酸素が添加されていることを特徴とする請求項７記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
9. 前記非晶質シリコン層の酸素が添加されている領域を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする、請求項７又は８記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
10. 前記非晶質シリコン層の酸素が添加されている領域を、亜酸化窒素または酸素が添加されたシラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成し、酸素が添加されていない領域を、シラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。
11. シラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって前記非晶質シリコンの一部を形成する工程と、前記非晶質シリコンの一部の表面を酸化処理する工程と、シラン原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって前記非晶質シリコンの残部を形成する工程と、によって前記非晶質シリコン層を形成することを特徴とする請求項７又は８記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。

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