JPH05283431A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多結晶シリコンを主体とした半導体膜を有す
る半導体装置の製造方法において、薄膜トランジスタに
おける優れた電気的特性を得る。 【構成】 絶縁性基板１上に平均粒径が０．０１ミクロ
ン以上０．５ミクロン以下のグレインを有するポリシリ
コンを主体とする半導体膜２を堆積する第１の工程と、
前記半導体膜の結晶の融解のための第１のしきい値エネ
ルギー密度未満であり且つ前記グレイン内の欠陥を溶融
する第２のしきい値エネルギー密度より大きいエネルギ
ー密度でレーザ照射を行なって前記グレイン内の欠陥部
分のみを選択的に融解する第２の工程と、を具備するこ
とにより、グレイン内の欠陥を大幅に減少させるととも
に、レーザ・アニール処理を効率よく行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタにお
けるポリシリコン膜の製造方法等の半導体装置の製造方
法に係り、特に、優れた電気的特性を有するポリシリコ
ン膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタは、例えば図４に示す
ように、絶縁性基板１１上に堆積されたポリシリコン膜
をパターニングしてポリシリコン層１２を形成し、該ポ
リシリコン層１２上にゲート絶縁膜１３及び島状のゲー
ト電極１４を形成し、ゲート電極１４の下方に位置する
ポリシリコン層１２をトランジスタのチャネルとなる活
性領域１２ａとし、その両側に活性領域１２ａを挟んで
ソース領域１２ｂ及びドレイン領域１２ｃを形成した電
界効果型のトランジスタである。なかでも、ポリシリコ
ン（poly-Si）を活性領域としたポリシリコン薄膜トラ
ンジスタ（poly-SiTFT ）は、電流駆動能力が高いこと
から周辺回路まで適用することができ、例えば液晶ディ
スプレイパネルを低価格で構成することができる等の利
点がある。

【０００３】従来、前記薄膜トランジスタにおけるポリ
シリコン膜の製造方法としては、次に掲げる方法により
行なわれていた。 （１）絶縁性基板１１上に、アモルファスシリコンを５
００℃〜６００℃の低温アニールで固相成長してポリシ
リコン膜を形成する。

【０００４】（２）絶縁性基板１１上に形成されたアモ
ルファスシリコンを、ランプ・アニールあるいはレーザ
を用いた瞬間加熱により溶解結晶化してポリシリコン膜
を形成する。

【０００５】（３）絶縁性基板１１上に６１０℃で堆積
したポリシリコンにＳｉイオン注入を施してアモルファ
ス化した後、６００℃の低温アニールで固相成長し、平
均粒径１ミクロン以上のグレインを有する大粒径化ポリ
シリコンを形成した後、レーザを用いた瞬間加熱により
グレイン内もしくは粒界の結晶を改善してポリシリコン
膜とすることが文献１（“Advanced Excimer Laser Ann
ealing of Thin Poly-Si Films after Solid Phase Gra
in Growth”,Materials Research Society Symposium P
roceedings vol.146(1989) p.35参照）に示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記製造
方法によれば、それぞれ以下に示す問題点があった。す
なわち、（１）の製造方法によれば、平均粒径が０．２
ミクロン以上の樹枝状のグレインを有するポリシリコン
膜が得られるが、グレイン内に格子欠陥が多く、薄膜ト
ランジスタに用いた場合、優れた電気的特性を有するポ
リシリコン薄膜トランジスタを実現するに至らなかっ
た。グレイン内の欠陥を低減するには８００℃以上のア
ニール（高温アニール）を必要とするので、絶縁性基板
１１として安価なガラス基板が使用できないという欠点
がある。

【０００７】また、（２）の製造方法によれば、瞬間加
熱により溶解結晶化するので、絶縁性基板１１としてガ
ラス基板を使用した場合においても、ガラス基板への熱
的なダメージを避けることができる。しかしながら、瞬
間加熱を行なうに際し、表面荒れが少なく且つ均質なポ
リシリコンを得るための溶解結晶化条件を選定するのが
困難であり、得られる薄膜トランジスタの電気的特性の
バラツキが大きく実用上問題がある。

【０００８】（３）の製造方法によれば、グレインの大
粒径化のためにＳｉイオンの注入が必要であり、高価な
イオン注入装置を準備しなければならない。また、大粒
径化のためには、６０時間という長時間の６００℃の低
温アニールを必要とし、生産効率が悪いという問題点が
ある。更に、大粒径のため、トランジスタのチャネルを
横切るグレイン数のバラツキにより、移動度等のトラン
ジスタ特性が大きく変動するため、実用上問題があっ
た。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、例えば薄膜トランジスタの製造に際して、優れた電
気的特性を得ることができるポリシリコンを主体とした
半導体膜を有する半導体装置の製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、上記従来例の問
題点を解決するため鋭意研究を重ねた結果、以下の
（１）〜（４）に示す現象を見出し、本発明に到達し
た。 （１）ポリシリコン膜において、移動度等のトランジス
タ特性の均一化を図るには、グレインの粒径を小さく
し、トランジスタのチャネルを横切るグレインの数のバ
ラツキを小さくすることが必要である。グレインの平均
粒径は、０．５ミクロン以下にするのが好ましい。 （２）グレインの平均粒径が０．５ミクロン以下となる
ポリシリコン膜を得るためには、堆積時に多結晶である
か又はアモルファスシリコンを６００℃以下の低温アニ
ールで固相成長させる。これにより、グレインの平均粒
径を維持したままレーザ・アニール処理が可能となり、
しかもレーザ・アニール処理による表面荒れを防止する
ことができる。 （３）グレインの平均粒径が小粒径のポリシリコン膜
は、レーザ・アニール処理を効率よく行なうことができ
る。 （４）グレインの平均粒径が小粒径のポリシリコン膜
は、レーザ・アニール処理により、グレインの平均粒径
が大粒径のポリシリコン膜を凌ぐトランジスタ特性を得
ることができる。

【００１１】以下、上記現象について、より具体的に説
明する。チャネル長が５ミクロンである薄膜トランジス
タについて、ポリシリコン膜内のグレインの平均粒径と
トランジスタの特性（移動度）のバラツキとの関係を図
２に示す。移動度のバラツキは、特性均一性（３σ／av
e（％）、σ：分布の標準偏差、ave：平均値）で示され
る。図２より、グレインの平均粒径が０．５ミクロンを
越えるとトランジスタの特性（移動度）のバラツキが急
激に増加している。一方、平均粒径が０．５ミクロン以
下では、トランジスタの特性（移動度）のバラツキは一
定している。これは、グレインの平均粒径を小さくする
と、トランジスタのチャネルを横切るグレインの数のバ
ラツキを少なくすることができるためと考えられる。従
って、トランジスタの特性の均一性を維持するために
は、ポリシリコン膜内のグレインの平均粒径を０．５ミ
クロン以下とすることが必要である。

【００１２】また、グレインの平均粒径が０．５ミクロ
ン以下のポリシリコン膜は、レーザ・アニール処理の効
率が良い。小粒径ポリシリコンと大粒径ポリシリコンで
のグレイン内の欠陥を示すと、図３（ａ）及び（ｂ）の
ようになる。図においては簡略化のため、グレイン３０
を円柱状と仮定し、グレイン３０内の欠陥３１を曲線で
表わした。グレイン３０内の欠陥３１は、結晶に比較し
て構造的に不安定であるので、結晶の融解のためのしき
い値エネルギー（Ｅth）より低エネルギー密度のレーザ
照射で融解させることができる。すなわち、欠陥の融解
のためのしきい値エネルギー密度（Ｅth´）でレーザ照
射すれば、グレイン３０内の欠陥３１のみを選択的に融
解させることが可能となる。

【００１３】また、図３より、グレイン３０内の欠陥３
１は粒径以上に大きくならないことが明らかであり、欠
陥３１の大きさが小さいほど融解後に固化する際に欠陥
が発生する確率が小さくなる。従って、大粒径ポリシリ
コンでは固化後に欠陥が残留するのに対して、小粒径ポ
リシリコンではグレイン内の欠陥が小さいため、固化す
る際に発生する欠陥は、大粒径ポリシリコンに比較して
圧倒的に少ない。その結果、小粒径ポリシリコンの方が
レーザ・アニール処理を効率良く行なうことができる。

【００１４】一般的にグレインの粒径が小さくなると、
トランジスタのチャネルを横切るグレイン・バウンダリ
の数が増加し、トランジスタの移動度が劣化するといわ
れているが、グレインの平均粒径が０．２ミクロンのポ
リシリコン膜を用いた薄膜トランジスタを作製して移動
度を測定したところ、１００cm²／Vsを越えるものが得
られ、従来技術の項で引用した前記文献１で報告されて
いる移動度を凌ぐものとなった。これは、グレインの粒
径を大きくすることよりも、グレイン内の欠陥を大幅に
減少させるほうが、トランジスタの特性（移動度）の向
上に重要であることを示している。一方、粒径を小さく
すると、グレイン内での欠陥の占める体積が増加し、グ
レイン自体が構造的に不安定となるため、レーザ照射に
よりグレインが変形し固化後に新たな欠陥が発生する可
能性が高くなる。薄膜トランジスタにおいて、実用化が
可能なトランジスタ特性を有するグレインの平均粒径
は、０．０１ミクロン以上であることが知られている。

【００１５】上述したことを勘案することにより、本発
明の半導体装置の製造方法は、絶縁性基板上に平均粒径
が０．０１ミクロン以上０．５ミクロン以下のグレイン
を有するポリシリコンを主体とする半導体膜を堆積する
第１の工程と、前記半導体膜の結晶の融解のための第１
のしきい値エネルギー密度未満であり且つ前記グレイン
内の欠陥を溶融する第２のしきい値エネルギー密度より
大きいエネルギー密度でレーザ照射を行なって前記グレ
イン内の欠陥部分のみを選択的に融解する第２の工程
と、を具備することを特徴としている。

【００１６】

【作用】本発明方法により薄膜トランジスタのポリシリ
コン膜を製造した場合、グレインの平均粒径を小さくす
ることにより、トランジスタのチャネルを横切るグレイ
ン数のバラツキを小さくし、均一性に優れたトランジス
タ特性を得ることができる。また、グレインの平均粒径
が小さいので、グレインの融解のためのしきい値エネル
ギー密度でレーザ照射を行なうことによりグレイン内の
欠陥を大幅に減少させることができ、レーザ・アニール
処理を効率よく行なうとともに、高移動度，低しきい値
電圧，低リーク電流のトランジスタ特性を有する薄膜ト
ランジスタを得ることができる。

【００１７】

【実施例】本発明に係る半導体装置の製造方法について
図１を参照しながら説明する。図１は、本発明方法を用
いた薄膜トランジスタの製造方法を示す製造工程図であ
る。ガラス基板１の表面に、平均粒径が０．０１ミクロ
ン以上０．５ミクロン以下のグレインを有するポリシリ
コン膜２を堆積し（図１（ａ））、続いて前記ポリシリ
コン膜２の結晶の融解のためのしきい値エネルギー密度
（Ｅth）未満であり且つ前記グレイン内の欠陥を溶融す
るしきい値エネルギー密度（Ｅth´）より大きいエネル
ギー密度でレーザ照射を行なって前記グレイン内の欠陥
部分のみを選択的に融解する（図１（ｂ））。グレイン
の平均粒径が０．５ミクロン以下となるポリシリコン膜
２を得るためには、堆積時に多結晶であるか又はアモル
ファスシリコンを６００℃以下の低温アニールで固相成
長させる。

【００１８】次に、ポリシリコン膜２を島状にパターニ
ングしてポリシリコン層２´（シリコン・アイランド）
を形成する。次いで、ＬＰＣＶＤ法により酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）膜を堆積してゲート絶縁膜３を形成し、更
にＰＣＶＤ法によりpoly-Si膜を堆積し、このpoly-Si膜
をフォトリソ法によりパターニングしてゲート電極４を
形成する（図１（ｃ））。

【００１９】続いて、前記ゲート電極４をマスクとして
イオン注入法により上方から例えばリン等のドーパント
を注入し、前記ポリシリコン層２´の一部分にソース領
域２ｂ及びドレイン領域２ｃを形成する。次いで、ＬＰ
ＣＶＤ法により酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜を堆積して
層間絶縁膜５を形成し、炉アニールを行なって前記イオ
ン注入によりソース領域２ｂ・ドレイン領域２ｃに導入
されたドーパントを活性化する（図１（ｄ））。ソース
領域２ｂとドレイン領域２ｃとの間のポリシリコン層
２′部分は、活性領域２ａとなる。

【００２０】次に、前記ポリシリコン層２´の粒界のシ
リコン・ダングリングボンド（シリコンの未結合手）に
水素を結合させることにより、電気的に中性化してトラ
ップ密度を低減させる水素化処理を行なう。フォトリソ
法により前記ソース領域２ｂ及びドレイン領域２ｃに対
応するゲート絶縁膜３及び層間絶縁膜５にコンタクト孔
６，６を穿孔する。アルミニウム（Ａｌ）膜を堆積及び
パターニングして配線７，７を形成する。最後に保護膜
８，８を着膜し、前記配線と外部回路との電気的接触が
とれるようにパッド孔９，９を形成する（図１
（ｅ））。

【００２１】次に、平均粒径が０．０１ミクロン以上
０．５ミクロン以下のグレインを有するポリシリコン層
２´（シリコン・アイランド）を形成するための具体的
な製造方法について説明する。 実施例１ ガラス基板１上に、ＳｉＨ₄ガスを用いた減圧ＣＶＤ法
により、０．２〜０．５Torrの圧力範囲、５００〜５８
０℃の温度領域で、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）
を５００〜１０００オングストロームの膜厚で堆積し
た。その後、前記アモルファスシリコンを５００〜６０
０℃の温度範囲で炉アニールし、平均粒径が０．１〜
０．５ミクロンの樹枝状のグレインを有するポリシリコ
ン膜２が固相成長した。その後、ＫｒＦエキシマ・レー
ザーを用いて大気中で前記ポリシリコン膜２をアニール
処理した。アニール条件は、２８０〜５００ｍＪ／ｃｍ
²の矩形パルスをガラス基板１上をスキャンすることに
より行なう。レーザ・アニール処理後、ポリシリコン膜
２を島状にパターニングしてシリコン・アイランドとな
るポリシリコン層２′を形成する。

【００２２】実施例２ ガラス基板１上に、ＳｉＨ₄ガスを用いた減圧ＣＶＤ法
により、０．０１〜０．１Torrの圧力範囲、５５０〜６
００℃の温度領域で、ポリシリコン（poly-Si）を５０
０〜１０００オングストロームの膜厚で堆積した。ポリ
シリコン膜２は、平均粒径が０．１ミクロン以下の柱状
構造のグレインから形成されていた。その後、ＫｒＦエ
キシマ・レーザーを用いてＨｅ中で前記ポリシリコン膜
２をアニール処理した。アニール条件は、２８０〜５０
０ｍＪ／ｃｍ²の矩形パルスをガラス基板１上をスキャ
ンすることにより行なう。レーザ・アニール処理後、ポ
リシリコン膜２を島状にパターニングしてシリコン・ア
イランドとなるポリシリコン層２′を形成する。

【００２３】実施例３ ガラス基板１上に、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスを用いた減圧ＣＶＤ法
により、０．２〜０．８Torrの圧力範囲、４５０〜５２
０℃の温度領域で、ポリシリコン（poly-Si）を５００
〜１０００オングストロームの膜厚で堆積した。その
後、前記アモルファスシリコンを５００〜６００℃の温
度範囲で炉アニールし、平均粒径が０．１〜０．５ミク
ロンの樹枝状のグレインを有するポリシリコン膜２が固
相成長した。その後、ＸｅＣｌエキシマ・レーザーを用
いて真空中で前記ポリシリコン膜２をアニール処理し
た。アニール条件は、２８０〜５００ｍＪ／ｃｍ²の矩
形パルスをガラス基板１上をスキャンすることにより行
なう。レーザ・アニール処理後、ポリシリコン膜２を島
状にパターニングしてシリコン・アイランドとなるポリ
シリコン層２′を形成する。

【００２４】実施例４ ガラス基板１上に、ＳｉＨ₄ガスとＨ₂ガスとの混合ガス
（ＳｉＨ₄／Ｈ₂＝１／１５０〜１／５０）を用いたプラ
ズマＣＶＤ法により、０．２〜０．８Torrの圧力範囲、
２００〜４００℃の温度領域で、ポリシリコン（poly-S
i）を５００〜１０００オングストロームの膜厚で堆積
した。ポリシリコン膜２は、平均粒径が０．０５ミクロ
ン以下のグレインから形成されていた。その後、ＸｅＣ
ｌエキシマ・レーザーを用いて大気中で前記ポリシリコ
ン膜２をアニール処理した。アニール条件は、２５０〜
３００ｍＪ／ｃｍ²の矩形パルスをガラス基板１上をス
キャンすることにより行なう。前記ポリシリコン膜２中
には僅かであるが水素が含まれるため、レーザのエネル
ギー密度は水素の突沸を防ぐために低く抑えた。レーザ
・アニール処理後、ポリシリコン膜２を島状にパターニ
ングしてシリコン・アイランドとなるポリシリコン層
２′を形成する。

【００２５】実施例５ ガラス基板１上に、ＳｉＦ₄ガスとＨ₂ガスとの混合ガス
（ＳｉＨ₄／Ｈ₂＝１／１５０〜１／５０）を用いたプラ
ズマＣＶＤ法により、０．２〜０．８Torrの圧力範囲、
２００〜４００℃の温度領域で、ポリシリコン（poly-S
i）を５００〜１０００オングストロームの膜厚で堆積
した。ポリシリコン膜２は、平均粒径が０．１０ミクロ
ン以下のグレインから形成されていた。その後、ＸｅＣ
ｌエキシマ・レーザーを用いて大気中で前記ポリシリコ
ンをアニール処理した。アニール条件は、２５０〜３０
０ｍＪ／ｃｍ²の矩形パルスをガラス基板１上をスキャ
ンすることにより行なう。前記ポリシリコン膜２中には
僅かであるが水素が含まれるため、レーザのエネルギー
密度は水素の突沸を防ぐために低く抑えた。レーザ・ア
ニール処理後、ポリシリコン膜２を島状にパターニング
してシリコン・アイランドとなるポリシリコン層２′を
形成する。

【００２６】本発明は上述した実施例の薄膜トランジス
タの構造に限定されるものでなく、例えば、ゲート電極
を基板上に配置した逆スタガー構造や、ポリシリコン層
２´（シリコン・アイランド）とは別にソース・ドレイ
ン電極を基板上に配置したスタガー構造の薄膜トランジ
スタに適用することができる。また、ポリシリコン膜を
有する薄膜構造の半導体装置に適用することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明方法によれば、グレインの平均粒
径を小さくし、半導体膜の結晶の融解のための第１のし
きい値エネルギー密度未満であり且つ前記グレイン内の
欠陥を溶融する第２のしきい値エネルギー密度より大き
いエネルギー密度でレーザ照射を行なうので、グレイン
内の欠陥を大幅に減少させることができるとともに、レ
ーザ・アニール処理を効率よく行なうことができる。ま
た、本発明方法で得られたポリシリコン膜を薄膜トラン
ジスタに用いると、グレインの平均粒径が小さいので、
トランジスタのチャネルを横切るグレイン数のバラツキ
を小さくし、均一性に優れたトランジスタ特性を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）ないし（ｅ）は、本発明方法による薄
膜トランジスタの製造方法を示す製造工程図である。

【図２】 ポリシリコン膜のグレインの平均粒径と薄膜
トランジスタの特性（移動度）との関係を示すグラフ図
である。

【図３】 （ａ），（ｂ）は、小粒径ポリシリコンと大
粒径ポリシリコンのグレイン内欠陥の様子をそれぞれ示
す構造説明図である。

【図４】 薄膜トランジスタの断面説明図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板、 ２…ポリシリコン膜、 ２´…ポリ
シリコン層、 ２ａ…活性領域、 ２ｂ…ソース領域、
２ｃ…ドレイン領域、 ３…ゲート絶縁膜、４…ゲー
ト電極、 ５…層間絶縁膜、 ６…コンタクト孔、 ７
…配線、 ８…保護膜、 ９…パッド孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/20 9171−4Ｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板上に平均粒径が０．０１ミク
   ロン以上０．５ミクロン以下のグレインを有するポリシ
   リコンを主体とする半導体膜を堆積する第１の工程と、
   前記半導体膜の結晶の融解のための第１のしきい値エネ
   ルギー密度未満であり且つ前記グレイン内の欠陥を溶融
   する第２のしきい値エネルギー密度より大きいエネルギ
   ー密度でレーザ照射を行なって前記グレイン内の欠陥部
   分のみを選択的に融解する第２の工程と、を具備する半
   導体装置の製造方法。