JPH06163409A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜半導体回路において、半導体の結晶化処
理温度を低減し、かつ、信頼性の高い結晶性半導体を形
成する方法を提供する。 【構成】 透明な基板上に形成されたアモルファスシリ
コン等の非晶質半導体薄膜に対し、裏面からのレーザー
もしくはそれと同等な強光を照射することによって、該
半導体薄膜の基板側を結晶化せしめ、その後、該半導体
薄膜を４００〜６００℃で処理することにより、先に結
晶化された領域を核として結晶化を進行させ、均一な結
晶性半導体を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜状の半導体装置
（ＭＯＳ型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等）の作製方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、透明なガラス基板上に薄膜状の半
導体集積回路を形成する技術が開発され利用されてい
る。このような半導体集積回路において、十分な半導体
特性を得るためには、半導体を結晶性のものとすること
が求められてきた。しかしながら、結晶性の半導体材料
を直接成膜することは困難であるので、最初に非晶質の
半導体膜を形成し、それを長時間の熱処理もしくはレー
ザー光、フラッシュランプ等の強光を照射することによ
って、結晶化させる方法が採用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】熱処理によって結晶化
をおこなう場合には、大雑把に言って２通りの方法があ
る。１つは１０００℃程度の高温で処理する方法で、こ
れは現在のシリコンチップ上の半導体集積回路のプロセ
スと同じものであり、非常に高い信頼性を得ている。も
う１つは６００℃程度の中程度の温度で１２時間以上の
長時間熱処理することによって結晶成長をおこなう方法
である。

【０００４】近年は、特に基板の制約から結晶化処理の
温度を低下させることが求められるようになってきた。
従来、基板としては石英が用いられていた。石英は耐熱
性に優れ、１０００℃以上もの高温に耐えられるので、
高温での結晶化には何ら問題がなかった。しかしなが
ら、石英は大型基板の作製が難しいため、装置の大面積
化とともに、コストが急速に増大することが問題であっ
た。

【０００５】これに対して、通常の無アルカリガラス
（例えば、コーニング社７０５９番ガラス）は安価であ
るが、歪み温度が６００℃以下であり、１０００℃の高
温プロセスが採用できないだけでなく、６００℃程度の
プロセスでもガラスのちぢみやそりが問題となった。さ
らに、６００℃程度の熱処理ではその処理時間の長さが
問題となり、量産コストが高くなるという欠点があっ
た。

【０００６】一方、レーザー光等を照射する方法では、
レーザー光の面内でのばらつき、ショット毎のばらつき
等の不安定性のために、十分な信頼性のある結晶性半導
体を得ることができなかった。さらに、レーザー光の波
長が紫外光であると、シリコンでは吸収長が短いため、
５０ｎｍ程度の深さまでしか結晶化ができなかった。そ
のため、半導体膜の厚さを５０ｎｍ以下とすることが求
められ、コンタクトホールや金属との良好なコンタクト
を形成するプロセスが非常に難しくなった。

【０００７】本発明は、結晶性の均一な信頼性の高い半
導体薄膜を６００℃以下の低温で、しかも短時間（好ま
しくは１２時間以内）に作製する方法を提供することを
目的とする。

【０００８】

【問題を解決する方法】本発明は、レーザー光等の強光
を非晶質薄膜の基板側（裏面側）から照射することによ
って、基板に密着した領域の非晶質半導体を結晶化せし
め、さらに、４００〜６００℃での熱処理によって、先
に結晶化した領域から結晶を成長させることを特徴とす
る。本発明の工程の概念図は図１に示される。

【０００９】まず、図１（Ａ）に示すように、基板１上
にアモルファスシリコン等の非晶質半導体膜２を１００
〜１５０ｎｍ形成する。この厚さは後に形成する半導体
素子の仕様やコンタクトやコンタクトホール形成の際の
プロセスに応じて決定すればよい。一般的に、この非晶
質半導体膜の厚さが５０ｎｍ以下では、コンタクトホー
ルを形成した場合に、オーバーエッチングが生じやす
く、また、半導体がシリコンであれば、アルミニウムに
よってコンタクトを形成した場合にはコンタクト部分の
合金化によって、シリコン層を突き抜けてしまいコンタ
クトの信頼性が著しく低下する。

【００１０】次いで、図１（Ｂ）に示すように裏面から
レーザー光等の強光を照射することによって、基板側の
非晶質半導体の結晶化をおこなう。領域３はこの工程に
よって結晶化した部分である。通常のレーザー照射プロ
セスによる場合と同様に、この工程においても結晶化は
均一に行われるわけではなく、図に示すように極めてば
らつきが大きい。

【００１１】レーザー光等の波長は、半導体の種類や基
板の種類によって選択しなければならない。近赤外線で
あれば、通常のガラスは透明であるが、半導体がシリコ
ンであれば、ほとんど全ての半導体領域を透過してしま
うので、膜全体が結晶化されてしまい、しかも、均一性
が極めて悪くなる。そしてこのように、一度、結晶化し
てしまった半導体膜の結晶性を改良することはほとんど
不可能である。

【００１２】したがって、このレーザー照射工程では、
基板側の５０ｎｍ程度の薄い領域だけを主として結晶化
させるだけの波長であることが望ましい。例えば、半導
体がシリコンであれば、波長４００ｎｍ以下の光である
ことが望まれる。

【００１３】レーザーを用いる場合には、連続発振より
もパルス発振レーザーが好ましい。これは、連続発振レ
ーザーでは、熱の伝導によって結晶化が進行し、薄膜の
特定の部分のみ結晶化することが困難であるためであ
る。また、連続的な加熱によって基板から好ましくない
不純物が半導体薄膜に進入し、また、基板と半導体膜と
の間にストレスをもたらすからである。

【００１４】具体的には、ＡｒＦエキシマーレーザー
（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長
２４８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマーレーザー（波長３５０
ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎ
ｍ）等の各種エキシマーレーザーは効率がよく、量産に
適している。

【００１５】以上のレーザー照射工程（あるいは他の強
光照射工程）が終了した後、図１（Ｃ）に示すように、
４００〜６００℃で０．１〜１２時間処理することによ
って、先にレーザー照射によって結晶化した領域を核と
して、他の非晶質半導体領域が一様に結晶化して、結晶
性半導体４となる。この結晶化工程は熱平衡状態による
ものであるので、特に半導体被膜の表面では極めて均一
である。したがって、ＴＦＴその他の半導体素子に利用
するうえで都合がよい。熱結晶の際の雰囲気は酸素、オ
ゾン等の酸化雰囲気あるいは水素原子を含む雰囲気は避
けるべきである。これらの雰囲気では結晶化が進行しに
くい。窒素やアルゴン、クリプトン、ヘリウム等の不活
性な雰囲気でおこなうことが望ましい。また、１ｔｏｒ
ｒ以下の減圧雰囲気でもよい。特に減圧雰囲気では、半
導体薄膜から結晶化の際に障害となる水素や酸素等の原
子が排出されるので都合がいい。

【００１６】以上が本発明の大雑把な工程であるが、以
上の工程は図２に示すような従来の工程とは異なること
を注意しておく。すなわち、基板５上の非晶質半導体膜
６に図２（Ｂ）のように、上面からレーザー照射をおこ
なって結晶化領域７を形成し、これを核として４００〜
６００℃の熱処理をおこなってもほとんど結晶化が進行
せず、非晶質領域８が残存してしまう。しかも、この場
合にはデバイスで重要な薄膜表面がレーザー照射のばら
つきの影響をまともに受けているので信頼性の高いデバ
イスを形成することができない。特に、パルスレーザー
を用いて結晶化をおこなった場合には、レーザー照射の
重なった部分の特性がそうでない部分のものと著しく異
なることが問題であった。

【００１７】図２のように上面からレーザー照射をおこ
なったものでも、６００℃以上の温度で長時間の熱処理
をおこなえば結晶化が進行するが、これは表面の結晶化
した領域を核としたものではなく、全く独立な結晶化に
よるものである。

【００１８】このような問題に対して、本発明では、デ
バイスとして利用される半導体表面の結晶性が直接、レ
ーザー結晶化の影響を受けないために、レーザーの重な
りや不均一性はほとんど問題とならない。すなわち、本
発明では、（１）結晶化温度を従来より低くできる、
（２）結晶化時間を短縮できる、（３）結晶性の均一な
表面を得られる、という利点を有している。以下に実施
例を示す。

【００１９】

【実施例】図３に本実施例を示す。コーニング７０５９
基板１１上にプラズマＣＶＤ法によって下地酸化珪素膜
１２を厚さ１０〜５０ｎｍ形成した。原料ガスとして
は、酸素（あるいはオゾン）とテトラ・エトキシ・シラ
ン（ＴＥＯＳ）という組み合わせ、あるいはシラン（も
しくはジシラン）と水、という組み合わせを用いた。プ
ラズマＣＶＤ法は、成膜速度が早く量産に適している
が、特性のよい下地酸化膜とするには、膜中の水素や炭
素の量を十分に減らさなければならない。そのためには
４００〜６００℃でのアニール処理その他の処理が必要
とされる。そこで、そのような処理を不用とするために
スパッタ法を用いてもよい。ただし、スパッタ雰囲気中
にアルゴン等の不活性ガスが多いと良好な特性が得られ
ず、一方、雰囲気が酸素過剰であれば特性は良いが、成
膜速度が遅いという問題もある。いずれの方法を選択す
るかは、コスト、量産性と必要な特性を考慮して決定し
なければならない。

【００２０】その後、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ１０
０〜１５０ｎｍのアモルファスシリコン膜１３を形成し
た。減圧ＣＶＤ法の代わりにプラズマＣＶＤ法やスパッ
タ法を用いてもよい。膜中に水素が過剰であると、後の
レーザー照射の際に水素が膨張するので、３００〜６０
０℃の温度で十分に水素出しをしておくことが望まれ
る。

【００２１】アモルファスシリコン膜１３上には保護の
ための酸化珪素膜（厚さ１０〜５０ｎｍ）１４を形成し
た。この作製方法はスパッタ法でもプラズマＣＶＤ法で
もよい。また、酸化珪素のかわりに窒化珪素でもよい。
この膜の目的は基板のハンドリングの際に、表面から不
純物が侵入することを防止することである。

【００２２】そして、図３（Ａ）に示すように、裏面か
らレーザー光を照射した。使用したレーザーはＸｅＦレ
ーザーで、パルス幅は２０〜４０ｎｓｅｃで、エネルギ
ー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２５
０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とした。この工程によって、ア
モルファスシリコン膜のうち、基板側の約５０ｎｍの領
域が結晶化したことが確かめられた。

【００２３】そして、次に基板を窒素中に４００〜６０
０℃、例えば５５０℃で２時間放置し、結晶化を進行さ
せた。また、窒素雰囲気の代わりに雰囲気を１０^-4ｔｏ
ｒｒ以下の真空状態とした場合には、４５０℃、３０分
の加熱でも十分な結晶成長が観測された。この結果、ア
モルファスシリコン層１３はほぼ完全に結晶化した。以
上の工程が本実施例におけるもっとも温度の高い工程で
あるが、いかなるパターニング処理もおこなわれていな
いことに注目すべきである。このため、例えばガラス基
板の縮み等の問題によるマスクのずれは生じない。

【００２４】以上の工程の終了した後、保護の酸化膜１
４は除去し、さらに、パターニングをおこなって、ＴＦ
Ｔのアイランド１５を形成し、下地酸化珪素膜と同じ方
法でゲート酸化膜となる酸化珪素膜（厚さ１２０ｎｍ）
１６を形成した。そして、図３（Ｂ）に示すように、ア
ルミニウムやクロム、タンタル、シリコン等の材料でゲ
ート電極１７を形成した。

【００２５】そして、ゲート電極をマスクとして自己整
合的にイオンドーピング、その他の方法によって不純物
イオンをアイランド状シリコンに注入し、不純物領域
（ソース、ドレイン）１８を形成した。これを図３
（Ｃ）に示すように、レーザー照射することによって活
性化せしめた。使用したレーザーはＫｒＦレーザーで、
エネルギー密度は、２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ま
しくは２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² とした。

【００２６】最後に、プラズマＣＶＤ等の方法で、層間
の絶縁膜（酸化珪素、厚さ２００〜５００ｎｍ）１９を
形成し、アルミニウム、クロム等の金属材料で、ソース
電極２０、ドレイン電極２１を形成した。コンタクトの
信頼性をより向上せしめるためにはアルミニウムの下地
に薄い（〜５０ｎｍ）の窒化チタン等を形成するとよ
い。以上の工程によって、ＴＦＴを得ることができた。

【００２７】本実施例によって得られたＴＦＴの平均移
動度は、Ｎチャネル型で１１０ｃｍ² ／Ｖｓ、Ｐチャネ
ル型で８０ｃｍ² ／Ｖｓであった。また、そのばらつき
（σ）はいずれも１０ｃｍ² ／Ｖｓ以下であった。この
ように、本実施例では、極めて信頼性の高いＴＦＴを量
産することができた。

【００２８】従来、レーザー照射結晶化によって得られ
たＴＦＴの移動度は高いことが知られていたが、きわめ
てばらつきの大きいことが問題であった。一方、熱結晶
化によって得られたＴＦＴはばらつきは少ないが移動度
がＮチャネル型５０ｃｍ² ／Ｖｓ程度と低いことが欠点
であった。本実施例では、移動度の高く、しかも、均一
性のよい（信頼性の高い）デバイスを容易に作製でき
た。

【００２９】

【発明の効果】以上に示したように、本発明は、特性が
良好で、信頼性の高い半導体装置を作製する上で特に有
効であることが明らかであろう。しかも、従来の低温熱
結晶化の方法に比べて量産性でも優れている。このよう
に本発明は工業上、有益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の概念図を示す。

【図２】 従来のレーザー結晶化法の概念図を示す。

【図３】 本発明の実施例を示す。

【符号の説明】

１、５・・・基板 ２、６・・・非晶質半導体膜 ３、７・・・レーザー照射によって結晶化した領域 ４・・・・・熱処理によって結晶化した領域 ８・・・・・熱処理によっても結晶化しなかった領域 １１・・・・基板（コーニング７０５９） １２・・・・下地酸化珪素膜 １３・・・・アモルファスシリコン膜 １４・・・・保護膜（酸化珪素） １５・・・・ＴＦＴアイランド １６・・・・ゲート絶縁膜（酸化珪素） １７・・・・ゲート電極 １８・・・・不純物領域（ソース、ドレイン） １９・・・・層間絶縁物（酸化珪素） ２０・・・・ソース電極 ２１・・・・ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/784

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明な基板上に形成されたシリコンを主
   体とする非晶質半導体薄膜に対し、基板を透過する波長
   のレーザー光もしくはそれと同等な強光を裏面から照射
   する工程と、 前記工程終了後、該薄膜を４００〜６００℃の温度にて
   熱処理する工程とを有することを特徴とする半導体装置
   の作製方法。