JPH0766426A

JPH0766426A - 半導体装置およびその作製方法

Info

Publication number: JPH0766426A
Application number: JP23546393A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】耐熱性の劣る基板上に良好な特性を示す絶縁
ゲイト型（ＭＩＳ型）シリコン半導体装置を作製する方
法に関して、特にゲイト絶縁膜およびその作製方法を提
供する。【構成】酸素等の酸化雰囲気中にシリコン半導体表面
をさらし、これを４００〜７００℃、好ましくは５００
〜６００℃に加熱するか、もしくは数１０秒〜数分間、
可視もしくは近赤外光の強光を照射することによって、
表面にごく薄い酸化膜を形成し、しかる後にＴＥＯＳ等
の有機シランと酸素を原料とするプラズマＣＶＤ法によ
って酸化珪素膜を成膜し、所望の厚さのゲイト絶縁膜と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた非単結晶珪素膜を用いた絶縁ゲイト構造を有する半
導体装置、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜
ダイオード（ＴＦＤ）、またはそれらを応用した薄膜集
積回路、特にアクティブ型液晶表示装置（液晶ディスプ
レー）用薄膜集積回路の作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー、三次
元ＩＣ等が開発されている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】これらの珪素膜を用いて絶縁ゲイト構造を
得るには、珪素膜表面に何らかの手段によって界面特性
の優れた絶縁膜を形成する必要があった。例えば、石英
基板のように高温に耐える基板上であれば、熱酸化とい
う手段を用いてゲイト絶縁膜を得ることができた。石英
基板は高価であり、かつ、融点が高いために大面積化が
困難であるということで、融点が低くてより量産性に優
れ、安価な他のガラス材料（例えば、コーニング７０５
９番）を基板として使用することが望まれた。しかし、
より安価な基板材料を使用した場合には、熱酸化膜を得
るだけの高温に基板が耐えないという問題があった。そ
のため、より低温で形成できる物理的気相成長法（ＰＶ
Ｄ法、例えばスパッタ法）や化学的気相成長法（ＣＶＤ
法、例えばプラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等）によって
形成される。

【０００５】しかしながら、これらＰＶＤ法、ＣＶＤ法
によって作製した絶縁膜はピンホールが多く、また、界
面特性も良くなかった。このため、ＴＦＴとした場合の
電界移動度やサブスレシュホールド特性値（Ｓ値）が、
良くないという問題点、あるいはゲイト電極のリーク電
流が多く、劣化がひどく、歩留りが低いという問題点が
あった。特にもともと移動度の小さな非晶質珪素を用い
たＴＦＴの場合には、このようなゲイト絶縁膜の特性は
あまり問題とならなかったが、移動度の高い結晶性の珪
素膜を用いたＴＦＴでは、珪素膜自体よりもゲイト絶縁
膜の特性の方が大きな問題となった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決する手段を提供するものである。すなわち、結晶
性珪素膜を用いて、特性、信頼性、歩留りに優れたＴＦ
Ｔの作製方法を提供する場合において、特に基板材料に
影響を与えない条件のもとで、ゲイト絶縁膜の作製方法
やゲイト絶縁膜の構造を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【０００７】本発明は、酸素や酸化窒素、オゾン等の酸
化雰囲気のなかで、島状の結晶性珪素膜に基板材料に対
して影響を与えない波長の強光を照射（光アニール）
し、あるいは、基板材料に対して影響を与えない温度で
島状の結晶性珪素膜を熱アニールすることによって、そ
の表面に薄い酸化珪素膜（熱酸化膜）を形成し、さら
に、これを覆って、公知の各種ＣＶＤ法で厚い酸化珪素
膜を形成し、所望の厚さのゲイト絶縁膜とすることを特
徴とする。特にテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）
等の有機シランを珪素源とし、酸素、オゾン、酸化窒素
等の酸化性気体を酸化材として、ＣＶＤ反応させて、酸
化珪素を得ることを特徴とする。ＣＶＤ法としては、減
圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶ
Ｄ法、またはこれらの併用を用いればよい。また、より
安定な特性を得るためには、ＣＶＤ法によって酸化珪素
膜を形成した後、再び、前記の可視・近赤外光による光
アニールもしくは４００〜７００℃の熱アニールを、酸
素および窒素の化合物（たとえば一酸化二窒素等）また
は混合気体（例えば窒素４：酸素１の混合気体）の雰囲
気においておこなうとよい。

【０００８】本発明において、光を照射する場合には１
０〜１０００秒程度の比較的短い時間照射し、珪素膜の
表面の温度を９００〜１２００℃に上昇させることが望
ましい。なお、光の波長としては、珪素膜には吸収さ
れ、基板では実質的に吸収されない波長の光であること
が望ましい。具体的には近赤外光から可視光にかけての
光、好ましくは波長が４μｍ〜０．５μｍの光（例えば
波長１．３μｍにピークを有する赤外光）が好ましい。

【０００９】また、本発明において、熱アニールをおこ
なう場合には、基板にソリや縮み等の影響を与えない温
度でおこなうことが望ましく、具体的には、４００〜７
００℃、好ましくは５００〜６００℃の中温の条件でお
こなうことが望ましい。一般的には基板の歪み温度（歪
み点）以下でおこなうべきであるが、予め基板に熱的な
処置をほどこして、内部の歪みエネルギーを開放してお
くことによって、歪み温度以上でも縮みを十分に小さく
できるので、このような場合には歪み温度以上の温度で
あってもかまわない。

【００１０】本発明に用いられる結晶性珪素膜の作製方
法は、レーザーやそれと同等な強光の照射による結晶
化、あるいは熱アニールによる結晶化いずれでも採用で
きる。特に、熱アニールによる場合で、ニッケル等の結
晶化を助長せしめる金属元素を用いて、通常の固相成長
温度よりも低温で結晶化を行う方法を採用した場合に
は、本発明は新たな効果を生じる。結晶化を助長させる
元素としては、８族元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒ
ｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔを用いることができ
る。また３ｄ元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、
Ｃｕ、Ｚｎも利用することができる。さらに、実験によ
れば、Ａｕ、Ａｇ、においても結晶化の作用が確認され
ている。特に上記元素の中で、顕著な効果が得られ、そ
の作用で結晶化した結晶性珪素膜を用いてＴＦＴの動作
が確認されているのがＮｉである。

【００１１】これらの金属を添加された珪素膜は針状に
結晶が成長することが観察されている。しかしながら、
全面が結晶化してしまうわけではなく、結晶と結晶の間
に非晶質もしくはそれと同程度の結晶性の低い領域が取
り残される。このような金属元素の添加された珪素膜は
針状に結晶が成長し、その幅も被膜の厚さの０．５〜２
倍であり、さらに＜１１１＞方向の成長方向でなく、幅
方向、すなわち結晶の側面への成長は少ない。このた
め、前記非晶質領域は長時間のアニールでも結晶化せ
ず、これをＴＦＴに用いた場合には特性の劣化が問題と
なった。ところが、上記の強光を照射する方法を採用し
た場合には、光エネルギーの一部が結晶成長にも使用さ
れ、結晶の側面への成長が促進される。このため、緻密
な結晶性珪素膜が得られる。

【００１２】

【作用】強光を照射して、あるいは中温でのアニールに
よって得られる熱酸化膜の厚さは、２０〜２００Å、代
表的には１００Åであるが、公知のＰＶＤ法、ＣＶＤ法
による膜とは異なり、ピンホールのない非常に緻密で均
一な厚さの膜である。また、珪素膜との界面も理想的な
状態である。この熱酸化膜の上にさらに厚い絶縁膜、代
表的には酸化珪素膜を重ねるのであるから、ピンホール
に起因するリーク電流は小さく、歩留りも向上する。ま
た、珪素膜との界面が良好であるので、ＴＦＴとした場
合の各種特性値が向上し、信頼性も高い。特に図４
（Ａ）に示すように、従来のＴＦＴプロセスにおいて
は、島状珪素膜を作製した際に、オーバーエッチによっ
て珪素膜の端に空孔が生じた。特に下地膜が柔らかい
（エッチングレートが大きい）場合には、顕著であっ
た。そして、従来のＰＶＤ法やＣＶＤ法ではこの空孔を
うまく埋めきれず、クラック等によってリーク電流が発
生することが多かった。（図４（Ｂ））

【００１３】しかし、本発明においては、珪素膜の周囲
に一様な厚さのピンホール等のない熱酸化膜が形成され
るので上記のようなクラックが生じても、使用上はほと
んど問題がない。（図４（Ｃ））このような良質な酸化膜は、従来は高温の熱酸化によっ
てのみ得られていたが、そのためには基板の耐熱性に大
きな制約があった。しかしながら、本発明では、そのよ
うな基板の耐熱性に対する制約は取り払われた。

【００１４】

【実施例】〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に形
成された結晶性珪素膜を用いたＰチャネル型ＴＦＴ（Ｐ
ＴＦＴという）とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴとい
う）とを相補型に組み合わせた回路を形成する例であ
る。本実施例の構成は、アクティブ型の液晶表示装置の
画素電極のスイッチング素子や周辺ドライバー回路、さ
らにはイメージセンサや集積回路に利用することができ
る。

【００１５】図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０１上にスパ
ッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地
膜１０２を形成した。基板は、下地膜の成膜の前もしく
は後に、歪み温度よりも高い温度でアニールをおこなっ
た後、０．１〜１．０℃／分で歪み温度以下まで徐冷す
ると、その後の温度上昇を伴う工程（本発明の赤外光照
射および熱アニールによる酸化工程を含む）での基板の
収縮が少なく、マスク合わせが用意となる。コーニング
７０５９基板では、６２０〜６６０℃で１〜４時間アニ
ールした後、０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．
１〜０．３℃／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度
が低下した段階で取り出すとよい。

【００１６】次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜した。そして、窒素不活性雰囲気化
（大気圧）、６００℃、４８時間アニールして結晶化さ
せ、珪素膜を１０〜１０００μｍの大きさにパターニン
グして、島状の珪素膜（ＴＦＴの活性層）１０３を形成
した。そして、酸素雰囲気中で、０．５〜４μｍここで
は０．８〜１．４μｍにピークをもつ赤外光を３０〜１
８０秒照射し、活性層１０３の表面に酸化珪素膜１０４
を形成した。雰囲気に０．１〜１０％のＨＣｌを混入し
てもよかった。（図１（Ａ））

【００１７】赤外線の光源としてはハロゲンランプを用
いた。赤外光の強度は、モニターの単結晶シリコンウェ
ハー上の温度が９００〜１２００℃の間にあるように調
整した。具体的には、シリコンウェハーに埋め込んだ熱
電対の温度をモニターして、これを赤外線の光源にフィ
ードバックさせた。本実施例では、昇温・降温は、図３
（Ａ）もしくは（Ｂ）のようにおこなった。昇温は、一
定で速度は５０〜２００℃／秒、降温は自然冷却で２０
〜１００℃であった。

【００１８】図３（Ａ）は一般的な温度サイクルで、昇
温時間ａ、保持時間ｂ、降温時間ｃの３つの過程からな
る。しかし、この場合には試料は室温から１０００℃も
の高温へ、さらに高温状態から室温へと急激に加熱・冷
却されるので、珪素膜や基板に与える影響が大きく、珪
素膜の剥離の可能性も高い。この問題を解決するために
は、図３（Ｂ）のように、保持に達する前に、プレヒー
ト時間ｄやポストヒート時間ｆを設け、保持時間に達す
る前に２００〜５００℃の基板や膜に大きな影響を与え
ない温度に保持しておくことが望ましい。

【００１９】この赤外光照射は、珪素膜を選択的に加熱
することになるので、ガラス基板への加熱を最小限に抑
えることができる。そして、珪素膜中の欠陥や不体結合
手を減少させるのにも非常に効果がある。この赤外光照
射によって形成された酸化珪素１０４の厚さは５０〜１
５０Åであった。

【００２０】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０
００Åの酸化珪素膜１０５をゲイト絶縁膜として成膜し
た。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）と酸素を用い、
成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃
とした。ＴＥＯＳと酸素以外に、トリクロロエチレン
（ＴＣＥ）ガスも用いた。流量比としては、代表的には
ＴＥＯＳ：酸素：ＴＣＥ＝５：１０：１としたが、使用
するＣＶＤ装置の特性に応じて、ガスの流量比を変更し
てもよいことは言うまでもない。（図１（Ｂ））このようにして混合されたＴＣＥは反応によって酸化珪
素膜中に塩素原子を供給する。塩素は電極との反応を防
止したり、ナトリウム等の可動イオンが外部から侵入す
ることを防止する上で効果がある。また、同様な効果を
得るには酸化珪素膜中に燐を混入させてもよい。

【００２１】引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ
３０００〜８０００Å、例えば６０００Åの多結晶珪素
（０．０１〜０．２％の燐を含む）膜を成膜した。そし
て、この珪素膜をパターニングして、ゲイト電極１０
６、１０７を形成した。次に、イオンドーピング法（プ
ラズマドーピング法とも言う）によって、活性層領域
（ソース／ドレイン、チャネルを構成する）にゲイト電
極１０６、１０７をマスクとして、自己整合的にＰもし
くはＮ導電型を付与する不純物を添加した。ドーピング
ガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃ ）およびジボラン
（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用い、前者の場合は、加速電圧を６０〜
９０ｋＶ、例えば８０ｋＶ、後者の場合は、４０〜８０
ｋＶ、例えば６５ｋＶとする。ドース量は１×１０¹⁵〜
８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、燐を５×１０¹⁵ｃｍ^-2、ホ
ウ素を２×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。ドーピングに際して
は、一方の領域をフォトレジストで覆うことによって、
それぞれの元素を選択的にドーピングした。この結果、
Ｎ型の不純物領域１１１と１１３、Ｐ型の不純物領域１
０８と１０９が形成され、Ｐチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦ
Ｔ）の領域とＮチャネル型ＴＦＴ（ＮＴＦＴ）との領域
を形成することができた。

【００２２】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。（図１（Ｃ））

【００２３】また、この工程は、近赤外光によるランプ
アニールによる方法でもよい。近赤外線は非晶質珪素よ
りも結晶化した珪素へは吸収されやすく、１０００℃以
上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行うこ
とができる。その反面、ガラス基板（遠赤外光はガラス
基板に吸収されるが、可視・近赤外光（波長０．５〜４
μｍ）は吸収されにくい）へは吸収されにくいので、ガ
ラス基板を高温に加熱することがなく、また短時間の処
理ですむので、ガラス基板の縮みが問題となる工程にお
いては最適な方法であるといえる。

【００２４】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１１
４を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。この層間絶縁物としてはポリイミドを利用してもよ
い。さらにコンタクトホールを形成して、金属材料、例
えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦ
Ｔの電極・配線１１５、１１６、１１７を形成した。最
後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分のアニー
ルを行い、ＴＦＴを相補型に構成した半導体回路を完成
した。（図１（Ｄ））

【００２５】上記に示す回路は、ＰＴＦＴとＮＴＦＴと
を相補型に設けたＣＭＯＳ構造であるが、上記工程にお
いて、２つのＴＦＴを同時に作り、中央で切断すること
により、独立したＴＦＴを２つ同時に作製することも可
能である。本実施例で得られたＴＦＴの特性に関して
は、ＮＴＦＴの移動度は１１０〜２００ｃｍ²／Ｖｓ、
Ｓ値は０．２〜０．５Ｖ／桁、ＰＴＦＴの移動度は５０
〜１２０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｓ値は０．４〜０．６Ｖ／桁で
あり、公知のＰＶＤ法やＣＶＤ法によってゲイト絶縁膜
を形成した場合に比較して、移動度は２割以上高く、Ｓ
値は半減した。

【００２６】〔実施例２〕本実施例も相補型ＴＦＴ回路
に関するものである。図２を用いて、本実施例を説明す
る。まずガラス基板２０１として、コーニング７０５９
基板を用い、６２０〜６６０℃で１〜４時間アニールし
た後、０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．１〜
０．３℃／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度が低
下した段階で取り出した。そして、基板上に下地膜２０
２を形成し、さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ３
００〜８００Åのアモルファス（非晶質）珪素膜２０３
を成膜した。そして、厚さ１０００Åの酸化珪素のマス
ク２０４を用いて２０５で示される領域に厚さ２０〜５
０Åのニッケル膜をスパッタ法で成膜した。ニッケル膜
は連続した膜状でなくともよい。この後、窒素雰囲気下
で５００〜６２０℃、例えば５５０℃、８時間の加熱ア
ニールを行い、珪素膜２０３の結晶化を行った。結晶化
は、ニッケルと珪素膜が接触した領域２０５を出発点と
して、矢印で示されるように基板に対して平行な方向に
結晶成長が進行した。（図２（Ａ））

【００２７】次に、シリコン膜２０３をパターニングし
て、島状の活性層領域２０５を形成した。活性層のエッ
チングは垂直方向に異方性を有するＲＩＥ法によって行
った。この際、図２（Ａ）に斜線で示された領域がニッ
ケルが高濃度に存在する領域である。これらの領域は、
その間の結晶化している領域に比較してニッケルの濃度
が１桁近く高いことが判明している。したがって、本実
施例においては、ＴＦＴのチャネル形成領域はこれらの
ニッケル濃度の高い領域を避けて形成されるようにし
た。本実施例の活性層中でのニッケル濃度は、１０¹⁷〜
１０¹⁹ｃｍ^-3程度であった。その後、基板を酸素雰囲気
で６００℃で１時間アニールした。この結果、活性層の
表面に２０〜２００Å、代表的には４０〜１００Åの厚
さの熱酸化膜２０４が形成された。この工程によって、
先の熱アニールによって結晶化した領域の結晶性をさら
に向上させた。（図２（Ｂ））

【００２８】さらにテトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯ
Ｓ）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７０〜１２０ｎ
ｍ、典型的には１２０ｎｍ）２０７を形成した。成膜時
にはＴＥＯＳに対して流量比で３〜５０％のトリクロロ
エチレン（ＴＣＥ）を添加した。基板温度は３５０℃と
した。酸化珪素膜２０７を形成した後、再び、酸素雰囲
気中で６００℃で１時間アニールをおこなった。こうし
てゲイト絶縁膜２０７を形成した。（図２（Ｃ））次に厚さ６０００Åのアルミニウム膜（０．０１〜０．
２重量％のスカンジウムを含む）をスパッタ法で形成
し、パターニングを行うことによって、ゲイト電極２０
９、２１０を形成した。そして、陽極酸化法によってゲ
イト電極の周囲を陽極酸化物２１１、２１２で被覆し
た。陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレング
リコール溶液中で行った。得られた酸化物層２１１、２
１２の厚さは２０００Åであった。なお、この酸化物２
１１と２１２は、後のイオンドーピング工程において、
オフセットゲイト領域を形成する厚さとなるので、オフ
セットゲイト領域の長さを上記陽極酸化工程で決めるこ
とができる。

【００２９】その後、Ｎ型およびＰ型の不純物をイオン
ドーピング法で注入し、自己整合的にＰ型ソース領域２
１３、Ｐ型ドレイン領域２１５、Ｎ型ソース領域２１
６、Ｎ型ドレイン領域２１８、チャネル形成領域２１
４、２１７を形成した。そして、ＫｒＦレーザー光を照
射することによって、不純物導入のために結晶性の劣化
した珪素膜の結晶性を改善させた。このときにはレーザ
ー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍＪ／ｃｍ² と
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／ｃｍ² と
なった。また、この工程は赤外光のランプアニールによ
って行ってもよい。（図２（Ｄ））

【００３０】その後、酸化珪素またはポリイミドによっ
て層間絶縁物２１９を形成し、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２２０、２２１，２２２を形成し
た。最後に、水素中で２００〜４００℃で２時間アニー
ルして、水素化をおこなった。このようにして、ＴＦＴ
を完成した。さらにより耐湿性を向上させるために、全
面に窒化珪素等でパッシベーション膜を形成してもよ
い。（図２（Ｅ））

【００３１】〔実施例３〕図５に本実施例の作製工程の
断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）５０
１上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化
珪素の下地膜５０２を形成した。基板は、下地膜の成膜
の前に６２０〜６６０℃で１〜４時間アニールした後、
０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．１〜０．３℃
／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度が低下した段
階で取り出した。

【００３２】次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜した。そして、窒素雰囲気下（大気
圧）、６００℃、４８時間アニールして結晶化させ、珪
素膜を１０〜１０００μｍの大きさにパターニングし
て、島状の珪素膜（ＴＦＴの活性層）５０３を形成し
た。そして、酸素雰囲気中で、０．５〜４μｍここでは
０．８〜１．４μｍにピークをもつ赤外光を３０〜１８
０秒照射し、活性層５０３の表面に酸化珪素膜５０４を
形成した。赤外線の照射に関しては実施例１と同じ条件
とした。雰囲気に０．１〜１０％のＨＣｌを混入しても
よかった。（図５（Ａ））

【００３３】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０
００Åの酸化珪素膜５０５をゲイト絶縁膜として成膜し
た。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）と酸素を用い、
成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４００℃
とした。ＴＥＯＳと酸素以外に、トリクロロエチレン
（ＴＣＥ）ガスも用いた。流量比としては、代表的には
ＴＥＯＳ：酸素：ＴＣＥ＝５：１０：１としたが、使用
するＣＶＤ装置の特性に応じて、ガスの流量比を変更し
てもよいことは言うまでもない。

【００３４】引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ
３０００〜８０００Å、例えば６０００Åの多結晶珪素
（０．０１〜０．２％の燐を含む）膜を成膜した。ゲイ
ト電極の材料としては、この他に珪素とモリブテンの多
層膜、珪素と珪化モリブテンの多層膜、珪素とチタンの
多層膜、珪素と珪化チタンの多層膜、珪素とタングステ
ンの多層膜、珪素と珪化タングステンの多層膜等を用い
ることもできる。そして、この珪素膜をパターニングし
て、ゲイト電極５０６を形成した。次に、イオンドーピ
ング法（プラズマドーピング法とも言う）によって、活
性層領域（ソース／ドレイン、チャネルを構成する）に
ゲイト電極５０６をマスクとして、自己整合的にＮ導電
型を付与する不純物を添加した。ドーピングガスとし
て、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６０〜
９０ｋＶ、例えば８０ｋＶとした。ドース量は１×１０
¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とし
た。この結果、Ｎ型の不純物領域５０７と５０９が形成
された。

【００３５】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。また、この工程
は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよ
い。（図５（Ｂ））

【００３６】続いて、厚さ３０００〜６０００Å、例え
ば９０００Åの酸化珪素膜５１０をプラズマＣＶＤ法に
よって形成した。（図５（Ｃ））次に、公知のＲＩＥ法による異方性ドライエッチングを
行うことによって、この酸化珪素膜５１０のエッチング
をおこなった。この際、その高さが９０００Åあるゲイ
ト電極５０６の側面においては、その高さ方向の厚さが
膜厚（酸化珪素膜の膜厚９０００Åのこと）の約２倍と
なる。また、この際、ゲイト絶縁膜である酸化珪素膜５
０５をも続けてエッチングしてしまい、ソース／ドレイ
ン領域５０７、５０９を露呈させた。以上の工程によっ
て、ゲイト電極の側面には概略三角形状の絶縁物５１１
が残った。（図５（Ｄ））

【００３７】その後、図５（Ｅ）に示すように、厚さ５
０〜５００Åのチタン膜５１２をスパッタ法によって形
成した。次に、これを２５０〜４５０℃に加熱してチタ
ンとシリコンを反応させ、珪化チタン領域５１３、５１
５を不純物領域（ソース／ドレイン）上に形成した。ま
た、ゲイト電極の材料（燐ドープ珪素）とも反応して珪
化チタン領域５１４が形成された。珪化チタンは、３０
〜１００μΩ・ｃｍという低い抵抗率であるので、実質
的なソースおよびドレイン領域のシート抵抗は１０Ω／
□以下であった。

【００３８】この工程は赤外光のランプアニールによる
ものでもよい。ランプアニールを行う場合には、被照射
面表面が６００〜１０００℃程度になるように、６００
℃の場合は数分間、１０００℃の場合は数秒間のランプ
照射を行うようにする。（図５（Ｆ））

【００３９】この後、過酸化水素とアンモニアと水とを
５：２：２で混合したエッチング液でＴｉ膜のエッチン
グした。この際、珪化チタン層５１３、５１４、５１５
はエッチングされないので、残存させることができる。
最後に、図５（Ｇ）に示すように、全面に層間絶縁物５
１６として、ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ５００
０Å形成し、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・電極５１７、５１８
を形成した。以上の工程によって、ＴＦＴが完成され
た。本実施例では、アルミニウム電極５１７、５１８と
ソース／ドレインの珪素が直接、接触しない構造になっ
ているので極めて良好なコンタクトが得られた。以上に
よって、ＴＦＴが完成された。不純物領域の活性化のた
めに、さらに２００〜４００℃で水素アニールをおこな
ってもよい。

【００４０】〔実施例４〕図６に本実施例の作製工程の
断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）６０
１上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化
珪素の下地膜６０２を形成した。基板は、下地膜の成膜
の前に６２０〜６６０℃で１〜４時間アニールした後、
０．１〜１．０℃／分、好ましくは、０．１〜０．３℃
／分で徐冷し、４５０〜５９０℃まで温度が低下した段
階で取り出した。

【００４１】次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ５
００〜１５００Å、例えば１０００Åの真性（Ｉ型）の
非晶質珪素膜を成膜した。そして、実施例２と同様にニ
ッケルを触媒として用いる手法によって珪素膜の結晶化
をおこなった。結晶化条件は窒素雰囲気下（大気圧）、
５５０℃、４時間である。そして、珪素膜を１０〜１０
００μｍの大きさにパターニングして、島状の珪素膜
（ＴＦＴの活性層）６０３を形成した。そして、酸素雰
囲気中、６００℃で１時間酸化して、活性層６０３の表
面に酸化珪素膜６０４を形成した。（図６（Ａ））

【００４２】つぎにプラズマＣＶＤ法によって厚さ１０
００Åの酸化珪素膜６０５をゲイト絶縁膜として成膜し
た。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エト
キシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）と酸素を用い、
成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば３５０℃
とした。ＴＥＯＳと酸素以外に、トリクロロエチレン
（ＴＣＥ）ガスも用いた。流量比としては、代表的には
ＴＥＯＳ：酸素：ＴＣＥ＝５：１０：１としたが、使用
するＣＶＤ装置の特性に応じて、ガスの流量比を変更し
てもよいことは言うまでもない。

【００４３】その後、厚さ２０００Å〜５μｍのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２重量％のスカンジウムを含
む）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、ゲイト電極６０６とし、さらにこれに電
解液中で電流を通じて陽極酸化し、厚さ５００〜２５０
０Åの陽極酸化物６０７を形成した。陽極酸化の条件等
については、特願平４−３０２２０（平成４年１月２１
日出願）に示されているものを用いた。ゲイト電極は単
層のアルミニウム膜以外に燐ドープの珪素膜とアルミニ
ウム膜の多層膜も用いることができる。チタンやタンタ
ル、その他、陽極酸化可能な材料を用いてもよいことは
いうまでもない。

【００４４】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（すなわち
ゲイト電極とその周囲の陽極酸化膜）をマスクとして自
己整合的に不純物を注入し、図６（Ｂ）に示すようにソ
ース／ドレイン領域（不純物領域）６０８、６０９を形
成した。ＮＭＯＳのＴＦＴを形成するにはフォスフィン
（ＰＨ₃）をドーピングガスとして燐を注入し、ＰＭＯ
ＳのＴＦＴを形成するにはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）をドー
ピングガスとして、硼素を注入すればよい。ドーズ量は
２〜８×１０¹⁴ｃｍ^-2、加速エネルギーは１０〜９０ｋ
ｅＶとした。

【００４５】その後、レーザー光の照射によってアニー
ル行った。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。また、この工程
は、近赤外光によるランプアニールによる方法でもよ
い。（図５（Ｂ））

【００４６】そして、プラズマＣＶＤ法によって厚さ４
０００Å〜１．５μｍ、例えば９０００Åの酸化珪素膜
６１１を堆積した。（図６（Ｃ））次に、公知のＲＩＥ法による異方性ドライエッチングを
行うことによって、この酸化珪素膜６１１のエッチング
をおこなった。この際、その高さが９０００Åあるゲイ
ト電極６０６の側面においては、その高さ方向の厚さが
膜厚の約２倍となる。また、この際、ゲイト絶縁膜であ
る酸化珪素膜６０５をも続けてエッチングしてしまい、
ソース／ドレイン領域６０８、６１０を露呈させた。以
上の工程によって、ゲイト電極の側面には概略三角形状
の絶縁物６１２が残った。（図６（Ｄ））

【００４７】その後、図６（Ｅ）に示すように、厚さ５
０〜５００Åのチタン膜６１３をスパッタ法によって形
成した。次に、これを２５０〜４５０℃に加熱してチタ
ンとシリコンを反応させ、珪化チタン領域６１４、６１
５を不純物領域（ソース／ドレイン）上に形成した。な
お、この際には加熱によってゲイト電極等にヒロックが
発生しないような温度でおこなうことが望まれる。

【００４８】このアニールは赤外光のランプアニールに
よるものでもよい。ランプアニールを行う場合には、被
照射面表面が６００〜１０００℃程度になるように、６
００℃の場合は数分間、１０００℃の場合は数秒間のラ
ンプ照射を行うようにする。（図６（Ｆ））

【００４９】この後、過酸化水素とアンモニアと水とを
５：２：２で混合したエッチング液でＴｉ膜のエッチン
グした。この際、シリサイド層６１４、６１５はエッチ
ングされないので、残存させることができる。最後に、
図６（Ｇ）に示すように、全面に層間絶縁物６１６とし
て、ＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００Å形成
し、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・電極６１７、６１８を形成し
た。以上の工程によって、ＴＦＴが完成された。

【００５０】

【発明の効果】ＴＦＴの活性層となるべき島状の珪素膜
に基板に吸収されない波長の強光を酸化雰囲気中で照射
し、あるいは基板にソリや縮みをもたらさない温度で酸
化雰囲気中でアニールすることによって、活性層の表面
に緻密でピンホールのない、厚さの一様な薄い熱酸化膜
を形成し、さらにこれにＴＥＯＳと酸素等の酸化気体を
原料とするＣＶＤ法によって厚い酸化珪素膜を重ねて形
成し、これをゲイト絶縁膜とすることによって、ゲイト
絶縁膜の特性と信頼性を著しく高めることができた。

【００５１】このような良質な酸化膜は、従来は高温の
熱酸化によってのみ得られていたが、そのためには基板
の耐熱性に大きな制約があった。しかしながら、本発明
では、そのような基板の耐熱性に対する制約は取り払わ
れた。このため、本発明は基板として各種のガラス材料
を用いることができ、特に歪み温度（歪み点）が５５０
〜７００℃の材料において効果が大きい。このように本
発明は産業上の利益が大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。

【図２】実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。

【図３】実施例１の温度設定例を示す。

【図４】従来のゲイト絶縁膜と本発明のゲイト絶縁膜
の差を示す。

【図５】実施例３のＴＦＴの作製工程を示す。

【図６】実施例４のＴＦＴの作製工程を示す。

【符号の説明】

１０１ガラス基板１０２下地膜（酸化珪素膜）１０３活性層（珪素）１０４薄い熱酸化膜（酸化珪素）１０５ゲイト絶縁膜（酸化珪素）１０６ゲイト電極（燐ドープ珪素）１０７ゲイト電極（燐ドープ珪素）１０８ソース（ドレイン）領域１０９チャネル形成領域１１０ドレイン（ソース）領域１１１ソース（ドレイン）領域１１２チャネル形成領域１１３ドレイン（ソース）領域１１４層間絶縁物１１５電極１１６電極１１７電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面上に島状の結晶性珪素膜を形成
する第１の工程と、前記島状珪素膜に、酸化雰囲気中で近赤外から可視光、
好ましくは波長４μｍ〜０．５μｍの強光を照射するこ
とによって、該珪素膜表面に薄い酸化膜を形成する第２
の工程と、前記島状珪素膜を覆って、有機シランと酸素、オゾン、
酸化窒素を原料とする化学的気相成長法によって酸化珪
素膜を形成する第３の工程と、前記酸化珪素膜上にゲイト電極を形成する第４の工程と
を有する半導体装置の作製方法。
【請求項２】請求項１において、ゲイト電極は非単結
晶珪素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】請求項１において、ゲイト電極はアルミ
ニウムを主成分とする金属材料からなり、かつ、ゲイト
電極の側面には該ゲイト電極と同じ組成の材料を酸化さ
せて得られた酸化物が形成されていることを特徴とする
半導体装置の作製方法。
【請求項４】絶縁基板上に島状の結晶性珪素膜を形成
する第１の工程と、前記島状珪素膜に、酸化雰囲気中で４００〜７００℃の
アニールをおこなうことによって、該珪素膜表面に薄い
酸化膜を形成する第２の工程と、前記島状珪素膜を覆って、有機シランと酸素、オゾン、
酸化窒素を原料とする化学的気相成長法によって酸化珪
素膜を形成する第３の工程と、前記酸化珪素膜上にゲイト電極を形成する第４の工程と
を有する半導体装置の作製方法。
【請求項５】請求項４において、第２の工程は、酸素
と窒素の化合物または混合気体雰囲気においておこなわ
れることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】請求項４において、第２の工程は、一酸
化二窒素の雰囲気においておこなわれることを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項７】絶縁基板上に島状の結晶性珪素膜を形成
する第１の工程と、前記島状珪素膜を覆って、有機シランと酸素、オゾン、
酸化窒素を原料とする化学的気相成長法によって酸化珪
素膜を形成する第２の工程と、前記島状珪素膜に、酸化雰囲気中で４００〜７００℃の
アニールをおこなうことによって、該珪素膜表面に薄い
酸化膜を形成する第３の工程と、前記酸化珪素膜上にゲイト電極を形成する第４の工程と
を有する半導体装置の作製方法。
【請求項８】絶縁表面上に島状の結晶性珪素膜を形成
する第１の工程と、前記島状珪素膜を覆って、有機シランと酸素、オゾン、
酸化窒素を原料とする化学的気相成長法によって酸化珪
素膜を形成する第２の工程と、前記島状珪素膜に、酸化雰囲気中で近赤外から可視光、
好ましくは波長４μｍ〜０．５μｍの強光を照射するこ
とによって、該珪素膜表面に薄い酸化膜を形成する第３
の工程と、前記酸化珪素膜上にゲイト電極を形成する第４の工程と
を有する半導体装置の作製方法。
【請求項９】非単結晶珪素上に前記珪素の熱酸化によ
り設けられた第１の酸化珪素と、該酸化珪素上に有機シ
ランを原料とする気相反応法によって積層形成された第
２の酸化珪素とをゲイト絶縁膜として用いることを特徴
とする半導体装置。
【請求項１０】請求項９において、積層形成された第
２の酸化珪素中には燐、塩素、炭素が、熱酸化により形
成された第１の酸化珪素よりも多く存在することを特徴
とする半導体装置。