JPH0855995A

JPH0855995A - 半導体装置およびその作製方法

Info

Publication number: JPH0855995A
Application number: JP21202994A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Mitsunori Sakama; 光範坂間; Tomohiko Sato; 友彦佐藤; Satoshi Teramoto; 聡寺本; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1996-02-27
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JP3173757B2

Abstract

(57)【要約】【目的】劣化・経時変化の少ない薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）を得るためのゲイト絶縁膜を８５０℃以下の
温度で作製する方法を提供する。【構成】ＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって結晶性珪
素の活性層上に堆積した酸化珪素膜を一酸化窒素雰囲気
においてアニールすることによって酸化膜中、特に珪素
と酸化珪素の界面の珪素−水素結合（Si-H) を、珪素−
窒素結合 (Si≡N)等に置き換えることによって、該酸化
珪素膜をホットエレクトロン等に耐えられるだけの丈夫
なものとし、これをゲイト絶縁膜として用いる。

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、およびそ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
膜状の非単結晶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多結晶もしくは実
質的に多結晶の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、電界効果移動度、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ためには、多結晶性を有
する珪素半導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く
求められている。

【０００４】移動度の小さな非晶質珪素を用いたＴＦＴ
の場合には、ゲイト絶縁膜の特性はあまり問題とならな
かった。例えば、非晶質珪素を用いたＴＦＴでは、ゲイ
ト絶縁膜として酸化珪素よりも電気的特性に劣る窒化珪
素膜が用いられる。しかし、移動度の高い結晶性の珪素
膜を用いたＴＦＴでは、珪素膜自体の特性と同じくらい
にゲイト絶縁膜の特性も大きな問題であった。ゲイト絶
縁膜として好ましいものとしては、熱酸化膜が知られて
いる。例えば、石英基板のように高温に耐える基板上で
あれば、熱酸化法を用いてゲイト絶縁膜を得ることがで
きた。（例えば、特公平３−７１７９３）

【０００５】熱酸化法によって、ゲイト絶縁膜として使
用するに足る酸化珪素膜を得るには、９５０℃以上の高
温が必要であった。しかしながら、このような高温処理
に耐えうる基板材料は石英の他にはなく、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
るという問題があった。また、いわゆる３次元集積回
路、立体集積回路のように、ＴＦＴ等の半導体装置を多
層に有する装置においては、上層の熱酸化工程の際に９
００℃以上の高温になると、下層に存在するＮ型もしく
はＰ型不純物が意図されている以上に拡散するという問
題もあった。さらに、９５０℃以上もの高温を得るため
には装置において困難な点があり、特に量産性を満足さ
せることは難しかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような問題から、
最高プロセス温度を８５０℃以下とすることが求められ
ていた。しかしなから、８５０℃以下の温度では熱酸化
は実質的に進行せず、そのため、ゲイト絶縁膜はスパッ
タ法等の物理的気相成長（ＰＶＤ）法、あるいはプラズ
マＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学的気相成長（ＣＶＤ）
法を用いて作製せざるを得なかった。

【０００７】しかしながら、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法によっ
て作製した絶縁膜は不対結合手や水素の濃度が高く、ま
た、界面特性も良くなかった。そのため、ホットキャリ
ヤ等の注入に対しても弱く、不対結合手や水素が原因と
なって、電荷捕獲中心が形成されやすかった。このた
め、ＴＦＴのゲイト絶縁膜として用いた場合に、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、オン電流の低下（劣化・経時変化）がひどいという
問題点があった。

【０００８】例えば、ＰＶＤ法であるスパッタ法を用い
る場合には、高純度の酸素と珪素からなる合成石英をタ
ーゲットとすれば、原理的には酸素と珪素の化合物の被
膜のみが形成される。しかし、得られる被膜の酸素と珪
素の比率が化学量論比に近くかつ、、不対結合手の少な
い酸化珪素膜を得ることは極めて難しかった。例えば、
スパッタガスとして酸素が好ましかった。しかし、酸素
は原子量が小さく、スパッタ速度（堆積速度）が小さ
く、量産を考慮した場合、スパッタガスとしては不適切
であった。

【０００９】また、アルゴン等の雰囲気においては、十
分な成膜速度が得られたものの、酸素と珪素の比率が化
学量論比と異なり、ゲイト絶縁膜としては極めて不適当
なものであった。さらに、スパッタ雰囲気をどのように
しても珪素の不対結合手を低減することは難しく、成膜
後に水素アニールをおこなうことによって、珪素の不対
結合手Ｓｉ・もしくはＳｉＯ・をＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ
として、安定化させることが必要であった。しかしなが
ら、Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ結合は不安定で、加速した電
子によって、容易に切断され、もとの珪素の不対結合手
に変化してしまった。このような弱い結合Ｓｉ−Ｈ、Ｓ
ｉ−ＯＨの存在が上述のホットキャリヤ注入による劣化
の要因となったものである。

【００１０】同様にプラズマＣＶＤ法を用いて作製され
た酸化珪素膜にもＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨの形で多くの水
素が含有されており、上記の問題の源泉となっていた。
加えて、比較的扱いやすい珪素源として、テトラ・エト
キシ・シラン（ＴＥＯＳ）を用いた場合には、炭素が酸
化珪素膜中に含まれるという問題もあった。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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、最初にＰＶ
Ｄ法もしくはＣＶＤ法によって、島状の結晶性珪素を覆
って、酸化珪素膜を形成した後、一酸化二窒素（Ｎ
₂Ｏ）を含む雰囲気において、６００〜８５０℃、好ま
しくは６５０〜８００℃でアニールすることによって、
酸化珪素膜の特性、特に、珪素膜との界面における特性
を改善するものである。また、一酸化二窒素雰囲気での
アニール工程に先立って、水素雰囲気、あるいは、アン
モニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等の窒化水
素の雰囲気において、アニールをおこなってもよい。

【００１２】本発明においては、例えば、ＰＶＤ法とし
てはスパッタ法、ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ
法、減圧ＣＶＤ法、大気圧ＣＶＤ法を用いればよい。そ
の他の成膜方法を用いることも可能である。プラズマＣ
ＶＤ法、減圧ＣＶＤ法としては、ＴＥＯＳを原料とする
方法を用いてもよい。プラズマＣＶＤ法によってＴＥＯ
Ｓと酸素を原料として酸化珪素膜を堆積するには、基板
温度は２００〜５００℃とすることが望ましい。また、
減圧ＣＶＤ法においてＴＥＯＳとオゾンを用いた反応は
比較的低温（例えば、３７５℃±２０℃）で進行し、プ
ラズマによるダメージが無い酸化珪素膜を得ることがで
きる。同様に、減圧ＣＶＤ法によってモノシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）と酸素（Ｏ₂）を主たる原料として反応させても
プラズマによるダメージが無い酸化珪素膜を得られ
る。。また、プラズマＣＶＤ法のうち、ＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴）条件の放電を用いるＥＣＲ−ＣＶＤ
法は、プラズマによるダメージが小さいので、より良好
なゲイト絶縁膜を形成することができる。

【００１３】本発明において活性層となる結晶性珪素を
形成するには、プラズマＣＶＤ法等によって非晶質珪素
膜を出発材料として用いるが、結晶化方法として大きく
分けて２通りの方法がある。第１は、非晶質珪素膜を形
成した後、５００〜６５０℃の温度で適切な時間の熱ア
ニールを実施することにより、結晶化せしめる方法であ
る。その結晶化の際に、ニッケル、鉄、白金、パラジウ
ム、コバルト等の非晶質珪素の結晶化を促進する元素を
添加してもよい。これらの元素を添加すると、結晶化温
度を低下させ、また、結晶化時間を短縮することができ
る。

【００１４】これらの元素は高濃度に含有されていると
珪素の半導体特性を損なうので、結晶化に十分で、か
つ、半導体特性にほとんど影響のない、１×１０¹⁷〜１
×１０¹⁹原子／ｃｍ³の濃度で含有されることが好まし
い。第２の方法としては、非晶質珪素膜にレーザー等の
強光を照射することによって結晶化させる、いわゆるレ
ーザーアニール法がある。上記、第１、第２の方法のう
ち、いずれの方法を選択するかは本発明を実施するもの
が必要とするＴＦＴの特性、利用できる装置、設備投資
額等を勘案して決定すればよい。

【００１５】また、第１の方法と第２の方法を組み合わ
せてもよい。例えば、熱アニールによって結晶化させた
後、レーザーアニール法によってさらに結晶性を高める
方法を用いてもよい。特に、ニッケル等の結晶化促進元
素を添加して熱アニールをおこなった場合には、結晶粒
界等に非晶質部分が残されることが観察されたが、この
ような非晶質部分を結晶化させるにはレーザーアニール
法が有効である。逆に、レーザーアニール法によって結
晶化させた珪素膜を、熱アニールすることにより、レー
ザーアニールによって生じた膜の応力歪みを緩和させる
ことができる。

【００１６】

【作用】ＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって成膜した酸
化珪素膜を６００〜８５０℃の一酸化二窒素雰囲気で処
理すると、酸化珪素中のＳｉ−Ｈ結合は窒化あるいは酸
化され、Ｓｉ≡Ｎ、あるいはＳｉ₂＝Ｎ−Ｏ結合に変化
する。Ｓｉ−ＯＨ結合も同様に変化する。特にこの反応
は酸化珪素と珪素の界面で進行しやすく、結果として窒
素は酸化珪素−珪素界面に集中する。このような手段で
界面付近に集中して添加される窒素の量は、酸化珪素膜
の平均的な濃度の１０倍以上になる。また、酸化珪素中
に０．１〜１０原子％、代表的には、１〜５原子％の窒
素が含有せしめると、ゲイト絶縁膜として好ましい。

【００１７】同様な現象は熱酸化によって得られた酸化
珪素膜においては期待できない。すなわち、熱酸化膜は
極めて緻密であるため、一酸化二窒素による酸化作用が
進行するためには９５０℃以上の高温としなければなら
ないからである。ＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって成
膜した酸化珪素膜は熱酸化膜に比較して不完全であるた
め、上記のような８５０℃以下の温度で反応が進行する
のである。そして、この反応の結果、ＣＶＤ法もしくは
ＰＶＤ法によって成膜したものであっても熱酸化膜に劣
らない緻密な酸化珪素膜となり、また、酸化珪素と珪素
の界面に多く生じていた界面準位（その多くは不対結合
手やＳｉ−Ｈ結合等に由来する）を減少せしめることが
できるのである。

【００１８】なお、珪素の不対結合手は上記の一酸化二
窒素雰囲気でのアニールで窒化・酸化するこことは難し
い。より反応を促進するには、一度、水素もしくはアン
モニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等の窒化水
素の雰囲気において、適切な温度でアニールすることに
より、不対結合手Ｓｉ・をＳｉ−Ｈ結合に変換するとよ
い。この際の温度は３５０〜８５０℃が好ましい。その
後、一酸化二窒素の雰囲気でのアニールをおこなうと上
記の反応により、安定な結合が得られる。なお、窒化水
素雰囲気での処理では、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｓｉ＝Ｏ結合が
窒化され、Ｓｉ≡Ｎ、あるいはＳｉ−Ｎ＝Ｈ₂となるこ
ともある。このような結合はその後に一酸化二窒素雰囲
気でのアニールによって、極めて安定なＳｉ≡Ｎ結合や
Ｓｉ−Ｎ＝Ｏ結合に変換される。

【００１９】本発明をスパッタ法によって成膜した酸化
珪素膜（特に、スパッタ雰囲気をアルゴン等とすること
により、酸素濃度が化学量論比より少ない酸化珪素膜）
に適用した場合には特に効果が顕著である。すなわち、
このような膜を一酸化二窒素雰囲気でアニールすること
により、不足した酸素を補うことができ、酸化珪素膜の
組成を化学量論比に近づけることが可能となるからであ
る。このようなスパッタ法で形成した酸化珪素膜は、一
酸化二窒素でのアニールに先立って、水素もしくはアン
モニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）等の窒化水
素の雰囲気において、適切な温度でアニールすることに
より、不対結合手Ｓｉ・をＳｉ−Ｈ結合に変換しておい
てもよい。かくすることにより、一酸化二窒素雰囲気で
のアニールによる酸化がより進行しやすい。

【００２０】上記のことはスパッタ法による酸化珪素膜
の成膜が不利でないことを示すものである。すなわち、
従来、スパッタ法によって酸化珪素膜を形成するには、
組成を化学量論比に近づけるため、限られた条件の雰囲
気でしかおこなえなかった。例えば、雰囲気として、酸
素とアルゴンの混合雰囲気の系を考えると、酸素／アル
ゴン＞１という条件を満たすことが必要で、好ましく
は、純粋な酸素雰囲気でおこなうことが望まれた。その
ため、成膜速度が低く、量産に適さなかった。また、酸
素は反応性のガスであり、真空装置、チャンバー等が酸
化されることも問題であった。

【００２１】しかしながら、本発明によって、化学量論
組成より離れた組成の酸化珪素膜であっても、ゲイト絶
縁膜として用いるに適する酸化珪素膜に変換できるの
で、同じ酸素とアルゴンの混合雰囲気の系においても、
酸素／アルゴン≦１というように、成膜速度に関してよ
り有利な条件で実施することができる。例えば、純粋な
アルゴン雰囲気のように極めて成膜速度が高く、安定し
た条件で成膜することも可能となった。

【００２２】本発明を、ＴＥＯＳ等の炭素を含む珪素源
を用いて、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等のＣＶＤ
法によって形成された酸化珪素膜に対して適用すると格
別の効果が得られる。これらの酸化珪素膜には炭素が多
量に含有され、特に、珪素膜との界面付近に存在する炭
素はＴＦＴの特性を低下させる原因であった。本発明で
は、一酸化二窒素雰囲気でのアニールによって、酸化が
進行するが、その際に、炭素も酸化され、炭酸ガスとし
て外部に放出され、膜中の炭素濃度を低減させることが
できる。以上のことは、下記の実験によって容易に確か
められた。

【００２３】この実験では、シリコンウエハー上に、酸
化珪素膜をＴＥＯＳと酸素を原料としたプラズマＣＶＤ
法によって１２００Å形成した試料を用いた。試料を一
酸化二窒素および窒素雰囲気においてアニールをおこな
い、二次イオン質量分析法によって、炭素濃度および窒
素濃度を調べた。その結果を図４、図５に示す。ここ
で、図４は、一酸化二窒素雰囲気におけるアニールした
ものの結果で、（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ５００℃／
２時間のアニールをおこなった試料と、８００℃／１時
間のアニールをおこなった試料についての結果である。
図５は、比較のため、窒素雰囲気においてアニールした
ものの結果で、（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ５００℃／
２時間のアニールをおこなった試料と、８００℃／１時
間のアニールをおこなった試料についての結果である。

【００２４】この分析から、図４（Ｂ）に示されている
一酸化二窒素雰囲気で８００℃のアニールをおこなった
試料について見てみると、酸化珪素と珪素の界面におい
て炭素の濃度が他の試料に比べて、一桁少なくなってお
り、窒素の濃度も高くなっていることが確認された。ま
た、一方において図４（Ａ）と図５に示されるデータを
見てみると、界面に炭素が集積し、窒素の濃度もそんな
に高くないといった傾向が見られた。この、３つのデー
タは、ここには示していないが、アニールをおこなって
いない試料とほとんど同じで、窒素アニールでは全く効
果がなく、一酸化二窒素雰囲気でのアニールでも５００
度程度の低温では効果がないことが確認された。逆に、
一酸化二窒素雰囲気中で、しかも８００℃といった高温
でアニールすることによって酸化珪素の膜中、特に酸化
珪素と珪素との界面において、炭素の濃度が低減し、窒
素の濃度が増加することが確かめられた。

【００２５】本発明を、ニッケル、コバルト、鉄、白
金、パラジウム等の非晶質珪素膜の結晶化を促進する元
素を添加して結晶化させた結晶性珪素膜からなる活性層
に適用した場合には格別の効果を有する。このような結
晶化促進元素を添加して結晶化させた珪素膜の結晶性は
ことのほか良好であり、電界効果移動度も非常に高いも
のが得られたが、それだけにゲイト絶縁膜としても特性
のよいものが望まれていた。本発明によるゲイト絶縁膜
はそれにふさわしいものである。また、本発明によっ
て、一酸化二窒素の雰囲気でアニールすることにより、
結晶粒界等に残存する非晶質領域も結晶化でき、さらに
結晶性を改善できる。

【００２６】本発明をレーザーアニールを施した珪素膜
を用いる活性層に対して適用した場合には、本発明の一
酸化二窒素雰囲気でのアニールの際に、該アニールによ
ってゲイト絶縁膜の特性が改善される効果に加えて、レ
ーザーアニールによって発生した珪素膜に対する歪みを
該アニール工程において同時に緩和できるという効果も
有する。

【００２７】

【実施例】

〔実施例１〕本実施例を図１に示す。本実施例は、ゲイ
ト絶縁膜としてスパッタ法によって形成された酸化珪素
膜を使用し、本発明による熱アニールを施してＮチャネ
ル型ＴＦＴを形成した例である。まず、基板１０１（コ
ーニング１７３３、１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に下地
の酸化膜１０２として、スパッタ法で酸化珪素膜を１０
００〜３０００Å、例えば２０００Å成膜した。この下
地の酸化珪素膜１０２は基板からの汚染を防ぐためのも
のである。

【００２８】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を１００〜１５００Å、例えば５００Å成膜した。
その後、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、コバルト等
の結晶化を促進させる元素を非晶質珪素膜に微量添加し
てアニールし、結晶性珪素膜１０３を得た。本実施例に
おいては、酢酸ニッケル溶液を非晶質珪素膜上に滴下し
て、スピンドライをおこなって、非晶質珪素膜上に酢酸
ニッケルの膜を形成した。その後、窒素雰囲気中におい
て、５５０℃、４時間の熱アニールを施すことによって
ニッケルを非晶質珪素膜に導入し、結晶化せしめた。以
上の工程の後、さらに、得られた結晶性珪素膜の結晶性
を向上させるためにレーザーアニールを施してもかまわ
ない。（図１（Ａ））

【００２９】次に、結晶性珪素膜１０３のエッチングを
おこなって島状珪素膜１０４を形成した。この島状珪素
膜１０４は、ＴＦＴの活性層である。そして、この島状
珪素膜１０４を覆うように、ゲイト絶縁膜１０５として
厚さ２００〜１５００Å、例えば１０００Åの酸化珪素
膜を形成した。本実施例においては、酸素雰囲気中にお
いて合成石英のターゲットを用いたスパッタ法によって
酸化珪素膜を形成した。スパッタガスとしては、アルゴ
ンを用いてもよい。なお、本実施例においてはガス圧を
１Ｐａ、投入電力を３５０Ｗ、基板温度を２００℃の条
件で成膜をおこなった。

【００３０】ゲイト絶縁膜１０５を形成したのち、本発
明のアニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲ
イト絶縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施
例においては、一酸化二窒素雰囲気中において、６００
〜８５０℃、０．５〜６時間、例えば６３０℃、３時間
の熱アニールをおこなった。この結果、酸化珪素膜中お
よび珪素膜との界面における水素が窒化あるいは酸化さ
れて減少し、逆に窒素が増加した。（図１（Ｂ））

【００３１】その後、厚さ３０００Å〜２μｍ、例えば
５０００Åのアルミニウム（１ｗｔ％のＳｉ、もしくは
０．１〜０．３ｗｔ％のＳｃを含む）膜をスパッタ法に
よって形成して、これをパターニングしてゲイト電極１
０６を形成した。次に、ｐＨ≒７、１〜３％の酒石酸の
エチレングリコール溶液に基板を浸し、白金を陰極、こ
のアルミニウムのゲイト電極１０６を陽極として、陽極
酸化をおこなった。陽極酸化は、最初一定電流で１５０
Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了させ
た。このようにして、厚さ１５００〜３５００Å、例え
ば２０００Åの陽極酸化物を形成した。（図１（Ｃ））

【００３２】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜１０４にゲイト電極１０６をマスクとして自己
整合的に不純物として燐を注入した。このときドーズ量
は１×１０¹⁴〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は５
０〜９０ｋＶ、例えばドーズ量を１×１０¹⁵原子／ｃｍ
²、加速電圧は８０ｋＶとした。この結果、Ｎ型の不純
物領域（ソース／ドレイン領域）１０７が形成された。
（図１（Ｄ））さらに、レーザー光の照射によってドーピングされた不
純物領域の活性化をおこなった。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２
０ｎｓｅｃ）を使用し、エネルギー密度は２００〜４０
０ｍＪ／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ／ｃｍ²とした。

【００３３】その後、全面に層間絶縁膜１０８として酸
化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって３０００Å形成
し、この層間絶縁膜１０８とゲイト絶縁膜１０５をエッ
チングしてソース／ドレイン領域１０７にコンタクトホ
ールを形成した。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法
によって５０００Å成膜して、エッチングをおこない、
ソース／ドレイン電極１０９を形成して、Ｎチャネル型
のＴＦＴを作製した。（図１（Ｄ））

【００３４】このようにして形成されたＴＦＴは、ゲイ
ト絶縁膜の耐性が優れているため、劣化に強く、特性の
優れたＴＦＴが得られた。例えば、ドレイン電圧を＋１
４Ｖに固定し、ゲイト電圧を−１７〜＋１７Ｖまで、変
動させ、ＴＦＴの特性の劣化を評価した。最初に測定し
て得られた電界効果移動度μ₀と、上記の電圧印加の後
に測定して得られた電界効果移動度μ₁₀において、１−
（μ₁₀／μ₀）を劣化率と定義すると、本実施例で得ら
れたＴＦＴの劣化率は０．８％であった。比較のため
に、本発明のゲイト絶縁膜の熱アニール工程を一酸化二
窒素雰囲気ではなく、窒素雰囲気として、８００℃／１
時間のアニール処理をおこなったものでは、他の作製条
件が全く同じでも、劣化率は５２．３％もあった。

【００３５】〔実施例２〕本実施例を図２に示す。本実
施例は、ゲイト絶縁膜としてＴＥＯＳを原料ガスとした
プラズマＣＶＤ法によって形成された酸化珪素膜を使用
し、本発明による熱アニールを施してＣＭＯＳ型のＴＦ
Ｔを形成した例である。まず、基板２０１（石英、１０
０ｍｍ×１００ｍｍ）上に下地の酸化膜２０２として、
スパッタ法で酸化珪素膜を２０００Å成膜した。

【００３６】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を５００Å成膜した。その後、実施例１と同様に、
酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによっ
て、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成し、その
後、窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の熱アニ
ールを施すことによって非晶質珪素膜にニッケルを導入
し、結晶化せしめた。その後、さらに結晶性を向上させ
るためにＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）
を用いて、レーザーアニールを施した。レーザーのエネ
ルギー密度は２５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ²が適当であっ
た。本実施例では３００ｍＪ／ｃｍ²とした。（図２
（Ａ））

【００３７】次に、結晶性珪素膜２０３のエッチングを
おこなって島状珪素膜２０４、２０５を形成した。この
島状珪素膜２０４、２０５はＴＦＴの活性層をなるもの
である。そして、この島状珪素膜２０４、２０５を覆う
ように、ゲイト絶縁膜２０６として厚さ２００〜１５０
０Å、例えば１０００Åの酸化珪素膜を形成した。本実
施例においては、ＴＥＯＳおよび酸素を原料ガスとし
て、プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を形成した。
このとき、成膜条件としては、ガス圧を４Ｐａ、投入電
力を１５０Ｗ、基板温度を３５０℃とした。

【００３８】ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のア
ニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶
縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例にお
いては、まず、水素雰囲気において、３５０℃、２時間
の熱アニールを施した。この結果、酸化珪素膜中に存在
する不対結合を水素で埋めることが出来た。次に、一酸
化二窒素雰囲気中において、８００℃、１時間の熱アニ
ールをおこなった。この結果、酸化珪素膜中および珪素
膜との界面における水素が窒化あるいは酸化されて減少
した。この際、ＴＥＯＳを原料ガスとして形成した酸化
珪素膜には炭素が含有されているが、この炭素も酸化さ
れ、炭酸ガスとして放出されて減少した。こうしてゲイ
ト絶縁膜として好ましい酸化珪素膜とすることが出来
た。（図２（Ｂ））

【００３９】その後、厚さ６０００Åのアルミニウム膜
をスパッタ法によって形成して、これをパターニングし
てゲイト電極２０７、２０８を形成した。次に、ｐＨ≒
７、１〜３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に基板
を浸し、白金を陰極、このアルミニウムのゲイト電極２
０７、２０８を陽極として、陽極酸化をおこなった。陽
極酸化は、最初一定電流で１５０Ｖまで電圧を上げ、そ
の状態で１時間保持して終了させた。このようにして、
厚さ２０００Åの陽極酸化物を形成した。（図２
（Ｃ））

【００４０】その後、イオンドーピング法によって、島
状珪素膜２０４、２０５にゲイト電極２０７、２０８を
マスクとして自己整合的に不純物を注入した。まず、Ｐ
チャネル型のＴＦＴを形成する領域をフォトレジストの
マスク２０９で覆って燐を注入し、Ｎ型不純物領域２１
０（ソース／ドレイン領域）を形成した。このときドー
ズ量は１×１０¹⁴〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧
は５０〜９０ｋＶ、例えばドーズ量を５×１０¹⁴原子／
ｃｍ²、加速電圧は８０ｋＶとした。（図２（Ｄ））

【００４１】その後、Ｎチャネル型のＴＦＴを形成する
領域をフォトレジストのマスク２１１で覆って硼素を注
入し、Ｐ型不純物領域２１２（ソース／ドレイン領域）
を形成した。このときドーズ量は１×１０¹⁴〜８×１０
¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は４０〜８０ｋＶ、例えばド
ーズ量を１×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は６５ｋＶ
とした。（図２（Ｅ））

【００４２】さらに、レーザー光の照射によってドーピ
ングされた不純物領域２１０、２１２の活性化をおこな
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）を使用し、
エネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば
２５０ｍＪ／ｃｍ²とした。その後、全面に層間絶縁膜
２１３として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって３
０００Å形成し、この層間絶縁膜２１３とゲイト絶縁膜
２０６をエッチングしてソース／ドレイン領域２１０、
２１２にコンタクトホールを形成した。さらに、アルミ
ニウム膜をスパッタ法によって５０００Å成膜して、エ
ッチングをおこない、ソース／ドレイン電極２１４を形
成して、ＣＭＯＳ型のＴＦＴを作製した。（図２
（Ｆ））

【００４３】〔実施例３〕本実施例を図３に示す。本実
施例は、ＥＣＲ−ＣＶＤ法によって形成された酸化珪素
膜を使用し、本発明による熱アニールを施してＰチャネ
ル型の画素ＴＦＴを形成した例である。まず、石英基板
３０１（１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に下地の酸化膜３
０２として、スパッタ法で酸化珪素膜を３０００Å成膜
した。

【００４４】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を５００Å成膜した。その後、実施例１と同様に、
酢酸ニッケル溶液をスピンドライをおこなうことによっ
て、非晶質珪素膜上に酢酸ニッケルの膜を形成し、その
後、窒素雰囲気中において、５５０℃、４時間の熱アニ
ールを施すことによってニッケルを導入し、結晶化せし
めた。その後、結晶性を向上させるためにレーザーアニ
ールを施してもかまわない。（図３（Ａ））

【００４５】次に、結晶性珪素膜３０３のパターニング
をおこなって島状珪素膜３０４を形成した。この島状珪
素膜３０４は後にＴＦＴの活性層を形成するものであ
る。そして、この島状珪素膜を覆うように、ゲイト絶縁
膜として厚さ１０００Åの酸化珪素膜を形成した。本実
施例においては、モノシラン（ＳｉＨ₄）を原料ガスと
し、一酸化二窒素を酸化剤として用いた、ＥＣＲ−ＣＶ
Ｄ法によって酸化珪素膜を形成した。このとき、酸化剤
として一酸化二窒素以外に、酸素（Ｏ₂）、一酸化窒素
（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等を使用してもかまわ
ない。また、このときの成膜条件としては、基板加熱を
おこなわず、マイクロ波（周波数２．４５ＭＨｚ）の投
入電力を４００Ｗでおこなった。

【００４６】ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のア
ニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶
縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例にお
いては、まず、アンモニア雰囲気において６００℃、２
時間の熱アニールを施した。この結果、酸化珪素膜中に
存在する不対結合を水素で埋めることが出来た。また、
このアニール工程において窒化反応も進行した。その
後、一酸化二窒素雰囲気中において８００℃、１時間の
熱アニールをおこなった。この結果、酸化珪素膜中およ
び珪素膜との界面における水素が窒化あるいは酸化され
て減少した。このように、一度アンモニア雰囲気におけ
る熱アニールを施した後に、一酸化二窒素雰囲気におけ
る熱アニールをおこなうことで酸化珪素膜中の不対結合
を効果的に減少させることが出来て、ゲイト絶縁膜とし
て、より特性の優れた酸化珪素膜を作製することが出来
た。（図３（Ｂ））

【００４７】その後、厚さ６０００Åの多結晶シリコン
膜を減圧ＣＶＤ法によって形成して、これをパターニン
グしてゲイト電極３０６を形成した。多結晶シリコン膜
には導電性を向上せしめるために微量の燐を添加した。
（図３（Ｃ））その後、イオンドーピング法によって、島状珪素膜３０
４にゲイト電極３０６をマスクとして自己整合的に不純
物として硼素を注入した。このときドーズ量は１〜８×
１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は４０〜８０ｋＶ、例え
ばドーズ量を５×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は６５
ｋＶとした。この結果、Ｐ型不純物領域３０７（ソース
／ドレイン領域）が形成された。（図３（Ｄ））

【００４８】さらに、レーザー光の照射によってドーピ
ングされた不純物領域３０７の活性化をおこなった。レ
ーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を使用し、エネルギー
密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば２５０ｍＪ
／ｃｍ²とした。その後、全面に層間絶縁膜３０８とし
て酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって３０００Å形
成し、この層間絶縁膜３０８とゲイト絶縁膜３０５をエ
ッチングしてソース領域にコンタクトホールを形成し
た。さらに、アルミニウム膜をスパッタ法によって５０
００Å成膜して、エッチングをおこない、ソース電極３
０９を形成した。（図３（Ｅ））

【００４９】その後、パッシベーション膜３１０として
窒化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって２０００Å形成
し、これと層間絶縁膜３０８とゲイト絶縁膜３０５をエ
ッチングしてコンタクトホールを形成した。さらに、Ｉ
ＴＯ膜をスパッタ法によって形成し、エッチングをおこ
なって画素電極３１１を形成して画素ＴＦＴを作製し
た。（図３（Ｆ））

【００５０】〔実施例４〕本実施例を図３に示す。本実
施例は、減圧ＣＶＤ法によって形成された酸化珪素膜を
使用し、本発明による熱アニールを施してＰチャネル型
の画素ＴＦＴを形成した例である。まず、石英基板３０
１（１００ｍｍ×１００ｍｍ）上に下地の酸化膜３０２
として、スパッタ法で酸化珪素膜を３０００Å成膜し
た。

【００５１】次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪
素膜を５００Å成膜した。その後、窒素雰囲気中におい
て、６００℃、１２時間の熱アニールを施すことによっ
て結晶化せしめた。その後、さらに、結晶性を向上させ
るためにレーザーアニールを施した。レーザーのエネル
ギー密度は２５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ²が適当であっ
た。本実施例では３００ｍＪ／ｃｍ²とした。（図３
（Ａ））

【００５２】次に、結晶性珪素膜３０３のパターニング
をおこなって島状珪素膜３０４を形成した。この島状珪
素膜３０４は後にＴＦＴの活性層を形成するものであ
る。そして、この島状珪素膜を覆うように、ゲイト絶縁
膜として厚さ１０００Åの酸化珪素膜を形成した。本実
施例においては、モノシラン（ＳｉＨ₄）を原料ガスと
し、酸素ガスを酸化剤として用いた、減圧ＣＶＤ法によ
って酸化珪素膜を形成した。このとき、酸化剤として酸
素ガス以外に、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素
（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等を使用してもかまわ
ない。本実施例においては、圧力０．１〜１０ｔｏｒ
ｒ、温度３００〜５００℃、例えば、圧力１．５ｔｏｒ
ｒ、温度４００℃で成膜をおこなった。

【００５３】ゲイト絶縁膜を形成したのち、本発明のア
ニール処理をおこなってゲイト絶縁膜、特に、ゲイト絶
縁膜と活性層の界面の特性を向上させた。本実施例にお
いては、まず、アンモニア雰囲気において８００℃、２
時間の熱アニールを施した。この結果、酸化珪素膜中に
存在する不対結合を水素で埋めることができ、また、Ｓ
ｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−ＯＨ結合等を窒化することができ
た。その後、一酸化二窒素雰囲気中において８００℃、
１時間の熱アニールをおこなった。この結果、酸化珪素
膜中および珪素膜との界面における水素が窒化あるいは
酸化されて減少した。このように、一度アンモニア雰囲
気における熱アニールを施した後に、一酸化二窒素雰囲
気における熱アニールをおこなうことで酸化珪素膜中の
不対結合を効果的に減少させることが出来て、ゲイト絶
縁膜として、より特性の優れた酸化珪素膜を作製するこ
とが出来た。（図３（Ｂ））

【００５４】その後、厚さ６０００Åの多結晶シリコン
膜を減圧ＣＶＤ法によって形成して、これをパターニン
グしてゲイト電極３０６を形成した。多結晶シリコン膜
には導電性を向上せしめるために微量の燐を添加した。
（図３（Ｃ））その後、イオンドーピング法によって、島状珪素膜３０
４にゲイト電極３０６をマスクとして自己整合的に不純
物として硼素を注入した。このときドーズ量は１〜８×
１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は４０〜８０ｋＶ、例え
ばドーズ量を５×１０¹⁵原子／ｃｍ²、加速電圧は６５
ｋＶとした。この結果、Ｐ型不純物領域３０７（ソース
／ドレイン領域）が形成された。（図３（Ｄ））

【００５５】さらに、５００〜６５０℃、３〜２４時
間、例えば、６００℃、１２時間の熱アニールをおこな
い、不純物イオンの活性化をおこなった。その後、全面
に層間絶縁膜３０８として酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ
法によって３０００Å形成し、この層間絶縁膜３０８と
ゲイト絶縁膜３０５をエッチングしてソース領域にコン
タクトホールを形成した。さらに、アルミニウム膜をス
パッタ法によって５０００Å成膜して、エッチングをお
こない、ソース電極３０９を形成した。（図３（Ｅ））その後、パッシベーション膜３１０として窒化珪素膜を
プラズマＣＶＤ法によって２０００Å形成し、これと層
間絶縁膜３０８とゲイト絶縁膜３０５をエッチングして
コンタクトホールを形成した。さらに、ＩＴＯ膜をスパ
ッタ法によって形成し、エッチングをおこなって画素電
極３１１を形成して画素ＴＦＴを作製した。（図３
（Ｆ））

【００５６】

【発明の効果】上述のように、本発明によって、ＴＦＴ
の特性が大幅に改善された。特に、ホットキャリヤ注入
に対してゲイト絶縁膜が耐性を示し、劣化が低減し、信
頼性が向上した。実施例では、ガラス基板上のＴＦＴを
中心に説明したが、多層集積回路（立体集積回路、３次
元集積回路ともいう）等に本発明を適用しても優れた効
果が得られることは明らかである。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】実施例１の工程を示す。

【図２】実施例２の工程を示す。

【図３】実施例３、４の工程を示す。

【図４】ＳＩＭＳのデータを示す。

【図５】ＳＩＭＳのデータを示す。

【符号の説明】

１０１・・・・基板１０２・・・・下地酸化膜１０３・・・・結晶性珪素膜１０４・・・・島状珪素膜１０５・・・・ゲイト絶縁膜１０６・・・・ゲイト電極１０７・・・・不純物領域（ソース／ドレイン領域）１０８・・・・層間絶縁膜１０９・・・・ソース／ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/316 Ｐ 9056−4ＭＨ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｆ (72)発明者寺本聡神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性の島状珪素領域を覆ってＣＶＤ法
もしくはＰＶＤ法によって酸化珪素膜を堆積する第１の
工程と、前記酸化珪素膜を６００℃以上８５０℃以下の一酸化二
窒素雰囲気においてアニールする第２の工程と、を有す
ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】請求項１において、第１の工程における
島状珪素領域には、１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹原子／ｃｍ
³の結晶化促進元素が含ま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３】請求項１において、該酸化珪素膜はスパ
ッタ法によって堆積されることを特徴とする半導体装置
の作製方法。
【請求項４】請求項１において、該酸化珪素膜はＥＣ
Ｒ−ＣＶＤ法によって堆積されることを特徴とする半導
体装置の作製方法。
【請求項５】請求項１において、該酸化珪素膜はテト
ラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）を原料とするＣＶＤ
法によって堆積さ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１において、該酸化珪素膜はモノ
シランと酸素を主たる原料とする減圧ＣＶＤ法によって
堆積されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】請求項１において、第１の工程と第２の
工程の間に、水素もしくは窒化水素雰囲気中において該酸化珪素膜を
アニールする工程、を有することを特徴とする半導体装
置の作製方法。
【請求項８】島状の非単結晶珪素よりなる活性層と、
該活性層上にＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって形成さ
れた酸化珪素膜をゲイト絶縁膜として有し、前記酸化珪
素と活性層との界面には前記酸化珪素膜中に含有される
平均的な窒素濃度の１０倍以上の濃度の窒素が含有され
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】請求項７において、該ゲイト絶縁膜には
平均して０．１〜１０原子％の窒素が含有されているこ
とを特徴とする半導体装置。