JPH09213630A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザー光によって結晶化された珪素膜の表
面を均一にÅオーダーで、かつ損傷を与えずに平坦化し
得る半導体装置の作製方法を提供する。 【解決手段】ガラス基板１０１上に、下地膜１０２、非
晶質珪素膜１０３を順次に成膜する。加熱処理の後に、
レーザー光を照射して、表面に凹凸を有する結晶性珪素
膜１０４を形成する。ＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスの混合ガス
により、ドライエッチングして、高低差が２０〜３０Å
程度の略平坦な表面を有する結晶性珪素膜１０５を得
る。結晶性珪素膜１０５を島状にパターニングして、Ｔ
ＦＴの活性層１０６を形成する。活性層１０６の表面が
平坦であるため、活性層１０６とＣＶＤ法によるゲイト
絶縁膜１０７との界面準位を低くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、薄膜
トランジスタ、光電変換装置等の絶縁ゲイト型の半導体
装置の作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アクティブマトリクス型の液晶表示装置
は、小型軽量であり、しかも微細で高速動画を表示する
ことができるので、今後のディスプレイの主力となるも
のと期待されている。

【０００３】液晶表示装置を構成する基板は透光性を有
するという制約があるため、その種類は制限され、例え
ばガラス基板、石英基板、プラスチック基板を挙げるこ
とができる。しかしプラスチック基板は耐熱性に欠けて
おり、石英基板は１０００℃程度の高温に耐え得るが、
極めて高価で、特に面積が大きくなると、価格がガラス
基板の１０倍以上となり、コストパフォーマンスに欠け
る。従って、一般的には、耐熱性・経済性のため、ガラ
ス基板が広く使用されている。

【０００４】現在、液晶表示装置に求められる性能は益
々高くなっており、スイチッング素子として使用されて
いる薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称する。）に求
められる性能・特性に対する要求も高くなっている。そ
のため、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成する研究が
盛んに行われている。現在、ガラス基板上に結晶性珪素
膜を形成するには、非晶質珪素膜を形成し、これを加熱
して結晶化させる方法が採用されている。

【０００５】ガラス基板の耐熱温度は６００℃程度であ
るため、結晶性珪素膜を形成する工程にはガラス基板の
耐熱温度を越えるプロセスを採用することはできない。
そのため、ガラス基板上に結晶性珪素膜を形成するに
は、プラズマＣＶＤ法又は減圧ＣＶＤ法により非晶質珪
素膜を形成し、これをガラス基板の耐熱温度以下で加熱
して結晶化させる方法が採用されている。また、同様
に、ゲイト絶縁膜等の絶縁膜を形成する際には、１００
０℃程度の加熱が必要な熱酸化法使用できないため、ス
パッタリング法やプラズマＣＶＤ法等の２００〜３００
℃の加熱で成膜可能な堆積型の成膜方法が採用されてい
る。

【０００６】非晶質珪素膜はプラズマＣＶＤ法又は減圧
ＣＶＤ法によって２００〜３００℃の温度で成膜するこ
とでできるが、６００℃程度の温度で非晶質珪素膜を結
晶化させるには数１０時間以上、一般的に２４時間以上
の時間を要するため、実用性、生産性が極めて低い。

【０００７】このような問題を解決する技術として、レ
ーザー光の照射を行うことにより、非晶質珪素膜を結晶
性珪素膜に変成する技術がある。レーザー光の照射は、
下地のガラス基板に熱的なダメージを与えないので、ガ
ラス基板の耐熱性の問題が生じない。

【０００８】

【発明が解決使用とする課題】上述したような、レーザ
ー光による結晶化技術においては、レーザー光の吸収性
の問題から出発膜である非晶質珪素膜の膜厚が薄い程、
特に５００Å以下であれば、より結晶性に優れた珪素膜
を得ることができる。しかしながら、１０００Å以下の
膜厚の非晶質珪素膜にレーザー光を照射した場合は、結
晶性珪素膜の表面にリッジが形成されてしまうことが判
明している。

【０００９】図６は結晶性珪素膜の表面を原子間力顕微
鏡によって観察した際の写真であり、この結晶性珪素膜
はガラス基板上に形成された５００Å厚の非晶質珪素膜
に対して、レーザー光を照射して、結晶化されたもので
ある。図６に示すように、結晶性珪素膜表面にリッジ
（凹凸）が形成されて、平坦性が損なわれているのが分
かる。

【００１０】レーザー光が照射されると、珪素膜は瞬間
的に溶融して、冷却されて、固化して、結晶化する。し
かしながら、この結晶化過程では、珪素膜が局所的に瞬
間的に溶融して、局所的に膨張する。膨張のために生じ
た内部応力を緩和するのに伴って、珪素膜の表面にリッ
ジが形成される。従って、レーザー光による結晶化にお
いて、珪素膜の表面にリッジが形成されることは不可避
である。リッジの高さは珪素膜の１／２〜１倍程度にな
る。

【００１１】トップゲイト型のＴＦＴは半導体薄膜、所
謂活性層の表面に接して、ゲイト絶縁膜が形成されてい
るので、活性層とゲイト絶縁膜との界面特性を決定する
上で、結晶性珪素膜の表面状態を平坦にすることは非常
に重要である。半導体薄膜の表面のリッジには、半導体
薄膜の表面に不対結合手や格子の歪み等に起因するポテ
ンシャル障壁やトラップが形成されるため、活性層とゲ
イト絶縁膜との界面準位を高くしてしまう。また、この
リッジの頂部は電界が集中するために、リーク電流の発
生源となり、絶縁破壊が生じやすくなっている。

【００１２】また、ガラス基板上にＴＦＴを作製工程に
おいては、ゲイト絶縁膜を形成するには、ガラス基板の
耐熱温度を考慮すると、スパッタリング、プラズマＣＶ
Ｄ法等の堆積法を採用することになる。堆積法による膜
の被覆性はその被堆積面の形状に左右されるため、上記
のリッジが活性層（結晶性珪素膜）の表面にリッジが形
成されていると、ゲイト絶縁膜のステップカバレージ
（段差被覆性）が低下して、絶縁不良が生じ、信頼性を
低下させてしまう。

【００１３】また、上述のような半導体薄膜表面に形成
されるリッジは、ＴＦＴのみでなく、例えば薄膜ダイオ
ードや光電変換装置の作製する上での障害となってい
る。

【００１４】従来より、半導体薄膜の表面を平坦化する
技術が開発されており、例えば機械的化学的研磨法（Ｃ
ＭＰ）が知られている。しかしながら、ＣＭＰ法では、
大面積をÅオーダで均一に、かつ損傷を与えずに平坦化
するのは困難である。

【００１５】また、レーザー光によって非晶質珪素膜を
結晶化させる際に、珪素膜表面に凹凸が形成されないよ
うにするため、予め、非晶質珪素膜表面に酸化珪素膜等
のキャプ層を形成することも試みられている。しかしな
がら、キャプ層を表面に形成した状態で珪素膜にレーザ
ーを照射すると、結晶成長に伴う内部応力が緩和されな
いため、珪素の結晶成長を阻害してしまうことになる。

【００１６】本発明の目的は、上述の問題点を解消し
て、レーザー光によって結晶化された珪素膜の表面を均
一にÅオーダーで、かつ損傷を与えずに平坦化し得る半
導体装置の作製方法を提供することにある。

【００１７】また、本発明の他の目的は、上述の問題点
を解消して、ＴＦＴ等の絶縁ゲイト型の半導体装置にお
いて、レーザー処理により得られる結晶性珪素膜からな
る活性層と、ＣＶＤ法等の堆積型の成膜方法により形成
されるゲイト絶縁膜との界面特性を向上させ得る半導体
装置の作製方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達するため
に、本発明に係る半導体装置の作製方法は、非晶質珪素
膜を形成する工程と、前記非晶質珪素膜を結晶化して、
表面に凹凸を有する結晶性珪素膜を形成する工程と、前
記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、前記
平坦化された結晶性珪素膜の表面に絶縁膜を堆積する工
程とを有する半導体装置の作製方法において、前記平坦
化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素原子を供
給するガスとが少なくとも混合されたガスによるドライ
エッチング工程であり、前記混合ガスにおいて、フッ素
原子に対する酸素原子に対する存在比は、０．８以上で
ある。

【００１９】また、他の発明に係る半導体装置の作製方
法の構成は、非晶質珪素膜を形成する工程と、前記非晶
質珪素膜を結晶化して、表面に凹凸を有する結晶性珪素
膜を形成する結晶化工程と、前記結晶性珪素膜の表面を
平坦にする平坦化工程と、前記結晶性珪素膜の表面に、
絶縁膜を堆積する工程とを有する半導体装置の作製方法
において、前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガ
スと、酸素原子を供給するガスとが少なくとも混合され
たガスを使用するドライエッチング工程であり、前記結
晶性珪素膜の表面の凹部に、ＳｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜
４、１＜ｙ＜２）を形成しながら、前記結晶性珪素膜の
表面の凸部を平坦化する。

【００２０】上記の構成を有する半導体装置の作製方法
において、結晶性珪素膜を形成するには、非晶質珪素膜
を結晶化させる。非晶質珪素膜はガラスや石英基板表
面、又はそれらの基板の表面に形成された絶縁膜表面に
形成される。

【００２１】非晶質珪素膜を結晶化させるには、レーザ
ー光を照射する方法と、加熱処理とが知られているが、
表面に凹凸を有する結晶性珪素膜を形成するためには、
レーザーを照射する必要がある。従って、非晶質珪素膜
を結晶化させる工程としては、レーザー光を照射する工
程、或いは加熱処理と、レーザー照射を併用すると工程
とが挙げられる。また、より優れた結晶性の珪素膜を得
るために、非晶質珪素膜の膜厚は１００Å〜１０００Å
として、レーザー光の熱エネルギが均一に供与されるよ
うし、且つ珪素膜の表面を露出した状態でレーザー光を
照射して、結晶成長させる。このため、従来例で述べた
ように、結晶性珪素膜の表面に凹凸（リッジ）が形成さ
れる。本発明は、この結晶性珪素膜の表面の凹凸をドラ
イエッチングによって除去するものである。

【００２２】なお、非晶質珪素膜にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属元
素を添加して結晶化させると、これらの金属元素の触媒
作用により、結晶化に要する熱エネルギを下げて、処理
時間を短縮することができる。特に、ニッケルがその効
果が顕著である。

【００２３】エッチングガスには、フッ素原子を供給す
るガスと、酸素原子を供給するガスとが少なくとも混合
されたガスを使用する。具体的には、ＣＦ₄ ガスとＯ₂
ガスとの混合ガスを使用する。また、混合ガスにおける
フッ素原子に対する酸素原子に対する存在比は、０．８
以上とする。また、被エッチング面にはプラズマが接触
しないようにする。

【００２４】この結果、結晶性珪素膜の表面の凹部にＳ
ｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）が堆積するた
め、凹部のエッチングは阻害される。他方、前記結晶性
珪素膜の表面の凸部はＳｉＦ_x Ｏ_y が堆積するのが困難
なので、凸部に集中的にフッ素ラジカルが供給されて、
珪素のエッチングが進行して、結晶性珪素膜の表面が平
坦化される。

【００２５】また、本発明はガラス基板等の高温で長時
間の処理が困難な基板を使用することを目的とするた
め、結晶性珪素膜の表面に絶縁膜を形成するには、１０
００℃程度の高温処理が必要な熱酸化法を採用せずに、
２００〜３００℃程度の低温での成膜可能な、スパッタ
リング法や、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等の堆積
型の成膜方法を採用する。

【００２６】

【本発明の実施の形態】以下、凹凸を有する珪素膜表面
の平坦化の過程を説明する。酸素原子が過剰な雰囲気中
でフッ素ラジカルにより、珪素をエッチングすると、Ｓ
ｉとフッ素のラジカルとが化学的に反応して、揮発性の
フッ化シリコン（ＳｉＦ₄ ）が形成され、珪素膜のエッ
チングが進行する。エッチングガスとしてＣＦ₄ ガスと
Ｏ₂ ガスとの混合ガスを使用した場合には、酸素はＣＦ
₃ 、ＣＦ₂ 等のフッ素ラジカルと反応するために、ＣＦ
₃ 、ＣＦ₂ 等のラジカルとフッ素原子との再結合が抑制
されるので、エッチング速度は増加することとになる。
ＣＦ₄ガスに対して、Ｏ₂ ガスの流量比が２倍程度まで
あれば、Ｏ₂ ガスの流量比が増加するのに伴って、エッ
チング速度が増加した。

【００２７】例えば、ＣＦ₄ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ
とし、Ｏ₂ ガスの流量を１００ｓｃｃｍとし、その全圧
を０．３Ｔｏｒｒとした場合に、多結晶珪素に対するエ
ッチング速度は１０００Å／分程度であった。しかしＯ
₂ ガスの流量比が２倍以上になると、Ｏ₂ ガスの流量比
が増加するのに伴って、エッチング速度が急激に減少し
てしまう。例えば、ＣＦ₄ ガスの流量を５０ｓｃｃｍと
し、Ｏ₂ ガスの流量を２００ｓｃｃｍとし、その全圧を
０．３Ｔｏｒｒとした場合に、多結晶珪素に対するエッ
チング速度は５００Å／分であった。更に、前記Ｏ₂ ガ
スの流量比が４倍以上になると、流量比に対するエッチ
ング速度の減少率は１０Å／分程度になる。

【００２８】Ｏ₂ ガスの流量比が増加するのに伴って、
エッチング速度が減少するのは、フッ素ラジカルに対し
てより酸素原子が過剰な状態となるために、ＳｉＦ
_x （ｘ＝１〜４）と酸素原子が反応して、ＳｉＦ_x Ｏ_y
（１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）が形成されるためである。
減圧状態であるためにＳｉＦ_x Ｏ_y は気化しないで、珪
素膜表面に堆積される。ＳｉＦ_x Ｏ_y はフッ素ラジカル
に対してマスク膜として機能するため、珪素膜にフッ素
ラジカルが供給されるのが阻害され、エッチングの進行
が緩慢になる。なお反応物質ＳｉＦ_x Ｏ_y はエッチング
後の結晶性珪素膜の表面をオージェ電子分光法によって
観察することにより、確認されている。

【００２９】本発明は、上記の現象を利用して、ＣＦ₄
ガスとＯ₂ ガスの流量比を制御することにより、エッチ
ング反応と、ＳｉＦ_x Ｏ_y 形成反応とを同時に進行させ
て、珪素膜表面のリッジ（凸部）を選択的に除去して、
レーザー光で結晶化された珪素膜表面を平坦にすること
を特徴とする。図１に従って、結晶性珪素膜が平坦化さ
れる過程を説明する。

【００３０】図１（Ａ）に示すように、レーザーにより
結晶化された結晶性珪素膜１１には、リッジ１２が形成
されている。この結晶性珪素膜１１をＯ₂ ガスが過剰な
雰囲気中でＣＦ₄ ガスによってエッチングすると、Ｓｉ
Ｆ_x Ｏ_y １３が結晶性珪素膜１１表面の凹部から順次に
堆積されるため、凹部はエッチングが阻害される。

【００３１】他方、フッ素ラジカルは曲率半径の小さい
領域に集中的に供給されるので、リッジ１２の頂部はエ
ッチングが最も速く進行する。従って図１（Ａ）〜図１
（Ｃ）に示すように、先ずリッジ１２の先端部からエッ
チングされて、丸められ、最終的に、図１（Ｄ）に示す
ように結晶性珪素膜１１の表面は平坦になる。

【００３２】この結晶性珪素膜１１を使用して、ＴＦＴ
等の絶縁ゲイト型の半導体装置や半導体素子を作製する
際には、ＳｉＦ_x Ｏ_y １３をフッ酸によって除去した後
に、結晶性珪素膜１１を所望の形状にパターニングすれ
ばよい。なお、結晶性珪素膜１１は表面が平坦化される
のに伴って、その膜厚が薄くなるので、結晶性珪素膜１
１の出発膜である非晶質珪素膜の膜厚はエッチングで除
去される分を考慮して、予め厚くする必要がある。

【００３３】なお、珪素膜の表面を平坦にするには、単
結晶珪素であれば、フッ素原子に対する酸素原子の存在
比が１以上であることが必要であり、非晶質珪素膜が結
晶化されたような多結晶珪素であれは、その存在比は
０．８以上であればよい。これらの値以下であると、平
坦化の効果を適切に得ることが困難となる。

【００３４】従って、本発明に係る半導体装置の作製方
法により、機械的な損傷を与えずに図１（Ｄ）に示すよ
うに、結晶性珪素膜の表面を平坦化することができる。
このため、プラズマＣＶＤ法等の堆積型の成膜方法を採
用しても、結晶性珪素膜表面に、ステップカバレッジの
優れた絶縁膜を形成することが可能になる。従って、Ｔ
ＦＴ等の半導体装置において、ゲイト絶縁膜と活性層と
の界面の特性を向上することができる。

【００３５】

【実施例】以下に、図２〜５に図示の実施例１、２に基
づいて、本発明を詳細に説明する。

【００３６】〔実施例１〕本実施例は、加熱処理とレー
ザー処理とを併用して、結晶化された珪素膜の表面を平
坦化する工程に関する。図３は、本実施例の結晶性珪素
膜の形成工程の説明図であり、図３（Ａ）に示すよう
に、ガラス基板１０１（コーニング１７３７、歪点６６
７℃）上に、下地膜として酸化珪素膜１０２を３０００
Åの厚さにプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法で成
膜する。さらにプラズマＣＶＤ法又は減圧熱ＣＶＤ法に
より、非晶質珪素膜１０３を８００Åの厚さに成膜す
る。

【００３７】次に、図３（Ｂ）に示すように加熱処理を
行う。加熱温度を６２０℃とし、加熱時間を４時間とす
る。加熱処理により、非晶質珪素膜１０３は結晶化され
るが、ＴＦＴの活性層に利用するには、その結晶性が十
分である。このため、レーザー光を照射して、珪素膜の
結晶性を向上させる。ここで非晶質珪素膜１０３の膜厚
は８００Å程度であるので、レーザー光のエネルギーは
効果的に珪素膜に供与され、特にその表面近傍に吸収さ
れて、非晶質珪素膜１０３は結晶化されて、結晶性珪素
膜１０４が形成される。

【００３８】しかしながら、図３（Ｃ）で示す工程で得
られる結晶性珪素膜１０４は、良好な結晶性を有する
が、図６に示すように、その表面に数１００Å程度のリ
ッジが形成されている。結晶性珪素膜１０４の平均膜厚
が８００Å程度であるので、このリッジの高さは２００
Å〜５００Å程度となる。本実施例では、このリッジを
ドライエッチングして、結晶性珪素膜の１０４表面を平
坦化する。

【００３９】図２は本実施例のドライエッチング装置の
構成図であり、ダウンフロー型のエッチング装置であ
る。図２に示すように、気密性を保持可能な反応室２１
には、基板Ｓを固定するための基板ホルダ２２が設けら
れ、基板ホルダ２２には加熱手段が設けられている。反
応室２１の下部には排気口２３が設けられ、図示しない
真空ポンプ等から成る排気系に接続されている。他方、
反応室２１の上部には、石英から成る導波管２４が接続
され、導波管２４はアナライザ２５を介して、マイクロ
波発振器２６が接続されている。発振器２６において、
２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振される。また、導波
管２４の外壁に沿って、磁気コイル２７が配置され、更
に導波管２４の発振器２６側の端部には、エッチングガ
スを供給するためのガス供給系２８が接続されている。
ガス供給系２８において、エッチングガスの流量等が制
御可能とされている。

【００４０】エッチングをする際には、ガラス基板１０
１を基板ホルダ２２に載置して、エッチング反応室２１
内にガス供給系２８から、ＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスの混合
ガスを供給する。所望の目的を達するように、フッ素原
子に対する酸素原子の存在比をガスの流量によって制御
する。結晶性珪素膜１０４の膜質によるが、例えば、Ｃ
Ｆ₄ ガスを５０ａｔｍｓ／分で供給し、Ｏ₂ ガスを１６
０ａｔｍｓ／分で供給し、反応室２１の圧力を０．３Ｔ
ｏｒｒに保持する。

【００４１】この状態で、発振器２６から出力３００Ｗ
で、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発生され、アナライ
ザ２５を経て導波管２４に印加される。導波管２４内部
に無電極放電が発生され、この放電によりＣＦ₄ ガスが
乖離して、フッ素ラジカルが発生される。

【００４２】フッ素ラジカルは酸素原子と共に反応室２
１に拡散され、結晶性珪素膜１０８と反応して、図１に
示すように、結晶性珪素膜１０４表面において、その凹
部にＳｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）が形成さ
れながら、凸部の先端が丸められ、最終的にリッジが除
去される。上記のエッチング条件ではエッチングレート
は５００Å／分程度であり、エッチングを６０秒実施し
たところ、結晶性珪素膜１０４の表面の高低差は２０〜
３０Å程度とされ、略平坦な表面を有する結晶性珪素膜
１０５を得ることができ、その膜厚は平均で６００〜５
００Å程度である。また、結晶性珪素膜１０５の表面に
は、図示しないＳｉＦ_x Ｏ_y 膜が２０〜８０Å程度の厚
さに堆積している。

【００４３】エッチング時には、被エッチング面はプラ
ズマに触れないようされている。本実施例では、磁気コ
イル２７を使用しないが、磁気コイル２１によって磁場
を発生して、プラズマ流を制御することもできる。

【００４４】次に、図示しないＳｉＦ_x Ｏ_y 膜をフッ酸
等によって除去した後に、図３（Ｄ）に示すように、結
晶性珪素膜１０５を島状にパターニングして、ＴＦＴの
活性層１０６を形成する。そしてゲイト絶縁膜１０７と
して、酸化珪素膜を１０００Åの厚さに、ＴＥＯＳガ
ス、或いはモノシランガスとＯ₂ ガス等を原料にして、
プラズマＣＶＤ法で成膜する。本実施例では、ガラス基
板１０１上にＴＦＴを作製するようにしたため、ゲイト
絶縁膜１０７を形成するにはＣＶＤ法を採用することと
なるが、活性層１０６の表面が平坦であるため、ゲイト
絶縁膜１０７のステップカバレッジを良好にすることが
できる。

【００４５】さらに、ゲイト絶縁膜１０７の表面にスカ
ンジウムを微量に含有したアルミニウムを主成分とする
膜を６０００Åの厚さに電子ビーム蒸着法で成膜して、
パターニングして、ゲイト電極１０８を形成する。そし
て電解溶液中において、ゲイト電極１０９を陽極として
陽極酸化を行うことにより、酸化物層１０９を２０００
Åの厚さに形成する。

【００４６】次に、図３（Ｄ）に示すように、ソース／
ドレイン領域を形成するために不純物イオンの注入を行
う。ここではＮチャネル型の薄膜トランジスタを形成す
るためにリンイオンの注入を行う。この工程でゲイト電
極１０８の直下の領域は、リンイオンが注入されないた
め、チャネル領域１１０として画定される。他の領域に
はリンイオンが注入され、ソース／ドレイン領域１１
１、１１２として画定される。そしてレーザー光の照射
を行うことで、ドーピングによる損傷を回復すると共
に、注入された不純物イオンの活性化とを行う。

【００４７】次に図３（Ｅ）に示すように、層間絶縁膜
１１３として酸化珪素膜を７０００Åの厚さにプラズマ
ＣＶＤ法で成膜しコンタクトホールを形成して、アルミ
ニウムを主成分とする材料でソース／ドレイン領域１１
１、１１２に接続される電極１１４、１１５を形成す
る。以上の工程を経て、薄膜トランジスタが完成され
る。

【００４８】本実施例に示すトップゲイト型のＴＦＴに
おいては、チャネル領域１１０の表面（ゲイト絶縁膜１
０７との界面側の面）をキャリアが伝導する。従って、
チャネル形成領域１１０の表面を平坦にすることによ
り、キャリアが散乱したり、トラップされることを抑制
するできるため、ＴＦＴの特性を向上することができ
る。

【００４９】本実施例では、加熱処理とレーザー処理と
を併せて、非晶質珪素膜を結晶化させたが、レーザーの
照射のみで、非晶質珪素膜を結晶化させるようしてもよ
い。

【００５０】〔実施例２〕本実施例においては、金属元
素の触媒作用を利用して、結晶化した珪素膜を使用し
て、ＴＦＴを作製する。図４、５は、本実施例のＴＦＴ
の作製工程の説明図であり、工程毎の断面図を示す。

【００５１】図４（Ａ）に示すように、ガラス基板２０
１（コーニング１７３７、歪点６６７℃）上に、下地膜
２０２として酸化珪素膜を３０００Åの厚さにプラズマ
ＣＶＤ法又は減圧熱ＣＶＤ法で成膜する。次にプラズマ
ＣＶＤ法又は減圧熱ＣＶＤ法により、非晶質珪素膜２０
３を８００Åの厚さに成膜する。

【００５２】酸化性雰囲気中においてＵＶ光を非晶質珪
素膜２０３の表面に照射して、その表面に図示しない酸
化膜を数２０Åの厚さに形成する。この酸化珪素膜は、
後の工程で塗布される溶液の濡れ性を改善するためのも
のである。

【００５３】そして珪素の結晶化を助長する金属元素で
あるニッケル元素含んだ溶液を塗布する。ここでは、ニ
ッケル元素を含有する溶液として、その含有量が１〜１
００ｐｐｍ程度のニッケル酢酸塩溶液を用いる。スピナ
ーによって、ニッケル酢酸塩溶液を非晶質珪素膜２０３
表面に塗布して、乾燥して、ニッケル層２０４を形成す
る。ニッケル層２０４は完全な層を成しているとは限ら
ないが、この状態で図示しない酸化膜を介して、ニッケ
ル元素が非晶質珪素膜２０３の表面に接して保持されて
いる。

【００５４】ただし、珪素膜中におけるニッケル濃度が
１×１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下であると、結晶化を助長する
効果を得ることができず、他方ニッケル濃度が５×１０
¹⁹原子ｃｍ^-3以上であると、得られた珪素膜の半導体と
しての特性が損なわれて、金属としての特性が表れてし
まうので、最終的に得られる珪素膜中におけるニッケル
の平均濃度が１×１０¹⁶原子ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹原子ｃ
ｍ^-3となるように、予めニッケル酢酸溶液中のニッケル
の濃度や、塗布回数、塗布量等の工程条件を設定する。
なお、ニッケルの濃度はＳＩＭＳ（２次イオン分析方
法）で計測すればよい。

【００５５】非晶質珪素膜の表面にニッケル元素が保持
された状態を得たら、図４（Ｂ）に示すように、非晶質
珪素膜２０３を加熱処理して、結晶化させる。ここで
は、この加熱処理を窒素雰囲気中において行う。珪素を
結晶化させるには、４５０℃以上の温度で加熱する必要
があるが、４５０℃〜５００℃程度の温度では、非晶質
珪素膜を結晶化させるのに数１０時間以上要するので、
５５０℃以上の温度で加熱することが望ましい。また、
ガラス基板の加熱による変形や縮みを考慮すると、加熱
温度は基板の歪み点以下の温度する。本実施例は、歪点
が６６７℃のガラス基板２０１を使用しているため、加
熱温度を６２０℃とし、加熱時間を４時間として、結晶
性珪素膜２０５得る。

【００５６】加熱処理によって得られる結晶性珪素膜２
０５は、結晶性が十分でないため、レーザー光を照射し
て、結晶性珪素膜２０５の結晶性を向上させる。本実施
例では、ＫｒＦエキシマレーザーを使用し、レーザーエ
ネルギ密度を１５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ² 程度とする。
本実施例では、エネルギ密度を２５０ｍＪ／ｃｍ² と
し、レーザー光を線状ビームに加工して、結晶性珪素膜
２０５に照射する。

【００５７】結晶性珪素膜２０５の平均の厚さは８００
Å程度であるので、照射されたレーザー光のエネルギー
は効果的に珪素膜に供与され、特にその表面近傍に吸収
されて、結晶性がさらに助長される。結晶性珪素膜２０
５は極めて良好な結晶性を有するが、レーザー光によっ
てアニールしたため、図６に示すようにその表面に高さ
がリッジが形成され、結晶性珪素膜２０５の表面の凹凸
の差は２００Å〜５００Åとなる。

【００５８】次に図４（Ｄ）に示すように、ＣＦ₄ ガ
ス、Ｏ₂ ガスとによりドライエッチングして、結晶性珪
素膜２０５の表面の凸部を選択的に取り除く。本実施例
では、図２に示すエッチング装置を使用する。

【００５９】ガラス基板２０１を基板ホルダ２２に載置
して、エッチング反応室２１内にガス供給系２８から、
ＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスの混合ガスを供給する。ＣＦ₄ ガ
スの流量を５０ａｔｍｓ／分とし、Ｏ₂ ガスの流量を１
６０ａｔｍｓ／分とし、反応室２１の圧力を０．３Ｔｏ
ｒｒに保持し、発振器２６の出力は３００Ｗとする。こ
の条件下では、エッチングレートは５００Å／分程度に
なるため、エッチング時間を６０秒とする。

【００６０】反応室２１において、フッ素ラジカル、酸
素原子は結晶性珪素膜２０５と反応して、図１に示すよ
うに、結晶性珪素膜２０５の表面の凹部に図示しないＳ
ｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）が形成されなが
ら、急峻なリッジの先端部が丸められ、最終的にリッジ
が除去され、高低差が２０〜３０Å程度の略平坦な表面
を有する結晶性珪素膜２０６を得ることができ、その膜
厚は５００Å程度とされる。

【００６１】次に、結晶性珪素膜２０６の表面の図示し
ないＳｉＦ_x Ｏ_y 膜をフッ酸系のエッチャントによって
除去した後に、図４（Ｄ）に示すように、結晶性珪素膜
２０６を島状にパターニングして、活性層２０７を形成
する。さらに、プラズマＣＶＤ法により、ゲイト絶縁膜
を構成する酸化珪素膜２０８を１０００〜１５００Å厚
さに成膜する。

【００６２】次に、図４（Ｅ）に示すゲイト電極２０９
を構成するアルミニウム膜をスパッタ法により５０００
Åの厚さに堆積する。アルミニウムには、予め、スカン
ジウムを０．２重量％含有させておくと、後の加熱工程
等において、ヒロックやウィスカーが発生するのを抑制
することがてきる。

【００６３】次に、アルミニウム膜の表面を陽極酸化し
て、図示しない緻密な陽極酸化物を極薄く形成する。次
に、アルミニウム膜の表面にレジストのマスク２００を
形成する。この際に、アルミニウム膜の表面に図示しな
い緻密な陽極酸化物２０８が形成されているため、レジ
ストのマスク２００を密着させて形成することができ
る。レジストのマスク２００を使用して、アルミニウム
膜をエッチングして、ゲイト電極２０９を形成する。

【００６４】図５（Ａ）に示すように、レジストのマス
ク２００を残したまま、ゲイト電極２０９を陽極酸化し
て、多孔質の陽極酸化物２１０を４０００Åの厚さに形
成する。この際に、ゲイト電極２０９の表面にレジスト
のマスク２００が密着しているため、多孔質の陽極酸化
物２１０はゲイト電極２０９の側面のみに形成される。

【００６５】次に、図５（Ｂ）に示すように、レジスト
のマスク２００を剥離した後に、ゲイト電極２０９を電
解溶液中で再び陽極酸化して、緻密な陽極酸化物２１１
を１０００Åの厚さに形成する。

【００６６】陽極酸化物の作り分けは使用する電解溶液
を変えればよく、多孔質の陽極酸化物２１０を形成する
場合には、クエン酸、シュウ酸、クロム酸又は硫酸を３
〜２０％含有した酸性溶液を使用すればよい。他方、緻
密な陽極酸化物２１１を形成する場合には、酒石酸、ほ
う酸、又は硝酸を３〜１０％含有するエチレングリコー
ル溶液をＰＨを７程度に調整した電解溶液を使用すれば
よい。

【００６７】図５（Ｃ）に示すように、ゲイト電極２０
９及びその周囲の多孔質の陽極酸化物２１０、緻密な陽
極酸化物２１１をマスクにして、酸化珪素膜２０８をエ
ッチングして、ゲイト絶縁膜２１２を形成する。

【００６８】図５（Ｄ）に示すように、多孔質の陽極酸
化物２１０を除去した後に、イオンドーピング法によ
り、ゲイト電極２０９、緻密な陽極酸化物２１１、及び
ゲイト絶縁膜２１２をマスクにして、活性層２０６に不
純物を注入する。本実施例では、Ｐチャネル型ＴＦＴを
形成するために、ドーピングガスにフォスフィン（ＰＨ
₃ ）を使用して、燐イオンをドーピングする。なおドー
ピングの際に、ゲイト絶縁膜２１２は半透過なマスクと
して機能するように、ドーズ量、加速電圧等の条件を制
御する。

【００６９】ドーピングの結果、ゲイト絶縁膜２１２に
覆われていない領域は高濃度に燐イオンが注入されて、
ソース領域２１３、ドレイン領域２１４が形成される。
また、ゲイト絶縁膜２１２のみに覆われている領域に
は、低濃度に燐イオンが注入されて、低濃度不純物領域
２１５、２１６が形成される。ゲイト電極２０９の直下
の領域には不純物が注入されないため、チャネル領域２
１７が形成される。ドーピイング工程の後に、熱アニー
ル、レーザアニール等を実施して、ドーピイングされた
燐イオンを活性化する。

【００７０】低濃度不純物領域２１５、２１６は高抵抗
領域として機能するため、オフ電流の低減に寄与する。
特に、ドレイン領域２１１側の低濃度不純物領域２１３
はＬＤＤと呼ばれている。また、緻密な陽極酸化物２１
１を十分に厚くすることにより、緻密な陽極酸化物２１
１の直下の領域をオフセット領域とすることができ、オ
フ電流をより低減することができる。

【００７１】図５（Ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ
法により、層間絶縁物２１８として酸化珪素膜を５００
０Åの厚さに成膜する。なお、層間絶縁物２１８とし
て、酸化珪素膜の単層膜の代わりに、窒化珪素膜の単層
膜、又は酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層膜を形成しても
よい。次に、公知のエッチング法によって酸化珪素膜か
ら成る層間絶縁物２１８をエッチングして、ソース領域
２１３、ドレイン領域２１４それぞれに対するコンタク
トホールを形成する。次に、アルミニウム膜を４０００
Åの厚さにスパッタリング法により成膜し、これをパタ
ーニングして、ソース領域２１３、ドレイン領域２１４
のコンタクトホールに電極２１９、２２０を形成する。
以上の工程を経て、ＬＤＤ構造を有するＴＦＴが作製さ
れる。

【００７２】本実施例に示すトップゲイト型のＴＦＴに
おいては、チャネル領域２１７の表面をキャリアが伝導
する。従って、チャネル形成領域２１７の表面を平坦に
することにより、キャリアが散乱したり、トラップされ
ることを抑制するできるため、ＴＦＴの移動度を向上を
することができる。

【００７３】なお、本実施例では、ニッケル元素を添加
して図４（Ｂ）に示す結晶性珪素膜２０５を得ている。
ニッケル元素は珪素膜の結晶化工程では触媒元素として
有用であるが、最終的にはＴＦＴの電気的な特性を阻害
する不純物であるため、活性層２０７、特にチャネル領
域２１７におけるニッケル濃度は低い程好ましい。

【００７４】結晶性珪素膜２０５にはニッケル元素が含
有されているが、ニッケル元素は粒界に偏析するため、
表面のリッジ部においてニッケルが高濃度に存在してい
る。このため、エッチングによりこのリッジ部を除去す
ることにより、平坦化された結晶性珪素膜２０６内のニ
ッケル濃度を減少する効果も生ずる。リッジの高さが結
晶性珪素膜２０５の膜厚の１／２〜１倍程度であること
を考慮すると、平坦化された結晶性珪素膜２０６に含有
されるニッケルの平均の濃度を、結晶性珪素膜２０５に
おける濃度の最大で１／２程度まで減少させることが可
能である。

【００７５】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置の作製方法は、
フッ素原子を供給するガスと、酸素原子を供給するガス
とが少なくとも混合されたガスを使用して、ドライエッ
チングすることによって、凹凸を有する珪素膜の表面を
Åオーダで、均一に且つ損傷を与えずに平坦化すること
が可能である。このためレーザーによる結晶化工程にお
いて、表面が平坦な珪素膜を得るために、珪素膜の表面
にキャプ層する必要がなくなり、珪素膜を充分に結晶成
長させることが可能になる。

【００７６】また、本発明の半導体装置の作製方法によ
り、結晶性の優れ、且つ平坦な表面を有する珪素膜を得
ることができる。このような結晶性珪素膜を利用して、
薄膜トランジスタを作製することで、ガラス基板にも移
動度の高い素子を作製することができる。

【００７７】また、スパッタリング法やＣＶＤ法等の堆
積型の成膜方法によりゲイト絶縁膜を成膜しても、ステ
ップカバレッジを良好に成膜することができ、活性層と
の界面状態を良好にすることができる。即ち、活性層表
面にリーク源となる凸部を除去するようにしたため、活
性層とゲイト絶縁膜との界面準位を減少することができ
るため、Ｓ値を低くすることができる。更に、電界が集
中する領域がこの界面から除去されるので、ＴＦＴが劣
化することを抑制することができる。

【００７８】従って、本発明に係る半導体装置の作製方
法によって、ガラス基板のように高温で長時間の処理を
することが困難な基板上にも、特性の良好なＴＦＴ等の
絶縁ゲイト型の半導体装置を形成することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 発明の実施の形態の説明図あり、結晶性珪素
膜表面の平坦化の過程を示す模式図である。

【図２】 実施例のエッチング装置の構成図である。

【図３】 実施例１のＴＦＴの作製工程の説明図であ
る。

【図４】 実施例２のＴＦＴの作製工程の説明図であ
る。

【図５】 実施例２のＴＦＴの作製工程の説明図であ
る。

【図６】 レーザー光が照射された後の結晶性珪素膜の
表面の写真である。

【符号の説明】

１１・・・結晶性珪素膜 １２・・・リッジ １３・・・ＳｉＦ_x Ｏ_y １０１、２０１・・・ガラス基板 １０２、２０２・・・下地膜 １０３、２０３・・・非晶質珪素膜 １０４、２０５・・・リッジを有する結晶性珪素膜 １０５、２０６・・・平坦化された結晶性珪素膜 １０６、２０７・・・活性層 １０７、２１２・・・ゲイト絶縁膜 １０８、２０９・・・ゲイト電極 １１０、２１７・・・チャネル領域

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/336

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非晶質珪素膜を形成する工程と、 前記非晶質珪素膜を結晶化して、表面に凹凸を有する結
   晶性珪素膜を形成する工程と、 前記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、 前記平坦化された結晶性珪素膜の表面に絶縁膜を堆積す
   る工程とを有する半導体装置の作製方法において、 前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素
   原子を供給するガスとが少なくとも混合されたガスによ
   るドライエッチング工程であり、 前記混合ガスにおいて、フッ素原子に対する酸素原子に
   対する存在比は、０．８以上であることを特徴とする半
   導体装置の作製方法。
2. 【請求項２】非晶質珪素膜を形成する工程と、 前記非晶質珪素膜を結晶化して、表面に凹凸を有する結
   晶性珪素膜を形成する結晶化工程と、 前記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、 前記結晶性珪素膜の表面に絶縁膜を堆積する工程とを有
   する半導体装置の作製方法において、 前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素
   原子を供給するガスとが少なくとも混合されたガスを使
   用するドライエッチング工程であり、前記結晶性珪素膜
   の表面の凹部にＳｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜
   ２）を形成しながら、前記結晶性珪素膜の表面の凸部を
   平坦化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記非晶
   質珪素膜の平均膜厚は、１００〜１０００Åであること
   を特徴とする半導体装置の作製方法。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項２において、前記表面
   に凹凸を有する結晶性珪素膜を形成する工程は、レーザ
   ー光を照射する工程であることを特徴とする半導体装置
   の作製方法。
5. 【請求項５】絶縁表面を有する基板上に薄膜トランジス
   タを作製工程において、 非晶質珪素膜を形成する工程と、 非晶質珪素膜を結晶化して、表面に凹凸を有する結晶性
   珪素膜を形成する工程と、 前記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、 前記平坦化された結晶性珪素膜を整形して、薄膜トラン
   ジスタの活性層を形成する工程と、 前記活性層の少なくともチャネル領域の表面に絶縁膜を
   堆積して、ゲイト絶縁形成する工程と、 前記ゲイト絶縁膜の表面に、ゲイト電極を形成する工程
   を有し、 前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素
   原子を供給するガスとが少なくとも混合されたガスによ
   るドライエッチング工程であり、前記混合ガスにおいて
   フッ素原子に対する酸素原子に対する存在比は、０．８
   以上であり、 前記平坦化工程の後に、前記ドライエッチング工程にお
   いて、前記結晶性珪素膜表面に形成されたＳｉＦ_x Ｏ_y
   （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）膜を除去する工程を有する
   ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
6. 【請求項６】絶縁表面を有する基板上に薄膜トランジス
   タを作製工程において、 非晶質珪素膜を形成する工程と、 非晶質珪素膜を結晶化して、表面に凹凸を有する結晶性
   珪素膜を形成する工程と、 前記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、 前記平坦化された結晶性珪素膜を整形して、薄膜トラン
   ジスタの活性層を形成する工程と、 前記活性層の少なくともチャネル領域の表面に絶縁膜を
   堆積して、ゲイト絶縁膜を形成する工程と、 前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素
   原子を供給するガスとが少なくとも混合されたガスを使
   用するドライエッチング工程であり、前記結晶性珪素膜
   の表面の凹部に、ＳｉＦ_x Ｏ_y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜
   ２）を形成しながら、前記結晶性珪素膜の表面の凸部を
   平坦化する工程であり、 前記平坦化工程の後に、前記ＳｉＦ_x Ｏ_y を除去する工
   程を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 【請求項７】絶縁表面を有する基板上に薄膜トランジス
   タを作製工程において、 非晶質珪素膜を形成する工程と、 前記非晶質珪素膜を加熱して結晶化させる工程と、 前記結晶化された珪素膜の表面を露出させた状態でレー
   ザー光を照射して、表面に凹凸を有する結晶性珪素膜を
   形成する工程と、 前記結晶性珪素膜の表面を平坦にする平坦化工程と、 前記平坦化された結晶性珪素膜を整形して、薄膜トラン
   ジスタの活性層を形成する工程と、 前記活性層の少なくともチャネル領域の表面に絶縁膜を
   堆積して、ゲイト絶縁膜を形成する工程と、 前記ゲイト絶縁膜の表面に、ゲイト電極を形成する工程
   を有し、 前記平坦化工程は、フッ素原子を供給するガスと、酸素
   原子を供給するガスとが少なくとも混合されたガスによ
   るドライエッチング工程であり、前記混合ガスにおいて
   フッ素原子に対する酸素原子に対する存在比は、０．８
   以上であり、 前記平坦化工程の後に、前記ドライエッチング工程にお
   いて前記結晶性珪素膜表面に形成されたＳｉＦ_x Ｏ
   _y （１＜ｘ＜４、１＜ｙ＜２）膜を除去する工程を有す
   ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 【請求項８】請求項５又は請求項６において、前記表面
   に凹凸を有する結晶性珪素膜を形成する工程は、レーザ
   ー光を照射する工程であることを特徴とする半導体装置
   の作製方法。
9. 【請求項９】請求項５乃至７において、前記非晶質珪素
   膜の平均膜厚は、１００〜１０００Åであることを特徴
   とする半導体装置の作製方法。
10. 【請求項１０】請求項５乃至７において、前記表面に凹
    凸を有する結晶性珪素膜を形成する工程は、レーザー光
    を照射する工程であることを特徴とする半導体装置の作
    製方法。
11. 【請求項１１】請求項５乃至７において、前記非晶質珪
    素膜の形成工程後に、前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化
    を助長する金属元素を添加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。
12. 【請求項１２】請求項５乃至７において、前記非晶質珪
    素膜の形成工程後に、前記非晶質珪素膜に珪素の結晶化
    を助長する金属元素を１×１０¹⁶〜５×１０¹⁹原子／ｃ
    ｍ³ の濃度で添加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。
13. 【請求項１３】請求項１１又は１２において、前記金属
    元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、
    Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕから選ばれた一種類又は複数種類の金
    属元素をであることを特徴とする半導体装置の作製方
    法。