JPH10340855A

JPH10340855A - 半導体薄膜の結晶化方法およびそれを用いた薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JPH10340855A
Application number: JP15076497A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanaka; 田中　　勉; Tatsuya Ohori; 達也大堀
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 1998-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体薄膜の結晶化方法およびそれを用いた
薄膜トランジスタの製造方法に関し、非単結晶半導体薄
膜の結晶化工程におけるホウ素汚染を防止する。【解決手段】非単結晶半導体薄膜２の表面に、１ｃｍ
²当たり１×１０¹⁰原子以上の酸素５を導入すると共
に、エネルギービーム６を照射することによって、非単
結晶半導体薄膜２を結晶化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の結晶化
方法およびそれを用いた薄膜トランジスタの製造方法に
関するものであり、特に、液晶表示装置等に用いる結晶
化シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構成する多結
晶シリコン層のＢ（ホウ素）汚染防止方法に特徴のある
半導体薄膜の結晶化方法およびそれを用いた薄膜トラン
ジスタの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示装置は小型・軽量・低消
費電力であるため、ＯＡ端末やプロジェクター等に使用
されたり、或いは、携帯可能性を利用して小型液晶テレ
ビ等に使用されており、特に、高品質液晶表示装置用に
は、画素毎にスイッチング用のＴＦＴを設けたアクティ
ブマトリクス型液晶表示装置が用いられている。

【０００３】この様なアクティブマトリクス型液晶表示
装置において、アドレス用ＴＦＴや、各画素ＴＦＴのゲ
ート線或いはデータ線に印加する電圧を制御する画素周
辺部の駆動ドライバー用のＴＦＴは、近年の液晶表示装
置の高精細化、高品質化に伴って高移動度のものが求め
られており、この様な要請に応えるためにＴＦＴを構成
する半導体層として多結晶シリコン層を用いた多結晶シ
リコンＴＦＴが採用され始めている。

【０００４】この様なＴＦＴに用いる多結晶シリコン層
は、ＬＰＣＶＤ法（減圧化学気相成長法）により直接成
膜した多結晶シリコン層や、ＰＣＶＤ法（プラズマ化学
気相成長法）によって成膜したアモルファスシリコン層
を６００℃程度の高温でアニールして多結晶化したもの
や、或いは、アモルファスシリコン層をレーザ光やフラ
ッシュランプ等のエネルギービームの照射によって瞬間
的に加熱溶融し再結晶化したものが用いられている。

【０００５】しかし、この様な多結晶シリコン層を形成
するための透明絶縁性基板としては、低コスト化や大画
面化の要請から、廉価な低耐熱性のガラス基板を用いて
いるため、高温で成膜を行うＣＶＤ法を用いることが少
なくなり、レーザビーム法やランプ加熱法が主流となり
つつある。

【０００６】ここで、従来のＴＦＴを形成するためのア
モルファスシリコン層の結晶化工程を図６を参照して説
明する。図６（ａ）参照まず、透明ガラス基板３１上に下地酸化膜３２を介し
て、ＰＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍのアモルファスシ
リコン層３３を堆積させる。

【０００７】図６（ｂ）参照次いで、アモルファスシリコン層３３の表面に形成され
た自然酸化膜３４をフッ酸を含む溶液でエッチング除去
して、表面を清浄化する。

【０００８】図６（ｃ）参照次いで、１５０ｍｍ×１ｍｍに集光したライン状のレー
ザ光３５を照射・走査して、アモルファスシリコン層３
３を結晶化し、多結晶シリコン層３６に変換する。

【０００９】次いで、図示しないものの、通常のＴＦＴ
の製造工程によって、アドレス用ＴＦＴ、及び、ゲート
バスライン及びドレインバスライン等の周辺回路を構成
するＴＦＴを形成する。

【００１０】なお、多結晶化に際しては、レーザビーム
法の代わりに、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡ
ｎｎｅａｌｉｎｇ）と呼ばれる瞬間的なランプ加熱法を
用いることも試みられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者等
は、従来の多結晶化工程において、結晶化された多結晶
シリコン層がＢ（ホウ素）に汚染され、このＢ汚染が多
結晶シリコン層を用いて形成したＴＦＴのしきい値シフ
トや不安定性の原因となり得ることを見出した（必要な
らば、田中，大堀，沖，岡部，“ＴｈｅＩｎｆｌｕｅ
ｎｃｅｏｆｔｈｅＣｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ
ａｔｔｈｅＬｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏ
ｌｙ−ＳｉＣｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｎ
ｔｈｅＴＦＴＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”，
１９９６ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈ
ｏｐｏｎＡＣＴＩＶＥ−ＭＡＴＲＩＸ，ＬＩＱＵＩ
Ｄ−ＣＲＹＳＴＡＬＤＩＳＰＬＡＹＳ，ＤＩＧＥＳＴ
ＯＦＴＥＣＨＮＩＣＡＬＰＡＰＥＲＳ，ＡＭ−ＬＣ
Ｄ９６，１９９６，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２７−２９，
ｐｐ．２５−２８参照）。

【００１２】図３参照即ち、従来のアモルファスシリコン層の多結晶化工程
は、その後のプロセスの関係上、当然クリーンルーム内
で行われているが、このクリーンルーム雰囲気内では、
１時間以内の単位でアモルファスシリコン層の表面に１
ｃｍ²当たり１×１０¹⁰個（１×１０¹⁰ｃｍ^-2）以上の
ホウ素原子が付着し、その後の結晶化工程において、表
面に付着したホウ素原子が多結晶中に取り込まれて、図
において破線で示すように、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の不
純物濃度を示すことがある。

【００１３】図７参照その結果、得られたＴＦＴのしきい値電圧は０．５Ｖ〜
３．０Ｖの間に広くバラツキ、液晶表示装置における安
定した動作が得られないという問題がある。

【００１４】この様なホウ素の汚染源としては色々考え
られるが、クリーンルームに用いているＨＥＰＡ（Ｈｉ
ｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ
Ａｉｒ）フィルタがホウ素ガラス繊維等で構成されて
いるため、このＨＥＰＡフィルタが最大の原因であると
考えられる。

【００１５】また、大気中にもホウ素は含まれており、
さらに、プロセスによっては、ソース・ドレインのイオ
ン注入後の活性化のためのアニール工程の際に、同一の
レーザアニール装置を用いた場合には、装置内に汚染が
発生し、それが再付着する場合も考えられる。

【００１６】したがって、本発明は、アモルファスシリ
コン層等の非単結晶半導体薄膜の結晶化工程におけるホ
ウ素汚染を防止することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。図１（ａ）及び（ｂ）参照（１）本発明は、半導体薄膜の結晶化方法において、非
単結晶半導体薄膜２の表面に、１ｃｍ²当たり１×１０
¹⁰原子以上の酸素５を導入すると共に、エネルギービー
ム６を照射することによって、非単結晶半導体薄膜２を
結晶化することを特徴とする。

【００１８】この様に、エネルギービーム６照射による
結晶化工程の前に、非単結晶半導体薄膜２の表面に１ｃ
ｍ²当たり１×１０¹⁰原子以上の酸素５を導入すること
により、クリーンルーム内で非単結晶半導体薄膜２の表
面に付着したホウ素或いはＢ ₂Ｏ₃等のホウ素化合物
は、酸素５原子と共に瞬間的に蒸発して雰囲気中に再放
出され、或いは、結晶化工程で形成される表面酸化膜中
に取り込まれるので、結晶化半導体薄膜７のホウ素汚染
を防止することができる。

【００１９】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、非単結晶半導体薄膜２の表面に酸素５を導入する工
程が、イオン注入法によって酸素５を導入する工程であ
り、且つ、酸素５を導入したのち、結晶化のためのエネ
ルギービーム６の照射を行うことを特徴とする。

【００２０】この様に、非単結晶半導体薄膜２の表面に
酸素５を導入する工程としては、酸素イオン４のイオン
注入法が最も制御性の良い方法である。

【００２１】（３）また、本発明は、上記（１）におい
て、非単結晶半導体薄膜２の表面に酸素５を導入する工
程が、酸化性雰囲気中で５００℃以下の温度で熱処理す
る工程であり、且つ、酸素５を導入したのち、結晶化の
ためのエネルギービーム６の照射を行うことを特徴とす
る。

【００２２】この様に、非単結晶半導体薄膜２の表面に
酸素５を導入する工程は、酸素や水蒸気等の酸化性雰囲
気中での熱処理工程でも良く、その場合には、結晶化工
程における結晶核を形成するために導入したＮｉ等の遷
移金属原子に起因する結晶化温度の低下に伴うホウ素の
異常拡散を防止するために、熱処理温度を５００℃以下
にすることが望ましい。

【００２３】（４）また、本発明は、上記（１）におい
て、非単結晶半導体薄膜２の表面に酸素５を導入する工
程が、酸素を含む雰囲気中で紫外線に晒す工程であり、
且つ、酸素５を導入したのち、結晶化のためのエネルギ
ービーム６の照射を行うことを特徴とする。

【００２４】この様に、非単結晶半導体薄膜２の表面に
酸素５を導入する工程は、酸素を含む雰囲気中で紫外線
に晒す工程でも良く、紫外線照射により発生したＯ
₃（オゾン）により、上記酸化性雰囲気中での熱処理工
程よりも低温で且つ精確に酸素５を導入することができ
る。

【００２５】（５）また、本発明は、上記（１）におい
て、非単結晶半導体薄膜２の表面に酸素５を導入する工
程が、酸素５を含む雰囲気中での結晶化のためのエネル
ギービーム６の照射工程であることを特徴とする。

【００２６】この様に、非単結晶半導体薄膜２の表面に
酸素５を導入する工程は、Ｎ₂Ｏガス、ＮＯガス、或い
は、５〜１００％の酸素ガス等の酸素を含む雰囲気中で
の結晶化のためのエネルギービーム６の照射工程でも良
い。

【００２７】（６）また、本発明は、半導体薄膜の結晶
化方法において、非単結晶半導体薄膜２の表面に、厚さ
１０ｎｍ以下の多孔質な酸化膜を形成したのち、エネル
ギービーム６を照射することによって、非単結晶半導体
薄膜２を結晶化することを特徴とする。

【００２８】この様に、非単結晶半導体薄膜２の表面に
固溶限界以上の酸素５を導入して、表面に厚さ１０ｎｍ
以下の多孔質な酸化膜を形成しても良く、この場合の
「厚さ１０ｎｍ以下の多孔質な酸化膜」とは、レーザ・
アブレーション（瞬間蒸発）によるホウ素の放出が可能
な酸化膜を意味する。

【００２９】（７）また、本発明は、上記（１）乃至
（６）のいずれかにおいて、エネルギービーム６の照射
工程が、レーザ光の照射工程であることを特徴とする。

【００３０】この様に、結晶化工程は、レーザ光の照射
工程でも良く、その場合には、レーザ・アブレーション
によって、ホウ素原子３が酸素５と共働して雰囲気中に
放出されることになる。

【００３１】（８）また、本発明は、上記（１）乃至
（６）のいずれかにおいて、エネルギービーム６の照射
工程が、ランプ加熱工程であることを特徴とする。

【００３２】この様に、結晶化工程は、ＲＴＡ等のラン
プ加熱工程でも良く、その場合には、ホウ素原子３は結
晶化工程において形成される表面酸化膜に取り込まれ
て、結晶化半導体薄膜７中に拡散することが防止され
る。

【００３３】（９）また、本発明は、上記（１）乃至
（８）において、非単結晶半導体薄膜２が、非晶質シリ
コン薄膜或いは多結晶シリコン薄膜のいずれかであるこ
とを特徴とする。

【００３４】この様な非単結晶半導体薄膜２としては、
非晶質シリコン薄膜、即ち、アモルファスシリコン薄膜
が典型的なものであるが、Ｎｉ等の結晶核形成物質を添
加したのち熱処理により予備結晶化した多結晶シリコン
薄膜でも良く、その場合には、より結晶粒径が大きく移
動度の高い多結晶シリコン薄膜が得られることになる。

【００３５】（１０）また、本発明は、上記（１）乃至
（９）において、結晶化工程の後に、結晶化半導体薄膜
７の表面に形成された酸化膜を除去することを特徴とす
る。

【００３６】この様に、結晶化工程で形成された表面酸
化膜にはホウ素原子３が含まれており、この表面酸化膜
が後のプロセスにおける拡散源とならないように除去す
ることが望ましい。

【００３７】（１１）また、本発明は、薄膜トランジス
タの製造方法において、上記（１）乃至（１０）のいず
れかの結晶化方法によって形成した結晶化半導体薄膜７
にトランジスタを形成することを特徴とする。

【００３８】この様に、上記（１）乃至（１０）のいず
れかの結晶化方法によって形成した結晶化半導体薄膜７
を用いて薄膜トランジスタを構成することによって、薄
膜トランジスタのしきい値電圧のバラツキを小さくする
ことができ、安定した特性の液晶表示装置を得ることが
でき、また、リン，ボロン等の低ドーズ領域を有するＬ
ＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）構造
ＴＦＴにおいて、このＬＤＤ領域の抵抗の制御性を高め
ることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】ここで、図２乃至図４を参照し
て、アクティブマトリクス型液晶表示装置の周辺回路用
ＴＦＴ等に用いるアモルファスシリコン層の結晶化工程
及び薄膜トランジスタの製造工程を説明する。なお、図
３は図２（ｄ）の工程の結果得られた多結晶シリコン層
のＢ濃度分布を示す図であり、また、図４（ａ）は得ら
れたＴＦＴの要部断面図であり、さらに、図４（ｂ）は
そのしきい値電圧のバラツキを示す図である。

【００４０】図２（ａ）参照まず、ＴＦＴ基板となる透明のガラス基板１１上に、Ｐ
ＣＶＤ法を用いて、厚さ１０〜５００ｎｍ、例えば、２
００ｎｍの下地酸化膜１２となるＳｉＯ₂膜、及び、厚
さ１０〜２００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのアモルファス
シリコン層１３を堆積させる。

【００４１】図２（ｂ）参照次いで、アモルファスシリコン層１３の表面に形成され
た自然酸化膜１４を、緩衝フッ酸水溶液でエッチング除
去して、表面を清浄化する。

【００４２】この場合、次のレーザアニール工程を行う
までの間、クリーンルーム内の雰囲気に晒されることに
より、アモルファスシリコン層１３の表面には１ｃｍ²
当たり１×１０¹⁰個以上のホウ素原子１４が付着する。
なお、ホウ素原子１４以外に、Ｂ₂Ｏ₃等のホウ素化合
物も付着することもある。

【００４３】図２（ｃ）参照次いで、イオン注入法を用いて、０．１〜１０．０ｋｅ
Ｖ、例えば、１．０ｋｅＶの低加速エネルギーで、１．
０×１０¹⁰ｃｍ^-2以上、例えば、１．０×１０ ¹¹ｃｍ^-2
のドーズ量の酸素イオン１６を注入して、アモルファス
シリコン層１３の表面に酸素原子１７を供給する。

【００４４】図２（ｄ）参照次いで、ＸｅＣｌエキシマレーザを用いて、３０８ｎｍ
のレーザ光１８を１５０ｍｍ×１ｍｍのライン状に集光
して、アモルファスシリコン層１３に照射しながら走査
することによって、アモルファスシリコン層１３を結晶
化し、多結晶シリコン層１９に変換する。なお、この場
合のレーザエネルギーは、１００〜５００ｍＪ／ｃ
ｍ²、例えば、２５０ｍＪ／ｃｍ²である。

【００４５】図３参照図３は、この様なレーザアニールの結果、得られた多結
晶シリコン層１９におけるＢ（ホウ素）濃度分布を示す
もので、図において実線で示すように、アモルファスシ
リコン層１３の表面に酸素を導入した場合には、多結晶
シリコン層１９の中のＢ濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下に
なり、ホウ素汚染が１桁以上低下している。

【００４６】この様なホウ素原子を減少させるメカニズ
ムとしては、二つの要因が考えられており、一つは、ア
モルファスシリコン層１３の表面に酸素原子１７を付着
させることにより、レーザ光１８の照射によりアブレー
ション（瞬間蒸発）が起こり、酸素原子１７と共働して
ホウ素原子１５の飛散が生じているものと考えられる。

【００４７】この様に、アブレーションが生じた場合に
は、ホウ素原子１５が処理雰囲気内に飛散するので、ア
モルファスシリコン層１３が溶融しても、ホウ素原子１
５が結晶内に取り込まれないためと考えられる。

【００４８】また、もう一つのメカニズムとしては、ア
モルファスシリコン層１３の表面に付着した酸素原子１
７は、結晶化工程における溶融時に、Ｓｉ原子と結合し
て酸化膜を形成し、この時に、酸化膜がホウ素原子１５
を取り込むことによって多結晶シリコン層１９の内部へ
のホウ素原子１５の拡散を抑制しているものと考えら
れ、実際には、この２つのメカニズムが絡み合ってホウ
素汚染が抑制されているものと考えられる。

【００４９】図４（ａ）参照この様に結晶化した多結晶シリコン層１９を用いて図に
示すＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉ
ｎ）領域を有するＴＦＴを構成することになるが、ここ
で、このＴＦＴの製造工程を簡単に説明する。

【００５０】なお、本発明においては、基板として廉価
な透明ガラス基板１１を用いており、この透明ガラス基
板は高温処理に耐え得ないので得られる多結晶シリコン
層１９の結晶性が劣ることになり、それによって、ＴＦ
Ｔのリーク電流が増大するので、必ずしも必須ではない
が、この様なリーク電流を低減するためにＬＤＤ領域を
設けることが望まれる。

【００５１】この場合、ＬＤＤ領域に導入されるリンや
ボロン等の不純物濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度と微量で
あるため、本発明の結晶化方法により、ＬＤＤ領域の抵
抗の制御性が非常に向上することになるので、本発明は
ＬＤＤ領域を有するＴＦＴにおいてその効果が大きくな
る。

【００５２】まず、多結晶シリコン層１９を所定の形状
にドライ・エッチングすることによって、ＴＦＴを構成
するための多結晶シリコンパターンからなる島状領域を
形成する。

【００５３】次いで、結晶化工程において多結晶シリコ
ン層１９の表面に形成された（酸化膜（図示せず）を除
去するために、緩衝フッ酸水溶液で処理したのち、ＬＰ
ＣＶＤ法を用いて、厚さ５０〜２００ｎｍ、例えば、１
００ｎｍのゲート絶縁膜２０となるＳｉＯ₂膜を堆積さ
せ、次いで、スパッタリング法を用いて、厚さ１００〜
５００ｎｍ、例えば、３００ｎｍのＡｌ膜を堆積させた
のち、Ａｌ膜をレジストパターン（図示せず）をマスク
としてエッチングすることによってゲート電極２１を形
成する。

【００５４】次いで、レジストパターンを設けた状態で
全体をシュウ酸溶液中に浸漬して陽極酸化を行うことに
よって、ゲート電極２１の側面に厚さ１００〜５０００
ｎｍ、例えば、１０００ｎｍのポーラスな多孔質陽極酸
化膜（図示せず）を形成する。

【００５５】次いで、レジストパターンを除去したの
ち、酒石酸＋エチレングリコール溶液中に浸漬して陽極
酸化を行うことによって、ゲート電極２１の表面に厚さ
５０〜２００ｎｍ、例えば、１００ｎｍの無孔質陽極酸
化膜を形成してバリア膜２２とする。なお、この緻密な
無孔質陽極酸化は、３００℃程度の低温熱処理でも発生
するヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）を低減する効果がある
ため、最近の液晶表示装置パネルにおける標準的なプロ
セスになりつつある。

【００５６】次いで、多孔質陽極酸化膜及びバリア膜２
２をマスクとして、ドライ・エッチングを施すことによ
って、ＳｉＯ₂膜をエッチングして、ゲート絶縁膜２０
を形成したのち、多孔質陽極酸化膜を除去する。

【００５７】次いで、加速エネルギー５〜３０ｋｅＶ、
例えば、１０ｋｅＶで、５．０×１０¹⁴〜１．０×１０
¹⁶ｃｍ^-2、例えば、２．０×１０¹⁵ｃｍ^-2のドーズ量で
Ｐイオンをイオン注入してゲート絶縁膜２０に自己整合
するｎ⁺型のソース・ドレイン領域２３を形成し、次い
で、加速エネルギー３０〜１００ｋｅＶ、例えば、７０
ｋｅＶで、１．０×１０¹³〜１．０×１０¹⁵ｃｍ^-2、例
えば、１．０×１０¹⁴ｃｍ^-2のドーズ量でＰイオンをイ
オン注入してバリア膜２２に自己整合するｎ^-型のＬＤ
Ｄ領域２４を形成する。

【００５８】次いで、ＰＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜
として、厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのエ
ッチングストッパーとなるＳｉＯ₂膜２５、及び、厚さ
２００〜５００ｎｍ、例えば、３５０ｎｍのＳｉＮ膜２
６を堆積させ、次いで、パターニングすることによって
ソース・ドレイン領域２３に対するコンタクトホールを
形成する。

【００５９】次いで、スパッタリング法を用いて、厚さ
２０〜２００ｎｍ、例えば、１００ｎｍのＴｉ膜２７、
及び、厚さ１００〜５００ｎｍ、例えば、３００ｎｍの
Ａｌ電極２８を堆積させ、次いで、所定のパターンにエ
ッチングすることによってソース・ドレイン電極を形成
することによってＴＦＴの基本構造が完成する。

【００６０】図４（ｂ）参照図４（ｂ）は、この様にして得られたＴＦＴのしきい値
電圧（Ｖ_th）のバラツキを示す図であり、図から明らか
なように、ほとんどのＴＦＴのしきい値電圧が１．０Ｖ
になっている。

【００６１】これは、ＴＦＴのチャネル領域を構成する
多結晶シリコン層１９内のＢ濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下であるため、Ｂ汚染がＴＦＴのしきい値電圧にほ
とんど影響を及ぼさないためと考えられる。

【００６２】また、ＬＤＤ領域２４の不純物濃度は、１
×１０¹⁶ｃｍ^-3程度と微量であるが、多結晶シリコン層
１９内のＢ濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であるの
で、ＬＤＤ領域２４の抵抗を精確に制御することがで
き、したがって、本発明は、ＬＤＤ領域を有するＴＦＴ
において特に効果を発揮するものである。

【００６３】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、アモルファスシリコン層１３に１．０×１０¹⁰ｃｍ
^-2以上の酸素原子を導入する方法はイオン注入法に限ら
れるものではなく、各種の方法が可能であるので、以下
において説明する。

【００６４】まず、第１の代替方法は、湿度及び酸素量
の管理された雰囲気中でアモルファスシリコン層１３を
一定時間保持することによってその表面に酸素を導入す
る方法であり、より具体的には、酸素や水蒸気等の酸化
性雰囲気中でアモルファスシリコン層１３を５００℃以
下、例えば、３００℃以下に加熱する方法である。

【００６５】この場合の５００℃以下の温度条件は、透
明ガラス基板１１の耐熱性、及び、結晶化を促進するた
めにアモルファスシリコン層１３にＮｉ等の遷移金属元
素を導入した場合、結晶化温度が低下し、ホウ素原子１
５の異常拡散を防止する条件によって決められる。

【００６６】また、第２の代替方法は、アモルファスシ
リコン層１３を堆積させた透明ガラス基板１１を紫外線
内に保持し、その雰囲気中に酸素を供給する方法であ
り、この場合、酸素は紫外線によってオゾン化されて活
性が高まるので、効率的にアモルファスシリコン層１３
の表面に酸素を供給することができる。

【００６７】この場合には、加熱は基本的に必要としな
いので、低温処理が可能となり、また、紫外線の強度と
時間を制御することによって、酸素供給量を精確に制御
することができる。

【００６８】また、第３の代替方法は、結晶化を行う処
理雰囲気中に酸素を含有させ、結晶化と同時に酸素を供
給する方法であり、例えば、Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂等の不活
性ガス中に１〜１００％、例えば、５％の酸素ガスを混
合し、この雰囲気中でレーザ光を照射してアモルファス
シリコン層１３を結晶化する。

【００６９】この様な方法によっても、アモルファスシ
リコン層１３の表面に酸素を吸着させた場合と同様な効
果が期待でき、また、混入するガスは酸素に限られるも
のではなく、Ｎ₂Ｏガス或いはＮＯガスでも良く、いず
れにしても、１×１０¹⁰ｃｍ ^-2以上の酸素原子の供給量
に相当する時間をかければ良い。

【００７０】以上、説明した各方法は、いずれもアモル
ファスシリコン層１３の表面に酸素を導入する方法であ
り、アモルファスシリコン層１３の表面の酸素濃度は酸
素の固溶限界濃度以下で、あくまでも半導体であるが、
アモルファスシリコン層１３の表面に薄い酸化膜を形成
しても同様な効果が期待できる。

【００７１】但し、この表面酸化膜の厚さを５０ｎｍ程
度のように厚くするとレーザ光の照射に伴うアブレーシ
ョンが生じにくくなり、且つ、酸化膜により反射率や放
熱効率が変化し、最適エネルギーのマージンが減少し、
高度の制御性が必要になるので、表面酸化膜の厚さは１
０ｎｍ以下であることが望ましい。

【００７２】また、この酸化膜は完全な酸化膜ではな
く、酸化膜が無い場合と同様にアブレーションの生ずる
ポーラスな（多孔質な）酸化膜であることが望ましく、
本発明者等の研究では、この様な酸化膜の膜厚が１０ｎ
ｍ以下であれば、大きなマージンを確保できることがわ
かった。

【００７３】また、本発明のＴＦＴは、図４（ａ）に示
した構造に限られるものでなく、他の各種の構造も対象
とするものであり、図５を参照してその一例を簡単に説
明するが、基本的な成膜工程及び結晶化工程は上記の図
４（ａ）に示したＴＦＴと同様である。

【００７４】図５は、ゲート電極が下側のタイプのＴＦ
Ｔであり、この場合には、ゲート電極が結晶化工程にお
ける処理温度に耐える必要があるため、Ｃｒ膜等の耐熱
性導電膜をゲート電極として用いる。

【００７５】また、この場合には、ＬＤＤ領域２４を自
己整合的に形成するための構造が存在しないので、フォ
トリソグラフィー工程で形成したレジストパターンを利
用してＬＤＤ領域２４及びソース・ドレイン領域２３を
形成する必要がある。

【００７６】以上、本発明の実施の形態及びその変形例
を説明したが、結晶化工程において用いるレーザ光は３
０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光に限られるもので
なく、アモルファスシリコン層１３を溶融できる波長で
あれば、どの様なレーザを用いても良いものである。

【００７７】また、本発明は、結晶化手段はレーザ光照
射法に限られるものではなく、レーザ光の代わりのエネ
ルギービーム照射法として、ＲＴＡ法と呼ばれる瞬間的
なランプ加熱法を用いても良いものであり、この場合に
は、アブレーションによるホウ素原子１５の飛散効果よ
りも、酸化膜中にホウ素原子１５が取り込まれることに
よる効果が優勢になると考えられる。

【００７８】また、上記の実施の形態においては、アモ
ルファスシリコン層をＰＣＶＤ法により堆積している
が、このＰＣＶＤ法の成膜条件をより高温、高パワーに
して成膜したり、或いは、熱ＣＶＤ法により成膜した、
水素含有量が低く、高欠陥密度のアモルファスシリコン
層を用いても良く、この場合には、表面の酸化が容易に
なる。

【００７９】また、アモルファスシリコン層１３の代わ
りに、成膜したアモルファスシリコン層にＮｉ等の結晶
核形成物質となる遷移金属元素を添加したのち、熱処理
によって予備的に多結晶化した結晶化シリコン層を用い
ても良いものであり、この場合には、最終的に得られる
多結晶シリコン層１９の結晶性が改善され、高い移動度
が得られる。

【００８０】さらに、本発明の非単結晶半導体薄膜は、
アモルファスシリコン層或いは結晶化シリコン層等のシ
リコン膜に限られるものではなく、ゲルマニウム膜或い
はシリコンゲルマニウム膜等の他の半導体薄膜も対象と
するものである。

【００８１】また、上記の実施の形態においては、ゲー
ト電極材料としてＡｌを用いているが、Ａｌに限られる
ものではなく、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｃ等のＡｌを主成
分とした金属であれば良く、この様な金属を用いること
によって配線抵抗が低減し、且つ、パターニング工程が
簡単になり、特に、Ｓｃを含んだＡｌ−Ｓｃを用いた場
合にはヒロックの発生を抑制することができる。

【００８２】また、上記の各実施の形態においては、ア
クティブマトリクス型液晶表示装置に用いるアドレス用
ＴＦＴ或いはドライバ用のＴＦＴの製造方法として説明
しているが、本発明はアクティブマトリクス型液晶表示
装置用ＴＦＴに限られるものではなく、ラインセンサ用
ＴＦＴ等の他の用途の半導体装置も対象とするものであ
る。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、非単結晶半導体薄膜を
エネルギービーム照射により多結晶化する前に、非単結
晶半導体薄膜の表面に酸素を供給しているので、結晶化
された多結晶半導体薄膜におけるホウ素汚染が抑制さ
れ、この多結晶半導体薄膜から構成されるＴＦＴのしき
い値電圧の安定性・再現性及びＬＤＤ領域の抵抗の制御
性が向上するので、高精細で高品質なアクティブマトリ
クス型液晶表示装置の信頼性向上、歩留り向上に寄与す
るところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の実施の形態の工程の説明図である。

【図３】本発明の実施の形態の多結晶シリコン層中のＢ
濃度分布の説明図である。

【図４】本発明の実施の形態の多結晶シリコンを用いた
ＴＦＴの説明図である。

【図５】本発明の実施の形態の多結晶シリコンを用いた
ＴＦＴの他の構造の説明図である。

【図６】従来のアモルファスシリコン層の結晶化工程の
説明図である。

【図７】従来のＴＦＴのしきい値電圧のバラツキの説明
図である。

【符号の説明】

１絶縁性基板２非単結晶半導体薄膜３ホウ素原子４酸素イオン５酸素６エネルギービーム７結晶化半導体薄膜１１透明ガラス基板１２下地酸化膜１３アモルファスシリコン層１４自然酸化膜１５ホウ素原子１６酸素イオン１７酸素原子１８レーザ光１９多結晶シリコン層２０ゲート絶縁膜２１ゲート電極２２バリア膜２３ソース・ドレイン領域２４ＬＤＤ領域２５ＳｉＯ₂膜２６ＳｉＮ膜２７Ｔｉ膜２８Ａｌ電極３１透明ガラス基板３２下地酸化膜３３アモルファスシリコン層３４自然酸化膜３５レーザ光３６多結晶シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非単結晶半導体薄膜の表面に、１ｃｍ²
当たり１×１０¹⁰原子以上の酸素を導入すると共に、エ
ネルギービームを照射することによって、前記非単結晶
半導体薄膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の
結晶化方法。
【請求項２】上記非単結晶半導体薄膜の表面に酸素を
導入する工程が、イオン注入法によって酸素を導入する
工程であり、且つ、酸素を導入したのち、上記結晶化の
ためのエネルギービームの照射を行うことを特徴とする
請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項３】上記非単結晶半導体薄膜の表面に酸素を
導入する工程が、酸化性雰囲気中で５００℃以下の温度
で熱処理する工程であり、且つ、酸素を導入したのち、
上記結晶化のためのエネルギービームの照射を行うこと
を特徴とする請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項４】上記非単結晶半導体薄膜の表面に酸素を
導入する工程が、酸素を含む雰囲気中で紫外線に晒す工
程であり、且つ、酸素を導入したのち、上記結晶化のた
めのエネルギービームの照射を行うことを特徴とする請
求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項５】上記非単結晶半導体薄膜の表面に酸素を
導入する工程が、酸素を含む雰囲気中での上記結晶化の
ためのエネルギービームの照射工程であることを特徴と
する請求項１記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項６】非単結晶半導体薄膜の表面に、厚さ１０
ｎｍ以下の多孔質な酸化膜を形成したのち、エネルギー
ビームを照射することによって、前記非単結晶半導体薄
膜を結晶化することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方
法。
【請求項７】上記エネルギービーム照射工程が、レー
ザ光の照射工程であることを特徴とする請求項１乃至６
のいずれか１項に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項８】上記エネルギービーム照射工程が、ラン
プ加熱工程であることを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれか１項に記載の半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項９】上記非単結晶半導体薄膜が、非晶質シリ
コン薄膜或いは多結晶シリコン薄膜のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の
半導体薄膜の結晶化方法。
【請求項１０】上記結晶化工程の後に、結晶化半導体
薄膜の表面に形成された酸化膜を除去することを特徴と
する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体薄膜
の結晶化方法。
【請求項１１】請求項１乃至６のいずれか１項に記載
の半導体薄膜の結晶化方法によって形成した結晶化半導
体薄膜に、トランジスタを形成することを特徴とする薄
膜トランジスタの製造方法。