(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体薄膜が形成されてなる薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、
該半導体薄膜にレーザを照射してレーザアニールを施すことにより該半導体薄膜を結晶化させる工程と、
前記結晶化した半導体薄膜を空気に晒すことにより、前記結晶化した半導体薄膜の表面に自然酸化膜を形成する工程と、
前記自然酸化膜が形成された結晶化半導体薄膜に対して、Ｏ３ガス中においてレーザ照射することにより、前記自然酸化膜を緻密化させる工程とを含むことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記自然酸化膜を緻密化させる工程のレーザエネルギー出力は、前記半導体薄膜を結晶化させる工程のレーザエネルギー出力よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体膜（半導体薄膜）としてのポリシリコン半導体膜（ｐ−Ｓｉ膜：多結晶シリコン膜）やアモルファスシリコン半導体膜（ａ−Ｓｉ膜：非晶質シリコン膜）は、例えば、液晶装置のアクティブマトリックス基板におけるＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）等を構成する薄膜半導体として用いられている。
【０００３】
ここで、上記ＴＦＴの一種である低温ｐ−ＳｉＴＦＴの製造プロセスの一例を図６に示す工程図を参照して簡単に説明する。
【０００４】
まず、ガラス基板１上に、ジシランガスを用いたＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）法やモノシランガスを用いたＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法でａ−Ｓｉ膜を堆積し、そのａ−Ｓｉ膜の全面にエキシマレーザによるレーザアニールを施して結晶化させることによりｐ−Ｓｉ膜２を形成する（図６の工程（ａ））。
【０００５】
そして、このｐ−Ｓｉ膜２に、エッチングによるパターニングを行なった後、ＣＶＤ法によりゲート絶縁膜３を形成する（図６の工程（ｂ））。
【０００６】
次に、ゲート絶縁膜３上の所定位置にポリシリコンやＴａ，Ｃｒ，Ａｌ等を堆積させてゲート電極４を形成した後、イオンドーピング法で不純物を注入してソース・ドレイン領域２ａ，２ｂを自己整合的に形成する（図６の工程（ｃ））。
【０００７】
その後、ＣＶＤ法によりＳｉ０２等を堆積させて層間絶縁膜５を形成し、コンタクトホール６を開口した後、画素電極のＩＴＯ膜７とデータ線となるＡｌ配線層８を形成する（図６の工程（ｄ））。
【０００８】
次いで、Ｓｉ０２等からなるパッシベーション膜９を設け、必要部分を開口して（図６の工程（ｅ））、ＴＦＴ素子基板の製造工程全般を終了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようにして図６の工程（ａ）で形成されたｐ−Ｓｉ膜２の表面はレーザアニールが施されることによって極めて活性な状態にあるため、空気と触れると容易に酸化して不要な自然酸化膜ＳＤ１（図３（ａ）参照）が形成されてしまうという問題があった。
【００１０】
このｐ−Ｓｉ膜２の表面に形成される自然酸化膜ＳＤ１中には、図３（ａ）に示すように多くの結晶欠陥や未反応基としてのサブオキサイド（Ｓｉ＋〜Ｓｉ３＋などの酸化度数の低いシリコン）、あるいは水素結合が含まれる。これらの欠陥因子は、ｐ−Ｓｉ膜２とゲート絶縁膜３との界面状態に悪影響を及ぼし、表面リーク電流の増大あるいは、不純物準位を発生させてＴＦＴの信頼性を低下させるという問題を生じていた。
【００１１】
また、上記欠陥因子は、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊耐圧特性を低下させる要因にもなっていた。
【００１２】
特に、上記ＴＦＴを含む半導体デバイスの微細化，低電圧・低消費電力化，高信頼性化の要求が高まるなかで、ＭＯＳ構造を有する素子の特性を左右するゲート絶縁膜の品質について、一層の薄膜化と高品質化が求められており、そういった観点からも、上述のような欠陥因子を如何にして排除するかが重要な技術的課題であった。
【００１３】
本発明は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、シリコン半導体膜を緻密化させて、自然酸化膜の発生等の欠陥因子を有効に排除することのできる基板上に形成された薄膜半導体装置の製造方法。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に半導体薄膜が形成されてなる薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、該半導体薄膜にレーザを照射してレーザアニールを施すことにより該半導体薄膜を結晶化させる工程と、前記結晶化した半導体薄膜を空気に晒すことにより、前記結晶化した半導体薄膜の表面に自然酸化膜を形成する工程と、前記自然酸化膜が形成された結晶化半導体薄膜に対して、Ｏ３ガス中においてレーザ照射することにより、前記自然酸化膜を緻密化させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、本出願の他の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に半導体薄膜が形成されてなる薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、該半導体薄膜にレーザを照射してレーザアニールを施す工程と、該レーザアニールを施した半導体薄膜が形成された基板をＯ３ガス中に配置するようにしたものである。
【００１７】
これにより、レーザアニール後に活性となった半導体薄膜（例えば、シリコン半導体膜）の表面に自然酸化膜が発生したとしても、Ｏ３ガスによる酸化反応により自然酸化膜中の結晶欠陥やサブオキサイドまたは水素結合を酸素原子で置換して、欠陥部分を修復して半導体薄膜表面の緻密化を図ることができる。
【００１８】
なお、前記半導体薄膜は、ポリシリコン半導体膜あるいはアモルファスシリコン半導体膜とすることができる。これにより、本発明に係る基板上に形成されたシリコン半導体膜の緻密化処理方法を例えば低温ｐ−ＳｉＴＦＴの製造プロセス等に適用して、ＴＦＴの特性を向上させることができる。
【００１９】
また、前記レーザアニールは、紫外線波長領域を有するエキシマレーザを照射して行なうことができる。これにより、シリコンの吸収が大きいエキシマレーザの紫外線照射によって、半導体薄膜がアモルファスシリコン半導体膜である場合には、ポリシリコン半導体膜への結晶化を行なうことができる。
【００２０】
さらに、前記Ｏ３ガスは、上記エキシマレーザの照射域に水蒸気ガスまたはＯ２ガスを導入して発生させるようにすることができ、これにより、Ｏ３ガスの発生源を設ける必要がなくなり、コストを低減することができる。
【００２１】
また、前記Ｏ３ガスは、別途設けられるエキシマランプの紫外線照射域に水蒸気ガスまたはＯ２ガスを導入して発生させるようにしてもよい。この場合、Ｏ３ガスの発生源を設ける必要がなくなると共に、消費電力を抑えることが可能となる。
また、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、前記自然酸化膜を緻密化させる工程のレーザエネルギー出力は、前記半導体薄膜を結晶化させる工程のレーザエネルギー出力よりも低いことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図１から図５を参照して説明する。
【００２３】
ここに、図１は本実施形態に係る薄膜半導体装置の製造方法によって、ＴＦＴの一種である低温ｐ−ＳｉＴＦＴを製造する場合の製造プロセスの一例を示す工程図である。
【００２４】
図２と図３は、本実施形態に係る緻密化処理を行なう前と後の状態を示す説明図であり、図４と図５は、当該緻密化処理を行なった場合と、行なわなかった場合のＴＦＴのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【００２５】
なお、図１において、前出の図６と同一の部分については同一の符号を付すものとする。
【００２６】
図１の工程（ａ）において、ガラス基板１上に、熱酸化法やＣＶＤ法により下地Ｓｉ０２膜１０を形成した後に、ジシランガスを用いたＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）法やモノシランガスを用いたＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法でａ−Ｓｉ膜を堆積し、そのａ−Ｓｉ膜の全面にエキシマレーザを照射することによりレーザアニールを行い、ａ−Ｓｉ膜を結晶化してｐ−Ｓｉ膜２を形成する（図２（ａ）参照）。
【００２７】
そして、上記エキシマレーザによるレーザアニールを行いながら、ａ−Ｓｉ膜の表面上のエキシマレーザの照射域に対してＯ２ガスを導入する（図１の工程（ｂ））。
【００２８】
上記工程（ｂ）において、導入されたＯ２ガスは、エキシマレーザの紫外線を吸収して励起され、オゾン・ガス（Ｏ３ガス）が発生する。このオゾン・ガスはその強い酸化力によって、結晶化したｐ−Ｓｉ膜２の表面を即座に酸化し、例えば厚さ３０〜１００Åの薄いＳｉ０２膜ＳＤ２（図２（ｂ）参照）を形成する。
【００２９】
このようにしてオゾン・ガスで酸化されたＳｉ０２膜ＳＤ２は、図２（ｂ）に示すように不純物が混入せず、また結晶欠陥の少ない極めて緻密な膜となるため、欠陥因子を含む自然酸化膜ＳＤ１（図３（ａ）参照）がｐ−Ｓｉ膜２の表面に発生する事態を未然に防止することができる。
【００３０】
なお、上記Ｏ２ガスに代えて水蒸気ガス（Ｈ２Ｏ）をエキシマレーザの照射域に対して導入して、オゾン・ガスを発生させるようにしてもよい。
【００３１】
次に、Ｓｉ０２膜ＳＤ２を形成したｐ−Ｓｉ膜２に、エッチングによるパターニングを行なった後、ＣＶＤ法によりゲート絶縁膜３を形成する（図１の工程（ｃ））。
【００３２】
この際に、ｐ−Ｓｉ膜２上に緻密なＳｉ０２膜ＳＤ２が形成されていることから、ｐ−Ｓｉ膜２とゲート絶縁膜３の界面状態が良好となり、ゲート絶縁膜３の電気的特性を向上させることができる。
【００３３】
即ち、絶縁破壊耐圧特性を向上させ、信頼性を高めることができるという利点がある。
【００３４】
従って、ゲート絶縁膜３について、一層の薄膜化と高品質化の要求に応えることができる。
【００３５】
続いて、ゲート絶縁膜３上の所定位置にポリシリコンやＴａ，Ｃｒ，Ａｌ等を堆積させてゲート電極４を形成した後、イオンドーピング法で不純物を注入してソース・ドレイン領域２ａ，２ｂを自己整合的に形成する（図１の工程（ｄ））。
【００３６】
その後、ＣＶＤ法によりＳｉ０２等を堆積させて層間絶縁膜５を形成し、コンタクトホール６を開口した後、画素電極のＩＴＯ膜７とデータ線となるＡｌ配線層８を形成する（図１の工程（ｅ））。
【００３７】
次いで、Ｓｉ０２等からなるパッシベーション膜９を設け、必要部分を開口して（図１の工程（ｆ））、低温ｐ−ＳｉＴＦＴ素子基板の製造工程を終了する。このようにして、工程（ｂ）でオゾン・ガスによるＳｉ０２膜ＳＤ２の緻密化処理を施して製造した低温ｐ−ＳｉＴＦＴ素子について、Ｉ−Ｖ特性を確認する測定を行なったところ、図４のグラフに示すような測定結果を得た。
【００３８】
図４において、実線ａ，ｂ，ｃはイニシャル状態でドレイン−ソース電圧（Ｖｄｓ）をそれぞれ０．１Ｖ，４Ｖ，８Ｖとした場合を、一点鎖線ａ’，ｂ’，ｃ’は電圧ストレスを加えた状態でＶｄｓをそれぞれ０．１Ｖ，４Ｖ，８Ｖとした場合を示している。
【００３９】
そして、このグラフにおいて、イニシャル状態と電圧ストレスを加えた状態のそれぞれの変化を比較するならば、その変位は比較的少ないことが分かり、このＳｉ０２膜ＳＤ２の緻密化処理を施して製造した低温ｐ−ＳｉＴＦＴ素子はＩ−Ｖ特性に優れていることが確認できる。
【００４０】
なお、比較のために、本発明に係る緻密化処理（工程（ｂ））を行なわずに製造した低温ｐ−ＳｉＴＦＴ素子について、Ｉ−Ｖ特性を確認する同様の測定を行なった場合を図５のグラフに示した。
【００４１】
この図５と図４のグラフを比較するならば、本実施態様における緻密化処理（工程（ｂ））が低温ｐ−ＳｉＴＦＴ素子のＩ−Ｖ特性の向上と信頼性の向上に効果的であることが分かる。
【００４２】
なお、本実施形態では、工程（ｂ）でエキシマレーザによるレーザアニールと同時並行的にあるいはレーザアニールを行なった直後にオゾン・ガスによる緻密化処理を行ない、自然酸化膜ＳＤ１が発生することを未然に防止する場合について述べたが、本発明に係る緻密化処理はこれに限らず、上記工程（ａ）の後、即ち、レーザアニールによりｐ−Ｓｉ膜２を形成した後に、空気に触れるなどしてｐ−Ｓｉ膜２の表面に自然酸化膜ＳＤ１が発生してしまった場合にも適用できる。
【００４３】
この場合には、前記工程（ｂ）において、ｐ−Ｓｉ膜２表面の自然酸化膜ＳＤ１に対して、ａ−Ｓｉ膜の結晶化に必要なエネルギーよりも低い出力でエキシマレーザを照射しながらＯ２ガスあるいは水蒸気ガスを導入する。
【００４４】
これにより、Ｏ２ガスあるいは水蒸気ガスから発生するオゾン・ガスの反応性の高い酸素原子が、自然酸化膜ＳＤ１（図３（ａ））中の結晶欠陥や未反応基としてのサブオキサイド（Ｓｉ＋〜Ｓｉ３＋などの酸化度数の低いシリコン）あるいは水素結合と置き換わることにより、それらの欠陥部分を補修して緻密化したＳｉ０２膜ＳＤ２（図３（ｂ））を形成することができる。
【００４５】
そして、この緻密化したＳｉ０２膜ＳＤ２は、前記実施形態の効果と同様にＴＦＴ素子の信頼性の向上等に貢献することができる。
【００４６】
また、上記実施形態において、緻密化処理のためのオゾン・ガスは、レーザアニールに用いるエキシマレーザの照射域にＯ２ガスあるいは水蒸気ガスを導入して励起させることによって発生させる場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えばエキシマレーザとは別にエキシマランプを設け、その紫外線照射域にＯ２ガスあるいは水蒸気ガスを導入してオゾン・ガスを発生させるようにしてもよい。
【００４７】
また、オゾン・ガスの発生源を別途設け、そのオゾン・ガスを直接導入して緻密化処理を行なうようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に半導体薄膜が形成されてなる薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、該半導体薄膜にレーザを照射してレーザアニールを施す工程とを有し、当該レーザアニールを施す工程には、Ｏ３ガス中においてレーザ照射し、前記半導体薄膜の表面を酸化させる工程を含むようにしたので、レーザアニールにより活性となった半導体薄膜の表面には、Ｏ３ガスによる酸化反応によって直ちに緻密で強固な酸化膜（Ｓｉ０２）が形成されるため、サブオキサイドや水素結合等の欠陥因子をもった自然酸化膜が発生する事態を未然に防止することができるという効果がある。
【００４９】
また、本出願の他の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に半導体薄膜が形成されてなる薄膜半導体装置の製造方法であって、基板上に半導体薄膜を形成する工程と、該半導体薄膜にレーザを照射してレーザアニールを施す工程と、該レーザアニールを施した半導体薄膜が形成された基板をＯ３ガス中に配置するようにしたので、レーザアニール後に活性となったシリコン半導体膜の表面に自然酸化膜が発生したとしても、Ｏ３ガスによる酸化反応により自然酸化膜中の結晶欠陥やサブオキサイドまたは水素結合を酸素原子で置換して、欠陥部分を修復してシリコン半導体膜表面の緻密化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法を適用して低温ｐ−ＳｉＴＦＴを製造する場合の製造プロセスの一例を示す工程図である。
【図２】本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の緻密化処理を行なう前と後のシリコン半導体膜の状態を示す説明図である。
【図３】本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の緻密化処理を行なう前と後のシリコン半導体膜の状態を示す他の説明図である。
【図４】本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の緻密化処理を行なった場合のＴＦＴのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図５】本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の緻密化処理を行なわなかった場合のＴＦＴのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図６】従来における低温ｐ−ＳｉＴＦＴの製造プロセスの一例を示す工程図である。
【符号の説明】
１      ガラス基板
２      ｐ−Ｓｉ膜
２ａ    ソース領域
２ｂ    ドレイン領域
３      ゲート絶縁膜
４      ゲート電極
５      層間絶縁膜
６      コンタクトホール
７      ＩＴＯ膜
８      Ａｌ配線層
９      パッシベーション膜
１０    下地Ｓｉ０２膜
ＳＤ１  自然酸化膜
ＳＤ２  緻密化したＳｉ０２膜
【図１】
0003551012.tif 000002
【図２】
0003551012.tif 000003
【図３】
0003551012.tif 000004
【図４】
0003551012.tif 000005
【図５】
0003551012.tif 000006
【図６】
0003551012.tif 000007