(57)【要約】【課題】高圧水蒸気アニール処理等のアニール処理工程を、過不足なく適正化できるようにし、これによって良好な特性の半導体装置を製造することのできる方法を提供する。【解決手段】膜質改善処理のためのアニール処理工程を備えた半導体装置の製造方法である。基板１の、ＴＦＴ８の形成領域とは異なる領域に、アニール処理によって光学定数が変化する光学定数可変材料からなるモニタ膜１０を形成する工程と、アニール処理工程の後、モニタ膜１０の光学定数の変化を検出し、アニール処理が、膜質改善処理として予め設定した適正範囲になっているか否かを評価する工程と、を備えている。【選択図】図２
2008147282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜質改善処理のためのアニール処理工程を備えた半導体装置の製造方法において、
基板の、前記半導体装置の形成領域とは異なる領域に、前記アニール処理によって光学定数が変化する光学定数可変材料からなるモニタ膜を形成する工程と、
前記アニール処理工程の後、前記モニタ膜の光学定数の変化を検出し、前記アニール処理が、前記膜質改善処理として予め設定した適正範囲になっているか否かを評価する工程と、を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記光学定数が屈折率であり、前記モニタ膜の光学定数の変化の検出を、光学式干渉波形測定によって行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記アニール処理が、高圧水蒸気アニール処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記モニタ膜を形成する工程を、前記半導体装置の構成要素を形成する工程と同じ工程内で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記光学定数可変材料として、酸窒化ケイ素を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アニール処理工程を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トランジスタ等の半導体装置の製造方法では、半導体層を形成した後、この半導体層やその下の下地絶縁膜の膜質改善処理として、例えば高圧水蒸気アニール処理が行われる。
ところで、一般にアニール処理については、時間を管理することで処理の度合いを制御している。しかし、アニール処理前の半導体層の状態や、アニール処理時のアニール装置の状態によっては、前記の時間による管理ではアニール処理が不足したり、過剰になったりしてしまうことがある。
【０００３】
アニール処理が例えば高圧水蒸気アニール処理であり、半導体装置としてＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を製造する場合、このようにアニール処理に過不足が生じると、以下のような不都合が生じることがある。
高圧水蒸気アニール処理を行うと、酸化ケイ素膜や酸窒化ケイ素膜等の絶縁膜に新たな電荷が発生してしまう。この固定電荷の生成は、絶縁膜の組成、成膜方法によっても変わるものの、膜密度の薄い膜、例えば厚膜が要求される下地絶縁膜や層間絶縁膜において顕著となる。そして、アニール処理が過剰となり、下地絶縁膜中にこのような電荷の生成が多く起こると、ＴＦＴのしきい電圧（Ｖｔｈ）に影響を及ぼし、ＴＦＴ間の特性ばらつきの大きな原因となってしまう。また、アニール処理が不足すると、アニール処理による半導体層の膜質改善効果が不十分となり、所望するＴＦＴの特性向上効果が得られなくなってしまう。
【０００４】
そこで、アニール処理の制御を、時間による管理でなく、例えば光学干渉方式を利用して管理する手法が一部に提供されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。具体的には、アニール処理時に半導体薄膜をレーザーアニールで結晶化し、その反射率や透過率の変化を光学干渉方式で検出することにより、アニール処理の適正化を行っている。
【特許文献１】特開平３−９７２１９号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、半導体膜を光学干渉方式によって直接測定し、その反射率や透過率といった光学定数の変化でアニール処理の度合いを評価する方法は、光学定数が大きく変化する場合にしか適用が困難である。すなわち、結晶性を変える程のアニール処理の場合の評価には適用可能であるものの、前記したような、半導体層の膜質改善のための高圧水蒸気アニール処理では、評価対象となる半導体層や下地絶縁膜については光学定数の大きな変化が望めず、したがってこのような高圧水蒸気アニール処理の工程管理については、前記したように時間による管理しかできないのが現状なのである。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高圧水蒸気アニール処理等のアニール処理工程を、過不足なく適正化できるようにし、これによって良好な特性の半導体装置を製造することのできる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため本発明の半導体装置の製造方法は、膜質改善処理のためのアニール処理工程を備えた半導体装置の製造方法において、基板の、前記半導体装置の形成領域とは異なる領域に、前記アニール処理によって光学定数が変化する光学定数可変材料からなるモニタ膜を形成する工程と、前記アニール処理工程の後、前記モニタ膜の光学定数の変化を検出し、前記アニール処理が、前記膜質改善処理として予め設定した適正範囲になっているか否かを評価する工程と、を備えていることを特徴としている。
【０００８】
この半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の形成領域とは異なる領域に形成したモニタ膜の光学定数の変化を検出することにより、アニール処理が、膜質改善処理として予め設定した適正範囲になっているか否かを評価することが可能になる。したがって、アニール処理工程を過不足なく適正化できるようになり、これによって安定した電気特性を有し、良好な特性の半導体装置を製造することができる。
【０００９】
また、前記半導体装置の製造方法においては、前記光学定数が屈折率であり、前記モニタ膜の光学定数の変化の検出を、光学式干渉波形測定によって行うのが好ましい。
このようにすれば、モニタ膜の屈折率の変化が例えば０．０５以上であれば、光学式干渉波形測定によってその変化を検出することが可能であり、光学的挙動が単純な絶縁膜（透明膜）をモニタ膜として用い、アニール処理を評価することが可能になる。
【００１０】
また、前記半導体装置の製造方法においては、前記アニール処理が、高圧水蒸気アニール処理であるのが好ましい。
このようにすれば、特にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を製造する際の、半導体層やその下の下地絶縁膜の膜質改善処理としてアニール処理を行う場合に好適となる。
【００１１】
また、前記半導体装置の製造方法においては、前記モニタ膜を形成する工程を、前記半導体装置の構成要素を形成する工程と同じ工程内で行うのが好ましい。
このようにすれば、モニタ膜の製造による工程の増加をなくすことができ、したがって製造工程の増加に伴うコスト上昇を抑えることができる。
【００１２】
また、前記半導体装置の製造方法においては、前記光学定数可変材料として、酸窒化ケイ素を用いることを特徴としている。
酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）は、アニール処理によって窒素が抜け、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）となることにより、その屈折率が約０．０６変化する（低下する）。したがって、この酸窒化ケイ素からなるモニタ膜の屈折率変化を、光学式干渉波形測定によって検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の半導体装置の製造方法を、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の製造方法に適用した場合の一実施形態を示す模式図であり、図１中符号１は基板である。基板１は、ガラスやシリコン等からなるもので、本実施形態ではガラスからなっている。
【００１４】
このような基板１に半導体装置としてのＴＦＴを製造するには、まず、その全面に、ＣＶＤ法等によって酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）を厚さ５００ｎｍ程度に堆積し、下地絶縁膜２を形成する。ここで、図１中において符号ＡはＴＦＴの形成領域を示し、符号ＢはＴＦＴの非形成領域を示している。なお、この非形成領域Ｂは種々のＴＥＧ（テストエレメントグループ）を形成するための領域であって、これらＴＥＧの一つとして、本発明におけるモニタ膜が形成されるようになっている。
【００１５】
次に、例えばシラン（ＳｉＨ４）を原料ガスとしてＳｉを堆積し、アモルファスＳｉ層（図示せず）を形成する。続いて、このアモルファスＳｉ層を公知のフォトレジスト技術、エッチング技術によってパターニングする。次いで、パターニングしたＳｉ膜に対し、例えばエキシマレーザ光を照射するレーザアニール処理を行い、結晶化して多結晶Ｓｉ層３にする。なお、このような多結晶Ｓｉ層３については、前記の非形成領域Ｂには、先のアモルファスＳｉ層のエッチングで該非形成領域Ｂからこれを除去することにより、多結晶Ｓｉ層３を形成しないものとする。
【００１６】
次に、前記多結晶Ｓｉ層３の表面上にＳｉＯｘからなるゲート絶縁膜４を例えば厚さ７５ｎｍ程度に形成する。このゲート絶縁膜４については、ＣＶＤ法等の気相法が好適に採用されるが、その際には、特に前記の非形成領域Ｂについては形成したゲート絶縁膜４をエッチングによって除去するのが好ましい。また、このようなエッチング工程を省くため、ゲート絶縁膜４の形成を、熱酸化法で行うことにより、前記多結晶Ｓｉ層３の表面上にのみ選択的に形成してもよい。
【００１７】
次いで、アルミニウム等の金属をスパッタ法や蒸着法等で成膜し、さらに公知のフォトレジスト技術、エッチング技術によってパターニングすることにより、前記多結晶Ｓｉ層３上のゲート絶縁膜４上にゲート電極５を形成する。なお、このゲート電極５についても、前記の非形成領域Ｂではエッチングで除去することにより、該非形成領域Ｂにはゲート電極５の形成を行わないものとする。
【００１８】
次いで、前記ゲート電極５をマスクにして前記多結晶Ｓｉ層３にＢ（ボロン）あるいはＰ（リン）等の不純物を打ち込み、図１に示したように前記多結晶Ｓｉ層３の両側にソース／ドレイン領域６、６を形成する。また、ゲート電極５の直下に位置し、前記ソース／ドレイン領域６、６に挟まれた、不純物が打ち込まれなかった部位をチャネル領域７とする。これにより、ＴＦＴ８を形成する
【００１９】
次いで、前記基板１の全面に、前記ＴＦＴ８を覆ってＣＶＤ法等で酸窒化ケイ素を厚さ８００ｎｍ程度に堆積し、層間絶縁膜９を形成する。すると、非形成領域Ｂには、特にこの領域Ｂからゲート絶縁膜４を除去した場合、前記の下地絶縁膜２と層間絶縁膜９とが残るようになる。したがって、これら下地絶縁膜２と層間絶縁膜９とからなる積層膜を、本実施形態ではモニタ膜１０とする。ここで、下地絶縁膜２と層間絶縁膜９とはいずれも酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）からなっているため、モニタ膜１０は全体が酸窒化ケイ素からなり、厚さが１３００ｎｍ程度の膜となっている。したがって、このモニタ膜１０の光学定数、具体的にはその屈折率Ｎは、１．５２になっている。なお、基板１を構成するガラスの屈折率Ｎは、１．５０である。
【００２０】
このように、形成領域Ａには下地絶縁膜２、ＴＦＴ８、層間絶縁膜９を形成し、非形成領域Ｂには前記ＴＥＧとしてのモニタ膜１０を形成したら、前記下地絶縁膜２、および前記ＴＦＴ８中の多結晶Ｓｉ層３（半導体層）の膜質改善処理として、高圧水蒸気アニール処理を行う。
【００２１】
高圧水蒸気アニール処理としては、例えば２０℃から４００℃、分圧１Ｔｏｒｒ以上飽和蒸気圧以下の水の気体（水蒸気）を含む雰囲気にて、１５秒以上２０時間以下の範囲で加熱処理を行う。すると、前記下地絶縁膜２、および前記ＴＦＴ８中の多結晶Ｓｉ層３（半導体層）はその膜質が改善される。また、前記モニタ膜１０は、図２に示すように膜質変化が起こり、その光学定数が変化する。
【００２２】
また、このような高圧水蒸気アニール処理に先立ち、予めこの高圧水蒸気アニール処理による前記下地絶縁膜２、多結晶Ｓｉ層３（半導体層）の膜質改善効果を、実験やシミュレーション等によって求めておく。そして、所望する膜質改善効果が得られる範囲、すなわち適正範囲となる高圧水蒸気アニール処理を行った際の、モニタ膜１０の光学定数（屈折率）の変化を求め、高圧水蒸気アニール処理による膜質改善効果と、モニタ膜１０の光学定数（屈折率）変化との相関を求めておく。
【００２３】
ここで、モニタ膜１０を構成する酸窒化ケイ素は、本発明における光学定数可変材料であり、アニール処理（高圧水蒸気アニール処理）によって窒素が抜け、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）となることにより、その屈折率が変化する。具体的には、酸窒化ケイ素では屈折率Ｎが１．５２であるのに対し、窒素が抜けて酸化ケイ素になると、屈折率Ｎが１．４６となり、その屈折率が約０．０６変化（低下）する。
【００２４】
なお、このようなアニール処理により窒素が抜けてＳｉＯＮ→ＳｉＯｘとなる変化は、当然ながら基板１上の最表面側から起こる。したがって、特にモニタ膜１０では、その表面側から下側に向かって、前記の窒素が抜けることによる膜質変化が進むのである。そして、このような膜質変化の進み具合は、高圧水蒸気アニールの処理効果にほぼ依存する。よって、この高圧水蒸気アニールの処理効果を、モニタ膜１０の膜質変化、すなわちこの膜質変化が表面側からどの深さまで起こったか、つまり図２中において膜質変化が起こった膜厚ｔにより、間接的に評価することができるのである。
【００２５】
また、前記したようにモニタ膜１０はその膜質変化により、屈折率が約０．０６変化（低下）する。したがって、この酸窒化ケイ素からなるモニタ膜１０の屈折率変化を、光学式干渉波形測定によって検出することが可能になっている。現在用いられている光学式干渉波形測定を用いた一般的な膜厚測定装置では、その屈折率差の検出感度が約０．０５である。したがって、前記したようなモニタ膜１０の膜質変化、つまり屈折率の変化が、十分に検出可能になっているのである。
【００２６】
そこで、光学式干渉波形測定を用いた膜厚測定装置、例えばナノメトリクス社製のナノスペック６５００を用い、前記モニタ膜１０の膜質変化が起こった膜厚を検出する。具体的には、モニタ膜１０の最表面から、設定した屈折率に変化した位置までの深さ（膜厚）を測定する。すなわち、予め屈折率の値（またはその変化量）を設定しておき、前記したように屈折率が変化する位置を検知することにより、前記モニタ膜１０の膜質変化が起こった膜厚ｔを検出することができる。
【００２７】
そして、このようにして検出した膜厚ｔが、前記した、高圧水蒸気アニール処理による膜質改善効果との相関から求められた適正範囲になっているか否かを評価する。すなわち、高圧水蒸気アニール処理による膜質改善効果が良好になるときの、モニタ膜１０中での膜質変化が起こった膜厚ｔの範囲、つまり適正範囲を求めておき、検出した膜厚ｔがこの適正範囲になっているか否かを判定することにより、高圧水蒸気アニール処理による膜質改善効果が適正範囲になっているか否かを評価する。
【００２８】
このようにして評価を行うことにより、特に高圧水蒸気アニール処理による膜質改善効果が低く、高圧水蒸気アニール処理が不足していると評価された場合には、例えば再度高圧水蒸気アニール処理を行い、その後、必要に応じて前記モニタ膜１０を用いて再度評価を行う。
また、高圧水蒸気アニール処理が過剰と評価された場合には、その後の工程に送ることなく、別に用意した再生処理等を行うようにする。
【００２９】
このように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ＴＦＴ８（半導体装置）の形成領域Ａとは異なる非形成領域Ｂに形成したモニタ膜１０の屈折率の変化を検出することにより、高圧水蒸気アニール処理が、前記下地絶縁膜２や多結晶Ｓｉ層３（半導体層）を膜質を改善することができる適正な処理になっているか否かを、評価することができる。したがって、アニール処理工程を過不足なく適正化できることにより、安定した電気特性を有し、良好な特性のＴＦＴ（半導体装置）を製造することができる。
また、前記モニタ膜１０を形成する工程を、前記ＴＦＴ８を含む半導体装置の構成要素を形成する工程と同じ工程内で行っているので、モニタ膜１０の製造による工程の増加をなくすことができ、したがって製造工程の増加に伴うコスト上昇を抑えることができる。
【００３０】
なお、前記実施形態では、非形成領域Ｂからゲート絶縁膜４を除去し、モニタ膜１０にゲート絶縁膜４が含まれないように構成したが、特にこのゲート絶縁膜４が、モニタ膜１０中での膜質変化が起こった膜厚ｔの適正範囲からかなり外れた位置にあるような場合には、非形成領域Ｂからゲート絶縁膜４を除去することなく、したがってモニタ膜１０中にゲート絶縁膜４が含まれるように構成してもよい。
【００３１】
また、このようにして得られたＴＦＴ８（半導体装置）を有する基板１は、例えば各種電気光学装置のＴＦＴ基板、すなわちアクティブマトリクス基板として使用することができる。具体的には、液晶表示装置のＴＦＴ基板や、有機ＥＬ表示装置のＴＦＴ基板、電気泳動表示装置のＴＦＴ基板など、種々の電気光学装置に適用可能となる。
【００３２】
また、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、半導体装置としては、ＴＦＴに限定されることなく、膜質改善処理のためのアニール処理工程を備えた製造方法による半導体装置であれば、いずれのものの製造方法にも本発明は適用可能である。また、前記光学定数可変材料としても、酸窒化ケイ素以外の材料を用いることができる。さらに、アニール処理についても、特に膜質改善処理のためであれば高圧水蒸気アニール処理に限らず、他のアニール処理を用いた方法にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…基板、２…下地絶縁膜、３…多結晶Ｓｉ膜、８…ＴＦＴ（半導体装置）、９…層間絶縁膜、１０…モニタ膜
【図１】
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【図２】
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