(57)【要約】【課題】  能動素子の電気的な特性を向上させることが可能な半導体構造物、半導体装置、並びにこれらの製造方法および製造装置を提供すること。【解決手段】  半導体装置は非単結晶半導体膜（１４）と、非単結晶半導体膜（１４）を支持する支持基板（１２）と、非単結晶半導体膜（１４）の一部をチャネル領域（２２）として有する能動素子（１０）とを備える。特に、チャネル領域（２２）はいずれも１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備え、前記チャネル領域はいずれも１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有することを特徴とする半導体構造物。
【請求項２】
前記酸素濃度および炭素濃度がいずれも５×１０１７atoms/cm３を越えないことを特徴とする請求項１に記載の半導体構造物。
【請求項３】
前記チャネル領域は１×１０１７atoms/cm３を越えない濃度の金属元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体構造物。
【請求項４】
前記金属元素の濃度は５×１０１６atoms/cm３を越えないことを特徴とする請求項３に記載の半導体構造物。
【請求項５】
能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備える半導体構造物の製造方法であって、成膜室の内壁をフッ素系ガスでエッチング表面処理し、前記内壁を５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆い、前記支持基板を前記成膜室に収容して前記非単結晶半導体膜を形成し、前記非単結晶半導体膜を加熱により溶融再結晶化することを特徴とする半導体構造物の製造方法。
【請求項６】
さらに８０℃〜１５０℃の温度で前記内壁をベーキング処理することを特徴とする請求項５に記載の半導体構造物の製造方法。
【請求項７】
エネルギー光が前記非単結晶半導体膜を加熱するために照射されることを特徴とする請求項５に記載の半導体構造物の製造方法。
【請求項８】
前記非単結晶半導体膜は加熱位置において１０秒を越えない加熱時間で加熱されることを特徴とする請求項５に記載の半導体構造物の製造方法。
【請求項９】
前記加熱時間は１秒を越えないことを特徴とする請求項７に記載の半導体構造物の製造方法。
【請求項１０】
能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備える半導体構造物の製造装置であって、前記支持基板を成膜室に収容して前記非単結晶半導体膜を形成する成膜部と、前記非単結晶半導体膜を溶融再結晶化する結晶化部とを備え、前記成膜室はアルミニウムを含有する金属からなる内壁を有することを特徴とする半導体構造物の製造装置。
【請求項１１】
前記内壁の表面はフッ素原子を含み、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆われることを特徴とする請求項１０に記載の半導体構造物の製造装置。
【請求項１２】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、前記非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備え、前記チャネル領域はいずれも１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
前記能動素子は前記非単結晶半導体膜において前記チャネル領域の両側に配置されるソースおよびドレイン領域および絶縁膜により前記チャネル領域から絶縁されるゲート電極層を含む薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記チャネル領域は前記ソースおよびドレイン領域の配列方向に一致する結晶成長方向を有する単一の結晶粒内に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記酸素濃度および炭素濃度はいずれも５×１０１７atoms/cm３を越えないことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記非単結晶半導体膜は１×１０１７atoms/cm３を越えない濃度の金属元素を含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記金属元素の濃度は５×１０１６atoms/cm３を越えないことを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、前記非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備え、前記チャネル領域は１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および１×１０６cm-3を越えない積層欠陥密度を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１９】
非単結晶半導体膜と、前記非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、前記非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備える半導体装置の製造方法であって、成膜室の内壁をフッ素系ガスでエッチング表面処理し、前記内壁を５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆い、前記支持基板を前記成膜室に収容して前記非単結晶半導体膜を形成し、前記非単結晶半導体膜を溶融再結晶化し、前記非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する前記能動素子を形成することを特徴とする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、非単結晶半導体膜が支持基板によって支持される半導体構造物、半導体装置、これらの製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のアクティブマトリクス型液晶表示装置では、多結晶半導体薄膜トランジスタが画素スイッチング素子<pixel switching element>として用いられるようになった。この多結晶薄膜トランジスタは複数の結晶粒<crystal grain>を含む多結晶半導体膜内に配置されたチャネル領域を有する。このチャネル領域内のキャリア(すなわち、電子または正孔）は非晶質半導体膜内に配置されたチャネル領域内のキャリアの１０倍〜１００倍程度速く移動する。従って、多結晶半導体薄膜トランジスタは画素スイッチング素子として高速に動作する。また、これと同様な多結晶半導体薄膜トランジスタ群で映像処理回路を構築して液晶表示装置に組み込むことにより、画素数の増大に伴って要求される演算時間の短縮にも対処できるようになる。
【０００３】
多結晶半導体膜は、例えばエキシマレーザ結晶化法によりアモルファスシリコン等の半導体膜を溶融再結晶化することにより得られる。このエキシマレーザ結晶化法は半導体膜に生成される結晶粒を大粒径に成長させて、キャリアの移動を阻害する結晶粒界<crystal grain boundary>の数を大幅に低減することができるため、従来から広く用いられている。
【０００４】
ここで、多結晶半導体薄膜トランジスタの製造工程について説明する。図１（ａ）から図１（ｆ）は多結晶半導体薄膜トランジスタの一例であるポリシリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す。このポリシリコン薄膜トランジスタのチャネル領域は上述したエキシマレーザ結晶化法を用いて形成されるポリシリコン膜内に配置される。
【０００５】
図１（ａ）に示す工程では、下地絶縁層１０２がガラス基板１０１上に形成され、非晶質シリコン膜１０３が下地絶縁層１０２上に形成され、この後、脱水素処理<dehydrogenation treatment>が非晶質シリコン膜１０３に対して施される。
【０００６】
図１（ｂ）に示す工程では、ガラス基板１０１が矢印１０５の方向に移動され、エキシマレーザ光がガラス基板１０１と一緒に移動する非晶質シリコン膜１０３に照射される。このようなレーザ光の走査により、非晶質シリコン膜１０３は図１（ｃ）に示すポリシリコン膜１０６に溶融再結晶化される。
【０００７】
図１（ｄ）に示す工程では、ポリシリコン膜１０６が薄膜トランジスタの一部として必要な所定領域を残して下地絶縁層１０２から除去される。続いて、ゲート絶縁膜１０７がポリシリコン膜１０６および下地絶縁層を覆うように形成される。  
【０００８】
図１（ｅ）に示す工程では、ゲート電極層１１０がゲート絶縁膜１０７上に形成される。このゲート電極層１１０は、ｎ型またはｐ型の不純物をポリシリコン膜１０６に注入するためのマスクを兼ねる。この不純物はゲート絶縁膜１０７を介してポリシリコン膜１０６に注入され、これによりポリシリコン膜１０６においてゲート電極層１１０の両側に位置するソース領域１０８およびドレイン領域１０９を形成する。
【０００９】
図１（ｆ）に示す工程では、層間絶縁膜１１１がゲート絶縁膜１０７およびゲート電極層１１０を覆って形成される。この後、加熱処理がソース領域１０８およびドレイン領域１０９内の不純物を活性化するために行われる。ゲート絶縁膜１０７および層間絶縁膜１１１はソース領域１０８およびドレイン領域１０９をそれぞれ露出する一対のコンタクトホールを形成するように部分的に除去され、ソース電極層１１２およびドレイン電極層１１３がこれらコンタクトホールにおいてソース領域１０８およびドレイン領域１０９に電気的にコンタクトするように形成される。金属配線層１１４は薄膜トランジスタに電気的な信号を伝達する配線としてドレイン電極１１３にコンタクトして形成される。
【００１０】
ポリシリコン薄膜トランジスタは上述のような製造工程を経て製造される。この薄膜トランジスタでは、ゲート電圧がソース領域１０８およびドレイン領域１０９間に配置されたチャネル領域１１５に流れる電流を制御するためにゲート電極層１１０に印加される。このポリシリコン薄膜トランジスタおよびその製造方法は、例えば特許文献１（特開２００２−２８９８６５号公報の第４〜５頁および図１）に開示される。
【００１１】
しかし、従来の多結晶半導体薄膜トランジスタの構造および製造方法は、液晶表示装置に適用する上で重要な薄膜トランジスタの電気的な特性を劣化させる要因を含んでいる。
【００１２】
以下は、本願発明者による考察の結果である。
【００１３】
（１）  チャネル領域は原子構造的な欠陥を生じさせる不純物元素を含む。この欠陥は電気伝導を生起させるキャリアに対してトラップとして作用し、これによりチャネル領域内のキャリアの移動を阻害する。このような不純物元素はソースおよびドレイン領域に注入される不純物元素とは本質的に区別されるべき汚染物<contaminant>であり、具体的には酸素や炭素のように大気に含まれる元素（軽元素）である。このような元素は従来の半導体製造装置の成膜室内に残留し、成膜処理中に半導体膜に混入する。
【００１４】
（２）  また、成膜室の内壁材料の成分である金属元素は物理的または化学的に分離または遊離して成膜室内に浮遊しており、これら元素も成膜処理中に半導体膜に混入し、半導体の電気的特性自体を変化させる。このような金属元素として、クロム、カリウム、ナトリウム、アルミニウム、カルシウム、チタン、亜鉛、コバルト、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、マンガン、バナジウム、タングステン等がある。
【００１５】
（３）  さらに、半導体膜の支持基板は耐熱温度が高々６００℃程度のガラス基板である。この支持基板としては、アニールレスガラスやプラスチック基板も利用可能であるが、これらの耐熱温度はさらに低い。上述した軽元素や金属元素を半導体膜から除去するゲッタリング処理は支持基板の耐熱温度を超える高温を必要とするため、このゲッタリング処理を支持基板に適用することができない。
【００１６】
また、特開２００２−２８９８６５号公報は、酸素、窒素などの不純物元素の原子個数を１cm３当たり５×１０１８個以下、好ましくは１cm３当たり１×１０１８個に低減することにより良好な特性が得られることを開示する。しかし、この濃度は単一の軽元素に対するもので、複数の軽元素と半導体膜の原子構造上の微小欠陥との関係を考慮していない。
【００１７】
【特許文献１】特開２００２−２８９８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、能動素子の電気的な特性を向上させることが可能な半導体構造物、半導体装置、並びにこれらの製造方法および製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に第１観点によれば、能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備え、チャネル領域はいずれも１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有する半導体構造物が提供される。
【００２０】
本発明の第２観点によれば、能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備える半導体構造物の製造方法であって、成膜室の内壁をフッ素系ガスでエッチング表面処理し、内壁を５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆い、支持基板を成膜室に収容して非単結晶半導体膜を形成し、非単結晶半導体膜を加熱して溶融再結晶化する製造方法が提供される。
【００２１】
本発明の第３観点によれば、能動素子用のチャネル領域を含む非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板とを備える半導体構造物の製造装置であって、支持基板を成膜室に収容して非単結晶半導体膜を形成する成膜部と、非単結晶半導体膜を溶融再結晶化する結晶化部とを備え、成膜室はアルミニウムを含有する金属からなる内壁を有する製造装置が提供される。
【００２２】
本発明の第４観点によれば、非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備え、チャネル領域はいずれも１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有する半導体装置が提供される。
【００２３】
本発明の第５観点によれば、非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備え、チャネル領域は１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および１×１０６cm-3を越えない積層欠陥密度を有する半導体装置が提供される。
【００２４】
本発明の第６観点によれば、非単結晶半導体膜と、非単結晶半導体膜を支持する支持基板と、非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子とを備える半導体装置の製造方法であって、成膜室の内壁をフッ素系ガスでエッチング表面処理し、内壁を５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆い、支持基板を成膜室に収容して非単結晶半導体膜を形成し、非単結晶半導体膜を加熱して溶融再結晶化し、非単結晶半導体膜の一部をチャネル領域として有する能動素子を形成する製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
これら半導体構造物および半導体装置では、チャネル領域が１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有する。非単結晶半導体膜のうち少なくともチャネル領域がこのような酸素濃度および炭素濃度を有する場合、これら元素に起因してチャネル領域の結晶構造に生じる微小欠陥を実用上支障のない１×１０６cm-3程度の極めて少ない値にできる。これにより、チャネル領域内のキャリアはこれら微小欠陥によって著しく阻害されることなく高速に移動できる。従って、能動素子の良好な電気的特性を向上させることができる。
【００２６】
また、半導体構造物の製造方法および半導体装置の製造方法では、成膜室の内壁がフッ素系ガスでエッチング表面処理され、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜で覆われる。これにより、汚染物元素がエッチング表面処理で成膜室の内壁表面から除去され、さらにエッチング表面処理で混入したフッ素も非晶質半導体膜によって成膜室の内壁から成膜室内の空間に離脱できなくなる。これにより、成膜中に非単結晶半導体膜に混入する汚染物を低減できる。従って、能動素子の良好な電気的特性を向上させることができる。
【００２７】
さらに、半導体構造物の製造装置では、成膜室がアルミニウムを含有する金属からなる内壁を有する。これにより、フッ素系ガスによるクリーニングを行った時に内壁の金属成分であるアルミニウムがフッ素と化合してフッ素化合物を形成する。このようにアルミニウムおよびフッ素がフッ素化合物として内壁に含まれる場合には、アルミニウムおよびフッ素が成膜室の内壁から成膜室内の空間に離脱して、成膜中の非単結晶半導体膜に汚染物として混入することが防止される。従って、能動素子の良好な電気的特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。この半導体装置は例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に組み込むために用いられる。
【００２９】
図２はこの半導体装置の断面構造を示す。この半導体装置は少なくとも１個の能動素子１０、支持基板１２、および複数の結晶粒<crystal grain>を含む非単結晶半導体膜１４を備える。支持基板１２は非単結晶半導体膜１４を支持する。能動素子１０は上述のアクティブマトリクス型液晶表示装置において画素スイッチング素子や映像処理回路の構成要素を構成する薄膜トランジスタであり、非単結晶半導体膜１４の一部をチャネル領域として有する。支持基板１２としては、例えばシリコン、その他の半導体を含む半導体基板や、コーニング社の１７３７ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミド等の材料からなる絶縁性基板を用いることができる。ここでは、１７３７ガラス基板が支持基板１２として用いられている。また、半導体膜１４としては、シリコン（すなわち、Ｓｉ）、シリコンゲンルマニウム（すなわち、ＳｉＧｅ）のような半導体を含む層を用いることができる。ここでは、非単結晶半導体膜１４がシリコンからなる。
【００３０】
図２に示すように、能動素子１０は非単結晶半導体膜１４を覆うゲート絶縁膜１６、およびこのゲート絶縁膜１６上に配置されるゲート電極層１８を含む。半導体膜１４は、支持基板１２を覆う下地絶縁層２０上に形成されている。但し、半導体膜１４はこの下地絶縁層２０を介さずに支持基板１２上に直接に形成されてもよい。
【００３１】
半導体膜１４は、ゲート電極層１８の下方に配置されるチャネル領域２２と、このチャネル領域２２の両側に配置されｐ型またはｎ型の不純物を含有するソース領域２４およびドレイン領域２６とを有する。ここでは、ソース領域２４およびドレイン領域２６がｎ型の不純物を含有する。ゲート絶縁膜１６は例えば二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２）のような酸化物からなり、薄膜トランジスタを電界トランジスタとして機能させるためにゲート電極層１８をチャネル領域２２から電気的に絶縁する。チャネル領域２２はソース領域２４およびドレイン領域２６間で電子または正孔のようなキャリアを移動させるための領域であり、このキャリアの移動はゲート電極層１８に印加されるゲート電圧に対応した電界によって制御される。
【００３２】
下地絶縁層２０は、ガラス基板等の支持基板１２内の不純物が半導体膜１４へ移動することを防止する役割を果たす。ここでは、下地絶縁層２０がＳｉＯ２からなる。この下地絶縁層２０は、例えば二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（すなわち、ＳｉＮ）、窒化ケイ素と二酸化ケイ素との２層構造物（すなわち、ＳｉＮ／ＳｉＯ２）、アルミナ、マイカ等の酸化物からなるようにしてもよい。また、下地絶縁層２０が支持基板１２を覆うＳｉＮ層およびＳｉＮ層を覆うＳｉＯ２層の二層構造であると、不純物の移動を防止する効果がより一層増す。
【００３３】
非単結晶半導体膜１４は１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および１×１０１８atoms/cm３を越えない炭素濃度を有する。すなわち、炭素原子および酸素原子の個数はいずれも１cm３当たり１×１０１８個以下である。半導体膜１４のうち少なくともチャネル領域２２がこのような酸素濃度および炭素濃度を有する場合、これら元素に起因してチャネル領域２２の結晶構造に生じる微小欠陥を実用上支障のない１×１０６/cm３程度の極めて少ない値にできる。これにより、チャネル領域２２内のキャリアはこれら微小欠陥によって著しく阻害されることなく高速に移動できる。従って、薄膜トランジスタは、高速なスイッチング動作を行う良好な電気的特性を得ることができる。
【００３４】
ここで、非単結晶半導体膜１４は５×１０１７atoms/cm３を越えない酸素濃度および５×１０１７atoms/cm３を越えない炭素濃度を有することがさらに好ましい。すなわち、酸素原子および炭素原子の個数はいずれも１cm３当たり５×１０１７個以下である。半導体膜１４のうち少なくともチャネル領域２２がこのような酸素濃度および炭素濃度を有する場合、チャネル領域２２の品質が向上する。
【００３５】
さらに、非単結晶半導体膜１４は１×１０１７atoms/cm３を越えない金属元素の濃度を有することが好ましい。すなわち、金属原子の個数は１cm３当たり１×１０１７個以下である。半導体膜１４のうち少なくともチャネル領域２２がこのような金属元素の濃度を有する場合、これにより、半導体膜１４の抵抗率を低下させる要因となる金属酸化物の生成が抑制される。金属原子の個数がさらに１cm３当たり５×１０１６個以下であれば、金属酸化物の生成がさらに抑制され、抵抗率を実用上支障のない値にすることができる。
【００３６】
非単結晶半導体膜１４内では、複数の結晶粒が同じ向きに設定された成長方向を有する。この成長方向は上述のソース領域２４およびドレイン領域２６の配列方向に一致する。いいかえれば、ソース領域２４、チャネル領域２２、およびドレイン領域２６が結晶粒の成長方向に沿って配列される。さらに、これら結晶粒はこの成長方向においてチャネル領域２２の長さ以上の粒径を持ち、チャネル領域２２は単一の結晶粒内に配置される。この場合、チャネル領域２２に結晶粒界が存在しなくなり、チャネル領域２２内の結晶粒界により生じるキャリアの移動阻害を解消することができる。上述のように酸素原子および炭素原子の個数をいずれも１cm３当たり１×１０１８個以下にすることは、結晶構造上の微小欠陥を少なくする上で大きく貢献する。実用的には、結晶粒径をチャネル領域２２の４分の１以上の長さ、例えばチャネル領域２２が２μｍの長さを有するときの結晶粒径を０．５μｍ以上の長さとすれば、キャリアがチャネル領域２２内で遭遇する結晶粒界の数を比較的少なくすることができ、不純物元素を排除する効果が確認される。
【００３７】
ソース領域２４およびドレイン領域２６の配列方向におけるチャネル領域２２の長さ（描画ゲート長）は、この配列方向におけるゲート電極層１８の長さ（実効ゲート長）より長い。少なくとも実効ゲート長の範囲において、結晶粒界がなく、酸素原子および炭素原子の個数がいずれも１cm３当たり１×１０１８個以下であれば上述した効果が発揮される。さらに、描画ゲート長の範囲であれば、その効果がより一層発揮される。
【００３８】
次に、チャネル領域２２の結晶構造上の微小欠陥を極めて少なくするためにチャネル領域２２内の酸素原子および炭素原子の個数をいずれも１cm３当たり１×１０１８個を越えないようにすることが有効であることをさらに詳しく説明する。
【００３９】
１．  酸素および炭素と積層欠陥密度との相関関係
【００４０】
１cm３当たりの酸素原子の個数である酸素濃度［atoms/cm３］と、１cm３当たりの炭素原子の個数である炭素濃度[atoms/cm３]と、半導体膜１４の１cm３当たりの結晶構造欠陥の量である積層欠陥密度[cm−３]との相関関係を複数の試料から調べた。
【００４１】
各試料は次のように作製された。ここでは、実験的に作製される試料に限って酸素および炭素等の汚染物を低濃度に維持できる設備が用いられた。コーニング社製の＃１７３７ガラスからなる支持基板１２が用意され、下地絶縁層２０がこの支持基板上に形成された。この下地絶縁層２０は５０ｎｍの厚さを有する窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）の層と１００ｎｍの厚さを有する酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の層とをこの順に積層した二重構造を有する。下地絶縁層２０上には、非晶質シリコン膜が２００ｎｍの厚さで形成された。
【００４２】
このような試料について、非晶質シリコン膜内の酸素、炭素およびニッケルという元素の濃度がフランス国クルブヴオワのカメカ（ＣＡＭＥＣＡ）社製の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectroscopy）装置で測定された。この装置は、照射イオンとして例えばＯ＋、Ｃｓ＋等のイオンを用いたイオンビームを層上方から層に照射し、スパッタリング現象により層表面から放出される層中の原子または分子から発生する二次イオンを検出することによって元素の質量分析を行う二次イオン質量分析法を採用している。イオンビームは連続的に照射され、これによりスパッタリング現象による層のエッチングを継続させて、質量分析を層の深さ方向に行う。
【００４３】
非晶質シリコン膜内の酸素、炭素およびニッケルの濃度は非晶質シリコン膜の形成直後に初期濃度として測定された。この測定結果では、酸素の初期濃度は２×１０１７atoms/cm３以下、炭素の初期濃度は３×１０１６atoms/cm３以下、ニッケルの初期濃度は５×１０１５atoms/cm３以下であった。ニッケルの初期濃度は、カメカ社製のＳＩＭＳ装置の分析下限未満の値である。
【００４４】
このような酸素、炭素およびニッケルの初期濃度を確認した後、酸素および炭素がイオン注入法により各試料の非晶質シリコン膜に注入された。ここでは、図３に示すように、１５種類の試料が３段階の炭素ドーズ量と５段階の酸素ドーズ量との組み合わせにより得られた。加速エネルギーは、注入元素が非晶質シリコン膜に注入されるようにその原子を運動させるエネルギーである。炭素の加速エネルギーは１００ＫｅＶ、酸素の加速エネルギーは１３０ＫｅＶである。ドーズ量は１cm２の単位面積を通過する注入元素原子の個数により表される。
【００４５】
図４は図３に示すドーズ量に対して非晶質シリコン膜に得られる炭素および酸素濃度を示す。これら炭素および酸素濃度は１cm３の単位体積当たり存在する炭素および酸素原子の平均個数である。このような非晶質シリコン膜上には、３００ｎｍの厚さを有する酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）からなる絶縁層（以下「キャップ層」という。）が形成される。この後、レーザアニール処理が非晶質シリコン膜に対して施された。このレーザアニール処理では、ＫｒＦエキシマレーザ光がこのレーザ光の少なくとも一部を位相変調する位相シフタを介して非晶質シリコン膜に照射され、この非晶質シリコン膜を溶融再結晶化してポリシリコン膜に変えた。照射条件は、照射回数を１回、照射フルエンスを照射面内で平均５６０ｍＪ／cm２とした。ここで、キャップ層はＫｒＦエキシマレーザ光の照射に伴って非晶質シリコン膜の一部からシリコンが溶発等により消失するアブレーション現象を防止する。
【００４６】
ポリシリコン膜が上述のレーザアニール処理による溶融再結晶化の結果として得られた後、ポリシリコン膜の結晶構造の微小な欠陥が、Ｘ線回折法<X-ray diffraction analysis>によってポリシリコン膜のＸ線回折像を撮像してその回折像のピーク・シフトを解析することによりを調べられた。
【００４７】
図５は図４に示す炭素濃度をパラメータとしてポリシリコン膜の積層欠陥密度<stacking fault density>の酸素濃度依存性を示す。図５において点線で示した測定下限は、積層欠陥密度の測定における測定値の再現性すなわち信頼性を考慮して定められたものである。現時点でのＸ線回折装置における回折像のピーク・シフトの解析においては、積層欠陥密度が極めて低いとき、解析結果は、解析装置の解析性能または解析者の解釈に依存し、この性能や解釈によって異なるからである。
【００４８】
図５からわかるように、炭素濃度および酸素濃度のいずれもが１×１０１８atoms/cm３であると、積層欠陥密度は測定下限より僅かに高い値まで低下する。さらに、炭素濃度および酸素濃度のいずれもが５×１０１７atoms/cm３であると、積層欠陥密度は測定下限よりも低い値まで低下する。
【００４９】
２．  酸素、炭素および金属元素と積層欠陥密度との相関関係
【００５０】
次に、上述のように酸素、炭素およびニッケルの初期濃度が確認された各試料の非晶質シリコン膜に酸素および炭素だけでなく金属元素としてニッケル（すなわち、Ｎｉ）も注入した場合について説明する。ニッケルは約５９という重い原子量を有するため、非晶質シリコン膜上に存在するキャップ層を介して非晶質シリコン膜内にニッケルを十分に注入することは難しい。従って、ニッケルは非晶質シリコン膜の形成後キャップ層を介さずに非晶質シリコン膜に注入され、酸素および炭素はニッケルの注入処理後に形成されるキャップ層を介して非晶質シリコン膜に注入された。
【００５１】
ここでは、図６に示すように、９種類の試料が３段階の炭素ドーズ量、３段階の酸素ドーズ量、および３段階のニッケルドーズ量の組み合わせにより作製された。図７は図６に示すニッケルのドーズ量に対して非晶質シリコン膜に得られるニッケル濃度を示す。このニッケル濃度は１cm３の単位体積当たり存在するニッケル原子の平均個数である。上述の試料の作成後、レーザアニール処理が各試料の非晶質シリコン膜に対して施された。このレーザアニール処理では、ＫｒＦエキシマパルスレーザ光が上述と同様に位相シフタを介して非晶質シリコン膜に照射され、この非晶質シリコン膜を溶融再結晶化してポリシリコン膜に変えた。
【００５２】
さらに、ポリシリコン膜がレーザアニール処理による溶融再結晶化の結果として得られた後、ポリシリコン膜の結晶構造の微小な欠陥が、上述と同様なＸ線回折法<X-ray diffraction analysis>によってポリシリコン膜のＸ線回折像を撮像してその回折像のピーク・シフトを解析することにより調べられた。
【００５３】
図８は図７に示すニッケル濃度をパラメータとして積層欠陥密度の炭素および酸素濃度依存性を示す。図８において点線で示した測定下限は、図５の点線と同様に積層欠陥密度の測定における測定値の再現性すなわち信頼性を考慮して定められたものである。
【００５４】
図８からわかるように、炭素濃度および酸素濃度のいずれもが１×１０１８atoms/cm３でかつニッケル濃度が１×１０１７atoms/cm３であると、積層欠陥密度は測定下限より僅かに高い値まで低下する。さらに、炭素濃度および酸素濃度のいずれもが５×１０１７atoms/cm３でかつニッケル濃度が１×１０１７atoms/cm３あると、積層欠陥密度は測定下限よりも低い値まで低下する。さらに、ニッケル濃度が５×１０１６atoms/cm３以下であるとき、積層欠陥密度が測定下限よりも低い値まで低下する確実性が増す。
【００５５】
尚、図２に示す半導体装置において、支持基板１２および非単結晶半導体膜１４は、液晶表示装置のパネル基板部品として用いられる主要な半導体構造物をなす。保管時や搬送時の不純物混入を考慮すれば、実際には非単結晶半導体膜１４が少なくともゲート絶縁膜１６のような絶縁膜で覆われていることが好ましい。このような半導体構造物は半導体装置の半製品であり、図２に示すゲート電極層１８、ソース領域２４およびドレイン領域２６のような半導体装置の要素の全てを含まなくてもよい。この例では、非単結晶半導体膜１４がチャネル領域２２の両側にソース領域２４およびドレイン領域２６を含み、非単結晶半導体膜１４を露出するコンタクトホール等をエッチング処理でゲート絶縁膜１６に形成していない状態の半製品を液晶表示装置のパネル基板部品とした。
【００５６】
図９は図２に示す半導体装置の製造に用いられる製造装置を概略的に示す。この製造装置では、図９および図１０に示すようなプラズマ気相成長（ＰＥＣＶＤ：Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）装置４０が用いられている。このＰＥＣＶＤ装置４０は、ＰＥＣＶＤ４０により成膜処理される支持基板１２を収容する気密半導体成膜室である反応チャンバ４２と、ＰＥＣＶＤで用いられるプラズマを発生させるプラズマ発生源４４と、反応チャンバ４２内にプラズマ発生用の原料ガスを供給するための原料ガス供給系４６と、反応チャンバ４２内の排気処理をするための排気処理系４８とを備える。
【００５７】
ＰＥＣＶＤ装置４０には、所定の真空度で支持基板１２を反応チャンバ４２内へ搬入し、また反応チャンバ４２から搬出するための基板搬送系５０が接続されている。
【００５８】
また、反応チャンバ４２には、反応チャンバ４２内の気体を特定するための質量分析装置５１が接続されている。質量分析装置５１としては、例えば四重極質量分析計（ＱＭＳ: quadrupole mass spectroscope)が用いられる。
【００５９】
原料ガス供給系４６は、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスボンベ５２および水素（Ｈ２）ガスボンベ５４を有する原料ガスボンベ装置５６と、マスフローコントローラ５８とを備える。原料ガス供給系４６は、シランガスおよび水素ガスの各流量をマスフローコントローラ５８で調整して、流量が調整されたシランガスおよび水素ガスをガス導入管８２を介して反応チャンバ４２内に導入する。
【００６０】
排気処理系４８は、例えばターボ分子ポンプ（ＴＭＰ：Turbo Molecular Pump）６０およびドライポンプ６２を備える。ドライポンプ６２は、ターボ分子ポンプ６０および反応チャンバ４２へ配管されている。図９に示す排気処理系４８は、さらに、反応チャンバ４２およびターボ分子ポンプ６０間に配置されたオートプレッシャーコントローラ（ＡＰＣ：Auto Pressure Controller）６４と、ドライポンプ６２の排気側に接続された、環境汚染を防止すべく排気ガスを清浄にするためのガスクリーナ６６とを備える。
【００６１】
基板搬送系５０は、基板搬送用のロードチャンバ６８と、自動仕分け用のロボットチャンバ７０とを備える。ロードチャンバ６８は、図示しない基板保管装置から所望の支持基板１２を選択してロボットチャンバ７０へ搬送すること、またロボットチャンバ７０からこの所望の支持基板１２を基板保管装置へ搬送することの両機能を有する。ロボットチャンバ７０は、ロードチャンバ６８から搬送された支持基板１２を所定の基板処理装置に仕分けする。図１０では、ＰＥＣＶＤ装置４０のみが基板処理装置として断面図で示されている。
【００６２】
ここで、ロボットチャンバ７０内の気体は、反応チャンバ４２およびロボットチャンバ７０間の扉７２を開けたときに反応チャンバ４２内に流れないことが必要である。このため、ロボットチャンバ７０内の真空度が反応チャンバ４２内の真空度より高くなるように、ロボットチャンバ７０内は図示しない排気装置によって反応チャンバ４２内より陰圧に保たれている。
【００６３】
図１０に示すように、反応チャンバ４２の外周囲には、チャンバ内壁９４をベーキングするために、ヒータ８０が例えばコイル状に巻かれている。ヒータ８０は反応チャンバ４２内の温度を上昇させるために用いられる。ガス導入管８２はマスフローコントローラ５８に接続されている。ガス排気管８４はオートプレッシャーコントローラ６４を介してターボ分子ポンプ６０に接続される。このターボ分子ポンプ６０およびドライポンプ６２間のガス排気管は、図９に示されるため、図１０において省略する。
【００６４】
図１０に示すように、プラズマ発生源４４は高周波発生装置８６と、高周波発生装置８６に電気的に接続された上電極８８および下電極９０とを備える。下電極９０および気密反応チャンバ４２は接地されている。上電極８８は、複数の開口を有するメッシュ９２を有し、また、ガス導入管８２の広がった部分と気密に接続されている。上電極８８は、ガス導入管８２を通って導入された原料ガスを、メッシュ９２を通して反応チャンバ４２内に原料ガスＧを導入する。下電極９０は、成膜処理をされる支持基板１２を支持する。上電極８８との間の電極間距離を調整するために、下電極９０は、図示しない駆動機構によって図において上下方向に移動可能になっている。
【００６５】
次に、図２に示す半導体装置の製造方法について図９、１０を参照して説明する。半導体装置の製造に際し、脱ガス処理が反応チャンバ４２のチャンバ内壁９４に混入したガスを取り除くために行われる。脱ガス処理では、チャンバ内壁９４のベーキング処理と反応チャンバ４２の排気処理とが並行して行われる。ベーキング処理はヒータ８０でチャンバ内壁９４を加熱することにより行われる。このベーキング処理では、チャンバ内壁９４が例えば１２０℃程度の一定温度になるまで加熱され、さらにこの温度を数時間程度の一定時間維持するように加熱される。排気処理はこのベーキング処理でチャンバ内壁９４から生じたガスを排気処理系４８によって反応チャンバ４２から継続的に排気することにより行われる。
【００６６】
次に、チャンバ内壁９４のクリーニングが三窒化フッ素ガスのようなフッ素系ガスを図示しないボンベから反応チャンバ４２に供給し、このフッ素系ガスでチャンバ内壁９４の表面をエッチングすることにより行われる（内壁クリーニング処理）。次いで、例えば非晶質半導体膜９５が５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さでチャンバ内壁９４の表面を覆うように形成される（内壁被覆処理）。この半導体膜９５は半導体装置の半導体膜１４と同一材料からなり、エッチング表面処理中にチャンバ内壁９４に混入したフッ素がチャンバ内壁９４から反応チャンバ４２の空間に離脱できなくする。
【００６７】
支持基板１２は上述の内壁クリーニング処理および内壁被覆処理後に反応チャンバ４２内に設置される。下地絶縁層２０を用いる場合には、この下地絶縁層２０がプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ法）により予め支持基板１２上に形成される。下地絶縁層２０が例えばＳｉＯ２層である場合には、このＳｉＯ２層がシラン（ＳｉＨ４）ガスボンベと酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスボンベと窒素（Ｎ２）ガスボンベとを備えるガスボンベ装置、テトラエチルオルトシリケート（すなわち、ＴＥＯＳ：Tetra Ethyl Ortho Silicate）ガスボンベと酸素（Ｏ２）ガスボンベとを備えるガスボンベ装置等を用いて形成される。
【００６８】
支持基板１２はこのようにして下地絶縁層２０を形成してから反応チャンバ４２内に設置される。
【００６９】
量産用のＣＶＤ装置については、内壁クリーニング処理が使用環境や使用頻度を考慮して真空中で行われる必要がある。また、半導体膜９５の膜厚は内壁被覆処理の繰り返しにより累積的に増大するため、ハロゲン系ガスやフッ化物ガスによる内壁クリーニング処理を半導体膜９５の累積膜厚が例えば１０μｍになる毎、あるいは１ロット毎のような周期で行うことが好ましい。
【００７０】
支持基板１２が上述のように内壁クリーニング処理および内壁被覆処理された反応チャンバ４２内に設置されると、例えば図１１に示す非晶質シリコン膜１４ａがこの支持基板１２に支持される非晶質半導体膜としてプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法により形成される。
【００７１】
ここで、図９に示す反応チャンバ４２内において非晶質シリコン膜１４ａをＰＥＣＶＤ法によって形成する場合の成膜条件について説明する。反応チャンバ４２内に供給されるシランガスおよび水素ガスの混合比（ＳｉＨ４／Ｈ２）は流量比により１：４に設定される。反応チャンバ４２内の全ガス圧はＡＰＣ６４によって１５０Ｐａ（１．１Ｔｏｒｒ）になるように調整される。これにより、反応チャンバ４２内の真空度が所定に保たれる。成膜速度は、プラズマ電力およびシランガス流量によって決まる。支持基板１２の温度は図示しない加熱装置によって一定の温度、例えば２８０℃に保たれる。上電極８８と下電極９０との間の距離または上電極８８と支持基板１２との間の距離は、成膜処理時には１５ｍｍに設定される。このような条件で、非晶質シリコン膜１４ａが形成される。
【００７２】
次いで、図１１に示すように、３００ｎｍの厚さを有し酸化ケイ素からなる絶縁層がキャップ層１３０として非晶質シリコン膜１４ａ上に形成される。この後、非晶質シリコン膜１４ａの脱水素処理が行われる。
【００７３】
次に、非晶質シリコン膜１４ａのレーザアニール処理が図１２に示すレーザ光照射装置を用いて行われる。レーザ光照射装置はレーザ装置１３２で発生されるＫｒＦエキシマレーザ光Ｌを非晶質シリコン膜１４ａの少なくとも一部の領域に光学系１３４を介して照射する。このＫｒＦエキシマレーザ光Ｌの照射条件としては、照射回数が１回に設定され、照射フルエンスが照射面内で平均５６０ｍＪ／cm２に設定される。ＫｒＦエキシマレーザ光Ｌは位相シフタ１３６およびキャップ層１３０を介して非晶質シリコン膜１４ａに照射され、非晶質シリコン膜１４ａを溶融再結晶化してポリシリコン膜に変化させる。ここで、キャップ層１３０はエキシマレーザ光Ｌの照射により非晶質シリコン膜１４ａ内に生じる熱がこのシリコン層１４ａの外に放散されることを防止する。これにより、エキシマレーザ光Ｌが非晶質シリコン膜１４ａの結晶化において効率的に熱エネルギーに変換されることになる。
【００７４】
上述の位相シフタ１３６は例えば石英基材等の透明媒質からなり、例えば１８０度の位相差が得られるように互いに異なる厚さに設定された２領域を有する。一般に、１８０度の位相差を得るために必要な段差、すなわち２領域の膜厚差ｔは式（１）で表される。
【００７５】
【数１】
2004343039.tif 000003
【００７６】
ここで、λはレーザ光の波長であり、ｎはこのレーザ光に対する透明媒質の屈折率である。石英基材が透明媒質として用いられる場合、ＫｒＦエキシマレーザ光の波長が２４８ｎｍで、ＫｒＦエキシマレーザに対する石英基材の屈折率が１．５０８であるため、２４４ｎｍという２領域の膜厚差ｔが１８０度の位相差を得るために必要となる。
【００７７】
例えば第１領域を第２領域よりも薄くする場合、位相シフタ１３６はこの第１領域に対応する範囲において透明媒質を選択的に気相又は液相エッチングすることにより得ることができる。また、位相シフタ１３６は、例えばＳｉＯ２等の光透過膜をプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤなどにより透明媒質上に成膜し、この光透過膜を第２領域に対応する範囲において残すようにパターニングして得ることもできる。
【００７８】
このような位相シフタ１３６では、第２領域の透過光が第１領域の透過光よりも遅れる。エキシマレーザ光Ｌは第１および第２領域の境界Ｘに得られる段差により回折し干渉することで空間的に強度変調される。この結果、図１３に示す光強度分布が非晶質シリコン膜１４ａ上に得られる。光強度は境界Ｘに沿った位置において最低となる。非晶質シリコン膜１４ａはこの強度分布に対応する温度勾配に設定され、溶融再結晶化される。シリコン結晶粒の核が最も低い温度の部分に生成され、より高い温度の部分に向かって横方向に成長する。ここでは、核の生成位置が結晶粒を大粒径に成長させるために境界Ｘに対向して最低の光強度となる非晶質シリコン膜の位置付近に限定されている。
【００７９】
この上述のレーザアニール処理後、キャップ層１３０が例えば緩衝フッ酸によるウェットエッチング法により除去される。非晶質シリコン膜１４ａの溶融再結晶化により得られたポリシリコン膜は複数の能動素子１０にそれぞれ割り当てられる複数の島状部分を残すようにパターニングされる。図２に示す非単結晶半導体膜１４は島状部分として残されたポリシリコン膜であり、この非単結晶半導体膜１４の一部が能動素子１０、すなわち薄膜トランジスタのチャネル領域２２を構成する。
【００８０】
この後、例えばＳｉＯ２層が非単結晶半導体膜１４を覆うゲート絶縁膜１６としてプラズマ化学気相成長法により形成される。続いて、ゲート電極層１８がチャネル領域２２となる非単結晶半導体膜１４の一部に対向してゲート絶縁膜１６上に形成される。このゲート電極層１８はｎ型またはｐ型の不純物を非単結晶半導体膜１４に注入するためのマスクとして用いられる。ｎ型またはｐ型の不純物はゲート電極層１８の両側においてゲート絶縁膜１６を介して注入され、半導体膜１４の一部にソース領域２４およびドレイン領域２６を形成する。これにより、チャネル領域２２がゲート電極層１８の下方においてソース領域２４およびドレイン領域２６間に配置される。半導体装置の半製品はこの段階で得られる。
【００８１】
半導体装置の半製品において能動素子１０を完成させる際には、層間絶縁膜が図１（ｆ）に示す層間絶縁膜１１１と同様に形成され、次いでソース領域２４およびドレイン領域２６内の不純物の活性化が加熱処理により行われる。この後、１対のコンタクトホールが図１（ｆ）に示すコンタクトホールと同様にゲート絶縁膜１６および層間絶縁膜に形成され、ソース領域２４およびドレイン領域２６を部分的に露出させる。次いで、ソース電極層およびドレイン電極層が図１（ｆ）に示すソース電極層１１２およびドレイン電極層１１３と同様に形成され、これらコンタクトホールにおいてソース領域２４およびドレイン領域２６と電気的にコンタクトする。さらに、電気信号を伝達する金属配線層が図１（ｆ）に示す金属配線層１１４と同様に形成される。これにより、能動素子１０が薄膜トランジスタとして完成する。この薄膜トランジスタでは、電流がゲート電極層１８へ印加されたゲート電圧に対応してソース領域２４およびドレイン領域２６間のチャネル領域２２に流れる。
【００８２】
上述した脱ガス処理では、チャンバ内壁９４が１２０℃の温度でベーキング処理されるが、８０℃〜１５０℃という範囲の温度であれば、チャンバ内壁９４に含まれる不純物元素が分離または遊離する。さらに、この不純物元素は排気処理系４８により反応チャンバ４２から排気される。従って、非晶質シリコン膜１４ａがチャンバ内壁９４からの不純物元素を含んで形成されることが防止される。このため、非晶質シリコン膜１４ａを溶融再結晶化した場合に良好な結晶性が得られる。
【００８３】
以下、反応チャンバ４２内の残留ガスについて説明する。
【００８４】
図１４は反応チャンバ４２内の残留ガスを特定するための質量スペクトルを示す。この質量スペクトルは反応チャンバ内の残留ガスを図９に示す質量分析装置５１によって質量分析した結果である。質量分析装置５１としては、四重極質量分析計（ＱＭＳ）が用いられている。図１４では、この質量分析装置５１から不純物ガスの残留量として得られるイオン電流［Ａ］がガス質量単位に相当する質量と電荷数との比Ｍ／Ｚに対して示される。Ｍ／Ｚ＝１は、Ｈ（水素）に相当する。Ｍ／Ｚ＝２は、Ｈ２に相当する。Ｍ／Ｚ＝１７は、ＯＨに相当する。Ｍ／Ｚ＝１８は、Ｈ２Ｏに相当する。Ｍ／Ｚ＝２８およびその前後は、Ｎ２またはＣＯに相当する。
【００８５】
図１５は反応チャンバ４２内の主要な残留ガスのイオン電流［Ａ］を脱ガス速度［Ｔｏｒｒ  ｌ／ｓ］に対して測定した結果である。図１４を参照すると、Ｍ／Ｚ＝１７、Ｍ／Ｚ＝１８およびＭ／Ｚ＝２８が主要な残留ガスとなっている。図１５では、黒三角印はＭ／Ｚ＝１８に関する測定結果であり、白丸印はＭ／Ｚ＝１７に関する測定結果であり、黒菱形印はＭ／Ｚ＝２８に関する測定結果である。図１５に付加された４５度の傾きの直線を参考にしてわかるように、イオン電流の大きさは反応チャンバ４２内の脱ガス速度の増加に伴い直線的に減少する。Ｈ２Ｏ（質量単位１７または１８）では、酸素が汚染物となる不純物元素と考えられる。Ｎ２（質量単位２８）では、窒素が汚染物となる不純物元素と考えられる。また、ＣＯまたは他の炭化水素（質量単位２８、１２〜１６）では、炭素が汚染物となる不純物元素と考えられる。従って、シリコン膜１４ａの成膜においてこれら不純物元素に係る分圧は、反応チャンバ４２からの脱ガス速度に比例することがわかる。
【００８６】
図１６は図２に示す半導体膜１４として用いられるシリコン膜を異なる４種類の堆積速度で基板Ｓｂ上に堆積した試料において測定された深さ方向の酸素濃度のプロファイルを示す。基板Ｓｂの上面には、ＳｉＯ２層が下地絶縁層として設けられている。図１６において、Ｓ１は３．０nm/sの成膜速度で成膜されたシリコン膜を表し、Ｓ２は２．３nm/sの成膜速度で成膜されたシリコン膜を表し、Ｓ３は１．５nm/sの成膜速度で成膜されたシリコン膜を表し、Ｓ４は０．８nm/sの成膜速度で成膜されたシリコン膜を表す。シリコン膜Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はこの順番で基板Ｓｂ上に堆積された。これら成膜速度はプラズマ電力の調整により変更した。酸素濃度はシリコン膜Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をスパッタエッチングしながら測定された。図１６を参照すると、酸素濃度が成膜速度の増加に伴って減少することがわかる。すなわち、酸素濃度はシリコン膜Ｓ４、Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１の順に小さくなり、シリコン膜Ｓ１において約１．４×１０１７atoms/cm３という最も小さい値になる。また、酸素濃度プロファイルが基板Ｓｂとシリコン膜Ｓ１との境界近傍に高いピークを有するが、このピークは基板ＳｂのＳｉＯ２層の酸素によって生じたものである。
【００８７】
図１７は反応チャンバ４２に原料ガスとして導入されるシランガスの濃度とシリコン膜内の酸素濃度との関係が原料ガスのリーク速度に依存することを示す。原料ガス濃度はシランガスの１／ＦＳｉＨ４［ＳＣＣＭ−１］に対する１／ＳｉＨ４の割合により表されている。ＦＳｉＨ４はシランガスの流量値である。直線Ｌ３は脱ガス処理および内壁クリーニング処理を実施した（リーク速度＝６．７×１０−４）の場合に得られる関係であり、直線Ｌ４は脱ガス処理および内壁クリーニング処理を実施しない（リーク速度＝３．３×１０−３）場合に得られる関係である。図１７からわかるように、直線Ｌ３の傾きは直線Ｌ４の傾きの５分の１である。すなわち、リーク速度を１／５にすることにより傾きが１／５になった。酸素濃度は、脱ガス処理および内壁クリーニング処理を実施した場合に、これらの処理を実施しない場合よりも低下する。２つの直線Ｌ３、Ｌ４の切片の値が極めて近いことが特徴的である。
【００８８】
次の式（２）を用いて図１７に示す酸素濃度について詳細に説明する。
【００８９】
【数２】
2004343039.tif 000004
【００９０】
ここで、Ｃｏｘｙｇｅｎは、シリコン膜内の酸素濃度、Ｃｇａｓは、原料ガス（例えばシランガス）中の酸素濃度、Ｆｏｕｔｇａｓは、脱ガスにより生じたガスとしての汚染物の流量、ＦＳｉＨ４は、シランガスの流量、ＮＳｉは、シリコン膜内の単位体積当たりのシリコン原子の個数（密度）を表す。Ｃｇａｓは、原料ガス（例えばシランガス）について一定値である。式（２）中の（Ｆｏｕｔｇａｓ／ＦＳｉＨ４）×ＮＳｉ≡Ｃｏｕｔｇａｓは、脱ガスにより生じた酸素濃度を示し、１／ＦＳｉＨ４に比例する。
【００９１】
図１８は反応チャンバ４２に原料ガスとして導入されるシランガスの流量の逆数とシリコン膜内の酸素濃度との比例関係が脱ガスにより生じる汚染物ガスの流量に比例した傾きの特性直線で規定されることを示す。図１８では、直線Ｌ５がシランガスの流量ＦＳｉＨ４の逆数とシリコン膜内の酸素濃度Ｃｏｘｙｇｅｎとの比例関係を表す。直線Ｌ５の傾きは汚染物ガスの流量Ｆｏｕｔｇａｓに比例しており、式（２）を満足する。
【００９２】
図１９は図１７に示す○印の範囲を拡大して示す。原料ガス（例えばシランガス）中の酸素濃度Ｃｇａｓは、４×１０１６atoms／cｍ３〜５×１０１６atoms／cｍ３のという範囲（ほぼ１ｐｐｍに相当する。）にほぼ収まる。原料ガス（例えばシランガス）中の酸素濃度Ｃｇａｓと原料ガスボンベに起因する酸素濃度Ｃｂｏｍｂとの差は、原料ガス供給系からの不純物に相当する。原料ガスボンベに起因する酸素濃度Ｃｂｏｍｂは、０．５ｐｐｍ未満である。
【００９３】
上述の半導体装置において、チャネル領域２２内の酸素原子および炭素原子のそれぞれの個数が１cm３当たり１×１０１８個以下であるか、または、チャネル領域内の酸素原子、炭素原子および金属原子のそれぞれの個数が１cm３当たり１×１０１８個以下、１×１０１８個以下および１×１０１７個以下である。これらの個数は、半導体装置の製造が完了したときの数値である。従って、半導体装置を製造する場合に、例えば酸素および炭素原子の個数が上述した数値を越える非晶質または多結晶の非単結晶半導体膜を予め成膜し、その後の製造工程において例えば低温でのゲッタリング処理を行うなどして余分な原子を除去し、これにより酸素および炭素原子の個数を上述の数値以下に調整してもよい。
【００９４】
図９に示す製造装置は例えばロードロックの付いた枚葉式<single wafer type>プラズマＣＶＤ装置である。チャンバ内壁９４は反応チャンバ４２内の空間に離脱して半導体膜に混入するような鉄、ニッケル、コバルト等を含有するＳＵＳ系の金属材料を含まない。その代わりに、内壁９４はアルミニウム含有金属からなる材料から構成される。これにより、フッ素系ガスによるクリーニング時に内壁９４の金属成分であるアルミニウムがフッ素と化合してフッ素化合物を形成する。このようにアルミニウムおよびフッ素がフッ素化合物として内壁９４に含まれる場合には、アルミニウムおよびフッ素がチャンバ内壁９４から反応チャンバ４２内の空間に離脱して、成膜中の半導体膜に汚染物として混入することが防止される。
【００９５】
内壁９４の材料は、アルミニウム−マグネシウム系金属材料（日本工業規格の材料番号によればＡ５０００番台の金属材料、例えばＡ５０５２系の材料）であることが好ましい。また、アルミニウム−マグネシウム−シリコン系金属材料（同Ａ６０００番台の金属材料）またはアルミニウム銅系材料（同Ａ２０００番台の金属材料、例えばＡ２２１９系の材料）は内壁９４の材料としてさらに好ましい。
【００９６】
反応チャンバ４２の内壁９４の表面は６．４マイクロメートル以下の粗さであることが好ましい。これにより、内壁９４は不純物元素の付着が抑制されような平滑な表面を有することになり、内壁９４の清浄な状態を長期間にわたって保つことができる。
【００９７】
また、例えばフッ素と化合することにより形成されるフッ化マグネシウムアルミニウム層を内壁９４の表面に設け、さらにこの内壁９４の表面を５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する非晶質半導体膜で覆うことにより、内壁９４に含まれるフッ素原子が反応チャンバ４２内の空間に離脱して成膜中の半導体膜に汚染物として混入することが抑制される。
【００９８】
反応チャンバ４２は耐熱性を有するフッ素系ゴムからなるＯリングを介して外部から遮断される。これにより、内壁９４のべーキング処理時の熱によりＯリングの損傷を低減することができる。また、このＯリングに代わって、耐熱性を有するフッ素系ゴムからなり例えば径の異なる２つのＯリングを重ねて用い、２つのＯリングを介して反応チャンバ４２を外部から遮断してもよい。これにより、反応チャンバ４２はより確実に外部からの遮断される。また、各Ｏリングの損傷をより少なくすることができる。さらに、反応チャンバ４２はこれら二重のＯリング間の間隙から汚染物となる気体を取り除く排気装置を含むように構成してもよい。
【００９９】
尚、図２に示す半導体装置は、支持基板１２が下地絶縁層２０の下地となり、下地絶縁層２０が非単結晶半導体膜１４の下地となり、非単結晶半導体膜１４がゲート絶縁膜１６の下地となり、さらにゲート絶縁膜１６がゲート電極層１８の下地となる積層構造を有する。この積層構造は例えば図２０に示すように変形してもよい。
【０１００】
図２０は図２に示す半導体装置の第１変形例を示す。この変形例は、支持基板１２が下地絶縁層２０の下地となり、下地絶縁層２０がゲート電極層１８の下地となり、ゲート電極層１８がゲート絶縁膜１６の下地となり、ゲート絶縁膜１６が半導体膜１４の下地となる積層構造を有する。
【０１０１】
この第１変形例の半導体装置の製造では、下地絶縁層２０の形成後、ゲート電極層１８が形成され、ゲート絶縁膜１６がゲート電極層１８を覆うように形成される。ゲート絶縁膜１６は下地絶縁層２０上にも広がって形成される。
【０１０２】
次に、例えば非晶質シリコン膜が非晶質半導体膜としてゲート絶縁膜１６上にプラズマ化学気相成長法により堆積される。非晶質シリコン膜は図９に示すＰＥＣＶＤ装置４０を用いて行われる。反応チャンバ４２の内壁９４は非晶質シリコン膜の成膜前に脱ガス処理され、フッ素系ガスでエッチング表面処理することによりクリーニングされ、さらに非晶質半導体膜９５によって覆われる。非晶質シリコン膜はこのような反応チャンバ４２内で成膜される。次いで、キャップ層が非晶質シリコン膜上に形成され、非晶質シリコン層の脱水素処理が行われる。次に、非晶質シリコン膜のレーザアニール処理が行われる。このレーザアニール処理では、例えばＫｒＦエキシマレーザ光が既に説明した照射条件で位相シフタを介して非晶質シリコン膜に照射される。これにより、非晶質シリコン膜が溶融再結晶化され、ポリシリコン膜に変化する。図２０に示す非単結晶シリコン膜１４はこのようにして形成されたポリシリコン膜である。この後、上述のキャップ層が例えば緩衝フッ酸によるウェットエッチング法により除去される。
【０１０３】
次に、レジスト層がゲート電極層１８のパターン寸法とほぼ等しいパターンでチャネル領域２２上に形成され、ｎ型またはｐ型の不純物がこのレジスト層をマスクにして半導体膜１４に注入される。これにより、ソース領域２４およびドレイン領域２６が半導体膜１４においてチャネル領域２２の両側に形成される。この場合、ソース領域２４およびドレイン領域２６の寸法はレジスト層のパターン寸法により調整することができる。図２０に示す半導体装置の半製品はこの段階で得られる。
【０１０４】
この後、図２に示す半導体装置と同様に処理される。すなわち、層間絶縁膜が半導体層１４を覆って形成され、次いでソース領域２４およびドレイン領域２６内の不純物が加熱処理により活性化される。この後、１対のコンタクトホールがゲート絶縁膜１６および層間絶縁膜に形成され、ソース領域２４およびドレイン領域２６を部分的に露出させる。次いで、ソース電極層およびドレイン電極層がこれらコンタクトホールにおいてソース領域２４およびドレイン領域２６と電気的にコンタクトするように形成される。さらに、電気信号を伝達する金属配線層が形成される。これにより、能動素子１０が薄膜トランジスタとして完成する。
【０１０５】
図２１は図２に示す半導体装置の第２変形例を示す。図２に示す半導体装置はゲート絶縁膜１６が非単結晶半導体膜１４を覆う構造を有するが、図２１に示すようにゲート絶縁膜１６が半導体膜１４のチャネル領域２２のみを覆う構造に変形してもよい。この場合、ゲート電極層１８はこのゲート絶縁膜１６上に形成され、層間絶縁膜２８がゲート電極層１８、ソース領域２４およびドレイン領域２６を覆って形成される。ソース電極層３０およびドレイン電極層３２はこの層間絶縁膜２８に形成される１対のコンタクトホールにおいてソース領域２４およびドレイン領域２６にコンタクトするように形成され、さらに金属配線層３４がドレイン電極３２に接続されるように形成される。これにより、能動素子１０が薄膜トランジスタとして完成する。
【０１０６】
また、図２に示す半導体装置では、キャップ層１３０をすべて除去するものとしたが、キャップ層１３０をゲート絶縁膜１６と同じ厚さを有するまでエッチングしてゲート絶縁膜１６として用いてもよい。
【０１０７】
また、図２に示す半導体装置の製造では、レーザアニール処理が非単結晶半導体膜である非晶質シリコン膜１４ａを溶融再結晶化するために行われる。このレーザアニール処理では、ＫｒＦエキシマレーザ光が位相シフタ１３６を介して非晶質シリコン膜１４ａに照射される。このエキシマパルスレーザ光は位相シフタ１３６を介さずに直接非晶質シリコン膜１４ａに１回又は複数回照射されてもよい。位相シフタ１３６を用いない方式は位相シフタ１３６を用いる方式ほど大きく結晶粒を成長させることができないが、光照射の照射フルエンスが位相シフタ１３６を用いる方式に比べて比較的小さいことからキャップ層１３０を形成する必要がない。
【０１０８】
また、非晶質シリコン膜１４ａのような非単結晶半導体膜の溶融再結晶化はレーザ光以外のエネルギー光を用いるランプアニール処理で行われてもよい。また、非単結晶半導体膜の溶融再結晶化はエネルギー光を照射する方法によらずに、例えば窒素雰囲気下での固相成長法により行うようにしてもよい。いずれの場合においても、非単結晶半導体膜は加熱位置において１０秒以下の加熱時間で溶融されて結晶化されることが好ましい。この加熱時間は１秒以下であることがさらに好ましい。これにより溶融状態で生じる半導体膜の汚染を抑制することができる。
【０１０９】
以上のように本実施形態では、チャネル領域２２が１×１０１８atoms/cm３を越えない酸素濃度および炭素濃度を有する。非単結晶半導体膜１４のうち少なくともチャネル領域２２がこのような酸素濃度および炭素濃度を有する場合、これら元素に起因してチャネル領域２２の結晶構造に生じる微小欠陥を実用上支障のない１×１０６/cm３程度の極めて少ない値にできる。これにより、チャネル領域２２内のキャリアはこれら微小欠陥によって著しく阻害されることなく高速に移動できる。従って、薄膜トランジスタは、高速なスイッチング動作を行う良好な電気的特性を得ることができる。
【０１１０】
また、非単結晶半導体膜１４のうち少なくともチャネル領域２２が５×１０１７atoms/cm３を越えない酸素濃度および５×１０１７atoms/cm３を越えない炭素濃度を有する場合、チャネル領域２２の品質が向上する。
【０１１１】
さらに、非単結晶半導体膜１４は１×１０１７atoms/cm３を越えない金属元素の濃度を有する場合、半導体膜１４の抵抗率を低下させる要因となる金属酸化物の生成が抑制される。金属原子の個数がさらに１cm３当たり５×１０１６個以下であれば、金属酸化物の生成がさらに抑制され、抵抗率を実用上支障のない値にすることができる。
【０１１２】
非単結晶半導体膜１４内では、ソース領域２４、チャネル領域２２、およびドレイン領域２６が結晶粒の成長方向に沿って配列され、チャネル領域２２はこの成長方向においてチャネル領域２２の長さ以上の粒径を有する単一の結晶粒内に配置される。この場合、チャネル領域２２に結晶粒界が存在しなくなり、チャネル領域２２内の結晶粒界により生じるキャリアの移動阻害を解消することができる。
【０１１３】
半導体装置の製造において、支持基板１２を収容する成膜室である反応チャンバ４２の内壁９４がアルミニウムマグネシウム系材料、アルミニウムマグネシウムシリコン系材料あるいはアルミニウム銅系材料のようなアルミニウム含有金属からなる場合には、内壁９４成分の金属元素が成膜中に反応チャンバ４２の空間に進出して非単結晶半導体膜１４に混入することを防止できる。内壁９４の表面が６．４マイクロメートル以下の粗さである場合、不純物元素が内壁９４の平滑な表面に付着することが抑制され、長期間にわたって内壁９４を清浄な状態を保つことができる。
【０１１４】
また、反応チャンバ４２の内壁９４がフッ素系ガスでエッチング表面処理され、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さの非晶質半導体膜９５で覆われる。これにより、汚染物元素がエッチング表面処理でチャンバ内壁９４の表面から除去され、さらにエッチング表面処理で混入したフッ素も非晶質半導体膜９５によってチャンバ内壁９４から反応チャンバ４２の空間に離脱できなくなる。これにより、成膜中に非単結晶半導体膜１４に混入する汚染物を低減できる。
【０１１５】
また、反応チャンバ４２が耐熱性を有するフッ素系ゴムからなるＯリングを介して外部から遮断場合、内壁９４のべーキング処理時の熱によりＯリングの損傷を低減することができる。このＯリングに代わって、耐熱性を有するフッ素系ゴムからなり例えば径の異なる２つのＯリングを重ねて用い、２つのＯリングを介して反応チャンバ４２を外部から遮断した場合には、反応チャンバ４２をより確実に外部からの遮断すると共に、各Ｏリングの損傷をより少なくすることができる。さらに、反応チャンバ４２がこれら二重のＯリング間の間隙から汚染物となる気体を取り除く排気装置を含む場合には、この汚染物による影響をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】（ａ）から（ｆ）は従来のポリシリコン薄膜トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す図。
【図３】図２に示す半導体膜内の炭素および酸素と積層欠陥密度との相関関係を検証するために試料の非晶質シリコン膜に注入された炭素および酸素のドーズ量を示す表。
【図４】図３に示すドーズ量に対して非晶質シリコン膜に得られる炭素および酸素濃度を示す表。
【図５】図４に示す炭素濃度をパラメータとして積層欠陥密度の酸素濃度依存性を示すグラフ。
【図６】図２に示す半導体膜内の炭素、酸素、および金属元素と積層欠陥密度との相関関係を検証するために複数の試料に注入された炭素、酸素、およびニッケル（金属元素）のドーズ量を示す表。
【図７】図６に示すニッケルのドーズ量に対して得られるニッケル濃度を示す表。
【図８】図７に示すニッケル濃度をパラメータとして積層欠陥密度の炭素および酸素濃度依存性を示すグラフ。
【図９】図２に示す半導体装置の製造に用いられる製造装置を概略的に示す図。
【図１０】図９に示す反応チャンバおよびプラズマ発生源を概略的に示す図。
【図１１】図２に示す半導体装置の製造において形成されるキャップ層を示す図。
【図１２】図１１に示す非晶質シリコン膜の溶融再結晶化に用いられるレーザ光照射装置を概略的に示す図。
【図１３】図１２に示す位相シフタの構造とこの位相シフタを透過したレーザ光の強度分布との関係を示す図。
【図１４】図１０に示す反応チャンバ内の残留ガスを特定するための質量スペクトルを示すグラフ。
【図１５】図１０に示す反応チャンバ内の主要な残留ガスのイオン電流を脱ガス速度に対して測定した結果を示すグラフ。
【図１６】図２に示す半導体膜として用いられるシリコン膜を異なる４種類の堆積速度で支持基板上に堆積した試料において測定された深さ方向の酸素濃度のプロファイルを示すグラフ。
【図１７】図１０に示す反応チャンバに原料ガスとして導入されるシランガスの濃度とシリコン膜内の酸素濃度との関係が原料ガスのリーク速度に依存することを示すグラフ。
【図１８】図１０に示す反応チャンバに原料ガスとして導入されるシランガスの流量の逆数とシリコン膜内の酸素濃度との比例関係が脱ガスにより生じる汚染物ガスの流量に比例した傾きの特性直線で規定されることを示すグラフ。
【図１９】図１７に示す○印の範囲を拡大して示すグラフ。
【図２０】図２に示す半導体装置の第１変形例の断面構造を示す図。
【図２１】図２に示す半導体装置の第２変形例の断面構造を示す図。
【符号の説明】
【０１１７】
１０…能動素子、１２…支持基板、１４…非単結晶半導体膜、１４ａ…非晶質シリコン膜、１６…ゲート絶縁膜、１８…ゲート電極層、２０…下地絶縁層、２２…チャネル領域、２４…ソース領域、２６…ドレイン領域、３０…ソース電極層、３２…ドレイン電極層、３４…金属配線層、４０…プラズマ気相成長装置、４２…反応チャンバ、４４…プラズマ発生源、４６…原料ガス供給系、４８…排気処理系、５０…基板搬送系、５１…質量分析装置、５２…シランガスボンベ、５４…水素ガスボンベ、５６…原料ガスボンベ装置、５８…マスフローコントローラ、６０…ターボ分子ポンプ、６２…ドライポンプ、６４…オートプレッシャーコントローラ、６６…ガスクリーナ、６８…ロードチャンバ、７０…ロボットチャンバ、７２…扉、８０…ヒータ、８２…ガス導入管、８４…ガス排気管、８６…高周波発生装置、８８…上電極、９０…下電極、９２…メッシュ、９４…チャンバ内壁、９５…非晶質半導体膜、１３０…キャップ層、１３２…レーザ装置、１３４…光学系、１３６…位相シフタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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