(57)【要約】【課題】迅速且つ効果的な熱処理効果を得ることが可能な熱処理工程を含む半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、基板１上にアモルファスシリコン層３を形成する成膜工程と、形成したアモルファスシリコン層３を多結晶化させる結晶化工程と、ポリシリコン層４に対して加熱した気体を吹き付けて熱処理を行う急速熱処理工程とを含むことを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、非晶質半導体膜を形成する工程と、
該非晶質半導体膜を結晶化させて、多結晶半導体膜を形成する工程と、
該多結晶半導体膜に対して加熱した気体を吹き付けることにより前記多結晶半導体膜に対して熱処理を行う熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、
該非晶質半導体膜を結晶化させて、多結晶半導体膜を形成する工程と、
該多結晶半導体膜に対して加熱した気体を吹き付けることにより前記多結晶半導体膜に対して熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理された多結晶半導体膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記多結晶半導体膜に不純物を注入する工程と、
前記不純物を活性化する不純物活性化工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記不純物活性化工程において、加熱した気体を吹き付けることにより前記不純物の活性化を行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記加熱した気体の吹出し面を、前記多結晶半導体膜の主面と対向させて熱処理を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記非晶質半導体膜は非晶質シリコン膜であり、前記多結晶半導体膜は多結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記気体は、不活性ガス、水素、酸素、不活性ガスと水素との混合ガス、または不活性ガスと酸素との混合ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の製造方法で形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置により構成されたことを特徴とするアクティブマトリクス基板。
【請求項９】
請求項８に記載のアクティブマトリクス基板により構成されたことを特徴とする電気光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法、半導体装置、アクティブマトリクス基板、電気光学装置に関するもので、特に熱処理工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶装置、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置等の表示装置として、マトリクス状に配置された多数の画素を、画素毎に駆動するために、各画素に薄膜半導体装置であるＴＦＴを設けたアクティブマトリクス型の表示装置が知られている。かかる用途に用いられるＴＦＴとしては、多結晶シリコンＴＦＴが広く用いられている。また、多結晶シリコンＴＦＴの製造プロセスとして、例えば特開２０００−１５０８９０に開示されているように、能動層を比較的低温にて形成することが可能な低温プロセスが知られている。
【０００３】
以下、低温プロセスを採用した多結晶シリコンＴＦＴの能動層の形成方法について簡単に説明する。はじめに、基板の全面に、シリコン酸化膜等からなる下地保護膜（緩衝膜）を形成した後、半導体膜である非晶質シリコン膜を形成する。次いで、この非晶質シリコン膜にエキシマレーザー光（ＸｅＣｌエキシマレーザーの場合は波長３０８ｎｍ、ＫｒＦエキシマレーザーの場合は波長２４９ｎｍ）を照射してレーザーアニールを施す。このアニール工程により非晶質シリコンが多結晶化し、さらに該多結晶シリコン膜を高温雰囲気内に所定時間放置することで、例えば多結晶シリコン膜に残るダングリングボンドを除去し特性向上を図っている。そして、このような処理を行った後、多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングし、不純物を注入後、熱処理により該不純物を活性化することで、能動層として機能する多結晶半導体膜を形成することができる。このような技術は、例えば、特開２０００−１５０８９０号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように多結晶シリコン膜を高温雰囲気中に放置して熱処理することにより、当該多結晶シリコン膜を用いたＴＦＴのオン電流特性を向上させることが可能となるが、この場合、高温雰囲気中に基板ごと放置して熱処理するものであるため、処理に長時間を要するばかりでなく、熱による基板等におけるダメージ発生も問題となる場合がある。一方、高速で熱処理を行うために、エキシマレーザー光等を用いたレーザーアニール法が知られているが、半導体膜の光学特性を調べたところ、例えば波長４３０ｎｍの光に対する透過率は、非晶質シリコン膜では約８％なのに対して、多結晶シリコン膜では約２４％であり、多結晶シリコン膜の光透過率が高いため、このような光照射により多結晶シリコン膜を処理する場合においては、十分に熱処理効果が得られない場合がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、多結晶半導体膜を特性向上を目的として熱処理する場合に、極めて短時間で処理が完了するとともに、基板等に対して熱のダメージを与えることもなく、さらに該熱処理により高い特性向上効果を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。さらにまた、その製造方法により製造される半導体装置、その半導体装置を備えたアクティブマトリクス基板、及びそのアクティブマトリクス基板を備えた電気光学装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、非晶質半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜を結晶化させて、多結晶半導体膜を形成する工程と、該多結晶半導体膜に対して加熱した気体を吹き付けることにより前記多結晶半導体膜に対して熱処理を行う熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
このように結晶化後の多結晶半導体膜に対して、加熱処理した気体を吹き付けて熱処理を行うことで、高温雰囲気で基板を放置する熱処理に比して極めて短時間で、多結晶シリコン膜に残るダングリングボンドを除去出来るので、製造効率が向上し、コストダウンに繋がるとともに、基板等に対する熱のダメージも少ないものとなる。さらに、光照射に基づく熱処理ではないため、半導体膜の光透過率に拘らず、高い熱処理効率を発現することが可能となり、ひいては該熱処理により高い特性向上効果等を得ることが可能となる。したがって、例えば半導体膜として非晶質シリコン膜を基板上に形成し、該非晶質シリコン膜を結晶化工程により多結晶シリコン膜とするものとした場合、多結晶シリコン膜の光透過率は波長４３０ｎｍで、２４％であるため、特に本発明の効果が顕著となる。
【０００８】
次に、上記課題を解決するために本発明の製造方法は、その異なる態様として、基板上に非晶質半導体膜を形成する工程と、該非晶質半導体膜を結晶化させて、多結晶半導体膜を形成する工程と、該多結晶半導体膜に対して加熱した気体を吹き付けることにより前記多結晶半導体膜に対して熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理された多結晶半導体膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記多結晶半導体膜に不純物を注入する工程と、前記不純物を活性化する不純物活性化工程とを含むことを特徴とする。このように多結晶半導体膜上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成し、該多結晶半導体膜に不純物を注入するとともに、該不純物を活性化させることで、例えばＬＤＤ構造のトランジスタの能動層として適用可能な半導体膜を得ることが可能となる。このように、本発明の製造方法に係る工程を経て得られた半導体膜を能動層として用いることで、例えばオン電流特性の優れたトランジスタを形成することができるようになる。
【０００９】
上記不純物活性化工程において、加熱した気体を吹き付けることにより前記不純物の活性化を行うものとすることができる。この場合も、当該熱処理時間を短縮することができ、さらに光照射による熱処理に比して、処理対象物の光透過率に拘らず高い熱処理効率を発現することが可能となる。
【００１０】
なお、半導体膜として非晶質シリコンを用いた場合、不純物としてはホウ素イオン又はリンイオンを含むものを用いることができ、例えば相補型の半導体装置等の場合、ホウ素イオン及びリンイオンを領域毎に分けて注入するものとすることができる。また、ゲート電極としてはＡｌを含むものを用いることができる。本発明の場合、上記熱処理工程において短時間で熱処理可能としたため、特にＡｌ等の比較的低融点の金属材料を用いたゲート電極に対しても、熱によるダメージの抑制効果を期待できる。
【００１１】
なお、前記熱処理工程においては、前記多結晶半導体膜の主面を加熱した気体の吹出し面と対向させて熱処理を行うものとすることができる。このように加熱した気体の吹出し面と、処理対象物たる多結晶半導体膜の主面とを対向配置させることで、当該熱処理を一層急速に行うことが可能となり、熱処理効率も一層高いものとなる。
また、前記気体として、不活性ガス、水素、酸素、不活性ガスと水素との混合ガスまたは不活性ガスと酸素との混合ガスのいずれかであることを特徴とする。不活性ガスを用いることにより、多結晶シリコン膜に残るダングリングボンドを効率良く低減することが出来る。また、前記気体として水素を用いると、水素化により、さらに効果的なダングリングボンドの低減効果が得られる。また、前記気体として酸素を用いると、ダングリングボンドの低減と共に、酸化膜を形成することが可能となり、例えばゲート酸化膜を形成する場合に効果が大きい。
【００１２】
次に、本発明の半導体装置は、上記記載の製造方法で形成されたことを特徴とする半導体装置。本発明のアクティブマトリクス基板は、その半導体装置により構成されたことを特徴とする。さらにまた、本発明の電気光学装置は、上記記載のアクティブマトリクス基板により構成されたことを特徴とする。この場合、半導体装置が上記熱処理により高く特性向上され、それを備える電気光学装置も信頼性の高い装置となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
本実施の形態では、アクティブマトリクス型液晶装置を構成するＴＦＴアレイ基板を、本発明の半導体装置の例として説明する。また、ＴＦＴ製造プロセスとして、低温ポリＳｉＴＦＴの例を挙げる。図１および図２は本実施の形態の半導体装置の製造方法を順を追って示す工程断面図である。図３はＴＦＴアレイ基板をその上に形成された各構成要素とともに対向基板の側から見た平面図であり、図４は図３のＨ−Ｈ’線に沿う断面図である。なお、各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。
【００１４】
本実施の形態の液晶装置においては、図３、図４に示すように、ＴＦＴアレイ基板１０上に、シール材５２がその縁に沿って設けられており、その内側に並行して画像表示領域の周辺を規定する額縁としての遮光膜５３が設けられている。シール材５２の外側の領域には、画像信号を所定タイミングで供給することによりデータ線（図示略）を駆動するデータ線駆動回路２０１および外部回路接続端子２０２がＴＦＴアレイ基板１０の一辺に沿って設けられており、走査信号を所定タイミングで供給することにより走査線（図示略）を駆動する走査線駆動回路１０４が、この一辺に隣接する２辺に沿って設けられている。
【００１５】
また、ＴＦＴアレイ基板１０に対向して対向基板２０が設けられ、対向基板２０のコーナー部の少なくとも１箇所においては、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間で電気的に導通をとるための導通材１０６が設けられている。そして、図３に示すように、図４に示したシール材５２とほぼ同じ輪郭を持つ対向基板２０が当該シール材５２によりＴＦＴアレイ基板１０に固着されている。
【００１６】
次に、本実施の形態のＴＦＴアレイ基板の製造方法について説明する。図１および図２においては、表示領域内の画素スイッチング用のＴＦＴ（ＮチャネルＴＦＴ）および蓄積容量の製造工程のみならず、当該製造工程と同時に並行して形成される周辺領域（上記のデータ線駆動回路２０１、走査線駆動回路１０４等の形成領域）内で用いられるＴＦＴ（相補型のＮチャネルＴＦＴおよびＰチャネルＴＦＴ）の製造工程も併せて示すものである。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、ガラス等の透明基板１上に絶縁層２を形成し、その上にアモルファスシリコン層３を成膜する。その後、アモルファスシリコン層３に対してレーザーアニール処理等の加熱処理を施すことによって、アモルファスシリコン層３を再結晶させ、ポリシリコン層４（膜厚は例えば５０ｎｍ）に変換する。この第１工程は、表示領域、周辺領域ともに同様である。
【００１８】
次に、このポリシリコン層４を備えた基板１に対し、図５に示す熱処理装置３５を用いて熱処理を行う。ここで行う熱処理は、シリコン層４の結晶性を高めるのみならず、該シリコン層４に残留するダングリングボンドを除去することを目的としている。すなわち、アモルファスシリコン層３をレーザーアニールで多結晶化させた後には、結晶粒界にダングリングボンドが多数存在し、このダングリングボンドに起因するトラップ準位が、形成されるＴＦＴのオン電流特性の向上を妨げ、且つ、そのバラツキの要因となる。
【００１９】
この熱処理装置３５を用いる熱処理はホットＮ２処理と呼ばれ、図５に示すように加熱処理したＮ２ガスを処理対象物３５４に対して吹き付けて熱処理を行うもので、急速熱処理を可能に構成されている。また、処理対象物３５４の処理主面をＮ２ガスの吹出し面と対向させて熱処理可能な為、一層速い熱処理が可能にされている。したがって、このような熱処理装置３５を用いた急速熱処理により、極めて短時間で効果的な熱処理を行うことが可能となる。以下、本実施の形態に用いた熱処理装置の概略について説明する。
【００２０】
図５はホットＮ２熱処理装置の一例を示す模式図であって、チャンバー３５０内には図１（ａ）に示したポリシリコン層４を備えた基板１（図５では処理対象物として符号３５４を付す）を昇降自在に載置させるための昇降機構を備えたプレート台３５２と、処理対象物３５４に対して加熱Ｎ２ガスをシャワー状に吹き付けるためのシャワープレート３５６と、Ｎ２ガスを加熱するためのヒーター３５８とを備えている。本熱処理装置３５の場合、図示上方に設けられたガス導入部から導入されたＮ２ガスは、ヒーター３５８で加熱され、シャワープレート３５６に設けられた微細孔から処理対象物３５４上に吹き付けられる。この加熱Ｎ２ガスにより、処理対象物３５４中のポリシリコン層４に形成されたダングリングボンドが除去されることとなる。
【００２１】
図１に戻り、図１（ａ）で形成したポリシリコン層４への急速熱処理を施した後、図１（ｂ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー、エッチング技術を用いてポリシリコン層４をパターニングして島状の半導体層５とし、その上にＣＶＤ法等によりゲート絶縁層６を形成する。ゲート絶縁層６の膜厚は、例えば１００〜１５０ｎｍ程度である。この第２工程は、表示領域、周辺領域ともに同様である。
【００２２】
次に、図１（ｃ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー技術を用いて、表示領域のうち、ＮチャネルＴＦＴと蓄積容量との接続部および蓄積容量の下部電極となるべき領域が開口したレジストパターン７を形成する。このとき、周辺領域は、全面がレジストパターン７で覆われている。その後、例えばＰＨ３／Ｈ２イオン等のＮ型不純物イオンをゲート絶縁層６を介して上記接続部および下部電極となるべき個所の半導体層５に注入する。このときのイオン注入条件は、例えば３１Ｐのドーズ量が３×１０１４〜５×１０１４／ｃｍ２程度であり、加速エネルギーは８０ｋｅＶ程度が必要とされる。この第３工程により、上記接続部８および蓄積容量の下部電極９が形成される。
【００２３】
次に、レジストパターン７を剥離した後、図２（ｄ）に示すように、ＮチャネルＴＦＴの高濃度ソース・ドレイン領域となるべき領域が開口したレジストパターン１０を形成する。このとき、ＮチャネルＴＦＴのチャネル領域および低濃度ソース・ドレイン領域となるべき領域、ＰチャネルＴＦＴとなるべき領域、上記接続部および蓄積容量の下部電極を形成した領域はレジストパターン１０で覆われている。その後、例えばＰＨ３／Ｈ２イオン等のＮ型不純物イオンをゲート絶縁層６を介してＮチャネルＴＦＴの高濃度ソース・ドレイン領域となるべき個所のポリシリコン層５に注入する。このときのイオン注入条件は、例えば３１Ｐのドーズ量が１×１０１５〜３×１０１５／ｃｍ２程度であり、加速エネルギーは８０ｋｅＶ程度が必要とされる。この第４工程により、ＮチャネルＴＦＴの高濃度ソース領域５ａ、高濃度ドレイン領域５ｂが形成される。
【００２４】
レジストパターン１０を除去した後、Ａｌを主体とする導電膜を成膜し、この上にレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、レジストパターンをマスクとして、塩素元素を含むエッチングガス、例えばＣＣｌ４／Ｃｌ２等を用いてＡｌを主体とする導電膜をドライエッチングする。この第５工程により、図２（ｅ）に示すように、Ａｌを主体として構成された膜からなるＮチャネルＴＦＴ用ゲート電極１３，１４、ＰチャネルＴＦＴ用ゲート電極１５、蓄積容量の上部電極１６がそれぞれ形成される。その後、レジストパターンを除去する。
【００２５】
次に、図２（ｆ）に示すように、レジストパターンを用いずに基板全面に例えばＰＨ３／Ｈ２イオン等のＮ型不純物イオンを低濃度で注入する。このときのイオン注入条件は、例えば３１Ｐのドーズ量が１×１０１３〜３×１０１３／ｃｍ２程度であり、加速エネルギーは８０ｋｅＶ程度が必要とされる。この第６工程により、ＮチャネルＴＦＴの低濃度ソース領域５ｃ、低濃度ドレイン領域５ｄが形成される。このとき、ゲート電極のみをマスクとしてイオン注入を行うため、ＰチャネルＴＦＴ側にもＮ型不純物イオンが注入されることになるが、低濃度のため特に支障はない。
【００２６】
次に、図２（ｇ）に示すように、ＰチャネルＴＦＴの形成領域が開口し、ＮチャネルＴＦＴおよび蓄積容量の形成領域が覆われたレジストパターン１８を形成する。そして、レジストパターン１８をマスクとして例えばＢ２Ｈ６／Ｈ２イオン等のＰ型不純物イオンを注入する。このときのイオン注入条件は、例えば１１Ｂのドーズ量が５×１０１４／ｃｍ２以上必要であり、加速エネルギーは２５〜３０ｋｅＶ程度が必要とされる。この第７工程により、ＰチャネルＴＦＴのソース領域５ｊ、ドレイン領域５ｋが形成される。
【００２７】
レジストパターン１８を剥離した後、各チャネルＴＦＴの半導体層に対してレーザーアニール処理等のＲＴＡ法や加熱炉による加熱処理を施すことによって、注入した不純物イオンを活性化させる。この第８工程は、表示領域、周辺領域ともに同様である。なお、この場合の加熱処理工程においても、上述した図５に示す熱処理装置３５を用いたホットＮ２処理を施すことができ、これにより極めて短時間で効果的な熱処理を行うことが可能となる。
【００２８】
次に、図２（ｈ）に示すように、第１層間絶縁膜２０を形成し、その後、第１層間絶縁膜２０を貫通して各ＴＦＴのソース領域、ドレイン領域に達するコンタクトホール２１をそれぞれ形成する。次いで、Ａｌ等の金属膜を全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングすることによりデータ線２２、ソース電極２３、ドレイン電極２４、ソース領域−ドレイン領域間を相互に接続する配線２５等を形成する。
【００２９】
次いで、第２層間絶縁膜２６を形成し、その後、第２層間絶縁膜２６を貫通して表示領域のＮチャネルＴＦＴのドレイン電極２４に達するコンタクトホール２７を形成する。次いで、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ）等の透明導電膜を全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングすることにより、ドレイン電極２４を介してＮチャネルＴＦＴの高濃度ドレイン領域５ｂに接続された画素電極２８を形成する。以上の工程により、ＴＦＴアレイ基板が完成する。
【００３０】
以降の工程は図示を省略するが、液晶装置に用いるＴＦＴアレイ基板とする場合には画素電極２８上を含む基板全面に、例えばラビング処理が施されたポリイミド等からなる配向膜を形成する。一方、対向基板側には共通電極、配向膜等を形成する。そして、これらＴＦＴアレイ基板と対向基板とを貼り合わせ、これらの基板間に液晶を封入することによって、本実施の形態の液晶装置が完成する。
【００３１】
本実施の形態のＴＦＴアレイ基板の製造方法の特徴的なところは、結晶化した半導体膜の熱処理工程にある。すなわち、ポリシリコン層４を図５に示したホットＮ２熱処理装置３５により急速熱処理することで、ポリシリコン層４中のダングリングボンド除去を行っているが、従来のように高温雰囲気の炉の中で長時間熱処理を行う場合に比して、熱処理時間が大幅に短縮され、製造コストの低減にも寄与することとなる。また、例えばレーザーアニール等の光照射による熱処理に比して、光照射を伴わない急速熱処理であるために、特に光透過性の高いポリシリコン層４に対しても熱処理効率が極めて高いものとなる。
【００３２】
以上、Ｎ２ガスを加熱して、ポリシリコン層に吹き付ける例について説明したが、Ｎ２ガスばかりでなくその他の不活性ガスを用いることも出来る。また、同様に水素あるいは水素と不活性ガスとの混合ガスを用いることが出来る。この場合は、水素化によりダングリングボンドの終端化が起きるので、さらに大きな効果が期待される。また、同様に酸素あるいは酸素と不活性ガスとの混合ガスを用いることが出来る。この場合は、ダングリングボンドの低減と同時に、酸化膜が形成される。これをゲート酸化膜形成工程に応用すれば、欠陥の少ないゲート界面やゲート酸化膜の形成に効果がある。
【００３３】
また、本実施形態では、結晶化した半導体膜の熱処理工程に適用した場合について説明したが、非晶質半導体膜を結晶化する場合にも、本発明を応用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、多結晶化後の半導体膜に対して、加熱した気体を吹き付けて熱処理を行うことで、高温雰囲気で基板を放置する熱処理に比して極めて短時間で熱処理が完了するため製造効率が向上し、コストダウンに繋がるとともに、基板等に対する熱のダメージも少ないものとなる。さらに、光照射を伴う熱処理ではないため、半導体膜の光透過率に拘らず、高い熱処理効率を発現することが可能となり、ひいては該熱処理により高い特性向上効果等を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を順を追って示す工程断面図である。
【図２】同、工程断面図の続きである。
【図３】同、実施の形態の液晶装置の平面図である。
【図４】図３のＨ−Ｈ’線に沿う断面図である。
【図５】熱処理装置の一実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
３　アモルファスシリコン層
４　ポリシリコン層
３５　熱処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004079625.tif 000005
【図４】
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【図５】
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