(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の上部に非晶質シリコン薄膜を形成する非晶質シリコン薄膜形成段階と、
前記非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化するシリコン薄膜結晶化段階と、
前記多結晶シリコン薄膜の表面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して前記多結晶シリコン薄膜を酸化させることにより、不動態膜を形成する第１不動態化段階と、
前記多結晶シリコン薄膜と前記不動態膜をパターニングして前記多結晶シリコン薄膜を活性層に形成する活性層形成段階と、
前記多結晶シリコン薄膜と前記不動態膜の上部にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成段階と、
前記ゲート絶縁膜の上部にゲート電極を形成し、前記ゲート電極に対応する領域であるチャンネル領域を中心に 前記多結晶シリコン薄膜を第１領域と第２領域に分けるゲート電極形成段階と、
前記第１領域と第２領域にｐ型またはｎ型不純物を注入してソース領域/ドレイン領域を形成するソース、およびドレイン領域形成段階と、
前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜を含む領域に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成段階と、
前記層間絶縁膜とゲート絶縁膜および前記不動態膜を蝕刻し、前記ソース領域とドレイン領域に連結する第１コンタクトホールおよび第２コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成段階と、
前記第１コンタクトホールと第２コンタクトホールによってソース領域とドレイン領域にそれぞれ接触するソース電極とドレイン電極を形成するソース、およびドレイン電極形成段階とを含み、
前記コンタクトホール形成段階後に、
前記ソース領域とドレイン領域の上面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給し、前記活性層を不動態化させる第２不動態化段階を含み、
前記第２不動態化段階は、２００℃〜６００℃の温度で実施されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記絶縁基板の上面と前記非晶質シリコン薄膜との間にバッファ層を形成するバッファ層形成段階をさらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記シリコン薄膜結晶化段階は、前記非晶質シリコン薄膜に金属触媒がドープされ、熱処理温度が６００℃〜８５０℃の範囲であり、熱処理時間が５〜１５０分の範囲からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記非晶質シリコン薄膜結晶化段階は、熱処理温度が高いほど熱処理時間が短いことを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記シリコン薄膜結晶化段階は、８００℃以上の温度で固相結晶化方式によって進められることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記シリコン薄膜結晶化段階は、金属触媒のドーピング濃度が１０11 〜１０16個/ｃｍ2であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記第１不動態化段階は、前記シリコン薄膜結晶化段階における昇温過程と冷却過程で実施されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記第１不動態化段階は、７００℃〜８００℃の温度で進められることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記Ｈ2Ｏ蒸気は水素(Ｈ2)と酸素(Ｏ2)を７００℃〜９００℃の温度で水蒸気合成反応(ｐｙｒｏｔｏｒｃｈ方式)によって供給されたり、脱イオン水を２０℃以上の温度に加熱する加熱方式によって供給されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記第１不動態化段階は、前記不動態膜が単一原子層から数百オングストローム以上の厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記第１不動態化段階と第２不動態化段階は、複数の独立チャンバで構成されたインラインシステムまたは一つの単独チャンバが垂直に形成される垂直管状炉で実施されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属誘導結晶化方法によって非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコンに結晶化する過程で熱処理条件と金属触媒のドーピング量を最適化することにより、粒界に金属シリサイドが分布する領域を減らし、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜の表面に不動態膜(ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ)を形成し、電流特性と電子の移動度を向上させることができる薄膜トランジスタの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、能動型液晶ディスプレイ(Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ-Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ)、能動型有機発光ダイオード(Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ-Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ)および太陽電池(Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ)に使用される多結晶シリコン薄膜(Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ)は、通常、非晶質シリコン薄膜(Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ)を結晶化して製造する。この結晶化多結晶シリコン薄膜の製造にはレーザ結晶化方法、ＳＰＣ(高温熱処理、金属触媒を使用した熱処理)方法のような結晶化方法が用いられている。
【０００３】
しかしながら、非晶質シリコン薄膜を用いて製造された多結晶シリコンの場合は、単結晶シリコン薄膜(Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ)と異なり、表面にシリコンのダングリングボンド(ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ)と多結晶シリコン薄膜内部の粒界(ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ)および結晶内に欠陥(ｔｗｉｎ ｄｅｆｅｃｔ、ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ａｔｏｍ、ｖａｃａｎｃｙ、ｓｕｂ-ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ)が存在する。このような欠陥は多結晶シリコン薄膜において電子および正孔の移動を妨げて多結晶シリコン薄膜で形成されるトランジスタのような素子の特性を阻害する。
【０００４】
さらに、多結晶シリコン薄膜の粒界には、図１に示すように、結晶化過程で発生する金属シリサイド(例えば、ＮｉＳｉ2)が存在して電子および正孔の移動を妨害する作用をすることになる。すなわち、前記金属シリサイドは、チャンネル領域の粒界に存在してデバイス特性を低下させる欠陥として作用すると共に、漏洩電流特性、電子移動度およびしきい電圧特性などを低下させるという問題がある。したがって、前記薄膜トランジスタは、漏洩電流特性を改善するために金属シリサイドラインが形成されないようにする必要がある。
【０００５】
一方、従来より、多結晶シリコン薄膜に形成されるこのような欠陥を除去するために、水素を用いた不動態化(ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ)方法が研究されている。水素を用いた多結晶シリコン薄膜の不動態化方法としては、水素プラズマ不動態化(Ｈ2 ｐｌａｓｍａ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ)方法または水素雰囲気の熱処理方法がある。前記の不動態化方法によって添加される水素は、多結晶シリコン薄膜に形成されるシリコンのダングリングボンド(ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ)に結合して電気的に中性化させ、欠陥が電子および正孔の移動を妨げないようにする。
【０００６】
しかし、水素プラズマ不動態化方法は多結晶シリコン薄膜の表面に発生するプラズマ損傷が素子の特性を劣化させる恐れがある。また、水素雰囲気の熱処理方法は、多結晶シリコン薄膜の上部に多量の水素を含有した窒化シリコン薄膜(ＳｉＮｘ)を形成した後に、熱処理過程で水素が多結晶シリコン薄膜に拡散されて入り込むようにする方法、または水素
雰囲気を形成して熱処理過程で水素が多結晶シリコン薄膜に拡散されて入り込むようにする方法を用いるが、この場合は拡散速度に起因して工程時間が長くなってしまう。
【０００７】
また、前記の不動態化方法によって添加されシリコンと結合した水素はトランジスタ素子の温度上昇により簡単に分離してしまい、トランジスタ素子の使用条件によりトランジスタ素子の信頼性を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、粒界に金属シリサイドが分布する領域を減らすことにより、電流特性と電子の移動度を向上させることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜に不動態膜(ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ)を形成することにより、電流特性と電子の移動度を向上させることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を用いて多結晶シリコン薄膜の表面に存在するシリコンのダングリングボンドをより強く不動態化させることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決するためになされた本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁基板の上部に非晶質シリコン薄膜を形成する非晶質シリコン薄膜形成段階と、前記非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化するシリコン薄膜結晶化段階と、前記多結晶シリコン薄膜の表面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して前記多結晶シリコン薄膜を酸化させることにより、不動態膜を形成する第１不動態化段階と、前記多結晶シリコン薄膜と前記不動態膜をパターニングして前記多結晶シリコン薄膜を活性層に形成する活性層形成段階と、前記多結晶シリコン薄膜と前記不動態膜の上部にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成段階と、前記ゲート絶縁膜の上部にゲート電極を形成し、前記ゲート電極に対応する領域のチャンネル領域を中心に前記多結晶シリコン薄膜を第１領域と第２領域に
分けるゲート電極形成段階と、前記第１領域と第２領域にｐ型またはｎ型不純物を注入してソース領域/ドレイン領域を形成するソースおよびドレイン領域形成段階と、前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜を含む領域に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成段階と、前記層間絶縁膜とゲート絶縁膜および前記不動態膜を蝕刻し、前記ソース領域とドレイン領域に連結する第１コンタクトホールおよび第２コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成段階と、前記第１コンタクトホールと第２コンタクトホールによってソース領域とドレイン領域にそれぞれ接触するソース電極とドレイン電極を形成するソースおよびドレイン電極形成段階とを含み、前記コンタクトホール形成段階後に、前記ソース領域とドレイン領域の上面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給し、前記活性層を不動態化させる第２不動態化段階を含み、前記第２不動態化段階は、２００℃〜６００℃の温度で実施されることを特徴とする。
【００１２】
また、前記薄膜トランジスタの製造方法は、前記絶縁基板の上面と前記非晶質シリコン薄膜との間にバッファ層を形成するバッファ層形成段階をさらに含むことができる。
【００１３】
また、前記シリコン薄膜結晶化段階は、前記非晶質シリコン薄膜に金属触媒がドープされ、熱処理温度が６００℃〜８５０℃の範囲であり、熱処理時間が５〜１５０分の範囲からなる。
【００１４】
また、本発明において前記シリコン薄膜結晶化段階は８００℃以上の温度で固相結晶化方式によって進められる。
【００１５】
また、前記薄膜トランジスタの製造方法において、前記シリコン薄膜結晶化段階は、熱処理温度が高いほど熱処理時間が短くなるように進められる。また、前記シリコン薄膜結
晶化段階は、例えば金属触媒のドーピング濃度が１０11〜１０16個/ｃｍ2である。
【００１６】
また、前記第１不動態化段階は前記のシリコン薄膜結晶化段階における昇温過程と冷却過程で実施できる。
【００１７】
また、前記第１不動態化段階は、例えば７００℃〜８００℃の温度で進められる。さらに、本発明で前記Ｈ2Ｏ蒸気は水素(Ｈ2)と酸素(Ｏ2)を７００℃〜９００℃の温度で水蒸気合成反応(ｐｙｒｏｔｏｒｃｈ方式)によって供給されたり、脱イオン水を２０℃以上の温度に加熱する加熱方式によって供給され得る。
【００１８】
また、本発明で前記不動態膜形成段階は前記不動態膜が単一原子層から数百オングストローム以上の厚さに形成することができる。
【００１９】
また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、前記コンタクトホール形成段階後に、前記ソース領域とドレイン領域の上面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給し、前記活性層を不動態化させる第２不動態化段階をさらに含んでなる。前記第２不動態化段階は、例えば２００℃〜６００℃の温度で実施できる。
【００２０】
また、本発明において前記第１不動態化段階と第２不動態化段階は、複数の独立チャンバで構成されたインラインシステムまたは一つの単独チャンバが垂直に形成される垂直環状炉で実施できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、多結晶シリコン薄膜の粒界から析出される金属シリサイドが分布する領域を減らすことができ、多結晶シリコン薄膜を全体的に均一に形成でき、電流特性と電子移動度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明によると、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜を不動態化し、多結晶シリコン薄膜の表面に存在するシリコンのダングリングボンドをより強く不動態化させることにより、電流特性と電子の移動度を向上させ、薄膜トランジスタの素子特性を向上させることができる。
【００２３】
また、本発明によると、非晶質シリコン薄膜を結晶化すると共に不動態化ができるため、工程を単純化し、工程時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法について説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
図２は本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法を示す手順図である。図３ａ〜図３ｌは図２における手順図の各段階に対応する工程図である。
【００２６】
本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法は、図２に示すように、非晶質シリコン薄膜形成段階(Ｓ１０)と、シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)と、第１不動態化段階(Ｓ３０)と、活性層形成段階(Ｓ４０)と、ゲート絶縁膜形成段階(Ｓ５０)と、ゲート電極形成段階(Ｓ６０)と、ソースおよびドレイン領域形成段階(Ｓ７０)を含んでなる。また、本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法はバッファ層形成段階(Ｓ５)をさらに含んでなる。また、本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法は、層間絶縁膜形成段階(Ｓ８０)と、コンタクトホール形成段階(Ｓ９０)と、第２不動態化段階(Ｓ１００)と、ソースおよびドレイン電極形成段階(Ｓ１１０)とをさらに含んでなる。
【００２７】
前記薄膜トランジスタの製造方法は、非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化しながら、多結晶シリコン薄膜の表面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を使用して不動態膜を
形成する。この時、前記不動態膜はシリコン薄膜の表面が酸化され、結晶化温度により酸化膜に形成されることもある。前記薄膜トランジスタの製造方法は、非晶質シリコン薄膜を結晶化する過程中に、常温から高温に昇温する昇温過程または高温から常温に冷却する冷却過程で不動態膜を形成することができる。
【００２８】
また、前記薄膜トランジスタの製造方法は、非晶質シリコン薄膜に結晶化を促進する金属触媒をドープして多結晶シリコン薄膜に結晶化し、熱処理過程で熱処理温度と熱処理時間を最適化し、多結晶シリコン薄膜の粒界から析出される金属触媒の金属化合物の量を減少させることができる。
【００２９】
また、前記薄膜トランジスタの製造方法において、シリコン薄膜結晶化段階と第１不動態化段階と第２不動態化段階は、それぞれの独立的に制御される複数のチャンバで構成され、段階的に温度を上昇および下降させるインラインシステム(ｉｎ-ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ)の熱処理装備で共に実施できる。前記インラインシステムの場合は各チャンバにＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して、シリコン薄膜の不動態化を進めることができる。したがって、前記インラインシステムを使用する場合にはシリコン薄膜の結晶化のための過程において昇温過程を進めるチャンバまたは冷却過程を進めるチャンバにそれぞれＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して不動態化を進めることができる。
【００３０】
前記インラインシステムは、本願発明の出願人が既に韓国に出願して公開された「半導体素子の熱処理システム(韓国特願第２００５-００１７００３号、同２００５-００１７００４号、同２００５-００１７００５号)」を使用することができ、ここでの前記インラインシステムについての詳細な説明は省略する。
【００３１】
また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法においてシリコン薄膜結晶化段階と第１不動態化段階は垂直環状炉で実施できる。前記垂直環状炉は、非晶質シリコン薄膜が形成された絶縁基板を炉の内部に装入した後、昇温過程と冷却過程によって多結晶シリコン薄膜に結晶化する。したがって、前記垂直環状炉を用いる場合は、垂直環状炉の上部にノズルを設けてＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給し、炉の雰囲気全体をＯ2ガスまたはＨ2Ｏ雰囲気に維持するか、あるいは絶縁基板の上部に設けたそれぞれのノズルを通じて、基板の表面にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を直接噴射することにより不動態化を進めることができる。前記垂直環状炉は半導体工程で一般的に使用される装備のため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３２】
前記バッファ層形成段階(Ｓ５)は、図３ａに示すように、絶縁基板１０の上面にシリコン酸化物のような絶縁物質でバッファ層１２を形成する段階である。前記絶縁基板１０は単結晶シリコン、シリコンカーバイド単結晶、ガラス、石英またはプラスチック基板で形成できる。また、前記バッファ層１２はシリコン酸化膜(ＳｉＯx)、シリコン窒化膜(ＳｉＮx)またはこれらの二重層で形成できる。前記バッファ層１２は、プラズマ化学気相蒸着法(ＰＥＣＶＤ;Ｐｌａｓｍｓ-Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)または低圧化学気相蒸着法(ＬＰＣＶＤ;Ｌｏｗ-Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)によって形成できる。前記バッファ層１２は絶縁基板１０で発生する水分または不純物が絶縁基板の上部に形成される非晶質シリコン薄膜に拡散されることを防止する。
【００３３】
一方、前記のバッファ層形成段階(Ｓ５)は、絶縁基板１０から非晶質シリコン薄膜への水分または不純物の拡散可能性がない場合には実施されないこともある。すなわち、前記絶縁基板１０の上面にバッファ層１２が形成されない。
【００３４】
前記非晶質シリコン薄膜形成段階(Ｓ１０)は、図３ｂに示すように、絶縁基板１０の上
部に非晶質シリコン薄膜２０ａを形成する段階である。前記非晶質シリコン薄膜２０ａは絶縁基板１０の上部、または、バッファ層１２の上面に全体的に形成される。一方、前記絶縁基板１０の上面にバッファ層１２が形成されない場合には、前記非晶質シリコン薄膜２０ａは絶縁基板１０の上面に直接形成される。前記非晶質シリコン薄膜２０ａは化学的気相蒸着法(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)または物理的気相蒸着法(Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)で形成できる。
【００３５】
前記シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)は、図３ｃに示すように、非晶質シリコン薄膜２０ａを結晶化して多結晶シリコン薄膜２０ｂに形成する段階である。前記非晶質シリコン薄膜２０ａは金属誘導結晶化方法によって非晶質シリコン薄膜２０ａが多結晶シリコン薄膜２０ｂに結晶化される。
【００３６】
前記シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)は、ドーピング過程と金属触媒がドープされた非晶質シリコン薄膜を熱処理する熱処理過程とを含んでなる。
【００３７】
前記ドーピング過程は非晶質シリコン薄膜の上面に金属触媒をドープする過程に進められる。前記金属触媒は、非晶質シリコン薄膜２０ａの表面にドープされ、非晶質シリコン層のシリコンと結合して金属シリサイドを形成し、金属シリサイドが結晶化の核のシード(ｓｅｅｄ)として動き、非晶質シリコン層の結晶化を誘導することになる。
【００３８】
前記金属触媒はＮｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、ＣｄおよびＰｔからなる群より選択されるいずれか一つが使用され、好ましくはニッケル(Ｎｉ)が使用される。
【００３９】
前記金属触媒は好ましくは１０11 〜１０16個/ｃｍ2の濃度でドープされる。前記金属触媒の濃度が低すぎると非晶質シリコン薄膜の結晶化が不充分になったり、非晶質シリコン薄膜の結晶化に多くの時間が必要とされる。また、金属触媒の濃度が高すぎると、多結晶シリコン薄膜に結晶化される過程で結晶の大きさが小さくなりすぎて、トランジスタの電流特性と電子の移動度が低下する。また、金属触媒の濃度が高くなりすぎると、多結晶シリコン薄膜内に残存する金属触媒の量が多くなりすぎてやはりトランジスタの特性も低下させることになる。
【００４０】
前記熱処理過程は金属触媒がドープされた非晶質シリコン薄膜を熱処理して、多結晶シリコン薄膜に結晶化する過程である。前記熱処理過程は好ましくは６００〜８５０℃の熱処理温度範囲で進められる。また、前記熱処理過程は好ましくは５〜１５０分の熱処理時間範囲で進められる。一方、前記熱処理過程で熱処理温度が高くなると相対的に熱処理時間は短く設定することができる。すなわち、前記非晶質シリコン薄膜は、熱処理温度が高いと結晶化がはやく進められるため、熱処理時間を相対的に短く設定しても結晶化が充分に進行される。
【００４１】
前記多結晶シリコン薄膜は、熱処理が進められるにつれ、多結晶シリコン薄膜の粒界に存在する金属シリサイドが粒界の特定部位、例えば、粒界が互いに接するコーナー部位に集中される。したがって、前記多結晶シリコン薄膜は粒界で金属シリサイドが存在する領域が小さくなり、電流特性と電子移動度のような特性が改善される。
【００４２】
前記熱処理温度が６００℃よりも低くなると、多結晶シリコン薄膜の粒界に存在する金属シリサイドが粒界に全体的に存在することになり、多結晶シリコン薄膜の特性を低下させることになる。また、前記熱処理温度が６００℃よりも低くなると、非晶質シリコン薄膜の結晶化が不充分になり得る。一方、前記熱処理温度が８５０℃よりも高くなると、絶縁基板がガラスである場合に絶縁基板の変形を誘発され得る。
【００４３】
前記熱処理時間が５分よりも短くなると、多結晶シリコン薄膜の粒界に存在する金属シリサイドが粒界全体に存在することになり、多結晶シリコン薄膜の特性を低下させることになる。また、前記熱処理時間が５分よりも短くなると、非晶質シリコン薄膜の結晶化が不充分になり得る。一方、前記熱処理時間が１５０分よりも長くなると、熱処理時間の増加による効果が減少する。
【００４４】
一方、前記シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)で、例えば、非晶質シリコン薄膜２０ａは固相結晶化方法(Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ:ＳＰＣ)またはエキシマレーザ結晶化方法(Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ:ＥＬＣ)によって結晶化される。前記固相結晶化方法は、非晶質シリコン薄膜２０ａが形成された絶縁基板１０を６００℃以上で熱処理して結晶化する方法である。また、前記エキシマレーザ結晶化方法は、絶縁基板１０上の非晶質シリコン薄膜２０ａに高エネルギーのレーザを照射して非晶質シリコン薄膜２０ａを瞬間的に溶融(ｍｅｌｔｉｎｇ)させ、溶融したシリコン薄膜が再冷却されながら、多結晶シリコン薄膜２０ｂに結晶化する方法である。
【００４５】
前記非晶質シリコン薄膜２０ａは、例えば、固相結晶化方法によって結晶化される時、誘導加熱による急速熱的加工にて結晶化される。したがって、前記のシリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)は、好ましくは急速熱処理(Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ)が可能な装備で進められる。したがって、前記シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)では、非晶質シリコン薄膜２０ａが形成された絶縁基板１０を７００℃以上に加熱し、さらに急速加熱によって８００℃以上に加熱して非晶質シリコン薄膜２０ａを多結晶シリコン薄膜２０ｂに結晶化する。そして、前記シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)では、非晶質シリコン薄膜２０ａが結晶化され、多結晶シリコン薄膜２０ｂが形成された絶縁基板１０を徐々に冷却させる。一方、前記絶縁基板１０がガラスである場合にガラスは６００℃以上に加熱すると変形が誘発される。したがって、前記絶縁基板１０は、絶縁基板１０の下面を全体的に支持するセッター(ｓｅｔｔｅｒ)に安着して熱処理装備に装入され、誘導加熱によって８００℃以上で短時間熱処理することにより変形が発生しないようにする。
【００４６】
一方、前記シリコン薄膜の結晶化段階(Ｓ２０)は、好ましくは非晶質シリコン薄膜の上面に単層または複層のキャッピング層(図示せず)を形成し、前記キャッピング層上に金属触媒層を形成してから、熱処理工程を行って金属触媒を拡散させ、拡散された金属触媒によって非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化する方法(Ｓｕｐｅｒ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ結晶化法;ＳＧＳ結晶化法)ですることができる。前記ＳＧＳ結晶化法は、非晶質シリコン薄膜に供給される金属触媒の量を調節することにより、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を調節することになる。前記ＳＧＳ結晶化法は、非晶質シリコンの結晶化のために一般的に用いられる方法であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４７】
前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、図３ｄに示すように、多結晶シリコン薄膜２０ｂの表面にＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜２０ｂの表面に不動態膜３０ａを形成する段階である。前記不動態膜３０ａは、供給されるＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気によって多結晶シリコン薄膜２０ｂの表面が酸化してシリコン酸化膜に形成できる。前記不動態膜３０ａは多結晶シリコン薄膜２０ｂの表面が酸化されて形成されるため、多結晶シリコン薄膜２０ｂの表面に存在するダングリングボンドを減らすことになる。また、前記Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気は不動態膜３０ａを形成する過程で、多結晶シリコン薄膜の内部に広がり、多結晶シリコン薄膜の内部でＳｉ-Ｈ結合、Ｓｉ-Ｏ結合を形成することになる。したがって、前記多結晶シリコン薄膜２０ｂは表面と内部に電子および正孔の移動を妨害する捕獲地点(ｔｒａｐ ｓｉｔｅ)の密度が減少することになる。
【００４８】
一方、前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、多結晶シリコン薄膜が形成される過程で適用
できる。すなわち、非晶質シリコン薄膜の昇温時に添加されるＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気は、表面のＮｉと反応して多結晶シリコン薄膜の形成後に、多結晶シリコン薄膜内に残存するＮｉの量を減少させ、結晶化後トランジスタの作動時に、電子または正孔の移動を妨害するＮｉＳｉ2化合物を酸化させることにより、トランジスタの駆動特性を向上させる。
【００４９】
前記Ｈ2Ｏ蒸気は、脱イオン水を２０℃以上の温度、好ましくは１００℃以上の温度に加熱する加熱方式によって生成したり、水素(Ｈ2)と酸素(Ｏ2)を７００℃〜９００℃の温度で水蒸気合成反応(ｐｙｒｏｔｏｒｃｈ方式)によって生成して供給することができる。前記脱イオン水が１００℃よりも低い温度で加熱される場合は、超音波方式を共に用いてＨ2Ｏ蒸気を供給する。前記Ｈ2Ｏ蒸気は好ましくは水蒸気合成反応によって供給される。前記水蒸気合成反応で供給される水素と酸素の供給比は１:１〜２:１の割合で供給される。前記の水蒸気合成反応方式は、高温での反応によってＨ2Ｏ蒸気を形成するため、純粋で且つ良質の蒸気を形成することができ、また蒸気が供給される薄膜の上面にウォータマーク(ｗａｔｅｒ ｍａｒｋ)を形成しなくなる。前記Ｏ2ガスは純粋なガスの状態に直接供給される。
【００５０】
前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)中に、多結晶シリコン薄膜２０ｂを高温から常温に冷却する冷却過程で、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して実施することができる。また、前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、シリコン薄膜結晶化段階(Ｓ２０)で、多結晶シリコン薄膜２０ｂを常温から高温に昇温する昇温過程と誘導熱処理過程でＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給して実施することができる。したがって、前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、例えば昇温過程の７００℃〜８００℃の温度で進められる。また、前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は誘導熱処理過程の８５０℃以上の温度で進められる。また、前記第１不動態化段階(Ｓ３０)は、例えば冷却過程の４００℃〜８００℃の温度で進められる。
【００５１】
前記不動態膜３０ａは、工程温度と時間により単一原子層の厚さから数百オングストロームの厚さに形成される。前記不動態膜３０ａは、単一原子層に形成されない場合に、多結晶シリコン薄膜が部分的に不動態化されないため、全体的に特性が均一にならないことがある。また、前記不動態膜３０ａの一部が、その厚さが数百オングストロームよりも厚く形成される場合は、工程時間が長くなるため、数百オングストローム以内の適正な厚さに形成することが好ましい。
【００５２】
前記活性層形成段階(Ｓ４０)は、図３ｅに示すように、多結晶シリコン薄膜２０ｂを所定面積の活性層２０にパターニングする段階である。前記活性層２０は製造しようとする薄膜トランジスタの設計に沿った面積と形状を有するようにパターニングされる。また、前記不動態膜３０ａは活性層２０に対応する形状に多結晶シリコン薄膜２０ｂと共にパターニングされる。前記活性層２０は後工程で第１領域と第２領域およびチャンネル領域に形成される。
【００５３】
前記ゲート絶縁膜形成段階(Ｓ５０)は、図３ｆに示すように、活性層２０と不動態膜３０が形成された絶縁基板１０上にゲート絶縁膜４０を形成する段階である。前記ゲート絶縁膜４０は、活性層２０を含む絶縁基板１０の上面に化学気相蒸着法またはプラズマ強化化学気相蒸着法によって全体的に形成され、酸化膜または窒化膜からなる。前記ゲート絶縁膜４０は約１０００Åの厚さに形成される。
【００５４】
一方、前記活性層形成段階(Ｓ４０)およびゲート絶縁膜形成段階(Ｓ５０)は、その便宜上、手順を変えることができ、この場合、ゲート絶縁膜は活性層形成により基板全体に不連続的な形状を有する。
【００５５】
前記ゲート電極形成段階(Ｓ６０)は、図３ｇに示すように、ゲート絶縁膜４０の上部にゲート電極５０を形成する段階である。より具体的には、前記ゲート電極５０は、先ず、ゲート絶縁膜４０の上面に全体的に形成されるゲート電極膜を蝕刻して形成する方法とパターニングされた感光液(ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ)を用いてリフトオフ(ｌｉｆｔ-ｏｆｆ)方法で形成することができる。前記ゲート電極膜は乾燥式蝕刻法または湿式蝕刻法によってゲート電極５０にパターニングすることができる。前記ゲート電極５０は、活性層２０をチャンネル領域２１ａと、チャンネル領域２１ａを中心に第１領域２２ａと第２領域２３ａに分ける。
【００５６】
前記ゲート電極５０は、アルミニウム(Ａｌ)、アルミニウム-ネオジム(Ａｌ-Ｎｄ)のようなアルミニウム合金、クロム(Ｃｒ)、モリブデン(Ｍｏ)のような金属の単一膜またはこれらを積層した積層膜からなり、約２０００〜３０００Åの厚さに形成される。
【００５７】
前記ソースおよびドレイン領域形成段階(Ｓ７０)は、図３ｈに示すように、活性層２０の第１領域２２ａと第２領域２３ａに不純物を注入し、ソース領域２２とドレイン領域２３を形成する段階である。前記第１領域２２ａと第２領域２３ａは、注入される不純物によってソース領域２２とドレイン領域２３にそれぞれ形成される。前記不純物は、例えば、ｐ型不純物またはｎ型不純物からなる。前記ｐ型不純物は、例えば、ホウ素(Ｂ)、アルミニウム(Ａｌ)、ガリウム(Ｇａ)およびインジウム(Ｉｎ)からなる群より選択されるいずれか一つ以上からなる。また、前記ｎ型不純物は例えばリン(Ｐ)からなる。
【００５８】
前記層間絶縁膜形成段階(Ｓ８０)は、図３ｉに示すように、ゲート絶縁膜４０とゲート電極５０の上部に層間絶縁膜６０を形成する段階である。前記層間絶縁膜６０は化学気相蒸着法またはプラズマ強化化学気相蒸着法によって全体的に形成され、酸化膜または窒化膜からなる。
【００５９】
前記コンタクトホール形成段階(Ｓ９０)は、図３ｊに示すように、層間絶縁膜６０とゲート絶縁膜４０および不動態膜３０の所定領域を蝕刻してコンタクトホール７０ａを形成する段階である。前記コンタクトホール７０ａはソース領域２２とドレイン領域２３の一部領域が露出するように形成される。したがって、前記コンタクトホール７０ａはソース領域２２に形成される第１コンタクトホール７０ｂとドレイン領域２３に形成される第２コンタクトホール７０ｃで形成される。
【００６０】
前記第２不動態化段階(Ｓ１００)は、図３ｋに示すように、コンタクトホール７０ａを通じてソース領域２２とドレイン領域２３にＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を供給し、チャンネル領域に位置する多結晶シリコン薄膜を不動態化させる段階である。前記第２不動態化段階(Ｓ１００)では、Ｏ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気を短時間供給してチャンネル領域の活性層２０を不動態化させる。この場合、注入されたＯ2ガスまたはＨ2Ｏ蒸気は、コンタクトホール７０ｂ、７０ｃを通じて活性層に拡散され、時間の経過によってゲート電極の下端部に位置するチャンネル領域を不動態化させる。したがって、前記第２不動態化段階(Ｓ１００)では、不動態化によって活性層２０の表面に発生するダングリングボンドを除去することになる。
【００６１】
前記第２不動態化段階(Ｓ１００)は２００℃〜６００℃の温度で実施される。前記第２不動態化の温度が２００℃よりも低くなると、活性層の表面の不動態化が充分でなくなり得る。また、前記第２不動態化の温度が高すぎると、活性層の表面に酸化膜が形成され、ソース電極とドレイン電極との電気的抵抗が増加し得、また、前記第２不動態化の温度が高すぎると、ボロシリケイト基板のような基板で発生する収縮(ｓｈｒｉｎｋａｇｅ)により後工程の進行ができなくなる。
【００６２】
一方、前記第２不動態化段階(Ｓ１００)は、ソースおよびドレイン形成段階(Ｓ７０)の後に進めて、その効果を増加させ、不純物活性化工程と同時に進めることができる。
【００６３】
前記ソースおよびドレイン電極形成段階(Ｓ１１０)は、図３ｌに示すように、コンタクトホール７０ａによって活性層２０のソース領域２２とドレイン２３とそれぞれ接触する電極(７０; ７２、７３)を接続する段階である。前記ソース電極７２は活性層のソース領域２２に電気的に接続するように形成される。また、前記ドレイン電極７３はドレイン領域と電気的に接触するように形成される。前記ソース電極７２とドレイン電極７３は層間絶縁膜６０の上面に、アルミニウムのような伝導性物質を蒸着し、パターニングして形成する。
【００６４】
次に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法についての具体的な実施例を説明する。
【００６５】
以下、実施例では、絶縁基板に形成される非晶質シリコン薄膜の結晶化段階と第１不動態化段階を中心に説明する。
【００６６】
先ず、前記非晶質シリコン薄膜の結晶化段階と第１不動態化段階が進められるシステムについて説明する。
【００６７】
図４は非晶質シリコン薄膜の結晶化段階と第１不動態化段階が進められるインラインシステムの構成図を示す。図５は図４のインラインシステムでＨ2Ｏ蒸気の供給手段が装着されたチャンバに対する概略的な断面図を示す。
【００６８】
本実施例では、上述のように、本発明の出願人の出願済みの「半導体素子の熱処理システム」を用いて実施する。
【００６９】
前記インラインシステムは、図４に示すように、半導体素子をロードするローディング部１００と、前記ローディング部１００と互いに接して装着される加熱部２００と工程部３００と冷却部４００およびアンローディング部５００を含んで形成される。前記ローディング部１００は、加熱部２００に半導体素子をロードし、アンローディング部５００は冷却部４００からアンロードする。前記加熱部２００と冷却部４００は、それぞれ独立的に温度が制御される複数のチャンバで構成され、ここでは各々３つのチャンバで構成される。すなわち、前記加熱部２００は第１チャンバ２１０と第２チャンバ２２０および第３チャンバ２３０で構成される。また、前記冷却部４００は第４チャンバ４１０と第５チャンバ４２０および第６チャンバ４３０を含んで構成される。前記工程部３００は工程チャンバを含み、磁性コアと誘導コイルを用いた誘導加熱にて短時間内に絶縁基板を含む熱処理しようとする薄膜の温度を高い温度まで均一に加熱する。前記のインラインシステムは、絶縁基板をセッターに安着させ移送して熱処理するため、絶縁基板の変形を最小化できる。一方、前記シリコン薄膜結晶化段階では、熱処理温度により工程部３００が設けられていない状態でも進行できることはもちろんである。
【００７０】
また、前記加熱部２００と冷却部４００を構成する各チャンバは、多結晶シリコン薄膜の不動態化段階を遂行する場合、図５に示すように、ハウジング２０１と、ハウジング２０１の内部で絶縁基板１０の上部に設けられる噴射ノズル２０４と、噴射ノズル２０４に蒸気を供給する蒸気発生器２０５と、蒸気発生器２０５にＨ2ガスとＯ2ガスをそれぞれ供給するガス供給ユニット２０６とを含んで形成することができる。
【００７１】
前記ハウジング２０１は、内部に熱処理空間を形成し、熱処理条件による温度に装入される絶縁基板を熱処理する。前記ハウジング２０１は内部に絶縁基板１０を移送するローラ２０２と内部を加熱するヒーター２０３を含んで形成される。
【００７２】
前記噴射ノズル２０４は、絶縁基板１０が移送される領域の上部に設けられ、絶縁基板の上部に全体的に均一にＨ2Ｏ蒸気を供給する。したがって、前記噴射ノズル２０４は、絶縁基板の面積に対応する領域に分布して形成される複数の噴射口を含んで形成される。
【００７３】
前記蒸気発生器２０５は、７００℃〜９００℃に加熱する内部空間を含み、供給されるＨ2ガスとＯ2ガスを反応させてＨ2Ｏ蒸気を生成する。前記蒸気発生器２０５は、生成されたＨ2Ｏ蒸気を配管を通じて噴射ノズル２０４に供給される。前記蒸気発生器２０５は一般的に使用されるパイロトーチシステム(ｐｙｒｏｔｏｒｃｈ ｓｙｓｔｅｍまたはｐｙｒｏｇｅｎｉｃ Ｈ2Ｏ ｖａｐｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ)で形成される。
【００７４】
前記ガス供給ユニット２０６は、Ｈ2ガスとＯ2ガスを蒸気発生器２０５に供給するための配管と各種制御バルブを含んで形成される。前記ガス供給ユニット２０６は、ガス供給に用いられる一般的な構成にて形成でき、ここでの詳細な説明は省略する。また、前記ガス供給ユニット２０６は、それ自体的でＨ2ガスとＯ2ガスを保存する容器を含み得、別途の配管を通じても外部からのＨ2ガスとＯ2ガスの供給を受けることができる。前記ガス供給ユニット２０６は一実施例に過ぎなく、様々なガス供給ユニットを用いることができる。また、前記ガス供給ユニット２０６はＯ2ガスだけを供給するように形成できることはもちろんである。
【００７５】
次に、前記シリコン薄膜結晶化段階に対する実施例について説明する。
【００７６】
以下の実施例で説明するシリコン薄膜結晶化段階は、図４に示したシステムで加熱部２００と冷却部４００を熱処理温度に設定し、非晶質シリコン薄膜が熱処理時間中に加熱部２００と冷却部４０を通過するようにして進めた。一方、前記シリコン薄膜結晶化段階は半導体工程で一般的に用いられている垂直環状炉で進められることはもちろんである。
(実施例１)
実施例１では、熱処理温度を異にしながら、非晶質シリコン薄膜を結晶化した。ただし、熱処理時間は熱処理温度による効果を明確に観察するために熱処理温度が増加するにつれて短くした。前記非晶質シリコン薄膜の熱処理は熱処理温度と熱処理時間をそれぞれ、６００℃で１５０分(実施例１ａ)、６５０℃で８０分(実施例１ｂ)、７００℃で２０分(実施例１ｃ)、７５０℃で１０分(実施例１ｄ)、８００℃で５分(実施例１ｅ)にして進めた。一方、金属触媒のドーピング濃度は２Ｅ１０13個/ｃｍ2にした。
(実施例２)
実施例２では、熱処理温度は一定にし、熱処理時間を異にして非晶質シリコン薄膜を結晶化した。すなわち、前記非晶質シリコン薄膜の熱処理は、熱処理温度を７００℃に一定にしながら、熱処理時間を５分(実施例２ａ)、１０分(実施例２ｂ)、２０分(実施例２ｃ)、４０分(実施例２ｄ)にして進めた。この時金属触媒のドーピング濃度は２Ｅ１０13個/ｃｍ2にした。
(実施例３)
実施例３では、熱処理温度と熱処理時間を一定にし、金属触媒のドーピング濃度を異にして非晶質シリコン薄膜を結晶化した。すなわち、前記非晶質シリコン薄膜は、金属触媒のドーピング濃度をそれぞれ５Ｅ１０11個/ｃｍ2(実施例３ａ)、２Ｅ１０12個/ｃｍ2(実施例３ｂ)、２Ｅ１０13個/ｃｍ2(実施例３ｃ)、６Ｅ１０14個/ｃｍ2(実施例３ｄ)、５Ｅ１０15個/ｃｍ2(実施例３ｅ)にした。この時、熱処理温度は７５０℃にし、熱処理時間は５分にした。
【００７７】
次に、前記非晶質シリコン薄膜の結晶化条件による各実施例に対する評価結果を説明する。
【００７８】
前記非晶質シリコン薄膜の結晶化に対する評価は多結晶シリコン薄膜をエッチングし、粒界の形態を観察して行われる。一般的に前記多結晶シリコン薄膜をエッチングすると、多結晶シリコン薄膜の粒界に存在する金属シリサイドがエッチングされながら粒界が観察される。したがって、前記多結晶シリコン薄膜でエッチング時に粒界が観察されないものは粒界に金属シリサイドが存在しないということを意味する。
【００７９】
図６ａ〜図６ｅは実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。すなわち、図６ａ〜図６ｅはそれぞれ実施例１ａ、実施例１ｂ、実施例１ｃ、実施例１ｄ、実施例１ｅに係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【００８０】
前記非晶質シリコン薄膜は、図６ａ〜図６ｅに示すように、熱処理温度が高くなるにつれ、粒界に存在する金属シリサイドが特定部位、例えば、粒界が互いに接するコーナー部位に集中分布することになる。すなわち、熱処理温度が６００℃の場合に、前記多結晶シリコン薄膜は金属シリサイドが粒界に沿って分布するため、粒界がある程度観察される。ただし、この場合にも金属シリサイドは粒界に沿って全体的に分布していないことが分かる。また、熱処理温度が８００℃の場合には粒界がほとんど観察されない。すなわち、前記多結晶シリコン薄膜は金属シリサイドが特定部位に点形態で存在することになる。したがって、前記多結晶シリコン薄膜は、熱処理温度が増加するにつれ、金属シリサイドが粒界の特定部位に集中的に分布する分布程度が大きくなる。
【００８１】
図７ａ〜図７ｄは実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。すなわち、図７ａ〜図７ｄはそれぞれ実施例２ａ、実施例２ｂ、実施例２ｃ、実施例２ｄに係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【００８２】
前記非晶質シリコン薄膜は、図７ａ〜図７ｄに示すように、熱処理時間が長くなるにつれ、粒界に存在する金属シリサイドが特定部位、例えば、粒界が互いに接するコーナー部位に集中分布することになる。すなわち、熱処理時間が５分の場合に、前記多結晶シリコン薄膜は金属シリサイドが粒界に沿って分布するため、粒界がある程度観察される。ただし、この場合にも金属シリサイドは粒界に沿って全体的に分布していないことが分かる。また、熱処理時間が４０分の場合は粒界がほとんど観察されない。すなわち、前記多結晶シリコン薄膜は金属シリサイドが特定部位に点形態で存在することになる。したがって、前記多結晶シリコン薄膜は、熱処理温度が増加するにつれ、金属シリサイドが粒界の特定部位に集中的に分布する分布程度が大きくなる。
【００８３】
図８ａ〜図８ｅは実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。すなわち、図８ａ〜図８ｅはそれぞれ実施例３ａ、実施例３ｂ、実施例３ｃ、実施例３ｄ、実施例３ｅに係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【００８４】
前記非晶質シリコン薄膜は、図８ａ〜図８ｅに示すように、金属触媒のドーピング濃度が減少するにつれ、粒界に存在する金属シリサイドが特定部位、例えば、粒界が互いに接するコーナー部位に集中分布することになる。すなわち、前記金属触媒のドーピング濃度が５Ｅ１０11個/ｃｍ2と相対的に小さい場合、前記多結晶シリコン薄膜は、金属シリサイドが粒界の特定部位にだけ分布するため、粒界がほとんど観察されない。また、前記金属触媒のドーピング濃度が５Ｅ１０15個/ｃｍ2の場合に、金属シリサイドが粒界に全体的に分布することになる。ただし、この場合にも金属シリサイドは粒界に沿って全体的に分布していないことが分かる。すなわち、前記多結晶シリコン薄膜は、金属触媒のドーピング濃度が小さいほど、金属シリサイドが特定部位に点形態で存在することになる。これは、前記金属触媒のドーピング濃度が小さいほど、形成される金属シリサイドの量が相対的に小さくなるためである。
【００８５】
次は、前記多結晶シリコン薄膜の不動態化段階に対する実施例について説明する。
【００８６】
図９は図４におけるインラインシステムを用いる不動態化段階に対する熱処理曲線を示す。
【００８７】
本発明の実施例４では、図９に示すように、昇温過程と誘導熱処理過程および冷却過程を順次的に実施する。実施例４では、非晶質シリコン薄膜を用いて結晶化が先に進められ
ながら、不動態化が一緒に進められるようにした。ただし、実施例４は、非晶質シリコン薄膜の表面に金属触媒のＮｉ金属をドープして結晶化が迅速に進められるようにした。前記第１不動態化段階はインラインシステムのチャンバで共に実施される。しかし、前記第１不動態化段階はインラインシステムの別のチャンバで順次的に実施できることはもちろんである。一方、前記薄膜トランジスタの製造方法の他の段階は一般的に知られている方法で実施する。
【００８８】
表１は第１不動態化段階の実施例と比較例に対する温度条件を示す。表１で温度は℃単位の温度を意味する。
【００８９】
【表１】
0005129730.tif 000002
【００９０】
表１から分かるように、実施例４は、昇温過程に用いられるチャンバの温度を２段階に設定し、冷却過程に用いられるチャンバの温度を３段階に設定した。また、誘導熱処理過程の温度は８５０℃に設定した。そして昇温過程と誘導熱処理過程および冷却過程でＨ2Ｏ蒸気を供給して非晶質シリコン薄膜の結晶化と共にシリコン薄膜の不動態化が進められるようにした。
【００９１】
比較例１と比較例２は、実施例４と温度条件およびＨ2Ｏ蒸気の供給有無を異にして実施した。
(実施例４)
実施例４は、第１チャンバ２１０と第２チャンバ２２０の温度を７００℃に設定し、第３チャンバ２３０の温度を７５０℃に設定した。また、実施例４は工程部３００において工程チャンバの温度を８５０℃に設定した。また、実施例４は第４チャンバ４１０の温度を７５０℃に、第５チャンバ４２０の温度を６００℃に、第６チャンバ４３０の温度を４５０℃に設定した。したがって、実施例４はローディング部１００を通じて第１チャンバ２１０に非晶質シリコン薄膜が形成された絶縁基板を装入し、第１チャンバ２１０〜第３チャンバ２３０で順次的に昇温させて絶縁基板の変形を最小化しながら、結晶化が先に進められてから、不動態化が進められるようにする。また、実施例４は、第４チャンバ４１０〜第６チャンバ４３０で絶縁基板の冷却を進め、アンローディング部５００を通じて絶縁基板を引き出すことになる。
【００９２】
また、実施例４は、第３チャンバ２３０と工程部３００にＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜の酸化による酸化膜が形成されるようにした。また、実施例４は第４チャンバ４１０〜第６チャンバ４３０からＨ2Ｏ蒸気を供給して多結晶シリコン薄膜の表面に酸化膜の不動態膜が形成されるようにする。したがって、実施例４は不動態膜が７００℃よりも高い温度で形成されるようにした。
【００９３】
また、実施例４はＨ2Ｏ蒸気が供給され、多結晶シリコン薄膜の表面に酸化膜が形成される時間(以下“酸化時間”とする;Ｔoxidation)を５分、１５分、３０分、６０分に分けて実施した。
【００９４】
一方、実施例４は不動態膜が形成された後に後続工程にて薄膜トランジスタを製造する。
(比較例１)
比較例１は、全体的な過程が実施例４と同一であり、各チャンバにＨ2Ｏ蒸気を供給しなかった。したがって、比較例１では表面に不動態膜が形成されない。
(比較例２)
比較例２は、実施例４と全体的な過程は同一であるが、第１チャンバ２１０〜第３チャンバ２３０と工程部３００および第４チャンバ４１０〜第６チャンバ４３０の温度を実施例より低く設定した。すなわち、比較例２では、第１チャンバ２１０の温度が６７０℃に、第２チャンバ２２０と第３チャンバ２３０の温度が７００℃に、工程部３００の温度が８００℃に、第４チャンバ４１０の温度が７００℃に、第５チャンバ４２０の温度が５５０℃に、第６チャンバ４３０の温度が４００℃に設定された。
【００９５】
また、比較例２はＨ2Ｏ蒸気が供給されて多結晶シリコン薄膜の酸化時間を５分、１５分、３０分に分けて実施した。
【００９６】
次は、前記実施例４と比較例によって製造された多結晶シリコン薄膜または薄膜トランジスタの特性を評価した。
<結晶性評価>
多結晶シリコン薄膜の結晶性評価は、結晶化されたシリコン薄膜の結晶状態を評価することであって、薄膜トランジスタの電子および正孔移動度を間接的に評価できる。
【００９７】
結晶性評価は多結晶シリコン薄膜の組織写真を走査電子顕微鏡で観察して評価した。図１０ａは実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の走査電子顕微鏡の写真であり、図１０ｂは比較例１に係る多結晶シリコン薄膜の走査電子顕微鏡の写真である。結晶性評価によると、図１０ａと図１０ｂに示すように、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の結晶性が比較例１に係る多結晶シリコン薄膜の結晶性より良好であると評価された。すなわち、比較例１の場合、典型的な固相結晶化シリコン膜の微細構造特徴である双晶欠陥と結晶粒界の内部に微細なサブグレインを形成しているが、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜は薄膜内部の欠陥が減少して単一結晶粒を形成し、粒界(ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ)が明確で結晶内部に双欠陥(ｔｗｉｎ ｄｅｆｅｃｔ)が消滅している。
<ＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ変化の評価>
ＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ変化の評価は、多結晶シリコン薄膜である表面に不動態膜の酸化膜の形成程度を評価する。
【００９８】
図１１ａは実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の酸化時間によるＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈの変化を示し、図１１ｂは比較例２に係る多結晶シリコン薄膜の酸化時間によるＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈの変化を示す。
【００９９】
実施例４に係る多結晶シリコン薄膜のＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈは、図１１ａに示すように、酸化時間が長くなるにつれＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅが増加し、Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈが減少することが分かる。これは、酸化時間が長くなることにより結晶性が改善され、多結晶シリコンの上部に酸化膜が形成されるため、異種界面の形成によりＷａｖｅｌｅｎｇｔｈが短波長で形成されるからである。また、長時間の酸化工程(６０分の結果)では、酸化膜の形成により多結晶シリコン薄膜の厚さが減少してＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅが減少する結果を示す。したがって、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜は酸化膜が良好に形成され、多結晶シリコン薄膜と酸化膜との間に新たな界面が形成されていることが分かる。特に、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜のＵＶ
ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈは、酸化時間が５分を経過すると共
に、変化が大きく表れている。したがって、実施例４で酸化時間は５分以上に設定するのが好ましいことが分かる。
【０１００】
しかし、比較例２に係る多結晶シリコン薄膜のＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈは酸化時間に関係なく変化しないことが分かる。したがって、比較例２に係る多結晶シリコン薄膜は不動態膜である酸化膜が十分に形成されていないことが分かる。
<不動態膜の厚さ評価>
図１２は、実施例４で酸化時間に応じて多結晶シリコン薄膜の表面に形成される不動態膜の厚さの変化を示す。
【０１０１】
前記不動態膜は、図１２に示すように、酸化時間に応じてその厚さが増加することが分かる。
【０１０２】
一方、多結晶シリコン薄膜のＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ変化の評価結果を考慮すると、酸化時間が５分以上となることが好ましいことから、不動態膜の厚さは５０オングストロームとなることが好ましい。
<不動態膜の電気的特性評価>
図１３は、実施例４に係る不動態膜の電気的特性を評価した結果である。前記不動態膜の電気的特性評価の条件は振動数(ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ)が１ＭＨｚ、ＯＳＣが２５ｍＶであり、水銀プローブ(ｍｅｒｃｕｒｙ ｐｒｏｂｅ)を用いて測定した。前記不動態膜は誘電率(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ)が３.９Ｆ/ｃｍであり、界面トラップ密度(ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ)が５×１０11＃/ｃｍ2で測定され、良好な誘電体に形成されたことが分かる。
<薄膜トランジスタの特性評価>
図１４ａは、実施例４と比較例１に係る薄膜トランジスタのオフ電流を測定した結果であり、図１４ｂは、実施例４と比較例１に係る薄膜トランジスタの電子移動度を評価した結果である。
【０１０３】
一方、図１４ａと図１４ｂでは、不動態膜をフッ酸(ＨＦ)で除去してトランジスタ薄膜を形成した場合(分離条件;ｓｐｌｉｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ)に対する評価結果を共に掲示した。
【０１０４】
実施例４に係る薄膜トランジスタのオフ電流(Ｉｏｆｆ)を測定した結果、図１４ａに示すように、１.６ｐＡ/μｍであり比較例１の４４ｐＡ/μｍよりも低い値を表わしている。また、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の表面に形成される不動態膜を除去する場合にはオフ電流が増加することが分かる。これは、酸化膜の除去時にフッ素によって多結晶シリコン薄膜の界面が損傷したためだと把握できる。
【０１０５】
実施例４に係る薄膜トランジスタの電荷移動度(ｍｏｂｉｌｉｔｙ)を測定した結果、図１４ｂに示すように、６４ｃｍ2/ＶSであり比較例１の５２ｃｍ2/ＶSより高い値を表わしている。また、実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の表面に形成される不動態膜を除去する場合には移動度が６２.３３ｃｍ2/ＶSに減少することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】多結晶シリコン薄膜の粒界に存在するＮｉＳｉ2を表わす電子顕微鏡の写真である。
【図２】本発明の実施例に係る薄膜トランジスタの製造方法を示す手順図である。
【図３ａ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｂ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｃ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｄ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｅ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｆ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｇ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｈ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｉ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｊ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｋ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図３ｌ】図１における手順図の各段階に対応する工程図である。
【図４】非晶質シリコン薄膜の結晶化段階と第１不動態化段階が進められるインラインシステムを示す構成図である。
【図５】図４におけるインラインシステムでＨ2Ｏ蒸気の供給手段が装着されたチャンバに対する概略断面図である。
【図６ａ】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図６ｂ】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図６ｃ】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図６ｄ】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図６ｅ】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図７ａ】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図７ｂ】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図７ｃ】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図７ｄ】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図８ａ】実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図８ｂ】実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図８ｃ】実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図８ｄ】実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図８ｅ】実施例３に係る多結晶シリコン薄膜の顕微鏡の写真である。
【図９】図４におけるインラインシステムを使用する非晶質シリコン薄膜の結晶化段階に対する熱処理曲線を示す。
【図１０ａ】実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の走査電子顕微鏡の写真である。
【図１０ｂ】比較例１に係る多結晶シリコン薄膜の走査電子顕微鏡の写真である。
【図１１ａ】実施例４に係る多結晶シリコン薄膜の酸化時間によるＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈの変化を示す図である。
【図１１ｂ】比較例２に係る多結晶シリコン薄膜の酸化時間によるＵＶ ｓｌｏｐｅ ｖａｌｕｅおよびＷａｖｅｌｅｎｇｔｈの変化を示す図である。
【図１２】実施例４で酸化時間により多結晶シリコン薄膜の表面に形成される不動態膜の厚さの変化を示す。
【図１３】実施例４に係る酸化膜の電気的特性を評価した結果である。
【図１４ａ】実施例４と比較例１に係る薄膜トランジスタのオフ電流を測定した結果を示す図である。
【図１４ｂ】実施例４と比較例１に係る薄膜トランジスタの電子移動度を評価した結果を示す図である。
【図２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図３ｇ】
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【図３ｈ】
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【図３ｉ】
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【図３ｊ】
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【図３ｋ】
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【図３ｌ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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