(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック基板上にこのプラスチック基板の耐熱温度以下の温度で半導体膜を形成する工程と、
パルスレーザビームを照射して上記半導体膜を結晶化または再結晶化する工程と、
上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜上に上記プラスチック基板の耐熱温度以下の温度で水素含有膜を形成する工程と、
上記半導体膜の上記結晶化または再結晶化に用いられる上記パルスレーザビームのエネルギー密度より低いエネルギー密度でかつ上記半導体膜が溶融しないエネルギー密度、パルス数およびパルス幅でパルスレーザビームを照射して上記水素含有膜を加熱することにより上記水素含有膜中の水素を上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜に拡散させて水素化を行う工程とを有する薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
上記半導体膜を形成した後、上記半導体膜を結晶化または再結晶化する前に、上記半導体膜中にソース領域およびドレイン領域を形成する工程をさらに有し、上記半導体膜を結晶化または再結晶化した後、上記水素含有膜に上記パルスレーザビームを照射する前に、上記ソース領域および上記ドレイン領域上に電極を形成する工程をさらに有し、上記水素含有膜に上記パルスレーザビームを照射して上記水素含有膜を加熱することにより上記水素含有膜中の水素を上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜に拡散させて水素化を行うと同時に、上記電極のシンタリングを行う請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
上記半導体膜はシリコン膜である請求項１または２記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
上記水素含有膜は、水素を含有する窒化シリコン膜、水素を含有する非晶質シリコン膜またはこれらの積層膜である請求項１〜３のいずれか一項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
上記半導体膜はシリコン膜、上記水素含有膜は水素を含有する窒化シリコン膜であり、上記水素含有膜に照射する上記パルスレーザビームのエネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 以上、パルス数を１００以上とする請求項１または２記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
上記半導体膜はシリコン膜、上記水素含有膜は水素を含有する窒化シリコン膜であり、上記水素含有膜に照射する上記パルスレーザビームのエネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 以上、パルス数を５００以上とする請求項１または２記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
プラスチック基板上にこのプラスチック基板の耐熱温度以下の温度で半導体膜を形成する工程と、
パルスレーザビームを照射して上記半導体膜を結晶化または再結晶化する工程と、
上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜上に上記プラスチック基板の耐熱温度以下の温度で水素含有膜を形成する工程と、
上記半導体膜の上記結晶化または再結晶化に用いられる上記パルスレーザビームのエネルギー密度より低いエネルギー密度でかつ上記半導体膜が溶融しないエネルギー密度、パルス数およびパルス幅でパルスレーザビームを照射して上記水素含有膜を加熱することにより上記水素含有膜中の水素を上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜に拡散させて水素化を行う工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項８】
上記半導体膜を形成した後、上記半導体膜を結晶化または再結晶化する前に、上記半導体膜中にソース領域およびドレイン領域を形成する工程をさらに有し、上記半導体膜を結晶化または再結晶化した後、上記水素含有膜に上記パルスレーザビームを照射する前に、上記ソース領域および上記ドレイン領域上に電極を形成する工程をさらに有し、上記水素含有膜に上記パルスレーザビームを照射して上記水素含有膜を加熱することにより上記水素含有膜中の水素を上記結晶化または再結晶化した上記半導体膜に拡散させて水素化を行うと同時に、上記電極のシンタリングを行う請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
上記半導体膜はシリコン膜である請求項７または８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
上記水素含有膜は、水素を含有する窒化シリコン膜、水素を含有する非晶質シリコン膜またはこれらの積層膜である請求項７〜９のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
上記半導体膜はシリコン膜、上記水素含有膜は水素を含有する窒化シリコン膜であり、上記水素含有膜に照射する上記パルスレーザビームのエネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 以上、パルス数を１００以上とする請求項７または８記載の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】
この発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、薄膜トランジスタの製造に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）においては、活性領域が例えば多結晶シリコン（Ｓｉ）膜により構成さている。このような薄膜トランジスタを製造する際には、通常、活性領域を構成する多結晶Ｓｉ膜の結晶粒界のトラップ密度を減少させることを目的として、この多結晶Ｓｉ膜を水素化する処理が行われ、これによって、薄膜トランジスタの動作特性の向上が図られている。従来、この多結晶Ｓｉ膜の水素化処理は、多結晶Ｓｉ膜の上に水素含有膜、例えば水素を含有する窒化シリコン（ＳｉＮx ）膜を形成した後、３００℃程度以上の温度で基板をアニールすることにより行われている。
【０００３】
一方で、最近では、薄膜トランジスタの基板として、ポリエチレンサルフォン（ＰＥＳ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなるプラスチック基板が用いられるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のポリエチレンサルフォンからなるプラスチック基板の耐熱温度は２００℃程度、ポリエチレンテレフタレートからなるプラスチック基板の耐熱温度は１００℃程度であり、ガラス基板などに比べて耐熱温度が低いため、次のような問題があった。
【０００５】
すなわち、上述の従来技術による多結晶Ｓｉ膜の水素化処理の場合、基板を３００℃程度以上に加熱しなければならないため、基板としてガラス基板を用いた場合は特に問題とならないが、上述のように耐熱温度の低いＰＥＳやＰＥＴからなるプラスチック基板を用いた場合は、基板がプロセス温度に耐えられなくなってしまうという問題がある。このため、薄膜トランジスタの製造プロセスにおいては、プラスチック基板の耐熱温度以下の温度で、多結晶Ｓｉ膜の水素化を行うことが可能な技術が必要となっている。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、プラスチック基板のような低耐熱性の基板を用いた場合であっても、基板に損傷を与えることなく半導体膜の水素化を行うことができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による半導体装置の製造方法は、
基板上に半導体膜を形成する工程と、
半導体膜上に水素含有膜を形成する工程と、
パルスエネルギービームを照射して水素含有膜を加熱することにより水素含有膜中の水素を半導体膜に拡散させる工程
とを有することを特徴とするものである。
【０００８】
この発明においては、基板として、例えば耐熱温度が３００℃以下の低耐熱性の基板を用いることが可能である。このような基板としては、例えば、耐熱温度が２００℃程度のポリエチレンサルフォンからなるプラスチック基板または耐熱温度が１００℃程度のポリエチレンテレフタレートからなるプラスチック基板があるが、これ以外にも、ポリメチルメタクリレ−ト（ＰＭＭＡ）からなるプラスチック基板やポリカーボネート（ＰＣ）からなるプラスチック基板などがある。また、半導体膜としては、典型的には、多結晶半導体膜またはアモルファス半導体膜のような非単結晶半導体膜が用いられるが、単結晶半導体膜を用いることも可能である。具体的には、この半導体膜としては、例えば、多結晶シリコン膜、非晶質シリコン膜または単結晶シリコン膜が用いられる。また、水素含有膜としては、典型的には、水素を含有する絶縁膜が用いられるが、水素を含有する半導体膜を用いることも可能である。具体的には、この水素含有膜としては、例えば、水素を含む窒化シリコン膜または非晶質シリコン膜が用いられる。また、パルスエネルギービームは、例えば、水素含有膜が形成された基板に対して水素含有膜の側から照射される。
【０００９】
この発明において、パルスエネルギービームとしては、典型的にはレーザビームが用いられる。なお、このパルスエネルギービームとしては、レーザビーム以外にも、例えば電子ビームやイオンビームを用いることも可能である。このパルスエネルギービームは、例えば、水素含有膜が形成された基板に対して水素含有膜の側から照射する。また、この発明においては、パルスエネルギービームの照射により水素含有膜が効果的に加熱されるように、パルスエネルギービームとしては、水素含有膜で吸収されるような波長のものを用いることが好ましい。なお、パルスエネルギービームが水素含有膜では吸収されないが、下層の半導体膜で吸収されるものであれば、半導体膜の加熱によって結果的に水素含有膜を加熱することができるので、このようなパルスエネルギービームを用いることも可能である。パルスエネルギービームのエネルギー密度、パルス数およびパルス幅は、好適には、半導体膜が溶融しないように設定される。また、基板上に半導体膜を形成した後、半導体膜上に水素含有膜を形成する前に、半導体膜に別のパルスエネルギービームを照射して半導体膜を結晶化または再結晶化するようにしてもよく、この場合、水素含有膜の加熱に用いられるパルスエネルギービームのエネルギー密度は、例えば、半導体膜の結晶化または再結晶化に用いられる別のパルスエネルギービームのエネルギー密度より低く設定される。
【００１０】
上述のように構成されたこの発明によれば、パルスエネルギービームを照射して水素含有膜を加熱することにより水素含有膜中の水素を半導体膜に拡散させるようにしていることにより、水素含有膜を選択的に加熱することによって半導体膜の水素化することができるので、プラスチック基板のような低耐熱性の基板を用いた場合であっても、基板に損傷を与えることなく半導体膜の水素化を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。ここでは、活性領域が多結晶Ｓｉ膜により構成されたボトムゲート型の薄膜トランジスタを製造する場合について説明する。図１〜図５は、この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【００１３】
この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法においては、図１に示すように、例えば、耐熱温度が２００℃程度のポリエチレンサルフォン（ＰＥＳ）からなるプラスチック基板１上に、例えば、低温プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法により、二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮx ）膜またはこれらの積層膜のような保護膜２を形成する。次に、例えばＡｌ膜を全面に形成した後、このＡｌ膜を所定形状にパターニングすることによりゲート電極３を形成する。なお、このゲート電極３の材料としては、Ａｌ以外に、例えばＴａやＭｏを用いてもよい。
【００１４】
次に、ゲート電極３を覆うようにして全面に、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚１５０ｎｍ程度のＳｉＯ2 膜からなるゲート絶縁膜４、例えば膜厚３０ｎｍ程度のアモルファス状のＳｉ膜５および例えば膜厚５０〜１００ｎｍ程度のＳｉＯ2 膜６を順次形成する。これらのゲート絶縁膜４、Ｓｉ膜５およびＳｉＯ2 膜６を形成する際のスパッタリング条件の一例を挙げると、ゲート絶縁膜４を形成する際には、ターゲットとしてＳｉ、プロセスガスとしてヘリウム（Ｈｅ）および酸素（Ｏ2 ）の混合ガスを用い、ＨｅガスおよびＯ2 ガスの流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍとし、放電パワーを１５０Ｗとする。Ｓｉ膜５を形成する際には、ターゲットとしてＳｉ、プロセスガスとしてＨｅガスを用い、Ｈｅガスの流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を５ｍＴｏｒｒとし、放電パワーを１５０Ｗとする。ＳｉＯ2 膜６を形成する際には、ターゲットとしてＳｉ、プロセスガスとしてＨｅおよびＯ2 の混合ガスを用い、ＨｅガスおよびＯ2 ガスの流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍとし、放電パワーを１００Ｗとする。
【００１５】
次に、ゲート電極３に対応する部分におけるＳｉＯ2 膜６上に、ゲート電極３とほぼ同一の形状を有するレジストパターン７を形成する。次に、このレジストパターン７をマスクとして、エッチングによりＳｉＯ2 膜６をパターニングする。これにより、ゲート電極３の上側に、ゲート絶縁膜４およびＳｉ膜５を介してゲート電極３とほぼ同一形状のＳｉＯ2 膜６が形成される。
【００１６】
次に、図２に示すように、ＳｉＯ2 膜６上にレジストパターン７を残したまま、これらのレジストパターン７およびＳｉＯ2 膜６をマスクとして、例えばプラズマドーピング法により、Ｓｉ膜５中に選択的に例えばＰのようなｎ型不純物をドーピングする。これにより、Ｓｉ膜５中にＳｉＯ2 膜６に対して自己整合的に、したがってゲート電極３に対して自己整合的にｎ+ 型のソース領域８およびドレイン領域９が形成される。
【００１７】
次に、レジストパターン７を除去した後、基板に対してＳｉ膜５の側からパルスレーザビーム１０を照射することにより、このＳｉ膜５をアニールする。このパルスレーザビーム１０を用いたレーザアニールによって、アモルファス状のＳｉ膜５が結晶化される。図３は、アモルファス状のＳｉ膜５を結晶化した後の状態を示し、符号１１は、この結晶化によって形成された多結晶Ｓｉ膜を示す。この多結晶Ｓｉ膜１１は、この薄膜トランジスタの活性領域を構成するものである。この場合、パルスレーザビーム１０によりＳｉ膜５が選択的に加熱されるように、パルスレーザビーム１０の種類、Ｓｉ膜５の厚さなどを選択することが好ましい。また、パルスレーザビーム１０による照射エネルギー密度は、例えばＳｉ膜５がほとんど溶融せず、しかもアニールが効果的に行われるような値に選ばれる。具体的には、このレーザアニールの際には、例えば、光源として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられる。また、Ｓｉ膜５の膜厚が３０ｎｍである場合、例えば、パルスレーザビーム１０による照射エネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ2 、パルス幅を３０ｎｓ、照射パルス数を１０００パルスとしてレーザアニールを行う。
【００１８】
次に、図４に示すように、エッチングにより多結晶Ｓｉ膜１１を所定形状にパターニングし、薄膜トランジスタ形成部をアイランド化する。次に、例えばスパッタリング法およびリフトオフ法により、ソース領域８およびドレイン領域９に対応する部分における多結晶Ｓｉ膜１１上に、例えばＡｌからなる電極１２、電極１３を形成する。
【００１９】
次に、図５に示すように、全面に、例えば低温プラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚１００ｎｍのＳｉＮx 膜１４を形成する。このＳｉＮx 膜１４の形成条件の一例を挙げると、プロセスガスとしてＳｉＨ4 、ＮＨ3 およびＮ2 の混合ガスを用い、ＳｉＨ4 ガスの流量を１０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 の流量を４０ｓｃｃｍ、Ｎ2 の流量を１３５ｓｃｃｍ、圧力を１００ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーを４０Ｗとする。このＳｉＮx 膜１４は、膜中に水素を含有しており、後述する多結晶Ｓｉ膜１１の水素化の際の水素供給源となる。
【００２０】
次に、基板に対して、水素含有膜としてのＳｉＮx 膜１４の側からパルスレーザビーム１５を照射することによりＳｉＮx 膜１４を加熱し、このＳｉＮx 膜１４中の水素を多結晶Ｓｉ膜１１に拡散させて水素化を行い、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のダングリングボンドを不活性化してトラップ密度を減少させる。また、このとき、ソース領域８およびドレイン領域９と接続された電極１２，１３がシンタリングして、オーミック特性が向上する。
【００２１】
この場合、パルスレーザビーム１５の照射によりＳｉＮx 膜１４が効果的に加熱されるように、パルスレーザビーム１５としてＳｉＮx 膜１４で吸収されるような波長のものを選択することが好ましい。なお、パルスレーザビーム１５がＳｉＮx 膜１４で吸収されない場合であっても、下層の多結晶Ｓｉ膜１１で吸収されて結果的にＳｉＮx 膜１４を加熱できるものであれば、同様に用いることが可能である。ただし、パルスレーザビーム１５が赤外光である場合は、ＳｉＮx 膜１４の下層側の電極１２，１３やプラスチック基板１などが加熱され、これらの温度が上昇してしまうため、パルスレーザビーム１５としては、なるべく短波長のものを用いることが好ましい。
【００２２】
また、パルスレーザビーム１５による照射エネルギー密度、パルス幅、照射パルス数は、例えば多結晶Ｓｉ膜１１がほとんど溶融せず、しかもＳｉＮx 膜１４の加熱が効果的に行われるような値に選ばれる。また、このパルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度は、例えば、上述したアモルファス状のＳｉ膜５を結晶化して多結晶Ｓｉ膜１１を形成する際に用いたパルスレーザビーム１０の照射エネルギー密度より低く選ばれる。この場合、具体的には、例えば、パルスレーザビーム１５の光源として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられ、パルスレーザビーム１５による照射エネルギー密度は、４０ｍＪ／ｃｍ2 以上２００ｍＪ／ｃｍ2 以下、好適には、６０ｍＪ／ｃｍ2 以上１４０ｍＪ／ｃｍ2 以下、具体的には１００ｍＪ／ｃｍ2 に選ばれ、パルス幅は３０ｎｓ、照射パルス数は１パルス以上１０4 パルス以下、好適には１パルス以上１０3 パルス以下、具体的には５００パルスに選ばれる。この水素化処理中のプラスチック基板１の温度は、概ね室温程度である。
【００２３】
以上により、活性領域が多結晶Ｓｉ膜により構成された、ボトムゲート型の薄膜トランジスタが製造される。なお、この第１の実施形態における上述の各プロセスは、いずれも、プラスチック基板１の耐熱温度以下の温度で行われる。
【００２４】
ここで、本発明者は、パルスレーザビーム１５を照射してＳｉＮx 膜１４中の水素を多結晶Ｓｉ膜１１に拡散させて水素化を行うことによる、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のトラップ密度低減の効果を検証すべく、この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により薄膜トランジスタを製造する際に、パルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度および照射パルス数を変化させ、照射エネルギー密度および照射パルス数の異なる試料について、ゲート電圧−ドレイン電流特性を測定した。
【００２５】
パルスレーザビーム１５を照射しなかった試料では、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のトラップ密度が高いため、ゲート電圧を印加してもチャネルが形成されにくく、良好なゲート電圧−ドレイン電流特性は得られなかった。これに対して、パルスレーザビーム１５の照射パルス数を１００パルスとして、照射エネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 から段階的に増加させてゆくと、照射エネルギー密度を８０ｍＪ／ｃｍ2 としたときにゲート電圧−ドレイン電流特性に変化が見られた。
【００２６】
図６は、この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により作製された試料におけるゲート電圧−ドレイン電流特性の、パルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度および照射パルス数依存性を示すグラフである。図６において、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（Ａ）を示し、グラフａは、照射エネルギー密度を８０ｍＪ／ｃｍ2 、照射パルス数を１００パルスとした試料、グラフｂは、照射エネルギー密度を９０ｍＪ／ｃｍ2 、照射パルス数を１００パルスとした試料、グラフｃは、照射エネルギー密度を９０ｍＪ／ｃｍ2 、照射パルス数を５００パルスとした試料、グラフｄは、照射エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 、照射パルス数を１００パルスとした試料、グラフｅは、照射エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 、照射パルス数を５００パルスとした試料のゲート電圧−ドレイン電流特性を示す。
【００２７】
図６より、パルスレーザビーム１５の照射パルス数を１００パルスとした場合は、照射エネルギー密度を８０ｍＪ／ｃｍ2 （グラフａ）、９０ｍＪ／ｃｍ2 （グラフｂ）、１００ｍＪ／ｃｍ2 （グラフｄ）と増加させることにより、ゲート電圧−ドレイン電流特性が向上することがわかる。また、図６より、照射エネルギー密度を９０ｍＪ／ｃｍ2 とした場合、照射パルス数を１００パルス（グラフｂ）から５００パルス（グラフｃ）に増やすことによって、ゲート電圧−ドレイン電流特性がさらに向上し、照射エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 とした場合も、同様に、照射パルス数を１００パルス（グラフｄ）から５００パルス（グラフｅ）に増やすことによって、ゲート電圧−ドレイン電流特性がさらに向上することがわかる。
【００２８】
図７は、この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により、パルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 として作製された試料におけるゲート電圧−ドレイン電流特性の、照射パルス数依存性を示すグラフである。図７において、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（Ａ）を示し、グラフａは、照射パルス数を１００パルスとした試料、グラフｂは、照射パルス数を５００パルスとした試料、グラフｃは、照射パルス数を１０００とした試料のゲート電圧−ドレイン電流特性を示す。また、比較のため、図７中に、パルスレーザビーム１５を照射しなかった試料のゲート電圧−ドレイン電流特性をグラフｄとして示す。また、図８は、図７より求めたパルスレーザビーム１５の照射パルス数と、ゲート電圧が２０Ｖのときのドレイン電流との関係を示すグラフである。図８において、横軸は照射パルス数、縦軸はゲート電圧が２０Ｖのときのドレイン電流（Ａ）を示す。
【００２９】
図７および図８より、パルスレーザビーム１５の照射パルス数が増加するにつれて、ドレイン電流が増加することが明確にわかる。パルスレーザビーム１５を１０００パルス程度照射した場合は、通常の薄膜トランジスタ、すなわち、基板としてガラス基板を用い、３００℃以上のアニールにより活性領域を構成する多結晶Ｓｉ膜の水素化を行った薄膜トランジスタに比べても遜色のない特性が得られている。これより、例えば、照射エネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ2 の場合でも、照射パルス数を多くすることにより、良好な特性が得られると考えられる。
【００３０】
また、図９は、この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により、パルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 から１００ｍＪ／ｃｍ2 まで１０ｍＪ／ｃｍ2 のステップで増加させ、各照射エネルギー密度における照射パルス数を１００パルスとして作製された試料における、ゲート電圧−ドレイン電流を示すグラフである。図９において、横軸はゲート電圧（Ｖ）、縦軸はドレイン電流（Ａ）を示す。図９より、照射エネルギー密度が４０ｍＪ／ｃｍ2 、５０ｍＪ／ｃｍ2 、６０ｍＪ／ｃｍ2 、７０ｍＪ／ｃｍ2 、８０ｍＪ／ｃｍ2 、９０ｍＪ／ｃｍ2 、１００ｍＪ／ｃｍ2 のパルスレーザビーム１５をそれぞれ１００パルスずつ照射することにより作製されたこの試料では、極めて良好な特性が得られた。
【００３１】
以上のように、多結晶Ｓｉ膜１１の水素化に用いられるパルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度および照射パルス数を増やすことによって、薄膜トランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性が向上するという結果が得られた。これは、パルスレーザビーム１５の照射エネルギー密度および照射パルス数の増加に伴って、多結晶Ｓｉ膜１１の水素化が促進され、この多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のトラップ密度が効果的に低減されたことにより得られた効果である。これにより、パルスレーザビーム１５を照射してＳｉＮx 膜１４を選択的に加熱することにより、プラスチック基板１の耐熱温度以下の温度で多結晶Ｓｉ膜１１の水素化を行うことができることが示された。
【００３２】
以上のように、この第１の実施形態によれば、プラスチック基板１を用いた薄膜トランジスタの製造プロセスにおいて、パルスレーザビーム１５を照射して水素含有層であるＳｉＮx 膜１４を加熱することにより、このＳｉＮx 膜１４中の水素を、薄膜トランジスタの活性領域を構成する多結晶Ｓｉ膜１１に拡散させるようにしていることにより、ＳｉＮx 膜１４を選択的に加熱することによって多結晶Ｓｉ膜１１を水素化することができるので、低耐熱性のプラスチック基板１（この場合、耐熱温度が２００℃程度）を用いた場合であっても、このプラスチック基板１の耐熱温度以下の温度で多結晶Ｓｉ膜１１の水素化を行うことができ、プラスチック基板１が損傷することを防止することができる。
【００３３】
また、上述の多結晶Ｓｉ膜１１の水素化処理によって、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のトラップ密度を効果的に低減することができるため、動作特性の良好な薄膜トランジスタを製造することができる。また、この場合、多結晶Ｓｉ膜１１上に電極１２，１３を形成した後に、この上に水素含有膜であるＳｉＮx 膜１４を形成し、さらにこの後に、パルスレーザビーム１５を照射してＳｉＮx 膜１４を加熱することにより多結晶Ｓｉ膜１１を水素化するようにしているため、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のトラップ密度の低減と同時に、電極１２，１３のオーミック特性を向上させることもできる。
【００３４】
なお、この第１の実施形態においては、多結晶Ｓｉ膜１１の水素化処理を含めて、全てのプロセスがプラスチック基板１の耐熱温度である２００℃以下の温度で行われているため、プロセス中にプラスチック基板１が損傷を受けることがない。
【００３５】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、この第２の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。図１０において、第１の実施形態におけると同一または対応する部分には、同一の符号を付す。
【００３６】
この第２の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法においては、上述の第１の実施形態におけると同様の製造方法により、図５に示すように、水素含有膜としてのＳｉＮx 膜１４を形成する工程まで行う。
【００３７】
次に、図１０に示すように、ＳｉＮx 膜１４上に、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる金属膜１６を形成する。この金属膜１６の材料としては、Ｍｏ以外に、例えば、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）などを用いることも可能である。次に、例えば第１の実施形態におけると同様に、基板に対して、金属膜１６の側からパルスレーザビーム１５を照射する。この場合、パルスレーザビーム１５が金属膜１６で吸収されて、この金属膜１６が加熱されることによってこの下層のＳｉＮx 膜１４が加熱される。これにより、第１の実施形態におけると同様に、ＳｉＮx 膜１４中の水素を多結晶Ｓｉ膜１１に拡散させて水素化を行い、多結晶Ｓｉ膜１１の結晶粒界のダングリングボンドを不活性化してトラップ密度を減少させる。この後、金属膜１６を除去する。
【００３８】
この第２の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法の上記以外の構成は、第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
この第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、この第２の実施形態の場合、パルスレーザビーム１５が金属膜１６によって吸収されるため、この金属膜１６の下層にパルスレーザビーム１５が照射されることを防止することもできる。
【００４０】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。ここでは、活性領域が多結晶Ｓｉ膜により構成されたトップゲート型の薄膜トランジスタを製造する場合について説明する。図１１〜図１６は、この第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【００４１】
この第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法においては、図１１に示すように、例えば、耐熱温度が２００℃程度のポリエチレンサルフォンからなるプラスチック基板２１上に、例えば、低温プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ2 膜、ＳｉＮx 膜またはこれらの積層膜のような保護膜２２を形成する。次に、この保護膜２２の全面に、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚３０ｎｍ程度のアモルファス状のＳｉ膜２３および例えば膜厚１００ｎｍ程度のＳｉＯ2 膜からなるゲート絶縁膜２４を形成する。これらのＳｉ膜２３およびゲート絶縁膜２４を形成する際のスパッタリング条件の一例を挙げると、Ｓｉ膜２３を形成する際には、ターゲットとしてＳｉ、プロセスガスとしてＨｅガスを用い、Ｈｅガスの流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を５ｍＴｏｒｒとし、放電パワーを１５０Ｗとすし、ゲート絶縁膜２４を形成する際には、ターゲットとしてＳｉ、プロセスガスとしてＨｅおよびＯ2 の混合ガスを用い、ＨｅガスおよびＯ2 ガスの流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍとし、放電パワーを１５０Ｗとする。
【００４２】
次に、図１２に示すように、基板に対してＳｉ膜２３の側からパルスレーザビーム２５を照射することにより、Ｓｉ膜２３をアニールする。このパルスレーザビーム２５を用いたレーザアニールによって、アモルファス状のＳｉ膜２３が結晶化される。図１２は、アモルファス状のＳｉ膜２３を結晶化した後の状態を示し、符号２６は、この結晶化によって形成された多結晶Ｓｉ膜を示す。この多結晶Ｓｉ膜２６は、この薄膜トランジスタの活性領域を構成するものである。この場合、パルスレーザビーム２５によりＳｉ膜２３が選択的に加熱されるように、パルスレーザビーム２５の種類、Ｓｉ膜２３の厚さなどを選択することが好ましい。また、パルスレーザビーム２５による照射エネルギー密度は、例えばＳｉ膜２３がほとんど溶融せず、しかもアニールが効果的に行われるような値に選ばれる。具体的には、このレーザアニールの際には、例えば、パルスレーザビーム２５の光源として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられ、パルスレーザビーム１０による照射エネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ2 、パルス幅を３０ｎｓ、照射パルス数を５００パルスとしてレーザアニールを行う。
【００４３】
次に、図１３に示すように、ゲート絶縁膜２４の全面に、例えばＡｌ膜のような導電膜からなるゲート電極２７を形成した後、このゲート電極２７上に所定形状のレジストパターン２８を形成する。次に、このレジストパターン２８をマスクとして、ゲート電極２７およびゲート絶縁膜２４をエッチングにより順次所定形状にパターニングする。
【００４４】
次に、図１４に示すように、例えばレジストパターン２８を残したままで、レジストパターン２８、ゲート電極２７およびゲート絶縁膜２４をマスクとして、例えばプラズマドーピング法により、多結晶Ｓｉ膜２６中に選択的に例えばＰのようなｎ型不純物をドーピングする。これにより、多結晶Ｓｉ膜２６中にゲート電極２７に対して自己整合的にｎ+ 型のソース領域２９およびドレイン領域３０が形成される。この後、レジストパターン２８を除去する。
【００４５】
次に、図１５に示すように、多結晶Ｓｉ膜２６をエッチングにより所定形状にパターニングし、薄膜トランジスタ形成部をアイランド化する。次に、例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜のような絶縁膜３１を全面に形成した後、この絶縁膜３１の所定部分をエッチングにより除去して開口３１ａ，３１ｂを形成する。次に、例えばスパッタリング法により全面に例えばＡｌ膜を形成した後、このＡｌ膜をエッチングにより所定形状にパターニングして、電極３２、電極３３を形成する。
【００４６】
次に、図１６に示すように、例えば低温プラズマＣＶＤ法により、全面に例えば膜厚１００ｎｍ程度のＳｉＮx 膜３４および例えば膜厚３０ｎｍ程度のアモルファスＳｉ膜３５を順次形成する。ここで、ＳｉＮx 膜３４は、膜中に水素を含有しており、後述する多結晶Ｓｉ膜２６の水素化の際の水素供給源となる。これらのＳｉＮx 膜３４およびアモルファスＳｉ膜３５の形成条件の一例を挙げると、ＳｉＮx 膜３４を形成する際には、プロセスガスとしてＳｉＨ4 、ＮＨ3 およびＮ2 の混合ガスを用い、ＳｉＨ4 ガスの流量を１０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 ガスの流量を４０ｓｃｃｍ、Ｎ2 ガスの流量を１３５ｓｃｃｍとし、圧力を１００ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーを４０Ｗ、基板温度を１００℃とする。アモルファスＳｉ膜３５を形成する際には、プロセスガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2 の混合ガスを用い、ＳｉＨ4 ガスの流量を２０ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガスの流量を８０ｓｃｃｍとし、圧力を１００ｍＴｏｒｒ、プラズマパワーを１０Ｗ、基板温度を１００℃とする。
【００４７】
次に、例えば、基板に対して、アモルファスＳｉ膜３５の側からパルスレーザビーム３６を照射する。この場合、パルスレーザビーム３６がアモルファスＳｉ膜３５で吸収されて、このアモルファスＳｉ膜３５が加熱されることによってこの下層のＳｉＮx 膜３４が加熱される。これにより、ＳｉＮx 膜３４中の水素を多結晶Ｓｉ膜２６に拡散させて水素化を行い、多結晶Ｓｉ膜２６の結晶粒界のダングリングボンドを不活性化してトラップ密度を減少させる。また、このとき、ソース領域２９およびドレイン領域３０と接続された電極３２，３３がシンタリングして、オーミック特性が向上する。
【００４８】
この場合、パルスレーザビーム３６による照射エネルギー密度、パルス幅、照射パルス数は、例えば多結晶Ｓｉ膜２６がほとんど溶融せず、しかもＳｉＮx 膜３４の加熱が効果的に行われるような値に選ばれる。また、このパルスレーザビーム３６の照射エネルギー密度は、例えば、上述したアモルファス状のＳｉ膜２３を結晶化して多結晶Ｓｉ膜２６を形成する際に用いたパルスレーザビーム２５の照射エネルギー密度より低く選ばれる。この場合、パルスレーザビーム３６の光源として波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられる。このパルスレーザビーム３６による照射エネルギー密度、パルス幅、照射パルス数は、例えば、第１の実施形態における多結晶Ｓｉ膜１１の水素化処理の場合と同様に選ばれる。なお、この第３の実施形態においても、パルスレーザビーム３６が赤外光である場合は、ＳｉＮx 膜３４およびアモルファスＳｉ膜３５の下層側の電極３２，３３やプラスチック基板２１などが加熱され、これらの温度が上昇するおそれがあるため、パルスレーザビーム３６としては、短波長のものを用いることが好ましい。
【００４９】
以上により、活性領域が多結晶Ｓｉ膜により構成された、トップゲート型の薄膜トランジスタが製造される。なお、この第３の実施形態における上述の各プロセスは、いずれも、プラスチック基板２１の耐熱温度以下の温度で行われる。
【００５０】
この第３の実施形態によれば、トップゲート型の薄膜トランジスタを製造する場合において、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、この第３の実施形態の場合、パルスレーザビーム３５がアモルファスＳｉ膜３４で吸収されるため、このアモルファスＳｉ膜３４の下層にパルスレーザビーム３５が照射されることを防止することもできる。
【００５１】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、実施形態において挙げた数値、材料、構造、プロセスなどはあくまで例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造、プロセスを用いてもよい。具体的には、例えば、上述の第１〜第３の実施形態においては、ポリエチレンサルフォンからなるプラスチック基板１，２１に代えて、それぞれ、例えば耐熱温度が１００℃程度のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなるプラスチック基板を用いてもよく、これ以外にも、例えばポリメチルメタクリレ−ト（ＰＭＭＡ）からなるプラスチック基板またはポリカーボネート（ＰＣ）からなるプラスチック基板などを用いてもよい。なお、上述の第１〜第３の実施形態においては、これらのプラスチック基板に代えて、例えばガラス基板などを用いても構わない。また、上述の第１および第２の実施形態においては、Ｓｉ膜５としてアモルファス状のものを用いているが、これは、多結晶状のものを用いてもよい。また、上述の第３の実施形態におけるＳｉ膜２３としては、アモルファス状のものを用いることが好ましいが、場合によっては多結晶状のものを用いてもよい。
【００５２】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、パルスレーザビーム１５，３６の光源として、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を用いているが、パルスレーザビーム１５，３６の光源としては、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）などを用いることも可能である。また、パルスレーザビーム１５，３６に代えて、電子ビームやイオンビームを照射するようにしてもよい。
【００５３】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、活性領域が多結晶Ｓｉ膜により構成された薄膜トランジスタの製造する場合を例に、多結晶Ｓｉ膜を水素化する場合について説明したが、この発明は、アモルファスＳｉ膜を水素化する場合にも同様に適用することができる。また、この発明は、単結晶デバイスの界面欠陥を減少させる場合にも適用可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、パルスエネルギービームを照射して水素含有膜を加熱することにより水素含有膜中の水素を半導体膜に拡散させるようにしていることにより、水素含有膜を選択的に加熱することによって半導体膜の水素化することができるので、プラスチック基板のような低耐熱性の基板を用いた場合であっても、基板に損傷を与えることなく半導体膜の水素化を行うことができる半導体装置の製造方法を提供することができる。特に、製造すべき半導体装置が、半導体膜を活性領域とする薄膜トランジスタである場合は、その活性領域を構成する半導体膜のトラップ密度を効果的に低減することが可能となり、特性の良好な薄膜トランジスタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】  この発明の第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】  この発明の第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】  この発明の第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】  この発明の第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】  この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により作製された試料におけるゲート電圧−ドレイン電流特性の、パルスレーザビームの照射エネルギー密度および照射パルス数依存性を示すグラフである。
【図７】  この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により、パルスレーザビームの照射エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 として作製された試料におけるゲート電圧−ドレイン電流特性の、照射パルス数依存性を示すグラフである。
【図８】  図７より求めたパルスレーザビームの照射パルス数と、ゲート電圧が２０Ｖのときのドレイン電流との関係を示すグラフである。
【図９】  この第１の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法により、パルスレーザビームの照射エネルギー密度を４０ｍＪ／ｃｍ2 から１００ｍＪ／ｃｍ2 まで１０ｍＪ／ｃｍ2 のステップで増加させ、各照射エネルギー密度における照射パルス数を１００パルスとして作製された試料における、ゲート電圧−ドレイン電流を示すグラフである。
【図１０】  この発明の第２の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】  この発明の第３の実施形態による薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１，２１・・・プラスチック基板、２，２２・・・保護膜、３，２７・・・ゲート電極、４，２４・・・ゲート絶縁膜、５，２３・・・Ｓｉ膜、６・・・ＳｉＯ2 膜、７，２８・・・レジストパターン、８，２９・・・ソース領域、９，３０・・・ドレイン領域、１０、１５，２５，３６・・・パルスレーザビーム、１１，２６・・・多結晶Ｓｉ膜、１２，１３，３２，３３・・・電極、１４，３４・・・ＳｉＮx 膜、１６・・・金属膜、３１・・・絶縁膜、３５・・・アモルファスＳｉ膜
【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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