(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成する第１工程と、水蒸気を主成分とする気体であって圧力が５〜５０気圧、温度が３００〜７００℃の雰囲気で上記多結晶シリコン膜の表面層を酸化して多結晶シリコン膜上に酸化シリコン膜を形成する第２工程と、上記酸化シリコン膜および第２工程により改質された多結晶シリコン膜を島状にエッチングする第３工程と、上記島状の酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を含む領域に絶縁膜を形成する第４工程と、窒素などの不活性な気体を主成分とし圧力が５〜５０気圧、温度が３００〜７００℃の雰囲気で熱処理する第５工程と、上記絶縁膜上にゲート電極を形成する第６工程とを有してなり、各工程はそれぞれ付与された序数の順序で行われることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トランジスタの製造方法方法に係り、特に絶縁性基板上に形成される薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイやイメージセンサ等の画像入出力デバイスの駆動回路は、いわゆるＬＳＩとして形成され、画像入出力デバイスの基板上に貼り付けられて実装されていた。ところが、この貼付作業は複雑、かつ、面倒であるため、近年では、駆動回路を画像入出力デバイスと同一基板上に直接作製するための開発が進められている。これらの画像入出力デバイスの基板には、通常、半導体素子への不純物の影響を考慮して、無アルカリガラスが用いられている。無アルカリガラスには、バリウムホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス等がある。これらの無アルカリガラスを使用したガラス基板の歪点は５９３〜７００℃程度であるため、この基板上に駆動回路を直接作製するときには、少なくとも７００℃以下の温度で処理することが要求される。
【０００３】
しかし、駆動回路を形成するのに必要な性能を持ったトランジスタの半導体膜を、７００℃以下の温度で作製するのは一般に困難である。７００℃以下の温度で半導体膜を形成する方法として固相成長法がある。固相成長法は、非晶質膜を出発材料として、６００℃程度の温度でアニールして多結晶化することにより、多結晶シリコン膜を作って半導体膜を成形する方法であるが、その多結晶化の段階でそれぞれの結晶方位が異なるため、その結晶粒界で多くの結晶欠陥が発生する。
【０００４】
短波長のエキシマレーザを非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜に照射して溶融固化することにより良質な半導体膜を得る方法もある。エキシマレーザは、パルスレーザであり、かつ、ビームサイズが限られているので、大面積照射する場合は、ビームを継ぎ合わせて照射しなければならず、その継ぎ合わせ部分で多結晶シリコン膜の膜質が変化し、その部分のトランジスタは、異なった特性になってしまう。また、シリコン膜にレーザ照射するとシリコン膜の表面は局所的、かつ、瞬間的に溶融し凝固するため、照射エネルギによって多結晶シリコン膜の膜質は急峻に変化し、結果的に安定して同一膜質の多結晶シリコン膜を得ることが困難である。
【０００５】
以上述べた問題点を解決するものとして、特開平７−１６２００２号公報では、多結晶シリコン膜の表面層を水蒸気を主成分とする雰囲気下で酸化した後、その酸化膜を除去することによって、良質の半導体膜を得る方法が提案されている。このように多結晶シリコン膜を酸化処理すると、シリコン原子が酸化されて酸素原子と結合する過程において、シリコン原子同士の結合が切り離され、ある確率で完全に自由になるシリコン原子が生成される。この完全に自由になったシリコン原子が、多結晶シリコン膜中を拡散して多結晶シリコン膜中の結晶欠陥を補償し、結晶欠陥が低減されると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平７−１６２００２号公報の発明には、次のような問題がある。
（１）半導体表面層に形成された酸化シリコン膜を除去しなければならず、その分工程が長くなってしまう。
（２）酸化シリコン膜を除去した後に、大切な多結晶シリコン膜が露出した状態で、次工程の処理が行われるので、その間に結晶シリコン膜の表面が汚染されたり、劣化したりしてしまう。
【０００７】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、多結晶シリコン膜の酸化により形成された酸化シリコン膜を除去することなく、その上に絶縁膜を形成することにより、多結晶シリコン膜の汚染や劣化を防ぎ、もって高品質の薄膜トランジスタを製造する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成する第１工程と、水蒸気等の酸化能力のある気体を主成分とし圧力が５〜５０気圧の雰囲気で上記多結晶シリコン膜の表面層を酸化して多結晶シリコン膜上に酸化シリコン膜を形成する第２工程と、上記酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を島状にエッチングする第３工程と、上記島状の酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を含む領域に絶縁膜を形成する第４工程と、上記絶縁膜上にゲート電極を形成する第５工程とを有している。
【０００９】
上記第４工程のあとに、窒素などの不活性な気体を主成分とし圧力が５〜５０気圧の雰囲気で熱処理する工程を付加することにより、さらに品質向上が図れる。
【００１０】
上記多結晶シリコン膜を酸化する第２工程および請求項２の熱処理温度は３００〜７００℃とするのが好ましい。
【００１１】
次に、本発明の作用を説明する。
本発明で、多結晶シリコン膜の表面層を酸化して酸化シリコン膜を形成し、酸化されずに残った多結晶シリコン膜の改質を行う点では先に述べた特開平７−１６２００２号に開示された発明（以下「先行技術」という。）と同じであるが、先行技術では酸化シリコン膜を除去してから絶縁膜を形成しているのに対し、本発明では酸化シリコン膜を除去せず、その上に絶縁膜を形成する点で先行技術と異なる。
【００１２】
酸化シリコン膜を除去しないので、除去するための工程が省けるとともに、多結晶シリコン膜が酸化シリコン膜により保護された状態で次工程の処理が行われ、多結晶シリコン膜の表面の汚染や劣化の問題が生じることがなく、薄膜トランジスタの品質向上が図れる。なお、島状の酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜を含む領域に絶縁膜を形成するのは、エッチングした酸化シリコン膜および多結晶シリコン膜の厚さ分だけ、島の周縁部に段差が生じるとともに、段差部に多結晶シリコン膜の厚さ分の露出が生じるので、絶縁膜を形成せずに酸化シリコン膜上に直接ゲート電極を形成すると、露出した多結晶シリコン膜とゲート電極が直接接触してしまい、薄膜トランジスタの性能が損なわれるからである。また、酸化シリコン膜上に絶縁膜を成膜することにより絶縁性の膜を多層化でき、絶縁耐圧を向上することができる。
【００１３】
５気圧以上の雰囲気で酸化処理を行うのは、圧力が高いと熱伝達が向上して処理温度の均一性が高まるとともに、酸化レートが向上し、同じ酸化レートであれば処理温度を低温化することができるからである。５０気圧以下としたのは、５０気圧をこえる高圧にしても均一性の向上がみられないからである。
【００１４】
第４工程のあとに、不活性な気体を主成分とする雰囲気下で絶縁性基板上に形成された、半導体膜を熱処理する工程を付加すると、酸化シリコン膜が緻密化され、かつ、前記酸化シリコン膜と、前記多結晶シリコン膜との界面もさらに良好になって、このように作った薄膜トランジスタは、信頼性に優れ、良好な性能が得られる。
【００１５】
熱処理の温度を７００℃以下とすることにより、安価なガラス基板を使用しても歪を起すことがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１（ａ）〜（ｇ）は、本発明の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。
【００１７】
第１工程として、図１（ａ）に示すように絶縁性基板１（ここでは絶縁性基板１の１例として、ガラス基板を用いたので、以下「ガラス基板１」という。）に、多結晶シリコン膜２を形成する。多結晶シリコン膜２の成膜方法には、種々あるが、ここでは、非晶質シリコン膜を成膜した後、これをアニールして多結晶シリコン膜２とした。ガラス基板１上に、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ2 Ｈ6 ガスを用いて基板温度４５０℃で、膜厚２００ｎｍの非晶質シリコン膜を成膜した。非晶質シリコン膜を成膜する方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等でもよいが、減圧ＣＶＤ法で行うと、アニール後に良質な多結晶シリコン膜が得られる。基板温度は４００〜６００℃が好ましく、使用する原料ガスとしてＳｉＨ4 を用いてもよいし、膜厚は５０〜５００ｎｍとすることができる。
【００１８】
次に、アニールして、結晶化し多結晶シリコン膜３を形成する。ここでは良好な均一性が得られる炉アニールにより窒素雰囲気中６００℃で２４時間アニールして結晶化した。アニール法は、炉アニール以外に、レーザアニール、ランプアニール、電子ビームアニールまたはこれらの組み合わせを用いることができる。窒素雰囲気中でアニール温度５００〜６５０℃、アニール時間４〜２４時間で行うこともできる。
【００１９】
また、ここではガラス基板を用いたが、石英基板、サファイア基板等の基板を用いることもできる。ガラス基板は、安価であるので作製するデバイスコストを低減できるので好ましい。これらの基板上またはシリコンウエハ上に絶縁膜を形成したものを用いることもできる。この絶縁膜には酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の単膜または２種以上を積層したものを用いることができる。
【００２０】
第２工程として、図１（ｂ）に示すように、水蒸気を主成分とする５〜５０気圧の雰囲気下において、前記多結晶シリコン膜を酸化して酸化シリコン膜４を形成する。ここでは、６００℃で２５気圧の雰囲気において、水蒸気による酸化工程を２時間行った。これにより、酸化されずに残った多結晶シリコン膜の膜厚は８０ｎｍとなった。この酸化作用によって、前述のように良好な多結晶シリコン膜３が得られる。このことは、酸化処理前後の多結晶シリコン膜を電子スピン共鳴法によって、測定したスピン密度が低減することによっても示される。スピン密度はシリコン膜中のシリコン原子の未結合手（ダングリングボンド）の密度を表していて、シリコン膜中の欠陥密度を示すので、酸化処理前後では明らかに、膜中の欠陥が低減していることがわかる。
【００２１】
ここで圧力を５〜５０気圧としたのは、実験データによれば図２に示すように圧力を高めることにより、加熱炉内の温度の均一性を高めることができるからである。
【００２２】
図２は雰囲気圧力と温度均一性との関係を示すグラフである。温度設定を６００℃として４００×５００ｍｍ角のガラス基板の面内温度の均一性を評価した。測定点数は５０点である。ここで、温度均一性（％）とは、最高温度と最低温度との差の半分を平均値で除した商を１００倍した数値である。図２から、高い圧力下で熱処理すると圧力に応じて熱の伝達効率が高まるので熱処理の均一性を高められることが判る。多結晶シリコン膜３を均一性の高い温度雰囲気で処理すれば、それだけ均一性の良い多結晶シリコン膜５を得ることができる。１０％以下の良好な均一性を得るためには、およそ５気圧以上の雰囲気下で熱処理すれば良いことが判る。また、１０気圧程度まで均一性の向上が顕著であって、１０気圧以上から飽和傾向にあることから、特に好ましくは、１０気圧以上とすることが効果的であり、逆に５０気圧以上としても均一性の向上はみられない。
【００２３】
さらに、上述のような酸化処理を５気圧以上の雰囲気で行うと、７００℃以下の温度でも酸化を効率よく行うことができる。一般には、同一温度であれば圧力にほぼ比例して酸化レートがあがるので、同じ酸化レートで処理するとすれば処理温度を低温化することができ、７００℃以下の温度でも、使用可能な酸化速度（１０ｎｍ／ｈ）が得られる。
【００２４】
第３工程として、図１（ｃ）に示すように、前記酸化シリコン膜４および前記多結晶シリコン膜３をエッチングして、島状の酸化シリコン膜６および島状の多結晶シリコン膜５を形成する。ここでは通常用いられるフォトリソグラフィ技術によりパターニングされたレジストを形成して、プラズマを用いたドライエッチング法により多結晶シリコン膜をエッチングした。
【００２５】
第４工程として、図（ｄ）に示すように、絶縁膜７を形成する。絶縁膜７はプラズマＣＶＤ法により３５０℃でＴＥＯＳ（テトラ・エチル・オルト・シリケート：Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ3 ）4 ）ガスとＯ2 ガスとを用いて成膜した膜厚１００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜を用いた。ここでは上記方法を用いたが、ＳｉＨ4 ガスとＯ2 ガスを用いたプラズマＣＶＤ法や、４５０℃でＳｉＨ4 ガスとＯ2 ガスを用いた減圧ＣＶＤ法や、４３０℃でＳｉＨ4 ガスとＯ2 ガスを用いた常圧ＣＶＤ法や、スパッタ法等を用いて成膜した酸化シリコン膜でもよいことは言うまでもない。膜厚は５０〜１５０ｎｍ程度が好ましい。また、ここでは酸化シリコン膜を用いたが、窒化シリコン膜や、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜でもよい。
【００２６】
次に、請求項２に示すように上記第４工程のあとに、窒素を主成分とする雰囲気下において絶縁膜７、酸化シリコン膜６および多結晶シリコン膜５を熱処理することによって、酸化シリコン膜６が緻密化され、かつ、酸化シリコン膜６と多結晶シリコン膜５との界面もさらに良好になって、このようにして作った多結晶シリコン薄膜トランジスタは非常に信頼性に優れ、良好な性能が得られる。
【００２７】
第５工程として、図１（ｅ）に示すように、ゲート電極８を形成する。ゲート電極８は、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＴｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｗまたはこれらの積層膜をスパッタ法等によって成膜した後、エッチングを行って形成する。ゲート電極８は、図１（ｅ）のＡ−Ａ矢視図である図３に示すように島状の多結晶シリコン膜５および島状の酸化シリコン膜６より外にはみ出して（図上右端）形成されているので、もし絶縁膜７がないと島の周縁部で、ゲート電極８と多結晶シリコン膜５とが直接接触してしまい薄膜トランジスタの性能が損なわれる。
【００２８】
次に、図１（ｆ）に示すように、ゲート電極８をマスクとして自己整合的に不純物イオン９を多結晶シリコン膜に注入し、この後不純物イオンを活性化してトランジスタのソース部１０Ｓ、ドレイン部１０Ｄを形成する。このとき不純物が注入されなかった部分はトランジスタのチャネル部１０Ｃとなる。Ｎ型トランジスタを形成するときにはリン、砒素等の第５族元素を、Ｐ型トランジスタを形成するときにはボロン等の第３族元素を不純物イオンとして注入する。不純物イオンの注入には質量分離を行わないで水素等を同時に打ち込んでもよい。活性化には炉アニール、レーザアニール、ランプアニール等を用いる。ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザ照射を行って活性化した。
【００２９】
次に、図１（ｇ）に示すように、層間絶縁膜１１を成膜する。ここでは、層間絶縁膜１１はプラズマＣＶＤ法により３００℃で成膜した膜厚５００ｎｍの窒化シリコン膜を用いた。段差被覆性の良好なＴＥＯＳガスを用いたプラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法により形成される酸化シリコン膜でもよいことは言うまでもない。膜厚は３００〜５００ｎｍ程度が好ましい。続いて、コンタクトホール１２を開口した後、引出し配線１３を形成して、薄膜トランジスタを完成した。
【００３０】
以上のようにして、作製したＮ型薄膜トランジスタの特性を従来例と比較して表１に示す。
【００３１】
【表１】
0004211085.tif 000002
【００３２】
ここで従来例としたのは、多結晶シリコン膜２を水蒸気を主成分とした酸化能力のある気体を主成分とした雰囲気下で酸化して、酸化シリコン膜を形成する第２工程を省いて、多結晶シリコン膜２を形成する第１工程の後に島状エッチングを行う第３工程を行い、続いて絶縁膜７成膜する第４工程を行って形成した薄膜トランジスタである。本発明によって作製したＮ型の薄膜トランジスタを評価して求めた移動度、しきい値、Ｓ値の全ての項目において、従来例より本発明のほうが特性が優っていることがわかる。
【００３３】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、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。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、多結晶シリコン膜を酸化して改質を行った後、酸化により生じた酸化シリコン膜を残したまま、絶縁膜を形成して薄膜トランジスタを作成するようにしたので、次のような優れた効果を有する。
（１）酸化シリコン膜を除去するための工程が省け、その分製造コストの低下が可能になる。
（２）酸化シリコン膜が次の処理工程での多結晶シリコン膜を保護するので、多結晶シリコン膜の表面の汚染や劣化が起こらず、高い品質の薄膜トランジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の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】雰囲気圧力と温度均一性との関係を示すグラフである。
【図３】図１（ｅ）のＡ−Ａ矢視図である。
【符号の説明】
１    ガラス基板（絶縁性基板）
２    多結晶シリコン膜
３    改質された多結晶シリコン膜
４    酸化シリコン膜
５    島状の多結晶シリコン膜
６    島状の酸化シリコン膜
７    絶縁膜
【図１】
0004211085.tif 000003
【図２】
0004211085.tif 000004
【図３】
0004211085.tif 000005