(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体膜を半導体装置活性領域として用いている薄膜半導体装置の製造方法において、
後に半導体装置活性領域と化す非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記非晶質半導体膜を島状に加工する工程と、
前記島状に加工された非晶質半導体膜上に第一ゲート絶縁膜を５００℃以下で形成する工程と、
前第一ゲート絶縁膜形成後に、温度５８０℃以上、６００℃以下のアニールで前記非晶質半導体膜に結晶核を発生させる工程と、
前記結晶核を発生させた後に熱酸化法によって前記結晶核の発生した非晶質半導体膜を結晶化すると共に当該非晶質半導体膜と前記第一ゲート絶縁膜との間に第二ゲート絶縁膜を９００℃以上、１０００℃以下で形成する工程と
を順に施すことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記結晶核を発生させる工程と前記熱酸化とを同一装置で行い、前記結晶核を発生させた後に前記基板を当該装置から取り出さずに連続して前記熱酸化を行うことを特徴とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第一ゲート絶縁膜をプラズマ化学気相堆積法で形成することを特徴とする請求項１記載の薄膜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】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。具体的には、石英等の絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜半導体装置（ＴＦＴ）等の半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の画素を有するアクティブ型液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、及びイメージセンサ等の各種電子デバイスにおいては、各画素を個別に駆動するために、石英等の絶縁表面を有する基板上に形成された薄膜半導体装置（ＴＦＴ）が用いられることが多い。また、ビデオプロジェクタに用いられるライトバルブ等も石英等の絶縁表面を有する基板上に形成された薄膜半導体装置（ＴＦＴ）が用いられることが多い。
【０００３】
一般に、ライトバルブに用いられる薄膜半導体装置は高温プロセスを用いて製造された多結晶薄膜半導体装置である。高温プロセスとは、ＬＳＩ技術を踏襲して熱酸化ゲート絶縁膜を採用するプロセスであり、１０００℃以上のプロセス温度に耐え得る高価な石英基板を使用するという難点はあるものの、再現性、安定性、量産性等に優れた特徴を有する技術である。
【０００４】
以下、一般的な高温プロセスによる多結晶薄膜半導体装置の製造方法を簡単に説明する。最初に石英基板上に化学気相堆積法（ＣＶＤ法）等により下地保護膜として酸化珪素膜を形成する。次に、酸化珪素膜上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）等により非晶質珪素半導体膜（ａ−Ｓｉ膜）を形成する。この非晶質珪素半導体膜は固相成長法（ＳＰＣ法）により結晶化され、多結晶珪素半導体膜となる。ここで、固相成長法とは、半導体膜を溶融させずに固相にて半導体膜の結晶化を進める方法であり、５５０℃程度から６５０℃程度の温度で数時間から数十時間のアニールが行われる。
【０００５】
次いで、半導体膜を所定のパターンに島状に加工した後、ゲート絶縁膜を形成する。高温プロセスでは熱酸化法を利用し、１０００℃程度の温度で酸素含有雰囲気下にて半導体膜表面に酸化珪素膜を成長させる。また、このゲート絶縁膜形成時には１０００℃程度と高温になるために、多結晶珪素半導体膜の結晶性が改善される。
【０００６】
その後、熱酸化法によって酸化珪素膜を成長させた後、ＣＶＤ法等により更に酸化珪素膜を堆積して、ゲート絶縁膜を厚くする。引き続いて、ゲート電極を形成し、半導体膜に不純物イオンの注入を行ってソース・ドレイン領域及びチャネル形成領域を作成する。次に、層間絶縁膜を形成し、コンタクト・ホールを開口し、ソース・ドレイン取り出し電極と配線を形成する。こうして多結晶薄膜半導体装置は完成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上説明した従来の製造方法で製造された薄膜半導体装置においては、電気特性が悪いという課題があった。図６に示すように、従来の製造方法では、半導体膜４１１を固相成長法により結晶化させた後、所定の島状パターン４１２に加工している。この方法では、所定の島状パターン４１２に加工された半導体膜内には島状パターン４１２の外から成長してきた結晶粒４１４を含むことになる。その結果、島状パターン４１２内の結晶は粒径の小さいものとなり、パターン内には多くの結晶粒界４１３が存在することになる。この結果として、薄膜半導体装置の電気特性は悪くなってしまう。
【０００８】
また、従来の製造方法で製造された薄膜半導体装置においては、ゲート絶縁膜の信頼性に問題があった。従来の製造方法では、熱酸化法によって形成された酸化珪素膜上にＣＶＤ法等により更に酸化珪素膜を堆積している。このＣＶＤ法等により堆積された酸化珪素膜の品質は熱酸化法によって形成された酸化珪素膜に比べれば遙かに劣るため、ＣＶＤ法等により形成された酸化珪素膜をゲート絶縁膜として用いた薄膜半導体装置の信頼性に問題が生じてくる。そこで、酸化珪素膜堆積後に窒素中１０００℃程度の温度にて熱処理を施して、酸化膜の緻密化を図る。この工程を行うことによりゲート絶縁膜の信頼性は向上するが、新たな工程が加わるため、生産性が悪くなるという問題が生ずる。
【０００９】
本明細書で開示する発明は、上記の問題を解決する手段を提供するものである。具体的には基板上に形成された薄膜半導体装置の製造方法において、半導体膜内に結晶粒界が少なく、半導体膜が大粒径の結晶粒から成り、電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体装置の製造方法を提供することをその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点による薄膜半導体装置の製造方法は、後に半導体装置活性領域と化す非晶質半導体膜を形成する工程と、前記非晶質半導体膜を島状に加工する工程と、前記島状に加工された非晶質半導体膜上に第一ゲート絶縁膜を５００℃以下で形成する工程と、前第一ゲート絶縁膜形成後に、温度５８０℃以上、６００℃以下のアニールで前記非晶質半導体膜に結晶核を発生させる工程と、前記結晶核を発生させた後に熱酸化法によって前記結晶核の発生した非晶質半導体膜を結晶化すると共に当該非晶質半導体膜と前記第一ゲート絶縁膜との間に第二ゲート絶縁膜を９００℃以上、１０００℃以下で形成する工程とを順に施すことを特徴としている。
この製造方法によれば、半導体膜を所定の島状パターンに加工した後に結晶核を発生させ、その後熱酸化法によって半導体膜を結晶化している。この結晶化は島状パターンに加工した後に発生させた結晶核から結晶成長が始まる。すなわち、上記製造方法では島状パターンに加工した後には結晶核を発生させるだけであるが、後の熱酸化工程において島状パターンに加工した後に発生させた結晶核を元にして結晶化されるので、結局は所定の島状パターン５１１内はパターン内部に発生した結晶核から成長した大きい結晶粒のみとなり、パターン内には結晶粒界５１２が少なくなるのである。よって薄膜半導体装置の電気特性は従来の製造方法によるものより良くなる。
また、上記製造方法によれば、固相成長法によって半導体膜を結晶化させる必要が無く、結晶核を発生させるだけでよいので、基板処理時間を短縮することができ、生産性が向上するという効果を有する。例えば、固相成長法によって半導体膜を結晶化させる場合、温度が６００℃であれば結晶化に要する時間は２４時間程度と非常に長くなる。温度を６４０℃程度に高くしても結晶化には６時間程度を要する。しかし、結晶核を発生させるだけならば、温度が６００℃の場合では８時間から１２時間程度の処理で良く、温度が６４０℃の場合であれば１時間から２時間程度と短くなる。このように上記製造方法によれば、基板処理時間を短縮することすることができ、生産性が向上するのである。
また、上記製造方法によれば、第一ゲート絶縁膜を形成した後に熱酸化によって第二ゲート絶縁膜を形成している。よって、熱酸化工程時に第一ゲート絶縁膜が焼きしめられるため、絶縁膜の信頼性が高くなる。
また、上記製造方法によれば、第一ゲート絶縁膜は充分低温で形成されるため、第一ゲート絶縁膜形成時の非晶質半導体膜結晶化を防ぐことができる。これにより、熱酸化前に半導体膜に存在する結晶核の数が少なくなり、熱酸化時の半導体膜の結晶化で大粒径の多結晶半導体膜を得ることができるので、高性能な薄膜半導体装置を製造することができる。
また、上記製造方法によれば、結晶核発生工程の温度が充分低いので、半導体膜中の結晶核発生を抑える事ができる。これにより、熱酸化後の多結晶半導体膜は大粒径の結晶粒から成り、薄膜半導体装置の電気特性は高くなる。
更に、上記製造方法によれば、第二ゲート絶縁膜の形成温度が高く、第一ゲート絶縁膜の焼きしめが充分に行われるので、絶縁膜の信頼性が高くなる。また、多結晶珪素半導体膜中の欠陥低減が充分に行われるので、半導体膜の結晶性が高くなり、薄膜半導体装置の電気特性が高くなる。
本発明の第２の観点による薄膜半導体装置の製造方法は、第１の観点による薄膜半導体装置の製造方法において、結晶核を発生させる工程と熱酸化を同一装置で行い、結晶核を発生させた後に基板を装置から取り出さずに連続して熱酸化を行うことを特徴としている。
この製造方法によれば、固相成長工程と熱酸化工程の間に装置から基板を出し入れしないので、生産性が向上する。基板の出し入れとは、かなりの時間を要するものである。縦型熱処理炉の場合を考えると、まずカセットに入った基板をボートにチャージし、基板がチャージされたボートを熱処理炉内に挿入する。熱処理が終了した後、基板がチャージされたボートを熱処理炉か取り出し、熱せられた基板を冷却した後にボートからカセットへと基板を戻す。以上の基板の出し入れに要する時間は基板枚数にもよるが、例えば基板枚数が８０枚程度の場合には１時間３０分から２時間程度の長い時間を要する。上記製造方法によれば、基板の出し入れが一回分減らせるので、基板処理時間を１時間３０分から２時間程度減らすことができるのである。
また、基板の出し入れが無いため、基板への不純物の付着や自然酸化膜の形成を防ぐことができるので、歩留まりが高くなり、高性能で高信頼性の薄膜半導体装置を製造することができる。
本発明の第３の観点による薄膜半導体装置の製造方法は、第１の観点による薄膜半導体装置の製造方法において、第一ゲート絶縁膜をプラズマ化学気相堆積法で形成することを特徴としている。この製造方法によれば、第一ゲート絶縁膜を非晶質半導体膜が結晶化しないような充分低い温度で形成することが容易にできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法について詳細に説明する。図１〜図３は、本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。以下、これらの図を参照しつつ本発明の一実施形態について説明する。
【００１２】
（１）図１の工程
基板上に形成された薄膜半導体装置の製造方法において、基板として厚さ１．２ｍｍの石英基板１１１を用い、この石英基板１１１上に下地保護膜として化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により酸化珪素膜１１２を膜厚８００ｎｍ程度堆積する。下地保護膜としての酸化珪素膜１１２上に低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）により非晶質珪素膜１１３を膜厚５０ｎｍから６０ｎｍ程度堆積する。
【００１３】
次に、フォト・リソグラフィー法により非晶質珪素膜１１３をパターニングする。非晶質珪素膜１１３上に第一ゲート絶縁膜としてプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）により酸化珪素膜１１４を膜厚５０ｎｍ程度堆積する。このとき、基板温度は５００℃以下であり、非晶質珪素膜１１３が結晶化しない程度に低い温度になっている。
【００１４】
（２）図２の工程
次に、固相成長法によって非晶質珪素膜１１３の結晶化を行う。窒素雰囲気で温度が６００℃となっている熱処理炉内に基板を挿入し、２４時間の熱処理を行う。こうして非晶質珪素膜１１３は多結晶珪素膜１１３となる。ここで固相成長によって結晶化を行う代わりに、半導体膜に結晶核を発生させるだけでも良い。その場合の熱処理時間は８時間から１２時間程度で良い。
【００１５】
引き続き、基板を熱処理炉から取り出さずに、熱酸化法によりゲート絶縁膜としての酸化珪素膜を形成する。固相成長法による結晶化又は結晶核発生工程が終了した後、熱処理炉内に窒素と僅かの酸素を流して熱処理炉内の雰囲気を窒素中の酸素が１０ｐｐｍから１％程度である雰囲気とし、熱処理炉の温度を毎分４℃から２０℃程度のレートで上昇させ、熱処理炉内の温度を１０００℃とする。
【００１６】
ここで、昇温レートが４℃程度と低ければ温度制御性が良くなるが、昇温に長時間を要するため、生産性が低下する。一方昇温レートが２０℃と高ければ温度制御性が悪くなるが、昇温時間は短くなるため、生産性は向上する。上記の温度上昇行程を窒素１００％雰囲気で行うと半導体膜に穴が開いてしまうという問題がある。
【００１７】
上記の様に窒素中の酸素が１０ｐｐｍ程度の雰囲気にすると、半導体膜上に極薄酸化膜が形成されるので半導体膜に穴が開くことを防ぐ事ができる。ここで酸素濃度を１％程度以上と高くしすぎると酸化膜厚が厚くなってしまう。この酸化膜は低温で形成されるので膜質が悪く、ゲート絶縁膜となった場合に薄膜半導体装置の特性や信頼性の低下の原因となる。よって、上記の温度上昇行程においては酸素濃度を１０ｐｐｍから１％程度と充分低くしておいて、半導体膜に穴が開くことを防ぎ、且つ膜質の悪いゲート絶縁膜を必要以上に成長させないようにする必要がある。
【００１８】
温度が上昇した後、熱処理炉内の雰囲気を窒素中の酸素が２％以上又は酸素１００％とし、多結晶珪素膜を酸化することによって熱酸化珪素膜１１５を３０ｎｍ程度形成する。既に第一ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１４が形成されているが、酸化反応は多結晶珪素膜１１３の表面で進行するので、第二ゲート絶縁膜としての熱酸化珪素膜１１５は多結晶珪素膜１１３と第一ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１４との間に形成される。
【００１９】
このように、半導体膜とゲート絶縁膜の界面は熱酸化により形成されるので、ＴＦＴの電気特性を悪化させる界面準位の密度は低くなる。また、熱酸化工程時、ＰＥＣＶＤ法により形成された第一ゲート絶縁膜が高温で焼き締められるため、ゲート絶縁膜の信頼性は高くなる。半導体膜を固相成長によって結晶化せず、結晶核発生のみを行った場合には、上記の温度上昇行程及び熱酸化工程において半導体膜が結晶化する。
【００２０】
（３）図３の工程
以下、従来の技術と同様にして、第一ゲート絶縁膜としての酸化珪素膜１１４上にゲート電極１１６を形成し、多結晶珪素膜１１３に不純物イオンの注入を行ってソース領域１１３ａ、ドレイン領域１１３ｂ、及びチャネル形成領域１１３ｃを作成する。次に、層間絶縁膜１１７を形成し、コンタクト・ホールを開口し、ソース電極１１８及びドレイン電極１１９並びに配線を形成する。以上の工程を経て、本実施形態の多結晶薄膜半導体装置は完成する。
【００２１】
以上の構成を順に行って薄膜半導体装置を作成し、その伝達特性を測定した。図５は、本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を用いて製造された薄膜半導体装置の伝達特性である。尚、比較のため従来の薄膜半導体装置の製造方法を用いて製造された薄膜半導体装置の伝達特性を図７に示す。
【００２２】
測定した薄膜半導体装置の幅Ｗは１０μｍで、長さＬは４μｍである。ドレイン電圧ＶｄｓはＮＭＯＳの場合が３．３Ｖと５Ｖであり、ＰＭＯＳの場合が−３．３Ｖと−５Ｖである。表１にドレイン電圧Ｖｄｓを±５Ｖに設定したときの飽和移動度及び閾値電圧、並びに、ドレイン電圧Ｖｄｓを±３．３Ｖに設定したときのサブスレショルドスウィングＳを示す。
【表１】
0004221943.tif 000002
【００２３】
表１の飽和移動度を見ると、従来の製造方法による薄膜半導体装置よりも本発明の製造方法による薄膜半導体装置の方が値が高くなっている。これは本発明によって半導体膜の結晶粒径が大きくなった効果であると考えられる。
【００２４】
以上説明したように、本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法によれば、半導体膜内に結晶粒界が少なく、半導体膜が大粒径の結晶粒から成り、電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体装置を製造することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体膜内に結晶粒界が少なく、半導体膜が大粒径の結晶粒から成り、電気特性が良く、ゲート絶縁膜の信頼性が高く、且つ生産性の高い薄膜半導体装置を製造することができるという効果がある。
本発明の薄膜半導体装置の製造方法によると、高性能な薄膜半導体装置を容易に且つ安定的に製造する事ができるという効果がある。
従って、本発明の薄膜半導体装置、及びその製造方法をアクティブ・マトリックス液晶表示装置に適用した場合には、大型で高品質な液晶表示装置を容易に且つ安定的に製造することができるという効果がある。
更に、他の電子回路の製造に適用した場合にも高品質な電子回路を容易に且つ安定的に製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図２】  本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図３】  本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図４】  本発明の薄膜半導体装置の製造方法を用いて形成される島状パターンの一例を示す図である。
【図５】  本発明の一実施形態による薄膜半導体装置の製造方法を用いて製造された薄膜半導体装置の伝達特性である。
【図６】  従来の薄膜半導体装置の製造方法を用いて形成される島状パターンの一例を示す図である。
【図７】  従来の薄膜半導体装置の製造方法を用いて製造された薄膜半導体装置の伝達特性である。
【符号の説明】
１１１……石英基板
１１２……酸化珪素膜
１１３……非結晶珪素膜、多結晶珪素膜
１１３ａ……ソース領域
１１３ｂ……ドレイン領域
１１３ｃ…… チャネル形成領域
１１４……酸化珪素膜（第一ゲート絶縁膜）
１１５……熱酸化珪素膜（第二ゲート絶縁膜）
１１６……ゲート電極
１１７……層間絶縁膜
１１８……ソース電極
１１９……ドレイン電極
４１１……半導体膜
４１２，５１１……島状パターン
４１３，５１２……結晶粒界
４１４……パターンの外から成長してきた結晶粒
【図１】
0004221943.tif 000003
【図２】
0004221943.tif 000004
【図３】
0004221943.tif 000005
【図４】
0004221943.tif 000006
【図５】
0004221943.tif 000007
【図６】
0004221943.tif 000008
【図７】
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