JPH07153684A - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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JPH07153684A
JPH07153684A JP29716993A JP29716993A JPH07153684A JP H07153684 A JPH07153684 A JP H07153684A JP 29716993 A JP29716993 A JP 29716993A JP 29716993 A JP29716993 A JP 29716993A JP H07153684 A JPH07153684 A JP H07153684A
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amorphous silicon
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Hiroshi Tanabe
浩 田邉
Kenji Sera
賢二 世良
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Abstract

(57)【要約】 【目的】薄膜トランジスタ形成用の多結晶シリコン薄膜
中の酸素濃度を均一化して同一基板上に形成する薄膜ト
ランジスタのしきい値のばらつきを低減する。 【構成】低アルカリガラス基板1上に形成してa−Si
薄膜2の上にLPCVD法でSiO2 膜3を形成してa
−Si薄膜2の表面に酸素を拡散した後、SiO2 膜3
を除去してエキシマレーザビーム4でアニールし、多結
晶シリコン薄膜5を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体薄膜の製造方法に
関し、特に薄膜トランジスタ用高移動度半導体薄膜の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】液晶ディスプレイ等に使用される薄膜ト
ランジスタは、水素化非晶質シリコン(以下、a−S
i:Hと記す)膜を能動層として形成することが一般的
である。液晶ディスプレイの高精細化、明るさ向上のた
めの画素の高開口率化等にともない、能動層としてa−
Si:H膜に比べてキャリア移動度のより高い材料が求
められるようになっている。これは移動度の高い材料を
用いることによってトランジスタが占める面積を小さく
することができるからである。
【0003】液晶ディスプレイのようにガラス基板上に
半導体薄膜を形成する場合に、通常の半導体製造工程で
用いられるような六百数十度を超える高温プロセスを用
いることができず、レーザ等を用いシリコン薄膜のみを
限定してアニールする方法が主流となっている。特に、
ガラス基板上に成膜したアモルファスシリコン(以下a
−Siと記す)薄膜をエキシマレーザで熔融・再結晶化
した多結晶シリコン薄膜を能動層として使用すると移動
度100cm2 /Vsec以上の良好な特性を示す多結
晶シリコン薄膜トランジスタを実現できる可能性があ
る。紫外短波長、超短パルスであるエキシマレーザはガ
ラス基板上に堆積されたa−Si膜の表面のみで吸収さ
れるため、ガラス基板への熱的ダメージを与えることな
く良好な多結晶シリコン薄膜を得ることができるという
利点がある。
【0004】ところが、このような多結晶シリコン薄膜
を用いた薄膜トランジスタにおいては、そのゲート電圧
−ドレイン電流特性においてしきい値のマイナス方向へ
のシフトやしきい値特性の不均一性が生じるという問題
があった。このように不均一性を生む原因の一つとして
シリコン膜中への酸素拡散が挙げられる。即ちレーザ照
射工程においては、レーザの照射時にガラス基板全体が
加熱されることは無いものの、シリコン薄膜との界面が
加熱されるため、ガラス基板の構成原子がシリコン膜中
に拡散するという現象が生じる。一般に用いられる低ア
ルカリガラス基板は二酸化シリコンに代表される酸化物
を主成分として構成され、異種元素である酸素原子の拡
散が生じ易い。酸素拡散は形成される多結晶シリコン薄
膜のダングリングボンドを終端し電気伝導特性を向上さ
せるか、過度の酸素拡散は欠陥を生成し特性をを劣化さ
せる。特に、膜厚方向に対し基板側の方がシリコン膜表
面に比べ酸素濃度が高く、酸素の存在に起因する欠陥密
度の膜厚方向への違いが生じるため、シリコンの膜厚方
向に電荷分布の不均一が生じるという問題がある。
【0005】一方で、紫外線短パルスレーザであるエキ
シマレーザを照射した結果、シリコン膜表面近傍におい
て酸素の離脱が生じ、より大きな酸素濃度分布の不均
一、即ち電荷分布の不均一が生じるという問題も明らか
にされている。このようにして形成された膜厚方向への
電荷分布の不均一性は、電界効果型トランジスタである
薄膜トランジスタの特性に大きく影響を及ぼす。その結
果、上記多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタ
においては、上記電荷分布の高低差によりしきい値特性
が同一基板面内においても±15%以上と大きく変動す
るという問題があった。
【0006】このような問題を解決する手段として、従
来温度制御や表面平坦化を目的として行われてきた酸化
シリコン膜(以下SiO2 膜と記す)をキャップ層とす
るレーザアニール方法がある。このSiO2 膜を透過す
る波長のレーザを用いることによって、SiO2 膜を透
過しa−Si膜をレーザビームで照射することが可能と
なり、a−Si膜表面がSiO2 膜で覆われるため、a
−Si膜とガラス基板との界面と同様にアニール時にS
iO2 膜からの酸素拡散が生じ、かつ表面近傍の酸素離
脱を防ぐ利点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体薄膜
の製造方法は、屈折率の異なる材料の2層構造であるた
め、SiO2 膜厚の変化に応じて反射率、即ち実効的な
照射エネルギー強度が変化する。特に、液晶ディスプレ
イ等の大面積基板上においては、SiO2 膜の厚さを均
一化することが困難であるため、照射エネルギーが不均
一となって多結晶シリコン膜中の酸素濃度の均一性が低
下するという問題点があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の製
造方法は、絶縁基板上にアモルファスシリコン薄膜を形
成する工程と、前記アモルファスシリコン薄膜の表面に
酸素を供給する工程と、前記アモルファスシリコン薄膜
にレーザビームを照射してアニールし膜厚方向の酸素濃
度分布を調整した多結晶シリコン膜を形成する工程とを
含んで構成される。
【0009】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0010】図1(a),(b)は本発明の第1の実施
例を説明するための工程順に示した断面図である。
【0011】まず、図1(a)に示すように、低アルカ
リガラス基板1の上にLPCVD(減圧化学気相成長)
法により温度450〜600℃でa−Si薄膜2を10
0nmの厚さに堆積した後、LPCVD法によりa−S
i薄膜2の表面にSiO2 膜3を100nmの厚さに堆
積する。
【0012】このとき、低アルカリガラス基板1および
SiO2 膜3中の酸素がa−Si薄膜2へ拡散してa−
Si薄膜2の低アルカリガラス基板1およびSiO2
3と接しているそれぞれの表面側の酸素濃度が上昇す
る。
【0013】次に、図1(b)に示すように、SiO2
膜3を弗酸により除去した後、波長λ=308nmのエ
キシマレーザ(Xecl)4によりa−Si薄膜2を照
射してアニールし、多結晶シリコン薄膜5を形成する。
このときのエキシマレーザ4の照射強度は、400mJ
/cm2 で1箇所当りの照射パルス回数は5ショットで
ある。その結果、膜厚方向の酸素濃度の高低差が減少
し、欠陥密度の膜厚方向の差を縮小させることができ
る。
【0014】このようにして形成された多結晶シリコン
薄膜を用いてプレーナ型nチャネル薄膜トランジスタを
形成したところ、移動度120cm2 /Vsec、しき
い値電圧3.5Vで且つ同一基板内のしきい値特性の変
動が±6%以内に収まるという良好な薄膜トランジスタ
が得られた。
【0015】図2(a),(b)は本発明の第2の実施
例を説明するための工程順に示した断面図である。
【0016】まず、図2(a)に示すように、第1の実
施例と同様の工程で低アルカリガラス基板1の上に温度
450〜600℃のLPCVD法でa−Si薄膜2を1
00nmの厚さに堆積した後、酸素イオン6を加速電圧
18keV、ドーズ量5×1014cm-2でイオン注入
し、a−Si薄膜2の表面近傍の酸素濃度を高める。
【0017】次に、図2(b)に示すように、エキシマ
レーザ4でa−Si薄膜2を照射し、多結晶シリコン薄
膜5を形成する。このときの照射強度は400mJ/c
21箇所当りの照射パルス回数は3ショットである。
【0018】このようにして形成された多結晶シリコン
薄膜を用い第1の実施例と同様に形成したプレーナ型n
チャネル薄膜トランジスタでは、移動度110cm2 /
Vsec、しきい値電圧3.5Vで且つ同一基板内のし
きい値変動を±7%以内に収めることができた。
【0019】なお、イオン注入時に酸素イオンの質量分
離を厳密に行う必要はなく、従って、酸素ガスプラズマ
によるイオンドーピング技術を用いて酸素原子の導入を
行うことも可能である。
【0020】図3は本発明の第3の実施例を説明するた
めの断面図である。
【0021】図3に示すように、第1の実施例と同様の
工程で低アルカリガラス基板1の上にLPCVD法によ
りa−Si薄膜2を100nmの厚さに堆積した後、塩
酸:過酸化水素:水=1:1:6(mol比)の混合液
体又は硝酸水溶液を110℃に加熱した酸性溶液中で処
理しa−Si薄膜2の表面に厚さ0.1〜数nmのSi
2 膜7を形成する。次に、エキシマレーザ4でSiO
2 膜7およびa−Si薄膜2を照射強度400mJ/c
2 、1箇所当りの照射パルス回数3ショットで照射
し、多結晶シリコン薄膜を形成する。
【0022】ここで、SiO2 膜7は膜厚が非常に薄い
ため、a−Si薄膜2へのレーザの照射エネルギー強度
のばらつきを生ずることなく面内の均一なレーザアニー
ルができる。
【0023】このようにして形成された多結晶シリコン
膜を用いてプレーナ型nチャネル薄膜トランジスタを形
成した場合に移動度120cm2 /Vsec、しきい値
電圧3.4Vで且つ同一基板内のしきい値特性の変動が
±5%以内に収まるという良好な薄膜トランジスタが得
られた。
【0024】なお、本実施例でa−Si薄膜2を硝酸水
溶液で処理した場合には、低アルカリガラス基板1が硝
酸によるダメージを受けるため、a/Si薄膜を低アル
カリガラス基板1の表裏に堆積してダメージを防いでい
る。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、アモルフ
ァスシリコン薄膜の表面に酸素を供給した後、レーザビ
ームアニールで多結晶シリコン薄膜を形成することによ
り、従来例のレーザアニールと同時に酸素を供給するた
めのアモルファスシリコン薄膜上のSiO2 膜を必要と
せず、従ってレーザビームの照射エネルギーの同一基板
面内のばらつきを抑えることができ、多結晶シリコン膜
中の酸素濃度の不均一性を低減できるという効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程順
に示した断面図。
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための工程順
に示した断面図。
【図3】本発明の第3の実施例を説明するための断面
図。
【符号の説明】
1 低アルカリガラス基板 2 a−Si薄膜 3,7 SiO2 膜 4 エキシマレーザビーム 5 多結晶シリコン薄膜 6 酸素イオン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/336

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上にアモルファスシリコン薄膜
    を形成する工程と、前記アモルファスシリコン薄膜の表
    面に酸素を供給する工程と、前記アモルファスシリコン
    薄膜にレーザビームを照射してアニールし膜厚方向の酸
    素濃度分布を調整した多結晶シリコン膜を形成する工程
    とを含むことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 アモルファスシリコン薄膜の上に減圧化
    学気相成長法により酸化シリコン膜を堆積して前記アモ
    ルファスシリコン薄膜の表面に酸素を供給した後前記酸
    化シリコン膜を剥離する工程を含む請求項1記載の半導
    体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 アモルファスシリコン薄膜の表面に酸素
    イオンをイオン注入して前記アモルファスシリコン薄膜
    の表面に酸素を供給する請求項1記載の半導体薄膜の製
    造方法。
  4. 【請求項4】 アモルファスシリコン薄膜の表面を酸性
    溶液中で処理し前記アモルファスシリコン薄膜の表面に
    酸素を供給する請求項1記載の半導体薄膜の製造方法。
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