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半導(dǎo)體器件的制造方法

文檔序號(hào):6843022閱讀:92來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法。特別是涉及一種薄膜半導(dǎo)體的制造方法。
背景技術(shù)
在絕緣襯底上形成的多晶硅薄膜晶體管中,通常具有MOS-FET(金屬氧化物半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的結(jié)構(gòu)。作為此薄膜晶體管的制造方法,一般有在絕緣襯底上形成多晶硅半導(dǎo)體層之后,利用化學(xué)氣相生長(zhǎng)(CVD)方法,在多晶硅膜之上層疊作為柵絕緣膜的氧化硅膜,并且在其上形成柵電極的方法。在用此方法制造出的多晶硅薄膜晶體管中,會(huì)在成為MOS界面的多晶硅的表面處存在結(jié)晶缺陷和雜質(zhì)等。尤其是,在含有多晶硅膜表面的部分中形成的源區(qū)和漏區(qū)之間的區(qū)域中,若存在結(jié)晶缺陷等時(shí),此區(qū)域中的電子或空穴的遷移率就會(huì)變低,并產(chǎn)生所謂閾值電壓增高的問(wèn)題。
在日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)平11-67758號(hào)公報(bào)中,公開(kāi)了一種包含在氧化速度小的以氧為主要成分的氣氛中氧化多晶硅膜的工序的制造方法。在此制造方法中,緩慢進(jìn)行多晶硅膜的表面層的氧化,能夠減少結(jié)晶缺陷,能夠使膜質(zhì)量均勻,能夠抑制未氧化而殘留的多晶硅膜表面的凹凸。此外,通過(guò)兼用在氧化速度大的以水蒸氣為主要成分的氣氛中的氧化工序,就能夠加速多晶硅膜內(nèi)的氧化速度,能夠形成結(jié)晶缺陷少的優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體膜。此外,在1~50大氣壓的氣氛中進(jìn)行這兩個(gè)工序時(shí),在300~700℃下能夠更有效地生長(zhǎng)氧化膜等,而不會(huì)損傷絕緣性襯底。而且,在此現(xiàn)有例中,作為形成多晶硅膜的方法,可使用爐退火方法(固相生長(zhǎng)方法)、激光退火方法(熔融再結(jié)晶方法)等方法。
在特開(kāi)平9-312403號(hào)公報(bào)中公開(kāi)了一種將鎳元素與非晶硅膜的特定區(qū)域接觸并保持的制造方法。通過(guò)對(duì)設(shè)置有鎳元素的非晶硅膜實(shí)施加熱處理,就能夠進(jìn)行平行于襯底的方向上的晶體生長(zhǎng)。而且,通過(guò)在含有鹵族元素的氧化性氣氛中實(shí)施加熱處理,形成熱氧化膜。并且,使上述晶體生長(zhǎng)方向和連接源/漏區(qū)的方向一致,制作薄膜晶體管(TFT)。利用此制造方法,就能夠獲得作為晶體管特性的遷移率及S值優(yōu)良的薄膜晶體管。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)平11-67758號(hào)公報(bào)(第3-6頁(yè)、圖1-4)專利文獻(xiàn)2特開(kāi)平9-312403號(hào)公報(bào)(第4-10頁(yè)、圖1-5)發(fā)明內(nèi)容在特開(kāi)平11-67758號(hào)公報(bào)或特開(kāi)平9-312403號(hào)公報(bào)中公開(kāi)的制造方法中,能夠在多晶硅膜的內(nèi)部形成MOS界面。因此,形成多晶硅表面的結(jié)晶缺陷和雜質(zhì)少的MOS界面,就能夠獲得晶體管特性優(yōu)良的薄膜晶體管。
但是,在特開(kāi)平11-67758號(hào)公報(bào)中公開(kāi)的制造方法中,為了形成多晶硅膜,采用對(duì)非晶硅膜照射激光,并將非晶硅膜轉(zhuǎn)換為多晶硅膜的一般的激光退火的方法。在此方法中,多晶硅的晶體生長(zhǎng)從熔融的硅膜的下部、即從最深的溫度低的絕緣襯底的一側(cè)產(chǎn)生。由于晶體生長(zhǎng)自硅膜的下部向上部,即向表面進(jìn)行生長(zhǎng),所以越接近硅表面,結(jié)晶形成就越好。由于在此多晶硅膜上形成柵絕緣膜等,對(duì)多晶硅的表面進(jìn)行氧化時(shí),結(jié)晶性好的部分就成為氧化硅膜。另一方面,盡管要形成源區(qū)和漏區(qū)的MOS界面保持潔凈度,但仍會(huì)在多晶硅膜內(nèi)部的結(jié)晶性差的部分處形成此MOS界面。由于在多晶硅膜中的結(jié)晶性差的部分處形成半導(dǎo)體層,因此就會(huì)存在所謂不能充分改善薄膜晶體管性能的問(wèn)題。
在特開(kāi)平9-312403號(hào)公報(bào)的制造方法中,由于在與絕緣襯底的主表面平行的方向上進(jìn)行晶體生長(zhǎng)后、氧化多晶硅膜的表面以形成氧化硅膜,所以認(rèn)為對(duì)多晶硅膜的膜厚方向的結(jié)晶性沒(méi)有太大變化。即,可以認(rèn)為,即使為了形成氧化硅膜而氧化多晶硅膜,殘留的硅膜也具有優(yōu)良的結(jié)晶性。但是,在此制造方法中,為了以平行于襯底的主表面的方向來(lái)進(jìn)行晶體生長(zhǎng),就必須使硅膜中含有鎳,所以必須去除鎳。由此,就會(huì)存在所謂的工藝復(fù)雜的問(wèn)題。此外,還會(huì)存在所謂需要在1000℃左右的高溫氣氛中進(jìn)行制造的問(wèn)題。
本發(fā)明正是為了解決上述問(wèn)題而提出的,其目的在于,提供一種能夠容易地制造結(jié)晶性優(yōu)良的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體器件的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法,包括在襯底上形成非晶硅膜的非晶硅的層疊工序;對(duì)非晶硅膜照射激光,將非晶硅膜的至少一部分變換為多晶硅膜的照射工序;在照射工序之后,在含氧的氣氛中氧化多晶硅膜表面的氧化工序,作為激光,可使用將350nm≤波長(zhǎng)≤800nm的脈沖激光變換為在寬度方向上具有至少≥3(mJ/cm2)/μm的能量密度梯度的線形光束的激光。氧化工序在500℃≤溫度≤650℃且壓力≥10大氣壓的飽和水蒸氣壓的氣氛中進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明,能夠容易地制造出結(jié)晶性優(yōu)良的半導(dǎo)體器件。


圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第一工序的剖面圖。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第二工序的剖面圖。
圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第三工序的剖面圖。
圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第四工序的剖面圖。
圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第五工序的剖面圖。
圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的第六工序的剖面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的照射激光的裝置的簡(jiǎn)圖。
圖8A是在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法中,照射激光時(shí)的簡(jiǎn)略斜視圖。
圖8B是在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法中,說(shuō)明照射激光的非晶硅膜的斜視圖。
圖9是在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法中,對(duì)非晶硅膜照射激光時(shí)的說(shuō)明圖。
圖10A是在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中,使熔融部結(jié)晶時(shí)的說(shuō)明圖。
圖10B是在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的制造方法中,使熔融部結(jié)晶時(shí)的說(shuō)明圖。
圖11是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明形成的多晶硅膜的晶粒的平面圖。
圖12是放大根據(jù)本發(fā)明制造出的薄膜晶體管的MOS界面附近的剖面圖。
圖13是說(shuō)明按各制造方法制造出的薄膜晶體管的遷移率的曲線圖。
圖14是說(shuō)明按各制造方法制造出的薄膜晶體管的閾值電壓的曲線圖。
(附圖標(biāo)記說(shuō)明)1絕緣襯底、2非晶硅膜、3多晶硅膜、5氧化硅膜、6柵電極、7保護(hù)膜、8源·漏電極、10NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置、11可變衰減器、12移動(dòng)臺(tái)、13靶、14線形光束成型光學(xué)系統(tǒng)、15聚光透鏡、16激光、20熔融部、21晶粒、22源·漏區(qū)、25,26長(zhǎng)度、30,31,32激光分布、35溫度分布曲線、40,41,42,43,44,45,46,50,51,52箭頭。
具體實(shí)施例方式
(實(shí)施方式1)參照?qǐng)D1至圖14,說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1中的半導(dǎo)體器件的制造方法。
圖1至圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法的一個(gè)例子的剖面圖。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件是MOS-TFT。圖1是非晶硅層疊工序的說(shuō)明圖。如箭頭40所示,使用CVD方法,在絕緣襯底1的上表面形成非晶硅膜2。作為絕緣襯底1,例如,除玻璃襯底等外,可使用在玻璃襯底的上表面上作為基底膜形成了氧化硅膜的襯底。在本實(shí)施方式中,作為絕緣襯底1,使用在玻璃襯底的上表面利用CVD方法形成了厚200nm的氧化硅膜的絕緣襯底。作為襯底上的薄膜材料,利用LPCVD(低壓CVD)形成厚度為70nm的非晶硅膜2。
圖2是照射工序的說(shuō)明圖。對(duì)非晶硅膜2的上表面,按箭頭41的方向照射激光。利用激光的照射,加熱熔融非晶硅膜2。冷卻熔融的硅進(jìn)行固化時(shí),晶體結(jié)構(gòu)就變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu),形成多晶硅膜3。
接著,如圖3所示,進(jìn)行使多晶硅膜3成為島狀的構(gòu)圖。圖4是氧化工序的說(shuō)明圖。通過(guò)在含氧的氣氛中進(jìn)行配置,氧化多晶硅膜3的表面,隨后形成成為柵絕緣膜的氧化硅膜5。除了在氧化氣氛中進(jìn)行此氧化工序之外,還優(yōu)選在飽和水蒸氣壓中進(jìn)行。
接著,如圖5所示,在氧化硅膜5的上表面形成柵電極6。通過(guò)這些工序,就形成了MOS結(jié)構(gòu)的基本部分。此后,在位于多晶硅膜3的表面中的柵電極6的兩肋區(qū)域中注入雜質(zhì),形成源區(qū)和漏區(qū)。并且,如圖6所示,在柵電極6的周圍,形成保護(hù)膜7和作為從源·漏區(qū)引出的引出電極的源·漏電極8。
圖7是在圖2的照射工序中使用的激光照射裝置的說(shuō)明圖。在本實(shí)施方式中的激光中,使用NdYAG激光器的二次諧波。激光由NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置10振蕩。本實(shí)施方式中的激光的波長(zhǎng)為532nm。如箭頭42所示,通過(guò)可變衰減器11及線形光束成型光學(xué)系統(tǒng)14,將振蕩的激光照射到在移動(dòng)臺(tái)12上設(shè)置的靶13上。利用可變衰減器11將激光調(diào)整到規(guī)定的強(qiáng)度,利用線性成型光學(xué)系統(tǒng)14將激光轉(zhuǎn)換為線形光束外形。移動(dòng)臺(tái)12構(gòu)成為相對(duì)于激光進(jìn)行靶13的相對(duì)移動(dòng)。使用這種裝置,對(duì)靶13進(jìn)行激光熱處理。
圖8A及圖8B,表示說(shuō)明對(duì)非晶硅膜照射激光使非晶硅膜熔融的狀態(tài)的簡(jiǎn)圖。利用在線性成型光學(xué)系統(tǒng)(參照?qǐng)D7)的輸出部上形成的聚光透鏡15將激光轉(zhuǎn)換為線形光束的激光16。線性激光16照射到非晶硅膜2的主表面上。激光的寬度方向的能量密度的分布例如為高斯分布形狀。如激光分布30所示,聚光的激光的能量密度在寬度方向的中央部分最大。并且,隨著從中央向外側(cè),能量密度慢慢地變低。照射中使用的激光16使用在寬度方向上具有至少≥3(mJ/cm2)/μm的能量密度梯度的激光。激光16的縱向方向中,能量密度是固定的。由此,照射的激光就成為了所謂的頂部平坦?fàn)睢?br> 對(duì)非晶硅膜2照射NdYAG激光器的二次諧波時(shí),由于非晶硅對(duì)二次諧波的吸收系數(shù)小,所以在非晶硅膜2的厚度方向上能夠進(jìn)行基本上均勻的加熱。對(duì)于激光16的寬度方向,如溫度分布曲線35所示,與激光分布30中的能量密度為最大的位置相對(duì)應(yīng)的位置成為最高的溫度,沿激光16的寬度方向溫度慢慢地變低。因此,如圖8B所示,在絕緣襯底上形成的非晶硅膜2,在深度方向整體基本上均勻地熔融,形成熔融部20。在激光16的寬度方向上只溶融一定的長(zhǎng)度。在激光16的縱向方向上沿線形光束形成熔融部20。即,沿對(duì)應(yīng)于激光分布30的能量密度最高部分的區(qū)域,形成熔融部20。
圖9表示對(duì)非晶硅膜2照射脈沖激光時(shí)的說(shuō)明圖。照射激光時(shí),通過(guò)移動(dòng)移動(dòng)臺(tái),使非晶硅膜2與絕緣襯底1一起按箭頭43的方向移動(dòng)。另一方面,激光的照射位置是固定的。在按線形光束的寬度方向移動(dòng)移動(dòng)臺(tái)的同時(shí)照射激光。例如,在圖8A中,一邊按箭頭43的方向移動(dòng)移動(dòng)臺(tái),一邊進(jìn)行激光的照射。在圖9中,激光分布30表示很近的激光的照射中的能量密度。激光分布31及激光分布32依次表示在過(guò)去進(jìn)行激光照射時(shí)的能量密度的分布。在此照射工序中,在線形光束的寬度方向一邊按每一固定距離移動(dòng),一邊進(jìn)行激光照射。當(dāng)一次移動(dòng)距離比線形光束的寬度長(zhǎng)時(shí),向同一位置照射激光的次數(shù)僅為一次。另一方面,通過(guò)使一次移動(dòng)的距離比線形光束的寬度短,就如圖9所示,能夠向同一位置多次進(jìn)行激光的照射,就能夠連續(xù)地進(jìn)行非晶硅膜的多晶化。此外,由于一邊移動(dòng)一邊照射脈沖激光,就能夠?qū)⒎蔷Ч枘さ囊欢▍^(qū)域整體轉(zhuǎn)換為多晶硅膜。
圖10A及圖10B是表示說(shuō)明使熔融的硅冷卻固化,變成多晶的狀態(tài)的剖面圖。圖10A是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行激光照射時(shí)的說(shuō)明圖。如圖8B所示,絕緣襯底上的非晶硅膜2在整個(gè)厚度方向基本上均勻地熔融。由于非晶硅膜2的深度方向及線形光束的縱向方向中的溫差小,晶體生長(zhǎng),如箭頭45所示,為激光相對(duì)移動(dòng)的方向即橫方向生長(zhǎng)(一維方向生長(zhǎng))。因此,生長(zhǎng)的晶粒按箭頭45所示的橫方向,即與絕緣襯底1的主表面平行的長(zhǎng)方向生長(zhǎng)。此外,能夠不依賴于深度方向地在整個(gè)深度方向上獲得結(jié)晶性優(yōu)良的多晶硅膜。
圖10B表示進(jìn)行根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光照射的情況時(shí)的晶體生長(zhǎng)的說(shuō)明圖。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的制造方法中,通過(guò)使用準(zhǔn)分子激光器(典型的準(zhǔn)分子激光器是波長(zhǎng)為308nm的XeCl激光器)的線形光束進(jìn)行激光熱處理。利用準(zhǔn)分子激光器時(shí),非晶硅對(duì)激光的吸收系數(shù)非常大,在非晶硅膜的表面附近進(jìn)行大部分激光的吸收。因此,非晶硅膜的表面附近溫度高,而非晶硅膜的膜下部溫度低,所以在非晶硅膜的厚度方向上生長(zhǎng)晶體。即,通過(guò)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光的照射,由于在非晶硅膜2的厚度方向產(chǎn)生溫度分布,所以如箭頭44所示,從溫度相對(duì)較低的絕緣襯底1的一側(cè)向相反側(cè)生長(zhǎng)晶體。因此,越接近非晶硅膜的表面形成的多晶硅就越優(yōu)質(zhì)。但是,隨后作為MOS界面的部分,由于位于非晶硅膜2的內(nèi)部,所以結(jié)晶性差的部分就形成為半導(dǎo)體層。相反,通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的制造方法,如上所述,就能夠形成不依賴于已轉(zhuǎn)變的多晶硅膜的厚度方向上的結(jié)晶性的優(yōu)質(zhì)的晶粒。
例如,由于聚光光束的寬度方向的分布為高斯分布狀,所以對(duì)非晶硅膜照射的激光的能量密度梯度,除激光的能量外,還隨激光的寬度方向的位置而變化。對(duì)制造出的多晶硅膜的晶粒形狀進(jìn)行觀察的結(jié)果表明,當(dāng)能量密度梯度為≥3(mJ/cm2)/μm時(shí),晶粒的形狀大大地偏離橫方向地進(jìn)行生長(zhǎng)。
圖11表示大量產(chǎn)生橫方向生長(zhǎng)的情況下的晶粒的平面圖。箭頭50表示的方向?yàn)榫€形光束的縱向方向,箭頭51表示的方向?yàn)榫€形光束的寬度方向。在箭頭52表示的方向上相對(duì)地移動(dòng)照射激光。各晶粒21按橫方向即箭頭51的方向生長(zhǎng)。本實(shí)施方式中,能夠得到晶粒直徑為數(shù)μm左右大的晶粒。尤其可以獲得,晶粒21的生長(zhǎng)方向即橫方向的長(zhǎng)度25為垂直于生長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度26的2倍或更大,晶粒21的縱向方向與線形光束的寬度方向(移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)方向)平行的多晶硅結(jié)晶陣列。通過(guò)形成這樣的晶體,就能夠提供電子或空穴遷移率大的半導(dǎo)體膜。尤其能夠提供在晶粒21的縱向方向遷移率大的半導(dǎo)體膜。
通過(guò)這樣的制造方法形成的多晶硅膜在壓力20大氣壓(2.026MPa)、溫度600℃的飽和水蒸氣壓氣氛中使其表面氧化,形成柵絕緣膜以制造出薄膜晶體管。在本說(shuō)明書(shū)中,將在飽和水蒸氣壓的氣氛中使多晶硅膜的表面氧化形成氧化硅膜的方法稱為“HPA方法”。
圖12是表示使用根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法制造出的MOS-FET中的MOS界面附近的放大剖面圖。在柵電極6之下形成氧化硅膜5,進(jìn)一步在其之下形成多晶硅膜3。在圖12中,示意地記載了在多晶硅膜3的內(nèi)部生長(zhǎng)的晶粒21。在作為多晶硅膜3的上表面的將柵電極投影到多晶硅膜3時(shí)成像區(qū)域一側(cè)的部分中,形成源·漏區(qū)22。在左右兩側(cè)形成源·漏區(qū)22。在柵電極6一側(cè)分別形成用于與源·漏區(qū)22導(dǎo)通的源·漏電極8。在照射工序中,此薄膜晶體管一邊按移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)方向(線形光束的寬度方向)如箭頭46所示的、平行于連結(jié)源區(qū)和漏區(qū)的方向進(jìn)行移動(dòng),一邊進(jìn)行照射。因此,晶粒生長(zhǎng)成,使晶粒的縱向方向平行于箭頭46所示的連結(jié)源區(qū)和漏區(qū)的方向。此外,在多晶硅膜3的厚度方向中,沒(méi)有產(chǎn)生晶粒的紊亂,形成晶粒的形狀幾乎相同的多晶硅膜。驅(qū)動(dòng)MOS-FET時(shí),電子或空穴按箭頭所示的方向在源·漏區(qū)22之間移動(dòng)。
圖13是表示比較用按現(xiàn)有技術(shù)的制造方法制造出的n溝道薄膜晶體管和用按本發(fā)明制造方法制造出的n溝道薄膜晶體管的電性能中的遷移率的曲線圖。作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的制造方法,使用在照射工序中使用準(zhǔn)分子激光器形成多晶硅的方法。橫軸表示通過(guò)柵絕緣膜的制造方法及各方法形成的厚度,縱軸表示通過(guò)各制造方法制造出的薄膜晶體管的遷移率。橫軸中最右側(cè)的點(diǎn)是僅進(jìn)行HPA方法形成氧化硅膜的薄膜晶體管??梢钥闯觯鶕?jù)本實(shí)施方式的制造方法(YAG2ω激光退火的方法)比基于現(xiàn)有技術(shù)的制造方法(準(zhǔn)分子激光退火)的遷移率大。
圖14是表示比較用按現(xiàn)有技術(shù)的制造方法制造出的n溝道薄膜晶體管和用按本發(fā)明制造方法制造出的n溝道薄膜晶體管的電性能中的閾值電壓的曲線圖。橫軸表示形成的柵絕緣膜的厚度,縱軸表示閾值電壓。各制造方法與圖13所示的制造方法相同。橫軸中最左側(cè)的點(diǎn)是僅進(jìn)行HPA方法形成氧化硅膜的薄膜晶體管??梢钥闯?,本實(shí)施方式中的制造方法(YAG2ω激光退火的方法)比基于現(xiàn)有技術(shù)的制造方法(準(zhǔn)分子激光退火)的閾值電壓低。
如此,通過(guò)采用本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體的制造方法,能夠提供遷移率大的薄膜晶體管。此外,能夠提供閾值電壓低的薄膜晶體管。能夠獲得這些效果,估計(jì)是由因上述那樣的晶體生長(zhǎng)方向不同而產(chǎn)生的晶粒形狀和大小合適所引起的。尤其是,因?yàn)榫Я5目v向方向平行于源區(qū)-漏區(qū)的方向,源區(qū)和漏區(qū)所夾持的區(qū)域能夠形成晶界少、遷移率高的高性能薄膜晶體管。如此,根據(jù)本發(fā)明的制造方法,就能夠提供具有優(yōu)良晶體管特性的半導(dǎo)體器件。
(實(shí)施方式2)參照?qǐng)D13及圖14,說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體器件的制造方法。
在本實(shí)施方式中,與實(shí)施方式1相同,作為激光振蕩裝置使用波長(zhǎng)為532nm的NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置,形成多晶硅膜。此后,作為氧化工序,首先使用在溫度為500℃、壓力為20大氣壓的飽和水蒸氣壓氣氛中氧化多晶硅膜的表面形成氧化硅膜的方法。
在此氧化條件中,為了獲得規(guī)定厚度的氧化膜就需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的處理。為此,作為本實(shí)施方式的第一半導(dǎo)體器件,僅使多晶硅的表面氧化11nm厚度之后,直至到達(dá)規(guī)定膜厚為止,利用LPCVD方法,層疊35nm厚的氧化硅膜。制造出將此膜作為柵絕緣膜的n溝道薄膜晶體管。接著,作為本實(shí)施方式的第二半導(dǎo)體器件,使多晶硅的表面氧化,形成33nm厚的氧化膜之后,利用LPCVD方法,層疊10nm厚的氧化硅膜。制造出將此氧化硅膜作為柵絕緣膜的n溝道薄膜晶體管。此外,還制造出僅利用LPCVD方法形成氧化硅膜的薄膜晶體管。并且,對(duì)于這些制造方法,在形成多晶硅膜的照射工序中,使用現(xiàn)有技術(shù)的準(zhǔn)分子激光器制造出薄膜晶體管。對(duì)于利用各制造方法制造出的薄膜晶體管,為了調(diào)查晶體管特性進(jìn)行了電性能的測(cè)量。其結(jié)果一并記錄在圖13及圖14中。
圖13表示各半導(dǎo)體器件的遷移率。圖13的橫軸表示柵絕緣膜的結(jié)構(gòu),按從左到右的順序,分別表示利用LPCVD方法形成了58nm厚的氧化硅膜的晶體管;進(jìn)行25分鐘HPA方法層疊11nm后、再利用LPCVD方法在其上層疊35nm氧化硅膜的薄膜晶體管;進(jìn)行75分鐘HPA方法層疊33nm后、再利用LPCVD方法在其上層疊10nm氧化硅膜的薄膜晶體管;僅進(jìn)行75分鐘HPA方法形成33nm厚的氧化硅膜的薄膜晶體管。
其結(jié)果,按本發(fā)明進(jìn)行激光退火時(shí),即使在組合HPA方法和LPCVD方法形成了氧化硅膜的情況下,也能夠獲得與僅利用HPA方法形成氧化硅膜的薄膜晶體管同樣的性能。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的制造方法(進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火的制造方法)中,多次使用HPA方法,即多次采用氧化多晶硅的表面的方法,就能表現(xiàn)出遷移率下降的傾向。另一方面,利用根據(jù)本發(fā)明的制造方法(執(zhí)行YAG2ω激光退火的方法),即使多次采用HPA方法,也未觀察到遷移率的下降,且能夠提供遷移率大的薄膜晶體管。
圖14是表示各半導(dǎo)體器件的閾值電壓的曲線。橫軸表示柵絕緣膜的厚度,縱軸表示閾值電壓。表明與僅HPA方法、LPCVD方法和HPA方法、僅LPCVD方法中任何一種制造方法無(wú)關(guān),按本發(fā)明的制造方法與按現(xiàn)有技術(shù)的制造方法比較,閾值電壓更低。還有,如果關(guān)注包含HPA方法的制造方法,則即使考慮曲線中虛線所示的膜厚的依賴關(guān)系,也會(huì)偏離到表示使用現(xiàn)有準(zhǔn)分子激光退火的半導(dǎo)體器件的柵絕緣膜的膜厚的依賴關(guān)系的直線之外,表明閾值電壓將變低。
并且,通過(guò)使源區(qū)和漏區(qū)具有相同電位,并且在這些區(qū)域和柵電極之間施加電壓,測(cè)量絕緣破壞電壓即耐電壓。其結(jié)果表明,除HPA方法外還并用LPCVD方法形成的薄膜晶體管,對(duì)于使膜厚達(dá)到33nm的多晶硅膜的表面氧化的薄膜晶體管,提高了耐電壓。如此,通過(guò)使用除了HPA方法之外還使用LPCVD方法來(lái)形成作為柵絕緣膜的氧化硅膜,就能夠提供耐電壓高的薄膜晶體管。
如本實(shí)施方式,在進(jìn)行在含有水蒸氣壓的氣氛中氧化多晶硅膜表面的氧化工序之后,通過(guò)利用化學(xué)氣相生長(zhǎng)方法進(jìn)一步地層疊氧化硅,維持MOS界面潔凈狀態(tài),能夠短時(shí)間地形成所要厚度的氧化硅膜。
(實(shí)施方式3)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式3中,在實(shí)施方式1的照射工序中,使用NdYAG激光器的三次諧波振蕩裝置代替NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置,來(lái)對(duì)非晶硅膜照射激光。自三次諧波振蕩裝置振蕩的激光波長(zhǎng)為355nm。激光的光學(xué)系統(tǒng)和一邊移動(dòng)絕緣襯底及非晶硅膜一邊照射激光等,除照射的激光以外,與實(shí)施方式1相同。
對(duì)非晶硅膜進(jìn)行激光退火的結(jié)果,與實(shí)施方式1中的照射激光的波長(zhǎng)532nm的情況相同,能夠觀察到向線形光束的寬度方向的橫向生長(zhǎng)。此外,對(duì)于晶粒的直徑而言,可形成數(shù)μm左右的大晶粒。
使用此多晶硅膜,通過(guò)在壓力為20大氣壓、溫度為600℃的飽和水蒸氣壓的氣氛中氧化其表面,形成了柵絕緣膜。制造包括此柵絕緣膜的薄膜晶體管并對(duì)其進(jìn)行了性能試驗(yàn)。對(duì)于此薄膜晶體管,也與由照射實(shí)施方式1中的波長(zhǎng)532nm的激光制造出的薄膜晶體管相同,能夠獲得高性能。
根據(jù)本實(shí)施方式及實(shí)施方式1,通過(guò)將振蕩激光的波長(zhǎng)至少設(shè)為≥355nm、≤532nm,就能夠獲得進(jìn)行橫向生長(zhǎng)的晶粒,并且,能夠獲得高性能的薄膜晶體管。
(實(shí)施方式4)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式4中,在實(shí)施方式1的照射工序中,使用鈦藍(lán)寶石激光振蕩裝置代替NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置。此激光振蕩裝置是可改變波長(zhǎng)的振蕩裝置,能夠振蕩700~800nm的激光。激光的光學(xué)系統(tǒng)、和一邊移動(dòng)絕緣襯底及非晶硅膜一邊照射激光等,除照射的激光之外,與實(shí)施方式1相同。
對(duì)非晶硅膜進(jìn)行激光退火的結(jié)果,在任一波長(zhǎng)下都能夠觀察到向線形光束的寬度方向的橫向生長(zhǎng),能夠形成具有數(shù)μm左右的大直徑的晶粒。
使用此多晶硅膜,通過(guò)在壓力為20大氣壓、溫度為600℃的飽和水蒸氣壓的氣氛中氧化其表面,制造形成柵絕緣膜的薄膜晶體管并對(duì)其進(jìn)行了性能試驗(yàn)。對(duì)于此薄膜晶體管,也與由照射實(shí)施方式1中的波長(zhǎng)532nm的激光制造出的薄膜晶體管相同,能夠獲得高性能。
根據(jù)本實(shí)施方式及實(shí)施方式1,通過(guò)將照射激光的波長(zhǎng)至少設(shè)為≥532nm、≤800nm,就能夠獲得進(jìn)行橫向生長(zhǎng)的晶粒,并且,能夠獲得高性能的薄膜晶體管。此外,根據(jù)在現(xiàn)有的技術(shù)中使用的準(zhǔn)分子激光器(例如,波長(zhǎng)308nm的XeCl激光器)中沒(méi)有觀察到橫向生長(zhǎng),以及實(shí)施方式3和本實(shí)施方式的結(jié)果可以看出,通過(guò)將振蕩激光的波長(zhǎng)至少設(shè)為≥350nm、≤800nm,就能夠得到進(jìn)行橫向生長(zhǎng)的晶粒,且能夠獲得高性能的薄膜晶體管。
(實(shí)施方式5)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式5中,與實(shí)施方式1相同,使用波長(zhǎng)532nm的NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置,在形成多晶硅膜后的氧化工序中,在溫度為500℃、壓力為20大氣壓的飽和水蒸氣的氣氛中,氧化多晶硅膜的表面,形成了柵絕緣膜。
其結(jié)果,氧化膜的形成速度,與實(shí)施方式1中的氧化條件的溫度為600℃、壓力為20大氣壓的情況相比較,有相當(dāng)大的下降,用于獲得規(guī)定膜厚的柵絕緣膜的處理時(shí)間變長(zhǎng)。因此,在含有水蒸氣的氣氛中氧化多晶硅膜的表面的氧化工序,更優(yōu)選溫度≥600℃。另一方面,能夠獲得具有與實(shí)施方式1中的薄膜晶體管相同性能的薄膜晶體管。
根據(jù)本實(shí)施方式,在氧化工序中通過(guò)使溫度至少≥500℃且≤600℃,就能夠得到高性能的薄膜晶體管。
(實(shí)施方式6)在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式6中,與實(shí)施方式1相同,使用波長(zhǎng)532nm的NdYAG激光器的二次諧波振蕩裝置,在形成多晶硅膜后的氧化工序中,在溫度為650℃、壓力為10大氣壓(1.013MPa)的飽和水蒸氣的氣氛中,氧化多晶硅膜的表面,形成了柵絕緣膜。
利用此方法得到的薄膜晶體管的性能,能夠得到與作為實(shí)施方式1中的激光退火的條件的溫度為600℃、壓力為20大氣壓的情況相同的效果。另一方面,在使溫度比650℃高的情況下,絕緣襯底的熱收縮變大,在形成薄膜晶體管的過(guò)程中產(chǎn)生構(gòu)圖不合格,正常的晶體管的制造有困難。根據(jù)實(shí)施方式5及本實(shí)施方式的結(jié)果,優(yōu)選地,氧化工序中的溫度為2500℃且≤600℃。
根據(jù)實(shí)施方式1及實(shí)施方式3至實(shí)施方式6的結(jié)果,在含有水蒸氣的氣氛中氧化多晶硅膜的表面的氧化工序,優(yōu)選地,在溫度≥500℃且≤600℃、且壓力≥10大氣壓的飽和水蒸氣的氣氛中進(jìn)行。在此條件下,通過(guò)氧化多晶硅膜,能夠短時(shí)間地形成規(guī)定厚度的氧化硅膜,且能夠形成致密的氧化硅膜。此外,能夠生產(chǎn)性良好的制造閾值電壓低的薄膜晶體管。
且,此次公開(kāi)的上述實(shí)施方式的所有方面不限定于舉例示出的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍不由上述說(shuō)明限定,而是由權(quán)利要求書(shū)限定,還包含與權(quán)利要求的范圍均等的含義及范圍內(nèi)的所有變更。
本發(fā)明可適用于半導(dǎo)體器件的制造方法。尤其可以有效地適用于薄膜半導(dǎo)體的制造方法。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法,包括在襯底(1)上形成非晶硅膜(2)的非晶硅層疊工序;對(duì)上述非晶硅膜(2)照射激光(16),將上述非晶硅膜(2)的至少一部分變換為多晶硅膜(3)的照射工序;以及在上述照射工序之后,在含氧的氣氛中氧化上述多晶硅膜(3)表面的氧化工序,作為上述激光(16),使用將波長(zhǎng)為≥350nm且≤800nm的脈沖激光變換成在寬度方向上具有至少≥3(mJ/cm2)/μm的能量密度梯度的線形光束的激光,在溫度為≥500℃且≤650℃、且壓力≥10大氣壓的飽和水蒸氣的氣氛中進(jìn)行上述氧化工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件制造方法,其中包括利用化學(xué)氣相生長(zhǎng)方法,對(duì)通過(guò)上述氧化工序已氧化了的上述多晶硅膜(3)的上表面進(jìn)一步層疊氧化硅的工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件制造方法,其中上述照射工序照射上述激光(16),以使得上述寬度方向與連結(jié)要形成的薄膜晶體管的源區(qū)和漏區(qū)的方向平行。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件的制造方法,包括在襯底(1)上形成非晶硅膜(2)的非晶硅層疊工序;對(duì)上述非晶硅膜(2)照射激光(16),將上述非晶硅膜(2)的至少一部分變換為多晶硅膜(3)的照射工序;以及在上述照射工序之后,在含氧的氣氛中氧化上述多晶硅膜(3)表面的氧化工序,作為上述激光(16),使用將波長(zhǎng)為≥350nm且≤800nm的脈沖激光變換成在寬度方向上具有至少≥3(mJ/cm
文檔編號(hào)H01L29/786GK1717781SQ20048000149
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者井上滿夫, 宮川修, 坂本孝雄 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社
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