JP2830718B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜トランジスタの製造
方法に関し、特にソースおよびドレイン領域そしてチャ
ンネルとなる活性領域を構成する半導体層が多結晶シリ
コンでなる薄膜トランジスタの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタは、石英ガラス等の絶
縁基板上にシリコン等の半導体薄膜を形成し、チャンネ
ルが形成される活性層、ソース、ドレイン領域を形成
し、ＭＯＳ型のトランジスタを構成する半導体装置であ
る。図８に従来の薄膜トランジスタのプロセス縦断面図
をしめす。

【０００３】まず、図８（ａ）のように、石英基板等の
絶縁基板１上に非晶質シリコン層を堆積し、窒素雰囲気
中、６００度で約２０時間熱処理することにより結晶化
して、その非晶質シリコン層を大粒径の多結晶シリコン
層２に変換する。いわゆる固相成長である。この後、結
晶性の向上のために、レーザ照射により多結晶シリコン
層２の全体を溶融させて再結晶化させる。なお、２ｄは
結晶粒界を示す。

【０００４】次に、図８（ｂ）のように、多結晶シリコ
ン層２をパターニングして活性層となる領域３を形成
し、ゲート酸化膜４を堆積する。そのように多結晶シリ
コンを堆積した後に、リン拡散法により低抵抗化しパタ
ーンニングしてゲート電極５を形成する。ホトレジスト
のようなマスク層（図示せず）を形成し、イオン注入に
より、ソース、ドレイン領域６，７を形成するが、この
際に、ドレイン側に不純物の注入されない、オフセット
領域８を設け、リーク電流の低減、ソース、ドレイン間
耐圧の向上を図る。

【０００５】この後、図８（ｃ）のように、層間膜９を
堆積した後に、９００度程度の熱処理を施し、層間膜の
リフロー、ソース、ドレイン領域の不純物の活性化を行
う。その後、コンタクトホールを開口し、アルミニウム
をスパッタリングしてパターンニングし、配線１０を形
成する。そして水素雰囲気中、４００度程度で水素アロ
イを行い薄膜トランジスタを完成する。

【０００６】以上は、基板１が石英のような耐熱性を有
する場合の製造であるが、基板１として軟化点が６００
度程度のガラスを用いる場合は、上述した固相成長技術
が使用できない。そこで、基板上に多結晶シリコンをＣ
ＶＤ法により形成し、そしてレーザ照射により再結晶化
する方法が提案されている。

【０００７】ソース、ドレイン領域の不純物の活性化と
しては、６００度で長時間熱処理して行う方法や、レー
ザ照射により活性化を行う方法も検討されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、薄
膜トランジスタの特性のために多結晶シリコン層２をレ
ーザにより溶融させて再結晶化させているがレーザの照
射エネルギーを均一に制御することは不可能に近い。し
かも、多結晶シリコン層２全体を一度にレーザにより再
結晶化することはできず、このため、ステップ状に溶融
させて再結晶化させている。この結果、再結晶化された
多結晶シリコン層２のグレインサイズがバラツキ、素子
特性のばらつきをもたらしている。

【０００９】耐熱温度の低い安価なガラス基板を用いた
場合も同様な問題が生じている。

【００１０】したがって、本発明の目的は、多結晶シリ
コン層の再結晶化をほぼ均一に行って特性バラツキの少
ない薄膜トランジスタを製造するための方法を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、活性層となる
多結晶シリコン膜を形成し、この多結晶シリコン膜にレ
ーザを照射して再結晶化させる際に、レーザ照射面側１
２を溶融させ、一方少なくとも照射面とは反対側には溶
融しない多結晶シリコンが存在するエネルギー密度でレ
ーザ照射することを骨子としている。

【００１２】レーザ照射時のエネルギー密度の制御性が
困難であり、またステップ状に照射しなければならない
ことは前述のとおりであるが、本発明では溶融しない多
結晶シリコンが存在するためこれを成長核として溶融し
たシリコンは再結晶化する。したがって、再結晶化した
多結晶シリコン層のグレインサイズはほぼ均一となる素
子特性のバラツキが抑えらえる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例につき図面を用いて詳
述する。

【００１４】図１は本発明の第１の実施例を表すプロセ
スの縦断面である。石英基板１上に非晶質シリコン膜を
８０ｎｍ堆積後、６００度の窒素雰囲気で約２０時間熱
処理して非晶質シリコン膜を結晶化した多結晶シリコン
膜２を形成する（図１（ａ））。固相成長である。

【００１５】この後、図１（ｂ）のようにＸｅＣｌエキ
シマレーザを照射して多結晶シリコン膜を溶融させるわ
けであるが、図示のとおり、そのエネルギー密度を調整
して、レーザの照射面側の部分２ａは溶融するがその反
対側の部分２ｂは溶融しないエネルギー密度にしてい
る。

【００１６】溶融した多結晶シリコン膜部分２ａは、レ
ーザ照射の停止により再結晶化して多結晶シリコン膜２
ｃとなるが（図１（ｃ））、溶融しなかった多結晶シリ
コン膜部分２ｂを核として再結晶化される。したがっ
て、再結晶化した多結晶シリコ膜２ｃのグレインサイズ
はほぼ均一となる。なお、２ｄは結晶粒界である。

【００１７】以降のプロセスは従来の薄膜トランジスタ
と同様である。すなわち、図１（ｄ）のように、活性層
領域３をパターンニングし、ゲート酸化膜４を１００ｎ
ｍ堆積する。ゲート電極５は、多結晶シリコン堆積後、
リン拡散法により導電性を得た後パターンニングして形
成する。ソース、ドレイン領域６，７をイオン注入によ
り形成する。ｐ型では、ボロンを、ｎ型ではリンを１Ｅ
１５ｃｍ^−２注入する。ドレイン領域７にオフセットを
設けている。層間膜９を３００ｎｍ堆積後、活性化、層
間膜のリフローために窒素雰囲気中、９００度で熱処理
する。コンタクトホール開口後、アルミニウムをスパッ
タリングにより堆積し、パターンニングしてアルミニウ
ム配線１０を形成する。

【００１８】図２（ａ）に本実施例の薄膜トラジスタの
移動度のエネルギー密度依存性を、レーザの重なる領域
での移動度のばらつきを図２（ｂ）１００にそれぞれ示
す。

【００１９】図示のように、移動度はエネルギー密度２
１０ｍＪ／ｃｍ^２から３１０ｍＪ／ｃｍ^２まで、ほぼ一
定の値である。エネルギー密度が３１０ｍＪ／ｃｍ^２を
こえると、移動度は大きく向上するが、エネルギー密度
依存性が大きくなっている。実際のレーザ照射では、ビ
ームのエネルギー密度のショットごとの揺らぎ、ビーム
内でのエネルギー密度の不均一性により、特性ばらつき
が大きくなるので、２１０ｍＪ／ｃｍ^２から３１０ｍＪ
／ｃｍ^２までの移動度が一定なエネルギー密度で照射を
行うことにより、特性ばらつきの極めて小さな高性能薄
膜トランジスタを作成できる。また、特性ばらつきの他
の要因として、非晶質シリコンを結晶化する方法では、
図２（ｂ）２００に示されるように、ビームの重なる領
域での特性低下があるが、本実施例の方法では、特性低
下は見いだせなかった。ＴＥＭ観察の結果、シリコン等
の、結晶性の低下した領域が観察されたが、本実施例の
方法では、結晶粒径は、結晶性の低下した領域は観察さ
れなかったことも一致する。

【００２０】エネルギー密度２３０ｍＪ／ｃｍ^２で照射
した多結晶シリコンのＴＥＭ観察の結果、結晶構造に大
きな変化はなく、多結晶シリコン膜表面側の結晶欠陥が
低減できていることが分かった。また、エネルギー密度
が３１０ｍＪ／ｃｍ^２をこえると、非晶質シリコンを結
晶化した多結晶シリコンと同様な構造となっている。ま
た、レーザ照射中、照射領域の反射率を測定したとこ
ろ、エネルギー密度２１０ｍＪ／ｃｍ^２をこえると、反
射率が急激に上昇し、溶融シリコンの反射率とほぼ一致
することが分かった。これらの結果から、エネルギー密
度、２１０ｍＪ／ｃｍ^２から３１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲で
は、レーザ照射に際し、図１（ｂ）にしめすように、照
射面側が溶融し、照射面とは反対側の、溶融しない多結
晶シリコンを核として、再結晶化しているために、結晶
構造、結晶粒径が変化せず、特性ばらつきが小さくなっ
ていると考えられる。

【００２１】以上述べたように、本実施例は、多結晶シ
リコンにレーザ照射して、結晶性を向上させる方法で、
特性の揃ったトランジスタを得るためには、多結晶シリ
コン表面のみが溶融するようなエネルギー密度で、レー
ザ照射することが肝要であることを示している。

【００２２】図３に本発明の第２の実施例を表すプロセ
ス縦断面をしめす。図１で示したように、石英基板上１
に非晶質シリコンを８０ｎｍ堆積後、６００度の窒素雰
囲気で約２０時間熱処理して結晶化し、多結晶シリコン
膜を形成する。その後、図２（ａ）のように、ＸｅＣｌ
エキシマレーザを、活性層裏面から照射し、膜部分２１
を溶融する（レーザ照射）。このとき、表面部分の多
結晶シリコン膜２２は溶融させない。

【００２３】この後、表面側から再度レーザを照射（レ
ーザ照射）する。このとき基板１の表面と接する多結
晶シリコン膜部分２１は溶融させていない。このよう
に、表裏両方からレーザを照射するが、その照射エネル
ギー密度は、前実施例で述べたように、多結晶シリコン
膜全体が溶融しない条件としている。

【００２４】以降のプロセスは実施例１と同様に行い、
薄膜トランジスタを完成した。

【００２５】図４に本実施例の薄膜トランジスタの電気
特性を示す。

【００２６】図に示されているように活性層表面側から
のみレーザ照射した場合（特性２００であった、実施例
１の薄膜トランジスタ）にはオン電流は高くなるもの
の、リーク電流は、レーザ照射しないトランジスタ（特
性１００）とくらべて、ほとんど変化がない。特性ばら
つきに関しては、レーザ照射しないものに比べて小さ
く、かつビーム端部での特性の低下もない。

【００２７】一方、裏面からレーザ照射した後に表面か
らレーザ照射した場合（特性３００）には、オン電流に
関しては、表面からの照射のみのものと比べ、若干向上
する。また、リーク電流が大きく低減できており、サブ
スレッショルドスイングも向上していることがわかる。
特性ばらつきは、表面からの照射のみの場合と同程度で
ある。

【００２８】以上のように、本実施例の方法では、裏面
からの照射（レーザ照射）をさらに加えることによ
り、従来の方法では結晶性の向上できなかった下地絶縁
膜側の多結晶シリコン２ａの領域の膜質を向上させ、電
気特性の更なる向上、特に、リーク電流の低減が可能で
あることを示している。

【００２９】前実施例の方法では、レーザ照射のみで
あり、結晶性の向上は、レーザの照射された側の領域
（図１中の２ｂ）にとどまり、下地酸化膜側の多結晶シ
リコンのは低品質のままである。図３で、レーザ照射
，はその順序を逆にしてもよい。

【００３０】図５に本発明の第３の実施例を示す。本実
施例は、固相成長法が利用できないガラス基板に対し本
発明を適用したものである。

【００３１】すなわち、耐熱温度４００度程度のガラス
基板上１′上にプラズマＣＶＤ法により、多結晶シリコ
ン膜３０を１５０ｎｍの厚さで直接堆積する。このと
き、ガラス基板１′との界面部分のシリコン膜３′ｃは
非晶質となっている。この膜３０をパターンニングして
活性層を形成し、４００度でゲート酸化膜となるシリコ
ン酸化膜４を１００ｎｍ堆積する（同図（ａ））。

【００３２】その後、レーザを裏面から１５０ｍＪ／ｃ
ｍ^２で照射して非晶質シリコン膜部分３′ｃを含むシリ
コン膜を表面部分の多結晶シリコンは溶融させないで溶
融し、再結晶化させて多結晶シリコンとする（同図
（ｂ））。

【００３３】次に、表面側から２５０ｍＪ／ｃｍ^２でレ
ーザ照射し（レーザ照射）、表面部を再結晶化させて
多結晶シリコン膜を形成する（同図（ｃ））。プラズマ
ＣＶＤ法で形成された多結晶シリコンは、表面側３′ｂ
は、結晶性は良好ではないものの、多結晶シリコンが形
成されているが、下地基板側３′ｃは非晶質シリコンで
あり、電気特性低下の原因となっている。裏面からのレ
ーザ照射はこの非晶質部分の結晶化が目的であり、表面
側からのレーザ照射は、表面の結晶性向上、及び、溶融
シリコン層からの熱の拡散により、ゲート酸化膜をアニ
ールし、酸化膜が高品質化させることを目的とした。そ
の後は、通常の低温プロセスを用いて、薄膜トランジス
タを作製した。

【００３４】図６に本実施例での薄膜トランジスタの電
気特性を示す。ゲート酸化膜形成前にレーザ照射したト
ランジスタでは、オン電流、スイング、リーク電流と
も、レーザ照射のないＴＦＴ、従来の照射方法でのＴＦ
Ｔ、本実施例のＴＦＴの順に特性が向上していることが
わかる。また、ゲートリークに関しては、本実施例に寄
ると特性０２′から０３′に低減できる。

【００３５】図７に本発明のさらに他の実施例を示す。
本例はイオン注入により形成されたソース，ドレイン領
域の活性化に本発明を適用したものである。

【００３６】すなわち、耐熱温度６００度のガラス基板
１上に前述した固相成長法により膜厚１００ｎｍの多結
晶シリコン２形成をし、本発明に従って表面側からレー
ザ照射により表面部分のみを溶融させて活性層の多結晶
シリコンの結晶性を向上させる（同図（ａ））。

【００３７】次に、６００度でゲート酸化膜４を堆積し
てゲート電極５を形成し、ソース領域６、ドレイン領域
７の形成のためにイオン注入により不純物を導入する。
そして、レーザーを表面側から２５０ｍＪ／ｃｍ^２、の
エネルギー密度で照射し（同図（ｂ））、さらに裏面側
から１８０ｍＪ／ｃｍ^２照射して活性化する。

【００３８】本実施例によると、膜全体が再結晶化した
領域になるように照射条件を選んで、両面からレーザ照
射すると、膜全体を低抵抗化できる。この場合、表面か
らの照射のエネルギー密度を低く設定できるので、ゲー
トリークの増加を防ぐ効果があり、プロセスの安定性が
向上する。例えば、ボロン注入で形成した、ｐ型の拡散
層の場合、層抵抗が８００Ω／□から３００Ω／□と従
来の方法に比べて低減でき、ゲートリークは同程度に抑
えることができた。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、絶縁基板上
の活性層となる多結晶シリコン膜にレーザ照射する際
に、レーザ照射面側を溶融させ、レーザ照射面と反対側
に、溶融しない多結晶シリコンが存在するエネルギー密
度で、レーザ照射することにより、多結晶シリコンの照
射面側の結晶性を向上させ、特性ばらつきを抑えつつ、
トランジスタ特性を向上させる効果がある。また、前記
のエネルギー密度で、基板裏面側からレーザを照射した
後に、表面側からレーザを照射すること、あるいは、表
面側から照射した後に裏面側から照射することにより、
多結晶シリコン膜全体の結晶性を向上させ、リーク電流
の低減等、さらにトランジスタ特性を向上させる効果が
ある。また、前記の照射方法を、ソース、ドレイン領域
形成後に行い、レーザ活性化を安定性よく行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すプロセス縦断面図。

【図２】エネルギー密度と移動度、リーク電流の関係図
（ａ）、レーザの重なる領域の移動度を示す図（ｂ）。

【図３】本発明の第２の実施例を示すプロセス縦断面
図。

【図４】第２実施例を用いた薄膜トランジスタのＩｄ−
Ｖｇ特性図。

【図５】本実施例の第３実施例を示すプロセス縦断面
図。

【図６】第３実施例を用いた薄膜トランジスタのＩｄ−
Ｖｇ特性図。

【図７】本発明の第４実施例を示プロセス縦断面図。

【図８】従来の薄膜トランジスタのプロセス縦断面図。

【符号の説明】

１ 下地透明基板 ２ 多結晶シリコン膜 ２ａ 溶融シリコン ２ｂ 裏面からのレーザー照射で結晶性が向上する領
域 ２ｃ 表面からのレーザー照射で結晶性が向上する領
域 ２ｄ 結晶粒界 ３ 活性層多結晶シリコン ３′ プラズマＣＶＤ法で形成した活性層シリコン膜 ３′ａ 溶融シリコン ３′ｂ 多結晶シリコン ３′ｃ 非晶質シリコンが含まれる領域 ４ ゲート酸化膜 ５ ゲート電極 ６ ソース領域 ７ ドレイン領域 ８ オフセット領域 ９ 層間膜 １０ アルミ電極 レーザ照射 裏面からのレーザ照射 レーザ照射 表面からのレーザ照射

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 29/78 627

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に多結晶シリコン膜を形成
   し、この多結晶シリコン膜にレーザ照射し溶融させて再
   結晶化させる際に、レーザ照射面側を溶融させかつレー
   ザ照射面と反対側は溶融しない多結晶シリコンが存在す
   るエネルギー密度で、レーザ照射することを特徴とする
   薄膜トランジスタの製造方法。
2. 【請求項２】 前記溶融しない多結晶シリコンにさらに
   レーザを、前記溶融して再結晶化した多結晶シリコンの
   少なくても一部が溶融しないエネルギー密度で照射し、
   溶融させて再結晶化させることを特徴とする請求項１記
   載の薄膜トランジスタの製造方法。
3. 【請求項３】 前記レーザ照射により再結晶化された多
   結晶シリコン膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を
   形成後、前記多結晶シリコン膜にソース、ドレイン領域
   のための不純物を導入し、表裏両面からレーザ照射して
   不純物を活性化することを特徴とする請求項１又は２記
   載の薄膜トランジスタの製造方法。
4. 【請求項４】 前記多結晶シリコン膜を、非晶質シリコ
   ン膜に対する固相成長により形成することを特徴とする
   請求項１，２又は３記載の薄膜トランジスタの製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記多結晶シリコン膜を、プラズマＣＶ
   Ｄ法により前記絶縁基板上に堆積して形成する請求項
   １，２又は３記載の薄膜トンランジスタの製造方法。