JP3226655B2 - 薄膜トランジスタの作製方法 - 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（Ｔ
ＦＴ）の構造および作製方法に関するものである。本発
明によって作製される薄膜トランジスタは、ガラス等の
絶縁基板上、単結晶シリコン等の半導体基板上、いずれ
にも形成される。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザー結晶化、あるいはレーザ
ー活性化技術（フラッシュランプアニールを含む）を用
いて、ゲイトが活性層の上に位置する薄膜トランジスタ
（トップゲイト型ＴＦＴ）を作製する場合には、薄膜半
導体領域（活性層）を島状にパターニングした後、ゲイ
ト絶縁膜として、ＣＶＤ法やスパッタ法によって絶縁被
膜を形成し、その上にゲイト電極を形成して、絶縁被膜
を付けたまま高速のドーピング不純物（ドーパント）を
照射して、半導体領域中に（ゲイト電極をマスクとし
て）自己整合的にソース領域、ドレイン領域等の不純物
領域を形成し、引き続き、レーザー照射をおこなうこと
によって、先に半導体中に導入された不純物の活性化
（レーザー活性化）をおこなっていた。

【０００３】

【発明が解決しようする課題】しかしながら、このよう
な従来の方法ではいくつかの問題があった。１つは、レ
ーザー活性化の際に，半導体中の不純物の一部がその上
に存在するゲイト絶縁膜材料（酸化珪素等）と反応し
て、リンガラス、ボロンガラスのような化合物を生成
し、また、非平衡状態の化学反応によって、非化学量論
比の半導体酸化物（酸素と珪素の比率が２：１でない酸
化珪素等）が生じ、後でコンタクトを形成する際に接触
抵抗が高くなることであった。また、上記の反応等によ
って表面の凹凸が著しかった。このため，歩留りが低下
した。もう一つは、不純物のドーピングされる領域の境
界がゲイト電極部の影となり、境界部の活性化が不十分
であり、特性が不安定で信頼性の劣化をもたらすという
ことであった。以下にその例を示して説明する。

【０００４】図５には、従来のレーザー活性化技術の例
を示す。まず、基板５０上に下地絶縁膜（酸化珪素等）
５１を堆積し、さらに、島状の結晶性半導体領域（シリ
コン等）５２を形成する。さらに、引き続いてＣＶＤ
法、スパッタリング法等の手段で、ゲイト絶縁膜（酸化
珪素等）５３を形成し、さらに、ゲイト電極（燐ドープ
されたシリコン、アルミニウム、タンタル等）５４を形
成する。（図５（Ａ））

【０００５】そして、不純物をドーピングした後、レー
ザー等の強光を照射して不純物領域５５ａ、５５ｂの活
性化をおこなった。この場合、瞬間的な高温状態によっ
て、図中にＰで示した半導体とゲイト絶縁膜の界面で化
学反応が生じ、先に指摘したようなリンガラス（もしく
はボロンガラス）のような絶縁膜材料とドーパント材料
が化合する。また、酸化珪素とシリコンが化合して、非
化学量論比の酸化珪素が生成する。（図５（Ｂ））

【０００６】図６も、従来のレーザー活性化技術の例で
あるが、図５の場合とは異なって、ゲイト電極の周囲に
ゲイト電極の陽極酸化物６５が形成されている。このよ
うな陽極酸化物によって、ゲイト電極と不純物（が導入
されるべき）領域とが距離Ｘだけ離間したオフセット状
態となり、ＴＦＴの電気特性（ゲイトに逆バイアスをか
けたときのリーク電流等）の改善を図ることができる。
（図６（Ａ））

【０００７】しかし、この場合には、図６（Ｂ）中にＱ
で示したような箇所では、高速のドーピング不純物によ
って結晶性が破壊される一方、レーザー光の照射が十分
でないので活性化がおこなわれず、トラップ準位が多数
生成してＴＦＴの特性を損ね、信頼性が低下する。（図
６（Ｂ））本発明の課題はこのような問題を解決するこ
とである。

【０００８】

【発明を解決するための手段】本発明では、ゲイト絶縁
膜を付けたままドーピングをおこない、続くレーザー活
性化工程ではゲイト絶縁膜を除去して活性化をおこなう
ということによって、上記の課題を解決する。しかしな
がら、ゲイト絶縁膜を除去する際には、同時に下地の酸
化膜や基板までエッチングされる可能性が大きいので、
本発明では、特に不純物導入にマスクを使用し、次い
で、そのマスクを用いて、ゲイト絶縁膜等を選択的にエ
ッチングすることを特徴とするものである。

【０００９】この結果、ドーピングの際の歩留りを低下
させることなく、かつ、レーザー活性化工程において
も、半導体と絶縁被膜の反応を阻止することができた。
また、図６に示されるような陽極酸化物を使用してオフ
セットを設ける構造のＴＦＴにおいて、ゲイト絶縁膜の
エッチングの工程において、同時に陽極酸化物の一部も
エッチングされるのであれば、ドーピングされた領域の
境界部もレーザー照射することが可能である。以下に実
施例を示し、より詳細に本発明を説明する。

【００１０】

【実施例】〔実施例１〕 図１に本実施例の作製工程の
断面図を示す。基板（コーニング７０５９）１０上にス
パッタリングによって厚さ２００ｎｍの酸化珪素の下地
膜１１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法によっ
て、厚さ２０〜２００ｎｍ、例えば１５０ｎｍのアモル
ファスシリコン膜を堆積した。引き続き、スパッタリン
グ法によって、厚さ２０〜１００ｎｍの酸化珪素膜を保
護膜として堆積した。そして、これを還元雰囲気下、５
００〜６００℃、例えば６００℃で４８時間アニールし
て結晶化させた。結晶化工程はレーザー等の強光を用い
る方式でもよい。そして、得られた結晶シリコン膜をパ
ターニングして、島状シリコン領域１２を形成した。

【００１１】次に、スパッタリング法によって厚さ８５
〜１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍの酸化珪素膜１３をゲ
イト絶縁膜として堆積し、引き続いて、減圧ＣＶＤ法に
よって、厚さ６００〜８００ｎｍ、例えば６００ｎｍの
シリコン膜（０．０１〜２％の燐を含む）を堆積した。
なお、この酸化珪素とシリコン膜の成膜工程は連続的に
おこなうことが望ましい。そして、シリコン膜をパター
ニングして、ゲイト電極１４を形成した。（図１
（Ａ））

【００１２】次に、半導体領域１２以外の領域をフォト
レジスト１５でマスクした後、プラズマドーピング法に
よって、シリコン領域１２にフォトレジストマスク１５
およびゲイト電極１４をマスクとして不純物（燐）を注
入した。このときのドーピングのパターンは図１（Ｃ）
に示されるような形状とした。ドーピングガスとして、
フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６０〜１１
０ｋＶ、例えば８０ｋＶとした。ドース量は１×１０¹⁵
〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば１×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。
この結果、Ｎ型の不純物領域１６ａ、１６ｂがゲイト電
極１４に対して自己整合的に形成された。（図１
（Ｂ））

【００１３】不純物ドーピング工程が終了した後、マス
ク１５をつけたまま、フッ化水素酸によって、エッチン
グをおこない、酸化珪素膜１３の露出した部分をエッチ
ングした。この際には、下地絶縁膜の酸化珪素１１も一
部エッチングされることに注意しなければならない。エ
ッチング工程終了後はレジストを剥離した。

【００１４】その後、レーザー照射によって不純物を活
性化させた。レーザーとしてはＫｒＦエキシマーレーザ
ー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０〜４０ｎｓｅｃ）を
用いたが、他に、ＸｅＦエキシマーレーザー（波長３５
３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎ
ｍ）、ＡｒＦエキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）等
を用いてもよい。レーザーのエネルギー密度は、２５０
〜４００ｍＪ／ｃｍ²、例えば３００ｍＪ／ｃｍ² と
し、１か所につき２〜１０ショット、例えば２ショット
照射すればよい。レーザー照射時に、基板を２００〜４
５０℃程度に加熱してもよい。基板を加熱した場合には
最適なレーザーエネルギー密度が変わることに注意しな
ければならない。（図１（Ｄ））

【００１５】不純物の活性化後、続いて、厚さ５００〜
８００ｎｍ、例えば６００ｎｍの酸化珪素膜１７を層間
絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、これに
コンタクトホールを形成して、金属材料、例えば、窒化
チタン（１００〜２００ｎｍ、例えば１００ｎｍ）とア
ルミニウム（５００〜１０００ｎｍ、例えば８００ｎ
ｍ）の多層膜によって配線１８ａ、１８ｂを形成した。
そして、０．１〜１気圧、２５０〜４００℃、例えば１
気圧、３５０℃の水素雰囲気中で３０〜１２０分、例え
ば３０分のアニールをおこなった。以上の工程によって
ＮＭＯＳの半導体回路が完成した。（図１（Ｅ））

【００１６】〔実施例２〕 図２に本実施例の作製工程
の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）２
０上にスパッタリングによって厚さ２００ｎｍの酸化珪
素の下地膜２１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法
によって、厚さ２０〜２００ｎｍ、例えば１００ｎｍの
アモルファスシリコン膜を堆積した。そして、これを還
元雰囲気下、６００℃で４８時間アニールして結晶化さ
せた。結晶化工程はレーザー等の強光を用いる方式でも
よい。そして、得られた結晶シリコン膜をパターニング
して、島状シリコン領域２２を形成した。１つの島状シ
リコン膜の大きさは３０μｍ×３０μｍとした。

【００１７】次に、スパッタリング法によって厚さ８０
〜１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍの酸化珪素膜１３をゲ
イト絶縁膜として堆積し、引き続いて、スパッタリング
法によって、厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば６００ｎ
ｍのアルミニウム膜（２％のシリコンを含む）を堆積し
た。アルミニウムにはシリコンを０．５〜５％、もしく
は銅を０．２〜２％添加することが望ましい。これは後
の工程で、２５０〜３５０℃の熱処理があるため、これ
らの不純物が含有されていないとヒロックが発生するか
らである。なお、この酸化珪素とアルミニウムの成膜工
程は連続的におこなうことが望ましい。また、アルミニ
ウム膜は成膜後、１００〜３００℃の熱処理をおこなう
とヒロックの発生を抑止することができた。

【００１８】そして、アルミニウム膜を燐酸によってエ
ッチングして、ゲイト電極２４を形成した。さらに、フ
ォトニース（感光性ポリイミド）を塗布した後、これを
パターニングして、２５０〜３５０℃、例えば３００℃
でベイキングして、（陽極酸化に対する）ポリイミドの
マスクを選択的に形成する。このマスクは後にコンタク
トを形成する場所や配線を分断する場所に設ければよ
い。（図にはポリイミドマスクは示さない。）

【００１９】続いて、陽極酸化をおこなう。酒石酸をエ
チレングリコールに溶解させて、１〜５％、例えば３％
の溶液を調製し、これにアンモニア水溶液を加えてｐＨ
を７程度にした。そして、白金の網状電極を陰極、基板
１０を陽極とし、配線２４に電流を流して陽極酸化を開
始した。

【００２０】最初は電圧が３〜６Ｖ／分、例えば４Ｖ／
分で電圧が上昇するように電流を流し、電圧が２００〜
２５０Ｖ、例えば２２０Ｖになった段階で電圧上昇を止
め、一定の電圧に保持して、電流が２０μＡ／ｃｍ∧(2
)になるまでその状態を保った。この結果、厚さ１５０
〜３００ｎｍ、例えば２００ｎｍの酸化アルミニウム２
５を形成した。ポリイミドのマスクの存在する部分（図
示せず）はそのマスク効果のために陽極酸化されなかっ
た。陽極酸化に要する時間は、４０〜７０分、代表的に
は５５分であった。（図２（Ａ））

【００２１】次に、島状シリコン領域２２を除いて、フ
ォトレジストのマスク２６をパターニングした。このと
きのパターニングの形状は図３（Ａ）もしくは図３
（Ｃ）に示されるものを採用した。すなわち、シリコン
領域２２の段差とゲイト電極２４が交差する部分には、
ドーピングされないような構成とした。

【００２２】このような段差の部分のゲイト絶縁膜２３
は被覆性が悪くて薄いため、ピンホール等の欠陥が多発
し、段差部に沿って寄生ＴＦＴが発生して、それに起因
するリーク電流が問題となっていた。このようなドーピ
ングパターンを採用することによって段差部がＴＦＴの
一部となることはないので、リーク電流等を著しく減少
させることができた。

【００２３】そして、このマスクを用いて、プラズマド
ーピング法によって、シリコン領域２２に不純物（燐や
ホウ素）を注入した。燐を注入する場合には、ドーピン
グガスとして、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電
圧を６５〜１００ｋＶ、例えば８０ｋＶとすればよい。
ホウ素を注入する場合には、ドーピングガスとして、ジ
ボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用い、加速電圧を５０〜８０ｋ
Ｖ、例えば６５ｋＶとすればよい。ドーズ量は１×１０
¹⁵〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば３×１０¹⁵ｃｍ^-2とし
た。このようにしてゲイト電極部（ゲイト電極２４と陽
極酸化物２５）に対して自己整合的に不純物領域２７
ａ、２７ｂを形成した。不純物領域とゲイト電極２４は
水平方向に距離Ｙだけ離れた状態（オフセット状態）と
なっている。（図２（Ｂ））

【００２４】ついで、このマスク２６を用いて、酸化珪
素膜２３の一部をエッチングした。エッチング工程終了
後、マスク２６は除去した。マスク２６のパターンを図
３（Ａ）のように、半導体領域２２以外の部分も露出し
た場合には、実施例１と同様に下地酸化珪素膜がエッチ
ングされる（図１（Ｄ）中のＸ参照）が、図３（Ｃ）の
ように露出部分を半導体領域２２だけに限定した場合に
は、そのような問題は生じなかった。それぞれのパター
ンによって、ゲイト絶縁膜２３をエッチングした後のＴ
ＦＴの様子を図３（Ｂ）および（Ｄ）に示す。図２
（Ｃ）には図３（Ｄ）で示されるＴＦＴの断面を示す。
注目すべきことに、このときには陽極酸化物（酸化アル
ミニウム）２５もエッチングされ、距離Ｚだけ後退する
ので、不純物領域の境界が露出する。（図２（Ｃ））

【００２５】さらに、レーザーアニール法によって、注
入された不純物の活性化をおこなった。この工程では，
不純物領域の境界部にもレーザー光が照射され、十分な
活性化がおこなわれた。用いたレーザーはＫｒＦエキシ
マーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅ
ｃ）で、照射面でのエネルギー密度を２５０〜４００ｍ
Ｊ／ｃｍ² 、例えば３００ｍＪ／ｃｍ² とした。レーザ
ー照射時には、基板を２００〜４００℃、例えば３００
℃に加熱してもよい。

【００２６】続いて、厚さ５００〜８００ｎｍ、例えば
５００ｎｍの酸化珪素膜２８を層間絶縁物としてプラズ
マＣＶＤ法によって形成し、さらに、スパッタリング法
によって厚さ５０〜１５０ｎｍ、例えば８０ｎｍのイン
ジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜を堆積した、これをパター
ニングして、画素電極（ＩＴＯ）２９を形成した。さら
に、層間絶縁物２８にコンタクトホールを形成して、金
属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜に
よって配線３０ａ、３０ｂを形成した。そして、０．１
〜１気圧、２５０〜４００℃、例えば１気圧、３５０℃
の水素雰囲気中で３０〜１２０分、例えば３０分のアニ
ールをおこなった。以上の工程によって半導体回路が完
成した。（図２（Ｄ））

【００２７】〔実施例３〕 図４に本実施例の作製工程
の断面図を示す。基板（コーニング７０５９）４０上に
スパッタリングによって厚さ２００ｎｍの酸化珪素の下
地膜４１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法によっ
て、厚さ２０〜２００ｎｍ、例えば１５０ｎｍのアモル
ファスシリコン膜を堆積した。引き続き、スパッタリン
グ法によって、厚さ２０〜１００ｎｍ、例えば２０ｎｍ
の酸化珪素膜を保護膜として堆積した。そして、これを
還元雰囲気下、６００℃で４８時間アニールして結晶化
させた。結晶化工程はレーザー等の強光を用いる方式で
もよい。そして、得られた結晶シリコン膜をパターニン
グして、島状シリコン領域４２Ｐ、４２Ｎを形成した。

【００２８】次に、スパッタリング法によって厚さ８０
〜１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍの酸化珪素膜４３をゲ
イト絶縁膜として堆積し、引き続いて、スパッタリング
法によって、厚さ３００〜６００ｎｍ、例えば６００ｎ
ｍのアルミニウム膜（１〜５％のシリコンを含む）を堆
積した。なお、この酸化珪素とアルミニウム膜の成膜工
程は連続的におこなうことが望ましい。そして、アルミ
ニウム膜をパターニングして、ゲイト電極４４Ｐ、４４
Ｎを形成し、実施例２と同様に陽極酸化法によってその
表面を厚さ１５０〜３００ｎｍ、例えば２００ｎｍの陽
極酸化物（酸化アルミニウム）４５Ｐ、４５Ｎで被覆し
た。（図４（Ａ））

【００２９】次に、半導体領域４２Ｎのみを露出し、他
の部分をフォトレジスト４６Ｎでマスクした。そして、
プラズマドーピング法によって、シリコン領域４２Ｎに
フォトレジストマスク４６Ｎおよびゲイト電極部（ゲイ
ト電極４４Ｎと陽極酸化物４５Ｎ）をマスクとして不純
物（燐）を注入した。ドーピングのパターンは図３
（Ｃ）に示されるような形状とした。ドーピングガスと
して、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６５
〜１１０ｋＶ、例えば８０ｋＶとした。ドース量は１×
１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁵ｃｍ^-2と
した。この結果、Ｎ型の不純物領域４７Ｎが形成され
た。ドーピング終了後、マスク４６Ｎを用いて、酸化珪
素膜４３の一部をエッチングした。（図４（Ｂ））

【００３０】さらに、今度は、半導体領域４２Ｐのみを
露出させ、他の部分をフォトレジスト４６Ｐでマスクし
て、プラズマドーピング法によって、シリコン領域４２
Ｐに不純物（ホウ素）を注入した。この場合もドーピン
グのパターンは図３（Ｃ）に示されるような形状とし
た。ドーピングガスとして、ジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用
い、加速電圧を５０〜８０ｋＶ、例えば６５ｋＶとし
た。ドース量は１×１０¹⁵〜８×１０¹⁵ｃｍ^-2、例えば
２×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この結果、Ｐ型の不純物領域
４７Ｐが形成された。ドーピング終了後、マスク４６Ｐ
を用いて、酸化珪素膜４３の一部をエッチングした。
（図４（Ｃ））

【００３１】その後、レーザー照射によって、導入され
た不純物の活性化をおこなった。レーザーとしてはＫｒ
Ｆエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）を用いたが、
他に、ＸｅＦエキシマーレーザー（波長３５３ｎｍ）、
ＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎｍ）、Ａｒ
Ｆエキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）等を用いても
よい。レーザーのエネルギー密度は、２５０〜４００ｍ
Ｊ／ｃｍ² 、例えば２８０ｍＪ／ｃｍ² とし、１か所に
つき２〜１０ショット、例えば２ショット照射した。

【００３２】不純物の活性化後、続いて、厚さ５００〜
８００ｎｍ、例えば６００ｎｍの酸化珪素膜４８を層間
絶縁物としてＴＥＯＳ（テトラ・エトキシ・シラン、Ｓ
ｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄ ）を原料とするプラズマＣＶＤ法によ
って形成し、これにコンタクトホールを形成して、金属
材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によ
って配線４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄを形成した。
そして、０．１〜１気圧、２５０〜４００℃、例えば
０．１気圧、３５０℃の水素雰囲気中で３０〜１２０
分、例えば３０分のアニールをおこなった。以上の工程
によってＣＭＯＳの半導体回路が完成した。（図４
（Ｄ））

【００３３】

【発明の効果】本発明によって、ＴＦＴの歩留りを向上
させ、また、その信頼性を高め、最大限の特性を引き出
すことが可能となった。しかも、かように大きな効果を
得るに際して、特に大きなプロセス変更や投資、技術開
発を伴わないで実施できることのメリットは大きい。本
発明では絶縁基板上のＴＦＴを例にとって説明したが、
単結晶半導体基板上に形成されるＴＦＴにも実施できる
ことは言うまでもない。このように本発明は工業上、有
益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のＴＦＴの作製工程断面図を示
す。

【図２】 実施例２のＴＦＴの作製工程断面を示す。

【図３】 実施例２のＴＦＴのドーピングパターン等
を示す。

【図４】 実施例３のＴＦＴの作製工程断面を示す。

【図５】 従来のＴＦＴの作製工程断面図を示す。

【図６】 従来のＴＦＴの作製工程断面図を示す。

【符号の説明】

１０・・・基板（コーニング７０５９） １１・・・下地絶縁膜（酸化珪素） １２・・・島状半導体領域（シリコン） １３・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素） １４・・・ゲイト電極（シリコン） １５・・・マスク（フォトレジスト） １６・・・不純物領域（ソース、ドレイン） １７・・・層間絶縁物（酸化珪素） １８・・・ソース電極、ドレイン電極（窒化チタン／ア
ルミニウム） ２０・・・基板（コーニング７０５９） ２１・・・下地絶縁膜（酸化珪素） ２２・・・島状半導体領域（シリコン） ２３・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素） ２４・・・ゲイト電極（アルミニウム） ２５・・・陽極酸化物（酸化アルミニウム） ２６・・・マスク（フォトレジスト） ２７・・・不純物領域（ソース、ドレイン） ２８・・・層間絶縁物（酸化珪素） ２９・・・画素電極（ＩＴＯ） ３０・・・ソース電極、ドレイン電極（窒化チタン／ア
ルミニウム）

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 島状の薄膜半導体を形成し、 前記島状の薄膜半導体上に絶縁膜を形成し、 前記絶縁膜上にゲイト電極部を形成し、 前記ゲイト電極部および前記島状の薄膜半導体の一部と
   重ならないようにマスクを設け、 前記島状の薄膜半導体に不純物イオンを導入し、 前記マスクを用いて、前記絶縁膜を選択的に除去し、 レーザーまたは強光を照射することを特徴とする薄膜ト
   ランジスタの作製方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ゲイト電極部は、
   導電材料によって形成されたゲイト電極の表面が該導電
   材料の酸化物で覆われていることを特徴とする薄膜トラ
   ンジスタの作製方法。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記ゲイト電
   極部を構成する材料はアルミニウムを主成分とする材料
   であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一において、前
   記絶縁膜の除去はフッ化水素酸を含む溶液によるウェッ
   トエッチングによっておこなわれることを特徴とする薄
   膜トランジスタの作製方法。