JP2001053278A

JP2001053278A - 薄膜トランジスタおよびこれを用いた表示装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001053278A
Application number: JP11221756A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Azuma; 清一郎東
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー結晶化ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のパターン
エッジに起因するリーク電流の増大およびレーザー活性
化によるゲート電極直下での不十分な不純物活性化に起
因する実効移動度の低下。【解決手段】非晶質シリコンにドナー不純物領域、ア
クセプタ不純物領域、第３の不純物領域を形成したのち
レーザー照射をおこない、それぞれｎ型半導体領域、ｐ
型半導体領域、素子分離領域を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁体上に形成さ
れ、回路の構成素子として利用される薄膜トランジスタ
およびこれを用いた表示装置の製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等
の半導体膜は薄膜トランジスタ（以下本願明細書中では
ＴＦＴと称する）や太陽電池に広く利用されている。と
りわけ多結晶シリコンＴＦＴは高移動度化が可能であり
ながらガラス基板のように透明で絶縁性の基板上に作成
できるという特徴を生かして、液晶表示装置（ＬＣＤ）
や液晶プロジェクターなどの光変調素子あるいは液晶駆
動用内蔵ドライバーの構成素子として広く用いられ、新
しい市場の創出に成功している。

【０００３】ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作成する
方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに
実用化されている。ＴＦＴの製造方法として工程最高温
度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に
高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シ
リコンの固相成長により比較的良質のｐｏｌｙ−Ｓｉを
作成する事ができることと、熱酸化により良質のゲート
絶縁膜（一般的に二酸化珪素）および清浄なｐｏｌｙ−
Ｓｉとゲート絶縁膜の界面を形成できることである。高
温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも
信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することがで
きる。しかし、高温プロセスを用いるためにはＴＦＴを
作成する基板が１０００℃以上の高温の熱工程に耐え得
る必要がある。この条件を満たす透明な基板は現在のと
ころ石英ガラスしかない。このため昨今のｐｏｌｙ−Ｓ
ｉＴＦＴは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作成
されており、コストの問題上大型化には向かないとされ
ている。また、固相成長法では十数時間という長時間の
熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題があ
る。また、この方法では基板全体が長時間加熱されてい
る事に起因して基板の熱変形が大きな問題と化し実質的
に安価な大型ガラス基板を使用し得ないとの課題が生じ
ており、これもまた低コスト化の妨げとなっている。

【０００４】一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消
し、尚且つ高移動度のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを実現し
ようとしているのが低温プロセスと呼ばれる技術であ
る。比較的安価な耐熱性ガラス基板を使うために、工程
最高温度としておおむね６００℃以下のｐｏｌｙ−Ｓｉ
ＴＦＴ製造プロセスを一般的に低温プロセスと呼ぶ。
低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザー
を用いてシリコン膜の結晶化をおこなう技術が広く使わ
れている。レーザー結晶化とは、ガラス基板上のアモル
ファスシリコン膜に高出力のパルスレーザー光を照射す
ることによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で
結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス
基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービ
ームをくり返し照射しながらスキャンすることによって
大面積のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作成する技術が広く使われ
るようになった。また、ゲート絶縁膜としてはプラズマ
ＣＶＤをもちいた成膜方法で比較的高品質の二酸化珪素
（ＳｉＯ２）膜が成膜可能となり実用化への見通しが得
られるほどになった。これらの技術によって、現在では
一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にｐｏ
ｌｙ−ＳｉＴＦＴが作成可能となっている。

【０００５】しかしこの低温プロセスで問題となるの
は、トランジスタのチャネル部とゲート絶縁膜の構造で
ある。以下に現在の低温プロセスによるＴＦＴの作製工
程を図４にそって簡単に述べる。ガラス基板１０１上に
バッファ層となる下地絶縁膜１０２を形成したのち、非
晶質のシリコン膜１０３を形成する。しかる後、この非
晶質シリコン膜をレーザー結晶化し、能動層となるｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ１１０を形成する。このｐｏｌｙ−Ｓｉ１１
０をフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングし
た後、ゲート絶縁膜１１３を形成する。ゲート電極とし
て金属薄膜を成膜した後パターニングをおこない１１
４、このゲート電極１１４をマスクとして不純物をソー
ス、ドレイン領域１１５に注入する。次に、この不純物
を効率的に活性化するためにレーザー活性化をおこな
う。レーザー活性化は図に示すようにソース、ドレイン
領域のパターニングやゲート電極のパターニングの後に
全面にエキシマレーザー照射することによっておこな
う。この後層間絶縁膜１１６、コンタクトホールおよび
ソース、ドレイン電極１１７を形成しＴＦＴが完成す
る。

【０００６】図５にＴＦＴ構造の平面図を示す。１１４
がゲート電極、１１７がソース、ドレイン電極、１１５
がｐｏｌｙ−Ｓｉのソース、ドレイン領域で、ゲート電
極１１４の下がチャネル部分となる。図中、Ａ→Ａ曹フ
断面を見ると、図５下方に示すように、ｐｏｌｙ−Ｓｉ
のエッジ部分１０９ではゲート絶縁膜１１３のステップ
カバレッジがわるいため実効的にゲート絶縁膜１１３が
薄くなってしまう。これはｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をパターニ
ングしてからゲート絶縁膜１１３を成膜するために起こ
る現象である。エッジ部分１０９のゲート絶縁膜１１３
が薄くなると、この部分でのゲートリーク電流が大きく
なるという問題が生じる。このためＴＦＴのオフ状態で
のリーク電流が増大してしまい、例えば液晶表示装置に
ＴＦＴを利用した場合にちらつきの原因となり、またア
ナログスイッチ回路での保持信号電圧の低下によりコン
トラストの低下につながる。また、エッジ部分１０９の
絶縁膜が薄いと絶縁耐圧の低下を招くため、ＴＦＴの欠
陥増加を招く。更に、閾値電圧を下げるために薄いゲー
ト絶縁膜１１３を形成した場合、このエッジ部分１０９
は絶縁膜が形成されず、ゲート電極１１４とチャネルの
ｐｏｌｙ−Ｓｉがショートしてしまうという問題を招
く。

【０００７】これと同時に、レーザー活性化にも問題が
ある。先に述べたように、ソース、ドレイン部分に不純
物を注入した後レーザー照射により活性化をおこなうの
であるが、この方法ではゲート電極１１４の直下部分の
不純物活性化が不十分となってしまう。レーザー光を照
射する際にすでにゲート電極１１４のパターンがあるの
であるが、レーザー光はゲート電極１１４のパターンの
エッジ部分１０９で回折をおこすため、ゲート電極１１
４直下部分の波長と同程度（エキシマレーザーなら０．
３μｍ程度）の領域にはレーザー光が到達できないので
ある。このためチャネルとソース、ドレイン領域１１５
の境界部分に高抵抗の部分ができ、実効的なＴＦＴの移
動度を低下させてしまう。また、不完全な活性化により
欠陥が多数発生し、リーク電流の増大にもつながる。

【０００８】以上のように、ｐｏｌｙ−Ｓｉをパターニ
ングしてからゲート絶縁膜を形成することによるエッジ
効果およびレーザー活性化による不十分な活性化によっ
て大きな問題が発生するのである。

【０００９】従来技術として、酸素リッチなアモルファ
スシリコンをレーザー照射することによってゲート絶縁
膜を形成しようとする試みがある（Jpn. J. Appl. Phy
s. Vol.36 (1997) pp.1614 1617）。これは絶縁性の膜
がレーザー照射によって形成できることを示しており、
この絶縁膜をゲート絶縁膜として用いている。しかし、
化学的組成がＳｉＯ２となるようにこの絶縁膜を形成す
るには当然のことながら酸素がシリコンの２倍必要とな
る。このような多量の酸素をあらかじめアモルファスシ
リコン中に導入するのは極めて困難である。したがっ
て、従来技術のレーザー照射によって得られた絶縁膜は
酸素欠損に起因する固定電荷が大量に存在し、これをゲ
ート絶縁膜に適用するとトランジスタの閾値電圧をシフ
トさせる結果となってしまうのである。しかし、本発明
はこのレーザー照射によって作製した絶縁膜を素子分離
領域に応用することによって、従来予想される以上の大
きな効果が得られることを開示するものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は上述の
諸課題を鑑み、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッジ効果を無くす
と同時に、レーザー活性化に起因する不十分な活性化の
問題を解決し、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴおよび回路の特性
向上を実現する方法を与えるものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
請求項１記載の薄膜トランジスタおよび表示装置の製造
方法は、一部に不純物領域を有する半導体薄膜に光照射
をおこなうことによって、該不純物領域を素子分離領域
とすることを特徴とする。ここで一部とは、基板上の半
導体薄膜の平面領域に対して、ある特定の部分を言う
（膜厚方向ではない）。また、素子分離領域とは薄膜ト
ランジスタの動作範囲での抵抗に対して電気的に十分に
高抵抗である領域によってトランジスタ同士を電気的に
分離する領域を言う。

【００１２】上記課題を解決する為に請求項２記載の発
明は請求項１記載の薄膜トランジスタおよび表示装置の
製造方法において、前記光照射は、半導体薄膜および不
純物領域を溶融固化させること特徴とする。

【００１３】上記課題を解決する為に請求項３記載の薄
膜トランジスタおよび表示装置の製造方法は、ドナー不
純物領域とアクセプタ不純物領域のどちらかまたは両
方、および第３の不純物領域を有する半導体薄膜に光照
射をおこなうことによって、該不純物領域をそれぞれｎ
型半導体領域、ｐ型半導体領域、および素子分離領域と
することを特徴とする。ここでドナー不純物およびアク
セプタ不純物とは半導体中において浅い順位を形成しキ
ャリアを発生する不純物で、荷電子帯および導伝帯から
おおむね５０ミリ電子ボルト以下程度の浅い順位を形成
するものとし、これ以上の深い順位を形成する不純物は
ここではドナー、アクセプタとしない。

【００１４】上記課題を解決する為に請求項４記載の発
明は請求項３記載の薄膜トランジスタおよび表示装置の
製造方法において、前記光照射は、前記半導体薄膜およ
び前記ドナー不純物領域、アクセプタ不純物領域および
第３の不純物領域を溶融固化させることを特徴とする。
ここで前記半導体薄膜とは特に積極的に不純物を導入し
ていない領域を指す。

【００１５】上記課題を解決する為に請求項５記載の発
明は請求項３または４記載の薄膜トランジスタおよび表
示装置の製造方法において、前記第３の不純物領域は酸
素または窒素の不純物によって形成されることを特徴と
する。

【００１６】上記課題を解決する為に請求項６記載の発
明は請求項３、４または５記載の薄膜トランジスタおよ
び表示装置の製造方法において、前記第３の不純物を含
む領域は、真性半導体領域とドナー不純物またはアクセ
プタ不純物を含む領域を取り囲む領域に形成されてなる
ことを特徴とする。ここで真性半導体とはドナー不純物
およびアクセプタ不純物の濃度がおおむね１０^１７ｃｍ
^−３未満の半導体を指し、通常のガスを原料とした成膜
により実現できる程度の純度の半導体を言う。

【００１７】上記課題を解決する為に請求項７記載の発
明は請求項３、４、５または６記載の薄膜トランジスタ
および表示装置の製造方法において、前記第３の不純物
を含む領域は、前記ドナー不純物領域またはアクセプタ
不純物領域を取り囲む領域に形成されてなることを特徴
とする。

【００１８】上記課題を解決する為に請求項８記載の発
明は請求項３、４、５、６または７記載の薄膜トランジ
スタおよび表示装置の製造方法において、前記ドナー不
純物領域、アクセプタ不純物領域および第３の不純物領
域は、イオン注入法によって形成されることを特徴とす
る。

【００１９】上記課題を解決する為に請求項９記載の発
明は請求項３、４、５、６、７または８記載の薄膜トラ
ンジスタおよび表示装置の製造方法において、前記第３
の不純物領域は１０^１８ｃｍ^−３以上の不純物濃度を有
することを特徴とする。

【００２０】上記課題を解決する為に請求項１０記載の
発明は請求項３、４、５、６、７、８または９記載の薄
膜トランジスタおよび表示装置の製造方法において、前
記光照射はエキシマレーザーをもちいておこなうことを
特徴とする。

【００２１】上記課題を解決する為に請求項１１記載の
薄膜トランジスタおよび表示装置の製造方法は、マトリ
ックス状に画素および薄膜トランジスタを有する表示装
置において、ドナー不純物領域とアクセプタ不純物領域
のどちらかまたは両方、および第３の不純物領域を有す
る半導体薄膜に光照射をおこなうことによって、該不純
物領域をそれぞれｎ型半導体領域、ｐ型半導体領域、素
子分離および画素領域とすることを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図面に基づいて詳述する。図１に工程を追うごとのｐ
ｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの構造を図示する。

【００２３】（１．半導体薄膜の形成）本願発明の実施
のためには通常、基板３０１の上に下地保護膜３０２を
形成しその上に半導体薄膜３０３を形成するので、この
一連の形成方法について説明する。

【００２４】本発明を適応し得る基板３０１としては金
属等の導電性物質、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）や
アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）等のセラミック材料、溶融石英やガラス、樹脂やプ
ラスティック等の透明または非透明絶縁性物質、シリコ
ンウェーハー等の半導体物質、並びにそれを加工したＬ
ＳＩ基板等が可能である。半導体膜は基板上に直接又は
下地保護膜や下部電極等を介して堆積する。

【００２５】下地保護膜３０２としては酸化硅素膜（Ｓ
ｉＯ_Ｘ：０＜ｘ≦２）や窒化硅素膜（Ｓｉ
_３Ｎ_ｘ：０＜ｘ≦４）等の絶縁性物質が挙げられ
る。ＴＦＴなどの薄膜半導体装置を通常のガラス基板上
に作成する場合の様な半導体膜への不純物制御が重要で
ある時、ガラス基板中に含まれているナトリウム（Ｎ
ａ）等の可動イオンが半導体膜中に混入しない様に下地
保護膜を形成した後に半導体膜を堆積する事が好まし
い。金属材料などの導電性材料を基板として用い、且つ
半導体膜が金属基板と電気的に絶縁されていなければな
らない場合には、絶縁性を確保する為に当然下地保護膜
は必要不可欠である。更に半導体基板やＬＳＩ素子上に
半導体膜を形成する時にはトランジスタ間や配線間の層
間絶縁膜や平坦化絶縁膜が下地保護膜となりうる。

【００２６】下地保護膜はまず基板を純水やアルコール
などの有機溶剤で洗浄した後、基板上に常圧化学気相堆
積法（ＡＰＣＶＤ法）や低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶ
Ｄ法）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）等の
ＣＶＤ法或いはスパッター法等で形成する。下地保護膜
として酸化硅素膜を用いる場合、常圧化学気相堆積法で
は基板温度を２５０℃程度から４５０℃程度としてモノ
シラン（ＳｉＨ_４）や酸素を原料として堆積し得る。
プラズマ化学気相堆積法やスパッター法では基板温度は
室温から４００℃程度である。下地保護膜の膜厚は基板
からの不純物元素の拡散と混入を防ぐのに十分な厚さが
必要で、その値は最小で１００ｎｍ程度以上である。ロ
ット間や基板間のばらつきを考慮すると２００ｎｍ程度
以上が好ましく、３００ｎｍ程度あれば保護膜としての
機能を十分に果たし得る。下地保護膜がＩＣ素子間やこ
れらを結ぶ配線等の層間絶縁膜を兼ねる場合には、通常
４００ｎｍから６００ｎｍ程度の膜厚となる。絶縁膜が
余りにも厚くなると絶縁膜のストレスに起因するクラッ
クが生ずる。その為最大膜厚は２μｍ程度が好ましい。
生産性を考慮する必要が強い場合、絶縁膜厚は１μｍ程
度が上限である。

【００２７】次に半導体薄膜３０３について説明する。
本発明が適用される半導体膜としてはシリコン（Ｓｉ）
やゲルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の半導体膜の他
に、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ：
０＜ｘ＜１）やシリコン・カーバイド（Ｓｉ_ｘＣ
_１−ｘ：０＜ｘ＜１）やゲルマニウム・カーバイド
（Ｇｅ_ｘＣ_１−ｘ：０＜ｘ＜１）等の四族元素複合
体の半導体膜、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）やインジウ
ム・アンチモン（ＩｎＳｂ）等の三族元素と五族元素と
の複合体化合物半導体膜、またはカドミウム・セレン
（ＣｄＳｅ）等の二族元素と六族元素との複合体化合物
半導体膜等がある。或いはシリコン・ゲルマニウム・ガ
リウム・ヒ素（Ｓｉ_ｘＧｅ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｚ：ｘ
＋ｙ＋ｚ＝１）と云った更なる複合化合物半導体膜やこ
れらの半導体膜にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモ
ン（Ｓｂ）などのドナー元素を添加したＮ型半導体膜、
或いはホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のアクセプター元素を
添加したＰ型半導体膜に対しても本発明は適応可能であ
る。これら半導体膜はＡＰＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法、Ｐ
ＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法、或いはスパッター法等や蒸着
法等のＰＶＤ法で形成する。半導体膜としてシリコン膜
を用いる場合、ＬＰＣＶＤ法では基板温度を４００℃程
度から７００℃程度としてジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）など
を原料として堆積し得る。ＰＥＣＶＤ法ではモノシラン
（ＳｉＨ_４）などを原料として基板温度が１００℃程度
から５００℃程度で堆積可能である。スパッター法を用
いる時には基板温度は室温から４００℃程度である。こ
の様に堆積された半導体膜の初期状態（ａｓ−ｄｅｐｏ
ｓｉｔｅｄ状態）は非晶質や混晶質、微結晶質、或いは
多結晶質等様々な状態があるが、本願発明にあっては初
期状態はいずれの状態であっても構わない。尚本願明細
書中では非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶
質の再結晶化をも含めて総て結晶化と呼ぶ。半導体膜の
膜厚はそれをＴＦＴに用いる時には２０ｎｍ程度から１
００ｎｍ程度が適している。

【００２８】（２．不純物領域の形成）次に、半導体薄
膜にドナーおよびアクセプタ不純物領域（３１５）を形
成する。はじめにソース、ドレイン領域にドナーまたは
アクセプタ不純物を導入する。半導体薄膜上にフォトレ
ジストを形成し、特定領域のみに不純物を導入するパタ
ーンをマスクに使い、不純物注入をおこなう。不純物注
入は質量分離型イオン注入装置を用いて所望の不純物元
素のみを注入するイオン打ち込み法が適応され得る。イ
オン注入法の原料ガスとしては水素中に希釈された濃度
０．１％程度から１０％程度のホスフィン（ＰＨ_３）や
ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等の注入不純物元素の水素化物を
用いる。ｎ型トランジスタを形成する領域にはリンなど
の不純物を、ｐ型トランジスタを形成する領域にはボロ
ンなどの不純物をそれぞれイオン注入する。トランジス
タのしきい値電圧を調整する為にチャンネル・ドープを
行うとか、或いはＬＤＤ構造を作成すると云った目的で
低濃度に不純物注入をおこなう領域をこの時に形成して
もよい。

【００２９】次に素子分離のための不純物注入をおこな
う。前述の方法と同様に、イオン注入によってチャネル
部分およびソース、ドレイン領域を取り囲む領域（３２
０）に不純物を導入する。ここで不純物はシリコン中で
浅い順位を形成するドナーやアクセプタ以外のものが必
要である。この不純物としてはアルゴンやキセノンなど
の不活性ガスあるいは酸素や窒素、フッ素など半導体と
結合を形成しうる元素が適している。特に酸素や窒素は
シリコンと結合を形成し、バンドギャップの広い絶縁体
に近い性質の膜を形成しうるので有効である。これらの
不純物を半導体薄膜中に導入した後これに光照射をおこ
なうことで、不純物は半導体と結合を形成し、この不純
物領域のみが絶縁体にちかい性質に変化する。このとき
の不純物の濃度は、光照射後の膜の絶縁性を左右するの
で重要である。おおむね１０^１８ｃｍ^−３以上の酸素あ
るいは窒素原子をシリコン中に導入してやればレーザー
照射後に絶縁抵抗の高い膜を得ることができる。このよ
うにして形成した絶縁性の薄膜は従来技術のようにゲー
ト絶縁膜には適用困難であるが、素子分離の目的に用い
るには十分に高い絶縁抵抗を示す。これによって、ｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ薄膜をパターニングすること無く薄膜トラン
ジスタ同士を電気的に分離することができるのである。
これに加えて、このようにして形成した領域は光学的に
も特徴的な性質を示す。バンドギャップが広がるのに伴
って、徐々に膜は透明に近づく。このため、この素子分
離領域をたとえば液晶表示装置の画素領域にまで広げる
ことによって、半導体層をエッチングしなくても透明な
領域を形成することができるので、表示装置への適用に
もまったく問題ない。以上のように、レーザー照射によ
って絶縁膜を形成する技術をゲート絶縁膜でなく素子分
離あるいは透明膜形成に適用することによって従来予想
できなかったような画期的な製造プロセスを構築するこ
とができるのである。

【００３０】（３．半導体薄膜のレーザー結晶化）下地
絶縁膜と半導体膜および不純物領域を形成した後、この
半導体膜をレーザー照射によって結晶化する。通常、
ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等のＣＶＤ法で堆積させた
シリコン膜表面は自然酸化膜で覆われていることが多
い。従って、レーザー光を照射する前にこの自然酸化膜
を除去する必要がある。このためには弗酸溶液に浸して
ウエットエッチングする方法や、フッ素ガスを含んだプ
ラズマ中でのドライエッチング等がある。

【００３１】次に半導体膜のついた基板をレーザー照射
チャンバーにセットする。レーザー照射チャンバーは一
部分が石英の窓によってできており、チャンバーを真空
に排気した後この石英窓からレーザー光３０７を照射す
る。

【００３２】ここでレーザー光について説明する。レー
ザー光は半導体薄膜３０３表面で強く吸収され、その直
下の絶縁膜３０２にはほとんど吸収されないことが望ま
れる。従ってこのレーザー光としては紫外域またはその
近傍の波長を持つエキシマレーザー、アルゴンイオンレ
ーザー、ＹＡＧレーザー高調波等が好ましい。また、半
導体薄膜３０３を高温に加熱すると同時に基板３０１へ
のダメージを防ぐためには大出力でしかも極短時間のパ
ルス発振であることが必要となる。従って、上記レーザ
ー光３０７の中でも特にキセノン・クロライド（ＸｅＣ
ｌ）レーザー（波長３０８ｎｍ）やクリプトンフロライ
ド（ＫｒＦ）レーザー（波長２４８ｎｍ）等のエキシマ
・レーザーが最も適している。これらのレーザーは不純
物を導入した半導体領域においても効率的に吸収される
ため、特に本発明の製造プロセスに適合しやすいという
特徴がある。

【００３３】次にこれらのレーザー光の照射方法につい
て図２にそって述べる。レーザーパルスの強度半値幅は
１０ｎｓ程度から５００ｎｓ程度の極短時間である。レ
ーザー照射は基板を室温（２５℃）程度から４００℃程
度の間とし、背景真空度が１０^−４Ｔｏｒｒ程度から１
０^−９Ｔｏｒｒ程度の真空中にて行う。レーザー照射の
一回の照射面積は対角５ｍｍ□程度から６０ｍｍ□程度
の正方形または長方形状である。レーザー照射の一回の
照射で例えば８ｍｍ□の正方形面積が結晶化できるビー
ムを用いた場合について説明する。１カ所に１発のレー
ザー照射４０１をおこなった後、基板とレーザーとの位
置を相対的に水平方向にわずかにずらす４０３。この後
再び１発のレーザー照射４０２をおこなう。このショッ
トアンドスキャンを連続的に繰り返していく事によって
大面積の基板にも対応できる。更に具体的には、各照射
毎に照射領域を１％程度から９９％程度ずらして行く
（例えば５０％：先の例では４ｍｍ）。最初に水平方向
（Ｘ方向）に走査した後、次に垂直方向（Ｙ方向）に適
当量４０４ずらせて、再び水平方向に所定量４０３ずつ
ずらせて走査し、以後この走査を繰り返して基板全面に
第一回目のレーザー照射を行う。この第一回目のレーザ
ー照射エネルギー密度は５０ｍＪ／ｃｍ^２程度から６０
０ｍＪ／ｃｍ^２程度の間が好ましい。第一回目のレーザ
ー照射が終了した後、必要に応じて第二回目のレーザー
照射を全面に施す。第二回目のレーザー照射を行う場
合、そのエネルギー密度は一回目より高い値が好まし
く、１００ｍＪ／ｃｍ^２程度から１０００ｍＪ／ｃｍ^２
程度の間としても良い。走査方法は第一回目のレーザー
照射と同じで正方形状の照射領域をＹ方向とＸ方向に適
当量ずらせて走査する。更に必要に応じてエネルギー密
度をより高くした第三回目或いは第四回目のレーザー照
射を行う事も可能で有る。こうした多段階レーザー照射
法を用いるとレーザー照射領域端部に起因するばらつき
を完全に消失させる事が可能になる。多段階レーザー照
射の各回目の照射に限らず通常の一段階照射でも、レー
ザー照射は総て半導体膜に損傷が入らぬエネルギー密度
で行う。これ以外にも図３に示すように、照射領域形状
を幅１００μｍ程度以上で長さが数１０ｃｍ以上のライ
ン状５０１とし、このライン状レーザー光を走査して結
晶化を進めても良い。この場合各照射毎のビームの幅方
向の重なりはビーム幅の５％程度から９５％程度とす
る。ビーム幅が１００μｍでビーム毎の重なり量が９０
％で有れば、一回の照射毎にビームは１０μｍ進むので
同一点は１０回のレーザー照射を受ける事となる。通常
半導体膜を基板全体で均一に結晶化させるには少なくと
も５回程度以上のレーザー照射が望まれるので、照射毎
のビームの重なり量は８０％程度以上が求められる。高
い結晶性の多結晶膜を確実に得るには同一点が１０回程
度から３０回程度の照射が行われる様に重なり量を９０
％程度から９７％程度へと調整するのが好ましい。

【００３４】レーザー結晶化はごく短時間に薄膜の温度
を融点以上に上昇させ、その後短時間で凝固させる技術
である。前述のレーザー結晶化によって、あらかじめ不
純物を導入した半導体薄膜は溶融、結晶化あるいは不純
物と半導体の結合の形成をおこす。このため、チャネル
部分の半導体薄膜のｐｏｌｙ−Ｓｉ形成、ソース、ドレ
イン領域の結晶化と同時に不純物の活性化、素子分離領
域の絶縁体形成を同時におこなうことができるのであ
る。レーザー照射で半導体薄膜は一時的に高温状態（＞
１０００℃）になるため、あらかじめ導入した不純物と
シリコンとの反応が促進されるものの、高温状態はごく
短時間しか存在しないため実効的には低温プロセスであ
り、ガラス基板などの耐熱性の低い基板上でもなんら問
題なくこのプロセスが実行できるのである。この技術に
より、ゲート電極を形成する前にソース、ドレイン領域
の不純物活性化をおこなうので、従来技術のようにゲー
ト電極直下の不純物活性化が不十分となるような問題は
一切発生しない。また、素子分離領域が存在するのでｐ
ｏｌｙ−ＳｉをエッチングすることなくＴＦＴ素子が電
気的に分離されており、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は平坦である
ので、従来例のようにｐｏｌｙ−Ｓｉパターンのエッジ
によるゲート絶縁膜の薄膜化効果や膜切れの問題を解決
することができるのである。

【００３５】（４．ゲート絶縁膜形成）図１にもどっ
て、この後ゲート絶縁膜３１３を成膜する。ゲート絶縁
膜３１３の成膜方法としては、ＥＣＲプラズマＣＶＤ
法、平行平板プラズマＣＶＤ法などがある。このように
ＭＯＳ界面となるｐ−Ｓｉの表面を常に保護するような
プロセスを行うことによって、極めて良好な半導体−ゲ
ート絶縁膜構造が完成するのである。ここで、ゲート絶
縁膜３１３の形成はレーザー結晶化、活性種処理に引き
続いて真空中で連続しておこなうと更に効果的である。

【００３６】（５．以降の工程）引き続いてゲート電極
３１４となる薄膜をＰＶＤ法或いはＣＶＤ法などで堆積
する。この材質は電気抵抗が低く、３５０℃程度の熱工
程に対して安定である事が望まれ、例えばタンタル、タ
ングステン、クロム等の高融点金属がふさわしい。前記
高融点金属の中で７００ｎｍもの膜厚で成膜しても膜ス
トレスによるクラックが生じない材料となると、タンタ
ルが最もふさわしい。ゲート電極となる薄膜を堆積後パ
ターニングを行い、層間絶縁膜３１６を形成し、次にソ
ース・ドレイン上にコンタクトホールを開孔し、ソース
・ドレイン取り出し電極３１７と配線をＰＶＤ法やＣＶ
Ｄ法などで形成して薄膜トランジスタが完成する。

【００３７】

【実施例】本発明の実施例を図１にそって説明する。本
発明で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の
説明に準ずるが、ここでは基板の一例として３００ｍｍ
×３００ｍｍの正方形状汎用無アルカリガラス３０１を
用いる。まず基板３０１上に絶縁性物質である下地保護
膜３０２を形成する。ここでは基板温度を１５０゜Ｃと
してＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程度の膜厚を
有する酸化硅素膜を堆積する。次に後にＴＦＴの能動層
となる真性シリコン膜等の半導体膜３０３を堆積する。
半導体膜の厚みは５０ｎｍ程度で有る。本実施例では高
真空型ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスで有るジシラ
ン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を２００ＳＣＣＭ流し、４２５℃
の堆積温度で非晶質シリコン膜３０３を堆積する。まず
高真空型ＬＰＣＶＤ装置の反応室を２５０℃とした状態
で反応室の内部に複数枚（例えば１７枚）の基板を表側
を下向きとして配置する。こうした後にターボ分子ポン
プの運転を開始する。ターボ分子ポンプが定常回転に達
した後、反応室内の温度を約１時間掛けて２５０℃から
４２５℃の堆積温度に迄上昇させる。昇温開始後の最初
の１０分間は反応室にガスを全く導入せず真空中で昇温
を行ない、しかる後純度が９９．９９９９％以上の窒素
ガスを３００ＳＣＣＭ流し続ける。この時の反応室内に
おける平衡圧力は、３．０×１０^−３Ｔｏｒｒで有る。
堆積温度に到達した後、原料ガスであるジシラン（Ｓｉ
_２Ｈ_６）を２００ＳＣＣＭ流すと共に、純度が９
９．９９９９％以上の希釈用ヘリウム（Ｈｅ）を１００
０ＳＣＣＭ流す。堆積開始直後の反応室内圧力は凡そ
０．８５Ｔｏｒｒで有る。堆積の進行と共に反応室内の
圧力は徐々に上昇し、堆積終了直前の圧力は凡そ１．２
５Ｔｏｒｒと成る。斯様に堆積したシリコン膜３０３は
基板の周辺部約７ｍｍを除いた２８６ｍｍ角の領域内に
於いて、その膜厚変動は±５％以内で有る。

【００３８】次に不純物導入工程をおこなう。不純物の
導入はイオン注入装置を用いておこなう。注入時間を短
縮するために、シリコン膜３０３の上に絶縁膜３５０を
１００ｎｍ堆積する。次にｎ型トランジスタのソース、
ドレイン部にリンイオンを８０ｋＶの加速電圧で１０
^１５ｃｍ^−２注入し、つぎにｐ型トランジスタのソー
ス、ドレイン部にボロンイオンを４０ｋＶの加速電圧で
１０^１５ｃｍ^−２注入する。所望の領域以外はフォトレ
ジスト３５１によって覆われているので、不純物は導入
されない。次に素子分離領域以外にフォトレジスト３５
２を形成し、酸素イオンを５０ｋＶの加速電圧で１０
^１７ｃｍ^−２注入する。これらの不純物注入が終了した
後、絶縁膜３５０をエッチングする。

【００３９】次にレーザー光の照射をおこなう。本実施
例ではキセノン・クロライド（ＸｅＣｌ）のエキシマ・
レーザー（波長：３０８ｎｍ）を照射する。レーザーパ
ルスの強度半値幅（時間に対する半値幅）は２５ｎｓで
ある。基板３０１をレーザー結晶化チャンバーにセット
した後、真空排気をおこなう。基板３０１を加熱した状
態でレーザー照射することでｐ−Ｓｉ膜の結晶性を向上
することができるので、真空排気後基板温度を２５０度
℃まで上昇させる。一回のレーザー照射面積は１０ｍｍ
角の正方形状で、照射面でのエネルギー密度は１６０ｍ
Ｊ／ｃｍ^２である。このレーザー光を９０％ずつ重ね
つつ（つまり照射するごとに１ｍｍづつ）相対的にずら
しながら照射を繰り返す（図２参照）。こうして一辺３
００ｍｍの基板全体のアモルファスシリコンを結晶化す
る。同様な照射方法を用いて２回目のレーザー照射を行
う。２回目のエネルギー密度は１８０ｍＪ／ｃｍ^２で有
る。これをくり返し、３回目、４回目と約２０ｍＪ／ｃ
ｍ^２づつ照射エネルギー密度を上昇させながら最終的に
はのエネルギー密度４４０ｍＪ／ｃｍ^２の照射をおこな
いレーザー照射を終了する。ここで４５０ｍＪ／ｃｍ^２
の照射レーザーエネルギー密度を超えた高いエネルギー
を照射すると、微結晶化を起こすため、これ以上のエネ
ルギー照射を避けた。

【００４０】次に真空を保ったままで基板３０１をゲー
ト絶縁膜成膜チャンバーへと搬送する。ここでＣＶＤ法
やＰＶＤ法などでゲート絶縁膜３１３を形成する。本実
施例では平行平板型ｒｆ放電ＰＥＣＶＤ法で基板温度を
３５０℃として１２０ｎｍの酸化硅素膜を堆積する。原
料ガスとしてはＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ_２−Ｃ
Ｈ_３）_４）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスをもちいた。清浄
な界面を形成するために連続でゲート絶縁膜３１３を成
膜する事はその効果があることがわかった。

【００４１】引き続いてゲート電極３１４となる薄膜を
ＰＶＤ法或いはＣＶＤ法などで堆積する。通常はゲート
電極３１４とゲート配線は同一材料にて同一工程で作ら
れる為、この材質は電気抵抗が低く、３５０℃程度の熱
工程に対して安定である事が望まれる。本実施例では膜
厚が６００ｎｍのタンタル薄膜をスパッタ法により形成
する。タンタル薄膜を形成する際の基板温度は１８０℃
であり、スパッタガスとして窒素ガスを６．７％含むア
ルゴンガスを用いる。斯様に形成したタンタル薄膜は結
晶構造がα構造と成っており、その比抵抗は凡そ４０μ
Ωｃｍである。

【００４２】次に層間絶縁膜（３１６）をＣＶＤ法或い
はＰＶＤ法で形成する。本実施例ではＴＥＯＳ（Ｓｉ−
（Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨ_３）_４）と酸素（Ｏ_２）、水（Ｈ_２
Ｏ）を原料気体とし、希釈気体としてアルゴンを用いて
基板表面温度３００℃で５００ｎｍの膜厚に成膜する。
層間絶縁膜形成後、３５０℃程度以下の適当な熱環境下
にて数十分から数時間の熱処理を施して層間絶縁膜の焼
き締めを行う。又層間絶縁膜を効能的に焼き締めるには
３００℃以上の温度が好ましい。通常ゲート絶縁膜と層
間絶縁膜とではその膜品質が異なっている。その為に層
間絶縁膜形成後二つの絶縁膜にコンタクトホールを開け
る際、絶縁膜のエッチング速度が違っているのが普通で
ある。斯様な条件下ではコンタクトホールの形状が下方
程広い逆テーパー状に成ったり或いは庇が発生して仕舞
い、その後電極形成した時に電気的な導通がうまく取れ
ない所謂接触不良の原因となる。層間絶縁膜を効能的に
焼き締めるとこうした接触不良の発生を最小限に止めら
れるので有る。本実施例では露点が８０℃の水蒸気を含
んだ酸素雰囲気１気圧下にて３００℃１時間の熱処理を
施す。単純な熱処理に比べ、水蒸気を露点で３５℃程度
から１００℃程度含んだ酸素含有気体（酸素濃度は２５
％程度から１００％が好ましい）雰囲気下で圧力を０．
５気圧程度から１．５気圧程度として１００℃程度から
４００℃程度の温度で熱処理を３０分程度から６時間程
度行うと、酸化膜（下地保護膜、ゲート絶縁膜、層間絶
縁膜等）の膜質改善が進み、高電圧や高電流下でも安定
に動作する信頼性の高いトランジスタが得られる。層間
絶縁膜形成後ソース・ドレイン上にコンタクトホールを
開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極３１７と配線を
ＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄膜トランジスタが
完成する。

【００４３】

【発明の効果】従来の技術では、レーザー結晶化ｐｏｌ
ｙ−Ｓｉ膜のパターンエッジに起因するエッジ効果で特
性のシフトやリーク電流の増大が生じた。また、ソー
ス、ドレイン領域の不純物活性化がゲート電極直下で不
十分なため実効移動度の低下およびリーク電流の増大を
招いていた。しかし、以上述べて来た様に本発明の薄膜
トランジスタの製造方法を用いることによってエッジが
無く、且つ素子間が電気的に分離されたトランジスタを
形成することができ、更に不純物の効率的な活性化も同
時に実現できる製造方法が実現できる。結果として高移
動度、低リーク電流の薄膜トランジスタの製造が可能と
なりトランジスタの性能を飛躍的に高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜トランジスタの製造方法を示した
工程断面図。

【図２】レーザー照射方法を示した図。

【図３】レーザー照射方法を示した図。

【図４】従来の薄膜トランジスタの製造方法を示した工
程断面図。

【図５】ＴＦＴ構造の平面図および断面図。

【符号の説明】

１０１、３０１．．．基板１０２、３０２．．．下地絶縁膜１０３、３０３．．．半導体膜１０４、３０４．．．絶縁膜１０７、３０７．．．レーザー光１１０、３１０．．．結晶化半導体膜１１３、３１３．．．ゲート絶縁膜１１４、３１４．．．ゲート電極１１５、３１５．．．ソース、ドレイン領域１１６、３１６．．．層間絶縁膜１１７、３１７．．．ソース、ドレイン電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一部に不純物領域を有する半導体薄膜に光
照射をおこなうことによって、該不純物領域を素子分離
領域とすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方
法。
【請求項２】前記光照射は、半導体薄膜および不純物領
域を溶融固化させること特徴とする請求項１記載の薄膜
トランジスタの製造方法。
【請求項３】ドナー不純物領域とアクセプタ不純物領域
のどちらかまたは両方、および第３の不純物領域を有す
る半導体薄膜に光照射をおこなうことによって、該不純
物領域をそれぞれｎ型半導体領域、ｐ型半導体領域、お
よび素子分離領域とすることを特徴とする薄膜トランジ
スタの製造方法。
【請求項４】前記光照射は、前記半導体薄膜および前記
ドナー不純物領域、アクセプタ不純物領域および第３の
不純物領域を溶融固化させることを特徴とする請求項３
記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】前記第３の不純物領域は酸素または窒素の
不純物によって形成されることを特徴とする請求項３ま
たは４記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】前記第３の不純物を含む領域は、真性半導
体領域とドナー不純物またはアクセプタ不純物を含む領
域を取り囲む領域に形成されてなることを特徴とする請
求項３、４または５記載の薄膜トランジスタの製造方
法。
【請求項７】前記第３の不純物を含む領域は、前記ドナ
ー不純物領域またはアクセプタ不純物領域を取り囲む領
域に形成されてなることを特徴とする請求項３、４、５
または６記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】前記ドナー不純物領域、アクセプタ不純物
領域および第３の不純物領域は、イオン注入法によって
形成されることを特徴とする請求項３、４、５、６また
は７記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】前記第３の不純物領域は１０^１８ｃｍ^−３
以上の不純物濃度を有することを特徴とする請求項３、
４、５、６、７または８記載の薄膜トランジスタの製造
方法。
【請求項１０】前記光照射はエキシマレーザーをもちい
ておこなうことを特徴とする請求項３、４、５、６、
７、８または９記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】マトリックス状に画素および薄膜トラン
ジスタを有する表示装置において、ドナー不純物領域と
アクセプタ不純物領域のどちらかまたは両方、および第
３の不純物領域を有する半導体薄膜に光照射をおこなう
ことによって、該不純物領域をそれぞれｎ型半導体領
域、ｐ型半導体領域、素子分離および画素領域とするこ
とを特徴とする薄膜トランジスタを用いた表示装置の製
造方法。