JP2008226993A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工程数の増加や金属原子が半導体層中へ過度に拡散することなく、不純物を含む半導体層の均一な熱処理を可能とする半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供すること。
【解決手段】 基板上に半導体層を形成する工程、前記半導体層を含む前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、前記ゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体層に不純物を注入する工程、前記層間絶縁膜上に光吸収膜を成膜する工程と、前記光吸収膜に光を照射し、光吸収により生じた熱により前記半導体層中の不純物を活性化する工程と、前記光吸収膜及び層間絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、前記光吸収膜上に前記開口部内を埋めるように導電層を形成する工程と、前記導電層及び光吸収膜をパターン状に加工し、配線層を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、液晶表示装置のような表示装置に用いる薄膜半導体装置及びその製造方法に関する。

液晶表示装置等の表示装置として、マトリクス状に配置された多数の画素を、画素毎に駆動するために、各画素に薄膜半導体装置である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けたアクティブマトリクス型の表示装置が知られている。かかる用途に用いられるＴＦＴの製造プロセスは、以下の通りである。

まず、ガラス基板上に所定のパターンの能動層として機能する半導体層を形成する。次いで、この半導体層上に、ゲート絶縁膜及びパターニングしたゲート電極を順次形成し、このゲート電極をマスクとして、半導体層に対し不純物イオンを注入し、ソース領域、ドレイン領域を形成する。

不純物イオンの注入後、層間絶縁膜を形成し、ファーネス炉アニールにより、ソース領域、ドレイン領域の不純物の活性化を行う。次に、層間絶縁膜を貫通して半導体層に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内及び層間絶縁膜上に、ソース領域及びドレイン領域に接続するソース電極及びドレイン電極を形成して、ＴＦＴが完成する。

以上のような方法で製造される液晶表示装置のＴＦＴでは、近年、素子の微細化が進んでいる。素子を微細化すると、電流が流れる各部の断面積が小さくなり、結果として抵抗の上昇をもたらす。そのため、特にソースおよびドレイン領域は活性化の状態によって抵抗率に差が生じるため、効率のよい活性化処理を行うことが求められている。

しかし、上述したようなファーネス炉アニールでは、ガラス基板の歪点が６７０℃程度であるため、加熱温度に限りがあり、そのためソースおよびドレイン領域の抵抗率が十分に下がらないという問題が生じている。

そのため、活性化率を向上するひとつの方法として、フラッシュランプを光源に用いて、光を被照射物に照射し、光を吸収する半導体層を局所的に１０００℃以上の高温まで昇温する方法が用いられている。

この方法によると、光を吸収する半導体層を約１４００℃に加熱することができるので、短時間で効果的に多結晶シリコン層に含まれる不純物の活性化を行うことができる。この場合、ガラス基板は光を吸収しないため、加熱されず、歪みを生ずる６７０℃には到達しない。

また、このようなフラッシュランプを用いて半導体層を加熱する場合には、被照射部の光吸収の差などによって加熱が不均一になることを防ぐため、被照射物の全面に光吸収膜を設けた後に光照射を行う方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

なお、半導体層上に層間絶縁膜を形成し、開口部を形成した後、チタンを成膜し、ランプアニールして窒化チタンを形成する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１３８１７７号公報 特開平５−６２９２９号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案されている方法では、光吸収膜として融点が１４００℃程度のシリコン膜を用いているため、より高い融点を持つ金属を用いた場合に比べて加熱のピーク温度が制限されるという問題が生じる。また、光照射後、光吸収膜を除去する工程が必要であるため、工程数が増加してしまう。

また、上記特許文献２で提案されている方法は、半導体層中の不純物の活性化を目的とするものではなく、また加熱温度のピーク温度が半導体層の融点を超える場合には、半導体層とチタンとの接触部からチタン原子が半導体層中へ過度に拡散するという問題が生じる。

本発明は、以上のような事情の下になされ、工程数の増加や金属原子が半導体層中へ過度に拡散することなく、不純物を含む半導体層の均一な熱処理を可能とする半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、基板上に半導体層を形成する工程、前記半導体層を含む前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、前記ゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体層に不純物を注入する工程、前記層間絶縁膜上に光吸収膜を成膜する工程と、前記光吸収膜に光を照射し、光吸収により生じた熱により前記半導体層中の不純物を活性化する工程と、前記光吸収膜及び層間絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、前記光吸収膜上に前記開口部内を埋めるように導電層を形成する工程と、前記導電層及び光吸収膜をパターン状に加工し、配線層を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

かかる半導体装置の製造方法において、光を照射するのに用いる光源として、フラッシュランプを用いることができる。

本発明の第２の態様は、基板上に形成され、所定の間隔を隔てて第１の不純物領域及び第２の不純物領域を有する半導体層、前記半導体層を含む前記基板上に形成されたゲート絶縁膜、前記第１の不純物領域及び第２の不純物領域の間の領域に対応する前記ゲート絶縁膜上の領域に形成されたゲート電極、前記ゲート電極を覆うように形成された層間絶縁膜、前記層間絶縁膜に形成された貫通孔を介して前記第１の不純物領域及び第２の不純物領域に接続された配線層を具備し、前記貫通孔の周縁の配線層は、光吸収層と導電層とからなる２層構造であることを特徴とする半導体装置を提供する。

以上の本発明の第１及び第２の態様に係る半導体装置及びその製造方法において、光吸収膜を、半導体層より融点が高い金属により構成することができる。

この場合、半導体層をシリコンにより構成し、光吸収膜を、チタン、クロム、モリブデン、タンタル、タングステンおよび少なくともそれらの金属を含む合金からなる群から選ばれた金属により構成することができる。特に、光吸収膜を構成する金属は、光吸収膜と接する導電層を構成する金属と同種の金属であることが望ましい。また、半導体層を構成するシリコンとして、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを用いることができる。

本発明によれば、半導体層上に絶縁膜を介して光吸収膜を形成し、この光吸収膜に光を照射して吸収せしめ、これにより発生した熱により半導体層を加熱し、そこに含まれる不純物を活性化しているため、半導体層の加熱を均一に行うことができる。

また、半導体層に接続する配線層を形成するための開口前に光の照射による熱処理を行っているため、半導体層と開口内の金属とが相互拡散することがなく、また半導体層と光吸収膜とは接触しない状態で光の照射による熱処理を行っているため、半導体層と光吸収膜とが相互拡散することもない。

更に、光吸収膜は配線層形成の際に同時にパターニングされるため、光吸収膜を除去するための追加の工程は不必要であり、製造コストが増加することはない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。

まず、被処理基板１を用意する。この実施形態では、被処理基板１としてガラス基板２上にＳｉＯ_２からなる下地絶縁層３が形成された基板を用いている。このガラス基板１上（下地絶縁層３上）の略全面に層厚が例えば５０ｎｍとなるようにアモルファスシリコン層４を形成する。その後、温度５００℃の雰囲気中でアニール処理を施し、このアモルファスシリコン層４中の水素を離脱させる（図１（ａ））。

次いで、例えばＥＬＡ（Excimer Laser Anneal）法により、このアモルファスシリコン層４を結晶化して、多結晶シリコン層５とする（図１（ｂ））。

次に、ＰＥＰ（Photo Engraving Process、いわゆるフォトリソグラフィー）により多結晶シリコン層５上に所定の形状のレジストマスクを形成し、このレジストマスクをマスクとして、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）法により多結晶シリコン層５にエッチングを施すことによって、多結晶シリコン層５を島形状に加工する（図１（ｃ））。

その後、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて、島形状に加工された多結晶シリコン層５及び下地絶縁層３を覆うように、ＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜６を形成する（図１（ｄ））。

次に、ゲート絶縁膜６上の略全面に金属層、例えばモリブデンタングステン層７を形成する（図２（ａ））。そして、モリブデンタングステン層７上にＰＥＰにより所定の形状のレジストマスクを形成した後、このレジストマスクをマスクとして反応性イオンエッチング法により、モリブデンタングステン層の不要部分を除去し、ゲート電極８を形成する（図２（ｂ））。

次に、ゲート電極層８をマスクとして、多結晶シリコン層５に不純物領域、例えばソース領域及びドレイン領域形成のために不純物イオン（リンもしくはボロン等）を注入する（図２（ｃ））。

次いで、全面にＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜９を形成する（図２（ｄ））。

その後、層間絶縁膜９の全面を覆うように光吸収膜１０を成膜する（図３（ａ））。光吸収膜１０が照射する光を十分に吸収するためには、金属膜の場合で１００〜２００ｎｍ程度の膜厚にすることが望ましい。また、金属膜の材質は、多結晶シリコン層５の融点（１４１０℃）よりも高い融点の金属を用いることが望ましい。

光吸収膜１０を構成する金属の具体例として、チタン（融点：１６６０℃）、クロム（融点：１８５７℃）、モリブデン（融点：２６２０℃）、タンタル（融点：２９９６℃）、タングステン（融点：３４１０℃）およびそれらの金属をベースにした合金があげられる。

次に、フラッシュランプ１１により、光吸収膜１０に光を照射する（図３（ｂ））。

光吸収膜１０を構成する材料の近紫外域吸収特性に関しては、反射の少ないクロムやタンタルが好ましい特性を有しているが、配線膜の一部としても用いることができるチタンも光照射後の工程を考慮すると実用的な選択肢の一つとなる。

光照射の手段としては、本実施形態ではランプユニット１１を用いている。ランプユニット１１は、複数のフラッシュランプ１２とリフレクタ１３とにより構成される。フラッシュランプ１２は、キセノンなどの不活性ガスを放電させることによって発光するランプであり、例えば棒状のキセノンフラッシュランプを用いることができる。キセノンフラッシュランプは、その内部にキセノンガスが封入され、その両端にコンデンサーに接続された陽極及び陰極が配置された石英ガラス管であり、駆動電源回路のコンデンサーに蓄えられた電気が石英ガラス管内に流れ、その時に生ずるジュール熱でキセノンガスが加熱されて、光が放出される。

フラッシュランプ光は、紫外線から可視領域に極大強度を有しており、パルス幅が０．１ｍｓ〜１００ｍｓのキセノンフラッシュランプ光を照射することで、短時間での効率的なアニール処理により、不純物イオンの活性化を行うことができる。なお、キセノンフラッシュランプとしては、紫外から可視光領域に光強度を有するものが好適である。

フラッシュランプ１２の光で１００ｎｍより薄い多結晶シリコン層５を直接加熱しようとすると、多結晶シリコン層５の光吸収特性により紫外光だけしか多結晶シリコン層５の発熱に寄与しない。従って、多結晶シリコン層５に直接光を照射して加熱すると、熱効率が低くなる。

これに対し、光吸収膜１０に光を照射し、光吸収膜１０を発熱させて得られる熱により間接的に多結晶シリコン層５を加熱すると、光吸収膜１０表面の反射で失われるエネルギーはあるが、反射されずに入射したエネルギーは多結晶シリコン層５に比べてより広い帯域で吸収されるため、光の利用効率が高くなるという利点がある。

次に、光吸収膜１０への光照射の後、光吸収膜１０、層間絶縁膜９、及びゲ−ト絶縁膜６を貫通して配線接続のための開口部を設ける（図３（ｃ））。次いで、光吸収膜１０上に導電層１４を形成する（図４（ａ））。この際、開口部は導電層１４により埋められる。

その後、導電層１４及び光吸収膜１０をパターニングして、配線層１５ａ，１５ｂを形成することにより、薄膜トランジスタが得られる（図４（ｂ））。

なお、配線層１５ａ，１５ｂにおいて、導電層１４により埋められた開口部の周縁は、導電層１４のパターンと光吸収膜１０のパターンの２層構造となる。また、光吸収膜１０が金属からなる場合には、光吸収膜１０のパターンは配線層１５ａ，１５ｂの一部となり、抵抗の低減に寄与する。

以上のように、本実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法では、多結晶シリコン層５上に層間絶縁膜９を介して光吸収膜１０を形成し、この光吸収膜１０にフラッシュランプ１１から光を照射して吸収せしめ、これにより発生した熱により多結晶シリコン層５を加熱し、そこに含まれる不純物を活性化しているため、多結晶シリコン層５の加熱を均一に行うことができる。

また、多結晶シリコン層５に接続する配線層形成のための開口の形成前に光の照射による熱処理を行っているため、多結晶シリコン層５と配線層１５ａ，１５ｂとが相互拡散することがなく、また多結晶シリコン層５と光吸収膜１０とは接触しない状態で光の照射による熱処理を行っているため、多結晶シリコン層５と光吸収膜１０とが相互拡散することもない。更に、光吸収膜１０は配線層１５ａ，１５ｂ形成の際に同時にパターニングされるため、光吸収膜１０を除去するための追加の工程は不必要であり、製造コストが増加することはない。

なお、以上の実施形態では、ランプユニット１３の光源としてフラッシュランプ１１を用いたが、フラッシュランプ１１による光の照射の代わりにＣＷ−ＹＡＧレーザー光を照射、例えば走査してもよい。

本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造方法を工程順に示す断面図である。

符号の説明

１…被処理基板、２…ガラス基板、３…下地絶縁層、４…アモルファスシリコン層、５…多結晶シリコン、６…ゲート絶縁膜、７…モリブデンタングステン層、８…ゲート電極、９…層間絶縁膜、１０…光吸収膜、１１…ランプユニット、１２…フラッシュランプ、１３…リフレクタ、１４…導電層、１５ａ，１５ｂ…配線層。

Claims (11)

1. 基板上に半導体層を形成する工程、
   前記半導体層を含む前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
   前記ゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程、
   前記ゲート電極をマスクとして前記半導体層に不純物を注入する工程、
   前記層間絶縁膜上に光吸収膜を成膜する工程と、
   前記光吸収膜に光を照射し、光吸収により生じた熱により前記半導体層中の不純物を活性化する工程と、
   前記光吸収膜及び層間絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、
   前記光吸収膜上に前記開口部内を埋めるように導電層を形成する工程と、
   前記導電層及び光吸収膜をパターン状に加工し、配線層を形成する工程と
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記光吸収膜は、前記半導体層より融点が高い金属からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体層はシリコンからなり、前記光吸収膜は、チタン、クロム、モリブデン、タンタル、タングステンおよび少なくともそれらの金属を含む合金からなる群から選ばれた金属からなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記光吸収膜を構成する金属が、前記光吸収膜と接する導電層を構成する金属と同種の金属であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体層を構成するシリコンがアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記光を照射するのに用いる光源が、フラッシュランプであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
7. 基板上に形成され、所定の間隔を隔てて第１の不純物領域及び第２の不純物領域を有する半導体層、
   前記半導体層を含む前記基板上に形成されたゲート絶縁膜、
   前記第１の不純物領域及び第２の不純物領域の間の領域に対応する前記ゲート絶縁膜上の領域に形成されたゲート電極、
   前記ゲート電極を覆うように形成された層間絶縁膜、
   前記層間絶縁膜に形成された貫通孔を介して前記第１の不純物領域及び第２の不純物領域に接続された配線層
   を具備し、前記貫通孔の周縁の配線層は、光吸収層と導電層とからなる２層構造であることを特徴とする半導体装置。
8. 前記光吸収膜は、前記半導体層より融点が高い金属からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記半導体層はシリコンからなり、前記光吸収膜は、チタン、クロム、モリブデン、タンタル、タングステンおよび少なくともそれらの金属を含む合金からなる群から選ばれた金属からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記光吸収膜を構成する金属が、前記光吸収膜と接する導電層を構成する金属と同種の金属であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
11. 前記半導体層を構成するシリコンがアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の半導体装置。

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