JP2010040545A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性化のための光照射による急速加熱を行っても、ゲート電極と層間絶縁膜の界面剥離や、被照射物に損傷を与えることのない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２上に半導体層５を形成する工程、半導体層５上にゲート絶縁膜６を形成する工程、ゲート絶縁膜６上に高融点金属膜を成膜する工程、高融点金属膜上にチタン膜を成膜する工程、高融点金属膜及びチタン膜をパターン状に加工し、ゲート電極８を形成する工程、ゲート電極８をマスクとして半導体層５に不純物を注入する工程、ゲート電極８を覆うように層間絶縁膜９を形成する工程、層間絶縁膜９上に半導体層５より高い融点を有する金属からなる光吸収膜１０を形成する工程、光吸収膜１０に光を照射し、光吸収膜１０が光を吸収することで生じた熱により半導体層５中の不純物を活性化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、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。その後、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）。
特開２０００−１３８１７７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をモリブデン合金膜などの高融点金属でゲート電極を形成した薄膜トランジスタの製造プロセスに用いると、ゲート電極とそれを覆う層間絶縁膜との界面で、光照射による加熱で生じる熱応力によりしばしば剥離が生じるという問題がある。

本発明は、以上のような事情の基になされ、活性化のための光照射による急速加熱を行っても、ゲート電極と層間絶縁膜の界面において剥離を生じることがなく、被照射物に損傷を与えることのない半導体装置の製造方法及びその方法によって製造された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高融点金属膜を成膜する工程、前記高融点金属膜上にチタン膜を成膜する工程、前記高融点金属膜及びチタン膜をパターン状に加工し、ゲート電極を形成する工程、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、前記層間絶縁膜上に前記半導体層より高い融点を有する金属からなる光吸収膜を形成する工程、光吸収膜に光を照射し、光吸収膜が光を吸収すること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。

前記光を照射するための光源として、フラッシュランプを用いることが出来る。

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、高融点金属膜とその上層のチタン膜で構成された積層膜からなるゲート電極、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す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の態様において、前記高融点金属膜として、モリブデン、タンタル、タングステン、及びそれらの金属の少なくとも１種を含む合金からなる群から選ばれた金属を用いることが出来る。

また、前記光吸収膜として、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を用いることが出来る。

また、前記半導体層は、アモルファスシリコン又は多結晶シリコンからなるものとすることが出来る。

本発明によれば、ゲート電極を高融点金属とチタンとの積層により構成しているため、光照射による熱処理によっても、剥離等の損傷を生ずることのない半導体装置を得ることが可能である。

また、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熱処理によって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工程は不必要であり、本発明の方法を用いることによる工程数の増加は１工程（光吸収膜の成膜工程）のみである。

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。

本発明は、ゲート電極を高融点金属膜とチタン膜の２層構造により構成したことを特徴とする。ゲート電極を高融点金属膜のみにより構成した場合には、プロセスの過程で高融点金属膜の表面に生じた高融点金属の酸化膜と層間絶縁膜の剥離強度が弱いため、光の照射により加熱して半導体層中の不純物の活性化を行う際に、熱応力により、ゲート電極と層間絶縁膜との間で剥離が生ずるという問題があった。本発明では、ゲート電極を高融点金属膜とチタン膜の２層構造により構成し、ゲート電極の表面に表面の酸化が生じても層間絶縁膜との剥離強度が高いチタンを設けているため、熱応力が加わったとしても、ゲート電極と層間絶縁膜との間で剥離が生ずることがない。

図１〜４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、反応性イオンエッチング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上の略全面に高融点金属層、例えばモリブデンタングステン層７ａ及びチタン層７ｂをスパッタリングにより形成する（図２（ａ））。

なお、高融点金属層７ａの膜厚は、１００〜３００ｎｍ、チタン層７ｂの膜厚は、高融点金属層７ａの膜厚の１０分の１程度の１０〜３０ｎｍであるのが好ましく、本実施形態では、モリブデンタングステン層７ａの膜厚を２００ｎｍ、チタン層７ｂの膜厚を２０ｎｍとした。

そして、チタン層７ｂ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７ａ及びチタン層７ｂの不要部分を除去し、モリブデンタングステン層８ａ及びチタン層８ｂからなるゲート電極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１２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で励起して発光させるランプであり、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、その放電でキセノンガスが励起され、その脱励起過程において、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主に紫外光が多結晶シリコン層５の発熱に寄与する。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、図３（ｂ）に示すように、フラッシュランプ１２により光吸収膜１０に光を照射し、不純物イオンを活性化する際に、ゲート電極８と層間絶縁膜９との間で剥離が生ずることはなかった。これは、ゲート電極８が高融点金属とチタンとの積層により構成されており、即ち上面にチタンの薄い層が介在するためである。

なお、以上の実施形態では、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１２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とが熱処理によって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を除去するための工程は不必要であり、工程数の増加は１工程（光吸収膜の成膜工程）のみである。

なお、以上の実施形態では、ランプユニット１１の光源としてフラッシュランプ１２を用いたが、フラッシュランプ１２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。

また、ゲート電極を構成する高融点金属は、モリブデンタングステンに限らず、タンタル、モリブデン、タングステンの単体を用いることも可能である。

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。 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、７ａ，８ａ…モリブデンタングステン層、７ｂ，８ｂ…チタン層、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 (9)

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高融点金属膜を成膜する工程、
   前記高融点金属膜上にチタン膜を成膜する工程、
   前記高融点金属膜及びチタン膜をパターン状に加工し、ゲート電極を形成する工程、
   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、
   前記層間絶縁膜上に前記半導体層より高い融点を有する金属からなる光吸収膜を形成する工程、
   光吸収膜に光を照射し、光吸収膜が光を吸収すること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、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記高融点金属膜は、モリブデン、タンタル、タングステン、及びそれらの金属の少なくとも１種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１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 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１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体層は、アモルファスシリコン又は多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 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１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
6. 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、高融点金属膜とその上層のチタン膜で構成された積層膜からなるゲート電極、
   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することを特徴とする半導体装置。
7. 前記高融点金属膜は、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６に記載の半導体装置。
8. 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６又は７に記載の半導体装置。
9. 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６〜８のいずれかに記載の半導体装置。

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