JP2010050152A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光照射による極短時間の高温熱処理を樹脂基板上でのＴＦＴ製造プロセスに用いることを可能とする製造方法及び半導体装置を提供すること。
【解決手段】樹脂基板２上に、１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜を塗布法により形成する工程、第１の酸化ケイ素膜上に第２の酸化ケイ素膜を堆積法により形成する工程、第２の酸化ケイ素膜上に半導体層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にパルス状の光を照射し、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を具備すること。
【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１１００℃以上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）。

一方、表示装置の軽量化及び柔軟性の付与を目的として、ＴＦＴを以上説明したようなガラス基板上にではなく樹脂基板上に形成することが望まれている。しかし、樹脂基板は耐熱性が約２００℃程度と低いため、ガラス基板の耐熱性が６００℃程度であるのと比較すると、熱処理プロセスに非常な困難を生ずる。即ち、上述したように、ガラス基板に対して可能であったフラッシュランプを用いた加熱を行うことが出来ない。そのため、従来は、２００℃以下の低いプロセス温度の制限の基で、プロセスを構成せざるを得なかった。

しかしながら、ＴＦＴの高性能化を図るためには、より高い温度での熱処理、特にフラッシュランプによる加熱を可能とすることが求められている。
特開２０００−１３８１７７号公報

本発明は、以上のような事情の基になされ、光照射による極短時間の高温熱処理を樹脂基板上でのＴＦＴ製造プロセスに用いることを可能とし、樹脂基板上に高性能のＴＦＴを製造することのできる半導体装置の製造方法及びそれにより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、樹脂基板上に、１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜を塗布法により形成する工程、前記第１の酸化ケイ素膜上に第２の酸化ケイ素膜を堆積法により形成する工程、前記第２の酸化ケイ素膜上に半導体層を形成する工程、前記半導体層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、光吸収膜にパルス状の光を照射し、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、樹脂基板上に塗布法により形成された１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜、前記第１の酸化ケイ素膜上に堆積法により形成された第２の酸化ケイ素膜、前記第２の酸化ケイ素膜上に形成された、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、及び前記ゲート電極を覆うように形成された層間絶縁膜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、前記第１の酸化ケイ素膜は、シラザン溶液を前記樹脂基板上に塗布した後、オゾンと反応させることにより形成され、前記第２の酸化ケイ素膜は、前記第１の酸化ケイ素膜上にＣＶＤ法により形成することが出来る。

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、樹脂基板上に厚さ１００μｍ以上の酸化ケイ素膜を設けているため、パルス状の光照射による急速高温加熱によって不純物を活性化することが出来、それによって、軽量化され、かつ柔軟性を有する表示装置の実現が可能となった。

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、被処理基板として、樹脂基板上に塗布法により１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜、及び堆積法により第２の酸化ケイ素膜を順次形成したものを使用することを特徴とする。

第１の酸化ケイ素膜の厚さは１００μｍ以上でなければならず、１００μｍ未満では、後の熱処理工程において、樹脂基板が損傷してしまう可能性がある。それはパルス状の光照射によって加熱された光吸収膜から第１の酸化ケイ素膜を経て樹脂基板に向かう伝熱現象に関わる問題である。本発明の方法を用いた場合、照射された光は金属の光吸収膜で吸収および反射され、光は透過しない。そのため、照射光によって直接加熱されるのは光吸収膜のみであり、半導体層、第1の酸化ケイ素膜、第２の酸化ケイ素膜および樹脂基板は光吸収膜からの伝熱によって加熱される。

図５は３ミリ秒間、表面を加熱された酸化ケイ素膜中の温度分布を計算し、加熱開始からの時間毎に示したものである。図５より、加熱のピーク温度を約１１００℃にした場合、基板表面から１００μｍ以上はなれた位置での温度は２００℃を超えないことがわかる。すなわち、発熱部である光吸収膜と樹脂基板の間に１００μｍ以上の厚さを有する酸化ケイ素膜を設ければ、耐熱温度が２００℃の樹脂基板を用いても熱による損傷を受けることはない。

このように本発明の方法を用いれば、樹脂基板の耐熱性を超える温度の熱処理を半導体層に加えることができ、半導体層中の不純物を効果的に活性化することができる。なお、第１の酸化ケイ素膜は、樹脂基板の損傷を防止するために、２００℃以下の温度での成膜が可能な塗布法により形成される必要がある。

第１の酸化ケイ素膜が形成される樹脂基板としては、樹脂材料を含む様々なものを用いることが出来る。例えば、ポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、アラミド紙にポリエステル又はエポキシ樹脂を含浸させた複合材、ガラス織布にエポキシ樹脂を含浸させた複合材等が挙げられる。なお、耐熱性を向上させるために、難燃剤等を添加したものを好適に用いることが出来る。

塗布法による酸化ケイ素膜の形成方法としては、一般に金属アルコキシド化合物の溶液を塗布し、加水分解するゾルゲル法が知られているが、４００℃以上の熱処理が必要なため、ガラス基板上への形成は可能であるが、樹脂基板上への形成は困難であった。

近年、シラザンの溶液を塗布した後、オゾンと反応させることによりＳｉＯ_２薄膜を形成する方法が開発されており、この方法によると、１００℃以下という低温で高品質のＳｉＯ_２薄膜の形成が可能である。本発明では、塗布法による第１の酸化ケイ素膜の形成方法として、この方法を好適に用いることが出来る。

第１の酸化ケイ素膜上への第２の酸化ケイ素膜の形成は、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて行う。その成膜時の基板加熱温度は樹脂基板の耐熱性を超えない範囲で設定する。

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、樹脂基板２上に、シラザン溶液を塗布した後オゾンと反応させて形成した、厚さ１５０μｍの第１のＳｉＯ_２薄膜と、ＣＶＤ法により形成した、厚さ１００ｎｍの第２のＳｉＯ_２薄膜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（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））。結晶化方法としてＥＬＡ法を用いる場合には、急速な加熱によるアモルファスシリコン層４の損傷を防ぐため、アモルファスシリコン層４の成膜方法として膜中の水素含有量を低く抑える方法、たとえば、触媒化学気相成長法やスパッタ法を用いるか、あるいはアモルファスシリコン層４の成膜後に低温で処理可能な紫外光照射による脱水素処理を施すことが望ましい。

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７をスパッタリングにより形成する（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７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１２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〜５ｍｓ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。

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、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、樹脂基板２が損傷することはなかった。これは、樹脂基板２上に設けた厚さ１５０μｍの第２の酸化ケイ素膜が樹脂基板への熱伝導を抑制するとともに、金属の光吸収膜が照射光を遮断し、樹脂基板が加熱および高エネルギーの光照射によって損傷することが防止されたためである。

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。

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。 酸化ケイ素膜中の温度分布の計算結果を示す図である。

符号の説明

１…被処理基板、２…樹脂基板、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 (8)

1. 樹脂基板上に、１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜を塗布法により形成する工程、
   前記第１の酸化ケイ素膜上に第２の酸化ケイ素膜を堆積法により形成する工程、
   前記第２の酸化ケイ素膜上に半導体層を形成する工程、
   前記半導体層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、
   光吸収膜にパルス状の光を照射し、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. 前記第１の酸化ケイ素膜は、シラザン溶液を前記樹脂基板上に塗布した後、オゾンと反応させることにより形成され、前記第２の酸化ケイ素膜は、前記第１の酸化ケイ素膜上にＣＶＤ法により形成されることを特徴とする請求項１に記載の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. 樹脂基板上に塗布法により形成された１００μｍ以上の厚さを有する第１の酸化ケイ素膜、
   前記第１の酸化ケイ素膜上に堆積法により形成された第２の酸化ケイ素膜、
   前記第２の酸化ケイ素膜上に形成された、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、及び
   前記ゲート電極を覆うように形成された層間絶縁膜
   を具備することを特徴とする半導体装置。
7. 前記第１の酸化ケイ素膜は、シラザン溶液を前記樹脂基板上に塗布した後、オゾンと反応させることにより形成されたものであり、前記第２の酸化ケイ素膜は、前記第１の酸化ケイ素膜上にＣＶＤ法により形成されたものであ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６又は７に記載の半導体装置の製造方法。

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