JP2674496B2 - 透明絶縁性基板および薄膜トランジスタ - Google Patents

透明絶縁性基板および薄膜トランジスタ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、透明性絶縁基板とその
上に形成された多結晶シリコン薄膜トランジスタから構
成される薄膜トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年ガラス基板上に薄膜能動デバイスを
形成する技術は、大面積透過型液晶ディスプレイや密着
型イメージセンサ等を初めとする各所に応用がめざさ
れ、研究が活発化している。そのなかでも多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタは周辺駆動回路も一体化した全薄膜
化デバイスを作成できる最も有望なデバイスとして注目
を集めている。特にエキシマレーザアニール法を用いた
薄膜トランジスタは低温で高移動度なトランジスタを実
現する手段として最も有効である。エキシマレーザアニ
ール法は基板上に形成されたシリコン薄膜を紫外パルス
光であるエキシマレーザ照射によって、瞬間的に溶融再
結晶を行う方法であり、基板に熱ダメージを与えること
なく、シリコン膜のみ高温処理を行えるため特性を向上
できる。
【0003】この方法を用いた薄膜トランジスタの構造
を図4に示す。ガラス基板102上に半導体活性層20
1としてシリコン薄膜をCVD法等で成膜し、紫外レー
ザ光301であるエキシマレーザ光を照射し、多結晶化
された半導体層202へと半導体膜の改質を行う。この
多結晶化半導体膜202上にゲート絶縁膜401となる
シリコン酸化膜、ゲート電極層501となるポリシリ層
を形成し、電極パターンニングを行う。ソース・ドレイ
ン領域はイオン注入法により形成し、層間絶縁膜を形成
した後、アルミニウムを用いて配線電極層701を形成
する。この方法で作製した薄膜トランジスタでは、N
型、P型ともに移動度100cm2 /V.s以上の高移
動度が得られている。
【0004】また図5に示すように、シリコン酸化膜2
01を基板裏面からも同時にレーザ照射する事によって
さらに高い移動度を得られるという報告もある(例えば
1992年応用物理学会予講集p669)。エキシマレ
ーザはそのレーザ光波長としてXeCl(波長308n
m)、KrF(波長247nm)、ArF(波長193
nm)があるが、シリコン膜の光吸収効率や、レーザ装
置のパワー、寿命、安定性等の点で308nmがもっと
も多く用いられている。透明絶縁膜としては石英基板あ
るいは600℃以上の耐熱性を持つ無アルカリガラス基
板(例えばコーニング社製7049、HOYA社製NA
40、NA35、日本電気硝子社製OA−2等)が用い
られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし通常用いられて
いる透明絶縁性基板では石英基板を除いて波長300n
m付近で光透過率が急激に減少する。これより短い波長
の光は全く透過しない。このため石英以外の低コストガ
ラス基板上でエキシマレーザアニールを行った場合、次
に掲げる問題点がある。
【0006】1)シリコン膜を通過したレーザ光がガラ
ス基板で吸収され、ガラスに熱ダメージを発生させてい
る。
【0007】2)基板が加熱されることによりシリコン
薄膜のアニール状態が変動して薄膜の結晶性がばらつ
き、この結果TFT特性のばらつきが大きくなる。
【0008】3)基板加熱によりガラス基板より不純物
が拡散し特性が劣化する。
【0009】4)基板両面よりのレーザアニールという
手法もガラス基板をレーザが透過しないため従来のガラ
ス基板では不可能である。
【0010】石英基板を用いれば、波長300nm付近
の透過率は高いためこれらの問題点は解決するが、基板
コストが非常に高くなるという大きな問題点がある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは第1にSiO2 を主成分とし、Al2 3 、B2
3 、BaO、CaO、ZnO、SrOのうち少なくとも
1種以上の成分を5wt%以上含みNa2 O、K2 O、
Li2 Oの成分が0.1wt%以下である透明絶縁性基
板においてFe3+イオンが0.005%以下であること
を特徴とする透明絶縁性基板を提供するところにある。
第2に透明絶縁性基板上に設けられた、多結晶薄膜半導
体活性層と、低抵抗ソース・ドレイン電極層と、半導体
を覆うように形成されるゲート絶縁膜層、電極メタル層
より構成される薄膜半導体装置において、前記透明性絶
縁基板が請求項1記載の透明絶縁性基板であること、お
よび前記多結晶半導体活性層薄膜が紫外パルスレーザ光
照射により結晶化された薄膜であることを特徴とする薄
膜トランジスタを提供するところにある。
【0012】
【実施例】以下添付の図面により本発明の詳細を説明す
る。図1はガラスの他の成分を同一にしてFe3+イオン
濃度のみを変えて光透過特性を測定したものである。こ
れから判るようにFe3+イオンを0.005%以下にす
ると300nm付近の透過率を90%以上確保できた。
従来のガラス基板では波長300nm付近で光透過率が
大きく減少しているのに対して、本発明のガラス基板で
は90%以上の光透過性を示しているのがわかる。
【0013】ガラスの紫外線吸収は、ガラスの基本組成
とガラスに不純物として含まれるFeやTiなどの紫外
線吸収イオンの量に比例する。ガラスの基本組成はガラ
構造の骨格をなすガラス形成物(SiO2 やB2 3
と骨格を切断しその間に入る修飾酸化物(アルカリ土類
金属酸化物など)からなる。ガラス形成酸化物の吸収端
はSiO2 162nm B2 3 200nmであるた
め、300nm付近の光吸収には影響を及ぼさない。し
かし修飾酸化物が入るとガラス骨格を切断することによ
り非架橋酸素イオンが生じこの非架橋イオンの電子が励
起または解放する事によって紫外線が吸収される。した
がって修飾酸化物を含むガラスの紫外線吸収端は長波長
側にシフトする。この結果300nmでの光吸収に差が
生じてくる。
【0014】300nmでの吸収に大きな影響があるの
はガラスの不純物イオン特にFe3+である。一般のソー
ダガラスには約0.1%のFe2 3 が含まれていて紫
外線はほとんどガラスに吸収されてしまう。鉄の不純物
でもFe2+は赤外域に吸収があり、紫外域には吸収が無
い。
【0015】通常この用途に使用されるガラス基板(無
アルカリガラス、耐熱温度600℃以上)は石英をのぞ
きFe3+イオンを少なくとも0.02%以上含んでい
る。このようなガラス基板の光透過特性は図1に示すよ
うに300nmで急激に透過率が低下する。
【0016】そのほかの紫外線吸収イオンとしてはT
i、Ce、V、Pb等がある。Tiが約数10ppmの
オーダ含まれているが、その他の不純物イオンは検出限
界以下しか含まれておらず、この程度の量では300n
mの吸収には影響を及ぼさない。このためFeイオンの
低減に限ってガラス基板の製造方法の改善を行えばよ
く、ガラスの性質、製造コストの大幅な変化なしに30
0nm付近の光透過率の改善が可能である。
【0017】図1に示すように本発明のガラス基板では
Fe3+イオンのみ低減させ0.005%以下にすること
によりは石英基板に比較してはるかに製造コストを十分
低く保ちながら、300nm付近の光透過性の改善され
た基板を製造できた。このガラス基板に直接308nm
のエキシマレーザ光を照射しても基板にダメージは生じ
なかった。
【0018】前述したように通常の無アルカリガラスで
は波長300nm付近で透過率は20%しかない。この
ため、基板裏面よりの光照射は当然無理であり、表面か
らの照射においてもpoly−Si膜厚は薄くなるとと
もに透過した光によって基板が加熱され問題となる。特
に薄膜トランジスタの高性能化のためのシリコン膜厚は
薄膜化の傾向にある。シリコン膜を薄膜化していくにつ
れ通過した光がガラスに吸収され基板が加熱される。こ
のためシリコン膜の熱加熱状態が変動し、再結晶化プロ
セスにばらつきが生じ、TFT特性がばらついてしま
う。基板の光透過率が90%以上あれば、レーザ照射時
に基板に光吸収によって加熱される効果は無視でき、安
定した再結晶化プロセスが得られる。
【0019】図2は本発明のトランジスタの製造方法及
び構造図である。本発明のガラス基板101上に活性層
となる多結晶シリコン薄膜202を作製する。この多結
晶シリコン膜は予め作製した非晶質、もしくは多結晶シ
リコン膜201をエキシマレーザ光301を照射するこ
とより結晶化したシリコン膜である(同図(B))、こ
の上部にゲート絶縁膜401、ゲート電極501、層間
絶縁膜601、ソース・ドレイン電極層701を設け構
成されている。本発明の薄膜トランジスタの作製方法で
はガラス基板の300nm付近の光透過性が高くレーザ
照射による基板加熱がなく、均一性の優れる薄膜トラン
ジスタが作製できた。
【0020】前述したように通常の無アルカリガラスで
は波長300nm付近で透過率は20%しかない。この
ため、基板裏面よりの光照射は当然無理であり、表面か
らの照射においてもpoly−Si膜厚は薄くなるとと
もに透過した光によって基板が加熱され問題となる。特
に薄膜トランジスタの高性能化のためシリコン膜厚は薄
膜化の傾向にある。シリコン膜を薄膜化していくにつれ
通過した光がガラスに吸収され基板が加熱される。この
ためシリコン膜の熱加熱状態が変動し、再結晶化プロセ
スにばらつきが生じ、TFT特性がばらついてしまう。
基板の光透過率が90%以上あれば、レーザ照射時に基
板が光吸収によって加熱される効果は無視でき、安定し
た再結晶化プロセスが得られる。
【0021】なお本法は通常のプレーナ構造の薄膜トラ
ンジスタについて詳述したが、スタガ構造等、他の構造
のトランジスタについても同様の効果が期待できる。図
3はスタガ構造薄膜トランジスタを作製した場合の構造
図である。本発明のガラス基板101上にソース・ドレ
イン領域となるドープトシリコン層801を形成する。
この上部に活性層となるシリコン薄膜201を作製しエ
キシマレーザ光301照射により多結晶化膜202にす
る。この上部にゲート絶縁膜401、ゲート電極50
1、層間絶縁膜601、ソース・ドレイン電極層701
を設け構成されている。この構造の薄膜トランジスタに
おいてもレーザ照射による基板加熱がなく、均一性の優
れる薄膜トランジスタが作製できた。
【0022】また図5は基板両面よりのレーザ照射によ
る結晶化プロセスをもちいた場合である。前述したよう
に通常の無アルカリガラスでは光透過率は20%しかな
いため、基板裏面よりの光照射は当然無理である。しか
し本発明のガラス基板を用いる事によって基板両面より
のレーザ照射が可能となり素子性能の向上がえられた。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明による透明
絶縁性基板により波長300nm付近での光透過性を高
めることができた。さらに本基板を用いた薄膜トランジ
スタによりレーザ照射時の基板へのダメージや、結晶化
プロセスのばらつきを抑えることができ均一性の優れた
薄膜トランジスタが再現性よく製作できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来及び本発明の絶縁性基板の光透過性を示す
図。
【図2】本発明の実施例を示す薄膜トランジスタ構造、
製造方法を示す図である。
【図3】本発明の実施例を示す薄膜トランジスタ構造、
製造方法を示す図である。(スガタ構造の場合)
【図4】従来の薄膜トランジスタ構造、製造方法を示す
【図5】本発明の実施例を示す薄膜トランジスタ構造、
製造方法を示す図である。(両面アニール方法の実施
例)
【符号の説明】
101 ガラス基板(本発明のガラス基板:300〜8
00nmで光透過性である基板) 102 ガラス基板(従来基板) 201 シリコン薄膜 202 多結晶シリコン薄膜(基板表面よりレーザ照射
結晶化) 203 多結晶シリコン膜(基板両面よりレーザ照射結
晶化) 301 エキシマレーザ光 401 ゲート絶縁膜 501 ゲート電極層 601 層間絶縁膜層 701 電極層 801 ソース・ドレイン層

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiO2 を主成分とし、Al2 3 、B
    2 3 、BaO、CaO、ZnO、SrOのうち少なく
    とも1種以上の成分を5wt%以上含みNa2 O、K2
    O、Li2 Oの成分が0.1wt%以下である透明絶縁
    性基板において、Fe3+イオンが0.005%以下であ
    ることを特徴とする透明絶縁性基板。
  2. 【請求項2】 透明絶縁性基板上に設けられた、多結晶
    薄膜半導体活性層と、低抵抗ソース・ドレイン電極層
    と、半導体を覆うように形成されるゲート絶縁膜層、電
    極メタル層より構成される薄膜トランジスタにおいて、
    前記透明性絶縁基板が請求項1記載の透明絶縁性基板で
    あること、および前記多結晶半導体活性層薄膜が紫外パ
    ルスレーザ光照射により結晶化された薄膜であることを
    特徴とする薄膜トランジスタ。
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