JP2764422B2

JP2764422B2 - 薄膜トランジスタの作製方法

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Publication number: JP2764422B2
Application number: JP4606289A
Authority: JP
Inventors: 雅芳阿部; 康行荒井; 敏次浜谷
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1989-02-27
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JPH02224342A

Description

【発明の詳細な説明】『産業上の利用分野』本発明は非単結晶半導体薄膜を用いた薄膜トランジス
タ（以下にTFTともいう）及びその製造方法に関するも
のであり、特に液晶ディスプレー，イメージセンサー等
に適用可能な高速応答性を持つ薄膜トランジスタに関す
る。

『従来の技術』最近、化学的気相法等によって、作製された非単結晶
半導体薄膜を利用した薄膜トランジスタが注目されてい
る。

この薄膜トランジスタは、絶縁性基板上に前述の如く
化学的気相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲
気温度が最高で450℃程度と低温で形成でき、安価なソ
ーダガラス，ホウケイ酸ガラス等を基板として用いるこ
とができる。

この薄膜トランジスタは電界効果型であり、いわゆる
MOSFETと同様の機能を有しているが、前述の如く安価な
絶縁性基板上に低温で形成でき、さらにその作製する最
大面積は薄膜半導体を形成する装置の寸法にのみ限定さ
れるもので、容易に大面積基板上にトランジスタを作製
できるという利点を持っていた。このため多量の画素を
持つマトリクス構造の液晶ディスプレーのスイッチング
素子や一次元又は二次元のイメージセンサ等のスイッチ
ング素子として極めて有望である。

また、この薄膜トランジスタを作製するにはすでに確
立された技術であるフォトリソグラフィーが応用可能
で、いわゆる微細加工が可能であり、IC等と同様に集積
化を図ることも可能であった。

この従来より知られたTFTの代表的な構造を第２図に
概略的に示す。

（21）はガラスよりなる絶縁性基板であり、（22）は
非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、（23），（24）は
ソースドレイン領域で、（25），（26）はソースドレイ
ン電極、（27）はゲート絶縁膜で（28）はゲート電源で
ある。このように構成された薄膜トランジスタはゲート
電極（28）に電圧を加えることにより、ソースドレイン
（23），（24）間に流れる電流を調整するものである。

このような、TFTを作成する場合にソースドレイン領
域にはＮ型またはＰ型の導電型を示す不純物が高濃度
で、含まれている。この部分を形成する方法としては、
これら不純物が混入された低抵抗の非単結晶半導体層を
チャネルが形成される高抵抗の非単結晶半導体層上に積
層に形成する方法と、高抵抗の非単結晶半導体層表面上
よりこれら不純物原子を移動させて高抵抗の非単結晶半
導体層中にソースドレイン領域を形成する方法が知られ
広く行われている。

しかしながら、前者の方法は不純物が混入された低抵
抗の非単結晶半導体層をチャネルが形成される高抵抗の
非単結晶半導体層上に積層して形成するため両半導体層
の間に界面ができ、この界面がTFTの特性に悪影響を与
えることが多くこの界面の状態を良くすることは難しか
った。

一方、後者の方法は熱を基板及び非単結晶半導体層に
くわえることにより不純物を非単結晶半導体層の表面よ
りその内部へと拡散させるもので、その拡散させる速度
を速くするには加える温度をあげる必要がある。

その場合安価なガラス基板を使用することができずコ
スト高になり、加える温度を低くすると不純物が拡散さ
れる速度が遅く作製に多くの時間を必要としていた。

また、このような、TFTにおいては、使用する（22）
の非単結晶半導体薄膜を持つ特性によってこのTFTのス
レッシュホールド電圧（V_th）が変わってしまう、特に
多量の画素を持つ液晶ディスプレーまたは高精度の解像
度を持つイメージセンサーのスイッチング素子として、
このようなTFTを使用する場合、一般にスレッシュホー
ルド電圧（V_th）を高くする必要がある。

この対策として、従来よりＮチャネルのトランジスタ
の場合ならＰ型の不純物元素をＰチャネルのトランジス
タならＮ型の不純物元素をトランジスタのチャネル領域
にライトドープすることが行われているが、薄膜トラン
ジスタの場合使用されている半導体層が非単結晶半導体
であり、かつ膜厚が薄いためにチャネル領域のみにライ
トドープすることが非常に困難であった。

『発明の目的』本発明は前述の如き問題を解決するものであり、従来
のTFT比べて良好な特性を示すTFTをより低温で作製可能
としたものである。

『発明の構成』本発明は減圧状態において、少なくともIII族又はＶ
族元素を含む気体に対して、電気エネルギーを供給しプ
ラズマ化してこれら気体を活性化し、この雰囲気下に
て、高抵抗の非単結晶半導体層の少なくともソース，ド
レイン領域にレーザ光を照射し、このレーザ光が照射さ
れた部分にIII族又はＶ族元素をドープして、ソース，
ドレイン領域を形成するものである。

さらにまた、本発明は減圧状態において、少なくとも
III族又はＶ族元素を含む気体に対して、電気エネルギ
ーを供給しプラズマ化してこれら気体を活性化し、この
雰囲気下にて、高抵抗の非単結晶半導体層のチャネル形
成領域にレーザ光を照射し、このレーザ光が照射された
部分にIII族又はＶ族元素をドープして、スレッシュホ
ールド電圧（V_th）を制御するものである。

この場合、混合ガス中には被膜形成を行なう気体、例
えばSiH₄等は含まれておらず、水素又はヘリウム等の不
活性気とIII族又はＶ族元素を含む気体で構成されてい
る。

すなわち、III族又はＶ族の元素を含む混合気体に電
気エネルギーを与えて、混合気体をプラズマ化すると、
これら気体は各々の持つエネルギーに見合った種々の状
態をとり、はげしく運動を行っている。このようなプラ
ズマ雰囲気下に高抵抗の非単結晶半導体層を持つ基板を
配置すると、これが常に高抵抗の非単結晶半導体層を物
理的にたたいた状態となっている。この時にある特定の
領域にレーザ光を照射すると、その領域近傍のIII族又
はＶ族の元素がこのレーザ光によって、より高エネルギ
ー状態に活性化される。このIII族又はＶ族元素は前述
の如く常に高抵抗の非単結晶半導体層を物理的にたたい
ているので、活性化された状態でも同様のふるまいを行
い、高抵抗の非単結晶半導体層中にドーピングされてゆ
くのである。

またこのIII族又はＶ族元素は長時間の間高エネルギ
ー状態をとり続けることができない（他の気体分子，ラ
ジカルとの衝突等によりエネルギーを失うため）ので、
レーザー光が照射された領域のみ選択的なドーピングが
行なえるのである。

上記のような工程の結果、高抵抗の非単結晶半導体層
中にソース，ドレインを選択的に形成することができ、
かつチャネル領域にスレッシュホールド電圧（V_th）制
御のための少量の不純物添加を行うことができ、より短
チャネルであり高速応答性がよいTFTを安価な価格にて
提供することが可能となるものである。

また、この時基板及び高抵抗の非単結晶半導体層は高
抵抗の非単結晶半導体層作製時の基板温度より低い温度
に保持されているものであり、このことにより、TFT作
製工程において、前工程に基板及び被膜を加えた温度よ
り後工程で加える温度を低くすることができ、半導体装
置の依頼性を向上させることが可能なものである。

以下実施例を示し本発明を説明する。

『実施例』第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例を一つの製造
工程を示している。

まず（ａ）の工程において、絶縁性表面を有する基板
（１）例えばソーダガラス基板（１）をプラズマ発生が
可能な装置の反応室内に入れこの基板上に公知のプラズ
マCVD法によって、Ｉ型の高抵抗性の非単結晶半導体層
（２）を約3000Å程度形成する。この時の作製条件を以
下に示す。

基板温度 250℃ 反応圧力 0.05Torr RfPower 90W ガス SiH₄ 次に（ｂ）の工程において、反応室内の気体を排気し
た後、水素ガスとホスフィンガス（PH₃）の混合ガスを
導入し圧力0.1Torrで高周波電力を60W印加してプラズマ
状態とした。この時のホスフィンは約15％となるように
混合した。基板上の高抵抗の非単結晶半導体層（２）は
この混合ガスの雰囲気下におかれている。この時基板加
熱は行わなかった。

そして、高抵抗の非単結晶半導体層（２）のソースド
レイン領域に対しエキシマレーザ光（９）（248.7nm）
を照射した。

この時エキシマレーザ光の照射ビームの形状は光学系
により集光し、かつその外形をソース（３），ドレイン
（４）の領域の外形に一致するようにして照射した。そ
の時レーザ光の条件は、0.05J/cm²のエネルギー密度
で、パルス巾10μsecで1500パルス照射した。

これによってリンは、このレーザ光が照射された領域
にのみドーピングされる。

その深さはレーザ光の照射回数及びエネルギーによっ
て調整可能であるが、エネルギー量が多いと半導体層に
損傷を与えてしまうことがあるので、低エネルギーに保
ち照射回数によってドーピングされる深さを制御する方
が工程上のマージンが増す。

また、ソースとドレインの間隔は、レーザ光の照射間
隔にて調整可能で本実施例の場合は、その間隔を７μｍ
とし短チャネルのTFTとした。

次に（ｃ）の工程として、反応室内の気体を排気した
後、水素ガスとジボランガス（B₂H₆）の混合ガスを導入
し圧力0.1Torrで高周波電力を60W印加してプラズマ状態
とした。この時のジボランは約１％となるように混合し
た。基板上の高抵抗の非単結晶半導体層（２）はこの混
合ガスの雰囲気下におかれている。この時も同様に基板
加熱は行わなかった。

そして、高抵抗の非単結晶半導体層（２）のチャネル
形成領域に対しエキシマレーザ光（９）（248.7nm）を
照射した。

この時エキシマレーザ光の照射ビームの形状は光学系
により集光し、かつその外形をチャネル形成の領域の外
形にほぼ一致するようにして照射した。その時のレーザ
光の条件は、0.07J/cm²のエネルギー密度で、パルス巾1
0μsecで2000パルス照射した。

これによってボロンは、このレーザ光が照射された領
域（10）にのみドーピングされる。

また、その深さ制御はソースドレインの場合と同様に
した。

また、本発明ではスレッシュホールド電圧（V_th）の
制御の為にチャネル部分に不純物をドープするので、そ
の不純物は少量添加できればよい。その為に、混合ガス
中の不純物気体の割合を調整して、ライトドープとなる
ようにした。

次に（ｄ）の工程として、反応室内の気体を排気し、
ガスをシランとアンモニアの混合ガスに変えて反応室内
に導入し、ゲート絶縁膜（５）として窒化珪素膜を200
Å形成した。

その作製条件を以下に示す。

基板温度 230℃ 反応圧力 0.05Torr RfPower 50W ガス NH₃/SiH₄ この後この基板（１）を反応室から取り出し、所定の
パターンにエッチングして、ゲート絶縁膜（５）とし
た、さらにTFTの外形のパターンにエッチングを施した
後、この上面全面に公知のスパッタリング法にて、アル
ミニウムを形成した後、所定のパターンにエッチングし
て、ゲート電極（６），ソース電極（７）及びドレイン
電極（８）を形成し、図のようなTFTを完成させた。

本実施例において、不純物をドープする際には、加熱
を行わずに行っても十分にドーピングできるが、少し温
度加熱を行ってドーピングを行うと、速く終了する利点
がある。

この時の加熱温度はTFTの作製工程で基板及び半導体
薄膜に加えられた温度以下にする。

このように本発明は、TFTの作製工程で基板及び半導
体薄膜に加えられた温度が最も高い温度とすることがで
き、後工程で高い温度を加える必要がなく、より信頼性
の高いTFTを提供できる。

本実施例においてレーザ光はエキシマレーザ光を用い
たが、その他のレーザ光でも実現可能である。

さらに、本実施例で示したコプレナー型のTFTのみに
限定されることなく、他の形式のTFTにも適用可能であ
る。

本発明のプラズマの効果を利用した不純物ドーピング
技術は上記の元素のみではなく、その他のIII族又はＶ
族の不純物元素にしても適用可能である。

『効果』以上説明した様に本発明によれば、TFTのソース，ド
レイン領域をプラズマ状態にされたIII族又はＶ族元素
雰囲気にてレーザ光を照射してこれら不純物元素をドー
ピングして形成することと、チャネル形成領域にプラズ
マ状態にされたIII族又はＶ族元素雰囲下にてレーザ光
を照射してこれら不純物元素をドーピングすることがよ
り低温で行なえる。

これによりTFTのスレッシュホールド電圧（V_th）をこ
の低温ドーピングにより制御でき多量の画素を持つ液晶
ディスプレー、イメージセンサー等のスイッチング素子
として、より高性能なTFTを使用することができた。

また、高抵抗の非単結晶半導体層，ソース，ドレイン
領域及びゲート絶縁膜を連続して形成できるので、各層
間の界面特性が良くなり、かつ作製時間工程の短縮を実
現できる。

また、レーザ光の照射によってソース，ドレインが形
成できるので、その間隔を短くすることにより容易に短
チャネル構造のTFTを実現でき、高速応答性を持つTFTを
作製することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の作製方法の概略を示
す。第２図は従来のTFTの構造を示す。１……基板２……高抵抗の非単結晶半導体層３……ソース４……ドレイン５……ゲート絶縁膜６……ゲート電極７……ソース電極８……ドレイン電極９……レーザ光 10……不純物の添加されたチャネル領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−177323（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−202726（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜トランジスタを作製する方法であっ
て、高抵抗の非単結晶半導体層を基板上に形成する工程と、前記高抵抗の非単結晶半導体層をIII族又はＶ族元素を
含む混合ガスプラズマ雰囲気下に配置し、前記高抵抗の
非単結晶半導体層に対しレーザ光を照射して、III族又
はＶ族元素をドーピングして少なくともソース又はドレ
イン領域を形成する工程と、前記高抵抗の非単結晶半導体層をIII族又はＶ族元素を
含む混合ガスプラズマ雰囲気下に配置し、前記高抵抗の
非単結晶半導体層に対しレーザ光を照射して、III族又
はＶ族元素を薄膜トランジスタのチャネル領域にドーピ
ングする工程とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記各レ
ーザ光の照射は、前記高抵抗の非単結晶半導体層形成温
度以下に基板温度を保って行うことを特徴とする薄膜ト
ランジスタの作製方法。