JP3049806B2 - 薄膜半導体装置の製造方法 - Google Patents

薄膜半導体装置の製造方法

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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、石英基板あるいはガラ
ス基板のような絶縁性非晶質材料上にオフ電流が極めて
少なく、さらにドレイン耐圧の高い薄膜半導体装置の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜上
に,結晶方位の揃った結晶粒径の大きな多結晶シリコン
薄膜、あるいは単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、
SOI(Silicon On Insulator)
技術として知られている。{SOI構造形成技術,産業
図書}。
【0003】大きく分類すると、再結晶化法、エピタキ
シャル法、絶縁層埋め込み法、貼り合わせ法という方法
がある。再結晶化法は、レ−ザ−アニ−ルあるいは電子
ビ−ムアニ−ルによりシリコンを溶融再結晶化させる方
法と、溶融する温度までは昇温させずに固相成長させる
固相成長法の2つに分類される。比較的低温で再結晶化
できるという点で固相成長法が優れている。550℃の
低温熱処理にもかかわらずシリコン薄膜の結晶粒が成長
したという結果も報告されている。{IEEEElec
tron Device Letters,vol.E
DL−8,No.8,p361,August 198
7}。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に結晶性の優れたシリコン薄膜を用いて作成された薄膜
トランジスタはドレイン耐圧が小さくなる。欠陥が減少
したために低い印加電圧のもとでも空乏層がひろがりや
すくなることが原因の一つと考えられる。
【0005】このようなドレイン耐圧の低下を防ぐため
に、LDD(Lightly Doped Drai
n)構造を形成する方法がある。このプロセスについて
図3で簡単に説明する。図3ではゲ−ト電極形成から、
層間絶縁膜形成までの工程を説明する。図3(a)にお
いて3−1は絶縁性非晶質材料、3−2はシリコン薄
膜、3−3はゲ−ト絶縁膜、3−4はゲ−ト電極をしめ
している。
【0006】次に、低濃度のイオン注入を行い、オフセ
ット領域3−5を形成する。ド−ズ量は1×1011cm
-2〜1×1013cm-2程度の低濃度とし、Nchならば
リン等のドナ−型の不純物を、またPchならばボロン
等のアクセプタ−型の不純物をイオン注入する。矢印3
−6はイオンビ−ムを示している。
【0007】続いて、側壁を形成する工程にはいる。ま
ず、SiO2膜3−7を成膜する。その後、異方性エッ
チングによって該SiO2膜3−7をエッチングすると
図3(d)3−8で示されるような側壁が形成される。
次に、図3(e)に示されるようにゲ−ト電極3−4お
よび側壁3−8をマスクとしてイオン注入してソ−ス領
域3−9、およびドレイン領域3−10を形成する。該
ソ−ス、ドレイン領域のド−ズ量は1×1014〜1×1
16cm-2程度とし、前記オフセット領域3−5のド−
ズ量よりも多くする。
【0008】図3(f)に示されるように層間絶縁膜3
−12を成膜し、活性化アニ−ルを行う。その後、コン
タクト電極を形成する工程にはいる。
【0009】以上述べた従来の方法では異方性エッチン
グを行うために、マイクロ波プラズマエッチング法や、
ECRエッチング法、あるいは低圧マグネトロンRIE
(Reactive Ion Etching)法等の
方法がある。しかし、これらの方法を例えば30cm角
の大型基板の処理に応用する場合には基板内のばらつき
が問題となる。図3(d)に示したような側壁3−8の
微妙な形状を制御しなければならないのでこの問題は大
きい。更に、SiO2膜3−7の膜厚のばらつきも影響
を与える。
【0010】さらに、オフセット領域とソ−ス、ドレイ
ン領域を形成するためにイオン注入を2回行わなくては
ならない。
【0011】本発明は、上記のような従来のプロセスの
問題点を解決し、1回のイオン注入で大型基板全面にわ
たって均一性の優れたLDD型薄膜トランジスタを形成
する方法を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜半導体装置
の製造方法は、絶縁性非晶質材料上に形成される薄膜半
導体装置に於て、 〔a〕 絶縁性非晶質材料上に、非単結晶半導体薄膜を
形成し島状にパタ−ニングする工程、 〔b〕 該島状にパタ−ニングされた非単結晶半導体薄
膜の上に、ゲ−ト絶縁膜を形成し、該ゲ−ト絶縁膜をパ
タ−ニングして前記非単結晶半導体薄膜の表面の1部を
少なくとも露出させる工程、 〔c〕 低抵抗の不純物添加半導体薄膜を成膜し、該不
純物添加半導体薄膜をパタ−ニングして前記ゲ−ト絶縁
膜上にゲ−ト電極、および、前記露出させた非単結晶半
導体薄膜上にソ−ス、ドレイン領域を形成する工程、 〔d〕 前記ゲ−ト電極およびソ−ス、ドレイン領域を
マスクとして不純物イオンをイオン注入してオフセット
領域を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とす
る。
【0013】さらに、前記ゲ−ト電極、およびソ−ス、
ドレイン領域はそれぞれ分離され絶縁されていることを
特徴とする。
【0014】さらに、前記オフセット領域の不純物濃度
は、前記ソ−ス、ドレイン領域の不純物濃度よりも小さ
いことを特徴とする。
【0015】
【実施例】(実施例1)LDD構造の薄膜トランジスタ
を作成する工程に沿って本発明の実施例1を説明する。
【0016】絶縁性非晶質材料上に、非単結晶半導体薄
膜を成膜する。前記絶縁性非晶質材料としては、石英基
板、ガラス基板、窒化膜あるいはSiO2膜等が用いら
れる。石英基板を用いる場合はプロセス温度は1200
℃程度まで許容されるが、ガラス基板を用いる場合は、
600℃以下の低温プロセスに制限される。前記非単結
晶半導体薄膜を形成するには、LPCVD法、プラズマ
CVD法、スパッタ法、蒸着法、レ−ザ−アニ−ル法、
固相成長法等の方法がある。以下では、石英基板を用
い、前記非単結晶半導体薄膜として固相成長Si薄膜を
用いた場合を実施例として説明する。固相成長Si薄膜
ばかりでなく、多結晶Si薄膜やSOI(Silico
n on Insulator)にも本発明を応用する
ことができる。
【0017】図1(a)に示すように、プラズマCVD
装置を用い、SiH4とH2の混合ガスを13.56MH
zの高周波グロ−放電により分解させて、非晶質Si膜
1−2を石英基板1−1上に堆積させる。前記混合ガス
のSiH4分圧は10〜20%、デポ中の内圧は0.5
〜1.5torr程度である。基板温度は250℃以
下、180℃程度が適している。赤外吸収測定より結合
水素量を求めたところ約8atomic%であった。前
記非晶質Si膜1−2の堆積前にチェンバ−をフレオン
洗浄すると 、続いて堆積させられた非晶質Si膜は2
×1018cm-3の弗素を含んでいる。このような不純物
弗素を含有していると固相成長が充分に進まない。従っ
て、本発明においては、前記フレオン洗浄後、1時間程
度のダミーの堆積を行ってから、実際の堆積を行う。あ
るいは、フレオン洗浄を廃止し、ビ−ズ処理等の別の方
法でチェンバ−の洗浄を行う。
【0018】続いて、該非晶質Si膜を、400℃〜5
00℃で熱処理して水素を放出させる。この工程は、水
素の爆発的な脱離を防ぐことを目的としている。
【0019】次に、前記非晶質薄膜1−2を固相成長さ
せる。固相成長方法は、石英管による炉アニ−ルが便利
である。アニ−ル雰囲気としては、窒素ガス、水素ガ
ス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いる。1×1
-6から1×10-10Torrの高真空雰囲気でアニ−
ルを行ってもよい。固相成長アニ−ル温度は500℃〜
700℃とする。この様な低温アニ−ルでは選択的に、
結晶成長の活性化エネルギ−の小さな結晶方位を持つ結
晶粒のみが成長し、しかもゆっくりと大きく成長する。
発明者の実験において、アニ−ル温度600℃、アニ−
ル時間16時間で固相成長させることにより2μm以上
の大粒径シリコン薄膜が得られている。
【0020】固相成長法ではなく、LPCVD法、プラ
ズマCVD法、スパッタ法、蒸着法、レ−ザ−アニ−ル
法等によって非単結晶シリコン薄膜を形成してもよい。
【0021】次に、前記固相成長シリコン薄膜をフォト
リソグラフィ法によって図1(b)1−3に示されてい
るように島状にパタ−ニングする。
【0022】次に図1(c)に示されているように、ゲ
−ト酸化膜1−4を形成する。該ゲ−ト酸化膜の形成方
法としてはLPCVD法、あるいは光励起CVD法、あ
るいはプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、あ
るいは高真空蒸着法、あるいはプラズマ酸化法、あるい
は高圧酸化法などのような500℃以下の低温方法があ
る。該低温方法で成膜されたゲ−ト酸化膜は、熱処理す
ることによってより緻密で界面準位の少ない優れた膜と
なる。非晶質絶縁基板1−1として石英基板を用いる場
合は、熱酸化法によることができる。該熱酸化法にはd
ry酸化法とwet酸化法とがあるが、酸化温度は10
00℃以上と高いが膜質が優れていることからdry酸
化法の方が適している。
【0023】酸化膜形成後、ボロンをチャネルイオン注
入してもよい。これは、Nch薄膜トランジスタのスレ
ッシュホルド電圧がマイナス側にシフトすることと、P
ch薄膜トランジスタのスレッシュホルド電圧がプラス
側にシフトすることを防ぐことを目的としている。前記
非晶質シリコン膜1−2のデポ膜厚が500〜1500
Å程度の場合は、ボロンのド−ズ量は1×1012〜5×
1012cm-2程度が適している。前記非晶質シリコン膜
の膜厚が500Å以下の薄い場合にはボロンド−ズ量を
少なくし、目安としては1×1012cm-2以下にする。
また、前記膜厚が1500Å以上の厚い場合にはボロン
ド−ズ量を多くし、目安としては5×1012cm-2以上
にする。
【0024】次に、ソ−ス、ドレイン領域を形成する部
分のゲ−ト酸化膜を剥離して図1(d)に示すような島
状ゲ−ト酸化膜1−5を形成する。
【0025】次に図1(e)に示されるように、ゲ−ト
電極材料およびソ−ス、ドレイン領域を構成する不純物
添加シリコン薄膜1−6を成膜する。Nch薄膜トラン
ジスタの場合はリン等のドナ−型の不純物、Pch薄膜
トランジスタの場合はアクセプタ−型の不純物を添加す
る。フォスフィンガス(PH3)とシランガス(Si
4)との混合ガス、またはジボランガス(B26)と
シランガスとの混合ガスを用いたプラズマCVD法でド
−プト非晶質シリコン薄膜を成膜した後、固相成長させ
る方法、またはLPCVD法によりド−プト非晶質シリ
コンあるいは多結晶シリコン薄膜を成膜し、必要に応じ
てアニ−ルする方法、または未添加シリコン薄膜を成膜
した後、プレデポ等拡散によって不純物を添加する方法
等がある。不純物濃度は1×1019cm-3以上、望まし
くは1×1020cm-3以上が望ましい。
【0026】続いて次のフォト工程によって、ゲ−ト電
極およびソ−ス、ドレイン領域を同時に形成する。図2
(f)において、1−7はゲ−ト電極、1−8はソ−ス
領域、1−9はドレイン領域を示している。ゲ−ト電極
1−7とソ−ス領域との間隔、及びゲ−ト電極とドレイ
ン領域との間隔はLDD構造薄膜トランジスタのオフセ
ット領域の長さを決める重要なパラメ−タ−である。値
としては1μm以下が望ましい。
【0027】次に低濃度のイオン注入を行い、図1
(g)に示すようなオフセット領域1−10を形成す
る。ゲ−ト電極1−7とソ−ス領域1−8とドレイン領
域1−9をマスクとして自己整合的にオフセット領域1
−10を形成する。ソ−ス、ドレイン領域と同様に、N
ch薄膜トランジスタの場合はドナ−型の不純物を、P
ch薄膜トランジスタの場合はアクセプタ−型の不純物
をイオン注入する。オフセット領域の不純物濃度は、前
記ソ−ス、ドレイン領域の不純物濃度よりも少なくす
る。イオン注入ド−ズ量としては、1×1012〜1×1
14cm-2程度とする。不純物濃度では1×1017〜1
×1019cm-3程度となる。1−11の矢印はイオンビ
−ムを示している。不純物添加方法としては、イオン注
入法の他に、レ−ザ−ド−ピング法あるいはプラズマド
−ピング法などの方法がある。
【0028】オフセット領域を形成した後、図1(h)
に示されるように、層間絶縁膜1−12を積層する。該
層間絶縁膜材料としては、酸化膜あるいは窒化膜などを
用いる。絶縁性が良好ならば膜厚はいくらでもよいが、
数千Åから数μm程度が普通である。酸化膜の形成方法
としてはLPCVD法、APCVD法、プラズマCVD
法、ECRプラズマCVD法、スパッタ法等の方法があ
る。窒化膜の形成方法としては、LPCVD法あるいは
プラズマCVD法などが簡単である。反応には、アンモ
ニアガス(NH3)とシランガスと窒素ガスとの混合ガ
ス、あるいはシランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを
用いる。
【0029】続いて、前記層間絶縁膜1−12の緻密化
と前記ソ−ス、ドレイン領域およびオフセット領域の活
性化と結晶性の回復を目的として活性化アニ−ルを行
う。アニ−ル方法としては、1段階活性化アニ−ル法、
あるいは2段階活性化アニ−ル法等がある。2段階活性
化アニ−ル法について説明する。N2ガス雰囲気中でま
ず600〜800℃程度の温度で、1〜20時間程度の
1段階アニ−ルを行ってイオン注入されたオフセット領
域の結晶性を回復させる。600℃程度の低温では10
時間から20時間のアニ−ルを行う。また、800℃の
比較的高温では1時間から10時間の短時間のアニ−ル
をする。このような1段階アニ−ルを行った後、100
0℃以上の温度で1時間以内の2段階アニ−ルを行って
不純物イオンを活性化させる。以上のような2段階活性
化アニ−ルによって、ソ−ス、ドレイン領域の結晶性の
回復と活性化を行う。アニ−ル雰囲気は窒素だけではな
く水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、あるいは、
真空中でも良い。
【0030】次に、水素化処理を行っても良い。水素プ
ラズマ法、あるいは水素イオン注入法、あるいはプラズ
マ窒化膜からの水素の拡散法などの方法で水素イオンを
導入すると,結晶粒界に存在するダングリングボンド
や、ゲ−ト酸化膜界面などに存在する欠陥や、ソ−ス、
ドレイン部とチャネル部との接合部に存在する欠陥が不
活性化される。この様な水素化工程は、層間絶縁膜1−
12を積層する前におこなってもよい。または、後に述
べる、ソ−ス電極とドレイン電極を形成してから前記水
素化工程を行ってもよい。
【0031】次に図1(i)に示すように、前記層間絶
縁膜1−12びゲ−ト絶縁膜1−5にコンタクトホ−ル
を形成し、コンタクト電極を形成してソ−ス電極1−1
3およびドレイン電極1−14とする。該ソ−ス電極及
びドレイン電極は、アルミニュウムあるいはクロムなど
の金属材料で形成する。この様にして薄膜トランジスタ
が形成される。
【0032】(実施例2)層間絶縁膜表面形状の平坦化
が必要となる場合は、図1(h)においてBPSG(b
orophosphosilicate glass)
膜を成膜し、低温リフロ−させることによってきわめて
平坦な層間絶縁膜を得ることができる。BPSG膜はA
PCVD法、LPCVD法、プラズマCVD法、スピン
オングラス法等の方法がある。750℃程度の低温でも
リフロ−することができる。図2に、リフロ−技術を用
いて作成した薄膜トランジスタについて説明する。絶縁
性非晶質材料2−1、シリコン薄膜2−2、ゲ−ト酸化
膜2−3、ゲ−ト電極2−4、ソ−ス領域2−5、ドレ
イン領域2−6、オフセット領域2−7を形成した後、
前記の方法によりBPSG膜を成膜する。その後750
〜900℃程度の熱処理によって前記BPSG膜をリフ
ロ−し、2−9に示すような平坦な層間絶縁膜を形成す
る。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、フォト工程数を増
やすことなくLDD構造を実現できるのでオフ電流の低
減に対してきわめて大きな効果が期待される。さらに、
薄膜トランジスタのOFF領域に特有のOFFリ−ク電
流のはねあがりを抑えることができる。LDD構造が簡
単な工程で実現できるので、ドレイン耐圧が100V程
度の高耐圧化が可能となる。さらに、オフセット領域の
イオン注入ド−ズ量によってもドレイン耐圧の値やオフ
電流の値を制御することができる。
【0034】従来オフセット領域を形成するためには、
ゲ−ト電極に側壁を形成しなければならなかった。しか
し、この側壁の形成のためには、絶縁膜の膜厚やエッチ
ングの異方性を正確に制御しなければならなかった。本
発明によれば側壁を形成する必要は全くない。つまり工
程管理の困難な異方性エッチング技術を用いなくてもL
DD構造の薄膜トランジスタを作成することが可能とな
る。従って、工程の容易化、歩留りの向上に大きな効果
がある。
【0035】自己整合的にソ−ス領域とドレイン領域が
形成されるので短チャネル化に対して効果があり、特性
のばらつきも少ない。チャネル領域の膜厚は100〜1
000Å程度と薄く、コンタクトを形成するソ−ス及び
ドレイン領域の膜厚は1000Å以上と厚くできるので
コンタクト抵抗が小さくなる。その結果、薄膜トランジ
スタのサブスレシュホルド領域の立ち上がりは非常に急
峻となり、コンタクト抵抗に制限されないような大きな
オン電流が得られる。
【0036】リフロ−技術を応用することによって平坦
な層間絶縁膜を得ることができるので、その上に形成さ
れる配線の断線がきわめて少なくなり、歩留りが更に向
上する。従って、本発明の効果が最大限に発揮される。
非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを作
製することが可能となるので、ドライバ−回路を同一基
板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した場
合にも十分な高速動作が実現される。さらに、電源電圧
の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大きな
効果がある。また、600℃以下の低温プロセスによる
作製も可能なので、アクティブマトリクス基板のてい価
格か及び大面積化に対してもその効果は大きい。
【0037】本発明を、光電変換素子とその走査回路を
同一チップ内に集積した密着型イメ−ジセンサ−に応用
した場合には、読み取り速度の高速化、高解像度化、さ
らに階調をとる場合に非常に大きな効果をうみだす。高
解像度化が達成されるとカラ−読み取り用密着型イメ−
ジセンサ−への応用も容易となる。もちろん電源電圧の
低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対してもその効
果は大きい。また低温プロセスによって作製することが
できるので、密着型イメ−ジセンサ−チップの長尺化が
可能となり、一本のチップでA4判あるいはA3判の様
な大型ファクシミリ用の読み取り装置を実現できる。従
って、センサ−チップの二本継ぎのような手数がかかり
信頼性の悪い技術を回避することができ、実装歩留りも
向上される。
【0038】石英基板やガラス基板だけではなく、サフ
ァイア基板(Al23)あるいはMgO・Al23,B
P,CaF2等の結晶性絶縁基板も用いることができ
る。
【0039】以上薄膜トランジスタを例として説明した
が、バイポ−ラトランジスタあろいはヘテロ接合バイポ
−ラトランジスタなど薄膜を利用した素子に対しても、
本発明を応用することができる。また、三次元デバイス
のようなSOI技術を利用した素子に対しても、本発明
を応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)から(i)は、本発明における薄膜半導
体装置の製造方法を示す工程図である。
【図2】(a)から(b)は、リフロ−技術を応用した
場合の本発明における薄膜半導体装置の製造方法を示す
工程図である。
【図3】従来のLDD構造薄膜トランジスタの製造方法
を示す工程図である。
【符号の説明】
1− 7 ゲ−ト電極 1− 8 ソ−ス領域 1− 9 ドレイン領域 1−10 オフセット領域 1−12 層間絶縁膜 2− 8 BPSG膜 2− 9 リフロ−された平坦な層間絶縁膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性非晶質材料上に形成される薄膜半
    導体装置に於て、 〔a〕 絶縁性非晶質材料上に、非単結晶半導体薄膜を
    形成し島状にパタ−ニングする工程、 〔b〕 該島状にパタ−ニングされた非単結晶半導体薄
    膜の上に、ゲ−ト絶縁膜を形成し、該ゲ−ト絶縁膜をパ
    タ−ニングして前記非単結晶半導体薄膜の表面の1部を
    少なくとも露出させる工程、 〔c〕 低抵抗の不純物添加半導体薄膜を成膜し、該不
    純物添加半導体薄膜をパタ−ニングして前記ゲ−ト絶縁
    膜上にゲ−ト電極、および、前記露出させた非単結晶半
    導体薄膜上にソ−ス、ドレイン領域を形成する工程、 〔d〕 前記ゲ−ト電極およびソ−ス、ドレイン領域を
    マスクとして不純物イオンをイオン注入してオフセット
    領域を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする
    薄膜半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記ゲ−ト電極、およびソ−ス、ドレイ
    ン領域はそれぞれ分離され絶縁されていることを特徴と
    する請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記オフセット領域の不純物濃度は、前
    記ソ−ス、ドレイン領域の不純物濃度よりも小さいこと
    を特徴とする請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方
    法。
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