JP3134910B2

JP3134910B2 - 半導体装置の作製方法および液晶ディスプレイ用集積回路の作製方法

Info

Publication number: JP3134910B2
Application number: JP05246408A
Authority: JP
Inventors: 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 2001-02-13
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: JPH0786608A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス等の絶縁基板、
あるいは各種基板上に形成された絶縁性被膜上に設けら
れた非単結晶珪素膜を有する薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）、または、それを応用した薄膜集積回路、特にアク
ティブ型液晶表示装置（液晶ディスプレー）用薄膜集積
回路およびその作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の絶縁基板上にＴＦＴを
有する半導体装置、例えば、ＴＦＴを画素の駆動に用い
るアクティブ型液晶表示装置やイメージセンサー、３次
元集積回路等が開発されている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴには、薄
膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄膜状の
珪素半導体としては、非晶質珪素半導体（ａ−Ｓｉ）か
らなるものと結晶性を有する珪素半導体からなるものの
２つに大別される。非晶質珪素半導体は作製温度が低
く、気相法で比較的容易に作製することが可能で量産性
に富むため、最も一般的に用いられているが、導電率等
の物性が結晶性を有する珪素半導体に比べて劣るため、
今後より高速特性を得る為には、結晶性を有する珪素半
導体からなるＴＦＴの作製方法の確立が強く求められて
いた。尚、結晶性を有する珪素半導体としては、多結晶
珪素、微結晶珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性
と非晶質性の中間の状態を有するセミアモルファス珪素
等が知られている。

【０００４】さて、このような非晶質あるいは多結晶
（これらを非単結晶と総称する）の珪素は、単結晶半導
体集積回路に用いられるような単結晶材料に比べると、
はるかに粒界の作用が大きかった。その典型的な例は、
ソース／ドレイン間のリーク電流であった。特にゲイト
電極に逆バイアス電圧（すなわち、Ｎチャネルトランジ
スタであれば負、Ｐチャネルトランジスタであれば正）
が印加された場合のリーク電流（オフ電流ともいう）
は、粒界の作用によるものであり、トランジスタの動作
特性を悪化させるものであり、改善が求められていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなオフ電流
は、ソース／ドレインの不純物領域（Ｎ型もしくはＰ
型）とチャネル形成領域（実質的に真性）の境界におい
て電界が急激に変動するために生じるものであり、単結
晶においては問題とならなかったが、非単結晶において
は、粒界を通して、不純物領域の伝導帯（価電子帯）か
らチャネル形成領域の価電子帯（伝導帯）へ、キャリヤ
がホッピングするのである。したがって、単結晶ＭＯＳ
デバイスの場合と同様に、電界を緩和させるためにオフ
セット領域を設けることや、不純物領域の不純物濃度を
低くする低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造を用いることに
よって解決が試みられている。

【０００６】図２（Ａ）には、従来のオフセットゲイト
型のＴＦＴの構造の概念図を示す。活性層は、大まかに
言って、５つの領域に分けられる。第１の領域は不純物
濃度の大きな不純物領域（ソース／ドレイン）で領域１
３、１７が対応する。第２の領域はオフセット領域また
はＬＤＤ領域と称される領域で、領域１４、１６が対応
し、この領域は実質的に真性の領域、または寄生チャネ
ルの発生を抑制する範囲でソース／ドレインと同じ導電
型でありながら、高い抵抗を呈する領域で、しかも、そ
の上にはゲイト電極は存在しない。第３の領域はチャネ
ル形成領域と呼ばれる領域で領域１５に対応し、ゲイト
絶縁膜１２を介して、ゲイト電極１１の影響を受けて、
伝導型を変化させ、キャリヤの流れやすさをコントロー
ルできる。

【０００７】ＮチャネルＴＦＴにおいて、ゲイト電極に
電圧が印加されず、かつ、ソース／ドレイン間の電圧が
十分に低い場合の、活性層のゲイト絶縁膜近傍のエネル
ギーバンドの様子を図２（Ｂ）に示す。ここで、Ｅ_Fは
フェルミ面、Ｅ_I、Ｅ_Nは、チャネル形成領域および不
純物領域のエネルギーバンドギャップを示し、通常はＥ
_I＝Ｅ_Nである。また、オフセット領域のバンドギャッ
プもＥ_Iと同じである。このＴＦＴに、ソース／ドレイ
ン間の電圧はそのままにして、ゲイト電極に逆バイアス
（負）の電圧を印加した場合には図２（Ｃ）のように、
バンド図が変化する。ここでは、活性層のゲイト電極直
下の部分の電界はＥ_Gだけ変化する。

【０００８】注目すべきは、オフセット領域１４、１６
の存在によって、不純物領域とチャネル形成領域の間の
電界が滑らかに変化し、この間のリーク電流を抑制する
効果がある。しかしながら、この状態で、ソース／ドレ
イン間に大きな順バイアス（正）の電圧を印加すると、
ドレイン領域１７のバンドが図の実線に示すよりも低下
するので、チャネル形成領域１５とドレイン領域１７の
間の電界は、オフセット領域１６の存在にも関わらず、
より急峻になり、粒界を経由するリーク電流が発生する
こととなる。

【０００９】このことは実際の測定においても、ソース
／ドレイン間の電圧Ｖ_Dが小さい間はオフ電流はそれほ
ど目立たなくとも、Ｖ_Dが大きくなると、オフ電流が増
加し、逆バイアス電圧（ＮチャネルＴＦＴの場合は負の
電圧）が大きくなると、オフ電流がハネ上がるという実
験事実からも証明される。（図２（Ｄ）参照）したがって、このオフ電流（特にＶ_Dが大きな領域で
の）を減少させるには、Ｖ_Dが大きな場合においてもド
レイン領域とチャネル形成領域の間の電界が滑らかに変
化するような構造を有するＴＦＴを作製しなければなら
ない。

【００１０】特に、このようなオフ電流の低減が要求さ
れるのは、活性層中に、結晶化を促進するための金属元
素を微量であるが有する場合である。このような結晶化
を促進する金属元素としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｃ、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇが知られ
ており、これらの元素を１×１０¹⁸〜２×１０²¹原子ｃ
ｍ^-3の濃度で珪素膜に添加することによって、非晶質珪
素の結晶化温度を低下させ、結晶化時間を短縮すること
ができる。しかし、これらの元素が添加された珪素膜
は、これらの元素によってバンドギャップ内に中間的な
準位が生じることがあり、この準位が粒界と同じ作用を
有するためオフ電流が増加することとなった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
る第１の方法は、半導体のバンドギャップをより大きく
することである。すなわち、図２のような従来のオフセ
ットゲイト型ＴＦＴにおいても、半導体のバンドギャッ
プが大きくなれば、チャネル形成領域とドレイン領域の
間のバンドの急峻さは同じでも、伝導帯と価電子帯の間
が大きいので、オフセット領域の効果が大きくなり、チ
ャネル形成領域の価電子帯（伝導帯）からドレイン領域
の伝導帯（価電子帯）へのキャリヤのホッピングは抑制
される。このように珪素半導体のバンドギャップを大き
くするには、炭素、窒素、酸素等のエネルギーバンド幅
を増加させる効果を持つ元素を適量添加することによっ
て実現できる。添加する量が大きければ大きいほど、バ
ンドギャップは増加するが、過剰な添加は半導体特性を
劣化せしめる。本発明人の研究によると、これら元素の
全体の濃度が１×１０¹⁹〜２×１０²¹ｃｍ^-3、好ましく
は５×１０¹⁹〜７×１０²⁰ｃｍ^-3が適当であることが明
らかになった。なお、この不純物元素の濃度の測定は、
ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法での最低値を意味す
る。

【００１２】第１の方法の欠点は、チャネル領域をも酸
素、窒素、炭素等が添加されてしまうために、ゲイト電
極に順バイアス（正）の電圧を印加したときの電流（オ
ン電流）まで小さくなってしまうことである。この問題
を解決するには、図１（Ａ）のように、不純物領域３、
７と、チャネル形成領域５の間に、実質的に真性、また
は寄生チャネルの発生を抑制する範囲で不純物領域３、
７と同じ導電型の高抵抗であり、かつ、バンドギャップ
の大きな領域４、６を設ければよい（第２の方法）。こ
のような領域を有するＮチャネルＴＦＴのゲイト電極近
傍のバンド図は、ゲイト電極に電圧が印加されない場合
には、図１（Ｂ）のように示される。すなわち、Ｅ_I＜
Ｅ_Oであり、また、一般に、Ｅ_I＜Ｅ_Nである。すなわ
ち、Ｅ_I＜Ｅ_O≦Ｅ_Nの関係、またはＮ_I＜Ｎ_O≦Ｎ_N
の関係（ここで、Ｎは添加された炭素、酸素、窒素の濃
度）を有する。

【００１３】また、ゲイト電極に負の電圧が印加された
場合のバンド図は図１（Ｃ）のように示される。図から
明らかなように、領域４、６の存在によって、不純物領
域の伝導帯（価電子帯）とチャネル形成領域の価電子帯
（伝導帯）間のキャリヤの移動は著しく妨げられる。こ
の結果、図１（Ｄ）に示すように、オフ電流は低下し、
特に、Ｖ_Dが大きくても、オフ電流は従来のオフセット
ゲイト型ＴＦＴに比べると安定に推移する。

【００１４】このような領域４、６を得るには、第１の
方法と同様に炭素、窒素、酸素等を適量添加することに
よって実現できる。本発明人の研究によると、これら元
素の全体の濃度が１×１０¹⁹〜２×１０²¹原子ｃｍ^-3、
好ましくは５×１０¹⁹〜７×１０²⁰原子ｃｍ^-3が適当で
ある。一般には、領域４、６にこれらの元素を添加する
際に、同時に不純物領域３、７にも同量だけ添加するの
が一般的で、その際には、図２（Ｂ）において、Ｅ_O＝
Ｅ_N（またはＮ_O＝Ｎ_N）となる。

【００１５】なお、上記第１および第２の方法では、酸
素、炭素、窒素等の添加にはイオンドーピング法もしく
はイオン注入法を用いればよいが、この際には珪素膜の
結晶性にダメージを与えるので、その後に熱アニールも
しくはレーザーアニール、ランプアニール（ＲＴＡ）等
の結晶化させ、これらの添加物が均質に珪素と結合し、
かつ、結晶粒界を中和すると同時に、特に第２の方法に
おいてはＰまたはＮ型の不純物が十分に活性化されるこ
とが望ましい。また、特に第１の方法に関しては、珪素
膜の成膜の際に酸素、窒素、炭素等を適量混入させても
よい。なお、第１の方法においては、酸素、窒素、炭素
の濃度はソース／ドレインとチャネル形成領域で変わる
ことはなく、したがって、Ｎ_I＝Ｎ_O＝Ｎ_Nである。以
下にＴＦＴの作製方法の実施例を示し、上記第１および
第２の方法に基づくＴＦＴについて説明する。

【００１６】

【実施例】〔実施例１〕図３に本実施例であるＴＦＴの
作製工程の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０
５９）１０１上にスパッタリング法によって厚さ２００
０Åの酸化珪素の下地膜１０２を形成した。基板は、下
地膜の成膜の前もしくは後に、歪み温度よりも高い温度
でアニールをおこなった後、０．１〜１．０℃／分で歪
み温度以下まで徐冷すると、その後の温度上昇を伴う工
程での基板の収縮が少なく、マスク合わせが容易とな
る。コーニング７０５９基板では、６２０〜６６０℃で
１〜４時間アニールした後、０．０１〜１．０℃／分、
好ましくは、０．０３〜０．３℃／分で徐冷し、４００
〜５００℃まで温度が低下した段階で取り出すとよい。

【００１７】そして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ
２００〜２０００Å、好ましくは３００〜１５００Å、
例えば１２００Åの真性（Ｉ型）の非晶質珪素膜１０３
を成膜した。さらに、その上にプラズマＣＶＤ法によっ
て厚さ１００〜８００Å、例えば２００Åの酸化珪素膜
１０４を堆積した。こえは、以下の熱アニール工程にお
いて保護膜となり、膜表面の荒れを防止する。

【００１８】さらに、イオン注入法によって、酸素イオ
ンを１×１０¹⁴〜３×１０¹⁶ｃｍ^-2、例えば、２×１０
¹⁵ｃｍ^-2のドーズ量で注入した。注入は非晶質珪素膜１
０３と下地膜１０２の境界にピークがくるようにエネル
ギーを選択しておこなった。この結果、非晶質珪素膜１
０３には、５×１０¹⁹〜２×１０²¹ｃｍ^-3（深さによっ
て異なる）の濃度で酸素が導入されたことが２次イオン
質量分析（ＳＩＭＳ）法によって確認された。この酸素
原子の添加は半導体膜の成膜と同時におこなってもよ
い。（図３（Ａ））

【００１９】次に、窒素雰囲気下（大気圧）、６００℃
で４８時間、熱アニールすることによって、珪素膜を結
晶化させた。さらに、酸化珪素膜１０４を除去し、珪素
膜をパターニングして、真性または実質的に真性な多結
晶珪素膜よりなるＴＦＴの島状の活性層１０５を形成し
た。活性層１０５の大きさはＴＦＴのチャネル長とチャ
ネル幅を考慮して決定される。小さなものでは、５０μ
ｍ×２０μｍ、大きなものでは１００μｍ×１０００μ
ｍであった。このような活性層を基板上に多く形成し
た。

【００２０】そして、プラズマＣＶＤ法によって厚さ１
０００Åの酸化珪素膜１０６をゲイト絶縁膜として成膜
した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯＳ（テトラ・エ
トキシ・シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）と酸素を用
い、成膜時の基板温度は３００〜５５０℃、例えば４０
０℃とした。これは、熱酸化による酸化膜であってもよ
い。

【００２１】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのアルミ
ニウム（０．０１〜０．２５％のスカンジウムもしくは
他のIII ａ族元素（希土類元素）を含む）を成膜した。
そして、アルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電
極１０７を形成した。アルミニウム以外に、タンタル、
チタンのごとき金属や燐が添加された半導体をゲート電
極材料として用いてもよい。（図３（Ｂ））

【００２２】さらに、このアルミニウムの電極の表面を
陽極酸化して、表面に酸化物層１０８を形成した。この
陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれたエチレングリコ
ール溶液中で行った。得られた酸化物層１０８の厚さは
２０００Åであった。なお、この酸化物１０８は、後の
イオンドーピング工程において、オフセットゲイト領域
を形成する厚さとなるので、オフセットゲイト領域の長
さを上記陽極酸化工程で決めることができる。（図３
（Ｃ））

【００２３】次に、イオンドーピング法（プラズマドー
ピング法とも言う）によって、ゲイト電極部（すなわち
ゲイト電極１０７とその周囲の酸化層１０８）をマスク
として、自己整合的にＮ導電型を付与する不純物を珪素
膜１０５に添加した。ドーピングガスとして、フォスフ
ィン（ＰＨ₃ ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例
えば８０ｋＶとした。ドーズ量は１×１０¹⁵〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、例えば、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とした。この結
果、ソース／ドレインとなるＮ型の不純物領域１０９と
１１０が形成された。

【００２４】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルをおこない、ドーピングされた不純物の活性化をおこ
なった。レーザー光としては、ＫｒＦエキシマレーザー
（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を用いた
が、他のレーザーであってもよい。レーザー光の照射条
件は、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、
例えば２５０ｍＪ／ｃｍ² とし、一か所につき２〜１０
ショット、例えば２ショット照射した。このレーザー光
の照射時に基板を２００〜４５０℃程度に加熱すること
によって、効果を増大せしめてもよい。（図３（Ｄ））

【００２５】また、この工程は、可視または近赤外光に
よるランプアニール（ラピッド・サーマル・アニール、
ＲＴＡ）による方法でもよい。可視・近赤外線は結晶化
した珪素、または燐またはホウ素が１０¹⁹〜１０²¹ｃｍ
^-3添加された非晶質珪素へは吸収されやすく、１０００
℃以上の熱アニールにも匹敵する効果的なアニールを行
うことができる。燐またはホウ素が添加されていると、
その不純物散乱により、近赤外線でも十分光が吸収され
る。このことは肉眼による観察でも黒色であることから
十分に推測がつく。その反面、ガラス基板へは吸収され
にくいので、ガラス基板を高温に加熱することがなく、
また短時間の処理ですむので、ガラス基板の縮みが問題
となる工程においては最適な方法であるといえる。

【００２６】不純物活性化工程のあと、厚さ６０００Å
の酸化珪素膜１１１を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ
法によって形成した。この層間絶縁物としてはポリイミ
ドまたは酸化珪素とポリイミドの二層膜を利用してもよ
い。さらにコンタクトホールを通常より大きく形成し
て、まず、チタンまたはニッケルを全面に１００〜５０
０Å形成した。さらに、これらにレーザーまたは可視ま
たは近赤外光の強光を照射してソース／ドレイン領域１
０９、１１０の珪素と反応させ、シリサイド領域１１
２、１１３を形成した。その後、珪素と反応しなかった
チタンもしくはニッケルをエッチング除去し、さらに、
金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜
によってＴＦＴの電極・配線１１４、１１５を形成し
た。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分の
アニールを行い、ＴＦＴを完成した。（図３（Ｅ））

【００２７】かくすることにより、ゲイト電圧が０Ｖの
ときのオフ電流は、従来の１×１０^-10Ａから３×１０
^-12Ａまで下げることができた。さらに、ドレイン電圧
が＋１０Ｖ、ゲイト電圧が−１０Ｖのときのリーク電流
（オフ電流）は３〜５×１０^-12Ａと、従来の約３０分
の１にまで低減できた。

【００２８】〔実施例２〕本実施例の作製工程の概略を
図４に示す。本実施例において、基板２０１としてはコ
ーニング７０５９ガラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００
×４００ｍｍ）を使用した。まず、基板２０１を６２０
〜６６０℃、１〜４時間アニールした後、０．０１〜１
℃／分、好ましくは０．０３〜０．３℃／分で徐冷し、
４００〜５００℃まで低下した段階で室温に取り出し、
ガラス基板を収縮させた。さらにこの基板２０１上に下
地膜２０２（酸化珪素）をプラズマＣＶＤ法で２０００
Åの厚さに形成した。ＣＶＤの原料ガスとしてはＴＥＯ
Ｓと酸素を用いた。さらに、ＬＰＣＶＤ法もしくはプラ
ズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜２０３を１０００Å、酸化
珪素膜２０４を２０００Åの厚さにそれぞれ形成した。
そして、公知のフォトリソグラフィー法によって、酸化
珪素膜に領域２０５に示されるような孔を形成した。そ
の後、スパッタ法によって厚さ５〜２０Åのニッケル膜
２０６を形成した。ニッケル膜２０６は膜状でなくとも
よい。ニッケル以外にも、非晶質珪素の結晶化を促進す
る元素であればよい。

【００２９】さらに、イオン注入法によって、窒素イオ
ンを１×１０¹⁴〜３×１０¹⁶ｃｍ^-2、例えば、２×１０
¹⁵ｃｍ^-2のドーズ量で注入した。注入は非晶質珪素膜２
０３と酸化珪素膜２０４の境界にピークがくるようにエ
ネルギーを選択しておこなった。この結果、非晶質珪素
膜２０３には、１×１０²⁰〜１×１０²¹ｃｍ^-3（深さに
よって異なる）の濃度で窒素が導入されたことが２次イ
オン質量分析（ＳＩＭＳ）法によって確認された。（図
２（Ａ））

【００３０】そして、５５０℃で８時間、または６００
℃で４時間の熱アニールをおこなうことによって、珪素
膜の結晶化をおこなった。その際には、ニッケルが珪素
膜を拡散するにしたがって、結晶化が孔２０５から横方
向に周囲に進行した。結晶成長の長さは、典型的には２
０〜１００μｍであった。図４（Ｂ）において、珪素膜
のうち、領域２０７は結晶化した領域であり、領域２０
８は未結晶化の領域である。（図４（Ｂ））

【００３１】この熱アニール工程の後、酸化珪素膜２０
４を除去し、珪素膜をパターニングしてＴＦＴの島状活
性層２０９を形成した。さらにテトラ・エトキシ・シラ
ン（ＴＥＯＳ）を原料として、酸素雰囲気中のプラズマ
ＣＶＤ法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜（厚さ７０
〜１２０ｎｍ、典型的には１２０ｎｍ）２１０を形成し
た。基板温度は３５０℃とした。さらに、スパッタリン
グ法によって、厚さ６０００〜８０００Å、例えば６０
００Åのアルミニウム（０．０１〜０．２％のスカンジ
ウムもしくは他のIII ａ族元素（希土類元素）を含む）
を成膜し、アルミニウム膜をパターニングしてゲイト電
極を形成した。そして、実施例１と同様に陽極酸化をお
こなうことによってゲイト電極の側面と上面に酸化アル
ミニウムの陽極酸化層を形成した。こうしてゲイト電極
部２１１を得た。（図４（Ｃ））

【００３２】その後、Ｎ型の不純物として、燐をイオン
ドーピング法で注入し、自己整合的にソース領域２１
１、ドレイン領域２１２を形成した。そして、ＫｒＦレ
ーザー光を照射することによって、イオン注入のために
結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善させた。このと
きにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３００ｍ
Ｊ／ｃｍ² とした。このレーザー照射によって、このＴ
ＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は１〜８ｋΩ／ｃ
ｍ² となった。また、この工程は可視・近赤外光のラン
プアニールによって行ってもよい。このアニール工程に
よって、活性層は全て結晶化した。（図４（Ｄ））

【００３３】その後、酸化珪素またはポリイミドによっ
て層間絶縁物２１３を形成し、さらに、コンタクトホー
ルを形成して、ＴＦＴのソース／ドレイン領域にクロム
／アルミニウム多層膜で電極２１４、２１５を形成し
た。最後に、水素中で２００〜４００℃で１時間アニー
ルして、水素化をおこなった。ソース／ドレイン領域の
珪素と電極材料が反応して、コンタクトの部分にはシリ
サイド領域２１６、２１７が形成された。このようにし
て、ＴＦＴを完成した。より耐湿性を向上させるため
に、さらに全面に窒化珪素、窒化アルミニウム等でパッ
シベーション膜を形成してもよい。（図４（Ｅ））

【００３４】本実施例で示したＴＦＴは、実施例１のも
のに比較して、より低温・短時間のアニールによって結
晶化して得られるが、活性層中にニッケルを３×１０¹⁷
〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3含有することが２次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）法によって確かめられた。従来であれば、
このためにリーク電流が増加したが、本実施例では、活
性層中に同時に窒素も１×１０¹⁹〜２×１０²¹原子ｃｍ
^-3、代表的には１×１０²⁰〜５×１０²⁰原子ｃｍ^-3存在
するために、リーク電流が減少し、より良好なオフ特性
が得られた。

【００３５】また、本実施例では、珪素膜中に導入され
た窒素が珪素の不対結合手を固く終端した。酸素ではそ
れほど顕著な効果は認められなかったが、同様な効果は
炭素を導入することによっても認められる。珪素の不対
結合手は特に粒界に顕著であり、リーク電流の原因とも
なっていたが、本発明によって抑制できた。また、同様
に、珪素膜中に存在するニッケル等の金属元素も窒素も
しくは炭素によって固定化でき、これも半導体特性にと
って好ましかった。

【００３６】〔実施例３〕図５を用いて本実施例を説明
する。基板は、コーニング７０５９を用い、実施例２の
ように、収縮防止のために、事前に６４０℃で４時間ア
ニールした後、０．１℃で４５０℃まで徐冷した後、取
り出したものを使用した。まず基板３０１上に下地膜３
０２を形成し、さらに、プラズマＣＶＤ法によって厚さ
３００〜８００Å、例えば８００Åの非晶質珪素膜およ
び厚さ２０００Åの酸化珪素膜を形成した。そして、酸
化珪素膜に選択的に実施例２のように孔を形成し、その
上から厚さ５〜２０Åのニッケル膜をスパッタリング法
によって形成した。

【００３７】そして、窒素雰囲気で６００℃で４時間の
アニールをおこなうことによって、珪素膜を結晶化し
た。その後、酸化珪素膜を除去し、珪素膜表面を露出さ
せた。そして、酸素、オゾン、あるいは一酸化二窒素等
の酸化雰囲気中において、５５０℃、１時間の加熱アニ
ールをおこない、珪素膜表面に薄い酸化珪素膜を形成し
た。そして、珪素膜をパターニングして、活性層３０３
を形成した。珪素膜表面の酸化珪素層は除去した。

【００３８】そして、再び、酸化雰囲気において、６０
０℃で１時間の熱アニールをおこなうことによって、活
性層の表面に薄い酸化珪素膜３０４を形成した。熱アニ
ール終了後、基板を２℃／秒以上の速度、好ましくは１
０℃／秒以上の速度で４５０℃まで急激に冷却した。こ
れは、この熱アニール工程によって、基板が収縮するこ
とを防止するためである。このような急激な冷却が不可
能なアニール炉においては、基板を炉外に取り出して、
室温に放置することによっても同様な効果が得られた。
（図５（Ａ））

【００３９】その後、実施例１と同様に酸化珪素のゲイ
ト絶縁膜３０５、アルミニウムのゲイト電極３０６を形
成した。アルミニウム以外に、タンタル、チタンのごと
き金属や燐が添加された半導体をゲイト電極材料として
用いてもよいことはいうまでもない。そして、、イオン
ドーピング法によって、ゲイト電極３０６をマスクとし
て自己整合的に酸素イオンを注入して、活性層中に酸素
濃度の高い領域３０７、３０８を形成した。ドーズ量
は、５×１０¹⁵ｃｍ^-2とし、活性層３０３とゲイト絶縁
膜の酸化珪素膜３０５の境界にピークがくるようにエネ
ルギーを選択しておこなった。この結果、活性層の領域
３０７、３０８には、５×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ
^-3（深さによって異なる）の濃度で酸素が導入されたこ
とが２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法によって確認さ
れた。また、この場合はＮ_I＜Ｎ_O＝Ｎ_N（または、Ｅ
_I＜Ｅ_O＝Ｅ_N）である。（図５（Ｂ））

【００４０】その後、実施例１と同様にゲイト電極を陽
極酸化し、陽極酸化層３０９を形成した。（図５
（Ｃ））そして、実施例１と同様にゲイト電極３０６およびその
陽極酸化物層３０９をマスクとして、自己整合的に活性
層中に不純物（燐）をドーピングし、不純物領域３１
０、３１１を形成した。ドーズ量は、１×１０¹³〜１×
１０¹⁶ｃｍ^-2、例えばＮ⁺型とするには、５×１０¹⁵ｃ
ｍ^-2とした。そして、これをレーザー照射によって活性
化させた。（図５（Ｄ））

【００４１】さらに、層間絶縁物３１２を形成して、こ
れにコンタクトホールを形成し、メタル配線３１３、３
１４を形成した。かくして、チャネル形成領域の外側に
酸素の濃度の高い１対の第１の領域と、その外側に酸素
の濃度が高く、かつ、ソース、ドレインを構成する第２
の領域とを形成することができた。また、この第１の領
域と第２の領域の間にＮ^-型の領域を設けてもよい。
（図５（Ｅ））

【００４２】このようにして、図１（Ａ）に示したもの
と同様な構造を有するＴＦＴを形成した。本実施例で
は、チャネル形成領域には酸素がドーピングされていな
いので、実施例１および実施例２の場合に比較してオン
／オフ比の大きなＴＦＴが得られた。特にドレイン電圧
を＋１０Ｖと大きなドレイン電圧であっても、ゲイト電
圧を０〜−１０Ｖの間で、リーク電流のない良好な特性
が得られた。

【００４３】ＬＤＤ構造とするには、以下のようにして
もよい。ゲイト電極の陽極酸化物３０９を５００〜１０
００Å形成し、まず、Ｎ型の不純物を１×１０¹³〜１×
１０¹⁴ｃｍ^-2だけイオン注入法等の手段で導入する。さ
らに、再び、陽極酸化をおこなって、その厚さを２００
０〜５０００Åとし、１×１０¹⁵〜１×１０¹⁶ｃｍ^-2の
ドーズ量で同じ導電型の不純物を添加してもよい。かく
して、チャネル形成領域とソース／ドレイン領域の間に
ＬＤＤ領域または実質的に真性な領域を形成することが
できる。特に酸素はＮ型不純物としても作用するた
め、、さらに燐を１×１０¹³〜１×１０¹⁴ｃｍ^-2添加し
てもよい。

【００４４】〔実施例４〕図６を用いて本実施例を説明
する。基板は、コーニング７０５９を用い、実施例３と
同じプロセスによって、基板４０１上に、下地酸化珪素
膜４０２、活性層４０３、酸化珪素のゲイト絶縁膜４０
４、アルミニウムのゲイト電極４０５を形成した。そし
て、、イオンドーピング法によって、ゲイト電極４０５
をマスクとして自己整合的に炭素、窒素、酸素、例えば
酸素イオンを注入して、活性層中に酸素濃度の高い領域
を形成した。酸素のドーズ量は、濃度が１×１０¹⁹〜²
×１０²¹ｃｍ^-3となるように１×１０¹⁴〜３×１０¹⁶ｃ
ｍ^-2、例えば５×１０¹⁵ｃｍ^-2とし、活性層４０３とゲ
イト絶縁膜の酸化珪素膜４０４の境界にピークがくるよ
うにエネルギーを選択しておこなった。この結果、ソー
ス、ドレインおよび接合を形成する領域の活性層には、
５×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3（深さによって異なる）
の濃度の酸素を有する領域が形成された。（図６
（Ａ））

【００４５】その後、実施例１と同様にゲイト電極を陽
極酸化し、陽極酸化層４０６を形成し，実施例１と同様
にゲイト電極４０５およびその陽極酸化物層４０６をマ
スクとして、自己整合的に活性層中に不純物（燐）をド
ーピングし、不純物領域４０７、４０８を形成した。ド
ーズ量は、実施例３よりも小さく、１×１０¹³〜５×１
０¹⁴ｃｍ^-2、例えば２×１０¹⁴ｃｍ^-2とした。そして、
これをレーザー照射によって活性化させた。この結果、
ソース／ドレインの不純物濃度は１×１０¹⁸〜５×１０
¹⁹ｃｍ^-3となった。（図６（Ｂ））

【００４６】続いて、厚さ３０００〜３００００Å、例
えば９０００Åの酸化珪素膜４０９をプラズマＣＶＤ法
によって形成した。（図６（Ｃ））次に、公知のＲＩＥ法による異方性ドライエッチングを
行うことによって、この酸化珪素膜４０９のエッチング
をおこなった。この際、その高さが７０００Åあるゲイ
ト電極５０６の側面においては、その高さ方向の厚さが
膜厚（酸化珪素膜の膜厚９０００Åのこと）の約２倍と
なる。また、この際、ゲイト絶縁膜である酸化珪素膜４
０４をも続けてエッチングしてしまい、ソース／ドレイ
ン領域４０７、４０８を露呈させた。

【００４７】以上の工程によって、ゲイト電極の側面に
は概略三角形状の絶縁物４１０、４１１が残った。その
後、厚さ５０〜５００Åのチタン、タングステン、白
金、パラジウム、ニッケル等のシリサイドを形成するの
に適した材料の膜、例えばチタン膜４１２をスパッタ法
によって形成した。（図６（Ｄ））次に、これを２５０〜４５０℃に予備加熱した状態でレ
ーザー光を照射し、瞬間的に５００〜８００℃に昇温せ
しめて、チタンとシリコンを反応させ、珪化チタンより
なるシリサイド領域４１３、４１４を不純物領域（ソー
ス／ドレイン）上に形成した。珪化チタンは、３０〜１
００μΩ・ｃｍという低い抵抗率であるので、実質的な
ソースおよびドレイン領域のシート抵抗は１０Ω／□以
下であった。このとき、シリサイドの拡散はガラス基板
に達するまでおこなうと、その後のアルミニウム電極４
１６、４１７のコンタクト部にバリヤ層が不要となり、
工程が簡略化できる。

【００４８】この工程は赤外光のランプアニール（ＲＴ
Ａ）によるものでもよい。ランプアニールを行う場合に
は、被照射面表面が６００〜１０００℃程度になるよう
に、６００℃の場合は数分間、１０００℃（珪素ウェフ
ァーのモニターの温度）の場合は数秒間のランプ照射を
行うようにする。ここでは、Ｅ_I＜Ｅ_O≦Ｅ_Nの関係
（Ｎ_I＜Ｎ_O≦Ｎ_Nの関係）である。

【００４９】この後、過酸化水素とアンモニアと水とを
５：２：２で混合したエッチング液でシリサイドとなら
なかったＴｉ膜のエッチング除去した。この際、珪化チ
タン層４１３、４１４はエッチングされないので、残存
させることができる。全面に層間絶縁物４１５として、
プラズマＣＶＤ法によって酸化珪素膜を厚さ５０００Å
形成し、ＴＦＴのソース／ドレインにコンタクトホール
を形成し、アルミニウム配線・電極４１６、４１７を形
成した。以上の工程によって、ＴＦＴが完成された。本
実施例では、アルミニウム電極４１６、４１７とソース
／ドレインの珪素が直接、接触しない構造になっている
ので極めて良好なコンタクトが得られた。以上によっ
て、ＴＦＴが完成された。不純物領域の活性化のため
に、さらに２００〜４００℃で水素アニールをおこなっ
てもよい。かくして、チャネル形成領域の外側に１対の
酸素の添加された領域とその外側のソース／ドレイン領
域にシリサイド層を１対の領域として形成させた。（図
５（Ｅ））

【００５０】本実施例で示したＴＦＴは、実質的なソー
ス／ドレインのシート抵抗が、シリサイド領域４１３、
４１４によって低減されているので、実施例３の場合に
比べて、ソース／ドレインへのドーピング量を１／１０
以下に低くすることができる。そのため、チャネル形成
領域とドレイン領域の間の電界がなだらかになり、ま
た、本発明の効果もあって、よりオフ電流の小さいＴＦ
Ｔとなった。また、ドーズ量の低減によって、ドーピン
グ工程の時間を従来の１／１０以下に低下させることが
できた。

【００５１】本発明において、ソース／ドレインのシー
ト抵抗を下げるのに関し、上記以外にソース／ドレイン
の不純物濃度を高める方法、またはそれにシリサイドを
併用することは有効である。加えて、活性層は固相成長
法のみでなく、レーザーアニール、ＲＴＡ等を用いて
も、または、それと固相成長法を併用してもよいことは
いうまでもない。

【００５２】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明によって、ＴＦＴのオフ電流を低下させることがで
きた。そして、上記実施例にも示したように、活性層中
に、結晶化促進のための金属元素（ニッケル等）を含有
するＴＦＴにおいては、オフ電流を下げるのに特に効果
的であった。また、実施例４に示したように、本発明に
おいて、ソース／ドレインに密着してシリサイド層を形
成することによって、ソース／ドレインの実質的なシー
ト抵抗を低下せしめ、よって、ソース／ドレインのドー
ズ量を低減することによって、より本発明の効果を高め
ることもできた。

【００５３】本発明は、Ｎチャネル型ＴＦＴだけではな
く、Ｐチャネル型ＴＦＴにも同様に適用できる。ただ
し、本発明において、第１の方法（実施例１および実施
例２）のように、チャネル形成領域にも酸素、窒素、炭
素等の元素を導入する場合には、これらの元素によるし
きい値電圧の変動を考慮しなければならない。例えば、
酸素の場合には、珪素中では塩化されたもののうちの１
〜１０％がドナーとなるため、弱いＮ型となる。したが
って、Ｐチャネル型ＴＦＴでもＮチャネル型ＴＦＴで
も、しきい値は正の方向にシフトする。

【００５４】本発明では、特に実施例３、４に示す第２
の方法では、不純物領域とチャネル形成領域の境界部に
は酸素、炭素、窒素等の元素が導入される。従来、この
境界部は、不純物ドーピング、レーザー照射等によっ
て、歪みが大きいことが問題となっていたが、これらの
元素の存在によって、このような格子歪みも緩和され、
結果としてオフ電流を下げる効果を有する。

【００５５】本発明は、単に同一種類のＴＦＴが同一基
板に形成されるような半導体回路だけでなく、異種類の
ＴＦＴが同一基板に形成されるような半導体集積回路に
おいても、より大きな効果を得ることができる。例え
ば、回路のうちの一部は従来通りのオフセットのないセ
ルフアライン型ＴＦＴあるいはオフセットゲイト型ＴＦ
Ｔとし、他の一部に本発明のＴＦＴを用いるような場合
である。

【００５６】例えば、液晶ディスプレーに用いられるよ
うなアクティブマトリクス基板において、アクティブマ
トリクス回路とそれを駆動する周辺回路とを同一基板上
に形成したモノリシック型の薄膜集積回路においては、
アクティブマトリス回路に用いられるＴＦＴは、画素に
蓄積された電荷を長時間にわたって保持する必要から、
オフ電流が小さいことが好ましく、本発明を用いて作製
したＴＦＴが適している。

【００５７】一方、周辺回路に用いられるＴＦＴは、高
い動作周波数が要求される関係で、オン電流の大きなＴ
ＦＴが適している。しかしながら、本発明によるＴＦＴ
は、オン電流に関しては、従来のものよりも若干、小さ
くなる傾向がある。特に、実施例１および２に示したＴ
ＦＴにおいては、その傾向が強い。このため、周辺回路
は従来のセルフアライン型もしくはオフセットゲイト型
ＴＦＴを用いることが好ましい。

【００５８】このように、アクティブマトリクス回路と
周辺回路のＴＦＴを異なるものとすることによって、回
路全体の特性を大幅に向上させることができる。以上の
ように、本発明は工業上、有益なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＴＦＴの構造・特性を示す。

【図２】従来のＴＦＴの構造・特性を示す。

【図３】実施例１のＴＦＴの作製工程を示す。

【図４】実施例２のＴＦＴの作製工程を示す。

【図５】実施例３のＴＦＴの作製工程を示す。

【図６】実施例４のＴＦＴの作製工程を示す。

【符号の説明】

１ゲイト電極２ゲイト絶縁膜３不純物領域（第１の領域）４第２の領域５チャネル形成領域（第３の領域）６第２の領域７不純物領域（第１の領域）１１ゲイト電極１２ゲイト絶縁膜１３不純物領域１４オフセット領域１５チャネル形成領域（第３の領域）１６オフセット領域１７不純物領域（第１の領域）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に非晶質珪素膜を形成し、前記非晶質珪素膜全体に酸素、窒素、炭素の少なくとも
１つを添加し、加熱によって、前記酸素、窒素、炭素の少なくとも１つ
を添加された非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された非晶質珪素膜をパターニングし、チャ
ネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域が形成さ
れる活性層を形成し、前記活性層に接してゲイト絶縁膜を形成し、前記ゲイト絶縁膜に接してゲイト電極を形成し、前記活性層にＰ型またはＮ型の不純物元素を添加し、前
記ソース領域および前記ドレイン領域を形成することを
特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】基板上に非晶質珪素膜を形成し、前記非晶質珪素膜に接する、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｃ、Ｔｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの
金属元素を含む膜を形成し、前記非晶質珪素膜全体に酸素、窒素、炭素の少なくとも
１つを添加し、加熱によって前記酸素、窒素、炭素の少なくとも１つを
添加された非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜をパターニングし、チャネル形
成領域、ソース領域およびドレイン領域が形成される活
性層を形成し、前記活性層に接してゲイト絶縁膜を形成し、前記ゲイト絶縁膜に接してゲイト電極を形成し、前記活性層にＰ型またはＮ型の不純物元素を添加し、前
記ソース領域および前記ドレイン領域を形成することを
特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】請求項１または２において、前記活性層
は、酸素、炭素および窒素の総量が１×１０¹⁹〜２×１
０²¹原子cm^-3であることを特徴とする半導体装置の作製
方法。
【請求項４】請求項３において、酸素、炭素および窒
素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法で測定
された値の最低値であることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項５】請求項1乃至４のいずれか１項におい
て、前記Ｐ型またはＮ型の不純物元素を添加した後に、
前記ゲイト絶縁膜をエッチングして、前記ソース領域の
表面の一部および前記ドレイン領域の表面の一部を露出
させ、前記露出された部分にシリサイドを形成すること
を特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】画素電極と画素電極に接続された薄膜ト
ランジスタを有する液晶ディスプレイ用集積回路の作製
方法であって、基板上に非晶質珪素膜を形成し、前記非晶質珪素膜全体に酸素、窒素、炭素の少なくとも
１つを添加し、加熱によって、前記酸素、窒素、炭素の少なくとも１つ
を添加された非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された非晶質珪素膜をパターニングし、前記
薄膜トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およ
びドレイン領域が形成される活性層を形成し、前記活性層に接してゲイト絶縁膜を形成し、前記ゲイト絶縁膜に接してゲイト電極を形成し、前記活性層にＰ型またはＮ型の不純物元素を添加し、前
記ソース領域および前記ドレイン領域を形成することを
特徴とする液晶ディスプレイ用集積回路の作製方法。
【請求項７】画素電極と画素電極に接続された薄膜ト
ランジスタを有する液晶ディスプレイ用集積回路の作製
方法であって、基板上に非晶質珪素膜を形成し、前記非晶質珪素膜に接する、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓｃ、Ｔｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの
金属元素を含む膜を形成し、前記非晶質珪素膜全体に酸素、窒素、炭素の少なくとも
１つを添加し、加熱によって前記酸素、窒素、炭素の少なくとも１つを
添加された非晶質珪素膜を結晶化し、前記結晶化された珪素膜をパターニングし、前記薄膜ト
ランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレ
イン領域が形成される活性層を形成し、前記活性層に接してゲイト絶縁膜を形成し、前記ゲイト絶縁膜に接してゲイト電極を形成し、前記活性層にＰ型またはＮ型の不純物元素を添加し、前
記ソース領域および前記ドレイン領域を形成することを
特徴とする液晶ディスプレイ用集積回路の作製方法。
【請求項８】請求項６または７において、前記活性層
は、酸素、炭素および窒素の総量が１×１０¹⁹〜２×１
０²¹原子cm^-3であることを特徴とする液晶ディスプレイ
用集積回路の作製方法。
【請求項９】請求項８において、酸素、炭素および窒
素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法で測定
された値の最低値であることを特徴とする液晶ディスプ
レイ用集積回路の作製方法。
【請求項１０】請求項６乃至９のいずれか１項におい
て、前記Ｐ型またはＮ型の不純物元素を添加した後に、
前記ゲイト絶縁膜をエッチングして、前記ソース領域の
表面の一部および前記ドレイン領域の表面の一部を露出
させ、前記露出された部分にシリサイドを形成すること
を特徴とする液晶ディスプレイ用集積回路の作製方法。