JP3278237B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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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、薄膜トランジスタ(T
hin Film Transistor、以下TFT
という)の製造方法に係り、特にガラス基板上の非単結
晶シリコン膜に特性の良好なTFTを形成するため、固
相成長工程を改善したものに関する。
【0002】
【従来の技術】例えばファクシミリ用のイメージセンサ
等に用いるTFTは、通常石英基板あるいはガラス基板
上に形成した多結晶シリコン、アモルファスシリコン等
の非単結晶半導体層に形成される。
【0003】従来、石英基板上のTFTは900℃以上
の高温プロセスで形成されるが、ガラス基板上のTFT
は600℃以下の低温で形成される。この低温プロセス
によってTFTを形成するための非単結晶層も600℃
以下の低温で形成することになる。
【0004】即ち、ガラス基板上に例えばシラン(Si
4 )ガスを用いたプラズマCVD法や減圧CVD法
(LPCVD法)によりアモルファスシリコン(a−S
i)層を成長させた後、固相成長させて結晶化して活性
層となる非単結晶層を形成するものである。前記固相成
長させるためには、低温で長時間アニールする方法が従
来から使用されている。
【0005】ところで前記長時間アニール法は、例え
ば、550℃〜600℃の低温の窒素雰囲気中で8時間
〜56時間加熱してa−Si層を結晶化するものであ
る。この方法で形成した半導体層に形成したMOSFE
TにおけるN−チャンネルの移動度の最大値は35cm
2 /V・secが得られる。その上閾値電圧が17V位
と非常に高かった。
【0006】またa−Si層の生成にSi2 6 を用い
て生成した良質な膜でも600℃〜800℃で窒素雰囲
気中で長時間アニールしても、移動度は100cm2
V・sec程度である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一般にMOSFETで
はチャンネルの移動度が高い程、スイッチング速度の早
い素子が得られる。そして、チャンネル移動度を高くす
るには、トラップ密度の小さい活性層を得る必要があ
る。
【0008】ところが前記のシランガスを用いたa−S
i層を窒素雰囲気中で長時間アニールする方法で形成し
た半導体基板に形成したMOSFETにおいては、大き
なチャンネル移動度が得られない。これは活性層のトラ
ップ密度が小さくないためと考えられる。
【0009】従って、本発明の目的は、スイッチング速
度が早いTFTを形成するために、トラップ密度が小さ
い特性を有する半導体層の形成を可能とすることであ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、ガラス基板上に、例えばジシランガスを
用いたCVD法でa−Si層を成膜し、このa−Si層
をヘリウムのプラズマ中でアニールして、均一な、トラ
ップ密度の小さい固相成長膜を得、ここにTFTを形成
するものである。
【0011】本発明では、ジシランガスのみでなく、シ
ランガスを使用する場合も同様にヘリウムのプラズマ中
でアニールすることにより同様な固相成長膜を得ること
ができ、ここにTFTを形成することができる。
【0012】
【作用】本発明の製造方法で形成したTFTを形成する
活性層となる固相成長膜は、そのアニール工程におい
て、プラズマ化され、活性化されているHeがa−Si
層中に入り込み膜中の酸素または炭素を追いはらうた
め、トラップ密度の小さい膜が得られる。その結果、チ
ャンネル移動度の大きいTFT、即ちスイッチング速度
の早い素子を得ることができる。
【0013】
【実施例】本発明の第1実施例を図1〜図3によって説
明する。図1、図2は本発明の第1実施例であるTFT
の一連の製造工程説明図、図3は本発明により製造した
TFTと従来法により製造したTFTの特性説明図であ
る。
【0014】(1) 先ず、非単結晶半導体層を形成するた
め、例えばコーニング社製7059(商品名)ガラス基
板1を用意する。このガラス基板1上にジシラン(Si
2 6 )ガスを用いた減圧CVD法によりa−Si層2
を約1000Åの厚さで成膜する(図1(A)参照)。
【0015】成膜条件は以下の通りである。 Si2 6 ガス 100SCCM 圧力 0.3Torr Heガス 200SCCM 加熱温度 450℃〜570℃ 膜厚成長速度(グロースレート) 50Å〜500Å/
分 (2) 次に成長したa−Si層2をHeのプラズマ雰囲気
中で固相成長させ、固相成長膜2′とする。
【0016】固相成長させる条件は次の通りである。 Heガス 50〜500SCCM 圧力 0.1〜1Torr パワー(13.56MHz ) 50〜500(W) 加熱温度 500℃〜600℃ 本実施例において、圧力1Torr、パワー300W、
加熱温度600℃のHeプラズマ中で固相成長させたと
ころ、4時間で固相成長が終了した。それからこの固相
成長膜2′にフィールド酸化膜用のSiO2 膜3をRF
スパッタリングにより形成した後、レジストによりこの
SiO2 膜3をパターニングしてチャンネル部を形成す
る(図1(B)参照)。
【0017】(3) SiO2 膜3を含む基板上にゲート酸
化膜用のSiO2 膜4を形成する。このSiO2 膜4
は、スパッタリングにより形成できる。これにより耐水
性がよく、水素化により界面準位密度の低い酸化膜を得
る。
【0018】SiO2 膜4の成膜条件は以下の通りであ
る。 O2 圧 4ミリTorr 使用電力 1.5KW 成膜温度 150℃ ターゲットサブストレート(Ts) 150mm 膜厚 500Å〜1500Å そしてこの上にゲート電極用のa−Si層5を形成する
(図1(C)参照)。
【0019】(4) 次にレジストを用いた2段階のエッチ
ングにより、ゲート電極のパターニングを行い、ゲート
酸化膜4、ゲート電極5を形成する(図1(D)参
照)。 (5) それからイオン打込み用のマスクとして、一方のチ
ャンネル部開孔部にレジスト6を形成し、開孔部に例え
ばリン(P)イオンをドープする(図1(E)参照)。
【0020】(6) このレジスト6を剥離し、第2のイオ
ン打込みのためのマスク用レジスト7を形成し、開孔部
に例えばホウ素(B)イオンをドープし、C−MOSF
ETを形成する(図1(F)参照)。
【0021】(7) 次にレジスト7を剥離後、N2 雰囲気
中で550℃〜600℃で24時間加熱し、ドーパント
の活性化とゲート電極用のa−Si層5の結晶化を行
う。さらに例えばH2 雰囲気中で400℃、30分間加
熱して水素化を行い、チャンネル層を含む半導体層の欠
陥準位を減少させる(図2(A)参照)。
【0022】(8) この後、基板全体にスパッタリングに
よって層間絶縁膜としてSiO2 膜8を形成する(図2
(B)参照)。 次にこのSiO2 膜8にコンタクトホールを形成し、電
極用のアルミニウム膜を成膜後、パターニングして、ガ
ラス基板上の非単結晶半導体層中に低温プロセスにより
C−MOSFETを完成する。
【0023】図3に、本発明によって形成したTFT
と、従来の方法によって形成したTFTの特性の比較を
示す。図3はTFTのゲート電圧VG とドレイン電流I
D の関係を示す。
【0024】図3において、横軸は1/VG 、縦軸はl
n(ID /VG )を示し、曲線Aは本発明によって製造
したTFTの特性を示す。この場合固相成長の条件は、
5×1011/cm2 のプラズマHe中で圧力:1Tor
r、パワー:300W、加熱温度600℃で4時間固相
成長させたものである。
【0025】曲線Bは従来の方法で製造したTFT特性
を示す。この場合固相成長の条件は8×1011/cm2
の密度のN2 雰囲気中で、600℃、10時間固相成長
させたものである。両者とも固相成長膜の膜厚は150
0Å、形成されたTFTの大きさは、ゲート長L:10
μm、ゲート幅W:30μmである。
【0026】ところで、TFTのトラップ密度Ntと、
移動度μ、活性化エネルギーEには次のような関係があ
る。線形領域ドレイン電圧VD <VG −Vthにおけるド
レイン電流ID は下式により得られる。
【0027】
【数1】
【0028】また飽和領域0<VG −Vth≦VD におけ
るID は下式により得られる。
【0029】
【数2】
【0030】これらの数式中の活性化エネルギーEの定
義式は下式により得られる。
【0031】
【数3】
【0032】ここでこれらの数式で用いられる記号ID
はドレイン電流、μは実効移動度、C0 はゲート容量、
Wはゲート幅、Lは実効チャンネル長、VG はゲート電
圧、Vthは閾値電圧、VD はドレイン電圧、Eは活性化
エネルギー、qは素電荷量、Ntはトラップ密度、tは
反転層の深さ、εはシリコンの誘電率、E0 は活性化エ
ネルギー補正値を示し、C0 、W、L、Vth、VD
q、t、ε、E0 はそれぞれ固定値である。
【0033】上記式(1)、(2)、(3)より明らか
な如く、トラップ密度NtとID 、VG は次式の関係に
ある。
【0034】
【数4】
【0035】従って、図3において、曲線A、曲線Bの
勾配がトラップ密度Ntの大きさを示すものとなる。図
3から明らかな如く、曲線Aにより表される本発明の方
法によって形成した固相成長膜にTFTを形成した場合
の非単結晶層のトラップ密度Ntは、従来の方法で形成
した固相成長膜にTFTを形成した場合に比較してはる
かに小さいものが得られる。
【0036】またトラップ密度の小さい固相成長膜は、
チャンネル移動度も大きくなり、その結果、製造される
素子のスイッチング速度が早くなる。図3においても、
本発明に基づく曲線AのTFTの移動度は201cm2
/V・sec、であり、曲線Bの従来法によるTFTの
移動度、60cm2 /V・secに比較して非常に大き
な値を得ることができた。
【0037】これは、本発明の如く、固相成長をHeの
プラズマ中で行うことで、プラズマによって活性化され
たHeの活性種が固相成長膜中に入り込み、膜中にある
トラップの原因となる酸素あるいは炭素(原子)を追い
出すものと考えられる。なおHeのプラズマは電源を遮
断することにより、膜外へ逃げていき、膜中にとどまら
ないのでチャンネルトラップの原因となることはない。
【0038】次に本発明の第2実施例について説明す
る。上記第1実施例ではa−Si層を固相成長する場合
にHeプラズマ中で行う例について述べたが、Heプラ
ズマ処理を行う場合の前処理として、H2 プラズマ処理
を行うことにより、更に固相成長膜中のトラップ密度を
小さくすることが出来る。
【0039】これは、例えばガラス基板上にジシランガ
スの減圧CVD法によりa−Si層を成膜後、H2 プラ
ズマ中でa−Si層を加熱することにより、膜中の酸素
をとりのぞくものである。
【0040】H2 プラズマ処理の条件は以下の通りであ
る。 H2 ガス流速 50〜500SCCM 加熱温度 300℃〜600℃ 圧力 0.1〜1Torr パワー(13.56MHZ )50〜500(W) 処理時間 0.1〜2時間 H2 プラズマ処理後、Heのプラズマ雰囲気中で固相成
長させ膜を形成し、以下、上記第1実施例と同様にし
て、MOSFETを形成する。なお、このようにH2
ラズマ処理を先に行うことにより、Heのプラズマ処理
の場合よりもトラップ密度Ntを約半分に減少すること
ができる。
【0041】なお、前記各実施例ではジシランガスを使
用した例について説明したが、本発明は勿論これのみに
限定されるものではなく、例えばシランガスを使用した
CVD法によりa−Si層を成膜する場合にでも適用で
きるものである。
【0042】
【発明の効果】本発明の如く、TFTを形成する活性層
として、a−Si層をHeプラズマ中で固相成長させる
ことにより、従来の方法では、8時間〜24時間かかっ
ていた固相成長時間が、半分以下の4時間程度と大幅に
短縮できる。
【0043】その上、形成される固相成長膜中のトラッ
プ密度を非常に小さくできるので、そこに形成されるT
FTのチャンネル移動度は200cm2 /V・sec、
と大きな値のものが得られ、スイッチング速度の早い素
子の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例のTFTの製造工程説明図
の一部である。
【図2】本発明の第1実施例のTFTの製造工程説明図
のうち図1の次工程説明図である。
【図3】本発明の第1実施例のTFTと従来法のTFT
の特性説明図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 a−Si層 2′ 固相成長膜 3 SiO2 膜 4 ゲート酸化膜 5 ゲート電極 8 SiO2

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス基板上の非単結晶半導体層に形成
    した薄膜トランジスタにおいて、 ガラス基板上にアモルファスシリコン層を成膜し、 このアモルファスシリコン層をヘリウムのプラズマ中で
    アニールすることにより固相成長させ、この固相成長さ
    せた層にトランジスタを形成したことを特徴とする薄膜
    トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】 ガラス基板上の非単結晶半導体層に形成
    した薄膜トランジスタにおいて、 ガラス基板上にアモルファスシリコン層を成膜し、 このアモルファスシリコン層を水素のプラズマ中でアニ
    ールして、さらにヘリウムのプラズマ中でアニールする
    ことにより固相成長させ、この固相成長させた層にトラ
    ンジスタを形成したことを特徴とする薄膜トランジスタ
    の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記アモルファスシリコン層はジシラン
    ガスを用いたCVD法で成膜したことを特徴とする請求
    項1又は請求項2記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記アモルファスシリコン層はシランガ
    スを用いたCVD法で成膜したことを特徴とする請求項
    1又は請求項2記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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