JP3284899B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体素子及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アクティブマトリ
クス型液晶表示装置、SRAM、ラインセンサー等に用
いられる薄膜トランジスタに代表される半導体素子に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、非晶質シリコン薄膜トランジスタ
(a−SiTFT)をスイッチング素子として用いたア
クティブマトリクス型液晶表示装置(TFT−LCD)
は、ラップトップパソコンやノートパソコン、更にはエ
ンジニアリングワークステーション用の大型・大容量フ
ルカラーディスプレイとして広く利用されている。
【0003】そして近年では、駆動回路を内蔵でき、高
性能、高精細化を図ることができる多結晶シリコン薄膜
トランジスタ(poly−SiTFT)をスイッチング
素子として用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置
の研究開発が盛んに行われている。
【0004】そこで以下では、半導体素子の一例として
上記のpoly−SiTFTの一般的な構造について図
5及び図6を用いて説明する。なお、図5はコプレナ型
のpoly−SiTFTの概略を示す平面図であり、図
6は図5におけるA−A´断面図である。図5及び図6
において、1は絶縁性基板、2はアンダーコート層、3
は半導体層、4はゲート絶縁層、5はゲート電極、6は
層間絶縁層、7s及び7dはそれぞれソース及びドレイ
ン電極を示している。
【0005】次に、図5及び図6に示したコプレナ型p
oly−SiTFTの製造方法について説明する。まず
絶縁性基板1上にアンダーコート層2を形成し、アンダ
ーコート層2上に半導体層3としてa−Siを選択的に
形成する。次にa−Siを結晶化によってpoly−S
iの改質層とする。この後、ゲート絶縁層4を形成し、
さらにゲート絶縁層4上にゲート電極5を選択形成す
る。ゲート電極5をマスクとして用い、半導体層3にイ
オン注入法によりドナーもしくはアクセプタとなる不純
物を添加することによって、ソース領域3s及びドレイ
ン領域3dを形成する。続いて層間絶縁層6を形成した
後、コンタクトホールを開口し、ソース電極7s、ドレ
イン電極7dを選択形成してTFTを完成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
poly−SiTFTにおいては、半導体層3を形成す
る工程は、a−Siをまず堆積した後、エキシマレーザ
ーアニールにより多結晶化させることにより形成してい
た。上記のエキシマレーザーによる多結晶化はSi薄膜
のみを選択的に加熱溶融して結晶化できるため、低温プ
ロセスでコストの安いガラス基板が使用できるという利
点はあるものの、poly−Siの粒径や結晶方位を制
御することが困難であるため、完成したデバイスの特性
が不十分であり、また、エキシマレーザーアニールの際
には、ビームエッジ近傍の重ね合わせ部分で特性が大き
く変動するため、均一性にも課題を有していた。
【0007】本発明はかかる点に鑑みてなされたもの
で、結晶の粒径及び結晶方位の制御が可能となるととも
に、特性と均一性に優れ、しかも均一性が良化するため
歩留まりも向上し、結果的にコストの低い半導体素子及
びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、絶縁性基板上に予め微細な溝を設けた
後、非単結晶半導体層を被着し、エネルギービームの照
射もしくは熱的アニールにより非単結晶半導体層を結晶
化させ、これを半導体素子の活性層として用いることを
特徴としたものである。
【0009】具体的に本発明が講じた手段は下記の通り
である。すなわち、本発明の請求項1記載の半導体素子
は、少なくとも半導体層と、ゲート電極と、半導体層と
ゲート電極間に形成された絶縁層と、半導体層に電気的
に接触するソース・ドレイン電極とを絶縁性基板上に形
成したもので、さらに絶縁性基板に所定の形状に形成さ
れた溝内に半導体層が形成されている構成となってい
る。この構成により、半導体層を溝内に埋設した構造と
することにより、結晶方位が整うので特性に優れた半導
体素子を得ることができる。
【0010】本発明の請求項2記載の半導体素子の製造
方法は、絶縁性基板に所定の溝を形成する工程と、溝内
に非単結晶半導体層を形成する工程と、非単結晶半導体
層にエネルギービームを照射して結晶化させる工程と、
結晶化された半導体層上に絶縁層を形成する工程と、絶
縁層上にゲート電極を形成する工程と、半導体層に不純
物を導入してソース・ドレイン領域を形成する工程とを
有する構成となっている。上記の構成により、半導体層
の結晶の粒径及び結晶方位の制御が可能となって、特性
と均一性に優れ、しかも均一性が良化するため歩留まり
も向上し、結果的にコストの低い半導体素子が製造でき
る。
【0011】本発明の請求項3記載の半導体素子の製造
方法は、絶縁性基板に所定の溝を形成する工程と、溝内
に非単結晶半導体層を形成する工程と、非単結晶半導体
層を熱処理して結晶化させる工程と、結晶化された半導
体層上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層上にゲート電
極を形成する工程と、半導体層に不純物を導入してソー
ス・ドレイン領域を形成する工程とを有する構成となっ
ている。上記の構成により、結晶の粒径及び結晶方位の
制御が可能となって、特性と均一性に優れ、しかも均一
性が良化するため歩留まりも向上し、結果的にコストの
低い半導体素子を製造できる。
【0012】本発明の請求項4記載の半導体素子の製造
方法は、絶縁性基板に形成する溝の幅を0.01μm以
上100μm以下とすることを特徴とするものであり、
溝の幅を限定することにより、結晶方位がより整うの
で、より特性に優れた半導体素子を製造できる。
【0013】本発明の請求項5記載の半導体素子の製造
方法は、エネルギービームがレーザー光、電子ビーム、
イオンビームのうち少なくとも1種類を含むことを特徴
とするものであり、基板温度を比較的低温に保持できる
のでコストの安いガラス基板が使用できるため、低コス
トで半導体素子を製造できる。
【0014】本発明の請求項6記載の半導体素子の製造
方法は、エネルギービームがエキシマレーザー光を含む
ことを特徴とするものであり、大面積にわたり低温で均
一に半導体素子を製造できる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
る半導体素子及びその製造方法について、図面を参照し
ながら説明する。
【0016】(実施の形態1)図1は、本発明の実施の
形態1における半導体素子を説明するための薄膜トラン
ジスタの平面図、図2は図1におけるA−A’断面図を
示したものである。図1及び図2において、1は絶縁性
基板、2はアンダーコート層、3はアンダーコート層2
に形成された溝に埋設された半導体層であり、本実施の
形態では溝の幅を1μmとし、半導体層3としてSiを
用いた。また、4は絶縁層、5は第1の電極であるゲー
ト電極、6は層間絶縁層、7s,7dは半導体層3に電
気的に接触する一対の第2の電極であるソース・ドレイ
ン電極を示している。
【0017】なお、本実施の形態では、溝の幅を1μm
としたが、溝の幅の最適値は半導体層の膜厚等に依存す
るが、0.01μm以上100μm以下とすることが望
ましい。
【0018】また本実施の形態では、半導体層は5本の
溝に全部埋設された構造としたが、1本または複数本の
溝または部分的に埋設された構造でも構わない。さら
に、半導体層としてSiを用いたが、他の材料としてS
iとGeの化合物であっても構わない。
【0019】次に以下では上記の図1及び図2に示した
半導体素子の製造方法について図3を参照しながら説明
する。図3は本実施の形態における半導体素子の製造方
法を説明するための薄膜トランジスタの工程断面図であ
り、以下順を追って説明する。
【0020】まず図3(a)に示すように、絶縁性基板
1上にアンダーコート層2を形成し、前記アンダーコー
ト層2上にフォトレジストを所定の形状に選択形成す
る。前記フォトレジストをマスクとしてアンダーコート
層2に溝を形成し、その後前記フォトレジストを除去す
る。これにより、アンダーコート層2に選択的に溝が形
成されたことになる。
【0021】次に図3(b)に示すように、アンダーコ
ート層2に形成された溝内に非単結晶半導体層3として
Siを被着し、前記Siをエネルギービームとしてエキ
シマレーザーを照射して結晶化させてpoly−Siの
改質層とする。この時、本発明では非単結晶半導体層3
を溝に埋め込むように形成しているため、多結晶化を行
った際には、溝の段差部の角の領域から種が成長しやす
くなり、結果として、poly−Si改質層の結晶方位
を揃えることが可能となる。続いて図3(c)に示すよ
うに、poly−Siの改質層及び及びアンダーコート
層2上に絶縁層4を形成し、前記絶縁層4上に第1の電
極であるゲート電極5を選択形成する。
【0022】その後図3(d)に示すように前記ゲート
電極5をマスクとして用い、前記半導体層3にイオン注
入法によりドナーもしくはアクセプタとなる不純物を添
加することによって、ソース領域3sおよびドレイン領
域3dを形成する。最後に図3(e)に示すように、層
間絶縁層6をさらに形成した後、コンタクトホールを開
口し、ソース電極7s、ドレイン電極7dを選択形成し
て薄膜トランジスタを製造する。
【0023】なお、本実施の形態では、アンダーコート
層2に形成された溝内に形成された非単結晶半導体層3
を多結晶化する際に、エネルギービームとしてエキシマ
レーザーを用いたが、他のエネルギービームであるAr
レーザー、YAGレーザー等のレーザー光、イオンビー
ム、電子ビーム等を使用することもできる。
【0024】(実施の形態2)以下に本発明実施の形態
2における半導体素子の製造方法について、図4を参照
しながら説明する。図4は本発明実施の形態2における
半導体素子の製造方法を説明するための薄膜トランジス
タの工程断面図を示したものである。
【0025】まず図4(a)に示すように、絶縁性基板
1上にアンダーコート層2を形成し、前記アンダーコー
ト層2上にフォトレジストを所定の形状に選択形成す
る。前記フォトレジストをマスクとして前記アンダーコ
ート層2に溝を形成し、その後前記フォトレジストを除
去する。これにより、アンダーコート層2に選択的に溝
が形成されたことになる。
【0026】次に図4(b)に示すように、前記アンダ
ーコート層2に形成された溝内に非晶質半導体層3とし
てa−Siを被着し、前記a−Siを600℃程度で熱
処理して結晶化させてpoly−Siの改質層とする。
この時も上記の実施の形態1の際と同様に、非単結晶半
導体層3を溝に埋め込むように形成しているため、多結
晶化を行った際には、溝の段差部の角の領域から種が成
長しやすくなり、結果として、poly−Si改質層の
結晶方位を揃えることが可能となる。続いて図4(c)
に示すように、poly−Siの改質層及びアンダーコ
ート層2上に絶縁層4を形成し、前記絶縁層4上に第1
の電極であるゲート電極5を選択形成する。
【0027】その後図4(d)に示すように、前記ゲー
ト電極5をマスクとして用いて、前記半導体層3にイオ
ン注入法によりドナーもしくはアクセプタとなる不純物
を添加することによって、ソース領域3sおよびドレイ
ン領域3dを形成する。最後に図4(e)に示すように
層間絶縁層6を形成した後、コンタクトホールを開口
し、ソース電極7s、ドレイン電極7dを選択形成して
薄膜トランジスタを製造する。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、絶縁性基
板上にあらかじめ形成した溝内に半導体層を形成し、し
かる後に結晶化させることにより、結晶の粒径及び結晶
方位の制御が可能となって、特性と均一性に優れた低コ
ストの半導体素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の平面図
【図2】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の断面図
【図3】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の工程断面図
【図4】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の工程断面図
【図5】従来の薄膜トランジスタの平面図
【図6】従来の薄膜トランジスタの断面図
【符号の説明】
1 絶縁基板 2 アンダーコート層 3 半導体層 4 絶縁層 5 第1の電極(ゲート電極) 6 層間絶縁層 7s,7d 一対の第2の電極(ソース・ドレイン電
極)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/20 H01L 21/336

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも半導体層と、ゲート電極と、前
    記半導体層と前記ゲート電極間に形成された絶縁膜と、
    前記半導体層に電気的に接触するソース・ドレイン電極
    とを絶縁性基板上に形成した半導体素子であって、前記
    絶縁性基板に所定の形状に形成された溝内に前記半導体
    層が形成されており、前記所定の形状に形成された溝
    は、チャネル部においては複数本の溝からなり、ソース
    ・ドレイン電極とのコンタクト部近傍では1つの溝とな
    っていることを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項2】絶縁性基板にチャネル部においては複数本
    の溝からなり、ソース・ドレイン電極とのコンタクト部
    近傍では1つの溝となっている所定の溝を形成する工程
    と、前記溝内に非単結晶半導体層を形成する工程と、前
    記非単結晶半導体層にエネルギービームを照射して結晶
    化させる工程と、結晶化された半導体層上に絶縁層を形
    成する工程と、前記絶縁層上にゲート電極を形成する工
    程と、前記半導体層に不純物を導入してソース・ドレイ
    ン領域を形成する工程とを有する半導体素子の製造方
    法。
  3. 【請求項3】絶縁性基板にチャネル部においては複数本
    の溝からなり、ソース・ドレイン電極とのコンタクト部
    近傍では1つの溝となっている所定の溝を形成する工程
    と、前記溝内に非単結晶半導体層を形成する工程と、前
    記非単結晶半導体層を熱処理して結晶化させる工程
    と、結晶化された半導体層上に絶縁層を形成する工程
    と、前記絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、前記
    半導体層に不純物を導入してソース・ドレイン領域を形
    成する工程とを有する半導体素子の製造方法。
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