JP3405971B2 - 薄膜トランジスタの作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路や液晶
表示装置等のアクティブマトリクス、あるいはその他の
電子回路およびその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】主として１９８０年代以降、ＭＯＳ型半
導体集積回路のゲイトの材料はシリコンを中心とした材
料が使用された。これはゲイト電極と半導体チャネルと
のエネルギー差が小さいという物性的な特徴に加えて、
耐熱性があるため、ソース／ドレインを自己整合（セル
フアライン）的に形成できるからである。これとは逆
に、それまで主流であったアルミニウムのゲイトは、耐
熱性がないため、セルフアラインプロセスに適さず、配
線抵抗が低いという特徴にもかかわらず、次第に用いら
れなくなった。

【０００３】しかし、最近になって、レーザーアニール
技術等を用いることによって、アルミニウムゲイトであ
っても、セルフアラインプロセスが採用できることを明
らかにし、なおかつ、ゲイト電極あるいはそれに接続す
る配線（これらは、互いに明確に区別できるものではな
いので、以下では、ゲイト電極配線と総称する）の表面
に、陽極酸化法によって、耐蝕性、耐圧性に優れた酸化
アルミニウム被膜を形成することによって、配線層間の
電気的分離を確実におこなえることと、酸化アルミニウ
ムを利用して、ゲイトとソース／ドレインにオフセット
領域を形成できることを示した（特願平３−３４０３３
６、同４−３０２２０、同４−３４１９４）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いくつ
かの問題点もあった。例えば、陽極酸化をおこなって
も、場所によって、その酸化膜の密着性がさまざまで、
一部には剥離してしまうことがあった。また、酸化アル
ミニウムは耐蝕性が著しく強いため、通常のウェットエ
ッチングやドライエッチングではなかなか除去できなか
った。そして、酸化アルミニウムは酸化珪素とのエッチ
ングの選択比が著しく大きく、酸化アルミニウムをエッ
チングしている間に周辺の酸化珪素等の材料まで、著し
くエッチングされてしまうことがあった。特に、複雑な
回路を構成する場合には、いくつものトランジスタのゲ
イト電極配線を１つの配線に接続して、陽極酸化をおこ
なうのであるが、そのための配線は後に除去されるべき
ものであり、その酸化アルミニウムで被覆された配線を
除去することは困難であった。また、これらのゲイト電
極配線の限られた部分にコンタクトを形成しようとした
際に、周辺の材料までもが浸食されてしまうことは回路
の作製に大きな制約となった。

【０００５】これに対し、例えば、特願平３−３４８１
３０に記述されるように、レーザー光のごとき、高エネ
ルギーの電磁波をエッチング箇所に集中的に照射して、
その部分の酸化アルミニウムと下地のゲイト電極配線を
除去してしまう方法を提案した。しかしながら、このよ
うな方法では、下地のゲイト電極配線までもが除去さ
れ、あるいは相当なダメージを受け、コンタクトを形成
することはほとんど不可能であった。

【０００６】本発明はこのような問題点に対してなされ
たものであり、陽極酸化アルミゲイトのトランジスタを
安定して作製する作製方法、およびそれに適した回路配
置を提案せんとするものである。

【０００７】

【問題を解決するための手段】先に指摘したように、陽
極酸化アルミゲイトトランジスタの作製においては、 陽極酸化膜の剥離た密着性のばらつき、 陽極酸化後の不要な配線の除去とコンタクトホール
の形成、 という２つの問題点があった。このうち、に関して
は、本発明人等の研究の結果、ゲイト電極配線にいたる
配線の最適化をおこなえばよいことが明らかになった。
すなわち、従来は、配線の幅に関しては特に考慮されて
いなかったため、ゲイト電極配線間で電位が異なってい
た。これは、ゲイト電極配線にいたる電流の通路を考慮
しなかったためである。そして、このような状況では、
陽極酸化が同じように進展しても、配線幅に占める陽極
酸化膜の厚さは線幅の細い所の方が太い所よりも早い段
階で大きくなり、結果的にその違いが密着性のばらつき
をもたらし、剥離に至ったのである。そこで、本発明は
図１（Ａ）に示すように、ゲイト電極配線にいたる配線
をその幅によって階層化した。

【０００８】すなわち、電流源から延びる配線は最も幅
の広い幹線配線１３とし、そこから、幹線配線よりは幅
の狭い支線配線５を設け、さらに、末端のゲイト電極配
線６というようにした。このような回路配置によって、
末端のゲイト電極配線の間での陽極酸化の進展の違いは
著しく抑えられ、各ゲイト電極配線の陽極酸化膜の密着
性をほぼ一定とすることができた。

【０００９】の問題点を解決するために、本発明で
は、のちにエッチングされたり、コンタクトが形成され
る箇所を有機コーティング材料で被覆し、陽極酸化され
ないようにした。有機コーティング材料としては、例え
ばフォトニース等でよい。このような有機コーティング
材料は適切な溶媒によって簡単に除去される。特に、陽
極酸化に耐えられるだけの耐酸化性があることが望まし
い。

【００１０】有機コーティング材料を除去した後は、金
属配線が露出されるので、そのエッチングは容易であ
り、また、コンタクトを形成するにも何ら問題がない。
特にコンタクトを形成するにあたっては、層間絶縁物を
形成した後、通常のようにコンタクトホールを形成し
て、コンタクトを設ければよい。以下に実施例を示し、
さらに本発明を説明する。

【００１１】

【実施例】〔実施例１〕 図１および図２に本実施例を
示す。図１は上面から見た様子であり、図２は本発明の
工程をわかりやすくするために工程ごとの概念的な断面
を描いたものである。したがって、図２は図１の特定の
部分の断面というわけではない。

【００１２】まず、基板１としてコーニング７０５９ガ
ラスを使用した。そして、下地の酸化珪素膜２を厚さ１
００ｎｍだけ、スパッタ法によって形成した。さらに、
アモルファスシリコン被膜をプラズマＣＶＤ法によって
１５０ｎｍだけ形成した。これを６００℃で６０時間、
窒素雰囲気中でアニールし、再結晶化させた。さらに、
これをパターニングして、島状の半導体領域３を複数形
成した。

【００１３】さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素
雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜４を厚
さ１１５ｎｍだけ堆積し、次に、電子ビーム蒸着によっ
てアルミニウム被膜（厚さ５００ｎｍ）を形成して、こ
れをパターニングし、第１の配線５、第２の配線１３お
よびゲイト電極配線６を形成した。ここで、第１の配線
は本発明でいう支線配線であり、第２の配線は幹線配線
である。これらの配線の幅は、第１の配線は４μｍ、第
２の配線は１０μｍとした。このようにして、薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）の外形を整えた。このときのＴＦＴ
のチャネルの大きさは、長さを２μｍ、幅を１２μｍと
した。

【００１４】また、この配線のパターニングには５ｗｔ
％の硝酸と燐酸の混合したものを用いた。例えばエッチ
ングの温度を４０℃としてときは配線（アルミニウム）
のエッチングレートは２２５ｎｍ／分であった。ここま
での様子は図１（Ａ）および図２（Ａ）に示される。

【００１５】さらに、フォトニース（東レＵＲ３８０
０）をスピンコータによって、塗布した。回転数は２５
００ｒｐｍであった。そして、このフォトニースをパタ
ーニングした。この場合には、第１の配線５と第２の配
線１３の全面に残存させた。そして、上記配線１３、
５、６に電気を通じ、陽極酸化法によって、フォトニー
スの塗布されていないゲイト電極配線の周囲（上面およ
び側面）に酸化アルミニウムの被膜８を形成した。陽極
酸化は、３％の酒石酸のエチレングリコール溶液を５％
アンモニアで中和して、ｐＨを７．０±０．２とした溶
液を使用しておこなった。まず、溶液中に陰極として白
金を浸し、さらにＴＦＴを基板ごと浸して、第２の配線
１３を電源の陽極に接続した。温度は２５±２℃に保っ
た。

【００１６】この状態で、最初、０．１〜０．５ｍＡ／
ｃｍ² の電流を流し、電圧が２５０Ｖに達したら、電圧
を一定に保ったまま通電し、電流が０．００５ｍＡ／ｃ
ｍ²になったところで電流を止め、陽極酸化を終了させ
た。このようにして得られた陽極酸化膜の厚さは３２０
ｎｍであった。ここまでで得られた回路の状態を図１
（Ｂ）および図２（Ｂ）に示す。

【００１７】次に、イオン注入法によって、半導体領域
３にＮ型の不純物領域（ソース／ドレイン）９ａあるい
はＰ型の不純物領域９ｂを形成した。Ｎ型のドーパント
としてはリンイオンを使用し、イオンエネルギーは７０
〜１００ｋｅＶ、リンの濃度は１〜５×１０¹³ｃｍ^-2と
した。また、Ｐ型のドーパントとしては、ＢＦ₃ ⁺ を使
用した。ドーズ量、加速エネルギーはリンのドーピング
と同じ条件とした。このイオン注入によって、ソース、
ドレイン領域９はゲイト電極とかさならない部分（オフ
セット領域）が酸化アルミニウムの厚さ（約３００ｎ
ｍ）だけ形成されたものと推定される。

【００１８】次いでフォトニースを除去して、レーザー
アニールをおこなった。レーザーはＫｒＦエキシマーレ
ーザーを用い、例えば３５０ｍＪ／ｃｍ² のパワー密度
のレーザーパルスを５０ショット照射した。このレーザ
ーアニールによって、イオン注入でアモルファス化した
部分の再結晶化がなされた。ここまでで得られた回路の
状態を図１（Ｃ）および図２（Ｃ）に示す。

【００１９】次に、図１（Ｄ）に示すように選択的に第
１の配線の一部および第２の配線の全部を除去して、Ｃ
ＭＯＳゲイトアレーを多数形成した。第１の配線の一部
は、５ａで示すように残存させた。その後、図２（Ｄ）
に示すように、酸化珪素のスパッタ成膜によって層間絶
縁物１０を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術に
よって、半導体領域３上にコンタクトホール１１ａ、１
１ｂを形成し、また、同時に第１の配線５ａ上にもコン
タクトホール１２を形成した。もちろん、必ずしも同時
に形成されなければならないのではなく、必要に応じ
て、これらのコンタクトホールは独立に形成してもよ
い。その後、金属被膜を選択的に形成すれば、半導体回
路が完成する。

【００２０】〔実施例２〕 図３に本実施例を示す。な
お、上面から見た配線パターンは図１と実質的に同一で
ある。

【００２１】まず、基板２１としてコーニング７０５９
ガラスを使用した。そして、下地の酸化珪素膜２２を厚
さ１００ｎｍだけ、スパッタ法によって形成した。さら
に、アモルファスシリコン被膜をＬＰＣＶＤ法によって
５０ｎｍだけ形成した。これにパルスレーザーを照射し
て、結晶化させた。レーザーとしては、例えば、ＫｒＦ
エキシマーレーザーを用いた。エネルギー密度は１５０
〜３５０ｍＪ／ｃｍ²、好ましくは２５０〜３００ｍＪ
／ｃｍ² が適当であった。さらに、これをパターニング
して、島状の半導体領域２３を複数形成した。

【００２２】さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素
雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜２４を
厚さ１１５ｎｍだけ堆積し、次に、電子ビーム蒸着によ
ってアルミニウム被膜（厚さ５００ｎｍ）を形成して、
これをパターニングし、第１の配線２５およびゲイト電
極配線２６を形成した。このようにして、薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）の外形を整えた。このときのＴＦＴのチ
ャネルの大きさは、長さを２μｍ、幅を１２μｍとし
た。

【００２３】また、この配線のパターニングには５ｗｔ
％の硝酸と燐酸の混合したものを用いた。例えばエッチ
ングの温度を４０℃としてときは配線（アルミニウム）
のエッチングレートは２２５ｎｍ／分であった。ここま
での様子は図３（Ａ）に示される。

【００２４】さらに、フォトニース（東レＵＲ３８０
０）をスピンコータによって、塗布した。回転数は２５
００ｒｐｍであった。そして、このフォトニースをパタ
ーニングし、図３（Ｂ）に示すように、配線２５上にの
み残存させた。そして、上記配線２５、２６に電気を通
じ、陽極酸化法によって、フォトニースの塗布されてい
ないゲイト電極配線の周囲（上面および側面）に酸化ア
ルミニウムの被膜２８を形成した。陽極酸化は、３％の
酒石酸のエチレングリコール溶液を５％アンモニアで中
和して、ｐＨを７．０±０．２とした溶液を使用してお
こなった。まず、溶液中に陰極として白金を浸し、さら
にＴＦＴを基板ごと浸して、配線を電源の陽極に接続し
た。温度は２５±２℃に保った。

【００２５】この状態で、最初、０．１〜０．５ｍＡ／
ｃｍ² の電流を流し、電圧が２５０Ｖに達したら、電圧
を一定に保ったまま通電し、電流が０．００５ｍＡ／ｃ
ｍ²になったところで電流を止め、陽極酸化を終了させ
た。このようにして得られた陽極酸化膜の厚さは３２０
ｎｍであった。ここまでで得られた回路の状態を図３
（Ｂ）に示す。

【００２６】次に、イオン注入法によって、半導体領域
２３にＮ型の不純物領域（ソース／ドレイン）２９ａあ
るいはＰ型の不純物領域２９ｂを形成した。Ｎ型のドー
パントとしてはリンイオンを使用し、イオンエネルギー
は７０〜１００ｋｅＶ、リンの濃度は１〜５×１０¹³ｃ
ｍ^-2とした。また、Ｐ型のドーパントとしては、ＢＦ ₃
⁺ を使用した。ドーズ量、加速エネルギーはリンのドー
ピングと同じ条件とした。このイオン注入によって、ソ
ース、ドレイン領域２９はゲイト電極とかさならない部
分（オフセット領域）が酸化アルミニウムの厚さ（約３
００ｎｍ）だけ形成されたものと推定される。この工程
は、イオンを質量分離できない、プラズマドーピング
（イオンドーピングともいう）によっておこなってもよ
いし、他の適切なドーピング方法でおこなってもよい。

【００２７】次いでフォトニースを除去して、レーザー
アニールをおこなった。この際には実施例１とは異なっ
て、基板の裏面からレーザーを照射した（図３（Ｃ）参
照）。レーザーはＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３
０８ｎｍ）もしくはＸｅＦエキシマーレーザー（波長３
５０ｎｍ）を用いた。ここで、レーザーを選択するにあ
たっては、基板（ここではコーニング７０５９）の光透
過性を考慮しなければならない。石英であればＫｒＦレ
ーザー（波長２４８ｎｍ）でもよかった。本実施例で
は、図３（Ｃ）のように裏面からレーザーを照射し、例
えば３５０ｍＪ／ｃｍ² のパワー密度のレーザーパルス
を１０ショット照射した。このレーザーアニールによっ
て、イオン注入でアモルファス化した部分の再結晶化が
なされた。

【００２８】この方法は不純物領域の活性化をレーザー
アニールによっておこなうという点では実施例１と同じ
であるが、２回目のレーザーアニールを基板の裏面から
おこなうということによって、不純物領域とチャネル形
成領域の連続的な接続の形成を目的とする。不連続な境
界による欠陥については後述する。しかしながら、裏面
だけから、レーザー照射をおこなった場合には、シリコ
ン層の基板側のみがよく結晶化されて、不純物領域の全
域にゆきわたらない場合がある。より確実に結晶化をお
こなうには、両面からレーザー照射をおこなえばよい。

【００２９】また、実施例１のように上面からレーザー
を照射した場合には、陽極酸化されていない領域と陽極
酸化された領域の界面で熱膨張率の違いから配線が剥離
する現象が観測されたが、裏面にはそのような違いがな
いので、裏面からの照射では配線の剥離が抑制された。

【００３０】その後、配線２５の一部を除去し、また、
図３（Ｄ）に示すように、酸化珪素のスパッタ成膜によ
って層間絶縁物３０を形成し、公知のフォトリソグラフ
ィー技術によって、半導体領域２３上にコンタクトホー
ル３１ａ、３１ｂを形成し、また、同時に配線２５ａ上
にもコンタクトホール３２を形成した。もちろん、必ず
しも同時に形成されなければならないのではなく、必要
に応じて、これらのコンタクトホールは独立に形成して
もよい。その後、金属被膜を選択的に形成すれば、半導
体回路が完成する。

【００３１】得られた素子（ＮＭＯＳ）の特性の例を図
４に示す。図４（Ａ）は、不純物領域の活性化のレーザ
ー照射を、上面からおこなった場合の素子特性である
が、初期特性（図中にてａで示す）は良好であるが、ゲ
イトに２５〜３０Ｖのパルスを連続的に印加すると、ｂ
で示すように劣化してしまった。これは、不純物領域と
チャネル形成領域の界面が不連続的で接合が弱く、長時
間の電圧印加によってダングリングボンドをターミネイ
トしていた水素等が離脱したためと考えられる。

【００３２】一方、レーザー照射を裏面からおこなった
場合には、初期特性（図中にｃで示す）も１００時間後
の特性（図中にｄで示す）も変化がなかった。このよう
に裏面からレーザー照射することの効果が確かめられ
た。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明によって、陽極酸
化アルミゲイトトランジスタの配線パターニングを従来
のトランジスタの場合と同じ程度に容易におこなえるよ
うになった。特に、本発明は微細加工に有利であると考
えられる。というのは、酸化アルミニウムは、レーザー
エッチング等の特殊な方法以外の通常のドライエッチン
グプロセスでは除去できなかったので、主としてウェッ
トエッチングによっておこなっていた。しかしながら、
ウェットエッチングでは微細加工が困難であったので、
作製される素子も集積度の低いものであった。本発明に
よって、ドライエッチングプロセスが使用できるように
なり、微細加工が可能となり、また、歩留りを向上させ
ることができた。

【００３４】本発明中、実施例では絶縁基板上のトラン
ジスタについて記述した。これは、例えば液晶表示装置
のアクティブマトリクス等に利用されるのであるが、こ
のことは、何も本発明を、半導体基板上のトランジス
タ、すなわち、通常の半導体集積回路の作製に利用でき
ないことを主張するものではない。むしろ、本発明によ
って半導体基板上にレーザーアニールプロセスを利用し
て、低温で半導体集積回路を作製すれば、その素子の特
性は従来のシリコンゲイトのものよりも優れたものとな
る。また、半導体基板上の絶縁層上にＴＦＴを形成する
際にも本発明は有効である。このように、本発明は広く
半導体回路の作製に必要な基盤技術であり、その工業的
価値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体回路の作製工程を示す。（上
面図）

【図２】 本発明の半導体回路の作製工程を示す。（断
面図）

【図３】 本発明の半導体回路の作製工程を示す。（断
面図）

【図４】 実施例で得られた素子の特性の例を示す。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下地酸化膜 ３ 半導体領域 ４ ゲイト絶縁膜 ５ 第１の配線 ６ ゲイト電極配線 ７ 有機コーティング材料 ８ 陽極酸化膜 ９ 不純物領域（ソース／ドレイン） １０ 層間絶縁物 １１ コンタクトホール（不純物領域用） １２ コンタクトホール（第１の配線用） １３ 第２の配線

フロントページの続き (72)発明者 山崎 舜平 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 平１−200673（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−277244（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−245124（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−60519（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−186949（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−23479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−3279（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−21824（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/265 602

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の一方の面にゲイト絶縁膜で被覆さ
   れた島状結晶性半導体膜を形成し、前記島状結晶性半導体膜上にゲイト電極配線を、前記島
   状結晶性半導体膜以外の領域に前記ゲイト電極配線に電
   気的に接続された第１の配線をアルミニウム膜で形成
   し、 前記ゲイト電極をマスクとして 前記島状結晶性半導体膜
   に不純物を添加して不純物領域を形成し、 前記基板の一方及び他方の面にレーザーを照射し前記不
   純物領域をアニールすることを特徴とする薄膜トランジ
   スタの作製方法。
2. 【請求項２】 基板の一方の面にアモルファスシリコン
   膜を形成し、前記アモルファスシリコン膜を結晶化し、 前記結晶化したシリコン膜をパターニングして、島状シ
   リコン層を形成し、 前記島状シリコン層上にゲイト絶縁膜を形成し、 前記島状シリコン層上にゲイト絶縁膜を挟んでゲイト電
   極配線と、前記ゲイト電極配線と電気的に接続され前記
   電極配線より幅が広い第１の配線と、前記第１の配線と
   電気的に接続された前記第１の配線よりも幅が広い第２
   の配線と、を形成し、 前記島状シリコン層に、前記ゲイト電極配線をマスクと
   して、Ｐ型もしくはＮ型の不純物を添加して、ソース領
   域、ドレイン領域及びチャネル形成領域を形成し、 前記不純物が添加された前記島状シリコン層に、 前記基
   板の両面からレーザーを照射することによって前記不純
   物を活性化することを特徴とする薄膜トランジスタの作
   製方法。
3. 【請求項３】 請求１又は請求項２において、前記基板
   はガラス基板又は石英基板であることを特徴とする薄膜
   トランジスタの作製方法。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２において、前記レ
   ーザーは、ＸｅＣｌエキシマレーザー、ＸｅＦエキシマ
   レーザー、又はＫｒＦレーザーであることを特徴とする
   薄膜トランジスタの作製方法。