JP3413704B2

JP3413704B2 - 薄膜半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3413704B2
Application number: JP14840896A
Authority: JP
Inventors: 正文国井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2003-06-09
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: JPH09307118A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜半導体装置の製
造方法に関する。詳しくは、例えば９００cm² 以上の面
積を有するガラス等の絶縁基板に成膜された非単結晶性
の半導体薄膜に対し不純物イオンを選択的に注入して低
濃度不純物領域、高濃度不純物領域及びチャネル領域を
備えた薄膜トランジスタを集積形成し、且つ６００℃以
下の低温プロセスで必要な熱処理等を行なって薄膜半導
体装置を製造する方法に関する。より詳しくは、不純物
イオンの注入方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイ等に用いられる大面積
の薄膜半導体装置を低温プロセスで製造する場合、半導
体薄膜に不純物領域を形成する為イオン注入装置を用い
て不純物イオンの注入を行なっている。従来のイオン注
入装置は直径８インチ程度までの大きさのシリコンウェ
ハに質量分離した不純物イオンをビーム状に形成し且つ
電界加速して注入するものである。この様に、イオン源
から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目的のイオ
ン種のみを取り出すイオン注入装置を、本明細書では以
下「イオンインプランテーション装置」と称する事にす
る。このイオンインプランテーション装置は比較的中程
度のイオン電流を出力可能な「中電流イオンインプラン
テーション装置」と比較的大きなイオン電流を出力可能
な「大電流イオンインプランテーション装置」に大別さ
れる。中電流イオンインプランテーション装置は正確な
ドーズ量が要求される不純物イオン注入処理に用いられ
る。例えば、トランジスタの低濃度不純物領域（ＬＤＤ
領域、ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉｎｓ）の
形成やトランジスタの閾電圧（Ｖｔｈ）制御を目的とし
た不純物注入に用いられる。中電流イオンインプランテ
ーション装置は固定されたウェハ上に１mA程度のイオン
ビームを１kHz の高速で走査しながら照射する構造にな
っている。

【０００３】これに対し、大電流イオンインプランテー
ション装置は１×１０¹⁴／cm² 以上の高ドーズ量を必要
とする不純物注入処理に用いられる。例えば、薄膜トラ
ンジスタの高濃度不純物領域（例えば、ソース領域及び
ドレイン領域）の形成に用いられる。大電流イオンイン
プランテーション装置では、１０mA以上の大電流イオン
ビームを回転プラテンに装着された１０枚程度以上のウ
ェハに一括照射している。ソース領域やドレイン領域の
形成に用いる大電流イオンインプランテーション装置で
は、イオンビームの高速走査に必要な静電偏向器が空間
電荷効果に起因する制約を受ける為有効に機能しない。
この為大電流イオンインプランテーション装置ではイオ
ンビームを高速走査する事ができない。従って、前述し
た様に１０枚程度以上のウェハを回転プラテンに装着し
て大電流イオンビームを一括照射するバッチ処理方式が
採用されている。このバッチ処理によりスループットを
挙げる事ができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
大電流イオンインプランテーション装置で、液晶ディス
プレイ等の製造に必要となる３０cm×３０cm＝９００cm
² 以上の大面積基板を処理する場合、回転プラテンの直
径寸法等が大きくなり装置自体が巨大になりすぎて現実
的ではない。この為従来は、電離した不純物イオンを質
量分離にかける事なく電界加速してイオンシャワーを形
成し、大面積の半導体薄膜に一括して注入するイオン注
入装置が開発されてきた。以下、本明細書ではこの構造
のイオン注入装置を「イオンドーピング装置」と称する
事にする。しかしながら、このイオンドーピング装置は
質量非分離型である為、目的とするイオン種（ドーパン
ト）以外のイオン種（水素イオン等）も同時に打ち込ま
れる為、１×１０¹⁴／cm² 未満の比較的低ドーズ量を正
確に制御する事が困難であった。この為、アクティブマ
トリクス型等比較的大面積の液晶ディスプレイに用いる
薄膜半導体装置を例えば６００℃以下の低温プロセスで
製造する場合、必要不可欠な製造技術となるＶｔｈ制御
用のイオン注入やＬＤＤ領域形成用のイオン注入におい
てこれらのドーズ量を精密に制御する事が困難であっ
た。なお、低温プロセスでは、半導体薄膜として例えば
低温成膜された多結晶シリコンを用いる為、Ｖｔｈ制御
やＬＤＤ領域の形成が必要不可欠なものとなる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の課題を解
決するものであり、その目的はＶｔｈ制御やＬＤＤ領域
形成におけるドーズ量を正確に調整可能な薄膜半導体装
置の製造方法を提供する事である。上述した目的を達成
する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明の第１側面
によれば、基本的に９００cm² 以上の面積を有する絶縁
基板に成膜された非単結晶性の半導体薄膜に対し、不純
物イオンを選択的に注入して低濃度不純物領域、高濃度
不純物領域及びチャネル領域を備えた薄膜半導体トラン
ジスタを集積形成し且つ６００℃以下のプロセス温度で
必要な熱処理を行なって薄膜半導体装置を製造するもの
である。特徴事項として、先ず第１注入工程を行ない、
イオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目
的のイオン種のみを取り出し且つビーム上に整形して得
られた第１のイオンビームを走査しながら１×１０¹³／
cm² 未満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、チャネル
領域の不純物濃度を調整して薄膜トランジスタの閾電圧
を予め制御しておく。次に第２注入工程を行ない、イオ
ン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目的の
イオン種のみを取り出し且つビーム状に整形して得られ
た第２のイオンビームを走査しながら１×１０¹⁴／cm²
未満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、薄膜トランジ
スタの低濃度不純物領域を形成する。最後に第３注入工
程を行ない。別のイオン源から生じた不純物イオンを質
量分離にかける事なく目的のイオン種を含んだまま電界
加速して得られたイオンシャワーを走査する事なく１×
１０ ¹⁴ ／cm ² 以上のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、
薄膜トランジスタの高濃度不純物領域を形成する。好ま
しくは、前記第１注入工程及び第２注入工程は、静電偏
向では走査が困難な程度に大電流のイオンビームを磁場
偏向で走査する事により９００cm² 以上の大面積を有す
る絶縁基板の効率的な処理を可能にしている。

【０００６】本発明によれば、大電流イオンインプラン
テーション装置を用いて閾電圧（Ｖｔｈ）制御用のイオ
ン注入を行なっている。質量分離を経たイオンビームを
半導体薄膜に照射しているのでＶｔｈ制御に必要な１×
１０¹³／cm² 未満の低ドーズ量を精度良く制御可能であ
る。又、大電流のイオンビームのスポット径は比較的大
きく、且つ磁場偏向によりイオンビームを走査している
ので、大面積の絶縁基板を極めて効率的に処理できる。
同様に、薄膜トランジスタの低濃度不純物領域の形成に
おいても磁場偏向を用いた大電流イオンインプランテー
ション装置を用いているので、不純物イオンの注入を１
×１０¹⁴／cm² 未満の低ドーズ量に精度良く制御しなが
ら、大面積の絶縁基板を処理する事が可能である。一
方、薄膜トランジスタの高濃度不純物領域の形成にはイ
オンドーピング装置を用いている。質量分離にかける事
なく目的のイオン種を含んだまま電界加速して得られた
イオンシャワーを大面積の絶縁基板に対し一括照射でき
る。加えて、高濃度不純物領域の形成に必要な１×１０
¹⁴／cm² 以上のドーズ量を十分確保する事が可能であ
る。この様に本発明では大電流イオンインプランテーシ
ョン装置とイオンドーピング装置を使い分ける事によ
り、６００℃以下の低温プロセスで大型の薄膜半導体装
置を高精度で量産可能である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の最良
な実施形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかる薄
膜半導体装置製造方法の第１実施形態を示す工程図であ
る。本実施形態では、９００cm² 以上の面積を有する絶
縁基板に成膜された非単結晶性の半導体薄膜に対し不純
物イオンを選択的に注入して低濃度不純物領域、高濃度
不純物領域及びチャネル領域を備えた薄膜トランジスタ
を集積形成し、且つ６００℃以下のプロセス温度で必要
な熱処理を行なって薄膜半導体装置を製造している。本
実施形態の薄膜トランジスタはトップゲート構造を有
し、Ｎチャネル型及びＰチャネル型の両者を含んでい
る。但し、図示を容易にする為に、Ｎチャネル型の薄膜
トランジスタのみを示している。この薄膜トランジスタ
はチャネル領域の幅寸法Ｗが２０μｍであり、チャネル
領域の長手寸法が７μｍに設定されている。先ず（Ａ）
に示す様に、ガラス等からなる絶縁基板０の上に下地膜
としてのバッファ層１を形成する。例えば、ＳｉＯ₂ 膜
又はＳｉＮ_x 膜を約１００nm〜２００nmの厚みで堆積し
バッファ層１とする。なお、このバッファ層１は必ずし
も必要ではない。続いて、プラズマＣＶＤ法又はＬＰＣ
ＶＤ法等で、非晶質シリコンからなる半導体薄膜２を約
３０nm〜８０nmの膜厚で成膜する。なお、これらのバッ
ファ層１や半導体薄膜２が全面的に成膜された絶縁基板
０の寸法は３０cm×３５cmである。ここで、非晶質シリ
コンからなる半導体薄膜２の成膜にプラズマＣＶＤ法を
用いた場合は、膜中の水素を脱離させる為にアニールを
行なう。このアニールは窒素雰囲気中に絶縁基板０を投
入し４００〜４５０℃の温度で１時間程度加熱する。な
お、この脱水素化アニールはＲＴＰ等のランプアニール
を用いても良い。続いて、レーザアニール又は固相成長
等の手段を用いて非晶質シリコンを結晶化させ多結晶シ
リコンに転換する。この多結晶シリコンに転換された半
導体薄膜２をエッチングでアイランド状にパタニング
し、薄膜トランジスタの素子領域とする。エッチングさ
れた半導体薄膜２を被覆する様にゲート絶縁膜３を形成
する。例えば、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧
ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタ法等でＳｉＯ₂
膜を５０nm〜４００nm堆積成長させゲート絶縁膜３とす
る。

【０００８】ここで、必要に応じ、大電流イオンインプ
ランテーション装置を用いて第１注入工程（追加のイオ
ンビーム注入工程）を行なう。即ち、イオン源から生じ
た不純物イオンを質量分離にかけて目的のイオン種のみ
を取り出し且つビーム状に整形して得られた第１のイオ
ンビームを走査しながら１×１０¹³／cm² 未満のドーズ
量で半導体薄膜２に注入し、後工程でチャネル領域とな
る部分の不純物濃度を調整して薄膜トランジスタの閾電
圧Ｖｔｈを予め制御しておく。この処理に用いる大電流
イオンインプランテーション装置は磁場偏向器を備えて
おり、静電偏向では走査が困難な程度に大電流のイオン
ビームを磁場偏向で走査する事により９００cm² 以上の
大面積を有する絶縁基板０の効率的な処理を可能にす
る。具体的には、目的のイオン種であるＢ＋を薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）のＶｔｈを制御する目的でドーズ量
を１×１０¹²／cm² 〜８×１０¹²／cm² 程度に設定し、
イオン注入を行なう。この時の加速電圧は例えば１０kV
に設定する。又、イオンビーム電流は４μＡ〜１０μＡ
であり、水平方向の走査周波数は１Hzであり、垂直方向
の走査速度は３０mm／sec であり、ビームスポットのオ
ーバーラップ量は６６．７％であり、垂直方向の走査サ
イクルは８sycles〜１０cyclesであり、イオン注入に要
した総時間は３００sec 〜４００sec である。なお、こ
のＶｔｈ制御の為の第１注入工程はゲート絶縁膜３の成
膜前に行なっても良い。

【０００９】次に（Ｂ）に示す様に、絶縁基板０の上に
Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，低抵抗化ポリシリコン、
あるいはこれらの合金を２００nm〜８００nmの厚みで成
膜し、所定の形状にパタニングしてゲート電極４に加工
する。次いで、第１注入工程と同様に磁場偏向器を備え
た大電流イオンインプランテーション装置を用いて第２
注入工程（イオンビーム注入工程）を行なう。即ち、イ
オン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目的
のイオン種のみを取り出し且つビーム状に整形して得ら
れた第２のイオンビーム５を走査しながら１×１０¹⁴／
cm² 未満のドーズ量で半導体薄膜２に注入し、ＴＦＴの
低濃度不純物領域８ａを形成する。具体的には、ゲート
電極４をマスクとして目的のイオン種であるＰ＋をイオ
ン注入する。この時のドーズ量は６×１０¹²／cm² 〜５
×１０¹³／cm² に設定する。

【００１０】さらに（Ｃ）に示す様に、Ｎチャネルトラ
ンジスタ用のレジストパタン６を形成し、ゲート電極４
を含めてその周囲を被覆する。ここでイオンドーピング
装置を用いて第３注入工程（イオンシャワー工程）を行
なう。即ち、別のイオン源から生じた不純物イオンを質
量分離にかける事なく目的のイオン種を含んだまま電界
加速して得られたイオンシャワー７を走査する事なく１
×１０¹⁴／cm² 以上のドーズ量で半導体薄膜２に注入
し、ＴＦＴの高濃度不純物領域８を形成する。具体的に
は、目的のイオン種であるＰ＋を１×１０¹⁵／cm² 程度
のドーズ量でイオン注入する。このイオンドーピング装
置はバケットタイプのチャンバから一括して不純物イオ
ンを引き出し、絶縁基板０の全面に照射する為、スルー
プットは高く搬送を含めても１枚当たりの処理時間は１
min 程度である。なお、場合によってはイオンドーピン
グ装置の代わりに前述したイオンインプランテーション
装置を用いて第３注入工程を行っても良い。以上の処理
により、ゲート電極４の直下には予めＶｔｈが調整され
たチャネル領域Ｃｈが形成され、その両側には低濃度不
純物領域８ａからなるＬＤＤ領域が形成され、さらにそ
の両側には高濃度不純物領域８からなるソース領域Ｓ及
びドレイン領域Ｄが形成される。なお、絶縁基板０上に
ＣＭＯＳ回路を集積形成する場合には、Ｎチャネルトラ
ンジスタ用のレジストパタン６に代えてＰチャネルトラ
ンジスタ用のレジストパタンを形成し、イオン源のガス
系を５％Ｂ₂Ｈ₆／Ｈ₂ に切り換え、ドーズ量１×１０¹⁵
／cm² 程度でＢ＋をイオン注入すれば良い。

【００１１】最後に（Ｄ）に示す様に、薄膜トランジス
タＴＦＴをＰＳＧ等からなる層間絶縁膜９で被覆する。
その膜厚は約６００nm程度である。この状態で３００℃
〜４００℃の温度下アニールを行ない、半導体薄膜２に
注入されたドーパントを活性化させる。この様な低温活
性化アニールの代わりにレーザ活性化アニールを行なっ
ても良い。さらに、層間絶縁膜９にコンタクトホールを
開口した後、Ａｌ−Ｓｉ等からなる金属膜をスパッタリ
ングにより成膜し、所定の形状にパタニングして配線電
極１０に加工する。この配線電極１０の上を順にＳｉＯ
₂ 膜１１及びＳｉＮ_x 膜１２で被覆する。これらの膜の
合計厚みは２００nm〜４００nm程度である。この状態で
絶縁基板０を窒素雰囲気中に投入し３５０℃程度の温度
で１時間程度水素化アニールを実行する。これにより、
ＳｉＯ₂ 膜１１に含有されていた水素が半導体薄膜２に
導入され、薄膜トランジスタＴＦＴの動作特性を改善で
きる。以上の様にして薄膜半導体装置が完成する。な
お、この薄膜半導体装置を液晶ディスプレイに用いる場
合、さらにＳｉＮ_x 膜１２の上にＩＴＯ等からなる画素
電極を形成する場合がある。以上に説明した薄膜半導体
装置のプロセス温度は最高が脱水素アニールの４００℃
〜４５０℃である。

【００１２】図２は、前述した第１注入工程及び第２注
入工程で用いられる大電流イオンインプランテーション
装置の具体的な構成を示すブロック図である。図示する
様に、本装置はイオン源３１、質量分離器３２、四重極
レンズ３３、偏向マグネット３４、角度補正マグネット
３５、ワークステーション３６等を備えている。イオン
源３１から発生したイオンビームは質量分離器３２を通
り質量分離される。さらに、四重極３３を介して偏向マ
グネット３４に入射する。この後角度補正マグネット３
５を通過する事により、基板に対するイオンビームの角
度を調節し、ドーズ量の基板面内分布を均一化する。最
後にイオンビームはワークステーション３６に載置され
た絶縁基板上に入射する。四重極レンズ３３は大電流イ
オンビームに伴なう空間電荷効果に起因する結像位置の
変化を補償する為に装入されている。かかる構成を有す
る大電流イオンインプランテーション装置のさらに具体
的な光学系は、例えばＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍ
ｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉ
ｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＡ３６３（１９９５）ｐ．４
６８に開示されている。この大電流イオンインプランテ
ーション装置は投入可能な最大基板サイズが３２cm×４
０cmであり、最大ビーム電流は１６mAであり、注入エネ
ルギーは１０KeV 〜１００KeV の間で可変であり、ドー
ズ量は１×１０¹²／cm² 〜１×１０¹⁶／cm² の範囲で制
御可能である。又、注入可能なイオン種としてはＰ＋と
Ｂ＋に対応している。本イオンインプランテーション装
置の特徴は、大電流のイオンビームを電場ではなく磁場
によって走査させる事にあり、この為従来静電偏向器で
は困難であった大電流イオンビームの走査も可能となっ
ている。磁場偏向型の走査系を持つ為、１０mA以上の大
電流イオンビームを用いて基板を枚葉で処理する事がで
きる。加えて、イオン注入時間も数１０秒〜数分以内で
完了し、スループット低下の心配もない。大電流イオン
ビームのスポットサイズは９０mm×９０mmの正方形であ
る。

【００１３】図３は、上述した第３注入工程で用いられ
るイオンドーピング装置の一例を示すブロック図であ
る。このイオンドーピング装置は基板サイズに相当する
開口部を持つ大型であり、容量結合型高周波放電により
プラズマを発生させるイオン源５１を主体とする。イオ
ン源５１はマッチングボックス５２を介して高周波電源
５３に接続されている。４枚の多孔電極（第１電極５
４、第２電極５５、抑制電極５６、接地電極５７）で形
成された引き出し・加速電極系によりイオンシャワー５
８を引き出す。４枚電極構成のイオン源としては１段加
速方式と２段加速方式があるが、本例では前者を採用し
ている。この１段加速方式の場合単一の加速電圧でイオ
ンエネルギーを決定できる。又、エネルギーとは独立し
た引き出し電流の制御でプラズマからのイオンの引き出
し状態を調整できる。即ち、この１段加速方式では引き
出し電源５９、加速電源６０、抑制電源６１を別々に備
えている。図示する様にイオンドーピング装置はイオン
インプランテーション装置と異なり加速管や走査部は持
たない。必要なエネルギーはイオン源の引き出し・加速
電極系で決まる。一方、必要な基板サイズに相当するイ
オンシャワー５８の大きさについては、イオン源の多孔
領域を基板サイズに応じたものを使用する。従って、基
板サイズの大型化に伴ない、イオン源が大型化する事に
なる。現状の４０cm×５０cm基板対応のイオン源では、
最大径が１．２ｍにまでなっている。

【００１４】図４は本発明にかかる半導体装置製造方法
の第２実施形態を示す工程図である。図１に示した第１
実施形態と対応する部分については対応する参照番号を
付して理解を容易にしている。本実施形態ではボトムゲ
ート構造の薄膜トランジスタを集積形成している。図示
を容易にする為、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのみ
を示している。そのチャネル幅は２０μｍであり、チャ
ネル長は７μｍである。先ず（Ａ）に示す様に、ガラス
等からなる絶縁基板０の上にＳｉＯ₂ 膜又はＳｉＮ_x 膜
等を約１００nm〜２００nmの厚みで形成し、バッファ層
１とする。絶縁基板０の大きさは３０cm×３５cmであ
る。次いで、Ａｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ又はこれらの
合金からなる金属膜を１００nm〜２００nmの厚みで形成
し、所定の形状にパタニングしてゲート電極４に加工す
る。ゲート電極４の材料としてＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ／Ｔａ
等を用いた場合はその表面を陽極酸化する事でゲート絶
縁膜３ａを形成できる。次いで、プラズマＣＶＤ法、常
圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等でＳｉＮ_x を５０nm堆積し
さらに連続してＳｉＯ₂ を約２００nm堆積し、ゲート絶
縁膜３ｂとする。さらにこの上に、連続的に非晶質シリ
コンからなる半導体薄膜２を約３０nm〜８０nmの厚みで
成膜する。ここでプラズマＣＶＤ法を用いた場合は、膜
中の水素を脱離させる為に窒素雰囲気中で４００℃〜４
５０℃、１時間程度のアニールを行なう。この脱水素化
アニールはＲＴＰ等のランプアニールを用いても良い。
ここで、ＴＦＴのＶｔｈを制御する目的で大電流イオン
インプランテーション装置を用いＢ＋をイオン注入す
る。そのドーズ量は１×１０¹²／cm² 〜６×１０¹²／cm
² 程度に設定される。この段階でレーザアニール法ある
いは固相成長法を用いて非晶質シリコンを多結晶シリコ
ンに転換する。転換された多結晶シリコンからなる半導
体薄膜２を薄膜トランジスタの素子領域の形状にパタニ
ングする。

【００１５】次に（Ｂ）に示す様に、ＳｉＯ₂ を約１０
０nm〜３００nmの厚みで形成し、ゲート電極４をマスク
とした裏面露光によりパタニングしストッパ６ａに加工
する。次いで、大電流イオンインプランテーション装置
を用い、ストッパ６ａをマスクとしてＰ＋イオンを半導
体薄膜２に注入し、低濃度不純物領域８ａを形成する。
この時のドーズ量は６×１０¹²／cm² 〜５×１０¹³／cm
² である。

【００１６】（Ｃ）に示す様に、Ｎチャネルトランジス
タ４のレジストパタン６を形成する。このレジストパタ
ン６をマスクとして大電流イオンインプランテンション
装置によりＰ＋を半導体薄膜２に注入し、高濃度不純物
領域８を形成する。この時のドーズ量は１×１０¹⁵／cm
² 程度である。なお、ＣＭＯＳ回路を絶縁基板０上に形
成する場合には、Ｎチャネルトランジスタ用のレジスト
パタン６とは別にＰチャネルトランジスタ用のレジスト
パタンを形成し、イオン種をＰ＋からＢ＋に切り換えて
イオン注入すれば良い。この時のドーズ量は１×１０¹⁵
／cm² 程度である。なお、第１実施形態と同様にこの高
濃度不純物領域形成では質量非分離型のイオンドーピン
グ装置を用いても良い。以上の様にして、ボトムゲート
構造の薄膜トランジスタＴＦＴが集積形成される。スト
ッパ６ａの直下にはチャネル領域Ｃｈが形成され、その
両側には低濃度不純物領域８ａからなるＬＤＤ領域が形
成され、さらにその両側には高濃度不純物領域８からな
るソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが形成される。この
後、３００℃〜４００℃程度でアニールし、半導体薄膜
２に注入されたドーパントを活性化させる。この活性化
アニールをレーザアニールで行なっても良い事は第１実
施形態と同様である。

【００１７】最後に（Ｄ）に示す様に、ＳｉＯ₂ を２０
nm程度の厚みで成膜し、層間絶縁膜９とする。この層間
絶縁膜９にコンタクトホールを開口した後、Ｍｏ，Ａｌ
等の金属膜を２００nm〜４００nmの厚みでスパッタリン
グし、所定の形状にパタニングして配線電極１０に加工
する。この上にＳｉＯ₂ 膜１１及びＳｉＮ_x 膜１２を重
ねて２００nm〜４００nm堆積する。さらに、絶縁基板０
を窒素雰囲気中に投入し３５０℃の温度に１時間保持し
て水素化アニールを行ない、薄膜半導体装置を完成させ
る。本実施形態のプロセス最高温度は脱水素アニールの
４００℃〜４５０℃である。

【００１８】図５は、薄膜トランジスタの閾電圧Ｖｔｈ
とチャネル領域に対する不純物イオンのドーズ量との関
係を示すグラフである。このグラフは本発明の第２実施
形態で作成された薄膜トランジスタの実測データであ
り、ＮチャネルトランジスタとＰチャネルトランジスタ
の両方を示している。このグラフはゲート電圧を−１０
Ｖから＋１５Ｖまで掃引し、ドレイン電圧を１０Ｖに設
定した条件下でＶｔｈを測定している。（ａ）に示す様
に、Ｎチャネルトランジスタの場合、ドーズ量が３×１
０¹²／cm² の時、全くイオン注入を行なっていないＮチ
ャネルトランジスタに対し、Ｖｔｈを約０．６Ｖエンハ
ンスメント方向にシフトする事ができる。一方（ｂ）に
示す様に、ＰチャネルトランジスタはＮチャネルトラン
ジスタほど顕著にＶｔｈがシフトしていない。それで
も、Ｂ＋を３×１０¹²／cm² のドーズ量で注入した場
合、全くイオン注入をしていないＰチャネルトランジス
タに比べ、Ｖｔｈを約０．２Ｖデプレッション側にシフ
トさせる事ができる。

【００１９】図６は、第２実施形態で作成したＮチャネ
ルトランジスタのゲート電圧／ドレイン電流特性を示す
グフラである。（ａ）はチャネル領域に対するドーズ量
が１×１０¹³／cm² 未満の場合の特性を示し、（ｂ）は
チャネル領域に対するドーズ量が１×１０¹³／cm² を超
えた場合の特性を表わしている。閾電圧制御用のドーズ
量が１×１０¹³／cm² を超えると、（ｂ）に示す様に薄
膜トランジスタのゲート電圧／ドレイン電流特性に異常
が現われる。従って、Ｖｔｈ制御用のＢ＋のドーズ量は
１×１０¹³／cm² 未満に調整する事が必要であり、望ま
しくは３×１０¹²／cm² 以下である。この様にすれば、
（ａ）に示す様に薄膜トランジスタの正常なゲート電圧
／ドレイン電流特性が得られる。なお、以上の結果は第
２実施形態で得られた薄膜トランジスタに関するもので
あるが、第１実施形態で作成された薄膜トランジスタに
ついても同様の事がいえる。

【００２０】図７は、第２実施形態で作成されたＮチャ
ネル薄膜トランジスタにおける低濃度不純物領域（ＬＤ
Ｄ領域）のドーズ量とリーク電流との関係を示すグラフ
である。このグラフから明らかな様に、リーク電流はＬ
ＤＤ領域のドーズ量に略比例している。ＬＤＤ領域のＰ
＋のドーズ量が１×１０¹⁴／cm² を超えると、リーク電
流は１０pA以上となり、ＬＤＤ領域を設けた効果が殆ど
失われる。従って、ＬＤＤ領域に対するドーズ量はＰ＋
イオンの実効ドーズ量に換算して１×１０¹⁴／cm² 未満
である事が必要になる。好ましくは、５×１０¹³／cm²
以下に制御する事が良い。以上、第２実施形態で作成さ
れたサンプルを例にとり説明したが、第１実施形態で製
造された薄膜トランジスタについても同様の事がいえ
る。又、ＮチャネルトランジスタばかりでなくＰチャネ
ルトランジスタについても同様の事がいえる。

【００２１】最後に、本発明に従って製造された薄膜半
導体装置を駆動基板として組み立てたアクティブマトリ
クス型液晶ディスプレイの一例を参考の為図８に示す。
図示する様に液晶ディスプレイはガラス等からなる駆動
基板１０１と同じくガラス等からなる対向基板１０２と
両者の間に保持された液晶１０３とで構成されている。
駆動基板１０１には画素アレイ部１０４と駆動回路部と
が集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路１０
５と水平駆動回路１０６とに分かれている。又、駆動基
板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子部１０７が
形成されている。端子部１０７は配線１０８を介して垂
直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に接続してい
る。画素アレイ部１０４は互いに交差したゲートライン
１０９と信号ライン１１０を備えいてる。両ライン１０
９，１１０の交差部には画素電極１１１とこれを駆動す
る薄膜トランジスタ１１２とが集積形成されている。一
方、対向基板１０２の内表面には図示しないが対向電極
やカラーフィルタが形成されている。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、従
来の技術では困難であった低温プロセス薄膜トランジス
タのＶｔｈ制御及びＬＤＤ領域の形成が容易になった。
この為、電気特性が正確に制御された低温多結晶シリコ
ン等からなる薄膜トランジスタを絶縁基板の大面積に渡
って集積形成する事が容易になった。従って、本発明を
利用する事により大面積の基板上に周辺駆動回路を一体
化した高解像度の液晶ディスプレイを実現できる。この
様に、本発明の効果は絶大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第１
実施形態を示す工程図である。

【図２】本発明の実施に用いられる大電流イオンインプ
ランテーション装置の一例を示すブロック図である。

【図３】本発明の実施に用いられるイオンドーピング装
置の一例を示すブロック図である。

【図４】本発明にかかる薄膜半導体装置製造方法の第２
実施形態を示す工程図である。

【図５】本発明に従って作成された薄膜トランジスタの
閾電圧とドーズ量との関係を示すグラフである。

【図６】同じく本発明に従って作成された薄膜トランジ
スタのゲート電圧／ドレイン電流特性を示すグラフであ
る。

【図７】同じく本発明に従って作成された薄膜トランジ
スタのドーズ量とリーク電流との関係を示すグラフであ
る。

【図８】本発明に従って製造された薄膜半導体装置を用
いて組み立てられた液晶ディスプレイの一例を示す模式
的な斜視図である。

【符号の説明】

０…絶縁基板、２…半導体薄膜、３…ゲート絶縁膜、４
…ゲート電極、５…イオンビーム、７…イオンシャワ
ー、８…高濃度不純物領域、８ａ…低濃度不純物領域

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/336 H01L 21/265 H01L 29/786

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】９００cm² 以上の面積を有する絶縁基板
に成膜された非単結晶性の半導体薄膜に対し不純物イオ
ンを選択的に注入して低濃度不純物領域、高濃度不純物
領域及びチャネル領域を備えた薄膜トランジスタを集積
形成し、且つ６００℃以下のプロセス温度で必要な熱処
理を行なって薄膜半導体装置を製造する方法において、イオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目
的のイオン種のみを取り出し且つビーム状に整形して得
られた第１のイオンビームを走査しながら１×１０¹³／
cm² 未満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、チャネル
領域の不純物濃度を調整して薄膜トランジスタの閾電圧
を予め制御しておく第１注入工程と、イオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目
的のイオン種のみを取り出し且つビーム状に整形して得
られた第２のイオンビームを走査しながら１×１０¹⁴／
cm² 未満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、薄膜トラ
ンジスタの低濃度不純物領域を形成する第２注入工程
と、別のイオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけ
る事なく目的のイオン種を含んだまま電界加速して得ら
れたイオンシャワーを走査する事なく１×１０ ¹⁴ ／cm ²
以上のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、薄膜トランジ
スタの高濃度不純物領域を形成する第３注入工程とを含
む事を特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第１注入工程及び第２注入工程は、
静電偏向では走査が困難な程度に大電流のイオンビーム
を磁場偏向で走査する事により９００cm² 以上の大面積
を有する絶縁基板の効率的な処理を可能にする事を特徴
とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】絶縁基板に成膜された非単結晶性の半導
体薄膜に対し不純物イオンを選択的に注入して低濃度不
純物領域、高濃度不純物領域及びチャネル領域を備えた
薄膜トランジスタを集積形成する薄膜半導体装置の製造
方法において、イオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけて目
的のイオン種のみを取り出し且つビーム状に整形して得
られたイオンビームを走査しながら１×１０¹⁴／cm² 未
満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、薄膜トランジス
タの低濃度不純物領域を形成するイオンビーム注入工程
と、別のイオン源から生じた不純物イオンを質量分離にかけ
る事なく目的のイオン種を含んだまま電界加速して得ら
れたイオンシャワーを走査する事なく１×１０¹⁴／cm²
以上のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、薄膜トランジ
スタの高濃度不純物領域を形成するイオンシャワー注入
工程とを含む事を特徴とする薄膜半導体装置の製造方
法。
【請求項４】前記イオンビーム注入工程は、静電偏向
では走査が困難な程度に大電流のイオンビームを磁場偏
向で走査する事により９００cm² 以上の大面積を有する
絶縁基板の効率的な処理を可能にする事を特徴とする請
求項３記載の薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】イオン源から生じた不純物イオンを質量
分離にかけて目的のイオン種のみを取り出し且つビーム
状に整形して得られたイオンビームを走査しながら１×
１０¹³／cm² 未満のドーズ量で該半導体薄膜に注入し、
チャネル領域の不純物濃度を調整して薄膜トランジスタ
の閾電圧を予め制御しておく追加のイオンビーム注入工
程を含む事を特徴とする請求項３記載の薄膜半導体装置
の製造方法。