JP3557565B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の薄膜トランジスタの製造方法には、ガラス基板等からなる絶縁基板上に実質的に水素を含有しないアモルファスシリコン薄膜を形成し、このアモルファスシリコン薄膜にエキシマレーザを照射することにより該アモルファスシリコン薄膜を多結晶化してポリシリコン薄膜とした後、このポリシリコン薄膜上にプラズマCVDにより絶縁膜を堆積すると同時に前記ポリシリコン薄膜を水素化してそのダングリングボンドを減らすようにしたものがある。
この場合に、ポリシリコン薄膜上にプラズマCVDにより絶縁膜を堆積すると同時にポリシリコン薄膜を水素化してそのダングリングボンドを減らすようにして、絶縁膜の堆積とポリシリコン薄膜の水素化を一度のプラズマCVDで同時に行うことにより、独自の水素化工程を省略して製造工程数を少なくしていた。また、このような製造方法により、エキシマレーザ照射による多結晶化は液相成長であるので、ポリシリコン薄膜の結晶構造を良くできる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の薄膜トランジスタの製造方法は、以下の問題点があった。
図14及び図15は従来の製造方法による薄膜トランジスタの特性を示し、図14はnMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン電流IDSの特性を示す図であり、図15はpMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン・ソース電流IDSの特性を示す図である。これらの図から明らかなように、ゲート電圧VGSが0vのときにドレイン・ソース電流IDSが最小とならず、大きくずれているため、動作時におけるゲート電圧の設定が煩雑である。また、そのずれ量にばらつきがあるため、再現性が悪く量産品の均一性が得られない。
この発明はかかる従来の問題を解決するためのものであり、ドレイン・ソース電流が最小となるゲート電圧のばらつきを小さくすることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的を達成するために、絶縁基板上に薄膜半導体層を形成する工程と、前記薄膜半導体層上に保護膜およびマスクを形成する工程と、前記マスクに対応する領域を除く前記薄膜半導体層の領域に不純物を注入する工程と、前記マスクおよび前記保護膜を除去する工程と、前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行う工程と、前記薄膜半導体層の水素化処理を行う工程と、前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程と、を具備し、前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行う工程、前記薄膜半導体層の水素化処理を行う工程および前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程をこの順に行うことを特徴とする。
【0005】
【作用】
したがってこの発明によれば、不純物の活性化処理後に水素化処理を行なう製造方法を採ることにより、ドレイン・ソース電流が最小となるゲート電圧のばらつきを小さくすることができ、その結果、動作時におけるゲート電圧の設定が容易で、かつ再現性の優れた薄膜トランジスタを得ることができる。
【0006】
【実施例】
図1ないし図11は、この発明の薄膜トランジスタの製造工程を示す断面図である。これらの図を順に参照しながら、薄膜トランジスタの製造方法について説明する。
【0007】
まず、図1に示すように、ガラス基板等からなる絶縁基板1を洗浄した後、スパッタ装置により、絶縁基板1の上面に酸化シリコン(SiO2)等の下地絶縁膜2をスパッタリング法により約1000Åの膜厚となるように堆積(デポジット)する。下地絶縁膜2の堆積後、図2に示すように、水素化アモルファスシリコン(a−Si)薄膜の半導体層3をプラズマCVDにより約500Åの膜厚となるように堆積する。この場合、絶縁基板1の温度を200〜350℃程度望ましくは250℃程度とし、10〜20SCCM程度のモノシラン(SiH4)とその10倍程度の水素(H2)との混合ガスを用いて、半導体層3の膜厚が400〜1000Å程度望ましくは500Å程度となるようにする。すると、水素化アモルファスシリコン薄膜の半導体層3の水素含有量は10〜20atomic%程度に増加する。従って、後の工程でエキシマレーザ照射により高エネルギーを与えたとき水素が突沸して欠陥が生じるのを回避するために、前もって脱水素処理を行う。この場合、窒素(N2)雰囲気中において450℃程度の温度で1時間程度の熱処理を行い、水素含有量が3atomic%以下望ましくは1atomic%以下となるようにする。
【0008】
次に、図3に示すように、脱水素処理後のアモルファスシリコン薄膜の半導体層3に、520mJ/cm2及び275mJ/cm2のエネルギー密度でエキシマレーザをそれぞれ1回ずつ照射し、多結晶化してポリシリコン薄膜の半導体層3を形成する。その後図4に示すように、ポリシリコン薄膜の半導体層3の上面に酸化シリコンの保護膜4をスパッタリングにより約200Åの膜厚で堆積する。さらに図5に示すように、半導体層3のソース・ドレイン形成領域以外の領域に対応する部分の上面にフォトレジスト膜5をパターン形成する。次に、このフォトレジスト膜5をマスクとして、半導体層3のソース・ドレイン形成領域にリンイオンやボロンイオン等の不純物をイオンドーピングにより注入して不純物注入領域3aを形成する。イオンドーピングの条件としては、n型半導体の場合には、1%のホスフィン(PH3)と99%の水素との混合ガスを用い、リンイオンを加速エネルギー20keV、ドーズ量2×105/cm2で注入する。また、p型半導体の場合には、1%のジボラン(B2H6)及び99%の水素との混合ガスを用い、ボロンイオンを加速エネルギー20keV、ドーズ量2×105/cm2で注入する。その後、フォトレジスト膜5及び保護膜4を除去する。
【0009】
次に、図6に示すようにエキシマレーザをエネルギー密度270mJ/cm2程度で5回照射して、半導体膜3の不純物注入領域3aを活性化する。その活性化の後に、半導体膜3の格子欠陥を囲む原子群がもつ不飽和結合であるダングリングボンドを低減させるために、4%の水素及び96%の窒素の雰囲気中において、約350℃で90分の水素化処理(水素原子との共有結合)を行なう。なお、他の方法としてプラズマ水素化を行なっても良い。プラズマ水素化処理の場合には、プラズマ中で水素原子を励起させるので容易に共有結合を図ることができる。
【0010】
次に、図7に示すように、素子分離により、不要な部分の半導体膜3を除去する。この状態では、半導体膜3の中央部はチャネル領域3bとされ、その両側は活性化不純物領域3aからなるソース・ドレイン領域とされている。その後、図8に示すように、全表面に酸化シリコン膜と窒化シリコン(Si3N4)膜とからなるゲート絶縁膜6(これをパッシベーション膜と称している)を形成する。すなわち、この発明の特徴は、不純物注入領域3aを活性化した後、パッシベーション膜としてのゲート絶縁膜6の形成前に水素化処理を行なう点にある。
ゲート絶縁膜6の形成の方法は、まず全表面にスパッタリングにより酸化シリコン膜を堆積し、次いでこの酸化シリコン膜の表面にモノシランとアンモニア(NH3)と窒素とからなる混合ガスを用いたプラズマCVDにより、窒化シリコン膜を堆積する。その後、チャネル領域3bに対応する部分のゲート絶縁膜7の上面にCrからなるゲート電極7をパターン形成する。
【0011】
次に、図9に示すように、全表面に窒化シリコン等からなる層間絶縁膜8を形成する。次に、ソース・ドレイン領域である不純物領域3aに対応する部分の層間絶縁膜8及びゲート絶縁膜6にコンタクトホール9を形成する。次に、図10に示すように、コンタクトホール9を介してソース・ドレイン領域と接続されるアルミニウム(Al)等からなる導体でソース・ドレイン電極10を層間絶縁膜8の上面にパターン形成する。かくして得られた薄膜トランジスタは、以下に記述するようにゲート電圧が0vのときにドレイン・ソース電流が最小となる。
【0012】
図12及び図13にこの実施例の製造方法による薄膜トランジスタの特性を示し、図12はnMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン・ソース電流IDSの特性を示す図であり、図13はpMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン・ソース電流IDSの特性を示す図である。これらの図から明らかなように、nMOSトランジスタもpMOSトランジスタも共にゲート電圧VGSが0vのときにドレイン・ソース電流IDSが最小となる。したがって、動作時におけるゲート電圧の設定が容易で、かつ再現性に優れた効果が得られる。さらに、nMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタの電気的特性に対称性があるので、CMOSトランジスタを構成する場合にゲート電圧の設定が容易となり、優れたスイッチング特性をもつという効果も得られる。
【0013】
なお、上記実施例では、この発明を通常のMOS構造の薄膜トランジスタに適用した場合について説明したが、他の実施例として、通常のMOS構造の薄膜トランジスタと比較して、耐圧の向上等を図って高信頼化したLDD構造の薄膜トランジスタにも適用することができる。例えば、図11(図10と同一名称部分には同一の符号を付した)に示すLDD構造の薄膜トランジスタにこの発明を適用した断面図では、半導体膜3の中央部をチャネル領域3bとし、その両側を不純物濃度の低いソース・ドレイン領域3cとし、さらにその両側を不純物濃度の高いソース・ドレイン領域3dとした構造となっている。このLDD構造の薄膜トランジスタを製造する場合には、不純物濃度の低いソース・ドレイン領域3cおよび不純物濃度の高いソース・ドレイン領域3dを形成すべき部分に低濃度の不純物を注入し、次いでフォトレジスト膜を除去し、次いで不純物濃度の高いソース・ドレイン領域3dを形成すべき部分以外の部分の上面に別のフォトレジスト膜を形成し、この別のフォトレジスト膜をマスクとして不純物濃度の高いソース・ドレイン領域3dを形成すべき部分に高濃度の不純物を注入するようにすればよい。
【0014】
さらに、上記実施例では、この発明をトップゲート型のコプラナ構造の薄膜トランジスタに適用した場合について説明したが、スタガ構造やバックゲート型の構造の薄膜トランジスタにも適用し得ることはもちろんである。バックゲート型の場合、絶縁基板の上面にゲート電極およびゲート絶縁膜を形成し、その上にアモルファスシリコン薄膜の半導体層を堆積し、このアモルファスシリコン薄膜を多結晶化してポリシリコン薄膜の半導体層とし、リンイオンやボロンイオン等の不純物を注入する。この場合にも、注入した不純物の活性化の後に、ポリシリコン薄膜の水素化処理を行ない、その後ポリシリコン薄膜上にパッシベーション膜をプラズマCVDにより堆積する。
【0015】
【発明の効果】
この発明によれば、絶縁基板上に薄膜半導体層を形成し、前記薄膜半導体層上に保護膜およびマスクを形成し、前記マスクに対応する領域を除く前記薄膜半導体層の領域に不純物を注入し、前記マスクおよび前記保護膜を除去し、前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行い、前記薄膜半導体層の水素化処理を行い、前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成するものであって、前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行った後、該薄膜半導体層の水素化処理を行し、その後に前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成することにより、ドレイン・ソース電流が最小となるゲート電圧のばらつきを小さくできるので、動作時におけるゲート電圧の設定が容易で、かつ再現性に優れた薄膜トランジスタを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】絶縁基板1の上面に下地絶縁膜2をスパッタリングにより堆積する工程を示す断面図。
【図2】薄膜の半導体層3をプラズマCVDにより堆積する工程を示す断面図。
【図3】薄膜の半導体層3にエキシマレーザを照射して多結晶化する工程を示す断面図。
【図4】半導体層3の上面に酸化シリコンの保護膜4をスパッタリングにより堆積する工程を示す断面図。
【図5】半導体層3のソース・ドレイン形成領域以外の領域に対応する部分の上面にフォトレジスト膜5をパターン形成する工程を示す断面図。
【図6】エキシマレーザを照射して半導体膜3の不純物注入領域3aを活性化する工程を示す断面図。
【図7】不要な部分の半導体膜3を除去する工程を示す断面図。
【図8】全表面に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とからなるゲート絶縁膜6を形成する工程を示す断面図。
【図9】全表面に窒化シリコン等からなる層間絶縁膜8を形成する工程を示す断面図。
【図10】コンタクトホール9を介してソース・ドレイン領域と接続されるソース・ドレイン電極10を層間絶縁膜8の上面にパターン形成する工程を示す断面図。
【図11】LDD構造の薄膜トランジスタの製造方法にこの発明を適用した断面図。
【図12】この発明によるnMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン電流IDSの特性を示す図。
【図13】この発明によるpMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン・ソース電流IDSの特性を示す図。
【図14】従来のnMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン電流IDSの特性を示す図。
【図15】従来のpMOSトランジスタのゲート電圧VGSに対するドレイン・ソース電流IDSの特性を示す図。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 下地絶縁膜
3 半導体層
3a 不純物注入領域
3b チャネル領域
4 保護膜
5 フォトレジスト膜
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 層間絶縁膜
9 コンタクトホール
10 ソース・ドレイン電極
Claims (4)
- 絶縁基板上に薄膜半導体層を形成する工程と、
前記薄膜半導体層上に保護膜およびマスクを形成する工程と、
前記マスクに対応する領域を除く前記薄膜半導体層の領域に不純物を注入する工程と、
前記マスクおよび前記保護膜を除去する工程と、
前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行う工程と、
前記薄膜半導体層の水素化処理を行う工程と、
前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程と、
を具備し、前記薄膜半導体層に注入した不純物の活性化処理を行う工程、前記薄膜半導体層の水素化処理を行う工程および前記薄膜半導体層の上面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程をこの順に行うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記薄膜半導体層を多結晶化した後に、前記保護膜およびマスクを形成することを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記薄膜半導体層の多結晶化は、前記絶縁基板上にアモルファスシリコンからなる前記薄膜半導体層を形成し、エキシマレーザを照射して行うことを特徴とする請求項2記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記不純物の活性化は、エキシマレーザを照射して行うことを特徴とする請求項3記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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