JP4354099B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜トラジスタの製造方法に関し、特に、アクティブマトリクス型液晶表示装置の画素スイッチング用素子や周辺駆動回路に用いられる薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アクティブマトリクス型液晶表示装置の画素スイッチング用素子として、アモルファスSi(a−Si)をチャネル領域とする薄膜トランジスタ(TFT)が一般に用いられているが、近年における液晶表示装置の高精細化、高品質化の要求に応えるべく、a−Siに代えて多結晶Siをチャネル領域とするTFTの開発が進んでいる。多結晶Siはa−Siに比べて動作速度や駆動能力の点で優れているため、画素スイッチング用素子としてのみならず周辺駆動回路にも用いることが可能であり、これによって液晶表示装置の小型化・低コスト化をも達成することができる。
【0003】
多結晶Siは、通常、SiH4 ガスを用いた熱CVD法により堆積されるが、600℃以上の熱処理温度を必要とするため軟化点の低い安価なガラス基板が用いられる液晶表示装置には適用することができない。そのため、ガラス基板上にa−Siを低温で堆積しレーザアニールによって結晶化する方法が用いられるが、熱CVD法によって形成される多結晶Siに比べて耐圧が低く、また、リーク電流が大きくなり易い。
【0004】
そこで、チャネル領域とソース・ドレイン(SD)領域との間に低濃度のLDD領域を設けたTFT構造が用いられる。LDD領域はチャネル領域端部における電界強度を緩和して耐圧を高めるとともにリーク電流を低減する上でも有効であることが知られている。
【0005】
LDD領域を有する多結晶SiTFTとして、いわゆるGOLD(Gate Over-Lapped Drain)構造のTFTが知られている(特開平7−202210号公報)。GOLD−TFTでは、以下に述べるように、LDD領域がゲート電極直下に形成されているため、TFTがオン状態のときLDD領域もチャネル領域の一部として機能しオン電流の低下を防ぐことができる。また、TFTがオフ状態のときには、LDD領域が単なる抵抗として働きオフ電流を低いレベルに保つことが可能となる。
【0006】
図4はGOLD−TFTの構造を示す模式断面図である。同図に見られるように、ガラス基板11上に多結晶Si膜12、ゲート絶縁膜13、2層ゲート電極14が形成されている。2層ゲート電極14は下層ゲート電極15とそれより幅の狭い上層ゲート電極16から成っている。下層ゲート電極15及び上層ゲート電極16の材料として、通常、モリブデン(Mo)やアルミニウム(Al)等の金属膜が用いられるが、下層ゲート電極材として微結晶Siを用いる方法も提案されている(特開平11-307777 号公報)。この方法は金属膜を用いる方法に比べてゲート電極の信頼性を向上させる上で効果があるが、作成法が難しく且つ金属膜に比べて高抵抗になるという問題がある。GOLD−TFTでは、LDD領域がチャネル領域の一部として動作するため、その上に形成される下層ゲート電極の低抵抗化が要求される。
【0007】
SD領域17とLDD領域18は、多結晶Si膜12に対し2層ゲート電極14をマスクにして不純物のイオン注入を行うことにより形成される。通常、nチャネルTFTを作成する場合にはPH3 ガスを用いたイオン注入によりリン(P)をドープし、pチャネルTFTを作成する場合にはB2 H6 ガスを用いたイオン注入によりボロン(B)をドープする。
【0008】
GOLD−TFTの作成に際して、2層ゲート電極の膜厚が場所により異なることを利用すれば加速電圧やイオン注入量を適宜選択することにより一回のイオン注入工程で不純物濃度の高いSD領域と不純物濃度の低いLDD領域を同時に形成することができる。即ち、図4に見られるように、2層ゲート電極14をマスクにして不純物のイオン注入を行うと、下層ゲート電極15より外側にはみ出した多結晶Si12には不純物が直接イオン注入されるため高濃度のSD領域17が形成され、上層ゲート電極16の外側且つ下層ゲート電極15の内側には不純物が下層ゲート電極15によってマスクされるためSD領域17より低濃度のLDD領域18が形成される。また、上層ゲート電極16の内側には不純物が下層ゲート電極15と上層ゲート電極16の双方によってマスクされ実質的に不純物の注入されないチャネル領域19が形成されることになる。
【0009】
以上のようにSD領域とLDD領域に不純物をイオン注入した後、不純物を活性化して抵抗を下げるため熱処理が行われる。不純物の充分な活性化を行うためには、通常、600℃程度の熱処理温度を必要とするが、ガラス基板の変形等の問題を生じさせないようにするためにはより低い温度に設定しなければならない。この場合、不純物の充分な活性化を行うことはできないものの、SD領域に対しては、あらかじめ多量の不純物をイオン注入しておくことにより熱処理温度を450℃に設定した場合においても実用上許容されるレベルにまで抵抗を下げることができる。しかしながら、LDD領域はSD領域に比べて不純物の注入量が少ないため抵抗を許容レベルにまで下げることが難しい。
【0010】
図5はPH3 ガスを用いてイオン注入を行った場合におけるLDD領域のシート抵抗の熱処理温度依存性を示したものである。同図に見られるように、熱処理温度が高くなるとともにシート抵抗は増加し、450℃で最大となった後は熱処理温度とともに減少する。
【0011】
一般に、PH3 ガスを用いたイオン注入を行った場合、Pと同時に水素も注入される。水素は多結晶Si中でSi原子のダングリングボンドを終端し抵抗を下げる効果のあることが知られている。従って、Pと水素のドープされた多結晶Siの熱処理に際して熱処理温度を高くしていくとPの活性化が進行し、これはシート抵抗を減少させるが、一方、Pと同時に注入された水素が多結晶Siから離脱し、これはシート抵抗を増大させる効果をもたらすことになる。図5に示した結果は、450℃以下の熱処理温度ではPの活性化によるシート抵抗の減少割合に比べて水素離脱によるシート抵抗の増加割合が大きく、450℃でLDD領域からほぼ水素が離脱し、その後Pの活性化による抵抗の減少が進行することを示している。
【0012】
TFTのオン電流を許容レベルに保持するためには、LDD領域のシート抵抗を105 〜106 Ω/□程度にする必要があり、そのためには図5から明らかなように熱処理温度を550℃程度に設定しなければならない。
【0013】
レーザアニールを用いると低温で不純物の活性化を行うことができるが、ゲート電極材料として用いる金属膜の剥離や溶融が生じる恐れがあり、また、LDD領域は下層ゲート電極で覆われているためレーザパワーが反射されてしまい活性化することができない。
【0014】
なお、上述のように2層ゲート電極をマスクにしてイオン注入を行った場合、SD領域にもPと水素が注入されることになる。しかし、SD領域のシート抵抗の熱処理温度依存性を図5と同様な方法で測定すると、シート抵抗は熱処理温度の増加とともに単調に減少する。これは、LDD領域に比べてSD領域へのPの注入量が多いため、水素の離脱による抵抗の増加がPの活性化による抵抗の減少に隠されてしまうことによると考えられる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、イオン注入後の熱処理に際してガラス基板に影響を与えないようにするためには熱処理温度を600℃以下に設定する必要があり、SD領域に対しては熱処理温度を450℃に設定した場合にも抵抗を許容レベルにまで下げることができることがわかった。しかし、この熱処理温度ではLDD領域の抵抗を許容レベルにまで下げることはできない。そこで、前述した水素による抵抗低減効果を利用して多結晶Si中にPと同時に多量の水素を注入する方法が用いられる。特開平6-104280号公報には、低い熱処理温度でSD領域の抵抗を下げることを目的として、水素濃度80% 以上のPH3 ガスを用いることによりPイオン注入時に充分な量の水素イオンを注入する方法、PH3 ガスを用いたイオン注入に続いて水素イオンを2×1015〜2×1016/cm2 の範囲で注入する方法が開示されている。
【0016】
上記従来方法はLDD領域の抵抗を低減する上でも有効であり、これによって450℃程度の熱処理温度でLDD領域の抵抗を許容レベルにまで下げることが可能となる。しかし、多量の水素イオン注入はTFT特性に悪影響を及ぼし、たとえば、nチャネルTFTのしきい値電圧を負方向へシフトさせてしまう。しきい値電圧のシフトはTFTのオン/オフ電圧の設定に影響を与える他、周辺駆動回路においてTFTをCMOS構成にして用いることを難しくする等の問題を生じさせる。
【0017】
そこで、本発明は、LDD領域の抵抗を許容レベルにまで下げるとともにTFTしきい値電圧のシフトを防ぐことを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は、絶縁性基板上に多結晶Siを形成する工程と、該多結晶Si上にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に下層ゲート電極と該下層ゲート電極より幅の狭い上層ゲート電極から成る2層ゲート電極を形成する工程と、該2層ゲート電極をマスクにして3属あるいは5属元素から成る不純物をイオン注入する工程と、熱処理する工程と、該2層ゲート電極をマスクにして水素をイオン注入する工程を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法、
あるいは、熱処理温度を450℃以下とすることを特徴とする上記薄膜トランジスタの製造方法、
あるいは、水素イオン注入量を2×1011/cm2 〜2×1012/cm2 とすることを特徴とする上記薄膜トランジスタの製造方法、
あるいは、水素のイオン注入に代えて水素プラズマ処理を行うことを特徴とする上記薄膜トランジスタの製造方法によって達成される。
【0019】
本発明では、2層ゲート電極を形成した後、これをマスクにしてSD領域とLDD領域に不純物のイオン注入を行い、次に、不純物の活性化のための熱処理を行う。熱処理温度をガラス基板の変形やゲート電極に用いられる金属膜の溶融等を引き起こさない程度の低い温度、たとえば450℃に設定すると、不純物の活性化は充分ではないものの、あらかじめSD領域に多量の不純物を注入しておくことによりSD領域の抵抗を許容レベルにまで下げることができる。そして、次の水素イオン注入工程において、LDD領域の抵抗を許容レベルにまで下げ且つTFTのしきい値電圧のシフトが生じないように水素のイオン注入量を制御する。
【0020】
発明者は、水素のイオン注入量を2×1011/cm2 以下にしたときLDD領域のシート抵抗が許容レベルを超えて急激に増加し、2×1012/cm2 以上にするとnチャネルTFTのしきい値電圧が負方向にシフトすることを実験により確かめた。このことから、水素のイオン注入量を2×1011/cm2 〜2×1012/cm2 の範囲に設定することによりLDD領域の抵抗を許容レベル以下に抑え且つTFTのしきい値電圧のシフトを防ぐことが可能となる。
【0021】
また、水素のイオン注入に代えて水素雰囲気中でのプラズマ処理を行うことにより多結晶Si中に水素を注入することもできる。LDD領域への水素の注入量をプラズマ処理条件で制御することによって前述した水素のイオン注入と同じ効果を得ることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係るTFTの製造工程を説明する断面図である。まず、図1(a)に示したように、ガラス基板1上にSiH4 を用いたプラズマCVD法により膜厚50nmのa−Si膜を堆積する。ガラス基板1上に下地絶縁膜を形成し、この上にa−Siを形成するようにしてもよい。下地絶縁膜は、例えば、膜厚200nmのSiO2 と膜厚100nmのSiNから成り、SiO2 の堆積にはSiH4 ガスとN2 Oガスを用いたプラズマCVD法を用い、SiN膜の堆積にはSiH4 とNH3 を用いたプラズマCVD法を用いる。
【0023】
ついで、窒素雰囲気中において、450℃、2時間の熱処理を行った後、400mJ/cm2 のパワーでレーザアニールを行い、これによりa−Siを結晶化させ多結晶Si膜2を形成する。多結晶Si膜2はフォトレジスト法により島状にパターニングする。
【0024】
ついで、この上に膜厚60nmのSiO2 から成るゲート絶縁膜3をプラズマCVD法により堆積し、続けて、膜厚50nmのMo膜4、膜厚250nmのAl膜5をスパッタ法により堆積する。さらに、Al膜5の上に5μm幅のレジストパターン6を形成する。
【0025】
ついで、図1(b)に示したように、レジストパターン6をマスクにしてAl膜5をウェットエッチングする。H3 PO4 とCH3 COOHから成るエッチング液を用い、オーバーエッチングによりAl膜5の幅をレジストパターン6の幅より0.6μm だけ狭くする。その後、レジストパターン6をマスクにしてCF4 ガスとO2 ガスを用いた異方性ドライエッチングによりMo膜4をレジストパターン6と同じ幅にパターニングし、続けて、レジストパターン6をマスクにしてCHF3 ガスを用いた異方性ドライエッチングによりゲート絶縁膜3をパターニングする。以上の工程によりMo膜4とこれより幅の狭いAl膜5からなる2層ゲート電極7及びMo膜4と同じ幅のゲート絶縁膜3が形成される。その後レジストパターン6を剥離する。
【0026】
ついで、図1(c)に示したように、PH3 ガスを用い加速電圧70keV 、注入量1014/cm2 の条件で1回目のイオン注入を行う。このイオン注入条件はゲート絶縁膜3とLDD領域9の界面にP濃度のピークがくるように設定したものであり、PイオンはSD領域8を突き抜けてガラス基板1に到達するためSD領域8には注入されることがない。また、チャネル層10に対しては、Al膜5、Mo膜4及びゲート絶縁膜3によってPイオンはマスクされ、その結果、LDD領域9にのみPイオンが注入されることになる。
【0027】
続けて、PH3 ガスを用いて加速電圧10keV 、注入量1015/cm2 の条件で2回目のイオン注入を行う。この2回目のイオン注入ではSD領域8にのみPイオンが注入され、LDD領域9に対してはMo膜4とゲート絶縁膜3がマスクとなってPイオンは注入されず、また、チャネル領域10に対してもMo膜4、Al膜5及びゲート絶縁膜3がマスクとなってPイオンは注入されない。
【0028】
以上のように、本実施例では1回目のイオン注入でLDD領域9にPイオンを注入し、次の2回目のイオン注入でSD領域8へPイオンを注入するようにしているが、イオン注入の順序を逆にして最初にSD領域8へPイオンを注入し、次にLDD領域9へPイオンを注入することもできる。
【0029】
続いて、窒素雰囲気中で450℃、2時間の熱処理を行い、これによりSD領域8とLDD領域9に注入されたPイオンの活性化を行う。2回目のイオン注入によりSD領域8には充分な量のPが注入されており、そのため上記熱処理によりSD領域の抵抗を許容レベルにまで下げることができる。一方、LDD領域9に対するPのイオン注入量はSD領域8に比べて少なく抵抗は許容レベルを超えて高くなっている。そこで、上記熱処理に続いて水素のイオン注入を行い、これによりLDD領域9の抵抗を低減する。
【0030】
図2はLDD領域9のシート抵抗の水素イオン注入量依存性を示したものであり、LDD領域9のシート抵抗は水素イオン注入量が2×1011/cm2 以下になると急激に増加することがわかる。同図から、水素イオン注入量を2×1011/cm2 以上に設定すればLDD領域9のシート抵抗を105 〜106 Ω/□の許容レベルにまで下げることができる。
【0031】
図3はnチャネルTFTのしきい値電圧の水素イオン注入量依存性を示したものであり、水素イオン注入量の増加とともにしきい値電圧が負方向へシフトし、2×1012/cm2 以上になるとしきい値電圧が負になることがわかる。このことから水素イオン注入量を2×1012/cm2 以下に設定することによりTFTのしきい値電圧のシフトを防ぐことができる。
【0032】
以上の工程を経た後、通常の配線形成工程(図示せず)を行ってTFTを完成させる。即ち、図1(c)に示した工程に続いて層間膜を堆積し、SD領域8と2層ゲート電極7上にコンタクトホールを形成する。さらに、この上にTi/Al/Tiをスパッタ法により堆積しパターニングして配線を形成する。
【0033】
本実施例では、水素のイオン注入を用いているが、これに代えて水素雰囲気中でプラズマ処理することによりLDD領域に水素をドープすることもできる。水素のドープ量は水素ガスの分圧やプラズマパワー等によって制御する。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、多結晶Siを用いたGOLD−TFTの製造に際して、ガラス基板に影響を与えない程度の低い熱処理温度でLDD領域の抵抗を許容レベルにまで下げることが可能となり、さらにTFTのしきい値電圧のシフトをも防ぐことができるのでアクティブマトリクス型液晶表示装置の高性能化を達成する上で有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す断面図
【図2】 LDD領域のシート抵抗の水素イオン注入量依存性を示す図
【図3】 TFTのしきい値電圧の水素イオン注入量依存性を示す図
【図4】 GOLD−TFTの構造を示す断面図
【図5】 LDD領域のシート抵抗の熱処理温度依存性を示す図
【符号の説明】
1、11 ガラス基板
2、12 多結晶Si膜
3、13 ゲート絶縁膜
4、15 Mo膜
5、16 Al膜
6 レジストパターン
7、14 2層ゲート電極
8、17 SD領域
9、18 LDD領域
10、19 チャネル領域
Claims (4)
- 絶縁性基板上に多結晶Siを形成する工程と、
該多結晶Si上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜上に下層ゲート電極と該下層ゲート電極より幅の狭い上層ゲート電極から成る2層ゲート電極を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜とLDD領域となる該多結晶Siの領域との界面に3属あるいは5属元素から成る不純物の濃度のピークがくるように設定された条件と、ソース・ドレイン領域となる該多結晶Siの領域にのみ該不純物を注入するように設定された条件とで、該2層ゲート電極をマスクにして該不純物をそれぞれイオン注入する工程と、
熱処理を行って該不純物を活性化する工程と、
該不純物を活性化する該工程に続いて該2層ゲート電極をマスクにして水素をイオン注入する工程と
を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 該熱処理の熱処理温度を450℃以下と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。
- 該水素をイオン注入する該工程での水素イオン注入量を2×1011/cm2〜2×1012/cm2と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。
- 該水素のイオン注入に代えて水素プラズマ処理を行う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。
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