JPH011273A

JPH011273A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JPH011273A
Application number: JP62-156898A
Authority: JP
Inventors: 研住吉
Original assignee: 日本電気株式会社
Filing date: 1987-06-23
Publication date: 1989-01-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

近年、液晶や薄膜発光素子を用いた画像表示装置や、ア
モルファスシリコンを用いた光センサの駆動用に、多結
晶シリコン薄膜トランジスタが使用され始めている。

例えば、ジャーナル・オン・アプライド・フィジックス
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ）５５巻１９８４年１５９０頁の「スイン・フィル
ム・トランジスタ・オン・モレキュラ・ビーム・デポジ
ッション・ポリクリスタルライン・シリコンＪ（”Ｔｈ
１ｎ　ｆｉｌｍ　ｔｒ−ａｎｓｉｓむｏｒｓ　　ｏｎ　
　＋ｉｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ−ｄｅｐｏｓｉｔｅ
ｄ　　ｐｏｌ−ｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　５ｉｌｉｃ
ｏｎ”）や、エクステンプイツト・アブストラクッ・オ
ン・ザ・シックスティーンス（１９８４インターナシヨ
ナル）コンファレンス・オン・ソリッド・ステート・デ
バイス・アンド・マテリアルズ、コーベ、　１９８４　
（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓｏｆ　ｔｈｅ
　１６ｔｈ（１９８４）Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＳｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、　Ｋｏ
ｂｓ、１９８４）中の５５５頁からの「セミトランスペ
アレント・メタルー−５ｉ・エレクトローズ・フォア・
ａ−ｓｉ：Ｉ＋フォトダイオーズ・ゼア・アプリケイジ
ョン・トウ・ア・コンタクト−タイプ・リニア・センサ
・アレイ（Ｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　Ｍｅｔａ
ｌ−５ｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｆｏｒａ−３ｉ：Ｈ
Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ　ａｎｄ　　Ｔｈｅｉｒ　　Ａ
ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｔ。

ａ　Ｃｏｎｔａｃｔ−ｔｙｐｅ　Ｌｉｎｅａｒ　５ｅｎ
ｓｏｒ　Ａｒｒａｙｓ）や５６３頁からの「ハイ・トラ
ンスコンダクタンス・Ｓｉ　−ＴＰＴ’Ｓ・ユージング
・Ｔａ２Ｏ，、フィルムス・アズ・ゲート・インシュレ
イターズＪ（）ｌｉｇｈ　Ｔｒａｎｓｅｏｎｄｕｃｔａ
ｎｃｅ　５ｉ−ＴＰＴ’ｓ　Ｕｓｉｎｇ　ＴａｚＯ，Ｆ
ｉｌｍｓ　ａｓ　Ｇａｔｅ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒｓ）に
その例がみられる。

上記の例に多く見られるように、大型の表示装置や長尺
の光センサは、大型化が容易な非晶質基板上に作られて
いる。仮に、シリコンＩＣチップを用いて、前記表示装
置や光センサを駆動しようとすれば、シリコンＩＣチッ
プから表示画素あるいは光センサ素子への金属ワイヤに
よる多数の配線工程が必要となる。しかしながら、前記
の例にみられるように、該非晶質基板上に多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタからなる駆動回路を設けることがで
きれば、多結晶シリコン薄膜トランジスタから表示画素
あるいは光センサ素子への配線工程は、１回のフォトリ
ソグラフィー工程で済ますことができる。以上の理由の
ため１表示画素あるいは光センサ素Ｔへの配線工程の単
位価格を下げるためには、表示装置あるいは光センサと
同一基板上に多結晶シリコン薄膜トランジスタからなる
駆動回路を設けることが必要である。さらに表示装置あ
るいは光ｔンサの素子密度が大きくなれば、前記の配線
工程の単位価格の差は一層大きくなる。

前記の理由のため、多結晶シリコン薄膜トランジスタの
開発が活発に行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、通常の多結晶シリコン薄膜を用いて作成シた薄
膜トランジスタは、移動度が低く、オフ電流が大きい。

これは前記の多結晶シリコン薄膜トランジスタでは結晶
粒と結晶粒との間に結晶粒界が存在するためである。電
子あるいは正孔は、前記結晶粒界により散乱される。こ
のため、多結晶シリコン薄膜トランジスタは、単結晶シ
リコンから作成される１−ランジスタより低い移動度を
示す。また、単結晶シリコンを用いたトランジスタにお
いては、オフ電流がチャネル領域とソース領域あるいは
チャネル領域とドレイン領域からなるＰＮＩ合の逆方向
電流により低く抑えられる。しかし、多結晶シリコン薄
膜トランジスタにおいては、前記ＰＮ接合の空乏層中に
結晶粒界が存在し、さらに、結晶粒界中の捕獲準位には
キャリアが捕獲されている。このため、空乏層に印加さ
れる電界により、前記の捕獲されたキャリアが放出され
る。

このような原因のため、多結晶シリコン薄膜トランジス
タのＰＮ接合の逆方向電流は、大きなものとなる。

しかしながら、例えば、テレビ動作をする液晶表示画素
駆動に多結晶シリコン薄膜トランジスタを使用すること
を考えた場合、１画面を描く１フレ一ム時間内に液晶素
子は電圧を維持しなければならない。このためには、液
晶を駆動する薄膜トランジスタは、１０−’　Ａ以下の
小さなオフ電流を持たなければならない。また例えば、
各表示画素を水平に走査する水平走査回路は、表示画素
走査を４．２Ｍｔ＋ｚで行わなければならず、前記駆動
周波数で動作するためには、薄膜トランジスタには１０
０ｆｆｌ／Ｖｓｅｃ以上の電界効果移動度が要求される
。しかしながら、従来の多結晶シリコン薄膜トランジス
タは１０−＠Ａ程度のオフ電流をもち、移動度は大きく
ても１０ａＪ／Ｖｓｅｃ程度であった。以上のように、
従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性はオフ電
流が大きく、移動度が小さいため、応用上求められてい
る特性を満足するものではなかった。

本発明の目的は電界効果移動度およびオフ電流特性をと
もに改善する多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方
法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は非晶質基板上に非晶質シリコン薄膜を形成し、
該非晶質シリコン薄膜の一部分に酸素をイオン注入した
後、熱処理を加えて結晶化する工程において、該非晶質
シリコン薄膜内の前記酸素をイオン注入していない領域
から該非晶質シリコン薄膜内の前記酸素をイオン注入し
た領域へ結晶粒を成長させ、該結晶粒の成長方向をチャ
ネル長方向として薄膜トランジスタを作成することを特
徴とする多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法で
ある。

〔作用〕

本発明の製造方法を第１図（ａ）〜（ｄ）を用いて説明
する。第１図（ａ）において、非晶質基板１００上に、
例えば真空蒸着法あるいは気相化学反応法あるいは多結
晶シリコン薄膜中にシリコンをイオン注入することによ
り、非晶質シリコン薄膜１０１を形成する。次に、第１
図（ｂ）に示すように、マスク１０２を介して、酸素を
イオン注入する。その後、マスク１０２を除去する。前
記工程により、第１図（ｃ）に示すように、非晶質シリ
コン薄膜１０１内に酸素をイオン注入した領域１０３と
酸素をイオン注入していない領域１０４を作ることがで
きる。次に、該非晶質シリコン薄膜１０１に熱処理を加
え、該非晶質シリコン薄膜１０１を結晶化する。該結晶
化の工程においては、前記シリコンをイオン注入してい
ない領域】０４がはじめに結晶化する。なぜならば、非
晶質シリコン薄膜１０１中の酸素が結晶化を抑制するた
め、前記酸素をイオン注入した領域１０３の結晶化が前
記酸素をイオン注入していない領域１０４の結晶化と比
較して遅いためである。従って、結晶化は前記酸素をイ
オン注入していない領域１０４においてはじめに起こり
、さらに第１図（，１）の矢印に示すように、前記酸素
をイオン注入した領域１０３の方向へ起こる。第２図（
ａ）は薄膜面内の結晶粒を模式的に示す図である。結晶
化の結果、結晶粒１０５は領域１０３から領域１０４へ
伸びた形となる。

該結晶粒１０５の方向をチャネル長方向とするように、
第２図（ｂ）に示すように、ソース領域２０１とドレイ
ン領域２０２を設ける。該チャネル長方向には、結晶粒
界が少ないため、チャネルをながれるキャリアは結晶粒
界散乱を受は難く、結果として薄膜トランジスタは大き
な移動度を示す。また、ソースとドレインに印加される
電界の垂直方向に走る結晶粒界が少ないため、薄膜トラ
ンジスタは低いオフ電流を示す。以上述べたように、組
成原子である酸素をイオン注入することによりシリコン
薄膜の純度を低下させることなく、大きい移動度と低い
オフ電流を示す薄膜トランジスタが得られる。

〔実施例〕

以下本発明の製造方法の実施例について、第３図（ａ）
〜（ｇ）にしたがって説明する。第３図（ａ）に示すよ
うに、石英基板３００上に真空蒸着法により、基板温度
３２０℃で、非晶質シリコン薄膜３０１を厚さ０゜２μ
ｓ堆積する。このときの成膜時の真空槽内の圧力はＩＸ
　１Ｏ−７ｔｏｒｒ以下であった。次に、第３図（ｂ）
に示すように、フォトリソグラフィー工程により該非晶
質シリコン薄膜３０１上に、フォトレジストをイオン注
入用マスク３０２として整形した。前記工程の後、シリ
コンを加速電圧５０ＫｅＶ　、ドーズ量５ＸＩＯ”ａ＋
＋−”の条件でイオン注入した。さらに、酸洗浄により
マスク３０２を除去した。前記工程の後、該石英基板３
００を電気炉によって、窒素雰囲気中で６００℃、１５
時間の熱処理を加えた。前記工程の後。

第３図（ｃ）に示すように結晶化した薄膜３０１　をフ
ォトリソグラフィー工程により各トランジスタ領域３０
３に分割する。この後、第３図（ｄ）に示すように、ゲ
ート酸化膜である酸化シリコン膜３０４を、水素化シリ
コン（Ｓｉｔ（４）と亜酸化窒素（Ｎ２０）による気相
化学反応により、基板温度６３０℃で、厚さ０．１μｍ
形成した。さらに、多結晶シリコン薄膜を、水素化−′
Ｉシリコン（ＳｉＨ４）の熱分解による気相化学反応など
を用いて、厚さ０．３−形成し、ゲート電極３０５を形
成した。この後、第３図（ｅ）に示すように、リンイオ
ンを５　Ｘ　１０”　ａｍ−”イオン注入し、ソース領
域３０６とドレイン領域３０７を形成した。さらに、６
５０℃。

１時間の熱処理を行い、ソース領域３０６とドレイン領
域３０７の活性化を図った。前記工程の後、第３図（０
に示すように、酸化シリコン膜３０８を前述の気相化学
反応により厚さ１仰形成し、フォトリソグラフィー工程
により該ソース領域３０６、該ドレイン領域３０７上の
酸化シリコン膜３０８にコンタクトホールを設けた。前
記工程の後、真空蒸着等の方法により配線金属としてア
ルミニウムを堆積し、フォトリソグラフィー工程により
第３図（２）に示すソース電極３０９とドレイン電極３
１０とゲート電極間の配線を行った。この後、４５０℃
、３０分の水素中での熱処理を行った。

上記の工程により作成した薄膜トランジスタの特性は、
電界効果移動度１００■２／　Ｖｓｅｃ　、オフ電流１
０−”Ａであった。

比較のために、トランジスタ領域３０３として、真空蒸
着により基板温度６００℃で作成した多結晶シリコン薄
膜を用い、第３図（、Ｉ）以降の工程を同一にした従来
型の薄膜トランジスタも同時に作成した。この工程によ
り作成した薄膜トランジスタの特性は、電界効果移動度
１０ｃｄ／Ｖｓｅｃ、オフ電流１Ｏ−ａＡであった。

〔発明の効果〕

以上から本発明の製造方法によって作成した多結晶シリ
コン薄膜トランジスタは、従来の多結晶薄膜トランジス
タと比較して電界効果移動度が大きく、オフ電流は小さ
く、その特性を大きく改善することができる。本発明に
よる多結晶シリコン薄膜トランジスタを液晶表示装置の
駆動に用いて、優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の製造方法を説明するた
めの図、第２図（ａ）は本発明による薄膜トランジスタ
領域の結晶粒を説明するための図、（ｂ）は結晶粒す図
、第３図（ａ）〜（齢は本発明の実施例を工程順に示す
図である。１００・・・非晶質基板　　　　　　１０１，３０１・
・・非晶質シリコン薄膜１０２・・・マスク　　　　　
　　１０３・・・酸素をイオン注入した領域１０４・・
・酸素をイオン注入していない領域２０１．３０６・・
・ソース領域　　　　２０２，３０７・・・ドレイン領
域３００・・・石英基板　　　　　　　３０２・・・イ
オン注入用マスク３０３・・・トランジスタ領域　　　
３０４・・・酸化シリコン薄膜３０５・・・ゲート電極
　　　　　　３０８・・・酸化シリコン膜３０９・・・
ソース電極　　　　　　３１０・・・ドレイン電極特許
出願人　　日本電気株式会社代　理　人　　弁理士　内　原　　　晋°、第１図吊２図第３図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非晶質基板上に非晶質シリコン薄膜を形成し、該
非晶質シリコン薄膜の一部分に酸素をイオン注入した後
、熱処理を加えて結晶化する工程において、該非晶質シ
リコン薄膜内の前記酸素をイオン注入していない領域か
ら該非晶質シリコン薄膜内の前記酸素をイオン注入した
領域へ結晶粒を成長させ、該結晶粒の成長方向をチャネ
ル長方向として薄膜トランジスタを作成することを特徴
とする多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法。