JPH02224339A - 薄膜トランジスタの作製方法 - Google Patents

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１ 本発明は非単結晶半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ
（以下にＴＦＴともいう）及びその製造方法に関するも
のであり、特に液晶デイスプレー。

イメージセンサ−等に適用可能な高速応答性を持つ薄膜
トランジスタに関する。

ｒ従来の技術１ 最近、化学的気相法等によって、作製された非単結晶半
導体薄膜を利用した薄膜トランジスタが注目されている
。

この薄膜トランジスタは、絶縁性基板上に前述の如く化
学的気相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲気
温度が最高で４５０°Ｃ程度と低温で形成でき、安価な
ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等を基板として用いる
ことができる。

この薄膜トランジスタは電界効果型であり、いわゆるＭ
ＯＳＦＥＴと同様の機能を有しているが、前述の如く安
価な絶縁性基板上に低温で形成でき、さらにその作製す
る最大面積は薄膜半導体を形成する装置の寸法にのみ限
定されるもので、容易に大面積基板上にトランジスタを
作製できるという利点を持っていた。このため多量の画
素を持つマトリクス構造の液晶デイスプレーのスイッチ
ング素子や一次元又は二次元のイメージセンサ等のスイ
ッチング素子として極めて有望である。

この従来より知られたＴＰＴの代表的な構造を第２図に
概略的に示す。

（２１）はガラスよりなる絶縁性基板であり、（２２）
は非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、（２３）　、　
（２４）はソースドレイン領域で、（２５）、　　（２
６）はソースドレイン電極、（２７）はゲート絶縁膜で
（２８）はゲート電極であります。　このように構成さ
れた薄膜トランジスタはゲート電極（２８）に電圧を加
えることにより、ソースドレイン（２３）、　（２４）
間に流れる電流を調整するものであります。

この時、この薄膜トランジスタの応答速度は次式で与え
られる。

Ｓ＝＃　−Ｖ／Ｌ” ここでＬはチャネル長、μはキャリアの移動度。

■はゲート電圧。

この薄膜トランジスタに用いられる非単結晶半導体層は
半導体層中に多量の結晶粒界等を含んでおり、これらが
原因で単結晶の半導体に比べてキャリアの移動度が非常
に小さく、上式より判るようにトランジスタの応答速度
が非常に遅いという問題が発生していた。特にアモルフ
ァスシリコン半導体を用いた時その移動度はだいたい０
．１〜ｌ（ｃ＠”　／　Ｖ−３ｅｃ　）程度で、はとん
どＴＰＴとして動作しない程度のものであった。

このような問題を解決するには上式より明らかなように
チャネル長を短くすることと、キャリア移動度を大きく
することが知られ、種々の改良が行われている。

移動度を向上させることは、従来より種々の方法によっ
て行われていた。代表的には、非単結晶半導体をアニー
ルして、単結晶化又は多結晶のグレインサイズを大きく
することが行われていた。

これら従来例では、高温下でアニールするために、高価
な耐熱性基板を使用しなければならなかったり、基板上
全面の半導体層を単結晶化又は多結晶化するため、処理
時間が長くなるという問題が発生していた。

一方チャネル長りを短くすると、その２乗で応答速度に
影響するので非常に有効な手段である。

しかしながらＴＰＴの特徴である大面積基板上に素子を
形成する場合、フォトリソグラフィー技術を用いて、ソ
ースドレイン間の間隔（だいたいのチャネル長に対応す
る）を１０μｍ以下にすることは、その加工精度１歩留
まり、生産コスト等の面から明らかに困難であり、ＴＰ
Ｔのチャネル長を短くする手段として、フォトリソグラ
フィー技術を使用しない手段が求められている。

また、一般にＴＰＴを作成する場合にソースドレイン領
域にはＮ型またはＰ型の導電型を示す不純物が高濃度で
、含まれている。この部分を形成する方法としては、こ
れら不純物が混入された低抵抗の非単結晶半導体層をチ
ャネルが形成される高抵抗の非単結晶半導体層上に積層
に形成する方法と、高抵抗の非単結晶半導体層表面上よ
りこれら不純物原子を移動させて高抵抗の非単結晶半導
体層中にソースドレイン領域を形成する方法が知られ広
く行われている。

しかしながら、前者の方法は不純物が混入された低抵抗
の非単結晶半導体層をチャネルが形成される高抵抗の非
単結晶半導体層上に積層して形成するため両半導体層の
間に界面ができ、この界面がＴＰＴの特性に悪影響を与
えることが多くこの界面の状態を良くすることは難しか
った。

一方、後者の方法は熱を基板及び非単結晶半導体層にく
わえることにより不純物を非単結晶半導体層の表面より
その内部へと拡散させるもので、その拡散させる速度を
速くするには加える温度をあげる必要がある。

その場合安価なガラス基板を使用することができずコス
ト高になり、加える温度を低くすると不純物が拡散され
る速度が遅く作製に多くの時間を必要としていた。

ｒ発明の目的１ 本発明は前述の如き種々の問題を解決するものであり、
従来のＴＦＴ比べて良好な特性を示す短チャネルのＴＦ
Ｔをより簡単により低温で作製可能としたものでありま
す。

ｒ発明の構成ｊ 本発明は減圧状態において、少なくとも■族又は■族元
素を含む気体に対して、電気エネルギーを供給しプラズ
マ化してこれら気体を活性化し、この雰囲気下にて、高
抵抗の非単結晶半導体層のソース、ドレインを含む領域
にレーザ光を照射し、このレーザ光が照射された部分に
■族又は■族元素を添加して、ソース、ドレイン領域を
含むドーピング領域を形成した後に、ドーピング領域ま
たはドーピング領域と金属よりなるソースドレイン領域
を構成する部分に対し、集光されたレーザ光を照射して
、前記非単結晶半導体層又は前記非単結晶半導体層と金
属を切断した後にこの切断部分下の高抵抗の非単結晶半
導体層にレーザ光を照射して、その部分の半導体層の移
動度を向上させることを特徴とするものであります。

この場合、混合ガス中には被膜形成を行なう気体、例え
ば５ｉＨａ等は含まれておらず、水素又はヘリウム等の
不活性気と■族又はＶ族元素を含む気体で構成されてお
ります。

すなわち、■族又は■族の元素を含む混合気体に電気エ
ネルギーを与えて、混合気体をプラズマ化すると、これ
ら気体は各々の持つエネルギーに見合った種々の状態を
とり、はげしく運動を行っている。このようなプラズマ
雰囲気下に高抵抗の非単結晶半導体層を持つ基板を配置
すると、これが常に高抵抗の非単結晶半導体層を物理的
にたたいた状態となっている。この時にソース、ドレイ
ン領域を含むドーピング領域にレーザ光を照射すると、
その領域近傍の■族又はＶ族の元素がこのレーザ光によ
って、より高エネルギー状態に活性化される。この■族
又はＶ族元素は前述の如く常に高抵抗の非単結晶半導体
層を物理的にたたいているので、活性化された状態でも
同様のふるまいを行い、高抵抗の非単結晶半導体層中に
ドーピングされてゆくのである。

またこの■族又は■族元素は長時間にわたって高エネル
ギー状態をとり続けることができない（他の気体分子、
ラジカルとの衝突等によりエネルギーを失うため）ので
選択的なドーピングが行なえるのである。

上記のような工程の結果、高抵抗の非単結晶半導体層中
にソース、ドレインを含むドーピング領域を選択的に形
成することができ、より短チャネルであり高速応答性の
よいＴＰＴを安価な価格にて提供することが可能となる
ものであります。

また、このレーザ光により切断されたドーピング領域の
切断部分に対応する巾がほぼこの薄膜トランジスタのチ
ャネル長に対応し、レーザ光の加工中とほぼ同じ短チャ
ネルの薄膜トランジスタを再現性よく複雑な工程を経る
ことなく、作製できるものであります。

また、１：の時基板及び高抵抗の非単結晶半導体層は高
抵抗の非単結晶半導体層作製時の基板温度より低い温度
に保持されているものであり、このことにより、ＴＰＴ
作製工程において、前工程に基板及び被膜を加えた温度
より後工程で加える温度を低くすることができ、半導体
装置の依願性を向上させることが可能なものであります
。

以下実施例を示し本発明を説明する。

ｒ実施例１１ 第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例を一つの製造工
程を示している。

まず（ａ）の工程において、絶縁性表面を有する基板（
１）例えばソーダガラス基板（１）をプラズマ発生が可
能な装置の反応室内に入れこの基板上に公知のプラズマ
ＣＶＤ法によって、！型の高抵抗性の非単結晶半導体層
（２）を約３５０００程度形成する。この時の作製条件
を以下に示す。

基板温度　　　　２４０℃ 反応圧力　　　　０．　０５　ＴｏｒｒＲｆＰｏｗｅｒ
　　　　　　　　９０　Ｗガス　　　　　　Ｓ　ｉ　Ｈ
４ 次に（ロ）の工程において、反応室内の気体を排気した
後、水素ガスとホスフィンガス（ＰＨ３）の混合ガスを
導入し圧力０．１Ｔｏｒｒで高周波電力を６０Ｗ印加し
てプラズマ状態とした。この時のホスフィンは約１５％
となるように混合した。基板上の高抵抗の非単結晶半導
体層（２）はこの混合ガスの雰囲気下におかれている。

この時基板加熱は行わなかった。

そして、高抵抗の非単結晶半導体層（２）のソース。

ドレインを含む領域に対しエキシマレーザ光００）（２
４８，７ｎｍ）を照射した。

この時エキシマレーザ光の照射ビームの形状は光学系に
より集光し、かつその外形をソース、ドレインを含む領
域（５）の外形に一致するようにして照射した。その時
レーザ光の条件は、０．０５Ｊ／ａａのエネルギー密度
で、パルス巾１０μｓｅｃで１５００パルス照射した。

これによってリンは、このレーザ光が照射された領域に
のみドーピングされる。

その深さはレーザ光の照射回数及びエネルギーによって
調整可能であるが、エネルギー量が多いと半導体層に損
傷を与えてしまうことがあるので、低エネルギーに保ち
照射回数によってドーピングされる深さを制御する方が
工程上のマージンが増す０本実施例においてはそのドー
ピングされる深さを５００人とした。

次にこのドーピング領域（５）に対し、被照射面上で中
２μｍ長さ１０ｍｍの長方形の照射断面となるようにド
ープの際に用いた光学系とは別の光学系によって集光さ
れた波長２４８．７ｎａ＋のエキシマレーザ光００を照
射し、ドーピング領域（５）をソース領域（３）とドレ
イン領域（４）に切断し、第１図（Ｃ）の状態を得た。

　この時のレーザ光の照射条件はパワー密度ＩＪ／ｃｇ
ｉ”、パルス巾ｌＯμＳｅｃである。このレーザ光を本
実施例の場合、４パルス照射してドーピング領域（５）
を切断した。この照射回数及びレーザの条件は被加工物
によって異なり、本実施例の場合は予備実験を行って前
述の条件を出してその条件を用いた。

次に、この切断の際に用いた光学系をそのまま用いてこ
の切断部分０２１下の高抵抗の非単結晶半導体層（２）
に対し、再びレーザ光柵を照射しこの部分の半導体層の
移動度を向上させた。

この時のレーザ光の条件はパワー密度０．５Ｊ／Ｃ１１
”１パルス巾１０　Ｂ　Ｓｅｃであり２パルス照射した
。

この条件で通常の非晶質珪素半導体に照射する定性実験
を行ったところ照射する前の移動度の約１００倍の値が
得られている。

次に（ｄ）の工程として、反応室内の気体を排気し、ガ
スをシランとアンモニアの混合ガスに変えて反応室内に
導入し、この切断部０２）を覆うように、ゲート絶縁膜
（６）として窒化珪素膜を２００人形成した。

その作製条件を以下に示す。

基板温度　　　　２００°Ｃ 反応圧力　　　　０．　０５　ＴｏｒｒＲｆＰｏ＃４ｅ
ｒ　　　　　５０　Ｗ ガス　　　　　　　Ｎ）Ｉ＊／ＳｉＨ４この後この基板
（１）を反応室から取り出し、所定のパターンにエツチ
ングして、ゲート絶縁膜（６）とした、さらにＴＰＴの
外形のパターンに半導体層にエツチングを施した後、こ
の上面全面に公知のスパッタリング法にて、アルミニウ
ムを形成した後、所定のパターンにエツチングして、ゲ
ート電極（７）、ソース電極（８）及びドレイン電橋（
９）を形成し、図のようなＴＰＴを完成させた。

本実施例において、不純物をドープする際には、加熱を
行わず、行っても十分にドーピングできるが、少し温度
加熱を行ってドーピングを行うと、速く終了する利点が
ある。この時の加熱温度はＴＰＴの作製工程で基板及び
半導体薄膜に加えられた温度以下にする。

このように、ソースドレイン間を従来の如くエツチング
して加工しないので１０μ−以下、本実施例の場合、約
２．６μ−のソースドレインの切断部０２）の間隔を容
易に形成することができ、短いチャネル長のＴＰＴを再
現性よく作製することができた。

また、本発明は、ソースドレインのドーピングをレーザ
を用いて形成したので、ＴＰＴの作製工程で基板及び半
導体薄膜に加えられた温度が最も高い温度とすることが
でき、後工程で高い温度を加える必要がなく、より信頼
性の高いＴＰＴを提供できる。

さらに、本実施例で示したコプレナー型のＴＰＴのみに
限定されることな（、他の形式のＴＰＴにも適用可能で
ある。

本発明のプラズマの効果を利用した不純物ドーピング技
術は上記の不純物のみではなく、その他の■族又はＶ族
の不純物元素にしても適用可能である。

また、レーザ切断工程で、レーザ光のエネルギー調整ま
たは照射回数等を変更することにより、同時にその切断
部分下の半導体の移動度を向上させることも可能であっ
た。

ｒ効果」 以上説明した様に本発明によれば、ＴＰＴのソース、ド
レイン領域をプラズマ状態にされた■族又は■族元素雰
囲下にてレーザ光を照射してこれら不純物元素をドーピ
ングして形成してゆくので、より低温でこれら領域を形
成できる。

さらに、ソースドレイン間隔を従来技術に比較して容易
に、短くすることができ、さらにチャネル部分の移動度
も向上させることができたので、より応答速度の速いＴ
ＰＴを提供することができた。

これによって従来では応答速度が遅い為に実現されても
デイスプレー装置、イメージセンサ−等のスイッチング
素子として使用できなかった非単結晶半導体を用いたＴ
ＰＴを使用することが可能となった。

また、チャネル長を短くするためにレーザ加工技術を用
いたので、大面積化されても加工精度上の問題はなく、
良好な特性を有するＴＰＴを大面積基板上に多数形成す
ることが非常に容易になった。

また、フォトリソグラフィ技術を適用する部分において
はマスク合わせの厳密な加工精度が不要であり、ＴＰＴ
回路の微細化、高集積化を容易に図ることができた。

さらに、レーザ光の条件を可変するだけで大部分のＴＰ
Ｔ作製工程を行うことができより製造コストを低く押さ
えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例のＴＰＴの製
造工程を示す概略図である。 第２図は従来のＴＰＴの断面構造を示す。 １２・・・切断部分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜トランジスタを作製する方法であって、高抵抗
   の非単結晶半導体層を基板上に形成する工程と、前記高
   抵抗の非単結晶半導体層をIII族又は、Ｖ族元素を含む
   混合ガスプラズマ雰囲下に配置し、前記高抵抗の非単結
   晶半導体層に対し、レーザ光を照射して、III族又はＶ
   族元素を添加してソースおよびドレインを含むドーピン
   グ領域を形成する工程と、前記ドーピング領域に対しレ
   ーザ光を照射し前記ドーピング領域の半導体層を切断し
   てソース領域とドレイン領域とに分割する工程と切断部
   分下の高抵抗の非単結晶半導体層に再びレーザ光を照射
   して前記切断部分下の高抵抗の非単結晶半導体層の移動
   度を向上させる工程を含むことを特徴とした薄膜トラン
   ジスタの作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の薄膜トランジスタを
   作製する方法において、前記ドーピング領域の半導体層
   の切断を行う際に同時に切断部分下の高抵抗の非単結晶
   半導体層の移動度を向上させることを特徴とする薄膜ト
   ランジスタの作製方法。