JPH02226732A - 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】 ｒ産業上の利用分野ｊ 本発明は非単結晶半導体薄膜を用いた複数の薄膜トラン
ジスタ（以下にＴＰＴともいう）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」 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（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。

また、この薄膜トランジスタを作製するにはすでに確立
された技術であるフォトリソグラフィーが応用可能で、
いわゆる微細加工が可能であり、■Ｃ等と同様に集積化
を図ることも可能であった。

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）、（２
４）はソースドレイン領域で、（２５）、（２６）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（２
３）、（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＝μ・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　（ｃｍ２／ν・Ｓｅｃ　）程度で、はとんどＴ
ＰＴ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（することと、キャリアの移動度を大き
くすることが知られ、種々の改良が行われている。

特に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ＴＦＴ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。

その一つの答えとして、第３図に示すように縦チヤネル
構造のＴＰＴが提案されている。これは基板上にソース
（３０）活性領域（３１）ドレイン（３２）よりなる非
単結晶半導体層を積層したのち、ゲート絶縁膜（３３）
を形成しその上にゲート電極（３４）を有するものであ
る。

この構造の場合、そのチャネル長はほぼ活性領域（３１
）の厚みに対応し、活性領域の厚みを調節することによ
り容易にチャネル長を可変できるものであった。

しかしながら、この構造のＴＰＴは非単結晶半導体層を
複数層積層するので、ソースドレイン間の電流が流れる
方向に多数の界面を有していることになり、良好なＴＰ
Ｔ特性が得られない。また、電流の流れる方向の断面積
が大きいのでオフ電流が増大するという問題が発生し、
縦型ＴＰＴは本質的な問題解決とはなっていない。

一方、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。

しかしながら、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。

また、ＴＰＴを作成する場合に、ソースドレイン領域に
はＮ型又は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には、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、両手
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、熱を基板に加えることにより、不
純物を非単結晶半導体層の表面から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
る温度を上げる必要があるが、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工程に
多くの時間を必要としていた。

ｒ発明の目的」 本発明は、前述の如き問題を解決するものであり、従来
より知られたＴＰＴに比べて、高速で動作するＴＰＴを
、複雑な工程がなく、再現性良く、より低温で作製する
方法を提供することをその目的とするものであります。

ｒ発明の構成」 上記目的を達成するために本発明は、基板上に薄膜トラ
ンジスタ素子を整列して複数個形成する場合において、
減圧状態で少なくとも■族又はＶ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、この雰囲気化にて高抵抗の非単結晶半
導体層の複数の箇所にレーザー光を照射し、このレーザ
ー光が照射された部分に■族又はＶ族元素をドープして
ドーピング領域を形成し、さらにドーピング領域の一部
の半導体層がレーザー光を照射することによって切断さ
れ、ソース、ドレイン領域を形成する。そして、高抵抗
の非単結晶半導体層の一部にレーザー光を照射すること
により、その部分の結晶度を増大せしめ、その結果その
部分のキャリア移動度が増大し、そしてその部分を薄膜
トランジスタのチャネル部になるように、作製すること
を特徴とする。

本発明においては、プラズマ雰囲気中でレーザー光を照
射してドーピング領域を作製し、さらにレーザー光を照
射してドーピング領域を切断することによってソース、
ドレイン領域を作製するために、界面が存在せず、従っ
てＴＰＴの特性に悪影響が生じない。また、基板を高温
にする必要がないので、安価なガラスを基板に用いるこ
とができる。

また、ドーピング領域の切断の際に同時に切断部分の下
層の高抵抗の非単結晶半導体層にレーザー光を照射し、
その部分の高抵抗の非単結晶半導体のキャリア移動度を
増大せしめることにより、応答速度の大きいＴＰＴを短
時間で作製できるものである。

本発明では、レーザー光を用いてドーピング領域の切断
を行うために、レーザー光を絞るための光学系を用いる
ことにより、ソース、ドレイン領域の間隔（はぼチャネ
ル長に相当する。）を数μｍ程度にすることが可能であ
り、従来のフォトリソグラフィー法では困難であったチ
ャネル長の短縮を可能にすることができる。

また、レーザー光照射により高抵抗の非単結晶半導体層
の結晶化を助長するため、ＴＰＴのキャリア移動度を増
大させ、前に述べた応答速度を増大せしめ、その結果従
来適用できなかった液晶デイスプレー、イメージセンサ
−等に非単結晶半導体を用いた薄膜トランジスタ素子を
適用可能ならしめるものである。

さらに本発明においては、基板上の整列した複数の部分
に直線状或いはドツト状にレーザー光を照射するため、
従来の方法に比較して、直線状に照射する場合には直線
部分のドーピング領域の作製、結晶化の促進或いはドー
ピング領域の切断を同時に行うことができ、非単結晶半
導体薄膜の複数の部分のドーピング領域の作製、結晶化
の促進、ドーピング領域の切断を短時間で行うことがで
きる。また、ドツト状に照射する場合においても１ケ所
に照射した後の基板の移動のためのプログラムが、整列
した部分への照射のために簡単であるうえ、工程上も、
非単結晶半導体薄膜の複数の部分のドーピング領域の作
製、結晶化の促進、ドーピング領域の切断を、短時間で
行うことができる。

さらに本発明においては、エツチングの際も、レーザー
光を照射した部分は照射しない部分に比較してエツチン
グしにくいため、エツチング時の歩留りが上昇し、コス
トダウンにもなり得る。

以下に実施例により本発明の詳細な説明する。

ｒ実施例１１ 本実施例においては、液晶デイスプレィに用いるための
コプレナー型の薄膜トランジスタの作製について示す。

本実施例に対応する薄膜トランジスタの概略的な作製工
程を第１図に示す。

まず、基板（１）として、画素電極としてパターニング
されたＩＴＯ電極（１９）を有する３００ｎ＋ｍ×３０
０ＩＩＩＩＩのソーダガラスを用い、この基板（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
（！型）の非単結晶半導体層（２）を約５０００人形成
する。（第１図（ａ））この時の非単結晶半導体層（２
）の作製条件を以下に示す。、 基板温度　　　　　　　　２４０°Ｃ 反応圧力　　　　　　　　０．０５ＴｏｒｒＲｆパワー
　　　　　　　　　９０Ｗ ガス　　　　　　　　　　　ＳｉＨ。

次に反応室内のガスを排気した後、水素ガスとホスフィ
ンガス（ＰＩ（３）の混合ガスを導入し、圧力０．ＩＴ
ｏｒｒ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置かれている。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（２４８
，７ｎｍ）　　（１０）を照射した（第１図（ｂ））。

ビームの形状は光学系により集光し、その巾をソース、
ドレインを含む領域（ドーピング領域）（５）の巾に一
致するようにし、長さについては基板の長さ（３００ｍ
ｍ）とし、第１図（Ｃ）に示すように、直線上にある部
分を同時にドーピングせしめた。ただし、第１図（Ｃ）
については、ドーピングした領域（５）のみを示す。

この時のレーザー、光の条件は、０．０５Ｊ／ｃｄのエ
ネルギー密度で、パルス巾１０　ｐ　ｓｅｃ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。

ドーピング領域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。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、被照射面上で巾
２μｍ長さ３００ＩＩＩＩＩ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２４８．７ｎｍのエキシマレーザ光（
１１）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（ｄ）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Ｉ
Ｊ／ｃｍｇ、パルス巾１０μＳｅｃ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（１２）下の高抵抗の非単結晶半導体層（１
５）に対し、再びレーザ光（１４）を照射しこの部分の
半導体層の結晶化を助長し、キャリア移動度を向上させ
た（第１図（ｅ））。

この時のレーザ光の条件はパワー密度０．５Ｊ／ｃｍ”
パルス巾１０μＳｅｃ”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、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
（１２）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　ＴｏｒｒＲＦＰｏｗｅｒ
　　　　　　　　５０　Ｗガス　　　　　　ＮＨｓ／Ｓ
ｉＨ４ 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
レイン電極（９）を形成し、図のようなＴＰＴを完成さ
せた（第１図（ｆ））。

そして絶縁膜を形成した後、配向膜塗布工程、スペーサ
ー散布工程、貼り合わせ工程、液晶注入工程を通過して
、液晶セルが完成した。

以上のようにして、光学系を用いて断面を直線状にした
レーザー光を用いて、複数の薄膜トランジスタに対応す
る高抵抗の非単結晶珪素膜へのリンのドーピング、切断
、高抵抗の非単結晶珪素膜の結晶化の促進を続けて行う
ことができ、よってソース、ドレイン領域間つまりチャ
ネル部のみ結晶化を行うことができるため、リーク電流
を非常に少なく押さえることができ、さらに、液晶デイ
スプレィに用いるような大型の基板に複数のＴＰＴを整
列して作製する場合に特に短時間で加工ができ、有効で
ある。

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１０ｕｎ＋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、より信軌
性の高いＴＦＴを提供できる。

さらに、本実施例で示したコプレナー型のＴＦＴのみに
限定されることなく、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さらには不
純物元素の存在するプラズマ中にてレーザ光照射を行う
とチャネル部分のドープまで、−度の工程で行うことが
できるという特徴を持つ。

そのうえレーザー光照射を真空装置内で行ったため、レ
ーザー光照射によりドーピング領域が気化した結果生ず
るガスをすみやかに真空ポンプで引いてしまうため、−
度気化したガスが再び基板表面に吸着されることがなく
、切断面が非常に清浄な状態になる結果、薄膜トランジ
スタの性能が非常に安定したものとなった。

ｒ効果ル レーザー光を用いて複数の部分を同時に加工することに
より、整列して形成される薄膜トランジスタのチャネル
長の短縮とチャネル部の結晶度の増大を短時間で行うこ
とができた。これにより、従来ではキャリアの移動度が
小さいためにデイスプレー装置、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
体を用いた薄膜トランジスタを使用することが可能にな
った。

また、チャネル部の結晶度を増大させるためにレーザー
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薄膜トランジスタを大
面積基板上に多数形成することが非常に容易になった。

さらには、レーザー加工を直線状、ドツト状などの必要
な部分にのみ行うため、エツチング時の歩留りが上昇し
、さらにリーク電流を低減することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例について薄膜ト
ランジスタの作製工程を示す。 第２図、第３図は従来の薄膜トランジスタの断面の概略
を示す。 １　・　・　・　・　・ ２　・　・　・　・　・ ３　・　・　・　・　・ ４　・　・　・　・　・ ５　・　・　・　・　・ ６　・　・　・　・　・ ７　・　・　・　・　・ ８　・　・　・　・　・ ９　・　・　・　・　・ １０．１１．１４・ １２・　・　・　・　・ 基板 高抵抗半導体層 ソース領域 ドレイン領域 ドーピング領域 ゲート絶縁膜 ゲート電極 ソース電極 ドレイン電極 レーザー光 切断部分 １５・・・・・・・結晶化を助長した部分１９・・・・
・・・ＩＴＯ電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜トランジスタ素子を整列して複数個形成する際
   に、高抵抗の非単結晶半導体層を形成する工程と、ゲー
   ト絶縁膜を形成する工程と、ゲート電極を形成する工程
   とを有し、さらに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気下に配置
   し、前記高抵抗の非単結晶半導体層の少なくとも一部に
   対し、レーザ光を照射して、III族又はＶ族元素をドー
   ピングしてドーピング領域を形成する工程と、レーザー
   光を照射することにより前記ドーピング領域を切断し、
   ソース、ドレイン領域を作製する工程と、選択的にレー
   ザー光を照射して前記高抵抗の非単結晶半導体層のレー
   ザー光が照射された部分の結晶化を助長せしめ、その部
   分が複数個の薄膜トランジスタのチャネル部になるよう
   に作製する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項において、前記ドーピング領
   域を切断を行う際に同時に切断部分下の高抵抗の非単結
   晶半導体層の結晶化を助長させることを特徴とする薄膜
   トランジスタの作製方法。