JPH04186633A - 薄膜トランジスタの製造方法 - 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 本発明はエネルギービームを用いた半導体薄膜中への不
純物の導入方法及び薄膜トランジスタの製造方法に関す
るものであり、液晶デイスプレィ。

半導体メモリー、三次元集積回路等に応用可能な技術で
ある。

従来の技術 薄膜トランジスタをマトリックス状に集積化した液晶デ
イスプレィ用アクティブマトリックスアレイの製造方法
を例にとって以下に説明する。

アクティブマトリックスアレイに用いる薄膜トランジス
タの活性層には３００°Ｃ前後の比較的低温で大面積に
製膜可能な非晶質シリコンが主に用いられてきたが、こ
の非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは移動度が
小さいために駆動回路を同一基板上へ作成することが困
難である。そのため近年非晶質シリコンに比べ移動度が
大きく駆動回路を同一基板上に作成可能な多結晶シリコ
ンを活性層に用いた薄膜トランジスタの研究が活発に行
われている。

第３図にコプレーナ−型ｎチャネル多結晶シリコン薄膜
トランジスタの製造方法の一例を示す。

第３図（ａ）に示すように透光性基板１上に多結晶シリ
コン薄膜２を形成する。多結晶シリコンＦＲ膜２は一般
にＳｉＨ４を原料ガスとする減圧気相成長法（ＬＰＣＶ
Ｄ法）により形成される。ついで第３図（ｂｌに示すよ
うに多結晶シリコン薄膜２を島状にエツチングした後、
多結晶シリコン薄膜２上にゲート絶縁膜となる絶縁膜３
及びゲート電極となる第２の多結晶シリコン薄膜４を形
成する。多結晶シリコン薄膜２上の絶縁膜３は熱酸化法
あるいはＬＰＣＶＤ法により形成され、ゲート電極とな
る第２の多結晶シリコン薄膜４はＬ　、Ｐ　ＣＶ　Ｄ法
により形成される。第３図（Ｃ）に示すように第２の多
結晶シリコンＴＲ膜４及び絶縁Ｗ１．３をゲート電極の
形状にエツチングする。ついで第３図（ｄ）に示すよう
に薄膜トランジスタのソース、ドレイン領域形成のため
イオン注入によりｎ形不純物である燐（Ｐ）を多結晶シ
リコン薄膜に注入する。注入されるイオンに対してはゲ
ート電極がチャネル部のマスクとなり、ソース及びドレ
イン領域のみに自己整合（セルファライン）により不純
物イオンが注入される。この時同時にゲート電極となる
第２の多結晶シリコン４中にも不純物が注入されゲート
電極を低抵抗化する。第３図（ｄ）に示したイオン注入
工程の後、熱処理により導入した不純物の活性化を行い
第３図（ｅ）に示すように眉間絶縁膜５を形成する。最
後に第３図（ｆ）に示すようにソース、ドレイン領域上
の眉間絶縁Ｗ４５を選択的に除去しソース、ドレイン電
極６を形成し薄膜トランジスタが完成する。

上記に関しては例えばＭＯＳトランジスタの動作理論（
近代化学社発行）を参照。

発明が解決しようとする課題 薄膜トランジスタを集積化したアクティブマトリックス
アレイを用いた液晶表示装置においては近年大画面化が
盛んであり基板サイズも大型化している。第３図に示し
た多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法を用いて
大面積アクティブマトリックスアレイを実現するには以
下のような問題点が存在する。

多結晶シリコンを薄膜トランジスタの活性層に用いた場
合には多結晶シリコン薄膜の結晶性がトランジスタ特性
に大きな影響を与えるため良好なトランジスタ特性を得
るには熱処理等による多結晶シリコン薄膜の結晶性の向
上を行う必要がある。

さらに薄膜トランジスタのソース、ドレイン領域形成に
イオン注入を用いるため注入した不純物の活性化の工程
が必要である。イオン注入直後の不純物は電気的に活性
ではなく活性化には１０００度近い高温での熱処理を必
要とするが、半導体薄膜に高温での熱処理を行うと熱処
理以前の工程で導入済みの不純物が拡散し不純物濃度の
分布が変化したり接合の破壊等の問題が生しる。

また大面積化が容易で安価なガラス基板を用いる場合に
は基板の変形を防止するために全工程を通じて熱処理温
度を基板の耐熱温度（歪点）以下に設定する必要がある
。しかしながら比較的低温（６００″Ｃ程度）での熱処
理による結晶′性の改善や不純物の活性化には非常に長
時間を要しスルーブツトが悪い。

さらに大面積基板にイオン注入を行う場合にはイオンビ
ームを大面積に渡り走査させる必要があるため装置構成
が複雑となりかつスループットが低下する。基板材料に
関しても絶縁性基板（例えばガラス基板）を用いた場合
にはイオン照射により基板が帯電する現象（チャージア
ップ現象）が起こり不純物の注入量や深さ方向のプロフ
ァイル等が変動する。そのため電子シャワー等により基
板電位゛を減少させることが不可欠となり装置コス“ト
が増大する。

課題を解決するための手段 透光性基板上に半導体薄膜を形成し、前記半導体薄膜上
に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を選択的に除去する。前
記構成の試料を半導体ｉｉｌ膜に導入する不純物元素（
３族あるいは５族元素）を構成元素として含む雰囲気ガ
ス中に維持し半導体Ｖｉｉｌｌ！を形成した基板面に対
向する基板面側（基板裏面側）よりエネルギービームの
照射を行うことにより半導体薄膜中に不純物元素を導入
しソース、ドレイン領域の作成を行う。

作用 半導体薄膜に導入しようとする不純物を構成元素として
含む雰囲気ガス中に於て半導体薄膜が溶融あるいは半溶
融状態になるような強度のエネルギービームの照射を行
うと、半導体薄膜表面に吸着していた不純物元素や気相
中の不純物元素が半導体薄膜中に取り込まれ活性化し低
抵抗領域が形成される。透光性基板を用いて半導体薄膜
を形成した基板面に対向する基板面側（すなわち基板裏
面側）よりエネルギービームの照射を行うことにより薄
膜トランジスタのチャネル部のアニールによる結晶性の
向上とソース、ドレイン領域への不純物の導入及び活性
化を同時にかつ低温で行うことが可能である。さらにイ
オン注入時に問題となった大面積基板への不純物導入も
容易に行え、装置コストが減少する。またエネルギービ
ームを用いることにより結晶性の向上や不純物の活性化
のための熱処理工程が不要となり作成プロセスの低温化
が図れ安価なガラス基板上に移動度の大きな多結晶シリ
コン薄膜トランジスタの作成が可能となる。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を基に説明する。

第１図は本発明の薄膜トランジスタの製造方法の一例で
ある。

まず第１図（ａ）に示すように透光性基板（ガラス基板
〕　１上に減圧気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）により多結
晶シリコン薄膜２を形成する。第１ｒｇＪ（ｂ）に示す
ように多結晶シリコン薄膜を島状にエンチングした後、
ゲート絶縁膜となる絶縁膜３及びゲート電極となる第２
の多結晶シリコン薄１１１４を形成する。つぎに第１図
（Ｃ）に示すようにゲート電極の形状に第２の多結晶シ
リコン薄膜４とゲート絶縁膜３をエンチングする。第１
図（Ｃ）の形状に加工した試料を第１図（ｄ）に示すよ
うに、半導体薄膜に導入する不純物（第１図では燐）を
構成元素として含む雰囲気ガス中（第１図ではＰＨ３雰
囲気ガス中）において保持し、珪素を含む半導体薄膜を
形成した基板面に対向する基板面側（すなわち基板裏面
側）よりエネルギービームの照射を行う。

前記のエネルギービーム照射時の雰囲気とはＰＨ３を少
なくとも含むガスのことを指している。

本実施例ではエネルギービームとして波長３０８ｎｍの
ＸｅＣ，１エキシマレーザ−を用いている。

パルスレーザ−は加熱時間（レーザー光のパルス幅）が
短いため下地に対する熱的な影響はほとんど問題となら
ない。第１図（ｄ）に示すようにＰを構成元素として含
む雰囲気ガス中において薄膜トランジスタに適切な強度
のレーザー照射を行うことによりソース、ドレイン領域
の多結晶シリコン薄膜２の部分が溶融あるいは半溶融状
態となり雰囲気ガス中に含まれるＰ元素が多結晶シリコ
ン薄膜２中へ取り込まれ不純物ドープ領域２′が形成さ
れる。ついで第１図（ｅ）に示すように眉間絶縁膜５を
形成する。最後に第１図（ｆ）に示すようにソース。

ドレイン領域上の絶縁ＷＩ！５を選択的に除去しソース
、ドレイン電極６を形成する。

第２図は本発明の他の実施例の一例を示す。

まず第２図（ａ）に示すように透光性基板（石英基板）
１上に減圧気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）あるいはプラズ
マ気相成長法（ＰＥＣＶＤ法）により非晶質シリコンＶ
ｓｌ！！２Ａを形成する。第２図（ｂ）に示すように非
晶質シリコン′ｙｉ＃２Ａを島状にエツチングした後、
ゲート絶縁膜となる絶＆を膜３及びゲート電極となるＣ
ｒ薄膜４を形成する。次に第２図（Ｃ）に示すようにゲ
ート電極の形状にＣｒｆｉｌ膜４とゲート絶縁１！１３
をエツチングする。第２図（Ｃ）の形状に加工した試料
を第２図（ｄｌに示すように、半導体薄膜に導入する不
純物（第２図では燐）を構成元素として含む雰囲気ガス
中（第２図ではＰＨ３雰囲気ガス中）において保持し、
珪素を含む半導体薄膜２を形成した基板面に対向する基
板面側（すなわち基板裏面側）よりエネルギービームの
照射を行う。本実施例では工１ルギービームとして波長
３０８ｎｍのＸｅＣ１Ｖ、エキシマレーザ−を用いてい
る。適切な強度のレーザー光を用いることにより非晶質
半導体薄膜２Ａは溶融あるいは半溶融状態となり結晶化
する。非晶質半導体薄膜２Ａが結晶化すると同時にＦｉ
ＪｐＸトランジスタのソース、ドレイン領域の非晶質半
導体薄膜上に吸着していた不純物が溶融、活性化し不純
物ドープ領域２′が作成される。ついで第２図（ｅ）に
示すように層間絶縁膜５を形成する。最後に第２図げ）
に示すようにソース、　ドレイン頭載上の絶縁膜５を選
択的に除去しソース、ドレイン電極６を形成する。

上記第１図及び第２図に示したように本発明の製造方法
を用いて″１ｉｉｌＩＩトランジスタを作成するこ′と
により、従来イオン注入を用いていた薄膜トランジスタ
のソース、ドレイン領域の形成を不純物元素を含む雰囲
気ガス中でのエネルギービームの照射により代用でき製
造工程の簡略化が可能となると同時に大面積基板への対
応も可能となった。

さらに不純物の活性化のための高温熱処理工程が不要と
なりプロセスの低温化が図れ安価で大面積化が容易なガ
ラス基板が使用可能になり製造コストが低減した。

また半導体薄膜の結晶性の向上と不純物の導入を同一工
程で行うことができ、製造プロセスの簡略化と低温化が
図れた。

なお、エネルギービームとして波長の異なる各種レーザ
ーや電子ビームあるいは赤外線等を用いてもよい。

また、本実施例ではシリコン中でｎ形となる不純物元素
として燐（Ｐ）を含む雰囲気を用いたが他の不純物元素
としてヒ素（Ａｓ）を含む雰囲気を用いてもよい、さら
に、ｐチャネルの薄膜トランジスタを実現するためには
シリコン中でｐ形となる不純物元素（例えばホウ素＝８
）を含む雰囲気を用いればよい。

また、本実施例に示した多結晶シリコン薄膜２は減圧気
相成長法により形成した物であるが他の製造方法、例え
ば非晶質薄膜を面相成長し多結晶化させた物や多結晶薄
膜に不純物ドーピングを行った物を用いてもよい。

なお、第２図の実施例で示したゲート電極はエネルギー
ビームにより加熱されるため高融点金属を用いることが
望ましい。

発明の効果 上記のように本発明の製造方法を用いることにより、半
導体薄膜中への不純物の導入が低温で可能となった０本
発明の製造方法を用いることにより高価なイオン注入装
置は不要となり、イオン注入に伴う課題（低スルーブツ
トや絶縁性基板時のチャージアンプ現象）も解決され大
面積基板への不純物ドーピングが可能となった。さらに
結晶性の向上や不純物の活性化のための高温での熱処理
工程が不要となったことにより作成プロセスが低温化で
き安価で大面積化が容易なガラス基板の使用が可能にな
り、かつ薄膜トランジスタの製造工程も簡略化できたた
めコストが減少した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である薄膜トランジスタの製
造方法の工程図、第２図は他の実施例の工程図、第３図
は従来の薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図であ
る。 ｌ・・・・・・透光性基板（ガラス基板）、２・・・・
・・多結晶シリコンＦｉｔ膜、２Ａ・・・・・・非晶質
シリコンＦＲ膜、２′・・・・・・不純物ドープ領域、
３・・・・・・ゲート絶縁膜、４・・・・・・多結晶シ
リコン薄膜、５・・・・・・層間絶縁膜、６・・・・・
・ソース、ドレイン電極。 代理人の氏名　弁理士小鍜治明　ほか２名ＱＪ　　　　
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ー　ト　ａ　ロ　−−埴 り ０　　　　　　　　　　　ｊコ　　　　　　　　　　　
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Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）透光性基板を用い、前記透光性基板上に半導体薄
   膜を形成する工程と、前記半導体薄膜上に絶縁膜を形成
   する工程と、前記絶縁膜を部分的に除去する工程と、こ
   の後前記半導体薄膜を形成した基板を３族元素あるいは
   ５族元素を含む雰囲気ガス中に維持し半導体薄膜を形成
   した基板面に対向する基板面側よりエネルギービームの
   照射を行う工程とから少なくとも成る薄膜トランジスタ
   の製造方法。
2. （２）請求項（１）記載の薄膜トランジスタの製造方法
   において、半導体薄膜として珪素を含む半導体薄膜を用
   いることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
3. （３）請求項（１）または請求項（２）記載の薄膜トラ
   ンジスタの製造方法において、エネルギービーム照射時
   の雰囲気として３族元素であるボロン（Ｂ）を構成元素
   として含む雰囲気ガスを用いることを特徴とする薄膜ト
   ランジスタの製造方法。
4. （４）請求項（１）または請求項（２）記載の薄膜トラ
   ンジスタの製造方法において、エネルギービーム照射時
   の雰囲気として５族元素である燐（Ｐ）あるいはヒ素（
   Ａｓ）を構成元素として含む雰囲気ガスを用いることを
   特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
5. （５）請求項（１）から請求項（４）に記載の薄膜トラ
   ンジスタの製造方法において、エネルギービームとして
   レーザー光を用いることを特徴とする薄膜トランジスタ
   の製造方法。