JPH0437144A - 薄膜トランジスタの作製方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの作製方法

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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ｊ 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）の製造方法に関スルモのであ
り、特に液晶デイスプレー、イメージセンサ−等に適用
可能な高倍転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５００°Ｃ程度と低温で形成でき、安価な
ソーダガラス１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。
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、ＩＣ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。
（２０）はガラスよりなる絶縁性基板であり、（２１）
は非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、（２２）　、　
（２３）はソース、ドレイン領域で、（２４）　、　（
２５）はソース。
ドレイン電極、（２６）はゲート絶縁膜で（２７）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（
２７）に電圧を加えることにより、ソース。
ドレイン（２２）　、　（２３）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２Ｖ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
．１〜１（ｃｍｔ／Ｖ−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１０μ−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、Ｔ
ＰＴのチャネル長を短くする手段として現在のところ有
効な手段は確立されていない。
一方、半導体層自身の持つ移動度（μ）を大きくする方
法としては、ＴＰＴに使用する半導体層として単結晶半
導体または多結晶半導体を採用したり、ＴＰＴの活性層
部分を単結晶半導体または多結晶半導体とすることが行
われている。
前者の方法では、半導体層を形成する際の温度を高くす
る必要がある。一方、後者の方法は部分的に温度を高く
してＴＰＴの活性層部分を単結晶半導体または多結晶半
導体とするものであるが、いずれの方法においても若干
高い温度が必要である。
また、薄膜トランジスタにおいては、チャネル部分を流
れる電流量が薄膜トランジスタを構成しているソース、
ドレイン領域に使用する材料に左右される。そのため、
ソース、ドレイン領域の材料を多結晶化させたり、ソー
ス、ドレイン領域とチャネル部分との電気的接続を良好
にするための処理を行なう必要がある。
例えば ■ソース、ドレイン領域に多結晶ポリシリコンを形成す
るためには、ＣＶＤ法で膜形成し、その際５００℃以上
の温度が必要となる。
■ソース、ドレイン領域とチャネル部分との電気的接続
を良好とするために、ソース、ドレイン領域の半導体層
を形成後ソース、ドレイン領域にＮまたはＰ型の不純物
をイオン注入した後、活性化のために５００°Ｃ〜８０
０°Ｃの温度範囲で熱処理をする必要がある。
このように、良好な薄膜トランジスタを作製するために
は、高い熱処理工程が必要であり、完全な低温プロセス
で薄膜トランジスタを作製することは困難であった。
さらにまたソース、ドレイン領域とチャネル部分との電
気的接続を良好にするために使用されるイオン注入技術
は、大面積にわたって、均一性よく不純物をドーピング
することは極めて困難であり、今後大型の液晶デイスプ
レー等に発展する際に大きな障害となる。
「発明の目的ｊ 本発明は、低温プロセスで薄膜トランジスタを作製する
方法を提供するものであります。
ｒ発明の構成１ 本発明は、前述のような問題点を解決するものであり、
低温プロセスで薄膜トランジスタを作製するものであり
ます。
本発明構成は、薄膜トランジスタを作製する際に、チャ
ネル部分の結晶化のためにエキシマレーザ光を照射する
工程と、ソース、ドレイン領域に別工程でエキシマレー
ザ光を照射して電気的特性を改善する工程を有するもの
であります。
この２ステツプのレーザアニール工程により、従来必要
であった高温の熱処理の必要のない低温プロセスにより
、薄膜トランジスタを提供するものであります。
以下に実施例を示し本発明を説明します。
ｒ実施例１１ この実施例１に対応するプレーナ型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、ガラス基板（１）としてソーダガラスを用い、二
のソーダガラス（１）上全面に公知のスパッタリング法
により下地保護膜として酸化珪素（２）を３００ｎｓ＋
の厚さに以下の条件で形成した。
スパッタガス 反応圧力 ＲＰパワー 基板温度 成膜速度 酸素１００χ ０．５Ｐａ ４０〇− １５０℃ ５ｎｍ／ｅｅｉｎ 次にこれらの上に！型の非単結晶珪素半導体膜（３）を
公知のスパッタリング法で約１０ｏｎ−の厚さに形成し
た。その作成したその作製条件を以下に示す。
基板温度 反応圧力 Ｒｆパワー（１３，５６ＭＨ，） １００℃ ０．５Ｐａ ００Ｗ その後所定のエツチング処理を行い第１図（Ａ）に示す
状態を得た。
この後この活性層を多結晶化する為にエキシマレーザ−
を使用して、この活性層に対してレーザーアニール処理
を施した。
その条件を以下に示す。
レーザエネルギー密度　　　２００ｍＪ／ｃｄ照射ショ
ット数　　　　　　５０回 二の上に低抵抗非単結晶半導体層としてＮ型の導電型を
有する非単結晶珪素膜（４）を形成する。この時の作成
条件は以下のとおりであった。
基板温度　　　　　　　３００℃ 反応圧力　　　　　　　０．０５ＴｏｒｒＲｆパワー（
１３，５６ＭＨ，）　　　２００　Ｗ使用ガス　　　　
　　　ＳｉＨ４＋ＰＲ＊　＋Ｈｔ膜厚　　　　　　　　
　５０ｎ園 このＮ型の非単結晶珪素膜（４）は、その形成時にＨｚ
ガスを多量に導入しＲｆパワーを高くして、微結晶化さ
せて電気抵抗を下げたものを使用してもよい。
次に公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、この非
単結晶珪素膜（４）をソース、ドレイン領域（４）を残
しチャネル形成領域（７）をパターニングし、第１図（
Ｂ）に示す状態を得た。
次にエキシマレーザ光を照射して、このソース。
ドレイン領域のＮ型の非単結晶半導体（４）の活性化を
行った。
この時の条件を以下に示す。
レーザエネルギ　　　１００ｓＪ／ｃｊ照射回数　　　
　　　　　５０回 この後、チャネル形成領域（７）の活性化の為水素プラ
ズマ処理を下記の条件で行いチャネル領域の活性化を行
った。
基板温度　　　　　　２５０°Ｃ ＲＦパワー　　　　　　１００Ｗ 処理時間　　　　　　６０分 この後、先の下地保護膜（２）と同じ材料でかつ同じ形
成方法にてゲート酸化膜（５）を１１００ｎの厚みに形
成後ソース、ドレイン領域のコンタクトホールを公知の
エツチング法により形成し、その上にアルミニウム電極
（６）を形成して、第１図（Ｃ）の状態を得薄膜トラン
ジスタを完成した。
Ｎ型非単結晶半導体層（４）は、照射するエキシマレー
ザ光のパワー密度に対応して、その導電率が変化する。
その結果を第３図に示します。
第３図において、導電率はエネルギー密度にともなって
、増加してゆくが１５０ｍＪ／ｃｍ”をピークとして以
後は導電率は下がっている。これはレーザ光のエネルギ
ー密度が増すに従い、Ｎ型半導体層（４）が飛んで行き
、膜（４）が薄くなってゆくためである。
このため、照射するエネルギーは１５０ｍＪ／ｃｍ”以
下とする必要があった。好ましくは、１００ｍＪ／ｃｍ
”〜１５０■Ｊ／ｃｖａ”の範囲のレーザエネルギー照
射であれば、８０〜２００５／ｃｍの導電率が得られる
。
又、Ｎ型の半導体層（４）の活性化の際に照射するレー
ザ光により、その下に存在するＩ型の半導体層（３）に
損傷を与えてその電気的特性が変化する。
具体的には、ＴＰＴ素子においてゲート電圧をゼロ■に
した時、ソース、ドレイン間の抵抗値が変化し、ＯＦＦ
電流が増す。
その様子と照射するレーザ光エネルギーとの関係を第４
図に示す。
第４図において、たて軸はソース、ドレイン間に流れる
電流値、よこ軸はソース、ドレイン間に加える電圧値を
示し、（４０）　、　（４１）　、　（４２）　、　（
４３）の曲線はそれぞれレーザ光照射なしの場合、レー
ザ光の照射エネルギーが１００ＲＩＪ、　１５０１１Ｊ
、　２００１１Ｊの場合に相当する。
この図よりソース、ドレイン間の活性化の為に照射する
レーザ光のエネルギーが１５０ｍＪ／ｃｍ！以下であれ
ば、下の１型の半導体層（３）に損傷を与えないことが
判明した。
また、■型の半導体層（３）の多結晶化工程とソース、
ドレイン領域の活性化工程とを同一のレーザ照射工程で
行なうことが考えられるが、結晶化に適したレーザエネ
ルギー密度と活性化に適したし一ザエネルギー密度とは
条件が異なる。その為、結晶化条件でエネルギーを設定
して、レーザ光を照射すると前述の如くＮ型半導体層が
飛んで行き、なくなってしまう、又、活性化条件に合わ
せてレーザ光照射するとＩ型半導体層（３）の結晶化が
できなくなる。そのため、別のレーザ光照射工程で作製
を行なうことが重要となる。
本実施例の場合、Ｎ型半導体層（４）の活性化の後にゲ
ート絶縁膜（５）の形成を行ったが、この順序は逆とし
てもよい。すなわちゲート絶縁膜（５）形成後に所定の
パターンにエツチングを施し、その上でソース、ドレイ
ン領域の活性化を行ってもよい。
この場合、下地のＩ型半導体（３）上にはゲート絶縁Ｍ
（５）が存在するのでレーザ光照射による損傷の程度が
少なく、よりよい電気的特性を得ることができた。
ｒ効果」 本発明構成を採用することにより、低温プロセスにて高
電気伝導率を持つソース、ドレイン領域を作成でき、寄
生抵抗の影響が抑えられ、高性能。
高信鯨性を持つ薄膜トランジスタを実現できた。
又、エキシマレーザでのアニール処理の為、表面層のみ
を加熱でき、基板への熱損傷がなく高密度の多層デバイ
ス構造を実現することが可能となった。
さらに、高温の熱処理工程が存在しないので、基板中に
存在する不純物の活性層への侵入が抑制され、電気特性
の長期安定性の良い薄膜トランジスタを実現することが
できた。
本実施例の場合、ソース、ドレイン電極（６）の下には
ゲート絶縁膜（５）、下地保護膜（２）が存在する。
これらは同じ材料、同じ形成方法により形成されている
ので薄膜トランジスタ作製工程における熱処理又は薄膜
トランジスタ動作時の発熱によって発生するこれら膜の
熱膨張に差がなく、その上部に存在するアルミニウム等
の金属電極の断線又はビーリングを起こさず長期の信軌
性に優れたものとなった。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）〜（Ｃ）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。 第３図はＮ型層の導電率とレーザパワー密度の関係を示
す。 第４図は、１Ｉｌ−Ｖゎ特性のレーザパワー依存性を示
す。 基板 下地保護膜 活性層 ソース、ドレイン領域 ゲート絶縁膜 ゲート並びにソース、ドレイン電極 チャネル形成領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、絶縁表面を有する基板上に薄膜トランジスタを作製
    する方法であって、エキシマレーザ光を照射によりチャ
    ネル部分の半導体層を結晶化させる工程と前記エキシマ
    レーザ光照射とは別の工程であって、エキシマレーザ光
    をソース、ドレイン領域に照射し、電気的特性を改善す
    る工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタ作
    製方法。
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