JPH0458564A - 薄膜半導体装置の製造方法 - 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、薄膜半導体装置の製造方法に関わり、特にト
ラップ密度の少ない多結晶シリコン薄膜半導体装置の製
造方法に関する。

［従来の技術］ 非晶質シリコン薄膜あるいは多結晶シリコン薄膜等のよ
うな非単結晶半導体薄膜には、ダングリングボンドが多
数存在する。たとえば、多結晶シリコン薄膜に関しては
、結晶粒界に存在するダングリングボンド等の欠陥が、
キャリアに対するトラップ準位となりキャリアの伝導に
対して障壁として働く。　（Ｊ、　　Ｙ、　　Ｗ、　　
５ｅｔｏ、　　Ｊ、　　Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、４６．
ｐ５２４７　（１９７５））多結晶シリコン薄膜トラン
ジスタのＯＮ電流■。。は次式で表される。

工、。ｃｃ　　１−ｅＸｐ　（−Ａ−Ｎｔ２　／ｋＴ）
ここで１は結晶粒径、Ｎｔは結晶粒界に存在するＴｒａ
ｐ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ａは比例定数
を表している。　（Ｊ、Ｌｅｖｉｎｓｏｎ、Ｊ、Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、５３（２）、ｐ１１９３、　　（１９８
２））。前記水素を添加して欠陥を低減させると言うこ
とは、　（１）式においてＮｔを小さくすることである
。従って、多結晶シ１ノコン薄膜トランジスタの性能を
向上させる為には、前記欠陥を低減させる必要がある。

（Ｊ。

Ａｐｌ）１．Ｐｈｙｓ、、５３　（２）、ｐＨ９３（１
９８２））。

［発明が解決しようとする課題］ この目的の為に水素による前記欠陥の終端化が行われて
おり、その主な方法として、水素プラズマ処理法、水素
イオン注入法、あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡
散法等が知られている。水素イオン注入法においては、
イオン注入装置と言う高価な装置を必要とする欠点を有
しており、プラズマ窒化膜からの水素の拡散法において
は、必要としない窒化膜が成膜されると言う欠点を有す
る。また、水素プラズマ処理法（Ｔ、１．　　Ｋａｍｉ
ｎｓ、ＩＥＥＥ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ
　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、ＥＤＬ−１，Ｎｏ、　　
８．　　ｐ　１５９．　　（１９８０）　）は、プラズ
マダメージによりトランジスター特性のシフトという問
題が存在する。

本発明は、簡単な方法でかつプラズマダメージ等のプロ
セス上の問題点を解決しより量産性に富んだ水素化方法
を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、　（１）非単結
晶半導体薄膜とゲート絶縁膜とゲート電極を有する薄膜
半導体装置の製造方法において、絶縁基板上に非単結晶
半導体薄膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜を形成する
工程と、該ゲート絶縁膜上に水素化非晶質シリコン薄膜
を成膜し、続いて水素の拡散係数が二酸化珪素よりも低
い膜を成膜する工程と、３００℃〜６００８Ｃの温度範
囲で熱処理することにより前記非単結晶半導体薄膜を水
素化するとともに前記水素化非晶質シリコン薄膜を固相
成長させる工程と、前記水素の拡散係数が二酸化珪素よ
りも低い膜と、前記水素化非晶質シリコン薄膜を同時に
パターニングして二層ゲート電極とする工程を少なくと
も含むことを特徴とする。

さらに、　（２）　前記水素化非晶質シリコン薄膜は、
不純物としてリンあるいはボロンを含むことを特徴とす
る。

さらに、　（３）　前記水素の拡散係数が二酸化珪素よ
りも低い膜はクロムあるいはアルミニウム等の金属であ
ることを特徴とする。

さらに、　（４）　前記二層ゲート電極をマスクとして
自己整合的にソース部及びドレイン部を形成することを
特徴とする。

［実施例コ 第１図（ａ）に於て、１−１は非晶質絶縁基板である。

石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。ＳｉＯ
２で覆われたＳｉ基板を用いることもある。石英基板あ
るいはＳｉＯ２で覆われたＳｉ基板を用いる場合は１２
００℃の高温プロセスにも耐えることができるが、ガラ
ス基板を用いる場合は軟化温度が低いために約６００℃
以下の低温プロセスに制限される。また、ガラス基板は
、酸化膜あるいは窒化膜でコーティングして基板からの
不純物のじみだしを防止して用いられることもある。は
じめに非晶質絶縁基板１−１上にａ−３ｉ膜１−２を堆
積させる。該ａ−３ｉ膜１−２は一様で、微小な結晶子
は含まれておらず結晶成長の核が全く存在しないことが
望ましい。堆積方法としてはＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
　Ｂｅａｍ）蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法や光ＣＶＤ
法やプラズマＣＶＤ法がある。プラズマＣＶＤ法は、光
起電力素子や、フォトダイオードや、感光ドラムなどを
作製する場合によく用いられる方法である。

ａ−３ｉ：Ｈ膜を堆積させるには、シランガス（ＳｉＨ
ａ）をヘリウムガス（Ｈ６）あるいは水素ガス（Ｈ２）
で適した濃度に希釈し、高周波電圧を印加して、分解堆
積させる。プラズマＣＶＤ法の場合は、基板温度が５０
０℃以下でも成膜できる。

前記シランガスの代わりにジシランガスあるいはトリシ
ランガスを用いると、さらに低い基板温度でも成膜する
ことが可能となる。また、デボ直前に水素プラズマある
いはアルゴンプラズマ処理を行えば、基板表面の清浄化
と成膜を連続的に行うことができる。その後、４００℃
〜５００℃のアニールを行い非晶質シリコン薄膜から水
素を放出させる。

次に、前記シリコン薄Ｊ［１１−２を固相成長させる。

同相成長方法は、石英管による炉アニールが便利である
。アニール雰囲気としては、窒素ガス、水素ガス、アル
ゴンガス、ヘリウムガスなどを用いる。ｌＸｌ０−６か
らＩ　Ｘ　１０−”Ｔｏ　ｒｒの高真空雰囲気でアニー
ルを行ってもよい。固相成長アニール温度は５００℃〜
７００℃とする。この様な低温アニールでは選択的に、
結晶成長の活性化エネルギーの小さな結晶方位を持つ結
晶粒のみが成長し、しかもゆっくりと大きく成長する。

第１図（ｂ）において、１−３は固相成長したシリコン
薄膜を示している。

なお、シリコン１ｇ１−２の成膜と固相成長は真空を破
らずに連続で行なってもかまわない。

また、シリコン薄Ｍ１−２は減圧ＣＶＤ法やＭＢＥ法な
どで成膜されたｐｏｌｙ−５ｉｆｉであってもかまわな
い。

次に前記固相成長したシリコン薄１！Ａ１−３をフォト
リソグラフィ法によりパターニングして第１図（Ｃ）に
示すように島状にする。

次に第１図（ｄ）に示されているように、ゲート酸化膜
１−４を形成する。該ゲート酸化膜の形成方法としては
ＬＰＣＶＤ法、あるいは光励起ＣＶＤ法、あるいはプラ
ズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、あるいは高真
空蒸着法、あるいはプラズマ酸化法、あるいは高圧酸化
法などのような５００℃以下の低温方法がある。該低温
方法で成膜されたゲート酸化膜は、熱処理することによ
ってより緻密で界面準位の少ない優れた膜となる。

非晶質絶縁基板１−１として石英基板を用いる場合は、
熱酸化法によることができる。該熱酸化法にはｄｒｙｇ
化法とｗｅｔ酸化法とがあるが、酸化温度は１０００℃
以上と高いが膜質が優れていることからｄｒｙ酸化法の
方が適している。なお、第１図（ｄ）は、熱酸化法によ
ってゲート酸化膜を形成した場合の実施例について説明
している。

次に、第１図（ｅ）に示されるように、プラズマＣＶＤ
装置を用い、フォスフインガス（Ｐ　Ｈ３）とシランガ
スあるいはジボランガス（Ｂ２Ｈ６）とシランガスとの
混合ガスをグロー放電分解することによってｐ型あるい
はｐ型の水素化非晶質シリコン薄膜１−５を成膜する。

前記シランガスの代わりにジシランガス（Ｓｉ２Ｈｅ）
あるいはトリシランガス（Ｓｉ３Ｈｇ）を用いてもよい
。また前記混合ガスを水素ガスによって希釈してもよい
。膜厚は２０００人〜５０００人が適している。成膜時
の前記ガスの流量比を変えることにより、前記水素化非
晶質シリコンＷｌｉ腹１−５に含まれるリンやボロン等
の不純物量や水素量を制御することが出来る。前記不純
物は１〜１０ａｔｏｍｉｃ％程度、水素は１〜２０ａｔ
ＯｍｉＣ％程度含んだ水素化非晶質シリコン薄膜を成膜
する。

続いて、水素の拡散係数が二酸化珪素に置ける水素の拡
散係数よりも小さい材質のキャップ！１１−６を成膜す
る。材料としては、クロムやアルミニウム等の金属層を
用いる。クロムやアルミニウム等の金属層はＥＢ蒸着法
やスパッタ法等の方法で成膜するのが簡単である。膜厚
はおよそ１０００Å以上あればよい。

次に、Ｎ２ガス雰囲気中において３００℃〜６００℃の
温度でアニールする。水素化非晶質シリコン薄膜は熱処
理温度に対して３個の明確な水素脱離ピークを有してお
り、その低温側のピークは３００℃〜４５０℃に存在し
ていることが知られている。前記の温度で熱処理を行な
うと不純物添加水素化非晶質シリコン薄膜１−５から水
素が脱離すると同時に固相成長し、１−５は不純物添加
固相成長シリコン腹となる。水素が放出されるが、二酸
化珪素膜（ＳｉＯ２）で構成されたゲート酸化膜１−４
に比べて前記キャップ膜１−６における水素の拡散係数
は小さいので、脱離した水素はゲート酸化！！１−４を
透過してシリコンｆｌｌ！１−３の中に拡散する。模式
図を第２図に示す。２−１は絶縁基板、２−２はシリコ
ン薄膜、２−３はゲート酸化膜、２−４は不純物添加水
素化非晶質シリコン薄膜、２−５は水素の拡散係数が二
酸化珪素よりも小さい膜で形成されたキャップ膜である
。

図中に黒丸で水素イオンを表した。矢印はアニル中の水
素イオンの動きを示している。

従って、第１図においてシリコン薄１ｉ　１−３　ｉ：
存在するダングリングボンドや界面準位に水素が結合し
、トラップ密度が減少する。その結果、　（１）式に示
されるとおり、■。。が増大し、ＴＰＴ特性が改善され
る。

次に、第１図（ｇ）に示すように、同一のフォト工程に
より、前記キャップ膜１−６および不純物添加固相成長
シリコン薄膜１−５をパターニングして二層ゲート電極
１−７を形成する。キャップ膜を構成しているクロムや
アルミニュウム等の金属膜はリン酸と硝酸と酢酸の混合
液等をもちいてエツチングする。不純物添加シリコン薄
膜はフレオンプラズマ等の方法でエツチングする。

次に第１図（ｈ）に示すように、前記二層ゲート電極１
−７をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的
にソース領域１−８およびドレイン領域】−９を形成す
る。前記不純物としては、ＮＣｈトランジスタを作製す
る場合はＰｏあるいはＡｓ”を用い、Ｐｃｈ　トランジ
スタを作製する場合はＢ゛等を用いる。その後、基板の
素子側からランプあるいは赤外線ランプを照射して前記
不純物を活性化させる。前記二層ゲート電極がランプの
の光エネルギーを吸収するのでシリコン薄膜１−３は加
熱されない。不純物添加方法としては、イオン注入法の
他に、レーザードーピング法あるいはプラズマドーピン
グ法などの方法がある。これらの方法ではドーピングさ
れたときに不純物は活性化されている。１−１０で示さ
れる矢印は不純物のイオンビームを表している。不純物
濃度は、ｌＸｌ０１５からＩ　Ｘ　１０”ｃｍ−３程度
とする。

続いて第１図（ｉ）に示されるように、層間絶縁ｎ１ｌ
−１１を積層する。該眉間絶縁膜材料としては、酸化膜
あるいは窒化膜などを用いる。絶縁性が良好ならば膜厚
はいくらでもよいが、数千人から数μｍ程度が普通であ
る。窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいは
プラズマＣＶＤ法などが簡単である。反応には、アンモ
ニアガス（Ｎ　Ｈ３）とシランガスと窒素ガスとの混合
ガス、あるいはシランガスと窒素ガスとの混合ガスなど
を用いる。

次に第１図（ｊ）に示すように、前記層間＃ｌ！！縁膜
及びゲート絶縁膜にコンタクトボールを形成し、コンタ
クト電極を形成しソース電極１−１２およびドレイン電
極１−１３とする。該ソース電極及びドレイン電極は、
アルミニュウムなどの金属材料で形成する。この様にし
て薄膜トランジスタが形成される。

［発明の効果］ 従来の水素プラズマ方法では、高周波電界により励起さ
れた水素イオンに起因したゲート酸化膜のチャージアッ
プと基板加熱とによるダメージが生じＴＰＴ特性がシフ
トして著しく劣化するという問題点があった。

本発明は、この様な水素プラズマ処理にともなうダメー
ジを解決し、より簡単な方法で多結晶シリコンに対する
水素化の効果を実現するものである。

ＴＰＴ製造工程において、ゲート酸化層成ｊＪＨ＆リン
あるいはボロンを添加した水素化非晶質シリコンＦｉ１
ｍを成膜しその上に、金属膜等の水素の拡散係数が二酸
化珪素よりも小さい腹を積層し、３００℃〜６００℃の
温度でアニールするので前記水素化非晶質シリコン薄膜
から水素が離脱する。

そして、水素は金属膜中には拡散せずに、ゲート酸化膜
を透過して多結晶シリコン薄膜中に拡散し、グレインバ
ンダリーのダングリングボンド等を経端化させて水素プ
ラズマと同等の効果を実現する。

また、水素プラズマ法のような、高周波電界と熱処理を
同時に行なうこともないのでダメージが全く生じない。

いっぽう、前記水素化非晶質シリコン薄膜は４００℃〜
６００℃の温度でアニールされているので固相成長して
いる。さらに、不純物を含んでいるためより大きな結晶
粒径に成長しており、比抵抗率も非常に小さくなってい
る。さらに、水素放出の時のクロムやアルミニウム等の
金属で形成されたキャップ膜を積層した二層構造のゲー
ト電極を採用しているため非常に低抵抗なゲート配線が
実現される。従って、アクティブマトリックス基板に本
発明を応用すると、ゲート線の配線抵抗の低減に大きな
効果がある。

あらためてゲート電極の材料となる膜を成膜する必要が
無いので工程の簡略化にも効果がある。

以上述べたように、本発明により、非常に簡単な方法で
低抵抗なゲート電極と多結晶シリコン薄膜に対する水素
化の効果を実現することができるようになった。

本発明によって’ｉ！ＩＮトランジスタを作成すると、
優れた特性が得られる。従来に比べて、薄膜トランジス
タのＯＮ電流は増大しＯＦＦ電流は小さくなる。またス
レッシュホルド電圧もノＪｓさくなりトランジスタ特性
が大きく改善される。

非晶質絶縁基板上に優れた特性の１７１Ｍトランジスタ
を作製することが可能となるので、ドライバー回路を同
一基板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用し
た場合にも十分な高速動作が実現される。ゲート配線抵
抗もきわめて小さくなるので基板の大面積化にも大きな
効果が期待される。

さらに、電源電圧の低減、消費電流の低鉱　信頼性の向
上に対して大きな効果がある。また、６００℃以下の低
温プロセスによる作製も可能なので、アクティブマトリ
クス基板の低価格化及び大面積化に対してもその効果は
大きい。

本発明を、光電変換素子とその走査回路を同一チップ内
に集積し力密着型イメージセンサ−に応用した場合には
、読み取り速度の高速化、高解像度化、さらに階調をと
る場合に非常に大きな効果をうみだす。高解像度化が達
成されるとカラー読み取り用密着型イメージセンサ−へ
の応用も容易となる。もちろん電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい。

また低温プロセスによって作製することができるので、
密着型イメージセンサ−チップの長尺化が可能となり、
−本のチップでＡ４サイズあるいはＡ３サイズの様な大
型ファクシミリ用の読み取り装置を実現できる。従って
、センサーチップの二本継ぎのような手数がかかり信頼
性の悪い技術を回避することができ、実装歩留りも向上
される。

この他、高精細液晶テレビあるいは駆動回路を同一基板
上に集積したサーマルヘッドへの応用も可能となる。

石英基板やガラス基板は、二酸化珪素膜あるいは窒化膜
でコーティングして用いてもよい。

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａ　１２０３　）あるいはＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３゜ＢＰ、
ＣａＦ２等の結晶性絶縁基板も用いることができる。

以上実施例では薄膜トランジスタを例として説明したが
、通常のＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ
あるいはへテロ接合バイポーラトランジスタなど薄膜を
利用した素子に対しても、本発明を応用することができ
る。また、三次元デバイスのようなＳＯＩ技術を利用し
た素子に対しても、本発明を応用することができる。

なお実施例では、非晶質半導体薄膜の形成方法としてプ
ラズマＣＶＤ装置を用いた場合について説明したが、Ｅ
Ｂ蒸着法やスパッタ法や減圧ＣｖＤ法等他の方法を用い
ることもできる。また、固相成長やゲート酸化を同一チ
ェンバー内で行うとして説明したが、基板を大気に取り
出さなければ別のチェンバーを用いても問題はない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｊ）は、本発明の実施例を示す工程
断面図である。 第２図は、アニールによる不純物添加非晶質シリコン薄
膜中の水素イオンの動きを示す断面図である。 １−１　；　絶縁基板 １−３　；　　シリコン薄膜 １−４　；　ゲート酸化膜 １−５　；　　不純物添加非晶質シリコン薄膜 ７キ ヤツプ 二層ゲート電極 票１図 （ａ） 第１図 （ｂ） 第１図 （ｄ） ７１４１図 （・） １１図 （ｆ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）非単結晶半導体薄膜とゲート絶縁膜とゲート電極
   を有する薄膜半導体装置の製造方法において、絶縁基板
   上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、ゲート絶縁
   膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に水素化非晶質
   シリコン薄膜を成膜し、続いて水素の拡散係数が二酸化
   珪素よりも低い膜を成膜する工程と、３００℃〜６００
   ℃の温度範囲で熱処理することにより前記非単結晶半導
   体薄膜を水素化するとともに前記水素化非晶質シリコン
   薄膜を固相成長させる工程と、前記水素の拡散係数が二
   酸化珪素よりも低い膜と、前記水素化非晶質シリコン薄
   膜をパターニングして二層ゲート電極とする工程を少な
   くとも含むことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法
   。
2. （２）前記水素化非晶質シリコン薄膜は、不純物として
   リンあるいはボロンを含むことを特徴とする請求項１記
   載の薄膜半導体装置の製造方法。
3. （３）前記水素の拡散係数が二酸化珪素よりも低い膜は
   クロムあるいはアルミニウム等の金属であることを特徴
   とする請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。
4. （４）前記二層ゲート電極をマスクとして自己整合的に
   ソース部及びドレイン部を形成することを特徴とする請
   求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法。