JPH0485969A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、多結晶半導体を用いた薄膜トランジスタの作
製法に関するものである。

〔従来の技術〕

気相化学反応法あるいはスパッタ法によって得られたア
モルファスシリコン半導体を熱再結晶化させることによ
って多結晶半導体を得る技術が知られている。

〔従来技術の問題点〕

気相化学反応法あるいはスパッタ法によって得られたア
モルファスシリコン半導体を熱再結晶化させることによ
って多結晶半導体を得る場合、基板を約６００°Ｃの温
度で長時間加熱しなければならない。

基板としては、工業的に安価なガラス基板を用いるのが
好ましいが、ちょうどこの６００６Ｃ付近がガラス基板
の歪点温度であり、熱再結晶化によって得た薄膜トラン
ジスタを大面積液晶表示装置などに応用しようとする場
合、このガラス基板の縮みの影響により以下のような問
題か生じる。

イ）熱再結晶化工程におけるガラス基板の縮みか原因で
、この工程の後のフォトリソグラフィーパターンが変形
してしまい後工程のマスク合わせが困難になる。

口）熱再結晶工程におけるガラス基板の縮みによって、
再結晶化した多結晶半導体内部に応力か発生する。この
応カフは、多結晶半導体の電気的特性に悪影響をあたえ
るという問題が実験的に確かめられている。

また熱再結晶化工程の際に非単結晶半導体層に酸素が混
入してしまうという問題かある。

例えばａ−５ｉ半導体は酸素と結びつきゃすく、酸素が
混入したａ−３ｉ半導体層を熱再結晶化させｐ−５ｉ（
多結晶シリコン）膜を得た場合、このｐ−Ｓバ多結晶シ
リコン）の電気的特性は著しく低いものになってしまう
。

従来は超高真空状態において熱再結晶化工程を行う方法
などか知られているか、大きな効果を得ることかできず
、また工程が複雑化するなど工業的に不向きであった。

〔発明の目的〕

本発明は、気相化学反応法あるいはスパッタ法などによ
り得られた非単結晶半導体を熱再結晶化させることによ
って多結晶半導体を得る工程において問題となるガラス
基板の縮みの問題を解決すること、並びに前記ガラス基
板の縮みか原因である熱再結晶化工程における多結晶半
導体中の応力の発生を最小に抑え、この基板上に設けら
れる半導体よりなる半導体装置である薄膜トランジスタ
の電気的特性を向上させること、並びに非単結晶半導体
の熱再結晶化の際の酸素の影響を効果的かつ安価な方法
で排除することを発明の目的とする。

〔発明の構成〕

本発明は、薄膜トランジスタを作製する工程において、
ガラス基板を該ガラス基板の歪点以下の温度で熱処理す
る工程と、前記熱処理されたガラス基板上に直接あるい
は間接に活性層である非単結晶半導体層を設ける工程と
、少なくとも前記非単結晶半導体層の一部を水素または
一酸化炭素あるいは、水素または一酸化炭素か添加され
た不活性気体の雰囲気中で加熱することにより結晶化さ
せチャネル形成領域を得る工程を有することを特徴とす
る薄膜トランジスタ作製方法である。

ガラス基板をその歪点以下の温度で熱処理するのは、こ
のガラス基板上に設けられる非単結晶半導体を多結晶化
する工程において加えられる熱に対してのガラス基板の
縮みを最小にし、さらにこのことによって、このガラス
基板上に設けられる半導体の電気的特性を向上させるた
めである。

これは、熱再結晶化の際に加えられる熱によるガラス基
板の縮みによって、このガラス基板上で熱再結晶化され
た多結晶半導体中に応力か発生し、この応力が原因でこ
の基板上に作製される多結晶半導体中の界面準位が高く
なってしまい、多結晶半導体の電気的特性が低下してし
まうという実験事実に基づくものである。

熱処理するのは、ガラス基板を予め熱することによって
ガラス基板の熱に対する性質を変えるためである。

この熱処理の際の加熱は、電気炉において大気圧の不活
性気体中で行なうものである。

非単結晶半導体を加熱することにより熱再結晶化させる
工程は電気炉において行なうものである。

再結晶化させる工程における加熱を水素または一酸化炭
素あるいは、水素または一酸化炭素か添加された不活性
気体の雰囲気中で加熱することにより多結晶化させるの
は、多結晶化あるいは多結晶化する半導体が熱再結晶化
の過程において酸素と反応することを防ぐためである。

ここでいう非単結晶半導体とは、アモルファス状態、セ
ミアモルファス状態２微結晶状態、並びにさらに再結晶
化する余地のある不完全な多結晶状態にある半導体を指
すものである。

また上記微結晶状態というのは、アモルファス状態の中
に結晶状態が散在している状態を指すものである。

非単結晶半導体を設ける工程というのは、気相化学反応
法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンクラスタービーム
法２分子線エビキタシー法、レーザーアブレーション法
などによって非単結晶半導体を設ける工程をいう。

ガラスの歪点は、ガラスの粘度が４　Ｘ　１０”　ｐｏ
ｉｓｅ（ｌｏｇη・１４．５）のときの温度として定義
される。

〔実施例〕

以下、本発明を用いてコプレナー型の熱再結晶ｐ−３ｉ
ＴＦＴ（多結晶シリコン薄膜トランジスタ）を作製した
実施例を、第１図を用いて説明する。

本実施例は、６１０°Ｃの温度て１２時間の熱処理を行
ったガラス基板（ＡＮ−２ノンアルカリガラス）（１）
上に熱再結晶ｐ−３１ＴＦＴを作製したものである。

まずガラス基板（ＡＮ−２ノンアルカリガラス）に対し
て６１０°Ｃの温度で１２時間の熱処理を行う。

熱処理の方法は、電気炉において大気圧の不活性気体（
Ｎ２）中で行なうものである。

また、この熱処理を水素または一酸化炭素中、あるいは
水素または一酸化炭素か添加された不活性気体中で行い
ガラス基板上の吸着酸素の洗浄を行うのも効果があった
。

つぎに、ＲＦスパッタ法によりＳｉＯ□膜（２）を２０
０ｎｍの厚さに形成する。

成膜条件は、圧力０．５ｐａ、温度１００°Ｃ，ＲＦ周
波数１３、５６ＭＨｚ、　ＲＦ出力４００Ｗである。

その上にＲＦスパッタ法によりａ−Ｓｉ活性層（３）を
１１００ｎの厚さに堆積する。

成膜条件は、圧力０．５ｐａ、温度１５０°Ｃ，ＲＦ周
波数１３、５６ＭＨｚ、　ＲＦ出力４００Ｗである。

この後前記ａ−５ｉ膜（３）を−酸化炭素が５０％添加
された窒素雰囲気中において温度６００°Ｃの温度で９
６時間かけて熱再結晶化を行った。

熱再結晶化は、電気炉において大気圧で行った。

この熱再結晶化させた熱再結晶ｐ−３ｉに対してデバイ
ス分離パターニングを行い（ａ）の形状を得た。ナオ、
第１図の（３）が結晶化されたチャネル形成領域である
。

つぎに、ｎ”ａ−Ｓｉ膜（４）を以下の条件でＰＣＶＤ
法により５０ｎｍの厚さに成膜した。

成膜条件は、圧力６．６５ｐａ、温度３５０°Ｃ，ＲＦ
周波数１３、５６ＭＨｚ、　ＲＦ出力４００Ｗ、　ＰＨ
３（５％　）　：Ｓ　ｉＨ，：　Ｈ２”０．２　：０゜
３：５０　ｓｅｃｍである。

この後ゲート領域パターニングを行い（ｂ）の形状を形
成した。

つぎにゲート酸化膜（ＳｉＯ□）（５）を１１００ｎの
厚さにスパッタ法により以下の条件で成膜しくＣ）の形
状を得た。

膜形成条件は、圧力０．５ｐａ、温度１００°Ｃ，ＲＦ
周波数１３、５６八（Ｈｚ、ＲＦ出力４００Ｗである。

つぎにコンタクトホール開はパターニングを行い（ｄ）
の形状をえた。

最後に真空蒸着によりアルミ電極（６）を３００ｎｍの
厚さに形成し、パターニングすることにより（ｅ）の形
状を得、ｐ−３１ＴＦＴを完成させた。

尚、第１図（ｅ）に示すｐ−５ｉＴＦＴにおいて、Ｓは
Ｓ。

ＬＩｒＣｅ電極、ＧはＧａｔｅ電極、Ｄは叶ａｉｎ電極
である。

以下本発明の構成要素であるガラス基板の熱処理の効果
を示すために本実施例であるｐ−３ｉＴＦＴ（７）と、
熱処理をしていないガラス基板（旭硝子のＡＮ−２ノン
アルカリガラス）上に本実施例と同様な方法で作製した
ｐ−３ｉＴＦＴ（８）と、石英基板上に本実施例と同様
な方法で作製したｐ−３１ＴＦＴ（９）の３種類の比較
評価の結果を示す。

比較評価の結果、第２図に示すようなＩｏ−Ｖｏ特性、
第３図に示す基板側のゲート電圧ｖ６と電界効果移動度
μ関係、並びに第４図に示すような電界効果移動度μの
基板依存性か得られた。

第２図より明らかなように本実施例のｐ−５ｉＴＦＴ（
ア）は、熱処理をしていないガラス基板（旭硝子のＡＮ
−２ノンアルカリガラス）上に本実施例と同様な方法で
作製したｐ−３ｉＴＦＴ（８）に比べて、ドレイン電流
（ＩＤ）−ゲート電圧特性（ｖ６）が大きく改善されて
おり、その電気的特性は、石英基板上に設けられたｐ−
３ｉＴＦＴ（９）に近づいていることがわかる。

また第３図、第４図をみると、電界効果移動度μも熱処
理をしていないガラス基板（旭硝子のＡＮ−２ノンアル
カリガラス）上に本実施例と同様な方法で作製したｐ−
３１ＴＦＴ（８）に比べて大きく、石英基板上に設けら
れたｐ−５ｉＴＦＴ（９）の電界効果移動度と同様な値
を示していることがわかる。

以下、本発明の構成要素の一つである非単結晶半導体膜
を水素または一酸化炭素あるいは、水素または一酸化炭
素が添加された不活性気体の雰囲気中で加熱することに
より多結晶化させる工程の効果を示す。

本実施例のｐ−３ｉＴＦＴ（７）と、本実施例において
熱再結晶工程を窒素１００％の雰囲気中で行った比較例
のｐ−５ｉＴＦＴ（１０）のドレイン電流（ＩＤ）−ゲ
ート電正特性（Ｖ、）を第５図に示す。

第５図より本実施例であるｐ−３ｉＴＦＴ（７）の特性
か比較例のｐ−３１ＴＦＴ（１０）に比べ格段に高いこ
とかわかる。

また、本実施例で示した工程によって得たｐ−３１ＴＦ
Ｔ（７）の電界効果移動度としては１２０ｃｍ−２／Ｖ
、以上のものが不良品を除いた完成品の中で、１０パー
セント以上の割合でえられたか、比較例（１ｏ）のｐ−
３ｉＴＦＴを得た工程によって得られたｐ−３ｉＴＦＴ
（１０）の電界効果移動度で１００ｃｍ−２／Ｖ、を越
えるものは得られなかった。

これは−酸化炭素５０％の雰囲気中で６００’Ｃ，９６
時間にわたり再結晶化を行った際に酸素か一酸化炭素の
酸化作用によって完全に排除されたためであると考えら
れる。

さらに熱再結晶化工程におけるガラス基板の縮みが従来
の熱処理しないガラス基板の場合に比べ１１５以下にな
ったので、フォトリソグラフィー工程におけるマスク合
わせの誤差か従来に比べ１１５以下になり熱再結晶化に
よるｐ−３ｉＴＦＴの特徴の一つである大面積にわたり
同一工程で一括してｐ−５ｉＴＦＴを作製できる利点を
さらに高めることかできた。

本実施例においては、ガラス基板上に設けたａＳｉ半導
体を熱再結晶化させるための出発材料としたか、本発明
はａ−３ｉ半導体以外の非単結晶半導体をガラス基板上
に設けた場合においても存効である。

また本実施例においてはコプレナー型の薄膜トランジス
タを作製したが、本発明の特徴であるガラス基板の熱処
理並びに水素または一酸化炭素あるいは、水素または一
酸化炭素か添加された不活性気体の雰囲気中で加熱する
ことにより非単結晶半導体を結晶化することにより薄膜
トランジスタを得る方法は、他の薄膜トランジスタの形
式すなわちスタガード型、逆スタガード型、逆コプレナ
ー型などの多結晶半導体層を利用する薄膜トランジスタ
を作製する場合にも有用である。

〔発明の効果〕

本発明の構成をとることにで、気相化学反応法あるいは
スパッタ法などにより得られた非単結晶半導体を、熱再
結晶化させることによって多結晶半導体を得る工程にお
いて問題となる、ガラス基板の縮みの問題を解決するこ
とかでき、従来技術において問題であったフォトリソグ
ラフィー工程におけるガラス基板の縮みによるマスク合
わせの困難さを大幅に改善することができた。

また、ガラス基板に熱処理を行い加熱時のガラス基板の
縮みを減少させることで、この基板上に設けられ、熱再
結晶化によって得られる多結晶半導体中に発生する内部
応力の発生を抑えることかでき、この多結晶半導体より
なる半導体装置の電気的特性を向上させることができた
。

さらに熱再結晶化工程を水素または一酸化炭素あるいは
、水素または一酸化炭素が添加された不活性気体の雰囲
気中で行うことにより従来技術において大きな問題であ
った半導体層への酸素の影響を工程を増やすことなく効
果的に排除することができ、高い電気特性を持った薄膜
トランジスタをえることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実施例において作製したｐ−３ｉＴＦＴの
作製工程を示すものである。 第２図は本実施例において作製したｐ−３ｉＴＦＴと、
比較例であるｐ−３１ＴＦＴのＩｔ、（ドレイン電流）
−Ｖ６（ゲート電圧）特性を示したものである。 第３図は本実施例において作製したｐ−５ｉＴ’ｆ”Ｔ
’と、比較例であるｐ−３ｉＴＦＴのゲート電圧Ｖ。と
電界効果移動度μとの関係を示したものである。 第４図は実施例において作製したｐ−３ｉＴＦＴと、比
較例であるｐ−５ｉＴＦＴの電界効果移動度μを示した
ものである。 第５図は一酸化炭素が添加された不活性気体中での熱再
結晶化の効果を示すもので、本実施例と比較例のＩｏ（
ドレイン電流）−Ｖ、（ゲート電圧）特性を示したもの
である。 （１）・・・ガラス基板 （２）・・・５１０２膜 （３）・・・ａ−３ｉ活性層 （４）・・・ｎ”ａ−Ｓｉ膜 （５）・・・ゲート酸化膜（Ｓ２Ｏ２）（６）・・・ア
ルミ電極 （Ｓ）・・・５ｏｕｒｃｅ電極 （Ｇ）・・・Ｇａｔｅ電極 （Ｄ）　・・−Ｄｒａｉｎ電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）薄膜トランジスタを作製する工程において、ガラ
   ス基板を該ガラス基板の歪点以下の温度で熱処理する工
   程と、前記熱処理されたガラス基板上に直接あるいは間
   接に活性層である非単結晶半導体層を設ける工程と、少
   なくとも前記非単結晶半導体層の一部を水素または一酸
   化炭素あるいは、水素または一酸化炭素が添加された不
   活性気体の雰囲気中で加熱することにより結晶化させチ
   ャネル形成領域を得る工程を有することを特徴とする薄
   膜トランジスタの作製方法。