JPH05160153A

JPH05160153A - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JPH05160153A
Application number: JP34813091A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1993-06-25
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: JP2750380B2

Abstract

(57)【要約】【目的】信頼性の高い金属ゲイトのＴＦＴを作製する
方法を提供する。【構成】基板上に半導体領域１０２、１０３、ゲイト
電極・配線１０４、１０５を、配線１０６によって電気
的に接続した状態で形成し、陽極酸化をおこなって、ゲ
イト電極・配線の周囲に陽極酸化物を形成する。その
後、レーザーもしくはそれと同等なエネルギーを有する
電磁波を照射することによって、各配線のパターニング
をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大面積にわたって形成
するのに適し、信頼性および量産性に優れた薄膜トラン
ジスタの作製方法に関する。本発明の産業上の利用分野
としては、本発明を透明基板上に形成する薄膜トランジ
スタに適用すれば、液晶表示装置やイメージセンサー等
の電気光学装置の駆動回路等を作製することになる。ま
た、単結晶半導体基板上に形成された薄膜トランジスタ
にも適用すれば、メモリーやロジック等の集積回路に利
用されうる。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス基板等の絶縁性基板上に半
導体領域を形成し、トランジスタや集積回路を形成する
技術が研究・開発され、一部には実用化されている。特
に、このような絶縁基板上のトランジスタは薄膜トラン
ジスタ（ＴＦＴ）とよばれ、液晶表示装置やイメージセ
ンサー等を駆動するためにその技術の確立が急がれてい
る。

【０００３】また、従来の半導体集積回路と同様に、単
結晶半導体基板上に形成された半導体回路のうえに、絶
縁層を介してさらに薄膜トランジスタ等で半導体回路を
形成するという立体集積回路技術も、近年、実用化され
るようになった。

【０００４】従来は、このようなトランジスタの半導体
材料としては、高温再結晶化による多結晶シリコンや、
気相合成によるアモルファスシリコンが使用されていた
が、前者は、その作製に１０００℃近くもの高温が要求
されるため、基板が高価な石英に限定され、また、後者
は電界移動度が低いため、情報量の多い用途には使用で
きなかった。また、半導体基板上にさらにＴＦＴを形成
する場合には高温処理は問題がないが、得られる多結晶
半導体の移動度は小さいものであった。具体的には、Ｎ
型シリコンで１０〜５０ｃｍ／Ｖｓであった。これは、
再結晶彼の過程で、何らかのトラップ準位等の欠陥が多
数生じるためであると考えられている。

【０００５】そのような中で、近年、６００℃程度の熱
アニール（低温アニール）やレーザー光を使用したアニ
ール法（レーザーアニール）によってシリコンを結晶化
させる技術が開発された。これらの方法では、基板材料
の選択範囲は拡がり、低コスト化が期待できる。中で
も、レーザーアニールは量産性に優れた技術として注目
されている。さらに、これらの方法では、素子をプレー
ナー型としてセルフアライン的にイオン注入やレーザー
ドーピング法によってソース、ドレインを形成すること
ができ、その場合には寄生容量の削減にも有効である。
また、電界移動度に関しても、Ｎ型シリコンで５０ｃｍ
／Ｖｓ以上の特性が再現性よく得られるようになった。
特に、レーザーアニールでは２００ｃｍ／Ｖｓ以上もの
特性が得られる。

【０００６】このような背景をもとに、レーザーアニー
ルが積極的に研究されるようになった。レーザーアニー
ルが低温アニールに比べて有利な点を上げるとすれば、（１）低抵抗金属ゲイトを使用することができる。（２）電界移動度が大きい。という２点に収束する。特に（１）に関しては、大面積
の回路（液晶ディスプレー等）において有利であり、ま
た、（２）に関しては、立体集積回路の作製において有
利である。

【０００７】しかしながら、例えば、アルミニウムゲイ
トのＴＦＴにおいてレーザーアニール法を使用する場合
において、アルミニウムが露出した状態でレーザー照射
をおこなえば、たちまちのうちにアルミニウムが膨張
し、あるいは融解し、アルミニウムのゲイト電極・配線
が剥がれたり、飛散したり、変形してしまった。

【０００８】このことはアルミニウムだけに限らず、チ
タンやタンタル、クロム等の金属材料であっても、ま
た、シリコンやゲルマニウム等の半導体材料であっても
同じことが起こりうる。というのは、これらの材料のあ
るものはアルミニウムに比較して、非常に高い融点を持
っているので融解することは稀だけれども、熱によって
膨張する際に、膨張率が異なるために被膜が剥がれやす
くなるからである。

【０００９】このような問題点を解決する方法として、
本発明人らは金属ゲイト配線の周囲を陽極酸化膜で被覆
する方法を提案した（特願平３−２３７１００）。この
方法によれば、陽極酸化膜はレーザー光を吸収する度合
いが低いので、ゲイト電極が剥がれることは回避され
た。

【００１０】また、前記発明では、陽極酸化膜をマスク
として、ゲイト電極とソース、ドレイン領域の間に任意
の間隔（オフセット領域）を設けて、より特性のよいＴ
ＦＴを得ることができた。また、陽極酸化膜を緻密な絶
縁膜として利用すれば、多層配線におけるショート等の
欠陥を防止することが期待された。

【００１１】このようにしてＴＦＴを形成する場合に
は、通常、全てのゲイト電極・配線を１つの回路に接続
した状態で陽極酸化をおこなう必要がある。しかし、形
成されたゲイト電極や配線は、使途によっては電気的に
分離される必要がある。しかしながら、そのために公知
のフォトリソグファイー技術を使用することは量産性の
観点から望ましくない。例えば、大面積回路の場合に
は、フォトリソグラフィーの際のマスク合わせには高度
の技術が要求され、マスク合わせの回数を削減すること
が強く望まれている。

【００１２】さらに、金属（あるいは半導体）とその陽
極酸化物と、場合によっては、その上下に存在する薄膜
とからなる複合体において、どれも同じようにエッチン
グすることは非常な困難である。例えば、酸化物と金属
（あるいは半導体）は一般に使用されるウェットエッチ
や反応性エッチではエッチング速度が異なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような陽
極酸化に伴う問題点を解決する技術を提供し、あわせ
て、陽極酸化法によってＴＦＴを作製する際に、もっと
も適した全体的なプロセスを提案するものである。

【００１４】

【問題を解決する方法】本発明では、陽極酸化後の各電
極・配線間のパターニングをレーザー光あるいは、それ
と同等なエネルギー密度、パワー密度を有する電磁波
を、パターニングを必要とする箇所に照射することによ
ってパターニングすることを特徴とする。本発明でレー
ザー光等を使用することの利点は、マスク合わせが不必
要で大面積化に有利であることと、光学的に透明な材料
はエッチングされることが少なく、不透明な材料のみが
選択的にエッチングされるためオーバーエッチが少ない
こと等が上げられる。特に、後者に関しては、多くの被
膜が多層に重なっている立体集積回路で望ましい特性で
ある。

【００１５】さらに、レーザーアニール装置とうまく組
み合わせれば、その後の成膜プロセスを連続的に処理す
ることが可能であり、例えば、真空中でのレーザーアニ
ールが終了した後、真空を破らずにパターニングをおこ
ない、そのまま、ＣＶＤチャンバーに搬送して、層間絶
縁物等を形成するという工程を採用することもできる。
従来は、パターニングのためだけに、真空中から大気中
に取り出し、フォトレジストを塗布して露光するという
工程が必要であったため、それに由来する汚染と歩留り
低下が無視できなかった。

【００１６】

【実施例】〔実施例１〕図１には本実施例を示す。ま
ず、基板１０１としてコーニング７０５９ガラスを使用
した。そしてアモルファスシリコン被膜をプラズマＣＶ
Ｄ法によって１５０ｎｍだけ形成した。これを６００℃
で６０時間、窒素雰囲気中でアニールし、再結晶化させ
た。さらに、これをパターニングして、島状の半導体領
域１０２および１０３を複数形成した。ここで、半導体
領域１０２は後にＮチャネルＴＦＴとなる領域で、半導
体領域１０３はＰチャネルＴＦＴとなる領域である。

【００１７】さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素
雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜を厚さ
１１５ｎｍだけ堆積し、次に、電子ビーム蒸着によって
アルミニウム被膜を形成して、これをパターニングし、
ゲイト電極・配線１０４および１０５を形成した。この
ようにして、ＴＦＴの外形を整えた。このときのチャネ
ルの大きさは、長さを８μｍ、幅を２０μｍとした。ま
た、ゲイト配線１０４と１０５は配線１０６によって電
気的に接続されている。これらの配線は一体として形成
されたものである。

【００１８】また、この配線のパターニングには５ｗｔ
％の硝酸と燐酸の混合したものを用いた。例えばエッチ
ングの温度を４０℃としてときは２２５ｎｍ／分であっ
た。

【００１９】さらに、配線１０６に電気を通じ、陽極酸
化法によって、ゲイト電極・配線の周囲（上面および側
面）に酸化アルミニウムの被膜を形成した。陽極酸化
は、３％の酒石酸のエチレングリコール溶液を５％アン
モニアで中和して、ｐＨを７．０±０．２とした溶液を
使用しておこなった。まず、溶液中に陰極として白金を
浸し、さらにＴＦＴを基板ごと浸して、配線１０６を電
源の陽極に接続した。温度は２５±２℃に保った。

【００２０】この状態で、最初、０．５ｍＡ／ｃｍ²の
電流を流し、電圧が２５０Ｖに達したら、電圧を一定に
保ったまま通電し、電流が０．００５ｍＡ／ｃｍ²にな
ったところで電流を止め、陽極酸化を終了させた。この
ようにして得られた陽極酸化膜の厚さは３２０ｎｍであ
った。

【００２１】次に、イオン注入法によって、半導体領域
１０２にＮ型の不純物領域（ソース、ドレイン）を形成
した。ドーパントとしてはリンイオンを使用し、イオン
エネルギーは７０〜１００ｋｅＶ、リンの濃度は１〜５
×１０¹³ｃｍ^-2とした。このイオン注入によって、ソー
ス、ドレイン領域はゲイト電極とかさならない部分（オ
フセット領域）が酸化アルミニウムの厚さ（約３００ｎ
ｍ）だけ形成されたものと推定される。また、同様に半
導体領域１０３にＰ型の不純物領域を形成した。ドーパ
ントとしては、ＢＦ₃ ⁺を使用した。ドーズ量、加速エ
ネルギーはリンのドーピングと同じ条件とした。ここま
でで得られた回路の状態を図１（Ａ）に示す。

【００２２】そして、レーザーアニールをおこなった。
レーザーはＫｒＦエキシマーレーザーを用い、例えば３
５０ｍＪ／ｃｍ²のパワー密度のレーザーパルスを５０
ショット照射した。このレーザーアニールによって、イ
オン注入でアモルファス化した部分の再結晶化がなされ
た。しかし同時に、レーザー照射の際、衝撃によって陽
極酸化膜の一部にクラックや穴、アルミニウムの溶出が
観測された。

【００２３】そこで、再び、最初の陽極酸化の条件で酸
化をおこない、クラックをふさぎ、露出したアルミニウ
ムの表面を酸化した。ただ、このときは電流の調整に注
意しなければならない。すなわち、クラックの部分や、
アルミニウムの露出した部分の面積は極めて小さいの
で、最初の条件と全く同じ条件の電流を流した場合に
は、電流がそのような狭い部分に集中してしまい、化学
反応（酸化反応）が著しく進行して、局所的に非常な発
熱をもたらし、破壊してしまうことがある。

【００２４】そこで、電流は電圧を見ながら、徐々に上
げていった。例えば、酸化開始時の設定電流は、最初の
陽極酸化の１〜５％程度がよい。この酸化工程ではゲイ
ト電極の表面が一様に酸化されるのではないので、電流
密度という定義は適切ではないが、あえて、最初の条件
と対比する目的で電流密度という単位を使用すると、通
電開始時に５μＡ／ｃｍ²の電流を流し、１分間に２Ｖ
づつ上昇させていった。そして、電圧が２５０Ｖとなっ
たところで通電をやめた。この最大電圧の値は必要とさ
れる陽極酸化物の厚さによって決定され、本発明人等の
知見によれば、厚さは最大電圧にほぼ比例する。例え
ば、最大電圧が２５０Ｖでは得られる陽極酸化物の厚さ
は３２０ｎｍであった。

【００２５】このようにして、ＴＦＴの欠陥を除去し
た。その後、真空中でレーザー照射によって、アルミニ
ウム配線をエッチングした。レーザーとしてフラッシュ
ランプ励起のＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー（波長１
０６４ｎｍ）の第２高調波（波長５３２ｎｍ）を使用
し、そのスポット半径を５μｍとした。レーザー光のパ
ルス幅は５ｎｓｅｃであった。また、エネルギー密度は
１ｋＪ／ｃｍ²とした。試料をＸＹステージ上に固定
し、ビームを照射して、例えば、図１（Ｂ）において１
０７や１０８で示されるような部分のエッチングをおこ
なった。

【００２６】次に、酸化珪素のスパッタ成膜によって層
間絶縁物を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術に
よって電極用孔、例えば１０９を形成して、半導体領域
あるいはゲイト電極・配線の表面を露出させた。このと
き、エッチングは、層間絶縁物である酸化珪素とゲイト
電極・配線を被覆している酸化アルミニウムのみを選択
的に除去することがのぞまれ、したがって、酸化珪素お
よび酸化アルミニウムに対してのエッチング速度の方
が、アルミニウムおよびシリコンに対してより大きいこ
とが必要とされる。本発明人の知見によれば、いわゆる
バッファー弗酸（弗化水素と弗化アンモニウムが混合さ
れた溶液）では好適なエッチング比が得られた。例え
ば、半導体製造用高純度弗化水素酸（５０ｗｔ％）と同
弗化アンモニウム溶液（４０ｗｔ％）とを１：１０の比
率で混合した溶液では、酸化アルミニウムのエッチング
速度は６０ｎｍ／分であるのに対し、アルミニウムは１
５ｎｍ／分であるので、本目的には好適である。このよ
うにしてエッチングをおこなった。このときの状態を図
１（Ｂ）に示す。

【００２７】最後に、金属被膜を選択的に形成して、図
１（Ｃ）に示すように配線１１０や１１１を得た。さら
に、各Ｐ型の半導体領域にコンタクトを形成して、例え
ば、透明導電材料によって画素電極を形成すれば、液晶
ディスプレー用のマトリクス回路が作製される。

【００２８】図１を回路図によって表現したのが図２で
ある。最初、ＰチャネルＴＦＴのゲイト電極は配線１０
５に接続されていたのであるが、後に、切断されて、Ｎ
チャネルＴＦＴのソース（あるいはドレイン）と接続さ
れた。また、ＰチャネルＴＦＴのソース（あるいはドレ
イン）は、最終的には配線１０５に接続された。

【００２９】〔実施例２〕図３および図４には本実施例
を示す。まず、基板３０１としてコーニング７０５９ガ
ラスを使用した。そしてアモルファスシリコン被膜をプ
ラズマＣＶＤ法によって１５０ｎｍだけ形成した。これ
を６００℃で６０時間、窒素雰囲気中でアニールし、再
結晶化させた。さらに、これをパターニングして、島状
の半導体領域３０２および３０３を形成した。ここで、
半導体領域１０２は後にＰチャネルＴＦＴとなる領域
で、半導体領域１０３はＮチャネルＴＦＴとなる領域で
ある。

【００３０】さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素
雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜３０４
を厚さ１１５ｎｍだけ堆積し、次に、電子ビーム蒸着に
よってアルミニウム被膜を形成して、これをパターニン
グし、ＰチャネルＴＦＴのゲイト電極３０６、Ｎチャネ
ルＴＦＴのゲイト電極３０７、配線３０５および３０８
を形成した。このようにして、ＴＦＴの外形を整えた。
このときのチャネルの大きさは、長さを８μｍ、幅を８
μｍとした。また、全てのゲイト電極・配線は電気的に
接続されている。ここまでで得られた回路の状態を図３
（Ａ）に示す。

【００３１】さらに、これらのゲイト電極・配線に電気
を通じ、陽極酸化法によって、ゲイト電極・配線３０５
〜３０８の周囲（上面および側面）に酸化アルミニウム
の被膜３０９〜３１２を形成した。陽極酸化は実施例１
と同様な条件でおこなった。ここまでで得られた回路の
状態を図３（Ｂ）に示す。

【００３２】次に、フォトレジスト３１３で半導体領域
３０３を覆った状態でイオン注入法によって、半導体領
域３０２にＰ型の不純物領域（ソース、ドレイン）３１
４および３１５を形成した。ドーパントとしては三弗化
ホウソあるいはホウソを使用し、イオンエネルギーは７
０〜１００ｋｅＶ、ドーズ量は１〜５×１０¹³ｃｍ^-2と
した。このイオン注入によって、半導体領域３０２のソ
ース、ドレイン領域はゲイト電極とかさならない部分
（オフセット領域）が酸化アルミニウムの厚さ（約３０
０ｎｍ）だけ形成されたものと推定される。ここまでで
得られた回路の状態を図３（Ｃ）に示す。

【００３３】また、同様に半導体領域３０２をフォトレ
ジスト３１６によって被覆した状態で、半導体領域３０
３にＮ型の不純物領域３１７および３１８を形成した。
ドーパントとしてはリンを使用した。ドーズ量、加速エ
ネルギーはＰ型不純物のドーピングと同じ条件とした。
ここまでで得られた回路の状態を図３（Ｄ）に示す。

【００３４】そして、レーザーアニールをおこなった。
レーザーアニールは、試料をＸＹステージに固定して、
真空中（１０^-4ｔｏｒｒ以下）で１×３００ｍｍ²の大
きさのレーザー光を移動させながら照射しておこなっ
た。その他の条件は実施例１とおなじであった。さら
に、レーザーアニール終了後、真空を破らずに、ＸＹス
テージを移動させて、実施例１の場合と同じ条件のＮ
ｄ：ＹＡＧレーザー光の第２高調波を照射して、パター
ニングをおこなった。

【００３５】さらに、真空を破らずに試料をＣＶＤ成膜
装置のチャンバーに搬入し、連続的に酸化珪素被膜を堆
積し、これを層間絶縁膜とした。以後の断面については
図４（Ａ）および同図（Ｂ）に記述する。まず、図４
（Ａ）の例について述べる。層間絶縁物４０１を形成し
た後、試料を取り出して公知のフォトリソグラフィー法
によって電極形成用の孔明けをおこなった。実施例１の
場合と同様に、シリコンやアルミニウムはエッチングさ
れず、酸化珪素と酸化アルミニウムのみが選択的にッチ
ングされる必要から、バッファー弗酸をエッチャントに
用いた。マスクはフォトレジストである。

【００３６】その後、金属配線４０３〜４０５を形成し
た。図４（Ａ）の場合には、最初に形成され、陽極酸化
膜によって被覆された配線が、２層目の配線と接続する
必要がある場合には、酸化アルミニウムのみがエッチン
グされるように、エッチャントを選ぶ必要がある。この
ようにして孔４０２が形成される。この方法は、比較的
大きな面積のコンタクトが得られるため、コンタクトの
不良が少なく、コンタクト抵抗も低い。

【００３７】これに対し、図４（Ｂ）に示すような方法
も採用することができる。この方法では、層間絶縁物４
０６を形成した後、公知のフォトリソグラフィー技術と
ウェットエッチング技術を用いて、電極形成用の孔を開
ける。その際には、シリコンのみがエッチングされない
ような条件であればよい。例えば、硝酸と燐酸の混酸に
よるエッチング（アルミニウムのエッチング）と、バッ
ファー弗酸によるエッチング（酸化アルミニウム、酸化
珪素のエッチング）との２段階のエッチングをおこなっ
た。このエッチング工程によって、図の左端の配線の側
面が露出する。そして、この状態で第２の配線４０８〜
４１０を形成すればコンタクトが得られる。

【００３８】また、四弗化炭素を用いた反応性イオンエ
ッチングでは、酸化珪素はエッチングされるが、酸化ア
ルミニウムおよびアルミニウムはほとんどエッチングさ
れない。この特性を利用して、配線のコンタクト付近の
酸化珪素のみをエッチングし、その後、バッファー弗酸
によって、配線の周囲の酸化アルミニウムのみをエッチ
ングするという方法も採用できる。このときの反応性イ
オンエッチングの条件としては、ガス流量２０ｓｃｃ
ｍ、圧力０．０８ｔｏｒｒ、ＲＦパワー１００Ｗとし
た。酸化珪素のエッチングレイトは１０ｎｍ／分であっ
た。

【００３９】前者の方法では、コンタクト面が配線の断
面であるので、コンタクトの面積が小さく、不良の発生
が問題となることがある。後者の方法では、コンタクト
は上面も断面も形成できるので有利である。いずれの方
法を採用するかは、作製される製品に対して許されるコ
ストによって決定すればよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明によって、従来よりも信頼性・量
産性に優れたＴＦＴが作製された。この信頼性を高める
ことはレーザーによるパターニングによって成され、ま
た、その他のエッチング条件の最適化によってなされ
た。このように本発明は、産業上有益であると本発明人
は信ずるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＴＦＴの作製工程例を示す。

【図２】本発明によるＴＦＴの作製工程例を回路図によ
って示す。

【図３】本発明によるＴＦＴの作製工程例を示す。

【図４】本発明によるＴＦＴの作製工程例を示す。

【符号の説明】

１０１・・・基板１０２、１０３・・・半導体領域１０４、１０５・・・ゲイト電極・配線１０６・・・配線１０７、１０８・・・レーザーによるパターニング（エ
ッチング）の跡１０９・・・電極形成用の孔１１０、１１１・・・第２の配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 27/12 Ａ 8728−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に半導体被膜を形成する工程と、
前記半導体被膜上に絶縁性被膜を形成する工程と、前記
絶縁性被膜上に、半導体もしくは金属被膜を選択的に形
成する工程と、前記半導体もしくは金属被膜の上面およ
び側面に陽極酸化法によって半導体もしくは金属酸化物
被膜を形成する工程と、前記半導体もしくは金属被膜お
よび半導体もしくは金属酸化物被膜に対し、レーザー光
もしくはそれと同等のエネルギーを有する電磁波を照射
して、任意の個所を切断する工程とを有することを特徴
とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】陽極酸化法によって形成された半導体も
しくは金属酸化物被膜を上面および側面に有する半導体
もしくは金属材料からなるゲイト電極もしくはそれから
延在する配線の任意の部分に弗化水素と酢酸塩を含有す
る溶液を作用させることによって前記部分の半導体もし
くは金属酸化物被膜を除去し、前記電極もしくは配線の
半導体もしくは金属表面を露出せしめる工程と、前記露
出面に導電性材料被膜を形成することによって電気的接
触部分を形成する工程とを有することを特徴とする半導
体装置の作製方法。
【請求項３】陽極酸化法によって形成された半導体も
しくは金属酸化物被膜を上面および側面に有するゲイト
電極もしくはそれから延在する配線の任意の部分に反応
性イオンエッチング工程を有するエッチングをおこなう
ことによって、前記電極もしくは配線の側面の半導体も
しくは金属表面を露出せしめる工程と、前記部分を覆っ
て、導電性材料を形成することによって電気的接触部分
を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置
の作製方法。