JPH06132305A

JPH06132305A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JPH06132305A
Application number: JP8538692A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kashimoto; 登樫本
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】活性層多結晶シリコンの移動度を向上させ、
個々の薄膜トランジスタの特性のバラツキをなくすると
共に、製造工程中のチャージアップによるゲート絶縁膜
の破壊を防止する。【構成】基板上にシリコン膜を形成する工程と、その
シリコン膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート
絶縁膜上に基板上のシリコン膜と接触させてゲート電極
となるゲート層を多結晶シリコンにより形成する工程
と、ゲート層の多結晶シリコンを結晶核として基板上の
シリコン膜を多結晶とする工程と、イオン注入によりソ
ース、ドレイン領域を形成する工程と、所要の層間絶縁
膜および電極を形成後、不要な接続部を切断する工程と
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタの製造方法に関し、とくに活性層の移動度を向
上させると共に、製造工程中の製品不良を減少させる製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜トランジスタは、近
年、開発が盛んに行われており、これを応用したイメー
ジセンサ（特開昭６０−２２８８１号公報）、感熱ヘッ
ド（特開昭６２−１８１４７３号公報）、液晶ディスプ
レイ等が知られている。それと共に、量産性に優れ、し
かも種々の特性に優れた薄膜トランジスタが要求される
ようになってきている。

【０００３】この薄膜トランジスタは、絶縁基板上に多
結晶シリコンを形成して、駆動回路もしくはスイッチン
グ素子を構成している。

【０００４】多結晶シリコンは薄膜トランジスタの活性
層として使用されているが、活性層多結晶シリコンの移
動度が単結晶シリコンに比べて低く、高速動作を要求さ
れる回路にはその特性は不十分であるとの問題があっ
た。このため、多結晶シリコンの移動度を向上させる
に、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくする方法が検討
されている。たとえば、低温で非晶質シリコンを成膜し
その後熱処理を施して、結晶粒径を成長させる方法や、
多結晶シリコンや非晶質シリコンにシリコンイオン注入
で非晶質化し、その後熱処理を施して結晶粒径を成長さ
せる方法やレーザによる結晶化の方法などがある。

【０００５】非晶質シリコンから固相成長させる場合に
は、多結晶シリコンや非晶質シリコンにシリコンイオン
を注入し、完全な非晶質化を行った後、 600℃程度の低
温で長時間の熱処理を加える方法等で、結晶核の発生を
抑え、粒径の大きい多結晶シリコンを得ている。結晶粒
径を成長させるのは移動度などを上げ、多結晶シリコン
薄膜の特性を向上させるためである。

【０００６】また、多結晶シリコンの結晶粒の界面等に
存在すると考えられる未結合手の影響を軽減させるため
に、成膜後のシリコン膜もしくは、上記の方法で成膜し
た薄膜に、さらに水素プラズマアニール等の手法でシリ
コンの未結合手と水素を結合させて電気的に安定化し、
より特性の優れた多結晶シリコン薄膜とすることなどが
行われている。

【０００７】これらの方法で結晶成長させた後は、通常
のコプラナ型の薄膜トランジスタの製造工程と同様にＳ
ｉ島を形成し、ゲート酸化膜を成膜後、ゲート電極を多
結晶シリコンで形成する。ソースドレイン領域の形成お
よび、ゲート電極の低抵抗化は自己整合によるイオン注
入法を用いる。層間絶縁膜を成膜後ソースドレイン領域
の電極をＡｌ等の金属で形成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非晶質
シリコンから固相成長させる場合に、結晶核の発生を制
御することが困難なことが多かった。このため、結晶粒
径が均一となりにくく、個々の薄膜トランジスタの特性
が異なるという問題があった。

【０００９】また、ソース、ドレイン領域の形成および
ゲート電極の低抵抗化のため、自己整合によるイオン注
入法が用いられるが、その際、大電流によるチャージア
ップが問題となりゲート絶縁膜が破壊されるという問題
があった。

【００１０】本発明は、かかる問題を解決するためにな
されたもので、活性層多結晶シリコンの移動度を向上さ
せ、個々の薄膜トランジスタの特性のバラツキをなくす
ると共に、製造工程中のチャージアップによるゲート絶
縁膜の破壊を防止することのできる多結晶シリコン薄膜
トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の多結晶シリコン
薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にシリコン膜を
形成する工程と、そのシリコン膜上にゲート絶縁膜を形
成する工程と、ゲート絶縁膜上に基板上のシリコン膜と
接触させてゲート電極となるゲート層を多結晶シリコン
により形成する工程と、ゲート層の多結晶シリコンを結
晶核として基板上のシリコン膜を多結晶とする工程と、
イオン注入によりソース、ドレイン領域を形成する工程
と、所要の層間絶縁膜および電極を形成後、不要な接続
部を切断する工程とからなることを特徴とする。

【００１２】本発明において基板上に最初に形成される
シリコン膜は、非晶質シリコン膜でも多結晶シリコン膜
であってもよい。しかし、個々の薄膜トランジスタの特
性のバラツキをなくすためには完全非晶質シリコン膜が
好ましい。多結晶シリコン膜はシリコンイオンの注入な
どによって完全非晶質シリコン膜とすることができる。
なお、非晶質シリコン膜は公知のＬＰ−ＣＶＤ装置、常
圧ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、ＥＣＲプラズマＣ
ＶＤ装置、スパッタリング装置等などを使用して形成す
ることができる。

【００１３】ゲート絶縁膜の形成も公知の方法を使用す
ることができる。たとえば、通常の半導体プロセスで用
いられている 850〜1000℃の熱酸化処理でゲート酸化膜
を形成する方法、シランガスと酸素を含むガスを 800℃
以上で分解してゲート酸化膜を形成する方法などがあ
る。しかし、ゲート絶縁膜形成の際、基板上に形成され
た非晶質シリコン膜の非晶質シリコンが固相成長する場
合があるのでゲート絶縁膜を成膜後にシリコン等のイオ
ン注入を行い基板上に形成された非晶質シリコン膜を再
び非晶質化するのが好ましい。

【００１４】ゲート絶縁膜上に形成される多結晶シリコ
ンは、基板上に形成された非晶質シリコン膜との接触部
分をゲート絶縁膜に設けた後、形成される。接触部分
は、公知のコンタクトホールなどで形成される。ゲート
絶縁膜上の多結晶シリコンの成膜条件は、本発明の製造
方法にとって重要である。すなわち、基板上に形成され
た非晶質シリコン膜とゲート絶縁膜上に形成された多結
晶シリコンとの接触界面で多結晶シリコンの方が先に結
晶化される成膜条件でなければならない。このためには
ゲート絶縁膜上の多結晶シリコンの成膜時に基板上の非
晶質シリコン膜が接触界面以外から結晶成長しないため
の温度で成膜を行うことが好ましい。また、ゲート絶縁
膜上の多結晶シリコンが非晶質状態から固相成長した膜
であった場合にもゲート層が先に結晶成長することが好
ましい。

【００１５】このようにして形成されたゲート層の多結
晶シリコンを結晶核として接触部分を介して基板上の非
晶質シリコン膜を多結晶とする。多結晶化は、たとえ
ば、 600℃の温度で15時間程度の熱処理を行なうことに
よりなされる。

【００１６】基板上の非晶質シリコン膜を多結晶とした
後、ゲート電極をパターニングし、不純物イオンを注入
することにより、自己整合によってソース、ドレイン領
域を形成する。注入する不純物イオンは、本発明の製造
方法が適用できるｎチャンネルＭＯＳＴＦＴにあって
は、リン、ひ素、アンチモン等の周期率表第 V族の原子
をイオン化したものであり、ｐチャンネルＭＯＳＴＦＴ
にあっては、硼素、インジウム等の周期率表第 III族の
原子をイオン化したものである。その後、層間絶縁膜お
よびソース電極、ドレイン電極を公知の方法で形成す
る。

【００１７】最後に、基板上に形成され多結晶とされた
シリコン膜とゲート層の多結晶シリコン膜との接触部を
分離することにより多結晶シリコン薄膜トランジスタが
得られる。接触部の分離は、たとえば、ＲＩＥ（リアク
ティブ−イオン−エッチング）装置などを使用すること
により行われる。

【００１８】なお、本発明に係わる多結晶シリコン薄膜
トランジスタに使用できる基板は石英基板やガラス基板
等の絶縁基板が使用できる。

【００１９】

【作用】絶縁基板上に成膜した非晶質シリコンが結晶化
する様子を図１に示す。

【００２０】絶縁基板１上に非晶質シリコン２を成膜し
パターニングしたのが図１（ａ）である。非晶質シリコ
ン２上に酸化層を形成しゲート絶縁膜４を成膜した状態
を図１（ｂ）に、ゲート絶縁膜４に非晶質シリコン層２
とゲート電極層の多結晶シリコンを接触させるためのコ
ンタクトホール７を開けた状態を図１（ｃ）に示す。ゲ
ート電極となる多結晶シリコン３を成膜しその後この多
結晶シリコン３を種結晶として非晶質シリコン２の結晶
が成長している様子を図１（ｄ）に示す。

【００２１】コンタクトホール７のような、非晶質シリ
コン２と多結晶シリコン３との接触部分を設けているの
で、多結晶シリコン３を種結晶として非晶質シリコン２
の結晶成長がなされ、多結晶シリコン薄膜トランジスタ
の活性層が得られる。

【００２２】さらに本発明の製造方法においては、ゲー
ト電極をパターニング後、自己整合によってソース、ド
レイン領域を形成するために不純物イオンを注入する
が、ゲート層と活性層となる非晶質シリコン２は接触し
ておりゲート層にたまった電荷が接触部を通じて活性層
に逃げることができる。したがって、ゲート層と活性層
とがほぼ同電位となるためゲート絶縁膜の破壊を防ぐこ
とができる。また本発明の製造方法の最終段階でこの接
触部分は分離される。

【００２３】

【実施例】以下、絶縁基板上にｎチャンネルＭＯＳＴＦ
Ｔを製造する場合を例にとり、本発明を詳細に説明す
る。

【００２４】製造工程図を図２に示す。ＬＰ−ＣＶＤ装
置によって、絶縁基板上１上に非晶質シリコン２を成膜
温度 530℃で約2000オングストローム成膜する（図２
（ａ））。Ｓｉ島をパターニング後スパッタ装置で、シ
リコン酸化膜４を 500オングストローム成膜する（図２
（ｂ））。酸化膜４の一部にゲート層とのコンタクトホ
ール７を開ける（図２（ｃ））。ゲート層多結晶シリコ
ン３をＬＰ−ＣＶＤ装置で 600℃で成膜し、成膜後その
ままの温度で15時間の熱処理を行い活性層非晶質シリコ
ン３の結晶化を行う。結晶化が進む様子を（図２
（ｄ））に示す。ゲート電極５をパターニング後イオ
ン注入装置でリン（Ｐ）イオンをドーズ量 1×10¹⁶個／
ｃｍ²、加速電圧55ｋｅＶで注入する（図２（ｅ））。

【００２５】つぎに、層間絶縁膜６としてＬＰ−ＣＶＤ
装置でシリコン酸化膜を 830℃で4500オングストローム
成膜し、その後コンタクトホール７をパターニングする
（図２（ｆ））。スパッタ装置でアルミニウム（Ａｌ）
電極８を5000オングストローム成膜し、パターニングす
る（図２（ｇ））。最後に、活性層とゲート層接触部を
ＲＩＥ装置で分断する（図２（ｈ））。

【００２６】このようにして製造した多結晶シリコン薄
膜トランジスタの移動度を測定したところ、移動度は 2
00cm²/vsec 以上であった。この値は通常の固相成長を
行って製造した多結晶シリコン薄膜トランジスタの移動
度（10〜 100cm²/vsec)を大きく上回っている。またゲ
ート絶縁膜の破壊によるＴＦＴ不良数も減少しており、
ゲート絶縁膜の破壊による不良数の比率は従来法で製造
したトランジスタの場合 5％であったが本発明中の活性
層、ゲート層の接触部の切断をイオン注入工程の前に行
った場合で 4.5％、Ａｌパターニング後に行った場合で
は 0.8％であった。

【００２７】

【発明の効果】本発明の多結晶シリコン薄膜トランジス
タの製造方法は、ゲート絶縁膜上に基板上のシリコン膜
と接触させてゲート電極となるゲート層を多結晶シリコ
ンにより形成した後、ゲート層の多結晶シリコンを結晶
核として基板上のシリコン膜を多結晶とするため、高移
動度の活性層を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタ
が特性のバラツキなく容易に得られる。また、イオン注
入によりソース、ドレイン領域を形成する際、ゲート層
と活性層とが接触しているため、ゲート層と活性層とが
ほぼ同電位となり、製造工程中のチャージアップによる
ゲート絶縁膜の破壊を防ぐことができる。したがって、
製造工程中の製品不良を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用による非晶質シリコンの結晶化の
様子を表した図である。

【図２】多結晶シリコン薄膜トランジスタの実施例の製
造工程図である。

【符号の説明】

１………絶縁基板、２………非晶質シリコン、３………
多結晶シリコン、４………ゲート絶縁膜、５………ゲー
ト電極、６………層間絶縁膜、７………コンタクトホー
ル、８………Ａｌ電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にシリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前
記ゲート絶縁膜上に前記基板上のシリコン膜と接触させ
てゲート電極となるゲート層を多結晶シリコンにより形
成する工程と、前記ゲート層の多結晶シリコンを結晶核
として前記基板上のシリコン膜を多結晶とする工程と、
イオン注入によりソース、ドレイン領域を形成する工程
と、所要の層間絶縁膜および電極を形成後、不要な接続
部を切断する工程とからなる多結晶シリコン薄膜トラン
ジスタの製造方法。