JPS595672A - 薄膜トランジスタの製造方法 - 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】 本発明は薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁膜の製造
方法に関する。

近年、絶縁基板上に薄膜トランジスタを形成する研究が
活発に行なわれている。この技術は、安価な絶縁基板を
用いて薄形ディスプレイを実現するアクティブマトリッ
クスパネル、あるいは通常の半導体集積回路上にトラン
ジスタなどの能動素子を形成する三次元集積回路、ある
いは安価で高性能なイメージセンサ、あるいは高密度の
メモリなど、数多くの応用が期待されるものである。

薄膜トランジスタをこれらの分野に応用する場合、要求
される特性は、一般に、次の２種類に分類される。

（１）薄膜トランジスタをＯＮ状態にしだ時ソース・ド
レイン間に充分大きい電流を流すことができること。

＋２１　　薄膜トランジスタをＯＦＦ状態にした時、ソ
ース・ドレイン間に、極力、電流が流れないこと。

Ｉｌｌは、薄膜トランジスタがＯＮの状態の時に要求さ
れる特性に関するものである。薄膜トランジスタをいず
れの分野に応用する場合においても、ＯＮ状態の時にソ
ース・ドレイン間に流れる電流（以下、ＯＮ電流という
。）は、充分大きいことが要求される。ＯＮ電流は、シ
ステム全体の動作上限周波数を決定する。これは薄膜ト
ランジスタの動作スピードが、様々な容量の充放電の時
定数により決定されることによる。したがって、動作上
限周波数を高めるためには、ＯＮ電流を充分大きくして
容量の充放電の時定数を小さくすることが必要となる。

薄膜トランジスタの飽和特性領域では、ＯＮ電流工ＯＮ
は次式で与えられる。

ＩＯＮ　＝：　ＣＯＸ　／ｊ　石（Ｖｏｓ−Ｖｔｈ、）
”ここにＣＯＸは単位面積当りのゲート絶縁膜の容量、
μはキャリアの移動度、Ｌ及びＷはそれぞれ薄膜トラン
ジスタのチャネル長及びチャネル幅、ｖＧはゲート電圧
、ｖｔｈはスレショルド電圧である。ＣＯＸはゲート絶
縁膜の膜厚により決定され、Ｌ、Ｗは要求される集積度
やパターニング技術により決定される。またＶＧはシス
テムの駆動電圧により決定される。したがって、ＯＮ電
流を高めるには、上式より移動度μを大きくシ、スレシ
ョルド電圧ｖｔｈを小さくしなくてはならないことがわ
かる。一般に薄膜トランジスタには数ＭＨ２程度の動作
上限周波数を有することが要求されるが、これを満足す
るためには、移動度μがｌ（ｌ　ｃｍ！、／Ｖ　、　ｓ
　ｅ　を以上であることが必要となる。これを実現させ
るために、半導体薄膜中料として、多結晶シリコンなど
が有望視されている。また、ｖｔｈを小さくするために
ｒよ、半導体薄膜とゲート絶縁膜との界面に存在する界
面準位の密度を減少させることが必要となる。界面準位
密度はゲート絶縁膜の形成方法と密接な関係があり、一
般に、化学気相成長法Ｃ以下、ＣｖＤという。）や物理
気相成長法（以下、ＰＶＤという。）釦よりゲート絶縁
膜を形成すると界面準位密度は大きくなり、シリコンの
熱酸化により形成した二酸化シリコンをゲート絶縁膜と
して用いると界面準位密度は小さくなることが知られて
いる。したがって、Ｖｔｈを小さくして良好なトランジ
スタ特性を実現するには、シリコン薄膜を熱酸化して二
酸化シリコンを形成し、これをゲート絶縁膜として用い
ることが望ましい。

１２１は、薄膜トランジスタがＯＦＦの状態の時に要求
される特性である。薄膜トランジスタがＯＦＦ状態の時
にソース・ドレイン間に流れる電流（以下、ＯＦＦ電流
という。）は、極力、小さいととが要求される。ＯＦＦ
電流はデータの保持特性、静止電流、動作下限周波数な
どを決定する。

シタ力って、薄膜トランジスタのＯＦＦ電流を充分低減
させることが不可欠となる。薄膜トランジスタのＯＦＦ
電流１ＯＦＦは、半導体薄膜の抵抗値によシ決定され、
次式で表わされる。

Ｗ 工ＯＦＦ　　＝＝　　−ＶＤ Ｌ ここにｄけ半導体薄膜の膜厚、Ｐは半導体薄膜の比抵抗
、ＶＤはドレイン電圧である。またり、Ｗけ前記の通シ
である。との式かられかるように、ＯＦＦ電流を低減さ
せるためには、半導体薄膜の膜厚ｄを小さくすればよい
ことがわかる１、また、半導体薄膜の膜質は、形成膜厚
によって大きく変化し、したがって半導体薄膜の比抵抗
Ｐは膜厚ｄと共に変化する。すなわちｄが小さい＃１ど
Ｐは大きくなシ、本出顧人が実験した結果によると工Ｏ
ＦＦ　ｏｃｄ　　（？Ｌ！；２．５）の関係が確認され
ている。したがって、ｄの減少は、ｌ０ＦＦの低減に大
きく貢献する。また、ｄを減少させることは、ＯＮ特性
の向上にも関与する。

すなわち、膜厚ｄが減少すると、半導体薄膜中の空間電
荷の絶対量が減少するため、スレショルド電圧ｖｔｈが
低下し、したがってＯＮ特性が大幅に向上する。

以上をまとめると、ＯＮ／ｉ件及びＯＦ’　Ｆ’特性の
優れた薄膜トランジスタを実現するためには、できる限
り薄く形成したシリコン薄膜を熱酸化して二酸化シリコ
ンを形成し、これをゲート絶縁膜として用いることが必
要であるといえる。

しかし、従来のこのような方法では、製造プロセスのマ
ージンが小さく、充分に薄いシリコン薄膜によるトラン
ジスタを安定に製造することが難しかった。以下、第１
図を参照しつつ、このような従来の薄膜トランジスタの
製造方法の欠点について述べる。

最終的なシリコン薄膜の膜厚ｔ１は、１．＝１０−０．
４５　ｔｏｘＶＣより力えられるから、この場合ｔ１勾
８００Ａとなる。

第１図は従来の薄膜トランジスタの製造方法を示すもの
である。第１図ＣαＩＫ示すように、絶縁基板１０１上
にシリコン薄膜１０２を堆積する。

このｍｌ、前述の理由により、シリコン青膜１０２の膜
厚（ｔｏ　とする。）は薄く（例えばｔｏ＝１５０ＯＡ
　）形成する。次に第３図１ｂ＋のように高温酸素雰囲
気中で前記シリコン薄膜を酸化し、二酸化シリコン１０
３を形成する。この二酸化シリコン１．０３の膜厚ｔＯ
ｘは例えばｔＯＸ　＝　１５０　ＯＡである。

次に第１図ｔＣＩのように、形成された二酸化シリコン
をゲート絶縁膜としてその上にゲート電極１０４を形成
する。

その後、イオン打ち込み法によりシリコン薄膜中に不純
物を導入し、ソース領域１０５及びドレイン領域１０６
を形成する。次に第３図１ｄｌのように、層間絶縁膜１
０７を堆積させた後、コンタクトホールを開口し、ソー
ス電極１０８及びドレイン電極１０９を形成する。

このようにして製造された薄膜トランジスタの代表的な
特性を第２図に示す。グラフの横軸はソースに対するゲ
ート電圧ＶＧであシ、縦軸はドレイン電流よりの常用対
数値である。ドレイン電圧はｖｎ＝４ｖ、）、ランジス
タサイズはＬ＝加μｍ　、　ｗ＝　ｌ（１μｍである。

ＯＦＦ電流がまだ大きく、スレショルド電圧ｖｔｈも高
いことがわかる。との特性をさらに改善するためには、
最終的なシリコン薄膜の膜厚ｔ１をもっと薄くすればよ
いわけであるが、実際には次のような理由によシ実現は
離しい。

すなわち、熱酸化によシゲート酸化膜を形成する際、シ
リコン薄膜は高温中（例えば１１００℃）での熱処理を
受けるため、多結晶化が進行し、結晶粒が大きく成長す
る。このため、シリコン薄膜表面の凹凸（アスペリティ
）が著しぐなシ、特にシリコン薄膜の膜厚が薄い場合、
結晶粒界の優先酸化が起こりやすい。したがって、シリ
コン薄膜の結晶粒界近傍は二酸化シリコンとなシ、キャ
リアの移動度は著しく低下し、トランジスタとしての特
性が得られなくなってしまう。本出願人の行なった実験
の結果によると、シリコン薄膜の最終的な膜厚は５００
Ａ以上必要であることが判明している。また、シリコン
薄膜の熱酸化によ多形成した二酸化シリコンの膜厚は製
造上のバラツキが大きく、例えばｔＯＸ　＝　１５００
Ａを設定した場合、±２００Ａ程度のマージンを取らな
くてはならない。

さらに、堆積時のシリコン薄膜の膜厚のバラツキも考慮
すると、最終的なシリコン薄膜の膜厚ｔ１は約７００Ａ
以上が必要となる。

したがって、第２図に示した特性はｔ？Ｅは限界に近い
ものであり、これ以上の大幅な特性改善は現状プロセス
では難しい。

本発明はこのような欠点を除去するものでありその目的
とするところは、シリコン薄膜とゲート絶縁膜の界面状
態を悪化させることなく、シリコン薄膜の膜厚をさらに
薄くシ、トランジス、り特性を大幅に向上せしめること
にある。これを実現するために、本発明では、シリコン
薄膜及びゲート絶縁膜となる二酸化シリコン膜を備えた
薄膜トランジスタの製造方法において、前記シリコン薄
膜上に、外部から二酸化シリコン膜を堆積させた後、熱
酸化を行なうことにようゲート絶縁膜を形成するととを
特徴とする薄膜トランジスタの製造方法を提供する。以
下、図面を参照しつつ、本発明の詳細な説明する。

第３図は本発明による薄膜トランジスタの製造方法を示
すものである。第３図１ａｌ　Ｋ：示すように、絶縁基
板３０１上にシリコン薄膜３０２を堆積する。その膜厚
は、例えばｌ　ｏ＝　５００Ｘとする。

次に第３図１ｂ＋のように、二酸化シリコン膜３ｏ３を
全面に堆積させる。その膜厚は例えばｔＯＸＯ＝＝１３
０ＯＡとする。この際の二酸化シリコン膜はシリコン薄
膜を酸化して形成するのでなく、外部から直接、堆積さ
せるものであれば、どのような形成方法によっても差し
支えない。例えば、減圧ＣＶＤ１常圧ＣＶＤ、プラズマ
ＣＶＤなどのｃＶＤ法、あるいは、スパッタなどのＰＶ
Ｄ法などが挙げられる。次に第３図１ｃｌのように、熱
酸化処理を加メてシリコン薄膜上の二酸化シリコン膜の
膜厚３０４を成長させる。これによる二酸化シリコン膜
の膜厚の増分は、例えば２００Ａとし、最終的なゲート
絶縁膜の膜厚は、ｔａｘ＝１５００Ａとする。

この熱酸化によシ最終的なシリコン薄膜の膜厚はｔ１＝
４０ＯＡとなる。以降の製造プロセスは従来の方法と全
く同じであシ、第３図１ｄｌのように、ゲート電極３０
５を形成した後、イオン打ち込み法によシリコン薄膜中
に不純物を導入しソース領域３０６及びドレイン領域３
０７を形成する。

次に、層間絶縁膜３０８を堆積させた後、コンタクトホ
ールを開口し、ソース電極３０９及びドレイン゛電極３
１０を形成する。

第４図は上記の製造方法により作製した薄膜トランジス
タの特性を、第２図に示した従来の薄膜トランジスタの
特性と対比して示したグラフである。グラフの横軸はソ
ースに対するゲート電圧ＶＧであり、・縦軸はドレイン
電流ＩＤの常用対数値である。ドレイン電圧はＶＤ＝４
ｖ＋）ランジスタサイズｑ、Ｌ＝２０μｒｎ　、　Ｗ　
＝　１０μｍである。実線のグラフが本発明によるトラ
ンジスタの特性、破線のグラフが従来のトランジスタの
特性を示している。

本発明の製造方法によれば最終的なシリコン薄膜の膜厚
は、従来に比べて１１２になるため、ＯＦＦ電流がμ〜
％に低減すると共に、ｖｔｈが低下したためにＯＮ特性
も著しく改善されている。

すなわち、トランジスタ特性全体が大幅に向上しており
、本発明の効果の大きさが理解される。

本発明の特徴は、第３図１ｂ＋及びｌＣ１Ｋ示したよう
に、外部から二酸化シリコンを堆積させた後に熱酸化を
行なうことにある。以下、このような製造方法をとる意
義とその効果について述べる。

まず第１に、従来の製造方法に比べて熱酸化を行なう処
理時間が大幅に短縮できることが挙げられる。これにつ
いては第５図を参照しつつ説明する。第５図はシリコン
薄膜７膜を１１００℃の温度で熱酸化した時の酸化時間
Ｔと成長する二酸化シリコンの成長膜厚ｔとの関係を示
すグラフである。

従来の方法でｔ＝１５００Ａを得るためには叩分の熱酸
化時間がｌ要であるが、本発明では、例えば前記の例に
従えば、初期的に１３００Ａの二酸化シリコン膜が外部
から堆積されているため、１５００Ａまでに成長させる
には２７分の熱酸化時間で済むことがわかる。このため
、シリコン薄膜表面のアスペリティが抑制され、従来よ
りもさらにシリコン薄膜を薄くしても充分なキャリア移
動度が得られ、良好なトランジスタ特性が実現される。

また、本発明では熱酸化の際、シリコン薄膜の表面があ
らかじめ二酸化シリコンで被覆されているため、さらに
アスペリティの発達は抑制されやすい。これらの効果の
ために、本発明によれば最終的なシリコン薄膜の膜厚を
３００Ａ以下Ｖｃｔで実現できることが本出願人の実験
により確認されている。

第２に、上記の点と関連して、酸化されて二酸化シリコ
ンとなるシリコン薄膜の膜厚が少ないことが挙げられる
。従来の方法では、約７０ＯＡのシリコン薄膜が酸素と
反応して二酸化シリコンとなるの如対して、本発明では
、わずか約１００Ａのシリコン薄膜が消費されるにすぎ
ない。したがって、最終的なシリコン薄膜の膜厚の制御
が非常に容易となる。前述したようにトランジスタ特性
は、シリコン薄膜の膜厚に対して非常に敏感であるから
、本発明により、トランジスタ特性の均一性・再現性は
飛躍的に向上する。

第３に、シリコン薄膜と二酸化シリコン膜との界面が、
従来の熱酸化のみによるものと全く同等の状態に維持さ
れることが挙げられる。前記第１及び第２の効果を実現
するには、本発明における熱酸化工程を省略しても良い
はずであるが、実際には、このようにするとシリコン薄
膜と二酸化シリコン膜との界面に存在する界面準位の密
度が著シく増大するため、トランジスタのスレショルド
電圧Ｖ　ｔ　ｈ：が大幅に大きくなり、トランジスタ特
性、特にＯｙ特性が著しく悪化する。これに対して、本
発明では、シリコン薄膜と二酸化シリコン膜との界面は
熱酸化によシ新規に形成されたものであるから、界面準
位密度は小さく、界面状態は従来の熱酸化のみによるも
のと全く同等であるといえる。界面を改善するために必
要な熱酸化による二酸化シリコン膜厚は、１０（１〜２
００Ａで充分であることが本出願人の実験によシ確認さ
れている。

第４に、シリコン薄膜上に、外部から直接堆積さｈ−た
二酸化シリコン膜厚のバラツキが、熱酸化工程で補正さ
れることが挙げられる。外部から堆積した二酸化シリコ
ンの膜厚にバラツキが存在する場合、薄い膜厚のところ
では厚い熱酸化膜が成長し、厚い膜厚のところでは薄い
熱酸化膜が成長するため、最終的なゲート絶縁膜の膜厚
のバラツキは初期よシも小さくなる。これは、第５図の
グラフから簡単に理解される。本発明における熱酸化工
程の主な効果は第３項で述べたよう虻界面単位密度を低
減させることにあるが、その他にもここで述べたように
、ゲート絶縁膜の膜厚を均一化させるという重要な効果
も有している。ゲート絶縁膜の膜厚はトランジスタ特性
を決定させる重要なパラメータであるが、この効果によ
り、本発明姉よる薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の膜
厚は非常に正確に制御することができる。

なお、前述した本発明の実施例の中で用いた種々の数値
は、その目的とマージンに合わせて設定されるものであ
って、絶対的な意味を有するものではない。

以上、述べたように、本発明は優れた特性を有する薄膜
トランジスタを再現性よく、マた均一性よく実現すると
いう優れた効果を有するものであ

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の薄膜トランジスタの製造方法を示す図で
ある。 第２図は従来の薄膜トランジスタの代表的な特性を示す
グラフである。 第３図は本発明による’Ｉｄｊ１４トランジスタの製造
方法を示す図である。 第４図は本発明による薄膜トランジスタの特性を従来の
特性と比較して示したグラフである。 第５Ｍは本発明′ｆ：説明するために用いる酸化時間と
二酸化シリコンの成長膜厚を示すグラフである。 以　　　上 出願人　株式会社ａｉ＋？肋精工舎 ＋Ｄ１ 第１図 一１ｏ　　　　ｏ　　　　ｔｏ　　　ｚｏ　　　　ｉ。 Ｖ６ｃυ０汗） 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコン薄膜及びゲート絶縁膜となる二酸化シリコン膜
   を備えた薄膜トランジスタの製造方法において、前記シ
   リコン薄膜上に、外部から二酸化シリコン膜を堆積させ
   た後、熱酸化を行なうことＫよりゲート絶縁膜を形成す
   ることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。