JP3318285B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置やイ
メージセンサー等の入出力デバイスに用いられる多結晶
のシリコン薄膜トランジスタの製造方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】多結晶のシリコン薄膜トランジスタは、
非晶質のシリコン薄膜トランジスタに比べて電子移動度
が2桁以上大きく、素子の微細化が可能であること、及
び駆動回路を同一基板上に多数集積化することが可能で
ある等の利点を有している。近年の液晶表示装置の分野
では、駆動回路内蔵型の薄膜トランジスタアレイとして
多結晶のシリコン薄膜トランジスタが用いられている。
このような駆動回路内蔵型の薄膜トランジスタアレイ
は、大面積化が容易なガラス基板上に作製する技術の開
発に支えられ、現在の実用化に至っている。
【0003】多結晶薄膜トランジスタを低温度で形成す
るには、多結晶シリコン薄膜の低温形成技術と同時に、
多結晶シリコン薄膜へ注入した不純物の低温活性化手法
の開発が重要である。大面積基板に低温度で良質な多結
晶シリコン薄膜を形成する技術としては、エキシマレー
ザーによる低温結晶化手法が用いられることが多い。
【0004】エキシマレーザーアニールに関しては、例
えばIEEE Electron Device Letters、 Vol.EDL-7, No.
5, MAY 1986、 pp,276-278にその技術が記載されてい
る。一方、活性化には通常熱アニールが用いられること
が多いが、熱アニールの場合は処理温度を下げると、活
性化率が大きく低下するという課題がある。
【0005】これらの課題に対して低温で活性化率を向
上する手法として、Rapid ThermalAnneal(RTA)や
エキシマレーザー活性化法が提案されている。RTA活
性化に関しては例えば、SID97 M/52 Recent advances
in rapid thermal processing of Poly Silicon TFT LC
Dsに、エキシマレーザー活性化に関しては例えば、Exte
nded Abstract of the 18th(1986 International Confe
rence on Solid StateDevices and Materials,pp. 225-
228) にその内容が記載されている。
【0006】図4及び図5は、液晶表示装置に用いられ
るアクティブマトリックスアレイ用の薄膜トランジスタ
の従来の製造方法を示す工程図である。まず図4(a)
に示すように、透光性基板であるガラス基板11にプラ
ズマCVD法にて、酸化シリコン膜を400nmに成膜
し、バッファー層12を形成する。その後、酸化シリコ
ン薄膜を形成したガラス基板11を大気中に取り出すこ
となく、プラズマCVD法にて非晶質シリコン(a−S
i) 膜を50nmになるまで堆積させる。
【0007】次にa−Si膜中の水素を低減するため、
1Torrの減圧窒素雰囲気下で、400〜450℃、
60分程度の熱処理を行った後、エキシマレーザーアニ
ールにてa−Si膜を多結晶化し、poly−Si膜1
3aにする。このエキシマレーザーには、波長308n
mのXeClエキシマレーザーを用い、照射を真空中で
行い、エネルギー密度を350mJ/cm2 とし、平均
照射数を35shot/point とする。このようにa−Si
膜を結晶化してpoly−Si膜13aを形成し、非単
結晶半導体薄膜であるpoly−Si膜13aをTFT
の形状に加工する。
【0008】次に酸化シリコン膜を85nmに成膜し、
ゲート絶縁膜14を形成する。その後、Al合金からな
るゲート電極15を形成し、薄膜トランジスタにLDD
(Lightly Doped Domain) 領域13bを形成するため不
純物を注入する。ここでは燐イオンを加速電圧70ke
Vで励起し、ドーズ量1E13/cm2 にて注入する。
LDD領域形成用の不純物を注入した後は、図4(b)
示すように、薄膜トランジスタのLDD領域13bを被
覆するように、フォトレジスト25を用いて不純物注入
用のマスクを形成する。そしてイオンドーピングにより
ソース領域21及びドレイン領域22に不純物を注入す
る。ここでは燐イオンを加速電圧70keVで励起し、
ドーズ量を1E15/cm2 にて注入する。
【0009】注入した不純物は電気的に不活性な状態に
あるため、図5(c)に示すようにエキシマレーザーの
照射により、注入した不純物の活性化処理を行う。活性
化に使用するエキシマレーザーは波長308nmとし、
半値幅30nsecのXeClエキシマレーザーであ
る。またエキシマレーザーのエネルギー密度は300m
J/ cm2 とし、平均照射数は20shot/point とす
る。
【0010】エキシマレーザーによる不純物の活性化処
理を行った後、図5(d)に示すように、酸化シリコン
膜を400nmに成膜し、層間絶縁膜16を形成した。
層間絶縁膜16を形成後は、ソース領域21及びドレイ
ン領域22上の絶縁膜にコンタクトホール17a、17
bを夫々開口する。そして、コンタクトホール17a、
17bの内部及び外部にTiとAlの積層膜を成膜し、
SD配線18a、18bを形成する。
【0011】最後に窒化シリコンからなる保護絶縁膜2
3を形成し、水素雰囲気でアニールを行なう。こうして
多結晶シリコン薄膜中の未結合手を水素にて補償し、特
性が向上した薄膜トランジスタが得られる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
に示したエキシマレーザーによる活性化は、ゲート電極
15に対する熱ダメージが大きいという課題がある。図
5(c)で示したように、照射されたレーザー光は、薄
膜トランジスタのソース領域21及びドレイン領域22
では、ゲート絶縁膜14を通して多結晶シリコンに照射
及び吸収される。これに対して、ゲート電極15には直
接レーザー光が照射及び吸収されるので、温度上昇を引
き起こす。ゲート電極15にWやMo又はCrを代表と
する高融点金属を用いた場合、レーザー照射による急激
な温度上昇が生じると、ゲート電極15のクラックや剥
がれといった問題を引き起こす。またゲート電極15に
Al合金を材料に用いた場合には、ヒロックの増大等の
品質的な課題を引き起こす。尚ヒロックとは、温度上昇
によって、物質の表面に凹凸が生じることをいう。
【0013】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、注入した不純物をレーザー照
射により活性化させる工程を有する薄膜トランジスタの
製造において、ゲート電極へのレーザー照射による熱ダ
メージを低減することのできる薄膜トランジスタの製造
方法を実現することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本願の請求項1記載の発明は、透光性基板上に絶縁
膜を成膜し、バッファ層を形成する工程と、前記バッフ
ァ層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程と、前記非
単晶質半導体薄膜上にゲート絶縁膜として屈折率n1
膜厚d1 を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、前記
第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲ
ート電極の形成後に前記非単結晶半導体薄膜中に不純物
を注入する工程と、前記第1の絶縁膜及び前記ゲート電
極を被覆するように屈折率n1 、膜厚d2 を有する第2
の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜の形成後
に波長λのレーザー照射を行い、注入された前記不純物
を活性化する工程と、を有し、前記第2の絶縁膜の膜厚
2 が(1)式を満足し、 2*m*λ/(4*n1 )−λ/(n1 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n1 ) +λ/(n1 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(1) かつ前記第1及び第2の絶縁膜の膜厚の和(d1
2 )が、(2)式を満足し、 (2*m−1)*λ/(4*n1 ) −λ/(n1 *8)<d1 +d2 、 (2*m−1)*λ/(4*n1 )+λ/(n1 *8)>d1 +d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(2)前記ゲート電極の部分では前記レーザー光の反射作用を
大きくし、前記ゲート電極以外の部分では前記レーザー
光の吸収作用を大きくしたこと を特徴とするものであ
る。
【0015】本願の請求項2記載の発明は、透光性基板
上に絶縁膜を成膜し、バッファ層を形成する工程と、前
記バッファ層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程
と、前記非単晶質半導体薄膜上にゲート絶縁膜として屈
折率n1 、膜厚d1 を有する第1の絶縁膜を形成する工
程と、前記第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程
と、前記ゲート電極の形成後に前記非単結晶半導体薄膜
中に不純物を注入する工程と、前記第1の絶縁膜及び前
記ゲート電極を被覆するように屈折率n2 、膜厚d2
有する第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁
膜の形成後に波長λのレーザー照射を行い、注入された
前記不純物を活性化する工程と、を有し、前記第2の絶
縁膜の膜厚d2 が(3)式を満足し、 2*m*λ/(4*n2 )−λ/(n2 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n2 ) +λ/(n2 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(3) かつ前記第1の絶縁の膜厚d1 及び第2の絶縁の膜厚d
2 が、(4)式を満足し、 n1 *d1 =(2*m1 −1)*λ/4、 n2 *d2 =(2*m2 −1)*λ/4 (m1 ,m2 =1, 2, 3・・・)・・・(4)前記ゲート電極の部分では前記レーザー光の反射作用を
大きくし、前記ゲート電極以外の部分では前記レーザー
光の吸収作用を大きくしたこと を特徴とするものであ
る。
【0016】
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態における薄膜
トランジスタの製造方法について、図1及び図2を参照
しつつ説明する。まず図1(a)に示すように、透明な
ガラス基板11にプラズマCVD法にて酸化シリコン膜
を400nmに成膜し、絶縁膜としてバッファー層12
を形成する。その後、酸化シリコン薄膜を形成したガラ
ス基板11を大気中に取り出すことなく、プラズマCV
D法にて非晶質シリコン(a−Si)を成膜し、50n
mになるまで堆積させる。ついでa−Si膜中の水素を
低減するため、1Torrの減圧窒素雰囲気下で450
℃、90分の熱処理を行う。そしてエキシマレーザーア
ニールにてa−Si膜を多結晶化し、非単結晶半導体薄
膜としてのpoly−Si膜13aにする。エキシマレ
ーザーには、波長308nmのXeClエキシマレーザ
ーを用い、照射は真空中とし、エネルギー密度を350
mJ/cm2 とし、平均照射数を35shot/point とす
る。
【0018】このようにa−Si膜を結晶化してpol
y−Si膜13aを形成した後、poly−Si膜13
aをTFTの形状に加工し、酸化シリコン膜を成膜し、
第1の絶縁膜としてのゲート絶縁膜14を形成する。こ
の酸化シリコン膜は、TEOSと酸素の混合ガスを用い
たプラズマCVD法により形成しており、膜厚は45n
mに設定する。
【0019】その後Al合金からなるゲート電極15を
形成する。そして、薄膜トランジスタにするため、不純
物を注入してLDD領域13bを形成する。ここでは燐
イオンを加速電圧70keVで励起し、ドーズ量1E1
3/cm2 にて注入する。LDD領域13bを形成した
後、図1(b)に示すように薄膜トランジスタのLDD
領域13bを被覆するようにフォトレジスト25を塗膜
し、不純物注入用のマスクを形成する。そして、ソース
領域21及びドレイン領域22に不純物を注入する。こ
こでは燐イオンを加速電圧70keVで励起し、ドーズ
量1E15/cm2 で注入する。このように不純物濃度
が高くなったソース領域21及びドレイン領域22をS
D領域13cという。
【0020】不純物注入後は、図2(c)に示すように
酸化シリコン膜を211nmに成膜し、第2の絶縁膜と
して層間絶縁膜16を形成する。その後、短波長のエキ
シマレーザーを照射し、注入した不純物の活性化処理を
行う。活性化に使用したレーザーの波長λは308nm
であり、半値幅30nsecのXeClエキシマレーザ
ーである。またそのエネルギー密度は300mJ/cm
2 とし、平均照射数を20shot/point とする。
【0021】一方、第1の絶縁膜であるゲート絶縁膜1
4については、図2(c)に示すように膜厚d1 =45
nm、屈折率n1 =1. 46とする。ゲート絶縁膜14
上に形成した層間絶縁膜16については、膜厚d2 =2
11nm、屈折率n1 =1.46とする。従って不純物
の活性化を必要とする薄膜トランジスタのソース領域2
1及びドレイン領域22上の絶縁膜については、膜厚は
1 +d2 =255nmとなり、屈折率はn1 =1. 4
6となる。そしてゲート電極15上の絶縁膜について
は、膜厚はd2 =211nmとなり、屈折率n1 は1.
46となる。
【0022】図3(a)は大気中から絶縁膜(SiO
2 )にレーザー光を入射した場合、絶縁膜の膜厚に対す
るレーザー光の反射率を示したものである。図3(b)
はレーザー光での活性化時における薄膜トランジスタの
断面図であり、図2(c)の断面図に対応している。大
気中から絶縁膜へ入射するレーザー光の反射率は、レー
ザー波長をλとし、絶縁膜の屈折率をnとする場合、図
3(a)に示すようにλ/(4*n)の周期で最大、最
小を繰り返す。
【0023】図3(a)ではエキシマレーザーの波長λ
を308nmとし、絶縁膜(SiO 2 )の屈折率nを
1. 46としている。この場合は反射率の半周期λ/
(4*n)は52. 7nmとなる。従って図3(b)に
示す領域A、即ちゲート電極上では層間絶縁膜(SiO
2 :211nm)に対してレーザー光が入射するため、
図3(a)に示したように反射率が最大となり、入射し
たレーザーエネルギーは薄膜トランジスタのゲート電極
15にはほとんど吸収されなくなる。
【0024】これに対して、図3(b)に示す領域B、
即ち薄膜トランジスタのソース領域21及びドレイン領
域22並びにLDD領域13b上では、ゲート絶縁膜の
膜厚45nmと層間絶縁膜の膜厚211nmとの和に対
してレーザー光が入射するこになる。このため、図3
(a)に示したように反射率が最小となり、入射したレ
ーザーエネルギーは最も効率良く下層のpoly−Si
膜13aに到達する。そのため、poly−Si膜13
aのアニールが効率的に行われ、注入した不純物がよく
活性化される。
【0025】このような活性化処理の後は、図2(d)
に示すように層間絶縁膜16にコンタクトホール17
a、17bを開口し、TiとAlの積層膜からなるSD
配線18a、18bを夫々形成する。最後に窒化シリコ
ンからなる保護絶縁膜23を形成し、水素雰囲気でのア
ニールを行なう。こうして、多結晶シリコン薄膜中の未
結合手を水素にて補償し、特性が向上した薄膜トランジ
スタが得られる。
【0026】上記のアニールは250℃〜400℃の温
度範囲で30分〜3時間程度行うことが望ましい。ここ
ではアニール温度を350℃とし、アニール時間を1時
間とした。本実施の形態の製造方法を用いて薄膜トラン
ジスタを作製したところ、移動度150cm2 /V・s
ec、Vth=2. 0Vの特性が得られる。また、ゲート
電極15にAl合金を用いたにも関わらず、レーザー活
性化工程でのヒロックの増大は観測されない。
【0027】以上のような製造方法によれば、ゲート電
極15上の層間絶縁膜16がエキシマレーザーを反射す
る作用を有し、薄膜トランジスタのソース領域21及び
ドレイン領域22上の層間絶縁膜16,14は反射防止
の作用を持つこととなる。これにより不純物の活性化が
必要な領域に対しては、効率的にレーザーエネルギーが
吸収されるのに対して、温度上昇を防止したいゲート電
極には、レーザーエネルギーが吸収されないように制御
できる。従って、温度上昇によりヒロックやクラック等
が形成されやすい材料、例えばAlや応力の大きな高融
点金属であるCr,Mo,W、Ni等の材料をゲート配
線に用いることができる。
【0028】また図3に示したように反射率は、使用す
るレーザーの波長λ、絶縁膜の屈折率n1 に対して絶縁
膜の膜厚がλ/(4*n1 )[nm]毎に反射率最大と
最小となるため、絶縁膜の膜厚誤差は、反射率が最大、
最小となる周期の1/2、すなわちλ/(8*n1
[nm]の範囲にあればよい。この条件を定量化する
と、第2の絶縁膜の膜厚d2 が次の(1)式を満足し、 2*m*λ/(4*n1 )−λ/(n1 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n1 ) +λ/(n1 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(1) かつ第1及び第2の絶縁膜の膜厚の和(d1 +d2
が、次の(2)式を満足すればよい。 (2*m−1)*λ/(4*n1 ) −λ/(n1 *8)<d1 +d2 、 (2*m−1)*λ/(4*n1 )+λ/(n1 *8)>d1 +d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(2)
【0029】なお、本実施の形態では、ゲート絶縁膜と
層間絶縁膜とを同一材料、即ち同一屈折率n1 を有する
構成としたが、必ずしも同一屈折率を有する材料である
必要はない。屈折率が異なる材料をゲート絶縁膜と層間
絶縁膜に用いた場合には、ゲート絶縁膜の膜厚をd1
し、屈折率をn1 とし、層間絶縁膜の膜厚をd2 とし、
屈折率をn2 としたとき、膜厚d2 は次の(3)式を満
足すればよい。 2*m*λ/(4*n2 )−λ/(n2 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n2 ) +λ/(n2 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(3) また第1の絶縁膜の膜厚d1 及び第2の絶縁の膜厚d2
が、次の(4)式を満足すればよい。 n1 *d1 =(2*m1 −1)*λ/4、 n2 *d2 =(2*m2 −1)*λ/4 (m1 ,m2 =1, 2, 3・・・)・・・(4) このように(3)式と(4)式を満足していれば、請求
項1記載の製造方法、即ち実施の形態に記載した効果と
同様の効果が得られる。
【0030】実施の形態に記載したように、第1の絶縁
膜として有機シリコン材料、例えばTEOSガスをプラ
ズマ分解して作製した酸化シリコン薄膜を用い、薄膜ト
ランジスタのソース領域及びドレイン領域上を前記絶縁
膜にて被覆することにより、薄膜トランジスタの信頼性
を更に向上することができた。
【0031】
【発明の効果】以上のように本願の請求項1又は2記載
の発明によれば、不純物の活性化処理に用いるレーザー
光を照射するとき、レーザー光に対して光学的な反射膜
をゲート電極上に形成し、かつ薄膜トランジスタの活性
層以外の領域に光学的な反射防止膜を形成することで、
活性化処理時にゲート電極に照射されるレーザー光の大
半を反射させることができる。このためゲート電極の温
度上昇を抑制することができる。これにより、充分な活
性化率を得るレーザーアニール条件においても、ゲート
電極のクラックや剥離を防止できる。この結果、薄膜ト
ランジスタの製造歩留まりを大きく向上させることがで
きる。
【0032】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の作製方法(その1)を示す工程断面図である。
【図2】本発明の実施の形態における薄膜トランジスタ
の作製方法(その2)を示す工程断面図である。
【図3】(a)は絶縁膜の膜厚とレーザー光の反射率と
を関係を示す特性図であり、(b)は薄膜トランジスタ
における領域A,Bの位置を示す断面図である。
【図4】従来の薄膜トランジスタの製造方法(その1)
を示す工程断面図である。
【図5】従来の薄膜トランジスタの製造方法(その2)
を示す工程断面図である。
【符号の説明】
11 ガラス基板 12 バッファー層 13a poly−Si膜 13b LDD領域 13c SD領域 14 ゲート絶縁膜(第1の絶縁膜) 15 ゲート電極 16 層間絶縁膜(第2の絶縁膜) 17a,17b コンタクトホール 18a,18b SD配線 21 ソース領域 22 ドレイン領域 25 フォトレジスト 23 保護絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/265

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透光性基板上に絶縁膜を成膜し、バッフ
    ァ層を形成する工程と、 前記バッファ層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程
    と、 前記非単晶質半導体薄膜上にゲート絶縁膜として屈折率
    1 、膜厚d1 を有する第1の絶縁膜を形成する工程
    と、 前記第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極の形成後に前記非単結晶半導体薄膜中に
    不純物を注入する工程と、 前記第1の絶縁膜及び前記ゲート電極を被覆するように
    屈折率n1 、膜厚d2を有する第2の絶縁膜を形成する
    工程と、 前記第2の絶縁膜の形成後に波長λのレーザー照射を行
    い、注入された前記不純物を活性化する工程と、を有
    し、 前記第2の絶縁膜の膜厚d2 が(1)式を満足し、 2*m*λ/(4*n1 )−λ/(n1 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n1 ) +λ/(n1 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(1) かつ前記第1及び第2の絶縁膜の膜厚の和(d1
    2 )が、(2)式 (2*m−1)*λ/(4*n1 ) −λ/(n1 *8)<d1 +d2 、 (2*m−1)*λ/(4*n1 )+λ/(n1 *8)>d1 +d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(2)を満足すること を特徴とする薄膜トランジスタの製造方
    法。
  2. 【請求項2】 透光性基板上に絶縁膜を成膜し、バッフ
    ァ層を形成する工程と、 前記バッファ層上に非単結晶半導体薄膜を形成する工程
    と、 前記非単晶質半導体薄膜上にゲート絶縁膜として屈折率
    1 、膜厚d1 を有する第1の絶縁膜を形成する工程
    と、 前記第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極の形成後に前記非単結晶半導体薄膜中に
    不純物を注入する工程と、 前記第1の絶縁膜及び前記ゲート電極を被覆するように
    屈折率n2 、膜厚d2を有する第2の絶縁膜を形成する
    工程と、 前記第2の絶縁膜の形成後に波長λのレーザー照射を行
    い、注入された前記不純物を活性化する工程と、を有
    し、 前記第2の絶縁膜の膜厚d2 が(3)式を満足し、 2*m*λ/(4*n2 )−λ/(n2 *8)<d2 、 2*m*λ/(4*n2 ) +λ/(n2 *8)>d2 (m=1, 2, 3・・・)・・・(3) かつ前記第1の絶縁の膜厚d1 及び第2の絶縁の膜厚d
    2 が、(4)式 n1 *d1 =(2*m1 −1)*λ/4、 n2 *d2 =(2*m2 −1)*λ/4 (m1 ,m2 =1, 2, 3・・・)・・・(4)を満足すること を特徴とする薄膜トランジスタの製造方
    法。
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