JPH02224342A - 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】 「産業上の利用分野ｊ 本発明は非単結晶半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ
（以下にＴＰＴともいう）及びその製造方法に関するも
のであり、特に液晶デイスプレー。

イメージセンサ−等に適用可能な高速応答性を持つ薄膜
トランジスタに関する。

「従来の技術」 最近、化学的気相法等によって、作製された非単結晶半
導体薄膜を利用した薄膜トランジスタが注目されている
。

この薄膜トランジスタは、絶縁性基板上に前述の如く化
学的気相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲気
温度が最高で４５０°Ｃ程度と低温で形成でき、安価な
ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等を基板として用いる
ことができる。

この薄膜トランジスタは電界効果型であり、いわゆるＭ
ＯＳＦＥＴと同様の機能を有しているが、前述の如く安
価な絶縁性基板上に低温で形成でき、さらにその作製す
る最大面積は薄膜半導体を形成する装置の寸法にのみ限
定されるもので、容易に大面積基板上にトランジスタを
作製できるという利点を持っていた。このため多量の画
素を持つマトリクス構造の液晶デイスプレーのスイッチ
ング素子や一次元又は二次元のイメージセンサ等のスイ
ッチング素子として極めて有望である。

また、この薄膜トランジスタを作製するにはすでに確立
された技術であるフォトリソグラフィーが応用可能で、
いわゆる微細加工が可能であり、ＩＣ等と同様に集積化
を図ることも可能であった。

この従来より知られたＴＰＴの代表的な構造を第２図に
概略的に示す。

（２１）はガラスよりなる絶縁性基板であり、（２２）
は非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、（２３）、　（
２４）はソースドレイン領域で、（２５）、　　（２６
）はソースドレイン電極、（２７）はゲート絶縁膜で（
２８）はゲート電極であります。　このように構成され
た薄膜トランジスタはゲート電極（２８）に電圧を加え
ることにより、ソースドレイン（２３）、　（２４）間
に流れる電流を調整するものであります。

このような、ＴＰＴを作成する場合にソースドレイン領
域にはＮ型またはＰ型の導電型を示す不純物が高濃度で
、含まれている。この部分を形成する方法としては、こ
れら不純物が混入された低抵抗の非単結晶半導体層をチ
ャネルが形成される高抵抗の非単結晶半導体層上に積層
に形成する方法と、高抵抗の非単結晶半導体層表面上よ
りこれら不純物原子を移動させて高抵抗の非単結晶半導
体層中にソースドレイン領域を形成する方法が知られ広
く行われている。

しかしながら、前者の方法は不純物が混入された低抵抗
の非単結晶半導体層をチャネルが形成される高抵抗の非
単結晶半導体層上に積層して形成するため両生導体層の
間に界面ができ、この界面がＴＰＴの特性に悪影響を与
えることが多くこの界面の状態を良くすることは難しか
った。

一方、後者の方法は熱を基板及び非単結晶半導体層にく
わえることにより不純物を非単結晶半導体層の表面より
その内部へと拡散させるもので、その拡散させる速度を
速くするには加える温度をあげる必要がある。

その場合安価なガラス基板を使用することができずコス
ト高になり、加える温度を低くすると不純物が拡散され
る速度が遅く作製に多くの時間を必要としていた。

また、このような、ＴＰＴにおいては、使用する（２２
）の非単結晶半導体薄膜の持つ特性によってこのＴＰＴ
のスレッシュホールド電圧（ｖｔｈ）が変わってしまう
、特に多量の画素を持つ液晶デイスプレーまたは高精度
の解像度を持つイメージセンサ−のスイッチング素子と
して、このようなＴＰＴを使用する場合、一般にスレッ
シュホールド電圧（ｖｔｈ）を高くする必要がある。

この対策として、従来よりＮチャネルのトランジスタの
場合ならＰ型の不純物元素をＰチャネルのトランジスタ
ならＮ型の不純物元素をトランジスタのチャネル領域に
ライトドープすることが行われているが、薄膜トランジ
スタの場合使用されている半導体層が非単結晶半導体で
あり、かつ膜厚が薄いためにチャネル領域のみにライト
ドープすることが非常に困難であった。

ｒ発明の目的」 本発明は前述の如き問題を解決するものであり、従来の
ＴＰＴ比べて良好な特性を示すＴＰＴをより低温で作製
可能としたものであります。

ｒ発明の構成」 本発明は減圧状態において、少なくとも■族又はＶ族元
素を含む気体に対して、電気エネルギーを供給しプラズ
マ化してこれら気体を活性化し、この雰囲気下にて、高
抵抗の非単結晶半導体層の少なくともソース、ドレイン
領域にレーザ光を照射し、このレーザ光が照射された部
分に■族又はＶ族元素をドープして、ソース、ドレイン
領域を形成するものであります。

さらにまた、　本発明は減圧状態において、少なくとも
■族又はＶ族元素を含む気体に対して、電気エネルギー
を供給しプラズマ化してこれら気体を活性化し、この雰
囲気下にて、高抵抗の非単結晶半導体層のチャネル形成
領域にレーザ光を照射し、このレーザ光が照射された部
分に■族又はＶ族元素をドープして、スレッシュホール
ド電圧（Ｖｔｈ）を制御するものであります。

この場合、混合ガス中には被膜形成を行なう気体、例え
ばＳ　ｉ　ｔｌ　４等は含まれておらず、水素又はヘリ
ウム等の不活性気と■族又はＶ族元素を含む気体で構成
されております。

すなわち、■族又はＶ族の元素を含む混合気体に電気エ
ネルギーを与えて、混合気体をプラズマ化すると、これ
ら気体は各々の持つエネルギーに見合った種々の状態を
とり、はげしく運動を行っている。このようなプラズマ
雰囲気下に高抵抗の非単結晶半導体層を持つ基板を配置
すると、これが常に高抵抗の非単結晶半導体層を物理的
にたたいた状態となっている。この時にある特定の領域
にレーザ光を照射すると、その領域近傍の■族又はＶ族
の元素がこのレーザ光によって、より高エネルギー状態
に活性化される。この■族又はＶ族元素は前述の如く常
に高抵抗の非単結晶半導体層を物理的にたたいているの
で、活性化された状態でも同様のふるまいを行い、高抵
抗の非単結晶半導体層中にドーピングされてゆくのであ
る。

またこの■族又はＶ族元素は長時間の間高エネルギー状
態をとり続けることができない（他の気体分子、ラジカ
ルとの衝突等によりエネルギーを失うため）ので、レー
ザー光が照射された領域のみ選択的なドーピングが行な
えるのである。

上記のような工程の結果、高抵抗の非単結晶半導体層中
にソース、ドレインを選択的に形成することができ、か
つチャネル領域にスレッシュホールド電圧（ｖｔｈ）制
御のための少量の不純物添加を行うことができ、より短
チャネルであり高速応答性がよいＴＰＴを安価な価格に
て提供することが可能となるものであります。

また、この時基板及び高抵抗の非単結晶半導体層は高抵
抗の非単結晶半導体層作製時の基板温度より低い温度に
保持されているものであり、このことにより、ＴＰＴ作
製工程において、前工程に基板及び被膜を加えた温度よ
り後工程で加える温度を低くすることができ、半導体装
置の依願性を向上させることが可能なものであります。

以下実施例を示し本発明を説明する。

「実施例」 第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例を一つの製造工
程を示している。

まず（ａ）の工程において、絶縁性表面を有する基板（
１）例えばソーダガラス基板（１）をプラズマ発生が可
能な装置の反応室内に入れこの基板上に公知のプラズマ
ＣＶＤ法によって、■型の高抵抗性の非単結晶半導体層
（２）を約３００００程度形成する。この時の作製条件
を以下に示す。

基板温度　　　　２５０°Ｃ 反応応力　　　　０．　０５　ＴｏｒｒＲｆＰｏｗｅｒ
　　　　　９０　Ｗ ガス　　　　　　ＳｉＨ。

次に（ｂ）の工程において、反応室内の気体を排気した
後、水素ガスとホスフィンガス（Ｐｌｂ　）の混合ガス
を導入し圧力Ｑ、１Ｔｏｒｒで高周波電力を６０Ｗ印加
してプラズマ状態とした。この時のホスフィンは約１５
％となるように混合した。基板上の高抵抗の非単結晶半
導体層（２）はこの混合ガスの雰囲気下におかれている
。この時基板加熱は行わなかった。

そして、高抵抗の非単結晶半導体Ｎ（２）のソースドレ
イン領域に対しエキシマレーザ光（９）　（２４８、７
ｎｍ）を照射した。

この時エキシマレーザ光の照射ビームの形状は光学系に
より集光し、かつその外形をソース（３）ドレイン（４
）の領域の外形に一敗するようにして照射した。その時
レーザ光の条件は、０．０５Ｊ／ｃｆｆｌのエネルギー
密度で、パルス巾１０μｓｅｃで１５００パルス照射し
た。

これによってリンは、このレーザ光が照射された領域に
のみドーピングされる。

その深さはレーザ光の照射回数及びエネルギーによって
調整可能であるが、エネルギー量が多いと半導体層に損
傷を与えてしまうことがあるので、低エネルギーに保ち
照射回数によってドーピングされる深さを制御する方が
工程上のマージンが増す。

また、ソースとドレインの間隔は、レーザ光の照射間隔
にて調整可能で本実施例の場合は、その間隔を７μ−と
し短チャネルのＴＰＴとした。

次に（Ｃ）の工程として、反応室内の気体を排気した後
、水素ガスとジボランガス（Ｂ２１１＆）の混合ガスを
導入し圧力０．　ＩＴｏｒｒで高周波電力を６０Ｗ印加
してプラズマ状態とした。この時のジボランは約１％と
なるように混合した。基板上の高抵抗の非単結晶半導体
層（２）はこの混合ガスの雰囲気下におかれている。こ
の時も同様に基板加熱は行わなかった。

そして、高抵抗の非単結晶半導体層（２）のチャネル形
成領域に対しエキシマレーザ光（９）　（２４８，７ｎ
ｍ）を照射した。

この時エキシマレーザ光の照射ビームの形状は光学系に
より集光し、かつその外形をチャネル形成の領域の外形
にほぼ一致するようにして照射した。その時のレーザ光
の条件は、０．０７Ｊ／ｃｓａのエネルギー密度で、パ
ルス巾１０μｓｅｃで２０００パルス照射した。

これによってリンは、このレーザ光が照射された領域０
■にのみドーピングされる。

また、その深さ制御はソースドレインの場合と同様にし
た。

また、本発明ではスレッシュホールド電圧（Ｖｔｋ）の
制御の為にチャネル部分に不純物をドープするので、そ
の不純物は少量添加できればよい。

その為に、混合ガス中の不純物気体の割合を調整して、
ライトドープとなるようにした。

次に（ロ）の工程として、反応室内の気体を排気し、ガ
スをシランとアンモニアの混合ガスに変えて反応室内に
導入し、ゲート絶縁膜（５）として窒化珪素膜を２００
人形成した。

その作製条件を以下に示す。

基板温度　　　　２３０°Ｃ 反応圧力　　　　０．　０５　ＴｏｒｒＲｆＰｏｗｅｒ
　　　　　５０　Ｗ ガス　　　　　　Ｎ　Ｈｓ　／　Ｓ　ｉ　Ｈ４この後こ
の基板（１）を反応室から取り出し、所定のパターンに
エツチングして、ゲート絶縁膜（５）とした、さらにＴ
ＰＴの外形のパターンにエツチングを施した後、この上
面全面に公知のスパッタリング法にて、アルミニウムを
形成した後、所定のパターンにエツチングして、ゲート
電極（６）、ソース電極（７）及びドレイン電極（８）
を形成し、図のようなＴＰＴを完成させた。

本実施例において、不純物をドープする際には、加熱を
行わずに行っても十分にドーピングできるが、少し温度
加熱を行ってドーピングを行うと、速く終了する利点が
ある。

この時の加熱温度はＴＰＴの作製工程で基板及び半導体
薄膜に加えられた温度以下にする。

このように本発明は、ＴＰＴの作製工程で基板及び半導
体薄膜に加えられた温度が最も高い温度とすることがで
き、後工程で高い温度を加える必要がなく、より信頼性
の高いＴＰＴを提供できる。

本実施例においてレーザ光はエキシマレーザ光を用いた
が、その他のレーザ光でも実現可能である。

さらに、本実施例で示したコプレナー型のＴＰＴのみに
限定されることなく、他の形式のＴＰＴにも適用可能で
ある。

本発明のプラズマの効果を利用した不純物ドーピング技
術は上記の元素のみではなく、その他の■族又はＶ族の
不純物元素にしても適用可能である。

ｒ効果ｊ 以上説明した様に本発明によれば、ＴＰＴのソース、ド
レイン領域をプラズマ状態にされた■族又はＶ族元素霊
園下にてレーザ光を照射してこれら不純物元素をドーピ
ングして形成することと、チャネル形成領域にプラズマ
状態にされた■族又はＶ族元素霊園下にてレーザ光を照
射してこれら不純物元素をドーピングすることがより低
温で行なえる。

これによりＴＰＴのスレッシュホールド電圧（Ｖｔｈ）
をこの低温ドーピングにより制御でき多量の画素を持つ
液晶デイスプレー、イメージセンサー等のスイッチング
素子として、より高性能なＴＰＴを使用することができ
た。

また、高抵抗の非単結晶半導体層、ソース、ドレイン領
域及びゲート絶縁膜を連続して形成できるので、各層間
の界面特性が良くなり、かつ作製時間工程の短縮を実現
できる。

また、レーザ光の照射によってソース、ドレインが形成
できるので、その間隔を短くすることにより容易に短チ
ヤネル構造のＴＰＴを実現でき、高速応答性を持つＴＰ
Ｔを作製することができた。

このように本発明は、ＴＰＴの作製工程で基板及び半導
体薄膜に加えられた温度が最も高い温度とすることがで
き、後工程で高い温度を加える必要がな（、より信頼性
の高いＴＰＴを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の作製方法の概略を示す
。 第２図は従来のＴＰＴの構造を示す。 １・・・・基板 ２・・・・高抵抗の非単結晶半導体層 用１図 ソース ドレイン ゲート絶縁膜 ゲート電極 ソース電極 ドレイン電極 レーザ光 不純物の添加されたチャネル領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜トランジスタを作製する方法であって、高抵抗
   の非単結晶半導体層を形成する工程と、前記高抵抗の非
   単結晶半導体層をIII族又は、Ｖ族元素を含む混合ガス
   プラズマ雰囲下に配置し、前記高抵抗の非単結晶半導体
   層に対し、レーザ光を照射して、III族又はＶ族元素を
   ドーピングしてソースまたはドレイン領域を形成する工
   程と前記高抵抗の非単結晶半導体層をIII族又は、Ｖ族
   元素を含む混合ガスプラズマ雰囲下に配置し、前記高抵
   抗の非単結晶半導体層に対し、レーザ光を照射して、I
   II族又はＶ族元素を薄膜トランジスタのチャネル領域に
   ドーピングする工程を含むことを特徴とした薄膜トラン
   ジスタ作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、レーザ光の照射し
   てIII族又はＶ族の不純物をドーピングする際は、前記
   高抵抗の非単結晶半導体層形成温度以下に基板温度を保
   って行うことを特徴とする薄膜トランジスタ作製方法。