JPH06267980A - 薄膜トランジスタおよびその作製方法 - Google Patents
薄膜トランジスタおよびその作製方法Info
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- JPH06267980A JPH06267980A JP7899993A JP7899993A JPH06267980A JP H06267980 A JPH06267980 A JP H06267980A JP 7899993 A JP7899993 A JP 7899993A JP 7899993 A JP7899993 A JP 7899993A JP H06267980 A JPH06267980 A JP H06267980A
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Landscapes
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- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 結晶性シリコンの活性層を有する薄膜トラン
ジスタ（ＴＦＴ）をガラス基板に影響を及ぼさない程度
の低温で製造する方法を提供する。 【構成】 アモルファスシリコン膜に比較的、少量の結
晶化を促進する触媒元素を添加し、基板の歪み温度より
も低い温度でアニールして、これを結晶化させる。次
に、これにゲイト絶縁膜、ゲイト電極を形成し、自己整
合的に不純物を注入した後、結晶化を促進する触媒元素
を有する被膜を不純物領域に密着させるか、あるいは触
媒元素をイオン注入等の手段で比較的多く不純物領域に
導入し，しかる後に、基板の歪み温度よりも低い温度で
アニールしてドーピング不純物の活性化をおこなう。
ジスタ（ＴＦＴ）をガラス基板に影響を及ぼさない程度
の低温で製造する方法を提供する。 【構成】 アモルファスシリコン膜に比較的、少量の結
晶化を促進する触媒元素を添加し、基板の歪み温度より
も低い温度でアニールして、これを結晶化させる。次
に、これにゲイト絶縁膜、ゲイト電極を形成し、自己整
合的に不純物を注入した後、結晶化を促進する触媒元素
を有する被膜を不純物領域に密着させるか、あるいは触
媒元素をイオン注入等の手段で比較的多く不純物領域に
導入し，しかる後に、基板の歪み温度よりも低い温度で
アニールしてドーピング不純物の活性化をおこなう。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）およびその作製方法に関するものである。本発明
によって作製される薄膜トランジスタは、ガラス等の絶
縁基板上、単結晶シリコン等の半導体基板上、いずれに
も形成される。特に本発明は、熱アニールによる結晶
化、活性化を経て作製される薄膜トランジスタに関す
る。
ＦＴ）およびその作製方法に関するものである。本発明
によって作製される薄膜トランジスタは、ガラス等の絶
縁基板上、単結晶シリコン等の半導体基板上、いずれに
も形成される。特に本発明は、熱アニールによる結晶
化、活性化を経て作製される薄膜トランジスタに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層
（活性領域ともいう）を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトト
ランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が熱
心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に形
成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置にお
いて、各画素の制御用に利用することや駆動回路に利用
することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶状
態によって、アモルファスシリコンＴＦＴや結晶性シリ
コンＴＦＴというように区別されている。
（活性領域ともいう）を有する絶縁ゲイト型の半導体装
置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトト
ランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が熱
心に研究されている。これらは、透明な絶縁基板上に形
成され、マトリクス構造を有する液晶等の表示装置にお
いて、各画素の制御用に利用することや駆動回路に利用
することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶状
態によって、アモルファスシリコンＴＦＴや結晶性シリ
コンＴＦＴというように区別されている。
【０００３】一般にアモルファス状態の半導体の電界移
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるＴＦ
Ｔには利用できない。また、アモルファスシリコンで
は、Ｐ型の電界移動度は著しく小さいので、Ｐチャネル
型のＴＦＴ（ＰＭＯＳのＴＦＴ）を作製することができ
ず、したがって、Ｎチャネル型ＴＦＴ（ＮＭＯＳのＴＦ
Ｔ）と組み合わせて、相補型のＭＯＳ回路（ＣＭＯＳ）
を形成することができない。
動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるＴＦ
Ｔには利用できない。また、アモルファスシリコンで
は、Ｐ型の電界移動度は著しく小さいので、Ｐチャネル
型のＴＦＴ（ＰＭＯＳのＴＦＴ）を作製することができ
ず、したがって、Ｎチャネル型ＴＦＴ（ＮＭＯＳのＴＦ
Ｔ）と組み合わせて、相補型のＭＯＳ回路（ＣＭＯＳ）
を形成することができない。
【０００４】一方、結晶半導体は、アモルファス半導体
よりも電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可
能である。結晶性シリコンでは、ＮＭＯＳのＴＦＴだけ
でなく、ＰＭＯＳのＴＦＴも同様に得られるのでＣＭＯ
Ｓ回路を形成することが可能で、例えば、アクティブマ
トリクス方式の液晶表示装置においては、アクティブマ
トリクス部分のみならず、周辺回路（ドライバー等）を
もＣＭＯＳの結晶性ＴＦＴで構成する、いわゆるモノリ
シック構造を有するものが知られている。このような理
由から、最近は結晶性シリコンを使用したＴＦＴの研究
開発が盛んである。
よりも電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可
能である。結晶性シリコンでは、ＮＭＯＳのＴＦＴだけ
でなく、ＰＭＯＳのＴＦＴも同様に得られるのでＣＭＯ
Ｓ回路を形成することが可能で、例えば、アクティブマ
トリクス方式の液晶表示装置においては、アクティブマ
トリクス部分のみならず、周辺回路（ドライバー等）を
もＣＭＯＳの結晶性ＴＦＴで構成する、いわゆるモノリ
シック構造を有するものが知られている。このような理
由から、最近は結晶性シリコンを使用したＴＦＴの研究
開発が盛んである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】結晶性シリコンを得る
方法の１つとして、レーザーもしくはそれと同等な強光
を照射することによってアモルファスシリコンを結晶化
させる方法が挙げられるが、レーザーの出力の不安定性
や極めて短時間のプロセスであることに由来する不安定
性のために量産実用化の目処がついていない。
方法の１つとして、レーザーもしくはそれと同等な強光
を照射することによってアモルファスシリコンを結晶化
させる方法が挙げられるが、レーザーの出力の不安定性
や極めて短時間のプロセスであることに由来する不安定
性のために量産実用化の目処がついていない。
【０００６】現在、実用的に採用できる考えられる方法
は、熱によってアモルファスシリコンを結晶化させる方
法である。この方法では、バッチ間のばらつきが少ない
結晶シリコンを得ることができる。しかし、問題がない
わけではない。
は、熱によってアモルファスシリコンを結晶化させる方
法である。この方法では、バッチ間のばらつきが少ない
結晶シリコンを得ることができる。しかし、問題がない
わけではない。
【０００７】通常、結晶性シリコンを得るには６００℃
程度の温度での長時間のアニールか、もしくは１０００
℃以上の高温でのアニールが必要であった。後者の方法
を採用すれば選択できる基板が石英に限られ、基板コス
トが非常に高くなった。前者の方法では基板選択の余地
は拡がるが、別な問題がある。
程度の温度での長時間のアニールか、もしくは１０００
℃以上の高温でのアニールが必要であった。後者の方法
を採用すれば選択できる基板が石英に限られ、基板コス
トが非常に高くなった。前者の方法では基板選択の余地
は拡がるが、別な問題がある。
【０００８】安価な無アルカリガラス基板（コーニング
社７０５９番等）を採用した場合の従来のＴＦＴの作製
プロセスは、概ね以下のような流れである。 アモルファスシリコン膜の成膜 アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以上、
２４時間以上） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ドーピング不純物の活性化（６００℃以上、２４時
間以上） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
社７０５９番等）を採用した場合の従来のＴＦＴの作製
プロセスは、概ね以下のような流れである。 アモルファスシリコン膜の成膜 アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以上、
２４時間以上） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ドーピング不純物の活性化（６００℃以上、２４時
間以上） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
【０００９】ここで、特に問題となるのはとのプロ
セスである。多くの無アルカリガラスの歪み温度が６０
０℃近辺（コーニング７０５９の場合は５９３℃）であ
るので、このような温度での処理は、基板のちぢみやソ
リの問題となる。最初のアニールプロセスであるの段
階では、まだ、パターニングがされていないから基板の
収縮はそれほど大きな問題とはならなかい。しかし、
の段階では、回路のパターニングがされているため、基
板が収縮すると、以後のマスクあわせができなくなり、
歩留りの低下の大きな原因となる。そこで、のプロセ
ス温度は、基板の歪み温度以下でおこなうことが望まれ
る一方、のプロセスをより低温（好ましくはガラスの
歪み温度より５０℃以上低い温度、さらに好ましくは、
の最高熱処理温度よりも５０℃以上低い温度）でおこ
なうことが望まれている。
セスである。多くの無アルカリガラスの歪み温度が６０
０℃近辺（コーニング７０５９の場合は５９３℃）であ
るので、このような温度での処理は、基板のちぢみやソ
リの問題となる。最初のアニールプロセスであるの段
階では、まだ、パターニングがされていないから基板の
収縮はそれほど大きな問題とはならなかい。しかし、
の段階では、回路のパターニングがされているため、基
板が収縮すると、以後のマスクあわせができなくなり、
歩留りの低下の大きな原因となる。そこで、のプロセ
ス温度は、基板の歪み温度以下でおこなうことが望まれ
る一方、のプロセスをより低温（好ましくはガラスの
歪み温度より５０℃以上低い温度、さらに好ましくは、
の最高熱処理温度よりも５０℃以上低い温度）でおこ
なうことが望まれている。
【００１０】そのためには、例えば、前述のようなレー
ザー等を用いる方法も考えられるが、レーザーの不安定
性に加えて、レーザーの照射される部分（ソース、ドレ
イン領域）とレーザーの照射されない部分（活性領域＝
ゲイト電極の下の領域）との間で温度上昇の違いから応
力が発生し、信頼性が低下することが観測された。
ザー等を用いる方法も考えられるが、レーザーの不安定
性に加えて、レーザーの照射される部分（ソース、ドレ
イン領域）とレーザーの照射されない部分（活性領域＝
ゲイト電極の下の領域）との間で温度上昇の違いから応
力が発生し、信頼性が低下することが観測された。
【００１１】このため、レーザー等を採用することは量
産的には困難であった。一方、その他の方法としても有
効な方法は見出せないのが現状であった。本発明はこの
ような困難な課題に対して解答を与えんとするものであ
る。本発明は、量産性を維持しつつ、上記の問題点を解
決することを課題とする。
産的には困難であった。一方、その他の方法としても有
効な方法は見出せないのが現状であった。本発明はこの
ような困難な課題に対して解答を与えんとするものであ
る。本発明は、量産性を維持しつつ、上記の問題点を解
決することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者の研究の結果、
実質的にアモルファス状態のシリコン被膜に微量の触媒
材料を添加することによって結晶化を促進させ、結晶化
温度を低下させ、結晶化時間を短縮できることが明らか
になった。触媒材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄
（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）の単体、も
しくはそれらの珪化物等の化合物が適している。具体的
には、これらの触媒元素を有する膜、粒子、クラスター
等をアモルファスシリコン膜の下、もしくは上に密着し
て形成し、あるいはイオン注入法等の方法によってアモ
ルファスシリコン膜中にこれらの触媒元素を導入し、そ
の後、これを適当な温度、典型的には５８０℃以下の温
度で熱アニールすることによって結晶化させることがで
きる。
実質的にアモルファス状態のシリコン被膜に微量の触媒
材料を添加することによって結晶化を促進させ、結晶化
温度を低下させ、結晶化時間を短縮できることが明らか
になった。触媒材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄
（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）の単体、も
しくはそれらの珪化物等の化合物が適している。具体的
には、これらの触媒元素を有する膜、粒子、クラスター
等をアモルファスシリコン膜の下、もしくは上に密着し
て形成し、あるいはイオン注入法等の方法によってアモ
ルファスシリコン膜中にこれらの触媒元素を導入し、そ
の後、これを適当な温度、典型的には５８０℃以下の温
度で熱アニールすることによって結晶化させることがで
きる。
【００１３】当然のことであるが、アニール温度が高い
ほど結晶化時間は短いという関係がある。また、ニッケ
ル、鉄、コバルト、白金の濃度が大きいほど結晶化温度
が低く、結晶化時間が短いという関係がある。本発明人
の研究では、結晶化を進行させるには、これらのうちの
少なくとも１つの元素の濃度が１×１０17ｃｍ-3以上、
好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上存在することが必要で
あることがわかった。
ほど結晶化時間は短いという関係がある。また、ニッケ
ル、鉄、コバルト、白金の濃度が大きいほど結晶化温度
が低く、結晶化時間が短いという関係がある。本発明人
の研究では、結晶化を進行させるには、これらのうちの
少なくとも１つの元素の濃度が１×１０17ｃｍ-3以上、
好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上存在することが必要で
あることがわかった。
【００１４】一方、上記触媒材料はいずれもシリコンに
とっては好ましくない材料であるので、できるだけその
濃度が低いことが望まれる。本発明人の研究では、特に
活性領域として利用する場合には、十分な信頼性および
特性を得るためにこれらの触媒材料の濃度は合計して１
０20ｃｍ-3を越えないことが望まれる。一方、ソース、
ドレイン等には比較的多量に存在しても、さして問題と
ならないことが明らかになった。
とっては好ましくない材料であるので、できるだけその
濃度が低いことが望まれる。本発明人の研究では、特に
活性領域として利用する場合には、十分な信頼性および
特性を得るためにこれらの触媒材料の濃度は合計して１
０20ｃｍ-3を越えないことが望まれる。一方、ソース、
ドレイン等には比較的多量に存在しても、さして問題と
ならないことが明らかになった。
【００１５】本発明人は、この触媒元素の効果に着目
し、これを利用することによって上記の問題を解決でき
ることを見出した。本発明におけるＴＦＴの作製プロセ
スは、概ね以下のようなものである。 アモルファスシリコン膜の成膜 ’触媒元素の導入（イオン注入もしくはイオンドーピ
ング法による） アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以下、
８時間以内） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ’触媒元素を有する物質のシリコン膜への成膜 ドーピング不純物の活性化（６００℃以下、８時間
以内） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
し、これを利用することによって上記の問題を解決でき
ることを見出した。本発明におけるＴＦＴの作製プロセ
スは、概ね以下のようなものである。 アモルファスシリコン膜の成膜 ’触媒元素の導入（イオン注入もしくはイオンドーピ
ング法による） アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以下、
８時間以内） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ’触媒元素を有する物質のシリコン膜への成膜 ドーピング不純物の活性化（６００℃以下、８時間
以内） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
【００１６】あるいは、 アモルファスシリコン膜の成膜 ’触媒元素の導入（イオン注入もしくはイオンドーピ
ング法による） アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以下、
８時間以内） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ’触媒元素の導入（イオン注入もしくはイオンドーピ
ング法による） ドーピング不純物の活性化（６００℃以下、８時間
以内） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
ング法による） アモルファスシリコン膜の結晶化（６００℃以下、
８時間以内） ゲイト絶縁膜の成膜 ゲイト電極の形成 ドーピング不純物の導入（イオン注入もしくはイオ
ンドーピング法による） ’触媒元素の導入（イオン注入もしくはイオンドーピ
ング法による） ドーピング不純物の活性化（６００℃以下、８時間
以内） 層間絶縁物の形成 ソース、ドレイン電極の形成
【００１７】これらの工程において、および’はそ
の順序を逆転させることも可能である。また、’の工
程は、「触媒元素を有する被膜等をアモルファスシリコ
ン膜の上、もしくは下に密着する工程」に置き換えても
よい。触媒元素の濃度を精密に制御するという意味から
はイオン注入法等の手段が望ましいが、工程を単純化
し、設備投資を抑制するという観点からは、得られるＴ
ＦＴの特性が許せば、このような工程を採用してもよ
い。
の順序を逆転させることも可能である。また、’の工
程は、「触媒元素を有する被膜等をアモルファスシリコ
ン膜の上、もしくは下に密着する工程」に置き換えても
よい。触媒元素の濃度を精密に制御するという意味から
はイオン注入法等の手段が望ましいが、工程を単純化
し、設備投資を抑制するという観点からは、得られるＴ
ＦＴの特性が許せば、このような工程を採用してもよ
い。
【００１８】本発明において、上記工程’によってア
モルファスシリコン膜に導入された触媒元素は、その結
晶化を著しく促進させ、また、’によって主としてソ
ース、ドレイン領域に導入された触媒元素は、その領域
の再結晶化を著しく促進する。そのため、結晶化、活性
化のためには、６００℃以下、典型的には５５０℃以下
の温度で十分であり、また、アニール時間も８時間以
内、典型的には４時間以内で十分である。特に、イオン
注入法やイオンドーピング法によって最初から均等に触
媒元素が分布している場合には、極めて結晶化が進行し
やすかった。
モルファスシリコン膜に導入された触媒元素は、その結
晶化を著しく促進させ、また、’によって主としてソ
ース、ドレイン領域に導入された触媒元素は、その領域
の再結晶化を著しく促進する。そのため、結晶化、活性
化のためには、６００℃以下、典型的には５５０℃以下
の温度で十分であり、また、アニール時間も８時間以
内、典型的には４時間以内で十分である。特に、イオン
注入法やイオンドーピング法によって最初から均等に触
媒元素が分布している場合には、極めて結晶化が進行し
やすかった。
【００１９】本発明においては、いずれのプロセスを採
用しても、活性領域の上にゲイト電極が存在するので、
’の工程で活性領域にじかに触媒元素が密着したり、
注入されたりすることはない。そのため、活性領域と不
純物領域において触媒元素の濃度を変えることが可能で
ある。例えば、活性領域に添加される触媒元素の濃度を
比較的小さくすることによってＴＦＴの特性及び信頼性
に与える悪影響を極力少なくし、また、不純物領域に添
加される触媒元素の濃度を比較的大きくして、活性化の
温度を低下させることによって、基板の収縮やソリを抑
制し、歩留りを上げることができる。また、そのために
ＴＦＴの信頼性、特性が損なわれることはほとんどな
い。
用しても、活性領域の上にゲイト電極が存在するので、
’の工程で活性領域にじかに触媒元素が密着したり、
注入されたりすることはない。そのため、活性領域と不
純物領域において触媒元素の濃度を変えることが可能で
ある。例えば、活性領域に添加される触媒元素の濃度を
比較的小さくすることによってＴＦＴの特性及び信頼性
に与える悪影響を極力少なくし、また、不純物領域に添
加される触媒元素の濃度を比較的大きくして、活性化の
温度を低下させることによって、基板の収縮やソリを抑
制し、歩留りを上げることができる。また、そのために
ＴＦＴの信頼性、特性が損なわれることはほとんどな
い。
【００２０】さらに、本発明においては、触媒元素の作
用のために、通常の熱アニールによっては結晶化しない
１０００Å以下の薄いアモルファスシリコン膜も結晶化
する。ＴＦＴの段差部におけるゲイト絶縁膜のピンホー
ルや絶縁不良、ゲイト電極の断線等を防止する観点から
は、結晶シリコン膜の厚さは、１０００Å以下、好まし
くは５００Å以下が要求されていた。従来はレーザー結
晶化以外の方法では実現できなかったが、本発明によっ
て低温においても熱アニールによって実現できた。この
ことが歩留りのさらなる向上に寄与することは言うまで
もない。以下に実施例を用いて、より詳細に本発明を説
明する。
用のために、通常の熱アニールによっては結晶化しない
１０００Å以下の薄いアモルファスシリコン膜も結晶化
する。ＴＦＴの段差部におけるゲイト絶縁膜のピンホー
ルや絶縁不良、ゲイト電極の断線等を防止する観点から
は、結晶シリコン膜の厚さは、１０００Å以下、好まし
くは５００Å以下が要求されていた。従来はレーザー結
晶化以外の方法では実現できなかったが、本発明によっ
て低温においても熱アニールによって実現できた。この
ことが歩留りのさらなる向上に寄与することは言うまで
もない。以下に実施例を用いて、より詳細に本発明を説
明する。
【００２１】
〔実施例１〕 図１に本実施例の作製工程の断面図を示
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０上にスパッ
タリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜
１１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法によって、
厚さ５００〜１５００Å、例えば１５００Åの真性（Ｉ
型）のアモルファスシリコン膜１２を堆積した。そし
て、このアモルファスシリコン膜にイオン注入法によっ
て、１×１０13〜５×１０14ｃｍ-2、例えば５×１０13
ｃｍ-2のドーズ量でニッケルイオンを注入した。この結
果、アモルファスシリコン膜中には、５×１０18ｃｍ-3
程度の濃度でニッケルが存在した。（図１（Ａ））
す。まず、基板（コーニング７０５９）１０上にスパッ
タリング法によって厚さ２０００Åの酸化珪素の下地膜
１１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法によって、
厚さ５００〜１５００Å、例えば１５００Åの真性（Ｉ
型）のアモルファスシリコン膜１２を堆積した。そし
て、このアモルファスシリコン膜にイオン注入法によっ
て、１×１０13〜５×１０14ｃｍ-2、例えば５×１０13
ｃｍ-2のドーズ量でニッケルイオンを注入した。この結
果、アモルファスシリコン膜中には、５×１０18ｃｍ-3
程度の濃度でニッケルが存在した。（図１（Ａ））
【００２２】これを窒素雰囲気中、５５０℃で４時間ア
ニールして結晶化させた。アニール後、シリコン膜をパ
ターニングして、島状シリコン領域１３を形成し、さら
に、スパッタリング法によって厚さ１０００Åの酸化珪
素膜１４をゲイト絶縁膜として堆積した。スパッタリン
グには、ターゲットとして酸化珪素を用い、スパッタリ
ング時の基板温度は２００〜４００℃、例えば２５０
℃、スパッタリング雰囲気は酸素とアルゴンで、アルゴ
ン／酸素＝０〜０．５、例えば０．１以下とした。
ニールして結晶化させた。アニール後、シリコン膜をパ
ターニングして、島状シリコン領域１３を形成し、さら
に、スパッタリング法によって厚さ１０００Åの酸化珪
素膜１４をゲイト絶縁膜として堆積した。スパッタリン
グには、ターゲットとして酸化珪素を用い、スパッタリ
ング時の基板温度は２００〜４００℃、例えば２５０
℃、スパッタリング雰囲気は酸素とアルゴンで、アルゴ
ン／酸素＝０〜０．５、例えば０．１以下とした。
【００２３】引き続いて、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ
３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのシリコン膜
（０．１〜２％の燐を含む）を堆積した。なお、この酸
化珪素とシリコン膜の成膜工程は連続的におこなうこと
が望ましい。そして、シリコン膜をパターニングして、
ゲイト電極１５を形成した。（図１（Ｂ））
３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのシリコン膜
（０．１〜２％の燐を含む）を堆積した。なお、この酸
化珪素とシリコン膜の成膜工程は連続的におこなうこと
が望ましい。そして、シリコン膜をパターニングして、
ゲイト電極１５を形成した。（図１（Ｂ））
【００２４】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（燐）を
注入した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
3 ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋ
Ｖとした。ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、
例えば、２×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不
純物領域１６ａ、１６ｂが形成された。（図１（Ｃ））
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（燐）を
注入した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
3 ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ、例えば８０ｋ
Ｖとした。ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2、
例えば、２×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不
純物領域１６ａ、１６ｂが形成された。（図１（Ｃ））
【００２５】次に、不純物領域上の酸化珪素膜１４をエ
ッチングして、不純物領域１６を露出させ、スパッタリ
ング法によって、平均的に厚さ５〜２００Å、例えば２
０Åの珪化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ
≦２．５、例えば、ｘ＝２．０）１７を図に示すように
全面に形成した。２０Å程度の厚さでは膜は連続的なも
のではなく、どちらかというと粒子の集合体の様相を呈
していたが、本実施例では問題はない。（図１（Ｄ））
ッチングして、不純物領域１６を露出させ、スパッタリ
ング法によって、平均的に厚さ５〜２００Å、例えば２
０Åの珪化ニッケル膜（化学式ＮｉＳｉx 、０．４≦ｘ
≦２．５、例えば、ｘ＝２．０）１７を図に示すように
全面に形成した。２０Å程度の厚さでは膜は連続的なも
のではなく、どちらかというと粒子の集合体の様相を呈
していたが、本実施例では問題はない。（図１（Ｄ））
【００２６】その後、窒素雰囲気中、４８０℃（先の結
晶化の際のアニール温度よりも７０℃低い）で４時間ア
ニールすることによって、不純物を活性化させた。この
とき、先にＮ型不純物領域１６ａおよび１６ｂにはその
上に被着した珪化ニッケル膜からニッケルが拡散するの
で、このアニールによって再結晶化が容易に進行した。
こうして不純物領域１６ａ、１６ｂを活性化した。
晶化の際のアニール温度よりも７０℃低い）で４時間ア
ニールすることによって、不純物を活性化させた。この
とき、先にＮ型不純物領域１６ａおよび１６ｂにはその
上に被着した珪化ニッケル膜からニッケルが拡散するの
で、このアニールによって再結晶化が容易に進行した。
こうして不純物領域１６ａ、１６ｂを活性化した。
【００２７】続いて、厚さ６０００Åの酸化珪素膜１８
を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、
これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例え
ば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴ
のソース領域、ドレイン領域の電極・配線１９ａ、１９
ｂを形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０
℃、３０分のアニールをおこなった。以上の工程によっ
て薄膜トランジスタが完成した。（図１（Ｅ））
を層間絶縁物としてプラズマＣＶＤ法によって形成し、
これにコンタクトホールを形成して、金属材料、例え
ば、窒化チタンとアルミニウムの多層膜によってＴＦＴ
のソース領域、ドレイン領域の電極・配線１９ａ、１９
ｂを形成した。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０
℃、３０分のアニールをおこなった。以上の工程によっ
て薄膜トランジスタが完成した。（図１（Ｅ））
【００２８】得られたＴＦＴの活性領域（ゲイト電極の
下）におけるニッケルの濃度は、２次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）法によって分析したところ、１×１０18〜
５×１０18ｃｍ-3程度で、また、不純物領域１６におけ
る濃度は、１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3程度であっ
た。
下）におけるニッケルの濃度は、２次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）法によって分析したところ、１×１０18〜
５×１０18ｃｍ-3程度で、また、不純物領域１６におけ
る濃度は、１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3程度であっ
た。
【００２９】〔実施例２〕 図２に本実施例の作製工程
の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）２
０上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化
珪素の下地膜２１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ
法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば１５００
Åの真性（Ｉ型）のアモルファスシリコン膜２２、さら
にスパッタリング法によって、厚さ２００Åの酸化珪素
膜２３を堆積した。そして、このアモルファスシリコン
膜にイオン注入法によって、５×１０13ｃｍ-2のドーズ
量でニッケルイオンを注入した。（図２（Ａ））次に、
このアモルファスシリコン膜を窒素雰囲気中、５５０
℃、８時間アニールして結晶化させた。その後、このシ
リコン膜をパターニングして、島状シリコン領域２４を
形成した。
の断面図を示す。まず、基板（コーニング７０５９）２
０上にスパッタリング法によって厚さ２０００Åの酸化
珪素の下地膜２１を形成した。さらに、プラズマＣＶＤ
法によって、厚さ５００〜１５００Å、例えば１５００
Åの真性（Ｉ型）のアモルファスシリコン膜２２、さら
にスパッタリング法によって、厚さ２００Åの酸化珪素
膜２３を堆積した。そして、このアモルファスシリコン
膜にイオン注入法によって、５×１０13ｃｍ-2のドーズ
量でニッケルイオンを注入した。（図２（Ａ））次に、
このアモルファスシリコン膜を窒素雰囲気中、５５０
℃、８時間アニールして結晶化させた。その後、このシ
リコン膜をパターニングして、島状シリコン領域２４を
形成した。
【００３０】さらに、テトラ・エトキシ・シラン（Ｓｉ
（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 、ＴＥＯＳ）と酸素を原料として、プ
ラズマＣＶＤ法によって結晶シリコンＴＦＴのゲイト絶
縁膜として、厚さ１０００Åの酸化珪素２５を形成し
た。原料には、上記ガスに加えて、トリクロロエチレン
（Ｃ2 ＨＣｌ3 ）を用いた。成膜前にチャンバーに酸素
を４００ＳＣＣＭ流し、基板温度３００℃、全圧５Ｐ
ａ、ＲＦパワー１５０Ｗでプラズマを発生させ、この状
態を１０分保った。その後、チャンバーに酸素３００Ｓ
ＣＣＭ、ＴＥＯＳを１５ＳＣＣＭ、トリクロロエチレン
を２ＳＣＣＭを導入して、酸化珪素膜の成膜をおこなっ
た。基板温度、ＲＦパワー、全圧は、それぞれ３００
℃、７５Ｗ、５Ｐａであった。成膜完了後、チャンバー
に１００Ｔｏｒｒの水素を導入し、３５０℃で３５分の
水素アニールをおこなった。
（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 、ＴＥＯＳ）と酸素を原料として、プ
ラズマＣＶＤ法によって結晶シリコンＴＦＴのゲイト絶
縁膜として、厚さ１０００Åの酸化珪素２５を形成し
た。原料には、上記ガスに加えて、トリクロロエチレン
（Ｃ2 ＨＣｌ3 ）を用いた。成膜前にチャンバーに酸素
を４００ＳＣＣＭ流し、基板温度３００℃、全圧５Ｐ
ａ、ＲＦパワー１５０Ｗでプラズマを発生させ、この状
態を１０分保った。その後、チャンバーに酸素３００Ｓ
ＣＣＭ、ＴＥＯＳを１５ＳＣＣＭ、トリクロロエチレン
を２ＳＣＣＭを導入して、酸化珪素膜の成膜をおこなっ
た。基板温度、ＲＦパワー、全圧は、それぞれ３００
℃、７５Ｗ、５Ｐａであった。成膜完了後、チャンバー
に１００Ｔｏｒｒの水素を導入し、３５０℃で３５分の
水素アニールをおこなった。
【００３１】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのタンタ
ル膜を堆積した。タンタルの代わりにチタンやタングス
テン、モリブテン、シリコンでもよい。但し、後の活性
化に耐えられるだけの耐熱性が必要である。なお、この
酸化珪素２５とタンタル膜の成膜工程は連続的におこな
うことが望ましい。そして、タンタル膜をパターニング
して、ＴＦＴのゲイト電極２６を形成した。さらに、こ
のタンタル配線の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層
２７を形成した。陽極酸化は、酒石酸の１〜５％エチレ
ングリコール溶液中でおこなった。得られた酸化物層の
厚さは２０００Åであった。（図２（Ｂ））
厚さ３０００〜８０００Å、例えば６０００Åのタンタ
ル膜を堆積した。タンタルの代わりにチタンやタングス
テン、モリブテン、シリコンでもよい。但し、後の活性
化に耐えられるだけの耐熱性が必要である。なお、この
酸化珪素２５とタンタル膜の成膜工程は連続的におこな
うことが望ましい。そして、タンタル膜をパターニング
して、ＴＦＴのゲイト電極２６を形成した。さらに、こ
のタンタル配線の表面を陽極酸化して、表面に酸化物層
２７を形成した。陽極酸化は、酒石酸の１〜５％エチレ
ングリコール溶液中でおこなった。得られた酸化物層の
厚さは２０００Åであった。（図２（Ｂ））
【００３２】次に、プラズマドーピング法によって、シ
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（燐）を
注入した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
3 ）を用い、加速電圧を８０ｋＶとした。ドーズ量は２
×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純物領域２
８ａ、２８ｂが形成された。このとき、陽極酸化物のた
めに、ゲイト電極２６と不純物領域２８とはオフセット
状態となっている。（図２（Ｃ））
リコン領域にゲイト電極をマスクとして不純物（燐）を
注入した。ドーピングガスとして、フォスフィン（ＰＨ
3 ）を用い、加速電圧を８０ｋＶとした。ドーズ量は２
×１０15ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純物領域２
８ａ、２８ｂが形成された。このとき、陽極酸化物のた
めに、ゲイト電極２６と不純物領域２８とはオフセット
状態となっている。（図２（Ｃ））
【００３３】さらに、今度はイオン注入によって、シリ
コン領域にゲイト電極をマスクとしてニッケルイオンを
注入した。ドーズ量は１×１０14〜２×１０15ｃｍ-2、
例えば５×１０14ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純
物領域２８ａ、２８ｂのニッケルの濃度は、５×１０19
ｃｍ-3程度になった。（図２（Ｄ））
コン領域にゲイト電極をマスクとしてニッケルイオンを
注入した。ドーズ量は１×１０14〜２×１０15ｃｍ-2、
例えば５×１０14ｃｍ-2とした。この結果、Ｎ型の不純
物領域２８ａ、２８ｂのニッケルの濃度は、５×１０19
ｃｍ-3程度になった。（図２（Ｄ））
【００３４】その後、窒素雰囲気中、４５０℃で４時間
アニールすることによって、不純物を活性化させた。こ
のとき、Ｎ型不純物領域２８ａおよび２８ｂにはニッケ
ルイオンが注入されているので、このアニールによって
再結晶化が容易に進行した。こうして不純物領域２８
ａ、２８ｂを活性化した。
アニールすることによって、不純物を活性化させた。こ
のとき、Ｎ型不純物領域２８ａおよび２８ｂにはニッケ
ルイオンが注入されているので、このアニールによって
再結晶化が容易に進行した。こうして不純物領域２８
ａ、２８ｂを活性化した。
【００３５】続いて、層間絶縁物として厚さ２０００Å
の酸化珪素膜２９をＴＥＯＳを原料とするプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成し
て、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多
層膜によってソース、ドレイン電極・配線３０ａ、３０
ｂを形成した。以上の工程によって半導体回路が完成し
た。（図２（Ｅ））
の酸化珪素膜２９をＴＥＯＳを原料とするプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成し
て、金属材料、例えば、窒化チタンとアルミニウムの多
層膜によってソース、ドレイン電極・配線３０ａ、３０
ｂを形成した。以上の工程によって半導体回路が完成し
た。（図２（Ｅ））
【００３６】作製された薄膜トランジスタの電界効果移
動度は、ゲイト電圧１０Ｖで７０〜１００ｃｍ2 ／Ｖ
ｓ、しきい値は２．５〜４．０Ｖ、ゲイトに−２０Ｖの
電圧を印加したときのリーク電流は１０-13 Ａ以下であ
った。
動度は、ゲイト電圧１０Ｖで７０〜１００ｃｍ2 ／Ｖ
ｓ、しきい値は２．５〜４．０Ｖ、ゲイトに−２０Ｖの
電圧を印加したときのリーク電流は１０-13 Ａ以下であ
った。
【００３７】
【発明の効果】本発明は、例えば、４００〜５５０℃と
いうような低温、かつ、４時間という短時間でアモルフ
ァスシリコンの結晶化およびシリコン中のドーピング不
純物の活性化をおこなうことによって、スループットを
向上させることができる。加えて、従来、６００℃以上
のプロセスを採用した場合にはガラス基板の縮みが歩留
り低下の原因として問題となっていたが、本発明を利用
することによってそのような問題点は一気に解消でき
た。
いうような低温、かつ、４時間という短時間でアモルフ
ァスシリコンの結晶化およびシリコン中のドーピング不
純物の活性化をおこなうことによって、スループットを
向上させることができる。加えて、従来、６００℃以上
のプロセスを採用した場合にはガラス基板の縮みが歩留
り低下の原因として問題となっていたが、本発明を利用
することによってそのような問題点は一気に解消でき
た。
【００３８】このことは、大面積の基板を一度に処理で
きることを意味するものである。すなわち、大面積基板
を処理することによって、１枚の基板から多くの半導体
回路（マトリクス回路等）を切りだすことによって単価
を大幅に低下させることができる。これを液晶ディスプ
レーに応用した場合には、量産性の向上と特性の改善が
図られる。このように本発明は工業上有益な発明であ
る。
きることを意味するものである。すなわち、大面積基板
を処理することによって、１枚の基板から多くの半導体
回路（マトリクス回路等）を切りだすことによって単価
を大幅に低下させることができる。これを液晶ディスプ
レーに応用した場合には、量産性の向上と特性の改善が
図られる。このように本発明は工業上有益な発明であ
る。
【図１】 実施例１の作製工程断面図を示す。
【図２】 実施例２の作製工程断面図を示す。
１０・・・基板 １１・・・下地絶縁膜（酸化珪素） １２・・・アモルファスシリコン膜 １３・・・島状シリコン領域 １４・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素） １５・・・ゲイト電極（燐ドープされたシリコン） １６・・・ソース、ドレイン領域 １７・・・触媒元素を含んだ被膜（珪化ニッケル） １８・・・層間絶縁物（酸化珪素） １９・・・金属配線・電極（窒化チタン／アルミニウ
ム）
ム）
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 21/265 21/324 Ｚ 8617−4Ｍ (72)発明者 竹村 保彦 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内
Claims (9)
- 【請求項１】 基板上に形成された結晶性シリコン膜の
活性領域を有し、その活性領域には、１×１０17ｃｍ-3
以上の結晶化を促進する触媒元素を有し、前記活性領域
に隣接する不純物領域の触媒元素の濃度は、前記活性領
域のものより大きいことを特徴とする薄膜トランジス
タ。 - 【請求項２】 請求項１において、触媒元素は、ニッケ
ル、鉄、コバルト、白金の少なくとも１つであることを
特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項３】 請求項１において、触媒元素の濃度は２
次イオン質量分析法によって測定された値であることを
特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項４】 基板上に触媒元素の濃度が、１×１０17
ｃｍ-3未満のアモルファスシリコン膜を形成する第１の
工程と、 前記アモルファスシリコン膜に結晶化を促進する触媒元
素を添加する第２の工程と、 前記シリコン膜上にゲイト電極を形成する第３の工程
と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記シリコン膜中にド
ーピング不純物を導入する第４の工程と、 前記シリコン膜に密着して触媒元素を有する物質を形成
する第５の工程と、 前記シリコン膜を熱アニールすることによって、導入さ
れた不純物の活性化をおこなう第６の工程とを有するこ
とを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 【請求項５】 請求項４において、第２の工程は、触媒
元素を有する材料をアモルファスシリコンに密着させた
のち、熱的に化合させる工程からなることを特徴とする
薄膜トランジスタの作製方法。 - 【請求項６】 請求項５において、触媒元素を有する材
料とは、触媒元素とシリコンとの化合物であることを特
徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 【請求項７】 基板上に触媒元素の濃度が、１×１０17
ｃｍ-3未満のアモルファスシリコン膜を形成する第１の
工程と、 前記アモルファスシリコン膜に結晶化を促進する触媒元
素を添加する第２の工程と、 前記シリコン膜上にゲイト電極を形成する第３の工程
と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記シリコン膜中にド
ーピング不純物および１×１０17ｃｍ-3以上の濃度の触
媒元素を導入する第４の工程と、 前記シリコン膜を熱アニールすることによって、導入さ
れた不純物の活性化をおこなう第５の工程とを有するこ
とを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。 - 【請求項８】 基板上に触媒元素の濃度が、１×１０17
ｃｍ-3以上のアモルファスシリコン膜を形成する第１の
工程と、 前記アモルファスシリコン膜を最高温度Ｔ1 でアニール
する第２の工程と、 前記シリコン膜上にゲイト電極を形成する第３の工程
と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記シリコン膜中にド
ーピング不純物および触媒元素を導入する第４の工程
と、 前記シリコン膜を最高温度Ｔ2 （＜Ｔ1 ）でアニールす
ることによって、導入された不純物の活性化をおこなう
第５の工程とを有することを特徴とする薄膜トランジス
タの作製方法。 - 【請求項９】 請求項６において、Ｔ1 −Ｔ2 ＞５０℃
であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
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