JPH0897431A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 第１の目的は、多結晶シリコン膜を活性層と
して用いた薄膜トランジスタにおいて水素プラズマ処理
の効率化をはかることにある。第２の目的は、高耐圧で
信頼性の高い薄膜トランジスタを提供することにある。 【構成】 本発明の半導体装置は多結晶シリコン薄膜を
活性層１２として用い、活性層１２上にゲート絶縁膜１
３を介してゲート電極１４を形成した薄膜トランジスタ
において、スリット状に除去された領域をもつ島状の多
結晶シリコン薄膜が水素拡散係数の大きいシリコン酸化
膜１１内に埋め込まれるように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびその
製造方法に係り、特に、絶縁性基板上に薄膜トランジス
タによる周辺回路を内蔵した液晶ディスプレイ、イメー
ジスキャナーなどの画像入出力装置に適用される薄膜ト
ランジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶ディスプレイやイメージスキ
ャナーなどの画像入出力装置に適用されるスイッチング
素子としては、薄膜積層構造の薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）が用いられている。従来の薄膜トランジスタは、図
１０に示すように絶縁性基板３１上に堆積された半導体
膜をパターニングして島状の半導体層３２を形成し、こ
の半導体層３２上にゲート絶縁膜３３およびゲート電極
３４を形成し、ゲート電極３４の下方に位置する半導体
層３２をトランジスタのチャネル領域３２ａとし、この
チャネル領域３２ａを挟むようにソース領域およびドレ
イン領域３２ｂを形成し、前記ゲート絶縁膜３３および
層間絶縁膜３５に形成されたコンタクト孔を介してこれ
らソース領域およびドレイン領域３２ｂが配線電極３６
に接続された電界効果型のトランジスタで構成されてい
る。このような薄膜トランジスタの活性層としては、非
晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）や多結晶シリコン（ｐｏｌｙ
−Ｓｉ）が用いられるが、駆動回路を一体化する場合、
動作速度の速い多結晶シリコン膜で形成する必要があ
る。

【０００３】多結晶シリコンを活性層とする薄膜トラン
ジスタにおいては、チャネル領域３２ａを構成する多結
晶シリコンの結晶粒界部のシリコン未結合手によるトラ
ップ準位が存在するため、キャリアの捕獲が発生して良
好なトランジスタ特性を得ることができない。そこで、
結晶粒界のシリコン未結合手によるトラップ準位を低減
させるため、薄膜トランジスタの作製中もしくは作製後
に多結晶シリコンの結晶粒界に水素原子を導入し、シリ
コン未結合手と結合させる水素化処理が施されている。
この水素化処理の具体的な方法としては、特開昭６４−
５３５５３に記載されているように、現在では次の３種
類の方法が提案されている。

【０００４】（１）高周波水素プラズマにより活性水素
をトランジスタのチャネル領域に導入する（水素プラズ
マ処理）。

【０００５】（２）イオン注入装置により加速された水
素イオンをトランジスタのチャネル領域３２ａに注入
し、その後活性化させる（水素イオン注入処理）。

【０００６】（３）水素原子を含有するシリコン窒化膜
で薄膜トランジスタを被覆し、その後の熱処理でシリコ
ン窒化膜中の水素原子をトランジスタのチャネル領域３
２ａに熱拡散させる（シリコン窒化膜からの熱拡散処
理）。

【０００７】これらの方法のうち、（２）においては注
入された水素イオンの活性化処理を施すが、この際結晶
粒界のシリコン未結合手と水素との結合化率が低く、ト
ラップ準位が十分低減せず、処理後のトランジスタ特性
が十分に良好な値とはならない。

【０００８】また、（３）においても、シリコン窒化膜
中の水素原子の熱拡散では、十分とラップ準位が低減さ
れず、良好なトランジスタ特性を得ることができないと
いう問題がある。

【０００９】このような理由から、これらの２つの方法
は一般に用いられていない。

【００１０】これに対し、（１）の水素プラズマ処理法
は、上記（２）（３）の方法と比較すると、結晶粒界の
シリコン未結合手と水素との結合化率が高く処理後は良
好なトランジスタ特性を得ることができる。しかし、高
周波水素プラズマにより発生した活性水素がトランジス
タのチャネル領域に拡散して到達するが、この拡散過程
が律速し、良好なトランジスタ特性を得るには、長時間
の水素プラズマ処理が必要となる。

【００１１】水素プラズマ処理の効率化をはかるための
１つの手段として、チャネル幅の狭い薄膜トランジスタ
を並列接続することにより、活性水素の拡散経路を増加
させる方法が提案されている（特開昭６２−２６８１６
１号）。この構造を用いることにより増加する活性水素
の拡散経路は、図１１(a) に示された太線部分４ｓすな
わち多結晶シリコン活性層４２の側面とゲート絶縁膜と
の界面の部分である。ここで良好な特性の薄膜トランジ
スタを得るためには、ゲート絶縁膜４３は耐圧向上のた
めに、より緻密な方が好ましいが、ゲート絶縁膜４３の
緻密性を増すと、図４に示された太線部分４ｓすなわち
多結晶シリコン活性層４２の側面とゲート絶縁膜４３と
の界面の部分での活性水素の拡散速度が低下してしま
う。したがって、前述した特開昭６２−２６８１６１号
に記載されているチャネル幅の狭い薄膜トランジスタを
並列に接続する構造では、緻密性の高いゲート絶縁膜を
用いると所望の水素プラズマ処理の効率が低下するとい
う問題がある。

【００１２】さらにまたこのような構造の薄膜トランジ
スタでは、図１１(b) に示された黒丸の部分４ｐでは、
多結晶シリコンの活性層４２の多数のエッジによる段差
に起因してゲート絶縁膜４３の段差部で膜薄領域が形成
されゲート絶縁膜の耐圧が低下し、歩留まり低下の原因
となるという問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の薄
膜トランジスタでは、２つの問題があった。すなわち、
緻密性の高いゲート絶縁膜を用いると、水素プラズマ処
理に際して拡散速度が低下し、粒界のシリコン未結合手
と水素との結合化率が低くなり、トラップ準位を十分に
低減することができないという問題と、多結晶シリコン
の活性層４２の多数のエッジによる段差に起因して、ゲ
ート絶縁膜の耐圧が低下し、歩留まり低下の原因となる
という問題である。

【００１４】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、本発明の第１の目的は、多結晶シリコン膜を活性層
として用いた薄膜トランジスタにおいて水素プラズマ処
理の効率化をはかることにある。

【００１５】また本発明の第２の目的は、高耐圧で信頼
性の高い薄膜トランジスタを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
多結晶シリコン薄膜を活性層として用い、活性層上にゲ
ート絶縁膜を介してゲート電極を形成した薄膜トランジ
スタにおいて、スリット状に除去された領域をもつ島状
の多結晶シリコン薄膜が水素拡散係数の大きいシリコン
酸化膜内に埋め込まれるように形成される。

【００１７】望ましくは、活性層上面のゲート絶縁膜は
前記シリコン酸化膜よりも緻密な絶縁膜で形成されてい
ることを特徴とする。

【００１８】本発明の第２の特徴は、絶縁性基板表面に
多結晶シリコン膜からなりスリット状の除去領域を含む
半導体島領域を、水素拡散係数の大きい絶縁膜内に埋め
込む工程と、前記半導体島領域表面に、ゲート絶縁膜
と、ゲート電極を形成する工程と、ソースドレイン拡散
を行い、前記半導体島領域内にソースドレイン領域を形
成する工程と、水素プラズマを照射し、多結晶シリコン
膜の粒界の未結合手と水素とを結合せしめる水素プラズ
マ処理工程と、層間絶縁膜を形成し、配線パターンを形
成する工程とを含むことを特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明の第１によれば、半導体層が水素拡散係
数の大きい絶縁膜内にスリット状に除去された領域をも
つように埋め込まれているため、この絶縁膜との界面が
大面積にわたって存在し、水素プラズマ処理時の水素
は、この絶縁膜との界面から良好に拡散し、粒界の未結
合手と結合し、水素化処理工程の効率が向上する。従っ
て、シリコン未結合手によるトラップ準位を効率的に低
減することができ、短時間で所望のトランジスタ特性を
得ることが可能となる。また、半導体層が埋め込まれて
いるため、ゲート絶縁膜が平坦面上に形成され、段差が
ないため、エッジでの膜厚の減少もなく、電界集中によ
る耐圧の低下も低減される。

【００２０】望ましくはゲート絶縁膜は、下地の絶縁膜
よりも緻密な膜で構成するようにすれば、さらにゲート
絶縁膜の耐圧が向上する。

【００２１】本発明の第２の方法によれば、層間絶縁膜
の形成に先立ち水素プラズマ処理を行うことにより、活
性水素はゲート絶縁膜のみを介してスリット部に到達す
ることができ、スリット部のゲート絶縁膜と多結晶シリ
コンとの界面を拡散して欠陥を補償するため、水素プラ
ズマ処理の高効率化をはかることができ、容易にトラン
ジスタ特性が良好で高耐圧の薄膜トランジスタを提供す
ることが可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明について、図面を参照しつつ詳
細に説明する。図１は、本発明実施例の薄膜トランジス
タの概略図である。ここで図１(b) および図１(c) は、
図１(a) のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。こ
の薄膜トランジスタは、絶縁性のガラス基板１０上に形
成された下地絶縁膜１１としてのシリコン酸化膜の凹部
内に、スリット状に除去された領域をもつ島状の多結晶
シリコン半導体層１２が表面が平坦となるように埋め込
まれ、この上層に緻密な熱酸化膜からなるゲート絶縁膜
１３およびタンタル薄膜からなるゲート電極１４が形成
されたことを特徴とするものである。ここで、下地絶縁
膜１１は、水素拡散係数 Ｄ_H ＝１．０×１０^-11 cm²
/s（ａｔ ３５０℃）のものを用いており、この値は、
ゲート絶縁膜の水素拡散係数に対して大きくなってい
る。そしてゲート電極１４の上層に層間絶縁膜１５を介
してアルミニウム配線１６が形成されている。ここで下
地絶縁膜の１つのスリットの幅は２〜３μm 、スリット
間の多結晶シリコン半導体層領域の幅は４〜６μm であ
る。

【００２３】すなわち、図２に示すようにガラス基板１
表面に、ＬＰＣＶＤ法により、成膜温度４３０℃、ガス
流量：ＳｉＨ₄ ／Ｏ₂ ／Ｈｅ＝２５０／５０／３５００
sccm、ガス圧：２５０Ｐａの条件で膜厚１００nmとなる
ように下地絶縁膜１１としてのシリコン酸化膜を堆積す
る。

【００２４】次に図３に示すように、フォトリソグラフ
ィ法および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用い
て、下地絶縁膜１１の、多結晶シリコン膜が埋め込まれ
る領域を凹状に加工する。

【００２５】そして図４に示すように、この凹状に加工
された下地絶縁膜１１上にＬＰＣＶＤ法により、成膜温
度４５０℃、ガス流量：Ｓｉ₂ Ｈ₆ ＝５０sccm、ガス
圧：４０Ｐａの条件で膜厚２００nmとなるように、アモ
ルファスシリコン膜を堆積し、続いてＫｒＦエキシマレ
ーザ光（λ＝２４８nm）を２００〜６００mJ/ cm² のエ
ネルギー密度で照射して再結晶化せしめ（エキシマレー
ザ結晶化法）、多結晶シリコン膜１２を形成する。

【００２６】この後図５に示すようにレジストＲをスピ
ンコーティング法により、表面が平坦となるように塗布
する。

【００２７】この後、このレジストＲと多結晶シリコン
膜１２とのエッチング速度が同一になるようなエッチン
グ条件を用いて、下層の下地絶縁膜１１が露呈するまで
エッチングを行う（図６(a) および(b) ）。これは、レ
ジストエッチバックと呼ばれる方法であるが、これによ
り、表面が平坦化され、下地絶縁膜１１の凹部に埋め込
まれた多結晶シリコン膜１２が得られる。図６(b) は図
６(a) の上面図であり、島状に分割された多結晶シリコ
ン半導体層領域の一部にスリット状の下地絶縁膜が存在
する。ここで、下地絶縁膜の１つのスリット状の幅は２
〜３μm とするのが好ましくまた、下地絶縁膜のスリッ
ト間の多結晶シリコン半導体層領域の幅は４〜６μm と
するのが好ましい。

【００２８】そして、図７に示すように、ＥＣＲ−ＣＶ
Ｄ法により、成膜温度２５℃、ガス流量：ＳｉＨ₄ ／Ｏ
₂ ＝３／９sccm、ガス圧：１３３ｍＰａ，μ波パワー：
４００Ｗの条件で、膜厚１００nmとなるようにゲート絶
縁膜１３としてのシリコン酸化膜を堆積する。

【００２９】そしてスパッタリング法により、膜厚５０
０nmのタンタル膜を成膜し、フォトリソグラフィ法によ
りパターニングし、ゲート電極１４を形成し、さらにこ
のゲート電極１４をマスクとしてイオンドーピングを行
い、タンタル層からなるゲート電極パターンをマスクと
して、自己整合的にリンイオンを導入し、ｎ型不純物領
域からなるソース・ドレイン領域１２ｂを形成する。こ
こでこのソース・ドレイン領域１２ｂで囲まれた領域は
チャネル領域１２ａとなる（図８）。なお、ここでＣＭ
ＯＳ回路を構成する場合には、一部をレジスト被覆して
おきｎ型不純物を導入し、続いて他の一部をレジスト被
覆してｐ型不純物を導入し、それぞれ自己整合的にｎチ
ャネルおよびｐチャネルトランジスタを形成するように
すればよい。

【００３０】この後注入した不純物の活性化のためのア
ニール処理を行った後、水素プラズマ処理を行い、多結
晶シリコンのチャネル領域１２ａに存在する欠陥を活性
水素で終端する。そして最後に、ＣＶＤ法により層間絶
縁膜１５として膜厚１．０μm のシリコン酸化膜を堆積
し、これにコンタクトホールＨを開口し、コンタクトホ
ールを介してゲート電極およびソース・ドレイン領域に
コンタクトするようにアルミニウム配線パターン１６を
形成し、必要に応じて表面保護膜（図示せず）を形成し
て図９に示すような薄膜トランジスタ装置が完成する。

【００３１】なお、前記実施例ではゲート絶縁膜として
ＥＣＲ−ＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜を用いた
が、これに限定されることなく、基板温度５００℃程度
で熱励起法によって形成したシリコン酸化膜や、基板温
度４００〜５００℃で常圧ＣＶＤ法あるいは減圧ＣＶＤ
法で形成したシリコン酸化膜を用いるようにしてもよ
い。また、窒化シリコン膜との多層膜で構成しても良
い。

【００３２】また下地絶縁膜として用いる水素拡散係数
の大きい絶縁膜としては、ＬＰＣＶＤ法で形成した酸化
シリコン膜の他、ＡＰＣＶＤ法等を用いてもよい。さら
にまた、下地絶縁膜は通常の方法で形成しておき、多結
晶シリコン膜との界面のみを水素拡散係数の大きい絶縁
膜で形成するようにしてもよい。その場合は、スリット
を有する凹部を形成した後、プラズマ照射などにより、
表面を粗面化したりすることにより、多結晶シリコン膜
との界面となる領域のみ粗な状態にすればよい。

【００３３】また、前記実施例では、ゲート電極として
タンタル薄膜を用いたが、タンタルに限定されることな
く他のタングステンなどの高融点金属をはじめ、多結晶
シリコンなどを用いる場合にも適用可能であり、さらに
他の部分についても前記実施例に限定されることなく、
本発明の趣旨を逸脱することなく適宜変更可能である

【００３４】。

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、信頼性の高い薄膜トランジスタ集積回路などの半導
体装置を形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の薄膜トランジスタの概要図。

【図２】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図３】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図４】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図５】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図６】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図７】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図８】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図９】本発明実施例の薄膜トランジスタの製造工程図

【図１０】従来例の薄膜トランジスタを示す説明図

【図１１】従来例の薄膜トランジスタを示す説明図

【符号の説明】

１０ ガラス基板 １１ 下地絶縁膜 １２ 多結晶シリコン膜 １２ａ チャネル領域 １２ｂ ソース領域・ドレイン領域 １３ ゲート絶縁膜 １４ ゲート電極 １５ 層間絶縁膜 １６ 配線パターン Ｒ レジスト Ｈ コンタクトホール ３１ 絶縁性基板 ３２ 島状の半導体層 ３２ａ チャネル領域 ３２ｂ ソース領域・ドレイン領域 ３３ ゲート絶縁膜 ３４ ゲート電極 ３５ 層間絶縁膜 ３６ 配線電極 ４１ 下地絶縁膜 ４２ 多結晶シリコン膜 ４３ ゲート絶縁膜 ４４ ゲート電極 ４５ 層間絶縁膜 ４６ 配線電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多結晶シリコン薄膜を活性層として用
   い、活性層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成
   した薄膜トランジスタにおいて、 スリット状に除去された領域をもつ島状の多結晶シリコ
   ン薄膜が水素拡散係数の大きいシリコン酸化膜内に埋め
   込まれるように形成されていることを特徴とする半導体
   装置。
2. 【請求項２】 前記活性層上面に形成されるゲート絶縁
   膜は、前記シリコン酸化膜よりも緻密な絶縁膜で形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。
3. 【請求項３】 絶縁性基板表面に多結晶シリコン膜から
   なり、スリット状の除去領域を有する半導体島領域を、
   水素拡散係数の大きい絶縁膜内に埋め込む工程と、 前記半導体島領域表面に、ゲート絶縁膜と、ゲート電極
   を形成する工程と、 ソースドレイン拡散を行い、前記半導体島領域内にソー
   スドレイン領域を形成する工程と、 水素プラズマを照射し、多結晶シリコン膜の粒界の未結
   合手と水素とを結合せしめる水素プラズマ処理工程と、 層間絶縁膜を形成し、配線パターンを形成する工程とを
   含むことを特徴とする半導体装置の製造方法