(57)【要約】【課題】半導体薄膜の表面層に浅い接合の拡散層を形成することが可能で、これによりＬＤＤ領域を設けることなくドレイン端においての電界を緩和してリーク電流を均一に抑えることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】半導体薄膜５上にゲート絶縁膜７を介してゲート電極９をパターン形成する。半導体薄膜５の表面にｐ型またはｎ型の不純物ａを含む溶液の液膜を形成して乾燥させた不純物膜Ａを形成する。ゲート電極９をマスクとし、不純物膜Ａを介して半導体薄膜５にエネルギービームｈ’をスポット照射する。これにより、不純物ａを半導体薄膜５の表面層のみに拡散させた浅い拡散層からなるソース／ドレイン１１を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型またはｐ型の不純物の存在下において半導体薄膜にエネルギービームをスポット照射することにより、前記不純物を前記半導体薄膜の表面層のみに拡散させた浅い拡散層を形成する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極をパターン形成し、当該ゲート電極をマスクとして前記半導体薄膜に前記エネルギービームをスポット照射することにより前記浅い拡散層からなるソース／ドレインを形成する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記半導体薄膜上に前記不純物を付着させた状態で、前記エネルギービームのスポット照射を行う
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記不純物を含む溶液の揮発雰囲気に前記半導体薄膜を晒すことによって当該半導体薄膜上に当該溶液を付着させて乾燥させた不純物膜を形成し、当該不純物膜上から前記エネルギービームのスポット照射を行う
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項３記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記不純物を含む溶液を前記半導体薄膜上に塗布成膜して乾燥させた不純物膜を形成し、当該不純物膜上から前記エネルギービームのスポット照射を行う
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記エネルギービームのスポット照射は、前記不純物を含有する雰囲気中に前記半導体薄膜を晒した状態で行われる
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項1記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記半導体薄膜として、１００ｎｍ以下の膜厚の半導体薄膜を成膜する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記エネルギービームとして、波長３５０ｎｍ〜４７０ｎｍのレーザ光を用いる
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記エネルギービームのスポット照射は、前記半導体薄膜の表面に対して走査しながら行われる
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１記載の薄膜半導体装置の製造方法において、
前記浅い拡散層が形成される前記半導体薄膜における表面層の深さ範囲を、前記エネルギービームのスポット照射条件によって制御する
ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
基板上に成膜された半導体薄膜の表面層のみにｎ型またはｐ型の不純物を拡散させた浅い拡散層が設けられている
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の薄膜半導体装置において、
前記半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、
前記ゲート電極の両脇における前記半導体薄膜部分に前記浅い拡散層がソース／ドレインとして設けられている
ことを特徴とする薄膜半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜半導体装置の製造方法および薄膜半導体装置に関し、特にはＬＤＤ構造を構成することなくリーク電流の発生を防止可能な薄膜半導体装置の製造方法および薄膜半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高度情報化時代の進展に伴い、フラットパネルディスプレイデバイスへの要求はとどまるところを知らない。より薄く、大面積で高精細、ハイコントラスト、良好な動画特性等の高機能化が求められている。ディスプレイデバイスはさらに、従来のガラス基板に対して、軽量性、可とう性、非破壊性に優れているプラスチック基板上への薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）作製技術が望まれている。また、最近では電流駆動表示素子として、有機ＥＬに代表化されるような自発光素子が注目され、電流駆動時の信頼性の問題から、poly-Siをチャネル半導体膜として用いたpoly-SiＴＦＴを用いた大面積のＴＦＴアレイ作製技術が検討されている。poly-SiＴＦＴをスイッチング素子を駆動回路として採用したアクティブマトリクス型表示装置をプラスチック基板上に作製できれば、従来に無い夢のような製品への応用範囲は大きく広がることになる。
【０００３】
こうした状況の中、エキシマ・レーザー・アニール（ＥＬＡ）法を用いて低温成膜ができるpoly-Si半導体膜を用いて、ＴＦＴをガラス基板上に作製する技術をさらに発展させ、最近ではプラスチック基板上にＴＦＴを作製することに成功し報告されている。
【０００４】
ところが、poly-SiＴＦＴを液晶表示装置等の画素選択用スイッチング素子に用いる場合、オフ電流が大きく、表示品質が低くなるという問題がある。つまり、poly-SiＴＦＴでは半導体膜を構成する結晶粒子の粒界、あるいは粒子内の欠陥を経由して電流が流れてしまうため、大きなリーク電流が発生し易いのである。しかも、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に用いられるpoly-SiＴＦＴでは、約１０Ｖ以上の逆バイアス下で用いられるため、インパクトイオンやホットエレクトロンに起因するリーク電流も大きな問題となる。この問題は、液晶表示装置の画素選択用薄膜トランジスタにpoly-SiＴＦＴを用いる場合に特に重要な問題である。
【０００５】
以上のようなＴＦＴにおけるリーク電流を低減するためには、ドレイン端での電界を緩和することが有効で有る。このため、一般的なpoly-SiＴＦＴでは、不純物濃度が低濃度［例えばn+領域（高濃度領域）よりもおよそ2桁から4桁程度の低濃度］のLightly Doped Drain(ＬＤＤ)領域をゲート電極脇のドレイン端に設けることにより、ドレイン端での電界の緩和を図っている。
【０００６】
このようなＬＤＤ領域を備えたＴＦＴの製造は、次のように行われる。先ず、チャネル半導体膜となる半導体薄膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、次にゲート電極をマスクにしてＬＤＤ領域形成用の不純物を半導体薄膜に導入する。その後、ゲート電極とその両脇を覆うレジストパターンを形成し、これをマスクにしてソース／ドレイン形成用の不純物を半導体薄膜に導入する（下記特許文献１参照）。
【０００７】
また、ソース／ドレインに導入した不純物の活性化熱処理にレーザー熱処理を用いる方法も提案されている。この場合、拡散係数、拡散時間の関係から、レーザーにより溶けた液相部分では大きく拡散するが、逆に液相部以外の固相拡散では大きな拡散は起こりにくいため、レーザーで溶けた領域と、溶けていない領域の間に急峻なバンド接合が生じる。
（例えば、下記非特許文献１参照）
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−４９５３５号公報
【非特許文献１】「Materials Science Engineering Ｂ」、110号、2004年３月、p185-189
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、以上のようなＬＤＤ領域を備えたＴＦＴの製造においては、ゲート電極に対するレジストパターンの合わせずれ（マスクずれ）により、チャネル領域の両側におけるＬＤＤ領域の幅にバラツキが生じ易い。このようなＬＤＤ領域のバラツキは、ＴＦＴ特性に影響を与える。このため、例えば有機ＥＬ素子のような、シビアな電流制御が要求される電流駆動表示素子の駆動において、輝度バラツキを発生させる要因となる。
【００１０】
そこで本発明は、半導体薄膜の表面層に浅い接合の拡散層を形成することが可能で、これによりＬＤＤ領域を設けることなくドレイン端においての電界を緩和してリーク電流を均一に抑えることができる薄膜トランジスタの製造方法を提供すること、さらにこれによって得られた薄膜トランジスタを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するための本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、ｎ型またはｐ型の不純物の存在下において半導体薄膜にエネルギービームをスポット照射することにより、ｎ型またはｐ型の不純物を半導体薄膜の表面層のみに拡散させた浅い拡散層を形成することを特徴としている。
【００１２】
このような製造方法では、半導体薄膜に対するエネルギービームのスポット照射範囲を極めて限られた微小範囲とすることで、この微小範囲で発生した熱を速やかに放熱させ、
半導体薄膜における極浅い表面層のみを瞬間的に加熱することができる。これにより、ｎ型またはｐ型の不純物の拡散範囲が、半導体薄膜の極浅い微小範囲に抑えられる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、半導体薄膜の表面層に極浅い拡散層を形成することが可能であるため、この拡散層をソース／ドレインとして形成することによりＬＤＤ領域を設けることなくドレイン端における電界を緩和してリーク電流が抑えられた薄膜トランジスタを得ることが可能となる。そして、ＬＤＤ領域によって電界緩和を図る構成において生じるマスクズレによる特性バラツキを考慮する必要がなく、薄膜トランジスタにおけるリーク電流を均一に抑えることが可能になり、ＴＦＴ特性の均一化を図ることができる。この結果、例えば有機ＥＬ素子のような、電流駆動表示素子を輝度バラツキなく駆動させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
先ず、図１（１）に示すように、ガラスまたはプラスチックからなる基板１の表面に、バッファー層３として酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を形成する。バッファー層３の成膜方法は、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法、スパッタ法、蒸着法等、公知の真空成膜技術もしくは、無機系ＳＯＧ（spin on glass）、有機系ＳＯＧ等の層間絶縁膜等として通常使用される絶縁層を用いることもできる。
【００１６】
続いてバッファー層３上に、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなる半導体薄膜５を成膜する。半導体薄膜５の成膜方法は、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等、公知の真空成膜技術もしくは、ポリシラン系化合物等公知の塗布型材料を公知のアニ−ルプロセスに従って形成することができる。また半導体薄膜５は、膜厚１００ｎｍ以下、好ましくは膜厚５０ｎｍ以下で成膜されることが好ましい。これは、低温ポリシリコンプロセスのようにレーザーにより表面層で吸収した熱で結晶化をさせる場合に、100nm以上の膜厚では完全に結晶化するには、エネルギー的時間的に大変であることと、同じ理由で50nm以下の膜であれば短時間で、より質の高い結晶膜を、比較的低いエネルギーでも形成可能であることのほか、トランジスター特性のゲート制御が薄膜化することで行いやすくなることなどが理由となる。
【００１７】
その後、ここでの図示は省略したが、必要に応じて、半導体薄膜５を薄膜トランジスタが形成される活性領域毎に島状にパターニングする工程を行う。このパターニングは、例えばレジストパターンをマスクに用いた半導体薄膜５のエッチングによって行い、パターニング後にはレジストパターンを除去する。
【００１８】
次に、図１（２）に示すように、半導体薄膜５にエネルギービームｈを照射して結晶化し、半導体薄膜５のキャリア移動度を向上させる。ここでは、公知のように、使用するエネルギービームｈの種類（例えばレーザ光の波長）、エネルギー密度や照射時間等の照射条件によってシリコン膜は微結晶シリコンから単結晶シリコンまで結晶化の程度を制御したエネルギービームｈの照射を行う。尚、この結晶化工程は、ここで作製する薄膜トランジスタに要求される特性によって必要に応じて行えば良く、半導体薄膜５はアモルファスシリコンまたは微結晶シリコンの状態のままでも良い。
【００１９】
次いで、図１（３）に示すように、半導体薄膜５上に、ゲート絶縁膜７を形成する。ゲート絶縁膜７の成膜方法は、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等、公知の真空成膜技術もしくは、無機系ＳＯＧ、有機系ＳＯＧ等の層間絶縁膜等として通常使用される絶縁層を用いることもできる。さらに金属膜の陽極酸化で形成される誘電体膜、ゾルゲル法、またはＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法等の公知の技術で形成されたものでもよい。
【００２０】
次に、図１（４）に示すように、ゲート絶縁膜７の上部にゲート電極９を形成する。この際、先ずゲート電極形成膜を成膜し、これをパターニングすることによってゲート電極９を形成する。ゲート電極形成膜の成膜方法は、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等公知の真空成膜技術もしくは、金属微粒子を塗布して焼結させる方法、またはめっき法のいずれの場合でもかまわない。またこのゲート電極形成膜のパターニングにおいては、レジストパターンをマスクに用いたエッチングによって行うこととする。この際、パターニングによって形成したゲート電極９脇のゲート絶縁膜７もエッチングし、ゲート電極９の下層のみにゲート絶縁膜７を残す。また、パターニング後にはレジストパターンを除去することとする。
【００２１】
次に、図２（１）に示すように、半導体薄膜５上に、ｎ型またはｐ型のドーパント不純物ａを含有する不純物膜Ａを形成する。
【００２２】
ここでは例えば、ｎ型またはｐ型のドーパント不純物イオンを含む溶液を用いることとする。例えばｎ型であれば燐酸、ピロリン酸等の燐イオンを含む溶液、有機燐化合物をアルコールなどの有機溶剤に溶解させた溶液が用いられる。一方、ｐ型であればホウ酸水溶液が用いられる。
【００２３】
そして、このようなｎ型またはｐ型の不純物を含有する溶液を揮発させた雰囲気中に半導体薄膜５を晒すことにより、半導体薄膜５上に溶液を付着させた液膜を形成し、これを乾燥させて不純物膜Ａを形成する。この際、溶液の飛沫を含んだキャリアガスを半導体薄膜５の上方から吹き付けて散布することにより、半導体薄膜５の表面に液膜を形成しても良い。キャリアガスとしては、窒素ガス（Ｎ2）やアルゴンガス（Ａｒ）が用いられる。
【００２４】
尚、このような溶液の散布には、溶液の貯留槽にキャリアガスの導入路と溶液の飛沫を含んだキャリアガスを放出する放出路とを設けた気化器が用いられる。このような気化器の貯留槽には、超音波発振器を設けて溶液の飛沫を発生させ易くしても良い。またこの気化器の放出路の先端の噴出し口は、溶液を噴出させるノズル形状になっていて、半導体薄膜５の表面に対してノズル形状の噴出し口が相対的に移動する構成であることとする。これにより、大型の基板１上に成膜した半導体薄膜５に対して、面内均一にドーパント不純物を含有する溶液を散布させることができる。
【００２５】
以上のような気化器を用いた溶液の散布の他にも、上記溶液を印刷法やスピンコート法のような塗布法によって、半導体薄膜５の表面に液膜を塗布形成し、形成した液膜を乾燥させて不純物膜Ａを形成しても良い。
【００２６】
以上の後には、図２（２）に示すように、ｎ型またはｐ型の不純物を含有する不純物膜Ａを介して半導体薄膜５にエネルギービームｈ’をスポット照射することにより、半導体薄膜５の表面層に不純物ａを拡散させてなるソース／ドレイン１１を形成する。
【００２７】
このようなエネルギービームｈ’のスポット照射は、半導体薄膜５に対して高速で走査しながら行うこととし、ゲート電極９をマスクとしてその両脇の半導体薄膜５部分に照射する。
【００２８】
また、エネルギービームｈ’の波長、スポット径、走査速度、照射エネルギー等のスポット照射条件を制御することにより、エネルギービームｈ’が照射された範囲においての不純物膜Ａから半導体薄膜５への不純物ａの拡散深さを調整し、半導体薄膜５の表面層のみに不純物ａが拡散して活性化された浅い拡散層をソース／ドレイン１１として形成することが重要である。
【００２９】
このようなスポット照射を行うエネルギービームｈ’としては、例えば波長３５０ｎｍ〜４７０ｎｍのレーザ光が用いられる。このレーザ光は、連続発振させて用いられることとする。これら５００ｎｍ以下の波長のレーザーは、Ｓｉ膜での吸収係数が高い為表面部の熱処理に向いている。さらに、３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長領域に関しては安価な半導体レーザーで照射可能であるという利点がある。
【００３０】
ここでは、例えば、ソース／ドレイン１１におけるドーパント不純物濃度の深さ方向のプロファイルにおいて、ピークトップが膜表面から１０ｎｍ以内となるように、上記エネルギービームｈ’のスポット照射条件が調整されることとする。
【００３１】
以上により、半導体薄膜５の表面層のみに、ｎ型またはｐ型の不純物ａを拡散させて活性化させた浅い拡散層からなるソース／ドレイン１１を形成し、ＬＤＤ構造を持たない薄膜トランジスタＴｒを得る。
【００３２】
以上のようにして薄膜トランジスタＴｒを形成した後には、図２（３）に示すように、ゲート電極９を覆う状態で層間絶縁膜１３を形成膜する。層間絶縁膜１３の成膜は、ゲート絶縁膜７の場合と同様にＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等の公知の真空成膜技術、もしくはＳＯＧさらにゾルゲル法やＭＯＤ法等の公知の技術で形成されたものやＳＯＧ以外の有機系絶縁膜でも良い。
【００３３】
またその後、ここでの図示は省略したが、層間絶縁膜１３にコンタクトホールを形成し、次にコンタクトホールを介してソース／ドレイン１１に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成し、さらに他の配線を必要に応じて積層形成することで薄膜半導体装置１５を完成させる。
【００３４】
以上のような実施形態の製造方法によれば、図２（２）を用いて説明したように、半導体薄膜５にソース／ドレイン１１を形成する工程において、不純物膜Ａ上からエネルギービームｈ’のスポット照射を行う際、スポット照射条件を制御することにより、エネルギービームｈ’が照射された範囲においての不純物膜Ａから半導体薄膜５への不純物ａの拡散深さを調整し、半導体薄膜５の表面層のみに不純物ａが拡散して活性化された浅い拡散層を形成するようにしている。
【００３５】
つまり、図３に示すように、半導体薄膜５に対するエネルギービームｈ’のスポット照射範囲を極めて限られた微小範囲とすることで、この微小範囲で発生した熱が、図中矢印に示すように速やかに照射部分の周囲や下層の基板１（およびバッファ層３）に放熱される。このため、半導体薄膜５における極浅い表面層５ａのみを瞬間的に加熱することができ、このような極浅い表面層５ａのみに不純物ａが拡散して活性化された浅い拡散層を形成することが可能なのである。
【００３６】
これに対して、例えば半導体薄膜５に対するエネルギービームをラインビームとして照射した場合には、ラインビームが照射された範囲の熱が周囲に放熱され難く、実質的な加熱部分がラインビームの照射範囲を越えて広がる。このため、極浅い範囲のみに拡散層を形成することは困難である。
【００３７】
以上のように、実施形態の製造方法によれば、半導体薄膜５の表面層のみに極浅い拡散層としてソース／ドレイン１１を形成することが可能であるため、ＬＤＤ領域を設けることなくドレイン端における電界を緩和してリーク電流が抑えられた薄膜トランジスタを得ることが可能となる。そして、ＬＤＤ領域によって電界緩和を図る構成において生じるマスクズレによる特性バラツキを考慮する必要がなく、薄膜トランジスタＴｒにおけるリーク電流を均一に抑えることが可能になり、ＴＦＴ特性の均一化を図ることができる。この結果、例えば有機ＥＬ素子のような、電流駆動表示素子を輝度バラツキなく駆動させることが可能になる。
【００３８】
また、エネルギービームｈ’のスポット照射によって、不純物の拡散と同時に活性化が行われるため、炉アニールによる活性化を行う必要がなく、低融点材料を基板１とする薄膜半導体装置の製造に適用することができる。
【００３９】
尚、上述した実施形態においては、図２（２）を用いて説明したように、不純物ａを含有する液膜を乾燥させた不純物膜Ａを介して半導体薄膜５にエネルギービームｈ’をスポット照射する構成とした。しかしながら、半導体薄膜５に対するエネルギービームｈ’のスポット照射は、ドーパント不純物の存在下において行われれば良い。このため、例えば、ドーパント不純物ａを含む溶液の揮発雰囲気に半導体薄膜５を晒した状態で、半導体薄膜５に対してエネルギービームｈ’のスポット照射を行っても良い。
【００４０】
また、上述した実施形態においては、半導体薄膜５の表面層のみに形成する浅い拡散層としてソース／ドレイン１１を形成する場合を説明した。しかしながら本発明は、浅い拡散層がソース／ドレイン１１である場合に限定されることはなく、半導体薄膜５の表面層のみに浅い拡散層を形成する構成に広く適用可能である。例えば、ＭＯＳトランジスタのゲート幅は非常に短くなっており、ソース／ドレイン部分の浅い接合が要求されているが、本発明はこうした領域にも展開可能であるし、また太陽電池のn層p層を浅く形成することは、変換効率の向上に有利に働く為、こうしたケースにおいても本発明の応用が可能になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態の製造方法を説明する断面工程図（その１）である。
【図２】実施形態の製造方法を説明する断面工程図（その２）である。
【図３】実施形態の製造方法の効果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…基板、５…半導体薄膜、７…ゲート絶縁膜、９…ゲート電極、１１…ソース／ドレイン、１５…薄膜半導体装置、ａ…不純物、Ａ…不純物膜、ｈ’…エネルギービーム、Ｔｒ…薄膜トランジスタ
【図１】
2008078166.tif 000003
【図２】
2008078166.tif 000004
【図３】
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