(57)【要約】【課題】非晶質半導体薄膜の結晶化と選択的な高濃度不純物拡散をひとつの工程で行うことにより薄膜トランジスタの製造工程を簡単にし，製造コストを低減する。【解決手段】絶縁基板上の非晶質半導体薄膜上に堆積した不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、外方拡散防止膜で被覆したのち，連続発振レーザを照射することにより該非晶質の結晶化と同時に，該皮膜から不純物を該薄膜に選択的に高濃度に拡散させることにより半導体薄膜トランジスタを製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に堆積した不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に堆積した不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成する工程において，前記不純物を含む皮膜が拡散防止膜に覆われていることを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
絶縁基板上の絶縁基板上の不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該パターン形成した皮膜を覆って堆積した非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記非晶質あるいは多結晶半導体薄膜の加熱は、連続発振レーザ照射によることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記非晶質あるいは多結晶半導体薄膜は、シリコン，ゲルマニウムあるいはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
皮膜に含まれる不純物は、りん，砒素，硼素，アンチモンのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に第1の不純物を含むパターン形成された皮膜および第２の不純物を含む皮膜を堆積し，該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記第１および第２の不純物を含む皮膜からそれぞれの不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子回路装置あるいは表示装置等に用いる薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子回路装置あるいは表示装置等に用いる薄膜トランジスタにはガラスやプラスチックなどの絶縁物基板に堆積した非晶質あるいは多結晶半導体膜が用いられてきた。
【０００３】
薄膜トランジスタの性能を上げるためにはキャリア移動度の大きな多結晶半導体薄膜を用いる必要がある。非晶質あるいは多結晶シリコン膜の場合は、電気炉熱処理あるいはレーザ照射などの方法によって結晶化を促進させ結晶粒を大きくすることによって、キャリア移動度を大きくする方法が用いられてきた。
【０００４】
また，薄膜トランジスタの製造にはキャリアが流れるチャネルとソースおよびドレイン電極とを低抵抗で接続するため，ソースおよびドレイン領域には不純物を高濃度にドーピングする必要がある。
【０００５】
不純物のドーピングには不純物原子を含むプラズマガスによるプラズマドーピングや不純物イオン注入法が用いられてきた。これらの工程の後には不純物の電気的活性化のために加熱処理が必要であった。
【０００６】
あるいは，不純物原子を含むスピンオンガラスを半導体薄膜上に堆積させ，加熱処理により不純物拡散させる方法も使われてきた。
【０００７】
このような従来の薄膜トランジスタの製造方法によれば，半導体薄膜の結晶性の向上工程と不純物ドーピング工程を個別に行う必要があり，工程数が増加し，製造コストの上昇を招いていた。
【０００８】
製造容易化および低温化可能な不純物ドーピング方法としてドーパント不純物イオンを含む溶液を塗布法により付着させ、これを乾燥固化させた薄膜層から熱処理により不純物ドーピングを行う方法については以下に開示されている（特許文献１）。この公知技術は不純物の拡散によるドーピングについてのみ言及しており，半導体薄膜の結晶性改善あるいは非晶質半導体の結晶化を示唆するものではない。
【０００９】
不純物ドーパントを含む液体を半導体表面に塗布し，レーザ照射によりドーパントを半導体に添加すると同時に，該半導体の結晶化を行う方法は以下の文献に開示されている（特許文献２）。この公知例は，トランジスタのチャネルドーピングを行う目的であり，すなわち結晶化させた領域に比較的低濃度で不純物を添加することに限定しており，ソースおよびドレイン領域のようにチャネルとは異なった領域に選択的に高濃度に不純物を添加する手段を開示するものではない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２６００４０号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、薄膜トランジスタの製造工程を短縮し，高性能化と低コストな製造方法を提供することを目的として，薄膜トランジスタの重要な構成領域であるソースおよびドレイン領域を高濃度に不純物ドーピングする工程とチャネル領域の結晶化を促進させる工程を同一手段で行う手法を開示するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために本発明は、次の方法を提供するものである。
（１）絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に堆積した不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１３】
（２）絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に堆積した不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする工程において，前記不純物を含む皮膜が拡散防止膜に覆われていることを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１４】
（３）絶縁基板上の絶縁基板上の不純物を含む皮膜を所定の形状にパターン形成し、該パターン形成した皮膜を覆って堆積した非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記不純物を含む皮膜から不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１５】
（４）（１）あるいは（２）あるいは（３）に記載の該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜の加熱は連続発振レーザ照射によることを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１６】
（５）（１）あるいは（２）あるいは（３）に記載の該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜はシリコン，ゲルマニウムあるいはそれらの混合物であることを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１７】
（６）（５）に記載の皮膜に含まれる不純物はりん，砒素，硼素，アンチモンのいずれかであることを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【００１８】
（７）絶縁基板上の非晶質あるいは多結晶半導体薄膜上に第1の不純物を含むパターン形成された皮膜および第２の不純物を含む皮膜を堆積し，該非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を加熱することにより該薄膜の結晶化を促進させる領域と，前記第1および第2の不純物を含む皮膜からそれぞれの不純物を該薄膜の少なくとも一部に選択的に拡散させる領域を同一の工程で形成することを特徴とする半導体薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、薄膜トランジスタの高性能化のための半導体薄膜の結晶化促進工程と低抵抗ソースおよびドレイン領域を形成するための不純物を拡散する工程の主要2工程をひとつの工程で実現できる特徴がある。それにより，製造装置台数と製造工程数の削減により，低コストで高性能な薄膜トランジスタ製造できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に本発明の実施によるトップゲート型薄膜トランジスタの製造工程を示す。（１）において，１はガラス基板，２はモノシランガスのプラズマ気相堆積法によって堆積した１５０nmの厚さの非晶質Si膜である。（２）において，２の上に不純物原子としてりんを3%含有したスピンオンガラス膜を200nmの厚さに堆積する。200℃の温度で10分間加熱し，スピンオンガラス膜中の溶媒を気化させたのち，フォトリソグラフィによって3および４のようにパターン化する。このパターン形状はソースおよびドレインのn型拡散層に相当する。次にプラズマCVDによって約200nmの厚さのSi酸化膜５で表面を覆う。これはスピンオンガラス膜パターンのない領域すなわち不純物拡散させない領域を保護するためのものである。（３）において，６に示すレーザ光線を５を透過して２および３と４の全面にスキャン照射する。レーザ光は５３２nmの波長の連続発振固体レーザが最も適しており，その場合10μm以上に長いSi結晶粒を成長させることができる。一般に，非晶質Siの結晶化には２５４nmの波長のKrFエキシマーレーザが用いられるが，その場合は半導体の結晶形態が適当ではなくなり，トランジスタの性能劣化を招く。照射エネルギーは２を溶融するに足る200から350mJ/cm2のエネルギーが適当である。７はりんが高濃度にドープされた結晶化領域を示す。（４）において，全表面に渡って６のレーザ照射が完了したら，５および３と4を希釈ふっ酸溶液中でエッチング除去する。７と同様に８もりんが1018cm-3以上に高濃度にドープされた結晶化領域であり，９は不純物がドープされない結晶化領域である。すなわち，本発明の要点は７と８の選択的な高濃度不純物拡散領域の形成と９の不純物を拡散させないで結晶化させるチャネル領域を同一の工程で実現するところにある。続いて，５０nmのSi酸化膜をスパッタ堆積し，ゲート絶縁膜１０とする。（５）において，１１および１２の領域の１０を除去しコンタクト領域を設け，（６）においてAlを堆積し，パターン形成して，ソース電極１３，ドレイン電極１４，ゲート電極１５を形成する。さらに，４００℃で10分間のフォーミングガスシンターを行い，半導体薄膜の欠陥を電気的に不活性化するとともにAlとSi膜との接触抵抗を低減し，薄膜トランジスタの主要工程を完成する。
【００２１】
図2に図1の９の領域のSi膜のＸ線回折による結晶性評価結果を示す。図１の２の状態では非晶質膜であるためX線回折ピークは現れないが，レーザ照射後は典型的な多結晶SiのX線回折ピークが現れている。結晶は（１１１），（１１０）などの面を持つ多結晶膜となっていることが示される。このX線回折ピークの大きさはレーザのエネルギーを８から１０Wと変えても変化ないことから，Siの結晶性はこのエネルギー範囲で大きな変化はない。
【００２２】
しかしながら，図3に見られるように図1の６の領域ではSi膜のシート抵抗がレーザ照射エネルギーの増大によって低下していく。これはりんドープしたスピンオンガラス膜からりんが下地のSi膜に拡散し，n型ドーパントとして働くことによる。
【００２３】
図2および３から，本発明の実施によって非晶質あるいは多結晶Si薄膜をレーザ照射で加熱することによりSi薄膜の結晶化を促進させる工程と不純物であるりんを含む皮膜からりん原子を該Si薄膜の少なくとも一部に選択的に高濃度に拡散させる工程を同一の加熱工程で同時に行うことが可能であることが実証されている。
【００２４】
図1の６の領域の表面におけるりんの濃度を2次イオン質量分析法（SIMS）で測定した結果を図４に示す。レーザ照射エネルギーが大きいほどりんの濃度は大きくなるなり，代表的な条件の１０Wでは約１×１０１８ｃｍ−３の高濃度にドーピングできることが示されている。
【００２５】
図1の工程で製作したSi薄膜トランジスタは通常のSi単結晶を用いたMOS型トランジスタと同程度の３００cm2/v.secの実効電子移動度をもつ高性能トランジスタであることが確認された。このような高性能化の実現は，本発明の実施で特に連続発振グリーンレーザ照射による効果である。
【００２６】
図５は，本発明の他の実施例としてボトムゲート型薄膜トランジスタの製造工程を示す。（１）において，ガラス基板１６の上に300nmの厚さのMo膜をスパッタで堆積し，パターン形成し，ゲート電極１７を先行して形成する。（２）において，スパッタにより５０nm の厚さのSi酸化膜１８を１７を覆って堆積し，ゲート絶縁膜とする。次に（３）にて，モノシランガスのプラズマ気相堆積法によって150nmの厚さの非晶質Si膜１９を堆積する。(４)において，１９の上に不純物原子としてりんを3%含有したスピンオンガラス膜を200nmの厚さに堆積する。200℃の温度で10分間加熱し，スピンオンガラス膜中の溶媒を気化させたのち，フォトリソグラフィによって２０および２１のようにパターン化する。次にプラズマCVDによって約200nmの厚さのSi酸化膜２２で表面を覆う。これはスピンオンガラス膜パターンのない領域すなわち不純物拡散させない領域を保護するためのものである。パターン形状はソースおよびドレインのn型拡散層に相当する。続いて，２３に示すレーザ光線を２２を透過させ，露出した１９および２０と２１の全面にスキャン照射する。レーザ光は５３２nmの波長の連続発振固体レーザが適している。照射エネルギーは１を溶融するに足る200から350mJ/cm2のエネルギーが適当である。全表面に渡って２３の照射が完了したら，２０と２１および２２を希釈ふっ酸溶液中で部分的にエッチング除去し，コンタクト部となる１９の表面を露出する。２５および２６は高濃度にりんがドープされかつ同時に結晶化が行われた領域である。（５）においてAlを堆積し，パターン形成して，ソース電極２７，ドレイン電極２８を形成する。ゲート電極は１７である。さらに，４００℃で10分間のフォーミングガスシンターを行い，半導体薄膜の欠陥を電気的に不活性化するとともに，２７および２８のＡｌ電極とＳｉ膜との接触抵抗を低減し，薄膜トランジスタの主要工程を完成する。
【００２７】
低電力で動作する相補型半導体装置の製造には高濃度のp型不純物領域とn型不純物領域の形成が必要である。次に，本発明の別の実施によって相補型半導体装置の製造のための簡便な工程を提供できることを説明する。
【００２８】
図6はpn接合形成を説明する断面図である。(1)において，２９はガラス基板，３０はモノシランガスのプラズマ気相堆積法によって形成した１５０nmの厚さの非晶質Si膜である。３１はりんを3%含有した200nmの厚さのスピンオンガラス膜である。３１はフォトリソグラフィによって拡散すべき領域の形状にパターン化した。３２はホウ素を3%含有した200nmの厚さのスピンオンガラス膜である。200℃の温度で10分間加熱し，31および３２のスピンオンガラス膜中の溶媒を気化させる。続いて，プラズマCVDによって約200nmの厚さのSi酸化膜３３で表面を覆う。これはスピンオンガラス膜パターンのない領域すなわち不純物拡散させない領域を保護するためのものである。３４に示すレーザ光線を露出した３３の全面にスキャン照射する。ここでは簡単のために３２をパターン化する説明を省略しているが，パターン化して３０の一部を露出させてもよい。レーザ光は５３２nmの波長の連続発振固体レーザが適している。照射エネルギーは３０を溶融するに足る200から350mJ/cm2のエネルギーが適当である。全表面に渡って３４をスキャン照射することにより，３０の結晶化が進行すると同時に３１からりんが，３２からホウ素がそれぞれ接触している３０に拡散し，それぞれの領域がn型Siおよびp型Siとなる。このとき，不純物を拡散させない領域は３３で保護されているので，選択的なｐ型およびn型不純物の同時高濃度拡散および不純物拡散させない領域のSi結晶化が可能になる。
【００２９】
図6の方法により，簡単な工程でSi膜の結晶化とpn接合の形成が同時に実現できることが確認された。形成したpn接合は良好なダイオード特性を持つことが確認できた。
【００３０】
前記実施例では，非晶質Ｓｉ薄膜の上に不純物ドーパントを含むスピンオンガラス膜を堆積したが，本発明はこれに限るものではなく，それらの膜の堆積を入れ替えてもよい。すなわち，ガラスなどの基板上に不純物ドーパントを含むスピンオンガラス膜を堆積させ，拡散する領域に対応したパターンを形成してから非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を堆積して，該薄膜の結晶化促進と同時に不純物を拡散しても実質的に同じ結果が得られる。この場合，不純物ドーパントを含む膜はスピンオンガラス膜よりスパッタあるいは気相成長の手段で堆積させた不純物ドープドガラス膜が適している。
【００３１】
また，前記実施例では非晶質Ｓｉ薄膜を用いたが，本発明はこれに限るものでなくGeあるいはSiGe化合物にも適用できる。
【００３２】
また，本発明の実施例では拡散する不純物としてりんおよびホウ素の例を示したが，本発明はこれに限るものでなく砒素，アンチモンにも効果的に適用できる。
【００３３】
以上の実施例から分かるように，本発明はきわめて簡単な工程で半導体薄膜の結晶性の向上工程と不純物ドーピング工程をひとつの工程で実現でき，特に薄膜トランジスタの工程数を削減できることから製造コストを大幅に低減できる。本発明は，液晶や有機ELなど各種ディスプレー駆動に不可欠な薄膜トランジスタとしてあるいは低コスト半導体装置の製造方法としてきわめて有用であり，電子工業に広く貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施によるトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法の説明図。
【図２】本発明の実施により生成したSi薄膜のX線回折による結晶性評価の説明図。
【図３】本発明の実施によるレーザ照射エネルギーとSi膜のシート抵抗の関係の説明図。
【図４】本発明の実施によるSi膜中のりん不純物濃度とレーザ照射エネルギーの関係の説明図。
【図５】本発明の実施によるボトムゲート型薄膜トランジスタの製造方法の説明図。
【図６】本発明の実施により複数の不純物拡散と結晶化促進を同時に行う工程の説明図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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