薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置
【課題】薄膜トランジスタのリーク特性を維持しつつ、オン電流を大幅に改善することができる薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜にシリコンを注入する工程と、チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上にシリコンを注入する工程と、前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法とした。
【解決手段】半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜にシリコンを注入する工程と、チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上にシリコンを注入する工程と、前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成されたLDD(lightly-doped-drain)領域を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor)は、液晶表示装置等の分野で広く用いられている。
【0003】
この薄膜トランジスタの活性層に用いられる半導体薄膜は、CVD法により成膜されるため、主にアモルファス構造ないしは多結晶構造である。従って、薄膜トランジスタの活性層には粒界や局所的な欠陥が形成されており、これらがキャリアの移動度を下げ、薄膜トランジスタのオン電流を制約している。
【0004】
かかる課題に対し、移動度向上の技術として、水素プラズマ処理による欠陥のパッシベーションや、レーザーアニールないしは熱処理による結晶化などが提案されている。
【0005】
しかしながら、これらの半導体薄膜を一様に結晶化した場合、薄膜トランジスタのリーク電流が増加し、製品の特性を悪化させる。このリーク特性の悪化要因は、LDD領域のキャリア移動度向上による高電界効果の助長や、光生成キャリア再結合の中心として機能していたLDD領域の欠陥準位が減少したことなどに端を発したものと推定される。ここで、LDD領域とは、活性層のゲート電極側端面に対応する位置の近傍の不純物濃度を薄くし、電界集中を緩和した領域である。
【0006】
以上の状況を鑑み、特許文献1では、液晶表示装置に用いる薄膜トランジスタの形成方法において、周辺回路部と画素部にてシリコン粒径を作り分ける手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】国際公開第03/105236号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記特許文献1に記載の技術は、オン電流に対して影響が大きき周辺回路部位と、リーク電流に対して影響が大きい画素部とで、各々の許容範囲のシリコン粒径を得るものである。しかしながらこの方法では画素部のオン電流が十分に確保できない。従って、例えば、液晶表示装置における近年のパネル高速駆動化等への対応が困難となる。
【0009】
また、画素部においてシリコン粒径を大粒径化することも考えられるが、このときにLDD領域まで大粒径化した場合、光リークまで含めた総合的なリーク電流を増加させてしまうことになる。
【0010】
そこで、本発明はかかる課題に対して、リーク特性を維持しつつ、オン電流を大幅に改善することができる薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、薄膜トランジスタの製造方法において、半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有することとした。
【0012】
また、請求項2に係る発明は、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を有する半導体薄膜を備え、前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した薄膜トランジスタとした。
【0013】
また、請求項3に係る発明は、半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを備え、前記半導体薄膜は、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を含み、前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した半導体装置とした。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、LDD領域とチャネル領域でそれぞれ粒径を独立して制御することが可能になる。その結果、薄膜トランジスタのリーク特性とオン電流を、それぞれ独立させ改善させることが可能となり、リークとオンのトレードオフが大幅に改善される。オン電流向上により、このような薄膜トランジスタを用いた半導体製品の高速駆動化が可能になる。すなわち、パネル高速駆動化等への対応が可能となる。また、リーク電流の低減により、たとえば液晶表示装置におけるフリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施の形態に係る薄膜トランジスタの全体構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図2A】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2B】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2C】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2D】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2E】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2F】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2G】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2H】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図3】図1に示した薄膜トランジスタのバンドプロファイルを示す説明図である。
【図4】図1に示した薄膜トランジスタにおける高電界状態の静特性を示すグラフである。
【図5】図1に示した薄膜トランジスタにおける面フリッカの測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成されたLDD(Lightly Doped Drain)領域とを有する半導体薄膜を備えている。LDD領域は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低い領域であり、活性層のゲート電極側端面に対応する位置の近傍の不純物濃度を薄くし、電界集中を緩和している。
【0017】
そして、前記LDD領域の結晶粒径を、前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化している。
【0018】
このような構成の薄膜トランジスタとすることにより、オン電流を向上させ、例えば液晶表示素子などのような半導体装置の高速駆動化を可能とする。また、リーク電流の低減により、液晶表示素子を用いた液晶表示装置におけるフリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【0019】
また、このような薄膜トランジスタを形成した半導体装置は、以下の工程を有する製造方法で実現できる。
(1)半導体薄膜を形成する工程。
(2)前記半導体薄膜に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程。
(3)チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程。
(4)前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程。
(5)前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程。
【0020】
以下、本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。また、ここでは、半導体装置の一つである液晶表示素子に形成される薄膜トランジスタを例に挙げて説明するが、固体撮像素子やその他の半導体装置にも当然に適用することができる。
1.薄膜トランジスタの構成
2.薄膜トランジスタの製造方法
3.薄膜トランジスタの特性
【0021】
[1.薄膜トランジスタの構成]
図1は本発明の一実施の形態に係る薄膜トランジスタである画素用の薄膜トランジスタ(以下、「画素TFT」とも呼ぶ。)の構成の一例を模式的に示す説明図である。図示するように、画素TFTは、不純物拡散を抑制する層間絶縁膜が表面に形成された基板11上に、パターニングされた活性層12からなる半導体薄膜と、酸化ケイ素膜を主成分とするゲート絶縁膜13と、ゲート電極14とが順次積層されている。なお、図中、符号15は層間絶縁膜を、符号16はソース・ドレイン電極を示している。また、基板11は、例えば、石英基板などの透明な絶縁性の基板が用いられるが、固体撮像素子などの半導体装置の場合には、例えば、不純物拡散を抑制する層間絶縁膜が表面に形成された半導体基板が用いられる。
【0022】
ここでは、活性層12は、半導体薄膜であるポリシリコンから形成されるが、ゲルマニウム等他の半導体薄膜でもよい。この活性層12は、ゲート電極14の下方に形成されたチャネル領域20と、ソース領域21及びドレイン領域22とを有している。また、活性層12には、チャネル領域20とソース領域21及びドレイン領域22との間にそれぞれLDD(Lightly Doped Drain)領域23が形成されている。LDD領域23は、そのキャリア濃度がソース領域21及びドレイン領域22のキャリア濃度よりも薄くなっており、電界集中を緩和した領域である。
【0023】
そして、本実施形態に係る画素TFTでは、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22の結晶粒径を、活性層12の平均結晶粒径よりも大粒径化した大粒径領域40としており、例えば、結晶粒径を800nm程度としている。さらに、LDD領域23の結晶粒径を、活性層12の平均結晶粒径よりも小粒径化した小粒径領域41としており、例えば、結晶粒径を300nm以下している。
【0024】
このように、活性層12の結晶粒径を、大粒径領域40と小粒径領域41とに分けることにより、LDD領域23のキャリア移動度についてはさほど向上させることなく、リーク電流を抑制しつつも、画素TFTとしてのオン電流の特性を向上させることができる。
【0025】
また、このような特性向上を活かし、本実施形態に係る画素TFTを備えた液晶表示素子では、高速駆動化が可能になるとともに、リーク電流の低減により、フリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【0026】
[2.薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法]
上述した構成の画素TFTは、図2A〜図2Hに示す工程を経て得られる。すなわち、先ずは半導体薄膜を形成する工程であり、図2Aに示すように、合成石英などからなる基板11上に多結晶のシリコン膜(以下「ポリシリコン膜」という)12aを成膜する。
【0027】
次いで、ポリシリコン膜12aに同種の不活性なイオンを注入する工程であって、図2Bに示すように、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを適量だけポリシリコン膜12aにイオン注入することにより、均質な非晶質シリコン膜12bに転換する。電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとしては、例えばSi+イオンが挙げられ、例えば、イオンインプランテーション装置により打ち込まれる。その他、SiF3+イオンも使用可能である。このときの注入量は、固相成長後に所望の結晶粒径が得られるように調整することができる。本実施形態では、イオン注入量を4×1014atms/cm2として、固相成長後の多結晶シリコン膜の平均結晶粒径が100nm程度となるように調整している。なお、Si+イオンの加速エネルギーは30keV〜50keVに設定している。
【0028】
次は、チャネル形成領域20aとソース形成領域21aとドレイン形成領域22aとの間にそれぞれ位置するLDD形成領域23a上にマスクを形成する工程である。すなわち、図2Cに示すように、後にLDD領域23が形成される個所である非晶質シリコン膜12bのLDD形成領域23a上に、レジストによりマスク31を形成する。
【0029】
そして、LDD形成領域23a上にマスク31を形成した非晶質シリコン膜12b上から同種の不活性なイオンを注入する工程が次の工程となる。この工程は、図2Dに示すように、さらに、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを適量だけマスク31越しに非晶質シリコン膜12bにイオン注入する。電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとしては、例えばSi+イオンが挙げられ、例えば、イオンインプランテーション装置により打ち込まれる。その他、SiF3+イオンも使用可能である。このとき、本工程における注入量と前工程(図2C参照)での注入量との和は、固相成長後に、LDD領域23を除く領域や図示しない周辺トランジスタにおいて所望の結晶粒径が得られるように調整する。本実施形態では、前工程(図2C参照)の注入量と本工程(図2D参照)の注入量との和が1.2×1015atms/cm2程度となるようにして、固相成長後の多結晶シリコン膜の平均結晶粒径が800nm程度をとなるようにしている。本工程(図2D参照)の加速エネルギーは、前工程(図2C参照)と同様に、Si+イオンの加速エネルギーは30keV〜50keVに設定している。
【0030】
次に、非晶質シリコン膜12bを熱処理により再結晶化する工程として、マスク31を除去するとともに、非晶質シリコン膜12bに600℃〜650℃程度のアニール処理による固相成長を行ない、図2Eに示すような多結晶シリコン化した活性層12を得る。
【0031】
このとき、図示するように、マスク31が形成されておらず、イオン注入量の多かった個所は、図2A及び図2Bに示したポリシリコン膜12aよりも大粒径化して大粒径領域40が形成される。符号41は、イオン注入量が少ない個所に形成される小粒径領域を示しており、大粒径領域40よりも小粒径となっている。なお、大粒径領域40は、チャネル形成領域20aとソース形成領域21aとドレイン形成領域22aに一致しており、後の工程によって、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22となる。一方、小粒径領域41はLDD形成領域23aに一致しており、後の工程によってLDD領域23となる。
【0032】
活性層12が形成された後は、図2Fに示すように、活性層12上に酸化ケイ素膜を主成分とするゲート絶縁膜13を形成するとともに、ゲート電極14を形成する。ゲート電極14の形成には、P(リン)を添加し、N型導電型を有するポリシリコンや、Mo、Ta、Cr等の比較的融点の高い金属を用いることができる。そして、このゲート電極14をマスクとして、イオン注入装置を用いて低濃度イオン注入を行う。この工程により、低濃度のN型導電性領域が形成される。なお、この低濃度イオン注入工程では、単位面積当たりの不純物濃度が1×1012〜1×1014atoms/cm2のP+、As等のイオン種をイオン注入装置を用いて注入し、低濃度のN型導電性領域を形成する。
【0033】
次に、図2Gに示すように、フォトレジスト32を形成し、このフォトレジスト32をマスクとして、イオン注入装置を用いて高濃度イオン注入を行い、高濃度のN型不純物領域を形成する。これにより、チャネル領域20と、ソース領域21と、ドレイン領域22と、LDD領域23とが形成される。なお、この高濃度イオン注入工程では、単位面積当たりの不純物濃度が1×1014〜1×1016atoms/cm2のP+、As+等のイオン種をイオン注入装置を用いて注入し、高濃度のN型導電性領域を形成する。
【0034】
フォトレジスト32を除去した後、図2Hに示すように、ゲート絶縁膜13と同じ酸化ケイ素膜を主成分とする層間絶縁膜15を成膜し、アーク炉などを用いて熱処理して活性層12の不純物を拡散させる。本実施形態では、この熱処理にFurnace型のバッチ炉を用い、N2雰囲気で1000℃程度の処理を数分〜数十分行うようにしている。Furnace型のバッチ炉の熱処理以外に、RTA(Rapid Thermal Anneal)による熱処理、ELA(Exima Laser Anneal)による熱処理のいずれか、またはこれらを組み合わせて熱処理を行っても良い。
【0035】
その後、電極材料としてのメタルを成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行うことにより、ソース・ドレイン電極16,16を形成し、図1で示した画素TFTを得ることができる。なお、この後は、説明は省略するが、層間絶縁膜の形成、水素化処理、コンタクトの開口、コモン電極の形成、コンタクトの開口、画素電極の取出しなどの工程がある。
【0036】
以上のように、本実施形態に係る画素TFTの製造方法では、アニール処理前にマスク31越しに、半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入しておくことで、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22を大粒径領域40とし、LDD領域23を小粒径領域41としている。なお、活性層12として、例えば、ゲルマニウムを用いる場合には、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとして、ゲルマニウムイオンを用いる。
【0037】
[3.薄膜トランジスタの特性]
一般に、薄膜トランジスタのLDD領域に光が入射することにより、価電子帯より伝導帯へ励起された電子は、ポテンシャル勾配にしたがってドレインへ流入しようとする。そこで、この過程を、局在準位による「電子捕獲→再結合」の過程により回避して光リークを抑制している。しかし、従来、チャネル領域、ソース領域、ドレイン領域、及びLDD領域に亘って局在準位が一様に存在するため、オン電流の低下が大きかった。
【0038】
それに対して、本実施形態に係る画素TFTは、図3に示すバンドプロファイルから分かるように、小粒径領域41のままのLDD領域23の局在準位により、従来からの「電子捕獲→再結合」過程を維持している。図3中、Evは価電子帯の上端、Ecは伝導帯の下端を示している。
【0039】
しかも、チャネル領域20、ソース領域21、ドレイン領域22は大粒径領域40となっているため、電子の移動度は従来よりも高くなり、オン電流の低下を抑制することができる。
【0040】
すなわち、図4に示すように、本実施形態に係る画素TFT(TEST)では、チャネル領域20の結晶粒径を大粒径化することにより弱反転領域の特性が飛躍的に向上し、従来のTFT(Ref.)よりもオン電流を2倍以上向上させることができる。しかも、立ち上がり特性が向上し、低い閾電圧(Vth)で動作することが分かった。
【0041】
このように、従来に比べ、本実施形態に係る画素TFTは、リーク特性を維持しつつ、オン電流を向上させることが可能となる。このことから、本実施形態に係る画素TFTでは、画素電位の書き込み能力が大幅に向上する。
【0042】
さらに、図5に示すように、本実施形態に係る画素TFT(TEST)の面フリッカの測定結果は従来のTFT(Ref.)と同等であり、光リークの増加傾向は見られないことが分かった。
【0043】
上述してきた画素TFTを液晶表示素子に適用すると、画素部のオン電流が十分に確保できるため、フリッカやクロストークなどのリーク性の特性不具合を改善することが可能となる。したがって、例えば、液晶表示装置における近年のパネル高速駆動化などに容易に対応することが可能となる。
【0044】
なお、上述してきた実施形態を通して本発明を説明したが、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では、Nチャネル型の薄膜トランジスタを例にとって説明したが、Pチャネル型TFTであっても構わない。また、上述したように、上述した薄膜トランジスタは液晶表示素子に用いられる画素TFTを例に挙げて説明したが、これに限られず、固体撮像素子やその他の半導体装置にも当然に適用することができる。
【符号の説明】
【0045】
11 基板
12 活性層
14 ゲート電極
16 ソース・ドレイン電極
20 チャネル領域
20a チャネル形成領域
21 ソース領域
21a ソース形成領域
22 ドレイン領域
22a ドレイン形成領域
23 LDD領域
23a LDD形成領域
40 大粒径領域
41 小粒径領域
【技術分野】
【0001】
本発明は、チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成されたLDD(lightly-doped-drain)領域を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor)は、液晶表示装置等の分野で広く用いられている。
【0003】
この薄膜トランジスタの活性層に用いられる半導体薄膜は、CVD法により成膜されるため、主にアモルファス構造ないしは多結晶構造である。従って、薄膜トランジスタの活性層には粒界や局所的な欠陥が形成されており、これらがキャリアの移動度を下げ、薄膜トランジスタのオン電流を制約している。
【0004】
かかる課題に対し、移動度向上の技術として、水素プラズマ処理による欠陥のパッシベーションや、レーザーアニールないしは熱処理による結晶化などが提案されている。
【0005】
しかしながら、これらの半導体薄膜を一様に結晶化した場合、薄膜トランジスタのリーク電流が増加し、製品の特性を悪化させる。このリーク特性の悪化要因は、LDD領域のキャリア移動度向上による高電界効果の助長や、光生成キャリア再結合の中心として機能していたLDD領域の欠陥準位が減少したことなどに端を発したものと推定される。ここで、LDD領域とは、活性層のゲート電極側端面に対応する位置の近傍の不純物濃度を薄くし、電界集中を緩和した領域である。
【0006】
以上の状況を鑑み、特許文献1では、液晶表示装置に用いる薄膜トランジスタの形成方法において、周辺回路部と画素部にてシリコン粒径を作り分ける手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】国際公開第03/105236号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記特許文献1に記載の技術は、オン電流に対して影響が大きき周辺回路部位と、リーク電流に対して影響が大きい画素部とで、各々の許容範囲のシリコン粒径を得るものである。しかしながらこの方法では画素部のオン電流が十分に確保できない。従って、例えば、液晶表示装置における近年のパネル高速駆動化等への対応が困難となる。
【0009】
また、画素部においてシリコン粒径を大粒径化することも考えられるが、このときにLDD領域まで大粒径化した場合、光リークまで含めた総合的なリーク電流を増加させてしまうことになる。
【0010】
そこで、本発明はかかる課題に対して、リーク特性を維持しつつ、オン電流を大幅に改善することができる薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、薄膜トランジスタの製造方法において、半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有することとした。
【0012】
また、請求項2に係る発明は、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を有する半導体薄膜を備え、前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した薄膜トランジスタとした。
【0013】
また、請求項3に係る発明は、半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを備え、前記半導体薄膜は、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を含み、前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した半導体装置とした。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、LDD領域とチャネル領域でそれぞれ粒径を独立して制御することが可能になる。その結果、薄膜トランジスタのリーク特性とオン電流を、それぞれ独立させ改善させることが可能となり、リークとオンのトレードオフが大幅に改善される。オン電流向上により、このような薄膜トランジスタを用いた半導体製品の高速駆動化が可能になる。すなわち、パネル高速駆動化等への対応が可能となる。また、リーク電流の低減により、たとえば液晶表示装置におけるフリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施の形態に係る薄膜トランジスタの全体構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図2A】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2B】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2C】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2D】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2E】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2F】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2G】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図2H】図1に示した薄膜トランジスタの製造工程の一例を示す説明図である。
【図3】図1に示した薄膜トランジスタのバンドプロファイルを示す説明図である。
【図4】図1に示した薄膜トランジスタにおける高電界状態の静特性を示すグラフである。
【図5】図1に示した薄膜トランジスタにおける面フリッカの測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成されたLDD(Lightly Doped Drain)領域とを有する半導体薄膜を備えている。LDD領域は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低い領域であり、活性層のゲート電極側端面に対応する位置の近傍の不純物濃度を薄くし、電界集中を緩和している。
【0017】
そして、前記LDD領域の結晶粒径を、前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化している。
【0018】
このような構成の薄膜トランジスタとすることにより、オン電流を向上させ、例えば液晶表示素子などのような半導体装置の高速駆動化を可能とする。また、リーク電流の低減により、液晶表示素子を用いた液晶表示装置におけるフリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【0019】
また、このような薄膜トランジスタを形成した半導体装置は、以下の工程を有する製造方法で実現できる。
(1)半導体薄膜を形成する工程。
(2)前記半導体薄膜に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程。
(3)チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程。
(4)前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程。
(5)前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程。
【0020】
以下、本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。また、ここでは、半導体装置の一つである液晶表示素子に形成される薄膜トランジスタを例に挙げて説明するが、固体撮像素子やその他の半導体装置にも当然に適用することができる。
1.薄膜トランジスタの構成
2.薄膜トランジスタの製造方法
3.薄膜トランジスタの特性
【0021】
[1.薄膜トランジスタの構成]
図1は本発明の一実施の形態に係る薄膜トランジスタである画素用の薄膜トランジスタ(以下、「画素TFT」とも呼ぶ。)の構成の一例を模式的に示す説明図である。図示するように、画素TFTは、不純物拡散を抑制する層間絶縁膜が表面に形成された基板11上に、パターニングされた活性層12からなる半導体薄膜と、酸化ケイ素膜を主成分とするゲート絶縁膜13と、ゲート電極14とが順次積層されている。なお、図中、符号15は層間絶縁膜を、符号16はソース・ドレイン電極を示している。また、基板11は、例えば、石英基板などの透明な絶縁性の基板が用いられるが、固体撮像素子などの半導体装置の場合には、例えば、不純物拡散を抑制する層間絶縁膜が表面に形成された半導体基板が用いられる。
【0022】
ここでは、活性層12は、半導体薄膜であるポリシリコンから形成されるが、ゲルマニウム等他の半導体薄膜でもよい。この活性層12は、ゲート電極14の下方に形成されたチャネル領域20と、ソース領域21及びドレイン領域22とを有している。また、活性層12には、チャネル領域20とソース領域21及びドレイン領域22との間にそれぞれLDD(Lightly Doped Drain)領域23が形成されている。LDD領域23は、そのキャリア濃度がソース領域21及びドレイン領域22のキャリア濃度よりも薄くなっており、電界集中を緩和した領域である。
【0023】
そして、本実施形態に係る画素TFTでは、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22の結晶粒径を、活性層12の平均結晶粒径よりも大粒径化した大粒径領域40としており、例えば、結晶粒径を800nm程度としている。さらに、LDD領域23の結晶粒径を、活性層12の平均結晶粒径よりも小粒径化した小粒径領域41としており、例えば、結晶粒径を300nm以下している。
【0024】
このように、活性層12の結晶粒径を、大粒径領域40と小粒径領域41とに分けることにより、LDD領域23のキャリア移動度についてはさほど向上させることなく、リーク電流を抑制しつつも、画素TFTとしてのオン電流の特性を向上させることができる。
【0025】
また、このような特性向上を活かし、本実施形態に係る画素TFTを備えた液晶表示素子では、高速駆動化が可能になるとともに、リーク電流の低減により、フリッカやクロストークなどに代表される、リーク性の特性不具合を改善することが可能となる。
【0026】
[2.薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法]
上述した構成の画素TFTは、図2A〜図2Hに示す工程を経て得られる。すなわち、先ずは半導体薄膜を形成する工程であり、図2Aに示すように、合成石英などからなる基板11上に多結晶のシリコン膜(以下「ポリシリコン膜」という)12aを成膜する。
【0027】
次いで、ポリシリコン膜12aに同種の不活性なイオンを注入する工程であって、図2Bに示すように、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを適量だけポリシリコン膜12aにイオン注入することにより、均質な非晶質シリコン膜12bに転換する。電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとしては、例えばSi+イオンが挙げられ、例えば、イオンインプランテーション装置により打ち込まれる。その他、SiF3+イオンも使用可能である。このときの注入量は、固相成長後に所望の結晶粒径が得られるように調整することができる。本実施形態では、イオン注入量を4×1014atms/cm2として、固相成長後の多結晶シリコン膜の平均結晶粒径が100nm程度となるように調整している。なお、Si+イオンの加速エネルギーは30keV〜50keVに設定している。
【0028】
次は、チャネル形成領域20aとソース形成領域21aとドレイン形成領域22aとの間にそれぞれ位置するLDD形成領域23a上にマスクを形成する工程である。すなわち、図2Cに示すように、後にLDD領域23が形成される個所である非晶質シリコン膜12bのLDD形成領域23a上に、レジストによりマスク31を形成する。
【0029】
そして、LDD形成領域23a上にマスク31を形成した非晶質シリコン膜12b上から同種の不活性なイオンを注入する工程が次の工程となる。この工程は、図2Dに示すように、さらに、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを適量だけマスク31越しに非晶質シリコン膜12bにイオン注入する。電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとしては、例えばSi+イオンが挙げられ、例えば、イオンインプランテーション装置により打ち込まれる。その他、SiF3+イオンも使用可能である。このとき、本工程における注入量と前工程(図2C参照)での注入量との和は、固相成長後に、LDD領域23を除く領域や図示しない周辺トランジスタにおいて所望の結晶粒径が得られるように調整する。本実施形態では、前工程(図2C参照)の注入量と本工程(図2D参照)の注入量との和が1.2×1015atms/cm2程度となるようにして、固相成長後の多結晶シリコン膜の平均結晶粒径が800nm程度をとなるようにしている。本工程(図2D参照)の加速エネルギーは、前工程(図2C参照)と同様に、Si+イオンの加速エネルギーは30keV〜50keVに設定している。
【0030】
次に、非晶質シリコン膜12bを熱処理により再結晶化する工程として、マスク31を除去するとともに、非晶質シリコン膜12bに600℃〜650℃程度のアニール処理による固相成長を行ない、図2Eに示すような多結晶シリコン化した活性層12を得る。
【0031】
このとき、図示するように、マスク31が形成されておらず、イオン注入量の多かった個所は、図2A及び図2Bに示したポリシリコン膜12aよりも大粒径化して大粒径領域40が形成される。符号41は、イオン注入量が少ない個所に形成される小粒径領域を示しており、大粒径領域40よりも小粒径となっている。なお、大粒径領域40は、チャネル形成領域20aとソース形成領域21aとドレイン形成領域22aに一致しており、後の工程によって、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22となる。一方、小粒径領域41はLDD形成領域23aに一致しており、後の工程によってLDD領域23となる。
【0032】
活性層12が形成された後は、図2Fに示すように、活性層12上に酸化ケイ素膜を主成分とするゲート絶縁膜13を形成するとともに、ゲート電極14を形成する。ゲート電極14の形成には、P(リン)を添加し、N型導電型を有するポリシリコンや、Mo、Ta、Cr等の比較的融点の高い金属を用いることができる。そして、このゲート電極14をマスクとして、イオン注入装置を用いて低濃度イオン注入を行う。この工程により、低濃度のN型導電性領域が形成される。なお、この低濃度イオン注入工程では、単位面積当たりの不純物濃度が1×1012〜1×1014atoms/cm2のP+、As等のイオン種をイオン注入装置を用いて注入し、低濃度のN型導電性領域を形成する。
【0033】
次に、図2Gに示すように、フォトレジスト32を形成し、このフォトレジスト32をマスクとして、イオン注入装置を用いて高濃度イオン注入を行い、高濃度のN型不純物領域を形成する。これにより、チャネル領域20と、ソース領域21と、ドレイン領域22と、LDD領域23とが形成される。なお、この高濃度イオン注入工程では、単位面積当たりの不純物濃度が1×1014〜1×1016atoms/cm2のP+、As+等のイオン種をイオン注入装置を用いて注入し、高濃度のN型導電性領域を形成する。
【0034】
フォトレジスト32を除去した後、図2Hに示すように、ゲート絶縁膜13と同じ酸化ケイ素膜を主成分とする層間絶縁膜15を成膜し、アーク炉などを用いて熱処理して活性層12の不純物を拡散させる。本実施形態では、この熱処理にFurnace型のバッチ炉を用い、N2雰囲気で1000℃程度の処理を数分〜数十分行うようにしている。Furnace型のバッチ炉の熱処理以外に、RTA(Rapid Thermal Anneal)による熱処理、ELA(Exima Laser Anneal)による熱処理のいずれか、またはこれらを組み合わせて熱処理を行っても良い。
【0035】
その後、電極材料としてのメタルを成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行うことにより、ソース・ドレイン電極16,16を形成し、図1で示した画素TFTを得ることができる。なお、この後は、説明は省略するが、層間絶縁膜の形成、水素化処理、コンタクトの開口、コモン電極の形成、コンタクトの開口、画素電極の取出しなどの工程がある。
【0036】
以上のように、本実施形態に係る画素TFTの製造方法では、アニール処理前にマスク31越しに、半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入しておくことで、チャネル領域20、ソース領域21及びドレイン領域22を大粒径領域40とし、LDD領域23を小粒径領域41としている。なお、活性層12として、例えば、ゲルマニウムを用いる場合には、活性層としての電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンとして、ゲルマニウムイオンを用いる。
【0037】
[3.薄膜トランジスタの特性]
一般に、薄膜トランジスタのLDD領域に光が入射することにより、価電子帯より伝導帯へ励起された電子は、ポテンシャル勾配にしたがってドレインへ流入しようとする。そこで、この過程を、局在準位による「電子捕獲→再結合」の過程により回避して光リークを抑制している。しかし、従来、チャネル領域、ソース領域、ドレイン領域、及びLDD領域に亘って局在準位が一様に存在するため、オン電流の低下が大きかった。
【0038】
それに対して、本実施形態に係る画素TFTは、図3に示すバンドプロファイルから分かるように、小粒径領域41のままのLDD領域23の局在準位により、従来からの「電子捕獲→再結合」過程を維持している。図3中、Evは価電子帯の上端、Ecは伝導帯の下端を示している。
【0039】
しかも、チャネル領域20、ソース領域21、ドレイン領域22は大粒径領域40となっているため、電子の移動度は従来よりも高くなり、オン電流の低下を抑制することができる。
【0040】
すなわち、図4に示すように、本実施形態に係る画素TFT(TEST)では、チャネル領域20の結晶粒径を大粒径化することにより弱反転領域の特性が飛躍的に向上し、従来のTFT(Ref.)よりもオン電流を2倍以上向上させることができる。しかも、立ち上がり特性が向上し、低い閾電圧(Vth)で動作することが分かった。
【0041】
このように、従来に比べ、本実施形態に係る画素TFTは、リーク特性を維持しつつ、オン電流を向上させることが可能となる。このことから、本実施形態に係る画素TFTでは、画素電位の書き込み能力が大幅に向上する。
【0042】
さらに、図5に示すように、本実施形態に係る画素TFT(TEST)の面フリッカの測定結果は従来のTFT(Ref.)と同等であり、光リークの増加傾向は見られないことが分かった。
【0043】
上述してきた画素TFTを液晶表示素子に適用すると、画素部のオン電流が十分に確保できるため、フリッカやクロストークなどのリーク性の特性不具合を改善することが可能となる。したがって、例えば、液晶表示装置における近年のパネル高速駆動化などに容易に対応することが可能となる。
【0044】
なお、上述してきた実施形態を通して本発明を説明したが、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では、Nチャネル型の薄膜トランジスタを例にとって説明したが、Pチャネル型TFTであっても構わない。また、上述したように、上述した薄膜トランジスタは液晶表示素子に用いられる画素TFTを例に挙げて説明したが、これに限られず、固体撮像素子やその他の半導体装置にも当然に適用することができる。
【符号の説明】
【0045】
11 基板
12 活性層
14 ゲート電極
16 ソース・ドレイン電極
20 チャネル領域
20a チャネル形成領域
21 ソース領域
21a ソース形成領域
22 ドレイン領域
22a ドレイン形成領域
23 LDD領域
23a LDD形成領域
40 大粒径領域
41 小粒径領域
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜に、当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、
チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、
前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に、当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、
前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項2】
ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を有する半導体薄膜を備え、
前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した
薄膜トランジスタ。
【請求項3】
半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを備え、
前記半導体薄膜は、
ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を含み、
前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した
半導体装置。
【請求項1】
半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜に、当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、
チャネル形成領域とソース形成領域及びドレイン形成領域との間にそれぞれ位置するLDD形成領域上にマスクを形成する工程と、
前記LDD形成領域上にマスクを形成した半導体薄膜上に、当該半導体薄膜の電気的な特性に影響を及ぼさない不活性なイオンを注入する工程と、
前記半導体薄膜を熱処理により結晶化する工程と、を有する薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項2】
ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を有する半導体薄膜を備え、
前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した
薄膜トランジスタ。
【請求項3】
半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを備え、
前記半導体薄膜は、
ゲート電極の下方に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域とソース領域及びドレイン領域との間にそれぞれ形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりキャリア濃度が低いLDD領域と、を含み、
前記LDD領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも小粒径化し、前記チャネル領域の結晶粒径を前記半導体薄膜の平均結晶粒径よりも大粒径化した
半導体装置。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3】
【図4】
【図5】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3】
【図4】
【図5】
【公開番号】特開2011−151174(P2011−151174A)
【公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−10735(P2010−10735)
【出願日】平成22年1月21日(2010.1.21)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年1月21日(2010.1.21)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
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