JP2004336073A - Top gate type thin film transistor and its manufacturing method - Google Patents

Top gate type thin film transistor and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a top gate type thin film transistor which improves a reliability of a gate electrode, achieves a low resistance, reduces a leakage current, gives a high through-put out in a manufacturing process, and accomplishes a low cost. <P>SOLUTION: After a substrate insulating film 2 is accumulated on an insulating substrate 1, a polysilicon thin film 3 constituting a channel area and a source-drain area is formed. A gate insulating film 4 is formed on the polysilicon thin film 3, and the gate electrode constituted of a two-layer structure of an upper layer metal thin film 6 and a lower layer microcrystal silicon thin film 5 is formed. Resistivity of the lower layer microcrystal silicon thin film 5 is 1 Ωcm and lower, and the width of of the upper layer metal thin film 6 is smaller than the width of the lower layer microcrystal silicon thin film 5. The film thickness of the microcrystal silicon thin film 5 is 70 nm and thicker. The source-drain area 7 includes a LDD area 8. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に液晶ディスプレイ及び密着型イメージセンサ等の絶縁性基板上に形成されるトップゲート型薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a top gate thin film transistor, and more particularly, to a top gate thin film transistor formed on an insulating substrate such as a liquid crystal display and a contact image sensor, and a method of manufacturing the same.

液晶表示装置(LCD)においては、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ(TFT)−LCDが主流となっている。しかし、アモルファスシリコンTFTでは、LCDを大画面で高精細に実現することが困難であるため、より高移動度のポリシリコン薄膜を活性層とするTFTが注目されている。   In a liquid crystal display (LCD), an amorphous silicon thin film transistor (TFT) -LCD has become mainstream. However, since it is difficult to realize an LCD with a large screen and high definition in an amorphous silicon TFT, a TFT using a polysilicon thin film having higher mobility as an active layer has attracted attention.

一方で、LCDにおける用途の多用化により、薄型化・小型化に対する要求も強く、その要求に答えるため、アクティブマトリクス基板上に駆動回路も同様にTFTで形成してしまおうとする試みがなされている。しかし、この駆動回路用のTFTをアモルファスシリコン薄膜を用いて形成することは、動作速度及び駆動能力の点で好ましくなく、ポリシリコン薄膜で形成することが求められる。ポリシリコン薄膜の作製方法としては、プロセス温度低温化、スループット向上及び低コスト化の観点から、安価な低温ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成可能なレーザアニール法が主流となりつつある。   On the other hand, with the increasing use of LCDs, there is a strong demand for thinning and miniaturization. In order to respond to such demands, attempts have been made to form a drive circuit on an active matrix substrate using TFTs as well. . However, forming the TFT for the driving circuit using an amorphous silicon thin film is not preferable in terms of operating speed and driving capability, and it is required to form the TFT using a polysilicon thin film. As a method of manufacturing a polysilicon thin film, a laser annealing method capable of forming a polysilicon thin film on an inexpensive low-temperature glass substrate is becoming mainstream from the viewpoints of lowering the process temperature, improving the throughput, and reducing the cost.

しかしながら、一般のポリシリコンTFTではゲート配線の信頼性が低く、かつ低抵抗化が困難で、LCDの高精細化が困難であるという問題点がある。この問題を回避するために、例えば特許文献1(特開平5−235353号公報)に開示されているように、ゲート配線をポリシリコン薄膜と金属薄膜の2層化配線とすることが考えられる。   However, a general polysilicon TFT has problems that the reliability of the gate wiring is low, it is difficult to reduce the resistance, and it is difficult to increase the definition of the LCD. In order to avoid this problem, for example, as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-235353), it is conceivable that the gate wiring is a two-layer wiring of a polysilicon thin film and a metal thin film.

図6はこのゲート配線を2層化したポリシリコンTFTの構造を示す断面図である。低温ガラス基板1上に下地酸化膜2が形成されており、この下地酸化膜2上にポリシリコン薄膜3が選択的に形成されており、その両側にソース・ドレイン領域7が形成されている。これらのポリシリコン薄膜3及びソース・ドレイン領域7を被覆するようにゲート絶縁膜4が形成されており、このゲート絶縁膜4及びその上層の層間絶縁膜9に形成されたコンタクト孔を介してソース・ドレイン領域7に接触するように金属配線10が形成されている。更に、ゲート絶縁膜4上には、ポリシリコン薄膜3に整合する位置に下層のポリシリコン薄膜11及び上層の金属薄膜6からなる2層ゲート電極が形成されている。そして、これらの層は層間絶縁膜9に被覆されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a polysilicon TFT in which the gate wiring has two layers. A base oxide film 2 is formed on a low-temperature glass substrate 1, a polysilicon thin film 3 is selectively formed on the base oxide film 2, and source / drain regions 7 are formed on both sides thereof. A gate insulating film 4 is formed so as to cover the polysilicon thin film 3 and the source / drain regions 7, and the source is formed through contact holes formed in the gate insulating film 4 and an interlayer insulating film 9 thereabove. The metal wiring 10 is formed so as to be in contact with the drain region 7. Further, a two-layer gate electrode composed of a lower polysilicon thin film 11 and an upper metal thin film 6 is formed on the gate insulating film 4 at a position matching the polysilicon thin film 3. These layers are covered with an interlayer insulating film 9.

しかしながら、このポリシリコン薄膜11を用いてゲート配線を2層化した従来の薄膜トランジスタでは、ゲート形成のプロセス温度は、成膜工程で600℃、リン拡散工程で850℃のように極めて高温に達するために、基板加熱及び冷却の時間が大きく、スループットが低下するという問題点がある。また、600℃以上の温度は、安価な低温ガラス基板の軟化点以上の温度である。このため、TFT基板には高価な石英基板を用いる必要があるために、製造コストが上昇する。   However, in the conventional thin film transistor in which the gate wiring is formed into two layers by using the polysilicon thin film 11, the gate forming process temperature is extremely high, such as 600 ° C. in the film forming step and 850 ° C. in the phosphorus diffusion step. In addition, there is a problem that the time for heating and cooling the substrate is long, and the throughput is reduced. The temperature of 600 ° C. or higher is a temperature higher than the softening point of an inexpensive low-temperature glass substrate. For this reason, an expensive quartz substrate needs to be used for the TFT substrate, which increases the manufacturing cost.

更に、ポリシリコンTFTの重大な問題点の一つとして、リーク電流が大きいことが挙げられる。この問題を回避するため、例えば、特許文献2(特開昭58−204570号公報)、特許文献3(特開平1−125866号公報)、特許文献4(特開平5−152326号公報)、特許文献5(特開平7−106582号公報)等に開示されているように、TFTのドレイン端に低濃度不純物領域を有する所謂LDD(Lightly Doped Drain)構造、又は、例えば、特許文献6(特開平6−37314号公報)、特許文献7(特開平7−202210号公報)等に開示されているように、オーバーラップLDD構造を採用することが考えられる。   Further, one of the serious problems of the polysilicon TFT is that the leakage current is large. To avoid this problem, for example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-204570), Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-125866), Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152326), As disclosed in Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-106582) and the like, a so-called LDD (Lightly Doped Drain) structure having a low-concentration impurity region at the drain end of a TFT, or, for example, Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-37314) and Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-202210), it is conceivable to employ an overlap LDD structure.

図7はこれらのLDD−TFT構造を示す。ポリシリコン薄膜3とソース・ドレイン領域7との間に低濃度のLDD領域8が形成されており、LDD領域8及びポリシリコン薄膜3の上にゲート絶縁膜4が形成されていて、このゲート絶縁膜4上の選択領域に金属ゲート電極6が形成されている。   FIG. 7 shows these LDD-TFT structures. A low-concentration LDD region 8 is formed between the polysilicon thin film 3 and the source / drain region 7, and a gate insulating film 4 is formed on the LDD region 8 and the polysilicon thin film 3. A metal gate electrode 6 is formed in a selected region on the film 4.

図8は従来の他のLDD−TFT構造を示す。このLDD−TFTにおいては、ソース・ドレイン領域7,LDD領域8及びポリシリコン薄膜3を覆うようにゲート絶縁膜4が形成されており、ゲート絶縁膜4上のLDD領域8及びポリシリコン薄膜3の直上の領域に下層のポリシリコン薄膜11からなるゲート電極が形成されており、その上に、下層より幅が狭い上層のポリシリコン薄膜11からなるゲート電極が形成されている。   FIG. 8 shows another conventional LDD-TFT structure. In this LDD-TFT, a gate insulating film 4 is formed so as to cover the source / drain region 7, the LDD region 8, and the polysilicon thin film 3, and the LDD region 8 and the polysilicon thin film 3 on the gate insulating film 4 are formed. A gate electrode made of the lower polysilicon thin film 11 is formed in a region immediately above, and a gate electrode made of the upper polysilicon thin film 11 which is narrower than the lower layer is formed thereon.

特開平5−235353号公報JP-A-5-235353 特開昭58−204570号公報JP-A-58-204570 特開平1−125866号公報JP-A-1-125866 特開平5−152326号公報JP-A-5-152326 特開平7−106582号公報JP-A-7-106582 特開平6−37314号公報JP-A-6-37314 特開平7−202210号公報JP-A-7-202210

しかしながら、従来のオーバーラップLDD構造を含むLDD−TFTでは工程数が増加して、スループットが低下するという問題がある。例えば、特開昭58−204570号公報及び特開平7−106582号公報では、不純物導入工程が2回必要であり、例えば、特開平6−37314号公報では、成膜からフォトレジスト工程を経てエッチングまでのゲート電極形成工程が2回必要であり、例えば、特開平7−202219号公報では上部ゲート電極の陽極酸化工程及び陽極酸化部の除去工程が必要である。   However, in the conventional LDD-TFT including the overlap LDD structure, there is a problem that the number of steps increases and the throughput decreases. For example, JP-A-58-204570 and JP-A-7-106582 require an impurity introduction step twice. For example, JP-A-6-37314 discloses that an impurity is etched through a photoresist step through a photoresist step. The above gate electrode forming process is required twice. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-202219, an anodic oxidation process for the upper gate electrode and a process for removing the anodized portion are required.

また、これらのLDD−TFTでは、前述したゲート配線の信頼性向上と低抵抗化が困難である。例えば、特開昭58−204570号公報、特開平1−125866号公報及び特開平6−37314号公報では、ゲート電極に、高抵抗であると共に高温プロセスで形成されるポリシリコン薄膜のみを用いており、例えば、特開平5−152326号公報及び特開平7−202210号公報では、ゲート電極に信頼性が低い金属薄膜のみを使用している(図7)。   In these LDD-TFTs, it is difficult to improve the reliability of the gate wiring and reduce the resistance as described above. For example, JP-A-58-204570, JP-A-1-125866 and JP-A-6-37314 disclose that a gate electrode is made of only a polysilicon thin film having a high resistance and formed by a high-temperature process. For example, in JP-A-5-152326 and JP-A-7-202210, only a low-reliability metal thin film is used for a gate electrode (FIG. 7).

LDDを含めた不純物注入工程後に、活性化工程を行う必要があるが、この活性化工程のプロセス温度もまたポリシリコンTFTの問題点の一つである。例えば、特開平1−125866号公報及び特開平5−235353号公報では、活性化プロセス温度は1000℃であり、これでは安価な低温ガラス基板を使用することができない。低温活性化法として、例えば特開平5−152326号公報ではレーザアニール法を使用しているが、レーザアニール法は熱処理法と比較してコストが高い。また、レーザアニール法は過度の熱衝撃が発生するため、膜が剥がれたり、割れたりして、ゲート電極の信頼性が低下するという問題点がある。   An activation step needs to be performed after the impurity implantation step including the LDD. The process temperature of this activation step is also one of the problems of the polysilicon TFT. For example, in JP-A-1-125866 and JP-A-5-235353, the activation process temperature is 1000 ° C., so that an inexpensive low-temperature glass substrate cannot be used. As a low-temperature activation method, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152326 uses a laser annealing method, but the laser annealing method is more expensive than a heat treatment method. In addition, the laser annealing method has a problem in that the film is peeled or cracked due to excessive thermal shock, thereby lowering the reliability of the gate electrode.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ゲート電極の信頼性を向上させることができると共に低抵抗化することができ、更にリーク電流を低減でき、薄膜トランジスタ製造工程の高スループット化及び低コスト化を、同時に満足することができるトップゲート型薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to improve the reliability of a gate electrode and reduce the resistance, further reduce the leak current, and increase the throughput of a thin film transistor manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a top gate type thin film transistor and a method for manufacturing the same, which can simultaneously satisfy the cost reduction.

本発明に係るトップゲート型薄膜トランジスタは、絶縁性基板と、この絶縁性基板上に形成されチャネル領域及びソース・ドレイン領域を構成するポリシリコン薄膜と、このポリシリコン薄膜上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成され上層金属薄膜及び下層マイクロクリスタルシリコン薄膜の2層構造からなるゲート電極とを有し、前記下層マイクロクリスタルシリコン薄膜の抵抗率が1Ωcm以下であり、前記上層金属薄膜の幅が前記下層マイクロクリスタルシリコン膜の幅より小さいことを特徴とする。   A top-gate thin film transistor according to the present invention comprises an insulating substrate, a polysilicon thin film formed on the insulating substrate and constituting a channel region and a source / drain region, and a gate insulating film formed on the polysilicon thin film. And a gate electrode formed on the gate insulating film and having a two-layer structure of an upper metal thin film and a lower microcrystalline silicon thin film, wherein the lower microcrystalline silicon thin film has a resistivity of 1 Ωcm or less, and The width of the thin film is smaller than the width of the lower microcrystalline silicon film.

このトップゲート型薄膜トランジスタにおいて、前記ソース・ドレイン領域は低濃度領域と高濃度領域からなるLDD構造を有することが好ましい。また、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜の前記金属薄膜よりも外側に突出した領域を、前記低濃度領域にオーバーラップして形成することができる。更に、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚が70nm以上であることが好ましい。   In this top gate type thin film transistor, it is preferable that the source / drain regions have an LDD structure including a low concentration region and a high concentration region. Further, a region of the microcrystalline silicon thin film projecting outside the metal thin film can be formed so as to overlap with the low concentration region. Further, the microcrystalline silicon thin film preferably has a thickness of 70 nm or more.

本発明に係るトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、前記ポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に導電性薄膜を形成する工程と、前記導電性薄膜にフォトレジストを選択的に形成する工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記導電性薄膜を前記マスクより幅が小さくなるようにエッチングしてゲート電極を形成する工程と、前記マスクを保持したまま前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に高濃度の不純物を導入する工程と、前記マスクを剥離する工程と、前記マスクを剥離した後に前記ポリシリコン薄膜に前記ゲート絶縁膜を介して低濃度の不純物を導入する工程と、を有することを特徴とする。   The method of manufacturing a top-gate thin film transistor according to the present invention includes the steps of: forming a polysilicon thin film on an insulating substrate; forming a gate insulating film on the polysilicon thin film; Forming a thin film, selectively forming a photoresist on the conductive thin film, and forming the gate electrode by etching the conductive thin film using the photoresist as a mask so that the width is smaller than the mask. Performing a step of introducing high-concentration impurities into the polysilicon thin film via the gate insulating film while holding the mask; removing the mask; and removing the polysilicon thin film after removing the mask. And introducing a low-concentration impurity through the gate insulating film.

このトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法において、前記導電性薄膜を形成する工程が、プラズマCVD法によりマイクロクリスタルシリコン薄膜を形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上にスパッタ法により金属薄膜を形成する工程と、を有するものとすることができる。   In this method of manufacturing a top-gate thin film transistor, the step of forming the conductive thin film includes forming a microcrystalline silicon thin film by a plasma CVD method and forming a metal thin film by sputtering on the microcrystalline silicon thin film. And

本発明に係る他のトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、前記ポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にプラズマCVD法によりマイクロクリスタルシリコン薄膜を形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上にスパッタ法により金属薄膜を形成する工程と、前記金属薄膜上にフォトレジストを選択的に形成する工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記金属薄膜及び前記マイクロクリスタル薄膜を同一のマスクのもと連続的にエッチングして2層構造のゲート電極を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に不純物を導入する工程と、を有することを特徴とする。   Another method of manufacturing a top-gate thin film transistor according to the present invention includes a step of forming a polysilicon thin film on an insulating substrate; a step of forming a gate insulating film on the polysilicon thin film; Forming a microcrystalline silicon thin film by a plasma CVD method, forming a metal thin film on the microcrystalline silicon thin film by a sputtering method, selectively forming a photoresist on the metal thin film, Using the resist as a mask to continuously etch the metal thin film and the microcrystal thin film under the same mask to form a two-layered gate electrode; and form an impurity in the polysilicon thin film via the gate insulating film. And a step of introducing

このトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法において、前記2層ゲート電極を形成する工程において、前記金属薄膜が前記マイクロクリスタルシリコン薄膜よりも幅が小さくなるようにエッチングすることができる。また、前記2層ゲート電極を形成する工程において、前記金属薄膜を前記マスクより幅が小さくなるようにエッチングした後に、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜をエッチングすることができる。更に、前記マスクを剥離する工程と、前記マスクを剥離した後に前記ポリシリコン薄膜に不純物の導入を行い、前記ゲート絶縁膜のみを介した不純物導入領域での高濃度不純物領域と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜及び前記ゲート絶縁膜を介した不純物導入領域での低濃度不純物領域と、を同時に形成することができる。   In this method of manufacturing a top gate thin film transistor, in the step of forming the two-layer gate electrode, the metal thin film can be etched so as to have a smaller width than the microcrystalline silicon thin film. In the step of forming the two-layer gate electrode, the microcrystalline silicon thin film may be etched after the metal thin film is etched so as to have a smaller width than the mask. Further, a step of removing the mask, and introducing an impurity into the polysilicon thin film after the mask is removed, wherein a high-concentration impurity region in an impurity introduction region only through the gate insulating film; The thin film and the low-concentration impurity region in the impurity introduction region via the gate insulating film can be formed at the same time.

本発明においては、マイクロクリスタルシリコン薄膜を2層化ゲート電極の下層に適用することにより、低コストで、高信頼性を有する低抵抗ゲート配線が形成される。マイクロクリスタルシリコン薄膜とは、ジャーナル・オブ・ノン−クリスタライン・ソリッズ、第59&60巻、第767頁(J. Non-Cryst. Solids, Vol. 59&60, p.767.)に開示されているように、プラズマCVD法によって形成されたシリコン薄膜であり、粒径が10nm以下の極めて微細な結晶粒とアモルファスとが混在したシリコン薄膜のことである。このマイクロクリスタルシリコン薄膜の成膜温度は300℃程度であるために、従来のポリシリコン薄膜の成膜に使用されている減圧CVD法及び常圧CVD法の成膜温度が600℃程度であることと比較して、成膜工程のスループット及び製造コストは極めて優れている。また、マイクロクリスタルシリコン薄膜には、微細な結晶粒が存在するために、ポリシリコン薄膜と同程度の低抵抗化が可能である。従って、TFTのゲート電極として、下層にマイクロクリスタルシリコン薄膜を、上層に金属薄膜を用いることにより、低コストで、高信頼性を有する低抵抗ゲート配線を形成することができる。   In the present invention, by applying the microcrystalline silicon thin film to the lower layer of the two-layered gate electrode, a low-cost gate wiring having high reliability and low cost is formed. Microcrystalline silicon thin film is defined as disclosed in Journal of Non-Crystline Solids, Vol. 59 & 60, p. 767 (J. Non-Cryst. Solids, Vol. 59 & 60, p. Is a silicon thin film formed by a plasma CVD method, in which extremely fine crystal grains having a particle size of 10 nm or less and amorphous are mixed. Since the film forming temperature of the microcrystalline silicon thin film is about 300 ° C., the film forming temperature of the low pressure CVD method and the normal pressure CVD method used for forming the conventional polysilicon thin film is about 600 ° C. As compared with the above, the throughput and the manufacturing cost of the film forming process are extremely excellent. In addition, since microcrystalline silicon thin films have fine crystal grains, the resistance can be reduced as much as the polysilicon thin film. Therefore, by using a microcrystalline silicon thin film as a lower layer and a metal thin film as an upper layer as a gate electrode of a TFT, a low-resistance gate wiring having high reliability and low cost can be formed.

また、本発明では、2層ゲート電極形成の際に上層金属ゲート電極のみをサイドエッチングすることにより、ゲート絶縁膜を介した1回の不純物導入工程で、低温活性化が可能なオーバーラップLDD構造が形成される。   Further, in the present invention, when forming the two-layer gate electrode, only the upper-layer metal gate electrode is side-etched, so that a single step of introducing impurities through the gate insulating film enables the overlap LDD structure to be activated at a low temperature. Is formed.

下層ゲート電極が露出した部位では、下層ゲート電極及びゲート絶縁膜を介してポリシリコン薄膜に不純物が導入される。一方、ゲート電極が存在しない部位では、ゲート絶縁膜のみを介してポリシリコン薄膜に不純物が導入される。従って、ポリシリコン薄膜の下層ゲート電極が露出した部位の直下にあたる領域は、ゲート電極が存在しない部位の直下にあたる領域よりも、不純物導入量が少ないLDD領域となる。なお、ポリシリコン薄膜の上層ゲート絶縁膜が存在する部位の直下に当たる領域では、上層ゲート電極の遮蔽効果のために、不純物は導入されない。   At the portion where the lower gate electrode is exposed, impurities are introduced into the polysilicon thin film via the lower gate electrode and the gate insulating film. On the other hand, in a portion where the gate electrode does not exist, impurities are introduced into the polysilicon thin film only through the gate insulating film. Therefore, the region directly below the portion where the lower gate electrode of the polysilicon thin film is exposed is an LDD region where the amount of introduced impurities is smaller than the region immediately below the portion where the gate electrode does not exist. Note that no impurity is introduced into a region immediately below the portion where the upper gate insulating film of the polysilicon thin film is present due to the shielding effect of the upper gate electrode.

不純物導入後の活性化温度は、不純物導入に伴うポリシリコン薄膜の組織変化に依存する。不純物が導入されるとポリシリコン薄膜は、原子構造に乱れが生じるために、アモルファス相へと変化する。不純物導入後の活性化とは、この不純物を含んだアモルファス相を再び結晶化させることである。ここで、ポリシリコン薄膜が絶縁膜界面から基板界面まで膜厚方向の全ての領域でアモルファス化した場合、結晶化に際しては、600℃以上の、望ましくは1000℃程度の熱処理温度が必要となる。アモルファス相が結晶化するには、核発生及び粒成長の両過程を経なければならないが、核発生には熱処理温度に依存した潜伏時間が必要である。シリコンの場合、製造プロセスに適した数時間程度の時間範囲に核発生を起こさせるためには、1000℃の温度が必要である。また、熱処理温度を600℃まで下げた場合、核発生に必要な時間は20時間まで増大し、スループットは著しく増大する。   The activation temperature after impurity introduction depends on the structural change of the polysilicon thin film accompanying the impurity introduction. When the impurity is introduced, the polysilicon thin film changes to an amorphous phase because the atomic structure is disturbed. Activation after impurity introduction refers to recrystallizing an amorphous phase containing the impurity. Here, when the polysilicon thin film becomes amorphous in all regions in the thickness direction from the interface of the insulating film to the interface of the substrate, a heat treatment temperature of 600 ° C. or more, preferably about 1000 ° C. is required for crystallization. In order for the amorphous phase to crystallize, both processes of nucleation and grain growth must be performed, but nucleation requires a latent time depending on the heat treatment temperature. In the case of silicon, a temperature of 1000 ° C. is required to cause nucleation in a time range of about several hours suitable for a manufacturing process. When the heat treatment temperature is lowered to 600 ° C., the time required for nucleation increases to 20 hours, and the throughput increases remarkably.

ところが、不純物導入後に、ポリシリコン膜の表面のみがアモルファス化し、基板界面近傍にポリシリコンが残存した場合では、500℃程度の低温で、数時間程度の熱処理により活性化が可能となる。これは既に結晶核が存在していることにより、粒成長過程のみで結晶化が進行するためである。本発明では、絶縁膜を介して不純物を導入することにより、ポリシリコン膜の膜厚方向における不純物濃度プロファイルを制御し、不純物導入後にポリシリコンが残存するように容易に制御することができる。従って、安価な低温ガラス基板を用いることができる程度の低温活性化が可能であり、スループットも高くなる。   However, if only the surface of the polysilicon film becomes amorphous after the impurity is introduced and the polysilicon remains near the substrate interface, the activation can be performed by a heat treatment at a low temperature of about 500 ° C. for about several hours. This is because the crystallization progresses only in the grain growth process because the crystal nucleus already exists. In the present invention, by introducing an impurity through an insulating film, the impurity concentration profile in the thickness direction of the polysilicon film can be controlled, and the polysilicon can be easily controlled so as to remain after the impurity is introduced. Therefore, low-temperature activation can be performed to such an extent that an inexpensive low-temperature glass substrate can be used, and the throughput is also increased.

以上述べたように、本発明により2層ゲート電極形成の際に上層金属ゲート電極のみをサイドエッチすることにより、ゲート絶縁膜を介した1回の不純物導入工程で、低温活性化が可能な、低抵抗、高信頼性ゲート電極を有するオーバーラップLDD-TFTが形成される。   As described above, by performing side-etching only on the upper metal gate electrode during the formation of the two-layer gate electrode according to the present invention, low-temperature activation can be achieved in one impurity introduction step through the gate insulating film. An overlapped LDD-TFT having a gate electrode with low resistance and high reliability is formed.

以上説明したように、本発明に係るトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法によれば、ゲート電極にマイクロクリスタルシリコン薄膜と金属薄膜とからなる2層ゲート電極を使用することにより、低抵抗で、高信頼性のゲート電極を有するTFTを、高スループット及び低コストで製造することができる。また、上層ゲート電極のみをサイドエッチすることにより、低抵抗及び高信頼性のゲート電極を有するLDD−TFTを低コストで製造することができる。   As described above, according to the method of manufacturing a top gate type thin film transistor according to the present invention, by using a two-layer gate electrode composed of a microcrystalline silicon thin film and a metal thin film as a gate electrode, low resistance and high reliability can be achieved. A TFT having a flexible gate electrode can be manufactured at high throughput and at low cost. Further, by side-etching only the upper gate electrode, an LDD-TFT having a gate electrode with low resistance and high reliability can be manufactured at low cost.

次に、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の第1実施形態方法により製造されたトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。このトランジスタは以下のようにして製造することができる。先ず、絶縁基板1上に下地絶縁膜2を堆積する。次に、全面にシリコン薄膜を堆積し、CWレーザ光又はパルスレーザ光を使用したレーザアニール法によりポリシリコン薄膜3を形成し、アイランド状にパターンニングした後、その上にゲート絶縁膜4を堆積する。次に、下層ゲート電極としてプラズマCVD法により350℃以下の温度でマイクロクリスタルシリコン薄膜5を膜厚が70nm以上となるよう堆積した後、上層ゲート電極として金属薄膜6を続けて堆積し、これらをパターニングして2層ゲート電極を形成する。   Next, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a top gate type thin film transistor manufactured by the method according to the first embodiment of the present invention. This transistor can be manufactured as follows. First, a base insulating film 2 is deposited on an insulating substrate 1. Next, a silicon thin film is deposited on the entire surface, a polysilicon thin film 3 is formed by a laser annealing method using CW laser light or pulsed laser light, and after patterning into an island shape, a gate insulating film 4 is deposited thereon. I do. Next, a microcrystalline silicon thin film 5 is deposited as a lower gate electrode by plasma CVD at a temperature of 350 ° C. or less at a thickness of 70 nm or more, and a metal thin film 6 is successively deposited as an upper gate electrode. By patterning, a two-layer gate electrode is formed.

イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を介して、ポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入してソース・ドレイン領域7を形成し、例えば500℃で熱処理することにより、不純物を活性化させる。続いて、層間絶縁膜9を堆積し、ソース・ドレイン領域7上を露出させるコンタクトホールを開口する。最後に、アルミニウム等の金属薄膜を形成し、これをパターニングしてソース・ドレイン領域7と接触する金属配線10を形成し、薄膜トランジスタの形成工程を完了する。   The source / drain regions 7 are formed by selectively introducing impurities into the polysilicon thin film 3 via the gate insulating film 4 by an ion doping method or the like, and the impurities are activated by heat treatment at, for example, 500 ° C. Subsequently, an interlayer insulating film 9 is deposited, and a contact hole exposing the source / drain region 7 is opened. Finally, a metal thin film of aluminum or the like is formed, and this is patterned to form a metal wiring 10 which is in contact with the source / drain region 7, thereby completing the thin film transistor forming step.

このようにして、ポリシリコン薄膜3からなるチャネル領域と、その両側のソース・ドレイン領域7と、これらの領域との間にゲート絶縁膜4を介して積層された2層構造のゲート電極とを有するトップゲート型薄膜トランジスタが得られる。この2層構造のゲート電極は、下層のマイクロクリスタルシリコン薄膜5と上層の金属薄膜6とからなるものである。マイクロクリスタルシリコン薄膜5は成膜温度が低いので、従来のポリシリコン薄膜と比較して成膜工程のスループットが良く、製造コストが低減される。また、マイクロクリスタルシリコン薄膜5は微細な結晶粒を有するため、ポリシリコン薄膜と同程度の低抵抗化が可能である。このため、低コストで、高信頼性の低抵抗ゲート配線を形成することができる。   In this manner, the channel region made of the polysilicon thin film 3, the source / drain regions 7 on both sides thereof, and the two-layered gate electrode laminated between these regions via the gate insulating film 4 are formed. Having a top gate type thin film transistor. The two-layer gate electrode is composed of a lower microcrystalline silicon thin film 5 and an upper metal thin film 6. Since the microcrystalline silicon thin film 5 has a low film forming temperature, the throughput of the film forming process is better and the manufacturing cost is reduced as compared with the conventional polysilicon thin film. In addition, since the microcrystalline silicon thin film 5 has fine crystal grains, it is possible to reduce the resistance as much as the polysilicon thin film. Therefore, a low-resistance gate wiring with high reliability and low cost can be formed.

次に、図2を参照して、本発明の第2実施形態方法について説明する。本実施形態においては、その製造工程が、マイクロクリスタルシリコン薄膜5と、金属薄膜6の堆積工程までは第1実施形態と同様である。本実施形態においては、パターニングにより2層ゲート電極を形成する際、2層ともオーバーエッチングを行うことにより、ゲート電極をサイドエッチングする。そして、ゲート電極上にレジストを保持したまま、イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を通過させてポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入してソース・ドレイン領域7を形成する。   Next, a method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the manufacturing process is the same as that of the first embodiment up to the step of depositing the microcrystalline silicon thin film 5 and the metal thin film 6. In the present embodiment, when a two-layer gate electrode is formed by patterning, the gate electrode is side-etched by performing over-etching on both layers. Then, while holding the resist on the gate electrode, the impurity is selectively introduced into the polysilicon thin film 3 through the gate insulating film 4 by an ion doping method or the like to form the source / drain region 7.

次に、前記レジストを除去した後に、低濃度の不純物を導入し、LDD領域(低濃度領域)8を形成する。その後、不純物活性化以降の工程は、第1実施形態と同様であり、これらの工程により、薄膜トランジスタが完成する。   Next, after removing the resist, a low concentration impurity is introduced to form an LDD region (low concentration region) 8. Thereafter, the steps after the activation of the impurities are the same as those in the first embodiment, and the thin film transistor is completed by these steps.

本実施形態においては、第1実施形態と同様の効果を奏するのに加え、ソース・ドレイン領域がLDD領域(低濃度領域)8を有し、これにより、LDD構造の薄膜トランジスタが得られる。   In the present embodiment, in addition to the same effects as in the first embodiment, the source / drain region has the LDD region (low-concentration region) 8, whereby a thin film transistor having an LDD structure can be obtained.

図3は本発明の第3実施形態方法により製造されたトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。マイクロクリスタルシリコン薄膜5と、金属薄膜6の堆積までの工程は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態においては、パターニングにより2層ゲート電極を形成する際、金属薄膜6のみをオーバーエッチングすることにより、上層金属薄膜6と下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5とで幅が異なる2層ゲート電極が形成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a top-gate thin film transistor manufactured by a method according to a third embodiment of the present invention. The steps up to the deposition of the microcrystalline silicon thin film 5 and the metal thin film 6 are the same as in the first embodiment. In this embodiment, when the two-layer gate electrode is formed by patterning, only the metal thin film 6 is over-etched, so that the upper metal thin film 6 and the lower microcrystalline silicon thin film 5 have different widths. Is formed.

そして、ゲート電極上のレジストを除去した後に、イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を挿通して、ポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入すると、下層ゲート電極のマイクロクリスタルシリコン薄膜5を通過したものは低濃度化し、低濃度のLDD領域8を形成し、下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5から外れる領域を通過したものは高濃度のソース・ドレイン領域7を形成する。このようにして、本実施形態では、ソース・ドレイン領域7とLDD領域8を同時に形成できる。不純物活性化以降の工程は第1実施形態と同様にして、薄膜トランジスタの形成工程を完了する。本実施形態においては、第1及び第2実施形態と同様の効果を奏するのに加え、ゲート絶縁膜4及び下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5を介して1回の不純物導入工程で低温活性化が可能なオーバーラップLDD構造を形成することができる。   After the resist on the gate electrode is removed, the impurity is selectively introduced into the polysilicon thin film 3 by penetrating the gate insulating film 4 by an ion doping method or the like, and passes through the microcrystalline silicon thin film 5 of the lower gate electrode. The low density LDD region 8 is formed by forming a low concentration LDD region 8, and the high concentration source / drain region 7 is formed by passing through a region outside the lower microcrystalline silicon thin film 5. Thus, in the present embodiment, the source / drain region 7 and the LDD region 8 can be formed simultaneously. The steps after the activation of the impurities are the same as in the first embodiment, thereby completing the step of forming the thin film transistor. In the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first and second embodiments, low-temperature activation is possible by one impurity introduction step via the gate insulating film 4 and the lower microcrystalline silicon thin film 5. Overlap LDD structures can be formed.

次に、本実施例方法により、実際にトップゲート型薄膜トランジスタを製造し、その特性を評価した結果について説明する。先ず、第1実施例の構造の薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。低温ガラス基板としては日本電気硝子社製OA-2基板を用いた。プラズマCVD法によりSiH及びNOを原料ガスとして、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜を100nmの厚さに堆積した。 Next, a result of actually manufacturing a top gate type thin film transistor by the method of the present embodiment and evaluating its characteristics will be described. First, the result of manufacturing the thin film transistor having the structure of the first embodiment will be described. As the low-temperature glass substrate, an OA-2 substrate manufactured by NEC Corporation was used. A silicon dioxide thin film as a base insulating film was deposited to a thickness of 100 nm by plasma CVD using SiH 4 and N 2 O as source gases.

次に、減圧CVD法によりSiを原料ガスとして、アモルファスシリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、Siの流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条件で70分間堆積を行った。このアモルファスシリコン薄膜に、波長308nmのXeClエキシマレーザ光を照射するレーザアニール法を用いることにより、ポリシリコン薄膜を形成した。レーザ照射条件としては、エネルギー密度420mJ/cm、ビーム重ね率90%の条件で、ビームをスキャン照射した。ポリシリコン薄膜は通常のフォトレジスト工程によるパターニング後に、ドライエッチング法によりアイランド化した。 Next, an amorphous silicon thin film was deposited to a thickness of 75 nm by low pressure CVD using Si 2 H 6 as a source gas. The deposition was performed for 70 minutes at a flow rate of Si 2 H 6 of 150 sccm, a pressure of 8 Pa, and a substrate temperature of 450 ° C. A polysilicon thin film was formed on the amorphous silicon thin film by using a laser annealing method of irradiating XeCl excimer laser light having a wavelength of 308 nm. The laser irradiation was performed under the conditions of an energy density of 420 mJ / cm 2 and a beam overlap ratio of 90%. The polysilicon thin film was formed into islands by a dry etching method after patterning by a normal photoresist process.

次に、アイランド化されたポリシリコン薄膜上に、減圧CVD法によりSiH及びOを原料ガスとして、ゲート絶縁膜となる二酸化シリコン薄膜を40nm堆積した。堆積条件としてはSiHの流速が35sccm、O流速140sccm、圧力30Pa、基板温度400℃の条件で20分間堆積を行った。 Next, on the islanded polysilicon thin film, a silicon dioxide thin film serving as a gate insulating film was deposited to a thickness of 40 nm using SiH 4 and O 2 as source gases by a low pressure CVD method. The deposition was performed for 20 minutes under the conditions of a SiH 4 flow rate of 35 sccm, an O 2 flow rate of 140 sccm, a pressure of 30 Pa, and a substrate temperature of 400 ° C.

次に、プラズマCVD法によりSiHとPH(H希釈0.5%)とHを原料ガスとして、下層ゲート電極となるマイクロクリスタルシリコン薄膜を70nm堆積した。堆積条件としては、SiH流量20sccm、PH流量40sccm、H流量1000sccm、圧力50Pa、放電電力密度0.13W/cm、基板温度350℃の条件で19分間堆積した。 Next, a microcrystalline silicon thin film serving as a lower gate electrode was deposited to a thickness of 70 nm using SiH 4 , PH 3 (0.5% H 2 diluted) and H 2 as source gases by a plasma CVD method. The deposition conditions were as follows: SiH 4 flow rate 20 sccm, PH 3 flow rate 40 sccm, H 2 flow rate 1000 sccm, pressure 50 Pa, discharge power density 0.13 W / cm 2 , and substrate temperature 350 ° C. for 19 minutes.

マイクロクリスタルシリコン薄膜の抵抗率は図4に示すように、膜厚に大きく依存する。これは、膜厚が厚くなるほど、マイクロクリスタルシリコン中の結晶成分の成長が進むためである。即ち、下層マイクロクリスタルシリコン薄膜は、下部から上部になるに従って結晶成分の成長が進んでいる。そして、この結晶成分の成長が進むと、抵抗率が低下する。下層ゲート電極への適用を考慮した場合、膜の抵抗率は1Ωcm以下が望まれる。従って、マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚としては70nm以上が必要である。また、基板温度が高い方が結晶成分の成長が促進されるため、基板温度は高いことが望まれるが、過度の温度はスループット低下と、装置コスト及びプロセスコストの増大をもたらす。従って基板温度としては、通常のプラズマCVD装置で実現可能な350℃程度までが適当である。   As shown in FIG. 4, the resistivity of the microcrystalline silicon thin film greatly depends on the film thickness. This is because the growth of the crystal component in the microcrystalline silicon proceeds as the film thickness increases. That is, the crystal component of the lower microcrystalline silicon thin film grows from the lower part to the upper part. Then, as the growth of the crystal component proceeds, the resistivity decreases. When the application to the lower gate electrode is considered, the resistivity of the film is desirably 1 Ωcm or less. Therefore, the thickness of the microcrystalline silicon thin film needs to be 70 nm or more. In addition, a higher substrate temperature promotes the growth of crystal components. Therefore, it is desired that the substrate temperature be high. However, an excessive temperature causes a decrease in throughput and an increase in apparatus cost and process cost. Therefore, the substrate temperature is suitably up to about 350 ° C. which can be realized by a normal plasma CVD apparatus.

次に、スパッタリング法により、上層ゲート電極となるタングステンシリサイド薄膜を100nm堆積した。スパッタリングガスにはArを使用しており、堆積条件としては、Ar流速100sccm、圧力0.3Pa、2W/cm、基板温度150℃の条件で0.3分間堆積した。このとき膜の抵抗率としては、5×10−5Ωcmの値であった。 Next, a 100 nm thick tungsten silicide thin film serving as an upper gate electrode was deposited by a sputtering method. Ar was used as the sputtering gas, and the deposition was performed under the conditions of an Ar flow rate of 100 sccm, a pressure of 0.3 Pa, 2 W / cm 2 , and a substrate temperature of 150 ° C. for 0.3 minutes. At this time, the resistivity of the film was a value of 5 × 10 −5 Ωcm.

マイクロクリスタルシリコン薄膜とタングステンシリサイド薄膜は、スループットの点とマイクロクリスタルシリコン薄膜表面の自然酸化膜発生を抑制するため、同一の真空装置で異なるチャンバを用いて連続的に堆積した。各薄膜を異なる真空装置で成膜するとき、マイクロクリスタルシリコン薄膜表面に自然酸化膜が発生し、2層ゲート電極全体としての抵抗率は増大し、結果としてTFT特性は約4%低下した。   The microcrystalline silicon thin film and the tungsten silicide thin film were continuously deposited in the same vacuum apparatus using different chambers in order to improve throughput and suppress the formation of a natural oxide film on the surface of the microcrystalline silicon thin film. When each thin film was formed by a different vacuum device, a natural oxide film was generated on the surface of the microcrystalline silicon thin film, the resistivity of the entire two-layer gate electrode was increased, and as a result, TFT characteristics were reduced by about 4%.

次に、通常のフォトレジスト法で、ゲート電極のパターニングを行った。次にドライエッチング法でCFとOより、タングステンシリサイド薄膜をドライエッチした。エッチング条件としては、CF流速40sccm、O流速10sccm、圧力6Pa、放電電力密度0.3W/cmの条件で1.5分間エッチングした。タングステンシリサイド薄膜のエッチング終了後に、エッチングチャンバを一旦10−4Paまで真空引きし、続いてClとSFとHを導入して、マイクロクリスタルシリコン薄膜のドライエッチングを行った。エッチング条件としてはCl流速40sccm、SF流速10sccm、H流量10sccm、圧力10Pa、放電電力密度0.35W/cmの条件で6分間エッチングした。 Next, the gate electrode was patterned by a normal photoresist method. Next, the tungsten silicide thin film was dry-etched from CF 4 and O 2 by dry etching. The etching was performed for 1.5 minutes under the conditions of a CF 4 flow rate of 40 sccm, an O 2 flow rate of 10 sccm, a pressure of 6 Pa, and a discharge power density of 0.3 W / cm 2 . After the etching of the tungsten silicide thin film was completed, the etching chamber was once evacuated to 10 −4 Pa, and then Cl 2 , SF 6 and H 2 were introduced to dry-etch the microcrystalline silicon thin film. Etching was performed for 6 minutes at a Cl 2 flow rate of 40 sccm, SF 6 flow rate of 10 sccm, H 2 flow rate of 10 sccm, pressure of 10 Pa, and discharge power density of 0.35 W / cm 2 .

タングステンシリサイド薄膜のエッチングガスには、高エッチングレートが得られるCFとOを使用した。マイクロクリスタルシリコン薄膜のドライエッチングガスにはマイクロクリスタルシリコン薄膜と二酸化シリコン薄膜との間で高い選択比を有することが条件となるが、ClとSFとHを使用することにより、残渣タングステンシリコンの除去能力に優れ、かつマイクロクリスタルシリコン薄膜と二酸化シリコン薄膜との間で20以上の高選択比が得られた。また、タングステンシリサイド薄膜とマイクロクリスタルシリコン薄膜を同一真空装置内でドライエッチすることはスループット上有利である。 As an etching gas for the tungsten silicide thin film, CF 4 and O 2 capable of obtaining a high etching rate were used. The dry etching gas for the microcrystalline silicon thin film must have a high selectivity between the microcrystalline silicon thin film and the silicon dioxide thin film. However, by using Cl 2 , SF 6 and H 2 , residual tungsten is removed. The silicon removal ability was excellent, and a high selectivity of 20 or more was obtained between the microcrystalline silicon thin film and the silicon dioxide thin film. Dry etching a tungsten silicide thin film and a microcrystalline silicon thin film in the same vacuum apparatus is advantageous in terms of throughput.

ゲート電極上のレジストを除去した後に、イオンドーピング法でPH(H希釈5%)により、ゲート電極をマスクとした自己整合型の不純物導入を行った。ドーピング条件としては加速電圧50keV、ドーズ量3×1015cm−2、圧力0.02Paの条件であった。 After the resist on the gate electrode was removed, self-aligned impurities were introduced by PH 3 (5% H 2 dilution) using the gate electrode as a mask by ion doping. The doping conditions were an acceleration voltage of 50 keV, a dose of 3 × 10 15 cm −2 , and a pressure of 0.02 Pa.

図5にドーピングの結果得られたシリコン中のP濃度プロファイルを示す。シリコン薄膜のアモルファス化を引き起こすP濃度は3×1019cm−3以上であることが実験の結果明らかとなった。従って、40nmの絶縁膜を介して75nmのポリシリコン薄膜にドーピングを行った場合、膜厚の半分程度はポリシリコンが残存し、不純物活性化温度は低温で済む。実際、熱処理温度500℃、熱処理時間2時間の条件で活性化が果たせた。このときの不純物導入部の抵抗率は2×10−3Ωcmであった。また、活性化工程後の基板には2ppmの歪みが認められたが、後のTFT製造工程には支障がなかった。 FIG. 5 shows a P concentration profile in silicon obtained as a result of doping. Experiments have revealed that the P concentration that causes the silicon thin film to become amorphous is 3 × 10 19 cm −3 or more. Therefore, when a 75-nm polysilicon thin film is doped via a 40-nm insulating film, the polysilicon remains in about half of the film thickness, and the impurity activation temperature can be kept low. In fact, activation was achieved under the conditions of a heat treatment temperature of 500 ° C. and a heat treatment time of 2 hours. At this time, the resistivity of the impurity introduction portion was 2 × 10 −3 Ωcm. In addition, although 2 ppm of strain was observed on the substrate after the activation step, there was no problem in the subsequent TFT manufacturing steps.

一方、絶縁膜を介さずに直接ドーピングした場合、ポリシリコン薄膜は膜厚のほぼ全域にわたりアモルファス化する。このとき熱処理温度500℃では、50時間の熱処理時間でも活性化は果たされず、熱処理温度600℃、熱処理時間20時間で初めて活性化が果たされた。また、活性化工程後の基板には40ppmもの歪みが発生し、その後のTFT製造工程において、特にフォトレジスト工程のレチクル目合わせ、及び成膜工程の基板搬送において、支障があった。その結果、スループット及び歩留まりは低下した。   On the other hand, when the polysilicon thin film is directly doped without using an insulating film, the polysilicon thin film becomes amorphous over almost the entire thickness. At this time, at a heat treatment temperature of 500 ° C., activation was not achieved even with a heat treatment time of 50 hours, and activation was first achieved at a heat treatment temperature of 600 ° C. and a heat treatment time of 20 hours. In addition, the substrate after the activation process was distorted by as much as 40 ppm, which hindered the subsequent TFT manufacturing process, particularly in aligning the reticle in the photoresist process and transporting the substrate in the film forming process. As a result, throughput and yield decreased.

次に、プラズマCVD法でSiHとNHとNより、窒化シリコン膜を300nm堆積した。ドライエッチング法によりコンタクトホールを開けた後、スパッタ法でアルミニウム膜を400nm堆積し、パターニングして金属配線とした。最後に水素アニールを行い、TFTが完成した。 Next, a silicon nitride film was deposited to a thickness of 300 nm from SiH 4 , NH 3 and N 2 by a plasma CVD method. After opening a contact hole by dry etching, an aluminum film was deposited to a thickness of 400 nm by sputtering and patterned to form a metal wiring. Finally, hydrogen annealing was performed to complete the TFT.

このようにして完成したTFTは従来のTFTよりプロセス温度が低く、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高い。   The TFT completed in this manner has a lower processing temperature than conventional TFTs, is manufactured with high throughput and low cost, and has high reliability of the gate electrode.

次に、本発明の第2実施例方法により薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。低温ガラス基板としてはコーニング社製1737基板を用いた。次に、プラズマCVD法でSiHとNOにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜を100nm堆積した。 Next, the result of manufacturing a thin film transistor by the method of the second embodiment of the present invention will be described. As a low-temperature glass substrate, a Corning 1737 substrate was used. Next, a silicon dioxide thin film as a base insulating film was deposited to a thickness of 100 nm using SiH 4 and N 2 O by a plasma CVD method.

次に、プラズマCVD法でSiHとHによりアモルファスシリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、SiH流速150sccm、H流速400sccm、圧力100Pa、放電電力0.1W/cm、基板温度320℃の条件で8分間堆積を行った。このアモルファスシリコン薄膜に、熱処理温度400℃で熱処理時間2時間の脱水素アニールを施した後に、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を照射するレーザアニール法により、ポリシリコン薄膜を形成した。レーザ照射条件としては、エネルギー密度380mJ/cm、ビーム重ね率90%の条件で、ビームをスキャン照射した。ポリシリコン薄膜は通常のフォトレジスト工程によるパターニング後に、ドライエッチング法によりアイランド化された。 Next, an amorphous silicon thin film was deposited to a thickness of 75 nm using SiH 4 and H 2 by a plasma CVD method. Deposition was performed for 8 minutes under the conditions of SiH 4 flow rate of 150 sccm, H 2 flow rate of 400 sccm, pressure of 100 Pa, discharge power of 0.1 W / cm 2 , and substrate temperature of 320 ° C. The amorphous silicon thin film was subjected to dehydrogenation annealing at a heat treatment temperature of 400 ° C. for 2 hours, and then a polysilicon thin film was formed by a laser annealing method of irradiating a KrF excimer laser beam having a wavelength of 248 nm. The laser irradiation was performed under the conditions of an energy density of 380 mJ / cm 2 and a beam overlap ratio of 90%. The polysilicon thin film was formed into islands by a dry etching method after patterning by a normal photoresist process.

次に、アイランド化されたポリシリコン膜上に、ECR-プラズマCVD法でSiHとOより、ゲート絶縁膜となる二酸化シリコン薄膜を40nm堆積した。堆積条件としては、SiH流速10sccm、O流速200sccm、圧力100Pa、放電電力密度0.23W/cm、基板温度270℃の条件で4分間堆積を行った。 Next, on the islanded polysilicon film, a silicon dioxide thin film serving as a gate insulating film was deposited to a thickness of 40 nm from SiH 4 and O 2 by ECR-plasma CVD. The deposition was performed for 4 minutes under the conditions of a SiH 4 flow rate of 10 sccm, an O 2 flow rate of 200 sccm, a pressure of 100 Pa, a discharge power density of 0.23 W / cm 2 , and a substrate temperature of 270 ° C.

次に、プラズマCVD法により、SiHとPH(H希釈0.5%)とHを原料ガスとして、下層ゲート電極となるマイクロクリスタルシリコン薄膜を70nm堆積した。堆積条件としては、SiH流量10sccm、PH流量40sccm、H流量1000sccm、圧力100Pa、放電電力密度0.5W/cm、基板温度300℃の条件で23分間堆積した。続いて第1の実施例と同様にスパッタ法で上層ゲート電極となるタングステンシリサイド薄膜を100nm堆積した。 Next, a microcrystalline silicon thin film serving as a lower gate electrode was deposited to a thickness of 70 nm by plasma CVD using SiH 4 , PH 3 (0.5% H 2 diluted) and H 2 as source gases. The deposition conditions were SiH 4 flow rate 10 sccm, PH 3 flow rate 40 sccm, H 2 flow rate 1000 sccm, pressure 100 Pa, discharge power density 0.5 W / cm 2 , and substrate temperature 300 ° C. for 23 minutes. Subsequently, a tungsten silicide thin film serving as an upper gate electrode was deposited to a thickness of 100 nm by sputtering in the same manner as in the first embodiment.

第1の実施例と同様にゲート電極をパターニングとドライエッチングにより形成するが、このときエッチング時間を通常の条件から長くして、1μmのサイドエッチ領域を作製する。エッチング時間は上層及び下層で、夫々2分及び9分とした。   The gate electrode is formed by patterning and dry etching in the same manner as in the first embodiment. At this time, the etching time is set longer than usual, and a side-etched region of 1 μm is formed. The etching time was 2 minutes and 9 minutes for the upper layer and the lower layer, respectively.

次に、ゲート電極上にレジストを保持したまま、第1実施例と同様にイオンドーピング法で不純物を導入した。次に、ゲート電極上のレジストを除去し、イオンドーピング法により、PH(H希釈0.1%)とHを原料ガスとして、サイドエッチ領域に低濃度の不純物を導入し、LDD領域を形成した。ドーピング条件としては加速電圧40keV、ドーズ量7×1012cm−2、圧力0.02Paの条件であった。LDD領域を有することにより、結果として得られたTFTのリーク電流は約1/50に低減された。 Next, while the resist was held on the gate electrode, impurities were introduced by ion doping as in the first embodiment. Next, the resist on the gate electrode is removed, and low-concentration impurities are introduced into the side-etch region by ion doping using PH 3 (H 2 diluted 0.1%) and H 2 as source gases to form an LDD region. did. The doping conditions were an acceleration voltage of 40 keV, a dose of 7 × 10 12 cm −2 , and a pressure of 0.02 Pa. By having an LDD region, the leakage current of the resulting TFT was reduced to about 1/50.

活性化工程以降は第1の実施例と同様の工程で、LDD-TFTが完成した。このように完成したLDD-TFTは従来のLDD-TFTよりプロセス温度が低く、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高い。   After the activation step, the LDD-TFT was completed in the same steps as in the first embodiment. The LDD-TFT thus completed has a lower processing temperature than the conventional LDD-TFT, is manufactured with high throughput and low cost, and has high reliability of the gate electrode.

次に、本発明の第3実施例方法により薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。第1実施例と同様にして、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成してアイランド化し、ゲート絶縁膜、マイクロクリスタルシリコン薄膜及びタングステンシリサイド薄膜を堆積した。   Next, a result of manufacturing a thin film transistor by the method of the third embodiment of the present invention will be described. As in the first embodiment, a polysilicon thin film was formed on a glass substrate to form islands, and a gate insulating film, a microcrystalline silicon thin film, and a tungsten silicide thin film were deposited.

第1実施例と同様にして、ゲート電極をパターニング及びドライエッチング法によって形成するが、このときのエッチング時間を、上層で2分間、下層で6分間とした。この結果、上層は下層よりも左右で1μmづつ幅が狭くなった。   A gate electrode is formed by patterning and dry etching in the same manner as in the first embodiment, and the etching time at this time is 2 minutes for the upper layer and 6 minutes for the lower layer. As a result, the width of the upper layer became smaller by 1 μm on the left and right sides than the lower layer.

次に、第1実施例と同様に、イオンドーピング法により不純物を導入した。ゲート電極が存在しない部位では、ゲート絶縁膜のみを介してポリシリコン薄膜に不純物が導入され、そのドーズ量は第1の実施例と同様に3×1015cm−2であった。一方、上層ゲート電極がサイドエッチされて下層ゲート電極が露出した部位の、直下に当たるポリシリコン領域では、ドーズ量は2×1012cm−2であった。 Next, as in the first embodiment, impurities were introduced by an ion doping method. At the portion where the gate electrode does not exist, impurities were introduced into the polysilicon thin film only through the gate insulating film, and the dose was 3 × 10 15 cm −2 as in the first embodiment. On the other hand, the dose was 2 × 10 12 cm −2 in the polysilicon region immediately below the portion where the upper gate electrode was side-etched and the lower gate electrode was exposed.

図5に示すように、膜厚70nmの下層ゲート電極の影響により、P濃度は約3桁の低下を示した。LDD領域を有することにより、結果として得られたTFTのリーク電流は約1/20に低減された。   As shown in FIG. 5, the P concentration decreased by about three digits due to the influence of the lower gate electrode having a thickness of 70 nm. By having an LDD region, the leakage current of the resulting TFT was reduced to about 1/20.

活性化工程以降は第1の実施例と同様であり、これによりLDD-TFTが完成した。このように完成したLDD-TFTは従来のLDD-TFTよりプロセス温度が低く、不純物導入回数が少なく、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高いものであった。   The steps after the activation step are the same as those in the first embodiment, whereby the LDD-TFT is completed. The LDD-TFT thus completed has a lower process temperature than the conventional LDD-TFT, has a smaller number of times of impurity introduction, is manufactured at a high throughput and at a low cost, and has a high reliability of the gate electrode.

なお、本発明は上記実施例に限定されないことは勿論である。例えば、上記実施例では、レーザアニールを施す初期材料としてアモルファスシリコンを使用しているが、初期材料として他にポリシリコン又はマイクロクリスタルシリコン等の他のシリコン膜を使用しても同様の効果が得られた。また、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜に代えて、窒化シリコン膜及び酸窒化シリコン膜等の他の絶縁膜を使用しても同様の効果が得られた。また、上層ゲート電極としてタングステンシリサイドに代え、アルミニウム、クロム、モリブデン、モリブデンシリサイド又はタングステンモリブデン合金等の他の金属を使用しても同様の効果が得られた。   Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, amorphous silicon is used as an initial material for laser annealing, but the same effect can be obtained by using another silicon film such as polysilicon or microcrystal silicon as an initial material. Was done. The same effect was obtained by using another insulating film such as a silicon nitride film and a silicon oxynitride film instead of the silicon oxide film as the gate insulating film. Similar effects were obtained by using another metal such as aluminum, chromium, molybdenum, molybdenum silicide, or a tungsten-molybdenum alloy instead of tungsten silicide as the upper gate electrode.

本発明の第1の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a thin film transistor manufactured by the method according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a thin film transistor manufactured by a method according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a thin film transistor manufactured by a method according to a third embodiment of the present invention. マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚と抵抗率の関係を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of a microcrystalline silicon thin film and the resistivity. シリコン中のP濃度プロファイルを示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing a P concentration profile in silicon. 従来の薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional thin film transistor. 従来のLDD薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional LDD thin film transistor. 従来の他のLDD−TFT構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other conventional LDD-TFT structure.

符号の説明Explanation of reference numerals

1:低温ガラス基板
2:下地酸化膜
3:ポリシリコン薄膜
4:ゲート絶縁膜
5:マイクロクリスタルシリコンゲート電極
6:金属ゲート電極
7:ソース・ドレイン領域
8:LDD領域
9:層間絶縁膜
10:金属配線
11:ポリシリコンゲート電極
1: low-temperature glass substrate 2: base oxide film 3: polysilicon thin film 4: gate insulating film 5: microcrystalline silicon gate electrode 6: metal gate electrode 7: source / drain region 8: LDD region 9: interlayer insulating film 10: metal Wiring 11: polysilicon gate electrode

Claims (10)

絶縁性基板と、この絶縁性基板上に形成されチャネル領域及びソース・ドレイン領域を構成するポリシリコン薄膜と、このポリシリコン薄膜上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成され上層金属薄膜及び下層マイクロクリスタルシリコン薄膜の2層構造からなるゲート電極とを有し、前記下層マイクロクリスタルシリコン薄膜の抵抗率が1Ωcm以下であり、前記上層金属薄膜の幅が前記下層マイクロクリスタルシリコン膜の幅より小さいことを特徴とするトップゲート型薄膜トランジスタ。 An insulating substrate, a polysilicon thin film formed on the insulating substrate and constituting a channel region and a source / drain region, a gate insulating film formed on the polysilicon thin film, and formed on the gate insulating film. A gate electrode having a two-layer structure of an upper metal thin film and a lower microcrystal silicon thin film, wherein the lower microcrystal silicon thin film has a resistivity of 1 Ωcm or less, and the upper metal thin film has a width of the lower microcrystal silicon film. A top gate type thin film transistor characterized by having a width smaller than the width of 前記ソース・ドレイン領域は低濃度領域と高濃度領域からなるLDD構造を有することを特徴とする請求項1に記載のトップゲート型薄膜トランジスタ。 The top gate type thin film transistor according to claim 1, wherein the source / drain region has an LDD structure including a low concentration region and a high concentration region. 前記マイクロクリスタルシリコン薄膜の前記金属薄膜よりも外側に突出した領域が、前記低濃度領域にオーバーラップして形成されていることを特徴とする請求項2に記載のトップゲート型薄膜トランジスタ。 3. The top gate type thin film transistor according to claim 2, wherein a region of the microcrystalline silicon thin film projecting outside the metal thin film is formed so as to overlap with the low concentration region. 前記マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚が70nm以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のトップゲート型薄膜トランジスタ。 4. The top gate type thin film transistor according to claim 1, wherein the thickness of the microcrystalline silicon thin film is 70 nm or more. 絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、前記ポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に導電性薄膜を形成する工程と、前記導電性薄膜にフォトレジストを選択的に形成する工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記導電性薄膜を前記マスクより幅が小さくなるようにエッチングしてゲート電極を形成する工程と、前記マスクを保持したまま前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に高濃度の不純物を導入する工程と、前記マスクを剥離する工程と、前記マスクを剥離した後に前記ポリシリコン薄膜に前記ゲート絶縁膜を介して低濃度の不純物を導入する工程と、を有することを特徴とするトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 Forming a polysilicon thin film on an insulating substrate; forming a gate insulating film on the polysilicon thin film; forming a conductive thin film on the gate insulating film; Selectively forming a resist, forming the gate electrode by etching the conductive thin film using the photoresist as a mask so as to have a smaller width than the mask, and forming the gate insulating layer while holding the mask. Introducing a high-concentration impurity into the polysilicon thin film through a film; removing the mask; and removing the mask with a low-concentration impurity through the gate insulating film after removing the mask. Introducing a top gate thin film transistor. 前記導電性薄膜を形成する工程が、プラズマCVD法によりマイクロクリスタルシリコン薄膜を形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上にスパッタ法により金属薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項5に記載のトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 The step of forming the conductive thin film includes a step of forming a microcrystalline silicon thin film by a plasma CVD method, and a step of forming a metal thin film by a sputtering method on the microcrystalline silicon thin film. Item 6. A method for manufacturing a top gate thin film transistor according to Item 5. 絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、前記ポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にプラズマCVD法によりマイクロクリスタルシリコン薄膜を形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上にスパッタ法により金属薄膜を形成する工程と、前記金属薄膜上にフォトレジストを選択的に形成する工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記金属薄膜及び前記マイクロクリスタル薄膜を同一のマスクのもと連続的にエッチングして2層構造のゲート電極を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に不純物を導入する工程と、を有することを特徴とするトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 Forming a polysilicon thin film on an insulating substrate, forming a gate insulating film on the polysilicon thin film, forming a microcrystalline silicon thin film on the gate insulating film by a plasma CVD method, A step of forming a metal thin film on the microcrystalline silicon thin film by a sputtering method, a step of selectively forming a photoresist on the metal thin film, and using the photoresist as a mask to form the same metal thin film and the microcrystal thin film in the same manner. Top gate, comprising: a step of forming a two-layered gate electrode by continuous etching under a mask; and a step of introducing an impurity into the polysilicon thin film via the gate insulating film. Method of manufacturing a thin film transistor. 前記2層ゲート電極を形成する工程において、前記金属薄膜が前記マイクロクリスタルシリコン薄膜よりも幅が小さくなるようにエッチングすることを特徴とする請求項7に記載のトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 8. The method according to claim 7, wherein in the step of forming the two-layer gate electrode, the metal thin film is etched so as to have a smaller width than the microcrystalline silicon thin film. 前記2層ゲート電極を形成する工程において、前記金属薄膜を前記マスクより幅が小さくなるようにエッチングした後に、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜をエッチングすることを特徴とする請求項8に記載のトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 9. The top gate type according to claim 8, wherein in the step of forming the two-layer gate electrode, the microcrystalline silicon thin film is etched after the metal thin film is etched so as to have a smaller width than the mask. A method for manufacturing a thin film transistor. 前記マスクを剥離する工程と、前記マスクを剥離した後に前記ポリシリコン薄膜に不純物の導入を行い、前記ゲート絶縁膜のみを介した不純物導入領域での高濃度不純物領域と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜及び前記ゲート絶縁膜を介した不純物導入領域での低濃度不純物領域と、を同時に形成することを特徴とする請求項8又は9に記載のトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法。 Removing the mask, and introducing an impurity into the polysilicon thin film after removing the mask; a high-concentration impurity region in an impurity introduction region only through the gate insulating film; and the microcrystalline silicon thin film and 10. The method of manufacturing a top-gate thin film transistor according to claim 8, wherein a low-concentration impurity region in the impurity introduction region via the gate insulating film is formed at the same time.
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