JP2006339416A - Method for manufacturing semiconductor element, semiconductor element, semiconductor device, and display unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor element capable of decreasing a characteristic defect occurring on the basis of an nonuniformity of an impurity (dopant) concentration in an impurity included region of the semiconductor layer; and to provide the semiconductor element, a semiconductor device, and a display unit. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the semiconductor element having a structure in which the semiconductor layer with the impurity included region formed, a gate insulating film, and a gate electrode are laminated comprises the steps of forming the semiconductor layer, the gate insulating film, a lower layer metal film, and an upper layer metal film; etching the upper layer metal film to form the upper layer gate electrode; and forming the impurity included region by implanting the impurity to the semiconductor layer through the lower layer metal film and the gate insulating film. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体素子の製造方法、半導体素子、半導体装置及び表示装置に関する。より詳しくは、正スタガ型薄膜トランジスタ等の半導体素子の製造方法、該製造方法を用いて製造される半導体素子、該半導体素子を含んで構成される半導体装置及び表示装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element, a semiconductor element, a semiconductor device, and a display device. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element such as a positive staggered thin film transistor, a semiconductor element manufactured using the manufacturing method, a semiconductor device including the semiconductor element, and a display device.

半導体素子は、半導体の電気特性を利用した能動素子であり、中でも、3端子能動素子である薄膜トランジスタ(TFT)は、表示装置等においてスイッチング素子として用いられている。近年では、半導体層としてポリシリコン(p−Si)層を備えるポリシリコンTFT(p−SiTFT)を用いることにより、自己整合構造の採用によるTFTの高性能化及び駆動回路の内蔵化等が図られている。更に、p−SiTFTの高性能化を図るべく、低比抵抗及び高耐熱性等の観点から、ゲート電極としてタングステン(W)層を備える半導体装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。更には、ゲート電極と半導体層との密着性を向上させる等の観点から、ゲート電極として半導体層に向かってタングステン層、窒化タンタル層の順に積層された積層体を備える半導体装置も開示されている(例えば、特許文献2参照。)。 A semiconductor element is an active element using electrical characteristics of a semiconductor. Among them, a thin film transistor (TFT) which is a three-terminal active element is used as a switching element in a display device or the like. In recent years, by using a polysilicon TFT (p-Si TFT) having a polysilicon (p-Si) layer as a semiconductor layer, a high performance TFT and a built-in drive circuit have been achieved by adopting a self-aligned structure. ing. Furthermore, in order to improve the performance of the p-Si TFT, a semiconductor device including a tungsten (W) layer as a gate electrode is disclosed from the viewpoint of low specific resistance and high heat resistance (see, for example, Patent Document 1). . Furthermore, a semiconductor device including a stacked body in which a tungsten layer and a tantalum nitride layer are stacked in this order toward the semiconductor layer as the gate electrode is also disclosed from the viewpoint of improving the adhesion between the gate electrode and the semiconductor layer. (For example, refer to Patent Document 2).

以下に、特許文献2に係る正スタガ型p−SiTFTの製造方法について説明する。
まず、図9(a)に示すように、ガラス基板7上に、ベースコート膜6、p−Si層5、ゲート絶縁膜4、下層金属膜3、上層金属膜2及びフォトレジスト層1を順に形成する。次に、図9(b)に示すように、フォトレジスト層1をマスクとして、上層金属膜2のエッチングを行い、上層ゲート電極12を形成する(第1のゲートエッチング工程)。このとき、後の工程で形成する層間絶縁膜のステップカバレッジを向上させるべく、上層ゲート電極12は順テーパ状に形成している。次に、図9(c)に示すように、上層ゲート電極12をマスクとして、下層金属膜3のエッチングを行い、下層ゲート電極13を形成し、2層構造のゲート電極10が完成する(第2のゲートエッチング工程)。
Below, the manufacturing method of the positive stagger type p-Si TFT according to Patent Document 2 will be described.
First, as shown in FIG. 9A, a base coat film 6, a p-Si layer 5, a gate insulating film 4, a lower metal film 3, an upper metal film 2 and a photoresist layer 1 are formed in this order on a glass substrate 7. To do. Next, as shown in FIG. 9B, the upper metal film 2 is etched using the photoresist layer 1 as a mask to form an upper gate electrode 12 (first gate etching step). At this time, the upper gate electrode 12 is formed in a forward tapered shape in order to improve the step coverage of the interlayer insulating film formed in a later process. Next, as shown in FIG. 9C, the lower layer metal film 3 is etched using the upper layer gate electrode 12 as a mask to form the lower layer gate electrode 13, thereby completing the two-layered gate electrode 10 (first). 2 gate etching step).

次に、図9(d)に示すように、フォトレジスト層1を剥離した後、ゲート電極10をマスクとしてゲート絶縁膜4を介してp−Si層5に不純物を注入し、不純物含有領域5aを形成する(スルードーピング工程)。最後に、図9(e)に示すように、層間絶縁膜9、ソース電極8a及びドレイン電極8bを形成することにより、正スタガ型p−SiTFTが完成する。 Next, as shown in FIG. 9D, after the photoresist layer 1 is peeled off, impurities are implanted into the p-Si layer 5 through the gate insulating film 4 using the gate electrode 10 as a mask, and the impurity-containing region 5a. Is formed (through doping process). Finally, as shown in FIG. 9E, by forming the interlayer insulating film 9, the source electrode 8a, and the drain electrode 8b, a positive staggered p-Si TFT is completed.

しかしながら、特許文献2記載の製造方法によれば、ゲート絶縁膜4に対する下層金属膜3の選択比が小さく、第2のゲートエッチング工程後のゲート絶縁膜4に膜厚ばらつきが発生したため、その後、スルードーピング工程においてゲート絶縁膜4を介してp−Si層5に不純物(ドーパント)を注入しても、ドーパントはp−Si層5の所定の領域に均一に分布しておらず、注入部分の高抵抗化、信頼性の低下、ドライバー動作不良、及び、コンタクト抵抗の増加等といった特性不良が発生していた。
特開2001−35808号公報 特開2003−209260号公報
However, according to the manufacturing method described in Patent Document 2, since the selection ratio of the lower metal film 3 to the gate insulating film 4 is small and the film thickness variation occurs in the gate insulating film 4 after the second gate etching step, Even if an impurity (dopant) is implanted into the p-Si layer 5 through the gate insulating film 4 in the through doping process, the dopant is not uniformly distributed in a predetermined region of the p-Si layer 5, Characteristic defects such as higher resistance, lower reliability, poor driver operation, and increased contact resistance have occurred.
JP 2001-35808 A JP 2003-209260 A

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、半導体層の不純物含有領域における不純物(ドーパント)濃度の不均一性に起因して発生する特性不良を低減することができる半導体素子の製造方法、半導体素子、半導体装置及び表示装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and a method for manufacturing a semiconductor element capable of reducing characteristic defects caused by non-uniformity of impurity (dopant) concentration in an impurity-containing region of a semiconductor layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor element, a semiconductor device, and a display device.

本発明者は、不純物含有領域が形成された半導体層、ゲート絶縁膜及びゲート電極が積層された構造を有する半導体素子の製造方法について種々検討したところ、ゲート絶縁膜に対するゲート金属膜(ゲート電極を形成するための金属膜)の選択比に着目した。そして、ゲート絶縁膜に対するゲート金属膜の選択比が小さいため、従来の製造方法では、ゲート絶縁膜を介して不純物を均一に注入しにくいことを確認した。 The present inventor has made various studies on a method for manufacturing a semiconductor element having a structure in which a semiconductor layer in which an impurity-containing region is formed, a gate insulating film, and a gate electrode are stacked. Attention was paid to the selectivity of the metal film to be formed. Since the selection ratio of the gate metal film to the gate insulating film is small, it has been confirmed that the conventional manufacturing method is difficult to uniformly inject impurities through the gate insulating film.

そこで、本発明者は更に検討を行ったところ、ゲート電極の構造を下層ゲート電極及び上層ゲート電極を含んでなる積層構造とし、下層金属膜(下層ゲート電極を形成するための金属膜)に対する上層金属膜(上層ゲート電極を形成するための金属膜)の選択比に着目した。そして、下層金属膜(例えば、窒化タンタル)に対する上層金属膜(例えば、タングステン)の選択比は、エッチング条件を適切に設定することにより、ゲート絶縁膜に対するゲート金属膜の選択比よりも容易に高めることができることを見いだした。 Therefore, the present inventor has further studied, and the structure of the gate electrode is a laminated structure including the lower gate electrode and the upper gate electrode, and the upper layer with respect to the lower metal film (metal film for forming the lower gate electrode). Attention was paid to the selectivity of the metal film (metal film for forming the upper gate electrode). The selectivity of the upper metal film (for example, tungsten) with respect to the lower metal film (for example, tantalum nitride) is more easily increased than the selection ratio of the gate metal film to the gate insulating film by appropriately setting the etching conditions. I found that I could do it.

そして、半導体層、ゲート絶縁膜、下層金属膜及び上層金属膜を形成する工程と、上層金属膜をエッチングして上層ゲート電極を形成する工程とを含むことにより、ゲート絶縁膜は膜厚分布に影響を受けず、下層金属膜は、膜厚分布に対する影響が、従来の製造方法においてゲート絶縁膜が受ける影響よりも小さいため、上層ゲート電極形成領域を除く半導体層形成領域で下層金属膜及びゲート絶縁膜の膜厚合計を均一にすることができることを見いだした。その結果、更に、下層金属膜及びゲート絶縁膜を介して半導体層に不純物を注入して不純物含有領域を形成する工程を含むことにより、半導体層への不純物のドーピングを面内で均一に行うことができ、半導体層の不純物含有領域における不純物(ドーパント)濃度の不均一性に起因して発生する特性不良を低減することができることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The gate insulating film has a thickness distribution by including a step of forming a semiconductor layer, a gate insulating film, a lower metal film, and an upper metal film, and a step of etching the upper metal film to form an upper gate electrode. No influence is exerted on the lower metal film because the influence on the film thickness distribution is smaller than the influence on the gate insulating film in the conventional manufacturing method. Therefore, the lower metal film and the gate are not formed in the semiconductor layer formation region except the upper gate electrode formation region. It has been found that the total thickness of the insulating film can be made uniform. As a result, the semiconductor layer can be uniformly doped in-plane by further including a step of injecting impurities into the semiconductor layer through the lower metal film and the gate insulating film to form an impurity-containing region. And found that it is possible to reduce characteristic defects caused by the non-uniformity of the impurity (dopant) concentration in the impurity-containing region of the semiconductor layer, and that the above problem can be solved brilliantly, The present invention has been achieved.

すなわち、本発明は、不純物含有領域が形成された半導体層、ゲート絶縁膜及びゲート電極が積層された構造を有する半導体素子の製造方法であって、上記製造方法は、半導体層、ゲート絶縁膜、下層金属膜及び上層金属膜を形成する工程(積層体形成工程)と、上層金属膜をエッチングして上層ゲート電極を形成する工程(上層ゲート電極形成工程)と、下層金属膜及びゲート絶縁膜を介して半導体層に不純物を注入して不純物含有領域を形成する工程(不純物含有領域形成工程)とを含む半導体素子の製造方法である。上記半導体素子は、ゲート電極が下層ゲート電極及び上層ゲート電極を含んでなるものであり、本発明は、そのような半導体素子の製造方法である。なお、上記不純物とは、真性半導体の抵抗を低減させるために、真性半導体にドープされる材質のことである。また、上記不純物含有領域とは、不純物を真性半導体にドープすることにより、真性半導体の母体元素の一部が不純物元素に置換された領域のことである。 That is, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor element having a structure in which a semiconductor layer having an impurity-containing region formed, a gate insulating film, and a gate electrode are stacked, and the manufacturing method includes a semiconductor layer, a gate insulating film, A step of forming a lower layer metal film and an upper layer metal film (stacked body forming step), a step of etching the upper layer metal film to form an upper layer gate electrode (upper layer gate electrode forming step), a lower layer metal film and a gate insulating film; And a step of implanting impurities into the semiconductor layer to form an impurity-containing region (impurity-containing region forming step). In the semiconductor element, the gate electrode includes a lower layer gate electrode and an upper layer gate electrode, and the present invention is a method for manufacturing such a semiconductor element. Note that the impurity is a material doped in the intrinsic semiconductor in order to reduce the resistance of the intrinsic semiconductor. The impurity-containing region is a region where a part of the base element of the intrinsic semiconductor is replaced with the impurity element by doping the intrinsic semiconductor with the impurity.

本発明の半導体素子の製造方法によれば、上記積層体形成工程を行うことにより、半導体層を覆うように形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するための下層金属膜及び上層金属膜を形成することができる。次に、上記上層ゲート電極形成工程を行うことにより、上層金属膜をエッチングしてゲート電極の上部を構成する上層ゲート電極を形成することができる。このとき、ゲート絶縁膜は膜厚分布に影響を受けず、下層金属膜は、膜厚分布に対する影響が、従来の製造方法においてゲート絶縁膜が受ける影響よりも小さいため、上層ゲート電極形成領域を除く半導体層形成領域で下層金属膜及びゲート絶縁膜の膜厚合計を均一にすることができる。その結果、更に上記不純物含有領域形成工程を含むことにより、下層金属膜及びゲート絶縁膜を介して半導体層に不純物を面内で均一にドーピングすることができる。したがって、本発明の半導体素子の製造方法によれば、不純物含有領域における不純物(ドーパント)濃度の不均一性に起因して発生する特性不良を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, the lower layer metal film and the upper layer metal film for forming the gate electrode on the gate insulating film formed so as to cover the semiconductor layer by performing the laminated body forming step. Can be formed. Next, by performing the above-mentioned upper layer gate electrode formation step, the upper layer gate electrode constituting the upper part of the gate electrode can be formed by etching the upper layer metal film. At this time, the gate insulating film is not affected by the film thickness distribution, and the lower metal film has a smaller influence on the film thickness distribution than the influence of the gate insulating film in the conventional manufacturing method. The total film thickness of the lower metal film and the gate insulating film can be made uniform in the semiconductor layer forming region excluding the semiconductor layer formation region. As a result, by further including the impurity-containing region forming step, the semiconductor layer can be uniformly doped with impurities in the plane through the lower metal film and the gate insulating film. Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, it is possible to reduce the characteristic failure caused by the nonuniformity of the impurity (dopant) concentration in the impurity-containing region, and to improve the yield.

本発明の半導体素子の製造方法としては、上記積層体形成工程、上記上層ゲート電極形成工程及び上記不純物含有領域形成工程を必須工程として含むものである限り、その他の工程を含んでいても含んでいなくてもよく、特に限定されるものではない。したがって、例えば、上記積層体形成工程と上記上層ゲート電極形成工程との間に、上記上層ゲート電極形成工程にて上記上層金属膜をエッチングするときにマスクとして機能するフォトレジスト層を上記上層金属膜上に形成する工程を含む形態もまた、本発明の半導体素子の製造方法に含まれる。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention does not include other steps as long as it includes the stacked body forming step, the upper gate electrode forming step, and the impurity-containing region forming step as essential steps. There is no particular limitation. Therefore, for example, a photoresist layer functioning as a mask when the upper metal film is etched in the upper gate electrode forming process between the stacked body forming process and the upper gate electrode forming process is used as the upper metal film. A form including the step of forming the semiconductor element is also included in the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention.

なお、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜がエッチングされるのをより低減することで上記上層ゲート電極形成工程後の下層金属膜及びゲート絶縁膜の膜厚合計の均一性を向上させ、上記不純物含有領域形成工程において不純物をより均一にドープさせる観点から、上記上層ゲート電極形成工程は、下層金属膜に対する上層金属膜の選択比がゲート絶縁膜に対する下層金属膜の選択比よりも大きい条件で行われることが好ましく、上記下層金属膜に対する上層金属膜の選択比は4以上であることがより好ましい。また、同様の観点から、上記下層金属膜の膜厚は、10nm以上、40nm以下であることが好ましく、上記ゲート絶縁膜の膜厚は、100nm以下であることが好ましい。更に、上記ゲート絶縁膜の膜厚は、下層ゲート電極を形成するために下層金属膜をエッチングする工程において半導体層を露出させないために、30nm以上であることが好ましく、半導体素子の性能を向上させるために、70nm以下であることがより好ましい。そして、不純物をドープさせる際のチャネリング現象を防止する観点から、上記上層金属膜の膜厚は、340nm以上、500nm以下であることが好ましい。 In addition, by further reducing the etching of the lower layer metal film in the upper layer gate electrode formation step, the uniformity of the total film thickness of the lower layer metal film and the gate insulating film after the upper layer gate electrode formation step is improved. From the viewpoint of more uniformly doping impurities in the impurity-containing region forming step, the upper gate electrode forming step is performed under the condition that the selection ratio of the upper metal film to the lower metal film is larger than the selection ratio of the lower metal film to the gate insulating film. Preferably, the selection ratio of the upper metal film to the lower metal film is more preferably 4 or more. From the same viewpoint, the thickness of the lower metal film is preferably 10 nm or more and 40 nm or less, and the thickness of the gate insulating film is preferably 100 nm or less. Furthermore, the film thickness of the gate insulating film is preferably 30 nm or more so as not to expose the semiconductor layer in the step of etching the lower metal film to form the lower gate electrode, thereby improving the performance of the semiconductor element. Therefore, it is more preferably 70 nm or less. From the viewpoint of preventing channeling when doping impurities, the upper metal film preferably has a thickness of 340 nm to 500 nm.

なお、上記下層金属膜の膜厚のより好ましい下限は、20nmであり、より好ましい上限は、30nmである。また、上記ゲート絶縁膜の膜厚のより好ましい下限は、50nmである。更に、上記上層金属膜の膜厚のより好ましい下限は、360nmであり、より好ましい上限は、400nmである。 In addition, the more preferable minimum of the film thickness of the said lower layer metal film is 20 nm, and a more preferable upper limit is 30 nm. A more preferable lower limit of the thickness of the gate insulating film is 50 nm. Furthermore, the more preferable lower limit of the film thickness of the upper metal film is 360 nm, and the more preferable upper limit is 400 nm.

また、上記下層金属膜及び上層金属膜の形態としては、それぞれに関し、複数層からなる形態が挙げられるが、製造上の観点から、単層からなる形態が好ましい。また、複数の熱工程におけるヒロック等の塑性変形の抑制、及び、ドライエッチング法による配線形成の容易性の観点から、上記下層ゲート電極及び上層ゲート電極を構成する金属は、融点が2000℃以上の高融点金属であることが好ましい。更に、本発明の作用効果を効果的に得る観点から、上記上層ゲート電極形成工程は、エッチングガスを用いて行うことが好ましい。そして、上記不純物含有領域形成工程は、上層ゲート電極をマスクとして行うことが好ましい。 Moreover, as a form of the said lower metal film and an upper metal film, although the form which consists of multiple layers is mentioned about each, the form which consists of a single layer is preferable from a viewpoint on manufacture. In addition, from the viewpoint of suppressing plastic deformation such as hillocks in a plurality of thermal processes and ease of wiring formation by dry etching, the metal constituting the lower gate electrode and the upper gate electrode has a melting point of 2000 ° C. or higher. A refractory metal is preferred. Furthermore, from the viewpoint of effectively obtaining the effects of the present invention, the upper gate electrode formation step is preferably performed using an etching gas. The impurity-containing region forming step is preferably performed using the upper gate electrode as a mask.

本発明の半導体素子の製造方法の好ましい形態としては、(1)上記下層金属膜は、窒化タンタル又はタンタルを含み、上記上層金属膜は、高融点金属を主成分とする金属化合物を含み、上記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガス又は四フッ化炭素ガス、酸素ガス、及び、塩素ガスを含む形態、(2)上記(1)の形態において、上記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガスの流量が10sccm以上、500sccm以下である形態、(3)上記(1)又は(2)の形態において、上記エッチングガスは、酸素ガスの流量が5sccm以上、200sccm以下である形態、(4)上記(1)〜(3)のいずれかの形態において、上記エッチングガスは、酸素ガスに対する六フッ化硫黄ガスの流量比が1.0以上、3.0以下である形態、(5)上記(1)〜(4)のいずれかの形態において、上記エッチングガスは、塩素ガスの流量が5sccm以上、200sccm以下である形態が挙げられる。なお、本明細書中、sccmとは、1.013×10Pa、0℃における1分間当たりのガス流量の単位を表し、1sccm=10−6/minである。 As a preferred embodiment of the method for producing a semiconductor element of the present invention, (1) the lower metal film contains tantalum nitride or tantalum, the upper metal film contains a metal compound containing a refractory metal as a main component, and The etching gas is a form containing sulfur hexafluoride gas or carbon tetrafluoride gas, oxygen gas, and chlorine gas. (2) In the form of (1), the etching gas is a flow rate of sulfur hexafluoride gas. (3) In the mode (1) or (2), the etching gas has an oxygen gas flow rate of 5 sccm or more and 200 sccm or less. (4) The above (1) ) To (3), the etching gas has a flow rate ratio of sulfur hexafluoride gas to oxygen gas of 1.0 or more and 3.0 or less, ) In any of the above (1) to (4), the etching gas, the flow rate of the chlorine gas is more than 5 sccm, include form is 200sccm less. In addition, in this specification, sccm represents the unit of the gas flow rate per minute in 1.013 * 10 < 5 > Pa and 0 degreeC, and is 1sccm = 10 < -6 > m < 3 > / min.

上記(1)の形態によれば、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比をより高めることができ、上記不純物含有領域形成工程を行う前に、下層金属膜及びゲート絶縁膜の膜厚合計の均一性をより向上させることができるため、本発明の作用効果をより効果的に得ることができる。なお、上記高融点金属としては、融点が2000℃以上の金属が好ましく、例えばタングステン、モリブデン等が挙げられる。また、上記金属化合物は、主成分として、高融点金属を50質量%以上含むことが好ましい。 According to the above aspect (1), the selectivity of the upper metal film to the lower metal film can be further increased in the upper gate electrode forming step, and the lower metal film and the gate can be formed before the impurity-containing region forming step. Since the uniformity of the total film thickness of the insulating film can be further improved, the effects of the present invention can be obtained more effectively. The refractory metal is preferably a metal having a melting point of 2000 ° C. or higher, and examples thereof include tungsten and molybdenum. Moreover, it is preferable that the said metal compound contains a refractory metal 50 mass% or more as a main component.

上記(2)の形態については、六フッ化硫黄ガスの流量は、上記上層ゲート電極形成工程において充分なエッチング速度を得るために、10sccm以上であることが好ましく、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、500sccm以下であることが好ましい。なお、六フッ化硫黄ガスの流量のより好ましい下限は、100sccmであり、より好ましい上限は、250sccmである。六フッ化硫黄ガスの流量の更に好ましい下限は、150sccmであり、より好ましい上限は、200sccmである。 In the form (2), the flow rate of the sulfur hexafluoride gas is preferably 10 sccm or more in order to obtain a sufficient etching rate in the upper gate electrode formation step, and the lower layer in the upper gate electrode formation step. In order to obtain a sufficient selection ratio of the upper metal film to the metal film, it is preferably 500 sccm or less. A more preferable lower limit of the flow rate of sulfur hexafluoride gas is 100 sccm, and a more preferable upper limit is 250 sccm. A more preferable lower limit of the flow rate of the sulfur hexafluoride gas is 150 sccm, and a more preferable upper limit is 200 sccm.

上記(3)の形態については、酸素ガスの流量は、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、5sccm以上であることが好ましい。また、200sccmを超えると、上記上層ゲート電極形成工程において反応性生成物が多く発生するおそれがあることから、酸素ガスの流量は200sccm以下であることが好ましい。なお、酸素ガスの流量のより好ましい下限は、50sccmであり、より好ましい上限は、100sccmである。また、酸素ガスの流量の更に好ましい下限は、60sccmであり、更に好ましい上限は、80sccmである。 In the form (3), the flow rate of oxygen gas is preferably 5 sccm or more in order to obtain a sufficient selectivity of the upper metal film to the lower metal film in the upper gate electrode formation step. Further, if it exceeds 200 sccm, a large amount of reactive products may be generated in the upper gate electrode formation step, and therefore the flow rate of oxygen gas is preferably 200 sccm or less. A more preferable lower limit of the flow rate of oxygen gas is 50 sccm, and a more preferable upper limit is 100 sccm. Further, a more preferable lower limit of the flow rate of the oxygen gas is 60 sccm, and a more preferable upper limit is 80 sccm.

上記(4)の形態については、酸素ガスに対する六フッ化硫黄ガスの流量比が1.0未満であると、反応性生成物が多く発生するおそれがあり、3.0を超えると、下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得られなくなるおそれがある。なお、酸素ガスに対する六フッ化硫黄ガスの流量比のより好ましい下限は、1.5であり、より好ましい上限は、2.0である。 About the form of said (4), when the flow ratio of sulfur hexafluoride gas with respect to oxygen gas is less than 1.0, there is a possibility that many reactive products may be generated. There is a possibility that the selective ratio of the upper metal film to the film cannot be obtained sufficiently. A more preferable lower limit of the flow ratio of sulfur hexafluoride gas to oxygen gas is 1.5, and a more preferable upper limit is 2.0.

上記(5)の形態については、塩素ガスの流量は、上記上層ゲート電極形成工程後の下層金属膜の膜厚均一性を充分に得るために、5sccm以上であることが好ましく、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、200sccm以下であることが好ましい。なお、塩素ガスの流量のより好ましい下限は、20sccmであり、より好ましい上限は、100sccmである。また、塩素ガスの流量の更に好ましい下限は、30sccmであり、更に好ましい上限は、70sccmである。 In the form (5), the flow rate of the chlorine gas is preferably 5 sccm or more in order to sufficiently obtain the film thickness uniformity of the lower layer metal film after the upper layer gate electrode formation step. In order to obtain a sufficient selection ratio of the upper metal film to the lower metal film in the forming step, it is preferably 200 sccm or less. A more preferable lower limit of the chlorine gas flow rate is 20 sccm, and a more preferable upper limit is 100 sccm. Further, the more preferable lower limit of the flow rate of chlorine gas is 30 sccm, and the more preferable upper limit is 70 sccm.

上記上層ゲート電極形成工程は、誘導結合プラズマ(ICP)エッチング装置を用いて行われることが好ましい。ICPエッチング装置を用いれば、プラズマを容易に制御することができるため、本発明の作用効果をより容易に得ることができる。なお、上記ICPエッチング装置は、チャンバの上部を構成する石英板が、その上にアンテナコイルを配置し、かつマッチボックスを介してRF(Radio frequency)電源に接続されており、上記石英板に対して対向配置され、チャンバの下部を構成し、かつ被エッチング処理基板を配置するための下部電極が、マッチボックスを介して別のRF電源に接続された構造を有する。したがって、上記アンテナコイルに印加するRFパワー密度(コイルパワー密度)と上記下部電極に印加するRFパワー密度(バイアスパワー)とを独立に調節することにより、プラズマ密度と自己バイアス電圧とを独立に制御することが可能である。また、被エッチング処理物の材料に応じて、印加するRFパワー密度の周波数を異ならせることも可能である。 The upper gate electrode formation step is preferably performed using an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus. If the ICP etching apparatus is used, the plasma can be easily controlled, so that the effects of the present invention can be obtained more easily. In the ICP etching apparatus, the quartz plate constituting the upper part of the chamber has an antenna coil disposed thereon, and is connected to an RF (Radio frequency) power source via a match box. The lower electrode for disposing the substrate to be etched and the substrate to be etched is connected to another RF power source via a match box. Therefore, by independently adjusting the RF power density (coil power density) applied to the antenna coil and the RF power density (bias power) applied to the lower electrode, the plasma density and the self-bias voltage are independently controlled. Is possible. Further, the frequency of the applied RF power density can be varied depending on the material of the object to be etched.

上記ICPエッチング装置の好ましい形態としては、(A)コイルパワー密度が0.50W/cm以上、2.00W/cm以下である形態、(B)バイアスパワー密度が0.05W/cm以上、0.20W/cm以下である形態、(C)チャンバ内の気圧が0.65Pa以上、4.0Pa以下である形態、(D)上記(A)と(B)とを組み合わせた形態、(E)上記(A)と(C)とを組み合わせた形態、(F)上記(B)と(C)とを組み合わせた形態、及び、(G)上記(A)〜(C)を組み合わせた形態が挙げられる。 Preferred forms of the ICP etching apparatus, (A) the coil power density 0.50 W / cm 2 or more, 2.00W / cm 2 or less is the form, (B) a bias power density of 0.05 W / cm 2 or more , A form that is 0.20 W / cm 2 or less, (C) a form that the atmospheric pressure in the chamber is 0.65 Pa or more and 4.0 Pa or less, (D) a form that combines (A) and (B) above, (E) A combination of the above (A) and (C), (F) a combination of (B) and (C), and (G) a combination of (A) to (C). A form is mentioned.

上記(A)の形態については、コイルパワー密度は、上記上層ゲート電極形成工程において反応性生成物が発生するのを抑制するために、0.50W/cm以上であることが好ましく、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、2.00W/cm以下であることが好ましい。なお、コイルパワー密度のより好ましい下限は、0.80W/cmであり、より好ましい上限は、1.95W/cmである。 In the form (A), the coil power density is preferably 0.50 W / cm 2 or more in order to suppress the generation of reactive products in the upper gate electrode formation step. In order to obtain a sufficient selection ratio of the upper metal film to the lower metal film in the gate electrode formation step, it is preferably 2.00 W / cm 2 or less. A more preferable lower limit of the coil power density is 0.80 W / cm 2 , and a more preferable upper limit is 1.95 W / cm 2 .

上記(B)の形態については、バイアスパワー密度は、上記上層ゲート電極形成工程において反応性生成物が発生するのを抑制するために、0.05W/cm以上であることが好ましく、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、0.20W/cm以下であることが好ましい。なお、バイアスパワー密度のより好ましい下限は、0.06W/cmであり、より好ましい上限は、0.16W/cmである。 In the form (B), the bias power density is preferably 0.05 W / cm 2 or more in order to suppress the generation of reactive products in the upper gate electrode formation step. In order to obtain a sufficient selection ratio of the upper metal film to the lower metal film in the gate electrode formation step, it is preferably 0.20 W / cm 2 or less. A more preferable lower limit of the bias power density is 0.06 W / cm 2 , and a more preferable upper limit is 0.16 W / cm 2 .

上記(C)の形態については、チャンバ内の気圧は、上記上層ゲート電極形成工程において下層金属膜に対する上層金属膜の選択比を充分に得るために、4.0Pa以下であることが好ましく、上記上層ゲート電極形成工程において上層ゲート電極のアンダーカットを防ぐために、3.0Pa以下であることがより好ましい。また、上記上層ゲート電極形成工程後の上層ゲート電極の膜厚均一性を充分に得るために、0.65Pa以上であることが好ましい。なお、チャンバ内の気圧のより好ましい下限は、0.8Paであり、より好ましい上限は、2.0Paである。また、チャンバ内の気圧の更に好ましい下限は、0.9Paであり、更に好ましい上限は、1.9Paである。
また、上記(D)〜(G)の形態についても同様である。なお、上記(A)〜(G)の形態において、ICPエッチング装置を構成する下部電極の温度は、20℃以上、40℃以下であることが好ましく、チャンバ壁等の上記下部電極以外の部分の温度は、生成物の付着を抑制する観点から、80℃以上であることが好ましい。
In the form (C), the atmospheric pressure in the chamber is preferably 4.0 Pa or less in order to obtain a sufficient selection ratio of the upper metal film to the lower metal film in the upper gate electrode formation step. In order to prevent an undercut of the upper gate electrode in the upper gate electrode formation step, it is more preferably 3.0 Pa or less. Moreover, in order to sufficiently obtain the film thickness uniformity of the upper gate electrode after the upper gate electrode forming step, it is preferably 0.65 Pa or more. A more preferable lower limit of the atmospheric pressure in the chamber is 0.8 Pa, and a more preferable upper limit is 2.0 Pa. Further, a more preferable lower limit of the atmospheric pressure in the chamber is 0.9 Pa, and a more preferable upper limit is 1.9 Pa.
The same applies to the forms (D) to (G). In the above-described forms (A) to (G), the temperature of the lower electrode constituting the ICP etching apparatus is preferably 20 ° C. or higher and 40 ° C. or lower. The temperature is preferably 80 ° C. or higher from the viewpoint of suppressing product adhesion.

上記半導体素子の製造方法は、更に、下層金属膜をエッチングして下層ゲート電極を形成する工程を含み、上記下層ゲート電極形成工程は、上層ゲート電極をマスクとして行うことが好ましい。これにより、下層ゲート電極形成工程において下層ゲート電極の線幅シフト量を低減することができるため、素子特性のばらつきを低減することができる。また、下層ゲート電極形成工程においてフォトリソプロセスを用いないため、製造コストの削減を図ることができる。 The method for manufacturing a semiconductor element further includes a step of etching a lower metal film to form a lower gate electrode, and the lower gate electrode forming step is preferably performed using the upper gate electrode as a mask. Thereby, the line width shift amount of the lower layer gate electrode can be reduced in the lower layer gate electrode formation step, so that variations in element characteristics can be reduced. In addition, since a photolithography process is not used in the lower layer gate electrode formation step, the manufacturing cost can be reduced.

本発明の半導体素子の製造方法は、(a)上記上層ゲート電極形成工程において、下層金属膜を残すこと、(b)下層金属膜に対する上層金属膜の選択比、若しくは、ゲート絶縁膜に対するゲート金属膜(例えば、下層金属膜)の選択比を4以上にすること、(c)ゲート金属膜をエッチングする際に、酸素ガスに対する六フッ化硫黄ガスの流量比が1.0以上、3.0以下であるエッチングガスを用いることの、(a)〜(c)の点において、従来技術に対する技術的意義を有するものである。したがって、本発明は、上記(a)〜(c)のいずれか一つの特徴を有していればよい。すなわち、上述した本発明においては、上記(a)の点を必須とするが、上記(b)又は(c)の点のみを必須とする半導体素子の製造方法もまた、本発明の一つである。これら(a)〜(c)の点を組み合わせることによって、好ましい形態とすることができる。また、上記(a)〜(c)の形態は、ICPエッチング装置を用いる形態と組み合わせることによって、より好ましい形態とすることができる。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes (a) leaving the lower metal film in the upper gate electrode forming step, (b) the selectivity of the upper metal film to the lower metal film, or the gate metal to the gate insulating film. (C) When etching the gate metal film, the flow ratio of sulfur hexafluoride gas to oxygen gas is 1.0 or more and 3.0 or more. Use of the following etching gas has technical significance with respect to the prior art in the points (a) to (c). Therefore, the present invention only needs to have any one of the characteristics (a) to (c). That is, in the above-described present invention, the above-mentioned point (a) is indispensable, but a method for manufacturing a semiconductor element in which only the above-mentioned point (b) or (c) is essential is also one aspect of the present invention. is there. By combining these points (a) to (c), a preferable form can be obtained. Further, the above forms (a) to (c) can be made more preferable by combining with the form using the ICP etching apparatus.

本発明はまた、上記半導体素子の製造方法を用いて製造される半導体素子でもある。本発明の半導体素子によれば、ドーパント濃度の不均一性に起因して発生する特性不良を低減することができる。上記半導体素子の好ましい形態としては、薄膜トランジスタである形態が挙げられ、より好ましい形態としては、例えば、同一のドーパントを同一又は略同一の濃度で含む第1の不純物含有領域及び第2の不純物含有領域が形成された半導体層、ゲート絶縁膜、下層ゲート電極及び上層ゲート電極がこの順に積層され、第1の不純物含有領域がソース電極に接続され、第2の不純物含有領域がドレイン電極に接続された構造を有する形態が挙げられ、更に好ましい形態としては、下層ゲート電極及び上層ゲート電極の線幅制御性を向上させ、半導体素子特性の面内ばらつきを低減する観点から、下層ゲート電極及び上層ゲート電極がテーパ状でない形態が挙げられる。 The present invention is also a semiconductor device manufactured using the above-described method for manufacturing a semiconductor device. According to the semiconductor element of the present invention, it is possible to reduce the characteristic failure caused by the non-uniformity of the dopant concentration. A preferable form of the semiconductor element includes a form that is a thin film transistor, and a more preferable form is, for example, a first impurity containing region and a second impurity containing region containing the same dopant at the same or substantially the same concentration. The semiconductor layer, the gate insulating film, the lower gate electrode, and the upper gate electrode formed in this order are stacked in this order, the first impurity-containing region is connected to the source electrode, and the second impurity-containing region is connected to the drain electrode From the viewpoint of improving the line width controllability of the lower layer gate electrode and the upper layer gate electrode and reducing in-plane variation of semiconductor element characteristics, the lower layer gate electrode and the upper layer gate electrode are more preferable. The form which is not a taper shape is mentioned.

本発明は更に、上記半導体素子を含んで構成される半導体装置でもある。本発明の半導体装置によれば、半導体素子の特性不良、更には半導体素子特性の面内ばらつきを低減することができるため、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。上記半導体装置の好ましい形態としては、例えば、複数の上記半導体素子が接続された形態、複数の上記半導体素子が配線を介して回路を構成する形態等が挙げられる。なお、上記半導体装置の大面積化については、ICPエッチング装置を用いて上記上層ゲート電極形成工程を行うことにより、容易に対応することができる。 The present invention is also a semiconductor device including the semiconductor element. According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to reduce the defective characteristics of the semiconductor element and further the in-plane variation in the characteristics of the semiconductor element, so that the yield of the semiconductor device can be improved. As a preferable form of the semiconductor device, for example, a form in which a plurality of the semiconductor elements are connected, a form in which a plurality of the semiconductor elements form a circuit via wiring, and the like can be given. Note that the area of the semiconductor device can be easily increased by performing the upper gate electrode formation step using an ICP etching apparatus.

本発明はそして、上記半導体素子を含んで構成される表示装置でもある。本発明の表示装置によれば、半導体素子の特性不良、更には半導体素子特性の面内ばらつきを低減することができるため、表示装置の歩留まりを向上させることができる。上記表示装置の好ましい形態としては、液晶表示装置である形態が挙げられ、上記表示装置のより好ましい形態としては、ゲート配線、ソース配線、上記半導体素子及び画素電極を含んで構成され、上記半導体素子は、同一のドーパントを同一又は略同一の濃度で含む第1の不純物含有領域及び第2の不純物含有領域が形成された半導体層、ゲート絶縁膜、下層ゲート電極及び上層ゲート電極がこの順に積層され、上記第1の不純物含有領域がソース電極に接続され、かつ上記第2の不純物含有領域がドレイン電極に接続された構造を有するものであり、上記ゲート電極は、上記ゲート配線に接続され、上記ソース電極は、上記ソース配線に接続され、上記ドレイン電極は、上記画素電極に接続された構造を有するアクティブマトリクス基板を含んで構成される形態が挙げられる。なお、上記表示装置の大面積化については、ICPエッチング装置を用いて上記上層ゲート電極形成工程を行うことにより、容易に対応することができる。 The present invention is also a display device including the semiconductor element. According to the display device of the present invention, it is possible to reduce the defective characteristics of the semiconductor elements and further the in-plane variation in the characteristics of the semiconductor elements, so that the yield of the display device can be improved. A preferable embodiment of the display device includes a liquid crystal display device, and a more preferable embodiment of the display device includes a gate wiring, a source wiring, the semiconductor element, and a pixel electrode. The semiconductor layer, the gate insulating film, the lower gate electrode, and the upper gate electrode in which the first impurity-containing region and the second impurity-containing region containing the same dopant at the same or substantially the same concentration are formed are stacked in this order. The first impurity-containing region is connected to the source electrode, and the second impurity-containing region is connected to the drain electrode. The gate electrode is connected to the gate wiring, and An active matrix substrate having a structure in which a source electrode is connected to the source wiring and the drain electrode is connected to the pixel electrode Comprise constituted form can be mentioned. Note that the area of the display device can be increased easily by performing the upper gate electrode formation step using an ICP etching apparatus.

本発明の半導体素子の製造方法によれば、半導体層、ゲート絶縁膜、下層金属膜及び上層金属膜を形成する工程と、上層金属膜をエッチングして上層ゲート電極を形成する工程とを行うことにより、上記上層ゲート電極形成工程後の下層金属膜及びゲート絶縁膜の膜厚合計を面内で均一にすることができる結果、更に、下層金属膜及びゲート絶縁膜を介して半導体層に不純物を注入して不純物含有領域を形成する工程を行うことにより、半導体層への不純物のドーピングを面内で均一に行うことができるため、不純物含有領域におけるドーパント濃度の不均一性に起因して発生する特性不良を低減することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention, the steps of forming a semiconductor layer, a gate insulating film, a lower layer metal film, and an upper layer metal film, and a step of etching the upper layer metal film to form an upper layer gate electrode are performed. As a result, the total film thickness of the lower metal film and the gate insulating film after the upper gate electrode forming step can be made uniform in-plane, and further, impurities can be introduced into the semiconductor layer via the lower metal film and the gate insulating film. By performing the step of implanting and forming the impurity-containing region, the semiconductor layer can be uniformly doped with impurities in the plane, and therefore, it is generated due to the non-uniformity of the dopant concentration in the impurity-containing region. Characteristic defects can be reduced.

以下に実施例を掲げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

〔実施例1〕
図1は、本発明の実施例1に係る正スタガ型p−SiTFT(半導体素子)の製造工程フローを示す断面模式図である。
まず、図1(a)に示すように、ガラス基板7上に、ベースコート膜6、ポリシリコン(p−Si)層(半導体層)5、酸化シリコン(SiO)膜(ゲート絶縁膜)4、窒化タンタル(TaN)膜(下層金属膜)3、タングステン(W)膜(上層金属膜)2、及び、フォトレジスト層1を順に形成した(積層体形成工程)。
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process flow of a positive staggered p-Si TFT (semiconductor element) according to Example 1 of the invention.
First, as shown in FIG. 1A, on a glass substrate 7, a base coat film 6, a polysilicon (p-Si) layer (semiconductor layer) 5, a silicon oxide (SiO 2 ) film (gate insulating film) 4, A tantalum nitride (TaN) film (lower metal film) 3, a tungsten (W) film (upper metal film) 2, and a photoresist layer 1 were formed in this order (stacked body forming step).

なお、ガラス基板7の材質としては、液晶用精密ガラスを用いたがこれに限定されない。ベースコート膜6としては、下層が窒化シリコン(SiN)からなり、上層が酸化シリコンからなる2層構造を採用したが、これに限定されず、例えば下層が酸窒化シリコン(SiNO)からなり、上層が酸化シリコンからなる2層構造も用いることができる。半導体層5の材質としては、ポリシリコンに限定されず、例えば連続粒界結晶(CG)シリコン等も用いることができる。また、本実施例では、半導体層5の膜厚を50nmとしたが、これに限定されない。ゲート絶縁膜4の材質としては、酸化シリコンに限定されない。また、本実施例では、ゲート絶縁膜4の膜厚を70nmとしたが、これに限定されない。本実施例によれば、ゲート絶縁膜4の膜厚を、例えば70nmよりも小さくすることにより、p−SiTFTの性能を向上させることも可能である。下層金属膜3の材質としては、窒化タンタルに限定されない。また、本実施例では、下層金属膜3の膜厚を30nmとしたが、本発明の作用効果を得られる限り、特に限定されない。上層金属膜2の材質としては、タングステンに限定されない。また、本実施例では、上層金属膜2の膜厚を360nmとしたが、本発明の作用効果を得られる限り、特に限定されない。本実施例では、フォトレジスト層1の膜厚を1.4μmとしたが、これに限定されない。 In addition, although the precision glass for liquid crystals was used as a material of the glass substrate 7, it is not limited to this. The base coat film 6 employs a two-layer structure in which the lower layer is made of silicon nitride (SiN x ) and the upper layer is made of silicon oxide, but is not limited to this. For example, the lower layer is made of silicon oxynitride (SiNO), and the upper layer A two-layer structure made of silicon oxide can also be used. The material of the semiconductor layer 5 is not limited to polysilicon, and for example, continuous grain boundary crystal (CG) silicon can be used. In this embodiment, the thickness of the semiconductor layer 5 is 50 nm, but the present invention is not limited to this. The material of the gate insulating film 4 is not limited to silicon oxide. In this embodiment, the thickness of the gate insulating film 4 is set to 70 nm. However, the present invention is not limited to this. According to this embodiment, it is possible to improve the performance of the p-Si TFT by making the thickness of the gate insulating film 4 smaller than, for example, 70 nm. The material of the lower metal film 3 is not limited to tantalum nitride. In this embodiment, the thickness of the lower metal film 3 is set to 30 nm, but is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. The material of the upper metal film 2 is not limited to tungsten. In this embodiment, the upper metal film 2 has a thickness of 360 nm, but is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. In this embodiment, the thickness of the photoresist layer 1 is 1.4 μm, but the present invention is not limited to this.

次に、図1(b)に示すように、誘導結合プラズマ(ICP)エッチング装置を用いて、フォトレジスト層1をマスクとして、タングステン膜2のエッチングを行った(上層ゲート電極形成工程)。エッチングガスとしては、六フッ化硫黄(SF)ガス、酸素(O)ガス及び塩素(Cl)ガスからなるガスを用い、SFガス、Oガス及びClガスの流量はそれぞれ、100sccm、80sccm及び40sccmとした。また、ICPエッチング装置については、コイルパワー密度を1.95W/cmとし、バイアスパワー密度を0.15W/cmとし、チャンバ内の気圧を1.3Pa、ICPエッチング装置を構成する下部電極の温度を20℃とした。これにより、図2の走査型電子顕微鏡(SEM)写真に示すように、タングステンからなる上層ゲート電極12を形成することができるとともに、窒化タンタル膜3の膜厚均一性を28.7%で確保することができた。 Next, as shown in FIG. 1B, the tungsten film 2 was etched using the inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus with the photoresist layer 1 as a mask (upper gate electrode forming step). As an etching gas, a gas composed of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas, oxygen (O 2 ) gas and chlorine (Cl 2 ) gas is used, and the flow rates of SF 6 gas, O 2 gas and Cl 2 gas are respectively 100 sccm, 80 sccm, and 40 sccm. For the ICP etching apparatus, the coil power density is 1.95 W / cm 2 , the bias power density is 0.15 W / cm 2 , the atmospheric pressure in the chamber is 1.3 Pa, and the lower electrode constituting the ICP etching apparatus The temperature was 20 ° C. Thereby, as shown in the scanning electron microscope (SEM) photograph of FIG. 2, the upper gate electrode 12 made of tungsten can be formed, and the film thickness uniformity of the tantalum nitride film 3 is ensured at 28.7%. We were able to.

次に、図1(c)に示すように、フォトレジスト層1を剥離した後、上層ゲート電極12をマスクとして窒化タンタル膜3及び酸化シリコン膜4を介してポリシリコン層5にリン(P)を注入してn型ポリシリコン領域(不純物含有領域)5aを形成した(不純物含有領域形成工程)。なお、本実施例では、ドーピングの方法としてNイオン注入法を用いたが、これに限定されず、例えば、Loffドーピング法、プラズマドーピング(PD)法及びNDドーピング法等を用いて、不純物のドーピングを行ってもよい。また、不純物としてリン(P)をドーズ量1015/cmで注入したが、これに限定されない。 Next, as shown in FIG. 1C, after the photoresist layer 1 is peeled off, phosphorus (P) is formed on the polysilicon layer 5 through the tantalum nitride film 3 and the silicon oxide film 4 using the upper gate electrode 12 as a mask. Was implanted to form an n-type polysilicon region (impurity-containing region) 5a (impurity-containing region forming step). In this embodiment, the N ion implantation method is used as a doping method. However, the present invention is not limited to this. For example, the Loff doping method, the plasma doping (PD) method, the ND doping method, or the like is used. May be performed. Further, phosphorus (P) is implanted as an impurity at a dose of 10 15 / cm 3 , but the present invention is not limited to this.

次に、図1(d)に示すように、ICPエッチング装置を用いて、上層ゲート電極12をマスクとして窒化タンタル膜3のエッチングをして下層ゲート電極13を形成した(下層ゲート電極形成工程)。このとき、レジストシフトが起こらなかったため、下層ゲート電極13の線幅シフトを低減することができた。また、ポリシリコン層5が露出しない限り、酸化シリコン膜4の上部はエッチングされてもよく、不要な窒化タンタル膜3を充分に除去することができた。これにより、2層構造のゲート電極10が完成した。
最後に、図1(e)に示すように、層間絶縁膜9、ソース電極8a及びドレイン電極8bを形成することにより、正スタガ型p−SiTFTが完成した。
Next, as shown in FIG. 1D, the lower gate electrode 13 was formed by etching the tantalum nitride film 3 using the upper gate electrode 12 as a mask using an ICP etching apparatus (lower gate electrode forming step). . At this time, no resist shift occurred, so that the line width shift of the lower gate electrode 13 could be reduced. Further, as long as the polysilicon layer 5 is not exposed, the upper portion of the silicon oxide film 4 may be etched, and the unnecessary tantalum nitride film 3 can be sufficiently removed. Thereby, the gate electrode 10 having a two-layer structure was completed.
Finally, as shown in FIG. 1E, an interlayer insulating film 9, a source electrode 8a, and a drain electrode 8b are formed to complete a positive staggered p-Si TFT.

〔実験例1〕
本実験例では、(i)六フッ化硫黄(SF)ガスの流量、(ii)、酸素(O)ガスの流量、(iii)塩素(Cl)ガスの流量、(iv)コイルパワー密度、(v)バイアスパワー密度、及び、(vi)チャンバ内の気圧と、タングステン(W)膜、窒化タンタル(TaN)膜及び酸化シリコン(SiO)膜の(a)エッチング速度、(b)エッチング均一性、及び、(c)選択性との関係を調べた。その結果を図3〜8に示す。
なお、タングステン膜としては、32×40cm、膜厚400nmのものを用い、窒化タンタル膜としては、32×40cm、膜厚200nmのものを用い、酸化シリコン膜としては、32×40cm、膜厚300nmのものを用いた。また、エッチング装置には、ワイエイシイ株式会社(YAC Corporation)製ICPエッチング装置を用いた。
[Experimental Example 1]
In this experimental example, (i) a flow rate of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas, (ii) a flow rate of oxygen (O 2 ) gas, (iii) a flow rate of chlorine (Cl 2 ) gas, (iv) coil power Density, (v) bias power density, and (vi) chamber pressure, (a) etch rate of tungsten (W) film, tantalum nitride (TaN) film and silicon oxide (SiO 2 ) film, (b) The relationship between etching uniformity and (c) selectivity was examined. The results are shown in FIGS.
Note that a tungsten film having a thickness of 32 × 40 cm and a thickness of 400 nm is used, a tantalum nitride film having a thickness of 32 × 40 cm and a thickness of 200 nm is used, and a silicon oxide film is 32 × 40 cm and a thickness of 300 nm. The thing of was used. As an etching apparatus, an ICP etching apparatus manufactured by YAC Corporation was used.

(i)SFガスの流量(図3)
図3(a)に示すように、SFガスの流量が大きいほど、タングステン膜及び窒化タンタル膜のエッチング速度は単調に大きくなる傾向にあり、タングステン膜の方が、窒化タンタル膜よりもその上がり度合が大きい。また、図3(b)に示すように、SFガスの流量が大きいほど、タングステン膜及び窒化タンタル膜のエッチング均一性は単調に減少する傾向にある。更に、図3(c)に示すように、SFガスの流量が大きいほど、選択比(W/TaN)は単調に減少する傾向にある。
(I) Flow rate of SF 6 gas (Fig. 3)
As shown in FIG. 3A, the etching rate of the tungsten film and the tantalum nitride film tends to increase monotonically as the flow rate of SF 6 gas increases, and the tungsten film increases more than the tantalum nitride film. The degree is large. Further, as shown in FIG. 3B, the etching uniformity of the tungsten film and the tantalum nitride film tends to monotonously decrease as the flow rate of SF 6 gas increases. Further, as shown in FIG. 3C, the selectivity (W / TaN) tends to monotonously decrease as the flow rate of SF 6 gas increases.

(ii)Oガスの流量(図4)
図4(a)に示すように、Oの流量が大きいほど、タングステン膜のエッチング速度は単調に大きくなる傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング速度は単調に小さくなる傾向にある。また、図4(b)に示すように、タングステン膜のエッチング均一性は、Oの流量が大きいほど、単調に小さくなる傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング均一性は、縦軸に該エッチング均一性、横軸にOガスの流量をとったとき、上に凸の略放物線を描く傾向にある。更に、図4(c)に示すように、Oの流量が大きいほど、選択比(W/TaN)は単調に大きくなる傾向にある。
(Ii) O 2 gas flow rate (FIG. 4)
As shown in FIG. 4A, the etching rate of the tungsten film tends to increase monotonically as the flow rate of O 2 increases, whereas the etching rate of the tantalum nitride film tends to decrease monotonously. Further, as shown in FIG. 4B, the etching uniformity of the tungsten film tends to decrease monotonically as the flow rate of O 2 increases, whereas the etching uniformity of the tantalum nitride film has a vertical axis. Further, when the etching uniformity is taken and the flow rate of O 2 gas is taken on the horizontal axis, an upwardly convex parabola tends to be drawn. Furthermore, as shown in FIG. 4C, the selection ratio (W / TaN) tends to increase monotonically as the flow rate of O 2 increases.

(iii)Clガスの流量(図5)
図5(a)に示すように、Clの流量が大きいほど、タングステン膜のエッチング速度は単調に小さくなる傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング速度はあまり変化しない。また、図5(b)に示すように、タングステン膜のエッチング均一性は、Clの流量に対してあまり変化しないのに対し、窒化タンタル膜のエッチング均一性は、縦軸に該エッチング均一性、横軸にClガスの流量をとったとき、上に凸の略放物線を描く傾向にある。更に、図5(c)に示すように、Clの流量が大きいほど、選択比(W/TaN)は単調に小さくなる傾向にある。
(Iii) Flow rate of Cl 2 gas (FIG. 5)
As shown in FIG. 5A, the etching rate of the tungsten film tends to monotonously decrease as the Cl 2 flow rate increases, whereas the etching rate of the tantalum nitride film does not change much. Further, as shown in FIG. 5B, the etching uniformity of the tungsten film does not change much with respect to the flow rate of Cl 2 , whereas the etching uniformity of the tantalum nitride film shows the etching uniformity on the vertical axis. When the flow rate of Cl 2 gas is taken on the horizontal axis, there is a tendency to draw an upwardly convex parabola. Furthermore, as shown in FIG. 5C, the selection ratio (W / TaN) tends to monotonously decrease as the flow rate of Cl 2 increases.

(iv)コイルパワー密度(図6)
図6(a)に示すように、コイルパワー密度が大きいほど、タングステン膜及び窒化タンタル膜のエッチング速度は単調に大きくなる傾向にある。また、図6(b)に示すように、タングステン膜のエッチング均一性は、コイルパワー密度が大きいほど、単調に小さくなる傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング均一性は、単調に大きくなる傾向にある。更に、図6(c)に示すように、選択比(W/TaN)は、縦軸に該エッチング均一性、横軸にコイルパワー密度をとったとき、上に凸の略放物線を描く傾向にある。
(Iv) Coil power density (FIG. 6)
As shown in FIG. 6A, the etching rate of the tungsten film and the tantalum nitride film tends to increase monotonically as the coil power density increases. Further, as shown in FIG. 6B, the etching uniformity of the tungsten film tends to decrease monotonically as the coil power density increases, whereas the etching uniformity of the tantalum nitride film increases monotonously. Tend to be. Further, as shown in FIG. 6 (c), the selectivity (W / TaN) tends to draw a substantially parabola that is convex upward when the vertical axis represents the etching uniformity and the horizontal axis represents the coil power density. is there.

(v)バイアスパワー密度(図7)
図7(a)に示すように、バイアスパワー密度が大きいほど、タングステン膜及び窒化タンタル膜のエッチング速度は単調に大きくなる傾向にある。また、図7(b)に示すように、タングステンのエッチング均一性は、バイアスパワー密度に対しあまり変化しないのに対し、窒化タンタル膜のエッチング均一性は、縦軸に該エッチング均一性、横軸にバイアスパワー密度をとったとき、下に凸の略放物線を描く傾向にある。更に、図7(c)に示すように、選択比(W/TaN)は、バイアスパワー密度が大きいほど、単調に小さくなる傾向にある。
(V) Bias power density (FIG. 7)
As shown in FIG. 7A, the etching rate of the tungsten film and the tantalum nitride film tends to increase monotonically as the bias power density increases. Further, as shown in FIG. 7B, the etching uniformity of tungsten does not change much with respect to the bias power density, whereas the etching uniformity of the tantalum nitride film shows the etching uniformity on the vertical axis and the horizontal axis. When the bias power density is taken, there is a tendency to draw a substantially parabola convex downward. Furthermore, as shown in FIG. 7C, the selection ratio (W / TaN) tends to monotonously decrease as the bias power density increases.

(vi)チャンバ内の気圧(図8)
図8(a)に示すように、チャンバ内の気圧が大きいほど、タングステン膜のエッチング速度は単調に小さくなる傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング速度は単調に大きくなる傾向にある。また、図8(b)に示すように、タングステン膜のエッチング均一性は、縦軸に該エッチング均一性、横軸にチャンバ内の気圧をとったとき、上に凸の略放物線を描く傾向にあるのに対し、窒化タンタル膜のエッチング均一性は、下に凸の略放物線を描く傾向にある。更に、図8(c)に示すように、チャンバ内の気圧が大きいほど、選択比(W/TaN)は単調に小さくなる傾向にある。
(Vi) Pressure inside the chamber (FIG. 8)
As shown in FIG. 8A, the etching rate of the tungsten film tends to decrease monotonically as the atmospheric pressure in the chamber increases, whereas the etching rate of the tantalum nitride film tends to increase monotonously. Further, as shown in FIG. 8B, the etching uniformity of the tungsten film tends to draw a substantially parabola convex upward when the vertical axis represents the etching uniformity and the horizontal axis represents the pressure in the chamber. On the other hand, the etching uniformity of the tantalum nitride film tends to draw a downwardly convex substantially parabola. Furthermore, as shown in FIG. 8 (c), the selectivity (W / TaN) tends to monotonously decrease as the atmospheric pressure in the chamber increases.

(a)〜(e)は、本発明の実施例1に係る正スタガ型p−SiTFT(半導体素子)の製造工程フローを示す断面模式図である。(A)-(e) is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing-process flow of the positive stagger type p-SiTFT (semiconductor element) which concerns on Example 1 of this invention. 上層ゲート電極形成工程後の様子を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である(実施例1)。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph which shows the mode after an upper layer gate electrode formation process (Example 1). (a)は、六フッ化硫黄(SF)ガスの流量とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、SFガスの流量とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、SFガスの流量と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) is a diagram showing the relationship between the sulfur hexafluoride (SF 6) gas flow rate and the etching rate, (b) is an diagram showing the relationship between the flow rate and etching uniformity of SF 6 gas , (c) is a diagram showing the relationship between the flow rate and selectivity of the SF 6 gas (W / TaN) (experiment example 1). (a)は、酸素(O)ガスの流量とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、Oガスの流量とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、Oガスの流量と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) oxygen (O 2) is a diagram showing the relationship between gas flow rate and the etching rate, (b) is a diagram showing the relationship between flow rate and etching uniformity of the O 2 gas, (c ) Is a diagram showing the relationship between the flow rate of O 2 gas and the selection ratio (W / TaN) (Experimental Example 1). (a)は、塩素(Cl)ガスの流量とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、Clガスの流量とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、Clガスの流量と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) is a diagram showing the relationship between the chlorine (Cl 2) gas flow rate and the etching rate, (b) is a diagram showing the relationship between flow rate and etching uniformity of the Cl 2 gas, (c ) Is a diagram showing the relationship between the flow rate of Cl 2 gas and the selection ratio (W / TaN) (Experimental Example 1). (a)は、コイルパワー密度とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、コイルパワー密度とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、コイルパワー密度と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) is a figure which shows the relationship between coil power density and an etching rate, (b) is a figure which shows the relationship between coil power density and etching uniformity, (c) is a figure showing coil power density and It is a figure which shows the relationship with a selection ratio (W / TaN) (Experimental example 1). (a)は、バイアスパワー密度とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、バイアスパワー密度とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、バイアスパワー密度と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) is a figure which shows the relationship between bias power density and an etching rate, (b) is a figure which shows the relationship between bias power density and etching uniformity, (c) is a figure showing bias power density and It is a figure which shows the relationship with a selection ratio (W / TaN) (Experimental example 1). (a)は、チャンバ内の気圧とエッチング速度との関係を示す図であり、(b)は、チャンバ内の気圧とエッチング均一性との関係を示す図であり、(c)は、チャンバ内の気圧と選択比(W/TaN)との関係を示す図である(実験例1)。(A) is a figure which shows the relationship between the atmospheric pressure in a chamber, and an etching rate, (b) is a figure which shows the relationship between the atmospheric pressure in a chamber, and etching uniformity, (c) is a figure in a chamber. It is a figure which shows the relationship between the atmospheric pressure and selection ratio (W / TaN) (Experimental example 1). (a)〜(e)は、特許文献2に係る正スタガ型p−SiTFTの製造方法の製造工程フローを示す断面模式図である。(A)-(e) is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing process flow of the manufacturing method of the positive stagger type p-SiTFT based on patent document 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:フォトレジスト層
2:タングステン膜(上層金属膜)
3:窒化タンタル膜(下層金属膜)
4:酸化シリコン膜(ゲート絶縁膜)
5:ポリシリコン層(半導体層)
5a:n型ポリシリコン領域(不純物含有領域)
5b:チャネル領域
6:ベースコート膜
7:ガラス基板
8a:ソース電極
8b:ドレイン電極
9:層間絶縁膜
10:ゲート電極
11:リン(不純物)
12:タングステン層(上層ゲート電極)
13:窒化タンタル層(下層ゲート電極)
1: Photoresist layer 2: Tungsten film (upper metal film)
3: Tantalum nitride film (lower metal film)
4: Silicon oxide film (gate insulating film)
5: Polysilicon layer (semiconductor layer)
5a: n-type polysilicon region (impurity-containing region)
5b: channel region 6: base coat film 7: glass substrate 8a: source electrode 8b: drain electrode 9: interlayer insulating film 10: gate electrode 11: phosphorus (impurities)
12: Tungsten layer (upper gate electrode)
13: Tantalum nitride layer (lower gate electrode)

Claims (20)

不純物含有領域が形成された半導体層、ゲート絶縁膜及びゲート電極が積層された構造を有する半導体素子の製造方法であって、
該製造方法は、半導体層、ゲート絶縁膜、下層金属膜及び上層金属膜を形成する工程と、
上層金属膜をエッチングして上層ゲート電極を形成する工程と、
下層金属膜及びゲート絶縁膜を介して半導体層に不純物を注入して不純物含有領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a structure in which a semiconductor layer in which an impurity-containing region is formed, a gate insulating film, and a gate electrode are stacked,
The manufacturing method includes a step of forming a semiconductor layer, a gate insulating film, a lower metal film, and an upper metal film;
Etching the upper metal film to form an upper gate electrode;
And a step of injecting impurities into the semiconductor layer through the lower metal film and the gate insulating film to form an impurity-containing region.
前記上層ゲート電極形成工程は、下層金属膜に対する上層金属膜の選択比が4以上の条件で上層金属膜をエッチングすることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper gate electrode forming step etches the upper metal film under a condition that the selection ratio of the upper metal film to the lower metal film is 4 or more. 前記下層金属膜の膜厚は、10nm以上、40nm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体素子の製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein a film thickness of the lower metal film is 10 nm or more and 40 nm or less. 前記ゲート絶縁膜の膜厚は、30nm以上、100nm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein the gate insulating film has a thickness of 30 nm or more and 100 nm or less. 前記上層ゲート電極形成工程は、エッチングガスを用いて行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper gate electrode forming step is performed using an etching gas. 前記下層金属膜は、窒化タンタル又はタンタルを含み、
前記上層金属膜は、高融点金属を主成分とする金属化合物を含み、
前記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガス又は四フッ化炭素ガス、酸素ガス、及び、塩素ガスを含むことを特徴とする請求項5記載の半導体素子の製造方法。
The lower metal film includes tantalum nitride or tantalum,
The upper metal film includes a metal compound mainly composed of a refractory metal,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the etching gas contains sulfur hexafluoride gas or carbon tetrafluoride gas, oxygen gas, and chlorine gas.
前記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガスの流量が10sccm以上、500sccm以下であることを特徴とする請求項6記載の半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the etching gas has a flow rate of sulfur hexafluoride gas of 10 sccm or more and 500 sccm or less. 前記エッチングガスは、酸素ガスの流量が5sccm以上、200sccm以下であることを特徴とする請求項6又は7記載の半導体素子の製造方法。 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the etching gas has an oxygen gas flow rate of 5 sccm or more and 200 sccm or less. 前記エッチングガスは、酸素ガスに対する六フッ化硫黄ガスの流量比が1.0以上、3.0以下であることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the etching gas has a flow ratio of sulfur hexafluoride gas to oxygen gas of 1.0 or more and 3.0 or less. 前記エッチングガスは、塩素ガスの流量が5sccm以上、200sccm以下であることを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the etching gas has a chlorine gas flow rate of 5 sccm or more and 200 sccm or less. 前記上層ゲート電極形成工程は、誘導結合プラズマエッチング装置を用いて行うことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper gate electrode forming step is performed using an inductively coupled plasma etching apparatus. 前記誘導結合プラズマエッチング装置は、コイルパワー密度が0.50W/cm以上、2.00W/cm以下であることを特徴とする請求項11記載の半導体素子の製造方法。 The inductively coupled plasma etching apparatus, a coil power density 0.50 W / cm 2 or more, The method as claimed in claim 11, wherein the at 2.00W / cm 2 or less. 前記誘導結合プラズマエッチング装置は、バイアスパワー密度が0.05W/cm以上、0.20W/cm以下であることを特徴とする請求項11又は12記載の半導体素子の製造方法。 The inductively coupled plasma etching apparatus, a bias power density of 0.05 W / cm 2 or more, The method as claimed in claim 11 or 12, wherein the at 0.20 W / cm 2 or less. 前記誘導結合プラズマエッチング装置は、チャンバ内の気圧が0.65Pa以上、4.0Pa以下であることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the inductively coupled plasma etching apparatus has an atmospheric pressure of 0.65 Pa or more and 4.0 Pa or less in the chamber. 前記半導体素子の製造方法は、更に、下層金属膜をエッチングして下層ゲート電極を形成する工程を含み、
該下層ゲート電極形成工程は、上層ゲート電極をマスクとして行うことを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor element further includes a step of etching a lower metal film to form a lower gate electrode,
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the lower gate electrode forming step is performed using the upper gate electrode as a mask.
請求項1〜15のいずれかに記載の半導体素子の製造方法を用いて製造されることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記半導体素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項16記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 16, wherein the semiconductor device is a thin film transistor. 請求項16又は17記載の半導体素子を含んで構成されることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising the semiconductor element according to claim 16. 請求項16又は17記載の半導体素子を含んで構成されることを特徴とする表示装置。 A display device comprising the semiconductor element according to claim 16. 前記表示装置は、液晶表示装置であることを特徴とする請求項19記載の表示装置。 The display device according to claim 19, wherein the display device is a liquid crystal display device.
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