JP2770324B2 - Method for manufacturing thin film transistor - Google Patents

Method for manufacturing thin film transistor

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関す
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film transistor and a method for manufacturing the same.

[従来の技術] 薄膜トランジスタ(以下、TFT)は近年、密着型イメ
ージセンサや、液晶TV等に用いられるようになり、その
開発が活発化している。なかでも、非晶質シリコン(以
下、a−Si)を用いたMOS型のa−Si TFTや多結晶シリ
コン(以下、poly−Si)を用いたMOS型のpoly−Si TFT
は、例えばテレビジョン学会誌Vol.41(1987)991など
にみられるように、すでに実用化のレベルに達している
ものもある。
[Prior Art] In recent years, thin film transistors (hereinafter, referred to as TFTs) have been used for contact-type image sensors, liquid crystal TVs, and the like, and their development has been active. Above all, MOS type a-Si TFTs using amorphous silicon (hereinafter a-Si) and MOS type poly-Si TFTs using polycrystalline silicon (hereinafter poly-Si)
Some have already reached the level of practical use as seen in, for example, the Journal of the Institute of Television Engineers of Japan Vol.41 (1987) 991.

[発明が解決しようとする課題] しかし、a−Siやpoly−Siを用いたTFTでは、電子の
チャネル移動度が小さいため、例えばイメージセンサや
液晶TVの画素アドレシングなどのような、スイッチング
スピードを必要としないごく限られた用途しかなく、増
幅素子等には使えなかった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the TFT using a-Si or poly-Si, since the channel mobility of electrons is small, switching speed such as pixel addressing of an image sensor or a liquid crystal TV is reduced. It has only very limited uses that it does not need, and could not be used for amplification devices.

一方、高速化や大電力化を目的として単結晶Siや単結
晶GaAsを用いた静電誘導型トランジスタ(以下、SIT)
の開発が盛んである。前述のTFTの欠点を改良するた
め、薄膜トランジスタをSIT化して素子を高速化する試
みもある。たとえば、Journal of Non−Crystalline So
lids Vol.77&78(1985)1389に示すように、a−Siを
用いてSIT型のTFTを作製する試み等である。しかしa−
Siを用いた場合は、a−Si中の電子移動度が小さいの
で、たとえSIT構造にしても単結晶シリコンに比肩し得
るような性能は期待できない。また、ゲート電極に金属
を用いて埋め込みゲート型の構造にした場合は、a−Si
の成膜等にゲート電極表面がダメージを受け、リーク電
流が大きくなるという問題点もある。
On the other hand, an electrostatic induction transistor (hereinafter, SIT) using single crystal Si or single crystal GaAs for the purpose of high speed and high power
Has been actively developed. In order to improve the above-mentioned drawbacks of the TFT, there is an attempt to increase the speed of the element by using a thin film transistor as a SIT. For example, Journal of Non-Crystalline So
As shown in lids Vol. 77 & 78 (1985) 1389, there is an attempt to fabricate a SIT type TFT using a-Si. But a-
When Si is used, the electron mobility in a-Si is small, so that even if the SIT structure is used, performance comparable to that of single crystal silicon cannot be expected. When a buried gate type structure is formed by using a metal for the gate electrode, a-Si
There is also a problem that the surface of the gate electrode is damaged by film formation and the like, and the leak current increases.

本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的は
高速動作が可能で、増幅用素子としても使えるTFTを提
供することにある。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a TFT which can operate at high speed and can be used as an amplifying element.

[課題を解決するための手段] 本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上に半
導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜をパターニ
ングして島状領域を形成する工程と、前記島状領域を結
晶化する工程と、前記島状領域の上に絶縁膜を介してゲ
ート電極を形成する工程と、前記ゲート電極及び島状領
域の上にチャネル領域となる非単結晶半導体層を形成す
る工程と、前記非単結晶半導体層を前記島状領域を種結
晶として固層成長させる工程と、前記非単結晶半導体層
の上に電極を形成する工程とを有することを特徴とす
る。
[Means for Solving the Problems] A method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention includes a step of forming a semiconductor thin film on a substrate, a step of patterning the semiconductor thin film to form an island region, Crystallizing, forming a gate electrode on the island-shaped region via an insulating film, and forming a non-single-crystal semiconductor layer serving as a channel region on the gate electrode and the island-shaped region; A step of solid-growing the non-single-crystal semiconductor layer using the island region as a seed crystal; and a step of forming an electrode on the non-single-crystal semiconductor layer.

[実施例1] 第1図に本発明の薄膜トランジスタの製造工程図を示
す。以下に工程を追いながら説明する。本実施例ではn
チャネルTFTの製造工程を例にとりのべる。
Example 1 FIG. 1 shows a manufacturing process diagram of a thin film transistor of the present invention. The process will be described below following the steps. In this embodiment, n
The manufacturing process of a channel TFT is taken as an example.

まず絶縁基板100上にSi薄膜101を1000Å〜1μm成膜
する。絶縁基板は1200℃以上の耐熱性があるものならな
んでも良いが、ここでは石英基板を用いた。Si薄膜はa
−Siでもpoly−Siでも良いがここではLPCVD法によるpol
y−Siを用いた。このpoly−Si薄膜をフォトリソグラフ
ィによりパタニングし島状領域を形成する。この島状領
域を、レーザービームアニール、電子ビームアニール、
線状熱源アニールなどの方法により単結晶化する。島状
領域の大きさは、一辺が50μmよりも大きいと、内部に
結晶粒界ができ易いので、50μmよりも小さいことが望
ましい(第1図(a))。
First, a Si thin film 101 is formed on an insulating substrate 100 at a thickness of 1000 to 1 μm. The insulating substrate may be anything as long as it has heat resistance of 1200 ° C. or higher, but a quartz substrate is used here. Si thin film is a
-Si or poly-Si may be used.
y-Si was used. The poly-Si thin film is patterned by photolithography to form an island region. Laser island annealing, electron beam annealing,
Single crystallization is performed by a method such as linear heat source annealing. If the size of the island region is larger than 50 μm on one side, a crystal grain boundary is likely to be formed inside the island region. Therefore, the size of the island region is preferably smaller than 50 μm (FIG. 1A).

こうして作製した島状単結晶領域の表面を熱酸化して
SiO2膜102を約300〜1000Å成膜する。SiO2は減圧化学気
相成長法(LPCVD)や、プラズマ化学気相成長法(PCV
D)で作製しても良いが、良好な半導体界面を形成する
ためには熱酸化法が望ましい(第1図(b))。次に全
面にP+イオンを打ち込み、n型のソース領域103(斜線
部)を形成する。この後、700〜1100℃でアニールし、
不純物イオンを活性化させる。((第1図(c))。こ
の上にPt、Cr、Mo、Ti、Ni、Au、Ta、W、Co等の元素ま
たは前記元素同士の合金または前記元素とSiとの合金等
を成膜し、ゲート電極104のパタンにパタニングする。
(第1図(d))。本実施例ではPtを電子ビーム蒸着法
により成膜し、フォトエッチングでパタニングした。こ
の後、ゲート電極のパタンでソース領域上の酸化膜を除
去し、開口部を形成する(第1図(e))。ここまでの
工程でTFTのソース領域とゲート電極が完成する。
By thermally oxidizing the surface of the island-shaped single crystal region thus produced
An SiO 2 film 102 is formed to a thickness of about 300 to 1000 °. SiO 2 is prepared by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or plasma chemical vapor deposition (PCV).
Although it may be manufactured in D), a thermal oxidation method is desirable to form a good semiconductor interface (FIG. 1B). Next, P + ions are implanted into the entire surface to form an n-type source region 103 (shaded portion). After this, it is annealed at 700-1100 ° C,
Activate impurity ions. ((Fig. 1 (c)). An element such as Pt, Cr, Mo, Ti, Ni, Au, Ta, W, Co, or an alloy of the above elements, or an alloy of the above element and Si is formed thereon. The film is formed, and the pattern of the gate electrode 104 is patterned.
(FIG. 1 (d)). In this example, Pt was formed by an electron beam evaporation method and patterned by photoetching. Thereafter, the oxide film on the source region is removed by the pattern of the gate electrode to form an opening (FIG. 1E). The source region and the gate electrode of the TFT are completed by the steps so far.

ここからはチャネル領域106の形成工程に移る。ま
ず、第1図(e)の上にSi薄膜を形成する。LPCVD法に
より、5000Å〜5μmの膜厚にpoly−Siを成膜する。Si
薄膜は、PCVD法による微結晶Siでも良いし、超高真空電
子ビーム蒸着法によるa−Siでも良い。また、気相成長
法の場合は、Si薄膜成膜時に例えばPH3ガスを導入し、
ガス流量、ガス濃度を調整すれば、n-型にドープするこ
ともできる。あるいは全面にP+イオンをイオン注入する
ことによっても同様の目的を達成できる。こうして形成
したSi薄膜を450〜800℃で1時間〜700日間電気炉アニ
ール、またはレーザアニールして、Siの固層成長を行
う。Si薄膜は、単結晶Siであるソース領域103に接して
いるので、ソース領域103を種結晶として単結晶化して
いく(第1図(f))。固層成長過程において種結晶に
接していない部分、例えばゲント電極104、の上にあるS
i薄膜は単結晶化が進みにくいので、この部分に結晶粒
界301が第3図に示すように基板に対して垂直方向にで
き易い。しかしSITではドレイン電流の流れる方向は基
板に対して垂直方向なので、結晶粒界301はドレイン電
流に対してなんら障害とはならない。また、固層成長の
温度は450〜800℃と比較的低いので、ソース領域103中
のP+イオンがチャネル領域中に拡散してしまうことはな
い。このようにして作ったチャネル領域106の上部にド
レイン電極となるn型poly−Siを3000Å〜1μm成膜す
る。成膜にはLPCVD法を用い、成膜時のドーピングガス
にPH3を導入することにより作製した。P+イオンのドー
ピングにはもちろんイオン注入法を用いてもよい。この
poly−Siをドレイン電極107のパタンにパタニングす
る。場合によってはこのドレイン電極も固層成長により
単結晶化することも可能である。この後、配線用の電極
を形成してTFTの完成となる(第1図(g))。必要に
よってはSiの固層成長後、あるいはTFT完成後にPCVD等
によるH2プラズマ処理、窒化シリコン膜パッシベーショ
ン処理等を行って結晶粒界中の界面準位を低下させ、TF
Tのチャネル移動度を上げることもできる。
From here, the process proceeds to the step of forming the channel region 106. First, a Si thin film is formed on FIG. 1 (e). Poly-Si is formed to a thickness of 5000 to 5 μm by LPCVD. Si
The thin film may be microcrystalline Si by PCVD or a-Si by ultrahigh vacuum electron beam evaporation. In the case of the vapor phase growth method, for example, PH 3 gas is introduced at the time of forming a Si thin film,
By adjusting the gas flow rate and gas concentration, n - type doping can be performed. Alternatively, the same object can be achieved by implanting P + ions into the entire surface. The Si thin film thus formed is subjected to electric furnace annealing or laser annealing at 450 to 800 ° C. for 1 hour to 700 days to perform solid layer growth of Si. Since the Si thin film is in contact with the source region 103 made of single-crystal Si, it is monocrystallized using the source region 103 as a seed crystal (FIG. 1 (f)). In the solid layer growth process, S on the portion not in contact with the seed crystal, for example, Ghent electrode 104
Since the i-thin film does not easily undergo single crystallization, a crystal grain boundary 301 is easily formed in this portion in a direction perpendicular to the substrate as shown in FIG. However, in the SIT, since the direction in which the drain current flows is perpendicular to the substrate, the crystal grain boundary 301 does not hinder the drain current. Further, since the temperature of the solid layer growth is relatively low at 450 to 800 ° C., the P + ions in the source region 103 do not diffuse into the channel region. An n-type poly-Si film serving as a drain electrode is formed on the channel region 106 thus formed in a thickness of 3000-1 μm. The film was formed by using LPCVD method and introducing PH 3 as a doping gas at the time of film formation. Of course, ion implantation may be used for doping of P + ions. this
Poly-Si is patterned on the pattern of the drain electrode 107. In some cases, this drain electrode can also be single-crystallized by solid layer growth. Thereafter, electrodes for wiring are formed to complete the TFT (FIG. 1 (g)). After the solid layer growth of Si necessary, or H 2 plasma treatment with PCVD or the like after TFT completion, reduce the interface state in the grain boundary by performing a silicon nitride film passivation treatment or the like, TF
The channel mobility of T can also be increased.

本実施例ではnチャネルTFTの製造方法について述べ
たが、pチャネルについてもドーパントをp型にするだ
けで同様に製造することができる。また、Si以外の半導
体でも、固層成長が可能なもの(Ge,GaAsなど)ならば
同様にTFTを作製できる。
In this embodiment, the method of manufacturing the n-channel TFT has been described. However, the p-channel TFT can be manufactured in the same manner only by using a p-type dopant. In addition, a TFT other than Si can be similarly manufactured as long as it is capable of solid layer growth (Ge, GaAs, etc.).

[実施例2] 第2図に本発明の薄膜トランジスタの他の実施例を示
す。工程を以下に述べる。実施例1の第1図(a)〜
(c)の工程を経た後、第1図(d)の工程で、ゲート
電極パタニング後にLPCVD法、PCVD法などを用いてSiO2
の様な絶縁膜、またはSiCxの様な、チャネル領域よりも
バンドギャップの大きい膜を成膜する。本実施例ではSi
O2膜201をLPCVD法により約1000Å成膜した。このSiO
2膜、及びソース領域上のSiO2膜をフォトリソグラフィ
法によりエッチングしてソース領域上に開口部を設け
る。あるいはCrなどのように酸化膜が比較的良好な絶縁
膜となるような場合は、熱酸化やO2プラズマなどの手段
を用いて絶縁膜を形成することもできる。この後は第1
図(f)、(g)の工程を行ってTFTが完成する。本実
施例の場合、チャネル部のSi薄膜成膜時のゲート電極の
ダメージをなくすことができるので、ゲート電極からの
リーク電流を極めて小さくできる。
Embodiment 2 FIG. 2 shows another embodiment of the thin film transistor of the present invention. The steps are described below. FIG. 1A to FIG.
After the step (c), in the step of FIG. 1 (d), after the gate electrode patterning, the SiO 2 is formed by LPCVD, PCVD or the like.
Or a film such as SiCx having a larger band gap than the channel region. In this embodiment, Si
An O 2 film 201 was formed to a thickness of about 1000 ° by the LPCVD method. This SiO
The two films and the SiO 2 film on the source region are etched by a photolithography method to provide openings on the source region. Alternatively, when the oxide film is a relatively good insulating film such as Cr, the insulating film can be formed by using a means such as thermal oxidation or O 2 plasma. After this, the first
The TFTs are completed by performing the steps shown in FIGS. In the case of the present embodiment, the gate electrode can be prevented from being damaged when the Si thin film is formed in the channel portion, so that the leakage current from the gate electrode can be extremely reduced.

[発明の効果] 以上のようにして作製した本発明のTFTは、 a)ソース領域を種結晶としてSiの固層成長を縦方向に
行うので、ソース−ドレイン間に結晶粒界が来ることが
少なく、極めて単結晶Siに近い性質のチャネル領域が得
られる。
[Effects of the Invention] The TFT of the present invention manufactured as described above: a) Since a solid layer growth of Si is performed in the vertical direction using the source region as a seed crystal, a crystal grain boundary may be formed between the source and the drain. A small number of channel regions having properties very similar to single-crystal Si can be obtained.

b)SIT型のTFTなので、そのチャネル長は固層成長した
Siの膜厚できまり、本質的に短チャネルにできる。
b) Since it is a SIT type TFT, its channel length has grown in a solid layer.
The thickness of the Si film can be reduced to essentially short channels.

等の特徴を持つので高速化が可能となり、増幅用素子と
して使えるようになった。しかも石英、アルミナ、マグ
ネシアスピネルなどの絶縁基板上に形成できるので、絶
縁基板上に形成したイメージセンサの信号増幅用素子と
して同一基板上に形成できる。また絶縁基板上に形成可
能なので、3次元SOI素子への応用も可能になる。更に
製造方法に関しては、分子線気相成長法(MBE)や有機
金属化学気相成長法(MOCVD)で用いるような高価な装
置を使わなくても良いので低コストで製造できる。この
ように本発明には数々の利点があり、その効果は絶大な
ものがある。
These features make it possible to increase the speed and use it as an amplifying element. Moreover, since it can be formed on an insulating substrate made of quartz, alumina, magnesia spinel, or the like, it can be formed on the same substrate as a signal amplification element of an image sensor formed on the insulating substrate. Further, since it can be formed on an insulating substrate, it can be applied to a three-dimensional SOI element. Further, with respect to the manufacturing method, it is not necessary to use an expensive apparatus used in a molecular beam vapor deposition (MBE) or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), so that it can be manufactured at low cost. As described above, the present invention has a number of advantages, and its effects are remarkable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(a)〜(g)は本発明の薄膜トランジスタの製
造工程図。 第2図は本発明の薄膜トランジスタの他の実施例を示す
図。 第3図はチャネル領域中の結晶粒界を示す図。 101はSi薄膜 102はSiO2膜 103はソース領域 104はゲート電極 105は開口部 106はチャネル領域 107はドレイン電極 201はSiO2膜 301は結晶粒界
1 (a) to 1 (g) are manufacturing process diagrams of a thin film transistor of the present invention. FIG. 2 is a view showing another embodiment of the thin film transistor of the present invention. FIG. 3 is a view showing crystal grain boundaries in a channel region. 101 is a Si thin film 102 is a SiO 2 film 103 is a source region 104 is a gate electrode 105 is an opening 106 is a channel region 107 is a drain electrode 201 is an SiO 2 film 301 is a crystal grain boundary

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 29/786 H01L 21/336

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】薄膜トランジスタの製造方法において、 基板上に半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜
をパターニングして島状領域を形成する工程と、前記島
状領域を結晶化する工程と、前記島状領域の上に絶縁膜
を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極
及び島状領域の上にチャネル領域となる非単結晶半導体
層を形成する工程と、前記非単結晶半導体層を前記島状
領域を種結晶として固層成長させる工程と、前記非単結
晶半導体層の上に電極を形成する工程とを有することを
特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
A step of forming a semiconductor thin film on a substrate; a step of patterning the semiconductor thin film to form an island region; a step of crystallizing the island region; Forming a gate electrode on the island-shaped region via an insulating film; forming a non-single-crystal semiconductor layer serving as a channel region on the gate electrode and the island-shaped region; Forming a layer on the non-single-crystal semiconductor layer by forming an electrode on the non-single-crystal semiconductor layer.
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JPS6377161A (en) * 1986-09-20 1988-04-07 Fujitsu Ltd Thin film transistor

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