JP2847374B2 - 薄膜トランジスタ - Google Patents

薄膜トランジスタ

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【発明の詳細な説明】 『産業上の利用分野』 本発明は、非単結晶半導体薄膜を用いたトランジスタ
(以下にTFTともいう)に関するものであり、特に液晶
ディスプレー,イメージセンサー等に適用可能な高速応
答性を持つ逆スタガード型の薄膜トランジスタに関す
る。
『従来の技術』 最近、化学的気相法等によって、作製された非単結晶
半導体薄膜を利用した薄膜トランジスタが注目されてい
る。
この薄膜トランジスタは、絶縁性基板上に前述の如く
化学的気相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲
気温度が最高で450℃程度と低温で形成でき、安価なソ
ーダガラス,ホウケイ酸ガラス等を基板として用いるこ
とができる。
この薄膜トランジスタは電界効果型であり、いわゆる
MOSFETと同様の機能を有しているが、前述の如く安価な
絶縁性基板上に低温で形成でき、さらにその作製する最
大面積は薄膜半導体を形成する装置の寸法にのみ限定さ
れるもので、容易に大面積基板上にトランジスタを作製
できるという利点を持っていた。このため多量の画素を
持つマトリクス構造の液晶ディスプレーのスイッチング
素子や一次元又は二次元のイメージセンサ等のスイッチ
ング素子として極めて有望である。
また、この薄膜トランジスタを作製するにはすでに確
立された技術であるフォトリソグラフィーが応用可能
で、いわゆる微細加工が可能であり、IC等と同様に集積
化を図ることも可能であった。
この従来より知られたTFTの代表的な構造を第2図に
概略的に示す。
(20)はガラスよりなる絶縁性基板であり、(21)は
非単結晶半導体よりなる薄膜半導体、(22),(23)は
ソースドレイン領域で、(24),(25)はソースドレイ
ン電極、(26)はゲート絶縁膜で(27)はゲート電極で
あります。
このように構成された薄膜トランジスタはゲート電極
(27)に電圧を加えることににより、ソースドレイン
(22),(23)間に流れる電流を調整するものでありま
す。
この時、この薄膜トランジスタの応答速度は次式で与
えられる。
S=μ・V/L2 ここでLはチャネル長,μはキャリアの移動度,Vはゲ
ート電圧。
この薄膜トランジスタに用いられる非単結晶半導体層
は半導体層中に多量の結晶粒界等を含んでおり、これら
が原因で単結晶の半導体に比べてキャリアの移動度が非
常に小さく、上式より判るようにトランジスタの応答速
度が非常に遅いという問題が発生していた。特にアモル
ファスシリコン半導体を用いた時その移動度はだいたい
0.1〜1(cm2/V・Sec)程度で、ほとんどTFTとして動作
しない程度のものであった。
このような問題を解決するには上式より明らかなよう
にチャネル長を短くすることと、キャリア移動度を大き
くすることが知られ、種々の改良が行われている。
特にチャネル長Lを短くすると、その2乗で応答速度
に影響するので非常に有効な手段である。
しかしながらTFTの特徴である大面積基板上に素子を
形成する場合、フォトリソグラフィー技術を用いて、ソ
ースドレイン間の間隔(だいたいのチャネル長に対応す
る)を10μm以下にすることは、その加工精度,歩留ま
り,生産コスト等の面から明らかに困難であり、TFTの
チャネル長を短くする手段として、フォトリソグラフィ
ー技術を使用しない手段が求められている。
その一つの答えとして、第3図に示すように縦チャネ
ル構造のTFTが提案されている。これは基板上にソース
(30)活性領域(31)ドレイン(32)よりなる非単結晶
半導体層を積層したのち、ゲート絶縁膜(33)を形成し
その上にゲート電極(34)を有するものである。
この構造の場合、そのチャネル長はほぼ活性領域(3
1)の厚みに対応し、活性領域の厚みを調節することに
より容易にチャネル長を可変できるものであった。
しかしながら、この構造のTFTは非単結晶半導体層を
複数層積層するので、ソースドレイン間の電流が流れる
方向に多数の界面を有していることになり、良好なTFT
特性が得られない。また、電流の流れる方向の断面積が
大きいのでオフ電流が増大するという問題発生し、縦型
TFTは本質的な問題解決とはなっていない。
『発明の目的』 本発明は、前述の如き問題解決するものであり、従来
より知られた薄膜トランジスタに比べて、高速で動作す
るチャネル長の短い逆スタガード型の薄膜トランジスタ
を提供することを目的とする。
『発明の構成』 本発明は、逆スタガード型の薄膜トランジスタの構造
に関し、低抵抗の非単結晶半導体又は低抵抗の非単結晶
半導体と金属よりなるソース領域およびドレイン領域を
構成する部分に対し、集光されたレーザ光を照射して、
前記非単結晶半導体又は前記非単結晶半導体と金属とが
幅10μm以下の間隔をもって分割されていることを特徴
とするものである。すなわち、この分割された部分に対
応する幅がほぼこの薄膜トランジスタのチャネル長に対
応し、レーザ光の加工幅とほぼ同じ短チャネルの逆スタ
ガード型薄膜トランジスタの構造にかかるものである。
以下に実施例により本発明を詳しく説明する。
『実施例1』 この実施例1に対応する薄膜トランジスタの概略的な
作製工程を第1図に示す。
まず、ガラス基板(1)としてソーダガラスを用い、
このソーダガラス(1)上に公知のスパッタリング法に
より全面にモリブデン膜を約3000Å形成した後、所定の
パターンにエッチング加工し、ゲート電極(2)を形成
した。
この後このゲート電極(2)上にゲート絶縁膜(3)
として、窒化珪素膜をCVD法にて、300Åの厚さに形成し
同様に所定のパターンにエッチング加工した。第1図
(a)の状態を得た。
この上に、I型の非単結晶珪素半導体膜(4)を公知
のプラズマCVD法で約5000Åの厚さに形成した。その作
製したその作製条件を以下に示す。
基板温度 250℃ 反応圧力 0.05Torr Rfパワー(13.56MHz) 100W 使用ガス SiH4 次に同様にI型の半導体膜(4)上に低抵抗非単結晶
半導体としてN型の導電型を有する非単結晶珪素膜
(5)を形成する。この時の作製条件は以下のとおりで
あった。
基板温度 230℃ 反応圧力 0.05Torr Rfパワー(13.56MHz) 150W 使用ガス SiH4+PH3 膜厚 2000Å このN型の非単結晶珪素膜(5)は、その形成時にH2
ガスを多量に導入しRfパワーを高くして、微結晶化させ
て電気抵抗を下げたものを使用してもよい。
次に公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、この
非単結晶珪素膜(5)をソースドレイン領域及びその取
り出し電極の所定の外形パターンにマスキングを行いCF
4ガスを用いてドライエッチングを行い、第1図(b)
の状態を得た。
次にこの非単結晶珪素膜(5)に対し、被照射面上で
巾2μm長さ10mmの長方形の照射断面となるように光学
系によって集光された波長248.7nmのエキシマレーザ光
(11)をゲート電極及びゲート絶縁膜に対する位置に照
射し、非単結晶珪素膜(5)をソース領域(6)とドレ
イン領域(7)に分割し、第1図(c)の状態を得た。
この時のレーザ光の照射条件はパワー密度1J/cm2,パ
ルス巾15μSecである。このレーザ光を本実施例の場
合、4パルス照射して非単結晶珪素膜(5)を分割し
た。この照射回数及びレーザの条件は被加工物によって
異なり、本実施例の場合は予備実験を行って前述の条件
を出してその条件を用いた。
また本発明は逆スタガード型の薄膜トランジスタであ
り、非単結晶珪素膜(5)の下は高抵抗の非単結晶半導
体膜(4)であるので、下地の半導体膜にまでレーザ加
工がなされないように選択的なレーザ加工を行なう必要
がある。
この選択加工の方法としては、使用するレーザ光の波
長を変えレーザ光の吸収係数の違いを利用することも可
能であるが、本実施例の場合、上,下のとも非単結晶半
導体であるので、吸収係数の違いはあまりなく、レーザ
光の照射回数を変えることで選択加工を行なった。
すなわち、1回のレーザ光照射で加工される深さがほ
ぼ一定しているので、加工する低抵抗非単結晶半導体層
の厚さに合わせて、その照射回数を設定した。
このように、ソースドレイン間を従来の如くエッチン
グして加工しないので10μm以下、本実施例の場合、約
2.6μmのソースドレインの分割部(12)の間隔を容易
に形成することができ、短いチャネル長のTFTを再現性
よく作製することができた。
また、このTFTの応答速度は従来のTFTに比較して10倍
以上の値が得られており短チャネルの効果が十分に得ら
れ多数のTFT素子を同時に駆動するには十分な応答特性
を持っていた。
『実施例2』 第4図に本実施例の作製方法の概略図を示す。
まず、ソーダガラス基板(1)上に公知のスパッタリ
ング法により全面にモリブデン膜を約3000Å形成した
後、所定のパターンにエッチング加工し、ゲート電極
(2)を形成した。
この後このゲート電極(2)上にゲート絶縁膜(3)
として、窒化珪素膜をCVD法にて、250Åの厚さに形成し
同様に所定のパターンにエッチング加工した。第4図
(a)の状態を得た。
この上に、I型の非単結晶珪素半導体膜(4)を公知
のプラズマCVD法で約5000Åの厚さに形成した。その作
製したその作製条件を以下に示す。
基板温度 250℃ 反応圧力 0.05Torr Rfパワー(13.56MHz) 100W 使用ガス SiH4 次に同様にI型の半導体膜(4)上に低抵抗非単結晶
半導体としてP型の導電型を有する非単結晶珪素膜
(5)を形成する。この時の作製条件は以下のとおりで
あった。
基板温度 230℃ 反応圧力 0.05Torr Rfパワー(13.56MHz) 150W 使用ガス SiH4+B2H6 膜厚 200Å この場合実施例1と異なり膜厚は200Åとし前工程で
作製したI型半導体とのオーミックコンタクトをとる目
的だけとした。
次にこの上にモリブデン金属(10)を2000Åの厚さで
形成して、第4図(b)の状態を得た。
次にこのモリブデン膜(10)と低抵抗の非単結晶珪素
膜(5)に対し、被照射面上で直径3μmの円の照射断
面となるように光学系によって集光された波長1.06nmの
YAGレーザ光(13)を照射し、これら被膜をソース領域
(6)(8)とドレイン領域(7)(9)に分割し、第
4図(c)の状態を得た。
この時本実施例においてYAGレーザ光は、ソースドレ
インの巾の分だけレーザ光を走査して、ソースドレイン
間を分割した。
レーザ光の条件は50mW/mm2でQスイッチによる繰返し
周波数5KHz、走査スピードは50mm/Secで1度走査するこ
とでソースドレイン間の分割を行うことができた。この
ソースドレイン間の分割部(12)の巾は約4.2μmであ
った。
このようにして、ソースドレイン間を従来の如くエッ
チングして加工しないので10μm以下、本実施例の場
合、約4.2μmのソースドレイン間隔を容易に形成する
ことができ、短いチャネル長のTFTを再現性よく作製す
ることができた。
本実施例の場合、低抵抗半導体層上に金属電極を有し
ているので、その配線抵抗が非常に小さい特徴を有す
る。特にその大面積の液晶装置のスイッチング素子とし
てTFTを用いる際、この配線抵抗が小さい為に、駆動信
号波形がなまることがなく、多量のTFTを高速で応答さ
せることができ、本発明の提供する高速応答性を有する
短チャネルTFTの特徴をさらに有効に利用できるもので
ある。
上記の実施例においてレーザ光としてはエキシマレー
ザとYAGレーザを示したが特にこれらレーザに限定され
ることはない。然し集光したレーザ光が半導体層又は金
属層を分割し得る程度にエネルギーを有することが重要
である。
また、エキシマレーザ光は単位面積当たりのエネルギ
ー量が高いので巾がせまく、かつ長さの長い長方形照射
断面に光学系を用いて、集光することができる。この場
合、液晶ディスプレー,イメージセンサー等、大面積の
基板上に規則正しくTFTが配列された装置の作製に応用
する場合、短時間でこの大面積の基板上に形成される多
数のTFTを加工できるという特徴を有し、これら装置の
低コスト化に果たす役割は大きい。
前述の実施例においてはいずれも珪素半導体を用い
た。しかしながら本発明において、使用可能な半導体
は、珪素のみに限定されることはなく、チャネル長の短
いTFTが必要なもので、レーザによって加工可能なもの
であれば他の材料でも適用可能である。
『発明の効果』 本発明の構成によれば、ソース領域およびドレイン領
域の間隔を従来技術に比較してチャネル長の短い逆スタ
ガード型の薄膜トランジスタを得ることが可能となっ
た。これによって従来では、キャリアの移動度が小さい
ために、ディスプレー装置、イメージセンサー等のスイ
ッチング素子として使用できなかったが、本発明の構成
からなる逆スタガード型の薄膜トランジスタを使用する
ことで可能となった。
本発明によれば、チャネル長を短くするために、レー
ザ加工技術を用いたので、絶縁性表面を有する基板上に
形成されても電気抵抗が低く、良好な特性を有する逆ス
タガード型の薄膜トランジスタを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(c)及び第4図(a)〜(c)は本発
明の一実施例のTFTの製造工程を示す概略図である。 第2図及び第3図は従来のTFTの断面構造を示す。 1……基板 2……ゲート電極 3……ゲート絶縁膜 4……高抵抗非単結晶半導体層 5……低抵抗非単結晶半導体層 6……ソース領域 7……ドレイン領域 8……ソース電極 9……ドレイン電極 12……ソース・ドレイン間分割部 11,13……レーザ光
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

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁性表面を有する基板上に多数形成され
    る逆スタガード型の薄膜トランジスタにおいて、 上記絶縁性表面を有する基板上に形成されたゲート電極
    と、 上記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に形成された高抵抗の非単結晶半導
    体層と、 上記高抵抗の非単結晶半導体層上に形成されたN型また
    はP型の導電型を有する低抵抗の非単結晶半導体層と、 から構成され、 上記低抵抗の非単結晶半導体層には、レーザ加工を施し
    て幅10μm以下の間隔をもって分割してソース領域およ
    びドレイン領域が形成されていることを特徴とする逆ス
    タガード型の薄膜トランジスタ。
  2. 【請求項2】請求項1記載の逆スタガード型の薄膜トラ
    ンジスタにおいて、 上記低抵抗の非単結晶半導体層上には、金属電極が形成
    されており、当該金属電極も上記低抵抗の非単結晶半導
    体層と同様にレーザ加工を施して幅10μm以下の間隔を
    もって分割されていることを特徴とした逆スタガード型
    の薄膜トランジスタ。
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