JP2953201B2 - 薄膜トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はボトムゲート型の薄膜ト
ランジスタおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】多結晶シリコン薄膜トランジスタは、絶
縁体上に形成可能であることから、高速スタティック・
メモリー集積回路の負荷素子として用いられたり、液晶
表示素子において画素と呼ばれる表示単位毎に配置した
液晶駆動トランジスタなどに用いられている。
【0003】図4にボトムゲート型と呼ばれる一般的な
薄膜トランジスタの素子構造の断面図を示す。下地絶縁
体201の上に多結晶シリコンのゲート電極202が配
置される。ゲート酸化膜204を介して上部に多結晶シ
リコン層205を堆積した後、高濃度にキャリア不純物
をドーピングしたソース領域207,ドレイン領域20
8が形成され、同時にチャネル領域205aが形成され
る。さらに、カバー膜209として、シリコン酸化膜を
上部に堆積し、ソース領域207,ドレイン領域208
の部分に対して開口加工して、アルミ電極210が形成
される。この様にして形成された構造において、ゲート
電極202からの電界によって、ソース領域207とド
レイン領域208との間のキャリアの移動が制御され、
MOS型トランジスタとして動作するものである。
【0004】ところが、シリコン基板結晶を用いて作ら
れたMOS型トランジスタに比べると、多結晶シリコン
を用いた薄膜トランジスタでは、リーク電流が多く、特
徴的な構造上の工夫がされている。それは、図4に示す
ように、ソース領域207,およびドレイン領域208
をそれぞれゲート電極202の端部から離してオフセッ
ト領域220を設ける。薄膜トランジスタでは、多結晶
シリコンを用いているために結晶粒界などの結晶欠陥が
多く含まれており、リーク電流の発生機構には電界の効
果が影響していることが多結晶シリコン抵抗体の電気伝
導挙動などから類推される。実際、このようなオフセッ
ト構造をとるとリーク電流の低減に効果があることが、
経験上知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】さて、上記のオフセッ
ト領域を形成する製造技術上の問題点としては、下地の
ゲート電極パターンに目合わせしてソース・ドレイン領
域を形成するものの、位置的な誤差が避けられないこと
がある。
【0006】シリコン基板結晶を用いて作られる一般の
MOS型トランジスタでは、基板に対して上部に配置さ
れるゲート電極をマスクにして、イオン注入法によりキ
ャリア不純物をドーピングすることができる。このため
に、ゲート電極のパターンに対して、自己整合的にソー
ス・ドレイン領域が形成可能なわけである。このこと
が、特性上のばらつきの少ないトランジスタ素子を極め
て高い密度で集積化できる要因の一つであり、薄膜トラ
ンジスタにおいても自己整合的なソース・ドレイン領域
の形成が求められていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜トランジス
タは、上記課題点を解決するために、下地構造の最上層
である第1の絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記
第1の絶縁膜および上記ゲート電極を覆う第2の絶縁膜
に設けられたゲート電極の上面の一部に達する溝と、上
記溝の側面並びに底面および上記第2の絶縁膜の上面を
覆うゲート酸化膜とゲート酸化膜の表面に設けられた多
結晶シリコン層とを介して、溝を選択的に充填する姿態
を有して設けられた第3の絶縁膜と、上記溝の底面から
離間して,上記第3の絶縁膜に自己整合的に,少なくと
も上記第2の絶縁膜の上面を覆う部分の上記多結晶シリ
コン層に設けられたソース・ドレイン領域とを有するこ
とを特徴としている。また、本発明の薄膜トランジスタ
の製造方法は、上記課題点を解決するために、下地構造
の最上層である第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する
工程と、全面に第2の絶縁膜を形成し、上記ゲート電極
の上面の一部に達する溝を上記第2の絶縁膜に形成する
工程と、全面にゲート酸化膜を形成し、多結晶シリコン
層を形成し、第3の絶縁膜を形成し、上記第2の絶縁膜
の上面を覆う部分の多結晶シリコン層の上面が露出する
まで第3の絶縁膜をエッチバックする工程と、上記第3
の絶縁膜をマスクにして上記多結晶シリコン層に所要導
電型の不純物を導入する工程と、前記多結晶シリコン層
をパターニングしてソース・ドレイン領域を形成する工
程とを有することを特徴としている。
【0008】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0009】薄膜トランジスタの製造方法を説明するた
めの工程順の断面図である図1を参照すると、本発明の
第1の実施例は、まず、下地絶縁体101上に膜厚0.
2μmの多結晶シリコン層からなるゲート電極102a
を形成する。次に、全面にCVDシリコン酸化膜103
を厚さ0.5μm堆積する。ゲート電極102aに目合
わせして、リソグラィー技術,ドライエッチング技術を
用いて開口加工を行って溝を形成し、底部にゲート電極
102aの表面を露出させる。このときの要求される目
合わせ精度は、ゲート電極102aの上面に溝形状の底
部を含ませれば良く、また直接デバイス特性に影響する
ものではない。〔図1(a)〕。
【0010】次に全面にゲート酸化膜としての減圧CV
Dシリコン酸化膜104aを膜厚0.1μm成膜し、多
結晶シリコン層105を0.2μmの厚さで堆積する。
この多結晶シリコン層105の製法としては535℃で
のジシランの熱分解による非晶質シリコンを堆積した後
に、窒素雰囲気中で620℃で15時間アニール処理し
て、結晶化させる。多結晶シリコン層105の形成後に
全面にCVDシリコン酸化膜106を堆積して、溝を埋
めこむ。このときの堆積膜厚は、溝形状の開口寸法など
の要素を考慮して決める必要がある。通常は開口寸法の
2から3倍程度に設定する〔図1(b)〕。
【0011】次に、エッチバッグ手法によりCVDシリ
コン酸化膜106を上方より平坦化させながら除去して
いくと、多結晶シリコン層105が露出し、溝はCVD
シリコン酸化膜106aで埋め込むことができる。続い
て、多結晶シリコン層105をドライエッチングにより
パターニングして、トランジスタ形成領域を形成する。
この表面にボロンのイオン注入を行って、溝の開口部周
辺の多結晶シリコン層105を、5x1020/cm3
度のボロンを含むイオン注入領域107,108に変換
する〔図1(c)〕。
【0012】次に、920℃40分のアニール処理によ
り、注入されたイオンの活性化と下方への拡散とを行な
い、ソース領域107a,ドレイン領域108aを形成
する。これと同時に、チャネル領域105aが形成され
る。この後に、カバー膜として膜厚0.4μmのCVD
シリコン酸化膜109aを堆積し、ソース領域107
a,ドレイン領域108aに対してアルミ電極110を
配置する〔図1(d)〕。
【0013】上記第1の実施例によれば、溝を形成する
シリコン酸化膜の厚さと、開口部周囲のイオン注入領域
からの拡散長さにより、ソース・ドレイン領域のゲート
端からの距離が設定されるので、従来構造のような目合
わせずれなどが発生せずに、オフセット領域をソース・
ドレイン両側で等しく設定することができる。また、下
地のゲート電極上に積層して形成できるために、必要な
素子領域面積も少なくて済むという利点もある。
【0014】薄膜トランジスタの断面図である図2を参
照すると、本発明の第2の実施例は、溝の形状が非対称
となっている。本実施例による薄膜トランジスタは、上
記第1の実施例と同様に、ゲート電極102b,CVD
シリコン酸化膜103までを形成する。
【0015】その後、全面に膜厚の薄いシリコン窒化膜
(図示せず)を堆積し、所定膜厚の多結晶シリコン膜の
堆積,加工によりドレイン領域を形成する側に多結晶シ
リコン配線112を形成し、全面にCVDシリコン酸化
膜113を堆積する。次に、上記多結晶シリコン配線1
12の上面が露出するまでこのCVDシリコン酸化膜1
13のエッチバックを行なう。続いて、フォトレジスト
(図示せず)をマスクにして、溝並びにソース領域を形
成する側の領域のCVDシリコン酸化膜113,および
上記シリコン窒化膜をエッチング除去する。
【0016】以降の工程は、概略上記第1の実施例と同
じである。CVDシリコン酸化膜103に溝を加工形成
し、ゲート酸化膜となる膜厚0.1μmのCVDシリコ
ン酸化膜104bを全面に堆積し、このCVDシリコン
酸化膜104bに上記多結晶シリコン配線112に達す
る開口部を設けた後、全面に膜厚0.2μmの多結晶シ
リコン層を形成する。溝を埋め込まれた姿態のCVDシ
リコン酸化膜106bを形成し、この多結晶シリコン層
にパターニング,イオン注入,活性化処理を施してP型
のソース領域107b,P型のドレイン領域108b,
およびチャネル領域105bを形成し、CVDシリコン
酸化膜109b,アルミ電極110を形成する。
【0017】上記第2の実施例では、ソース領域側のオ
フセット領域の長さに較べて、ドレイン領域側のオフセ
ット領域の長さは、上記多結晶シリコン配線の膜厚分だ
け長くなる。このため、例えば、薄膜トランジスタで動
作バイアスをソース・ドレインに対して固定的な値で用
いるときには、リーク電流に影響するのは逆バイアス状
態のPN接合であるドレイン領域であり、ドレイン側に
より大きな距離を設定するのが、リーク電流を抑えつつ
不要な寄生抵抗を低減するために有効である。
【0018】本発明の第3の実施例について、その断面
図を図3に示す。本実施例は小さい面積で、より長いゲ
ート長を達成するための新規構造である。ここでは、溝
形状の底部に配置したゲート電極102cの形状を、さ
らに溝形状に加工して、薄膜トランジスタとゲート酸化
膜104cを介した接触面積を増大させようとするもの
である。CVDシリコン酸化膜106c,P型のソース
領域107c,P型のドレイン領域108c,チャネル
領域105c,CVDシリコン酸化膜109c等は、本
質的には上記第1の実施例と同様に、形成される。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明の薄膜トラン
ジスタは、ソース,ドレイン領域のそれぞれのオフセッ
ト領域の長さが溝を形成するシリコン酸化膜の厚さと溝
の開口部上端からの拡散長との差により一義的に決定す
る。このため、従来のような目合わせに依存したリーク
電流の発生は、制御性よく抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程順
の断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための断面図
である。
【図3】本発明の第3の実施例を説明するための断面図
である。
【図4】従来の薄膜トランジスタを説明するための断面
図である。
【符号の説明】
101,201 下地絶縁体 102a,102b,102c,202 ゲート電極 103,104a,104b,104c,106,10
6a,106b,106c,109a,109b,10
9c,113 CVDシリコン酸化膜 105,205 多結晶シリコン層 105a,105b,105c,205a チャネル
領域 107,108 イオン注入領域 107a,107b,107c,207 ソース領域 108a,108b,108c,208 ドレイン領
域 110,210 アルミ配線 112 多結晶シリコン配線 204 ゲート酸化膜 209 カバー膜 220 オフセット領域

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下地構造の最上層である第1の絶縁膜上
    に設けられたゲート電極と、前記第1の絶縁膜および前
    記ゲート電極を覆う第2の絶縁膜に設けられた該ゲート
    電極の上面の一部に達する溝と、前記溝の側面並びに底
    面および前記第2の絶縁膜の上面を覆うゲート酸化膜と
    該ゲート酸化膜の表面に設けられた多結晶シリコン層と
    を介して、該溝を選択的に充填する姿態を有して設けら
    れた第3の絶縁膜と、前記溝の底面から離間して,前記
    第3の絶縁膜に自己整合的に,前記第2の絶縁膜の上面
    を覆う部分の前記多結晶シリコン層に設けられたソース
    ・ドレイン領域とを有することを特徴とする薄膜トラン
    ジスタ。
  2. 【請求項2】 前記ドレイン領域直下の前記ゲート酸化
    膜と前記第2の絶縁膜の上面との間には側面がシリコン
    酸化膜により覆われた姿態を有して多結晶シリコン配線
    が設けられており、前記溝の底面と前記ソース領域との
    間隔より該溝の底面と該ドレイン領域との間隔が該シリ
    コン酸化膜の膜厚分だけ大きい請求項1記載の薄膜トラ
    ンジスタ。
  3. 【請求項3】 前記ゲート電極が、ゲートに凹部を設け
    て表面積が増大するように形状加工された上面を有する
    請求項1記載の薄膜トランジスタ。
  4. 【請求項4】 下地構造の最上層である第1の絶縁膜上
    にゲート電極を形成する工程と、全面に第2の絶縁膜を
    形成し、前記ゲート電極の上面の一部に達する溝を前記
    第2の絶縁膜に形成する工程と、全面にゲート酸化膜を
    形成し、多結晶シリコン層を形成し、第3の絶縁膜を形
    成し、前記第2の絶縁膜の上面を覆う部分の該多結晶シ
    リコン層の上面が露出するまで該第3の絶縁膜をエッチ
    バックする工程と、前記第3の絶縁膜をマスクにして前
    記多結晶シリコン層に所要導電型の不純物を導入する工
    程と、前記多結晶シリコン層をパターニングしてソース
    ・ドレイン領域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。
  5. 【請求項5】 前記第2の絶縁膜の形成の前に、ゲート
    に凹部を設けて前記ゲート電極の表面積を増大加工する
    工程を有する請求項4記載の薄膜トランジスタの製造方
    法。
  6. 【請求項6】 下地構造の最上層である第1の絶縁膜上
    にゲート電極を形成する工程と、シリコン酸化膜からな
    る第2の絶縁膜,シリコン窒化膜からなる第3の絶縁膜
    および第1の多結晶シリコン層を全面に形成する工程
    と、前記第1の多結晶シリコン層を加工して、ドレイン
    領域の形成予定領域側の前記第3の絶縁膜上に多結晶シ
    リコン配線を形成し、全面にシリコン酸化膜からなる第
    4の絶縁膜を形成し、該多結晶シリコン膜配線の上面が
    露出して,該上面と該第4の絶縁膜の上面とが一致する
    ように加工する工程と、前記ドレイン領域の形成予定領
    域側の前記多結晶シリコン膜配線,前記第4の絶縁膜お
    よび前記第3の絶縁膜を残置して、ソース領域の形成予
    定領域側の該第4および第3の絶縁膜を除去する工程
    と、前記第2の絶縁膜に、前記ゲート電極の上面の一部
    に達する溝を形成する工程と、全面にゲート酸化膜を形
    成し、該ゲート酸化膜に前記多結晶シリコン膜配線に達
    する開口部を形成する工程と、全面に第2の多結晶シリ
    コン層を形成し、第5の絶縁膜を形成し、前記第2の絶
    縁膜の上面を覆う部分の該第2の多結晶シリコン層の上
    面が露出するまで該第5の絶縁膜をエッチバックする工
    程と、前記第5の絶縁膜をマスクにして前記第2の多結
    晶シリコン層に所要導電型の不純物を導入する工程と、
    前記多結晶シリコン層をパターニングしてソース・ドレ
    イン領域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。
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