JP3524029B2 - トップゲート型tft構造を形成する方法 - Google Patents
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Description
ックス型液晶表示装置(LCD)に関し、特に、そのス
イッチング素子であるTFT(薄膜トランジスタ)構造
とその製造方法に関する。
の要求がある一方で、低価格化への要求が高まってい
る。そのため、少ないプロセス数で製造でき、高いスル
ープットが可能なLCDの構造及び製造方法が強く求め
られている。
つであるスイッチング素子として作用する。このTFT
アレイ構造を作成するのは、LCD製造工程のうちで
も、かなりの工程数を要し、従って、高い製造コストを
要する。また、工程数が多いことは、各工程の不良率が
掛け合わされるので、歩留まりの低下を招く。従って、
このTFTアレイ構造の製造工程を削減することは、T
FT−LCDの低価格化に大いに寄与するものであると
確信される。そこで、従来一般的に採用されてきた逆ス
タガー構造またはボトムゲートTFT構造(図1
(b))に代わり、より少ないフォトリソグラフィ工程
で製造できるスタガー構造、すなわちトップゲートTF
T構造(図1(a))が注目されつつある。
スクで製造できる。ところが、チャネル領域は光導電性
を有する半導体、通常は非晶質シリコン(アモルファス
・シリコン、a−Si)で構成されているので、ガラス
などの透明基板を介して、外光もしくはバックライトに
さらされると光リーク電流が発生し、表示品質の著しい
劣化、あるいは誤動作などの問題が生じる。そこで、ト
ップゲートTFT構造の下部に遮光層を設ける必要があ
る。遮光層は、通常金属で形成される。金属遮光層は、
画素部分では、光を透過するため、並びに、配線部分で
は、金属/誘電体/半導体構造による寄生容量の発生を
防ぐため、除去されなければならない。従って、遮光層
のパターニングのためのマスクがさらに必要になり、結
局トップゲートTFT構造を製造するために、最低3枚
のマスクが必要であった。
層をa−Si層と同一のパターンで形成することを開示
している。ここでは、ゲート電極およびゲート絶縁層を
形成するためのマスクと、a−Si層と遮光層をパター
ニングするためのマスクと、画素電極と信号線を形成す
るためのマスクとの3枚マスク・プロセスが示されてい
る。しかし、ここで製造された、a−Si層と遮光層と
が同一のパターンであるTFT構造では、遮光層側から
垂直に入射する光は、遮光層によって遮光されるが、垂
直方向以外の方向から入射する、たとえば散乱光のよう
な光は、遮光層では十分遮ることができずに、a−Si
層のエッジ部分に達し、そこで光リーク電流が発生して
しまうおそれがある。
少ないマスク数で、従って、より少ない製造工程で、T
FT構造を製造する方法を提供することである。
のない、信頼性の高いTFT構造、及びその製造方法を
提供することである。
スク・プロセスによるTFT構造の製造方法が提供され
る。その方法は、基板上に遮光層及び層間絶縁層を順に
付着し、その上にソース及びドレイン電極を形成し(1
回目のマスク工程)、次に層間絶縁層上に、前記ソース
及びドレイン電極を覆って、半導体層、ゲート絶縁層、
及びゲート金属層を順に付着し、ゲート電極用レジスト
パターンをマスクとして(2回目のマスク工程)、ゲー
ト金属層と、ゲート絶縁層と、半導体層とをエッチング
し、その後、ソース及びドレイン電極をマスクとして層
間絶縁層と遮光層とをエッチングすることを含む。
は、半導体層と遮光層とが、自己整合的に形成され、か
つ 半導体層の周囲は、遮光層の周囲の内側にあって決
して遮光層の周囲を横切らない構造を有する。従って、
散乱光の存在によっても、半導体層エッジ領域での光リ
ーク電流は生じない。
する絶縁物質の組み合わせを適当に選ぶことによって、
それら絶縁物質のエッチング選択性を利用して、追加の
工程を要することなく、上述の半導体層の周囲が、遮光
層の周囲の内側にある構造を得ることができる。具体的
には、層間絶縁層をSiOx又はSiOxNyを主成分と
する絶縁物質で形成し、ゲート絶縁層をSiNxを主成
分とする絶縁物質で形成する。CF4と水素の混合ガス
を用いてプラズマエッチングすると、層間絶縁層に対し
て、ゲート絶縁層及び半導体層が自然にオーバーエッチ
される。
スによるTFT構造の製造方法を提供する。本願発明の
方法は、ソース・ドレイン電極用のマスク、及びゲート
電極用のマスクのみを使用し、それ以外のマスクを必要
としない。以下、本願発明の方法に従ってトップゲート
型TFT構造を製造する、好ましい実施態様について説
明する。
ート型TFT構造を製造する際の、各ステップにおける
断面図を示す。図2(a)に示すように、まず、アレイ
基板10、典型的にはガラス基板などの透明基板の上
に、遮光層12が全面付着される。遮光層12は、非金
属遮光層であることが望ましい。非金属遮光層に適した
物質には、GeSi:H、酸化ゲルマニウムGeOx、
窒化ゲルマニウムGeNxなどのゲルマニウム化合物、
並び、酸化ニオブNbOxなどのニオブ化合物がある。
最も好ましい遮光層はGeSi:H層である。これは、
例えばGeSi(Ge:Si=1:1)のターゲットを
用い、Arと水素の混合ガスでスパッタ付着(1kW)
することができる。遮光層12の厚みは、少なくとも2
000Å以上、好ましくは、約3000Å〜約4000
Åの範囲とする。例示したような非金属遮光層を用いた
場合、層中の欠陥準位によってリーク電流が流れるおそ
れがある。従って、遮光層の直上にソース・ドレイン電
極16を設けると、TFT−LCDで用いられるパルス
電圧によって、1×10-10A程度のリーク電流が流
れ、LCDの表示品位に問題を生じるおそれがある。か
かる問題を回避するため、遮光層12の上に層間絶縁層
14を全面付着する。層間絶縁層14は、SiOx又は
SiOxNyを主成分とする絶縁物質で形成することが好
ましい。
層14上にソース及びドレイン電極16,並びにデータ
線あるいはIPS−TFT−LCDにおけるコモン電極
16’を形成する。ソース及びドレイン電極16等は、
例えばMoWなどの導電層で形成され、通常のフォトリ
ソグラフィ手法を用いてパターニングする。従って、第
1のマスクは、ソース及びドレイン電極のパターンを含
むものである。ここでパターニングされるのは、ソース
及びドレイン電極16等を形成するための導電層だけで
あり、その下の層間絶縁層14及び遮光層12は全面付
着されたまま残される。
レイン電極16を覆って半導体層18を全面付着する。
半導体層は、通常、非晶質シリコンで形成されるが、多
結晶CdSやCdSeなどの化合物半導体、多結晶シリ
コン、非晶質シリコン(a−Si)などの半導体材料で
形成することもできる。続いて、ゲート絶縁層20を全
面付着する。後のエッチング工程を考慮して、このゲー
ト絶縁層20は、層間絶縁層14を形成する材料とは異
なる絶縁材料で形成することが望ましい。後のエッチン
グ工程におけるエッチング条件によるが、ゲート絶縁層
20は、層間絶縁層14よりもエッチングされやすい材
料で形成することが望ましい。例えば、層間絶縁層14
をシリコン酸化物を含む材料で形成した場合、ゲート絶
縁層20を窒化シリコン(SiNx)を主成分とする材
料で形成する。
23、並びにゲート線またはIPS−TFT−LCDに
おける画素電極23’を形成する。ゲート電極23等
は、例えば、Moなどの導電層22から形成され、ある
いはMo及びAlなどの複数の導電層を有していてもよ
い。ゲート電極23は、通常のフォトリソグラフィの手
法に従って形成される。すなわち、導電層22を全面付
着した上にレジスト組成物24を塗布し、必要ならば塗
布したレジスト組成物24をプリベークした後、ゲート
電極23のパターンを含む第2のマスクを介して放射線
に露光される。露光後、必要ならばポストベークを施
し、適当な現像液を用いてレジスト組成物24を現像す
る。得られた構造は、図2(c)に示すように、ゲート
電極23となる領域の上にのみレジスト組成物24が存
在する、基板10/遮光層12/層間絶縁層14/ソー
ス・ドレイン電極16/半導体層18/ゲート絶縁層2
0/ゲート電極用導電層22の積層構造である。
マスクとして、ゲート電極用導電層22をパターニング
して、ゲート電極23を形成する。続いて、その下層の
ゲート絶縁層20、及び半導体層18を同時にパターニ
ングする。それによって、図2(d)に示すような構造
が得られ、レジスト組成物に覆われていない領域では、
ソース及びドレイン電極16、または層間絶縁層14が
露出する。
ーンまたはゲート電極23、並びにソース及びドレイン
電極16をマスクとして、層間絶縁層14及び遮光層1
2をパターニングする。レジスト組成物24を除去する
と、図2(e)に示すような、トップゲートTFT構造
が得られる。本願発明の方法に従って得られたこのトッ
プゲートTFT構造は、半導体層18と遮光層12と
が、自己整合的に形成され、かつ 半導体層18の周囲
は、遮光層12の周囲の内側にあって決して遮光層12
の周囲を横切らない構造を有するので、従って、散乱光
の存在によっても、半導体層18エッジ領域での光リー
ク電流は生じない。
上述の方法に従って、図2(c)に示される構造(図3
(a))を得た後、得られたレジスト組成物24のパタ
ーンをマスクとして、ゲート電極用導電層22を等方性
エッチングでパターニングして、ゲート電極23を形成
する。適用可能な等方性エッチングには、例えば、H 3
PO4、HNO3、及びCH3COOHから選択された酸
の水溶液またはその混合物など適当なエッチャントを用
いた湿式エッチング、あるいは、HCl、BCl 3を用
いた化学ドライエッチングがある。そして、望ましく
は、図3(b)に示すように、ゲート電極用導電層22
を、マスクとしてのレジスト組成物24パターンよりも
いくらかオーバーエッチする。このように、ゲート電極
23をオーバーエッチすることで、ゲート電極23周囲
にオフセット長が得られ、後述するように、ゲート電極
23とソース・ドレイン電極16との間の電流のリーク
やショートを防ぐことができる。
マスクとして、ゲート絶縁層20及び半導体層18を異
方性エッチングによりパターニングする。例えば、CF
4及び酸素の混合ガスを用いて反応性イオンエッチング
(RIE)を行うことで、ゲート絶縁層20及び半導体
層18は、連続してエッチングされる。得られた構造を
図3(c)に示す。この図からわかるように、同じレジ
スト組成物24のパターンをマスクとして、しかし、ゲ
ート電極用導電層22は等方性エッチングにより、一
方、ゲート絶縁層20及び半導体層18は異方性エッチ
ングによりエッチングすることで、ゲート電極23の周
囲にオフセット長を有する構造とすることができる。こ
こにオフセット長がない場合、ゲート電極23端とソー
ス・ドレイン電極16端またはデータ線16’端との間
隔はゲート絶縁層20及び半導体層18の層厚分(数1
000Å)しかなく、パーティクルや水分によってリー
クやショートなどの故障を生じる可能性が高い。しか
し、ゲート電極23の周囲にオフセット長を有する構造
とすることで、リークやショートの可能性をかなり低く
することができる。リークやショートの問題を回避する
ためには、パーティクルよりも大きいオフセット長を形
成する。例えば、約0.5μmより大きい、好ましく
は、約1〜約2μmのオフセット長を有する構造とす
る。
たはゲート電極23、並びにソース及びドレイン電極1
6をマスクとして、層間絶縁層14及び遮光層12をエ
ッチングする。これらの層はプラズマエッチングなどの
等方性エッチングにより、エッチングすることが望まし
い。例えば、CF4及び水素の混合ガスを用いてプラズ
マエッチングを行うことで、層間絶縁層及14び遮光層
12は、連続してエッチングされる。またさらに、等方
性エッチングは、すでにエッチングされて得られたゲー
ト絶縁層20及び半導体層18の側壁をも攻撃する。ゲ
ート絶縁層20が、層間絶縁層14よりも、ここでエッ
チングされやすい材料で形成されていると、ゲート絶縁
層20及び半導体層18のオーバーエッチが生じる。ゲ
ート線23’領域におけるこのオーバーエッチは、遮光
層12端と半導体層18端との間にオフセット長をもた
らし、半導体層18での光リークを防ぐことができる。
一方、このオフセット長がなく、遮光12層と半導体層
18が同一のパターンで形成されていると、遮光層12
端からの光の回折で、半導体層18で光リークが生じて
しまう。このため、電荷が保持できず、LCDの表示品
位を劣化するおそれがある。オフセット長は、約0.5
μm以上であることが好ましく、約1〜2μmであるこ
とがより好ましい。
成物24を除去すると、図3(d)に示すような、トッ
プゲートTFT構造が得られる。レジスト組成物24
は、半導体層18のエッチング後、層間絶縁層14のエ
ッチング前に除去してもよいが、層間絶縁層14及び遮
光層12をエッチングした後に除去することが望まし
い。本願発明に従って得られたこのTFT構造は、半導
体層18の周囲が遮光層12の周囲の内側にあって決し
て遮光層12の周囲を横切らない構造を有し、光リーク
電流発生の問題を生じない効果に加え、ゲート電極23
の周囲にオフセット長を有することで、ゲート電極23
とソース・ドレイン電極16間のリークまたはショート
の問題を回避できる効果も奏する。さらに、ゲート線2
3’においても、その半導体層18の周囲が遮光層12
の周囲の内側にあって遮光層12の周囲を横切らない構
造となっているため、光リーク電流発生の問題を生じな
い。しかし、その一方で、遮光層12とデータ線16’
は自己整合的に形成されるので、遮光層12が必要以上
の領域を有することはなく、従って開口率の向上がはか
れる。
造方法は、ソース・ドレイン電極用パターン及びゲート
電極用パターンの2枚のマスクのみを必要とし、従来必
要とされていた遮光層用パターンのマスクを必要としな
い。このような簡素化された工程によって、歩留まりの
向上及び製造コストの削減をもたらすものと期待され
る。しかも、半導体層18の周囲が必ず遮光層12の周
囲の内側にあって、光リーク電流が発生しない構造が得
られる。従って、本願発明の方法に従って製造されるT
FT−LCDは、優れた表示品位を有するものとするこ
とができる。
LCDの場合は、この得られたTFTアレイ構造上に、
配向膜を形成し、液晶層を介して、カラーフィルター基
板と対向して配置される。TN(Twisted Nematic)−T
FT−LCDの場合は、上述のTFTアレイ構造に、さ
らに画素電極を設け、その上に配向膜を形成する。得ら
れたアレイ側基板は、液晶層を介して、カラーフィルタ
ー側基板と対向して配置され、液晶セルを形成する。そ
の際、アレイ側基板とカラーフィルター側基板とを適当
な間隔を有するように対向させて配置した後、液晶を挿
入してもよく、あるいは、一方の基板上に液晶を塗布し
た後、もう一方の基板と組み合わせてもよい。液晶セル
をLCD装置にアセンブリする工程は周知である。
FT構造を示す概略図である。
の、各工程における断面図である。
T構造の、各工程における断面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】トップゲート型TFT構造を形成する方法
において、 基板上に非金属の遮光層を付着するステップと、 前記遮光層上に下記の半導体層及びゲート絶縁層よりエ
ッチングされ難い無機材料の層間絶縁層を付着するステ
ップと、 前記層間絶縁層上にソース及びドレイン電極を形成する
ステップと、 前記層間絶縁層上に、前記ソース及びドレイン電極を覆
って、半導体層を付着するステップと、 前記半導体層上にゲート絶縁層を付着するステップと、 前記ゲート絶縁層上にゲート金属層を付着するステップ
と、 前記ゲート金属層上にゲート電極用レジストパターンを
形成するステップとを経た後、 前記レジストパターンをマスクとして、前記ゲート金属
層と、ゲート絶縁層と、半導体層とをパターニングする
ステップと、及び、 前記ソース及びドレイン電極をマスクとして前記層間絶
縁層と前記遮光層とをパターニングするステップとを含
み、 前記層間絶縁層と前記遮光層とをパターニングするステ
ップは、等方性エッチングにより、層間絶縁層と前記遮
光層より前記ゲート絶縁層及び半導体層がオーバーエッ
チされることを特徴とする方法。 - 【請求項2】前記層間絶縁層と前記遮光層とをパターニ
ングした後、前記レジストパターンを除去するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記半導体層は、非晶質シリコンを含む、
請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】前記非導電性無機化合物は、SiGe、G
eOx、GeNx、及び、NbOxからなる群から選択さ
れる、請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】前記ゲート絶縁層、前記半導体層、層間絶
縁層、及び遮光層は、すべてドライエッチングによりパ
ターニングされる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】前記層間絶縁層は、SiOx及びSiOxN
yからなる群から選択される絶縁材料を主成分とし、前
記ゲート絶縁層は、SiNxを主成分とする、請求項1
に記載の方法。 - 【請求項7】前記ゲート絶縁層及び前記半導体層は、異
方性エッチングによりパターニングされる、請求項5ま
たは6に記載の方法。 - 【請求項8】前記ゲート絶縁層及び前記半導体層は、反
応性イオンエッチングによりパターニングされる、請求
項7に記載の方法。 - 【請求項9】前記ゲート絶縁層及び前記半導体層は、フ
ッ化物を含むガスで、反応性イオンエッチングによりパ
ターニングされる、請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】前記ゲート金属層は湿式エッチングによ
りパターニングされる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項11】前記ゲート金属層は、前記レジストパタ
ーンよりもオーバーエッチされる、請求項10に記載の
方法。
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