JP3613221B2 - Thin film transistor manufacturing method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に液晶ディスプレイ及び密着型イメージセンサ等の絶縁性基板上に形成されるトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置(LCD)においては、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ(TFT)−LCDが主流となっている。しかし、アモルファスシリコンTFTでは、LCDを大画面で高精細に実現することが困難であるため、より高移動度のポリシリコン薄膜を活性層とするTFTが注目されている。
【0003】
一方で、LCDにおける用途の多用化により、薄型化・小型化に対する要求も強く、その要求に答えるため、アクティブマトリクス基板上に駆動回路も同様にTFTで形成してしまおうとする試みがなされている。しかし、この駆動回路用のTFTをアモルファスシリコン薄膜を用いて形成することは、動作速度及び駆動能力の点で好ましくなく、ポリシリコン薄膜で形成することが求められる。ポリシリコン薄膜の作製方法としては、プロセス温度低温化、スループット向上及び低コスト化の観点から、安価な低温ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成可能なレーザアニール法が主流となりつつある。
【0004】
しかしながら、一般のポリシリコンTFTではゲート配線の信頼性が低く、かつ低抵抗化が困難で、LCDの高精細化が困難であるという問題点がある。この問題を回避するために、例えば特開平5−235353号公報に開示されているように、ゲート配線をポリシリコン薄膜と金属薄膜の2層化配線とすることが考えられる。
【0005】
図6はこのゲート配線を2層化したポリシリコンTFTの構造を示す断面図である。低温ガラス基板1上に下地酸化膜2が形成されており、この下地酸化膜2上にポリシリコン薄膜3が選択的に形成されており、その両側にソース・ドレイン領域7が形成されている。これらのポリシリコン薄膜3及びソース・ドレイン領域7を被覆するようにゲート絶縁膜4が形成されており、このゲート絶縁膜4及びその上層の層間絶縁膜9に形成されたコンタクト孔を介してソース・ドレイン領域7に接触するように金属配線10が形成されている。更に、ゲート絶縁膜4上には、ポリシリコン薄膜3に整合する位置に下層のポリシリコン薄膜11及び上層の金属薄膜6からなる2層ゲート電極が形成されている。そして、これらの層は層間絶縁膜9に被覆されている。
【0006】
しかしながら、このポリシリコン薄膜11を用いてゲート配線を2層化した従来の薄膜トランジスタでは、ゲート形成のプロセス温度は、成膜工程で600℃、リン拡散工程で850℃のように極めて高温に達するために、基板加熱及び冷却の時間が大きく、スループットが低下するという問題点がある。また、600℃以上の温度は、安価な低温ガラス基板の軟化点以上の温度である。このため、TFT基板には高価な石英基板を用いる必要があるために、製造コストが上昇する。
【0007】
更に、ポリシリコンTFTの重大な問題点の一つとして、リーク電流が大きいことが挙げられる。この問題を回避するため、例えば、特開昭58−204570号公報、特開平1−125866号公報、特開平5−152326号公報、特開平7−106582号公報等に開示されているように、TFTのドレイン端に低濃度不純物領域を有する所謂LDD(Lightly Doped Drain)構造、又は、例えば、特開平6−37314号公報、特開平7−202210号公報等に開示されているように、オーバーラップLDD構造を採用することが考えられる。
【0008】
図7はこれらのLDD−TFT構造を示す。ポリシリコン薄膜3とソース・ドレイン領域7との間に低濃度のLDD領域8が形成されており、LDD領域8及びポリシリコン薄膜3の上にゲート絶縁膜4が形成されていて、このゲート絶縁膜4上の選択領域に金属ゲート電極6が形成されている。
【0009】
図8は従来の他のLDD−TFT構造を示す。このLDD−TFTにおいては、ソース・ドレイン領域7,LDD領域8及びポリシリコン薄膜3を覆うようにゲート絶縁膜4が形成されており、ゲート絶縁膜4上のLDD領域8及びポリシリコン薄膜3の直上の領域に下層のポリシリコン薄膜11からなるゲート電極が形成されており、その上に、下層より幅が狭い上層のポリシリコン薄膜11からなるゲート電極が形成されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のオーバーラップLDD構造を含むLDD−TFTでは工程数が増加して、スループットが低下するという問題がある。例えば、特開昭58−204570号公報及び特開平7−106582号公報では、不純物導入工程が2回必要であり、例えば、特開平6−37314号公報では、成膜からフォトレジスト工程を経てエッチングまでのゲート電極形成工程が2回必要であり、例えば、特開平7−202219号公報では上部ゲート電極の陽極酸化工程及び陽極酸化部の除去工程が必要である。
【0011】
また、これらのLDD−TFTでは、前述したゲート配線の信頼性向上と低抵抗化が困難である。例えば、特開昭58−204570号公報、特開平1−125866号公報及び特開平6−37314号公報では、ゲート電極に、高抵抗であると共に高温プロセスで形成されるポリシリコン薄膜のみを用いており、例えば、特開平5−152326号公報及び特開平7−202210号公報では、ゲート電極に信頼性が低い金属薄膜のみを使用している(図7)。
【0012】
LDDを含めた不純物注入工程後に、活性化工程を行う必要があるが、この活性化工程のプロセス温度もまたポリシリコンTFTの問題点の一つである。例えば、特開平1−125866号公報及び特開平5−235353号公報では、活性化プロセス温度は1000℃であり、これでは安価な低温ガラス基板を使用することができない。低温活性化法として、例えば特開平5−152326号公報ではレーザアニール法を使用しているが、レーザアニール法は熱処理法と比較してコストが高い。また、レーザアニール法は過度の熱衝撃が発生するため、膜が剥がれたり、割れたりして、ゲート電極の信頼性が低下するという問題点がある。
【0013】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ゲート電極の信頼性を向上させることができると共に低抵抗化することができ、更にリーク電流を低減でき、薄膜トランジスタ製造工程の高スループット化及び低コスト化を、同時に満足することができるトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、このポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上に下層ゲート電極として下部から上部になるに従って膜中の結晶成分の成長が進むマイクロクリスタルシリコン薄膜をプラズマCVD法により350℃以下の温度で形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上に上層ゲート電極となる金属薄膜をスパッタ法により形成する工程と、前記金属薄膜上にフォトレジストを選択的に形成する工程と、ドライエッチングにより前記フォトレジストをマスクとして前記上層金属薄膜及び前記下層マイクロクリスタルシリコン薄膜を同一のマスクのもと連続的にエッチングして2層構造のゲート電極を形成する工程と、前記金属薄膜の側面のみをサイドエッチングする工程と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に不純物を導入する工程と、を有し、前記ゲート絶縁膜を介して不純物が導入された高濃度不純物導入領域と、前記ゲート絶縁膜及び前記下層ゲート電極を介して不純物が導入された低濃度不純物導入領域を同時に形成し、前記低濃度不純物導入領域及び前記高濃度不純物導入領域におけるポリシリコン薄膜の構造が、上方部がアモルファス化され、下方部でポリシリコン層が残存していることを特徴とする。
【0015】
この薄膜トランジスタの製造方法において、前記ポリシリコン薄膜の基板側の表面における前記不純物の濃度が、3×1019cm−3 未満となるように、不純物を導入する。
【0016】
また、前記ポリシリコン膜中の前記不純物の濃度が、膜上方が高く、膜下方が低くなるようにすることができる。そして、前記ポリシリコン薄膜の上方に絶縁膜を成膜後、前記不純物を導入することができる。更に、前記不純物の導入法が、例えば、イオンドーピング法である。
【0017】
本発明においては、マイクロクリスタルシリコン薄膜を2層化ゲート電極の下層に適用することにより、低コストで、高信頼性を有する低抵抗ゲート配線が形成される。マイクロクリスタルシリコン薄膜とは、ジャーナル・オブ・ノン−クリスタライン・ソリッズ、第59&60巻、第767頁(J. Non−Cryst. Solids, Vol. 59&60, p.767.)に開示されているように、プラズマCVD法によって形成されたシリコン薄膜であり、粒径が10nm以下の極めて微細な結晶粒とアモルファスとが混在したシリコン薄膜のことである。このマイクロクリスタルシリコン薄膜の成膜温度は300℃程度であるために、従来のポリシリコン薄膜の成膜に使用されている減圧CVD法及び常圧CVD法の成膜温度が600℃程度であることと比較して、成膜工程のスループット及び製造コストは極めて優れている。また、マイクロクリスタルシリコン薄膜には、微細な結晶粒が存在するために、ポリシリコン薄膜と同程度の低抵抗化が可能である。従って、TFTのゲート電極として、下層にマイクロクリスタルシリコン薄膜を、上層に金属薄膜を用いることにより、低コストで、高信頼性を有する低抵抗ゲート配線を形成することができる。
【0018】
また、本発明では、2層ゲート電極形成の際に上層金属ゲート電極のみをサイドエッチングすることにより、ゲート絶縁膜を介した1回の不純物導入工程で、低温活性化が可能なオーバーラップLDD構造が形成される。
【0019】
下層ゲート電極が露出した部位では、下層ゲート電極及びゲート絶縁膜を介してポリシリコン薄膜に不純物が導入される。一方、ゲート電極が存在しない部位では、ゲート絶縁膜のみを介してポリシリコン薄膜に不純物が導入される。従って、ポリシリコン薄膜の下層ゲート電極が露出した部位の直下にあたる領域は、ゲート電極が存在しない部位の直下にあたる領域よりも、不純物導入量が少ないLDD領域となる。なお、ポリシリコン薄膜の上層ゲート絶縁膜が存在する部位の直下に当たる領域では、上層ゲート電極の遮蔽効果のために、不純物は導入されない。
【0020】
不純物導入後の活性化温度は、不純物導入に伴うポリシリコン薄膜の組織変化に依存する。不純物が導入されるとポリシリコン薄膜は、原子構造に乱れが生じるために、アモルファス相へと変化する。不純物導入後の活性化とは、この不純物を含んだアモルファス相を再び結晶化させることである。ここで、ポリシリコン薄膜が絶縁膜界面から基板界面まで膜厚方向の全ての領域でアモルファス化した場合、結晶化に際しては、600℃以上の、望ましくは1000℃程度の熱処理温度が必要となる。アモルファス相が結晶化するには、核発生及び粒成長の両過程を経なければならないが、核発生には熱処理温度に依存した潜伏時間が必要である。シリコンの場合、製造プロセスに適した数時間程度の時間範囲に核発生を起こさせるためには、1000℃の温度が必要である。また、熱処理温度を600℃まで下げた場合、核発生に必要な時間は20時間まで増大し、スループットは著しく増大する。
【0021】
ところが、不純物導入後に、ポリシリコン膜の表面のみがアモルファス化し、基板界面近傍にポリシリコンが残存した場合では、500℃程度の低温で、数時間程度の熱処理により活性化が可能となる。これは既に結晶核が存在していることにより、粒成長過程のみで結晶化が進行するためである。本発明では、絶縁膜を介して不純物を導入することにより、ポリシリコン膜の膜厚方向における不純物濃度プロファイルを制御し、不純物導入後にポリシリコンが残存するように容易に制御することができる。従って、安価な低温ガラス基板を用いることができる程度の低温活性化が可能であり、スループットも高くなる。
【0022】
以上述べたように、本発明により2層ゲート電極形成の際に上層金属ゲート電極のみをサイドエッチすることにより、ゲート絶縁膜を介した1回の不純物導入工程で、低温活性化が可能な、低抵抗、高信頼性ゲート電極を有するオーバーラップLDD−TFTが形成される。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の第1実施例方法により製造されたトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。このトランジスタは以下のようにして製造することができる。先ず、絶縁基板1上に下地絶縁膜2を堆積する。次に、全面にシリコン薄膜を堆積し、CWレーザ光又はパルスレーザ光を使用したレーザアニール法によりポリシリコン薄膜3を形成し、アイランド状にパターンニングした後、その上にゲート絶縁膜4を堆積する。次に、下層ゲート電極としてプラズマCVD法により350℃以下の温度でマイクロクリスタルシリコン薄膜5を膜厚が70nm以上となるよう堆積した後、上層ゲート電極として金属薄膜6を続けて堆積し、これらをパターニングして2層ゲート電極を形成する。
【0024】
イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を介して、ポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入してソース・ドレイン領域7を形成し、例えば500℃で熱処理することにより、不純物を活性化させる。続いて、層間絶縁膜9を堆積し、ソース・ドレイン領域7上を露出させるコンタクトホールを開口する。最後に、アルミニウム等の金属薄膜を形成し、これをパターニングしてソース・ドレイン領域7と接触する金属配線10を形成し、薄膜トランジスタの形成工程を完了する。
【0025】
このようにして、ポリシリコン薄膜3からなるチャネル領域と、その両側のソース・ドレイン領域7と、これらの領域との間にゲート絶縁膜4を介して積層された2層構造のゲート電極とを有するトップゲート型薄膜トランジスタが得られる。この2層構造のゲート電極は、下層のマイクロクリスタルシリコン薄膜5と上層の金属薄膜6とからなるものである。マイクロクリスタルシリコン薄膜5は成膜温度が低いので、従来のポリシリコン薄膜と比較して成膜工程のスループットが良く、製造コストが低減される。また、マイクロクリスタルシリコン薄膜5は微細な結晶粒を有するため、ポリシリコン薄膜と同程度の低抵抗化が可能である。このため、低コストで、高信頼性の低抵抗ゲート配線を形成することができる。
【0026】
次に、図2を参照して、本発明の第2実施例方法について説明する。本実施例においては、その製造工程が、マイクロクリスタルシリコン薄膜5と、金属薄膜6の堆積工程までは第1実施例と同様である。本実施例においては、パターニングにより2層ゲート電極を形成する際、2層ともオーバーエッチングを行うことにより、ゲート電極をサイドエッチングする。そして、ゲート電極上にレジストを保持したまま、イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を通過させてポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入してソース・ドレイン領域7を形成する。
【0027】
次に、前記レジストを除去した後に、低濃度の不純物を導入し、LDD領域(低濃度領域)8を形成する。その後、不純物活性化以降の工程は、第1実施例と同様であり、これらの工程により、薄膜トランジスタが完成する。
【0028】
本実施例においては、第1実施例と同様の効果を奏するのに加え、ソース・ドレイン領域がLDD領域(低濃度領域)8を有し、これにより、LDD構造の薄膜トランジスタが得られる。
【0029】
図3は本発明の第3実施例方法により製造されたトップゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。マイクロクリスタルシリコン薄膜5と、金属薄膜6の堆積までの工程は第1実施例と同様である。そして、本実施例においては、パターニングにより2層ゲート電極を形成する際、金属薄膜6のみをオーバーエッチングすることにより、上層金属薄膜6と下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5とで幅が異なる2層ゲート電極が形成される。
【0030】
そして、ゲート電極上のレジストを除去した後に、イオンドーピング法等によりゲート絶縁膜4を挿通して、ポリシリコン薄膜3に選択的に不純物を導入すると、下層ゲート電極のマイクロクリスタルシリコン薄膜5を通過したものは低濃度化し、低濃度のLDD領域8を形成し、下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5から外れる領域を通過したものは高濃度のソース・ドレイン領域7を形成する。このようにして、本実施例では、ソース・ドレイン領域7とLDD領域8を同時に形成できる。不純物活性化以降の工程は第1実施例と同様にして、薄膜トランジスタの形成工程を完了する。本実施例においては、第1及び第2実施例と同様の効果を奏するのに加え、ゲート絶縁膜4及び下層マイクロクリスタルシリコン薄膜5を介して1回の不純物導入工程で低温活性化が可能なオーバーラップLDD構造を形成することができる。
【0031】
【実施例】
次に、本実施例方法により、実際にトップゲート型薄膜トランジスタを製造し、その特性を評価した結果について説明する。先ず、第1実施例の構造の薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。低温ガラス基板としては日本電気硝子社製OA−2基板を用いた。プラズマCVD法によりSiH及びNOを原料ガスとして、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜を100nmの厚さに堆積した。
【0032】
次に、減圧CVD法によりSiを原料ガスとして、アモルファスシリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、Siの流速150sccm、圧力8Pa、基板温度450℃の条件で70分間堆積を行った。このアモルファスシリコン薄膜に、波長308nmのXeClエキシマレーザ光を照射するレーザアニール法を用いることにより、ポリシリコン薄膜を形成した。レーザ照射条件としては、エネルギー密度420mJ/cm、ビーム重ね率90%の条件で、ビームをスキャン照射した。ポリシリコン薄膜は通常のフォトレジスト工程によるパターニング後に、ドライエッチング法によりアイランド化した。
【0033】
次に、アイランド化されたポリシリコン薄膜上に、減圧CVD法によりSiH及びOを原料ガスとして、ゲート絶縁膜となる二酸化シリコン薄膜を40nm堆積した。堆積条件としてはSiHの流速が35sccm、O流速140sccm、圧力30Pa、基板温度400℃の条件で20分間堆積を行った。
【0034】
次に、プラズマCVD法によりSiHとPH(H希釈0.5%)とHを原料ガスとして、下層ゲート電極となるマイクロクリスタルシリコン薄膜を70nm堆積した。堆積条件としては、SiH流量20sccm、PH流量40sccm、H流量1000sccm、圧力50Pa、放電電力密度0.13W/cm、基板温度350℃の条件で19分間堆積した。
【0035】
マイクロクリスタルシリコン薄膜の抵抗率は図4に示すように、膜厚に大きく依存する。これは、膜厚が厚くなるほど、マイクロクリスタルシリコン中の結晶成分の成長が進むためである。即ち、下層マイクロクリスタルシリコン薄膜は、下部から上部になるに従って結晶成分の成長が進んでいる。そして、この結晶成分の成長が進むと、抵抗率が低下する。下層ゲート電極への適用を考慮した場合、膜の抵抗率は1Ωcm以下が望まれる。従って、マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚としては70nm以上が必要である。また、基板温度が高い方が結晶成分の成長が促進されるため、基板温度は高いことが望まれるが、過度の温度はスループット低下と、装置コスト及びプロセスコストの増大をもたらす。従って基板温度としては、通常のプラズマCVD装置で実現可能な350℃程度までが適当である。
【0036】
次に、スパッタリング法により、上層ゲート電極となるタングステンシリサイド薄膜を100nm堆積した。スパッタリングガスにはArを使用しており、堆積条件としては、Ar流速100sccm、圧力0.3Pa、2W/cm、基板温度150℃の条件で0.3分間堆積した。このとき膜の抵抗率としては、5×10−5Ωcmの値であった。
【0037】
マイクロクリスタルシリコン薄膜とタングステンシリサイド薄膜は、スループットの点とマイクロクリスタルシリコン薄膜表面の自然酸化膜発生を抑制するため、同一の真空装置で異なるチャンバを用いて連続的に堆積した。各薄膜を異なる真空装置で成膜するとき、マイクロクリスタルシリコン薄膜表面に自然酸化膜が発生し、2層ゲート電極全体としての抵抗率は増大し、結果としてTFT特性は約4%低下した。
【0038】
次に、通常のフォトレジスト法で、ゲート電極のパターニングを行った。次にドライエッチング法でCFとOより、タングステンシリサイド薄膜をドライエッチした。エッチング条件としては、CF流速40sccm、O流速10sccm、圧力6Pa、放電電力密度0.3W/cmの条件で1.5分間エッチングした。タングステンシリサイド薄膜のエッチング終了後に、エッチングチャンバを一旦10−4Paまで真空引きし、続いてClとSFとHを導入して、マイクロクリスタルシリコン薄膜のドライエッチングを行った。エッチング条件としてはCl流速40sccm、SF流速10sccm、H流量10sccm、圧力10Pa、放電電力密度0.35W/cmの条件で6分間エッチングした。
【0039】
タングステンシリサイド薄膜のエッチングガスには、高エッチングレートが得られるCFとOを使用した。マイクロクリスタルシリコン薄膜のドライエッチングガスにはマイクロクリスタルシリコン薄膜と二酸化シリコン薄膜との間で高い選択比を有することが条件となるが、ClとSFとHを使用することにより、残渣タングステンシリコンの除去能力に優れ、かつマイクロクリスタルシリコン薄膜と二酸化シリコン薄膜との間で20以上の高選択比が得られた。また、タングステンシリサイド薄膜とマイクロクリスタルシリコン薄膜を同一真空装置内でドライエッチすることはスループット上有利である。
【0040】
ゲート電極上のレジストを除去した後に、イオンドーピング法でPH(H希釈5%)により、ゲート電極をマスクとした自己整合型の不純物導入を行った。ドーピング条件としては加速電圧50keV、ドーズ量3×1015cm−2、圧力0.02Paの条件であった。
【0041】
図5にドーピングの結果得られたシリコン中のP濃度プロファイルを示す。シリコン薄膜のアモルファス化を引き起こすP濃度は3×1019cm−3以上であることが実験の結果明らかとなった。従って、40nmの絶縁膜を介して75nmのポリシリコン薄膜にドーピングを行った場合、膜厚の半分程度はポリシリコンが残存し、不純物活性化温度は低温で済む。実際、熱処理温度500℃、熱処理時間2時間の条件で活性化が果たせた。このときの不純物導入部の抵抗率は2×10−3Ωcmであった。また、活性化工程後の基板には2ppmの歪みが認められたが、後のTFT製造工程には支障がなかった。
【0042】
一方、絶縁膜を介さずに直接ドーピングした場合、ポリシリコン薄膜は膜厚のほぼ全域にわたりアモルファス化する。このとき熱処理温度500℃では、50時間の熱処理時間でも活性化は果たされず、熱処理温度600℃、熱処理時間20時間で初めて活性化が果たされた。また、活性化工程後の基板には40ppmもの歪みが発生し、その後のTFT製造工程において、特にフォトレジスト工程のレチクル目合わせ、及び成膜工程の基板搬送において、支障があった。その結果、スループット及び歩留まりは低下した。
【0043】
次に、プラズマCVD法でSiHとNHとNより、窒化シリコン膜を300nm堆積した。ドライエッチング法によりコンタクトホールを開けた後、スパッタ法でアルミニウム膜を400nm堆積し、パターニングして金属配線とした。最後に水素アニールを行い、TFTが完成した。
【0044】
このようにして完成したTFTは従来のTFTよりプロセス温度が低く、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高い。
【0045】
次に、本発明の第2実施例方法により薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。低温ガラス基板としてはコーニング社製1737基板を用いた。次に、プラズマCVD法でSiHとNOにより、下地絶縁膜としての二酸化シリコン薄膜を100nm堆積した。
【0046】
次に、プラズマCVD法でSiHとHによりアモルファスシリコン薄膜を75nm堆積した。堆積条件としては、SiH流速150sccm、H流速400sccm、圧力100Pa、放電電力0.1W/cm、基板温度320℃の条件で8分間堆積を行った。このアモルファスシリコン薄膜に、熱処理温度400℃で熱処理時間2時間の脱水素アニールを施した後に、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を照射するレーザアニール法により、ポリシリコン薄膜を形成した。レーザ照射条件としては、エネルギー密度380mJ/cm、ビーム重ね率90%の条件で、ビームをスキャン照射した。ポリシリコン薄膜は通常のフォトレジスト工程によるパターニング後に、ドライエッチング法によりアイランド化された。
【0047】
次に、アイランド化されたポリシリコン膜上に、ECR−プラズマCVD法でSiHとOより、ゲート絶縁膜となる二酸化シリコン薄膜を40nm堆積した。堆積条件としては、SiH流速10sccm、O流速200sccm、圧力100Pa、放電電力密度0.23W/cm、基板温度270℃の条件で4分間堆積を行った。
【0048】
次に、プラズマCVD法により、SiHとPH(H希釈0.5%)とHを原料ガスとして、下層ゲート電極となるマイクロクリスタルシリコン薄膜を70nm堆積した。堆積条件としては、SiH流量10sccm、PH流量40sccm、H流量1000sccm、圧力100Pa、放電電力密度0.5W/cm、基板温度300℃の条件で23分間堆積した。続いて第1の実施例と同様にスパッタ法で上層ゲート電極となるタングステンシリサイド薄膜を100nm堆積した。
【0049】
第1の実施例と同様にゲート電極をパターニングとドライエッチングにより形成するが、このときエッチング時間を通常の条件から長くして、1μmのサイドエッチ領域を作製する。エッチング時間は上層及び下層で、夫々2分及び9分とした。
【0050】
次に、ゲート電極上にレジストを保持したまま、第1実施例と同様にイオンドーピング法で不純物を導入した。次に、ゲート電極上のレジストを除去し、イオンドーピング法により、PH(H希釈0.1%)とHを原料ガスとして、サイドエッチ領域に低濃度の不純物を導入し、LDD領域を形成した。ドーピング条件としては加速電圧40keV、ドーズ量7×1012cm−2、圧力0.02Paの条件であった。LDD領域を有することにより、結果として得られたTFTのリーク電流は約1/50に低減された。
【0051】
活性化工程以降は第1の実施例と同様の工程で、LDD−TFTが完成した。このように完成したLDD−TFTは従来のLDD−TFTよりプロセス温度が低く、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高い。
【0052】
次に、本発明の第3実施例方法により薄膜トランジスタを製造した結果について説明する。第1実施例と同様にして、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成してアイランド化し、ゲート絶縁膜、マイクロクリスタルシリコン薄膜及びタングステンシリサイド薄膜を堆積した。
【0053】
第1実施例と同様にして、ゲート電極をパターニング及びドライエッチング法によって形成するが、このときのエッチング時間を、上層で2分間、下層で6分間とした。この結果、上層は下層よりも左右で1μmづつ幅が狭くなった。
【0054】
次に、第1実施例と同様に、イオンドーピング法により不純物を導入した。ゲート電極が存在しない部位では、ゲート絶縁膜のみを介してポリシリコン薄膜に不純物が導入され、そのドーズ量は第1の実施例と同様に3×1015cm−2であった。一方、上層ゲート電極がサイドエッチされて下層ゲート電極が露出した部位の、直下に当たるポリシリコン領域では、ドーズ量は2×1012cm−2であった。
【0055】
図5に示すように、膜厚70nmの下層ゲート電極の影響により、P濃度は約3桁の低下を示した。LDD領域を有することにより、結果として得られたTFTのリーク電流は約1/20に低減された。
【0056】
活性化工程以降は第1の実施例と同様であり、これによりLDD−TFTが完成した。このように完成したLDD−TFTは従来のLDD−TFTよりプロセス温度が低く、不純物導入回数が少なく、高スループット及び低コストで作製され、ゲート電極の信頼性が高いものであった。
【0057】
なお、本発明は上記実施例に限定されないことは勿論である。例えば、上記実施例では、レーザアニールを施す初期材料としてアモルファスシリコンを使用しているが、初期材料として他にポリシリコン又はマイクロクリスタルシリコン等の他のシリコン膜を使用しても同様の効果が得られた。また、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜に代えて、窒化シリコン膜及び酸窒化シリコン膜等の他の絶縁膜を使用しても同様の効果が得られた。また、上層ゲート電極としてタングステンシリサイドに代え、アルミニウム、クロム、モリブデン、モリブデンシリサイド又はタングステンモリブデン合金等の他の金属を使用しても同様の効果が得られた。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るトップゲート型薄膜トランジスタの製造方法によれば、ゲート電極にマイクロクリスタルシリコン薄膜と金属薄膜とからなる2層ゲート電極を使用することにより、低抵抗で、高信頼性のゲート電極を有するTFTを、高スループット及び低コストで製造することができる。また、上層ゲート電極のみをサイドエッチすることにより、低抵抗及び高信頼性のゲート電極を有するLDD−TFTを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
【図3】本発明の第3の実施例方法により製造された薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
【図4】マイクロクリスタルシリコン薄膜の膜厚と抵抗率の関係を示すグラフ図である。
【図5】シリコン中のP濃度プロファイルを示すグラフ図である。
【図6】従来の薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
【図7】従来のLDD薄膜トランジスタの構造を示す断面図である。
【図8】従来の他のLDD−TFT構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1:低温ガラス基板
2:下地酸化膜
3:ポリシリコン薄膜
4:ゲート絶縁膜
5:マイクロクリスタルシリコンゲート電極
6:金属ゲート電極
7:ソース・ドレイン領域
8:LDD領域
9:層間絶縁膜
10:金属配線
11:ポリシリコンゲート電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a top gate type thin film transistor, and more particularly to a method for manufacturing a top gate type thin film transistor formed on an insulating substrate such as a liquid crystal display and a contact image sensor.
[0002]
[Prior art]
In a liquid crystal display device (LCD), an amorphous silicon thin film transistor (TFT) -LCD is the mainstream. However, with amorphous silicon TFTs, it is difficult to realize a high-definition LCD with a large screen. Therefore, TFTs having a higher mobility polysilicon thin film as an active layer are attracting attention.
[0003]
On the other hand, due to the diversification of applications in LCDs, there are strong demands for thinning and miniaturization, and in order to meet these demands, attempts have been made to form drive circuits with TFTs on an active matrix substrate as well. . However, it is not preferable to form the TFT for driving circuit using an amorphous silicon thin film in terms of operation speed and driving capability, and it is required to form the TFT using a polysilicon thin film. As a method for producing a polysilicon thin film, a laser annealing method capable of forming a polysilicon thin film on an inexpensive low-temperature glass substrate is becoming mainstream from the viewpoint of lowering the process temperature, improving the throughput, and reducing the cost.
[0004]
However, in the general polysilicon TFT, there are problems that the reliability of the gate wiring is low, it is difficult to reduce the resistance, and it is difficult to increase the definition of the LCD. In order to avoid this problem, for example, as disclosed in JP-A-5-235353, it is conceivable that the gate wiring is a two-layer wiring of a polysilicon thin film and a metal thin film.
[0005]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a polysilicon TFT in which the gate wiring is made into two layers. A base oxide film 2 is formed on a low-temperature glass substrate 1, a polysilicon thin film 3 is selectively formed on the base oxide film 2, and source / drain regions 7 are formed on both sides thereof. A gate insulating film 4 is formed so as to cover the polysilicon thin film 3 and the source / drain regions 7, and the source is formed through contact holes formed in the gate insulating film 4 and the interlayer insulating film 9 thereabove. A metal wiring 10 is formed so as to be in contact with the drain region 7. Further, a two-layer gate electrode composed of a lower polysilicon thin film 11 and an upper metal thin film 6 is formed on the gate insulating film 4 at a position matching the polysilicon thin film 3. These layers are covered with an interlayer insulating film 9.
[0006]
However, in the conventional thin film transistor in which the gate wiring is made into two layers using this polysilicon thin film 11, the process temperature of the gate formation reaches an extremely high temperature of 600 ° C. in the film forming process and 850 ° C. in the phosphorus diffusion process. In addition, there is a problem that the substrate heating and cooling time is large, and the throughput is lowered. Further, the temperature of 600 ° C. or higher is a temperature higher than the softening point of an inexpensive low-temperature glass substrate. For this reason, since it is necessary to use an expensive quartz substrate for the TFT substrate, the manufacturing cost increases.
[0007]
Further, one of the serious problems of the polysilicon TFT is a large leakage current. In order to avoid this problem, for example, as disclosed in JP-A-58-204570, JP-A-1-125866, JP-A-5-152326, JP-A-7-106582, etc. A so-called LDD (Lightly Doped Drain) structure having a low-concentration impurity region at the drain end of a TFT, or an overlap as disclosed in, for example, JP-A-6-37314 and JP-A-7-202210 It is conceivable to adopt an LDD structure.
[0008]
FIG. 7 shows these LDD-TFT structures. A low-concentration LDD region 8 is formed between the polysilicon thin film 3 and the source / drain region 7, and a gate insulating film 4 is formed on the LDD region 8 and the polysilicon thin film 3. A metal gate electrode 6 is formed in a selected region on the film 4.
[0009]
FIG. 8 shows another conventional LDD-TFT structure. In this LDD-TFT, a gate insulating film 4 is formed so as to cover the source / drain region 7, the LDD region 8 and the polysilicon thin film 3, and the LDD region 8 and the polysilicon thin film 3 on the gate insulating film 4 are formed. A gate electrode made of a lower polysilicon thin film 11 is formed in a region immediately above, and a gate electrode made of an upper polysilicon thin film 11 having a narrower width than the lower layer is formed thereon.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the LDD-TFT including the conventional overlap LDD structure has a problem that the number of steps increases and throughput decreases. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 58-204570 and Japanese Patent Laid-Open No. 7-106582, an impurity introduction step is required twice. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. The gate electrode formation process up to the above is required twice. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-202219, the anodization process of the upper gate electrode and the removal process of the anodized part are necessary.
[0011]
Further, in these LDD-TFTs, it is difficult to improve the reliability and lower the resistance of the gate wiring described above. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 58-204570, 1-125866, and 6-37314, only a polysilicon thin film that has a high resistance and is formed by a high-temperature process is used as a gate electrode. For example, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-152326 and 7-202210, only a thin metal film having low reliability is used for the gate electrode (FIG. 7).
[0012]
An activation step needs to be performed after the impurity implantation step including LDD, and the process temperature of the activation step is also one of the problems of the polysilicon TFT. For example, in JP-A-1-125866 and JP-A-5-235353, the activation process temperature is 1000 ° C., which makes it impossible to use an inexpensive low-temperature glass substrate. As a low temperature activation method, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152326 uses a laser annealing method, but the laser annealing method is more expensive than the heat treatment method. In addition, since the laser annealing method generates excessive thermal shock, there is a problem that the reliability of the gate electrode is lowered due to peeling or cracking of the film.
[0013]
The present invention has been made in view of such problems, and can improve the reliability of the gate electrode, reduce the resistance, further reduce the leakage current, and increase the throughput of the thin film transistor manufacturing process. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a top gate type thin film transistor that can simultaneously satisfy the reduction in cost.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The thin film transistor manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a polysilicon thin film on an insulating substrate, a step of forming a gate insulating film on the polysilicon thin film, and a lower gate electrode on the gate insulating film. A step of forming a microcrystalline silicon thin film at a temperature of 350 ° C. or less by plasma CVD, and a metal thin film serving as an upper gate electrode is sputtered on the microcrystalline silicon thin film. A step of selectively forming a photoresist on the metal thin film, and a step of selectively etching the upper metal thin film and the lower microcrystalline silicon thin film using the photoresist as a mask by dry etching under the same mask. Continuous etching to form a two-layer gate electrode And the extent,The metal thin filmAnd a step of side-etching only the side surface of the substrate, and a step of introducing an impurity into the polysilicon thin film through the gate insulating film, wherein the impurity is introduced through the gate insulating film. And simultaneously forming a low concentration impurity introduction region into which impurities are introduced through the gate insulating film and the lower gate electrode, and the structure of the polysilicon thin film in the low concentration impurity introduction region and the high concentration impurity introduction region, The upper part is amorphized and the polysilicon layer remains in the lower part.
[0015]
thisIn the method of manufacturing a thin film transistor,The concentration of the impurity on the substrate-side surface of the polysilicon thin film is 3 × 1019cm-3 Less thanImpurities are introduced so that
[0016]
Also,The impurity concentration in the polysilicon film can be high above the film and low below the film.AndThe impurity can be introduced after forming an insulating film above the polysilicon thin film. Further, the impurity introduction method is, for example, an ion doping method.
[0017]
In the present invention, by applying the microcrystalline silicon thin film to the lower layer of the two-layered gate electrode, a low-resistance gate wiring having high reliability and low cost is formed. The microcrystalline silicon thin film is disclosed in Journal of Non-Crystaline Solids, Volumes 59 & 60, p. 767 (J. Non-Cryst. Solids, Vol. 59 & 60, p. 767.). A silicon thin film formed by a plasma CVD method, which is a silicon thin film in which extremely fine crystal grains having a particle size of 10 nm or less and amorphous are mixed. Since the deposition temperature of the microcrystal silicon thin film is about 300 ° C., the deposition temperature of the low pressure CVD method and the atmospheric pressure CVD method used for the conventional polysilicon thin film deposition is about 600 ° C. Compared to the above, the throughput and manufacturing cost of the film formation process are extremely excellent. In addition, since the microcrystalline silicon thin film has fine crystal grains, the resistance can be reduced to the same level as the polysilicon thin film. Therefore, by using a microcrystalline silicon thin film as a lower layer and a metal thin film as an upper layer as a TFT gate electrode, a low-resistance gate wiring having high reliability can be formed at low cost.
[0018]
Further, in the present invention, an overlap LDD structure that can be activated at a low temperature in one impurity introduction step through the gate insulating film by side-etching only the upper metal gate electrode when forming the two-layer gate electrode. Is formed.
[0019]
At the portion where the lower gate electrode is exposed, impurities are introduced into the polysilicon thin film through the lower gate electrode and the gate insulating film. On the other hand, in the portion where the gate electrode does not exist, impurities are introduced into the polysilicon thin film only through the gate insulating film. Therefore, the region immediately below the portion where the lower gate electrode of the polysilicon thin film is exposed becomes an LDD region where the amount of introduced impurities is smaller than the region immediately below the portion where the gate electrode does not exist. It should be noted that no impurity is introduced into the region immediately below the portion where the upper gate insulating film of the polysilicon thin film exists because of the shielding effect of the upper gate electrode.
[0020]
The activation temperature after the introduction of impurities depends on the structural change of the polysilicon thin film accompanying the introduction of impurities. When the impurities are introduced, the polysilicon thin film is changed into an amorphous phase because the atomic structure is disturbed. Activation after the introduction of impurities means that the amorphous phase containing the impurities is crystallized again. Here, when the polysilicon thin film is amorphized in all regions in the film thickness direction from the insulating film interface to the substrate interface, a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher, preferably about 1000 ° C. is required for crystallization. In order for the amorphous phase to crystallize, both nucleation and grain growth processes must be performed, but nucleation requires a latency time that depends on the heat treatment temperature. In the case of silicon, a temperature of 1000 ° C. is necessary to cause nucleation in a time range of about several hours suitable for the manufacturing process. Further, when the heat treatment temperature is lowered to 600 ° C., the time required for nucleation increases to 20 hours, and the throughput increases remarkably.
[0021]
However, when only the surface of the polysilicon film becomes amorphous after the introduction of impurities and polysilicon remains in the vicinity of the substrate interface, activation can be achieved by heat treatment at a low temperature of about 500 ° C. for several hours. This is because crystallization progresses only in the grain growth process because crystal nuclei already exist. In the present invention, by introducing the impurity through the insulating film, the impurity concentration profile in the film thickness direction of the polysilicon film can be controlled, and it can be easily controlled so that the polysilicon remains after the impurity is introduced. Therefore, low-temperature activation to the extent that an inexpensive low-temperature glass substrate can be used is possible, and throughput is increased.
[0022]
As described above, according to the present invention, only the upper metal gate electrode is side-etched when forming the two-layer gate electrode, thereby enabling low-temperature activation in one impurity introduction step through the gate insulating film. An overlap LDD-TFT having a low resistance and high reliability gate electrode is formed.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a top gate type thin film transistor manufactured by the method of the first embodiment of the present invention. This transistor can be manufactured as follows. First, the base insulating film 2 is deposited on the insulating substrate 1. Next, a silicon thin film is deposited on the entire surface, a polysilicon thin film 3 is formed by a laser annealing method using CW laser light or pulsed laser light, patterned into an island shape, and then a gate insulating film 4 is deposited thereon. To do. Next, after depositing a microcrystalline silicon thin film 5 as a lower gate electrode at a temperature of 350 ° C. or less by a plasma CVD method so that the film thickness becomes 70 nm or more, a metal thin film 6 is continuously deposited as an upper gate electrode. Patterning is performed to form a two-layer gate electrode.
[0024]
Impurities are activated by selectively introducing impurities into the polysilicon thin film 3 through the gate insulating film 4 by an ion doping method or the like to form the source / drain regions 7 and performing a heat treatment at 500 ° C., for example. Subsequently, an interlayer insulating film 9 is deposited, and contact holes that expose the source / drain regions 7 are opened. Finally, a metal thin film such as aluminum is formed and patterned to form a metal wiring 10 in contact with the source / drain region 7 to complete the thin film transistor formation process.
[0025]
In this way, a channel region composed of the polysilicon thin film 3, source / drain regions 7 on both sides thereof, and a gate electrode having a two-layer structure laminated with the gate insulating film 4 between these regions are formed. A top-gate thin film transistor having the same is obtained. The two-layer gate electrode is composed of a lower microcrystalline silicon thin film 5 and an upper metal thin film 6. Since the microcrystalline silicon thin film 5 has a low film formation temperature, the throughput of the film formation process is better than the conventional polysilicon thin film, and the manufacturing cost is reduced. Further, since the microcrystalline silicon thin film 5 has fine crystal grains, the resistance can be reduced to the same level as that of the polysilicon thin film. Therefore, a highly reliable low resistance gate wiring can be formed at low cost.
[0026]
Next, the method of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the manufacturing process is the same as that of the first embodiment until the deposition process of the microcrystal silicon thin film 5 and the metal thin film 6. In this embodiment, when the two-layer gate electrode is formed by patterning, the gate electrode is side-etched by over-etching both layers. Then, with the resist held on the gate electrode, an impurity is selectively introduced into the polysilicon thin film 3 through the gate insulating film 4 by ion doping or the like, thereby forming the source / drain regions 7.
[0027]
Next, after removing the resist, a low concentration impurity is introduced to form an LDD region (low concentration region) 8. Thereafter, the steps after impurity activation are the same as those in the first embodiment, and the thin film transistor is completed by these steps.
[0028]
In this embodiment, in addition to the same effects as in the first embodiment, the source / drain region has an LDD region (low concentration region) 8, thereby obtaining a thin film transistor having an LDD structure.
[0029]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a top gate type thin film transistor manufactured by the method of the third embodiment of the present invention. The steps up to the deposition of the microcrystalline silicon thin film 5 and the metal thin film 6 are the same as in the first embodiment. In this embodiment, when the two-layer gate electrode is formed by patterning, the upper-layer metal thin film 6 and the lower-layer microcrystal silicon thin film 5 have different widths by over-etching only the metal thin film 6. Is formed.
[0030]
Then, after removing the resist on the gate electrode, the gate insulating film 4 is inserted by ion doping or the like, and when impurities are selectively introduced into the polysilicon thin film 3, it passes through the microcrystal silicon thin film 5 of the lower gate electrode. As a result, the concentration is reduced to form a low concentration LDD region 8, and the one that has passed through the region outside the lower microcrystal silicon thin film 5 forms a high concentration source / drain region 7. In this way, in this embodiment, the source / drain region 7 and the LDD region 8 can be formed simultaneously. The steps after impurity activation are the same as those in the first embodiment, and the thin film transistor forming step is completed. In this embodiment, in addition to the same effects as those of the first and second embodiments, low temperature activation can be performed by a single impurity introduction step through the gate insulating film 4 and the lower microcrystal silicon thin film 5. An overlapping LDD structure can be formed.
[0031]
【Example】
Next, a result of actually manufacturing a top gate type thin film transistor by the method of this embodiment and evaluating its characteristics will be described. First, the result of manufacturing the thin film transistor having the structure of the first embodiment will be described. An OA-2 substrate manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd. was used as the low temperature glass substrate. SiH by plasma CVD method4And N2A silicon dioxide thin film as a base insulating film was deposited to a thickness of 100 nm using O as a source gas.
[0032]
Next, Si is formed by a low pressure CVD method.2H6As a source gas, an amorphous silicon thin film was deposited to 75 nm. The deposition conditions are Si2H6The deposition was performed for 70 minutes under the conditions of a flow rate of 150 sccm, a pressure of 8 Pa, and a substrate temperature of 450 ° C. A polysilicon thin film was formed by using a laser annealing method of irradiating the amorphous silicon thin film with XeCl excimer laser light having a wavelength of 308 nm. As laser irradiation conditions, an energy density of 420 mJ / cm2The beam was scanned and irradiated under the condition of a beam overlap rate of 90%. The polysilicon thin film was formed into an island by dry etching after patterning by a normal photoresist process.
[0033]
Next, SiH is formed on the island-formed polysilicon thin film by a low pressure CVD method.4And O2A silicon dioxide thin film serving as a gate insulating film was deposited to a thickness of 40 nm using as a source gas. The deposition condition is SiH4The flow rate of 35 sccm, O2Deposition was performed for 20 minutes under conditions of a flow rate of 140 sccm, a pressure of 30 Pa, and a substrate temperature of 400 ° C.
[0034]
Next, SiH is formed by plasma CVD.4And PH3(H2Dilution 0.5%) and H2Was used as a source gas, and a microcrystalline silicon thin film serving as a lower gate electrode was deposited to a thickness of 70 nm. As deposition conditions, SiH4Flow rate 20sccm, PH3Flow rate 40sccm, H2Flow rate 1000sccm, pressure 50Pa, discharge power density 0.13W / cm2The film was deposited for 19 minutes at a substrate temperature of 350 ° C.
[0035]
The resistivity of the microcrystal silicon thin film greatly depends on the film thickness as shown in FIG. This is because the crystal component in the microcrystal silicon grows as the film thickness increases. That is, in the lower microcrystalline silicon thin film, the growth of crystal components progresses from the bottom to the top. As the crystal component grows, the resistivity decreases. In consideration of application to the lower gate electrode, the resistivity of the film is desirably 1 Ωcm or less. Therefore, the thickness of the microcrystal silicon thin film needs to be 70 nm or more. In addition, since the growth of crystal components is promoted when the substrate temperature is high, it is desirable that the substrate temperature be high. However, an excessive temperature causes a decrease in throughput and an increase in apparatus cost and process cost. Therefore, the substrate temperature is suitably up to about 350 ° C. that can be realized by a normal plasma CVD apparatus.
[0036]
Next, a tungsten silicide thin film serving as an upper gate electrode was deposited to a thickness of 100 nm by sputtering. Ar is used as the sputtering gas, and the deposition conditions are Ar flow rate 100 sccm, pressure 0.3 Pa, 2 W / cm.2The substrate was deposited for 0.3 minutes at a substrate temperature of 150 ° C. At this time, the resistivity of the film is 5 × 10-5The value was Ωcm.
[0037]
The microcrystalline silicon thin film and the tungsten silicide thin film were successively deposited using different chambers in the same vacuum apparatus in order to suppress the generation of a natural oxide film on the surface of the microcrystalline silicon thin film. When each thin film was formed with a different vacuum apparatus, a natural oxide film was generated on the surface of the microcrystal silicon thin film, and the resistivity of the entire two-layer gate electrode was increased. As a result, the TFT characteristics were reduced by about 4%.
[0038]
Next, the gate electrode was patterned by a normal photoresist method. Next, CF by dry etching4And O2Thus, the tungsten silicide thin film was dry etched. Etching conditions include CF4Flow rate 40sccm, O2Flow rate 10sccm, pressure 6Pa, discharge power density 0.3W / cm2Etching was performed for 1.5 minutes under the following conditions. After completion of the etching of the tungsten silicide thin film, the etching chamber is temporarily set to 10-4Vacuum is pulled to Pa, followed by Cl2And SF6And H2Then, dry etching of the microcrystal silicon thin film was performed. Etching conditions include Cl2Flow rate 40sccm, SF6Flow rate 10sccm, H2Flow rate 10sccm, pressure 10Pa, discharge power density 0.35W / cm2Etching was performed for 6 minutes under the following conditions.
[0039]
The etching gas for the tungsten silicide thin film can provide a high etching rate.4And O2It was used. The dry etching gas for the microcrystalline silicon thin film is required to have a high selectivity between the microcrystalline silicon thin film and the silicon dioxide thin film.2And SF6And H2By using this, the ability to remove residual tungsten silicon was excellent, and a high selectivity of 20 or more was obtained between the microcrystal silicon thin film and the silicon dioxide thin film. Further, it is advantageous in terms of throughput to dry-etch the tungsten silicide thin film and the microcrystal silicon thin film in the same vacuum apparatus.
[0040]
After removing the resist on the gate electrode, PH3(H2(5% dilution), self-aligned impurities were introduced using the gate electrode as a mask. The doping conditions are an acceleration voltage of 50 keV and a dose amount of 3 × 10.15cm-2The pressure was 0.02 Pa.
[0041]
FIG. 5 shows a P concentration profile in silicon obtained as a result of doping. The P concentration that causes amorphization of the silicon thin film is 3 × 1019cm-3This is the result of the experiment. Therefore, when doping a 75 nm polysilicon thin film through a 40 nm insulating film, polysilicon remains for about half of the film thickness, and the impurity activation temperature may be low. In fact, activation was achieved under conditions of a heat treatment temperature of 500 ° C. and a heat treatment time of 2 hours. The resistivity of the impurity introduction part at this time is 2 × 10-3It was Ωcm. Moreover, although 2 ppm distortion was recognized in the board | substrate after an activation process, there was no trouble in the subsequent TFT manufacturing process.
[0042]
On the other hand, when the doping is performed directly without going through the insulating film, the polysilicon thin film becomes amorphous over almost the entire film thickness. At this time, activation was not achieved at a heat treatment temperature of 500 ° C. even at a heat treatment time of 50 hours, and activation was first achieved at a heat treatment temperature of 600 ° C. and a heat treatment time of 20 hours. Further, distortion of as much as 40 ppm occurred in the substrate after the activation process, and there was a problem in the subsequent TFT manufacturing process, particularly in the reticle alignment in the photoresist process and the substrate transport in the film forming process. As a result, throughput and yield decreased.
[0043]
Next, SiH is performed by plasma CVD.4And NH3And N2Thus, a silicon nitride film was deposited to 300 nm. After opening the contact hole by dry etching, an aluminum film was deposited to 400 nm by sputtering and patterned to form a metal wiring. Finally, hydrogen annealing was performed to complete the TFT.
[0044]
The TFT thus completed has a lower process temperature than a conventional TFT, is manufactured with high throughput and low cost, and the gate electrode has high reliability.
[0045]
Next, the result of manufacturing a thin film transistor by the method of the second embodiment of the present invention will be described. As a low-temperature glass substrate, a 1737 substrate manufactured by Corning was used. Next, SiH is performed by plasma CVD.4And N2A silicon dioxide thin film as a base insulating film was deposited to 100 nm by O.
[0046]
Next, SiH is performed by plasma CVD.4And H2Was used to deposit an amorphous silicon thin film at 75 nm. As deposition conditions, SiH4Flow rate 150sccm, H2Flow rate 400sccm, pressure 100Pa, discharge power 0.1W / cm2The deposition was performed for 8 minutes under the condition of the substrate temperature of 320 ° C. This amorphous silicon thin film was subjected to dehydrogenation annealing at a heat treatment temperature of 400 ° C. for a heat treatment time of 2 hours, and then a polysilicon thin film was formed by a laser annealing method of irradiating KrF excimer laser light having a wavelength of 248 nm. As laser irradiation conditions, an energy density of 380 mJ / cm2The beam was scanned and irradiated under the condition of a beam overlap rate of 90%. The polysilicon thin film was formed into an island by dry etching after patterning by a normal photoresist process.
[0047]
Next, SiH is formed on the islanded polysilicon film by ECR-plasma CVD.4And O2Thus, a silicon dioxide thin film to be a gate insulating film was deposited to 40 nm. As deposition conditions, SiH4Flow rate 10sccm, O2Flow rate 200sccm, pressure 100Pa, discharge power density 0.23W / cm2The deposition was performed for 4 minutes under the condition of the substrate temperature of 270 ° C.
[0048]
Next, SiH is performed by plasma CVD.4And PH3(H2Dilution 0.5%) and H2Was used as a source gas, and a microcrystalline silicon thin film serving as a lower gate electrode was deposited to a thickness of 70 nm. As deposition conditions, SiH4Flow rate 10sccm, PH3Flow rate 40sccm, H2Flow rate 1000sccm, pressure 100Pa, discharge power density 0.5W / cm2The substrate was deposited for 23 minutes at a substrate temperature of 300 ° C. Subsequently, a tungsten silicide thin film serving as an upper gate electrode was deposited to a thickness of 100 nm by sputtering as in the first embodiment.
[0049]
As in the first embodiment, the gate electrode is formed by patterning and dry etching, but at this time, the etching time is increased from the normal condition to produce a 1 μm side-etched region. The etching time was 2 minutes and 9 minutes for the upper layer and the lower layer, respectively.
[0050]
Next, impurities were introduced by ion doping in the same manner as in the first example while holding the resist on the gate electrode. Next, the resist on the gate electrode is removed, and PH is obtained by ion doping.3(H2Dilution 0.1%) and H2As a source gas, a low concentration impurity was introduced into the side etch region to form an LDD region. The doping conditions are an acceleration voltage of 40 keV and a dose amount of 7 × 10.12cm-2The pressure was 0.02 Pa. By having the LDD region, the resulting TFT leakage current was reduced to about 1/50.
[0051]
After the activation process, the LDD-TFT is completed by the same process as in the first embodiment. The completed LDD-TFT has a lower process temperature than a conventional LDD-TFT, is manufactured with high throughput and low cost, and the reliability of the gate electrode is high.
[0052]
Next, the result of manufacturing a thin film transistor by the method of the third embodiment of the present invention will be described. In the same manner as in the first example, a polysilicon thin film was formed on a glass substrate to form an island, and a gate insulating film, a microcrystal silicon thin film, and a tungsten silicide thin film were deposited.
[0053]
In the same manner as in the first example, the gate electrode was formed by patterning and dry etching, and the etching time at this time was 2 minutes for the upper layer and 6 minutes for the lower layer. As a result, the upper layer was narrower by 1 μm on the left and right than the lower layer.
[0054]
Next, as in the first example, impurities were introduced by ion doping. In the portion where the gate electrode does not exist, impurities are introduced into the polysilicon thin film only through the gate insulating film, and the dose amount is 3 × 10 4 as in the first embodiment.15cm-2Met. On the other hand, in the polysilicon region that is directly below the portion where the upper gate electrode is side-etched and the lower gate electrode is exposed, the dose is 2 × 1012cm-2Met.
[0055]
As shown in FIG. 5, the P concentration decreased by about three orders of magnitude due to the influence of the lower gate electrode having a film thickness of 70 nm. By having the LDD region, the resulting TFT leakage current was reduced to about 1/20.
[0056]
After the activation process, the process is the same as that of the first example, thereby completing the LDD-TFT. The completed LDD-TFT has a process temperature lower than that of the conventional LDD-TFT, the number of impurity introductions is less, it is manufactured with high throughput and low cost, and the reliability of the gate electrode is high.
[0057]
Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, amorphous silicon is used as an initial material for laser annealing, but the same effect can be obtained by using another silicon film such as polysilicon or microcrystal silicon as the initial material. It was. Further, the same effect can be obtained by using other insulating films such as a silicon nitride film and a silicon oxynitride film instead of the silicon oxide film as the gate insulating film. The same effect was obtained when other metal such as aluminum, chromium, molybdenum, molybdenum silicide or tungsten molybdenum alloy was used as the upper gate electrode instead of tungsten silicide.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a top gate type thin film transistor according to the present invention, by using a two-layer gate electrode composed of a microcrystalline silicon thin film and a metal thin film as a gate electrode, low resistance and high reliability are achieved. TFT having a conductive gate electrode can be manufactured with high throughput and low cost. Further, by side-etching only the upper gate electrode, an LDD-TFT having a gate electrode with low resistance and high reliability can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a thin film transistor manufactured by a first embodiment method of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a thin film transistor manufactured by a second embodiment method of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a thin film transistor manufactured by a third embodiment method of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the film thickness and resistivity of a microcrystalline silicon thin film.
FIG. 5 is a graph showing a P concentration profile in silicon.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional thin film transistor.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional LDD thin film transistor.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another conventional LDD-TFT structure.
[Explanation of symbols]
1: Low temperature glass substrate
2: Underlying oxide film
3: Polysilicon thin film
4: Gate insulating film
5: Microcrystal silicon gate electrode
6: Metal gate electrode
7: Source / drain region
8: LDD region
9: Interlayer insulation film
10: Metal wiring
11: Polysilicon gate electrode

Claims (5)

絶縁性基板上にポリシリコン薄膜を形成する工程と、このポリシリコン薄膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上に下層ゲート電極として下部から上部になるに従って膜中の結晶成分の成長が進むマイクロクリスタルシリコン薄膜をプラズマCVD法により350℃以下の温度で形成する工程と、前記マイクロクリスタルシリコン薄膜上に上層ゲート電極となる金属薄膜をスパッタ法により形成する工程と、前記金属薄膜上にフォトレジストを選択的に形成する工程と、ドライエッチングにより前記フォトレジストをマスクとして前記上層金属薄膜及び前記下層マイクロクリスタルシリコン薄膜を同一のマスクのもと連続的にエッチングして2層構造のゲート電極を形成する工程と、前記金属薄膜の側面のみをサイドエッチングする工程と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ポリシリコン薄膜に不純物を導入する工程と、を有し、前記ゲート絶縁膜を介して不純物が導入された高濃度不純物導入領域と、前記ゲート絶縁膜及び前記下層ゲート電極を介して不純物が導入された低濃度不純物導入領域を同時に形成し、前記低濃度不純物導入領域及び前記高濃度不純物導入領域におけるポリシリコン薄膜の構造が、上方部がアモルファス化され、下方部でポリシリコン層が残存してい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 polysilicon thin film on an insulating substrate, a step of forming a gate insulating film on the polysilicon thin film, and a crystal component in the film as a lower gate electrode on the gate insulating film from bottom to top A step of forming a microcrystalline silicon thin film, which is growing at a temperature of 350 ° C. or less by a plasma CVD method, a step of forming a metal thin film serving as an upper gate electrode on the microcrystalline silicon thin film by a sputtering method, and the metal thin film A step of selectively forming a photoresist on the upper surface, and dry etching, the upper metal thin film and the lower microcrystalline silicon thin film are continuously etched using the same mask as a mask to form a two-layer structure. forming a gate electrode, only the side surface of the metal thin film Saidoe' And a step of introducing an impurity into the polysilicon thin film through the gate insulating film, and a high concentration impurity introduction region into which the impurity is introduced through the gate insulating film, and the gate insulation A low-concentration impurity introduction region into which impurities are introduced is formed simultaneously through the film and the lower gate electrode, and the structure of the polysilicon thin film in the low-concentration impurity introduction region and the high-concentration impurity introduction region is amorphous in the upper part A method of manufacturing a thin film transistor, wherein a polysilicon layer remains in a lower portion. 前記ポリシリコン薄膜の基板側の表面における前記不純物の濃度が、3×1019cm−3未満となるように、不純物を導入することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法。2. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the impurity is introduced so that a concentration of the impurity on a substrate-side surface of the polysilicon thin film is less than 3 × 10 19 cm −3 . 前記ポリシリコン膜中の前記不純物の濃度が、膜上方が高く、膜下方が低くなっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜トランジスタの製造方法。3. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the concentration of the impurity in the polysilicon film is high above the film and low below the film. 前記ポリシリコン薄膜の上方に絶縁膜を成膜後、前記不純物を導入することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。4. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the impurity is introduced after forming an insulating film on the polysilicon thin film. 前記不純物の導入法がイオンドーピング法であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。5. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the impurity introduction method is an ion doping method.
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