JP3977032B2 - Thin film transistor and semiconductor integrated circuit - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁基板状に形成された薄膜状の活性層(活性化領域、チャネル領域ともいう)を有する絶縁ゲイト型半導体装置、例えば薄膜トランジスタ(TFT)に関する。本発明の応用される分野としては、半導体集積回路、液晶表示装置、光学読み取り装置等である。
【0002】
【従来の技術】
最近、絶縁基板上に、薄膜状の活性層を有する絶縁ゲイト型の半導体装置の研究がなされている。特に、薄膜状の絶縁ゲイトトランジスタ、いわゆる薄膜トランジスタ(TFT)が熱心に研究されている。これらは、液晶等の表示装置において、マトリクス構造を有するものの各画素の制御用に利用することが目的であり、利用する半導体の材料・結晶状態によって、アモルファスシリコンTFTや多結晶シリコンTFTというように区別されている。もっとも、最近では多結晶シリコンとアモルファスの中間的な状態を呈する材料も利用する研究がなされている。これは、セミアモルファスといわれ、アモルファス状の組織に小さな結晶が浮かんだ状態であると考えられている。
【0003】
また、単結晶シリコン集積回路においても、いわゆるSOI技術として多結晶シリコンTFTが用いられており、これは例えば高集積度SRAMにおいて、負荷トランジスタとして使用される。但し、この場合には、アモルファスシリコンTFTはほとんど使用されない。
【0004】
一般にアモルファス状態の半導体の電界移動度は小さく、したがって、高速動作が要求されるTFTには利用できない。また、アモルファスシリコンでは、P型の電界移動度は著しく小さいので、Pチャネル型のTFT(PMOSのTFT)を作製することができず、したがって、Nチャネル型TFT(NMOSのTFT)と組み合わせて、相補型のMOS回路(CMOS)を形成することができない。
【0005】
しかしながら、アモルファス半導体によって形成したTFTはOFF電流が小さいという特徴を持つ。そこで、液晶のアクティブマトリクスのトランジスタのように、それほどの高速動作が要求されず、一方の導電型だけで十分であり、かつ、電荷保持能力の高いTFTが必要とされる用途に利用されている。
【0006】
一方、多結晶半導体は、アモルファス半導体よりも電界移動度が大きく、したがって、高速動作が可能である。例えば、レーザーアニールによって再結晶化させたシリコン膜を用いたTFTでは、電界移動度として300cm2 /Vsもの値が得られている。通常の単結晶シリコン基板上に形成されたMOSトランジスタの電界移動度が500cm2 /Vs程度であることからすると、極めて大きな値であり、単結晶シリコン上のMOS回路が基板と配線間の寄生容量によって、動作速度が制限されるのに対して、絶縁基板上であるのでそのような制約は何ら無く、著しい高速動作が期待されている。
【0007】
また、多結晶シリコンでは、NTFTだけでなく、PTFTも同様に得られるのでCMOS回路を形成することが可能で、例えば、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置においては、アクティブマトリクス部分のみならず、周辺回路(ドライバー等)をもCMOSの多結晶TFTで構成する、いわゆるモノリシック構造を有するものが知られている。前述のSRAMに使用されるTFTもこの点に注目したものであり、PMOSをTFTで構成し、これを負荷トランジスタとしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に多結晶TFTはアモルファスTFTに比べて、電界移動度が大きな分だけ、リーク電流が大きく、アクティブマトリクスの画素の電荷を保持する能力には劣っていた。例えば、液晶表示素子に用いる場合には、従来は画素の大きさが数100μm角で、画素容量が大きかったために特に問題となることはなかったが、最近では、高精細化とともに画素の微細化が進み、画素容量が小さくなり、安定なスタティック表示をおこなうのに不十分となっている。
【0009】
このような多結晶TFTのリーク電流の問題に対しては、いくつかの解決法が提案されている。その一つは、活性層を薄くする方法である。こうすることによって、OFF電流が小さくなることが報告されている。例えば、活性層の厚さを25nmとすることによって、OFF電流が10-13 A以下にできることが知られている。しかしながら、薄い半導体膜を結晶化させることは非常に難しく、容易に結晶化しないことが知られている。
【0010】
また、活性層を薄くすることはソース/ドレイン領域も薄くすることにつながる。すなわち、通常の作製方法ではソース/ドレインも活性層も同時に作製された半導体膜から形成され、同じ厚さを有するからである。このことはソース/ドレイン領域の抵抗が大きくなることにつながる。
【0011】
そのためには、ソース/ドレイン領域の大部分を厚くなるように別に形成する方法が採用されるが、そのことはマスクプロセスを余分に追加することであり、歩留りの点から好ましくない。
【0012】
また、本発明人等の知見によると、活性層が50nm以下のTFTでは、MOSしきい値電圧が大きくシフトし、特にNMOSの場合には顕著であるが、しきい値は0Vないし、負の値となる。このようなTFTでCMOSを作製すると動作が不安定となる。
【0013】
一方、活性層を厚くするとリーク電流が大きくなるが、その大きさは活性層の厚さに比例するものでなく、したがって、何らかの要因によってリーク電流が非線型的に大きくなるものと考えられる。本発明人等の研究の結果、活性層の厚いTFTのリーク電流の大部分は、活性層の基板側の部分を経由してバイパス的に流れることが明らかにされた。このようなリーク電流の原因としては2つのことが考えられる。1つは、基板と活性層の間の界面準位に固定化された電荷によるものであり、もう一つは、基板側からナトリウム等の可動イオンが活性層に侵入し、基板側の部分を導通化するためである。後者はプロセスの清浄度を高めることによって克服される。
【0014】
前者に関しては、いかに基板と活性層間の界面を清浄にしても解決できなかった。例えば、基板に直接、活性層を積層することは界面準位を上げることとなるので、ゲイト酸化膜と同じ程度に良質な酸化膜(例えば、シリコンの熱酸化膜)を下地にして、その上に活性層を形成してもリーク電流を解決することはできなかった。すなわち、固定電荷は容易に除去できないことが判明した。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明人は、このような困難を解決するために、基板と活性層の間に、別のゲイト電極(裏面ゲイト電極という)を形成し、このゲイト電極の電位を適切な値に保つことによって、上記のような固定電荷の効果を打ち消すことができることを発見した。本発明の構成の典型的な例は図1および図2に示される。
【0016】
図1は、本発明の概念を示すもので、Aが通常のゲイト電極であり、Bが裏面ゲイト電極である。このような裏面ゲイト電極は図1(A)のように、ソース、ドレインの全面に重なっていてもよいが、この場合にはソース、ドレインと、裏面ゲイト電極の間の寄生容量が大きくなるので、高速動作等が要求される場合には、図1(B)のようにソース、もしくはドレインの一方、あるいは両方と重ならないような構成としてもよい。重要なことはこのような裏面ゲイト電極は、少なくとも活性層の一部に重なっていることであり、効果を確実にするためには可能な限り活性層を横断していることである。
【0017】
例えば、従来のNMOSにおいて、ソースとゲイトの電位を0、ドレインの電位を10Vとした場合には、理想的にはドレイン電流は0であるが、基板側の固定電荷によって、活性層が弱い反転状態にあるため、熱的な励起によってドレイン電流が流れる。その様子が図4に示されている。すなわち、従来のTFTでは、基板側の固定電荷によって図に示すような弱反転領域が形成されていた。これは、ゲイト電極にどのような電圧が印加されていてもほとんど変わらず存在するため、リーク電流の源となった。ただし、活性層の厚さが著しく薄い場合には、ゲイト電極の影響が基板側にもおよび、ゲイトの電位によってこの弱反転領域は消滅する。これまで、特に理由がわからないまま、活性層を薄くすることによってリーク電流が低減できることが報告されたものはこのような理由によるものであると考えられる。しかしながら、このモデルからは、容易にしきい値電圧がシフトすることが示され、本質的な解決方法でないことも明らかとなった。
【0018】
本発明は、上記のような裏面ゲイト電極を設け、裏面ゲイト電極を0もしくは負の値にすることによって、固定電荷の効果を除去しようとするのである。図2には、本発明の例を示した。この場合には、いずれも裏面ゲイト電極は、絶縁膜の一部にコンタクトホールを設けて、ソース領域に接続され、常にソースと同じ電位となるようにされている。図2(A)では、裏面ゲイト電極9をソース領域6、ドレイン領域5と全く同じように重ねて構成したものである。この場合には、工程が比較的単純で、ゲイト電極のある部分に段差が生じないため歩留りがよい。
【0019】
このような構造の素子を形成しようとすれば以下のようにおこなえばよい。すなわち、基板上に裏面ゲイト電極となる被膜と絶縁膜8を形成し、これにコンタクトホール10を形成して、さらに半導体層を形成し、これをまとめてパターニングする。そして、ゲイト絶縁膜4とゲイト電極1を形成してセルフアライン的にドレイン領域5とソース領域6を形成し、不純物ドープのされない部分は活性層7となる。最後にドレイン電極2、ソース電極3を形成すればよい。以上の工程で使用されるマスクは4枚(ソース電極とドレイン電極を同時に形成しない場合は5枚)である。
【0020】
一方、図2(B)には裏面ゲイト電極19とドレイン領域15が重ならないようにしたもので、裏面ゲイト電極の段差によってゲイト電極11に段差の影響が出る。そのためゲイト電極の剥離が生じるおそれがある。また、工程も図2(A)に比べて増加する。すなわち、最初に裏面ゲイト電極19をパターニングし、ついで、絶縁膜18を形成して、コンタクトホールを設ける。そして、半導体層を形成し、これをパターニングしてからゲイト電極11をパターニングし、ソース領域14、ドレイン15、活性化領域17をセルフアライン的に形成して、ソース電極13とドレイン電極12を形成する。以上の工程で使用されるマスクは5枚ないし6枚である。寄生容量を減らし、プロセスの簡略化のためには裏面ゲイト電極も、ソース領域、ドレイン領域とセルフアライン的に形成されることが理想である。
【0021】
なお、裏面ゲイト電極9、19の材料はその後のプロセスに留意して決定されなければならない。例えば、熱酸化法によってゲイト絶縁膜を形成する場合にはそれだけの高温に耐える材料で形成されなければならないし、裏面ゲイト材料から、活性層への異性有害元素の拡散は避けなければならない。例えば、活性層がシリコンで形成され、ゲイト絶縁膜膜がシリコンの熱酸化膜であれば、通常、最高プロセス温度は1000℃を越えるので、裏面ゲイト電極の材料としてはドープドポリシリコンが望ましい。
【0022】
また、最高プロセス温度が600℃程度の低温プロセスでは、ドープドシリコンでもよいが、より低抵抗な材料を利用するとしたらクロムやタンタル、タングステンが好ましい。もちろんこれら以外の材料を使用することも実施する者の設計事項として取り扱われるべきものである。
【0023】
このような構造を有するTFTの動作を図3にまとめた。ここではNMOSの例を示したが、PMOSの場合には不等号の向きを逆にすればよい。最初にゲイトの電位VG がソース電位VS もしくはドレイン電位VD のいずれか低い方に等しい場合を考える。この場合には、図4に示されるようにソースとドレインが対称ではないので、ドレインの電位VD の高低によって状況が異なる。もし、VS <VD ならば、図3(A)のようにゲイト電極と裏面ゲイト電極とソースが同じ電位であり、これらの領域からは、電子が掃き出されて、空乏領域もしくは蓄積領域が形成される。逆に、もし、VD <VS であれば、図3(B)のようにゲイト電極側は空乏領域であるが、裏面ゲイト電極側は反転領域が形成され、ドレイン電流が流れる。以上の議論は非常に荒っぽいもので、厳密にはしきい値電圧を考慮しなければならないが、本発明の概要は理解できる。
【0024】
D >VS の条件ではVG <VS では、空乏領域が活性層の全域に拡がるが(図3(C))、VG >VS では、ゲイト電極側に反転領域が形成される(図3(D))。また、VD <VS の条件ではVG <VD では、裏面ゲイト側に反転領域が形成されて、ドレイン電流が流れ(図3(E))、VG >VD では、両側に反転領域が形成される(図3(F))。
【0025】
D がVS に等しいか、同程度の場合には状況は複雑である。すなわち、この場合にはソースからドレインへ(もしくはドレインからソースへ)流れる電気力線がないので、裏面ゲイト側の固定電荷の影響によって、弱反転領域が形成され、従来のTFTで見られたようなリーク電流が生じる(図3(G)および(H))。
【0026】
裏面ゲイト電極は、実用的にはソースもしくはドレインと同電位に保たれると都合がよいが、もし、それが無理な場合には他の電源電位と同じに保たれるとよい。また、ソースもしくはドレインと同電位に保たれる場合にあっても、この電位は変動しないものであれば、素子の動作特性に与える影響が少ない。
【0027】
例えば、オフ状態でのリークを少なくして、ON/OFFをTFTにおこなわせる場合には、図3(A)もしくは(C)(OFF状態)と図3(D)、(F)もしくは(H)(ON状態)とが実現するように、電位を定めればよい。また、この素子を用いて、CMOSインバータ回路も構成できる。
【0028】
固定電荷は主としてNMOSで問題となるので、PMOSは従来と同じように作製し、NMOSのみを本発明を用いて作製してもよいが、電荷が負の場合にはPMOSでも問題となるので、両方を用いてもよい。
【0029】
【実施例】
〔実施例1〕本実施例では、本発明を利用した高温プロセスによる結晶化シリコンTFTの作製方法について記述する。本実施例では、ゲイト電極も裏面ゲイト電極もドープドポリシリコンによって構成した。作製技術は既に公知となっている各種半導体集積回路プロセス技術と同じであるので、詳細は述べない。
【0030】
石英基板21上にリンが1019〜5×1020cm-3、例えば8×1019cm-3ドープされた多結晶シリコン膜を減圧CVD法によって厚さ100〜500nm、例えば200nmだけ形成し、これを1000℃の酸素雰囲気中で熱酸化し、シリコン皮膜22と酸化珪素膜23を形成した。酸化珪素の厚さは50〜200nm、例えば70nmとした。不純物のドーピングされていないシリコン膜を形成し、これに不純物をドープしてから熱酸化しても、あるいは熱酸化してから不純物をドープしてもよい。
【0031】
その後、不純物のドープされていないアモルファスシリコン膜24を厚さ100〜1000nm、例えば300nm堆積した。堆積時の基板温度は450〜550℃、例えば480℃とした。また、原料ガスとしてはモノシランやポリシラン(ジシラン、トリシラン)が使用できたが、ジシランはトリシラン以上のポリシランよりも安定で、かつ、モノシランよりも良好な皮膜が形成できた。そして、600℃で12時間かけてゆっくりと結晶を成長させた。ここまでの様子を図5(A)に示す。
【0032】
次いで、パターニングをおこなって、島状の半導体領域(シリコンアイランド)を形成し、酸素雰囲気中での熱酸化することによって、その表面にゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜25を厚さ50〜500nm、例えば150nm形成した。ここまでの様子を図5(B)に示す。
【0033】
さらに、減圧CVD法によってリンのドープされた多結晶シリコン膜を厚さ300〜1000nm、例えば500nm形成し、これをパターニングしてゲイト電極26とした。さらに、このゲイト電極をマスクとしてセルフアライン的にイオン注入をおこない、1000℃でアニールして、ソース領域28とドレイン領域27を形成した。そして、TEOSのプラズマCVD法によって層間絶縁物29を形成し、これにコンタクトホールを設けてドレイン電極30を形成した。ここまでの様子を図5(C)に示す。
【0034】
その後、ソース電極を形成したが、このプロセスは特殊であるので詳述する。まず、ドレイン電極形成後、さらに層間絶縁物31を形成した。そして、フォトレジスト32をスピンコーティング法によって形成し、ソース電極のコンタクトホールを形成するために孔33を設けた。
【0035】
次に、等方的なエッチング方法、例えば等方性ドライエッチング法やウェットエッチング法によって層間絶縁物層とゲイト絶縁膜(いずれも酸化珪素)をエッチングした。このときには酸化珪素膜のみが選択的にエッチングされることが望まれる。例えば、薄いフッ化水素酸をエッチャントとして用いるとよい。そして、エッチングの時間を長めに取ると、エッチングはコンタクトホールの側面にまで及び、孔33より広いコンタクトホール34が形成された。ここまでの様子は図5(D)に示される。
【0036】
そして、今度はRIE(反応性イオンエッチング法)等の異方性エッチング法によってエッチングをおこない、孔33にほぼ忠実にソース領域28をエッチングし、コンタクトホール35を形成した。ここまでの様子は図5(E)に示される。その後、ソース領域と裏面ゲイト電極の間に存在する薄い酸化珪素膜も除去した。
【0037】
フォトレジストを除去したのち、ソースに金属配線材料によってソース電極36を形成した。すなわち、先の2段階のエッチングによって、コンタクトホールはソース領域と裏面ゲイト電極の双方に十分なコンタクトが形成される。この様子を図5(F)に示す。以上で、TFTが完成した。
【0038】
このようにして形成したNMOSとPMOSのTFTを図6(A)のように組み合わせてCMOSインバータ回路を構成した。この回路の回路図は図6(B)に示される。このインバータ回路では裏面ゲイト電極は常にソースの電位(PMOSの場合はVH 、NMOSの場合はVL )に保たれる。すなわち、スタティックな状態においては、VinがVH (したがって、Vout がVL )であれば、NMOSは図3(H)の状態に、PMOSは図3(A)の状態になる。逆にVinがVL (したがって、Vout がVH )であれば、NMOSは図3(A)の状態に、PMOSは図3(H)の状態になり、基板側のリーク電流は極めて抑制される。
【0039】
このように裏面ゲイト電極がソースと同じ電位に保たれるだけでリーク電流を減らせるのは以下のように説明される。
すなわち、NMOSにおいて、図6(C)に示すように、ドレイン61がソース63に比べて電位が高い状態を考える。もし、裏面ゲイト電極がなかったり、あっても裏面ゲイト電極64が浮遊状態にあれば、ドレインからソースへの電気力線は図6(C)に示すように、活性層領域62を真っ直ぐに横断する。
【0040】
しかし、裏面ゲイト電極がソースと同じ電位に保たれていれば、本来は真っ直ぐにソースに向かう電気力線の一部が裏面ゲイト電極に引き寄せられ、電気力線は図6(D)に示すように曲げられる。
【0041】
実際には、活性層領域と絶縁膜の界面には固定電荷が存在するので事態は複雑である。すなわち、裏面ゲイト電極がなかったり、あるいは浮遊状態であれば、固定電荷(この場合は正)によって、電気力線は影響を受け、図6(E)に示すように、絶縁膜(あるいは裏面ゲイト電極)側から活性層へ向かう成分を有する電気力線が生じる。このような電気力線の意味していることは、活性層内部に比べて絶縁膜(あるいは裏面ゲイト電極)の方が電位が高いということであるので、この電位に電子が引き寄せられて、絶縁膜界面付近に弱い反転領域が形成される。この弱反転領域は、ドレインからソースまで連続的に発生するのでリーク電流の原因となる。
【0042】
一方、裏面ゲイト電極がソースと同じ電位に保たれている場合には、活性層と絶縁膜(あるいは裏面ゲイト電極)の間に固定電荷が存在していても、ドレインから出た電気力線は裏面電極に向かう成分を有しているので相互に打ち消し合い、図6(F)に示すように、裏面電極から活性層表面に向かう成分を有する電気力線はほとんど生じない。また、一部にはそのような成分を有する電気力線が生じても、ソースからドレインにかけて全面的に生じるわけではないのでリークは極めて起こりにくい。
【0043】
このように、裏面ゲイト電極をソースの電位に保つことによって、リーク電流を著しく削減することができた。例えば、CMOS回路を構成した場合には、スタテッィク状態での維持電流は、平均的にはNMOSとPMOSのリーク電流の和程度であるが、従来のTFTでは、ドレイン電圧を5Vとした場合に、1pA程度の電流が流れた。例えば、1MビットのスタテッィクRAMには約200万のCMOSインバータ回路が存在するが、記憶を保持するために2μA程度の電流が絶えず流れていた。
【0044】
しかしながら、本発明によって特にNMOSのリーク電流が著しく低下したことにより、1つのCMOSインバータの維持電流は0.01〜0.1pA以下にまで減少した。したがって、1MビットSRAMの保持電流は0.02〜0.2μAにまで削減できた。SRAMにバックアップ用のバッテリーをパッケージした不揮発性メモリーに本発明を使用した場合には、バッテリーの寿命を従来の10〜100倍とすることが可能である。
【0045】
本発明では、従来のCMOSインバータ回路において設計事項として盛り込まれていたゲイト電極とチャネルとの容量C1 に加えて、裏面ゲイト電極を介したドレインとソースの寄生容量C2 、C3 が存在することに注意しなければならない。この寄生容量は負荷として働き、インバータの動作時に信号伝達速度を低下させ、消費電力を増やすこととなる。簡単な計算では、信号遅延時間はC2 とC3 の和に比例し、消費電力はその和の4乗に比例する。
【0046】
したがって、出来る限りこれらの寄生容量を削減することが望まれる。実際には、固定電荷はほとんど正の電荷であるので、MOSに対しては影響はでない。したがって、PMOSは従来と同じ構造とし、NMOPSだけに裏面ゲイト電極を設けて本発明を適用することは有効である。単純に考えれば寄生容量を半減することができ、寄生容量による電力のロスを16分の1にできる。
【0047】
〔実施例2〕本実施例では、本発明を利用した高温プロセスによる結晶化シリコンTFTの作製方法について記述する。本実施例では、ゲイト電極も裏面ゲイト電極もドープドポリシリコンによって構成した。作製技術は既に公知となっている各種半導体集積回路プロセス技術と同じであるので、詳細は述べない。
【0048】
石英基板71上に実施例1と同じ条件で燐のドープされた多結晶シリコン膜を形成し、これをパターニングして裏面ゲイト電極72とした。そして、1000℃の酸素雰囲気中で熱酸化し、酸化珪素膜73を形成した。その後、実施例1と同じ条件で不純物のドープされていないアモルファスシリコン膜74を堆積し、熱アニールによって結晶を成長させた。ここまでの様子を図7(A)に示す。
【0049】
次いで、パターニングをおこなって、島状の半導体領域(シリコンアイランド)を形成し、実施例1と同様に熱酸化膜75を形成した。さらに、ドープドシリコンによってNMOS用のゲイト電極77とPMOS用のゲイト電極76を形成し、セルフアライン的にN型不純物イオンを注入して、不純物領域78を形成した。この際には、裏面ゲイト電極にもN型不純物(例えばリンや砒素)が注入されるが、裏面ゲイト電極自体がN型であったので問題はなかった。ここまでの様子を図7(B)に示す。
【0050】
そして、今度は図の右側のTFTの部分をフォトレジスト等で覆って、P型不純物イオン(ボロン等)を注入した。以上の工程によって、PMOSのソース79、ドレイン80、NMOSのソース82、ドレイン81が形成された。その後、層間絶縁物83を形成した。ここまでの様子を図7(C)に示す。
【0051】
その後、フォトレジスト84を全面に形成し、コンタクトホールを設ける部分に孔85〜87を形成した。そして、実施例1と同様な手法で等方性エッチングによって層間絶縁物層とゲイト酸化膜(いずれも酸化珪素)にコンタクトホール88〜90を設けた。いずれの場合も、レジストに形成された孔よりもコンタクトホールは拡がった。さらに、異方性エッチングによって、孔85〜87通りにシリコン層をエッチングし、コンタクトホール90の部分に関してはその下の薄い酸化珪素膜もエッチングした。ここまでの様子を図7(D)に示す。
【0052】
最後に金属材料によって、電極91〜93を形成した。この様子を図7(E)に示す。電極91を高電位に、電極93を低電位に、また、電極92を出力端子としてインバータが形成された。このような工程によるインバータは、実施例1の場合に比べて、PMOSのリークが多いことが懸念されるが、一般的には、本発明によってNMOSのリーク電流が1〜2桁減少するのに対して、PMOSのリーク電流は1桁弱程度の改善しか見られず、結果的に、NMOSのみに本発明を実施しても、NMOSとPMOSのリーク電流の差が縮まるということによって、CMOSインバータ回路としての特性の劣化は特には観測されなかった。
【0053】
さらに、CMOSインバータにおいては、高電圧入力状態(NMOSがON、PMOSがOFF)では、リーク電流はPMOSのリーク電流によって決定され、また、低電圧入力状態(NMOSがOFF、PMOSがON)では、リーク電流はNMOSのリーク電流によって決定された。そして、従来のTFTにおいてはNMOSのリーク電流がPMOSの100倍以上であったので、これをSRAM回路にした場合には、1つの記憶セルにおいては、いずれかのインバータが低電圧入力状態(NMOSがOFF、PMOSがON)となっているので、結局、SRAM回路のリーク電流はNMOSのリーク電流に支配されていた。
【0054】
したがって、実質的には本実施例のように、NMOSのみに裏面ゲイト電極を設けてNMOSのリーク電流を1〜2桁減少させるだけでも十分であった。仮にNMOSとPMOSの双方に裏面ゲイト電極を設けた場合でも、リーク電流の多くの部分はNMOSによるものであるからである。むしろ、裏面ゲイト電極とドレインとの寄生容量によるデメリットを考慮すればPMOSには裏面ゲイト電極を設けないことは賢明である。
【0055】
【発明の効果】
本発明によってリーク電流の少ない優れた特性を有するTFTを作製できた。また、すでに示したように、このTFTを組み合わせてCMOSインバータの特性を向上することができた。TFTは液晶ディスプレーやイメージセンサーにとどまらず、高速論理回路や高速メモリーにも応用できる。本発明はこれらの装置に応用することができ、しかも、これらの装置の信頼性や消費電力等の諸特性を向上させる上で有効である。実施例では、主として高温プロセスを取り上げて、これに応用する方法を示したが、低温プロセスにおいても何ら問題なく適用できることは明らかであろう。なお、低温プロセスを採用する場合には、本発明人等の発明である特願平4−38637、同4−54322等に示されるような陽極酸化プロセスを利用してもよい。
【0056】
また、TFTは従来の単結晶集積回路においても使用されるが、本発明を利用することによって、従来の補助的な目的ではなく、通常のMOSトランジスタの代わりとして使用し、より一層回路の特性を高めることができることも明らかであろう。このように本発明は産業的な価値の大きな発明である。
【0057】
さらに加えて、上記課題を解決するための手段の段落で述べたように、図1および図2に示すように、基板と活性層の間に、別のゲイト電極(裏面ゲイト電極)を形成し、このゲイト電極の電位を適切な値に保つことによって、前述のような固定電荷の効果を打ち消すことができるようになる。このような裏面ゲイト電極は図1(A)のように、ソース、ドレインの全面に重なっていてもよいが、この場合にはソース、ドレインと、裏面ゲイト電極の間の寄生容量が大きくなるので、高速動作等が要求される場合には、図1(B)のようにとしてもよい。本発明では、このような裏面ゲイト電極が、少なくとも活性層の一部に重なっている構造とする際に、特に、裏面ゲイト電極が可能な限り活性層を横断する構造とすることで、上記効果をより確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のTFTの構成の概念図を示す。
【図2】従来のTFTの構成例を示す。
【図3】本発明のTFTの動作を示す。
【図4】従来のTFTの動作を示す。
【図5】本発明のTFTの作製工程を示す。
【図6】本発明のTFTの応用例を示す。
【図7】本発明のTFTの作製工程を示す。
【符号の説明】
1、11 ・・・ゲイト電極
2、12 ・・・ドレイン電極
3、13 ・・・ソース電極
4、14 ・・・ゲイト絶縁膜
5、15 ・・・ドレイン領域
6、16 ・・・ソース領域
7、17 ・・・活性領域
8、18 ・・・絶縁膜
9、19 ・・・裏面ゲイト電極
10、20・・・コンタクト部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulated gate semiconductor device, such as a thin film transistor (TFT), having a thin-film active layer (also called an activation region or a channel region) formed on an insulating substrate. Fields to which the present invention is applied include semiconductor integrated circuits, liquid crystal display devices, optical reading devices, and the like.
[0002]
[Prior art]
Recently, research has been conducted on an insulating gate type semiconductor device having a thin film active layer on an insulating substrate. In particular, thin-film insulated gate transistors, so-called thin film transistors (TFTs), have been eagerly studied. These are intended to be used for controlling each pixel of a display device such as a liquid crystal having a matrix structure. Depending on the material and crystal state of the semiconductor to be used, an amorphous silicon TFT or a polycrystalline silicon TFT is used. It is distinguished. However, recently, research has also been made to use a material that exhibits an intermediate state between polycrystalline silicon and amorphous. This is said to be semi-amorphous and is considered to be a state in which small crystals are floated in an amorphous structure.
[0003]
Also in a single crystal silicon integrated circuit, a polycrystalline silicon TFT is used as a so-called SOI technology, and this is used as a load transistor in a high integration SRAM, for example. However, in this case, the amorphous silicon TFT is hardly used.
[0004]
In general, the electric field mobility of an amorphous semiconductor is small, and therefore it cannot be used for a TFT that requires high-speed operation. In addition, since the P-type field mobility is extremely small in amorphous silicon, a P-channel TFT (PMOS TFT) cannot be manufactured. Therefore, in combination with an N-channel TFT (NMOS TFT), A complementary MOS circuit (CMOS) cannot be formed.
[0005]
However, a TFT formed of an amorphous semiconductor has a feature that the OFF current is small. Therefore, unlike a liquid crystal active matrix transistor, such a high-speed operation is not required, and only one of the conductivity types is sufficient, and it is used for an application that requires a TFT having a high charge retention capability. .
[0006]
On the other hand, a polycrystalline semiconductor has a larger electric field mobility than an amorphous semiconductor, and thus can operate at high speed. For example, in a TFT using a silicon film recrystallized by laser annealing, the electric field mobility is 300 cm. 2 A value of / Vs is obtained. The electric field mobility of a MOS transistor formed on a normal single crystal silicon substrate is 500 cm. 2 / Vs is an extremely large value, and the MOS circuit on the single crystal silicon is limited to the operation speed due to the parasitic capacitance between the substrate and the wiring. There are no such restrictions, and remarkable high-speed operation is expected.
[0007]
In addition, in the case of polycrystalline silicon, not only NTFT but also PTFT can be obtained in the same manner, so that a CMOS circuit can be formed. For example, in an active matrix liquid crystal display device, not only the active matrix portion but also peripheral circuits can be formed. A device having a so-called monolithic structure in which (a driver or the like) is formed of a CMOS polycrystalline TFT is also known. The TFT used in the above-described SRAM is also paying attention to this point, and the PMOS is constituted by a TFT, which is used as a load transistor.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, a polycrystalline TFT has a larger leakage current than an amorphous TFT due to a larger electric field mobility, and is inferior in an ability to hold a charge of an active matrix pixel. For example, when used for a liquid crystal display element, there has been no particular problem because the pixel size is several hundred μm square and the pixel capacity is large. However, the pixel capacity is reduced, which is insufficient for stable static display.
[0009]
Several solutions have been proposed for the leakage current problem of such polycrystalline TFTs. One of them is a method of thinning the active layer. This has been reported to reduce the OFF current. For example, when the thickness of the active layer is 25 nm, the OFF current is 10 -13 It is known that A or less can be achieved. However, it is known that it is very difficult to crystallize a thin semiconductor film and it is not easily crystallized.
[0010]
Moreover, reducing the thickness of the active layer leads to reducing the thickness of the source / drain regions. That is, in a normal manufacturing method, the source / drain and the active layer are formed from the semiconductor film manufactured at the same time and have the same thickness. This leads to an increase in the resistance of the source / drain region.
[0011]
For this purpose, a method is employed in which the source / drain regions are formed separately so that most of the source / drain regions are thick, but this is an additional mask process, which is not preferable from the viewpoint of yield.
[0012]
Further, according to the knowledge of the present inventors, the MOS threshold voltage is greatly shifted in the TFT having an active layer of 50 nm or less, and particularly in the case of the NMOS, the threshold is 0 V or negative. Value. When a CMOS is manufactured using such TFTs, the operation becomes unstable.
[0013]
On the other hand, when the active layer is thickened, the leakage current increases. However, the magnitude is not proportional to the thickness of the active layer, and therefore, it is considered that the leakage current increases nonlinearly due to some factor. As a result of the study by the present inventors, it has been clarified that most of the leakage current of the TFT having a thick active layer flows in a bypass manner via a portion of the active layer on the substrate side. There are two possible causes for such a leakage current. One is due to the electric charge fixed at the interface state between the substrate and the active layer, and the other is that mobile ions such as sodium enter the active layer from the substrate side, This is to make it conductive. The latter is overcome by increasing the cleanliness of the process.
[0014]
The former cannot be solved even if the interface between the substrate and the active layer is cleaned. For example, stacking the active layer directly on the substrate raises the interface state, so that an oxide film as good as the gate oxide film (for example, a thermal oxide film of silicon) is used as a base, However, even if an active layer was formed, the leakage current could not be solved. That is, it was found that the fixed charge cannot be easily removed.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a difficulty, the present inventor forms another gate electrode (referred to as a backside gate electrode) between the substrate and the active layer, and maintains the potential of the gate electrode at an appropriate value. It was discovered that the effect of the fixed charge as described above can be counteracted. A typical example of the configuration of the present invention is shown in FIGS.
[0016]
FIG. 1 illustrates the concept of the present invention, where A is a normal gate electrode and B is a back gate electrode. Such a backside gate electrode may overlap the entire surface of the source and drain as shown in FIG. 1A, but in this case, the parasitic capacitance between the source and drain and the backside gate electrode increases. When high-speed operation or the like is required, a configuration in which the source and / or the drain does not overlap with each other as illustrated in FIG. What is important is that such a back gate electrode overlaps at least a part of the active layer and crosses the active layer as much as possible to ensure the effect.
[0017]
For example, in the conventional NMOS, when the source and gate potentials are set to 0 and the drain potential is set to 10 V, the drain current is ideally 0, but the active layer is weakly inverted by the fixed charges on the substrate side. Since it is in a state, a drain current flows due to thermal excitation. This is shown in FIG. That is, in the conventional TFT, a weak inversion region as shown in the figure is formed by a fixed charge on the substrate side. This is a source of leakage current because it exists almost unchanged regardless of the voltage applied to the gate electrode. However, when the thickness of the active layer is extremely thin, the gate electrode affects the substrate side and the weak inversion region disappears due to the gate potential. So far, it has been reported that the leakage current can be reduced by making the active layer thin without particularly knowing the reason. However, this model has shown that the threshold voltage easily shifts and it is also clear that this is not an essential solution.
[0018]
The present invention intends to eliminate the effect of fixed charges by providing the back gate electrode as described above and setting the back gate electrode to 0 or a negative value. FIG. 2 shows an example of the present invention. In this case, the back gate electrode is provided with a contact hole in a part of the insulating film, connected to the source region, and always at the same potential as the source. In FIG. 2A, the back gate electrode 9 is configured to overlap with the source region 6 and the drain region 5 in exactly the same manner. In this case, the process is relatively simple, and a yield is good because there is no step in a portion where the gate electrode is present.
[0019]
If an element having such a structure is to be formed, it may be performed as follows. That is, a film to be a back gate electrode and an insulating film 8 are formed on a substrate, a contact hole 10 is formed in this, a semiconductor layer is further formed, and this is patterned together. Then, the gate insulating film 4 and the gate electrode 1 are formed to form the drain region 5 and the source region 6 in a self-aligning manner, and the portion not doped with impurities becomes the active layer 7. Finally, the drain electrode 2 and the source electrode 3 may be formed. The number of masks used in the above steps is four (if the source electrode and drain electrode are not formed simultaneously, five masks).
[0020]
On the other hand, in FIG. 2B, the back gate electrode 19 and the drain region 15 are not overlapped, and the step of the back gate electrode affects the gate electrode 11. Therefore, the gate electrode may be peeled off. Further, the number of steps increases as compared with FIG. That is, the back surface gate electrode 19 is first patterned, then the insulating film 18 is formed, and a contact hole is provided. Then, a semiconductor layer is formed and patterned, and then the gate electrode 11 is patterned, and the source region 14, the drain 15, and the activation region 17 are formed in a self-aligned manner, and the source electrode 13 and the drain electrode 12 are formed. To do. There are five to six masks used in the above process. In order to reduce the parasitic capacitance and simplify the process, it is ideal that the back gate electrode is also formed in a self-aligned manner with the source region and the drain region.
[0021]
The material of the back gate electrodes 9 and 19 must be determined in consideration of the subsequent processes. For example, when a gate insulating film is formed by a thermal oxidation method, the gate insulating film must be formed of a material that can withstand such a high temperature, and diffusion of isotopic harmful elements from the back gate material to the active layer must be avoided. For example, if the active layer is made of silicon and the gate insulating film is a thermal oxide film of silicon, the maximum process temperature normally exceeds 1000 ° C., so doped polysilicon is desirable as the material for the back gate electrode.
[0022]
In a low temperature process where the maximum process temperature is about 600 ° C., doped silicon may be used, but if a lower resistance material is used, chromium, tantalum or tungsten is preferable. Of course, the use of materials other than these should also be handled as a design matter of the practitioner.
[0023]
The operation of the TFT having such a structure is summarized in FIG. Here, an example of NMOS is shown, but in the case of PMOS, the direction of the inequality sign may be reversed. First, the gate potential V G Is the source potential V S Or drain potential V D Consider the case of whichever is lower. In this case, since the source and the drain are not symmetrical as shown in FIG. D The situation depends on the height of the. If V S <V D Then, as shown in FIG. 3A, the gate electrode, the back gate electrode, and the source are at the same potential, and electrons are swept out from these regions to form a depletion region or an accumulation region. Conversely, if V D <V S Then, as shown in FIG. 3B, the gate electrode side is a depletion region, but an inversion region is formed on the back gate electrode side, and a drain current flows. The above discussion is very rough and, strictly speaking, the threshold voltage must be considered, but the outline of the present invention can be understood.
[0024]
V D > V S In the condition of V G <V S Then, the depletion region extends to the entire active layer (FIG. 3C), but V G > V S Then, an inversion region is formed on the gate electrode side (FIG. 3D). Also, V D <V S In the condition of V G <V D Then, an inversion region is formed on the back gate side, and a drain current flows (FIG. 3E). G > V D Then, inversion regions are formed on both sides (FIG. 3F).
[0025]
V D Is V S The situation is complicated if they are equal to or similar to. That is, in this case, since there is no electric field line flowing from the source to the drain (or from the drain to the source), a weak inversion region is formed due to the influence of the fixed charge on the back gate side, as seen in the conventional TFT. Leak current is generated (FIGS. 3G and 3H).
[0026]
The back gate electrode is practically conveniently maintained at the same potential as the source or drain, but if this is not possible, it may be maintained at the same potential as other power supply potentials. Even when the potential is kept the same as that of the source or drain, if the potential does not fluctuate, the influence on the operation characteristics of the element is small.
[0027]
For example, when reducing the leakage in the off state and allowing the TFT to be turned on / off, FIG. 3 (A) or (C) (OFF state) and FIG. 3 (D), (F) or (H ) (ON state) may be determined so that the potential is determined. In addition, a CMOS inverter circuit can be configured using this element.
[0028]
Since fixed charge is mainly a problem with NMOS, PMOS may be manufactured in the same way as before, and only NMOS may be manufactured using the present invention. However, when charge is negative, PMOS also has a problem. Both may be used.
[0029]
【Example】
[Embodiment 1] In this embodiment, a method for manufacturing a crystallized silicon TFT by a high temperature process using the present invention will be described. In this embodiment, both the gate electrode and the back gate electrode are made of doped polysilicon. Since the manufacturing technique is the same as various known semiconductor integrated circuit process techniques, details are not described.
[0030]
Phosphorus 10 on the quartz substrate 21 19 ~ 5x10 20 cm -3 For example 8 × 10 19 cm -3 A doped polycrystalline silicon film was formed to a thickness of 100 to 500 nm, for example, 200 nm by a low pressure CVD method, and thermally oxidized in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. to form a silicon film 22 and a silicon oxide film 23. The thickness of silicon oxide was 50 to 200 nm, for example 70 nm. A silicon film that is not doped with impurities may be formed and then doped with impurities and then thermally oxidized, or may be thermally oxidized and then doped with impurities.
[0031]
Thereafter, an amorphous silicon film 24 not doped with impurities was deposited to a thickness of 100 to 1000 nm, for example, 300 nm. The substrate temperature during deposition was 450 to 550 ° C., for example, 480 ° C. Moreover, although monosilane and polysilane (disilane, trisilane) could be used as source gas, disilane was more stable than polysilane more than trisilane, and could form a better film than monosilane. Then, crystals were grown slowly at 600 ° C. over 12 hours. The state up to this point is shown in FIG.
[0032]
Next, patterning is performed to form an island-shaped semiconductor region (silicon island), and thermal oxidation is performed in an oxygen atmosphere to form a silicon oxide film 25 serving as a gate insulating film on the surface with a thickness of 50 to 500 nm. For example, 150 nm was formed. The state up to this point is shown in FIG.
[0033]
Further, a polycrystalline silicon film doped with phosphorus was formed by a low pressure CVD method to a thickness of 300 to 1000 nm, for example, 500 nm, and this was patterned to form a gate electrode 26. Further, ion implantation was performed in a self-aligned manner using this gate electrode as a mask, and annealing was performed at 1000 ° C. to form a source region 28 and a drain region 27. Then, an interlayer insulator 29 was formed by a plasma CVD method using TEOS, and a contact hole was provided in this to form a drain electrode 30. The state up to this point is shown in FIG.
[0034]
Thereafter, a source electrode was formed. Since this process is special, it will be described in detail. First, after forming the drain electrode, an interlayer insulator 31 was further formed. Then, a photoresist 32 was formed by a spin coating method, and a hole 33 was provided to form a contact hole for the source electrode.
[0035]
Next, the interlayer insulating layer and the gate insulating film (both silicon oxide) were etched by an isotropic etching method such as an isotropic dry etching method or a wet etching method. At this time, it is desired that only the silicon oxide film is selectively etched. For example, thin hydrofluoric acid may be used as an etchant. When the etching time is long, the etching reaches the side surface of the contact hole, and a contact hole 34 wider than the hole 33 is formed. The state up to this point is shown in FIG.
[0036]
This time, etching was performed by an anisotropic etching method such as RIE (reactive ion etching method), and the source region 28 was etched almost faithfully to the hole 33 to form a contact hole 35. The state up to this point is shown in FIG. Thereafter, the thin silicon oxide film existing between the source region and the back gate electrode was also removed.
[0037]
After removing the photoresist, a source electrode 36 was formed on the source with a metal wiring material. That is, the contact in the contact hole is sufficiently formed in both the source region and the back gate electrode by the previous two-stage etching. This state is shown in FIG. This completes the TFT.
[0038]
The NMOS and PMOS TFTs thus formed were combined as shown in FIG. 6A to constitute a CMOS inverter circuit. A circuit diagram of this circuit is shown in FIG. In this inverter circuit, the back gate electrode is always at the source potential (V in the case of PMOS). H V for NMOS L ). That is, in a static state, V in Is V H (Thus V out Is V L ), The NMOS is in the state of FIG. 3 (H) and the PMOS is in the state of FIG. 3 (A). Conversely, V in Is V L (Thus V out Is V H ), The NMOS is in the state of FIG. 3A and the PMOS is in the state of FIG. 3H, and the leakage current on the substrate side is extremely suppressed.
[0039]
The reason why the leakage current can be reduced simply by maintaining the back gate electrode at the same potential as the source is explained as follows.
That is, in the NMOS, as shown in FIG. 6C, a state is considered in which the drain 61 has a higher potential than the source 63. If there is no back gate electrode or the back gate electrode 64 is in a floating state, the lines of electric force from the drain to the source cross the active layer region 62 straightly as shown in FIG. 6C. To do.
[0040]
However, if the back surface gate electrode is kept at the same potential as the source, a part of the lines of electric force that normally go straight to the source are drawn to the back surface gate electrode, and the lines of electric force are as shown in FIG. To be bent.
[0041]
Actually, the situation is complicated because there is a fixed charge at the interface between the active layer region and the insulating film. That is, if there is no back gate electrode or is in a floating state, the electric lines of force are affected by the fixed charge (in this case, positive), and as shown in FIG. Electric lines of force having components from the electrode) side toward the active layer are generated. The meaning of such lines of electric force is that the potential of the insulating film (or backside gate electrode) is higher than that inside the active layer. A weak inversion region is formed in the vicinity of the film interface. Since the weak inversion region is continuously generated from the drain to the source, it causes a leak current.
[0042]
On the other hand, when the back gate electrode is kept at the same potential as the source, even if there is a fixed charge between the active layer and the insulating film (or back gate electrode), Since they have components toward the back electrode, they cancel each other out, and as shown in FIG. 6 (F), there are almost no lines of electric force having components from the back electrode toward the active layer surface. Moreover, even if an electric field line having such a component is generated in part, it does not occur entirely from the source to the drain.
[0043]
Thus, leakage current could be remarkably reduced by keeping the back gate electrode at the source potential. For example, when a CMOS circuit is configured, the sustain current in the static state is on average about the sum of the leakage currents of NMOS and PMOS, but in a conventional TFT, when the drain voltage is 5 V, A current of about 1 pA flowed. For example, although there are about 2 million CMOS inverter circuits in a 1-Mbit static RAM, a current of about 2 μA constantly flows to retain the memory.
[0044]
However, the sustain current of one CMOS inverter has been reduced to 0.01 to 0.1 pA or less because the leakage current of NMOS in particular has been significantly reduced by the present invention. Therefore, the holding current of the 1 Mbit SRAM can be reduced to 0.02 to 0.2 μA. When the present invention is used in a nonvolatile memory in which a backup battery is packaged in an SRAM, the battery life can be increased 10 to 100 times that of the conventional battery.
[0045]
In the present invention, the capacitance C between the gate electrode and the channel incorporated as a design matter in the conventional CMOS inverter circuit. 1 In addition, the drain and source parasitic capacitance C via the back gate electrode 2 , C Three Note that there exists. This parasitic capacitance acts as a load, reduces the signal transmission speed during operation of the inverter, and increases power consumption. In a simple calculation, the signal delay time is C 2 And C Three The power consumption is proportional to the fourth power of the sum.
[0046]
Therefore, it is desirable to reduce these parasitic capacitances as much as possible. In practice, the fixed charge is almost positive, so it has no effect on the MOS. Therefore, it is effective to apply the present invention by using the same structure as that of the conventional PMOS and providing the back gate electrode only in NMOPs. If considered simply, the parasitic capacitance can be halved, and the power loss due to the parasitic capacitance can be reduced to 1/16.
[0047]
[Embodiment 2] In this embodiment, a method of manufacturing a crystallized silicon TFT by a high temperature process using the present invention will be described. In this embodiment, both the gate electrode and the back gate electrode are made of doped polysilicon. Since the manufacturing technique is the same as various known semiconductor integrated circuit process techniques, details are not described.
[0048]
A polycrystalline silicon film doped with phosphorus was formed on the quartz substrate 71 under the same conditions as in Example 1, and this was patterned to form a back gate electrode 72. Then, thermal oxidation was performed in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. to form a silicon oxide film 73. Thereafter, an amorphous silicon film 74 not doped with impurities was deposited under the same conditions as in Example 1, and crystals were grown by thermal annealing. The state up to this point is shown in FIG.
[0049]
Next, patterning was performed to form an island-shaped semiconductor region (silicon island), and a thermal oxide film 75 was formed in the same manner as in Example 1. Further, a gate electrode 77 for NMOS and a gate electrode 76 for PMOS are formed by doped silicon, and N-type impurity ions are implanted in a self-aligned manner to form an impurity region 78. At this time, an N-type impurity (for example, phosphorus or arsenic) is also implanted into the back gate electrode, but there was no problem because the back gate electrode itself was N-type. The state up to this point is shown in FIG.
[0050]
Next, the TFT portion on the right side of the figure was covered with a photoresist or the like, and P-type impurity ions (boron or the like) were implanted. Through the above steps, a PMOS source 79 and drain 80, an NMOS source 82 and drain 81 were formed. Thereafter, an interlayer insulator 83 was formed. The state up to this point is shown in FIG.
[0051]
Thereafter, a photoresist 84 was formed on the entire surface, and holes 85 to 87 were formed in portions where contact holes were to be provided. Then, contact holes 88 to 90 were provided in the interlayer insulating layer and the gate oxide film (both silicon oxide) by isotropic etching in the same manner as in Example 1. In either case, the contact hole expanded more than the hole formed in the resist. Further, the silicon layer was etched in 85 to 87 holes by anisotropic etching, and the thin silicon oxide film below the contact hole 90 was also etched. The state up to this point is shown in FIG.
[0052]
Finally, electrodes 91 to 93 were formed from a metal material. This state is shown in FIG. An inverter was formed with the electrode 91 at a high potential, the electrode 93 at a low potential, and the electrode 92 as an output terminal. In the inverter according to such a process, there is a concern that there are more PMOS leaks than in the first embodiment, but in general, the present invention reduces the NMOS leak current by one to two digits. On the other hand, the PMOS leakage current can be improved only by about an order of magnitude, and as a result, even if the present invention is applied only to the NMOS, the difference between the leakage current of the NMOS and the PMOS is reduced. No particular deterioration of the circuit characteristics was observed.
[0053]
Further, in the CMOS inverter, in the high voltage input state (NMOS is ON, PMOS is OFF), the leakage current is determined by the PMOS leakage current, and in the low voltage input state (NMOS is OFF and PMOS is ON), The leakage current was determined by the NMOS leakage current. In the conventional TFT, the leakage current of NMOS is 100 times or more that of PMOS. When this is used as an SRAM circuit, one of the inverters is in a low voltage input state (NMOS) in one memory cell. In the end, the leakage current of the SRAM circuit is dominated by the leakage current of the NMOS.
[0054]
Therefore, it is substantially sufficient to provide the back gate electrode only in the NMOS and reduce the leakage current of the NMOS by 1 to 2 digits as in the present embodiment. This is because even if backside gate electrodes are provided on both NMOS and PMOS, most of the leakage current is due to NMOS. Rather, considering the demerits due to the parasitic capacitance between the back gate electrode and the drain, it is advisable not to provide the back gate electrode in the PMOS.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, a TFT having excellent characteristics with little leakage current can be produced. Further, as already shown, the characteristics of the CMOS inverter could be improved by combining this TFT. TFTs can be applied not only to liquid crystal displays and image sensors, but also to high-speed logic circuits and high-speed memories. The present invention can be applied to these devices, and is effective in improving various characteristics such as reliability and power consumption of these devices. In the examples, a high-temperature process is mainly taken up and a method of application to this is shown. When a low temperature process is employed, an anodic oxidation process as shown in Japanese Patent Application Nos. 4-38637 and 4-54322 which are the inventions of the present inventors may be used.
[0056]
Although TFTs are also used in conventional single crystal integrated circuits, by using the present invention, they are used as a substitute for ordinary MOS transistors rather than the conventional auxiliary purpose, and the circuit characteristics are further improved. It will be clear that it can be increased. Thus, the present invention is an invention with great industrial value.
[0057]
In addition, as described in the paragraph of means for solving the above problems, another gate electrode (backside gate electrode) is formed between the substrate and the active layer as shown in FIGS. By keeping the potential of the gate electrode at an appropriate value, the effect of the fixed charge as described above can be canceled. Such a backside gate electrode may overlap the entire surface of the source and drain as shown in FIG. 1A, but in this case, the parasitic capacitance between the source and drain and the backside gate electrode increases. When high-speed operation is required, it may be as shown in FIG. In the present invention, when such a back gate electrode has a structure that overlaps at least a part of the active layer, the above-described effect can be obtained by making the back gate electrode cross the active layer as much as possible. Can be made more reliable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a structure of a TFT of the present invention.
FIG. 2 shows a configuration example of a conventional TFT.
FIG. 3 shows the operation of the TFT of the present invention.
FIG. 4 shows the operation of a conventional TFT.
FIG. 5 shows a manufacturing process of a TFT of the present invention.
FIG. 6 shows an application example of a TFT of the present invention.
FIG. 7 shows a manufacturing process of a TFT of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 11 ・ ・ ・ Gate electrode
2, 12 ... Drain electrode
3, 13 ... Source electrode
4, 14 ... Gate insulating film
5, 15 ... Drain region
6, 16 ... source region
7, 17 ... Active region
8, 18 ... Insulating film
9, 19 ・ ・ ・ Back side gate electrode
10, 20 ... Contact part

Claims (17)

活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を絶縁表面上に有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A first gate electrode facing one surface of the active layer via a first insulating film and a second gate electrode facing the other surface of the active layer via a second insulating film are formed on the insulating surface. have to,
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to be in contact with and overlap with the source through a contact hole formed in the first insulating film so as not to overlap the drain. A thin film transistor characterized in that the thin film transistor is provided.
活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を絶縁表面上に有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに、前記活性層の少なくとも一部及び前記ソースに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A first gate electrode facing one surface of the active layer via a first insulating film and a second gate electrode facing the other surface of the active layer via a second insulating film are formed on the insulating surface. have to,
The first gate electrode is in contact with the source between the insulating surface and the active layer through a contact hole formed in the first insulating film, and at least a part of the active layer and the source A thin film transistor provided so as to overlap with a drain and not to overlap with a drain.
活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を絶縁表面上に有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記活性層を横断するように設けられ、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A first gate electrode facing one surface of the active layer via a first insulating film and a second gate electrode facing the other surface of the active layer via a second insulating film are formed on the insulating surface. have to,
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to cross the active layer, and is in contact with the source through a contact hole formed in the first insulating film. A thin film transistor provided so as to overlap with each other and not to overlap with a drain.
前記薄膜トランジスタはNMOSであり、前記第1のゲイト電極は0V以下の電位に保持されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。  4. The thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor is an NMOS, and the first gate electrode is held at a potential of 0 V or less. 5. 前記活性層は、多結晶半導体膜からなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。  The thin film transistor according to claim 1, wherein the active layer is made of a polycrystalline semiconductor film. 絶縁表面上の薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using thin film transistors on an insulating surface,
The thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second gate electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film Have
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to be in contact with and overlap with the source through a contact hole formed in the first insulating film so as not to overlap the drain. A semiconductor integrated circuit, characterized in that the semiconductor integrated circuit is provided.
絶縁表面上の薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに、前記活性層の少なくとも一部及び前記ソースに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using thin film transistors on an insulating surface,
The thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second gate electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film Have
The first gate electrode is in contact with the source between the insulating surface and the active layer through a contact hole formed in the first insulating film, and at least a part of the active layer and the source The semiconductor integrated circuit is provided so as to overlap with the drain and not to overlap with the drain.
絶縁表面上の薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記活性層を横断するように設けられ、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using thin film transistors on an insulating surface,
The thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second gate electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film Have
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to cross the active layer, and is in contact with the source through a contact hole formed in the first insulating film. A semiconductor integrated circuit characterized by being provided so as to overlap with each other and not to overlap with a drain.
前記薄膜トランジスタはNMOSであり、前記第1のゲイト電極は0V以下の電位に保持されていることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の半導体集積回路。  9. The semiconductor integrated circuit according to claim 6, wherein the thin film transistor is an NMOS, and the first gate electrode is held at a potential of 0 V or less. 絶縁表面上のPチャネル型薄膜トランジスタ及びNチャネル型薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記Pチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に絶縁膜を介して対向するゲイト電極を有し、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor on an insulating surface,
The P-channel type thin film transistor has a gate electrode opposed to one surface of an active layer through an insulating film,
The N-channel type thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film. Has a gate electrode,
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to be in contact with and overlap with the source through a contact hole formed in the first insulating film so as not to overlap the drain. A semiconductor integrated circuit, characterized in that the semiconductor integrated circuit is provided.
絶縁表面上のPチャネル型薄膜トランジスタ及びNチャネル型薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記Pチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に絶縁膜を介して対向するゲイト電極を有し、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに、前記活性層の少なくとも一部及び前記ソースに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor on an insulating surface,
The P-channel type thin film transistor has a gate electrode opposed to one surface of an active layer through an insulating film,
The N-channel type thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film. Has a gate electrode,
The first gate electrode is in contact with the source between the insulating surface and the active layer through a contact hole formed in the first insulating film, and at least a part of the active layer and the source The semiconductor integrated circuit is provided so as to overlap with the drain and not to overlap with the drain.
絶縁表面上のPチャネル型薄膜トランジスタ及びNチャネル型薄膜トランジスタを用いて形成された半導体集積回路であって、
前記Pチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に絶縁膜を介して対向するゲイト電極を有し、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、活性層の一方の面に第1の絶縁膜を介して対向する第1のゲイト電極及び該活性層の他方の面に第2の絶縁膜を介して対向する第2のゲイト電極を有し、
前記第1のゲイト電極は、前記絶縁表面と前記活性層との間に、前記活性層を横断するように設けられ、前記第1の絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してソースに接するとともに重なるように設けられ、ドレインに重ならないように設けられていることを特徴とする半導体集積回路。
A semiconductor integrated circuit formed using a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor on an insulating surface,
The P-channel type thin film transistor has a gate electrode opposed to one surface of an active layer through an insulating film,
The N-channel type thin film transistor includes a first gate electrode opposed to one surface of the active layer via a first insulating film, and a second electrode opposed to the other surface of the active layer via a second insulating film. Has a gate electrode,
The first gate electrode is provided between the insulating surface and the active layer so as to cross the active layer, and is in contact with the source through a contact hole formed in the first insulating film. A semiconductor integrated circuit characterized by being provided so as to overlap with each other and not to overlap with a drain.
前記第1のゲイト電極は0V以下の電位に保持されていることを特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれか一項に記載の半導体集積回路。  13. The semiconductor integrated circuit according to claim 10, wherein the first gate electrode is held at a potential of 0 V or less. 前記Pチャネル型薄膜トランジスタ及び前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、相補型のMOS回路を形成していることを特徴とする請求項10乃至請求項13のいずれか一項に記載の半導体集積回路。  14. The semiconductor integrated circuit according to claim 10, wherein the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor form a complementary MOS circuit. 前記Pチャネル型薄膜トランジスタ及び前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、CMOSインバータ回路を形成していることを特徴とする請求項10乃至請求項13のいずれか一項に記載の半導体集積回路。  The semiconductor integrated circuit according to claim 10, wherein the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor form a CMOS inverter circuit. 前記活性層は、多結晶半導体膜からなることを特徴とする請求項6乃至請求項15のいずれか一項に記載の半導体集積回路。  The semiconductor integrated circuit according to claim 6, wherein the active layer is made of a polycrystalline semiconductor film. 請求項6乃至請求項16のいずれか一項に記載の半導体集積回路は、光学読み取り装置であることを特徴とする半導体集積回路。  The semiconductor integrated circuit according to claim 6, wherein the semiconductor integrated circuit is an optical reading device.
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