JP4362275B2

JP4362275B2 - 薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JP4362275B2
Application number: JP2002311525A
Authority: JP
Inventors: 伸吾西郷
Original assignee: NEC LCD Technologies Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004146690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に、有機膜をリフローし、ゲート配線側壁の保護及びゲート配線部の段差を平坦化する薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化は、微細パターンの形成手段であるフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術とに支えられて達成されてきた。しかし、このようにして半導体装置が高性能化されてくると、その製造工程が高度化し製造コストが増加するようになる。
【０００３】
そこで、最近では、半導体装置の製造コストを大幅に低減すべく、パターンの製造工程を短縮させて全体の工程数を減らすことが強く要求されてきている。
【０００４】
薄膜トランジスタをガラス基板上に形成する技術を例に挙げて説明すると、薄膜トランジスタは、マスクを用いたフォトリソグラフィ工程を通じて製造されるのが一般的であり、製造工程数を減らすためには、このマスク数を削減し、フォトグラフィ工程を減らすのが効果的である。
【０００５】
例えば、逆スタガ型でチャネルエッチング方式のＴＦＴ素子を形成した液晶表示素子は、通常５、６枚のマスクを使用する。これに対して、１つのマスクで２種類の膜厚を有するフォトレジストパターンを形成する方法を用いることにより、マスク数を削減することができる。この方法によれば、従来必要とされたマスク数を４枚のマスク数で済む。この２種類の膜厚を有するフォトレジストパターンを形成する方法は、（１）ハーフトーンマスクによる方法と、（２）レジストのリフロー（加熱軟化）による方法として開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
本発明は、この（２）の方法に関するものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４８８６号公報（図１３、図１４、図１５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した逆スタガー構造チャネルエッチ型薄膜トランジスターの製造の際、電極側壁のカバレジ性が悪く、ドレイン配線の断線が発生する問題があった。すなわち信頼性品質安定化は液晶パネルの最重要課題である。
【０００９】
また、製造工程短縮による生産効率の向上は単に企業収益の改善に限らず、資源の有効活用による環境保護ために重要な課題である。
【００１０】
したがって、本発明では有機膜をマスクにし、ゲート電極及びアイランド層を一括形成することにより工程短縮を行い、さらに、同有機膜をリフローしゲート電極側壁をテーパー形状での保護及びカバレジ性の向上によりドレイン配線の断線防止を図ることが可能となる。
【００１１】
本発明の目的は、上記の問題を解決した薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を成膜し、順次、ゲート絶縁膜、半導体層、オーミック層のそれぞれを成膜する積層膜形成工程と、前記積層膜の上に有機膜パターンを形成する有機膜パターン形成工程と、前記有機膜パターンをマスクとして前記積層膜をエッチングして前記ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記有機膜パターンに薬液を浸透させる薬液リフローにより前記有機膜パターンを変形させ、前記有機膜パターンが前記積層膜の側面を保護し、かつ、前記有機膜パターンがテーパー形状である有機膜パターン変形工程と、前記有機膜パターンを焼成し、前記有機膜パターンを絶縁膜にする絶縁膜化工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は、有機膜を印刷法またはフォトリソ法により形成し、下地（ゲート絶縁膜、ゲート配線）をエッチング後に有機膜をリフローし、ゲート配線側壁の保護及びゲート配線部の段差を平坦化することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１４】
次に、本発明の実施形態について、図１、２を参照して説明する。図１、２は、アクティブマトリクス基板上の薄膜トランジスタ１００のアイランド部及びソース・ドレイン電極の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１５】
本発明の実施の形態の薄膜トランジスタ１００は、ゲート配線５２、ゲート絶縁膜５３、半導体層５４、有機膜５６、オーミック層５５及びソース配線５８、ドレイン配線５９、パッシベーション窒化膜６０、透明電極６１で積層される構造である。
【００１６】
まず、本発明の実施の形態の薄膜トランジスタの製造方法につて、図1乃至図５を参照して説明する。
【００１７】
本発明の逆スタガー構造チャネルエッチ型薄膜トランジスタ１００を以下の工程（１）〜（５）項の手順により形成する。断面図を図１に示す。
【００１８】
工程（１）では、ゲート電極２５２を成膜し、順次、ゲート絶縁膜２５３、半導体層２５４、オーミック層２５５の成膜を行う。すなわち、ガラス基板５１上に、ゲート電極２５２として配線材（例えば、Ａｌ、Ｃr、Ｍｏ、Ｔｉ等）をスパッタ法により成膜する。次に、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜・半導体膜・オーミック膜を成膜する（図２参照）。
【００１９】
工程（２）では、有機膜層を形成する。すなわち、工程（１）項実施後、有機膜３５６（例えば、可溶性ポリイミド）を印刷法またはフォトリソ法により積層する。
【００２０】
有機膜３５６（例えば可溶性ポリイミド）をマスクに下地層（オーミック層３５５、半導体層３５４、ゲート絶縁膜層３５３、ゲート電極３５２）をエッチングしゲート電極を形成する（図３を参照）。
【００２１】
次に、有機膜３５６（例えば可溶性ポリイミド）をＮ−メチル−２−ピロリジン雰囲気（２０〜１５０℃）にさらし、リフローする。毛細管現象により、ゲート電極側壁が、有機膜（５６、５７）にてテーパー形状に保護される。有機膜をリフローしゲート電極側壁をテーパー形状にて保護する（図４を参照）。さらに、１８０〜２５０℃にて焼成し有機膜（５６，５７）を絶縁化させる。
【００２２】
次に、工程（３）でドレイン配線５９を形成し、チャネルエッチングする。すなわち、工程（２）項実施後、配線材（Ａｌ、Ｃr、Ｍｏ、Ｔｉ等）をスパッタ法により成膜し、フォトリソ法によりパターンニング及びエッチングしドレイン配線５９を形成する。次に、チャネルエッチングし、チャネル部を形成する。
【００２３】
次に、工程（４）でパッシベーション窒化膜６０の成膜・コンタクトホールを形成する。工程（３）項実施後、チャネル部の保護のためプラズマＣＶＤ法によりパッシベーション窒化膜６０を成膜する。フォトリソグラフィ法によりコンタクトホールを形成する。
【００２４】
工程（５）で透明電極６１の形成する。工程（４）項実施後、スパッタ法により透明電極６１（ＩＴＯ膜等）を成膜し、フォトリソグラフィ法により透明電極６１を形成する。
【００２５】
この場合薬液として、沸点が比較的低い（１２０℃以下、特に８０℃以下が最適）有機溶剤を使用するほど、レジストが溶解する初期に粘度の低い状態の２段階の薬液溶解リフローが発生するので、テーパー状の段差を呈する膜を形成し易い。
【００２６】
このようにして、逆スタガード型のＴＦＴが形成される。これ以降の工程の説明は省略されるが、例として、画素電極、パッシベーション絶縁膜等が形成されて、アクティブマトリクスＴＦＴ―ＬＣＤ素子が形成されることになる。
【００２７】
本発明によれば、レジストパターンのリフローに薬液溶解リフローを用いるので、レジストパターンの変形がほぼ原状の平面形状を維持しつつ行われ、かつ、レジストパターンがリフローして新たに積層膜の側面に薄い膜厚のレジストパターンが形成される。
【００２８】
さらに、溶解リフローしたレジストパターンをマスクとして、その下の被エッチング膜に第１のエッチングを行って、被エッチング膜に第１のパターンを形成する。ここで、本発明の実施形態ではレジスト膜を用いたが、本発明はこれに限定されず、以下に示す有機膜が適用可能であり、その有機膜は、有機系材料と有機溶剤で主に構成されている有機膜と、無機系材料と有機溶剤で主に構成されている有機膜である。前者の有機系材料は、レジスト膜、アクリル、ポリイミド、ポリアクリルアミド等の樹脂及び高分子有機材料であり、後者の無機材料として、シロキサン又は、ポリシロキサン、ポリシラン、ポリシリーン、カルボシラン、シリコン、無機ガラス等が挙げられる。両者に用いられる有機溶剤は、既に記載した有機溶剤薬液が全てが使用可能である。
【００２９】
また、有機膜が水溶性材料であるときは、ポリアクリル酸、ポリビニルアセタール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリエチレンオキシド、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、オキサゾリン基含有水溶性樹脂、水溶性メラミン樹脂、水溶性尿素樹脂、アルキッド樹脂、スルホンアミドのうち１種類又はこれらの２種類以上の混合物である。
【００３０】
有機膜が有機溶剤に溶解性の有る有機材料又は無機材料で構成されている場合には、薬液として有機溶剤の溶液が用いられる。有機膜が水に溶解性のある有機溶剤と有機材料又は有機溶剤と無機材料で構成されている場合には、薬液として少なくとも水を含む水溶液を用いることで同様の処理効果を起こすことも可能である。
【００３１】
また、本発明の実施形態では、特に有機溶剤に溶解性のある有機系材料で有機膜が構成されている場合で、薬液に有機溶剤の溶液を用い、リフロー方法として前述の第１のリフロー方法、すなわち薬液蒸気に暴露するリフロー方法を用いた例を示した。しかしながら、リフロー方法としては、別のリフロー方法、すなわち薬液中へ浸漬するリフロー方法を用いることも可能である。
【００３２】
ここで使用するレジストマスクの材料としては、次のような有機レジストが好ましい。例えば、高分子化合物と感光剤及びその他添加剤から形成されるものとして、有機材料のみからなるレジストや有機材料と無機材料との混合からなるレジストがある。
【００３３】
有機材料のみからなるレジストでは、ポリビニル系の例としてポリビニルケイ皮酸エステルがある。また、ゴム系の例としては、環化ポリイソプレンや環化ポリブタジエンにビスアジド化合物を混合した物がある。ノボラック樹脂系の例としては、クレゾールノボラック樹脂とナフトキノンジアジド−５−スルフォン酸エステルを混合した物がある。さらにアクリル酸の共重合樹脂系の例として、ポリアクリルアミドやポリアミド酸がある。その他の例としては、臭素、ヨウ素を添加又は、多く含むレジストがある。
【００３４】
一方、有機材料と無機材料からなるレジストとしては、Ｓｉ含有レジストの例としてのシロキサン又は、ポリシロキサン、ポリシラン、ポリシリーン、カルボシランを含むレジストがあり、Ｓｉ以外の金属含有レジストの例として、ゲルマニウムを含有するレジストがある。
【００３５】
また、レジストマスクは、ネガ型あるいはポジ型のいずれのレジストで形成されていてもよい。ポジ型としては、ノボラック樹脂系の、例えば、クレゾールノボラック樹脂とナフトキノンジアジド−５−スルフォン酸エステルを混合した物が適している。ネガ型としては、ゴム系の、例えば、環化ポリイソプレンや環化ポリブタジエンにビスアジド化合物を混合した物が適している。
【００３６】
また、有機溶剤として本発明の実施形態では、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を用いたが、有機溶剤は、以下に示す有機溶剤のうち少なくとも一つを含むものであれば、本実施形態の変形例として適用可能である。以下には、有機溶剤を上位概念としての有機溶剤と、それを具体化した下位概念の有機溶剤とに分けて示している。（Ｒはアルキル基又は置換アルキル基、Ａｒはフェニル基又はフェニル基以外の芳香環を示す）有機溶剤：
アルコール類（Ｒ−ＯＨ）
アルコキシアルコール類
エーテル類（Ｒ−Ｏ−Ｒ、Ａｒ−Ｏ−Ｒ、Ａｒ−Ｏ−Ａｒ）
エステル類
ケトン類
グリコール類
アルキレングリコール類
グリコールエーテル類
上記有機溶剤の具体例：
・ＣＨ3ＯＨ、Ｃ2Ｈ5ＯＨ、ＣＨ3（ＣＨ2）ＸＯＨ
・イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）
・エトキシエタノール
・メトキシアルコール
・長鎖アルキルエステル
・モノエタノールアミン（ＭＥＡ）
・アセトン
・アセチルアセトン
・ジオキサン
・酢酸エチル
・酢酸ブチル
・トルエン
・メチルエチルケトン（ＭＥＫ）
・ジエチルケトン
・ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）
・メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）
・ブチルカルビトール
・ｎ−ブチルアセテート（ｎＢＡ）
・ガンマーブチロラクトン
・エチルセロソルブアセテート（ＥＣＡ）
・乳酸エチル
・ピルビン酸エチル
・２−ヘプタノン（ＭＡＫ）
・３−メトキシブチルアセテート
・エチレングリコール
・プロピレングリコール
・ブチレングリコール
・エチレングリコールモノエチルエーテル
・ジエチレングリコールモノエチルエーテル
・エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート
・エチレングリコールモノメチルエーテル
・エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート
・エチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテル
・ポリエチレングリコール
・ポリプロレングリコール
・ポリブチレングリコール
・ポリエチレングリコールモノエチルエーテル
・ポリジエチレングリコールモノエチルエーテル
・ポリエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート
・ポリエチレングリコールモノメチルエーテル
・ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート
・ポリエチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテル
・メチル−３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）
・プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）
・プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）
・プロピレングリコールモノプロピルエーテル（ＰＧＰ）
・プロピレングリコールモノエチルエーテル（ＰＧＥＥ）
・エチル−３−エトキシプロピオネート（ＦＥＰ）
・ジプロピレングリコールモノエチルエーテル
・トリプロピレングリコールモノエチルエーテル
・ポリプロピレングリコールモノエチルエーテル
・プロピレングリコールモノメチルエーテルプロピオネート
・３−メトキシプロピオン酸メチル
・３−エトキシプロピオン酸エチル
・Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）
次に、薬液溶解リフローの為の処理として、主に有機溶剤の溶液の蒸気中に曝される方法を採用して説明する。
【００３７】
有機溶剤の温度は、常温（２０℃付近）に保つようにする。こうして、有機溶剤の蒸気にさらし、蒸気暴露処理する。ここで蒸気密度の高いアセトンやプロピレングリコールモノエチルエーテルを用いる場合には、０．１〜３分の蒸気暴露処理だが、蒸気密度の低いトリプロピレングリコールモノエチルエーテルや、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを用いる場合には、５〜２０分の処理を行なう。
【００３８】
レジストに上述した薬液すなわち有機溶剤の溶液が浸透している状態ではレジストが溶解してリフローが起きる（ここでは、薬液リフロー、溶解リフロー又は薬液溶解リフローと呼ぶ）、薬液の供給を絶つと薬液は数十秒〜数分以内（有機溶剤の種類による）にレジスト中の有機溶剤が蒸発してレジストが固まる現象が見られた。また、溶解中は薬液が浸透しているのでレジストは膨張状態になるが、薬液が蒸発した後では体積が元に戻ることも見い出した。
【００３９】
以上述べてきたように、本発明の薄膜トランジスタの製造方法では、有機膜材料マスクパターンのリフローを薬液を用いた溶解リフローにより行うので、有機膜材料マスクパターンのリフロー後、有機膜材料マスクパターンをテーパーの部分とマスクパターンとすることができる。
【００４０】
次に、本発明の他の実施の形態の逆スタガー構造チャネルエッチ型薄膜トランジスタを以下の工程（１）〜（５）項の手順により形成する。断面図を図６に示す。
【００４１】
工程（１）では、ゲート電極成膜５５２を成膜し、順次、ゲート絶縁膜５５３、半導体層５５４、オーミック層５５５の成膜を行う。すなわち、ガラス基板５１上に配線材（Ａｌ、Ｃr、Ｍｏ、Ｔｉ等）をスパッタ法により成膜する。次に、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜５５３・半導体膜５５４・オーミック膜５５５を成膜する。
【００４２】
工程（２）では、さらに、有機膜層を形成する。工程（１）項実施後、有機膜を印刷法またはフォトリソ法により積層する。有機膜をマスクに下地層（オーミック層、半導体層、ゲート絶縁膜層、ゲート電極）をエッチングしゲート電極を形成する。有機膜をリフローしゲート電極側壁をテーパー形状にて保護する。
【００４３】
工程（３）では、ドレイン配線の形成をする。工程（２）項実施後、配線材（Ａｌ、Ｃr、Ｍｏ、Ｔｉ等）をスパッタ法により成膜し、フォトリソ法によりパターンニング及びエッチングしドレイン配線を形成する。
【００４４】
次に、工程（４）では、透明電極形成・チャネルエッチングを行う。工程（３）項実施後、透明電極（ＩＴＯ等）をスパッタ法により成膜し、フォトリソ法によりパターンニング及びエッチングし透明電極を形成する。次にチャネルエッチングしチャネル部を形成する。
【００４５】
最後に工程（５）では、パッシベーション窒化膜の成膜・コンタクトホールの形成を、工程（４）項実施後、チャネル部の保護のためプラズマＣＶＤ法によりパッシベーション窒化膜５６０を成膜する。フォトリソ法によりコンタクトホールを形成する。
【００４６】
【発明の効果】
上述のように、本発明のパターン形成方法及びそれを用いたアクティブマトリクス基板の製造方法によれば、有機膜材料マスクパターンのリフローを薬液を用いた溶解リフローにより行うので、有機膜材料マスクパターンのリフロー後、有機膜材料マスクパターンを膜厚の厚い部分を構成する部分とリフローにより新たに形成された薄い膜厚の部分とに明確に区分されたマスクパターンとすることができる。従って、リフロー後に薄い部分を除去しても厚い部分の平面形状が基板間、基板内でばらつきが小さく、再現性良く形成され、それをマスクにした被エッチング膜のエッチングパターンも精度の良いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の薄膜トランジスタの断面図である。
【図２】本発明の実施形態の薄膜トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】図２に続く製造工程を示す断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の薄膜トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
５１絶縁基板
５２、２５２，３５２，５５２ゲート電極
５３、２５３，３５３，５５３ゲート絶縁膜
５４、２５４、３５４、５５４半導体膜（アモルファスシリコン）
５５、２５５，３５５，５５５オーミックコンタクト膜（ｎ+型アモルファスシリコン）
５６、５７有機膜
５８ソース電極
５９ドレイン電極
６０パッシベーション膜
１００、５００薄膜トランジスタ

Claims

基板上にゲート電極を成膜し、順次、ゲート絶縁膜、半導体層、オーミック層のそれぞれを成膜する積層膜形成工程と、
前記積層膜の上に有機膜パターンを形成する有機膜パターン形成工程と、
前記有機膜パターンをマスクとして前記積層膜をエッチングして前記ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記有機膜パターンに薬液を浸透させる薬液リフローにより前記有機膜パターンを変形させ、前記有機膜パターンが前記積層膜の側面を保護し、かつ、前記有機膜パターンがテーパー形状である有機膜パターン変形工程と、
前記有機膜パターンを焼成し、前記有機膜パターンを絶縁膜にする絶縁膜化工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機膜は、可溶性ポリイミド膜である請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記絶縁膜化工程は、１８０〜２５０℃で前記有機膜を焼成する請求項１または２記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記薬液リフローが、前記有機膜に薬液の蒸気ガスを暴露させることにより行われる請求項１乃至３記載のいずれか一に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記薬液リフローの薬液は、以下に示す有機溶剤のうち少なくとも一つを含む有機溶液である請求項１乃至４のいずれか一に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
有機溶剤（Ｒはアルキル基又は置換アルキル基、Ａｒはフェニル基又はフェニル基以外の芳香環を示す）：
・アルコール類（Ｒ−ＯＨ）
・エーテル類（Ｒ−Ｏ−Ｒ、Ａｒ−Ｏ−Ｒ、Ａｒ−Ｏ−Ａｒ）
・エステル類
・ケトン類
・グリコール類
・アルキレングリコール類
・アルコキシアルコール類
・グリコールエーテル類
前記有機膜パターンの構成材料がレジスト膜、アクリル、ポリイミド、ポリアクリルアミドのいずれかである請求項１乃至５のいずれか一に記載の薄膜トランジスタの製造方法。