JP4443652B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にボトムゲート形トランジスタ構造においては、金属のゲート材が基板上に形成される。基板は紫外(UV)光を透過させ、ゲート金属は透過させない。絶縁層がゲート金属上に形成され、チャネル形成用の活性材料層がこの絶縁層上に成膜される。活性材料層の例として、真性水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)あるいは他の類似の材料がある。窒化物保護層が前記活性材料層上に成膜され、次工程でこの保護層からアイランドが形成される。これらの各付加層も一般にUV光を透過させる。次にフォトレジスト層が前記保護層上に成膜される。この後UV光が基板、絶縁層、活性材料層、および保護層を通して照射される。このUV光はゲート金属で遮蔽された領域以外のフォトレジストに達して、該フォトレジストを露光する。次いでこのUV光で露光された領域のフォトレジストの現像が行われる。このパターン形成されたフォトレジストをマスクに用いて窒化物保護層がエッチングされる。このエッチングは、前記フォトレジストの露光がゲート金属で遮蔽された部分以外(若干の側面エッチングを除いて)の全ての領域について行われる。これによって窒化物保護アイランドが形成され、このアイランドはゲート電極で範囲を規定されている。以後、この部分の構造を「自己整合的」とする。
【0003】
次に、接点層(例えばn+になるようにドーピングされたa−Si:Hなど)が前記各層上に成膜される。続いてリソグラフィ(または他の類似の工法)を用いて、ゲート金属上に位置した部分の接点層が大まかに除去される。ドーピングされたa−Si:Hを真性a−Si:H上で選択的にエッチングする(すなわち前者を除去して後者を除去しない)ことは困難であるため、表層の保護用アイランドをエッチング防止材に用いてソースおよびドレイン電極を形成する。完成した構造を図1(a)および図1(b)に示す。図において、薄膜トランジスタ(TFT)10は、基板12、基板12上に形成されたゲート金属14、ゲート絶縁層16、活性層18、表面保護用アイランド20、ドレイン電極22、およびソース電極24からなる。しかしながら、前述したようにドーピングされたa−Si:Hと真性a−Si:Hとの選択的なエッチングの制御は困難であるため、オーバラップ28および30に示すように、これまではドーピングされたa−Si:Hだけをエッチングして、一定量のドーピングされたa−Si:Hが保護用アイランド20にオーバラップして残るようにされていた。したがって、この部分の構造は自己整合的ではない。
【0004】
オーバラップ28および30を残すことによってドーピングされたa−Si:Hを通した真性a−Si:H内のエッチングの問題は軽減されるが、いくつかの理由によりゲート金属上を覆う接点層はできるだけ多く除去されるべきである。第一の理由は、ソースおよびドレイン電極間の隙間26が大きくなると、両電極間の電気的絶縁性が向上することである。第二の理由は、トランジスタのチャネル長はトランジスタの動作特性、材料およびその他のパラメータによって事前設定されることである。オーバラップ28および30はチャネル長を長くし、結果として、構造全体の大きさが大きくなる。例えば、チャネル26、オーバラップ28および30の各長さが5マイクロメータ(μm)以上で、全体で15μm以上になることがある。今日の競合の激しいアクティブマトリクス薄膜センサセルでは、光センサや電気接続端子を含んだ両端の長さが約50μm以下になるようにされる。したがって、オーバラップを少なくすることによりトランジスタ長が縮小し、その結果セル内の検出器用材料の領域および(あるいは)所定寸法のアレー中のセル数を増加させることができる。
【0005】
最後にもっとも重要な問題として、寄生容量の形成の問題がある。この寄生容量は、ソースまたはドレイン電極材料とゲート材料間のオーバラップした箇所に形成される。寄生容量を図2の、表示装置あるいは感知装置用のセル50についての概略回路図に示す。セル50はTFT52を備え、TFT52はセルアドレス用のスイッチとして機能する。TFT52のゲート54はゲートライン60に接続され、TFT52のドレイン56はデータライン62に接続される。TFT52のソース58はセンサ素子(p−i−n光検出器など、図示せず)あるいは表示素子(液晶層構造など、図示せず)のいずれかに接続される。図2ではこれらの素子をまとめて画素66とする。
【0006】
図1(a)に示したオーバラップ28および30の影響によってソースおよびゲート間に寄生容量(キャパシタ64)が発生する。この寄生容量は画素電極上のフィードスルー電圧の発生原因となり、表示素子の場合は画像のちらつき(オフ状態からオン状態への遷移異常)と焼き付き(オン状態からオフ状態への遷移異常)が発生する。センサ素子の場合は、寄生容量は読み出しノイズの原因になる。
【0007】
図3に寄生容量とフィードスルー電圧によるいくつかの悪影響を示す。図3には、時刻t1からt5 にかけてのTFT52のゲート54電圧Vgとドレイン56の電圧Vdが示されている。また図3には、実線で表した画素66における実電圧Vpixと一点鎖線で表した画素66における理想電圧Videalも示されている。時刻t1で、データライン62の電圧レベルはハイ(通常5〜10V)である。一方、ゲートライン60の電圧レベルはロー(通常0V)である。したがって、TFT52のチャネルは閉じており、電圧がデータライン62と画素66間にかかることはなく、例えば典型的なバックライト付き液晶表示素子の場合は、前記画素は不透明すなわちオフ状態である。
【0008】
時刻t2では、データライン62の電圧レベルはハイのままであるが、ゲートライン60の電圧レベルはローからハイ(通常10〜15V)に移行する。この結果TFT52のチャネルが開く。この結果データライン62から画素66にかけて電圧が印加され、バックライト付き液晶の場合は画素66が透明すなわちオン状態になる。画素66は、通常Cpixで示した一定の固有容量をもつ。また、TFTと画素とが集積された構造構成であるため、TFT52のソース電極と画素電極間には通常オーバラップが存在する。このため、ソースと画素の間にCpixと並列な容量Csが生じる。しかしながら先に述べたように、ソース58とゲート54間にはオーバラップ30(図1(a))に起因する容量も存在する。ゲート54はゲートライン60に接続され、ソース58は画素66の電極に接続されている。前記容量は、ゲートライン60と画素66間の容量Cgsで表される(図2)。したがって、時刻t2と時刻t3の間では想定通りの電圧が画素66にかかる。
【0009】
時刻t3で、ゲートライン60の電圧レベルはローにスイッチされる。これによりTFT52のチャネル中の電荷は消失する。しかしながら、この時刻でCgsの両端に電位差があり、この電位差によってCpixに蓄えられた電荷の一部がCgsに再分布し、電圧降下ΔVpが発生する。この電圧降下をフィードスルー電圧とする。時刻t4で、データライン62の電圧レベルはローであり、ゲートライン60の電圧レベルはローからハイにスイッチされる。この結果TFT52のチャネルは再び開く。しかしながら、データライン62の電圧レベルはローであるため、容量Cpix、CsおよびCgsはデータライン62のライン電圧レベルまで放電され、これにより画素66はオフにスイッチされる。時刻t5で、ゲートライン60とデータライン62の電圧は共にローである。しかしながら、この場合もCgsの両端に電位差があり、この電位差によってCgsから画素66に電荷が再分布して、別のフィードスルー電圧降下ΔVpが発生する。
【0010】
理想的には、一点鎖線Videalで示すようにオフ状態の電圧とオン状態の電圧は一定である。しかしながら、ゲート電極にオーバラップしたソース電極の影響で生じる寄生容量がこの理想的な応答を得ることを妨げる。実際には、時刻t3でゲート電圧レベルがハイからローに変化する時は、データライン62で設定された値からの電圧降下が生じる。表示装置の場合は、このフィードスルー電圧によって前述の画像「ちらつき」(オフ状態からオン状態に移る時の明るさの変動)が発生する。同様に、時刻t5では、フィードスルー電圧はCpixおよびCsの完全な放電を妨げ、前述の画像の「焼き付き」(残留電圧、この場合はオン状態からオフ状態に移る時の表示画素中の光透過)が発生する。
【0011】
同様に、セル50をセンサ装置に適用した場合は、前述の容量とフィードスルー電圧による諸現象がセンサノイズの原因になる。すなわち、Cgsを通したゲートライン60からのフィードスルー電圧が画素66からの読み出し電圧に加わり、信号エラーを招く。
【0012】
フィードスルー電圧の大きさはデータラインでの電圧レベルの関数であり、次式で表される。
【0013】
すなわち、
【数1】
ΔVp∝f(Cpix,Cgs)・Vd
したがって、例えば階調表示の用途では、Vdの変化にしたがってフィードスルー電圧が変動し、さらにこの変動がVdで想定された値からの画素応答の変動を招く。このことは、表示装置と感知装置の両方の用途において階調レベルの制御が一様でないことを意味する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、新規改良された薄膜トランジスタ構造およびその製作方法が必要とされる。前記構造は、ソースおよびドレインとゲート電極との双方の間におけるオーバラップを解消したものである。この構造物の配列の、TFTスイッチ画素においては、該構造により素子性能の著しい向上が得られる。この素子性能の向上はソース電極と画素間の寄生容量とフィードスルー電圧が解消されることによる。またセル間での素子寸法や性能の変動が著しく低減されると共に、素子の外形寸法を小さくすることができる。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極間のオーバラップのない改良された薄膜トランジスタを提供する方法に関するものである。ソース電極とゲート電極間の寄生容量とフィードスルー電圧は、本構造において著しく低減もしくは解消される。
【0016】
本発明によって得られる特長として、表示装置における画像のちらつきと焼き付きの減少、画像形成装置における読み出しノイズの低減、および表示装置と画像形成装置の両方における階調レベル特性の向上がある。また本発明によりTFT画素スイッチの寸法を小さくすることができる。
【0017】
本発明はレーザドーピング法を用いて自己整合的なTFTのソースおよびドレイン領域を形成するものである。ドーピング用マスクは光学フィルタによって形成され、この光学フィルタは、ドーピング工程で使われる放射源(例えばレーザ)の波長(例えば約308nm)を反射し、リソグラフィの波長(例えば約400nm)を透過させるものである。自己整合的なドーピングマスクはチャネルの保護用アイランドとしても機能する。製造工程全体は現在の大面積素子の製造工程と同様のものである。
【0018】
一実施形態においては、ゲート電極をマスクに用いて裏面リソグラフィにより保護用アイランドが形成される。次いで前面レーザドーピングを用いてTFT内のチャネルにきわめて近接した領域にドーピングが行われ、これによりゲート電極をマスクに用いてソースおよびドレイン領域を形成する時の端部の陰影効果という問題は解決される。別の実施形態においては、ガス侵入式(ガスイマージョン)レーザドーピング法によってTFTのチャネル最近傍の領域にドーピングを施し、この場合も放射フィルタをマスクに用いてTFTのチャネル領域を保護する。また別の実施形態では、ドーパント材料からなる表面層をTFT構造上に成膜し、この後レーザエネルギーによってドーピングを行うと共に構造を電気的に活性化させる。この場合も放射フィルタをマスクに用いてTFTのチャネル領域を保護する。さらに別の実施形態では、注入処理によってドーパント原子をTFT構造中に注入した後、レーザアニールによって構造を電気的に活性化させると共に、前記注入処理の影響で生じた損傷を修復する。この場合もまた、放射フィルタをマスクに用いてTFTのチャネル領域を保護する。
【0019】
また残留不純物による側壁の漏洩電流も減少する。前記漏洩電流の減少は、最表面の保護層をパターン形成してエッチングマスクとして使用し、次いで活性層の側壁をエッチングして不純物を除去することにより得られる。前記最表面の保護層は適当な寸法、すなわち現在のマスク位置合わせ技術の許容範囲内での位置合わせが可能な寸法を有している。
【0020】
【発明の実施の形態】
図4(a)および図4(b)に、本発明の一実施形態による製造工程の各ステップを、製作したTFT構造100の構造と併せて示す。本発明によるTFTの製造初期の各ステップは従来工程によるものと同じである。具体的には、チャネル長が3〜15μmの金属ゲート層(例えばCr、TiW、MoCr他)がガラス(例えばCorning Glass社(日本)製Corning 1737)または石英などの透明基板104上に400Å〜1000Å程度の厚さに形成される。この層形成は、スパッタ成膜および標準的なリソグラフィ手法および湿式エッチングによって行われる。金属ゲート層は公知の処理によってパターン化され、金属ゲート電極102が形成される。
【0021】
金属ゲート電極102上に、窒化シリコンのゲート絶縁層106がプラズマ強化(プラズマエンハンスト)化学的気相成長法によって約350℃で約3000Åの厚さに形成される。ゲート絶縁層106上に、約500Åの真性a−Si:H層108が約275℃で成膜され、TFTのチャネルが形成される。次に放射フィルタ層110が真性a−Si:H層108上に成膜される。放射フィルタ層110は、厚さと組成が精密に制御された二次層の積層からなる。放射フィルタ層110の機能と特徴については後に詳細に述べる。プラズマ強化化学的気相成長法(PECVD)を用いて上記各層の成膜が行われる。この工程段階での、該製作された構造を図4(a)の断面図および図4(b)の平面図に示す(層106、108および110は透明)。
【0022】
次いで図5(a)および図5(b)に示すように、自己整合的放射フィルタ(または、単に放射フィルタ)アイランド112が放射フィルタ層110から形成される。フォトレジスト層(図示せず)が放射フィルタ層110上に成膜される。このフォトレジスト層は裏面露光により(すなわち透明基板104を通して)パターン形成される。金属ゲート電極102はフォトレジスト露光用の光を透過させないため、露光マスクとしての機能を果たす。後述するように、放射フィルタ層110はフォトレジスト露光用の光を相当程度透過させるため、フォトレジストは、金属ゲート電極102上に重なった部分以外は露光される。現像液を用いてフォトレジストが表面から現像され、緩衝剤処理されたHFエッチング液を用いて放射フィルタ110のエッチングが行われ、アイランド112が形成される。
【0023】
次の工程で、素子のソース/ドレインの接点用導電層が形成される、本発明の範囲内で、自己整合的TFTソース/ドレイン領域を形成するためには、いくつかの方法がある。次にいくつかの例示的な実施形態を記述する。
【0024】
一つの実施形態において、レーザドーピングとして言及される方法が、半導体材料へのドーピングに使用され、レーザアブレーションを用いて比較的高エネルギーのドーパント原子が生成される。レーザパルスが、ドーピングされる元素を含んだ半透明のソース層上に照射される(このソース層はパターン形成されていてもよく、またPSiなどのn形またはBSiなどのp形のいずれでもよい)。前記ソース層は基板のごく近傍に設けられる。レーザビーム印加の間に、ソース層内のドーパント原子が高エネルギー化する。また、このレーザビームはドーピングされる領域の基板の表面層を短時間局部溶融させる。この短時間の溶融の間に、高エネルギー化したドーパント原子が溶融した基板表面層内に入り込む。この溶融した層が固化する時に、ドーパント原子が層内に分布して電気的に活性化する。前記ドーピング処理の間の高温サイクルは数十ナノ秒と短いため、この工法は実質的に低温製造と変わらない。このことはa−Si:H TFTの製造において特に重要な意味をもつ。
【0025】
図6に示すように、レーザドーピングの開始時に先ずa−Si:H層108の上側表面116の近傍にソース薄膜114が設置される。ソース薄膜114は一般にリンとシリコンの合金からなり、この合金を用いてa−Si:H層108中の選択された領域にドーピングが行われ、該領域がn形にされる。ソース薄膜114は担持体118の一方の表面上に均一に分布しており、前記担持体118はガラスまたは石英などのレーザビームを透過させる性質のものである。ソース薄膜114を担持した担持体118が上側表面116にごく近接して設置され、ソース薄膜114が上側表面116に向き合うようにされる。ソース薄膜114と上側表面116間の隙間120は、最小でアイランド112の厚さ122に等しく(例えば約0.5mm)、最大で数mmである。スペーサ124および(あるいは)アイランド112が、隙間120の大きさを決定する。一般に、ソース薄膜114と上側表面116間の隙間が小さくなる程、a−Si:H層108中に含まれるドーパント原子の数が増える。
【0026】
ソース薄膜114が適切に設置されると、レーザビームBが担持体118の上方からソース薄膜114中の領域126上に照射される。あるいは、該レーザで層114全体の両端を走査してもよい。この処理の間に、レーザがソース薄膜114をアブレーションし、高エネルギー化したドーパント原子を隙間120内に放つ。このドーパント原子は100eV以上の運動エネルギーを有している。この処理に適したレーザとして約308nmの波長のXeClエキシマレーザがある。ソース薄膜114の例としてPSiがあり、このPSiはプラズマ強化化学的気相成長法によって担持体118上に約250℃で約100Åの厚さに成膜される。
【0027】
ソース薄膜114のアブレーションに加えて、前記レーザのエネルギーは上側表面116中のレーザ入射部分をも溶かす。重要なことは、アイランド112が(例えば干渉を経た反射の作用により)レーザビームBを透過させないことである。このために、アイランド112下の領域すなわちチャネル130はレーザビームによる損傷を受けない。一方、領域126の下方ではドーパント原子が層108内に入り、それによって例えばn+にドーピングされたソース領域132とn+にドーピングされたドレイン領域134を形成する。これにより、従来技術で解決不能であった、ゲート電極端部の陰に隠されることによってチャネル最近傍の材料にレーザが届かないという問題が解決される。
【0028】
またこのことは本発明の重要な特徴の一つを明確に表している。つまり、放射フィルタ層110を形成する材料は層110上に成膜されたフォトレジスト露光用の輻射光(例えば波長約400nmの光)を相当程度透過させ、これによってアイランド112が形成されるようにする必要があるが、同時にソース薄膜114および局部溶融される上側表面116のアブレーションに使用されるレーザ光(例えば波長約308nmのレーザ光)を相当程度透過させないことが必要なことである。このため、「放射フィルタ」は、(a)フォトレジストを露光するために使われる輻射光を透過することと、(b)一つ又は一以上の層をある部分を融除し、そして/または溶融するために使用される輻射光(例えば、レーザ光)を反射(または吸収)することのどちらも可能な構造として定義される。
【0029】
しかしながら、この他にもTFTのソースまたはドレインの接点用導電層の形成法として多数の形態がある。一例として、ガス侵入式(ガスイマージョン)レーザドーピング法(「GILD」)がある。図22に示すように、素子は放射フィルタアイランド112を形成した段階で完成する。この後、素子は石英窓182を備えた真空セル180中に入れられ、該セルが真空ポンプにより約10-6Torrに排気される。次に、ドーパントを含んだガス184(例えばn形ドーピング用のPF5やp形ドーピング用のBF3など)がドーピング処理のためにセル内に導入される。GILD法ではパルスレーザ輻射を用いて上側表面116を急速に加熱、溶融する。ドーピングが行われる段階は、前記ドーパントを含んだガスが上側表面116に吸収され、さらに熱分解して原子状になって溶融した表面物質中に拡散する時である。表面物質の固化時に、ドーピング種は接点領域であるソース領域132およびドレイン領域134内で電気的に活性化する。この処理の間、a−Siチャネル130は放射フィルタアイランド112によって保護され、レーザ輻射によって損傷および(あるいは)ドーピングを受けることが防止される。
【0030】
別の実施形態によるソースまたはドレインの接点形成法として、素子表面に被覆された固体ドーピング種供給源層186を用いたレーザ処理があり、この方法を図23に示す。n形ドーピング種供給源の例として、リンおよびリンとシリコンの合金他がある。上記ドーピング種供給源層は化学的気相成長法または他の公知の適当な方法によって成膜される。あるいは、固体ドーピング種供給源層186は、リンをドーピングされたスピン塗布によるドーピング薄膜でもよい。前述と同様にパルスレーザ輻射を用いて(この場合は固体ドーピング種供給源層186を通して)上側表面116を急速に加熱、溶融し、同時にドーパント元素種を活性化する。これにより原子状のドーパント種は高エネルギー化し、ドーピング種供給源層186近傍でのSi層の上側表面116の溶融した部分内に急速に拡散する。この場合も放射フィルタアイランド112によって、TFTチャネル130がレーザ輻射により損傷および(あるいは)ドーピングされることが防止される。次いで、固体ドーピング種供給源層186は従来公知の方法によって除去される(図ではこの層の輪郭を破線で示す)。
【0031】
さらに別の実施形態によるTFTのソースまたはドレインの形成法を図24および図25に示す。この実施形態では、ドーピング種がソースまたはドレインの接点領域に注入され、注入時に放射フィルタアイランド112が注入マスクとして使用される。前記注入はイオン注入装置あるいはイオンシャワードーピング法によって行われる。前者は所望のイオンと注入範囲に応じて質量とエネルギーを選択する機能をもち、後者は質量選択機能をもたない。このドーピングの状況を図24に示す。しかしながら、この注入処理は注入領域133および139における結晶破壊をひき起こし、このことが素子電流特性に悪影響を及ぼす。このため、前記注入後、パルスレーザアニールを行って、注入による結晶破壊等の損傷を熱効果により修復し、同時にソースおよびドレインの各領域132および134中のドーパントを活性化させる。上記レーザアニール処理を図25に示す。このレーザアニール処理の間、放射フィルタアイランド112によってTFTチャネル130のレーザによる損傷が防止される。輻射フィルタアイランド112が注入マスクとレーザアニールマスクとに兼用されるため、ドーパントが注入される領域であるソース領域132およびドレイン領域134でのイオンによる損傷はアニールによって完全に修復される。
【0032】
図7に、アイランド112中の一部135の断面を示す。アイランド112(つまり放射フィルタ層110)は二次層が数層積層された構造からなる。この積層物の一例として二酸化シリコン136と窒化シリコン138を交互に積層したものがある。図に示すように、窒化シリコンが最上層として選択される。この理由は、窒化シリコンがレーザドーピング処理の間のドーピングを阻止することで、下層材料に対する高い保護機能が得られるためである。最下層140に窒化シリコンが選択され、a−Si:Hチャネル上でのドーピング耐性の向上と適正な保護とが得られるようにされる。本用途に適したその他の材料系としてSi/SiO2、Si/Al2O3、SiO2/TiO2他があり、基本的特徴として、各材料対中の二つの層の各々は異なる屈折率をもつ。得られた構造の一例としていわゆる分布反射器(DBR)がある。別の例としていわゆるグレーデッド形DBRがあり、このDBRにおいて材料の屈折率は材料の厚さ方向の位置の関数として変化する。
【0033】
各二次層の材料の種類と厚さの両方が、放射フィルタ層110に必要な選択的な透過と反射を得る上で重要な役割を果たす。理想的には、各酸化物および窒化物層の光学厚さTをレーザビームBの1/4波長のほぼ倍数になるようにして、T=(1/4)(λ/η)+(m/2)(λ/η)の関係を成立させ、該ビームとの位相を整合させることにより最適な反射率が得られるようにする(前記式中、ηは材料の屈折率で、mは正の整数1,2…)。例えば、酸化物層136の厚さを、(1/4)×(308nm)×(1/1.48)=52nmとし、窒化物層138の厚さを、(1/4)×(308nm)×(1/2.1)=36.7nmとする(1.48と2.1はそれぞれ二酸化シリコンと窒化シリコンの屈折率)。最下層の窒化物層140の厚さは他の各窒化物層の厚さと異なり、例えば60〜65nm程度にして、上方の層対と位相が整合するようにされる。すなわち、最下層140の下部の材料はSiO2またはSiNではなく、a−Si:Hであるため、層140の厚さを上方の窒化物層と変えることで位相が整合するようにされる。
【0034】
放射フィルタ層110の選択的な反射率と透過率を得るためのもう一つの重要な因子として二次層の層数がある。反射レベルを適正化することによりアイランド112の下部のa−Si:Hチャネルが保護される。図8に308nmのレーザビームの反射率のシミュレーションを、放射フィルタアイランド112を構成する酸化物と窒化物の層対の数の関数で表す。本実施形態では、必要な反射率を80%以上とした(しかし、本発明から意図されるように、308nmのレーザ以外の放射源を使用したり、異なるドーパント種を使用したり等すると、この反射率は変わってくるように、、本実施形態の80%の制限は本発明の全ての実施例を制限するものではない)。図8に示すように、この要求仕様は二つの層対からなる放射フィルタ層によって満たされる。また、単一の層対でも反射率はレーザ出力その他に依存した関数として変化する。
【0035】
図9(a)および図9(b)に、二つの層対からなる放射フィルタ層110の光反射スペクトルのシミュレーションと実測値を示す。明らかに、シミュレーションは実データによく一致している。光反射率におけるシミュレーションと実測値の相違は、主に(1)シミュレーションでは散乱が無視される(λの変化に対して屈折率は変化しない)と仮定し、(2)シミュレーションでは各層における光学厚さを均一と仮定していることによる。二つの層対をもつ放射フィルタ層110は308nmで80%の反射率を示しており、この反射率でa−Si:Hチャネルを十分に保護し得る。波長400nmのUV光の透過率は約80%であり、この透過率で自己整合的裏面リソグラフィ処理が実施可能である。二つの層対をもつ放射フィルタ層の全厚は約241nmである。この厚さは標準的な緩衝剤処理されたHF湿式エッチングでの処理に適した厚さである。
【0036】
最後の特徴として、本提案のアイランド112は標準的な絶縁材料で形成することができるため、アイランド112をゲート絶縁層として使用することも可能である。したがって、アイランド112はボトムゲート形TFT構造だけでなくトップゲート形TFT構造にも使用することができる。
【0037】
TFT構造100の製造工程に戻る。約250℃で5〜10分程度のプラズマ水素化処理が行われ、レーザドーピングによって誘起されるソース領域132とドレイン領域134中の欠陥が防止される。
【0038】
次に図10(a)および図10(b)に示すように、金属ゲート電極102に接触したゲートビア142(図10(b))がパターン形成並びにエッチングされる。次いでTiW/Alなどの金属接点層(図示せず)が構造上に成膜される。この後、この金属層が標準的なリソグラフィおよび湿式エッチング、あるいは従来公知の他の工法によってパターン形成ならびにエッチングされて、ソース電極144とドレイン電極146が形成される。金属電極144,146の端部とアイランド112の端部との間隔(Δxで示す)は5μm以上の長さにされる。
【0039】
図11(a)および図11(b)に示すように、窒化シリコンまたは二酸化シリコン148からなる保護層がPECVDによって成膜され、さらにパターン形成されてTFT構造100の幅が規定される。最後に、シリコンエッチングによりTFT構造100が完成する。前記シリコンエッチングは、ソース電極144、ドレイン電極146、ゲートビア142、およびパターン形成された窒化シリコンまたは二酸化シリコン148によって覆われた領域以外の全a−Si:Hを除去するものである。
【0040】
薄膜トランジスタに共通の問題として、ソースおよびドレイン間の側壁の漏洩電流がある。この漏洩電流は層18の側壁に残留した不純物によって生じるものである。従来のTFT構造(図1(a)、図1(b)および図1(c))では、チャネル幅Wはドレイン電極22およびソース電極24の幅で規定される。上記各電極はチャネルにオーバラップしているため、活性層の側壁は150の部分(図1(b))でオーバエッチングされて、漏洩電流を減少させる。ソース領域とチャネル間およびドレイン領域とチャネル間の電気的接触への影響はない。この理由は、a−Si:H層のソースおよびドレイン電極によってオーバラップされた部分で保護されるためである。
【0041】
しかしながら本発明によるTFTの場合は、前記オーバエッチングはソース領域とチャネル間およびドレイン領域とチャネル間に電気的接触を起こさせる。この理由は、接点端部が保護されていない(すなわち電極がオーバラップしていない)ためである。図11(b)に示すように、保護層148をソース電極144とドレイン電極146の両方を覆うように形成して前記電極と放射フィルタ層112間の隙間が覆われるようにする。この後、オーバエッチングが進行しても、ソース領域132とチャネル130間およびドレイン領域134とチャネル130間では電気的接触が起こらない。さらに、保護層148は、幅W方向では放射フィルタアイランド112よりも若干狭く(例えば2〜5μm程度狭く)形成されており、リソグラフィ時のマスク不整合を避けるようにされている。リソグラフィのマスクが放射フィルタアイランド112と整合しない場合は、層108は領域152でオーバエッチング(図11(c))されない。この理由は、保護層148によって前記領域が覆われるためである。つまり、オーバエッチングされる領域152を層108中に設けることで、側壁漏洩電流の発生原因である不純物が除去される。
【0042】
図11(a)に明示したように、本構造中のTFT構造100のソース電極144またはドレイン電極146のいずれも金属ゲート電極102とはオーバラップしていない。ソースおよびドレイン領域の端部はチャネル端部に一致しており、すなわちチャネルとの「自己整合」が行われている。ソース(およびドレイン)接点のゲート接点上でのオーバラップに起因する寄生容量Cgsが解消され、フィードスルー電圧の問題は完全に解決される。したがって(図2の構成の画素66などの)画素における電圧特性は、図3の一点鎖線Videalで示した理想特性に近似する。前述の工法により製作した構造素子についての解析結果は上記理論解析を裏付けている。
【0043】
我々はレーザドーピングについていくつかの研究を行ってきた。その中の一つにおいて、100nmのa−Si:Hを減圧化学的気相成長法(LPCVD)によって石英基板上に成膜した。ドーパントであるリンをXeClエキシマレーザを用いてレーザアブレーションにより基板から融除した。
【0044】
ドーピング効率およびドーピング深さはレーザドーピング時のエネルギー密度に依存する。Si融液中のリンの拡散係数は約10-4cm2/sであり、この値は固相中の拡散速度である約10-11cm2/sに比べて著しく早い。パルスレーザ照射時のSi薄膜の温度上昇および照射後の同薄膜の温度低下は急峻であるため、液相中ではドーパント拡散は本質的に効率がよい。レーザドーピングエネルギーが高くなる程、溶融の持続時間が長くなると共に溶融深さが深くなり、この結果ドーピングレビルが高まると共にドーピング深さが深くなる。図12に、レーザドーピングエネルギー密度に対するドーピング効率を測定した実験結果を示す。該エネルギーがSi表面を溶融させるしきい値である約150mJ/cm2を越えると、ドーピング効率はエネルギーの増加にしたがって急速に高まる。350mJ/cm2のレーザドーピングエネルギー密度に等価なドーピング量は一レーザパルス当たり約1.6×1014atom/cm2である。一般に、約1014atom/cm2がTFTのソースとドレイン領域の形成に必要な線量である。
【0045】
図13は、ドーピング深さをレーザドーピングエネルギー密度の関数としてプロットした図である。ドーピング深さの挙動は、レーザエネルギー密度の関数で表した時の溶融深さに類似している。一般に、固化時に固相と液相の界面が表面に向かって移動する一方でドーパントは反対方向に拡散する。この結果、ドーピング深さは溶融深さより若干浅くなる。
【0046】
我々は前述の種類の自己整合的TFTを多数製作してきた。製作した構造のチャネル長は3〜10μmの範囲のものである。前記構造の全幅は約15μmである。レーザドーピングは、パルス数10〜100のXeClレーザを用いて230〜250mJ/cm2のエネルギーで行った。これら構造における隙間Δxの変動幅は1〜5μmであった。
【0047】
チャネルを長くした素子の場合は、従来のTFTと同等のDC性能がみられた。図14に、本発明によるチャネル長約10μmの自己整合的TFTの変換特性を示す。レーザドーピングは、250mJ/cm2のエネルギーでパルス数10のレーザを用いて行った。ソースとドレイン間の電圧が10Vの時の、電界効果移動度、しきい値電圧、しきい値以下での勾配、およびオフ状態での電流は従来のa−Si:H TFTと同様である。
【0048】
図15に、本発明によるチャネル長3μmの自己整合的TFTの変換特性を示す。一般にチャネル長が短くなると、図に示すように漏洩電流としきい値以下での勾配が増加すると共にしきい値電圧が低下する。しかしながら、移動度はこの小寸法化によって減少しておらず、短チャネルTFTでのみかけの移動度は長チャネルTFTに比べて小さいという一般通念に反している。従来技術によって製作されたTFTと本発明によって製作されたTFTとのチャネル長に対する移動度の比較を図16に示す。従来技術によるTFTのデータは周知の移動度曲線にしたがっており、つまり短チャネル素子で比較的低い移動度が示されている。これは、短チャネル素子の場合はチャネル抵抗に比べて接触抵抗が大きいことによる。本発明によるTFTは短チャネル長の場合もきわめて高い移動度を示しており、接触抵抗が無視できることを示している。
【0049】
図17(a)と図17(b)に、各々チャネル長が10μmと3μmのTFTの出力特性を示す。いずれの素子も明らかに電流の密集がなく、素子接点が適当であることを示している。さらに接点の検討として、異なるΔxをもつ類似のTFT内のオン状態の挙動の比較を行った。図18に示すように、1〜5μmの範囲では、Δxの寸法はTFTの挙動に影響を与えず、ソースおよびドレイン電極のドーピング領域が十分なシート抵抗を有していることを示している。したがって、ソースおよびドレイン電極の厳密な位置合わせは、現行のTFT製造工程において必須のものではない。
【0050】
大半の表示装置の場合、画素用TFTは線形領域で動作する。線形領域でのTFTの接触抵抗は出力コンダクタンスの逆数で決まる。接触抵抗は素子の出力抵抗の、チャネル長0における交点の値である。図19に、本発明による電極と従来公知の電極との接触抵抗の比較を示す。本発明のTFTと従来のTFTとは、類似したチャネル性質とゲート絶縁性をもつ。このため、図19での各データに適合する両直線の勾配はほぼ等しい。従来型電極とレーザ処理された電極の、チャネル幅1μmに正規化したときの接触抵抗は各々16.2MΩ・μmおよび0.76MΩ・μmである。レーザドーピングされたソースおよびドレインのもつ低い接触抵抗によって高性能の短チャネルa−Si:H TFTが得られる。
【0051】
短チャネルTFTにより大面積表示装置における充填比の向上が可能になる。TFTのオン電流はチャネル長に対するチャネル幅の比に比例するため、充填比の向上は一定のW/L(チャネル長に対するチャネル幅の比)におけるチャネル長の減少の二乗に関係する。図11(a)および図11(b)に示す自己整合的構造を用いることで、TFTのチャネル長を簡単に縮小することができる。
【0052】
TFT寸法が小さくなった場合、表示装置においていくつかの重要な課題が生じる。一つは短チャネルTFTにおける電界効果移動度の問題である。先に述べたように、チャネル長を長くした場合は接触抵抗をチャネル抵抗よりも著しく小さくして、同等のTFTの移動度を保つ必要がある。図20に、チャネル長が3μm、5μmおよび10μmの、レーザ処理されたa−Si:H TFTの素子変換特性を測定した実験結果を示す。明らかに、3μmの素子の飽和電流は10μmの素子の飽和電流とほぼ同等である。
【0053】
TFTの小型化に関するもう一つの課題は、短チャネル効果に関することである。短チャネル効果として、しきい値電圧の低下、オフ電流の増加、およびしきい値電圧以下での勾配の急峻さの減少等がある。図20から明らかに、しきい値電圧以下での勾配およびしきい値電圧の減少はわずかであることがわかる。3μmの素子のオフ電流は約0.5pA/μmであり、この電流は表示装置用として十分に低い値である。
【0054】
まとめると、図21に示すように本発明により半導体構造200が提供される。構造200は、第一の面204に形成されたゲート領域202であって、第一のゲート端面208に位置した第一のゲート端206と第二のゲート端面212に位置した第二のゲート端210をもち、前記第一のゲート端面208と前記第二の端面212は通常第一の面204と直交するものであるゲート領域202と、前記第一のゲート端面208に位置した第一のソース端216をもつソース領域214であって、前記第一のソース端216がゲート領域202に隣接して、ただしオーバラップはしないようにされたソース領域214と、前記第二のゲート端面212に位置した第一のドレイン端220をもつドレイン領域218であって、前記第一のドレイン端220がゲート領域202に隣接して、ただしオーバラップはしないようにされたドレイン領域218、およびソース領域214とドレイン領域218間に位置した放射フィルタアイランド222を含む。
【0055】
さらに、構造200は、第一のゲート端面208にほぼ平行な面228に位置した第一のソース電極端226をもつソース電極224であって、該第一のソース電極端226は、第一のゲート端面208から間隔(例えば5μm)を置いたものであるソース電極224を備え、さらに前記第二のゲート端面212にほぼ平行な面234に位置した第一のドレイン電極端232をもつドレイン電極230であって、前記第一のドレイン電極端232は前記第二のゲート端面212から間隔(例えば5μm)を置いたものであるドレイン電極230を備える。この構造において、ソース電極224またはドレイン電極230のいずれもゲート領域202にオーバラップしていない。
【0056】
本発明によるレーザドーピング法によって製作されたTFTに関する材料の性質および素子特性について説明を行った。レーザドーピング法によって、高いドーピング効率で、a−Si:H TFTのソースおよびドレイン領域を形成する実用的方法が得られる。レーザドーピングされたソースおよびドレインの接触抵抗は従来方法でドーピングされたa−Si:H電極よりも約20倍小さい。この低い接触抵抗により、チャネル長が短くなった場合においてもTFTの電界効果移動度を保持することができる(わずかに短チャネル効果が3μmの素子の場合にみられる)。3μmのTFTのオフ電流は十分に低く、画素スイッチの要求仕様を満たし得るものである。
【0057】
具体的ないくつかの実施形態により発明の説明を行ったが、本発明の範囲内で従来技術により種々の代替や、修正および変形が可能なことは明らかである。例えば、前述したTFTの活性層は無ドーピングの真性a−Si:Hであったが、この活性層にドーピングを行って所望のTFT特性を得ることもできる。したがって、本発明は例示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびそれに同等する内容の範囲内にあり、前記代替や修正および変形等をすべて含むものと考える。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術による薄膜トランジスタの概略図である。
【図2】 従来技術による薄膜トランジスタと画素を含むセルアレー中の一セルの概略回路図である。
【図3】 図2に示したセル内の各電圧を時間の関数として示す図である。
【図4】 本実施形態のTFTの、製造工程の初期段階における概略図である。
【図5】 本実施形態のTFTの、製造工程の中間段階における概略図である。
【図6】 本実施形態のTFTの、製造時でのレーザドーピング処理進行中の状態を示す断面図である。
【図7】 本実施形態の放射フィルタアイランドの部分断面図である。
【図8】 放射フィルタアイランドの反射率を該アイランドを含む層対の数の関数としてプロットした図である。
【図9】 モデル化された放射フィルタアイランドの反射率をある波長域でプロットした図である。
【図10】 本実施形態のTFTの、完成前の段階での概略図である。
【図11】 本実施形態のTFTの完成後の断面図である。
【図12】 本実施形態のレーザドーピング処理におけるレーザドーピングエネルギー密度に対するドーピング効率を測定した実験結果をプロットした図である。
【図13】 本実施形態のレーザドーピング処理におけるレーザドーピングエネルギー密度の関数としてドーピング深さをプロットした図である。
【図14】 本実施形態のチャネル長約10μmの自己整合的TFTの変換特性を示す図である。
【図15】 本実施形態のチャネル長約3μmの自己整合的TFTの変換特性を示す図である。
【図16】 従来技術によって製作されたTFTと本発明によって製作されたTFTのチャネル長に対する移動度を比較した図である。
【図17】 チャネル長10μmのTFTとチャネル長3μmのTFTの出力特性を示す図である。
【図18】 ソースまたはドレイン電極と放射フィルタアイランドとの間の隙間Δxが1μm、3μmおよび5μmであるTFTの、ソースとドレイン間の電流に対するゲート電圧をプロットした図である。
【図19】 本実施形態の電極と従来公知の電極の接触抵抗を比較した図である。
【図20】 チャネル長が3μm、5μmおよび10μmであるレーザ処理されたa−Si:H TFTの素子変換特性を測定した実験結果を示す図である。
【図21】 本実施形態のTFTの断面図である。
【図22】 本実施形態のガス侵入式(ガスイマージョン)レーザドーピング法におけるTFTの断面図である。
【図23】 本実施形態の表面堆積ドーピング種のレーザ支援ドーピング法におけるTFTの断面図である。
【図24】 本実施形態のドーパント注入法におけるTFTの断面図である。
【図25】 本実施形態のドーパント注入法におけるアニール工程でのTFTの断面図である。
【符号の説明】
10 薄膜トランジスタ、12 基板、14 ゲート金属、16 ゲート絶縁層、18 活性層、20 表面保護用アイランド、22 ドレイン電極、24 ソース電極、26 隙間(チャネル)、28,30 オーバラップ、50 セル、52 薄膜トランジスタ(TFT)、54 ゲート、56 ドレイン、58 ソース、60 ゲートライン、62 データライン、64 キャパシタ、66 画素、100 TFT構造、102 金属ゲート電極、104 透明基板、106 ゲート絶縁層、108 a−Si:H層、110 放射フィルタ層、112フィルタアイランド、114 ソース薄膜、116 上側表面、118 担持体、120 隙間、126,152 領域、130 チャネル、132 ソース領域、133,139 注入領域、134 ドレイン領域、135 アイランド112中の一部、136 二酸化シリコン(酸化物層)、138 窒化シリコン(窒化物層)、144 ソース電極、146 ドレイン電極、148 窒化シリコンまたは二酸化シリコン、142 ゲートビア、180 真空セル、182 石英窓、186 固体ドーピング種供給源層、200 半導体構造、202 ゲート領域、204 第一の面、206 第一のゲート端、208 第一のゲート端面、210 第二のゲート端、212 第二のゲート端面、214 ソース領域、216 第一のソース端、218 ドレイン領域、220 第一のドレイン端、222 放射フィルタアイランド、224 ソース電極、226 ソース電極端、230 ドレイン電極、232 ドレイン電極端。
Claims (3)
- 半導体構造の形成方法であって、
基板上に、第一のゲート端面に形成された第一の端部と第二のゲート端面に形成された第二の端部とをもつゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極上に活性層を形成するステップと、
前記活性層上に、酸化物層と窒化物層を交互に積層した構造を有する放射フィルタ層を形成するステップと、
前記放射フィルタ層上にフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ゲート電極がマスクとなり前記フォトレジストの露光を制限し、前記基板、前記活性層および前記放射フィルタ層を順に貫通してフォトレジスト層の一部を露光するステップと、
前記フォトレジストの露光部に接する前記放射フィルタ層の部分と共に、前記フォトレジストの露光部を除去して、前記第一のゲート端面に第一のアイランド端をもち、且つ、前記第二のゲート端面に第二のアイランド端をもつ放射フィルタアイランドを形成するステップと、
イオン注入によって、ドーパント原子を前記活性層中の第一および第二のドーピング領域に注入するステップであって、該注入において前記放射フィルタが該フィルタ下部へのイオン注入を防止するマスクとして機能して前記第一のドーピング領域および第二のドーピング領域の範囲を規定するステップと、
前記半導体構造に光照射して前記第一および第二のドーピング領域をアニールし、それによって前記活性層中に、前記第一のゲート端面にソース領域端をもつソース領域と前記第二のゲート端面にドレイン領域端をもつドレイン領域を形成するステップと、
を含むことを特徴とする半導体構造の形成方法。 - 請求項1に記載の半導体構造の形成方法であって、
前記ソース領域と電気的接続を行うソース電極と、前記ドレイン領域と電気的接続を行うドレイン電極とを形成するステップを含み、
前記ソース電極は前記第一のゲート端面にほぼ平行な面に位置したソース電極端をもつように形成され、前記ソース電極端は前記第一のゲート端面から5μm以内の距離を置いて形成され、さらに前記ドレイン電極は前記第二のゲート端面にほぼ平行な面に位置したドレイン電極端をもつように形成され、前記ドレイン電極端は前記第二のゲート端面から5μm以内の距離を置いて形成され、前記ソース電極と前記ドレイン電極の他の部分は前記ゲート領域とオーバラップしないように形成されることを特徴とする半導体構造の形成方法。 - 請求項1記載の半導体構造の形成方法であって、
前記フォトレジストの露光が波長約400nmの紫外光によって行われ、前記光照射が波長約308nmの光で行われることを特徴とする半導体構造の形成方法。
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