JP4509392B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は薄膜トランジスタ(以後TFTという)、特にトップゲートセルフアラインTFTに関するものである。このようなトランジスタは、例えばアクティブマトリクス液晶ディスプレイ又は他の大面積電子デバイスに使用することができる。本発明は主としてこのようなトランジスタの製造方法に関するものである。
【0002】
大面積電子デバイス用の絶縁基板上のTFT薄膜回路の開発に大きな関心が持たれている。例えば、アモルファス又は多結晶半導体膜の部分で製造されたTFTを液晶表示画素のマトリクス又は大面積イメージセンサアレイ内のスイッチング素子とすることができる。
【0003】
本発明はトップゲート薄膜トランジスタ構造に関する。ボトムゲートTFTに比較して、トップゲートTFTの重要な利点は、低抵抗ゲートラインをアルミニウムのような高導電性トップゲート金属で容易に形成することができる点にある。ゲートラインの抵抗率は、アモルファスシリコンTFTの性能を大面積の高解像度ディスプレイのアクティブマトリクスアドレッシングに適する特性にするために特に重要である。また、セルフアラインTFT構造形成能力も重要である。このような構造は寄生ソース-ドレインキャパシタンスを低減し、残留キャパシタンスの大面積均一性を改善する。
【0004】
セルフアライントップゲートTFT構造を形成する既知の技術はネガ型レジスト層を基板を通して所謂「背面露光」し、得られたレジストパターンを次のエッチング中マスクとして用いてゲート電極パターンを形成する。特開昭63−47981号公報はこの方法を用いて製造されるトップゲート薄膜トランジスタを開示している。下側のソース及びドレイン電極パターンは、基板を経るネガ型レジストの露光がソース及びドレイン電極間の間隔と整列するように不透明材料から形成する必要がある。これによりセルフアラインTFT構造が得られる。しかし、ゲート電極を含むTFT構造は、これらの層を経てネガ型レジストを露光し得るように透明にする必要がある。これがため、この背面露光技術は不透明であるアルミニウムのような低抵抗金属ゲートラインとともに使用することはできない。特開昭63-47981号公報は、透明な酸化インジウム錫(ITO)ゲート電極パターンを使用し、この透明電極パターンを通してネガ型レジストの露光を行うことを開示している。
【0005】
透明ITOゲート技術はTFTスタックに使用される堆積システムと別個の堆積工程を必要とする。例えば、TFTスタックはPECVDシステムを用いて形成し得るが、ITO層はスパッタされる。
【0006】
本発明による薄膜トランジスタの製造方法は、
基板上にほぼ不透明のソース及びドレイン電極パターンを形成し、
ソース及びドレイン電極パターン上に、トランジスタのチャネル領域を具えるトランジスタ本体を提供するほぼ透明のシリコン膜を堆積し、
チャネル領域の上にほぼ透明のゲート絶縁層及びほぼ透明のアモルファスシリコンゲート電極層を堆積し、
ゲート電極層の上にネガ型レジストの層を堆積し、
ネガ型レジスト層を背面露光を用いて基板を通して露光することにより、ソース及びドレイン電極間の間隔とほぼ整列する領域を露光し、
露光されてないレジスト層及びその下のゲート電極層を除去し、
露光されたレジスト領域を除去し、
残存するアモルファスシリコンゲート電極層にその抵抗値を低下させる処理を施すことを特徴とする。
【0007】
本発明は、ゲート電極層を形成するのにアモルファスシリコン層を使用することができる。アモルファスシリコンTFTの場合には、この層はTFTの一部分として、PECVD堆積システムの一工程において、真空を破ることなく堆積することができる。アモルファスシリコン層の堆積及び処理はTFTの製造において以前から必要とされているため、追加の設備が必要とされず、スループットは殆ど変化しない。アモルファスシリコンゲート電極層の抵抗値を低減させる処理によりゲートを正しく機能させることが可能となる。
【0008】
トップゲートTFTの透明ゲート電極層の使用に伴なう問題は、その透明性のためにトランジスタが光に対し高い感度を示す点にある。これは、TFTを液晶表示画素のアレイ内のスイッチング素子として又は大面積イメージセンサデバイス内のスイッチング素子として使用する場合に特に問題となる。しかし、透明ゲート電極層はネガ型レジストの背面露光を可能にするために必要である。これがため、前記処理工程によってゲート電極層による電磁放射の減衰も増大させるのが好ましい。この処理によりアモルファスシリコンゲート電極層をもっと不透明の層に変換し、TFTのチャネル領域に対する部分的光遮蔽層として作用させることができる。
【0009】
この目的のために、前記処理工程は、
トランジスタの上にクロム層を堆積し、
クロム層をアモルファスシリコンゲート電極層の隣接部分と反応させてクロムシリサイドを形成し、
未反応クロムを除去するものとすることができる。
【0010】
クロムシリサイド層はゲート接触抵抗値を低減し、更にアモルファスシリコンゲート電極層を不透明層に変換する。クロムシリサイド層はアモルファスシリコンゲート電極層上にセルフアラインする。追加の導電層を設けて上部行(又は列)電極を形成することができるが、これらの電極はTFT構造と精密に整列させる必要はない。その理由はこれらの電極はTFTに対する光遮蔽機能を行う必要がないためである。
【0011】
本発明は薄膜トランジスタも提供するものであり、本発明の薄膜トランジスタは、
基板上のほぼ不透明のソース及びドレイン電極と、
トランジスタのチャネル領域を構成するソース及びドレイン電極間のシリコントランジスタ本体と、
チャネル領域上方のゲート絶縁層及びゲート電極層とを具え、
ゲート電極層がクロムシリサイド層を具えることを特徴とする。
【0012】
本発明の一実施例を図面を参照して以下に詳細に説明する。
図1-6は本発明の方法による順次の製造段階におけるセルフアライントップゲートTFTの断面図を示す。
これらの図は略図であって、一定の倍率で描かれていない点に注意されたい。これらの図の各部の相対寸法及び比は図を明瞭にするため及び図示の都合上拡大したり縮小してある。
【0013】
本発明の製造方法は、
(a)基板10上に不透明のソース及びドレイン電極パターン11、12を形成する工程(図1)と、
(b)ソース及びドレイン電極パターン11、12の上に、TFTのチャネル領域を具えるトランジスタ本体を提供するシリコン膜20を堆積する工程と、
(c)TFTの少なくともチャネル領域の上に、アモルファスシリコンからなるゲート電極層24を含む絶縁ゲート構造22、24を形成する工程(図2)と、
(d)絶縁ゲート構造の上にネガ型レジスト層26を堆積し、このネガ型レジスト層を基板10の反対側からの照明を用いて露光する工程(図3)と、
(e)露光されてないネガ型レジスト及びその下のアモルファスシリコンゲート電極層を除去する工程(図4)と、
(f)残存するアモルファスシリコンゲート電極パッドを処理してその抵抗値を低減させる工程と、
を具える。この工程(f)はその遮光特性も向上させる。
【0014】
本発明では、絶縁ゲート構造のトップゲート電極層をアモルファスシリコン層として形成する。この層は選択使用されるレジスト材料の露光に使用される電磁放射に対し十分に透明であるが、製造終了時には低減された抵抗値を有するため、TFTゲートは正しく機能し得る。アモルファスシリコンゲート電極層に施す抵抗値低減処理はこの層による電磁放射の減衰も増大してTFTを光に応答しないようにするのが好ましい。
【0015】
一好適例の順次の製造工程を図1-6に示す。既知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、図1の電極パターン11、12を絶縁基板10の上に堆積された不透明電極材料膜から形成する。以下の記載及び請求項の記載において、透明層とは、本発明の方法で使用する選択されたネガ型レジスト層を露光するのに必要とされる波長の電磁放射(紫外放射)に対し透明であることを意味する。また、不透明層とは、TFTが最も感応する波長の電磁放射(例えば可視光)をある程度減衰するものを意味する。その理由は以下の記載から明らかになる。
【0016】
次にアンドープシリコン膜20を堆積し、続いて少なくとも第1の絶縁膜22、例えば窒化シリコンの膜、を堆積する。次に、上部ゲート電極を構成するアモルファスシリコンゲート電極層24をゲート絶縁層22の上に堆積して図2に示す構造を構成する。
【0017】
本発明の方法は、アンドープシリコン膜20をアモルファスシリコンとするアモルファスシリコンTFTに特に適用し得る。TFTのチャネルを構成するアモルファスシリコン膜20は代表的には40nmの厚さにすることができ、この厚さではこの層はレジスト材料の露光に慣用される紫外光に対しほぼ透明である。窒化シリコンゲート絶縁層22は代表的には200nmの厚さにし、この厚さのこの層も同様に紫外光に対しほぼ透明である。図2には単一のゲート絶縁層のみを示すが、多層ゲート絶縁構造を設けることもできる。
【0018】
図には示されていないが、図1に示すソース及びドレイン電極パターン11及び12は燐含有プラズマにさらして、トランジスタ本体を構成する半導体層20の堆積前にソース及びドレインを燐で被覆することができる。これは、フォスフィンフラッシュドーピングにより実行してソース及びドレイン電極11、12とトランジスタのシリコン本体との間のオーム接触の品質を向上させることができる。
【0019】
ネガ型レジスト層26を図2に示すTFT構造の上に設ける。ネガ型レジスト膜26を、ソース及びドレイン11、12により形成される不透明部分をフォトマスクとして用いて、紫外電磁放射28により基板10を通して照明することにより選択的に露光する。その結果としてレジスト層26の領域Bが露光されるが、領域Aは露光されないままとなる。領域Bの露光ができるのは、フォトレジスト26の下のトランジスタ装置の層が紫外放射28に対し十分低い減衰を示し、その結果ととしてこれらの層の減衰の合成も十分に低いためにフォトレジスト層26の露光を満足に行うことができるからである。
【0020】
適切なエッチャントの選択により、レジスト膜26の非露光領域Aを除去し、このエッチング工程中又は次のエッチング工程中に、レジスト膜26の非露光領域Aの真下のゲート電極層24も除去する。ゲート電極層24のこれらの領域のエッチング中、レジスト膜26の露光領域Bはマスクとして作用し、図4に示す構造となる。絶縁層22はTFTの絶縁ゲート構造を構成するゲート絶縁層22の部分以外の部分から除去してもしなくてもよい。これは図4には示されていない。
【0021】
図4に示す構造はセルフアライントップゲート構造を有し、ゲート電極はアモルファスシリコンから形成され、背面露光によりセルフアライン製造される既知のトップゲートTFTと比較してその製造が著しく容易であり、製造コストが安価になる。しかし、アモルファスシリコンゲート電極層24の抵抗値はTFTの性能を低下させ、図4に示す構造を有するTFTを大面積電子デバイス用途に使用する場合に特に問題となる。
【0022】
これがため、本発明はゲート電極層24に追加の処理を施してその抵抗値を低減させ、TFTの機能を向上させ、種々の用途、例えば大面積電子デバイスに使用することができるようにする。
【0023】
図には示されていないが、アモルファスシリコンゲート電極層24に施すことができる一つの可能な処理は例えばレーザ結晶化によりアモルファスシリコン層を多結晶シリコン層に変換するものである。レーザ結晶化処理は、アモルファスシリコン層があらかじめ負にドープされている場合に有効である。得られる多結晶シリコン層は大きく減少した抵抗値を有し、TFT性能の向上を可能にする。
【0024】
アモルファスシリコンゲート電極層に対する他の好適処理を図5及び6を参照して説明する。
レジスト層26の残存露光部分の除去後に、シリサイド生成金属、例えばクロムを図5に示すように構造の上に堆積する。得られるクロム膜30は少なくとも絶縁ゲート構造22、24の全域に亘って延在させる。クロム膜は蒸着又はスパッタリングにより堆積することができ、且つこの場合には薄膜構造を加熱してアモルファスシリコンゲート電極層24とクロム層30との間の界面にシリサイド層32を生成することができる。次に、クロムエッチャントを用いて未反応クロムを除去し、図6に示すようにシリサイド層32を残存させる。
【0025】
シリサイド層32はゲート導体パターンの抵抗値を低減するとともに、ゲート構造の光減衰量を増大するため、得られるTFTは周囲光状態の変化により生ずる性能特性の変化を受け難いものとなる。アモルファスシリコンTFTは可視光にもっとも敏感であり、上記の処理は可視光に対する減衰を増大し好ましい。シリサイド層32もゲート構造とセルフアライン形成される。
【0026】
シリサイド生成は、シリサイド化前にシリサイドの金属前駆物質によりイオンを注入することにより向上させることができる。適切なシリサイド生成金属としてクロムを記載したが、本発明方法では他の金属、例えばMo,Ni,Bd,Pt,Au等のシリサイドを使用することができる。
【0027】
ゲート電極はアレイデバイスの行導体に結合することができ、これらの行導体は追加の上部層として形成される。しかし、これらの行導体はTFTスタックと精密なアライメントを必要としない。その理由は、光遮蔽が既に達成されているためにこれらの行導体をTFTの上に位置させる必要がないためである。従って、TFT構造のセルフアラインの利点を損なうことなくこれらの行導体を高導電性材料(例えばアルミニウム)から形成することができる。
【0028】
当業者であれば、種々の追加の製造工程、例えばトランジスタ本体のソース及びドレイン領域のドーピング及びTFTに要求される特定の性能特性に依存する種々の追加の層を使用し得ること明らかである。本発明においては明細書中に記載されていないが多くの変更や変形が可能であり、これらも本発明の範囲に含まれる。同様に、本発明の製造方法はアモルファスシリコンゲート電極層の使用により特にアモルファスシリコンTFTに適するが、本発明の方法はポリシリコンTFT構造に等しく使用することもできるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
【図2】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
【図3】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
【図4】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
【図5】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
【図6】 本発明の製造方法により製造されるセルフアライントップゲートTFTの順次の製造工程における断面図である。
Claims (5)
- 基板上に不透明のソース及びドレイン電極パターンを形成する工程と、
前記ソース及びドレイン電極パターン上に、薄膜トランジスタのチャネル領域を具える透明のシリコン膜を堆積する工程と、
前記シリコン膜の上に透明のゲート絶縁層及び透明のアモルファスシリコンゲート電極層を堆積する工程と、
前記ゲート電極層の上にネガ型レジスト層を堆積する工程と、
前記ネガ型レジスト層を背面露光を用いて前記基板を通して露光することにより、前記ソース及びドレイン電極間の間隔と整列する領域を露光する工程と、
露光されてない前記ネガ型レジスト層及びその下の前記アモルファスシリコンゲート電極層を除去する工程と、
露光された前記ネガ型レジスト領域を除去する工程と、
残存する前記アモルファスシリコンゲート電極層に、その抵抗値を低減させるとともに該ゲート電極層による電磁放射の減衰を増大させる処理を施す工程と、
を具え、前記処理は、クロム層を前記アモルファスシリコンゲート電極層の上に堆積する工程と、前記クロム層を前記アモルファスシリコンゲート電極層の隣接部分と反応させてクロムシリサイドを形成する工程と、未反応クロムを除去する工程とを含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記反応工程はアニーリングであることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 複数の前記薄膜トランジスタを前記基板上にデバイスマトリクス内のスイッチング素子として形成することを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載の方法。
- 前記ソース及びドレイン電極パターンを前記シリコン膜の堆積前に燐で被覆することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の方法。
- 基板上の不透明のソース及びドレイン電極と、
トランジスタのチャネル領域を具える前記ソース及びドレイン電極間のシリコン膜と、
前記シリコン膜の上のゲート絶縁層とゲート電極層とを具え、
前記ゲート電極層がアモルファスシリコン層とクロムシリサイド層を具え、
前記クロムシリサイド層は、前記アモルファスシリコン層とクロムを反応させて形成され、前記ゲート電極層の抵抗値を低減するとともに該ゲート電極層による電磁放射の減衰を増大させることを特徴とする薄膜トランジスタ。
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