JPH0695527B2 - 薄膜トランジスタ及びその形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、薄膜電界効果トランジスタまたはその他の薄
膜半導体素子、及びその製造工程に関するものである。
さらに具体的には、加工中の薄膜構造体を通る光の透過
率を最大にするために、下側の絶縁膜を反射防止要素と
して働かせる、改善された自己整合スタガ構造に関する
ものである。

B.従来技術 薄膜電界効果トランジスタ、すなわち薄膜トランジスタ
は、当技術分野では周知である。それらの主要用途の１
つは、液晶表示装置（LCD）等の大面積の平坦パネル表
示装置の分野である。そのような表示装置では、表示素
子アレイを水平及び垂直バス・バーを介して薄膜トラン
ジスタと相互接続することができる。たとえば、１列の
薄膜トランジスタのゲートを水平バス・バーに接続し、
ソースを垂直バス・バーに接続する。特定の水平バス・
バー及び特定の垂直バス・バーに電圧が印加されると、
特定の薄膜トランジスタを形成するゲート、ソース及び
ドレインが付勢される。LCDの場合は、液晶の付勢され
たトランジスタに対応する一部分が透明になる。

非晶質シリコン薄膜トランジスタは、低価格の大面積液
晶表示装置用として大きな可能性を有する。自己整合薄
膜トランジスタを製造するための幾つかの既知の方法が
特に関心を引く。整合を行なうには、高価な生産設備が
必要であり、非常に大きな寸法のパネル表示装置の場合
は、それは現在入手不能である。自己整合法は連続した
リソグラフィ・ステップ間での整合を必要としない。し
かし、薄膜トランジスタを製造する周知の自己整合法の
主な欠点は、フォトリソグラフィ・レジストを薄い非晶
質シリコンの層を介して露光させる必要があることであ
る。非晶質シリコンは反射率及び吸収率が高いため、長
い露光時間が必要であり、露光領域と未露光領域のコン
トラストが減少する。

構造体中での反射及び吸収損失により、周知の方法で製
造した薄膜構造体は、再現性に乏しい。また、非晶質シ
リコンの厚みは、素子の動作によってリソグラフィ的に
活動状態の十分な光をフォトレジスト層に透過させるの
に十分な最小限度の厚みよりも薄くなければならない。
良好に動作するデバイスに必要なシリコンの厚みにする
には、ソース及びドレイン電極の形成後に、第２のシリ
コンを付着させ、それに伴って光処理及びエッチング・
ステップを行なうことが必要である。

C.発明が解決しようとする問題点 したがって、本発明の目的は、改善された方法で自己整
合薄膜トランジスタを製造することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、薄膜トランジスタ構
造体を通るリソグラフィ的に活動状態の光の透過率を最
大にすることにより、フォトリソグラフィ露光時間の短
縮及びフォトレジストにおけるイメージ・コントラスト
の増強を可能にすることである。

本発明のさらにもう１つの目的は、短い露光時間及び高
いイメージ・コントラストが容易に実現できる、改善さ
れた薄膜トランジスタ構造体を提供することである。

D.問題点を解決するための手段 本発明の上記及びその他の目的は、従来技術の薄膜半導
体構造体製造法に対する改善によって達成される。非晶
質シリコン層に隣接する絶縁膜を２重の役割で使用する
ことにより、露光時間及びイメージ・コントラストが最
適化される。それらの絶縁膜は、ゲート絶縁物及び任意
選択のキャップ層としての通常の役割に加えて、構造体
中を通るフォトリソグラフィ的に活動状態の光の透過率
が最大になるように選択される。これらの絶縁層は、反
射防止要素として働く光吸収層である非晶質シリコン層
のいずれかの側に配置される。絶縁層は屈折率が基板と
異なるものが選択され、完成した構造体の界面で反射さ
れるリソグラフィ的に活動状態の光波成分が干渉して打
ち消し合うような厚みが選ばれる。いずれの層も光を吸
収せず、各層がそれぞれ隣接層の屈折率の中間の屈折率
を有するという、単純な多層構造体では、絶縁層の厚み
は、リソグラフィ的に活動状態の光の1/4波長を絶縁層
の屈折率で割った商の奇数倍にほぼ等しくなければなら
ない。本発明の非晶質シリコン層は、光を吸収するが、
厳密な数学的方法によって計算した最適な厚みは、この
簡単な規則によって与えられる厚みに近い。

E.実施例 第１図に非晶質シリコン薄膜トランジスタ10を示す。金
属ゲート電極12がガラス基板14の表面上に配置されてい
る。ゲート絶縁層16及び18がゲート電極12及び基板14を
覆って配置されている。薄い第１の非晶質シリコン層20
がゲート絶縁層16及び18の上面にある。ソース電極22及
びドレイン電極24が薄い非晶質層20の上面に形成されて
いる。最後に、第２の非晶質シリコン層26がソース22電
極及びドレイン24電極の両方を覆っている。非晶質シリ
コン層26が必要となるのは、第１の非晶質シリコン層を
容易に30nm以上の厚みにすることができないときだけで
ある。電気的に有用な素子を製造するためにこのシリコ
ンの量が必要である。従来技術の方法では、十分な光が
こうした厚みのシリコンの構造体を通過してフォトレジ
ストを十分に露光させることができない。しかし、本発
明を使用することにより、短い露光時間と高いコントラ
ストのフォト・イメージをもたらすことができ、非晶質
シリコン層26を不要にすることができる。

基板14はガラスである必要はなく、熱的、機械的及び電
気的特性が加工及び所望の用途と矛盾しない限り、リソ
グラフィ的に活動状態の波長が透過できるプラスチック
でもよい。サファイア、アルミナ、または比較的高価な
ガラス等、任意の透明材料から構成することができる。
しかし、薄膜トランジスタを大型の表示パネル中で使用
するときは、上記の材料は価格的に好ましくない。同様
に、比較的新しくて高価な半導体を非晶質シリコン20の
代わりに使ってデバイス速度を上げることができるが、
それらにも同様な光吸収上の問題がある。しかし、低価
格の大型パネル表示装置の製造には、非晶質シリコン、
非晶質シリコン・ゲルマニウムまたは非晶質シリコン・
カーボン膜が好ましい。非晶質膜は扱い易く、またLCD
は高速の応答時間を必要としない。通常、水素化非晶質
シリコンと呼ばれるプラズマ蒸着非晶質シリコンが特に
好ましい。なぜならば、その電気的特性がLCDに求めら
れる要件によく合致するからである。ゲート絶縁層16及
び18は任意の透明絶縁材料から構成することができる
が、ゲート絶縁層16は屈折率が基板14と異なっていなけ
ればならない。任意の無機薄膜絶縁体、またはポリイミ
ド等の高分子材料を使用することができる。しかし、低
価格の大型パネル表示装置の製造では、二酸化シリコン
SiO₂膜または窒化シリコンSi₃N₄膜が好ましい、二酸化
シリコン及び窒化シリコンには、プラズマCVDで製造し
た、種々の量の水素を含むものが含まれることを了解さ
れたい。

第2a図ないし第2e図を参照して、第１図に示したような
薄膜トランジスタを形成する方法について説明する。第
2a図で、ゲート電極12をガラス基板14上に形成する。ゲ
ート電極12はNi−Crまたはその他の適当な合金で形成す
ることができる。第2b図で、ゲート絶縁層16及び18を基
板14及びゲート電極の上に付着させる。任意選択とし
て、一方のゲート絶縁層16のみを付着してもよい。非晶
質半導体層20をプラズマ法またはプラズマCVD法によっ
て付着させる。

ポジ型フォトレジスト層30を表面全体に塗布し、紫外光
を基板14、絶縁膜16、18及び非晶質半導体材料20中を透
過させる。本発明では、フォトレジスト30に達するフォ
トリソグラフィ的に活動状態の光の量が最大になるよう
に、絶縁膜16、18の厚みを選択する。

フォトレジスト膜30のゲート電極12を覆う部分のみは露
光されず、したがって、第2c図に示すように、この部分
のみが現像後に残る。導体層40、通常はアルミニウム等
の金属を基板の上に付着させる。フォトレジスト膜30を
溶媒で除去するとき、フォトレジスト膜30上に付着され
た導体層40も除去される。これにより、ゲート電極12の
上に間隙が残る。第2d図に示されるように、このリフト
オフ工程で除去されない層40の部分がソース電極22及び
ドレイン電極24となる。この工程で形成された間隙内の
それらの縁部は、光の波長の精度内でゲート電極の縁部
と整合する。電極22及び24に対する配線のパターン付け
では、この間隙に必要な精度程の精度は必要でない。し
たがって、ゲート・メタライゼーションによってうまく
画定できない場合、マスクの粗い整合だけで済む後続の
リソグラフィ・ステップでパターン付けを行なうことが
できる。最後に、第2e図に示されるように、第２の非晶
質シリコン層26を構造体の上面に付着させて、シリコン
層26がゲート電極12の上の間隙内に残り、かつソース電
極22及びドレイン電極24の少なくとも一部分を覆うよう
にパターン付けする。

第3a図ないし第3b図を参照して、本発明による方法のも
う１つの実施例について説明する。第3a図で、ゲート電
極12、ゲート絶縁層16、非晶質シリコン層20及びキャッ
プ層25をガラス基板14上に次々に付着させる。ゲート絶
縁層16またはキャップ層25は１枚または複数の透明膜か
ら構成することができる。ただし、図では１枚のみを示
す。第3b図で、フォトレジスト膜30（ポジ型AZ1350Jで
もよい）を塗布し、紫外線を照射する。このキャップ層
25はフォトレジスト30と屈折率が異なっていなければな
らない。ゲート電極12は光を通さず、フォトレジスト膜
30用のマスクとして働く。

第3c図で、膜30をマスクとして使用して、キャップ層25
の露光部分を選択的に除去する。このことは、SiO₂やSi
₃N₄等の絶縁層はエッチングするが、非晶質半導体層20
は侵食しないエッチャントを使って行なうことができ
る。アルミニウムまたは別の金属を付着させ、リフトオ
フ法または金属エッチング工程によってそれを選択的に
除去すると、第3d図に示すソース電極22及びドレイン電
極24が形成される。

非晶質シリコン膜の厚みに応じて、ソース電極22とドレ
イン電極24の間のキャップ層25を除去し、追加の非晶質
シリコン26をゲート電極の上に付着してもよい。

第2b図及び第3b図に示すどちらの工程でも、リフトオフ
・ステンシルを準備する際に使用するフォトレジスト30
の露光速度は、最終的にレジストによって吸収されるフ
ォトリソグラフィ的に活動状態の光の光束に比例する。
この光束は、（１）光源の光出力、（２）フォトレジス
トによって吸収される光の割合、または、（３）光源と
フォトレジストの間の構造を透過する光の割合を増大さ
せることにより増大させることができる。さらに正確に
数学的に言うと、露光速度は、光源の放出スペクトル
と、レジストの増感剤の吸収スペクトルと、干渉構造の
透過スペクトルの積をリソグラフィ的に活動状態のすべ
ての波長について積分した結果に比例する。

シプレー（Shipley）AZ−1350または同等のポジ型レジ
スト中での光の吸収は、約460nmの波長で始まるが、420
nm未満でのみ強くなる。構造体中に光を透過させるため
に使用されるリソグラフィ手段は、一般的に水銀アーク
灯を光源として使用する。したがって、ランプのスペク
トルは水銀線から成り、366nm線群が優越的である。短
波長側では、ガラス板での吸収により、有用な範囲が約
320nmに制限される。405nm線及び436nm線からレジスト
露光に対して幾らかの寄与があるものの、リソグラフィ
的に活動状態の光は366nmでほぼ単色であると見なすこ
とができる。したがって、本発明を通常のリソグラフィ
手段及びレジストで実施する際には、366nmの単一波長
に対する透過率が最大になるように構造体を設計すれば
十分である。

単色光に対する多層構造体の透過率は、たとえば、マッ
クス・ボルン（Max Born）及びエミル・ウルフ（Emil W
olf）「光学の原理（Principles of Optics）」、第６
版、Pergamon Press、1980年刊に記載されている周知の
理論によって予測できる。要約して述べると、多層構造
体の透過率は、吸収、反射または散乱で失われない入射
光の割合である。散乱は、ここで考察する構造体では損
失機構としては無視できる。吸収は、光が一度だけ吸収
層を横切る場合に最小になり、すなわち光を前後に移動
させる吸収層の両側での多重反射を最小にすることによ
り、最小にすることができる。屈折率が変化する界面を
光が横切るときに反射が起こる。多層構造体からの反射
光の強度は、種々の界面で反射される波成分が干渉して
打ち消し合う場合に最小になり、この現象は、それらの
振幅が180度位相がずれているときに起こる。上記の参
考文献に、関連する現象についての一層完全な説明があ
り、任意の層厚の組合せについてそのような多層構造体
の吸光度、反射率、及び透過率の計算のための公式が記
載されているので、それを使えば最適の厚みを計算する
ことができる。しかし、層を構成する材料の光学定数が
既知の場合には、構造体の透過率及び層厚の最適な選択
を計算するための既製のディジタル・コンピュータ・プ
ログラムを使用する方が容易である。最適な厚みを計算
するために必要な数学的公式は周知であり、それ自体は
本発明の一部ではない。

ある周知の従来技術の方法に記載された中間構造、すな
わち、コーニング（Corning）7059ガラスとフォトレジ
ストの間に300.0nmのSiO₂及び12.0nmのａ−Si:Hを挟ん
だ構造の場合、366nmの光に対する反射率、吸光度及び
透過率はそれぞれ48.5、47.8及び13.7と算定できる。表
１に示すように、本発明に従って設計された数種類のど
の構造体によっても、光の透過率の大幅な改善が実現さ
れる。後出の表１は、層の種々の組合せについて計算し
た非吸収層の厚みの最適な選択を示したものである。表
１中で構造体番号１から４は第2b図に示す工程に対応
し、構造体番号５から７は第3b図に対応する。

構造体（番号）１は、300nmの酸化物を、基板と非晶質
シリコン膜の中間の屈折率を有する、適切に選んだ厚み
の誘電体で置き換えるだけで、透過率が13.7％から19.7
％に向上することを示す。この例で最大の透過率をもた
らすための光学的厚み（nd）と光の波長の比は1.245で
ある。深い最小値によって分離された0.745、1.745、2.
245などのnd/λ値について同様な透過率の最大値が計算
された。1/4波長の奇数倍に近いが同じではない光学的
厚みで最大値が生じることに留意されたい。これは、非
晶質シリコン層中での吸収を無視した近似理論の予測で
ある。

構造体（番号）２及び３は、適切に選んだ厚みの二酸化
シリコンを間に挿入することにより、最適の厚みの窒化
シリコン単独の場合と同じ透過率の最大値が得られるこ
とを示す。これらの構造体は、電気的理由から、非晶質
半導体に隣接する絶縁体として二酸化シリコンが窒化物
よりも好ましい場合に有用である。

構造体（番号）４は、基板よりも小さい屈折率を有す
る。適切に選択した厚みの誘電体を窒化物層の下に挿入
することにより、透過率がさらにわずか改善されること
を示す。

構造体（番号）５から７は、非晶質半導体とフォトレジ
ストの間に適切に選択した反射防止キャップ層を挿入す
ることにより、透過率をさらに増大させることができる
ことを示す。したがって、表１の結果は、最終トランジ
スタの所望の電気的特性を維持しながら透過率が改善さ
れるように絶縁体を調整することが可能なことを実証し
ている。

ソース及びドレイン・メタライゼーションの後で、従来
技術に記載されたａ−Si:Hの第２のプラズマ蒸着をなく
すことが望ましい。そのためには、元のａ−Si:H膜の厚
みが素子動作にとって十分でなければならず、現在の
所、最小30nmであると考えられる。示唆されたように、
ａ−Si:Hの厚みがこの値でSiO₂ゲート絶縁体が300nmの
場合、構造体の透過率は4.1％である。これは実用には
低過ぎる。光学的厚みを最適化したゲート絶縁体を用い
ると、前段で述べたように、透過率を5.6％に高めるこ
とができ、ａ−Si:Hとフォトレジストの間に適当な中間
層を追加することにより、7.0％の透過率を得ることが
できる。フォトレジストに対する光透過量がこの値の場
合、有効なリソグラフィが実現できる可能性がはるかに
大きい。

表１について： 366nmの光の透過率を最大にするための種々の構造にお
ける非吸収層の厚みの最適な選択。ａ−Si:H層の厚みは
12.0nmに固定した。計算で使用したその他のパラメータ
は次の通りである。ａ−Si:Hに対する屈折率ｎ＝5.16、
ｋ＝2.4、コーニング7059ガラス基板に対する屈折率ｎ
＝1.556、フォトレジストに対する屈折率ｎ＝1.60であ
る。層は、フォトレジストに隣接するものから順に列挙
してある。

以上、特定の実施例に関して本発明を説明してきたが、
当業者には理解されるように、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく変更を加えることができる。たとえ
ば、ゲート絶縁体を上記の層よりも多い層から構成する
ことができる。こうすると、その機能が光の透過率を最
適化することに加えて、複数の電気的特性、たとえば、
キャパシタンスと絶縁体−半導体間の界面電荷密度の両
方を制御することである場合に有用となる。あるいは、
薄膜トランジスタの速度を高めるために、比較的高価な
半導体を使って上述の構造体を製造することも可能であ
る。上で説明したように、大型パネル液晶表示装置の製
造では新型の半導体は不要である。ここで説明した実施
例は大型パネルLCDの薄膜トランジスタであったが、光
散乱層、または光吸収層を１層含む一連の層を介してフ
ォトレジスト層を露光する場合はさらに広い用途があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って製造された薄膜トランジスタ
の断面図である。 第2a図ないし第2e図はそれぞれ、前記実施例の製造方法
の異なるステップを示す断面図である。 第3a図ないし第3e図はそれぞれ、前記以外の実施例の製
造方法の異なるステップを示す断面図である。 10……非晶質シリコン薄膜トランジスタ、12……金属ゲ
ート電極、14……基板、16、18……ゲート絶縁層、20…
…非晶質層、22……ソース電極、24……ドレイン電極、
25……キャップ層、26……非晶質シリコン層、30……フ
ォトレジスト層、40……導電体層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板と、 前記透明基板上に形成されたゲート電極と、 前記透明基板及びゲート電極上に形成された少なくとも
   １つの透明絶縁層であって、前記透明基板とは異なる屈
   折率を有し、前記透明基板を通過して前記透明絶縁層の
   界面において反射したリソグラフィ用の光が互いに打ち
   消すように干渉して、前記光の反射が抑えられて透過が
   増長されるように選択された厚さを有する透明絶縁層
   と、 前記透明絶縁層上に形成された非晶質半導体層と、 前記非晶質半導体層上に配置されかつ前記ゲート電極に
   セルフ・アラインされたソース及びドレイン電極と、 を有する薄膜トランジスタ。
2. 【請求項２】透明基板上に薄膜トランジスタを形成する
   方法であって、 前記透明基板上にゲート電極を付着させる工程と、 少なくとも１つの透明絶縁層であって、前記透明基板と
   は異なる屈折率を有し、前記透明基板を通過して前記透
   明絶縁層の界面において反射したリソグラフィ用の光が
   互いに打ち消すように干渉して、前記光の反射た抑えら
   れて透過が増長されるように選択された厚さの透明絶縁
   層を前記透明基板及びゲート電極上に付着させる工程
   と、 前記透明絶縁層上に非晶質半導体層を付着させる工程
   と、 前記非晶質半導体層上にフォトレジスト層を付着させる
   工程と、 前記透明基板、前記透明絶縁層、及び前記非晶質半導体
   層を通して前記リソグラフィ用の光で前記フォトレジス
   ト層を露光する工程と、 前記露光されたフォトレジスト層を現像する工程と、 前記現像後の非晶質半導体層及びフォトレジスト層上に
   導体層を付着させ、前記現像後に残ったフォトレジスト
   層及びその上に付着した導体層を選択的に除去すること
   によって、前記ゲート電極にセルフ・アラインされたソ
   ース及びドレイン電極を前記非晶質半導体層上に形成す
   る工程と、 を含む薄膜トランジスタの形成方法。