JPH10284734A - 薄膜トランジスタおよびその製造方法とそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents
薄膜トランジスタおよびその製造方法とそれを用いた液晶表示装置Info
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Abstract
タを直列に接続した薄膜トランジスタはリーク電流の低
減効果は大きいが素子面積の縮小が困難であった。 【解決手段】 複数個の薄膜トランジスタのゲート電極
15間を活性層に用いる半導体薄膜に低濃度に不純物を
注入した領域13bのみで接続することにより素子サイ
ズの縮小とリーク電流の減少を両立させる。
Description
トランジスタ( 以下、TFTと略す)のリーク電流低減
を目的としたLDD構造とその製造方法に関するもので
あり、液晶表示装置などに応用可能な技術である。
流を低減するためにLDD(Lightly-Doped-Drain) 構造
が提案されている。また、よりリーク電流を低減するた
めにLDD構造を直列に接続した構造が提案されてい
る。本技術に関してはたとえばInternational Display
Research Conference '93, p.465に記載されている。
薄膜トランジスタの製造方法を示す。図5(a)に示し
たように透光性のあるガラス基板11(高耐熱ガラス基
板)上に非晶質シリコン薄膜をプラズマ気相成長法(P
CVD法)により形成し、窒素雰囲気中で600℃の熱
処理を行い非晶質シリコン薄膜を結晶化し活性層となる
多結晶シリコン薄膜13を形成する。
その上にゲート絶縁膜14aとなる酸化シリコン薄膜を
膜厚85nmに形成する。この酸化シリコン薄膜の上に
2本のゲート電極15を形成する。ゲート電極形成後、
ゲート電極15をマスクとしてイオン注入法にて第1の
不純物の注入を行い、低濃度不純物の注入領域(n−領
域)13bを形成する。
加速電圧80KV、ドーズ量1×1013/cm2 にて注
入した。このときゲート電極15の下の多結晶シリコン
薄膜は薄膜トランジスタのチャネル領域13aとなる。
たようにフォトレジスト25にて薄膜トランジスタのL
DD領域の上にフォトレジストを用いた注入マスクを形
成したのち、第2の不純物の注入を行い薄膜トランジス
タのソースおよびドレイン領域となる高濃度不純物の注
入領域(n+領域)13cを形成する。
(b)に示したようにゲート電極間の多結晶シリコン領
域上にも開口部を設け、各ゲート電極間の多結晶シリコ
ン薄膜が低濃度不純物の注入領域13bと高濃度不純物
の注入領域13cの両方を介して接続されるような形状
に形成される。
加速電圧80KV、ドーズ量1×1015/cm2 にて注
入した。第2の不純物の注入後、フォトレジストマスク
を除去し、注入した不純物の活性化処理を行う。活性化
処理は900℃、2時間行った。
層間絶縁膜16を形成する。最後に図5(d)に示した
ように、コンタクトホールを開口したのちソース・ドレ
イン電極21,22を形成し薄膜トランジスタが完成す
る。
膜トランジスタでは、各ゲート電極間にソースおよびド
レイン領域と同濃度の高純度不純物の注入領域13cを
有する。このため、図5(b)に示したように直列に接
続した両薄膜トランジスタのソース・ドレイン領域形成
時のドーピングマスク、すなわちフォトレジストに開口
部25を形成する必要がある。
の微細化が可能になるが、露光機のパターン精度、すな
わち最小露光線幅により制限される。また、各ゲート電
極間の低濃度不純物の注入領域13bの長さは設計寸法
に露光機のマスク合わせ精度を加えた値に制限される。
スタを直列に接続した構成を有する薄膜トランジスタに
おいて各薄膜トランジスタ間の最小寸法は露光機の最小
露光幅をWa(μm) 、設計上の低濃度不純物の注入領
域長Ld(μm) 、露光機の合わせ精度をLa(μm)
とした場合には、Wa+2Ld+La以下にすることは
困難である。
いる大版基板用露光機では上記の値が典型的にはWa=
5μm、La=1μm程度であり、Ld=2μm時には
ゲート電極間隔を10μm以下にすることが困難であ
る。
ング素子として用いた場合、液晶表示装置の開口率の低
下を引き起こし、明るさの低下や消費電力の増大といっ
た課題が生じる。
スタを直列に接続した構成において、薄膜トランジスタ
のリーク電流を低減しつつ、素子の微細化が可能な薄膜
トランジスタとその製造方法および液晶表示装置を提供
することを目的とする。
に本発明は、多結晶シリコン薄膜を活性層とし、かつ1
つの薄膜トランジスタに複数本のゲート電極有する薄膜
トランジスタにおいて、薄膜トランジスタのチャネル領
域とソースおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の注
入領域を有し、かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン
薄膜は低濃度不純物の注入領域のみで接続されている。
層とし、前記多結晶シリコン薄膜の上にゲート絶縁膜を
有し、前記ゲート絶縁膜の上に複数本のゲート電極を有
する薄膜トランジスタにおいて、チャネル領域とソース
およびドレイン領域の間に低濃度不純物の注入領域を有
するLDD構造を形成するに際し、ゲート電極をマスク
として第1の不純物の注入を行った後、ゲート電極間の
多結晶シリコン領域の上を含めてLDD領域となる領域
上に注入マスクを形成し、第2の不純物の注入を行うも
のである。
性層とし、前記多結晶シリコン薄膜の上にゲート絶縁膜
を有し、前記ゲート絶縁膜の上に複数本のゲート電極を
有する薄膜トランジスタにおいて、チャネル領域とソー
スおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の注入領域を
有するLDD構造を形成するに際し、多結晶シリコン薄
膜の上に異種絶縁膜を積層し、前記ゲート絶縁膜の上層
絶縁膜を少なくともソースおよびドレイン領域上では除
去し、かつ低濃度不純物領域および各ゲート電極間の多
結晶シリコンの上を被覆する形状に加工した後、ゲート
電極をマスクとして、一度の不純物の注入を行うもので
ある。
層とし駆動回路を同一基板内に集積化した液晶表示装置
用アクティブマトリックスアレイにおいて、画素電極を
駆動する薄膜トランジスタに複数本のゲート電極有し、
前記薄膜トランジスタのチャネル領域とソースおよびド
レイン領域の間に低濃度不純物の注入領域を有するLD
D構造を有し、かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン
薄膜は低濃度不純物の注入領域のみで接続されているこ
とを特徴とするアクティブマトリックスアレイを用いた
ものである。
結晶シリコン薄膜を活性層とし、かつ1つの薄膜トラン
ジスタに複数本のゲート電極を有する薄膜トランジスタ
において、薄膜トランジスタのチャネル領域とソースお
よびドレイン領域の間に前記ソースおよびドレイン領域
に比較して低濃度に不純物を注入した多結晶シリコン領
域を有し、かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン薄膜
は前記低濃度に不純物を注入した多結晶シリコン薄膜の
みで形成されていることを特徴とする。
光機の最小線幅でのみ規定でき、リーク電流を低減しつ
つ素子サイズを縮小することが可能となる。また本発明
の薄膜トランジスタは、低濃度に不純物を注入した多結
晶シリコン薄膜のシート抵抗が好ましくは5kΩ〜15
0kΩであることを特徴とする。
度に不純物を注入した多結晶シリコンのドーズ量がソー
スおよびドレイン領域のドーズ量の1/10以上かつ1
/2以下であることを特徴とする。
スおよびドレイン領域間に含まれる全ての低濃度に不純
物を注入した多結晶シリコン薄膜長の合計が薄膜トラン
ジスタのチャネル長方向に6μm以上12μm以下であ
ることを特徴とする。
は、多結晶シリコン薄膜を活性層とし、前記多結晶シリ
コン薄膜の上にゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁薄
膜の上に複数本のゲート電極を有し、チャネル領域とソ
ースおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の注入領域
を有するLDD構造を有する薄膜トランジスタを製造す
るにあたって、第1の不純物の注入後、ゲート電極間の
多結晶シリコン領域の上を含めてLDD領域となる領域
上に注入マスクを形成し、第2の不純物の注入を行って
薄膜トランジスタのソースおよびドレイン領域となる高
濃度不純物の注入領域を形成することを特徴とする。
は、多結晶シリコン薄膜を活性層とし、前記多結晶シリ
コン薄膜の上にゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁膜
の上に複数本のゲート電極を有し、チャネル領域とソー
スおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の注入領域を
有するLDD構造を有する薄膜トランジスタを製造する
にあたって、多結晶シリコン薄膜の上に異種のゲート絶
縁膜を積層し、前記ゲート絶縁膜の上層絶縁膜を少なく
ともソースおよびドレイン領域上では除去し、かつ低濃
度不純物領域の上および各ゲート電極間の多結晶シリコ
ンの上を被覆する形状に加工した後、一度の不純物の注
入工程にて薄膜トランジスタのソースおよびドレイン領
域ならびに低濃度不純物の注入領域を形成し、不純物の
注入工程の後、低濃度不純物領域および各ゲート電極間
の多結晶シリコンの上を被覆している上層ゲート絶縁膜
を除去することを特徴とし、さらにゲート絶縁膜を、多
結晶シリコン薄膜の上の酸化シリコン薄膜と窒化シリコ
ンあるいは酸化タンタルよりなる2層のゲート絶縁膜で
形成することを特徴とする。
用いた液晶表示装置は、多結晶シリコン薄膜を活性層と
し駆動回路を同一基板内に集積化したアクティブマトリ
ックスアレイが、少なくとも画素電極を駆動する薄膜ト
ランジスタに複数本のゲート電極を有し、前記薄膜トラ
ンジスタのチャネル領域とソースおよびドレイン領域の
間に低濃度不純物の注入領域を有するLDD構造を有
し、かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン薄膜は低濃
度不純物の注入領域のみで形成されていることを特徴と
する。
から図4を用いて説明する。 (実施の形態1)図1は本発明の(実施の形態1)のL
DD構造を有する薄膜トランジスタの製造工程を示す。
コンを表面コートしたガラス基板11の上に非晶質シリ
コン薄膜をプラズマCVD法により50nmの膜厚で形
成する。
0分の熱処理を行い膜中の水素濃度を低減した後、エキ
シマレーザー照射にて非晶質シリコン薄膜を結晶化し活
性層となる多結晶シリコン薄膜13を形成する。
ジスタの形状に加工し、その上にゲート絶縁膜14aと
なる酸化シリコンを85nm形成する。この酸化シリコ
ンの上に2本の電気的に接続されたゲート電極15を形
成する。各電極間隔は露光機の最小線幅である5μmで
形成している。ゲート電極15は酸化シリコンと接する
ようにチタン(Ti)を80nm、チタンの上にアルミ
ニウム(Al)にジルコニウム(Zr)を7.4%含有
した合金を100nm形成し、計180nmの膜厚にて
構成されている。
クとしてイオンドーピング法にて燐(P)を加速電圧8
0KV、注入ドーズ量1×1014/cm2 にて注入する
第1の不純物の注入を行い、低濃度不純物の注入領域
(n- 領域)13bを形成する。
のPH3 を混合したガスを高周波放電にてプラズマ分解
し、生成したイオンを質量分離工程なく薄膜トランジス
タに注入している。このときゲート電極15下の多結晶
シリコン薄膜は薄膜トランジスタのチャネル領域13a
となる。
たようにフォトレジスト25にて薄膜トランジスタのL
DD領域上にフォトレジストを用いた注入マスクを形成
したのち、第2の不純物の注入を行い薄膜トランジスタ
のソースおよびドレイン領域となる高濃度不純物の注入
領域(n+領域)13cを形成する。
したように両ゲート電極間の多結晶シリコン領域の上を
全てマスクするように形成する。これにより、両ゲート
電極間の多結晶シリコン薄膜は低濃度不純物の注入領域
13bのみを介して接続されるような形状に形成され
る。フォトレジストマスクを形成した後の第2の不純物
の注入として、燐(P)イオンを加速電圧80KV、ド
ーズ量1×1015/cm 2 にて注入した。
たようにフォトレジストマスクを除去し、注入した不純
物の活性化処理を行う。活性化処理後、図1(c)に示
したように層間絶縁膜16を形成する。最後にコンタク
トホールを開口したのちソース・ドレイン電極21,2
2を形成し薄膜トランジスタが完成する。
形態2)のLDD構造を有する薄膜トランジスタの製造
工程を示す。
コンを表面コートしたガラス基板11の上に非晶質シリ
コン薄膜をプラズマCVD法により50nmの膜厚で形
成する。非晶質シリコンを窒素中にて450℃、90分
の熱処理を行い膜中の水素濃度を低減した後、エキシマ
レーザーアニールにて結晶化し活性層となる多結晶シリ
コン薄膜13を形成する。
ジスタの形状に加工し、その上にゲート絶縁膜14aと
なる酸化シリコンを85nm形成する。この酸化シリコ
ンの上に第2のゲート絶縁膜14bとなる酸化タンタル
を50nm形成する。次いで酸化タンタルの上に2本ゲ
ート電極15を形成する。ゲート電極15は酸化タンタ
ルと接するようにチタン(Ti)を80nm、チタンの
上にアルミニウム(Al)にジルコニウム(Zr)を
7.4%含有した合金を100nm形成し、計180n
mの膜厚にて構成されている。
ランジスタのLDD領域の上および薄膜トランジスタの
両ゲート電極間のみ酸化タンタルで被覆し、ソースおよ
びドレイン領域の上の酸化タンタルを選択的に除去す
る。
2(b)に示したようにイオンドーピング法にて燐
(P)を加速電圧80KV、注入ドーズ量1×1015/
cm2 にて注入する不純物の注入を行う。イオンドーピ
ング法は水素ガスに5%濃度のPH3 を混合したガスを
高周波放電にてプラズマ分解し、生成したイオンを質量
分離工程なく試料に注入している。
ースおよびドレイン領域は酸化シリコン単層膜を、LD
D領域および両ゲート電極間の領域は酸化タンタルと酸
化シリコンの積層膜を通じて注入され、一度の不純物の
注入工程により高濃度不純物の注入領域13cのソース
およびドレイン領域と低濃度不純物の注入領域13bの
LDD領域が同時に形成される。
ト電極間はLDD領域と同一濃度の低濃度不純物の注入
した多結晶シリコン薄膜からなる低濃度不純物の注入領
域13bによってのみ接続される。
ン薄膜は薄膜トランジスタのチャネル領域13aとな
る。薄膜トランジスタへの不純物の注入後、図2(c)
に示したようにLDD領域上の酸化タンタル薄膜を除去
する。
リコンからなる層間絶縁膜16を形成する。酸化シリコ
ンは常圧CVD法を用いて430℃にて形成しており、
本工程で同時に注入した不純物の活性化が可能である。
最後にコンタクトホールを開口後、ソース・ドレイン電
極21,22を形成し薄膜トランジスタが完成する。
形態3)の液晶表示装置用アクティブマトリックスアレ
イの製造工程を示す。
コンを表面コートしたガラス基板11の上に非晶質シリ
コン薄膜をプラズマCVD法により50nmの膜厚で形
成する。非晶質シリコンを窒素中にて450℃、90分
の熱処理を行い、膜中の水素濃度を低減した後、エキシ
マレーザーアニールにて結晶化し多結晶シリコン薄膜1
3を形成する。
タの形状に加工し、ゲート絶縁膜14aとなる酸化シリ
コンを85nm形成する。酸化シリコンの上に第2のゲ
ート絶縁膜14bとなる酸化タンタルを50nm形成す
る。
ゲート電極15を形成する。ゲート電極15は酸化タン
タルと接するようにチタン(Ti)を80nm、チタン
の上にアルミニウム(Al)にジルコニウム(Zr)を
7.4%含有した合金を150nm形成し、計230n
mの膜厚にて構成されている。このときnチャネル薄膜
トランジスタの上はゲート電極材料にて被覆している。
ースおよびドレイン領域にボロンを注入する。ボロンは
イオンドーピング法を用い、加速電圧60KV、ドーズ
量5×1015/cm2 にて注入した。
うにnチャネル薄膜トランジスタの上にゲート電極15
を形成する。画素TFTのゲート電極はデュアルゲート
構成であり、かつLDD領域の上および画素TFTの両
ゲート電極間の酸化タンタル膜を残し、ソースおよびド
レイン領域の上の酸化タンタルを選択的に除去する。酸
化タンタル薄膜を前記形状に加工後、イオンドーピング
法にて燐(P)を加速電圧80KV、注入ドーズ量1×
1015/cm2 にて注入する。
のPH3 を混合したガスを高周波放電にてプラズマ分解
し、生成したイオンを質量分離工程なく試料に注入して
いる。従って、従来のイオン注入法に比べて注入時の不
純物プロファイルがブロードである。
の不純物の注入にてLDD領域とソースおよびドレイン
領域を形成している。このとき画素TFTの両ゲート電
極間はLDD領域と同一濃度の低濃度不純物の注入した
多結晶シリコン薄膜により接続される。薄膜トランジス
タへの不純物の注入後、ゲート電極をマスクとしてLD
D領域の上及び両ゲート電極間の酸化タンタル薄膜を除
去する。この酸化タンタル除去工程を行うことにより薄
膜トランジスタのOFF電流を大幅に低減可能となる。
リコンからなる第1の層間絶縁膜16を形成する。酸化
シリコンは常圧CVD法を用いて430℃にて形成して
おり、本工程で同時に注入した不純物の活性化が可能で
ある。第1の層間絶縁膜16の上にITO(Indium-Tin-
Oxide)膜からなる画素電極18を形成し、第2の層間絶
縁膜17を形成する。
示したように、ソース・ドレイン電極21,22を形成
する。さらに保護膜23となる窒化シリコンをプラズマ
CVDにて形成し水素雰囲気で350℃のアニール処理
を行った後、画素電極18の上の窒化シリコン・酸化シ
リコン積層膜を選択的に除去してアクティブマトリック
スアレイが完成する。
レイを用いて作製した液晶表示装置の構成断面図の一例
で、画素部を拡大表示したものである。ガラス基板11
の上に形成したアクティブマトリックスと対向基板43
の間に配向膜46を介して液晶47が保持されており、
薄膜トランジスタをスイッチング素子として画素電極1
8を駆動して液晶を充電し画像表示を行っている。
膜トランジスタを画素に用いた場合と比較して素子の微
細化が可能となり液晶表示装置の開口率が向上した。こ
こで、41はブラックマトリックス、42は偏光板、4
4はカラーフィルタ、45は透明導電層である。
ンジスタにLDD構造を有する場合に関して説明した
が、駆動回路部のnチャネル薄膜トランジスタの少なく
とも一部にもLDD構造を用いてもよく、特に信頼性の
向上に効果がある。
る薄膜トランジスタを直列に接続した構成では、各ゲー
ト電極間のサイズは露光機の最小線幅でのみ規定され
て、電極間隔は5μmにすることができ、従来例の10
μmに比較して50%に素子サイズを縮小することが可
能となった。
用いた液晶表示装置では、画素電極を駆動する薄膜トラ
ンジスタの素子サイズの縮小化が可能となり、、解像度
の向上、開口率の向上に伴う明るさの増大や消費電力低
減効果が得られた。
の断面図
の断面図
クティブマトリックスアレイの断面図
ックスアレイを用いた液晶表示装置の断面図
ン領域) 14a ゲート絶縁膜(酸化シリコン薄膜) 14b 第2のゲート絶縁膜(酸化タンタル薄膜) 15 ゲート電極 16,17 層間絶縁膜 18 画素電極 21,22 ソースおよびドレイン電極 23 保護絶縁膜(窒化シリコン)
Claims (9)
- 【請求項1】多結晶シリコン薄膜を活性層とし、かつ1
つの薄膜トランジスタに複数本のゲート電極有する薄膜
トランジスタであって、 薄膜トランジスタのチャネル領域とソースおよびドレイ
ン領域の間に前記ソースおよびドレイン領域に比較して
低濃度に不純物を注入した多結晶シリコン領域を有し、 かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン薄膜は前記低濃
度に不純物を注入した多結晶シリコン薄膜のみで形成さ
れている薄膜トランジスタ。 - 【請求項2】低濃度に不純物を注入した多結晶シリコン
薄膜のシート抵抗が5KΩ〜150KΩである請求項1
記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項3】低濃度に不純物を注入した多結晶シリコン
薄膜のドーズ量がソースおよびドレイン領域のドーズ量
の1/10以上かつ1/2以下である請求項1または2
記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項4】薄膜トランジスタのソースおよびドレイン
領域間に含まれる全ての低濃度に不純物を注入した多結
晶シリコン薄膜長の合計が薄膜トランジスタのチャネル
長方向に6μm以上12μm以下である請求項1〜請求
項3のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。 - 【請求項5】多結晶シリコン薄膜を活性層とし、前記多
結晶シリコン薄膜の上にゲート絶縁膜を有し、前記ゲー
ト絶縁膜の上に複数本のゲート電極を有し、チャネル領
域とソースおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の注
入領域を有するLDD構造を有する薄膜トランジスタの
製造方法であって、 第1の不純物の注入後、ゲート電極間の多結晶シリコン
領域の上を含めてLDD領域となる領域上に注入マスク
を形成し、 第2の不純物の注入を行って薄膜トランジスタのソース
およびドレイン領域となる高濃度不純物の注入領域を形
成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項6】多結晶シリコン薄膜を活性層とし、前記多
結晶シリコン薄膜の上にゲート絶縁膜を有し、前記ゲー
ト絶縁膜の上に複数本のゲート電極を有し、チャンネル
領域とソースおよびドレイン領域の間に低濃度不純物の
注入領域を有するLDD構造を有する薄膜トランジスタ
の製造方法であって、 多結晶シリコン薄膜上に異種のゲート絶縁膜を積層し、 前記ゲート絶縁膜の上層絶縁膜を少なくともソースおよ
びドレイン領域上では除去し、 かつ低濃度不純物領域の上および各ゲート電極間の多結
晶シリコンの上を被覆する形状に加工した後、 一度の不純物の注入工程にて薄膜トランジスタのソース
およびドレイン領域ならびに低濃度不純物の注入領域を
形成する工程を有する薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項7】不純物の注入工程の後、低濃度不純物領域
および各ゲート電極間の多結晶シリコンの上を被覆して
いる上層ゲート絶縁膜を除去する工程を有する請求項6
記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項8】ゲート絶縁膜を、多結晶シリコン薄膜の上
の酸化シリコン薄膜に窒化シリコンあるいは酸化タンタ
ルよりなる2層のゲート絶縁膜で形成する請求項6また
は請求項7記載の薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項9】多結晶シリコン薄膜を活性層とし駆動回路
を同一基板内に集積化したアクティブマトリックスアレ
イを用いた液晶表示装置であって、 前記アクティブマトリックスアレイは、少なくとも画素
電極を駆動する薄膜トランジスタに複数本のゲート電極
を有し、 前記薄膜トランジスタのチャネル領域とソースおよびド
レイン領域の間に低濃度不純物の注入領域を有するLD
D構造を有し、 かつ、各ゲート電極間の多結晶シリコン薄膜は低濃度不
純物の注入領域のみで形成したアクティブマトリックス
アレイを用いた液晶表示装置。
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