JPWO2013072966A1 - Thin film semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
ゲート絶縁膜(3)上に形成された半導体層(4)のバンドギャップエネルギーは、1.6eV以下である。半導体層(4)上に形成された絶縁層(5)は、第1コンタクト開口部(8)よりも外側に配置された第1絶縁層領域(5a)と、第2コンタクト開口部(9)よりも外側に配置された第2絶縁層領域(5b)と、を有する。第1絶縁層領域(5a)は、ゲート電極(2)の一端部の上方に配置され、第2絶縁層領域(5b)は、ゲート電極(2)の他端部の上方に配置される。The band gap energy of the semiconductor layer (4) formed on the gate insulating film (3) is 1.6 eV or less. The insulating layer (5) formed on the semiconductor layer (4) includes a first insulating layer region (5a) disposed outside the first contact opening (8) and a second contact opening (9). And a second insulating layer region (5b) disposed on the outer side. The first insulating layer region (5a) is disposed above one end portion of the gate electrode (2), and the second insulating layer region (5b) is disposed above the other end portion of the gate electrode (2).
Description
本発明は、例えば有機ELディスプレイ等の表示装置に用いられる薄膜半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film semiconductor device used in a display device such as an organic EL display and a method for manufacturing the same.
近年、液晶ディスプレイに代わる次世代のフラットパネルディスプレイの一つとして、有機EL(Electro Luminescence)を利用した有機ELディスプレイが注目されている。有機ELディスプレイ等のアクティブマトリクス方式の表示装置には、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)と呼ばれる薄膜半導体装置が用いられる。 In recent years, organic EL displays using organic EL (Electro Luminescence) have attracted attention as one of the next generation flat panel displays that replace liquid crystal displays. A thin film semiconductor device called a thin film transistor (TFT) is used for an active matrix display device such as an organic EL display.
この薄膜半導体装置としては、ゲート電極が半導体層よりも基板側に形成されたボトムゲート型の薄膜半導体装置が一般的に用いられる(例えば、特許文献1〜3参照)。図13は、従来のボトムゲート型の薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。図示の薄膜半導体装置500では、基板51上にゲート電極52が形成され、さらに、ゲート電極52上及びその両端部よりも外側の基板51上に渡ってゲート絶縁膜53が形成されている。ゲート絶縁膜53上には、チャネル領域を有する半導体層54が形成されている。この半導体層54は、非晶質シリコン(アモルファスシリコン)を結晶化することにより形成された多結晶性シリコン薄膜である。半導体層54上には、一対のコンタクト層56を介して、ソース電極57S及びドレイン電極57Dが形成されている。また、半導体層54のチャネル領域の上方には、チャネルエッチングストッパ層として機能するチャネル保護層55が形成されている。
As this thin film semiconductor device, a bottom gate type thin film semiconductor device in which a gate electrode is formed on the substrate side with respect to a semiconductor layer is generally used (for example, see
薄膜半導体装置500の製造工程において、ゲート絶縁膜53をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等により形成した際に、ゲート電極52の膜厚に起因して、ゲート電極52の両端部に対応するゲート絶縁膜53の部位には段差部58が形成される。図14は、従来の薄膜半導体装置における、ゲート絶縁膜の段差部の断面を示す電子顕微鏡写真である。図14に示すように、ゲート絶縁膜53の平坦部59における膜厚t1は約110nm、ゲート電極52の膜厚t2は約50nmであり、その膜厚比Rは、R=t1/t2=110nm/50nm=2.2である。ゲート絶縁膜53の段差部58における膜厚t3は約70nmであり、ゲート絶縁膜53の平坦部59における膜厚t1よりも薄くなる。In the manufacturing process of the thin
上述した従来の薄膜半導体装置500の構成では、ゲート絶縁膜53の段差部58における膜厚t3が薄くなることによって、ゲート絶縁膜53の段差部58に対応する半導体層54の部位に電界が集中する。これにより、薄膜半導体装置500のオフ動作時に、上記半導体層54の部位においてトンネル電流によるリーク電流が発生する。そのため、従来の薄膜半導体装置500では、オフ動作時のリーク電流を抑制してオフ特性を改善することが課題となっていた。In the structure of the conventional thin
一般的に、薄膜半導体装置500の配線抵抗を低くするためには、ゲート電極52の膜厚t2は厚い方が好ましい。また、薄膜半導体装置500のオン電流を大きくするためには、ゲート絶縁膜53の平坦部59における膜厚t1は薄い方が好ましい。即ち、配線抵抗の低下及びオン電流の増大を同時に実現するためには、上記膜厚比Rがより小さくなるように、ゲート絶縁膜53の平坦部59における膜厚t1及びゲート電極52の膜厚t2をそれぞれ設定する必要がある。Generally, in order to lower the wiring resistance of the thin
しかしながら、上記膜厚比Rが小さくなると、ゲート絶縁膜53の段差部58の形状がより急峻になり、ゲート絶縁膜53の段差部58における膜厚t3がより薄くなる。これにより、オフ動作時において、上記半導体層54の部位における電界強度が増大するため、発生するリーク電流の大きさも増大する。However, when the thickness ratio R decreases, it becomes steeper shape of the
図15は、従来の薄膜半導体装置において、オフ動作時の電流密度分布をシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションでは、図13に示す構造の薄膜半導体装置500を用い、ゲート電極52として膜厚50nmのモリブデンタングステン(MoW)、ゲート絶縁膜53として膜厚120nmの酸化シリコン(SiO)、半導体層54として膜厚50nmの多結晶シリコン、チャネル保護層55として膜厚500nmの酸化シリコン(SiO)、コンタクト層56として膜厚40nmの非晶質シリコン、ソース電極57S及びドレイン電極57Dとして膜厚600nmのアルミニウム(Al)を用いた。また、ゲート−ソース間電圧として−20V、ドレイン−ソース間電圧として5.1Vを印加した。図15では、オフ動作時に発生するリーク電流の密度分布を等高線で表している。図15中の等高線で示されるように、オフ動作時に、リーク電流が半導体層54を流れる様子が理解できる。なお、リーク電流は、図15中の矢印で示す方向に流れる。
FIG. 15 is a diagram showing a result of simulating a current density distribution during an off operation in a conventional thin film semiconductor device. In this simulation, a thin
また、図16は、従来の薄膜半導体装置において、オフ動作時のバンド−バンド間トンネルレートをシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションの条件は、上述した図15のシミュレーションの条件とほぼ同じである。図16では、バンド−バンド間トンネルレート(/scm3)の分布を等高線で表している。図16中において実線で囲んだ部分の等高線で示されるように、オフ動作時に、ゲート絶縁膜53の段差部に対応する半導体層54の部位でリーク電流が発生する様子が理解できる。FIG. 16 is a diagram showing a simulation result of a band-to-band tunnel rate during an off operation in a conventional thin film semiconductor device. The simulation conditions are substantially the same as the simulation conditions of FIG. In FIG. 16, the distribution of the band-to-band tunnel rate (/ scm 3 ) is represented by contour lines. As can be seen from the contour lines surrounded by the solid line in FIG. 16, it can be understood that a leakage current is generated at the portion of the
以上説明したように、従来の薄膜半導体装置の構成では、ゲート絶縁膜の段差部における膜厚が薄くなることに起因して、この段差部に対応する半導体層の部位において電界が集中する。そのため、オフ動作時にトンネル電流によるリーク電流が発生し、オフ特性が良くないという問題があった。また、上記膜厚比Rが小さくなると、ゲート絶縁膜の段差部における膜厚がより薄くなるため、発生するリーク電流の大きさがより増大する。そのため、上記膜厚比Rを小さくすることができず、配線抵抗の低下及びオン電流の増大を同時に実現することが困難であるという問題があった。 As described above, in the configuration of the conventional thin film semiconductor device, the electric field concentrates at the portion of the semiconductor layer corresponding to the step portion due to the thin film thickness at the step portion of the gate insulating film. Therefore, there is a problem that a leakage current due to a tunnel current is generated during the off operation, and the off characteristics are not good. Further, when the film thickness ratio R is decreased, the film thickness at the stepped portion of the gate insulating film becomes thinner, so that the magnitude of the leak current is further increased. Therefore, the film thickness ratio R cannot be reduced, and there is a problem that it is difficult to simultaneously realize a decrease in wiring resistance and an increase in on-current.
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、その目的は、オフ動作時のリーク電流を抑制することができる薄膜半導体装置及びその製造方法を提供することである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a thin film semiconductor device capable of suppressing a leakage current during an off operation and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜半導体装置は、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上及びその両端部よりも外側の前記基板上に渡って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する半導体層と、前記半導体層上に形成され、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部及び第2コンタクト開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層の上方に形成されたソース電極と、前記絶縁層の上方に形成され、前記ソース電極に対向して形成されたドレイン電極と、を備え、前記半導体層のバンドギャップエネルギーは1.6eV以下であり、前記絶縁層は、前記第1コンタクト開口部よりも外側に配置された第1絶縁層領域と、前記第2コンタクト開口部よりも外側に配置された第2絶縁層領域と、を有し、前記第1絶縁層領域は、前記ゲート電極の一端部の上方に配置され、前記第2絶縁層領域は、前記ゲート電極の他端部の上方に配置され、前記ソース電極は、前記第1コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続され、前記ドレイン電極は、前記第2コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続されている。 In order to achieve the above object, a thin film semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a substrate, a gate electrode formed over the substrate, the gate electrode, and the substrate outside the both ends thereof. A gate insulating film formed across, a semiconductor layer formed on the gate insulating film and having a channel region, a first contact opening formed on the semiconductor layer, and spaced apart; An insulating layer having a contact opening; a source electrode formed above the insulating layer; and a drain electrode formed above the insulating layer and opposed to the source electrode. The band gap energy of the layer is 1.6 eV or less, and the insulating layer includes a first insulating layer region disposed outside the first contact opening and an outside of the second contact opening. A second insulating layer region disposed on the gate electrode, wherein the first insulating layer region is disposed above one end portion of the gate electrode, and the second insulating layer region is disposed on the other end portion of the gate electrode. The source electrode is electrically connected to the channel region through the first contact opening, and the drain electrode is electrically connected to the channel region through the second contact opening. Yes.
以上説明したように、本発明の薄膜半導体装置では、第1絶縁層領域は、ゲート電極の一端部の上方に配置され、第2絶縁層領域は、ゲート電極の他端部の上方に配置されている。第1絶縁層領域及び第2絶縁層領域によってリーク電流の経路を遮断することができるので、半導体層の電界集中部位、即ち、ゲート電極の両端部に対応する半導体層の部位がリーク電流の伝導に寄与しなくなる。これにより、発生したトンネル電流がリーク電流として寄与することを抑制することができ、オフ特性を改善することができる。また、ゲート電極の膜厚を厚くするとともに、ゲート絶縁膜の平坦部における膜厚を薄くすることにより、ゲート電極の両端部に対応するゲート絶縁膜の膜厚がより薄くなった場合であっても、上述したようにリーク電流を抑制することができるので、配線抵抗の低下及びオン電流の増大を同時に実現することができる。 As described above, in the thin film semiconductor device of the present invention, the first insulating layer region is disposed above one end portion of the gate electrode, and the second insulating layer region is disposed above the other end portion of the gate electrode. ing. Since the path of leakage current can be blocked by the first insulating layer region and the second insulating layer region, the electric field concentration portion of the semiconductor layer, that is, the portion of the semiconductor layer corresponding to both ends of the gate electrode, No longer contributes to Thereby, it can suppress that the generated tunnel current contributes as a leak current, and can improve an OFF characteristic. In addition, by increasing the thickness of the gate electrode and reducing the thickness of the flat portion of the gate insulating film, the thickness of the gate insulating film corresponding to both ends of the gate electrode is further reduced. However, since the leakage current can be suppressed as described above, it is possible to simultaneously realize a decrease in wiring resistance and an increase in on-current.
本発明に係る薄膜半導体装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上及びその両端部よりも外側の前記基板上に渡って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する半導体層と、前記半導体層上に形成され、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部及び第2コンタクト開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層の上方に形成されたソース電極と、前記絶縁層の上方に形成され、前記ソース電極に対向して形成されたドレイン電極と、を備え、前記半導体層のバンドギャップエネルギーは1.6eV以下であり、前記絶縁層は、前記第1コンタクト開口部よりも外側に配置された第1絶縁層領域と、前記第2コンタクト開口部よりも外側に配置された第2絶縁層領域と、を有し、前記第1絶縁層領域は、前記ゲート電極の一端部の上方に配置され、前記第2絶縁層領域は、前記ゲート電極の他端部の上方に配置され、前記ソース電極は、前記第1コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続され、前記ドレイン電極は、前記第2コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続されている。 One aspect of a thin film semiconductor device according to the present invention includes a substrate, a gate electrode formed on the substrate, and a gate insulating film formed on the gate electrode and on the substrate outside the both end portions. A semiconductor layer formed on the gate insulating film and having a channel region; and an insulating layer formed on the semiconductor layer and having a first contact opening and a second contact opening spaced apart from each other. A source electrode formed above the insulating layer; and a drain electrode formed above the insulating layer and formed to face the source electrode. The band gap energy of the semiconductor layer is 1. 6 eV or less, and the insulating layer includes a first insulating layer region disposed outside the first contact opening and a second insulating layer region disposed outside the second contact opening. The first insulating layer region is disposed above one end portion of the gate electrode, and the second insulating layer region is disposed above the other end portion of the gate electrode, and the source electrode Is electrically connected to the channel region through the first contact opening, and the drain electrode is electrically connected to the channel region through the second contact opening.
本態様によれば、第1絶縁層領域は、ゲート電極の一端部の上方に配置され、第2絶縁層領域は、ゲート電極の他端部の上方に配置されている。第1絶縁層領域及び第2絶縁層領域によってリーク電流の経路を遮断することができるので、半導体層の電界集中部位、即ち、ゲート電極の両端部に対応する半導体層の部位がリーク電流の伝導に寄与しなくなる。これにより、発生したトンネル電流がリーク電流として寄与することを抑制することができ、オフ特性を改善することができる。また、ゲート電極の膜厚を厚くするとともに、ゲート絶縁膜の平坦部における膜厚を薄くすることにより、ゲート電極の両端部に対応するゲート絶縁膜の膜厚がより薄くなった場合であっても、上述したようにリーク電流を抑制することができるので、配線抵抗の低下及びオン電流の増大を同時に実現することができる。 According to this aspect, the first insulating layer region is disposed above one end portion of the gate electrode, and the second insulating layer region is disposed above the other end portion of the gate electrode. Since the path of leakage current can be blocked by the first insulating layer region and the second insulating layer region, the electric field concentration portion of the semiconductor layer, that is, the portion of the semiconductor layer corresponding to both ends of the gate electrode, No longer contributes to Thereby, it can suppress that the generated tunnel current contributes as a leak current, and can improve an OFF characteristic. In addition, by increasing the thickness of the gate electrode and reducing the thickness of the flat portion of the gate insulating film, the thickness of the gate insulating film corresponding to both ends of the gate electrode is further reduced. However, since the leakage current can be suppressed as described above, it is possible to simultaneously realize a decrease in wiring resistance and an increase in on-current.
また、本発明に係る薄膜半導体装置の一態様において、前記絶縁層は、さらに、前記第1コンタクト開口部と前記第2コンタクト開口部との間に配置された第3絶縁層領域を備え、前記第3絶縁層領域は、前記ゲート電極の中央部の上方に配置され、前記チャネル領域を覆うチャネルエッチングストッパ層として機能することが好ましい。 In one aspect of the thin film semiconductor device according to the present invention, the insulating layer further includes a third insulating layer region disposed between the first contact opening and the second contact opening, The third insulating layer region is preferably disposed above the central portion of the gate electrode and functions as a channel etching stopper layer that covers the channel region.
本態様によれば、第3絶縁層領域をチャネルエッチングストッパ層として機能させることにより、薄膜半導体装置の製造工程におけるエッチング処理において、半導体層のチャネル領域がエッチングされることを防止することができる。 According to this aspect, by functioning the third insulating layer region as a channel etching stopper layer, the channel region of the semiconductor layer can be prevented from being etched in the etching process in the manufacturing process of the thin film semiconductor device.
また、本発明に係る薄膜半導体装置の一態様において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極のチャネル幅方向における大きさはそれぞれ、前記第3絶縁層領域のチャネル幅方向における大きさよりも大きいことが好ましい。 In the aspect of the thin film semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the source electrode and the drain electrode have a size in the channel width direction larger than the size of the third insulating layer region in the channel width direction.
本態様によれば、半導体層のチャネル領域とソース電極及びドレイン電極との間における寄生抵抗を低下させることができる。 According to this aspect, the parasitic resistance between the channel region of the semiconductor layer and the source electrode and the drain electrode can be reduced.
また、本発明に係る薄膜半導体装置の一態様において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第3絶縁層領域のチャネル幅方向における両端部よりそれぞれ2μm以上突出していることが好ましい。 In the aspect of the thin film semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the source electrode and the drain electrode protrude 2 μm or more from both ends in the channel width direction of the third insulating layer region.
本態様によれば、半導体層のチャネル領域とソース電極及びドレイン電極との間における寄生抵抗を効果的に低下させることができる。 According to this aspect, it is possible to effectively reduce the parasitic resistance between the channel region of the semiconductor layer and the source electrode and the drain electrode.
また、本発明に係る薄膜半導体装置の一態様において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第3絶縁層領域のチャネル幅方向における両端部よりそれぞれ4μm以上突出していることが好ましい。 In the aspect of the thin film semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the source electrode and the drain electrode protrude 4 μm or more from both ends in the channel width direction of the third insulating layer region.
本態様によれば、半導体層のチャネル領域とソース電極及びドレイン電極との間における寄生抵抗をより効果的に低下させることができる。 According to this aspect, the parasitic resistance between the channel region of the semiconductor layer and the source electrode and the drain electrode can be more effectively reduced.
また、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法の一態様は、基板を準備する第1工程と、前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、前記ゲート電極上及びその両端部よりも外側の前記基板上に渡ってゲート絶縁膜を形成する第3工程と、前記ゲート絶縁膜上にチャネル領域を有する半導体層を形成する第4工程と、前記半導体層上に絶縁層を形成する第5工程と、前記絶縁層に、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部及び第2コンタクト開口部を形成する第6工程と、前記絶縁層の上方にソース電極及び前記ソース電極に対向するドレイン電極を形成する第7工程と、を含み、前記第4工程では、バンドギャップエネルギーが1.6eV以下である前記半導体層を形成し、前記第6工程では、前記絶縁層に前記第1コンタクト開口部及び前記第2コンタクト開口部を形成することにより、前記第1コンタクト開口部よりも外側には、前記ゲート電極の一端部の上方に配置される第1絶縁層領域を形成し、前記第2コンタクト開口部よりも外側には、前記ゲート電極の他端部の上方に配置される第2絶縁層領域を形成し、前記第7工程では、前記ソース電極を、前記第1コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続し、前記ドレイン電極を、前記第2コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続する。 In addition, according to one aspect of the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present invention, a first step of preparing a substrate, a second step of forming a gate electrode on the substrate, and on the gate electrode and on both ends thereof A third step of forming a gate insulating film over the outer substrate, a fourth step of forming a semiconductor layer having a channel region on the gate insulating film, and a second step of forming an insulating layer on the semiconductor layer. 5 steps, a 6th step of forming a first contact opening and a second contact opening spaced apart in the insulating layer, and a source electrode and the source electrode above the insulating layer And forming a drain electrode. In the fourth step, the semiconductor layer having a band gap energy of 1.6 eV or less is formed. In the sixth step, the first contact is formed on the insulating layer. By forming the opening and the second contact opening, a first insulating layer region disposed above one end of the gate electrode is formed outside the first contact opening, and the first contact opening is formed. A second insulating layer region disposed above the other end of the gate electrode is formed outside the two contact opening, and in the seventh step, the source electrode is passed through the first contact opening. The drain region is electrically connected to the channel region, and the drain electrode is electrically connected to the channel region through the second contact opening.
本態様によれば、第6工程では、ゲート電極の一端部の上方に配置される第1絶縁層領域が形成されるとともに、ゲート電極の他端部の上方に配置される第2絶縁層領域が形成される。第1絶縁層領域及び第2絶縁層領域によってリーク電流の経路を遮断することができるので、半導体層の電界集中部位、即ち、ゲート電極の両端部に対応する半導体層の部位がリーク電流の伝導に寄与しなくなる。これにより、発生したトンネル電流がリーク電流として寄与することを抑制することができ、オフ特性を改善することができる。また、第2工程においてゲート電極の膜厚を厚く形成するとともに、第3工程においてゲート絶縁膜の平坦部における膜厚を薄く形成することにより、ゲート電極の両端部に対応するゲート絶縁膜の膜厚がより薄くなった場合であっても、上述したようにリーク電流を抑制することができるので、配線抵抗の低下及びオン電流の増大を同時に実現することができる。 According to this aspect, in the sixth step, the first insulating layer region disposed above the one end portion of the gate electrode is formed, and the second insulating layer region disposed above the other end portion of the gate electrode. Is formed. Since the path of leakage current can be blocked by the first insulating layer region and the second insulating layer region, the electric field concentration portion of the semiconductor layer, that is, the portion of the semiconductor layer corresponding to both ends of the gate electrode, No longer contributes to Thereby, it can suppress that the generated tunnel current contributes as a leak current, and can improve an OFF characteristic. Further, in the second step, the gate electrode film is formed thick, and in the third step, the gate insulating film corresponding to both ends of the gate electrode is formed by reducing the film thickness in the flat part of the gate insulating film. Even when the thickness is reduced, the leakage current can be suppressed as described above, so that a reduction in wiring resistance and an increase in on-current can be realized at the same time.
(実施の形態)
以下、本発明に係る薄膜半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。本発明は、請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。(Embodiment)
Hereinafter, a thin film semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is specified based on the description of the scope of claims. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the claims are not necessarily required to achieve the object of the present invention, but are described as constituting more preferable embodiments. . Each figure is a schematic diagram and is not necessarily shown strictly.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係る薄膜半導体装置の構成について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る薄膜半導体装置の構成を示す断面図である。図2は、図1の薄膜半導体装置の一部を拡大して示す断面図である。(Embodiment 1)
First, the configuration of the thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a thin film semiconductor device according to
図1に示すように、本実施の形態に係る薄膜半導体装置100は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ装置である。この薄膜半導体装置100は、基板1、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、半導体層4、絶縁層5、一対のコンタクト層6、ソース電極7S及びドレイン電極7Dを備えている。以下、本実施の形態に係る薄膜半導体装置100の各構成要素について詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, a thin
基板1は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料で構成されるガラス基板である。なお、ガラス基板中に含まれるナトリウム及びリン等の不純物が半導体層4に侵入することを防止するために、基板1上にシリコン窒化膜(SiNx)、酸化シリコン(SiOy)又はシリコン酸窒化膜(SiOyNx)等で構成されるアンダーコート層を形成してもよい。このアンダーコート層は、レーザアニール等の高温熱処理プロセスにおいて、基板1に対する熱の影響を緩和させる役割を担うこともある。The
ゲート電極2は、基板1上に所定形状でパターン形成される。ゲート電極2は、導電性材料及びその合金等の単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びモリブデンタングステン(MoW)等で構成することができる。ゲート電極2の膜厚t2(図2参照)は、例えば約50nmである。The
ゲート絶縁膜3は、ゲート電極2上及びそのチャネル長方向(図1において左右方向)における両端部の外側の基板1上に渡って形成されている。即ち、ゲート絶縁膜3は、ゲート電極2を覆うようにして、基板1上の全面に形成されている。ゲート絶縁膜3は、例えば、酸化シリコン(SiOy)、窒化シリコン(SiNx)、シリコン酸窒化膜(SiOyNx)、酸化アルミニウム(AlOz)及び酸化タンタル(TaOw)の単層膜又はこれらの積層膜によって構成することができる。ゲート絶縁膜3の平坦部11における膜厚t1(図2参照)は、例えば約110nmである。また、図2に示すように、ゲート電極2の両端部に対応するゲート絶縁膜3の部位には段差部10が形成されている。ゲート絶縁膜3の段差部10における膜厚t3は、上記膜厚t1よりも薄く、例えば約70nmである。The
半導体層4は、ゲート絶縁膜3上に形成され、チャネル領域を有している。このチャネル領域は、ゲート電極2の電圧によってキャリアの移動が制御される領域である。半導体層4は、結晶性の組織構造を有する多結晶シリコン薄膜で構成される。多結晶シリコン薄膜は、例えば、非結晶性の非晶質シリコン(アモルファスシリコン)を結晶化することによって形成される。半導体層4の膜厚は、例えば20nm〜100nm程度とすることができる。なお、後述するように、半導体層4のバンドギャップエネルギーは、1.6eV以下に構成されている。本実施の形態のように、半導体層4を多結晶シリコン薄膜で構成した場合には、半導体層4のバンドギャップエネルギーは、約1.1eVである。
The
絶縁層5は、シリコン、酸素及びカーボンを含む有機材料を主として含有する有機材料層として構成される。本実施の形態において、絶縁層5は、感光性塗布型の有機材料をパターニング及び固化することによって形成することができる。
The insulating
絶縁層5を構成する有機材料には、例えば、有機樹脂材料、界面活性剤、溶媒及び感光剤が含まれる。絶縁層5の主成分である有機樹脂材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト及びベンゾシクロブテン等の中の1種又は複数種で構成される感光性又は非感光性の有機樹脂材料を用いることができる。界面活性剤としては、シロキサン等のシリコン化合物で構成される界面活性剤を用いることができる。溶媒としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート又は1,4−ジオキサン等の有機溶媒を用いることができる。また、感光剤としては、ナフトキノンジアジト等のポジ型感光剤を用いることができる。なお、感光剤には、炭素だけではなく硫黄も含まれている。
The organic material constituting the insulating
絶縁層5は、上記有機材料を用いたスピンコート法等の塗布法により形成することができる。なお、絶縁層5の形成には、塗布法だけではなく、例えば滴吐出法等の各種方法を用いることもできる。例えば、スクリーン印刷やオフセット印刷等の所定のパターンを形成することができる印刷法等を用いることにより、所定形状の有機材料を選択的に形成することもできる。絶縁層5の膜厚は、例えば300nm〜1000nmとすることができる。本実施の形態では、絶縁層5を有機材料で構成しているが、この構成に代えて、絶縁層5を無機材料で構成することもできる。
The insulating
絶縁層5には、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部8及び第2コンタクト開口部9が形成されている。第1コンタクト開口部8及び第2コンタクト開口部9が形成されることによって、絶縁層5は、第1絶縁層領域5a、第2絶縁層領域5b及び第3絶縁層領域5cに分割されている。図3Aは、ゲート電極及び絶縁層の配置関係を示す平面図である。図3Aに示すように、第1絶縁層領域5aは、ゲート電極2の一端部の上方に、即ち、ゲート絶縁膜3の一方の段差部10に対応する半導体層4の部位を上方より覆うようにして、且つ、第1コンタクト開口部8よりもチャネル長方向外側に配置されている。第2絶縁層領域5bは、ゲート電極2の他端部の上方に、即ち、ゲート絶縁膜3の他方の段差部10に対応する半導体層4の部位を上方より覆うようにして、且つ、第2コンタクト開口部9よりもチャネル長方向外側に配置されている。第3絶縁層領域5cは、ゲート電極2の中央部の上方に、即ち、ゲート絶縁膜の平坦部11に対応する半導体層4の部位を上方より覆うようにして、且つ、第1コンタクト開口部8と第2コンタクト開口部9との間に配置されている。
The insulating
第3絶縁層領域5cは、半導体層4のチャネル領域を保護するチャネルエッチングストッパ(CES)層として機能する。これにより、第3絶縁層領域5cは、一対のコンタクト層6を形成する際のエッチング処理において、半導体層4のチャネル領域がエッチングされてしまうことを防止する。即ち、一対のコンタクト層6を形成する際のエッチング処理においては、チャネルエッチングストッパ層として機能する第3絶縁層領域5cの上面がエッチングされる。
The third
一対のコンタクト層6は、半導体層4のチャネル領域の上方に絶縁層5を介して形成されている。また、一対のコンタクト層6は、間隔を置いて、相互に対向して配置されている。コンタクト層6は、不純物を高濃度に含む非晶質半導体膜で構成されている。コンタクト層6は、例えば、アモルファスシリコンに不純物としてリン(P)をドーピングしたn型半導体膜によって構成することができ、1×1019atm/cm3以上の高濃度の不純物を含むn+層である。コンタクト層6の膜厚は、例えば5nm〜100nmとすることができる。The pair of
なお、コンタクト層6は、下層の低濃度の電界緩和層(n−層)及び上層の高濃度のコンタクト層(n+層)の2層で構成することもできる。低濃度の電界緩和層には、1×1017atm/cm3程度のリン(P)がドーピングされている。上記2層は、CVD装置において連続的に形成することができる。或いは、コンタクト層6は、低濃度の電界緩和層(n−層)、高濃度のコンタクト層(n+層)及び不純物のドープ処理がなされていない非晶質シリコン層であるi層の3層で構成することもできる。Note that the
ソース電極7Sは、一方のコンタクト層6を介して、第1絶縁層領域5a及び第3絶縁層領域5cの上方に形成されている。ドレイン電極7Dは、他方のコンタクト層6を介して、第2絶縁層領域5b及び第3絶縁層領域5cの上方に形成されている。ソース電極7S及びドレイン電極7Dは、間隔を置いて、相互に対向して配置されている。
The
ソース電極7S及びドレイン電極7Dは、導電性材料及びその合金等の単層構造又は多層構造とすることができ、例えば、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、チタン(Ti)及びクロム(Cr)等で構成される。ソース電極7S及びドレイン電極7Dの膜厚は、例えば、100nm〜500nm程度とすることができる。
The
図3Bは、ゲート電極2、絶縁層5、ソース電極7S及びドレイン電極7Dの配置関係を示す平面図である。図3Bに示すように、ソース電極7Sのチャネル幅方向(チャネル長方向に対して直交する方向であって、図3Bにおいて上下方向)における大きさ及びドレイン電極7Dのチャネル幅方向における大きさはそれぞれ、第3絶縁層領域5cのチャネル幅方向における大きさよりも大きく構成されている。即ち、ソース電極7S及びドレイン電極7Dは、第3絶縁層領域5cのチャネル幅方向における両端部よりそれぞれ4μm以上突出している。後述するように、ソース電極7S及びドレイン電極7Dが第3絶縁層領域5cのチャネル幅方向における両端部よりそれぞれ突出する長さC(以下、「寸法C」という)は、2μm以上であるのが好ましく、4μm以上であるのがより好ましい。なお、図3Bにおいて、半導体層4の全域は、第3絶縁層領域5c、ソース電極7S及びドレイン電極7Dによって完全に覆われている。
FIG. 3B is a plan view showing a positional relationship among the
次に、本実施の形態に係る薄膜半導体装置100の製造方法について、図4A〜図4Iを用いて説明する。図4A〜図4Iは、本発明の実施の形態1に係る薄膜半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the thin
まず、図4Aに示すように、基板1としてガラス基板を準備する(第1工程)。なお、後述する第2工程においてゲート電極2を形成する前に、プラズマCVD等によって基板1上にシリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びシリコン酸窒化膜等で構成されるアンダーコート層を形成してもよい。
First, as shown to FIG. 4A, a glass substrate is prepared as the board | substrate 1 (1st process). In addition, before forming the
その後、図4Bに示すように、基板1上にゲート電極2を形成する(第2工程)。この第2工程においては、例えば、基板1上にモリブデンタングステン(MoW)で構成されるゲート金属膜をスパッタによって成膜した後に、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いてゲート金属膜をパターニングすることにより、所定形状のゲート電極2を形成することができる。モリブデンタングステン(MoW)のウェットエッチングは、例えば、リン酸(HPO4)、硝酸(HNO3)、酢酸(CH3COOH)及び水を所定の配合で混合した薬液を用いて行うことができる。Thereafter, as shown in FIG. 4B, a
その後、図4Cに示すように、ゲート電極2及び基板1を覆うようにしてゲート絶縁膜3を形成する(第3工程)。この第3工程においては、例えば、酸化シリコン(SiO)で構成されるゲート絶縁膜3をプラズマCVD等によって成膜する。酸化シリコンは、例えば、シランガス(SiH4)及び亜酸化窒素ガス(N2O)を所定の濃度比で導入することにより成膜することができる。この第3工程においてゲート絶縁膜3を形成した際に、ゲート電極2の膜厚に起因して、ゲート電極2の両端部に対応するゲート絶縁膜3の部位には段差部10が形成される。Thereafter, as shown in FIG. 4C, a
その後、図4Dに示すように、ゲート絶縁膜3上に、チャネル領域を有する半導体層4を形成する(第4工程)。この第4工程においては、例えば、アモルファスシリコン(非晶質シリコン)で構成される非結晶シリコン薄膜をプラズマCVD等によって成膜した後に、脱水素アニール処理を行い、さらにその後、非結晶シリコン薄膜をアニールして結晶化させることにより、多結晶シリコン薄膜で構成される半導体層4を形成することができる。本実施の形態では、第4工程において、非結晶シリコン薄膜を多結晶化することによりバンドギャップを調整し、半導体層4のバンドギャップエネルギーEgを1.6eV以下(例えば、1.1eV)に調整する。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, a
なお、本実施の形態では、エキシマレーザを用いたレーザアニールによって非結晶シリコン薄膜を結晶化させているが、これに限定されない。例えば、結晶化の方法として、波長370nm〜900nm程度のパルスレーザを用いたレーザアニール法、波長370nm〜900nm程度の連続発振レーザを用いたレーザアニール法又は急速熱処理(RTP)によるアニール法を用いることもできる。また、非結晶シリコン薄膜を結晶化するのではなく、CVDによる直接成長等の方法を用いることによって、多結晶シリコン薄膜で構成される半導体層4を成膜することもできる。
Note that although the amorphous silicon thin film is crystallized by laser annealing using an excimer laser in this embodiment mode, the present invention is not limited to this. For example, as a crystallization method, a laser annealing method using a pulse laser with a wavelength of about 370 nm to 900 nm, a laser annealing method using a continuous wave laser with a wavelength of about 370 nm to 900 nm, or an annealing method by rapid thermal processing (RTP) is used. You can also. In addition, the
その後、半導体層4に対して水素プラズマ処理を行うことにより、半導体層4に含まれるシリコン原子に対して水素化処理を行う。水素プラズマ処理は、例えば、H2、H2/アルゴン(Ar)等の水素ガスを含むガスを原料として、高周波(RF)電力により水素プラズマを発生させ、当該水素プラズマを半導体層4に照射することにより行われる。この水素プラズマ処理によって、シリコン原子のダングリングボンド(欠陥)が水素終端され、半導体層4の結晶欠陥密度が低減して結晶性が向上する。Thereafter, a hydrogen plasma process is performed on the
その後、図4Eに示すように、半導体層4上に絶縁層5を形成する(第5工程)。次いで、図4Fに示すように、この絶縁層5の所定部位に、第1コンタクト開口部8及び第2コンタクト開口部9を形成する(第6工程)。この第5工程及び第6工程においては、まず、所定の塗布方式によって絶縁層5を形成するための所定の有機材料を半導体層4上に塗布した後に、スピンコート又はスリットコートを行うことによって、半導体層4上の全面に絶縁膜形成用膜を成膜する。有機材料の膜厚は、有機材料の粘度及びコーティング条件(例えば、回転数及びブレードの速度等)により制御することができる。なお、絶縁膜形成用膜の材料としては、シリコン、酸素及びカーボンを含む感光性塗布型の有機材料を用いることができる。その後、絶縁膜形成用膜に対して約110℃の温度で約60秒間のプリベークを行って絶縁膜形成用膜を仮焼成する。これにより、絶縁膜形成用膜に含まれる溶剤が気化する。その後、フォトマスクを用いた露光と現像とを行うことによって絶縁膜形成用膜をパターニングし、所定形状の絶縁層5(即ち、第1絶縁層領域5a、第2絶縁層領域5b及び第3絶縁層領域5c)を形成する。その後、パターン形成された絶縁層5に対して280℃〜300℃の温度で約1時間のポストベークを行うことにより、絶縁層5を本焼成して固化する。これにより、絶縁層5中の有機成分の一部が気化及び分解し、膜質が改善された絶縁層5を形成することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 4E, an insulating
その後、図4Gに示すように、絶縁層5を覆うようにして、半導体層4上にコンタクト層6を形成する。この工程においては、例えば、プラズマCVDによって、リン(P)等の5価元素の不純物をドープしたアモルファスシリコンで構成されるコンタクト層6を成膜する。
Thereafter, as shown in FIG. 4G, a
その後、図4H及び図4Iに示すように、コンタクト層6上にソース電極7S及びドレイン電極7Dをパターン形成する(第7工程)。この第7工程においては、まず、図4Hに示すように、ソース電極7S及びドレイン電極7Dの材料で構成されたソースドレイン金属膜7を、例えばスパッタによって成膜する。その後、所定形状のソース電極7S及びドレイン電極7Dを形成するために、ソースドレイン金属膜7上にレジスト材料を塗布し、露光及び現像を行って、所定形状にパターニングされたレジストを形成する。次いで、このレジストをマスクとしてウェットエッチングを施してソースドレイン金属膜7をパターニングすることにより、図4Iに示すように、所定形状のソース電極7S及びドレイン電極7Dが形成される。このとき、コンタクト層6がエッチングストッパ層として機能する。その後、ソース電極7S及びドレイン電極7D上のレジストを除去する。この第7工程において、ソース電極7Sを、第1コンタクト開口部8を通して且つ一方のコンタクト層6を介して、半導体層4のチャネル領域と電気的に接続し、ドレイン電極7Dを、第2コンタクト開口部9を通して且つ他方のコンタクト層6を介して、半導体層4のチャネル領域と電気的に接続する。
Thereafter, as shown in FIG. 4H and FIG. 4I, the
その後、ソース電極7S及びドレイン電極7Dをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、コンタクト層6をパターニングするとともに、半導体層4を島状にパターニングする。これにより、所定形状の一対のコンタクト層6及び島状の半導体層4を形成することができる。ドライエッチングの条件としては、塩素系ガスを用いることができる。また、コンタクト層6及び半導体層4のパターニングは、ソース電極7S及びドレイン電極7Dをウェットエッチングした後に、レジストマスクを用いたドライエッチングにより行うこともできる。
Thereafter, dry etching is performed using the
以上のようにして、本発明の実施の形態1に係る薄膜半導体装置100を製造することができる。
As described above, the thin
次に、本実施の形態に係る薄膜半導体装置100の作用効果について説明する。上述したように、第1絶縁層領域5aは、ゲート電極2の一端部に対応して、即ち、ゲート絶縁膜3の一方の段差部10に対応する半導体層4の部位を上方より覆うようにして配置されている。また、第2絶縁層領域5bは、ゲート電極2の他端部に対応して、即ち、ゲート絶縁膜3の他方の段差部10に対応する半導体層4の部位を上方より覆うようにして配置されている。このような構成によって、トンネル電流によるリーク電流の経路が第1絶縁層領域5a及び第2絶縁層領域5bによって遮断されるので、半導体層4の電界集中部位、即ち、ゲート絶縁膜3の段差部10に対応する半導体層4の部位がリーク電流の伝導に寄与しなくなる。これにより、発生したトンネル電流がリーク電流として寄与することを抑制することができる。なお、熱生成電流についても同様に、発生した熱生成電流がリーク電流として寄与することを抑制することができる。
Next, functions and effects of the thin
図5Aは、本発明の薄膜半導体装置及び従来の薄膜半導体装置の電気的特性をそれぞれシミュレーションした結果を示す図である。図5Bは、本発明の薄膜半導体装置及び従来の薄膜半導体装置の電気的特性をそれぞれ、実際のデバイスを用いて試験した結果を示す図である。図5A及び図5Bにおいて、横軸は、ゲート−ソース間の電圧の大きさを表し、縦軸は、ドレイン電流の大きさを表す。また、図5A及び図5Bにおいて、実線のグラフは、本実施の形態の薄膜半導体装置100の構成を用いたシミュレーション又は試験の結果を示し、一点鎖線のグラフは、図13に示す従来の薄膜半導体装置500の構成を用いたシミュレーション又は試験の結果を示している。
FIG. 5A is a diagram showing the results of simulating the electrical characteristics of the thin film semiconductor device of the present invention and the conventional thin film semiconductor device. FIG. 5B is a diagram showing the results of testing the electrical characteristics of the thin film semiconductor device of the present invention and the conventional thin film semiconductor device using actual devices, respectively. 5A and 5B, the horizontal axis represents the magnitude of the voltage between the gate and the source, and the vertical axis represents the magnitude of the drain current. 5A and 5B, the solid line graph shows the result of simulation or test using the configuration of the thin
図5A及び図5Bに示す結果から明らかなように、本実施の形態の薄膜半導体装置100では、オフ動作時(即ち、ゲート−ソース間の電圧が負の状態)における電流値は、従来の薄膜半導体装置に比べて低下している。このことから、本実施の形態の薄膜半導体装置100では、オフ動作時において、発生したトンネル電流がリーク電流として寄与することを抑制する作用効果が得られると言える。
As is apparent from the results shown in FIGS. 5A and 5B, in the thin
図6は、本実施の形態による薄膜半導体装置100において、オフ動作時の電流密度分布をシミュレーションした結果を示す図である。なお、このシミュレーションでは、図1に示す構造の薄膜半導体装置100を用い、ゲート電極2として膜厚50nmのモリブデンタングステン(MoW)、ゲート絶縁膜3として膜厚120nmの酸化シリコン(SiO)、半導体層4として膜厚50nmの多結晶シリコン、絶縁層5として膜厚500nmの酸化シリコン(SiO)、コンタクト層6として膜厚40nmの非晶質シリコン、ソース電極7S及びドレイン電極7Dとして膜厚600nmのアルミニウム(Al)を用いた。また、ゲート−ソース間電圧として−20V、ドレイン−ソース間電圧として5.1Vを印加した。なお、図6では、オフ動作時に発生するリーク電流の密度分布を等高線で表している。
FIG. 6 is a diagram showing a result of simulating the current density distribution during the off operation in the thin
図6中の等高線で示されるように、半導体層4を流れるリーク電流の分布は、上述した図15に示すシミュレーション結果と比較して、大幅に減少している。このことから、本実施の形態の薄膜半導体装置100では、図6中の破線の矢印で示すリーク電流の経路を第1絶縁層領域5a及び第2絶縁層領域5bによって遮断する作用効果が得られると言える。
As shown by the contour lines in FIG. 6, the distribution of leakage current flowing through the
なお、本実施の形態では、半導体層4のバンドギャップエネルギーは1.6eV以下に構成されている。図7Aは、半導体層のバンドギャップエネルギーに対するドレイン電流の変化をシミュレーションした結果を示す図である。図7Aにおいて、正方形のプロットは、本実施の形態の薄膜半導体装置100を用いたシミュレーション結果を示し、菱形のプロットは、図13に示す従来の薄膜半導体装置500を用いたシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、ゲート−ソース間電圧として−10V、ドレイン−ソース間電圧として5.1Vを印加した状態で、半導体層4,54のバンドギャップエネルギーを1.0eVから1.7eVまで変化させた際のドレイン電流の大きさを得た。図7Aに示す結果から明らかなように、バンドギャップエネルギーが1.6eV以下である領域において、本実施の形態の薄膜半導体装置100におけるオフ動作時のドレイン電流は、従来の薄膜半導体装置500におけるオフ動作時のドレイン電流よりも小さくなる。従って、本実施の形態では、半導体層4のバンドギャップエネルギーを1.6eV以下とすることによって、効果的にオフ特性を改善することができる。
In the present embodiment, the band gap energy of the
また、図7Bは、ゲート−ソース間電圧に対するドレイン電流の変化をシミュレーションした結果を示す図である。図7Bにおいて、実線のグラフは、本実施の形態の薄膜半導体装置100を用いたシミュレーション結果を示し、一点鎖線のグラフは、図13に示す従来の薄膜半導体装置500を用いたシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、ドレイン−ソース間電圧として5.1Vを印加した状態で、半導体層4,54のバンドギャップエネルギー(Eg)を1.0eV、1.4eV、1.7eVと変化させた際の電気的特性(即ち、ゲート−ソース間電圧に対するドレイン電流の変化)を得た。図7Bに示す結果から明らかなように、バンドギャップエネルギーが1.4eV、1.6eVである場合において、本実施の形態の薄膜半導体装置100におけるオフ動作時のドレイン電流は、従来の薄膜半導体装置500におけるオフ動作時のドレイン電流よりも大幅に小さくなる。従って、本実施の形態では、半導体層4のバンドギャップエネルギーを1.6eV以下とすることによって、効果的にオフ特性を改善することができる。
FIG. 7B is a diagram showing the result of simulating the change of the drain current with respect to the gate-source voltage. In FIG. 7B, the solid line graph shows the simulation result using the thin
次に、上述した寸法Cと寄生抵抗との関係について説明する。ここで、寄生抵抗とは、半導体層4のチャネル領域とソース電極7S及びドレイン電極7Dとの間における抵抗を意味する。図8A及び図8Bは、寸法A、寸法B及び寸法Cの定義を説明するための平面図である。なお、寸法A及び寸法Bについては後述する。図8Bに示すように、ソース電極7S及びドレイン電極7Dが第3絶縁層領域5cよりチャネル幅方向にはみ出す状態における寸法Cの符号を正と定義し、図8Aに示すように、ソース電極7S及びドレイン電極7Dが第3絶縁層領域5cに対してチャネル幅方向に食い込む状態における寸法Cの符号を負と定義する。また、電流経路の幅のボトルネックとなる幅をチャネル幅に対応する寸法Wと定義する。即ち、図8Bに示すように、寸法Cの符号が正である場合には、第3絶縁層領域5cのチャネル幅方向における大きさを寸法Wと定義し、図8Aに示すように、寸法Cの符号が負である場合には、ソース電極7S及びドレイン電極7Dのチャネル幅方向における大きさを寸法Wと定義する。
Next, the relationship between the above-described dimension C and parasitic resistance will be described. Here, the parasitic resistance means a resistance between the channel region of the
図9Aは、寸法Wが5μm、寸法Aが2μm、寸法Bが3μmである場合における、寸法Cに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図9Bは、寸法Wが50μm、寸法Aが2μm、寸法Bが3μmである場合における、寸法Cに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図9Cは、図9Bにおける縦軸のスケールを縮小することにより、寄生抵抗の変化をより明確に示した図である。図9A、図9B及び図9Cにおいて、横軸は寸法Cの大きさを表し、縦軸は寄生抵抗(Rsd)の大きさを表している。図9A、図9B及び図9Cに示す結果から明らかなように、寸法Cの符号が負である場合には、寸法Wが5μmの平面構造に比べて、寸法Wが50μmの平面構造では寄生抵抗の大きさが小さくなっている。即ち、ソース電極7S及びドレイン電極7Dと半導体層4とが接触する接触面積S(おおよそ寸法Wに比例する)に反比例する寄生抵抗が存在することが分かる。一方、寸法Cの符号が正である場合には、寸法Wが5μmである場合と寸法Wが50μmである場合とでは、寄生抵抗の大きさはほぼ同等の値に収束している。即ち、この場合には、接触面積Sの大きさによらない一定値の寄生抵抗が存在することが分かる。また、寸法Wの大きさによらず、寸法Cが2μm以上である領域において、寄生抵抗を低く抑えることができ、寸法Cが4μm以上である領域において、より効果的に寄生抵抗を低く抑えることができることが分かる。
FIG. 9A is a diagram illustrating an experimental result of evaluating a change in parasitic resistance with respect to the dimension C when the dimension W is 5 μm, the dimension A is 2 μm, and the dimension B is 3 μm. FIG. 9B is a diagram illustrating an experimental result of evaluating a change in parasitic resistance with respect to the dimension C when the dimension W is 50 μm, the dimension A is 2 μm, and the dimension B is 3 μm. FIG. 9C is a diagram more clearly showing the change in parasitic resistance by reducing the scale of the vertical axis in FIG. 9B. 9A, 9B, and 9C, the horizontal axis represents the size C, and the vertical axis represents the parasitic resistance (Rsd). As is clear from the results shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C, when the sign of the dimension C is negative, the parasitic resistance is larger in the planar structure having the dimension W of 50 μm than in the planar structure having the dimension W of 5 μm. The size of is getting smaller. That is, it can be seen that there is a parasitic resistance inversely proportional to the contact area S (approximately proportional to the dimension W) where the
次に、寸法Aと寄生抵抗との関係について説明する。図8A及び図8Bに示すように、寸法Aとは、第3絶縁層領域5cとソース電極7S及びドレイン電極7Dとのチャネル長方向(図8A及び図8Bにおいて左右方向)における重なり幅を意味する。図10Aは、寸法Wが5μm、寸法Bが3μm、寸法Cが3μmである場合における、寸法Aに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図10Bは、寸法Wが50μm、寸法Bが3μm、寸法Cが3μmである場合における、寸法Aに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図10A及び図10Bにおいて、横軸は、寸法Aの大きさを表し、縦軸は、寄生抵抗(Rsd)の大きさを表している。図10A及び図10Bに示す結果から明らかなように、寸法Aの大きさを増大させた場合であっても、寄生抵抗の大きさはほとんど変化しない。従って、寸法Aの大きさは、寄生抵抗の変化にほとんど影響を与えないと言える。また、寸法Aの大きさによらず、寸法Wが5μmである場合と寸法Wが50μmである場合とでは、寄生抵抗はほぼ同等の値に収束している。このことから、寸法Wの大きさは、寄生抵抗の変化にほとんど影響を与えないことが分かる。
Next, the relationship between the dimension A and the parasitic resistance will be described. As shown in FIGS. 8A and 8B, the dimension A means the overlapping width in the channel length direction (left and right direction in FIGS. 8A and 8B) between the third insulating
次に、寸法Bと寄生抵抗との関係について説明する。図8A及び図8Bに示すように、寸法Bとは、第3絶縁層領域5cよりも外側部分であり、且つ、第1絶縁層領域5a及び第2絶縁層領域5bよりも内側部分における、ゲート電極2とソース電極7S及びドレイン電極7Dとのチャネル長方向における重なり幅を意味する。図11Aは、寸法Wが5μm、寸法Aが2μm、寸法Cが3μmである場合における、寸法Bに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図11Bは、寸法Wが50μm、寸法Aが2μm、寸法Cが3μmである場合における、寸法Bに対する寄生抵抗の変化を評価した実験結果を示す図である。図11A及び図11Bにおいて、横軸は、寸法Bの大きさを表し、縦軸は、寄生抵抗(Rsd)の大きさを表している。図11A及び図11Bに示す結果から明らかなように、寸法Bの大きさを増大させた場合には、同時に接触面積Sが増大するため寄生抵抗は小さくなる傾向にあるが、寄生抵抗の大きさは僅かに低下するにとどまる。従って、この場合には、寸法Bの大きさは、寄生抵抗の変化にほとんど影響を与えないと言える。また、寸法Bの大きさによらず、寸法Wが5μmである場合と寸法Wが50μmである場合とでは、寄生抵抗はほぼ同等の値に収束している。このことから、寸法Wの大きさは、寄生抵抗の変化にほとんど影響を与えないと言える。
Next, the relationship between the dimension B and the parasitic resistance will be described. As shown in FIGS. 8A and 8B, the dimension B is a gate in an outer portion than the third insulating
以上の実験結果のまとめについて述べると、次の通りである。寄生抵抗は、ソース電極7S及びドレイン電極7Dと第3絶縁層領域5cとのチャネル幅方向における大小関係を変化させる寸法Cに対して、明確な依存性が見られた。なお、寸法Cの符号が負から正に変わるに従って、平面構造が図8Aに示す構造から図8Bに示す構造に変わることを意味している。寸法Cの符号が正である場合には、接触面積Sを変化させる寸法W、寸法A及び寸法Bに対する寄生抵抗の変化は小さい。一方、寸法Cの符号が負である場合には、寄生抵抗は接触面積S(おおよそ寸法Wに比例する)に反比例する依存性が見られた。寸法W、寸法A、寸法B及び寸法Cに対する寄生抵抗の依存性については、接触面積Sの大きさによって寄生抵抗の大きさが変化するのみではなく、図8A及び図8Bに示すように、ソース電極7S及びドレイン電極7Dが、四角形の平面構造で構成される第3絶縁層領域5cの4つの角部を被覆しているか否かによって寄生抵抗の大きさが変化する。
The summary of the above experimental results is as follows. The parasitic resistance has a clear dependency on the dimension C that changes the magnitude relationship in the channel width direction between the
以上の考察より、図11Cに示す寄生抵抗Rsdのモデルが導かれる。即ち、接触面積S(おおよそWに比例する)に反比例する寄生抵抗成分R1と、第3絶縁層領域5cの角部に起因する一定値の寄生抵抗成分R2とが並列に存在することにより、寄生抵抗Rsdが構成されている。図8Aに示すように寸法Cの符号が負である平面構造では、ソース電極7S及びドレイン電極7Dが、四角形の平面構造で構成される第3絶縁層領域5cの4つの角部を被覆しない構造となるので、寄生抵抗Rsdは接触面積S(おおよそWに比例する)に反比例する寄生抵抗成分R1のみで構成される。一方、図8Bに示すように寸法Cの符号が正である平面構造では、第3絶縁層領域5cの角部がソース電極7S及びドレイン電極7Dに被覆される構造となるので、寄生抵抗Rsdは寄生抵抗成分R1及び寄生抵抗成分R2で構成される。ここで、寄生抵抗成分R2は寄生抵抗成分R1に比べて小さいため、寄生抵抗Rsdは、第3絶縁層領域5cの角部に起因する寄生抵抗成分R2で律速される。このため、寸法W、寸法A、寸法B及び寸法Cが変化した場合であっても、寄生抵抗Rsdはほとんど変化しない。
From the above consideration, a model of the parasitic resistance Rsd shown in FIG. 11C is derived. That is, the parasitic resistance component R1 that is inversely proportional to the contact area S (approximately proportional to W) and the parasitic resistance component R2 having a constant value caused by the corner of the third insulating
以上より、寄生抵抗Rsdを低下させるためには、寄生抵抗Rsdを寄生抵抗成分R2で律速させることが可能な、寸法Cの符号が正である平面構造が望ましいことが分かる。このため、寸法Cが2μm以上である領域において、寄生抵抗を低く抑えることができ、寸法Cが4μm以上である領域において、より効果的に寄生抵抗を低く抑えることができる。 From the above, it can be seen that in order to reduce the parasitic resistance Rsd, a planar structure in which the sign of the dimension C is positive and the parasitic resistance Rsd can be controlled by the parasitic resistance component R2 is desirable. For this reason, in the region where the dimension C is 2 μm or more, the parasitic resistance can be suppressed low, and in the region where the dimension C is 4 μm or more, the parasitic resistance can be suppressed more effectively.
(実施の形態2)
図12Aは、本発明の実施の形態2に係る薄膜半導体装置における、ゲート電極及び絶縁層の配置関係を示す平面図である。図12Bは、本発明の実施の形態2に係る薄膜半導体装置における、ゲート電極、絶縁層、ソース電極及びドレイン電極の配置関係を示す平面図である。(Embodiment 2)
FIG. 12A is a plan view showing the positional relationship between the gate electrode and the insulating layer in the thin film semiconductor device according to
図12A及び図12Bに示すように、本実施の形態の薄膜半導体装置200では、絶縁層5’は一体に構成されている。即ち、第1絶縁層領域5a’、第2絶縁層領域5b’及び第3絶縁層領域5c’は、それらのチャネル幅方向における両端部において相互に連結されている。第1絶縁層領域5a’は、ゲート電極2の一端部の上方に、且つ、第1コンタクト開口部8’よりもチャネル長方向外側に配置されている。第2絶縁層領域5b’は、ゲート電極2の他端部の上方に、且つ、第2コンタクト開口部9’よりもチャネル長方向外側に配置されている。第3絶縁層領域5c’は、ゲート電極2の中央部の上方に、且つ、第1コンタクト開口部8’と第2コンタクト開口部9’との間に配置されている。
As shown in FIGS. 12A and 12B, in the thin
本実施の形態のような構成であっても、実施の形態1と同様の作用効果を得ることができる。
Even if it is the structure like this Embodiment, the effect similar to
以上、本発明の実施の形態1及び2について説明したが、上記実施の形態1及び2に示す構成は一例であって、発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形を加えることができるのは言うまでも無い。
As mentioned above, although
本発明に係る薄膜半導体装置は、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の表示装置又はその他薄膜半導体装置を有する様々な電気機器に広く利用することができる。 The thin film semiconductor device according to the present invention can be widely used in various electric apparatuses having a display device such as a television set, a personal computer, a mobile phone, or other thin film semiconductor devices.
1,51 基板
2,52 ゲート電極
3,53 ゲート絶縁膜
4,54 半導体層
5,5’ 絶縁層
5a,5a’ 第1絶縁層領域
5b,5b’ 第2絶縁層領域
5c,5c’ 第3絶縁層領域
6,56 コンタクト層
7S,57S ソース電極
7D,57D ドレイン電極
8,8’ 第1コンタクト開口部
9,9’ 第2コンタクト開口部
10,58 段差部
11,59 平坦部
55 チャネル保護層
100,200,500 薄膜半導体装置1, 51
Claims (6)
前記基板上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極上及びその両端部よりも外側の前記基板上に渡って形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、チャネル領域を有する半導体層と、
前記半導体層上に形成され、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部及び第2コンタクト開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上方に形成されたソース電極と、
前記絶縁層の上方に形成され、前記ソース電極に対向して形成されたドレイン電極と、を備え、
前記半導体層のバンドギャップエネルギーは1.6eV以下であり、
前記絶縁層は、前記第1コンタクト開口部よりも外側に配置された第1絶縁層領域と、前記第2コンタクト開口部よりも外側に配置された第2絶縁層領域と、を有し、
前記第1絶縁層領域は、前記ゲート電極の一端部の上方に配置され、前記第2絶縁層領域は、前記ゲート電極の他端部の上方に配置され、
前記ソース電極は、前記第1コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続され、前記ドレイン電極は、前記第2コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続されている
薄膜半導体装置。A substrate,
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating film formed on the gate electrode and on the substrate outside both ends thereof;
A semiconductor layer formed on the gate insulating film and having a channel region;
An insulating layer formed on the semiconductor layer and having a first contact opening and a second contact opening spaced apart from each other;
A source electrode formed above the insulating layer;
A drain electrode formed above the insulating layer and formed to face the source electrode,
The band gap energy of the semiconductor layer is 1.6 eV or less,
The insulating layer has a first insulating layer region disposed outside the first contact opening, and a second insulating layer region disposed outside the second contact opening,
The first insulating layer region is disposed above one end portion of the gate electrode, and the second insulating layer region is disposed above the other end portion of the gate electrode.
The thin film semiconductor device, wherein the source electrode is electrically connected to the channel region through the first contact opening, and the drain electrode is electrically connected to the channel region through the second contact opening.
前記第3絶縁層領域は、前記ゲート電極の中央部の上方に配置され、前記チャネル領域を覆うチャネルエッチングストッパ層として機能する
請求項1に記載の薄膜半導体装置。The insulating layer further includes a third insulating layer region disposed between the first contact opening and the second contact opening,
The thin film semiconductor device according to claim 1, wherein the third insulating layer region is disposed above a central portion of the gate electrode and functions as a channel etching stopper layer that covers the channel region.
請求項1又は2に記載の薄膜半導体装置。3. The thin film semiconductor device according to claim 1, wherein sizes of the source electrode and the drain electrode in a channel width direction are larger than sizes of the third insulating layer region in a channel width direction.
請求項3に記載の薄膜半導体装置。4. The thin film semiconductor device according to claim 3, wherein the source electrode and the drain electrode protrude 2 μm or more from both ends of the third insulating layer region in the channel width direction.
請求項4に記載の薄膜半導体装置。5. The thin film semiconductor device according to claim 4, wherein the source electrode and the drain electrode each protrude 4 μm or more from both ends in the channel width direction of the third insulating layer region.
前記基板上にゲート電極を形成する第2工程と、
前記ゲート電極上及びその両端部よりも外側の前記基板上に渡ってゲート絶縁膜を形成する第3工程と、
前記ゲート絶縁膜上にチャネル領域を有する半導体層を形成する第4工程と、
前記半導体層上に絶縁層を形成する第5工程と、
前記絶縁層に、間隔を置いて配置された第1コンタクト開口部及び第2コンタクト開口部を形成する第6工程と、
前記絶縁層の上方にソース電極及び前記ソース電極に対向するドレイン電極を形成する第7工程と、を含み、
前記第4工程では、バンドギャップエネルギーが1.6eV以下である前記半導体層を形成し、
前記第6工程では、前記絶縁層に前記第1コンタクト開口部及び前記第2コンタクト開口部を形成することにより、前記第1コンタクト開口部よりも外側には、前記ゲート電極の一端部の上方に配置される第1絶縁層領域を形成し、前記第2コンタクト開口部よりも外側には、前記ゲート電極の他端部の上方に配置される第2絶縁層領域を形成し、
前記第7工程では、前記ソース電極を、前記第1コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続し、前記ドレイン電極を、前記第2コンタクト開口部を通して前記チャネル領域と電気的に接続する
薄膜半導体装置の製造方法。A first step of preparing a substrate;
A second step of forming a gate electrode on the substrate;
A third step of forming a gate insulating film over the gate electrode and the substrate outside both ends thereof;
A fourth step of forming a semiconductor layer having a channel region on the gate insulating film;
A fifth step of forming an insulating layer on the semiconductor layer;
A sixth step of forming a first contact opening and a second contact opening spaced from each other in the insulating layer;
A seventh step of forming a source electrode and a drain electrode facing the source electrode above the insulating layer,
In the fourth step, the semiconductor layer having a band gap energy of 1.6 eV or less is formed,
In the sixth step, by forming the first contact opening and the second contact opening in the insulating layer, the outer side of the first contact opening is above one end of the gate electrode. Forming a first insulating layer region to be disposed, and forming a second insulating layer region disposed above the other end of the gate electrode outside the second contact opening;
In the seventh step, the source electrode is electrically connected to the channel region through the first contact opening, and the drain electrode is electrically connected to the channel region through the second contact opening. A method for manufacturing a semiconductor device.
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