JP3942699B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本願発明は半導体薄膜を利用して作製された半導体装置およびその作製方法の構成に関する。具体的には、逆スタガ型に代表されるボトムゲイト型の薄膜トランジスタ(TFT)の構成に関する。
【0002】
なお、本明細書中において半導体装置とは半導体特性を利用して機能しうる装置全てを含む。即ち、本明細書に記載されたTFT、電気光学装置、半導体回路、電子機器等は全て半導体装置の範疇に含むものとする。
【0003】
【従来の技術】
近年、アクティブマトリクス型液晶表示装置の需要が急速に高まり、ガラスまたは石英基板上に形成した半導体薄膜で薄膜トランジスタ(以下、TFTと略記する)を形成する技術が急がれている。TFTは画像表示のためのスイッチング素子として利用される。
【0004】
同一基板上に百数十万個もの単位で形成されるTFTは、構成する電気回路の機能に応じて所定の電気特性を示すものでなければならない。その様なTFTの電気特性として、しきい値電圧(スレッショルドボルテージ:Vth)というパラメータがある。
【0005】
しきい値電圧とは、そのTFTのチャネル部分に反転層が形成される電圧として定義される。即ち、オフ状態にあるTFTがオン状態に切り換わる電圧として考えれば良い。従って、しきい値電圧が高いほどそのTFTの動作電圧は高いということができる。
【0006】
このしきい値電圧は様々な外的要因によって変化してしまうという問題がある。例えば、活性層中の汚染不純物、ゲイト絶縁膜の固定電荷や可動電荷、活性層/ゲイト絶縁膜界面の界面準位、ゲイト電極と活性層との仕事関数差等が挙げられる。この場合、活性層中の汚染不純物やゲイト絶縁膜中の可動電荷等はプロセスの清浄化によってなくすことができるが、固定電荷、界面準位および仕事関数差等は素子の材質で決定されてしまうため容易に変更することはできない。
【0007】
この様な外的要因の結果、しきい値電圧がプラス側にシフトしたりマイナス側にシフトしたりすることがある。例えば、NTFTではマイナス側にシフトしてしまうとオフ状態(ゲイト電圧を印加しない状態)であるにも拘わらず、電流が流れてしまう(ノーマリオン状態と呼ばれる)といった問題が生じる。
【0008】
この様な問題を解決するための手段としてチャネルドープと呼ばれる技術が知られている。チャネルドープとは活性層中に所定濃度の不純物を添加して強制的にしきい値電圧をシフトさせて所望のしきい値電圧に調節する技術である。
【0009】
チャネルドープに用いる不純物としては13族元素であるB(ボロン)、In(インジウム)や15続元素であるP(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)などが挙げられる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明ではボトムゲイト型TFT(代表的には逆スタガ型TFT)に対してチャネルドープを行うための技術を提供することを課題とする。また、本願発明を利用した複数のボトムゲイト型TFTを構成に含む半導体装置及びその作製方法を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された複数のボトムゲイト型TFTを構成に含む半導体装置であって、
前記複数のボトムゲイト型TFTのうち、少なくともNチャネル型で動作するTFTのチャネル形成領域中にはしきい値電圧を制御するための不純物元素が意図的に含ませてあり、
前記チャネル形成領域中における前記不純物元素の濃度は、前記チャネル形成領域と当該チャネル形成領域に接したゲイト絶縁膜との界面に近づくほど減少していくことを特徴とする。
【0012】
また、他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された複数のボトムゲイト型TFTを構成に含む半導体装置の作製方法であって、
非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜に対してレーザー光または当該レーザー光と同等の強度を持つ強光を照射して結晶性珪素膜を得る工程と、
前記結晶性珪素膜の全面または一部に対してしきい値電圧を制御するための不純物元素を添加する工程と、
前記不純物元素を活性化させる工程と、
を含むことを特徴とする。
【0013】
また、他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された複数のボトムゲイト型TFTを構成に含む半導体装置の作製方法であって、
非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜の全面または一部に対してしきい値電圧を制御するための不純物元素を添加する工程と、
前記非晶質珪素膜に対してレーザー光または当該レーザー光と同等の強度を持つ強光を照射して結晶性珪素膜を得る工程と同時に前記不純物元素の活性化を行う工程と、
を含むことを特徴とする。
【0014】
また、他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された複数のボトムゲイト型TFTを構成に含む半導体装置の作製方法であって、
非晶質珪素膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜の全面または一部に対して当該非晶質珪素膜の結晶化を助長する触媒元素を保持または添加する工程と、
第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜の全面または一部を結晶性珪素膜に変成させる工程と、
前記結晶性珪素膜に対して選択的にしきい値電圧を制御するための不純物元素を添加する工程と、
前記結晶性珪素膜に対して15族から選ばれた元素を選択的に導入する工程と、
第2の加熱処理により前記15族から選ばれた元素を導入した領域に前記触媒元素をゲッタリングさせると同時に前記しきい値電圧を制御するための不純物元素を活性化させる工程と、
を含むことを特徴とする。
【0015】
上記構成からなる本願発明について、以下に記載する実施例でもって詳細な説明を行うこととする。
【0016】
【実施例】
〔実施例1〕
本願発明を利用してNTFT(Nチャネル型TFT)とPTFT(Pチャネル型TFT)とを相補的に組み合わせたCMOS回路を作製する例を示す。なお、本実施例ではNTFTのみに13族元素であるボロンを添加する例を示す。
【0017】
まず、ガラス基板101上に酸化珪素膜でなる下地膜102を設け、その上にゲイト電極103、104を形成する。本実施例ではゲイト電極103、104として 200〜400 nm厚のクロム膜を使用するが、アルミニウム合金、タンタル、タングステン、モリブデン、導電性を付与した珪素膜等を用いても良い。
【0018】
次に、ゲイト電極103、104上にゲイト絶縁膜105を 100〜200 nmの厚さに形成する。ゲイト絶縁膜105としては酸化珪素膜、窒化珪素膜又は酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を用いる。また、ゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜をゲイト絶縁膜として利用することもできる。
【0019】
次に、非晶質珪素膜106を10〜75nm(好ましくは15〜45nm)の厚さに形成する。非晶質珪素膜以外にも珪素を主成分とする半導体薄膜(例えばSix Ge1-x (0<X<1) で示されるシリコン・ゲルマニウム化合物)を用いることができる。
【0020】
こうして図1(A)の状態が得られたら、レーザー光またはレーザー光と同等の強度を持つ強光の照射を行い、非晶質珪素膜106を結晶化する。レーザー光としてはエキシマレーザー光が好ましい。エキシマレーザーとしては、KrF、ArF、XeClを光源としたパルスレーザーを利用すれば良い。
【0021】
また、レーザー光と同等の強度を持つ強光としては、ハロゲンランプ又はメタルハライドランプからの強光、赤外光又は紫外光ランプからの強光を利用することができる。
【0022】
本実施例では、線状に加工されたエキシマレーザー光を基板の一端から他端へ走査し、非晶質珪素膜106の全面を結晶化する。この時、レーザー光のスウィープ速度は1.2mm/s 、処理温度は室温、パルス周波数は30Hz、レーザーエネルギーは 300〜315mJ/cm2 とする。(図1(B))
【0023】
こうして図1(B)に示す様に結晶性珪素膜107が得られる。次に、その上に酸化珪素膜でなるバッファ層108を50〜200 nm(好ましくは 100〜150 nm)の厚さに形成する。
【0024】
そして、PTFTとなる領域をレジストマスク109で隠し、イオン注入(イオンプランテーション)法(質量分離あり)又はイオンドーピング法(質量分離なし)によりボロンを添加する。このチャネルドープ工程によりボロン含有領域110が形成される。ボロンの代わりにインジウム等の13族元素を添加しても良い。(図1(C))
【0025】
この時、加速電圧は 5〜80keV (代表的には10〜30keV )から選び、ドーズ量は 1×1012〜 1×1017atoms/cm2 (好ましくは 1×1013〜 1×1016atoms/cm2 )とすれば良い。本実施例では、加速電圧を30keV とし、ドーズ量を 5×1013atoms/cm2 とする。
【0026】
この時、結晶性珪素膜107は非常に薄いので直接イオン注入を行うと大きなダメージを受けて結晶性が崩れてしまう。また、非常に薄い膜に対してイオン注入を行う場合、不純物の濃度制御が非常に困難である。
【0027】
しかしながら、本実施例では前述のバッファ層108を介したスルードーピングになるので、結晶性珪素膜107がイオン注入時に受ける損傷を抑制することができる。また、結晶性珪素膜107の上に厚めのバッファ層108が存在するので、結晶性珪素膜107中に添加する不純物濃度の制御が容易となる。
【0028】
また、イオン注入により形成される結晶性珪素膜中におけるボロンの濃度プロファイルは、チャネルが形成される部分(チャネル形成領域とゲイト絶縁膜とが接する界面近傍)でボロン濃度が低くなる様に調節することが望ましい。この効果については後述する。
【0029】
以上の様にして不純物元素の添加工程が終了したら、バッファ層108、レジストマスク109を除去した後、パターニングにより活性層111、112を形成する。その後、エキシマレーザー光を照射し、イオン注入工程で受けたダメージの回復と添加したボロンの活性化を行う。(図1(D))
【0030】
次に、ゲイト電極103、104をマスクとした裏面露光を行うことでレジストマスク113、114を形成する。そして、N型を付与する不純物元素(代表的にはリン、砒素)を添加して 1×1017〜 5×1018atoms/cm3 程度の低濃度不純物領域115〜118を形成する。(図2(A))
【0031】
次に、レジストマスク113、114を除去した後、再びパターニングしてレジストマスク119、120を形成する。この時、PTFTは完全に覆ってしまう。そして、再びN型を付与する不純物元素を図2(A)の時よりも高濃度( 1×1019〜 1×1020atoms/cm3 程度)に添加してNTFTのソース領域121、ドレイン領域122を形成する。
【0032】
また、この時、123、124で示される領域は前述の低濃度不純物領域がそのまま残り、LDD領域(Light Doped Drain )として機能する。さらに125で示される領域はチャネル形成領域となる。(図2(B))
【0033】
次に、レジストマスク119、120を除去した後、今度はNTFTを完全に覆う様にしてレジストマスク126、127を形成する。
【0034】
そして、P型を付与する不純物元素(代表的にはボロン、インジウム)を 1×1019〜 1×1020atoms/cm3 程度の濃度となる様に添加し、PTFTのソース領域128、ドレイン領域129を形成する。また、130で示される領域がチャネル形成領域となる。(図2(C))
【0035】
次に、レジストマスク126、127を除去した後、エキシマレーザー光を照射することで添加したイオン注入時の損傷の回復と添加した不純物の活性化を行う。(図2(D))
【0036】
レーザーアニールが終了したら、層間絶縁膜131を 300〜500 nmの厚さに形成する。層間絶縁膜131は酸化珪素膜、窒化珪素膜、有機性樹脂膜又はそれらの積層膜で構成される。
【0037】
そして、その上に金属薄膜でなるソース電極132、133及びドレイン電極134を形成する。金属薄膜としてはアルミニウム、タンタル、チタン、タングステン、モリブデン又はそれらの積層膜を用いれば良い。膜厚は 100〜300 nmとすれば良い。(図2(E))
【0038】
最後に、全体に対して水素雰囲気中、350 ℃2時間程度の加熱処理を行い、膜中(特にチャネル形成領域中)の不対結合手を水素終端する。以上の工程によって図2(E)に示す様な構造のCMOS回路が完成する。
【0039】
なお、本実施例の作製工程に従った場合、NTFTはLDD構造となるがPTFTはLDD構造とならない。しかしながら、本実施例は本願発明の一実施例であり、本願発明を適用しうる構造は本実施例に限定されない。
【0040】
即ち、公知の手段で構成される逆スタガ型TFTならば全てに適用することが可能である。また、本実施例ではCMOS回路を例にとって説明しているが、NTFT又はPTFTの単体素子のみで構成される様な回路に適用することも可能であることは言うまでもない。
【0041】
ここで、チャネルドープ工程においてチャネルが形成される部分のボロン濃度を低くすることの意義を説明する。
【0042】
チャネルにしきい値電圧を制御するための不純物元素が多量に存在すると、多数キャリア(電子または正孔)が不純物と衝突して散乱する。このキャリアの不純物散乱はTFT特性の動作速度を支配する電界効果移動度(モビリティ)を低下させる要因となり好ましくない。
【0043】
本願発明では、丁度チャネルが形成される部分の裏側からボロン等の不純物を添加することになるので、濃度プロファイルの勾配を利用してチャネルが形成される部分の不純物濃度を低くすることが可能である。換言すれば、チャネル形成領域中におけるボロン等の不純物濃度は、チャネル形成領域とゲイト絶縁膜との界面に近づくほど減少していく様な濃度勾配を有している。
【0044】
そのため、チャネル形成領域において基板から遠い方の表面近傍では、上記不純物元素の濃度が 1×1017〜 1×1020atoms/cm3 で存在するが、ゲイト絶縁膜との界面に向かうに従って濃度は減少し、界面近傍では約1/10以下(代表的には 1×1016〜 5×1018atoms/cm3 )となっている。
【0045】
この様な濃度勾配の調節はイオン注入条件で制御されるが、イオン注入時に設けるバッファ層がその様な精密な濃度制御を容易なものとしている。
【0046】
この様にして不純物散乱を極力避けた状態でしきい値電圧の制御を行うことで低い動作電圧で駆動可能であり、且つ、高いモビリティを有するTFTを作製することが可能となる。
【0047】
〔実施例2〕
本実施例では実施例1において、しきい値電圧制御のための不純物元素の添加工程と結晶化工程との順序を入れ換えた場合の例を示す。
【0048】
図3(A)において、301はガラス基板、302は下地膜、303、304はタンタル膜でなるゲイト電極、305は酸化珪素膜上に薄い窒化珪素膜を設けた積層膜でなるゲイト絶縁膜、306は非晶質珪素膜である。(図3(A))
【0049】
次に、バッファ層307、レジストマスク308を設け、イオン注入法によりボロンを添加する。注入条件は実施例1に従えば良い。こうしてボロン含有領域309が形成され、図3(B)の状態が得られる。
【0050】
次に、バッファ層307、レジストマスク308を除去した後、図3(C)に示す様にエキシマレーザー光を照射する。エキシマレーザー光の照射条件は実施例1に従えば良い。
【0051】
この工程により非晶質珪素膜306は結晶化され、結晶性珪素膜309が得られる。また、同時に前述のイオン注入で添加されたボロンが活性化される。
【0052】
そして、結晶性珪素膜309を島状にパターニングして活性層310、311が得られる。後の工程を実施例1に従えば、図2(E)に示した様な構造のCMOS回路を作製することができる。
【0053】
〔実施例3〕
本実施例では非晶質珪素膜の結晶化に際して、結晶化を助長する触媒元素(代表的にはニッケル)を利用する場合の例を示す。
【0054】
まず、図4(A)において、401はガラス基板、402は下地膜、403、404はクロム膜でなるゲイト電極、405はゲイト絶縁膜、406は非晶質珪素膜である。これらの詳細は実施例1で既に説明したので省略する。
【0055】
本実施例では、非晶質珪素膜406の上にニッケルを含有した膜(以下、ニッケル含有層と呼ぶ)407を形成する。ニッケル含有層407の形成方法は本発明者らによる特開平7-130652号公報(特に実施例1)に記載された技術を利用すれば良い。(図4(A))
【0056】
なお、触媒元素としてはニッケル以外にも、コバルト(Co)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)等を用いることができる。
【0057】
また、上記公報では触媒元素の添加工程をスピンコート法で行う例が示してあるが、イオン注入法またはプラズマドーピング法を用いることもできる。この場合、添加領域の占有面積の低減、横成長領域の成長距離の制御が容易となるので、微細化した回路を構成する際に有効な技術となる。
【0058】
次に、触媒元素の添加工程が終了したら、500 ℃1時間程度の水素出しの後、不活性雰囲気、水素雰囲気または酸素雰囲気中において 500〜700 ℃(代表的には 550〜650 ℃)の温度で 4〜24時間の加熱処理(ファーネスアニール)を加えて非晶質珪素膜406の結晶化を行う。本実施例では窒素雰囲気で550 ℃4時間の加熱処理を行い、結晶性珪素膜408を得る。(図4(B))
【0059】
次に、バッファ層409、レジストマスク410を設け、NTFTとなる領域のみにボロンを添加する。添加方法及び条件は実施例1に示した条件に従えば良い。この工程によりボロン含有領域411が形成される。(図4(C))
【0060】
次に、バッファ層409、レジストマスク410を除去し、パターニングにより活性層412、413を形成する。その後、エキシマレーザー光を照射してボロン添加時のダメージの回復、結晶性の改善(僅かに残存する非晶質成分の結晶化等)、ボロンの活性化を行う。(図4(D))
【0061】
なお、本実施例では結晶性珪素膜408を島状に加工した後でレーザー光の照射を行っているが、レーザー光の照射を行った後に島状に加工して活性層を形成するのであっても良い。
【0062】
そして、後の工程は実施例1に従えば、図2(E)に示した様な構造のCMOS回路を作製することができる。
【0063】
〔実施例4〕
本実施例では、実施例3と異なる手段で非晶質珪素膜の結晶化を行う場合の例について説明する。具体的には特開平8-78329 号公報に記載された技術を利用して結晶化を行う。
【0064】
まず、図5(A)において、501はガラス基板、502は下地膜、503、504はゲイト電極、505はゲイト絶縁膜、506は非晶質珪素膜である。これらの詳細は実施例1に従えば良い。
【0065】
本実施例では、非晶質珪素膜506の上に複数の開口を有するマスク絶縁膜507を設け、その上からニッケル含有層508を形成する。即ち、ニッケル含有層508はマスク絶縁膜507に設けられた開口部においてのみ、非晶質珪素膜506と接する様な構成となる。なお、マスク絶縁膜507としては厚さ50〜200 nmの酸化珪素膜を用いると良い。(図5(A))
【0066】
次に、触媒元素の添加工程が終了したら、450 ℃1時間程度の水素出しの後、不活性雰囲気、水素雰囲気または酸素雰囲気中において 500〜700 ℃(代表的には 550〜650 ℃)の温度で 4〜24時間の加熱処理を加えて非晶質珪素膜506の結晶化を行う。本実施例では窒素雰囲気で570 ℃14時間の加熱処理を行う。
【0067】
この時、非晶質珪素膜506の結晶化はニッケルを添加した領域509、510で発生した核から優先的に進行し、基板501の基板面に対してほぼ平行に成長した結晶領域511、512が形成される。(図5(B))
【0068】
本発明者らはこの結晶領域511、512を横成長領域と呼んでいる。横成長領域511、512は比較的揃った状態で個々の棒状または偏平棒状結晶が集合しているため、全体的な結晶性に優れるという利点がある。
【0069】
こうして結晶性珪素膜(横成長領域)511、512が得られたら、レジストマスク513を形成してボロンの添加工程を行い、ボロン含有領域514を形成する。(図5(C))
【0070】
本実施例では触媒元素の添加工程に利用したマスク絶縁膜507をボロンの添加工程におけるバッファ層として活用する。これにより工程の簡略化を図ることができる。
【0071】
こうして図5(C)の状態が得られたら、横成長領域511、512のみからなる活性層515、516を形成する。活性層515、516を形成する際、ニッケル添加領域509、510は完全に除去してしまうことが好ましい。
【0072】
次に、エキシマレーザー光を照射することにより活性層515、516が受けたボロン添加時の損傷の回復、結晶性の改善、ボロンの活性化を行う。後の工程を実施例1に従えば、図2(E)に示した構造のCMOS回路を作製することができる。
【0073】
〔実施例5〕
本実施例では、実施例3において、結晶化に利用した触媒元素をゲッタリングして除去するための工程を加えた場合の例を示す。具体的には触媒元素(ニッケル)のゲッタリングに15族から選ばれた元素によるゲッタリング効果を利用する。なお、15族から選ばれた元素とては、P(リン)、N(窒素)、As(砒素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)を用いることができるが、本実施例では代表的なリンを用いる場合を示す。
【0074】
まず、実施例3の工程に従って図4(C)の状態を得る。そして、バッファ層409、レジストマスク410を除去した後、新たに複数の開口部を有するレジストマスク601を形成する。この開口部は、後に活性層として利用しない(除去してしまう)領域が露出する様な位置に形成する。
【0075】
次に、レジストマスク601をマスクとしてリンの添加工程を行う。この添加工程はイオン注入法又はイオンドーピング法を用いる。添加条件はRF電力を20W、加速電圧を 5〜30keV (代表的には10keV )に設定し、リンのドーズ量は 1×1013atoms/cm2 以上(好ましくは 5×1013〜 5×1015atoms/cm2 )とする。
【0076】
添加するリン濃度の目安としては、結晶性珪素膜408中に含まれるニッケル濃度よりも1桁以上高い濃度を添加すると良い。実施例3の工程では結晶性珪素膜408中に約 1×1019atoms/cm3 のニッケルが含まれるので、その場合には 1×1020atoms/cm3 程度のリンを添加することが好ましい。
【0077】
こうして、結晶性珪素膜408の内部にはリンが添加された領域(ゲッタリング領域)602〜604が形成される。(図6(A))
【0078】
次に、レジストマスク601を除去した後、ニッケルをゲッタリングするための加熱処理を行う。この加熱処理により被ゲッタリング領域605、606に含まれるニッケルは矢印で示される様にゲッタリング領域602〜604に捕獲されていく。(図6(B))
【0079】
この加熱処理は不活性雰囲気、水素雰囲気、酸化性雰囲気またはハロゲン元素を含む酸化性雰囲気におけるファーネスアニールで良い。また、処理温度は 400〜700 ℃(好ましくは 550〜650 ℃)とし、処理時間は2時間以上(好ましくは4〜12時間)とすれば良い。処理温度は高い方がより短時間で済むし、ゲッタリング効果も高いが、ガラス基板の耐熱性を考慮すると650 ℃以下にすることが望ましい。
【0080】
また、後にNTFTとなる被ゲッタリング領域605にはしきい値電圧を制御するためにボロンが添加されているが、上記ファーネスアニールによってボロン添加時の損傷の回復とボロンの活性化とが同時に果たされる。なお、上記温度範囲ならばボロンの拡散は非常に小さく、問題とはならない。
【0081】
こうしてゲッタリング領域602〜604にニッケルをゲッタリングしたら、結晶性珪素膜をパターニングして、被ゲッタリング領域605、606のみからなる活性層607、608を形成する。この際、ゲッタリング領域602〜604及びその近傍は高濃度にニッケルを含んでいるため、活性層には利用しないで完全に除去することが望ましい。
【0082】
ゲッタリング処理を行って得られた活性層607、608中に存在するニッケル濃度は 5×1017atoms/cm3 以下にまで低減されていることがSIMS(質量二次イオン分析)によって確かめられている。(本明細書中における濃度はSIMS測定値の最小値で定義されている。)
【0083】
現状では検出下限の問題で 5×1017atoms/cm3 以下としか判明していないが、実際には少なくとも 1×1014atoms/cm3 程度までには到達していると考えている。なお、実験的にはニッケル濃度が 5×1017atoms/cm3 以下であればTFT特性に影響を与えないことが判っている。
【0084】
以上の様にして図6(C)に示す状態が得られる。後は、実施例3と同様に、実施例1に示した工程に従えば、図2(E)の様な構造のCMOS回路を作製することが可能である。
【0085】
なお、本実施例は実施例3の場合だけでなく、実施例4に示した結晶化手段を用いた場合にも適用することは容易である。その場合、ニッケル添加に利用したマスク絶縁膜507を、ボロン添加時にマスクとしてだけでなく、本実施例に示したリン添加時のマスクとして活用することも可能である。その場合、大幅な工程簡略化が実現される。
【0086】
また、本実施例ではリンの添加手段としてイオン注入法またはイオンドーピング法を用いる例を示しているが、リンを含む雰囲気中でのアニール(気相法)、リンを含む絶縁膜中へのゲッタリング(固相法)を利用しても良い。
【0087】
〔実施例6〕
本実施例では、実施例1とは異なる構造の逆スタガ型TFTを作製する場合の例を示す。説明には図7を用いる。
【0088】
まず、実施例1の工程に従って図1(D)の状態を得る。そして、活性層111、112の上にチャネルストッパー701、702を形成する。チャネルストッパー701、702としては、30〜150 nmの厚さの窒化珪素膜又は酸化珪素膜を用いることができる。(図7(A))
【0089】
次に、N型導電性を有する結晶性珪素膜(以下、N型導電膜と略記する)703を形成し、その上に金属薄膜704を形成する。N型導電膜703にはリンを添加した多結晶状態、微結晶状態の珪素膜が用いられる。また、金属薄膜704は実施例1においてソース/ドレイン電極を構成した金属薄膜と同一のもので良い。(図7(B))
【0090】
なお、N型導電膜703と金属薄膜704とを連続成膜すると非常に良好なオーミックコンタクトを実現できるので好ましい。
【0091】
次に、まず、金属薄膜704をエッチングして必要な箇所の分断を行う。そして、次に金属薄膜704をマスクとして自己整合的にN型導電膜703をエッチングする。この時、チャネルストッパー701、702がエッチングストッパーとして機能する。
【0092】
こうして、NTFTのソース電極705、706、PTFTのソース電極707、708及びNTFTとPTFTの共通ドレイン電極709、710が形成される。これらの電極上に窒化珪素膜や有機性樹脂膜でなるパッシベーション膜を設けた構成としても良い。以上の様にして図7(C)に示す構造のCMOS回路が実現される。
【0093】
なお、チャネルストッパーを利用したタイプの逆スタガ型TFTは本実施例に限定されることはない。本願発明は他の構造のタイプに対しても容易に適用することが可能である。
【0094】
〔実施例7〕
本実施例では、実施例1、6とは異なる構造の逆スタガ型TFTを作製する場合の例を示す。説明には図8を用いる。
【0095】
まず、実施例1の工程に従って図1(D)の状態を得る。そして、活性層111、112の上にN型導電膜801を形成し、その上に金属薄膜802を形成する。これら薄膜については実施例6で説明しているのでここでの説明は省略する。(図8(A))
【0096】
次に、金属薄膜802をエッチングして必要な箇所の分断を行い、続いて自己整合的にN型導電膜801をエッチングする。この時、N型導電膜801と下の活性層111、112とは選択比が取れないため、活性層111、112の内部にまでエッチングが進行する。
【0097】
従って、この部分だけは活性層の膜厚が薄くなっており、この薄膜化された部分が実効的なチャネル形成領域として機能する。
【0098】
こうして、NTFTのソース電極803、804、PTFTのソース電極805、806及びNTFTとPTFTの共通ドレイン電極807、808が形成される。最後にパッシベーション膜として窒化珪素膜809を形成して図8(B)に示す構造のCMOS回路が実現される。
【0099】
なお、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置の様に、同一基板上に周辺駆動回路と画素マトリクス回路とを作製する場合、窒化珪素膜809の代わりに有機性樹脂膜が設けられる場合もある。その様な場合には有機性樹脂膜がパッシベーション膜として機能する。この事は実施例6でも同様に言える。
【0100】
また、本実施例の構造とする場合、図8(A)に示した段階で後のチャネル形成領域にN型導電膜801が接してしまう。この時、活性層111に添加してあるボロンとN型導電膜801中のリンとが相互拡散して相殺しあい、チャネル形成領域が実質的に真性になったり、N型に反転したりして所望のしきい値電圧が得られないといった問題が起こりうる。
【0101】
その様な問題が起こる場合、チャネルドープ工程(しきい値電圧を制御するためにボロンを添加する工程)の際に前述のN型導電膜801に含まれるリン濃度よりも高い濃度のボロンを添加しておけば良い。こうしておけば、互いに相殺したとしてもボロンの絶対量の方が多いため、P型を維持することができる。勿論、最終的に残存するボロン濃度を予め見越した上で所望のしきい値電圧が得られる様にチャネルドープを行う必要がある。
【0102】
なお、本願発明は本実施例に示した様な構造以外の逆スタガ型TFTに対しても容易に適用することが可能である。
【0103】
〔実施例8〕
実施例1〜7ではチャネルドープ工程でバッファ層を利用する例を示しているが、ボロン添加条件の最適化を行えばバッファ層を用いない構成も可能である。その場合、珪素膜の受ける添加時のダメージは大きくなるが、後のファーネスアニールまたはレーザーアニールで回復できる程度ならば問題にはならない。
【0104】
〔実施例9〕
実施例1〜7に示した構成ではCMOS回路を作製する上でNTFTのみにボロンを添加する例を示しているが、NTFTとPTFTの両方に添加しても良いことは言うまでもない。
【0105】
実施例1〜7でしきい値電圧を制御するために13族から選ばれた元素であるボロン(インジウムでも良い)を添加するのは、マイナス側にシフトしたしきい値電圧をプラス側に強制的にシフトさせ、所望のしきい値電圧を示す様に制御するためである。従って、PTFTもプラス側にシフトさせる必要があれば当然PTFTにもボロンを添加することは有効である。
【0106】
また、同様にCMOS回路を作製する上でPTFTのみに本願発明を適用することも可能である。
【0107】
〔実施例10〕
実施例1〜7ではしきい値電圧をプラス側にシフトさせるために13族元素を利用しているが、マイナス側にシフトさせる必要がある場合には、チャネルドープ用不純物元素として15族から選ばれた元素(リン、砒素またはアンチモン)を用いれば良い。
【0108】
この場合、例えばリンをイオン注入した時におけるリンの濃度プロファイルはボロンの濃度プロファイルとは異なるので、ドーズ量その他の諸条件は実験的に最適値を求める必要がある。
【0109】
ただし、実施例5のリンによるゲッタリングと組み合わせる場合、本実施例の構成ではチャネル形成領域にもリンが入ってしまうのでゲッタリング効果はあまり期待することはできない。
【0110】
〔実施例11〕
実施例1〜7に示した構成では、チャネルドープ工程後の不純物の活性化をエキシマレーザー光の照射による例を示している。本願発明では、レーザーアニールの代わりにRTA(ラピッドサーマルアニール)に代表されるランプアニールを利用することもできる。
【0111】
RTA処理を行う場合、 500〜1150℃(好ましくは 800〜1000℃)の温度で数秒の処理を行い、ガラス基板の変形を招くことなく薄膜のアニールを行うことができる。また、そのためスループットが格段に向上する。
【0112】
勿論、 500〜600 ℃程度のファーネスアニールで不純物の活性化を行うのであっても構わないが、生産性を高めるにはRTA処理が有効である。
【0113】
〔実施例12〕
本実施例では実施例1〜11に示した構成の半導体装置を用いてガラス基板上に回路を形成し、電気光学装置を作製する場合の例を示す。代表的には液晶表示装置、EL(エレクトロルミネッセンス)表示装置、EC(エレクトロクロミクス)表示装置、イメージセンサ、CCD等を作製することが可能である。
【0114】
なお、本明細書において電気光学装置とは、電気信号を光学的信号に変換する装置またはその逆を行う装置と定義する。
【0115】
図9(A)に示すのは液晶表示装置(液晶モジュール)である。11はアクティブマトリクス基板であり、ガラス基板上に本願発明のTFTで構成された画素マトリクス回路12、ソース側駆動回路13、ゲイト側駆動回路14、ロジック回路15で構成される。
【0116】
ソース側駆動回路13は主にシフトレジスタ回路、サンプリング回路、バッファ回路、レベルシフタ回路等から構成される。また、ゲイト側駆動回路14は主にシフトレジスタ回路、バッファ回路等から構成される。ロジック回路15は各種信号処理を行う回路全てを含み、クロック発生回路、メモリ回路、演算回路、信号変換回路等から構成される。
【0117】
以上の様な構成でなるアクティブマトリクス基板11と、対向基板16との間には液晶層(図示せず)がシール材によって封入されている。また、アクティブマトリクス基板11と対向基板16とは一辺を除いて全ての端面が揃う様に貼り合わされており、その一辺ではアクティブマトリクス基板11の一部が露出する様に対向基板16が除去されている。
【0118】
この領域はソース/ゲイト側駆動回路13、14やロジック回路15に外部からの信号を伝達するための端子が剥き出しになっており、FPC(フレキシブルプリントサーキット)17を接続するための領域となる。
【0119】
また、図9(B)に示すのはソース側駆動回路13の回路構成を簡略化したものである。18はシフトレジスタ回路であり、複数のインバータ回路(CMOS回路)19でフリップフロップ回路が組まれている。
【0120】
また、バッファ回路20を挟んでサンプリング回路21が複数のアナログスイッチ22によって組まれている。
【0121】
本願発明はチャネルドープの効果によってしきい値電圧が調節されているので低い動作電圧に対しても容易に対応可能である。さらに、チャネル部において不純物によるキャリアの散乱が非常に小さいため、しきい値電圧を制御しているにも拘わらず高いモビリティを実現できる。
【0122】
従って、低い動作電圧と高い動作速度とを要求するロジック回路15、シフトレジスタ回路18等を構成するには本願発明のTFTは有効である。
【0123】
また、しきい値電圧の制御によってCMOS回路の特性バランスが是正されているので、アナログスイッチ22の様にNTFTとPTFTとの特性バランスを揃えることが重要な回路を構成するにも好適である。
【0124】
〔実施例13〕
実施例12に示した電気光学装置は、様々な電子機器のディスプレイとして利用される。なお、本実施例に挙げる電子機器とは、液晶モジュールに代表される電気光学装置を搭載した製品と定義する。
【0125】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、スチルカメラ、プロジェクター、プロジェクションTV、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ(ノート型を含む)、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話等)などが挙げられる。それらの一例を図10に示す。
【0126】
図10(A)は携帯電話であり、本体2001、音声出力部2002、音声入力部2003、表示装置2004、操作スイッチ2005、アンテナ2006で構成される。本願発明は音声出力部2002、音声入力部2003、表示装置2004等に適用することができる。
【0127】
図10(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示装置2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本願発明は表示装置2102、音声入力部2103、受像部2106に適用することができる。
【0128】
図10(C)はモバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示装置2205で構成される。本願発明は受像部2203、表示装置2205等に適用できる。
【0129】
図10(D)はヘッドマウントディスプレイであり、本体2301、表示装置2302、バンド部2303で構成される。本発明は表示装置2302に適用することができる。
【0130】
図10(E)はリア型プロジェクターであり、本体2401、光源2402、表示装置2403、偏光ビームスプリッタ2404、リフレクター2405、2406、スクリーン2407で構成される。本発明は表示装置2403に適用することができる。
【0131】
図10(F)はフロント型プロジェクターであり、本体2501、光源2502、表示装置2503、光学系2504、スクリーン2505で構成される。本発明は表示装置2503に適用することができる。
【0132】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、他にも電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイなどにも活用することができる。
【0133】
【発明の効果】
本願発明を利用することによりボトムゲイト型TFTのしきい値電圧を効果的に制御することが可能となる。また、その様な半導体装置を利用することで様々な電気光学装置及び電子機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図2】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図3】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図4】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図5】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図6】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図7】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図8】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図9】 電気光学装置の構成を示す図。
【図10】 電子機器の構成を示す図。
【符号の説明】
101 ガラス基板
102 下地膜
103、104 ゲイト電極
105 ゲイト絶縁膜
106 非晶質珪素膜
107 結晶性珪素膜
108 バッファ層
109 レジストマスク
110 ボロン含有領域
111、112 活性層[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a semiconductor device manufactured using a semiconductor thin film and a configuration of a manufacturing method thereof. Specifically, the present invention relates to a structure of a bottom gate type thin film transistor (TFT) typified by an inverted stagger type.
[0002]
Note that in this specification, a semiconductor device includes all devices that can function using semiconductor characteristics. That is, TFTs, electro-optical devices, semiconductor circuits, electronic devices, and the like described in this specification are all included in the category of semiconductor devices.
[0003]
[Prior art]
In recent years, the demand for active matrix liquid crystal display devices has increased rapidly, and a technique for forming a thin film transistor (hereinafter abbreviated as TFT) with a semiconductor thin film formed on a glass or quartz substrate has been urgently required. The TFT is used as a switching element for image display.
[0004]
TFTs formed in units of hundreds of thousands on the same substrate must exhibit predetermined electrical characteristics according to the function of the electric circuit to be formed. As an electrical characteristic of such a TFT, there is a parameter called a threshold voltage (threshold voltage: Vth).
[0005]
The threshold voltage is defined as a voltage at which an inversion layer is formed in the channel portion of the TFT. That is, it can be considered as a voltage at which a TFT in an off state switches to an on state. Therefore, it can be said that the higher the threshold voltage, the higher the operating voltage of the TFT.
[0006]
There is a problem that this threshold voltage changes due to various external factors. For example, contamination impurities in the active layer, fixed charges and movable charges of the gate insulating film, interface states at the interface of the active layer / gate insulating film, work function difference between the gate electrode and the active layer, and the like. In this case, contamination impurities in the active layer and movable charges in the gate insulating film can be eliminated by cleaning the process, but fixed charges, interface states, work function differences, etc. are determined by the element material. Therefore, it cannot be easily changed.
[0007]
As a result of such external factors, the threshold voltage may shift to the plus side or to the minus side. For example, NTFT has a problem that if it is shifted to the minus side, a current flows (referred to as a normally-on state) in spite of being in an off state (a state in which no gate voltage is applied).
[0008]
A technique called channel dope is known as means for solving such a problem. Channel doping is a technique for adjusting a desired threshold voltage by forcibly shifting the threshold voltage by adding an impurity of a predetermined concentration into the active layer.
[0009]
Impurities used for channel doping include
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to provide a technique for channel doping a bottom gate type TFT (typically an inverted stagger type TFT). It is another object of the present invention to provide a semiconductor device including a plurality of bottom-gate TFTs using the present invention and a manufacturing method thereof.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the invention disclosed in this specification is as follows.
A semiconductor device including a plurality of bottom gate TFTs formed on a substrate having an insulating surface in a configuration,
Among the plurality of bottom gate TFTs, an impurity element for controlling a threshold voltage is intentionally included in at least a channel formation region of a TFT operating in an N channel type,
The concentration of the impurity element in the channel formation region decreases as it approaches the interface between the channel formation region and the gate insulating film in contact with the channel formation region.
[0012]
In addition, the configuration of other inventions is as follows:
A method for manufacturing a semiconductor device including a plurality of bottom gate TFTs formed on a substrate having an insulating surface.
Forming an amorphous silicon film;
Irradiating the amorphous silicon film with laser light or strong light having the same intensity as the laser light to obtain a crystalline silicon film;
Adding an impurity element for controlling a threshold voltage to the whole surface or a part of the crystalline silicon film;
Activating the impurity element;
It is characterized by including.
[0013]
In addition, the configuration of other inventions is as follows:
A method for manufacturing a semiconductor device including a plurality of bottom gate TFTs formed on a substrate having an insulating surface.
Forming an amorphous silicon film;
Adding an impurity element for controlling a threshold voltage to the whole surface or a part of the amorphous silicon film;
Activating the impurity element simultaneously with the step of irradiating the amorphous silicon film with laser light or strong light having the same intensity as the laser light to obtain a crystalline silicon film;
It is characterized by including.
[0014]
In addition, the configuration of other inventions is as follows:
A method for manufacturing a semiconductor device including a plurality of bottom gate TFTs formed on a substrate having an insulating surface.
Forming an amorphous silicon film;
Holding or adding a catalytic element for promoting crystallization of the amorphous silicon film over the entire surface or a part of the amorphous silicon film;
Transforming the whole or part of the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by a first heat treatment;
Adding an impurity element for selectively controlling a threshold voltage with respect to the crystalline silicon film;
Selectively introducing an element selected from
Activating the impurity element for controlling the threshold voltage at the same time gettering the catalyst element in the region where the element selected from the
It is characterized by including.
[0015]
The present invention having the above-described configuration will be described in detail with the embodiments described below.
[0016]
【Example】
[Example 1]
An example in which a CMOS circuit in which NTFT (N-channel TFT) and PTFT (P-channel TFT) are complementarily combined using the present invention will be described. In this embodiment, an example in which boron, which is a
[0017]
First, a
[0018]
Next, a
[0019]
Next, an
[0020]
When the state of FIG. 1A is obtained in this way, laser light or strong light having the same intensity as the laser light is irradiated to crystallize the
[0021]
As strong light having the same intensity as laser light, strong light from a halogen lamp or a metal halide lamp, or strong light from an infrared light or an ultraviolet light lamp can be used.
[0022]
In this embodiment, excimer laser light processed into a linear shape is scanned from one end to the other end of the substrate, and the entire surface of the
[0023]
Thus, a
[0024]
Then, a region to be a PTFT is concealed with a resist
[0025]
At this time, the acceleration voltage is selected from 5 to 80 keV (typically 10 to 30 keV), and the dose is 1 × 10 12 ~ 1 × 10 17 atoms / cm 2 (Preferably 1 × 10 13 ~ 1 × 10 16 atoms / cm 2 ). In this example, the acceleration voltage is 30 keV and the dose is 5 × 10. 13 atoms / cm 2 And
[0026]
At this time, since the
[0027]
However, in this embodiment, through doping is performed through the
[0028]
Further, the boron concentration profile in the crystalline silicon film formed by ion implantation is adjusted so that the boron concentration is lowered at the portion where the channel is formed (near the interface where the channel formation region and the gate insulating film are in contact). It is desirable. This effect will be described later.
[0029]
When the impurity element addition step is completed as described above, the
[0030]
Next, resist
[0031]
Next, after removing the resist
[0032]
At this time, in the regions indicated by 123 and 124, the above-described low-concentration impurity regions remain as they are and function as LDD regions (Light Doped Drain). Further, a region indicated by 125 is a channel formation region. (Fig. 2 (B))
[0033]
Next, after removing the resist
[0034]
Then, an impurity element imparting P-type (typically boron or indium) is added at 1 × 10 19 ~ 1 × 10 20 atoms / cm Three The
[0035]
Next, after removing the resist
[0036]
When the laser annealing is finished, an
[0037]
Then,
[0038]
Finally, the whole is subjected to heat treatment at 350 ° C. for about 2 hours in a hydrogen atmosphere, and the dangling bonds in the film (particularly in the channel formation region) are terminated with hydrogen. Through the above steps, a CMOS circuit having a structure as shown in FIG.
[0039]
Note that when the manufacturing process of this embodiment is followed, the NTFT has an LDD structure, but the PTFT does not have an LDD structure. However, this embodiment is an embodiment of the present invention, and the structure to which the present invention can be applied is not limited to this embodiment.
[0040]
In other words, the present invention can be applied to all reverse stagger type TFTs configured by known means. In this embodiment, a CMOS circuit is described as an example, but it is needless to say that the present invention can be applied to a circuit constituted by only a single element of NTFT or PTFT.
[0041]
Here, the significance of lowering the boron concentration in the portion where the channel is formed in the channel doping step will be described.
[0042]
When a large amount of an impurity element for controlling the threshold voltage is present in the channel, majority carriers (electrons or holes) collide with the impurity and are scattered. This impurity scattering of carriers is not preferable because it causes a reduction in field effect mobility (mobility) that governs the operating speed of TFT characteristics.
[0043]
In the present invention, since impurities such as boron are added just from the back side of the part where the channel is formed, it is possible to reduce the impurity concentration of the part where the channel is formed using the gradient of the concentration profile. is there. In other words, the impurity concentration of boron or the like in the channel formation region has a concentration gradient that decreases as it approaches the interface between the channel formation region and the gate insulating film.
[0044]
Therefore, in the channel formation region, near the surface far from the substrate, the concentration of the impurity element is 1 × 10 17 ~ 1 × 10 20 atoms / cm Three However, the concentration decreases toward the interface with the gate insulating film, and it is about 1/10 or less near the interface (typically 1 × 10 16 ~ 5 × 10 18 atoms / cm Three ).
[0045]
Such adjustment of the concentration gradient is controlled by ion implantation conditions, but the buffer layer provided at the time of ion implantation facilitates such precise concentration control.
[0046]
In this way, by controlling the threshold voltage while avoiding impurity scattering as much as possible, it is possible to manufacture a TFT that can be driven at a low operating voltage and has high mobility.
[0047]
[Example 2]
In this embodiment, an example in which the order of the impurity element addition step and the crystallization step for controlling the threshold voltage is switched in the first embodiment will be described.
[0048]
In FIG. 3A, 301 is a glass substrate, 302 is a base film, 303 and 304 are gate electrodes made of a tantalum film, 305 is a gate insulating film made of a laminated film in which a thin silicon nitride film is provided on a silicon oxide film, Reference numeral 306 denotes an amorphous silicon film. (Fig. 3 (A))
[0049]
Next, a
[0050]
Next, after removing the
[0051]
Through this step, the
[0052]
Then, the
[0053]
Example 3
In this embodiment, an example in which a catalyst element (typically nickel) that promotes crystallization is used for crystallization of an amorphous silicon film is shown.
[0054]
4A, 401 is a glass substrate, 402 is a base film, 403 and 404 are gate electrodes made of a chromium film, 405 is a gate insulating film, and 406 is an amorphous silicon film. Since these details have already been described in the first embodiment, they will be omitted.
[0055]
In this embodiment, a film containing nickel (hereinafter referred to as a nickel-containing layer) 407 is formed on the
[0056]
In addition to nickel, the catalytic element is cobalt (Co), iron (Fe), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), germanium (Ge), lead (Pb). Etc. can be used.
[0057]
In the above publication, an example in which the catalyst element addition step is performed by a spin coating method is shown, but an ion implantation method or a plasma doping method can also be used. In this case, since the occupied area of the added region can be reduced and the growth distance of the lateral growth region can be easily controlled, this is an effective technique for configuring a miniaturized circuit.
[0058]
Next, after the catalyst element addition step is completed, after hydrogen removal at 500 ° C. for about 1 hour, a temperature of 500 to 700 ° C. (typically 550 to 650 ° C.) in an inert atmosphere, hydrogen atmosphere or oxygen atmosphere Then, the
[0059]
Next, a
[0060]
Next, the
[0061]
In this embodiment, the laser beam is irradiated after the
[0062]
Then, if the subsequent steps are in accordance with Embodiment 1, a CMOS circuit having a structure as shown in FIG. 2E can be manufactured.
[0063]
Example 4
In this embodiment, an example in which the amorphous silicon film is crystallized by means different from that in Embodiment 3 will be described. Specifically, crystallization is performed using the technique described in JP-A-8-78329.
[0064]
5A,
[0065]
In this embodiment, a
[0066]
Next, after the catalyst element addition process is completed, after hydrogen removal at 450 ° C. for about 1 hour, a temperature of 500 to 700 ° C. (typically 550 to 650 ° C.) in an inert atmosphere, hydrogen atmosphere or oxygen atmosphere Then, the
[0067]
At this time, crystallization of the
[0068]
The inventors refer to the
[0069]
When the crystalline silicon films (lateral growth regions) 511 and 512 are thus obtained, a resist
[0070]
In this embodiment, the
[0071]
When the state of FIG. 5C is thus obtained,
[0072]
Next, the excimer laser light is irradiated to recover damage caused by boron addition to the
[0073]
Example 5
In this embodiment, an example in which a step for removing the catalytic element used for crystallization by gettering in Embodiment 3 is added will be described. Specifically, the gettering effect by an element selected from the
[0074]
First, the state shown in FIG. Then, after removing the
[0075]
Next, phosphorus is added using the resist
[0076]
As a standard of the phosphorus concentration to be added, a concentration higher by one digit or more than the nickel concentration contained in the
[0077]
Thus, regions doped with phosphorus (gettering regions) 602 to 604 are formed inside the
[0078]
Next, after the resist
[0079]
This heat treatment may be furnace annealing in an inert atmosphere, a hydrogen atmosphere, an oxidizing atmosphere, or an oxidizing atmosphere containing a halogen element. The treatment temperature may be 400 to 700 ° C. (preferably 550 to 650 ° C.), and the treatment time may be 2 hours or more (preferably 4 to 12 hours). The higher the processing temperature is, the shorter the time is required and the higher the gettering effect is. However, considering the heat resistance of the glass substrate, it is desirable to set it to 650 ° C. or lower.
[0080]
Further, boron is added to the
[0081]
When nickel is gettered in the gettering regions 602 to 604 in this manner, the crystalline silicon film is patterned to form
[0082]
The nickel concentration in the
[0083]
Currently 5 × 10 due to the detection limit 17 atoms / cm Three Only known below, but in practice at least 1x10 14 atoms / cm Three I think that it has reached to the extent. Experimentally, the nickel concentration is 5 × 10 17 atoms / cm Three It has been found that the following will not affect TFT characteristics.
[0084]
The state shown in FIG. 6C is obtained as described above. Thereafter, in the same manner as in the third embodiment, if the steps shown in the first embodiment are followed, a CMOS circuit having a structure as shown in FIG. 2E can be manufactured.
[0085]
Note that this embodiment can be easily applied not only to the case of the third embodiment but also to the case where the crystallization means shown in the fourth embodiment is used. In that case, the
[0086]
In this embodiment, an example in which an ion implantation method or an ion doping method is used as a means for adding phosphorus is shown. An annealing in an atmosphere containing phosphorus (vapor phase method), a getter into an insulating film containing phosphorus. A ring (solid phase method) may be used.
[0087]
Example 6
In this embodiment, an example of manufacturing an inverted staggered TFT having a structure different from that of Embodiment 1 is shown. FIG. 7 is used for the description.
[0088]
First, the state shown in FIG. Then,
[0089]
Next, a crystalline silicon film (hereinafter abbreviated as an N-type conductive film) 703 having N-type conductivity is formed, and a metal
[0090]
Note that it is preferable to continuously form the N-type
[0091]
Next, the metal
[0092]
Thus,
[0093]
Note that the reverse stagger type TFT using the channel stopper is not limited to this embodiment. The present invention can be easily applied to other types of structures.
[0094]
Example 7
In this embodiment, an example in which an inverted stagger type TFT having a structure different from those in Embodiments 1 and 6 is shown. FIG. 8 is used for the description.
[0095]
First, the state shown in FIG. Then, an N-type
[0096]
Next, the metal
[0097]
Therefore, only this portion has a thin active layer, and this thinned portion functions as an effective channel formation region.
[0098]
Thus,
[0099]
Note that in the case where a peripheral driver circuit and a pixel matrix circuit are formed over the same substrate as in an active matrix liquid crystal display device, for example, an organic resin film may be provided instead of the
[0100]
Further, in the case of the structure of this embodiment, the N-type
[0101]
When such a problem occurs, boron having a concentration higher than the phosphorus concentration contained in the N-type
[0102]
The present invention can be easily applied to an inverted stagger type TFT having a structure other than that shown in this embodiment.
[0103]
Example 8
In Examples 1 to 7, an example in which the buffer layer is used in the channel doping process is shown. However, a configuration in which the buffer layer is not used is possible if the boron addition conditions are optimized. In that case, the damage to the silicon film when it is added increases, but it is not a problem as long as it can be recovered by subsequent furnace annealing or laser annealing.
[0104]
Example 9
In the configurations shown in the first to seventh embodiments, an example in which boron is added only to NTFT in manufacturing a CMOS circuit is shown, but it goes without saying that it may be added to both NTFT and PTFT.
[0105]
In order to control the threshold voltage in Examples 1 to 7, boron (which may be indium) selected from the
[0106]
Similarly, it is also possible to apply the present invention only to PTFT in manufacturing a CMOS circuit.
[0107]
Example 10
In Examples 1 to 7, a
[0108]
In this case, for example, the concentration profile of phosphorus when phosphorus is ion-implanted is different from the concentration profile of boron. Therefore, it is necessary to experimentally obtain optimum values for the dose and other various conditions.
[0109]
However, when combined with the gettering by phosphorus of the fifth embodiment, the gettering effect cannot be expected so much because the structure of this embodiment also contains phosphorus in the channel formation region.
[0110]
Example 11
In the structure shown in Examples 1-7, the activation of the impurity after a channel dope process has shown the example by irradiation of an excimer laser beam. In the present invention, lamp annealing represented by RTA (rapid thermal annealing) can be used instead of laser annealing.
[0111]
When RTA treatment is performed, the thin film can be annealed without causing deformation of the glass substrate by performing treatment at a temperature of 500 to 1150 ° C. (preferably 800 to 1000 ° C.) for several seconds. For this reason, the throughput is remarkably improved.
[0112]
Of course, the impurity may be activated by furnace annealing at about 500 to 600 ° C., but RTA treatment is effective for improving productivity.
[0113]
Example 12
In this embodiment, an example in which a circuit is formed on a glass substrate using the semiconductor device having the structure shown in Embodiments 1 to 11 to manufacture an electro-optical device will be described. Typically, a liquid crystal display device, an EL (electroluminescence) display device, an EC (electrochromic) display device, an image sensor, a CCD, or the like can be manufactured.
[0114]
Note that in this specification, an electro-optical device is defined as a device that converts an electrical signal into an optical signal or vice versa.
[0115]
FIG. 9A shows a liquid crystal display device (liquid crystal module).
[0116]
The source
[0117]
A liquid crystal layer (not shown) is sealed between the
[0118]
In this area, terminals for transmitting signals from the outside to the source / gate
[0119]
FIG. 9B shows a simplified circuit configuration of the source
[0120]
A
[0121]
Since the threshold voltage is adjusted by the effect of channel doping, the present invention can easily cope with a low operating voltage. Further, since carrier scattering due to impurities is very small in the channel portion, high mobility can be realized even though the threshold voltage is controlled.
[0122]
Therefore, the TFT of the present invention is effective in constructing the
[0123]
Further, since the characteristic balance of the CMOS circuit is corrected by controlling the threshold voltage, it is also suitable for configuring a circuit in which it is important to equalize the characteristic balance between NTFT and PTFT like the
[0124]
Example 13
The electro-optical device shown in Example 12 is used as a display of various electronic devices. Note that the electronic apparatus described in this embodiment is defined as a product on which an electro-optical device typified by a liquid crystal module is mounted.
[0125]
Examples of such electronic devices include a video camera, a still camera, a projector, a projection TV, a head mounted display, a car navigation, a personal computer (including a notebook type), a portable information terminal (a mobile computer, a mobile phone, etc.). . An example of them is shown in FIG.
[0126]
FIG. 10A illustrates a mobile phone, which includes a main body 2001, an audio output unit 2002, an audio input unit 2003, a
[0127]
FIG. 10B illustrates a video camera, which includes a main body 2101, a display device 2102, an
[0128]
FIG. 10C illustrates a mobile computer, which includes a main body 2201, a camera unit 2202, an
[0129]
FIG. 10D illustrates a head mounted display, which includes a
[0130]
FIG. 10E shows a rear projector, which includes a main body 2401, a light source 2402, a display device 2403, a
[0131]
FIG. 10F illustrates a front projector, which includes a
[0132]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. In addition, it can also be used for electric billboards, advertising announcement displays, and the like.
[0133]
【The invention's effect】
By utilizing the present invention, the threshold voltage of the bottom gate type TFT can be effectively controlled. In addition, various electro-optical devices and electronic devices can be realized by using such a semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
FIGS. 2A and 2B illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
FIG. 3 illustrates a manufacturing process of a thin film transistor.
4A and 4B illustrate a manufacturing process of a thin film transistor.
FIGS. 5A and 5B illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
6A and 6B illustrate a manufacturing process of a thin film transistor.
FIGS. 7A to 7C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. FIGS.
FIG. 8 illustrates a manufacturing process of a thin film transistor.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an electro-optical device.
FIG 10 illustrates a structure of an electronic device.
[Explanation of symbols]
101 glass substrate
102 Base film
103, 104 Gate electrode
105 Gate insulation film
106 Amorphous silicon film
107 crystalline silicon film
108 Buffer layer
109 resist mask
110 Boron-containing region
111, 112 active layer
Claims (13)
前記第1のゲイト電極、及び前記第2のゲイト電極を覆うゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜上に開口部を有する第1のマスクを形成し、
前記開口部において前記非晶質珪素膜と接するように、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を有する層を形成し、加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
前記第1のマスクを介したドーピングにより、前記結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域に13族元素を添加し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記第1のゲイト電極上に第1の島状の結晶性珪素膜、及び前記第2のゲイト電極上に第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、
前記第1の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域上に第2のマスクを形成して、前記第1の島状の結晶性珪素膜にN型を付与する不純物元素を添加することによって、Nチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成し、
前記第2の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第2のゲイト電極上の領域上に第3のマスクを形成して、前記第2の島状の結晶性珪素膜にP型を付与する不純物元素を添加することによって、Pチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。On a substrate having an insulation surface, forming a first gate electrode and second gate electrode,
Forming a gate insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
Forming an amorphous silicon film on the gate insulating film;
Forming a first mask having an opening on the amorphous silicon film;
In contact with the amorphous silicon film in the opening, N i, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, to form a layer having at least one element selected from Au, the amorphous by the heat treatment Crystallizing the porous silicon film to form a crystalline silicon film,
Adding a group 13 element to a region of the crystalline silicon film on the first gate electrode by doping through the first mask ;
The crystalline silicon film is patterned to form a first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode and a second island-like crystalline silicon film on the second gate electrode And
One of the first island-like crystalline silicon film, applying the on the first region of the gate electrode to form a second mask, N-type in the first island-like crystalline silicon film By adding an impurity element to form an N-channel bottom gate thin film transistor,
Wherein among the second island-like crystalline silicon film, applying the on the second region on the gate electrode to form a third mask, P-type in the second island-like crystalline silicon film A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a p-channel bottom-gate thin film transistor is formed by adding an impurity element to be added.
前記第1のゲイト電極、及び前記第2のゲイト電極を覆うゲイト絶縁膜を形成し、Forming a gate insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
前記ゲイト絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the gate insulating film;
前記非晶質珪素膜上に開口部を有する第1のマスクを形成し、Forming a first mask having an opening on the amorphous silicon film;
前記開口部において前記非晶質珪素膜と接するように、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を有する層を形成し、加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、A layer having at least one element selected from Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is formed in contact with the amorphous silicon film in the opening, and the amorphous is formed by heat treatment. Crystallizing the silicon film to form a crystalline silicon film,
前記第1のマスクを介したドーピングにより、前記結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域に13族元素を添加し、Adding a group 13 element to a region of the crystalline silicon film on the first gate electrode by doping through the first mask;
レーザー光の照射またはRTAにより、前記結晶性珪素膜に添加された前記13族元素を活性化し、The group 13 element added to the crystalline silicon film is activated by laser light irradiation or RTA,
前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記第1のゲイト電極上に第1の島状の結晶性珪素膜、及び前記第2のゲイト電極上に第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、The crystalline silicon film is patterned to form a first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode and a second island-like crystalline silicon film on the second gate electrode And
前記第1の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域上に第2のマスクを形成して、前記第1の島状の結晶性珪素膜にN型を付与する不純物元素を添加することによって、Nチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成し、A second mask is formed on a region of the first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode, and an N-type is imparted to the first island-like crystalline silicon film. By adding an impurity element to form an N-channel bottom gate thin film transistor,
前記第2の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第2のゲイト電極上の領域上に第3のマスクを形成して、前記第2の島状の結晶性珪素膜にP型を付与する不純物元素を添加することによって、Pチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A third mask is formed on a region of the second island-shaped crystalline silicon film on the second gate electrode, and a P-type is imparted to the second island-shaped crystalline silicon film. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a p-channel bottom-gate thin film transistor is formed by adding an impurity element to be added.
前記第1のゲイト電極、及び前記第2のゲイト電極を覆うゲイト絶縁膜を形成し、Forming a gate insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
前記ゲイト絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the gate insulating film;
前記非晶質珪素膜上に開口部を有する第1のマスクを形成し、Forming a first mask having an opening on the amorphous silicon film;
前記開口部において前記非晶質珪素膜と接するように、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を有する層を形成し、加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、A layer having at least one element selected from Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is formed in contact with the amorphous silicon film in the opening, and the amorphous is formed by heat treatment. Crystallizing the silicon film to form a crystalline silicon film,
前記第1のマスクを介したドーピングにより、前記結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲOf the crystalline silicon film, the first gate is doped by doping through the first mask. イト電極上の領域に13族元素を添加し、A group 13 element is added to the region on the electrode,
前記開口部において前記層と接した領域を除去するように前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記第1のゲイト電極上に第1の島状の結晶性珪素膜、及び前記第2のゲイト電極上に第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、The crystalline silicon film is patterned so as to remove a region in contact with the layer in the opening, and a first island-shaped crystalline silicon film and the second gate are formed on the first gate electrode. Forming a second island-like crystalline silicon film on the electrode;
前記第1の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域上に第2のマスクを形成して、前記第1の島状の結晶性珪素膜にN型を付与する不純物元素を添加することによって、Nチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成し、A second mask is formed on a region of the first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode, and an N-type is imparted to the first island-like crystalline silicon film. By adding an impurity element to form an N-channel bottom gate thin film transistor,
前記第2の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第2のゲイト電極上の領域上に第3のマスクを形成して、前記第2の島状の結晶性珪素膜にP型を付与する不純物元素を添加することによって、Pチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A third mask is formed on a region of the second island-shaped crystalline silicon film on the second gate electrode, and a P-type is imparted to the second island-shaped crystalline silicon film. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a p-channel bottom-gate thin film transistor is formed by adding an impurity element to be added.
前記第1のゲイト電極、及び前記第2のゲイト電極を覆うゲイト絶縁膜を形成し、Forming a gate insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
前記ゲイト絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the gate insulating film;
前記非晶質珪素膜上に開口部を有する第1のマスクを形成し、Forming a first mask having an opening on the amorphous silicon film;
前記開口部において前記非晶質珪素膜と接するように、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を有する層を形成し、第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、A layer containing at least one element selected from Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is formed in contact with the amorphous silicon film in the opening, and the first heat treatment Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film,
前記第1のマスクを介したドーピングにより、前記結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域に13族元素を添加し、Adding a group 13 element to a region of the crystalline silicon film on the first gate electrode by doping through the first mask;
前記結晶性珪素膜のうち前記開口部において露出した領域に15族元素を添加し、第2の加熱処理により、前記Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を当該領域にゲッタリングし、At least one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is added by adding a group 15 element to a region exposed in the opening of the crystalline silicon film and performing a second heat treatment. Gettering elements into the region,
前記結晶性珪素膜のうち当該領域を除去するように前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記第1のゲイト電極上に第1の島状の結晶性珪素膜、及び前記第2のゲイト電極上に第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、The crystalline silicon film is patterned so as to remove the region of the crystalline silicon film, and a first island-shaped crystalline silicon film and the second gate electrode are formed on the first gate electrode. A second island-like crystalline silicon film is formed thereon;
前記第1の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域上に第2のマスクを形成して、前記第1の島状の結晶性珪素膜にN型を付与する不純物元素を添加することによって、Nチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成し、A second mask is formed on a region of the first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode, and an N-type is imparted to the first island-like crystalline silicon film. By adding an impurity element to form an N-channel bottom gate thin film transistor,
前記第2の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第2のゲイト電極上の領域上に第3のマスクを形成して、前記第2の島状の結晶性珪素膜にP型を付与する不純物元素を添加することによって、Pチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A third mask is formed on a region of the second island-shaped crystalline silicon film on the second gate electrode, and a P-type is imparted to the second island-shaped crystalline silicon film. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a p-channel bottom-gate thin film transistor is formed by adding an impurity element to be added.
前記第1のゲイト電極、及び前記第2のゲイト電極を覆うゲイト絶縁膜を形成し、Forming a gate insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode;
前記ゲイト絶縁膜上に非晶質珪素膜を形成し、Forming an amorphous silicon film on the gate insulating film;
前記非晶質珪素膜上に開口部を有する第1のマスクを形成し、Forming a first mask having an opening on the amorphous silicon film;
前記開口部において前記非晶質珪素膜と接するように、Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を有する層を形成し、第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、A layer containing at least one element selected from Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is formed in contact with the amorphous silicon film in the opening, and the first heat treatment Crystallizing the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film,
前記第1のマスクを介したドーピングにより、前記結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域に13族元素を添加し、Adding a group 13 element to a region of the crystalline silicon film on the first gate electrode by doping through the first mask;
前記結晶性珪素膜のうち前記開口部において露出した領域に15族元素を添加し、第2の加熱処理により、前記Ni、Co、Fe、Pd、Pt、Cu、Auから選ばれた少なくとも1つの元素を当該領域にゲッタリングすると同時に前記13族元素を活性化し、At least one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, and Au is added by adding a group 15 element to a region exposed in the opening of the crystalline silicon film and performing a second heat treatment. Activating the group 13 element simultaneously with gettering the element into the region,
前記結晶性珪素膜のうち当該領域を除去するように前記結晶性珪素膜をパターニングして、前記第1のゲイト電極上に第1の島状の結晶性珪素膜、及び前記第2のゲイト電極上に第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、The crystalline silicon film is patterned so as to remove the region of the crystalline silicon film, and a first island-shaped crystalline silicon film and the second gate electrode are formed on the first gate electrode. A second island-like crystalline silicon film is formed thereon;
前記第1の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第1のゲイト電極上の領域上に第2のマスクを形成して、前記第1の島状の結晶性珪素膜にN型を付与する不純物元素を添加することによって、Nチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成し、A second mask is formed on a region of the first island-like crystalline silicon film on the first gate electrode, and an N-type is imparted to the first island-like crystalline silicon film. By adding an impurity element to form an N-channel bottom gate thin film transistor,
前記第2の島状の結晶性珪素膜のうち、前記第2のゲイト電極上の領域上に第3のマスクを形成して、前記第2の島状の結晶性珪素膜にP型を付与する不純物元素を添加することによって、Pチャネル型のボトムゲイト型薄膜トランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。A third mask is formed on a region of the second island-shaped crystalline silicon film on the second gate electrode, and a P-type is imparted to the second island-shaped crystalline silicon film. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a p-channel bottom-gate thin film transistor is formed by adding an impurity element to be added.
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