(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極およびドレイン電極を覆う非単結晶シリコン膜と、
前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置に形成されたゲート電極と前記非単結晶シリコン膜と前記ゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜は互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜からなり、前記第１絶縁膜は前記非単結晶シリコン膜を覆うようにこの非単結晶シリコン膜側に配置され、前記第２絶縁膜は前記第１絶縁膜上の前記ゲート電極に対応する位置に形成され、
前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜とこの窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下である
ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２】
非単結晶シリコン膜のソース領域およびドレイン領域は、
不純物イオンのドーピングされた多結晶シリコンで構成され、ソース電極とドレイン電極との間隔がゲート電極の幅より広い
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタ。
【請求項３】
ゲート絶縁膜は、
窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜および酸化シリコン膜のいずれかを備え、
前記ゲート絶縁膜の内の第１絶縁膜の酸素／窒素組成比は、
第２絶縁膜の酸素／窒素組成比よりも大きい
ことを特徴とする請求項１または２記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】
絶縁基板上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極およびドレイン電極を覆うように非単結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記非単結晶シリコン膜上に互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜から構成されるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記ゲート絶縁膜の内の前記第２絶縁膜をエッチングし第１絶縁膜を残存させる工程とを備え、
前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜とこの窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下に形成されている
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
絶縁基板上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極およびドレイン電極を覆うように非単結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記非単結晶シリコン膜上に互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜から構成されるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記ゲート絶縁膜の内の前記第２絶縁膜をエッチングし第１絶縁膜を残存させる工程と、
前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入することにより前記非単結晶シリコン層に不純物をドーピングする工程と、
前記ゲート電極をマスクとしてレーザビーム照射をすることにより前記非単結晶シリコン層の一部を多結晶シリコン層にする工程とを備え、
前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜とこの窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下に形成されている
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
絶縁基板上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極およびドレイン電極を覆うように非単結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記非単結晶シリコン膜上に互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜から構成されるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記ゲート絶縁膜の内の前記第２絶縁膜をエッチングし第１絶縁膜を残存させる工程と、
前記ゲート電極をマスクとしてレーザビーム照射をすることにより前記非単結晶シリコン層の一部を多結晶シリコン層にする工程と、
前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入することにより前記多結晶シリコン層に不純物をドーピングする工程とを備え、
前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜とこの窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下に形成されている
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
非単結晶シリコン膜を形成する工程は、非晶質シリコンをプラズマＣＶＤで形成し、
前記非晶質シリコン膜に接する第１絶縁膜を形成する工程は、窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤで形成する
ことを特徴とする請求項４ないし６いずれか記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
ゲート絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜および酸化シリコン膜のいずれかを備え、
前記ゲート絶縁膜の内の第１絶縁膜の酸素／窒素組成比は、第２絶縁膜の酸素／窒素組成比よりも大きくし、フッ素系でドライエッチングする
ことを特徴とする請求項４ないし６いずれか記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
第１絶縁膜は、窒化シリコン膜と酸窒化シリコン膜との積層膜または窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜が形成され、
第２絶縁膜は、窒化シリコン膜が形成され、フッ素系でドライエッチングする
ことを特徴とする請求項４ないし８いずれか記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
請求項１記載の薄膜トランジスタが形成されたアレイ基板と、
このアレイ基板に対向して設けられた対向基板と、
前記アレイ基板と前記対向基板の間に配設された液晶と
を備えたことを特徴とする液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トップゲート型の薄膜トランジスタ、その製造方法および液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置の大型化にともない、ゲート電極とともに形成されるゲート線の低抵抗化、生産性をあげるためのマスク数削減などの要望より、順（正）スタガード構造のトップゲート型の薄型トランジスタ（Thin Film Transistor）が用いられている。
【０００３】
この順スタガード構造の薄膜トランジスタは、絶縁基板上にソース電極およびドレイン電極を形成し、これらソース電極およびドレイン電極を覆うように非単結晶シリコン膜を形成し、この非単結晶シリコン膜上にゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶縁膜上にゲート電極を積層した構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この順スタガード構造の薄膜トランジスタの場合、ゲート電極およびゲート絶縁膜を非単結晶シリコンとは異なったパターンで形成しようとすると、ゲート絶縁膜と非単結晶シリコンと選択的にエッチングしなければならず、ゲート絶縁膜に非単結晶シリコンと選択エッチングが困難な材料をゲート絶縁膜を用いることは非常に難しく、特にフッ素系のドライエッチングでパターン形成する場合、ゲート絶縁膜に絶縁性の優れた窒化シリコン膜を用いることが困難である。
【０００５】
また、製造に際しては、非単結晶シリコン膜が最上層にある状態でイオンドーピング、レーザアニールし、オーミックコンタクト部をゲート電極に自己整合的に作製する場合、低抵抗化された非単結晶シリコン膜とゲート電極とが接触して短絡するおそれがある。
【０００６】
さらに、レーザアニールで非単結晶シリコン膜を多結晶シリコン化する場合、かなりのエネルギー密度のレーザが必要であり、均一に結晶化するために多段階照射が必要となる場合があり、スループットの面で問題が生ずる。
【０００７】
またさらに、ゲート絶縁膜をウェットエッチングでパターニングするとゲート電極下に大きくサイドエッチングが入ってしまうので、ウェットエッチングは好ましくない問題を有している。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成でゲート電極および非単結晶シリコン膜間の絶縁を確実にした薄膜トランジスタ、その製造方法および液晶表示素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極およびドレイン電極を覆う非単結晶シリコン膜と、前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置に形成されたゲート電極と前記非単結晶シリコン膜と前記ゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜とを備え、前記ゲート絶縁膜は互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜からなり、前記第１絶縁膜は前記非単結晶シリコン膜を覆うようにこの非単結晶シリコン膜側に配置され、前記第２絶縁膜は前記第１絶縁膜上の前記ゲート電極に対応する位置に形成され、前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜と、この窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下であるもので、ゲート絶縁膜をエッチング速度の異なる２種類以上で構成し、ゲート絶縁膜のエッチング速度の遅い部分でエッチングをストップさせることにより、上部にゲート電極が無い非単結晶シリコン膜上にも、ゲート絶縁膜の一部を残し、ゲート絶縁膜の下にある非単結晶シリコン膜へのエッチングを避けることが可能になるとともに、ソースコンタクト領域およびドレインコンタクト領域とゲート電極との接触による短絡を防ぐ。
【００１０】
また、本発明は、絶縁基板上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、前記ソース電極およびドレイン電極を覆うように非単結晶シリコン膜を形成する工程と、前記非単結晶シリコン膜上に互いにエッチング速度の異なる第１絶縁膜および第２絶縁膜の積層膜から構成されるゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上の前記ソース電極およびドレイン電極間の上方に対応する位置にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記ゲート絶縁膜の内の前記第２絶縁膜をエッチングし第１絶縁膜を残存させる工程とを備え、前記第１絶縁膜は、前記非単結晶シリコン膜上に配置された窒化シリコン膜と、この窒化シリコン膜上に配置された酸窒化シリコン膜または酸化シリコン膜のいずれかとの積層膜で形成され、この積層膜の膜厚は５０ｎｍ以下で、前記窒化シリコン膜の膜厚は２０ｎｍ以下に形成されているもので、ゲート絶縁膜をエッチング速度の異なる２種類以上で構成し、ゲート絶縁膜のエッチング速度の遅い部分でエッチングをストップさせることにより、上部にゲート電極が無い非単結晶シリコン膜上にも、ゲート絶縁膜の一部を残し、ゲート絶縁膜の下にある非単結晶シリコン膜へのエッチングを避けることが可能になるとともに、ソースコンタクト領域およびドレインコンタクト領域とゲート電極との接触による短絡を防げる。
【００１１】
さらに、本発明は、ゲート電極をマスクとしてイオン注入することにより前記非単結晶シリコン層に不純物をドーピングする工程と、前記ゲート電極をマスクとしてレーザビーム照射をすることにより非単結晶シリコン層の一部を多結晶シリコン層にする工程とを備える。
【００１２】
また、本発明は、ゲート電極をマスクとしてレーザビーム照射をすることにより非単結晶シリコン層の一部を多結晶シリコン層にする工程と、前記ゲート電極をマスクとしてイオン注入することにより前記多結晶シリコン層に不純物をドーピングする工程とを備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に示すアクティブマトリクス型の液晶表示素子を参照して説明する。
【００１４】
図１において、１は絶縁基板としてのガラス基板で、ガラス基板１の一主面上にはインジュウム錫酸化物（Indium Tin Oxide）の透明導電膜２が形成され、この透明導電膜２の一部がマトリクス状に配設される表示画素電極３を形成している。また、表示画素電極３に連続している透明導電膜２上にはモリブデン（Ｍｏ）・タングステン（Ｗ）合金のソース電極４が形成され、表示画素電極３を有さない側にはたとえば図示しない信号配線などに接続されたドレイン電極５が形成されている。
【００１５】
そして、ソース電極４およびドレイン電極５の上には、半導体膜としての非晶質シリコンの非単結晶シリコン膜６が形成され、この非単結晶シリコン膜６の両側にはそれぞれソース電極４またはドレイン電極５に一部が重なった多結晶シリコンのソースコンタクト領域を形成する半導体膜としての多結晶シリコン膜７およびドレインコンタクト領域を形成する半導体膜としての多結晶シリコン膜８が形成されている。
【００１６】
また、これら非単結晶シリコン膜６および多結晶シリコン膜７，８上には、ゲート絶縁膜の第１絶縁膜として１０ｎｍの膜厚の窒化シリコン膜11および５ｎｍの膜厚の酸窒化シリコン膜12が積層して形成され、この酸窒化シリコン膜12上には非単結晶シリコン膜６上に位置して第２絶縁膜として３００ｎｍの膜厚の窒化シリコン膜13が形成され、これら窒化シリコン膜11、酸窒化シリコン膜12および窒化シリコン膜13にてゲート絶縁膜14が形成されている。
【００１７】
さらに、窒化シリコン膜13上にはアルミニウム（Ａｌ）のアルミニウム膜15およびモリブデン（Ｍｏ）のモリブデン膜16が積層形成され、図示しない走査線と一体のゲート電極17が形成され、これらにて表示画素電極３に対応してマトリクス状に配設される薄膜トランジスタ18を形成している。なお、ゲート電極17の幅は、ソース電極４およびドレイン電極５の幅より狭くなっており、ソース電極４およびゲート電極17間、ドレイン電極５およびゲート電極17間の寄生容量を低減し、薄膜トランジスタ18の高速動作を可能にする。また、ソース電極４およびドレイン電極５とゲート電極17とに重なりがないため、ゲート電極17の無い部分に多結晶シリコン膜７，８のような低抵抗物質を用いることでコンタクト抵抗を低減できる。
【００１８】
そして、薄膜トランジスタ18および全体を覆うようにシリコン窒化膜の保護膜19が形成され、マトリクスアレイ基板20を形成している。
【００１９】
一方、絶縁基板としてのガラス基板25の一主面には、ＩＴＯなどからなる対向電極26が形成されて対向基板27が形成されている。
【００２０】
そして、マトリクスアレイ基板20および対向基板27の対向面側にポリイミド膜31，32が形成され、反対面に偏向板33，34が貼着され、マトリクスアレイ基板20および対向基板27が対向されて貼着されて液晶35が挟持封着され、液晶表示装置が構成される。
【００２１】
次に、上記実施の形態の製造方法について説明する。
【００２２】
まず、ガラス基板１の一主面上にＩＴＯの透明導電膜およびモリブデン・タングステン合金を積層成膜し、フォトリソグラフィによってエッチング加工し、表示画素電極３、表示画素電極３と一体化したソース電極４およびドレイン電極５を形成する。
【００２３】
次に、これらソース電極４およびドレイン電極５を覆うように非単結晶シリコン膜６および多結晶シリコン膜７，８を形成する膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン、ゲート絶縁膜14を形成する膜厚１０ｎｍの窒化シリコン膜11、膜厚５ｎｍの酸窒化シリコン膜12、および、３００ｎｍの窒化シリコン膜13をこの順番に従いプラズマＣＶＤ法で順次形成する。なお、プラズマＣＶＤで真空系を破らずに連続形成することによって、非単結晶シリコン膜６とゲート絶縁膜14との界面状態がよくなり、特性も向上する。
【００２４】
続いて、アルミニウムとモリブデンとを積層し、フォトリソグラフィにより、アルミニウム膜15およびモリブデン膜16が積層されたゲート電極17をエッチング形成する。この際、ゲート電極17の幅はソース電極４およびドレイン電極５の幅よりも狭く、オフセット構造にする。
【００２５】
続いて、ゲート電極17と同パターンでたとえばＣＦ４と酸素とを混合したガスを用いたプラズマエッチングにてエッチング速度の速い窒化シリコン膜13をエッチングし、酸素含有量の多いエッチング速度の遅い酸窒化シリコン膜12でエッチングをストップさせる。すなわち、フッ素系のドライエッチングによる場合、酸素／窒素比が大きいほどエッチング速度が遅く、酸窒化シリコン12と窒化シリコン膜13との選択エッチング比は１００近くあり、エッチングをストップさせるのに十分である。また、窒化シリコン膜13をフッ素系でドライエッチングすると赤色の発光が見られるのに対して、酸窒化シリコン膜12のドライエッチングでは発光は見られないことから、窒化シリコン膜13のエッチング時にみられる赤色発光をモニタすることで容易にエッチングの終点を見きわめることができる。そして、上部にゲート電極17の無い部分の非晶質シリコン膜上に、窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12とが残った状態になる。すなわち、ゲート絶縁膜17と非単結晶シリコン膜６との選択エッチングが困難な場合に有効である。
【００２６】
続いて、この上部にゲート電極17の無い部分の非晶質シリコン膜上に窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12とが残った状態で、ゲート電極17をマスクとして自己整合的に非晶質シリコン膜に水素化リンを質量分離せずにドーピングする。この場合、非単結晶シリコン膜の上層部には、窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12があるのでなるべく高い加速電圧で打ち込むのがよい。また、加速電圧は非晶質シリコン膜や非単結晶シリコン膜上にある窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12の膜厚に依存するが、たとえば３０〜６０ｋＶ程度である。
【００２７】
次に、ＸｅＣｌなどを用いたエキシマレーザをゲート電極17をマスクとして自己整合的に照射し、非単結晶シリコン膜の非晶質シリコンを多結晶シリコン化させる。この際、非単結晶シリコン膜上に、窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12が存在し、これらの膜はエキシマレーザ光に対する表面反射率が非晶質シリコンに比べて低いため、エキシマレーザ光を反射しにくく、吸収効率をあげるため、高効率で非晶質シリコンを多結晶シリコン化できる。したがって、従来の非晶質シリコンを多結晶シリコン化するレーザのエネルギー密度の約半分のエネルギー密度で結晶化でき、スループットが向上する。また、結晶化の分布をよくするためにビーム幅の５０％以上を重ねて打つことも望ましい。
【００２８】
さらに、窒化シリコン膜11および酸窒化シリコン膜12によってゲート電極17と低抵抗化した多結晶シリコン膜７，８との短絡を防いでいる。
【００２９】
次に、この多結晶シリコン膜７，８をフォトリソグラフィによってエッチング加工し、ソースコンタクト領域およびドレインコンタクト領域を形成する。
【００３０】
さらに、全体をたとえばシリコン窒化膜などの保護膜19で覆い、フォトリソグラフィによって周辺電極部と表示画素電極３上のモリブデン・タングステンをエッチング除去する。
【００３１】
さらに、ガラス基板25の一主面上に対向電極26を形成し対向基板27を形成する。
【００３２】
そして、マトリクスアレイ基板20および対向基板27の対向面側にポリイミド膜31，32を形成し、反対面に偏向板33，34を貼着し、マトリクスアレイ基板20および対向基板27を対向させて貼着して液晶35を挟持封着して、液晶表示装置を形成する。
【００３３】
なお、絶縁性基板は基板自体に絶縁性を有するものに限らず、その他任意の基板上に絶縁膜を形成したものを用いても同様の効果を得ることができる。
【００３４】
また、酸窒化シリコン膜12および窒化シリコン膜11で構成された積層膜の膜厚を５０ｎｍ以下にするとともに、窒化シリコン膜11の膜厚を２０ｎｍ以下にすることで、イオンドーピング工程の際、低加速電圧で加工でき、かつ、レーザアニール工程において窒化シリコン膜11を薄くすることにより非単結晶シリコン膜からの水素脱気を容易化し、スループットおよびプロセスマージンの拡大を図ることができる。
【００３５】
さらに、酸窒化シリコン膜12は、酸化シリコン膜、あるいは、酸窒化シリコン膜および酸化シリコン膜の積層膜で形成しても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
またさらに、上記実施の形態ではレーザ照射する前にイオンドープを行なっているが、イオンドープを行なった後にレーザ照射しても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
上記実施の形態によれば、歩留まり向上、高生産性のある液晶表示素子を作製できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート絶縁膜をエッチング速度の異なる２種類以上で構成し、ゲート絶縁膜のエッチング速度の遅い部分でエッチングをストップさせることにより、上部にゲート電極が無い非単結晶シリコン膜上にも、ゲート絶縁膜の一部を残し、ゲート絶縁膜の下にある非単結晶シリコン膜へのエッチングを避けることができるとともに、ソースコンタクト領域およびドレインコンタクト領域とゲート電極との接触による短絡を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態の液晶表示装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１    絶縁基板としてのガラス基板
４    ソース電極
５    ドレイン電極
６    非単結晶シリコン膜
７，８    多結晶シリコン膜
11    窒化シリコン膜
12    酸窒化シリコン膜
14    ゲート絶縁膜
17    ゲート電極
18    薄膜トランジスタ
20    アレイ基板
27    対向基板
35    液晶
【図１】
0003729464.tif 000002