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JP2003069032A - Thin film transistor and method of manufacturing thin film transistor - Google Patents

Thin film transistor and method of manufacturing thin film transistor

Info

Publication number
JP2003069032A
JP2003069032A JP2001257550A JP2001257550A JP2003069032A JP 2003069032 A JP2003069032 A JP 2003069032A JP 2001257550 A JP2001257550 A JP 2001257550A JP 2001257550 A JP2001257550 A JP 2001257550A JP 2003069032 A JP2003069032 A JP 2003069032A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
film transistor
active layer
manufacturing
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2001257550A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mutsumi Kimura
睦 木村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2001257550A priority Critical patent/JP2003069032A/en
Publication of JP2003069032A publication Critical patent/JP2003069032A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタに
おいて、該薄膜トランジスタの活性層のドーパント濃度
を制御することにより、ゲート電極−ドレイン電流特性
の正確な電圧シフトを可能とする。 【解決手段】 薄膜トランジスタのゲート電圧−ドレイ
ン電流特性の電圧シフト量を活性層中のドーパント濃度
により制御する。活性層のドーパント濃度をN(cm
−3)と設定して、ゲート電圧−ドレイン電流特性の電
圧シフト量を略1.37×10−17・N(V)とし
て薄膜トランジスタの設計を行う。
(57) Abstract: In a thin film transistor formed on an insulating substrate, a gate electrode-drain current characteristic can be accurately shifted by controlling a dopant concentration of an active layer of the thin film transistor. SOLUTION: A voltage shift amount of a gate voltage-drain current characteristic of a thin film transistor is controlled by a dopant concentration in an active layer. The dopant concentration of the active layer is set to N d (cm
-3 ), and the thin film transistor is designed with the voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic being approximately 1.37 × 10 −17 · N d (V).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタに関
し、特に、ゲート電圧−ドレイン電流特性の電圧シフト
量を活性層中のドーパント濃度により制御した薄膜トラ
ンジスタ及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film transistor, and more particularly to a thin film transistor in which a voltage shift amount of a gate voltage-drain current characteristic is controlled by a dopant concentration in an active layer and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜トランジスタは、表示装置やイメー
ジセンサ向けに広く利用されている電子デバイスであ
る。
2. Description of the Related Art Thin film transistors are electronic devices widely used for display devices and image sensors.

【0003】しかし、薄膜トランジスタは、活性層、ゲ
ート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面におい
て転位等の構造的な欠陥や固定電荷等の電気的欠陥が多
数存在し易く、これらの不完全性に起因してゲート電圧
−ドレイン電流特性の電圧シフト(ΔV)が発生しや
すいという問題がある。
However, a thin film transistor is likely to have many structural defects such as dislocations and electrical defects such as fixed charges in the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces, and these imperfections are incomplete. There is a problem that a voltage shift (ΔV g ) in the gate voltage-drain current characteristic is likely to occur due to the above.

【0004】このようなゲート電圧−ドレイン電流特性
の電圧シフトが発生した場合には、−ΔVに相当する
電圧によりこれを打ち消して正常な状態に回復させる必
要があるが、そのための手段として薄膜トランジスタの
活性層中にドーパントを所定の濃度でドープする方法が
知られている。
When such a voltage shift of the gate voltage-drain current characteristic occurs, it is necessary to cancel it by a voltage corresponding to -ΔV g to restore the normal state. There is known a method of doping a dopant into the active layer at a predetermined concentration.

【0005】例えば、バルクトランジスタにおけるゲー
ト電圧−ドレイン電流特性の電圧シフト量をいわゆる空
乏近似に基づいて理論的に求めると、活性層中のドーパ
ント濃度をN(cm−3)と設定した場合の電圧シフ
ト量は、 2φ+(4ε・q・N・φ1/2/COX (φ=kT/q・ln(N/n)、ε:活性層
の誘電率、q:電気素量、k:ボルツマン係数、T:絶
対温度、n:真性キャリア濃度、COX:ゲート酸化
膜の静電容量)で与えられる(例えば、小柳光正・岸野
正剛、VLSIデバイスの物理、丸善)。
For example, a gate in a bulk transistor
The voltage shift amount of the
When theoretically obtained based on the poor approximation, the dopa in the active layer is
Concentration is Nd(Cm-3) Voltage shift
The amount is 2φF+ (4εs・ Q ・ Nd・ ΦF)1/2/ COX F= KT / q · ln (Nd/ Ni), Εs: Active layer
Dielectric constant, q: elementary charge, k: Boltzmann coefficient, T: absolute
Temperature, ni: Intrinsic carrier concentration, COX: Gate oxidation
It is given by the capacitance of the film (for example, Mitsumasa Koyanagi and Kishino)
Seigo, VLSI device physics, Maruzen).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、薄膜トランジ
スタはバルクトランジスタと異なる構造を持つことか
ら、前述した電圧シフトの理論式を適用することはでき
ない。
However, since the thin film transistor has a structure different from that of the bulk transistor, the above-mentioned theoretical formula of voltage shift cannot be applied.

【0007】第1に、薄膜トランジスタは絶縁基板上に
形成されている。従って、薄膜トランジスタではいわゆ
る基板電位が存在しない。前述したゲート電圧−ドレイ
ン電流特性の電圧シフト量に関する理論式は、基板電位
の存在を仮定して求められるものであるため、薄膜トラ
ンジスタに適用することができない。
First, the thin film transistor is formed on an insulating substrate. Therefore, there is no so-called substrate potential in the thin film transistor. The above-mentioned theoretical formula regarding the voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic is obtained on the assumption that the substrate potential exists, and therefore cannot be applied to the thin film transistor.

【0008】第2に、薄膜トランジスタは完全空乏型ト
ランジスタである。すなわち、薄膜トランジスタにおい
ては、オン状態で活性層全体において導電を担う自由キ
ャリア密度は、導電に寄与しない自由キャリア密度より
も大きい。前述したバルクトランジスタに対するゲート
電圧−ドレイン電流特性の電圧シフト量の理論式は、部
分空乏化を仮定しているため完全空乏型トランジスタで
ある薄膜トランジスタには適用することができない。
Second, the thin film transistor is a fully depleted type transistor. That is, in the thin film transistor, the free carrier density that carries the conductivity in the entire active layer in the ON state is higher than the free carrier density that does not contribute to the conductivity. The above-described theoretical formula of the voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic for the bulk transistor cannot be applied to the thin film transistor which is a fully depleted type transistor because it assumes partial depletion.

【0009】これらの薄膜トランジスタとバルクトラン
ジスタの構造上の相違点に加え、前述したゲート電圧−
ドレイン電流特性の電圧シフト量の理論式で仮定してい
る空乏近似は実際のトランジスタ中で引き起こされてい
る状態の粗い近似となっており、実際のトランジスタ中
での状態を正確に表現しているものではない。その結
果、該理論式に基づいて求められる電圧シフト量は、そ
の精度においても不充分であるという問題もある。
In addition to the structural difference between the thin film transistor and the bulk transistor, the gate voltage-
The depletion approximation assumed in the theoretical formula of the voltage shift amount of the drain current characteristic is a rough approximation of the state caused in the actual transistor, and accurately represents the state in the actual transistor. Not a thing. As a result, there is also a problem that the voltage shift amount obtained based on the theoretical formula is insufficient in accuracy.

【0010】本発明の目的は、薄膜トランジスタのゲー
ト電圧−ドレイン電流特性において正確な電圧シフト量
を算出するために、電圧シフト量の活性層のドーパント
濃度依存性を求め、それに基づいてゲート電圧−ドレイ
ン電流特性を正常状態に回復させた薄膜トランジスタを
得ることである。
An object of the present invention is to obtain the gate voltage-drain current characteristics of a thin film transistor, in order to accurately calculate the voltage shift amount, obtain the dependency of the voltage shift amount on the dopant concentration of the active layer, and based on this, determine the gate voltage-drain It is to obtain a thin film transistor whose current characteristics are restored to a normal state.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の薄膜トランジスタは、絶縁基板上に形成さ
れる完全空乏型薄膜トランジスタにおいて、活性層中の
ドーパント濃度をN(cm−3)としてゲート電圧−
ドレイン電流特性を略1.37×10−17・N
(V)だけ電圧シフトさせることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the thin film transistor of the present invention is formed on an insulating substrate.
In a fully depleted thin film transistor,
Dopant concentration is Nd(Cm-3) As the gate voltage −
Drain current characteristic is approximately 1.37 × 10-17・ N
dIt is characterized in that the voltage is shifted by (V).

【0012】かかる構成とすることにより、活性層中の
ドーパント濃度を制御することによりゲート電圧−ドレ
イン電流特性を正常に回復させることが可能となる。
With this structure, the gate voltage-drain current characteristic can be normally restored by controlling the dopant concentration in the active layer.

【0013】また、本発明の薄膜トランジスタは、絶縁
基板上に形成される薄膜トランジスタにおいて、活性層
中のドーパント濃度をN(cm−3)としてゲート電
圧−ドレイン電流特性を2φ+(4ε・q・Nd・
φ1/2/COX(φ=kT/q・ln(N
)、ε:活性層の誘電率、q:電気素量、k:ボ
ルツマン係数、T:絶対温度、n:真性キャリア濃
度、COX:ゲート酸化膜静電容量)よりも小さい電圧
だけシフトさせることを特徴とする。
Further, in the thin film transistor of the present invention, in the thin film transistor formed on the insulating substrate, the gate voltage-drain current characteristic is 2φ F + (4ε s · 2) with the dopant concentration in the active layer being N d (cm −3 ). q ・ Nd ・
φ F ) 1/2 / C OXF = kT / q · ln (N d /
n i ), ε s : dielectric constant of active layer, q: elementary charge, k: Boltzmann coefficient, T: absolute temperature, n i : intrinsic carrier concentration, C OX : gate oxide film capacitance) It is characterized by shifting only.

【0014】かかる構成とすることにより、バルクトラ
ンジスタに対する理論式を根拠としてゲート電圧−ドレ
イン電流特性を正常な状態に回復させる場合と比較し
て、より正確にゲート電圧−ドレイン電流特性を回復さ
せることが可能となる。
With such a structure, the gate voltage-drain current characteristic can be recovered more accurately as compared with the case where the gate voltage-drain current characteristic is restored to a normal state based on the theoretical formula for the bulk transistor. Is possible.

【0015】好ましくは、上記薄膜トランジスタは完全
空乏型薄膜トランジスタである。
Preferably, the thin film transistor is a fully depleted thin film transistor.

【0016】好ましくは、上記薄膜トランジスタの半導
体層の膜厚が100nm以下、あるいは50nm以下で
ある。それにより、活性層の厚みを増加させ、より完全
空乏型とすることが可能となる。
Preferably, the thickness of the semiconductor layer of the thin film transistor is 100 nm or less, or 50 nm or less. This makes it possible to increase the thickness of the active layer and make it more fully depleted.

【0017】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法は、薄膜トランジスタの製造方法において、活性層へ
の不純物ドーピングを、質量分析を伴わないイオンドー
プ法又は質量分析を伴うイオン注入法により行うことを
特徴とする。
Further, the method of manufacturing a thin film transistor of the present invention is characterized in that, in the method of manufacturing a thin film transistor, the active layer is doped with an impurity by an ion doping method without mass spectrometry or an ion implantation method with mass spectrometry. To do.

【0018】かかる構成とすることにより、ゲート電圧
−ドレイン電流特性の正確な電圧シフトを可能とする。
With such a structure, it is possible to accurately shift the gate voltage-drain current characteristic.

【0019】特に、質量分析を伴わないイオンドープ法
を採用する場合には、イオンドーピングによる活性層、
ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面に存
在する転位等の構造的欠陥や固定電荷等の電気的欠陥を
低減させることが可能であり、一方、質量分析を伴うイ
オン注入法を採用する場合には、余分なイオン衝撃によ
って、活性層、ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそ
れらの界面に誘起される転位等の構造的欠陥や固定電荷
等の電気的欠陥を抑制させることが可能となる。
In particular, when the ion doping method without mass spectrometry is adopted, the active layer formed by ion doping,
It is possible to reduce structural defects such as dislocations existing at the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces, and electrical defects such as fixed charges, while adopting the ion implantation method with mass spectrometry. In this case, it is possible to suppress structural defects such as dislocations and electrical defects such as fixed charges induced in the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces by extra ion bombardment. Become.

【0020】更に、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法は、上記薄膜トランジスタの製造方法であって、活性
層中のドーパント活性化を、熱活性化法又はレーザ活性
化法により行うことを特徴とする。
Furthermore, the method of manufacturing a thin film transistor of the present invention is the method of manufacturing a thin film transistor described above, characterized in that the dopant activation in the active layer is performed by a thermal activation method or a laser activation method.

【0021】かかる構成とすることにより、ゲート電圧
−ドレイン電流特性の正確な電圧シフトを可能とする。
With this structure, it is possible to accurately shift the gate voltage-drain current characteristic.

【0022】特に、熱活性化法を採用する場合には、簡
単な装置でドーパントの活性化を行うことができ低コス
トで薄膜トランジスタの製造をおこなうことが可能とな
り、一方、レーザ活性化法を採用する場合には、高効率
に活性化を実現できるから活性化されたドーパント濃度
をデバイス設計値に近いものとすることができるためよ
り正確な電圧シフトが可能となる。
In particular, when the thermal activation method is adopted, the dopant can be activated with a simple apparatus, and the thin film transistor can be manufactured at low cost. On the other hand, the laser activation method is adopted. In that case, since the activation can be realized with high efficiency, the activated dopant concentration can be made close to the device design value, so that more accurate voltage shift is possible.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の薄膜トランジス
タ及びその製造方法について、図面を参照しながら詳述
する。 (活性層のドーパント濃度と電圧シフト量の関係)薄膜
トランジスタの製造において考慮すべきゲート電圧−ド
レイン電流特性の電圧シフトを活性層中のドーパント濃
度の調整により規定状態(設計状態)に収めるために
は、その前提として、完全空乏型薄膜トランジスタにお
けるゲート電圧−ドレイン電流特性における電圧シフト
量の活性層のドーパント濃度依存性を知る必要がある。
ここで、「完全空乏型」トランジスタとは、オン状態で
活性層全体において導電を担う自由キャリア密度が、導
電に寄与しない自由キャリア密度よりも大きいトランジ
スタを意味する。そこで、本発明の発明者は、完全空乏
型薄膜トランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性の
活性層のドーパント濃度依存性について、2次元デバイ
スシミュレータ(Silvaco社Atlas)を用い
て解析した。図2は、そのようにして求めたゲート電圧
−ドレイン電流特性の活性層のドーパント濃度依存性で
ある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The thin film transistor and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (Relationship Between Dopant Concentration of Active Layer and Voltage Shift Amount) In order to keep the voltage shift of the gate voltage-drain current characteristics to be considered in manufacturing a thin film transistor in a specified state (design state) by adjusting the dopant concentration in the active layer. As its premise, it is necessary to know the dependency of the voltage shift amount on the dopant concentration of the active layer in the gate voltage-drain current characteristic in the fully depleted type thin film transistor.
Here, the “fully depleted” transistor means a transistor in which the free carrier density which carries conductivity in the entire active layer in the ON state is larger than the free carrier density which does not contribute to conductivity. Therefore, the inventor of the present invention analyzed the dependence of the gate voltage-drain current characteristics of the fully depleted thin film transistor on the dopant concentration of the active layer, using a two-dimensional device simulator (Atlas, Silvaco). FIG. 2 shows the dependence of the gate voltage-drain current characteristics thus obtained on the dopant concentration of the active layer.

【0024】薄膜トランジスタのドレイン電流は印加さ
れるゲート電圧の増加につれて増大するが、その挙動は
活性層中のドーパント濃度によって異なる様子が読み取
れる。例えば、ドーパント濃度が0cm−3の薄膜トラ
ンジスタ(すなわちドーピングなしの薄膜トランジス
タ)にゲート電圧を5V印加した場合に流れるドレイン
電流は約5×10−8Aであるのに対して、ドーパント
濃度3.0×1017cm−3の薄膜トランジスタのゲ
ート電圧5Vに対応するドレイン電流は僅かに約5×1
−14Aに過ぎない。この薄膜トランジスタに約5×
10−8Aのドレイン電流を流すために要するゲート電
圧は約8Vであり、ドーピングなしの薄膜トランジスタ
と比較すると約3Vだけ高い電圧を印加する必要がある
ことになる。このように、同一のドレイン電流を与える
ゲート電圧は活性層のドーパント濃度とともに増大し、
いわゆる電圧シフトを生じる。この事実は、活性層中の
ドーパント濃度を適当に選択することにより、ゲート電
圧−ドレイン電流特性の電圧シフト量を所望の量だけ制
御することが可能であることを意味している。
It can be seen that the drain current of the thin film transistor increases as the applied gate voltage increases, but its behavior varies depending on the dopant concentration in the active layer. For example, the drain current flowing when a gate voltage of 5 V is applied to a thin film transistor having a dopant concentration of 0 cm −3 (that is, a thin film transistor without doping) is about 5 × 10 −8 A, whereas the dopant concentration is 3.0 ×. The drain current corresponding to a gate voltage of 5 V for a thin film transistor of 10 17 cm −3 is only about 5 × 1.
It is only 0-14A . About 5x for this thin film transistor
The gate voltage required to pass a drain current of 10 −8 A is about 8 V, which means that it is necessary to apply a voltage higher by about 3 V as compared with a thin film transistor without doping. Thus, the gate voltage that gives the same drain current increases with the dopant concentration in the active layer,
A so-called voltage shift occurs. This fact means that it is possible to control the voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic by a desired amount by appropriately selecting the dopant concentration in the active layer.

【0025】図1は、図2の結果を基にして、活性層の
ドーパント濃度とゲート電圧−ドレイン電流特性の電圧
シフトとの関係を求めた結果である。なお、比較の為に
前述したバルクシリコントランジスタに対して空乏近似
に基づく理論解析を行った結果も併せて示している。
FIG. 1 is a result of obtaining the relationship between the dopant concentration of the active layer and the voltage shift of the gate voltage-drain current characteristic based on the result of FIG. For comparison, the result of theoretical analysis based on the depletion approximation is also shown for the bulk silicon transistor described above.

【0026】図1に示した2次元デバイスシュミレータ
の結果から、ゲート電圧−ドレイン電流特性の電圧シフ
ト量は、活性層中のドーパント濃度の1次関数として表
現でき、活性層中のドーパント濃度をN(cm−3
として、略1.37×10 17・N(V)で与えら
れることが読み取れる。すなわち、絶縁基板上に形成さ
れた完全空乏型薄膜トランジスタの活性層中のドーパン
ト濃度をN(cm )と設定すれば、ゲート電圧−
ドレイン電流特性は略1.37×10−17・N
(V)だけ電圧シフトするのである。従って、活性層
中のドーパント濃度を適当な値に制御することにより、
構造的な欠陥や電気的な欠陥に起因して生じたゲート電
圧−ドレイン電流特性の電圧シフトを打ち消すことがで
き、正常な状態に回復させることが可能となるのであ
る。
From the results of the two-dimensional device simulator shown in FIG. 1, the voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic can be expressed as a linear function of the dopant concentration in the active layer, and the dopant concentration in the active layer is N d (cm −3 )
As approximately 1.37 × 10 - it can be read given by 17 · N d (V). That is, the dopant concentration in the active layer of the fully depleted type thin film transistor formed on an insulating substrate N d (cm - 3) and is set, the gate voltage -
The drain current characteristic is approximately 1.37 × 10 −17 · N
The voltage is shifted by d (V). Therefore, by controlling the dopant concentration in the active layer to an appropriate value,
It is possible to cancel the voltage shift of the gate voltage-drain current characteristic caused by the structural defect or the electrical defect, and it is possible to recover the normal state.

【0027】一方、空乏近似を適用した理論式は、活性
層中のドーパント濃度がN(cm −3)の場合の電圧
シフト量を、 2φ+(4ε・q・N・φ1/2/COX (φ=kT/q・ln(N/n)、ε:活性層
の誘電率、q:電気素量、k:ボルツマン係数、T:絶
対温度、n:真性キャリア濃度、COX:ゲート酸化
膜の静電容量)として算出したものである。
On the other hand, the theoretical formula applying the depletion approximation is
The dopant concentration in the layer is Nd(Cm -3) In case of
Shift amount 2φF+ (4εs・ Q ・ Nd・ ΦF)1/2/ COX F= KT / q · ln (Nd/ Ni), Εs: Active layer
Dielectric constant, q: elementary charge, k: Boltzmann coefficient, T: absolute
Temperature, ni: Intrinsic carrier concentration, COX: Gate oxidation
The capacitance of the film).

【0028】このようにして算出して得られた電圧シフ
ト量と2次元デバイスシミュレータにより算出した電圧
シフト量を比較すると、空乏近似を適用した理論式から
算出された電圧シフト量は2次元デバイスシミュレータ
により算出した電圧シフト量よりも高いシフト量を与え
てしまうことが読み取れる。
Comparing the voltage shift amount thus calculated and the voltage shift amount calculated by the two-dimensional device simulator, the voltage shift amount calculated from the theoretical formula to which the depletion approximation is applied is the two-dimensional device simulator. It can be read that a shift amount higher than the calculated voltage shift amount is given.

【0029】すなわち、薄膜トランジスタに生じた不完
全性に起因するゲート電圧−ドレイン電流特性の正常状
態からのずれを、空乏近似を適用した理論式に基づいて
打ち消そうとすると電圧シフト量が大きすぎることとな
って正常な状態に回復させることが困難となるのであ
る。
That is, if the deviation from the normal state of the gate voltage-drain current characteristic due to the imperfections generated in the thin film transistor is canceled based on the theoretical formula to which the depletion approximation is applied, the voltage shift amount is too large. This makes it difficult to restore the normal state.

【0030】従って、活性層のドーパント濃度を、空乏
近似を適用した理論式から算出した電圧シフト量よりも
低い電圧シフト量を与える濃度に設定することにより、
所望の電圧シフトに近いシフト量が得られることとな
る。 (本発明の薄膜トランジスタの製造工程)次に、本発明
の薄膜トランジスタの製造工程の実施例について図面を
参照して説明する。
Therefore, by setting the dopant concentration of the active layer to a concentration that gives a voltage shift amount lower than the voltage shift amount calculated from the theoretical formula to which the depletion approximation is applied,
A shift amount close to the desired voltage shift can be obtained. (Manufacturing Process of Thin Film Transistor of the Present Invention) Next, an example of a manufacturing process of the thin film transistor of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0031】図3は、本発明の薄膜トランジスタの製造
プロセスを説明する図である。なお、本実施例では、ガ
ラス等の絶縁基板上にトランジスタを作成する半導体層
としてシリコン薄膜を成膜する場合を例に説明する。
FIG. 3 is a diagram for explaining the manufacturing process of the thin film transistor of the present invention. In this example, a case where a silicon thin film is formed as a semiconductor layer for forming a transistor on an insulating substrate such as glass will be described as an example.

【0032】先ず、絶縁基板1上に、シリコン原子供給
源としてシラン系の反応性ガスを使用することとし、例
えばジシラン(Si)ガスを用いた減圧CVD
(LPCVD)法や、例えばモノシラン(SiH)ガ
スを用いたプラズマエンハンスメントCVD(PECV
D)法により、アモルファス状のシリコン膜2を成膜す
る。これに引き続き、成膜されたアモルファスシリコン
膜2に、アモルファス状態のシリコン原子が結晶化する
ために必要なエネルギを外部から供給せしめて再結晶化
させ多結晶シリコン膜2が形成される(図3(a))。
上記再結晶化手法は、薄膜トランジスタにおいて要求さ
れるキャリア移動度等の諸特性が得られるために必要な
多結晶のグレインサイズや結晶方位等を実現するために
最適な手法及び条件が選択されることとなるが、例えば
図3(a)のようにエキシマレーザ等を用いて光照射し
たり、あるいは熱処理炉中で熱処理を施して固相成長さ
せたりする手法が選択される。
First, a silane-based reactive gas is used as a silicon atom supply source on the insulating substrate 1, for example, low pressure CVD using disilane (Si 2 H 6 ) gas.
(LPCVD) method or plasma enhancement CVD (PECV) using, for example, monosilane (SiH 4 ) gas
The amorphous silicon film 2 is formed by the method D). Following this, the formed amorphous silicon film 2 is recrystallized by supplying energy necessary for crystallization of amorphous silicon atoms from the outside to form a polycrystalline silicon film 2 (FIG. 3). (A)).
The recrystallization method, the optimum method and conditions are selected in order to realize the grain size and crystal orientation of the polycrystal necessary for obtaining various characteristics such as carrier mobility required in the thin film transistor. However, for example, as shown in FIG. 3A, light irradiation using an excimer laser or the like, or heat treatment in a heat treatment furnace for solid phase growth is selected.

【0033】このようにして形成された多結晶シリコン
膜2は、フォトリソグラフィー技術を用いて所望のパタ
ーニングが施され、更に、後にゲート酸化膜として利用
されることとなる誘電体膜3が形成される。この誘電体
膜は、例えば熱CVD法により形成されたシリコン酸化
膜(SiO)であり、基板全面に堆積される(図3
(b))。
The polycrystalline silicon film 2 thus formed is subjected to desired patterning by using a photolithography technique, and further a dielectric film 3 which will be used as a gate oxide film later is formed. It This dielectric film is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed by a thermal CVD method, and is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 3).
(B)).

【0034】次に、活性層への不純物ドーピングを行う
が、本発明の薄膜トランジスタにおける活性層中のドー
パント濃度は、ゲート電圧−ドレイン電流特性における
電圧シフトを打ち消して正常な特性を実現せしめるため
に重要な意味をもつものであるから精度良くドーピング
レベル制御が行われる必要がある。すなわち、ゲート電
圧−ドレイン電流特性を1.37×10−17・N
(V)だけ電圧シフトさせるという要求を満足するた
めに活性層のドーパント濃度をN(cm−3)に制御
する必要がある。そのため、本実施例においては、イオ
ンドーピングの手法として、ドーピングレベルの制御が
容易かつ正確に行えるイオン注入法を採用している。
Next, the active layer is doped with impurities. The dopant concentration in the active layer of the thin film transistor of the present invention is important for canceling the voltage shift in the gate voltage-drain current characteristics and realizing normal characteristics. Since it has various meanings, it is necessary to accurately control the doping level. That is, the gate voltage-drain current characteristic is 1.37 × 10 −17 · N
In order to satisfy the requirement of shifting the voltage by d (V), it is necessary to control the dopant concentration of the active layer to N d (cm −3 ). For this reason, in this embodiment, as the ion doping method, an ion implantation method is employed which allows easy and accurate control of the doping level.

【0035】ドーピングされるべき元素の種類は、薄膜
トランジスタの設計により定まるが、本実施例の場合に
は、活性層の伝導型がn型である薄膜トランジスタの場
合について示している。まず、閾値調整のために、シリ
コン中でアクセプタとして作用するIII族不純物のボロ
ン(B)が注入される(図3(b))。
The type of element to be doped is determined by the design of the thin film transistor, but in the case of this embodiment, the case of a thin film transistor in which the conductivity type of the active layer is n type is shown. First, in order to adjust the threshold value, boron (B), which is a group III impurity acting as an acceptor in silicon, is implanted (FIG. 3B).

【0036】上記活性層中へのドーピング工程に続い
て、ゲート電極4を形成するための薄膜形成を行う。ゲ
ート電極材料として選択された金属やポリシリコン等の
薄膜をCVD法やスパッタリング法により基板全面に堆
積させた後、フォトリソグラフィーにより所望のゲート
電極形状となるようにパターニングが施される(図3
(c))。
Following the doping process into the active layer, a thin film is formed to form the gate electrode 4. After depositing a thin film of metal or polysilicon selected as a gate electrode material on the entire surface of the substrate by a CVD method or a sputtering method, patterning is performed by photolithography so as to obtain a desired gate electrode shape (FIG. 3).
(C)).

【0037】更に、ソース領域5及びドレイン領域6の
導電型をn型とするために、例えばリン(P)がイオ
ン注入される(図3(c))。この工程において、既に
パターニングされたゲート電極4がマスクとして利用さ
れ自己整合的にリン(P)が注入されることとなる。す
なわち、ゲート電極直下の多結晶シリコン膜領域へはリ
ン注入はなく、図3(b)の工程でボロンのイオン注入
がされた状態が維持される。
Further, in order to make the conductivity type of the source region 5 and the drain region 6 n + type, for example, phosphorus (P) is ion-implanted (FIG. 3C). In this step, the already patterned gate electrode 4 is used as a mask to implant phosphorus (P) in a self-aligned manner. That is, there is no phosphorus implantation into the polycrystalline silicon film region immediately below the gate electrode, and the state in which boron ions are implanted in the step of FIG. 3B is maintained.

【0038】活性層領域へのボロン注入、及びソース領
域5及びドレイン領域6へのリン注入がなされた後、こ
れらのイオン注入により乱された結晶格子状態を回復さ
せると共にボロンとリンをドーパントとして電気的に活
性化するための処理が施される。
After the implantation of boron into the active layer region and the implantation of phosphorus into the source region 5 and the drain region 6, the crystal lattice state disturbed by these ion implantations is restored, and boron and phosphorus are used as dopants. Processing for activating the image is performed.

【0039】上記ドーパントの活性化法としては種種の
方法が知られているが、例えば基板を長時間高温に保持
する熱活性化法を選択すれば、簡単な装置でドーパント
活性化が実行できるから低コストで薄膜トランジスタの
製造が行えるという利点がある。
Various methods are known as the dopant activation method. For example, if a thermal activation method that holds the substrate at a high temperature for a long time is selected, the dopant activation can be performed with a simple device. There is an advantage that a thin film transistor can be manufactured at low cost.

【0040】このドーパント活性化は上記の熱活性化法
に限定されるものではなく、例えばレーザ活性化法によ
ることとしても良い。レーザ活性化法を採用する場合に
は、結晶中において急速な熱的過程が実現されるから熱
平衡状態から逸脱した反応を実現させることが可能とな
り、熱平衡状態で得られるドーパント固溶度以上のドー
パント濃度を得ることができる。また、レーザ活性化法
によれば、イオン注入された不純物を高効率で電気的に
活性化することができるから、実際にアクセプタやドナ
ーとして作用するドーパント濃度をデバイスの設計値に
近いものとすることが容易となり、より正確な電圧シフ
トが可能となるという利点がある。
This dopant activation is not limited to the above-mentioned thermal activation method, and may be, for example, a laser activation method. When the laser activation method is adopted, a rapid thermal process is realized in the crystal, so that a reaction deviating from the thermal equilibrium state can be realized, and a dopant having a dopant solubility higher than that obtained in the thermal equilibrium state can be realized. The concentration can be obtained. Further, according to the laser activation method, since the ion-implanted impurities can be electrically activated with high efficiency, the dopant concentration actually acting as an acceptor or a donor should be close to the design value of the device. It is easy to do so, and more accurate voltage shift is possible.

【0041】なお、ドーパント活性化をレーザ活性化法
により行う場合には、図3(a)に示したアモルファス
シリコン薄膜の結晶化工程で使用するレーザと同一のレ
ーザ光源を用いることとしても良く、これとは別の異な
る波長のレーザ光源を設けて用いることとしても良い。
When the dopant activation is performed by the laser activation method, the same laser light source as the laser used in the crystallization process of the amorphous silicon thin film shown in FIG. 3A may be used. A laser light source having a different wavelength different from this may be provided and used.

【0042】上記ドーパント活性化に続いて、基板上に
形成された個々のトランジスタを互いに電気的に絶縁す
るための層間絶縁膜7を形成し(図3(d))、更に、
ソース領域5及びドレイン領域6の上に形成された誘電
体膜3及び層間絶縁膜7をフォトリソグラフィ技術によ
り除去してコンタクトホールを開穴した後、ソース電極
8及びドレイン電極9用の薄膜を堆積した後、ソース電
極8及びドレイン電極9としてパターニングする。この
ようにして、本発明の薄膜トランジスタが完成する(図
3(d))。
Subsequent to the above dopant activation, an interlayer insulating film 7 for electrically insulating the individual transistors formed on the substrate from each other is formed (FIG. 3D), and further,
The dielectric film 3 and the interlayer insulating film 7 formed on the source region 5 and the drain region 6 are removed by photolithography to open contact holes, and then thin films for the source electrode 8 and the drain electrode 9 are deposited. After that, the source electrode 8 and the drain electrode 9 are patterned. In this way, the thin film transistor of the present invention is completed (FIG. 3D).

【0043】なお、本実施例では、活性層に注入される
不純物としてボロンを選択し、ゲート電圧−ドレイン電
流特性を電圧プラス側にシフトさせて、例えば、閾値電
圧を調整しているが、例えばアルミニウム(Al)等の
他の不純物を選択する場合においても同様の電圧シフト
が行える。また、特性を電圧マイナス側にシフトする場
合には、リン(P)、ヒ素等の不純物を選択すれば良
い。
In the present embodiment, boron is selected as the impurity implanted in the active layer and the gate voltage-drain current characteristic is shifted to the voltage plus side to adjust the threshold voltage, for example. The same voltage shift can be performed when other impurities such as aluminum (Al) are selected. Further, when the characteristics are shifted to the negative voltage side, impurities such as phosphorus (P) and arsenic may be selected.

【0044】上記実施例では、活性層へのドーピング手
法としてドーパントの質量分析を伴うイオン注入法を選
択した例を示しているが、ドーピング手法はこれに限定
されるものではない。すなわち、ドーパントの質量分析
を伴うことなくドーピングを行う他のドーピング方法で
あっても良い。特に、質量分析を伴わないイオンドープ
法を採用する場合には、イオンドーピングによる活性
層、ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面
に存在する転位等の構造的欠陥や固定電荷等の電気的欠
陥を低減させることが可能となる利点がある。一方、質
量分析を伴うイオン注入法を採用する場合には、余分な
イオン衝撃によって、活性層、ゲート絶縁膜、基板絶縁
膜、あるいはそれらの界面に誘起される転位等の構造的
欠陥や固定電荷等の電気的欠陥を抑制させることが可能
となる。従って、所望する薄膜トランジスタの特性を得
るために最適な手法を適宜選択すれば良い。
In the above-mentioned embodiment, an example in which the ion implantation method with mass spectrometry of the dopant is selected as the doping method for the active layer is shown, but the doping method is not limited to this. That is, another doping method may be used in which doping is performed without mass spectrometry of the dopant. In particular, when adopting the ion doping method without mass spectrometry, structural defects such as dislocations existing at the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces due to the ion doping, and electrical charges such as fixed electric charges. There is an advantage that it is possible to reduce the physical defects. On the other hand, when the ion implantation method accompanied by mass spectrometry is adopted, structural defects such as dislocations or fixed charges induced in the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces due to excessive ion bombardment are used. It is possible to suppress electrical defects such as. Therefore, an optimum method may be appropriately selected to obtain desired characteristics of the thin film transistor.

【0045】更に、活性層へのドーピングはアモルファ
スシリコン層の多結晶化工程後に行う必要はなく、アモ
ルファスシリコンの成膜と同時に行うこととしてもよ
い。例えばイオンドープ法によりドーピングを行う場合
には、トランジスタの母材となるシリコン元素を含むガ
スとドーパント元素を含むガスを同時に使用してアモル
ファスシリコン膜を成膜することにより、ドーパントと
なる不純物を含有したアモルファスシリコン膜が得られ
る。
Furthermore, the doping of the active layer does not have to be performed after the step of polycrystallizing the amorphous silicon layer, and may be performed simultaneously with the film formation of the amorphous silicon. For example, in the case of performing doping by an ion doping method, an amorphous silicon film is formed by using a gas containing a silicon element, which is a base material of a transistor, and a gas containing a dopant element at the same time, so as to contain impurities serving as a dopant. An amorphous silicon film is obtained.

【0046】なお、活性層領域、ソース領域、及びドレ
イン領域への不純物ドーピング工程は、それらの層への
ドーピングが実現される限りどのような製造工程順で設
定されても良いことは言うまでもない。
Needless to say, the impurity doping process to the active layer region, the source region, and the drain region may be set in any manufacturing process order as long as doping to those layers is realized.

【0047】[0047]

【発明の効果】上述したように、本発明の薄膜トランジ
スタによれば、絶縁基板上に形成された薄膜トランジス
タの活性層中のドーパント濃度をN(cm−3)と設
定してゲート電圧−ドレイン電流特性を略1.37×1
−17・N(V)だけ電圧シフトさせているので、
ゲート電圧−ドレイン電流特性の電圧シフト量の自由な
設定が可能となり、正常なゲート電圧−ドレイン電流特
性を有する薄膜トランジスタを得ることが可能となる。
As described above, according to the thin film transistor of the present invention, the dopant concentration in the active layer of the thin film transistor formed on the insulating substrate is set to N d (cm −3 ), and the gate voltage-drain current is set. Characteristic is approximately 1.37 x 1
Since the voltage is shifted by 0 −17 · N d (V),
The voltage shift amount of the gate voltage-drain current characteristic can be freely set, and a thin film transistor having normal gate voltage-drain current characteristic can be obtained.

【0048】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法によれば、上記薄膜トランジスタの製造過程におい
て、活性層への不純物ドーピングを質量分析を伴わない
イオンドープ法又は質量分析を伴うイオンインプランテ
ーション法により行い、活性層中のドーパント活性化を
熱活性化法又はレーザ活性化法により行うことにより、
ゲート電圧−ドレイン電流特性の正確な電圧シフトが可
能となる。
Further, according to the method of manufacturing a thin film transistor of the present invention, in the manufacturing process of the thin film transistor, impurity doping into the active layer is performed by an ion doping method without mass spectrometry or an ion implantation method with mass spectrometry, By performing the dopant activation in the active layer by a thermal activation method or a laser activation method,
Accurate voltage shift of the gate voltage-drain current characteristic becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、活性層のドーパント濃度とゲート電圧
−ドレイン電流特性における電圧シフトの関係を、2次
元デバイスシミュレータおよび空乏近似を適用した理論
式の各々について求めた図である。
FIG. 1 is a diagram in which a relationship between a dopant concentration of an active layer and a voltage shift in a gate voltage-drain current characteristic is obtained for each of two-dimensional device simulator and theoretical formulas to which a depletion approximation is applied.

【図2】図2は、ゲート電圧−ドレイン電流特性の活性
層のドーパント濃度依存性を2次元デバイスシミュレー
タにより求めた図である。
FIG. 2 is a diagram in which the dependence of the gate voltage-drain current characteristics on the dopant concentration of the active layer is obtained by a two-dimensional device simulator.

【図3】図3は、本発明の薄膜トランジスタの製造工程
を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a manufacturing process of the thin film transistor of the invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁基板 2 多結晶シリコン 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 ソース領域 6 ドレイン領域 7 層間絶縁膜 8 ソース電極 9 ドレイン電極 1 Insulation board 2 Polycrystalline silicon 3 Gate insulation film 4 gate electrode 5 Source area 6 drain region 7 Interlayer insulation film 8 Source electrode 9 Drain electrode

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁基板上に形成される薄膜トランジスタ
であって、 活性層中のドーパント濃度をN(cm−3)と設定し
てゲート電圧−ドレイン電流特性を略1.37×10
−17・N(V)だけ電圧シフトさせること、を特徴
とする薄膜トランジスタ。
1. A thin film transistor formed on an insulating substrate, wherein a dopant concentration in an active layer is set to N d (cm −3 ) and a gate voltage-drain current characteristic is about 1.37 × 10.
A thin film transistor characterized in that the voltage is shifted by −17 · N d (V).
【請求項2】絶縁基板上に形成される薄膜トランジスタ
であって、 活性層中のドーパント濃度をN(cm−3)と設定し
てゲート電圧−ドレイン電流特性を 2φ+(4ε・q・N・φ1/2/COX (φ=kT/q・ln(N/n)、ε:活性層
の誘電率、q:電気素量、k:ボルツマン係数、T:絶
対温度、n:真性キャリア濃度、COX:ゲート酸化
膜静電容量)よりも小さい電圧だけシフトさせること、
を特徴とする薄膜トランジスタ。
2. A thin film transistor formed on an insulating substrate.
And The dopant concentration in the active layer is Nd(Cm-3) And set
Gate voltage-drain current characteristics 2φF+ (4εs・ Q ・ Nd・ ΦF)1/2/ COX F= KT / q · ln (Nd/ Ni), Εs: Active layer
Dielectric constant, q: elementary charge, k: Boltzmann coefficient, T: absolute
Temperature, ni: Intrinsic carrier concentration, COX: Gate oxidation
Shift by a voltage smaller than the membrane capacitance),
Is a thin film transistor.
【請求項3】請求項1又は2記載の薄膜トランジスタで
あって、 前記薄膜トランジスタが完全空乏型薄膜トランジスタで
あること、を特徴とする薄膜トランジスタ。
3. The thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor is a fully depleted thin film transistor.
【請求項4】請求項1乃至3のいずれかに記載の薄膜ト
ランジスタであって、 前記薄膜トランジスタの半導体層の膜厚が100nm以
下である、ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
4. The thin film transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer of the thin film transistor has a film thickness of 100 nm or less.
【請求項5】請求項1乃至4のいずれかに記載の薄膜ト
ランジスタであって、 前記薄膜トランジスタの半導体層の膜厚が50nm以下
である、ことを特徴とする薄膜トランジスタ。
5. The thin film transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer of the thin film transistor has a film thickness of 50 nm or less.
【請求項6】請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の
薄膜トランジスタを製造するための製造方法であって、 前記活性層への不純物ドーピングをイオンドープ法によ
り行うこと、を特徴とする薄膜トランジスタの製造方
法。
6. A manufacturing method for manufacturing the thin film transistor according to claim 1, wherein the active layer is doped with impurities by an ion doping method. Manufacturing method.
【請求項7】請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の
薄膜トランジスタを製造するための製造方法であって、 前記活性層への不純物ドーピングをイオン注入法により
行うこと、を特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
7. A manufacturing method for manufacturing the thin film transistor according to claim 1, wherein the active layer is doped with an impurity by an ion implantation method. Manufacturing method.
【請求項8】請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の
薄膜トランジスタを製造するための製造方法であって、 前記活性層中のドーパント活性化を熱活性化法により行
うこと、を特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
8. A manufacturing method for manufacturing the thin film transistor according to claim 1, wherein the dopant activation in the active layer is performed by a thermal activation method. Method of manufacturing thin film transistor.
【請求項9】請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の
薄膜トランジスタを製造するための製造方法であって、 前記活性層中のドーパント活性化をレーザ活性化法によ
り行うこと、を特徴とする薄膜トランジスタの製造方
法。
9. A manufacturing method for manufacturing the thin film transistor according to claim 1, wherein the activation of the dopant in the active layer is performed by a laser activation method. Method of manufacturing thin film transistor.
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