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JP3577523B2 - Method for manufacturing thin film semiconductor device - Google Patents

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JP3577523B2
JP3577523B2 JP22598395A JP22598395A JP3577523B2 JP 3577523 B2 JP3577523 B2 JP 3577523B2 JP 22598395 A JP22598395 A JP 22598395A JP 22598395 A JP22598395 A JP 22598395A JP 3577523 B2 JP3577523 B2 JP 3577523B2
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JP
Japan
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thin film
film transistor
mos
type impurity
type
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JP22598395A
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Japanese (ja)
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克彦 両澤
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Casio Computer Co Ltd
Original Assignee
Casio Computer Co Ltd
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Publication date
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  • Thin Film Transistor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リーク電流を低減することのできる薄膜半導体装置製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜半導体装置の1つであるC−MOS薄膜トランジスタでは、図7に示すように、p−MOS薄膜トランジスタ1とn−MOS薄膜トランジスタ2の各ゲート電極を入力端子3に接続し、p−MOS薄膜トランジスタ1とn−MOS薄膜トランジスタ2の各ドレイン電極を出力端子4に接続し、p−MOS薄膜トランジスタ1のソース電極を電源端子5に接続し、n−MOS薄膜トランジスタ2のソース電極を接地端子6に接続した構造となっている。このC−MOS薄膜トランジスタの消費電力は、動作周波数をf、負荷容量をC、電源電圧をVdd、リーク電流をILとしたとき、動的な消費電力(f・C・Vdd)と静的な消費電力(IL・Vdd)の和で表わされる。
【0003】
ところで、半導体薄膜として多結晶シリコン薄膜を用いた一般的な構造の薄膜トランジスタでは、多結晶シリコン薄膜の結晶粒界に偏在するトラップ準位を介したリーク電流などの影響が大きいので、C−MOS薄膜トランジスタ全体の消費電力は静的な消費電力でほぼ決まってしまうといっても過言ではない。そこで、薄膜トランジスタのリーク電流を低減するために、ソース・ドレイン領域に含有された不純物と異なる導電型の不純物をチャネル領域に低濃度に注入することにより、しきい値電圧を調整するようにしたものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、p−MOS薄膜トランジスタとn−MOS薄膜トランジスタとでは、チャネル領域に注入する不純物が異なるので、各チャネル領域への不純物の注入をそれぞれ専用の不純物注入マスク(フォトレジスト)を用いて別々に行うこととなり、したがって製造工程数が多くなるという問題があった。
この発明の課題は、製造工程数を低減することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、半導体薄膜に、n型イオンを低濃度に注入してチャネル領域の両側にn型不純物低濃度領域を形成するとともに前記各n型不純物低濃度領域の前記チャネル領域の反対側にn型イオンを高濃度に注入してn型不純物高濃度領域を形成して前記n型不純物低濃度領域および前記n型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域を有するn−MOS薄膜トランジスタを構成し、チャネル領域の両側にp型イオンを高濃度に注入してチャネル領域の両側に、直接、p型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域を有するp−MOS薄膜トランジスタを構成する薄膜半導体装置の製造方法であって、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域を形成し、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域を形成した後、前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜全体に、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域に注入するn型イオンのドーズ量よりも小さいドーズ量でp型イオンを注入することを特徴とするものである
請求項記載の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、請求項1記載の発明において、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域に注入するn型イオンのドーズ量は5×1013atm/cmであり、前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜に注入するp型イオンのドーズ量は2×1013atm/cmであることを特徴とするものである。
請求項記載の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、請求項1記載の発明において、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域へのn型イオンの注入、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域へのp型イオンの注入および前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜へのp型イオンの注入は、前記半導体薄膜上に保護膜を形成し、該保護膜を介して行うことを特徴とするものである。
請求項記載の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、請求項記載の発明において、すべてのイオンを注入後、前記保護膜を剥離し、不純物の活性化を行うことを特徴とするものである。
請求項記載の発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、請求項記載の発明において、不純物の活性化を行った後、ゲート絶縁膜を形成することを特徴とするものである。
【0006】
請求項1記載薄膜半導体装置の製造方法によれば、n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域を形成し、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域を形成した後、n−MOS薄膜トランジスタの半導体薄膜全体およびp−MOS薄膜トランジスタの半導体薄膜全体にp型不純物を注入することにより、n−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧を調整できるので、製造工程数を低減することができ、また、n−MOS薄膜トランジスタの消費電力を低減することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の一実施形態におけるC−MOS薄膜トランジスタを示したものである。このC−MOS薄膜トランジスタでは、ガラス等からなる絶縁基板11の上面の各所定の個所にn−MOS薄膜トランジスタ12とp−MOS薄膜トランジスタ13が設けられている。各薄膜トランジスタ12、13は、絶縁基板11の上面に設けられた酸化シリコンからなる下地層14の上面の各所定の個所にそれぞれ形成された半導体薄膜15、16を備えている。n−MOS薄膜トランジスタ12の半導体薄膜15は、中央部をチャネル領域15aとされ、その両側をn型不純物低濃度領域からなるソース・ドレイン領域15bとされ、さらにその両側をn型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域15cとされた構造となっている。p−MOS薄膜トランジスタ13の半導体薄膜16は、中央部をチャネル領域16aとされ、その両側をp型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域16bとされた構造となっている。
【0008】
両半導体薄膜15、16を含む下地層14の上面全体には酸化シリコンからなる下側ゲート絶縁膜17および窒化シリコンからなる上側ゲート絶縁膜18が設けられている。上側ゲート絶縁膜18の上面であって各チャネル領域15a、16aの上方にはクロムからなるゲート電極19、20が設けられている。両ゲート電極19、20を含む上側ゲート絶縁膜18の上面全体には窒化シリコンからなる層間絶縁膜21が設けられている。ソース・ドレイン領域15c、16bに対応する部分における層間絶縁膜21にはコンタクトホール22、23が設けられている。各コンタクトホール22、23および層間絶縁膜21の上面の各所定の個所にはアルミニウムからなるソース・ドレイン電極24、25が設けられている。
【0009】
次に、このC−MOS薄膜トランジスタの製造方法の具体的な一例について、図2(A)〜(D)を順に参照しながら説明する。まず、図2(A)に示すように、ガラスからなる絶縁基板11の上面に、スパッタリング装置を用いて酸化シリコンからなる下地層14を1000Å程度の厚さに堆積する。次に、下地層12の上面に、SiHとHの混合ガスを用いたプラズマCVDにより水素化アモルファスシリコン薄膜31を500Å程度の厚さに堆積する。次に、後の工程でエキシマレーザ照射により高エネルギを与えたとき水素が突沸して欠陥が生じるのを回避するために、窒素ガス雰囲気中において450℃程度の温度で1時間程度の脱水素処理を行い、アモルファスシリコン薄膜31中の水素含有量が数atomic%以下となるようにする。次に、エキシマレーザをエネルギ密度350mJ/cm程度で1回ないし数回照射することにより、図2(B)に示すように、アモルファスシリコン薄膜31を多結晶化して多結晶シリコン薄膜32とする。
【0010】
次に、図2(C)に示すように、多結晶シリコン薄膜32の上面に、スパッタリング装置を用いて酸化シリコンからなる保護層33を200Å程度の厚さに堆積する。次に、イオン注入装置を用いて3回の不純物注入をそれぞれ専用の不純物注入マスク(フォトレジスト)を用いて行う。すなわち、n−MOS薄膜トランジスタ12のソース・ドレイン領域15bを形成すべき領域の多結晶シリコン薄膜32に、水素希釈の1%PH(5ccm)とH(45ccm)との混合ガスを用いて、リンイオンを高周波電力10W、加速電圧20KV、ドーズ量5×1013atm/cmの条件で注入し、n型不純物低濃度領域とする。また、n−MOS薄膜トランジスタ12のソース・ドレイン領域15cを形成すべき領域の多結晶シリコン薄膜32に、水素希釈の1%PH(50ccm)ガスを用いて、リンイオンを高周波電力100W、加速電圧20KV、ドーズ量2×1015atm/cmの条件で注入し、n型不純物高濃度領域とする。さらに、p−MOS薄膜トランジスタ13のソース・ドレイン領域16bを形成すべき領域の多結晶シリコン薄膜32に、水素希釈の1%B(50ccm)ガスを用いて、ボロンイオンを高周波電力100W、加速電圧20KV、ドーズ量2×1015atm/cmの条件で注入し、p型不純物高濃度領域とする。
【0011】
次に、図2(D)に示すように、不純物注入マスクを一切用いずに、多結晶シリコン薄膜32全体に、水素希釈の1%B(2ccm)とH(48ccm)との混合ガスを用いて、ボロンイオンを高周波電力10W、加速電圧25KV、ドーズ量2×1013atm/cmの条件で注入する。この後、周知の方法により、保護膜33を剥離し、熱処理により注入不純物の活性化を行い、多結晶シリコン薄膜32を素子分離して半導体薄膜15、16を形成し、下側および上側ゲート絶縁膜17、18を堆積し、ゲート電極19、20を形成し、層間絶縁膜21を堆積し、コンタクトホール22、23を形成し、ソース・ドレイン電極24、25を形成すると、図1に示すC−MOS薄膜トランジスタが製造される。
【0012】
ところで、以上のような製造方法により、絶縁基板上に複数のC−MOS薄膜トランジスタを形成し、n−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタのそれぞれについてしきい値電圧Vt1nの分布を調べたところ、図3(A)および図4(A)にそれぞれ示す結果が得られた(図の縦軸は薄膜トランジスタの個数を示す。)。ただし、n−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nは、ドレイン印加電圧が+1Vでドレイン電流が+1nAとなるときのゲート印加電圧であり、p−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nは、ドレイン印加電圧が−1Vでドレイン電流が−1nAとなるときのゲート印加電圧である。
【0013】
また、比較のために、以上のような製造方法のうち図2(D)に示す工程(チャネル領域へのp型不純物注入工程)を行わない製造方法により、絶縁基板上に複数のC−MOS薄膜トランジスタを形成し、n−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタのそれぞれについてしきい値電圧Vt1nの分布を調べたところ、図3(B)および図4(B)にそれぞれ示す結果が得られた(図の縦軸は薄膜トランジスタの個数を示す。)。ただし、しきい値電圧Vt1nは、上述した場合と同じである。
【0014】
そして、n−MOS薄膜トランジスタについてチャネル領域p型不純物注入有りの場合(図3(A))と無しの場合(図3(B))とを比較すると、しきい値電圧Vt1nの分布形状が類似しているが、図3(A)ではしきい値電圧Vt1n(−2〜−1V)の範囲においてピークとなり、図3(B)ではしきい値電圧Vt1n(−4〜−3V)の範囲においてピークとなり、したがって図3(A)の場合には図3(B)の場合と比較してプラス側に2V程度シフトしていることになる。一方、p−MOS薄膜トランジスタについてチャネル領域p型不純物注入有りの場合(図4(A))と無しの場合(図4(B))とを比較すると、しきい値電圧Vt1nの分布形状が類似している上、両者のしきい値電圧Vt1nが共に(−4〜−3V)の範囲においてピークとなっている。
【0015】
以上の点を考察すると、しきい値電圧Vt1nが0Vであるとチャネル領域が純粋な真性領域であるとすれば、図3(B)の場合、しきい値電圧Vt1nのピークが(−4〜−3V)の範囲であるので、n−MOS薄膜トランジスタのチャネル領域が純粋な真性領域ではなくn型領域であることになる。一方、図3(A)の場合、しきい値電圧Vt1nのピークが(−2〜−1V)の範囲であって、図3(B)の場合と比較してプラス側に2V程度シフトしているので、n−MOS薄膜トランジスタのチャネル領域が、p型不純物の拡散により、拡散前よりも拡散後に、より真性に近付いたことになる。ところで、図4(A)および(B)に示すように、p−MOS薄膜トランジスタの場合には、しきい値電圧Vt1nのピークがほとんど変化しない。この点を考察すると、多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの場合には、フェルミ準位Efとしきい値電圧Vt1nとの関係は図5に示すようになると思われる。そして、n−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nが敏感な領域およびp−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nが鈍感な領域にフェルミ準位Efが来るため、チャネル領域にp型不純物を拡散すると、n−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nだけがプラス側にシフトするものと思われる。
【0016】
次に、チャネル領域にp型不純物を注入したn−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧Vt1nとドレイン電流Idssの関係について調べたところ、図6に示す結果が得られた。ただし、n−MOS薄膜トランジスタのドレイン電流Idssは、ゲート印加電圧0V、ドレイン印加電圧+12Vのときのドレイン電流であり、p−MOS薄膜トランジスタのドレイン電流Idssは、ゲート印加電圧0V、ドレイン印加電圧−12Vのときのドレイン電流である。この図から明らかなように、p−MOS薄膜トランジスタのリーク電流を増加(変化)させることなく、n−MOS薄膜トランジスタのリーク電流を低減することができることが確認される。
【0017】
ところで、n−MOS薄膜トランジスタの消費電流はp−MOS薄膜トランジスタの消費電流よりも大きいので、p−MOS薄膜トランジスタのリーク電流を低減することができなくても、n−MOS薄膜トランジスタのリーク電流を低減することができると、C−MOS薄膜トランジスタ全体の静的な消費電力を低減することができることになる。また、上述したように、n−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタの各チャネル領域にp型不純物を注入する際に、不純物注入マスクを一切用いていないので、製造工程数を低減することができる。
【0018】
なお、上記実施形態では、図2(C)に示す工程後に図2(D)に示すように、多結晶シリコン薄膜32全体に、水素希釈の1%B(2ccm)とH(48ccm)との混合ガスを用いて、ボロンイオンを高周波電力10W、加速電圧25KV、ドーズ量2×1013atm/cmの条件で注入しているが、これに限定されるものではない。例えば、水素化アモルファスシリコン薄膜を堆積した後であって脱水素処理を行う前に、かつ保護膜33および不純物注入マスクを用いずに、水素化アモルファスシリコン薄膜全体に、水素希釈の0.05%B(5ccm)とH(45ccm)との混合ガスを用いて、ボロンイオンを高周波電力10W、加速電圧10KV、ドーズ量5×1013atm/cmの条件で注入するようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。しかも、上記実施形態の場合と比較して、Bの流量が2ccmから5ccmと増えたことと、ドーズ量が2×1013atm/cmから5×1013atm/cmと増えたことから、実際に注入されるイオン数の制御性を向上することができる。
【0019】
また、上記実施形態では、トップゲートコプラナ構造の薄膜トランジスタに適用した場合について説明したが、これに限らず、ボトムゲート逆スタガ構造の薄膜トランジスタにも適用することができる。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域を形成し、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域を形成した後、n−MOS薄膜トランジスタの半導体薄膜全体およびp−MOS薄膜トランジスタの半導体薄膜全体にp型不純物を注入することにより、n−MOS薄膜トランジスタとp−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧を調整できるので、製造工程数を低減することができ、また、n−MOS薄膜トランジスタの消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態におけるC−MOS薄膜トランジスタの断面図。
【図2】(A)〜(D)はそれぞれ図1に示すC−MOS薄膜トランジスタの製造方法の具体的な一例を説明するために示す各製造工程の断面図。
【図3】(A)および(B)はそれぞれn−MOS薄膜トランジスタのチャネル領域にp型不純物を注入した場合としない場合の各しきい値電圧の分布を示す図。
【図4】(A)および(B)はそれぞれp−MOS薄膜トランジスタのチャネル領域にp型不純物を注入した場合としない場合の各しきい値電圧の分布を示す図。
【図5】多結晶シリコン薄膜を用いたn−MOS薄膜トランジスタおよびp−MOS薄膜トランジスタのフェルミ準位としきい値電圧との関係を示す図。
【図6】チャネル領域に不純物を注入した場合のn−MOS薄膜トランジスタおよびp−MOS薄膜トランジスタのしきい値電圧とドレイン電流との関係を示す図。
【図7】C−MOS薄膜トランジスタの回路図。
【符号の説明】
12 n−MOS薄膜トランジスタ
13 p−MOS薄膜トランジスタ
15、16 半導体薄膜
15a チャネル領域
15b ソース・ドレイン領域
15c ソース・ドレイン領域
16a チャネル領域
16b ソース・ドレイン領域
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
This invention relates to a method of manufacturing a thin film semiconductor device capable of reducing the leakage current.
[0002]
[Prior art]
In a C-MOS thin film transistor which is one of the thin film semiconductor devices, as shown in FIG. 7, each gate electrode of a p-MOS thin film transistor 1 and an n-MOS thin film transistor 2 is connected to an input terminal 3, and the p-MOS thin film transistor 1 a structure in which each drain electrode of the n-MOS thin film transistor 2 is connected to the output terminal 4, the source electrode of the p-MOS thin film transistor 1 is connected to the power supply terminal 5, and the source electrode of the n-MOS thin film transistor 2 is connected to the ground terminal 6; Has become. Power consumption of C-MOS thin film transistor, the operating frequency f, when the load capacitance C, and the power supply voltage Vdd, the leakage current and IL, a static dynamic power dissipation (f · C · Vdd 2) It is expressed by the sum of power consumption (IL · Vdd).
[0003]
By the way, in a thin film transistor having a general structure using a polycrystalline silicon thin film as a semiconductor thin film, a C-MOS thin film transistor is largely affected by a leak current or the like via a trap level unevenly distributed in a crystal grain boundary of the polycrystalline silicon thin film. It is no exaggeration to say that overall power consumption is almost determined by static power consumption. Therefore, in order to reduce the leakage current of the thin film transistor, a threshold voltage is adjusted by injecting a impurity of a conductivity type different from that contained in the source / drain regions into the channel region at a low concentration. There is.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the impurities to be implanted into the channel region are different between the p-MOS thin film transistor and the n-MOS thin film transistor. Therefore, it is necessary to separately implant the impurities into each channel region using a dedicated impurity implantation mask (photoresist). Therefore, there is a problem that the number of manufacturing steps increases.
An object of the present invention is to reduce the number of manufacturing steps.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
2. The method for manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1, wherein n-type ions are implanted into the semiconductor thin film at a low concentration to form n-type impurity low-concentration regions on both sides of the channel region, and the respective n-type impurities are formed. N-type ions are implanted at a high concentration on the opposite side of the channel region of the low-concentration region to form a high-concentration n-type impurity region. An n-MOS thin film transistor having a drain region is formed, and p-type ions are implanted at a high concentration on both sides of the channel region, and p and p regions having a source / drain region comprising a p-type impurity high concentration region are directly formed on both sides of the channel region. a method of manufacturing a thin film semiconductor device forming the -MOS TFT, the n-type impurity low concentration region and the n-type high impurity concentration of the n-MOS thin film transistor Forming a band, after forming the p-type high impurity concentration region of the p-MOS thin film transistor, the entire semiconductor thin film constituting the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor, n-type impurity of the n-MOS thin film transistor The method is characterized in that p-type ions are implanted at a dose smaller than the dose of n-type ions implanted in the low concentration region .
According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the first aspect, the dose of n-type ions implanted into the n-type impurity low concentration region of the n-MOS thin film transistor is 5 × 10 13. atm / cm 2 , and the dose of p-type ions implanted into the semiconductor thin film forming the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor is 2 × 10 13 atm / cm 2. is there.
According to a third aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the first aspect, wherein n-type ions are implanted into the n-type impurity low concentration region and the n-type impurity high concentration region of the n-MOS thin film transistor. Implanting p-type ions into the p-type impurity high-concentration region of the p-MOS thin film transistor and implanting p-type ions into the semiconductor thin film forming the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor are performed on the semiconductor thin film. A protective film is formed on the protective film, and the process is performed through the protective film.
A method of manufacturing a thin film semiconductor device according to a fourth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of the third aspect , after all ions are implanted, the protective film is peeled off, and impurities are activated. It is.
According to a fifth aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a thin film semiconductor device according to the fourth aspect , wherein a gate insulating film is formed after activating impurities.
[0006]
According to the method of manufacturing a thin film semiconductor device according to claim 1, an n-type impurity thin region and an n-type impurity high concentration region of the n-MOS thin film transistor are formed, and the p-type impurity high concentration region of the p-MOS thin film transistor is formed. After the formation, the threshold voltages of the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor can be adjusted by implanting p-type impurities into the entire semiconductor thin film of the n-MOS thin film transistor and the whole semiconductor thin film of the p-MOS thin film transistor. The number of manufacturing steps can be reduced, and the power consumption of the n-MOS thin film transistor can be reduced.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a C-MOS thin film transistor according to an embodiment of the present invention. In this C-MOS thin-film transistor, an n-MOS thin-film transistor 12 and a p-MOS thin-film transistor 13 are provided at predetermined locations on the upper surface of an insulating substrate 11 made of glass or the like. Each of the thin film transistors 12 and 13 includes semiconductor thin films 15 and 16 respectively formed at predetermined positions on the upper surface of a base layer 14 made of silicon oxide provided on the upper surface of the insulating substrate 11. The semiconductor thin film 15 of the n-MOS thin film transistor 12 has a channel region 15a at the center, a source / drain region 15b formed of a low-concentration n-type impurity region on both sides thereof, and further includes a source-drain region 15b on both sides thereof. The source / drain region 15c is formed. The semiconductor thin film 16 of the p-MOS thin film transistor 13 has a structure in which a central portion is a channel region 16a and both sides are source / drain regions 16b formed of a p-type impurity high concentration region.
[0008]
A lower gate insulating film 17 made of silicon oxide and an upper gate insulating film 18 made of silicon nitride are provided on the entire upper surface of the underlayer 14 including both the semiconductor thin films 15 and 16. Gate electrodes 19 and 20 made of chromium are provided on the upper surface of the upper gate insulating film 18 and above the channel regions 15a and 16a. An interlayer insulating film 21 made of silicon nitride is provided on the entire upper surface of the upper gate insulating film 18 including both the gate electrodes 19 and 20. Contact holes 22 and 23 are provided in the interlayer insulating film 21 at portions corresponding to the source / drain regions 15c and 16b. Source / drain electrodes 24 and 25 made of aluminum are provided at predetermined positions on each of the contact holes 22 and 23 and the upper surface of the interlayer insulating film 21.
[0009]
Next, a specific example of a method of manufacturing the C-MOS thin film transistor will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2A, a base layer 14 made of silicon oxide is deposited on the upper surface of an insulating substrate 11 made of glass to a thickness of about 1000 ° by using a sputtering apparatus. Next, a hydrogenated amorphous silicon thin film 31 is deposited on the upper surface of the underlayer 12 to a thickness of about 500 ° by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and H 2 . Next, in order to avoid the occurrence of defects due to bumping of hydrogen when high energy is applied by excimer laser irradiation in a later step, dehydrogenation treatment is performed in a nitrogen gas atmosphere at a temperature of about 450 ° C. for about 1 hour. Is performed so that the hydrogen content in the amorphous silicon thin film 31 becomes several atomic% or less. Next, an excimer laser is irradiated once or several times at an energy density of about 350 mJ / cm 2 to polycrystallize the amorphous silicon thin film 31 into a polycrystalline silicon thin film 32 as shown in FIG. .
[0010]
Next, as shown in FIG. 2C, a protective layer 33 made of silicon oxide is deposited on the upper surface of the polycrystalline silicon thin film 32 to a thickness of about 200 ° by using a sputtering device. Next, three times of impurity implantation are performed using an ion implantation apparatus by using a dedicated impurity implantation mask (photoresist). That is, a mixed gas of 1% PH 3 (5 ccm) and H 2 (45 ccm) diluted with hydrogen is used for the polycrystalline silicon thin film 32 in a region where the source / drain region 15 b of the n-MOS thin film transistor 12 is to be formed. Phosphorus ions are implanted under the conditions of a high-frequency power of 10 W, an acceleration voltage of 20 KV, and a dose of 5 × 10 13 atm / cm 2 to form an n-type impurity low concentration region. Further, the polycrystalline silicon thin film 32 in the region where the source / drain region 15c of the n-MOS thin film transistor 12 is to be formed is doped with hydrogen-diluted 1% PH 3 (50 ccm) gas, using phosphorus ions at a high frequency power of 100 W and an acceleration voltage of 20 KV. , At a dose of 2 × 10 15 atm / cm 2 to form an n-type impurity high concentration region. Further, the polycrystalline silicon thin film 32 in the region where the source / drain region 16b of the p-MOS thin film transistor 13 is to be formed is formed by using boron-diluted 1% B 2 H 6 (50 ccm) gas and applying high-frequency power of 100 W to boron ions. Implantation is performed under the conditions of an acceleration voltage of 20 KV and a dose of 2 × 10 15 atm / cm 2 to form a p-type impurity high concentration region.
[0011]
Next, as shown in FIG. 2 (D), 1% B 2 H 6 ( 2 ccm) and H 2 (48 ccm) diluted with hydrogen are applied to the entire polycrystalline silicon thin film 32 without using any impurity implantation mask. Using a mixed gas, boron ions are implanted under the conditions of a high-frequency power of 10 W, an acceleration voltage of 25 KV, and a dose of 2 × 10 13 atm / cm 2 . Thereafter, the protective film 33 is peeled off by a well-known method, the implanted impurities are activated by heat treatment, and the polycrystalline silicon thin film 32 is subjected to element isolation to form semiconductor thin films 15 and 16. When films 17 and 18 are deposited, gate electrodes 19 and 20 are formed, an interlayer insulating film 21 is deposited, contact holes 22 and 23 are formed, and source / drain electrodes 24 and 25 are formed. -A MOS thin film transistor is manufactured.
[0012]
By the way, a plurality of C-MOS thin-film transistors were formed on an insulating substrate by the above manufacturing method, and the distribution of the threshold voltage Vt1n was examined for each of the n-MOS thin-film transistor and the p-MOS thin-film transistor. The results shown in FIGS. 4A and 4A were obtained (the vertical axis in the figure indicates the number of thin film transistors). However, the threshold voltage Vt1n of the n-MOS thin film transistor is a gate applied voltage when the drain applied voltage is +1 V and the drain current is +1 nA, and the threshold voltage Vt1n of the p-MOS thin film transistor is the drain applied voltage. This is the gate applied voltage when the drain current becomes -1 nA at -1 V.
[0013]
For comparison, a plurality of C-MOS transistors are formed on an insulating substrate by the above-described manufacturing method in which the step shown in FIG. 2D (the step of implanting a p-type impurity into a channel region) is not performed. When a thin film transistor was formed and the distribution of the threshold voltage Vt1n was examined for each of the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor, the results shown in FIGS. 3B and 4B were obtained (FIG. 3B). The vertical axis indicates the number of thin film transistors.) However, the threshold voltage Vt1n is the same as in the case described above.
[0014]
When the n-MOS thin film transistor is compared with the case where the p-type impurity is implanted in the channel region (FIG. 3A) and the case where it is not (FIG. 3B), the distribution shapes of the threshold voltages Vt1n are similar. However, in FIG. 3A, the peak is in the range of the threshold voltage Vt1n (−2 to −1V), and in FIG. 3B, the peak is in the range of the threshold voltage Vt1n (−4 to −3V). Therefore, in the case of FIG. 3 (A), it is shifted by about 2 V to the plus side as compared with the case of FIG. 3 (B). On the other hand, when the p-MOS thin film transistor is compared with the case where the p-type impurity is implanted in the channel region (FIG. 4 (A)) and the case where it is not (FIG. 4 (B)), the distribution shapes of the threshold voltages Vt1n are similar. In addition, both of the threshold voltages Vt1n peak in the range of (−4 to −3 V).
[0015]
Considering the above points, assuming that the channel region is a pure intrinsic region when the threshold voltage Vt1n is 0 V, in the case of FIG. −3V), the channel region of the n-MOS thin film transistor is not a pure intrinsic region but an n-type region. On the other hand, in the case of FIG. 3A, the peak of the threshold voltage Vt1n is in the range of (−2 to −1V), and is shifted by about 2 V to the plus side as compared with the case of FIG. Therefore, the channel region of the n-MOS thin film transistor becomes closer to intrinsic after diffusion than before diffusion due to diffusion of the p-type impurity. By the way, as shown in FIGS. 4A and 4B, in the case of a p-MOS thin film transistor, the peak of the threshold voltage Vt1n hardly changes. Considering this point, in the case of a thin film transistor using a polycrystalline silicon thin film, the relationship between the Fermi level Ef and the threshold voltage Vt1n seems to be as shown in FIG. Since the Fermi level Ef comes to a region where the threshold voltage Vt1n of the n-MOS thin film transistor is sensitive and a region where the threshold voltage Vt1n of the p-MOS thin film is insensitive, when p-type impurities are diffused into the channel region, It seems that only the threshold voltage Vt1n of the n-MOS thin film transistor shifts to the plus side.
[0016]
Next, when the relationship between the threshold voltage Vt1n and the drain current Idss of the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor into which the p-type impurity was implanted into the channel region was examined, the result shown in FIG. 6 was obtained. Here, the drain current Idss of the n-MOS thin film transistor is a drain current when the gate applied voltage is 0 V and the drain applied voltage is +12 V, and the drain current Idss of the p-MOS thin film transistor is the gate applied voltage of 0 V and the drain applied voltage of −12 V. The drain current. As is clear from this figure, it is confirmed that the leak current of the n-MOS thin film transistor can be reduced without increasing (changing) the leak current of the p-MOS thin film transistor.
[0017]
By the way, since the current consumption of the n-MOS thin film transistor is larger than that of the p-MOS thin film transistor, it is necessary to reduce the leakage current of the n-MOS thin film transistor even if the leakage current of the p-MOS thin film transistor cannot be reduced. When this is achieved, the static power consumption of the entire C-MOS thin film transistor can be reduced. Further, as described above, when p-type impurities are implanted into each channel region of the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor, no impurity implantation mask is used, so that the number of manufacturing steps can be reduced.
[0018]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2D, after the step shown in FIG. 2C, 1% B 2 H 6 ( 2 ccm) diluted with hydrogen and H 2 ( 48 ccm), and boron ions are implanted under the conditions of a high-frequency power of 10 W, an acceleration voltage of 25 KV, and a dose of 2 × 10 13 atm / cm 2 , but the present invention is not limited to this. For example, after depositing the hydrogenated amorphous silicon thin film and before performing the dehydrogenation process, and without using the protective film 33 and the impurity implantation mask, the hydrogen-containing amorphous silicon thin film may be diluted with 0.05% of hydrogen dilution. Using a mixed gas of B 2 H 6 (5 ccm) and H 2 (45 ccm), boron ions are implanted under the conditions of a high-frequency power of 10 W, an acceleration voltage of 10 KV, and a dose of 5 × 10 13 atm / cm 2. Is also good. Even in this case, the same effect as in the above embodiment can be obtained. Moreover, the flow rate of B 2 H 6 is increased from 2 ccm to 5 ccm and the dose is increased from 2 × 10 13 atm / cm 2 to 5 × 10 13 atm / cm 2 as compared with the case of the above embodiment. Therefore, the controllability of the number of ions to be actually implanted can be improved.
[0019]
Further, the above embodiment has been described as applied to a thin film transistor of a top gate co Plana structure is not limited thereto, Ru can be applied to the thin film transistor of a bottom gate reverse stagger structure.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after forming the n-type impurity low concentration region and the n-type impurity high concentration region of the n-MOS thin film transistor, and after forming the p-type impurity high concentration region of the p-MOS thin film transistor, , by implanting the p-type impurity on the entire semiconductor thin film of the entire semiconductor thin film of n-MOS thin film transistor and a p-MOS thin film transistor, it is possible to adjust the threshold voltage of the n-MOS thin film transistor and a p-MOS thin film transistors, the number of manufacturing steps Can be reduced, and the power consumption of the n-MOS thin film transistor can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a C-MOS thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
2 (A) to 2 (D) are cross-sectional views of respective manufacturing steps for explaining a specific example of a method for manufacturing the C-MOS thin film transistor shown in FIG. 1;
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing distributions of respective threshold voltages when a p-type impurity is implanted into a channel region of an n-MOS thin film transistor and when it is not implanted.
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing distributions of respective threshold voltages when a p-type impurity is implanted into a channel region of a p-MOS thin film transistor and when it is not implanted.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a Fermi level and a threshold voltage of an n-MOS thin film transistor and a p-MOS thin film transistor using a polycrystalline silicon thin film.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a threshold voltage and a drain current of an n-MOS thin film transistor and a p-MOS thin film transistor when an impurity is implanted into a channel region.
FIG. 7 is a circuit diagram of a C-MOS thin film transistor.
[Explanation of symbols]
12 n-MOS thin film transistor 13 p-MOS thin film transistor 15, 16 semiconductor thin film 15a channel region 15b source / drain region 15c source / drain region 16a channel region 16b source / drain region

Claims (5)

半導体薄膜に、n型イオンを低濃度に注入してチャネル領域の両側にn型不純物低濃度領域を形成するとともに前記各n型不純物低濃度領域の前記チャネル領域の反対側にn型イオンを高濃度に注入してn型不純物高濃度領域を形成して前記n型不純物低濃度領域および前記n型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域を有するn−MOS薄膜トランジスタを構成し、チャネル領域の両側にp型イオンを高濃度に注入してチャネル領域の両側に、直接、p型不純物高濃度領域からなるソース・ドレイン領域を有するp−MOS薄膜トランジスタを構成する薄膜半導体装置の製造方法であって、
前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域を形成し、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域を形成した後、前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜全体に、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域に注入するn型イオンのドーズ量よりも小さいドーズ量でp型イオンを注入することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
N-type ions are implanted at a low concentration into the semiconductor thin film to form n-type impurity low-concentration regions on both sides of the channel region, and n-type ions are implanted on the opposite side of each of the n-type impurity low-concentration regions to the channel region. An n-MOS thin film transistor having a source / drain region comprising the n-type impurity low-concentration region and the n-type impurity high-concentration region is formed by injecting the impurity into the n-type impurity high-concentration region. A p-type thin film semiconductor device comprising a p-MOS thin film transistor having a source / drain region comprising a p-type impurity high-concentration region directly on both sides of a channel region by implanting p-type ions at a high concentration.
After forming an n-type impurity low concentration region and an n-type impurity high concentration region of the n-MOS thin film transistor and forming a p-type impurity high concentration region of the p-MOS thin film transistor , the n-MOS thin film transistor and the p-MOS A thin-film semiconductor device, wherein p-type ions are implanted into a whole semiconductor thin film constituting a thin-film transistor at a dose smaller than that of n-type ions implanted into an n-type impurity low-concentration region of the n-MOS thin-film transistor. Manufacturing method.
請求項1記載の発明において、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域に注入するn型イオンのドーズ量は5×1013atm/cmであり、前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜に注入するp型イオンのドーズ量は2×1013atm/cmであることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。2. The n-MOS thin film transistor and the p-type MOS transistor according to claim 1, wherein the dose of n-type ions implanted into the n-type impurity low concentration region of the n-MOS thin film transistor is 5 × 10 13 atm / cm 2. A method for manufacturing a thin film semiconductor device, wherein the dose of p-type ions implanted into a semiconductor thin film forming a MOS thin film transistor is 2 × 10 13 atm / cm 2 . 請求項1記載の発明において、前記n−MOS薄膜トランジスタのn型不純物低濃度領域およびn型不純物高濃度領域へのn型イオンの注入、前記p−MOS薄膜トランジスタのp型不純物高濃度領域へのp型イオンの注入および前記n−MOS薄膜トランジスタおよび前記p−MOS薄膜トランジスタを構成する半導体薄膜へのp型イオンの注入は、前記半導体薄膜上に保護膜を形成し、該保護膜を介して行うことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。2. The invention according to claim 1, wherein n-type ions are implanted into an n-type impurity low concentration region and an n-type impurity high concentration region of the n-MOS thin film transistor, and p-type ions are implanted into a p-type impurity high concentration region of the p-MOS thin film transistor. The implantation of p-type ions and the implantation of p-type ions into the semiconductor thin film forming the n-MOS thin film transistor and the p-MOS thin film transistor are performed by forming a protective film on the semiconductor thin film and through the protective film. A method for manufacturing a thin-film semiconductor device. 請求項記載の発明において、すべてのイオンを注入後、前記保護膜を剥離し、不純物の活性化を行うことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 3 , wherein after all the ions are implanted, the protective film is peeled off to activate the impurities. 請求項記載の発明において、不純物の活性化を行った後、ゲート絶縁膜を形成することを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 4 , wherein a gate insulating film is formed after activating the impurities.
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