DE68908219T2

DE68908219T2 - Dünnfilm-Transistor.

Info

Publication number: DE68908219T2
Application number: DE1989608219
Authority: DE
Inventors: John Batey; Raily V Joshi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1989-02-25
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2009-02-26
Also published as: JPH0691108B2; EP0334052A3; JPH029136A; EP0334052B1; EP0334052A2; DE68908219D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Dünnfilmtransistoren und im einzelnen auf Dünnfilm-Feldeffekttransistoren aus amorphem Silizium mit metallischen Quellen-/Senkengebieten niedrigen Widerstands.
Die Dünnfilmtransistortechnik ist heute die bevorzugte Technik zur Adressierung aktiver Elemente in großflächigen Flachanzeigeeinrichtungen. Eine Vielzahl von Schaltelementen, von denen jedes aus einem Dünnfilmtransistor besteht, wird auf einem Isoliersubstrat in einer Matrixkonfiguration gebildet. Die Matrix der Dünnfilmtransistoren dient als Schaltelement für Bildelemente in Flüssigkristall-, Elektrolumineszenz- und Elektrochrom-Flachanzeigeeinrichtungen. Bei der Herstellung von Flachanzeigesystemen sind die Kosten für Silizium- oder Quarz-Substrate sehr hoch. Dies gilt insbesondere für große Anzeigen mit Abmessungen von über 14 Zoll. Um die Herstellungskosten zu senken, wurde versucht, Silizium durch einfache Glassubstrate zu ersetzen. Die Verwendung von Glas kann jedoch problematisch werden, wenn polykristallines Silizium als Halbleitermaterial in dem Dünnfilmtransistor verwendet wird. Normalerweise benötigt polykristallines Silizium Niederschlagstemperaturen von 600ºC, die sich nachteilig auf das Glas auswirken, bis zu einem Punkt, wo dieses zu schmelzen beginnen würde. Aus diesem Grund hat man sich im großen Maßstab der Erforschung des amorphen Siliziums als Halbleiterschicht in den Dünnfilmtransistoren mit Glas-Substraten gewidmet. Die amorphe Siliziumschicht wird durch PECVD-Techniken bei Temperaturen von 350ºC oder weniger, was im allgemeinen von dem Glasmaterial toleriert wird, gebildet. Trotzdem sind bei der Fertigung von Dünnfilmtransistoren mit amorphem Silizium nach dem bisherigen Stand der Technik Nachteile entstanden. Eines der Hauptprobleme dieser Technik ist die Bildung metallischer Kontakte mit niedrigem Widerstand zu dem eigenleitenden amorphen Siliziumbereich. Ein zweites Problem stellt der Serienwiderstand in Zusammenhang mit dem amorphen Silizium als Ganzes dar. Die oben genannten und andere Mängel der Bauteile nach dem bisherigen Stand der Technik sollen unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ausführlicher beschrieben werden.
Figur 1 ist ein Querschnitt eines Dünnfilmtransistors 10 mit invertiertem Gate, auf dem ein Substrat 12 und ein Metall- Gate 14 angeordnet ist. Eine Isolatorschicht 16 ist auf dem Substrat 12 und dem Gate 14 angeordnet. Eine Schicht aus Halbleitermaterial 18 ist auf der Isolatorschicht 16 angeordnet. Eine zweite Isolatorschicht 20 ist auf der Halbleiterschicht 18 angeordnet und die Quellen- und Senken-Elektroden 22 und 24 sind in Verbindungslöchern angeordnet, die in die Isolatorschicht 20 geätzt sind.
Der in Figur 1 dargestellte Dünnfilmtransistor arbeitet als Feldeffekt-Transistor mit invertiertem Gate, indem eine Spannung an die Gate-Elektrode 14 angelegt wird. Das Anlegen der Spannung bewirkt die Bildung eines Kanals (angegeben mit 26), zwischen der Quellenelektrode 22 und der Senkenelektrode 24 an der Schnittstelle zwischen der Isolatorschicht 16 und der Halbleiterschicht 18. In der Struktur mit invertiertem Gate der Figur 1 haben die Quellen- und Senkenkontakte 22, 24 zu dem Kanal 26 einen Abstand entsprechend der Dicke der Halbleiterschicht, der im allgemeinen im Bereich von 2000 Angström (10 Angström = /nm) liegt. Dieser Abstand stellt einen wesentlichen zusätzlichen Widerstand in der Größenordnung von mehreren Megaohm im Transistor dar, der die Leistung des Bauteils nachteilig beeinflußt. Nach dem bisherigen Stand der Technik konnte die Bildung der Quellen- und Senkenelektroden innerhalb der Halbleiterschicht nur mit den Hochtemperaturverfahren der Ionenimplantation und Ionendiffusion erreicht werden. Wie oben erwähnt, sind hohe Temperaturen bei der Verwendung von Glas-Substraten aber nicht erwünscht. Außerdem würde, wenn amorphes Silizium als Halbleitermaterial verwendet wird, das hieraus entstehende Bauteil nicht funktionieren, da die zur Ionenimplantation und -diffusion erforderlichen hohen Temperaturen den enthaltenen Wasserstoff heraustreiben würden und die Eigenschaften des amorphen Siliziums somit verlorengingen. EP-A-0 197 591 zeigt die Verwendung eines refraktären Metallsilizids für Quellen- und Senkenelektroden in Dünnfilmtransistoren.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines Dünnfilmtransistors mit nicht invertiertem Gate mit darauf angeordnetem Glas-Substrat 28 und einer Halbleiterschicht 30. Die Quellen- und Senkenkontakte 32 und 34 werden auf der Halbleiterschicht 30 aufgebracht und eine Gate-Isolatorschicht 36 wird über der Halbleiterschicht 30 und den Quellen- und Senkenkontakten 32 und 34 aufgebracht. Eine metallische Gate-Elektrode 38 wird auf der Isolatorschicht 36 aufgebracht und komplettiert das Bauteil. Ähnliche Kanalkontaktprobleme bestehen auch bei dem Bauteil der Figur 2, da Eckfeldeffekte den Kontakt hemmen und den Widerstand erhöhen.
Zudem erfordert die Herstellung von Dünnfilm-FETs eine Justierung des Gate mit den Quellen- und Senkenelektroden. Wie in Figur 2 dargestellt, überlappt ein Teil des Gate 38 die Quellen- und Senkenelektroden. Eine äußerst präzise Justierung ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß das Gate die Quellen- und Senkenelektroden ausreichend überlappt. Diese Überlappung ist erforderlich, damit zwischen den Quellen- und den Senkenelektroden hohe Übertragungsleitwerte vorhanden sind. Die Überlappungen zwischen der Quelle und dem Gate und der Senkung und dem Gate sind jedoch ihrem Umfang nach begrenzt, um die Bildung großer Kapazitäten zwischen Quelle und Gate sowie Senkung und Gate zu verhindern, was zu unerwünschten Störkapazitäten führen würde.
Dementsprechend wurde eine optimale FET-Leistung durch eine genaue Justierung der Metallelektrode zu der Quellen- und Senkenelektrode erreicht. Dies gilt insbesondere bei der Herstellung eines Anzeigesystems, bei dem auch kleine Störeffekte nicht toleriert werden können. In der Herstellungspraxis sind diese strengen Justierungsanforderungen nicht einfach zu erfüllen. Eine Justierung bei Bauteilen, die auf großen Glas-Substraten gebildet werden, ist besonders schwer, da das Glas während der Verarbeitung dazu neigt, sich zu verformen, so daß Transistoren, die in einem Bereich des Substrats justiert sind, in einem anderen Substratbereich möglicherweise nicht justiert sind. Folglich ist eine typische Ausbeute bei der Herstellung eines Loses von Dünnfilm-FETs gewöhnlich geringer als gewünscht.
Zudem waren, wie bei dem Bauteil der Figur 1, Versuche, Bauteile herzustellen, bei denen Quelle und Senke in der unterhalb des Gate eindringenden Halbleiterschicht gebildet werden, bei Verwendung von amorphem Silizium auf einem Glas-Substrat nicht erfolgreich. Ein Eindringen wird durch Ionenimplantation durch Diffusion erreicht, wodurch die Eigenschaften des amorphen Siliziums zerstört werden.
Die vorliegende Erfindung zielt auf einen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor ab, in welchem die Quellen- und Senkenelektroden das Kanalgebiet direkt kontaktieren. Außerdem zielt die Erfindung auf Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren mit selbstjustierten Quellen- und Senkenelektroden in bezug auf die Gate-Elektrode ab. Die einzigartigen Merkmale der Erfindung werden sowohl in FETs mit invertiertem Gate als auch mit nicht invertiertem Gate offenbart. Außerdem zielt die Erfindung auf eine neue Methode zur Fertigung der Bauteile der Erfindung ab, in der die Quellen- und Senkenelektroden innerhalb der Halbleiterschicht aus einem metallischen Material gebildet werden.
Der Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung mit invertiertem Gate umfaßt eine auf einem Substrat angeordnete Gate-Elektrodenschicht. Eine erste Isolatorschicht ist auf dem Substrat und der Gate-Elektrode angeordnet. Eine Halbleiterschicht ist auf der Isolatorschicht angeordnet und innerhalb der Halbleiterschicht werden Quellen- und Senkenelektroden gebildet, die das Kanalgebiet oberhalb des Gate im wesentlichen kontaktieren. In dem Gebiet oberhalb der Gate-Elektrode weisen die Quellen- und die Senkenelektrode einen Abstand zueinander auf. Die Quellen- und die Senkenelektrode werden in einem einzigartigen Metallreduktionsverfahren gebildet, das im folgenden ausführlich beschrieben werden soll. Eine zweite Isolatorschicht ist auf der Halbleiterschicht angeordnet und reicht über das Gebiet zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode. Der Dünnfilm-FET der Erfindung mit invertiertem Gate überwindet die Mängel von Bauteilen nach dem bisherigen Stand der Technik. Im Betrieb bewirkt bei Einschalten des Kanals durch eine geeignete Gate-Spannung der direkte oder fast direkte Kontakt der Quellen- und Senkenelektroden mit dem Kanalgebiet hoher Elektronenkonzentration eine wesentliche Senkung des Widerstandes.
Der nicht invertierte Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung umfaßt eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht. Die Gate-Isolatorschicht ist auf einer Halbleiterschicht und die Gate-Elektrodenschicht ist auf der Gate-Isolatorschicht angeordnet. Quellen- und Senkenelektroden werden innerhalb der Halbleiterschicht in der Weise gebildet, daß die Quellen- und Senkenelektroden in einem Abschnitt des Gebiets unterhalb der Gate-Isolatorschicht einen Abstand zueinander aufweisen. Wie der weiter oben beschriebene Transistor mit invertiertem Gate überwindet der Dünnfilm-FET der Erfindung mit nicht invertiertem Gate die Mängel der Bauteile nach dem bisherigen Stand der Technik dadurch, daß der von den Quellen- und Senkengebieten zum Kanal hergestellte Kontakt nach Einschalten des Kanals einen ausreichend niedrigen Widerstand aufweisen sollte.
Die Quellen- und Senkenelektroden sowohl für die Dünnfilm- FETs der Erfindung mit invertiertem als auch für die mit nicht invertiertem Gate werden in einem Metall-Hexafluoridgas-Reduktionsverfahren hergestellt, um die Quellen- und Senkengebiete der Halbleiterschicht in jedem Bauteil in ein refraktäres Metall umzuwandeln. Bei dem angewandten Verfahren handelt es sich hierbei um das in der U.S. Patentanmeldung von R.V. Joshi, einem der Miterfinder der vorliegenden Erfindung, Serien-Nr. 157 026, offenbarte Verfahren (nachfolgend Joshi-Verfahren genannt) . Dieses Verfahren ist auch aus EP-A- 0 164 976 bekannt. Die oben genannte Patentanmeldung von Joshi wurde auf denselben Erwerber übertragen wie die vorliegende Patentanmeldung und ist hierin durch Bezugnahme enthalten. Bei dem Joshi-Verfahren handelt es sich um ein Reduktionsverfahren für refraktäres Metall ohne Eigenbegrenzung, in welchem eine Halbleiterschicht unter bestimmten Strömungsmengen-, Druck- und Temperaturbedingungen einem Metall-Hexafluoridgas ausgesetzt wird. Diese Bedingungen müssen so beschaffen sein, daß die Reaktion nicht länger eigenbegrenzend ist. In diesem Verfahren kann Silizium, unabhängig davon, ob es in einem einkristallinen, mehrkristallinen oder amorphen Zustand vorliegt, in ein Metall, zum Beispiel Wolfram, umgewandelt werden, und zwar entsprechend der folgenden Reaktion:
2WF&sub6; + 3Si T 2W + 3SiF&sub4; I
Nach dem Joshi-Verfahren kann jetzt durch Anpassung der Bedingungen für die chemische Aufdampfung, unter denen das WF&sub6;- Gas Silizium ausgesetzt wird, wie zum Beispiel Strömungsmenge, Druck und Temperatur, ein Halbleitermaterial mit einer Dicke, die größer ist als die, bei der bisher eine eigenbegrenzende Reaktion stattfand, vollständig in Wolfram umgewandelt werden. Die Reaktion kann bei niedrigen Temperaturen, zum Beispiel 350ºC oder weniger, durchgeführt werden und das entstehende Wolfram hat einen relativ niedrigen Widerstand. Alternativ kann die mit diesem Verfahren erreichbare gute Steuerbarkeit dazu verwendet werden, die Reaktion nach einer vorbestimmten Umwandlungstiefe zu stoppen. So können bei Dünnfilm-FETs mit invertiertem Gate die Elektroden in der Halbleiterschicht gebildet werden, wobei ein kleiner Pufferbereich zurückbleibt, der den Kanal abtrennt. Durch diesen nahezu direkten Kontakt werden einerseits mögliche Hochfeldprobleme in den Gate-Isolator-Quellen/Senkengebieten vermieden, andererseits wird jedoch immer noch ein guter Kanalkontakt erreicht. Außerdem ist die Reaktion im wesentlichen 100 % selektiv, und zwar dadurch, daß Isolatormaterialien wie SiO&sub2; und Si&sub3;N&sub4; überhaupt nicht reagieren und als eine Maske für den Entwurf verwendet werden können.
Die Anwendung des Joshi-Verfahrens zur Bildung der Quellen- und Senkenelektroden innerhalb der Haltleiterschicht der Strukturen ergibt selbstjustierte Überlappungen zwischen Quelle und Gate und Senkung und Gate. Abschnitte des Halbleitermaterials auf beiden Seiten des Kanalgebiets werden vollständig in Wolfram umgewandelt. Bei der Umwandlung wird bewirkt, daß das Wolfram unter das Gate-Oxid eindringt, da die Umwandlung isotropisch ist, das heißt die Umwandlung von Silizium in Wolfram geht gleichermaßen in die Breite wie auch in die Tiefe. Auf diese Weise kann die Breite des Kanalgebiets leicht gesteuert werden. Es sind keine Hilfsmittel, wie zum Beispiel Gate-Seitenwände, erforderlich, da das Silizium direkt in einer selbstjustierten Art und Weise in Wolfram um gewandelt wird.
Der direkte Kanalkontakt und die selbstjustierten TFTs der vorliegenden Erfindung werden durch die Anwendung des Joshi- Verfahrens mit niedriger Temperatur und ohne Eigenbegrenzung ermöglicht. Dies erweist sich insbesondere bei der Herstellung einer Matrix aktiver Elemente für Flachanzeigen unter Verwendung von Glas-Substraten als nützlich, die dazu neigen, sich während der Herstellung des Bauteils zu verformen. Die effektive Ausbeute der Dünnfilm-FETs entsprechend der Erfindung wird somit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik wesentlich verbessert.
Die Erfindung wird ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; es zeigt:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit invertiertem Gate nach dem bisherigen Stand der Technik.
Figur 2 einen schematischen Querschnitt eines Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit nicht invertiertem Gate nach dem bisherigen Stand der Technik.
Die Figuren 3a - 3d einen schematischen Querschnitt eines Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung mit invertiertem Gate, mit sequentieller Darstellung der Hauptfertigungsstufen.
Die Figuren 3e - 3h einen schematischen Querschnitt eines Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung mit invertiertem Gate, mit alternativen Ausführungsbeispielen der Fertigung.
Die Figuren 4a - 4c schematische Querschnitte eines nicht invertierten Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung, die sequentiell die Hauptfertigungsstufen zeigen.
Die Figuren 5a und 5b schematische Querschnitte eines Dünnfilm-FET der vorliegenden Erfindung mit nicht invertiertem Gate, mit sequentieller Darstellung der Hauptfertigungsstufen eines alternativen Ausführungsbeispiels.
Die vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren, sowohl mit invertiertem Gate als auch mit nicht invertiertem Gate, bei denen ein direkter oder beinahe direkter Kontakt der Quellen- und Senkenelektroden zum Kanalgebiet besteht. Zusätzlich werden bei der Fertigung eines Typs von Dünnfilm-FET der Erfindung die Quellen- und Senkenelektroden innerhalb der Halbleiterschicht durch eine Methode gebildet, die eine Selbstjustierung mit der Gate- Elektrode ermöglicht. Durch den direkten oder fast direkten Kontakt mit dem Kanalgebiet wird der Serienwiderstand der Bauteile nach dem bisherigen Stand der Technik wesentlich reduziert, wodurch die Leistung der Bauteile verbessert wird. Durch die Selbstjustierung werden die Produktionskosten wesentlich gesenkt, insbesondere dann, wenn mehrere hundert Dünnfilm-FETs der Erfindung auf einem großen Glas-Substrat zur Verwendung in einer Flachanzeige hergestellt werden.
Die Herstellung der Dünnfilm-Transistoren (TFT) der vorliegenden Erfindung macht das oben genannte Metall-Hexafluorid- Reduktionsverfahren ohne Eigenbegrenzung von Joshi nutzbar. In diesem Verfahren, das in der U.S. Patentanmeldung, Serien- Nr. 157 026 offenbart wurde und hierin durch Bezugnahme enthalten ist, wird Halbleitermaterial in einem CVD-Verfahren in ein refraktäres Metall umgewandelt, indem der Halbleiter unter bestimmten Strömungsmengen-, Druck- und Temperaturbedingungen einem Metall-Hexafluoridgas ausgesetzt wird, wobei diese Bedingungen ausreichen, um die Reaktion zu einer Reaktion ohne Eigenbegrenzung zu machen. So können entsprechend dem Joshi-Verfahren Siliziumdicken, ob einkristallin, mehrkristallin oder amorph, die größer sind als die Dicken, bei denen bisher eine Eigenbegrenzung des Reduktionsverfahrens auftrat, vollständig in ein refraktäres Metall, zum Beispiel Wolfram, umgewandelt werden, und zwar entsprechend der Reaktion:
2WF&sub6; + 3Si T 2W + 3SiF&sub4; I (1)
Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu; die Figuren 3a - 3d zeigen die Hauptfertigungsstufen zur Bildung eines TFT der vorliegenden Erfindung mit invertiertem Gate. Wie in Figur 3a dargestellt, ist ein Isoliersubstrat 40 mit einem Metall- Gate 42 ausgestattet und eine Isolatorschicht 44 ist auf dem Substrat 40 und dem Gate 42 angeordnet. Das Isoliersubstrat 40 kann aus jedem beliebigen nicht dotierten Halbleitermaterial oder aus Glas, beispielsweise Corning 7059, bestehen. Das Metall-Gate-Muster wird mit Standardtechniken festgelegt, zum Beispiel durch Sputtern oder Verdampfung und Photolithographie. Jedes beliebige Metall, das als Gate-Leiter geeignet ist, kann verwendet werden, zum Beispiel Mo, Ni, Cr, NiCr, Al, CrCu und MoTa. Die Isolatorschicht 44 wird darauf mit einem beliebigen Niederschlagsverfahren, zum Beispiel durch chemische Aufdampfung, aufgebracht.
Wie in der Figur 3b dargestellt, wird eine Schicht aus Halbleitermaterial 46 auf der Isolatorschicht 44 niedergeschlagen. Die Halbleiterschicht wird ebenfalls mit Hilfe von Standard-Niederschlagstechniken aufgebracht. Das Halbleitermaterial in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht aus Silizium und kann in einem einkristallinen, einem mehrkristallinen oder einem amorphen Zustand vorliegen. Zur Herstellung einer großen Flachanzeige, bei der das Substrat 40 aus Glas hergestellt ist, besteht das bevorzugte Material für die Halbleiterschicht 40 aus amorphem Silizium. Amorphes Silizium wird mit Hilfe von Silangas niedergeschlagen, die Schicht 46 ist daher hydriert. Der Niederschlag kann bei Temperaturen von 350ºC oder weniger, die für das Glas-Substrat günstige Bedingungen darstellen, erfolgen.
Wie in Figur 3c dargestellt, wird eine zweite Schicht Isolatormaterial 48 auf der Halbleiterschicht 46 niedergeschlagen und die Verbindungslöcher 50 und 52 können, um die Quellen- und Senkengebiete 54 und 56 der Halbleiterschicht 46 freizulegen, mit jeder bekannten Technik geätzt werden, zum Beispiel Trocken- oder Naßätzung. Die in Figur 3c dargestellte Struktur wird dann entsprechend dem oben genannten Joshi-Verfahren dem Metall-Hexafluoridgas ausgesetzt, um die Gebiete 54 und 56 gezielt in ein refraktäres Metall umzuwandeln. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Figur 3d werden die Gebiete 54 und 56 vollständig in das refraktäre Metall, zum Beispiel Wolfram, umgewandelt, so daß die Gebiete Quellen- und Senkenelektroden 54' und 56' bilden, die das Kanalgebiet 58 kontaktieren. Ein Teil der Schicht 46, die über dem Metall-Gate 58 verläuft, wird gemäß Figur 3d in Wolfram umgewandelt. Die Dicke der Schichten kann je nach Anwendung stark variieren. Da das Joshi-Verfahren keine Eigenbegrenzung aufweist, gibt es keine Beschränkung in bezug auf die Dicke des umzuwandelnden Halbleitermaterials.
Alternativ kann die Umwandlungstiefe der Gebiete 54 und 56 durch Anpassen der Prozeßparameter gesteuert werden, einschließlich der Reaktionszeit, um die Reaktion nach einer vorbestimmten Umwandlungstiefe zu stoppen. Wie in Figur 3e dargestellt, besteht zwischen den Refraktärmetall-Elektroden 54'' und 56'' und dem Kanalgebiet 58 ein Abstand 54''' und 56'''. Dieser Abstand sollte unter 500 Angström liegen und kann bis zu 100 Angström schmal sein. Der Abstand würde eventuell auftretende Hochfeldprobleme in den Gate-Isolator- Quellen/Senkengebieten vermeiden, wobei jedoch gleichzeitig ein guter Kanalkontakt gewährleistet ist.
Nachdem im Betrieb der Kanal durch eine geeignete Gate-Spannung eingeschaltet ist, bewirkt der direkte oder fast direkte Kontakt durch die Refraktärmetall-Elektroden zum Kanalgebiet hoher Elektronenkonzentration einen ausreichend niedrigen Widerstand. Der Widerstand ist wesentlich niedriger als die 4 Megaohm des weiter oben beschriebenen Bauteils nach dem bisherigen Stand der Technik. Je nach Anwendung und Dicke des in Metall-Quellen-/Senkenelektroden umgewandelten Materials kann der Widerstand auf vernachlässigbare Größen reduziert werden. Durch Ausschaltung des Abstands zwischen den Quellen- und den Senkenelektroden und dem Kanalgebiet in der Halbleiterschicht aus amorphem Silizium bei den TFTs nach dem bisherigen Stand der Technik wird der Gesamtwiderstand des amorphen Siliziums zu einem unbedeutenden Faktor. Somit verbessert die Anwendung des Joshi-Verfahrens zur Bildung der Quellen- und Senkenelektroden innerhalb der amorphen Siliziumschicht die Leistung des Bauteils beträchtlich.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel zeigen die Figuren 3f - 3h, in die nach Bildung des Bauteils gemäß 3b ein großflächiges Verbindungsloch 60 geätzt wird, siehe Figur 3f. Das gesamte Substrat wird dann dem Refraktärmetall-Hexafluoridgas entsprechend dem Joshi-Verfahren ausgesetzt, um weniger als die volle Tiefe des Gebiets 62 in das refraktäre Metall 62' umzuwandeln. Wie in Figur 3g dargestellt, bleibt ein nicht umgewandelter Bereich 63 aus amorphem Silizium bestehen. Das gesamte metallische Gebiet 62' wird dann weggeätzt und eine Isolatorschicht 64 wird über dem Gate 42 aufgebracht. Das verbleibende freiliegende, nicht umgewandelte Gebiet 63 aus amorphem Silizium wird durch das Joshi-Verfahren in ein refraktäres Metall 65, zum Beispiel Wolfram, umgewandelt, wie in Figur 3h dargestellt. Somit ist das verbleibende Gebiet 63 aus amorphem Silizium selektiv dünner, wodurch nachteilige photoleitende Effekte reduziert werden. Zudem verbleibt das amorphe Silizium 46, welches das Bauteil umgibt, in seiner ursprünglichen Dicke bestehen, was bei einer Flachanzeige- Anwendung zur Verhinderung von Kurzschlüssen des Gate-Metalls wünschenswert ist.
Die Figuren 4a - 4c zeigen die wichtigsten Fertigungsstufen zur Bildung eines TFT der vorliegenden Erfindung mit nicht invertiertem Gate. Wie in Figur 4a dargestellt, wird ein Isolier-Substrat 66 hergestellt und die Schichten 68 aus Halbleitermaterial, die Schicht 70 aus isolierendem Material, die Schicht 72 aus Halbleitermaterial und die Schicht 74 aus Isolatormaterial werden nacheinander mit Hilfe von Standard- Niederschlagstechniken aufgebracht. Die Stapelstruktur der Figur 4a kann nacheinander in einem einfachen Auspumpvorgang mit Hilfe des PECVD-Verfahrens gebildet werden. Danach wird, wie in Figur 4b dargestellt, ein mehrschichtiges Gate- Gebiet 76 sowie die Quellen- und Senkengebiete 78 und 80 auf beiden Seiten des Gate-Gebiets 76 festgelegt. Zur Festlegung der Gate-, Quellen- und Senkengebiete sind zwei photolithographische Schritte erforderlich. Es ist nicht erforderlich, daß die Justierung dieser Gebiete peinlich genau vorgenommen wird, und es können große Toleranzen eingebaut werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur 4b umfaßt das Gate-Gebiet 76 eine Isolierschicht 82, die auf der Halbleiterschicht 68 angeordnet ist, und eine Schicht 84 aus Halbleitermaterial, die auf der Isolierschicht 82 angeordnet ist. Wie bereits oben angemerkt, können die isolierenden Schichten aus SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;, die Halbleiterschichten aus kristallinem oder amorphem Silizium bestehen. Das isolierende Substrat kann aus jedem beliebigen eigenleitenden Halbleiter oder einem Glas bestehen.
Die Struktur der Figur 4b wird dann entsprechend dem oben genannten Joshi-Verfahren unter geeigneten Bedingungen dem Refraktärmetall-Hexafluoridgas ausgesetzt, so daß sowohl die Gate-Schicht 84 als auch die Quellen- und Senkengebiete 78 und 80 gleichzeitig in das refraktäre Metall umgewandelt werden. Wie in Figur 4c unter Reaktion 1 dargestellt, werden die Schicht 84 und die Gebiete 78 und 80 in Wolfram umgewandelt. Aufgrund der Selektivität der Reaktion wird die Umwandlung der Gate-Schicht 84 in Wolfram automatisch an der Verbindungsstelle der Gate-Isolatorschicht 82 unterbrochen. Die Tiefe der Quellen- und Senkenumwandlung kann außerdem durch die Zeitdauer bestimmt werden. Der Umwandlungsprozeß ist isotropisch und verläuft sowohl seitlich als vertikal. Somit wird ein Teil des Halbleitermaterials 68 unter der Isolatorschicht 82 in das refraktäre Metall umgewandelt, so daß in dem Verfahren selbstjustierte mit dem Metall-Gate überlappende Quellen- und Senkengebiete entstehen. Der Grad der Überlappung hängt von der Umwandlungstiefe der Quellen- und Senkengebiete ab. Typischerweise liegt die Überlappung in der Größenordnung von einem Mikron, kann jedoch möglicherweise bis auf 1000 Angström verkleinert werden. Die Selbsjustierung der Quellen- und Senkenelektroden mit dem Metall-Gate sorgt für die korrekte Justierung, ohne daß kostspielige und zeitaufwendige optische Justierungstechniken erforderliche sind, wie sie gegenwärtig bei der Aufbringung von Metall-Gates nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet werden. Dies ist besonders nützlich, wenn eine Vielfalt unterschiedlicher TFTs auf einer großen Flachanzeige-Matrixanordnung (mehr als 14 Zoll) hergestellt wird. Zusätzlich bewirkt der direkte Kontakt der Refraktärmetall-Quellen- und Senkenelektroden 78 und 80 mit dem Kanalgebiet 86 bei Einschalten des Kanals einen ausreichend niedrigen Widerstand, der je nach Anwendung bis auf fast Null reduziert werden kann.
Die Figuren 5a und 5b zeigen eine Alternativmethode der Erfindung zur Fertigung von TFTs mit nicht invertiertem Gate. Eine Halbleiterschicht 68 und eine Isolatorschicht 70 werden mit Hilfe des PECVD-Verfahrens auf dem Glas-Substrat 66 aufgebracht. Auf dem Isolator 70 wird durch Sputtern oder Verdampfung ein Metall-Gate 88 gebildet. Typische Gate-Metalle entsprechen denen, die weiter oben für das Metall-Gate der Struktur mit invertiertem Gate beschrieben wurden. Wie in Figur 5b dargestellt, dient das Metall-Gate 88 dann als Ätzmaske für das Ätzen der Quellen- und Senkenverbindungslöcher 90 und 92. Die Struktur wird dann dem Joshi-Verfahren unterzogen und die Gebiete 94 und 96 werden selektiv in das refraktäre Metall umgewandelt. Das selbstjustierte Verfahren ist für die Herstellung großflächiger Flachanzeigen unter Anwendung der TFT-Technik höchst wünschenswert und möglicherweise sogar notwendig.
Die Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren der Erfindung weisen einen direkten oder fast direkten Kontakt der metallischen Quellen- und Senkenelektroden zu dem Kanalgebiet auf, wodurch der Serienwiderstand der Transistoren wesentlich reduziert wird. Die Reduzierung des Widerstands verbessert die Leistung beträchtlich. Die verbesserte Leistung erhöht den Anwendungsbereich der TFTs der Erfindung deutlich, insbesondere bei der Anwendung in Flachanzeigen.

Claims

1. Ein Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor mit invertiertem Gate, folgendes umfassend:

eine Gate-Elektrodenschicht (42), die auf einem Substrat (40) angeordnet ist;

eine erste Isolatorschicht (44), die auf dem genannten Substrat und der genannten Gate-Elektrode angeordnet ist;

eine Halbleiterschicht (46), die auf der genannten Isolatorschicht angeordnet ist;

Quellen- und Senkenelektroden (54', 56'), die innerhalb der genannten Halbleiterschicht aus einem refraktären Metall gebildet werden, wobei die genannten Quellen- und Senkenelektroden in dem Gebiet über der genannten Gate-Elektrode einen Abstand zueinander aufweisen;

eine zweite Isolatorschicht (48), die auf der genannten Halbleiterschicht angeordnet ist und sich über das Gebiet zwischen der genannten Quellen- und Senkenelektrode erstreckt.

2. Ein Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor, der folgendes umfaßt:

eine Halbleiterschicht (68), die auf einem Substrat (66) angeordnet ist;

eine Gate-Isolatorschicht (70), die auf der genannten Halbleiterschicht angeordnet ist;

eine Gate-Elektrodenschicht (72), die auf der genannten Gate-Isolatorschicht angeordnet ist; und

Quellen- und Senkenelektroden (78, 80), die innerhalb der genannten Halbleiterschicht gebildet werden, wobei die genannten Quellen- und Senkenelektroden in einem Abschnitt des Gebiets unter der genannten Gate-Isolatorschicht einen Abstand zueinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Quellen- und Senkenelektroden aus einem refraktären Metall gebildet sind.

3. Der Dünnfilm-Transistor aus Anspruch 1 oder 2, bei dem die Halbleiterschicht einen einkristallinen Zustand, einen mehrkristallinen Zustand oder einen amorphen Zustand aufweisen kann.

4. Der Dünnfilm-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem es sich bei dem refraktären Metall um Wolfram handelt.

5. Der Dünnfilm-Transistor aus einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem es sich bei dem Substrat um Glas handelt.

6. Der Dünnfilm-Transistor des Anspruchs 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, in welchem die Quellen- und Senkenelektroden, die innerhalb der Halbleiterschicht gebildet werden, die Isolatorschicht kontaktieren.

7. Der Dünnfilm-Transistor des Anspruchs 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, in welchem die Quellen- und Senkenelektroden, die innerhalb der Halbleiterschicht gebildet werden, von der genannten ersten Isolatorschicht (44) durch eine dünne Schicht der genannten Halbleiterschicht getrennt sind.

8. Der Dünnfilm-Transistor des Anspruchs 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Abstand zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode und der ersten Isolatorschicht (44) im Bereich 10 bis 50 nm liegt.

9. Eine Methode zur Herstellung eines selbstjustierten Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors gemäß Anspruch 2, die folgende Schritte umfaßt:

Herstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Schicht aus Halbleitermaterial;

Bilden eines mehrschichtigen Gate-Gebiets auf der genannten Halbleiterschicht, wodurch die Quellen- und Senkengebiete der genannten Halbleiterschicht zu beiden Seiten des genannten Gate-Gebiets festgelegt werden;

durch chemische Reaktion, selektives Umwandeln der Quellen- und Senkengebiete des genannten Halbleitermaterials in ein refraktäres Metall zur Bildung selbstjustierter Quellen- und Senkenelektroden, die in einem Abschnitt des Halbleitermaterials unter den genannten Gate-Gebieten einen Abstand zueinander aufweisen.

10. Die Methode des Anspruchs 9, in der das mehrschichtige Gate-Gebiet mit einer ersten Schicht aus Isolatormaterial gebildet wird, die auf der genannten Halbleiterschicht angeordnet ist, und einer zweiten Schicht aus Halbleitermaterial, die auf der genannten Isolatorschicht angeordnet ist, und in der die genannte zweite Schicht aus Halbleitermaterial, durch eine chemische Reaktion, gleichzeitig mit der Umwandlung der genannten Quellen- und Senkengebiete in das genannte refraktäre Metall umgewandelt wird.

11. Die Methode des Anspruchs 9 oder 10, in der das mehrschichtige Gate-Gebiet mit einer ersten Schicht Isolatormaterial gebildet wird, die auf der genannten Halbleiterschicht angeordnet ist, und einer zweiten Schicht aus Metall, die auf der genannten ersten Schicht angeordnet ist, wodurch ein Metall-Gate gebildet wird, und in der das genannte Metall-Gate als eine Maske zur Festlegung der Quellen- und Senkengebiete dient.

12. Eine Methode zur Herstellung eines Dünnfilm-Feldeffekt- Transistors mit invertiertem Gate, gemäß Anspruch 1 die folgende Schritte umfaßt:

Herstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Gate-Elektrodenschicht und einer ersten Isolatorschicht, die auf der genannten Elektrodenschicht und dem genannten Substrat angeordnet ist;

Aufbringen einer Schicht aus Halbleitermaterial auf der genannten Isolatorschicht;

Aufbringen einer zweiten Schicht aus Isolatormaterial auf der genannten Halbleiterschicht und Ätzen von Quellen- und Senkenverbindungslöchern in die genannte zweite Isolier-Schicht, um Quellen- und Senkengebiete der genannten Halbleiterschicht freizulegen;

durch eine chemische Reaktion, selektives Umwandeln der durch die genannten Verbindungslöcher freigelegten Halbleiterschicht in ein refraktäres Metall, um dadurch innerhalb der genannten Halbleiterschicht Quellen- und Senkenelektroden zu bilden, wobei die genannten Quellen- und Senkenelektroden in dem Gebiet über der genannten Gate-Elektrode einen Abstand zueinander aufweisen.

13. Eine Methode nach Anspruch 12, die folgende Schritte umfaßt:

Aufbringen einer zweiten Schicht aus isolierendem Material auf der genannten Halbleiterschicht und Ätzen eines Verbindungsloches in die genannte zweite Isolier- Schicht, um ein Gebiet der genannten Halbleiterschicht freizulegen;

durch eine chemische Reaktion, selektives Umwandeln des durch das genannte Verbindungsloch freigelegten Gebiets der genannten Halbleiterschicht in ein refraktäres Metall bis zur einer Tiefe, die unter der Gesamtdicke der Schicht liegt;

Ätzen des refraktären Metalls, um eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial freizulegen, und Aufbringen einer dritten Schicht aus isolierendem Material über der Gate-Elektrode, um die Quellen- und Senkengebiete auf beiden Seiten der genannten dritten Schicht festzulegen; und

selektives Umwandeln der Quellen- und Senkengebiete in ein refraktäres Metall, um metallische Quellen- und Senkenelektroden zu bilden.

14. Die Methode nach einem der Ansprüche 9 bis 13, in der die Halbleiterschicht, durch eine chemische Reaktion, in ein refraktäres Metall umgewandelt wird, indem die Halbleiterschicht einem Refraktärmetall-Hexafluoridgas ausgesetzt wird.

15. Die Methode des Anspruches 14, in der es sich bei dem Metall-Hexafluoridgas um WF&sub6; handelt und die Quellen- und Senkenelektroden in W umgewandelt werden.

16. Die Methode des Anspruchs 14 oder 15, in der die Schicht des Halbleitermaterials eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke, bei der die Reaktion zwischen dem genannten Halbleiter und dem genannten Refraktärmetall-Hexafluorid eigenbegrenzend ist, und in der die Halbleiterschicht dem Metall-Hexafluoridgas unter Strömungsmengen-, Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt wird, die ausreichen, um die Eigenbegrenzung der genannten Reaktion aufzuheben.

17. Die Methode nach einem der Ansprüche 12 bis 16, in der die Gesamtdicke der Halbleiterschicht, durch chemische Reaktion, in das genannte refraktäre Metall umgewandelt wird, so daß die genannten Quellen- und Senkenelektroden mit der genannten ersten Isolier-Schicht Kontakt haben.

18. Die Methode des Anspruchs 17, in der die Quellen- und Senkenelektroden ein Kanalgebiet innerhalb der Isolier- Schicht kontaktieren, was ausreicht, um einen Serienwiderstand in dieser auf fast Null zu reduzieren.

19. Die Methode nach einem der Ansprüche 12 bis 16, in der weniger als die Gesamtdicke der Halbleiterschicht durch eine chemische Reaktion in das genannte refraktäre Metall umgewandelt wird, so daß die genannten Quellen- und Senkenelektroden zu der genannten ersten Isolier- Schicht einen Abstand aufweisen.