JP2011054897A - Thin film transistor and display device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜トランジスタ及び表示装置に係わり、特に、液晶ディスプレイ等の電子デバイスにマトリクス状に配置される薄膜トランジスタの特性を安定化した表示装置に関する。 The present invention relates to a thin film transistor and a display device, and more particularly to a display device in which characteristics of thin film transistors arranged in a matrix in an electronic device such as a liquid crystal display are stabilized.
液晶ディスプレイパネル等の駆動回路として用いられる薄膜トランジスタ(以下、TFTと略記する)基板は、同一パネル上のTFT特性にバラつきがあると表示不良となる。液晶ディスプレイの性能を左右するTFT特性には、TFT動作時の電流(オン電流)、TFT非動作時の電流(オフ電流)、しきい値電圧(以後、Vth)等がある。画像デバイスに用いられるTFTパネルは、半導体のメモリ素子と同様にアレイ状にTFTが並んでいるが、メモリと異なり、アレイ状に並んだ個々のTFT特性がそのまま画質に影響を及ぼす。したがって、同一パネル内のTFTは全て同一の特性であることが求められ、TFT特性のバラつきは最小限に抑える必要がある。 A thin film transistor (hereinafter abbreviated as “TFT”) substrate used as a driving circuit for a liquid crystal display panel or the like has a display defect if the TFT characteristics on the same panel vary. The TFT characteristics that influence the performance of the liquid crystal display include a current during TFT operation (ON current), a current during TFT non-operation (OFF current), a threshold voltage (hereinafter referred to as Vth), and the like. A TFT panel used for an image device has TFTs arranged in an array like a semiconductor memory element. However, unlike a memory, individual TFT characteristics arranged in an array directly affect the image quality. Therefore, all TFTs in the same panel are required to have the same characteristics, and variations in TFT characteristics need to be minimized.
特に、最近では、液晶パネルの製造に用いられるガラス基板の大形化が進み、基板面内のTFT特性の均一化が課題となっている。この基板面内のTFT特性を均一化する技術として、特許文献1に記載の薄膜トランジスタの製造方法がある。この独狐文献1に記載の技術では、微結晶シリコンと非晶質シリコンの2層でチャネル層を形成することにより、しきい値電圧等の特性変動を少なくする構成としている。
In particular, recently, a glass substrate used for manufacturing a liquid crystal panel has been increased in size, and the uniformity of TFT characteristics within the substrate surface has become an issue. As a technique for making the TFT characteristics in the substrate surface uniform, there is a method of manufacturing a thin film transistor described in
特許文献1に記載の技術は、逆スタガー型薄膜トランジスタの製造方法において、光−熱変換膜とバッファー層を形成し、その下層のアモルファスシリコン層をレーザにより微結晶化させる方法でバラつきを抑制する方法を開示している。
The technique described in
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、一旦形成した光−熱変換膜とバッファー層を、シリコン微結晶化の後に除去しなければならず、プロセスが複雑化してしまうことが懸念される。
However, in the technique described in
また、TFTのVth変動を引き起こす原因の一つに膜中の欠陥がある。膜中欠陥が存在すると、固定電荷となりVthシフトを引き起こすことが知られている。ただし、TFTを構成する膜中に欠陥が発生した場合であっても、その欠陥が基板面内に一様に存在していれば、基板面内でVthシフトが一様に起こるため、TFT特性のばらつきは起こらないと考えられる。 Further, one of the causes that cause the Vth variation of the TFT is a defect in the film. It is known that if there is a defect in the film, it becomes a fixed charge and causes a Vth shift. However, even if a defect occurs in the film constituting the TFT, if the defect exists uniformly in the substrate surface, the Vth shift occurs uniformly in the substrate surface. It is considered that there is no variation.
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、薄膜トランジスタの膜中に発生する欠陥を低減させると共に、基板面内における欠陥発生位置のバラつきを低減させることが可能な薄膜トランジスタ及びそれを用いた表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to reduce defects generated in the thin film transistor film and to reduce variations in defect occurrence positions in the substrate surface. It is an object to provide a thin film transistor and a display device using the same.
(1)前記課題を解決すべく、ドレイン領域及びソース領域が形成される半導体層と、前記半導体層の下層に形成され前記半導体層への不純物の混入を防止するシリコン酸化膜層と、前記シリコン酸化膜層の下層に形成され前記半導体層への不純物の混入を前記シリコン酸化膜層と共に防止するシリコン窒化膜層とを備える薄膜トランジスタであって、前記シリコン酸化膜層は、前記シリコン窒化膜層の上層に形成される第1のシリコン酸化膜界面層と、前記第1のシリコン酸化膜の上層に形成されるシリコン酸化膜バルク層と、前記シリコン酸化膜バルク層の上層に形成される第2のシリコン酸化膜界面層とから形成され、前記第1のシリコン酸化膜界面層がシリコン酸窒化膜からなり、前記第2のシリコン酸化膜界面層が酸素欠損シリコン酸化膜からなる薄膜トランジスタである。 (1) In order to solve the above problem, a semiconductor layer in which a drain region and a source region are formed, a silicon oxide film layer formed under the semiconductor layer to prevent impurities from being mixed into the semiconductor layer, and the silicon A thin film transistor including a silicon nitride film layer that is formed under the oxide film layer and prevents impurities from entering the semiconductor layer together with the silicon oxide film layer, wherein the silicon oxide film layer is formed of the silicon nitride film layer. A first silicon oxide film interface layer formed as an upper layer; a silicon oxide film bulk layer formed as an upper layer of the first silicon oxide film; and a second layer formed as an upper layer of the silicon oxide film bulk layer. The first silicon oxide film interface layer is made of a silicon oxynitride film, and the second silicon oxide film interface layer is an oxygen deficient silicon layer. A thin film transistor made of an oxide film.
(2)前記課題を解決すべく、複数本の映像信号線と、前記映像信号線と交差する複数本の走査信号線と、前記走査信号線からの走査信号に応じて、前記映像信号線からの映像信号の取り込みを制御する(1)に記載の薄膜トランジスタとを備え、前記映像信号線と前記走査信号線とに囲まれた領域を画素の領域とする表示装置である。 (2) In order to solve the above-described problem, a plurality of video signal lines, a plurality of scanning signal lines intersecting with the video signal lines, and a scanning signal from the scanning signal line are used to output the video signal lines. And a thin film transistor according to (1) that controls the capture of the video signal, and a region surrounded by the video signal line and the scanning signal line is a pixel device.
本発明によれば、薄膜トランジスタの膜中に発生する欠陥を低減させると共に、基板面内における欠陥発生位置のバラつきを低減させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce defects generated in the thin film transistor film and to reduce variations in defect occurrence positions in the substrate surface.
本発明のその他の効果については、明細書全体の記載から明らかにされる。 Other effects of the present invention will become apparent from the description of the entire specification.
以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. However, in the following description, the same components are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted.
〈実施形態1〉
図1は本発明の実施形態1の薄膜トランジスタの全体構成を説明するための断面図であり、以下、図1に基づいて、実施形態1の薄膜トランジスタの構成を説明する。ただし、以下の説明では、ガラス基板と半導体層との間に形成される下地保護層であるシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の構成が異なるのみで、他の薄膜層の構成は従来と同様の構成となる。従って、以下の説明では、下地保護層の構成を詳細に説明する。
<
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the thin film transistor of
図1に示すように、実施形態1の薄膜トランジスタは、ガラス基板1の上層にシリコン窒化膜2が形成される構成となっている。このシリコン窒化膜2の上層には本願発明に係わるシリコン酸化膜3が形成される構成となっている。実施形態1の薄膜トランジスタでは、シリコン窒化膜2とシリコン酸化膜3とからなる下地保護層を形成することにより、薄膜トランジスタ(TFT)の半導体層となる多結晶シリコン層へのNa(ナトリウム)やK(カリウム)などのイオンの混入を防止する構成としている。さらには、実施形態1のシリコン酸化膜3は、シリコン窒化膜2の上面を覆うように形成される3層の薄膜から構成され、シリコン窒化膜2の上層側すなわち透明基板1側から順番に、シリコン酸化膜下層界面層(第1のシリコン酸化膜界面層)3a、シリコン酸化膜バルク層3b、シリコン酸化膜上層界面層(第1のシリコン酸化膜界面層)3cが形成される構成となっている。なお、実施形態1のシリコン酸化膜3の詳細構造については、後に詳述する。
As shown in FIG. 1, the thin film transistor of
更に、シリコン酸化膜3の上層に、多結晶シリコン層からなるソース領域4、ドレイン領域5、チャネル領域6が形成されている。すなわち、実施形態1の薄膜トランジスタでは、トップゲート型の薄膜トランジスタの半導体層となる多結晶シリコン層がシリコン酸化膜3の上層に形成される構成となっている。この多結晶シリコン層はガラス基板1の平面方向に対して、チャネル領域6を間に挟むようして、該チャネル領域6の一方にソース領域4が形成され、他方にドレイン領域5が形成される構成となっている。
Further, a
そしてソース領域4、ドレイン領域5、チャネル領域6を覆うようにゲート絶縁膜7が形成され、その上層にはチャネル領域6に対応する位置にゲート領域8が形成され、このゲート領域8の表面の一部を覆うようにして層間絶縁層9が形成されている。すなわち、ソース領域4、ドレイン領域5、及びチャネル領域6が形成される半導体層の領域ではゲート絶縁膜として機能し、その他の領域では絶縁膜として機能するゲート絶縁膜7が基板上面を覆うように形成されている。該ゲート絶縁膜7の上層であり、チャネル領域6に対応する位置にゲート領域8となる導電性の薄膜が形成されている。さらには、ゲート領域8の上層には、該ゲート領域8と共にゲート絶縁膜7を覆う層間絶縁層9が形成される構成となっている。なお、ゲート領域8に接続されるゲート電極は省略する。
A gate
そして、この層間絶縁層9に設けられた開口部を介してソース領域4、ドレイン領域5、及びゲート領域8が各々の電極11によって電気的に接続されている。なお、図1中のゲート領域8に接続される電極すなわちゲート電極は図示しない。
The
次に、図2〜5に本発明の実施形態1の薄膜トランジスタの製造方法を説明するための図を示し、以下、図2〜5に基づいて、実施形態1の薄膜トランジスタの製造方法を説明する。ただし、各薄膜層の形成は、周知のフォトリソグラフィー技術で形成可能な構成となるので、その詳細な説明は省略する。また、以下に示すシリコン酸化膜3の製造工程は、本発明者が下地シリコン酸化膜中の欠陥について分析を行い発見した、薄膜形成工程と膜中欠陥と薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthと関係に基づいて、膜中欠陥と該膜中欠陥の発生に伴うしきい値電圧Vthの変動の低減を実現可能な製造工程の一例である。
Next, FIGS. 2 to 5 are diagrams for explaining the thin film transistor manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the thin film transistor manufacturing method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. However, since the thin film layers can be formed by a well-known photolithography technique, detailed description thereof is omitted. Further, the manufacturing process of the
工程1.(図2)
まず、ガラス基板1上に、周知のプラズマCVD(Chemical Vapour Deposition)法を用い、厚さ150nmのシリコン窒化膜2を形成する。工程1におけるシリコン窒化膜2を形成する際の原料ガスは、例えば、窒素、アンモニア、又はモノシラン等を用いる。シリコン窒化膜2を形成する目的は、ガラス基板1に含まれる不純物、例えばナトリウムイオンが透明基板1の上面に形成した薄膜トランジスタの半導体層に拡散し、しきい値電圧Vthのシフト等の原因となることを防止するためである。
First, a
工程2.(図3)
次に、原料のガス種を切り替え、厚さ100nmのシリコン酸化膜3を形成する。このシリコン酸化膜3の形成の際に、実施形態1では、まず、シリコン窒化膜の原料ガスである窒素とアンモニアの導入量を減らし、このシリコン窒化膜の原料ガスと共に一酸化二窒素とアルゴンを導入し、ここでプラズマを発生させて厚さ20nmのシリコン酸化膜下層界面層3aを形成する。このときシリコン酸化膜下層界面層3aを形成中の原料ガスの組成は一定とし、膜組成も一定となるようにすることにより、シリコン酸化膜下層界面層3aはシリコン酸窒化膜となる。
Next, the source gas type is switched to form a
このシリコン酸化膜下層界面層3aの形成により、続けて導入していたシリコン窒化膜の原料ガスである窒素とアンモニアの導入を停止し、一酸化二窒素とアルゴンの流量を増やし、一酸化二窒素、アルゴン、及びモノシランを用い、プラズマを発生させて厚さ60nmのシリコン酸化膜バルク層3bを形成する。
The formation of the silicon oxide film lower
次に、一酸化二窒素の導入量を減らした後に、プラズマを発生させて厚さ20nmのシリコン酸化膜上層界面層3cを形成することにより、シリコン酸化膜上層界面層3cは酸素欠損シリコン酸化膜となる。
Next, after reducing the amount of dinitrogen monoxide introduced, plasma is generated to form a silicon oxide film
この工程2により、シリコン酸化膜全体として厚さ100nmのシリコン酸化膜3を形成する。
By this
このように、実施形態1の薄膜トランジスタにおけるシリコン酸化膜3の形成では、シリコン窒化膜2並びにシリコン酸化膜3を形成するシリコン酸化膜下層界面層3a、シリコン酸化膜バルク層3b、及びシリコン酸化膜上層界面層3cとなる各薄膜層を形成する際に、下層に配置される薄膜層を形成する際の原料ガス(ガス種)を所定量残した(導入した)状態で、次の薄膜層(所望の薄膜層)を形成するための原料ガスを導入しつつ順次上層の薄膜層を形成する構成となっている。すなわち、次の薄膜層を形成する際に、下層の薄膜層の形成に用いた原料ガスを完全に遮断し、製造装置のチャンバ内の原料ガスを置換することなく、次の薄膜層を形成する構成となっている。
Thus, in the formation of the
この実施形態1のシリコン酸化膜3の形成工程により、シリコン酸化膜バルク層3bよりもシリコン酸化膜下層界面層3a及びシリコン酸化膜上層界面層3cの欠陥を少なくすることが可能となる。
By the step of forming the
工程3.(図4)
シリコン酸化膜上層界面層3cの形成後の多結晶シリコン層10の形成では、シリコン酸化膜上層界面層3cの形成時の一酸化二窒素の導入を停止する。これにより、アルゴンとモノシランのみを原料ガスとし、処理温度300〜500℃の条件でプラズマCVD法を用い、まず、アモルファスシリコン膜を形成する。次に、形成されたアモルファスシリコン膜をエキシマレーザアニールにより多結晶シリコン膜とし、フォトリソ工程を経て所望の形状の多結晶シリコン層10を形成する。
In the formation of the
工程4.(図5)
次に、多結晶シリコン層10を覆うように、TEOS(Tetra Ethoxy Silane)にてゲート絶縁層7を形成した後、導電膜(例えば、金属薄膜)を形成し、該導電膜を所望の形状に加工してゲート領域8を形成する。次に、ゲート領域8をマスクとし多結晶シリコン層10に3b族または5b族のイオン打ち込みを行うことにより、ソース領域4とドレイン領域5を形成する。ただし、作製する薄膜トランジスタ(TFT)がnチャネルMOSか、pチャネルMOSかに応じて、打ち込みイオン種を選択すればよい。
Next, after forming the
ソース領域4とドレイン領域5の形成後に、300〜500℃でプラズマCVD法によりシリコン酸化膜からなる層間絶縁層9を形成し、該層間絶縁膜9の上面側からソース領域4及びドレイン領域5に到達する開口部を形成する。この後に、開口部を含む層間絶縁膜9の上層に導電性の薄膜を形成し、該薄膜を所望の形状に成形することにより、ソース領域4と電気的に接続される電極11であるソース電極と、ドレイン領域5に電気的に接続される電極11であるドレイン電極とが形成され、図1に示す薄膜トランジスタが形成される。
After the
〈効果の説明〉
このように形成された実施形態1の薄膜トランジスタでは、シリコン酸化膜下層界面層を形成する際に、下層に形成されるシリコン窒化膜の原料ガスと共に一酸化二窒素とアルゴンとが導入された状態で形成されるので、シリコン酸化下層界面層はシリコン酸窒化膜となる。同様に、シリコン酸化膜上層界面層を形成する際には、下層に形成されるシリコン酸化膜バルク層の原料ガスである一酸化二窒素とアルゴンとの内で、一酸化二窒素の導入量を減らした後に形成されるので、シリコン酸化上層界面層は酸素欠損シリコン酸化膜となる。
<Description of effects>
In the thin film transistor of
これにより、シリコン酸化膜バルク層よりもシリコン酸化膜下層界面層及びシリコン酸化膜上層界面層の欠陥を少なくすることができ、その結果として、薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthのバラつきを低減できる。 Thereby, defects in the silicon oxide film lower layer interface layer and the silicon oxide film upper layer interface layer can be reduced as compared with the silicon oxide film bulk layer, and as a result, variations in the threshold voltage Vth of the thin film transistor can be reduced.
次に、図6に従来の薄膜トランジスタにおけるシリコン酸化膜中の膜中欠陥(不対電子)の評価結果を示す図を、図7に本発明の実施形態1の薄膜トランジスタにおけるシリコン酸化膜中の膜中欠陥(不対電子)の評価結果を示す図を示し、以下、図6及び図7に基づいて従来のシリコン酸化膜中の膜中欠陥と実施形態1のシリコン酸化膜中の膜中欠陥について説明する。ただし、図6及び図7における膜中欠陥の評価は、シリコン酸化膜中の欠陥として不対電子を周知の電子スピン共鳴法(以下、ESRと記す)により評価したものである。すなわち、評価対象は3個の酸素原子が結合しているシリコン原子上の不対電子で、Eγ’中心と呼ばれる欠陥である。また、膜中のEγ’中心の分布を調べるため、上層の膜を順にエッチングにより除去しながら、ESRを測定した。
Next, FIG. 6 is a view showing the evaluation results of defects (unpaired electrons) in the silicon oxide film in the conventional thin film transistor, and FIG. 7 is in the film in the silicon oxide film in the thin film transistor of
従来の薄膜トランジスタにおけるシリコン酸化膜の形成では、基板となる透明基板上にシリコン窒化膜を形成した後、シリコン酸化膜を形成するガス種を導入し、十分にチャンバ内がシリコン酸化膜の原料ガスで置換された後、プラズマを発生させて成膜したものである。同様に、シリコン酸化膜の形成が終了した後も、アモルファスシリコン層を形成するためのガスを導入し、十分にチャンバ内がアモルファスシリコンの原料ガスで置換がなされた後、アモルファスシリコンの成膜を開始した。このとき、シリコン酸化膜の上下すなわちシリコン酸化膜を間に挟む界面層は形成しない構成となっている。 In the formation of a silicon oxide film in a conventional thin film transistor, after forming a silicon nitride film on a transparent substrate serving as a substrate, a gas species for forming the silicon oxide film is introduced, and the inside of the chamber is sufficiently filled with a silicon oxide film source gas. After the replacement, plasma was generated to form a film. Similarly, after the formation of the silicon oxide film is completed, a gas for forming the amorphous silicon layer is introduced, and after the chamber is sufficiently replaced with the amorphous silicon source gas, the amorphous silicon film is formed. Started. At this time, the upper and lower sides of the silicon oxide film, that is, the interface layer sandwiching the silicon oxide film is not formed.
このような工程で形成された従来のシリコン酸化膜と前述する工程で形成された実施形態1のシリコン酸化膜とでは、図6と図7との比較から明らかなように、膜厚方向に対する欠陥密度の分布に大きな差があることが分かる。 In the conventional silicon oxide film formed by such a process and the silicon oxide film of the first embodiment formed by the process described above, as is apparent from the comparison between FIG. 6 and FIG. It can be seen that there is a large difference in the density distribution.
すなわち、図6に示す従来のシリコン酸化膜では、点線で示す膜厚と欠陥量とのグラフ62がほぼ比例しており、実線で示すグラフ61から明らかなように、膜中に均一に欠陥が存在していることが分かる。一方、図7に示す実施形態1の構成のシリコン酸化膜3では、点線で示すバルク層(シリコン酸化膜バルク層3b)における膜厚と欠陥量とのグラフ72よりも、シリコン酸化膜3を形成する上下界面層(シリコン酸化膜下層界面層3a及びシリコン酸化膜上層界面層3c)における点線でしめすグラフ73の方がグラフの傾きが緩やかになっており、実線で示すグラフ71から明らかなように、シリコン酸化膜バルク層3bに比べて欠陥が少なくなっている。
That is, in the conventional silicon oxide film shown in FIG. 6, the
また、前述の各シリコン酸化膜を備えるTFTのトランジスタ特性を調べたところ、界面層(シリコン酸化膜下層界面層3a及びシリコン酸化膜上層界面層3c)を設けずに作製したTFTの方が、界面層を設けて作製したTFTよりも基板面内のバラつきが大きかった。
Further, when the transistor characteristics of the TFT including each of the silicon oxide films described above were examined, it was found that the TFT manufactured without providing the interface layer (the silicon oxide film lower
以上のことより、バルク層(シリコン酸化膜バルク層3b)よりも欠陥の少ないシリコン酸化膜下層界面層3a及びシリコン酸化膜上層界面層3cを設けることにより、TFTのしきい値電圧Vthのバラつきを低減できることが明らかとなった。
From the above, by providing the silicon oxide film lower
特に、量産プロセスでは、常に膜形成パラメータが変動したり、面内での均一性が確保できなかったりする可能性がある。これに対して、シリコン酸化膜下層界面層3a及びシリコン酸化膜上層界面層3cからなる界面層を設けることにより、成膜パラメータの変動や、不均一性に対して特性変動の少ないTFTを供給できることを発見した。
In particular, in the mass production process, there is a possibility that the film formation parameters always fluctuate and uniformity in the plane cannot be ensured. On the other hand, by providing an interface layer composed of the silicon oxide film lower
このように、ガラス基板とTFTとの間に形成する下地絶縁層であるシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の構造とその製造方法を工夫することにより、薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthのバラつきを抑制することが可能となる。特に、トップゲート型の低温多結晶シリコンTFTを作製する場合、ガラス基板から膜中へのNa(ナトリウム)等の可動イオンの拡散を抑制するためにシリコン窒化膜(SiN膜)を形成する必要がある。しかしながら、シリコン窒化膜(SiN膜)は多結晶シリコン層(Si膜)との界面に界面準位を形成するため、シリコン窒化膜(SiN膜)の上層にシリコン酸化膜(SiO2膜)を形成し、その上層に薄膜トランジスタの能動層としての多結晶シリコン層(Si膜)を形成することにより、可動イオンの拡散と界面準位を抑制した薄膜トランジスタTFTの形成ができる。 As described above, the variation of the threshold voltage Vth of the thin film transistor is suppressed by devising the structure and manufacturing method of the silicon nitride film and the silicon oxide film, which are the base insulating layers formed between the glass substrate and the TFT. It becomes possible. In particular, when producing a top gate type low-temperature polycrystalline silicon TFT, it is necessary to form a silicon nitride film (SiN film) in order to suppress diffusion of mobile ions such as Na (sodium) from the glass substrate into the film. is there. However, since the silicon nitride film (SiN film) forms an interface state at the interface with the polycrystalline silicon layer (Si film), a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed above the silicon nitride film (SiN film). Further, by forming a polycrystalline silicon layer (Si film) as an active layer of the thin film transistor on the upper layer, it is possible to form a thin film transistor TFT in which the diffusion of mobile ions and the interface state are suppressed.
ここまででは成膜時のチャンバ内雰囲気の不均一が原因で生じる基板面内の膜質バラつきによる薄膜トランジスタTFTのしきい値電圧Vthバラつきは解消できない。例えば、下地絶縁層(下地保護層)となるシリコン窒化膜やシリコン酸化膜を形成する際のCVDプロセスにおいて、真空チャンバ内の原料ガスや基板温度等の面内バラつきがしきい値電圧Vthの面内バラつきの原因となる。一方、本発明者は、膜中の欠陥解析を行いシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/ガラス基板の構造において、シリコン酸化膜中のシリコンの不対電子(Eγ’中心と呼ぶ)の挙動を解析し、界面でのEγ’中心を制御することにより、面内のTFT特性のバラつきを抑制できることを発見した。従って、シリコン酸化膜の、シリコン層/シリコン酸化膜層の界面、およびシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の界面の欠陥量を膜中よりも少なくすることで、薄膜トランジスタのしきい値電圧Vth特性バラつきを抑制する。これは膜中よりも界面の欠陥がより敏感にTFT特性に影響を与えるためであり、界面付近の欠陥の絶対量を減らすことにより、特性のバラつきを小さくすることができるからである。 Up to this point, the variation in the threshold voltage Vth of the thin film transistor TFT due to the variation in the film quality in the substrate surface caused by the nonuniformity of the atmosphere in the chamber during film formation cannot be eliminated. For example, in a CVD process when forming a silicon nitride film or silicon oxide film that serves as a base insulating layer (base protective layer), in-plane variations such as a source gas in a vacuum chamber and a substrate temperature have a threshold voltage Vth. Causes internal variation. On the other hand, the present inventor analyzed defects in the film and analyzed the behavior of unpaired electrons (called Eγ ′ center) of silicon in the silicon oxide film in the structure of silicon oxide film / silicon nitride film / glass substrate. It was discovered that variation in in-plane TFT characteristics can be suppressed by controlling the Eγ ′ center at the interface. Accordingly, the threshold voltage Vth characteristic variation of the thin film transistor can be reduced by reducing the amount of defects in the silicon oxide film at the silicon layer / silicon oxide film interface and the silicon oxide film / silicon nitride film interface. Suppress. This is because the defects at the interface affect the TFT characteristics more sensitively than in the film, and the variation in characteristics can be reduced by reducing the absolute amount of defects near the interface.
一方、下地シリコン酸化膜の役割は先述したとおりシリコン窒化膜と多結晶シリコン層との間の界面準位の抑制にある。界面準位抑制効果を確保しつつ、液晶パネル等にした際に光学的特性を維持するために、下地シリコン酸化膜3は50〜100nm程度の膜厚が望ましい。特に、シリコン酸化膜下層界面層3aの膜厚は5〜30nm程度が適当である。これはシリコン酸化膜3全体の膜厚を著しく増加させること無く、また界面準位抑制の効果を失わずにシリコン酸化膜下層界面層の欠陥(Eγ’)を抑制できる効果を得ることが可能となるからである。同様に、シリコン酸化膜上層界面層3cの膜厚も5〜30nm程度が適当である。
On the other hand, the role of the underlying silicon oxide film is to suppress the interface state between the silicon nitride film and the polycrystalline silicon layer as described above. In order to maintain the optical characteristics when the liquid crystal panel or the like is maintained while ensuring the interface state suppressing effect, the base
〈実施形態2〉
実施形態2の薄膜トランジスタは実施形態1の薄膜トランジスタにおけるシリコン酸化膜の構成及びその形成方法が異なるものである。すなわち、実施形態1の薄膜トランジスタでは、シリコン酸化膜下層界面層、シリコン酸化膜バルク層、及びシリコン酸化膜上層界面層の各薄膜層を形成中における原料ガスの濃度は変化させない構成とした。これに対して、実施形態2では、シリコン酸化膜下層界面層、シリコン酸化膜バルク層、及びシリコン酸化膜上層界面層の各薄膜層を形成中の原料ガスの濃度を変化させながら形成した点が異なる。
<
The thin film transistor of the second embodiment is different from the thin film transistor of the first embodiment in the configuration of the silicon oxide film and the method for forming the silicon oxide film. That is, the thin film transistor of
このため、実施形態2の薄膜トランジスタの製造方法は実施形態の工程2が異なるのみとなり、その説明図は図3と同様となる。従って、以下詳細では、図3に基づいて、実施形態2の薄膜トランジスタの製造方法及びその構成を説明する。
For this reason, the manufacturing method of the thin film transistor of
実施形態2の薄膜トランジスタの製造方法では、実施形態1と同様に、ガラス基板1上に、周知のプラズマCVD(Chemical Vapour Deposition)法を用い、原料ガスとして窒素とアンモニアとを用い、厚さ150nmの窒化シリコン膜2を形成する。
In the manufacturing method of the thin film transistor of the second embodiment, as in the first embodiment, a well-known plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method is used on the
次に、シリコン窒化膜2の形成後、徐々に窒素とアンモニアの流量を連続的に減らすと共に、一酸化窒素とアルゴンの流量を徐々に連続的に増やしながらプラズマを発生させることにより、シリコン酸化膜下層界面層3aを形成する。このシリコン酸化膜下層界面層3aの形成時において、成膜速度が大きいと基板面内バラつきが大きくなるため、成膜速度が小さくなるようにプラズマのパワー調整を行う。また、シリコン酸化膜下層界面層3aが20nmとなる時に、窒素ガスとアンモニアの導入が停止するように、当該窒素ガスとアンモニアの流量の減らす割り合い(減少速度)を調整される。
Next, after the
このシリコン酸化膜下層界面層3aの形成後、続けて一酸化窒素、アルゴン、及びモノシランでシリコン酸化膜バルク層3bを厚さ60nmで形成する。この後に、徐々に一酸化二窒素の導入量を連続的に減らしながら、厚さ20nmのシリコン酸化膜上層界面層3cを形成することにより、厚さが100nmのシリコン酸化膜3が形成される。
After the formation of this silicon oxide film lower
このシリコン酸化膜3の形成の後に、実施形態1の工程3と同様にして、アルゴンとモノシランのみを原料ガスとして、アモルファスシリコン層を形成し、アモルファスシリコン膜をエキシマレーザアニールにより多結晶シリコン膜とし、フォトリソ工程を経て所望形状の多結晶シリコン層10が形成される。
After the formation of the
この後に、実施形態1の工程4と同様にして、多結晶シリコン層10を覆うように、TEOSにてゲート絶縁層7を形成し、所望の形状に加工してゲート領域8を形成する。次に、多結晶シリコン層10に3b族または5b族のイオン打ち込みを行い、ソース領域4とドレイン領域5を形成した後に、プラズマCVD法によりシリコン酸化膜からなる層間絶縁層9を形成する。次に、該層間絶縁膜9の上面側からソース領域4及びドレイン領域5に到達する開口部を形成した後に、開口部を含む層間絶縁膜9の上層に導電性の薄膜を形成し、所望の形状のソース電極とドレイン電極とを形成することにより、実施形態2の薄膜トランジスタが形成される。
Thereafter, in the same manner as in
この実施形態2の薄膜トランジスタのシリコン酸化膜下層界面層3aでは連続的に組成がSiNからSiO2へと、シリコン酸化膜上層界面層3cではSiO2からSiO2−δ(0<δ<2)を経てSiへと組成が変化している。これら組成傾斜を持つ界面層を設けることにより、原子結合上の歪みが少なくなるので、実施形態1の薄膜トランジスタと同様に、膜中の未結合手による欠陥(不対電子)の発生が抑制され、しきい値電圧Vthの変動の少ない薄膜トランジスタTFTの形成が可能となる。
In the silicon oxide lower
〈実施形態3〉
本発明の実施形態3においては本発明の実施形態1、2の薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置について説明する。図8は本発明の実施形態1の薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置の概略構成を説明するための平面図である。ただし、本願発明の薄膜トランジスタの適用範囲は液晶表示装置に限定されることはない。例えば、透明基板上に複数の発光素子をマトリクス状に形成した有機EL表示装置等の他の表示装置における薄膜トランジスタにも適用可能である。
<
In
図1に示す実施形態3の液晶表示装置は、画素電極等が形成される第1基板(TFT側基板)81と、該第1基板81に対向して配置されカラーフィルタ(着色層)等が形成される第2基板(対向基板)82と、該第1基板81と第2基板82とで挟持される図示しない液晶層とで液晶表示パネルが構成され、該液晶表示パネルと光源となる図示しないバックライトユニットとを組み合わせることにより、液晶表示装置ができる。第1基板81と第2基板82との固定(固着)及び2枚の基板81、82で挟持される液晶の封止は、表示領域83の周辺に形成されるシール材84で固定され、液晶も封止される構成となっている。なお、以下の説明では、液晶表示パネルの説明においても、液晶表示装置と記す。
The liquid crystal display device according to the third embodiment shown in FIG. 1 includes a first substrate (TFT side substrate) 81 on which pixel electrodes and the like are formed, and a color filter (colored layer) and the like that are arranged to face the
第1基板81及び第2基板82としては、透明基板である周知のガラス基板に限定されることはなく、石英ガラスやプラスチック(樹脂)のような他の絶縁性基板であってもよい。
The
また、実施形態3の液晶表示装置では、薄膜トランジスタ85として実施形態1の薄膜トランジスタを用いており、図中下部の第1基板81上に映像信号駆動回路(ドレインドライバ)86が形成されており、図中左側の第1基板81上に走査信号駆動回路(ゲートドライバ)87が形成される構成となっている。なお、以下の説明においては、ドレインドライバ86とゲートドライバ87とを特に区別する必要がない場合には、単に駆動回路(ドライバ)と略記する。
In the liquid crystal display device of the third embodiment, the thin film transistor of the first embodiment is used as the
図1に示すように実施形態3の液晶表示装置では、第1基板81の液晶側の面であって表示領域83内には、図中X方向に延在しY方向に並設される走査線(ゲート線)88が形成されている。また、図中Y方向に延在しX方向に並設される映像信号線(ドレイン線)89が形成されている。
As shown in FIG. 1, in the liquid crystal display device according to the third embodiment, scanning is performed on the liquid crystal side surface of the
ドレイン線88とゲート線89とで囲まれる矩形状の領域は画素が形成される領域を構成し、これにより、各画素は表示領域83内においてマトリックス状に配置される構成となる。一方、第2基板82側の画素の領域には、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)のいずれかの図示しないカラーフィルタが形成される構成となっている。また、第2基板82には、ゲート線88の延在方向のブラックマトリクスと配向膜とが形成される構成となっている。
A rectangular region surrounded by the
また、各画素は例えば図8中丸印Aの部分において、その拡大図A’に示すように、ゲート線88からの走査信号によってオンされる薄膜トランジスタ85と、このオンされた薄膜トランジスタ85を介してドレイン線89からの映像信号が供給される画素電極90と、コモン線91に接続され映像信号の電位に対して基準となる電位を有する基準信号が供給される共通電極92とを備えている。画素電極90と共通電極92との間には、第1基板81の面に平行な成分を有する電界が生じ、この電界によって液晶の分子を駆動させるようになっている。このような液晶表示装置は、いわゆる広視野角表示ができるものとして知られ、このような液晶への電界の印加の特異性から、IPS方式、あるいは横電界方式と称される。
Further, each pixel has a
また、実施形態3では、各ドレイン線89及び各ゲート線88はその端部においてシール材84を越えてそれぞれ延在され、ドレインドライバ86又はゲートドライバ87にそれぞれ接続される構成となっている。ドレインドライバ86やゲートドライバ87には、電極端子93に接続される図示しないフレキシブルプリント基板を介して、これらドレインドライバ86及びゲートドライバ87の駆動信号を含む制御信号が入力される。
In the third embodiment, each
なお、拡大図A’に示す共通電極92の構成では、前述する構成に限定されることはなく、例えばX軸方向に隣接配置される画素の共通電極92が直接に接続されるように当該共通電極92を形成し、X軸方向の左右(第1基板81の端部)の一端から、又は両側からコモン線91を介して基準信号を入力する構成でもよい。
Note that the configuration of the
このように形成される液晶表示装置では、薄膜トランジスタ85が第1基板81の液晶側にマトリクス状に配置される構成となるが、各薄膜トランジスタ85のしきい値電圧Vthの基板内におけるバラつきを低減させることができるので、表示むら等の表示品質の低下を防止でき、表示不良となる液晶表示装置を大幅に低減できる。
In the liquid crystal display device formed in this way, the
ただし、実施形態2の薄膜トランジスタを用いた場合も、実施形態3の液晶表示装置と同様の構成となるので、実施形態3と同じ効果を得ることができる。 However, even when the thin film transistor of the second embodiment is used, the same effect as that of the third embodiment can be obtained because the configuration is the same as that of the liquid crystal display device of the third embodiment.
なお、実施形態1、2ではトップゲート型の薄膜トランジスタのシリコン酸化膜に本願発明を適用した場合について説明したが、これに限定されることはなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタのゲート酸化膜に本願発明を適用してもよい。 In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to the silicon oxide film of the top gate type thin film transistor has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is applied to the gate oxide film of the bottom gate type thin film transistor. May be applied.
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment of the invention. However, the invention is not limited to the embodiment of the invention, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It can be changed.
1……ガラス基板、2……シリコン窒化膜、3……シリコン酸化膜
3a……シリコン酸化膜下層界面層、3b……シリコン酸化膜バルク層
3c……シリコン酸化膜上層界面層、4……ソース領域、5……ドレイン領域
6……チャネル領域、7……ゲート絶縁層、8……ゲート領域、9……層間絶縁層
10……多結晶シリコン層、11……電極、81……第1基板、82……第2基板
83……表示領域、84……シール材、85……薄膜トランジスタ
86……映像信号駆動回路、87……走査信号駆動回路、88……ゲート線
89……映像信号線、90……画素電極、91……コモン線、92……共通電極
93……電極端子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記シリコン酸化膜層は、前記シリコン窒化膜層の上層に形成される第1のシリコン酸化膜界面層と、前記第1のシリコン酸化膜の上層に形成されるシリコン酸化膜バルク層と、前記シリコン酸化膜バルク層の上層に形成される第2のシリコン酸化膜界面層とから形成され、
前記第1のシリコン酸化膜界面層がシリコン酸窒化膜からなり、前記第2のシリコン酸化膜界面層が酸素欠損シリコン酸化膜からなることを特徴とする薄膜トランジスタ。 A semiconductor layer in which a drain region and a source region are formed; a silicon oxide film layer formed in a lower layer of the semiconductor layer to prevent entry of impurities into the semiconductor layer; and the semiconductor layer formed in a lower layer of the silicon oxide film layer A thin film transistor comprising a silicon nitride film layer for preventing impurities from being mixed into the layer together with the silicon oxide film layer,
The silicon oxide film layer includes a first silicon oxide film interface layer formed on the silicon nitride film layer, a silicon oxide bulk layer formed on the first silicon oxide film, and the silicon A second silicon oxide film interface layer formed on the oxide film bulk layer, and
A thin film transistor, wherein the first silicon oxide film interface layer is made of a silicon oxynitride film, and the second silicon oxide film interface layer is made of an oxygen-deficient silicon oxide film.
前記第1のシリコン酸化膜界面層の膜厚が5nm以上30nm以下であり、前記第2のシリコン酸化膜界面層の膜厚が5nm以上30nm以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。 The thin film transistor according to claim 1, wherein
A thin film transistor, wherein the first silicon oxide film interface layer has a thickness of 5 nm to 30 nm, and the second silicon oxide film interface layer has a thickness of 5 nm to 30 nm.
前記第1のシリコン酸化膜界面層及び前記第2のシリコン酸化膜界面層のEγ’中心欠陥密度が、前記シリコン酸化膜中のEγ’中心欠陥密度よりも小さいことを特徴とする薄膜トランジスタ。 The thin film transistor according to claim 1 or 2,
A thin film transistor, wherein an Eγ ′ center defect density of the first silicon oxide film interface layer and the second silicon oxide film interface layer is smaller than an Eγ ′ center defect density in the silicon oxide film.
前記第1のシリコン酸化膜界面層中のEγ’中心欠陥密度が1×1016〜1×1017/cm3であり、前記第2のシリコン酸化膜界面層中のEγ’中心欠陥密度が1×1016〜1×1017/cm3であり、前記シリコン酸化膜バルク層中のEγ’中心欠陥密度が3×1017〜5×1018/cm3であることを特徴とする薄膜トランジスタ。 The thin film transistor according to claim 3,
The Eγ ′ center defect density in the first silicon oxide film interface layer is 1 × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 3 , and the Eγ ′ center defect density in the second silicon oxide film interface layer is 1. A thin film transistor, which is × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 3 and has an Eγ ′ center defect density in the silicon oxide bulk layer of 3 × 10 17 to 5 × 10 18 / cm 3 .
前記半導体層は透明基板に形成され、
前記シリコン酸化膜層と、前記第1のシリコン酸化膜界面層及び前記シリコン酸化膜バルク層並びに前記第2のシリコン酸化膜界面層からなるシリコン酸化膜とからなる保護膜が、前記透明基板と前記半導体層との間に形成されることを特徴とする薄膜トランジスタ。 The thin film transistor according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor layer is formed on a transparent substrate;
A protective film comprising the silicon oxide film layer, and a silicon oxide film comprising the first silicon oxide film interface layer, the silicon oxide film bulk layer, and the second silicon oxide film interface layer; A thin film transistor formed between the semiconductor layer and the semiconductor layer.
前記透明基板はガラス基板からなることを特徴とする薄膜トランジスタ。 The thin film transistor according to claim 5,
The thin film transistor, wherein the transparent substrate is made of a glass substrate.
前記走査信号線からの走査信号に応じて、前記映像信号線からの映像信号の取り込みを制御する請求項1乃至6の内の何れかに記載の薄膜トランジスタとを備え、
前記映像信号線と前記走査信号線とに囲まれた領域を画素の領域とする表示装置。 A plurality of video signal lines and a plurality of scanning signal lines intersecting the video signal lines;
The thin film transistor according to any one of claims 1 to 6, which controls capturing of a video signal from the video signal line in accordance with a scanning signal from the scanning signal line,
A display device in which a region surrounded by the video signal line and the scanning signal line is a pixel region.
当該表示装置は液晶表示装置であることを特徴とする表示装置。 The display device according to claim 7,
The display device is a liquid crystal display device.
当該表示装置は有機EL表示装置であることを特徴とする表示装置。 The display device according to claim 7,
The display device is an organic EL display device.
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