JP2631476B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ゲート絶縁膜とシリコンを含む半導体からなる薄膜ト
ランジスタの製造方法に関し、 半導体層とゲート絶縁膜との間の界面において内部応
力の差に起因して生じる格子歪を低減することを目的と
し、 半導体層とゲート電極との間にゲート絶縁膜が介在す
る薄膜トランジスタの製造方法であって、ゲート絶縁膜
をプラズマCVD法により形成し、第1の周波数により、
応力が第1の方向である第1のゲート絶縁膜を形成する
工程と、前記第1の周波数とは異なる第2の周波数によ
り、応力が前記第1の方向とは反対の第2の方向である
第2のゲート絶縁膜を形成する工程とを含むように構成
する。
〔産業上の利用分野〕 本発明は、薄膜トランジスタの製造方法、特にゲート
絶縁膜とシリコンを含む半導体からなる薄膜トランジス
タの製造方法に関する。近年、絶縁基板上に薄膜トラン
ジスタを形成し、アクティブ・マトリックスとする大面
積液晶表示装置あるいはイメージセンサ等の駆動回路と
することが進められている。このためには、素子特性の
安定化を図り、高速応答性を有する薄膜トランジスタの
実現が不可欠である。
〔従来の技術〕
第7図は従来のスタガード型のa−Si薄膜トランジス
タの断面構造を示す図である。1は絶縁基板であり、そ
の上に間隔をおいて、ソース電極Sとドレイン電極Dが
1000Å程度の厚さに形成され、両電極の上にオーミック
コンタクト層2s、2dが300〜500Å程度積層されている。
そしてその上にa−Siから成る半導体層3を1000Å程
度、ゲート絶縁膜4を3000Å程度成膜し、最後にゲート
電極Gを成膜した構造になっている。
ゲート絶縁膜4は、プラズマ気相成長法により形成し
た窒化膜が用いられている。捕獲準位密度のより少ない
窒化膜は、一般に引張り応力(〜3×109dyn/cm2)を示
す。
一方、半導体層として非晶質シリコンを用いた場合、
該半導体層は圧縮応力(〜5×109dyn/cm2)を示す。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このように、半導体層3およびゲート絶縁膜4の片方
は圧縮応力を示し、他方は引張り応力を示すため、両層
の界面の格子歪が増大し、ゲート絶縁膜/半導体界面近
傍に捕獲準位が形成される。その結果、捕獲準位として
作用し、素子の不安定性を招く。また、易動度を低下さ
せ、応答性を劣化させる(to be publish J.A.P Aug.1.
1987)。
本発明の技術的課題は、従来の薄膜トランジスタにお
けるこのような問題を解消し、半導体層3とゲート絶縁
膜4との界面において内部応力の差に起因して生じる格
子歪を低減することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
第1図は本発明による薄膜トランジスタの基本原理を
逆スタガード型を例にして示す断面図である。Gはゲー
ト電極、3は半導体層であり、両者の間に位置している
ゲート絶縁膜4は、2つの膜41と42からなっている。片
方のゲート絶縁膜例えば41が圧縮応力を有するものとす
ると、他方のゲート絶縁膜42は引張り応力を有する。逆
にゲート絶縁膜41が引張り応力を有し、他方のゲート絶
縁膜42が圧縮応力を有するようにしてもよい。そしてゲ
ート絶縁膜4全体としては、半導体層3の内部応力と同
じ方向の内部応力を有している。
〔作用〕
ゲート絶縁膜4の内部応力を、半導体層3の内部応力
を低減するためには、応力の向きの異なる第1のゲート
絶縁膜41(応力σ1,膜厚d1)と第2のゲート絶縁膜42
(応力σ2,膜厚d2)を用い、半導体層3(応力σ3,膜厚
d3)と、同じ向きの応力となるように膜厚d1、d2を決定
すればよい。
一般に薄膜の内部応力νは、近似的に で与えられる〔金原檠、藤原英夫著、「薄膜」裳華
房〕。ここで、Eは基板のヤング率、νは基板のポアソ
ン比、lは基板の長さ、bは基板の厚さ、dは薄膜の厚
さである。
(1)式より、基板の曲りδは、膜厚dに比例し σ・d≡S∞δ ……(2) で与えられる。
ゲート絶縁膜4として、プラズマCVD法で形成する窒
化膜を考えると、窒化膜の内部応力σは、第2図に示す
ように、プラズマ周波数(fp)に強く依存し、fp<4MHz
で圧縮応力を示し、fp>4MHzで引張り応力を示すことが
知られている〔W.A.P claasen et al.Thin Solid films
129(1985)239−247〕 例えば、fp=13.56MHz(0.1W/cm2)、基板温度260
℃、NH3/SiH4=80SCCM/200SCCM、反応圧力0.2Torr、で
形成した窒化膜は、3×109dyn/cm2なる引張応力を示
す。一方fp=200kHz(0.1W/cm2)、基板温度260℃、NH1
/SiH2=80SCCM/200SCCM、反応圧力0.5Torrで形成した窒
化膜は、2×1010dyn/cm2の圧縮応力を示す。
薄膜トランジスタの半導体層3として、P−CVD法で
形成する非晶質シリコン膜を使用する場合、fp=13.56M
Hz(0.01W/cm2)、基板温度260℃、SiH4=200SCCM、反
応圧力3Torrとすると、7×109dyn/cm2の圧縮応力を有
する膜が形成される。
ゲート絶縁膜4として、合計膜厚を3000Åとすると、
式(2)より、第1のゲート絶縁膜41(σ=2×1010
dyn/cm2、圧縮応力)の膜厚は700Å、第2のゲート絶縁
膜42(σ=2×109dyn/cm2、引張応力)の膜厚は2300
Åとなる。
このように、膜厚は引張り応力を示す第2のゲート絶
縁膜42が大きいが、ゲート絶縁膜4全体としての内部応
力は圧縮応力を示すため、半導体層3と同じ方向の内部
応力となり、ゲート絶縁膜/半導体層の界面近傍の格子
歪が緩和され、捕獲準位を低減できる。
〔実施例〕
次に本発明による薄膜トランジスタが実際上どのよう
に具体化されるかを実施例で説明する。第3図は本発明
を逆スタガード型に実施した例を示す断面図である。予
めゲート電極Gがパターン形成された絶縁基板1上に、
第1のゲート絶縁膜41として、プラズマCVD法により、
周波数200KHz、パワー密度0.1W/cm2、シランを含む混合
ガスと、アンモニアを用い、基板温度260℃、反応圧力
0.2Torrで形成すると、NH3/SiH4=1〜10で、2×1010d
yn/cm2の圧縮応力を有する窒化膜(応力σ、膜厚d1
が得られる。
第2のゲート絶縁膜42としては、プラズマCVD法の高
周波電源の発振周波数を13.56MHzとし、パワー密度0.1W
/cm2、シランを含む混合ガスとアンモニアを用い、NH3/
SiH4=80SCCM/200SCCM、基板温度260℃、反応応力0.2To
rrで、3×109dyn/cm2の引張り応力を有する窒化膜(応
力σ、膜厚d2)が得られる。
半導体層3として、非晶質シリコン膜を用いる場合
は、同じくプラズマCVD法により形成でき、例えば13.56
MHz、パワー密度0.01W/cm2、シランあるいはジシランを
含む混合ガスを用い、基板温度260℃、反応圧力3Torr
で、7×109dyn/cm2の圧縮応力を有する膜(圧力σ
膜厚d3)が得られる。
これらプラズマCVD法で形成する膜が作用する基板の
反りδは、膜厚1μmまでは、膜厚とともに単調増加す
る。従って式(2)より σ・d1+σ・d2=σ・d3 ……(3) を満足するように、膜厚d1、d2を決定すればよい。
例えば薄膜トランジスタの耐圧を考慮し、d1+d2=30
00Åとすると、d1=700Å、d2=2300Åが望ましい。
その後、薄膜トランジスタのオーミックコンタクト層
2s、2dとして、リンドープ非晶質シリコン膜(300Å)
を前記と同じくプラズマCVD法により形成し、然る後に
ソース・ドレイン電極S、Dを蒸着法により成膜する。
ソース・ドレイン電極S、D用の金属膜としては、Ti,A
l,Cr,Mo等が用いられる。
そして、通常のフォトリソグラフィーにより、ソース
・ドレインのパターン形成を行い、金属電極S、D、2
s、2dのエッチング、続いてリン・ドープ非晶質シリコ
ン膜3のエッチングを行う。
第4図は、本発明を、絶縁性基板1上にソース・ドレ
イン電極を有する“スタガード型TFT"に実施した例であ
る。
まず絶縁性基板1上に、ソース・ドレイン電極S、D
を蒸着法により形成する。ソース・ドレイン電極材とし
ては、透明電極としてITO,SnO2,ITO/SnO2,あるいは金属
電極と前記透明電極の複合膜を用いる。その上にオーミ
ックコンタクト層2s,2dを形成する。
次に、半導体膜3とする非晶質シリコン膜、第1のゲ
ート絶縁膜41、第2のゲート絶縁膜42の順に、第3図の
実施例と同様の条件で形成する。然る後にゲート電極G
を、蒸着法で成膜する。
その後ゲート電極のフォト・リソ・グラフィーにより
パターン形成を行い、ゲート電極Gをマスクとして、ゲ
ート絶縁膜42、41、半導体層3をエッチングする。
このスタガード型TFTにおいては、薄膜トランジスタ
のチャンネル領域が、ソース・ドレイン段差部を超えて
形成されるため、格子歪の低減効果は、特にドレイン電
流の増大をもたらし、前記実施例の逆スタガード型薄膜
トランジスタと同等の性能を示すことが確認済である。
第5図に従来の薄膜トランジスタ及び本発明の薄膜ト
ランジスタのドレイン電流:ゲート電圧依存性を示す。
本発明による薄膜トランジスタは、従来品に比べると、
立ち上がり特性に優れており、スイッチング用として適
している。また従来構造の薄膜トランジスタの電界効果
易動度は、0.4cm2/V・sであるが、本発明によれば、1c
m2/V・sが得られる。
第6図に薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthのゲー
ト・ストレス時間依存性を示す。この図から明らかなよ
うに、本発明の薄膜トランジスタは、従来品に比べシフ
ト量を1/2に低減できる。
なお図示例では、第1のゲート絶縁膜41が圧縮応力を
示し、第2のゲート絶縁膜42が引張り応力を示している
が、これを逆にして第1のゲート絶縁膜41が引張り応力
を示し、第2のゲート絶縁膜42が圧縮応力を示す構造に
してもよい。
本発明は、非晶質シリコンを半導体層とする薄膜トラ
ンジスタのみならず、多結晶シリコン、あるいは再結晶
シリコン膜を半導体とする薄膜トランジスタについて
も、適用可能である。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、ゲート絶縁膜をプラ
ズマCVD法により形成し、第1の周波数により、応力が
第1の方向である第1のゲート絶縁膜を形成する工程
と、第1の周波数とは異なる第2の周波数により、応力
が第1の方向とは反対の第2の方向である第2のゲート
絶縁膜を形成する工程により、薄膜トランジスタを製造
するようにしたので、第1、第2のゲート絶縁膜の応力
の方向の制御がプラズマCVD法の周波数を変えるという
簡便な方法により行うことができ、また、同一の装置に
より第1、第2のゲート絶縁膜を形成できるので、第
1、第2のゲート絶縁膜を連続的に形成することがで
き、応力の異なるゲート絶縁膜を容易に形成することが
でき、界面での汚染のない、膜質が良好なゲート絶縁膜
を形成することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による薄膜トランジスタの基体原理を説
明する断面図、第2図はP−CVD窒化膜の内部応力のプ
ラズマ周波数依存性を示す図、第3図、第4図は本発明
の実施例を示す断面図、第5図、第6図は本発明による
薄膜トランジスタと従来品との特性を比較する図、第7
図は従来の薄膜トランジスタの断面構造を示す図であ
る。 図において、S、Dはソース・ドレイン電極、3は半導
体層、4はゲート絶縁膜、41は第1のゲート絶縁膜、42
は第2のゲート絶縁膜、Gはゲート電極をそれぞれ示
す。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体層とゲート電極との間にゲート絶縁
    膜が介在する薄膜トランジスタの製造方法であって、 ゲート絶縁膜をプラズマCVD法により形成し、 第1の周波数により、応力が第1の方向である第1のゲ
    ート絶縁膜を形成する工程と、 前記第1の周波数とは異なる第2の周波数により、応力
    が前記第1の方向とは反対の第2の方向である第2のゲ
    ート絶縁膜を形成する工程と、 を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】前記半導体層は、非結晶シリコン、多結晶
    シリコン、再結晶シリコンあるいはドーピングされたシ
    リコン系薄膜であることを特徴とする特許請求の範囲
    (1)項記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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