JP2984310B2 - 薄膜半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、薄膜半導体装置の製造方法に関し、更に詳
しくは、ディスプレー、ファクシミリ、イメージスキャ
ナなどに好適に用いられる薄膜トランジスタや光センサ
等の薄膜半導体装置の製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、オフィスオートメイションにともない、ディス
プレーや画像を電気信号に変換する入出力デバイスは、
ワードプロセッサー、パーソナルコンピューター、ファ
クシミリ等のOA機器のマンマシーンインターフェイスと
して、重要視されるだけでなく、その入出力デバイスや
それを用いた装置の軽量化、薄型化、低価格化が要望さ
れている。

このような観点より、薄膜半導体、例えば、水素化ア
モルファスシリコン、ポリシリコン等を、大面積の絶縁
基板上に形成し、薄膜トランジスタを構成したアクティ
ブマトリクス方式の液晶ディスプレイや、光センサーを
構成した光電変換装置等の開発が進められている。

第１図は、薄膜トランジスター（TFT）の構造の一例
を示す模式的断面図である。

第１図には、支持体１上に、ゲート電極２を設け、そ
のゲート電極２上にゲート絶縁膜３を堆積し、更にチャ
ネルとなる薄膜半導体４、例えば、水素化アモルファス
シリコン（以下ａ−Si:H）などを設け、更にソース ド
レイン電極６、７の金属電極の間に、ｎ＋層５設けた構
成のTFTが示されている。前記ｎ＋層５は、電子に対し
てオーミック性、正孔に対してブロッキング性となる接
合を形成する。このように構成されたTFTは、ｎチャン
ネルトランジスターとして動作する。なお、第１図のTF
Tは２次光電流型の光センサーとしても応用できる（例
えば特開昭60−101940号公報）。

第２図は、第１図に示される従来の、TFTの製造方法
を示す（例えば特開昭63−9157号公報参照）。

先ず、ガラス等から成る支持体１上に、Cr等の金属薄
膜を設け、ゲート電極２を形成した後、例えばプラズマ
CVD法でゲート絶縁膜となるシリコン窒化膜３を3000
Å、半導体層となるａ−Si:H₄層４を5000Å、ｎ＋層５
を1500Å 連続的に堆積する。（第２図（ａ）） 次に、ソース ドレイン電極６、７となるアルミニウ
ムをスパッタ法等で堆積した後、感光性樹脂８を全面に
設け、露光・現像して該感光性樹脂８をパターニングす
る。（第２図（ｂ）） 次に、ソース ドレイン電極６、７となるアルミニウ
ムを前記感光性樹脂８をレジストとして用いてパターニ
ングする。（第２図（ｃ）） 続いて、電極の上にある感光性樹脂８をマスクにし
て、ｎ＋層５を所定の深さにRIE（リアクティブ・イオ
ン・エッチ）等のエッチングによりエッチングした後、
感光性樹脂８を剥離する。（第２図（ｄ）） 更に、必要に応じてTFTを素子間分離し、TFTが作成さ
れる。（第２図（ｅ）） 薄膜トランジスタの半導体薄膜の表面は、雰囲気の影
響を受けやすく、酸素ガスや水蒸気が直接これらの表面
に吸着あるいは拡散すれば、半導体薄膜が、非常に薄い
ため、電気的特性が大きく変動する。このため、場合に
よって、素子の表面をチッ化シリコン（Si₃N₄）や、酸
化シリコン（SiO₂）などの保護膜で、また、熱処理によ
り重合させたポリイミド樹脂膜を保護膜として被覆する
ことが提案されている。（第２図（ｆ）） ［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、前記したような従来の方法によって、
形成された薄膜トランジスターは、特に光センサとして
用いる場合、光の入射する半導体薄膜の表面が、雰囲気
の影響を受けやすく、酸素ガスや水蒸気が直接これらの
表面に、吸着、あるいは、拡散すれば、半導体薄膜が、
非常に薄いため、電気的特性が大きく変動する。このた
め、前記したように素子の表面を窒化シリコン（Si
₃N₄）から成る保護膜で被覆することが検討されてい
る。しかし、薄膜半導体層に用いられているアモルファ
スシリコンは、高温の熱履歴を受けると、膜中の水素が
拡散、放出されたり、オーミックコンタクト層中のＰ
（リン）や電極のAl（アルミニウム）との相互拡散が起
きたりして、薄膜半導体表面はダメージを受けるため、
アモルファスシリコンに対して高温の熱履歴を与えるこ
とができない。

よって、保護膜に用いられる窒化シリコンは低温で成
膜される事が必要となるが、通常、窒化シリコンの成膜
に用いられるプラズマCVD法で保護膜としての特性を満
足させるには、300℃程度の基板温度が必要であり、通
常のアモルファスシリコンの成膜温度と同等、もしく
は、高い温度である。窒化シリコンを、プラズマCVD法
によりさらに低温で作成した場合、NH₃やN₂などの原料
ガスの分解反応が、あまり進まないために、膜の緻密性
は低く、マイクロクラックなどの欠陥が多い構造になっ
てしまう。これらの保護膜の膜質の悪化により、暗電流
の増加、耐圧の低下などの望ましくない特性となる。ま
た、保護膜としてポリイミド等の有機材料を用いた場合
も、熱処理による影響については同様に考えられる。ま
た、有機材料では充分な耐湿性が期待できない場合があ
る。

これらの結果、従来のTFTや薄膜トランジスター型光
センサーを実際に製品として応用する場合に充分な性能
を持った保護層が形成されていないと、重大な障害とな
る場合がある。たとえば、光センサーの場合、その基本
特性である光電流、暗電流が、不安定で、読み取り画像
の大きな劣化を引き起こす場合がある。

以上、従来の方法で形成されたTFTやTFT型光センサー
においては、保護膜形成時のアモルファスシリコンへの
熱の影響が心配されるために、より良質な保護膜が得ら
れず、更なる信頼性や安定性という点で、より一層厳し
い環境下に於ける特性や性能の保証が充分できない場合
があるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、更なる
信頼性や安定性という点で、より一層厳しい環境下に於
ける特性や性能の保証が充分可能に成るような保護層を
有する薄膜半導体装置の製造方法を提供することを目的
とする。

本発明は、薄膜トランジスタ型光センサ等の薄膜半導
体装置において、その保護膜の成膜温度を半導体薄膜
（例えばアモルファスシリコン）の成膜温度から決め
て、さらに保護層成膜後に熱処理を行うことにより、よ
り一層の信頼性、安定性が確保された薄膜薄膜半導体装
置得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、支持体と、該
支持体上に設けられたアモルファスシリコン膜と、該ア
モルファスシリコン膜上に設けられた窒化シリコン膜の
保護層と、を有する薄膜半導体装置の製造方法であっ
て、前記窒化シリコン膜の成膜温度T_S2と、前記アモル
ファスシリコン膜の成膜温度T_S1とが、T_S2≦T_S1−50な
る関係とされ、且つ、前記窒化シリコン膜の成膜後に前
記成膜温度T_S1を越えない熱処理温度T_Aで熱処理するこ
とを特徴とする。

［実施例］ 以下、本発明をTFT型光センサを例にとって実施例に
もとづき説明する。

（実施例１） 本発明のTFT型光センサの断面図及び製造工程は、第
１図及び第２図においてそれぞれ説明したものと同じで
ある。

第２図を用いて、本発明のTFT及びTFT型光センサの作
製方法を更に詳しく説明する。

絶縁性基板である支持体１にゲート電極２をCrで選択
形成し、続いてゲート絶縁膜３となる水素化アモルファ
スシリコン窒化膜（ａ−SiNx:H 以下 窒化シリコン
膜）を3000Å，第１の薄膜半導体４となる水素化アモル
ファスシリコン（以下 ａ−Si:H）を5000Å、ｎ型不純
物を含有するアモルファスシリコン層であるｎ＋層５を
1500ÅプラズマCVD法により、順次堆積した（第２図
（ａ））。このとき、ゲート絶縁膜３となる窒化シリコ
ン膜の成膜温度は350℃、薄膜半導体４となる水素化ア
モルファスシリコンの成膜温度T_S1は200℃、さらにｎ＋
層５はの成膜温度は190℃とされた。

次に、ソース、ドレイン電極６、７となるアルミニウ
ムを１μｍの厚みにスパッタリング法で堆積後、ソー
ス、ドレイン電極のパターニング用の感光性レジスト
（感光性樹脂）８を塗布した（第２図（ｂ））。

次に、感光性レジストを所望のパターンにパターニン
グ後、感光性レジスト８をマスクとしてソース、ドレイ
ン電極をウエットエッチングにより形成した（第２図
（ｃ））。

続いて感光性レジスト８をマスクとして、RIEにより
感光性レジスト間の露出している部分のｎ＋層５をエッ
チングした後にレジスト８を剥離した（第２図
（ｄ））。

所望のパターンに感光性レジストをでパターニング
後、不要部分の各層をRIEによって除去し、素子分離を
行なった（第２図（ｅ））。

更に、第２図（ｄ）で形成された薄膜半導体の表面に
窒化シリコン膜の保護層10をプラズマCVD法により形成
した（第２図（ｆ））。

該窒化シリコン膜は、SiH₄とNH₃の混合ガスを成膜温
度T_S2を150℃としてプラズマCVD法により堆積させた。

保護膜の窒化シリコンを成膜後、最後に熱処理温度T_A
を200℃として１時間の熱処理をして本発明のTFT型光セ
ンサを得た。

ここで成膜温度T_S2＝150℃で成膜した保護膜10の窒化
シリコン膜の単膜について、熱処理温度T_A＝200℃で熱
処理した膜と、していない膜との各物性値の比較を、第
１表に示した。

第１表に示されるように、T_A＝200℃の熱処理によ
り、BHFエッチングレイトの減少から、緻密性の向上が
見られ、また、ESRスピン密度の減少から、膜中の欠陥
が減少したことがわかる。更に、熱処理した膜は、耐圧
特性も良好になっている。

このようにして作製されたTFT型光センサにおける、
暗電流特性をあらわすトランジスタのVg−Id特性を第３
図に示す。第３図に示されるように良好なON/OFF比を持
つ特性であった。

また、比較のために従来の方法で、保護膜の成膜温度
を変えて作成されたトランジスタのVg−Id特性を第４図
（ａ）乃至第４図（ｃ）に示す。第４図に示されるよう
に、ゲート電圧Vg＝0Vでの暗電流Idは、保護膜の成膜温
度が高くなると増加し、トランジスタとしてのON/OFF
比、また光センサとしてのS/N比は悪化してしまうこと
がわかる。また、半導体層のアモルファスシリコンの成
膜温度T_S1が200℃の場合、保護膜の成膜温度T_S2は150℃
程度が良好であることがわかる。

しかしながら、成膜温度が150℃程度の窒化シリコン
は、良質な膜ではないため、保護膜としてそのまま用い
た場合、第５図の高温高湿放置時間に対する暗電流変化
率を示す図に示されるように、光センサ特性で特に暗電
流の高温高湿での変化率が大きく、耐湿性が悪いことが
わかる。

そこで、第１表に示されたように、熱処理により膜質
の改善を行った後に保護膜として用いることで、第５図
のように、暗電流の変化は小さくなり耐湿性は満足され
る。

また、熱処理温度T_Aを200℃より高くしていくと、第
４図で見られたのと同様なVg−Id特性の劣化が現れる。
熱処理による膜質の改善も、アモルファスシリコン成膜
時の温度である200℃程度で飽和するため、それ以上高
温にする必要はない。

尚、ここでは、アモルファスシリコンの成膜温度T_S1
が、200℃の場合について述べたが、アモルファスシリ
コンの成膜温度T_S1が、これと異なる温度であっても、
保護膜の窒化シリコンの成膜温度T_S2は、それより50℃
以上低い温度で選び、さらに熱処理温度T_Aは、アモルフ
ァスシリコンの成膜温度T_S1より低い温度で選べば、本
発明が適用できる。

（実施例２） 本発明の第２の実施例として、本発明のTFT型光セン
サーをファクシミリ等の画像読み取り装置に応用した場
合の側断面図を第６図に示す。第６図において、61はガ
ラス基板、62はゲート電極、63はゲート絶縁膜、64は半
導体薄膜、65はオーミックコンタクト層、66は上部電
極、67は保護層、68は接着層、69は原稿、70は耐摩耗
層、71は光源である。

第６図に示されるように光源71からの入射光は原稿69
で反射して、光センサの光電変換部に入射して光電変換
される。

第７図に本発明のTFT型光センサ及びTFTで構成した完
全コンタクト型センサの回路の平面図の一例を示す。同
図において、20はマトリクスに形成された配線部、21は
本発明によるTFT型光センサを用いた光センサ部、22は
電荷蓄積部、23aは本発明によるTFTを用いた転送用スイ
ッチ、24bは電荷蓄積部22の電荷をリセットする本発明
によるTFTを用いた放電用スイッチ、25は転送用スイッ
チの信号出力を信号処理ICに接続する引き出し線であ
る。本実施例では光センサ部21、転送用スイッチ23a及
び放電用スイッチ23bを構成する光導電性半導体層とし
てａ−Si:H膜が用いられ、絶縁層としてプラズマCVDに
よる窒化シリコン膜が用いられている。尚、第７図にお
いては、煩雑さを避けるために、上下２層の電極配線の
み示し、上記光導電性半導体層及び絶縁層は図示してい
ない。また上層電極配線と半導体層との界面にはｎ＋層
が形成され、オーミック接合が取られている。

第８図に本発明のTFT型光センサ及びTFTで構成した完
全コンタクト型センサの回路の等価回路を示す。同図に
おいて、Ｓ_i,1、Ｓ_i,2、Ｓ_i,3、・・・・Ｓ_i,n、は、第
７図の光センサ部21を構成している光センサであり、ｉ
はブロックの番号、１〜ｎはブロック内のビット数であ
る。（以下Ｓ_i,nと記す。）また同図において、Ｃ_i,nは
電荷蓄積部22のコンデンサで、光センサＳ_i,nに対応し
てそれぞれの光電流を蓄積する。また、蓄積コンデンサ
Ｃ_i,nの電荷を負荷コンデンサCX_nに転送するための転送
用スイッチ23aのトランジスタST_i,n、電荷をリセットす
る放電用スイッチ23bのトランジスタSR_i,nも同様に対応
している。これらの、光センサＳ_i,n、蓄積コンデンサ
Ｃ_i,n、転送用スイッチトランジスタST_i,n、および放電
用スイッチトランジスタSR_i,nは、それぞれ一列にアレ
イ状に配置され、ｎ個で１ブロックを構成し、全体とし
てｍ個のブロックに分けられている。たとえば、センサ
が1728個で構成されているとすれば、ｎ＝32、ｍ＝54と
することができる。アレイ状に設けられた転送用スイッ
チST_i,n、放電用スイッチSR_i,nのゲート電極は、ゲート
配線部に接続される。転送用スイッチST_i,nのゲート電
極は１番目のブロック内で共通に接続され、放電用スイ
ッチSR_i,nのゲート電極は次の順位のブロックの転送用
スイッチのゲート電極に接続される。

マトリクス配線部210の共通線（ゲート駆動線G₁,G₂,G
₃,・・・G_m）はゲート駆動部246によりドライブされ
る。一方信号出力は、マトリクス構成になっている引き
出し線230（信号出力線D₁,D₂,D₃,・・・D_n）を介して信
号処理部247（ブロック単位で）接続される。また、光
センサＳ_i,nのゲート電極は駆動部250に接続されて、負
のバイアスが加えられる。かかる構成において、ゲート
駆動線G₁,G₂,G₃,・・・G_mにはゲート駆動部246から順次
選択パルス（VG₁,VG₂,VG₃・・・VG_m）が供給される。ま
ず、ゲート駆動線にG₁選択されると、転送用スイッチST
_1,1〜ST_1,nがON状態となり、蓄積コンデンサＣ_1,1〜Ｃ
_1,nに蓄積された電荷が負荷コンデンサCX₁〜CX_nに転送
される。次に、ゲート駆動線G₂が選択されると、転送用
スイッチST_2,1〜ST_2,nがON状態となり、蓄積コンデンサ
Ｃ_2,1〜Ｃ_2,nに蓄積された電荷が負荷コンデンサCX₁〜C
X_nに転送され、同時に放電用スイッチSR_1,1〜SR_1,nより
蓄積コンデンサＣ_1,1〜Ｃ_1,nの電荷がリセットされる。
以下同様にして、ゲート駆動線G₃,G₄,G₅,・・・G_mにつ
いても選択されて、読み取り動作が行われる。これらの
動作は各ブロックごとに行われ、各ブロックの信号出力
VX₁,VX₂,VX₃,・・・VX_nは信号処理部247の入力D₁,D₂,
D₃,・・・D_nに送られ、シリアル信号に変換されて出力
される。

本発明の製造方法によって作製された光センサーを用
いた読み取り装置は、長時間に亙る使用に対しても特性
等の劣化がなく安定した読み取りを行うことができた。

特に高湿状態における使用は従来のものと比べて明ら
かに安定していた。

尚、本実施例の一次元完全コンタクトセンサアレイ
は、第６図に示すように光センサの上部に耐摩耗層70を
形成してセンサの裏面から光源71により照明し、原稿69
を読み取るレンズレスの完全コンタクトセンサアレイの
みならず、等倍結像レンズ（たとえば、日本板硝子社製
のセルフォックレンズなど）を用いた完全コンタクトセ
ンサアレイにも使用可能である。

また、熱処理の際の最低温度は通常の製造工程中の温
度内（例えば100℃以上）にするのが好ましい。

更に、熱処理時間は熱処理温度によっても異なるが、
一般には１時間から数時間（例えば２〜３時間）とする
のが好ましい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明は、TFT型光センサの形
成方法において、半導体層に用いられるアモルファスシ
リコンの成膜温度T_S1に応じて、保護膜の成膜温度T_S2を
T_S1よりも低い温度、より好ましくは50℃以上低温にな
るように選び、さらに、保護膜の成膜温度T_Aを、薄膜半
導体層（例えばアモルファスシリコン層）の成膜温度T
_S1の温度を越えないように選ぶことにより、半導体層に
対する熱的なダメージを最小限度にとどめながら、しか
も、より一層の信頼性、安定性を満足する保護膜を形成
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、薄膜半導体装置の一例を示す模式的断面図、
第２図は、第１図に示される薄膜半導体装置の作製方法
を説明するための工程図、第３図は、本発明による光セ
ンサにおける、トランジスタのVg−Id特性を示す図、第
４図（ａ）乃至第４図（ｃ）は、それぞれ従来の方法に
より保護層を形成した場合の、それぞれ作成されたトラ
ンジスタのVg−Id特性を示す図、第５図は、高温高湿放
置時間に対する暗電流変化率を示す図、第６図は、本発
明による光センサを用いた画像読み取り装置の模式的断
面図、第７図は、本発明による光センサを用いた画像読
み取り装置の模式的平面図、第８図は、本発明による光
センサを用いた画像読み取り装置の等価回路である。 1,61:ガラス基板 2,62:ゲート電極 3,63:ゲート絶縁膜 4,64:光導電性半導体膜 5,65:n＋層（オーミックコンタクト層） 6,66:上部電極層 8:レジスト 10,67:保護層 69:原稿 70:耐摩耗層 71:光源 20,210:マトリクス形成されたゲゲート配線部 21:光センサ部 22:電荷蓄積部 23a:転送用スイッチ 23b:放電用スイッチ 25,230:信号出力の引き出し線 26:光入射窓 246:ゲート駆動部 247:信号処理部 250:センサゲート駆動部 Ｓ_i,n：光センサ Ｃ_i,n：蓄積コンデンサ CX_n:負荷コンデンサ ST_i,n：転送用スイッチングトランジスタ SR_i,n：リセット用スイッチングトランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 隆之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 津田 尚徳 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 山野辺 正人 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−1520（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−122283（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−62276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−201472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−141278（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−29924（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 21/318 H01L 27/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持体と、該支持体上に設けられたアモル
   ファスシリコン膜と、該アモルファスシリコン膜上に設
   けられた窒化シリコン膜の保護層と、を有する薄膜半導
   体装置の製造方法であって、前記窒化シリコン膜の成膜
   温度T_S2と、前記アモルファスシリコン膜の成膜温度T_S1
   とが、T_S2≦T_S1−50なる関係とされ、且つ、前記窒化シ
   リコン膜の成膜後に前記成膜温度T_S1を越えない熱処理
   温度T_Aで熱処理することを特徴とする薄膜半導体装置の
   製造方法。
2. 【請求項２】前記薄膜半導体装置は更に補助電極、オー
   ミックコンタクト層及び対向電極を有し、前記支持体側
   から補助電極、絶縁層、アモルファスシリコン膜、オー
   ミックコンタクト層、対向電極の順に積層された構造を
   有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体装
   置の製造方法。