JP4245086B2 - ガラス上薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス上への薄膜トランジスタ(TFT)の形成、より詳しくは、浸出処理されたガラス表面上へのトップゲートTFTの直接的な形成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子的装置の製造において、ケイ素(以下シリコンと称する)には幅広い用途が見出されている。特に実用的なものとしては、薄膜トランジスタ(TFT)が挙げられる。このようなトランジスタは、多くの装置において重要な構成部材である。現在非常に関心を集めている装置は、液晶表示装置(LCD)である。
【0003】
非晶質シリコン(a−Si)型薄膜トランジスタ(TFT)を多結晶質シリコン(poly−Si)型のものに置き換えることにより性能を高めることが、シリコン装置産業、特にアクティブマトリクス液晶装置(AMLCD)の製造の目的である。この変化により、オン電流が大きくなり、周波数応答が良好になり、表示装置が大きくなり、寿命が潜在的に長くなる。ガラス基体上に周囲回路またはピクセルスイッチを付与することもできる。このことにより、基体への外部接続数が大幅に減少し、それにより、信頼性が高まり、コストが減少する。
【0004】
Poly−SiのTFTは、上述した理由のために非常に魅力的である。TFTの製造に必要とされるpoly−Siフイルムは、コーニングコード1737のガラスのような、歪点が高い平らなガラス基体上に直接形成することができる。しかしながら、これらのpoly−Si型のTFTは典型的に、poly−Si基層とガラス基体との間に中間SiO2バリア層を付着させたガラス基体上に製造されている。このSiO2バリア層は通常0.5μmから1μmまでの間の厚さである。SiO2バリア層が用いられている理由は2つある。第1に、この層は、AlおよびBのようなガラス成分をアクティブpoly−Si基層から隔てるように機能する。AlおよびBは、Si中においてドーパントとして機能し、導電性背面を形成し、したがってトランジスタの漏れ電流を増大させるので、このような隔離は重要である。第2には、バリア層を使用することにより、ガラスから次の電子素子中にアルカリが拡散するのを防ぐことがある。このようなバリア層が、例えば、AraujoおよびFehlnerの「酸化物層の間のナトリウム再分布」,J.Non-Crystalline Solids, Vol.197, 154-163頁、およびMoore等の「Poly−Si型TFT表示装置用のバリア層」,SID 96 DIGEST, 543-545頁(1996)に論じられている。これらの文献には、アルミノホウケイ酸塩ガラス上にSiO2バリア層を配置することにより、ナトリウム再分布が濃度勾配に反することが示されている。ナトリウムは、Na濃度の低いSiO2バリア層からNa濃度の高いガラス基体中に浸出処理する傾向にある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
アクティブマトリクスピクセルトランジスタにpoly−Si型TFTを使用することに対する難問の1つは、poly−Si型TFTは通常、a−Si型TFTよりもオフ電流(漏れ電流)が大きいことである。したがって、コントラストを損なわずにアクティブマトリクス表示装置にアドレスするためには、ピクセルTFTは好ましくは、漏れ電流が1×10-10アンペア未満でなければならない。SiO2付着工程を排除し、ガラス表面上に直接TFTフイルムを付着できることが望ましい。しかしながら、「バリア層」の文献に記載されているように、現在まで、そのような試みによる、漏れ電流は許容できないものであった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明において、ガラス表面に浸出処理を施すことにより、バリア層を必要としない半導体基体を作成する。本出願人は、ガラス表面の適切な浸出処理により、表面の荒さよびTFTの製造に重要な他の特性を損なわずに、シリカの豊富なバリア層をガラス表面に付与できることを発見した。
【0007】
適切な浸出処理工程の実施例は、RCA洗浄として典型的に知られている工程である。RCA洗浄は、半導体工業で通常用いられており、高抵抗率脱イオン水による濯ぎとともに、NH4OH/H2O2/H2OおよびHCl/H2O2/H2Oの温浴(75℃)を用いている。基体をこの技術により洗浄して、粒子、有機残留物、および金属を除去し、工程の収率を高めている。SiO2フイルムには、RCA洗浄はほとんどまたは全く効果がない。これとは対照的に、コーニングコード1737のガラスようなアルミノホウケイ酸塩ガラス基体は、そのような洗浄工程中に浸出処理される。誘導結合高周波プラズマ(ICP)分析および二次イオン質量分光学(SIMS)分析により、化学浴は、アルミニウム、ホウ素、ナトリウム、カルシウム、バリウム、および他の成分のいくつかを除去して、後にシリカが豊富な表面層を残すことが示されている。得られたpoly−Si型TFTの特性は、適切に浸出処理された表面層は、以前に研究したAPCVD SiO2のような付着バリア層に匹敵して作用できることを示している。
【0008】
本発明の方法を用いて、漏れ電流またはオフ電流が、同一の薄膜トランジスタが浸出処理されていないガラスシート上に付着された場合の漏れ電流よりも、少なくとも1桁小さい(より好ましくは少なくとも1.5桁、そして最も好ましくは少なくとも2桁小さい)薄膜トランジスタを形成することができる。漏れ電流は、所定のゲート電圧での最小ソースドレーン電流である。AMLCD内のTFTの漏れ電流は、0Vのゲート電圧で生じることが好ましい。TFT内のアクティブ領域は、ソースとゲートの直接下のドレーン接点との間の半導体領域である。トップゲートのポリシリコンTFTにおいて、このアクティブ領域は基体と密接している。
【0009】
本発明は、付着バリア層コーティングを使用する必要なく、ガラス基体上に直接ポリシリコンTFTを形成するのに特に有用である。このようなポリシリコンTFTの漏れ電流を、本発明の方法を使用することにより、10Vのソースドレーン電圧で10-10アンペア未満、より好ましくは10-11未満、そして最も好ましくは10-12アンペア未満にすることができ、しきい電圧は各々の場合3ボルト未満である。そのような実施の形態においてポリシリコンコーティングを付着させる方法は重要ではなく、したがって、ポリシリコンは、直接的に付着させても、または非晶質ケイ素として付着させ、この業界で知られている適切な結晶化工程により転化しても差し支えない。あるいは、poly−Siをレーザまたはイオン衝撃により付着させても、もしくは混合非晶質Si/poly−Si相で付着させて再結晶化させてもよい。
【0010】
図1は、ボトムゲート(a−Si)型TFTを示している。図2は、トップゲート(poly−Si)型TFTを示している。ボトムゲートa−Si型TFT構造において、アクティブ半導体領域はゲート絶縁体によりガラス基体から遮蔽されており、一方、poly−SiトップゲートTFT構造において、この領域はガラス基体と密接している。トップゲートは、ゲート金属が頂面にあり、ソースドレーン半導体領域が基体と接触していることを意味する。
【0011】
ここで図1を参照する。a−Si型TFTは、金属ゲート材料12(例えば、Ta、Mo)が付着され、パターン形成され、エッチングされているガラス基体10からなる。ゲート誘電体14(典型的にa−Si型TFTにはSiN)が、ガラス10およびゲート金属12を含む全表面に亘り付着されている。次に、固有(ドープされていない)シリコン層16が付着されてパターン形成され、その後、n−ドープシリコン層18a(ソース)および18b(ドレーン)がそれぞれ付着される。ITOピクセル層20がゲート酸化物14の上に付着され、ピクセル領域においてパターン形成される。金属ソースライン22aおよびドレーン18bとITOピクセル20との間のコネクタ22bが付着されパターン形成されている。この装置は、パッシベーション層24(例えば、SiNまたはSiO2)を付着させることにより完成する。このボトムゲートTFT構造においては、TFTのアクティブ領域16は、ゲート絶縁体14によりガラス基体10から分離されていることに注意されたい。
【0012】
図2に示した典型的なpoly−SiトップゲートTFTは、比較的類似の層を有している。しかしながら、トップゲートTFTにおいて、固有シリコン16からなるアクティブソースドレーン半導体領域は、ガラス基体と直接的に接触している。本発明が主に関係するのは、トップゲートTFTである。本発明の前に、そのような装置内のガラス基体10では、成分がガラスからTFT中に浸出処理するのを防ぐのに十分であった付着バリア層(例えば、0.5ミクロンから1ミクロンの厚さのSiO2)を用いていた。
【0013】
本発明の方法を使用することにより、最初にガラス上にバリア層コーティングを付着させる必要なく、浸出処理されたガラス表面上に直接シリコンコーティングを付着させることができる。しかしながら、ガラスの表面の荒さは、浸出処理工程により不利に影響を及ぼされず、実際、5ミクロン×5ミクロンの区域に亘り500オングストロームのRMSより大きくは基体の表面荒さを増大させない。より好ましくは、増大した表面荒さは、5ミクロン×5ミクロンの区域に亘り200オングストロームRMS未満であり、最も好ましくは5ミクロン×5ミクロンの区域に亘り100オングストローム未満である。
【0014】
浸出処理は好ましくは、0−6および/または8−14の間のpHを有し、好ましくはガラス表面から金属成分を除去することのできる液体または気体を用いて行う。ある実施の形態において、浸出処理は、8−14の間のpHを有する塩基を用い、続いて、0−6の間のpHを有する酸と接触させることにより行われる。ガラスを浸出処理する好ましい方法は、RCA洗浄として知られているものの一部として用いられているような浸出処理材料にガラス表面を接触させることを含む。RCA洗浄の第1の工程は、4部のH2O、1部のNH4OHおよび1部のH2O2を用いた塩基洗浄を含む。塩基洗浄の目的は、有機材料を除去することにある。典型的に、塩基洗浄の後にH2Oによる濯ぎが行われる。RCA洗浄の第2の工程は、12部のH2O、2.5部のHClおよび2.5部のH2O2からなる酸による洗浄を含む。酸洗浄の目的は、金属を除去することにある。典型的に、酸洗浄の後にH2Oによる濯ぎが行われ、続いて通常100:1の短時間のHFへの浸漬が行われ、さらにH20による濯ぎおよび回転乾燥が行われる。
【0015】
浸出処理の実験は、RCA洗浄の塩基洗浄の最中に、非常に高濃度のアルミニウムがガラス表面から浸出処理されることを示している。浸出処理の実験は、化学浴の誘導結合高周波プラズマ(ICP)分析を用いて、二次イオン質量分光学を用いたpoly−Si被覆基体への相互汚染を研究することにより行った。カルシウムのような他のガラス成分もまたガラス表面から浸出処理したが、アルミニウムほど濃度は高くなかった。RCA洗浄の酸の部分もまた、カルシウムおよびバリウムを浸出処理させ、塩基洗浄から残されたアルミニウムを除去する。
【0016】
低温(600℃まで)のTFT製造工程を用いて、3つの異なる基体上に図2に示したものと類似のトップゲートポリシリコンTFTを製造した。これらTFTの各々において、ポリシリコンは、低圧CVDを用いてシランから直接的に付着させた。第1の基体は、大気圧化学蒸着した(APCVD)1100オングストロームのSiO2バリア被膜を有するコーニングコード1737のガラス基体であった。他の2つの基体は、HF浸漬を行ったものと行っていないものである、被覆されていないコード1737のガラス基体であった。これら3つの基体の各々についてのトランジスタのソースドレーン電流対加えた電圧の特徴付けを行って、それらの結果を図3に示す。
【0017】
HF浸漬を行わずにRCA洗浄を用いて適切に浸出処理した基体上に製造したTFTは、SiO2バリア被覆したガラス基体よりも小さい漏れ電流を示した。トランジスタ製造の初期に頃には、ベースのpoly−Si層付着の前のガラス基体のRCA洗浄には、洗浄工程における最後の段階として短時間の希釈HFへの浸漬が含まれていた。この種類の洗浄工程を用いると、むき出しのガラス基体上に製造されたトランジスタは、1100オングストローム厚のAPCVD SiO2上に製造されたものよりも約2位大きい大きさの漏れ電流を示した。RCA洗浄工程の最後に行われるこの短時間のHFエッチングは、結晶質シリコンウェハーから固有の酸化物を除去するために半導体工業において標準的に行われている。しかしながら、このようなエッチングをガラス表面上に行った場合、塩基洗浄段階で製造された浸出処理されたガラス層が除去されてしまう。
【0018】
【発明の効果】
したがって、RCA洗浄の最後に行われた短時間の希釈HF浸漬を省いた場合、トランジスタの漏れ電流は、SiO2被覆ガラス基体上に製造したものよりも統計的に小さい(良好)であることが分かった。この現象のために提案された理由は、RCA洗浄により浸出処理されたシリカの豊富な表面層を形成し、この層が、ガラス基体の大部分と続いての電子フイルムとの間のバリアとして機能することである。
【0019】
【実施例】
以下、実施例を参照して本発明を詳細に説明する。これらの実施例は、説明を目的とするものであって、限定を意図するものではない。
【0020】
3つの異なる種類の基体をトップゲートTFT製造のために作成した:1)塩基浴および酸浴の両方への10分間に亘る標準RCA洗浄、並びに希釈HF浸漬により洗浄して、浸出処理した表面層を除去した基体、2)塩基浴および酸浴の両方への10分間に亘る標準RCA洗浄により洗浄して、薄い浸出処理表面層を形成した基体、および3)塩基浴および酸浴の両方への120分間に亘る標準RCA洗浄により洗浄して、かなり浸出処理された表面層を形成した基体。p型およびn型の両方のTFTをこれらの基体上に製造した。図2に示したものと類似の121のマトリクスの同一トップゲートポリシリコンTFTを各々の基体上に形成した。各々の場合において、ポリシリコンは、シランから低圧CVDにより付着させた。次いで、10Vの電圧をソースライン22aおよび22bに加えて、金属ゲート12を−5ボルトから15ボルトに掃引し、ソースライン22aと22bの間の電流を測定した。測定した漏れ電流(最小ソースドレーン電流)の平均および標準偏差が表1に示されている。
【0021】
【表1】
【0022】
これらの実施例は、漏れ電流が、図3に示したI−V曲線に観察されたものと同一の傾向をたどることを示している。n型TFTに関して、得られる漏れ電流は10-12アンペアに近づいている。より高品質のシリコン(例えば、レーザにより再結晶化されたポリシリコンまたは固相結晶化ポリシリコンのような)を用いた場合、これらの試料の漏れ電流は10-12アンペア未満となると考えられる。HF浸漬を行って、形成された浸出処理表面が除去された表面上に製造されたトランジスタは、浸出処理されたまたはシリカが豊富な表面上のTFTよりも実質的に大きい漏れ電流を有した。ガラス表面の浸出処理またはRCA処理の量においても傾向が観察される。表面が浸出処理される時間が長いほど、シリカの豊富な表面の境界区域がより純粋になり、浸出処理された層がより厚くなる。これにより、漏れ電流のより少ないトランジスタが形成される。RCA洗浄の浸出処理工程中にガラスの表面荒さにおける差が観察されたとしても、それはごくわずかである。コーニングコード1737のガラス基体の初期のRMS表面荒さは4μm×4μm区域において約2.0オングストロームであった。HFの浸漬を行わない標準的な10分間のRCA洗浄後には、RMS表面荒さが1.7μmから2.2μmと測定された。
【図面の簡単な説明】
【図1】a−Si型TFTを製造するのに典型的に用いられるボトムゲートTFTを示す断面図
【図2】poly−Si型TFTを製造するのに典型的に用いられるトップゲートTFTを示す断面図
【図3】従来技術のトランジスタおよび本発明により製造したトランジスタを比較する電流対電圧特性を示すグラフ
【符号の説明】
10 ガラス基体
12 ゲート金属
14 ゲート誘電体
16 固有シリコン層
18 n−ドープシリコン層
20 ITOピクセル層
22 ソースライン
24 パッシベーション層
Claims (14)
- アルミニウムおよびシリコン含有ガラス基体上にトップゲート薄膜トランジスタを直接的に製造する方法であって、
該ガラスの表面を、HF処理を実施しない浸出処理を行なうことにより、浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面を形成し、
該浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面上にシリコンコーティングを直接的に形成し、
該シリコンコーティングにパターンを形成して、前記薄膜トランジスタの基板を形成し、
該薄膜トランジスタを製造するのに必要な製造工程を続ける各工程を有してなることを特徴とする方法。 - 前記薄膜トランジスタ内のソースドレーン半導体領域が、前記浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面と直接的に接触していることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記浸出処理工程が、0−6および/または8−14の間のpHを有する液体または気体を使用することを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記シリコンコーティングを形成する工程が、前記浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面と密接している非晶質シリコンまたは多結晶質シリコンフイルムを形成する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記浸出処理工程が、前記TFTのゼロゲート電圧でのソースドレーン電流が、該トランジスタが浸出処理されていないガラス基体上に製造された場合のゼロゲート電圧でのソースドレーン電流よりも、
少なくとも1桁だけ、
少なくとも1.5桁だけ、または
少なくとも2桁だけ小さくなるようにするのに十分であることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記浸出処理工程により形成された浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面が、前記浸出処理工程を供する前の表面と比較して、
5μm×5μmの区域に亘り500オングストローム未満、
5μm×5μmの区域に亘り200オングストローム未満、または
5μm×5μmの区域に亘り100オングストローム未満の増大した表面荒さを示すことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 10Vのソースドレーン電圧およびゼロボルトのゲート電圧がTFTに加えられた場合、前記TFTのソースドレーン電流が10−10アンペア未満であることを特徴とする請求項1または3記載の方法。
- 前記TFTのしきい電圧が3ボルト未満であることを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記浸出処理工程により形成された浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面が、該浸出処理工程を供する前の表面と比較して、5μm×5μmの区域に亘り500オングストローム未満の増大した表面荒さを示すことを特徴とする請求項8記載の方法。
- アルミニウムおよびシリコン含有ガラス基体上に薄膜トランジスタを製造する方法であって、
該ガラスの表面を、HF処理を実施しない浸出処理を行なうことにより、浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面を形成し、
該浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面上にシリコンコーティングを直接的に形成し、
該シリコンコーティングにパターンを形成して、前記薄膜トランジスタの基板を形成し、
該薄膜トランジスタを製造するのに必要な製造工程を続ける各工程を有してなり、それにより、前記形成、パターン形成、および続いての製造工程により、前記浸出処理されたシリカの豊富なガラス表面と直接的に接触しているソースドレーン半導体領域を有するTFTが形成されることを特徴とする方法。 - 前記浸出処理工程が、前記TFTのゼロゲート電圧でのソースドレーン電流が、前記トランジスタが浸出処理されていないガラス基体上に製造された場合のゼロゲート電圧でのソースドレーン電流よりも少なくとも1桁小さくなるようにするのに十分であることを特徴とする請求項10記載の方法。
- 前記TFTのソースドレーン電流が、10Vのソースドレーン電圧およびゼロボルトのゲート電圧が該TFTに施される場合、1×10−10アンペア未満であることを特徴とする請求項10記載の方法。
- 前記浸出処理工程が、
(1)前記ガラス表面を8−14の間のpHを有する塩基と接触させ、
(2)さらに、前記ガラス表面を0−6のpHを有する酸と接触させる各工程を含むことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項記載の方法。 - 前記浸出処理工程が、工程(1)の後に、HF処理を用いないことを特徴とする請求項13記載の方法。
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