JP4573091B2 - 薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に有機ＥＬ素子のような電流駆動型素子を用いた表示装置の駆動用に適する薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに表示装置およびその製造方法に関するものである。

フラットパネル型表示装置の駆動用素子には、薄膜半導体層を用いた薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）が用いられている。この薄膜トランジスタの形成は、例えば次のように行われている。先ず、基板上に形成したシリコン薄膜をパターニングしてソース・ドレイン領域を形成する。次に、再度シリコン薄膜を形成して熱処理による結晶化を進め、このシリコン薄膜をパターニングしてチャネル部シリコン薄膜を形成する。その後、ゲート絶縁層を形成し、このゲート絶縁層を介してチャネル部シリコン薄膜上にゲート電極を形成する（以上、下記特許文献１参照）。

特開平５−１２９２０２号公報（特に図１および段落００１５〜００２９）

ところでフラットパネル型表示装置のうち、有機ＥＬ素子を発光素子として用いた有機ＥＬ表示装置は、薄膜トランジスタによる電流駆動によって有機ＥＬ素子の発光を制御している。このため、薄膜トランジスタがスイッチング素子としてのみ用いられている液晶型表示装置と比較して、駆動用の薄膜トランジスタにはより高い信頼性が要求されることになる。

しかしながら、上述した工程で形成された薄膜トランジスタにおいて、チャンネル部シリコン膜がアモルファスシリコンで形成されている薄膜トランジスタにおいては、十分なＢＴ（Baias-Temparater）特性を得ることができず、有機ＥＬ表示装置のような電流駆動型の表示装置に用いると閾値電圧が大きく変化するという問題があった。

そこで本発明は、電流駆動型の表示装置の駆動用に耐えうる高信頼性の薄膜トランジスタおよびその製造方法、さらにはこれを用いた表示装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の薄膜トランジスタは、基板上に、ソース・ドレイン層と、アモルファスシリコンからなるチャネル層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とをこの順またはこれと逆の順に積層してなる薄膜トランジスタである。そして、チャネル層が、少なくともゲート絶縁膜との界面付近に重水素を含有すると共に、重水素を含む水素濃度がゲート絶縁膜側界面からソース・ドレイン層側界面に向かって連続的に増加している。

このような構成の薄膜トランジスタでは、チャネル層が重水素を含むものであり、チャネル層中における重水素を含む水素濃度が、ゲート絶縁膜側界面からソース・ドレイン層側界面に向かって連続的に増加するように濃度勾配を有している。これにより、ゲート絶縁膜側界面では水素濃度を抑えつつも、ソース・ドレイン層側界面では必要量の水素濃度が確保される構成となる。そして、ゲート絶縁膜側界面の水素濃度を抑えることにより、しきい値電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）が小さく抑えられる。しかもソース・ドレイン層側界面では必要量の水素濃度を確保することにより、ソース・ドレイン間における電子（キャリア）の移動度が確保され、トランジスタの初期特性としてＳ値（サブスレッショルドスロープ）が小さく抑えられる。

特に、チャネル層に含有されている重水素は水素よりもシリコンに対する結合エネルギーが大きいため、チャネル層内から脱離し難い。したがって、水素のみが含有されているチャネル層と比較して、チャネル層内における重水素を含む水素濃度の径時的な変化が小さく、これによってもしきい電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）がさらに小さく抑えられ、またキャリアの移動度やＳ値の径時的な変化も小さく抑えられる。ここでは、少なくともチャネル層のゲート絶縁膜側に重水素が含有されているため、しきい電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）がさらに小さく抑えられることになる。また、チャネル層のソース、ドレイン側に重水素が含有されていれば、トランジスタのドレイン電流を十分に確保出来ることになる。しかも、キャリアの移動度やＳ値の径時的な変化が小さく抑えられる効果も期待できる。

また、本発明における薄膜トランジスタの製造方法は、基板上のゲート電極を覆う状態で、当該基板上にゲート絶縁膜を介して重水素を含有するアモルファスシリコンからなる第１チャネル層を形成し、この第１チャネル層に対して重水素を含む雰囲気下において水素化処理を行い、第１チャネル層上に、重水素を含む水素濃度が当該第１チャネル層よりも高いアモルファスシリコンからなる第２チャネル層を、第１チャネル層を形成する際の成膜温度よりも低い成膜温度で形成することを特徴としている。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法では、ゲート絶縁膜上には第１チャネル層上に、これよりも重水素を含む水素濃度の高い第２チャネル層が形成された積層構造のチャネル層が形成される。このため、このチャネル層上にソース・ドレイン層を形成した状態においては、ソース・ドレイン側の水素濃度が高く、ゲート絶縁膜側の水素濃度が低く抑えられたチャネル層を有するボトムゲート型の薄膜トランジスタが得られる。また、ゲート絶縁膜側の第１チャネル層に水素よりもシリコンに対する結合エネルギーが大きく脱離し難い重水素を含有させたことにより、水素のみが含有されているチャネル層と比較して、特にゲート絶縁膜側においての重水素を含む水素濃度の径時的な変化が小さいチャネル層を構成することができる。

また本発明の表示装置は、上述した構成の薄膜トランジスタに接続された電流駆動型の発光素子を基板上に配列形成してなることを特徴としている。

このような表示装置では、ソース・ドレイン間におけるキャリアの移動度が確保された状態で、しきい値電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）、さらにはキャリアの移動度やＳ値の変化を小さく抑えた薄膜トランジスタによって発光素子の駆動がなされる。このため、長期にわたって安定的に発光素子の駆動がなされる。

また、本発明の表示装置の製造方法は、薄膜トランジスタに接続された電流駆動型の発光素子を基板上に配列形成してなる表示装置の製造において、上述した薄膜トランジスタの製造工程を有することを特徴とする。

本発明の薄膜トランジスタによれば、アモルファスシリコンからなるチャネル層を用いた薄膜トランジスタにおいて、ソース・ドレイン間におけるキャリアの移動度を確保しつつ、しきい値電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）、さらにはキャリアの移動度やＳ値の変化を小さく抑えることが可能となるため、初期特性を維持しつつも長期信頼性のさらなる向上を図ることが可能となる。

また、本発明の表示装置によれば、このような薄膜トランジスタを電流駆動型の発光素子の駆動用に用いることで、表示装置の長期信頼性の向上を図ることが可能になる。

そして、本発明の薄膜トランジスタの製造方法によれば、ソース・ドレイン側の水素濃度が高くゲート絶縁膜側の水素濃度が低く抑えられ、かつ水素濃度の径時的な変化が小さい上記構成の薄膜トランジスタを得ることが可能になる。

また、本発明の表示装置の製造方法によれば、上記構成の薄膜トランジスタを設けた表示装置を得る事が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、薄膜トランジスタの構成、これを用いた表示装置の構成、薄膜トランジスタの製造方法とこれに続く表示装置の製造方法の順に説明する。

＜第１実施形態＞
（ａ）薄膜トランジスタ
図１は、第１実施形態の薄膜トランジスタを説明する断面図である。この図に示す薄膜トランジスタ１は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであり、ガラス等からなる基板２上にパターン形成されたゲート電極３を覆う状態で、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜５が形成されている。このゲート絶縁膜５上には、ゲート電極３を覆う状態でアモルファスシリコンからなるチャネル層７がパターン形成されている。そして、チャネル層７上には、ゲート電極３上に積層させる状態で窒化シリコンからなる保護ストッパ層９がパターン形成されている。また、チャネル層７上には、保護ストッパ層９を挟んだ位置に、ｎ型のアモルファスシリコン層からなるソース１１ａおよびドレイン１１ｂがパターン形成されている。これらのソース１１ａ、ドレイン１１ｂは、その端部を保護ストッパ層９上に積層させており、保護ストッパ層９によって分離された状態となっている。また、ゲート絶縁膜５上には、ソース１１ａおよびドレイン１１ｂ上に一部を積層させたソース電極１３ａおよびドレイン電極１３ｂがパターン形成されている。

そして特に、本実施形態の薄膜トランジスタ１においては、アモルファスシリコンからなるチャネル層７が重水素を含有している。また、チャネル層７中には、重水素と共に水素が含有されていても良いが、好ましくは水素に対して重水素の含有量が多い方が好ましい。そして、チャネル層７中における重水素を含む水素濃度（以下、単に水素濃度と記す）は、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって増加するように、深さ方向に分布を有していることとする。尚、チャネル層７中に含有される重水素は、少なくともゲート絶縁膜５との界面付近に含有されていることとする。

このような構成の薄膜トランジスタ１においては、チャネル層７中の水素濃度が、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって増加するように濃度勾配を有している。これにより、ゲート絶縁膜５の界面付近では水素濃度を抑えつつも、ソース１１ａ，ドレイン１１ｂ側の界面付近では必要量の水素濃度が確保される構成となる。そして、ゲート絶縁膜５側界面の水素濃度を抑えることにより、しきい値電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）が小さく抑えられる。しかも、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側の界面付近では必要量の水素濃度を確保することにより、ソース１１ａ−ドレイン１１ｂ間におけるチャネル層７部分のキャリアの移動度が確保され、トランジスタ特性としてＳ値が小さく抑えられる。

そして特に、チャネル層７に含有されている重水素は水素よりもシリコンに対する結合エネルギーが大きいため、チャネル層７を構成するアモルファスシリコンのダングリングボンドを終端させる状態で結合された重水素は、水素よりも脱離し難い。したがって、もともと水素濃度の低いゲート絶縁膜５側界面におけるチャネル層７部分に重水素を含有させたことにより、この部分における水素濃度の径時的な変化を小さく抑えることが可能になり、これによってもしきい電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）をさらに小さく抑えることが可能になる。また、チャネル層７内の全体に重水素を含有させた場合には、チャネル層７内全体において水素濃度の径時的な変化を小さく抑えることが可能になるため、キャリアの移動度やＳ値の径時的な変化を小さく抑えることが可能になる。

下記表１には、チャネル層７内における深さ方向の水素濃度プロファイルを変化させた各サンプルにおいて、Ｓ値としきい値電圧の変化（ΔＶｔと記す）とを測定した結果を示す。尚、しきい値電圧の変化（ΔＶｔ）は、ＢＴストレス試験の前後においてのしきい値電圧の変化量であり、ＢＴストレス試験のストレス条件は、ゲート電圧１５Ｖ、ドレイン電圧０Ｖ、温度８０℃、ストレス時間１００００秒である。

ここで、サンプルＮｏ．１〜５は、チャネル層７内の重水素を含む水素濃度を一定とした薄膜トランジスタである。これらのサンプル１〜５は、チャネル層７を構成するアモルファスシリコンを成膜する際に、ＳｉＤ₄ガスとＤ₂ガスとをに用い、成膜時の基板温度を調整することにより成膜時に脱離させる水素（重水素を含む）の量を変化させたものである。このため、サンプルＮｏ．１で最も水素濃度が高く、サンプルＮｏ．５で最も水素濃度が低くなっている。

サンプルＮｏ．６は、チャネル層７を構成するアモルファスシリコンを成膜する際に、ＳｉＨ₄ガスとＨ₂ガスとを用い、チャネル層７を構成する成膜時の基板温度を４２０℃に設定することにより、成膜時にチャネル層７から水素を脱離させた薄膜トランジスタである。この薄膜トランジスタ内には重水素は含有されていない。

尚、図２には、サンプルＮｏ．１〜６を代表して、サンプルＮｏ．１について、二次イオン質量分析装置で測定したチャネル層中の深さ方向における水素濃度分布を示す。この図に示すように、サンプルＮｏ．１〜６全てのサンプルにおいては、チャネル層中における水素濃度は、ソース・ドレイン側界面からゲート絶縁膜側界面にかけて一定であることが確認されている。

次に、サンプルＮｏ．７〜１０は、チャネル層７内に重水素を含まず、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって水素濃度が増加するように形成された薄膜トランジスタである。これらのサンプルＮｏ．７〜１０の製造方法は後述するが、チャネル層７形成後の水素（Ｈ）を用いたプラズマ処理の処理時間を調整することによって、チャネル層７内における水素濃度を変化させている。このため、サンプルＮｏ．７で最も水素濃度が低く、サンプルＮｏ．１０で最も水素濃度が低くなっている。

サンプルＮｏ．１１〜１４は、チャネル層７内に重水素を含み、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって重水素濃度が増加するように形成された薄膜トランジスタである。これらのサンプルＮｏ．１１〜１４の製造方法は後述するが、チャネル層７形成後の重水素（Ｄ）を用いたプラズマ処理の処理時間を調整することによって、チャネル層７内における水素濃度（重水素濃度）を変化させている。このため、サンプルＮｏ．１１で最も水素濃度が低く、サンプルＮｏ．１４で最も水素濃度が低くなっている。

尚、図３には、サンプルＮｏ．７〜１４を代表して、サンプルＮｏ．８について、二次イオン質量分析装置で測定したチャネル層中の深さ方向における水素濃度分布を示す。この図に示すように、サンプルＮｏ．７〜１４全てのサンプルにおいては、チャネル層中における水素濃度（重水素濃度）が、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって増加していることが確認されている。

以上のサンプルＮｏ．１〜６の結果から、チャネル層中の水素濃度（重水素を含む）が一定である場合、水素濃度が高い（サンプルＮｏ．１）ほどＳ値は低く抑えられるがΔＶｔが大きく、水素濃度が低い（サンプルＮｏ．５，６）ほどΔＶｔが低く抑えられるがＳ値が大きくなることが分かる。そして、Ｓ値とΔＶｔとが、チャネル層７内の水素濃度に対してトレードオフの関係にあることが分かる。

そこで、Ｎｏ．７〜１４のように、チャネル層中の水素濃度（重水素を含む）または重水素濃度に、ゲート絶縁膜側からソース・ドレイン側に向かって増加するような傾斜を付けて、ソース絶縁膜側の水素濃度を低く抑えた状態で、ソース・ドレイン側の水素濃度を高くすることにより、Ｓ値が低く抑えられた範囲においてΔＶｔの上昇も低く抑える構成とすることが可能になる。

そして特に、重水素が含有されていないサンプルＮｏ．７〜１０と比較して、重水素が含有されているサンプルＮｏ．１１〜１４では、Ｓ値が同一の値であればよりΔＶｔｈの値が低く抑えられていることが分かる。

以上結果、図１を用いて説明した第１実施形態の薄膜トランジスタでは、チャネル層７内に水素のみを含有させた場合と比較して、重水素を含有させることにより、Ｓ値を小さく抑えながらも、ΔＶｔをさらに小さく抑えて長期信頼性の向上を図ることが可能になる。

（ｂ）表示装置
次に、このような薄膜トランジスタ１を用いた表示装置の一構成例を図４に基づいて説明する。尚、図４においては、薄膜トランジスタ１の詳細な構成の図示は省略した。

表示装置２０は、基板２の薄膜トランジスタ１の形成面側を覆う層間絶縁膜２１上に、各薄膜トランジスタ１に接続された発光素子（ここでは有機ＥＬ素子）２３を配列形成してなる。各有機ＥＬ素子２３は、層間絶縁膜２１に形成された接続孔２１ａを介して薄膜トランジスタ１に接続された下部電極２５を備えている。これらの下部電極２５は、画素毎にパターニングされており、その周囲が絶縁膜パターン２７で覆われて中央部のみが広く露出した状態となっている。また、各下部電極２５の露出部上には、それぞれパターニングされた状態で、少なくとも発光層を備えた有機層２９が積層されている。この発光層は、当該発光層に注入された正孔と電子との再結合によって発光を生じる有機材料からなることとする。そして、このようにパターニングされた各有機層２９と絶縁膜パターン２７との上方に、下部電極２５との間に絶縁性が保たれた状態で上部電極３１が配置形成されている。

この表示装置２０において、下部電極２５は陽極（または陰極）として用いられ、上部電極３１は陰極（または陽極）として用いられる。そして、下部電極２５と上部電極３１との間に狭持された有機層２９に、下部電極２５と上部電極３１とから正孔と電子とを注入することにより、有機層２９の発光層部分において発光が生じる。尚、この表示装置２０が、上部電極３１側から発光光を取り出す上面発光型である場合、上部電極３１は光透過性の高い材料を用いて構成されることとする。一方、この表示装置２０が、基板２側から発光光を取り出す透過型である場合、基板２および下部電極２５は光透過性の高い材料を用いて構成されることとする。

このような構成の表示装置２０によれば、図１を用いて説明した構成の薄膜トランジスタ１を有機ＥＬ素子２３に接続させた構成としたことにより、ソース１１ａ−ドレイン１１ｂ間におけるキャリアの移動度を確保した状態で、しきい値電圧の径時的な変化量（ΔＶｔ）を小さく抑えた薄膜トランジスタ１によって有機ＥＬ素子２３の駆動を行うことが可能になる。このため、長期にわたって安定的に有機ＥＬ素子２３の駆動を行うことが可能になり、有機ＥＬ素子２３を用いた表示装置２０の長期信頼性の向上を図ることができる。

（ｃ）製造方法
次に、上述した構成の薄膜トランジスタ１の製造方法およびこれに続く表示装置の製造方法を説明する。

先ず、図５（１）に示すように、基板２上に１％程度のネオジウムが添加されたアルミニウム（膜厚３００ｎｍ）とその上層のモリブデン（膜厚５０ｎｍ）との２層構造の金属からなるゲート電極３をパターニング形成する。その後、プラズマＣＶＤ法により、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜５を約２００ｎｍ程度の膜厚に形成する。

次に、図５（２）に示すように、ゲート絶縁膜５上に、アモルファスシリコンからなるチャネル層７を５０ｎｍの膜厚で形成する。この際、シリコンから水素が脱離する温度（４００℃以上）に基板温度を設定した状態で、アモルファスシリコンからなるチャネル層７の形成を行う。これにより、工程の簡略化を図りつつ、水素濃度の低いアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成する。ここでは基板温度を４２０℃に設定してアモルファスシリコン（チャネル層７）の成膜を行うこととする。尚、ここでは、ＳｉＤ₄ガスとＤ₂ガスとを用いることで、チャネル層７に残留する水素を重水素とすることが好ましい。

尚、水素濃度の低いアモルファスシリコンからなるチャネル層７は、３００℃程度の基板温度でアモルファスシリコンを形成した後に、シリコンから水素が脱離する温度（４００℃以上）での熱処理を行うことで形成しても良い。この熱処理は、チャネル層７の表面が露出した状態で行うことが好ましい。４００℃以上の熱処理工程としては、基板２をヒーター上に直接載せて加熱する方式や、チャネル層７に赤外線を熱輻射する方式や、加熱した窒素ガスでチャネル層７を加熱する方式や、ヒーターによる基板２の加熱とランプを用いた光によるチャネル層７の加熱とを併用する方式等を用いることが可能である。また、この熱処理温度は基板２が変形しない限り、出来るだけ高温で行うことが望ましい。特に、６００℃以上で熱処理することにより、短時間で十分な熱処理効果を得ることが可能となる。このため、ここでは一例とした６００℃で５分間の熱処理を行うこととする。

以上の何れかの方法によって水素濃度の低いアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成した後、チャネル層７の表面に対して重水素化処理を行う。この重水素化処理としては、重水素ガスを用いたプラズマ処理をプラズマ処理を行うことにより、アモルファスシリコンからなるチャネル層７内にその表面側から重水素（Ｄ）を導入する。そして、チャネル層７の表面側で重水素を含む水素濃度が高く、下方のゲート絶縁膜５側に向かって水素濃度が低くなるチャネル層７を形成する。この際、アモルファスシリコン膜中に導入する重水素濃度は、プラズマ処理を行う際のパワーおよび時間を変化させることにより制御することが可能となる。

次いで、図５（３）に示すように、プラズマＣＶＤ法により、チャネル層７上に窒化シリコンからなる保護ストッパ層９を２００ｎｍの膜厚に形成する。

尚、以上図５（１）を用いて説明したゲート絶縁膜５の形成から、図５（３）を用いて説明した保護ストッパ層９の形成までの一連のプロセス工程は、基板２を大気中に出さずに真空中、あるいは内部が気密に保たれた搬送装置で接続された装置（いわゆるマルチチャンバ装置によって、連続して処理することが望ましい。

次に、図５（４）に示すように、フォトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることによって、ゲート電極３の直上のみに保護ストッパ層９を残す様に、当該保護ストッパ層９のパターニングを行う。

その後、図５（５）に示すように、パターニングされた保護ストッパ層９を覆う状態で、チャネル層７上にリンを含むｎ型アモルファスシリコン膜１１を約５０ｎｍ程度の膜厚に形成する。その後、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス工程を経て、ｎ型アモルファスシリコン膜１１とその下層のチャネル層７とを島状にパターニングする。

次に、図５（６）に示すように、ｎ型アモルファスシリコン膜１１を覆う状態で、チタン／アルミニウム／チタンの積層膜からなるソース／ドレイン電極膜１３をスパッタ法によって形成する。その後、ソース／ドレイン電極膜１３をパターニングすることによって、ソース電極１３ａとドレイン電極１３ｂとを形成する。その後さらに、ソース電極１３ａとドレイン電極１３ｂとから露出している保護ストッパ層９上においてｎ型アモルファスシリコン１１部分をエッチング除去して分離し、ソース１１ａおよびドレイン１１ｂを形成する。

以上によって、図１を用いて説明したように、保護ストッパ層９によってチャネル層７上が保護されたチャネル保護型のボトムゲート型薄膜トランジスタ１が形成される。尚、表１で示したサンプルＮｏ．１１〜１４は、本第２実施形態において、図５（２）を用いて説明した重水素化処理において、処理時間を調整して作製したものである。また、表１に比較のために示したサンプルＮｏ．７〜１０は、図５（２）を用いて説明した重水素化処理を水素化処理に換えて、処理時間を調整して作製したものである。

そして、このような薄膜トランジスタ１を備えた表示装置を製造する場合には、引き続き次の工程を行う。すなわち、図４に示したように、薄膜トランジスタ１が設けられた基板２上を層間絶縁膜２１で覆い、この層間絶縁膜２１に、薄膜トランジスタ１に接続された接続孔２１ａを形成する。その後、層間絶縁膜２１上に接続孔２１ａを介して薄膜トランジスタ１に接続された下部電極２５をパターン形成する。次に、この下部電極２５の周囲を絶縁膜パターン２７で覆った後、絶縁膜パターン２７から露出する下部電極２５上に少なくとも発光層を含む有機層パターン２９を積層形成する。次に、有機層パターン２９と絶縁膜パターン２７とを覆う状態で、上部電極３１を形成する。これにより、下部電極２５によって薄膜トランジスタ１に接続された有機ＥＬ素子２３を形成する。

このような製造方法によれば、図５（２）を用いて説明したように、シリコンから水素が脱離する基板温度（成膜温度）でアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成した後に、チャネル層７の表面に対して重水素化処理を行うことにより、先に図３のグラフに示したように、ゲート絶縁膜５との界面側と比較して、表面側でより重水素を含む水素濃度が高くなるようにチャネル層７中の水素濃度分布が調整される。これにより、その後の図５（６）を用いて説明した工程で、チャネル層７上にソース１１ａ、ドレイン１１ｂを形成した状態において、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって水素濃度が高くなる分布を有したチャネル層７を形成することができる。

そして特に、図５（２）を用いて説明した工程では、シリコンから水素が脱離する基板温度（成膜温度）でアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成した後に、チャネル層７の表面に対して重水素化処理を行うことでチャネル層７に重水素を導入するため、チャネル層７中におけるゲート電極３側の水素濃度（重水素を含む）をより低く抑えることが可能になる。

また、以上の製造工程においては、ゲート絶縁膜５の形成からチャネル層７の形成までの工程を大気中に出さずに行うことで、ゲート絶縁膜５とチャネル層７の密着性の向上が図られるため、膜剥がれ等のプロセス上の問題を防止でき、スループットも高まるために低コストで信頼性の高い薄膜トランジスタを形成することが可能となる。

＜第２実施形態＞
（ａ）薄膜トランジスタ
図６は、第２実施形態の薄膜トランジスタを説明する断面図である。この図に示す薄膜トランジスタ１’と、第１実施形態で説明した薄膜トランジスタ（１）との異なるところは、アモルファスシリコンからなるチャネル層７が２層構造で構成されている点にあり、他の構成は同様であることとする。

すなわち、チャネル層７は、ゲート絶縁膜５の直上に形成された第１チャネル層７ａと、この上部に積層されたソース・ドレイン側の第２チャネル層７ｂとの積層構造で構成されている。このうち、ゲート絶縁膜５側の第１チャネル層７ａは、重水素を含有するアモルファスシリコンで構成されている。また、この上部の、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側の第２チャネル層７ｂは、重水素を含む水素濃度（以下、単に水素濃度と記す）が第１チャネル層７ａよりも高いアモルファスシリコンで構成されている。

尚、チャネル層７は、２層構造に限定されることはなく、ゲート絶縁膜５側の層に重水素が含有されており、かつゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって水素濃度（重水素を含む）が高くなる設定でれば、３層以上の多層構造であっても良い。また、チャネル層７の全体に重水素が含有されていても良い。

このような構成の薄膜トランジスタ１’であっても、第１実施形態の薄膜トランジスタ（１）と同様の効果を得ることができる。

（ｂ）表示装置
次に、このような薄膜トランジスタ１’を用いた表示装置の構成としては、図２を用いて説明した表示装置を例示することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（ｃ）製造方法
次に、上述した構成の薄膜トランジスタ１’の製造方法およびこれに続く表示装置の製造方法を説明する。

先ず、図７（１）に示す工程を、第１実施形態において図５（１）を用いて説明したと同様に行い、ガラスからなる基板２上に、ゲート電極３を形成し、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜５を形成する。

その後、図７（２）に示すように、ゲート絶縁膜５上に、アモルファスシリコンからなる第１チャネル層７ａを５０ｎｍの膜厚で形成する。この際、第１実施形態において図５（２）を用いて説明したと同様に、シリコンから水素が脱離する温度（４００℃以上）に基板温度を設定した成膜を行うことにより、水素濃度の低いアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成する。また、ここでは、アモルファスシリコンからなる第１チャネル層７ａを形成した後、熱処理を行うことによって第１チャネル層７ａからの水素脱離が行われる様にしても良い。

次に、以上の何れかの方法によって水素濃度の低いアモルファスシリコンからなる第１チャネル層７ａを形成した後、第１チャネル層７ａの表面に対して重水素化処理を行う。この重水素化処理は、第１実施形態において図５（２）を用いて説明したと同様に行う。

尚、アモルファスシリコンからなる第１チャネル層７ａを成膜する際に、ＳｉＤ₄ガスとＤ₂ガスとを用いることで、第１チャネル層７ａに残留する微量な水素を重水素とした場合には、この重水素化処理を行わなくても良い。

次に、図７（３）に示すように、第１チャネル層７ａ上に、第１チャネル層７ａよりも水素濃度の高いアモルファスシリコンからなる第２チャネル層７ｂを１００ｎｍの膜厚で形成する。ここでは、第１チャネル層７ａよりも水素濃度の高いアモルファスシリコンからなる第２チャネル層７ｂを形成するため、３３０℃程度の比較的低い基板温度（成膜温度）でアモルファスシリコンからなる第２チャネル層７ｂを形成する。

以上のようにして、第１チャネル層７ａ（Ｈ−）と、これよりも水素濃度の高い第２チャネル層（Ｈ＋）７ｂとをこの順に積層してなるアモルファスシリコンからなるチャネル層７が形成される。尚、チャネル層７を３層以上の積層構造とする場合には、上層に形成されるチャネル層ほど水素濃度が高くなるように、上述した第２チャネル層の形成において、例えば成膜温度によって水素濃度を調整して順次上層のチャネル層の形成を行う。

以降の工程は、第１実施形態において図５（３）〜図５（６）を用いて説明したと同様に行うことにより、図７に示した積層構造のチャネル層７を備えたチャネル保護型のボトムゲート薄膜トランジスタ１'が形成される。

そして、このような薄膜トランジスタ１’を備えた表示装置を製造する場合の引き続の工程は、第１実施形態で説明したと同様に行うこととする。

以上説明した製造方法であっても、第１実施形態と同様に、重水素を含有すると共に、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側の水素濃度が高く、ゲート絶縁膜５側の水素濃度が低く抑えられたチャネル層７を有するボトムゲート型の薄膜トランジスタ１’が得られるため、第１実施形態の製造方法と同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
（ａ）薄膜トランジスタ
図８は、第３実施形態の薄膜トランジスタを説明する断面図である。この図に示す薄膜トランジスタ１”と、第１実施形態で説明した薄膜トランジスタ（１）との異なるところは、チャネル層７上に窒化シリコンからなる保護ストッパ層９が設けられていない点にあり、他の構成は同様であることとする。

このような構成の薄膜トランジスタ１”であっても、チャネル層７内の水素濃度分を、第１実施形態で説明した薄膜トランジスタ（１）のチャネル層と同様に設定することにより、第１実施形態の薄膜トランジスタ（１）と同様の効果を得ることができる。

（ｂ）表示装置
次に、このような薄膜トランジスタ１”を用いた表示装置の構成としては、図４を用いて説明した表示装置を例示することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（ｃ）製造方法
次に、上述した構成の薄膜トランジスタ１”の製造方法およびこれに続く表示装置の製造方法を説明する。

先ず、図９（１），図９（２）に示す工程を、第１実施形態において図５（１）〜図５（２）を用いて説明したと同様に行い、ガラスからなる基板２上に、ゲート電極３を形成し、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜５を形成し、さらにアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成する。このチャネル層７は、第１実施形態と同様にして、表面側で重水素を含む水素濃度（以下、単に水素濃度と記す）が高く、下方のゲート絶縁膜５側に向かって水素濃度が低くなる様に形成する。ただし、チャネル層７は、第１実施形態よりも厚めの約２００ｎｍ程度の膜厚に形成する。

その後、図９（３）に示すように、トランジスタのソース／ドレイン領域となるリンを含むｎ型アモルファスシリコン膜１１を約５０ｎｍ程度の膜厚に形成する。

尚、以上図９（１）を用いて説明したゲート絶縁膜５の形成から、図９（３）を用いて説明したｎ型アモルファスシリコン膜１１の形成までの一連の工程は、基板２を大気中に出さずに真空中、あるいは内部が気密に保たれた搬送装置で接続された装置（いわゆるマルチチャンバ装置によって、連続して処理することが望ましい。

次に、図９（４）に示すように、フォトリソグラフィー工程とエッチング工程を経ることで、ｎ型アモルファスシリコン膜１１とその下層のチャネル層７とを島状にパターニングする。

その後、図９（５）に示すように、ｎ型アモルファスシリコン膜１１を覆う状態で、ゲート絶縁膜５上にソース／ドレイン電極膜１３をスパッタ法によって形成する。

次に、図９（６）に示すように、ソース／ドレイン電極膜１３をパターニングすることによってソース電極１３ａ、ドレイン電極１３ｂを形成し、さらに、ｎ型アモルファスシリコン１１をチャネル層７上においてエッチング分離してソース１１ａ、ドレイン１１ｂを形成する。

以上によって、チャネルエッチ型のボトムゲート型薄膜トランジスタ１”が形成される。

そして、このような薄膜トランジスタ１”を備えた表示装置を製造する場合の引き続の工程は、第１実施形態で説明したと同様に行うこととする。

以上説明した製造方法であっても、第１実施形態において図５（２）を用いて説明したと同様の工程を、図９（２）に示す工程で行うため、第１実施形態の製造方法と同様の効果を得ることができる。

また、ゲート絶縁膜５の形成からｎ型アモルファスシリコン１１の形成までの工程を大気中に出さずに行うことにより、ゲート絶縁膜５−チャネル層７−ｎ型アモルファスシリコン１１間の密着性を向上することが可能となるため、膜剥がれ等のプロセス上の問題の発生を防止でき、また、スループットも高まるために低コストで信頼性の高い薄膜トランジスタを形成することが可能となる。

尚、本第３実施形態においては、図９（２）を用いて説明したように、下方のゲート絶縁膜５側に向かって水素濃度が低くなるチャネル層７を形成した後、図９（３）に示すようにトランジスタのソース／ドレイン領域となるリンを含むｎ型アモルファスシリコン膜１１を形成する構成とした。しかしながら、水素を脱離させたアモルファスシリコンからなるチャネル層７を形成した後に、ｎ型アモルファスシリコン膜１１を形成し、さらに図９（６）に示したように、ソース電極１３ａ、ドレイン電極１３ｂを形成してチャネル層７上のアモルファスシリコン膜１１をエッチングしてソース１１ａ、ドレイン１１ｂを形成した後に重水素化処理を加えても良い。このような工程であっても、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ間に露出するチャネル層７部分から重水素が導入されるため、ゲート絶縁膜５の界面側の水素濃度が低く、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ間のチャネル層７部分の水素濃度が高い薄膜トランジスタ１”を得ることができる。

また、本第３実施形態においては、チャネル層７の構成を第２実施形態で説明したと同様の積層構造とすることで第２実施形態と組み合わせることも可能である。

＜第４実施形態＞
（ａ）薄膜トランジスタ
図１０は、第４実施形態の薄膜トランジスタを説明する断面図である。この図に示す薄膜トランジスタ１ａは、トップゲート型の薄膜トランジスタであり、基板２上にパターン形成されたソース１１ａおよびドレイン１１ｂの端部に両端を重ねる状態でチャネル層７が設けられている。そして、これらを覆う状態で設けられたゲート絶縁膜５を介して、チャネル層７上にゲート電極３が積層形成されている。このような薄膜トランジスタ１ａにおいても、第１〜第３実施形態の薄膜トランジスタと同様に、アモルファスシリコンからなるチャネル層７中の水素濃度が、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって増加するように、深さ方向に分布を有していることとする。

ここでは、チャネル層７は、第２実施形態と同様に２層構造となっており、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂの直上に形成された第１チャネル層７ｃと、この上部に積層された絶縁膜側の第２チャネル層７ｄとで構成されている。そして、ソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側の第１チャネル層（Ｈ＋）７ｃは、アモルファスシリコンで構成されている。一方、この上部のゲート絶縁膜５側の第２チャネル層（Ｈ−）７ｄは、重水素を含有すると共に第１チャネル層７ｃよりも重水素を含む水素濃度（以下、単に水素濃度と記す）の低いアモルファスシリコンで構成されている。

尚、チャネル層７は、２層構造に限定されることはなく、ゲート絶縁膜５側の層に重水素が含有されており、ゲート絶縁膜５側からソース１１ａ、ドレイン１１ｂ側に向かって水素濃度が高くなる設定でれば、３層以上の多層構造であっても良い。また、チャネル層７の全体に重水素が含有されていても良い。

このような構成の薄膜トランジスタ１ａであっても、第１実施形態の薄膜トランジスタ（１）と同様の効果を得ることができる。

（ｂ）表示装置
次に、このような薄膜トランジスタ１ａを用いた表示装置の構成としては、図４を用いて説明した表示装置を例示することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（ｃ）製造方法
次に、上述した構成の薄膜トランジスタ１ａの製造方法およびこれに続く表示装置の製造方法は、通常のトップゲート型の積層薄膜トランジスタの製造工程において、各チャネル層７ｃ、７ｄが所望の水素濃度となるように、第１チャネル層（Ｈ＋）７ｃを構成するアモルファスシリコンの形成、および第２チャネル層（Ｈ−）７ｄを構成するアモルファスシリコンの形成を行う。例えば、第１チャネル層（Ｈ＋）７ｃの形成は、アモルファスシリコンを成膜した後に水素化処理および重水素化処理さらにはこの両方を行うことにより、第１チャネル層（Ｈ＋）７ｃ中の水素濃度を高める。その後、第２チャネル層（Ｈ−）７ｄの形成においては、ＳｉＤ₄ガスとＤ₂ガスとを用いることで、重水素を含有するが第１チャネル層（Ｈ＋）よりも水素濃度の低い第２チャネル層（Ｈ−）７ｄを形成する。

そして、このような薄膜トランジスタ１ａを備えた表示装置を製造する場合の引き続の工程は、第１実施形態で説明したと同様に行うこととする。

以上により、第４実施形態の薄膜トランジスタ１ａおよびこれを用いた表示装置が得られる。

電流駆動による発光素子駆動用の薄膜トランジスタ、この発光素子を設けた表示装置に適用できる。

第１実施形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。 チャネル層における深さ方向の水素濃度分布を示すグラフ（１）である。 チャネル層における深さ方向の水素濃度分布を示すグラフ（２）である。 本発明の薄膜トランジスタを用いた表示装置の断面図である。 図１の薄膜トランジスタの製造方法を示す断面工程図である。 第２実施形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。 図６の薄膜トランジスタの製造方法を示す断面工程図である。 第３実施形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。 図８の薄膜トランジスタの製造方法を示す断面工程図である。 第４実施形態の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１’，１”，１ａ…薄膜トランジスタ、２…基板、３…ゲート電極、５…ゲート絶縁膜、７…チャネル層、７ａ，７ｃ…第１チャネル層、７ｂ，７ｄ…第２チャネル層、１１ａ…ソース、１１ｂ…ドレイン、２０…表示装置、２３…有機ＥＬ素子（発光素子）

Claims (8)

1. 基板上に、ソース・ドレイン層と、アモルファスシリコンからなるチャネル層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とをこの順またはこれと逆の順に積層してなる薄膜トランジスタにおいて、
   前記チャネル層は、少なくともゲート絶縁膜との界面付近に重水素を含有すると共に、重水素を含む水素濃度が前記ゲート絶縁膜側界面から前記ソース・ドレイン層側界面に向かって連続的に増加している
   薄膜トランジスタ。
2. 請求項１記載の薄膜トランジスタにおいて、
   前記チャネル層中の全体に重水素が含有されている
   薄膜トランジスタ。
3. 基板上のゲート電極を覆う状態で、当該基板上にゲート絶縁膜を介して重水素を含有するアモルファスシリコンからなる第１チャネル層を形成し、
   前記第１チャネル層に対して、重水素を含む雰囲気下において水素化処理を行い、
   前記第１チャネル層上に、重水素を含む水素濃度が当該第１チャネル層よりも高いアモルファスシリコンからなる第２チャネル層を、前記第１チャネル層を形成する際の成膜温度よりも低い成膜温度で形成する
   薄膜トランジスタの製造方法。
4. 請求項３記載の薄膜トランジスタの製造方法において、
   前記第１チャネル層を形成する際に、重水素を含有するガスを用いる
   薄膜トランジスタの製造方法。
5. ソース・ドレイン層、アモルファスシリコンからなるチャネル層、ゲート絶縁膜、およびゲート電極をこの順またはこれと逆の順に積層してなる薄膜トランジスタと、この薄膜トランジスタに接続された電流駆動型の発光素子とを基板上に配列形成してなる表示装置において、
   前記チャネル層は、少なくともゲート絶縁膜との界面付近に重水素を含有すると共に、重水素を含む水素濃度が前記ゲート絶縁膜側界面から前記ソース・ドレイン層側界面に向かって連続的に増加している
   表示装置。
6. 請求項５記載の表示装置において、
   前記チャネル層中の全体に重水素が含有されている
   表示装置。
7. ゲート電極を覆うゲート絶縁膜上にアモルファスシリコンからなるチャネル層を介してソース・ドレイン層を設けてなる薄膜トランジスタと、この薄膜トランジスタに接続された電流駆動型の発光素子とを基板上に配列形成してなる表示装置の製造方法であって、
   前記基板上のゲート電極を覆う状態で、当該基板上にゲート絶縁膜を介して重水素を含有するアモルファスシリコンからなる第１チャネル層を形成する工程と、
   前記第１チャネル層に対して、重水素を含む雰囲気下において水素化処理を行う工程と、
   前記第１チャネル層上に、重水素を含む水素濃度が当該第１チャネル層よりも高いアモルファスシリコンからなる第２チャネル層を、前記第１チャネル層を形成する際の成膜温度よりも低い成膜温度で形成する工程と
   を有する表示装置の製造方法。
8. 請求項７記載の表示装置の製造方法において、
   前記第１チャネル層を形成する際に、重水素を含有するガスを用いる
   表示装置の製造方法。

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