JP5319816B2 - 薄膜半導体装置と薄膜半導体装置を用いた表示装置 - Google Patents
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Description
図11は、従来の薄膜半導体装置の断面図を示す。
薄膜半導体装置は、基板10にアルミニウム、モリブデン等からなるゲート電極12G、酸化珪素、窒化珪素等からなるゲート絶縁膜11、IGZOの酸化物半導体膜13、アルミニウム、モリブデン等からなるソース電極12Sとドレイン電極12D、酸化珪素、窒化珪素等からなる保護膜(パッシベーション膜)14を形成してある。
また成膜した薄膜半導体装置を単独で加熱する場合にも、薄膜半導体装置の材料に、酸素雰囲気中で加熱できない材料を用いた薄膜半導体装置は、酸素雰囲気中で加熱できないため、酸化物半導体膜に酸素を拡散することができない。
本願発明は、従来の薄膜半導体装置の前記問題点に鑑み、薄膜半導体装置を無酸素雰囲気中で加熱しても、また薄膜半導体装置を無酸素雰囲気中で成膜し製造しても酸化物半導体膜へ酸素を拡散できる薄膜半導体装置及びその薄膜半導体装置を用いた蛍光表示装置等の表示装置を提供することを目的とする。
請求項2に記載の薄膜半導体装置は、請求項1に記載の薄膜半導体装置において、マンガン複合酸化物は、マンガンアルミニウム複合酸化物であることを特徴とする。
請求項3に記載の薄膜半導体装置は、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、酸化物半導体膜、酸素放出絶縁膜を備え、酸素放出絶縁膜は、酸化物半導体膜の少なくとも一部に接していて、前記酸素放出絶縁膜は、成膜時のエネルギーにより及び/又は薄膜半導体装置の加熱により酸素を放出し、前記成膜時のエネルギーは、保護膜形成時のエネルギーであり、前記酸素放出絶縁膜は、二酸化マンガンからなることを特徴とする。
請求項4に記載の薄膜半導体装置は、請求項1、請求項2又は請求項3に記載の薄膜半導体装置において、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極は、金属酸化物膜からなることを特徴とする。
請求項5に記載の表示装置は、請求項1乃至請求項4の何れかの請求項に記載の薄膜半導体装置を備えていることを特徴とする。
請求項6に記載の表示装置は、請求項5に記載の表示装置を加熱し封着してあることを特徴とする。
請求項7に記載の表示装置は、請求項6に記載の表示装置が蛍光表示装置であることを特徴とする。
本願発明の薄膜半導体装置は、無酸素雰囲気中で加熱できるから、無酸素雰囲気中の加熱が必要な材料を用いて薄膜半導体装置を製造することもできる。
本願発明は、薄膜半導体装置を無酸素雰囲気中で成膜し製造しても、成膜時のエネルギーにより酸素を酸素放出絶縁膜から酸化物半導体膜へ拡散してTFT特性を発現できる。したがって酸化物半導体装置の製造が簡単になる。
酸素放出絶縁膜の材料には、二酸化マンガン(MnO2)等の遷移金属の酸化物(酸化遷移金属)、マンガンアルミニウム複合酸化物(MnAlOx)が適している。
酸化遷移金属は、加熱すると熱分解(化学反応)して酸素を放出して酸素を放出しない酸化遷移金属に変化する。例えば二酸化マンガン(MnO2)は、加熱すると酸素を放出して三酸化二マンガン(Mn2O3)に変化するが、三酸化二マンガン(Mn2O3)は、加熱しても酸素を放出しない。
まず図1について説明する。
図1(a)は、本願発明の実施例に係る薄膜半導体装置の断面図を示し、図1(b)は、図1(a)の薄膜半導体装置に蛍光表示装置のアノード電極を形成した薄膜半導体装置の断面図を、図1(c)は、図1(b)の薄膜半導体装置を気密容器内に取込んだ蛍光表示装置の断面図を示す。
図1(a)の薄膜半導体装置は、ガラスの基板20にゲート電極23Gを形成し、ゲート電極23Gを覆うようにゲート絶縁膜21を形成してある。必要に応じて基板20とゲート電極23Gの間に、不純物元素の拡散を防止するため下地(図示せず)を形成する。ゲート絶縁膜21には、ソース電極23S、ドレイン電極23D、酸化物半導体膜24を形成し、それらを覆うように酸素放出絶縁膜25を形成し、酸素放出絶縁膜25を覆うように保護膜22を形成してある。酸素放出絶縁膜25は、酸化物半導体膜24の少なくとも一部と接触するように形成してある。
ゲート電極23Gは、アルミニウム(Al)を用いたが、モリブデン、チタン等であってもよい。下地、ゲート絶縁膜21、保護膜22は、酸化珪素(SiOx)を用いたが、窒化珪素(SiNx)、酸化アルミニウム(AlxOy)等であってもよい。ソース電極23S、ドレイン電極23Dは、インジウムテインオキサイド(ITO)の透明導電性材料を用いたが、他の導電性材料であってもよい。なお例えば、図1でゲート電極23Gに金属(特に還元性のある金属)を用いた場合、酸化物半導体膜24とゲート電極23Gの間にゲート絶縁膜21を形成していても、金属に還元されて酸化物半導体膜24から酸素が奪われることがある。ゲート電極23G、ソース電極23S、ドレイン電極23Dは、酸化物半導体膜24の酸素がそれらの電極へ拡散するのを防止するため、ITO等の金属酸化物導電体を用いるのが望ましい。 例えば、ゲート電極材料を金属から金属酸化物に変更することで、酸素放出絶縁膜の膜厚を薄くできる、又はその膜厚はそのままで信頼性を向上させることができる。
酸素放出絶縁膜25がマンガンアルミニウム複合酸化物(MnAlOx)の場合、薄膜半導体装置のTFT特性は、ON、OFF時の立ち上がり特性が、マンガン(Mn)単独の二酸化マンガン(MnO2)の場合よりもよくなる。
マンガンアルミニウム複合酸化物(MnAlOx)のMnとAlの配分比は、Mn:Al=33:67mol%が望ましいが、Mn:Al=25:75mol%〜60:40mol%の範囲でよい。Mn:Al=15:85mol%になると、アルミニウム(Al)の特性が強くなり、TFT特性が損なわれる。またMn:Al=80:20mol%になると、マンガン(Mn)の特性が強くなり、アルミニウム(Al)の効果が小さくなる。
アノード電極26に金属を用いた場合、酸化物半導体膜24とアノード電極26の間に保護膜22を形成していても、金属に還元されて酸化物半導体膜24から酸素が奪われることがある。このため、酸化物半導体膜から、例えば絶縁膜を介しても、30μm以内の距離に金属電極(金属配線、金属端子)を設けることは好ましくない。30μm以内の距離に電極を設ける場合、金属酸化物導電体を用いることが好ましい。
図1(c)は、図1(b)の薄膜半導体装置を気密容器内に取込んだ状態の蛍光表示装置である。
気密容器は、ガラスの基板20、基板20に対向するガラスの前面板30、基板20と前面板30の間のガラスの側面部材31からなる。
気密容器内には、図1(b)の薄膜半導体装置、電子源用フィラメント(カソード)32、制御電極(グリッド)33を配置してある。
薄膜半導体装置は、図1(a)のように保護膜22を形成した段階で単独で加熱してもよいし、図1(b)のように蛍光表示装置のアノード電極等を形成した段階で加熱してもよいし、また図1(c)のように気密容器内に薄膜半導体装置と蛍光表示装置の構成部材を取込んだ段階で加熱してもよい。
製造工程の工程数を少なくするには、図1(c)のように気密容器内に薄膜半導体装置と蛍光表示装置の構成部材を取込んだ段階で、それらを同時に加熱するのが望ましい。
図1(b)、図1(c)の薄膜半導体装置は、蛍光表示装置の画素の選択回路に用いた例であるが、グリッドやカソード等の駆動回路に用いることもできる。またこの薄膜半導体装置は、有機EL表示装置、液晶表示装置(LCD)等、TFTを用いた表示装置の基板として用いることもできる。
また蛍光表示装置の電子源は、フィラメントに限らず電界放出型電子源(FEC)であってもよい。
図2(a)の酸素放出絶縁膜25は、酸化物半導体膜24と保護膜22の間に形成してある。酸素放出絶縁膜25は、酸化物半導体膜24の片面の全面に接している。
図2(b)の酸素放出絶縁膜25は、ゲート絶縁膜21とソース電極23S、ドレイン電極23Dとの間に形成してあり、両電極の間の酸化物半導体膜24に接している。
図2(c)の酸素放出絶縁膜25(25a,25bの2つ)は、酸化物半導体膜24の両側に形成してあり、図2(a)、図2(b)と同じ位置で酸化物半導体膜24に接している。
図2(d)は、トップゲート型薄膜半導体装置に酸素放出絶縁膜25を形成した例で、酸素放出絶縁膜25は、基板20と酸化物半導体膜24の間に形成してある。
なお図2(a)〜図2(d)の場合、ゲート絶縁膜21、保護膜22に酸化遷移金属を用いて、ゲート絶縁膜21、保護膜22を酸素放出絶縁膜に兼用することもできる。
図3の工程PC1において、ガラスの基板20に酸化珪素(SiOx)の下地201をCVDにより形成し、下地201にアルミニウム(Al)のゲート電極23Gをスパッタにより形成し、工程PC2において、ゲート電極23Gを覆うように酸化珪素(SiOx)のゲート絶縁膜21をCVDにより形成し、工程PC3において、ゲート絶縁膜21にITOのソース電極23S、ドレイン電極23Dをスパッタにより形成する。
工程PC9において形成した薄膜半導体装置は、図1(c)の電子源用フィラメント32、制御電極33等の部材と一緒に同時に大気焼成し、図1(c)の基板20、前面板30及び側面部材31を二酸化炭素(CO2)雰囲気中で封着(フリットガラスを軟化して接着する)して、基板20、前面板30及び側面部材31からなる容器(外囲器)を形成し、真空中で排気して容器を密封(封止)する。即ち真空の気密容器を形成する。
なお大気焼成温度は、約480℃、封着温度は、約480〜500℃である。またIGZOの酸化物半導体膜の結晶化温度は、約600℃(〜600℃)である。
上記工程は、酸素放出絶縁膜25を二酸化マンガン(MnO2)によって形成する例であるが、マンガンアルミニウム複合酸化物(MnAlOx)により形成する場合も同様である。
イオン電流は、基板温度が200℃付近において流れ始め、250〜400℃の間で急激に増大する。したがって二酸化マンガン(MnO2)は、蛍光表示装置の焼成工程、封着工程、排気封止工程において、酸素を放出することが分かる。
薄膜半導体装置は、大気焼成すると、グラフaのようにTFT特性を発現する。また焼成して封着するとグラフbのように、グラフaよりもOFF電流が小さくなり、一層良好なTFT特性を発現する。このOFF電流が小さくなるのは、二酸化マンガン(MnO2)が三酸化二マンガン(Mn2O3)になる(酸化数が減ることで安定化する)ことにより高抵抗化することによるものと考えられる。
まず図7、図8により薄膜半導体装置の焼成後のゲート・ソース電圧とドレイン・ソース電流の特性について説明する。図7、図8において、横軸は、ゲート・ソース電圧(Vgs)(V)を、縦軸は、ドレイン・ソース電流(Ids)(A)を表している。なおグラフは、ゲート・ソース電圧を−10V〜20Vにスイープ変化したときの特性である。
図7(a)の場合には、ゲート・ソース電圧が0(V)になっても大きなドレイン・ソース電流(Ids)が流れているが、 図7(b)の場合には、ゲート・ソース電圧が0(V)になると、ドレイン・ソース電流は非常に小さくなり、良好な立ち上がり特性が得られる。したがって酸素放出絶縁膜を備えている薄膜半導体装置は、図7(b)のようにゲート・ソース電圧0(V)においてONからOFFに切り換わり、良好なスイッチング特性が得られる。
図8(a)の場合、光を10分間照射すると、ゲート・ソース電圧0(V)におけるドレイン・ソース電流は大きくなるが、図8(b)の場合、光を10分間照射しても、ドレイン・ソース電流は変わらない。したがって酸素放出絶縁膜を備えた薄膜半導体装置は、図8(b)のように耐光特性が良好である。
図9は、酸素放出絶縁膜を備えた薄膜半導体装置を、ゲート電圧Vg=20(V)で駆動したときの駆動時間(min)と電子の移動度μ((lin)(cm2/Vsec))及び立ち上がり特性ΔVth(V)の変化の様子(いわゆるシフト現象)を示す。
酸素放出絶縁膜を備えた薄膜半導体装置は、図9のように長時間駆動しても電子の移動度μ及び立ち上がり特性ΔVthは、変化しない。
図10の蛍光表示装置は、多数のドット状アノードをマトリクス状に配置した例で、2個のアノード電極A1,A2のみを図示してある。
アノード電極A1,A2の駆動回路は、スイッチング用の素子TFT11,TFT21、駆動用の素子TFT12,TFT22、蓄積容量C1,C2からなる。素子TFT11〜TFT22は、本願発明の薄膜半導体装置を用いている。
素子TFT11〜TFT22は、ゲート電極G、ソース電極S、ドレイン電極Dを備え、素子TFT11,TFT21のゲート電極Gは、走査線(走査信号供給用配線)W11,W12に接続し、素子TFT11、TFT21のドレイン電極Dは、データ線(データ信号供給用配線)W21に接続し、素子TFT12、TFT22のドレイン電極Dは、入力電圧(フィラメント電源電圧)Vh(=Eb(アノード電圧))(common)線(入力電圧供給用配線)W31に接続し、蓄積コンデンサC1,C2の一端は、GND(アノード、グリッドOFF電位)(common)線(アノード、グリッドOFF電位印加用配線)W41,W42に接続している。
図10は、蛍光表示装置のアノード駆動回路の例であるが、蛍光表示装置に限らず、有機EL表示装置、液晶表示装置等の他の表示装置の画素電極の駆動回路に適用することもできる。
201 下地
21 ゲート絶縁膜
22 保護膜(パッシベーション膜)
23D ドレイン電極
23G ゲート電極
23S ソース電極
24 酸化物半導体膜
25 酸素放出絶縁膜
26 アノード電極
261 アノード電極26の端子部
27 蛍光体膜
30 前面板
31 側面部材
32 電子源用フィラメント(カソード)
33 制御電極(グリッド)
Claims (7)
- ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、酸化物半導体膜、酸素放出絶縁膜を備え、酸素放出絶縁膜は、酸化物半導体膜の少なくとも一部に接していて、成膜時のエネルギーにより及び/又は薄膜半導体装置の加熱により酸素を放出し、前記成膜時のエネルギーは、保護膜形成時のエネルギーであり、前記酸素放出絶縁膜は、マンガン複合酸化物からなることを特徴とする薄膜半導体装置。
- 請求項1に記載の薄膜半導体装置において、マンガン複合酸化物は、マンガンアルミニウム複合酸化物であることを特徴とする薄膜半導体装置。
- ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、酸化物半導体膜、酸素放出絶縁膜を備え、酸素放出絶縁膜は、酸化物半導体膜の少なくとも一部に接していて、成膜時のエネルギーにより及び/又は薄膜半導体装置の加熱により酸素を放出し、前記成膜時のエネルギーは、保護膜形成時のエネルギーであり、前記酸素放出絶縁膜は、二酸化マンガンからなることを特徴とする薄膜半導体装置。
- 請求項1、請求項2又は請求項3に記載の薄膜半導体装置において、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極は、金属酸化物膜からなることを特徴とする薄膜半導体装置。
- 請求項1乃至請求項4の何れかの請求項に記載の薄膜半導体装置を備えていることを特徴とする表示装置。
- 請求項5に記載の表示装置は、加熱し封着してあることを特徴とする表示装置。
- 請求項6に記載の表示装置は、蛍光表示装置であることを特徴とする表示装置。
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