JPH0212883A

JPH0212883A - 非線形抵抗素子

Info

Publication number: JPH0212883A
Application number: JP63164036A
Authority: JP
Inventors: Kosaku Ohira; 大平　耕作; Hiroyuki Uchida; 宏之内田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-01-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、壁掛はテレビ、コンピュータ一端末用デイス
プレィ等に応用される大面積、大容量のアクティブ型液
晶表示装置のスイッチングに用いるのに適した非線形抵
抗素子に関するものである。

（従来の技術）壁掛はカラーテレビに代表される薄型パネルデイスプレ
ィとして、アクティブ素子を一方のガラス基板上に各画
素のスイッチとしてアレイ化したアクティブマトリック
ス型液晶表示装置がある。このアクティブマトリックス
方式により液晶表示装置の表示品質の向上と大容量化が
可能となる。

アクティブ素子としては、薄膜トランジスタより構造の
簡単な非線形抵抗素子は製造コストの低下が期待される
。従来非線形抵抗素子の非線形抵抗膜に用いられるタン
タルオキサイドは比誘電率が約２５と非常に大きい。ま
た、数十ボルトの印加電圧で電流を流すためには膜厚を
６０ｎｍ以下にしなければらす、その結果非線形抵抗の
単位面積当なりの容量が大きくなってしまう。非線形抵
抗素子の駆動条件として、非線形抵抗素子の容量は液晶
の容量より十分小さくなければならず、その結果タンタ
ルオキサイドの非線形抵抗素子の面積は約２０１１ｍ２
以下にする必要がある。Ａ４サイズ以上の大面積にわた
ってこのような微細加工を行うことは現在の技術水準で
は非常に困難である。

素子面積の問題を解決する方法として、比誘電率が５か
ら７のシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜を非線形
抵抗に用いた例が、特開昭６１−２６０２１９号公報に
示されている。この特許明細書中では、シリコン酸化膜
あるいはシリコン窒化膜の膜厚を１１００ｎ以上でも非
線形係数が８以上が得られ、面積が１０１００ｐ以上の
大きな非線形抵抗が使用可能としている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、シリコン窒化膜の膜質の指定範囲が非常
に広く、液晶表示装置のアクティブ素子として不適当な
膜まで含まれていた。しかも成膜条件等が明示されてお
らず、液晶表示装置のアクティブ素子として使用可能な
特性を有するシリコン窒化膜を作製するのが困難である
という課題があった。

本発明の目的は、液晶表示装置のアクティブ素子として
使用可能な特性をもつシリコン窒化膜を用いた非線形抵
抗素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本願第１の発明の非線形抵抗素子は、絶縁性基板上に第
１の導電膜、非線形抵抗膜、第２の導電膜を順次積層さ
せた非線形抵抗素子において、該非線形抵抗膜は不対電
子密度がＩＸ　１０１７から５　Ｘ　１０１１０ｌ８の
範囲にある窒素添加水素化非晶質シリコンであることを
特徴とする。

本願第２の発明の非線形抵抗素子は、絶縁性基板上に第
１の導電膜、非線形抵抗膜、第２の導電膜を順次積層さ
せた非線形抵抗素子において、該非線形抵抗膜はシリコ
ン窒化膜中の不完全性窒化シリコン含有率が５０〜８０
％の間にあるという窒素添加水素化非晶質シリコンであ
ることを特徴とする。

（作用）非線形抵抗素子の特性は式（１）で近似できることが知
られている。

Ｉ＝Ａ・Ｖ”　、、、、、、、、、、、、、、、、、、
、、、、、　　（１）ここで、αを非線形係数と呼び液
晶表示装置に用いるためには７以上が必要である。また
非線形係数が大きいほど表示品質は良好となる。また、
ＡはＡ／ｃｍ２の単位を持つ定数であり、■は非線形抵
抗素子に印加する電圧である。一般にＡは非線形素子の
膜厚の関数である。

第１にプラズマＣＶＤ法で真空度１００Ｐａ、高周波電
力２００Ｗ、基板温度２５０°Ｃで成膜時の５ＩＨ４ガ
スの流量比を変化させた場合の非線形係数と不対電子密
度の変化の様子を示す。

図において曲線１１は、ガス流量比に対する非線形係数
の変化を示している。図より、非線形係数は５ｉｌＨ４
／Ｎ２流量比の増加につれて増加し、やがて減少するが
、その間非線形係数αが１０付近の比較的大きな値を示
す領域がある。この領域が非線形抵抗素子に適した範囲
である。

また、第１図曲線１２は５ＩＨ４ガスとＮ２ガスの混合
比と得られる膜の不対電子密度との関係を示す。

通常、窒素を含まない水素化非晶質シリコンの不対電子
密度は２．０Ｘ１０１６ｃｍ−３であることはよく知ら
れている。この水素化非晶質シリコンにＮ２を添加して
いくと、即ち５ｉＨ４１Ｎ２流量比を低下させると、不
対電子密度は徐々に増大し、５ＩＨ４／Ｎ２流量比が０
．０２付近では極大値を持つ。さらに、ＳｉＨ４／Ｎ２
流量比の増大即ち化学量論的組成比Ｓｉ３Ｎ４に付ける
につれて不対電子密度は再び減少する。

第１図より、曲線１１と１２は非常に強い相関性がある
ことがわかる。この相関性は別の成膜方法や別の成膜条
件で成膜した膜についても同様にみられ、これより、不
対電子密度が１〜５０Ｘ１０１７ｃｍ＝の窒素添加水素
化非晶質シリコンを用いると、液晶表示装置のスイッチ
ングに適した抵抗素子が得られることがわかった。

また、第３図にプラズマＣＶＤ法で真空度１００Ｐａ１
高周波電力２００Ｗ、基板温度２５０°Ｃで成膜した不
完全性窒化シリコンの含有率及び非線形係数のＳｉＨ４
／Ｎ２流量比依存性を曲線３１．３２にそれぞれ示す。

両回線の外形間は良好な相関性がみられる。

この相関性は別の成膜方法や別の成膜条件で成膜した膜
についても同様にみられることより不完全性窒化シリコ
ン含有率が、はぼ５０〜８０％の間にあるとき非線形係
数７以上の値が得られることがわかった。

まず、不対電子密度、不完全性窒化シリコンと非線形係
数との相関性について説明する。本願第１の発明の不対
電子密度と非線形係数について説明する。第１図曲線１
２はＳｉＨ４ガスとＮ２ガスの混合比と得られる膜の不
対電子密度との関係を示す図である。通常、窒素を含ま
ない水素化非晶質シリコンの不対電子密度は２．ＯＸ１
０１６ｃｍ−３程度であることはよく知られている。こ
の水素化非晶質シリコンにＮ２を添加していくと、即ち
ＳｉＨ４／Ｎ２流量比を低下させると、不対電子密度は
徐々に増大し、ＳｉＨ４／Ｎ２流量比が０．０２付近で
は極大値を持つ。さらに５ｉＨ４７Ｎ２流量比の増大即
ち化学量論的組成Ｓｉ３Ｎ４に近づけるにつれて不対電
子密度は再び減少する。

第１図より、曲線１１と１２は非常に強い相関性がある
ことがわかる。この理由は次のように考えられる。

一般にシリコン窒化膜中のキャリアの伝導機構はＰｏｏ
ｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導であることが知られている。

この伝導機構は次のように考えられている。一般に不対
電子は、薄膜中で欠陥トラップ（エネルギ的なくぼみ）
を形成する。この欠陥トラップは外部から印加された高
電界によって障壁高さ（くぼみ）が傾くことにより低く
なり、トラップされていたキャリアはその障壁が低くな
った分だけ熱的なエネルギにより伝導帯に飛び出して行
く。その確率は印加電圧の０乗にほぼ比例した形で高く
なる。同様に窒化シリコンに流れる電流も印加電圧の０
乗にほぼ比例して流れることになる。

したがって、この伝導機構によって、印加電圧の０乗に
ほぼ比例した非線形抵抗性が生まれることになり、欠陥
の密度が非線形抵抗素子の特性を支配する重要なパラメ
ータであることがわかる。欠陥の数が少なすぎる（〜１
０１７台以下）とトラップされる電子の絶対量は少なく
なる。即ちＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導に寄与する
電流成分が少なくなり、そのシリコン窒化膜は非線形性
を示さなくなる、または非線形抵抗性は小さくなる。逆
に、欠陥が多すぎる（５　Ｘ　１０１８以上）になると
欠陥と欠陥の距離が近くなりホッピング伝導のような電
子が欠陥の間を直接ホッピングするような別の伝導機構
が支配的になるため、非線形抵抗性を示さなくなる。し
たがって、非線形係数の値は、不対電子密度に依存し、
しかもその値には最適範囲がある。

ところで窒素を少なくし、非晶質シ、リコンに近い条件
で窒化シリコン膜を作成した場合、不対電子密度をある
程度大きな値に維持しながら、バンドギャップの小さな
窒素添加水素化非晶質シリコン膜を作製することができ
る。つまり、バンドギャップが小さいため欠陥に捕獲さ
れているキャリアの密度も高く、シリコン過剰のシリコ
ン酸化膜やシリコン窒化膜のような半絶縁性の膜よりも
電流が流れ易いと期待される。しかも、不対電子密度は
大きいので非線形係数は以上のような膜より大きいまま
である。したがって、非線形抵抗膜に窒素添加水素化非
晶質シリコン膜を用いれば、高非線形性を維持しながら
、低電圧で充分大きさの電流をとることができる。

このように非線形抵抗として不対電子密度がＩ　Ｘ　１
０１７〜５０Ｘ１０１７ｃｍ−３の窒素添加水素化非晶
質シリコンを用いることにより、液晶表示装置のスイッ
チングに適した抵抗素子が得られる。

第１図曲線１１では、ガス流量比に対する非線形係数の
変化を示している。図より、非線形係数はＳｉＨ４／Ｎ
２流量比の増加につれて増加し、やがて減少するが、そ
の間非線形係数αが１０付近の比較的大きな値を示す領
域がある。この領域が非線形抵抗素子に適した範囲であ
る。

次に本願第２の発明について説明する。まずシリコン、
窒素及び水素それぞれの結合関係について言葉を以下の
ように定義しておく。シリコンと窒素の原子数比が３＝
４であり、化学量論的に結合が完結しているものを完全
性窒化シリコン、シリコンの結合手がそれぞれシリコン
とのみ結びついているものをアモルファスシリコン、最
後に完全性窒化シリコン及びアモルファスシリコンのど
ちらの分類にも属さないもの、例えば窒素またはシリコ
ンの結合手がなんらかの結合に関与していない、即ち未
結合手となっているもの、もしくは窒素またはシリコン
とは結合せず水素が結合しているもの、を不完全性窒化
シリコンと定義する。つまり、窒素とシリコン間の結合
が完全でないものをいう。

第２図曲線２１．２２．２３は、完全性窒化シリコン、
不完全性窒化シリコン及び、アモルファスシリコンの５
ｉＨ４１Ｎ２流量比依存性をそれぞれ示している。

流量比の増加に伴って窒化シリコンの含有率は急激な減
少傾向を示し、逆にアモルファスシリコンは緩やかな増
加傾向を示す。−万年完全性窒化シリコンはＳｉＨ４／
Ｎ２流量比が０．０１〜０．０２に１！加する間に急激
な増加を示すもののやがて極大値を持ち以後緩やかに減
少する。

第３図に不完全性窒化シリコンの含有率及び非線形係数
のＳｉＨ４／Ｎ２流量比依存性を曲線３１．３２にそれ
ぞれ示す。両回線の外形間には良好な相関性がみられる
。この理由は、次のように考えられる。

一般に、不完全性窒化シリコンは、非晶質シリコンと完
全性窒化シリコンの中間的構造をもつ。

つまり、シリコン（Ｓｉ）は、結合手を４本もち、四面
体の中心に位置することから、三次元的構造をとる。そ
れに対し、窒素（Ｎ）は、３本の結合手をもつことから
、四面体の頂点から辺方向に結合手を伸ばし、その結合
の安定性から、二次元的構造をとる。したがって、シリ
コンを中心とした非晶質シリコンの構造は、立体的な構
造を、また、窒素を中心とした完全性窒化シリコンは、
平面的な構造をとる。そのため、両者の結合関係が拮抗
する不完全性窒化シリコンでは、結合状態が不安定とな
る。

この不安定な構造が窒化シリコン膜に非線形抵抗性を与
える。即ち、導電性の比較的よい、非晶質シリコンは、
高電界をかけると、電流を流そうとする。一方、絶縁性
である完全性窒化シリコンは、高電界をかけても電流を
流そうとはしない、この両者の対立関係が、非線形性を
生み出す源となり、結果的に、印加電圧のα乗に比例し
た形で電流が流れるようになる。

したがって、第３図より、窒化シリコン膜中の不完全性
窒化シリコンの含有率が５０％から８０％の間にある窒
化シリコン膜が非線形抵抗素子として適したものである
ことがわかる。

しかしながら、半導体的性質をもつ物質と、絶縁的性質
をもつ物質を適当に混合するような薄膜を形成しても、
非線形抵抗性を示すとは限らない。その理由は、非晶質
シリコンと完全性窒化シリコンの構造上の不安定性とそ
の含有率が、非線形抵抗性をもたらせるからである。

結局、窒化シリコン膜中の不完全性窒化シリコンの量が
多すぎる場合は、半導体的性質となり、逆に少ない場合
は、絶縁体的性質になることより、不完全性窒化シリコ
ンの含有量には、最適な値が依存し、それが、約５０％
〜８０％にあることは、第３図より明らかである。

（実施例）第４図は、本発明を液晶表示装置のアクティブ素子に適
用した一実施例を示す斜視図である。ガラス基板４１上
に厚さ７０ｎｍ、シート抵抗５０Ω１口のＩＴＯ膜から
なる表示電極４３が形成されており１、これと接続して
非線形抵抗素子の下部電極４２がＣｒやＩＴＯによって
形成されている。その下部電極を覆って１１００ｎの窒
素添加水素化非晶質シリコン４４が形成されている。そ
の上に上部電極４５がＯｒ等の金属またはＩＴ０２００
ｎｍの厚さに形成されている。さらに、上部電極４５は
データ線４６と接続されている。

ここで、窒素添加水素化非晶質シリコン４４に不対電子
密度的４．５Ｘ１０１７ｃｍ−３の膜を用いたところ、
非線形係数１０．２が得られた。このようにして形成し
たアクティブ素子基板に配向膜を形成し、対向基板と張
り合わせ、液晶を注入し、２形成した液晶表示装置を１
／４００デユーテイ、駆動電圧１６Ｖで駆動し、８０対
１のコントラストが得られた。これより、不対電子密度
が、約４．０〜６．ＯＸ１０１７ｃｍ−３の窒素添加水
素化非晶質シリコンを非線形素子として用いることによ
り、２０Ｖ以下の低電圧で大容量、高品質の液晶表示装
置が実現できた。

また、窒素添加水素化非晶質シリコン４４として、不完
全性窒化シリコンが７２％の膜を用いたところ、非線形
係数１０．２が得られた。

上記実施例では、下部電極と表示電極が接続され、上部
電極とデータ線が接続されているが、この逆でもかまわ
ない。

上記実施例の窒素添加水素化非晶質シリコンは、次のよ
うに製造することができる。

例１、不対電子密度Ｉ　Ｘ　１０１？から５×１０１８
ｃｍ−３の膜は、プラズマＣＶＤ法により、Ｎ２ガス流
量を５００８ＣＣＭに固定し、ＳＩＨ，ａガス流量比を
０．０４から０．１３真空度を１００Ｐａ、高周波電力
を２００Ｗ、基板温度を２５０°Ｃとして成膜する。ま
た、不完、食性窒化シリコン含有率５０〜８０％の膜は
、５ＩＨ４ガス流量を１７ＳＣＣＭから６５ＳＣＣＭと
し、他は上の条件と同じにして成膜する。

例２、成膜条件は、基板温度が１５０°Ｃであることを
除けば例１と同じである。この場合、基板温度を低くし
たことによって窒素添加水素化非晶質シリコンは、不完
全性窒化シリコンの含有率が非常に多く非線形抵抗素子
には適さない。しがしながら５ｉＨ４１Ｎ２流量の大き
な領域、即ち不完全性窒化シリコン含有率の減少領域、
においては比較的基板温度の低い条件で作製すれば不完
全性窒化シリコンの含有率も５０〜８０％の領域に入り
非線形抵抗素子として使用可能となる条件を満たす。

その他、ＣＶＤ法や真空蒸着法スパッタリング法等の成
膜方法が有効である。

（発明の効果）本履第１の発明の不対電子密度が、約１×１０１７〜５０Ｘ１０１７ｃｍ−３の窒素添加水素
化非晶質シリコン膜で作製した非線形抵抗素子をスイッ
チング素子として用いることにより、大面積、大容量の
液晶表示装置を簡単なプロセスで作製でき、駆動電圧が
２０Ｖ以下という低電圧で駆動できる。しかも、表示品
質は薄膜トランジスタを用いたものと同等であった。

本願第２の発明の不完全性窒化シリコンの含有率が５０
〜８０％の窒素添加水素化非晶質シリコン膜で作製した
非線形抵抗素子をスイッチング素子として用いることに
より、大面積、大容量の液晶表示装置を簡単なプロセス
で作製でき、駆動電圧が２０Ｖ以下という低電圧で駆動
できる。しかも、表示品質は薄膜トランジスタを用いた
ものと同等であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、窒素添加水素化非晶質シリコンの不対電子密
度及び非線形係数の５ｉＨ４１Ｎ２流量比依存性を示す
特性図、第２図は窒素添加水素化非晶質シリコン膜中の
窒化シリコン、不完全性窒化シリコン及び、アモルファ
スシリコンの５ｉＨ４１Ｎ２流量依存性を示す特性図、
第３図は不完全性窒化シリコン含有率及び非線形係数の
ＳｉＨ４／Ｎ２流量比依存性を示す特性図、第４図は本
発明の一実施例を示す斜視図である。図において、４２は下部電極、必は窒素添加水素化非晶質シリコン、
４５は上部電極である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁性基板上に第１の導電膜、非線形抵抗膜、第
２の導電膜を順次積層させた非線形抵抗素子において、
該非線形抵抗膜は不対電子密度が１×１０＾１＾７から
５×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３の範囲にある窒素添加水
素化非晶質シリコンであることを特徴とする非線形抵抗
素子。
（２）絶縁性基板上に第１の導電膜、非線形抵抗膜、第
２の導電膜を順次積層させた非線形抵抗素子において、
該非線形抵抗膜はシリコン窒化膜中の不完全性窒化シリ
コン含有率が５０〜８０％の間にある窒素添加水素化非
晶質シリコンであることを特徴とする非線形抵抗素子。