JPH02150067A - 薄膜半導体装置 - Google Patents

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〕 本発明は薄膜半導体装置、即ちガラス等の基板上に薄膜
の半導体層、絶縁層等を順次積層して形成される半導体
装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、薄膜半導体装置、即ちガラス、アルミニウム等の
基板上に非晶質シリコン等の半導体層、絶縁層等を積層
して形成される半導体装置が実用化されている。この種
の薄膜半導体装置は、その大面積化が要求される太陽電
池、液晶デイスプレィの駆動装置等に好適である。中で
も、５ｉＮｘｌをゲート絶縁膜として利用した非晶質シ
リコンの薄膜電界効果トランジスタはスイッチング特性
が優れているため、上述の液晶デイスプレィの駆動装置
として最適である。

即ち、従来は、テレビモニタ、コンピュータシステムの
データ表示装置等の映像表示用のデイスプレィ装置とし
て高精細度、高輝度にてカラー表示可能なＣＲＴデイス
プレィが主として利用されていたが、より小型、軽量か
つ低消費電力で高品質のデイスプレィ装置としてフラッ
トパネルデイスプレィが注目されている。フラットパネ
ルデイスプレィとしては、例えば、上述の液晶デイスプ
レィが一般的であり、その駆動方法には単純マトリック
ス駆動法とアクティブマトリックス駆動法がある。この
内、アクティブマトリックス駆動法は、三原色にて構成
される各画素それぞれを独立して駆動制御するので、各
画素をそれぞれ比較的大電力にて駆動し得るため、コン
トラスト比を大きくすることが可能である。

さて、上述のような液晶デイスプレィの駆動装置として
非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは大面積化及
び低コスト化が可能であり、また、オン・オフ電流比が
大きく、液晶層と並列配置されたコンデンサー容量の補
正を行う必要もないので好適である。

第６図は従来の水素を含む非晶質シリコン（ａ−５ｔ：
ｌ）を利用した薄膜半導体装置としての電界効果トラン
ジスタの製造を示す模式図である。

膜厚ｄ、長さしのａ−５ｉ：Ｉｔ半導体層６の一面には
窒化珪素（ＳｉＮｘ）または酸化珪素（ＳｉＯｘ）等の
絶縁層５を介してゲート電極２が設けられている。さら
にａ−５ｉ　：Ｈ半導体層６の互いに対向する一方の端
面にはソース電極３が、他端面にはドレイン電極４がそ
れぞれｎ″ａ−５ｉ　：Ｈ半導体層３１．４１及び拡散
バリア層３２．４２を介して設けられている。拡散バリ
ア層３２．４２は電極とａ−５ｉ：Ｈ半導体層６との反
応を抑制するためのものであり、ｎ″ａ−Ｓｔ：Ｈ半導
体層３Ｌ４１　は薄膜トランジスタがＯＦＦ時のドレイ
ン電流を抑制するためのものである。

このような薄膜トランジスタは、ゲート電極２に正（＋
）のゲート電圧■６が印加されるとａ−３ｉ：Ｈ半導体
層６の内部でその絶縁層５との界面に沿ってａ−５ｉ：
ＩＩ半導体層６とゲート電極２との間の静電容１ｃとに
より電荷８が誘起される。この誘起された電荷８（−Ｃ
−Ｖ、）はソース電極３とドレイン電極４との間に印加
されたドレイン電圧Ｖ。

により長さしのａ−Ｓｉ：Ｈ半導体層６を通過する。こ
のようにしてゲート電圧■。とドレイン電圧■。

とにより制御されたドレイン電流９（１０）が流れる。

また、ａ−５ｉ：Ｈ半導体層６中をゲート電圧■。によ
っては制御されない電流、即ちリーク電流７が流れるこ
とが考えられるが、ａ−５ｉ：ｌ（半導体層６は暗比抵
抗が高いため、リーク電２ｉｔ”ｔは無視できる程度と
考えられる。

次に、ゲート電極２に負（−）のゲート電圧■６が印加
された場合、即ちトランジスタが叶Ｆの場合は、電荷８
として正の電荷を持つホールが誘起される。この正電荷
によるドレイン電流が、トランジスタがＯＦＦ時に流れ
るが、ｎ″ａ−５ｔ：Ｈ半導体層３１．４１において、
ホールは電子によって打ち消されるため、ＯＦＦ時の電
流は小さい。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、非晶質シリコンを用いた薄膜半導体装置の性
能の向上には、活性層である非晶質シリコン層及び絶縁
層であるＳｉＮｘまたはＳｉＯｘ膜の膜質が重要な要因
となることは勿論であるが、これら以外にソース・ドレ
イン電極を前記半導体層と接合させるコンタクト層が前
記薄膜半導体装置の性能の向上に影響を及ぼすことが知
られている。即ち、オーミックコンタクト層を前記半導
体層上に形成し、またトランジスタのＯＦＦ時に流れる
ホール電流を抑制することが重要であり、そのため現在
ｎ″ａ−５ｉ：Ｈ半導体層を活性層である非晶質シリコ
ン層の界面に介在させている。しかしながら、ｎ”　ａ
−５ｉ：Ｈ半導体層は通常プラズマＣＶＤ等で形成され
るため、膜形成工程が増すこと、またリン（Ｐ）を非晶
質シリコン膜にドーピングするためｐＨ１のガスを使用
することから、安全上好ましくない等の問題点がある。

本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり
、水素を含む非晶質シリコンの半導体層とソース電極及
びドレイン電極とを接合させるコンタクト層を備えた薄
膜半導体装置において、前記コンタクト層としてＴｉ、
　Ｔａ、　Ｃｒ等の高融点金属とリン（Ｐ）との化合物
を用い、この化合物層中の元素を半導体層に添加して形
成させた低抵抗層を設け、これによりプラズマＣＶＤ等
によるｎ’　ａ−５ｉ：Ｈ半導体層形成工程が不要な、
低コストで歩留りの高い薄膜半導体装置を提供すること
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においては、水素を含む非晶質
シリコンの半導体層とソース電極及びドレイン電極とを
接合させるコンタクト層を備えた薄膜半導体装置におい
て、前記コンタクト層として高融点金属とリンとの化合
物を用いた層及び該化合物層中の元素を前記半導体層中
に添加して形成された低抵抗層を設けてなることを特徴
とする。

〔作用〕

本発明の薄膜半導体装置では、前記コンタクト層として
高融点金属とリンとの化合物を用いた層及びこの化合物
層の中の元素を半導体層に添加することにより形成され
た低抵抗層が設けられている。これによりプラズマＣＶ
Ｄ等により形成されるｎ　”　ａ−３ｉ：Ｈ半導体層が
なくとも、良好なオーミックコンタクトが得られ、ホー
ル電流も抑制できる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき詳述する。

第１図は本発明に係る薄膜半導体装置としてのトランジ
スタ（以下、ＴＦＴ：Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒと記す）の構成を示す模式図である。図中１
はガラス基板である。このガラス基板１上には、ゲート
電極２がパターニングされており、その上部にはゲート
電極２を覆って、例えば窒化珪素（ＳｉＮｘ）又は酸化
珪素（Ｓｔｙｘ）等からなる絶縁層５が形成されている
。

さらにその上部には、水素を含む非晶質シリコンからな
る半導体層６が形成されている。また、この半導体層６
の中央部には適宜幅のギャップを隔てて、夫々下層から
順に低抵抗層３１．４１及び拡散バリア層３２．４２の
積層体からなるソース電極３及びドレイン電極４が形成
されている。該電極はそれぞれアルミニウム（Ａ１）等
の低抵抗金属よりなる。

拡散バリア層３２．４２は、前記ソース電極・ドレイン
電極のアルミニウム等が半導体層６と反応することを避
けるため、及び半導体層６との界面にその構成元素を添
加するために設けられたものである。

低抵抗層３１．４１は、半導体層６中で拡散バリア層３
２．４２との界面に形成されており、拡散バリア層の構
成元素を添加することにより、ｎ型の半導体となってい
る。

また、半導体層６上の前記電極３及び４が形成されてい
ない部分には半導体層６を外界と遮断することにより外
部からの不純物イオンあるいは湿気等から保護するため
の保護膜１０が形成されている。

上述の本発明の薄膜半導体装置を構成する各層について
、以下により具体的に説明する。

絶縁層５は高抵抗、即ち高絶縁性が要求されることは当
然であるが、他に高耐圧であることも必要である。この
ため絶縁Ｎ５は例えばＳｉＮｘ、　ＳｉＯｘＮｙ。

ＴａＯｘ等の材料を使用する。このうち、ＳｉＮｘは耐
環境性、耐薬品性に優れているため好適である。

絶縁層５を窒化珪素（ＳｉＮｘ）にて形成するには、プ
ラズマＣＶＤ法によりシラン系のガス、例えばＳｉＨ。

（モノシラン）と窒素を含有するガス、例えばＮＨ。

（アンモニア）、Ｎ２等との混合ガスをグロー放電によ
り発生されるプラズマにて分解し、分解されたガス状の
原子を基板上に堆積させて形成する。

さて絶縁層５の特性としては、比抵抗がＩＱ＋２Ω・０
以上、光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上であるこ
とが望ましい。

なお、この絶縁層５は一般的には単一の層により形成さ
れるが、複数の層を順次積層して一つの絶縁層５とする
ことも勿論可能であり、このような場合にはその組合せ
等を考慮することにより、膜特性及び品質の一層の改善
が可能であると考えられる。

ａ−３ｉ：Ｈ半導体層６は、本発明のＴＰＴの活性層で
あり、通常はシラン系のガス、例えばモノシラン（Ｓｉ
Ｌ）を原料ガスとしてプラズマＣＶＤ法により積層形成
される。

このａ−Ｓｉ：Ｈ半導体層６の膜厚はＴＦＴ特性を左右
する重要な要因であるが、−船釣には１００人から５０
００人が望ましく、５００人から３０００人の範囲がよ
り好適である。

次に保護膜１０は、ａ−５ｉ：Ｈ半導体層６を保護する
と共に、ＴＰＴ特性を安定化し高信頼性化するために必
要であり、前述の絶縁層５と同様の絶縁特性として形成
されるべきである。この保護膜１０の膜厚としては、１
００人から５０００人の範囲が望ましく、５００人から
３０００人の範囲がより好適である。

拡散バリア層３２．４２は低抵抗Ｆ！３１．４１とほぼ
平行して形成される。拡散バリアＮ３２，４２はＴｉ、
　Ｔａ。

Ｃｒ等の融点が１５００度以上の高融点金属とＰの化合
物からなる。高融点金属としてはＳｉ中でｎ型のドーパ
ントとなるＴ＋＋　Ｔａ＋　Ｃｒ、　ｗ、　Ｍｏ等が望
ましい。

前記化合物はＡｆｆ等の低抵抗の金属と比して比抵抗が
高いため、膜厚が厚いとコンタクト抵抗が大きくなりド
レイン電流の減少等特性が劣化する。

膜厚が小さいと、ソース電極、ドレイン電極のＩｔ’と
ａ−Ｓｉ：Ｈ半導体層のａ−５ｉ：Ｈの反応を抑制でき
ず、拡散バリアメタルとしての機能を果たさなくなる。

しかし、低抵抗層形成のためにはある程度ａ−Ｓｉ　：
Ｈ半導体層と反応し、拡散バリア層中の高融点金属とＰ
がａ−５ｉ：Ｈ半導体層中に拡散する必要もあり、それ
らを考慮して、その膜厚は１００人から１０００人が望
ましく、１００人から５００人がより好適である。

低抵抗層３Ｌ４１は、半導体層６中で拡散バリア層３２
．４２との界面に形成されており、拡散バリア層の構成
元素が添加されたｎ型の半導体となっている。この添加
は、拡散バリア層を半導体層６上に形成する際に、スパ
ンタリング装置、イオン化蒸着等にて、ある程度のエネ
ルギーを持った拡散バリア層の構成元素を半導体層中に
うちこませ、拡散バリア層形成後のアニール処理により
拡散バリア層の構成元素を半導体層中に若干拡散さセる
ことにより行う。

低抵抗層はソース・ドレインコンタクトの特性を左右し
、厚みは５０人から８００人が望ましく、５０人から３
００人がより好ましい。また、低抵抗層中の添加物の濃
度はＰは０．１から３０％、高融点金属は０．０１から
１０％が望ましい。

この低抵抗層３１．４１の作用は、具体的には以下のよ
うに考えられる。

第３図に本発明の薄膜半導体装置における前記コンタク
ト層の模式的構成図及び第４図に本発明の薄膜半導体装
置のエネルギー準位図を示した。

第３図中３　（４）はソース又はドレイン電極であるＡ
１層を示し、３２　（４２）は拡散バリア層であり、６
は半導体層であるａ−３ｉ：Ｈ半導体層、３１（４１）
は半導体層６中の拡散バリア層側の界面に形成されてい
るＰ及び高融点金属が添加された低抵抗層である。

第４図中Ｅ、はフェルミ準位、Ａはソースまたはドレイ
ン電極部及び拡散バリア層、６は半導体層、Ａｌは低抵
抗層、８は正電荷を有するホールを示す。この図より明
らかなように、本発明の薄膜半導体装置の前記コンタク
ト層にはＰ及びＴＩ＋　Ｔａ。

Ｃｒ等のＳｉ中でｎ型にドープする元素が添加された低
抵抗層ＡＩが存在するので、図中示すようにエネルギー
単位図が曲がる。このため、この曲がった部分がホール
８に対しては障壁となり、ソース又はドレイン電極部及
び拡散バリア層Ａ方向に流れるホール電流を抑制するこ
とが可能である。一方、電子に対しては障壁がなく、良
好なオーミックコンタクトが得られる。

次に、本発明の薄膜半導体装置の具体的な製造方法につ
いてその製造プロセスを示す第２図を用いて説明する。

まず、第２図（ａ）のごとく、十分に洗浄されたガラス
、例えばコーニング７０５９ガラスを基板」として、エ
ツチング加工によりＣｒのゲート電極２を形成する。こ
のゲート電極２はゲート長が２０μｍ、ゲート幅が３０
０μｍであった。

次に上述の如くゲート電極２が形成された上に、第２図
（ｂｌの如（、ＳｉＮに膜からなる絶縁層５をプラズマ
ＣＶＤ装置にて、３０００人の厚みで形成する。

次、第２図（Ｃ）の如（、水素を含む非晶質シリコンか
らなるａ−Ｓｉ：Ｈ半導体層６を、プラズマＣＶＤ装置
にて、２０００人の厚みで形成する。

次に第２図（ｄ）のごと＜　、ＳｉＮｘ膜からなる保護
膜ＩＯをプラズマＣＶＤ装置にて、２０００人の厚みで
形成する。

次に第２図（ｅ）の如く、レジスト１１を塗布し、露光
、現像により、ソース・ドレインコンタクト部のレジス
ト１１のみを除去する。次に第２図（「）の如く、ソー
ス・ドレインコンタクト部の保護膜１０を緩衝フン酸で
エツチング除去し、コンタクトホールを形成し、その後
レジストを除去する。

次に高周波スパンタリング装置によって、第２図（ｇｌ
の如（、ＴａＰからなる拡散バリア層３０及び低抵抗層
３Ｌ４１を形成する。

この時のＴａＰ膜の形成条件は、アルゴン雰囲気ガスの
ガス圧は２　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ、高周波電力１．４
ｋＶ、Ｔａｒのターゲット基板を用いる。

さらに、ＴａＰ膜形成時にＰ及びＴａ元素が半導体Ｎ６
の表面に添加され易いように、基板１にバイアス電圧−
４００ｖを印加し、基板温度は２５０℃とした。拡散バ
リア層３０の厚みは１５０人、低抵抗層の厚みは約９０
人であった。また暗比抵抗率は８Ｘ１０’Ωｃｍであっ
た。なお、保護膜１０の表面にも、Ｐ。

Ｔａが添加された添加Ｎ４０が形成される。

次に第２図（ｈｌに示す如く、ＡＡからなる電極３４を
真空蒸着にて、８０００人の厚みで形成する。

次に第２図（１１の如く、電極３４上にレジスト１１を
塗布し、露光、現像により、ソース・ドレイン電極部以
外のレジスト１１を除去する。次に第２図（」）の如（
、Ａ！をりん酸でエツチング除去し、低抵抗層３１．４
１及び拡散バリア層３２．４２を介してソース電極３、
ドレイン電極４を形成する。さらに緩衝ぶつ酸で添加層
４０を除去し、その後、レジストを除去する。

次にこのようにして作製した薄膜半導体装置の特性は以
下のようであった。

第６図はドレイン電圧ｖＤ＝５ｖのときの本発明の薄膜
半導体装置のゲート電圧（ｖｃ　）−ドレイン電流（Ｉ
、）特性を示すグラフであり、縦軸にはドレイン電流、
横軸にはゲート電圧が示されている。このグラフから明
らかなように本発明の薄膜半導体装置においてゲート電
圧１５Ｖ及び−５Ｖでのドレイン電流の比、即ち０Ｎ１
０ＦＦ比は、ＩｏＮ／ｌ０ＦＦ〜１０’と６桁におよぶ
。なお、しきい値電圧は４■であった。　また■。ＦＦ
　＝　５　ｘｌＯ−”Ａであり、良好なトランジスタ特
性が得られた。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明の薄膜半導体装置では、半導
体層とソース・ドレイン電極とを接合させるコンタクト
層たる拡散バリア層と低抵抗層とを同一のプロセスで形
成させるため、低コストかつ歩留りが高い薄膜半導体装
置の提供が可能であり、また良好なトランジスタ特性が
得られる等価れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる薄膜半導体装置の断面構造図、
第２図は本発明の製造工程を示す模式図、第３図は本発
明の薄膜半導体装置における前記コンタクト層の模式的
構造図、第４図は本発明の薄膜半導体装置のエネルギー
準位図、第５図は本発明の電流−電圧特性図、第６図は
従来の薄膜半導体装置の断面構造図である。 １・・・ガラス基板　２・・・ゲート電極　３・・・ソ
ース電極　４・・・ドレイン電極　３１．４１・・・低
抵抗層３２．４２・・・拡散バリア層　５・・・絶縁層
　６・・・半導体層　１０・・・保護膜 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫第 （ａ） （ｂ） （ｅ） （ｆ） ｆ 第 圓 阜 園 ＋１） ケ゛−）１ｉ１尺ＶＧ　（Ｖ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素を含む非晶質シリコンの半導体層とソース電極
   及びドレイン電極とを接合させるコンタクト層を備えた
   薄膜半導体装置において、前記コンタクト層として高融
   点金属とリン との化合物を用いた層及び該化合物層中の元素を前記半
   導体層中に添加して形成された低抵抗層を設けてなるこ
   とを特徴とする薄膜半導体装置。