JPH0325984A - 非線形抵抗素子およびその製造方法 - 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］ 本発明は非線形抵抗素子およびその製造方法に関し、さ
らに詳しくは壁掛けテレビジョン、コンピュータ端末用
ディスプレイ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ヂングに用いるのに適した非線
形抵抗素子およびその製造方法に関するものである。

［従来の技術およびその課題１ 壁掛け力ラーデレビジョンに代表される薄型パネルディ
スプレイとして、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。

現在、アクティブ素子には、薄膜トランジスタと非線形
抵抗素子が用いられている。しかしながら、非線形抵抗
素子のほうが薄膜トランジスタより構造が簡単であり、
製造コストの低下が期待されるため、有望視されている
。

また、配線容量の都合上、比誘電率は小さいほど表示装
置に適している。従来、非線形抵抗素子の非線形抵抗膜
に用いられる酸化タンタルは、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必要量の電流
を流すためには膜厚を６０　ｎｍ以下にする必要があり
、結果的に非線形抵抗素子の単位面積当たりの容量が大
きくなることを余儀なくざれる。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、酸化タンタルを用いた場合、
非線形抵抗の素子面積は約２０μｓ２以下にする必要が
ある。八４サイズ以上の大面積にわたって以上のような
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〜
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
抗素子に用いた例が、特開昭６１２６０２１９号公報に
示されている。この特許公開公報明細書中では、シリコ
ン酸化膜あるいはシリコン窒化膜の膜厚を１００　ｎｍ
以上としても非線形係数８以上が得られ、また素子面積
１００脚２以上の大きな非線形抵抗素子も使用可能であ
るとしている。

しかしながら、非線形係数の高い窒化シリコン膜は、低
電圧でショート（ダイオードが破壊）し易い傾向があっ
て、実用化には問題が残されており、この特許公開公報
明細書中でも非線形抵抗膜の耐電圧性については何等記
戟されていなかった。

本発明の目的は、液晶表示装置のアクティブ素子として
実用に耐え得る耐電圧性を有する非線形抵抗素子および
その製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、絶縁性基板上に第１の導電膜、非線形抵抗膜
、第２の導電膜が順次積層されてなる非線形抵抗素子に
おいて、非線形抵抗膜はＮ一日結合密度が５．　Ｏ　Ｘ
　１０２１Ｃｍ−３以下である水素化非晶質シリコン窒
化膜で形成されていることを特徴とする非線形抵．抗素
子であり、またその製造方法は、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するこ
とよりなる非線形抵抗素子の製造方法において、非線形
抵抗膜は３００〜５００℃で成膜することを特徴とする
か、非線形抵抗膜は成膜後に１５０〜ｓｏｏ　’ｃでア
ニールすることを特徴とするか、あるいは非線形抵抗膜
は放電出力０．０８　〜０．１６　Ｗ／ｃｍ２のパワー
で成膜することを特徴とする。

［作用］ 一般に、アモルファスシリコン、水素化非晶質シリコン
窒化膜等の非晶質膜において、水素およびその量は重要
な意味を持つ。水素化非晶質シリコン窒化膜において、
膜を構成する結合はＳｉ−Ｎ．ｓｒ−口，Ｎ一口からな
り、そのうち後二者は、シリコンおよび窒素の柊端子と
しての働きを持つ結合である。即ち水素はシリコンおよ
び窒素の未結合手と結合することで不対電子密度を減少
させ、物性的に安定した膜を作製することができる。

しかしながら、一方では、水素が膜中に入ることで、そ
の膜は構造的に柔軟性を持ち、外力により構造および結
合状態を変化させることが容易となる。即ち電圧の印加
等のストレスに対して電気的な特性を変化させることに
なり、デバイスとしての信頼性が低下することになる。

したがって、目的に応じて膜中の水素量を適当な量に制
御することが必要とされる。また、非線形抵抗素子とし
て使用可能な組或比は［Ｎ／Ｓ　ｉ　］　＝　０．２０
〜１．０のものであり、非化学量論的な組或を持ったも
のである。

（１）Ｓｉ一口結合は基板温度の変化には殆ど依存しな
いが、Ｎ一口結合は基板温度の上昇にっれて減少してい
る。一般に、基板表面上における活性種等の分子の反応
には、吸着反応と離脱反応がある（式［Ｉ］参照〉。

成膜またはエッチング＝吸着反応＋離脱反応・・・［Ｉ
］ 吸着反応が離脱反応に比べて大きい場合は成膜現象が、
逆に吸着反応に比べて離脱反応が大きい場合にはエッチ
ング現象がそれぞれ起こる。

シラン分子の分解による活性種等の分子は、股に基板表
面温度の変化に対して反応は鈍感であることが知られて
いる。即ち、アモルファスシリコンの作製において、基
板加熱温度の変化に対して堆積速度に変化が殆ど見られ
ないのはこのためである。

一方、窒素または窒素水素化物分子の分解による活性種
等の分子は、温度に対して敏感である。

シリコン窒化膜の作製において堆積速度が基板温度の高
温化に伴い小さくなるのは、主にこのためである。

したがって基板表面温度を３００″Ｃ以上にすることは
、主にＮ　−　Ｈ系分子の表面反応に大きく作用する。

特にＮ一日系分子は表面吸着反応が起こっても、温度に
依存ずる部分が大きいので、特にそれが捻れたり曲かつ
ているような形では、結合のエネルギーは不安定である
ため膜の構或には奇与せず、選択的に離脱反応を起こし
てしまう。そのため、薄膜は比較的安定した結合の戊分
が残されることになる。

Ｎ−Ｈ系の結合は、基板温度２５０℃で成膜した水素化
非晶質シリコン窒化膜のうち［Ｎ／Ｓ　ｉ　］＝　０．
２０〜１．０における薄膜中では殆ど不安定な状態で薄
膜中に含まれる。そのため、Ｎ一日結合の多くは、非線
形伝導には奇与せずに薄膜中の不安定点、即ちウィーク
スポットとなっている。このウィークスポットは高電界
および熱的なスｌ〜レスに対して非常に不安定であるこ
とから、このような点が熱的に破壊した場合、回りの結
合をも同時に破壊してしまい、結果的には耐圧を下げる
原因となっている。ここで耐電圧とは、前記ダイオード
素子を液晶と直列に組み合わせて電圧を１　／４００　
ｄｕｔｙ単純マルチプレツクス波形で印加したとき、ダ
イオード素子が非線形抵抗性素子として働く電圧の最大
値を意味する。

薄膜に比較的安定した結合成分が残されるためには、Ｎ
−１１の結合密度が５．Ｏｘ　１０”Ｃｍ−３以下であ
ることが必要であり、この場合、薄膜は電圧印加に伴う
熱等のストレスに対し安定なものとなり、耐電圧性の高
い薄膜が作製される。

（２）基板加熱温度を高温化することにより、基板表面
の温度が高温化する。基板表面に到達した３ｉ一口系、
Ｎ一口系分子およびそれらの活性種のうちＮ一口系分子
およびその活性種は基板表面の熱により、特に緩い結合
を持ったものは選択的に離脱反応が促進される。成膜温
度を３００〜５００℃とすると、Ｎ一口結合のうち不安
定なものが取り除かれ、耐電圧性を持った薄膜が形成さ
れる。

（３）アニール温度を上昇させることにより、耐電圧は
上昇する。これは、薄膜が形成された後、ダイオード素
子を高温で加熱することにより、結合の弱い部分を修復
もしくは離脱させるためである。即ち、適当な温度によ
るアニール（よ構戒分子にエネルギーを与え、より自由
エネルギーの低い方向へ、つまり結合の安定化する方向
へ向かわせる動きがある。このアニール温度を１５０〜
５００℃とすると、実用上必要とされる高耐電圧性を有
する薄膜が得られる。

（４）放電出力を上昇させることにより、耐電圧は比例
的に上昇する。これは、放電出力の上昇により、原料ガ
スの分解効率が上昇するからである。

そのため、基板表面に到達する分子の数も増大し、基板
表面での衝突が激しくなり、基板表面を高温に加熱した
ときと同じ効果が得られるようになる。

したがって不安定な結合は離脱反応が促進し、安定な結
合はそのまま膜の構或分子となる。この放電出力を０．
０８　〜０．１６　Ｗ／ｃｍ２とすることにより、実用
上必要とされる高耐電圧性を有するｌか得られる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明ずる。

実施例１ 水素化非晶質シリコン窒化膜を、シラン流量１５　〜４
５　ｓｅｃｍ，窒素流量５００　ｓｅｃｍを原料ガスと
し、圧力１００Ｐ　ａ　，放電出力０．０８　Ｗ／ｃｍ
２のもとで膜厚１６００入、素子面積７．６８　ｘｉｏ
４胸２で形成し、第１および第２導電膜にクロムを用い
て非線形抵抗素子を作製した。

第１図は、３ｉ一口結合あよびＮ一口結合密度の基板加
熱温度依存性を示したものである。成膜温度の上背によ
り、Ｎ−Ｈ結合密度が急激に減少しているのがわかる。

第２図は、このときの耐電圧を示したもので、゜基板温
度の高温化により、耐電圧が上昇しているのがわかる。

実施例２ シラン流量を４２　ｓｅｃｍ，基板加熱温度を２５０℃
とし、実施例１と同様にして非線形抵抗素子を作製した
。素子作製後に、アルゴン雰囲気中、約１時間のアニー
ルを各設定温度で行って第３図に示す結果を得た。本来
、上記の条件では、アニールしない場合は耐電圧が約２
０であるが、ア二ル温度を上昇させるに伴い、耐電圧も
上昇しているのがわかる。なお、アニール雰囲気は、ア
ルゴンの他に窒素、ヘリウムで行っても可能である。

実施例３ 実施例１での成膜条件で放電出力０．０２〜ｐ．１６　
Ｗ／ｃｍ２の間で成膜を行った場合の耐電圧に対する放
電出力の依存性を第４図に示す。放電出力が特定の範囲
で耐電圧が高くなっていることがわかる。一般に放電出
力を上昇させた場合、窒素の分解効率が上昇する。この
ため低い出力での水素化非晶質シリコン窒化膜と高い出
力での水素化非晶質シリコン窒化膜では、高い出力での
膜の方が、薄膜中の窒素含有量は多くなる。したがって
、放電出力の変化に応じて殆ど電流の流れ易さが変化し
ないように、本実施例ではシラン流量を変化させた。こ
れは、窒素を減少させることによっても同様な効果が得
られる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による非線形抵抗素子は、
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、かつ５
０　Ｖ以上の耐電圧を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第］図はＳｉ−１−１結合およびＮ一口結合密度の基板
加熱温度依存性を示す特性図、第２図は耐電圧の成膜温
度依存性を示す特性図、第３図はダイオード素子形成後
にアルゴン雰囲気中、約１時間のアニールを行ｐた場合
の耐電圧のアニール温度依存性を示す特性図、第４図は
耐電圧の放電出力依存性を示す特性図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板上に第１の導電膜、非線形抵抗膜、第
   ２の導電膜が順次積層されてなる非線形抵抗素子におい
   て、非線形抵抗膜はＮ−Ｈ結合密度が５．０×１０＾２
   ＾１ｃｍ＾−＾３以下である水素化非晶質シリコン窒化
   膜で形成されていることを特徴とする非線形抵抗素子。
2. （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することよりなる非線形抵抗素子
   の製造方法において、非線形抵抗膜は３００〜５００℃
   で成膜することを特徴とする非線形抵抗素子の製造方法
   。
3. （３）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することよりなる非線形抵抗素子
   の製造方法において、非線形抵抗膜は成膜後に１５０〜
   ５００℃でアニールすることを特徴とする非線形抵抗素
   子の製造方法。
4. （４）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することよりなる非線形抵抗素子
   の製造方法において、非線形抵抗膜は放電出力０．０８
   〜０．１６Ｗ／ｃｍ＾２のパワーで成膜することを特徴
   とする非線形抵抗素子の製造方法。