JPH0334374A - 薄膜トランジスタ - 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〕 本発明は非晶質シリコン（ａ　−Ｓ　ｉ　）を用いた薄
膜トランジスタに係り、特に伝導度が大きく。

従って駆動能力が大きくかつまた歩留り向上が可能とな
る構造および製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の薄膜トランジスタ（以ド’１’　ＦＴ）は、時開
１１［６２−２６８６２号に示されるものが代表的なも
のである。これを第２図を用いて説明すると、Ｃｒゲー
ト電極２．プラズマＣＶｌ）法による、ＳｉＮゲート絶
縁膜３．ａ−８ｉ半導体層６．ｎ＋　ａ−８ｉオ一ミツ
クコンタクト層７．ソース・ドレイン電極８．９から構
成されるのが通常であった。

この構造のトランジスタの特性はしきい値電圧Ｖｔ＝１
〜３■、移動度ｔｔ　＝　０．５　ｄ　／　Ｖ−５が典
型的であった。

さらにＴ　Ｆ　’ｒのゲート・ソース間及びゲート・ド
レイン間の短絡による歩留低下の対策としては。

特開昭５８−１４７０６９号が挙げられる。これはゲー
ト電極金属の陽極化成膜をゲート絶縁膜とすることによ
って、プラズマＣＶＬ）法で形成される絶縁膜よりもゴ
ミに起因するピンホール欠陥の発生率を低下させるもの
である。

〔発明が解決しようとするｉｔｌＭ） 上記従来技術によるＴ　Ｆ　’１’は、絶縁ゲート型電
界効果トランジスタであり、その伝導度は１通常一×μ
ＸＣ１に比例する。ここにＷ、Ｌはそれぞし れ’ｌ’　ト”１’のチャネル蝙とチャネル長、μはキ
ャリア移動度、Ｃ１は単位面積あたりのゲート絶縁膜容
量である。μの値としては、ａ−８ｉの材料に依存して
１、たかだか１ａＪ／Ｖ・ＳＮ度、Ｗ／Ｌの値も歩留り
の観点から１００μｍ／１０μｍ程度と抑えられる。従
って実効的にチャネルの伝導度を向上させるのに、ゲー
ト絶縁膜の膜厚を薄くしてＣｉを大きくするのが有効で
ある。

しかしながら従来構造のままゲート絶縁膜を薄くするの
は以下２点から問題があった。

■　ゲート電極端面でのゲート絶縁膜の切断と、それに
基づく絶縁不良。

■　高電界駆動に起因する’！’　Ｆ　Ｔ特性のＶｔ　
ドリフト。

本発明の目的は、従来技術に比して、伝導度を飛躍的に
増大し、なおかつ安定性が十分で１歩留り向上に適した
’Ｉ’　Ｆ　’Ｉ’　ｔＩ−提供することにある。

ｃａｍを解決するための手段〕 本発明の’Ｌ’　Ｆ　”ｒは、上記目的を達成するため
に。

’ｌ’　Ｆ　Ｔのゲート電極上でゲート絶縁膜を実効的
に薄くしたものである。またその時にゲート電極とソー
ス・ドレイン電極との短絡欠陥を防止するために、ゲー
ト電極金属の陽極酸化膜を用いたものである。

〔作用］ ＴＰＴのゲート絶縁膜はゲートに印加された抗圧を、チ
ャネルを流れるキャリヤに間接的に伝える役割を有する
０本発明による’ｒ　Ｆ　Ｔでは、ゲート絶縁膜のチャ
ネルに接する大部分においてその膜厚を小さくしである
ので、ゲート絶縁膜容量Ｃｉを大きくすることができ、
より多くのキャリヤの伝達が可能となる。

さ瞠１、に本発明のよるＴＦＴではソース電極、ドレイ
ン電極近傍の少なくとも一方で上記ゲート絶縁膜厚を厚
くしであるので、この部分でのゲート絶縁膜への電界集
中は従来通りに抑えることができ、従って絶縁膜中への
電荷注入も少なく、■。

ドリフトが低減され、高信頼性を得ることができる。

さらに本発明では、特にゲート電極全屈の陽極酸化膜を
用いるのでゴミ等によるピンホール欠陥も少なく、ゲー
ト・ソース間及びゲート・ドレイン間の短絡を低減する
ことが可能である。

〔実施例〕

（実施例１） 以下１本発明の第１の実施例を第１図により説明する。

第１図は、ガラス基板１上に作製した非晶質シリコン薄
膜トランジスタ（ａ−５ｉ　　ＴＦ’ｌ’）を示したも
のである。同図のＴＦＴはＡｆｉゲート電極１３．ソー
ス電極１０．ドレイン電ｔ４ｉ１１を３つの電極とする
絶縁ゲート型電界効果トランジス１３の陽極酸化膜１４
とＳｉＮ膜３で構成される。

電流パスを形成する半導体Ｍ（ａ−５ｉ）は６であり、
この部分にオーミックコンタクトをとるｎ中層は７であ
る。８．９はソース・ドレイン電極を形成するＣｒとＡ
ｆｉの２重Ｍである。

第３図を用いて本実施例による’１’　Ｆ　Ｔの作製方
法を説明する。

まず第３図（ａ）に示すようにガラス基板上１に、Ａｌ
を０．１７μｍ抵抗加熱蒸着もしくはスパッタ蒸着によ
り形成し、通常のホトリソグラフィを用いてパターン化
し、ゲート電極１３パターンを形成する。ついでこのゲ
ート電極パターン上に、厚さ３μｍのホトレジストパタ
ーン１５を形成する。このパターンの長さＬは、　’ｒ
　ｈ”ｒのソース・ドレイン電極間隙すなわちチャネル
長ＬＯと比べてＬ≦Ｌｏとする。ここではＬｏ＝１０〜
１２ｐｍに対して、Ｌ　＝　６〜１０　ｐ　ｍとした。

この状態で基板を化成液に浸しゲート線に＋７２Ｖの電
圧を供給する。約３０分後、ホトレジスト１５に被覆さ
れないＡｌ表面に約０．１μｍのＡｌｚＯｓ膜１４が得
られる。この時Ａｌ２Ｏ，１７μｍの内０．０７μｍが
酸化される。化成液としては３％酒石酸溶液をエチレン
グリコールもしくはプロピレングリコールで希釈し、ア
ンモニア水を添加してｐＨ７，０±０．５に調整した溶
液を用する。このように局所的に陽極化成することによ
り、ＡｌとＡｆｉｚＯｓの選択エツチング技術は不要と
なる。

レジストを除去した後、大気中あるいは真空中で２００
〜４（’）０℃で６０分加熱する。この加熱によってＡ
ｆｆｉｘｓのリーク電流が一桁以上減少する。

この上にプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン３を０．
０５〜０．１μｍ、水素化非晶質シリコン（ａ−５ｉ）
６を０　、１〜０　、３　ｐ　ｍ、リンを０．６〜２．
５％　ドーピングした非晶質シリコン（ｎ＋層）７を０
．０２〜０．０５μｍ連続形威しパターン化する（第３
図（ｂ））。

以上のＳｉＮ膜、ｎ中層ａ−８ｉ膜の堆積は。

同一チャンバにてガス種を切替えながら行なった。

切替えに際しては、−旦チャンバを背圧１０’″６Ｔｏ
ｒｒ以下に真空引することにより膜相互の純度を保った
。ＳｉＮ形成時のガス種は５ｉＨａ、Ｎｚ＊Ｎ　Ｈｓの
三種混合を用い、ａ　−Ｓ　ｉの形成は５ｉＨａと水素
の混合ガスを用いた。ｎ中層形成時のリンドーピングは
水素希釈のＰＨｓガスを用いた。

しかる後に第３図（Ｃ）のように、Ｃｒ８を０．０５〜
０．１　ａｍ、　ＡＪＩ　９を０　、３〜０　、８　ｐ
　ｍ抵抗加熱蒸着あるいはスパッタ蒸着にて堆積しパタ
ーン化してｒＦＴのドレイン電極１１．ソース電極１０
を形成する。このソース・ドレインを極パターンをマス
クしてＣト“番等のトライエツチングによりソースドレ
イン間のｎ＋層を除きＴ　Ｆ　’ｒが完成する。このＴ
　Ｆ　’ｌ’の上面図の一例を示すと第３図（ｄ）のよ
うになる。

本実施例によるトランジスタの動作特性について述べる
。ソース電極、ドレイン電極とＡｆｌゲート電極がオー
バラップしている部分では、有効なゲート絶縁膜容量は
Ａ　Ｑ　＊　ＯｓとＳｉＮ膜の合成容量である。これは
Ｌｏ≧Ｌとしたことによるものである。チャネルの大部
分の領域では、ＳｉＮ単層となっており、ゲート絶縁膜
容量は〜１００ｎＦ／ａｔに達するものであり、従来の
５倍以上となっている。これにより、従来構造と比べＴ
ＰＴのオン電流を増大させることが可能となる０例えば
Ｗ／Ｌ　（チャネル幅／チャネル長）＝５０／１０でソ
ース接地、ドレイン電圧＝ゲート電圧＝１０Ｖのときの
ドレイン電流は５　Ｘ　１０−’Ａである。この値と同
形状の従来構造’ｒ　Ｆ　Ｔのオン電流値１．５〜２Ｘ
１０−８Ａ　とを比べると本発明による’１’　Ｆ　Ｔ
は約２〜３倍の電流駆動能力を有することがわかる。

また本発明によるＴ　Ｐ　Ｔの別の特徴は、高歩まりで
あることである。すなわち、電界の集中するゲート・ソ
ース間及びゲートドレイン間のオーバラップ部は上述の
ようにゴミの少ない陽極化成によるＡｌｔ’ｓとＳｉＮ
の２層ゲート絶縁膜構造となっているので、ゲート・ド
レイン間及びゲートさらに本発明によるＴＰＴのもう一
つの特徴として、高倍調性が挙げられる０通常、従来構
造で単にゲート絶縁膜を薄くすると、オン電流は本発明
と同等のものが確保できるが、その半面駆動中にＴＰＴ
のしきい値電圧（Ｖｔ）の変動量が大きくなる。これは
ゲート絶縁膜に印加される電界が大きくなり、絶縁膜中
への電荷注入が増大するためである。これに対し、本発
明によるＴＰＴではこのＶｔドリフトに大きく関与する
部分で、２層ゲート構造として電界集中を緩和しである
のでＶｔドリフトを低減可能な構造となっている。

以上の実施例・ではゲート電極としてＡｌを用いた場合
の例で示したが、Ａｌの代わりにＳｉを１〜３％含んだ
Ａｌ−５ｉさらにはＰｄを微量含んだ５ｉ−Ｐｄでも全
く同様に使用できる。またソース・ドレイン電極にＡ　
１１　／　Ｃｒを用いたが、ＡＩの代わりに先のＡｌ−
８ｉ、Ａｆｆｉ−Ｐｄを使用することもできる。さらに
Ｃｒは必ずしも必要ではない。

またｎ◆層のエツチング法はソース・ドレイン電極をマ
スクとするドライエツチング以外の方法によるものであ
ってもよい、さらに上記実施例では素子の双方向性を考
慮して、Ｌｏ≧Ｌとしソース・ドレイン電極双方に２層
ゲート絶縁膜構造を設けたが、一方のＩＩ！極とゲート
電極がＳｉＮ単層のみを介してオーバラップしても本発
明の効果が失なわれることはない。

（実施例２） 実施例１ではＡｕｔｏｓの上にＳｉＮ［を形成する場合
について述べたが、この代わりに５ｉｆ２を使うことが
できる。

５ｉＯｚは次の方法で形成するｍ　Ｓ　ｘ　ＨａとＮｘ
Ｏとを主成分とする混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法
にて膜厚０．０５〜０．１μｍのＳ　ｉ　Ｏｘを堆積す
る。このＳ　ｉ　Ｏｘ膜を用いた場合の構造は第１図お
よび第３図のＳｉＮ膜３がＳ　ｘ　Ｏ２Ｐｔ５になると
ころのみが違う、その他は実施例１と全く同様である。

（実施例３） 実施例１では、ゲート電極をＡｌとした場合について述
べたが、これは１゛ａを用いることも可能である。１゛
ａ及びその陽極化成膜は次のように形成される。

ガラス基板上にＴ’　ａ金属をスパッタリング法により
膜厚０．３μｍに堆積し、ホトエツチングにより所望の
ゲート電極パターンを形成する。Ｔａパターン端部の段
差にテーパをつけるために、エツチングにはＣ−Ｃｍ−
Ｆ系のガスを用いたドライエツチング法を用いる８次に
陽極酸化を行う部分以外をホトレジストで被覆する。こ
の被覆パターンは第１図の１５と同様である。この基板
を０．１％Ｈ８Ｐ　Ｏａ水溶液中に浸漬し、白金電極を
陰極、Ｔａゲート電極パターンを陽極として１５０Ｖの
陽極酸化電圧（化合電圧）で３０分間陽極酸化を行うと
、レジストに被覆されないＴａ部には約０．２５ｐｍの
陽極酸化膜（Ｔａｓｋｓ）が形成される。この場合形成
されるＴａ５ｋｓの約１／３３相当のＴａゲートが消費
されるので、１゛ａ電極部；妬残膜厚は約０．２２μｍ
である。

このＴａゲート電極及びその陽極酸化膜を用いた場合の
構造は第１ｗＵ及び第３図でＡｌ膜およびＡｌ５ｏδ膜
がそれぞれＴａ膜及びＴａｓｋｓ膜となるところのみが
異なる。その他は、実施例１と全く同様である。

（実施例４） 本発明の第４の実施例を第４ｗｉを用いて説明する。Ａ
ｌゲート電極パターンを形成するまでは実施例１と同じ
である。その後の陽極酸化については、ゲート電極上に
ホトレジストパターンを形成することなく全面を陽極化
成する。化成条件は。

実施例１と同様である。然る後に、第４図（ａ）に示す
ようにゲート電極上でＡ　４２　ｘ　Ｏｓにスルファミ
ン酸を用いて凹みを形成する。以降のＳｉＮ堆積とソー
ス電極、ドレイン電極の形成工程は、実施例１に示した
ものと同様である。

完成したＴＰＴは第４図（ｂ）に示される６本実施例の
特有の効果は高伝導度を保ちながら薄いＳｉＮ膜３のゲ
ート電極上の段差部での切断を軽減できることにある。

（実施例５） 本発明の第５の実施例を第５図を用いて説明する。

ガラス基板１上にＡｌゲート電極１３を設け、これを陽
極化成してＡｌｘＯｓゲート絶縁膜１４を形成するまで
は実施例４と同様である０次にＣｒを０．０４μｍスパ
ッタリングにより堆積して第２のゲート電極パターン１
６を形成する。引き続いてＣＶＤ法により５ｉＮｌ［３
を０．０４μｍ〜Ｑ、１μｍ　、ａ−５ｉ膜を０．１　
ｐｍ”０．３　μｍを堆積する。その後の形成工程は実
施例１と同様であるが、第２のゲート電極１６とソース
電極１０、ドレイン電極１１には１〜３μｍのオフセッ
トを設けた。

本実施例によるトランジスタを動作させるにあたっては
、第２のゲート電極１６とＡｌゲート電極１３の電位を
同一にすることによってチャネル上の有効ゲート絶縁膜
容量をＳｉＮ膜３に対応する大きな値とすることができ
るので実施例１と同様のオン電流の向上が達成される。

さらにｖ１極オーバラップ部での２Ｍゲート絶縁膜構造
は保たれるので素子作製時の歩留りも高位に保たれるこ
とはもちろんであるが、加えて本実施例特有の効果とし
て、補助的に薄い第２のゲート電極を用いているので薄
いＳｉＮ膜３の場合に、実施例上に見られるＡｌｔｏｓ
段差のカバレージが不完全になる不良発生を避けること
ができるという利点がある。

なお、本実施例では第２のゲート電極１６としてＣｒを
用いたが、これは他の金属（例えばＴｉ。

Ｔ　ａ　、　Ｗ　、　”Ｉ’　ａ　−Ｍ　ｏ等〉でもよ
い、さらにまたｎ＋ａ−８ｉでもよい。

以上の実施例ではＴＰＴの活性層として非晶質シリコン
を用いた例について述べたが、この材料は本発明におい
てこれに限るものではなく、Ｔｅ。

ポリＳｉ等の材料であってもよいことは無論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ａ−８ｉ　　’１’Ｆ”Ｉ’の伝導度
を３〜５倍に高めることができる。従って同じ電流を流
すためのトランジスタの寸法を小さくすることができる
。これはＴＰＴを液晶デイスプレィ用スイッチングトラ
ンジスタとして用いる場合に製作面及び特性面から大き
な効果を有する。さらにゲート絶縁膜を陽極化成膜を含
む２層構造としたので絶縁不良による電極間ショートの
発生率を大幅に低減することができる。

ＴＰＴの電流駆動能力が大きいことは、ａ−８ｉ　１°
Ｆ’Ｔによる集積回路作製にも非常に大きな効果をもた
らす、従来実現困難であった回路構成が十分可能になり
その経済的効果は大きい。

また本発明のトランジスタはしきい値電圧のシフトも少
ない、従って信頼性の観点からも申し分ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるＴ　Ｆ　’ｌ’の
断面図、第２図は従来ＴＰＴの断面図、第３図は第１図
のＴＰＴの形成工程を説明するため断面図および平面図
、第４図〜第５図は本発明の別の実施例を説明するため
のＴＰＴの断面図である。 １・・・ガラス基板、３・・・ＳｉＮゲート絶縁膜、６
・−・ａ−８ｉ：Ｈｉ層、７−ａ−８ｉ：Ｈｒｒ◆層、
８・・・Ｃｒ膜、９・・・、１１膜、１０・・・ソース
電極、１１・・・ドレイン電極、１３・・・Ａｆｉゲー
ト電極、１４・・・Ａｆｌ陽極化成膜。 θ １ 図 冨 図 冨 回 ０り 猶 図 （、ｂ） 稀 図　でＣノ 第 図 （ｄン 冨 図 ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板または絶縁性基板上に形成された半導体
   層からなる能動層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース
   電極を有する薄膜トランジスタであつて、上記ゲート絶
   縁膜が上記ゲート電極金属の陽極化成膜を含みかつゲー
   ト電極上の少なくとも一部で上記ゲート絶縁膜の膜厚を
   実効的に薄くしたことを特徴とする薄膜トランジスタ。 ２、前記薄膜トランジスタのゲート絶縁膜が前記陽極化
   成膜と前記陽極化成膜と異なるもう一つの異種絶縁膜と
   の複合膜であることを特徴とする請求項１記載の薄膜ト
   ランジスタ。 ３、前記薄膜トランジスタのゲート絶縁膜において、そ
   の膜厚を薄くした部分では異種絶縁膜のみからなること
   を特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタ。 ４、前記異種絶縁膜が窒化シリコン膜であることを特徴
   とする請求項２ないし３のいずれかに記載の薄膜トラン
   ジスタ。 ５、前記異種絶縁膜が酸化シリコン膜であることを特徴
   とする請求項２ないし３のいずれかに記載の薄膜トラン
   ジスタ。 ６、前記薄膜トランジスタの能動層を構成する材料が水
   素化非晶質シリコンであることを特徴とする請求項１な
   いし５のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。 ７、前記薄膜トランジスタのゲート電極としてＡｌある
   いはＡｌを主成分とする金属を用いることを特徴とする
   請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜トランジスタ
   。 ８、前記薄膜トランジスタのゲート電極としてＴａある
   いはＴａを主成分とする金属を用いることを特徴とする
   請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜トランジスタ
   。