JPH04330783A - 薄膜半導体装置及び受光素子及び光センサ - 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】ディスプレー、イメージスキャナ
などに用いられる薄膜半導体装置に関し、特に薄膜トラ
ンジスタ及び薄膜トランジスタ型光センサなどの薄膜半
導体装置の電気特性の信頼性、安定性に関する。

【従来の技術】近年オフィスオートメイションにともな
い、ディスプレー、イメージスキャナー等の入出力デバ
イスは、ワードプロセッサー、パーソナルコンピュータ
ー、ファクシミリ等のＯＡ機器のマンマシーンインター
フェイスとして、重要視され、計量、薄型、低価格が要
望されている。このような観点より、薄膜半導体、例え
ば、水素化アモルファスシリコン、ポリシリコン等を、
大面積の絶縁基板上に形成し、薄膜トランジスタを構成
したアクティブマトリクス方式の液晶ディスプレイや、
光センサーを構成した光電変換装置等の開発が進められ
ている。図３は、従来の薄膜トランジスター（以下ＴＦ
Ｔ）の構造の１例を示す。絶縁性の基板３１に、ゲート
電極３２が形成され、その上にゲート絶縁膜３３を堆積
し、更にチャネル形成のできる薄膜半導体３４として、
例えば、水素化アモルファスシリコンなどを形成する。 更にソース・ドレイン電極３６，３７の金属電極の間に
、ｎ＋層３５が、設けられており、電子に対してオーミ
ック性、正孔に対してブロッキング性となる接合を形成
することで、ｎチャンネルトランジスターとして動作す
る。なお、第３図のＴＦＴはソース、ドレイン電極３６
、３７の間に光を照射して半導体層で発生するフォトキ
ャリアの分布をゲート電極により制御して安定な光電流
を得るような、薄膜トランジスタ型の光センサーとして
も応用できる。また、これらの薄膜トランジスタ、およ
び薄膜トランジスタ型センサなどの薄膜半導体装置をソ
ース、ドレイン電極やゲート電極を介して複数個接続し
て構成された新たな機能を有する薄膜半導体装置として
も応用できる。

【発明が解決しようとしている課題】第３図に示された
ような薄膜トランジスタなどの薄膜半導体装置を実際に
液晶ディスプレイや、ファクシミリの画像読み取り装置
として用いる場合、この薄膜半導体装置の表面が、外部
の雰囲気の影響を非常に受けやすいため、酸素ガスや水
蒸気が直接これらの表面に、吸着、あるいは、拡散すれ
ば、半導体薄膜が、非常に薄いため、電気的特性が大き
く変動する。このため従来素子の表面を窒化シリコン膜
等の保護膜で被覆されているが、保護膜の窒化シリコン
膜のＮ／Ｓｉ組成比に応じても、電気的特性は変化する
。一般に窒化シリコン膜のＮ／Ｓｉ組成比が小さくなる
と、薄膜半導体層のアモルファスシリコンとの界面にト
ラップ準位が多くなり、ＯＮ／ＯＦＦ比の低下、応答性
の悪化等望ましくない特性が表われるため、Ｎ／Ｓｉ組
成比はある程度大きい必要性がある。さらに、このアモ
ルファスシリコンを用いた薄膜半導体装置は２００℃程
度の低温で形成されているため、保護膜の形成温度もそ
れ以下の低温にしなければならない。しかし、通常プラ
ズマＣＶＤ法などで２００℃以下の低温で、Ｎ／Ｓｉ組
成比の大きい窒化シリコン膜を形成した場合膜の構造の
緻密性が失われ、保護膜としての耐湿性が悪くなる。 しかしながら、この低温製膜の窒化シリコン膜の構造の
緻密性や保護膜としての耐湿性についてのメカニズムが
不明であり、Ｎ／Ｓｉ組成比の大きい膜で緻密性が失わ
れる原因はわかっていなかった。このため窒化シリコン
膜を保護膜として用いる場合、製膜条件の設定が非常に
困難となっていた。また窒化シリコン膜ではなく熱処理
により重合させたポリイミド樹脂膜等を保護膜として用
いる場合もあるが、窒化シリコン膜に比べて、アモルフ
ァスシリコン半導体層に与える影響は少ないが、これら
の有機材料の場合耐湿性が期待できない。このため、こ
れらの有機材料を保護膜として用いる場合は、さらに窒
化シリコン膜等の無機材料による最終保護膜が必要とさ
れ、工程を複雑になる。このように、従来の薄膜トラン
ジスター、薄膜トランジスター型光センサー等の薄膜半
導体装置を実際に製品として応用する場合に、これらの
薄膜半導体装置の保護膜の耐湿性が重大な問題となって
いた。この保護膜の耐湿性が不十分だと、高温高湿の放
置試験において、アクテブマトリックス型のディスプレ
ーでは、ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦ比が低下して見えが大き
く変わり、またセンサーにおいては、その基本特性であ
る光電流、暗電流が、経時的に変化して読み取り画像の
大きな劣化を引き起こす。

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、前記
薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ型光センサーなど
の薄膜半導体装置の保護膜に用いる窒化シリコン膜にお
いて、窒化シリコン膜中の窒素原子とシリコン原子にそ
れぞれに結合した水素密度の和が、膜の構造の緻密性、
耐湿性を支配していることを解明して、保護膜として適
当な結合水素密度を与え、窒化シリコン膜の製膜条件の
設定を容易にすることができるものである。

【実施例】以下、本発明を実施例にもとづき説明する。 （　　実施例　　１　　）第１図は、本発明の薄膜トラ
ンジスタ型光センサの断面図である。第２図は、本発明
の薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタ型光センサの
作成方法を示す。 第２図（ａ）において、１は、ガラス基板、２はゲート
電極となるＣｒである。ゲート電極２のＣｒはスパッタ
法等で全面に堆積し、感光性レジストを用いたフォトリ
ソグラフィ工程により、パターニング形成される。その
後、ゲート絶縁膜となる水素化アモルファスシリコン窒
化膜３（ａ−ＳｉＮｘ：Ｈ　　以下　　窒化シリコン膜
）を３０００Å、半導体層４となるアモルファスシリコ
ン（以下ａ−Ｓｉ：Ｈ）を５０００Å、オーミックコン
タクト層のｎ＋層５を１０００Åを順次連続にプラズマ
ＣＶＤ法で全面に堆積する。 第２図（ｂ）は、上部電極となるアルミニウムをスパッ
タ法等で全面に１００００Å堆積して、感光性レジスト
８を用いたフォトリソグラフィ工程により、パターニン
グしてソース、ドレイン電極６、７を形成したところを
示す。このとき、電極の上には感光性レジスト８がある
。 第２図（ｃ）は、この感光性樹脂８をマスクにして、ｎ
＋層５を所定の深さにＲＩＥ等のエッチングによりエッ
チングした後、感光性レジスト８を剥離する。 第２図（ｄ）は、フォトリソグラフィ工程により、ＲＩ
Ｅなどのエッチングにより、ＴＦＴを素子間分離し、窒
化シリコン膜の保護層１０を全面に５０００Å堆積して
、第１図のＴＦＴが作成される。 窒化シリコン膜は、ＳｉＨ４とＮ２とＨ２の混合ガスを
基板温度１５０℃でプラズマＣＶＤ法により堆積させた
。製膜時の放電電力のＲＦパワーを５０Ｗ〜３００Ｗま
で変化させることで、Ｎ／Ｓｉ組成比を０．４〜１．３
に設定することができる。窒化シリコン膜中の結合水素
密度は、製膜の原料ガスの種類や製膜法により変化させ
ることができる。第４図に製膜の原料ガスとして、Ｓｉ
Ｈ４とＮ２とＨ２の混合ガスを用いた場合において、Ｎ
／Ｓｉ組成比に対する総結合水素密度を示した。ここで
総結合水素密度は窒素に結合した水素の密度（Ｎ−Ｈ結
合密度）とシリコンに結合した水素の密度（ＮＳｉ−Ｈ
結合密度）の和を表わす。窒化シリコン膜の総結合水素
密度は、製膜時の水素希釈率を大きくすることで、減少
させることができる。これはアモルファスシリコンの製
膜において水素希釈により、堆積表面をＨ原子で被覆す
ることで、製膜に寄与するＳｉＨ３ラジカルの安定なサ
イトヘの拡散を促し、緻密な膜構造が得られるといわれ
ているが、窒化シリコン膜においても同様な水素希釈効
果が生じていると考えられる。またプラズマによって生
じた水素ラジカルにより堆積膜表面の結合水素を引き抜
く効果も考えられる。（この効果をさらに推進させる方
法として製膜と水素プラズマ処理を交互に行なう方法が
ある。この時、水素プラズマ処理される膜は、水素ラジ
カルが効果的に結合水素を引き抜くことができる程度の
膜厚（１０〜５０Å）にすれば、結合水素の引き抜かれ
た膜のみが積層されることになる。）第４図にはこのよ
うな方法により得られた、いろいろな総結合水素密度を
持った窒化シリコン膜を示した。また、これらの方法に
より得られた、異なる結合水素密度をもつ窒化シリコン
膜において、緩衝フッ酸溶液（以下　　ＢＨＦ溶液）に
対するエッチング速度を示したものである。同図によれ
ば、ＢＨＦエッチング速度は、Ｎ／Ｓｉ組成比に関係な
く総結合水素密度に依存して変化していることがわかる
。すなわち、等しい窒素原子とシリコン原子が存在する
窒化シリコン膜においても結合水素により構造の緻密性
が変わることを示している。従来、Ｎ／Ｓｉ組成比が大
きくなると膜の緻密性が失われたのはＮ／Ｓｉ組成比に
伴って窒素原子が増加して、窒素に結合した水素（Ｎ−
Ｈ結合）が増加したためである。この様にＢＨＦエッチ
ング速度の総結合密度による変化から、構造の緻密性は
総結合水素密度により決定されることが分かる。また、
この窒化シリコン膜を薄膜トランジスタなどの薄膜半導
体装置の保護膜に用いた場合の耐湿性について、この薄
膜半導体装置を高温高湿（６０℃、９０％）に放置した
時間に対する１７２８ビットの配線腐食発生率を第６図
に示す。同図において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は総結
合水素密度がそれぞれ３７原子％、３０原子％、２４原
子％の同じＮ／Ｓｉ組成比を持つ窒化シリコン膜を保護
膜として用いた場合を表わす。　　同図によれば、総結
合水素密度が大きくなると、配線腐食発主率は急激に大
きくなる。さらに、いろいろな膜について、高温高湿（
６０℃、９０％）に５００時間放置した時の配線腐食発
生率を第７図に示した。これによれば、これらの窒化シ
リコン膜の保護膜としての耐湿性はＮ／Ｓｉ組成比に関
係なく、総結合水素密度に依存していることがわかる。 また、窒化シリコン膜の総結合水素密度が３５原子％以
上になると急激に配線腐食発生率が大きくなり、耐湿性
が悪化することがわかる。なお、実際の密着型画像読み
取り装置にこの薄膜半導体装置を用いた場合、この高温
高湿試験により腐食発主率が２０％以下であれば製品の
スペックとして問題ないことは確認されている。これよ
り、総結合水素密度が３５原子％以下の窒化シリコン膜
を保護膜として用いれば、良好な耐湿性が得られること
がわかる。さらに第８図は窒化シリコン膜の構造につい
て、次式で表されるような、平均の最隣接の配位数ｍを
いろいろなＮ／Ｓｉ組成比について示したものである。

【数１】 ここで、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＳｉ、Ｎ、Ｈ原子の組成
比を表し、最隣接配位数が短距離において保存されてい
ることが仮定されている。アモルファス状態とガラス状
態においてこれらのランダムネットワークを考える時、
原子ごとの拘束数Ｎｃｏ（ｍ）は、

【数２】 で与えられる。ここで、第１項はボンドの伸び縮みの自
由度の数、第２項はボンドの曲がりに対する自由度の数
である。この拘束数を空間の３次元的な自由度として、
ＮＣＯ＝３ととると、ｍｃ：６０．５：２．４５の時、
最も都合の良いつながり方となり、２＜ｍ＜３の時、ガ
ラス形成能が高くなる。。ここで最隣接配位数ｍがｍｃ
に比べて大きい時は各原子の拘束力が大きなアモルファ
ス状態となり、ｍがｍｃに比べて小さい時は各原子の拘
束力が小さなアモルファス状態になり、これらはガラス
状態に比べると自由エネルギーの高い準安定状態を取っ
ているといわれている。窒化シリコン膜ではガラスを形
成することはないため、最隣接配位数ｍが小さくなると
、各原子の拘束数が減少して、ｍｃ＝２．４５までは膜
構造の３次元的な自由度が大きくなると思われる。しか
し、ｍｃ＝２．４５以下になると、さらに自由度が大き
くなりすぎて、自由エネルギーの比較的高い状態でも準
安定状態をとることが可能となり、構造的に不安定な膜
、すなわち緻密性に乏しい膜となる。第８図によれば、
いろいろなＮ／Ｓｉ組成比の時についても、ｍｃ＝２．
４５に対応する膜中水素密度は約４０〜４５原子％とな
っている。すなわち、最隣接配位数ｍがｍｃ＝２．４５
付近では、Ｎ／Ｓｉ組成比よりも、膜中水素密度に依存
していることがわかる。この理論では膜中水素密度が４
０〜４５原子％以下の時に膜構造が疎になり、緻密性が
失われることになったが、実際の窒化シリコン膜では膜
中の総結合水素密度３５原子％以下で緻密性が失われる
。この差は、Ｎ原子とＳｉ原子は水素原子と共有結合半
径や、電気陰性度の差があるためにそれぞれの結合エネ
ルギーが異なり、水素原子との結合のしやすさが変化し
たために生じたと思われる。しかし膜構造の緻密性がＮ
／Ｓｉ組成比よりも、膜中水素密度に依存していること
はこの理論により定性的に理解される。本実施例では窒
化シリコン膜は、ＳｉＨ４とＮ２とＨ２の混合ガスを用
いた場合について述べたが、ＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６とＮ
Ｈ３やＮ２Ｏなどのシリコン原子と窒素原子を含むガス
であれば、同様にして、Ｈ２の希釈率を変えたり、製膜
とＨ２プラズマを交互に行なう方法などで、総水素結合
密度を変えることができる本発明の実施例の薄膜半導体
装置をファクシミリ等の画像読み取り装置に応用した場
合の断面図を図９に示す。光源７１からの入射光は原稿
６９で反射して、第２図の工程で作成された薄膜トラン
ジスタ型光センサにより光電変換され、同一工程から成
る電荷蓄積コンデンサにより発生した電荷蓄積される。 さらに同一工程から成る薄膜トランジスタによりこれら
の電荷の転送リセットが行なわれる。第１０図に本発明
の薄膜トランジスタ型光センサ及び薄膜トランジスタな
どの薄膜半導体装置で構成した完全密着型センサの回路
の平面図の一例を示す。同図において、２０はマトリク
スに形成された配線部、２１は本発明による薄膜トラン
ジスタ型光センサを用いた光センサ部、２２は電荷蓄積
部、２３ａは本発明による薄膜トランジスタを用いた転
送用スイッチ、２４ｂは電荷蓄積部２２の電荷をリセッ
トする本発明による薄膜トランジスタを用いた放電用ス
イッチ、２５は転送用スイッチの信号出力を信号処理Ｉ
Ｃに接続する引き出し線である。本実施例では光センサ
部２１、転送用スイッチ２３ａ及び放電用スイッチ２３
ｂを構成する光導電性半導体層としてａ−Ｓｉ：Ｈ膜が
用いられ、絶縁層としてプラズマＣＶＤによる窒化シリ
コン膜が用いられている。尚、第１０図においては、煩
雑さを避けるために、上下２層の電極配線のみ示し、上
記光導電性半導体層及び絶縁層は図示していない。　　
さらに上層電極配線と半導体層との界面にはｎ＋層が形
成され、オーミック接合が取られている。第１１図に本
発明の薄膜トランジスタ型光センサ及び薄膜トランジス
タなどの薄膜半導体装置で構成した完全コンタタト型セ
ンサの回路の等価回路を示す。同図において、Ｓｉ．１
、Ｓｉ．２、Ｓｉ．３、・・・・Ｓｉ．ｎは、第１０図
の光センサ部２１を構成している光センサであり、ｉは
ブロックの番号、１〜ｎはブロック内のビット数である
。（以下Ｓｉ．ｎと記す。）　　また同図において、Ｃ
ｉ．ｎは電荷蓄積部２２のコンデンサで、光センサＳｉ
．ｎに対応してそれぞれの光電流を蓄積する。また、蓄
積コンデンサＣｉ．ｎの電荷を負荷コンデンサＣＸｎに
転送するための転送用スイッチ２３ａのトランジスタＳ
Ｔｉ．ｎ、電荷をリセットする放電用スイッチ２３ｂの
トランジスタＳＲｉ．ｎも同様に対応している。 これらの、光センサＳｉ．ｎ、蓄積コンデンサＣｉ．ｎ
、転送用スイッチトランジスタ　　ＳＴｉ．ｎ、および
放電用スイッチトランジスタＳＲｉ．ｎは、それぞれ一
列にアレイ状に配置され、ｎ個で１ブロックを構成し、
全体としてｍ個のブロックに分けられている。たとえば
、センサが１７２８個で構成されているとすれば、ｎ＝
３２、ｍ＝５４とすることができる。アレイ状に設けら
れた転送用スイッチＳＴｉ．ｎ、放電用スイッチＳＲｉ
．ｎのゲート電極は、ゲート配線部に接続される。転送
用スイッチＳＴｉ．ｎ、のゲート電極は１番目のブロッ
ク内で共通に接続され、放電用スイッチＳＲｉ．ｎのゲ
ート電極は次の順位のブロックの転送用スイッチのゲー
ト電極に接続される。マトリクス配線部２１０の共通線
（ゲート駆動線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，・・Ｇｍ）はゲート
駆動部２４６によりドライブされる。一方信号出力は、
マトリクス構成になっている引き出し線２３０（信号出
力線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・Ｄｎ）を介して信号処理
部２４７（ブロック単位で）接続される。また、光セン
サＳｉ．ｎのゲート電極は駆動部２５０に接続されて、
負のバイアスが加えられる。かかる構成において、ゲー
ト駆動線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，・・・Ｇｍにはゲート駆動
部２４６から順次選択パルス（ＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３
，・・・ＶＧｍ）が供給される。 まず、ゲート駆動線にＧｉ選択されると、転送用スイッ
チＳＴｉ．１〜ＳＴｉ．ｎがＯＮ状態となり、蓄積コン
デンサＣｉ．１〜Ｃｉ．ｎに蓄積された電荷が負荷コン
デンサＣＸ１〜ＣＸｎに転送される。次に、ゲート駆動
線Ｇ２が選択されると、転送用スイッチＳＴ２．ｉ〜Ｓ
Ｔ２．ｎがＯＮ状態となり、蓄積コンデンサＣ２．ｉ　
　〜Ｃ２．ｎに蓄積された電荷が負荷コンデンサＣＸ１
〜ＣＸｎに転送され、同時に放電用スイッチＳＲｉ．ｉ
〜ＳＲｉ．ｎより蓄積コンデンサＣｉ．１〜Ｃｉ．ｎの
電荷がリセットされる。以下同様にして、ゲート駆動線
Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，・・・Ｇｍについても選択されて、
読み取り動作が行われる。これらの動作は各ブロックご
とに行われ、各ブロックの信号出力ＶＸ１，ＶＸ２，Ｖ
Ｘ３，・・・ＶＸｎは信号処理部２４７の入力Ｄ１，Ｄ
２，Ｄ３，・・・Ｄｍに送られ、シリアル信号に変換さ
れて出力される。　　　　本発明の薄膜半導体装置の応
用例として、ここでは第９図に示すように、光センサの
上部に耐摩耗層７０を形成してセンサの裏面から光源７
１により照明し、原稿６９を読み取るレンズレスの完全
密着型画像読み取り装置についてのみ述べたが、さらに
、等倍結像レンズ（たとえば、日本板硝子のセルフォッ
クレンズなど）を用いた完全密着型画像読み取り装置に
も応用できる。あるいは密着型画像読み取り装置だけで
はなく、アクティブマトリクス型液晶ディスプレーにも
応用できることはいうまでもない。

【発明の効果】本発明により、薄膜トランジスタや薄膜
トランジスタ型光センサなどの薄膜半導体装置の保護膜
として用いる窒化シリコン膜において、膜中の窒素原子
とシリコン原子にそれぞれに結合した水素密度の和が、
膜の構造の緻密性、耐湿性を支配していることが解明さ
れ、窒化シリコン膜中の総結合水素結合密度が、３５原
子％以下の範囲においてのみ、　　薄膜半導体装置の保
護膜としての十分な耐湿性が得られることがわかった。 以上によりこれらの薄膜半導体装置の保護膜の条件を選
ぶ場合に、総結合水素密度が前記最適化範囲の中にあれ
ば、製膜の原料ガスや製膜法によらず、自由度を持って
選ぶことができ、十分な耐久性、安定性を有する薄膜半
導体装置が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による薄膜半導体装置の断面図

【図２】
本発明による薄膜半導体装置の作成方法を示す工程図

【図３】従来の薄膜半導体装置の断面図

【図４】製膜の
ガス種を変えた窒化シリコン膜の総結合水素密度の、Ｎ
／Ｓｉ組成比依存性を示す図

【図５】窒化シリコン膜の
ＢＨＦエッチング速度と、総結合水素密度の関係を示す
図

【図６】高温高湿放置時間に対する配線腐食を示す図

【
図７】高温高湿放置５００時間の配線腐食発生率を示す
図

【図８】窒化シリコン膜の構造について、２次元のネッ
トワークモデルを示した図

【図９】本発明による薄膜半導体装置を用いた画像読み
取り装置の断面図

【図１０】本発明による薄膜半導体装置を用いた画像読
み取り装置の平面図

【図１１】本発明による薄膜半導体装置を用いた画像読
み取り装置の等価回路

【符号の説明】

１，３１，６１　　：ガラス基板 ２，３２，６２　　：ゲート電極 ３，３３，６３　　：ゲート絶縁膜 ４，３４，６４　　：光導電性半導体膜５，３５，６５
　　：ｎ＋層（オーミックコンタクト層）６，３６，６
６　　：ソース電極層（上部電極層）７，３７，６７　
　　　ドレイン電極層（上部電極層）８　　　　　　　
　　　　　　　：感光性レジスト１０，　　　　　　　
　　　　　：保護層６９　　　　　　　　　　　　　　
：原稿７０　　　　　　　　　　　　　　：耐摩耗層７
１　　　　　　　　　　　　　　：光源２０，２１０　
　　　　　：マトリクス形成されたゲート配線部 ２１　　　　　　　　　　　　　　：光センサ部２２　
　　　　　　　　　　　　　：電荷蓄積部２３ａ　　　
　　　　　　　　　：転送用スイッチ２３ｂ　　　　　
　　　　　　　：放電用スイッチ２５，２３０　　　　
　　：信号出力の引き出し線２６　　　　　　　　　　
　　　　：光入射窓２４６　　　　　　　　　　　　：
ゲート駆動部２４７　　　　　　　　　　　　：信号処
理部２５０　　　　　　　　　　　　：センサゲート駆
動部Ｓｉ．ｎ　　　　　　：光センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁基板上に、少なくとも非単結晶シ
   リコンからなる半導体層と金属電極を有する薄膜半導体
   装置において、前記半導体層と金属電極上の絶縁層膜と
   して用いる窒化シリコン膜の窒素原子と珪素原子にそれ
   ぞれ結合した水素原子の総数が３５原子％以下となるこ
   とを特徴とする薄膜半導体装置。