JPH0628317B2 - 薄膜トランジスタの製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、焦電型赤外検出器のような受光素子、ＥＬ表
示装置のような発光素子等の駆動に使用される薄膜トラ
ンジスタ（以下ＴＦＴと略す）の製造方法に関するもの
である。

従来の技術 一般的なＴＦＴについて第１図で説明する。

ＴＦＴは、絶縁基板１の上にゲート電極２、これを被覆
する酸化物層３、その上に半導体層４、前記半導体層４
の両端に接触するソース電極５およびドレイン電極６を
設けて構成されている。

絶縁基板１としては、ガラスまたはセラミック等が使用
される。ゲート電極２は、その材料としてアルミニウム
(Ａｌ)，金(Ａｕ)，クロム(Ｃｒ)等の金属が使用され、
真空蒸着，スパッタリング等の方法により、マスク蒸
着，フォトエッチング技術を用いて形成される。

酸化物層３は、その材料として酸化アルミニウム(Ａｌ
_２Ｏ_３)，一酸化珪素(ＳｉＯ)，二酸化珪素(Ｓｉ
Ｏ_２)，窒化珪素(Ｓｉ_３Ｎ_４)，五酸化タンタル(Ｔａ_２
Ｏ_５)等が使用され、真空蒸着，スパッタリング，ＣＶ
Ｄ等の方法により形成される。半導体層４は、その材料
として一般にセレン化カドミウル(ＣｄＳｅ)，硫化カド
ミウム(ＣｄＳ)，テルル(Ｔｅ)等が使用され、真空蒸
着，スパッタリング等の方法で形成される。ソース電極
５，ドレイン電極６としては、一般には、Ａｌ，Ａｕ，
Ｃｒ等の金属が用いられる。

ＴＦＴの相互コンダクタンスｇ_ｍは以下のように表わさ
れる。

ここでＷはＴＦＴのチャネルの幅，Ｌはチャネルの長
さ，μは半導体層４の移動度，Ｃ_０ｘは酸化層３の単位
面積当りの容量，Ｖ_ＧはＴＦＴのゲート電圧，Ｖ_Ｔはし
きい値電圧である。ところでＣ_０ｘは、 と表わされる。ここでε_０は真空の誘電率，ε_１とｔ
_０ｘはそれぞれ酸化物層３の比誘電率および厚さを表わ
している。したがって、ｇ_ｍを大きくするためには、ε
_１の大きな材料を選ぶ必要がある。

ところで従来、ＴＥＴにおいてドレイン電流を変化させ
るためにゲートとソースとの間に電圧を加えると、その
ゲートとソースとの間にも電流が流れ（ゲートリーク）
ＴＦＴのｇ_ｍが小さくなるという現象が見られた。また
ゲート電圧が０でソースとドレインとの間に電圧を加え
たときのドレイン電流Ｉ_ＯＦＦは、前記ゲートリークが
存在すれば、大きくなる。したがって、ゲート電圧を加
えたときのドレイン電流Ｉ_ＯＮとＩ_ＯＦＦとの比（以下
オン／オフ比という）は前記ゲートリークが大きくなれ
ば、いちじるしく小さくなる。

次に、前記ＴＦＴをマトリックス型ＥＬ表示装置の駆動
に使用した場合を考えてみる。

第２図は、一般的なＴＦＴを利用したマトリックス型Ｅ
Ｌ表示装置の一絵素の回路図を示したものである。すな
わち、スイッチングトランジスタＴ_１，一方の端子が前
記スイッチングトランジスタＴ_１のソース端子に接続さ
れている蓄積用コンデンサＣ_Ｓ，ゲート端子が前記スイ
ッチングトランジスタＴ_１のソース端子に接続され、か
つそのソース端子がコンデンサの他方の端子と接続され
ている電力用トランジスタＴ_２、および、一方の端子が
前記電力用トランジスタＴ_２のドレイン端子に接続さ
れ、他方の端子が外部の高周波ドライブ電源７に接続さ
れているＥＬ素子Ｃ_ＫＬで構成されている。また、前記
スイッチングトランジスタＴ_１のドレイン端子は情報信
号母線Ｘ_１に、ゲート端子はスイッチング信号母線Ｙ_１
にそれぞれ接続され、前記蓄積用コンデンサＣ_Ｓの一方
の端子と前記電力用トランジスタＴ_２のドレイン端子
は、前記高周波ドライブ電源７に接続する共通垂直母線
Ｐに接続されている。

Ｘ_１，Ｙ_１に電圧が加えられると、Ｔ_１はオン状態とな
り、Ｃ_Ｓに電荷が蓄積され、Ｔ_２のゲート電圧が上昇す
るため、Ｔ_２がオン状態となり、Ｃ_ＫＬが発光する。こ
の時、与えられた時間内にＣ_Ｓへの充電を完了するため
には、Ｔ_１のＩ_ONが充分に大きくなければならない。た
とえば、Ｃ_Ｓの容量が５０ｐＦであり、２０マイクロ秒
以内に充電を完了するためには、Ｘ_１に加えられた電圧
を２０Ｖとすれば、Ｉ_ＯＮは、５０μＡ以上必要であ
る。

次にＸ_１，Ｙ_１の電圧が０となり、Ｔ_１がオフ状態にな
ればＣ_Ｓに蓄積されている電荷は、Ｔ_１のオフ抵抗を通
して放電を開始するが、Ｔ_１のオフ抵抗が十分大きけれ
ば、その放電は徐々にしか行なわれず、Ｔ_２のゲート電
圧は長時間高電位に保持され、Ｔ_２はオン状態を維持
し、次にＸ_１，Ｙ_１に電圧が加えられるまで、Ｃ_ＫＬは
発光し続ける。この時Ｔ_１のＩ_ＯＦＦがゲートソース間
のゲートリークなどにより大きくなれば、Ｃ_Ｓに蓄積さ
れた電荷はすみやかに放電され、Ｔ_２がオフ状態とな
り、Ｃ_ＫＬの発光が停止する。したがって面順次方式の
利点がそこなわれることになる。

ここで、たとえばＣ_ＫＬの発光が１０ミリ秒以上持続す
るためには、Ｔ_２のゲート電圧の降下が１０Ｖまで許さ
れるとすれば、Ｃ_Ｓの容量を５０ｐＦとして、Ｔ_１のＩ
_ＯＦＦは５ｎＡ以下でなければならない。したがって、
前記のＩ_ＯＮの条件とあわせれば、Ｔ_１のオン／オフ比
は10000 倍以上必要である。

一方、焦電型赤外検出器の高出力インピーダンスで微少
な出力信号を低雑音でインピーダンス変換を行う目的と
して用いる場合、ゲート電圧がなるべく小さくて電流値
が大きく変化するｇ_ｍが大きいことが重要なポイントと
なる。そのために、比誘電率ε_１が５０以上で耐圧が大
きく、ゲートリークが小さなゲート酸化膜が望まれる。
しかし比誘電率ε_１が５０以上の誘電体薄膜には、チタ
ン酸バリウム，チタン酸鉛，チタン酸ストロンチウムと
いったいわゆるペロブスカイト型酸化物薄膜があるが、
耐圧が高く、欠陥における絶縁破壊が電気的に開放にす
るには、ゲート電極，ソース，ドレイン取り出し電極の
厚みと材質に制限が出て来る。通常、電極の抵抗を下げ
るためにアルミニウムで２００mm程度の厚みが必要であ
るが前記に示したペロブスカイト型酸化物薄膜では、膜
形成時に発生した欠陥のためゲートリークが大きくＴＦ
Ｔの動作は極めて不安定であった。一方、従来よりゲー
ト酸化物層に用いられている前記の酸化アルミニウム，
酸化タンタル等は、膜形成時に発生した欠陥によるリー
クは、電圧印加後電気的に短絡から開放状態になる自己
回復絶縁破壊する膜であり、絶縁性に関しては有利であ
るがε_１が小さかった。

発明が解決しようとする問題点 以上説明したように、酸化物層３の材料としては、ＴＦ
Ｔのオン／オフ比を大きくするためには、比誘電率ε_１
が大きく、リーク電流の極めて小さいことが要求され
る。また、ＴＦＴの安定な特性を得るためには、界面準
位の少ないことも必要である。

前記ゲートリークは、酸化物層の製造方法にも起因して
いるが、ＴＦＴのゲートリークが極めて小さく、同一基
板上および製造ロット間でのばらつきも小さくなるよう
に、各製造パラメータの正確な制御を行なうことは、非
常に困難であった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、ゲートリー
クが極めて小さく、ｇ_ｍが大きな、界面準位の少ない安
定な特性のＴＦＴを提供するとともに、前記ＴＦＴを再
現性よく簡単に製造し得る方法を提供することを目的と
するものである。

問題点を解決するための手段 薄膜トランジスタのゲート酸化物層を、ペロブスカイト
形酸化物セラミックターゲットを用い、窒素を含むスパ
ッタガス中でスパッタリング法により形成した誘電体膜
により構成する。

作 用 ペロブスカイト形酸化物セラミックターゲットを用い窒
素を含むスパッタガス中でスパッタリング法により形成
した誘電体膜をゲート酸化膜に用いると、ゲートリーク
が小さく、大きなｇ_ｍを持ち、界面準位の少ない安定な
特性のＴＦＴができる。

実施例 第１図を用いて本発明のＴＦＴの製造法の一実施例を示
す。

ガラスからなる絶縁基板１上に２００ｎｍ程度の膜厚を
有するＡｌからなるゲート電極２が設けられている。そ
の上にジルコン，チタン酸ストロンチウム（組成Ｓｒ(Z
r_0.2Ti_0.8)Ｏ_３）のセラミックターゲットを窒素と酸素
の混合ガス雰囲気中で基板温度４００℃で高周波マグネ
トロンスパッタすることにより形成した２５０ｎｍ程度
の膜厚を有する層３である。ゲート酸化物層３の上に
は、５０ｎｍ程度の膜厚を有するＣｄＳｅからなる半導
体層４が、その上には１００ｎｍ程度の膜厚を有するＡ
ｌからなるソース電極５とドレイン電極６が積層されて
構成されている。

本発明によるＴＦＴでは、ゲートリークが非常に小さい
ためＩ_ＯＦＦは１ｎＡ以下となり、酸化物層３の比誘電
率ε_１は、６０〜１００とAl₂O₃の７に比べて約１０倍
以上大きく、オン／オフ比は容易に１０^４以上となりマ
トリックス型ＥＬ表示装置の駆動用ＴＦＴとしても十分
使用できる。また、ｇ_ｍがゲート酸化物膜にAl₂O₃を用
いたＴＦＴに較べ同一ドレイン電流で、３倍以上となる
ためゲート電圧が５Ｖ程度でもオン／オフ比が１０^３程
度と非常に大きくなり、微小信号を扱う焦電型赤外セン
サに組み込む低雑音のインピーダンス変換器としても十
分使用可能である。なお、窒素使用による効果は、スパ
ッタリング形成によりゲート酸化物層中に窒素が入って
酸化物中の欠陥が減少するためと考えられる。

胃また、ＣｄＳｅと、窒素を含むスパッタガスを用いて
形成したジルコン，チタン酸ストロンチウム膜との界面
特性は良好であり、経時変化の少ない安定なＴＦＴが得
られた。

また、Ｓｒ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３系ペロブスカイト形酸化
物の変わりにＢａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ_３系酸化物を用いる
と、この膜は欠陥により電気的に短絡状態に初期はあっ
ても、電場が印加されるとある電界で電気的に開放とな
り欠陥によるゲートとドレインあるいはソース間の初期
の短絡状態を解除でき、窒素を含むスパッタガスを用い
て形成したこのスパッタ膜は、ＣｄＳｅとの界面特性も
良好であった。

同様に、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｏ_３系、（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔ
ｉＯ_３系のペロブスカイト形酸化物セラミックターゲッ
トを用い、窒素を含むスパッタガスを用いることによ
り、比誘電率が４０〜１６０と高く、絶縁破壊電界強度
も４ＭＶ／cmと高く、ＣｄＳｅとの界面特性も良好でゲ
ートリークの少ないＴＦＴができた。

発明の効果 ゲート酸化物層として、リーク電流が小さく比誘電率の
大きい、半導体層との界面特性の優れたプロブスカイト
形酸化物ターゲットからスパッタして得た薄膜を用いる
ことにより、Ｉ_ＯＦＦが小さく、オン／オフ比の大きい
ＴＦＴを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一般的なＴＦＴの断面図、第２図はＴＦＴを
用いたマトリックス型ＥＬ表示装置の一絵素の回路の概
略図である。 １……絶縁基板、２……ゲート電極，３……酸化物層、
４……半導体層、５……ソース電極、６……ドレイン電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 洋介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 阿部 惇 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体層とゲート電極との間に介在させる
   ゲート酸化物層を、ペロブスカイト形酸化物焼結体をタ
   ーゲットとし、窒素と酸素の混合ガスあるいは窒素と酸
   素と希ガスとの混合ガスを含むスパッタガスを用いてス
   パッタリング法により形成することを特徴とする薄膜ト
   ランジスタの製造法。
2. 【請求項２】ペロブスカイト形酸化物焼結体として、化
   学式ＡＢＯ₃と表記されるペロブスカイト形酸化物で、
   元素ＡをＳｒ，Ｂａ，Ｐｂの中から少なくともひとつ選
   択し、元素ＢをＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎの中から少なく
   ともひとつ選択したペロブスカイト形酸化物焼結体を用
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜
   トランジスタの製造法。