JPH0828512B2 - 薄膜トランジスタ - Google Patents

薄膜トランジスタ

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JPH0828512B2
JPH0828512B2 JP62219544A JP21954487A JPH0828512B2 JP H0828512 B2 JPH0828512 B2 JP H0828512B2 JP 62219544 A JP62219544 A JP 62219544A JP 21954487 A JP21954487 A JP 21954487A JP H0828512 B2 JPH0828512 B2 JP H0828512B2
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stress
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thin film
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裕 南野
悦矢 武田
隆夫 川口
達彦 田村
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
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    • H01L29/49Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、絶縁ゲート型薄膜トランジスタの構成に関
するものであり、特に液晶等との組み合わせで画像表示
装置を構成するための、シリコンを主成分とする非晶質
半導体を用いた薄膜トランジスタ(以下TFTと略す)に
関するものである。
従来の技術 第3図に従来の構成のTFTを示す。第3図(a)は、
絶縁性基板20上にゲート電極となる第一の導体21が形成
され、前記ゲート電極上に、ゲート絶縁物層22がプラズ
マCVD法、スパッタ法、ゲート金属の酸化、等により形
成される。前記ゲート絶縁物上に非単結晶半導体層23を
プラズマCVD法、スパッタ法、蒸着法等で形成し、前記
非単結晶半導体上に、ソース、ドレイン電極となる第2
の導体24,25が形成される逆スタガー型TFTである。第3
図(b)は、第3図(a)のIII-III′線断面図であ
る。前記ゲート絶縁物22を形成する方法としては、プラ
ズマCVD法、スパッタ法を用いて窒化シリコンSiNxある
いは酸化シリコンSiO2を用いる方法、TFTのON電流を増
加させる目的で誘電率の高い絶縁物質として公知である
TaOxを反応性スパッタを用いて形成する方法、ゲート金
属として用いられるAlやTaを熱酸化、プラズマ酸化、あ
るいは陽極酸化してAl2O3やTaOxを形成しゲート絶縁膜
とする方法、等の例が挙げられる。前記非単結晶半導体
層23としては、アモルファスSiが大面積の成膜が可能で
ある、ゲート絶縁膜としてSiNxを用いた組み合わせで良
好な界面を形成することが可能、などの理由で用いられ
る。又、CdSeも移動度の高いTFTの材料として知られて
いる。
発明が解決しようとする問題点 上記の方法により作成したトランジスタでは、ゲート絶
縁層としてSiNxを用いた場合、トランジスタの移動度は
非単結晶半導体中での本質的な電子の移動度及びゲート
絶縁膜と非単結晶半導体層界面での界面準位密度等で決
まる。ゲート絶縁膜と非単結晶半導体層界面での界面準
位密度が大きくなれば、界面に沿ってドレイン電界方向
に移動する電子が界面準位にトラップされる確率が大き
くなりトランジスタの移動度は低下する。この界面準位
に関係する要因としてゲート絶縁膜と非単結晶半導体層
界面での応力歪がある。非単結晶半導体層に非晶質シリ
コン、ゲート絶縁膜に窒化シリコンを用いた場合、非晶
質シリコンは圧縮応力を有し窒化シリコンは引っ張り応
力を有しているためにその界面に応力歪を生じる。
従ってこの応力歪を減少させることが出来ればTFTの移
動度を大きくすることが出来る。しかしながら非晶質シ
リコンまたは窒化シリコンの作成条件を変えて応力を変
化させて応力歪を小さくした場合、膜本来の物性も変化
してしまうという欠点がある。従って界面での応力のみ
をトランジスタの移動度が増加するように変化させるこ
とが肝要である。
問題点を解決するための手段 本発明はシリコンを主成分とする非単結晶半導体を用い
た薄膜トランジスタに於て、ゲート絶縁膜を2重構造と
しそれぞれの絶縁膜に適当な材料を選ぶことによって、
半導体層と界面を接するゲート絶縁膜と非単結晶半導体
層の膜質を変化させることなく界面での応力歪のみ減少
させてトランジスタの移動度を増加させることができる
構成を与えている。この材料の適当な組合せとして半導
体層と界面を接する第一の絶縁物層が半導体層と反対の
応力を有する場合に、ゲート電極と界面を接する第二の
絶縁物層に半導体層と同方向の応力を有する材料を用い
るか、或は第二の絶縁物層が半導体層と逆方向の応力を
有する場合でも第一の絶縁物層に比較して応力が小さい
ものを用いればよい。前者の例としては半導体層に圧縮
応力を持った非晶質シリコンa-Si、第一の絶縁物層に引
っ張り応力をもった窒化シリコンSiNxを使った場合に、
第二の絶縁物層として圧縮応力を有する酸化タンタルTa
Oxを用いれば実現できる。後者の例としては第二の絶縁
物層にSiNxよりも応力の小さい酸化シリコンSiOxを用い
ることにより実現できる。
作用 現在プラズマCVD法による連続蒸着により界面を清浄
に保つことが出来る理由から、非単結晶半導体層に非晶
質シリコンa-Si、界面を接するゲート絶縁膜に窒化シリ
コンSiNxが現在もっとも良く使われている材料の一つで
ある。しかしながらこのTFTの場合、a-Siは圧縮応力で
ありSiNxは引っ張り応力であるためにその界面に応力歪
が生じていることが予想される。ゲート絶縁膜を例えば
ゲート電極に接する第二のゲート絶縁膜として圧縮応力
をもたせた酸化タンタルTaOxとし、非単結晶半導体層と
界面を接する第一のゲート絶縁膜としてSiNxを用いた2
重構造とすれば、同一膜厚のSiNxゲート絶縁膜のTFTとT
aOx/SiNx2重ゲート絶縁層TFTを比較した場合に、TaOxが
圧縮応力を有しているために後者の方が界面での応力歪
が小さくなりTFTの移動度が大きくなる。TaOxのかわり
に酸化シリコンSiOxを第二のゲート絶縁層として用いた
場合、SiOxはSiNxの応力に比較して1桁以上小さい圧縮
あるいは引っ張りの応力を持った膜を作ることが出来る
ので同一膜厚のSiNxゲート絶縁膜単層のTFTよりも移動
度は大きくなる。以上のような構成にすることによりゲ
ート絶縁膜と半導体層の連続蒸着が可能であり、ゲート
絶縁層と半導体層界面の応力歪が小さいTFTを作成する
ことが出来る。第一のゲート絶縁膜、第二のゲート絶縁
膜及び半導体の組合せはゲート絶縁膜と半導体層界面の
応力緩和をなす材料の組合せならば他の物質でも良いこ
とは自明である。従って、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜
とが同方向の応力を有する場合には、第二の絶縁膜の応
力が第一の絶縁膜の応力よりも小さく成膜すれば、当該
第二の絶縁膜が第一の絶縁膜の応力を緩和するため、結
果として第一の絶縁膜の応力が緩和でき、TFTの移動度
は向上する。第2図に示すごとくゲート絶縁膜の全応力
が圧縮になるほどTFTの移動度が増加する。これは半導
体層が圧縮応力であるためにゲート絶縁膜の全応力がが
圧縮応力になるほど、界面での応力歪が緩和されるため
である。
実施例 以下具体的な実施例について説明する。
(実施例)1 第1図(a),(b)に示す様に絶縁性基板10上に第
一のゲート電極11として1000AのCrをDCスパッタ法によ
り形成する。第1図(b)は同図(a)のI−I′断面
図である。ここでCrのかわりにAl,Ta等の他の金属電
極、ITO等の透明導電膜を用いても問題はない。これを
ゲート電極形状に食刻した後、ターゲットとしてTaを用
い、酸素、アルゴン混合雰囲気中で、反応性スパッタを
行って第二のゲート絶縁膜12としてTaOxを2000A形成す
る。作成されたTaOxの応力は2.26×109dyne/cm2で圧縮
応力である。TaOxを2000A形成した後、プラズマCVD法を
用いて第一のゲート絶縁層13としてSiNx2000A、半導体
層14としてa-Si800Aを連続で形成する。SiNxの応力は3.
8×109dyne/cm2で引っ張り応力である。本実施例のTFT
のゲート絶縁膜としての全応力は0.52×104dyne/cm(引
っ張り応力)となる。これに対してSiNx4000A単層のTFT
のゲート絶縁膜の応力は1.52×105dyne/cm(引っ張り応
力)である。ゲート絶縁膜の応力はTaOxとSiNxの膜厚比
を変化させることにより任意に変えることが可能であ
る。この方法では、ゲート絶縁層と半導体層が連続で形
成される為、その界面準位密度が低く抑えられて、しき
い値電圧が低くかつ電流の立ち上がり特性の良好なトラ
ンジスタが形成される。ゲート絶縁膜としてTaOx単層に
した場合は、TaOx層を形成し半導体層のa-Siを形成する
までに、一端外気に晒すためにゲート絶縁膜と半導体層
の界面準位密度が高くなり、トランジスタの特性として
は悪くなる。半導体層を所定の形状にエッチングした
後、Alを7000ADCスパッタ法で製膜し選択エッチングを
行いソース電極15、ドレイン電極16とする。このように
して形成された2層ゲート絶縁膜TFTは移動度が1.0cm2/
V・secとなりSiNx単層のTFTに比較してオン電流が約1.5
倍取れる。
(実施例)2 第1図(a),(b)に示す様に絶縁性基板10上に第
一のゲート電極11として1000AのCrをDCスパッタ法によ
り形成する。ここでCrのかわりにAl,Ta等の他の金属電
極、ITO等の透明導電膜を用いても問題はない。これを
ゲート電極形状に食刻した後、常圧CVD法により、第二
のゲート絶縁膜12としてSiOxを2000A形成する。作成さ
れたSiOxの応力は1.5×108dyne/cm2で引っ張り応力であ
る。SiOxの応力は作成条件により引っ張り応力にも圧縮
応力にも変化するが何れの場合もその絶対値は同一膜厚
のSiNxのものよりも1桁程度小さい。従ってSiOx/SiNx2
重ゲート絶縁層TFTでのゲート絶縁膜と半導体層界面で
の応力ひずみはSiNx単層のTFTに比較して小さくなる。
本実施例のTFTのゲート絶縁層全応力は7.9×104(引っ
張り応力)でありSiNx単層のTFTよりも応力は約半分で
ある。SiOxを2000A形成した後、プラズマCVD法を用いて
第一のゲート絶縁層13としてSiNx2000A、半導体層14と
してa-Si800Aを連続で形成する。この方法では、ゲート
絶縁層と半導体層が連続で形成される為、その界面準位
密度が低く抑えられて、しきい値電圧が低くかつ電流の
立ち上がり特性の良好なトランジスタが形成される。ゲ
ート絶縁膜としてTaOx単層にした場合は、TaOx層を形成
し半導体層の非晶質シリコンを形成するまでに、一端外
気に晒すためにゲート絶縁膜と半導体層の界面準位密度
が高くなり、トランジスタの特性としては悪くなる。半
導体層を所定の形状にエッチングした後、A17000AをDC
スパッタ法で製膜し選択エッチングを行いソース電極1
5、ドレイン電極16とする。
第2図は、本実施例に従ってTaOxとSiNxの膜厚比を変
化させてTFTのゲート絶縁膜の応力を変えた場合の応力
とTFTの移動度の相関関係を示す。以上のようにして作
成されたTFTは移動度が0.8cm2/V・secとなりON電流はSi
Nx単層のTFTに比較して約1.2倍とることが出来る。
発明の効果 以上に述べた構成のTFTは、ON電流の立ち上がり特性
が良好で、しきい値電圧の経時変化が少なく、かつ従来
のゲート絶縁層としてSiNx単層を用いたTFTに比較し
て、ゲート絶縁膜が同一膜厚ならば、ON電流が約1.2〜
1.5倍高く取れるTFTを作成することが出来、その技術的
意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)はそれぞれ本実施例による構造の
TFTの平面図およびI−I′線断面図、第2図はTFTのゲ
ート絶縁膜の応力と移動度の関係を示す図、第3図
(a),(b)はそれぞれ従来の構造によるTFTの平面
図およびIII-III′線断面図である。 10……絶縁性基板、11……ゲート電極、12,13……ゲー
ト絶縁層、14……半導体層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 達彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−182270(JP,A) 特開 昭58−147069(JP,A) 特開 昭62−131577(JP,A)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁性基板上に選択的に被着形成された第
    一の導体層が、絶縁物を介してシリコンを主成分とする
    非単結晶半導体層と前記第一の導体層と一部重なり合う
    ように形成され、第二の導体層が前記非単結晶半導体層
    と一部重なり合うように形成された薄膜トランジスタに
    於て、前記絶縁物層が複数の第一、第二の絶縁物層より
    構成されており、非単結晶半導体層と界面を形成する第
    一の絶縁物層が前記非単結晶半導体層と反対の方向の応
    力を有し、第一の導体層のゲート電極と界面を有する第
    二の絶縁物層が前記非単結晶半導体層と同方向の応力を
    有していることを特徴とする薄膜トランジスタ。
  2. 【請求項2】第一の絶縁物層が引っ張り応力を有する窒
    化シリコンより形成され、第二の絶縁物層が圧縮応力を
    有する酸化タンタルより形成され、非単結晶半導体層が
    圧縮応力を有する非晶質シリコンより形成されることを
    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。
  3. 【請求項3】第一の絶縁物層が引っ張り応力を有する窒
    化シリコンより形成され、第二の絶縁物層が圧縮応力を
    有する酸化シリコンより形成され、非単結晶半導体層が
    圧縮応力を有する非晶質シリコンより形成されることを
    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。
  4. 【請求項4】絶縁性基板上に選択的に被着形成された第
    一の導体層が、絶縁物を介してシリコンを主成分とする
    非単結晶半導体層と前記第一の導体層と一部重なり合う
    ように形成され、第二の導体層が前記非単結晶半導体層
    と一部重なり合うように形成された薄膜トランジスタに
    於て、前記絶縁物層が複数の第一、第二の絶縁物層より
    構成されており、前記非単結晶半導体層と界面を形成す
    る第一の絶縁物層が非単結晶半導体層と反対の方向の応
    力を有し、第一の導体層のゲート電極と界面を有する第
    二の絶縁物層の応力が、第一の絶縁物層と同方向の応力
    を有し、前記第二の絶縁物層の応力が前記第一の絶縁物
    層の応力より小さいことを特徴とする薄膜トランジス
    タ。
  5. 【請求項5】第一の絶縁物層が引っ張り応力を有する窒
    化シリコンより形成され、第二の絶縁物層が前記第一の
    絶縁物層より弱い引っ張り応力を有する酸化シリコンよ
    り形成され、非単結晶半導体層が圧縮応力を有する非晶
    質シリコンより形成されることを特徴とする特許請求の
    範囲第4項記載の薄膜トランジスタ。
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