JPH084143B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH084143B2
JPH084143B2 JP60214025A JP21402585A JPH084143B2 JP H084143 B2 JPH084143 B2 JP H084143B2 JP 60214025 A JP60214025 A JP 60214025A JP 21402585 A JP21402585 A JP 21402585A JP H084143 B2 JPH084143 B2 JP H084143B2
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は,半導体装置,特に薄膜トランジスタ(Thin
film Transistor,以下TFTと記す)のゲート絶縁膜を2
層構造とし,絶縁層としてシリコンを主成分とするSiNx
等を形成し,ゲート電極側の第1及び第2の絶縁層の光
学ギャップE1E2をE1>E2の関係を選択して高速なスイッ
チング特性が得られ,安定性の優れた薄膜トランジスタ
を提供するものである。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置に係り,特に液晶表示装置用薄膜
トランジスタのゲート絶縁層を二重構造とした半導体装
置に関する。
〔従来の技術〕
平面ディスプレイとしてLCD(Liqwid crystal displa
y)は表示容量が増加しかなり大型の画素数を有するも
のが市販されている。この様に大型化すると駆動時間と
非駆動時間の比が小さくなり,コントラスト比が低下
し,視野角も狭くなる問題があり,これを解決するため
にスイッチング素子としてのTFTをマトリックス配列し
てLCDを直接駆動するアクテブマトリックス方式によっ
て画素に直接電圧を印加することで高いコントラスト比
のディスプレイが得られるために広く利用されている。
この様なアクテブマトリックス表示にスイッチング素
子としてTFTやダイオードが用いられている。特にTFTは
大面積化やガラス基板が使える等で多く研究されてい
る。特にゲート絶縁層に非晶質のアモルファスシリコン
(a−Si)膜が用いられているため高抵抗を呈し,画素
駆動時のスイッチングのオン・オフ比が大きく出来る。
この様なa−Si(非晶質シリコン)TFTにはスタガー
ド形及び逆スタガード形構造があり,第4図乃至第6図
にこれら各構造を説明する。第4図はa−SiTFTの平面
図,第5図は第4図のA−A′断面図を示すスタガード
形TFT,第6図は逆スタガード形の側断面図である。第4
図に於いて4はドレイン電極を示し,1画素分の電極とな
るもので第5図に示すようにガラス等の透明基板上に透
明導電膜を形成し,ドレイン電極4とソース電極5をフ
ォトエッチングによりパターン形成し,これらパターン
上に(ドレイン電極4には第4図に示すようにごく一部
にオーバーラップして)a−Si膜2をプラズマCVD法で
形成する。このa−Si膜2をパターニングしてパターン
形成し,同じくプラズマCVD法でゲート絶縁層3を形成
し,このゲート絶縁層3にゲート電極膜を形成してゲー
ト電極6パターンをフォトエッチングで形成し,保護絶
縁膜形成後にLCD作成工程に入る様になされている。
第6図の場合は逆スタガード形のa−SiTFTでガラス
基板1上にゲート電極を形成し,ゲート絶縁層3をプラ
ズマCVD等で形成して,その上にa−Si膜をプラズマCVD
で形成してフォトエッチングでパターニングし,ソー
ス,ドレイン電極をパターニングしている。これら逆ス
タガード及びスタガード形はそれぞれ一長一短があり,
逆スタガード形ではゲート絶縁膜と活性層のa−Si膜を
連続的に形成出来るし,スタガード形では活性層のa−
Si膜がゲート絶縁膜で保護されていて信頼性が高い特徴
を有している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この様にゲート絶縁膜が一層からなるスタガード形式
あるいは逆スタガード形a−SiTFTではゲートストレス
印加後に閾値がシフトすると云う問題があった。
この様な閾値シフトを減少させようとするとa−Siの
電界効果移動度μeff(cm2/v.sec)が低下し,TFTのスイ
ッチング特性の低下を招く欠点があった。即ち,第7図
にゲート電圧VGとドレイン電流IDとの特性曲線7を示す
がゲートストレス△V印加後の特性曲線は7aに示す様に
シフトする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記した欠点に鑑みなされたものでその目的
はゲート絶縁膜を二層構造とし,ゲート電極側の第1の
絶縁層と,この第1層上に形成した第2の絶縁層のそれ
ぞれの光学ギャップE1,E2をE1>E2となるようにするこ
とで閾値シフトが少く,電界効果移動度の低下しない立
上り特性の優れた高速なa−SiTFTを得んとするもので
その手段はスタガード形又は逆スタガード形薄膜トラン
ジスタのゲート電極と非晶質活性層間に第1及び第2の
絶縁層を形成してなることを特徴とする半導体装置によ
って達成される。また、上記第1および第2の絶縁層を
窒化膜で形成する。そして、第1および第2の絶縁層を
形成するときに、その成膜条件を途中で変更することに
よってE1>E2>Eg(Egは非晶質活性層の光学ギャップを
表す)の関係を満たすようにして製造する。
〔作用〕
本発明のTFTの一つは基板上に予めゲート電極を形成
し,このゲート電極上に光学ギャップE1の第1の絶縁層
を形成するが,該第1の絶縁層のバンドギャップ中に捕
獲準位が存在し,この捕獲準位の深さと光学ギャップE1
との間には相関関係があり,光学ギャップE1がa−Siの
光学ギャップEgに近いほど蓄積電子が捕獲され,そのた
めにTFT特性に於いて閾値シフトを生ずる。従ってE1>E
gとなるように第1層の絶縁層を形成する。ところが第
1の絶縁層の光学ギャップE1が大きくなってストイキオ
メトリ(stoicheometry)と云われる化学量論的組成に
近づくと絶縁層/a−Si膜の活性層中にストレスが掛り表
面準位が形成されるために電界効果移動度の低下を招
く,そこで第2の絶縁層の光学ギャップE2をE1>E2>Eg
となる様に選択し,活性層のa−Si膜との整合性を改善
するようにしたa−SiTFTを提供するものである。
〔実 施 例〕
以下,本発明の一実施例を第1図について詳記する。
第1図は逆スタガード形a−SiTFTを示すもので先ず
絶縁性の基板としてはガラス基板1を洗浄しゲート電極
膜としてCr,Al,Mo,NiCr等の膜を形成し,レジストマス
クを用いてフォトエッチング等でゲート電極パターンを
形成しゲート電極6を得る。
次にゲート電極6の形成された絶縁性の基板1の上に
シラン(SiH4)とアンモニア(NH3)の混合ガスを用い
てグロー放電で分解して第1の絶縁層3を形成する。
上記した第1の絶縁層3はSiNxであるがSiO2,SiC,SiO
N,Al2O3等でもよく,SiO2の場合はSiH4とO2の混合ガスを
それぞれグロー放電で分解する。このときの第1の絶縁
層(SiNX)の光学ギャップE1となる様に形成する。
この条件としては基板1の温度200゜〜300℃,NH3/SiH
4の反応ガス圧0.1〜10Torr,rfパワー0.02〜0.3W/ci,ガ
ス流量比NH3/SH4=1〜4が好ましい。この時の第1の
絶縁層の光学ギャップE1は成膜条件を変えることにより
E1=3〜7evとなる。次に真空状態を破ることなく,連
続して第2の絶縁層8を形成する。第2の絶縁層8の光
学ギャップE2はE1<E2の関係になるように前記成膜条件
を変えて選択する。この時の光学ギャップとしては2<
E2<5ev程度に選択するを可とする。これら第1及び第
2の絶縁層3,8の形成後に引き続いてa−Si膜2を活性
層として堆積させる。これはSiH4ガスをグロー放電で分
解して堆積させる。a−Si膜をフォトエッチング等でパ
ターニングした後で,ソース,ドレイン電極レジストパ
ターン形成後にリンをドープしたa−Si膜n+a−Si膜
9をグロー放電分解法で形成し,更にソース及びドレイ
ン電極4,5をパターニングする。ソース及びドレインに
はAl,Ti,Cr又NiCrが用いられる。
第2図にa−SiTFTの閾値電圧シフト及び電界効果移
動度μeHの第1の絶縁層SiNx依存性を示す。同図で縦軸
左側は,ゲート電圧V=30v,ドレイン電圧VD=5Vを印加
して1分印加後のゲートストレスΔを示し,同じく縦
軸右側は電界効果移動度μeff(cm2/V,sec))を示すも
のであり,縦軸はNH3/SiH4を示している。先ず従来の第
1の絶縁層であるゲート絶縁層3だけの場合のμeffの
変化は特性曲線10に示す様に大きく変化するが2層構造
とすると特性曲線11に示すようにその変化は少ない。特
性曲線12はΔVを示すものである。第1の絶縁層3の光
学ギャップをE1=3〜7evに選択したとき,この絶縁層
にはバンドギャップ中に捕獲準位が存在し,この捕獲準
位の深さと光学ギャップE1には相関があって,光学ギャ
ップE1がa−Siの光学ギャップEgに近いほど蓄積電子が
捕獲され,TFT特性に於いて閾値がシフトする。よって第
1の絶縁層3の光学ギャップE1をE1>Egとなる様に選択
する。然し第1の絶縁層3の光学ギャップE1が大きくな
り,化学量論的組成の膜に近づくと絶縁層/a−Si活性層
3中にストレスが加わって表面準位が形成され電界効果
移動度μeffが低下する。故に第1の絶縁層3の上に第
2の絶縁層をシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)との
混合ガスを用いて光学ギャップE2となる様に,即ちE1
E2>Egに選択することで第2層はa−Si膜の活性層2と
の整合性が改善されて第2図特性曲線11の様に電界効果
移動度μeffは低下せず,スイッチング特性が高速なa
−SiTFTを得ることが可能となる。
第3図は本発明を第5図に示したスタガード形a−Si
TFTに適用した側断面図を示すものでガラス基板1の洗
浄,透明導電膜の蒸着,ドレイン,ソース電極レジスト
パターン形成後,リンドープa−Si膜(n+a−Si)9
とソース,ドレイン電極5,6を形成し,プラズマCVDでa
−Si膜形成して次に真空を破ることなく連続して更に第
1及び第2の絶縁層3,8を形成後にゲート電極6をパタ
ーン形成してスタガード形a−SiTFTが形成される。
〔発明の効果〕
本発明は以上の如く構成させたのでゲートストレス印
加後の閾値シフトを減少させることが出来a−Si電界効
果移動度も低下しないa−SiTFTが提供出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のa−SiTFT〔逆スタガード形〕の側断
面図, 第2図はa−SiTFT特性のゲート絶縁膜依存性を示す特
性図, 第3図は本発明のa−SiTFT〔スタガード形〕 第4図は従来のa−SiTFT平面図, 第5図は第4図のA−A断面図, 第6図は従来のa−SiTFT側断面図〔逆スタガード形〕 第7図はa−SiTFTのVG−ID特性図である。 1……基板 2……a−Si膜 3……ゲート絶縁層(第1絶縁層) 4……ドレイン電極 5……ソース電極 6……ゲート電極 8……第2の絶縁層 9……n+a−Si膜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スタガード形又は逆スタガード形薄膜トラ
    ンジスタのゲート電極と非晶質活性層との間に、該ゲー
    ト電極側に光学ギャップがE1である第1の絶縁層を形成
    し、前記非晶質活性層側に光学ギャップがE2である第2
    の絶縁層を形成し、前記非晶質活性層の光学ギャップを
    Egとしたとき、E1>E2>Egの関係を満たすことを特徴と
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】絶縁基板上に形成した前記ゲート電極上に
    シリコンを主成分とする前記第1および第2の絶縁層を
    形成し、活性層を含む非晶質半導体層を形成後にソース
    およびドレイン電極を形成してなる逆スタガード形薄膜
    トランジスタよりなることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】絶縁基板上に形成したソースおよびドレイ
    ン電極上に活性層を含む非晶質半導体層を形成後に、シ
    リコンを主成分とする前記第1および第2の絶縁層を形
    成してゲート電極を形成してなるスタガード形薄膜トラ
    ンジスタよりなることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記第1および第2の絶縁層がシリコンを
    主成分とし窒素を含むことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】前記非晶質半導体層とソースおよびドレイ
    ン電極との間にシリコンを主成分としてドナーを含む非
    晶質半導体層を形成してなることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】スタガード形又は逆スタガード形薄膜トラ
    ンジスタのゲート電極と非晶質活性層との間の前記ゲー
    ト電極側に第1の絶縁層を形成し前記非晶質活性層側に
    第2の絶縁層を形成する半導体装置の製造方法におい
    て、 前記第1の絶縁層の光学ギャップをE1とし、前記第2の
    絶縁層の光学ギャップをE2とし、前記非晶質活性層の光
    学ギャップをEgとした場合、前記第1および第2の絶縁
    層を形成するときにその成膜条件を途中で変更すること
    によってE1>E2>Egの関係を満たすようにすることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
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