JPH088433A - 非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法 - Google Patents

非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法

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JPH088433A
JPH088433A JP15802994A JP15802994A JPH088433A JP H088433 A JPH088433 A JP H088433A JP 15802994 A JP15802994 A JP 15802994A JP 15802994 A JP15802994 A JP 15802994A JP H088433 A JPH088433 A JP H088433A
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JP
Japan
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crystal silicon
thin film
single crystal
film
film transistor
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JP15802994A
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English (en)
Inventor
Ichiro Takayama
一郎 高山
Mitsufumi Kodama
光文 小玉
Michio Arai
三千男 荒井
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
TDK Corp
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
TDK Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性の高いアナログ集積回路を作製するた
めに非単結晶シリコン薄膜トランジスタの相互コンダク
タンスを安定かつ均一に動作させる動作方法を提供す
る。 【構成】 非単結晶シリコン半導体膜にゲート絶縁膜を
介して設けたゲート電極に任意の電圧を印加することに
より、ソース・ドレイン電極間に所望の電流を流す非単
結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法において、ゲ
ート電極の存在する面の反対側の非単結晶シリコン半導
体薄膜側にも絶縁膜を介したコントロール電極を設け、
このコントロール電極を一体電位に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、任意の基板上に形成さ
れた非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法に係
り、特に特性のばらつきを軽減させることを可能とし、
これによって大面積かつ生産性のすぐれたアナログ集積
回路を提供するものに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、任意の基板上に非単結晶シリコン
薄膜トランジスタを形成する研究が活発に行われてい
る。この技術は、安価な絶縁基板を用いて薄膜ディスプ
レイを実現するアクティブマトリクス型画像表示装置、
あるいは通常の半導体集積回路上にトランジスタなどの
能動素子を形成するいわゆる3次元集積回路など多くの
応用が期待できるものである。以下、非単結晶シリコン
薄膜トランジスタをアナログ集積回路に応用した場合を
例にとって説明する。
【0003】図1(B)は電圧増幅機能を有する回路図
の一例である。図中のaは非単結晶シリコン薄膜トラン
ジスタであり、Rは負荷抵抗である。図1(A)は図1
(B)のaで示した非単結晶シリコン薄膜トランジスタ
の断面構成図である。図1(B)中のVFBはリーク電流
を減少させるためにフラットバンド電位近傍に固定され
ている。図1(B)中のVout の電圧は負荷抵抗を流れ
る電流により発生する電圧降下により決定され、その電
流は非単結晶シリコン薄膜トランジスタのゲート電圧に
印加される電圧Vinと非単結晶シリコン薄膜トランジス
タの相互コンダクタンスGmとの積で決定される。又、
このことよりこの回路におけるVinの変化に対するVou
t の変化の比である増幅率は非単結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタの相互コンダクタンスGmと負荷抵抗の値の積
で決定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上の説明から明らか
であるように非単結晶シリコン薄膜トランジスタを用い
て生産性の高いアナログ集積回路を製造するには相互コ
ンダクタンスGmが安定かつ均一な非単結晶シリコン薄
膜トランジスタを製造する必要が有る。このGmは以下
の式で表すことができる。 Gm=(W/L)・μ・C0・(Vg−Vth) Lは非単結晶シリコン薄膜トランジスタのチャネル長、
Wはチャネル幅、μは実効移動度、C0 は単位面積辺り
のゲート容量、Vg はゲート電圧、Vthはしきい値を
表す。ここでしきい値とはゲート電極直下の非単結晶シ
リコン半導体薄膜に印加した電位とは反対のキャリアが
多数集まることによる反転層が形成されることによリ、ド
レイン・ソース電極間に電流が流れはじめるゲート電圧
の値のことである。これは非単結晶シリコン半導体膜厚
中のキャリア密度、ゲート絶縁膜厚、ゲート絶縁膜−非
単結晶シリコン半導体薄膜間の界面準位、ゲート電極直
下の非単結晶シリコン半導体薄膜中の電位等で決定され
る。
【0005】しかし、非単結晶シリコン薄膜トランジス
タは絶縁基板上に製造されるため、ゲート電極直下の非
単結晶シリコン半導体薄膜中の電位は極めて不安定であ
る。又、非単結晶シリコン薄膜トランジスタのゲート電
極の反対側の電位を半導体層のフラットバンド電位の近
傍に固定させ、リーク電流を減少させることは、しきい
値の不安定性を増長させる。そのため相互コンダクタン
スGmが安定かつ均一に非単結晶シリコン薄膜トランジ
スタの動作ができず、アナログ集積回路への応用が困難
であった。
【0006】本発明の目的は生産性の高いアナログ集積
回路を作製するために非単結晶シリコン薄膜トランジス
タの相互コンダクタンスを安定かつ均一に動作させる動
作方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明では、図2に示す如く、非単結晶シリコン半
導体薄膜のアイランド5’の上面にゲート絶縁膜6’、
ゲート電極7’を形成すると共にアイランド5’の下面
にコントロール絶縁膜4、コントロール電極3’を形成
し、このコントロール電極3’をフラットバンド電圧近
傍を除く任意の電位で固定する。
【0008】
【作用】これによってAC的に非単結晶シリコン半導体
薄膜のゲート電極とは反対側の電位を固定せしめること
により、非単結晶シリコン半導体薄膜中の電位を固定
し、しきい値の安定性を高め、相互コンダクタンスGm
の安定かつ均一な非単結晶シリコン薄膜トランジスタの
動作の提供を可能にする。
【0009】
【実施例】本発明の一実施例である非単結晶シリコン薄
膜トランジスタ及びその製造方法を図1〜図4により説
明する。図1は従来の非単結晶シリコン薄膜トランジス
タの断面構成図及びそれを用いた電圧増幅回路の回路図
を示し、図2は本発明の一実施例である非単結晶シリコ
ン薄膜トランジスタの断面構成図を示し、図3及び図4
は、図2に示す非単結晶シリコン薄膜トランジスタの製
造工程図を示し、図5は本発明の一実施例の非単結晶シ
リコン薄膜トランジスタを利用した電圧増幅回路の回路
図を示す。
【0010】図2において、1は基板、3’はコントロ
ール電極、4はコントロール絶縁膜、5’はアイラン
ド、6’はゲート絶縁膜、7’はゲート電極、8はソー
ス領域、8’はドレイン領域、9は絶縁膜、10は電極
を各々示す。
【0011】図3及び図4により本発明の非単結晶シリ
コン薄膜トランジスタの製造工程を説明する。ここで示
した膜種、成膜方法は一実施例であり、図2の構造を実
現できるのであれば特にこの膜種、成膜方法に限らな
い。
【0012】(1)基板1として、例えば石英基板を用
い、この基板1上にスパッタ法によりSiO2膜2を30
00Åの厚さに成膜する(図3(A)参照)。
【0013】(2)次にこの上にコントロール電極とな
る非晶質シリコン層(a−Si層)3をLPCVD法に
より5000Åの厚さに成膜する(図3(B)参照)。
このa−Si層3の成膜条件の一例を以下に示す。 0.1%PH3 /SiH4 ガス 200 SCCM 圧力 0.15 Torr 加熱温度 640 ℃
【0014】(3)このa−Si層3をパターニングし
てコントロール電極3’を形成する(図3(C)参
照)。
【0015】(4)次にこのコントロール電極3’上に
LPCVD法でコントロール絶縁膜となるSiO2 膜4
を1000Åの膜厚で形成する(図3(D)参照)。S
iO2 膜4の成膜条件は以下の通りである。 TEOS ガス 100 SCCM 圧力 0.3Torr 加熱温度 700 ℃
【0016】(5)このSiO2 膜4上にa−Si層5
をLPCVD法により2000Åの膜厚で成膜する(図
3(E)参照)。この時の成膜条件は以下のとおりであ
る。 Si26 ガス 300 SCCM He ガス 300 SCCM 圧力 0.36 Torr 加熱温度 465 ℃
【0017】(6)次に前記(5)により成膜したa−
Si膜5に対し、アニール工程を施す。このアニール工
程は、前記のLPCVD法により形成したa−Si層5
を結晶化するために行うもので、本実施例ではN2の如
き不活性ガスの雰囲気で固相成長させ、結晶化を行う。
条件としては以下の通りである。 N2 ガス 5 リットル/mim 加熱温度 600℃+850℃ 処理時間 15時間(600℃)+30分(850℃)
【0018】(7)前記のアニール工程を施して結晶化
させた非単結晶シリコン膜をパターニングしてアイラン
ド5’を形成する(図3(F)参照)。
【0019】(8)このアイランド5’を含む基板1を
熱酸化させて、1000Åのゲート酸化膜6を形成する
(図3(G)参照)。ゲート酸化膜6の成膜条件は以下
の通りである。 O2 ガス 3 SLM 加熱温度 1000℃ 処理時間 15 分 なお、この工程に於いては1000Åのゲート酸化膜6
を作るためだけではなく、この熱処理により前記アイラ
ンド5’を形成する非単結晶シリコン膜のアニールをも
兼用している。このアニールにより薄膜トランジスタの
特性を向上させることができる。
【0020】(9)次にこの上にゲート電極となる非晶
質シリコン層(a−Si層)7をLPCVD法により2
500Åの厚さに成膜する(図3(H)参照)。このa
−Si層7の成膜条件は以下の通りである。 0.1%PH3 /SiH4 ガス 200 SCCM 圧力 0.15 Torr 加熱温度 640 ℃
【0021】(10)エッチングによりゲート電極層と
ゲート絶縁層のパターニングを行い、ゲート絶縁膜
6’、ゲート電極7’を形成する(図3(I)参照)。
【0022】(11)結晶化した非単結晶Si層からな
るアイランド5’上に、ゲート絶縁膜6’をマスクとし
てソース領域8、ドレイン領域8’となる領域にNch
の場合はPを、Pchの場合はBをイオンドーピング法
によりドープする。図4(A)の場合はPをドープする
例を示す。
【0023】(12)窒素雰囲気中で550℃で5時間
加熱し、ドーパントの活性化とゲート電極7’用のa−
Si層の結晶化を行う。
【0024】(13)更に例えば水素雰囲気中で400
℃30分間加熱して、水素化を行い、半導体層の欠陥準
位を減少させる。
【0025】(14)基板全体にAPCVD法で層間絶
縁膜となるSiO2 膜9を4000Åの膜厚で形成する
(図4(B)参照)。SiO2 膜9の成膜条件は以下の
通りである。 N2 ガス 10500 SCCM O2 ガス 1125 SCCM 5% SiH4 /N2 ガス 1800 SCCM 1% PH3 /N2 ガス 474 SCCM 圧力 常圧 加熱温度 410 ℃
【0026】(15)このSiO2 膜9を形成後、コン
タクトホールを形成するためにパターニングをおこなう
(図4(C)参照)。
【0027】(16)次に電極用のアルミニウム膜を成
膜後パターニングして、図4(D)に示す如く、アルミニウ
ム電極10を形成して薄膜トランジスタは完成する。こ
のように形成された薄膜トランジスタのコントロール電
極3’は、フラットバンド電圧近傍を除く任意の電位に
固定される。次に図5によりこの薄膜トランジスタを用
いた電圧増幅回路の回路図を示す。コントロール電極の
電位はソース電位と等価にして用いる。これによりしき
い値の値はソース電位を基準に固定されることになる。
一方、この薄膜トランジスタを流れる電流はゲート−ソ
ース間の電圧とGmの積で表わすことができ、したがっ
てGmの安定化により電流も安定的に流れる。
【0028】
【発明の効果】本発明により非単結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタの相互コンダクタンスを安定かつ均一に動作さ
せる動作方法を提供することが可能になり生産性の高い
アナログ集積回路を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の非単結晶シリコン薄膜トランジスタの
構成図及びそれを用いた電圧増幅回路の回路図である。
【図2】 本発明の一実施例である非単結晶シリコン薄
膜トランジスタの構成図である。
【図3】 本発明の一実施例である非単結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程説明図の一部である。
【図4】 本発明の一実施例である非単結晶シリコン薄
膜トランジスタの製造工程説明図のうち図2の次工程の
説明図である。
【図5】 本発明の非単結晶シリコン薄膜トランジスタ
を用いた電圧増幅回路の回路図である。
【符号の説明】
1 基板 2 SiO2 膜 3 コントロール電極となるa−Si膜 3’コントロール電極 4 コントロール絶縁膜 5 活性層となるシリコン膜 5’アイランド 6 ゲート酸化膜 6’ゲート絶縁膜 7 a−Si層 7’ゲート電極 8 ソース領域 8’ドレイン領域 9 絶縁膜 10 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 三千男 東京都中央区日本橋一丁目13番1号 ティ ーディーケイ株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非単結晶シリコン半導体薄膜にゲート絶
    縁膜を介して設けたゲート電極に任意の電圧を印加する
    ことにより、ソース・ドレイン電極間に所望の電流を流
    す非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法におい
    て、ゲート電極の存在する面の反対側の非単結晶シリコ
    ン半導体薄膜側にも絶縁膜を介したコントロール電極を
    設け、このコントロール電極を一定電位に保つことを特
    徴とする非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方
    法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、コントロール電極の
    電位をソース電位に固定する事を特徴とする非単結晶シ
    リコン薄膜トランジスタの動作方法。
JP15802994A 1994-06-16 1994-06-16 非単結晶シリコン薄膜トランジスタの動作方法 Pending JPH088433A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004214546A (ja) * 2003-01-08 2004-07-29 Seiko Epson Corp トランジスタの製造方法、トランジスタ、半導体集積回路、表示装置
JP2011146574A (ja) * 2010-01-15 2011-07-28 Canon Inc トランジスタの駆動方法及び該方法で駆動されるトランジスタを含む装置

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Effective date: 20030128