JPS60105275A - Mis型薄膜トランジスタ - Google Patents

Mis型薄膜トランジスタ

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JPS60105275A
JPS60105275A JP21185483A JP21185483A JPS60105275A JP S60105275 A JPS60105275 A JP S60105275A JP 21185483 A JP21185483 A JP 21185483A JP 21185483 A JP21185483 A JP 21185483A JP S60105275 A JPS60105275 A JP S60105275A
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JP
Japan
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film
doped
layer
insulating film
gate insulating
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Pending
Application number
JP21185483A
Other languages
English (en)
Inventor
Eiichi Iwanami
岩浪 栄一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Instruments Inc filed Critical Seiko Instruments Inc
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Publication of JPS60105275A publication Critical patent/JPS60105275A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78651Silicon transistors
    • H01L29/7866Non-monocrystalline silicon transistors
    • H01L29/78663Amorphous silicon transistors
    • H01L29/78669Amorphous silicon transistors with inverted-type structure, e.g. with bottom gate

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

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】 本発明は、薄膜トランジスタの構造に関するものであり
、特に移動度と安定性の改善されたMIS(Metal
 工n5u1ater 5enuconductor)
型薄膜トランジスタ(TPT)に関する。
従来のTPTとして、逆スタガー型のMISTFTを例
にとって述べる。第1回は便宜上、不純物ドープのない
アモルファスシリコン(a−si)のnチャンネル反転
時を例として、その断面図を示すものである。透明基板
1上にモリブデン等のゲート2が形成され、5102等
のゲート絶縁膜。
を介してノンドープのa−8i4が厚さ2000〜40
00A0で形成され、ソース電極T1 ドレイン電極8
がn+のa−8L5.6を介してa −S i 4に電
気的接続を得るためアルミニューム等の金1Gで形成さ
れている。
第2図は、第1図に示したe、−s’i’FTの理1作
時(チャンネル反転)のエネルギーバンド図である。チ
ャンネル反転時にはゲートに正電圧が印加されゲート絶
縁膜を介してa −S iの表面には伝導帯の下端EC
,価電子帯の上HH5E V %及びノ(ンドの中央の
エネルギーレベルKiが下方に曲げられフェルミレベル
ICFが伝導帯の下端ECへ近づき、黒点で示される電
子が誘起されるような電界が印加されている。この様子
は単結晶のM工Sトランジスタと同様である。しかしな
がらキャリアである電子の移動度は単結晶の場合の50
0〜100゜(cd/ V−eec )に比べてa−8
iの場合、通常0.05〜1 (、?lI!/V−se
c)と小さく、そのためトランジスタがonl、た時の
電流も極めて小さい。この原因は以下のように考えられ
る。a−8i膜自体、及びa −S i膜とゲート絶縁
膜界面に多数の構造欠陥や不純物が存在し、これらが電
気的には前記バンド間に局在準位として存在する。この
事情はa −S iに限らず多結晶シリコン、を(テル
ル)、Ca5e(カドミウムセレン)でTFTe形成し
入場台も同様である。水素化a −S iの場合この局
在準位がECからEiへ向けて10〜6 10 ”am−8ev−” 程度分布している。このた
めTPTのゲートへ電圧が印加された時a−8i表面の
フェルミレベルはEc側へ移動しにりく、結果として伝
導帯へのキャリア電子の発生は少くなる。
また、局在準位は伝導帯中の電子の長時間トラップとし
ても働くため移動度は小さくなるのである。
このようにMIS型TPTのゲート絶縁膜は低温で形成
されるため良質のものが得られず局在準位増加の一因と
なっているが、更に、電気特性の不安定性の要因にもな
っている。すなわちTPTへのゲート電圧印加によって
、・そのスレシシホールド電圧が増加し、ドレイン電流
が大幅に低下するという経時変化が発生ずるが、これは
ゲート絶縁膜、及びゲート絶縁Ilか界面の準位の帯電
状態の変化が主因と考えられているのである。
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、ゲート絶縁
膜に起因する準位の影響か少なくキャリア移動度の高い
M工S型T II’ Tを提供するもので、チャンネル
領域となる半導体層が6ノーでなり、ゲート絶縁膜に隣
接する嶋1層のフェルミレベルが、第1層に隣接する第
2層のフェルミレベルよシ小さく、かつ第2層のフェル
ミレベルが、第2層に隣接する第6層のフェルミレベル
よシ大きいととを特徴とする。以下図面によυ本発明の
詳細な説明する。
第3図は本発明のMIS型TPTの実施例の断面図を示
すもので、ソーダガラスあるいは石英などの透明基板1
上にモリブデン等の金F1であるゲート2が形成され、
S 102等のゲート絶縁膜3に接してノンドープのa
−8i膜41、前記ノンドープミー81膜41に接して
ドナー不純物をドープしたn”a−81膜42、及び前
記n”’a−8i膜42に膜上2ノンドープのa −8
i膜46が6層に連続的に形成されている。
そして、ソース電極7、ドレイン電極8がn のa −
Si 5.6を介してa −S i 4に電気的接続を
得るためアルミニューム等の金属で形成されている。
ノンドープa−Eli膜41はゲート絶縁膜3とn−a
 −8i膜42とのバッファ層のようなもので、その厚
さは通常の形成法(水素希釈のSi H,グロー放電の
プラズマ分解)で0.02〜1.5 nm/sec程度
の成長レートであるから膜厚の制御可能範囲である0、
’1nm、1層は電子の導電路がn −a −81膜4
2に形成される必要があシ、その値は表面のエネルギー
バンドの曲シの最大値の両側3 K T (K :ボル
ツマン定数、T:絶対温度)の距F[トにはソ999チ
のキャリアが存在するので、これを基準に10層m程度
の値になる。
n −a −S i膜42は、主導電路がこの領域に形
成されるべく:その厚さを設定する必要があり、前述ノ
ンドープa8i膜41の上限の設定と同様の10層m程
度が好ましい。
第4図はn”’a−Eli膜42を形成することを目的
と17で、P(リン)ドープのためプラズマ0VD装置
のチャンド内へ流ず]?Hs(フォスフイン)とEti
H,(モノミラン)のガス流量比と形成された膜のフェ
ルミレベル1iliFとの間係を示すもので、伝導体の
下端のエネルギーECは一定であるからガス流量比によ
シEFがコントロールされていることがわかる。トラン
ジスタはスイッチング動作をするためにON、OFFの
電流比は一般に4桁以上必要である。一方、TFTは活
性化電流で支配され、例えば第4図でエネルギー0−0
.4evで約4桁電流が変化する。この′;AE c 
−Iii yは0.4 e v以上である必要がありガ
ス流量比(P H3/ 5ilE(4)は6x10−5
以下に認定する必要がある。
ノンドープa Si膜43は、導電路が形成された時同
時に発生する空乏層などが形成される領域で、λクエS
型T F TのOIt’ ?時にソース電極T1ドレイ
ン電極8に流れを電流を低減すべく、導電率が1o−9
(Ω・cm)71以下であるノンドープaB1膜で形成
した。しかしこの層は導電率がよシ小さいことが好まし
くB(ボロン)をドープしたa−8i膜であってもかま
わない。ノンドープa −8i膜は前述したように多数
の局在準位の存在のため、フエミレベルがエネルギーバ
ンド図中で中央より伝導帯に近いところに存在し弱いn
型半導体としての特性を示す。a −S i #中にB
、 H。
(ジボラン)などでBをドーピングすると、ノンドープ
の場合に比べて2桁以上小さい導電率が得られる条件が
B2’H,とS i H4のガス流量比が10−4以下
のところで得られる。したがって本発明によればノンド
ープa −S i膜45をBドープ膜とし適当な厚さに
設定すれば前記OFF時の電流を従来例より減らすこと
が可能である。またノンドープミー3i膜41、n ”
’ a、 −EE i I]%’42、及びノンドープ
a Si膜43は、プラズマOVDによる前述した方法
で形成され、同一、もしくは複数のチャンネ内で真空を
破ることなく連続的に形成できるのでそれぞれの膜の界
面で新たな準位全発生することはなく、工程がふえるこ
ともない。
第5図(a)及び第5 図i (b)は本発明の)4L
SUqTFTの動作を説明するだめのエネルギーバンド
図で、理想状態でゲート印加電圧がOの時第5図(a)
のように、A−A線より左側のノンドープa−8i膜の
伝導体の下端EO、バンドの中央E1、価電子端の上端
Evはゲート絶縁膜に近い側で上方へ曲っておシ、相対
的にフェルミレベルB F ij 小すくなっている。
ここでノンドープa OI MのフェルミレベルByが
バンドの中央E1より上方にあるのは前述した様にa−
B i膜の一般的な測定の結果であって、理想的にはバ
ンドの中央E1と一致し、本発明のMIS型TPTを得
るためにはバンドの中央E1より下にあってもかまわな
い。A−A′線とB −B’線の間はn”−a Si膜
でPなどのドナー型不純物ドープの結果フェルミレベル
]fiFが相対的に大きくなっている。B ” mよシ
右側はノンドープ、もしくはBなどのアクセプタ型不純
物ドープのa −S i膜であるためふたたびフエミレ
ベルKFはバンドの中央E1へ近づきフェルミレベルB
yが相対的に小さくなっている。
第5図(b)はゲートに正電圧を印加して伝導体にキャ
リアである電子(黒点で示す)を誘起せしめ導電路を形
成した場合で、バンドの曲りの様子は第2図の従来の場
合と異なり、ノンドープミー8i膜とn−a−81膜の
界面A −A’ a付近まで、伝導帯の下端Ec、バン
ドの中央E1、及び価電子帯の上端Evの下方への曲が
シが広が9、同時に誘起電子もゲート絶縁膜とa −S
 i膜の界面より、a−8i膜の深い所に分布している
。またこのエネルギー分布のため電子のゲート絶縁膜方
向に対しては第2図の場合に比べて減速電界が生じてい
ることかわかる。
以上の説明で、半導体膜はa−81で説明してきたが、
本発明はこれに限定されるものでなく、価電子制御可能
なものであれば良く、例えば多結晶シリコンなどであっ
てもかまわない。
以上、本発明によれば、MiEI型TPTの半導体膜を
6層で形成し、そのフェルミレベルを体制することで導
電キャリアが絶縁膜との界面近くでなく、半導体膜のよ
シ深い所を流れるようになりM工S型TFTがOF 1
rの時のドレイン、ノース間電流を増大させること無し
に、TPTの特性を低下させている大きな要因であるゲ
ート絶縁膜に起因する局在準位の影響を低減せしめキャ
リアの移動度を高められるとともに、走行キャリアが絶
縁膜界面へ達する距離が長くなり、かつ減速電界によシ
絶縁膜界面の帯電状態を変化せしめることが少くなくな
シM工S型TFTの安定性の向上にも貢献することが可
能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のMIS型TPTの断面図、第2図はM工
SR’1TFTの動作を説明するだめのエネルギーバン
ド図、第5図は本発明のMIS型TPTの実施例の断面
図、第4図はフェルミレベルByとガス流量比の関係を
説明する図、第5図(a)は本発明のMIS型TPTの
エネルギーバンド図、第5図(b)は本発明のMIS型
TPTの導電路形成時のエネルギーバンド図である。 1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・透明
基板2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
 ゲート3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ ゲート絶縁「y41 ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・ ノンドープa S IJl’J4
2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・n 
−a −S i膜46 ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・ノンドープ S 1膜5.6 ・・・・
・・・・・・・・・・・n 7− a −S i膜7 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ソース
電極8 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
 ドレイン電極以上

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ゲート電極と、ソース及びドレイン電極と、前記ゲート
    電極に接して形成される絶縁膜と、前記絶縁膜に接しか
    つその両端がそれぞれ前記ソース及びドレイン電極と接
    する半導体層とからなシ、絶縁基板上に形成されたMI
    S型薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層が6層で
    なり、前記絶縁膜に隣接する第一の半導体層のフェルミ
    レベルが、第一の半導体層に隣接する第二の半導体層の
    フェルミレベルよシ小さく、かつ第二の半導体層のフェ
    ルミレベルが、第二の半導体層に隣接する第三の半導体
    層のフェルミレベルよシ大きいことを特徴とするMIS
    型薄膜トランジスタ。
JP21185483A 1983-11-11 1983-11-11 Mis型薄膜トランジスタ Pending JPS60105275A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2593327A1 (fr) * 1986-01-23 1987-07-24 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'un transistor en couches minces utilisant deux ou trois niveaux de masquage
US5034340A (en) * 1988-02-26 1991-07-23 Seikosha Co., Ltd. Amorphous silicon thin film transistor array substrate and method for producing the same
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