JPS61268066A - 薄膜トランジスタの製造法 - Google Patents

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】 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ＴＦＴＫついて第１図で説明する◇　・ＴＰＴ
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４０両端
に接触するソース電極６およびドレイン電極ｅ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０ゲート電極２は、その材料としてアルミニウム
（ＡＪ）、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、フォトエツチング技術を用いて形成される〇 （Ｓｉ２Ｎ３）、五酸化タンタル（Ｔ　ａ　２０　ｓ　
）等が使用され、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等
の方法によシ形成される。半導体層４は、その材料とし
て一般にセレン化カドミウム（Ｃｄ’ｓ）、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Ｓ　、ドレイン電＠６としては、一般には、
Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の金属が用いられる。

ＴＰＴの相互コンダクタンスｑｍは以下のように表わさ
れる。

ｑ　＝−ｐｃＯ！（ＶＧ−ＶＴ　）　　　”−”（１）
Ｌ ここでＷはＴＰＴ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、Ｃｏｘは酸化層３０単位面
積ａｂの容量、ｖＧはＴＰＴのゲート電圧、ｖＴはしき
い値電圧である。ところでＣ０エ　は、 と表わされる。ここでε。は真空の誘電率、Ｃ１とｔ。

！　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、ｑｒｎを大きくするためには、
Ｃ１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）
ＴＰＴのｑｍ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ｌ０ＦＦは、前記ゲートリークが
存在すれば、大きくなる０したがって、ゲート電圧を加
えたときのドレイン電流工。Ｎと工。ＦＦ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ＴＰＴ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ＴＰＴ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０すな
わち、スイッチングトランジスタＴ１１一方の端子が前
記スイッチングトランジスタＴ１　のソース端子に接続
されている蓄積用コンデンサＣ８，ゲート端子が前記ス
イッチングトランジスタＴ１　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Ｔ２、および、一方の端
子が前記電力用トランジスタＴ２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ＣＫＬ　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。

のドレイン端子は情報信号母線ｘ１　に、ゲート端子は
スイッチング信号母線Ｙ１　にそれぞれ接続され、前記
蓄積用コンデンサＣ８の一方の端子と前記電力用トラン
ジスタＴ２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◇ ｘｌ、Ｙｌに、電圧が加えられると、Ｔ１　はオン状態
となり、Ｃ８に電荷が蓄積され、Ｔ２のゲート電圧が上
昇するため、Ｔ２がオン状態となり、ＣＫＬが発光する
０この時、与えられた時間内にｃＢへの充電を完了する
ためには、Ｔ１のＩＯＮが充分に大きくなければならな
い。たとえば、Ｃ３の容量が５０ｐＦであシ、２０マイ
クロ秒以内に充電を完了するためには、ｘｌ　に加えら
れた電圧を２０Ｖとすれば、工。Ｎは、６０μＡ以上必
要である。

次にＸｌ、Ｙｌの電圧が０となり、Ｔ１がオフ状態にな
ればＣ８に蓄積されている電荷は、Ｔ１のオフ抵抗を通
して放電を開始するが、Ｔ１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、Ｔ２のゲート電
圧は長時間高電位に保持され、Ｔ２はオン状態を維持し
、次にＸｌ、Ｙｌに電圧が加えられるまで、ＣＫＬ　は
発光し続ける。

この時Ｔ、のｌ０ＦＦ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、Ｃ８に蓄積された電荷はすみ
やかに放電され、Ｔ２がオフ状態となり、ＣＫＬ　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ＣＫＬの発光が１０ミリ秒以上持続す
るためには、Ｔ２のゲート電圧の降下が１０ｖまで許さ
れるとすれば、Ｃ８の容量を６゜ｐｉとしてＴ１のｌ０
ＦＦは５ｎＡ以下でなければならない。したがって、前
記の”ＯＮの条件とあわせれば、Ｔ１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９−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ε１が６０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ε１．が６ｏ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）Ｗ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。

ドレイン取シ出し電極の厚みと材質に制限が田て来る。

通常、電極の抵抗を下げるためにアルミニウムで２００
■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ＴＰＴ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、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、ＴＰ
Ｔのオン／オフ比を大きくするためには、比誘電率ｅ１
　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、ＴＰＴの安定な特性を得るためには、界面単
位の少ないこと本必要である。

前記ゲートリークは、酸化物層の製造方法忙も起因して
いるが、ＴＰＴのゲートリークが極めて小さく、同一基
板上および製造ロフ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、ｑｍが大きな、界面準位の少ない安
定な特性のＴＰＴを提供するとともに、前記ＴＰＴ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。

問題点を解決するだめの手段 薄膜トランジスタのゲート酸化物層を、ペロプスカイト
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 ペロプ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ｑｍを持ち、界面準位の少ない安定な
特性のＴＰＴができる。

実施例 第１図を用いて本発明のＴＰＴ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２００　ｎｍ程度の膜厚
を有するＡｎ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５ｘ
（ｚｒｏ、２Ｔ１０．８）０３）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’
Ｃ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２　５０　ｎｍ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Ｃ
ｄＳｅからなる半導体層４が、その上には１００　ｎｍ
程度の膜厚を有するＡＩｔからなるソース電極６とドレ
イン電極６が積層されて構成されている。

本発明如よるＴＰＴでは、ゲートリークが非常に小さい
ため”ＯＦＦは１　ｎＡ以下となシ、酸化物層３の比誘
電率Ｃ４は、６０〜１０ｏとＡ２２ｏ３・の７に比べて
約１０倍以上大きく、オン／オフ比は容易に１０以上と
なシマトリックス型ＥＬ表示装置の駆動用ＴＰＴとして
も十分使用できる。また、９ｍがゲート酸化物膜にＡＬ
２０３を用いたーＴＰＴ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’　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〇また、ＣｄＳ・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ＴＰＴが得られた。

また、Ｓ　ｒ　（Ｚ　ｒ　、　Ｔ　ｉ　）　Ｏｓ系ペロ
ブスカイト形酸化物の代わｐ　Ｋ　Ｂ　ａ　（Ｓ　ｎ　
、　Ｔ　ｉ　）　Ｏｓ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、Ｃｄ８・との界面特性も良好であった。

同様に、５ｒ（Ｔｉ　、Ｈｆ）０３系、（Ｂａ　ｔ　Ｓ
　ｒ　）Ｔ　ｉＯｓ系のペロプ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
ること忙より、比誘電率が４０〜１６０と高く、絶縁破
壊電界強度も４ＭＶ／Ｓｎ　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ペロプスカイト
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Ｋより、ｌ０ＦＦ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ＴＰＴ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−・・・半導体層
、６・・・・・・ソース電極、６・・・−・ドレイン電
極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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. （２）窒素を含むスパッタガスとして、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。 （２）ペロブスカイト形酸化物焼結体として、化学式を
   ＡＢＯ＿３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。