JPS6251264A - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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頼富 美文
Akihiro Kenmochi
劔持 秋広
Takao Takano
隆男 高野
Kazuo Sunahara
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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
    • H01L29/772Field effect transistors
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は薄膜トランジスタ(シン・フィルム・トランジ
スタ、Th1n Flllll Transistor
s以下TPTと略すこともある)の製造方法に係り、特
にシリコンを主成分とした薄膜を半導体層とし、シリコ
ンと窒素を主成分としたシリコン窒化膜をゲート絶縁膜
としたTPTの製造方法に関する。
〔発明の概要〕
最近、薄膜トランジスタの分野では、半導体層に非晶質
シリコン膜(a−3t:H膜)を用いたものの研究開発
、発表が活発である。第1図は、このようなTPTの一
般的な断面構造の一例である。
すなわち、ガラス等の絶縁性基板ll上に、クロムやモ
リブデン等の金属からなるゲート電極12、シリコン窒
化膜よりなるゲート絶縁膜13が順次形成され、このゲ
ート絶縁膜13上に非晶質シリコン膜よりなる半導体層
14、クロムやアルミニウム等の金属よりなるドレイン
電極15とソース電極16とが形成されている。そして
、第1図の場合は、液晶パネル等の表示デバイスに用い
るために、前記ソ−スミ極16はSnug(酸化スズ)
 、 TnzO3(酸化インジウム)や5nOz  1
.nzOs (IT O)合金からなる透明導電膜17
に接続されている。
このような構造のTPTは、非晶質シリコン窒化膜の形
成にグロー放電法が使えるため低温で大面積形成が容易
である。また、従来のホトエツチング技術をそのまま使
えるので、高集積化に対しても有利である。その他、非
晶質シリコン膜の高抵抗に基づいて、オフ電流を抑える
ことができる等の特性的にもすぐれた点をもっている。
従って、安価な透明ガラス基板も使用できるようになり
、カラー化に有利な透過型の液晶パネルを高精細で実用
できる可能性をもっている(特開昭59−115561
号公報、特開昭59−115564号公報、特開昭5!
1172774号公報)。
しかし、デー1−絶縁膜と半導体層が欠陥(局在準位)
の存在する非晶質膜で構成されているため、しきい値電
圧が変動する等、その信頼性において問題があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシシき
い値電圧の変動幅が少さく、信頼性にすぐれたTPTの
製造方法を提供するにある。
〔発明の概要〕
上記目的はシリコンを主成分とする半導体層と、シリコ
ンと窒素を主成分とする窒化膜をゲート絶縁膜との接す
る部分を改質したTFTによって達成される。
このTPTの特性は、半導体層の移動度、局在単位(ト
ラップも含む)、ゲート絶縁膜の局在準位(トラップも
含む)、及び半導体層とゲー+−絶縁膜間の界面状態に
大きく依存する。ゲート絶縁膜を構成するシリコン窒化
膜の不完全さは、シリコンを主成分とする半導体層との
間の界面状態を劣化させる。従って、ゲート絶縁膜を構
成するシリコン窒化膜と、シリコンを主成分とする半導
体層の接する部分を改質することによって界面状態を改
善でき、界面状態の不安定さに基づくしきい値電圧の変
動を抑えることができる筈である。本発明者は、この考
えに従ってシリコン窒化膜のプラズマ処理を検討した結
果、シリコンに対して窒化作用のあるガスを用いること
によって良好な結果を得た。すなわち、本発明ではシリ
コン窒化膜を、(a)窒素ガスと水素ガスからなる混合
ガス、(b)水素ガス、不活性ガス及びアンモニアから
なる混合ガス、もしくは(c)アンモニア、不活性ガス
からなる混合ガスを用いたプラズマ処理を施してから半
導体層を積層することによってTPTのしきい値電圧の
変動幅を小さく抑えることができた。なお上記の不活性
ガスとは窒素ガスのほかに、アルゴンガス、ヘリウム、
ガス、キセノンガス。
水素等である。これらの不活性ガスは単独または二種類
以上混合して用いる。
なお、プラズマ処理におけるN2と11.2の混合範囲
は、112がN2の1%〜300%、好ましくは30〜
150%である。アンモニアと不活性ガスの混合範囲は
、アンモニアを1%以上混合すれば良く、放電の安定性
等から100%以下とすることが望ましい。
また、水素、不活性ガス、アンモニアの混合範囲は、ア
ンモニアを不活性ガスの1%以上、水素をアンモニアの
1〜100倍程度に混合すれば良く、好ましくは水素の
導入量はアンモニアの1〜3倍である。
プラズマ処理条件は、電力密度が0.3〜0.72W/
cJ。
好ましくは、0.4〜0.55調/Cれ処理温度が15
0〜350℃、好ましくは300〜350℃である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を第1図のTPTに適用した場合を例にと
り説明する。
まず、ガラス製の絶縁性基板11上にスパンタリング法
によりクロム(cr)膜を1100nの厚みで蒸着し、
ホトエツチング法によりゲート電極12を形成した。こ
れをプラズマCVD装置にセットし、モノシラン(Si
Ha)153COOMと窒素(N2)300 SCCM
、水素(Hz) 210 SCCMの混合ガスを導入し
、グロー放電によりシリコン窒化膜を300nmの厚み
で形成した。この場合、アンモニア(Nlh)をモノシ
ラン(SiHJの1.5〜3倍にした、5tu4とN’
H3,Nzの混合ガスを反応ガスとしても良い。次いで
、モノシラン(S i Ha)を反応室より追い出して
から、n、 210SCCMとN2300 SCCMの
混合ガスを導入してグロー放電を発生させることにより
、前記シリコン窒化膜表面のプラズマ処理(電極400
0φ、600W、310℃)を行いゲート絶縁膜13と
した。その後、反応室の真空破壊を行わずにモノシラン
(SiH4)と11□を導入してグロー放電を発生させ
ることにより400 nm厚みの非晶質シリコン(a−
5t:H)膜からなる半導体層14を形成し、更に反応
ガス中にホスフィン(PIl、i)を添加して、ドレイ
ン電極15、ソース電極16とのオーミック接触を得る
ためにn形の非晶質シリコン((a−5i:H)膜を3
0nmの厚みで形成した。ホトエツチングやドライエツ
チングによって半導体層14の素子分離を行ってから、
アルミニウム(A I )を真空蒸着法によって蒸着し
、ホトエツチング法によりドレイン電極15とソース電
極16を形成した。この場合、チャネルの幅Wと長さし
との比W/Lを、10とした。ドライエツチングにより
、チャネル部のn形のa −3t : H膜を除去した
。次いで、透明導電膜(たとえばITO膜)をスパッタ
リング法で蒸着し、ホトエツチングにより透明電極膜1
7を形成した。これで、第1図に示したTPTが完成し
た。
このようにして得たTPTのドレーン電流ゲート電圧特
性の測定結果を第2図に、本発明の特徴である水素ガス
(N2)と窒素ガス(N2)の混合ガスを用いたプラズ
マ処理を施さずに、従来法によって得たTPTに対する
測定結果を第3図に示した。
ドレイン電極−ソース電極間には、IOVのバイアスを
している。図中の■は、TPT作製直後の特性を、■は
繰り返し測定後あるいはVg≧IOVで長時間バイアス
した後の特性を示している。第2図。
第3図から、本発明による水素ガス(N2)と窒素ガス
(NZ)の混合ガスによるプラズマ処理を施した方が繰
り返し測定及び長時間バイアスに対してしきい値電圧が
変動せず安定であることがわかった。
この本発明の機構は現在のところ正確にはわかっていな
いが、プラズマ処理によってシリコン窒化膜の表面の膜
質が絶縁体として良好なものとなり界面準位を減少させ
たことによると考えられている。第4図は、上記の機構
を支持する一つのデータである。第4図は、クロム(c
r)膜の上に、シリコン窒化膜、非晶質シリコン(a−
3i:H)膜、アルミニウム(A # )膜を順次積層
して形成したセル(MNSセル)の10KIlzにおけ
る容量−電圧特性である。たて軸のCs1Nはシリコン
窒化膜が寄与する容量を、Cはセル全体の容量を示し、
横軸のVaはクロム(cr)に印加した電圧を示してい
る。
ま・た、同図中の矢印は測定の方向を示し、<A)は本
発明による製造方法で作製したセルに対する結果であり
、(B)は従来法で作製したセルに対する結果である。
第4図から、(A)の方のヒステリシスが(B)のそれ
に比較して大変小さくなっていることがわかった。これ
は、(A)の方が、半導体層に対する界面のトラップ密
度の低いことをしめしているものと思われる。
シリコン窒化膜の電気的な欠陥は、シリコン(St)の
ダングリングボンドによると考えられているから、これ
を水素(H)やフッ素(F’)で終端化してやれば良い
とも思われるが、必ずしもそうではない。この例を第5
図に示した。第5図は、シリコン窒化膜のシリコン(S
t)のダングリグボンドの終端化を行うために、水素プ
ラズマ処理を施して形成したシリコン窒化膜を用いて作
製したTPTに対する結果である。繰り返し測定や長時
間のゲートバイアスに対して、しきい値電圧が大きく変
動していることは明白である。
以上をまとめると次のようになる。
電圧印加に対して安定なTPTを得るという本発明の効
果を出すためには、シリコン(St)に対してプラズマ
窒化作用のあるガスを処理ガスとして用いなければなら
ない。そのためには、処理ガスの中に水素ガス(N2)
と窒素ガス(N2)の両方が必ず存在するか、アンモニ
ア(MHI)が存在している必要がある。また、この効
果は処理温度が250〜350℃でより有効的であるが
、150℃以上とすれば出てくる。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、TPTの電圧印加に
対するしきい値電圧変動を抑えることができるので、安
定なTPTを提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はTPTの断面図、第2図、第3図、第5図はT
PTの特性を示す図、第4図はMNSセルの容量−電圧
特性を示す図である。 11・・・絶縁性基板、12・・・ゲート電極、13・
・・ゲート絶縁膜、14・・・半導体層、15・・・ド
レイン電極、16・・・ソース電極、17・・・透明導
電膜。 代理人 弁理士  秋 本 正 実 第1図 (V)  pI’?運、<−1,、ゴ tV)I)T”−J三簿乙−1,−1 第4図 tp tID*圧Va (V) 第5図 ゲート*圧 VG  (V)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ゲート電極として働く導電膜上にシリコンと窒素を
    主成分とするシリコン窒化膜をゲート絶縁膜として形成
    し、更にシリコンを主成分とするシリコン薄膜を半導体
    層として積層してなる薄膜トランジスタの製造方法にお
    いて、上記シリコン窒化膜を下記(a)〜(c)のいず
    れか一種類の混合ガスによりプラズマ処理することを特
    徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 (a)水素ガス−窒素ガスからなる混合ガス、 (b)水素ガス−不活性ガス−アンモニアからなる混合
    ガス、 (c)不活性ガス−アンモニアからなる混合ガス。 2、特許請求の範囲第1項において、プラズマ処理を1
    50℃ないし350℃の温度で行うことを特徴とする薄
    膜トランジスタの製造方法。
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