JPS6394686A - シリコン薄膜トランジスタの製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、液晶やエレクトロルミネッセンス等を駆動
するアクティブマトリックス回路や、平面ディスプレイ
パネルの周辺回路に適用して好適なシリコン薄膜トラン
ジスタに係り、特に、オン電流の増加、オフ電流の減少
、および相互コンダクタンスの増加を図ることにより、
該トランジスタの高性能化を実現したシリコン薄膜トラ
ンジスタの製造方法に関する。

［従来の技術］ 第７図および第８図は、従来のシリコン薄膜トランジス
タの構成を示すものである。これらの図において、ｌは
絶縁性表面を有する絶縁性基板である。この絶縁性基板
ｌ上に、ソース電極２とドレイン電極３とを配したのち
、これらの電極２゜３の間に、多結晶シリコン薄膜から
なるチャネル領域４を形成し、かつチャネル領域４上に
、ゲート絶縁膜５を介して、ゲート電極６を形成する。

ここで、ゲート電極６は、ゲート用多結晶シリコン６ａ
とアルミ電極６ｂとから構成されろ。

この種の薄膜トランジスタにおいては、チャネル領域４
の結晶粒界に存在するトラップによって、相互コンダク
タンスが低下するという問題があった。これは、このト
ラップがソース・ドレイン間にあるキャリアを捕獲して
、ポテンシャルバリアを形成するためである。

この問題の対応策として、チャネル領域４の多結晶シリ
コンに水素添加を行うことにより、結晶粒界のトラップ
を不活性化し、トラップ密度を下げて、薄膜トランジス
タの電気的特性を向上させる処理が知られている。この
水素添加は、水素プラズマ雰囲気中に、薄膜トランジス
タを長時間さらすこと等の手段により行なわれる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述した従来の薄膜トランジスタは、上面か
ら、アルミ電極６ｂ、ゲート用多結晶シリコン６ａｓゲ
ート絶縁膜５、およびチャネル領域４から構成されてい
る。このため、従来の方法では、チャネル領域４の上面
からだけ水素添加が行なわれる。従って、水素添加の効
率が低く、また薄膜トランジスタのゲート絶縁膜（ゲー
ト酸化膜）５を還元して表面に荒れを生じ、さらに、電
気的特性も劣化させてしまうという間層があった。

このため、チャネル領域４の多結晶シリコンに水素添加
を行い、かつ薄膜トランジスタの電気的特性を上げるに
は、限界があった。そこで、上記ポテンシャルバリアを
下げるための、より有効な水素添加方法が要望されてい
た。

この発明は、このような背景の下になされたもので、水
素添加を効率的に行うことができ、かつ電気的性能の高
い薄膜トランジスタを得ることのできる、薄膜トランジ
スタの製造方法を提供することを目的とする。

し問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するためにこの発明は、絶縁性表面を
有する基板上に、ソース電極とドレイン電極とを配した
のち、半導体薄膜からなるチャネル領域を前記両電極間
に形成し、かつ前記チャネル上に絶縁性薄膜を介してゲ
ート電極を形成するシリコン薄膜トランジスタの製造方
法において、前記ソース電極とドレイン電極とを結ぶ方
向に走る複数条の微細幅のシリコン線で前記チャネル領
域を形成し、かつ該チャネル領域に水素処理を施すこと
を特徴とする。

［作用コ 上記方法によれば、■チヤネル領域の表面積を大きくで
きる、■チャネル領域を形成するシリコン線の上面から
だけでなく側方からも水素添加が行なわれる、という理
由により水素添加効率を上げることができる。このため
、結晶粒界中に存在する負極性のトラップと正極性の水
素イオンとが中和して、トラップを不活性化する。

よって、トラップによるポテンシャルバリアの発生を抑
制でき、薄膜トランジスタの電気的特性の向上を図るこ
とができる。すなわち、薄膜トランジスタのオン電流の
増加、オフ電流の減少、および相互コンダクタンスの増
加を図ることができる。

［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図は、この発明の一実施例によるシリ
コン薄膜トランジスタの構成を示すものである。このシ
リコン薄膜トランジスタが、従来の薄膜トランジスタと
構造的に異なる点は、次の点である。

（Ａ）絶縁性基板ｌ上に形成されたチャネル領域１４の
構造。

チャネル領域１４は、ソース電極２とドレイン電極３と
を結ぶ方向に走る複数条の微少幅の多結晶シリコン線１
４ａからなる。ここで微少幅とは、シリコングレイン数
個からなる線幅で、例えば、０゜４μｍ程度である。

（Ｂ）上記チャネル領域１４の構造により、その上に順
次形成されるゲート絶縁膜１５、ゲート用多結晶シリコ
ン１６ａ１およびゲート用アルミ電極１６ｂの構造が、
第２図に示すように波状になっている。

次に、第３図を参照して、上記シリコン薄膜トランジス
タの製造方法を説明する。

■絶縁性基板１上に、均一な多結晶シリコン薄膜を形成
する（工程ＰＩ）。

■上記多結晶シリコン薄膜をプラズマエッチングによっ
て細線化し、多結晶シリコン線１４ａを形成する（工程
Ｐ２）。ここで、この多結晶シリコン線１４ａの線幅は
、例えば、０．４〜０．５μｍである。

■多結晶シリコン線１４ａの表面を酸化して、ゲート絶
縁膜１５を形成する（工程Ｐ３）。

■ゲート用多結晶シリコン１６ａを形成する（工程Ｐ４
）。

■ヂャネル領域１４上に拡散防止用Ｓｉｎ！を形成し、
チャネル領域１４を、次のリンドープから保護する（工
程Ｐ５）。

■リンドープにより、ソース・ドレイン領域を形成する
（工程Ｐ６）。

■ソース電極２、ドレイン電極３、およびゲート電極１
６の各Ａ１２電極を形成する（工程Ｐ７）。

■水素熱アニール、水素プラズマアニール、プラズマＣ
ＶＤ法による窒化膜中に含まれる水素を用いた水素化、
水素イオン注入等により、チャネル領域１４への水素添
加を行う（工程Ｐ８）。

本実施例では、多結晶シリコン線１４ａに、例えば、１
０′８個／ｃｍ３以上の水素を添加する。これにより、
多結晶シリコン線１４ａの結晶粒界にある活性なトラッ
プ準位が水素イオンにより中和されて、不活性化される
ため、ポテンシャルバリアを低下させることができる。

また、結晶粒界を流れるリーク電流を下げることができ
る。

第４図〜第６図は、本実施例によるシリコン薄膜トラン
ジスタの特性を、従来の薄膜トランジスタと比較して示
したものである。

第４図は、非細線のままのチャネル領域４を有する従来
の薄膜トランジスタ（実線）と、細線化されたチャネル
領域１４を有する本実施例によるシリコン薄膜トランジ
スタ（破線）との、ｉ流密度Ｊ対電界Ｅの特性の変化を
示すものである。なお、従来のチャネル領域４の幅は１
１０μｍ、本実施例のチャネル領域４の各多結晶シリコ
ン線＋４ａの幅は０．４μｍである。

この図から分かるように、本実施例のチャネル領域Ｉ４
の電流密度は、高電界領域において、従来のチャネル領
域４の電流密度に比べて大きくなっている。一方、低電
界領域においては、チャネル領域１４の電流密度は、チ
ャネル領域４の電流密度に比べて小さくなっている。

この理由は、次のように考えられる。本実施例のチャネ
ル領域１４においては、高電界領域では、水素添加によ
るポテンシャルバリアの低下のため、熱的に励起される
キャリアが増加し、電流密度の増加が起きると考えられ
る。これに対して、低電界領域では、水素添加による結
晶粒界のトラップ密度の低下により、結晶粒界を流れる
リーク電流が低下するためと考えられる。

すなわち、チャネル領域１４の多結晶シリコン線１４ａ
を細線化したことにより、水素添加が効率良く行なわれ
たことが示されている。この点、非細線の多結晶シリコ
ンからなる単一のチャネル領域・１を有する従来の薄膜
トランジスタと異なっている。

次に、第５図は、単位チャネル長当たりのドレイン７［
流１ｄ対ゲート電圧Ｖｇの特性を、本実施例によるシリ
コン薄膜トランジスタ（破線）と、従来の薄膜トランジ
スタ（実線）とを対比して示したものである。

この図から分かるように、本実施例によるシリコン薄膜
トランジスタは、オン電流が増加するとともに、オフ電
流が減少している。

この理由は次のように考えられる。

まず、オン電流の増加は、細線構造によって水素添加が
増加したため、結晶粒界のボテンンヤルバリアが低下し
、熱的に励起されてポテンシャルバリアを越えるキャリ
アの数が増えたためであると考えられる。これに対して
、オフ電流の減少は、細線構造にすることにより、結晶
粒界を流れていたリーク電流の通路が遮断されたためと
考えられる。また、結晶粒界に水素添加を行うことによ
って、トラップ密度が下がるため、トラップによるリー
ク電流も減少するためと考えられる。

次に、第６図は、単位チャネル長当たりのドレイン電流
１ｄ対ドレイン電圧Ｖｄの特性を示す乙のである。この
図から、本実施例によるシリコン薄膜トランジスタ（破
線）は、従来の薄膜トランジスタ（実線）に比べて、相
互コンダクタンスが大きいことか分かる。

このように、第５図および第６図から、本実施例による
シリコン薄膜トランジスタは、従来の薄膜トランジスタ
に比べ、オン電流の増加、オフ電流の減少、および相互
コンダクタンスの増加が実現でき、薄膜トランジスタの
性能を向上させ得ることが分かる。

なお、上記実施例においては、多結晶シリコンによって
チャネル領域１４を形成したが、アモルファスシリコン
を用いてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、チャネル領域を形成
するシリコン半導体薄膜を、複数条の細線化したシリコ
ン線で形成したので、効率的に水素添加を行うことがで
き、またゲート絶縁膜の表面荒れを防止できる。この結
果、オン電流の増加、オフ電流の減少、および相互コン
ダクタンスの増加を実現でき、高性能なシリコン薄膜ト
ランジスタを作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、この発明の一実施例によるシリ
コン薄膜トランジスタの構成を示す図で、第１図は平面
図、第２図は第１図の■−■線断面図、第３図は同シリ
コン薄膜トランジスタの製造工程を示す図、第４図〜第
６図は同シリコン薄膜トランジスタの電気的特性を、従
来の薄膜トランジスタの電気的特性と対比して示したグ
ラフで、第４図は電流密度対電界特性を示すグラフ、第
５図は１４位チャネル長当たりのドレイン電流対ゲート
電圧特性を示すグラフ、第６図は単位チャネル長当たり
のドレイン電流対ドレイン電圧特性を示すグラフ、第７
図および第８図は、従来の薄膜トランジスタの構成を示
す図で、第７図は平面図、第８図は第７図の■−■線断
面図である。 ｌ・・・・・・絶縁性基板、 ２・・・・・・ソース電極、 ３・・・・・・ドレイン電極、 ４．１４・・・・・・チャネル領域、 ５．１５・・・・・・ゲート絶縁膜（絶縁性薄膜）、６
．１６・・・・ゲート電極、 ６ａ、Ｉ６ａ・・・・・ゲート用多結晶シリコン、６ｂ
、１６ｂ・・・・・ゲート用アルミ電極、１４ａ・・・
・多結晶シリコン線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁性表面を有する基板上に、ソース電極とドレイン電
   極とを配したのち、半導体薄膜からなるチャネル領域を
   前記両電極間に形成し、かつ前記チャネル上に絶縁性薄
   膜を介してゲート電極を形成するシリコン薄膜トランジ
   スタの製造方法において、 前記ソース電極とドレイン電極とを結ぶ方向に走る複数
   条の微細幅のシリコン線で前記チャネル領域を形成し、
   かつ該チャネル領域に水素処理を施すことを特徴とする
   シリコン薄膜トランジスタの製造方法。