JPH01268060A - 薄膜トランジスタ - 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】 〔概　　要〕 アクティブマトリクス型液晶表示装置の駆動用等に使用
される薄膜トランジスタに係り、特にはそのゲート絶縁
膜の改良に関し、 閾値電圧のシフトを低減して、安定したスイッチング特
性を得ることを目的とし、 非晶質半導体膜の一方の面にゲート絶縁膜を介してゲー
ト電極が設けられ、前記非晶質半導体膜の他方の面にソ
ース及びドレイン電極が設けられてなる薄膜トランジス
タにおいて、前記ゲート絶縁膜の少なくとも前記非晶質
半導体膜に隣接する部分が酸窒化シリコン膜からなり、
核酸窒化シリコン膜中の窒素に対する酸素の原子数比が
０．２以上１以下であるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、アクティブマトリクス型液晶表示装置の駆動
用等に使用される薄膜トランジスタに係り、特にはその
ゲート絶縁膜の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来の薄膜トランジスタとしては、一般に逆スタガ型の
ものが多く用いられている。これは、絶縁性の基板上に
ゲート電極を設け、その上をゲート絶縁膜及び非晶質半
導体膜で順次覆い、更にその上に、上記ゲート電極の上
方領域を両側から挟むようにソース及びドレイン電極を
設けた構成である。そして、上記ゲート絶縁膜としては
二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜が使用され、また非
晶質半導体膜としてはアモルファスシリコン膜が使用さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の薄膜トランジスタでは、上述したようにゲー
ト絶縁膜として二酸化シリコン膜や窒化シリコン膜が使
用されていることから、それぞれ以下のような問題点が
生じる。

二酸化シリコン膜を使用すると、電界効果移動度が例え
ば０，０５ｃＪ　／　ｓｅｃ　　・■と小さいため、オ
ン電流が小さくなるという問題点がある。よって、この
ような薄膜トランジスタが液晶表示装置の駆動用に使用
された場合、書き込み速度が遅（なってしまう。

一方、窒化シリコン膜を使用すると、製造当初はオン電
流が十分に大きく、よってこのような薄膜トランジスタ
が液晶表示装置の駆動用に使用された場合、十分に速い
書き込み速度が得られる。

ところが、使用とともにオン電流が経時変化を起こして
小さくなり、闇値電圧が正バイアス側にシフトしてしま
うという問題点がある。そのため、このような薄膜トラ
ンジスタが液晶表示装置の駆動用に使用された場合、階
調が時間の経過とともに変化することになり、よって適
切な階調表示が困難になってしまう。

本発明は、上記問題点に鑑み、闇値電圧のシフトを低減
して、安定したスイッチング特性を得ることができるよ
うにすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

非晶質半導体膜の一方の面に、ゲート絶η膜を介してゲ
ート電極を設ける。また、上記半導体膜の他方の面に、
ソース及びドレイン電極を設ける。

そして、上記ゲート絶縁膜の少なくとも上記半導体膜に
隣接する部分に酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）を使用し
、この酸窒化シリコン膜における窒素に対する酸素の原
子数比（０／Ｎ）を以下のように設定する。

０．２≦Ｏ／Ｎ≦１ 〔作　　　用〕 窒化シリコン膜をゲート絶縁膜とする従来の薄膜トラン
ジスタでは、例えば第２図に示すように、ゲート電圧ス
トレス印加後にスイッチング特性（すなわちドレイン電
流■。−ゲート電圧Ｖ、特性）がドリフトすることが知
られている。これは、ゲート絶縁膜中の捕獲準位及び格
子歪により生ずる欠陥準位に、それぞれ非晶質半導体膜
（アモルファスシリコンＩＩＩ）中の伝導電子が捕獲さ
れ、これにより闇値電圧がシフトしてしまうためである
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ、　６２（１９Ｂ？）２１２９参照）。なお、この
参考文献中において、ゲート絶縁膜中の捕獲準位は、フ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）測定から得られるＰＬピー
クエネルギ位置との相関があることも報告されている。

一方、酸窒化シリコン膜は、一般に、上述した窒化シリ
コン膜に比べて禁制帯幅が広（、かつ内部応力も小さい
ことから、ゲート絶縁膜として使用された場合に膜中の
捕獲電子の低減が期待される。ところが、膜中の酸素濃
度の増大に伴い、これに隣接する非晶質半導体膜との界
面近傍に欠陥準位が形成され、これにより電界効果移動
度が劣化するという事実も知られていた。このような欠
陥準位が形成されるのは、酸窒化シリコン膜中に酸素空
孔が生じ、それに応じてシリコンの不対電子が形成され
るためと言われている。このことから、窒素原子に結合
している過剰水素がシリコンの不対電子をターミネート
するように、酸窒化シリコン膜の化学的組成（特に、窒
素に対する酸素の原子数比０／Ｎ）を決定すれば、上記
の欠陥準位を低減することが可能になる。

そこで、まず酸窒化シ１ｉコン膜の光学ギャップエネル
ギＥｇ及びフォ・トルミネッセンス（Ｐ　Ｌ）ピークエ
ネルギＥＰＬと、酸窒化シリコン膜形成時のガス流量比
Ｒ（＝Ｎｔ　Ｏ／　（Ｎｚ　Ｏ＋ＮＨ！　）１との関係
を測定してみた。その測定結果を第３図に示す。すると
、同図により、光学ギヤツブエネルギＥ、は、ガス流量
比Ｒの増大（すなわち酸素濃度の増大）に伴って大きく
なるが、ＰＬピークエネルギＥＰＬはＲ＝０．２５付近
で最大値を持つことが明らかになった。ここで、ＰＬピ
ークエネルギＥユが大きいほど、膜中の捕獲準位の密度
が小さいという関係が知られている。これらのことから
、ガス流量比Ｒ＝０．２５もしくはその近傍とすること
により、非晶質半導体膜の伝導電子が酸窒化シリコン膜
中の捕獲準位に捕獲される確率を最も低減できることに
なる。

また、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）とアモルファスシリ
コン（ａ−３ｉ）からなる二層膜の内部応力と、上述し
たガス流量比Ｒ（＝Ｎｚ　Ｏ／（Ｎ２０＋ＮＨｚ　））
　との関係を測定してみた。

その測定結果を第４図に示す。なお、ａ−３ｉ膜自身の
内部応力は約６　Ｘ　１０’　ｄｙｎ　／　ａｉの圧縮
応力である。すると、同図により、ガス流量比Ｒの増大
（すなわち酸窒化シリコン膜中の酸素濃度の増大）に伴
って、二層膜の内部応力が引張り応力から圧縮応力へと
単調に変化し、Ｒ＝０．２５付近でほぼゼロになること
が明らかになった。このことから、ガス流量比Ｒ＝０．
２５もしくはその近傍とすることにより、酸窒化シリコ
ン膜とアモルファスシリコン膜との内部応力の差を極め
て小さくでき、よってこれら２つの膜の界面近傍に格子
歪により生じる欠陥準位の密度を大きく低減できること
になる。

そこで今度は、酸窒化シリコン膜をゲート絶縁膜として
用いた薄膜トランジスタにおいて、アモルファスシリコ
ン表面電界強度Ｆｓ　”６．８　ｘｔｏ’Ｖ／ｃ＋ａな
るゲートストレス電圧を印加した場合の、酸窒化シリコ
ン膜中に捕獲される電荷密度（以下、捕獲電荷密度と称
す）Ｑ２と、酸窒化シリコン膜の原子数比０／Ｎとの関
係を測定した。その゛測定結果を第５図に示す。なお、
上記の表面電界強度Ｆ、は、ゲートストレス電圧ｖＧか
ら次のように定義される。

ここで、ｔｌは酸窒化シリコン膜の比誘電率、ε３はア
モルファスシリコン膜の比誘電率、ｄ。

は酸窒化シリコン膜厚である。すると、第５図により、
原子数比０／Ｎが０．２≦Ｏ／Ｎ≦１の範囲内で、捕獲
電荷密度Ｑｔがｌ　×１ＱＩＩｃ、−２以下に低減され
ることが明らかになった。また、第２図に示した■。−
■、特性のシフト量に応じた闇値電圧シフトをΔＶｔｈ
と定義すると、上記の捕獲電荷密度　Ｑｔは次の式で与
えられる。

ここで、ε。は真空の誘電率、ｑは電気素量である。、
この式より、捕獲電荷密度Ｑｔと閾値電圧シフトΔＶｔ
ｋとは比例関係にあることがわかる。

よって、第５図及び上記の式（２）から、０．２≦０／
Ｎ≦１とすることにより、捕獲電荷密度Ｑ。

の低減（即ち、閾値電圧シフトΔＶいの低減）が可能に
なり、よって安定したスイッチング特性を実現できるこ
とになる。これは、０．２≦Ｏ／Ｎ≦１なる酸窒化シリ
コン膜を形成する際のガス流量比Ｒ（”　Ｎｚ　Ｏ／　
（Ｎｚ　Ｏ＋　Ｎ　Ｈ＊　）　）がほぼ０．２５もしく
はその近傍であることから、第３図において述べたよう
に酸窒化シリコン膜中の捕獲準位密度が減少し、それと
同時に、第４図において述べたように酸窒化シリコン膜
と非晶質半導体膜の界面近傍の欠陥準位密度が減少する
ためである。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例の断面図である。

ここには−例として、逆スタガ型の薄膜トランジスタを
示した。

同図において、ガラス等でできた絶縁性の基板１上にゲ
ート電極′２が設けられ、更にその上を覆って、酸窒化
シリコン（Ｓ　ｉ　ＯＮ）膜からなるゲー）　絶縁１１
１３　及びアモルファスシリコン（ａ　−３ｉ）膜から
なる半導体膜４が順次形成されている。特に、ゲート絶
縁膜（酸窒化シリコン膜）３における窒素に対する酸素
の原子数比０／Ｎは、０．２≦Ｏ／Ｎ≦１となるように
設定されている。

半導体膜４上には、ゲート電極２の上方領域を両側から
挟むように、高不純物濃度のアモルファスシリコン膜か
らなるオーミックコンタクト膜５゜６が設けられ、この
上にはそれぞれソース電極７とドレイン電極８が形成さ
れている。更に、半導体膜４上のソース、ドレイン電極
７，８間の領域は、二酸化シリコン膜等からなる保護膜
９によって覆われている。

次に、上記構成からなる薄膜トランジスタの製造方法を
説明する。

まず、ガラス等でできた絶縁性の基板１上にクロムやモ
リブデン等からなる金属膜をスパッタ法もしくは真空蒸
着法等により厚さ５００〜１０００人程度に形成し、こ
れをフォトリソグラフィ法等によりバターニングしてゲ
ート電極２を形成する。

続いて、ゲート電極２上を含む基板１上に、プラズマ気
相成長法により酸窒化シリコン膜を厚さ１０００〜５０
００人程度に成膜して、ゲート絶縁膜３を形成する。こ
の際、パワー密度を０．１　Ｗ／ｃｉ、成長温度を３０
０℃、圧力を０，２　Ｔｏｒｒ　、　　シランガス（Ｓ
ｉＩ（４）を５０３ＣＣＭ、亜酸化窒素（ＮｚＯ）とア
ンモニア（ＮＨ：＋）の流量比Ｒ（＝Ｎ２０／（Ｎｚ　
Ｏ＋　Ｎ　Ｈ３）　）を０．２５もしくはその近傍（例
えば０．１〜０．５）とすることにより、窒素に対する
酸素の原子数比０／Ｎが０．２≦Ｏ／Ｎ≦１なる酸窒化
シリコン膜を得ることができた。

その後、ゲート絶縁膜（酸窒化シリコンｌ！り　３上に
、真空を破ることなく、プラズマ気相成長法によりアモ
ルファスシリコン膜ヲ厚さ３００〜３０００人程度に成
膜して、半導体膜４を形成する。この際、例えば、パワ
ー密度を０．ＯＩＷ／ＣＪ、成長温度を３００℃、圧力
をＩ　Ｔｏｒｒ　、シランガス（ＳｉＨ４）を２００Ｓ
ＣＣＭとする。

次に、半導体膜４上にオーミックコンタクト用のリンド
ープアモルファスシリコン膜（ｎ”ａ−３ｉ）をプラズ
マ気相成長法により厚さ３００人程　　　　′度に形成
し、その上にソース及びドレイン電極用の金属膜を厚（
蒸着形成する。この金属膜としては、チタン（Ｔｉ）、
クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａ＃）、モリブデン（
ＭＯ）等の単層膜、あるいはこれらの多層膜を使用でき
る。その後、上記ｎ”ａ−３ｔ膜及びその上の金属膜か
らなる二層膜をフォトリソグラフィ法によりパターニン
グすることにより、ゲート電極２の上方領域を両側から
挟むような位置に、オーミックコンタクト膜（ｎ”ａ−
８ｉ膜）５．６を介してソース、ドレイン電極７．８を
形成する。最後に、ソース電極７からドレイン電極８に
かけて、半導体膜４上を覆って保護膜９を形成する。こ
の保護膜９としては、二酸化シリコン膜（Ｓ　ｉ　Ｏｇ
　）　、窒化シリコン膜（Ｓ　ｉ、　Ｎａ　）　、酸窒
化シリコン膜（ＳｉＯＮ）、ポリイミド膜等を使用でき
る。

以上のようにして得られた本実施例の薄膜トランジスタ
では、ゲート絶縁膜３として０．２≦０／Ｎ≦１なる酸
窒化シリコン膜を用いたことにより、次のような効果が
得られる。まず、先に第３図に基づいて述べたように、
ゲート絶縁膜３のＰＬピークエネルギＥＰＬを大きくで
きることから、半導体膜４の伝導電子がゲート絶縁膜３
中の捕獲準位に捕獲される確率を著しく低減できる。例
えば、従来の窒化シリコン膜に比べ、上記伝導電子がゲ
ート絶縁膜３中に注入される際のトンネル障壁の高さを
約５０ｍｅ　Ｖ増加させることができ、この分だけ注入
確率を低減させることができる。また、先に第４図に基
づいて述べたように、ゲート絶縁膜３と半導体膜４との
内部応力の差を極めて小さくできることから、これら２
つの膜の界面近傍の欠陥準位密度を大きく低減できる。

例えば、上記界面近傍の内部応力を従来の窒化シリコン
膜よりも３０％低減でき、その分だけ欠陥準位密度を低
減できる。以上の結果、先に第５図に基づいて述べたよ
うに、捕獲電荷密度Ｑ１を低減でき、闇値電圧シフトの
小さな安定したスイッチング特性を得ることができる。

例えば、アモルファスシリコン膜の表面電界強度ｌＸ１
０ｂＶ／ａｍのゲートストレス電圧に対し、捕獲電荷密
度ＱＬを従来の窒化シリコン膜よりも２５％低減できる
。

なお、上記実施例ではゲート絶縁膜の全体を酸窒化シリ
コン膜としたが、少なくとも半導体膜に隣接する部分が
酸窒化シリコン膜であれば、上記と同様な効果が得られ
る。例えば、上記の隣接部分だけを酸窒化シリコン膜と
し、その他の部分を窒化シリコン膜、あるいは酸窒化シ
リコン膜と窒化シリコン膜との多層膜としてもよい７゜
また、上記実施例は逆スタガ型に構成したが、スタガ型
としてもよいことは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ドレイン電流−
ゲート電圧特性のドリフトの原因であるゲート絶縁膜中
の捕獲準位及び欠陥準位の密度を低減させて、闇値電圧
シフトの小さい安定したスイッチング特性を得ることが
できる。このことから、本発明の薄膜トランジスタを液
晶表示装置の駆動用に使用した場合、長時間にわたって
安定した速い書き込み速度を維持することができ、しか
も長時間にわたり高い信転性をもって正確な階調表示を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜トランジスタの一実施例の断面図
、 第２図は薄膜トランジスタにおけるドレイン電流■、と
ゲート電圧Ｖ、との関係を示す図、第３図は酸窒化シリ
コン膜における光学ギャップエネルギＥ、及びフォトル
ミネッセンスピークエネルギＥｆｔとガス流量比Ｒとの
関係を示す図、第４図は酸窒化シリコン膜及びアモルフ
ァスシリコン膜からなる二層膜における内部応力とガス
流量比Ｒとの関係を示す図、 第５図は酸窒化シリコン膜を用いた薄膜トランジスタに
おける捕獲電荷密度Ｑｔと酸窒化シリコン膜の原子数比
０／Ｎとの関係を示す図である。 １・・・基板、 ２・・・ゲート電極、・ ３・・・ゲート絶“縁膜（酸窒化シリコン膜）、４・・
・半４体膜（アモルファスシリコン膜）、５．６・・・
オーミックコンタクト膜、７・・・ソース電極、 ８・・・ドレイン電極、 ９・・・保護膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　非晶質半導体膜（４）の一方の面にゲート絶縁膜（３
   ）を介してゲート電極（２）が設けられ、前記非晶質半
   導体膜の他方の面にソース及びドレイン電極（７、８）
   が設けられてなる薄膜トランジスタにおいて、 前記ゲート絶縁膜（３）の少なくとも前記非晶質半導体
   膜（４）に隣接する部分が酸窒化シリコン膜からなり、
   該酸窒化シリコン膜中の窒素に対する酸素の原子数比が
   ０．２以上１以下であることを特徴とする薄膜トランジ
   スタ。