JPS59204275A - 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】

本発明はシリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの製造
方法に関する。 近年、シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの研究開
発が活発に行なわれている。この技術は安価な絶縁基板
を用いて薄形ディスプレイを実現するアクティブマトリ
ックスパネル、あるいは安価で高性能なイメージセンサ
などへの数多くの応用が期待されるものである。また、
これらの多くは、透明基板を用いて光学的特性を向上さ
せるために、配線等の導体として、■ｎ２ｏ３　、　Ｅ
３７１０２．工Ｔ。 （工ｎｄ、ｉｉｂｍ　Ｔａｘ　０ｗ１ｄｅ　）などの透
明導電膜を用いるという特徴を併せ持っている。以下、
薄膜トランジスタをアクティブマトリックスパネルに応
用した場合を例に取って説明するが、本発明は薄膜トラ
ンジスタを他に応用した場合にも同様に適用することが
できる。これは、本発明の主旨が、シリコン薄膜を用い
た薄膜トランジスタの本質的な特性向上に関するものだ
からである。 薄膜トランジスタをアクティブマトリックスパネルに応
用した場合の液晶表示装置は、一般に上側のガラス基板
と、下側の博膜トヲンジスタ基板と、その間に封入され
た液晶とから構成されており、前記薄膜トランジスタ基
板上にマトリックス状に配置された液晶駆動素子を外部
選択回路によフ選択し、前記液晶駆動素子に接続された
液晶駆動電極に電圧を印加することによシ、任意の文字
、図形、あるいは画像の表示を行なうものである。 前記薄膜トランジスタ基板の一般的な回路図を第１図に
示す。 第１図Ｃα１は薄膜トランジスタ基板上の液晶駆動素子
のマトリックス状配置図である。図中の１で囲まれた領
域が表示領域であり、その中に液晶駆動素子２がマトリ
ックス状に配置されている。 ３１ｄ液晶１；メ動素子２へのデータ信号フィンであシ
、４は液晶駆動素子２へのタイミング信号フィンである
。液晶駆動素子２の回路図を第１図１ｂ１に示す。 ５は薄膜トランジスタであシ、データのスイッチングを
行なう。６はコンデンサであシ、データ信号の保持用と
して用いられる。このコンデンサの容量としては、液晶
自体の有する容量と故意に設けたコンデンサの容量を含
むが、場合によっては液晶の容量のみで構成されること
もある。７Ｆｉ液晶パネルであ、Ｑ、７−１は各液晶駆
動素子に対応して形成された液晶駆動電極であ、ｐ、７
−２は上側ガラスパネルである。 以上の説明かられかるように、薄ｐトヲンジスタは、液
晶に印加する電圧のデータをスイッチングするために用
いられる。液晶の表示はコンデンサの電位によフ決定さ
れるため、短時間にデータを書き込むことができるよう
に、ｗｂ＝トヲン・ジスタは、ＯＮ状態のときに充分大
きい電流を流すことができなくてはならない。このとき
の電流（以下、ＯＮ電流という。）はコンデンサの容量
と要求される書き込み時間とから定マリ、そのｏＮｚ流
をクリアできるように薄膜トランジスタを製造しなくて
はならない。薄膜トランジスタの流すことのできるＯＮ
電流は、トランジスタのサイズ（チャネル長とチャネル
幅）　、　構造、製造プロセスゲート電圧、ドレイン電
圧などに犬きく依存する。 また、薄膜トランジスタをアクティブマトリックスパス
ルやイメージセンサなどに応用する場合シフトレジスタ
などの周辺駆動回路も同時に集積化するほうがコスト的
に有利であることは言を待たない。この場合、薄膜トラ
ンジスタには数ＭＨｚという非常に高い周波数で動作す
ることが要求される。したがって、極めて大きいＯＮ電
流を必要とする。 以下、図を用いて従来の薄膜トランジスタの製造方法及
びその特性を説明する。 第２図

【ａ】〜ｌｄｌは従来の薄膜トランジスタの製造
方法の１例を示す図である。まず第２図（α）のように
絶縁基板８上にシリコン薄膜９を形成する。これＩＦｌ
ｄ通常、プｙ　ス−ｒ　ｃ　Ｖ　Ｄ法、減圧ＣＶＤ法、
スパッタ法などが用いられる。次に第２図１ｂ１のよう
に、ゲート絶縁膜１０１ゲート電極１１を形成した後に
、イオン打ち込み法、熱拡散法などによシネ細物をドー
プしてソース領域１２．及びドレイン領域１３を形成す
る。次に第２図（ｃｌのように、層間絶縁膜１４を堆積
させた後、コンタクトホール１５を開口する。最後に第
２図１ｂ１のように、工？１．２ｏ３　、　Ｓ？＋、０
２．　工Ｔ　Ｏなどの透明導電膜を堆積させて、ソース
電極１６及びドレイン電極１７を形成する。 第３図はこのように作製された薄膜トランジスタの特性
の１例を示すグラフである。これは、チャネル長３０μ
ｍ、チャネル幅１０μ？Ｗ、、ドレイン電圧４ｖの条件
の下で本出願人がＮチャネル型薄膜トヲンジスタの特性
を測定して得た結果である。縦軸はドレイン電流より、
横軸はゲート電圧ＶＧＳである。この図かられかるよう
に、全般的に比較的良好な特性を得ているが、スレショ
ルド電圧（以下、Ｖｔ１ｇと記す、、）が高く、ＯＦＦ
状態からＯＮ状態への変化が緩慢になっている。このた
め、ＯＮ電流が少なくなっている。この程度の特性では
、種々の応用を図ることは不可能であシ、特にアクティ
ブマトリックスパネルやイメージセンサの四辺駆動回路
を構成するには全く不充分な特性である。薄膜トランジ
スタをこのように様々な分野に応用するには、ｖｔｈを
低減させると共に易動度を増大させ、ＯＮ電流を１桁以
上増大せしめることが必要である。 本発明は、このような従来の薄膜トランジスタの欠点を
除去するものであシ、その目的とするところは、ｖｔｈ
を低減させると共に易動度を増大させ、ＯＮ電流を大幅
に増大せしめる薄膜トランジスタの製造方法を提供する
ことである。 以下、図を示しつつ本発明の詳細な説明する。 第４図ｔａＩ〜ｔｅｌは、本発明による薄膜トランジス
タの製造方法の１例を示す図である。まず第４図（α）
のように、絶縁基板１８上にシリコン薄膜１９を形成す
る。次に第４図１６１のように、ゲート絶縁膜２０．ゲ
ート電極２１を形成した後に、ソース領域２２及びドレ
イン領域２３を形成する。次に第４図１ｃｌのように、
層間絶縁膜２４を堆積させる。 以上の製造方法は従来と同様である。次に第４図１ｄｌ
のように水素もしくは水素と窒素を主成分とする雰囲気
中でプラズマ処理を施す。２５は発生しり水素のプラズ
マを示している。後に示すように、このプラズマ処理に
より簿膜トランジスタの特性、特Ｉ／ｃＯＮ電流は大幅
に改善される。最後に、第４図１６１のように、コンタ
クトホールを開口した後透明導電膜を堆積させ、ソース
￥Ａ′極２６及びドレイン１１Ｖｆｉｌｉｉ２７を形成
し、薄膜トランジスタは完成する。 なお、周知の通ハ薄験トヲンジスタには種々の構造・製
造方法が知られてふ・シ、第４図に示した製造方法はそ
の１例に過ぎない。したがって、特許請求の範囲に記し
た内容に該当すれば、本発明は同様に適用される。 第５図は、このように作製された本発明による薄膜トラ
ンジスタの特性の１例を示すグラフである。実線ＩＡＩ
は本発明による尚祠トヲンジスタの特性を示している。 破線（Ｅ＋は従来の渦、膜トランジスタの特性を示すも
のであシ、第３図の特性と同一である。また両者のトラ
ンジスタサイズ、ドレイン重圧などのパラメータは完全
に一致している。 このグラフから明らかなように、本発明によりｍ造した
薄膜トランジスタは極めて大きいＯＮｉ流を有し、大幅
に特性が改善されている。すなわちｖｔｈが低減したの
みではなく、易動度も増大し、この結果ｂＯＮｆｆｉ流
は従来に比べて１．５〜２桁も増加している。また、こ
れに伴な−、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への変化も極めて
急峻になっている。 本発明により製造された薄膜トランジスタは、アクティ
ブマトリックスパネルやイメージセンサなどの周辺駆動
回路のように数ＭＨ２の高速動作を必要とされる用途に
も充分適用できるものであシ、種々の応用を拡大するこ
とができる。 本発明によりこのように特性が大幅に改善される理由は
以下の通シである。一般にシリコンＭＷは車結晶薄膜と
して形成することは不可能であシ、多結晶状態あるいは
非晶質状態となっている。このため、シリコン原子の配
列に多くの不規則性を有し、この結果、多数の不対結合
手（ダングリングボンド）を含有している。このような
ダングリングボンドはシリコンの禁止帯中に準位を作シ
、キャリアをトラップする作用を有す不ばがりでなく、
帯電することにょ多空間電荷を形成する。すなわち、キ
ャリアのトラップにょシキャリアの易動度は低下し、ま
た空間電荷を形成することによｐｖｔｈは上昇する。本
発明のプラズマ処理は、かかるダングリングボンドを水
素原子で埋めることにより、ダングリングボンドの密度
を低減させるものである。その結果、易動度は増大し、
ｖｔｈ。 は低下し、極めて大きいＯＮ電流を有する薄膜トランジ
スタが実現される。 なお、本発明にお込てプラズマ処理の雰囲気として窒素
を含有することを許容するのに、水素のプラズマの発生
を容易にするためである。一般に水素はプラズマ状態に
なシにぐ込が、窒素を混入せしめることでこの問題は容
易に解決される。また、窒素を混入することによる悪影
響に１：全くないことを本出願人は実験にょシ確認して
いる。 また、薄膜トランジスタは、その配線・電極側斜として
、透明導電膜を用いることが多いことは先に述べた通シ
であるが、本発明は透明等電膜を形成する前に前記プラ
ズマ処理を行なう製造方法を提供する。一般に透明導電
膜としては：［？１．２ｏ３゜ｓ７．ｏ、、工ＴＯなど
の金属酸化物が用いられるが、このような透明導電膜を
形成した後に前記プラズマ処理を行なうと、金属酸化物
ンバ舛元され、金属的性質を示すようになる。著しい場
合には金属の微小結晶粒が散在するような外観を呈する
ことさえある。このような状況下では、もはや透明導電
膜はその本来の特性を維持することは不可能である。し
たがって、本発明では、第４図に示したように、透明導
電膜形成前に前記プラズマ処理を行なう製造方法を提供
する。これにより、透明導電膜を用いる薄膜トランジス
タの用途に対しても、著し一トヲンジスタ特性の改善が
可能となる。なお、第４図に示した例では、層間絶縁膜
２４を形成した後に、前記プラズマ処理を行ない、その
後にコンタクトホールを開口し透明導電膜を形成したが
、必ずしもこれと同一のプロセスを採用する必要はない
。例えば、前記プラズマ処理はコンタクトホールを開口
した後でもよいし、ある′いはシリコン薄膜を形成した
直後、あるいはゲート絶縁膜を形成した直後でもよい。 すなわち、シリコン薄膜を形成した後で、透明導電膜を
形成する前であれば、どの段階で前記プラズマ処理を施
しても良い。 また、本発明は、前記プラズマ処理を行なった後の製造
工程を３５０℃以下にする薄膜トランジスタの製造方法
を提供する。これにつ−ては、以下、図をｍ−て説明す
る。 第６図は、前記プラズマ処理の効果の熱処理依存性を示
すグラフである。前記プラズマ処理の効果を示す目安と
して、縦軸にｖｔｈをとっである。 ｖｔｈは、ドレイン電圧を４ｖとして、１０　ｎ　Ａの
ドレイン電流を流すのに必要なゲート札出と定義しであ
る。図から明らかなように、プラズマ処理を施すことに
よシ、ｖｔｈは９■から３．７ｖに低下し、２００℃、
２５０℃、３００℃の熱処理を順次加えてもその値は全
く変化しない。３５０℃の熱処理ではわずかにｖｔｈの
増加が見られるが、微小な変化に過ぎない。ところが、
４００℃以上の熱処理を加えると、ｖｔｈは急激に増大
し、４５０℃でけほぼ初期に等しい値を示している。こ
のように、前記プラズマ処理の効果は３５０℃以下の熱
処理では１１は完壁に保持されているが、４００℃以上
になると急激に劣化する。したがって前記プラズマ処理
を行なった後は、すべての製造工程を３５０℃以下に保
つことによって初めてその効果が発揮される。 例ｔば、第４図において、ソース・ドレイン領域内の不
純物を活性化させる等の目的で、高温のアニール処理を
必要とする場合には、そのアニール処理後に前記プラズ
マ処理を行なわなくてはならな−。この上５に、プラズ
マ処理を行なった後の熱処理によシ特性が再び劣化する
原因は次のように考えられる。すなわち、プラズマ処理
により導入された水素はシリコン原子と結合してダング
リングボンドを消滅させているが、その結合はある有限
の結合エネルギーによシ維持されており、外部からの熱
エネルギーによりその結合は容易に解き放たれる。その
熱エネルギーの大きさは、解離度に対して指数関数的に
寄与し、したがって、ある温度から急激にシリコンと水
素の解離が進行する。 以上述べたように、本発明は薄膜トランジスタの特性、
特にそのＯＢ＋状態における特性を著しく改善せしめる
と共に、透明導電膜を必要とする用途に対してもその適
用を可能とし、さらに、その効果を充分発揮せしめると
込う数多くの優れた効果を有する薄膜トランジスタの製
造方法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ、）〜（ｂｌは薄膜トランジスタを用いｌヒ
アクティブマトリックス基板の一般的な回路図である。 第２図（α）〜（ｄ＋は従来の薄膜トランジスタの製造
方法の１例を示す図である。 第３図は従来の方法によシ製造された薄膜トランジスタ
の特性の１例を示すグラフである。 Ｍ４図１ａｌ〜（ｇｌは本発明による拗膜トヲンジスタ
の製造方法の１例を示す図である。 第５図は本発明の方法により製造された薄朕トヲンジス
タの特性の１例を示すグラフである。 第６図は本発明の方法により製造された尚：膜トランジ
スタの特性が熱処理と共に変化する様子を示したグラフ
である。 （し） ｌ　’　　　　　０　　　　１　ｏ　　　　　ｈｏ　　
　　　３０Ｖｉｓ　　（ｖｏｌｔ） 第３０ 第４図 −１００１０２０３０ ７６Ｓ（ｙｏｌす

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｆｉｌ　　シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタの製
   造方法において、前記シリコン薄膜を形成した後に、水
   素、もしくは水素と窒素を主成分とする算量気中でプラ
   ズマ処理を行ムうことを特徴とする薄膜トランジスタの
   製造方法。 （２１前記プラズマ処理は、透明導電膜形成前に行なわ
   れ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方法。 （３）前記プラズマ処理を施した後の製造工程はすべて
   ３５０℃以下で行なわれることを特徴とする特許請求の
   範囲ｍ１項記載の薄膜トランジスタの製造方法。