JPS63136570A - 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】 産業上の利用分野 この発明は、薄膜トランジスタ、特にゲート絶縁膜と半
導体膜との界面に起因する薄膜トランジスタ特性の不安
定性が改良された薄膜トランジスタに関する。

従来の技術 薄膜トランジスタは、ソース・ドレイン電極間の半導体
の電気伝導度を、半導体と接する絶縁膜を介して設けら
れた第三の電極（ゲート電極〉に印加する電圧によって
制御するいわゆる電界効果型トランジスタとして知られ
ている。従来薄１１ｇ　トランジスタは、大面績に渡っ
てスイッヂングアレーを形成し易い点、あるいは材料が
安価なため低コストになり得るなどの点で、イメージセ
ンサあるいは液晶やＥＬ表示装置等の駆動回路やスイッ
チングアレーを目的に研究が続けられている。このよう
な薄膜トランジスタにおいて、最も重要な点は、素子持
１１の変動がなく長時間にわたって安定に動作すること
である。

薄膜トランジスタ特性の経時変化の原因としては、半導
体膜中あるいは半導体膜とゲート絶縁膜との界面あるい
はゲート絶縁膜中にあって電子を捕獲することのできる
電荷トラップによるものと考えられている。この内、ゲ
ート絶縁膜中に存在する電荷トラップは他の電荷トラッ
プに比べてその数が多く、また、絶縁膜中の伝導度が低
いため通常長い緩和時凹を必要とすることから、薄膜ト
ランジスタ特性の長期的な経時変化の主たる原因である
と考えられている。絶縁膜中に電荷トラップが多く存在
したり、絶縁膜のリーク電流が大きいと、半導体膜と絶
縁膜との界面に形成されたチャネル中を移動する電子が
絶縁膜中に引き込まれ、電荷トラップに捕獲され、実効
的なゲート電圧が変化してドレイン電流が変動したりす
る。以上の点から安定なトランジスタ特性を有する素子
を実現するには、電荷トラップが少な（リーク電流の少
ない絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることが望ましい
。

従来、上記薄膜トランジスタのゲート絶縁膜としては、
電子ビーム蒸着法あるいはスパッタ法で形成した、Ａｌ
２Ｏ３、Ｔａ２０５、ＳｉＯ２、Ｓｉ　　ａＮａ等の薄
膜が用いられていた。

発明が解決しようとする問題点 Ａｌ２Ｏ３やＴａ２０５あるいはそれらの複合絶縁膜は
、高い比誘電率を有するが、一般に他の材料との密着性
が悪（製造工程の途中で物理的にはがれやす（、歩留ま
りが悪いという欠点があった。また、これらの理由から
界面で多（の電荷トラップが発生し、経時変化が大きい
という問題があった。また、Ｓ　ｉ　Ｏ２や５ｉａＮａ
等のシリコンを主成分とする絶縁膜は、一般に比誘電率
が小さく薄膜トランジスタの相互コンダクタンスを大き
くできないという欠点があった。また、電子ビーム蒸着
法により得られる絶縁膜は、高真空中で蒸着物質が高温
に加熱されるため、蒸着時に熱解離が起こり組成比が化
学量論的組成からずれていることが多く、特に酸化物の
場合には、酸素欠陥ができて、それが電荷トラップとな
るばかりでなくリーク電流が増加する原因となる。以上
のような理由から、従来の薄膜トランジスタでは経時変
化が太き（、相互コンダクタンスが小さく、再現１１に
乏しいものしか得られなかった。

そこで、本発明は、以上のような問題点を解決して、長
期にわたり安定した特性を有し、再現性よく製造できる
薄膜トランジスタを提供することを目的としている。

問題点を解決するための手段 薄膜トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜を、少な（と
もアルミニウムとタンタルとを主成分とする複合絶縁物
スパッタ薄膜からなる第１のゲート絶縁膜と、前記第］
のゲート絶縁膜と半導体膜との間にあって、少なくとも
アルミニウムとシリコンとを主成分とする複合絶縁物ス
パッタ薄膜からなる第２のゲート絶縁膜との多層膜から
構成する。

作用 本発明によれば、半導体膜に接するゲート絶縁膜として
スパッタ法により形成されたアルミニウムとシリコンと
を主成分とする絶縁物薄膜が用いられており、これらの
膜は化学量論的組成からのずれが少な（、シたがって欠
陥による電荷トラップが少なく、また第１のゲート絶縁
膜であるアルミニウムとタンタルとを主成分とする複合
絶縁物スパッタ薄膜と一部組成が共通であるため、密着
性に優れており界面近傍において欠陥が生成されに（い
ので、半導体チャネル中を流れる電子がトラップされに
（（なる。また、第２のゲート絶縁膜であるアルミニウ
ムとタンタルとを主成分とする複合絶縁物スパッタ薄膜
は、半導体膜との密着性に優れている。また、多層構造
のためピンホール等の欠陥の成長が途中の界面で断ち切
られるためリーク電流が非常に小さくなる。また、アル
ミニウムをタンタルとを主成分とする複合絶縁物スパッ
タ薄膜と同様にアルミニウムとシリコンとを主成分とす
る複合絶縁物スパッタＪ膜も、比誘電率がシリコンのみ
を主成分とする絶縁膜よりも大きいため、全体として容
量が大きくなり、相互コンダクタンスの大きい薄膜トラ
ンジスタとなる。

以上に述べた作用により本発明の薄膜トランジスタはゲ
ート絶縁膜の構成が、半導体膜との界面で電荷トラップ
が少なく、全体として高い比誘電率を有し、リーク電流
を少なくしているので、経時変化の小さいものとなる。

実施例 以下、本発明の実施例を添付図面にもとすいて説明する
。

第１図は本発明の薄膜トランジスタの一実施例を示す断
面図である。

ガラス等の絶縁性基板１上に１１００ｎ程度の膜厚を有
するＡ１からなるゲート電極２、さらにそのゲート電極
２を含む絶縁性基板１上に３００ｎｍ程度の膜厚を有し
、高周波マグネトロンスパッタ法により形成されたＡＩ
とＴａとの複合絶縁膜からなる第１のゲート絶縁膜３、
さらにその上に３０ｎｍ程度の膜厚を有し、同様に高周
波マグネトロンスパッタ法により形成された、ＡＩとＳ
ｉとの複合絶縁膜からなる第２のゲート絶縁膜４、この
上に５０ｎｍ程度の膜厚を有し、抵抗加熱法により形成
されたＣｄＳｅからなる半導体膜５、さらにその上に、
数〜数十ミクロンの所定の間隔を隔てて１１００ｎ程度
の膜厚を有するｌ＼Ｉからなるソース電極６及びドレイ
ン電極７がら構成されている。

第２図は第２のゲート絶縁膜中のＡ　Ｉ　２０３と５ｉ
０２の分子比率を変化させたときの比誘電率を示してお
り、本実施例では比誘電率が５となる条件を選んだ。

本発明の薄膜トランジスタの効果を調べるため第１図の
第１のゲート絶縁膜３と第２のゲート絶縁膜４の厚さを
変えて、第１表に示すように薄膜トランジスタ〈Ａ〉、
（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）を試作した。また、薄膜トラン
ジスタ（Ｄ）は第２のゲート絶縁膜を５ｉ０２とした。

ここで（Ａ）は上記で示した本発明の薄膜トランジスタ
である。

それぞれのサンプルのチャネル長は１０μｒｎ　。

チャネル幅は５０μｍとした。

第１表 第３図はゲート電圧を変化させたときのドレイン電流を
示している。図がら明らかなように、本発明の薄膜トラ
ンジスタ（Ａ）は、第２のゲート絶縁膜であるＡＩとＳ
ｉとの複合絶縁膜の比誘電率が比較的大きいため、（Ｂ
）の薄膜トランジスタとほぼ同等の電気特性が得られ、
比誘電率の大きいＡＩとＴａとの複合絶縁物スパッタ薄
膜の特徴が損なわれないことを示している。一方（Ｃ）
や（Ｄ）の薄膜トランジスタでは、ＡＩとＴａとの複合
絶縁膜に比べＡＩとＳｉとの複合絶縁膜の比誘電率の方
が小さいため、あるいはＡＩとＳｉとの複合絶縁膜に比
べ５ｉ０２の比誘電率の方が小さいために、大きなドレ
イン電流を得るためには、大きなゲート電圧を必要とす
ることがわかる。

第４図は、第１図でソース電極６とドレイン電極７を共
通電極として、これとゲート電極２との間に電圧を印加
したときのリーク電流を示している。本発明の薄膜トラ
ンジスタ（Ａ）では（Ｂ）または（Ｃ）の薄膜トランジ
スタに比べて十分にリーク電流が小さいことがわかる。

これは多層構造のため、スパッタ時に発生したピンホー
ル等の欠陥が第１のゲート絶縁膜と第２のゲート絶縁膜
との界面で断ち切られる確率が高（なるためと考えられ
る。リーク電流が少ないと絶縁膜中の電荷トラップに注
入される電子の個数も少なくなるため、薄膜トランジス
タ特性の経時変化を小さくすることができる。また、（
Ｄ）の薄膜トランジスタ、よりもリーク電流が少ないこ
とから、５ｉ０２の単独膜よりもＡＩとＳｉとの複合絶
縁膜とした方がよりちみつな膜が形成されることがわか
る。

第５図は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の薄膜トラ
ンジスタについてドレ・ｆン電流の経時変化を示したち
のである。本発明の薄膜トランジスタ（Ａ）では、経時
変化が非常に少ない。これは、半導体膜とゲート絶縁膜
との界面近傍において、非常に密着性がよいため欠陥の
発生が少なく経時変化の主たる原因である電荷トラップ
の数が非常に少ないことを意味している。また、前述し
たようにリーク電流が少ないため電荷トラップに注入さ
れる電子の数自体が少なくなるためと考えられる。

第１図のゲート絶縁膜としては、抵抗加熱法や電子ビー
ム法により作製された絶縁膜では上記のような特性は得
られず、スパッタ法により作製することで電荷トラップ
が少なくなることがわかる。

第２のゲート絶縁膜がＡ１とＳｉとの他にチッ素を含有
すれば、チッ素は可動不純物イオンを捕獲する作用があ
り、不純物イオンの移動による特性の不安定性を改善す
ることができる。

第２のゲート絶縁膜の厚さは、比誘電率が小さいため、
大きな相互コンダクタンスを得るためには、５０ｎｍ以
下であることが望ましい。また、１０ｎｍ以下では安定
した膜特性が得られなかった。

本実施例では、半導体膜としてＣｄＳｅを用いた場合に
ついて述べたが、ＣｄＳ、ＣｄＴｅあるいはそれらの固
溶体の場合にも本発明の効果が大であることがわかった
。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明の薄膜トランジ
スタでは、ゲート絶縁膜と半導体膜との界面において電
荷トラップが少なく、また、リーク電流が少ないことか
ら電荷トラップへの電子の注入そのものが起こりにくい
ため、薄膜トランジスタの電気特性や安定性を太き（改
善することができる。また、ゲート絶縁膜の比誘電率が
全体として大きくなるため、相互コンダクタンスが大き
く各種表示装置の駆動等に広く利用できるものである。

【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を示す断
面図、第２図はＡ１とＳｉとの複合絶縁膜の組成と比誘
電率との関係を示す図、第３図は薄膜トランジスタの電
気特性を示す図、第４図はゲート絶縁膜のリーク電流を
示す図、第５図は薄膜トランジスタ特性の経時変化を示
す図である。 １・・・・絶縁性基板、２・・・・ゲート電極、３．１
．。 第１のゲート絶縁膜、４・・・・第２のゲート絶縁膜、
５・・・・半導体膜、６・・・・ソース電極、７・・・
・ドレイン電極。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１８第　２　図 Ａ）Ｚθ３の分子比皇　（、り少 第３図 デート電Ｆｉ−（の 第４図 ０　　　　５０　　　　１０θ 叩ガロ電浮（Ｖ少

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板上に設けた少なくともドレイン電極、
   ゲート電極、ソース電極、半導体膜及びゲート絶縁膜で
   構成され、前記ゲート絶縁膜が、少なくともアルミニウ
   ムとタンタルとを主成分とする複合絶縁物スパッタ薄膜
   からなる第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁
   膜と前記半導体膜との間にあって、少なくともアルミニ
   ウムとシリコンとを主成分とする複合絶縁物スパッタ薄
   膜からなる第２のゲート絶縁膜との多層膜からなること
   を特徴とする薄膜トランジスタ。
2. （２）第２のゲート絶縁膜が少なくともアルミニウムと
   シリコンとチッ素とを主成分とする複合絶縁物スパッタ
   薄膜からな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。
3. （３）第２のゲート絶縁膜の厚さが１０ｎｍ以上５０ｎ
   ｍ以下であ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。
4. （４）半導体膜が、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ又はそ
   れらの固溶体であ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。