DE19751745A1 - Gateisolierschicht mit diamantähnlichem Kohlenstoff und Dünnfilmtransistor, der diese verwendet, und einen Prozeß zum Herstellen der Gateisolierschicht und des Dünnfilmtransistors - Google Patents

Gateisolierschicht mit diamantähnlichem Kohlenstoff und Dünnfilmtransistor, der diese verwendet, und einen Prozeß zum Herstellen der Gateisolierschicht und des Dünnfilmtransistors

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DE19751745A1 DE19751745A DE19751745A DE19751745A1 DE 19751745 A1 DE19751745 A1 DE 19751745A1 DE 19751745 A DE19751745 A DE 19751745A DE 19751745 A DE19751745 A DE 19751745A DE 19751745 A1 DE19751745 A1 DE 19751745A1
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie eines Dünnfilmtransistors eines Flüssigkristallbauelements (LCD bzw. Liquid Crystal Device") und insbesondere eine Gateisolierschicht, die diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist, und einen Dünnfilm­ transistor mit derselben, und ein Verfahren zur Herstellung der Gateisolierschicht und des Dünnfilmtransistors.
Im allgemeinen umfaßt ein Dünnfilmtransistor, der als ein Schaltbauelement dient, einen normal gestaffelten bzw. versetzten ("staggered") Typ eines Dünnfilmtransistors und einen invertiert gestaffelten ("staggered") Typ des Dünnfilmtransistors, von denen jeder eine Gateelektrode aufweist, die vertikal von einer Sourceelektrode und einer Drainelek­ trode über eine aktive Schicht, d. h. eine Halbleiterschicht, getrennt ist und einen koplana­ ren Typ eines Dünnfilmtransistors, der eine Gateelektrode, eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode aufweist, die alle auf einer Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildet sind. Die aktive Schicht ist aus etwas hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, Polysilizium, hydriertem amorphem Silizium und chemischen Halbleitern besteht. Unter diesen wird das hydrierte amorphe Silizium a-Si:H weitgehend für den Dünnfilmtransistor (TFT) im Hinblick auf eine gute Produktionsausbeute und eine leichte Ausbildung bzw. Gestaltung in großem Umfang verwendet. Eine Gateisolier­ schicht des Dünnfilmtransistors mit einer derartigen amorphen Siliziumschicht ist mit einer doppelten Schicht versehen bzw. doppelgeschichtet. Bei der doppelschichtigen Gateisolierschicht wird ein Pinhole, das bei einer Ausbildung einer unteren Gateisolier­ schicht erzeugt wird, während einer Ausbildung einer oberen Gateisolierschicht entfernt. Deshalb erhöht sich die Ausbeute der Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallanzeige (TFT-LCD), die die doppelschichtige Gateisolierschicht verwendet.
Es werden Ta2O5/SiNx, Al2O3/SiNx, eine chemische Dampfabscheidung bei Atmosphären­ druck (APCVD bzw. "Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition") SiO2/eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) bzw. "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition") SiNx, SiON/SiNx für die doppelschichtige Gateisolier­ schicht des TFT verwendet. Die Ta2O5/SiNx-Gateisolierschicht wird sequentiell durch die anodische Oxidation von Ta und PECVD von SiNx ausgebildet. Alternativ können beide Schichten durch Sputtering bzw. Zerstäubung hergestellt werden, wobei eine hohe Mobilität bzw. Beweglichkeit erzielt wird. Wegen der Unlöslichkeit von TaOx gegenüber einer HF- oder PHF-Lösung erniedrigt Ta2O5/SiNx einen Isoliereffekt und erhöht somit eine Produktionsausbeute des TFT, der dasjenige verwendet bzw. benutzt. Da es jedoch zu schwierig ist, das Ta2O5/SiNx naß zu ätzen, sollte ein Trockenätzen durchgeführt werden, um ein Kontaktloch in der Gateisolierschicht auszubilden.
Um eine RC-Treiberverzögerung einer Abtastzeile bzw. Abtastlinie zu verringern, die mit einer Gateelektrode in einem TFT-Feld integriert ist, wird ein Metall eines niedrigen spezifischen Widerstands für die Gateelektrode benötigt. Deshalb wurde anstelle von Chrom Aluminium für die Gateelektrode und eine gemeinsame Elektrode einer Hilfskapazität verwendet, weil der spezifische Widerstand des Aluminiums ungefähr ein Zehntel jenes des Chroms beträgt. Anodisch oxidiertes Aluminium Al2O3 und SiNx dienen als doppelschichtige Gateisolierschicht. Jedoch ist der Herstellungsprozeß von Al2O3/SiNx kompliziert.
Bei einem TFT, der APCVD SiO2/PECVD SiNx verwendet, eine andere doppelschichtige Gateisolierschicht, ist eine Verbindung zwischen dem APCVD-System und dem PECVD-System während eines In-Line-Prozesses schwierig, obwohl die Produktivität aufgrund der hohen Depositionsgeschwindigkeit von SiO2 erhöht ist.
Als einen anderen Bestandteil der Gateisolierschicht gibt es SiOxNy, das eine kleinere mechanische Spannung, einen größeren optischen Bandabstand aufweist und das stärker hydrophob als SiNx ist. Die Reproduktion von SiOxNy, das ausgebildet wird, indem PECVD verwendet wird, ist nicht gut. Dementsprechend ist es selten, daß SiOxNy als Gateisolierschicht für den TFT verwendet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gateisolierschicht bereitzustellen, um die oben erwähnten Nachteile maximal zu reduzieren, und ein Verfahren bereitzustellen, um dieselbe herzustellen.
Weiter soll gemäß der Erfindung ein Dünnfilmtransistor bereitgestellt werden, der eine derartige Gateisolierschicht verwendet, womit eine Produktionsausbeute des Dünnfilm­ transistors erhöht wird, und ein Prozeß bereitgestellt werden, um denselben herzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe umfaßt eine Gateisolierschicht eines Transistors mit einer Gateelektrode und einer aktiven Schicht eine diamantahnliche Kohlenstoffschicht, die zwischen der Gateelektrode und der aktiven Schicht ausgebildet ist. Weiter umfaßt der Prozeß den Schritt der Ausbildung einer Siliziumnitridschicht auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht, nachdem die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ausgebildet worden ist und bevor die aktive Schicht ausgebildet wird, oder auf der aktiven Schicht, nachdem die aktive Schicht ausgebildet worden ist und bevor die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht ausgebildet wird.
Hier wird die diamantähnliche Kohlenstoffschicht durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) ausgebildet und die Siliziumnitridschicht wird ebenso durch PECVD ausgebildet. Die diamantähnliche Kohlenstoffschicht wird ausgebildet, indem ein Gas verwendet wird, das Kohlenstoffelemente darin enthält, wie z. B. CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8. Ebenso wird die diamantähnliche Kohlenstoffschicht bei 25°C bis 400°C ausgebildet.
Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Dünnfilmtransistor eine Gateelektrode; eine aktive Schicht; und eine Gateisolierschicht mit wenigstens einer diamantähnlichen Kohlen­ stoffschicht, die zwischen der Gateelektrode und der aktiven Schicht ausgebildet ist. Die aktive Schicht ist aus etwas ausgebildet, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, Polysilizium, hydriertem amorphem Silizium und einem Verbindungs- bzw. zusammengesetzten Halbleiter ausgewählt ist. Die Gateisolierschicht umfaßt weiter eine Siliziumnitridschicht, die zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoff­ schicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist. In einem TFT vom invers gestaffelten Typ wird die Gateelektrode unterhalb der Gateisolierschicht (oder der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht) ausgebildet und eine Sourceelektrode wird auf einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet, und eine Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, wird auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet. Bei einem normal gestaf­ felten Typ wird die Gateelektrode auf der Gateisolierschicht (oder der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht) ausgebildet und die Sourceelektrode wird unterhalb eines Teils der aktiven Schicht ausgebildet und eine Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, wird auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet. Bei einem koplanaren Typ wird die Gateelektrode auf der Gateisolierschicht (oder diamantähnlichen Kohlen­ stoffschicht) ausgebildet und eine Sourceelektrode wird auf der aktiven Schicht ausge­ bildet und eine Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, wird auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet.
Ein Prozeß zur Herstellung eines TFT vom invers gestaffelten Typ umfaßt die Schritt der Ausbildung einer Gateelektrode auf einem Substrat; ein Ausbilden einer Gateisolier­ schicht, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht umfaßt, auf dem Substrat, das die Gateelektrode enthält; das Ausbilden einer aktiven Schicht auf der Gateisolierschicht; und das Ausbilden einer Sourceelektrode auf einem Teil der aktiven Schicht; und das Aus­ bilden einer Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode. Hier wird die aktive Schicht aus etwas ausgebildet, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, Polysilizium, hydriertem amorphem Silizium und einem Verbindungs- bzw. zusammengesetzten Halbleiter besteht. Der Prozeß umfaßt weiter den Schritt, bei dem eine Siliziumnitridschicht auf der diamant­ ähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet wird, bevor die aktive Schicht ausgebildet wird.
Ein Prozeß zur Ausbildung eines TFT vom normal gestaffelten Typ auf einem Substrat umfaßt die Schritte, wonach eine Sourceelektrode auf einem Teil des Substrats ausgebildet wird; eine Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet wird; eine aktive Schicht auf dem Substrat ausge­ bildet wird, das die Sourceelektrode und die Drainelektrode enthält; eine Gateisolier­ schicht, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht aufweist, auf der aktiven Schicht ausgebildet wird; und eine Gateelektrode auf der Gateisolierschicht ausgebildet wird. Der Prozeß umfaßt weiter den Schritt der Ausbildung einer Siliziumnitridschicht auf der aktiven Schicht, bevor die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ausgebildet wird.
Ein Prozeß zur Ausbildung eines TFT vom koplanaren Typ auf einem Substrat umfaßt die Schritte der Ausbildung einer aktiven Schicht auf dem Substrat; die Ausbildung einer Sourceelektrode auf einem Teil der aktiven Schicht; die Ausbildung einer Drainelektrode, die von der Sourceelektrode getrennt ist, auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode; die Ausbildung einer Gateisolierschicht zwischen der Sourceelektrode und der Drainelek­ trode auf einem anderen Teil der aktiven Schicht, wobei die Gateisolierschicht die diamantähnliche Kohlenstoffschicht umfaßt; und die Ausbildung einer Gateelektrode auf der Gateisolierschicht. Der Prozeß umfaßt weiter den Schritt der Ausbildung einer Siliziumnitridschicht auf der aktiven Schicht, bevor die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht ausgebildet wird.
Da diamantähnlicher Kohlenstoff mit guten Isoliereigenschaften als Gateisolierschicht verwendet wird, nimmt die Produktionsausbeute eines TFT, der diamantähnlichen Kohlenstoff verwendet, zu.
Die folgende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen erfolgt anhand der Figuren. Verschiedene Merkmale verschiedener Ausführungsformen können untereinander kombiniert werden.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Dünnfilmtransistors vom invers gestaffelten Typ, der eine Gateisolierschicht verwendet, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht und Siliziumnitridschicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt,
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Dünnfilmtransistors vom normalgestaffelten Typ, der eine Gateisolierschicht verwendet, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht und eine Siliziumnitridschicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt,
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Dünnfilmtransistors vom koplanaren Typ, der eine Gateisolierschicht verwendet bzw. benutzt, die eine diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht und eine Siliziumnitridschicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt,
Fig. 4 ist eine Ansicht, die eine Stromspannungscharakteristik einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht zeigt, die als Gateisolierschicht des TFT verwendet wird,
Fig. 5 ist eine Ansicht, die eine Leckstromcharakteristik einer diamantähnlichen Kohlen­ stoffschicht zeigt, die als eine Gateisolierschicht des TFT verwendet wird, und zwar in Antwort auf den Wasserstofffluß, der für ihre Abscheidung bzw. Deposi­ tion verwendet wird,
Fig. 6 ist eine Ansicht, die einen optischen Bandabstand der diamantähnlichen Kohlen­ stoffschicht zeigt, die als die Gateisolierschicht des TFT verwendet wird,
Fig. 7 ist eine Ansicht, die eine Drainstrom-Gatespannungs-Charakteristik des TFT mit hydriertem amorphem Silizium und mit doppelschichtiger Gateisolierschicht zeigt, die den diamantähnlichen Kohlenstoff und Siliziumnitrid aufweist,
Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine Ausgangseigenschaft bzw. Ausgangskennlinie des TFT mit hydriertem amorphem Silizium und mit doppelschichtiger Gateisolierschicht zeigt, die den diamantähnlichen Kohlenstoff und das Siliziumnitrid aufweist,
Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine elektrische Feldeffektmobilität µEF des TFT mit hydrier­ tem amorphem Silizium und mit doppelschichtiger Gateisolierschicht, die diamant­ ähnlichen Kohlenstoff und Siliziumnitrid aufweist, zeigt.
Hierin werden Ausführungsformen der Erfindung hinsichtlich eines Dünnfilmtransistors, der eine Gateisolierschicht enthält und ein Prozeß zu dessen Herstellung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im folgenden beschrieben:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Dünnfilmtransistors (TFT) vom invers gestaffelten Typ gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 10 wird vorbereitet. Das Substrat 10 weist ein transparentes isolierendes Material, wie z. B. Glas oder ein Siliziumsubstrat, mit einer Isolierschicht darauf auf. Eine Gateelektrode 11 wird auf einem Teil des Substrats 10 abgeschieden. Die Gateelektrode 11 ist aus einem Metall, wie z. B. Chrom oder Aluminium, zum Abgriffätzen bzw. konischen Ätzen hergestellt, um so eine Stufen­ abdeckung eines dünnen Films, der bei einem darauffolgenden Prozeß ausgebildet wird, zu verbessern. Auf dem Substrat, das die Gateelektrode 11 enthält, ist eine Gateisolier­ schicht 12 ausgebildet. Die Gateisolierschicht umfaßt eine diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht 12-1 und eine Siliziumnitridschicht 12-2. Auf der anderen Seite kann nur die diamantähnliche Kohlenstoffschicht 12-1 eine Rolle der Gateisolierschicht spielen, indem eine Prozeßbedingung zur Ausbildung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht gesteuert bzw. geregelt wird. Zum Beispiel wird das Pinhole überwiegend bzw. zum Großteil entfernt, wenn eine Dicke der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht dicker ist als jene der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht in der doppelschichtigen Gateisolierschicht. Eine aktive Schicht 13 wird auf der Siliziumnitridschicht 12-2 der Gateisolierschicht 12 angeordnet, durch die eine Charakteristik bzw. Eigenschaft des TFT bestimmt wird. Die aktive Schicht wird aus amorphem Silizium, Polysilizium, hydriertem amorphem Silizium oder einem Verbindungshalbleiter hergestellt. Bei dieser Ausführungsform wird das hydrierte amorphe Silizium als ein Bestandteil der aktiven Schicht verwendet bzw. benutzt. Unter bzw. zwischen der aktiven Schicht ist der entsprechende Teil bzw. Abschnitt der Gateelektrode 11 ein Kanalbereich des TFT. Die Niedrigwiderstands­ kontaktbereiche 14a und 14b für eine gute ohm'sche Kontaktcharakteristik werden an beiden Enden der aktiven Schicht ausgebildet. Die Niedrigwiderstandskontaktbereiche 14a und 14b bestehen beide aus hochdotiertem amorphem Silizium, hochdotiertem hydriertem amorphem Silizium oder hochdotiertem hydriertem Mikrokristallsilizium (n⁺µ c-si:H). Eine Sourceelektrode 15a und eine Drainelektrode 15b werden auf der aktiven Schicht 13 und den Niedrigwiderstandskontaktschichten 14a und 14b ausgebildet.
Der Prozeß für den TFT in Fig. 1 wird unten beschrieben. Metall aus Chrom oder Aluminium wird auf dem Substrat 10 abgeschieden, um die Gateelektrode 11 auszubilden. Eine erste Gateisolierschicht 12-1 von diamantähnlichem Kohlenstoff wird auf dem Substrat 10, das die Gateelektrode 11 enthält, durch plasmaverstärkte chemische Dampf­ abscheidung (PECVD) ausgebildet, die ein Gas verwendet, das ein Kohlenstoffelement bzw. einen Kohlenstoffbestandteil, wie z. B. CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8 enthält. Die Abscheidung von diamantähnlichem Kohlenstoff wird in der Art und Weise eines selbst­ reduzierten elektrischen Feldes mit 15 sccm eines CH4-Gases, 0 bis 30 sccm eines H2-Gases, 20 sccm eines He-Gases, 25 bis 250°C an Substrattemperatur, 100 W an RF-Lei­ stung und 500 mTorr an Gasdruck ausgeführt.
Im folgenden wird das selbstreduzierte elektrische Feld erklärt. Im allgemeinen wird der diamantähnliche Kohlenstoff auf einer Elektrode gewachsen, an die Plus-RF-Leistung bzw. Zusatz-RF-Leistung ("RF" steht für "HF" bzw. "Radio Frequency"). Falls eine Entladung ausgeführt wird, nachdem die Plus- bzw. Zusatzleistung der Elektrode zu­ geführt worden ist, wird auf der Elektrode ein Ionenschichtbereich ausgebildet, der durch die Mobilitätsdifferenz zwischen einem Elektron und einem geladenen Teilchen verursacht wird. Der Ionenschichtbereich weist aufgrund des Plasmas ein elektrisches Feld mit einer negativen Spannung auf. Deshalb, wegen des elektrischen Feldes aufgrund des Plasmas, bewegt sich ein positiv geladenes Teilchen leicht und unter einem Beschleunigungs­ vorgang in Richtung zu der Elektrode und auf die Elektrode, wodurch ein Ionenbom­ bardement zwischen dem positiv geladenen Ion und dem negativ geladenen Ion erzeugt wird, wodurch die harte diamantähnliche Kohlenstoffschicht erzeugt wird. In dem Fall, in dem der diamantähnliche Kohlenstoff als eine Isolierschicht verwendet wird, zerstört das Ionenbombardement dessen charakteristische Eigenschaft. Deshalb wird zur Reduzie­ rung des Ionenbombardements der diamantähnliche Kohlenstoff vorzugsweise auf einer Elektrode aufgewachsen, die geerdet ist. Dies ist das selbstreduzierende elektrische Feld.
Nach der Ausbildung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht 12-1 wird eine zweite Gateisolierschicht 12-2 aus Siliziumnitrid auf der ersten Gateisolierschicht 12-1 des diamantähnlichen Kohlenstoffs abgeschieden. Das Siliziumnitrid wird in einem PECVD-Appa­ rat unter 0,5 sccm eines SiH4-Gases, 28 sccm eines Ammoniakgases, 100 sccm eines Heliumgases, 300°C Substrattemperatur, 30 W an RF-Leistung und 400 mTorr an Gasdruck abgeschieden. Danach werden hydriertes amorphes Silizium und hochdotiertes hydriertes amorphes Silizium nacheinander auf der zweiten Gateisolierschicht 12-2 abgeschieden und mit einem Muster versehen bzw. gemustert, um die aktive Schicht 13 und die Niedrigwiderstandskontaktschichten 14a und 14b auszubilden. Das hydrierte amorphe Silizium für die aktive Schicht 13 wird in dem PECVD-Apparat mit 1 sccm an SiH4-Gas, 200°C an Substrattemperatur, 10 W an RF-Leistung und 200 mTorr an Gasdruck abgeschieden. Ein Träger in dem aktiven Bereich 13 des hydrierten amorphen Siliziums bewegt sich zu der Schnittstelle zwischen der zweiten Gateisolierschicht 12-2 des Siliziumnitrids und der aktiven Schicht 13, um eine Kanalschicht des TFT auszu­ bilden. Entsprechend wird die Schwellenspannung des TFT durch den Interfacezustand bzw. Zwischenflächenzustand beeinflußt bzw. beeinträchtigt. Das hochdotierte hydrierte amorphe Silizium für die Niedrigwiderstandskontaktschichten 14a und 14b wird ebenso in dem PECVD-Apparat mit 0,5 sccm an SiH4-Gas, 0,01 sccm an PH3-Gas, 100 sccm an He-Gas, 200°C an Substrattemperatur, 20 W an RF-Leistung und 20 mTorr an Gasdruck abgeschieden. Der Gasfluß wird durch eine Massenfluß-Steuereinrichtung während der obigen Abscheidung gesteuert.
In dem Fall, in dem nur die diamantähnliche Kohlenstoffschicht als die Gateisolierschicht verwendet wird, wird die Kanalschicht zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und der aktiven Schicht ausgebildet, indem die Prozeßbedingung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht modifiziert wird.
Dann wird Metall über dem Substrat abgeschieden und gemustert, um eine Sourceelek­ trode 15a und eine Drainelektrode 15b auszubilden, die mit der aktiven Schicht 13 über die Niedrigwiderstandskontaktschicht 14a und 14b überlappt werden.
Fig. 2 ist eine Ansicht, die den TFT vom normal gestaffelten Typ zeigt, der die doppel­ schichtige Gateisolierschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
Eine Drainelektrode 21 und eine Sourceelektrode 22, die von der Drainelektrode 21 getrennt sind, werden auf einem Substrat 20 ausgebildet. Eine aktive Schicht 23 wird auf der Resultierenden ausgebildet, in der die Source- und Drainelektroden 21 und 22 ausgebildet werden. Das Material der aktiven Schicht ist eines, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus amorphem Silizium, hydriertem amorphem Silizium, einem Verbindungshalbleiter und Polysilizium besteht, und zwar ähnlich wie in Fig. 1. Eine Gateisolierschicht, die die Siliziumnitridschicht 24-1 und die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht 24-2 umfaßt, wird auf der aktiven Schicht 23 ausgebildet. Die erste Gateisolier­ schicht 24-1 aus Siliziumnitrid steht mit der darunterliegenden aktiven Schicht in Kontakt. Eine Gateelektrode 25 wird auf der zweiten Gateisolierschicht 24-2 des diamantähnlichen Kohlenstoffs ausgebildet, wobei die Sourceelektrode und die Drainelektrode sich überlap­ pen. Die zweite Gateisolierschicht 24-2 des diamantähnlichen Kohlenstoffs wird durch das PECVD ausgebildet, wobei ein Gas verwendet wird, das ein Kohlenstoffelement, wie z. B. CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8, enthält. Ebenso wird die erste Gateisolierschicht 24-1 aus Siliziumnitrid durch die PECVD ausgebildet. Eine weitere Erläuterung hinsichtlich des Substrats 20, der Sourceelektrode/Drainelektrode 21 und 22, der aktiven Schicht 23, der Gateisolierschicht 24-1, 24-2 und der Gateelektrode 25 ähnelt jener der Fig. 1 und wird weggelassen.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen TFT vom koplanaren Typ zeigt, der die doppelschichtige Gateisolierschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
Eine aktive Schicht 31 wird auf einem Substrat 30 ausgebildet. Das Material der aktiven Schicht ist eines, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, hydriertem amorphem Silizium, Verbindungshalbleiter und Polysilizium ähnlich wie in den Fig. 1 und 2 ausgewählt ist. Eine Drainelektrode 32 und eine Sourceelektrode 33 werden auf einem Teil der aktiven Schicht 31 ausgebildet. Die Sourceelektrode 33 ist von der Drainelektrode 32 getrennt. Zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode ist eine Gateisolierschicht 34, die eine Siliziumnitridschicht 34-1 und die diamantähnliche Schicht 34-2 umfaßt, auf der aktiven Schicht 31 ausgebildet. Die erste Gateisolierschicht 34-1 des Siliziumnitrids kontaktiert die aktive Schicht 31 dort darunter. Eine Gateelek­ trode 35 wird auf der zweiten gateisolierenden Schicht 34-2 des diamantähnlichen Kohlen­ stoffs ausgebildet, und zwar mit Ausrichtung mit bzw. zu der Gateisolierschicht. Die zweite Gateisolierschicht 34-2 aus diamantähnlichem Kohlenstoff wird durch die PECVD ausgebildet, indem ein Gas verwendet wird, das ein Kohlenstoffelement, wie z. B. CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8, enthält. Ebenso wird die erste Gateisolierschicht 34-1 aus Silizi­ umnitrid durch PECVD ausgebildet. Die andere Erklärung hinsichtlich des Substrats 30, der Drainelektrode/Sourceelektrode 32 und 33, der aktiven Schicht 31, der Gateisolier­ schicht 34-1, 34-2 und der Gateelektrode 35 ähnelt jener der Fig. 1 und wird weggelas­ sen.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die eine Strom-zu-Spannung-Charakteristik eines diamantähnli­ chen Kohlenstoffs zeigt, der als eine Gateisolierschicht des TFT verwendet wird, bei dem eine Abscheidungstemperatur 25°C und 250°C beträgt. Der diamantähnliche Kohlenstoff wird mit einer Dicke von 1500 Å auf einem P-Typ-Siliziumwafer mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 15 Ω cm abgeschieden. Aluminium wird mit einer Dicke von 1 mm auf dem diamantähnlichen Kohlenstoff durch thermische Abscheidung in einem Vakuum abgeschieden, wobei ein MIS ("Metal Insulator Semiconductor" bzw. "Metall- Isolator-Halbleiter") ausgebildet wird. Dann wird die Strom-zu-Spannung-Charakteristik der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht verwendet, indem ein Kithely-Elektrometer 617 verwendet wird. In Fig. 4 beträgt eine Durchbruchsspannung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht 3 MV und die Stromdichte davon 10-10 A/cm2 bei einem elektrischen Feld von 1 MV/cm. Auf der anderen Seite nimmt, wenn die Abscheidetemperatur zunimmt, die Stromdichte der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ab und ihre Durch­ bruchsspannung nimmt zu.
Fig. 5 ist eine Ansicht, die eine Leckstromcharakteristik des diamantähnlichen Kohlen­ stoffs zeigt, der als eine Gateisolierschicht des TFT verwendet wird, und zwar in Antwort auf einen Wasserstofffluß, der zu deren Abscheidung verwendet wird. In Fig. 5 beträgt, wenn der Wasserstofffluß 4 sccm oder weniger ist, die Leckstromdichte des diamant­ ähnlichen Kohlenstoffs 10-9 A/cm2 oder weniger, wobei sich eine gute Isoliereigenschaft zeigt. Der Grund dafür ist, daß die diamantähnliche Schicht durch einen Selbstheizeffekt näher an einer Reinheit ist. Das heißt, ein Diffusionskoeffizient des diamantähnlichen Kohlenstoffs nimmt zu, da das Abscheiden des diamantähnlichen Kohlenstoffs ausgeführt wird, während sich die Temperatur des Substrats, auf dem der diamantähnliche Kohlen­ stoff ausgebildet wird, erhöht, was dessen Isoliereigenschaft verbessert. Da jedoch eine sehr hohe Temperatur bewirkt, daß sich die Struktur der diamantähnlichen Kohlenstoff­ schicht verändert und somit die diamantähnliche Kohlenstoffschicht in ein unterschiedli­ ches Material transformiert, ist eine korrekte bzw. passende Temperatur erforderlich. Im Hinblick auf die Fig. 4 und 5 kann man leicht erkennen, daß die Isoliercharakteristik der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht eng mit deren Abscheidetemperatur und dem Wasserstofffluß, der in dem Abscheideprozeß verwendet wird, zusammenhängt. Eine der anderen Vorteile des diamantähnlichen Kohlenstoffs ist, daß der diamantähnliche Kohlen­ stoff bei Raumtemperatur gewachsen werden kann, was sich aus dem Selbstheizeffekt ergibt.
Fig. 6 zeigt einen optischen Bandabstand der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht, die als die Gateisolierschicht des TFT verwendet wird. Der diamantähnliche Kohlenstoff wird auf einem Corning-7059-Glas abgeschieden und ein optischer Absorptionskoeffizient α des diamantähnlichen Kohlenstoffs wird durch einen UV-(Ultraviolett-)/VIS-(Sichtbar-)- Spektrometer gemessen. Der optische Bandabstand wird erzielt, indem der optische Absorptionskoeffizient α von der folgenden Gleichung verwendet wird.
(α h ν)1/2 = B (E-Eg opt),
wobei B eine Konstante ist, die eine Steigung eines Graphen in Fig. 6 zeigt, hν eine optische Energie eines einfallenden Lichts ist, α der optische Absorptionskoeffizient und Eg opt der optische Bandabstand ist.
Nimmt man Bezug auf Fig. 6, so beträgt der optische Bandabstand des diamantähnlichen Kohlenstoffs 4,25 eV, so daß der diamantähnliche Kohlenstoff als Isolierschicht verwen­ det werden kann.
Fig. 7 ist eine Ansicht, die eine Drainstrom-zu-Gatespannung-Charakteristik des hydrier­ ten amorphen Silizium-TFT mit doppelschichtiger Gateisolierschicht, die den diamant­ ähnlichen Kohlenstoff und Siliziumnitrid umfaßt, zeigt. In Fig. 7 liegt eine unterhalb der Schwellenspannung gelegene Steigung des diamantähnlichen Kohlenstoffs bei ungefähr 0,36 V/Dekade und das Verhältnis eines Ein-Stroms zu einem Aus-Strom beträgt 106 oder mehr.
Fig. 8 zeigt eine Ausgangseigenschaft bzw. eine Ausgangskennlinie des hydrierten amorphen Silizium-TFT mit einer doppelschichtigen Gateisolierschicht, die den diamant­ ähnlichen Kohlenstoff und das Siliumnitrid umfaßt. Die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht beträgt 1500 Å. Die Siliziumnitridschicht beträgt 3500 Å. Die aktive Schicht beträgt 1500 Å. Die Niedrigwiderstandskontaktschichten betragen 500 Å. Der diamant­ ähnliche Kohlenstoff wird mit 15 sccm von CH4-Gas, 1 sccm von H2-Gas, 20 sccm von He-Gas, bei 250°C Substrattemperatur, 100 W RF-Leistung und 500 mTorr Gasdruck abgeschieden. Die Siliziumnitridschicht 2-2 wird mit 0,5 sccm SiH4-Gas, 28 sccm Ammoniakgas, 100 sccm He-Gas, bei 300°C Substrattemperatur, 30 W RF-Leistung und 400 mTorr Gasdruck abgeschieden. Die Abscheidebedingung der aktiven Schicht 13 ist wie folgt: eine Flußrate des SiH4-Gases beträgt 1 sccm, die Substrattemperatur beträgt 200°C, die RF-Leistung beträgt 10 W und der Gasdruck beträgt 200 mTorr. Die Abscheidebedingung der Niedrigwiderstandskontaktschichten ist wie folgt: die Flußrate von SiH4-Gas beträgt 0,5 sccm, die Flußrate von PH3-Gas beträgt 0,01 sccm, die Flußrate von He-Gas beträgt 100 sccm, die Substrattemperatur beträgt 200°C, die RF-Leistung beträgt 20 W und die Gastemperatur beträgt 200 mTorr. Das Verhältnis der Kanalbreite W zur Kanallänge L beträgt 60 µm/30 µm. Wenn die Gatespannung 20 V beträgt, ist der Drainstrom mit ungefähr 7 × 10-6 A gesättigt, wobei die Drainspannung ungefähr 9 V beträgt.
Fig. 9 zeigt die elektrische Feldeffektmobilität mEF des hydrierten amorphen Silizium-TFT mit doppelschichtiger Gateisolierschicht, die diamantähnlichen Kohlenstoff und Siliziumnitrid umfaßt. Die elektrische Feldeffektmobilität µEF des hydrierten amorphen Siliziums TFT wird von der folgenden Gleichung berechnet.
ID = [µEF(W/L)Ci(VG-VTH)VD]1/2,
wobei ID ein Drainstrom ist, Ci eine Kapazität der Gateisolierschicht ist, VTH die Schwel­ lenspannung des TFT und VD eine Drainspannung ist.
Die berechnete Schwellenspannung VTH beträgt ungefähr 8 V und die elektrische Feld­ effektmobilität µEF liegt bei ungefähr 0,77 cm2/Vs.
Bei der vorliegenden Ausführungsform dient die diamantähnliche Kohlenstoffschicht oder die diamantähnliche Kohlenstoff-/Siliziumnitridschicht als Gateisolierschicht des TFT. Jedoch kann die diamantähnliche Kohlenstoffschicht oder das diamantähnliche Kohlen­ stoff/Siliziumnitrid ebenso als Isolierschicht des Halbleiterbauelements verwendet werden, wie z. B. als eine Isolierschicht zwischen dem Substrat und einem Leiter, der auf dem Substrat ausgebildet ist, oder zwischen einem unteren Leiter und einem oberen Leiter. Ebenso kann die diamantähnliche Kohlenstoffschicht oder das diamantähnliche Kohlen­ stoff/Siliziumnitrid bei dem amorphen Silizium-TFT, dem Polysilizium-TFT und dem Verbindungshalbleiter-TFT verwendet werden.
Die diamantähnliche Kohlenstoffschicht wird als Gateisolierschicht mit einer guten Isoliereigenschaft verwendet. Entsprechend trägt die Isolierschicht des diamantähnlichen Kohlenstoffs zum großen Teil dazu bei, die Hochauflösungs-TFT-LCD (Flüssigkristall­ anzeige) zu realisieren. Ebenso ist es einfach, das diamantähnliche Kohlenstoffschicht-Pro­ zeßsystem mit dem Siliziumnitridschicht-Prozeßsystem zu verbinden, da die diamant­ ähnliche Kohlenstoffschicht durch PECVD ausgebildet werden kann und die Siliziumni­ tridschicht durch PECVD ausgebildet werden kann. Die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht kann ausgebildet werden, indem ein Gas verwendet wird, das ein Kohlenstoffele­ ment bzw. einen Kohlenstoffbestandteil, wie z. B. CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8, enthält. Entsprechend wird amorpher oder Polysilizium-TFT mit der guten elektrischen Eigen­ schaft möglicherweise bzw. wahrscheinlich hergestellt, weil das Kohlenstoffelement weniger empfindlich hinsichtlich der aktiven Schicht ist als das Sauerstoffelement bzw. der Sauerstoffbestandteil.

Claims (35)

1. Gateisolierschicht eines Transistors, der eine Gateelektrode und eine aktive Schicht umfaßt, wobei die Gateisolierschicht eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht umfaßt, die zwischen der Gateelektrode und der aktiven Schicht ausgebildet ist.
2. Gateisolierschicht nach Anspruch 1, die weiter eine Siliziumnitridschicht aufweist, die zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist.
3. Dünnfilmtransistor, der folgendes aufweist:
eine Gateelektrode;
eine aktive Schicht; und
eine Gateisolierschicht, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht umfaßt, die zwischen der Gateelektrode und der aktiven Schicht ausgebildet ist.
4. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 3, bei welchem die aktive Schicht eine solche ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium-, Polysilizium-, hydriertem amorphem Silizium- und Verbindungs-Halbleiter besteht bzw. zumindestens einen dieser Halbleiter aufweist.
5. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 3, bei welchem die Gateisolierschicht weiter eine Siliziumnitridschicht aufweist, die zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist.
6. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 4, bei welchem die Gateisolierschicht weiter eine Siliziumnitridschicht aufweist, die zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und der aktiven Schicht ausgebildet ist.
7. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 6, bei welchem die diamantähnliche Kohlen­ stoffschicht 1500 Å, die Siliziumnitridschicht 3500 Å und die aktive Schicht des hydrier­ ten amorphen Siliziums 1500 Å dick ist.
8. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 3, bei welchem die Gateelektrode unterhalb der Gateisolierschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die aus einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
9. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 5, bei welchem die Gateelektrode unterhalb der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die auf einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
10. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 3, bei welchem die Gateelektrode auf der Gateisolierschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die unterhalb eines Teils der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
11. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 5, bei welchem die Gateelektrode auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die unterhalb eines Teils der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
12. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 3, bei welchem die Gateelektrode auf der Gateisolierschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
13. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 5, bei welchem die Gateelektrode auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet ist und weiter folgendes aufweist:
eine Sourceelektrode, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist; und
eine Drainelektrode, die getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet ist.
14. Prozeß bzw. Verfahren zur Ausbildung einer Gateisolierschicht eines Transistors mit einer Gateelektrode und einer aktiven Schicht, der bzw. das den Schritt aufweist, wonach eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht zwischen der Gateelektrode und der aktiven Schicht ausgebildet wird.
15. Prozeß nach Anspruch 14, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Silizium­ nitridschicht auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht nach dem Ausbilden der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und vor dem Ausbilden der aktiven Schicht ausge­ bildet wird.
16. Prozeß nach Anspruch 14, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Silizium­ nitridschicht auf der aktiven Schicht nach dem Ausbilden der aktiven Schicht und vor dem Ausbilden der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet wird.
17. Prozeß nach Anspruch 14, bei welchem die diamantähnliche Kohlenstoffschicht durch plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung bzw. PECVD ausgebildet wird.
18. Prozeß nach Anspruch 15, bei welchem sowohl die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht als auch die Siliziumnitridschicht durch eine plasmaverstärkte chemische Dampf­ abscheidung bzw. PECVD ausgebildet wird.
19. Prozeß nach Anspruch 16, bei welchem sowohl die diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht als auch die Siliziumnitridschicht durch eine plasmaverstärkte chemische Dampf­ abscheidung bzw. PECVD ausgebildet wird.
20. Prozeß nach Anspruch 17, bei welchem die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ausgebildet wird, indem ein Gas verwendet wird, das ein Kohlenstoffelement bzw. einen Kohlenstoffbestandteil darin enthält.
21. Prozeß nach Anspruch 18, bei welchem die diamantähnliche Kohlenstoffschicht ausgebildet wird, indem ein Gas verwendet wird, das ein Kohlenstoffelement darin enthält.
22. Prozeß nach Anspruch 20, bei welchem das Gas eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8 besteht bzw. zumindestens eines dieser Gase enthält.
23. Prozeß nach Anspruch 21, bei welchem das Gas aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus CH4, C2H6, C2H2 oder C3H8 besteht bzw. zumindestens eine dieser Gase enthält.
24. Prozeß nach Anspruch 14, bei welchem die diamantähnliche Kohlenstoffschicht bei 25°C bis 400°C ausgebildet ist.
25. Prozeß bzw. Verfahren zur Ausbildung eines Dünnfilmtransistors auf einem Substrat, das die folgenden Schritte aufweist:
eine Gateelektrode wird auf dem Substrat ausgebildet;
eine Gateisolierschicht, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht aufweist, wird auf dem Substrat, das die Gateelektrode enthält, ausgebildet;
eine aktive Schicht wird auf der Gateisolierschicht ausgebildet; und
eine Sourceelektrode wird auf einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet; und
eine Drainelektrode wird getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet.
26. Prozeß nach Anspruch 25, bei welchem die aktive Schicht eine ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus amorphem Silizium-, Polysilizium-, hydriertem amor­ phem Silizium- und Verbindungs-Halbleiter ausgewählt wird bzw. zumindestens einen dieser Halbleiter aufweist.
27. Prozeß nach Anspruch 25, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Siliziumni­ tridschicht auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet wird, bevor die aktiven Schicht ausgebildet wird.
28. Prozeß nach Anspruch 26, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Silizium­ nitridschicht auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht vor dem Ausbilden der aktiven Schicht ausgebildet wird.
29. Prozeß bzw. Verfahren zur Ausbildung eines Dünnfilmtransistors auf einem Substrat, der bzw. das die folgenden Schritte aufweist:
eine Sourceelektrode wird auf einem Teil des Substrats ausgebildet;
eine Drainelektrode wird getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Soureelektrode ausgebildet;
eine aktive Schicht wird auf dem Substrat, das die Sourceelektrode und die Drainelektrode enthält, ausgebildet;
eine Gateisolierschicht, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht enthält, wird auf der aktiven Schicht ausgebildet; und
eine Gateelektrode wird auf der Gateisolierschicht ausgebildet.
30. Prozeß nach Anspruch 29, bei welchem die aktive Schicht eine ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus amorphem Silizium-, Polysilizium-, hydriertem amor­ phem Silizium- und Verbindungs-Halbleiter besteht bzw. die zumindestens einen dieser Halbleiter aufweist.
31. Prozeß nach Anspruch 29, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Siliziumni­ tridschicht auf der aktiven Schicht ausgebildet wird, bevor die diamantähnliche Kohlen­ stoffschicht ausgebildet wird.
32. Prozeß zur Ausbildung eines Dünnfilmtransistors auf einem Substrat, der die folgenden Schritte aufweist:
eine aktive Schicht wird auf dem Substrat ausgebildet;
eine Sourceelektrode wird auf einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet;
eine Drainelektrode wird getrennt bzw. beabstandet von der Sourceelektrode auf derselben Ebene wie die Sourceelektrode ausgebildet;
eine Gateisolierschicht wird zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode auf einem anderen Teil der aktiven Schicht ausgebildet, wobei die Gateisolierschicht eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht aufweist; und
eine Gateelektrode wird auf der Gateisolierschicht ausgebildet.
33. Prozeß nach Anspruch 32, bei welchem die aktive Schicht eine ist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus amorphem Silizium-, Polysilizium-, hydriertem amor­ phem Silizium- und Verbindungs-Halbleiter besteht.
34. Prozeß nach Anspruch 32, der weiter den Schritt aufweist, wonach eine Siliziumni­ tridschicht auf der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht ausgebildet wird, bevor die aktiven Schicht ausgebildet wird.
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