JPH0277159A - 薄膜半導体素子 - 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】 １１上立且ユ分１ 本発明は薄膜半導体素子、より詳細にはアモルファス絶
縁層、アモルファスシリコンから構成される半導体層お
よびオーミックコンタクト層を含む薄膜半導体素子であ
って、例＾ばアクティブマトリクス駆動方式のフラット
パネル形デイスプレィなどに応用されるものに関する。

え米二弦ｌ 近年高度情報化が進むにつれ、映像表示用のデイスプレ
ィの分野においてはより一層の高精細化および高輝度化
が望まれている。現在は家庭用やその他はとんどの分野
においてＣＲＴ　（陰極線管）がその主流を占めている
。しかし小形、軽量、低消費電力でしかも高画質化が可
能なフラットパネル形デイスプレィへの要望が高まって
きている。フラットパネル形デイスプレィのうち液晶を
用いたＬＣＤは現在もっとも広（用いられ将来性の高い
デイスプレィである。このＬＣＤの駆動方式として、単
純マトリスクス駆動方式やアクテイブマトリクス駆動方
式があり、このうちアクティブマトリクス駆動方式は各
画素ごとにスイッチ素子を配設して各画素を独立的に駆
動制御するものである。したがって各画素ごとに１００
％近いデユーティ比で駆動でき、画素のコントラスト比
を大きく取ることが可能である。

スイッチ素子としてアモルファスシリコンを用いた薄膜
トランジスタ（ＴＰＴ）形は大面積化が可能であり、し
かも低コストで製作できることから有望視され多くの研
究がなされている。アモルファスシリコンを用いた薄膜
トランジスタ（ＴＰＴ）形デイスプレィの特徴としては
大面積化が可能であること、比較的低温プロセス（３０
０℃前後）で製作できることから安価なガラス基板が使
用可能であること、連続的な成膜により膜界面の清浄性
が保たれることなどが挙げられる。

以上のことから駆動方式としてアクティブマトリクス駆
動方式を採用し、アモルファスシリコンを用いた薄膜ト
ランジスタ（ＴＰＴ）形デイスプレィは今後のニューメ
ディア用のデイスプレィ候補としてその発展が期待され
ている。

次に従来のアモルファスシリコン薄膜半導体素子（ＴＰ
Ｔ）の構造を第４図に示す。

ガラス基板１１の上面（第４図中上側）にはゲート電極
１２がパターニングされており、このゲート電極１２の
上面にはゲート絶縁膜１３が積層形成されている。さら
にこのゲート絶縁膜１３の上面にはアモルファスシリコ
ン層１４が積層形成され、このアモルファスシリコン層
１４の上面にはオーミックコンタクト層としての００ア
モルファスシリコン層１５が積層形成されている。この
ｎ′アモルファスシリコン層Ｉ５の上面にはさらにドレ
イン電極１６が積層形成され、このドレイン電極１６の
水平方向に対向してゲート電極１２を挟んだ所定箇所に
はソース電極１７が形成されている。またドレイン電極
１６とソース電極１７の間には保護膜１８が形成されて
いる。ここでオーミックコンタクト層としてのｎ１アモ
ルファスシリコン層１５はゲート電極１２上のチャンネ
ル部に誘起された電子を迅速にソース電極１７またはド
レイン電極１６に輸送するとともにチャンネル部に蓄積
された正孔の流れ（オフ電流）を阻止し、リーク電流を
低減させる働きを有する６が　ンしよ　と　る、：Ｉ　
φ 上記したようなアモルファスシリコンＴＰＴのアモルフ
ァスシリコン層１４は可視光に対する良好な光導電体で
あり、アモルファスシリコンＴＰＴを用いたＴＦＴＬＣ
Ｄでは背面光（バックライト）を用いているため、この
背面光がアモルファスシリコン層１４を励起し、キャリ
アを発生することによりゲート電圧買時のドレイン電流
（オフ電流）を上昇させる。オフ電流が上昇するとＴＰ
Ｔのオンオフ比が低下し、ＬＣＤの表示特性を劣化させ
ることとなる。すなわち、アモルファスシリコンＴＦＴ
ＬＣＤにおいては、液晶層に電荷を一定時間掛けること
により、文字または画像表示を行なっているが、オフ電
流が大きいと、これがリーク電流として動き一定時間の
間、液晶層に蓄積された信号電荷を保持することが不可
能となり、コントラスト比の低下や画像の安定性の低下
が著しくなる。したがってコントラスト比の高い良好な
表示特性を得るためには、背面光照射時の光キャリアに
よるオフ電流の少ない、安定した特性を有するアモルフ
ァスシリコンＴＰＴを作成することが重要な課題となる
。

ロ　占　　゛するための 本発明はかかる問題点に鑑みて発明された薄膜半導体素
子であって、アモルファス絶縁層、アモルファスシリコ
ンから構成される半導体層およびオーミックコンタクト
層を含み、前記オーミックコンタクト層が元素の周期律
表の第ＩＶ族に属する元素の少なくとも２種および第Ｖ
族に属する元素の少なくとも１種を含有していることを
特徴としている。

またアモルファス絶縁層、アモルファスシリコンから構
成される半導体層およびオーミックコンタクト層を含む
薄膜半導体素子であって、前記オーミックコンタクト層
が元素の周期律表の第ＩＶ族に属する元素の少なくとも
２種および第Ｖ族に属する元素の少なくとも１種を含有
するとともに前２半導体層のチャンネル部以外の部分の
厚さがチャンネル部の厚さに比較して薄く形成されてい
ることを特徴とするものである。

アモルファスシリコンＴＰＴに背面光を照射して光キヤ
リア発生に基づくオフ電流特性を測定したところ、光照
射時のオフ電流はゲート電極１２とドレイン電極１６と
の間、またはゲート電極１２とソース電極１７との間の
重なり幅に比例して増大してゆくことが判明した。すな
わち光キャリアは主としてゲート電極１２とドレイン電
極１６との間、またはゲート電極１２とソース電極１７
との間の接合部のアモルファスシリコン層１４内で発生
し、ドレイン１ｉ極Ｉ６とソース電極１７の間の電界に
よってドリフｌ−してゆくものと考えられる。

そこで本発明では、光照射時の光キャリアがもっとも発
生しやすいｎ３アモルファスシリコン層（オーミックコ
ンタクト層）近傍において光キャリアの発生を阻止する
とともに散乱光を吸収するために、前記オーミックコン
タクト層に元素の周期律表の第ＩＶ族に属する元素の少
なくとも２種および第Ｖ族に属する元素の少なくとも１
柿を含有させ、あるいは前記オーミックコンタクト層が
元素の周期律表の第ＩＶ族に属する元素の少なくとも２
種および第Ｖ族に属する元素の少なくとも１種を含有す
るとともに前記半導体層のチャンネル部以外の部分の厚
さがチャンネル部の厚さに比較して薄く形成された薄膜
半導体を形成することとした。

以下本発明にかかる薄膜半導体素子の構成を詳述する。

なお従来例と同一構造の部分については同一の符合を付
すこととする。

ガラス基板１１の上面（第１図中上側）にはゲート電極
１２がバターニングされている。このゲート電極１２は
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、ＡｌまたはＮ１ｃｒｌｌｌあるいは
これらの積層膜から構成されている。このゲート電極１
２の厚みは膜材料、目的とするＴＰＴの構造あるいは配
線抵抗などにより決定されるが、本発明においては、３
００人ないし３０００Ａ、より望ましくは５００人ない
し１５００人の範囲で決定される。

上記ゲート電極１２の上面にはゲート絶縁膜１３が積層
形成されている。このゲート絶縁膜１３としては比抵抗
が高くしたがって絶縁性に優れ高耐圧でかつ界面特性の
良好な薄膜が用いられる。

このような条件を満たすゲート絶縁１１１３として本発
明ではプラズマＣＶＤ法（グロー放電分解法）により形
成されるＳｉＮ膜、ＳｉＯ膜、または５ｉＯＮ膜あるい
は他の形成法例えばスパッタリング法などにより作製さ
れるＴａ２Ｏ，１ＩＩ１．Ａｌ２Ｏ３膜あるいはこれら
の積層膜を用いることができる。ゲート絶縁膜１３とし
て例えばＳｉＮ膜を用いる場合にはシラン系のガス例え
ばＳ　ｒ　）Ｉ　４とＮ　Ｈｓとの混合ガスまたはＮ２
との混合ガス、あるいはＳ　ｉ　Ｈ４とＮＨ，とＮ２と
の混合ガスをプラズマＣＶＤ法により分解堆積して形成
することができる。５ｉＮｌｌを用いる場合には基板温
度が膜特性に大きな影響を及ぼすところ、基板温度を通
常２５０℃以上、より望ましくは３００℃以上とするこ
とが好ましい９本発明におけるゲート絶縁膜１３の膜厚
は目的とするＴＰＴ特性を得るためにそれぞれ決定され
るが、通常は５００人ないし５０００人が望ましく、よ
り望ましくは１０００人ないし３０００人の範囲である
。

ゲート絶縁膜１３の上面にはアモルファスシリコン層２
０が積層形成されている。アモルファスシリコン層２０
は半導体層であり１通常プラズマＣＶＤ法によりシラン
系のガスを用いて容易に形成できる。このアモルファス
シリコン層２０は後記するオーミックコンタクト層（ロ
゛アモルファスシリコン層）２１の下部においては光照
射時の光電流の発生を低減するためにチャンネル部分の
厚さよりは薄く形成されており、薄い部分の厚みとして
は５００Å以下とすることが望ましく、より望ましくは
３００Å以下の範囲が良い。

アモルファスシリコン層２０のチャンネル部の膜厚はＴ
ＰＴのオフ電流および光照射時の光電流に太き（依存す
る０本発明では通常１００人ないし３０００人が採用さ
れ、より望ましくは２００人ないし１０００人の範囲で
ある。成ＩＩＩ　２Ｍ度としては良好な膜特性を得るた
めに１００℃ないし４００℃が望ましく、より望ましく
は２００℃ないし３００℃の範囲である。

前記アモルファスシリコン層２０の上面にはｎ０アモル
ファスシリコン：６０層２１がオーミックコンタクト層
として積層形成されている。

このｎ９アモルファスシリコン二Ｇｅ層２１はキャリア
である電子の走行性を容易にし、かつ正孔の流れを阻止
する目的で形成されるものである。さらには背面光照射
時の光を吸収し、光の散乱を防止する役目も有している
。このｎ０アモルファスシリコン二Ｇｅ層２１は主とし
てシラン系のガス例えばＳ　ｉ　Ｈａと、Ｇｅを含むガ
ス例えばＧ　ｅ　Ｈ４と、さらにはドーピングガスであ
るＰＨ１との混合ガスにより形成される。ｎ°アモルフ
ァスシリコン：６０層２１の電気的特性としては暗比抵
抗が１０’Ω・ｃｍないしｌＯΩ・Ｃｌ１１であること
が望ましく、より望ましくは１０’Ω・ｃｍないし１０
２Ω・ｃｍの範囲である。また活性化エネルギーとして
は０．４ｅＶないし０．１ｅＶが望ましく、より望まし
くは０．３ｅＶないし０．２ｅＶの範囲が良い。ｎ０ア
モルファスシリコン＝Ｇｅ層２１の膜厚は膜のはがれ防
止などのために適切に決定する必要があるが、通常は１
００人ないし２０００人が望ましく、より望ましくは２
００人ないし１０００人の範囲である。

またｎ″″アモルファスシリコン＝Ｇｅ層２１中２１中
るＧｅ含有量としては１０原子％ないし７０原子％が望
ましく、より望ましくは２０原子％ないし４０原子％が
良い。さらに光学的バンドギャップとしては１．６ｅＶ
ないし１．ＯｅＶ（７７５ｍｍないし１２００ｍｍ）の
範囲が望ましく、より望ましくは１．５ｅＶないし１．
１ｅＶ　（８３０ｍｍないし１１００ｍｍ）の範囲が望
ましい。

ｎ′″アモルファス°シリコン；６０層２１成膜に際し
ては、プラズマＣＶＤ装置内の基板温度は高い場合のほ
うが良好な特性が得られるが、本発明においては下地膜
の損傷、プロセス上の温度の制約等を考慮すると１００
℃ないし４００℃であることが望ましく、より望ましく
は１２０℃ないし３００℃の範囲である。

なおアモルファスシリコンに混合される元素としては上
記したＧｅのほか元素の周期律表における第ＩＶ族の元
素、例えばＳｎ等を使用することができる。

前記ｎ′″アモルファスシリコン；ＧｅＪ！２１＋７）
第１図中上面にはさらにドレイン電極１６が積層形成さ
れこのドレイン電極１６と水平方向に対向してゲート電
極１２を挟んだ所定箇所にはソース電極１７が形成され
ている。

ドレイン電極１６およびソース電極１７は通常高融点金
属とＡｔとの積層構造とすることによって特性の安定化
が図られており、例えばＣｒ　／　ＡＩ　、　Ｍｏ／Ａ
　Ｉ　、　Ｔ　ｉ／Ａ　１などが用いられる。

高融点金属の膜厚としては膜のはがれなどを考慮して１
００人ないし１０００人とするのが望ましく、より望ま
しくは１０ＯＡないし５００人の範囲とするのが良い、
またＡＩの厚みとしては１μｍ程度となすのが良い。

前記アモルファスシリコン層２０のチャンネル部の上面
には保護膜１８が形成されており、この保護膜１８はチ
ャンネル部の、湿気や汚染によるＴＰＴの劣化を防止す
る目的で形成されている。

通常プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜が用いられる。保
護膜１８の形成法は上記したゲート絶縁膜１３のＳｉＮ
膜と同様の方法で作成され、膜厚は５００人ないし５０
００人の範囲であることが望ましく、より望ましくは１
０００人ないし３０００人の範囲である。

■ 本発明における薄膜半導体素子では、光照射時の光キャ
リアがもっとも発生しやすいアモルファスシリコン層２
０近傍のオーミックコンタクト層２１に、シリコン原子
以外に周期律表の第ＩＶ族に属する元素の少なくとも１
種を含有させるとともに周期律表第Ｖ族に属する元素の
少なくとも１種を含有させることにより、このオーミッ
クコンタクト層２１が光学的バンドギャップが狭く可視
光に対する光感度が低い層となり、散乱光が上記オーミ
ックコンタクト層２１に吸収され、光キャリアの発生が
抑制される作用を有する。

またアモルファスシリコンｌ１Ｊ２０のチャンネル部以
外の部分の厚さがチャンネル部の厚さに比較して薄く形
成されているので、光キャリアの発生がアモルファスシ
リコン層２０の厚さに比例するところ、このアモルファ
スシリコン層２０内において発生する光キヤリア自体の
発生が抑制される作用を有する。

夫上旦 以下、本発明にかかる実施例を説明する。

充分に洗浄した５インチ角のガラス基板１１にゲート電
極１２用のＣｒを１２００人蒸着させ、その後ホトエツ
チングによりゲート電極１２のパターンを形成した。Ｔ
ＰＴとしてのチャンネル長さは８１１ｍ　、チャンネル
幅は１００μｍとなした。その後ガラス基板１１をプラ
ズマＣＶＤ装置内にセットし、真空容器内を排気すると
ともにガラス基板１１を加熱し、加熱温度を３００℃に
設定した。真空容器内の真空度が１０−’Ｔｏｒｒ以下
となったところで排気系を拡散ポンプ（ＤＰ）からメカ
ニカルブースターポンプ（ＭＢＰ）に切り替＾るととも
にマスフローコントローラー（ＭＦＣ）を介して１００
％Ｓ　ｉＨａをＩＯＳＣＣＭ、ＮＨ，を５０ＳＣＣＭそ
れぞれ流して反応圧力を０．５Ｔｏｒｒとなるように調
節した。圧力が一定となったところで１３．５６　Ｍ　
［（、のＲＦパワーを５０Ｗ印加して２０分間ＳｉＮの
ゲート絶縁膜１３を形成した。このように形成されたゲ
ート絶縁ＩＩＩ　ｌ　３は屈折率が１．８１．光学的バ
ンドギャップ（Ｅｇ）が５．　ｌｅＶ、比誘電率が６．
１であった。また膜厚は３０００人であった。

次に同一のプラズマＣＶＤ装置内でＳｉＮのゲート絶縁
膜１３上にアモルファスシリコン層２０の半導体層を１
２００人形成した。形成条件は１００％ＳｉＨ４をＩＯ
５ｃｃＭ、反応圧力０２ＴｏｒｒでＲＦパワー１００Ｗ
とした。成膜時間は１０分間であった。以上の様にして
形成されたアモルファスシリコン層２０は電気的特性と
して、暗比抵抗ρｄ＝ｌＸ１０”Ω・ｃｍ、活性化エネ
ルギーＥａ＝０．７ｅＶ、光学的特性と１２て光学的バ
ンドギャップＥ　ｇ　＝　１．７５ｅ　Ｖであった。

その後ガラス基板１１をプラズマＣＶＤ装置より取り出
し、ホトエツチングにより、チャンネル部の部分はすべ
て残し、他の部分すなわちソース電極１７とドレイン電
極１６の下部となる部分のアモルファスシリコン層２０
の厚さを２００人のみ残した。

ホトエツチングの後、ガラス基板１１を再びＣｖＤ装置
内にセットし、基板温度を２５０℃に設定してｎ０アモ
ルファスシリコン二Ｇｅ層２１の形成をした。形成条件
は１００％Ｓ　ｉ　Ｈ４を１１０５ＣＣ，１０％Ｈ，ベ
ースのＧ　ｅ　Ｈａを５０ＳＣＣＭ、１％Ｈ２ベースの
ＰＨ，をＩＯ５ｃｃＭそれぞれ流し１反応圧力０．２　
Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー１００Ｗで１０分開成膜を行なっ
た。膜厚は１０００人となした０以上のようにして形成
されたｎ１アモルファスシリコン；６０層２１の特性は
ρｄ＝２Ｘ　Ｉ　Ｏ３Ω・ｃｍ、活性化エネルギーＥａ
　＝　０．１５ｅ　Ｖ　、光学的特性として光学的バン
ドギャップＥｇ＝１．３ｅＶであった。

またＧｅ含有量は３０原子％であった。

ＣＶＤ装置による上記薄膜の形成の後、ガラス基板１１
を真空蒸着装置内にセットしドレイン電極１６およびソ
ース電極１７となるＣｒをタングステンポート加熱によ
り３００人形成した。次に上記試料をホトエツチングに
より、チャンネル上部のＣｒを酸によりエツチングし、
さらにｎ０アモルファスシリコン；６０層２１およびア
モルファスシリコン層２０をＨＦ：ＨＮＯ，：ＣＨ３Ｃ
Ｏ０ＨＵ液によりエツチングした。レジストを除去洗浄
後再び基板ガラス基板１１を真空蒸着装置内にセットし
、タングステンボート加熱によりＡＩを試料全面に１．
０μｍ形成した。その後再びホトエツチングによりチャ
ンネル上部のＡｔをリン酸系水溶液によって除去した。

以上の様にして作成されたアモルファスシリコンＴＦＴ
アレイの電気的特性を評価したところ以下の様であった
。

初期特性 電界効果移動度　０．４　ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃしきい値
電圧　　１．５ｖ オン電流　　Ｖｇ：１５Ｖ時　　２ｘｌＯ−’Ａ次に背
面光照射時のオフ電流の結果を示す。

背面光２０００ルクスの照度において、Ｖｇ＝ＯＶ、Ｖ
ｄ＝ｌＯＶ時　　ｌＸｌ０−”ＡＶｇ＝−１０Ｖ、Ｖｄ
＝ｌＯＶ時８ＸＩＯ−”ＡまたＶｇ−Ｉ　ｄ特性を第２
図に示す。

以上のように背面光照射時においても良好なオンオフ特
性を示した。

比較１ プラズマＣＶＤ装置内でＳｉＮのゲート絶縁膜１３上に
アモルファスシリコン層の半導体層を１２００人形成し
た。この層はホトエツチングを施さず、チャンネル部の
部分および、他の部分すなわちソース電極１７とドレイ
ン電極１６の下部となる部分もそのまま残した。

この上部にＧｅを含有しない通常のオーミックコンタク
ト層１５を形成した。このオーミックコンタクト層１５
の形成条件は１００％ＳｉＨ４を１１０５ＣＣ，１％Ｈ
，ベースのＰ　Ｈｓを２０５ＣＣＭそれぞれ流し、反応
圧力０．２Ｔｏｒｒ、ＲＦパワーｔｏｏｗでゲート電極
５分間成膜を行なった。膜厚は５００人となした０以上
のようにして形成されたオーミックコンタクト層１５の
特性はρｄ＝２ｘｌｏ”Ω・ｃｍ、活性化エネルギーＥ
ａ＝０．２ｅＶであった。

他の条件はすべて上記した実施例と同一の条件でアモル
ファスシリコンＴＰＴを形成した。

この比較例の電気的特性を以下に示す。

初期値 電界効果移動度　　０．５ｃｍ２／Ｖ−ｓｅｃしきい値
電圧　　　！、５　Ｖ オン電流　Ｖｇ＝１５Ｖ時　　　２ｘｌＯ−’Ａ次に背
面光照射時のオフ電流の結果を示す。

背面光２０００ルクスの照度において、Ｖｇ＝ＯＶ、Ｖ
ｄ＝ｌＯＶ時　　　ｌＸｌ０−’ＡＶｇ＝−１０Ｖ、Ｖ
ｄ＝１０Ｖ時　３ｘｌＯ−’ＡまたＶｇ−Ｉｄ特性を第
３図に示す。

以上のように背面光照射時におけるオフ電流は非常に大
きく、オンオフ特性の低下が顕著となりているのが認め
られる。

ｌ且五盈速 以上の説明により明らかな如く、本発明にかかる薄膜半
導体素子にあっては、アモルファス絶縁層、アモルファ
スシリコンから構成される半導体層およびオーミックコ
ンタクト層を含み、前記オーミックコンタクト層が元素
の周期律表の第ＩＶ族に属する元素の少なくとも２種お
よび第Ｖ族に属する元素の少なくとも１種を含有してい
るので、光照射時の光キャリアがもっとも発生しやすい
アモルファスシリコン層近傍のオーミックコンタクト層
が光学的バンドギャップが狭く可視光に対する光感度が
低い層となり、散乱光が上記オーミックコンタクト層に
吸収され、光キャリアの発生が抑制されることとなる。

したがって、背面照射時においても良好なオンオフ特性
を有する薄膜半導体素子を形成することができる。

また前記オーミックコンタクト層が元素の周期律表の第
ＩＶ族に属する元素の少なくとも２種および第Ｖ族に属
する元素の少なくとも１種を含有するとともに前記半導
体層のチャンネル部以外の部分の厚さがチャンネル部の
厚さに比較して薄く形成されているので、光キャリアの
発生がアモルファスシリコン層の厚さに比例するところ
、このアモルファスシリコン層内において発生する光キ
ヤリア自体の発生が抑制される作用をも有し、従ってか
かる構成のものでは背面照射時においてもよりいっそう
良好なオンオフ特性を有する薄膜半導体素子を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜半導体素子の一実施例を示す
断面図、第２図はＶｇ−Ｉｄ特性を示す図、第３図は比
較例におけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図、第４図は従来例
を示す断面図である。 １３・・・ゲート絶縁膜（アモルファス絶縁層）、２０
・・・アモルファスシリコン層（半導体層）、２１・・
・ｎ４アモルファスシリコン；Ｇｅ層Ｃオーミックコン
タクト層） 第１図 第４図 第２図 Ｖｇ（い

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファス絶縁層、アモルファスシリコンから
   構成される半導体層およびオーミックコンタクト層を含
   む薄膜半導体素子であって、前記オーミックコンタクト
   層が元素の周期律表の第IV族に属する元素の少なくとも
   ２種および第Ｖ族に属する元素の少なくとも１種を含有
   していることを特徴とする薄膜半導体素子。
2. （２）アモルファス絶縁層、アモルファスシリコンから
   構成される半導体層およびオーミックコンタクト層を含
   む薄膜半導体素子であって、前記オーミックコンタクト
   層が元素の周期律表の第IV族に属する元素の少なくとも
   ２種および第Ｖ族に属する元素の少なくとも１種を含有
   するとともに前記半導体層のチャンネル部以外の部分の
   厚さがチャンネル部の厚さに比較して薄く形成されてい
   ることを特徴とする薄膜半導体素子。