JPH08228003A

JPH08228003A - アクティブマトリクスパネルの製造方法

Info

Publication number: JPH08228003A
Application number: JP67396A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Oshima; 弘之大島; Mutsumi Matsuo; 睦松尾; Satoshi Takenaka; 敏竹中
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1996-09-03
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JP2647069B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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雰囲気中でプラズマ処
理を行い、透明導電膜の形成は、プラズマ処理後に行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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、Ｉｎ₂
Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘ
ｉｄｅ）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
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。

【０００３】薄膜トランジスタをアクテイブマトリクス
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、下側の薄膜トランジスタ基板と、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クス状に配置された液晶駆動素
子を外部選択回路により選択し、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り、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。

【０００４】前記薄膜トランジスタ基板の一般的な回路
図を図１に示す。

【０００５】図１（ａ）は薄膜トランジスタ基板上の液
晶駆動素子のマトリクス状配置図である。図中のｌ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
がマトリクス状に配置されている。

【０００６】３は液晶駆動素子２へのデータ信号ライン
であり、４は液晶駆動素子２へのタイミング信号ライン
である。液晶駆動素子２の回路図を図１（ｂ）に示す。

【０００７】５は薄膜トランジスタであり、データのス
イッチングを行なう。６はコンデンサであり、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。７は液晶パネルであり、７一１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
り、７ー２は上側ガラスパネルである。

【０００８】以上の説明からわかるように、薄膜トラン
ジスタは、液晶に印加する電圧のデータをスイツチング
するために用いられる。液晶の表示はコンデンサの電位
により決定されるため、短時間にデータを書き込むこと
ができるように、薄膜トランジスタは、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まり、その
ＯＮ電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（チヤネル長と
チヤネル幅），構造、製造プロセスゲート電圧、ドレイ
ン電圧などに大きく依存する。

【０００９】また、薄膜トランジスタをアクテイブマト
リクスパネ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。

【００１０】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。

【００１１】図２（ａ）〜（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。まず図２（ａ）
のように絶縁基板８上にシリコン薄膜９を形成する。こ
れには通常、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパツ
タ法などが用いられる。次に図２（ｂ）のように、ゲー
ト絶縁膜１０、ゲート電極１１を形成した後に、イオン
打ち込み法、熱拡散法などにより不純物をドープしてソ
ース領域１２，及びドレイン領域１３を形成する。次に
図２（ｃ）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を開ロする。最後に図２（ｄ）の
ように、Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＩＴＯ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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図３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、チヤネル長３０μｍ，チヤネル幅１０μ
ｍ，ドレイン電圧４Ｖの条件の下で本出願人がＮチヤネ
ル型薄膜トラ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ＩＤ，横軸はゲート電圧ＶＧＳ
である。この図からわかるように、全般的に比較的良好
な特性を得ているが、スレシヨルド電圧（以下、Ｖｔｈ
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
可能であり、特にアクティブマトリクスパネルやイメー
ジセンサの周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。

【００１３】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り、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、Ｏ
Ｎ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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】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
を主成分とする雰囲気中でプラズマ処理を行うことを特
徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図を示しつつ本発明を詳し
く説明する。

【００１６】図４（ａ）〜（ｅ）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。まず図
４（ａ）のように、絶縁基板１８上にシリコン薄膜１９
を形成する。次に図４（ｂ）のように、ゲート絶縁膜２
０，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。次に図４（ｃ）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。次に図４（ｄ）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は発生した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薄膜トランジスタ
の特性、特にＯＮ電流は大幅に改善される。最後に、図
４（ｅ）のように、コンタタトホールを開口した後透明
導電膜を堆積させ、ソース電極２６及びドレイン電極２
７を形成し、薄膜トランジスタは完成する。

【００１７】なお、周知の通り、薄膜トランジスタには
種々の構造・製造方法が知られており、図４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。

【００１８】図５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（Ａ）は本発明による薄膜トランジスタの特性を示
している。破線（Ｂ）は従来の薄膜トランジスタの特性
を示すものであり、図３の特性と同一である。また両者
のトランジスタサイズ、ドレイン電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、本発明により製造した薄膜トランジスタは極めて大
きいＯＮ電流を有し、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、ＯＮ電流は従来に比べて１．５〜２桁も
増加している。また、これに伴ない、ＯＦＦ状態からＯ
Ｎ状態への変化も極めて急峻になっている。

【００１９】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ＭＨｚ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り、種々の応用を
拡大することができる。

【００２０】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りである。一般にシリコン薄膜は
単結晶薄膜として形成することは不可能であり、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
中に準位を作り、キャリアをトラップする作用を有する
ばかりでなく、帯電することにより空間電荷を形成す
る。すなわち、キャリアのトラップによりキャリアの易
動度は低下し、また空間電荷を形成することによりＶｔ
ｈ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。

【００２１】なお、本発明におい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は、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
ラズマ状態になりにくいが、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
とによる悪影響は全くないことを本出顧人は実験により
確認している。

【００２２】また、薄膜トランジスタは、その配線・電
極材料として、透明導電膜を用いることが多いことは先
に述べた通りであるが、本発明は透明導電膜を形成する
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Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＩＴＯ
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
化物が還元され、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りを外観を呈す
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、図４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、著しいトランジスタ特性の改善が
可能となる。なお、図４に示した例では、層間絶縁膜２
４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ロし
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。

【００２３】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。これについては、以下、図を
用いで説明する。

【００２４】図６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をとってある。Ｖｔｈ
は、ドレイン電圧を４Ｖとして、１０ｎＡのドレイン電
流を流すのに必要なゲート電圧と定義してある。図から
明らかなように、プラズマ処理を施すことにより、Ｖｔ
ｈは９Ｖ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
℃では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℃以下の熱処理ではほ
ぼ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。

【００２５】例えば、図４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い。このよう
に、プラズマ処理を行なった後の熱処理により特性が再
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り維持されており、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。

【００２６】

【発明の効果】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ＯＮ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
揮せしめるとい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】

【図１】（ａ）〜（ｂ）は薄膜トランジスタを用いたア
クテイブマトリクス基板の一般的な回路図である。

【図２】（ａ）〜（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。

【図３】従来の方法により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。

【図４】（ａ）〜（ｅ）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。

【図５】本発明の方法により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。

【図６】本発明の方法により製造された薄膜トランジ
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。

【手続補正書】

【提出日】平成８年１月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】アクティブマトリクスパネルの製造方
法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜トランジスタを
有するアクティブマトリクスパネルの製造方法に関す
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】本発明は、このような従来の薄膜トランジ
スタの毛点を除去するものであり、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を有するア
クティブマトリクスパネルの製造方法を提供することで
ある。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜トランジ
スタを有するアクティブマトリクスパネルの製造方法に
おいて、絶縁基板上に該薄膜トランジスタのシリコン薄
膜を形成する工程と、該シリコン薄膜を形成後に水素、
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
処理を行なう工程と、該プラズマ処理後に透明導電膜を
形成する工程とを有することを特徴とする。本発明は、
薄膜トランジスタを有するアクティブマトリクスパネル
の製造方法において、絶縁基板上に該薄膜トランジスタ
のシリコン薄膜を形成する工程と、該シリコン薄膜を形
成後に水素、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行う工程と、該プラズマ処理後に金
属酸化物ならなる透明導電膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明によるアク
ティブマトリクスパネルの製造方法の１例を示す図であ
る。まず図４（ａ）のように、絶縁基板１８上にシリコ
ン薄膜１９を形成する。次に図４（ｂ）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。次に図４
（ｃ）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。次に図４（ｄ）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は発生した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薄膜
トランジスタの特性、特にＯＮ電流は大幅に改善され
る。最後に、図４（ｅ）のように、コンタタトホールを
開口した後透明導電膜を堆積させ、ソース電極２６及び
ドレイン電極２７を形成し、薄膜トランジスタは完成す
る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】また、アクティブマトリクスパネルにおい
て、その配線・電極材料として、透明導電膜を用いるこ
とが多いことは先に述べた通りであるが、本発明は透明
導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Ｉｎ₂Ｏ₃，
ＳｎＯ₂，ＩＴＯ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、金属酸化物が還元され、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
よりを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、図４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、著しいトランジ
スタ特性の改善が可能となる。なお、図４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
トホールを開ロした後でもよいし、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。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】

【発明の効果】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ＯＮ状態における特性を著しく
改善することが可能となる。しかも、プラズマ処理後に
透明導電膜を形成するため、プラズマ処理による金属酸
化物の還元等の問題が発生することがない。従って、本
発明は薄膜トランジスタの特性向上と共に透明導電膜の
特性維持を可能とすることができ、優れた効果を有する
アクティブマトリクスパネルの製造方法を提供するもの
である。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図４】（ａ）〜（ｅ）は本発明による薄膜トランジ
スタを有するアクティブマトリクスパネルの製造方法の
１例を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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雰囲気中
でプラズマ処理を行なうことを特徴とする薄膜トランジ
スタの製造方法。
【請求項２】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。
【請求項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
許請求の範囲第ｌ項記載の薄膜トランジスタの製造方
法。