JPH06224431A

JPH06224431A - 薄膜トランジスタ及び液晶ディスプレイパネル

Info

Publication number: JPH06224431A
Application number: JP1118793A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Nakada; 行彦中田; Yoshihiro Hamakawa; 圭弘濱川; Hiroaki Okamoto; 博明岡本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1994-08-12

Abstract

(57)【要約】【目的】光を吸収し難くかつ移動度が大きく、しかも
通常のガラスを使用することができる薄膜トランジスタ
及びそれを用いた液晶ディスプレイパネルを提供する。【構成】薄膜トランジスタの半導体薄膜５にμｃ−Ｓ
ｉＣを用いている。これにより、半導体薄膜５の光学的
透明度が向上して光の吸収係数が全波長域に亘ってａ−
Ｓｉより小さくなるため、光を吸収し難くなり、オフ電
流を小さくおさえられる。特に、カーボン含有量を増加
させて光学バンドギャップを大きくすることにより、そ
の作用を向上させることができる。また、μｃ−ＳｉＣ
からなる半導体薄膜５を電子サイクロトロン共鳴化学蒸
気成膜法により作成することにより、ａ−Ｓｉと比較し
て移動度を大きく向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大きな面積にわたって
形成することができる薄膜トランジスタ及びそれを用い
た液晶ディスプレイパネルに関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイパネルにおいては、解
像度の高い映像を表示するため各々の画素にアクティブ
（能動）素子として薄膜トランジスタが一般に用いられ
ている。この薄膜トランジスタの構造は、例えば逆スタ
ガー型の場合、ガラス基板の上のゲート電極を覆ってゲ
ート絶縁膜が形成され、ゲート絶縁膜の上であって、ゲ
ート電極の上方部分に半導体薄膜が形成され、更にこの
半導体薄膜の上で離隔してソース電極とドレイン電極と
が形成された構成となっており、かかる構成上、薄膜ト
ランジスタは大面積に形成でき、よって液晶ディスプレ
イパネルに備わっている非常に多量の画素等を制御でき
るという特徴を持っている。

【０００３】薄膜トランジスタに備わった半導体薄膜
は、従来、ＲＦプラズマ化学蒸気成膜法（ＲＦ−ＰＣＶ
Ｄ法）により形成されるアモルファスシリコン（ａ−Ｓ
ｉ）膜や、熱化学蒸気成膜法（熱ＣＶＤ法）等により形
成した膜を固相成長法又はレーザーアニール法により結
晶化した多結晶シリコン膜が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
薄膜トランジスタの場合には、次のような問題点があ
る。すなわち、上述した薄膜トランジスタのベースとな
るガラス基板等を透過して入射した光が、薄膜トランジ
スタの半導体薄膜に吸収され、この光吸収に伴って自由
に動き得る電子および正孔が発生し、その結果として薄
膜トランジスタのオフ電流が増加し、オン時とオフ時と
のコントラスト比が取れなくなるという問題があった。
特に、強い光を用いるプロジェクション用液晶ディスプ
レイパネルやオーバーヘッドプロジェクター用液晶ディ
スプレイパネルにおいては、重大な問題であった。

【０００５】このため、カラー用液晶ディスプレイパネ
ルにおいては、現状ではカラーフィルター部にブラック
マトリクスを形成して、薄膜トランジスタ部に光が入ら
ないようにしているが、開口率が低下してランプからの
光が通り難く、暗くなってしまっていた。

【０００６】また、半導体薄膜にａ−Ｓｉ膜を用いた薄
膜トランジスタの場合、移動度が小さいためオン電流が
大きく取れなかった。オン電流を大きくしようとする
と、薄膜トランジスタの大きさを大きくする必要があ
り、開口率の低下を招いていた。また、大型で高精細な
液晶ディスプレイパネルを作製するには、短時間のゲー
トスイッチング時間の間に液晶層および蓄積コンデンサ
からなる容量を充電することが必要であるが、薄膜トラ
ンジスタのオン電流が小さいために、上述のように動作
させることが困難であるという問題点があった。

【０００７】一方、半導体薄膜に多結晶シリコン膜を用
いた薄膜トランジスタの場合、移動度が大きく、オン電
流を大きくできる。しかし、上記固相成長法で再結晶化
するには６００℃以上で１０時間程度の熱処理を行う必
要があり、通常のガラスを用いることが困難であった。
また上記レーザーアニール法で再結晶化するには高価で
処理速度の遅いレーザーアニール装置を用いる必要が有
り、大量生産には適さないという問題点があった。

【０００８】なお、電子サイクロトロン共鳴ＰＣＶＤ成
膜法（ＥＣＲ−ＰＣＶＤ法）により形成される微結晶シ
リコンカーバイド（μｃ−ＳｉＣ）が、下記の参考文献
１に報告されている。

【０００９】（参考文献１）Y.HAMAKAWA, Y.MATSUMOTO,
G.HIRATA and H. OKAMOTO:Material Research Society
Symposium Proceeding Vol.164(1990)291 図４は、μｃ−ＳｉＣの暗導電率と光学的エネルギーギ
ャップ（Ｅ_opt）との関係を、ＲＦ−ＰＣＶＤ法で形成
したアモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）の
場合と比較して示す図である。

【００１０】この図から明らかなように、ＲＦ−ＰＣＶ
Ｄ法で形成したａ−ＳｉＣの暗導電率はＥ_optが増加す
るにつれて急激に減少する。すなわち、有効な価電子制
御が可能な範囲は、Ｅ_optが２．０ｅＶ未満であり、ま
た高濃度に不純物をドープしても、暗導電率は約１０^ー5
Ｓｃｍ^ー1より高いものは得られない。一方、ＥＣＲ−Ｐ
ＣＶＤ法を用いて作製したμｃ−ＳｉＣは、Ｅ_optが
２．６ｅＶを越えるものでさえも、その暗導電率が１０
^ー3Ｓｃｍ^ー1以上に保持されている。

【００１１】ＥＣＲ−ＰＣＶＤ法による場合に暗導電率
を１０^ー3Ｓｃｍ^ー1以上に保持できる理由は、μｃ−Ｓｉ
Ｃをラマン分光法により測定すると微結晶化したＳｉＣ
が存在し、主としてその微結晶化したＳｉＣによりエネ
ルギーギャップが見かけ上大きくなったものと考えられ
る。また、水素希釈率を増すことで、さらにＳｉＣの微
結晶化が促進され、暗導電率が１桁以上増加することが
判明している。

【００１２】このような性質を有するμｃ−ＳｉＣは、
従来において、薄膜トランジスタに用いたと言う報告は
無く、ｐｉｎ構造のアモルファス太陽電池のｐ層として
用いることにより、開放電圧が増加して効率が向上する
ことが、上記参考文献１に報告されている。また、ｎ型
の多結晶シリコンウエハ上のｐ層として用いることによ
り、開放電圧が増加して効率が向上することや、この多
結晶シリコンウエハを使用した太陽電池と前記アモルフ
ァス太陽電池とを組み合わせることにより１９．１％の
変換効率が得られることが、下記の参考文献２に報告さ
れている。また、薄膜発光ダイオードのキャリア注入層
に用いることにより輝度が向上することが、前記参考文
献１に示されている。

【００１３】（参考文献２）W. MA, T. HORIUCHI, M. Y
OSIMI, K. HATTORI, H. OKAMOTO and Y. HAMAKAWA:Proc
eeding of 22nd IEEE Photovoltaic Specialist Confer
ence(1991)1380. 本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなさ
れたものであり、光を吸収し難くかつ移動度が大きく、
しかも通常のガラスを使用することができる薄膜トラン
ジスタ及びそれを用いた液晶ディスプレイパネルを提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜トランジス
タは、ゲート絶縁膜を挟んで片方にゲート電極が設けら
れ、もう片方に半導体薄膜、ソース電極及びドレイン電
極が設けられており、該半導体薄膜が微結晶シリコンカ
ーバイドからなるので、そのことにより上記目的が達成
される。

【００１５】また、前記半導体薄膜としては、電子サイ
クロトロン共鳴プラズマ化学蒸気成膜法を用いて形成し
た微結晶シリコンカーバイドを使用することができる。

【００１６】また、前記半導体薄膜としては、２．０ｅ
Ｖ以上の光学的エネルギーギャップを有する微結晶シリ
コンカーバイドを使用することができる。

【００１７】更に、本発明の液晶ディスプレイパネル
は、ゲート絶縁膜を挟んで片方にゲート電極が設けら
れ、もう片方に半導体薄膜、ソース電極及びドレイン電
極が設けられており、該半導体薄膜が微結晶シリコンカ
ーバイドからなる薄膜トランジスタを使用することがで
きる。

【００１８】

【作用】本発明にあっては、μｃ−ＳｉＣを薄膜トラン
ジスタの半導体薄膜に用いている。この半導体薄膜は、
光学的透明度が高いので、光の吸収係数が全波長域に亘
ってａ−Ｓｉより小さくなるため、光を吸収し難くな
り、オフ電流を小さくおさえられる。特に、カーボン含
有量を増加させて光学的エネルギーギャップを大きくす
ることにより、その作用を向上させることができる。

【００１９】また、μｃ−ＳｉＣを電子サイクロトロン
共鳴プラズマ化学蒸気成膜法（ＥＣＲ−ＰＣＶＤ法）に
より作成することにより、ａ−Ｓｉと比較して移動度を
大きく向上できる。

【００２０】

【実施例】以下に本発明の実施例を具体的に説明する。

【００２１】図１は、ソースバスラインを送られるソー
ス信号とゲートバスラインを送られるゲート信号とによ
り絵素電極に電圧を印加するアクティブマトリクス基板
に、本発明を適用した場合の薄膜トランジスタを示す断
面図である。この薄膜トランジスタは、ガラス基板１の
上にゲート電極２と陽極酸化膜３とがこの順に形成さ
れ、ゲート電極２及び陽極酸化膜３を覆ってガラス基板
１上にゲート絶縁膜４が形成されている。ゲート絶縁膜
４の上であって、ゲート電極２の上方部分に半導体薄膜
５が形成され、この半導体薄膜５の上にはエッチングス
トッパ６が形成されており、このエッチングストッパ６
の上で離隔してソース電極８とドレイン電極９とが形成
されている。

【００２２】ソース電極８とエッチングストッパ６との
間及びソース電極８と半導体薄膜５との間にはｎ⁺型ａ
−Ｓｉ膜７が形成され、ドレイン電極９とエッチングス
トッパ６との間及びドレイン電極９と半導体薄膜５との
間にはｎ⁺型ａ−Ｓｉ膜７が形成されており、ソース電
極８及びドレイン電極９の上には、絵素電極１０が形成
されている。更に、この状態のガラス基板１の上を覆っ
て保護膜１１が形成された構成となっている。

【００２３】次に、かかる構成の薄膜トランジスタの製
造工程の一部で用いる装置を説明する。図２にその装置
であるインライン式ＣＶＤ装置を概略的に示す。このイ
ンライン式ＣＶＤ装置は、ロード室１２より搬入したガ
ラス基板を、Ｓｉ₃Ｎ₄成膜室１３、電子サイクロトロン
共鳴プラズマ成膜室１４及びＳｉ₃Ｎ₄成膜室１５に順次
搬送して、各室において所定の膜を形成し、アンロード
室１６より搬出する構成となっている。

【００２４】図３は、本発明のポイントとなる電子サイ
クロトロン共鳴プラズマ成膜室１４の断面概略図を示
す。この成膜室１４は、ガラス基板１がセットされる基
台２１、ヒータ２２及びシャッター２３を有する反応容
器２０を備え、反応容器２０の内部には配管２４を介し
て反応ガスが供給可能となっている。また、反応容器２
０の内部は、１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空にすることが可
能となっている。上記反応容器２０には励起容器２５が
添設され、この励起容器２５にはマイクロ波やプラズマ
励起ガスが供給される。励起容器２５の周囲には、冷却
水により水冷される誘導コイル２６が設けられた構成と
なっている。

【００２５】かかる構成の電子サイクロトロン共鳴プラ
ズマ成膜室１４においては、励起容器２５により電子サ
イクロトロン共鳴にて低圧力の条件で高濃度のプラズマ
を発生し、それを誘導コイル２６からの発散磁界により
効率よく引き出し、このとき発生する１０〜２０ｅＶの
イオンエネルギーを利用してガラス基板１付近に導入し
た反応ガスを分解、活性化して成膜を行う。

【００２６】次に、上述のインライン式ＣＶＤ装置を用
いた、本発明の薄膜トランジスタの製造方法について説
明する。

【００２７】先ず、ガラス基板１の上に、スパッタリン
グによりＴａ（タンタル）薄膜を形成し、その後、ホト
リソグラフィーとエッチングからなるパターニングをＴ
ａ薄膜に施してＴａからなるゲート電極２を形成する。

【００２８】次に、この状態のガラス基板１を酒石酸ア
ンモニウム溶液中に浸し、外部より電流を流して陽極酸
化することにより、ゲート電極２の上にＴａ₂Ｏ₅からな
る厚みが約３００ｎｍのゲート絶縁膜３を形成する。

【００２９】次に、ゲート絶縁膜４、半導体薄膜５及び
エッチングストッパ６の三層を、上述のインライン式Ｃ
ＶＤ装置により形成する。まず、ロード室１２よりガラ
ス基板１を搬入した後、Ｓｉ₃Ｎ₄成膜室１３において、
モノシラン（ＳｉＨ₄）、アンモニア（ＮＨ₃）および水
素（Ｈ₂）を導入してプラズマ放電により厚みが約３０
０ｎｍのゲート絶縁膜４を形成する。続いて、電子サイ
クロトロン共鳴プラズマ成膜室１４においてｐ型μｃ−
ＳｉＣからなる半導体薄膜５を形成する。その後、Ｓｉ
₃Ｎ₄成膜室１５において、モノシラン（ＳｉＨ₄）、ア
ンモニア（ＮＨ₃）および水素（Ｈ₂）を導入してプラズ
マ放電により、後工程でエッチングストッパ６となる、
厚みが約３００ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄膜を形成した。その後、
アンロード室１６よりガラス基板１をインライン式ＣＶ
Ｄ装置の外に搬出した。

【００３０】次に、上記Ｓｉ₃Ｎ₄膜をパターニングして
エッチングストッパ６を形成し、続いてｎ⁺型のａ−Ｓ
ｉからなる膜を形成してパターニングし、ｎ⁺型ａ−Ｓ
ｉ膜７を得た。

【００３１】次に、チタン（Ｔｉ）をスパッタリング法
により約３００ｎｍの厚みに形成してパターニングを行
い、ソース電極８とドレイン電極９とを形成する。この
とき、チャネル長は１０μｍ、チャネル幅は４０μｍと
した。

【００３２】次に、錫（Ｓｎ）を５％含む酸化インジウ
ム（ＩＴＯ）をターゲットとし、酸素雰囲気下でスパッ
タリングを行って、酸化インジウムからなる膜を約７０
ｎｍの厚みに形成してパターニングを行い、絵素電極１
０を形成する。続いて、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を形成してパターニ
ングを行い、保護膜１１を形成する。

【００３３】以上により、半導体薄膜５がｐ型μｃ−Ｓ
ｉＣからなる本発明の薄膜トランジスタが製造される
が、半導体薄膜５の成膜条件などについては以下に詳述
する。半導体薄膜５の成膜に用いるガスとしては、プラ
ズマ励起ガスに純度９９．９９９９％の水素（Ｈ₂）を
用いた。反応ガスには水素によりそれぞれ１０％希釈し
たシラン（ＳｉＨ₄）とメタン（ＣＨ₄）とを用い、ドー
パントガスとして水素によりそれぞれ５００ｐｐｍに希
釈したジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を用いた。また、半導体薄膜
５の膜厚は約３０ｎｍとした。他の半導体薄膜５の成膜
条件を下記表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】なお、磁束密度は、誘導コイル２６から発
散される磁界に関する値である。

【００３６】かかる成膜において、μｃ−ＳｉＣの微結
晶化を図る上で重要な条件の一つは水素希釈率Ｈ₂／
（ＳｉＨ₄＋ＣＨ₄）である。水素希釈率が５０％を越え
ると、光学的エネルギーギャップ（Ｅopt）および暗導
電率（σd）に急激な増加が認められ特性が良くなる。
そのため、水素希釈率は３５〜６５％の範囲に設定し、
Ｂ₂Ｈ₆とＣＨ₃は反応ガスに対するドーピング比を０．
７５〜３．５％とし、ＣＨ₄／ＳｉＨ₄の比と水素ガスの
比率とを変えることにより、光学的エネルギーギャップ
（Ｅopt）の制御を行った。なお、Ｅoptとしては、２．
０ｅＶから２．９ｅＶまで制御可能である。

【００３７】したがって、本発明においては、プラズマ
励起ガスに水素を用いてシリコンカーバイドを成膜して
いるので、従来のＲＦ−ＰＣＶＤ法では困難であった高
い光学的透明度と移動度を兼ね備えたμｃ−ＳｉＣの成
膜が可能になった。その原因として、膜成長表面が適当
なエネルギーのイオンや電子に照射されるため、弱い結
合がネットワークに取り込まれるのが防がれ、また膜成
長に関与したラジカル種の表面拡散が促進されることに
より緻密で構造欠陥の少ないネットワークを有する膜が
得られると考えられる。

【００３８】よって、半導体薄膜が高い光学的透明度を
もつので、光の吸収係数が全波長域に亘ってａ−Ｓｉよ
り小さくなるため、光を吸収し難くなり、オフ電流を小
さくおさえられる。特に、カーボン含有量を増加させて
光学的エネルギーギャップを大きくした場合には、より
光吸収を抑制できオフ電流の減少化を図れる。なお、そ
の光学的エネルギーギャップとしては、上述したように
大きい方が好ましいが、制御条件を考慮すると２．０ｅ
Ｖ以上がよい。望ましくは、２．０ｅＶから２．９ｅＶ
までがよい。

【００３９】上述のようにして製造された薄膜トランジ
スタの特性を測定すると、ゲート電極に１０Ｖを印加し
た場合、オン電流は２．５×１０^-6Ａ以上となり、半導
体薄膜にａ−Ｓｉを用いた場合の２倍以上の値である。
また、通常の蛍光灯下のオフ電流は１０^-12Ａ以下とな
り、半導体薄膜にａ−Ｓｉを用いた場合の１０分の１以
下の値である。

【００４０】かかる薄膜トランジスタを用いた液晶ディ
スプレイパネルは、以下のように構成される。即ち、図
１に示すような、ソースバスラインを送られるソース信
号とゲートバスラインを送られるゲート信号とにより絵
素電極に電圧を印加する構成のアクティブマトリクス基
板に対し、ガラス板の表面にカラーフィルター、ブラッ
クマトリックスおよびＩＴＯからなる対向電極が形成さ
れ対向基板を、絵素電極と対向電極とが内側に位置する
状態に対向させ、かつ両基板の間に隙間を設けて貼り合
わせ、その隙間に液晶を注入する。このようにして作製
された液晶セルの両面に偏光板を貼り付け、更にバック
ライトを取り付けることにより、液晶ディスプレイパネ
ルが出来上がる。

【００４１】このような構成をした本発明の液晶ディス
プレイパネルにあっては、ブラックマトリックスの面積
を小さくでき、開口率を従来の３０％から３５％に改善
できたため明るくなった。また、移動度の向上によりオ
ン電流が２倍以上に向上したため、従来では困難であっ
た１６インチの１２８０×３×１０２４の絵素を持つエ
ンジニアリングワークステーション用の液晶ディスプレ
イが作製できるようになった。

【００４２】上記実施例では半導体薄膜にｐ型のμｃ−
ＳｉＣを用いているが、本発明はこれに限らず、半導体
薄膜にｉ型又はｎ型のμｃ−ＳｉＣを用いることも可能
である。

【００４３】また、上記説明では逆スタガー型の薄膜ト
ランジスタに適用しているが、本発明はこれに限らず、
スタガー型の薄膜トランジスタにも同様にして適用でき
ることはもちろんである。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明による場合
には、光を吸収し難くかつ移動度が大きく、しかも通常
のガラスを使用することができる薄膜トランジスタ及び
それを用いた液晶ディスプレイパネルを提供することが
できる。また、ブラックマトリックスの面積を小さくで
き、開口率を従来より改善できるため、液晶ディスプレ
イパネルを明るくできる。更に、移動度の向上によりオ
ン電流を２倍以上に向上させ得るため、従来では困難で
あったエンジニアリングワークシテーション等の大型高
精細液晶ディスプレイが作製できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の薄膜トランジスタを示す断面図。

【図２】本発明に用いるインライン式ＣＶＤ装置の概略
図。

【図３】本発明に用いる電子サイクロトロン共鳴プラズ
マ成膜室を示す断面概略図。

【図４】電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学蒸気成膜
法により作製した微結晶シリコンカーバイドの暗導電率
と光学的エネルギーギャップの関係を示す特性図。

【符号の説明】

１ガラス基板２ゲート電極３陽極酸化膜４ゲート絶縁膜５半導体薄膜６エッチングストッパ７ｎ⁺型ａ−Ｓｉ膜８ソース電極９ドレイン電極１０絵素電極１１保護膜１２ロード室１３Ｓｉ₃Ｎ₄成膜室１４電子サイクロトロン共鳴プラズマ成膜室１５Ｓｉ₃Ｎ₄成膜室１６アンロード室２０反応容器２１基台２２ヒータ２３シャッター２４配管２５励起容器２６誘導コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者濱川圭弘兵庫県川西市南花屋敷３丁目17の４ (72)発明者岡本博明兵庫県川西市多田桜木２丁目６の10の113

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲート絶縁膜を挟んで片方にゲート電極
が設けられ、もう片方に半導体薄膜、ソース電極及びド
レイン電極が設けられており、該半導体薄膜が微結晶シ
リコンカーバイドからなる薄膜トランジスタ。
【請求項２】前記半導体薄膜が、電子サイクロトロン
共鳴プラズマ化学蒸気成膜法を用いて形成した微結晶シ
リコンカーバイドからなる請求項１に記載の薄膜トラン
ジスタ。
【請求項３】前記半導体薄膜が、２．０ｅＶ以上の光
学的エネルギーギャップを有する微結晶シリコンカーバ
イドからなる請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項４】ゲート絶縁膜を挟んで片方にゲート電極
が設けられ、もう片方に半導体薄膜、ソース電極及びド
レイン電極が設けられており、該半導体薄膜が微結晶シ
リコンカーバイドからなる薄膜トランジスタを使用した
液晶ディスプレイパネル。