专利名称：薄膜晶体管以及使用该薄膜晶体管的有机el显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有Si、 Ge的薄膜晶体管以及使用该薄膜晶体管的 有机EL显示装置。
背景技术：
作为可以适用于有机EL显示装置或液晶显示装置等的外围电路 的高迁移率的薄膜晶体管(以下称为"TFT，，)，有半导体层使用了多 晶硅的多晶硅TFT。尤其有为了在更低的温度下形成TFT而使用导 入了 Ge的多晶SiGe作为半导体层的方法。在日本专利申请 JP-A-2002-231958中披露了为了提高迁移率特性而在晶界上偏析Ge 的结构。
但是，在背景技术中，难以在低温下形成显示高迁移率的多晶 SiGe膜。因此，难以在软化温度较低的廉价玻璃基板上形成元件。为 了解决该问题，有使用激光退火的方法。但是，这种情况存在因增加 激光退火工序而增大了处理成本的缺点。另外，在激光器的维护方面 存在成本较高的缺点。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的目的在于，不需在低温下使用激光 退火即可形成高品质的多晶体薄膜，从而获得迁移率特性良好的 TFT,并且提供使用该TFT的显示装置。
在本发明中，形成使Ge浓度在绝缘基板侧较高的结构。这样的 Ge浓度分布可以通过RBS (卢瑟福反向散射)等进行评价。通过提 高绝缘基板侧的Ge浓度，可以在低温下生成成膜初期的晶核。此外，为了促进各向同性成长以使基板侧表面可以被晶核覆盖，控制晶面取
向性以使其成为随机的。而且，降低膜表面侧的Ge浓度。而且，使 膜表面侧的晶面变成(110) 、 (111)、或(100)的取向。这些结 晶取向性可以通过X射线衍射来评价。通过形成这样的结构，可以使 晶粒致密成长。
为了形成这样的膜结构，使用利用GeF4和ShH6的反应热CVD 形成膜。尤其，为了增大绝缘基板侧的Ge浓度，在成膜初期增大了 导入的GeF4气体浓度。通过提高该浓度，可以在450'C的较低温度下 形成Ge浓度较高的随机取向的晶核。然后，通过降低GeF4浓度，并 且最优化Si2H6流量、He等栽流子气体的流量以及气体压力等，可以 形成显示良好结晶性的、取向性高且Ge浓度低的半导体膜。
使用该半导体膜，形成如图1所示的TFT。该TFT可以在不使 用激光退火工序的情况下形成高品质的结晶膜。此外，通过在有机 EL显示装置的驱动电路中使用该TFT，可以以低成本提供有机EL 显示装置。此外，通过将其使用在液晶显示装置的驱动电路或外围电 路中，可以以低成本提供液晶显示装置。
通过提高Ge浓度，可以降低结晶化温度，并且可以在低温下形 成高质量的晶核。此外，通过形成随机取向，可以利用晶核覆盖基板 侧表面。而且，其后的优先成长面的选择自由度变大，并且通过调整 成膜条件可以进一步控制成长面。
在本发明中，在膜表面侧控制为(110) 、 (111)和(100)取 向。通过形成这样的结构，可以使晶粒致密成长。这样，可以降低栅 极绝缘膜界面的缺陷能级密度(defectlevel density),并且可以提供 阈值(Vth)偏移较小的、稳定特性的TFT。此外，通过降低Ge浓 度，可以减小TFT的截止电流。
此外，本发明的TFT可以在低温下形成，而且也不需要激光退 火。因此，可以以低成本制造显示装置。
图1是顶栅型TFT的剖面示意图。图2是使用顶栅型TFT的有机EL显示装置的剖面示意图。 图3是使用顶栅型TFT的液晶显示装置的剖面示意图。 图4是使用底栅型TFT的有机EL显示装置的剖面示意图。 图5是使用底栅型TFT的液晶显示装置的剖面示意图。
具体实施方式
下面利用附图对本发明的实施例进行说明。 实施例1图1是根据本发明的顶栅(top gate)型TFT的剖面示意图。在 图1中的绝缘基板l上，通过PECVD (等离子体增强CVD)法形成 SiN膜2和Si02膜3作为基底层。在其上形成多晶SiGe膜作为半导 体层4。该SiGe膜使用了这样的结构在基板侧20nm以下的区域 Ge浓度较高且结晶取向性为随机的，并且在膜厚40nm以上的区域 Ge浓度较低并且显示(110)取向性。此处，基板侧20nm以下的区域的Ge浓度为10at% (原子百分 比)以上，优选15at。/。以上。通过将该区域的Ge浓度设定在10at% 以上，可以在450。C的成膜中显示结晶性，并且在15at。/。以上的结晶 率可达到95%以上。因此，通过将该区域的Ge浓度设定在10%以上， 可以在成长于其上的膜厚20nm以上的区域形成良好的结晶膜。而且，已知通过将Ge浓度设定在15at。/。以上，即使在形成了底 栅(bottom gate )型TFT时，也可以显示TFT迁移率在5cmVVs以 上。通过4吏用该迁移率的TFT,也可以驱动有机EL元件。此外，膜厚40nm以上的区域的Ge浓度在20at。/。以下，优选在 15at。/。以下。通过将Ge浓度设定在20at。/。以下，可以使TFT的截止 电流为10^A以下，并且可以适用于有机EL显示装置的驱动电路。 而且，通过设定在15at。/o以下，可以使截止电流为10"A以下，并且 即使用于液晶显示装置的像素驱动中也可以获得漏泄电流小且高图 像质量的图像。此外，通过对膜厚20nm以下的区域随机取向，可获得良好的结 晶性，并且可以通过成膜条件控制在其上成长的膜的取向性。在这种 情况下，作为X射线衍射峰强度，(220 )峰强度优选为(lll)峰强 度的0.5倍以上且0.7倍以下，(311)峰强度优选为(111)峰强度 的0.2倍以上且0.4倍以下。而且，(400)峰强度优选为(111)的 0.05倍以上且0.07倍以下。而且，当将膜厚40nm以上的区域的结晶取向性设定为(110) 时，通过使X射线衍射的(220)峰强度为(111)的峰强度的0.8倍 以上，可以形成高致密性的膜。另一方面，在形成(lll)取向的情 况下，优选使(111)峰强度形成为(220)强度的2.2倍以上。此外， 形成(100)取向的情况下，优选使(400)峰强度形成为(111)强 度的0.1倍以上。通过这样的结构可以形成致密性较高的半导体。为了形成该SiGe膜，采用了反应热CVD法。该方法是将基板 温度加热到450。C以上，并且导入GeF4、 Si2H6、 He。在GeF4:Si2H6 的流量比为0.005 ~ 2:1、 Si2H6:He的流量比为1:10 ~ 5000的范围内可 以形成膜质良好的SiGe膜。为了制成上述的膜结构，首先，将GeF4与Si2H6的比率设定成 ShH6为1则GeF4为0.1以上，并且导入，然后，降低该比率而形成 膜，为了使膜厚在40nm以上且Ge比率在20at。/。以下，将该比率设 定在0.1以下。此外，改变气体压力和流量。通过使用这样的两步成 膜法，可以形成上述膜结构的SiGe膜。在形成顶栅型TFT时，采用光刻法将作为半导体层4的SiGe 膜加工成岛状。然后，在其上形成栅极绝缘层5。作为栅极绝缘层5 的材料，可以列举Si02或SiN等。通过PECVD、溅射法等形成这些 膜。此外，也可以并用等离子体氧化法、光氧化法等。在其上形成栅 电极布线6。作为栅电极布线6的材料，可以列举的有Si、 Ge或其合 金，Nb、 Mo、 W、 Ta、 Cr、 Ti、 Fe、 Ni、 Co等或它们的合金。然 后，采用光刻法加工成栅电极布线图形。然后，通过离子注入注入P或B，从而形成漏掺杂区域4，和源掺杂区域4"。在其上，通过上述方法形成Si02膜和SiN膜作为层间 绝缘层7，然后，利用光刻法形成接触孔。然后，穿过该接触孔形成 源电极布线9和漏电极布线10。作为这些电极布线材料，可以列举 Nb、 Mo、 W、 Ta、 Cr、 Ti、 Fe、 Ni、 Co等或它们的合金。然后， 利用光刻法加工成源电极布线图形和漏电极布线图形。而且，利用光刻法在其上形成SiN膜作为保护性绝缘膜11，然 后，形成接触孔。接着，形成反射金属板或透明导电膜作为像素电极 12，并利用光刻法进行加工。当形成有机EL显示装置时，如图2所示，利用蒸镀法等在其上 形成有机EL的电荷输送层13、发光层14、电荷输送层15，而且用 蒸镀或溅射法等形成透明导电膜作为上部电极16，形成SiN膜作为密 封层17，从而制成有机EL显示装置。所制成的有机EL显示装置由 于TFT的稳定性良好而显示出高亮度且长寿命的特性。此外，当形成液晶显示装置时，如图3所示，在像素电极12上 形成取向膜18，夹着间隔件19粘贴对置基板20，并封入液晶21,从 而制成TFT液晶显示装置。所制成的TFT液晶显示装置显示出高精 细的图像。虽然以上对顶栅型TFT进行了说明，但是如图4、 5所示，也可 以形成底栅型TFT。 实施例2图2是使用根据本发明的顶栅型TFT的有机EL显示装置的剖 面示意图。在图2中，首先，如图1所示，通过PECVD法在绝缘基 板1上形成SiN膜2和SiCh膜3作为基底层。在其上用反应热CVD 法形成多晶SiGe膜作为半导体层4。此时，使用了 SizH6和GeF4和He的混合气体。首先，导入 Si2H6:3sccm、 GeF4:0.5sccm、 He:lslm(-1000sccm)并形成晶核。接着， 导入Si2H6:3sccm、 GeF4:0.03sccm、 He:lslm。将气体压力i殳为665Pa， 并生长SiGe晶体。膜厚为100nm。利用RBS的组成分布评价，在基 板侧20nm以下的区域为18at。/。以上，而在膜厚40nm以上的区域为13at。/o以下。此外，利用X射线衍射的评价中，在膜厚20nm处是(220 )峰 强度为(111)峰强度的0.60倍、(311)峰强度为(111)峰强度的 0.32倍的随机取向。此外，在膜厚100nm处(220)峰强度为(111) 峰强度的0.91倍，显示了 (110)取向性。利用光刻法将该SiGe膜加工成鸟状。通过使用TEOS的PECVD 在其上形成Si02膜作为栅极绝缘层5。膜厚为100nm。然后，通过賊 射法形成Nb膜，并利用光刻法加工成栅电极布线6。在其上通过使 用TEOS的PECVD形成Si02膜作为层间绝缘层7，并利用光刻法形 成接触孔。然后，利用賊射法形成CrMo膜，并利用光刻法加工成源 电极布线9和漏电极布线10。而且，用PECVD法形成SiN膜作为保 护性绝缘层11，并利用光刻法形成接触孔。然后，利用溅射法形成 Al膜作为像素电极12，并利用光刻法进行加工。在其上通过蒸镀法等形成有机EL的电荷输送层13、发光层14、 电荷输送层15，而且通过蒸镀或溅射法等形成透明导电膜作为上部电 极16，利用Cat-CVD ( catalytic CVD:催化剂CVD )法形成SiN膜 作为密封层17，并制成有机EL显示装置。所制成的有机EL显示装 置显示出高图像质量且长寿命的图像。实施例3图3是使用根据本发明的顶栅型TFT的液晶显示装置的剖面示 意图。在图3中，通过与实施例l相同的方法，在绝缘基板l上形成 SiN膜2和Si02膜3作为基底层。然后，利用反应热CVD形成多晶 SiGe膜作为半导体层4。此时，使用了 Si2H6和GeF4和He的混合气体。首先，导入 Si2H6:3sccm、 GeF4:0.3sccm、 He:lslm并将气体压力设为665Pa，从 而形成晶核；然后导入Si2H6:3sccm、 GeF4:0.03sccm、 He:lslm。气 体压力被设定为1330Pa。膜厚为100nm。利用RBS的组成分布评价 中，在基板侧20nm以下的区域为15at。/o以上，而在膜厚40nm以上 的区域为13at。/o以下。此外，在利用X射线衍射的评价中，在膜厚20nm处是(220 ) 峰强度为(111)峰强度的0.58倍、(311)峰强度为(111)峰强度 的0.31倍的随机取向。此外，在膜厚100nm处(111 )峰强度为(220) 峰强度的2.5倍，显示(lll)取向性。利用光刻法将该SiGe膜加工成鸟状。通过与实施例l相同的方 法形成栅极绝缘层5、栅电极布线6、层间绝缘层7、源电极布线9、 漏电极布线10。而且通过与实施例1相同的方法形成保护性绝缘层 11。然后通过溅射法形成ITO膜作为像素电极12，并利用光刻法进 行加工。在其上形成取向膜18，并夹着间隔件19粘贴形成有取向膜18， 的对置基板20，封入液晶21，制成TFT液晶显示装置。所制成的TFT 液晶显示装置显示出高精细的图像。实施例4图4是使用根据本发明的底栅型TFT的有机EL显示装置的剖 面示意图。在图4中，首先利用溅射法在绝缘基板l上形成Nb膜作 为栅电极布线6，并利用光刻法进行加工。在其上通过使用TEOS的 PECVD形成Si02膜作为栅极绝缘层5。利用反应热CVD形成多晶 SiGe膜。此时，使用了 SizH6和GeF4和He的混合气体。首先，导入 Si2H6:3sccm、 GeF4:0.3sccm 、 He:lslm并形成晶核，接着，导入 Si2H6:3sccm、 GeF4:0.03sccm、 He:2slm。气体压力4皮设定为665Pa。 膜厚为100nm。在利用RBS的组成分布评价中，在基板侧20nm以 下的区域为15at。/o以上，而在膜厚40nm以上的区域为13at。/。以下。 此外，在利用X射线衍射的评价中，在膜厚20nm处是(220)峰强 度为(111)峰强度的0.58倍、(400 )峰强度为(111)峰强度的0.6 倍的随机取向的。此外，在膜厚100nm处，(400)峰强度为(111) 峰强度的0.12倍，显示(100)取向。接着，通过PECVD法形成n 十Si膜作为接触层22。然后，利用光刻法将n + Si膜/多晶SiGe膜加工成島状。在其上通过溅射法形成Nb膜，并利用光刻法加工成源电极布线 9和漏电极布线10。接着，蚀刻接触层22的n + Si膜。而且，通过 PECVD法在其上形成SiN膜作为保护性绝缘膜ll，然后，形成有机 树脂作为层间绝缘层7。然后，利用光刻法，在层间绝缘层7和保护 性绝缘膜ll中形成接触孔。接着，通过溅射法形成A1膜作为像素电 极12，并利用光刻法进行加工。在其上利用蒸镀法形成有机EL元件的电荷输送层13、发光层 14、电荷输送层15，而且通过蒸镀法以及溅射法形成透明导电膜作为 上部电极16，利用Cat-CVD法形成SiN膜作为密封层17，并制成有 机EL显示装置。所制成的有机EL显示装置由于TFT的稳定性良好 而显示出高亮度且长寿命的特性。实施例5图5是使用根据本发明的底栅型TFT的液晶显示装置的剖面示 意图。在图5中，通过与实施例l相同的方法在绝缘基板l上形成栅 电极布线6、栅极绝缘层5、半导体层4、接触层22、源电极布线9、 漏电极布线10，并且形成保护性绝缘膜11和层间绝缘层7。然后， 利用光刻法在层间绝缘层7和保护性绝缘膜11上加工通孔。接着， 通过'减射法形成ITO膜作为像素电极12,并利用光刻法进行加工。在其上形成取向膜18，并夹着间隔件19粘贴形成有取向膜18， 的对置基板20,封入液晶21，制成TFT液晶显示装置。所制成的TFT 液晶显示装置显示出高精细的图像。如以上所作说明，将根据本发明的多晶薄膜使用于底栅TFT中 时，其在栅极绝缘膜上成长，通过控制使该部分成为随机取向，可以 提高TFT沟道部的结晶率，并且可以提高迁移率。此外，通过使膜 表面侧成为显示优先取向的结构，可以使膜变得致密并且可以降低截 止电流。此外，在后沟道蚀刻(back channel etch )结构中，当蚀刻 接触层时，通过釆用显示优先取向的半导体层作为膜表面侧，可以降 低该层的蚀刻速度，并且可以提高与接触层的选择比。因此，可以使 半导体层的厚度变薄。此外，也可以提高接触层的蚀刻速度。因此，可以提高生产率。此外，由于减小了半导体层的体积，可以减少:故热 激励的电荷，并且可以降低截止电流。此外，当将该膜使用于顶栅TFT时，由于可以使形成TFT沟道 的膜表面侧成为致密的优先取向晶粒，所以可以提高迁移率。为了更加提高迁移率，优选控制为(111)取向。表面电荷密度 以[111面为最大、以[110面、[IOOI面的顺序减小。载流子在与基板 平行的方向上移动。当对基板垂直(111)取向时，可以使表面电荷 密度小的[100面或[110面面向与基板面平行的方向，使载流子的迁移 性良好。因此，通过将优选取向方向控制为(111)取向，可以制成 迁移率高的TFT。另一方面，[100面可以形成比其他面更高质量的氧化膜，其次， [110面可以形成比较高质量的氧化膜。因此，在将结晶成长控制为 (100 )取向的情况下，可以减少底栅TFT中的后沟道部以及顶栅TFT 中的前沟道(front channel)部的缺陷，从而可以有效地实现截止电 流的降低。而且，通过将结晶成长控制为(110)方向，也可以制成在迁移 率与截止电流之间取得平衡并且特性较好的TFT。
权利要求
1.一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管在绝缘基板上具有由多晶薄膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极，其特征在于，所述多晶薄膜含有Si、Ge，并且Ge浓度在绝缘基板侧高。
2. 根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Ge浓 度在绝缘基板侧20nm以下的区域为10at。/。以上。
3. 根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Ge浓 度在膜厚40nm以上的区域为20at。/。以下。
4. 一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管在绝缘基板上具有由多晶薄膜 构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极，其特征在于，所述多 晶薄膜含有Si、 Ge，所述多晶薄膜的结晶取向在绝缘基板侧20nm的 区域显示随机取向性，并且在膜表面侧显示(110)取向性。
5. 根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，作为显示所 述随机取向性的X射线衍射强度，(220 )强度为(111)强度的0.5 倍以上0.7倍以下，(311)强度为(111)强度的0.2倍以上0.4倍以 下。
6. 根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述(IIO) 取向性在从膜厚40nm至表面侧的X射线衍射(220)强度为(111) 强度的0.8倍以上。
7. 根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Ge浓 度在绝缘基板侧高。
8. —种薄膜晶体管，该薄膜晶体管在绝缘基板上具有由多晶薄膜 构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极，其特征在于，所述多 晶薄膜含有Si、Ge，并且所述多晶薄膜的结晶取向在绝缘基板侧20nm 的区域显示随机取向性，在膜表面侧显示(111)取向性。
9. 根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，作为显示所 述随机取向性的X射线衍射强度，(220 )强度为(111)强度的0.5 倍以上0.7倍以下，(311)强度为(111)强度的0.2倍以上0.4倍以下。
10. 根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述(lll) 取向性在从膜厚40nm至表面侧的X射线衍射(111)强度为(220) 强度的2.5倍以上。
11. 根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Ge 浓度在绝缘基板侧高。
12. —种薄膜晶体管，该薄膜晶体管在绝缘基板上具有由多晶薄 膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极，其特征在于，所述 多晶薄膜含有Si、 Ge，并且所述多晶薄膜的结晶取向在绝缘基板侧 20nm的区域显示随机取向性，在膜表面侧显示(IOO)取向性。
13. 根据权利要求12所述的薄膜晶体管，其特征在于，作为显 示所述随机取向性的X射线衍射强度，(220 )强度为(111)强度的 0.5倍以上0.7倍以下，(400)强度为(111)强度的0.05倍以上0.07 倍以下。
14. 根据权利要求12所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述(100 ) 取向性在从膜厚40nm至表面侧的X射线衍射(400)强度为(111) 强度的O.l倍以上。
15. 根据权利要求12所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述Ge 浓度在绝缘基板侧高。
16. —种有机EL显示装置，该有机EL显示装置包括在绝缘基板 上具有由多晶薄膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极的薄 膜晶体管，其特征在于，所述多晶薄膜含有Si、 Ge，并且Ge浓度在 绝缘基板侧高。
17. —种有机EL显示装置，该有机EL显示装置具备在绝缘基 板上具有由多晶薄膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极的 薄膜晶体管，其特征在于，所述多晶薄膜含有Si、 Ge,并且所述多晶 薄膜的结晶取向在绝缘基板侧20nm的区域显示随机取向性，而在膜 表面侧显示(110)取向性。
18. —种有机EL显示装置，该有机EL显示装置具备在绝缘基板上具有由多晶薄膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极的薄膜晶体管，其特征在于，所迷多晶薄膜含有Si、 Ge，并且所述多晶 薄膜的结晶取向在绝缘基板侧20nm的区域显示随机取向性，而在膜 表面侧显示(111)取向性。
19. 一种有机EL显示装置，该有机EL显示装置具备在绝缘基 板上具有由多晶薄膜构成的半导体层、源电极、漏电极以及栅电极的 薄膜晶体管，其特征在于，所述多晶薄膜含有Si、 Ge,并且所述多晶 薄膜的结晶取向在绝缘基板侧20nm的区域中显示随机取向性，而在 膜表面侧显示(100)取向性。
全文摘要
提供一种薄膜晶体管以及使用该薄膜晶体管的有机EL显示装置。在薄膜晶体管中使用了含有Si、Ge的半导体层(4)，该半导体层(4)的Ge浓度在绝缘基板(1)侧高，半导体层(4)的结晶取向在离绝缘基板(1)侧20nm的区域为随机取向，而在半导体层(4)的膜表面侧显示(111)、(110)或(100)优先取向性。
文档编号H01L51/50GK101271924SQ200810004599
公开日2008年9月24日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年3月22日
发明者半那纯一, 若木政利 申请人:株式会社日立制作所;国立大学法人东京工业大学