DE3241959A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement.
Es ist bekannt, daß für die Herstellung des Abtastschaltungsteils
einer Bildleseeinrichtung für die Verwendung bei der Bildablesung, beispielsweise eines eindimensionalen, in einer kontinuierlichen Länge hergestellten Fotö-
25 detektors oder eines zweidimensionalen Fotodetektors mit einer vergrößerten Fläche, oder für die Herstellung
der Treiberschaltung einer Bildanzeige- bzw. Sichtanzeige— einrichtung, bei der ein Flüssigkristall (LC), ein Elektrochromiematerial
(EC) oder ein Elektrolumineszenz-
30 material (EL) verwendet wird, ein Dünnfilm-Feldeffekttransistor
gebildet wird, indem als Grundmaterial ein auf einem bestimmten Substrat gebildeter Silicium-Dünnfilm
eingesetzt wird, dessen Größe der vergrößerten Fläche solcher Sichtanzeigeteile entspricht.
B/13
Dresdner Bank (München) Kto. 3939
Bayer. Vereinsbank (München) Kto. 508941
Postscheck (München) Kto. 670-43-804
- 5 - -DE 2586
Es ist erwünscht, daß ein solcher Silicium-Dünnfilm eher polykristallin als amorph ist, damit eine große
Bildleseeinrichtung oder Sichtanzeigeeinrichtung erhalten werden kann, die mit höherer Geschwindigkeit arbeitet
und eine hohe Leistungsfähigkeit hat. Einer der Gründe dafür besteht darin, daß ' der durch das übliche Entladungs-Zersetzungsverfahren
erhaltene Silicium-Dünnfilm aus amorphem Silicium eine effektive Ladungsträgerbeweglichkeit
(μ „„) von höchstens 0,1 cm /(V.s) und damit einen
viel geringeren ^u ^„-Wert als Einkristall-Silicium hat,
während die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit eines Silicium-Dünnfilms, der als Grundmaterial für die Bildung
des Abtastschaltungsteils einer solchen mit höherer Geschwindigkeit arbeitenden und eine hohe Leistungsfähigkeit habende
Leseeinrichtung oder des Treiberschaltungsteils einer Bildanzeigeeinrichtung dient, groß sein sollte. Außerdem
können bei einem Halbleiterbauelement, das unter Einsatz eines solchen Silicium-Dünnfilms aus amorphem Silicium
als Grundmaterial hergestellt worden ist, aufgrund einer merklichen Veränderung im Verlauf der Zeit, in der das
Bauelement angesteuert wird, die gewünschten Bedingungen nicht erfüllt werden. Der kleine Wert der Beweglichkeit
(p .p.p) und die große Veränderung im Verlauf der Zeit
sind dem Silicium-Dünnfilm aus amorphem Silicium innewohnende Eigenschaften, weshalb der Silicium-Dünnfilm aus
amorphem Silicium den Nachteil aufweist, daß die leichte Herstellbarkeit und die niedrigen Fertigungskosten solcher
Dünnfilme nicht ausgenutzt werden können.
Im Gegensatz dazu hat ein Silicium-Dünnfilm aus polykristallinem
Silicium eine viel größere Beweglichkeit μ „^ als ein Dünnfilm aus amorphem Silicium, was aus
den tatsächlich gemessenen Werten hervorgeht. Es ist in der Theorie sehr wahrscheinlich., daß ein Dünnfilm
aus polykristallinem Silicium mit einem Wert der Beweglichkeit /ι ~~, der im Vergleich mit dem gegenwärtig
BAD ORiGfNAL
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erhaltenen Wert weiter erhöht ist, hergestellt werden kann.
Beispiele für bekannte Verfahren, durch die auf einer großen Fläche eines gegebenen Substrats polykristallin^
Silicium hergestellt werden kann, sind Verfahren wie das chemische Aufdampfverfahren (CVD-Verfahren), das
chemische Aufdampfverfahren unter niedrigem Druck (LPCVD-Verfahren), das epitaxiale Molekularstrahlverfahren
(MBE-Verfahren), das Ionenplattierverfahren (I P-Verfahren) und das Glimmentladungsverfahren (GD-Verfahren)-
Es ist bekannt, daß durch jedes dieser Verfahren auf einem Substrat mit einer großen Fläche ein polykristallines
Silicium hergestellt werden kann, wobei die Substrattemperatur jedoch in Abhängigkeit von dem Verfahren
verschieden sein kann.
Ein Halbleiterbauelement, dessen Hauptteil aus einer nach diesen Verfahren hergestellten Halbleiterschicht
aus einem Silicium-Dünnfilm aus polykristallinem Silicium
besteht, kann jedoch unter den gegenwärtigen Umständen nicht in ausreichendem Maße die erwünschten Eigenschaften
und die erwünschte Zuverlässigkeit zeigen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das eine aus einem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm bestehende Halbleiterschicht mit einer hohen Leistungsfähigkeit aufweist.
Durch die Erfindung soll auch ein stabiler Dünnfilm-Feldeffekttransistor
mit einer hohen Leistungsfähigkeit und einer hohen Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt
werden, bei dem ein auf einem Träger bzw. Substrat gebildeter Dünnfilmhalbleiter aus einem polykristallinen
BAD
- 7 - DE 2586
1 Silicium verwendet wird.
Des weiteren soll durch die Erfindung ein Halbleiterbauelement mit einer vergrößerten Fläche zur Verfugung
gestellt werden, das unter Verwendung einer Dünnfilm-Halbleiterschicht
aus polykristallinem Silicium mit hervorragenden Eigenschaften ein am Aufbau eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors
beteiligtes Element darstellt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in den Patentansprüchen 1 bis 3 gekennzeichneten Halbleiterbauelemente
gelöst.
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 4 bis 9 gekennzeichnet.
Die Halbleiterschicht des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements hat sehr gute Eigenschaften in bezug auf
ihr Verhalten, ihre Zuverlässigkeit und ihre Stabilität.
Die Erfinder haben im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Halbleiterbauelemente gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, und zwar auf der Grundlage
der Vorstellung, daß die meisten Halbleiterbauelemente in ihrer Struktur Übergänge (pn-Übergänge oder MIS-Übergänge)
aufweisen und daß die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit als Funktion der Übergangs-Grenzfläche
des Bauelements die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Bauelements festlegen. Diese Untersuchungen
hatten den Erfolg, daß ein Halbleiterbauelement erhalten wurde, das in bezug auf die Halbleitereigenschaften,
di'e Zuverlässigkeit, die Reproduzierbarkeit
und die Stabilität im Verlauf der Zeit hervorragend
35 war.
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Die Erfindung beruht in erster Linie auf der Feststellung, daß bei einem Halbleiterbauelement mit einem
polykristallinem Silicium-Dünnfilm der Gehalt der Wasserstoffatome
(H) in dem Silicium-Dünnfilm und die Rauhigkeitseigenschaften der Oberfläche des Silicium-Dünnfilms
die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Bauelements bestimmen»
Die Erfindung beruht im einzelnen auf der Feststellung, daß ein bekannter Silicium-Dünnfilm aus polykristallinem
Silicium eine große oder eine unregelmäßige Oberflächenrauhigkeit hatte und daß durch solche Faktoren
beispielsweise bei der Bildung eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors
unter Anwendung dieses polykristallinen Silicium-Dünnfilms als Grundmaterial die Eigenschaften
des Bauelements derart beeinflußt wurden, daß beispielsweise die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit (pgf-f)
herabgesetzt wurde, die Ausbeute z. B. durch Gate-Lecks bzw. -Ableitung vermindert wurde, Änderungen des Verhaltens
im Verlauf der Zeit auftraten und die Eigenschaften der einzelnen Bauelemente schwankten. Die Erfinder
haben auch festgestellt, daß das Einschließen einer bestimmten Menge von H in einen Dünnfilm aus polykristallinem
Silicium die Eigenschaften des vorstehend erwähnten Bauelements für die praktische Anwendung
geeignet macht und auch die Schwankung der Eigenschaften der einzelnen Elemente vermindert, wodurch deren Anwendbarkeit
weiter verbessert wird. Es wurde auch festgestellt, daß die Orientierungseigenschaften eines polykristallinen
Dünnfilms und die Korngröße ( die mittlere Größe der Kristallteilchen) zu einer weiteren Verbesserung
bei verschiedenen Eigenschaften, die vorstehend erwähnt wurden, beitragen.
- 9 - DE 2586
Die Erfindung beruht zweitens auf der Feststellung, daß die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der Eigenschaften
eines Halbleiterbauelements, dessen Hauptteil aus einer Halbleiterschicht in Form eines Dünnfilms
aus polykristallinem Silicium besteht, mit (1) dam
Gehalt der Wasserstoffatome in dem hergestellten, polykristallinen
Silicium-Dünnfilm und (2) der Ätzgeschwindigkeit bei der Ätzung des polykristallinen Silicium-Dünnfilms
mit einem besonderen Ätzmittel in Wechselbeziehung stehen. Das heißt, es wurde festgestellt,
daß die Eigenschaften des Bauelements, μ „„ und die
Stabilität der Eigenschaften im Verlauf der Zeit verbessert werden, wenn die Menge der in eine gebildete
Halbleiterschicht eingeschlossenen bzw. eingebauten
Wasserstoffatome innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt und wenn die Ätzgeschwindigkeit beim Ätzen mit
einem bestimmten Ätzmittel einen bestimmten Wert nicht überschreitet, und infolgedessen zeigen die einzelnen
Bauelemente, wenn sie als Halbleiterbauelemente gestaltet werden, für die praktische Anwendung hervorragend
geeignete Anwendungseigenschaften, während Schwankungen ihrer Eigenschaften im wesentlichen überwunden werden,
was dazu führt, daß die praktische Anwendbarkeit dieser Bauelemente in sehr hohem Maße verbessert werden kann.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
30 Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht, die
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements dient.
Fig. 2 ist eine zur Erläuterung der Schaltung für die
Messung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements dienende, schematische
Ansicht.
- 10 - DE 2586
Fig. 4, 7 und 8 zeigen jeweils eine schematische Schnittansicht, in der ein Beispiel einer Vorrichtung
für die Herstellung des Halbleiterfilms eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements erläu-
5 tert wird.
Fig. 3A bis 3G und 5A bis 5E zeigen jeweils ein schematisches
Diagramm, in dem die Schritte für die Herstellung eines der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente
erläutert werden.
Fig. 6, 9 und 10 sind jeweils graphische Darstellungen eines Beispiels der V"D-ID-Kennlinie des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements.
Ein Beispiel für das unter Anwendung des Dünnfilms aus polykristallinem Silicium als Grundmaterial hergestellten,
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist ein Dünnfilm-Feldeffekttransistor (TFT), ein Transistor,
der aus einer Halbleiterschicht, einer Elektrodenschicht und einer isolierenden Schicht gebildet ist. Bei dem
TFT wird zwischen einer Source—Elektrode (Quelle) und einer Drain—Elektrode (Senke), die mit ohmschem Kontakt
an die Halbleiterschicht angrenzen, eine Spannung angelegt, und der zwischen diesen Elektroden fließende
Kanalstrom wird durch die Vorspannung moduliert, die an die auf der isolierenden Schicht vorgesehene Steuerelektrode
(Gate) angelegt wird.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer typischen Grundstruktur eines solchen TFT. Auf einer aus polykristallinem Silicium
bestehenden Halbleiterschicht 102, die auf einem isolierenden Substrat 101 vorgesehen ist, sind eine
Source-Elektrode 103 und eine Drain—Elektrode 104 ausgebildet,
die mit der Halbleiterschicht in Kontakt
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sind, und eine isolierende Schicht 105 ist so ausgebildet, daß sie diese Elektroden bedeckt, während auf
der isolierenden Schicht 105 eine Steuerelektrode 106 vorgesehen ist.
Bei einem TFT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau besteht
die Halbleiterschicht 102 aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm, der nachstehend beschrieben wird,
und zwischen der Halbleiterschicht 102 und jeder der zwei Elektroden, nämlich der Source-Elektrode 103 und
der Drain— Elektrode 104, werden Schichten gebildet, die jeweils aus einem amorphen Silicium bestehen, beispielsweise
eine erste n+-Schicht 107 und eine zweite
η-Schicht 108, wodurch zwischen den Elektroden und
der Halbleiterschicht ein ohmscher Kontakt gebildet wird.
Die isolierende Schicht 105 kann aus einem Material wie Siliciumnitrid, SiOp oder AIpO3 bestehen, das nach
dem chemischen Aufdampfverfahren (CVD-Verfahren)/ dem
chemischen Aufdampfverfahren unter niedrigem Druck
(LPCVD-Verfahren) oder dem unter Anwendung eines Plasmas
durchgeführten, chemischen Aufdampfverfahren (PCVD-Verfahren)
gebildet werden kann.
Verschiedene Transistoreigenschaften können erfindungsgemäß
dadurch verbessert werden, daß der Wasserstoffgehalt in dem Dünnfilm aus polykristallinem Silicium
auf einen Wert von 0,01 Atom-% oder mehr einreguliert
wird. Andererseits liegen die in dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm enthaltenen Wasserstoffatome (H)
hauptsächlich an der Korngrenze vor, und es kann angenommen werden, daß sie in der normalen, stabil an SiIiciumatome
gebundenen Form, d. h. in Form von Si-H, oder in instabil gebundenen Formen wie Si=Hp oder SiHH3
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1 oder in Form freier Wasserstoffatome vorliegen. Anscheinend
treten die Änderungen der Eigenschaften mit dem Verlauf der Zeit bei den bekannten Dünnfilmen aus polykristallinem
Silicium infolge solcher in einem instabilen Zustand enthaltenen Wasserstoffatome ein. Im Gegensatz
dazu geht aus einer Anzahl von durch die Erfinder ermittelten, experimentellen Tatsachen hervor, daß. im
wesentlichen keine Verschlechterung der Transistoreigenschaften und insbesondere im wesentlichen keine Änderung
der Transistoreigenschaften mit dem Verlauf der Zeit,
eintritt, wenn der Wasserstoffgehalt in dem hergestellten,
polykristallinen Silicium-Dünnfilm auf einen Wert von 3 Atom-% oder weniger einreguliert wird, wodurch
die Eigenschaften in stabiler Weise aufrechterhalten werden können. Andererseits wurden in dem Fall, daß
der Wasserstoffgehalt in dem hergestellten, polykristallinen
Silicium-Dünnfilm 3 Atom-% überschritt, bei einer kontinuierlichen Ansteuerung bzw. Erregung
des Transistors in der vorstehend beschriebenen Weise Änderungen im Verlauf der Zeit beobachtet, die darin
bestanden, daß die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit abnahm und daß sich im Verlauf der Zeit der Ausgangs-Drainstrom
(der Ausgangsstrom an der Senke) verminderte, was zu einer Änderung der Schwellenspannung führte.
Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte beträgt der Wasserstoffgehalt in der aus dem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm bestehenden Halbleiterschicht, die
den Hauptteil eines Halbleiterbauelements bildet, erfindungsgemäß geeigneterweise 0,01 bis 3 Atom-%, vorzugsweise
0,05 bis 2 Atom-% und insbesondere 0,1 bis 1 Atom-%.
Die Messung des Wasserstoffgehalts in dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm, der in dem erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelement definiert ist, wurde mittels eines
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üblicherweise bei der chemischen Analyse eingesetzten Wasserstoff-Analysiergeräts (Elemental analyzer} Model-240,
hergestellt von Perkin Elmer Co.) durchgeführt, wenn der Gehalt 0,1 Atom-% oder mehr betrug. In jedem
Fall wurden 5 mg einer Probe in die Haltevorrichtung des Analysiergeräts eingefüllt, worauf das Wasserstoffgewicht
gemessen und der Wasserstoffgehalt in dem Film in Form von Atom-% berechnet wurde.
Die Analyse einer Spurenmenge von weniger als 0,1 Atom-%
wurde mittels eines Sekundärionen-Massenspektrometers (SIMS; Model IMS-3f, hergestellt von Cameca Co.) durchgeführt.
Bei dieser Analysenmethode wurde eine übliche Verfahrensweise befolgt, d. h. daß auf eine Probe des
Dünnfilms zur Verhinderung einer Aufladung Gold in einer Dicke von 20,0 nm aufgedampft wurde und daß die
Messung unter den Bedingungen einer Ionenenergie des Primärionenstrahls von 8 keV und eines Probenstroms
von 5 χ 10 A mit einem Punktdurchmesser von 50 pm
und einer Ätzfläche von 250 /am χ 250 pm durchgeführt wurde, um das gewünschte Intensitätsverhältnis der
H -Ionen relativ zu den Si -Ionen zu bestimmen, woraus der Wasserstoffgehalt in Form von Atom-% berechnet
wurde.
Der Feldeffekt-TFT, der ein Beispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements darstellt, kann in einen Typ, bei dem die isolierende Schicht der Steuerelektrode
auf der Steuerelektrode ausgebildet ist, (Typ mit tiefer befindlicher Steuerelektrode) und einen Typ, bei dem
die Steuerelektrode auf der isolierenden Schicht der Steuerelektrode ausgebildet ist, (Typ mit höher befindlicher
Steuerelektrode) eingeteilt werden. Er kann andererseits auch in einen Typ, bei dem die Source-
und die Drainelektrode an der Grenzfläche zwischen
» 9
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der isolierenden Schicht und der Halbleiterschicht vorgesehen sind, (Coplanartyp) und einen Typ, bei dem
sich die Sourceelektrode und die Drainelektrode auf der Halbleiterebene befinden, die der Grenzfläche zwisehen
der isolierenden Schicht und der Halbleiterschicht gegenüber liegt, befinden, (versetzter Typ) eingeteilt
werden. Demnach sind insgesamt 4 Typen von Kombinationen der vorstehend beschriebenen Typen bekannt. Die in
Fig. 1 gezeigte Struktur wird als Feldeffekt-TFT des Coplanartyps mit höher befindlicher Steuerelektrode
bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung kann natürlich jeder dieser Typen von Dünnfilm-Feldeffekttransistoren
verwendet werden. .
Ein anderes besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit
des polykristallinen Silicium-Dünnfilms, der den Hauptteil eines Halbleiterbauelements bildet, auf 80,0 nm
oder weniger gebracht wird, wodurch im Fall des FeIdeffekttransistors
mit höher befindlicher Steuerelektrode, bei dem auf dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm
eine isolierende Schicht für die Steuerelektrode gebildet wird, das Auftreten eines Steuerelektrodenlecks
(eines Gate-Lecks bzw. einer Gate-Ableitung) in merklichem
Ausmaß vermindert werden kann. Die isolierende Schicht für die Steuerelektrode (Gate bzw. Tor) wird
im allgemeinen möglichst dünn gemacht, um die Transistoreigenschaften zu verbessern, sie wird jedoch so ausgebildet,
daß ihre Dicke innerhalb eines Bereichs von einigen 10 bis zu einigen 100 Nanometern liegt. Eine
Rauhigkeit auf der Filmoberfläche, deren Höchstwert 80,0 nm überschreitet, kann infolgedessen kaum einen
Bereich ergeben, bei dem ein Steuerelektrodenleck vermieden werden kann. Außerdem führt eine 80,0 nm Uberschreitende
Rauhigkeit bzw. Unebenheit zu einer merklichen
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Verschlechterung der Eigenschaften des Transistors, insbesondere der effektiven Ladungsträgerbeweglichkeit,
und auch zu einer Verstärkung der Veränderungen im Verlauf der Zeit.
Diese Tatsachen zeigen, daß die Ladungsträger, die durch die isolierende Schicht und die Oberfläche des
polykristallinen Siliciums hindurch transportiert werden bzw. driften, durch die Rauhigkeitseigenschaften stark
beeinflußt werden und daß infolgedessen eine Verminderung der Oberflächenrauhigkeit für die Verbesserung der
Transistoreigenschaften sowie der Stabilität des
Transistors wesentlich ist.
Transistors wesentlich ist.
Als nächstes wird, beschrieben, welchen Einfluß die Oberflächenrauhigkeitseigenschaften der aus einem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm bestehenden Halbleiterschicht auf die Eigenschaften des Feldeffekttransistors
mit tiefer befindlicher Steuerelektrode haben, bei dem eine aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm
gebildete Halbleiterschicht auf einer isolierenden Schicht für die Steuerelektrode vorgesehen ist.
Es wurde nun festgestellt, daß in einem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm mit einer einen Höchstwert von 80,0 nm überschreitenden Oberflächenrauhigkeit in der Nähe
der Substratoberfläche amorphes Silicium mit einer ungenügenden kristallinen Orientierung oder eine Schicht
aus sehr kleinen Kristallen gezüchtet wird und daß im Verlauf einer solchen Züchtung eine Züchtung von
Kristallkörnern eintritt, die sich fächerförmig in der Richtung des Filmwachstums ausbreiten, wodurch
die Rauhigkeit bzw. Unebenheit vergrößert wird, was durch Fotografien von Filmquerschnitten gezeigt wird.
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Ein Dünnfilm-Feldeffekttransistor mit tiefer befindlicher Steuerelektrode, bei dem als Halbleiterschicht, die
den Hauptteil des Bauelements bildet, ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm mit einem 80,0 nm überschreitenden
Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit eingesetzt wird, hat demnach eine sehr geringe effektive Ladungsträgerbeweglichkeit,
und die Änderungen der Transistoreigenschaften im Verlauf der Zeit beim kontinuierlichen
Betrieb sind sehr groß.
Der polykristalline Silicium-Dünnfilm, der erfindungsgemäß
mit einer Oberflächenrauhigkeit von nicht mehr als 80,0 nm gebildet wird, zeigt als Ergebnis eines
von der Substratgrenzfläche ausgehenden, dichten Kristallwachstums keine ausgeprägten Unterschiede in
der Kristallinität und den Orientierungseigenschaften in der Richtung der Filmdicke und kann auch zu guten
Transistoreigenschaften führen.
Bei dem Feldeffekttransistor mit höher befindlicher
Steuerelektrode und bei dem Feldeffekttransistor mit tiefer befindlicher Steuerelektrode wird die Oberflächenrauhigkeit
des polykristallinen Silicium-Dünnfilms, der die als Hauptteil dienende Halbleiterschicht bildet,
vorzugsweise auf 80,0 nm oder weniger und insbesondere auf 50,0 nm oder weniger gebracht.
Die Messung der Oberflächenrauhigkeit wurde erfindungsgemäß mittels eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops
(Model JFSM-30, hergestellt von Nippon Denshi Co.) durchgeführt, wobei die Oberflächenrauhigkeit
aus einem Bild (100.000 fache Vergrößerung) des Oberflächenquerschnitts eines polykristallinen Silicium-Dünnf
ilms, das mit Elektronen erhalten wurde, die mit 25 kV beschleunigt wurden und schräg auf die Oberfläche
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1 auftrafen, bestimmt wurde.
Erfindungsgemäß wird die Oberflächenrauhigkeit eines
polykristallinen Silicium-Dünnfilms, der eine den Hauptteil eines Halbleiterbauelements bildende Halbleiterschicht
darstellt, über den gesamten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht, der tatsächlich das Bauelement
bildet, auf einen Wert von 80,0 nm oder weniger gebracht.
Die als ein wichtiger Faktor für die Lösung der Aufgabe der Erfindung definierten Ätzeigenschaften sind bestimmt
worden, indem von polykristallinen Silicium-Dünnfilmen,
die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt worden waren, ein Teil zur Messung der Ätzgeschwindigkeit
durch Ätzen mit einem nachstehend definierten Ätzmittel bei einer Ätztemperatur von 25°C verwendet wurde, während
andererseits der Rest der Dünnfilme zur Herstellung eines FE-TFT (eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors)
roi^ dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau eingesetzt wurde,
um die Transistoreigenschaften zu messen, worauf die Wechselbeziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit und
den Transistoreigenschaften festgestellt wurde.
Als Ätzmittel kann eine Mischung eingesetzt werden, die aus einer Flußsäure, die im Handel üblicherweise
als Chemikalie für die Elektronikindustrie erhältlich ist (50 vol-%ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d=l,38;
60 vol.-%ige, wäßrige Lösung) und Eisessig im Volumen-
30 verhältnis 1:3:6 besteht.
Das Ätzmittel hat die folgende Ätzeigenschaft: Die Ätzgeschwindigkeit beträgt 1,5 nm/s, wenn eine Siliciumscheibe,
bei der ρ = 0,3ß.cm-, mit diesem Ätzmittel
bei 25°C geätzt wird.
♦ « ♦
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Aus einer Anzahl von Versuchsergebnissen, die durch die Erfinder erhalten wurden, geht hervor, daß die
Ätzgeschwindigkeit eines - polykristallinen Silicium-Dünnfilms
in Abhängigkeit von den Filmherstellungsbedingungen verschieden ist, nämlich im Fall des vorstehend
erwähnten Ätzmittels 1,5 nm/s bis 8,0 nm/s beträgt. Als zur Prüfung der Wechselbeziehung zwischen den Transistoreigenschaften
und der Ätzgeschwindigkeit verschiedene Dünnfilmtransistoren unter Einsatz verschiedener
polykristalliner Silicium-Dünnfilme mit unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten als Halbleiterschichten
hergestellt wurden, wurde festgestellt, daß die Ätzgeschwindigkeit eines Films, der zu bevorzugten Transistoreigenschaften
führte, 2,0 nm/s oder weniger betrug.
Dabei wurde auch festgestellt, daß ein Dünnfilmtransistor,
dessen Hauptteil aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm mit einer 2,0 nm/s überschreitenden
Ätzgeschwindigkeit besteht, eine geringe Beweglichkeit mit einem Wert von 0,5 cm /(V.s) oder weniger und
Transistoreigenschaften, die sich im Verlauf der Zeit in hohem Maße ändern, hat.
Außerdem ging, wie vorstehend beschrieben wurde, aus einer Anzahl von durch die Erfinder erhaltenen Versuchsergebnissen
hervor, daß die Transistoreigenschaften, insbesondere die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit,
weiter verbessert werden, wenn in dem polykristallinen Dünnfilm die Orientierung in der (220)-Ebene verstärkt
wird, während die Bedingungen bezüglich des Gehalts an Wasserstoff (H) in dem Film und/oder die Bedingungen
bezüglich der Rauhigkeitseigenschaften erfüllt werden. Es wurde auch festgestellt, daß sich die Änderung im
Verlauf der Zeit beim kontinuierlichen Betrieb vermindert.
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Die Kristallinität und die Orientierungseigenschaften polykristalliner Silicium-Dünnfilme hängen von dem
Filmherstellungsverfahren und den Filmherstellungsbedingungen ab.
M,
Erfindungsgemäß werden als Verfahren zur Prüfung der Orientierungseigenschaften die Röntgenbeugung und die
Elektronenstrahlbeugung in Kombination durchgeführt.
Die Röntgenbeugungsintensität eines hergestellten, polykristallinen Siliciumfilms wurde mit einem von
Rigaku Denki hergestellten Röntgendiffraktometer (Röntgenröhre mit Kupferanode; 35 kV; 10 mA) gemessen, und
ein Vergleich wurde durchgeführt. Der Beugungswinkel 2 θ wurde von 20 bis 65 variiert, und die den Ebenenindizes
der (m)-Ebene, der (220)-Ebene und der (31l)-Ebene entsprechenden Beugungsmaxima wurden zur Bestimmung
ihrer Beugungsintensitäten registriert.
Die Elektronenstrahlbeugungsintensitäten wurden mit
einem von Nippon Denshi Co. hergestellten Gerät (JEM-100 V) gemessen, und die jeweiligen Beugungsintensitäten
wurden in ähnlicher Weise bestimmt.
Nach der ASTM-Karte (Nr. 27-1402, JCPDS, 1977) beträgt
im Fall eines polykristallinen Siliciums ohne jede Orientierung, wenn von den durch (h, k, 1) dargestellten
Ebenen mit großen Beugungsintensitäten, deren Beugungsintensitäten im folgenden Verhältnis stehen:
(111) : (220) : (311) = 100 : 55 : 30
nur die (220)-Ebene betrachtet wird, das Verhältnis der Beugungsintensität in der (220)-Ebene zu der gesamten
Beugungsintensität
- 20 - DE 2586
1 (55/241) χ 100 = 22,8 (%).
Unter Anwendung dieses Wertes als Standard kann eine Orientierungseigenschaft bezüglich der (220)-Ebene,
bei der die Orientierungsstärke, d. h. das Verhältnis der Beugungsintensität in der (220)-Ebene zu der gesamten
Beugungsintensität, den vorstehend erwähnten Prozentsatz überschreitet und insbesondere 30 % oder mehr
beträgt, weiter verbesserte Transistoreigenschaften ergeben. Bei einem Wert von weniger als 30 % wird die
Änderung im Verlauf der Zeit in unerwünschter Weise größer. Erfindungsgemäß werden als Wert der Orientierungsstärke,
die in Form des vorstehend erläuterten Prozentsatzes ausgedrückt wird, 50 % oder mehr am meisten
15 bevorzugt.
Weiterhin ist auch festgestellt worden, daß die
Transistoreigenschaften, insbesondere die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit, verbessert werden können, indem man die mittlere Korngröße erhöht und die vorstehend angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an Wasserstoff (H) in dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften des Dünnfilms erfüllt. Der Wert der mittleren Korngröße wurde nach dem üblicherweise angewandten Scherrer-Verfahren aus der Halbwertsbreite des (220)-Spitzenwertes in dem vorstehend beschriebenen Röntgenbeugungsbild bestimmt. Die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit kann insbesondere bei einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr erhöht werden. Die mittlere Korngröße beträgt vorzugsweise 30,0 nm oder mehr.
Transistoreigenschaften, insbesondere die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit, verbessert werden können, indem man die mittlere Korngröße erhöht und die vorstehend angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an Wasserstoff (H) in dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften des Dünnfilms erfüllt. Der Wert der mittleren Korngröße wurde nach dem üblicherweise angewandten Scherrer-Verfahren aus der Halbwertsbreite des (220)-Spitzenwertes in dem vorstehend beschriebenen Röntgenbeugungsbild bestimmt. Die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit kann insbesondere bei einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr erhöht werden. Die mittlere Korngröße beträgt vorzugsweise 30,0 nm oder mehr.
Häufig kann ein Unterschied in den Korngrößen hervorgerufen werden, der auf das unterschiedliche, von der
Filmdicke abhängende Ausmaß des Wachstums bzw. der
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Züchtung zurückzuführen ist. Im Fall eines polykristallinen Silicium-Dünnfilms ist der auf die Filmdicke zurückzuführende
Unterschied in den Korngrößen auch in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen verschieden.
Die Filmdicke kann folglich in geeigneter Weise Min Abhängigkeit von den jeweiligen Herstellungsverfahren
festgelegt werden.
Erfindungsgemäß können die Eigenschaften des polykristallinen
Silicium-Dünnfilms, der den Hauptteil des Halbleiterbauelements bildet, nach verschiedenen
Filmherstellungsverfahren in der vorstehend beschriebenen Weise eingegrenzt werden.
Die Eingrenzung dieser Eigenschaften kann beispielsweise unter den besonderen Bedingungen des Verfahrens, bei
dem ein Siliciumhydrid wie SiH. oder SinH. durch Glimm-
4 d. D
entladungs-Zersetzung abgeschieden wird (GD-Verfahren),
des Verfahrens, bei dem in einem H? enthaltenden Gas
eine Zerstäubung unter Anwendung eines Si-Targets bewirkt wird (SP-Verfahren), des Verfahrens, bei dem
mit Si in einer Hp-Plasmaatmostihäre eine Elektronenstrahl-Aufdampfung
durchgeführt wird (IP-Verfahren), des Verfahrens, bei dem in einer H_-Atmosphäre unter
Ultrahochvakuum eine Aufdampfung durchgeführt wird (HVD-Verfahren), sowie des Verfahrens, bei dem ein durch
das chemische Aufdampfverfahren (CVD-Verfahren) oder
das chemische Aufdampfverfahren unter niedrigem Druck
(LPCVD-Verfahren) gebildeter, polykristalliner Siliciumfilm einer H2-Plasmabehandlung unterzogen wird, erzielt
werden. Im Rahmen der Erfindung ist besonders zu bemerken,
daß die durch das GD-Verfahren, das SP-Verfahren, das IP-Verfahren oder das HVD-Verfahren gebildete,
aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm bestehende Halbleiterschicht in dem Fall, daß sie bei einer niedri-
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gen Temperatur von 35O°C bis 4500C unter Erfüllung
der Bedingungen hinsichtlich des Wasserstoffgehalts und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften oder hinsichtlich
des Wasserstoffgehalts und der Ätzeigenschaften gebildet worden ist, Transistoreigenschaften ergeben
kann, die den Eigenschaften eines bekannten, polykristallinen Siliciumfilms, der beispielsweise durch
das CVD- oder das LPCVD-Verfahren (bei 6000C oder einer
höheren Temperatur) und anschließende Glühbehandlung
in einem Hp-Plasma hergestellt wurde, vergleichbar
sind, und auch zu Stabilität und Zuverlässigkeit führen kann, wodurch die Brauchbarkeit der Erfindung direkt
gezeigt wird.
Im Rahmen der Erfindung wird die Bildung eines polykristallinen Silicium-Dünnfilms, der zur Lösung der
Aufgabe der Erfindung geeignet ist, insbesondere dadurch ermöglicht, daß eine Glimmentladung einer gasförmigen
Siliciumhydridverbindung, eine Zerstäubung von Silicium in einer H?-Atmosphäre, eine Ionenplattierung oder
eine Aufdampfung unter Ultrahochvakuum bei einer
Substrat-Oberflächentemperatur von 500 C oder weniger (in dem Bereich von etwa 3500C bis 500°C) durchgeführt
wird. Diese Tatsache hat nicht nur den Vorteil, daß das Substrat gleichmäßig erhitzt wird oder daß für
die Herstellung einer Treiberschaltung oder einer Abtastschaltung, die für die Herstellung einer großflächigen
Einrichtung eine große Fläche bedeckt, ein billiges Substratmaterial mit einer großen Fläche zur Verfügung
gestellt wird, sondern ist auch in der Hinsicht wichtig, daß auf diese Weise die Bedingung des Einsatzes einer
lichtdurchlässigen Glasplatte als Substrat für eine lichtdurchlässige Anzeigeeinrichtung oder bei der Anwendung
einer Bildleseeinrichtung, beispielsweise im Fall eines Lichtempfangselements mit fotoelektrischer Wandlung,
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bei dem von der Substratseite her Licht eintritt, erfüllt werden kann.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente
kann infolgedessen in niedrigeren Temperaturbereichen als bei bekannten Verfahren durchgeführt werden,
weshalb zusätzlich zu hitzebeständigen Gläsern wie hochschmelzenden Gläsern und Hartglas hitzebeständigen,
keramischen Werkstoffen, Saphir, Spinell, Siliciumscheiben und anderen Materialien, die üblicherweise bei
den bekannten Verfahren eingesetzt werden, im allgemeinen auch Materialien wie niedrigschmelzende Gläser und
hitzebeständige Kunststoffe als Substrate zur Verfügung stehen können.
15 '
Als Glassubstrat können beispielsweise ein normales Glas mit einer Erweichungstemperatur von 6300C, ein
gewöhnliches Hartglas mit einer Erweichungstemperatur von 780 C und ein ultrahartes Glas mit einer Erweichungstemperatur
von 8200C (JIS First grade ultra-hard glass)
eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Substrattemperatur niedriger sein als die Erweichungstemperatur des einzusetzenden
Substrats, weshalb der Film ohne Verschlechterung oder Beeinträchtigung des Substrats auf dem Substrat
gebildet werden kann.
In den Beispielen der Erfindung wurde als Substratglas
hauptsächlich "Corning #7059 glass" als ein Beispiel
der normalen Gläser (Natrongläser) mit relativ niedrigen Erweichungstemperaturen eingesetzt, jedoch kann natürlich
als Substrat ein Quarzglas mit einer Erweichungstemperatur von 1500 C eingesetzt werden. Vom praktischen Ge-Sichtspunkt
aus ist jedoch der Einsatz normaler Gläser vorteilhaft, wenn mit niedrigen Kosten ein integriertes
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Halbleiterbauelement, das Dünnfilmtransistoren mit einer großen Fläche aufweist, hergestellt werden soll.
Die Aufgabe der Erfindung kann des weiteren in wirksamer Weise gelöst werden, indem die aus einem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm bestehende Halbleiterschicht, die den Hauptteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
bildet, so hergestellt wird, daß sie ein Röntgenbeugungsbild oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild zeigt, bei
dem die auf die gesamte Beugungsintensität bezogene Intensität der Beugung von der Ebene mit dem Ebenenindex
(220) 30 % oder mehr beträgt, und daß sie außerdem eine mittlere Größe der Kristallteilchen von 20,0 nm
oder mehr hat.
Bei Versuchen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, wurde bestätigt, daß der Wasserstoffgehalt in dem polykristallinen
Silicium-Dünnfilm in Abhängigkeit von dem Filmbildungsverfahren und den Filmherstellungsbedingungen
in einem großen Ausmaß verändert werden kann. Wenn ein Film beispielsweise durch Glimmentladung
eines gasförmigen Silans wie SiH. hergestellt werden soll, kann der Wasserstoffgehalt in dem Film in verschiedener
Weise, beispielsweise in Abhängigkeit von der Entladungsleistung, dem Druck, der Substrattemperatur,
der Gasdurchflußgeschwindigkeit, dem Ausmaß der Verdünnung des gasförmigen Ausgangsmaterials wie Silangas
und der Art des verdünnenden Gases, verändert werden.
Um die Wirkung der Erfindung darzulegen, wurde die Änderung, die der Dünnfilmtransistor mit dem Dünnfilm
aus polykristallinem Silicium im Verlauf der Zeit zeigt, durch das nachstehend beschriebene Verfahren hervorgerufen.
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Ein TFT mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau wurde hergestellt,
und an die Steuerelektrode (Tor) 201 wurde eine Steuerspannung Vp = 40 V angelegt, während zwischen
der Quelle 203 und der Senke 202 eine Senken spannung
(Drainspannung) Vß = 40 V angelegt wurde. Zur Messung
der Änderung des Senkenstromes (Drainstromes) I„ im
Verlauf der Zeit wurde der zwischen der Quelle 203 und der Senke 202 fließende Senkenstrom mit einem Elektrometer
(Keithley 610 C electrometer) gemessen. Der
Prozentsatz der Änderung im Verlauf der Zeit wurde
bestimmt, indem die Änderung des Senkenstroms nach 500-stündigem, kontinuierlichem Betrieb durch den anfänglichen
Senkenström dividiert und der erhaltene Wert für die Angabe in Prozent mit 100 multipliziert wurde.
Gemäß einem Verfahren, das bei einem MOS-FET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) üblicherweise durchgeführt
wird, wurde die Schwellenspannung V., von TFT als die Stelle definiert, an der die von dem geradlinigen
Anteil der (V^ - "ylI)-Kurve extrapolierte Linie
die V^-Abszisse kreuzt. Gleichzeitig wurden die Änderungen von V-J-^1 vor und nach der Änderung im Verlauf der
Zeit geprüft, und der Betrag dieser Änderung wurde in V angegeben.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein Verfahren
zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors (TFT), der ein Beispiel für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
darstellt, beschrieben. TFT ist ein Feldeffekttransistor, der eine Halbleiterschicht 301, eine Elektrodenschicht
307, ohmsche Kontaktschichten 303, 304 und eine isolierende Schicht 305 aufweist. Zwischen der
Sourceelektrode 308 und der Drainelektrode 309, die an die Halbleiterschicht 301 angrenzen und mit dieser
ohmschen Kontakt haben, wird eine Spannung angelegt, und der zwischen diesen Elektroden fließende Strom
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wird durch die Vorspannung moduliert, die an die auf der isolierenden Schicht 305 vorgesehene Steuerelektrode
310 angelegt wird. /Dieser Aufbau wird in Fig. 3, Schritt (G), gezeigt/. Zuerst wird nach dem Waschen des Substrats
300 auf dem Substrat ein polykristalliner SiIicium-Dünnfilm
301 abgeschieden /Schritt (A)J. Einzelheiten des Abscheidungsverfahrens werden in den jeweiligen
Beispielen beschrieben. Dann wird als ohmsche Schicht eine n+-Schicht 302 (P-dotiertes Silicium) abgeschieden
/Schritt (B)J; die Quelle und die Senke werden durch Ätzen gebildet /Schritt (C)J, und danach wird
darauf eine isolierende Schicht 305 abgeschieden /Schritt (D)/. Die isolierende Schicht besteht aus einem Material
wie Siliciumnitrid, SiO0 oder Alo0„ und wird beispielsweise
durch das CVD- oder das LPCVD-Verfahren gebildet.
Als nächstes werden die Kontaktlöcher 306 für die Source- und die Drainelektrode geöffnet /Schritt (E)J7, und
die höher befindiche Steuerelektrode, die Quelle (Source) und die Senke (Drain) werden zur Fertigstellung des
Transistors verdrahtet /Schritte (F) und (G)J.
Wie vorstehend beschrieben wurde, hat der Dünnfilm-Feldeffekttransistor
(FE - TFT), ein Beispiel des aus dem polykristallinen Silicium-Dünnfilm als Grundmaterial
hergestellten Halbleiterbauelements, verbesserte Transistoreigenschaften (effektive Ladungsträgerbeweglichkeit,
Schwellenspannung, EIN-/AUS-Verhältnis, gm usw.), ohne daß sich die Transistoreigenschaften beim kontinuierlichen
Betrieb im Verlauf der Zeit ändern, und das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zeigt auch eine verbesserte
Ausbeute bei seiner Herstellung und eine geringere Schwankung seiner Eigenschaften, weshalb es in
stabiler Weise die Abtastschaltung oder Treiberschaltung einer Anzeigeeinrichtung oder einer Bildleseeinrichtung,
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bei der Flüssigkristalle, Elektrolumineszenzmaterialien
oder Elektrochromiematerialien eingesetzt werden, zur Verfügung stellen kann.
In den nachstehenden Beispielen wird die Erfindung anhand der Herstellung von polykristallinen Silicium-Dünnfilmen,
des Verfahrens zur Herstellung eines Dünnfilm-Feldeffekttransistors (TFT) und der Ergebnisse
des TFT-Verhaltens näher erläutert.
10
10
Durch das nachstehend erläuterte Verfahren wurde auf einem Corning glass ( #7059) ein polykristalliner SiIicium-Dünnfilm
gebildet, und unter Verwendung dieses Dünnfilms wurde ein Feldeffekttransistor (TFT) hergestellt.
Nachstehend wird auf die Fig. 3 und 4 in Kombination Bezug genommen. Bezugszahlen, bei denen die erste von
3 Ziffern eine 3 ist, beziehen sich auf Fig. 3, während sich Bezugszahlen, bei denen die erste von 3 Ziffern
eine 4 ist, auf Fig. 4 beziehen.
Ein Corning glass #7059 (120 mm χ 120 mm; Dicke: 0,7 mm)
wurde mit einer Mischung aus HF/HN0„/CHoC00H schwach
geätzt, mit fließendem Wasser gewaschen und zur Herstellung eines Substrats 400 getrocknet. Das Substrat
400 wurde in der in Fig. 4 gezeigten Weise in einem als Abscheidungskammer dienenden Rezipienten 401 an
der oberen Anodenseite in enger Berührung mit einer Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats
befestigt. Der Rezipient 401 wurde mittels einer Diffusionspumpe 409 bis zur Erzielung eines Hintergrund-Vakuums
von 0,27 mPa evakuiert, worauf die Einrichtung
- 28 - DE 2586
402 zum Halten und Heizen des Substrats geheizt wurde, um die Oberflächentemperatur des Substrats 400 bei
35O0C zu erhalten. Anschließend wurde SiH.-Gas, das
mit Hp-Gas auf 10 Vol.-% verdünnt worden war, ßcurz
als "SiH .(1O)/H?" bezeichnet] unter Anwendung einer
Durchflußreguliervorrichtung 404 mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm /min durch eine ringförmige Gaseinblaseeinrichtung
415 hindurch in den Rezipienten 401 eingeleitet, und der Innendruck in dem Rezipienten
wurde mittels eines Absolutdruckmanometers 412 durch Schließen eines Hauptventils 410 auf 4,0 Pa einreguliert.
Nachdem sich der Innendruck in dem Rezipienten stabilisiert hatte, wurde an eine untere Kathodenelektrode
413 mittels einer Hochfrequenz-Stromquelle 414 von 13,56 MHz eine Spannung von 0,7 kV angelegt, um zwischen
der Kathode 413 und der Anode (der Einrichtung zum Halten und Heizen des Substrats) 402 eine Glimmentladung
anzuregen. Die Stromstärke betrug 60 mA, während
die Radiofrequenz-Entladungsleistung (Leistung der hinwandernden Welle — Leistung der reflektierten
Welle) 20 W betrug. Die Züchtungs- bzw. Wachstumsgeschwindigkeit eines polykristallinen Siliciumfilms
betrug unter diesen Bedingungen 0,025 nm/s, und nach 4,5-stündiger Züchtung war ein Film mit einer Dicke
25 von etwa 0,4 μπι gebildet worden.
Der auf diese Weise auf dem Substrat 400 gebildete, polykristalline Siliciumfilm hatte eine Dickenverteilung
innerhalb des Bereichs von _+5 %. Es wurde festgestellt,
daß der H-Gehalt in der Siliciumschicht 2,2 % betrug, und die Rauhigkeit auf der polykristallinen Oberfläche
hatte einen Höchstwert von etwa 30,0 nm (was bei einer Elektronenmikrofotografie eines Filmquerschnitts mit
100.000 — fächer Vergrößerung beobachtet wurde). Als nächstes wurde ein TFT gemäß den in Fig. 3 gezeigten
Schritten hergestellt. Auf dem polykristallinen Silicium-
- 29 - DE 2586
Dünnfilm 301 wurde in der gleichen Vorrichtung in der
nachstehend beschriebenen Weise eine n+-Schicht 302 gebilde.t. Nach der Einstellung der Substrattemperatur
auf 250 C wurden mit Wasserstoff gas auf 100 Vol.-ppm verdünntes PH3-GaS (kurz mit 11PH3(IOO) /H " bezeichnet)
und SiH4(10)/Hp durch die Durchflußreguliervorrichtungen
406 bzw. 404 hindurch mit einem Molverhältnis von PHo/SiH. von 5 χ 10 in den Rezipienten 401 hineinströmen
gelassen, wobei der Innendruck in dem Rezipienten
IQ auf 16,0 Pa eingestellt wurde, worauf eine Glimmentladung
mit einer Leistung von 10 W bewirkt wurde, um die mit
P dotierte n+-Schicht 302 mit einer Dicke von 50,0 nm zu bilden /Schritt (B)J. Dann wurde die n+-Schicht
gemäß Schritt (C) mit Ausnahme des Bereichs für die Sourceelektrode 303 und des Bereichs für die Drainelektrode
304 durch Fotoätzung entfernt. Das vorstehend erwähnte Substrat wurde wieder in dem Rezipienten 401
an der Anodenseite an der Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats befestigt, um einen isolierenden
Film für die Steuerelektrode (Gate) zu bilden. Ähnlich wie bei der Herstellung des polykristallinen Siliciums
wurde der Rezipient 401 evakuiert, und die Substrattemperatur Ts wurde bei 2500C gehalten; NH„-Gas
wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 20 Normcm /min und SiH.(10)/H?-Gas wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit
von 5 Norm-cm /min durch die Durchflußreguliervorrichtungen 405 bzw. 404 hindurch in den
Rezipienten eingeleitet, worauf zur Abscheidung eines SiNH-Films 305 mit einer Dicke von 250,0 nm eine Glimm —
30 entladung mit einer Leistung von 5 V/ angeregt wurde.
Als nächstes wurden durch einen Fotoätzungsschritt Kontaktlöcher 306-2 und 306-1 für die Sourceelektrode
303 und die Drainelektrode 304 geöffnet, und danach wurde auf der gesamten Oberfläche des SiNH-Films durch
- 30 - DE 2586
Aufdampfen von Al ein Elektrodenfilm 307 gebildet, worauf der Al-Elektrodenfilm 307 durch einen Fotoätzungsschritt·
bearbeitet wurde, um die Leitungselektroden'' 308
und 309 für die Sourceelektrode und die Drainelektrode sowie die Steuerelektrode 310 zu bilden. Danach wurde in einer H„-Atmosphäre eine Hitzebehandlung bei 2500C durchgeführt. Der TFT (Kanallänge L = 10 /am; Kanalbreite W = 500 /am), der nach diesem Verfahren unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet worden war, zeigte stabile und gute Eigenschaften, wie festgestellt wurde.
und 309 für die Sourceelektrode und die Drainelektrode sowie die Steuerelektrode 310 zu bilden. Danach wurde in einer H„-Atmosphäre eine Hitzebehandlung bei 2500C durchgeführt. Der TFT (Kanallänge L = 10 /am; Kanalbreite W = 500 /am), der nach diesem Verfahren unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet worden war, zeigte stabile und gute Eigenschaften, wie festgestellt wurde.
Fig. 6 zeigt exemplarische Kennlinien des auf diese Weise hergestellten TFT. In Fig. 6 werden exemplarische
Kennlinien der Beziehung zwischen dem Senkenstrom (Drainstrom) I„ und der Senkenspannung (Drainspannung) Vn
bei Veränderung der Steuerspannung V_ als Parameter
ti
gezeigt. Die Schwellenspannung (V.. ) der Steuerelektrode ist niedrig und beträgt 5 V, und das Verhältnis des
Wertes der Stromstärke bei V„ = 20 V zu dem Wert der Stromstärke bei Vn = 0 V kann eine Zahl mit 4 oder
mehr Stellen sein. Das Bauelement hatte eine effektive
Beweglichkeit (ju „-) von 0,3 cm /(V.s). Als die Änderungen
von In (Quellenstrom) und V+, unter der Bedingung,
daß V„ = 40 V und Vn = 40 V, gemessen wurden, änderte
sich In um 0,1 % oder weniger, und V. war nach 500 h
vollkommen unverändert, wodurch gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten ohne Änderung
im Verlauf der Zeit gezeigt werden.
Von den TFT-Elementen, die nach dem gleichen Verfahren
und mit der gleichen Größe auf dem Corning Glass von 120 mm χ 120 mm hergestellt wurden, zeigten nur 0,2 %
oder weniger infolge eines Gate-Lecks keine ausreichenden Bauelementeigenschaften. Dieser Anteil liegt in dem
- 31 - DE 2586
1 praktisch akzeptablen Bereich.
Auf einem Corning—Glas wurde in der gleichen Weise
wie in Beispiel 1 ein polykristalliner Siliciumfilm gebildets wobei die folgenden Bedingungen angewandt
wurden: Oberflächentemperatur des Substrats.: 380 C;
Durchflußgeschwindigkeit des SiH.(10)/H -Gases: 2 Norm-3 "· ti
cm /min; Innendruck des Rezipienten: 2,0 Pa und Radiofrequenz-Leistung:
10 W. Die Züchtungsgeschwindigkeit des polykristallinen Siliciumfilms betrug unter diesen
Bedingungen 0,007· nm/s, so daß nach 4—stündiger Züchtung ein Film mit einer Dicke von etwa 0,1 yum gebildet wurde.
Es wurde festgestellt, daß der H-Gehalt in der Siliciumschicht
0,8 Atom-% betrug, und die Rauhigkeit auf der Oberfläche des Siliciumfilms hatte einen Höchstwert
von etwa 10,0 nm.
Anschließend wurde nach den gleichen Schritten /TA)
bis (G)J wie in Beispiel 1 ein TFT hergestellt. Das Bauelement hatte eine effektive Beweglichkeit, (
von 1,6 cm/tv.s). Als die Änderungen von I„ und V.,
unter der Bedingung, daß V. = 40 V und V =40 V,
gemessen wurden, änderte sich 1- um 0,1 % oder weniger,
und V.. war nach 500 h vollkommen unverändert, wodurch gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten
ohne Änderung im Verlauf der Zeit gezeigt werden.
Von den TFT-Elementen, die nach dem gleichen Verfahren
und mit der gleichen Größe auf dem Corning-Glas von 120 mm χ 120 mm hergestellt wurden, zeigten im wesentlichen 0 % keine ausreichenden Bauelementeigenschaften
infolge eines Gate-Lecks.
- 32 - DE 2586
1
Beispiel 3
Nachdem auf einem Corning —Glas 500 ein aufgedampfter
Mo-Film (Elektronenstrahl-Aufdampfung; 100,0 nm dick) hergestellt worden war, wie es im Schritt (A) von Fig.
5 gezeigt.wird, wurde durch Fotolithografie eine Steuerelektrode
501 in einer gewünschten Form gebildet, wodurch ein Substrat hergestellt wurde. Anschließend
wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 ein SiNH-FiIm 502 mit einer Dicke von 250,0 nm gebildet
/Schritt (B)J, und des weiteren wurde unter den
gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm 503 mit einer Dicke von 0,1 pm
gebildet /Schritt (C)J. Dann wurde ähnlich wie in Beispiel 1 auf dem Dünnfilm 503 eine n+-Schicht 504 mit
einer Dicke von 50,0 nm hergestellt, worauf ein aufgedampfter Al-Film 505 mi.t einer Dicke von 150,0 nm laminiert
wurde /"Schritt (D)J. Nach dem fotolithographischen Verfahren wurden wieder eine Sourceelektrode 506 und
eine Drainelektrode 507 gebildet /Schritt (E)J, worauf in einer H?-Atmosphäre eine Hitzebehandlung bei 2500C
durchgeführt wurde. Es wurde festgestellt, daß der nach diesem Verfahren unter den vorstehend beschriebenen
Bedingungen gebildete TFT (Kanallänge L = 10 pm·, Kanalbreite W = 500 pm) stabile und gute Eigenschaften
zeigte. Die Schwellenspannung (V.. ) der Steuerelektrode war niedrig und betrug 3 V, und das Verhältnis des
Wertes der Stromstärke I1, bei Vn = 20 V zu dem Wert
L) (j
von ID bei V=OV betrug mehr als 1000. Das Bauelement
hatte eine effektive Beweglichkeit (p ~~) von 0,9 cm/
(V.s). Als die Änderungen von ID (Quellenstrom) und
V.. unter der Bedingung, daß V. = 40 V und Vn = 40 V,
gemessen wurden, änderte sich In um 0,1 % oder weniger,
und V,, war nach 500 h vollkommen unverändert.
35
35
- 33 - DE 2586 1 Beispiel 4
Ein ähnliches Corning—Glas -Substrat 400, das in der
gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt worden war, wurde in dem Rezipienten 401 an der oberen
Anodenseite in enger Berührung an der Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats befestigt, und
eine polykristalline Siliciumplatte (nicht gezeigt; Reinheit: 99,9999%) wurde so auf die Elektrodenplatte
der unteren Kathode 413 aufgelegt, daß sie dem Substrat gegenüber lag. Der Rezipient 401 wurde mit der Diffusionspumpe
409 auf 0,27 mPa evakuiert, und die Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats wurde geheizt,
um die Oberflächentemperatur des Substrats 400 bei 450 C zu halten. Anschließend wurde hochreines H_-Gas
durch die Durchflußreguliervorrichtung 408 hindurch mit 0,5 Norm-cm /min in den Rezipienten eingeleitet,
und des weiteren wurde eine Ar/He-Gasmischung (Volumenverhältnis: 5/95) mit einer Durchflußgeschwindigkeit
von 50 Norm-cm /min durch die Durchflußreguliervorrichtung 407 hindurch in den Rezipienten eingeleitet, worauf
das Hauptventil 410 so reguliert wurde, daß der Innendruck in dem Rezipienten auf 6,7 Pa eingestellt wurde.
Nach der Stabilisierung des Innendruckes des Rezipienten wurde mittels der Hochfrequenz-Stromquelle 414
von 13,56 MHz an die untere Kathodenelektrode 413 eine Spannung von 2,0 kV angelegt, um zwischen der auf der
Kathode 413 befindlichen, polykristallinen Siliciumplatte und der Anode (der Einrichtung zum Halten und
Heizen des Substrats) 402 eine Glimmentladung anzuregen. Die Radiofrequenz-Entladungsleistung (Leistung der
hinwandernden Welle — Leistung der reflektierten Welle) betrug 200 W. Die Züchtungsgeschwindigkeit des
Siliciumfilms betrug unter diesen Bedingungen 0,03 nm/s, so daß nach 4-stündiger Züchtung ein Film mit
- 34 - DE 2586
1 einer Dicke von etwa 0,4 jam gebildet wurde.
Es wurde festgestellt, daß der H-Gehalt in der Siliciumschicht
0,2 Atom-% betrug, und bei einer Elektronenmikrofotografie (100.000-fach) des Filmquerschnitts
wurde beobachtet, daß die Rauhigkeit auf der Oberfläche des Siliciumfilms einen Höchstwert von etwa 40,0 nm
hatte.
Anschließend wurde ähnlich wie in Beispiel 1 nach den gleichen Schritten /*(A) bis (G)/, wie sie in Fig. 3
gezeigt werden, ein TFT hergestellt. Dieses Bauelement
hatte eine effektive Beweglichkeit (μ fi>) von 1,0 cm /
(V.s). Als die Änderungen von In und V.. unter der
Bedingung, daß V„ =■ 40 V und V_ = 40 V» gemessen wurden,
änderte sich In um 0,1 % oder weniger, und V,, war
nach 500 h vollkommen unverändert, wodurch gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten ohne
Änderung im Verlauf der Zeit gezeigt werden.
Von den TFT-Elementen, die nach dem gleichen Verfahren
und mit der gleichen Größe auf dem Corning—Glas von 120 mm χ 120 mm hergestellt wurden, zeigten 0,2 % infolge
eines Gate-Lecks keine ausreichenden Bauelementeigenschäften.
Dieser Anteil liegt in dem praktisch akzeptablen Bereich.
Bei der nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 4 durchgeführten Bildung des Siliciumfilms auf einem
Corning — Glas wurden verschiedene Siliciumfilme mit einer Dicke von 0,4 jum, deren H-Gehalte und Oberflächenrauhigkeitseigenschaften
in Tabelle I gezeigt werden, hergestellt, indem die Durchflußgeschwindigkeit des
Hp-Gases in der in Tabelle I gezeigten Weise variiert
- 35 - DE 2586
wurde, während die Durchflußgeschwindigkeit von Ar/He (Volumenverhältnis: 5/95) 50 Norm-cm3/min betrug. Unter
Verwendung der jeweiligen Siliciumfllme wurden jeweils
nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt, wobei die in Tabelie
I gezeigten Ergebnisse erhalten wurden.
| Probe Nr. 5-1 | 5-2 | 5-3 | 5-4 | 5-5 |
| I^-Durchflußgeschwin- digkeit 0 (Norm-cm /min) |
O7I | 0,5 | 5 | So'' |
| Wasserstoffgehalt (Atcsttir%) ο |
0,01 | 0,2 | 3 | 6 |
| Bauhigkeitseigen- schaften (nm) 35,0 |
35,0 | 40,0 | 40,0 | 50/) |
| <^eff [cm2/^. s)] Δ10" | 0,5 | 1,4 | 1,3 | 0,9 |
| Änderung im Verlauf der Zeit* (%) <0,l I |
<0,l | 0,2 | 26 |
* Die Änderung im Verlauf der Zeit ist ein Wert,
der wie in Beispiel 1 definiert ist, nämlich fl (0)
- ID(5OOX7/lD(O) , bei VG . VD « 40 V5 500 h, worin
ID (0) der anfängliche Senkenstrom und I (500) der
30 Senkenstrom nach 500 h ist.
Wie in Tabelle I gezeigt wird, hatte ein Siliciumfilm mit einem Wasserstoffgehalt von 0,01 Atom-% oder mehr
eine gute effektive Ladungsträgerbeweglichkeit, während bei einem Wasserstoffgehalt von 3 Atom-% oder weniger
4 ·
Ψ Ψ * ♦ * »
_ 36 - DE 2586
Bauelementeigenschaften erhalten wurden, die eine sehr geringe Änderung im Verlauf der Zeit zeigten.
M.
Bei der Bildung des polykristallinen Siliciumfilms auf einem Corning- Glas nach dem gleichen Verfahren
wie in Beispiel 1 wurde der Innendruck (Pr) in dem Rezipienten in der in Tabelle II gezeigten Weise variiert,
wobei verschiedene Filme mit einer Dicke von etwa 0,4 jam erhalten wurden, deren H-Gehalte, Oberflächenrauhigkeitseigenschaften
und TFT-Eigenschaften in Tabelle II gezeigt werden.
| Probe Nr. | 6-1 | 6-2 | 6-3 | 6-4 | 6-5 |
| Druck Pr (Pa) | 1,3 | 2,7 | 5,3 | 10,7 | 21,3 |
| Wasserstoffge halt (AtCBt-%) |
1,8 | 2,0 | 2,2 | 2,2 | 2,4 |
| Rauhigkeitseigen schaften (nm) |
15,0 | 20,0 | 30/) | 80,0 | 120,0 |
| ^eff fcm2/^.s)] | 1,4 | 1.3 | 1,3 | 0,7 | 0,2 |
| Anteil des Auf tretens des Gate- Lecks (%) |
0,1 | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 33 |
- 37 - DE 2586
Wie in Tabelle II gezeigt wird, liegt der Prozentsatz des Auftretens von Gate-Lecks innerhalb des praktisch
akzeptablen Bereichs und hat der TFT auch eine gute effektive Ladungsträgerbeweglichkeit, wenn der polykristalline
Silicium-Dünnf ilm eine Rauhigkeit von ·;*'
80,0 nm oder weniger hat.
80,0 nm oder weniger hat.
Wie in Beispiel 3 beschrieben wurde ein Substrat mit einer Mo-Steuerelektrode verwendet, und auf die Mo-Steuerelektrode
wurde in ähnlicher Weise ein SiNH-FiIm mit einer Dicke · von 250,0 nm laminiert. Des weiteren
wurde der Innendruck (Pr) des Rezipienten ähnlich wie in Beispiel 6 variiert, um verschiedene polykristalline
Silicium-Dünnfilme mit einer Dicke von jeweils etwa
0,4 /am zu laminieren, worauf n+-Schichten und Al-Filme
laminiert wurden. Danach wurden durch einen fotolithographischen Schritt Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt,
die hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu den in Tabelle m gezeigten Ergebnissen führten.
Tabelle III 25
| Probe Nr. | 7-1 | 7-2 | 7-3 | 7-4 | 7-5 |
| Pr (Pa) | 1,3 | 2,7 | 5,3 | 10,7 | 21,3 |
| Wasserstoffgehalt (Atom-%) |
1,8 | 2,0 | 2,2 | 2,2 | 2,4 |
| Rauhigkeitseigen schaften (ran) |
15,0 | 20,0 | 30,0 | 80,0 | 120,0 |
| Änderung im Verlauf der Zeit (%) |
0,7 | 0,6 | 0,6 | 0,4 0,5 |
0,02 3,5 |
- 38 - DE 2586
Wie in Tabelle III gezeigt wird, werden gute Ergebnisse in bezug auf die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit
sowie in bezug auf die Änderung des Verhaltens im Verlauf der Zeit bei einem 500 — stündigen, kontinuierlichen
Betrieb erhalten, wenn der gebildete, polykristalline Silicium-Dünnfilm eine Rauhigkeit von 80,0 nm oder
weniger hat.
Bei der Bildung des polykristallinen Siliciumfilms
auf einem Corning-Glas nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel' 1 wurde die Eingangs-Radiofrequenzleistung
(Po) in der in Tabelle IV gezeigten Weise verändert, wobei verschiedene Filme mit einer Dicke
von etwa 0,4 pm erhalten wurden, deren H-Gehalte, Oberflächenrauhigkeitseigenschaften,
(220)-0rientierungsstärken und TFT-Eigenschaften in Tabelle IV gezeigt werden.
20
20
| Probe Nr. | 8-1 | 8-2 | 8-3 | 8-4 | 8-5 |
| Po (W) | 10 | 20 | 50 | 100 | 150 |
| Wasserstoffgehalt (Atam-%) |
2,0 | 2,2 | 2,0 | 2,6 | 3,0 |
| Fauhigkeitseigen- schaften (nm) |
30,0 | 3 0,0 | 35,0 | 35,0 | 35,0 |
| Orientierungseigen schaften bezüglich der (220)-Ebene (Orientierungs stärke; %) |
68 | 65 | 52 | 30 | 27 |
| ^eff [™2fi-stf | 2,2 | 1,3 | 1.0 | 0,6 | 0,2 |
| Äiderung im Verlauf der Zeit (%) |
<0.1 | <o,i | <0,l | 0,3 | 2 |
- 39 - DE 2586
Wie in Tabelle IV gezeigt wird, wird bei dem TFT die
effektive Ladungsträgerbeweglichkeit vermindert und die Änderung im Verlauf der Zeit verstärkt, wenn die
Orientierungsstärke weniger als 30 % beträgt.
Bei der Bildung des polykristallinen Siliciumfilms
auf einem Corning—Glas nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde die Filmzüchtungsdauer variiert,
wobei Filme mit der in Tabelle V gezeigten Dicke (d) erhalten wurden, deren H-Gehalte, Oberflächenrauhigkeitseigenschaften;
(220)-0rientierungsstärken, mittlere Korngrößen und TFT-Eigenschaften ebenfalls in Tabelle
15 V gezeigt werden.
Tabelle V 20
| Probe Nr. | 9-1 | 9-2 | 9-3 | 9-4 | 9-5 |
| Dicke d Jflm) | ο,ι | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 |
| Wasserstoffgehalt (Ätan-%) |
2,2 | 2,0 | 2,2 | 2,3 | 2,2 |
| Rauhigkeitseigen schaften (nm) |
22,0 | 25,0 | 30,0 | 30,0 | 30,0 |
| Mittlere Korn größe (nm) |
f 16,0 |
20,0 | 34,0 | 46,0 | 55,0 |
| 0,4 | 0,6 | 1,3 | 1,5 | 2,6 |
- 40 - DE 2586
Wie in Tabelle V gezeigt wird, kann der TFT bei einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr eine gute
effektive Ladungsträgerbeweglichkeit haben.
Beispiel 10 ·"'''
Nachstehend wird ein Beispiel für einen Dünnfilmtransistor
beschrieben, der unter Anwendung einer mittels der in Fig. 7 gezeigten Ionenplattierungs-Abscheidungsvorrichtung
hergestellten, aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm bestehenden Halbleiterschicht gebildet
wird.
Zuerst wurde in einer Abscheidungskammer 701, die auf einen verminderten' Druck gebracht werden kann, ein
zu verdampfender, nicht dotierter, polykristalliner Siliciumkörper 702 in ein Schiffchen 703 hineingebracht,
und ein Corning #7059-Substrat wurde auf Stützeinrichtungen 704-1 und 704-2 aufgesetzt. Nachdem die Abscheidungskammer
bis zur Erzielung eines Grunddruckes von etwa 13 /JPa evakuiert worden war, wurde H?-Gas mit einer
Reinheit von 99,999 % durch ein Gaseinlaßrohr 705 hindurch bis zur Erzielung eines Wasserstoff-Partialdruckes
P„ von 4,0 mPa in die Abscheidungskammer eingeleitet. Das angewandte Gaseinleitungsrohr hatte einen Innendurchmesser
von 2 mm und war an seiner Spitze in Form einer Schleife ausgebildet, die in Abständen von 2 cm Gaseinblasöffnungen
mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufwies.
Dann wurde an eine Hochfrequenzspule 706 (Durchmesser: 5 mm) eine Hochfrequenz von 13,56 MHz angelegt, um
eine Leistung von 40 W einzustellen, wodurch im Inneren
der Spule eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre gebildet wurde. Andererseits war eine Heizvorrichtung 707 in
Betrieb gesetzt und auf etwa 430°C aufgeheizt worden,
- 41 - DE 2586
während die Stützeinrichtungen 704-1 und 704-2 gedreht wurden.
Als nächster Schritt wurde der zu verdampfende Körper 702 durch eine Elektronenkanone 708 bestrahlt und erhi.ttet^
wodurch Siliciumteilchen fliegen gelassen wurden. Die Elektronenkanone hatte eine Leistung von etwa 0,3 kW.
Auf diese Weise wurde nach 2 h ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm mit einer Dicke von 400,0 nm gebildet.
Unter Verwendung dieses Dünnfilms wurde nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 ein Dünnfilmtransistor
hergestellt. Es wurde festgestellt, daß der H-Gehalt in der polykristallinen Siliciumschicht 0,5 % betrug,
während die Rauhigkeit auf der Oberfläche des polykristallinen Siliciumfilms etwa 45,0 nm betrug. Dieses
Bauelement hatte eine effektive Beweglichkeit (peff)
von 1,1 cm /(V. s). Als die Änderungen von I~ und V.,
unter der Bedingung, daß VQ = 40 V und V = 40 V, gemessen
wurden, änderte sich ID um 0,1 % oder weniger,
und V.. war nach 500 h vollkommen unverändert, wodurch gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten
ohne Änderungen im Verlauf der Zeit gezeigt werden.
Von den TFT-Elementen, die nach dem gleichen Verfahren
und mit der gleichen Größe auf dem Corning—Glas von 120 mm χ 120 mm hergestellt wurden, zeigten 0,3 % infolge
eines Gate-Lecks keine ausreichenden Bauelementeigenschaften. Dieser Anteil liegt in dem praktisch
30 akzeptablen Bereich.
Ein ähnlich wie in Beispiel 1 hergestelltes Substrat 800 aus Corning #>7059-Glas wurde in dem in Fig. 8 gezeig-
• 1 * ■ β
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* » ι f t
- 42 - DE 2586
ten Ultrahochvakuumbehälter 801 an einer Substrat-Haltevorrichtung
802 angebracht, und nach der Verminderung des Druckes in dem Vakuumbehälter auf 27 nPa wurde
die Substrattemperatur durch eine Tantal-Heizvorrichtung 803 auf 40O0C eingestellt. Anschließend wurde hochreines
Wasserstoffgas (99,9995%) durch das veränderliche Belüftungsventil 808 hindurch in den Vakuumbehälter eingeleitet,
wobei der Druck in dem Vakuumbehälter auf 67 juPa eingestellt wurde. Dann wurde eine Elektronenkanone
804 unter einer Beschleunigungsspannung von 8 kV betätigt, und der emittierte Elektronenstrahl bestrahlte
einen zur Verdampfung dienenden Siliciumkörper 805; um eine Verdampfung dieses Siliciumkörpers zu bewirken.
Dann wurde zur Bildung eines polykristallinen Siliciumfilms auf dem Substrat 800 eine Blende 807 geöffnet,
während die Filmdicke mittels einer Quarzoszillator-Dickenmeßvorrichtung
806 auf einen Wert von 0,4 pm einreguliert wurde. Die Aufdampfgeschwindigkeit betrug
0,14 nm/s. Unter Verwendung des auf diese Weise erhaltenen Dünnfilms wurde nach dem gleichen Verfahren wie
in Beispiel 1 ein Dünnfilmtransistor hergestellt. Es ■ wurde festgestellt, daß der H-Gehalt in der polykristallinen
Siliciumschicht 0,15 Atom-% betrug, während die Rauhigkeit auf der Oberfläche des polykristallinen
Siliciumf ilms etwa 30,0 nm betrug. Dieser hatte eine effektive Beweglichkeit (μ „„) von 2,1 cm /(V.s).
Als die Änderungen von I- und V., unter der Bedingung,
daß Vp = 40 V und V~ = 40 V, gemessen wurden, änderte
sich I- um 0,1 % oder weniger, und V,, war nach 500 h
vollkommen unverändert, wodurch gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten ohne Änderung
im Verlauf der Zeit gezeigt werden.
Von den TFT-Elementen, die nach dem gleichen Verfahren
und mit der gleichen Größe auf dem Coming-Glas von
- 43 - DE 2586 · j
120 mm χ 120 mm hergestellt wurden, zeigten 0,2 % in— {
folge eines Gate-Lecks bzw. -Lecksstroms keine ausrei- j chenden- Bauelementeigenschaften. Dieser Anteil liegt |
in dem praktisch akzeptablen Bereich. ·,
Beispiel 12 . '
In diesem Beispiel wurde auf einem Substrat nach dem Glimmentladungs-Zersetzungsverfahren ein polykristalliner
Silicium-Dünnfilm gebildet, und unter Verwendung dieses
Dünnfilms wurde ein TFT hergestellt. Die Herstellung des polykristallinen Silicium-Dünnfilms wurde unter
Anwendung der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung durchgeführt. Als Substrat 400 wurde ein Corning Glas ^7059
(Dicke: 0,5 mm) eingesetzt.
Zuerst wurde das Substrat 400 gewaschen, auf seiner Oberfläche mit einer Mischung von HF/HNO^/CH COOH,
die die vorstehend erwähnte Zusammensetzung hatte, schwach geätzt, getrocknet und an einer Einrichtung
402 (Fläche: 452 cm ) zum Halten und Heizen des Substrats an der oberen Anodenseite in einem als Abscheidungskammer
dienenden Rezipienten 401 angebracht. Der Rezipient 401 wurde mittels einer Diffusionspumpe 409 bis zur
Erzielung eines Hintergrundvakuums von 0,27 inPa oder weniger evakuiert. Dieser Verfahrensschritt muß sorgfältig
durchgeführt werden, weil keine wirksame Abscheidung eines Films aus dem reaktiven Gas möglich ist,
wenn der Hintergrundsdruck nicht ausreichend niedrig ist, und weil außerdem 0 und N in den Film hinein mitgerissen
werden können, wodurch der Widerstand des Films merklich verändert wird. Dann wurde das Substrat 400
durch Erhöhung von Ts bei 500°C gehalten (die Substrattemperatur wurde mit dem Thermopaar 403 überwacht).
Dann wurde H2-GaS unter Regulierung mit einer Durchflußreguliervorrichtung
408 in den Rezipienten 401 einge-
• · · ι ι
- 44 - DE 2586
leitet, um die Oberfläche des Substrats 400 zu reinigen
und für die Einleitung eines reaktiven Gases vorzubereiten. Die Substrattemperatur Ts wurde auf 35O0C eingestellt.
Während der Entladung wurde der Druck in dem
Rezipienten 401 auf 16,0 Pa eingestellt. ·'''
In diesem Beispiel wurde als einzuleitendes, reaktives Gas SiH.-Gas, das mit EL-Gas auf 3 Vol.-% verdünnt
war, (kurz als 11SiH4O)/H2" bezeichnet) eingesetzt,
ein Gas, das leicht gehandhabt werden konnte. Die Durchflußgeschwindigkeit des Gases wurde unter Anwendung
einer Durchflußreguliervorrichtung 404 auf 5 Norm-cm / min eingestellt.· Der Innendruck in dem Rezipienten
401 wurde mittels eines Absolutdruck-Manometers 412 auf einen gewünschten Wert einreguliert, indem das
an der Evakuierungsseite des Rezipienten 401 befindliche Druckregulierventil 410 reguliert wurde. Nachdem sich
der Innendruck in dem Rezipienten 401 stabilisiert hatte, wurde an die Kathodenelektrode 413 mittels der
Hochfrequenz-Stromquelle 414 ein Hochfrequenzfeld von 13,56 MHz angelegt, um eine Glimmentladung einzuleiten.
Die Spannung betrug 0,7 kV, die Stromstärke 60 mA und die Radiofrequenz-Entladungsleistung 20 W. Die Entladung
wurde unter diesen Bedingungen 60 min lang durchgeführt, um die Bildung eines polykristallinen Siliciumfilms
zu beenden, worauf die Entladung sowie das Hineinströmen des gasförmigen Ausgangsmaterials beendet wurden. Dann
wurde die Substrattemperatur auf 1800C vermindert und
zur Vorbereitung für den nächsten Verfahrensschritt
30 bei diesem Wert gehalten.
Die Abscheidungsgeschwindigkeit des polykristallinen Siliciums betrug unter diesen Bedingungen 0,09 nm/s.
Der gebildete Film hatte eine Dicke von 30,0 nm, und im Fall der Anwendung eine s kreisringförmigen Ein-
- 45 - DE 2586
blaseauslasses betrug die Schwankung der Dicke ± 10 % <4
wenn das Substrat die Abmessungen 7,62 cm χ 7,62 cm hatte. .
Der polykristalline Siliciumfilm gehörte dem n-T<yp
7 an und hatte einen Widerstandswert von etwa 10 Sl-cm.
Dann wurde unter Anwendung dieses Films gemäß den in Fig. 3 gezeigten Schritten ein Dünnfilmtransistor (TFT)
hergestellt. Während die Substrattemperatur bei 180 C gehalten wurde, wurde zur Herstellung eines guten ohmschen
Kontaktes für die Quelle und die Senke des TFT in der folgenden Weise eine η -Siliciumschicht gebildet.
PH„-Gas, das mit Wasserstoffgas auf 100 Vol.-ppm verdünnt
war, /kurz mit "PH0(IOO)/H0" bezeichnet/ wurde in einem
-3 Molverhältnis PH3ZSiH4 von 5 χ 10 relativ zu SiH4-Gas,
das mit H? auf 10 Vol.-% verdünnt war, /kurz mit
11SiH4(IO)/H2" bezeichnet/ in den Rezipienten 401 einströmen
gelassen, wobei der Innendruck in dem Rezipienten 401 auf 16,0 Pa eingestellt wurde. Dann wurde zur BiI-dung
einer 50,0 nm dicken, mit P dotierten η -Schicht
302 eine Glimmentladung mit 10 W durchgeführt /Schritt
Dann wurde Al aufgedampft, und danach wurden gemäß Schritt (C) Al und die n+-Schicht 302 mit Ausnahme
des Bereichs für die Sourceelektrode 303 und des Bereichs für die Drainelektrode 304 durch Fotoätzung entfernt.
Das vorstehend erwähnte Substrat wurde wieder in dem Rezipienten 401 an der Anodenseite an der Einrichtung
402 zum Halten und Heizen des Substrats befestigt, um einen isolierenden Film für die Steuerelektrode
zu bilden. Ähnlich wie bei der Herstellung des polykristallinen Siliciums wurde der Rezipient 401 evakuiert,
und die Substrattemperatur Ts wurde bei 2500C gehalten,
NH3-GaS wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit
- 46 - DE 2586
von 20 Norm-cm /min und SiH. (10)/H0-GaS wurde mit einer
3 Durchflußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm /min eingeleitet, worauf. zur Abscheidung eines SiNH-Films 305 mit einer
Dicke von 250,0 nm eine Glimmentladung angeregt wurde. ■·"'
Dann wurden durch einen Fotoätzungsschritt Kontaktlöcher 306-2 und 306-1 für die Sourceelektrode 303 und die
Drainelektrode 304 geöffnet, und danach wurde auf der gesamten Oberfläche des SiNH-Films 305 durch Aufdampfen
von Al ein Elektrodenfilm 307 gebildet, worauf der Al-Elektrodenfilm 307 durch einen Fotoätzungsschritt
bearbeitet wurde, um die Leitungselektrode 308 für die Sourceelektrode, die Leitungselektrode 309 für
die Drainelektrode und die Steuerelektrode 310 zu bilden.
Danach wurde in einer H?-Atmosphäre bei 250 C eine
Hitzebehandlung durchgeführt. Der TFT (Kanallänge L = 20 /um; Kanalbreite W = 650 /am), der nach diesem
Verfahren unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet worden war, zeigte stabile und gute Eigenschaf-
20 ten, wie festgestellt wurde.
Fig. 9 zeigt exemplarische Kennlinien des auf diese Weise hergestellten TFT. In Fig. 9 werden exemplarische
TFT-Kennlinien der Beziehung zwischen dem Senkenstrom ID und der Senkenspannung V_ bei Veränderung der Steuerspannung
VG als Parameter gezeigt. Die Schwellenspannung
des Tors (Gate) bzw. der Steuerelektrode ist niedrig und beträgt 5 V, und das Verhältnis des Wertes der
Stromstärke ID bei V. = 20 V zu dem Wert von I_ bei
VG = 0 V kann mehr als 1000 betragen. In Tabelle VI
werden die Ergebnisse der Messung des Wasserstoffgehalts in polykristallinen Silicium-Dünnfilmen, die nach dem
gleichen Verfahren wie vorstehend beschrieben für die Herstellung von TFT eingesetzt werden, und die Ergebnisse
der Messung der Ätzgeschwindigkeit dieser polykristalli-
- 47 - DE 2586
nen Silicium-Dünnfilme bei der Ätzung mit einer Mischung von Flußsäure, Salpetersäure und Eisessig (Volumenverhältnis
Flußsäure!Salpetersäure:Eisessig = 1:3:6) gezeigt.
Bei diesen Versuchen wurde nur die Substrattemperatur Ts variiert, so daß sie 5000C, 4500C oder 40Q^C
betrug, während die anderen Bedingungen gleich blieben. In Tabelle VI werden auch die Werte der effektiven
Beweglichkeit (peff) von Dünnfilmtransistoren (TFT),
die unter Verwendung dieser polykristallinen Silicium-Dünnfilme hergestellt wurden, gezeigt. Der bei einer
hohen Substrattemperatur (Ts = 500°C) hergestellte Film hatte in dem Film einen geringen Wasserstoffgehalt
von 0,5 Atom-%, ■ und die Ätzgeschwindigkeit hatte den geringen Wert von 1,5 nm/s, und ein unter Anwendung
dieses Films hergestellter TFT hatte einen μ „„-Wert
von .8 cm /(V.s) sowie gute Eigenschaften und zeigte
keine Änderung im Verlauf der Zeit.
In diesem Beispiel wurde als Substrat Corning #7059-Glas
verwendet, jedoch könnten ähnliche Eigenschaften auch bei einer höheren Hitzebehandlungstemperatur oder
Substrattemperatur unter Anwendung von * ultrahartem Glas oder Quarzglas erzielt werden.
Die Substrattemperatur Ts kann erfindungsgemäß aus einem weiten Temperaturbereich ausgewählt werden, so
daß auch das Substratmaterial aus einem weiten Bereich von Materialien ausgewählt werden kann. Als Substrat
kann beispielsweise sogar ein billiges Material mit einer niedrigen Schmelztemperatur eingesetzt werden,
und hervorragende integrierte TFT-Schaltungen können mit niedrigeren Kosten hergestellt werden. Außerdem
können die integrierten TFT-Schaltungen mit einer einfacheren Vorrichtung gefertigt werden.
1 1 * *
DE 2586
Probe Nr.
Substrattemperatur Ts '( C)
Wasserstoffgehalt (Atom-%)
Ätzgeschwindigkeit (nm/s)
| Tabelle VI | 12-2 |
| 12 - 1 | 450 |
| 400 | 1,3 |
| 1,7 | 1,6 |
| 1,8 | LD |
| 2,8 | |
12-3 500
0,5 1,5 8
Entladungsleistung .... 20 W
Konzentration des SiH.-Gases 3 Vol.-%
Durchflußgeschwindigkeit (FR).... 5 Norm-cm /min.
Druck (Pr) .... 6,7 Pa
Druck (Pr) .... 6,7 Pa
20 Beispiel 13
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 12 wurden bei verschiedenen Substrattemperaturen (4000C, 4500C
oder 5000C) für die Glimmentladungs-Zersetzung und unter den konstanten Bedingungen einer Radiofrequenz-Entladungsleistung
von 50 W, einer Durchflußgeschwindigkeit des Silangases /SiH4O)/Hp7 von 10 Norm-cm /min
und eines Druckes von 6,7 Pa polykristalline Siliciumfilme gebildet, und unter Anwendung dieser Filme wurden
Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt. Die Beziehungen zwischen den Eigenschaften des TFT (μ _„) und dem Wasserstoffgehalt;
der Ätzgeschwindigkeit und der Orientierung des Grundmaterials werden in Tabelle VII gezeigt.
| Probe Kr. | - 49 - | DE | 13-2 | 3241 | -% | 959 | |
| Substrat temperatur Ts (0C) |
Tabelle VII | 450 | 2586 | ||||
| r | Wasserstoffgehalt (Atom-%) |
13-1 | 1,8 | ||||
| Ätzgeschwindigkeit (nm/s) | 400 | 1,8 | 13-3 | ||||
| Orientierungsstärke (durch Eeugung ermittelt; %) |
2 | 50 | 500 | ||||
| eff f^/Ml | 2,0 | 4,6 | 0,8 | ||||
| Entladungsleistung Konzentration des |
45 | 50 W 3 Vol. |
1,8 | ||||
| 2,5 | 58 | ||||||
| 0 · β β SiH.-Gases .. |
6,2 | ||||||
4 ο
15 Durchflußgeschwindigkeit (FR) .... 10 Norm - cm /min.
Druck 6,7 Pa
20 Beispiel 14
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 12 wurden
bei verschiedenen Substrattemperaturen Ts (400°C, 450°C oder 5000C) für die Glimmentladungs-Zersetzung und
unter den konstanten Bedingungen einer Entladungsleistung von 100 W, einer Durchflußgeschwindigkeit des /SiH.(3)/HpJ
-Gases von 10 Norm-cm3/min und eines Druckes von 6,7 Pa
polykristalline Siliciumfilme gebildet, und unter Verwendung
dieser Filme wurden Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt. Die Beziehungen zwischen den Eigenschaften
des TFT (p „„) und dem Wasserstoff gehalt, der Ätzgeschwindigkeit
und der Orientierung des Grundmaterials werden in Tabelle VIII gezeigt.
DE 2586
Probe Nr.
Substrattemperatur,
Ts(0C)
Ts(0C)
Tabelle VIII 14-1 400
Wasserstoffgehalt (Atom-%) 3
Ätzgeschwindigkeit (nm/s) 2,3
Mittlere Teilchengröße 12,0 der Kristalle (nm)
■ /*eff fcm2/(V. sec)J 1,0
14-2
450
450
2.5
2,0
55,0
2,0
55,0
4,2
14-3 500
;tl
2,0
85,0
5,5
Der in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene Transistor hatte gute Eigenschaften, die keine Änderung
im Lauf der Zeit zeigten, wobei im Fall der Anwendung einer Substrattemperatur von 5000C (Probe Nr. 14-3)
jueff 5,5 betrug.
Ein ähnliches Corning-Glas-Substrat 400, das in der gleichen Weise wie in Beispiel 12 hergestellt worden
war, wurde in dem Rezipienten 401 an der oberen Anodenseite in enger Berührung an der Einrichtung 402 zum
Halten und Heizen des Substrats befestigt, und eine polykristalline Siliciumplatte (nicht gezeigt; Reinheit:
99,99 %) wurde so auf die Elektrodenplatte der unteren Kathode 413 aufgelegt, daß sie dem Substrat gegenüber
lag. D er Rezipient 401 wurde mit der Diffusionspumpe
- 51 - DE 2586
409 auf 0,27 mPa evakuiert, und die Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats wurde geheizt,
um die Oberflächentemperatur des Substrats 400 bei 450 C zu halten. Anschließend wurde hochreines H?-G.as
durch die Durchflußreguliervorrichtung 408 hindurch mit 0,5 Norm-cm /min in den Rezipienten 401 eingeleitet,'
und des weiteren wurde eine Ar/He-Gasmischung (Volumenverhältnis: 5/95) mit einer Durchflußgeschwindigkeit
von 50 Norm-cm /min durch die Durchflußreguliervorrichtung 407 hindurch in den Rezipienten eingeleitet,
worauf das Hauptventil 410 so reguliert wurde, daß der Innendruck in dem Rezipienten auf 6,7 Pa eingestellt
wurde.
Nach der Stabilisierung des Innendruckes des Rezipienten wurde mittels der Hochfrequenz-Stromquelle 414 von
13,56 MHz an die untere Kathodenelektrode 413 eine Spannung von 1,5 kV angelegt, um zwischen der auf der
Kathode 413 befindlichen, polykristallinen Siliciumplatte und der Anode (der Einrichtung zum Halten und
Heizen des Substrats) 402 eine Glimmentladung anzuregen. Die Radiofrequenz-Entladungsleistung (Leistung der
hinwandernden Welle - Leistung der reflektierten Welle) betrug 120 W. Die Züchtungsgeschwindigkeit des Siliciumfilms
betrug unter diesen Bedingungen 0,02 nm/s, so daß nach 4-stündiger Züchtung ein Film mit einer Dicke
von etwa 0,3 pm gebildet wurde.
Es wurde festgestellt, daß der H-Gehalt in der polykristallinen
Siliciumschicht 0,5 Atom-% betrug, und die Ätzgeschwindigkeit betrug 1,9 nm/s.
Anschließend wurde gemäß den gleichen Schritten /"(A)
bis (G)J wie in Beispiel 12 ein TFT hergestellt. Dieses Bauelement hatte eine effektive Beweglichkeit μ r~
von 1,0 cm /(V.s). Als die Änderungen von ID und V..
α ο * ι
- 52 - DE 2586
unter der Bedingung, daß V. = 40 V und V_. = 40 V, ge-
(x L)
messen wurden, änderte sich ID um 0,1 % oder weniger,
und V. j- war nach 500 h vollkommen unverändert, wodurch
gute Eigenschaften in bezug auf das Gleichstromverhalten 5 ohne Änderung im Verlauf der Zeit gezeigt werden. .'·'
Ein ähnlich wie in Beispiel 12 hergestelltes Substrat 800 aus Corning ^7059-Glas wurde in dem in Fig. 8 gezeigten
Ultrahochvakuumbehälter 801, dessen Innendruck auf 2,7 nPa vermindert werden kann, an einer Substrat-Haltevorrichtung
802 angebracht, und nach der Verminderung des Druckes in dem Vakuumbehälter 801 auf weniger
als 6,7 nPa wurde die Substrattemperatur durch die Tantal-Heizvorrichtung 803 auf 3500C eingestellt. Anschließend
wurde die Elektronenkanone 804 unter einer Beschleunigungsspannung von 8 kV betätigt, und der
emittierte Elektronenstrahl bestrahlte den zur Verdampfung dienenden Siliciumkörper 805, um eine Verdampfung
dieses Siliciumkörpers zu bewirken. Dann wurde zur Bildung eines polykristallinen Siliciumfilms mit einer
Dicke von 0,5 Jim auf dem Substrat 800 die Blende 807
geöffnet, während die Filmdicke mittels der Quarzoszillator-Dickenmeßvorrichtung
806 reguliert wurde. Der Druck während des Aufdampfens betrug 0,13 /iPa, und die Aufdampfgeschwindigkeit
betrug 0,14 nm/s (Probe Nr. 16-1).
Andererseits wurde wieder ein Substrat aus gewaschenem Corning ψ 7059-Glas an der Substrat-Haltevorrichtung
802 befestigt, und nach dem Evakuieren des Vakuumbehälters 801 bis zur Erzielung eines Innendruckes von weniger
als 6,7 nPa wurde durch das veränderliche Belüftungsventil 808 hindurch hochreines Wasserstoffgas (99,9999 %)
" ■ ·■.·■ 1 k
- 53 - DE 2586
in den Vakuumbehälter eingeleitet, wobei der Innendruck in dem Behälter 801 auf 6,7 nPa eingestellt wurde.
Die Substrattemperatur wurde auf 400 C eingestellt, und die Elektronenkanone 804 wurde so reguliert, daß
die Aufdampfgeschwindigkeit 0,10 nm/s betrug, wobei ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm mit einer Dicke
von 0,5 pm gebildet wurde (Probe Nr. 16-2).
Für die Proben Nr. 16-1 und 16-2 werden der Wasserstoffgehalt, die Ätzgeschwindigkeit, die Orientierungseigenschaften
sowie die effektive Beweglichkeit μ __ von
Dünnfilmtransistoren (TFT), die nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 12 hergestellt wurden, in Tabelle
IX gezeigt.
15
15
Probe Nr.
Ätzgeschwindigkeit (nm/s) Orientierungsstärke
25 ytfeff fcm2/(V. s)]
| Tabelle | IX | 16 | - 1 | 16 - | 2 | 5 |
| <09 | 01 | 0, | 0 | |||
| torn - %) | 2, | 0 | 2, | |||
| nm/s) | 41 | 40 | 7 | |||
| (%) | O5 | 4 | 5, | |||
Aus Tabelle IX ist ersichtlich, daß die Proben Nr. 16-1 und 16-2, die die gleichen Werte der Ätzgeschwindigkeit
und der Orientierungseigenschaften haben, gute Eigenschaften zeigen. Die effektive Beweglichkeit μ ff
war bei der Probe Nr. 16-2 um eine Größenordnung größer
- 54 - DE 2586
als bei der Probe Nr. 16-1, woraus hervorgeht, daß die Probe Nr. 16-2 als Halbleiterschicht für TFT überlegen
ist·.
Beispiel 17 ■'''
Nachstehend wird ein Beispiel dafür beschrieben, daß mittels der in Fig. 7 gezeigten Ionenplattierungs-Abscheidungsvorrichtung
ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm hergestellt und aus diesem Dünnfilm als Grundmaterial
ein Dünnfilmtransistor hergestellt wird.
Zuerst wurde in · einer Abscheidungskammer 701, die auf einen verminderten Druck gebracht werden kann, ein
zu verdampfender, " nicht dotierter, polykristalliner Siliciumkörper 702 in ein Schiffchen 703 hineingebracht,
und auf die Stützeinrichtungen 704-1 und 704-2 wurde ein Substrat aus Corning #· 7059-Glas aufgesetzt. Nachdem
die Abscheidungskammer bis zur · Erzielung eines Grunddruckes von etwa 13 juPa evakuiert worden war, wurde
Hp-Gas mit einer Reinheit von 99,999 % durch das Gaseinlaßrohr 705 hindurch bis zur Erzielung eines Wasserstoff-Partialdruckes
P„ von 13 mPa in die Abscheidungskammer 701 eingeleitet. Das angewandte Gaseinleitungsrohr
705 hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und war an seiner Spitze in Form einer Schleife ausgebildet, die
in Abständen von 2 cm Gaseinblasöffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufwies.
Dann wurde an die Hochfrequenzspule 706 (Durchmesser: 5 mm) eine Hochfrequenz von 13,56 MHz angelegt, um
eine Leistung von 100 W einzustellen, wodurch im Innenbereich der Spule eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre
gebildet wurde.
- 55 - DE 2586
Andererseits war die Heizvorrichtung 707 in Betrieb
gesetzt und auf etwa 475 C aufgeheizt worden, während
die Stützeinrichtungen 704-1 und 704-2 gedreht wurden.
Als nächster Schritt wurde der zu verdampfende Körper
702 mittels der Elektronenkanone 708 bestrahlt und erhitzt, wodurch Siliciumteilchen fliegen gelassen
wurden. Die Elektronenkanone hatte eine Leistung von etwa 0,5 kW.
10
10
Auf diese Weise wurde nach 50 min ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm mit einer Dicke von 500,0 nm gebildet.
Unter Anwendung dieses Dünnfilms wurde nach dem gleichen Verfahren wie in den vorangehenden Beispielen ein Dünnfilmtransistor
hergestellt. Tabelle X zeigt den H-Gehalt in der polykristallinen Siliciumschicht, die Ätzgeschwindigkeit
des Films und die effektive Beweglichkeit μ ~~
des in diesem Beispiel hergestellten Dünnfilmtransistors. Gleichzeitig zeigt Tabelle X auch die entsprechenden
Werte für den Fall, daß der Wasserstoff-Partialdruck 6,7 mPa oder 53 mPa betrug oder daß der Film ohne Einleitung
von Wasserstoff gebildet wurde.
druck PH (mPa)
Film CAtom-%) £<
0,01 0,8 1,5 1,8 Ätzgeschwindigkeit des
Films (nm/s) 2,8 2,5 1,9 2,0
35 /<eff [cm2/fr. see)] O8O5 0,10 2,4 2,1
- 56 - DE 2586
In dem Transistor aus dem Film, der bei einem Wasserstoff-Part ialdruck P„ = 13 mPa gebildet worden war,
trat keine Änderung der Stromstärke (im Verlauf der Zeit) nach kontinuierlichem Anlegen der Quellenspannung
\Λ und der Steuerspannung Vn von 40 V ein, und die
Beweglichkeit hatte den großen Wert von 2,4 cm /(V.s), woraus hervorgeht, daß die Transistoreigenschaften
gut waren. Im Gegensatz dazu war bei einem größeren Wasserstoffgehalt die Änderung im Verlauf der Zeit
größer, während bei einem niedrigeren Wasserstoffgehalt die Beweglichkeit kleiner war.
In diesem Beispiel' wurde auf einem Substrat ein polykristalliner Silicium-Dünnfilm gebildet, und unter
Verwendung dieses Dünnfilms wurde mittels der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ein TFT hergestellt. Als Substrat
400 wurde ein Corning-Glas^7059 eingesetzt.
Zuerst wurde das Substrat 400 gewaschen, auf seiner Oberfläche mit einer Mischung von (HF+HNO-fCH-COOH)
schwach geätzt und dann getrocknet und in einem als Abscheidungskammer dienenden Rezipienten 401 an der
oberen Anodenseite an einer Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats angebracht.
Danach wurde der Rezipient 401 mittels einer Diffusionspumpe 409 bis zur Erzielung eines Hintergrundvakuums
von weniger als 0,27 mPa evakuiert. Dann wurde das Substrat 400 durch Erhöhung von Ts (die Substrattemperatur
wurde mit dem Thermopaar 403 überwacht) bei 5000C
gehalten. Dann wurde Hp-Gas unter Regulierung mit der Durchflußreguliervorrichtung 408 in den Rezipienten
401 eingeleitet, um die Oberfläche des Substrats 400
- 57 - DE 2586
* zu reinigen und für die Einleitung eines reaktiven
Gases vorzubereiten. Die Substrattemperatur Ts wurde auf 450°C eingestellt.
in diesem Beispiel wurde als einzuleitendes, reaktives
Gas SiH4-GaS, das mit Hp-Gas auf 1 Vol.-% verdünnt
war, {[kurz als "SiH4(l)/H?" bezeichnet] eingesetzt,
ein Gas, das leicht gehandhabt werden konnte. Die Durchflußgeschwindigkeit des Gases wurde unter Anwendung
einer Durchflußreguliervorrichtung 404 auf 5 Norm-cm / min einreguliert. Der Innendruck in dem Rezipienten
401 wurde mittels eines Absolutdruck-Manometers 412 auf 1,3 Pa einreguliert, indem das an der Evakuierungsseite des Rezipienten 401 befindliche Druckregulier-
ventil 410 reguliert wurde. Nachdem sich der Innendruck in dem Rezipienten 401 stabilisiert hatte, wurde an
die Kathodenelektrode 413 mittels der Stromquelle 414 ein Hochfrequenzfeld von 13,56 MHz angelegt, um eine
Glimmentladung einzuleiten. Die Spannung betrug 0,5 V, die Stromstärke 48 mA und die Radiofrequenz-Entladungsleistung
10 W. Der gebildete Film hatte eine Dicke von 500,0 nm, und im Fall der Anwendung eines kreisringförmigen
Einblaseauslasses betrug die Schwankung der Dicke _+ 10 %, wenn das Substrat die Abmessungen
25 120 mm χ 120 mm hatte.
Es wurde festgestellt, daß der Wasserstoffgehalt in dem gebildeten Film 0,5 Atom-% betrug, und die Oberflächenrauhigkeit
betrug 20,0 nm. Im Fall der Anwendung des vorstehend erwähnten Ätzmittels betrug die Ätzgeschwindigkeit
1,5 nm/s und hatte damit den gleichen Wert wie die Ätzgeschwindigkeit einer Siliciumscheibe
mit einem p-Wert von 0,3 β.οπι.
• » HI)
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Aus den Röntgenbeugungswerten wurden die Orientierungseigenschaften des in der vorstehend beschriebenen Weise
gebildeten Films ermittelt, wobei festgestellt wurde, daß die in Form des Ausdrucks " /ι (220)/l „„„,J x 100"
ausgedrückte Orientierungsstärke 90 % betrug, während die mittlere Größe der Kristallteilchen 90,0 nm betrug.
Dann wurde unter Verwendung dieses Films als Grundmaterial nach dem Verfahren, das in Fig. 3 schematisch
dargestellt ist, ein Dünnfilmtransistor (TFT) hergestellt. Nachdem in der vorstehend beschriebenen Weise
auf dem Glassubstrat 300 ein polykristalliner Siliciumfilm 301 abgeschieden worden war, wie es im Schritt
(A) gezeigt wird,- wurde PHO-Gas, das mit Wasserstoffgas
auf 100 Vol.-ppm verdünnt war, Q^urz mit 11PH3 (100)/H "
bezeichnetj in einem PH3/SiH.-Molverhältnis von 5 χ
10~ /wobei SiH.-Gas eingesetzt wurde, das mit H? auf
10 Vol.-% verdünnt war und kurz mit 11SiH4(10)/H3 11 bezeichnet
wird_7' "in den Rezipienten 401 einströmen gelassen, wobei der Innendruck in dem Rezipienten 401
auf 16,0 Pa eingestellt wurde. Dann wurde zur Bildung einer 50,0 nm dicken, mit P dotierten n+-Schicht 302
eine Glimmentladung durchgeführt /Schritt (B)J.
Dann wurde die η -Schicht 302 mit Ausnahme des Bereichs für die Sourceelektrode 303 und des Bereichs für die
Drainelektrode 304 durch Fotoätzung entfernt, wie es im Schritt (C) gezeigt wird. Das vorstehend erwähnte
Substrat wurde wieder in dem Rezipienten 401 an der Anodenseite an der Einrichtung 402 zum Halten und Heizen
des Substrats befestigt, um einen isolierenden Film für die Steuerelektrode zu bilden. Ähnlich wie bei
der Herstellung des polykristallinen Siliciums wurde der Rezipient 401 evakuiert; die Substrattemperatur
Ts wurde bei 2500C gehalten, und NH„-Gas wurde mit
3
einer Durchflußgeschwindigkeit von 20 Norm-cm /min
einer Durchflußgeschwindigkeit von 20 Norm-cm /min
- 59 - DE 2586
* eingeleitet, während SiH.(10)/H_-Gas mit einer Durch-
3
flußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm /min eingeleitet wurde, · worauf zur Abscheidung eines SiNH-Films 305 mit einer Dicke von 250,0 nm eine Glimmentladung angeregt wurde. ·■''' !
flußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm /min eingeleitet wurde, · worauf zur Abscheidung eines SiNH-Films 305 mit einer Dicke von 250,0 nm eine Glimmentladung angeregt wurde. ·■''' !
Dann wurden durch einen Fotoätzungsschritt Kontaktlöcher ;
306-2 und 306-1 für die Sourceelektrode 303 und die ' Drainelektrode 304 geöffnet, und danach wurde auf der
gesamten Oberfläche des SiNH-Films 305 durch Aufdampfen ;
von Al ein Elektrodenfilm 307 gebildet, worauf der Al-Elektrodenfilm 307 durch einen Fotoätzungsschritt
bearbeitet wurde·, um die Leitungselektrode 308 für die Sourceelektrode, die Leitungselektrode 309 für
die Drainelektrode und die Steuerelektrode 310 zu bilden. Danach wurde in einer Hp-Atmosphäre bei 2500C eine
Hitzebehandlung durchgeführt. Der TFT (Kanallänge = 10 /am; Kanalbreite W = 500 jum), der nach diesem Verfahren
unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet worden war, zeigte stabile und gute Eigenschaften,
wie festgestellt wurde.
Fig. 10 zeigt die VD~ID-Kurve als ein Beispiel für
die Eigenschaften des auf diese Weise hergestellten TFT (in Fig. 10 ist V die Senkenspannung, Vfi die Steuerspannung
und Ij-. die Stärke des Senkenstroms). Bei Vp
= 20 V gilt In = 2,5 χ 10"4 A; und bei Vn = 0 V gilt
"7
In = 1 χ 10 A, und die Schwellenspannung V,, betrug 1,5 V. Diese Werte wurden aus dem geradlinigen Anteil der Vn - -/"iL-Kurve bestimmt, wie es bei einem MOS-TFT-Bauelement üblicherweise durchgeführt wird. Es wurde ein TFT mit guten Transistoreigenschaften erhalten, der eine effektive Beweglichkeit μ „„ von 8,5 cm /(V. s) hatte. Zur Prüfung der Stabilität dieses TFT wurde eine Gleichspannung V. = 40 V kontinuierlich an die
In = 1 χ 10 A, und die Schwellenspannung V,, betrug 1,5 V. Diese Werte wurden aus dem geradlinigen Anteil der Vn - -/"iL-Kurve bestimmt, wie es bei einem MOS-TFT-Bauelement üblicherweise durchgeführt wird. Es wurde ein TFT mit guten Transistoreigenschaften erhalten, der eine effektive Beweglichkeit μ „„ von 8,5 cm /(V. s) hatte. Zur Prüfung der Stabilität dieses TFT wurde eine Gleichspannung V. = 40 V kontinuierlich an die
■ · Mtl
- 60 - DE 2586
Steuer elektrode (Gate) angelegt, und die Änderung von ID wurde im Verlauf von 500 h kontinuierlich gemessen..
Dabei ergab sich, daß ID im wesentlichen keine
Änderung zeigte und nur innerhalb von _+ 0,1 % variierte.
Es wurde keine Änderung Δ V . der Schwellenspannung
vor und nach der Änderung des TFT im Verlauf der Zeit gefunden, wodurch eine sehr gute Stabilität des TFT
gezeigt wird. Als die TFT-Eigenschaften Vn-In und
V„-In nach einer solchen Änderung im Verlauf der Zeit gemessen wurden, hatte μ „^ den gleichen Wert, der vor der Änderung im Verlauf der Zeit gemessen wurde, nämlich 8,5 cm /(V.s).
V„-In nach einer solchen Änderung im Verlauf der Zeit gemessen wurden, hatte μ „^ den gleichen Wert, der vor der Änderung im Verlauf der Zeit gemessen wurde, nämlich 8,5 cm /(V.s).
Wie in diesem Beispiel gezeigt wird, hat ein TFT, dessen Hauptteil aus einem polykristallinen Silicium-Dünnfilm
mit den folgenden Eigenschaften: einem Wasserstoffgehalt
in dem polykristallinen Siliciumfilm von 0,5 Atom-%, einem Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit von 20,0 nm,
einer Ätzgeschwindigkeit von 0,5 nm/s, einer Orientierungstärke von 90 % und einer mittleren Größe der
Kristallteilchen von 90,0 nm, besteht, eine hohe
Leistungsfähigkeit.
Kristallteilchen von 90,0 nm, besteht, eine hohe
Leistungsfähigkeit.
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 wurden auf Substraten aus BYCOLE-Glas unter den Bedingungen
einer Radiofrequenz-Leistung (Po) von 50 W, einer Durchflußgeschwindigkeit
des SiH.(1)/H -Gases von 50 Norm-3
cm /min und eines Glimmentladungsdruckes (Pr) von 6,7 Pa polykristalline Siliciumfilme hergestellt. Die Substrattemperatur Ts wurde von 250°C bis 7000C in Intervallen von 50°C eingestellt, wobei Filme mit einer Dicke von jeweils 0,5 jum hergestellt wurden. Der Wasserstoffgehalt in den einzelnen, polykristallinen Siliciumfilmen,
cm /min und eines Glimmentladungsdruckes (Pr) von 6,7 Pa polykristalline Siliciumfilme hergestellt. Die Substrattemperatur Ts wurde von 250°C bis 7000C in Intervallen von 50°C eingestellt, wobei Filme mit einer Dicke von jeweils 0,5 jum hergestellt wurden. Der Wasserstoffgehalt in den einzelnen, polykristallinen Siliciumfilmen,
- 61 - DE 2586
die Oberflächenrauhigkeitseigenschaften, die Ätzgeschwindigkeiten
und die Werte der effektiven Beweglichkeit μ „„ von in ähnlicher Weise wie In Beispiel 18 aus
den einzelnen Filmen hergestellten Dünnfilmtransistoren
(TFT) werden in Tabelle XI gezeigt. ;♦<
Wie aus Tabelle XI hervorgeht, führen die Proben, bei denen der Wasserstoffgehalt höher als 3 Atom-% oder
niedriger als 0,01 Atom-% ist, zu einer effektiven
2
Beweglichkeit von 1 cm /(V.s) oder weniger, während Proben, bei denen der Höchstwert der Oberflächenrauhig- > keit 40,0 nm oder mehr beträgt und die Ätzgeschwindigkeit 2,0 nm/s überschreitet, zu einer effektiven Beweglichkeit von 1 cm /(V.s) oder weniger führen. Demnach haben in beiden Fällen die Proben Eigenschaften, die für eine praktische Anwendung zu schlecht sind.
Beweglichkeit von 1 cm /(V.s) oder weniger, während Proben, bei denen der Höchstwert der Oberflächenrauhig- > keit 40,0 nm oder mehr beträgt und die Ätzgeschwindigkeit 2,0 nm/s überschreitet, zu einer effektiven Beweglichkeit von 1 cm /(V.s) oder weniger führen. Demnach haben in beiden Fällen die Proben Eigenschaften, die für eine praktische Anwendung zu schlecht sind.
Des weiteren hat die Probe, bei der Ts 7000C beträgt,
einen geringen, 25,0 nm betragenden Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit und eine Ätzgeschwindigkeit von
1,5 nm/s, die der Ätzgeschwindigkeit einer Siliciumscheibe vergleichbar ist, jedoch führt diese Probe
aufgrund des geringen Wasserstoffgehalts von weniger
als 0,01 Atom-% nur zu einer kleinen effektiven Beweg- !
2 :
lichkeit μ „„ von 0,25 cm /(V.s) und ist infolgedessen
ebenfalls für die praktische Verwendung ungeeignet.
OO CJl
ω ο
O
Tabelle XI
Tabelle XI
Cn
CJi
Probe Nr. Ts (0C)
Wasserstoff gehalt (Atom-J&)
Oberflächenrauhigkext (nm) Ätzgeschwindigkeit (nm/s)
/<eff fern2 /fr. s)J
!^.-Änderung im Verlauf der Zeit(%J
Orientierungsstärke (%)
Mittlere Korngröße (nm) ^ (V)
19-1 19-2 19-3 19-4 19-5 19-6 19-7 19-8 19-9. 19-10
300 350 400 450 500 550 600 650 700
4.8 4,2 3,6 3,2 2,5 1,2 0,5 0,1 0,02 <0,01
60,0 50,0 40,0 35,0 . 25,0 20,0 25,0 20,0 20,0 20,0
3,8 3,0 2,2 1,8 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
0,23 0,35 0,50 1,3 5,5 7,5 4,0 2,8 1,8 0,25
5.9 2,8 1,5 0,5 <0,1
<0,1 <0,1 <0,1
<0,1 1,5
55 70 85 88 90 93 90 92
15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 55,0 60,0 70,0 70,0
1,0 0,6 0,3 0 0 0 0 0 0
1,0 0,6 0,3 0 0 0 0 0 0
90
80,0
r\> cn
CO JV)
- 63 - DE 2586
* Bei den vorstehend beschriebenen Proben werden die
Fälle gezeigt, bei denen die eingesetzten Filme eine größere- Oberflächenrauhigkeit haben, wenn der Wasserstoffgehalt
in den polykristallinen Silicium-Dünnfilmen
ansteigt. Zum Vergleich mit der Erfindung wurden die folgenden Versuche durchgeführt, bei denen der Wasserstoff
gehalt 3 Atom-% oder weniger betrug, bei denen jedoch die Oberflächenrauhigkeit oder die Ätzgeschwindigkeit
groß war, so daß in beiden Fällen ebenfalls Ergebnisse erhalten wurden, die für die praktische Anwendung
ungeeignet waren.
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 wurden auf Substraten aus Corning #7059-Glas ein Film (Probe
A) unter den folgenden Bedingungen: Ts = 4500C; Durchflußgeschwindigkeit
des SiH-(I)/Hp-Gases: 50 Norm-cm /
min; Po = 100 W und Pr = 26,7 Pa; Dicke: 0,5 /im, und
ein Film (Probe B) unter den folgenden Bedingungen:
Ts = 450°C; Durchflußgeschwindigkeit des SiH.(1)/H5-
3
Gases: 50 Norm-cm /min; Po = 300 W und Pr = 6,7 Pa hergestellt. Bei jedem dieser Filme wurden der Wasserstoffgehalt, die Oberflächenrauhigkeit und die Ätzgeschwindigkeit bestimmt. Unter Verwendung der Filme der Proben A und B wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 auch Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt, deren effektive Beweglichkeit μ „„ bestimmt wurde. Die Ergebnisse werden in Tabelle XII gezeigt. Die Probe A hatte einen Wasserstoffgehalt von weniger als 3 Atom-% mit einer relativ kleinen Ätzgeschwindigkeit, jedoch einem großen Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit, der 90,0 nm betrug, während die Probe B einen Wasserstoffgehalt von weniger als 3 Atom-% und einen kleinen Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit, der 25,0 nm betrug, hatte, wobei die Ätzgeschwindigkeit der Probe B jedoch den großen Wert von 3,2 nm/s hatte.
Gases: 50 Norm-cm /min; Po = 300 W und Pr = 6,7 Pa hergestellt. Bei jedem dieser Filme wurden der Wasserstoffgehalt, die Oberflächenrauhigkeit und die Ätzgeschwindigkeit bestimmt. Unter Verwendung der Filme der Proben A und B wurden nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 auch Dünnfilmtransistoren (TFT) hergestellt, deren effektive Beweglichkeit μ „„ bestimmt wurde. Die Ergebnisse werden in Tabelle XII gezeigt. Die Probe A hatte einen Wasserstoffgehalt von weniger als 3 Atom-% mit einer relativ kleinen Ätzgeschwindigkeit, jedoch einem großen Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit, der 90,0 nm betrug, während die Probe B einen Wasserstoffgehalt von weniger als 3 Atom-% und einen kleinen Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit, der 25,0 nm betrug, hatte, wobei die Ätzgeschwindigkeit der Probe B jedoch den großen Wert von 3,2 nm/s hatte.
- 64 - DE 2586
Dünnfilmtransistoren (TFT), die unter Anwendung der Proben A bzw. B hergestellt wurden, hatten eine effektive
Beweglichkeit μ ~~, von der festgestellt wurde, daß
sie im Vergleich mit der effektiven Beweglichkeit der in Beispiel 18 gezeigten Proben sehr viel kleiner war,
und diese Dünnfilmtransistoren waren auch in . bezug auf die Stabilität ihrer Eigenschaften relativ unbefriedigend.
| . Tabelle XII | 15 Probe | A | B |
| Wasserstoffgehalt (Atom-%) | 2,8 | 2,2 | |
| Oberflächenrauhigkeit (nm) | 90,0 | 25,0 | |
| 20 Atzgeschwindigkeit (nm/s) |
1,9 | 3,2 | |
| /«eff /cm2 /(V. s)J | 0,32 | 0,35 | |
| Änderung im Verlauf der Zeit (%) | 1.8 | 2,5 | |
| 25 « AV th (V) |
0,4 ·· | 0,5 | |
Des weiteren wurden zu Vergleichszwecken bei den in der nachstehenden Weise hergestellten Proben Messungen
durchgeführt.
- 65 - DE-2586
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 wurde auf einem Corning #7059Glas unter den folgenden Bedingungen:
Ts = 450°C; Po = 50 W; Pr = 6,7 Pa; Durchflußgeschwindigkeit
des SiH4(I)/Hp-Gases: 500 Norm-cm /min
und Dicke: 0,5 μτη, ein polykristalliner Silicium-DünnfiiLm
hergestellt. Dieser Film hatte einen Wasserstoffgehalt von 2,7 Atom-%, einen Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit
von 30,0 nm, eine Ätzgeschwindigkeit von 1,8 nm/s, eine Orientierungsstärke von 30 % und eine
O mittlere Korngröße von 30,0 nm.
Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 18 wurde auch ein TFT hergestellt, und bei der Bestimmung der
effektiven Beweglichkeit μ „„ des TFT ergab sich ein
!5 Wert von 0,35 cm /(V.s). Bei der Änderung des TFT im
Verlauf der Zeit betrug die Änderung von I^ 2,4 %,
und Δ V+, be
hervorgeht.
hervorgeht.
20 Beispiel 20
und Δ V+, betrug 0,5 V, woraus eine schlechte Stabilität
Ein ähnlich wie in Beispiel 18 hergestelltes Substrat 800 aus Corning #7059-Glas wurde in dem in Fig. 8 gezeigten
Ultrahochvakuumbehälter 801, dessen Innendruck auf 2,7 nPa vermindert werden kann, an einer Substrat-Haltevorrichtung
802 angebracht, und nach der Verminderung des Druckes in dem Vakuumbehälter 801 auf weniger
als 6,7 nPa wurde die Substrattemperatur durch die Tantal-Heizvorrichtung 803 auf 4000C eingestellt. Anschließend
wurde die Elektronenkanone 804 unter einer Beschleunigungsspannung von 8 kV betätigt, und der
emittierte Elektronenstrahl bestrahlte den zur Verdampfung dienenden
Siliciumkörper 805, um eine Verdampfung des SÜiciumkörpers 805 zu bewirken. Dann wurde zur Bildung eines
polykristallinen Siliciumfilms auf dem Substrat 800
I ♦ * *
• t * 1 ι : χ · · ti«!
- 66 - DE 2586
die Blende 807 geöffnet, während die Filmdicke mittels der Quarzoszillator-Dickenmeßvorrichtung 806 auf einen
Wert von 0,5 um einreguliert wurde. Der Druck während des Aufdampfens betrug 0,13 /aPa, und die Aufdampfge-
schwindigkeit betrug 0,14 nm/s (Probe 20-1). ι'·
Andererseits wurde wieder ein Substrat aus gewaschenem Corning ^ 7059-Glas an der Substrat-Haltevorrichtung
802 befestigt, und nach dem Evakuieren des Vakuumbehälters 801 bis zur Erzielung eines Innendruckes von weniger
als 6,7 nPa wurde durch das veränderliche Belüftungsventil 808 hindurch hochreines Wasserstoffgas (99,99999 %)
in den Vakuumbehälter 801 eingeleitet, wobei der Innendruck in dem Behälter 801 auf 67 pPa eingestellt wurde.
Die Substrattemperatur wurde auf 400°C eingestellt, und die Filmbildungsgeschwindigkeit wurde so reguliert,
daß sie 0,14 nm/s betrug, wodurch ein polykristalliner Siliciumfilm mit einer Dicke von 0,5 pm gebildet wurde
(Probe Nr. 20-2).
Bei den Proben Nr. 20-1 und 20-2 wurden der Wasserstoffgehalt, die Ätzgeschwindigkeit, die Oberflächenrauhigkeitseigenschaften,
die Orientierungseigenschaften und die Größe der Kristallteilchen unter Verwendung
eines Teils von jedem Film gemessen, und der Rest wurde zur Herstellung von Dünnfilmtransistoren (TFT) eingesetzt,
und die effektive Beweglichkeit wurde gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle XIII gezeigt.
- 67 - DE 2586
| Tabelle XIII | Probe Nr. | 20 | - 1 | 20-2 | |
| 5 | Wasserstoffgehalt (Atom-%) | <0 | ,01 | 0,2 | |
| Oberflächenrauhigkeit (nm) | 25,0 | 2,5 | |||
| 10 |
Ätzgeschwindigkeit (nm/s) 1,5 1,5
Orientierungsstärke (%) 92 9 0
Mittlere Korngröße (nm) 90,0 9 0,0
Asff fern2 /(V. s)J 0,25 3,2
Änderung von In im Verlauf der 2,5
<0,1 Zeit (%)
^ th (V) °'5 °_
Wie aus Tabelle XIII ersichtlich ist, zeigten die Proben 25 Nr. 20-1 und 20-2 jeweils im wesentlichen die gleichen
Werte der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften, der Ätzgeschwindigkeit, der Größe der Kristallteilchen
und der Orientierungseigenschaften, jedoch hatte der Wasserstoffgehalt bei der Probe 20-1 den kleinen Wert
30 von weniger als 0,01 Atom-%, während der Wasserstoffgehalt bei der Probe 20-2 0,2 Atom-% betrug. Aus diesem
Grund war die effektive Beweglichkeit μ ff. der Probe
Nr. 20-2 um eine Größenordnung größer als die effektive Beweglichkeit der Probe Nr. 20-1, und die Probe 20-2
35 führte auch zu einer besseren Stabilität des TFT, wodurch
4 · e
- 68 - DE 2586
gezeigt wird, daß die Probe Nr. 20-2 als Halbleiterschicht des TFT überlegen ist.
Nachstehend wird ein Beispiel dafür beschrieben, daß mittels der in Fig. 7 gezeigten Ionenplattierungs-Abscheidungsvorrichtung
eine aus einem polykristallinen Silicium-Film bestehende Halbleiterschicht gebildet
und aus diesem Dünnfilm ein Dünnfilmtransistor hergestellt wird.
Zuerst wurde in einer Abscheidungskammer 701, die auf
einen verminderten Druck gebracht werden kann, ein zu verdampfender, ■ nicht dotierter, polykristalliner
Siliciumkörper 702 in ein Schiffchen 703 hineingebracht, und auf die Stützeinrichtung 704-1 und 704-2 wurde
ein Substrat aus Corning ^7059-Glas aufgesetzt. Nachdem
die Abscheidungskammer bis zur Erzielung eines Grunddruckes von etwa 13 yUPa evakuiert worden war, wurde
Hp-Gas mit einer Reinheit von 99,999 % durch das Gaseinlaßrohr
705 hindurch bis zur Erzielung eines Wasserstoff-Partialdruckes
P„. von 27 mPa in die Abscheidungskammer
ζ
eingeleitet. Das angewandte Gaseinleitungsrohr hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und war an seiner Spitze in Form einer Schleife ausgebildet, die in Abständen von 2 cm Gaseinblasöffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufwies.
eingeleitet. Das angewandte Gaseinleitungsrohr hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und war an seiner Spitze in Form einer Schleife ausgebildet, die in Abständen von 2 cm Gaseinblasöffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufwies.
Dann wurde an die Hochfrequenzspule 706 (Durchmesser: 5 mm) eine Hochfrequenzspannung mit 13,56 MHz angelegt,
um eine Leistung von 100 W einzustellen, wodurch im Innenbereich der Spule eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre
gebildet wurde.
- 69 - DE 2586
Andererseits war die Heizvorrichtung 707 in Betrieb gesetzt und auf etwa 450 C aufgeheizt worden, während
die Stützeinrichtungen 704-1 und 704-2 gedreht wurden.
Als nächster Schritt wurde der zu verdampfende Siliciumkörper
702 mittels der Elektronenkanone 708 bestrahlt und erhitzt, wodurch die erhitzten Siliciumteilchen
fliegen gelassen wurden. Die Elektronenkanone hatte eine Leistung von etwa 0,5 kW.
10
10
Auf diese Weise wurde nach 50 min ein 500,0 nm dicker, polykristalliner Silicium-Dünnfilm gebildet.
Unter Anwendung dieses Dünnfilms wurde nach dem gleichen
Verfahren wie in den vorangehenden Beispielen ein Dünnfilmtransistor hergestellt. Tabelle XIV zeigt den
H-Gehalt in der polykristallinen Siliciumschicht, die
Rauhigkeitseigenschaften, die Ätzgeschwindigkeit des in diesem Beispiel hergestellten Films und die effektive
Beweglichkeit u „„ des hergestellten Dünnfilmtransistors.
Gleichzeitig zeigt Tabelle XIV auch die entsprechenden Werte für den Fall, daß der Wasserstoff-Partialdruck
P„ 9,3 mPa oder 67 mPa betrug oder daß der Film ohne Einleitung von Wasserstoff gebildet wurde.
25
25
| Tabelle | XIV | 21-2 | 21-3 | 21-4 |
| Probe Nr. 2 | 1-1 | 9,3 1,0 |
27 2,1 |
67 5,2 |
| Wasserstoff-Partial druck P„ . (mPa) Wasserstoffgehalt (Atom-%) |
0 0 |
2,4 | 1,8 | 1,9 |
| Ätzgeschwindigkeit (nm/s) | 2,8 | 40,0 | 50,0 | 60,0 |
| Oberflächenrauhigkeit (nm) | 50,0 | 0,10 | 2,4 | 2,1 |
| Peff £cm2 /(J- S)J | 0,05 | |||
- 70 - DE 2586
In dem Transistor aus dem Film (Probe 21-3), der bei einem Wasserstoff-Partialdruck P„. = 27 mPa gebildet
HZ. worden war, trat keine Änderung von ID im Verlauf der
Zeit nach kontinuierlichem Anlegen der Quellenspannung Vn und der Steuerspannung V_ 'von 40 V ein, und dlie
Beweglichkeit yu „„ hatte den großen Wert von 2,4 cm /
(V.s), woraus hervorgeht, daß die Transistoreigenschaften gut waren. Im Gegensatz dazu war bei einem größeren
Wasserstoffgehalt die Änderung im Verlauf der Zeit größer, während bei einem niedrigeren Wasserstoffgehalt
die Beweglichkeit kleiner war.
Ein ähnliches Substrat 400 aus Corning-Glas JP 7059,
das in der gleichen Weise wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt worden war, wurde in dem Rezipienten
401 an der oberen Anodenseite in enger Berührung an der Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats
befestigt, und eine polykristalline Siliciumplatte (nicht gezeigt; 99,99 %) wurde so auf die Elektrodenplatte der unteren Kathode 413 aufgelegt, daß sie dem
Substrat gegenüber lag. Der Rezipient 401 wurde mit der Diffusionspumpe 409 auf 0,27 mPa evakuiert, und
die Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats wurde geheizt, um die Oberflächentemperatur des Substrats
400 bei 350°C zu halten.
Anschließend wurde hochreines H_-Gas durch die Durchfluß-3
reguliervorrichtung 408 hindurch mit 0,5 Norm-cm /min in den Rezipienten eingeleitet, und des weiteren wurde
Ar-Gas mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 10 Normcm /min durch die Durchflußreguliervorrichtung 407
hindurch in den Rezipienten 401 eingeleitet, worauf das Hauptventil 410 geschlossen wurde, um den Innendruck
- 71 - DE 2586
1 in dem Rezipienten auf 0,67 Pa einzustellen.
Nach der Stabilisierung des Innendruckes des Rezipienten wurde mittels der Hochfrequenz-Stromquelle 414 von
13,56 MHz an die untere Kathodenelektrode 413 ei'ne Spannung von 2,0 kV angelegt, um zwischen der auf der
Kathode 413 befindlichen, polykristallinen Siliciumplatte und der Anode (der Einrichtung zum Halten und'
Heizen des Substrats) 402 eine Glimmentladung mit einer
10 Entladungsleistung von 200 W anzuregen.
Die Züchtungsgeschwindigkeit des Films betrug unter diesen Bedingungen 0,03 nm/s, so daß nach 7-stündiger
Züchtung ein Film mit einer Dicke von etwa 0,5 pm gebildet
wurde.
Es wurde festgestellt, daß der Wasserstoffgehalt in dem auf diese Weise gebildeten, polykristallinen SiIiciumfilm
1,2 Atom-% betrug, und der Höchstwert der Rauhigkeit auf der Oberfläche des Siliciumfilms betrug
etwa 30,0 nm, während die Ätzgeschwindigkeit 1,8 nm/s betrug.
Anschließend wurde unter Verwendung eines Teils
des auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Films gemäß den gleichen Schritten wie in Beispiel 18 ein TFT hergestellt. Dieses Bauelement hatte eine
des auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Films gemäß den gleichen Schritten wie in Beispiel 18 ein TFT hergestellt. Dieses Bauelement hatte eine
ο
effektive Beweglichkeit μ _„ von 1,2 cm /(V.s). Als die Änderungen von In und V., unter der Bedingung, daß V_ = Vn = 40 V, gemessen wurden, änderte sich In
effektive Beweglichkeit μ _„ von 1,2 cm /(V.s). Als die Änderungen von In und V., unter der Bedingung, daß V_ = Vn = 40 V, gemessen wurden, änderte sich In
Li L)
L)
um 0,2 %, und V,. war nach 500 h vollkommen unverändert,
wodurch eine gute Stabilität gezeigt wird.
Zum Zwecke des Vergleichs mit der vorstehend beschriebenen Probe wurde die folgende Probe hergestellt und
in ähnlicher Weise gemessen.
- 72 - DE 2586
Ein ähnliches Substrat 400 aus Corning-Glas #=-7059,
das in der gleichen Weise wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt worden war, wurde in dem Rezipienten 401
an der oberen Anodenseite in enger Berührung an der Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats
befestigt, und eine polykristalline Siliciumplatte (nicht gezeigt; 99,99 %) wurde so auf die Elektrodenplatte der unteren Kathode 413 aufgelegt, daß sie dem
Substrat gegenüber lag. Der Rezipient 401 wurde mit der Diffusionspumpe 409 auf 0,27 mPa evakuiert, und
die Einrichtung 402 zum Halten und Heizen des Substrats wurde geheizt, um die Oberflächentemperatur des Substrats
400 bei 350 C zu halten. Anschließend wurde hochreines
H9-GaS durch die Durchflußreguliervorrichtung 408 hin-
durch mit 2 Norm-cnr/min in den Rezipienten 401 eingeleitet,
und des weiteren wurde Ar-Gas mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 10 Norm-cm /-min durch die Durchflußreguliervorrichtung
407 hindurch in den Rezipienten
401 eingeleitet, worauf das Hauptventil 410 so reguliert wurde, daß der Innendruck in dem Rezipienten auf 6,7
Pa eingestellt wurde.
Nach der Stabilisierung des Innendruckes des Rezipienten wurde mittels der Hochfrequenz-Stromquelle 414 von
13,56 MHz an die untere Kathodenelektrode 413 eine Spannung von 2,6 kV angelegt, um zwischen der auf der
Kathode 413 befindlichen, polykristallinen Siliciumplatte und der Anode (der Einrichtung zum Halten und Heizen
des Substrats) 402 eine Glimmentladung anzuregen. Die Radiofrequenz-Entladungsleistung (Leistung der hinwandernden
Welle - Leistung der reflektierten Welle) betrug während dieses Verfahrensschrittes 300 W. Die Züchtungsgeschwindigkeit des Siliciumfilms betrug unter diesen
Bedingungen 0,05 nm/s, so daß nach 3-stündiger Züchtung ein Film mit einer Dicke von etwa 0,54 pn gebildet
wurde.
- 73 - DE 2586
Es wurde festgestellt, daß der Wasserstoffgehalt in dem auf diese Weise gebildeten, polykristallinen SiIiciumfilm
8,5 Atom-% betrug, und die Rauhigkeit auf der Oberfläche des Siliciumfilms hatte einen Höchstwert
von etwa 50,0 nm, wobei die Ätzgeschwindigkeit 3,5 nm'/s betrug.
Anschließend wurde nach den gleichen Schritten (A) bis (G) wie in Beispiel 18 ein TFT hergestellt. Dieses
Bauelement hatte eine effektive Beweglichkeit .μ ~~
von 0,2 cm /(V.s). Als die Änderungen von I„ und V,.
unter der Bedingung, daß Vp = 40 V und V- = 40 V, gemessen
wurden, änderte sich In um 12 %, und Av., betrug
nach 500 h 3 V, wodurch eine sehr schlechte Stabilität
15 des TFT gezeigt wird.
Claims (10)
15 1. Halbleiterbauelement mit einem Substrat und einer auf dem Substrat gebildeten Halbleiterschicht
aus einem Dünnfilm aus polykristallinem Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm Wasserstoffatome
in einer Menge von nicht mehr als 3 Atom-% enthält
20 und eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen nicht größer als 80,0 nm ist, und daß
die Halbleiterschicht aus dem Dünnfilm aus polykristallinen Silicium den Hauptteil des Halbleiterbauelements
bildet.
25 ·
2. Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterschicht aus einem Dünnfilm aus polykristallinem Silicium, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dünnfilm Wasserstoffatome in
einer Menge von nicht mehr als 3 Atom-?£ enthält und
30 beim Ätzen mit einem Ätzmittel, das aus einer Mischung
von Flußsäure (50 vol.-%ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d = 1,38; 60 'vol.-%ige, wäßrige Lösung) und
Eisessig in einem Mischungsverhältnis von 1:3:6 (Volumenteile) besteht, eine Ätzgeschwindigkeit von 2,0 nm/s oder weniger
35 hat und daß die Halbleiterschicht aus dem Dünnfilm
B/13
DrewJner B«*(München) Wo. 3939844
Bayer.Vareiratank(München) Mo.506941
R)MSdWCk(München) Ma670-43-8Oi'5
BAD ORIGINAL
• · · ♦
- 2 - DE 2586
aus polykristallinem Silicium den Hauptteil des Halbleiterbauelements
bildet.
3. Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterschicht aus einem Dünnfilm aus polykristallinem Silicium, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dünnfilm Wasserstoffatome in
einer Menge von nicht mehr als 3 Atom-% enthält, eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen
nicht größer als 80,0 nm ist, und beim Ätzen mit einem Ätzmittel, das aus einer Mischung von Flußsäure
(50 vol.-%ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d = 1,38; 60 vol.-?6ige, wäßrige Lösung) und Eisessig in einem
Mischungsverhältnis von 1:3:6 (Volumentaile) besteht, eine Ätzgeschwindigkeit von 2,0 nm/s oder weniger hat und daß die
Halbleiterschicht aus dem Dünnfilm aus polykristallinem Silicium den Hauptteil des Halbleiterbauelements bildet.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht ein Röntgenbeugungsbild
oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Orientierungsstärke
bezogene Orientierungsstärke in der (220)-Ebene
30 % oder mehr beträgt.
30 % oder mehr beträgt.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2," dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht ein Röntgenbeugungsbild
oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Orientierungsstärke
bezogene Orientierungsstärke in der (220)-Ebene 30 %
30 oder mehr beträgt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht ein Röntgenbeugungsbild
oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Orientierungsstärke bezogene
BAD ORIGINAL
324195
- 3 - DE 2586
1 Orientierungsstärke in der (220)-Ebene 30 % oder mehr beträgt.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht Kristalle
mit einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr
enthält.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch Q gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht Kristalle
mit einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr enthält.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch g gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht Kristalle
mit einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr enthält.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch o gekennzeichnet, daß das Substrat ein Glas ist.
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP56182652A JPS5884464A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | 半導体素子 |
| JP56182654A JPS5884466A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | 半導体素子 |
| JP56182653A JPS5884465A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | 半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3241959A1 true DE3241959A1 (de) | 1983-05-26 |
| DE3241959C2 DE3241959C2 (de) | 1988-11-17 |
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ID=27325192
Family Applications (1)
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