DE69125886T2

DE69125886T2 - Dünnfilmtransistoren

Info

Publication number: DE69125886T2
Application number: DE69125886T
Authority: DE
Inventors: Shunpei Yamazaki; Hongyong Zhang
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: US5313075A; EP0459763B1; EP0459763A1; DE69125886D1; US5523240A; US20090101910A1; US20040031961A1; US6607947B1; US7355202B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Dünnfilmtransistoren (nachfolgend als TFTs bezeichnet), und speziell, jedoch nicht ausschließlich, betrifft sie TFTs aus einem nicht-einkristallinen Halbleiter, z. B. IGFETs, und sie betrifft auch deren Herstellprozesse. Die Erfindung findet spezielle, jedoch nicht ausschließliche, Anwendung bei hoch-zuverlässigen Dünnfilmtransistoren, die zur Verwendung als Ansteuerelement eines Anzeigebildsensors oder einer Flüssigkristallvorrichtung oder dergleichen geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Dünnfilmtransistoren können durch ein Verfahren mit chemischer Dampfniederschlagung auf einem isolierten Substrat in einer Atmosphäre mit vergleichsweise niedriger Temperatur, mit einer maximalen Temperatur von 500 ºC, hergestellt werden, wobei das Substrat z. B. aus einem billigen Material wie Natronglas oder Borsilikatglas besteht.
Ein derartiger Dünnfilmtransistor kann als Feldeffekttransistor strukturiert sein, und er kann dieselben Merkmale wie ein MOSFET aufweisen. Außerdem hat er, wie oben angegeben, den Vorteil, dass er bei niedriger Temperatur auf einem billigen, isolierenden Substrat hergestellt werden kann. Auch können Dünnfilmtransistoren unter Verwendung von CVD-Techniken auf einem großen Substrat hergestellt werden. Sie bieten daher gute Aussichten zur Verwendung als Schaltelemente eines Flüssigkristalldisplays vom Matrixtyp mit einer Vielzahl von Bildelementen, oder als Schaltelemente eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Bildsensors.
Auch können Dünnfilmtransistoren unter Verwendung bereits durchgesetzter Photolithographietechniken hergestellt werden, durch die sehr feine Prozesse möglich sind, und sie können genau wie bei der Herstellung eines IC usw. integriert werden.
Fig. 1 der beigefügten zeichnungen zeigt den Aufbau eines typischen bekannten TFT. In Fig. 1 umfasst der Dünnfilmtransistor ein isolierendes Substrat 20 aus Glas, einen Halbleiter-Dünnfilm 21 aus einem nicht-einkristallinen Halbleiter, einen Sourcebereich 22, einen Drainbereich 23, eine Sourceelektrode 24, eine Drainelektrode 25, einen Gateisolierfilm 26 und eine Gateelektrode 27.
Bei diesem Typ von Dünnfilmtransistor wird der Stromfluss zwischen der Source 22 und dem Drain 23 dadurch gesteuert, dass eine Spannung an die Gateelektrode 27 angelegt wird. Die Ansprechgeschwindigkeit des Dünnfilmtransistors ist durch die folgende Gleichung gegeben:
S = µ V/L²,
wobei L die Kanallänge ist, µ die Ladungsträger-Beweglichkeit ist, und V die Gatespannung ist.
Beidiesem Typ von Dünnfilmtransistor enthält die nicht-einkristalline Halbleiterschicht viele Korngrenzen. Nicht-einkristalline Halbleiter haben, im Vergleich zu einkristallinen Halbleitern, Nachteile dahingehend, dass die Ladungsträger-Beweglichkeit wegen der vielen Korngrenzen sehr niedrig ist und so die Ansprechgeschwindigkeit des Transistors sehr langsam ist. Insbesondere dann, wenn ein amorpher Siliziumhalbleiter verwendet wird, beträgt die Ladungsträger-Beweglichkeit nur ungefähr 0,1 - 1 (cm²/C s), und sie ist zur Funktion als TFT zu niedrig.
Es ist offensichtlich, dass zum Überwinden dieses Problems die Kanallänge verkürzt werden muss und die Ladungsträger-Beweglichkeit erhöht werden muss. Zu diesen Zwecken erfolgen viele Verbesserungen.
Wenn die Kanallänge verringert wird, verhält sich die Aus wirkung auf die Ansprechgeschwindigkeit wie das Quadrat der Kanallänge, weswegen eine Verringerung der Kanallänge eine sehr wirkungsvolle Maßnahme zum Erhöhen der Ansprechgeschwindigkeit ist. Wenn jedoch Elemente auf einem großflächigen Substrat hergestellt werden, ist es schwierig, Photolithographietechniken zum Erzielen eines Abstands zwischen dem Source- und dem Drainbereich (dieser Abstand entspricht im wesentlichen der Kanallänge) von 10 µm oder weniger zu erzielen, und zwar wegen Beschränkungen der Genauigkeit des Prozesses sowie der Ausbeute und Problemen hinsichtlich der Herstellkosten. Demgemäß wurden bisher keine wirkungsvollen Maßnahmen zum Verkürzen der Kanallänge eines derartigen TFT aufgefunden.
Andererseits kann zum Erhöhen der Beweglichkeit (µ) der Halbleiterschicht ein einkristallines oder ein polykristallines Halbleitermaterial verwendet werden, und wenn ein amorphes Halbleitermaterial verwendet wird, sollte der aktive Bereich des TFT nach der Herstellung des Halbleiters unter Verwendung eines Prozesses wie einer Wärmebehandlung kristallisiert werden.
In diesem Fall ist eine Temperatur über derjenigen erforderlich, die normalerweise zum Herstellen von a-Si notwendig ist. Zum Beispiel gilt:
(1) Bei einem Dünnfilmtransistor aus einem amorphen Halbleitermaterial wird der amorphe Siliziumfilm bei einer Temperatur von ungefähr 250 ºC hergestellt, und dann ist zum Tempern durch Wärme eine Temperatur von 400 ºC erforderlich;
(2) Wenn ein polykristalliner Siliziumfilm durch ein Niederdruck-CVD-Verfahren hergestellt wird, beträgt die Maximaltemperatur, die zum Herstellen des Films und anschließend zum Umkristallisieren erforderlich ist, 500 bis 600 ºC;
(3) Bei einem Dünnfilmtransistor, bei dem nur eine aktive Schicht in eine polykristalline Struktur umgewandelt wird, beträgt die erforderliche CVD-Temperatur zum Herstellen der Halbleiterschicht 250 bis 450 ºC, jedoch überschreitet die Temperatur während des Umkristallisierens der aktiven Schicht durch einen CW-Laser 600 ºC.
TFTs werden im allgemeinen auf einem Substrat aus einem Material wie Natronglas hergestellt, und der aktive Bereich des TFT tritt in direkten Kontakt mit dem Glassubstrat, insbesondere bei Transistoren vom Stapeltyp und vom koplanaren Typ. Wenn ein TFT mit ausreichend schneller Ansprechgeschwindigkeit hergestellt wird, ist eine Wärmebehandlung wie die oben angegebene erforderlich, und so werden Verunreinigungen durch Alkalimetalle wie Natrium und Kalium, die im Glassubstrat vorhanden sind, von außen eindiffundiert und in die Halbleiterschicht hineingedrückt, die die aktive Schicht des TFT bildet. Dies verringert die Beweglichkeit der Halbleiterschicht und ändert den Schwellenwert, was die Charakteristik des Bauteils schlecht macht und nachteilige Auswirkung auf die Langzeitzuverlässigkeit des Bauteils hat.
Auch erzeugt der TFT während seines Betriebs Wärme, die bewirkt, dass die Temperatur des Glassubstrats ansteigt, was bewirkt, dass Fremdstoffe aus dem Substrat diffundieren, was ebenfalls nachteilige Auswirkung auf den TFT hat.
Allgemein gesagt, besteht der Gateisolator eines IGFET aus einem Siliziumoxidfilm, der durch ein Sputterverfahren hergestellt wird, wobei Argon (Ar) Gas als Sputtergas verwendet wird. Beim Sputterprozess werden die Argonatome von Natur aus in den Gateisolator eingeführt, und sie erzeugen im Halbleiterfilm eine feste Ladüng. Auch stoßen Ionen, wie sie während des Sputtervorgangs im Reaktionsraum existieren, mit der Oberfläche der aktiven Schicht des Dünnfilmtransistors zusammen, was eine Beschädigung der aktiven Schicht verursacht. Im Ergebnis entsteht im Grenzbereich zwischen der Gateisolierschicht und der aktiven Schicht des Transistors eine Mischschicht aus aktivem und isolierendem Material. Beim Herstellen eines TFT, wie oben beschrieben, müssen die Probleme der Ansprechgeschwindigkeit und der Zuverlässigkeit immernoch überwunden werden.
Es existiert eine Anzahl von Dokumenten aus dem Stand der Technik betreffend TFTs. Gemäß dem Dokument JP-A-61-183 970 (entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1) wird ein Dünnfilm aus Si-Nitrid auf einem Glassubstrat unter der Gateelektrode eines TFT ausgebildet. Die Gateelektrode wird durch einen weiteren isolierenden Dünnfilm aus Si-Nitrid bedeckt. Es wird ausgeführt, dass ein derartiges Einbetten der Gateelektrode Spannungen abbaut und die Diffusion von im Glassubstrat vorhandenen Alkaliionen verhindert. Das Dokument JP-A-62-39 068 lehrt das Anordnen eines SiO&sub2;-Films als Pufferschicht zwischen einem Glassubstrat und einem TFT aus einkristallinemsilizium. Andererseits offenbart das Dokument JP-A-1-35 959 einen TFT, bei dem der Gateisolierfilm ein SiO&sub2;-Film ist, der durch ein Abscheidungsverfahren hergestellt wurde und in einer Halogenatom enthaltenden Sauerstoffatmosphäre getempert wurde. Der TFT wird auf einem isolierenden Substrat aus Quarz, Pyrex oder dergleichen hergestellt. Gemäß der Literaturstelle: T. Takeshita et al; Japanese Journal of Applied Physics, Vo. 27, NO. 11 (1988), Seiten L2118 - L2120, wird ein TFT durch thermisches Aufwachsen einer Oxidschicht auf einen p-Siliziumwafer hergestellt.
Dann wird der TFT über der Oxidschicht hergestellt, einschließlich einer Poly-Si-Schicht im Kanalbereich des Transistors.

Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung

Es wäre erwünscht, einen Hochgeschwindigkeits-TFT herzustellen, der einen nicht-einkristallinen Halbleiter verwendet, und die oben angegebenen Zuverlässigkeitsprobleme zu überwinden oder zumindest wesentlich zu verringern.
Die Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung sorgt gemäß einer Ausführungsform dafür, dass eine halogen-dotierte Isolierschicht mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) bis 500 nm (5000 Å) auf einem Glassubstrat als unterer Schutzfilm hergestellt wird, bevor TFT-Elemente hergestellt werden, und die TFT-Elemente werden auf diesem Schutzfilm hergestellt. Mittels einer solchen Struktur ist es möglich, zu verhindern, dass im Glassubstrat vorhandene Fremdstoffe in die aktive Schicht des Dünnfilmtransistors oder in die Transistorelemente selbst eindringen, und einen Dünnfilmtransistor zu schaffen, der hohe Steilheit und hohe Feldeffekt-Beweglichkeit aufweist. Auch die Diffusion von Fremdstoffen aus dem Substrat, wofür die Tendenz bestand, wenn während des Betriebs des Bauteils Wärme erzeugt wurde, ist unterdrückt. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Dünnfilmtransistor eine Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften des Transistors gesteuert werden, was Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit ergibt.
Die Erfindung sorgt ferner für den Zusatz eines Halogenelements zum Schutzfilm, wodurch Fremdstoffe, die von außen eindringen, oder Fremdstoffe im Film neutralisiert werden können. Durch das Halogenelement können auch Grenzflächenzustände zwischen der Isolierschicht und der Halbleiterschicht verringert werden. Dies erhöht die Stabilität und die Zuverlässigkeit des TFT. :
Die obigen und weitere Gesichtspunkte der Erfindung sind speziell in den beigefügten Ansprüchen dargelegt und werden unter Berücksichtung der folgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, am besten zu verstehen sein.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Teils eines bekannten Dünnfilmtransistors;
Fig. 2(A) bis 2(C) zeigen den Herstellprozess eines Dünnfilmtransistors gemäß einem ersten Beispiel, wie für ein Verständnis der Erfindung von Nutzen;
Fig. 3(A) bis 3(C) zeigen den Herstellprozess eines Dünnfilmtransistors gemäß einem zweiten Beispiel, wie für ein Verständnis der Erfindung von Nutzen;
Fig. 4(A) bis 4(D) zeigen den Herstellprozess eines Dünnfilmtransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Flachbandspannung eines durch ein Sputterverfahren hergestellten Isolierfilms und dem Prozentsatz von Argon im Sputtergas zeigt;
Fig. 6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Flachbandspannung eines durch ein Sputterverfahren hergestellten Isolierfilms und dem Prozentsatz eines Fluoridgases im Sputtergas zeigt;
Fig. 7 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Standhaltespannung eines durch ein Sputterverfahren hergestellten Isolierfilms und dem Prozentsatz eines Fluoridgases im Sputtergas zeigt;
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Beweglichkeit eines durch ein Sputterverfahren hergestellten nicht-einkristallinen Halbleiters und dem Wasserstoffpartialdruck im Sputtergas zeigt;
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Wasserstoffpartialdruck im Sputtergas und der Schwellenspannung;
Fig. 10 bis 14 zeigen TFT-Sourcestrom-Sourcespannungs-Charakteristiken; und
Fig. 15 zeigt Ramanspektrogramm einer gemäß der Erfindung hergestellten Halbleiterschicht.

Detaillierte Beschreibung

Beispiel 1

In den Fig. 2(A) bis 2(C) ist ein Herstellprozess für einen planaren Dünnfilmtransistor gemäß einem ersten Beispiel dargestellt, das für ein Verständnis der Erfindung von Nutzen ist.
Zunächst wird ein Glassubstrat 1 aus Natronglas hergestellt und an der gesamten Oberfläche des Substrats 1 wird durch Sputtern ein 300 nm dicker unterer Schutzfilm 2 aus Siliziumoxid hergestellt. Die Herstellbedingungen für den Film sind nachfolgend angegeben.
Sputtergas Sauerstoff 100 %
Reaktionsdruck 0,5 Pa
HF-Leistung 400 W
Substrattemperatur 150 ºC
Filmbildungsgeschwindigkeit 5 nm/Min.
Als nächstes wird ein ungefähr 100 nm dicker, eigenleitender, nicht-einkristalliner Siliziumhalbleiterfilm 3 durch ein CVD-Verfahren auf dem Schutzfilm 2 hergestellt. Die Herstellbedingungen sind unten angegeben.
Substrattemperatur 300 ºC
Reaktionsdruck 6,66 Pa (0,05 Torr)
HF-Leistung (13,56 MHz) 80 W
Verwendetes Gas SiH&sub4;
Danach wird ein vorbestimmter Ätzschritt so ausgeführt, dass die in Fig. 2(A) dargestellte Struktur erhalten wird.
Als nächstes wird zumindest in einem Bereich des Halbleiterfilms 3 eine aktive Schicht unter Verwendung eines Excimerlasers zum Ausführen von Lasertempern zum Fördern einer Polykristallisierung hergestellt. Die Bedingungen sind die folgenden.
Laserenergiedichte 200mJ/cm²
Anzahl von Bestrahlungsschüssen 50
Dann wird eine n-leitende nicht-einkristalline Siliziumschicht 4 durch ein CVD-Verfahren als nicht-einkristalline Halbleiterschicht mit niedrigem Widerstand auf der obigen Struktur hergestellt. Die Herstellbedingungen sind die folgenden.
Substrattemperatur 220 ºC
Reaktionsdruck 6,66 Pa (0,05 Torr)
HF-Leistung (13,56 MHz) 120 W
Verwendetes Gas SiH&sub4; + PH&sub3;
Filmdicke 150 nm (1500 Å)
Wenn diese nicht-einkristalline n-Siliziumhalbleiterschicht 4 hergestellt wird, kann eine große Menge an H&sub2;-Gas verwendet werden und die HF-Leistung kann erhöht werden, um Mikrokristalle zu erzeugen, was den elektrischen Widerstand verringert.
Dann wird ein Teil der n-Halbleiterschicht 4 durch Photolithographie so geätzt, dass sie in Source- und Drainbereiche 4 strukturiert ist und ein Kanalbereich 7 dazwischen gebildet ist, wie es in Fig. 2(B) dargestellt ist.
Danach wird eine Bearbeitung mit Wasserstoffplasma unter den folgenden Bedingungen ausgeführt, um den Kanalbereich 7 zu aktivieren.
Substrattemperatur 250 ºC
HF-Leistung 100 W
Bearbeitungszeit 60 Minuten
Ander Oberseite der in Fig. 2(B) dargestellten Struktur wird ein 100 nm dicker Gateisolierfilm 5 unter Verwendung desselben Materials und desselben Verfahrens hergestellt, das zum Herstellen des unteren Schutzfilms 2 verwendet wurde. Kontaktiöcher für den Source- und den Drainbereich werden unter Verwendung eines Ätzverfahrens hergestellt und dann werden Source- , Drain- und Gateelektroden 6 unter Verwendung von Aluminium hergestellt. Mittels des obigen Prozesses wird der in Fig. 2(C) dargestellte IGFET hergestellt.
Bei diesem Beispiel bestehen der Gateisolierfilm 5 und der untere Schutzfilm 2 aus demselben Material und sie sind unter Verwendung desselben Verfahrens hergestellt. Daher existiert während der Wärmebehandlung des Dünnfilmtransistors, oder wenn während des Betriebs des Transistors Wärme erzeugt wird, keine Differenz hinsichtlich der Wärmeexpansion der beiden, so dass kein Unterbrechen oder Abschälen der Aluminium- oder Metallelektroden auftritt, was dem Transistor Langzeitzuverlässigkeit verleiht.

Beispiel 2

Fig. 3(A) bis 3(C) zeigen den Herstellprozess eines IGFET gemäß einem zweiten Beispiel, das für das Verständnis der Erfindung von Nutzen ist. Als erstes wird ein 50 nm (500 Å) bis 500 nm (5000 Å) dicker Siliziumoxidfilm 2 durch ein Sputterverfahren als Schutzfilm auf dieselbe Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 auf einem Substrat 1 aus Natronglas hergestellt. Als nächstes wird auf dem unteren Schutzfilm 2 eine 200 nm dicke, metallischer Molybdänschicht 2 hergestellt. Auf der Oberseite dieser Struktur wird ein p-leitender, nicht-einkristalliner Siliziumfilm 8 mit niedrigem Widerstand hergestellt. Die Herstellbedingungen sind dabei die folgenden.
Substrattemperatur 230ºC
Reaktionsdruck 6,66 Pa (0,05 Torr)
HF-Leistung (13,56 MHz) 150 W
Verwendetes Gas Si&sub4; + B&sub2;H&sub6;
Filmdicke 20 nm (200 Å)
Diese Haibleiterschicht kann ohmschen Kontakt zu einer eigenleitenden Haibleiterschicht aufweisen, die später im Prozess hergestellt wird.
Als nächstes wird ein vorbestimmtes Muster geätzt und es wird die in Fig. 3(A) dargestellte Struktur erhalten. Auf der Oberseite dieser Struktur wird durch ein Sputterverfahren ein 200 nm dicker, eigenleitender, nicht-einkristalliner Siliziumhalbleiterfilm 3 hergestellt. Die Herstellbedingungen sind die folgenden.
Substrattemperatur 250 ºC
Reaktionsdruck 0,2 Pa
HF-Leistung (13,56 MHz) 80 W
Verwendetes Gas Ar
Dann wird, unter Verwendung desselben Prozesses, wie er beim Ausführungsbeispiel 1 beschrieben ist, die eigenleitende Haibleiterschicht 3 wärmebehandelt, um Polykristallisierung hervorzurufen, und sie wird unter Verwendung eines Prozesses mit Wasserstoffplasma aktiviert, und es wird die in Fig. 3(B) dargestellte Struktur erhalten.
Ferner wird durch Sputtern SiO&sub2; mit einer Dicke von 100 nm hergestellt, um auf dieselbe Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 einen Gateisolator 5 aufzubauen, wonach eine Gateelektrode 9 aus Molybdän mit einem vorbestimmten Muster hergestellt wird. So wird ein Dünnfilmtransistor hergestellt, wie er in Fig. 3(C) dargestellt ist.
Bei diesem Beispiel ist der Verdrahtungswiderstand sehr niedrig, da eine metallische Elektrode unter der Halbleiterschicht 8 mit niedrigem Widerstand liegt. Hinsichtlich eines TFT, der bei einer Flüssigkristallvorrichtung mit großer Fläche als Schaltelement verwendet wird, ist, wenn der Verdrahtungswiderstand niedrig ist, der Signalverlauf des Ansteuersignals nicht verzerrt und die Flüssigkristallvorrichtung kann mit hoher Geschwindigkeit angesteuert werden.
Der Siliziumoxidfilm wird bei diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Sputterverfahrens hergestellt, jedoch kann er auch unter Verwendung von Photo-CVD, Plasma-CVD oder thermischer CVD hergestellt werden.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4(A) bis 4(D) ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Bei diesem Aus führungsbeispiel ist ein Halogenelement zum Schutzfilm auf dem Glassubstrat oder zum Gateisolator des IGFET, oder bevorzugter zu beiden, hinzugefügt.
Gemäß Fig. 4(A) wird ein 200 nm dicker SiO&sub2;-Film 12 unter Verwendung eines HF-Sputterverfahrens vom Magnetrontyp auf einem Glassubstrat 11 mit den folgenden Herstellbedingungen hergestellt.
Reaktionsgas O&sub2; 95 Volumen-%
NF&sub3; 5 Volumen-%
Filmbildungstemperatur 150 ºC
HF-Leistung (13,56 MHz) 400 W
Druck 0,5 Pa
Silizium wird als Target verwendet.
Ander Oberseite dieses Films 12 wird durch HF-Magnetronsputtern ein 100 nm dicker a-Si-Film 13 hergestellt, um einen Kanalbereich auszubilden, so dass die in Fig. 4(A) dargestellte Struktur erhalten wird. Die Filmbildung erfolgt in einer Atmosphäre eines Inertgases aus Argon und Wasserstoff, mit den unten angegebenen Bedingungen.
H&sub2;/(H&sub2; + Ar) = 80 % (Partialdruckverhältnis)
Filmbildungstemperatur 150 ºC
HF-Leistung (13,56 MHz) 400 W
Gesamtdruck 0,5 Pa
Einkristallines Silizium wird als Target verwendet.
Danach wird, bei einer Temperatur zwischen 450 ºC und 700 ºC, z. B. 600 ºC, und in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder eines inaktiven Gases, bei diesem Beispiel wird 100 % Stickstoff verwendet, der a-Si-Film 13 für 10 Stunden durch Wärme kristallisiert, so dass eine Siliziumhalbleiterschicht mit hoher Kristallinität erhalten ist. Wenn ein nicht-einkristallines Siliziumtarget verwendet wird und die Eingangsleistung verringert wird, wird die Kristallgröße kleiner und der Kristallzustand wird dichter, weswegen die anschließende Kristallisierung des Film durch Wärme erleichtert ist.
An diesem durch Wärme kristallisierten Siliziumhalbleiter wird eine Strukturierung ausgeführt und es wird die in Fig. 4(D) dargestellte Struktur erhalten. In einem Abschnitt der Halbleiterschicht 13 wird der Kanalbildungsbereich des Sperrschichthalbleiters hergestellt.
Als nächstes wird ein 100 nm dicker Siliziumoxidfilm (SiO&sub2;) 15 durch HF-Magnetronsputtern unter den folgenden Herstellbedingungen hergestellt.
Sauerstoff 95 Volumen-%; NF&sub3; 5 Volumen-%
Druck 0,5 Pa
Filmbildungstemperatur 100 ºC
HF-Leistung (13,56 MHz) 400 W
Es wird ein Siliziumtarget oder ein Synthesequarztarget verwendet.
Wenn ein amorphes Siliziumtarget verwendet wird und die zugeführte Leistung verringert wird, wird ein verdichteter Siliziumoxidfilm erhalten, in dem eine feste Ladung nur schwer existieren kann.
Wenn der bei dieser Erfindung verwendete Siliziumoxidfilm, z. B. der Gateisolierfilm, unter Verwendung eines Sputterverfahrens hergestellt wird, ist es bevorzugt, dass der zentsatz von Inertgasen weniger als 50 % bezogen auf die Halogen- und Oxidgase ausmacht und wünschenswerterweise ist kein Inertgas vorhanden.
Auch dann, wenn ein Wasserstoff enthaltendes Gas mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas mit 2 - 20 Volumen-% gemischt wird, ist es möglich, Alkaliionen zu neutralisieren, die zufällig in den Siliziumoxidfilm 15 eingemischt sind, und gleichzeitig freie Siliziumbindungen zu neutralisieren.
Auf dem Siliziumoxidfilm 15 wird durch Sputtern, CVD oder dergleichen eine Halbleiterschicht (z. B. Si) hergestellt, die mit einem Fremdstoff (z. B. Phosphor) dotiert ist, um ihr einen speziellen Leitungstyp zu verleihen, worauffolgend die Schicht gemäß einem vorgeschriebenen Maskenmuster so strukturiert wird, dass die Elektrode 20 ausgebildet ist, wie es in Fig. 4C dargestellt ist. Es besteht keine Beschränkung dahingehend, dass die Gateelektrode 20 aus einem dotierten Halbleiter hergestellt wird, sondern Metalle oder andere Materialien können ebenfalls verwendet werden.
Als nächstes werden unter Verwendung der Gateelektrode 20 oder einer Maske auf der Gateelektrode 20 Fremdstoffbereiche 14 und 14' unter Selbstausrichtung durch lonenimplantation hergestellt. Wenn so vorgegangen wird, wird die Halbleiterschicht 17 unter der Gateelektrode 20 zu einem Kanalbereich des Sperrschicht-Halbleiterbauteils.
Nachdem eine Isolierschicht 18 so hergestellt wurde, dass sie die gesamte Oberfläche der obigen Struktur bedeckt, werden in dieser Schicht 18 Löcher für Source- und Drainelektrodenkontakte hergestellt, und durch Sputtern wird ein sich in diese Löcher erstreckender Aluminiumfilm hergestellt, und dann werden die Sourceelektrode 16 und die Drainelektrode 16' unter Verwendung eines vorbestimmten Musters hergestellt, wodurch das Sperrschicht-Halbleiterbauteil fertiggestellt wird. Die Halbleiterschicht, die den Kanalbereich 17 bildet, und die Halbleiterschichten, die die Source 14 und den Drain 14' bilden, bestehen aus demselben Material, was den Herstellprozess vereinfacht. Auch wird der Halbleiter im Source- und Drainbereich wie auch im Kanalbereich kristallisiert, so dass die Ladungsträger-Beweglichkeit verbessert ist, was es ermöglicht, ein Sperrsqhicht-Halbleiterbauteil mit guten elektrischen Eigenschaften herzustellen.
Abschließend wird dieses Ausführungsbeispiel dadurch fertiggestellt, dass eine Wärmetemperung in Wasserstoff in einer Atmosphäre mit 100 % Wasserstoff bei einer Temperatur von 375 ºC für 30 Minuten ausgeführt wird. Diese Wärmetemperung in Wasserstoff verringert das Korngrenzenpotential im polykristallinen Halbleiter, wodurch die Eigenschaften des Bauteils verbessert werden.
Die Größe des Kanals 17 des in Fig. 4(D) dargestellten Ausführungsbeispiels eines Dünnfilmtransistors beträgt 100 x 100 µm.
Wie oben erläutert, werden bei diesem Ausführungsbeispiel die Dünnfilmtransistoren unter Verwendung eines polykristallinen Halbleiters hergestellt.
Als bei diesem Ausführungsbeispiel verwendetes Sputterverfahren kann entweder HF-Sputtern oder Gleichstromsputtern verwendet werden, jedoch ist, wenn das Sputtertarget aus einem Oxid mit schlechter Leitfähigkeit wie SiO&sub2;, besteht, ein HF-Magnetronsputterverfahren bevorzugt, um eine konstante elektrische Entladung aufrechtzuerhalten.
Das Oxidgas kann Sauerstoff, Ozon oder ein Stickoxid sein; jedoch nimmt, wenn Ozon oder Sauerstoff verwendet wird, der Siliziumoxidfilm keine unerwünschten Atome auf, was es ermöglicht, einen sehr guten Isolierfilm zu erhalten, z. B. als Gateisolierfilm. Auch ist es einfach, Ozon in O-Radikale zu zerlegen, und so ist die Anzahl von pro Einheitsfläche erzeugten O-Radikalen groß, was zu einer Verbesserung der Filmbildungsgeschwindigkeit beiträgt. Das Halogen enthaltende Gas kann ein Fluoridgas wie Stickstofffluorid (NF&sub3;, N&sub2;F&sub4;) oder ein Wasserstofffluoridgas wie (HF), Fluorgas (F&sub2;) oder Freongas sein. NF&sub3;-Gas kann leicht chemisch zersetzt und gehandhabt werden, und seine Verwendung ist bevorzugt. Wenn ein Chlorgas verwendet wird, kann es Kohlenstoffchlorid (CCL&sub4;), Chlor (CL&sub2;) oder Wasserstoffchlorid (HCL) sein. Die Menge an Halogengas, z. B. Stickstofffluorid, beträgt 2 bis 20 Volument-% bezogen auf die Menge an Oxidgas, z. B. Sauerstoff. Die Halogenelemente neutralisieren während der Wärmebehandlung Alkaliionen wie Natrium im Siliziumoxid, und sie haben den Effekt einer Neutralisierung freier Siliziumbindungen. Wenn jedoch die Merige an Halogenelementen zu groß ist, kann die Verbindung SiF&sub4; im Film erzeugt werden, und da dies eine Gaskomponente ist, würde sie die Filmqualität verringern, weswegen sie nicht erwünscht ist. Normalerweise beträgt die Menge von in den Film eingemischten Halogenelementen 0,1 bis 5 Atom-% bezogen auf das Silizium. Beim Herstellen des Gateisolierfilms durch ein Sputterverfahren, wie es im Stand der Technik erfolgt, ist die Menge des Inertgases Argon höher als die von Sauerstoff. Herkömmlicherweise liegt Sauerstoff von 0 bis ungefähr 10 Volumen-% vor. Beim bekannten Sputterverfahren ist es natürlich, anzunehmen, dass das Argongas auf das Targetmaterial trifft, was dazu führt, das Targetkörner erzeugt werden, die einen Film auf der Oberfläche bilden. Dies, da die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass das Argongas auf das Targetmaterial trifft (Sputterausbeute). Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Eigenschaften von durch das Sputterverfahren hergestellten Gateisolierfilmen gewissenhaft untersucht und herausgefunden, dass die Verschiebung gegenüber dem Idealwert der Flachbandspannung, die die Anzahl fester Ladungen im Gateisolierfilm widerspiegelt, und die Grenzflächenzustände zwischen der Aktivierungsschicht und dem Gateisolierfilm, was das Funktionsvermögen des Gateisolierfilms anzeigt, stark vom Anteil des Argongases beim Sputtern abhängen. Die Flachbandspannung ist die Spannung, die dazu erforderlich ist, dem Effekt fester Ladungen im Isolierfilm entgegenzuwirken, und je niedriger diese Spannung ist, desto besser sind die Eigenschaften des Isolierfilms.
Wenn ein SiO&sub2;-Film durch ein Sputterverfahren auf einem gemäß der Erfindung hergestellten nicht-einkristallinen Halbleiter hergestellt wird, ist die Beziehung zwischen dem Anteil von Argongas in bezug auf Sauerstoff und der Flachbandspannung dergestalt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die bei diesem Versuch betrachteten Gegenstände werden auf die folgende Weise hergestellt, d.h., dass ein SiO&sub2;-Film durch Sputtern auf der in Fig. 4(A) dargestellten polykristallinen Halbleiterschicht hergestellt wurde und dann eine Al-Elektrode durch Elektronenstrahlverdampfung auf ihr hergestellt wurde.
Wenn das Argonvolumen kleiner als das des oxidierenden Gases (Sauerstoff im Fall von Fig. 5) ist, z. B. 50 % oder weniger, ist die Flachbandspannung im Vergleich zu 100 % Argongas ersichtlich verringert. Die Verschiebung gegenüber dem Idealwert der Flachbandspannung hängt stark vom Anteil des Argongases ab. Wenn der Prozentsatz an Argonsatz kleiner als 20 % ist, liegt die Flachbandspannung sehr nahe an der idealen Spannung. Die beim Herstellen des Films durch das Sputterverfahren aktivierten Argonatome in der reaktiven Atmosphäre haben Auswirkung auf die Qualität des Gateisolierfilms, weswegen es bei der Herstellung des Sputterfilms erwünscht ist, die Menge an Argonatomen so weit wie möglich zu verringern.
Der Grund dafür ist der, dass die Filmbildungsfläche durch Argonionen oder aktivierte Argonatome, die auf sie treffen, beschädigt wird, was zur Ausbildung von Grenzflächenzuständen oder festen Ladungen führt.
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Verschiebung ΔVFB gegenüber der idealen Flachbandspannung und dem Prozentsatz von Fluor in bezug auf Sauerstoff im Sputtergas (Volumen-% für O&sub2;/NF&sub3;).
Bei einem Versuch wurde eine Aluminiumelektrode mit einem Durchmesser von 1 mm auf einem mit Halogenelementen dotierten Siliziumoxidfilm 15 auf dem polykristallinen Siliziumhalbleiter 13 hergestellt, der erfindungsgemäß hergestellt war (Fig. 4(A)) und dann wurde Wärmetempern bei 300 ºC ausgeführt, gefolgt von einem B-T(Vorspannungs-Temperatur)-Prozess. Ferner wurde bei einer Temperatur von 150 ºC für 30 Minuten eine negative Vorspannung von 2 x 106 V/cm an die Gateelektrode angelegt, und dann wurde bei denselben Bedingungen eine positive Vorspannung angelegt, und in diesem Zustand wurde die Verschiebung der Flachbandspannung ΔVFB gemessen.
Wie es aus Fig. 6 deutlich erkennbar ist, hat ΔVFB den hohen Wert von 9 V, wenn Siliziumoxid durch HF-Magnetronsputtern in einer Atmosphäre hergestellt wurde, in der NF&sub3; zu 0 % vorliegt. Wenn jedoch nur einige wenige Halogenelemente wie Fluor während der Filmbildung hinzugefügt werden, verringert sich dieser Wert stark. Dies, da die den Film während der Herstellung verunreinigenden Natriumionen mit dem Fluor kom binieren und wie folgt neutralisiert werden:
Na&spplus; + F&supmin; T NaF
Si&spplus; + F&supmin; T Si - F
Andererseits ist es bekannt, dass das Hinzufügen von Wasserstoff Silizium neutralisiert, dass jedoch die Si-H-Bindung dazu tendiert, erneut durch ein starkes elektrisches Feld (BT-Bearbeitung) erneut aufgetrennt zu werden, was zu freien Siliziumbindungen führt und die Erzeugung von Grenzniveaus hervorruft, weswegen es bevorzugt ist, Fluor zur Neutralisierung zu verwenden.
Auch existieren im Siliziumoxidfilm immer Si-H-Bindungen. Wenn eine solche Bindung erneut aufgetrennt wird, neutrali- Eieren die Fluoratome die abgetrennten Wasserstoffatome, was hinsichtlich eines Verhinderns der Ausbildung von Grenzniveaus wirkungsvoll ist. Darüber hinaus geht, auf Grund des Vorhandenseins von Fluor, Wasserstoff, der an Siliziumbindungen gebunden ist, auch mit dem Fluor Bindungen ein, wodurch verhindert ist, dass im Silizium eine feste Spannung entsteht.
Fig.7 zeigt die Standhaltespannung eines SiO&sub2;-Films, wenn mehr Fluorgas hinzugefügt wird. Die Standhaltespannung ist die Spannung, wie sie unter Verwendung einer Aluminiumelektrode mit einem Durchmesser von 1 mm gemessen wird, wenn der Leckstrom 1 µA überschreitet. Abhängig von den Versuchsmatenahen existieren Unterschiede, weswegen der Wert in der Figur durch X und (Streuungswert ) dargestellt ist. Die Standhaltespannung wird niedriger, wenn der Prozentsatz von Fluorgas auf mehr als 20 % erhöht wird, und der -Wert wird größer. Daher ist es am besten, wenn das hinzugefügte Halogenelement kleiner als 20 Volumen-% aufweist, und normalerweise sind 2 bis 20 % gut. Übrigens zeigte es sich, wenn Halogengas während der Filmbildung mit 1 Volumen-% in bezug auf das Sauerstoffgas hinzugefügt wurde und eine SIMS(Sekundärionen-Massenanalyse)-Messung ausgeführt wurde, dass die Halogendichte im Film 2 x 10²&sup0; Atome/cm³ betrug. Es zeigte sich dann, wenn das Fluorelement während des Sputterverfahrens der Filmbildung gleichzeitig zugegeben wird, dasselbe im Film sehr leicht aufgenommen wird. Wenn jedoch zu hinzugefügt wird (mehr als 20 %), besteht die Tendenz, dass der Siliziumoxidfilm wegen der Entstehung von SiF&sub4; porös und beeinträchtigt wird, und im Ergebnis wird die Standhaltespannung schlecht und stark streuend.
Auch ist es erwünscht, dass die beim Sputtern verwendeten Materialien hohe Reinheit aufweisen. Zum Beispiel ist ein Sputtertarget aus Syntheseguarz von 4N oder mehr, oder hochqualitatives Silizium, wie für ein LSI-Substrat verwendet, sehr erwünscht. Das Sputtergas sollte sehr rein (5N oder mehr) sein, und das Einmischen von Fremdstoffen in den Siliziumoxidfilm sollte so stark wie möglich vermieden werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Siliziumoxidfilm, d.
h. der durch Sputtern in einer Sauerstoffatmosphäre mit zugesetztem Fluor hergestellte Gateisolierfilm, durch einen Excimerlaser bestrahlt und es wird Blitzlichttemperung ausgeführt. Im Ergebnis werden in den Film eingeführte Halogenelemente wie Fluor wirkungsvoll aktiviert, um freie Siliziumbindungen zu neutralisieren, so dass der Grund fur eine feste Ladung im Film beseitigt ist. Durch Auswählen einer geeigneten Leistung des Excimerlasers und durch Bestrahlen des Films mit einer geeigneten Anzahl von Schüssen können sowohl eine Aktivierung des obigen Halogenelements als auch der Halbleiterschicht unter dem Gateisolierfilm gleichzeitig ausgeführt werden.
Im folgenden wird eine Erläuterung betreffend die Herstellung der a-Si-Halbleiterschicht 13 in Fig. 4(A) durch Sputtern in einer Atmosphäre mit zugegebenem Sauerstoff sowie betreffend die anschließende Umkristallisierung der Schicht durch Wärme gegeben. Wie bereits beschrieben, wird der Kanalbildungsbereich bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erhalten, dass zum Kristallisieren des nicht-kristallinen, d.h. amorphen oder nahezu amorphen Halbleiters (hier als a-Si bezeichnet), wie durch das beschriebene Sputterverfahren in einer Wasserstoffatmosphäre oder einer Inertgasatmosphäre mit zugemischtem Wasserstoff erhalten, Wärme von 450 bis 700 ºC, z. B. 600 ºC, angewandt wird. Der Halbleiter wies nach der Kristallisierung einen mittleren Korndurchmesser von 0,5 bis 40 nm (5 bis 400 Å) auf, und die Menge des in den Halbleiterfilm eingemischten Wasserstoffs betrug 5 Atom- % oder weniger. Auch wiesen die Kristalle dieses Halbleiters ein verzerrtes Gitter auf, und die Grenzen aller Kristallkörner waren aus mikroskopischem Gesichtspunkt eng verbunden, und Sperren gegen Ladungsträger in den Grenzbereichen waren im wesentlichen beseitigt. Bei einem herkömmlichen polykristallinen Halbleiter ohne verzerrtes Gitter besteht die Tendenz, dass Sauerstoff an Korngrenzen segregiert, was Sperren gegen Ladungsträger bildet, jedoch sind bei der Er findung diese Sperren dank des verzerrten Gitters im wesentlichen beseitigt, und die Ladungsträger von Elektronen beträgt 5 - 300 cm²/V s, was sehr erwünscht ist.
Ferner ist einem durch ein Plasma-CVD-Verfahren erhaltenen Halbleiterfilm der Anteil amorpher Elemente groß. Es besteht die Tendenz, dass Teile dieses amorphen Elements auf natürliche Weise oxidiert werden, wodurch das Innere des Halbleiters oxidiert wird. Andererseits ist ein gesputterter Film sehr dicht, und innerhalb des Halbleiterfilms schreitet die natürliche Oxidation nicht fort, sondern es werden nur die Oberfläche und ein Bereich sehr nahe an der Oberfläche oxidiert. Diese verdichtete Mikrostruktur ermöglicht es, dass die Kristallkörner mit verzerrtem Gitter sehr eng züsammengedrückt werden, was es nicht ermöglicht, dass sich eine Energiebarriere gegen Ladungsträger an den Kristallkorngrenzen ausbildet.
Unter Verwendung von SIMS-Analyse ergab sich als Menge der Sauerstoffverunreinigungen im durch dieses Verfahren hergestellten Halbleiterfilm zu 2 x 10²&sup0; Atome cm&supmin;³, die Menge an Kohlenstoff ergab sich zu 5 X 10¹&sup8; Atome cm&supmin;³, und die Menge zugemischten Wasserstoffs war kleiner als 5 %. Der Konzentrationswert der unter Verwendung des SIMS-Verfahrens gemessenen Fremdstoffe wurde in der Tiefenrichtung des Halbleiters aufgenommen und da sich die Konzentration in dieser Richtung ändert, sind die aufgezeichneten Werte die Minimalwerte in dieser Richtung. Es wird angenommen, dass der Grund hierfür der natürlich oxidierte Film an der Oberfläche des Halbleiterfilms oder sehr dicht bei dieser ist. Der Konzentrationswert der Fremdstoffe war auch dann nicht verändert, nachdem Kristallisierung stattgefunden hatte.
Selbstverständlich ist es bevorzugt, wenn die Konzentration von Fremdstoffen bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen so niedrig wie möglich ist, jedoch werden im Fall der Erfindung selbst dann, wenn Sauerstoff mit 2 x 10²&sup0; Atome cm&supmin;³ im Halbleiter vorhanden ist, die Eigenschaften des Halbleiters, wie die Ladungsträger-Beweglichkeit, nicht behindert, da der Halbleiter eine Kristallstruktur mit verzerrtem Gitter aufweist, wodurch Korngrenzen verringert werden können.
Wie es aus Raman-Laseranalysedaten dieses Halbleiterfilms erkennbar ist, wie in Fig. 15 dargestellt, ist der das Vorhandensein von Kristallen anzeigende Peak zu einer kleineren Wellenzahl im Vergleich mit dem Peak bei normalem einkristallinem Silizium (520 cm&supmin;¹) verschoben, was das Vorhandensein eines verzerrten Gitters beweist.
Die während des HF-Magnetronsputterns zum Herstellen des nicht-einkristallinen Halbleiters erforderlichen Bedingungen sind aus dem unten beschriebenen Vergleichstest deutlich.
Um die Beziehung zwischen dem Wasserstoffpartialdruck im Sputtergas, wie es bei der Herstellung des nicht-einkristallinen Siliziums verwendet wird, und den elektrischen Eigenschaften des Films zu untersuchen, wurden die folgenden sechs Vergleichstests mit verschiedenen Wasserstoffpartialdrücken ausgeführt.
Beispielsnummer 1 2 3 4 5 6
Partialdruck % 0 5 20 30 50 80
Der Partialdruck wird als Prozentsatz von Wasserstoff im gesamten Sputtergas berechnet, also zu H&sub2;/(H&sub2; + Ar) x 100 %. Der Versuch 6 entspricht dem Ausführungsbeispiel, wie es in den Fig. 4(A) - 4(D) dargestellt ist. Die anderen Bedingungen des Versuchs waren im wesentlichen dieselben wie die Bedingungen, die für die Beispiele beschrieben wurden, die in den Fig. 2(A) - 2(C) und 3(A) - 3(C) dargestellt sind.
Fig.8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Beweglichkeit µ in nicht-einkristallinem Silizium und dem Partialdruckverhältnis (PH/PTOTAL = H&sub2;/(H&sub2; + Ar)) von Wasserstoff im Sputtergas zeigt. Aus Fig. 8 ist es erkennbar, dass beachtlich hohe Beweglichkeit erhalten wird, wenn der Wasserstoffpartialdruck 20 % oder mehr beträgt.
Im Kurvenbild von Fig. 9 zeigt die Kurve Å die Beziehung zwischen der Schwellenspannung Vth und dem Wasserstoffpartialdruck-Verhältnis. Die Kurve B wird zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Aufbau verwendet und sie repräsentiert einen dem Ausführungsbeispiel ähnlichen Fall, mit der Ausnahme, dass der oxidierte Gatefilm kein zugemischtes Fluor enthält.
Aus Fig. 9 ist es erkennbar, dass dann, wenn ein Gateisolierfilm mit zugemischtem Fluor verwendet wird, wie beim erfindungsgemäßen Aufbau, eine niedrigere Schwellenspannung als bei einem Sperrschicht-Feldeffektransistor erhalten wird, der einen bekannten Gateisolierfilm verwendet.
Je niedriger die Schwellenspannung ist, desto niedriger ist die Spannung, die dazu erforderlich ist, den Dünnfilmtransistor zu betreiben und umso vorteilhafter sind die Eigenschaften des Bauteils Demgemäß zeigt Fig. 9, dass unter der Bedingung eines hohen Wasserstoffpartialdrucks im Sputtergas eine Schwellenspannung Von 2 V oder weniger, bei im Normalzustand abgeschaltetem Zustand, erhalten werden kann. Fig. 9 zeigt auch, dass die Schwellenspannung umso niedriger ist, je höher der Wasserstoffpartialdruck ist. Bei allen obigen Versuchen zeigt es sich, dass dann, wenn der a-Si-Film, der zum Kanalbildungsbereich wurde, durch ein Sputterverfahren hergestellt wurde, die elektrischen Eigenschaften des Bauteils verbessert waren, wenn der Wasserstoffpartialdruck erhöht war.
Die Fig. 10 bis 14 zeigen die Beziehung zwischen der Drainspannung und dem Drainstrom für verschiedene Gatespannungen beim IGFET, wie er durch den oben beschriebenen Vergleichsversuch hergestellt wurde.
Die Kurven a, b und c der Fig. 10 bis 14 entsprechen Gatespannungen VG von 20 V, 25 V und 30 V. Die Effekte des Wasserstoffpartialdrucks sind aus einem Vergleich von Fig. 11 (Partialdruck 5 %) mit Fig. 12 (Partialdruck 20 %) erkennbar. Aus den Fig. 11 und 12 ist, wenn die Drainströme (Kurve c) bei einer Gatespannung von 30 V miteinander verglichen werden, erkennbar, dass der Drainstrom, wie er erhalten wird, wenn der Wasserstoffpartialdruck 20 % beträgt, das 10fache oder mehr desjenigen ist, wenn der Partialdruck 5 % beträgt. Daraus ist es erkennbar, dass dann, wenn der a-Si- Film 13 gemäß Fig. 4(A) hergestellt wird und das Partialdruckverhältnis von Wasserstoff, wie während des Sputterns hinzugefügt, von 5 % auf 20 % erhöht wird, die elektrischen Eigenschaften des Dünnfilmtransistors stark verbessert werden.
Fig. 15 ist eine Ramanspektrographie der Halbleiterschichten von a-Si-Filmen mit Wasserstoffpartialdruck-Verhältnissen von 0, 5, 20 und 50 %, die durch Wärme kristallisiert wurden. Die Kurven 91, 92, 93 und 94 entsprechen den Partialdruckverhältnissen 0, 5, 20 bzw. 50.
Bei Betrachtung von Fig. 15 und durch Vergleichen der Kurve 92 mit der Kurve 93, anders gesagt, beim Vergleichen der Wasserstoffpartialdruck-Verhältnisse von 5 % und 20 %, ist erkennbar, dass dann, wenn ein Kristallisieren durch Wärme ausgeführt wird und das Wasserstoffpartialdruck-Verhältnis des Sputtergases 20 % beträgt, die Ramanspektrographie in deutlicher Weise die kristalline Eigenschaft des Siliziumhalbleiters zeigt.
Die mittleren Durchmesser der Kristallkörner betrugen, ausgehend von der Halbwertsbreite, von 0,5 bis 40 nm (5 bis 400 Å), z. B. 5 bis 30 nm (50 bis 300 Å). Die Peakposition der Ramanspektrographie ist etwas gegenüber der Position bei 520 cm&supmin;¹ des Peaks für einkristallines Silizium etwas zur Seite mit kleinerer Wellenzahl verschoben, was deutlich anzeigt, dass im Gitter eine Verzerrung vorliegt. Diese Ergebnisse zeigen die Eigenschaften der Erfindung deutlich. Das heißt, dass die Effekte des Herstellens eines a-Si-Films unter Verwendung eines Sputterverfahrens mit zugesetztem Wasserstoffgas, nur dann erscheinen, wenn eine Kristallisierung des a-Si-Films durch Wärme erfolgt. Wenn die Kristallstruktur auf die obige Weise verzerrt ist, können Sperren, wie sie an Korngrenzen existieren, beseitigt werden, weswegen die Ladungsträger-Beweglichkeit verbessert werden kann. Auch wird die Segregation von Fremdstoffen, wie Sauerstoff, an den Grenzen sehr schwierig, so dass hohe Ladungsträger-Beweglichkeit möglich ist. Aus diesem Grund werden selbst dann, wenn die Konzentration von Fremdstoffen im Halbleiterfilm in der Größenordnung von 2 x 10²&sup0; Atome cm&supmin;³ liegt, keine Sperren gegen Ladungsträger ausgebildet und der Film kann als Kanalbereich eines Sperrschicht-Halbleiters verwendet werden.
Aus einem Vergleich der Fig. 12, 13 und 14 ist es erkennbar, dass dann, wenn der Wasserstoffpartialdruck im Sputtergas beim Herstellen des oben genannten a-Si-Films zunimmt, der Drainstrom groß wird. Dies ist sehr deutlich, wenn die Kurven c in den Fig. 12, 13 und 14 miteinander verglichen werden.
Allgemein gesagt, ist bei einem Dünnfilm-Feldeffekttransistor dann, wenn die Drainspannung VD niedrig ist, die Beziehung zwischen dem Drainstrom ID und der Drainspannung VD durch die folgende Gleichung gegeben:
ID (W/L)µ, C (VD - VT)VD (i)
(Solid State electronics, Vol 24, Nr. 11, 5. 1059, 1981; gedruckt in Britannien)
In der obigen Gleichung ist W die Kanalbreite, L die Kanallänge, µ die Ladungsträger-Beweglichkeit, C die elektrostatische Kapazität des Gateoxidfilms, VG die Gatespannung und VT die Schwellenspannung. In den Kurven der Fig. 10 bis 14 sind die Bereiche nahe dem Ursprung durch die obige Gleichung (i) repräsentiert.
Wenn der Wasserstoffpartialdruck festliegt, die Ladungsträger-Beweglichkeit µ und die Schwellenspannung VT festliegen, und auch da W, L und C Werte sind, die abhängig vom Aufbau des Dünnfilmtransistors festliegen, sind die Variablen in der Gleichung (i) ID, VG und VD. Im Bereich nahe dem Ursprung der in den Fig. 10 bis 14 dargestellten Kurven liegt VG fest, so dass erkennbar ist, dass die Kurven durch die Gleichung (i) gegeben sind, und diese Gleichung beschreibt die Kurven nahe dem Ursprung der Fig. 10 bis 14. Dies, da diese Gleichung näherungsweise für den Fall einer niedrigen Drainspannung VD entwickelt wurde.
Gemäß der Gleichung (i) nimmt die Steigung der Kurve zu, wenn die Schwellenspannung VT abnimmt und die Beweglichkeit µ größer wird. Dies ist deutlich erkennbar, wenn die Kurven der Fig. 10 bis 14 auf Grundlage der Beweglichkeit und der Schwellenspannungen mit den Fig. 8 und 9 verglichen werden.
Aus der Gleichung (i) ist es erkennbar, dass die elektrischen Eigenschaften des Dünnfilmtransistors von M und VT abhängen. Daher können die Bauteileigenschaften nicht aus den Fig. 8 und 9 gesondert erkannt werden. Wenn die Steigungen der Kurven nahe dem Ursprung der Fig. 10 bis 14 miteinander verglichen werden, ist deutlich erkennbar und zu schließen, dass es gut ist, wenn das Sauerstoffpartialdruck-Verhältnis des Sputtergases, wie beim Herstellen des a-Si-Films verwendet, der zum Kanalbildungsbereich wird, 20 % oder mehr beträgt, falls möglich 100 %.
Daten, die die Effekte dieser Erfindung zeigen, sind unten in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
In der Tabelle 1 ist das Sauerpartialdruck-Verhältnis die Atmosphärenbedingung beim HF-Magnetronsputterverfahren, wie beim Herstellen des a-Si-Films 13 von Fig. 4(A) verwendet, der bei diesem Ausführungsbeispiel zum Kanalbildungsbereich 17 von Fig. 4(D) wird.
Der S-Wert ist der Minimalwert von [d(ID)/d(VG)]&supmin;¹, 1 der Steigung des Anfangsanstiegs der Kurven der Bilder, die die Beziehung zwischen der Gatespannung (VG) und dem Drainstrom (ID) zeigen, was die Eigenschaften des Bauteils beschreibt. Wenn dieser Wert kleiner wird, wird die Steigung der Kurven, die die (VG - ID)-Charakteristik zeigen, steiler, und die elektrische Charakteristik des Bauteils ist hoch.
Die Ein/Aus-Charakteristik ist der Logarithmus des Minimalwertverhältnisses des Drainstroms, wie er bei einer bestimmten Gatespannung und einer festen Drainspannung auftritt, und dem Drainstrom, wenn die Gatespannung bei derselben festen Drainspannung variiert wird.
Gemäß der Tabelle 1 ist es erkennbar, wenn alles berücksichtigt wird, dass es zum Erzielen eines Halbleiters mit hohem Funktionsvermögen unter Verwendung des Verfahrens dieses Ausführungsbeispiels angemessen ist, ein Wasserpartialdruck Verhältnis von 80 % oder mehr zu verwenden.
Vorstehend wurde die Erfindung gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Siliziumhalbleiter erläutert. Jedoch ist es möglich, Germaniumhalbleiter oder Silizium- Germanium-Halbleitergemische zu verwenden, in welchem Fall die Temperatur für die Kristallisierung unter Wärme um ungefähr 100 ºC abgesenkt werden kann. Es kann ein Silizium-Germaniumgemisch Sixge1-x(0 < x < 1) verwendet werden.
Auch kann beim Herstellen eines dichteren Halbleiterfilms oder eines Siliziumoxidfilms in der oben genannten Wasserstoffatmosphäre oder einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Inertgas während des Sputterns intensive Licht- oder Laserstrahlung von 1000 nm oder weniger kontinuierlich oder in Impulsen auf das Substrat oder die gesputterten und fliegenden Targetteilchen angewandt werden.
Es sollte auch klar sein, dass die Erfindung bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren vom Stapeltyp vom koplanaren Typ, vom umgekehrt gestapelten Typ und vom umgekehrt koplanaren Typ verwendet werden kann.
Beim obigen Ausführungsbeispiel sind, um eine Neutralisierung von Na oder K zu erzielen, Halogengase wie Fluor verwendet. Auch besteht beim obigen Ausführungsbeispiel der verwendete Isolierfilm aus SiO&sub2;, jedoch können auf dieselbe Weise abhängig von den speziellen Erfordernissen Aluminiumoxid, Tantaloxid, Bariumtitanat oder Siliziumnitrid verwendet werden.

Claims

1. Dünnfilmtransistor, ausgebildet auf einem Substrat (11) und aufweisend Source- (14) und Drain- (14') Bereiche, einen zwischen den Source- und Drain-Bereichen ausgebildeten Kanalbereich (17) und eine Gate-Elektrode (20), die an den Kanalbereich angrenzend,mit einem Gate-Isolator (15) dazwischen, ausgebildet ist, wobei eine Schutzschicht (12) zwischen dem Transistor und dem Substrat (11) ausgebildet ist, um zu verhindern, daß der Transistor durch Verunreinigungen aus dem Substrat kontaminiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (12) mit einem Halogen dotiert ist.

2. Transistor gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat (11) Glas enthält.

3. Transistor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat eine Alkaliionen-Störstelle enthält.

4. Transist6r gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (12) zwischen 50 nm und 500 nm (500 Å bis 5000 Å) dick ist.

5. Transistor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sowohl der Gate-Isolator (15) als auch die Schutzschicht (12) mit einem Halogen dotiert sind.

6. Transistor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halogen Fluor oder Chlor aufweist.

7. Transistor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kanalbereich (17) einen nicht-einkristallinen Halbleiter aufweist.

8. Transistor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kanalbereich (17) Silicium enthält.

9. Transistor gemäß Anspruch 8, wobei das Halogen mit einer Konzentration von 0,1 bis 5 Atom-% bezogen auf Silicium enthalten ist.

10. Transistor gemäß Anspruch 8 oder 91 wobei das Siliciurn Wasserstoff mit einer Konzentration von nicht mehr als 5 Atom-% bezogen auf Silicium enthält.

11. Transistor gemäß einen der Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei das Silicium eine gestörte Gitterstruktur hat.

12. Transistor gemäß Anspruch 11, wobei das Silicium Mikrokristalle mit einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 40 nm (5 bis 400 Å) enthält.

13. Transistor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (12) Siliciumoxid, Aluminium, Tantaloxid, Bariumtitanat oder Siliciumnitrat enthält.