DE69133527T2

DE69133527T2 - Verfahren zur Herstellung Feld-Effekt-Transistoren mit isoliertem Gate

Info

Publication number: DE69133527T2
Application number: DE1991633527
Authority: DE
Inventors: Shunpei Setagaya-ku Yamazaki; Hongyong Yamato-shi Kanagawa-ken Zhang
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1990-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: EP0481777B1; EP0481777A2; DE69133527D1; EP0481777A3; JPH04152640A; KR950014275B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren und insbesondere, aber nicht ausschließlich, ein Verfahren zur Herstellung von basisisolierten Dünnschicht-Feldeffekttransistoren, die polykristalline Halbleiterfilme umfassen.
Allgemeiner Stand der Technik
Der Stand der Technik umfasst Verfahren, die Niederdruck-CVD zur Abscheidung von polykristallinen Halbleiterfilmen bei Temperaturen nutzen, die von 550°C bis 900°C reichen. Vor kurzem ist mit der Entwicklung von Flüssigkristallfeldern, die große Anzeigeflächen aufweisen, die Notwendigkeit eines Abscheidungsverfahrens entstanden, das es ermöglicht, polykristalline Halbleiterfilme über großflächige Substrate bereitzustellen.
Polykristalline Filme werden durch Abscheiden amorpher Halbleiterfilme durch Niederdruck-CVD und anschließendes Rekristallisieren der amorphen Filme gebildet, da die direkte Abscheidung von polykristallinen Filmen auf großen Flächen aus Gründen der Reaktionstemperatur schwierig ist. Ferner ist es schwierig, gleichförmige Halbleiterfilme durch Niederdruck-CVD abzuscheiden. Probleme entstehen auch bei Plasma-CVD, das sehr lange Abscheidungszeiten erfordert.
Andererseits ist Sputtern in dieser Beziehung ausgezeichnet. Es bestehen insbesondere die folgenden Vorteile, wenn Filme durch Magnetron-Sputtern aufgebracht werden:

1) Die Substratflächen werden durch energiereiche Elektronen weniger beschädigt, da die Elektronen auf die Umgebung des Targets beschränkt sind;
2) Große Flächen können bei niedrigeren Temperaturen beschichtet werden; und
3) Es wird kein gefährliches Gas verwendet, so dass sichere und ausführbare Prozesse sichergestellt werden.

Das Sputtern wird in herkömmlicher Weise ohne Wasserstoff ausgeführt, weil die elektrischen Kennwerte von hydrierten amorphen Halbleitern, die durch Sputtern aufgebracht werden, nicht so gut sind, dass sie die Anforderungen an die Kanalbildung für Transistoren erfüllen. Halbleiterfilme, die durch Sputtern aufgebracht werden, haben jedoch den Nachteil, dass die thermische Kristallisierung derselben sehr schwierig ist.
L3P-A-0,3,466 offenbart Verfahren, wie in den Oberbegriffen der angehängten Ansprüche und Anspruch 8 offenbart.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht daher der Bedarf, ein Verfahren zur Herstellung von basisisolierten Feldeffekttransistoren bereitzustellen, die polykristalline Halbleiterfilme auf einer großen Substratfläche umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren nach Anspruch 8 bereitgestellt.
Der Oxidisolierfilm kann auf dieselbe Weise wie der Halbleiterfilm aufgebracht werden, die nachstehend hierin beschrieben wird, außer dass die Sputteratmosphäre durch eine oxidierende Atmosphäre ersetzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Halbleiterfilm in einer amorphen Phase in einer Atmosphäre aufgebracht, die Wasserstoff umfasst. Der amorphe Halbleiter wird dann einer thermischen Behandlung unterzogen, um die amorphe Phase in eine polykristalline Phase umzuwandeln. Diese Rekristallisation läuft leicht im Vergleich zum konventionellen oben genannten Fall ab, wo kein Wasserstoff eingeführt wird. Der Grund dafür wird so wie folgend erläutert angesehen. Im konventionellen Fall werden amorphe Halbleiter, wie zum Beispiel a-Si, aufgebracht und bilden eine bestimmte Art von Mikrostruktur, in der die Verteilung von Siliziumatomen ungleichmäßig ist. Diese Mikrostruktur hindert das Fortschreiten der Rekristallisation. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestätigt, dass die Bildung solch einer Mikrostruktur durch das Einführen von Wasserstoff in den Halbleiterfilm verhindert wird, so dass der sich ergebende Film leicht durch die thermische Behandlung rekristallisiert werden kann. Der durchschnittliche Durchmesser von Polykristallen, die sich nach der thermischen Behandlung gebildet haben, liegt in der Größenordnung von 5 Å bis 400 Å. Der Anteil von Wasserstoff, der in den Film eingeführt wird, kann nicht mehr als 5 Atomprozent betragen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Halbleiterfilms, der gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, ist die Gitterverzerrung, die eine enge Verbindung zwischen Polykristallen an den Grenzflächen derselben ermöglicht, und das Verfahren der Erfindung ermöglicht Filme, welche die anzustrebende Gitterverzerrung besitzen. Dieses Merkmal hilft dabei, die Bildung von Sperren an den Kristallgrenzflächen zu verhindern, während beim Fehlen solcher Gitterverzerrungen Fremdatome, wie zum Beispiel Sauerstoff, sich bevorzugt an den Grenzflächen ansammeln und so Kristallsperren bilden, die den Transport von Trägern behindern. Deswegen verbessert sich die Beweglichkeit (Feldbeweglich keit) von Elektronen in den gebildeten Halbleiterfilmen auf immerhin 5 bis 300 cm²/Vs. Die Erfindung stellt daher ein verunreinigungssicheres Herstellungsverfahren bereit. Selbst wenn relativ viele Sauerstoffatome im Halbleiterfilm auftreten, kann das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung immer noch akzeptable Transistoren herstellen.
Ferner ist der Halbleiterfilm, der durch Sputtern gemäß der Erfindung aufgebracht wird, so fein und dicht, dass er verhindert, dass die Oxidation die Innenseite des Films erreicht, und es bilden sich nur sehr dünne Oxidfilme auf der Oberfläche desselben, während Halbleiterfilm, der durch Plasma-CVD aufgebracht wird, einen relativ hohen Anteil seiner amorphen Phase umfasst, die die Oxidation bis zur Innenseite des Halbleiters ermöglicht. Diese Feinstruktur hilft bei der Reduzierung der Grenzflächensperren zwischen Kristallen in Verbindung mit der Gitterverzerrung.
Die Atmosphäre, in der das Sputtern zum Aufbringen des Halbleiterfilms ausgeführt wird, ist eine Mischung von Wasserstoff und einem Inertgas, wie zum Beispiel Ar und/oder He. Das Vorhandensein von Wasserstoff in der Sputteratmosphäre spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung eines Halbleiterfilms, der hinreichend Gitterverzerrungen darin enthält. Im Fall von Wasserstoff-Argon-Mischungen wird der Wasserstoffanteil zwischen 5 % und 100 % gewählt (daher ist der Argonanteil zwischen 95 % und 0 %) und liegt normalerweise zwischen 25 % und 95 % (Argon zwischen 75 % und 5 %).
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung klarer, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angeführt werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(A) ist eine schematische Ansicht, die eine planare Magnetron-HF-Sputtervorrichtung zeigt, welche zur Verwendung bei der Herstellung von Dünnschicht-Feldeffekttransistoren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, verwendet werden können.
1(B) ist eine erläuternde Ansicht, die die Anordnung von Magneten zeigt, welche in der Vorrichtung bereitgestellt sind, die in 1(A) illustriert ist.
Die 2(A) bis 2(E) sind Querschnittsansichten, die das Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Feldeffekttransistoren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
3(A) ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Partialdruck von Wasserstoff in der Atmosphäre, in der die Halbleiterfilme aufgebracht werden, und der Feldbeweglichkeit des Halbleiterfilms zeigt.
3(B) ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Partialdruck von Wasserstoff in der Atmosphäre, in der die Halbleiterfilme aufgebracht werden, und der Schwellenspannung des Transistors, der den Halbleiterfilm umfasst, zeigt.
Die 4 bis 8 sind grafische Darstellungen, die die Beziehungen zwischen dem Drainstrom und der Drainspannung von Feldeffekttransistoren zeigen, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
9 ist eine grafische Darstellung, die Raman-Spektren von Halbleiterfilmen zeigt, die unter verschiedenen Aufdampfbedingungen aufgebracht wurden.
Die 10(A) und 10(B) sind Querschnittsansichten, die Dünnschicht-Feldeffekttransistoren zeigen, welche gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wurden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1(A) wird eine planare Magnetron-HF-Sputtervorrichtung illustriert, die bei der Herstellung von Dünnschicht-Feldeffekttransistoren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, verwendet werden kann. Die Vorrichtung umfasst eine Vakuumkammer 1, ein Evakuierungssystem 2, das aus einer Turbomolekularpumpe 2b bzw. einer Rotationspumpe 2d besteht, die mit Ventilen 2a und 2c versehen sind, einem Metallhalter 3, der an der unteren Seite von Kammer 1 befestigt ist, um ein Target 4 daran abzustützen, wobei der Halter mit einem inneren Rohr 3a geformt ist, durch welches ein Kühlmittel strömen kann, um das Target 4 zu kühlen, und mit einer Reihe von Magneten 3b, einer Energieversorgung 5 versehen ist, die aus einer HF-Quelle 5a (z.B. 13,56 MHz) zur Zufuhr von HF-Energie zum Halter 3, einem Substrathalter 6, der sich an der Oberseite von Kammer 1 zum Abstützen eines Substrats 11, das beschichtet werden soll, befindet, einem Heizer 6a, der in den Substrathalter 6 eingebettet ist, einem Verschluss zwischen dem Substrat 11 und dem Target 4 und einem Gaszufuhrsystem 8 besteht. Nr. 9 bezeichnet ein Dichtungsmittel, mit dem der luftdichte Aufbau der Vakuumkammer 1 sichergestellt wird. Vor dem eigentlichen Aufbringen auf das Substrat 11 werden Verunreinigungen, die in Targets vorkommen, gesputtert und auf dem Verschluss 7 zwischen dem Substrat 11 und dem Target 4 abgeschieden, dann wird der Verschluss entfernt, um ein normales Aufbringen auf das Substrat 11 zu ermöglichen. Die Magnete 3b sind so ausgerichtet, dass sich ihre N-Pole an den oberen Enden (bei Betrachtung der Figur) und S-Pole an den unteren Enden befinden und horizontal im Kreis angeordnet sind, wie in 1(B) illustriert, um so Elektronen auf den Sputterbereich zwischen Substrat 11 und Target 4 zu beschränken.
Mit Bezug auf die 2(A) bis 2(E) wird ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Feldeffekttransistoren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Ein Glassubstrat 11 ist in der Magnetron-HF-Sputtervorrichtung, die in 1(A) und 1(B) gezeigt wird, angeordnet und wird mit einem SiO₂-Film 12 bis zu einer Dicke von 200 nm in einer 100 %igen O₂-Atmosphäre (0,5 Pa) bei einer Substrattemperatur von 150°C beschichtet. Die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form von HF-Energie bei 13,56 MHz. Einkristallines Silizium wird als Target verwendet. Ein amorpher Siliziumfilm wird dann in der Sputtervorrichtung auf den SiO₂-Film 12 bis zu einer Dicke von 100 nm aufgebracht. Die Atmosphäre umfasst eine Mischung von Wasserstoff und Argon, so dass H₂/(H₂ + Ar) = 0,8 bezüglich des Partialdrucks gilt. Der Gesamtdruck beträgt 0,5 Pa, die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form HF-Energie bei 13,56 MHz, einkristallines Silizium wird als Target verwendet, und die Substrattemperatur wird von Heizvorrichtung 6a auf 150°C (Aufbringungstemperatur) gehalten. In einer Ausführungsform wird der Wasserstoffanteil in der Mischung zwischen 5 % und 100 % gewählt; die Aufbringungstemperatur wird zwischen 50°C und 500°C gewählt, und die Ausgangsleistung wird zwischen 100 W und 10 MW im Frequenzbereich von 500 Hz bis 100 GHz gewählt, die mit einer anderen Pulsenergiequelle kombiniert werden kann.
Der amorphe Siliziumfilm wird dann 10 Stunden in einer Wasserstoff- oder einer inerten Atmosphäre, z.B. in 100 % Stickstoff, einer thermischen Behandlung bei 450°C bis 700°C, normalerweise 600°C, unterworfen. Durch diese Behandlung wird der Film rekristallisiert. Gemäß den Expe rimenten wurde durch SIMS-Analyse bestätigt, dass Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff mit Dichten von 2 × 10²⁰ cm^–3, 5 × 10¹⁸ cm^–3 bzw. nicht mehr als 5 % beteiligt waren. Diese Dichtezahlen waren Mindestwerte für die entsprechenden Elemente und variierten in Richtung der Tiefe. Der Grund, warum Mindestwerte gemessen wurden, ist, dass an der Grenzfläche des Halbleiterfilms ein natürliches Oxid existierte. Diese Konzentrationen änderten sich selbst nach der Rekristallisation nicht.
Die Fremdstoffe, wie zum Beispiel Sauerstoff, neigen dazu, sich an den Grenzflächen zwischen den Kristallen anzusammeln und Grenzflächensperren in den Halbleitern zu bilden. Im Fall des Halbleiterfilms, der gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird, verhindert jedoch die Gitterverzerrung die Bildung von Sperren, und daher üben Sauerstoffkonzentrationen, selbst in der Größenordnung von 2 × 10²⁰ cm^–3, wenig Einfluss auf den Transport von Ladungsträgern aus und verursachen keine praktischen Probleme. Das Vorhandensein von Gitterverzerrungen wurde durch die Verschiebung in einem Laser-Raman-Spektrumspeak in Richtung auf kleinere Wellenzahlen angezeigt, wie in 9 zu sehen, was später erklärt wird.
Der Halbleiterfilm wird als Nächstes geätzt, um ein Muster zu produzieren, das zur Bildung einer Reihe von Transistoren in Substrat 11 gemäß dem folgenden Verfahren benötigt wird. Film 13, der in 2(A) gezeigt wird, entspricht einem der Transistoren, die gebildet werden sollen.
Als Nächstes wird ein amorpher Silizium-Halbleiterfilm von n⁺-Typ auf den Film 13 in der Magnetron-HF-Sputtervorrichtung bis zu einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Die Atmosphäre umfasst eine Mischung, die aus H₂ bei 10 % bis 99 %, z.B. 80 %, Ar bei 10 % bis 90 %, z.B. 19 %, und PH₃ bei nicht mehr als 10 %, z.B. nicht mehr als 1 % bezüglich des Partialdrucks besteht. Der Gesamtdruck beträgt 0,5 Pa; die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form von HF-Energie bei 13,56 MHz; einkristallines Silizium wird als Target verwendet, und die Substrattemperatur in der Vorrichtung wird auf 150°C gehalten. Das Dotieren mit Phosphor kann mit jedem anderen geeigneten Verfahren ausgeführt werden, zum Beispiel mit der Ionenimplantation oder durch die Verwendung eines Targets, das vorher bereits mit einer Phosphorverunreinigung dotiert wurde. Statt Phosphor kann Bor als Dotierungsmittel verwendet werden. Der Halbleiterfilm mit Verunreinigungen wird dann strukturiert, um Source- und Drain-Bereiche 14 zu bilden, wie in 2(B) gezeigt.
Die gesamte Oberfläche der Struktur wird dann mit einem Siliziumoxidfilm bis zu einer Dicke von 100 nm durch Magnetron-HF-Sputtern beschichtet, wie in 2(C) illustriert. Die Atmosphäre umfasst Sauerstoff hoher Dichte, der mit einem Inertgas verdünnt ist, vorzugsweise 100 % Sauerstoff bei 0,5 Pa; die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form von HF-Energie bei 13,56 MHz; es wird einkristallines Silizium oder ein künstlicher Quarz als Target verwendet, und die Substrattemperatur wird auf 100°C gehalten. Wenn reiner Sauerstoff (100 % Sauerstoff) als Atmosphäre verwendet wird, kann die Oberflächendichte des torisolierenden Films so verringert werden, dass ausgezeichnete Transistormerkmale erreicht werden.
Nach dem Öffnen von Kontaktlöchern in einem Oxidfilm 15, wie in 2(D) gezeigt, wird ein Aluminiumfilm 16 durch Aufdampfen bis zu einer Dicke von 300 nm aufgebracht und strukturiert, um eine Torelektrode G und Source- und Drain-Kontaktelektroden S und D zu bilden. Zum Schluss wird die gesamte Struktur einer thermischen Entspannung in einer Atmosphäre aus 100 % Wasserstoff bei 375°C über 30 Minuten unterzogen. Die thermische Entspannung mit Wasserstoff hat den Zweck, Grenzflächenpotenziale zu verringern und die Gerätekennwerte zu verbessern. Im Ergebnis dessen wird ein Dünnschichttransistor mit einem Kanalgebiet von 100 μm × 100 μm gebildet. Die Eigenschaften des Transistors sind untersucht worden, worüber hierin nachstehend berichtet wird.
Das obige Verfahren wurde unter verschiedenen Aufbringungsbedingungen für den Halbleiterfilm 13 wiederholt. Der Anteil von Wasserstoff in der Atmosphäre mit einer Wasserstoff-/Argon-Mischung wurde geändert, so dass H₂/(H₂ + Ar) = 0, 0,05, 0,2, 0,3, 0,5 bzw. 0,8 bezüglich des Partialdrucks war. 3(A) ist ein Diagramm, das die Feldmobilität als Funktion des Wasserstoffanteils zeigt (P_M/P_TOTAL = H₂/(H₂ + Ar)). Nach diesem Diagramm können hohe Werte der Feldmobilität erreicht werden, wenn der Wasserstoffanteil nicht kleiner als 20 % ist. 3(B) ist ein Diagramm, das die Schwellenspannung als Funktion das Wasserstoffanteils zeigt. Wie aus diesem Diagramm zu ersehen ist, können Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp so gebildet werden, dass sie Schwellenspannungen von nicht mehr als 8 V haben, was vom praktischen Standpunkt aus wünschenswert ist, wenn der Wasserstoffanteil nicht kleiner als der von Argon ist. Das bedeutet, dass Transistoren, die gute Kennwerte haben, durch Herstellen von Kanalgebieten durch Aufbringen eines amorphen Siliziumfilms durch Sputtern, das in einer Wasserstoffatmosphäre ausgeführt wird, und durch Ausführen einer thermischen Behandlung an dem Film gebildet werden können. Die elektrischen Kennwerte zeigen tendenziell eine Verbesserung, wenn der Wasserstoffanteil erhöht wird.
Die 4 bis 8 sind Diagramme, die die Beziehung zwischen dem Drainstrom und der Drainspannung zeigen. Der Anteil von Wasserstoff an der Wasserstoff-Argon-Mischung in der Atmosphäre, d.h. H₂/(H₂ + Ar), betrug 0 (4), 0,05 (5), 0,2 (6), 0,3 (7) bzw. 0,5 (8) bezogen auf den Partialdruck. Die Kurven 41, 51, 61 71 und 81 entsprechen dem Fall, bei dem die Messung mit dem Anlegen von 20 V an die Torelektrode ausgeführt wurde. Die Kurven 42, 52, 62, 72 und 82 entsprechen dem Fall, bei dem die Messung mit einer Spannung von 25 V an der Torelektrode ausgeführt wurde. Die Kurven 43, 53, 63, 73 und 83 entsprechen dem Fall, bei dem die Messung mit einer Spannung von 30 V an der Torelektrode ausgeführt wurde. Der deutlich sichtbare Effekt der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, wenn man 5 mit 6 vergleicht. Wenn nämlich Kurve 53 mit Kurve 63 verglichen wird, kann man erkennen, dass der Drainstrom, falls der Wasserstoffanteil 0,2 beträgt, um einen Faktor von 10 oder mehr größer ist als bei einem Wasserstoffanteil von 0,05. Das bedeutet, dass die Kennwerte von Transistoren sich beträchtlich verbessern, wenn der Anteil von Wasserstoff in der Atmosphäre, in der der amorphe Siliziumfilm 13 aufgebracht wird, sich von 5 % auf 20 % erhöht. Dies wird auch durch die folgenden Experimente bestätigt.
Der Anteil von Wasserstoff an der Wasserstoff-Argon-Mischung in der Atmosphäre, in der das Kanalgebiet aufgebracht wurde, wurde so geändert, dass H₂/(H₂ + Ar) = 0, 0,05, 0,2, 0,3 bzw. 0,5 in Bezug auf den Partialdruck war. 9 ist ein Diagramm, das Raman-Spektren des Halbleiterfilms 13 nach der thermischen Behandlung zeigt. Die Anteile von Wasserstoff an der Wasserstoff-Argon-Mischung in der Atmosphäre, d.h. H₂/(H₂ + Ar), betrugen 0 (Kurve 91), 0,05 (Kurve 92), 0,2 (Kurve 93) bzw. 0,5 (Kurve 94) in Bezug auf den Partialdruck. Wie im Diagramm gezeigt, wurde die Kristallinität deutlich erhöht, wenn der Wasserstoffanteil auf 20 % (Kurve 93) im Vergleich zum Fall mit 5 % (Kurve 92) erhöht wurde. Der durchschnittliche Durchmesser der beteiligten Kristalle des Films betrug im Fall von 20 % 5 Å bis 400 Å, normalerweise 50 Å bis 300 Å. Die Peakposition der Raman-Spektren war in Richtung auf kleinere Wellenzahlen um einen Betrag Δ (etwa 10 cm^–1) im Vergleich zur Peakposition für einkristallines Silizium, d.h. 522 cm^–1, verschoben, und diese Verschiebung zeigt eine Gitterverzerrung an. Der Film ist dicht, und daher sind die Kristalle desselben kontrahiert. Wegen der Kontraktion und der Gitterverzerrung kann jeder Kristall enger mit seinen Nachbarn verbunden werden, und es sammeln sich weniger Fremdstoffe an den Grenzflächen an, wodurch die Höhe von Sperren abgesenkt ist. Im Ergebnis dessen können hohe Mobilitäten der Ladungsträger selbst dann realisiert werden, wenn die Konzentration von Fremdstoffen im Film immerhin 2 × 10²⁰ cm^–3 beträgt.
Wieder mit Verweis auf die 6, 7 und 8, versteht es sich, dass der Drainstrom sich erhöht, wenn der Wasserstoffanteil steigt, wenn man die Kurven 63, 73 und 83 miteinander vergleicht. Der Drainstrom ID wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wenn die Drainspannung VD niedrig ist (Solid State Electronics, Vol. 24, Nr. 11, S. 1059, 1981, in Großbritannien gedruckt). ID = (W/L)μC(VG – VT)VD
In der obigen Gleichung ist W die Kanalbreite des Transistors, ist L die Kanallänge, ist μ die Trägermobilität, ist C die statische Kapazität des torisolierenden Oxidfilms, ist VG die Torspannung und ist VT die Schwellenspannung. Die Kurven, die in den 4 bis 8 dargestellt sind, können durch die Gleichung in der Umgebung des Ursprungs ausgedrückt werden. Die Trägermobilität μ und die Schwellenspannung VT werden durch Angabe des Wasserstoffanteils in der Atmosphäre bestimmt, während die Werte W, L und C durch die geometrische Gestaltung des Transistors bestimmt sind. Dementsprechend sind die Variablen der Gleichung ID, VG und VD. Da in den 4 bis 8 Kurven dargestellt sind, während die Variable VG fest ist, können sie als Funktionen von zwei Variablen angesehen werden, die durch die Gleichung in der Umgebung des Ursprungs ausgedrückt werden. Die Gleichung weist daraufhin, dass der Gradient jeder Kurve, die in den 4 bis 8 in der Nähe des Ursprungs dargestellt ist, sich erhöht, wenn sich die Schwellenspannung VT verringert und die Mobilität μ sich erhöht. Dies ist erkennbar, wenn man die 4 bis 8 miteinander unter Bezug auf VT und μ der entsprechenden Fälle vergleicht, die in 2 und 3 gezeigt werden. Die Gleichung zeigt auch die Abhängigkeit der elektrischen Kennwerte des Dünnschichttransistors von VT und μ, so dass die Vorrichtungskennwerte nicht nur durch 2 oder 3 bestimmt werden können. Wenn aus diesem Grund die Gradienten in der Nähe des Ursprungs der entsprechenden Kurven, die in den 4 bis 8 dargestellt sind, miteinander verglichen werden, schlussfolgert man, dass der Wasserstoffanteil nicht kleiner als 20 %, vorzugsweise 100 % sein sollte.
Dies lässt sich aus der folgenden Überlegung verstehen. Vergleicht man die 4 bis 8 miteinander, erhöht sich der Drainstrom, wenn sich der Wasserstoffanteil in Richtung auf 100 % erhöht, wenn der amorphe Siliziumfilm 13 durch Sputtern aufgebracht wird. Dies ist erkennbar, wenn man die Kurven 43, 53, 63, 73 und 83 vergleicht.
Die folgenden Daten zeigen die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform:
In den obigen Daten ist H₂-Anteil der Wasserstoffanteil, wie oben diskutiert. S ist der Mindestwert von [d(ID)/d(VH)]^–1 des Drainstroms ID als Funktion der Tor spannung VG in der Umgebung des Ursprungs. Ein kleineres S zeigt einen stärkeren Anstieg der ID-VG-Funktion und bessere elektrische Kennwerte des Transistors an. VT ist die Schwellenspannung. Das „μ" ist die Trägerbeweglichkeit in cm²/Vs. Das Ein-/Aus-Verhältnis ist der Logarithmus des Verhältnisses des Drainstroms ID bei VG gleich 30 V zum Mindestwert des Drainstroms ID, wenn die Drainspannung konstant bei 10 V ist. Aus den Daten ist zu ersehen, dass es vorzuziehen ist, einen Anteil von Wasserstoff in der Sputteratmosphäre von 80 % oder darüber zu wählen.
Mit Bezug auf 10(A) wird ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Aufbringen, Strukturieren und die thermische Behandlung von Isolierfilm 12 werden in derselben Weise ausgeführt wie in der ersten Ausführungsform. Die gesamte Struktur wird dann durch Sputtern in einer Oxidatmosphäre, wie oben beschrieben, mit einem 100 nm dicken Siliziumoxidfilm 15 beschichtet. Auf den Siliziumoxidfilm 15 wird Polysiliziumfilm aufgebracht, der stark mit Phosphor dotiert ist, gefolgt von der Fotolithografie mit einer geeigneten Maske, um eine Torelektrode 20 zu bilden.
Mit der Torelektrode 20 oder der Maske, die zu ihrer Bildung als Maske verwendet wird, werden selbstjustierende Fremdstoffbereiche, d.h. ein Source- und ein Drain-Gebiet 14 und 14', durch Ionenimplantation gebildet. Der Zwischenbereich 17 des Silizium-Halbleiterfilms 13 zwischen den Fremdstoffbereichen 14 und 14' wird dann als Kanalgebiet definiert. Dann kann eine thermische Behandlung bei 100°C bis 500°C, zum Beispiel 300°C, für die Dauer von 0,5 Stunden bis 3 Stunden, zum Beispiel 1 Stunde, in H₂-Atmosphäre ausgeführt werden, um eine thermische Entspannung zu bewirken. In diesem Fall beträgt die Grenzflächenzustandsdichte nicht mehr als 2 × 10¹¹ cm^–3. Ein Zwischenisolierfilm wird über die gesamte Oberfläche der Struktur gelegt, gefolgt vom Ätzen zum Öffnen von Kontaktlöchern im Zwischenfilm und im Oxidfilm 15, um für Zugang zu den darunter liegenden Source- und Drain-Gebieten 14 und 14' zu sorgen. Zum Schluss wird ein Aluminiumfilm auf die Struktur über den Kontaktlöchern aufgebracht und strukturiert, um Source- und Drain-Elektroden 16 und 16' zu bilden. Da gemäß dieser Ausführungsform die Source- und Drain-Gebiete und das Kanalgebiet im selben Halbleiterfilm gebildet werden, kann der Prozess vereinfacht werden, und die Trägerbeweglichkeit in den Source- und Drain-Gebieten wird wegen der Kristallinität des Halbleiterfilms 13 verbessert.
Mit Bezug auf 10(B) wird ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Aufbringen des Isolierfilms 12 wird so wie bei der ersten Ausführungsform vorgenommen. Als Nächstes wird jedoch, anders als bei der ersten Ausführungsform, eine Torelektrode 20 durch Aufbringen und Strukturieren eines Molybdänfilms mit einer Dicke von 3000 Å gebildet.
Die gesamte Oberfläche der Struktur wird dann mit einem Siliziumoxidfilm 15 bis zu einer Dicke von 100 nm durch Magnetron-HF-Sputtern beschichtet. Die Atmosphäre umfasst Sauerstoff hoher Dichte, der mit einem Inertgas verdünnt ist, vorzugsweise 100 % Sauerstoff bei 0,5 Pa; die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form von HF-Energie von 13,56 MHz; es wird einkristallines Silizium oder ein künstlicher Quarz als Target verwendet, und die Substrattemperatur wird auf 100°C gehalten. Wenn reiner Sauerstoff (100 % Sauerstoff) als Atmosphäre verwendet wird, kann die Oberflächendichte des torisolierenden Films so verringert werden, dass ausgezeichnete Transistorkennwerte realisiert werden.
Ein amorpher Siliziumfilm wird in der Sputtervorrichtung auf den Siliziumoxidfilm 15 mit einer Dicke von bis zu 100 nm aufgebracht. Die Atmosphäre umfasst eine Mischung, die aus Wasserstoff und Argon besteht, so dass H₂/(H₂ + Ar) = 0,8 bezüglich des Partialdrucks gilt. Der Gesamtdruck beträgt 0,5 Pa, die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form HF-Energie bei 13,56 MHz, einkristallines Silizium wird als Target verwendet, und die Substrattemperatur wird auf dieselbe Weise auf 150°C gehalten. Der amorphe Siliziumfilm wird dann 10 Stunden einer thermischen Behandlung bei 450°C bis 700°C, normalerweise bei 600°C, in einer Wasserstoff- oder einer inerten Atmosphäre, z.B. in 100 % Stickstoff, ausgesetzt. Der Firm wird durch diese Behandlung rekristallisiert und ist dann polykristallin. Gemäß den Experimenten wurde durch SIMS-Analyse bestätigt, dass Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Wasserstoffatome mit 1 × 10²⁰ cm^–3, 4 × 10¹⁸ cm^–3 bzw. nicht mehr als 5 % beteiligt waren. Diese Dichtewerte waren Mindestwerte der jeweiligen Elemente, die mit der Tiefe variierten. So wird ein Kanalgebiet 17 auf der Torelektrode 20 durch den torisolierenden Film 15 gebildet.
Als Nächstes wird ein amorpher Silizium-Halbleiterfilm vom n⁺-Typ auf Film 13 in der Magnetron-HF-Sputtervorrichtung bis zu einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Die Atmosphäre umfasst eine Mischung, die aus H₂ bei 10 % bis 99 %, z.B. 80 %, Ar bei 10 % bis 90 %, z.B. 20 %, bezogen auf den Partialdruck, besteht. Der Gesamtdruck beträgt 0,5 Pa; die Ausgangsleistung der Vorrichtung beträgt 400 W in Form HF-Energie bei 13,56 MHz, einkristallines Silizium, das mit Phosphor dotiert ist, wird als Target verwendet, und die Substrattemperatur wird auf 150°C gehalten. Die gesamte Fläche der Struktur wird mit einem Aluminiumfilm beschichtet. Der Aluminiumfilm und der Film vom n⁺-Typ werden so strukturiert, dass sich Source- und Drain-Gebiete 14 und 14' und Source- und Drain-Elektroden 16 und 16' bilden. Ein Kanalgebiet 17 wird direkt unterhalb einer Lücke zwischen dem Source- und dem Drain-Gebiet 14 und 14' definiert. Die Lücke wird mit einem Isolator 21 zum Schutz des Kanalgebiets 17 gefüllt.
Da der torisolierende Film 15 gemäß der dritten Ausführungsform vor dem Halbleiterfilm 13 gebildet wird, wobei sich Kanal 17 bildet, wird die Grenzfläche zwischen dem Isolierfilm 15 und dem Kanal 17 sogleich thermisch entspannt, so dass die Dichte von Oberflächenniveaus verringert werden kann.
Die vorhergehende Beschreibung von Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Illustration und Beschreibung angeführt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue beschriebene Form beschränken, und es sind offensichtlich viele Modifikationen und Variationen im Hinblick auf die obigen Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt, um die Prinzipien der Erfindung und ihrer Anwendung so deutlich wie möglich zu erklären, um so andere auf dem Fachgebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, die in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen und die für die spezielle Verwendung, die beabsichtigt wird, geeignet sind, zu nutzen.
Modifikationen, die kein Teil der vorliegenden Erfindung sind, können auf Transistoren angewendet werden, die andere Arten von Halbleitern nutzen, wie zum Beispiel Germanium- oder Silizium-/Germanium-Halbleiter (Si_xGe_1-x), in diesem Fall kann die thermische Behandlung bei Temperaturen durchgeführt werden, die ca. 100°C niedriger sind, als die in den obigen Ausführungsformen verwendeten. Das Aufbringen eines solchen Halbleiters kann durch Sputtern in einem hochenergetischen Wasserstoffplasma ausgeführt werden, das durch optische Energie (Wellenlänge kürzer als 1000 nm) oder durch Elektronenzyklotronresonanz (ECR) erzeugt wird. In diesem Fall können positive Ionen wirksam erzeugt werden, so dass die Bildung von Mikrostrukturen in dem Halb leiterfilm, der so aufgebracht wurde, weiter verhindert wird. Als Sputteratmosphäre können statt Gasen, einschließlich Wasserstoffatomen, einige Wasserstoffverbindungen verwendet werden, solange sie nicht zu Verunreinigungen im Halbleiter führen. Zum Beispiel kann Monosilan oder Disilan zur Bildung von Siliziumhalbleiter-Transistoren verwendet werden. Es kann Halogen wie Wasserstoff verwendet werden.
Feldeffekttransistoren können gemäß Modifikationen der verkörperten vorliegenden Erfindung durch die folgenden zwei Wege hergestellt werden: ein amorpher Silizium-Halbleiterfilm kann durch Sputtern, wie in den Ansprüchen definiert, aufgebracht werden. Ein Oxidisolierfilm (torisolierender Film) kann mit jedem Verfahren aufgebracht werden. Der Halbleiterfilm kann bei einer hohen Aufbringungsrate durch Sputtern aufgebracht werden, und das Sputtern ist für die Massenproduktion geeignet.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Feldeffekttransistoren, umfassend: Aufbringen eines amorphen Siliziumhalbleiterfilms (13) auf eine isolierende Fläche (12) durch Sputtern in einer Atmosphäre, die eine Mischung bestehend aus Wasserstoff und einem Edelgas umfasst, bei einer gewählten Aufbringtemperatur und einer gewählten Sputterleistung und -frequenz; Unterwerfen des amorphen Siliziumhalbleiterfilms (13) einer Kristallisierungsbehandlung, die ein Tempern umfasst, um einen kristallinen Siliziumhalbleiterfilm zu erzeugen; Aufbringen eines isolierenden Films (15) auf den kristallinen Siliziumhalbleiterfilm (13); Ausbilden einer Steuerelektrode (16, 20) über dem kristallinen Siliziumhalbleiterfilm (13), wobei der isolierende Film (15) den kristallinen Siliziumhalbleiterfilm (13) von der Steuerelektrode isoliert, um einen Kanalbereich (17) im kristallinen Siliziumhalbleiterfilm (13) direkt unterhalb der Steuerelektrode zu definieren; und Ausbilden von Source- und Drain-Halbleiterbereichen (14, 14') benachbart zum Kanalbereich (17); gekennzeichnet durch: den isolierenden Film (15), der ein Oxidfilm ist; die gewählte Sputterleistung und -frequenz, die im Bereich von 100 W bis 10 MW bzw. im Bereich von 500 Hz bis 100 GHz liegt; einen Wasserstoffgehalt der Mischung hinsichtlich des Partialdrucks von 5 % bis 100 % besitzt; eine gewählte Aufbringtemperatur im Bereich von 50 bis 500°C; die Durchführung des Temperns in einer Wasserstoff- oder Edelgasatmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 700°C; und, als Ergebnis des Aufbringens und Kristallisierens des amorphen Siliziumhalbleiterfilms, einen Peak bei einer Wellenzahl von weniger als 522 cm^–1 im Raman-Spektrum des kristallinen Siliziumhalbleiterfilms (13) nach der Kristallisierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Oxidisolierfilm (15) durch Sputtern aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Oxidisolierfilm (15) durch Sputtern in einer Atmosphäre aufgebracht wird, die Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Oxidisolierfilm (15) durch Aufdampfen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Ausbildens der Source- und Drain-Bereiche (14, 14') vor dem Schritt des Ausbildens der Steuerelektrode (16, 20) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Source- und Drain-Bereiche (14, 14') vor dem Schritt des Auf bringens des Oxidisolierfilms (15) durch Ausbilden eines strukturiert mit Fremdatomen dotierten amorphen Siliziumfilms auf dem kristallinen Siliziumhalbleiterfilm (13) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Source- und Drain-Bereiche (14, 14') durch Implantation von Ionen in den kristallinen Silizium-Halbleiterfilm (13) ausgebildet werden, wobei die Steuerelektrode (16, 20) als Maske dient.
Verfahren zum Herstellen von Feldeffekttransistoren, umfassend: Ausbilden einer Steuerelektrode (20) auf einer isolierenden Fläche (12); Aufbringen eines isolierenden Films (15) auf die Steuerelektrode; Aufbringen eines amorphen Siliziumhalbleiterfilms (13) auf den isolierenden Film (15) durch Sputtern in einer Atmosphäre, die eine Mischung bestehend aus Wasserstoff und einem Edelgas umfasst, bei einer gewählten Aufbringtemperatur und einer gewählten Sputterleistung und -frequenz; Unterwerfen des amorphen Siliziumhalbleiterfilms (13) einer Kristallisierungsbehandlung, die ein Tempern zum Ausbilden eines kristallinen Siliziumhalbleiterfilms umfasst, der einen Kanalbereich (17) besitzt, der durch die Steuerelektrode definiert ist; Ausbilden von Source- und Drain-Halbleiterbereichen (14, 14') benachbart zum Kanalbereich (17); dadurch gekennzeichnet, dass: der isolierende Film (15) ein Oxidfilm ist; die Sputterleistung und -frequenz im Bereich von 100 W bis 10 MW bzw. von 500 Hz bis 100 GHz liegt; die Mischung in Bezug auf den Partialdruck einen Wasserstoffgehalt von 5 % bis 100 % besitzt; die gewählte Aufbringtemperatur im Bereich von 50 bis 500°C liegt; das Tempern in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem Edelgas bei einer Temperatur von 450-700°C ausgeführt wird; und das Aufbringen und Kristallisieren des amorphen Siliziumhalbleiterfilms unter solchen Bedingungen ausgeführt werden, dass das Raman-Spektrum des kristallinen Siliziumhalbleiterfilms (13) nach dem Kristallisieren bei einer Wellenzahl von weniger als 522 cm^–1 einen Peak aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Oxidisolierfilm (15) durch Sputtern aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Oxidisolierfilm durch Sputtern in einer Atmosphäre, die Sauerstoff umfasst, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Oxidisolierfilm (15) durch Aufdampfen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 8 bis 11, wobei die Source- und Drain-Bereiche (14, 14') durch Ausbilden eines strukturiert mit Fremdatomen dotierten amorphen Siliziumhalbleiterfilms auf dem kristallinen Silizium halbleiterfilm (13) mit Ausnahme des Kanalbereichs (17) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Edelgas Argon ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Wasserstoffgehalt der Mischung 20 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kristalline Siliziumhalbleiterfilm (13) nach dem Kristallisieren Wasserstoff mit einer Konzentration von nicht mehr als 5 Atomprozent enthält.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend das Ausbilden eines SiO₂-Films (12) auf einem Glasträger (11), wobei der SiO₂-Film (12) die isolierende Fläche bereitstellt.