JP2001094119A

JP2001094119A - 絶縁ゲート型電界効果半導体装置

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Publication number: JP2001094119A
Application number: JP2000260570A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2001-04-06
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: JP3393535B2

Abstract

(57)【要約】【課題】有機フィルム上に形成された絶縁ゲート型
電界効果半導体装置を有した液晶表示パネルは、スイッ
チング特性が良く、高い周波数に使用できる。【解決手段】有機フィルム上にチャネル形成領域、ソ
ース領域、およびドレイン領域を有する多結晶シリコン
または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体層を形成
し、当該非単結晶半導体層のチャネル形成領域を除いた
領域を紫外光によって結晶化を助長したソース領域およ
びドレイン領域を形成する。ゲート電極は、前記チャネ
ル形成領域に整合した位置に形成されている。ゲート絶
縁膜は、絶縁非単結晶半導体層と前記ゲート電極との間
に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路、
絶縁ゲート型電界効果半導体装置、またはそれらを有し
た液晶表示パネルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５８−２０７３号公報に記載され
た電界効果型トランジスタは、ソース領域およびドレイ
ン領域を選択的にアニールすることにより多結晶領域と
し、チャネル形成領域を非晶質領域としている。すなわ
ち、同公報に示されている電界効果型トランジスタは、
非晶質領域の一部を選択的にアニールによって多結晶領
域としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
絶縁ゲート型電界効果半導体装置におけるチャネル形成
領域は、酸素、炭素、および窒素のいずれもが１ないし
３×１０²⁰ｃｍ^-3程度含む非単結晶からなっていた。酸
素、炭素、および窒素のいずれもがこのような高い濃度
で含まれている場合、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、スイッチングする際の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」特性が
悪かった。たとえば、上記のように酸素、炭素、および
窒素のいずれもがこのような高い濃度で含まれている非
単結晶半導体を用いた絶縁ゲート型電界効果半導体装置
において、良好な「ＯＮ」、「ＯＦＦ」特性を示す周波
数特性は、１ＫＨｚ程度であった。

【０００４】また、従来の絶縁ゲート型電界効果半導体
装置は、ソース領域およびドレイン領域を選択的にアニ
ールしているため、非単結晶半導体層に結晶化されてい
ない部分が必ず残る。上記のように絶縁ゲート型電界効
果半導体装置に結晶化されていない領域が残っている場
合、絶縁ゲート型電界効果半導体装置として動作する際
に、この非晶質部分にも電流が一部流れる。非晶質部分
は、結晶化された部分と比較して高い抵抗を示すため、
電流が流れ難く、一旦流入すると蓄えられて流れ出るの
が遅い。すなわち、従来例における絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、電流の流れるライフタイムが長く、ヒ
ステリシス特性が出る。

【０００５】以上のような問題を解決するために、本発
明は、スイッチング特性が良く、高い周波数に使用でき
る絶縁ゲート型電界効果半導体装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、絶縁
表面を有する基板(1) と、当該基板(1) 上に少なくとも
チャネル形成領域、ソース領域(7) 、ドレイン領域(8)
を有する複数の島状の非単結晶半導体層(2) と、前記チ
ャネル形成領域に整合した位置に形成されたゲート電極
(4) と、前記非単結晶半導体層(2) と前記ゲート電極
(4) との間に形成されているゲート絶縁膜(3) とを備え
ており、前記ソース領域(7) およびドレイン領域(8)
は、前記チャネル形成領域を除いた非単結晶半導体層
(2) の全域に不純物を含んで形成され、前記ソース領域
(7) およびドレイン領域(8) に密接している前記ゲート
絶縁膜(3) 中には前記ソース領域(7) およびドレイン領
域(8) と同一種類の不純物が含まれており、且つ前記ゲ
ート絶縁膜(3) は、窒化珪素を含んでいることを特徴と
する。本発明の液晶表示パネルは、絶縁表面を有する基
板(1) が有機フィルムであることを特徴とする。本発明
の液晶表示パネルは、絶縁表面を有する基板(1) とし
て、酸化珪素を主成分とする基板を用いることもでき
る。本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置における
非単結晶半導体層(2) は、酸素、炭素、または窒素が５
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。本発明の
絶縁ゲート型電界効果半導体装置における非単結晶半導
体層(2) は、アモルファス、多結晶、または微結晶であ
ることを特徴とする。

【０００７】本発明は、不純物の添加のない、またはき
わめて少ない非単結晶半導体（以下、水素またはハロゲ
ン元素が添加された非単結晶半導体を単に半導体または
非単結晶半導体と略記する）上にゲート絶縁物およびそ
の上にゲート電極を選択的に設けた。さらに、このゲー
ト電極をマスクとしてイオン注入法等によりソース領域
およびドレイン領域用の不純物、たとえば、Ｎチャネル
型ではリンまたは砒素、Ｐチャネル型ではホウ素を非単
結晶半導体内部に添加した。この後、この不活性の不純
物が添加された領域に対し、４００°Ｃ以下の温度で強
光照射をし、強光アニール（以下、単に光アニールとい
う）を行い、水素またはハロゲン元素が添加残存し、か
つ結晶化度がチャネル形成領域よりも助長された半導
体、特に、著しくは多結晶または単結晶構造の半導体に
変成せしめたことを特徴とするものである。すなわち、
本発明は、従来より公知の水素またはハロゲン元素が添
加されていない単結晶半導体に対し、イオン注入後、レ
ーザアニールを行うのではなく、水素またはハロゲン元
素が１原子％以上−一般には５原子％ないし２０原子％
の濃度に添加されている非単結晶半導体に対し、イオン
注入をし、それに強光アニールを行い、かつ、好ましく
はこの光を基板表面を一端より他端に走査することによ
り結晶成長をプロセス上含ませ、結晶化度を助長とし不
純物領域としたものである。

【０００８】本発明の液晶表示パネルにおいて、チャネ
ル形成領域の内部にわたって設けられたモホロジ的な界
面の深さは、０．３μｍないし３．０μｍであることを
特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の絶縁ゲート型電界効果半
導体装置は、酸素、炭素、または窒素が５×１０¹⁸ｃｍ
^-3以下、すなわち前記元素をできる限り少なくした非単
結晶半導体層にＰ型またはＮ型不純物が添加されてい
る。そして、この不純物が添加された領域のみの結晶化
を助長してソース領域およびドレイン領域が形成されて
いる。また、チャネル形成領域には、水素またはハロゲ
ン元素、およびＰ型またはＮ型不純物が添加されている
点に特徴がある。ソース領域およびドレイン領域に密接
して形成されているゲート絶縁膜中には、ソース領域お
よびドレイン領域と同一の不純物が添加されているた
め、非単結晶半導体層中の水素またはハロゲン元素が脱
気し難い。このような構成とした絶縁ゲート型電界効果
半導体装置は、従来例における非単結晶半導体、たとえ
ば酸素、炭素、または窒素が１ないし３×１０²⁰ｃｍ^-3
である非単結晶半導体が１ＫＨｚの周波数に追従できる
程度のスイッチング特性であったのに対して、１ＭＨｚ
の周波数においても良好なスイッチング特性を得た。

【００１０】また、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、非単結晶半導体層における酸素、炭素、または窒素
が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下と、極めて少なくし、チャネル
形成領域を除く全ての非単結晶半導体層が結晶化を助長
したソース領域およびドレイン領域から形成されている
ため、さらに高い周波数におけるスイッチング特性を良
好にした。特に、ソース領域およびドレイン領域を選択
的にアニール処理をしていないため、チャネル形成領域
以外における全ての非単結晶半導体層に結晶化を助長さ
せることができる。すなわち、本発明における絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置は、非単結晶半導体層における
チャネル形成領域以外の全ての領域がソース領域および
ドレイン領域となっているため、非晶質部分に抵抗の高
い領域が残されていない。本発明の絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、ゲート電極が基板上のチャネル形成領
域を構成する非単結晶半導体層の上方に設けられてい
る。また、当該非単結晶半導体層の光学的エネルギーギ
ャップ（珪素半導体の場合）は、１．７ｅＶないし１．
８ｅＶであるのに対して、ソース領域およびドレイン領
域の光学的エネルギーギャップが１．６ｅＶないし１．
８ｅＶと殆ど同じ光学的エネルギーギャップを有してい
る。また、ソース領域およびドレイン領域は、非単結晶
半導体層のエネルギーギャップと同じであると共に、活
性な不純物領域を得ることができた。ソース領域および
ドレイン領域は、チャネル形成領域と同じまたは略同じ
エネルギーギャップであるため、絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」に対し、オン電流が
立上り時に流れなかったり、また他方、電流が立ち下が
り時にダラダラ流れない。したがって、本発明の絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置は、ヒステリシス特性がな
く、オフ電流が少なく、かつ「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を高
速応答で行なうことができた。また、ソース領域および
ドレイン領域の結晶化度は、チャネル形成領域より高く
したため、シート抵抗が明らかに低くなり、一枚の基板
上に大面積大規模集積化を行うことが可能になった。ま
た、ソース領域およびドレイン領域には、電流の流れ難
い非晶質部分がないため、電流が流れ易く、スイッチン
グの際にダラダラ流れない。ゲート絶縁膜は、非単結晶
半導体層に接して窒化珪素膜が形成されているため、非
単結晶半導体中の水素またはハロゲン元素が脱気し難い
と共に、水分が非単結晶半導体中に侵入し難い。

【００１１】

【実施例】図１（Ａ）ないし（Ｃ）は本発明の一実
施例である絶縁ゲート型電界効果半導体装置の縦断面図
を示す。図１において、基板(1) は、たとえば石英ガラ
スからなり、図１(A) に示すごとく、その厚さを1.1 ｍ
ｍとし、大きさを10ｃｍ×10ｃｍとした。この基板(1)
の上面には、シラン(SiH₄)のプラズマCVD(高周波数13.5
6MHz、基板温度210 ℃)により、水素が１原子％以上の
濃度に添加されたアモルファス構造を含む非単結晶半導
体(2) が、たとえば0.2 μｍの厚さに形成された。さら
に、この非単結晶半導体(2) の上面には、光CVD 法によ
り、たとえば窒化珪素膜からなるゲート絶縁膜(3) が積
層された。すなわち、ゲート絶縁膜(3) は、ジシラン
（Si₂H₆）とアンモニア（ＮＨ₃）、またはヒドラジン
（Ｎ₂Ｈ₄）との反応( 2537Åの波長を含む低圧水銀
灯、基板温度250 ℃) により、Si₃N₄を水銀増感法を用
いることなしに1000Åの厚さに作製された。

【００１２】この後、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
を形成する領域(5) を除いた部分は、プラズマエッチン
グ法により除去された。プラズマエッチング反応は、CF
₄＋O₂（５％）の反応性気体を導入すると共に、図示さ
れていない平行平板電極に周波数13.56MHzを印加して、
室温で行なわれた。ゲート絶縁膜(3) は、必要に応じ
て、前記基板(1) の全面にわたって形成される。そし
て、ゲート絶縁膜(3) 上には、N ⁺の導電型の微結晶ま
たは多結晶半導体が0.3 μｍの厚さに積層された。この
N ⁺の半導体膜は、レジスト膜(6) を用いてフォトエッ
チング法で非所望な部分が除去され、ゲート電極(4) と
なる。

【００１３】その後、このレジスト膜(6) と、N⁺半導体
のゲート電極(4) と、ゲート絶縁膜(3) とからなるゲー
ト部をマスクとして、ソ−ス、ドレインとなる領域に
は、イオン注入法により、１×10²⁰ｃｍ^-3の濃度に図１
(B) に示すごとく、一導電型の不純物、たとえばリンが
添加され、一対の不純物領域(7) 、(8) となった。さら
に、基板(1) は、その全体に対し、ゲート電極(4) のレ
ジスト膜(6) が除去された後、強紫外光(10)の光アニ−
ル処理が行なわれた。すなわち、超高圧水銀灯（出力5K
W 、波長250 ないし600 ｎｍ、光径15ｍｍ、長さ180 ｍ
ｍ) に対し裏面側は、放物面の反射鏡を用い前方に石英
のシリンドリカルレンズ（焦点距離150 ｃｍ、集光部幅
2 ｍｍ、長さ180 ｍｍ) により、線状に照射部を構成し
た。この照射部に対し基板(1) の照射面は、線状の照射
部に対して直交する方向に、5 ないし50ｃｍ/ 分の速度
で走査( スキャン) され、基板10ｃｍ×10ｃｍの全面に
強紫外光(10)が照射されるようにした。

【００１４】ゲート電極(4) は、ゲート電極(4) 側にリ
ンが多量に添加されているため、十分光を吸収し多結晶
化した。また、不純物領域(7) 、(8) は、一度溶融し再
結晶化することにより走査する方向、すなわち、Ｘ方向
に溶融、再結晶をシフト（移動）させた。その結果、単
に全面を均一に加熱または光照射するのみに比べ、成長
機構が加わるため結晶粒径を大きくすることができた。
絶縁基板上に選択的に非単結晶半導体が形成され、この
非単結晶半導体のゲート電極(4) で覆われたチャネル形
成領域を除き、他部の非単結晶半導体は、ソース領域ま
たはドレイン領域の全ての非単結晶半導体の結晶化を助
長せしめることができる。この強紫外光アニ−ルにより
多結晶化した領域は、不純物領域(7) 、(8) の下側の全
領域にまで及ぶ必要がない。

【００１５】図１において、線(11)、(11') で示したご
とく、その上層部のみが少なくとも結晶化し、不純物領
域(7) 、(8) を活性にすることが重要である。さらに、
そのソース領域およびドレイン領域の端部(15)、(15')
は、ゲート電極の端部(16)、(16') に対し、チャネル領
域側に入り込むように設けられている。そして、Ｎ型不
純物領域 (7)、(8) 、Ｉ型半導体領域(2) 、接合界面(1
7)、(17') からなるチャネル形成領域は、Ｉ型半導体領
域(2)における非単結晶半導体、および不純物領域から
入り込んだ結晶化半導体から構成されるハイブリッド構
造となっている。このＩ型半導体領域(2) 内の結晶化半
導体の程度は、光アニ−ルの走査スピ−ド、強度（照
度）によって決められる。

【００１６】図１（Ｂ）の工程の後、ポリイミド樹脂
は、全面に２μｍの厚さにコ−トされる。そして、ポリ
イミド樹脂には、電極穴(13)、(13') が形成された後、
アルミニュ−ムのオ−ムコンタクトおよびそのリ−ド(1
4)、(14') が形成される。このコンタクトの一方は、ソ
ース領域上面に、また他方は、ドレイン領域上面および
側面に形成されている。このコンタクトは、一部ガラス
基板上にまでわたって設けられており、電極穴(13)、(1
3') を大きく形成することができる。このため、ソース
領域およびドレイン領域の外側に不要の非晶質領域がな
いことが特徴である。

【００１７】また、液晶ディスプレイにおける液晶表示
素子用の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置として
の実行面積を少なくし、結果として開口率の向上をはか
ることができる。２層目のリード(14)、(14') は、形成
する際に、ゲート電極(4) と連結してもよい。この光ア
ニ−ルの結果は、シ−ト抵抗が光照射前の４×10^-3(オ
ームｃｍ) ^-1から１×10⁺²( オームｃｍ) ^-1になり、光
アニール前と比べ電気伝導度特性が向上した。

【００１８】図２は本発明の実施例によるドレイン電流
─ドレイン電圧の特性を示す図である。チャネル形成領
域の長さが10μｍの場合、チャネル幅が１ｍｍの条件下
において、６０Ｖまで作ることができた。これはゲート
電圧Ｖ_GG＝１０Ｖとした時の条件である。これはこの接
合領域がアモルファス構造の従来例の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置が３０Ｖないし５０Ｖと大きくばらつく
ことを考えると、大きな進歩であった。

【００１９】本実施例は、下側から漸次被膜を形成し加
工するという製造工程を採用したため、大面積大規模集
積化を行なうことが可能になった。そのため、大面積、
たとえば、30ｃｍ×30ｃｍのパネル内に５００個×５０
０個の絶縁ゲート型電界効果半導体装置の作製すらも可
能とすることができ、液晶表示素子の制御用絶縁ゲート
型電界効果半導体装置として応用することができた。光
アニ−ルプロセスによる400 ℃以下の低温処理であるた
め、多結晶化または単結晶化した半導体がその内部の水
素またはハロゲン元素を放出させることを防ぐことがで
きた。また、光アニ−ルは、基板全面に対して同時に行
なうのではなく、一端より他端に走査させた。

【００２０】このため、筒状の超高圧水銀灯から照射さ
れた光は、放物ミラ−および石英レンズにより線状に集
光された。そして、この線状に集光された光は、これと
直交した方向に基板を走査することにより非単結晶半導
体表面を光アニ−ルすることができた。この光アニ−ル
は、紫外線で行なうため、非単結晶半導体の表面より内
部方向への結晶化を助長させた。このため、十分に多結
晶化または単結晶化された表面近傍の不純物領域は、チ
ャネル形成領域におけるゲート絶縁膜のごく近傍に流れ
る電流制御を支障なく行なうことが可能となった。光照
射アニ−ル工程に際し、チャネル形成領域に添加された
水素またはハロゲン元素は、まったく影響を受けず、非
単結晶半導体の状態を保持できるため、オフ電流を単結
晶半導体の1/10³ないし1/10⁵にすることができる。

【００２１】ソ−ス領域およびドレイン領域は、ゲート
電極を作った後、光アニ−ルで作製するため、ゲート絶
縁物界面に汚物が付着せずに、特性を安定させる。さら
に、従来より公知の方法に比べ、基板材料として石英ガ
ラスのみならず任意の基板であるソ−ダガラス、耐熱性
有機フィルムをも用いることができる。異種材料界面で
あるチャネル形成領域を構成する非単結晶半導体─ゲー
ト絶縁物─ゲート電極の形成は、同一反応炉内でのプロ
セスにより、大気に触れさせることなく作り得るため、
界面凖位の発生が少ないという特長を有する。

【００２２】なお、本実施例において、チャネル形成領
域の非単結晶半導体の酸素、炭素および窒素のいずれも
が５×10¹⁸ｃｍ^-3以下の不純物濃度であることが重要で
ある。すなわち、これらが従来公知の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置においては、チャネル層に１ないし3 ×
10²⁰ｃｍ^-3の濃度に混合している。この従来例における
非単結晶半導体を用いるＰチャネル型絶縁ゲート型電界
効果半導体装置は、本実施例における絶縁ゲート型電界
効果半導体装置の有する特性の１／３以下の電流しか流
れない。そして、上記従来例における非単結晶半導体を
用いた絶縁ゲート型電界効果半導体装置のヒステリシス
特性は、Ｉ_DD─Ｖ_GG特性にドレイン電界を２×10⁶V/ ｃ
ｍ以上加える場合に観察されてしまった。また、本実施
例のように、非単結晶半導体中の酸素を５×10¹⁸ｃｍ^-3
以下とすると、３×10⁶V/ ｃｍの電圧においてもヒステ
リシスの存在が観察されなかった。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁基板表面上に酸
素、炭素、または窒素が５×１０¹⁸ｃｍ ^-3以下という極
めて少ない非単結晶半導体層を設けているため、また、
非単結晶半導体層に、Ｐ型またはＮ型の不純物を添加し
た領域のみの結晶化を助長しているため、ゲート電圧−
ドレイン電流特性にヒステリシスがなく、高い周波数に
おける良好なスイッチング特性を得た。本発明によれ
ば、さらにチャネル形成領域以外の非単結晶半導体層を
全て結晶化を助長させるため、絶縁ゲート型電界効果半
導体装置のスイッチング特性は、高い周波数においても
さらに良くなった。本発明によれば、チャネル形成領域
と比較して、ソース領域およびドレイン領域の結晶化度
を高くしたため、シート抵抗が下がり、大面積大規模集
積化を行うことができた。本発明によれば、ソース領域
およびドレイン領域上にゲート絶縁膜が存在するため、
ゲート絶縁膜を通してアニール処理を行っても、水素ま
たはハロゲン元素が脱気し難い。本発明によれば、チャ
ネル形成領域に水素またはハロゲン元素、およびＰ型ま
たはＮ型の不純物が添加されているため、導電度の高い
チャネル形成領域を得ることができた。本発明によれ
ば、非単結晶半導体層に接して窒化珪素膜が形成されて
いるゲート絶縁膜は、非単結晶半導体中の水素またはハ
ロゲン元素が脱気し難く、且つ水分が侵入し難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）ないし（Ｃ）は本発明の一実施例である
絶縁ゲート型電界効果半導体装置の縦断面図を示す。

【図２】本発明の実施例によるドレイン電流─ドレイン
電圧の特性を示す図である。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・非単結晶半導体層３・・・ゲート絶縁膜４・・・ゲート電極５・・・絶縁ゲート型電界効果半導体装置を形成する領
域６・・・レジスト膜７、８・・・不純物領域１０・・・強紫外光１１、１１′・・・線１３、１３′・・・電極穴１４、１４′・・・リード１５、１５′・・・ソース領域およびドレイン領域の端
部１６、１６′・・・ゲート電極の端部１７、１７′・・・接合界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機フィルム上に形成された絶縁ゲート型
電界効果半導体装置を有した液晶表示パネルであって、前記絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる非単結晶
半導体層と、前記非単結晶半導体層のチャネル形成領域を除いた領域
を紫外光によって結晶化を助長したソース領域およびド
レイン領域と、前記チャネル形成領域に整合した位置に形成されたゲー
ト電極と、前記非単結晶半導体層と前記ゲート電極の間に形成され
たゲート絶縁膜と、を有することを特徴とする液晶表示パネル。