JP2011119397A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2011119397A
JP2011119397A JP2009274620A JP2009274620A JP2011119397A JP 2011119397 A JP2011119397 A JP 2011119397A JP 2009274620 A JP2009274620 A JP 2009274620A JP 2009274620 A JP2009274620 A JP 2009274620A JP 2011119397 A JP2011119397 A JP 2011119397A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
titanium oxide
crystalline silicon
semiconductor device
silicon layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2009274620A
Other languages
English (en)
Inventor
Koichi Matsuda
高一 松田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2009274620A priority Critical patent/JP2011119397A/ja
Priority to CN201080053857XA priority patent/CN102630344A/zh
Priority to US13/497,798 priority patent/US20120199880A1/en
Priority to PCT/JP2010/070951 priority patent/WO2011068065A1/en
Publication of JP2011119397A publication Critical patent/JP2011119397A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78603Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film characterised by the insulating substrate or support
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • C23C14/083Oxides of refractory metals or yttrium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24Deposition of silicon only
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02422Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02483Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02488Insulating materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02524Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532Silicon, silicon germanium, germanium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/12Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
    • H01L27/1214Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body comprising a plurality of TFTs formed on a non-semiconducting substrate, e.g. driving circuits for AMLCDs
    • H01L27/1218Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body comprising a plurality of TFTs formed on a non-semiconducting substrate, e.g. driving circuits for AMLCDs with a particular composition or structure of the substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/4908Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET for thin film semiconductor, e.g. gate of TFT
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/056Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/075Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PIN type
    • H01L31/077Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PIN type the devices comprising monocrystalline or polycrystalline materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547Monocrystalline silicon PV cells

Abstract

【課題】プラズマCVD法による膜成長初期段階においては結晶性の良いシリコン層を形成させることが困難である。
【解決手段】基板上に、基板側から順に、酸化チタンを主成分とする酸化チタン層と、結晶性シリコン層と、を有し、酸化チタン層と結晶性シリコン層が接していることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、結晶性シリコン層を活性層とする半導体装置及びその製造方法に関する。
アクティブマトリクス型の表示装置に用いられる半導体装置として、結晶性シリコン膜を活性層とする薄膜トランジスタが注目されている。結晶性シリコン膜はアモルファスシリコンと比較して電気特性と大面積化への優位性を有し、対電流ストレス耐性が高いため、長時間駆動した後のVthのシフトが小さいという利点を持っている。
しかし、プラズマCVD法等の気相成長法による結晶性シリコンは、シリコン膜堆積直後での結晶性はRTAやレーザーアニール法による結晶性シリコンに及ばないため、キャリア移動度も比較的低い。そのため、結晶性を向上させること、すなわち、膜中の結晶の割合を高めることが課題となっている。
結晶性半導体装置の他の例として、光起電力素子及びフォトセンサが挙げられる。光起電力素子はその層構成のうちi型層の結晶性が光電変換効率を向上させる重要な要素であることが分かっており、特にスループットを上げるためにもプラズマCVD法による膜堆積直後での結晶性に優れたシリコン層を形成することが望まれている。
非特許文献1によれば、プラズマCVD法で形成した結晶性シリコン膜は、膜上部は結晶化が進んでいるものの、下部はアモルファスが存在すると報告している。このことは、プラズマCVD法による膜成長初期段階においては結晶性の良いシリコン層を形成させることが困難であることを示唆している。
H.Kakinuma(J.A.P 70(12)15,Dec,1991 P.7374)
結晶性シリコン半導体装置としての特性を左右するものは、結晶性であり、結晶性が高ければ高いほど電気特性は向上する。一般に薄膜トランジスタや光起電力素子といった半導体装置は、結晶性の向上がその特性向上に直接寄与するものである。
そこで、本発明は、結晶性に優れ、電気的特性に優れた結晶性シリコン半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に、前記基板側から順に、酸化チタンを主成分とする酸化チタン層と、結晶性シリコン層と、を有し、前記酸化チタン層と前記結晶性シリコン層が接していることを特徴とする半導体装置を提供するものである。
また、本発明は、酸化チタンを主成分とする酸化チタン層を形成する工程と、前記酸化チタン層に接して、気相成長法にて結晶性シリコン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明によれば、結晶性に優れ、電気的特性に優れた結晶性シリコン半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
本発明の半導体装置を概略的に示す断面図である。 本発明の半導体装置である光起電力素子を概略的に示す断面図である。 本発明の半導体装置であるフォトセンサを概略的に示す断面図である。 ラマン分光法によるシリコン層のスペクトルを示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
[トップゲートスタガー型のTFT]
図1(a)に、本発明の実施形態に係る半導体装置の代表的な例として、トップゲートスタガー型のTFTの断面の概略図を示す。
図1(a)において、101はガラス基板、102はガラス基板101上に形成された金属からなるソース電極層及びドレイン電極層である。103は不純物含有半導体層からなるオーミックコンタクト層である。104は酸化チタン層であり、金属からなるソース及びドレイン電極層102の下部に形成される。ソース及びドレイン電極層102、不純物含有半導体層103は積層され、島状にパターニングされるため、酸化チタン層104が露出することになる。酸化チタン層104は、酸化チタン以外の物質が含まれていても良いが、酸化チタンを主成分とするのが好ましい。105は結晶性シリコン層であり、酸化チタン層104上に形成される。結晶性シリコン層105は、ガラス基板側で酸化チタン層104と接しており、ガラス基板側でソース及びドレイン電極層102とオーミック接触している。
本発明の半導体装置の中で、シリコン層の持ちうる構造の中から、ラマン分光法により520cm-1にラマンシフトが観察され、特に結晶の体積分率が20%以上であるようなシリコン層を結晶性シリコンと定義する。本発明では、520cm-1にラマンシフトが観察されても結晶の体積分率が20%以下であれば、非結晶性シリコンとしており、520cm-1にラマンシフトが観察されない場合に非晶質シリコンという。ただし、非晶質シリコン層中にも短距離的には結晶性シリコンと同じ構造である領域は存在する。
ラマン分光法による代表的な本発明のシリコン層のスペクトルを図6に示す。実線が測定されたスペクトルを示し、点線が測定されたスペクトルを分解したものを示す。図中520cm-1に現れるラマンシフトがシリコンの結晶相を、500cm-1に現れるラマンシフトが中間相を、480cm-1に現れるラマンシフトがアモルファス相をそれぞれ表している。体積分率は各相のラマンシフトのピーク強度Iを用いて以下の式で求められる。
体積分率=(I結晶相+I中間相)/(I結晶相+I中間相+Iアモルファス相
本発明では、結晶性シリコン層105には体積分率が高いもの、すなわち、膜中の結晶の割合の高いものが選ばれる。薄膜半導体をラマン分光法で評価した結果において、結晶の体積分率が20%以上のものが好適に用いられる。より好適には結晶の体積分率が40%以上のものが用いられる。また、結晶性シリコン層を形成する方法としては、シリコン膜を堆積する工程と水素プラズマを照射する工程とを交互に繰り返しながら堆積する方法が好適に用いられる。以下、他の実施形態に記載の半導体装置においても同様である。
本実施形態では、活性層である結晶性シリコン層105は酸化チタン層104上に主にCVD法により形成される。ここで、酸化チタン層104上のシリコン層の結晶性は、同じ条件下で形成したガラス基板(SiO2)や他の金属酸化物上のシリコン層の結晶性と比較してきわめて優れたものであることがわかった。
さらに、酸化チタン層104は、チャネル裏面側のみならず、不純物含有半導体層103上に積層される結晶性シリコン層105の結晶性を向上させるために図1(b)に示すような構造も好適に用いられる。
図1(b)において、101はガラス基板、102は金属からなるソース及びドレイン電極層102、103は不純物含有半導体層である。ソース及びドレイン電極層102と不純物含有半導体層103は、積層された後島状にパターニングされることは図1(a)と同様である。104は酸化チタン層である。酸化チタン層104はガラス基板101上、及び島状にパターニングされた不純物含有半導体層103上に形成する。ここで、不純物含有半導体層103は結晶性シリコン層105と電気的にコンタクトしなければならない。よって、酸化チタン層104については薄膜化するかまたは、部分的に不純物含有半導体層103を剥き出しにすることで直接結晶性シリコン層105とコンタクトする方法がとられる。
図1(a)及び(b)において、106はゲート絶縁層である。ゲート絶縁層106は、窒化シリコン(SiNx)等が好適に用いられ、積層して形成されたゲート電極層107と結晶性シリコン層105の間で電気的な絶縁を保っている。結晶性シリコン層105の側面を絶縁するために、ゲート絶縁層106を2層構成とする事もある。107はゲート電極層であり、ゲート絶縁層106上に形成され、所望の形状にパターニングされる。
[ボトムゲート逆スタガー型のTFT]
図1(c)に、別の半導体装置の例として、ボトムゲート逆スタガー型のTFTの断面の概略図を示す。
図1(c)において、下から順に101はガラス基板、107はゲート電極層、106はゲート絶縁層である。ゲート電極層107は所望の形状にパターニングされた後、ゲート絶縁層106が積層される。102は金属からなるソース電極層及びドレイン電極層であり、103は不純物含有半導体層からなるオーミックコンタクト層である。ソース及びドレイン電極層102と不純物含有半導体層103は、ともに結晶性シリコン層105上に積層された後島状にパターニングされる。104は酸化チタン層であり、結晶性シリコン層105の結晶性を向上させるために必要な膜厚で形成される。また、酸化チタン層104はゲート絶縁層106とあわせてゲート絶縁層として機能する。そのため、電気的容量を考慮した膜厚にする。酸化チタン層とゲート絶縁層は二層に分けず、一層としても良い。即ち、酸化チタン層104をゲート絶縁層106として用いても良い。結晶性シリコン層105は、ガラス基板側で酸化チタン層104と接しており、ガラス基板とは反対側でソース及びドレイン電極層102とオーミック接触している。
ボトムゲート逆スタガー型の場合、チャネル裏面側にはパッシベーション層として結晶性シリコン層105の上に酸化膜あるいは窒化膜等の層が形成されることもある。
[光起電力素子]
図2に、別の半導体装置の例として、光起電力素子の断面の概略図を示す。
図2において、下から順に201は導電性基板、202は光反射層、203は導電性反射増加層、204は第1の導電層、209は酸化チタン層、205はi型層、206は第2の導電層、207は透明電極層、208は集電電極である。この光起電力素子に対して、照射光は透明電極層207側から照射される。
さらに不図示ではあるが、pinのユニットを2層積層したもの、3層積層したものも、本発明に適した光起電力素子である。
図2では、第1の導電層204の上部に酸化チタン層209を設けている。第1の導電層204、i型層205、第2の導電層206には結晶性シリコンが好適に用いられ、その結晶性が高ければ、光起電力素子の光電変換効率も高くなる。特に高い結晶性が求められる層はi型層205である。酸化チタン層209を第1の導電層204の下に設けておけば、第1の導電層204の結晶性を向上させることができ、その上に形成されるi型層205が第1の導電層204の結晶性を引き継いで成長するため、より結晶性を向上させることが可能となる。これにより、光電変換効率の向上が見込まれる。
ここで、第1の導電層204は下部の反射増加層203と電気的にコンタクトしなければならない。よって、酸化チタン層209については薄膜化するかまたは、部分的に反射増加層203を剥き出しにすることで直接第1の導電層204とコンタクトする方法がとられる。
また、図2では、光起電力素子としてPIN接合の素子を例に挙げたが、本発明の半導体装置では、光起電力素子は、PN接合、PIN接合、ヘテロ接合、ショットキー接触を有するものであっても良い。
[フォトセンサ]
図3(a)に、別の半導体装置の例として、フォトセンサの断面の概略図、図3(b)には平面の概略図を示す。図3(a)において、301は基板、302は酸化チタン層、303は結晶性シリコンを含む光導電層であり、304はオーミックコンタクト層、305は取り出し電極である。入射した光により発生したフォトキャリアは、光導電層303からオーミックコンタクト層304を介して取り出し電極305から取り出される。図3(b)に示すように取り出し電極305はくし型形状になっていても良い。
[TFTの製造方法]
次に、上記の構造のTFTの製造方法について、図1(c)のボトムゲート逆スタガー型のTFTを例に挙げて説明する。
まず、図1(c)のように、高融点ガラス、石英、セラミック等の基板101上に、スパッタや真空蒸着法等によってMo、Ti、W、Ni、Ta、Cu、Al、あるいはそれらの合金、それらの積層構造体からなるゲート電極層107を10〜300nm程度堆積する。ゲート電極層107はフォトリソグラフィー等により所望の電極パターンにエッチングされる。さらにゲート電極層107上にゲート絶縁層106をプラズマCVD法等で形成する。なお、ゲート絶縁層106の厚みは、50〜300nmが好ましい。ゲート絶縁層106としては、SiO2やSiNx等が用いられる。このSiO2はTEOSとO2の混合ガス、SiNxはSiH4、NH3とN2の混合ガスを用い、プラズマCVD法等により積層される。
次に、ゲート絶縁層106上に酸化チタン層104をスパッタ法、あるいは蒸着法等により形成する。本発明の半導体装置に用いる酸化チタン層の形成に適したスパッタリング法としてはターゲットとして酸化チタンあるいは金属チタンを用い、酸素とアルゴンを導入し放電を生起する。
酸化チタン層104上には気相成長法、例えばプラズマCVD法等により結晶性シリコン層105を形成する。この結晶性シリコン層105の厚みは、一般には20〜200nm、望ましくは40〜100nmである。
ここで、この結晶性シリコン層105の成膜条件は、相対的に高圧力、高水素希釈が好ましく、RFパワー密度としては一般的には0.01〜1W/cm2、望ましくは0.1〜1.0W/cm2である。反応圧力としては、一般的には133.322〜1333.22Pa(1.0〜10torr)、望ましくは133.322〜1066.576Pa(1.0〜8.0torr)である。また、原料ガスはSiH4、Si26、SiH2Cl2、SiF4、SiH22、希釈ガスとしてH2や不活性ガスを用いる。なお、シリコン系原料ガスのH2ガスに対する流量比(H2/SiH4)は、一般には100〜1000倍希釈である。なお、希釈率のより好ましい値は、シリコン系原料ガスがハロゲン系元素を含む場合と、含まない場合で異なる。
また、結晶性シリコン層105の結晶性をより高くするためには、結晶性シリコン層を堆積する工程と水素プラズマを照射する工程とを交互に繰り返しながら堆積する方法が好適に用いられる。これは成膜ガスのマスフローコントローラーを任意に調整することで可能であり、堆積する工程と、水素プラズマ照射の時間配分は、堆積速度と結晶化率を確認した上で、適宜調整される。
結晶性シリコン層105上には場合によってはエッチングストップ層として異なる層を形成しても良い。エッチングストップ層には、SiOx、SiNx、SiON等適宜選択して形成される。エッチングストップ層は、後の工程において積層されるソース及びドレイン電極層を所望のパターンにエッチングにより形成する場合、エッチング材の影響が活性層に影響を及ぼさないようにするために設けるものである。
エッチングストップ層を用いた素子の例を図1(d)に示す。エッチングストップ層108を形成した場合には、不純物含有半導体層103と電気的にコンタクトをするために設計に応じた寸法でエッチングストップ層を除去する。
さらに、結晶性シリコン層105上にレジスト110でパターンを形成した後、ドライエッチとウェットエッチを組み合わせて、あるいはどちらか一方でエッチングし、結晶性シリコン層105を島状にアイソレーションする。
次に結晶シリコン層105上に不純物含有半導体層103としてn型非晶質シリコン層(n型半導体層)を形成する。このn型非晶質シリコン層の厚みは、一般には10〜300nm、望ましくは20〜100nmである。さらに不純物含有半導体層103上に、Mo、Ti、W、Ni、Ta、Cu、Al、あるいはそれらの合金、それらの積層構造体からなるソース及びドレイン電極層102を形成する。
この不純物含有半導体層103、及びソース及びドレイン電極層102は、設計に基づいてフォトリソグラフィー等によりエッチングパターンを形成した後、ハロゲン元素を含むドライエッチやウェットエッチ等により不要な部分を除去する。
次に、本実施形態の実施例について説明する。
[実施例1]
図1(a)に示すように、ガラス基板101上にRFスパッタ法により、成膜条件1の処方を用いて、10nmの酸化チタン層104を堆積させた。続いてDCスパッタ法により50nmのMo層102を堆積させた。さらに続いてプラズマCVD法によりn+ Si層103を30nm堆積した後、フォトリソグラフィーにてエッチングパターンを形成し、ドライエッチングによりソース及びドレイン電極層102をパターニングした。この時、酸化チタン層104は除去せず残した。その上に、プラズマCVD法により成膜条件2の処方により、50nmの結晶性シリコン層105を堆積し、再びフォトリソグラフィーにてエッチングパターンを形成し、ドライエッチングにより島状にパターニングを行なった。
(成膜条件1)
ターゲット 酸化チタン
圧力 5Pa
RF電力 200W
Ar/O2 50/50sccm
(成膜条件2)
基板温度 250℃
RFパワー 0.20W/cm2
圧力 666.61Pa(5.0torr)
膜厚 50nm
2/SiH4 300
次に、この島状の結晶性シリコン層105上にプラズマCVD法によりゲート絶縁層106としてSiNx膜を200nm堆積した。その後、ポジ型フォトレジストを塗布し、基板裏面側(この場合はソース、ドレイン電極側)から露光を行い、ソース及びドレイン電極層102と同じ形状にフォトレジストをパターニングした。
次に、このレジスト上にゲートメタル層としてMo/Al、50nm/500nmのゲート電極層107を堆積した。続いて、フォトレジストのリフトオフにより、ソース及びドレイン電極層102の上に形成されたゲートメタルの一部を除去した後、ゲート電極層107のパターニングを行い、トップゲートスタガー型素子を完成させた。ゲート電極層107のパターニングはウェットエッチングにより行なった。
次に、ソース電極、ドレイン電極のコンタクト部分の上に形成されたゲート絶縁層106をフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより除去した。
そして、このようにして形成したTFTについては、結晶性シリコン層105が最表面にある状態のサンプルについても作成し、Raman分光法を用いて結晶性の評価を行ない、TFTとして作成したサンプルについては電気特性を測定した。
電気測定には、Agilent社製4155C半導体パラメータアナライザを使用し、作製したTFTは25℃に保たれたステージ上で測定した。測定条件は、ソース電極に0V、ドレイン電極に20Vをそれぞれ印加した状態でゲート電圧を−20Vから+20Vまでスィープさせた。この時、ゲート電圧10V印加時のドレイン電流をON電流とした。
また、キャリア移動度はゲート電圧(VG)をスィープさせたときのドレイン電流(Id)のその傾きからキャリア移動度を求めることが可能で、その式は
移動度=A・Δ√(Id)/ΔVG
となる。ここでAはソース及びドレイン電極層の形状及びゲート絶縁層の容量に起因する定数である。この式から、キャリア移動度を求めた。
[比較例1]
本比較例では、酸化チタン層104を形成しなかった以外は実施例1と同様にして、トップゲートスタガー型素子と結晶性シリコン層105が最表面にある状態のサンプルとを完成させ、実施例1と同様に電気測定、キャリア移動度、および結晶性を評価した。
この結果、実施例1の素子は比較例1の素子と比べて、ON電流で5倍、キャリア移動度で2倍優れた電気特性を示した。またRaman分光法による結晶性の評価によれば、520cm-1と500cm-1と480cm-1のピーク強度比から得られる結晶の体積分率は、実施例1では40%、比較例1では30%であった。共に結晶性シリコンであるものの、実施例1の結晶性は比較例1の結晶性に比べて1.3倍高いものが得られた。
このように、実施例1では、結晶性シリコン層が酸化チタン層と接することによって、結晶性シリコン層の結晶性を向上させることができる。
[実施例2]
図1(c)に示すように、ガラス基板101上にボトムゲート逆スタガー型のTFT素子を形成した。ゲート電極層107、ゲート絶縁層106、不純物含有半導体層103、ソース及びドレイン電極層102の形成については、上述の[TFTの製造方法]のとおりである。
実施例1と同様にRFスパッタ法により、成膜条件3の処方を用いて、30nm酸化チタン層104を堆積させた。また、成膜条件4の処方を用いて80nmの結晶性シリコン層105を形成した。
(成膜条件3)
ターゲット 酸化チタン
圧力 1Pa
RF電力 150W
Ar/O2 30/30sccm
(成膜条件4)
基板温度 300℃
RFパワー 0.20W/cm2
圧力 1333.22Pa(10torr)
膜厚 80nm
2/SiH4 600
このようにして形成したTFTと同様にして、結晶性シリコン層105が最表面にある状態のサンプルについても作成し、結晶性の評価を行なった。TFTとして作成したサンプルについては、実施例1と同様に電気特性およびキャリア移動度を測定した。
[比較例2]
本比較例では、酸化チタン層104を形成しなかった以外は実施例2と同様にして、ボトムゲート逆スタガー型素子と、結晶性シリコン層105が最表面にある状態のサンプルとを完成させ、実施例2と同様に評価した。
この結果、実施例2の素子は比較例2の素子と比べて、ON電流で10倍、キャリア移動度で2倍優れた電気特性を示した。またRaman分光法による結晶性の評価によれば、520cm-1と500cm-1と480cm-1のピーク強度比から得られる結晶の体積分率は、実施例2では36%、比較例2では30%であった。共に結晶性シリコンであるものの、実施例2の結晶性は比較例2の結晶性に比べて1.2倍高いものが得られた。
このように、実施例2では、実施例1と同様に、結晶性シリコン層が酸化チタン層と接することによって、結晶性シリコン層の結晶性を向上させることができる。
[実施例3]
図2に示す光起電力素子を形成した。まず、SUS304基板201上にDCマグネトロンスパッタ装置を用いて、反射層202としてAlSi層を500nm形成し、続けて反射増加層203として酸化亜鉛層を反応性スパッタ法により2000nm形成した。次に、酸化亜鉛まで形成した基板をプラズマCVD装置に設置し、第1の導電層204を形成した。ここではPH3/H2ガスを導入しn+型のシリコン層を10nm形成した。
次に、この基板をRFマグネトロンスパッタ装置に設置し、酸化チタン層209を成膜条件5に示す処方にて30nm形成した。酸化チタン層209は形成後フォトリソグラフィーにより、ドット状にコンタクトホールを形成した。次に酸化チタン層209上にプラズマCVD法により、i型の結晶性シリコン層205を成膜条件6の処方にて1000nm形成した。結晶性シリコン層205上に第2の導電層206を形成した。ここではBF3/H2ガスを導入しp+型のシリコン層を10nm形成した。
次に蒸着装置を用いてITOからなる透明電極層207を80nm形成し、最後に集電電極208としてAl電極を、DCマグネトロンスパッタ装置を用いて500nm形成し、パターニングした。
(成膜条件5)
ターゲット 酸化チタン
圧力 10Pa
RF電力 150W
Ar/O2 100/100sccm
(成膜条件6)
基板温度 200℃
RFパワー 0.30W/cm2
圧力 666.61Pa(5.0torr)
膜厚 1000nm
2/SiH4 200
このようにして形成した光起電力素子については、結晶性シリコン層205が最表面にある状態のサンプルも作成し、結晶性の評価を行ない、光起電力素子として作成したサンプルについてはAM1.5のソーラーシミュレーターにより光電変換効率を測定した。
[比較例3]
本比較例では、酸化チタン層209を形成しなかった以外は実施例3と同様にして、光起電力素子を完成させ、実施例3と同様に評価した。
この結果、実施例3の光起電力素子は比較例3の光起電力素子と比べて、光電変換効率の高いものが得られた。またRaman分光法による結晶性の評価によれば、520cm-1と480cm-1のピーク強度比から得られる結晶の体積分率は、実施例3は比較例3に比べて1.2倍高いものが得られた。
このように、実施例3では、実施例1及び2と同様に、結晶性シリコン層が酸化チタン層と接することによって、結晶性シリコン層の結晶性を向上させることができる。
101:基板、102:ソース及びドレイン電極層、103:不純物含有半導体層、104:酸化チタン層、105:結晶性シリコン層、106:ゲート絶縁層、107:ゲート電極層

Claims (7)

  1. 基板上に、
    前記基板側から順に、
    酸化チタンを主成分とする酸化チタン層と、
    結晶性シリコン層と、
    を有し、
    前記酸化チタン層と前記結晶性シリコン層が接していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体装置は、
    前記基板上に、更にソース及びドレイン電極層と、ゲート絶縁層と、ゲート電極層と、を有し、
    前記ゲート電極層、前記ゲート絶縁層、前記酸化チタン層がこの順に積層されており、
    前記結晶性シリコン層が、前記基板とは反対側で前記ソース及びドレイン電極層とオーミック接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体装置は、
    前記酸化チタン層をゲート絶縁層とし、
    前記基板上に、更にソース及びドレイン電極層と、ゲート電極層と、を有し、
    前記ゲート電極層、前記酸化チタン層がこの順に積層されており、
    前記結晶性シリコン層が、前記基板とは反対側で前記ソース及びドレイン電極層とオーミック接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体装置は、
    前記基板上に、更にソース及びドレイン電極層と、ゲート絶縁層と、ゲート電極層と、を有し、
    前記結晶性シリコン層、前記ゲート絶縁層、前記ゲート電極層がこの順に積層されており、
    前記結晶性シリコン層が、前記基板側で前記ソース及びドレイン電極層とオーミック接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記結晶性シリコン層が、PN接合、PIN接合、ヘテロ接合又はショットキー接触を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6. 酸化チタンを主成分とする酸化チタン層を形成する工程と、
    前記酸化チタン層に接して、気相成長法にて結晶性シリコン層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記気相成長法にて結晶性シリコン層を形成する工程は、
    CVD法にてシリコン層を形成する工程と、
    水素プラズマを照射する工程と、
    を交互に繰り返すことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
JP2009274620A 2009-12-02 2009-12-02 半導体装置及びその製造方法 Withdrawn JP2011119397A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009274620A JP2011119397A (ja) 2009-12-02 2009-12-02 半導体装置及びその製造方法
CN201080053857XA CN102630344A (zh) 2009-12-02 2010-11-17 半导体器件及其制造方法
US13/497,798 US20120199880A1 (en) 2009-12-02 2010-11-17 Semiconductor device and production method thereof
PCT/JP2010/070951 WO2011068065A1 (en) 2009-12-02 2010-11-17 Semiconductor device and production method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009274620A JP2011119397A (ja) 2009-12-02 2009-12-02 半導体装置及びその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011119397A true JP2011119397A (ja) 2011-06-16

Family

ID=43531238

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009274620A Withdrawn JP2011119397A (ja) 2009-12-02 2009-12-02 半導体装置及びその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20120199880A1 (ja)
JP (1) JP2011119397A (ja)
CN (1) CN102630344A (ja)
WO (1) WO2011068065A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210130899A (ko) * 2020-04-22 2021-11-02 삼성디스플레이 주식회사 디스플레이 장치

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IN144889B (ja) * 1975-01-13 1978-07-22 Rca Corp
JPS5692573A (en) * 1979-12-26 1981-07-27 Citizen Watch Co Ltd Display panel
JP3197036B2 (ja) * 1991-11-14 2001-08-13 鐘淵化学工業株式会社 結晶質シリコン薄膜の形成方法
US5970368A (en) * 1996-09-30 1999-10-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for manufacturing polycrystal semiconductor film
JP3581546B2 (ja) * 1997-11-27 2004-10-27 キヤノン株式会社 微結晶シリコン膜形成方法および光起電力素子の製造方法
WO2004090195A1 (en) * 2003-04-07 2004-10-21 Fuji Photo Film Co. Ltd. Crystalline-si-layer-bearing substrate and its production method, and crystalline si device
KR101111470B1 (ko) * 2003-11-14 2012-02-21 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 표시 장치 및 그 제조 방법
EP1560272B1 (en) * 2004-01-29 2016-04-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solar cell module
JP5003277B2 (ja) * 2007-05-18 2012-08-15 ソニー株式会社 薄膜の結晶化方法、薄膜半導体装置の製造方法、電子機器の製造方法、および表示装置の製造方法
JP2009146578A (ja) * 2007-12-11 2009-07-02 Noritake Co Ltd 太陽電池および太陽電池用アルミニウムペースト
JP2009274620A (ja) 2008-05-15 2009-11-26 Toyota Motor Corp インストルメントパネル
JP5544859B2 (ja) * 2009-12-15 2014-07-09 信越半導体株式会社 シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102630344A (zh) 2012-08-08
US20120199880A1 (en) 2012-08-09
WO2011068065A1 (en) 2011-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014153871A1 (zh) 薄膜晶体管、非晶硅平板探测基板及制备方法
TW465113B (en) Thin film transistor, liquid crystal display device and method of fabricating the thin film transistor
TW200947725A (en) Improved HIT solar cell structure
JP2009200419A (ja) 太陽電池の製造方法
JP4171162B2 (ja) 光起電力素子およびその製造方法
CN107946189A (zh) 一种薄膜晶体管及其制备方法
JPH0878659A (ja) 半導体デバイス及びその製造方法
WO2014173078A1 (zh) 薄膜晶体管、其制作方法和阵列基板
US8211738B2 (en) Polycrystalline silicon solar cell having high efficiency and method for fabricating the same
Rau et al. Development of a rapid thermal annealing process for polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass
US20080276986A1 (en) Photolithography Method For Contacting Thin-Film Semiconductor Structures
US20160079457A1 (en) Thin film solar cell module including series connected cells formed on a flexible substrate by using lithography
CN109742028A (zh) 一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管和显示面板
JP2011119397A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JPS59181064A (ja) 半導体装置
JP2008227498A (ja) n型及びp型CISを含む薄膜トランジスタ及びその製造方法
JP6058881B2 (ja) フォトダイオード、その製造方法及びそれを含むフォトセンサ
CN112349777B (zh) 具有钙钛矿复合栅结构的GaN HEMT光电探测器及其制备方法
JP2010251549A (ja) 半導体装置及び製造方法
TWI620309B (zh) 光感測器及其製造方法
TWI243484B (en) Thin film transistor and method of making the same
KR20110107934A (ko) 탄소나노튜브/ZnO 투명태양전지 및 그 제조방법
JP2011119575A (ja) 薄膜トランジスタ及びその製造方法
JP5568390B2 (ja) 成膜方法及びトランジスタの作製方法
JPH06120505A (ja) 薄膜トランジスタ

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20130205