JP2012209550A - Microcrystalline semiconductor film and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微結晶半導体膜の作製方法、及び当該微結晶半導体膜を用いた半導体装置の作製方法、及び表示装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a microcrystalline semiconductor film, a method for manufacturing a semiconductor device using the microcrystalline semiconductor film, and a display device.
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、表示装置、電気光学装置、光電変換装置、半導体回路、及び電子機器は全て半導体装置である。 Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and a display device, an electro-optical device, a photoelectric conversion device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices. .
電界効果トランジスタの一種として、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタが知られている。薄膜トランジスタのチャネル領域に用いられる半導体膜に、非晶質シリコン、微結晶シリコン及び多結晶シリコンを用いる技術が開示されている(特許文献1乃至5参照)。薄膜トランジスタの代表的な応用例は、液晶テレビジョン装置であり、表示画面を構成する各画素のスイッチングトランジスタとして実用化されている。
As a kind of field effect transistor, a thin film transistor in which a channel region is formed using a semiconductor film formed over a substrate having an insulating surface is known. Techniques using amorphous silicon, microcrystalline silicon, and polycrystalline silicon for a semiconductor film used for a channel region of a thin film transistor are disclosed (see
また、プラズマCVD法により作製可能な結晶系シリコンとして微結晶シリコンを、光電変換を行う半導体膜に用いた光電変換装置の開発が進められている(例えば、特許文献6参照)。 In addition, development of a photoelectric conversion device using microcrystalline silicon as a crystalline silicon that can be manufactured by a plasma CVD method in a semiconductor film that performs photoelectric conversion is underway (see, for example, Patent Document 6).
非晶質シリコン膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタは、電界効果移動度及びオン電流が低いといった問題がある。一方、微結晶シリコン膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタは、非晶質シリコン膜でチャネル領域が形成される薄膜トランジスタと比較して、電界効果移動度は向上するもののオフ電流が高くなってしまい、十分なスイッチング特性が得られないといった問題がある。 A thin film transistor in which a channel region is formed using an amorphous silicon film has a problem that field-effect mobility and on-state current are low. On the other hand, a thin film transistor in which a channel region is formed using a microcrystalline silicon film has improved field effect mobility but higher off-state current than a thin film transistor in which a channel region is formed using an amorphous silicon film. Therefore, there is a problem that sufficient switching characteristics cannot be obtained.
多結晶シリコン膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタは、上記二種類の薄膜トランジスタよりも電界効果移動度が格段に高く、高いオン電流が得られるといった特性がある。この薄膜トランジスタは、その特性により、画素に設けられるスイッチング用のトランジスタとして使用できることに加えて、高速動作が要求されるドライバ回路をも構成することができる。 A thin film transistor in which a channel region is formed using a polycrystalline silicon film has characteristics that field effect mobility is remarkably higher than that of the above two types of thin film transistors, and a high on-current can be obtained. This thin film transistor can be used as a switching transistor provided in a pixel due to its characteristics, and can also constitute a driver circuit that requires high-speed operation.
しかし、多結晶シリコン膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタの作製工程は、非晶質シリコン膜を用いてチャネル領域が形成される薄膜トランジスタを作製する場合に比べ、半導体膜の結晶化工程が必要となり、製造コストが増大することが問題となっている。例えば、多結晶シリコン膜の製造のために必要なレーザアニール技術は、レーザビームの照射面積が小さく、大画面の液晶パネルを効率良く生産することができないといった問題がある。 However, a manufacturing process of a thin film transistor in which a channel region is formed using a polycrystalline silicon film has a crystallization process of a semiconductor film compared to a manufacturing process of a thin film transistor in which a channel region is formed using an amorphous silicon film. It is necessary and the manufacturing cost increases. For example, the laser annealing technique necessary for manufacturing a polycrystalline silicon film has a problem that the irradiation area of the laser beam is small and a large-screen liquid crystal panel cannot be efficiently produced.
ところで、表示パネルの製造に用いられているガラス基板は、第3世代(550mm×650mm)、第3.5世代(600mm×720mm、または620mm×750mm)、第4世代(680mm×880mm、または730mm×920mm)、第5世代(1100mm×1300mm)、第6世代(1500mm×1850mm)、第7世代(1870mm×2200mm)、第8世代(2200mm×2400mm)、第9世代(2400mm×2800mm)、第10世代(2950mm×3400mm)へと大面積化が進んでいる。ガラス基板の大型化はコストミニマム設計の思想に基づいている。 By the way, the glass substrate used for manufacturing the display panel is the third generation (550 mm × 650 mm), the 3.5th generation (600 mm × 720 mm, or 620 mm × 750 mm), the fourth generation (680 mm × 880 mm, or 730 mm). × 920 mm), 5th generation (1100 mm × 1300 mm), 6th generation (1500 mm × 1850 mm), 7th generation (1870 mm × 2200 mm), 8th generation (2200 mm × 2400 mm), 9th generation (2400 mm × 2800 mm), 1st The area has been increased to 10 generations (2950 mm × 3400 mm). The increase in size of the glass substrate is based on the idea of cost minimum design.
これに対して、第10世代(2950mm×3400mm)におけるような大面積のマザーガラス基板に、高速動作が可能な薄膜トランジスタを、生産性良く製造することができる技術は依然として確立されておらず、そのことが産業界の問題となっている。 On the other hand, a technology capable of manufacturing a thin film transistor capable of high-speed operation with high productivity on a mother glass substrate having a large area as in the 10th generation (2950 mm × 3400 mm) has not yet been established. This is a problem for industry.
そこで、本発明の一態様は、結晶性の高い微結晶半導体膜の作製方法を提供することを課題とする。また、電気特性が良好な半導体装置を、生産性高く作製する方法を提供することを課題とする。 Thus, an object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a microcrystalline semiconductor film with high crystallinity. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device with favorable electrical characteristics with high productivity.
本発明の一態様は、第1の条件により、高い結晶性の混相粒を低い粒密度で有する種結晶を絶縁膜上に形成した後、種結晶上に、第2の条件により混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋めるように第1の微結晶半導体膜を形成し、第1の微結晶半導体膜上に、第3の条件により、第1の微結晶半導体膜に含まれる混相粒の隙間を広げず、且つ結晶性の高い微結晶半導体膜を形成し、第2の微結晶半導体膜上に、第4の条件により混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋めるように第3の微結晶半導体膜を積層形成することを要旨とする。 In one embodiment of the present invention, a seed crystal having high crystalline mixed phase grains with a low grain density is formed on an insulating film according to the first condition, and then the mixed phase grains are grown on the seed crystal according to the second condition. The first microcrystalline semiconductor film is formed so as to fill the gap between the mixed phase grains, and the mixed phase grains included in the first microcrystalline semiconductor film are formed on the first microcrystalline semiconductor film according to the third condition. A microcrystalline semiconductor film having high crystallinity is formed without widening the gap, and the third phase is formed so that the mixed phase grains are grown on the second microcrystalline semiconductor film according to the fourth condition to fill the gaps of the mixed phase grains. The gist of the invention is to stack microcrystalline semiconductor films.
高い結晶性を有する混相粒を低い粒密度で与える第1の条件は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を50倍以上1000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を67Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは67Pa以上13332Pa以下とする条件である。混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋める第2の条件は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とする条件である。第1の微結晶半導体膜に含まれる混相粒の隙間を広げず、且つ結晶性の高い微結晶半導体膜を成膜する第3の条件は、処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とし、且つ微結晶半導体を堆積する第1の周期と、当該微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする上記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行う条件である。第2の微結晶半導体膜上に、第2の微結晶半導体膜に含まれる混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋める第4の条件は第2の条件と同様である。 The first condition for providing the mixed phase grains having high crystallinity at a low grain density is to dilute the deposition gas by increasing the flow rate of hydrogen to 50 to 1000 times the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium, and The conditions are such that the pressure in the processing chamber is 67 Pa to 50000 Pa, more preferably 67 Pa to 13332 Pa. The second condition for growing the mixed-phase grains to fill the gaps between the mixed-phase grains is to dilute the deposition gas by increasing the flow rate of hydrogen to 100 to 2000 times the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium. The condition is that the pressure in the room is 1333 Pa to 50000 Pa, more preferably 1333 Pa to 13332 Pa. The third condition for forming a microcrystalline semiconductor film with high crystallinity without widening the interphase grains contained in the first microcrystalline semiconductor film is that the pressure in the treatment chamber is 1333 Pa to 50000 Pa, more preferably A first period of 1333 Pa to 13332 Pa and a microcrystalline semiconductor is deposited and a second period longer than the first period of selectively etching an amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor This is an alternating condition. A fourth condition for growing a mixed phase grain contained in the second microcrystalline semiconductor film on the second microcrystalline semiconductor film to fill a gap between the mixed phase grains is the same as the second condition.
本発明の一態様は、第1の条件により非晶質半導体領域と、単結晶とみなせる微小結晶である結晶子とを含む混相粒を有する種結晶をプラズマCVD法で形成し、第2の条件により種結晶上に第1の微結晶半導体膜をプラズマCVD法で形成し、第3の条件により第1の微結晶半導体膜上に第2の微結晶半導体膜を形成し、第4の条件により第2の微結晶半導体膜上に第3の微結晶半導体膜を形成する方法であって、第1の条件は、処理室内に供給する原料ガスとしてシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と水素が含まれたガスを用い、堆積性気体の流量に対する水素の流量を50倍以上1000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を67Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは67Pa以上13332Pa以下とする条件である。また、第2の条件及び第4の条件は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とする条件であることを特徴とする。また、第3の条件は、処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とし、且つ微結晶半導体を堆積する第1の周期と、当該微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする上記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行う条件である。 According to one embodiment of the present invention, a seed crystal having a mixed phase grain including an amorphous semiconductor region and a crystallite that can be regarded as a single crystal is formed by a plasma CVD method according to a first condition. To form a first microcrystalline semiconductor film on the seed crystal by a plasma CVD method, to form a second microcrystalline semiconductor film on the first microcrystalline semiconductor film under the third condition, and according to the fourth condition. A method for forming a third microcrystalline semiconductor film over a second microcrystalline semiconductor film, wherein the first condition includes a deposition gas containing silicon or germanium and hydrogen as a source gas supplied into a processing chamber The deposited gas is diluted by increasing the flow rate of hydrogen with respect to the flow rate of the deposition gas by 50 times or more and 1000 times or less, and the pressure in the processing chamber is 67 Pa or more and 50000 Pa or less, more preferably 67 Pa or more and 13332P. It is a condition to the following. Further, the second condition and the fourth condition are that the flow rate of hydrogen is 100 times to 2000 times the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium to dilute the deposition gas, and the pressure in the processing chamber is set to 1333 Pa. It is characterized in that the conditions are not less than 50000 Pa and more preferably not less than 1333 Pa and not more than 13332 Pa. The third condition is that the pressure in the treatment chamber is 1333 Pa to 50000 Pa, more preferably 1333 Pa to 13332 Pa, the first cycle in which the microcrystalline semiconductor is deposited, and the amorphous contained in the microcrystalline semiconductor. This is a condition for alternately performing a second period longer than the first period for selectively etching the semiconductor region.
なお、種結晶においては、複数の混相粒が、分散した状態や連続した状態(即ち、膜状)となる場合がある。また、プラズマを生成するパワーは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量の比に合わせて適宜選択することが好ましい。 In a seed crystal, a plurality of mixed phase grains may be in a dispersed state or a continuous state (that is, a film shape). The power for generating plasma is preferably selected as appropriate in accordance with the ratio of the flow rate of hydrogen to the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium.
また、本発明の一態様において、上記第1の条件乃至上記第4の条件の少なくとも一つに用いられる原料ガスに希ガスを加えることも可能である。 In one embodiment of the present invention, a rare gas can be added to the source gas used in at least one of the first to fourth conditions.
本発明の一態様は、絶縁膜上に、第1の条件により、高い結晶性の混相粒を低い粒密度で有する種結晶をプラズマCVD法により形成し、種結晶上に、第2の条件により混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋めるように第1の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成し、第1の微結晶半導体膜上に、第3の条件により、第1の微結晶半導体膜に含まれる混相粒の隙間を広げず、且つ結晶性の高い第2の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成し、第2の微結晶半導体膜上に、第4の条件により混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋めるように第3の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成するものである。 In one embodiment of the present invention, a seed crystal having high crystalline mixed-phase grains with a low grain density is formed by a plasma CVD method on an insulating film under a first condition, and the seed crystal is formed on the seed crystal according to a second condition. A first microcrystalline semiconductor film is formed by a plasma CVD method so as to grow mixed phase grains to fill a gap between the mixed phase grains, and the first microcrystalline semiconductor film is formed on the first microcrystalline semiconductor film under a third condition. A second microcrystalline semiconductor film having high crystallinity is formed by a plasma CVD method without expanding a gap between mixed phase grains included in the semiconductor film, and the mixed phase grains are formed on the second microcrystalline semiconductor film under a fourth condition. The third microcrystalline semiconductor film is formed by plasma CVD so as to fill the gaps in the mixed phase grains.
また、本発明の一態様は、上記積層された種結晶、第1の微結晶半導体膜、第2の微結晶半導体膜、及び第3の微結晶半導体膜で構成される微結晶半導体膜を用いてチャネル領域を形成する薄膜トランジスタを有する半導体装置の作製方法である。 Another embodiment of the present invention uses a microcrystalline semiconductor film including the stacked seed crystal, the first microcrystalline semiconductor film, the second microcrystalline semiconductor film, and the third microcrystalline semiconductor film. And a method for manufacturing a semiconductor device including a thin film transistor that forms a channel region.
また、本発明の一態様は、上記積層された種結晶、第1の微結晶半導体膜、第2の微結晶半導体膜、及び第3の微結晶半導体膜で構成される微結晶半導体膜を、p型を示す半導体膜、n型を示す半導体膜、及び光電変換を行う半導体膜の一以上に用いた光電変換装置の作製方法である。 Another embodiment of the present invention includes a microcrystalline semiconductor film including the stacked seed crystal, the first microcrystalline semiconductor film, the second microcrystalline semiconductor film, and the third microcrystalline semiconductor film. This is a method for manufacturing a photoelectric conversion device used for one or more of a semiconductor film exhibiting p-type conductivity, a semiconductor film exhibiting n-type conductivity, and a semiconductor film performing photoelectric conversion.
本発明の一態様を適用することで、結晶性の高い微結晶半導体膜を作製することができる。また、電気特性が良好な半導体装置を、生産性高く作製することができる。 By applying one embodiment of the present invention, a microcrystalline semiconductor film with high crystallinity can be manufactured. In addition, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be manufactured with high productivity.
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるからである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description. It will be readily understood by those skilled in the art that various changes in form and details can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments and examples. Note that in describing the structure of the present invention with reference to the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態では、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜の作製方法について、図1及び図2を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a method for manufacturing a microcrystalline semiconductor film in which the surface is flat and crystallinity is improved by reducing gaps between mixed phase grains will be described with reference to FIGS.
図1(A)に示すように、基板51上に絶縁膜55を形成し、絶縁膜55上に種結晶57を形成する。
As shown in FIG. 1A, an insulating
基板51としては、ガラス基板、セラミック基板の他、本作製工程の処理温度に耐えうる程度の耐熱性を有するプラスチック基板等を用いることができる。また、基板に透光性を要しない場合には、ステンレス等の金属の基板を用いてもよい。ガラス基板としては、例えば、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス若しくはアルミノケイ酸ガラス等の無アルカリガラス基板を用いるとよい。なお、基板51のサイズに限定はなく、例えば上述のフラットパネルディスプレイの分野でよく使われる第3世代乃至第10世代のガラス基板を用いることができる。
As the
絶縁膜55は、CVD法またはスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜を、単層でまたは積層して形成することができる。
The insulating
なお、ここでは、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)及び水素前方散乱法(HFS:Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)を用いて測定した場合に、組成範囲として酸素が50〜70原子%、窒素が0.5〜15原子%、シリコンが25〜35原子%、水素が0.1〜10原子%の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、RBS及びHFSを用いて測定した場合に、組成範囲として酸素が5〜30原子%、窒素が20〜55原子%、シリコンが25〜35原子%、水素が10〜30原子%の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を100原子%としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。 Note that, here, silicon oxynitride has a composition containing more oxygen than nitrogen, and preferably Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) and Hydrogen Forward Scattering (HFS). : Hydrogen Forward Scattering Spectrometry), the composition ranges from 50 to 70 atomic% for oxygen, 0.5 to 15 atomic% for nitrogen, 25 to 35 atomic% for silicon, and 0.1 to 10 for hydrogen. It is included in the atomic% range. In addition, silicon nitride oxide has a composition containing more nitrogen than oxygen, and preferably has a composition range of 5 to 30 atomic% when measured using RBS and HFS. Nitrogen is contained in the range of 20 to 55 atomic%, silicon is contained in the range of 25 to 35 atomic%, and hydrogen is contained in the range of 10 to 30 atomic%. However, when the total number of atoms constituting silicon oxynitride or silicon nitride oxide is 100 atomic%, the content ratio of nitrogen, oxygen, silicon, and hydrogen is included in the above range.
種結晶57としては、微結晶半導体、代表的には、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム等を用いて形成する。種結晶57は、複数の混相粒が分散した状態、混相粒が連続した膜の状態、または混相粒及び非晶質半導体領域が連続した膜の状態を含む。このため、種結晶57は、混相粒57aや非晶質半導体が隣接せず、混相粒57aの間に隙間57bを有するものも含む。さらに、混相粒の粒密度(面内における混相粒の存在割合)が低く、且つ混相粒の結晶性が高いことを特徴とする。
The
種結晶57は、プラズマCVD装置の処理室内において、高い結晶性を有する混相粒を低い粒密度で与える第1の条件を用いて、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。または、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスとを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。ここでは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を50倍以上1000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を67Pa以上50000Pa以下(0.5Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは67Pa以上13332Pa以下(0.5Torr以上100Torr以下)とする第1の条件により、種結晶57として微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、微結晶ゲルマニウム等を形成する。このときの堆積温度は、室温〜350℃とすることが好ましく、より好ましくは150〜280℃とする。なお、処理室の上部電極及び下部電極の間隔は、プラズマが発生しうる間隔とすればよい。第1の条件を用いて形成することで、結晶成長が促進され、種結晶57に含まれる混相粒57aの結晶性が高まる。即ち、種結晶57に含まれる混相粒57aに含まれる結晶子の大きさが増大する。また、隣り合う混相粒57aの間に隙間57bができ、混相粒57aは低い粒密度で形成される。なお、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量は、希釈されてない100%のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量である。このため、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が希釈されている場合は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を100%として、水素流量を調整すればよい。
In the processing chamber of the plasma CVD apparatus, the
シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の代表例としては、SiH4、Si2H6、GeH4、Ge2H6等がある。 Typical examples of the deposition gas containing silicon or germanium include SiH 4 , Si 2 H 6 , GeH 4 , and Ge 2 H 6 .
種結晶57の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを追加することで、種結晶57の成膜速度が高まる。この結果、種結晶57に混入される不純物量が低減するため、種結晶57の結晶性を高めることができる。また、種結晶57の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを追加することで、高いパワーを供給せずとも安定したプラズマを発生させることが可能であるため、種結晶57のプラズマダメージを低減することが可能であり、種結晶57の結晶性を高めることができる。
By adding a rare gas such as helium, neon, argon, krypton, or xenon to the source gas of the
種結晶57を形成する際のグロー放電プラズマの生成は、3MHzから30MHz、代表的には13.56MHz、27.12MHzのHF帯の高周波電力、または30MHzより大きく300MHz程度までのVHF帯の高周波電力、代表的には、60MHzを印加することで行われる。また、1GHz以上のマイクロ波の高周波電力を印加することで行われる。なお、高周波電力はパルス状に印加されるパルス発振や、連続的に印加される連続発振とすることができる。また、HF帯の高周波電力と、VHF帯の高周波電力を重畳させることで、大面積基板においてもプラズマのムラを低減し、膜厚及び膜質の均一性を高めることができると共に、堆積速度を高めることができる。
The generation of glow discharge plasma when forming the
上記のようにシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を高くすることで、種結晶57の堆積と同時に、種結晶57に含まれる非晶質半導体領域のエッチングが生じ、結晶性の高い混相粒57aが形成されると共に、隣り合う混相粒57aの間に隙間57bができる。装置構成及び被膜表面の化学状態によって最適な条件は異なるが、混相粒57aがほとんど堆積しなければ、上記シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量の比を小さく、またはRF電力を小さくすればよい。一方、混相粒57aの粒密度が高い場合、または非晶質半導体領域が結晶性半導体領域よりも多い場合は、上記シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量の比を大きく、またはRF電力を大きくすればよい。種結晶57の堆積の様子はSEM(Scanning Electron Microscopy)及びラマン分光法により評価することができる。上記流量比及び処理室内の圧力条件により、良好な結晶性を有し、且つ混相粒57a間に好ましい隙間を保つ種結晶57を形成することができる。この結果、種結晶57に含まれる非晶質半導体領域をエッチングしつつ、混相粒57aが形成されるため、結晶成長が促進され、混相粒57aの結晶性が高まる。即ち、混相粒57aに含まれる結晶子の大きさが増大する。また、隣接する混相粒57aの間の非晶質半導体領域がエッチングされるため、隣接する混相粒57aは互いに隙間57bを有しており、従って混相粒57aは低い粒密度で形成される。なお、本実施の形態における第1の条件で種結晶57を形成すると、混相粒57aの粒径にはばらつきが生じる場合がある。
As described above, by increasing the flow rate of hydrogen relative to the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium, etching of the amorphous semiconductor region included in the
次に、図1(B)に示すように、種結晶57上に第1の微結晶半導体膜59を形成する。第1の微結晶半導体膜59は、種結晶57の結晶子を成長させて混相粒の隙間を埋める条件で形成することを特徴とする。
Next, as illustrated in FIG. 1B, a first
第1の微結晶半導体膜59は、プラズマCVD装置の処理室内において、第2の条件により、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。または、第2の条件の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。ここでは、第2の条件を、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下(10Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下(10Torr以上100Torr以下)とする。なお、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量は、希釈されていない100%のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量である。このため、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が希釈されている場合は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を100%として、水素流量を調整すればよい。
The first
上記第2の条件により、第1の微結晶半導体膜59として微結晶シリコン膜、微結晶シリコンゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜等を形成する。このときの堆積温度は、室温〜350℃とすることが好ましく、より好ましくは150〜280℃とする。なお、処理室の上部電極及び下部電極の間隔は、プラズマが発生しうる間隔とすればよい。
Under the second condition, a microcrystalline silicon film, a microcrystalline silicon germanium film, a microcrystalline germanium film, or the like is formed as the first
第1の微結晶半導体膜59を形成する際の、グロー放電プラズマの生成は、種結晶57の条件を適宜用いることができる。なお、種結晶57及び第1の微結晶半導体膜59のグロー放電プラズマの生成は、同じ条件で行うことでスループットを向上させることができるが、異なっていてもよい。
When the first
第1の微結晶半導体膜59は、種結晶57の結晶子を成長させて混相粒57aの隙間57bを埋める第2の条件で形成される。第2の条件を上記条件とすると、処理室内の圧力が高いため、平均自由行程が短く、水素ラジカル及び水素イオンは衝突のたびにエネルギーを失うため、水素ラジカルや水素イオンのエネルギーが低くなり、被覆率が向上すると共に、イオンダメージが低減し、欠陥低減に寄与する。また、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の希釈比が高く、水素ラジカルの生成量が増加するため、非晶質半導体領域をエッチングしつつ、混相粒57aに含まれる結晶子を核として結晶成長する。この結果、第1の微結晶半導体膜59は、非晶質半導体領域に対する結晶領域の割合が増加し、結晶性が高まる。また、堆積中の第1の微結晶半導体膜59の欠陥低減に寄与する。
The first
なお、種結晶57の混相粒57aの隙間57bに、新たに第1の微結晶半導体膜59の混相粒が発生することで、第1の微結晶半導体膜59の混相粒の大きさは小さくなってしまうため、種結晶57の混相粒57aの発生頻度に対して、第1の微結晶半導体膜59の混相粒の発生頻度は少ない方が好ましい。この結果、種結晶57の混相粒57aに含まれる結晶子を核とし、当該種結晶57からの結晶成長を優先させることができる。
Note that a new mixed phase grain of the first
このとき、第1の微結晶半導体膜59は、種結晶57の混相粒57aに含まれる結晶子を核として結晶成長する。また、第1の微結晶半導体膜59の混相粒の大きさは、種結晶57の混相粒57aの間隔に依存する。このため、種結晶57の混相粒57aの粒密度が低いと、混相粒57aの間隔が広がるため、第1の微結晶半導体膜59の混相粒の結晶成長距離が伸び、第1の微結晶半導体膜59の混相粒の大粒径化が可能である。
At this time, the first
次に、図1(C)に示すように、第1の微結晶半導体膜59上に第2の微結晶半導体膜61を形成する。第2の微結晶半導体膜61は、第1の微結晶半導体膜に含まれる混相粒の隙間を広げず、且つ第1の微結晶半導体膜59より結晶性の高い微結晶半導体膜を成膜する条件で形成することを特徴とする。
Next, as illustrated in FIG. 1C, a second
第2の微結晶半導体膜61は、プラズマCVD装置の処理室内において、第3の条件により、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。または、第3の条件により、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスとを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。ここでは、第3の条件は、処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とし、且つ微結晶半導体を堆積する第1の周期と、当該微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする上記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行う条件である。
The second
微結晶半導体を堆積する第1の周期と、当該微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする上記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行うためには、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素との流量比を交互に増減すればよく、具体的にはシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体または水素の流量を増減すればよい。シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量比が低い場合、代表的には堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にすることで、微結晶半導体の堆積及び結晶成長が優先的に生じる。一方、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量比が高い場合、代表的にはシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を0sccm以上0.3sccm以下とし、水素流量を1000sccmより高くすることで、微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域のエッチングが優先的に生じる。このとき、水素の流量を一定とし、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量を増減させる場合は、第1の周期と同様の流量の水素を処理室に導入することで、第1の周期及び第2の周期において処理室内の圧力を一定に保つことが可能であるため、第2の微結晶半導体膜の膜質の均一性を高めることができる。なお、処理室の圧力を1333Pa以上50000Pa以下、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下とすることで、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量比が高い場合は、微結晶半導体に含まれる結晶子よりも非晶質半導体領域が優先的にエッチングされる。なお、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量比は、希釈されず100%のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量比である。このため、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が希釈されている場合は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を100%として、水素流量を調整すればよい。 In order to alternately perform the first period for depositing the microcrystalline semiconductor and the second period longer than the first period for selectively etching the amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor, The flow rate ratio between the deposition gas containing silicon or germanium and hydrogen may be increased or decreased alternately. Specifically, the flow rate of the deposition gas or hydrogen containing silicon or germanium may be increased or decreased. When the flow ratio of hydrogen to a deposition gas containing silicon or germanium is low, typically, the flow rate of hydrogen with respect to the deposition gas flow is set to 100 to 2000 times to deposit microcrystalline semiconductors and grow crystals. Occurs preferentially. On the other hand, when the flow ratio of hydrogen to the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is high, typically, the deposition gas containing silicon or germanium is set to 0 sccm or more and 0.3 sccm or less, and the hydrogen flow rate is set higher than 1000 sccm. Thus, etching of the amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor occurs preferentially. At this time, in the case where the flow rate of hydrogen is constant and the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is increased or decreased, hydrogen having a flow rate similar to that in the first cycle is introduced into the treatment chamber, so that the first cycle and Since the pressure in the treatment chamber can be kept constant in the second period, the uniformity of the film quality of the second microcrystalline semiconductor film can be improved. Note that when the pressure in the treatment chamber is 1333 Pa to 50000 Pa, more preferably 1333 Pa to 13332 Pa, the flow rate of hydrogen to the deposition gas containing silicon or germanium is high, the crystallites included in the microcrystalline semiconductor The amorphous semiconductor region is preferentially etched rather than. Note that the flow rate ratio of hydrogen to the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is the flow rate ratio of hydrogen to the deposition gas containing 100% silicon or germanium without dilution. For this reason, when the deposition gas containing silicon or germanium is diluted, the hydrogen flow rate may be adjusted by setting the deposition gas containing silicon or germanium to 100%.
上記第3の条件により、第2の微結晶半導体膜61として微結晶シリコン膜、微結晶シリコンゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜等を形成する。この結果、第2の微結晶半導体膜61は第1の微結晶半導体膜59の混相粒の隙間を広げず、且つ、第1の微結晶半導体膜よりも結晶性が高まる。このときの堆積温度は、室温〜350℃とすることが好ましく、より好ましくは150〜280℃とする。なお、処理室の上部電極及び下部電極の間隔は、プラズマが発生しうる間隔とすればよい。
Under the third condition, a microcrystalline silicon film, a microcrystalline silicon germanium film, a microcrystalline germanium film, or the like is formed as the second
なお、第2の微結晶半導体膜61の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを追加してもよい。
Note that a rare gas such as helium, neon, argon, krypton, or xenon may be added to the source gas of the second
第2の微結晶半導体膜61を形成する際の、グロー放電プラズマの生成は、種結晶57の条件を適宜用いることができる。なお、種結晶57、第1の微結晶半導体膜59、及び第2の微結晶半導体膜61のグロー放電プラズマの生成を同じ条件で行うことで、スループットを向上させることができるが、異なっていてもよい。
The conditions for the
ここで、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素との流量比を交互に増減させる方法について、図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態に示す第2の微結晶半導体膜61の形成方法における原料ガス及び装置に供給する電力の時間的変化を示すタイミングチャートである。なお、図2において、実線71は、プラズマCVD装置の電源のオンオフ状態を示し、実線73は水素の流量を示し、実線75はシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体(図2はシラン)の流量を示し、実線79は希ガス(図2ではアルゴン)の流量を示す。
Here, a method for alternately increasing or decreasing the flow ratio of the deposition gas containing silicon or germanium and hydrogen will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a timing chart showing temporal changes in the source gas and the power supplied to the apparatus in the method for forming the second
プラズマCVD装置の処理室に、原料ガスであるシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを導入し、処理室を所定の圧力とする。また、基板51の温度を所定の温度とする。このとき、水素は一定流量(図2では流量a)で処理室に供給する。
A deposition gas containing silicon or germanium, which is a source gas, and hydrogen are introduced into a processing chamber of the plasma CVD apparatus, and the processing chamber is set to a predetermined pressure. Further, the temperature of the
次に、高周波電源の電源をONとし、プラズマ放電を行う。シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体は、交互に流量を増減させながら、処理室に供給する。ここでは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素との流量比を交互に増減させることをサイクルフローという。本実施の形態では、電力をONとした後に流量cのシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体をt1秒流す第1の周期と、流量b(0<b<c)のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体をt2秒流す第2の周期とを繰り返す。ここでは、第2の周期のt2秒は第1の周期のt1秒より長いことを特徴とする。シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量は、第1の周期と比較して第2の周期の方が少ないため、第1の周期より第2の周期の方が、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体に対する水素の流量比が大きい。第1の周期において、堆積性気体に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下とすると、後のプラズマ放電により、微結晶半導体の堆積及び結晶成長が優先的に生じ、第2の周期においては、非晶質半導体領域のエッチングが優先的に生じる。 Next, the power source of the high frequency power source is turned on to perform plasma discharge. A deposition gas containing silicon or germanium is supplied to the processing chamber while alternately increasing or decreasing the flow rate. Here, alternately increasing or decreasing the flow rate ratio between the deposition gas containing silicon or germanium and hydrogen is referred to as a cycle flow. In this embodiment, after turning on the power, a first period in which a deposition gas containing silicon or germanium at a flow rate c is supplied for t1 seconds, and a deposition property containing silicon or germanium at a flow rate b (0 <b <c) is used. The second period of flowing the gas for t2 seconds is repeated. Here, t2 seconds of the second period is longer than t1 seconds of the first period. Since the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is smaller in the second period than in the first period, the deposition period containing silicon or germanium is more in the second period than in the first period. The flow ratio of hydrogen to gas is large. In the first cycle, when the flow rate of hydrogen with respect to the deposition gas is set to 100 times or more and 2000 times or less, the subsequent plasma discharge causes preferential deposition and crystal growth of the microcrystalline semiconductor, and in the second cycle, Etching of the amorphous semiconductor region occurs preferentially.
第1の周期及び第2の周期におけるプラズマ中では、水素ラジカルと共に、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体から生成されるラジカルも形成される。処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下(10Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下(10Torr以上100Torr以下)とすると処理室内の圧力が高いため、堆積性気体の平均自由行程が短く、水素ラジカル及び水素イオンは衝突のたびにエネルギーを失うため、第1の微結晶半導体膜59に到達するころには水素ラジカルや水素イオンのエネルギーが低くなる。
In the plasma in the first period and the second period, radicals generated from a deposition gas containing silicon or germanium are formed together with hydrogen radicals. When the pressure in the treatment chamber is 1333 Pa to 50,000 Pa (10 Torr to 370 Torr or less), more preferably 1333 Pa to 13332 Pa (10 Torr to 100 Torr), the mean free path of the deposition gas is short because hydrogen is high. Since radicals and hydrogen ions lose energy each time they collide, when they reach the first
上記圧力下のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量が多い第1の周期(図2においては、流量cである期間)では、流量bである第2の周期と比較して、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体から生成されるラジカルが多数存在するため、第1の微結晶半導体膜59の表面においては、エッチング作用より微結晶半導体の堆積及び結晶成長の方が優位となる。また、処理室内を上記の圧力とすると、イオンやラジカルのエネルギーが低くなるため、堆積中の第2の微結晶半導体膜61に対するプラズマダメージが低減し、欠陥低減に寄与する。
In the first period in which the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium under the above pressure is large (in FIG. 2, the period where the flow rate is c), silicon or germanium is compared with the second period where the flow rate is b. Since there are a large number of radicals generated from the deposition gas containing, on the surface of the first
また、上記圧力下のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量が少ない第2の周期(図2においては、流量bである期間)では、プラズマ中で解離された水素ラジカルが、第2の条件で形成した第1の微結晶半導体膜59及び第1の微結晶半導体膜59上に堆積した微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングし、結晶子を露出させる。
Further, in the second period (the period of flow rate b in FIG. 2) in which the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium under the pressure is small, hydrogen radicals dissociated in the plasma are subjected to the second condition. The first
上記第1の周期及び第2の周期を繰り返すことで、第2の周期では非晶質半導体領域の優先的なエッチングによる結晶子の露出と、第1の周期では露出された結晶子を核とする結晶成長とが交互に起きるため、混相粒の結晶子の大きさが大きくなり、さらには配向面を有する結晶成長が生じる。また、第1の周期よりも第2の周期の方が長いため、微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域のエッチングが十分に行われるため、第2の微結晶半導体膜に含まれる非晶質半導体量を低減することが可能である。これらの結果、第1の微結晶半導体膜に含まれる混相粒の隙間を広げず、且つ第1の微結晶半導体膜より結晶性の高い第2の微結晶半導体膜を形成することができる。また、第2の微結晶半導体膜61の欠陥を低減することができる。
By repeating the first period and the second period, the crystallites are exposed by preferential etching of the amorphous semiconductor region in the second period, and the exposed crystallites are used as nuclei in the first period. Since crystal growth occurs alternately, the size of crystallites of mixed phase grains increases, and further crystal growth having an orientation plane occurs. In addition, since the second period is longer than the first period, the amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor is sufficiently etched, so that the amorphous state included in the second microcrystalline semiconductor film is obtained. It is possible to reduce the amount of quality semiconductor. As a result, the second microcrystalline semiconductor film having higher crystallinity than the first microcrystalline semiconductor film can be formed without widening the gap between the mixed phase grains contained in the first microcrystalline semiconductor film. In addition, defects in the second
また、第2の周期において、わずかな流量、代表的には0sccmより多く0.3sccm以下の流量のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を流すことで、当該堆積性気体から生成されるわずかなラジカル(代表的には、シリルラジカル)が、非晶質半導体領域のエッチングにより露出された結晶子のダングリングボンドに結合するため、結晶性の高い結晶成長が生じる。即ち、エッチングと共に、結晶成長が生じるため、第2の微結晶半導体膜61の結晶性がより高くなる。
In addition, in the second period, a small amount of radicals generated from the deposition gas by flowing a deposition gas containing silicon or germanium at a slight flow rate, typically greater than 0 sccm and less than or equal to 0.3 sccm. Since (typically, silyl radicals) are bonded to dangling bonds of crystallites exposed by etching of the amorphous semiconductor region, crystal growth with high crystallinity occurs. That is, crystal growth occurs with etching, so that the crystallinity of the second
なお、はじめに、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量を流量cとした第1の周期の後、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量を流量bとする第2の周期に変更しているが、はじめに流量bのシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を流す第2の周期の後、流量cとする第1の周期に変更してもよい。なお、t1及びt2は、数秒から数十秒が好ましい。t1及びt2が数分になってしまうと、例えばt1において結晶性の低い厚さ数nmの微結晶半導体膜が形成されてしまい、こののちt2においては微結晶半導体膜の表面しか反応せず、微結晶半導体膜の内部の結晶性を高めることが困難なためである。 First, after the first period in which the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is the flow rate c, the flow rate is changed to the second cycle in which the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium is the flow rate b. However, you may change into the 1st period set as the flow volume c after the 2nd period which flows the deposition gas containing the silicon | silicone or germanium of the flow volume b first. T1 and t2 are preferably several seconds to several tens of seconds. When t1 and t2 become several minutes, for example, a microcrystalline semiconductor film having a low crystallinity of several nanometers is formed at t1, and then only the surface of the microcrystalline semiconductor film reacts at t2, This is because it is difficult to increase crystallinity inside the microcrystalline semiconductor film.
また、ここでは、第1の周期、即ち流量cのシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を流す時間を全てt1秒としているが、異ならせてもよい。また、第2の周期、即ち流量b(b<c)のシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を流す時間を全てt2秒としているが、異ならせてもよい。 Here, the first period, that is, the time for flowing the deposition gas containing silicon or germanium at the flow rate c is all t1 seconds, but may be different. In addition, the second period, that is, the flow time of the deposition gas containing silicon or germanium at the flow rate b (b <c) is all t2 seconds, but may be varied.
また、図2の実線79で示すように、原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを導入しないが、破線77で示すように、希ガスを処理室に導入してもよい。または、希ガスを交互に増減させながら処理室に導入してもよい。
Further, as shown by the
なお、ここでは、水素の流量を一定としたが、第2の微結晶半導体膜61の形成に必要な量の水素であれば、流量を変化させてもよい。また、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を一定流量とし、水素の流量を交互に増減させてもよい。
Note that although the flow rate of hydrogen is constant here, the flow rate may be changed as long as it is an amount of hydrogen necessary for forming the second
また、高周波電源をオンにしたまま、原料ガスの流量を切り替えることで、第2の微結晶半導体膜61の堆積速度を向上させることができる。
In addition, the deposition rate of the second
また、処理室へのシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量をcとした後、即ち第1の周期の後、高周波電源を切断してもよい。または、処理室へのシリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量をbとした後、即ち第2の周期の後、高周波電源を切断してもよい。 Further, the high frequency power supply may be turned off after setting the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium to the processing chamber as c, that is, after the first period. Alternatively, after setting the flow rate of the deposition gas containing silicon or germanium to the processing chamber as b, that is, after the second period, the high frequency power supply may be cut off.
また、ここでは、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量bを0<b<cとしているが、流量bをb=0sccmとしてもよい。即ち、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体を導入する周期と導入しない周期を交互に設けてもよい。また、高周波電源は破線72に示すように、第1の周期のときに成膜速度を高めるために電力を高くし、第2の周期のときに微結晶半導体に含まれる結晶子のエッチングを低減するために電力を低くしてもよい。
Here, the flow rate b of the deposition gas containing silicon or germanium is 0 <b <c, but the flow rate b may be b = 0 sccm. That is, the period for introducing the deposition gas containing silicon or germanium and the period for not introducing the deposition gas may be alternately provided. In addition, as indicated by a
なお、処理室内の圧力が1333Pa以上50000Pa以下(10Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下(10Torr以上100Torr以下)であれば、第1の条件の圧力より第2の条件の圧力が高くともよい。または、第2の条件より第1の条件の圧力が高くともよい。または、第1の条件及び第2の条件の圧力は同じであってもよい。 If the pressure in the processing chamber is 1333 Pa to 50000 Pa (10 Torr to 370 Torr or less), more preferably 1333 Pa to 13332 Pa (10 Torr to 100 Torr), the pressure in the second condition is higher than the pressure in the first condition. Also good. Alternatively, the pressure of the first condition may be higher than the second condition. Alternatively, the pressures in the first condition and the second condition may be the same.
次に、図1(D)に示すように、第2の微結晶半導体膜61上に第3の微結晶半導体膜63を形成する。第3の微結晶半導体膜63は、混相粒を成長させて混相粒の隙間を埋める条件で形成することを特徴とする。
Next, as shown in FIG. 1D, a third
第3の微結晶半導体膜63は、プラズマCVD装置の処理室内において、第4の条件により、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。または、第4の条件により、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスとを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。なお、第4の条件は、第2の条件と同様である。
The third
上記第4の条件により、第3の微結晶半導体膜63として微結晶シリコン膜、微結晶シリコンゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜等を形成する。
Under the fourth condition, a microcrystalline silicon film, a microcrystalline silicon germanium film, a microcrystalline germanium film, or the like is formed as the third
第4の条件を上記第2条件と同様とすると、処理室内の圧力が高いため、平均自由行程が短く、水素ラジカル及び水素イオンは衝突のたびにエネルギーを失うため、水素ラジカルや水素イオンのエネルギーが低くなり、被覆率が向上する。また、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の希釈比が高く、水素ラジカルの生成量が増加するため、非晶質半導体領域をエッチングしつつ、第2の微結晶半導体膜61に含まれる結晶子を核として結晶成長する。この結果、第3の微結晶半導体膜63は、非晶質半導体領域に対する結晶領域の割合が増加し、結晶性が高まる。また、第2の微結晶半導体膜61及び堆積中の第3の微結晶半導体膜63の平坦化に寄与する。
If the fourth condition is the same as the second condition, the pressure in the processing chamber is high, the mean free path is short, and hydrogen radicals and hydrogen ions lose energy each time they collide. Becomes lower and the coverage is improved. In addition, since the deposition ratio of the deposition gas containing silicon or germanium is high and the amount of hydrogen radicals generated is increased, the crystallites included in the second
以上の工程により、微結晶半導体膜64を形成することができる。
Through the above steps, the
ここで、図1(E)〜図1(H)に、本実施の形態に示す微結晶半導体膜64の成膜概念図を示す。図1(E)〜図1(H)は、それぞれ図1(A)〜図1(D)における堆積状態を模式化した拡大図である。
Here, FIGS. 1E to 1H are conceptual diagrams of forming the
図1(E)に示すように、種結晶57の堆積工程は、後に形成される微結晶半導体膜63に含まれる混相粒の大きさを大きくするために、混相粒57aを散在させる工程である。このため、図1(E)に示すように、種結晶57は、混相粒57aが隙間57bをおいて堆積される。
As shown in FIG. 1E, the
図1(F)に示すように、第1の微結晶半導体膜59の堆積工程は、種結晶粒子を元に結晶成長させ、隙間の極めて少ない混相粒を有する膜を形成する工程である。このため、混相粒57aを種として結晶成長しながら微結晶半導体58が堆積される。なお、処理室の圧力を1333Pa以上50000Pa以下(10Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下(10Torr以上100Torr以下)とすると、微結晶半導体58は、膜厚方向だけでなく、平面方向にも結晶成長するため、微結晶半導体58同士の隙間が埋まり、微結晶半導体58同士が接する。
As shown in FIG. 1F, the deposition process of the first
図1(G)に示すように、第2の微結晶半導体膜61の堆積工程は、微結晶半導体58上に更に結晶性の高い微結晶半導体60を堆積させる工程である。第2の微結晶半導体膜61の堆積工程においては、微結晶半導体の堆積及び結晶成長の工程と、微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を優先的にエッチングし、微結晶半導体に含まれる結晶子を露出させる工程とが交互に行われる。また、処理室の圧力が1333Pa以上50000Pa以下(10Torr以上370Torr以下)、更に好ましくは1333Pa以上13332Pa以下(10Torr以上100Torr以下)であるため、微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域が優先的にエッチングされる。これらのため、露出された結晶子に微結晶半導体が堆積する際、エピタキシャル成長が生じやすい。この結果、第2の微結晶半導体膜61の堆積工程においては、微結晶半導体の配向性が高くなり、配向面を有する微結晶半導体60が堆積される。
As shown in FIG. 1G, the deposition process of the second
図1(H)に示すように、第3の微結晶半導体膜63の堆積工程は、第2の微結晶半導体膜61を元に結晶成長させ、第2の微結晶半導体膜61の混相粒の隙間を埋めつつ、第2の微結晶半導体膜61の凹凸を低減し、平坦化する工程である。このため、微結晶半導体60を種として結晶成長しながら微結晶半導体62が堆積される。
As shown in FIG. 1H, in the step of depositing the third
図1(E)乃至図1(H)の工程を経ることで、結晶性が高く、混相粒の隙間が極めて少なく、且つ配向面を有する混相粒を有する微結晶半導体膜64を形成することができる。なお、微結晶半導体膜64に含まれる混相粒は、種結晶57、第1の微結晶半導体膜59、第2の微結晶半導体膜61、若しくは第3の微結晶半導体膜63で堆積した微結晶半導体の場合もある。または、種結晶57、第1の微結晶半導体膜59、第2の微結晶半導体膜61、及び第3の微結晶半導体膜63の2以上が結晶成長しながら堆積した微結晶半導体の場合もある。
Through the steps of FIGS. 1E to 1H, the
なお、種結晶57の厚さは1nm以上10nm以下が好ましい。種結晶57の厚さが10nmより厚いと、第1の微結晶半導体膜59が堆積しても、混相粒57aの隙間を埋めることが困難となると共に、種結晶57の内部に含まれる非晶質半導体のエッチングが困難となり、種結晶57及び第1の微結晶半導体膜59の結晶性が低減する。一方、種結晶57は、混相粒が形成される必要があるため、種結晶57の厚さは1nm以上であることが好ましい。
The thickness of the
種結晶57、第1の微結晶半導体膜59、第2の微結晶半導体膜61、及び第3の微結晶半導体膜63は、微結晶半導体を有する。微結晶半導体とは、非晶質と結晶構造(単結晶、多結晶を含む)の中間的な構造の半導体である。このため、微結晶半導体は非晶質半導体領域を有する。微結晶半導体は、自由エネルギー的に安定な第3の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する結晶質な半導体であり、混相粒径が2nm以上200nm以下、好ましくは10nm以上80nm以下、より好ましくは、20nm以上50nm以下の柱状または針状の混相粒が基板表面に対して法線方向に成長している。このため、柱状または針状の混相粒の界面には、粒界が形成される場合もある。なお、ここでの結晶粒径は、基板表面に対して平行な面における結晶粒の最大直径をいう。
The
微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルのピークが単結晶シリコンを示す520cm−1よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す520cm−1とアモルファスシリコンを示す480cm−1の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手(ダングリングボンド)を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも1原子%またはそれ以上含んでいる。さらに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体が得られる。このような微結晶半導体に関する記述は、例えば、米国特許4,409,134号で開示されている。 Microcrystalline silicon, which is a typical example of a microcrystalline semiconductor, has its Raman spectrum peak shifted to a lower wave number side than 520 cm −1 indicating single crystal silicon. That is, the peak of the Raman spectrum of microcrystalline silicon is between 520 cm −1 indicating single crystal silicon and 480 cm −1 indicating amorphous silicon. It also contains at least 1 atomic% or more of hydrogen or halogen to terminate dangling bonds (dangling bonds). Further, by adding a rare gas element such as helium, neon, argon, krypton, or xenon to further promote the lattice distortion, the stability can be improved and a good microcrystalline semiconductor can be obtained. A description of such a microcrystalline semiconductor is disclosed in, for example, US Pat. No. 4,409,134.
本実施の形態により、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を作製することができる。 According to this embodiment, a microcrystalline semiconductor film with a flat surface and improved crystallinity by reducing the gaps between mixed phase grains can be manufactured.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一形態である半導体装置に形成される薄膜トランジスタの作製方法について、図3乃至図6を参照して説明する。なお、薄膜トランジスタは、p型よりもn型の方がキャリアの移動度が高い。また、同一の基板上に形成する薄膜トランジスタを全て同じ極性に統一すると、工程数を抑えることができて好ましい。そのため、本実施の形態では、n型の薄膜トランジスタの作製方法について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a method for manufacturing a thin film transistor formed in a semiconductor device which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that in the thin film transistor, the n-type has higher carrier mobility than the p-type. In addition, it is preferable that all the thin film transistors formed over the same substrate have the same polarity because the number of steps can be reduced. Therefore, in this embodiment, a method for manufacturing an n-type thin film transistor is described.
なお、オン電流とは、薄膜トランジスタがオン状態のときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流をいう。例えば、n型の薄膜トランジスタの場合には、ゲート電圧がトランジスタの閾値電圧よりも高いときにソース電極とドレイン電極との間に流れる電流である。 Note that the on-state current refers to a current that flows between a source electrode and a drain electrode when a thin film transistor is on. For example, in the case of an n-type thin film transistor, the current flows between the source electrode and the drain electrode when the gate voltage is higher than the threshold voltage of the transistor.
また、オフ電流とは、薄膜トランジスタがオフ状態のときに、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流をいう。例えば、n型の薄膜トランジスタの場合には、ゲート電圧が薄膜トランジスタの閾値電圧よりも低いときにソース電極とドレイン電極との間に流れる電流である。 The off current refers to a current that flows between the source electrode and the drain electrode when the thin film transistor is in an off state. For example, in the case of an n-type thin film transistor, the current flows between the source electrode and the drain electrode when the gate voltage is lower than the threshold voltage of the thin film transistor.
図3(A)に示すように、基板101上にゲート電極103を形成する。次に、ゲート電極103(第1のゲート電極ともいう。)を覆うゲート絶縁膜105を形成し、ゲート絶縁膜105上に種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、及び第3の微結晶半導体膜110を形成する。
As shown in FIG. 3A, the
基板101としては、実施の形態1に示す基板51を適宜用いることができる。
As the
ゲート電極103は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム、ニッケル等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、Ag−Pd−Cu合金、Al−Nd合金、Al−Ni合金などを用いてもよい。
The
例えば、ゲート電極103の二層の積層構造としては、アルミニウム膜上にモリブデン膜を積層した二層の積層構造、または銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、または銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造、酸素を含む銅−マグネシウム合金膜と銅膜とを積層した二層構造、酸素を含む銅−マンガン合金膜と銅膜とを積層した二層構造、銅−マンガン合金膜と銅膜とを積層した二層構造などとすることが好ましい。三層の積層構造としては、タングステン膜または窒化タングステン膜と、アルミニウムとシリコンの合金膜またはアルミニウムとチタンの合金膜と、窒化チタン膜またはチタン膜とを積層した三層構造とすることが好ましい。電気的抵抗が低い膜上にバリア膜として機能する金属膜が積層されることで、ゲート電極103の電気的抵抗を低くでき、且つ金属膜から半導体膜への金属元素の拡散を防止することができる。
For example, the
ゲート電極103は、基板101上に、スパッタリング法または真空蒸着法を用いて、上記した材料により導電膜を形成し、該導電膜上にフォトリソグラフィ法またはインクジェット法等によりマスクを形成し、該マスクを用いて導電膜をエッチングして形成することができる。また、銀、金または銅等の導電性ナノペーストをインクジェット法により基板上に吐出し、焼成することで形成することもできる。なお、ゲート電極103と、基板101との密着性向上を目的として、上記の金属材料の窒化物膜を、基板101と、ゲート電極103との間に設けてもよい。ここでは、基板101上に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工程により形成したレジストで形成されるマスクを用いて、当該導電膜をエッチングする。
The
なお、ゲート電極103の側面は、テーパー形状とすることが好ましい。これは、後の工程で、ゲート電極103上に形成される絶縁膜、半導体膜及び配線が、ゲート電極103の段差箇所において切断されないようにするためである。ゲート電極103の側面をテーパー形状にするためには、レジストで形成されるマスクを後退させつつエッチングを行えばよい。
Note that the side surface of the
また、ゲート電極103を形成する工程により、ゲート配線(走査線)及び容量配線も同時に形成することができる。なお、走査線とは画素を選択する配線をいい、容量配線とは画素の保持容量の一方の電極に接続された配線をいう。ただし、これに限定されず、ゲート配線及び容量配線の一方または双方と、ゲート電極103とは別に設けてもよい。
In addition, a gate wiring (scanning line) and a capacitor wiring can be formed at the same time by the step of forming the
ゲート絶縁膜105(第1のゲート絶縁膜ともいう。)は、実施の形態1に示す絶縁膜55を適宜用いて形成することができる。なお、ゲート絶縁膜105を酸化シリコンまたは酸化窒化シリコン等の酸化絶縁膜により形成することで、薄膜トランジスタの閾値電圧の変動を低減することができる。
The gate insulating film 105 (also referred to as a first gate insulating film) can be formed using the insulating
ゲート絶縁膜105は、CVD法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜105のCVD法による形成工程において、グロー放電プラズマの生成は、実施の形態1に示す種結晶57の条件を適宜用いることができる。また、高周波数が1GHz以上であるマイクロ波プラズマCVD装置を用いてゲート絶縁膜105を形成すると、ゲート電極と、ドレイン電極及びソース電極との間の耐圧を向上させることができるため、信頼性の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
The
また、ゲート絶縁膜105として、有機シランガスを用いたCVD法により酸化シリコン膜を形成することで、後に形成する半導体膜の結晶性を高めることが可能であるため、薄膜トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めることができる。有機シランガスとしては、テトラエトキシシラン(TEOS:化学式Si(OC2H5)4)、テトラメチルシラン(TMS:化学式Si(CH3)4)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC2H5)3)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH3)2)3)等のシリコン含有化合物を用いることができる。
In addition, by forming a silicon oxide film by a CVD method using an organosilane gas as the
種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、及び第3の微結晶半導体膜110はそれぞれ、実施の形態1に示す種結晶57、第1の微結晶半導体膜59、第2の微結晶半導体膜61、及び第3の微結晶半導体膜63と同様の条件を用いて形成する。
The
本実施の形態では、第1の条件を用いて種結晶107を形成し、第2の条件を用いて第1の微結晶半導体膜108を形成することで、結晶性が高く、且つ混相粒の隙間を低減した緻密な微結晶半導体膜を形成することができる。また、当該第1の微結晶半導体膜108上に第3の条件を用いて第2の微結晶半導体膜109を形成することで、第1の微結晶半導体膜108よりも更に結晶性の高い微結晶半導体膜を形成することができる。また、当該第2の微結晶半導体膜109上に第4の条件を用いて第3の微結晶半導体膜110を形成することで、第2の微結晶半導体膜109よりは結晶性がやや下がるものの、第2の微結晶半導体膜109に含まれる混相粒の間の隙間を埋めつつ、第1の微結晶半導体膜108より結晶性が高く、且つ平坦性の高い微結晶半導体膜を形成することができる。
In this embodiment mode, the
次に、図3(B)に示すように、第3の微結晶半導体膜110上に半導体膜111を形成する。半導体膜111は、微結晶半導体領域111a及び非晶質半導体領域111bで構成される。次に、半導体膜111上に、不純物半導体膜113を形成する。次に、不純物半導体膜113上にレジストで形成されるマスク115を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 3B, a
第3の微結晶半導体膜110を核として、部分的に結晶成長させる条件(結晶成長を抑制させる条件)で、微結晶半導体領域111a及び非晶質半導体領域111bを有する半導体膜111を形成することができる。
Using the third
半導体膜111は、プラズマCVD装置の処理室内において、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素と、窒素を含む気体とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。窒素を含む気体としては、アンモニア、窒素、フッ化窒素、塩化窒素、クロロアミン、フルオロアミン等がある。グロー放電プラズマの生成は、種結晶107と同様にすることができる。
The
このとき、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体と、水素との流量比は、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108乃至第3の微結晶半導体膜110と同様の微結晶半導体膜を形成する流量比を用い、さらに原料ガスに窒素を含む気体を用いる条件とすることで、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108乃至第3の微結晶半導体膜110の堆積条件よりも、結晶成長を抑制することができる。具体的には、半導体膜111の堆積初期においては、原料ガスに窒素を含む気体が含まれるため、部分的に結晶成長が抑制され、錐形状の微結晶半導体領域が成長すると共に、非晶質半導体領域が形成される。さらに、堆積中期または後期では、錐形状の微結晶半導体領域の結晶成長が停止し、非晶質半導体領域のみが堆積される。この結果、半導体膜111において、微結晶半導体領域111a、及び欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール(裾)の傾きが急峻である秩序性の高い半導体膜で形成される非晶質半導体領域111bを形成することができる。
At this time, a flow rate ratio between a deposition gas containing silicon or germanium and hydrogen is formed as a microcrystalline semiconductor film similar to the
ここでは、半導体膜111を形成する条件の代表例は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量が10〜2000倍、好ましくは10〜200倍である。なお、通常の非晶質半導体膜を形成する条件の代表例は、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量は0〜5倍である。
Here, as a typical example of the conditions for forming the
また、半導体膜111の原料ガスに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを追加することで、成膜速度を高めることができる。
In addition, the deposition rate can be increased by adding a rare gas such as helium, neon, argon, krypton, or xenon to the source gas of the
半導体膜111の厚さは、厚さ50〜350nmとすることが好ましく、さらに好ましくは120〜250nmとする。
The thickness of the
ここで、図3(B)に示すゲート絶縁膜105と、不純物半導体膜113との間の拡大図を、図4に示す。
Here, an enlarged view between the
図4(A)に示すように、半導体膜111の微結晶半導体領域111aは凹凸状であり、凸部はゲート絶縁膜105から非晶質半導体領域111bに向かって、先端が狭まる(凸部の先端が鋭角である)凸状(錐形状)である。なお、微結晶半導体領域111aの形状は、ゲート絶縁膜105から非晶質半導体領域111bに向かって幅が広がる凸状(逆錐形状)であってもよい。
As shown in FIG. 4A, the
種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、第3の微結晶半導体膜110、及び微結晶半導体領域111aの厚さ、即ち、ゲート絶縁膜105及び種結晶107の界面から、微結晶半導体領域111aの突起(凸部)の先端までの距離を、5nm以上310nm以下とすることで、微結晶半導体領域111aの突起(凸部)が後に形成される不純物半導体膜に接しないため、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。
The thickness of the
また、半導体膜111に含まれる酸素の二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)によって計測される濃度を、1×1018atoms/cm3未満とすることで、微結晶半導体領域111aの結晶性を高めることができるため好ましい。また、二次イオン質量分析法によって計測される半導体膜111の窒素濃度プロファイルのピーク濃度は、1×1020atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下、好ましくは2×1020atoms/cm3以上1×1021atoms/cm3以下である。
Further, the concentration of oxygen contained in the
非晶質半導体領域111bは、窒素を有する非晶質半導体で形成される。窒素を有する非晶質半導体に含まれる窒素は、例えばNH基またはNH2基として存在していてもよい。非晶質半導体としては、アモルファスシリコンを用いる。
The
窒素を含む非晶質半導体は、従来の非晶質半導体と比較して、CPM(Constant photocurrent method)やフォトルミネッセンス分光測定で測定されるUrbach端のエネルギーが小さく、欠陥吸収スペクトル量が少ない半導体である。即ち、窒素を含む非晶質半導体は、従来の非晶質半導体と比較して、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール(裾)の傾きが急峻である秩序性の高い半導体である。窒素を含む非晶質半導体は、価電子帯のバンド端における準位のテール(裾)の傾きが急峻であるため、バンドギャップが広くなり、トンネル電流が流れにくい。このため、窒素を含む非晶質半導体を微結晶半導体領域111a及び不純物半導体膜113の間に設けることで、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。また、窒素を含む非晶質半導体を設けることで、オン電流と電界効果移動度を高めることが可能である。
An amorphous semiconductor containing nitrogen is a semiconductor with a small amount of defect absorption spectrum and a low energy at the Urbach edge measured by constant photocurrent method (CPM) or photoluminescence spectroscopy, compared to a conventional amorphous semiconductor. is there. That is, an amorphous semiconductor containing nitrogen has a high degree of ordering with fewer defects and a steep slope of the level tail at the band edge of the valence band than a conventional amorphous semiconductor. It is a semiconductor. An amorphous semiconductor containing nitrogen has a steep inclination of a level tail at the band edge of the valence band, so that a band gap becomes wide and a tunnel current hardly flows. Therefore, by providing an amorphous semiconductor containing nitrogen between the
さらに、窒素を含む非晶質半導体は、低温フォトルミネッセンス分光によるスペクトルのピークが、1.31eV以上1.39eV以下の範囲にある。なお、微結晶半導体、代表的には微結晶シリコンを低温フォトルミネッセンス分光により測定したスペクトルのピーク領域は、0.98eV以上1.02eV以下であり、窒素を含む非晶質半導体は、微結晶半導体とは異なるものである。 Further, an amorphous semiconductor containing nitrogen has a spectrum peak by low temperature photoluminescence spectroscopy in the range of 1.31 eV to 1.39 eV. Note that a peak region of a spectrum of microcrystalline semiconductor, typically microcrystalline silicon measured by low-temperature photoluminescence spectroscopy, is 0.98 eV or more and 1.02 eV or less, and an amorphous semiconductor containing nitrogen is a microcrystalline semiconductor. Is different.
また、非晶質半導体領域111bの他に、微結晶半導体領域111aにも、NH基またはNH2基を有してもよい。
In addition to the
また、図4(B)に示すように、非晶質半導体領域111bに、粒径が1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上5nm以下の半導体混相粒111cを含ませることで、更にオン電流と電界効果移動度を高めることが可能である。
Further, as shown in FIG. 4B, by adding semiconductor mixed phase grains 111c having a grain size of 1 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 5 nm, in the
ゲート絶縁膜105から非晶質半導体領域111bに向かって、先端が狭まる凸状(錐形状)の微結晶半導体は、微結晶半導体が堆積する条件で微結晶半導体膜を形成した後、部分的に結晶成長させる条件で結晶成長させると共に、非晶質半導体を堆積することで、このような構造となる。
A convex (cone-shaped) microcrystalline semiconductor with a narrowed tip from the
半導体膜111の微結晶半導体領域111aは、錐形状または逆錐形状であるため、オン状態でソース電極及びドレイン電極の間に電圧が印加されたときの縦方向(膜厚方向)における抵抗、即ち、半導体膜111の抵抗を下げることが可能である。また、微結晶半導体領域111aと不純物半導体膜113との間に、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテール(裾)の傾きが急峻である秩序性の高い、窒素を含む非晶質半導体を有するため、トンネル電流が流れにくくなる。以上のことから、本実施の形態に示す薄膜トランジスタは、オン電流及び電界効果移動度を高めるとともに、オフ電流を低減することができる。
Since the
ここでは、半導体膜111の原料ガスに窒素を含む気体を含ませて、微結晶半導体領域111a及び非晶質半導体領域111bを有する半導体膜111を形成したが、他の半導体膜111の形成方法として、微結晶半導体膜109の表面に窒素を含む気体を曝して、微結晶半導体膜109の表面に窒素を吸着させた後、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体及び水素を原料ガスとして、微結晶半導体領域111a及び非晶質半導体領域111bを有する半導体膜111を形成することができる。
Here, the
不純物半導体膜113は、リンが添加されたアモルファスシリコン、リンが添加された微結晶シリコン等で形成する。また、リンが添加されたアモルファスシリコン及びリンが添加された微結晶シリコンの積層構造とすることもできる。なお、薄膜トランジスタとして、p型の薄膜トランジスタを形成する場合は、不純物半導体膜113は、ホウ素が添加された微結晶シリコン、ホウ素が添加されたアモルファスシリコン等で形成する。なお、半導体膜111と、のちに形成する配線129a、129bとがオーミックコンタクトをする場合は、不純物半導体膜113を形成しなくともよい。
The
不純物半導体膜113は、プラズマCVD装置の処理室内において、シリコンを含む堆積性気体と、水素と、ホスフィン(水素希釈またはシラン希釈)とを混合し、グロー放電プラズマにより形成する。これにより、リンが添加されたアモルファスシリコン、またはリンが添加された微結晶シリコンが形成される。なお、p型の薄膜トランジスタを作製する場合は、不純物半導体膜113として、ホスフィンの代わりに、ジボランを用いて、グロー放電プラズマにより形成すればよい。
The
また、不純物半導体膜113を、リンが添加された微結晶シリコン、またはホウ素が添加された微結晶シリコンで形成する場合は、半導体膜111と、不純物半導体膜113との間に、微結晶半導体膜、代表的には微結晶シリコン膜を形成することで、界面の特性を向上させることができる。この結果、不純物半導体膜113と、半導体膜111との界面に生じる抵抗を低減することができる。この結果、薄膜トランジスタのソース領域、半導体膜、及びドレイン領域を流れる電流量を増加させ、オン電流及び電界効果移動度の増加が可能となる。
In the case where the
また、第2の微結晶半導体膜109上に第3の微結晶半導体膜110を形成することで、微結晶半導体膜の平坦性を高めることが可能であるため、平坦性を有する半導体膜111及び不純物半導体膜113を形成することができる。
Further, the third
レジストで形成されるマスク115はフォトリソグラフィ工程により形成することができる。
The
次に、レジストで形成されるマスク115を用いて、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、第3の微結晶半導体膜110、半導体膜111、及び不純物半導体膜113を選択的にエッチングする。この工程により、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、第3の微結晶半導体膜110、半導体膜111、及び不純物半導体膜113を素子毎に分離し、島状の半導体積層体117、及び島状の不純物半導体膜121を形成する。なお、半導体積層体117は、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、第3の微結晶半導体膜110、及び半導体膜111それぞれの一部で構成され、種結晶107、第1の微結晶半導体膜108、第2の微結晶半導体膜109、第3の微結晶半導体膜110、及び半導体膜111の微結晶半導体領域111aそれぞれ一部を含む微結晶半導体領域117aと、及び半導体膜111の非晶質半導体領域111bの一部を含む非晶質半導体領域117bとを有する。この後、レジストで形成されるマスク115を除去する(図3(C)参照。)。
Next, using the
次に、不純物半導体膜121上に導電膜127を形成する(図5(A)参照。)。導電膜127は、アルミニウム、銅、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデン、クロム、タンタル若しくはタングステン等により単層で、または積層して形成することができる。または、ヒロック防止元素が添加されたアルミニウム合金(ゲート電極103に用いることができるAl−Nd合金等)により形成してもよい。ドナーとなる不純物元素を添加した結晶性シリコンを用いてもよい。ドナーとなる不純物元素が添加された結晶性シリコンと接する側の膜を、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンまたはこれらの元素の窒化物により形成し、その上にアルミニウムまたはアルミニウム合金を形成した積層構造としてもよい。更には、アルミニウムまたはアルミニウム合金の上面及び下面を、チタン、タンタル、モリブデン、タングステンまたはこれらの元素の窒化物で挟んだ積層構造としてもよい。導電膜127は、CVD法、スパッタリング法または真空蒸着法を用いて形成する。また、導電膜127は、銀、金または銅等の導電性ナノペーストを用いてスクリーン印刷法またはインクジェット法等を用いて吐出し、焼成することで形成してもよい。
Next, a
導電膜127を平坦性の高い不純物半導体膜121上に形成することで、導電膜127の平坦性を高めることが可能である。
By forming the
次に、フォトリソグラフィ工程によりレジストで形成されるマスクを形成し、当該レジストで形成されるマスクを用いて導電膜127をエッチングして、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線129a、129bを形成する(図5(B)参照。)。導電膜127のエッチングはドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。なお、配線129a、129bの一方は、ソース電極またはドレイン電極のみならず信号線としても機能する。ただし、これに限定されず、信号線とソース電極及びドレイン電極とは別に設けてもよい。
Next, a mask formed of a resist is formed by a photolithography step, and the
次に、不純物半導体膜121及び半導体積層体117の一部をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体膜131a、131bを形成する。また、微結晶半導体領域133a及び一対の非晶質半導体領域133bを有する半導体積層体133を形成する。このとき、微結晶半導体領域133aが露出されるように半導体積層体117をエッチングすることで、配線129a、129bで覆われる領域では微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bが積層され、配線129a、129bで覆われず、かつ少なくともゲート電極と重なる領域においては、微結晶半導体領域133aが露出する半導体積層体133となる。
Next, part of the
半導体積層体117、不純物半導体膜121、及び導電膜127の表面は平坦性を有するため、微結晶半導体領域133aが露出されるように半導体積層体117をエッチングすることで露出された微結晶半導体領域133aの表面は平坦性を有する。
Since the surfaces of the semiconductor stacked
微結晶半導体領域133aの表面が平坦性を有することで、バックゲート電極側のチャネル領域における電子の表面散乱を低減することが可能であり、後に形成される薄膜トランジスタの電界効果移動度を高めることができる。また、バックゲート電極側のチャネル領域において、バックゲート電極の電界が均一に印加されるため、後に形成される薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。また、微結晶半導体領域133aの表面における不純物の残留を低減することが可能である。当該不純物は、キャリアのリークパスとなりうるため、後に形成される薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。
Since the surface of the
なお、ここでは、配線129a、129bの端部と、不純物半導体膜131a、131bの端部とが揃っているが、配線129a、129bの端部と、不純物半導体膜131a、131bの端部とがずれ、断面において、配線129a、129bの端部が、不純物半導体膜131a、131bの端部より内側に位置してもよい。
Note that here, the end portions of the wirings 129a and 129b and the end portions of the
次に、ドライエッチングを行ってもよい。ドライエッチングの条件は、露出している微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bにダメージが入らず、且つ微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bに対するエッチング速度が低い条件を用いる。エッチングガスとしては、代表的にはCl2、CF4、またはN2等を用いる。また、エッチング方法については特に限定はなく、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)方式、容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)方式、電子サイクロトン共鳴プラズマ(ECR:Electron Cyclotron Resonance)方式、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)方式等を用いることができる。
Next, dry etching may be performed. The dry etching is performed under such a condition that the exposed
次に、微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bの表面にプラズマ処理、代表的には水プラズマ処理、酸素プラズマ処理、アンモニアプラズマ処理、窒素プラズマ処理、酸素及び水素の混合ガスによるプラズマ処理等を行う。
Next, plasma treatment, typically water plasma treatment, oxygen plasma treatment, ammonia plasma treatment, nitrogen plasma treatment, plasma treatment with a mixed gas of oxygen and hydrogen, is performed on the surfaces of the
この後、レジストで形成されるマスクを除去する。なお、当該レジストで形成されるマスクの除去は、不純物半導体膜121及び半導体積層体117のドライエッチング前に行ってもよい。
Thereafter, the resist mask is removed. Note that the mask formed using the resist may be removed before dry etching of the
上記したように、微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bを形成した後に、微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133bにダメージを与えない条件で更なるドライエッチングを行うことで、露出した微結晶半導体領域133a及び非晶質半導体領域133b上に存在する残渣などの不純物を除去することができる。また、ドライエッチングに続けて水プラズマ処理、または酸素及び水素の混合ガスによるプラズマ処理を行うことで、レジストで形成されるマスクの残渣を除去すると共に、微結晶半導体領域133aの欠陥を低減することができる。また、プラズマ処理を行うことで、ソース領域とドレイン領域との間の絶縁性を高めることができ、完成する薄膜トランジスタのオフ電流を低減し、電気的特性のばらつきを低減することができる。
As described above, after the
なお、フォトリソグラフィ工程によりレジストで形成されるマスクを導電膜127上に形成し、当該レジストで形成されるマスクを用いて導電膜127をエッチングして、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線129a、129bを形成する。次に、不純物半導体膜121をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体膜131a、131bを形成する。この際、半導体積層体117の一部がエッチングされる場合もある。次に、レジストで形成されるマスクを除去した後、半導体積層体117の一部をエッチングして、微結晶半導体領域133a及び一対の非晶質半導体領域133bを有する半導体積層体133を形成してもよい。更には、半導体積層体133を形成した後、微結晶半導体領域133aの表面に残るエッチング残渣を除去するため、フッ酸を純水で希釈した溶液等の洗浄液で半導体積層体133の表面を洗浄してもよい。更には、残渣物が除去された半導体積層体133の表面に、プラズマ処理、代表的には水プラズマ処理、酸素プラズマ処理、アンモニアプラズマ処理、窒素プラズマ処理、酸素及び水素の混合ガスによるプラズマ処理等を行ってもよい。微結晶半導体領域133aは、後に形成される薄膜トランジスタのバックゲート側のチャネル領域となるため、当該領域の残渣物を除去することで、後に形成される薄膜トランジスタの電気特性の向上、代表的にはオン電流の上昇及びオフ電流の低減、信頼性の劣化の低減が可能である。
Note that a mask formed of a resist by a photolithography process is formed over the
この結果、レジストで形成されるマスクを除去する工程において、微結晶半導体領域117aが非晶質半導体領域117bに覆われているため、微結晶半導体領域117aが剥離液、及びレジストの残渣物に触れることがない。また、レジストで形成されるマスクを除去した後、配線129a、129bを用いて、非晶質半導体領域117bをエッチングして、微結晶半導体領域133aを露出する。このため、剥離液、及びレジストの残渣物に触れた非晶質半導体領域は、バックチャネルには残存しない。この結果、バックチャネルに残存した剥離液、及びレジストの残渣物によるリーク電流が発生しないため、薄膜トランジスタのオフ電流をより低減することができる。
As a result, since the
以上の工程によりシングルゲート型の薄膜トランジスタを作製することができる。また、本実施の形態に示す構造とすることで、オフ電流が低く、オン電流及び電界効果移動度が高いシングルゲート型の薄膜トランジスタを生産性高く作製することができる。 Through the above process, a single-gate thin film transistor can be manufactured. In addition, with the structure described in this embodiment, a single-gate thin film transistor with low off-state current, high on-state current, and high field-effect mobility can be manufactured with high productivity.
次に、半導体積層体133、不純物半導体膜131a、131b及び配線129a、129bの上に絶縁膜137(第2のゲート絶縁膜ともいう。)を形成する。絶縁膜137は、ゲート絶縁膜105と同様に形成することができる。
Next, an insulating film 137 (also referred to as a second gate insulating film) is formed over the semiconductor stacked
次に、フォトリソグラフィ工程によりレジストで形成されるマスクを形成し、当該マスクを用いて絶縁膜137に開口部(図示しない。)を形成する。次に、絶縁膜137上にバックゲート電極139(第2のゲート電極ともいう。)を形成する(図5(C)参照)。以上の工程により、デュアルゲート型の薄膜トランジスタを作製することができる。なお、図示しないが、バックゲート電極139と同時に、配線129a、129bの一方に接続する画素電極を形成することができる。
Next, a mask formed of a resist is formed by a photolithography process, and an opening (not shown) is formed in the insulating
バックゲート電極139は、配線129a、129bと同様に形成することができる。また、バックゲート電極139は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、または酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。
The
また、バックゲート電極139は、透光性を有する導電性高分子(導電性ポリマーともいう。)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。バックゲート電極139は、シート抵抗が10000Ω/sq.以下であって、且つ波長550nmにおける透光率が70%以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗率が0.1Ω・cm以下であることが好ましい。
The
導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、または、アニリン、ピロール及びチオフェンの2種以上の共重合体若しくはその誘導体等がある。 As the conductive polymer, a so-called π-electron conjugated conductive polymer can be used. For example, polyaniline or a derivative thereof, polypyrrole or a derivative thereof, polythiophene or a derivative thereof, or a copolymer of two or more of aniline, pyrrole, and thiophene or a derivative thereof.
バックゲート電極139は、CVD法、スパッタリング法または真空蒸着法を用いて、上記材料のいずれかを用いた薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によって形成したレジストで形成されるマスクを用いて上記薄膜をエッチングすることで、形成できる。また、バックゲート電極139は、銀、金または銅等の導電性ナノペーストを用いてスクリーン印刷法またはインクジェット法等を用いて吐出し、焼成することで形成しても良い。
The
次に、薄膜トランジスタの上面図である図6を用いて、バックゲート電極の形状を説明する。 Next, the shape of the back gate electrode will be described with reference to FIG. 6 which is a top view of the thin film transistor.
図6(A)に示すように、バックゲート電極139は、ゲート電極103と平行に形成することができる。この場合、バックゲート電極139に印加する電位と、ゲート電極103に印加する電位とを、それぞれ任意に制御することが可能である。このため、薄膜トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。また、キャリアが流れる領域、即ちチャネル領域が、微結晶半導体領域のゲート絶縁膜105側、及び絶縁膜137側に形成されるため、薄膜トランジスタのオン電流を高めることができる。
As shown in FIG. 6A, the
また、図6(B)に示すように、バックゲート電極139は、ゲート電極103に接続させることができる。即ち、ゲート絶縁膜105及び絶縁膜137に形成した開口部150において、ゲート電極103及びバックゲート電極139が接続する構造とすることができる。この場合、バックゲート電極139に印加する電位と、ゲート電極103に印加する電位とは、等しい。この結果、半導体膜において、キャリアが流れる領域、即ちチャネル領域が、微結晶半導体領域のゲート絶縁膜105側、及び絶縁膜137側に形成されるため、薄膜トランジスタのオン電流を高めることができる。
In addition, as illustrated in FIG. 6B, the
また、図6(C)に示すように、バックゲート電極139は、ゲート電極103と接続せず、フローティングでもよい。バックゲート電極139に電位を印加せずとも、チャネル領域が、微結晶半導体領域のゲート絶縁膜105側、及び絶縁膜137側に形成されるため、薄膜トランジスタのオン電流を高めることができる。
Further, as illustrated in FIG. 6C, the
さらには、図6(D)に示すように、バックゲート電極139は、絶縁膜137を介して配線129a、129bと重畳してもよい。ここでは、図6(A)に示す構造のバックゲート電極139を用いて示したが、図6(B)及び図6(C)に示すバックゲート電極139も同様に配線129a、129bと重畳してもよい。
Further, as illustrated in FIG. 6D, the
本実施の形態に示すシングルゲート型の薄膜トランジスタ及びデュアルゲート型の薄膜トランジスタは、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜でチャネル領域を形成することが可能である。このため、シングルゲート型の薄膜トランジスタ及びデュアルゲート型の薄膜トランジスタのキャリアの移動量が増加し、オン電流及び電界効果移動度を高めることができる。また、第1のゲート絶縁膜側だけでなく、第2のゲート絶縁膜側の結晶性も高めた微結晶半導体膜をチャネル領域としているため、デュアルゲート型の薄膜トランジスタのキャリアの移動量が増加し、オン電流及び電界効果移動度を高めることができる。また、微結晶半導体領域133aと、不純物半導体膜131a、131bの間に、非晶質半導体領域133bを有する。このため、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができる。以上のことから、シングルゲート型の薄膜トランジスタ及びデュアルゲート型の薄膜トランジスタの面積を小さくすることが可能であり、半導体装置への高集積化が可能である。また、表示装置の駆動回路に本実施の形態に示す薄膜トランジスタを用いることで、駆動回路の面積を低減できるため、表示装置の狭額縁化が可能である。
In the single-gate thin film transistor and the dual-gate thin film transistor described in this embodiment, a channel region is formed using a microcrystalline semiconductor film which has a flat surface and improved crystallinity by reducing gaps between mixed phase grains. Is possible. Therefore, the amount of carrier movement of the single-gate thin film transistor and the dual-gate thin film transistor is increased, so that on-state current and field-effect mobility can be increased. In addition, since the channel region is a microcrystalline semiconductor film with improved crystallinity not only on the first gate insulating film side but also on the second gate insulating film side, the amount of carrier movement of the dual-gate thin film transistor increases. The on-current and the field effect mobility can be increased. Further, an
(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態2と比較して、さらに、オフ電流の低減が可能な薄膜トランジスタの作製方法について、図3及び図7を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a method for manufacturing a thin film transistor capable of further reducing off-state current as compared with
実施の形態2と同様に、図3(A)乃至図3(C)の工程を経て、図7(A)に示すように、半導体積層体117を形成する。
Similarly to
次に、レジストで形成されるマスク115を残存させたまま、半導体積層体117の側面をプラズマ123に曝すプラズマ処理を行う。ここでは、酸化性ガスまたは窒化性ガス雰囲気でプラズマを発生させて、半導体積層体117をプラズマ123に曝す。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、水蒸気、酸素及び水素の混合気体等がある。また、窒化性ガスとしては、窒素、アンモニア、フッ化窒素、塩化窒素、クロロアミン、フルオロアミン等がある。酸化性ガスまたは窒化性ガス雰囲気でプラズマを発生させることで、ラジカルが発生する。当該ラジカルは半導体積層体117と反応し、半導体積層体117の側面に酸化物または窒化物である絶縁領域を形成することができる。なお、プラズマを照射する代わりに、紫外光を照射し、ラジカルを発生させてもよい。
Next, plasma treatment is performed in which the side surface of the semiconductor stacked
また、酸化性ガスとして、酸素、オゾン、水蒸気、酸素及び水素の混合気体を用いると、図7(B)に示すように、プラズマ照射によりレジストが後退し、底面の面積が縮小したマスク115aが形成される。このため、当該プラズマ処理により、半導体積層体117の側面と共に、露出された不純物半導体膜121が酸化し、半導体積層体117の側面及び不純物半導体膜121の側面及び上面の一部にも酸化物または窒化物である絶縁領域125が形成される。
Further, when a mixed gas of oxygen, ozone, water vapor, oxygen, and hydrogen is used as the oxidizing gas, as shown in FIG. 7B, the
次に、実施の形態2に示すように、図5(A)及び図5(B)と同様の工程を経て、図5(C)に示すように、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線129a、129b、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体膜131a、131b、微結晶半導体領域133a及び一対の非晶質半導体領域133bを有する半導体積層体133、絶縁膜137を形成することで、シングルゲート型の薄膜トランジスタを作製することができる。
Next, as shown in
また、絶縁膜137上にバックゲート電極を形成することで、デュアルゲート型の薄膜トランジスタを作製することができる。
In addition, by forming a back gate electrode over the insulating
本実施の形態に示すシングルゲート型の薄膜トランジスタ及びデュアルゲート型の薄膜トランジスタは、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜でチャネル領域を形成することが可能である。また、半導体積層体133及び配線129a、129bの間に酸化物または窒化物である絶縁領域を設けることにより、配線129a、129bから半導体積層体133へのホールの注入を抑制することが可能であり、オフ電流が低く、電界効果移動度及びオン電流の高い薄膜トランジスタとなる。このため、薄膜トランジスタの面積を小さくすることが可能であり、半導体装置への高集積化が可能である。また、表示装置の駆動回路に本実施の形態に示す薄膜トランジスタを用いることで、駆動回路の面積を低減できるため、表示装置の狭額縁化が可能である。
In the single-gate thin film transistor and the dual-gate thin film transistor described in this embodiment, a channel region is formed using a microcrystalline semiconductor film which has a flat surface and improved crystallinity by reducing gaps between mixed phase grains. Is possible. In addition, by providing an insulating region that is an oxide or nitride between the semiconductor stacked
なお、本実施の形態では、実施の形態2を用いて説明したが、適宜他の実施の形態を用いることができる。
Note that although this embodiment has been described using
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置に形成される薄膜トランジスタの作製方法について、図3、図5、及び図8を参照して説明する。図8は、図5(B)に示す工程に対応する工程である。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a method for manufacturing a thin film transistor formed in a semiconductor device which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a process corresponding to the process shown in FIG.
実施の形態2と同様に、図3(A)〜(C)及び図5(A)の工程を経て、導電膜127を形成する。
Similarly to
次に、図8に示すように、実施の形態2と同様に、配線129a、129bを形成し、不純物半導体膜121及び半導体積層体117の一部をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体膜131a、131bを形成する。また、微結晶半導体領域143a及び非晶質半導体領域143bを有する半導体積層体143を形成する。このとき、不純物半導体膜及び非晶質半導体領域のそれぞれ一部をエッチングすることで、配線129a、129bで覆われる領域では微結晶半導体領域143a及び非晶質半導体領域143bが積層され、配線129a、129bで覆われず、かつゲート電極と重なる領域においては、微結晶半導体領域143aが露出せず、非晶質半導体領域143bが露出する半導体積層体143となる。なお、ここでの半導体積層体117のエッチング量は図5(B)より少ないものとする。
Next, as shown in FIG. 8, as in
この後の工程は、実施の形態2と同様である。 The subsequent steps are the same as those in the second embodiment.
以上の工程によりシングルゲート型の薄膜トランジスタを作製することができる。この薄膜トランジスタは、バックチャネル側が非晶質であるため、図5(B)に示す薄膜トランジスタに比べてオフ電流を低減することができる。 Through the above process, a single-gate thin film transistor can be manufactured. Since this thin film transistor is amorphous on the back channel side, off-state current can be reduced as compared with the thin film transistor illustrated in FIG.
また、本実施の形態では、図5に示す工程の後に、図5(C)に示す工程と同様に、絶縁膜137を介してバックゲート電極139を形成してもよい。
Further, in this embodiment, after the step illustrated in FIG. 5, the
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態5)
薄膜トランジスタを作製し、該薄膜トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置(表示装置ともいう)を作製することができる。また、薄膜トランジスタを用いた駆動回路の一部または全体を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
(Embodiment 5)
A thin film transistor is manufactured, and a semiconductor device having a display function (also referred to as a display device) can be manufactured using the thin film transistor in a pixel portion and further in a driver circuit. In addition, part or the whole of a driver circuit using a thin film transistor can be formed over the same substrate as the pixel portion to form a system-on-panel.
表示装置は表示素子を含む。表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう)、発光素子(発光表示素子ともいう)を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electro Luminescence)素子、有機EL素子等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。 The display device includes a display element. As the display element, a liquid crystal element (also referred to as a liquid crystal display element) or a light-emitting element (also referred to as a light-emitting display element) can be used. The light emitting element includes, in its category, an element whose luminance is controlled by current or voltage, and specifically includes an inorganic EL (Electro Luminescence) element, an organic EL element, and the like. In addition, a display medium whose contrast is changed by an electric effect, such as electronic ink, can be used.
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むIC等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を形成した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。 The display device includes a panel in which the display element is sealed, and a module in which an IC including a controller is mounted on the panel. Further, in the process of manufacturing the display device, the element substrate which corresponds to one embodiment before the display element is completed is provided with a means for supplying current to the display element in each of the plurality of pixels. Specifically, the element substrate may be in a state where only the pixel electrode of the display element is formed, or after the conductive film to be the pixel electrode is formed and before the pixel electrode is formed by etching. It can be in any state, and all forms apply.
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源(照明装置含む)を指す。また、コネクタ、例えばFPC(Flexible printed circuit)もしくはTAB(Tape Automated Bonding)テープもしくはTCP(Tape Carrier Package)が取り付けられたモジュール、TABテープやTCPの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にCOG(Chip On Glass)方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。 Note that a display device in this specification means an image display device, a display device, or a light source (including a lighting device). In addition, a connector, for example, a module with an FPC (Flexible printed circuit) or TAB (Tape Automated Bonding) tape or TCP (Tape Carrier Package), a module with a printed wiring board at the end of a TAB tape or TCP, or a display It is assumed that the display device includes all modules in which an IC (integrated circuit) is directly mounted on the element by a COG (Chip On Glass) method.
(実施の形態6)
本実施の形態では、半導体装置の一形態である光電変換装置について、説明する。本実施の形態に示す光電変換装置では、半導体膜に実施の形態1に示すような、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を採用する。表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜が採用される半導体膜としては、光電変換を行う半導体膜や導電型を示す半導体膜などがあるが、特に、光電変換を行う半導体膜に採用することが好適である。または、光電変換を行う半導体膜や導電型を示す半導体膜と、他の膜との界面に、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を採用することもできる。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a photoelectric conversion device which is one embodiment of a semiconductor device will be described. In the photoelectric conversion device described in this embodiment, a microcrystalline semiconductor film whose surface is flat and whose crystallinity is improved by reducing gaps between mixed phase grains as illustrated in
上述のような構成を採用することで、光電変換を行う半導体膜や導電型を示す半導体膜によって生じる抵抗(直列抵抗)を低減し、特性を向上させることができる。また、光電変換を行う半導体膜や導電型を示す半導体膜と、他の膜との界面における光学的・電気的な損失を抑制し、光電変換効率を向上させることができる。以下、図9を用いて、光電変換装置の作製方法の一形態について説明する。 By adopting the above-described configuration, resistance (series resistance) generated by a semiconductor film that performs photoelectric conversion or a semiconductor film exhibiting a conductivity type can be reduced and characteristics can be improved. In addition, optical and electrical losses at the interface between the semiconductor film that performs photoelectric conversion or the semiconductor film that exhibits conductivity type and another film can be suppressed, and photoelectric conversion efficiency can be improved. Hereinafter, one embodiment of a method for manufacturing a photoelectric conversion device will be described with reference to FIGS.
図9(A)に示すように、基板200上に第1の電極202を形成する。
As shown in FIG. 9A, the
基板200としては、実施の形態1に示す基板51を適宜用いることができる。また、プラスチック基板を用いることもできる。プラスチック基板としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアネート樹脂等の熱硬化性樹脂を含む基板や、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂を含む基板を用いると良い。
As the
なお、基板200は、テクスチャー構造であってもよい。これにより、光電変換効率を向上させることが可能である。
The
また、本実施の形態では、光が基板200の裏面側(図の下方)から入射する構成とするため、透光性を有する基板を採用するが、のちに形成される第2の電極210側(図の上方)から光が入射する構成とする場合には、これに限られない。この場合、シリコンなどの材料を含む半導体基板や、金属材料などを含む導電性基板を用いても良い。
In this embodiment mode, a light-transmitting substrate is used because light enters from the back surface side (lower side of the drawing) of the
第1の電極202は、実施の形態2に示すバックゲート電極139に示す透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。第1の電極202は、スパッタリング法、CVD法、真空蒸着法、塗布法、印刷法などを用いて形成する。
The
第1の電極202は、10nm乃至500nm、望ましくは、50nm乃至100nmの厚さで形成する。また、第1の電極202のシート抵抗は、20Ω/sq.乃至200Ω/sq.程度となるように形成する。
The
なお、本実施の形態では、光が基板200の裏面側(図の下方)から入射する構成とするため、透光性を有する導電性材料を用いて第1の電極202を形成しているが、のちに形成される第2の電極210側(図の上方)から光が入射する構成とする場合には、これに限られない。このような場合には、アルミニウム、白金、金、銀、銅、チタン、タンタル、タングステンなどの透光性を有しない導電性材料を用いて第1の電極202を形成することができる。特に、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いる場合には、光電変換効率を十分に向上させることが可能である。
Note that in this embodiment mode, the
基板200と同様、第1の電極202を、テクスチャー構造としてもよい。また、第1の電極202に接するように、低抵抗な導電性材料からなる補助電極を別途形成してもよい。
Similar to the
次に、図9(B)に示すように、第1の電極202上に第1の導電型を示す半導体膜204を形成する。第1の導電型を示す半導体膜204は、代表的には、導電型を付与する不純物元素が添加された半導体材料を含む半導体膜で形成する。半導体材料としては、生産性や価格などの点でシリコンを用いるのが好適である。半導体材料としてシリコンを用いる場合、導電型を付与する不純物元素としては、n型を付与するリン、ヒ素、p型を付与するホウ素、アルミニウム等が採用される。
Next, as illustrated in FIG. 9B, a
なお、本実施の形態では、光が基板200の裏面側(図の下方)から入射する構成としているため、第1の導電型を示す半導体膜204の導電型(第1の導電型)はp型とすることが望ましい。これは、ホールの寿命が電子の寿命の約半分と短く、結果としてホールの拡散長が短いこと、電子とホールの形成が、光電変換を行う半導体膜206の光が入射する側において多く行われること、などによるものである。このように、第1の導電型をp型とすることにより、ホールが消滅する前に電流として取り出すことが可能であるため、光電変換効率の低下を抑制することができる。なお、上記が問題とならないような状況、例えば、光電変換を行う半導体膜206が十分に薄い場合などにおいては、第1の導電型をn型としても良い。
Note that in this embodiment mode, light enters from the back surface side (lower side of the drawing) of the
第1の導電型を示す半導体膜204に用いることができる半導体材料としては、他にも、炭化シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウムなどがある。また、有機材料を含む半導体材料や、金属酸化物を含む半導体材料などを用いることも可能である。当該材料については、光電変換を行う半導体膜206との関係で、適宜選択することができる。
Other semiconductor materials that can be used for the
第1の導電型を示す半導体膜204の結晶性についての要求は特にないが、第1の導電型を示す半導体膜204に、実施の形態1に示す、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を採用する場合には、従来の微結晶半導体膜を採用する場合と比較して、直列抵抗を低減し、また、他の膜との界面における光学的・電気的な損失を抑制することができるため、好適である。もちろん、非晶質、多結晶、単結晶などの他の結晶性の半導体を採用することも可能である。
There is no particular requirement on the crystallinity of the
なお、第1の導電型を示す半導体膜204を、基板200と同様、テクスチャー構造としてもよい。
Note that the
第1の導電型を示す半導体膜204は、シリコンを含む堆積性ガス、及びジボランを用いたプラズマCVD法で、形成することができる。また、第1の導電型を示す半導体膜204は、1nm乃至100nm、望ましくは、5nm乃至50nmの厚さとなるように形成する。
The
また、導電型を付与する不純物元素が添加されていないシリコン膜をプラズマCVD法などによって形成した後、イオン注入などの方法でホウ素を添加して、第1の導電型を示す半導体膜204を形成してもよい。
Further, after a silicon film to which an impurity element imparting conductivity is not added is formed by a plasma CVD method or the like, boron is added by a method such as ion implantation to form the
次に、図9(C)に示すように、第1の導電型を示す半導体膜204上には、光電変換を行う半導体膜206を形成する。光電変換を行う半導体膜206としては、半導体膜204と同様の半導体材料を用いた半導体膜が適用される。すなわち、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウムなどが用いられる。中でも、シリコンを用いるのが好適である。他に、有機材料を含む半導体材料や、金属酸化物半導体材料などを用いることも可能である。
Next, as illustrated in FIG. 9C, a
光電変換を行う半導体膜206としては、実施の形態1に示すような、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を適用するのがより好適である。半導体膜に実施の形態1に示すような、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を採用することにより、従来の微結晶半導体膜を採用する場合と比較して直列抵抗を低減し、また、他の膜との界面における光学的・電気的な損失を抑制することができる。
As the
なお、光電変換を行う半導体膜206には十分な光吸収が求められることから、その厚みは、100nm乃至10μm程度とすることが望ましい。
Note that the
次に、図9(D)に示すように、光電変換を行う半導体膜206上に、第2の導電型を示す半導体膜208を形成する。本実施の形態では、第2の導電型をn型とする。第2の導電型を示す半導体膜208は、導電型を付与する不純物元素としてリンが添加されたシリコンなどの材料を用いて形成することができる。第2の導電型を示す半導体膜208に用いることができる半導体材料は、第1の導電型を示す半導体膜204と同様である。
Next, as illustrated in FIG. 9D, a
第2の導電型を示す半導体膜208は、第1の導電型を示す半導体膜204と同様に形成することができる。例えば、シリコンを含む堆積性ガス、及びホスフィンを用いたプラズマCVD法で、形成することができる。第2の導電型を示す半導体膜208についても、実施の形態1に示す、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を採用するのが好適である。
The
なお、本実施の形態では、光が基板200の裏面側(図の下方)から入射する構成としているため、第2の導電型を示す半導体膜208の導電型をn型としているが、開示する発明の一形態はこれに限定されない。第1の導電型を示す半導体膜204をn型とする場合には、第2の導電型を示す半導体膜208がp型となる。
Note that in this embodiment mode, light is incident from the back surface side (downward in the drawing) of the
次に、図9(E)に示すように、第2の導電型を示す半導体膜208上に第2の電極210を形成する。第2の電極210は、金属などの導電性材料を用いて形成する。例えば、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いて形成することができる。この場合、半導体膜206において吸収しきれなかった光を再度、半導体膜206に入射させることができ、光電変換効率を向上させることが可能であるため、好適である。
Next, as illustrated in FIG. 9E, the
第2の電極210の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法、塗布法、印刷法などがある。また、第2の電極210は、10nm乃至500nm、望ましくは、50nm乃至100nmの厚さで形成する。
Examples of a method for forming the
なお、本実施の形態では、光が基板200の裏面側(図の下方)から入射する構成とするため、透光性を有しない材料を用いて第2の電極210を形成しているが、第2の電極210の構成はこれに限られない。例えば、第2の電極210側(図の上方)から光が入射する構成とする場合には、第2の電極210は、第1の電極202に示す透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。
Note that in this embodiment mode, the
なお、第2の電極210に接するように、低抵抗な導電性材料からなる補助電極を形成しても良い。
Note that an auxiliary electrode formed of a low-resistance conductive material may be formed so as to be in contact with the
上述の方法で、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を、光電変換を行う半導体膜、第1の導電型を示す半導体膜、第2の導電型を示す半導体膜のいずれかに用いた光電変換装置を作製することができる。そして、これにより、光電変換装置の変換効率を高めることができる。なお、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜は、光電変換を行う半導体膜、第1の導電型を示す半導体膜、第2の導電型を示す半導体膜、のいずれかに用いられていれば良く、そのいずれに用いるかは適宜変更が可能である。また、上記半導体膜の複数に、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を用いる場合には、より効果的である。 A microcrystalline semiconductor film whose surface is flat and crystallinity is improved by reducing gaps between mixed phase grains by the above-described method is converted into a semiconductor film that performs photoelectric conversion, a semiconductor film that exhibits a first conductivity type, and a second film A photoelectric conversion device used for any of the semiconductor films exhibiting the above conductivity type can be manufactured. And thereby, the conversion efficiency of a photoelectric conversion apparatus can be improved. Note that a microcrystalline semiconductor film having a flat surface and improved crystallinity by reducing gaps between mixed phase grains includes a semiconductor film that performs photoelectric conversion, a semiconductor film that exhibits a first conductivity type, and a second conductivity type. As long as it is used in any of the semiconductor films showing the above, it can be changed as appropriate. Further, it is more effective when a microcrystalline semiconductor film whose surface is flat and crystallinity is improved by reducing gaps between mixed phase grains is used for a plurality of the semiconductor films.
なお、本実施の形態では、一つのユニットセルを有する光電変換装置を示したが、適宜二つ以上のユニットセルを積層した、光電変換装置とすることができる。 Note that although a photoelectric conversion device having one unit cell is described in this embodiment, a photoelectric conversion device in which two or more unit cells are appropriately stacked can be used.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態7)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍(電子ブック)、ポスター、デジタルサイネージ、PID(Public Information Display)、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図10に示す。
(Embodiment 7)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (also referred to as a mobile phone or a mobile phone device). ), Large game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproducing devices, and pachinko machines, and electronic paper. Electronic paper can be used for electronic devices in various fields as long as they display information. For example, it can be applied to electronic books (electronic books), posters, digital signage, PID (Public Information Display), advertisements in vehicles such as trains, displays on various cards such as credit cards, etc. using electronic paper. . An example of the electronic device is illustrated in FIG.
図10は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍2700は、筐体2701および筐体2703の2つの筐体で構成されている。筐体2701および筐体2703は、軸部2711により一体とされており、該軸部2711を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
FIG. 10 illustrates an example of an electronic book. For example, the
筐体2701には表示部2705及び光電変換装置2706が組み込まれ、筐体2703には表示部2707及び光電変換装置2708が組み込まれている。表示部2705および表示部2707は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部(図10では表示部2705)に文章を表示し、左側の表示部(図10では表示部2707)に画像を表示することができる。
A
また、図10では、筐体2701に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体2701において、電源2721、操作キー2723、スピーカ2725などを備えている。操作キー2723により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子、またはACアダプタおよびUSBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2700は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
FIG. 10 shows an example in which the
また、電子書籍2700は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
Further, the
本実施例では、実施の形態1で説明した、第1の条件を用いて種結晶を形成した後、第2の条件を用いて第1の微結晶半導体膜を形成し、第3の条件を用いて第2の微結晶半導体膜を形成し、更に第4の条件を用いて第3の微結晶半導体膜を形成するという4段階で微結晶半導体膜を形成することで、表面が平坦であり、混相粒の隙間を低減することで結晶性を高めた微結晶半導体膜を形成できることを説明する。
In this example, after forming the seed crystal using the first condition described in
はじめに、実施の形態1に示す方法を用いた微結晶半導体膜の作製方法について説明する。
First, a method for manufacturing a microcrystalline semiconductor film using the method described in
ガラス基板(コーニング製EAGLE XG)上に絶縁膜として厚さ300nmの窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜を水素及び酸素の混合気体で発生されたプラズマに曝した。次に、その上に、厚さ5nmの種結晶をプラズマCVD法にて形成した後、窒化シリコン膜および種結晶の上に、厚さ15nmの第1の微結晶半導体膜をプラズマCVD法にて形成し、第1の微結晶半導体膜上に厚さ30nmの第2の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成し、第2の微結晶半導体膜上に厚さ20nmの第3の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成した。 A silicon nitride film having a thickness of 300 nm was formed as an insulating film on a glass substrate (Corning EAGLE XG), and the silicon nitride film was exposed to plasma generated by a mixed gas of hydrogen and oxygen. Next, a seed crystal having a thickness of 5 nm is formed thereon by a plasma CVD method, and then a first microcrystalline semiconductor film having a thickness of 15 nm is formed on the silicon nitride film and the seed crystal by a plasma CVD method. A second microcrystalline semiconductor film having a thickness of 30 nm is formed over the first microcrystalline semiconductor film by a plasma CVD method, and a third microcrystalline semiconductor having a thickness of 20 nm is formed over the second microcrystalline semiconductor film. A film was formed by a plasma CVD method.
窒化シリコン膜の堆積は、シランの流量を15sccm、水素の流量を200sccm、窒素の流量を180sccm、アンモニアの流量を500sccmとして原料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を100Pa、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を200Wとしてプラズマ放電を行った。なお、窒化シリコン膜の堆積は、平行平板型のプラズマCVD装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔(ギャップ)を26mmとした。 The deposition of the silicon nitride film is stabilized by introducing a source gas at a flow rate of silane of 15 sccm, a flow rate of hydrogen of 200 sccm, a flow rate of nitrogen of 180 sccm, and a flow rate of ammonia of 500 sccm, a pressure in the processing chamber of 100 Pa, and an RF power frequency. Was 13.56 MHz and the power of the RF power source was 200 W, and plasma discharge was performed. The silicon nitride film is deposited using a parallel plate type plasma CVD apparatus, the upper electrode temperature is 200 ° C., the lower electrode temperature is 300 ° C., and the distance (gap) between the upper electrode and the lower electrode is 26 mm. did.
窒化シリコン膜へのプラズマ処理は、水素及び酸素の流量をそれぞれ800sccm、200sccmとして処理室内に導入し、処理室内の圧力を1250Paとして安定させ、電力を900Wとして3分間のプラズマ放電を行った。なお、上記プラズマ処理は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を15mmとした。 In the plasma treatment of the silicon nitride film, hydrogen and oxygen were introduced into the treatment chamber at flow rates of 800 sccm and 200 sccm, the pressure in the treatment chamber was stabilized at 1250 Pa, and the plasma discharge was performed for 3 minutes at an electric power of 900 W. The plasma treatment was performed using a parallel plate type plasma treatment apparatus. The upper electrode temperature was 200 ° C., the lower electrode temperature was 300 ° C., and the distance between the upper electrode and the lower electrode was 15 mm.
種結晶の堆積は、シランの流量を3sccm、水素の流量を750sccm、アルゴンの流量を750sccmとして原料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を1250Pa、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を100Wとしてプラズマ放電を行った。なお、種結晶の堆積は、平行平板型のプラズマCVD装置を用いて行い、下部電極の温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を7mmとした。当該条件を第1の条件とする。 The seed crystal is deposited with a silane flow rate of 3 sccm, a hydrogen flow rate of 750 sccm, and an argon flow rate of 750 sccm to stabilize the material gas introduced, the processing chamber pressure is 1250 Pa, the RF power frequency is 13.56 MHz, and the RF power source. The plasma discharge was performed at a power of 100 W. The seed crystal was deposited using a parallel plate type plasma CVD apparatus, the temperature of the lower electrode was 300 ° C., and the distance between the upper electrode and the lower electrode was 7 mm. This condition is the first condition.
第1の微結晶半導体膜の堆積は、シランの流量を1sccm、水素の流量を3000sccmとして原料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を10000Pa、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を300Wとしてプラズマ放電を行った。なお、第1の微結晶半導体膜の堆積は、平行平板型のプラズマCVD装置を用いて行い、下部電極の温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を7mmとした。当該条件を第2の条件とする。 The deposition of the first microcrystalline semiconductor film is stabilized by introducing a source gas with a silane flow rate of 1 sccm and a hydrogen flow rate of 3000 sccm, a pressure in the processing chamber of 10,000 Pa, an RF power source frequency of 13.56 MHz, and an RF power source Plasma discharge was performed at an electric power of 300 W. Note that the first microcrystalline semiconductor film was deposited using a parallel plate type plasma CVD apparatus, the temperature of the lower electrode was set to 300 ° C., and the distance between the upper electrode and the lower electrode was set to 7 mm. This condition is the second condition.
第2の微結晶半導体膜の堆積は、シランの流量、RF電源の電力以外の条件は第1の微結晶半導体膜の成膜条件と同様である。流量1sccmのシランを10秒流す第1の周期と、流量0.1sccmのシランを60秒流す第2の周期を繰り返す条件を用いた。また、RF電源の電力を700Wとした。当該条件を第3の条件とする。 The deposition of the second microcrystalline semiconductor film is the same as the deposition conditions of the first microcrystalline semiconductor film except for the flow rate of silane and the power of the RF power source. A condition was used in which a first cycle in which silane with a flow rate of 1 sccm was flown for 10 seconds and a second cycle in which silane with a flow rate of 0.1 sccm was flowed for 60 seconds were repeated. The power of the RF power source was set to 700W. This condition is the third condition.
第3の微結晶半導体膜の堆積は、シランの流量、RF電源の電力以外の条件は第1の微結晶半導体膜の成膜条件と同様である。シランの流量を2sccmとし、また、RF電源の電力を700Wとした。当該条件を第4の条件とする。 The deposition of the third microcrystalline semiconductor film is the same as the deposition condition of the first microcrystalline semiconductor film except for the flow rate of silane and the power of the RF power source. The flow rate of silane was 2 sccm, and the power of the RF power source was 700 W. This condition is the fourth condition.
以上の条件により形成した微結晶半導体膜を試料1とする。
The microcrystalline semiconductor film formed under the above conditions is referred to as
また、比較例1として、試料1の第1の条件及び第2の条件を用いて、試料2を形成した。具体的には、ガラス基板(コーニング製EAGLE XG)上に絶縁膜として厚さ300nmの窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜を水素及び酸素の混合気体で発生されたプラズマに曝した。次に、その上に、第1の条件を用いて厚さ5nmの種結晶をプラズマCVD法にて形成した後、窒化シリコン膜および種結晶の上に、第2の条件を用いて厚さ65nmの第1の微結晶半導体膜をプラズマCVD法にて形成した。
Further, as Comparative Example 1,
また、比較例2として、試料1の第1の条件、第2の条件、及び第3の条件を用いて、試料3を形成した。具体的には、ガラス基板(コーニング製EAGLE XG)上に絶縁膜として厚さ300nmの窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜を水素及び酸素の混合気体で発生されたプラズマに曝した。次に、その上に、第1の条件を用いて厚さ5nmの種結晶をプラズマCVD法にて形成した後、窒化シリコン膜および種結晶の上に、第2の条件を用いて厚さ15nmの第1の微結晶半導体膜をプラズマCVD法にて形成し、第1の微結晶半導体膜上に厚さ50nmの第2の微結晶半導体膜をプラズマCVD法により形成した。
Further, as Comparative Example 2, Sample 3 was formed using the first condition, the second condition, and the third condition of
次に、微結晶半導体膜の結晶性についてラマン分光分析を行った。それぞれの微結晶半導体膜の3ポイントの結晶/非晶質ピーク強度比(Ic/Ia)、及びラマンスペクトルの520cm−1におけるピークの半値全幅(FWHM)の平均値を表1に示す。 Next, Raman spectroscopic analysis was performed on the crystallinity of the microcrystalline semiconductor film. Table 1 shows the three-point crystal / amorphous peak intensity ratio (Ic / Ia) of each microcrystalline semiconductor film and the average value of the full width at half maximum (FWHM) of the peak at 520 cm −1 in the Raman spectrum.
表1より、第3の条件を用いることで、試料1及び試料3に示すように、微結晶半導体膜のIc/Iaが上昇すると共に、FWHMの値が小さくなる。また、試料3と比較して、試料1のIc/Iaが若干低下すると共に、FWHMの値が若干小さくなる。これらのことから、第3の条件を用いることで、微結晶半導体膜の結晶性が高まるものの、第4の条件を用いることで、若干微結晶半導体膜の結晶性が低下することが分かる。
From Table 1, by using the third condition, as shown in
次に、試料1乃至試料3に示す微結晶半導体膜の平坦性について、図11を用いて説明する。
Next, planarity of the microcrystalline semiconductor films shown in
次に、試料1乃至試料3の平均面粗さと最大高低差をAFM(Atomic Force Microscopy)で測定した。図11は、AFMの測定結果を表すグラフであり、左y軸及び棒グラフで5μm2における平均面粗さを示し、右y軸及び四角印で5μm2における最大高低差を示す。図11より試料3と比較して、試料1の方が平均面粗さ及び最大高低差が小さい。
Next, the average surface roughness and the maximum height difference of
表1及び図11より、第1の条件乃至第4の条件を用いて形成する微結晶半導体膜は、平坦性を有し、且つ結晶性が高いことが分かる。 From Table 1 and FIG. 11, it is found that the microcrystalline semiconductor film formed using the first to fourth conditions has flatness and high crystallinity.
次に、試料1と同様の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有するデュアルゲート型薄膜トランジスタ(TFT1)と、試料3と同様の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有するデュアルゲート型薄膜トランジスタ(TFT2)の電気特性について、図3、図5、図12、及び図13を用いて説明する。
Next, a dual-gate thin film transistor (TFT1) having a microcrystalline semiconductor film formed using conditions similar to those of
はじめに、本実施例の薄膜トランジスタの作製方法について、図3および図5を参照して説明する。本実施例ではデュアルゲート型の薄膜トランジスタを作製する。 First, a method for manufacturing the thin film transistor of this example is described with reference to FIGS. In this embodiment, a dual-gate thin film transistor is manufactured.
まず、基板101上に下地絶縁膜(ここでは図示しない。)を形成し、下地絶縁膜上にゲート電極103を形成した。
First, a base insulating film (not shown here) was formed over the
ここでは、基板101として、ガラス基板(コーニング製EAGLE XG)を用いた。
Here, a glass substrate (Corning EAGLE XG) was used as the
ゲート電極103は、アルミニウム層をチタン層により挟持した構造とした。具体的には、まず、チタンターゲットをアルゴンイオンでスパッタリングして、厚さ50nmの第1のチタン膜を下地絶縁膜上に形成した。このとき、導入するアルゴンの流量は20sccmとし、処理室内の圧力は0.1Pa、印加電圧は12kW、温度は室温とした。そして、その上にアルミニウムターゲットをアルゴンイオンでスパッタリングして、厚さ100nmのアルミニウム膜を形成した。このとき、導入するアルゴンの流量は50sccmとし、処理室内の圧力は0.4Pa、印加電圧は4kW、温度は室温とした。そして、その上にチタンターゲットをアルゴンイオンでスパッタリングして、厚さ50nmの第2のチタン膜を形成した。第2のチタン膜は第1のチタン膜と同様の方法で形成した。つまり、導入するアルゴンの流量は20sccmとし、処理室内の圧力は0.1Pa、印加電圧は12kW、温度は室温とした。
The
次に、第2のチタン膜上にレジストを塗布し、第1のフォトマスクを用いて露光した後、現像してレジストで形成されたマスクを形成した。 Next, a resist was applied onto the second titanium film, exposed using the first photomask, and then developed to form a mask formed of resist.
次に、当該レジストで形成されるマスクを用いてエッチング処理を行って、ゲート電極103を形成した。ここでは、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)装置を用いて2段階のエッチングを行った。すなわち、ICPパワー600W、バイアスパワー250W、エッチングガスとして三塩化ホウ素を流量60sccmで導入し、塩素を流量20sccmで導入して、処理室内の圧力を1.2Paとし、第1のエッチングを行った後、ICPパワー500W、バイアスパワー50W、圧力2.0Pa、エッチングガスとして四フッ化炭素を流量80sccmで導入して処理室内の圧力を2.0Paとし、第2のエッチングを行った。その後、該レジストで形成されたマスクを除去した。
Next, etching was performed using a mask formed of the resist, so that the
次に、ゲート電極103及び下地絶縁膜上に、ゲート絶縁膜105を形成した後、ゲート絶縁膜105にプラズマ処理を行った。
Next, after the
本実施例では、ゲート絶縁膜105として、厚さ300nmの窒化シリコン膜をプラズマCVD法によって堆積させて形成した後、プラズマ処理を行った。窒化シリコン膜の堆積は、シランの流量を15sccm、水素の流量を200sccm、窒素の流量を180sccm、アンモニアの流量を500sccmとして原料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を100Pa、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を200Wとしてプラズマ放電を行った。なお、ゲート絶縁膜105の堆積は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を30mmとした。
In this embodiment, a silicon nitride film having a thickness of 300 nm is deposited as the
形成した窒化シリコン膜へのプラズマ処理は、水素の流量を800sccm、酸素の流量を200sccmとして処理室内に導入し、処理室内の圧力を1250Paとして安定させ、電力を900Wとして3分間のプラズマ放電を行った。なお、上記プラズマ処理は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を15mmとした。 In the plasma treatment of the formed silicon nitride film, a hydrogen flow rate of 800 sccm and an oxygen flow rate of 200 sccm are introduced into the treatment chamber, the pressure in the treatment chamber is stabilized at 1250 Pa, power is 900 W, and plasma discharge is performed for 3 minutes. It was. The plasma treatment was performed using a parallel plate type plasma treatment apparatus. The upper electrode temperature was 200 ° C., the lower electrode temperature was 300 ° C., and the distance between the upper electrode and the lower electrode was 15 mm.
次に、TFT1においては、ゲート絶縁膜105上に、第1の条件により厚さ5nmの種結晶107をプラズマCVD法を用いて形成した後、第2の条件を用いて厚さ15nmの第1の微結晶半導体膜108をプラズマCVD法を用いて形成し、第3の条件を用いて厚さ30nmの第2の微結晶半導体膜109をプラズマCVD法を用いて形成し、更に第4の条件を用いて厚さ20nmの第3の微結晶半導体膜110をプラズマCVD法を用いて形成した。
Next, in
また、TFT2においては、ゲート絶縁膜105上に、第1の条件により厚さ5nmの種結晶107をプラズマCVD法を用いて形成した後、第2の条件を用いて厚さ15nmの第1の微結晶半導体膜108をプラズマCVD法を用いて形成し、第3の条件を用いて厚さ50nmの第2の微結晶半導体膜109をプラズマCVD法を用いて形成した。
In the
ここまでの工程で得られた構成を図3(A)に示す。 The structure obtained through the steps up to here is illustrated in FIG.
次に、第3の微結晶半導体膜110または第2の微結晶半導体膜109上に厚さ80nmの半導体膜111を形成し、半導体膜111上に厚さ50nmの不純物半導体膜113を形成した。半導体膜111及び不純物半導体膜113は、プラズマCVD法を用いて形成した。
Next, a
半導体膜111の堆積は、シランの流量を25sccm、1000ppmアンモニア(水素希釈)の流量を100sccm、水素の流量を650sccm、アルゴンの流量を750sccmとして材料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を1250Paとし、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を150Wとしてプラズマ放電を行った。なお、半導体膜111の堆積は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を15mmとした。
The deposition of the
不純物半導体膜113としては、リンが添加されたアモルファスシリコン膜を形成した。不純物半導体膜113の堆積は、シランの流量を82sccm、5%ホスフィン(シラン希釈)の流量を18sccm、水素の流量を1400sccmとして材料ガスを導入して安定させ、処理室内の圧力を1050Pa、RF電源周波数を13.56MHz、RF電源の電力を60W(10kHzでデューティ比30%のパルス放電)としてプラズマ放電を行った。なお、不純物半導体膜の堆積は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を200℃、下部電極温度を300℃とし、上部電極と下部電極との間隔を15mmとした。
As the
次に、不純物半導体膜113上にレジストを塗布した後、第2のフォトマスクを用いて露光し、現像してレジストで形成されたマスク115を形成した。ここまでの工程で得られた構成を図3(B)に示す。
Next, after applying a resist over the
次に、レジストで形成されたマスク115を用いてエッチング処理を行い、微結晶半導体領域117a及び非晶質半導体領域117bを有する半導体積層体117、及び不純物半導体膜121を形成した。
Next, etching was performed using the
エッチングを行うにあたり、本実施例では、ICP装置を用いて、ICPパワー450W、バイアスパワー100W、エッチングガスとして三塩化ホウ素を流量36sccm、四フッ化炭素を36sccm、酸素を8sccmで導入し、処理室内の圧力を2Paとしてエッチングを行った。 In this embodiment, in this embodiment, an ICP apparatus is used to introduce an ICP power of 450 W, a bias power of 100 W, boron trichloride as an etching gas at a flow rate of 36 sccm, carbon tetrafluoride at 36 sccm, and oxygen at 8 sccm. Etching was performed at a pressure of 2 Pa.
その後、酸素プラズマ処理を行い、微結晶半導体領域117a及び非晶質半導体領域117bを有する半導体積層体117及び不純物半導体膜121の側壁に酸化膜を形成した後、レジストで形成されたマスク115を除去した(図示せず。)。
After that, oxygen plasma treatment is performed to form an oxide film on the sidewalls of the semiconductor stacked
酸素プラズマ処理は、酸素の流量を100sccmとして導入して処理室内の圧力を0.67Paとして安定させ、基板温度を−10℃とし、ICPパワーを2000W、バイアスパワーを350Wでプラズマ放電を行った。 In the oxygen plasma treatment, the flow rate of oxygen was 100 sccm, the pressure in the treatment chamber was stabilized at 0.67 Pa, the substrate temperature was −10 ° C., the plasma discharge was performed at an ICP power of 2000 W, and a bias power of 350 W.
ここまでの工程で得られた構成を図3(C)に示す。 The structure obtained through the steps up to here is illustrated in FIG.
次に、ゲート絶縁膜105、半導体積層体117および不純物半導体膜121を覆って導電膜127を形成した。本工程で得られた構成を図5(A)に示す。
Next, a
本実施例では、導電膜127は、厚さ300nmのチタン膜を、ゲート電極103で形成したチタン膜と同様の条件を用いて形成した。
In this example, the
次に、導電膜127上にレジストを塗布した後、第3のフォトマスクを用いて露光し、現像してレジストで形成されたマスクを形成した。当該レジストで形成されたマスクを用いて導電膜127、不純物半導体膜121、及び半導体積層体117の一部をドラエッチングして、配線129a及び配線129b、一対の不純物半導体膜131a、131bを形成した。
Next, after applying a resist over the
本工程では、ICP装置を用いて、ICPパワー450W、バイアスパワー100W、エッチングガスとして三塩化ホウ素を流量60sccmで導入し、塩素を20sccmで導入し、処理室内の圧力を1.9Paとしてエッチングを行った。 In this process, using an ICP apparatus, etching is performed with an ICP power of 450 W, a bias power of 100 W, boron trichloride as an etching gas at a flow rate of 60 sccm, chlorine at 20 sccm, and a pressure in the processing chamber of 1.9 Pa. It was.
次に、レジストで形成されたマスクを除去した後、一部エッチングされた半導体積層体117をさらにエッチングし、微結晶半導体領域133a及び一対の非晶質半導体領域133bを有する半導体積層体133を形成した。
Next, after removing the mask formed of the resist, the partially etched semiconductor stacked
本工程は、ICPパワー500W、バイアスパワー50W、エッチングガスとして臭化水素を流量125sccm、フッ化硫黄の流量10sccm、及び酸素の流量5sccmを導入し、処理室内の圧力を1.7Paとしてエッチングを行った。 In this process, ICP power is 500 W, bias power is 50 W, hydrogen bromide is flowed at 125 sccm, sulfur fluoride is flowed at 10 sccm, and oxygen is flowed at 5 sccm, and the pressure in the processing chamber is 1.7 Pa. It was.
なお、半導体積層体117の表面から100nmをエッチングした。なお、本実施例では、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線129a、129b平面形状は、直線型である。
Note that 100 nm was etched from the surface of the semiconductor stacked
次に、半導体積層体133の表面を水プラズマ処理し、半導体積層体133表面に残留する不純物を除去した。本工程では、パワー1800Wとして水蒸気を流量300sccmで導入し、処理室内の圧力を66.5Paとして水プラズマ処理を行った。
Next, the surface of the semiconductor stacked
ここまでの工程で得られた構成を図5(B)に示す。 The structure obtained through the steps up to here is illustrated in FIG.
次に、絶縁膜137として、厚さ300nmの窒化シリコン膜を形成した。絶縁膜137の堆積は、シランの流量を20sccm、アンモニアの流量を220sccm、窒素の流量を450sccm、水素の流量を450sccmとして材料ガスを導入し、処理室内の圧力を160Pa、RF電源周波数を27MHz、RF電源の電力を200Wとしてプラズマ放電を行った。なお、絶縁膜137の堆積は、平行平板型のプラズマ処理装置を用いて行い、上部電極温度を250℃、下部電極温度を290℃とし、上部電極と下部電極との間隔を21mmとした。
Next, as the insulating
次に、絶縁膜137上にレジストを塗布した後、第4のフォトマスクを用いて露光し、現像してレジストで形成されたマスクを形成した。当該レジストで形成されたマスクを用いて絶縁膜の一部をドライエッチングして、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線129a、129bを露出させた。また、絶縁膜137及びゲート絶縁膜105の一部をドライエッチングして、ゲート電極103を露出した。その後、レジストで形成されたマスクを除去した。
Next, after a resist was applied over the insulating
次に、絶縁膜137上に導電膜を形成した後、該導電膜上にレジストを塗布し、第5のフォトマスクを用いて露光し、現像してレジストで形成されたマスクを形成した。当該レジストで形成されたマスクを用いて導電膜の一部をウェットエッチングして、配線129aに接続する導電膜、配線129bに接続する導電膜、及びゲート電極103に接続するバックゲート電極139を形成した。なお、上記導電膜は、薄膜トランジスタの電気特性を測定する際のパッドとして機能する。
Next, after a conductive film was formed over the insulating
ここでは、導電膜として、スパッタリング法により厚さ50nmのインジウム錫酸化物を形成した後、ウェットエッチング処理によりバックゲート電極139を形成した。なお、ここでは図示しないが、バックゲート電極139は、ゲート電極103と接続されている。その後、レジストで形成されたマスクを除去した。
Here, as a conductive film, indium tin oxide having a thickness of 50 nm was formed by a sputtering method, and then a
以上の工程により、デュアルゲート型薄膜トランジスタを作製した(図5(C)参照。)。 Through the above process, a dual-gate thin film transistor was manufactured (see FIG. 5C).
図12に、本実施例で作製したTFT1及びTFT2の電気特性を測定した結果を示す。 FIG. 12 shows the results of measuring the electrical characteristics of TFT1 and TFT2 manufactured in this example.
図12(A)は、試料1と同様の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有するデュアルゲート型の薄膜トランジスタ(TFT1)の電気特性であり、図12(B)は、試料3と同様の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有するデュアルゲート型の薄膜トランジスタ(TFT2)の電気特性である。
12A shows electrical characteristics of a dual-gate thin film transistor (TFT1) having a microcrystalline semiconductor film formed using conditions similar to those of
薄膜トランジスタ(TFT1及びTFT2)には、ゲート電極103及びバックゲート電極139に同じ電圧を印加した。なお、本実施例の薄膜トランジスタの配線129a、129bの対向間隔(チャネル長)を3.2μm、配線129a、129bの対向幅(チャネル幅)を19.9μm、チャネル幅方向における半導体積層体133の幅を22.2μmとした。また、ゲート絶縁膜105の厚さを300nm、平均誘電率を6.85とし、ドレイン電圧が10Vのときの電界効果移動度を計算した。
In the thin film transistors (TFT1 and TFT2), the same voltage was applied to the
また、ドレイン電圧が10Vで、ゲート電極103の電圧が15Vのときのオン電流(Ionと示す。)、最小オフ電流(Ioff(min.)と示す。)、最小オフ電流のゲート電圧−10Vのときのオフ電流(Ioffと示す。)、最小オフ電流に対するオン電流の比(Ion/Ioff(min.)と示す。)、しきい値電圧(Vthと示す。)、S値(S−valueと示す。)、ドレイン電圧が10Vのときの電界効果移動度(μFE_sat.と示す。)を表2に示す。
Further, when the drain voltage is 10 V and the voltage of the
また、16個のTFT1が一つの基板上に形成された2枚の基板と、16個のTFT2が一つの基板上に形成された2枚の基板、それぞれの薄膜トランジスタのドレイン電圧が10Vのときの電界効果移動度(μFE_sat.)を図13(A)に示す。また、同様の基板の薄膜トランジスタの最小オフ電流(Ioff(min.))、最小オフ電流のゲート電圧−10Vのときのオフ電流(Ioff)を図13(B)に示す。図13(B)において、Ioffを三角印で示し、Ioff(min.)を丸印で示す。また、各基板のμFE、Ioff、Ioff_minの平均値をそれぞれ、グラフ内に記した。
In addition, two substrates in which 16
図13(A)より、第1の条件乃至第4の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有する薄膜トランジスタ(TFT1)は、第1の条件乃至第3の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有する薄膜トランジスタ(TFT2)より更に、電界効果移動度が高いことが分かる。 From FIG. 13A, a thin film transistor (TFT1) having a microcrystalline semiconductor film formed using the first to fourth conditions is a microcrystalline semiconductor formed using the first to third conditions. It can be seen that the field effect mobility is higher than that of the thin film transistor (TFT2) having a film.
また、図13(B)より、第1の条件乃至第4の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有する薄膜トランジスタ(TFT1)は、第1の条件乃至第3の条件を用いて形成した微結晶半導体膜を有する薄膜トランジスタ(TFT2)より更に、最小オフ電流及びオフ電流が低いことが分かる。 From FIG. 13B, a thin film transistor (TFT1) having a microcrystalline semiconductor film formed using the first condition to the fourth condition is thin film formed using the first condition to the third condition. It can be seen that the minimum off-state current and off-state current are lower than those of the thin film transistor (TFT2) having a crystalline semiconductor film.
Claims (8)
前記種結晶上に、シリコンを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とする第2の条件を用いたプラズマCVD法により第1の微結晶半導体膜を形成し、
前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とし、且つ微結晶半導体を堆積する第1の周期と、前記微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする前記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行う第3の条件を用いたプラズマCVD法により、第1の微結晶半導体膜上に第2の微結晶半導体膜を形成し、
前記第2の微結晶半導体膜上に、シリコンを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とする第4の条件を用いたプラズマCVD法により第3の微結晶半導体膜を形成することを特徴とする微結晶半導体膜の作製方法。 On the insulating film, the first condition is that the flow rate of hydrogen relative to the flow rate of the deposition gas containing silicon is 50 times or more and 1000 times or less to dilute the deposition gas, and the pressure in the processing chamber is 67 Pa or more and 50000 Pa or less. A seed crystal is formed by the plasma CVD method used,
A second gas flow is formed on the seed crystal by diluting the deposition gas by setting the flow rate of hydrogen to 100 to 2000 times the flow rate of the deposition gas containing silicon, and setting the pressure in the processing chamber to 1333 Pa to 50000 Pa. A first microcrystalline semiconductor film is formed by a plasma CVD method using conditions;
The pressure in the treatment chamber is set to 1333 Pa to 50000 Pa, and is longer than the first period for depositing the microcrystalline semiconductor and the first period for selectively etching the amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor. A second microcrystalline semiconductor film is formed over the first microcrystalline semiconductor film by a plasma CVD method using a third condition that alternately performs the second period,
On the second microcrystalline semiconductor film, the deposition gas is diluted by increasing the hydrogen flow rate to 100 to 2000 times the flow rate of the deposition gas containing silicon, and the pressure in the processing chamber is set to 1333 Pa to 50000 Pa. A method for manufacturing a microcrystalline semiconductor film, wherein the third microcrystalline semiconductor film is formed by a plasma CVD method using the fourth condition.
前記基板及び前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上に、第1の条件により種結晶を形成し、
前記種結晶上に、第2の条件により第1の微結晶半導体膜を形成し、
前記第1の微結晶半導体膜上に、第3の条件により第2の微結晶半導体膜を形成し、
前記第2の微結晶半導体膜上に、第4の条件により第3の微結晶半導体膜を形成し、
前記第3の微結晶半導体膜上に、微結晶半導体領域及び非晶質半導体領域を有する半導体膜を形成し、
前記半導体膜上に第1の不純物半導体膜を形成し、
前記第1の不純物半導体膜の一部をエッチングして、島状の第2の不純物半導体膜を形成すると共に、前記種結晶、前記第1の微結晶半導体膜、前記第2の微結晶半導体膜、前記第3の微結晶半導体膜、及び前記半導体膜の一部をエッチングして、島状の第1の半導体積層体を形成し、
前記第2の不純物半導体膜上に、ソース電極及びドレイン電極として機能する配線を形成し、
前記第2の不純物半導体膜をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体膜を形成し、
前記第1の条件は、シリコンを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を50倍以上1000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ処理室内の圧力を67Pa以上50000Pa以下とする条件であり、
前記第2の条件は、シリコンを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とする条件であり、
前記第3の条件は、前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とし、且つ微結晶半導体を堆積する第1の周期と、前記微結晶半導体に含まれる非晶質半導体領域を選択的にエッチングする前記第1の周期より長い第2の周期とを交互に行う条件であり、
前記第4の条件は、シリコンを含む堆積性気体の流量に対する水素の流量を100倍以上2000倍以下にして堆積性気体を希釈し、且つ前記処理室内の圧力を1333Pa以上50000Pa以下とする条件であることを特徴とする半導体装置の作製方法。 Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film on the substrate and the gate electrode;
Forming a seed crystal on the gate insulating film under a first condition;
Forming a first microcrystalline semiconductor film on the seed crystal under a second condition;
Forming a second microcrystalline semiconductor film on the first microcrystalline semiconductor film under a third condition;
Forming a third microcrystalline semiconductor film on the second microcrystalline semiconductor film under a fourth condition;
Forming a semiconductor film having a microcrystalline semiconductor region and an amorphous semiconductor region over the third microcrystalline semiconductor film;
Forming a first impurity semiconductor film on the semiconductor film;
A part of the first impurity semiconductor film is etched to form an island-like second impurity semiconductor film, and the seed crystal, the first microcrystalline semiconductor film, and the second microcrystalline semiconductor film Etching the third microcrystalline semiconductor film and a part of the semiconductor film to form an island-shaped first semiconductor stacked body;
A wiring functioning as a source electrode and a drain electrode is formed on the second impurity semiconductor film,
Etching the second impurity semiconductor film to form a pair of impurity semiconductor films functioning as a source region and a drain region;
The first condition is a condition in which the flow rate of hydrogen with respect to the flow rate of the deposition gas containing silicon is 50 times or more and 1000 times or less to dilute the deposition gas, and the pressure in the processing chamber is set to 67 Pa or more and 50000 Pa or less. ,
The second condition is a condition in which the flow rate of hydrogen with respect to the flow rate of the deposition gas containing silicon is 100 times or more and 2000 times or less to dilute the deposition gas, and the pressure in the processing chamber is 1333 Pa or more and 50000 Pa or less. Yes,
The third condition is that the pressure in the treatment chamber is set to 1333 Pa or more and 50000 Pa or less, and the first period for depositing the microcrystalline semiconductor and the amorphous semiconductor region included in the microcrystalline semiconductor are selectively etched. A condition for alternately performing a second period longer than the first period;
The fourth condition is a condition in which the flow rate of hydrogen with respect to the flow rate of the deposition gas containing silicon is 100 times or more and 2000 times or less to dilute the deposition gas, and the pressure in the processing chamber is 1333 Pa to 50000 Pa. There is provided a method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1の半導体積層体の側面をプラズマに曝して、前記第1の半導体積層体の側面に絶縁領域を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 In Claim 2, before forming the 1st semiconductor layered product and forming the wiring which functions as a source electrode and a drain electrode on the 1st semiconductor layered product,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising exposing a side surface of the first semiconductor stacked body to plasma to form an insulating region on the side surface of the first semiconductor stacked body.
前記配線、前記一対の不純物半導体膜、前記第2の半導体積層体、及び前記ゲート絶縁膜上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜上に、バックゲート電極及び画素電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 In Claim 2 or Claim 3, a part of the first semiconductor stacked body is etched to form a second semiconductor stacked body in which a microcrystalline semiconductor region and a pair of amorphous semiconductor regions are stacked,
Forming an insulating film on the wiring, the pair of impurity semiconductor films, the second semiconductor stacked body, and the gate insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a back gate electrode and a pixel electrode over the insulating film.
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