JP2648784B2

JP2648784B2 - 液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半導体装置

Info

Publication number: JP2648784B2
Application number: JP4333725A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1997-09-03
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JPH06125088A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示パネルに用い
られる液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半導体装
置およびその作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単結晶珪素を用いた絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、広く半導体分野に用いられている。そ
の代表例には、本出願人の発明にかかる特公昭50─1986
号公報に示されている「半導体装置およびその作製方
法」がある。しかし、チャネル形成領域を単結晶半導体
を用いるのではなく、水素またはハロゲン元素が１原子
％以上の濃度に添加された非単結晶半導体により設けら
れた絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、本出願人のそ
の後の出願にかかる特願昭53−124021号公報に示されて
いる「半導体装置およびその作製方法」( 昭和53年10月
７日出願）がその代表例である。かかる水素またはハロ
ゲン元素が添加された非単結晶半導体、特に珪素半導体
がチャネル形成領域に用いられた絶縁ゲート型電界効果
半導体装置は、オフ電流が従来より公知の単結晶半導体
を用いた場合に比べて10³〜10⁵分の１も小さい。その
ため、絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、液晶表示パ
ネル制御用として用いることが有効であるとされてい
る。

【０００３】この絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、
前記特願昭53−124021号公報に示されているごとく、ゲ
ート電極がチャネル形成領域の半導体に対し、その上側
に設けられた横チャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体
装置、また、本出願人の出願にかかる特願昭56─001767
号公報「絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法」
( 昭和56年１月９日）に示された縦チャネル型絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置、およびゲート電極がチャネル
形成領域を構成する半導体の下側に設けられたいわゆる
一般的に公知の薄膜絶縁ゲート型電界効果半導体装置が
知られている。

【０００４】しかし、そのうち後二者に比べ前者の前記
した構造は、従来より公知の単結晶珪素を用いた絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置と構造が同じであるため、す
でに出来上がった技術を応用できるというきわめて優れ
た特長を有するものであった。また、従来例として、特
開昭５８−２０７３号公報に示された電界効果型トラン
ジスタは、多結晶領域からなるソースおよびドレイン
と、非晶質領域からなるチャネル形成領域と、当該チャ
ネル形成領域上に絶縁的に形成されたゲート電極とから
構成され、活性層の非晶質半導体を変質させることなく
低温プロセスで製造される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】他方、かかる絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置においては、ソース領域および
ドレイン領域の作製をＣＶＤ法（プラズマＣＶＤ法を含
む）により薄膜のディポジッションを行なうのではなく
イオン注入等により添加し、かつその添加物を４００℃
以下の水素またはハロゲン元素が脱気しない温度範囲で
のアニールにより活性のドナーまたはアクセプタとしな
ければならない。また、液晶表示パネルのように複数の
絶縁ゲート型電界効果半導体装置を一つの絶縁基板上に
作製する場合、非単結晶半導体の所望領域に、不純物を
選択的に添加しているため、不純物領域の周囲に不純物
が添加されない非単結晶半導体領域が残る。この不純物
の添加されていなく結晶化されていない領域は、抵抗が
高く電流がダラダラ流れ、高い周波数のスイッチングに
応答できない。さらに、スイッチングの応答性を良くす
るため、不純物領域を結晶化した場合、電子またはホー
ルの移動度が良くなるのに反して、オフ電流が多く、逆
バイアスに対する接合の破壊電圧を大きくしている。以
上のような問題を解決するために、本発明は、オフ電流
が少なく、オン、オフを高速応答で行なうことができる
と共に、逆バイアスに対する接合の破壊電圧を大きくし
た液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半導体装置お
よびその作製方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明の液晶表示パネル用絶縁ゲート型電
界効果半導体装置は、絶縁表面を有する基板（１）上に
形成され、酸素、炭素、または窒素が５×１０ ^１８ｃｍ
^−３以下の非単結晶半導体層（２）と、当該非単結晶半
導体層（２）上に形成されているゲート絶縁膜（３）
と、当該ゲート絶縁膜（３）が形成されている非単結晶
半導体層（２）に不純物が添加されて、結晶化が助長さ
れているソース領域（７）およびドレイン領域（８）
と、前記ソース領域（７）とドレイン領域（８）との間
で、水素またはハロゲン元素が添加されている非単結晶
半導体層（２）に形成されているチャネル形成領域と、
当該チャネル形成領域に接して前記ゲート絶縁膜（３）
を介して形成されているゲート電極（４）とを備えてお
り、前記ソース領域およびドレイン領域上の前記ゲート
絶縁膜（３）中には、前記ソース領域（７）およびドレ
イン領域（８）と同一の不純物が添加されていることを
特徴とする。

【０００７】本発明の課題を解決するための手段を具体
的に例示すると次のようになる。チャネル形成領域を構
成する非単結晶半導体は、酸素、炭素、および窒素のい
ずれかが５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、不純物の添加の
ない、またはきわめて少ないＩ型非単結晶半導体（以下
水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶半導体を
単に半導体または非単結晶半導体と略記する）上にゲー
ト絶縁膜およびその上にゲート電極が選択的に設けられ
た。さらに、このゲート電極をマスクとしてイオン注入
法等によりソ−ス、ドレイン用の不純物を添加した、た
とえばＮチャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装置で
は、リンまたは砒素、Ｐチャネル型絶縁ゲート型電界効
果半導体装置では、ホウ素を非単結晶半導体のソース、
ドレイン領域の内部にそれぞれ添加した。

【０００８】この後、この不活性の不純物が添加された
領域を含み、基板上面の全ての領域に対し、400 ℃以下
の温度で強光照射をし、強紫外光アニ−ル（以下単に光
アニ−ルという）を行う。かくして、ゲート電極により
遮光されたチャネル形成領域を除き、全ての非単結晶半
導体層に対し、光照射を行なう。その結果、ソース領域
およびドレイン領域用の不純物領域を構成する非単結晶
半導体層は、全て光照射され、それらの領域は、水素ま
たはハロゲン元素が添加残存し、かつ結晶化度がチャネ
ル形成領域よりも助長された半導体、特に著しくは多結
晶または単結晶構造の半導体に変成せしめた。加えて、
この結晶化をチャネル形成領域にまで延在させることに
よりＰＩ接合またはＮＩ接合を結晶化度の高い領域とし
たものである。かくすることにより、チャネル形成領域
は、オフ電流を少なくするための水素またはハロゲン元
素が添加された非単結晶半導体と接合部での耐圧の向上
（アバランシェブレイクダウン電圧の向上）用に多結晶
または単結晶領域をＰＩ接合またはＮＩ接合界面近傍に
設けたものである。

【０００９】

【作用】本発明の液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、酸素、炭素、または窒素が５×１０
^１８ｃｍ ^−３以下、すなわち前記元素をできる限り少な
くした非単結晶半導体層に所望の不純物が添加されてい
る。そして、この不純物が添加された領域の結晶化を助
長してソース領域およびドレイン領域が形成されてい
る。また、チャネル形成領域には、水素またはハロゲン
元素が添加されている点に特徴がある。さらに、非単結
晶半導体層上には、ゲート絶縁膜が形成されているた
め、ゲート絶縁膜を通してアニール処理を行っても、非
単結晶半導体層から水素またはハロゲン元素が脱気し難
い。このような構成とした液晶表示パネル用絶縁ゲート
型電界効果半導体装置は、従来例における非単結晶半導
体、たとえば酸素、炭素、または窒素が１ないし３×１
０ ^２０ｃｍ ^−３である非単結晶半導体が１ＫＨｚの周波
数に追従できる程度のスイッチング特性であったのに対
して、１ＭＨｚの周波数においても良好なスイッチング
特性を得た。また、本発明の液晶表示パネル用絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置は、非単結晶半導体層における
酸素、炭素、または窒素が５×１０ ^１８ｃｍ ^−３以下
と、極めて少なくし、結晶化を助長したソース領域およ
びドレイン領域から形成されているため、さらに高い周
波数におけるスイッチング特性を良好にした。すなわ
ち、本発明における液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界
効果半導体装置は、非単結晶半導体層におけるチャネル
形成領域以外の領域がソース領域およびドレイン領域と
なっているため、非晶質部分に抵抗の高い領域が残され
ていない。また、ソース領域およびドレイン領域には、
電流の流れ難い非晶質部分がないため、電流が流れ易
く、スイッチングの際にダラダラ流れない。したがっ
て、本発明の液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半
導体装置は、電流の流れるライフタイムが短く、ヒステ
リシス特性が出ない。すなわち、本発明の液晶表示パネ
ル用絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、オフ電流が少
なく、かつ「ＯＮ」、「ＯＦＦ」を高速応答で行なうこ
とができた。

【００１０】

【実施例】図 1は本発明の一実施例である絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置の製造工程を説明するための縦
断面図である。図 1において、基板(1) は、たとえば石
英ガラスからなり、図 1(A) に示すごとく、その厚さを
1.1 ｍｍとし、大きさを10ｃｍ×10ｃｍとした。この
基板(1) の上面には、シラン(SiH₄)のプラズマCVD(高周
波数13.56MHz、基板温度210 ℃) により、水素が１原子
％以上の濃度に添加されたアモルファス構造を含む非単
結晶半導体(2) が、たとえば0.2 μｍの厚さに形成され
た。さらに、この非単結晶半導体(2) の上面には、光CV
D 法により、たとえば窒化珪素膜からなるゲート絶縁膜
(3) が積層された。すなわち、ゲート絶縁膜(3) は、ジ
シラン（Si₂H₆）とアンモニア（ＮＨ₃）、またはヒド
ラジン（Ｎ₂Ｈ₄）との反応( 2537Åの波長を含む低圧
水銀灯、基板温度250 ℃) により、Si₃N₄を水銀増感法
を用いることなしに1000Åの厚さに作製された。

【００１１】この後、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
を形成する領域(5) を除いた部分は、プラズマエッチン
グ法により除去された。プラズマエッチング反応は、CF
₄＋O₂(5%)の反応性気体を導入すると共に、図示されて
いない平行平板電極に周波数13.56MHzを印加して、室温
で行われた。ゲート絶縁膜(3) は、必要に応じて、前記
基板(1) の全面にわたって形成される。そして、ゲート
絶縁膜(3) 上には、N ⁺の導電型の微結晶または多結晶
半導体が0.3 μｍの厚さに積層された。このN ⁺の半導
体膜は、レジスト膜(6) を用いてフォトエッチング法で
非所望な部分が除去され、ゲート電極(4) となる。その
後、このレジスト膜(6) と、N⁺半導体のゲート電極(4)
と、ゲート絶縁膜(3) とからなるゲート部をマスクとし
て、ソ−ス、ドレインとなる領域には、イオン注入法に
より、１×10²⁰ｃｍ^-3の濃度に図 1(B) に示すごとく、
一導電型の不純物、たとえばリンが添加され、一対の不
純物領域(7) 、(8) となった。

【００１２】さらに、基板(1) は、その全体に対し、ゲ
ート電極(4) のレジスト膜(6) が除去された後、強紫外
光(10)の光アニ−ル処理が行われた。すなわち、超高圧
水銀灯（出力5KW 、波長250 〜600 ｎｍ、光径15ｍｍ、
長さ180 ｍｍ) に対し裏面側は、放物面の反射鏡を用い
前方に石英のシリンドリカルレンズ（焦点距離150 ｃ
ｍ、集光部幅2 ｍｍ、長さ180 ｍｍ) により、線状に照
射部を構成した。この照射部に対し基板(1) の照射面
は、線状の照射部に対して直交する方向に、5 〜50ｃｍ
/ 分の速度、たとえば１０ｃｍ／分の速さで走査(スキ
ャン) され、基板10ｃｍ×10ｃｍの全面に強紫外光(10)
が照射されるようにした。ゲート電極(4) は、ゲート電
極(4) 側にリンが多量に添加されているため、十分光を
吸収し多結晶化した。

【００１３】また、不純物領域(7) 、(8) は、一度溶融
し再結晶化することにより走査する方向、すなわち、Ｘ
方向に溶融、再結晶をシフト（移動）させた。その結
果、単に全面を均一に加熱または光照射するのみに比
べ、成長機構が加わるため結晶粒径を大きくすることが
できた。絶縁基板上に選択的に非単結晶半導体が形成さ
れ、この非単結晶半導体のゲート電極で覆われたチャネ
ル形成領域を除き、他部の非単結晶半導体は、ソース領
域またはドレイン領域の全ての非単結晶半導体の結晶化
を助長せしめることができる。

【００１４】この強光アニ−ルにより多結晶化した領域
は、不純物領域(7) 、(8) の下側の全領域にまで及ぼし
めた。この図面に示されるごとく、その底面は、基板
(1) 上にまで至り、線(11)、(11') で示したごとく、不
純物領域(7) 、(8) の接合界面(17)、(17') よりもチャ
ネル形成領域に0.3 μｍないし３μｍの深さにわたって
設けられ、ホモロジ的な界面は、ゲート電極下に設けら
れている。すなわち、その界面は、ゲート電極の端部(1
6)、(16') よりもチャネル形成領域内側にわたって設け
られている。かくのごとく、Ｎ型不純物領域 (7)、(8)
、Ｉ型非単結晶半導体領域(2) 、接合界面(17)、(17')
が結晶化領域内部に設けられているため、逆バイアス
に対し接合の破壊電圧が大きくなり、高耐圧絶縁ゲート
型電界効果半導体装置を作ることができた。このＩ型半
導体領域内の結晶化半導体の程度は、光アニ−ルの走査
スピ−ド、強度（照度）によって決められる。

【００１５】図 1（Ｂ）の工程の後、ポリイミド樹脂
は、全面に２μｍの厚さにコ−トされる。そして、ポリ
イミド樹脂には、電極穴(13)、(13') が形成された後、
アルミニュ−ムのオ−ムコンタクトおよびそのリ−ド(1
4)、(14') が形成される。このコンタクトの一方は、ソ
ース領域上面に、また他方は、ドレイン領域上面および
側面に形成されている。このコンタクトは、一部ガラス
基板上にまでわたって設けられており、電極穴(13)、(1
3') を大きく形成することができる。このため、ソース
領域およびドレイン領域の外側に不要の非晶質領域がな
いことが特徴である。また、液晶ディスプレイでの液晶
表示素子の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置とし
ての実行面積を少なくし、結果として開口率の向上をは
かることができる。２層目のリード(14)、(14') は、形
成する際に、ゲート電極(4) と連結してもよい。この光
アニ−ルの結果は、不純物領域のシ−ト抵抗が光照射前
の４×10^-3( オームｃｍ) ^-1から１×10⁺²( オームｃ
ｍ) ^-1に比べ光アニールの後の電気伝導度特性の変化に
より明らかにすることができた。

【００１６】図２は本発明の実施例によるドレイン電流
─ドレイン電圧の特性を示す図である。チャネル形成領
域の長さが10μｍの場合、チャネル幅が１ｍｍの条件
下において、６０Ｖまで作ることができた。これはゲー
ト電圧Ｖ_GG＝１０Ｖとした時の条件である。これはこの
接合領域がアモルファス構造の従来例の絶縁ゲート型電
界効果半導体装置が３０Ｖないし５０Ｖと大きくばらつ
くことを考えると、大きな進歩であった。本実施例は、
下側から漸次被膜を形成し加工するという製造工程を採
用したため、大面積大規模集積化を行うことが可能にな
った。そのため、大面積たとえば、30ｃｍ×30ｃｍのパ
ネル内に５００個×５００個の絶縁ゲート型電界効果半
導体装置の作製すらも可能とすることができ、液晶表示
素子の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置として応
用することができた。

【００１７】光アニ−ルプロセスにより多結晶化または
単結晶化した半導体をチャネル形成領域にまで延在させ
た。このためドレイン耐圧を従来より２０Ｖ以上向上さ
せることができるようになった。この光アニ−ルは、紫
外線で行うため、非単結晶半導体の表面より内部方向へ
の結晶化を助長させた。このため、十分に多結晶化また
は単結晶化された表面近傍の不純物領域は、チャネル形
成領域におけるゲート絶縁膜のごく近傍に流れる電流制
御を支障なく行うことが可能となった。

【００１８】基板として単結晶半導体を全く用いない。
このため、光照射アニ−ル工程に際し、チャネル形成領
域のソース領域およびドレイン領域より離れた内部は、
全く何ら影響を受けず、非単結晶半導体の状態を保持で
きるため、オフ電流を単結晶半導体の1/10³〜1/10⁵に
することができる。ソ−ス領域およびドレイン領域は、
ゲート電極を作った後、光アニ−ルで作製するため、ゲ
ート絶縁物界面に汚物が付着せずに、特性を安定させ
る。さらに、従来より公知の方法に比べ、基板材料とし
て石英ガラスのみならず任意の基板であるソ−ダガラ
ス、耐熱性有機フィルムをも用いることができる。異種
材料界面であるチャネル形成領域を構成する非単結晶半
導体─ゲート絶縁膜−ゲート電極の形成は、同一反応炉
内でのプロセスにより、大気に触れさせることなく作り
得るため、界面凖位の発生が少ないという特長を有す
る。

【００１９】なお、本実施例において、チャネル形成領
域の非単結晶半導体の酸素、炭素および窒素のいずれも
が５×10¹⁸ｃｍ^-3以下の不純物濃度であることが重要で
ある。すなわち、これらが従来公知の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置においては、チャネル層に１〜3 ×10²⁰
ｃｍ^-3の濃度に混合している。この従来例における非単
結晶半導体を用いるＰチャネル型絶縁ゲート型電界効果
半導体装置は、本実施例における絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の有する特性の１／３以下の電流しか流れな
い。そして、上記従来例における非単結晶半導体を用い
た絶縁ゲート型電界効果半導体装置のヒステリシス特性
は、Ｉ_DD─Ｖ_GG特性にドレイン電界を２×10⁶V/ ｃｍ以
上加える場合に観察されてしまった。また、本実施例の
ように、非単結晶半導体中の酸素を５×10¹⁸ｃｍ^-3以下
とすると、３×10⁶V/ ｃｍの電圧においてもヒステリシ
スの存在が観察されなかった

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁基板表面上に酸
素、炭素、または窒素が５×１０ ^１８ｃｍ ^−３以下とい
う極めて少ない非単結晶半導体層を設けているため、ま
た、非単結晶半導体層に、Ｐ型またはＮ型の不純物を添
加した領域の結晶化を助長しているため、ゲート電圧−
ドレイン電流特性にヒステリシスがなく、高い周波数に
おける良好なスイッチング特性を得た。本発明によれ
ば、さらにチャネル形成領域以外の非単結晶半導体層の
結晶化を助長させるため、液晶表示パネル用絶縁ゲート
型電界効果半導体装置のスイッチング特性は、高い周波
数においてもさらに良くなった。本発明によれば、ソー
ス領域およびドレイン領域上にゲート絶縁膜が存在する
ため、ゲート絶縁膜を通してアニール処理を行っても、
水素またはハロゲン元素が脱気し難い。本発明によれ
ば、チャネル形成領域に水素またはハロゲン元素が添加
されているため、導電度の高いチャネル形成領域を得る
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の製造工程を説明するための縦断面図であ
る。

【図２】ドレイン電流─ドレイン電圧の特性を示す図で
ある。

【符号の説明】

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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に形成され、酸
素、炭素、または窒素が５×１０ ^１８ｃｍ ^−３以下の非
単結晶半導体層と、当該非単結晶半導体層上に形成されているゲート絶縁膜
と、当該ゲート絶縁膜が形成されている非単結晶半導体層に
不純物が添加されて、結晶化が助長されているソース領
域およびドレイン領域と、前記ソース領域とドレイン領域との間で、水素またはハ
ロゲン元素が添加されている非単結晶半導体層に形成さ
れているチャネル形成領域と、当該チャネル形成領域に接して前記ゲート絶縁膜を介し
て形成されているゲート電極と、を備えている液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半
導体装置において、前記ソース領域およびドレイン領域上の前記ゲート絶縁
膜中には、前記ソース領域およびドレイン領域と同一の
不純物が添加されていることを特徴とする液晶表示パネ
ル用絶縁ゲート型電界効果半導体装置。