JP3144032B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
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- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、チャネル領域を結晶化
SiGe薄膜より構成した薄膜トランジスタ及びその製
造方法に係わる。
SiGe薄膜より構成した薄膜トランジスタ及びその製
造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】多結晶Siより成る薄膜トランジスタ
(TFT)は、化学的気相成長法(CVD)等により非
晶質Si膜を形成した後、レーザ加熱又は電気炉加熱等
によって、ガラス等の基板上に容易に形成することがで
きる。しかしながら、この多結晶Siより成るTFT
は、キャリヤ移動度が50〜100〔cm2 /Vs〕程
度で、単結晶Siより成るTFTの場合に比して1/6
程度と極めて小さい。
(TFT)は、化学的気相成長法(CVD)等により非
晶質Si膜を形成した後、レーザ加熱又は電気炉加熱等
によって、ガラス等の基板上に容易に形成することがで
きる。しかしながら、この多結晶Siより成るTFT
は、キャリヤ移動度が50〜100〔cm2 /Vs〕程
度で、単結晶Siより成るTFTの場合に比して1/6
程度と極めて小さい。
【0003】従って、このような多結晶SiTFTで
は、10MHz以上のスイッチングを要する高速回路の
作製は困難であった。
は、10MHz以上のスイッチングを要する高速回路の
作製は困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このため、例えば多結
晶Si膜より成る能動領域の粒径を大とすることによっ
て薄膜トランジスタのキャリア移動度の増大化をはかる
等の各種構成の提案がなされている。
晶Si膜より成る能動領域の粒径を大とすることによっ
て薄膜トランジスタのキャリア移動度の増大化をはかる
等の各種構成の提案がなされている。
【0005】一方、各種半導体集積回路において、例え
ば水素化非晶質Si(a−Si:H)や、或いは水素化
非晶質Ge(a−Ge:H)等の半導体薄膜に対して、
パルスレーザを照射することによってこの薄膜を溶融固
化して結晶化する技術が、キャリヤ移動度の大なる薄膜
トランジスタ等を低温で作製する技術として注目されて
おり、このようなパルスアニールによる低温での作製技
術を確立するために、種々の検討がなされている。
ば水素化非晶質Si(a−Si:H)や、或いは水素化
非晶質Ge(a−Ge:H)等の半導体薄膜に対して、
パルスレーザを照射することによってこの薄膜を溶融固
化して結晶化する技術が、キャリヤ移動度の大なる薄膜
トランジスタ等を低温で作製する技術として注目されて
おり、このようなパルスアニールによる低温での作製技
術を確立するために、種々の検討がなされている。
【0006】本発明は、キャリヤ移動度が多結晶Siに
比し格段に大なるチャネル領域を有するTFT構造を提
案し、またこのTFTの具体的な製造方法を提案するこ
とを目的とする。
比し格段に大なるチャネル領域を有するTFT構造を提
案し、またこのTFTの具体的な製造方法を提案するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明薄膜トランジスタ
は、その一例の略線的拡大断面図を図1に示すように、
チャネル領域4を、結晶化SiGe薄膜より構成する。
は、その一例の略線的拡大断面図を図1に示すように、
チャネル領域4を、結晶化SiGe薄膜より構成する。
【0008】また、本発明薄膜トランジスタは、上述の
構成に加えて、少なくともドレイン領域5bを、結晶化
Si又は結晶化SiCより構成する。
構成に加えて、少なくともドレイン領域5bを、結晶化
Si又は結晶化SiCより構成する。
【0009】また、本発明薄膜トランジスタの製造方法
は、その一例の一製造工程図を図2に示すように、Si
Ge薄膜より成るチャネル領域を基板1上に被着した
後、このチャネル領域にエネルギービームを照射して上
記SiGe薄膜を結晶化する。
は、その一例の一製造工程図を図2に示すように、Si
Ge薄膜より成るチャネル領域を基板1上に被着した
後、このチャネル領域にエネルギービームを照射して上
記SiGe薄膜を結晶化する。
【0010】
【作用】上述したように、本発明薄膜トランジスタは、
そのチャネル領域5が結晶化SiGeより成るものであ
り、このような構成とすることによって、温度300K
におけるキャリヤ移動度を1700cm2 /Vs程度と
格段に大とすることができた。以下これについて説明す
る。
そのチャネル領域5が結晶化SiGeより成るものであ
り、このような構成とすることによって、温度300K
におけるキャリヤ移動度を1700cm2 /Vs程度と
格段に大とすることができた。以下これについて説明す
る。
【0011】本発明者等は、先ず多結晶SiGe膜をG
e濃度を変えて作製し、そのキャリヤ移動度特性を測定
した。先ず、プラズマCVD(化学的気相成長法)によ
り、モノシランSiH4 と水素化ゲルマニウムGeH4
との混合ガスを分解して、ガラス基板上に非晶質の水素
化SiGe膜(a−SiGe:H)を被着形成した。こ
のときの、GeH4 の流量比GeH4 /(GeH4 +S
iH4 )と、形成された膜中のGe濃度との関係を図3
に示す。この結果から、GeH4 の流量比が比較的小で
あっても、膜中のGe濃度は比較的大となることがわか
る。これは、GeH4 の分解率がSiH4 に比べて約1
0倍大きいことに因る。
e濃度を変えて作製し、そのキャリヤ移動度特性を測定
した。先ず、プラズマCVD(化学的気相成長法)によ
り、モノシランSiH4 と水素化ゲルマニウムGeH4
との混合ガスを分解して、ガラス基板上に非晶質の水素
化SiGe膜(a−SiGe:H)を被着形成した。こ
のときの、GeH4 の流量比GeH4 /(GeH4 +S
iH4 )と、形成された膜中のGe濃度との関係を図3
に示す。この結果から、GeH4 の流量比が比較的小で
あっても、膜中のGe濃度は比較的大となることがわか
る。これは、GeH4 の分解率がSiH4 に比べて約1
0倍大きいことに因る。
【0012】また、このようにして形成した12nmの
厚さのSiGe膜に対し、波長308nm、パルス幅3
0nsのXeClエキシマレーザを照射したところ、膜
は溶融して結晶化した。このときの結晶化しきい値エネ
ルギーは、図4に示すように、Ge流量比GeH4 /
(GeH4 +SiH4 )が増すにつれて低下した。これ
はGe含有量が大となるにつれて、SiGe融点が低下
するためである。
厚さのSiGe膜に対し、波長308nm、パルス幅3
0nsのXeClエキシマレーザを照射したところ、膜
は溶融して結晶化した。このときの結晶化しきい値エネ
ルギーは、図4に示すように、Ge流量比GeH4 /
(GeH4 +SiH4 )が増すにつれて低下した。これ
はGe含有量が大となるにつれて、SiGe融点が低下
するためである。
【0013】次に、結晶化したSiGe膜の電気伝導率
の温度依存性を調べた結果を図5に示す。図5中、実線
a〜eは、それぞれGe流量比(GeH4 /(GeH4
+SiH4 ))がそれぞれ0.8、0.6、0.4、
0.3、0.18の場合を示す。この結果、GeH4 流
量比が0.18〜0.4のとき、(図5中実線c、d及
びe)では電気伝導度の対数と温度の逆数とがほぼ比例
関係を示すことがわかる。この図5から、活性化エネル
ギー(activation energy )が求まり、この活性化エネ
ルギーの2倍の値が結晶化SiGe膜のバンドギャップ
となる。
の温度依存性を調べた結果を図5に示す。図5中、実線
a〜eは、それぞれGe流量比(GeH4 /(GeH4
+SiH4 ))がそれぞれ0.8、0.6、0.4、
0.3、0.18の場合を示す。この結果、GeH4 流
量比が0.18〜0.4のとき、(図5中実線c、d及
びe)では電気伝導度の対数と温度の逆数とがほぼ比例
関係を示すことがわかる。この図5から、活性化エネル
ギー(activation energy )が求まり、この活性化エネ
ルギーの2倍の値が結晶化SiGe膜のバンドギャップ
となる。
【0014】いま、SiGe膜中のホール、エレクトロ
ンの有効質量を電子質量mと同じと仮定すると、温度T
のときのキャリヤ濃度nが下記数1から求まる。
ンの有効質量を電子質量mと同じと仮定すると、温度T
のときのキャリヤ濃度nが下記数1から求まる。
【0015】
【数1】
【0016】室温(300K)での電気伝導度σを測定
することによって、これとキャリヤ濃度nとから、キャ
リヤ移動度μが下記の式により求められる。 μ=σ(300K)/e・n
することによって、これとキャリヤ濃度nとから、キャ
リヤ移動度μが下記の式により求められる。 μ=σ(300K)/e・n
【0017】このようにして求めた、各Ge濃度におけ
る結晶化SiGe膜のキャリヤ移動度を下記の表1に示
す。この場合、GeH4 流量比が0.3、即ちGeの膜
中濃度が0.8のときに、最も大きいキャリヤ移動度1
700cm2 /Vsが得られることがわかる。この値は
常温でのバルク結晶Siのキャリヤ移動度(1300c
m2 /Vs)を凌ぐ大きい値である。
る結晶化SiGe膜のキャリヤ移動度を下記の表1に示
す。この場合、GeH4 流量比が0.3、即ちGeの膜
中濃度が0.8のときに、最も大きいキャリヤ移動度1
700cm2 /Vsが得られることがわかる。この値は
常温でのバルク結晶Siのキャリヤ移動度(1300c
m2 /Vs)を凌ぐ大きい値である。
【0018】
【表1】
【0019】この結果から、非晶質SiGe(a−Si
Ge:H)膜に対し、エキシマレーザ等のエネルギービ
ームを照射することによって、キャリヤ移動度の高いS
iGe膜が得られることがわかる。
Ge:H)膜に対し、エキシマレーザ等のエネルギービ
ームを照射することによって、キャリヤ移動度の高いS
iGe膜が得られることがわかる。
【0020】そして、このような移動度の高いSiGe
膜によりチャネル領域を構成することによって、本発明
薄膜トランジスタにおいては、オン電流の増大化をはか
ることができる。
膜によりチャネル領域を構成することによって、本発明
薄膜トランジスタにおいては、オン電流の増大化をはか
ることができる。
【0021】更に、本発明薄膜トランジスタにおいて、
その少なくともドレイン領域を結晶化Siや結晶化Si
Cによるバンドギャップの比較的大なる材料により構成
することによって、オフ電流を低減化することができ薄
膜トランジスタの特性の向上を図ることができる。
その少なくともドレイン領域を結晶化Siや結晶化Si
Cによるバンドギャップの比較的大なる材料により構成
することによって、オフ電流を低減化することができ薄
膜トランジスタの特性の向上を図ることができる。
【0022】またこのような結晶Si薄膜は、上述した
ように、エネルギービームを照射することによって、通
常の電気炉加熱等の加熱工程を経ることなく、比較的低
温の製造工程により簡単且つ確実に形成することができ
る。
ように、エネルギービームを照射することによって、通
常の電気炉加熱等の加熱工程を経ることなく、比較的低
温の製造工程により簡単且つ確実に形成することができ
る。
【0023】
【実施例】以下本発明薄膜トランジスタの一例を、その
製造方法の一例と共に詳細に説明する。この場合、ゲー
ト電極を上側から取り出すいわゆるトップゲート型(プ
レーナ型)薄膜トランジスタを作製する場合を示す。
製造方法の一例と共に詳細に説明する。この場合、ゲー
ト電極を上側から取り出すいわゆるトップゲート型(プ
レーナ型)薄膜トランジスタを作製する場合を示す。
【0024】先ず、図2にその一製造工程を示すよう
に、ガラス、SiO2 等より成る基板上に、通常のCV
D、例えばプラズマCVDによって、Pをドープした非
晶質Si層2を被着した後、ソース及びドレイン領域を
形成すべき領域にフォトリソグラフィ等の適用によって
パターニング形成し、チャネル領域となるべき部分を除
去する。そして、この上にp型或いは真性の非晶質Si
Ge層3を全面的にCVD等により被着して後、チャネ
ル領域を形成すべき部分のみを残して、同様にフォトリ
ソグラフィ等の適用によってパターニング形成する。更
に、これらSi層2及びSiGe層3に対してXeCl
エキシマレーザ等のエネルギービームEをパルス照射、
これら各層2及び3を結晶化する。
に、ガラス、SiO2 等より成る基板上に、通常のCV
D、例えばプラズマCVDによって、Pをドープした非
晶質Si層2を被着した後、ソース及びドレイン領域を
形成すべき領域にフォトリソグラフィ等の適用によって
パターニング形成し、チャネル領域となるべき部分を除
去する。そして、この上にp型或いは真性の非晶質Si
Ge層3を全面的にCVD等により被着して後、チャネ
ル領域を形成すべき部分のみを残して、同様にフォトリ
ソグラフィ等の適用によってパターニング形成する。更
に、これらSi層2及びSiGe層3に対してXeCl
エキシマレーザ等のエネルギービームEをパルス照射、
これら各層2及び3を結晶化する。
【0025】そしてこの上に、図1に示すように、CV
D等によりSiO2 等の絶縁層6を被着した後、所定位
置に即ち結晶化したSi層より成るソース及びドレイン
領域5a及び5b上に達するコンタクトホール7をフォ
トリソグラフィ等により穿設して、AlまたはMo、C
r等より成るソース及びドレイン電極8a及び8b、更
に結晶化したSiGeより成るチャネル領域4上に、ゲ
ート電極9をそれぞれパターニング形成して、ヘテロ型
の薄膜トランジスタを得ることができる。
D等によりSiO2 等の絶縁層6を被着した後、所定位
置に即ち結晶化したSi層より成るソース及びドレイン
領域5a及び5b上に達するコンタクトホール7をフォ
トリソグラフィ等により穿設して、AlまたはMo、C
r等より成るソース及びドレイン電極8a及び8b、更
に結晶化したSiGeより成るチャネル領域4上に、ゲ
ート電極9をそれぞれパターニング形成して、ヘテロ型
の薄膜トランジスタを得ることができる。
【0026】そしてこの薄膜トランジスタにおいては、
ゲート電極9にプラス電圧を印加したとき、Ge濃度を
80at%程度とすることによって、1700cm2 /
Vs程度の高いキャリヤ移動度を得ることができた。こ
れは、従来通常の例えば多結晶Siより成る薄膜トラン
ジスタのキャリヤ移動度(50cm2 /Vs)に比し1
〜2桁程度の大幅な増大化となり、従ってこのキャリヤ
移動度に比例するオン電流をも確実に、1〜2桁程度増
大化することができることとなる。
ゲート電極9にプラス電圧を印加したとき、Ge濃度を
80at%程度とすることによって、1700cm2 /
Vs程度の高いキャリヤ移動度を得ることができた。こ
れは、従来通常の例えば多結晶Siより成る薄膜トラン
ジスタのキャリヤ移動度(50cm2 /Vs)に比し1
〜2桁程度の大幅な増大化となり、従ってこのキャリヤ
移動度に比例するオン電流をも確実に、1〜2桁程度増
大化することができることとなる。
【0027】また、ゲート電極9をマイナス電圧とした
ときは、チャネル領域4にホール電荷が蓄積されるが、
このSiGeより成るチャネル領域4と、n+ Siより
なるソース/ドレイン領域5a及び5bとの間のポテン
シャルバリヤによって、ホールの注入が抑えられるた
め、リーク電流を低く抑えることができる。
ときは、チャネル領域4にホール電荷が蓄積されるが、
このSiGeより成るチャネル領域4と、n+ Siより
なるソース/ドレイン領域5a及び5bとの間のポテン
シャルバリヤによって、ホールの注入が抑えられるた
め、リーク電流を低く抑えることができる。
【0028】更にこの場合、SiGeのバンドギャップ
(0.67eV)に比しバンドギャップが1.2eV程
度と非常に大きいSiによりソース及びドレイン領域5
a及び5bを構成したため、オフ電流の低減化をはかる
ことができる。即ち、オン電流とオフ電流の比もまた、
106 〜107 程度と従来の多結晶SiTFTに比し1
〜2桁程度大とすることができて、例えば液晶ディスプ
レイ等に用いて好適な薄膜トランジスタを得ることがで
きる。
(0.67eV)に比しバンドギャップが1.2eV程
度と非常に大きいSiによりソース及びドレイン領域5
a及び5bを構成したため、オフ電流の低減化をはかる
ことができる。即ち、オン電流とオフ電流の比もまた、
106 〜107 程度と従来の多結晶SiTFTに比し1
〜2桁程度大とすることができて、例えば液晶ディスプ
レイ等に用いて好適な薄膜トランジスタを得ることがで
きる。
【0029】更にまた上述したように、本発明製造方法
によれば、エネルギービーム例えばレーザビーム照射に
より、SiGe結晶化膜を形成することができるため、
従来の多結晶SiTFT等のように、電気炉加熱等の工
程を経ることなく、比較的低温の製造工程によって製造
することができる。
によれば、エネルギービーム例えばレーザビーム照射に
より、SiGe結晶化膜を形成することができるため、
従来の多結晶SiTFT等のように、電気炉加熱等の工
程を経ることなく、比較的低温の製造工程によって製造
することができる。
【0030】尚、上述の例においては、本発明をトップ
ゲート型(プレーナ型)薄膜トランジスタに適用した場
合を示したが、本発明はその他ボトムゲート型(逆プレ
ーナ型)、デュアルゲート型等の種々の構成の薄膜トラ
ンジスタに適用することができ、或いは図示とは逆の導
電型の即ちpチャネル型構成とする等、本発明は種々の
変形変更が可能であることはいうまでもない。
ゲート型(プレーナ型)薄膜トランジスタに適用した場
合を示したが、本発明はその他ボトムゲート型(逆プレ
ーナ型)、デュアルゲート型等の種々の構成の薄膜トラ
ンジスタに適用することができ、或いは図示とは逆の導
電型の即ちpチャネル型構成とする等、本発明は種々の
変形変更が可能であることはいうまでもない。
【0031】
【発明の効果】上述したように、本発明薄膜トランジス
タによれば、オン電流の増大化をはかり、またオフ電流
の低減化をはかって、トランジスタ特性の向上をはかる
ことができる。
タによれば、オン電流の増大化をはかり、またオフ電流
の低減化をはかって、トランジスタ特性の向上をはかる
ことができる。
【0032】また、本発明製造方法によれば、電気炉加
熱等の加熱工程を経ることなく、比較的低温の製造工程
により簡単且つ確実に形成することができる。
熱等の加熱工程を経ることなく、比較的低温の製造工程
により簡単且つ確実に形成することができる。
【図1】本発明薄膜トランジスタの一例の略線的拡大断
面図である。
面図である。
【図2】本発明薄膜トランジスタの製造方法の一製造工
程図である。
程図である。
【図3】GeH4 の流量比に対するGe濃度の変化を示
す図である。
す図である。
【図4】GeH4 の流量比と結晶化エネルギー密度との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図5】結晶化SiGe膜の電気伝導率の温度依存性を
示す図である。
示す図である。
1 基体 4 チャネル領域 5a ソース領域 5b ドレイン領域 8a ソース電極 8b ドレイン電極 9 ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダラム パル ゴサイン 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (72)発明者 碓井 節夫 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−168021(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/20 H01L 21/336
Claims (2)
- 【請求項1】 チャネル領域と、ソース領域およびドレ
イン領域とを有する薄膜トランジスタにおいて、 前記チャネル領域が、結晶化SiGe薄膜より成り、 前記ソース領域およびドレイン領域のうちの少なくとも
ドレイン領域が、結晶化Si又は結晶化SiCより成る
ことを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 【請求項2】 非晶質SiGe薄膜より成るチャネル領
域を被着する工程と、 非晶質Si又は非晶質SiC薄膜より成るソース領域お
よびドレイン領域を被着する工程と、 前記チャネル領域と前記ソース領域およびドレイン領域
にエネルギービームを照射して前記SiGe薄膜、前記
Si薄膜又は前記SiC薄膜を結晶化する工程を含むこ
とを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
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