JP3281431B2

JP3281431B2 - 薄膜トランジスタ

Info

Publication number: JP3281431B2
Application number: JP33270392A
Authority: JP
Inventors: 寿輝金子; 賢一鬼沢; 哲郎峯村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JPH06181313A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜トランジスタおよび
その製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜技術の進歩に伴い、従来ＬＳＩを絶
縁基板上に実装することによって持たせていた機能を薄
膜トランジスタ（ＴＦＴ）やダイオードを絶縁基板に直
接形成することで実現することが可能になりつつある。

【０００３】例えば、液晶ディスプレイでは、各画素の
それぞれに形成したアモルファスシリコン薄膜トランジ
スタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）でスイッチングすることによっ
てコントラストや画質の向上が可能になってきた。ま
た、ファクシミリやスキャナに用いられている密着型イ
メージセンサでは、各画素のスイッチや走査回路を絶縁
基板上にＴＦＴで作り込むことによって、必要なＬＳＩ
数を低減でき、従って、集積度を上げられることから４
００ｄｐｉの高精細読み取りも可能である。

【０００４】しかし、ａ−ＳｉＴＦＴはスイッチング速
度が遅く、高精細のディスプレイやイメージセンサには
十分対応できないと云う問題がある。この解決法とし
て、多結晶状態のＳｉ膜をＴＦＴの活性層に用いたｐｏ
ｌｙ−ＳｉＴＦＴが用いられている。しかし、多結晶状
態を実現するには高温加熱（６００℃程度）が必要であ
り、それには石英等の耐熱性の絶縁基板を用いなければ
ならないと云う問題があった。

【０００５】そこで、成膜性ガスとしてシランを、エッ
チング性ガスとしてフッ素ガスを含有した反応ガス（水
素を含まない）を用い、４５０℃で多結晶シリコン膜を
成長させて結晶Ｓｉ膜を形成すると云う報告（特開平２
−２０２０１８号公報）がある。

【０００６】さらに、チャネル層の半導体層を、非晶質
半導体層と単結晶シリコン（または多結晶シリコン層）
とを交互に積層すると云う報告（特開平３−８０５６９
号公報）がある。

【０００７】また、ＴＦＴの作製には多数のホトマスク
が必要なために、製品の歩留りが悪いと云う問題があ
る。Ｐａｒｓｏｎｓ等によると、モリブデン上にコンタ
クト層を選択的に形成することでホトエッチング工程を
省くことができ、ＴＦＴを容易に形できると報告してい
る〔アイビーエム：アイトリプルイー、エレクトロンデ
バイスレターズ、１３巻１２号、１９９２年：エンハ
ンスドモビリティトップゲートアモルファスシリ
コンスインフィルムトランジスタオアウイズセレ
クティブデポジッテエッドソース／ドレインコン
タクト（IBM：IEEE．Electron Device Letters，Vol.1
3，No.2，1992：Enhanced mobilitytop-gate amorphous
silicon thin-film transistor with selective depos
itedsource／drain contacts．）〕。また、インジウム
錫オキサイド（ＩＴＯ）上にホスフィンをドーピングし
た後に活性層を形成してその活性層の一部を表面反応に
よりコンタクト層とすることが報告されている〔星電：
ジャパンディスプレイ、１９８９年、５０６頁：アン
オーミックコンタクトフォーメーションメソッド
フォーファブリケーションエーシリコンティーエ
フティオンラージサイズサブストレート（Japan Di
splay，1989，p506：An ohmiccontact formation metho
d for fabrication a-Si TFT's on large sizesubstrat
e．）〕。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、フッ素ガスを
用いるとＳｉの結晶成長を増進するかわりに、結晶核発
生が起こりにくくなり、膜厚が比較的厚いものを形成し
ないと、十分に結晶化した膜が得られないと云う問題が
あった。そのために、結晶性の良好な薄い膜が実現でき
ないため、高移動度と低ｏｆｆ電流とを両立することが
できず、高いＯＮ／ＯＦＦ比を達成できないと云う問題
があった。

【０００９】また、フッ素ガスを用いると、ガラス絶縁
基板への膜の密着力が小さくなり、膜剥離が発生し易い
ため、安定的にデバイスが形成できないと云う問題があ
った。さらに、結晶質層と非晶質層とを積層構造にした
ものでは、キャリアの移動度に寄与する結晶相の結晶粒
径が小さいため、結晶粒界が障壁となってキャリアがト
ラップされてしまうと云う欠点があった。

【００１０】また、ディスプレイ等の画素部の透明電極
（ＩＴＯ）上にコンタクト層を選択的に形成することが
できず、ＴＦＴ部と画素部で異なる電極構造とする必要
があった。さらにまた、表面反応では、ＩＴＯ中でホス
フィンの濃度勾配ができるため十分な注入特性が実現で
きない欠点があった。

【００１１】本発明の目的は、上記の課題を解決した薄
膜トランジスタを提供することにある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、上記薄膜トラ
ンジスタの製法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は、絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁層、
ソース、ドレイン電極を有する薄膜トランジスタであっ
て、前記絶縁基板面上に活性層を有し、該層が絶縁基板
と接する面では結晶相とアモルファス相とが混在してお
り、これと対向する上面は結晶相のみからなることを特
徴とする薄膜トランジスタにある。

【００１４】また、前記活性層が絶縁基板と接する面に
粒径３〜１０ｎｍの結晶を含む結晶核層を有し、その上
部に柱状の結晶粒を含む結晶成長層を有する薄膜トラン
ジスタにある。

【００１５】これを実現するためには、結晶核層の結合
水素量を１〜７％とし、その上の結晶成長層の結合水素
量を１％以下となるよう形成する。活性層中の結合水素
量を上記のように制御するためには、層中からの水素引
抜きと導入とを制御すればよい。水素引抜きにはフッ素
ラジカルを十分に供給するのが有効である。また、水素
イオンを除去して水素ラジカルだけを成長面に供給して
もよい。

【００１６】該結晶核層は、ソース及びドレイン電極上
ではソース、ドレイン電極との熱的反応によりコンタク
ト層を形成してもよい。その際は、該結晶核中にｐ型ま
たはｎ型のドーパントを選択的に含むコンタクト層であ
ることが望ましい。

【００１７】絶縁基板面での該結晶核層の結晶分率は３
〜９０％がよく、望ましくは１０〜８０％よい。さらに
望ましくは１０〜７０％がよい。そして、多数の微結晶
粒を含有していることが望ましい。なお、３％未満では
絶縁基板上の結晶核の数が少なすぎて、活性層の上面を
完全に結晶相だけとすることができない。また、９０％
を超えると、結晶粒径が３〜１０ｎｍと微細なため、結
晶核の数が多すぎ、薄い活性層上面の結晶粒径を十分大
きく成長させることができない。

【００１８】上記活性層中の結晶核層においては、核発
生促進元素、例えば、水素を含有し、結晶成長層では上
記の核発生促進元素を除去するために、例えば、フッ素
を供給する。結果としてフッ素は核発生を抑制すること
で、結晶成長促進元素として機能することになる。

【００１９】結晶核層に含む核発生促進元素としては、
Ｈ，Ｈｅの小半径の元素、Ａｒ，Ｘｅの不活性で比較的
質量の大きい元素等が適している。また、結晶成長促進
元素としては、Ｈとの結合エネルギーが大きく、反応の
起こり易いハロゲン元素が望ましい。

【００２０】絶縁基板上、例えば、透明電極の周囲にコ
ンタクト層を形成するには、該形成領域を他の領域より
も高温度に加熱し、膜形成とエッチングとを同時または
交互に実施することによって、選択的に形成することが
できる。

【００２１】上記形成領域を選択的に高温度にする手段
としては、誘導加熱方式が適している。また、絶縁基板
材料と電極材料とのバンドギャップ間のエネルギーを有
する光、例えば、波長３００ｎｍ程度のＸｅｃｌエキシ
マレーザを照射することによっても同様の効果が得られ
る。

【００２２】前記結晶核としては、絶縁基板を前処理す
ることによっても形成できる。例えば、絶縁基板表面に
微細な凹凸を形成させることにより、該凸部が結晶核と
なる。また、微細な結晶Ｓｉを絶縁基板の少なくとも表
層部に予め分散形成したものを用いてもよい。

【００２３】

【作用】絶縁基板面に結晶相とアモルファス相とが混在
する層を形成し、結晶分率３〜９０％の活性層を形成さ
せ、該層から連続的に結晶を成長させると、優先成長方
位が非優先成長方位を淘汰して結晶粒の粗大化が起こ
る。これによって、膜厚が薄くとも活性層の上面部に大
きな粒径の結晶相のみを形成することができ、この面上
部の結晶相がチャネル領域となる。

【００２４】上記チャネルのキャリアの移動度は、高い
障壁エネルギーによってキャリアを捕獲する結晶粒界を
いかに少なくするかによって決まる。即ち、チャネル領
域としては、その結晶粒径が大きいほど高い移動度を実
現することができる。

【００２５】また、活性層が薄いほどＴＦＴのオフ電流
を低減できる。特に、ゲート電極とソース、ドレイン電
極とが別の層に在るスタガ構造のＴＦＴにおいては、活
性層における電界を緩和できることから、オフ電流の低
減効果が顕著となる。なお電界緩和に必要な活性層の膜
厚は１５０ｎｍ程度で、この膜厚で大きな結晶粒径が得
られるよう基板上の結晶核の数、即ち、結晶分率を制御
すればよい。

【００２６】なお、結晶成長の途中で異なる構造の膜を
積層すると新たな結晶核が発生し、粒径の小さい結晶が
多数形成され、活性層内の結晶粒界が多くなって移動度
を低下させる。

【００２７】例えば、ＲＦ水素プラズマに曝しながら活
性層を形成（堆積）すると、多量の水素ラジカルまたは
イオンによって、水素の導入が起こる。これらの程度は
ＲＦパワーによって変化する。従って、活性層中の水素
量は１〜７％の間に制御するのがよい。

【００２８】水素を含有するＳｉ活性層をガラス絶縁基
板上に水素プラズマ中で形成すると、Ｓｉ活性層は微結
晶となり、極く薄い層でも結晶粒を多数含んだ活性層と
なる。これは水素が結晶粒界に偏在してＳｉＨ₂結合を
形成し、結晶粒の成長を阻むと共に次の結晶核が発生す
るためである。従って結晶核層の結合水素量としては、
１〜７％が望ましい。この場合、粒径３〜１０ｎｍの結
晶の体積分率は３〜９０％程度となる。結晶の体積分率
が変化しても結晶粒径には大きな変化がないことから、
結晶核数は結晶分率で制御することができる。

【００２９】一般的に微結晶化に伴い暗導電率が急激に
上昇する。この高暗導電率の結晶核層はＴＦＴのオフ電
流を大幅に増加させ、そのＯＮ／ＯＦＦ特性を大幅に劣
化させる。従って、結晶核層それ自身は低暗導電率でな
ければならない。これには、最適なＲＦパワーを選択
し、結晶化に伴い活性層内に形成される未結合手（ダン
グリングボンド）を水素プラズマから水素を活性層中に
導入することによって終端化する。この結晶核層から成
長する結晶成長層は、結晶核層よりも結晶分率が高くな
るため暗導電率を下げることができ、オフ電流低減に著
しい効果がある。

【００３０】一方、アモルファス層から結晶成長層を形
成する場合はアモルファス層から結晶核が発生し、それ
から結晶粒成長が始まるため、必ず低結晶分率の高暗導
電率領域が存在する。従って、それ以外の部分が低暗導
電率でも活性層全体の暗導電率が低下し、ＯＮ／ＯＦＦ
特性が大幅に低下してしまう。

【００３１】前記結晶成長層にフッ素系ガスを含むガス
を用いて活性層を形成すれば、原料ガスから供給された
水素はフッ素と反応し、Ｈ₂やＨＦとなって抜けるため
に、活性層中の残留水素量は１％以下となり、核発生が
抑えられて結晶粒が成長し易くなる。

【００３２】水素を１〜７％含有するＳｉ活性層をガラ
ス基板上に形成するには、原料ガス中に比較的多量の水
素を供給する必要がある。ガラス基板は水素ラジカルで
覆われることになり、フッ素で被われた場合に比較して
Ｓｉ活性層のガラス基板への密着力を増大させることが
できる。

【００３３】さらに、結晶核層と結晶成長層との形成
は、ガス組成によって調整できる。例えば、ＳｉＦ₄ガ
スとＨ₂ガスとの混合ガスを用いた場合、Ｈ₂ガスの流量
比が多いと結晶核層が形成され、ＳｉＦ₄ガスの流量比
が多いと結晶成長層が形成される。

【００３４】また、同一ガス組成でもプラズマ中のラジ
カルやイオンの衝突エネルギーによっても変わる。衝突
エネルギーの大きいプラズマは衝突によって、結晶核が
形成される。逆に、衝突エネルギーの小さいプラズマで
は結晶化は起こりにくい。衝突エネルギーを大きくする
には、例えば、活性層形成時のガス圧を低くし、プラズ
マ粒子の平均自由工程を大きくする。逆に、小さくする
にはガス圧を高くしてプラズマ粒子の平均自由工程を小
さくする。以上のような作製法によって、ガラスの実用
最高温度である歪点が６００℃以下のガラス上に良好な
活性層を形成することができる。

【００３５】膜形成にラジカルによるエッチングを組合
せることにより、Ｓｉ膜の形成の有無と形成速度を制御
することができる。特に、エッチング速度は絶縁基板の
温度を鋭敏に受け、Ｓｉ活性層を水素またはフッ素のラ
ジカルでエッチングした場合、低温度ほどエッチング速
度が大きい。これを利用して絶縁基板の一部だけを加熱
し、その部分だけにコンタクト層を形成することもでき
る。

【００３６】例えば、電極上にだけコンタクト層を形成
する場合、外部磁界を加えることによって該電極に流れ
る誘導電流により電極のみを加熱することができ、これ
に前記の活性層形成法とエッチング法とを組合せること
により、電極上にのみコンタクト層を形成することがで
きる。なお、該電極にはＡｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，ＩＴ
Ｏ等の導電性材料が用いられる。

【００３７】絶縁基板材料と電極材料のバンドギャップ
間のエネルギー光を照射することによっても同様の効果
がある。通常ガラス基板の光の吸収端は光学バンドギャ
ップが広いだけ電極材料の吸収端よりも短波長側にあ
る。そこで、ガラス基板と電極材料との間の波長を有す
るレーザ光等を照射すると、電極部のみに吸収が起こ
り、加熱することができる。

【００３８】なお、電極形成後にコンタクト層を形成す
ると電極の上面だけでなく側面にも形成でき、ｎ型はホ
ールに対して、ｐ型は電子に対して電極を完全にブロッ
クできるのでオフ電流を大幅に低減できる。

【００３９】コンタクト層形成に水素アニールによるエ
ッチングを組合せた方法では、Ｓｉ活性層が水素ラジカ
ルに曝される際、アモルファスＳｉが一部結晶化するた
め、微結晶のＳｉコンタクト層が形成される。これは導
電率が高く、ドーピング効率が良好であるため、電極の
周囲に形成することでオンオフ電流ともに改善すること
ができる。

【００４０】本発明では、形成されるコンタクト層中の
ドーパントの濃度が厚さ方向でほぼ一定、または、電極
側よりもコンタクト層側で増加させることによりオン電
流を増加しオフ電流を低減することができる。

【００４１】ガラス等のアモルファス成分の多い絶縁基
板上で、薄く、かつ、結晶性の良好な活性層を得るには
堆積法がよい。堆積法による結晶化のモードには絶縁基
板の表面状態に影響されるモード１と、あまり影響をさ
れないモード２とに分けることができる。

【００４２】モード１は結晶化しにくいが、一旦、結晶
核が形成されると結晶成長が急速に進行する。一方、モ
ード２は容易に微結晶粒を形成できるが、大きな結晶粒
の成長はない。従って、初期はモード２で微結晶粒を形
成し、その後、モード１に切替えることにより微結晶粒
を核とし、優先成長方位が柱状に成長した活性層を形成
することができる。

【００４３】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の一実施例による薄膜トランジスタ
を図１に示す。ガラス製の絶縁基板１上にＣｒの導電膜
２を形成し、ｎ−ＭＯＳの場合のコンタクト層としてホ
スフィンをドープし、ｎ(+)−Ｓｉ層３を形成する。こ
れをホトエッチングすることにより、ソースおよびドレ
イン電極を形成した。

【００４４】Ｓｉ活性層が絶縁基板１と接する面では結
晶相とアモルファス相とが混在して形成され、該活性層
の上面では結晶相のみが形成されるようにするため、２
段階に形成する。

【００４５】まず、結晶相とアモルファス相とが混在し
た結晶核層４の形成は、水素ラジカルが多量に供給され
る条件で形成する。図２にこの方法の一例であるシーケ
ンスを示すが、膜形成と水素ラジカルアニールとを繰返
し行う。これは水素プラズマ中にモノシランをパルス状
に供給することで実現できる。基板温度３００℃、膜形
成時間５秒、水素アニール時間６０秒、ＲＦパワー１５
０Ｗの条件で２０ｎｍ堆積したＳｉ膜は微結晶化し、粒
径５〜１０ｎｍの結晶が結晶分率６０％で形成された。
また、該膜の結合水素量は４〜５％である。

【００４６】次いで、結晶核層４に、ＳｉＦ₄とＨ₂（Ｓ
ｉＦ₂Ｈ、ＳｉＦＨ₂またはＳｉＦ₄とＳｉＨ₄とＨ₂ガス
でもよい）のガスを用いてＳｉ膜を積層する。ガス流量
はＳｉＦ₄を２７０ｓｃｃｍ（standard cubic centimet
er per minute）、Ｈ₂を３０ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを１
５０Ｗ、ガス圧２ＴｏｒｒでＳｉ膜を２００ｎｍ形成し
た。該膜中の水素はＨＦ、Ｈ₂として排出され膜中の結
合水素量は大幅に減少され約１％になる。この結合水素
量の低下によって、新たな結晶核発生を抑制する。

【００４７】活性層の基板との接触部では等軸晶がアモ
ルファス相と混在し、等軸晶から柱状晶が上部に成長す
る。等軸晶からは種々の結晶方位が成長するが、優先成
長方位が他の柱状晶よりも先に成長するために、活性層
上部では同一方位が優勢になる。従って、ここにチャネ
ルを形成すれば、結晶粒界エネルギーが大幅に低減で
き、等軸晶の粒界と比較してキャリアである電子とホー
ルのトラップが低減でき、同じ結晶粒径でも電界効果移
動度を向上することができる。

【００４８】Ｓｉ膜上にＳｉＮｘ膜をゲート絶縁膜６と
して３５０ｎｍ形成した。さらにゲート電極７としてＣ
ｒ（またはＡｌ）膜を２００ｎｍ形成、加工した。

【００４９】このようなトップゲート構造の場合、Ｓｉ
膜の上部とＳｉＮｘ膜との界面がチャネルとなるため、
Ｓｉ膜上部の結晶性が良好なほど高移動度となり、高い
オン電流が期待できる。一方、Ｓｉ膜厚が厚いほど、粒
成長によって結晶性はよくなるが、逆にオフ電流は増加
するのでオンオフ比を改善できない。従って、なるべく
薄い膜厚で良好な結晶相を形成する必要がある。

【００５０】結晶成長層５の表層部は、結晶核層４から
のアモルファス層は消滅して、３００ｎｍの膜厚で良好
な結晶相を実現できた。これによると、結晶相形成温度
３５０℃、Ｓｉ膜の膜厚３００ｎｍで、電子の電界効果
移動度３５ｃｍ²／Ｖｓを実現できた。またオフ電流は
１×１０~¹¹Ａと著しく低減することができた。

【００５１】上記ＴＦＴ素子と他の方法で作製したＴＦ
Ｔ素子との特性比較を行った結果を表１に示す。

【００５２】比較例１は、活性層下部がアモルファス相
で、その上が結晶核層と粒成長層を有する場合、比較例
２は、多結晶相とアモルファス層とを交互に積層した活
性層を有する場合である。

【００５３】

【表１】

【００５４】ガラス基板面上からすぐに結晶成長層を形
成すると１００〜１５０ｎｍはアモルファス相が生成
し、その後に核発生して結晶が成長し始める。そのため
に良好な結晶相は５００〜８００ｎｍの厚膜の形成が必
要である。その結果、オフ電流が高くなりオンオフ比が
悪くなる。

【００５５】また、結晶相とアモルファス相とを交互に
積層する構造では、アモルファス相によってオフ電流は
低くなるが、主にキャリアが走行する結晶相が微結晶で
あるため、結晶粒界の障壁エネルギーによるトラップに
よって電界効果移動度が小さくなる。

【００５６】活性層の結晶核層４として微結晶Ｓｉを含
む膜を用いた場合、その暗導電率を十分低くする必要が
あるが、一般には、微結晶Ｓｉによって暗導電率が上昇
してしまい活性層に適さない。しかし、膜形成パラメー
タのうち、特に、ＲＦパワーを最適化することによって
活性層に適した暗導電率を実現できることを見出した。

【００５７】図３は、暗導電率とＲＦパワーとの関係を
示すグラフである。ＲＦパワーによって結晶の体積分率
が増加するに伴い暗導電率が急激に増加し、一般的なｐ
ｏｌｙ−Ｓｉ膜よりも高くなる。しかし、さらにＲＦパ
ワーを増加させると、結晶の体積分率は変わらないが１
８０Ｗ程度で暗導電率は極小値を示し、ａ−Ｓｉ膜と同
程度まで低くなる。結晶の体積分率も６０％以上あり、
結晶核層として最適な膜が得られる。

【００５８】モノシランと水素とを用いて形成した膜
は、基板への密着力が優れている。図４はガラス基板上
に（ＳｉＦ₄＋Ｈ₂）で形成した場合と、（ＳｉＨ₄＋
Ｈ₂）と（ＳｉＦ₄＋Ｈ₂）とで連続して形成した場合の
膜の基板への密着強度をスクラッチ試験で比較した結果
である。いずれも１０ｎｍ膜で、前者に対して後者は約
を２.５倍の密着強度が得られた。また、１００ｍｍ角
の大形基板に適用した場合、前者の膜は一部に剥離が発
生したが、後者の膜には剥離等は全く認められなかっ
た。

【００５９】なお、本実施例は正スタガ構造のＴＦＴに
基づき説明したが、トップゲート型または、ソース、ド
レインおよびゲート電極が同一面内に形成されたコプレ
ナ型のＴＦＴでも同様な効果が得られる。

【００６０】〔実施例２〕結晶核層４と結晶成長層５を
別個に形成する場合の一実施例を示す。基板温度３５０
℃、ＲＦパワー１５０Ｗ、ガス圧１ＴｏｒｒでＳｉＦ₄
３０ｓｃｃｍ，Ｈ₂９０ｓｃｃｍ，ＳｉＦ₄：Ｈ₂流量比
が１：３の条件で、結晶粒径１０ｎｍ以下で結晶の体積
分率５０％の結晶核層４を形成した。

【００６１】次に、ＳｉＦ₄：Ｈ₂流量比が３：１とＳｉ
Ｆ₄を多くすることにより結晶成長層５が得られた。

【００６２】さらに、ＳｉＦ₄３００ｓｃｃｍ，Ｈ₂１０
０ｓｃｃｍの流量で、ガス圧を０．４Ｔｏｒｒに設定す
ることによって、結晶分率が７５％の結晶核層を形成
し、ガス圧を２Ｔｏｒｒに設定すると結晶成長層が形成
できた。

【００６３】〔実施例３〕図５はソース２およびドレイ
ン電極２’としてパターニングしたＩＴＯ上にコンタク
ト層３であるｎ(+)−Ｓｉ膜を選択形成し、さらに前記
の活性層を形成したＴＦＴの断面図を示す。

【００６４】なお、上記のＩＴＯ上にｎ(+)−Ｓｉ膜を
選択形成するため、ガラス基板面上に微結晶を含む層
を、図２に示すような膜形成と水素アニールとを繰返す
膜形成法で形成した。この場合の膜形成の温度依存性を
図６に示す。

【００６５】図６から分かるように、膜形成速度にはほ
とんど温度の影響は無く一定である。これに対し、水素
アニールによる膜のエッチング速度は低温側ほど高くな
る。そこで、基板の一部を選択的に加熱することによっ
て基板上に温度Ｔ１，Ｔ２（但し、Ｔ１＜Ｔ２）を設定
し、温度Ｔ２のみに膜を形成することができた。これは
Ｔ１部ではエッチング速度が膜形成速度を上回るためで
ある。なお、Ｔ１は２００℃、Ｔ２は２７０℃である。

【００６６】膜の選択形成傾向は、図２のアニール時間
が長い程顕著である。３０秒ではそれほど差がないが、
６０秒以上では明らかに選択性が認められるようにな
る。また、アニール時間が６０秒以上の場合は、上記Ｔ
１，Ｔ２のように温度差を設けなくとも得ることができ
るが、アニール時間が長くなって膜形成の全体時間も長
くなり、スループットが低下するので温度差を設ける方
が有利である。

【００６７】これによって、暗導電率が高く、ドーピン
グ効率の高いｎ(+)−Ｓｉ膜を形成することができる。
図３に示したようにＲＦパワー６０Ｗ程度でＳｉ膜を形
成すると、ドーピングなしで暗導電率は１×１０~²Ｓ／
ｃｍ、これにホスフィンを０.５％添加することにより
２〜３桁暗導電率を向上することができる。

【００６８】また、高効率コンタクト層は電極を選択的
に加熱することにより電極側面にもコンタクト層を形成
することができる。これによってｎ−ＭＯＳ型の場合、
ホールであるマイノリティキャリアの電極への注入を完
全にブロックできることからオフ電流を十分低減でき
る。

【００６９】さらにまた、電極との界面だけでなく、コ
ンタクト層全体にホスフィンをドーピングできるため
に、キャリアの電極への注入が十分なされ、オン電流が
増加でき、オンオフ比を向上させることができる。

【００７０】〔実施例４〕Ｓｉ膜の結晶構造を制御する
ための下地層として、絶縁基板中にＳｉ膜の結晶核とな
る種結晶を均一に分散させた下地層を形成する方法につ
いて示す。

【００７１】シラノール化合物の溶液に、Ｓｉ超微粉末
を所定量混入したものを用いる。この際粉末が濡れにく
い場合には、粉末を界面活性剤で処理するのがよい。こ
の粉末混合液を超音波中で一定時間撹拌してＳｉ粉末を
均一分散させる。これをスピンオン、ディップ、スプレ
ー、ロールコート等の方法でガラス基板上に均一に塗布
する。

【００７２】次に、１００℃、３０分加熱して溶剤を除
き、２５０℃、１時間ベークすることによりシラノール
化合物を重合させガラス化させる。さらに、４５０℃で
焼成して緻密な下地層を形成することができる。上記の
Ｓｉ微粉末がアモルファス状態であっても、緻密化の際
に結晶化される。図７に下地層８上に結晶Ｓｉ膜を成長
させた基板の模式断面図を示す。

【００７３】結晶核のＳｉ粒子は基板１の表面に形成し
た下地層８中に均一に分散されており、表面に現れたＳ
ｉ粒子９が結晶核となる。膜形成は、基板上温度で最高
４００℃程度のプラズマＣＶＤがよい。特に、膜形成中
に活性な水素ラジカルを多量に供給できるよう、原料ガ
スのモノシランを水素で１／２０〜１／５０に希釈した
ものがよい。

【００７４】供給した水素ラジカルがＳｉ膜と反応する
ことによって、膜中から水素を引き抜き、結晶化し易く
なる。この際、Ｓｉ粒子により結晶化が進行し、膜厚２
００ｎｍ程度で膜最表層部の結晶の体積分率を１００％
にできる。しかも該膜へのプラズマダメージを低下させ
る条件で膜形成させると結晶成長中の核発生を抑えるこ
とができ、下地層から大きな結晶粒を成長させることが
できる。

【００７５】上記の図７の下地層８を有する基板を用い
て、Ａｌ膜でソース、ドレイン電極を３００ｎｍ、コン
タクト層を５０ｎｍ形成する。活性層としてＳｉの結晶
成長層を約２００ｎｍ形成しソースとドレイン電極間の
チャネル形成領域だけを優先的に結晶化させる。

【００７６】次に、連続してゲート絶縁層としてＳｉＮ
ｘを３５０ｎｍ形成し、最後にＡｌを３００ｎｍ形成し
てゲート電極としトップゲート型の正スタガＴＦＴを作
製した。本薄膜トランジスタではチャネルを形成する活
性層（結晶成長層）とゲート絶縁層の界面で良好な結晶
Ｓｉ膜が得られ、高い電界効果移動度が実現できた。

【００７７】図８は、基板面上に微細な凹凸を形成して
Ｓｉ膜を成長したときの模式図である。Ａｌ膜の島状膜
をドライエッチングにより形成し凹凸化した。図９
（ｂ）に示すように、凹凸基板１０上にＳｉ膜を成長さ
せると、凸部が結晶核となり優先的に膜厚方向に結晶成
長層５が形成する。凹部では、アモルファス状態の多い
膜が形成される。約１００ｎｍの膜厚において、アモル
ファス相１１は結晶成長部分に吸収され、活性層上部で
はすべて結晶相となる。

【００７８】なお、凹凸を形成しない場合は、図９
（ａ）に示すように、まず、基板１上にアモルファス相
１１が形成され、結晶相は膜厚をかなり厚く形成しなけ
れば形成されない。

【００７９】

【発明の効果】本発明により、活性層が薄い膜厚で形成
できるので、チャネル領域の膜厚の薄ＴＦＴが得ること
ができ、該ＴＦＴの電界効果移動度を大幅に向上でき、
オン電流の増加とオフ電流の低減を図ることができる。

【００８０】また、上記活性層と絶縁基板との密着性が
優れているので、大面積基板においても活性層の剥離が
なく、安定な膜のＴＦＴを形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の正スタガ型ＴＦＴの模式断面図であ
る。

【図２】活性層の形成時のシーケンスである。

【図３】Ｓｉ膜の暗導電率とＲＦパワーとの関係を示す
グラフである。

【図４】膜形成方法の違いによるガラス基板への膜の密
着強度を示す棒グラフである。

【図５】実施例３の正スタガ型ＴＦＴの模式断面図であ
る。

【図６】膜形成速度およびエッチング速度と基板温度と
の関係を示すグラフである。

【図７】下地層を有する基板とそれにより形成された活
性層の模式断面図である。

【図８】活性層に対する基板の微細凹凸処理効果を示す
模式断面図である。

【符号の説明】

１…絶縁基板、２…ソース、２'…ドレイン電極、３…
コンタクト層、４…結晶核層、５…結晶成長層、６…ゲ
ート絶縁層、７…ゲート電極、８…下地層、９…Ｓｉ粒
子、１０…凹凸基板、１１…アモルファス相。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−266019（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/205 H01L 21/336

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁
層、ソース、ドレイン電極を有する薄膜トランジスタで
あって、前記絶縁基板面上に活性層を有し、前記活性層
が絶縁基板と接する面では結晶相とアモルファス相とが
混在しており、前記結晶相とアモルファス相とが混在し
た面と対向する上面は結晶相のみからなることを特徴と
する薄膜トランジスタ。
【請求項２】絶縁基板と、該基板側からソース、ドレ
イン電極、コンタクト層、活性層、ゲート絶縁層、ゲー
ト電極が形成された正スタガ型の薄膜トランジスタであ
って、前記活性層が絶縁基板と接する面では結晶相とア
モルファス相とが混在しており、前記結晶相とアモルフ
ァス相とが混在した面と対向する上面は結晶相のみから
なることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項３】絶縁基板と、該基板側から活性層、コン
タクト層、ゲート絶縁層、スルーホールを通して該コン
タクト層に接続したソース、ドレイン電極、ゲート電極
を有するコプラナ型の薄膜トランジスタであって、前記
活性層が絶縁基板面と接する面では結晶相とアモルファ
ス相とが混在しており、前記結晶相とアモルファス相と
が混在した面と対向する上面は結晶相のみからなること
を特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項４】絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁
層、ソース、ドレイン電極を有するトップゲート型の薄
膜トランジスタであって、前記絶縁基板面上に活性層を
有し、前記活性層が絶縁基板と接する面では結晶相とア
モルファス相とが混在しており、前記結晶相とアモルフ
ァス相とが混在した面と対向する上面は結晶相のみから
なり、前記ソース、ドレイン電極の上部および側面に結
晶層を含むコンタクト層を有することを特徴とする薄膜
トランジスタ。