JP4031021B2

JP4031021B2 - 薄膜トランジスタの作製方法

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Publication number: JP4031021B2
Application number: JP2006312400A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: JP2007123912A

Description

本発明は、格子歪を有するマイクロクリスタル構造の半導体を用いた半導体装置に関するものである。

（発明の概要）
本発明は、水素または水素を主成分気体( 残りはアルゴン等の不活性気体) 雰囲気中における不純物濃度５×10¹⁸cm^-3以下の半導体タ−ゲットをスパッタさせることによって、７×10¹⁹cm^-3以下好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下の酸素濃度のアモルファス半導体を熱結晶化させることにより、7 ×10¹⁹cm^-3以下の酸素濃度の格子歪を有するマイクロクリスタル構造の半導体を用いた半導体装置に関するものである。

従来、多結晶半導体装置は、減圧CVD 法によって550 〜900 ℃の温度で形成されることにより多結晶半導体膜を得て、この多結晶半導体膜を用いて作製されていた。

またプラズマCVD 法によりマイクロクリスタルを形成することが知られている。

(従来技術の問題点)
減圧CVD 法によって非単結晶半導体膜を得る場合、大面積基板に均一に成膜するのは困難であるという問題がある。

またプラズマCVD 法によってマイクロクリスタルを形成した場合、その成膜工程に時間がかかるという問題があった。また大気中に放置しておくと自然酸化がおき、膜そのものが緻密でないという問題があった。

（発明の目的）
本発明は、工業的に量産生のよいスパッタ法により得られた緻密な自然酸化をしない非単結晶半導体を熱結晶化させることによって格子歪を有する微結晶半導体を得ることを発明の目的とする。そしてそれを絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の活性領域、特にチャネル形成領域に用いることを目的としている。

（発明の構成）
本発明は、平均の結晶粒径が５〜400 Åと小さく、かつその中の水素含有量は５原子％以下である。特に不純物としての酸素は７×10¹⁹cm^-3またはそれ以下好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とすることに特長を有する。そしてそれぞれの微結晶に格子歪をもたせることにより、ミクロにそれの結晶界面が互いに強く密接し、結晶粒界でのキャリアにとってのバリアを消滅させんとしている。

このため、単に格子歪のない多結晶の結晶粒界では、酸素等がそこに偏析し障壁( バリア) がキャリアの移動を阻害するが、本発明においては、かかる格子歪により、バリアがないまたは無視できる程度であるため、電子の移動度も５〜300cm²/Vsec と桁違いに優れた特長を有せしめた。

本発明は、水素または水素と不活性気体とを水素を主成分として有する雰囲気中における基板上へのスパッタ法による非晶質性( アモルファスまたはそれにきわめて近い) 半導体膜( 以下ａ−Siという) の成膜工程と、前記スパッタ法によって得た非晶質性の半導体膜を450 〜700 ℃、代表的には600 ℃の温度で結晶化させる工程を有することにより得た。

本発明の構成とすることによって、工業的に有用なスパッタ法により得られた非単結晶半導体を熱結晶化させ微結晶半導体を得る工程において、問題となる熱結晶化困難の問題を解決することができ、しかもこの微結晶半導体層を用いて高性能な薄膜トランジスタを作製することができた。

本実施例は、マグネトロン型ＲＦ（高周波）スパッタ装置によって作製したａ−Ｓｉ膜を熱結晶化させて、格子歪を有せしめるとともに、その平均結晶粒径を５〜４００Åと小さく、また含有水素の量は５原子％以下であり、かつ不純物としての酸素は７×１０^１９ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１９ｃｍ^−３以下の凖結晶（セミアモルファスＱｕａｓｉ−ｃｒｙｓｔａｌまたはＳｅｍｉ−ａｍｒｐｈａｓともいう）の半導体層を形成した。この微結晶珪素半導体層を用い、薄膜トランジスタを作製した。

図１に本実施例において作製した薄膜トランジスタの作製工程を示す。

まず、ガラス基板(11)上に酸化珪素膜(12)を以下の条件においてマグネトロン型RFスパッタ法により200nm の厚さに形成した。
O₂ 100 ％雰囲気成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz)出力 400W 圧力 0.5 Pa 単結晶シリコンをターゲットに使用

さらにその上に高純度のマグネトロン型RFスパッタ装置によってチャネル形成領域となるa-Si膜(13)を100nm の厚さに成膜する。

このスパッタ法として背圧を１×10^-7Pa以下とし、排気はタ−ボ分子ポンプとクライオポンプとを用いた。供給する気体の量は５Ｎ(99.999%) 以上の純度を有し、添加気体としては必要に応じて用いるアルゴン４Ｎ以上を有せしめた。タ−ゲットの単結晶シリコンも５×10¹⁸cm^-3以下の酸素濃度、例えば１×10¹⁸cm^-3の酸素濃度とし、形成される被膜中の不純物としての酸素をきわめて少なくした。

成膜条件は、水素含有比20〜100%、アルゴン含有比80〜0%、例えば水素含有100 ％とした。かかる雰囲気下において、 H₂/(H₂+Ar)＝100%（分圧比）
成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz) 出力 400W 全圧力 0.5Paとし、ターゲットは高純度Siターゲットを用いた。

この後、450 〜700 ℃、例えば600 ℃の温度で10時間の時間をかけ、水素または不活性気体中、本実施例においては水素100％雰囲気中においてa-Si膜(13)の熱結晶化を行った。いわゆる微結晶( またはセミアモルファス) といわれるものであった。

かかる方法にて形成されたアモルファスシリコン膜および熱処理により結晶化後の被膜中の不純物純度をSIMS( 二次イオン等量分析) 法により調べた。すると成膜中の不純物濃度のうち、酸素８×10¹⁸cm^-3、炭素３×10¹⁶cm^-3であった。また水素は４×10²⁰cm^-3を有し、珪素の密度を４×10²²cm^-3とすると、１原子％に相当する量であった。これらをタ−ゲットの単結晶シリコンの酸素濃度１×10¹⁸cm^-3を基準として調べた。またこのSIMS分析は成膜後被膜の深さ方向の分布( デプスプロフィル) を調べ、その最小値を基準とした。なぜなら表面は大気との自然酸化した酸化珪素があるからである。これらの値は結晶化処理後であっても特に大きな変化はなく、酸素の不純物濃度は８×10¹⁸cm^-3であった。この実施例において、酸素を念のために増やし、例えばN₂O を0.1cc/sec 、10cc/secと添加してみた。すると結晶化後の酸素濃度は１×10²⁰cm^-3、４×10²⁰cm^-3と多くなった。しかしかかる被膜を用いた時、同時に、結晶化に必要な温度を700 ℃以上にするか、または結晶化時間を少なくとも５倍以上にすることによって、初めて結晶化ができた。即ち工業的に基板のガラスの軟化温度を考慮すると、700 ℃以下好ましくは600 ℃以下での処理は重要であり、またより結晶化に必要な時間を少なくすることも重要である。しかし酸素濃度等の不純物をどのように少なくしても、450 ℃以下では熱アニ−ルによるa-Si半導体の結晶化は実験的には不可能であった。

また本発明においては、もしかかる高品質のスパッタ装置を用いた結果として、装置からのリ−ク等により成膜中の酸素濃度が１×10²⁰cm^-3またはそれ以上となった場合は、かかる本発明の特性を期待することができない。

かくの如くにして７×10¹⁹cm^-3以下の酸素濃度であること、および熱処理温度が450 〜700 ℃であることが決められた。
もちろん、ゲルマニウムにおいては、またはシリコンとゲルマニウムとの化合物半導体である場合にはアニ−ル温度を約100 ℃下げることができた。

この微結晶半導体は格子歪を有し、以下図４に示されたレ−ザラマン分析デ−タで明らかなように、低波数側に単結晶シリコンに比べてシフトしていた。

以下に本発明の半導体装置である絶縁ゲイト型電解効果トランジスタの作製方法を記す。即ち、本発明方法によって得られた熱結晶化させた微結晶珪素半導体に対してデバイス分離パターニングを行い、図１(a) の形状を得た。

つぎに、ｎ⁺a-Si膜(14)を以下に示す条件でマグネトロン型ＲＦスパッタ法により50nmの厚さに成膜した。
成膜条件は、水素分圧比20〜99％以上( 本実施例では80％) 、アルゴン分圧比80〜０％( 本実施例では19％) 、PH₃分圧比0.1 ％〜10％( 実施例では１％) の雰囲気中において、成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz) 出力 400W 全圧力 0.5Paであり、ターゲットとして単結晶( 酸素濃度１×10¹⁸cm^-3)Si をターゲットとして用いた。

また、この一導電型を有する半導体層の作製のためには、はPCVD法を用いてもよい。さらに、活性層を形成した後、ソ−スおよびドレインを形成するため、不純物（例えばＢ( ホウ素) 、Ｐ( リン) 、As( 砒素))をイオン注入法により添加してもよい。
この後ゲート領域パターニングを行い図１(b）の形状を得た。

つぎにゲート酸化珪素膜(15)を100nm の厚さにマグネトロン型ＲＦスパッタ法により以下の条件で成膜し、図１(c) の形状を得た。
酸素雰囲気 100％圧力0.5pa, 成膜温度100 ℃ RF(13.56MHz)出力400W 単結晶シリコンのターゲットまたは合成石英のターゲット使用した。

つぎにコンタクトホール開けパターニングを行い、図１（ｄ）の形状をえた。最後に真空蒸着によりアルミニウム電極（１６）を３００ｎｍの厚さに形成し、パターニングすることにより図１（ｅ）の形状を得、その後水素熱アニ−ルを水素１００％雰囲気中において３７５℃の温度で３０ｍｉｎ行い、薄膜トランジスタを完成させた。この水素熱アニールは微結晶珪素半導体と酸化珪素絶縁膜との界面凖位を低減させ、デバイス特性を向上させるためである。

なお図１(e) に示す薄膜トランジスタにおいて、Ｓはソ−ス電極、Ｇはゲイト電極、Ｄはドレイン電極である。
また本実施例において作製した薄膜トランジスタ図１(e) のチャンネル部(17)の大きさは１００×１００μm の大きさである。

以上が本実施例において作製した微結晶珪素半導体層を用いた薄膜トランジスタの作製方法であるが、本発明の効果を示すためにチャネル形成領域である図１（ａ）のａ−Ｓｉ層（１３）をマグネトロン型ＲＦスパッタ法により成膜する際の条件である水素の濃度および不本意に混入する酸素濃度を変化させた実施例を５例作製したので以下にその作製方法を示す。

本実施例は実施例１の作製法においてチャネル形成領域となる図１(a) の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H₂/(H₂+Ar)＝0%（分圧比）
とし、他は実施例１と同様な方法によって作製したものである。酸素濃度は２×10²⁰cm^-3を有していた。

本実施例は実施例１の作製法においてチャネル形成領域となる図１(a) の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H₂/(H₂+Ar)＝20% （分圧比）
とし、他は実施例１と同様な方法によって作製したものである。成膜中の酸素濃度は７×10¹⁹cm^-3を有していた。

本実施例は実施例１の作製法においてチャネル形成領域となる図１(a) の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H₂/(H₂+Ar)＝50% （分圧比）
とし、他は実施例１と同様な方法によって作製したものである。成膜中の酸素濃度は３×10¹⁹cm^-3を有していた。

本実施例は実施例１の作製法においてチャネル形成領域となる図１(a) の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H₂/(H₂+Ar)＝ 80% (分圧比）
とし、他は実施例１と同様な方法によって作製したものである。成膜中の酸素濃度は１×10¹⁹cm^-3を有していた。

以下、上記実施例の電気的特性を比較した結果を示す。
図２は完成した本実施例１〜５のチャネル部（第６図ｅの(17)におけるキャリアの移動度μ(FIELD MOBILITY)とスパッタ時における水素分圧比( Ｐ_H/P_TOTA＝H₂/(H₂+Ar)）の関係をグラフ化したものである。
図２におけるプロット点と実施例との対応関係を以下に表１として示す。

図２によれば水素分圧が0%の時は酸素濃度が２×10²⁰cm^-3もあるため、３×10^-1cm²V/secときわめて小さく、また他方、本発明の如く20％以上また酸素濃度７×10¹⁹cm^-3以下において顕著に高い移動度２cm²/Vsec以上μ(FIELD MOBILITY)が得られていることがわかる。

これは水素を添加すると、スパッタ内のチャンバ中での酸素を水とし、それをクライオポンプで積極的に除去できたためと推定される。
図３はしきい値電圧とスパッタ時における水素分圧比(P_H/P_TOTAL=H₂/(H₂+Ar))の関係をグラフ化したものである。

水素分圧比(P_H/P_TOTAL=H₂/(H₂+Ar))と実施例番号の対応関係は表１の場合と同じである。
しきい値電圧が低いほど薄膜トランジスタを動作させる動作電圧、すなわちゲイト電圧が低くてよいことになり、デバイスとしての良好な特性が得られることを考えると、図３の結果は、水素の分圧比の高い20％以上条件のスパッタ法によって、スレッシュホ−ルド電圧８Ｖ以下のノ−マリオフの状態を得ることができる。即ち、チャネル形成領域となる図１（ａ）の(13)に示されるa-Si膜を得て、このa-Si膜を再結晶化させることによって得られる微結晶珪素半導体層を用いたデバイス（本実施例では薄膜トランジスタ）は良好な電気的特性を示すことがわかる。

ａ−Ｓｉ膜を熱結晶化させた微結晶珪素半導体層のレ−ザラマンスペクトルを示したものである。図４に表された表示記号と実施例番号およびスパッタ時の水素分圧比との関係を表２に示す。

図４を見ると曲線(42)に比較して曲線(43)、すなわちチャネル形成領域（図１（ｅ）の(17)) となるa-Si半導体層を作製する際のスパッタ時における水素の分圧比が０％の場合と100 ％の場合を比較すると、熱アニ−ルにより結晶化させた場合は、スパッタ時における水素の分圧比が100%の場合のラマンスペクトルは顕著にその結晶性を有し、かつその平均の結晶粒径は半値幅より５〜400 Å代表的には50〜300 Åである。そして単結晶シリコンのピ−ク値の520cm ^-1よりも低波数側にずれ、明らかに格子歪を有する。このことは本発明の特徴を顕著に示している。すなわち水素を添加したスパッタ法によるa-Si膜の作製の効果は、そのa-Si膜を熱結晶化させて初めて現れるものであるということである。

このように格子歪を有すると、微結晶粒の互いが無理に縮んでいるため、互いの結晶粒界での密接が強くなり、結晶粒界でのキャリアにとってのエネルギバリアもそこでの酸素等の不純物の偏析も発生しにくい。結果として高いキャリア移動度を期待することができる。

一般に電界効果トランジスタである薄膜トランジスタにおいてドレイン電圧VDが低い場合、ドレイン電流IDとドレイン電圧VDとの関係は以下の式によって表される。
ID=(W/L) μC(VG-VT)VD (Solid.State electronics.Vol.24.No.11.pp.1059.1981.Printed in Britain) 上式において、Ｗはチャンネル幅、Ｌはチャネル長、μはキャリアの移動度、Ｃはゲイト酸化膜の静電容量、VGはゲート電圧、VTはしきい値電圧として定着している。

上記スパッタ時における不活性気体としてはArを用いたが、その他Heなどの他の不活性気体、またはSiH₄、Si₂H₆などの反応性気体をプラズマ化させたものを雰囲気気体の一部に添加して用いても良い。本実施例のマグネトロン型RFスパッタ法によるa-Si膜の成膜において、水素濃度は5 〜100 ％、成膜温度は室温〜500 ℃の範囲、RF出力は500 Hz〜100GHzの範囲において、出力100W〜10MWの範囲で任意に選ぶことができ、またパルスエネルギー発信源と組み合わせてもよい。さらに強力な光照射( 波長100 〜500nm 以下) エネルギーを加えて光スパッタを行ってもよい。

これは、水素という軽い原子をよりプラズマ化させ、スパッタリングに必要な正イオンを効率よく生成させて、スパッタによって成膜される膜中に水素または水素原子を均一に添加し、結果として酸素の混入を７×10¹⁹cm^-3以下、好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下におさえた半導体の成膜のためである。

本発明は明細書において非晶質性の半導体膜を単にa-Si膜として略記した。しかしこれはシリコン半導体を主な半導体とするが、ゲルマニウム、SixGe_1-x(0<x<1) であってもよい。
これは真性半導体のみならずＰまたはＮ型の半導体であってもよい。

また前記他の反応性気体を上記の手段に応用してもよい。

本実施例１〜６の作製工程を示す。本実施例で作製した薄膜トランジスタの作製工程において、チャネル形成領域となるa-Si膜の作製時に添加する水素の分圧比と本実施例で作製した薄膜トランジスタにおけるキャリアの移動度との関係を示したものである。本実施例で作製した薄膜トランジスタの作製工程において、チャネル形成領域となるa-Si膜の作製時に添加する水素の分圧比と、本実施例で作製した薄膜トランジシタにおけるしきい値との関係を示したものである。本実施例において作製した多結晶珪素半導体のラマンスペクトルを示したものである。

符号の説明

１１・・・ガラス基板
１２・・・酸化珪素膜
１３・・・微結晶半導体の活性層
１４・・・ｎ⁺a-Si膜
１５・・・ゲート酸化膜
１６・・・アルミ電極
１７・・・チャネル形成領域
Ｓ・・・・・ソ−ス電極
Ｇ・・・・・ゲイト電極
Ｄ・・・・・ドレイン電極

Claims

平均結晶粒径が５〜４００Åであり、電子移動度が５〜３００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであり、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、ラマンスペクトルのピークが５２０ｃｍ^−１より低波数側にずれた格子歪みを有する微結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
成膜条件を、ＲＦ周波数が５００Ｈｚ〜１００ＧＨｚの範囲とし、ＲＦ出力が１００Ｗ〜１０ＭＷの範囲とし、雰囲気を水素含有比２０〜１００％、アルゴン含有比を８０〜０％とし、成膜温度が室温〜５００℃の範囲としたスパッタ法により、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下の非晶質シリコン膜を形成し、
前記非晶質シリコン膜を水素雰囲気中又は不活性雰囲気内において４５０〜７００℃の温度で加熱することによって前記微結晶シリコン膜を形成し、
前記微結晶シリコン膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成した後、
熱アニールを行うことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
平均結晶粒径が５〜４００Åであり、電子移動度が５〜３００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであり、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、ラマンスペクトルのピークが５２０ｃｍ^−１より低波数側にずれた格子歪みを有する微結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
ガラス基板上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上に、成膜条件を、ＲＦ周波数が５００Ｈｚ〜１００ＧＨｚの範囲とし、ＲＦ出力が１００Ｗ〜１０ＭＷの範囲とし、雰囲気を水素含有比２０〜１００％とし、アルゴン含有比を８０〜０％、成膜温度が室温〜５００℃の範囲としたスパッタ法により、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下の非晶質シリコン膜を形成し、
前記非晶質シリコン膜を水素雰囲気中又は不活性雰囲気内において４５０〜７００℃の温度で加熱することによって前記微結晶シリコン膜を形成し、
前記微結晶シリコン膜を覆うようにゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成した後、
熱アニールを行うことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
平均結晶粒径が５〜４００Åであり、電子移動度が５〜３００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであり、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、ラマンスペクトルのピークが５２０ｃｍ^−１より低波数側にずれた格子歪みを有する微結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
成膜条件を、ＲＦ周波数が５００Ｈｚ〜１００ＧＨｚの範囲とし、ＲＦ出力が１００Ｗ〜１０ＭＷの範囲とし、雰囲気を水素含有比２０〜１００％、アルゴン含有比を８０〜０％とし、成膜温度が室温〜５００℃の範囲としたスパッタ法により、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下の非晶質シリコン膜を形成し、
前記非晶質シリコン膜を水素雰囲気中又は不活性雰囲気内において４５０〜７００℃の温度で加熱することによって前記微結晶シリコン膜を形成し、
前記微結晶シリコン膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成した後、
水素熱アニールを行うことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
平均結晶粒径が５〜４００Åであり、電子移動度が５〜３００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであり、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、ラマンスペクトルのピークが５２０ｃｍ^−１より低波数側にずれた格子歪みを有する微結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの作製方法であって、
ガラス基板上に酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜上に、成膜条件を、ＲＦ周波数が５００Ｈｚ〜１００ＧＨｚの範囲とし、ＲＦ出力が１００Ｗ〜１０ＭＷの範囲とし、雰囲気を水素含有比２０〜１００％、アルゴン含有比を８０〜０％とし、成膜温度が室温〜５００℃の範囲としたスパッタ法により、酸素濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以下の非晶質シリコン膜を形成し、
前記非晶質シリコン膜を水素雰囲気中又は不活性雰囲気内において４５０〜７００℃の温度で加熱することによって前記微結晶シリコン膜を形成し、
前記微結晶シリコン膜上にゲイト絶縁膜を形成し、
前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成した後、
水素熱アニールを行うことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
請求項３又は請求項４において、
前記水素熱アニールは、３７５℃で行うことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。