JP5648252B2

JP5648252B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5648252B2
Application number: JP2010206094A
Authority: JP
Inventors: 原　明人; 明人原
Original assignee: gakkou houjin touhoku Gakuin
Current assignee: gakkou houjin touhoku Gakuin
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2012049484A

Description

本発明は、シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）を構成成分とする非晶質上の半導体装置に関する。

近時では、非晶質上に形成された半導体薄膜を利用する半導体装置が注目されている。多結晶シリコン薄膜あるいは非晶質シリコン薄膜からなる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、有機半導体薄膜からなる有機ＴＦＴ、酸化物半導体薄膜からなる酸化物ＴＦＴなどはその一例であり、フラットパネルデイスプレイやフレキシブルエレクトロニクスに応用する技術として注目されている。また、ガラスやプラスチック上に形成された半導体薄膜を利用した太陽電池はグリーンテクノロジーとして注目されている。さらに、半導体薄膜を利用したフォトダイオードやフォトトランジスタに代表される光センサも今後注目される技術である。

従来において、これらの半導体装置は、非晶質上に低コストで半導体装置を形成する技術として注目された分野であった。しかし、近時では低コスト化のみでなく、高性能化も同時に強く要求されている。

近時では、非晶質上に形成された半導体薄膜を利用した半導体装置が注目されている。ガラスやプラスチック上に形成されたシリコン半導体薄膜からなるシリコンＴＦＴ、同じくガラスやプラスチック上に形成された有機半導体からなる有機ＴＦＴ、同じくガラスやプラスチック上に形成された酸化物半導体からなる酸化物ＴＦＴなどはその一例であり、フラットパネルデイスプレイやフレキシブルエレクトロニクスに応用する技術として注目されている。また、ガラスやプラスチック上に形成された半導体薄膜を利用した太陽電池はグリーンテクノロジーとして注目されている。さらに、半導体薄膜を利用したフォトダイオードやフォトトランジスタに代表される光センサも注目される技術である。

これらの半導体装置は、ガラスやプラスチックに代表される非晶質上に低コストで半導体装置を形成するために開発されてきた分野である。しかし、近時では低コスト化のみでなく、高性能化も同時に強く要求されている。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ＳｉとＧｅを構成成分とする半導体薄膜を利用して形成された半導体装置に関する。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

図１は本発明の実施形態による半導体薄膜の特徴を示す概略図である。ここで、結晶粒（１）の表面方位は全ての結晶粒に対して同一であり、さらに結晶粒の成長方位は全ての結晶粒に対して同一である。

さらに、図１において各々の結晶粒（１）はリボン状の細長い形状を有しており、各々の結晶粒は直線状の形状を有する高濃度Ｇｅからなる疑似Ｇｅ領域（２）によって挟まれる。

疑似Ｇｅ領域（２）に含まれるＧｅ濃度は、初期ＳｉＧｅ薄膜のＧｅ濃度よりも高濃度である。さらに、各々の結晶粒（１）内のＧｅ濃度はＳｉ濃度よりも低濃度であり、且つ、初期ＳｉＧｅ薄膜のＧｅ濃度よりも低濃度である。従って、各々の結晶粒は、相互に結晶方位の整ったＳｉを主成分とする結晶粒となり、疑似的な単結晶Ｓｉ薄膜と見なされる。

本発明によれば、非晶質上に疑似的な単結晶Ｓｉ薄膜を形成することが可能になる。

さらに、非晶質上に高性能な半導体装置の実現を可能にする。

第１の実施例について示す。ここでは、非晶質としてガラスを例にとり、該ガラス基板上に疑似単結晶Ｓｉ薄膜を形成する技術を示す。

ガラス上に非晶質Ｓｉ_０．５５Ｇｅ_０．４５薄膜を１００ｎｍの厚さで形成する。この膜の成膜方法としてプラズマＣＶＤ技術を利用した。原料ガスはモノシラン（ＳｉＨ_４）とゲラン（ＧｅＨ_４）を利用し、成膜時の基板温度は３００℃に設定している。

なお、ＳｉとＧｅからなる初期半導体薄膜の成膜は、プラズマＣＶＤ技術に限定されたものではなく、スパッタリング技術、分子線エピタキシー技術、減圧ＣＶＤ技術などの他の化学気相成長法や物理気相成長法を利用しても良い。

引き続いて、プラズマＣＶＤ技術で形成した初期非晶質Ｓｉ_０．５５Ｇｅ_０．４５薄膜中の水素を除去するために、４５０℃６０分の水素出しの熱処理を窒素雰囲気中で行った。

次に、半導体励起固体連続波（ＣＷ）グリーンレーザ（Ｎｄ：ＹＶＯ_４、２ω、波長５３２ｎｍ）を利用してラテラル融液成長（一方向凝固）を実現する。

レ−ザ本体から出射された円形のレ−ザビームは、光学系レンズにより、ほぼ線状に成形されている。このレ−ザは可視光であるためにガラスを透過する。そのためガラスに熱損傷を与えることはない。

また、使用している半導体励起固体ＣＷグリーンレーザは全固体レ−ザであることから出力の安定性が非常に高く、再現性良くガラス基板上でラテラル融液成長を実現することができる。

なお、本実験においてはレ−ザのスキャン速度は４００ｍｍ／ｓに設定しているが、この速度に限定されたものではない。

図２は結晶成長時の固液界面の様子、および固化後の結晶の様子を模式化した概略図である。

なお、本実施例では、一方向凝固による結晶成長のためにＣＷレ−ザ光を利用したが、ＣＷレ−ザ光に限定されたものではなく、パルスのレ−ザ光を用いた一方向成長（凝固）でもよい。

また、一方向凝固あるいは一方向成長が可能な融液成長であれば、レ−ザ以外のエネルギービームによる成長技術を利用してもよい。

図３は、走査型電子顕微鏡により観測した疑似単結晶Ｓｉ薄膜の結晶粒の分布の様子を示している。

本技術を用いることにより、長さ１００μｍに及ぶリボン状の結晶粒を有する半導体薄膜をガラスに熱損傷を与えることなく形成できる。

図４（ａ）は透過型電子顕微鏡で観測した結晶粒の拡大写真、および図４（ｂ）は分析電子顕微鏡を利用して観測したＧｅとＳｉの濃度分布を示している。なお図４（ｂ）は図４（ａ）のＡＢの直線に沿ってＧｅ濃度とＳｉ濃度を分析した結果である。

Ｇｅはレ−ザのスキャン方向に平行で且つ直線的に高濃度化し、疑似Ｇｅ領域を自己組織的に形成している。この疑似Ｇｅ領域のＧｅ濃度は、Ｓｉの濃度よりも高くなっている。

従って、各々の結晶粒中のＧｅ濃度は非常に低く保たれており、各々の結晶粒は疑似的にＳｉからなる結晶粒であると見なすことができる。

図５は後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）を利用して結晶方位を調べた結果である。図５（ａ）は、ノーマル・ディフラクション、図５（ｂ）はレファレンス・ディフラクションを示している。ここで、ノーマル・ディフラクションはサンプル表面に垂直な方位を示す。また、レファレンス・ディフラクションは、図５（ａ）（ｂ）の下の矢印から構成される図面のＲＤと示された方向に対応する。この方向はレ−ザのスキャン方向であり、結晶成長方向に対応する。図５（ｃ）はノーマル・ディフラクションに対する強度分布を示している。さらに図５（ｄ）はレファレンス・ディフラクションに対する強度分布を示している。これらの結果は、各々の結晶粒の表面方位は（１１１）に整列して配向していることを示している。また、各々の結晶粒の成長方位は＜０１１＞、あるいは＜０１１＞に近い方位である＜１３３＞方位に整列していることを示している。

以上のごとく、形成された各々の結晶粒の方位は相互に同一方向に整列し、各結晶粒内のＧｅ濃度は非常に低く保たれており、Ｇｅは疑似Ｇｅ領域に集積していることから、本半導体薄膜は疑似的な単結晶Ｓｉ薄膜と見なすことができる。

形成した疑似単結晶Ｓｉ薄膜を光吸収で観測した結果を図６に示す。

１．０ｅＶ付近より吸収が強くなり、単結晶Ｓｉの光吸収と同様の傾向を示している。これは、Ｇｅは直線状に且つ局所的に集積しており、結晶粒はＳｉから成り立っているという図４の結果と矛盾しない。

第２の実施例では、疑似単結晶Ｓｉ薄膜を利用して形成したガラス上のＴＦＴ技術について述べる。

実施例としてＴＦＴを取り上げるが、疑似単結晶Ｓｉ薄膜はＴＦＴに応用を限定したものではなく、太陽電池・センサ・ＭＥＭＳ・３次元集積回路など多方面の半導体薄膜を利用した半導体装置に展開することが可能である。

図７は第２の実施例を実現するためのプロセス工程図である。

ガラス上に疑似単結晶Ｓｉ薄膜を形成する技術は第１の実施例と同様である。本半導体薄膜を用い、フォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング装置を利用してＴＦＴのトランジスタ・アイランド（７）を形成する。図７（ａ）は本工程を示している。

引き続いて、プラズマＣＶＤを利用して酸化膜（８）を形成する。この際、酸化膜の厚さは５０ｎｍに設定した。図７（ｂ）は本工程を示している。

次に、スパッタリング法を利用して、Ｍｏを３００ｎｍの厚さ成長する。引き続いて、フォトリソグラフィー技術を利用して、メタルゲート（９）を形成した。図６（ｃ）は本工程を示している。

次に、ソース・ドレイン（１０）に対応する領域にイオン注入でリンを注入したのち、５５０℃６時間の熱活性化を行い、ソース・ドレインにイオン注入されたリンを活性化した。リンの注入条件は、１０ＫｅＶ、３×１０^１５ｃｍ^−２である。また、熱活性化の条件は５５０℃６時間である。図６（ｄ）は本工程を示している。

引き続いて、層間絶縁膜（１１）を形成後、コンタクトホール（１２）を形成した。図６（ｅ）と（ｆ）は、本工程を示している。

引き続いて、Ｍｏをスパッタして電極（１３）を形成した。図６（ｇ）は本工程を示している。

最後に、４００℃６０分の水素化処理を行いＴＦＴの完成である。

ＴＦＴの測定結果を図８に示す。ドレイン電圧＝１．０（Ｖ）時のトランスファ特性である。線形領域の移動度を計算した結果、５００ｃｍ^２／Ｖｓという値が得られた。単結晶シリコンの移動度が７００ｃｍ^２／Ｖｓであることから、移動度５００ｃｍ^２／Ｖｓは，ほぼ単結晶シリコンの移動度に匹敵する性能である。

なお、本実施例では非晶質としてガラス基板を利用したが、非晶質はガラス基板に限定したものではない。

また、本発明の適用範囲は、シリコン基板上あるいは非晶質基板上に形成された半導体装置の上層にバッファー層を形成後、該非晶質バッファー層の上に形成した本発明からなる半導体装置であっても良い。

本発明の第１の実施形態による半導体薄膜を示す概略図である。本発明の第１の実施形態による半導体薄膜の成長過程を示す概略図である。本発明の第１の実施形態による半導体薄膜の走査型電子顕微鏡写真である。図３に引き続き、本発明の第１の実施形態による（ａ）透過電子顕微鏡写真および（ｂ）分析電子顕微鏡によるＳｉとＧｅの濃度分布に関する結果である。図４に引き続き、本発明の第１の実施形態による半導体薄膜を後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）により評価した結果である。（ａ）はノーマル・ディフラクション、（ｂ）はレファレンス・ディフラクションを示している。（ｃ）はノーマル・ディフラクションに対する強度分布を示している。さらに（ｄ）はレファレンス・ディフラクションに対する強度分布を示している。本発明の第１の実施形態による光吸収スペクトル本発明の第２の実施形態によるＴＦＴの製造プロセス本発明の第２の実施形態によるＴＦＴの性能。トランスファ特性を示す。

１結晶粒
２疑似Ｇｅ領域
３固液界面
４結晶成長方向
６ガラス基板
７Ｓｉアイランド
８ゲート酸化膜
９ゲートメタル
１０ソース・ドレイン
１１層間絶縁膜
１２コンタクトホール
１３電極

Claims

シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）を構成成分とする多結晶半導体薄膜からなる半
導体装置において、長さ１００ミクロン以上のリボン状の細長い形状を有する結晶粒から
なることを特徴とし、該リボン状結晶粒は相互に同一の（１１１）方位を有することを特
徴とする半導体装置。
各々のリボン状結晶粒は、相互に平行の関係を有する線状疑似Ｇｅ領域に挟まれているこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。