JPH0272669A - 薄膜半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、絶縁性透明基板等のような非晶質絶縁基板あ
るいは絶縁膜上に形成される非単結晶半導体薄膜を用い
て作成される薄膜トランジスタ等のような薄膜半導体装
置に関する。

［従来の技術］ 非晶質シリコン薄膜あるいは多結晶シリコン薄膜等のよ
うな非単結晶半導体薄膜には、ダングリングボンドが多
数存在する。たとえば、多結晶シリコン薄膜に関しては
、結晶粒界に存在するダングリングボンド等の欠陥が、
キャリアに対するトラップ準位となりキャリアの伝導に
対して障壁として動く。　（Ｊ、　　Ｙ、　　Ｗ、　　
５ｅｔｏ、　　Ｊ、　　Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、４６．
ｐ５２４７　（１９７５））。従って、多結晶シリコン
薄膜トランジスタの性能を向上させる為には、前記欠陥
を低減させる必要がある。　（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、、５３　（２）、ｐ１１９３（１９８２））。この目
的の為に水素による前記欠陥の終端化が行われており、
その主な方法として、水素プラズマ処理法、水素イオン
注入法、あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡散法等
が知られている。水素イオン注入法においては、イオン
注入装置と言う高価な装置を必要とする欠点を有してお
り、プラズマ窒化膜からの水素の拡散法においては、必
要としない窒化膜が成膜されると言う欠点を有する。従
って、水素プラズマ処理法が最も優れた方法である。　
（Ｔ。

１、Ｋａｍｉｎｓ、ＩＥＥＥ　　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅ
ｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、ＥＤＬ−１，Ｎ
ｏ。８．ｐ１５９．　　（１９８０））。

［４１，発明が解決しようとする課題］しかし、従来の
様に、結晶化率の小さい非単結晶半導体薄膜を用いた薄
膜トランジスタに水素プラズマ処理を行っても、その効
果は小さかった。

例えば、前記欠陥を終端化するためには、非晶質シリコ
ン膜では約１０ａｔｏｍｉｃ％の水素が必要である。多
結晶シリコン膜の場合でも、結晶性の悪い膜では数ａｔ
ｏｍｉｃ％の水素を導入する必要がある。

多結晶シリコン薄膜トランジスタのＱＮｉＥ流工。。は
次式で表される。

Ｉｏｎ　　ｃｃ　　１　−　　ｅＸｌ）（−Ａ−Ｎｔ２
　　／ｋＴ）・　・　・　・　（１） ここで１は結晶粒径、Ｎｔは結晶粒界に存在するＴｒａ
ｐ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ａは比例定数
を表している。　（Ｊ、Ｌｅｖｉｎｓｏｎ、Ｊ、Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、５３（２）、　　ｐ１１９３、　　（１
９８２））。前記水素プラズマ処理を行い欠陥を低減さ
せると言うことは、　（１）式においてＮｔを小さくす
ることである。このことから、はじめからＮｔの小さな
多結晶シリコンを用いれば小量の水素を導入するだけで
大きな水素プラズマ効果が実現されることがわかる。

多量の水素を導入すると結晶粒界ばかりでなく結晶領域
にまでも水素が打ち込まれ、逆に欠陥を生じさせる可能
性が考えられる。さらに、過剰の水素は素子特性の安定
性あるいは信頼性に悪影響を及ぼすことが考えられる。

以上のことより、膜に導入される水素量はできる限り少
ない方がよい。

本発明は、この様な水素プラズマ処理に伴う従来の問題
点を解決し、優れた特性を有し、信頼性の良好な薄膜ト
ランジスタを提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置は、　　非単結晶半導体薄膜に
より形成されたチャネル領域を有する薄膜半導体装置に
おいて、前記非単結晶半導体薄膜及びチャネル領域に０
．１ａｔｏｍｉｃ％未満の水素を含むことを特徴とする
。

本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、少なくとも水素
を含む混合ガスのプラズマ雰囲気中での熱処理により、
前記非単結晶半導体薄膜及びチャネル領域に０．１ａｔ
ｏｍｉｃ％未満の水素を導入することを特徴とする。

［実施例１］ 本発明による薄膜トランジスタの製造方法の実施例１を
、第１図の工程図にしたがって説明する。

同図（ａ）において、非晶質絶縁基板１−１上に、非単
結晶性のシリコン薄膜を堆積させ、その後ホトリソグラ
フィ法により島状非単結晶シリコン薄膜１−２を形成す
る。前記非晶質絶縁基板としては、石英基板あるいはガ
ラス基板などがある。前記シリコン薄膜の形成方法とし
ては次に述べるような方法がある。減圧ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法（Ｍ　。

１ｅｃｕｌａｒ　　Ｂｅａｍ　　Ｅｐｉｔａｘｙ）、等
の方法では多結晶シリコン薄膜が堆積させられる。　Ｅ
Ｂ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　　Ｂｅａｍ）蒸着法、スパッ
タ法、プラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、等の方法で
は非晶質シリコン薄膜が堆積させられる。一方、前記減
圧ＣＶ　Ｄ法においては、デポ温度を約５５０°Ｃ以下
にすれば非晶質シリコン薄膜が堆積させられる。

次に同図（ｂ）に示すように熱酸化法によりゲート酸化
膜１−４を形成する。ドライ酸化法を用いれば酸素雰囲
気で約１１５０℃の熱処理によって、破壊耐圧の高い良
質のゲート酸化膜を得ることができる。ウェット酸化法
を用いれば９００℃程度の低温でも酸化膜が形成される
が、ドライ酸化法で形成された膜に比べれば破壊耐圧は
低く、膜質は劣る。この酸化工程により前記非単結晶シ
リコン薄膜１−２は、熱処理による結晶成長が進み、多
結晶シリコン薄膜１−３となる。前記非単結晶シリコン
薄膜１−２として多結晶シリコン薄膜を用いた場合には
、前記酸化工程後の多結晶シリコン薄膜１−３の結晶粒
径は２０００人〜３０００人程度パブきさとなる。前記
非単結晶シリコン薄膜１−２として非晶質シリコン薄膜
を用いた場合には、前記結晶粒径は５０００人から数μ
ｍの大きさにさらｌこ結晶成長することが知られている
。

次に同図（Ｃ）に示すようにゲート電極１−５を形成す
る。該ゲート電極材料には、−数的に多結晶シリコンが
用いられている。続いて該ゲート電極１−５をマスクと
して不純物元素をイオン注入して、ソース領域１−６及
びドレイン領域１−７を形成する。前記不純物元素とし
ては、リン、ヒ素あるいはボロン等が用いられている。

次に同図（ｄ）に示すように眉間絶縁膜１−８を堆積さ
せる。続いて、前記ソース領域１−６及びドレイン領域
１−７の不純物活性化と、前記層間絶縁膜１−８の緻密
化の目的で約１０００°Ｃの熱処理を行う。その後、水
素プラズマ処理を行う。

１−９は活性度の高い水素ラジカルを示している。

水素プラズマ処理は通常のプラズマＣＶＤ装置を利用し
て行うことが出来る。反応室の中に基板をセットし、該
反応室中を水素ガスあるいはアンモニアガスで満たす。

内圧は１〜３　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ程度とする。平行平板型
の電極であれば１３．５６ＭＨ２の高周波電すれば容易
にプラズマが発生し、活性度の高い水素ラジカルとなっ
た水素イオンが基板中に導入される。誘導結合型の装置
でも同様に利用できる。基板温度は５００°Ｃ以下の低
温が適当である。その理由は、高温て水素プラズマ処理
を行うと膜中でダングリングボンドと結合した水素イオ
ンが、再び膜外に放出されてしまうからである。膜に導
入される水素濃度が多ければ多い程結晶粒界に存在する
Ｔｒａｐ密度Ｎｔは少なくなる。Ｎ　ｔが少なくなれば
（１）式かられかるように、ＯＮ電流Ｉ０゜は大きくな
る。第２図に■。。

とＮｔとの関係を示す。同図は発明者が得た実験結果で
ある。Ｎｃｈトランジスタのデータであり、縦軸はソー
スルドレイン間電圧Ｖｄ、＝５Ｖ。

ゲートルソース間電圧Ｖｇ、＝　１６　Ｖの時のＯＮ電
流■。１　を表し、横軸は結晶粒界に存在するＴｒａｐ
密度Ｎｔを表している。水素プラズマ処理をしてＮｔ＝
４〜５Ｘ１０”Ｃｍ−２程度になれば■。。＝１００〜
１８０μＡとなり、それ以上水素プラズマ処理をして水
素イオンを導入しても■。。は増大しない。Ｎｔ＝４〜
５Ｘ１０”Ｃｍ−２の多結晶シリコン薄膜に含有されて
いる水素原子量をＳＩＭＳにより分析したところ、約０
．０９ａｔ。

ｍｉｃ％の水素が検出された。従ってこれ以上の水素を
導入する必要はなく、水素プラズマ処理により膜中に導
入する水素量は０．１ａｔｏｍｉｃ％未満で十分である
。

同図（ｅ）に示すように、ソース領域及びドレイン領域
のコンタクト電極１−１０を形成すれば薄膜トランジス
タが完成する。該コンタクト電極材料としてはアルミニ
ュウムやクロムやニッケル等の金属材料を用いる。

［実施例２］ 本発明による薄膜トランジスタの製造方法の実施例２を
、第３図の工程図にしたがって説明する。

同図（ａ）において、非晶質絶縁基板３−１上に、非単
結晶性のシリコン薄膜３−２を堆積させる。

堆積方法については以前に述べたのでここでは省略する
。３−３は結晶粒界を示している。口では多結晶シリコ
ン薄膜を堆積した場合について説明しているが、非晶質
シリコン薄膜を用いても同様に考えてよい。同図（ａ）
においては、３−２はａ　ｓ　−ｄ　ｅ　ｐ　ｏ、　　
膜である。結晶粒径は小さく欠陥が多い。

最近シリコン薄膜を結晶成長させる技術の研究が活発で
ある。次に同図（ｂ）に示すように前記シリコン薄膜３
−２を結晶成長させて、多結晶シリコン薄膜３−４を成
長させる。前記シリコン薄膜３−２が非晶質であれば、
固相成長法が有効である。窒素ガス等の不活性ガス雰囲
気中に基板を設置し、５００°Ｃ〜７００°Ｃの低温で
数時間〜数百時間の結晶化アニールをすると、固相成長
して、その結晶粒径が数千人から数μｍの大きさに成長
する。また前記シリコン薄膜３−２が多結晶てあれば、
該多結晶にシリコンイオンをイオン注入し該多結晶を非
晶質化し、その後上述のような固相成長法を行えば結晶
成長する。結晶粒径が大きくなるので第３図（ｂ）に示
すように結晶粒界３−３の間隔が大きくなる。この池に
も結晶成長させる方法としては、レーザアニール再結晶
化法、電子ビームアニール再結晶化法、あるいはカーボ
ンストリップヒータによる溶融再結晶化法などの方法が
ある。前記同相成長法は、約７００°Ｃ以下の低温プロ
セスにも応用できるきわめて有効な方法である。

次に同図（Ｃ）に示すようにゲート酸化膜３５を形成す
る。プラズマＣＶＤ法では２００°Ｃ程度で該ゲート酸
化膜が積層され、ＬＰＣＶＤ法では４００　’Ｃ程度で
積層される。そのほかプラズマ酸化法、高圧酸化法、レ
ーザ酸化法などの方法によれば、低温でゲート酸化膜を
形成することができる。通常の熱酸化法を用いても良い
ことはいうまでもない。該熱酸化法については、実施例
１の項で述べたのでここでは省略する。

続いて同図（ｄ）に示すように、ゲート電極３−６を形
成し、次に該ゲート電極３−６をマスクとして不純物元
素をイオン注入して、ソース領域３−７およびドレイン
領域３−８を形成する。前記不純物元素としては、リン
、ヒ素、ボロン等が用いられている。続いて層間絶縁膜
３−９を、ＬＰ　ＣＶＤ法、ＡＰＣＶＤ法、スパッタ法
、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法などの方法で堆
積させる。その後、前記ソース領域とドレイン領域の活
性化と、前記層間絶縁膜の緻密化の目的で約１０００°
Ｃの熱処理を行う。次に、水素プラズマ処理を行う。３
−１０は活性度の高い水素ラジカルを示している。水素
プラズマ処理については実施例１０項て述べたのでここ
では省略する。

同図（ｅ）に示すように、ソース領域及びドレイン領域
とのコンタクト電極３−１１を形成すれば薄膜トランジ
スタが完成する。

［発明の効果コ 以上のべたように本発明によれば、従来の水素プラズマ
処理で生じた水素の過剰導入を回避することができる。

結晶粒界に存在する欠陥が低減された多結晶シリコン薄
膜に水素プラズマ処理を行うので、従来に比較して少量
の水素を前記多結晶シリコン薄膜に導入するだけで、膜
質を飛踵的に改善させることができる。本発明における
水素プラズマ処理によって膜中に取り込まれる水素量は
、０．１ａｔｏｍｉｃ％未満である。

過剰な水素が導入されないので、水素プラズマ処理によ
って新たな欠陥を生じることは全く無い。

ダングリングボンドの終端化に寄与しない水素イオン、
あるいは格子間にとどまっているような水素イオンなど
の余分な水素量がきわめて少ないので、素子特性の安定
性や信頼性が改善される。

実施例２で説明したように、約７００°Ｃ以下の低温プ
ロセスに本発明を応用することにより、大面積で高性能
な半導体装置も実現可能となる。

本発明を応用すれば、ＯＮ電流が大きく、ＯＦＦ電流が
小さく、サブスレッシュホルド領域の立ち上がりが急峻
で、信頼性の優れた薄膜トランジスタを作製することが
可能となる。

例えば、アクティブマトリクス基板に本発明を用いると
、ドライバー内蔵高精細パネルが実現する。また、シフ
トレジスタ回路と光電変換素子を同一基板に集積したイ
メージセンサ−に用いれば、高速読み取りや、Ａ３版等
のような大型化や、あるいは、カラーか等に対して大き
な効果が期待できる。駆動電圧の低減もできるので、低
消費電力化にも役立ち、さらには信頼性の向上にも役立
つ。

薄膜トランジスタばかりでなく、ＨＢＴ　（ｈｅｔｅｒ
ｏ　　ｂｉｐｏｌａｒ　　ｔｒａｎｓｉｓｔ。

ｒ）のへテロ界面の界面準位の低減、あるいは、ＰＮ接
合の接合界面準位の低減、などのようなその他の素子の
特性向上のためにも、本発明はきわめて有効な手段とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｅ）は、本発明における薄膜トラン
ジスタの工程図である。 第２図は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒界に存在するＴ
ｒａｐ密度Ｎ密度Ｎ膜トランジスタのＯＮ電流工。。と
の関係を示す図である。丸印は実験値、実線は計算値を
示す。 第３図（ａ）から（ｅ）は、本発明に置ける薄膜トラン
ジスタの工程図である。 １−１゜ １−２゜ １−９゜ ３−３； ３−１；　非晶質絶縁基板 ３−２；　非単結晶薄膜 ３−１　ｏ；　水素ラジカル 結晶粒界 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上柳雅誉　他１名

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非単結晶半導体薄膜により形成されたチャネル領
   域を有する薄膜半導体装置において、前記非単結晶半導
   体薄膜及びチャネル領域に０．１ａｔｏｍｉｃ％未満の
   水素を含むことを特徴とする薄膜半導体装置。
2. （２）少なくとも水素を含む混合ガスのプラズマ雰囲気
   中での熱処理により、前記非単結晶半導体薄膜及びチャ
   ネル領域に０．１ａｔｏｍｉｃ％未満の水素を導入する
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。