JPH036865A - 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、石英基板あるいはガラス基板のような非晶質
絶縁基板上に形成された、結晶性の優れた半導体薄膜を
用いた薄膜半導体装置及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜上に、結晶方位の
揃った結晶粒径の大きな多結晶シリコン薄膜、あるいは
単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、　５ＯＩ（Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　工ｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術
として知られている。　（参考文献　ＳＯＩ構造形成技
術、産業図書）。　　大きく分類すると、再結晶化法、
エピタキシャル法、絶縁層埋め込み法、貼り合わせ法と
いう方法がある。

再結晶化法には、レーザーアニールあるいは電子ビーム
アニールによりシリコンを溶融再結晶化させる方法と、
溶融する温度までは昇温させずに固相成長させる同相成
長法の２つに分類される。比較的低温で再結晶化できる
という点で固相成長法が優れている。５５０℃の低温熱
処理にもかかわらずシリコン薄膜の結晶粒が成長したと
いう結果も報告されている。　（参考文献　ＩＥＥＥ　
　Ｅｌｅ　ｃ　ｔ　ｒ　ｏ　ｎ　　Ｄ　ｅ　ｖ　ｉ　ｃ
　ｅ　　Ｌ　ｅ　ｔ　ｔ　ｅ　ｒ　ｓ。

ｖｏｌ、　　ＥＤＬ−８，Ｎｏ、　　８．　　ｐ３６１
．　　Ａｕｇｕｓｔ　　　１９８７）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のように不純物未添加非晶質シリコン薄膜
を、固相成長させて作製されたＮチャネル薄膜トランジ
スタは、デプレッション方向にシフトし、Ｐチャネル薄
膜トランジスタは、エンハンスメント方向にシフトして
いる。また、水素化してダングリングボンドなどの欠陥
を低減させた場合にも、この様な問題点が生じる。

一方、ボロンなどの不純物添加非晶質シリコン薄膜は、
固相成長が進み易いという性質を持っており、より大き
な結晶粒が得られる。

本発明は、この様な従来の固相成長に伴う問題点を解決
し、スレッシュホルド電圧（Ｖｔｈ）のシフトしない優
れた特性の薄膜半導体装置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及びその製造方法は、（１）　
非晶質絶縁基板上の半導体薄膜に作製された薄膜半導体
装置において、能動領域に、１×１０＋６〜１　ｘ　１
０１ｇｃｍ−”のボロンを含むことを特徴とする。

（２）　非晶質絶縁基板上に、プラズマＣＶＤ法により
、ボロンドープ非晶質半導体薄膜を堆積させ、４００°
Ｃ〜５００℃のアニールにより該ボロンドープ非晶質半
導体薄膜から水素を放出させる第１の工程と、５００℃
〜７００℃の低温熱処理により前記ボロンドープ非晶質
半導体３膜を固相成長させる第２の工程とを少なくとも
含むことを特徴とする。

［実施例コ 第１図（ａ）に於て、１−１は非晶質絶縁基板である０
石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。ＳｉＯ
２で覆われたＳｉ基板を用いることもある。石英基板あ
るいはＳｉＯ２で覆われたＳｉ基板を用いる場合は１２
００　’Ｃの高温プロセスにも耐えることができるが、
ガラス基板を用いる場合は軟化温度が低いために約６０
０　’Ｃ以下の低温プロセスに制限される。はじめに非
晶質絶縁基板１−１上にボロンドープ非晶質シリコン薄
膜１−２を堆積させる。該ボロンドープ非晶質シリコン
薄膜１−２は一様で、微小な結晶子は含まれておらず結
晶成長の核が全く存在しないことが望ましい、さらに、
ボロンなどの不純物元素を制御性よく添加できる方法が
望ましい、この観点からプラズマＣＶＤ法が適している
。この方法は、光起電力素子や、フォトダイオードや、
感光ドラムなどを作製する場合によく用いられる方法で
ある。

非晶質シリコン薄膜を堆積させるには、シランガス（Ｓ
ｉＨａ）をヘリウムガス（Ｈ，）あるいは水素ガス（Ｂ
２）で適した濃度に希釈し、高周波電圧を印加して、分
解堆積させる。ボロンドープ非晶質シリコン薄膜を作製
する場合は、前記のガスに加えてジボランガス（Ｂ２Ｈ
８）を混合させて同様に高周波電圧を印加して、分解堆
積させる。シランガスとジボランガスとの混合比を変え
ることによって、膜中のボロンドープ涌を約１×１０１
１０ｌ５’の精度まで制御することが出来る。プラズマ
ＣＶＤ法の場合は、基板温度が５００°Ｃ以下でも成膜
できる。また、デボ直前に水素プラズマあるいはアルゴ
ンプラズマ処理を行えば、基板表面の清浄化と成膜を連
続的に行うことができる。その後、４００　’Ｃ〜５０
０℃のアニールを行いボロンドープ非晶質シリコン薄膜
から水素を放出させる。

次に、前記ボロンドープ非晶質薄膜１−２を固相成長さ
せる。固相成長方法は、石英管による炉アニールが便利
である。アニール雰囲気としては、窒素ガス、水素ガス
、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いる。　ｌＸ１
０１から１×１ｏ−１ｓＴ。

ｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。

固相成長アニール温度は５００　”Ｃ〜７００　”Ｃと
する。この様な低温アニールでは選択的に、結晶成長の
活性化エネルギーの小さな結晶方位を持つ結晶粒のみが
成長し、しかもゆっくりと大きく成長する。第１図（ｂ
）において、１−３は固相成長したボロンドープシリコ
ン薄膜を示しており、１−４は結晶粒界を示している。

ボロンなどの不純物を含む非晶質シリコン薄膜は、ノン
ドープシリコン３膜に比べて固相成長し易いことが知ら
れている、　（参考文献　ＳＯＩ構造構造形成技術１閲
業　１２１ページ） 次に前記固相成長したボロンドープシリコン薄膜１−３
をフォトリソグラフィ法によりパターニングして第１図
（Ｃ）に示すように島状にする。

次に第１図（ｄ）に示されているように、ゲート酸化膜
１−５を形成する。該ゲート酸化膜の形成方法としては
ＬＰＣＶＤ法、あるいは光励起ＣＶＤ法、あるいはプラ
ズマＣＶＤ法、Ｅ、ＣＲプラズマＣＶＤ法、あるいは高
真空蒸着法、あるいはプラズマ酸化法、あるいは高圧酸
化法などのような５００°Ｃ以下の低温方法がある。該
低温方法で成膜されたゲート酸化膜は、熱処理すること
によってより緻密で界面準位の少ない優れた膜となる。

非晶質絶縁基板１−１として石英基板を用いる場合は、
熱酸化法によることができる。該熱酸化法にはｄｒｙ酸
化法とｗｅｔ酸化法とがあるが、酸化温度は１０００℃
以上と高いが膜質が優れていることがらｄｒｙ酸化法の
方が適している。

次に第１図（ｅ）に示されるように、ゲート電極１−６
を形成する。該ゲート電極材料としては多結晶シリコン
薄膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるいはアルミ
ニュウムやクロムなどのような金属膜、あるいはＩＴＯ
や５ｎ０２などのような透明性導電膜などを用いること
ができる。成膜方法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法、
真空蒸着法、等の方法があるが、ここでの詳しい説明は
省略する。

続いて第１図（ｆ）に示すように、前記ゲート電極１−
６をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的に
ソース領域１−７およびドレイン領域１−８を形成する
。前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する
場合はＰｏあるいはＡＳ゛を用い、Ｐｃｈトランジスタ
を作製する場合はＢ゛等を用いる。不純物添加方法とし
ては、イオン注入法の他に、レーザードーピング法ある
いはプラズマドーピング法などの方法がある。１−９で
示される矢印は不純物のイオンビームを表している。前
記非晶質絶縁基板１−１として石英基板を用いた場合に
は熱拡散法を使うことができる。

不純物漬度は、１×１０１′ＩからＩ　Ｘ　１０”ｃ　
ｍ−’程度とする。

続いて第１図（ｇ）に示されるように、層間絶縁膜１−
１０を積層する。該層間絶縁膜材料としては、酸化膜あ
るいは窒化膜などを用いる。絶縁性が良好ならば膜厚は
いくらでもよいが、数千人から数μｍ程度が普通である
。窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいはプ
ラズマＣＶＤ法などが簡単である１反応には、アンモニ
アガス（Ｎ　Ｈ３）とシランガスと窒素ガスとの混合ガ
ス、あるいはシランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを
用いる。

ここで、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入法、
あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡散法などの方法
で水素イオンを導入すると、ゲート酸化膜界面などに存
在するダングリングボンドなどの欠陥が不活性化される
。この様な水素化工程は、層間絶縁膜１−９を積層する
前におこなってもよい。

次に第１図（ｈ）に示すように、前記層間絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト電
極を形成しソース電極１−１１およびドレイン電極１−
１２とする。該ソース電極及びドレイン電極は、アルミ
ニュウムなどの金属材料で形成する。この様にして薄膜
トランジスタが形成される。

［発明の効果コ 従来、薄膜トランジスタの能動領域はノンドープだった
ので、その特性はＮチャネルではデプレッション側へ、
Ｐチャネルではエンハンスメント側へシフトしていたが
、本発明によれば、薄膜トランジスタの能動領域にｌＸ
ｌ０１５〜ｌＸ１０１９ｃｍ弓の精度でボロンをドープ
するので、Ｎチャネル及びＰチャネルともにスレッシュ
ホルド電圧が小さくて、その絶対値もほぼ等しいとゆう
優れた薄膜トランジスタが実現される。薄膜トランジス
タを水素化した場合にも本発明は効果的である。

イオン注入装置のような高価な装置を必要としないので
、コスト的にも有利である。プロセス的にも工程数の増
加はまったくない。

ボロンドープ非晶質シリコン薄膜を固相成長させるので
、従来のノンドープ非晶質シリコン薄膜を内相成長させ
た場合よりもより大きな結晶粒を持つシリコン薄膜が得
られる。結晶粒径が大きくなれば薄膜トランジスタのＯ
Ｎ電流は増大する。

非晶質絶縁基板上に結晶性の優れたシリコン薄膜を作製
することが可能になったのでＳ○工技術の発展に大きく
寄与するものである。工程数はまったく増えない。６０
０°Ｃ以下の低温のプロセスでも作製が可能なので、価
格が安くて耐熱温度が低いガラス基板をもちいることが
できる。優れたシリコン薄膜が得られるのにかかわらず
コストアップとはならない。

本発明によって得られた大粒径多結晶シリコン薄膜を用
いて薄膜トランジスタを作成すると、優れた特性が得ら
れる。従来に比べて、薄膜トランジスタのＯＮ電流は増
大しＯＦＦ電流は小さくなる。またスレッシュホルド電
圧も小さくなりトランジスタ特性が大きく改善される。

ＮチャネルとＰチャネルとの特性の不釣合いさも改善さ
れる。

非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを作
製することが可能となるので、ドライバー回路を同一基
板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した場
合にも十分な高速動作が実現される。さらに、電源電圧
の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大きな
効果がある。

また、６００℃以下の低温プロセスによる作製も可能な
ので、アクティブマトリクス基板の低価格化及び大面積
化に対してもその効果は大きい。

本発明を、充電変換素子とその走査回路を同一チップ内
に集積した密着型イメージセンサ−に応用した場合には
、読み取り速度の高速化、高解像度化、さらに階調をと
る場合に非常に大きな効果をうみだす。高解像度化が達
成されるとカラー読み取り用密着型イメージセンサ−へ
の応用も容易となる。もちろん電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい。

また低温プロセスによって作製することができるので、
密着型イメージセンサ−チップの長尺化が可能となり、
−本のチップでＡ４サイズあるいはＡ３サイズの様な大
型ファクシミリ用の読み取り装置を実現できる。従って
、センサーチップの二本継ぎのような手数がかかり信頼
性の悪い技術を回避することができ、実装歩留りも向上
される。

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａ１２ｈ３）あるいはＭｇＯ・Ａ１２０３１ＢＰ、Ｃａ
Ｆ２等の結晶性絶縁基板も用いることができる。

以上薄膜トランジスタを例として説明したが、バイポー
ラトランジスタあるいはへテロ接合バイポーラトランジ
スタなど薄膜を利用した素子に対しても、本発明を応用
することができる。また、三次元デバイスのようなＳＯ
Ｉ技術を利用した素子に対しても、本発明を応用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｈ）は、本発明を、薄膜トランジス
タに応用した場合の例を示す薄膜トランジスタの工程図
である。 −１ −２ −３ −４ ；　非晶質絶縁基板 ；　ボロンドープ非晶質シリコン薄 膜 ；　固相成長されたボロンドープ非 晶質シリコン薄膜 ；　結晶粒界 以上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非晶質絶縁基板上の半導体薄膜に作製された薄膜
   半導体装置において、能動領域に、１×１０＾１＾６〜
   １×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾３のボロンを含むことを特
   徴とする薄膜半導体装置。
2. （２）非晶質絶縁基板上に、プラズマＣＶＤ法により、
   ボロンドープ非晶質半導体薄膜を堆積させ、４００℃〜
   ５００℃のアニールにより該ボロンドープ非晶質半導体
   薄膜から水素を放出させる第１の工程と、５００℃〜７
   ００℃の低温熱処理により前記ボロンドープ非晶質半導
   体薄膜を固相成長させる第２の工程とを少なくとも含む
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。