JPH039532A - 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　　　Ｉｎｓｕｌ　ａｔ　ｏ　ｒ
）技術として知られている。　（参考文献　ＳＯ工構造
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、
溶融する濃度までは昇温させずに固相成長させる固相成
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．Ａｕｇｕｓ
ｔ　　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。

しかし、ボロンなどの不純物の濃度が高いと、薄膜トラ
ンジスタのＯＦＦ電流が増大するという問題点が生じる
。

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（Ｖ　ｔ　ｈ　）のシフトが
なく、ＯＦＦ電流の小さな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、前記半導体薄膜の能動領域の基板界面側
は不純物未添加であり、前記半導体薄膜の自由表面に近
づくにしたがって１×１０１６〜Ｉ　Ｘ　１×１０１６
ｃｍ−’のボロンを含む様な深さ方向のボロン濃度分布
を持つことを特徴とする。

（２）　前記半導体薄膜は、２５０Å〜２０００人の範
囲の膜厚を持つことを特徴とする。

（３）　前記半導体薄膜は、自由表面から少なくとも２
００人より深い領域ではボロンの濃度がＩ　Ｘ　１×１
０１６ｃｍ−’以下であることを特徴とする。

（４）　非晶質絶縁基板上に、プラズマＣＶＤ法により
、堆積初期には不純物未添加であり、堆積が進むにつれ
て徐々にボロンを添加することにより、深さ方向に濃度
分布を持つ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、５
００℃〜７００℃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。

［実施例］ 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０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℃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濃度が低いために約６００℃
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（Ｓｉ
Ｈ４）をヘリウムガス（Ｈ６）あるいは水素ガス（Ｈ２
）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（Ｂ２Ｈｓ
）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量を約１×１×１０１６ｃｍ
−”の精度まで制御することが出来る。堆積初期にはジ
ボランガスは導入しない。不純物未添加非晶質シリコン
薄膜がある程度堆積された頃に除徐にバルブを開きジボ
ランガスを導入し膜中にボロンをドープする。第２図に
、ボロン濃度の深さ方向の分布の例を示す。自由表面か
ら約２００人より深い領域ではボロン濃度は小さく、１
ｘｌＯ”ｃｍ−”以下であることが望ましい、プラズマ
ＣＶＤ法の場合は、基板濃度が５００℃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℃〜５００℃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。１×１０
−８からＩ　Ｘ　１０−１８Ｔ　。

ｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。

固相成長アニール濃度は５００℃〜７００℃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
リコン薄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構造形成技術、産業図１）　　
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、ＥＣＲ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℃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、酸化濃度は１０００℃
以上と高いが膜質が優れていることから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Ｐ゛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。

不純物濃度は、１ｘ１０１５からＩ　Ｘ　１０２１Ｉｃ
　ｍ−’程度とする。

続いて第１図（ｇ）に示されるように、居間絶縁膜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０反応には、アンモニ
アガス（ＮＨｓ）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を頂層する
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］ 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ツシミン側へ、
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１×
１０＋６〜１ｘｌＯＩ９ｃｍ−’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同相成長させ
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
Ｎｔ流は増大する。

スレッシュホルド電圧に影響を与える表面付近のみにボ
ロンがドープされており、従って、薄膜トランジスタの
ＯＦＦ電流が増大することはない。

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ＳＯＩ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℃以下の低温のプロセスでも作製が可能なので、価格
が安くて耐熱濃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、充電変換索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（
Ａ１２０３）あルイはＭ　ｔ　Ｏ・Ａ　１２ｃｈ。

ＢＰ、　　ＣａＦ２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。 第２図は、シリコン薄膜の自由表面からの深さ方向のボ
ロン濃度分布の例を示す図である。 以上 １−３　；　固相成長されたボロンドープ非晶質シリコ
ン薄膜 １−４　；結晶粒界 １−１　；非晶質絶縁基板 １−２　；　ボロンドープ非晶質シリコン薄−２ 第１図 第１図

Claims (4)

【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、前記半導体薄膜の能動領域の基板
   界面側は不純物未添加であり、前記半導体薄膜の自由表
   面にこ近づくにしたがって１×１０＾１＾８〜１×１０
   ＾１＾９ｃｍ＾−＾３のボロンを含む様な深さ方向のボ
   ロン濃度分布を持つことを特徴とする薄膜半導体装置。
2. （２）前記半導体薄膜は、２５０Å〜２０００Åの範囲
   の膜厚を持つことを特徴とする請求項１記載の薄膜半導
   体装置。
3. （３）前記半導体薄膜は、自由表面から少なくとも２０
   ０Åより深い領域ではボロンの濃度が１×１０＾１＾６
   ｃｍ＾−＾３以下であることを特徴とする請求項１記載
   の薄膜半導体装置。
4. （４）非晶質絶縁基板上に、プラズマＣＶＤ法により、
   堆積初期には不純物未添加であり、堆積が進むにつれて
   徐々にボロンを添加することにより、深さ方向に濃度分
   布を持つボロンドープ非晶質半導体薄膜を堆積させ、４
   ００℃〜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、５０
   ０℃〜７００℃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。