JPH04151820A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH04151820A JPH04151820A JP27713590A JP27713590A JPH04151820A JP H04151820 A JPH04151820 A JP H04151820A JP 27713590 A JP27713590 A JP 27713590A JP 27713590 A JP27713590 A JP 27713590A JP H04151820 A JPH04151820 A JP H04151820A
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Landscapes
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
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。
導体を用いた半導体装置に関するものである。
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１′：１月こおける不純物濃
度５ Ｘ １０１８ｃｍ−３以下の半導体ターゲットを
スパッタさせることによって、７ Ｘ １０’ ９ｃｍ
−３以下好ましくはＩ Ｘ１０”ｃＦ３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。
ン等の不活性気体）雰囲気１′：１月こおける不純物濃
度５ Ｘ １０１８ｃｍ−３以下の半導体ターゲットを
スパッタさせることによって、７ Ｘ １０’ ９ｃｍ
−３以下好ましくはＩ Ｘ１０”ｃＦ３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５５
０〜９００°Ｃ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。
０〜９００°Ｃ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
することか知られている。
することか知られている。
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。
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（と自然酸化かおき、
膜そのものが緻密でないという問題があった。
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（と自然酸化かおき、
膜そのものが緻密でないという問題があった。
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。
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。
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、平均の結晶粒径か５〜４００人と小さく、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 Ｘ １０１ｇｃｍ−３またはそれ
以下好ましくはｌ Ｘ １０’ ”ｃｍ””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。
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 Ｘ １０１ｇｃｍ−３またはそれ
以下好ましくはｌ Ｘ １０’ ”ｃｍ””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
素等かそこに偏析し障壁（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、
バリアかないまたは無視て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。
素等かそこに偏析し障壁（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、
バリアかないまたは無視て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 −３ｉ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４５
０〜７００°Ｃ１代表的には６００°Ｃの温度で結晶化
させる工程を有することにより得た。
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 −３ｉ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４５
０〜７００°Ｃ１代表的には６００°Ｃの温度で結晶化
させる工程を有することにより得た。
（実施例１）
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−３ｉ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５〜４
００人と小さく、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 Ｘ １０”ｃｍ−３
以下、好ましくは１ ｘｌＯ”ｃｍ−’以下の準結晶（
セミアモルファス Ｑｕａｓｉ−ｃｒｙｓｔａｌまたは
Ｓｅｍｉ−ａｍｒｐｈａｓともいう）の多結晶珪素半導
体層を形成した。この微結晶珪素半導体層を用い、薄膜
ランジスタを作製した。
装置によって作製したａ−３ｉ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５〜４
００人と小さく、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 Ｘ １０”ｃｍ−３
以下、好ましくは１ ｘｌＯ”ｃｍ−’以下の準結晶（
セミアモルファス Ｑｕａｓｉ−ｃｒｙｓｔａｌまたは
Ｓｅｍｉ−ａｍｒｐｈａｓともいう）の多結晶珪素半導
体層を形成した。この微結晶珪素半導体層を用い、薄膜
ランジスタを作製した。
第１図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。
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。
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。
０□ １００％雰囲気
成膜温度 １５０°Ｃ
ＲＦ（１３，５６ＭＨ２）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ＲＰスパッタ装
置によってチャネル形成領域となるａ−３ｉ膜（１３）
を１１００ｎの厚さに成膜する。
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ＲＰスパッタ装
置によってチャネル形成領域となるａ−３ｉ膜（１３）
を１１００ｎの厚さに成膜する。
このスパッタ法として背圧をＩ Ｘ １Ｏ−７Ｐａ以下
とし、排気はター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５ Ｎ （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。ターゲットの単結晶
シリコンも５ Ｘ １０” ｃＦ’以下の酸素濃度、例
えばＩ Ｘ 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
。
とし、排気はター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５ Ｎ （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。ターゲットの単結晶
シリコンも５ Ｘ １０” ｃＦ’以下の酸素濃度、例
えばＩ Ｘ 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°Ｃ ＲＦ（１３，５６ＭＨ２）出力 ４００Ｗ全圧力 ０．
５Ｐａ とし、ターゲットは高純度Ｓ１ターゲツトを用いた。
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°Ｃ ＲＦ（１３，５６ＭＨ２）出力 ４００Ｗ全圧力 ０．
５Ｐａ とし、ターゲットは高純度Ｓ１ターゲツトを用いた。
この後、４５０〜７００°Ｃ１例えば６００°Ｃ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−３
ｉ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。
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−３
ｉ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ＳＩＭ
Ｓ（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８Ｘ １０’ ８ｃＦ”、
炭素３ Ｘ １０” ｃｍ−３であった。また水素は４
Ｘ １０２０ｃｍ−３を有し、珪素の密度を４×１０
２２ｃｍ−３とすると、１原子％に相当する量であった
。
び熱処理により結晶化後の被膜中の不純物純度をＳＩＭ
Ｓ（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８Ｘ １０’ ８ｃＦ”、
炭素３ Ｘ １０” ｃｍ−３であった。また水素は４
Ｘ １０２０ｃｍ−３を有し、珪素の密度を４×１０
２２ｃｍ−３とすると、１原子％に相当する量であった
。
これらをターゲットの単結晶シリコンの酸素濃度Ｉ Ｘ
ＩＯ”ｃｍ−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８ＸＩＯ”ｃｍ−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Ｎ２
０を０．１ｃｃ／ｓｅｃ 。
ＩＯ”ｃｍ−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８ＸＩＯ”ｃｍ−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Ｎ２
０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Ｉ Ｘ １０”ｃＦ３．４ Ｘ １０２’ｃｍ
−”と多くなった。
素濃度はＩ Ｘ １０”ｃＦ３．４ Ｘ １０２’ｃｍ
−”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°Ｃ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、初めて結晶化か
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°Ｃ以下好ましくは６００°Ｃ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。
温度を７００°Ｃ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、初めて結晶化か
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°Ｃ以下好ましくは６００°Ｃ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°Ｃ以下では熱アニールによるａ−３ｉ半導体の
結晶化は実験的には不可能であった。
４５０°Ｃ以下では熱アニールによるａ−３ｉ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、装置からのりり等により成膜中
の酸素濃度かＩ Ｘ １０”ｃＦ”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。
置を用いた結果として、装置からのりり等により成膜中
の酸素濃度かＩ Ｘ １０”ｃＦ”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？ Ｘ １０１９ｃＦ”以下の酸素濃
度であること、および熱処理温度が４５０〜７００°Ｃ
であることが決められた。
度であること、および熱処理温度が４５０〜７００°Ｃ
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ール
温度を約１００°Ｃ下げることかできた。
ゲルマニウムとの化合物半導体である場合にはアニール
温度を約１００°Ｃ下げることかできた。
この微結晶半導体は格子歪を有し、以下第４図に示され
たレーザラマン分析デー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。
たレーザラマン分析デー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、第１図（ａ）の形状
を得た。
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、第１図（ａ）の形状
を得た。
つぎに、ｎ”ａ−３ｉ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。
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°Ｃ 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１×１０”
ｃｎｒ３）Ｓｉをターゲットとして用いた。
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°Ｃ 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１×１０”
ｃｎｒ３）Ｓｉをターゲットとして用いた。
また、この−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、ソー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。
、はＰＣＶＤ法を用いてもよい。さらに、活性層を形成
した後、ソー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第１図（ｂ）の形
状を得た。
状を得た。
つぎにゲート酸化珪素膜（１５）を１１００ｎ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、第１図（Ｃ）の形状を得た。
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、第１図（Ｃ）の形状を得た。
酸素雰囲気１００％
圧力０．５ｐａ。
成膜温度１００ ’Ｃ
ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力４００Ｗ単結晶シリコン
のターゲラ）・または合成石英のターゲラトイ吏用した
。
のターゲラ）・または合成石英のターゲラトイ吏用した
。
つぎにコンタクトホール開はパターニングを行い、第１
図（ｄ）の形状をえた。
図（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（Ｉ６）を３０
０ ｎ ｍの厚さに形成し、パターニングすることにに
より第１図（ｅ）の形状を得、その後水素熱アニールを
水素１００％雰囲気中において３７５°Ｃの温度で３０
ｍ１ｎ行い、薄膜トランジスタを完成させた。
０ ｎ ｍの厚さに形成し、パターニングすることにに
より第１図（ｅ）の形状を得、その後水素熱アニールを
水素１００％雰囲気中において３７５°Ｃの温度で３０
ｍ１ｎ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多結晶珪素半導体と酸化珪素絶縁
膜との界面準位を低減させ、デバイス特性を向上させる
ためである。
膜との界面準位を低減させ、デバイス特性を向上させる
ためである。
なお第１図（ｅ）に示す薄膜トランジスタにおいて、Ｓ
はソース電極、Ｇはゲイト電極、Ｄはドレイン電極であ
る。
はソース電極、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第１図
（ｅ）のチャンネル部（１７）の大きさは１００×１０
０μｍの大きさである。
（ｅ）のチャンネル部（１７）の大きさは１００×１０
０μｍの大きさである。
以上か本実施例において作製した多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か、本発明の
効果を示すためにチャネル形成領域である第１図（ａ）
のａ−３ｉ層（１３）をマグネ１〜ロン型ＲＦスパツタ
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。
用いた薄膜トランジスタの作製方法であるか、本発明の
効果を示すためにチャネル形成領域である第１図（ａ）
のａ−３ｉ層（１３）をマグネ１〜ロン型ＲＦスパツタ
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。
（実施例２）
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
となる第１図（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 Ｘ １０２０ｃｍ””を有していた。
となる第１図（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 Ｘ １０２０ｃｍ””を有していた。
（実施例３）
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
となる第１図（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 Ｘ １０’ ”ｃｍ−”を有して
いた。
となる第１図（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 Ｘ １０’ ”ｃｍ−”を有して
いた。
（実施例４）
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
となる第１図（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 Ｘ １０”ｃｍ””を有して
いた。
となる第１図（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 Ｘ １０”ｃｍ””を有して
いた。
（実施例５）
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
となる第１図（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Ｉ Ｘ １０’ ９ｃｍ−３を有
していた。
となる第１図（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Ｉ Ｘ １０’ ９ｃｍ−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。
第２図は完成した本実施例１〜５のチャネル部（第６図
ｅの（１７乃におけるキャリアの移動度μ（ＦＩＥＬＤ
ＭＯ１３ｒＬＩＴＹ）とスパッタ時における水素分圧
比（ＰＨ／ＰＴｏｙＡ＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の関係
をグラフ化したものである。
ｅの（１７乃におけるキャリアの移動度μ（ＦＩＥＬＤ
ＭＯ１３ｒＬＩＴＹ）とスパッタ時における水素分圧
比（ＰＨ／ＰＴｏｙＡ＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の関係
をグラフ化したものである。
第２図におけるプロワＩ・点と実施例との対応関係を以
下に表１として示す。
下に表１として示す。
表１
Ｐ）ｌ／ＰＴＯＴＡ＋、％ 実施例番号第２図によれ
ば水素分圧が０％の時は酸素濃度が２ ＸＩＯ”ｃｍ−
３もあるため、３ Ｘ １０−’ｃｍ２Ｖ／ｓｅｅとき
わめて小さく、また他方、本発明の如り２０％以上また
酸素濃度７ Ｘ １０” ｃ＋Ｆ３以下において顕著に
高い移動度２ ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上ｕ （ＦＩＥＬＤ
ＭＯＢＩＬＩＴＹ）が得られていることがわかる。
ば水素分圧が０％の時は酸素濃度が２ ＸＩＯ”ｃｍ−
３もあるため、３ Ｘ １０−’ｃｍ２Ｖ／ｓｅｅとき
わめて小さく、また他方、本発明の如り２０％以上また
酸素濃度７ Ｘ １０” ｃ＋Ｆ３以下において顕著に
高い移動度２ ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上ｕ （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。
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。
第３図はしきい値電圧とスパッタ時における水素分圧比
（ＰＨ／Ｐ、ｒｏ、ｒＡｔ＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の
関係をグラフ化したものである。
（ＰＨ／Ｐ、ｒｏ、ｒＡｔ＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の
関係をグラフ化したものである。
水素分圧比（ＰＨ／ＰＴｏｉＡＬ＝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
。
））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１〜電圧が低（てよいことにな
り、デバイスとしての良好な特性か得られることを考え
ると、第３図の結果は、水素の分圧比の高い２０％以上
条件のスパッタ法によって、スレッシュホールド電圧８
Ｖ以下のノーマリオフの状態を得ることがてきる。即ち
、チャネル形成領域となる第１図（ａ）の（１３）に示
されるａ−３ｉ膜を得て、このａ−３ｉ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（本実施例て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。
動作電圧、すなわちゲイ１〜電圧が低（てよいことにな
り、デバイスとしての良好な特性か得られることを考え
ると、第３図の結果は、水素の分圧比の高い２０％以上
条件のスパッタ法によって、スレッシュホールド電圧８
Ｖ以下のノーマリオフの状態を得ることがてきる。即ち
、チャネル形成領域となる第１図（ａ）の（１３）に示
されるａ−３ｉ膜を得て、このａ−３ｉ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（本実施例て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−３ｉ膜を熱結晶化させた多結晶珪素半導体層のレー
ザラマンスペク１ヘルを示したものである。第４図に表
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
圧比との関係を第２表に示す。
ザラマンスペク１ヘルを示したものである。第４図に表
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
圧比との関係を第２表に示す。
第２表
表示記号 実施例番号 水素分圧
（４］） ２ ０％
（４２） ３ ２０％（４３）
４ ５０％ （４４） １ １００％第４図を見る
と曲線（４２）に比較して曲線（４３）、すなわちチャ
ネル形成領域（第１図（ｅ）の（１７））となるａ−３
ｉ半導体層を作製する際のスパッタ時における水素の分
圧比か０％の場合と１００％の場合を比較すると、熱ア
ニールにより結晶化させた場合は、スパッタ時における
水素の分圧比か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人代表的には５０〜３００人である。
４ ５０％ （４４） １ １００％第４図を見る
と曲線（４２）に比較して曲線（４３）、すなわちチャ
ネル形成領域（第１図（ｅ）の（１７））となるａ−３
ｉ半導体層を作製する際のスパッタ時における水素の分
圧比か０％の場合と１００％の場合を比較すると、熱ア
ニールにより結晶化させた場合は、スパッタ時における
水素の分圧比か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人代表的には５０〜３００人である。
そして単結晶シリコンのピーク値の５２０ｃｍ−’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−３ｉ膜の作製の効果は、そ
のａＳｉ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。
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−３ｉ膜の作製の効果は、そ
のａＳｉ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、微結晶粒の互いか無理に
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。
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。
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） μ、ｃ（ＶＧ−ＶＴ）ＶＤ（Ｓｏｌ
ｉｄ、 ５ｔａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、 Ｖｏ
ｌ、 ２４． Ｎｏ、 １１． ｐｐ、 １０５９．１
９８１．Ｐｒ１ｎｔｅｄ ｉｎ Ｂｒ１ｔａｉｎ）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
デー１〜電圧、ＶＴはしきい値電圧として定着している
。
ｉｄ、 ５ｔａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、 Ｖｏ
ｌ、 ２４． Ｎｏ、 １１． ｐｐ、 １０５９．１
９８１．Ｐｒ１ｎｔｅｄ ｉｎ Ｂｒ１ｔａｉｎ）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
デー１〜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なとの他の不活性気体、またはＳｉＨ
４、Ｓ ｉ ２ Ｈ６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。
たが、その他Ｈｅなとの他の不活性気体、またはＳｉＨ
４、Ｓ ｉ ２ Ｈ６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。
本実施例のマクネトロン型ＲＦスパッタ法によるａ−８
ｉ膜の成膜において、水素濃度は５〜１００％、成膜温
度は室温〜５００°Ｃの範囲、ＲＦ出力は５００Ｈ２〜
１００ＧＨ２の範囲において、出力１ＯＯＷ〜１０ＭＷ
の範囲で任意に選ぶことかでき、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。
ｉ膜の成膜において、水素濃度は５〜１００％、成膜温
度は室温〜５００°Ｃの範囲、ＲＦ出力は５００Ｈ２〜
１００ＧＨ２の範囲において、出力１ＯＯＷ〜１０ＭＷ
の範囲で任意に選ぶことかでき、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 Ｘ １０
Ｉ９１０ｌ９以下、好ましくはＩＸ １０” ｃｍ−３
以下におさえた半導体の成膜のためである。
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 Ｘ １０
Ｉ９１０ｌ９以下、好ましくはＩＸ １０” ｃｍ−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−
３ｉ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、５ｉｘＧｅ＋−、
（０＜ｘ＜１）であってもよい。
３ｉ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、５ｉｘＧｅ＋−、
（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。
ってもよい。
また前記能の反応性気体を上記の手段に応用してもよい
。
。
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多
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、しかもこの多結晶半導
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
かできた。
ッタ法により得られた非単結晶半導体を熱結晶化させ多
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、しかもこの多結晶半導
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
かできた。
第１図は本実施例１〜６の作製工程を示す。
第２図は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ａＳｉ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。 第３図は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−３ｉ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しきい値との関係を示したもので
ある。 第４図は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。 （１１）・ （１２）・ （１３）・ （１４）・ （１５）・ ガラス基板 酸化珪素膜 微結晶半導体の活性層 ｎ＋ａ−３ｉ膜 ゲート酸化膜 （１６）・ （１７）・ （Ｓ）・ （Ｇ）・ （Ｄ）・ アルミ電極 チャネル形成領域 ソース電極 ゲイト電極 ドレイン電極
程において、チャネル形成領域となるａＳｉ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。 第３図は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−３ｉ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しきい値との関係を示したもので
ある。 第４図は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。 （１１）・ （１２）・ （１３）・ （１４）・ （１５）・ ガラス基板 酸化珪素膜 微結晶半導体の活性層 ｎ＋ａ−３ｉ膜 ゲート酸化膜 （１６）・ （１７）・ （Ｓ）・ （Ｇ）・ （Ｄ）・ アルミ電極 チャネル形成領域 ソース電極 ゲイト電極 ドレイン電極
Claims (3)
- （１）、水素の濃度が５原子％以下を有し、不純物とし
ての酸素濃度が７×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾３以下を有
するとともに、平均結晶粒径が５〜４００Åの格子歪を
有する微結晶群よりなる半導体が用いられることを特徴
とする半導体装置。 - （２）、特許請求の範囲第１項において、半導体は珪素
またはゲルマニウムよりなることを特徴とする半導体装
置。 - （３）、特許請求の範囲第１項において、微結晶半導体
が絶縁ゲイト型電界効果半導体装置のチャネル形成領域
に設けられたことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27713590A JPH04151820A (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 半導体装置 |
| US07/774,852 US5210050A (en) | 1990-10-15 | 1991-10-11 | Method for manufacturing a semiconductor device comprising a semiconductor film |
| US08/428,842 US5744818A (en) | 1990-10-15 | 1995-04-25 | Insulated gate field effect semiconductor device |
| US09/037,984 US6448577B1 (en) | 1990-10-15 | 1998-03-11 | Semiconductor device with grain boundaries |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27713590A JPH04151820A (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 半導体装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8078345A Division JP3065528B2 (ja) | 1996-03-05 | 1996-03-05 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04151820A true JPH04151820A (ja) | 1992-05-25 |
Family
ID=17579284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27713590A Pending JPH04151820A (ja) | 1990-10-15 | 1990-10-15 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04151820A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997024753A1 (fr) * | 1996-01-02 | 1997-07-10 | Universite De Neuchatel | Transistor a couches minces et procede de depot d'au moins une couche semi-conductrice pour la realisation de ce transistor |
| JP2005228819A (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-25 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58199564A (ja) * | 1982-05-17 | 1983-11-19 | Canon Inc | 半導体素子 |
| JPS6431466A (en) * | 1987-07-27 | 1989-02-01 | Nippon Telegraph & Telephone | Forming method for silicon thin film for thin film transistor |
| JPH01270310A (ja) * | 1988-04-22 | 1989-10-27 | Seiko Epson Corp | 半導体製造方法 |
-
1990
- 1990-10-15 JP JP27713590A patent/JPH04151820A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58199564A (ja) * | 1982-05-17 | 1983-11-19 | Canon Inc | 半導体素子 |
| JPS6431466A (en) * | 1987-07-27 | 1989-02-01 | Nippon Telegraph & Telephone | Forming method for silicon thin film for thin film transistor |
| JPH01270310A (ja) * | 1988-04-22 | 1989-10-27 | Seiko Epson Corp | 半導体製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997024753A1 (fr) * | 1996-01-02 | 1997-07-10 | Universite De Neuchatel | Transistor a couches minces et procede de depot d'au moins une couche semi-conductrice pour la realisation de ce transistor |
| JP2005228819A (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-25 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
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