JPH04263471A - 薄膜トランジスタ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、活性層に多結晶シリコ
ン膜を用いた薄膜トランジスタ及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロルミネッセンス，発光ダイオ
−ド，プラズマ，蛍光表示，液晶等の表示デバイスは、
表示部の薄型化が可能であり計測機器，事務機器やコン
ピュ−タ等の端末表示装置あるいは特殊な表示装置への
用途として要求が高まっている。これらの中で薄膜トラ
ンジスタのスイッチング素子をマトリックスアレイに用
いたエレクトロルミネッセンスや液晶表示装置は、低消
費電力化や低コスト化が可能であるために表示デバイス
として注目されている。

【０００３】このようなスイッチングトランジスタの材
料としては単結晶，多結晶，アモルファス状態のＳｉ、
ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、ＣｄＳ等が用いら
れている。これらの中で多結晶半導体やアモルファス半
導体は、低温プロセスの薄膜技術が適用可能なため、安
価なガラス基板を用いることで大画面，高精細，高画質
なパネルディスプレイを低コストで実現する可能性があ
る材料である。図４には活性層に多結晶シリコン膜を用
いた従来の薄膜トランジスタの断面図が示されている。

【０００４】ガラス板のような透光性絶縁基板１上には
、多結晶シリコン膜からなる活性層３が所定のパタ−ン
に形成されている。この活性層３上の所定領域にはシリ
コン酸化膜からなるゲ−ト絶縁膜５が設けられている。 このゲ−ト絶縁膜５上にはＡｌ等の電極材料をパタ−ニ
ングして形成されたゲ−ト電極７が設けられている。そ
して活性層３の上側で、ゲ−ト電極７に相対向するには
ソ−ス電極９及びドレイン電極１１が形成されている。 また、ソ−ス電極９，ドレイン電極１１と活性層３との
間には、ｎ＋　多結晶シリコン膜からなるオ−ミックコ
ンタクト層１３が形成されている。

【０００５】活性層３である多結晶シリコン膜は、僅か
であるがｐ型の半導体であるため、これに多結晶シリコ
ン膜中でｎ型となる不純物原子をド−プしてイントリン
シックな膜にすることができれば、オフ電流の小さい薄
膜トランジスタを得ることができる。

【０００６】しかしながら、ｎ型の不純物原子として通
常用いられている燐，砒素等の原子は、ド−ピング効率
、即ち、ド−プした原子の量に対して実際に不純物原子
として働く原子の量の割合が高いため、微量な不純物を
ド−プするのが困難であった。その結果、所定量の不純
物原子を多結晶シリコン膜にド−プするの難しくトラン
ジスタ特性がばらついた薄膜トランジスタが形成され、
歩留まりが低下するという問題があった。しかも、燐，
砒素等の原子は、多結晶シリコン膜中に入ったときの局
在準位密度が高いため、少ないド−ピング量でもフェル
ミレベルの伝導帯側へのシフト量が多くなり、多結晶シ
リコンは容易にｎ型の半導体になってしまうのでド−ピ
ング量のマ−ジンが小さかった。これはイントリンシッ
クな活性層の形成をより困難なものにしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来の活性
層に多結晶シリコン膜を用いた薄膜トランジスタでは、
イントリンシックな活性層の形成が難しく、トランジス
タ特性がばらつくという問題があった。本発明は、上記
事情を考慮してなされたもので、その目的とするところ
は、トランジスタ特性のばらつきが無い薄膜トランジス
タを提供することにある。また、本発明の薄膜トランジ
スタの製造方法は、イントリンシックな活性層を有する
薄膜トランジスタの製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の薄膜トランジスタは、多結晶シリコン膜
を形成し、この多結晶シリコン膜にソ−ス及びドレイン
を形成すると共にゲ−ト絶縁膜を介してゲ−ト電極を形
成した薄膜トランジスタにおいて、多結晶シリコン膜の
バンドギャップの中央近傍にドナ−準位を形成する原子
を含む多結晶シリコン膜を備えたことを特徴とする。な
お、上記原子として鉄を用い、その濃度は多結晶シリコ
ン膜で１ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることが望ま
しい。

【０００９】また、本発明の薄膜トランジスタは、多結
晶シリコン膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜
にそのバンドギャップの中央近傍にドナ−準位を形成す
る原子を注入する工程と、前記多結晶シリコン膜をアニ
−ルする工程と、前記多結晶シリコン膜にソ−ス，ドレ
イン及びゲ−ト電極を形成する工程とを備えた製造方法
により製造することができる。なお、上記原子として鉄
を用いることが望ましい。

【００１０】

【作用】本発明の薄膜トランジスタでは、多結晶シリコ
ン膜のバンドギャップの中央近傍にドナ−準位が形成さ
れるため、フェルミレベルは伝導帯側に少しだけシフト
する。その結果、本来僅かながらｐ型の半導体であった
多結晶シリコン膜がイントリンシックな膜に近づくので
オフ電流，電界効果移動度等のトランジスタ特性が改善
される。

【００１１】本発明の薄膜トランジスタの製造方法では
、多結晶シリコン膜にそのバンドギャップの中央近傍に
ドナ−準位を形成する原子を注入するため、打ち込んだ
原子の量に対するフェルミレベルの伝導帯側へのシフト
量は十分に小さい。その結果、原子の注入量に対するマ
−ジンが大きくなるので容易にイントリンシックな多結
晶シリコン膜を形成することができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明する
。図１には本発明の第１の実施例に係る薄膜トランジス
タの製造工程断面図が示されている。

【００１３】最初、同図（ａ）に示す如く、石英ガラス
等の透光性絶縁基板２１上に、熱分解を利用した減圧Ｃ
ＶＤ法を用いて、例えばシランガスを５５０℃で熱分解
し、厚さ約２５０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜からなる
活性層２３を形成する。次いで、シリコン原子を加速電
圧１５０ＫｅＶ，ド−ズ量１×１０１６ｃｍ−２の条件
で、鉄原子を加速電圧１５０ＫｅＶ，ド−ズ量２×１０
１６ｃｍ−２の条件で同時に活性層２３に打ち込む。こ
のようにシリコン原子と鉄原子とのイオン注入を同時に
行うことでイオン注入に費やされる時間を短縮でき量産
性を高めることができる。この後、６００℃，４０時間
のアニ−ルを行う。次に同図（ｂ）に示すように、酸素
雰囲気中で活性層２３の表面を熱酸化させた後、所定形
状にエッチングしてゲ−ト絶縁膜２５を形成する。

【００１４】次に同図（ｃ）に示すように、全面にオ−
ミックコンタクト層となる厚さ約１００ｎｍ程度の多結
晶シリコン膜を減圧ＣＶＤ法を用いて形成し、次いでこ
の多結晶シリコン膜にリンを打ち込みｎ＋多結晶シリコ
ン膜２７を形成する。この後、６００℃，１０時間のア
ニ−ルを行う。

【００１５】最後に同図（ｄ）に示すように、ゲ−ト絶
縁膜２５の表面が露出するべくｎ＋多結晶シリコン膜２
７をエッチングした後、スパッタリング法によりｎ＋多
結晶シリコン膜２７の上に電極材料としてＭｏ膜，Ａｌ
膜を順次堆積し、これら電極材料及びｎ＋多結晶シリコ
ン膜２７をパタ−ニングすることによりソ−ス電極２９
，ゲ−ト電極３１，ドレイン電極３３、そしてオ−ミッ
クコンタクト層３５を形成して薄膜トランジスタが完成
する。

【００１６】以上のような製造方法では、活性層２３に
注入された鉄によりバンドキャップの中央より上側にド
ナ−の局在準位が形成されるため、本来バンドキャップ
の中央よりやや下側にあったフェルミレベルが伝導バン
ド側にシフトする。その結果、活性層２３はイントリン
シックな膜に近づく。また、鉄はそのド−ピング効率が
低いので微妙な制御ができるようになる。その結果、設
計通りにドナ−の局在準位を形成することができるので
オフ電流，電界効果移動度等のトランジスタ特性が改善
される。

【００１７】更に鉄は多結晶シリコン膜中に入ったとき
の局在準位密度が小さいのでフェルミレベルのシフト量
は小さいものとなり、ド−ピング量のマ−ジンが高くな
る。このため、ド−プ量が所定量からずれてもドナ−の
局在準位密度の変動は小さいのでトランジスタ特性はば
らつかず、イントリンシックな活性層２３の形成が容易
になる。その結果、歩留まりが向上する。

【００１８】図２には上述した方法で製造した薄膜トラ
ンジスタの活性層２３中の鉄濃度とオフ電流，電界効果
移動度との関係を測定した結果が示されている。鉄濃度
は鉄原子のド−ズ量により調節した。また、鉄濃度は二
次イオン質量分析により求めた。この図から明らかのよ
うに、鉄濃度が１ｐｐｍ以下のときには濃度が高くなる
にしたがいオフ電流は小さなっている。これは活性層３
がまだイントリンシックになっていないからである。ま
た、鉄濃度が５００ｐｐｍ以上のときには濃度が高くな
るにしたがいオフ電流は大きく、移動度は小さくなって
おり、実用にはそぐわないことが分かる。そして、鉄濃
度がこれら濃度の間では、オフ電流は十分に小さく、且
つ移動度は十分に大きなってることが分かる。次に本発
明の第２の実施例に関わる薄膜トランジスタを説明する
。

【００１９】この実施例の薄膜トランジスタが第１の実
施例のそれと異なる点は、活性層をＲＦマグネトロンス
パッタリング装置（アルゴン圧力０．２×１０−３Ｔｏ
ｒｒ，ＲＦ投入電力１００Ｗ）を用いて形成し、活性層
のアニ−ルにＡｒＦエキシマレ−ザを用いて行ったこと
にある。

【００２０】この薄膜トランジスタを活性層に鉄を注入
せずに単にヒータ加熱やレ−ザ照射でアニ−ルを行った
ものと比較したところ、本実施例の薄膜トランジスタの
オフ電流のほうが小さく、しかも移動度は変わらず、つ
まり鉄を注入しないときと同程度の移動度であることが
確認された。

【００２１】かくしてこの実施例でも活性層に鉄原子を
注入したことでトランジスタ特性のばらつきを引き起こ
すこと無くイントリンシックな活性層を形成でき、高性
能で信頼性の高い薄膜トランジスタを得ることができる
。次に本発明の第３の実施例に関わる薄膜トランジスタ
を説明する。この実施例の薄膜トランジスタが第２の実
施例のそれと異なる点は、鉄原子の代わりにクロムある
いはタングステンを活性層に注入したことにある。

【００２２】この方法で製造した薄膜トランジスタの活
性層中の不純物原子濃度とオフ電流，電界効果との関係
を測定した結果を図３に示す。図中、実線はクロム，破
線はタングステンを活性層に注入した場合の測定結果を
示している。この図からオフ電流，移動度は不純物原子
濃度に対して図２と同様な曲線を描くことが分かる。即
ち、不純物原子濃度が１ｐｐｍ以下では濃度の上昇とと
もにオフ電流が小さくなり、１ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以
下ではオフ電流が改善され，しかも移動度は実用には十
分な水準にあり、５０ｐｐｍ以上ではオフ電流は大きく
なり、移動度は小さくなっている。したがって、活性層
中で濃度が１ｐｐｍ〜５０ｐｐｍとなるようなド−ズ量
のクロムあるいはタングステンを活性層に打ち込むこと
で先に説明した実施例と同様な効果が得られる。

【００２３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。上記実施例では活性層にｎ型の不純物
原子として鉄，クロム，タングステンを用いた場合につ
いて説明したが、銀，カドミウム，コバルト，鉛，セレ
ン，ストロンチウム，タンタル，チタン等の多結晶シリ
コン膜中でドナ−となる局在準位を形成するような遷移
金属原子を用いても良い。また、実施例では多結晶シリ
コン膜の成膜に熱ＣＶＤ法を用いたが、他のＣＶＤ法、
例えばプラズマＣＶＤ法，光ＣＶＤ法等を用いても良い
。更にまた、ＣＶＤ法で成膜した多結晶シリコン膜をヒ
ータ加熱でアニ−ルする代わりに、レ−ザ照射でアニ−
ルしても良いし、スパッタリング法で多結晶シリコン膜
を形成しこれをヒータ加熱でアニ−ルしても良い。また
、活性層としては、多結晶シリコンの代わりにシリコン
とゲルマニウムとの合金やシリコンと炭素との合金を用
いても先の実施例と同様の効果が得られる。なお、本発
明はコプレ−ナ型の薄膜トランジスタについて説明した
が、スタガ−型，逆スタガ−型の薄膜トランジスタにも
適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
、種々変形して実施できる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように本発明の薄膜トランジ
スタによれば、イントリンシックな活性層を用いること
でオフ電流等のトランジスタ特性が改善される。

【００２５】また、本発明の薄膜トランジスタの製造方
法によれば、多結晶シリコンにそのバンドギャップの中
央近傍にドナ−準位を形成する原子を注入するため、原
子の注入量に対するマ−ジンが大きくなり容易にイント
リンシックな活性層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る薄膜トランジスタ
の製造工程断面図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る薄膜トランジスタ
の活性層中の鉄濃度とオフ電流，移動度との関係を示す
図。

【図３】本発明の第３の実施例に係る薄膜トランジスタ
の活性層中の鉄濃度とオフ電流，移動度との関係を示す
図。

【図４】従来の薄膜トランジスタの断面図。

【符号の説明】

１…透光性絶縁基板、３…活性層、５…ゲ−ト絶縁膜、
７…ゲ−ト電極、９…ソ−ス、１１…ドレイン、１３…
オ−ミックコンタクト層、２１…透光性絶縁基板、２３
…活性層、２５…ゲ−ト絶縁膜、２７…ｎ＋　多結晶シ
リコン膜２７、２９…ソ−ス電極、３１…ゲ−ト電極、
３３…ドレイン、３５…オ−ミックコンタクト層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に多結晶シリコン膜を形成し、この
   多結晶シリコン膜にソ−ス及びドレインを形成すると共
   にゲ−ト絶縁膜を介してゲ−ト電極を形成した薄膜トラ
   ンジスタにおいて、前記多結晶シリコン膜は、そのバン
   ドギャップの中央近傍にドナ−準位を形成する原子を有
   することを特徴とする薄膜トランジスタ。