JPH1187241A - 多結晶半導体材料、その製造方法、それを用いた半導体装置及びその評価方法 - Google Patents
多結晶半導体材料、その製造方法、それを用いた半導体装置及びその評価方法Info
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Abstract
結晶半導体材料、その製造方法、それを用いた半導体装
置及びその評価方法を提供する。 【解決手段】 Si、Ge、もしくはSiGeからなる
多結晶半導体材料であって、その中にH原子を含有し、
SiもしくはGeとHとの結合のうち、モノハイドライ
ド構造の数がそれよりも高次のハイドライド構造の数よ
りも多い。言い換えれば、ラマン分光分析により測定し
た局在振動子モードのモノハイドライド構造に対応する
ピーク強度が、それより高次のハイドライド構造に対応
するピーク強度より大きい。
Description
動度を得るのに適した多結晶半導体材料、その製造方
法、それを用いた半導体装置、及びその評価方法に関す
る。
み込まれる薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル層と
して、アモルファスSiが用いられてきたが、これを多
結晶Siに置き換えることにより、チャネル中のキャリ
ア移動度を向上させることができる。キャリア移動度が
大きくなると、トランジスタの最大駆動電流も大きくな
る。その結果、液晶表示装置の画素領域内に占めるTF
Tの割合を小さくでき、開口率を高めることが可能にな
る。また、同一サイズの基板を用いて画素数を増やし、
高精細の液晶表示装置を得ることが可能になる。
が存在し、これらは局在準位を形成する。局在準位は、
キャリア移動度の低下やリーク電流の増加の要因にな
り、半導体素子の特性の悪化の要因になる。多結晶シリ
コン層に水素を添加すると、粒界や粒内欠陥が電気的に
不活性になり、半導体素子の特性が向上することが知ら
れている(特開昭62−84562号公報)。
して、多結晶シリコン層を水素プラズマに晒す方法(特
開昭63−46775号公報)、水素を含むSiO2 膜
やSiN膜を多結晶シリコン層上に形成して加熱する方
法(特開平6−314697号公報、特開平8−320
77号公報)、多結晶シリコン層を水素ガス中で加熱す
る方法(特開昭63−200571号公報)等が知られ
ている。
結晶半導体層中のキャリア移動度を大きくすることがで
きるが、キャリア移動度のより大きな多結晶半導体層を
形成する技術が望まれている。
せることが可能な多結晶半導体材料、その製造方法、そ
れを用いた半導体装置及びその評価方法を提供すること
である。
と、Si、Ge、もしくはSiGeからなる多結晶半導
体材料であって、その中にH原子を含有し、Siもしく
はGeとHとの結合のうち、モノハイドライド構造の数
がそれよりも高次のハイドライド構造の数よりも多い多
結晶半導体材料が提供される。
もしくはSiGeからなる多結晶半導体材料であって、
その中にH原子を含有し、ラマン分光分析により測定し
た局在振動子モードのモノハイドライド構造に対応する
ピーク強度が、それより高次のハイドライド構造に対応
するピーク強度より大きい多結晶半導体材料が提供され
る。
に、Si、Ge、もしくはSiGeからなる多結晶半導
体層を形成する工程と、SiもしくはGeとHとの結合
のうち、モノハイドライド構造の数がそれよりも高次の
ハイドライド構造の数よりも多くなるように、前記多結
晶半導体層に水素を添加する工程とを有する多結晶半導
体層の製造方法が提供される。
に、Si、Ge、もしくはSiGeからなる多結晶半導
体層を形成する工程と、前記多結晶半導体層に水素を添
加する工程と、水素を添加された前記多結晶半導体層を
加熱することにより、SiもしくはGeとHとの結合の
うち、モノハイドライド構造の数がそれよりも高次のハ
イドライド構造の数よりも多くなるように水素を脱離さ
せる工程とを有する多結晶半導体層の製造方法が提供さ
れる。
リア移動度の大きな多結晶半導体層を得ることができ
る。
有する支持基板と、前記支持基板の絶縁性表面上に形成
されたSi、GeもしくはSiGeからなる多結晶半導
体層であって、その中にH原子を含有し、Siもしくは
GeとHとの結合のうち、モノハイドライド構造の数が
それよりも高次のハイドライド構造の数よりも多い多結
晶半導体層と、前記多結晶半導体層の一部の領域上に形
成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成
されたゲート電極と、前記ゲート絶縁膜の両側の領域に
おいて、それぞれ前記多結晶半導体層にオーミック接触
するソース電極及びドレイン電極とを有する半導体装置
が提供される。
の大きなTFTを得ることができる。
面上に形成され、Si、Ge、もしくはSiGeからな
るチャネル領域を有する薄膜トランジスタの該チャネル
領域にレーザ光を照射する工程と、前記チャネル領域か
らの散乱光のスペクトルを観測し、該チャネル領域を形
成するSiもしくはGeとHとの結合のうちモノハイド
ライド構造に対応するピークとそれよりも高次のハイド
ライド構造に対応するピークとの高さを比較する工程と
を含む半導体装置の評価方法が提供される。
それよりも高次のハイドライド構造に対応するピークと
の高さを比較することにより、チャネル領域のキャリア
移動度を推定することができる。
を例にとって、本発明の実施例を説明する。
プラズマに晒して水素化処理を行い、水素化処理の時間
とキャリア移動度との関係を調査した。
度と水素化処理の時間との関係を示す。横軸は、水素化
処理の時間を単位「分」で表し、縦軸はキャリア移動度
を単位cm2 /Vsで表す。なお、キャリア移動度は、
多結晶シリコン層中にリンをドーズ量5×1013cm-2
の条件でドープしてホール効果を測定することにより求
めた。なお、水素化処理は、平行平板型のプラズマ励起
型化学気相堆積(PE−CVD)装置を用いて行った。
平行平板電極は直径約10cm(4インチ)であり、こ
の平行平板電極に30Wの高周波電力を印加し、水素ガ
ス圧を300mTorr、基板温度を350℃とした。
を行うと、キャリア移動度が約1.5cm2 /Vsから
約20cm2 /Vsまで上昇する。水素化処理時間をさ
らに長くすると、キャリア移動度は緩やかに低下する。
結晶シリコン層を熱処理した場合の、キャリア移動度と
熱処理温度との関係を示す。横軸は熱処理温度を単位℃
で表し、縦軸はキャリア移動度を単位cm2 /Vsで表
す。なお、熱処理時間は、いずれも10分間である。な
お、熱処理前のキャリア移動度を破線で示す。
では、熱処理温度の上昇に伴ってキャリア移動度も上昇
する。熱処理温度が400〜500℃の間でキャリア移
動度が最大値を示し、その温度を越えるとキャリア移動
度は急激に低下する。
ア移動度の変化の要因を調べるため、多結晶シリコン層
をラマン散乱法により評価した。
ペクトルを示す。横軸は波数を単位cm-1で表し、縦軸
はラマン散乱強度を任意目盛りで表す。曲線a1 、a2
は1分間の水素化処理を行った多結晶シリコン層のスペ
クトルを示し、曲線b1 、b 2 は10分間の水素化処理
を行った多結晶シリコン層のスペクトルを示す。なお、
曲線a1 とb1 は熱処理前、曲線a2 とb2 は450℃
で10分間の熱処理を行った後の多結晶シリコン層のス
ペクトルである。
クがSi−H結合(モノハイドライド構造)に対応し、
波数2090cm-1近傍に現れているピークがSi−H
2 (2次のハイドライド構造)に対応する。
化時間1分及び10分の場合に相当する。すなわち、モ
ノハイドライド構造のピークのみが現れ、2次のハイド
ライド構造のピークが現れていない場合に、高いキャリ
ア移動度を示し、2次のハイドライド構造のピークが高
くなると、キャリア移動度が低下すると考えられる。
較すると、熱処理を行うことによりピーク強度が低下し
ていることがわかる。これは、熱処理によりハイドライ
ド構造の水素原子が脱離するためである。曲線b1 とb
2 を比較すると、2次のハイドライド構造に対応するピ
ーク強度の低下量の方が、モノハイドライド構造に対応
するピーク強度の低下量よりも大きいことがわかる。こ
れは、2次のハイドライド構造の解離エネルギの方がモ
ノハイドライド構造の解離エネルギよりも小さいためで
ある。
リア移動度が上昇するのは、曲線b 2 で示すように、2
次のハイドライド構造に対応するピーク強度が、モノハ
イドライド構造に対応するピーク強度に対して相対的に
低下したためと考えられる。キャリア移動度を大きくす
るためには、モノハイドライド構造に対応するピーク強
度が2次以上の高次のハイドライド構造に対応するピー
ク強度よりも大きくなるような構成とすることが好まし
いであろう。
は、ハイドライド構造の数に比例すると考えられるた
め、上記の好ましい構成は、モノハイドライド構造の数
がそれよりも高次のハイドライド構造の数よりも多くな
るような構成と等価である。
ぎるとキャリア移動度が低下するのは、モノハイドライ
ド構造の解離も進んでしまうためと考えられる。
合を示した。この場合の、好適な熱処理温度は約450
℃程度である。熱処理温度と熱処理時間との一方を変え
ると、他方の好適な範囲も変わる。
の関係を示す。熱処理温度を250℃とした場合の好適
な熱処理時間は約3000秒であり、熱処理時間の増加
に伴って、好適な熱処理時間は短くなる。熱処理温度が
低すぎると、好適な熱処理時間が長くなり、生産性の低
下につながる。また、熱処理温度が高すぎると、好適な
熱処理時間が短くなり、熱処理の安定した制御が困難に
なる。このため、熱処理温度を250〜500℃とする
ことが好ましい。
ハイドライド構造の数よりも多くなるような構成が好ま
しいが、前者が後者よりも多くないとしても、水素化処
理後の熱処理により高次のハイドライド構造の数をモノ
ハイドライド構造の数に比べて相対的に減少させること
により、キャリア移動度向上の効果が期待できる。
による多結晶シリコン層の形成方法を適用した薄膜トラ
ンジスタについて説明する。
を示す。ガラス基板上に、図の横方向に延在するポリシ
リコン膜12が配置されている。ポリシリコン膜12の
長さ方向のほぼ中央部においてポリシリコン膜12と交
差するゲート電極14が配置されている。ゲート電極1
4の一端は、図の横方向に延在するゲート線に連続して
いる。ゲート電極14及びゲート線は、Alで形成され
た低抵抗部14bとその側面を取り囲む陽極酸化膜14
aにより構成されている。
8で示す断面における工程図を示す。
厚さ約50nmのアモルファスシリコン層を堆積する。
このアモルファスシリコン層にエキシマレーザ光を照射
して多結晶化する。エキシマレーザ光として、例えば波
長308nm、エネルギ密度約300mJ/cm2 、パ
ルス繰り返し周波数100Hz、1パルスあたりの照射
時間は10nsのゼノンクロライド(XeCl)エキシ
マレーザを用いることができる。レーザ照射領域は、例
えば、幅1mm、長さ100mmの細長い形状であり、
この照射領域を、幅方向に1パルスあたり0.1mmず
つ移動させながら広い領域にレーザ照射を行う。この程
度の厚さのアモルファスシリコン層であれば、多結晶化
されたシリコン層の厚さ方向に関してほぼ1つのグレイ
ンのみが形成される。多結晶化したシリコン層の平均粒
径は、約100nmである。
てポリシリコン膜12を形成する。なお、ガラス基板1
1とポリシリコン膜12との間に、拡散バリア層として
SiO2 膜を形成しておいてもよい。シリコン層のパタ
ーニングは、例えばCl2 系ガスを用いたドライエッチ
ングにより行う。
の全面にSiO2 からなる厚さ約120nmのゲート絶
縁膜13を堆積する。ゲート絶縁膜13の堆積は、例え
ばSiH4 とN2 Oを用いたPE−CVDにより行う。
により厚さ約350nmのAl膜を堆積する。このAl
膜上に、図5Aのポリシリコン膜12と交差するゲート
電極14と同一パターンを有するレジストパターン15
を形成する。レジストパターン15をエッチングマスク
として、Cl2 系ガスを用いたドライエッチングにより
Al膜をパターニングし、レジストパターン15で覆わ
れた領域にゲート電極14を残す。
5をマスクとして用い、ゲート電極14の露出した表面
を陽極酸化する。ゲート電極14の内部にAlからなる
低抵抗部14bが残り、その側面に厚さ約1〜2μmの
陽極酸化膜14aが形成される。陽極酸化は、シュウ酸
を成分とした水溶液中で行う。陽極酸化後、レジストパ
ターン15を除去する。
スクとしてゲート絶縁膜13をエッチングし、ゲート電
極14の直下にのみゲート絶縁膜13aを残す。ゲート
絶縁膜13のエッチングは、例えばフッ素系ガスを用い
たドライエッチングにより行う。ゲート絶縁膜13aの
両側にポリシリコン膜12の表面の一部が露出する。
ンを注入し、レーザ照射による活性化アニールを行う。
注入量は、ポリシリコン膜12のイオン注入領域のシー
ト抵抗が約1kΩ/□以下となる量とする。ポリシリコ
ン膜12のうち、ゲート絶縁膜13aの両側に露出した
部分にn+ 型のソース領域12S及びドレイン領域12
Dが形成される。
4bと、そのソース領域12S側及びドレイン領域12
D側に配置された高抵抗部14aからなるゲート電極1
4が形成される。
0nmのSiO2 膜と厚さ約270nmのSiN膜がこ
の順番に積層された層間絶縁膜16を堆積する。SiO
2 膜の堆積は、例えば原料ガスとしてSiH4 とN2 O
を用い、成長温度を300℃としたPE−CVDにより
行い、SiN膜の堆積は、例えば原料ガスとしてSiH
4 とNH3 を用い、成長温度を300℃としたPE−C
VDにより行う。
ドレイン領域12Dの各々の表面の一部を露出させるコ
ンタクトホール17S及び17Dを形成する。SiN膜
のエッチングは、例えばフッ素系ガスを用いたドライエ
ッチングにより行い、SiO 2 膜のエッチングは、例え
ばNH4 FとHFとH2 Oとを混合したバッファード弗
酸を用いたウェットエッチングにより行う。
mのTi膜と厚さ約300nmのAl膜をこの順番に積
層する。この積層構造をパターニングし、ソース領域1
2Sに接続されたソース引出線18S及びドレイン領域
12Dに接続されたドレイン引出線18Dを形成する。
Ti膜及びAl膜のエッチングは、例えば塩素系ガスを
用いたドライエッチングにより行う。
コン層12の水素化処理を行う。なお、上記実施例で
は、多結晶シリコン層が水素プラズマに直接晒される
が、TFTを構成した後の水素化処理では、ポリシリコ
ン層12がゲート絶縁膜13a、層間絶縁膜16等を介
して水素プラズマに晒されることになる。このため、水
素化処理時間を長くする必要がある。
を示す。横軸は、左から順番に水素化処理なしの場合、
水素化処理1時間の場合、2時間の場合、2時間の水素
化処理後400℃で10分間の熱処理を行った場合を表
し、縦軸はTFTの電界移動度を単位cm2 /Vsで表
す。
界移動度が60cm2 /Vsまで上昇する。また、水素
化処理を2時間行うと、水素化処理1時間の場合に比べ
て電界移動度がやや低下し、45cm2 /Vsになる
が、その後の熱処理により55cm2 /Vsまで回復す
る。
の上昇のみならず、オフ電流の減少、しきい値電圧の低
下としても現れる。オフ電流及びしきい値のばらつきが
少なくなるため、TFTを搭載した液相表示装置の歩留
向上につながる。
の評価は、顕微ラマン散乱法により行うことができる。
ここで、顕微ラマン散乱法とは、顕微鏡を通して試料に
レーザビームを照射し、試料からの散乱光をその顕微鏡
を用いて観測し分光する方法である。顕微ラマン散乱法
を用いることにより、特定微小領域の評価を行うことが
可能であり、約1μmの面分解能を得ることができる。
ここで、レーザとしてアルゴンイオンレーザ(波長51
4.5nm)を用いた。
用金属で覆われているため、ガラス基板11の裏側から
レーザビームを照射する。ガラス基板の厚さが約1mm
程度であり、その屈折率も大きいため、顕微鏡の対物レ
ンズには、液晶表示装置用として市販されている長焦点
レンズを用いることが好ましい。
照射すると、迷光が強くなるため、得られたスペクトル
のバックグラウンドを補正する必要がある。この方法に
よりポリシリコン膜12の評価を行ったところ、モノハ
イドライド構造のピークに対する高次のハイドライド構
造のピークの相対強度と、電界移動度との間には、ホー
ル効果の測定により得られた移動度の場合と同様に、相
関が得られた。
価対象を破壊することなく評価することができる。この
ため、液晶表示装置の製造工程の途中でシリコン層の評
価を行うことができる。この評価結果、より具体的には
モノハイドライド構造のピーク強度と高次のハイドライ
ド構造のピーク強度との比較結果に基づいてTFTの特
性を推定することができる。所望の特性が得られていな
いと判断される場合には、水素化処理、または熱処理を
再度実施することにより、歩留り向上を図ることが可能
になる。
5Gの工程で水素化処理を行ったが、ポリシリコン層を
形成した後TFTの形成途中に水素化処理を行ってもよ
い。
する場合を例に説明したが、その他多結晶ゲルマニウム
(Ge)層、多結晶シリコンゲルマニウム(SiGe)
層を形成する場合にも適用可能である。
を水素プラズマに晒して水素化処理を行う場合を説明し
たが、モノハイドライド構造の数が高次のハイドライド
構造の数よりも多くなるような構成になれば、その他の
方法で水素化処理を行ってもよい。例えば、水素イオン
注入、水素を含む不純物のイオンドーピング、多結晶シ
リコン層に重ねて堆積した絶縁膜からの水素原子の拡散
等の方法を用いてもよい。
気中で行ってもよいし、水素あるいは窒素で希釈した水
素雰囲気中で行ってもよい。熱処理の雰囲気を水素とす
ることにより、モノハイドライド構造が解離しにくくな
るであろう。また、酸素や水分を含む雰囲気中で熱処理
を行と、粒界を酸化させて不活性化させる効果が期待で
きる。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
多結晶半導体材料中への水素の添加の形態を制御するこ
とにより、キャリア移動度を向上させることができる。
この多結晶半導体材料を用いてTFTを構成することに
より、電界移動度の大きなTFTを得ることができると
ともに、TFTのオフ電流やしきい値等を改善できる。
処理時間の関数として示すグラフである。
処理後の熱処理温度の関数として示すグラフである。
すグラフである。
間との関係を示すグラフである。
リコン層を用いたTFTの作製方法を説明するための平
面図であり、図5(B)〜(G)は、図5(A)の一点
鎖線A8−A8における断面に相当する各工程における
断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 Si、Ge、もしくはSiGeからなる
多結晶半導体材料であって、その中にH原子を含有し、
SiもしくはGeとHとの結合のうち、モノハイドライ
ド構造の数がそれよりも高次のハイドライド構造の数よ
りも多い多結晶半導体材料。 - 【請求項2】 Si、Ge、もしくはSiGeからなる
多結晶半導体材料であって、その中にH原子を含有し、
ラマン分光分析により測定した局在振動子モードのモノ
ハイドライド構造に対応するピーク強度が、それより高
次のハイドライド構造に対応するピーク強度より大きい
多結晶半導体材料。 - 【請求項3】 支持基板の上に、Si、Ge、もしくは
SiGeからなる多結晶半導体層を形成する工程と、 SiもしくはGeとHとの結合のうち、モノハイドライ
ド構造の数がそれよりも高次のハイドライド構造の数よ
りも多くなるように、前記多結晶半導体層に水素を添加
する工程とを有する多結晶半導体層の製造方法。 - 【請求項4】 支持基板の上に、Si、Ge、もしくは
SiGeからなる多結晶半導体層を形成する工程と、 前記多結晶半導体層に水素を添加する工程と、 水素を添加された前記多結晶半導体層を加熱することに
より、SiもしくはGeとHとの結合のうち、モノハイ
ドライド構造の数がそれよりも高次のハイドライド構造
の数よりも多くなるように水素を脱離させる工程とを有
する多結晶半導体層の製造方法。 - 【請求項5】 前記水素を脱離させる工程において、前
記多結晶半導体層の温度を250〜500℃として熱処
理を行う請求項4に記載の多結晶半導体層の製造方法。 - 【請求項6】 支持基板の上に、Si、Ge、もしくは
SiGeからなる多結晶半導体層を形成する工程と、 前記多結晶半導体層に水素を添加する工程と、 水素を添加された前記多結晶半導体層を加熱し、一部の
ハイドライド構造の水素を脱離させる工程とを有する多
結晶半導体層の製造方法。 - 【請求項7】 前記水素を脱離させる工程において、前
記多結晶半導体層の温度を250〜500℃として熱処
理を行う請求項6に記載の多結晶半導体層の製造方法。 - 【請求項8】 絶縁性表面を有する支持基板と、 前記支持基板の絶縁性表面上に形成されたSi、Geも
しくはSiGeからなる多結晶半導体層であって、その
中にH原子を含有し、SiもしくはGeとHとの結合の
うち、モノハイドライド構造の数がそれよりも高次のハ
イドライド構造の数よりも多い多結晶半導体層と、 前記多結晶半導体層の一部の領域上に形成されたゲート
絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、 前記ゲート絶縁膜の両側の領域において、それぞれ前記
多結晶半導体層にオーミック接続するソース電極及びド
レイン電極とを有する半導体装置。 - 【請求項9】 透明基板の表面上に形成され、Si、G
e、もしくはSiGeからなるチャネル領域を有する薄
膜トランジスタの該チャネル領域にレーザ光を照射する
工程と、 前記チャネル領域からの散乱光のスペクトルを観測し、
該チャネル領域を形成するSiもしくはGeとHとの結
合のうちモノハイドライド構造に対応するピークとそれ
よりも高次のハイドライド構造に対応するピークとの高
さを比較する工程とを含む半導体装置の評価方法。
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