JPS58199564A - 半導体素子 - Google Patents

半導体素子

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JPS58199564A
JPS58199564A JP57082651A JP8265182A JPS58199564A JP S58199564 A JPS58199564 A JP S58199564A JP 57082651 A JP57082651 A JP 57082651A JP 8265182 A JP8265182 A JP 8265182A JP S58199564 A JPS58199564 A JP S58199564A
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芳幸 長田
Tomoji Komata
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Yutaka Hirai
裕 平井
Takashi Nakagiri
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    • Y10S148/122Polycrystalline

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】 本発明は電界効果薄膜トランジスタ等の半導体素子に関
し、更に詳細には多結晶シリコン薄膜半導体層でその主
要部を構成した半導体素子に関するものである。
最近、画像読取用としての、長尺化−次元フォトセンサ
や大面積化二次元フォトセンサ等の画像読取装置の走査
回路部、或いは液晶(LCと略記する)や、エレクトロ
クローミー材料(ECと略記する)或いはエレクトロル
建ネツセンス材料(ELと略記する)を利用した画像表
示デバイスの駆動回路部を、これ等の大面積化に伴って
所定の基板上に形成したシリコン薄膜を素材として形成
することが提案されている。
斯かるシリコン薄膜は、より高速化、より高機能化され
た大型の画像読取装置や画像表示装置の実現から、非晶
質であるよりも多結晶であることが望まれている。その
理由の1つとして上記の如きの高速、高機能の読取装置
の走査回路部や画像表示装置の駆動回路部を形成する為
の素材となるシリコン薄膜の性能を表わす値として例え
ば薄膜トランジスタ(TPT )の実効キャリア移動度
(effective carrier mobili
ty)μeff としては、大きいことが要求されるが
、通常の放電分解法で得られる非晶質シリコン薄膜に於
いては精々0.1ctI/V−(6)程度であって、単
結晶シリコンで作成したMO8型トランジスタに較べて
遥かに劣り、所望の要求を満たすものでないことが挙げ
られる。この移動度゛μeffの小ささは、1つには非
晶質シリコン薄膜個有の特性であるHazz 移動度が
小さいことから、非晶質シリコン薄膜は薄膜作成上の容
易さと生産コストの安価を生かし切れないという不都合
さを内在している。又、非晶質シリコンは本質的に経時
変化が内在していて単結晶に比べて劣る。
これに対して、多結晶シリコン薄膜は、実際に測定され
たデータからも非晶質シリコン薄膜に較べてHa//移
動度自体が大きく、薄膜トランジスタにしたときのその
移動度μeffが遥かに大きく、理論的には現在得られ
ている値よりも、更に大きな値の移動度μeffを有す
るものが作成され得る可能性を有している。又、経時変
化に関しても安定であることが期待される。
多結晶シリコン薄膜を所定の基板上に大面積に亘って作
成する方法としては、 CV D (Chemical Vapour Dep
osition )法、L P CV D (Low 
Pressure Chemical VapourD
epos i t 1on)法、M B E(Mo1e
cular BeamEpitaxy )法、I P 
(Ion Plating )法、GD(Glow D
ischarge)法等が知られている。
いずれの方法においても、基板温度は異なるが、大面積
の基板の上に多結晶シリコン薄膜が作製できることが知
られている。
しかしながら、従来、これらの方法によって作製された
多結晶シリコン薄膜半導体層で主要部を構成した半導体
素子或いは半導体デバイスが所望された特性及び信頼性
を充分発揮できないのが現状であった。
本発明は上記諸点に鑑み成されたもので、従来の諸問題
を解決した半導体素子を提供することを主たる目的とす
る。
本発明の別の目的は、優れた半導体特性と、高い信頼性
を有する半導体素子を提供することでもある。
本発明の半導体素子は、炭素、硫黄、酸素の中から選択
される少なくとも1つを構成要素として含有する多結晶
シリコン半導体層で、その主要部を構成したことを特徴
とする。
上記の様な構成とすることによって、前述した問題の総
てが解決し得、優れた半導体特性と高い信頼性を有する
半導体素子と成り得る。
本発明の半導体素子は、上記の構成を有するものである
が、更に効果的に本発明の目的を達成するには、多結晶
シリコン半導体層中に含有される水素原子の濃度、半導
体層のエツチング速度、層表面の凹凸性、更には多結晶
の配向性や結晶粒径の値が特定の数値範囲内の値を取る
様に多結晶シリコン半導体層を形成すれば良い。
本発明の半導体素子に於ける多結晶シリコン半導体層中
に含有される水素原子の量は、好ましくは、3 ato
micX以下、より好ましくは、0.01〜3 ato
mic%とされるのが望ましく、或いは又、形成される
半導体層の層表面の凹凸の最大が実質的に800λ以下
であるのが望ましい。
更には、弗酸(5Q vol!%水溶液)・硝酸(d=
 1.38.60 VC)l!%水溶液)・氷酢酸から
成り、それ等の混合比がl:3:6であるエツチング液
によるエツチング速度が20λ/l1ec以下の特性を
有する様に半導体層を形成するのが望ましい。
或いは、更に、X線回折パターン又は電子線回折パター
ンによる(220)の回折強度の割合が全回折強度に対
して30%以上であるのが好ましい。
又、半導体層を構成する多結晶シリコンの結晶粒径とし
ては、平均結晶粒径として200λ以上であるのが望ま
しい。
これ等の上記条件を1つ以上、本発明の構成要件の1つ
として加味することによって、従来例に較べ、より高い
比抵抗(ρ)より小さい光学吸収係数(α)を有する多
結晶シリコン半導体層が所望の基板上に形成され、より
広範囲の分野に渡る半導体素子への応用が充分可能とな
る。
例えば、従来法に従って作成された多結晶シリコン薄膜
を用いてnチャネル型電界効果薄膜トランジスタ(FB
−TF’r)を作成した場合、ゲート電圧を充分低くし
ているにも拘らず、この状態のドレイン電流(Ioff
)が、ゲート電圧が充分高い状態のドレイン電流(Io
n)K比べて、充分小さくならない場合かパ、度々起る
のが、本発明の半導体素子に於いては全く生じカい。
又、読取装置の読取部と走査回路部や画像宥表示装置の
画像表示部と駆動回路部とを一体化構成とし、走査回路
部や駆動回路部の主要部を多結晶シリコン薄膜で構成す
る場合、これ等の回路部は外部からの光に晒される機会
が多いが、本発明の半導体素子の場合には、半導体層の
光吸収係数が著しく小さいので、この様な問題は実用1
殆んど無視することが出来、本発明の半導体素子でその
主要部を構成すれば優れた回路特性を有する回路部を得
ることが出来る。
本発明の半導体素子の主要部を構成する多結晶シリコン
半導体層は、水門や、He 、 Ar 、 Kr等の稀
ガス等で所望濃度に稀釈されたSiH,,8iJ(、。
8 tIIN(、I 814H16等のシランガスと同
時に、形成される半導体層中に含壕せるべき原子を供給
する各種の原iガスを層形成用の真空堆積室中に流して
、グロー放電分解を行わせることによって所望の基板上
に形成される。
例えば、炭素を形成される半導体層中に含有させるには
、メタン(CI(4)、エタン(C1Ha )、プロパ
ン(CIHa )s エチレン(C7I(4)等の炭化
水素を初めとして、炭化弗素(CF4)−テトラメチル
シラン〔(′cH・)4Si〕、テトラエチルシラン〔
(C2鴇)4Si)等を、又、硫黄を含有させるには、
硫化水素(Ha)、六弗化硫黄(8Fa )等を、酸素
を含有させるには、酸素(02)、水(H,O)等を、
窒素を含有させるには、窒素(N* )、アンモニア(
NHs)等を、各々、原料ガスとして用いることが出来
る。
多結晶シリコン半導体層をスパッタリング法によって作
成する場合には、シリコンターゲットと共に、形成され
る半導体層中に含有させるべき原子を構成要素として含
むターゲットを用いる方法(共スパッタリング法)、シ
リコンターゲットをスパッタリングする際に前記した各
種ガスの中より所望に従って選択される原料ガスを導入
してスパッタリングする方法(反応性スパッタリング法
)等が挙げられる。
本発明において特定する多結晶シリコン半導体層中に含
まれている各種原子の量の測定は、炭素及び硫黄につい
ては、金属中炭素・硫黄同時分析装置(Leco社C8
−45型)、酸素及び窒素については金属中酸素・窒素
同時分析装置(Leco社’Pc−36型)を用いて行
った。試料は白金基板上に、約10■分のシリコン半導
体層を堆積させ、これを分析装置ホルダー中に装填し、
元素重量を測定し層中に含まれる原子の濃度をatom
ic%で算出した。
また、形成した薄膜半導体層が多結晶である事は電子顕
微鏡(日本電子社製 JgM−100U型)の電子回折
パターンがリング状あるいは、ぼやけたスポット状とな
る事で確認した。
また、薄膜状の半導体層の光学吸収係数(α)は、自記
分光光度計(日立製 323型)を用いて測定した。非
晶質シリコン薄膜においてはしばしばメロ■−hν(h
νは測定光のエネルギー)プロットの直線部分を外挿し
横軸と交差した点から光学吸収端Eoを求めるが、本発
明によって作製したサンプルでは明確な外挿値が求めら
れないため、λ=550nmにおけるαの値(α(55
0’)と略記)を代表値とした。
次に本発明の半導体素子の一例としてのrFTの作製プ
ロセスについて、第1図に従って説明する。このTF’
Tは半導体層lo1、電極層107、オーミックコンタ
クト層103 、 104 、絶縁層105からなる′
電界幼果トランジスタで、半導体層101に隣接しオー
ミックなコンタクトが形成されているソース1極108
.ドレイン電極109間に′電圧を印加し、そこを流れ
る電流を絶縁Jmlo5を介して設けたゲート電極11
0にかけるバイアス電圧により変調される(第1図の工
程(g)に構造が示される)。まず基板100の洗浄を
行った後、多結晶シリコン薄膜半導体層101をその上
に堆積させる〔工程(a)〕。堆積法の詳細については
各実施例の所で述べる。その後オーミック層と+ してn (P −doped  シリコン)層102を
堆積し、ソース、ドレイ/をエツチングにより形成した
〔工程(C)〕後、絶縁層105をその上に堆積させる
〔工程(a) )、絶縁層は、CVD、I、PCVDで
形成されるシリコンナイトライド、 Sin、、 A/
lop等の材料で構成される。
次にソース、ドレインの電極用コンタクトホール106
をあけ〔工程(e)〕で、上部電極ゲート、ソース、ド
レインを配線して〔工程(f)及び(g)〕完成する。
本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスターの安定性を
判断する経時変化の測定に関しては次のような方法によ
って行った。
第2図に示す構造のTPTを作製しゲー) 201にゲ
ート電圧■G=40v、ソース203とドレイン202
間にドレイン電圧VD=40Vを印加しソース203と
ドレイン間に流れるドレイン電流■Dをエレクトロメー
ター208 (Keithley 610 Cエレクト
ロメーター)により測定し、ドレイン電流の時間的変化
を測定した。経時変化率は、500時間の連続動作後の
ドレイン電流の変動量を初期ドレイン電流で割りそれを
100倍し%表示で表わした。
TPTの閾値電圧は、MOSFETで通常行われている
VD−2/1百曲線における直線部分を外挿し横軸と交
差した点によって定義した。経時変化前と後のVTHの
変化も同時にしらべ、変化量をボルトで表示した。
次に本発明の実施例について述べる。
実施例1 本実施例は、多結晶シリコン薄膜をグロー放電分解法で
基板上に形成し、それを用いてTPT=i作成したもの
で、多結晶シリコン薄膜の形成は第3図に示した装置を
用いたものである。
基板300はコーニングガラス+7059(0,5鑓厚
)を用いた。
先ず基板300を洗浄した後HF /HNO,/CH。
cooHの混合液でその表面を軽くエツチングし、乾燥
した後真空ペルジャー堆積室301内のアノード側にお
いた基板加熱ホルダー(面積452cJ ) 302に
装着した。
その後ペルジャー301を拡散ポンプ309でバックグ
ランド真空度2.OX 10 TOrr以下まで排気を
行なった。この時、この真空度が悪いと反応性ガスが有
効に膜析出に働かないばかりか膜の特性の再現性が失な
われるので注意を要した。次にTsを上げて基板300
の温度を500℃に保持した(基板温度は熱電対303
で監視スル)。次に、鶴ガスをマスフローコントローラ
ー308で制御しながらペルジャー301内に導入して
基板300表面をクリーニングした後、反応性気体を導
入する様にした。基板温度T8は350℃に設定した。
放電時のペルジャー301内の圧力はQ、2 Torr
に保持した。
本実施例においては、導入する反応性気体としては取扱
いの容易なH2ガスで3 vo/%に稀釈した8iH4
ガス(r 8iH4(3)/H2J  と略記する)及
び同じ< Hzガラス0.5 vol!%に稀釈したメ
タン(CH4)ガス(r CI(4(0,5)/H2J
と略記する。)を用いた。ガス流量は各々5SCCMに
なるようにマスフローコントローラー304、及ヒ30
7でコントロールして導入した。ペルジャー301内の
圧力はペルジャー301の排気側の圧力調整バルブ31
0を詞節し、給体圧力計312を用いて所望の圧力に設
定した。ペルジャー301内の圧力が安定した後、カソ
ード電極313に13.561fllzの高周波電界を
′電源314によって加え、グロー放電を開始させた。
この時の電圧は0.7KV、−4流は5QmA1RF放
電パワーは20Wであった。この条件で、放電を30分
間持続し、多結晶シリコン膜の形成を終え、放電を中止
させて原料ガスの流入も中止させた。次に基板温度を1
80℃まで下げて保持して次のプロセスに備えた。形成
された膜の膜厚は3000λでその均一性は円形リング
型吹き出し口を用いた場合には、3インチ×3インチの
基板の大きさに対して±10%内に取っていた。
又、この多結晶シリコン膜はn型で、抵抗値は=lO8
Ω・(7)であった。次にこの膜を使って、第1図に示
す工程に従って薄膜トランジスタ(TPT)を作成した
。TPTのソース争ドレインのオーミックコンタクトを
良好にせしめるために基板温度は180℃に保った状態
で、n1シリコン層の形成を次のようにして行なった。
水素ガスでl00VO/IIGIIに稀釈されたPH3
ガス(「PH3(1,009IIm )/HzJと略記
する)を、鴇で10 VO/%に稀釈された8iH4(
rsiH* (to )/鳩」と略記する)ガスに対し
て、moz比にして5 X 10−3の割合でペルジャ
ー301内に流入させ、ペルジャー301内の圧力を0
.12 Torr K調整して+ グ目−放電を行ないPのドープされたnm102を50
0人の厚さに形成した〔工程(b)〕。
次にMを蒸着し、その後、工程(C)のようにフォトエ
ツチングによりM及び該層102をソース電極103の
領域、ドレイン電極104の領域をのぞいて除去した。
次にゲート絶縁膜を形成すべくペルジャー301内に再
び上記の基板が、アノード側の加熱ホルダー302に装
填された。多結晶シリコン薄膜を作成する場合と同様に
ペルジャー301が排気され、基板温度Tsを250℃
としてNH,ガスを208CCM、8i)(4(8i)
−(10)/鴇)ガスを58C’CM導入してグロー放
電を生起させて81NH膜105を2500λの厚さに
堆積させた。
次にフォトエツチング工程によりソース電極103、 
 ドレイン電極104用のコンタクトホール106−1
,106−2をあけ、その後で8iNH膜105全面に
Mを蒸着して、電極膜107を形成した後、ホトエツチ
ング工程によりM電極膜107を加工してソース屯極用
取出し電極108、ドレイン゛成極用取出し電極109
及びゲート電極110を形成した。この後、搗雰囲気中
で250℃の熱処理を行った。以上の条件とプロセスに
従って形成されたTPT(チャンネル長L=20μ、チ
ャンネル幅W=650μ)は安定で良好な特性を示した
第4図にこの鎌にして試作したTPTの特性例を示す。
第4図にはドレイン電流■Dとドレイン電圧VDの関係
をゲート電圧vGをパラメータにしたTF’T特性例が
示されである。ゲートのスレッショールド電圧Vthは
5vと低く、VG−20VでのVQ=Oの電流値の比は
5ケタ以上とれている。TPTの作成に用いた多結晶シ
リコン薄膜の水素量及び、波長550nmにおける膜の
光学吸収係数(α(550)と略記)を前記の方法で測
定した結果を第1表に示しである。鴎で稀釈したCI(
4のガス流量Xは本実施例の5 SCCMとOSCCM
、  28CCM、  108CCM、及び20SCC
MについてHlで希釈[7たC)(4のガス流量のみを
変化させ他の条件を同じにした場合の結果を示した。
これらの多結晶シリコン薄膜を用いて作製したTPTの
実効キャリア移動度(μeff)及び、ゲート電圧VQ
= 20 Vにおけるドレイン電流値より(20)ト、
ゲート電圧vG=Ovにおけるドレイン電流値ID (
0)の比(on10ff比と略記する。)も同じ表に示
した。第1表より炭素濃度は0.01atomi cX
程度から制御できる事が分り、さらに10%程度まで増
加させる事によってμeff)1を保ちつつ、αとon
10ff比を効果的に変化させる事ができた。
本実施例では基板としてコーニング+7059ガラスを
用いたが、熱処理温度や基板温度を高くしても基板とし
て超硬質ガラスや石英ガラスを採用することにより同様
の特性を出すことができだ。従って、本発明によれば低
温度側より高温度側まで基板温度Tsを広範囲内から基
板材料に従って自由に選択出来るという基板材料の選択
範囲に著しい自由度がある為に特性の優れたTPT蓄積
回路をより安価に、より簡便な装置を用いて容易に作成
することが出来る。
第1表 試料/l61−5は非晶質 81I(4(3)/Htのガス流量・・・・・・・・・
・・・ 58CCMCH*(0,5)/)Ltのガス流
量・・・・・・・・・・・・ x8ecM放電パワー 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・ 20W圧力 ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・ 0.05 Torr基板温度(
Ts)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・ 500℃実施例2 実施例1と同様の手順によって、ail(、(3)/用
ガスと同時にH2ガスで0.2 VO/%に稀釈したS
F、ガス(S、F’、 (0,2)/〆H1と略記する
。)を0゜2.5,10,208CCMの、5種類のガ
ス流量で流す以外は、実施例1と同様の条件と手順に従
って、シリコン薄膜を基板上に作製し、又、同薄膜層を
用いて実施例1と同様にTPTを作成し、これ等につい
て実施例1と同様の測定を行った。その結果を第2表に
示す。
第  2  表 8i)T4 (’3 )/H2のガス流量・・・・・曲
・・・ 5SC’CMSF’、(0,5)/H,のガス
流量・・・・・・・・・・・・ x8ccM放電ハワー
 ・・・川・・叫・・・・・明・・曲・・・・・ 20
W圧力  ・・・・・・・・曲・・・・・町・・曲・・
・・・叫・・曲・・ 0.05 Tbrr基板温度(T
s )  ・・・・・・・・・・・・・・・・・川・叩
・・ 500℃実施例3 実施例1と同様の条件と手順によって、従って、基板上
にシリコン薄膜層を形成した。ただし!90(t (3
>/H2を流メし初める前にペルジャー内に酸素をバリ
アプルリークパルプを介して導入した。酸素のガス流量
は微小なため、真空度がバックグランド真空度からどれ
だけ上昇するが測定し乍ら調節し、この圧力差を0 、
 2.OX 10”7Torr、  5.0XlO−7
Torr、  1.0X10’Thrr、  2.0X
10−’Torrの5種類としてシリコン薄膜層を作成
した。
又、同薄膜層を用いて、実施例1と同様にしてTPTを
作成した。これ等に就て実施例1と同様の方法で測定を
行った。その結果を第3表に示す。
第3表 試料/163−5は非晶質 8iI(4(3)/H,(Dカス流−fii・旧−曲−
・58CCM放電パワー ・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20W圧力 ・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 0.05 
Torr基板温度(T8)  ・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・ 500℃実施例4 実施例1と同様の手順によってシリコン薄膜層を基板上
に作成した。ただし、Si)′14(3)/鴨ガスと同
時にN、ガスを08CCM、  28CCM、 58C
(Jf。
10 SCCM、  20 SCCMの5種類のガス流
量で流してシリコン薄膜層を作製し、又、同薄膜層を用
いて実施例1と同様にしてTPTを作成し、これ等に就
で実施例1と同様の測定を行った。
その結果を第4表に示す。
第  4  表 5il(4(3)/H2のガス流量 ・・・・・・・・
・・−580CMN、のガスIN、量  ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ xsc
c’M放tパワー ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・ 20W圧力 ・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・0.05 TOrr基
板温度(Ts)  ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・ 500℃
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の半導体素子の作成工程を説明する為
の模式的工程図、第2図は、本発明に於いて、作成され
たTPTのTPT特性を測定する為の回路を説明する為
の模式的回路図、第3図は、本発明の半導体素子用のシ
リコン薄膜層を作成する為の装置の一例を説明する模式
的説明図、第4図は、本発明のTF’Tの特性の一例を
示すグラフである。 100・・・基板、lOl・・・薄膜半導体層、i02
+ ・・・n層、103,104・・・オーミックコンタク
ト層、105・・・絶縁層、106・・・コンタクトホ
ール、107・・パ1極層、108・・・ソース電極、
109・・・ドレイン電極。 出 願 人  キャノン株式会社 305 Vo (V) 手続補正書(自発) 特許庁長官 若 杉 和 夫  殿 1、事件の表示 昭和57年 特許願  第 82651   号2、発
明の名称 半導体素子 3、補正をする者 事件との関係       特許出願人任 所 東京都
大田区下丸子3−30−2名称 (100)キャノン゛
株式会社 代表者賀来龍三部 4、代理人 居所 閏146東京都大田区下丸子3−30−25、補
正の対象 明  細  書 6、補正の内容 明細書全文を別紙のとおり補正する。 (全文訂正)明   細   書 1、発明の名称 半導体素子 2、特許請求の範囲 (1)炭素、硫黄、窒素、酸素の中から選択される少な
くとも1つを構成要素として含有する多結晶シリコン半
導体層で、その主要部を構成したことを特徴とする半導
体素子。 (2)炭素が0.01〜10 atomic%含有され
てイル特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子。 (6)硫黄が0.01〜5 atomio%含有されて
いる特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子。 (4)窒素が0.01〜5 atomio%含有されて
いる特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子。 3、発明の詳細な説明 本発明は電界効果薄膜トランジスタ等の半導体素子に関
し、更に詳細には多結晶シリコン薄膜半導体層でその主
要部を構成した半導体素子に関するものである。 最近、画像読取用としての、長尺化−次元フオや、エレ
クトロクローミー材料(EC5と略記する)或いはエレ
クトロルミネッセンス材料(ELと略記する)を利用し
た画像表示デ・くイスの駆動回路部を、これ等の大面積
化に伴って所定の基板上に形成したシリコン薄膜を素材
としで形成することが提案されている。 斯かるシリコン薄膜は、より高速化、より高機能化され
た大型の画像読取装置や画像表示装置の実現から、非晶
質であるよりも多結晶であることが望まれている。その
理由の1つとして上記の如の き高速、高機能の読取装置の走査回路部や画像衣/″j 示装置の駆動回路部を形成するための素材となるシリコ
ン薄膜の性能を表わす値として例えば薄膜トランジスタ
(TPT)の実効キャリア移動度(effective
 oarrier mobility )μoffとし
ては)大きいことが要求されるが、通常の放電分解法で
得られる非晶質シリコン薄膜においては精々0.1c礒
/V・81i1Q程度であって、単結晶シリコンで作成
したMO8型トランジスタに較べて遥かに劣り、所望の
要求を満たすものでないことが挙げられる。 この移動度μoffの小ささは、1つには非晶質シリコ
ン薄膜個有の特性であるHall!移動度が小さいこと
から、非晶質シリコン薄膜は薄膜作成上の容易さと生産
コストの安価を生かし切れないという不都合さを内在し
ている。又、非晶質シリコンは本質的に経時変化が内在
していて単結晶に比べて劣る。 これに対して、多結晶シリコン薄膜は、実際に測定され
たデータからも非晶質シリコン薄膜に較べてHall移
動度自体が大きく、薄膜トランジスタにしたときのその
移動度μoffが遥かに大きく、理論的には現在得られ
ている値よりも、更に大きな値の移動度μeffを有す
るものが作成され得る可能性を有している。又、経時変
化に関しても安定であることが期待される。 多結晶シリコン薄膜を所定の基板上に大面積に亘って作
成する方法としては、 G V D (Chemical Vapour De
position )法、L P G V D (Lo
w Pressure Chemioal Vapou
rDeposition )法、M B E (Mol
ecular BeamEpitaxy )法、工P 
(Ion Plating )法、CD(Glow D
isoharge )法等が知られている。 いずれの方法においても、基板湿度は異なるが、大面積
の基板の上に多結晶シリコン薄膜が作製できることが知
られている。 しかしながら、従来、これらの方法によって作製された
多結晶シリコン薄膜半導体層で主要部を構成した半導体
素子或いは半導体デ・(イスが所望された特性及び信頼
性を充分発揮できないのが現状であった。 本発明は上記諸点に鑑み成されたもので、従来の諸問題
を解決した半導体素子を提供することを主たる目的とす
る。 本発明の別の目的は、優れた半導体特性と、高い信頼性
を有する半導体素子を提供することでもある。 本発明の半導体素子は、炭素、硫黄、酸素の中から選択
される少なくとも1つを構成要素として含有する多結晶
シリコン半導体層で、その主要部を構成したことを特徴
とする。 上記の様な構成とすることによって、前述した問題の総
てが解決し得、優れた半導体特性と高い信頼性を有する
半導体素子と成υ得る。 本発明の半導体素子は、上記の構成を有するものである
が、更に効果的に本発明の目的を達成するには、多結晶
シリコン半導体層中に含有される水素原子の濃度、半導
体層のエツチング速度、層表面の凹凸性、更には多結晶
の配向性や結晶粒径の値が特定の数値範囲内の値を取る
様に多結晶シリコン半導体層を形成すれば良い。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層に
は、前記した様に炭素、硫黄、窒素、酸素の中から選択
されたものを含むものである。これ等の中から選択され
るのは2種以上であっても良い。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層中
に炭素が含有される場合は炭素の量が好ましくは0.0
1〜10 atomic%、より好ましくは0.01〜
8 atomio%含有されていることが望ましい。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層中
に硫黄が含有される場合は硫黄の量が好ましくは0−0
1〜5 atomto%、よシ好ましくは0.05〜5
 atomio%含有されていることが望ましい。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層中
に窒素が含有される場合は窒素の量が好ましくはQ 、
[ll 〜5 atomio%、より好ましくは0.0
1〜d atomio%含有されていることが望ましい
。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層中
に酸素が含有される場合は酸素の量が好ましくは0.0
5〜5 atomio%、より好ましくは0.05〜4
 atomic%含有されていることが望ましい。 本発明の半導体素子における;・多結晶シリコン半導体
層中には水素原子が含有されるのが望まし゛い。 本発明の半導体素子における多結晶シリコン半導体層中
に含有される水素原子の量は、好ましくは、3 ato
mic%以下、より好ましくは、0.01〜ろatom
ic%とされるのが望ましく、或いは又、形成される半
導体層の層表面の凹凸の最大が実質的に800A以下で
あるのが望ましい。 更には、弗酸(5Qvo1%水容液)・硝酸(cl−1
、り8.60 vo1%水容液)・氷酢酸から成り、そ
れ等の混合比が133:6であるエツチング液によるエ
ツチング速度が2Q A / sea以下の特性を有す
る様に半導体層を形成するのが望ましい。 或いは、更に、X線回折パターン又は電子線回折パター
ンによる(2:20)の回折強度の割合が全回折強度に
対して60%以上であるのが好ましい。 又、半導体層を構成する多結晶シリコンの結晶粒径とし
ては、平均結晶粒径として200八以上であるのが望ま
しい。 これ等の上記条件を1つ以上、本発明の構成要件の1つ
として加味することによって、従来例に較べ、より高い
比抵抗(ρ)より小さい光学吸収係数(α)を有する多
結晶シリコン半導体層が所望の基板上に形成され、より
広範囲の分野に渡る半導体素子への応用が充分可能とな
る。 例えば、従来法に従って作成された多結晶シリコン薄膜
を用いてnチャネル型電界効果薄膜トランジスタ(FE
−TPT)を作成した場合、ゲート電圧を充分低くして
いるにも拘らず、この状態のドレイン電流(Ioff)
が、ゲート電圧が充分高い状態のドレイン電流(−Io
n )に比べて、充分小さくならない場合が9度々起る
のが、本発明の半導体素子においては全く生じない。 又、読取装置の読取部と走査回路部や画像表示装置の画
像表示部と駆動回路部とを一体化構成とし、走査回路部
や駆動回路部の主要部を多結晶シリコン薄膜で構成する
場合、これ等の回路部は外部からの光に晒される機会が
多いが、本発明の半導体素子の場合には、半一導体層の
光吸収係数が著しく小さいので、この様な問題は実用1
殆んど無視することが出来、本発明の半導体素子でその
主要部を構成すれば優れた回路特性を有する回路部を得
ることが出来る。 本発明の半導体素子の主要部を構成する多結晶シリコン
半導体層は、水素や、He、 Ar、 Kr等の稀ガス
等で所望濃度に稀釈されたSiH4,SigHg、 S
:t、、Ha。 5i4H:LO等のシランガスと同時に、形成される半
導体層中に含ませるべき原子を供給する各種の原料ガス
を層形成用の真空堆積室中に流して、グロー放電分解を
行わせることによって所望の基板上に形成される。 例えば、炭素を形成される半導体層中に含有させるには
、メタン(CjH4)、エタン(c2Hs) 、プロパ
ン(C5Ha) 、エチレン(0gH4)等の炭化水素
を初めとして、炭化弗素(CF、)、テトラメチルシラ
ン((0Hs)4si ) 、テトラエテルシラン((
CgHs)4st )等を、又、硫黄を含有させるには
、硫化水素(H8) 、六弗化硫黄(SFg)等を、酸
素を含有させるには、酸素(02)、水(HgO)等を
、窒素を含有させるには、窒素(Ng) 、アンモニア
(NH,)等を、各々、原料ガスとして用いることが出
来る。 多結晶シリコン半導体層をスパッタリング法によって作
成する場合には、シリコンターゲットと共に、形成され
る半導体層中に含有させるべき原子を構成要素として含
むターゲットを用いる方法(共スパッタリング法)、シ
リコンターゲットをスパッタリングする際に前記した各
種ガスの中より所望に従つ°C選択される原料ガスを導
入してスパッタリングする方法(反応性スパッタリング
法)等が挙げられる。 本発明において特定する多結晶シリコン半導体層中に含
まれている各種原子の量の測定は、炭素及び硫黄につい
ては、金属中炭素・硫黄同時分析装置(Leoo社O8
−46型)、酸素及び窒素については金属中酸素・窒素
回持分析装置(Leoo社TC−36型)を用いて行っ
た。試料は白金基板上に、約10mg分のシリコン半導
体層を堆積させ、これを分析装置ホルダー中に装填し、
元素重量を測定し層中に含まれる原子の濃度をat o
、m i o%で算出した。 また、形成した薄膜半導体層が多結晶であることは電子
顕微鏡(日本電子社製JEM−’100tJ型)のt子
回折パターンがリング状あるいは、ぼやけたスポット状
となることで確認した。 また、薄膜状の半導体層の光学吸収係数(α)は、自記
分光光度計(日立製623型)を用いて測定した。非晶
質シリコン薄膜においてはしばしばai−hν(hνは
測定光のエネルギー)プロットの直線部分を外挿し横軸
と交差した点から光学吸収端Eoを求めるが、本発明に
よって作製したサンプルでは明確な外挿値が求められな
いため、λ=550nmにおけるαの値(α(550)
と略記)を代表値とした。 次に本発明の半導体素子の一例としてのTFTの作製プ
ロセスについて、第1図に従って説明する。このTPT
は半導体層101、電極層107、オーミックコンタク
ト層103,104、絶縁層105からなる電界効果ト
ランジスタで、半導体層101に隣接しオーミックなコ
ンタクトが形成されているソース電極10B、ドレイン
電極109間に電圧を印加し、そこを流れる電流を絶縁
層10’5を介して設けたゲート電極110にかけるバ
イアス電圧により変調される(第1図の工程(ωに構造
が示される)。まず基板100の洗浄を行った後、多結
晶シリコン薄膜半導体層101をその上に堆積させる〔
工程(a)〕。堆積法の詳細については各実施例の所で
述べる。その後オーミック層としてn”(P−dopθ
dシリコン)層102を堆積し、ソース、ドレインをエ
ツチングにより形成した〔工程(C)〕後、絶縁層10
5をその上に堆積させる〔工程(a)〕。絶縁層は、C
VD、LPCV、Dで形成されるシリコンナイトライド
、 Sin、、 AlaO3等の材料で構成される。 次にソース、ドレインの電極用コンタクトホール106
をあけ〔工程(e)〕で、上部電極ゲート、ソース、ド
レインを配線して〔工程+f>及び(g)〕完成する。 本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスターの安定性を
判断する経時変化の測定に関しては次のような方法によ
って行った。 第2図に示す構造のTPTを作製しゲート201にゲー
ト電圧VG−40v、ソース206とドレイン202間
にドレイン電圧V:o=40Vを印加しソース206と
ドレイン間に流れるドレイン電極IDをエレクトロメー
ター208 (Keithle7610Cエレクトロメ
ーター)によシ測定し、ドレイン電流の時間的変化を測
定した。経時変化率は、500時間の連続動作後のドレ
イン電流の変動量を初期ドレイン電流で割りそれを10
0倍し%表示で表わした。 TPTの閾値電圧は、MOSFETで通常行われている
vD−前曲線における直線部分を外挿し横軸と交差した
点によって定義した。経時変化前と後のVTRの変化も
同時にしらべ、変化量をボルトで表示した。 次に本発明の実施例について述べる。 実施例1 本実施例は、多結晶シリコン薄膜をグロー放電分解法で
基板上に形成し、それを用いてTPTを作成したもので
、多結晶シリコン薄膜の形成は第6図に示した装置を用
いたものである。基板600はコーニングガラス+70
59(0,5mm厚)を用いた。 先ず基板600を洗浄した後HF/HNO3/CH,J
1300Hの混合液でその表面を軽くエツチングし、乾
燥した後真空ペルジャー堆積室601内のアノード側に
おいた基板加熱ホルダー(面積452cII)302に
装着した。 その後ペルジャー601を拡散ポンプ609でパックグ
ランド真空度2.OX 10−’ Torr以下まで排
気を行なった。このとき、この真空度が悪いと反応性ガ
スが有効に膜析出に働かないばかりか膜の特性の再現性
が失なわれるので注意を要した。 次にT8を上げて基板300の温度を500℃に保持し
た(基板温度は熱電対606で監視する)。 次ニ、H2カスをマスフローコントローラー308で制
御しながらペルジャー601内に導入して基板600表
面なりIJ−ニングした後、反応性気体を導入する様に
した。基板温度Tsは650℃に設定した。放電時のペ
ルジャー、301内の圧力は0.2 Torrに保持シ
タ。 本実施例においては、導入する反応性気体としては取扱
いの容易なH2ガスで5 vo1%に稀釈した51H4
ガス(r 5iH4(3)/Ha !と略記する)及び
同じ<H,ガスでQ、5 va1%に稀釈したメタン(
CH4)ガス(「CH4(0,、,5)/H2Jと略記
する。)を用いた。  −ガス流量は各々5 SCCM
になるようにマスフローコントローラー504、及び6
07でコントロールして導入した。ペルジャー601内
の圧力はペルジャー601の排気側の圧力調整パルプ3
10を調節し、給体圧力計512を用いて所望の圧力に
設定した。ペルジャー601内の圧力が安定した後、カ
ソード電極616に13.56 MHzの高周波電界を
電源614によって加え、グロー放電を開始させた。こ
のときの電圧はQ、7KV、電流は60mA、RF放電
パワーは20Wであった。この条件で、放電を30分間
持続し、多結晶シリコン膜の形成を終え、放電を中止さ
せて原料ガスの流入も中止させた。次に基板温度を18
0℃まで下げて保持して次のプロセスに備えた。形成さ
れた膜の膜厚は3000Aでその均一性は円形リング型
吹き出し口を用いた場合には、5インチ×6インチの基
板の大きさに対して±10%内に取っていた。 又、この多結晶シリコン膜はn型で、抵抗値はΣ108
Ω・cmであった。次にこの膜を使って、第1図に示す
工程に従って薄膜トランジスタ(TPT)を作成した。 TPTのソース・ドレインのオーミックコンタクトを良
好にせしめるために基板温度は180℃ニ保った状態で
、n+シリコン層の形成を次のようにして行なった。水
素ガスで1100volppに稀釈されたPH1+ガス
(r PH+1(100ppm ) /H,Jと略記す
る)を、H2で10 vo1%稀釈された5tH4([
5iH4(10)、/H++ Jと略記する)ガスに対
して、mOl比にして5 X 10−’の割合でペルジ
ャー601内に流入させ、ペルジャー601内の圧力を
0.12To rrに調整してグロー放電を行ないPの
ドープされた1層102を50OAの厚さに形成した〔
工程(b)〕。 次にAlを蒸着し、その後、工程(C)のようにフオぞ
いで除去した。次にゲート絶縁膜を形成すべくペルジャ
ー501内に再び上記の基板が、アノード側の加熱ホル
ダー602に装填された。多結晶シリコン薄膜を作成す
る場合と同様にペルジャー601が排気され、基板温度
Tsを250℃としてNH,ガスを2Q S CCM、
 5iHi (SiH4(10)/ Hz)ガスを5S
CCM導入してグロー放電を生起させて5iNH膜10
5を250OAの厚さに堆積させた。 次にフォトエツチング工程によりソース電極106、ド
レイン電極104用のコンタクトホール106−1.1
0.6−2をあけ、その後で5tNH膜105全面にA
lを蒸着して、電極膜107を形成した後、ホトエツチ
ング工程によ!1lAl電極膜107を加工してソース
電極用取出し電極108゜ドレイン電極用取出し電極1
09及びゲート電極110を形成した。この後、H2雰
囲気中で250℃の熱処理を行った。以上の条件とプロ
セスに従って形成されたTPT (チャンネル長L’=
2oμ、チャンネル幅W−650μ)は安定で良好な特
性を示した。 第4図にこの様にして試作したTPTの特性例を示す。 第4図にはドレイン電流よりとドレイン電圧VDの関係
をゲート電圧vGをパラメータにしたTPT特性例が示
されである。ゲートのスレッショールド電圧vthハ5
V ト低く 、VG=20 Vテ(7)VG−0の電流
値の比は5ケタ以上とれている。 TPTの作成に用いた多結晶シリコン薄膜の水素量及び
、波長550nmにおける膜の光学吸収係数(α(55
0)と略記)を前記の方法で測定した結果を第1表に示
しである。H2で稀釈したOH4のガス流量Xは本実施
例の58CCMと0800M、2SCCM、 1105
CC,及び2oSCCMについてH2で稀釈したCH4
のガス流量のみを変化させ他の条件を同じにした場合の
結果を示した。 これらの多結晶シリコン薄膜を用いて作製したTPTの
実効キャリア移動度(μoff)及び、ゲート電圧VG
=2[IVにおけるドレイン電流値ID(20)と、ゲ
ート電圧vG−Ovにおけるドレイン電流値より(0’
)の比(on10ff比と略記する。)も同じ表にした
。第1表より炭素濃度は0 、Ol atomio%程
度から制御できることが分り、さらに10%程度まで増
加させることによってμeff)1を保ちつつ、αとo
n10rf比を効果的に変化させることができた。 本実施例では基板としてコーニング≠7059ガラスを
用いたが、熱処理温度や基板温度を高くしても基板とし
て超硬質ガラスや石英ガラスを採用することにより同様
の特性を出すことができた。 従って、本発明によれば低温度側より高温度側まで基板
温度Tsを広範囲内から基板材料に従って自由に選択で
きるという基板材料の選択範囲に著しい自由度があるた
めに特性の優れたTPT蓄積回路をより安価に、よシ簡
便な装置を用いて容易に作成することが出来る。 / 第   l   表 5iH4(3)/H2ノガス流量 −−−−−−−−−
53CCMCH4(0,5)/H217)カス流量 −
−−−−−−xSCCM放電パワー  −−−−−−−
−−−−−−−−−−20W圧   力  −−−−−
−−−−−−−−−−−−0、05Torr基板温度(
丁5)−−−−−−−−−−−−−−−−−soo℃実
施例2 実施例1と同様Ω手順によって、5iH4(5)/H2
は、実施例1と同様の条件と手順に従って、シリコン薄
膜を基板上に作製し、又、同薄膜層を用いて実施例1と
同様にTPTを作成し、これ等について実施例1と同様
の測定を行った。その結果を第2表に示す。 第2表より硫黄濃度はQ 、Q1atomio%程度か
ら制御できることが分シ、さらに5 atomic%程
度まで増加させることによってμeff)1を保ちつつ
、αと0n10ff比を効果的に変化させることができ
た。 第   2   表 5t)I4(3)/)l、、のガス流量 −−−−−−
−−−5SCCMSF6(0,5)/H,、のガス流量
 −−−−−−−XSCCM放電パワー  −−−−−
−−−−−−−−−−−−20W圧   力  −−−
−−−−−−−−−−−一−−0、05Torr基板温
度(Ts)  −−−−−−−−−一−−−−−−−5
00″C実施例6 実施例1と同様の条件と手順によって、基板上にシリコ
ン薄膜層を形成した。ただし5iH4(3)/ I2を
流し初ぬる前にペルジャー内に酸素をバリアプルリーク
パルプを介して導入した。酸素のガス流量は微小なため
、真空度がバックグランド真空度からどれだけ上昇する
か測定し乍ら調節し、この圧力差を0 、2.0 X 
10”” Torr、、 5.OX 1 D”Torr
。 1、OX 1D−’Torr 、 2.0 X 10−
’Torrの5種類としてシリコン薄膜層を形成した。 又、同薄膜層を用いて、実施例1と同様にしてTPTを
作成した。 これ等に就で実施例1と同様の方法で測定を行った。そ
の結果を第6表に示す。 第3表より酸素濃度は0.Oろatomic%程度から
制御できることが分り、さらに5 atomic%程度
まで増加させることによってμeff〉1を保ちつつ、
αとon10ff比を効果4的に変化させることができ
た。 第   3   表 5iH4(3)/H,、のガス流量 −−−−−−−−
−53CCM放電パワー  −−−−−−−−−−−−
−−−−−20W圧   カ  −−−−−−−−−−
−−−−−−−0、05Torr基板温度(Ta)−−
−−−−−−−−−−−−−−−500℃実施例4 実施例1と同様の手順によってシリコン薄膜層を基板上
に作成した。ただし、5iH4(3)/Hsガスと同時
にN、ガスを0800M、2 SOCM、5 SCCM
。 10SCCM、2[ESCCMの5種類のガス流量で流
してシリコン薄膜層を作製し、又、同薄膜層を用いて実
施例1と同様にしてTPTを作成し、これ等に就で実施
例1と同様の測定を行った。その結果を第4表に示す。 第4表より窒素濃度は0.01 atomic%程度か
ら制御できることが分り、さらに5 atomic%程
度まで増加させることによってμerf>1を保ちつつ
、αとOn10 f f比を効果的に変化させることが
できた。 第   4   表 !1iiH4(3)/H,、のガス流量 −−−−−−
−−−55CCMN2ノガス流量 −−−−−−−−−
−−−−−−−−x S CCM放電パワー  −−−
−−−−−−−−−−−−−−20W圧   力  −
−−−−−−−−−−−−−−−−0、05Torr基
板温度(Ts)−−−−−−−−−−−−−−−−−5
00℃4、図面の簡単な説明 第1図は、本発明の半導体素子の作成工程を説明するた
めの模式的工程図、第2図は、本発明において、作成さ
れたTPTのTPT特性を測定するための回路を説明す
るための模式的回路図、第6図は、本発明の半導体素子
用のシリコン薄膜を作成するための装置の一例を説明す
る模式的説明図、第4図は、本発明のTPTの特性の一
例を示すグラフである。 100・・・基板、101・・・薄膜半導体層、102
ea−n十層、105,104−・・オーミックコンタ
クト層、105・−・絶縁層、106−、・・コンタク
トホール、107・・φ電極層、108・・・ソース電
!、109φ・・ドレイン電極。 出願人 キャノン株式会社 313

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  炭素、硫黄、酸素の中から選択される少なく
    とも1つを構成要素として含有する多結晶シリコン半導
    体層で、その主要部を構成したことを特徴とする半導体
    素子。
  2. (2)炭素が0.01〜10 atomic%含有され
    ている特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子。
  3. (3)硫黄が0.03−5 atomic%含有さレテ
    イル特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子。
  4. (4)  窒素が0. Ol 〜5 atomic%含
    有されテイル特許請求の範囲第1項に記載の半導体素子
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