JPS6148977A - 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】 〔技術分野〕 本発明は多結晶半導体を用いた７Ｊ）Ｍ）ランジスタに
関する。

〔従来技術〕

近年、絶縁基板上にＮ換トランジスタを３彪成する技術
の研究が活発に行なわれている。この技術は、安価な透
明絶縁基板を用°いて高品質の薄形ディスプレイを実現
するアクティブマトリックスノくネル、あるいは通常の
半導体集積回路上にトランシフ、ｚｑど、）お動素子や
わヮす、ヨ次元ヮ積−路、あるいは安価で高性能なイメ
ージセンサ、あるいは高密度のメモリーなど、数多くの
応用が期待されるものである。

これらの幅広い用途に応用するためには、より高性能な
薄膜トランジスタの実現が望まれている。現在、非晶質
シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜などの主にシリコン
薄膜を用いた薄膜トランジスタの開発力ｆ精力的に行な
われているが、非晶質シリコンでは電子の移動度か１ｍ
ｌ／■・Ｓ　以下であり、側底、高速動作は望めない。

一方、多結晶シリコンでは１０（−１１！／Ｖ−３以上
の移動度が得られるが、これでも通常の半導体集積回路
に用いられる単結晶シリコン（移動度５００７／Ｖ・Ｓ
以上）にははるかに及ばない。すなわち、従来の薄膜ト
ランジスタは移動凝が低いために十分な性能が得られず
、広範な用途への適用が阻まれていた。

〔目的〕

本発明゛は、上記の欠点を除去し、大きい移動度を有す
る高性能な多結晶半導体Ｎ膜トランジスタを提供するこ
とを目的とする。

〔概要〕

本発明は、上記の目的を達成するために、チャネル領域
となる多結晶半導体薄膜中にほぼ同濃度のドナーとアク
セプタを含有した薄膜トランジスタを提供するものであ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明による薄膜トランジスタの構造の１例を
示す断面図である。以下、Ｎチャネル型ＷＪＦＭト５ン
ジスタを例に取って説明するが、゛本発明はＰチャネル
型薄膜トランジスタにも全く同様に適用される。パシベ
ーシ薔ン膜を含む牛導体集積回路２石英、ガラス、セラ
ミックなどの絶縁基板１０１上に、多結晶半導体＊＆、
例えば多結晶シリコン薄膜１０２が形成されている。チ
ャネル領域となる該多結晶シリコン中には、リン、ヒ素
などのドナー不純物とボロ７などのアクセプタ不純物か
ほぼ同量含有されている。後述するように、これにより
多結晶シリコンの結晶欠陥に基づくトラップ密度が減少
し、極めて優れた特性を有する薄膜トランジスタが実現
される。１０３，１０４はそれぞれ、前記多結晶シリコ
ン中にリン・ヒ素などのドナー不純物をドープして形成
されたソース領域及びドレイン領域である。１０５はゲ
ート絶縁膜、１０６は金属・半導体などの導電材料から
成るゲート電極である。１０８，１０９はそれぞれ、ソ
ース領域１０３及びドレイン領域１０４に接続されたソ
ース電極及びドレイン電極である。本発明の特徴は、チ
ャネル領域を形成する多結晶シリコン１゛０２中に、は
ぼ等濃度のドナーとアクセプタを含有する点にあり、他
は従来のＢ膜トランジスタと同様である。したがって、
第１図以外の構造を有する薄膜トランジスタにも本発明
は適用され得る。

第２図は、第１図に示した本発明による薄膜トランジス
タの製造方法を示す図面である。まず、第２図（α）の
ように、絶縁基板２０１上に化学的気相成長法あるいは
物理的気相成長法などにより多結晶半導体薄膜、例えば
多結晶シリコン薄膜２０２を堆積させた後、熱酸化法や
気相成長法などにより８１０２等のゲート絶縁膜２０３
を形成する。次に第２１１（ｂ　）のように、リンある
いはヒ素などドナーとなり得る不純物をイオン打込み法
愕より例えばＩ　Ｘ　１０　”ｃｍ−２の濃度打込む。

引き続いて第２図ＣＤ＞のように、ボロンなどアクセプ
タとなり得る不純物を同様に例えばＩ　Ｘ　１０１３ｃ
ｒｒ２の濃度打込む。この結果、多結晶シリコン２０２
中にはほぼ等愈のドナーとアクセプタがドープされる。

その後、＠２図Ｃｄ）のように、ゲート電極２０４を形
成した後、ドナーとなり得るリンあるいはヒ素のイオン
を例えば３　Ｘ　１０　”ｃｍ−”打込み、ソース領域
２０５とドレイン領域２０６を形成する。ソース・ドレ
イン領域には第２図（Ｃ）に示したようにＵｌｍのアク
セプタも含有されることになるが、極めて低濃度である
ために全く１． ２０９を形成し、薄膜トランジスタは完成する。

以上の説明では、ゲート絶縁膜を形成した後にドナーと
アクセプタを導入したが、ゲート絶縁膜の形成前でも構
わない。また多結晶シリコンを堆積させる時、同時にド
ナーとアクセプタを導入しても良い。

第３図は、本発明による簿膜トランジスタの特性を示す
グラフである。横軸はゲート電圧ＶＧｓ、縦軸はドレイ
ン電流よりである。ドレイン電流ＶＤ＆は５ｖであり、
トランジスタのチャネル長は５μ鴇、チャネル幅は１ｏ
μ倶である。実線は本発明による薄膜トランジスタの特
性を示し、破線は従来の薄膜トランジスタ、すなわちチ
ャネル領域の多結晶半導体薄膜中にドナーもアクセプタ
も含まない薄膜トランジスタの特性を示している。

図から明らかなように、本発明による薄膜トランジスタ
は、Ｏｒ？状態からＯＮ状態への急峻な立ち上がり、低
いしきい値電圧、大きい移動度を有し、この結果、極め
て大きいＯＮ電流（ＯＮ状態で流れるドレイン電流）が
得られている。

〔効果〕

本発明は以下に述べるように、数多くの効果を有してい
る。

第１に、低いしきい値電圧と大きい移動度を実現するこ
とにより、大きいＯＮ電流を得ることができる。

との理由は次のように説明される。すなわち、第４図（
（Ｌ）に示すように、多結晶半導体は多数の結晶粒４０
１から構成されており、それぞれの結晶粒内は単結晶に
近い状態になっている。一方、結晶粒と結晶粒の境界、
すなわち結晶粒界４０２には数多くの結晶欠陥が存在し
、キャリアをトラップすることによりイオン化し、空間
電荷を形成している。したがってエネルギー構造は第５
図Ｃｂ）のようになり、帯電したトラップ４０３により
結晶粒界において高さφのエネルギーバリアが５ビ成さ
れている。キャリアが運動するにはこのエネルギーバリ
アを越えなくてはならないため、多結晶半導体における
キャリアの移動度は単結晶半導体に比べて小さくなる。

本発明では、このような多結晶半導体中にほぼ等量のド
ナーとアクセプタを導入する。これらの不純物は結晶粒
内ではなく結晶粒界に偏析し、この結果結晶粒界に存在
する結晶欠陥を補償する。

つまり、結晶粒界に偏析した不純物は、自らイオン化す
ることなく、結晶粒界のダングリングボンド（未結合手
）を埋め、欠陥密度を低減させる。

このため結晶粒界における空間電荷量が減少し、エネル
ギーバリアの高さφは小さくなる（第４図（Ｃ））。し
たがって、キャリアがエネルギーバリアφを越える確率
は指数関数的に増大し、極めて大きい移動度を示すよう
になる。ちなみに、移動度μは μ８μｏｅｘｐ（−÷早ン で表わされる。ここにｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温
度、ｑは単位電荷量である。

また、欠陥密度が低減し、空間電荷量が減少することに
より、しきい値電圧は低下する。これは薄膜トランジス
タの場合、しきい値電圧は主に多結晶半導体中の結晶欠
陥密度により決定されることに起因する。また、導入さ
れたドナーとアクセプタはほぼ同量であるから互いに相
殺し、空間電荷の増加に寄与しない。

このような理由により、本発明によれば、移動度を増大
させると共にしきい値電圧を減少させ、その結果、大き
いＯＮ電流を得ることができる。

第２の効果は、小さいＯＩｌ’？ｉｌｉ流を実現できる
点である。これはドナーとアクセプタをほぼ等量導入す
ることに起因する。

例えば、Ｎチャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域
にアクセプタよりも多量のドナーを導入した場合、明ら
かにトランジスタの特性はデプリーション型に移行し０
ＩＦＦ電流は増大する。逆に、ドナーよりも多量のアク
セプタを導入した場合、しきい値電圧が増大しＯＮ電流
が減少すると共に、チャネル領域とドレインの間の接合
リーク電流が増し、ＯＩｒＩｒアミ増大する。これはＰ
Ｎ接合中の不純物濃度が高まるにつれて、空乏層幅が狭
くなって電界強度が強まり、結晶欠陥によるリーク電流
が増大するためである。すなわち、ドナーが多過ぎても
、アクセプタが多過ぎても、薄膜トランジスタのＯＦ？
電流は増大する。本発明では、はぼ等量のドナーとアク
セプタを導入するため、０？？電流を最小にすることが
できる。

許容されるドナー濃度とアクセプタ濃度の差を定量的に
説明するためのデータを第５図に示す。

第５図は多結晶半導体（この場合、多結晶シリコン）に
含まれるドナー濃度と比抵抗の関係を示すグラフである
。アクセプタについてもほぼ同様のグラフが得られる。

このグラフによれば、ドナー濃度が約１０１？ｃＩｆ″
３　以下では非常に大きい一定の比抵抗が得られ、これ
を越えると急激に比抵抗が減少する。これは、約１０１
７メ３　以下のドナーは結晶粒界に偏析して電荷を作り
出すことに寄与していないことを示している。アクセプ
タについてもほぼ同様であるから、結局、ドナー濃度と
アクセプタ濃度の差が約１０１フｃｒｒｒ″３以下であ
れば、比抵抗は減少しない、すなわちＯＦ１’電流は増
加しないといえる。なお、不純物の種類や不純物の導入
方法、多結晶シリコンの形成方法や膜質、あるいは熱処
理条件などによって、ここに示したデータは多少変動す
るから、許容値を一鰺的に定義することは難しく、１０
１７副−３という値は概略値である。

第３の効果には、得られたトランジスタの特性が極めて
安定なことが挙げられる。第１．笥２の効果は、多結晶
半導体中に水嵩を導入することによっても得ることがで
きる。しかし、水素は２５０℃程度の低温で半導体中か
ら離脱するため、容易にトランジスタの特性が変化し、
安定性・信頼性に乏しい。本発明ではリンやボロンなど
のドナーとアクセプタを用いるため、１０００℃程度の
熱処理を加えても離脱することがなく、トランジスタの
特性は極めて安定であり、優れた信頼性を得ることがで
きる。

第４の効果は、多結晶半導体中にドナーとアクセプタを
導入した以降の製造プロセスにおいても、高温の工程が
許容されるため、プロセスの選択の自由度が広がる点で
ある。例えば、多結晶半導体の再結晶化の工程や、熱酸
化によるゲート絶縁膜の形成工程、あるいはソース・ド
レイン領域の活性化のための熱処理工程を導入すること
ができる。

第５の効果は、製造が容易な点である。多結晶半導体中
に不純物を導入するのみであるから、余分なパターン形
成工程などは不要であり、高い製造歩留りも得られる。

以上述べたように、本発明は数多くの優れた効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＭ膜）ランジスタの構造を示す図
面である。 第２図（α）〜（＝）は本発明による薄膜トランジスタ
の製造方法を示す図面である。 第３図は本発明による薄膜トランジスタの特性を示す図
面である。 第４図（α）〜ＣＣ）は多結晶半導体の構成とエネルギ
ー状態を示す図面である。 第５図は多結晶シリコンの比抵抗とドナー濃度の関係を
示すグラフである。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多結晶半導体をチャネル領域とする薄膜トランジスタに
   おいて、該多結晶半導体中にほぼ等量のドナー不純物と
   アクセプタ不純物を含有することを特徴とする薄膜トラ
   ンジスタ。