JPH04151819A - 半導体作製方法 - 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】 〔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
導体の作製方法に関するものである。

〔発明の概要〕

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）雰囲気中における不純物濃度５　Ｘ
　１０’　８ｃｍ−”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”ｃｍ−３以下好
ましくはＩ　Ｘｌ０１９ｃｍ−３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、７×１０
１１０ｌ９’以下の酸素濃度の格子歪を存するマイクロ
クリスタル構造の半導体を形成する方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来、多結晶半導体装置は、減圧ＣＶＤまたはプラズマ
ＣＶＤ法によって形成された半導体膜を５５０〜６５０
℃の温度で数時間〜数十時間熱処理し熱結晶化させるこ
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。

〔従来技術の問題点〕

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。

またプラズマＣＶＤ法によって非単結晶半導体膜を得る
場合、その成膜工程に時間かかかるという問題かあった
。

従来、水素を添加したスパッタ法によって得られたａ−
３ｉ　（アモルファスシリコン）膜を用いて薄膜トラン
ジスタを作製する例が知られているか、その電気的特性
は低い（電子移動度は０．１ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以下）こ
とか知られている。

そこで、−射的には水素を添加しないアルコンガスを用
い、スパッタ法によってａ−３ｉ膜を得ている。

また水素のみまたは水素を主成分とする気体を用いたス
パッタ法での成膜は不可能であるとされていた。

この様な問題を解決する手段としてはスパッタ法を用い
る方法かある。

特にマグネトロン型スパッタ法は イ）電子が磁場でターゲット付近に閉じ込められ高エネ
ルギー電子による基板表面への損傷か抑えられる。

口）低温で大面積にわたり高速成膜できる。

ハ）危険なガスを使用しないので、安全性と工業性が高
い。

などの利点かある。しかし、スパッタ法によって得た非
単結晶半導体膜には、珪素原子の存在に偏りかあり、ア
ルゴン原子および酸素の不純物の混在によりまたは同時
に水素を混在していないため７００℃以下の温度での熱
結晶化は不可能であることか知られている。

〔発明の目的〕

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
。

〔発明の構成〕

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℃代表的には６００℃の温度で結晶化させる
工程を有することを特徴とする半導体作製方法である。

本発明者は、スパッタ法において水素を雰囲気気体とし
て２０％以上添加する（雰囲気中の酸素濃度は０．０１
％以下とし、水素も５Ｎ（９９，９９９％以上）の高純
度水素を用いている）ことで、成膜されるａＳｉ膜中に
予め水素を均一に分散させて混入せしめて、このａ−３
ｉ膜を４５０〜７００℃１代表的には６００℃以下の温
度でのアニールによって熱結晶化できることを発見した
。本発明は、この上記実験事実に基づくものである。

この結晶化は、平均の結晶粒径が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７×１０１９０ｍ−３またはそれ
以下好ましくはＩ　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か互いに強
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
素等がそこに偏析し障壁（バリア）かキャリアの移動を
阻害するが、本発明においては、かかる格子歪により、
バリアがないまたは無視で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。

〔実施例〕

（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５〜４０
０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７Ｘ１０１９ｃＦ３以下、
好ましくはＩ　Ｘ　１０Ｉ９１０ｌ９以下の準結晶（セ
ミアモルファス　Ｑｕａｓｉ−ｃｒｙｓｔａｌまたはＳ
ｅｍｉ−ａｍｒｐｈａｓともいう）の多結晶珪素半導体
層を形成した。そしてその電気特性であるキャリア移動
度、スレッシュホールド電圧、界面準位密度等の電気特
性を知るのに最も有効な手段である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。

ます、ガラス基板（１１）　ｌ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。

０２１００％雰囲気 成膜温度　１５０℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力４００　Ｗ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」二に高純度のマグネトロン型ＲＦ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。ターゲラ１〜の単結
晶シリコンも５　Ｘ　１０１８ｃｍ−３以下の酸素濃度
、例えばＩ　Ｘ１０１８ｃｍ−”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℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力　４００Ｗ全圧力　０．
５Ｐａ とし、ターゲットは高純度Ｓｉターゲットを用いた。

この後、４５０〜７００℃１例えば６００℃の温度で１
０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−３ｉ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Ｓ［Ｍ
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８ＸＩＯ１８ｃＦ３、炭素
３　ＸＩＯ”ｃｍ−３であった。また水素は４　Ｘ　１
０２０ｃＦ３を有し、珪素の密度を４×１０２２ｃｍ−
３とすると、１原子９６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
　１０’　８ｃＦ３を基準として調べた。またこのＳＩ
ＭＳ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。なせなら表面
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８ＸＩＯ１８ｃｍ−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Ｎ２０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
２０ｃｍ−３，４Ｘ　１０２０ｃｍ−３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℃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、初めて結晶化がで
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℃以下好ましくは６００℃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℃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、装置からのリーク等により成膜
中の酸素濃度がＩ　Ｘ　１０２１０２Ｏ”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
かできない。

かくの如くにして７　Ｘ　１０１９ｃｍ−３以下の酸素
濃度であること、および熱処理温度が４５０〜７００℃
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℃下げることができた。

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。

電気特性を調べるため、以下に絶縁ゲイト型電解効果ｌ
・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−８ｉ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。

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℃ 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”
　ｃｍ−’）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。

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。

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。

酸素雰囲気１００％ 圧力０．５ｐａ。

成膜温度１００℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力４００Ｗ単結晶シリコン
のターゲットまたは合成石英のターゲット使用した。

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。

最後に真空蒸着によりアルミニウム電極（１６）を３０
０ｎｍ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、その後水素熱アニルを水素１
００％雰囲気中において３７５℃の温度で３０ｍ１ｎ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。

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。

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１００Ｘ１０
０μｍの大きさである。

以上が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）をマグネトロン型ＲＦスパッタ法
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
のて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−３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７×１０１９ｃｍ−３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−３を存して
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　Ｘｌ０１９ｃｍ−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））におけるキャリアの移動度μ（ＦＩＥＬ
Ｄ　ＭＯＢＩＬＩＴＹ）とスパッタ時における水素分圧
比比（ＰＨ／Ｐｔｏｔ＊＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の関
係をグラフ化したものである。

第２図におけるプロット点と実施例との対応量係を以下
に表１として示す。

表１ ＰＨ／ＰＴＯＴＡＬ％　　実施例番号 第２図によれば水素分圧か０％の時は酸素濃度か２Ｘ１
０”ｃＦ３もあるため、３　ｘｌＯ−’ｃｍ２Ｖ／ｓｅ
ｃときわめて小さく、また他方、本発明の如＜２０％以
上また酸素濃度７　Ｘｌ０１ｇｃｍ−３以下において顕
著に高い移動度２　ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上ｕ　（ＦＩＥ
ＬＤ　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。

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／ＰｔｏＴＡＬ＝Ｈ２／（Ｈ２＋Ａｒ））の関係
をグラフ化したものである。

水素分圧比（Ｐ＋＋／ＰｒｏｔＡＬ−Ｈ２／（Ｈ２＋Ａ
ｒ））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、すなわちゲイト電圧が低くてよいことになり
、デバイスとしての良好な特性が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８Ｖ
以下のノーマリオフの状態を得ることができる。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（本実施例で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
ザラマンスペクト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 （４１）　　　　　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−３ｉ
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
比が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
素の分圧比が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１００〜２００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ａ−３ｉ膜を熱結晶化させて初めて現れるものてあ
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。

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か低い場合、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）　μＣ（ＶＧ−ＶＴ）ＶＤ（Ｓｏｌｉ
ｄ、　５ｔａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、　Ｖｏｌ
、　２４．　Ｎｏ、　１１．　ｐｐ、　１０５９．１９
８１．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、ＶＣはゲ
ート電圧、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
たか、その他Ｈｅなどの他の不活性気体、ま】 たはＳｊＨ，，５１２Ｈｓ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。本実施例のマグネ）・ロン型ＲＦスパッタ法による
ａ−３ｉ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５００
１］ｚ〜１００ＧＨ７の範囲において、出力１００Ｗ〜
１０ＭＷの範囲で任意に選ぶことができ、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７Ｘ１０Ｉ９
ｃＦ３以下、好ましくはｌＸｌ０１９ｃｍ−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＋−、
（Ｑ＜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。

また前記他の反応性気体を上記の手段に応用してもよい
。

〔発明の効果〕

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かでき、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。

【図面の簡単な説明】

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
ランジシ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）・ （１６）・ （１７）・ （Ｓ）・ （Ｇ）・ （Ｄ）・ 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 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、水素または水素を２０％以上の量と８０％以下
   の量の不活性気体の雰囲気を用い、また酸素濃度５×１
   ０＾１＾８ｃｍ＾−＾３以下の濃度の半導体ターゲット
   を用いて基板上へスパッタ法による酸素濃度が７×１０
   ＾１＾９ｃｍ＾−＾３以下の量を含有するアモルファス
   半導体膜の成膜工程と、前記スパッタ法によって得たア
   モルファス半導体膜を４５０〜７００℃以下の温度で再
   結晶化させる工程とを有することを特徴とする半導体作
   製方法。
2. （２）、特許請求の範囲第１項において、再結晶化させ
   た半導体は格子歪を有し、かつ平均の結晶粒径が５〜４
   ００Åを有することを特徴とする半導体作製方法。