JPH021366B2 - - Google Patents

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、長尺化一次元フオ
トセンサや大面積化二次元フオトセンサ等の画像
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ミネツセンス材料
（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つて所定の
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。 嵌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
TFTの実効キヤリア移動度（effective carrier
mobility）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0.1cm²／Ｖ・sec程度であつ
て、単結晶シリコンで作成したMOS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、薄膜トランスに
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
亘つて作成する方法としては、 CVD（Chemical vapour Deposition）法、
LPCVD（Low Pressure Chemica Vapour
Deposition法、MBE（Molecular Beam
Epitaxy）法、IP（Ion Plating）法、GD（Glow
Discharge）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、これらの方法によつて作
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
状である。 本発明は上記の点に鑑み成されたものであり鋭
意検討の結果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又は半導体デバイスの性
能及び特性の安定性は、(1)多結晶シリコンの薄膜
中に含まれる水素原子の量(2)膜のエツチングが速
度と相関があることを見出した点に基いている。
即ち、形成された半導体層中に水素原子がある量
範囲でふくまれること、特定のエツチング液に対
するエツチング速度が、ある値以下であること
が、素子特性、μeff及び特性の経時的な安定性を
向上させ、実用上極めて優れた使用特性を示し、
デバイスとして設計した際にも各素子の特性上の
バラツキを実質的に解消し得、実用性を飛躍的に
実めることを見出したものである。 本発明の目的とするところは、素子特性、μeff
が従来の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に較べて飛躍的に向上してお
り、素子特性の経時的変化が実質的になく、極め
て優れた使用特性を示す半導体素子を提供するこ
とである。 本発明の半導体素子は3atomic％以下の水素原
子を含有し、且つ混合比が容量比で１：３：６の
弗酸（50vol％水溶液）：硝酸（ｄ＝1.38、60vol
％水溶液）：氷酢酸から成るエツチング液による
エツチング速度が20A゜／sec以下の特性を有する
多結晶シリコン薄膜半導体層でその主要部が構成
されている事を特徴とする。 又多結晶シリコン薄膜のＸ線回折パターン又は
電子線回折パターン（220）の回折強度が、全体
の回折強度に対して30％以上、或いは又、多結晶
シリコン薄膜の平均結晶粒径（平均グレインサイ
ズ）が、200A゜以上であるとされる事により、本
発明の目的がより一層効果的に達成される。 この様な、Ｈ含有量及び表面凹凸性を有する多
結晶シリコン薄膜を素材として作製される半導体
素子の一例としての電界効果薄膜トランジスタ
（FE−TFT）は、トランジスタ特性（実効キヤ
リアーモビリテイ、スレシユホールド電圧、
ON／OFFEl、gm等）が良好となり、連続動作
によるトランジスタ特性の経時変化もなく、かつ
素子の歩留り及び特性のバラツキの低下も著しく
向上させることが出来るためにLC、EL或いは
EC等を利用した表示或いは画像デバイス等の走
査回路や駆動回路を安定して提供することができ
る。 本発明においては、多結晶シリコン薄膜に含有
するるＨ量を0.01atomic％以上にすることによつ
て、種々のトランジスタ特性を向上させることが
出来る。多結晶シリコン薄膜に含有されるＨは、
主に多結晶シリコンのグレインパウダリーに存在
し、Si−Ｈの形でSi原子と結合しているが、Si＝
H₂、Si≡H₃の如き結合形態のものや遊離水素も
含んでいることが予想され、これ等不安定な状態
で含有されている水素に起因して、その特性の経
時的変化が生じているものと思われるが本発明者
らの多くの実験事実から3atomic％以下のＨ量に
おいては、トランジスタ特性の劣化等に経時変化
を起させることは、ほとんどなく、安定してその
特性を維持し得ることが観察されている。即ち、
例えば3atomic％を越えるＨ量では、上述したよ
うに連続的にトランジスタ動作を行つた場合、実
効キヤリアーモビリテイの減少が見られかつ出力
ドレイン電流が時間とともに減少し、スレツシユ
ホールド電圧が変化するという経時変化が観察さ
れた。本発明に於いてはＨ量は0.01〜3atomic％
とされるが、好適には0.5〜2atomic％、最適に
は、0.1〜1atomic％程度とするのが望ましい。 本発明に於いて規定する多結晶シリコン薄膜中
に含まれている水素量の測定は、0.1atomic％以
上は通常化学分析で用いられている水素分析計
（Perkin Elmer社製Model−240型元素分析計）
により行つた。いずれも試料は５mgを分析計ホル
ダー中に装填し水素重量を測定し、膜中に含まれ
る水素量をatomic％で算出した。 0.1atomic％以下の微小量分析は二次イオン質
量分析計−SIMS−（Cameca社製Model IMS−
3t）により行つた。この分析法に於いては通常の
方法を踏襲した。即ちチヤージアツプ防止のため
薄膜上に、200Å厚の金を蒸着し、一次イオンビ
ームのイオンエネルギーを8KＶとし、サンプ
ル電流５×10^-10A、スポツトサイズ50μｍ径とし
エツチング面積は250×250μｍとして、Si⁺に対す
るH⁺イオンの検出強度比を求め水素含有量を
atomic％で算出した。 従来多結晶シリコン薄膜は700℃以下の低温で
形成された場合には、TFTとしてμeff、安定性
など所望の性能が達成されていなかつたが前記３
項目水素量、エツチングレートを満足する膜であ
れば高性能TFTが提供可能であることが判明し
た。 先の画像読取装置や表示装置の走査回路部や駆
動回路部及び表部を構成するTFT素子の半導体
層として多結晶シリコン薄膜を形成する基板材料
と、安価な材料であるガラス、セラミツクスが望
ましい。本発明に係る多結晶シリコン薄膜は、こ
の要求を満たし工業的に従来より切望されている
TFTを提供するものである。 本発明において、開示されるように、特に水素
化シリコン化合物のガスのグロー放電分解法、
H₂雰囲気でのシリコンのスパツタリング法、イ
オンプレーテイング法、超高真空蒸着法において
は、基板表面温度が500℃以下（約350〜500℃の
範囲）で本発明の目的に合致しうる多結晶シリコ
ン薄膜の形成が可能である。この事実は、大面積
のデバイス用の大面積にわたる駆動回路や走査回
路の作製において、基板の均一加熱や安価な大面
積基板材料という点で有利であるだけでなく、透
過型の表示素子用の基板や基板側入射型の光電変
換受光素子の場合等画像デバイスの応用において
透光性のガラス基板が多く望まれており、この要
求に答えうるものとして重要である。 従つて、本発明によれば従来技術に較べて、低
温度領域をも実施することが出来る為に、従来法
で使用されている高融点ガラス、硬ガラス等の耐
熱性ガラス、耐熱性セラミツクス、サフアイヤ、
スピネル、シリコンウエーハー等の他に、一般の
低融点ガラス、耐熱性プラスチツクス、等も使用
され得る。 ガラス基板としては、軟化点温度が630℃の並
ガラス、軟化点が780℃の普通硬質ガラス、軟化
点温度が820℃の超硬質ガラス（JIS １級超硬質
ガラス）、等が挙げられる。 本発明の実施例に於いては基板ガラスとして軟
化点の低い並ガラス（ソーダガラス）のうち主と
してコーニング＃7059ガラスを用いたが、軟化点
が1500℃の石英ガラス等を基板としても可能であ
る。しかし、実用上からは、並ガラスを用いるこ
とは安価で大面積に亘つて薄膜トランジスターを
作製する上で有利である。 この様に形成される多結晶シリコン薄膜半導体
層中に含有される水素の量がその作成条件、作成
手順、作成法によつて種々変化するものであるが
多結晶シリコン薄膜中に含まれる水素量と半導体
素子の一例としてのTFTの特性の関係を明らか
にする為、種々な作成条件によつて形成した多結
晶シリコン薄膜中に含有される水素の量を測定
し、かつ水素量の異なるサンプルの各々を半導体
層としたTFTを作成して検討した結果薄膜中の
水素量は3atomic％〜0.01atomic％が特に好まし
いことが判明した。 本発明の半導体素子の主要部を構成する多結晶
シリコン薄膜半導体層のＸ線回折又は電子線回折
パターンにおいて面指数（220）面からの回折強
度が全ての面指数からの回折強度（全回折強度）
の30％以上であり、又、平均結晶粒径が200Å以
上とされることにより、本発明の目的が一層効果
的に達成される。 本発明者等によれば多結晶シリコン薄膜中に含
有される水素の量は膜形成法及び膜作成条件によ
り大幅に変ることが確められている。例えばシラ
ンのグロー放電によつて膜を作成する場合には、
放電パワー、圧力、基板温度、ガス流量、シラン
等の原料ガスの稀釈度及び稀釈ガス種などにより
膜中に含まれる水素量は種々変化する。 次に、多結晶シリコン薄膜のエツチング速度
（エツチングレート）とTFTの特性との相関につ
いて詳細にのべる。 本発明の半導体素子の主要部を構成する多結晶
シリコン薄膜の評価としての膜のエツチング速度
は膜質や膜の緻密性を現わす重要な測定量である
ことが本発明者等によつて確められた。 本発明に於けるエツチングレートを規定するの
に用いられたエツチング液としてはシリコン結晶
の代表的エツチング液である。 弗酸、硝酸、酢酸の混合液を用いた。その混合
液は弗酸（50vol％水溶液）、硝酸（ｄ＝1.38、
60vol％水溶液）、氷酢酸から構成され、それ等の
組成比が１：３：６であつて、ρ＝0.3Ω・cmの
シリコンウエハーをエツチングした際のエツチン
グレートを求めると15Å／secであつた（但し、
エツチング温度は25℃）。上記の酸は、電子工業
用薬品として通常市販されているもので容易に入
手可能である。 多結晶シリコン薄膜のエツチングレートは膜作
成条件により種々変ることが知られており上記エ
ツチング組成液では15Å／sec〜80Å／secに亘つ
て変ることが本発明者等で確められた。そこでエ
ツチングレートの異る種々な多結晶シリコン薄膜
を半導体層としてTFTを作成し、エツチングレ
ートとの相関を調べたところ、TFT特性として
好ましい膜のエツチングレートは20Å／sec以下
のものであることが判明した。 多結晶シリコン薄膜の結晶性には、膜作成法、
膜作成条件によつて種々のものが得られることが
知られている。 本発明に於いては配向性を調べる方法としては
Ｘ線回折、電子線回折、で行つた。 作成した各多結晶シリコン膜のＸ線回折強度を
Rigaku電機製Ｘ線デイフラクトメーター（銅管
球35kV10ｍＡ）により測定し、比較を行つた。
回折角2θは20゜〜60゜まで変化させて（111）、
（220）、（311）の回折ピークを検出してその回折
強度より求め比を取つて指標とした。又、併行し
て電子線回折強度を日本電子製顕微鏡（JEM−
100U）の電子線回折パターンの回折強度の違い
より読みとり、その回折強度の比を求めた。 ASTMカード（No.27−1402、JCPDS1977）に
よれば、配向の全くない多結晶シリコン薄膜の場
合回折強度の大きい面（ｈ、ｋ、ｌ）表示で
（111）：（220）：（311）＝100：55：30で、（220）
だ
け取り出してみると全回折強度に対する比、すな
わち、 （220）の回折強度／（総回折強度）は約
（55／250）×100＝22％である。 この値を基準にして、この値の大きな配向性の
良いもの、殊に30％以上の値をもつものが更に良
好なトランジスタ特性を示し、30％未満において
は、経時変化が大きくなり好ましくない、本発明
に於いて最適には50％以上が望しい。 又更に、多結晶シリコン薄膜のＨ量及び表面凹
凸性を満足しかつ平均結晶粒径（平均的グレイン
サイズ）が大きくなるにつれてトランジスタ特性
特に実効キヤリアモビリテイの向上することが認
められた。平均的グレインサイズの値は、上述の
Ｘ線回折パターンの（220）ピークの半値字巾か
ら通常の用いられているScherrer法によつて求め
た。平均的グレインサイズが、220Å以上で特に
実効キヤリアモビリテイが向上する。特に最適に
は、300Å以上が望しい。 本発明では上記した様に3.000Å〜1μ程度の膜
厚の場合には、この程度の厚さでの情報が適格に
得られる。Ｘ線回折の回折ピークの半値巾より上
記多結晶シリコン薄膜のグレインサイズを求めた
が、又、同時に3000Å以下の膜厚のものについて
は透過電子顕微鏡によつても調べた。 次に本発明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図に従つて説明す
る。TFTは半導体層１０１、電極層１０７、オ
ーミツクコンタクト層１０３，１０４、絶縁層４
０５からなる電界効果トランジスタで、半導体層
１０１に隣接しオーミツクなコンタクトが形成さ
れているソース電極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層１
０５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(g)に
構造が示される）。まず基板１００の洗浄を行つ
た後、多結晶シリコン薄膜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。その後オーミツク層として
n⁺（Ｐ−doped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１０５をその上に堆積させる〔工
程(a)〕。絶縁層は、CVD、LPCVDで形成される
シリコンナイトライドSiO₂、Al₂O₃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をあけて〔工程(e)〕て、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
ような方法によつて行つた。 次２図に示す構造のTFTを作製しゲート２０
１にゲート電圧、V_D＝40V、ソース２０３とド
レイン２０２間にドレイン電圧、V_D＝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I_Dをエレクトロメーター２０８（Keithley
610C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。 TFTの閾値電圧は、MOSFETで通常行われて
いるV_D−√_D曲線における直線部分を外挿し横軸
と交差した点によつて定義した。経時変化前と後
のV_TH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TFTを
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（0.5mm厚）を用いた。 先ず基板３００を洗浄した後HF／HNO₃／
CH₃COOHの混合液でその表面を軽くエツチン
グし、乾燥した後真空ベルジヤー推積室３０１内
のアノード側においた基板加熱ホルダー（面積
452cm²）３０２に装着した。 その後ベルジヤー３０１を拡散ポンプ３０９で
バツクグランド真空度2.0×10^-6Torr以下まで排
気を行なつた。この時、この真空度が低いと反応
性ガスが有効に膜析出に働かないばかりか膜中に
Ｏ、Ｎが混入し、著しく膜の抵抗を変化させるの
で注意を要した。次にT_s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３０
３で監視する）。次に、H₂ガスをマスフローコン
トローラー３０８で制御しながらベルジヤー３０
１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
T_sは350℃に設定した。放電時のベルジヤー３０
１内の圧力はTorrに保持した。 該実施例においては、導入する反応性気体とし
ては取扱いの容易なH₂ガスで3vol％に稀釈した
SiH₄ガス（SiH₄(3)／H₂と略記する）を用いた。
ガス流量は5SCCMになるようにマスフローコン
トローラー３０４でコントロールして導入した。
ベルジヤー３０１内の圧力はベルジヤー３０１の
排気側の圧力調整バルブ３１０を調節し、絶体圧
力計３１２を用いて所望の圧力に設定した。ベル
ジヤー３０１内の圧力が安定した後、カソード電
極３１３に13.56MHzの高周波電果を電源３１４
によつて加え、グロー放電を開始させた。この時
の電圧は0.7KV、電流は60ｍＡ、RF放電パワー
は20Wであつた。この条件で、放電を60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180℃まで下げて保持して次のプロセスに備
えた。 この条件下でのシリコンの膜析出速度は0.9
Å／secであつた。形成された膜の膜厚は3000Å
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％内に取つていた。 又、この多結晶シリコン膜はｎ型で、抵抗値は
〜10⁷Ω・cmであつた。次にこの膜を使つて、第
１図に示す工程に従つて薄膜トランジスタ
（TFT）を作成した。TFTのソース・ドレイン
のオーミツクコンタクトを良好にせしめるために
基板温度は180゜に保つた状態でn⁺シリコン層の形
成を次のようにして行なつた。水素ガスで100vol
ppmに稀釈されたPH₃ガス（PH₃（100ppm）／
H₂と略記する）をH₂で10vol％に稀釈された
SiH₄（SiH₄(10)／H₂と略記する）ガスに対して、
mol比にして５×10^-3の割合でベルジヤー３０１
内に流入させ、ベルジヤー３０１内の圧力を
0.12Torrに調整してグロー放電を行ないＰのド
ープされたn⁺層１０２を500Å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
オトエツチングによりAl及びn⁺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
べくベルジヤー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
結晶シリコンを作製する場合と同様にベルジヤー
３０１が排気され、基板温度T₃を250℃として
NH₃ガスを20SCCM、SiH₄（SiH₄(10)／H₂）ガス
を5SCCM導入してグロー放電を生起させて
SiNH膜１０５を2500Åの厚さに推積させた。 次にフオトエツチング工程によりソース電極１
０３、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SiNH
膜１０５全面にAl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Al電極膜
１０７を加工してソース電極用取出し電極１０
８、ドレイン電極用取出し電極１０９及びゲート
電極１０１を形成した。この後、H₂雰囲気中で
250℃の熱処理を行つた。以上の条件とプロセス
に従つて形成されたTFT（チヤンネル長Ｌ＝20μ、
チヤンネル幅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TFTの特性例
を示す。第４図にはドレイン電流I_Dとドレイン電
圧V_Dの関係をゲート電圧V_Gをパラメータにした
TFT特性例が示されてある。ゲートのスレツシ
ヨールド電圧は5Vと低く、V_G＝20VでのV_G＝０
の電流値の比は３ケタ以上とされている。TFT
の作成に用いた多結晶シリコン薄膜の水素量を前
記の方法で測定した結果及び、該多結晶シリコン
薄膜のフツ酸、硝酸、氷酢酸の混合液（混合比、
フツ酸：硝酸：氷酢酸＝１：３：６）によるエツ
チング速度を調べた結果を第１表に示した。基板
温度Tsは該実施例500℃と450℃400℃について基
板温度のみ変化させ、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
用いて作成したTFTの実効易動度（μeff）も同
じに表に示した。基板温度が高いTs＝500℃の膜
は膜中の水素の量0.5atomic％と小さくてかつエ
ツチング速度が15Å／secと小さく、この膜を用
いて作成したTFTのμeffは８cm²／v.secで経時変
化の全くない良好な特性が得られた。 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
つて、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つて自
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TFT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。

【表】 実施例 ２ 実施例１と同様の手順によつて、多結晶シリコ
ン膜をグロー放電分解の基板温度Tsを400、450、
500℃と変化させ、RF放電パワー50W、及びシラ
ンガス（SiH₄(3)／H₂）流量を10SCCM、圧力を
0.05Torrと一定にして形成した後に、それを素
材として作成したTFTの特性（μeff）と素材の
水素量、エツチング速度、及び配向性の関係につ
いて第２表に示した。

【表】 実施例 ３ 実施例１と同様の手順によつて、多結晶シリコ
ン膜をグロー放電分解の基板温度Tsを400、450、
500℃と変化させ、放電パワー100W及びシランガ
ス（SiH₄(3)／H₂）流量を10SCCM、圧力を
0.05Torrと一定にして形成した後にそれを素材
として作成したTFTの特性（μ_eff）と素材の水素
量、エツチング速度、及び配向性の関係について
第３表に示した。

【表】 上記のトランジスタの特性は、基板温度が500
℃の場合（試料No.３−３）μ_eff＝5.5で経時変化の
ない良好な特性であつた。 実施例 ４ 実施例１と同様に準備された同等のコーニング
ガラス基板３００をベルジヤー３０１内の上部ア
ノード側の基板加熱ホルダー３０２に密着して固
定し、下部カソード３１３の電極板上に基板と対
向するように多結晶シリコン板（図示しない：
99.99％）を静置した。ベルジヤー３０１を拡散
ポンプ３０９で真空状態とし、２×10^-6Torrま
で排気し、基板加熱ホルダー３０２を加熱して基
板３００の表面温度を450℃に保つた。続いて高
純度H₂ガスをマスフローメーター３０８によつ
て0.5SCCMベルジヤー内に導入し、更にAr／He
（容量比で５／95比）混合ガスをマスフローメー
ター３０７によつて50SCCMの流量でベルジヤー
３０１内に導入し、メインバルブ３１０を絞つて
ベルジヤー内圧を0.05Torrに設定した。 ベルジヤー内圧が安定してから、下部カソード
電極３１３に13.56MHzの高周波電源３１４によ
によつて、1.5VK印加してカソード３１２上の結
晶シリコン板とアノード（基板加熱ホルダー）３
０２間にグロー放電を生起させた。RF放電パワ
ー（進行波−反射波）は120であつた。この条件
でシリコン膜の成長速度は0.2Å／secであり、４
時間成長させて約0.3μ膜を形成した。 シリコン層中に含有するＨ量は0.5、エツチン
グ速度は19Å／secであつた。 続いて実施例１と同様の工程（(a)〜(g)）によつ
てTFTを作製した。この素子の実効モビリテイ
ーは、1.0（cm²／v.sec）であり、V_G＝40V、V_D＝
40Vの条件でI_D及びV_thの変化を測定したが、500
時間でI_Dは0.1％以下、V_thは全く不変であり、経
時のDC動作特性は良好であつた。 実施例 ５ 実施例１と同様に準備されたコーニング7059ガ
ラス基板５００を２×10^-11Torrまで減圧される
超高真空槽５０１内の基板ホルダー５０２に装填
し真空槽内の圧力が５×10^-11Torr以下の圧力に
まで減圧した後、タンタルヒーター５０３により
基板温度を350℃に設定した（第５図参照）。つづ
いて電子銃５０４を8KVの加速電圧で動作させ、
発射する電子ビームをシリコン蒸発体４０５に照
射させ、シリコン蒸発体を蒸発させ、つづいてシ
ヤツター５０７を開き、基板５００に膜厚0.5μ厚
になるよう水晶振動子膜厚計５０６でコントロー
ルし、多結晶シリコン膜を形成した。このときの
蒸着中の圧力は１×10^-9Torr、蒸着速度は1.4
Å／secであつた（試料No.５−１）。 他方、洗滌したコーニング7059ガラス基板を再
び基板ホルダー５０２に固定し、真空槽５０１内
の圧力が５×10^-11Torr以下の圧力まで減圧した
後、高純度水素ガス（99.9999％）をバリアブル
リークバルブ５０８により真空槽内に導入し、槽
５０１内圧力を５×10^-11Torrに設定した。基板
温度を400℃に設定し、蒸着速度を1.0Å／secに
なるように電子銃５０４をコントロールし0.5μ厚
の多結晶シリコン薄膜を形成した（試料No.５−
２）。 試料No.５−１、No.５−２について各々の水素
量、エツチング速度、配向性、及び実施例１と同
様のプロセスによつて作成したTFTの実効移動
度μ_effを表４に示した。

【表】 表４からわかるように試料No.５−１、５−２と
もにエツチング速度、配向性はほぼ同一値を示
し、良好であつた。実効移動度（μ_eff）は１桁以
上試料No.５−２は試料No.５−１に比べ大きく、
TFT用の半導体層として試料No.５−２の薄膜の
方がより好ましいことが判つた。 実施例 ６ 本発明第６図に示すイオンプレーテイング堆積
装置を用いて多結晶シリコン薄膜を作製し、該薄
膜を素材として薄膜トランジスターを作製した例
を以下に述べる。 初めに減圧しうる堆積室６０３内にnon−dope
多結晶シリコンのシリコン蒸発体６０６をボード
２０７内に置き、コーニング＃7059基板を支持体
に設置し、堆積室内をベースプレツシヤーが約１
×10^-7Torrになるまで排気した後、ガス導入管
５０５を通じて純度99.999％のH₂ガスを水素分
圧P_Hが１×10^-4Torrになる様にして堆積室内に
導入した。使用したガス導入管５０５は内径２mm
で、先のループ状の部分にガス吹き出し口が２cm
間隔で0.5mmの孔が開いているものを使用した。 次に、高周波コイル６１０（直径５mm）に
13.56MHzの高周波を印加して、出力を100Wに設
定して、コイル内部分に高周波プラズマ雰囲気を
形成した。 他方、支持体６１１−１，６１１−２は回転さ
せながら、加熱装置６１２を動作状態にして約
475℃に加熱しておいた。 次に、蒸発体６０６にエレクトロガン６０８よ
り照射し、加熱したシリコン粒子を飛翔させた。
このときのエレクトロガンのパワーは約0.5KW
であつた。 この様にして50分間で5000Åの多結晶シリコン
薄膜が形成された。 この薄膜を用いて前記の実施例と同様なプロセ
スで薄膜トランジスターを作製した。下表に本実
施例における膜中に含まれる水素量及び膜のエツ
チング速度、薄膜トランジスタの実効移動度を示
した。同時に、水素分圧が４×10^-4Torrの場合
と水素を導入しないで膜で形成した場合について
のデータも示した。

【表】 P_H2＝１×10^-4Torrの水素分圧で膜を形成した
トランジスタでは、ドレイン電圧V_D、ゲート電
圧V_Gを40Vで連続印加後の電流変化（経時変化）
が全くなく、移動度も2.4と大きく良好なトラン
ジスタ特性を示した。それに対し水素量の多い場
合は経時変化が大きく、水素の少ない場合は移動
度が小さいという結果を得た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体素子を作製するため
の工程を説明する模式的工程図、第２図は本発明
の半導体素子の特性を測定する為の回路を模式的
に示した説明図、第３図、第５図、第６図は各々
本発明に係わる半導体膜作製装置の例を説明する
為の模式的説明図、第４図は本発明の半導体素子
のV_D−I_D特性の一例を示す説明図である。 １００……基板、１０１……半導体層、１０２
……電極層、１０５……絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 3atomic％以下の水素原子を含有し、且つ混
   合比が容量比で１：３：６の弗酸（50vol％水溶
   液）：硝酸（ｄ＝1.38、60vol％水溶液）：氷酢酸
   から成るエツチング液によるエツチング速度が
   20A゜／sec以下の特性を有する多結晶シリコン薄
   膜半導体層でその主要部が構成されている事を特
   徴とする半導体素子。 ２ 前記半導体層のＸ線回折パターン又は電子線
   回折パターンによる（220）の回折強度の全回折
   強度に対する割合が30％以上である特許請求の範
   囲第１項記載の半導体素子。 ３ 前記半導体層の平均結晶粒径が200A゜以上で
   ある特許請求の範囲第１項に記載の半導体素子。 ４ 前記半導体層がガラス製基板に形成されてあ
   る特許請求の範囲第１項に記載の半導体素子。