JPH01766A

JPH01766A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH01766A
Application number: JP63-69169A
Authority: JP
Inventors: 茂白井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1988-03-23
Publication date: 1989-01-05

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】［産業上の利用分野］本発明は、電界効果トランジスタ等の半導体装置に関し
、更に詳しくは、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装置に関する。

［従来技術及びその問題点］最近、長尺化された一次元フオドセンサや大面積化され
た二次元フォトセンサ等の画像読取り装置の走査回路部
、あるいは液晶（以下ＬＣと記す）や電界発光（以下Ｅ
Ｌと記す）やエレクトロクロミー材料（以下ＥＣと記す
）を利用した画像表示デバイスの駆動回路部の大型化に
伴い、所定の基板上に形成されたシリコン薄膜を素材と
して、これらを形成することが提案されている。シリコ
ン薄膜としては、水素化シリコン非晶質薄膜や多結晶シ
リコン薄膜の検討が試られている。しかし、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が
要請する実効キャリア移動度（以下μｏｆｆと記す）が
約５０〜１０００ｃ　ｍ”　／　Ｖ・ＳｅＣ程度なのに
対して、非晶質シリコン薄膜ではμｅｆｆが約０．１ｃ
ｒｒ？／Ｖ−ｓｅｃ程度と小さいため、上記回路部を構
成するには必ずしも適当とはいえなかった。一方、多結
晶シリコンＩ＆［は非晶質シリコン薄膜に比べてμａｆ
’ｆは大きいが、まだ不充分であり、大面積の均一な膜
が得られない等の欠点があった。

多結晶シリコンにおいて上記の欠点が生じる原因として
、粒界に欠陥準位密度が１０１８ｃ　ｍ””程度存在し
ていることが挙げられ、このような欠陥が存在すると次
の問題が生ずる。

０粒界の欠陥準位はチャンネルの形成を阻害し、その結
果閾値電圧が高くなる。

■また、粒界の欠陥準位及びポテンシャル障壁はキャリ
アの輸送を阻害し、電界効果穆勅度を減少させてしまう
。

従来は、粒界の欠陥準位密度を減少させるために、水素
プラズマ処理を行う方法や、レーザー、電子線等による
アニールを行って結晶粒径の拡大を図り粒界を減少させ
る方法等が試られている（ＩＥＥＥ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ
　ＤＥＶＩＣＥ　ＬＥＴＴＥＲ５，ＶＯＬ、ＥＤＬ−１
゜Ｎｏ、８．　Ｐ、１５９．　ＡＵＧＬＩＳＴ、　１９
８０　　Ｔ、１．ＫＡＭＩＮＳｅｔｃ、）。

しかしながら、水素プラズマ処理だけでは粒界の欠陥準
位密度を十分減少させることは困難な状況にある。また
、レーザーアニールによっても界面準位の叱りを十分に
減少させることは難しく、特に、大面積で薄膜トランジ
スタを形成する場合、その特性を均一化することは困難
である。

一方、気相中で異なるラジカルを会合、反応させ比較的
低温に保たれた基板上に多結晶シリコンを堆積させる方
法も提案されている（特開昭６２−４０７１７号公報）
。この方法では、堆積と平行して膜中に適量の水素を含
有させることが可能であり、粒界の欠陥を水素によって
均一に補償し得る。

しかし、膜中の水素は同時に膜中の応力を増加させ、成
膜過程で、また、薄膜トランジスタの形成プロセスにお
いて剥離してしまう場合がある。

本発明は、上記の事情に基きなされたものであり、その
目的は、半導体装置において、多結晶シリコンからなる
半導体層が十分な電気的特性と密着性を備えている半導
体装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］本発明は、半導体装置において、所定の基板上に多結晶
シリコンからなる半導体層を有し、当該半導体層が多結
晶シリコンの粒界近傍に水素及びフッ素を含有し、前記
水素及び前記フッ素の濃度のいずれか一方が前記半導体
層の層厚方向に分布していることを特徴とする半導体装
置であることに要旨が存在する。

［作用］通常、多結晶シリコンの粒界には多数のダングリングボ
ンドが存在し、キャリアの輸送に多大な影響を与えるが
、水素やフッ素を結合させると欠陥としての働きが失わ
れ、電気的な特性が大幅に改善されル（ＵＳ、Ｐ、４２
１７３７４）　、しかしながら、過剰な水素やフッ素の
存在は膜の内部応力を増大させたり耐熱性を低下させて
しまう。特に、成膜過程において水素及びフッ素を含有
させる場合、過剰な水素やフッ素の存在によって内部応
力の増大と共に膜が剥離したり、結晶成長を阻害する等
の悪影響が生じることになる。また、成膜過程の初期と
後期では結晶性が異なり、粒界並びに粒界に存在する欠
陥の濃度が異なることも考慮して水素並びにフッ素の含
有量を膜厚方向に注意深く制御しなければならない。

一方、シリコンとフッ素の結合エネルギーはシリコンと
水素の結合エネルギーに比べて大きいため、フッ素を含
有させることによって生じる電気的特性への影響は水素
に比べて小さく、または耐熱性の面でも優れている。

しかしながら、水素原子に比べてフッ素原子は原子半径
が大きく、多量に含有させた場合、膜の内部応力を増大
させたり、結晶性を損う結果となってしまう。

本発明は、半導体に水素とフッ素を同時に含有させ、水
素濃度を層厚方向で分布させることにより、粒界近傍に
存在する欠陥を半導体層全層にわたって低減し、同時に
基板との密着性を増大させることを、多結晶シリコン膜
の表面性や結晶成長を損うことなく可能としている。

すなわち、前述のように、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）　、Ｌ　Ｐ　
ＣＶ　Ｄ法（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）、あるい
はＰＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａ
ｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等で多結晶シリコン薄
膜を形成する場合、成膜初期と後期では結晶性が異なり
、一般に成膜初期において粒界が多い。従って、成膜初
期はど欠陥密度が大台く、成膜後期はど粒界の減少に伴
フて欠陥密度も減少するため、膜中の一欠陥密度を低減
しようとすると基板側はど多くの水素又はフッ素を含有
させる必要がある。

本発明者は、種々の実験を行った結果、水素又はフッ素
あるいは両者の含有量を基板側に多く、層厚方向に減少
させることができ、それによって欠陥密度を極端に減少
させることができることを見出した。しかも、膜の基板
側の反対側では水素又はフッ素あるいは両者の含有量を
減少させることで、結晶性を損うことがなく、また、電
気的特性を悪化させることもない。

多結晶シリコン膜中の水素及びフッ素の含有量は、膜全
体の堆積に対して粒界が占める比率によって異なるが、
本発明においては、多結晶シリコン膜の電気的特性、結
晶性及び表面性に影響を与えないようにＩＩＪａｌされ
ている。水素の濃度は、多結晶シリコン膜全体での割合
、すなわち、［Ｈ］　　／　　（［ｓ　　ｉｌ　　＋　
［Ｈコ　＋　［Ｆ］　）の表示で、好適にはｌＸｌ０−
’原子比以下、最適には５Ｘ１０−２原子比以下が望ま
しく、下限値としては、好適には５Ｘ１０−’原子比以
上、最適には５Ｘ１０−’原子比以上が望ましい。フッ
素の濃度については、［Ｆ］／　（［ｓｉ］　＋　［Ｈ］　＋　［Ｆ］　）の
表示で、上限値は好適には５Ｘ１０−２原子比以下、最
適にはｌＸ１０−２原子比以下にすることが望ましく、
下限値は好適にはｔｘｔｏ−’原子比以上、最適にはｌ
Ｘｌ０−’原子比以上が望ましい。

上記の濃度の場合、水素及びフッ素が粒界に偏析し、十
分に欠陥準位を補償するからである。

また、電気的特性を更に改善するには、膜中における５
ｉ−Ｈ結合に比べてＳ　１−Ｈ２結合を少なくすること
が望ましい。これは、５１−Ｍ結合の量を５Ｌ−Ｈ２結
合の量に比べて多くすることにより結晶性を良くし、キ
ャリアの移動度を増大させることができるからである。

これを実現する具体的条件としては、半導体層の赤外吸
収スペクトルにおいて５ｉ−Ｈ結合を反映する２０００
ｃｍ””におけるピークと５Ｌ−Ｈｚ結合を反映する２
１００ｃｍ”におけるピークとの比（２０００ｃｍ−’
のピークの値／２１００Ｃｍ−’のピークの値）が１以
下になることが好ましい。

多結晶シリコン薄膜の粒界近傍に水素及びフッ素を含有
させる方法としては、多結晶シリコン薄膜形成後、水素
又はフッ素を主体とするガスのプラズマ雰囲気中で熱処
理する方法がある。すなわち、基板温度１００〜５００
℃でガス圧力１Ｏ−５Ｔｏ　ｒ　ｒ〜ｌ　ＯＴｏ　ｒ　
ｒ、高周波電力１０−３〜１０２Ｗ／ｒｒ？、高周波周
波数５〜５０ＧＨ２のもとでプラズマを発生させる。こ
の時ガスは主として水素（Ｈ２）、フッ素（Ｆ２）を用
いるが、Ａ　ｒ　％　Ｈｅ　％　Ｎ　ｅ等の不活性ガス
を加えてもよい。

例えば、基板上に多結晶シリコンを形成した後、フッ素
プラズマ中で処理を行う。その後、さらに水素プラズマ
中で処理を行い、薄膜中にフッ素並びに水素を含有させ
る。次に、ルビーレーザーやエキシマレーザ−等によっ
て、基板と反対側を約１００〜１０００人の深さでアニ
ーリングする。この時レーザー照射した領域は溶融して
も溶融しなくてもよいが、溶融した方が結晶粒径は拡大
する。ただし、レーザー照射した領域における水素並び
にフッ素はレーザー照射によって薄膜中より放出される
が、レーザー照射によって溶融した場合、水素並びにフ
ッ素の含有量は極端に減少してしまう。従って、レーザ
ーアニール後、再びフッ素プラズマ処理、又は水素プラ
ズマ処理、又は水素とフッ素の両者を用いたプラズマ処
理を行う。この時のフッ素又は水素あるいは両者のプラ
ズマ処理の条件は、レーザーアニール前に行ったフッ素
プラズマ処理の条件と同じでもよいが、好ましくは、基
、板温度は１００〜３００’Ｃ、ガス圧力は１０−５〜
１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ、高周波電力は１０−３〜ＩＷ／
ｒｎ’である。以上に述べた方法、比較的粒界が少なく
、したがって欠陥密度の低い、また表面近傍においては
フッ素含有量が少ない多結晶シリコン薄膜が得られる。

また、多結晶シリコン薄膜の形成時に、水素並びにフッ
素を含有させる場合も同等の効果を有する。

多結晶シリコン薄膜の形成法としては、プラズマＣＶＤ
法、スパッタリング法、イオンブレーティング法などが
あるが、ここでは、気相中で異なるラジカルを会合、反
応させ比較的低温に保たれた基板上に成膜する方法を例
に説明する。

すなわち、基板上に堆積膜を形成する為の成膜空間内に
、ケイ素とハロゲンを含む化合物を分解することにより
生成される活性種（Ａ）と、該活性種（Ａ）と化学的相
互作用をする、成膜用の化学物質より生成される活性種
（Ｂ）とをそれぞれ別々に導入し、相互的に化学反応さ
せる事によって前記基板上に堆積膜を形成するにあたっ
て、該堆積膜に対して水素を含有させる作用を有するガ
ス又はその分解物を供給すると共に、前記水素を含有さ
せる作用を有するガス又はその分解物に光エネルギーを
照射して前記堆積膜に対し水素が含有される効率を増大
せしめる。

さらに、前記水素を含有させる作用を有するガス又はそ
の分解物の流量又は、前記光エネルギーの量を変化させ
ることで前記堆積膜中に含有させる水素の量を制御する
ことが可能となる。

本発明において、活性化空間（Ａ）に導入されるケイ素
とハロゲンを含む化合物としては、例えば鎮状又は環状
シラン化合物の水素原子の一部乃至全部をハロゲン原子
で置換した化合物が用いられ、具体的には、例えば、Ｓ
　１　ｕ　Ｙ　２ｕ＋２　（ｕは１以上の整数、ＹはＦ
、ＣＩＬ、Ｂｒ及び■より選択される少なくとも一種の
元素である）で示される鎮状ハロゲン化ケイ素、Ｓ　ｉ
ｖ　Ｙ２Ｖ　（ｖは３以上の整数、Ｙは前記と同じ）で
示される環状ハロゲン化ケイ素、Ｓ　１　ｕ　ＨＸ　Ｙ
ｙ　　（ｕ及びｙは上記と同じ。ｘ＋ｙ＝２ｕ又は２ｕ
＋２である）で示さねる鎮状又は環状化合物などが挙げ
られる。

具体的には、例えばＳｉＦ４．（ＳｉＦ２）ｓ。

（ＳｉＦ２）ａ、（ＳｉＦ２）４，５ｉ２Ｆｅ。

５１３Ｆａ、ＳｉＨＦ３．ＳｉＨ２Ｆ２＋５ｉＣＪｌｔ
４．（ＳｉＣＡ２）５．ＳｉＢｒ４゜（ＳｉＢｒ２）５
，５ｉ２Ｃｆ１６，５ｔ２Ｂｒａ。

５ｉＨＣｎ３　、ＳｉＨ３ＣＡ、５ｆＨ２Ｃ１１２゜５
ｉＨＢｒ３，５ｉＨＩ３．５ｉ２Ｃｆ１３　Ｆ３等のガ
ス状態又は容易にガス化し得るものが挙げられる。

活性種（Ａ）を生成させるためには、前記ケイ素とハロ
ゲンを含む化合物に加えて、必要に応じてケイ素単体等
他のケイ素化合物、水素、ハロゲン化合物（例えばＦ２
ガス、Ｃλ２ガス、ガス化したＢｒ２、■２等）などを
併用することができる。

上述したものに、活性化空間（Ａ）で熱、光、電気など
の励起エネルギーを加えることにより、活性種（Ａ）が
生成される。

本発明において、活性化空間（Ａ）で活性種（Ａ）を生
成させるエネルギーとしては、各々の条件及び装置を考
慮して、マイクロ波、ＲＦ、低周波、ＤＣ等の電気エネ
ルギーやヒータ加熱、赤外線加熱等による熱エネルギー
や光エネルギーなどの活性化エネルギーが使用される。

本発明の方法で用いられる活性化空間（Ｂ）において、
活性種（Ｂ）を生成させる前記成膜用の化学物質として
は、水素ガス及び／又はハロゲン化合物（例えばＦ２ガ
ス、Ｃ，Ｑ２ガス、ガス化したＢｒ２．Ｉ２等）が有利
に用いられる。また、これらの成膜用の化学物質に加え
て、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｎｅ等の不活性ガスを用いるこ
ともできる。これらの成膜用の化学物質のうち複数を用
いる場合には、あらかじめ混合して活性化空間（Ｂ）内
にガス状態で導入してもよいし、あるいはそれぞれ独立
した供給源から各々個別に、活性化空間（Ｂ）にガス状
態で導入してもよいし、また、それぞれ独立の活性化空
間に導入してそれぞれ個別に活性化してもよい。

本発明において、成膜空間に導入される前記活性種（Ａ
）と前記活性ｆｆｆｉ（Ｂ）との量の割合は、成膜条件
、活性種の種類等に従って適宜決められるが、好ましく
は１０：１〜１：１０（導入流量比）が適当であり、よ
り好ましくは８：２〜４：６とされるのが望ましい。

ハロゲンを成分として含む化合物は、ガス状態で直接成
膜空間内に導入してもよいし、あるいは、あらかじめ活
性化空間（Ａ）乃至は活性化空間（Ｂ）、又は第３の活
性化空間（Ｃ）で活性化し、その後成膜空間に導入する
こともできる。

また、水素を含有させる作用を有するガス又は活性種と
しては、水素ガス（Ｆ２）や、水素ラジカル（Ｈ）が有
利に用いられるが、ざらにＦ２やＨに加えてＨｅ、Ａｒ
、Ｎｅ等の不活性ガスを用いることもできる。

また、フッ素を含有させる作用を有するガス又は活性種
としては、フッ素ガス（Ｆ２）や、ＣＨＦ３．ＣＦ４．
Ｃ２Ｆ６．ＣＢｒＦ３゜Ｃ（１：Ｊ２□Ｆ２　、ＣＣｆ
１３Ｆ、ＣＣＪ２Ｆ３　。

Ｃ２（１！２Ｆ４等のフッ化炭素、ＢＦ３のようなフッ
化ホウ素をはじめとするＳＦ６．ＮＦ、。

ＰＦ、等のフッ化物、さらにこれらのガスによるフッ素
ラジカル（Ｆ″）、ＣＦ”のようなイオンが用いられる
。

また、前記の方法により形成される堆積膜は、成膜中又
は成膜後に不純物元素でドーピングすることが可能であ
る。使用する不純物元素としては、ｐ型不純物としては
、例えば、Ｂ、ＡＩ！、。

Ｇａ、Ｉｎ、ＴＪ２等の周期律表第３族Ｂの元素が好適
なものとして挙げられ、ｎ型不純物としては、例えばＰ
、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等の周期律表第５族Ｂの元素が好適
なものとして挙げられるが、これらのうち、特にＢ、Ｇ
ａ、Ｐ、Ｓｂ等が最適である。ドーピングされる不純物
の量は、所望される電気的・光学的特性に応じて適宜決
定される。

かかる不純物元素を成分として含む物質（不純物導入用
物質）としては、常温常圧でガス状態であるか、あるい
は少なくとも活性化条件下で気体であり、適宜の気化装
置で容易に気化し得る化合物を選択するものが好ましい
。この様な化合物としては、ＰＨ３，Ｆ２　Ｈ４、ＰＦ
３　、ＰＦａ　。

ＰＣＩＬ３　、ＡＳＨ３、ＡＳＦ３　、ＡｓＦ５　。

ＡＳＣＪＺ３．５ｂＨｓ　、５ｂＦｓ　、５ｉＨｚ　。

ＢＦ３　、ＢＣＪ２３　、ＢＢｒ３　、Ｂ２　Ｈ６。

Ｂ４　Ｈｌｏ、Ｂ５　Ｈｅ・　ＢｓＨ＋＋・　ＢａＨ＋
ｏ・Ｂ、Ｈ，２，ＡｕＣＪＺ３等を挙げることができる
。

不純物元素を含む化合物は、１種だけ用いても２種以上
併用してもよい。

第１図は本発明の半導体装置を説明する為の模式図であ
る。第１図に示す基板１０１は導電性でも電気絶縁性で
あっても良い。導電性支持体としては、例えばＮｉＣｒ
、ステンレス、Ａｕ２゜Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｉ　ｒ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｔｉ。

Ｖ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属またはこれ等の合金が挙
げられる。

電気絶縁性支持体としては、ポリエステル、ポリエチレ
ン、ポリカーボネート、セルローズアセテート、ポリプ
ロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ
スチレン、ポリアミド等の合成樹脂のフィルムまたはシ
ートやガラス、セラミック、紙等が通常使用される。

第２図は堆積膜形成装置の一例の概略構成を示す部分断
面図である。

第２図において、２０１はその内部で多結晶シリコン膜
の堆積が行われる堆積室であり、堆積室２０１内は排気
管２２１を通して不図示の排気系に接続され、排気バル
ブ２２０によって堆積室２０１内を所望の圧力に保持す
ることができる。堆積室２０１の圧力は通常１０−５〜
！、０Ｔｏｒｒ、好ましくは１０−’〜０．　Ｉ　Ｔｏ
　ｒ　ｒに調整される。堆積室２０１には基板支持台２
０２上に所望の基板２０３が載置される。

２０４は基板加熱用のヒーターであり、導線２０５を介
して給電され発熱する、基板温度は特に制限されないが
、好ましくは１００〜５００℃、より好ましくは１５０
〜４００℃である。

２０６乃至２１１はガス供給源であり、ケイ素化合物、
及び必要に応じて用いられる水素、ハロゲン化合物、不
活性ガス、不純物元素を成分とする化合物の数に応じて
設けられる。原料化合物のうち液状のものを使用する場
合には、適宜気化装置を設ける。図中ガス供給源２０６
乃至２１１の符号にａを付したものは分岐管、ｂを付し
たものは流量計、Ｃを付したものは各流量針の高圧側の
圧力を計測する圧力計、ｄ又はｅを付したものは各気体
流量を調整するためのバルブである。

２１２．２２５．２２６は成膜空間へのガス導入管であ
る。

２１７は光エネルギー発生装置であり、例えば、水銀ラ
ンプ、キセノンランプ、炭酸ガスレーザー、アルゴンイ
オンレーザ−、エキシマレーザ−等である。

光エネルギー発生装ｅ２１７から適宜の光学系を用いて
基板全体あるいは基板の所望部分に向けられた光２１８
は、矢印２１９の向きに導入された原料ガス等に照射さ
れ、成膜原料のガス等を励起し反応させる。励起された
ガス等は矢印２１９の向きに流れていく過程で基板２０
３の全体あるいは所望部分に多結晶シリコンの堆積膜を
形成する。

また、２１４．２２３は各々、活性種（Ａ）及び活性種
（Ｂ）を生起する活性化空間であり、２１３．２２２は
各々、活性種を生成させるためのマイクロ波プラズマ発
生装置である。

本発明の半導体層中の水素又はフッ素、あるいは各気体
流量を調整するためのバルブである。

光エネルギー発生装置２１７から適宜の光学系を用いて
基板全体あるいは基板の所望部分に向けられた光２１８
は、矢印２１９の向きに導入された原料ガス等に照射さ
れ、成膜原料のガス等を励起し反応させる。励起された
ガス等は矢印２１９の向きに流れていく過程で基板２０
３の全体あるいは所望部分に多結晶シリコンの堆積膜を
形成する。

本発明の半導体層中の水素又はフッ素、あるいは水素及
びフッ素の両者の含有量と層圧分布との関連性について
鋭意検討した結果を次に示す。

第２図に示す装置を用いて膜を堆積した後、本発明の半
導体装置である薄膜トランジスタを作成して検討した。

まず、洗浄したガラス（Ｃｏｒｎｔｎｇ社製＄７０５９
）の基板２０３を支持台２０２上に載置した。

次に、排気装置（図示せず）により堆積室２０１内を排
気し、約１０””Ｔｏｒｒに減圧した。ガス供給ボンベ
よりＨ２ガス５０ｓｅｃｍをガス導入管２２５を介して
活性化室（Ｂ）２２３に導入した。活性化室（Ｂ）２２
３内に導入されたＨ２ガス等はマイクロ波プラズマ発生
装置２２２により活性化されて活性水素等とされ、導入
管２２４を通じて成膜室２０１に導入された。

他方、活性化室（Ａ）２１４にＳｉＦ４ガス２０ｓｃｃ
ｍをガス導入管２１２を介して導入した。活性化室（Ａ
）２１４内に導入されたＳ　ｉ　Ｆ４ガスは、マイクロ
波プラズマ発生装置２１３により活性化されて、導入管
２１２を通して成膜室２０１に導入された。

さらに、Ｆ２ガス１０１０５ｅをガス導入管２２６を通
じて成膜室２０１に導入した。

成膜室２０１内に圧力を０．０２Ｔｏｒｒに保ちながら
、Ｘｅランプから１ｋＷの光をあらかじめヒータ２０４
によって３５０℃に加熱された基板２０３に垂直に照射
し、活性種を相互的に化学反応させることで多結晶シリ
コン膜を堆積させた。このとき、同時に前記の光照射に
よりＦ２ガスを活性化し、膜中に含有させた。その後、
時間と共にＦ２ガスの流量を第３図に示すように減少さ
せた。

基板２０３上に得られた多結晶シリコン薄膜試料につい
てＸ線回折法及び電子線回折法により堆積膜の結晶性の
評価を行ったところ、多結晶シリコン膜であることが確
認された。さらに、透過型電子顕微鏡によって観察した
ところ、多結晶シリコンの粒径は約５±０，２μｍであ
った。結晶粒径のバラツキは基板全面に亘って殆ど無か
った。また、走査型電子顕微鏡により試料の表面状態を
観察したところ、平滑度は良好で、波模様等が無く、膜
厚ムラも±４％以下であった。

次いで、得られたノンドープの多結晶シリコン膜試料を
蒸着槽に入れ、真空度１Ｏ−５Ｔｏｒｒでクシ型のＡＪ
：Ｌギャップ電極（長さ２５０μｍ、５ｍｍ）を形成し
た後、印加電圧１０Ｖで暗電流を測定し、暗電流σｄを
求めて、多結晶シリコン膜を評価した。さらに、ＳＩＭ
Ｓ（２次イオン質量分析法）により、水素含有量の深さ
方向のプロファイルを出した。

また、膜中の局在準位密度を電界効果法及びＥＳＲ法に
よって測定した。

上述の成膜条件並びに堆積膜の評価結果を各々第１表、
第２表、第９図、第１６図に示す。

第９図に示すように膜中の水素含有量は膜厚方向゛で減
少し、基板側では多く、基板と反対側では少ない。それ
に伴って膜中の局在準位密度が減少し、かつ、１０１７
ｃ　ｍ−３ｅ　Ｖりよりも極端に小さな値になフており
、かつ、基板側では多く、基板と反対側では少なくなっ
ている（２〜８　ｘ　１０　Ｉ６ｃ　ｍ−３ｅ　Ｖ−’
）　。水素の結合については、ＩＲの赤外吸収スペクト
ルにおいて、２０００ｃｍ−’におけるピークと２１０
０ｃｍ−’におけるピークの比が０．７であり、１以下
となっている。第２表に示したＦ含有量及び膜中の局在
準位密度は、膜厚０．５μｍ程度の深さでの値を示す。

以上述べた様に良好な半導体膜が得られていることが判
明した。

上記実験例と同様にして、フッ素ガスを１０１０５ｅガ
ス導入管２２６を通じて成膜室２１０に導入した以外は
全く同じ方法で行った。

成膜室２０１内に圧力を０．０２Ｔｏｒｒに保ちながら
、Ｘｅランプから１ｋＷの光を、あらかじめヒータ２０
４によって３５０℃に加熱された基板２０３に垂直に照
射し、活性種を相互的に化学反応させることで多結晶シ
リコン膜を堆積させた。このとき、同時に前記の光照射
によりＦ２ガスを活性化し、膜中に含有させた。その後
、時間と共にＦ２ガスの流量を第３図に示すように減少
ＥＳＲ法によって測定した。

上述の成膜条件並びに堆積膜の評価結果を各々第３表、
第４表、第９図、第１６図に示す。

第９図に示すように、膜中のフッ素含有量は、膜厚方向
で減少し、基板側では多く、基板と反対側では少ない。

それに伴って膜中の局在準位密度が減少し、かつ、１０
　”ｃ　ｍ−３ｅ　Ｖ−’Ｊ：　ｒ）　モ極端に小さな
値になっていて、かつ、基板側では多く、基板と反対側
では少なくなっている（２〜８　ｘ　１０１８ｃ　ｍ−
３ｅ　Ｖ−’）　、第４表に示したＨ含有量及び膜中の
局在準位密度は、膜厚約０．５μｍ程度の深さでの値を
示す。以上述べたように良好な半導体膜が得られている
ことが判明した。

次に、水素とフッ素を同時に流入した場合について検討
を行った。この場合、水素又はフッ素を単独で流入して
行った場合と同様に、水素及びフッ素の流入を減少させ
ることにより膜中の水素及びフッ素の含有量は、膜厚方
向で減少し、基板側では多く、基板と反対側では少なく
分布させ得ることか判明した。第１表のような製膜条件
において、水素とフッ素を同時に第３図のような水素及
びフッ素ガス流量で導入した場合には、第１８図のよう
な水素及びフッ素の膜厚方向の分布を持ち、かつ膜中に
第２０図のような局在準位密度の分布を有することが測
定され、良好な膜が得られていた。

次に、半導体発明の半導体装置である多結晶シリコンで
構成される薄膜トランジスタ（以下ＴＰＴと略す）につ
いて説明する。第１５図は本発明のＴＰＴの構造を示す
模式的な斜視部分図である。

第１５図に示したように多結晶シリコンＴＰＴ１５００
は、ガラス、セラミック等からなる基板１５０６上に、
ゲート電極１５０１、該ゲート電極１５０１を覆うよう
に電気的な絶縁層１５０４及び多結晶シリコンからなる
半導体層１５０５を順次積層して形成され、半導体層１
５０５の面１５０９上には並置的関係で離隔されて、第
１の１２層１５０７、第２の層ｎ＋層１５０８が設けら
れ、さらに、第１の０１層１５０７上にはソースＴＬ極
１５０２、第２のｎ＋層１５０８上にはドレイン電極１
５０３が各々設けられた構成とされている。

半導体５１５０５上の表面（グリーンサーフェス）１５
０９に接触して設けられる第１のｎ１層１５０７及び第
２のｎ０層１５０８は、半導体層１５０５を形成した後
、該層表面１５０９を大気又は酸素にさらすことなく形
成されるものである。なお、ソース電極１５０２とドレ
イン電極１５０３との間の距１ＩｉｌｔＬが５０μｍ、
ソース電極１５０２、及びドレイン電８ｉ１５０３の長
さＺが１０ｍｍである。

［実施例］以下に実施例を示し、本発明について具体的に説明する
。

（実施例１）作用で述べた第２図の装置を用い、第４図に示す条件で
膜を堆積して、′評価を行った。その結果を第１０図及
び第１７図に示す。第１０図かられかるように、膜中の
水素含有量が導入水素量に従って膜厚方向で減少し、基
板側では多く、基板と反対側では少なく膜が作成できて
いた。ＩＲのスペクトル比（２０００ｃｍ−’のピーク
の値／２１００ｃｍ−’のピークの値）は０．８であっ
た。膜中の局在準位密度も１０−”　ｃ　ｍ−３ｅ　Ｖ
−’以下に減少し、膜厚方向で減少していることが示さ
れた。また、σｄも７Ｘ１０−’（Ω・ｃｍ）−’の値
を示し結晶粒径も４．３μｍあり良質な膜が得られてい
ることが判明した。

（実施例２）実施例１と同一の条件で、水素ガスの導入条件のみ第５
図乃至第８図まで変化させて作製した。

得られたサンプルＮｏ、２−１乃至Ｎｏ、２−４につい
て評価した結果を第５表に示す。Ｆ含有量及び膜中の局
在準位密度は、約０．１μｍ深さの値である。実施例１
と同様に、膜厚方向に水素含有量に減少の傾向があり、
膜質も良好であることが判明した。

（実施例３）第１５図に示す薄膜トランジスタを作用で述べた作製工
程を用いて作製した。本実施例における半導体１５０５
の膜堆積の条件としては、サンプルＮｏ、３−１は水素
導入の条件を実施例１と同じ第４図の条件に、サンプル
Ｎｏ、３−２は水素導入の条件を実施例２のサンプルＮ
ｏ、２−４と同じ第８図の条件を採用した。作製された
薄膜トランジスタのドレイン電極を接地し、ソース電極
、ゲート電極に中電圧を変化させながら加えた　　−と
きの特性を測定した。

ドレイン電極ｉｏ−ドレイン電圧ｖｏ特性では良好な飽
和特性が得られていて、ゲート電圧１゜Ｖ、ドレイン電
圧１０Ｖで、５Ｘ１０−”Ａの高い電流が得られている
。ゲート電圧ＶＧを変化させてドレイン電流ＩＤを測定
した結果より得られたＴＰＴ特性を第３表に示す。

以上より得られた多結晶シリコン膜を用いたＴＰＴは良
好な特性を示すことが判明した。

（実施例４）第２図に記した装置を用いて、前記の膜形成の方法を用
いて第７表の条件の下でガラス基板上に膜堆積を行い、
得られた膜の特性を第８表に示し、続いて作用で述べた
薄膜トランジスタの作製法を用いて作られたサンプルの
特性を第９表に示す。第７表の条件において第１表の条
件のうち、ＳｉＦ４．Ｈ２の流量、放電電力及び基板温
度を変化させた。

いずれも良質な膜が堆積できていて、ＴＰＴ特性も非常
に良好であった。

（実施例５）第２図の装置を用いて、第４図の様な条件で水素ガスを
減少させ、その他の過程では第３表と同様の条件で膜サ
ンプルを堆積して、評価を行った。その結果を第１０図
と第１７図に示す。第１０図かられかるように、膜中の
フッ素含有量が導入フッ素量に従って膜厚方向で減少し
、基板側では多く、基板と反対側では少なく膜が作製で
きた。ＩＲのスペクトル比（２０００ｃｍ−’のピーク
の値／２１００ｃｍ−’のピークの値）は０．８であっ
た。膜中の局在準位密度も１０１７ｃｍ−３ｅＶ−’以
下に減少し、膜厚方向で減少していることが示された。

また、σｄも８Ｘ１０−’（Ω・ｃｍ）””の値を示し
、結晶粒径も５μｍあり、良質な膜が得られていること
が判明した。

（実施例６）実施例５と同一の条件で、Ｆ２ガスの導入条件のみ第５
図〜第８図まで変化させて作製した結果、実施例１と同
様に膜厚方向に水素含有量に減少の傾向があり、膜質も
良好であることが判明した。その結果を第１０表に示す
。Ｈ含有量及び膜中の局在準位密度は約０．１μｍ深さ
の値である。

（実施例７）第１５図に示す薄膜トランジスタを作用で述べた作製工
程を用いて作製した。本実施例における半導体１５０５
の膜堆積の条件としては、サンプルＮｏ、７−１はフッ
素導入の条件を実施例５と同じ第４図の条件に、サンプ
ルＮｏ、７−２はフッ素導入の条件を実施例６のサンプ
ルＮｏ。

６−４と同じ第８図の条件を採用した。作成された薄膜
トランジスタのドレイン電極を設置し、ソース電極、ゲ
ート電極に十電圧を変化させながら加えたときの特性を
測定した。

ドレイン電極ＩＤ−ドレイン電圧Ｖ。特性では良好な飽
和特性が得られていて、ゲート電圧１０Ｖドレイン電圧
１０Ｖで５Ｘ１０弓Ａの高い電流が得られている。ゲー
ト電圧Ｖ。を変化させてドレイン電流１０を測定した結
果より得られたＴＰＴ特性を第３表に示す。

（実施例８）第２図に示した装置を用いて、作用で述べた膜形成の方
法を用いて第１２表の条件の下でガラス基板上に膜堆積
を行い、得られた膜の特性を第１３表に示し、続いて作
用で述べた薄膜トランジスタの作製法を用いて作られた
サンプルの特性を第１４表に示す。第１２表においては
、第３表の条件のうち、Ｓ　ｉＦ４　、Ｈ２の流量、放
電電力及び基板温度を変化させた。

いずれも良好な膜が堆積できていて、ＴＰＴの特性も非
常に良好であった。

（実施例９）次に、実施例５で用いた製膜条件にいおて水素の導入と
同時にフッ素も導入して得た膜でＴＰＴを作製した。

水素とフッ素を第３図及び第４図のプロファイルの流量
で流入した場合の膜中の水素及びフッ素の膜中の分布及
び局在準位密度の分布をそれぞれ第１８図及び第１９図
、第２０図及び第２１図に示す。

いずれの場合にも膜中の水素含有量の減少に伴い局在準
位密度が大幅に減少し、１０１７以下に゛なっているこ
とが示された。また、この膜を用いた薄膜トランジスタ
は第１５表の様に良好な特性を示した。

［発明の効果］以上、本発明の半導体装置は、欠陥密度の非常に少ない
、また基板に対する密着性の高い多結晶シリコンからな
る半導体層を有しており、当該半導体装置として例えば
薄膜トランジスタは高い移動度を有し、デイスプレィや
センサの駆動用として多大な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の平面図、第２図は本発明
半導体装置の製造装置の断面図、第３図乃至第８図は成
膜時の水素ガス又はフッ素ガスの流量変化曲線のグラフ
、第９図乃至第１４図及び第１８図乃至第１９図は堆積
膜中の水素又はフッ素の深さ方向の含有量分布をＳＩＭ
Ｓによって分析した結果のグラフ、第１５図は本発明方
法により形成された薄、膜トランジスタの斜視部分図、
第１６図乃至第１７図及び第２０図乃至第２１図は局在
準位密度の膜厚方向の分布を示すのグラフである。１０１・・・基板、１０２・・・堆積膜、２０１・・・
堆積室、２０２・・・基板、２０３・・・堆積膜、２０
４・・・基板加熱用ヒーター、２０６〜２１１・・・ガ
ス供給源、２１４・・・活性化室（Ａ）、２２３・・・
活性化室（Ｂ）、２１７・・・光エネルギー発生装置、
１５００・・・薄膜トランジスタ、１５０１・・・ゲー
ト電極、１５０２・・・ソース電極、１５０３・・・ド
レイン電極、１５０４・・・絶縁層、１５０５・・・半
導体層、１５０６・・・基板、１５０７−１・・・ｎ中
層、１５０７−２＝・ｎ４−層、１５０８　・・・表面
層。ＦＩＧ。３　　　　　　ＦＩＧ。４Ｈ２ガス又はＦ２ガスの流量（ＳＣＣｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
ＳＣＣｍ３（原子比　）　　　　　　　　　　　　　　
　　（原子比　）（原子比　）　　　　　　　　　　　
　　　　　（原子比　）（原子比　）　　　　　　　　
　　　　　　　　（原子比　）膜厚　　　（μｍ）（ｃｍ’ｅｖ’・）（原子比　）Ｃｃｍ−３ｅｖ−１）（原子比　）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体装置、において、所定の基板上に多結晶シ
リコンからなる半導体層を有し、当該半導体層が多結晶
シリコンの粒界近傍に水素及びフッ素を含有し、前記水
素及び前記フッ素の濃度のいずれか一方が前記半導体層
の層厚方向に分布していることを特徴とする半導体装置
。
（２）半導体層中の水素の最大濃度が１０原子比以下で
ある請求項１記載の半導体装置。
（３）半導体層中の水素の濃度が５原子比以下である請
求項１または請求項２記載の半導体装置。
（４）半導体層中の水素濃度またはフッ素濃度が基板側
で多く、基板と反対側で少ない請求項１乃至請求項３の
いずれか１項に記載の半導体装置。
（５）半導体層中の赤外吸収スペクトルにおいて、２０
００ｃｍ＾−＾１におけるピークと２１００ｃｍ＾−＾
１におけるピークとの比が１以下である請求項１乃至請
求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
（６）半導体層中の局在準位密度が１０＾１＾７ｃｍ＾
−＾３ｅＶ＾−＾１以下である請求項１乃至請求項５に
記載の半導体装置。