JPH04137764A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガラス基板上に形成され、（１００）配向を大
きくした多結晶シリコン薄膜により構成された薄膜トラ
ンジスタに関するものである。

〔従来の技術〕

多結晶シリコン薄膜は数百人〜数十μｍの結晶シリコン
が多数集合した状態であり、これを用いた薄膜トランジ
スタは、アモルファスシリコントランジスタに比して、
移動度カ月〜２桁程度高く、周辺走査回路まで同一基板
に作り込むことが可能である特徴を有しており、従来こ
の薄膜は主として熱ＣＶＤ法によって製造されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタは製
膜温度が６００〜１０００℃と高く、このため使用でき
る基板も限られてしまい、一般にデバイスの性能、安定
性もプロセス温度が高い程良くなるため、石英ガラス基
板を用いて１０００℃程度の高温プロセスにより作製さ
れたイメージセンサ、液晶テレビ等が実用化されている
。

このように、従来の多結晶シリコン薄膜トランジスタは
、ガラス基板上に形成する場合には石英ガラスのような
耐熱性ガラスを用いるため、非常に高価になってしまい
、量産化に適しないという問題があった。

また、従来の多結晶シリコン薄膜は、配向性、特に（１
００）配向が低いため薄膜表面の平坦性が低下し、薄膜
トランジスタに使用する場合、微細加工後の歩留りが低
下するという問題があった。

さらに、最近の研究によって、熱ＣＶＤ法によって作製
した多結晶シリコンの場合は、作製時の温度が高いため
にシリコン粒子間の隙間が多く互いに密着していないこ
とに加え、結晶粒界のダングリングボンドが電気的特性
を劣化させることか判明し、斬る不都合を是正するため
に結晶粒界を水素でパッシベーションさせる必要がある
等の欠点が知られている。

このため、最近低温で多結晶シリコン薄膜を製造するこ
とのできるプラズマＣＶＤ法（特開昭６３−１５７８７
２号、同６３−１７５４１７号参照）が注目されている
。これらの方法においては反応ガスの一成分として多量
の水素ガスを使用するため、得られた多結晶シリコンは
熱ＣＶＤ法による場合よりシリコン粒子間に水素を含有
し、度作製した多結晶シリコンを後からパッシベーショ
ンする必要はないという長所を有する。

しかしながら、上記方法により得られた多結晶シリコン
薄膜は、約２．５原子％以上の水素を含有し、シリコン
の結晶粒径は高々５００人程度のものしか得られなかっ
た。

そこて、本発明者等は多結晶シリコン薄膜トランジスタ
について更に研究を進めた結果、水素を希釈ガスとして
使用せず、成膜ガスとして水素化珪素、エツチングガス
としてフッ化珪素或いは塩化珪素ガスを使用し、プラズ
マＣＶＤ法又は光ＣＶＤ法による低温プロセスにより歪
点７００°Ｃ以下のガラス基板上に多結晶シリコン薄膜
トランジスタを形成することができ、しかも薄膜は（１
００）配向３０％以上、水素含有量、フッソ含有量をそ
れぞれｌ原子％以下、結晶粒径Ｑ、ＯＩ〜５μｍ程度の
多結晶シリコン薄膜トランジスタを得ることができるこ
とを見出し本発明に到達した。

従って本発明の目的は、通常のガラス基板上に形成した
高品質の多結晶シリコン薄膜トランジスタを提供するこ
とにある。

また、本発明の目的は、（１００）配向の大きい高品質
の多結晶シリコン薄膜により構成された薄膜トランジス
タを提供することにある。

さらに本発明の目的は、水素含有量、フッソ含有量をそ
れぞれｌ原子％以下とし、結晶粒径が大きく、高性能の
多結晶シリコン薄膜により構成された薄膜トランジスタ
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタは、歪点７０
０℃以下のガラス基板上に形成され、膜中の水素含有量
が１原子％以下、フッソ含有量か１原子％以下である多
結晶シリコン薄膜にソース電極、ドレイン電極を設け、
両電極間の多結晶シリコン薄膜上に絶縁膜を介してゲー
ト電極を設けたこと、多結晶シリコン薄膜は（１００）
配向が３０％以上であること、プラズマＣＶＤまたは光
ＣＶＤにより形成されたことを特徴とする。

以下に本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタについ
て詳述する。

本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタを得るに当た
っては歪点が７００℃以下、好ましくは６００°Ｃ以下
のガラス、例えばコーニング７０５９ガラス、ＨＯＹＡ
のＮＡ４０ガラス、中性硼珪酸ガラス等のガラス基板を
使用し、この基板上にプラズマＣＶＤ法によって多結晶
シリコン薄膜トランジスタを形成する。

多結晶シリコンを成膜するための成膜性ガスとしては、
Ｓ　ｉ　Ｈ，Ｘａ−、（ｍは１〜４、好ましくは２〜４
、ＸはＣＩ！又はＦ原子、好ましくはＦ原子である。）
、５ｉｔＨ＊及び５ｉｚＨｓ等を挙げることができる。

これらの成膜性ガスは単独で使用しても、２種以上を混
合して使用しても良い。

又、エツチング性ガスとしてはＳ　Ｉ　Ｆ　ａ　、Ｓ　
１＊Ｆ＊　、５ｉｃｉ＜　、Ｆｔ及びＣｚｔ等を挙げる
ことができる。これらのエツチング性ガスは単独で使用
しても２種以上を混合して使用しても良い。

そして、成膜性ガスとエツチング性ガスを適宜混合して
使用し、結晶成長とエツチングのバランスをとる。この
バランスは、上記成膜性ガスとエツチング性ガスを適宜
混合して使用することにより、容易に調整することかで
きるが、特に成膜性ガスとして５ＩＨ４及び５ｉ２Ｈｓ
を夫々単独で又は混合して用いることが好ましい。又、
エツチング性ガスとしては、５ｉＦａ及びＦ、を夫々単
独又は混合して用いることが好ましい。

プラズマを発生させるチャンバー内の圧力は、基板上に
到達する原子等が有するエネルギー量に関係するので、
その圧力は０．０２Ｔｏｒｒ−１５Ｔｏｒｒとすること
か必要であり、特に０．３Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒとする
ことが好ましい。

前記成膜性ガス及びエツチング性ガスには、更に希ガス
等の不活性ガス、好ましくはヘリウム、ネオン、アルゴ
ン等を希釈ガスとして加えても良く、水素ガスは使用し
ない。希釈ガスはエツチング性ガスに対して１〜１００
０倍量、特に５〜１００倍量使用することが好ましい。

又、成膜性ガスとエツチング性ガスについては、エツチ
ング性ガスを成膜性ガスの約１〜５００倍、好ましくは
３〜２００倍とする。エツチング性ガスか成膜性ガスの
１倍以下であると、多結晶シリコンか成長し易いように
基板表面を常に最良の状態に保つことができない一方、
５００倍以上としては、エツチング速度が大きくなりす
ぎてシリコンの結晶成長速度が低下する。

上記の条件を満たした反応ガスを、電力密度０゜０１〜
ｌＯＷ／ａｌ、好ましくは０．１〜５Ｗ／ａＩｒで放電
して反応ガスをプラズマ化し、約１００°Ｃ〜７００°
Ｃ好ましくは約３００℃〜５５０℃の間の一定温度に維
持したガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を形成せしめ
る。放電は、高周波放電、直流放電又はマイクロ波放電
等の何れであっても良い。

基板温度カ月００°Ｃより低いと、非晶質相が現れ、微
結晶構造となり品質が悪化する。もちろん、７００°Ｃ
より高くするガラス表面の変形が生じ基板として機能し
なくなってしまう。

電力密度は、反応ガスの種類及び圧力によって異なるが
、電力密度が０．０１Ｗ／ａＩｒより小さいと反応ガス
の圧力を十分低下させなければならないのて成膜速度か
遅く、ＩＯＷ／ｃ＆を越えると薄膜の品質を高く維持す
ることかてきないので好ましくない。

こうして、真性の多結晶シリコン薄膜を作製することか
でき、反応ガス中に元素周期律表第■族又は第Ｖ族のド
ーパントガスを混合することにより、形成される多結晶
シリコン薄膜をｐ型又はｎ型とすることができる。この
場合の上記ドーパントガスとしては、例えばジボラン、
ホスフィン、アルシン等の水素化物が挙げられる。

所定の条件で形成された多結晶シリコン薄膜について、
Ｘ線回折による分析を行ったところ第１図に示すような
データが得られた。

第１図（ａ）は本発明において使用する多結晶シリコン
の分光特性、第１図（ｂ）はＡ３７Ｍカード（標準試料
）についてのＸ線回折強度を示す。

Ａ３７Ｍカードによれば、配向の全くない多結晶シリコ
ンの場合の回折強度の比は、第１図（ｂ）に示すように
、 （１１１）：　　（２２０）：　　（３１１）：　　（
４００）＝１００：５５：３０：５である。これに対し
て、本発明において使用する多結晶シリコンのＸ線回折
強度の比は、（１１１）：　　（２２０）：　（３１１
）：　　（４００）＝０：２３：１０：５０となり、標
準値と測定値との比から配向性を求めると、　（１１１
）：０％、　（２２０）：４％、（３１１）＋３％、（
４００）：９３％、となる。（４００）は（１００）と
同等であり、本発明において使用する薄膜多結晶シリコ
ンは（１００）配向が非常に強いことが分かる。そして
、後述の実施例で示すように作成条件を異ならせて作成
した結果、本発明の多結晶シリコンは（１００）配向が
３０％以上のものが得られた。

このように（１００）配向が３０％以上であるために薄
膜表面は平坦性に優れ、シリコン結晶粒子も約０．０１
μｍ〜５μｍと大きく成長し、従って薄膜中の結晶表面
積が減少するので結晶界面に存在するダングリングボン
ドを封鎖するための水素の量もｌ原子％以下であり、０
．２原子％以下とすることも容易である。また、フッ素
もダングリングボンドのターミネーションの機能を有し
、薄膜中に含まれる量を！原子％以下とすることにより
、電気特性の向上に寄与せしめることかできる。

また、低温プロセスで薄膜形成するためにガラス基板中
のＮａ、Ｃａ、に、Ｂ等の不純物がシリコン結晶側に溶
出するのを防ぐことが容易になる。

また、本発明において使用する多結晶シリコン薄膜は光
ＣＶＤ法によっても作製できる。

この場合、光譚として１８５ｎｍ、　２５４ｎｍに共鳴
線をもつ低圧水銀ランプを使用し、成膜ガス、エツチン
グガスとして、例えばそれぞれＳｉＨ＋、５ＩＦ４を使
用し、基板（コーニング７０５９ガラス）温度を３６０
℃、圧力１．５Ｔｏｒｒ程度とする。あらかじめ、ｌＸ
ｌ０−”Ｔｏｒｒに真空排気された反応室１．ｓ　ｉＨ
ｎ　５ＳＣＣＭ、Ｓ　ｉＦ、２５ＳＣＣＭ、増感剤（Ｈ
ｇ）のキャリアガスとしてのＨｅを１５０ＳＣＣＭ（水
銀温度８０℃）を導入し、圧力が安定した時点で低圧水
銀ランプを点灯した。得られた多結晶シリコン薄膜は成
長速度０．３人／５ｅＣ１粒径１０００人て（１００）
配向の大きさは、プラズマＣＶＤの場合と同様に７０％
以上であり、またシリコン結晶中への基板からの不純物
の溶出は殆どなかった。

以上本発明の多結晶シリコン薄膜はプラズマＣＶＤ法お
よび光ＣＶＤ法によって製造され、原料ガスとしては成
膜性ガスとエツチングガスとが使用されることを述べた
。しかし、本発明は成膜性とエツチング性とを兼ね備え
た原料ガスと水素とを使用しても実施することかできる
。この場合の原料ガスとしては、ｓｉＦ’４、Ｓｉｔ　
Ｆｓが選択され、水素ガスは原料ガスに対して１／３〜
１／１０００、特に１１５〜１／４００混合すればよい
。

次に、第２図により本発明のトップゲート・コブラナー
型多結晶シリコン薄膜トランジスタについて説明する。

コーニング７０５９ガラス等からなる基板ｌ上に、前述
したプラズマＣＶＤ、或いは光ＣＶＤにより真性の多結
晶シリコン薄膜２を全面に形成し、その上にＳｔｏｗ、
ＳｉＮｘ等の絶縁１ｇ！５ヲ形成する。次いでレジスト
を塗布してマスクし、露光・現像することにより所定の
レジストパターンを形成する。そしてＣＦ、　、ＣＨＦ
、等のエツチングガスをプラズマ放電することによりド
ライエツチングし、レジストのない領域の絶縁膜を除去
する。そして前述したように反応ガス中にドーパントガ
スを混合することにより絶縁膜を除去した領域にＮ型薄
膜を形成してＮ型領域（ソース及びドレイン領域）を形
成する。こうしてＮ型領域を形成した後、ソース電極４
、ドレイン電極３をスパッタリングで形成し、リフトオ
フすることにより選択形成すると共に、絶縁膜５上にゲ
ート電極６を形成して薄膜トランジスタを構成する。

本発明の薄膜トランジスタを用いて、アドレスデコーダ
、メモリスイッチ、インバータ等を構成することにより
液晶等の薄膜駆動回路を構成することができる。

〔作用〕

本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタは、歪点７０
０°Ｃ以下のガラス基板上にプラズマＣｖＤ又は光ＣＶ
Ｄ法により形成され、（１００）配向が３０％以上であ
る。したかって、基板は光透過性であり、また薄膜は平
坦性が良いのて、バックライトによる照明が可能である
と共に、微細加工に適しているため液晶テレビ駆動回路
等に好適である。

〔実施例〕

以下、本発明のトランジスタに使用する多結晶シリコン
についての実施例を詳述するが、本発明に使用する多結
晶シリコンはこれによって限定されるものではない。

実施例１゜ 予め、１ｘｌＯ−”Ｔｏｒｒの高真空にした反応室内に
５ｉＨｎ　　：Ｆ！　：Ｈｅ　　＝１＋５：１００の混
合ガスを反応ガスとして５０ＳＣＣＭで供給し反応ガス
の圧力を１．２Ｔｏｒｒに調整した。

次いでこの反応ガスを１３．５６ＭＨｚの高周波電源を
用いて、電力０．７Ｗ／ａｌでプラズマ化し、４５０°
Ｃに加熱されたコーニング７０５９ガラス基板上に４０
００人の厚さとなる迄シリコン薄膜を形成させた。

得られた薄膜について、ラマン分光分析を行ったところ
、５２０ａｎ−’の位置に半値巾５０−１の結晶シリコ
ンに基づく非常にシャープなスペクトルが観測された。

又、Ｘ線回折によってＸ線強度を測定して（１００）配
向の割合を求めたところ、９７％であり、透過型電子顕
微鏡を用いて粒径を測定したところ、平均粒径は２００
０人であった。更に、この薄膜の電子移動度をホール効
果測定装置により求めたところ１８　ａｎ−”Ｖ−’　
・Ｓ−’であった。又、水素含量は０．１％、フッソ含
有量は０．２％であった。

また、この多結晶シリコン薄膜を用いて前述の方法でト
ップゲート・コブラナー型ＴＰＴを作製し電界効果移動
度を求めたところ、３８ａＩｒ／Ｖ・Ｓ　ｅ−Ｃであり
、充分な特性示すことが確認された。

実施例２〜７ 第１表の条件で実施例１と同様にして多結晶ジノコン薄
膜を得、 結晶の平均粒径、 水素含量及び 電子移動度を測定した所、 第２表に示す結果を得 た。

（μ・又−ト　１４に　自　） 第１表 第２表 比較例１゜ 基板温度を３００°Ｃ、プラズマ反応室内圧力を５Ｔｏ
　ｒ　ｒ、原料ガスとして５ｉＨｔ：Ｈ２＝１　：　１
００の混合ガスを使用し、電力密度２Ｗ／ｄの条件でプ
ラズマＣＶＤを行った他は、実施例１と全く同様にして
試料を作製した。得られたシリコン薄膜のアモルファス
シリコン相中に多くの微結晶が島の如く存在するもので
あった。このシリコン層の水素濃度は約８原子％と多く
、電子移動度は０．３ａＩｒ−Ｖ”−３−１と小さく、
（１００）については無配向であり、トップゲート・コ
プラナー型ＴＰＴには適さない薄膜であった。

比較例２及び３ 第１表の条件で比較例１と同様にしてガラス基板上へシ
リコン薄膜を形成させた。得られたシリコン薄膜は第２
表に示す如くであり、本願発明の多結晶シリコン薄膜よ
り劣り、ＴＰＴには不適切なものであることが確認され
た。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、通常の低歪点ガラスを使
用して（１００）配向の割合か大きい薄膜を得ることが
できるので、基板が光透過性であり、薄膜は微細加工に
適しているので、薄膜トランジスタの形成も容易であり
、液晶駆動回路を容易に構成でき、液晶テレビへの適用
も可能である。

また、薄膜は水素含有量、フッソ含有量を少なくてきる
とともに、結晶粒径を大きくすることかできるので、電
気的特性も格段に向上させることが可能である。さらに
、不純物を含有する基板を使用して亡低温プロセスであ
るので形成されるシリコン薄膜中に基板中の不純物が拡
散するのを防ぐことが容易で、安価な基板を用いること
によって薄膜半導体素子の製造コストを大幅に引き下げ
ることができるのみならず、この低コスト化に伴って薄
膜の用途を大幅に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する多結晶シリコンの（１００）
配向を説明するための図、第２図は本発明の多結晶シリ
コン薄膜トランジスタの構造を示す図である。 ｌ・・・ガラス基板、 ２・・・多結晶結晶シリコン薄膜、 ３・・・ドレイン、 ４・・・ソース、 ５・・・ゲート絶縁膜、 ６・・・ゲート電極。 出 願 人 東燃株式会社 復

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）歪点７００℃以下のガラス基板上に形成され、膜
   中の水素含有量が１原子％以下、フッソ含有量が１原子
   ％以下である多結晶シリコン薄膜にソース電極、ドレイ
   ン電極を設け、両電極間の多結晶シリコン薄膜上に絶縁
   膜を介してゲート電極を設けたことを特徴とする多結晶
   シリコン薄膜トランジスタ。
2. （２）（１００）配向が３０％以上である請求項１記載
   の多結晶シリコン薄膜トランジスタ。
3. （３）プラズマＣＶＤまたは光ＣＶＤにより形成された
   多結晶シリコン薄膜を用いた請求項１記載の多結晶シリ
   コン薄膜トランジスタ。