JPH04137765A

JPH04137765A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタ

Info

Publication number: JPH04137765A
Application number: JP26076390A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Nagahara; 達郎長原; Hisashi Kakigi; 柿木　寿; Keitaro Fukui; 福井　慶太郎
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-12

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〕本発明は透光性基板上に形成され、（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、
移動度が１〜２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かあった。

また、従来の多結晶シリコン薄膜は、配向性、特に（１
００）配向か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、作製時の温度か高いため
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
に結晶粒界を水素テパッシベーションさせる必要かある
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）か注目されている
。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。

そこで、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透
光性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（１００）配向３０％以上
、好ましくは５０％以上、水素含有量２．５原子％以下
、フッ素含有量を３原子％以下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、透光性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２．５原子％以下、
フッ素含有量を３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、（１００
）配向が３０％以上、膜中の水素含有量が２．５原子％
以下、フッ素含有量が３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の上または下に絶縁暎を介してゲー
ト電極を設けたこと、また多結晶シリコン薄膜を透光性
基板上に形成したこと、多結晶シリコン薄膜はプラズマ
ＣＶＤまたは光ＣＶＤにより形成されることを特徴とす
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、例えば低歪点のガラス、例えばコーニング７０
５９ガラス、ＨＯＹＡ（７）ＮＡ４０ガラス、中性硼珪
酸ガラス、また、比較的高歪点のＡｆけい酸ガラス等の
透光性基板を使用し、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、
ＳｔＨ，Ｘ４−＠（ｍは１〜４、好ましくは２〜４、Ｘ
はＣ／又はＦ原子、好ましくはＦ原子である。）、Ｓｉ
＊Ｈ＊及び５ｉｓＨ−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５ｉＦａ、５ｉ２Ｆｓ　
、Ｓ　ｉｃｅ’ｓ　、Ｆｔ及びＣ１２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ＳｉＨ４及び５ｆ２Ｈｓ
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、ＳｉＦ４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
が必要であり、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倍量使用することか好ましい。

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
５〜２００倍とする。エツチング性ガスが成膜性ガスの
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かできない一方、
５００倍以上としては、エツチング速度か大きくなりす
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００１−１
０Ｗ／ｃｏｆ、好ましくは０．　１〜５Ｗ／ｃｄで放電
して反応ガスをプラズマ化し、約１００°Ｃ〜７００℃
好ましくは約３００°Ｃ〜６００°Ｃ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。

基板温度が１００°Ｃより低いと、非晶質相か現れ、微
結晶構造となり品質か悪化する。

電力密度は、反応ガスの種類及び圧力によって異なるか
、電力密度が０．０１Ｗ／ｃｄ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で成膜速度が遅
く、、ｌＯＷ／ａＩｒを越えると薄膜の品質を高く維持
することができないのて好ましくない。

こうして、真性の多結晶シリコン薄膜を作製することが
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ｎ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Ｘ線回折強度、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（ｂｌ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
積か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２．５原子％以下であり
、０．２〜１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＊
ｉを有し、薄膜中に含まれる量を３原子％以下であり、
０、　２〜１原子％以下にも容易にすることかでき、電
気特性の向上に寄与せしめることができる。

本発明において（１００）配向は３０％以上であること
か好ましく、より好ましくは５０％以上、さらに好まし
くは７０％以上である。

また、低温プロセスで薄膜形成するために基板中の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、光源として１８５ｒ＋ｍ、２５４ｒ＋＋ｎ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ＳｉＨ４，５ｉＦｔ
を使用し、基板（ニア　−＝　ング７ｏ５９ガラス）温
度を３６０°Ｃ１圧力１．５Ｔｏｒｒ程度とする。あら
かじめ、ｌＸｌ０−’Ｔｏｒｒに真空排気された反応室
にＳｉＨ，５ＳＣＣＭ、ＳｉＦイ２５ＳＣＣＭ、増感剤
（Ｈｇ）のキャリアガスとしてのＨｅをＩ　５０ＳＣＣ
Ｍ　（水銀温度８０”Ｃ）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／ｓｅｅ、粒径１０００人
で（１００）配向の大きさは、プラズマＣＶＤの場合と
同様に３０％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ができる
。この場合の原料ガスとしては、ＳｉＦ４、Ｓｆｔ　Ｆ
＊が選択され、水素ガスは原料ガスに対して１／３〜ｌ
／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。

透光性基板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５ｉＣＬ、ＳｉＮｘ等の絶縁膜５を形成す
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ＣＦ４、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、透光性基
板上にプラズマＣＶＤ又は光ＣＶＤ法により形成され、
（１００）配向が３０％以上である。基板は光透過性で
あり、また薄膜は平坦性が良いので、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、ｌＸｌ０”’Ｔｏｒｒの高真空にした反応室内に
、ＳｉＨ，：Ｆｘ　　：Ｈｅ＝１：５：１００の混合ガ
スを反応ガスとして５０３ＣＣＭ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℃
に加熱されたコーニング７０５９ガラス基板上に４００
０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５ａｏ−’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１８ａｎ−”Ｖ−ゝ・Ｓ
−１てあった。又、水素含量は０．　１％、フッ素含有
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・ｓｅｅであり、充
分な特性示すことか確認された。このように、歪点が低
いコーニング７０５９ガラスを基板として使用しても良
好な特性が達成された。

もちろん、Ａｆけい酸ガラスのような比較的高歪点のガ
ラスを用いても良好な特性を得ることかできる。

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シリコン薄
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。

（ニス下金口）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Ｓ　ｉＨ４：　Ｈ２＝１：１０
０の混合ガスを使用し、電力密度２Ｗ／−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゜１ｅａｆ−Ｖ−’・Ｓ−１と小さく、
（１００）については８％であり、トップゲート・コブ
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、透光性基板、特に低歪点
ガラスを使用しても（１００）配向の割合か大きい薄膜
を得ることがてきる。そして、基板が透光性であり、薄
膜は微細加工に適しているのて、薄膜トランジスタの形
成も容易てあり、液晶駆動回路を容易に構成てき、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
、フッ素含育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
せることか可能である。さらに、不純物を含有する基板
を使用しても、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　　人復代理人　弁理士東燃株式会社蛭用昌信（外７名）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（１００）配向が３０％以上、膜中の水素含有量
が２．５原子％以下、フッ素含有量が３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の上または下に絶縁
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）前記多結晶シリコン薄膜は透光性基板上に形成さ
れることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄
膜トランジスタ。
（３）前記多結晶シリコン薄膜はプラズマＣＶＤまたは
光ＣＶＤにより形成されることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の多結晶シリコン薄膜トランジスタ。