JPS6286761A

JPS6286761A - 薄膜トランジスタの構造及び製造方法

Info

Publication number: JPS6286761A
Application number: JP60226258A
Authority: JP
Inventors: Ken Sumiyoshi; 研住吉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1987-04-21

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）一本発明は絶縁物基板上の電界効果型トランジスタの構造
及び製造方法に関するものである。

（従来の技術）液晶や薄膜発光素子を用いた画像表示装置や、アモルフ
ァス・シリコンを用いた光センサーを駆動するのに、多
結晶シリコン薄１換トランジスタが、使用され始めてい
る。

例えば、ジャーナル・オプ・アプライド・フィジックス
第５５巻　１９８４年１５９０ページ（Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　５５　１５
９０（１９８４））の［スイン・フィルム・オン・モレ
キュラ・ビーム・デボジッテッド・ポリクリスタルライ
ン・シリコンＪ　（’Ｔｈｉｎ−ｆｉ１ｍ　ｔｒａｎｇ
ｉａｔｏｒａｏｎ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　−ｂｅａｍ−
ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
ｓｉｌｉｃｏｎ”）やエクステンプイツト・アブストラ
クツ・オフ・ザ・シックスティーンス（１９８４インタ
ーナシロナル）コンファレンス・オン・ソリッド・ステ
ート・デパイシズ・アンド・マテリアルズ、コーベ＊　
１９８４　（Ｅｘｔｅｎｄｓｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　
ｏｆｔｈｓ　１６ｔｈ　（１９８４Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａ１）　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｓｏ、１１ｄ
　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｅｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ　、Ｋｏｂｅ１９８４）　中の５５５ページから
の「セミトランスペアレント・メタル−Ｓｔ・　エクス
）ｃｒ−ズ・７オ・ａ−ＳドＨ・フォトダイオーズ・ゼ
ア・アプリケーション・トウ・ア・コンタクト−タイプ
・リニア・センサ愉アレイ（’Ｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａ
ｒｅｎｔＭｅｔａｌ−８ｉ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｆ
ｏｒ　ａ−８１：ＨＰｈｏｔｏｄｉｏ−ｄｅｓ　ａｎｄ
　Ｔｈｅｉｒ　ＡｐｐＨｅａｔ１ｏｎ　ｔｏ　ａ　Ｃｏ
ｎｔａｃｔ−ｔｙｐｅＬｌｎｅａｒ　５ｅｎｓｏｒ　Ａ
ｒｒａｙ’）や５６３ページからの［ハイ・トランスコ
ンダクタンス・５ｌ−ＴＰＴ’Ｓ・ユージング・Ｔａ１
０６７　イルムズ・アズ・ケート・インシュレイターズ
」（”Ｈｌ　ｇｈ　Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕ−ｃｔａｎｅ
ｅ　Ｓ　１−ＴＦＴ’　ｓ　Ｕｓｌｎｇ　Ｔｍ１０３　
Ｆｉｌｍｓ　ａｓＧａｔｅ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒｓ　’
　）　Ｋその例がみられる。

この多結晶シリコン薄膜は通常ＣＶＤ法（例えば、エク
ステンデッド　アプストラクツ　ォブザ　シックスティ
ーンス　（１９８４インターナシ１ナル）コンファレン
ス　オン　ソリッド　ステー）ｆバインダ　アンド　マ
テリアルズ、コーセンサ　ウィズ　ポリＳｓ　　Ｔ、Ｆ
、Ｔ、　　トライバーズＪ　（Ｅｘｔ＠ｎｄｅｄ　Ａｂ
ｓｔｒａｅｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１６−ｔｈ（１９８４
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１）　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
　ｏｏ　５ｏｌｉｄＳｔａｔｅ　Ｄｅｖｌｅｅｓ　ａｎ
ｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　、　Ｋｏｂ＠、　１９８４ｐ
ｐ　５５９−５６２　”Ｃｏｒｎｐｌｓｔｅｌｙ　Ｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄ　ａ−８ｔ　：ＨＬｉｎｅａｒ　Ｉｍ
ａｇｅ　５ｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｐｏ１ｙ　３１　Ｔ
、Ｆ、Ｔ。

Ｄｒｉｖｅｒａ”））や超高真空蒸着法（例えば、ジャ
ーナル・オフ・アプライド・フィジックス　５５巻（１
９８４年）１５９０ページの「スインーフィルムトラン
ジスタズ　オン　モレキエラービーム　デホシッテッド
　ポリクリスタルライン　シリコン」（Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　５５　　（
１９８４）１５９０　　”Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ　ｔｒａ
ｎｓｉｓｔｏｒｓ　ｏｎ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａ
ｍ−ｄｅｐｏｓｉｔ＠ｄ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉ
ｎｅ　５ｉｌｉｃｏｎ”））で作られる。この様な方法
によシ得られる多結晶薄膜の結晶粒径は、１００〜１０
０ＯＡ程度のものである。

このため、多結晶薄膜を用いてＭＯ８ＦＥＴ構造のデバ
イスを作成した時、チャネル中に必ず結晶粒界が存在す
ることとなる。しかし、この結晶粒界によるキャリアの
散乱のため、移動度が、限られ、さらには、良好なｐｎ
接合が得られない。（例えば、ソリッド・ステート・エ
レクトロニクス　第２５巻（１９８２年）６７ページか
らの［グレインバクンダリー　ステーク　アンド　ザ　
キャラクタリステックス　オフ　ラテラル　ポリシリコ
ンダイオーズ（５ｏｌｉｄ−８ｔａｔｅ　Ｅｌｅｅｔｒ
ｏｉｃｓ　２５（１９８２）　　６７　　帥Ｇｒａｉｎ
　　ｂｏｕｎｄａｒｙ　　５ｔａｔｅｓ　　ａｎｄｔｈ
ｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　１ａｔｅ
ｒａｌ　ｐｏｌｙｓｉｌｉ　ｃｏｎｄｉｏｄｅｓ”））
このため、ＭＯ８ＦＥＴ構造のデバイスを作成した場合
、得られる薄膜トランジスタの実効移動度は限られ、該
薄膜トランジスタのオフを流は大きい。

（′発明が解決しようとする問題点）これらを解決するために、再結晶化が行われる。

これは、多結晶シリコンにレーザー、電子ビーム。

ストリップ・ヒーターなどを用いて、熱を供給して、融
解せしめ、冷却固化の際、結晶化することを利用するも
のである。このとき、適当な方法によシ、結晶化する方
向を定めてやることにより、薄膜トランジスタの作られ
る部分が単結晶化される。（例えば、１９８１年　アイ
イーイーイー、アイディーエム（ＩＥＥＥ、ＩＥＤＭ　
）２３２頁、［ストレス一二ンハンスト　モビリティ　
インＭＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　ｓ　　ファプソケイティド　
イン　ゾーンーメルテングーリクリスタライズド　ポリ
−８ＩフイルムズＪ　（”５ｔｒｅｓｓ　−ｅｎｈａｎ
ｃｅｄ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｎＭＯ８ＦＥＴｓ　　ｆ
ａｂｒｌｃａｔｅｄ　ｉｎ　ｚｏｎｅ−ｍ＠ｌｔｉｎｇ
−ｒｅｅｒｙ−ｓｔａｌｉｚａｄ　ｐｏｌｙ　Ｓｔ　ｆ
ｉｌｍｓ　”　）　）多結晶シリコン薄膜においては、
シリコンの融点１４１７℃以下の温度で結晶粒径が犬き
くなることが、知られている。（例えば、ジャーナル　
オブ　エレクトロケミカル　ソサイティ　１３１６７５
　（１９８４）など）従って、融点以上の高温にならなくとも、再結晶化が可
能である。しかしながら、やはシシリコンの再結晶化に
は、１０００℃前後の高温が必要であり、このため使わ
れる絶縁物基板が、石英やサファイアなどと限られてい
た。

石英は、１０００℃以上に軟化点をもち、さらに、不純
物の少ない透明なガラス基板ではあるが、非常に高価で
ある。さらに、石英は、表面を平坦にすることが難しい
。

さて、前述した応用よシ、分かるように、基板は大面積
化が容易であシ、なおかつ安価であることが、有利であ
る。さらに、基板に作シ付けられる薄膜トランジスタは
、５０００Ｘ程度の膜厚の半導体薄膜より形成されるも
のである。このため、薄膜トランジスタの製造工程は使
用する基板の平坦性に大きく依存する。このような理由
から、平坦性がよく安価であるホウケイ酸ガラスが＃ｌ
模トランジスタ用基板として、最も実用的である。この
ホウケイ酸ガラスは６００〜７００℃に軟化点をもって
いる。

しかしながら、従来、十分な特性の薄膜トランジスタを
得るためには、シリコン＃膜を再結晶化しなければなら
なかった。この再結晶化温度にホウケイ酸ガラスは、耐
え得ないため、該シリコン薄膜を再結晶化できず、十分
なトランジスタ特性を得ることが出来なかった。

本発明の目的は、上記欠点をなくした絶縁物基板上の簿
膜トランジスタを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）第１に本発明の薄膜トランジスタの構造は、絶縁物基板
上に設けられたシリコン薄膜を主要部とする薄膜トラン
ジスタの構造において、チャネルが形成されるシリコン
薄膜が、絶縁物基板上に設けられた再結晶化ゲルマニウ
ム薄膜と該再結晶化ゲルマニウム薄膜上のシリコン・ゲ
ルマニウム単結晶薄膜の２層構造上の、あるいは、絶縁
物基板上に設けられた再結晶化シリコン・ゲルマニウム
薄膜の１層構造上の、単結晶シリコン薄膜であることか
ら構成される。

第２に本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁物
基板上に形成されたシリコン薄膜を主要部とする薄膜ト
ランジスタの製造方法において、絶縁物基板上にゲルマ
ニウム薄膜を成長し再結晶化ゲルマニウム薄膜上にシリ
コン・ゲルマニウム単結晶薄膜を成長し該シリコン・ゲ
ルマニウム単結晶薄膜上チャネルが形成されるシリコン
単結品薄１模を成長させる、あるいは、絶縁物基板上に
シリコン・ゲルマニウム薄膜を成長し再結晶化させ該再
結晶化シリコン・ゲルマニウム薄膜上に、チャネルが形
成されるシリコン単結晶薄膜を成長させることから構成
される。

（作用）本発明においては、ゲルマニウム薄膜が絶縁物基板上に
水素化ゲルマニウムガスなどを用いた気相化学反応法や
真空蒸着法などにより、形成される。この後、レーザー
やストリップ・ヒーターなどによシ、薄膜トランジスタ
が形成される領域にわたって、ゲルマニウム薄膜の再結
晶化がおこなわれ、単結晶領域が得られる。このとき、
該絶縁物基板は高温に晒されることとなる。

ところで、ゲルマニウムは６００℃程度の温度でも十分
な結晶成長がみられる。このため、再結晶化温度に耐え
得る基板として、石英基板に限らずホウケイ酸ガラスを
用いることができる。

該ゲルマニウム薄膜上に直接シリコンをエピタキシャル
成長させることができればよいが、ゲルマニウムの格子
定数は、５．６５７Ａとシリコンの格子定数５．４３１
Ａとズレが大きい。このため、第１層目のゲルマニウム
薄膜上に、直接シリコン薄膜を成長させることは難しい
。

ところで、シリコン・ゲルマニウム薄膜においては、組
成比を選ぶことによりシリコンの格子定数カラゲルマニ
ウムの格子定数までの間で、平均の格子定数を変えるこ
とができる。従って、ゲルマニウム薄膜上にシリコン薄
膜を成膜するときにくらべ、シリコン・ゲルマニウム薄
膜上にシリコン薄膜を成膜するときには、２層間の格子
定数のズレが小さくなる。

従って、第１層目にゲルマニウム薄膜、第２層目にシリ
コン・ゲルマニウム薄膜を設けることで、シリコンに対
する格子定数のズレを小さくし、第３層目にシリコン薄
膜を結晶成長させることができる。

シリコン・ゲルマニウム薄膜は、水素化シリコンガスと
水素化ゲルマニウムガスの混合気体を用いた気相化学反
応法や、シリコンとゲルマニウムを同時に蒸着させる真
空蒸着法などにより、形成される。

該シリコン・ゲルマニウム薄膜上のシリコン薄膜は、水
素化シリコンガスなどを用いた気相化学反応法や真空蒸
着法により形成されろう使用する基板が、比較的高温ま
で耐えられる場合、基板上に直接シリコン・ゲルマニウ
ム薄膜を成膜し、再結晶化させることで、成膜工程を簡
略化できる。再結晶化の際の温度は、シリコンとゲルマ
ニウムの組成比により変えることができる。

再結晶化の後、該シリコン・ゲルマニウム薄膜上にシリ
コン薄膜を上記と同じ方法で成長させる。

このシリコン薄膜にゲート絶縁膜、ソース領域。

ドレイン領域を設け、電界効果型トランジスタを形成す
る。トランジスタ領域が単結晶であるため、移動度が大
きく、オフ電流の小さな、電界効果型トランジスタを得
ることができる。

ゲート絶縁膜としては、基板の耐熱温度にあわせて、水
素化シリコンガスと酸素あるいは笑気ガス（ＮＩＯ）　
　などの気相化学反応を利用して形成される酸化シリコ
ン膜が使われる。

ンース領域、ドレイン領域は、リンやホウ素などをイオ
ン注入して形成される。

ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極には、アルミニ
ウムなどの金属や多結晶シリコンが用いられる。

（実施例）以下に本発明の詳細な説明する。はじめに、ゲルマニウ
ム薄膜を再結晶化し作成した電界効果型トランジスタの
実施例を説明する。作成した電界効果型トランジスタの
断面図を第１図に示す。

まず、ホウケイ酸ガラス１０１を有機洗浄した後、水素
化シリコンガスと酸素の反応によシ減圧下で酸化シリコ
ン膜１０２を表面と裏面に４５０℃で堆積する。これに
より、以降の製造工程において使用する酸により、基板
が腐食されるのを防ぐ。

この後、該酸化シリコン膜上に真空蒸着法によりゲルマ
ニウム薄膜１０３を厚さ３０００Ａ形成した。

蒸着は、ｌ　Ｘ　１０”　Ｔｏｒｒ　　以下の圧力で行
われた。

この後、石英炉内で、石英ホルダーの上に基板を置き、
ストリップ・ヒーターをゲルマニウム８６１０３よｐ１
Ｍ離した位置におき、該ゲルマニウム薄膜が融解するま
でヒーター電流を流した。次に、約０．２ｍｍ／　ｓｅ
ｅ　　の速さで、試料の基板を動かして、該ゲルマニウ
ム薄＠１０３を再結晶化させた。これを真空槽内へ装着
し、シリコン・ゲルマニウム薄１１Ｋ　１０４をゲルマ
ニウム薄膜１０３上へ厚さ約２００ＯＡ真空蒸着法によ
シ成長させた。このときの組成比は例えばシリコン・ゲ
ルマニウム＝６０：４０である。引き続き、同一の真空
槽内において、シリコン結晶１０５をシリコン・ゲルマ
ニウム薄膜１０４上へ厚さ約６００ＯＡ成長させた。

この後、チャネル部分へのドーピングのため。

ホウ素イオンを約１００　ｋｅＶで約Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｑ”
ｍ−”イオン注入した。さらに、以前と同様にして、酸
化シリコン膜を気相化学反応法によシ形成し、フォトリ
ソグラフィ一工程を行ない、該酸化シリコン膜をマスク
として、ンース領域１０６．ドレイン領域１０７のみに
リンイオンを約ｌＸｌ０１８ａＩｒ”イオン注入した。

こののち、ドーパントの活性化のため、約６００℃で約
３０分のアニールを行った。

同様の気相化学反応法により、酸化シリコン膜であるゲ
ート絶縁ＩＰＪ１０８を形成し、アルミニウム金属を真
空蒸着し、フォトリソグラフィ一工程を経てンース電極
１０９．ドレイン電極１１０゜ゲート電極１１１を形成
した。

この後、ソース領域とソース電極あるいはドレイン領域
とドレイン電極間のオーミック接触を完全なものにする
ために約４５０℃のアニールを行い、薄膜トランジスタ
の特性を測定した。この結果、電界効果移動度１１２（
！Ｊ／Ｖ−Ｂ＋ｅｃ　、　　オン・オフ比１０Ｂの特性
を得た。

次に、シリコン・ゲルマニウム薄膜を再結晶化した例を
述べる。作成した電果効果型トランジスタの断面図を第
２図に示す。

石英ガラス２０１を洗浄した後、真空蒸着によシシリコ
ン・ゲルマニウム薄膜２０２を厚さ約３０００Ｘ形成し
た。蒸着は、約２Ｘ　１０−’　ｔｏｒｒ以下の圧力で
おこなわれた。このときの組成比は約シリコン：ゲルマ
ニウム＝６０：４０である。この後、ストリップ・ヒー
ターを用いて再結晶化させた。

これを真空槽内へ装着し、シリコン薄膜２０３をシリコ
ン・ゲルマニウム薄膜２０２上へ厚さ約６０００Ｘ成長
させた。この後、第１図の例と同様の製造工程によシミ
界効果トランジスタを形成した。

このとき、電界効果移動度１０８Ｊ／Ｖ・ｓａｅ　、オ
ン・オフ比３Ｘ１０”　の特性を得喪。この例において
は、成膜の工程は第１図の例にくらべ簡略化されるが、
再結晶化の温度が上がるため、石英基板を使う必要があ
った。しかし、シリコン・ゲルマニウム薄膜の組成比を
変えることで、ホウケイ酸ガラスを使用できるまでに再
結晶化温度を下げられる可能性がある。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、安価な絶縁物基板上に、
良好な特性のトランジスタを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例を説明するだめの断面図、第２図
は第２の実施例を説明するための断面図。　　　□１０
１・・・ホウケイ酸ガラス基板１０２−・・酸化シリコン１０３−再結晶化ゲルマニウム薄膜１０４・・・シリコン・ゲルマニウム薄膜１０５・−シ
リコン薄膜１０６・−ソース領域１０７・・・ドレイン領域１０８−・・ゲート絶縁膜１０９・・・ソース電極１１０−・・ドレイン電極１１１・−ゲート電極２０１・・・石英基板２０２・・・再結晶化シリコン・ゲルマニウム薄膜２０
３・・・シリコン薄膜２０４・−・ソース領域２０５　・・・ドレイン領域２０６　・・・ゲート絶縁物２０７・・・ソース電極２０８・・・ドレイン電極２０９・・・ゲート電極オ　１　図

Claims

【特許請求の範囲】

１）絶縁物基板上に設けられたシリコン薄膜を主要部と
する薄膜トランジスタの構造において、チャネルが形成
されるシリコン薄膜が、絶縁物基板上に設けられた再結
晶化ゲルマニウム薄膜と該再結晶化ゲルマニウム薄膜上
のシリコン・ゲルマニウム単結晶薄膜の２層構造上の、
あるいは、絶縁物基板上に設けられた再結晶化シリコン
・ゲルマニウム薄膜の１層構造上の、単結晶シリコン薄
膜であることを特徴とした薄膜トランジスタの構造２）
絶縁物基板上に形成されたシリコン薄膜を主要部とする
薄膜トランジスタの製造方法において、絶縁物基板上に
ゲルマニウム薄膜を成長し再結晶化させ該再結晶化ゲル
マニウム薄膜上にシリコン・ゲルマニウム単結晶薄膜を
成長し該シリコン・ゲルマニウム単結晶薄膜上チャネル
が形成されるシリコン単結晶薄膜を成長させる、あるい
は、絶縁物基板上にシリコン・ゲルマニウム薄膜を成長
し再結晶化させ該再結晶化シリコン・ゲルマニウム薄膜
上に、チャネルが形成されるシリコン単結晶薄膜を成長
させることを特徴とした薄膜トランジスタの製造方法