JP3453214B2 - 触媒cvd法による薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ - Google Patents
触媒cvd法による薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタInfo
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Description
コン薄膜の生成方法およびシリコン薄膜トランジスタの
製造方法および薄膜トランジスタに関する。
膜トランジスタが液晶ディスプレイ,集積回路装置等の
半導体エレクトロニクスの分野において幅広く使用され
ている。
素一つ一つに付けられるスイッチングトランジスタと,
画面全体を制御する高移動度のトランジスタの2種類の
トランジスタが必要である。
スイッチ用には大画面にわたって低温で作ることのでき
るアモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタを使
用し,画面制御用には結晶シリコンで作られたトランジ
スタ集積回路を使用して両者を一体にすることにより制
御用トランジスタとする方法が用いられていた。そのた
め,配線が複雑になり,製造コストを押し上げる原因に
なっていた。そこで,この画面制御用の制御トランジス
タを,ガラス基板に形成したシリコン薄膜に画素スイッ
チ用薄膜トランジスタと共に形成することが提案され,
そのための種々の方法が開発されてきた。
ァスシリコン膜に照射することによりアモルファスシリ
コン膜を溶融し,再結晶させることにより多結晶膜とし
て高移動度の薄膜トランジスタを生成する方法である。
この方法は600°C以下の低温で高移動度の薄膜トラ
ンジスタを形成することができるが,レーザを使用する
ために大面積に薄膜を形成することが困難である。また
一方,従来からの単純な熱CVD法や,シリコン薄膜を
加熱処理とする方法では,600°C以上の温度にしな
いと移動度が10cm2 /V・Sを超えるポリシリコン
が作れなかった。しかし,600°C程度の温度では使
用できるガラス基板が制約され,より低温の熱処理で薄
膜トランジスタを製造する方法の開発が望まれていた。
そこで,高移動度の薄膜トランジスタを大面積にわたっ
て,安価なガラス基板を使用して,低温で製造する方法
として,本発明者らは触媒CVD法によりシリコン薄膜
を生成することを提案した。
触媒体に原料ガスを吹きつけ,触媒体と原料ガスとの接
触分解反応を用いて原料ガスの全部または一部を分解
し,その分解された堆積種を基板まで輸送することによ
り,プラズマも光励起過程をも用いずに,基板自体の温
度を低温に保ったままシリコン薄膜を生成する方法であ
る。
薄膜の生成方法の説明図である。図6において,51は
反応室である。
る。53は触媒体であって,タングステン等のヒータで
ある。54は原料ガス供給管であって,原料ガスを供給
するものである。
系のシリコン化合物と,水素ガス等の他の物質のガスの
混合ガスである。55はヒータであって,基板52を加
熱するものである。
電力を供給するものである。図6の構成において,基板
52はヒータ55により500°C程度の低温で加熱さ
れている。原料ガスが原料ガス供給管54に供給され
る。原料ガスは触媒体53と接触し,原料ガスのうちの
シリコン化合物の全部もしくは一部が触媒により分解さ
れてシリコン(Si)の種を生成する。分解されたSi
の種および分解されなかったシリコン化合物および他の
物質のガス(水素ガス等)が基板52に移動する。そし
て,Siの種は基板52の表面に堆積し,シリコン薄膜
を生成する。
給する電力は,本発明と比較して400〜500W(触
媒体の占める面積の単位面積当たり10W/cm2 以
下)程度の小電力のものであった。また,他の物質のガ
スのシリコン化合物に対する割合はほぼ同程度であった
(シリコン化合物の流量比をA,他の物質のガスの流量
比をBとしたとき,A/B≒1)。
ガス流量比A/B≒1では,生成されるシリコン薄膜は
アモルファスになる。また,圧力を0.5Torr以下
に下げ,シリコン薄膜を約1μm以上の厚い膜まで成長
させると多結晶膜は得られるが,それでも0.3μm以
下の薄い膜では,X線回折で観察する限りアモルファス
になる。
FT等の薄膜トランジスタを作成する場合には,オフの
時の抵抗をできるだけ大きくする必要があることからシ
リコン薄膜の膜厚を0.1μm以下の薄い膜にする必要
があり,しかも高移動度でなければならない。
で生成したシリコン薄膜は,膜厚が0.1μm以下では
アモルファスのシリコン薄膜しか得られず,移動度も1
cm 2 /V・S程度の小さいものであった。
き,しかも0.1μm以下の薄い膜厚で高移動度のシリ
コン薄膜を生成できるシリコン薄膜の生成方法およびそ
の薄膜を用いた高移動度のシリコン薄膜トランジスタの
製造方法を提供することを目的とする。
タの製造方法は,基板にシリコン薄膜を生成し,電極を
生成することによりトランジスタとするものであって,
シリコン薄膜を形成する方法は,触媒体に原料ガスを吹
きつけ,触媒体と原料ガスとの接触反応により原料ガス
の一部もしくは全部を分解し,分解されて生成した堆積
種を基板に堆積して薄膜を生成する触媒CVD法により
多結晶性のシリコン薄膜を生成する方法であり,原料ガ
スはシリコン(Si)化合物のガスと他の物質ガスとの
混合ガスであり,触媒は供給される電力により加熱され
るものであり,シリコン薄膜を生成する反応室の圧力を
低くして,0.1Torr以下とし,原料ガスにおける
他の物質のガスの流量Bと該シリコン化合物のガスの流
量Aについて,その割合を充分に大きいものとしてB/
Aを10以上とし,および該触媒に供給する電力を触媒
体温度はシリコン溶融温度以上である1700°C以上
とし,基板温度は500°C以下の低温度として多結晶
のシリコン薄膜を生成し,該シリコン薄膜に電極を形成
することを特徴とするものである。本発明の薄膜トラン
ジスタは,基板に形成されたシリコン薄膜に電極を形成
した薄膜トランジスタであって,シリコン薄膜は,触媒
体に原料ガスを吹きつけ,触媒体と原料ガスとの接触反
応により原料ガスの一部もしくは全部を分解し,分解さ
れて生成した堆積種を基板に堆積して薄膜を生成する触
媒CVD法により生成したシリコン薄膜であって,原料
ガスはシリコン(Si)化合物のガスと他の物質のガス
との混合ガスであり,触媒は供給される電力により加熱
されるものであり,シリコン薄膜を生成する反応室の圧
力を低くして0.1Torr以下とし,原料ガスにおけ
る他の物質のガスの流量Bと該シリコン化合物のガスの
流量Aについて,その割合を充分に大きいものとしてB
/Aを10以上とし,および該触媒に供給する電力を触
媒体温度はシリコン溶融温度以上である1700°C以
上とし,基板温度は500°C以下の低温度として基板
に多結晶のシリコン薄膜を生成し,該薄膜に電極を形成
したものであって,該シリコン薄膜の移動度が50cm
2 /V・S以上であることを特徴とするものである。
いて,1は反応室である。
るものである。3は触媒体であって,タングステン等の
触媒である(原料ガスを分解してSiの種を生成できる
ものであれば他の材料でも良い)。
反応室1に供給するものである。5はヒータであって,
基板2を加熱するものである。6は電力供給源であっ
て,触媒体3に電力を供給するものである。
のガス(例えばシラン)および他の物質のガス(例えば
水素)を含むものである。反応室の圧力条件は従来実施
されていた圧力(0.1Torr以上)より低圧であっ
て,例えば,0.05Torrである。そして,他の物
質のガスのシリコン化合物のガスに対する混合比の条件
は,従来行われていたより大きいものである。例えば,
従来の方法に比較して大きいものであって,シリコン化
合物のガスの流量比をAsccm,他のガスの流量比を
Bsccmとした時,ほぼB/A>10程度である。ま
た,触媒体に供給する電力の条件は,触媒体3の温度が
シリコン溶融温度(1450°C以上,望ましくは17
00°C以上)になるもので,かつ,触媒体の構造を変
えたことにより,従来より2倍以上の値に設定されてい
る。例えば,触媒体の表面積によっても異なるが,ほぼ
1000W以上である(触媒体の占める面積によって異
なる)。このような各条件が満たされて基板2に厚さ
0.1μm以下の薄い膜厚で多結晶性のシリコン薄膜を
低温生成することが可能になる。
シリコン薄膜は粒径が100Å程度の微結晶と称されて
いるものから粒径が200Å以上の多結晶を含むもので
ある。
生成方法について説明する。基板2はヒータ5により低
温に加熱されている。反応室は真空ポンプ(図示せず)
により低圧(例えば,約0.05Torr以下)にす
る。
混合ガスが原料ガス供給管4により供給され,そして原
料ガスは触媒体3の表面に接触する。電力供給源に供給
される電力は大きいので,触媒体3の温度はシリコン溶
融温度以上に加熱されている。そのため,分解されたシ
リコンの種は高温で基板2に輸送される。また,触媒体
3にシリコンが付着して残ることがない。また,分解さ
れなかったガスおよび他のガスは,シリコンの種に比較
して低温で基板2の表面に吹きつけられる。その結果,
基板2の表面に高移動度の多結晶性のシリコン薄膜が生
成される。上記のような方法により基板温度が300°
C程度の低温でガラス等の基板に膜厚が0.1μm以下
の多結晶性のシリコン薄膜を生成することができる。
る。図2において,11は反応室であって,ステンレス
の容器である。
あって,タングステンである。触媒体13と原料ガス供
給管14の吹き出し口との距離Lは約4cmである。
タであって,ガラス基板12を加熱するものである。2
1は基板ホルダーであって,ガラス基板12を保持する
ものである。
温度を測定するものである。23は電子式赤外線温度計
であって,触媒体13の温度を測定するものである。
ブである。25は電流計である。
プである。26は電圧計である。
に供給する電力を制御するものである。30は原料ガス
である。シリコン化合物のガスの例としてシランガス,
他の物質のガスの例として水素ガスによる場合を示す。
を生成する方法を説明するのに先立ち図3の説明をす
る。図3は本発明の触媒体の構成の実施例である。
ングステン線である。13’は触媒体をコイル巻いて折
り曲げて配置した時に触媒体の線の張る面の概形であ
る。実施例の場合,7cm×7cmである。従って,触
媒体13の張る単位面積当たりの供給電力は1100/
(7×7)≒22.4W/cm2 である。
を生成する方法について説明する。図2において,触媒
体13の温度は石英窓23’を透して電子式赤外線放射
温度計23により測定される。同時に電流計25と電圧
計26の測定値により触媒体(タングステン線)13の
電気抵抗を求め,その電気抵抗の温度依存性からも計測
値を確認した。また,ガラス基板12の温度は熱電対2
2により計測すると同時にガラス基板12の裏面に塗布
した示温性ペイント(温度によって色が変わる)の色を
観察することによっても確認した。
ものである。触媒体13の温度は1600°Cから18
00°Cである。触媒体13を加熱するのに投入した電
力は1100Wである。
素ガスの流量は65sccmである。ガラス基板12の
温度の熱電対による計測値は290°C,示温性ペイン
トを観測して得られた温度は約350°Cである。
Torrである。上記の条件により,堆積時間3分以内
で膜厚が約0.1μmの多結晶性シリコン薄膜を得るこ
とができる。
量が高く,触媒体13の温度は1600°C〜1800
°C程度の高温である。そのため,触媒体13により分
解されて生成されたシリコンは高温でガラス基板12に
輸送される。また,水素ガスの量が多く,それは触媒体
13の隙間を抜けてガラス基板12の表面に到達するの
でその温度は比較的に低い。
Torr程度の低い時は,触媒体に接触して分解された
種は高いエネルギーを持って基板表面に到達するが,触
媒体13に接触しない種(接触しないで生成されたS
i,分解されないシランガス,水素ガス等)は低温のま
まであって,いわば熱的非平衡が生じている。例えば,
1700°Cの温度の触媒体に接して作られた種は,そ
の温度で一般の熱がCVD堆積する際に基板表面で持つ
種のエネルギーに近いエネルギーを持って触媒体から基
板に飛来する。つまり,基板自体は低い温度であって
も,飛来する種の一部は大変な高温になっていて,基板
表面があたかも高温であるかのように振る舞うのである
が,他の多くの冷たい種が基板全体の温度上昇を抑える
ものであると考えられる。このようにして,従来の方法
では基板温度を高温にしないと実現できなかった高移動
度の多結晶シリコンが低い基板温度で生成されると考え
られる。
300°C程度の低温でも膜厚が0.1μm程度の高移
動度の多結晶シリコン薄膜が得られるが,400°C,
500°C程度までガラス基板12の温度を上げれば,
さらに多結晶の粒径が大きくなり,より高い移動度のシ
リコン薄膜を生成することができる。
してシラン(SiH4 )について説明したが,本発明は
ジシラン(Si2 H6 ),トリシラン(Si3 H8 )等
のシラン系ガス全般に適用できるものである。また,S
iF2 ,SiH2 F2 等のフッ化シリコン系のガスに対
しても適用できるものである。
4族元素を混入しても良い。図4は本発明の触媒CVD
法により生成したシリコン薄膜の薄膜トランジスタの例
である。
て,結晶シリコンである。36はシリコン酸化膜であっ
て,ゲート電極35を酸化して生成したものであり,ゲ
ート絶縁膜である。
発明の触媒CVD法によりシリコン酸化膜36の上に堆
積して生成したものである。シリコン薄膜37の膜厚は
約0.1μmである。
電極となるものである。39はアルミニウム電極であっ
て,ドレイン電極となるものである。図4のシリコン薄
膜トランジスタは,結晶シリコンのゲート電極35を酸
化してシリコン酸化膜36を生成する。シリコン酸化膜
の膜厚は約1200Åである。次にシリコン酸化膜36
上に本発明の触媒CVD法により多結晶性のシリコン薄
膜37を形成する。そして,シリコン薄膜37をエッチ
ングしてアルミニューム電極を蒸着し,エッチングして
ソース38とドレイン39を得る。ゲートのチャネル長
は15μmである。チャネル幅は600μmである。
極とする構成であるが,一般的にはガラス基板にゲート
電極とする金属膜を設け,その表面にゲート絶縁膜を形
成してその上に本発明の方法により多結晶シリコン薄膜
を生成する。
ソース−ドレイン間電流IDSとソースゲート間電圧VGS
の関係を示すものである(ソース−ドレイン間電圧は5
Vである)。
ンジスタの移動度を求めることができる。図5の場合の
その値は約70cm2 である。このように,本発明の触
媒CVD法を使用することにより高移動度のシリコン薄
膜トランジスタを製造することが可能になる。
以下,300°C程度であっても,膜厚が0.1μm以
下の薄い,高移動度の多結晶性のシリコン薄膜を生成す
ることができる。そのため,液晶ディスプレイ,半導体
集積回路装置等に使用する高移動度のシリコン薄膜トラ
ンジスタを低温処理で製造することができるようにな
る。
る。
る。
薄膜の薄膜トランジスタの例を示す図である。
を示す図である。
方法の説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 基板にシリコン薄膜を生成し,電極を生
成することによりトランジスタとする薄膜トランジスタ
の製造方法において, 該シリコン薄膜を形成する方法は,触媒体に原料ガスを
吹きつけ,触媒体と原料ガスとの接触反応により原料ガ
スの一部もしくは全部を分解し,分解されて生成した堆
積種を基板に堆積して薄膜を生成する触媒CVD法によ
り多結晶性のシリコン薄膜を生成する方法であり, 原料ガスはシリコン(Si)化合物のガスと他の物質ガ
スとの混合ガスであり,触媒は供給される電力により加
熱されるものであり, シリコン薄膜を生成する反応室の圧力を低くして,0.
1Torr以下とし,原料ガスにおける他の物質のガス
の流量Bと該シリコン化合物のガスの流量Aについて,
その割合を充分に大きいものとしてB/Aを10以上と
し,および該触媒に供給する電力を触媒体温度はシリコ
ン溶融温度以上である1700°C以上とし,基板温度
は500°C以下の低温度として多結晶のシリコン薄膜
を生成し,該シリコン薄膜に電極を形成することを特徴
とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 【請求項2】 基板に形成されたシリコン薄膜に電極を
形成した薄膜トランジスタにおいて, 該シリコン薄膜は,触媒体に原料ガスを吹きつけ,触媒
体と原料ガスとの接触反応により原料ガスの一部もしく
は全部を分解し,分解されて生成した堆積種を基板に堆
積して薄膜を生成する触媒CVD法により生成したシリ
コン薄膜であって, 原料ガスはシリコン(Si)化合物のガスと他の物質の
ガスとの混合ガスであり,触媒は供給される電力により
加熱されるものであり, シリコン薄膜を生成する反応室の圧力を低くして0.1
Torr以下とし,原料ガスにおける他の物質のガスの
流量Bと該シリコン化合物のガスの流量Aについて,そ
の割合を充分に大きいものとしてB/Aを10以上と
し,および該触媒に供給する電力を触媒体温度はシリコ
ン溶融温度以上である1700°C以上とし,基板温度
は500°C以下の低温度として基板に多結晶のシリコ
ン薄膜を生成し,該薄膜に電極を形成したものであっ
て,該シリコン薄膜の移動度が50cm2 /V・S以上
であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05576395A JP3453214B2 (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 触媒cvd法による薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP05576395A JP3453214B2 (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 触媒cvd法による薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08250438A JPH08250438A (ja) | 1996-09-27 |
JP3453214B2 true JP3453214B2 (ja) | 2003-10-06 |
Family
ID=13007898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP05576395A Expired - Lifetime JP3453214B2 (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 触媒cvd法による薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3453214B2 (ja) |
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