DE3317954A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, beispielsweise einen Dünnschicht-Feldeffekttransistor, und insbesondere ein Halbleiterbauelement, dessen Hauptteil aus einer Halbleiterschicht in Form einer polykristallinen Silicium-DUnnschicht besteht.
Es ist bekannt, daß für die Herstellung des Abtastschaltungsteils einer Bildleseeinrichtung für die Verwendung bei der Bildablesung, beispielsweise eines eindimensionalen, in einer kontinuierlichen Länge
hergestellten Fotodetektors oder eines zweidirnensionalen Fotodetektors mit einer vergrößerten Fläche, oder für die Herstellung der Treiberschaltung einer Bildanzeige- bzw. Sichtanzeigeeinrichtung, bei der ein Flüssigkristall (LC), ein Elektrochromiematerial (EC) oder ein Elektrolumineszenzmaterial (EL) verwendet wird, ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor gebildet wird,
B/13
Dresdner Bank iMunehan) Klo 39398-44 Bly« .«reinsbank (MuncMxi) KIo 508 941 PoslactMH* IMunchonl KIo 670-43-804
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indem als Grundmaterial eine auf einem bestimmten Substrat gebildete Silicium-DUnnschicht eingesetzt wird, deren Größe der vergrößerten Fläche solcher Sichtanzeigeteile entspricht.
Es ist erwünscht, daß eine solche Silicium-Dünnschicht eher polykristallin als amorph ist, damit eine große Bildleseeinrichtung oder Sichtanzeigeeinrichtung, die mit höherer Geschwindigkeit arbeitet und eine höhere Leistungsfähigkeit hat, erhalten werden kann. Einer der Gründe dafür besteht darin, daß die durch das übliche Entladungs-Zersetzungsverfahren erhaltene Silicium-Dünnschicht aus amorphem Silicium eine effektive Ladungsträgerbeweglichkeit (μ ff) von höchstens
1^ 0,1 cm /V. s (und damit einen viel geringeren μ „„-Wert als ein MOS-Transistor aus Einkristall-Silicium) hat, während die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit einer Silicium-Dünnschicht, die als Grundmaterial für die Bildung des Abtastschaltungsteils einer solchen Lese-
*Q einrichtung, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitet und eine hohe Leistungsfähigkeit hat, oder des Treiberschaltungsteils einer Bildanzeigeeinrichtung dient, groß sein sollte. Der auf die Hall-Beweglichkeit in amorphem Silicium zurückzuführende, kleine Wert der
2^ Beweglichkeit (μ ff) und das große Ausmaß der Veränderung im Verlauf der Zeit sind der amorphen Silicium-Dünnschicht innewohnende Eigenschaften, weshalb die amorphe Silicium-Dünnschicht den Nachteil aufweist, daß die leichte Herstellbarkeit und die niedrigen Fertigungskosten solcher Dünnschichten nicht ausgenutzt werden können.
Im Gegensatz dazu hat eine polykristalline Silicium-Dünnschicht eine viel größere Hall-Beweglichkeit als eine amorphe Silicium-Dünnschicht, was aus den tatsäch-
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lieh gemessenen Werten hervorgeht. Es ist in der Theorie sehr wahrscheinlich, daß eine polykristalline Silicium-Dünnschicht mit einem Wert der Beweglichkeit μ ~~ der im Vergleich mit dem gegenwärtig erhaltenen Wert weiter erhöht ist, hergestellt werden kann.
Beispiele für bekannte Verfahren, durch die auf einer großen Fläche eines gegebenen Substrats polykristallines Silicium hergestellt werden kann, sind Verfahren wie
1^ das chemische Aufdampfverfahren (CVD-Verfahren), das chemische Aufdampfverfahren unter niedrigem Druck (LPCVD-Verfahren), das epitaxiale Molekularstrahlverfahren (MBE-Verfahren), das Ionenplattierverfahren (IP-Verfahren) und das Glimmentladungsverfahren (GD-Verfahren).
Es ist bekannt, daß durch jedes dieser Verfahren auf einem Substrat mit einer großen Fläche ein polykristallines Silicium hergestellt werden, kann, wobei die Sub- ^ strattemperatur jedoch in Abhängigkeit von dem Verfahren verschieden sein kann.
Ein Halbleiterbauelement, dessen Hauptteil aus einer nach' diesem Verfahren hergestellten Halbleiterschicht χπ Form einer polykristallinen Silicium-Dünnschicht besteht, kann· jedoch unter den gegenwärtigen Umständen nicht in ausreichendem Maße die erwünschten Eigenschaften und die erwünschte Zuverlässigkeit zeigen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement
. zur Verfügung zu stellen, dessen Hauptteil aus einer polykristallinen Dünnschicht besteht, die sehr gute Eigenscr.aften in bezug auf das Verhalten und die Zuver-'
lässigkeit des Halbleiterbauelements hat.
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• ·
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Durch die Erfindung soll auch ein Halbleiterbauelement mit ausgezeichneten Halbleiter«igenschaften und einer hervorragenden Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt werden.
5
Weiterhin soll durch die Erfindung ein Halbleiterbauelement zur Verfugung gestellt werden, dessen Hauptteil aus einer Halbleiterschicht aus polykristallinen) Silicium besteht, die mindestens eine aus Kohlenstoff-, Schwelel-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ausgewählte Atomart enthält.
Durch die Erfindung wird ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, das eine Halbleiterschicht aus polykristallinem Silicium enthält, wobei in der Halbleiterschicht die Konzentration der Wasserstoffatome, die Ätzgeschwindigkeit beim Ätzen der Halbleiterschicht, die Rauhigkeit der Oberflächenschicht und die Orientierung und die Kristallgröße der Polykristalle bei Werten gehalten werden, die innerhalb von spezifischen Bereichen liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, dessen Hauptteil aus einer polykristallinen Dünnschicht besteht, die als Bestandteil mindestens eine aus Kohlenstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ausgewählte· Atomart enthält.
ou Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Fließbild, in dem die Schritte für die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente erläutert werden.
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Fig. 2 ist eine zur Erläuterung der Schaltung für die Messung der TFT-Eigenschaften der als Produkte erhaltenen TFT (TFT = Dünnschichttransistor) dienende, schematische Ansicht.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung für die Herstellung von Siliciumfilmen, die für die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements eingesetzt wird.
Fig. 4 zeigt Werte der erfindungsgemäß erhaltenen TFT-Eigenschaften.
Das Verfahren zur TFT-Herstellung gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.
Der TFT ist ein FeIieffekttransistor, der eine Halbleiterschicht 101, eine Elektrodenschicht 107, ohmsche Kontaktschichten 103 und 104 und eine isolierende Schicht 105 aufweist und durch die Vorspannung, die an die auf der isolierenden Schicht 105 angeordnete
Gate-Elektrode 110 angelegt wird, moduliert wird. 25
Zwischen der Source-Elektrode 108 und der Drain-Elektrode 109, die an die Halbleiterschicht 101 angrenzen
und · ohmschen Kontakt haben, wird eine Spannung angelegt, und der zwischen diesen Elektroden fließende
Strom wird durch die Vorspannung moduliert, die an die auf der isolierenden Schicht 105 vorgesehene Gate-Elektrode 110 angelegt wird. /Dieser Aufbau wird in Fig. 1, Schritt (y.) , gezeigt^. Zuerst wird nach dem Waschen des Substrats 100 auf dem Substrat nach einem
Dünnsch ichtb ildungsverfahren, wie es nachstehend erläutert wird, eine polykristalline Silicium-Dünnschicht
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• ♦ · *
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101 .abgeschieden /Schritt (a)J7- Einzelheiten des Abscheidungsverfahrens werden in den jeweiligen Beispielen beschrieben. Dann wir! als ohmsche Schicht eine n+-Schicht 102 (P-dotiertes Silicium) abgeschieden /Schritt (b)J; Source und Drain werden durch Ätzen gebildet /Schritt (c)J, und danach wird darauf eine isolierende Schicht 105 abgeschieden /Schritt (d)J. Die isolierende Schicht besteht aus einem Material wie Siliciumnitrid, SiOp oder Al_0» und wird beispielsweise nach dem CVD- oder dem LPCVD-Verfahren gebildet.
Als nächstes werden die Kontaktlöcher 106 für die Source- und die Drain-Elektrode geöffnet /Schritt (e)J, -und die höher befindliche Gate-Elektrode, die Quelle (Source) und die Senke (Drain) werden zur Fertigstellung des Transistors verdrahtet /Schritte (f) und (g)J.
Im Rahmen der Erfindung enthält die Halbleiterschicht
aus polykristallinem Silicium mindestens eine aus Kohlenstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ausgewählte Atomart. Von diesen Atomarten können als Bestandteile 2 oder mehr enthalten sein.
Wenn erfindungsgemäß in einem polykristallinen Silicium Kohlenstoff enthalten ist, können Kohlenstoffatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% und vorzugsweise von 0,03 bis 5 A.tom-% enthalten sein.
Wenn Schwefel enthalten ist, können Schwefelatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% und vorzugsweise von 0,03 bis 5 Atom-% enthalten sein.
Wenn Stickstoff enthalten ist, können Stickstoffatome 35
in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% und vorzugsweise von 0,01 bis 4 Atom-% enthalten sein.
COPY
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Wenn Sauerstoff enthalten ist, können Sauerstoffatome in einer Menge von 0,03' bis 5 Atom-% und vorzugsweise von 0,03 bis 4 Atom-?6 enthalten sein.
Die vorstehend erwähnten Nachteile werden vollständig überwunden, indem man bei der Bildung einer polykristallinen Siliciumschicht die vorstehend erwähnten Atome einsetzt, da das Halbleiterbauelement, bei dem die auf diese Weise gebildete, polykristalline Silicium-IC schicht verwendet wird, .ausgezeichnete Halbleitereigensch'aften und eine hohe Zuverlässigkeit hat.
Die polykristalline Siliciumschicht des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements enthält vorzugsweise Wasserstoffatome. Der Wasserstoffgehalt in dem polykristallinen Silicium beträgt vorzugsweise 0,01 bis 3 Atom-%, und es wird auch bevorzugt, daß die gebildete Halbleiterschicht eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen 80,0 nm oder weniger beträgt. Es wird
2^ außerdem bevorzugt, die Halbleiterschicht so zu bilden, daß sie beim Ätzen mit einem Ätzmittel, das aus Flußsäure (50 vol.-%ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d = 1,38; 60 vol.-%ige, wäßrige Lösung) und Eisessig in einem Volumenverhältnis von 1:3:6 bestent, eine ° Ätzgeschwindigkeit ~ von 2,0 nm/s oder weniger hat.
Die Aufgabe der Erfir.jung kann des weiteren in wirksamer Weise gelöst werden, indem die aus einer polykristallinen Silicium-Dünnschicht · bestehende Halbleiterschicht,
die den Hauptteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements bildet, so hergestellt wird, daß sie ein Röntgenbeugungsbild oder ein Elektronenstrahlbeügungsbild zeigt, bei dem die auf die gesamte Beugungsintensität bezogene Intensität der Beugung von der Ebene
mit dem Ebenen-Index (220) 30 % oder mehr beträgt, und daß sie außerdem eine mittlere Größe der Kristall-
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teilchen von 20,0 nm oder mehr hat.
Erfindungsgemäß werden als. Verfahren zur Prüfung der Orientierungseigenschaften die Röntgenbeugung und die Elektronenstrahlbeugung in Kombination durchgeführt.
Die Röntgenbeugungsintensität eines hergestellten, polykristallinen Siliciumfilms wurde mit einem von Rigaku Denk! hergestellten Röntgendiffraktometer (Röntgenröhre mit Kupferanode; 35 kV; IO mA) gemessen, und ein Vergleich wurde durchgeführt. Der Beugungswinkel 2 Q wurde von 20 bis 65 variiert, und die den Ebenenindizes der (lll)-Ebene, der (220)-Ebene und der (311)-Ebene entsprechenden Beugungsmaxi ma wurden zur Bestimmung ihrer Beugungsintensitaten registriert.
Die Elektronehstrahlbeugungöintensitaten wurden mit einem von Nippon Denshi Co. hergestellten Gerät
(JEM-IOO V) gemessen, und die jeweiligen Beugungsintensitäten wurden in ähnlicher Weise bestimmt.
Nach der ASTM-Karte (Nr. 27-1402, JCPDS,. 1977) beträgt im Fall eines polykristallinen Siliciums ohne jede Orientierung, wenn von den durch (h, k, 1) dargestellten Ebenen mit großen Beugungsintensitäten, deren Beugun~sintensitäten im folgenden Verhältnis stehen:
(111):(220):(311) = 100:55:30
30
nur die (220)-Ebene betrachtet wird, das Verhältnis der Beugungsintensität in der (220)-Ebene zu der gesamten Beugungsintensität
(55/241) χ 100 = 22,8 (%).
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Unter Anwendung dieses Wertes als Standard kann eine Orientierungseigenschaft bezuglich der (220)-Ebene, bei der die Orientierungsstärke, d. h. das Verhältnis der Beugungsintensität in der (22O)-Ebene zu der gesamten Beugungsintensität, den vorstehend erwähnten Prozentsatz überschreitet und insbesondere 30 % oder mehr beträgt, . weiter verbesserte Transistoreigenschaften ergeben. Bei einem Wert von weniger als 30 % wird die Änderung im Verlauf der Zeit, in unerwünschter Weise größer. Erfindungsgemäß werden als Wert der Orientierungsstärke, die in Form des vorstehend erläuterten Prozentsatzes ausgedrückt wird, 50 % oder mehr am meisten bevorzugt.
Weiterhin ist auch festgestellt worden, daß die Transistoreigenschaften, insbesondere die Ladungsträgerbeweglichkeit, verbessert werden können, indem man die mittlere Korngröße erhöht und die vorstehend angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an- Wasserstoff (H). in der polykristallinen Silicium-Dünnschicht und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften der Dünnschicht erfüllt. Der Wert der mittleren Korngröße wurde nach dem üblicherweise angewandten Scherrer-Verfahren aus der Halbwertsbreite des (22O)-Spitzenwertes in dem vorstehend beschriebenen Röntgenbeugungsbild bestimmt. Die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit kann insbesondere bei einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr erhöht werden.
Dadurch, daß mindestens eine der vorstehend angegebenen Bedingungen als Bestandteil der erfindungsgemäßen Bedingungen mitwirkt, kann auf dem Substrat die Halbleiterschicht aus dem polykristallinen Silicium mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand (o) und einem relativ geringen optischen Absorptionskoeffizienten (Λ) gebildet werden, und diese Halbleiterschicht kann
JJ I / yb4
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in ausreichendem Maße für die Verwendung in einem Halbleiterbauelement, das für ein großes Anwendungsgebiet nach dem Stand der Technik zur Verfugung steht, geeignet sein.
5
Während beispielsweise bei dem Dünnschicht-Feldeffekttransistor (FE-TFT) des n-Kanal-Typs, der mit einer polykristallinen Silicium-Dünnschicht nach dem bekannten Verfahren hergestellt wird, ein Drain-Strom (I^us^ trotz einer ausreichend niedrigeren Gate-Spannung oft im Vergleich mit einem Drain-Strom (Jg^n) ι der sich aus einer ausreichend höheren Gate-Spannung ergibt, nicht in ausreichendem Maße herabgesetzt wird, verursacht der erfindungsgemäße Halbleiter niemals einen solchen Nachteil.
Wenn eine Struktur aus einem Ausleseteil und einen Abtastschaltungsteil in einem Auslese-Bauelement oder aus einer": Bildanzeigeteil und einem Treiberschaltungsteil in einem Eildanzeige-Bauelement in eine einzige Baueinheit integriert ist und ier Hauptteil des Abtastschaltungsteils oder des Treiberschaltungsteils aus einer polykristallinen Silicium-Dünnschicht besteht, werden diese Schaltungsteile im allgemeinen von ihrer Außenseite her belichtet.
Diese Nachteile können in der Praxis vernachlässigt werden, weil das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement einen außerordentlich geringen optischen Absorptionskoeffizienten hat. Infolgedessen kann unter der Voraussetzung, daß der Hauptteil der Schaltung aus
einem erfindungs^emäßen Halbleiterbauelement besteht, eine Schaltung mit hervorragenden Schaltungseigenschaften emalten werden.
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Die Halbleiterschicht aus dem polykristallinen Silicium, die den Hauptteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements bildet, kann folgendermaßen auf einem gewünschten Substrat gebildet werden.
5
Ein Silangas wie z. B. SiH4, Si2H, Si3H9 und Si H.Q, das bis zu einer gewünschten Konzentration mit Wasserstoff und einem verdünnenden Gas wie z. B. He, Ar und Kr verdünnt ist, wird zusammen mit Rohgasen, die Atome enthalten, die in die zu bildende Halbleiterschi cht eingebaut werden sollen, in eine zur Bildung der Schicht dienende Vakuumabscheidungskammer eingeleitet, worauf eine Glimmentladung hervorgerufen wird.
!5 Wenn in der Halbleiterschicht Kohlenstoffatome enthalten sein sollen, werden beispielsweise Kohlenwasserstoffe wie Methan (CH.), Ethan (COH_), Propan (C_HQ) und Ethylen (C2H4), Tetrafluormethan (CF4), Tetramethylsilan βCH3J4SiJ und Tetraethylsilan /Tc H5) Si/ eingesetzt.
Als F.^hgase werden für den Einbau von Schwefelatomen beispielsweise Schwefelwasserstof:" (H„S) und Schwefelhexafluorid (SFC), für den Einbau von Sauerstoffatomen
beispielsweise Sauerstoff (O) und Wasser (H O) und für den Einbau Vun Stickstoffatomen beispielsweise Stickstoff (N2'-, Amn; -niak (NH3), NO, NO2 und ' N3O eingesetzt.
Die Halbleiterschicht aus dem polykristallinen Silicium kann nach dem Zerstäubungsverfahren hergestellt werden, wobei in einem sogenannten "Verfahren der gemeinsamen Zerstäubung" ein Target, das in die gebildete Halbleiterschicht einzubauende Atome enthält, sowie ein Target aus Silicium verwendet werden können, oder das Siliciumtarget wird einer Zerstäubung unterzogen,
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indem die vorstehend erwähnten Rohgase nach Bedarf in einem sogenannten "Reaktions-Zerstäubungsverfahren" eingeleitet werden,, oder es können andere Verfahren angewandt werden.
5
Die Messung des Gehalts der verschiedenen Atome in der HalDleiterschicht aus dem polykristallinen Silicium wurde erfindungsgemäß nach folgenden Verfahren durchgeführt. Kohlenstoff und Schwefel wurden mittels einer Analysenvorrichtung für die gleichzeitige Analyse ~~ von Kohlenstoff und Schwefel in Metall (Modell CS-46-Typ, hergestellt von Leco) analysiert, während Sauerstoff und Stickstoff mittels einer Analysenvorrichtung für die gleichzeitige Analyse von Sauerstoff und stickstoff in Metall (Modell TC-36-Typ, hergestellt von Leco) analysiert wurden. Bei diesen Analysenverfahren wurde eine übliche Verfahrensweise befolgt. Das heißt, daß auf einem Pt-Substrat Silicium in einer Menge von etwa 10 mg abgeschieden wurie und daß das Substrat dann an einer Halteeinrichtung In der Analysenvorrichtung befestigt wurde und das Gewicht der atomaren Elemente gemessen wurde, woraus der Gehalt der Atome in Atom-°o berechnet wurde.
Der optische Absorptionskoeffizient (&) des Halbleiterfilms wurde mittels eines automatisch registrierenden Spektralfotometers (Modell 323-Typ, hergestellt von Hicachi Ltd.) bestimmt.
Im allgemeinen wird nach der Bestimmung der optischen.
Absorptionskoeffizienten der Wert hv in Abhängigkeit von dem Wert ViShV (worin hv die Energie des verwendeten Licnts bezeichnet) graphisch dargestellt, und der geradlinige Teil der erhaltenen Kurve wird extrapoliert.
Aus dem Schnittpunkt der extrapolierten Geraden mit
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der Abszisse wird der Endpunkt der Absorption E erhalten. Da im Rahmen der Erfindung eine genaue Ermittlung des extrapolierten Wertes nicht möglich ist, wird aus den erhaltenen βί-Werten der. bei 550 nm erhaltene Wert /kurz mit et, (550) bezeichnet^ als repräsentativer Wert ausgewählt.
Um die Wirkung der Erfindung darzulegen, wurde die Änderung, die der Dünnschichttransistor mit der polykristallinen Siliciurn-Dünnschicht im Verlauf der Zeit zeigt, durch das nachstehend beschriebene Verfahren hervorgerufen.
Ein TFT mit der in Fig. 2 gezeigten Struktur wurde hergestellt, und an die Gate-Elektrode- 201 wurde eine Gate-Spannung V_, = ■ 40 V angelegt, während zwischen Source 203 . und Drain 202 eine Drain-Spannung Vn
40 V angelegt wurde. Zur Messung der Änderung des Drain-Stroms In im Verlauf· der Zeit wurde der zwischen Source 203 und Drain 202 fließende Drain-Strom mit einem Elektrometer ('-'.eithley 610 C electrometer) gemessen. Der Prozentsatz der Änderung im Verlauf der Zeit wurde bestimmt, imiom die Änderung des Drain-Stroms nach 500-stünJigem, kontinuierlichen Betrieb . durch den anfänglichen Drain-Strom, dividiert und der erhaltene Wert für die Angabe in Prozent mit 100 multipliziert wurde.
Gemäß einem Verfahren, das bei einem MOS-FET (Metall-
oxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) üblicherweise durchgeführt wird, wurde die Schwellenspannung V
von TFT als die Stelle definiert, an der die von dem geradlinigen Teil der Vn—VTT-Kurve extrapolierte Linie die ' V -Absz..:se kreuzt. Gleichzeitig wurden die Änderungen von V ,. vor und nach der Änderung im
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Verlauf der Zeit geprüft, und der Betrag dieser Änderung wurde in V angegeben.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Durch das nachstehend gezeigte Verfahren wurde auf einem Substrat eine polykristalline Silicium-Dünnschicht
**" gebildet, und unter Verwendung dieser Dünnschicht wurde ein Feldeffekttransistor (TFT) hergestellt.
Die polykristalline Silici um-Dü nnschi er. t wurde mit einer Vorrichtung, wie sie in Fig, 3 dargestellt ist, worin als Substrat 300 Corning glass / 7059 mit einer Dicke von 0,5 mm verwendet wurde, gebildet.
Zuerst wurde· das Substrat 300 gewaschen, mit einer HF/HN0-./CH COOH-Mischung schwach geätzt und getrocknet.
Das Substrat 300 wurde in einem als Abscheidungskammer dienenden Rezipienten 301 an der oberen Anodenseite in enzer ■ Berührung mit einer Einrichtung 302 (Fläche = 452 cm ) zum Halten und Heizen des Substrats befestigt. Der Rezipient wurde mittels einer Diffusionspumpe
2^ 309 bis zur Erzielung eines Hintergrundvakuums von 0,27 nbar evakuiert. Das Evakuierverfahren wurde besonders sorgfältig bzw. vorsichtig durchgeführt, weil sonst ein gasförmiger Reaktionsteilnehmer nicht wirksam für die Filmbildung eingesetzt werden kann und keine
Reproduzierbarkeit der Filmeigenschaften erzielt werden kann. Das Substrat 300 wurde dann erhitzt, um die Oberflächentemperatur bei 500°C zu halten. (Die Temperatur wurde mit einem Thermopaar 303 reguliert.) Nach der Reinigung einer Oberfläche des Substrats 300 durch
Einführen von H^-Gas in den Rezipienten 301 unter Regulierung mit einer Durchflußreguliervorrichtung
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308 wurde ein gasförmiger Reaktionsteilnehmer eingeleitet. Die Oberflächentemperatur Ts des Substrats wurde auf 35O0C eingestellt, und der Innendruck in dem Rezipienten wurde bei der Entladung auf 0,27 mbar einreguliert.
In dem Beispiel wurden als gasförmige Reaktionsteilnehmer SiH.-Gas, das mit H_-Gas auf 10 Vol.-% verdUnnt worden war (kurz als 11SiH4(IO)/H2" bezeichnet]] und Methangas (CH4), das mit H3-GaS auf 0,5 Vol.-% verdünnt worden war, fkurz als '1CH4(O, 5)/H " bezeichnet} eingesetzt.
Die Durchflußgeschwindigkeit von jedem Gas wurde mit Gasdurchflußreguliervorrichtungen 304 und 307 auf
3
5 Norm-cm /min einreguliert, und der Innendruck in dem Rezipienten wurde mittels eines Absolutdruckmanometers 31.2 durch Schiließen des Hauptventils 310 auf einen gewünschten Wert einreguliert. Nachdem der Innen-
^u druck in dem Rezipienten stabilisiert war, wurde an die untere Kathodenelektrode 313 durch die Hochfrequenz-Stromquelle 314 (13,56 MHz) eine Spannung von
0,7 kV angelegt, um eine Glimmentladung anzuregen. Die Stromstärke betrug 60 ^a bei einer RF-Entladungs-
leistung von 20 W.
Unter den gleichen Bedingungen wurde die Entladung 30 min lang fortgesetzt, um die Filmbildung abzuschließen, und die Entlad.ing und die Einleitung von Gasen
wurden beendet.
Das Substrat wurde auf 180 C abgekühlt und für das darauffolgende Verfahren in diesem Zustand gehalten. Der auf diese Weise auf dem Substrat gebildete Film hatte eine Dicke von 300,0 nm und zeigte für das Substrat
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mit den Abmessungen 76,2 mm χ 76,2 mm, bei dem die Gase aus Düsen des Kreisringtyps eingeleitet wurden, eine Dickenverteilung innerhalb ies Bereichs von _+ 10 %.
Der polykristalline Siliciumfilm war ein Halbleiter vom η-Typ und hatte einen spezifischen elektrischen
Widerstand von — 10 ß.cm.
Anschließend wurde unter Anwendung des auf diese Weise 1^ gebildeten polykristallinen Siliciumfilms der DUnnschichttransistor . (TFT) nach dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren hergestellt. Eine η -Siliciumschicht wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt, während die Substrattemperatur bei 180 C gehalten wurde, um in dem TFT einen ausgezeichneten ohmschen Kontakt von Source und Drain zu erzielen. PH^-Gas, das mit Wasserstoffgas auf 100 Vol.-ρρπ verdünnt worden war, /kurz als 11PH (100 ppm)/H " bezeichnet^ und SiH -Gas, das mit Wasserstoffgas .auf 10 Vol.-0A verdünnt worden
war, /kurz als "SiH (10)/Ho" bezeichnet,/ wurden in
einem PH (100 ppxO /H0:SiH (10)/H0-MoIverhältnis von 5 χ 10" in den Rezipienten 301 eingeleitet, wobei der Innendruck in dem Rezipienten auf 0,16 mbar eingestellt wurde, worauf eine Glimmentladung mit einer 25
Leistung von 10 W durchgeführt wurde, um die mit P dotierte n+-Schicht 102 mit einer' Dicke von 50,0 nrn zu bilden /Schritt (bj/. Dann wurde die n+-Schieht gemäß Schritt (c) mit Ausnahme des Bereichs für die Source-Elektrode 103 und des Bereichs für die D.rain-
Elektrode 104 durch Fotoätzung entfernt. Das vorstehend erwähnte Substrat wurde wieder in dem Rezipienten 301 an der Anodenseite an der Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Substrats befestigt, um einen isolierenden Film für die Steuerelektrode (Gate) zu bilden. Ähnlich wie bei der Herstellung des poly-
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kristallinen Siliciums wurde der Rezipient 301 evakuiert, und die Substrattemperatur Ts wurde bei 2500C gehalten; NH -Gas wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von
3
20 Norm-cm /min und SiH.(10)/H_-Gas wurde mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm /min in den Rezipienten eingeleitet! worauf zur Abscheidung eines SiNH-Films 105 mit einer Dicke von 250,0 nm eine Glimmentladung mit einer Leistung von 5 W angeregt wurde.
Als nächstes wurden durch, einen Fotoätzungsschritt Kontaktlöcher 106-2 und 106-1 für die Source-Elektrode 103 und die Drain-Elektrode 104 geöffnet, und danach wurde auf der gesamten Oberfläche des SiNH-Films durch Aufdampfen von Al ein Elektrodenfilm 107 gebildet, worauf der Al-Elektrodenfilm 107 durch einen Fotoätzungsschritt bearbeitet wurde, um die Leitungselektroden 108 und 109 für die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode sowie die Gate-Elektrode 110 zu bilden. Danach wurde in einer H„-Atmosphäre eine Hitzebehandlung bei 2SO0C durchgeführt. Der TFT (Kanallänge L = 10 pn; Kanalbreite W = 65f jun), der nach diesem Verfahren unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet worden war, zeigte stabile und gute Eigenschaften,
wie festgestellt wurde.
25
Fig. 4 zeigt exemplarische Kennlinien des auf diese Weise hergestellten TFT. In Fig. 4 werden exemplarische Kennlinien der Beziehung zwischen dem Drain-Strom Ip und der Drain-Spannung Vn bei Veränderung der Steuer-
Spannung (Gate-Spannung) V„ als Parameter gezeigt.
Die .Schwellenspannung ^vth^ der Gate-Elektrode ist niedrig und beträgt 5 V, und das Verhältnis des Wertes der Stromstärke bei V = 20 V zu dem Wert der Stromstärke bei V„ - 0 7 kann eine Zahl mit 4 oder mehr Stellen se in.
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Der Wasserstoffgehalt cle's polykristallinen Siliciumfilms, der für die Herstellung des TFT eingesetzt wurde, und der optische Ab;-.>rptionskoef f i zient für die Wellenlange von 550 nm /kurz als "ct(550)" bezeiehnet_7 wurden nach den vorstehend erwähnten Verfahren gemessen, und die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Die Tabelle, zeigt die Ergebnisse, die erhalten wurden, als das Verfahren wie vorstehend beschrieben mit einer
3
5 Norm-cm /min betragenden Durchflußgeschwindigkei.t des mit Wasserstoff verdünnten CH.-Gases bzw. mit
verschiedenen, 0, 2, 10 oder 20 Norm-cm /min betragenden Durchflußgeschwindigkeiten dieses Gases unter ansonsten den gleichen Bedingungen durchgeführt wurde.
nie effektive Ladungsträgerbeweglichkeit (μ f-) der unter Verwendung dieser polykristallinen Filme hergestellten Dünnschichttransistoren (TFT) und das Verhältnis des Drain-Stroms ID (20) bei einer Steuerspannung
(V,) von 20 V zu dem Drain-Strom I^ (O^ bei einer u D
Steuerspannung von 0 V (kurz als "Ein/Aus-Verhältnis" bezeichnet) werden ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
Aus Tatelle 1 geht hervor, daß der Kohlenstoffgehalt beim praktischen Betrieb auf etwa 0,01 Atom-°£ oder mehr einreguliert werden kann.
Aus Ta'celle 1 ist ersichtlich, daß α· und das Ein/Aus-Ve rn-i 1 tr. i .3 durch Erhöhung der Kohlenstoff konzentrat ion bis auf etwa 10 % wirksam verändert werden können,
während /u ff>l gehalten wird.
Während in diesem Beispiel als Substrat Corning 4 7059 glass als Substrat verwendet wurde, wurden auch superhartes Glas oder Kieselglas unter einer höheren
Behandlungstemperatur und einer höheren Substrattemperatur als Substrat eingesetzt, wobei ähnliche Eigenschaf-
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ten erhalten wurden. Infolgedessen kann eine TFT-Speicherschaltung leicht und mit einer vorteilhafteren Vorrichtung hergestellt werden, weil die Substrattemperatur Ts innerhalb eines weiten Bereichs von niedrigeren bis zu höheren Temperaturen frei gewählt werden kann. ■
Tabelle 1
Probe Nr. 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5*
X (Norm-cm /min) 0r1< 2 5 ίο 20
Kohlenstoffgehall
(Atom-S)		 O1OK 2,1 4,5 8,3 12,4
α (550) 4x104 2,7x104 1,4x104 9, 0x103 2,0x104
(cnr/V.s) 8,0. 7,6 6,0 1,2 0,02
(Ein/Aus)-
Verhältnis		 9,0x102 4,2x1O3 1,2x105 1,3x104 2,0x102
* Die Probe Nr. 1-5 war amorph.
Gasdurchflußgeschwindigkeit des SiH«(3) Gasdurchflußgeschwindigkeit des CH4(O,5)/H2< Entladungsleistung
Druck
Substrattemperatur (Ts)
5 Norm-cm3/miη χ Norm-cm3/min 20 W
0,067 mbar
5000C
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Beisr iel 2
J ό ι / a
von Beispiel jedoch zusammen mit SiH. (3)/Ho-Gas SFC-Gas,
4 d. D
Durch Wiederholung der VerfarrenswoLse
1 , wobei
das mit H^-Gas auf 0,2 Vol.-% verdünnt
Hp-Gas
worden war,
/kurz als "SF,(0,2)/H " bezeichnet/ mit einer Gasdurch-
3
flußgeschwindigkeit von 0, 2, 5, 10 bzw. 20 Norm-cm /rrin strömen gelassen wurde, wurden auf den Substraten Siliciup-.-Dünnschichten hergestellt. Dann wurden die Dünnschichten wie in Eeispiel 1 zur Herstellung von Dünnschichttransistoren (TFT) eingesetzt, und Messungen wurden wie in Beispiel 1 durchgeführt, wobei die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden.
Tabelle 2 zeigt, daß die S-Konr.entration in der Praxis auf etwa 0,01 Atom-% oder1 mehr einreguliert werden kann ur.i daß Ok und das Ein/Aus-Verhältnis dur:h Erhöhung der S-Konzentration bis auf etwa 5 Atom-?* wirksam verändert werden können, wanrend μ ff>l gehalten wird.
Tabelle 2
Probe Nr. 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
X (Norm-cm /min) 0 2 5 10 20
S-Konzentration
(Atom-%)		 <0,01 0,8 2,1 8,2
α (550) 4x1O4 3,4x104 2,8x104 2,5x104 2#1x104
»eft
(cmVV.s)		 8,0 7,2 2,0 0r9 0,1
(Ein/Aus)-
Verhältnis		 9,0x102 7,5x103 2,3x104 8,2x102 1r2x102
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Gasdurchflußgeschwindigkeit des SiH. (3)/hL Gasdurchflußgeschwindigkeit des SFC (0,5)/H, Entladungsleistung Druck Substrattemperatur (Ts)
5 Norm-cm3/mi η χ Norm-cm3/min 20 W
0,067 mbar 500°C
Beispiel 3
Durch Wiederholung der Verfahrensweise von PeisDiel 1, wobei jedoch durch ein veränderliches Sickerventil hindurch Sauerstoff in der. Rezipienten eingeleitet wurde, bevor SiH (3)/H„ strömen gelassen wurde, wurde auf einem Substrat eine Si 1icium-Dünnscnicht gebildet. Da die Durchfluß^eschwindigkeit des Sauerstoffs so gering ist, wurde die Kontrolle bzw. Regulierung durch Messung bewirkt. Tabelle 3 zeigt, daß die Konzentration des Sauerstoffs beim praktischen Betrieh auf etwa 0,03 Atom-^D oder mehr einreguliert werder. kann und ■i.tß odi und das Ein 'Aus-Verhäl tn i j durch Erhör.un^ der Konzentration des F iuer.:.of f J bis auf etwn 5 At'im-"-wirks.'irn ver irv.iert wer*'.en Können, währen i μ „>i /,eh-ilteri w . r d .
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Tabelle 3
Probe Nr. 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5*
X (mbar) 0,0 0,27 0,67 1,33 2,67 .
Sauerstoffgehalt
(Atom-%) 		0,03 0,9 2,3 5,1 8,3 j
10 a (550) 4x104 2,3x104 1,2x104 6,0x103 5,0x103
"eff
(cnr/V.s)		 8,0 3,1 1.4 0,8 0,005
(Ein/Aus )-
Verhältnis		 9, 0x1O2 1 ,8x104 1 ,6x104 2, 3x103 5#6x1O2
* Die Probe Nr. 3-5 war amorph.
Gasdurchflußgeschwindigkeit des Si Entladungslei stung Druck Substrattemperatur (Ts)
... 5 Norm-cm3/ ...2OW ... 0,067 mbar ... 500X
3 ei.-pi el 4
Auf einem Substrat wurden nach dem gleichen Verfahren wie in freispiel 1 5:1 ic iur.-Dünnschichten hergestellt, wucel jedoch wahren: der Bildung der Si lic ium-Dür.nsch ichten gleichzeitig mit SiH4(3)/H -Gas N?-Gqs mir 5 ver- ::or.: eiienen Durch fluide schwind i ä;kei ten , nämlich mit O, 2, 5, IO und 20 Norm-cm '/min, strömen gelassen wur ie .
Unter Verwendung der auf diese Weise hergestellten Si 1. j iur.-Dünnschichten wurden wie in Beispiel 1 5 Dünnschichttransistoren (TFT) hergestellt, und mit
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den 5 Proben wurden die gleichen Teste, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurden, durchgeführt, wobei die in Tabelle 4 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden.
Aus Tabelle 4 geht hervor, daß der Stickstoffgehalt in der Praxis auf etwa 0,01 Ato-n-% oder mehr einreguliert werden kann. Des weiteren konnten oc und das Ein/Aus-Verhaltnis durch Erhöhung des Stickstoffpehalts auf etw.i 5 Atorr,-% wirksam verändert werden, während
μ ~~>1 gehalten wurde.
/ e ί f
Tabelle 4
Probe Nr. 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
X (Norm-cm /min) 0,0 2,0 5,0 10,0 20;0
Stickstoffge
halt (Atom-«)		 0,01 1,5 3,7 6,2 ■ 10,1
α (550) 4x1O4 2,8x104 1 ,5x104 7,4x103 4,5x103
"eff
(cnT/V.s)		 8,0 4,8 ■2,3 0,2
(Ein/Aus)-
Verhä'l tnis		 9,0x102 3s7x103 9,5x104 5,7x104 2,6x103
Gasdurchflußgeschwindigkeit des Si H^(3)/H2
Gasdurchflußgeschwindigkeit des Stickstoffs Entladungsleistung
Druck
Substrattemperatur (Ts)
... 5 Norm-cm3/mi η ... χ Norm-cm3 ''min ■ - · 20 W
... 0 ,067 mbar ... SOOT
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Claims (20)

  1. Patentansprüche
    fl.J Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Halbleiterschicht aus einem polykristallinen SiIiciumfilm, der als. Pestandteil mindestens eine aus Kohlenstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ausgewählte Atomart 20 enthält, besteht.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das. polykristalline 3ilicium Kohlenstoff atome in einer tMer.P.e von 0,01 bis 10 Atom-0·')
    :5 enthält.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Schwefelatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% enthält.
    35
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch geKennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Stickstoffatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atorn-% enthält.
    B/13
    BAD ORIGINAL
    COPY
    Oresdner BanK Muncnen) Kto 3939
    Bayer VnrmnstMtnk f
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  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Sauerstoffatome in einer Menge von 0,03 bis 5 Atom-% enthält.
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Wasserstoff atome in einer Menge von 3 Atom-% oder weniger enthält.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen nicht größer als 80,0 nm ist.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm beim Ätzen mit einem Ätzmittel, das aus einer Mischung von Flußsäure (50 vol.-%ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d = 1,38; 60 vol.-%ige, wäßrige Lösung) und Eisessig in einem Volumenverhältnis von 1:3:6 besteht, eine Ätzgeschwindigkeit von 2,0 nm/s oder weniger hat.
  9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, laß d.e Halbleiterschicht ein Röntgenbeugungsbild oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Beugungsintensität bezogene Beugungsintensität in der (220)-Ebene 30 % oder mehr beträgt.
  10. 10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium eine mittlere Korngröße von 20,0 nm oder mehr hat.
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  11. 11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline Siliciumfilm nach einem Dünnschichtbildungsverfahren hergestellt worden ist.
  12. 12. Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch ein Substrat, eine Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm, der auf dem Substrat gebildet ist und als Bestandteil mindestens eine aus Kohlenstoff-, Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ausgewählte Atomart enthält, einen Drain-Bereich und einen Source-Bereich, die auf der Oberfläche der Halbleiterschicht gebildet sind, eine zwischen diesen Bereichen vorgesehene, isolierende Schicht, eine auf der isolierenden Schicht vorgesehene Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode, die mit dem Source-Bereich in elektrischem Kontakt ist,, und eine Drain-Elektrode, die mit dem Drain-Bereich in elektrischem Kontakt ist.
  13. 13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Kohlenstoff atome in einer Menge von 0,01 bis 10 Atom-% enthält.
  14. 14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Schwefelatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% enthält.
  15. 15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Stickstoffatome in einer Menge von 0,01 bis 5 Atom-% enthält.
    - 4 - DE 3021
  16. 16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Sauerstoffatome in einer Menge von 0,03 bis 5 Atom-% enthält.
    5
  17. 17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium Wasserstoffatome in einer Menge von 3 Atom-% oder weniger enthält.
    10
  18. «-· 18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen nicht größer als 80,0 nm ist.
  19. 19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm beim Ätzen mit einem Ätzmittel, das aus einer Mischung von Flußsäure (50 vol.-^ige, wäßrige Lösung), Salpetersäure (d = 1,38; 60 vol.-%ige, wäßrige Lösung) und Eisessig in einem Volurrienverhäl tn: s von 1:3:6 besteht, eine Ätzgeschwindigkeit von 2,0 nm/s oder weniger hat.
  20. 20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht ein Röntgen-· beugungsbild oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Beugungsintensität bezogene Beugungsintensität in der (220)-Ebene 30 % oder mehr beträgt.
    Pl. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium eine *" ° mittlere Korngrrße von 20,0 nm oder mehr hat.
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    - 5 - DE 3021
    1 22. Halbleiterbauelement n ich Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline Siliciumfilm nach einem Dünnschichtbildur.gsverfahren hergestellt worden ist.
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