半導体装置の製造方法および表示パネルの製造方法
【課題】微結晶半導体膜を含むチャネル層の移動度を向上させる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】微結晶シリコン膜を堆積する工程と、水素プラズマ処理を施す工程を交互に複数回ずつ繰り返す。このような方法で微結晶シリコン膜を成膜すれば、微粒子内のマイクロクリスタル成分に含まれるシリコン原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分を改質したりすることを、より効率的に行なうことができるので、ＴＦＴの移動度をより高めることができる。
【解決手段】微結晶シリコン膜を堆積する工程と、水素プラズマ処理を施す工程を交互に複数回ずつ繰り返す。このような方法で微結晶シリコン膜を成膜すれば、微粒子内のマイクロクリスタル成分に含まれるシリコン原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分を改質したりすることを、より効率的に行なうことができるので、ＴＦＴの移動度をより高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および表示パネルの製造方法に関し、特に、微結晶半導体膜を含むチャネル層を備えた半導体装置の製造方法、および、そのような半導体装置の製造方法を含む表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、「ＴＦＴ」と略す）のチャネル層には、非晶質シリコン膜、または、非晶質シリコン膜にレーザアニールなどのアニール処理を施して形成した多結晶シリコン膜が用いられていた。しかし、非晶質シリコン膜を用いた場合には、ＴＦＴの移動度は０．５ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ程度と低い。これに対して、多結晶シリコン膜を用いた場合には、ＴＦＴの移動度は高くなるが、アニール処理が必要になるので、製造工程が複雑化し、スループットが低下する。
【０００３】
そこで、近年、非晶質シリコン膜を用いた場合よりも移動度が高く、かつスループットを低下させないで成膜できる微結晶シリコン膜が、ＴＦＴのチャネル層として用いられるようになってきた。
【０００４】
このような微結晶シリコン膜の結晶粒（grain）内では、シリコン原子は共有結合しているので、シリコン原子の未結合手（dungling bond）は少ない。しかし、結晶粒界（grain boundary）には、共有結合の相手を失ったシリコン原子の未結合手が多く存在する。このような未結合手は、電子やホールをトラップしてその移動を妨げるので、ＴＦＴの移動度を低下させる原因になっていた。
【０００５】
そこで、特許文献１には、チャネル層となる微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すことによって、結晶粒界に存在する未結合手を水素イオンや水素ラジカルによって終端するＴＦＴの製造方法が開示されている。より詳しく説明すると、高密度プラズマを用いて成膜した微結晶シリコン膜をパターニングしてチャネル層を形成する。その後、ソース電極とドレイン電極を形成した後に、微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すことによって、微結晶シリコン膜の結晶粒界に存在する未結合手を終端する。未結合手の多くが終端されれば、電子やホールは未結合手にトラップされにくくなるとともに、結晶粒界の障壁が低くなる。この結果、電子やホールは移動しやすくなるので、ＴＦＴの移動度が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のＴＦＴの製造方法のように、ソース電極とドレイン電極を形成した後に、微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すだけでは、微結晶シリコン膜の結晶粒界に存在する未結合手を十分に終端することができない。また、微結晶シリコン膜は、結晶成分と非結晶成分とが混合された薄膜であるので、ＴＦＴの移動度は非結晶成分によっても影響を受ける。しかし、特許文献１は、非結晶成分を改質する処理を開示していない。このように、特許文献１に記載の水素プラズマ処理を施すだけでは、微結晶半導体膜からなるチャネル層の移動度を向上させることはできない。
【０００８】
そこで、本発明は、微結晶半導体膜を含むチャネル層の移動度を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、第１の微結晶半導体膜を含む島状のチャネル層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記第１の微結晶半導体膜を少なくとも１回以上の回数に分けて堆積する第１の堆積工程と、
前記第１の堆積工程を終了するごとに水素プラズマ処理を施す第１の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の堆積工程は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスとを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて前記第１の微結晶半導体膜を堆積する工程を含み、
前記第１の水素プラズマ処理工程は、水素ガスを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて水素プラズマ処理を施す工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで段階的に変化させることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで連続的に変化させることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を、前記第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程および前記第１の水素プラズマ処理工程における前記水素ガスの流量は同じであることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第２の発明において、
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、またジクロルシランのいずれかであり、
前記第１の微結晶半導体膜は、微結晶シリコン膜であることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、第７の発明において、
前記第１の堆積工程で堆積される前記微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍずつであることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、第１の発明において、
前記チャネル層の両端部にそれぞれ形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域の上方にそれぞれ設けられたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース領域と前記ソース電極との間、および、前記ドレイン領域と前記ドレイン電極との間にそれぞれ設けられたオーミックコンタクト層とをさらに備え、
前記オーミックコンタクト層は第１または第２の導電型の不純物がドープされた第２の微結晶半導体膜を含み、
前記第２の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記不純物がドープされていない微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第２の堆積工程と、
前記不純物がドープされた微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第３の堆積工程と、
前記第２または第３の堆積工程を終了するごとに、その表面に水素プラズマ処理を施す第２の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする。
【００１８】
第１０の発明は、第９の発明において、
少なくとも前記第２の微結晶半導体膜の表面は、前記第３の堆積工程によって堆積された微結晶半導体膜で覆われていることを特徴とする。
【００１９】
第１１の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を段階的に変化させることを特徴とする。
【００２０】
第１２の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を連続的に変化させることを特徴とする。
【００２１】
第１３の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、前記水素ガスと、前記不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積することを特徴とする。
【００２２】
第１４の発明は、絶縁基板上に複数の半導体装置が配列された表示装置の製造方法であって、
前記半導体装置を第１から第１３のいずれかの発明に係る製造方法によって製造する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、チャネル層に含まれる第１の微結晶半導体膜は、少なくとも１回以上の回数に分けて第１の微結晶半導体膜を堆積し、堆積を終了するごとに水素プラズマ処理を施す。これにより、第１の微結晶半導体膜内のマイクロクリスタル成分やナノクリスタル成分に含まれる原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分やナノクラスタ成分を改質したりすることをより効率的に行なうことができるので、第１の微結晶半導体膜の移動度をより高めることができる。
【００２４】
上記第２の発明によれば、第１の微結晶半導体膜の成膜は、第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用い、水素プラズマ処理は水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用いる。これにより、第１の微結晶半導体膜の堆積と水素プラズマ処理とを交互に複数回繰り返すことが容易になり、第１の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００２５】
上記第３および第４の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を段階的または連続的に増やす。この場合、水素ガスの流量は一定であるので、流量比は大きな値から徐々に小さな値に変化する。このような流量比の値の変化に伴い、第１の微結晶半導体膜内に含まれる微粒子には、結晶性の高いマイクロクリスタル成分だけでなく、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、アモルファス成分も多く含まれるようになるので、第１の微結晶半導体膜の移動度を高くすることができる。
【００２６】
上記第５の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスを、第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させる。この場合、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を連続的に変化させれば、流量比はより小さくなる。これにより、第１の微結晶半導体膜内に含まれる微粒子には、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、アモルファス成分もより多く含まれるようになるので、第１の微結晶半導体膜の移動度をより高くすることができる。
【００２７】
上記第６の発明によれば、第１の堆積工程と第１の水素プラズマ処理工程における水素ガスの流量は同じであるので、第１の堆積工程と第１の水素プラズマ処理工程の切り換えを容易に行なうことができる。これにより、第１の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００２８】
上記第７の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、ジクロルシランのいずれかであるので、第１の微結晶半導体膜である微結晶シリコン膜を容易に成膜することができる。
【００２９】
上記第８の発明によれば、１回の堆積工程で堆積する第１の微結晶シリコン膜の膜厚が３ｎｍよりも薄くなれば、生成したプラズマが安定しない状態で堆積されるので、第１の微結晶シリコン膜内の各成分のばらつきが大きくなる。膜厚が７ｎｍよりも厚くなれば、堆積された第１の微結晶シリコン膜の全体に十分な水素プラズマ処理を施すことが困難になる。これにより１回の堆積工程で堆積する第１の微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍであることが好ましい。
【００３０】
上記第９の発明によれば、第２の微結晶半導体膜の成膜工程には、不純物がドープされていない微結晶半導体膜を堆積する工程だけではなく、不純物がドープされた微結晶半導体膜を堆積する工程も含まれている。不純物がドープされた微結晶半導体膜を堆積する工程では、不純物がドープされた微粒子も堆積されるので、微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなる。この場合、第２の微結晶半導体膜の一部に不純物がドープされるだけなので、その全体に不純物がドープされる場合と比べて、抵抗値が小さくなりすぎることはない。これにより、オフ電流が大きくなることを防止することができる。
【００３１】
上記第１０の発明によれば、第２の微結晶半導体膜の表面の不純物濃度が高くなるので、第２の微結晶半導体膜をパターニングしたオーミックコンタクト層と、ソース電極およびドレイン電極とをオーミック接続することができる。
【００３２】
上記第１１または第１２の発明によれば、不純物を含むガスの流量を段階的または連続的に増やす。これにより、第２の微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなりすぎることをより防止することができるので、オフ電流が大きくなることをより防止することができる。
【００３３】
上記第１３の発明によれば、第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、水素ガスと、不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積する。これにより、不純物を容易にドープすることができるので、第２の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００３４】
上記第１４の発明によれば、第１から第１２のいずれかの発明に係る製造方法によって製造された半導体装置に含まれる第１および第２の微結晶半導体膜の移動度を向上させることができる。このような半導体装置を用いて表示装置のスイッチング素子を形成すれば、スイッチング速度を速くすることができる。また、半導体装置を用いて表示装置の駆動回路を形成すれば、駆動回路の動作速度を速くすることができる。このように、ＴＦＴ１０の製造方法を含む製造方法によって、高品位の映像を表示する表示装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】微結晶シリコン膜のラマン測定結果をピーク分離した図である。
【図２】図１に示すピーク分離を行なった４つの成分の割合の一例を示す図である。
【図３】流量比を変えて成膜した微結晶シリコン膜について、流量比と各成分の割合との関係を示す図である。
【図４】基礎検討で使用したボトムゲート型ＴＦＴの構成を示す断面図である。
【図５】基礎検討において基準となる微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図６】図５に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜を使用したときの流量比と移動度との関係を示す図である。
【図７】基礎検討において検討した微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図８】図７に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜を使用したときの流量比と移動度との関係を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、図７に示す方法で成膜した微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。
【図１０】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１１】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１２】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１３】第２の実施形態における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の第１の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、第２の実施形態の第２の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１６】第３の実施形態におけるｎ型微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、図１６に示す方法で成膜したｎ型微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。
【図１８】第３の実施形態の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
＜１．基礎検討＞
微結晶シリコン膜の表面状態を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：以下、「ＡＦＭ」という）を用いて観察した。ここで、ＡＦＭとは、先端の鋭いカンチレバー（探針）を用いて試料の表面をなぞることにより、試料の原子とカンチレバーの原子との間に作用する力を検出して、表面付近の画像を表示する装置である。ＡＦＭによって、微結晶シリコン膜の表面状態を観察した結果、微結晶シリコン膜は多数の微粒子によって構成されていることがわかった。微結晶シリコンの形成過程のモデルを検討した文献（例えば、Controlled Growth of Silicon Nanocrystals in a Plasma Reactor, Holger Vach and Quentin Brulin, PHYSICAL REVIEW LETTERS 95, 165502(2005)など）によれば、これらの微粒子は、結晶成分と非結晶成分とを含む微粒子であると考えられる。
【００３７】
そこで、プラズマ化学的気相成長法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：以下、「プラズマＣＶＤ法」という）によって、膜厚５０ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜し、その成分を詳しく調べた。微結晶シリコン膜の成膜条件は、基板温度を２５０℃、ＲＦパワーを２５０Ｗ、水素（Ｈ2）ガスの流量を６５０ｓｃｃｍとした。モノシラン（ＳｉＨ4）ガスは、２．５〜４．０ｓｃｃｍの範囲で変えて、複数の微結晶シリコン膜を成膜した。このような条件で成膜した微結晶シリコン膜を、波数５０〜７５０ｃｍ-1の範囲でラマン測定を行い、さらに波形分離ソフトを用いてラマン強度のピーク分離を行なった。
【００３８】
図１は、微結晶シリコン膜のラマン測定結果をピーク分離した図である。図１に示すように、アモルファス成分とマイクロクリスタル成分との間に、ブロードなピークとシャープなピークとが存在することがわかった。ブロードなピークは、シリコン原子がアモルファス成分よりも部分的に規則性を有するナノクラスタ成分のピークであり、シャープなピークは、ナノクラスタ成分が集合したナノオーダーの結晶構造を有するナノクリスタル成分のピークであると考えられる。また、アモルファス成分のピークよりも波数の小さい側にブロードなピークが存在する。このブロードなピークはアモルファス成分の別のモードであり、以下の説明では省略する。
【００３９】
このようにして求めた４つの成分は、アモルファス成分、ナノクラスタ成分、ナノクリスタル成分、マイクロクリスタル成分の順に結晶性が高くなる。図１に示すように、マイクロクリスタル成分の波形はローレンツ（Lorentz）波形になり、ナノクリスタル成分の波形はガウス−ローレンツ（Gaussian-Lorentz）波形になり、ナノクラスタ成分およびアモルファス成分の波形はガウス（Gaussian）波形になる。
【００４０】
図２は、ピーク分離を行なった４つの成分の割合の一例を示す図である。図２に示すように、ラマン測定によって求めた４つの成分波形の面積を求め、求めた面積の割合から、微結晶シリコン膜を構成する各成分の割合を求める。このようにして、微結晶シリコン膜に含まれる４つの成分の割合が分かれば、微結晶シリコンの原料ガスである水素（Ｈ2）ガスとモノシランガスの流量比Ｒ（Ｒ＝Ｈ2ガスの流量／ＳｉＨ4ガスの流量）と４つの成分の割合との関係を求めることができる。
【００４１】
図３は、流量比Ｒを変えて成膜した微結晶シリコン膜について、流量比Ｒと各成分の割合との関係を示す図である。図３に示すように、流量比Ｒが小さい場合、すなわち水素ガスの流量が少ない場合には、マイクロクリスタル成分の割合が少なく、アモルファス成分の割合が多くなる。しかし、流量比Ｒが大きくなるにつれてアモルファス成分の割合が少なくなるとともに、マイクロクリスタル成分の割合が多くなることがわかる。従来の研究によって、マイクロクリスタル成分の割合が多くなると結晶粒の数が多くなるので、結晶粒界の数も多くなり、移動度が低くなることがわかっている。また、移動度を高くするためには、アモルファス成分やナノクラスタ成分などをある程度含んでいることが必要であることもわかっている。
【００４２】
そこで、上記４つの成分を含む微結晶シリコン膜の移動度をより高くするためには、マイクロクリスタル成分に含まれるより多くのシリコン原子の未結合手を終端することと、アモルファス成分を改質することが有効である。この明細書において、アモルファス成分の改質とは、弱いＳｉ−Ｓｉ結合をエッチングして除去するだけではなく、アモルファス成分内に微細なＳｉ−Ｓｉ結合を形成することをいう。具体的には、水素プラズマに含まれる水素ラジカル（Ｈラジカル）がＳｉ−Ｈ結合を切断すると、水素ラジカルは切断したＨ原子と結合して水素ガスになって微結晶シリコン膜から抜け、残されたＳｉ原子同士が共有結合する。この結果、アモルファス成分は局所的に結晶化される。このように、局所的に結晶化することを改質するという。また、微結晶シリコン膜の未結合手の多くは、ＡＦＭによる画像から、微粒子によって囲まれた空間（三重点）に面する微粒子の表面に存在していると考えられている。そこで、これらの未結合手を、水素プラズマに含まれる水素イオンや水素ラジカルによって終端する。
【００４３】
このように、マイクロクリスタル成分だけでなく、アモルファス成分やナノクラス成分なども多く含む微結晶シリコン膜を成膜し、さらに微結晶シリコン膜を水素プラズマ処理することによって、微結晶シリコン膜の移動度を向上させることができる。
【００４４】
微結晶シリコン膜からなるチャネル層を有するＴＦＴを用いて、流量比Ｒと移動度の関係を求めた。まず、この検討に使用したＴＦＴ１０の構成を説明する。図４は、ボトムゲート型ＴＦＴ１０の構成を示す断面図である。図４を参照して、ＴＦＴ１０の構成を説明する。絶縁基板であるガラス基板１５上に、ゲート電極２０が形成されている。ゲート電極２０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコン膜からなるゲート絶縁膜３０が形成されている。ゲート絶縁膜３０の膜厚は、例えば３５０ｎｍである。
【００４５】
ゲート絶縁膜３０の表面に、平面視においてゲート電極２０を跨いで左右に延びる島状のチャネル層４０が形成されている。チャネル層４０は微結晶シリコン膜からなり、その膜厚は、例えば５０ｎｍである。チャネル層４０は、不純物を含まない真性の微結晶シリコン膜からなるチャネル領域４０ｃと、チャネル領域４０ｃを挟むように形成され、高濃度のｎ型不純物をドープされたソース領域４０ａおよびドレイン領域４０ｂとを含む。なお、微結晶シリコン膜の成膜条件については後述する。
【００４６】
チャネル領域４０ｃの表面中央に、窒化シリコン膜からなるエッチングストッパ層５０が形成されている。エッチングストッパ層５０の左端上面からソース領域４０ａの左端部まで覆うように延在するオーミックコンタクト層６０ａと、エッチングストッパ層５０の右端上面からドレイン領域４０ｂの右端部まで覆うように延在するオーミックコンタクト層６０ｂが形成されている。これらのオーミックコンタクト層６０ａ，６０ｂは、ｎ型不純物を高濃度にドープしたｎ型微結晶シリコン膜からなり、エッチングストッパ層５０の上面で左右に分離されている。
【００４７】
オーミックコンタクト層６０ａ上の右端部からオーミックコンタクト層６０ａを覆ってゲート絶縁膜３０上まで延在するソース電極７０ａと、オーミックコンタクト層６０ｂ上の左端部からオーミックコンタクト層６０ｂを覆ってゲート絶縁膜３０上まで延在するドレイン電極７０ｂとが形成されている。ソース電極７０ａはオーミックコンタクト層６０ａを介してソース領域４０ａとオーミック接触するように接続され、ドレイン電極７０ｂはオーミックコンタクト層６０ｂを介してドレイン領域４０ｂとオーミック接触するように接続されている。さらに、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコン膜からなる保護膜８０が形成されている。
【００４８】
次に、上記ＴＦＴ１０の構成要素のうち、チャネル層となる微結晶シリコン膜の成膜条件について説明する。微結晶シリコン膜の成膜条件は以下のとおりである。
微結晶シリコン膜の成膜条件
原料ガス：水素ガス（流量６５０ｓｃｃｍ）
モノシランガス（流量は適宜変更）
基板温度：２５０℃
ＲＦパワー：２５０Ｗ
チャンバ内の真空度：１１０Ｐａ
また、成膜された微結晶シリコン膜に施す水素プラズマ処理の条件は以下のとおりである。
水素プラズマ処理の条件
原料ガス：水素ガス（流量６５０ｓｃｃｍ）
基板温度：２５０℃
ＲＦパワー：１７５Ｗ
チャンバ内の真空度：１１０Ｐａ
【００４９】
まず、本発明による効果を評価するために、基準となる微結晶シリコン膜について説明する。図５は、基準となる微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図５に示すように、所定の流量のモノシランガスを水素ガスとともにプラズマＣＶＤ装置のチャンバ内に供給することによって、膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を１回の成膜工程で成膜し、その後微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を６０秒間施した。同様の方法で、モノシランガスの流量を変えて、複数種類の微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５０】
次に、上述の微結晶シリコン膜からなるチャネル層を備えるＴＦＴを用いてその移動度を測定し、流量比Ｒと移動度との関係を求めた。図６は、基準となるＴＦＴにおける、流量比Ｒと移動度との関係を示す図である。図６からわかるように、移動度は、流量比Ｒが２２５のときに最大となり、流量比Ｒが２２５より大きくなっても、小さくなっても、低くなることがわかる。
【００５１】
次に、本発明で使用する微結晶シリコン膜の成膜方法の検討結果を説明する。図７は、本発明で使用する微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図７に示すように、微結晶シリコン膜を５ｎｍずつ堆積する工程と、堆積した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を２０秒間施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５２】
具体的には、図７に示すように、水素用バルブは常に開いた状態であるため、水素ガスはチャンバ内に連続的に供給されている。一方、モノシラン用バルブは、例えば１３秒間（１２〜１４秒間で適宜調整）開き、２０秒間閉じることを３回繰り返す。モノシラン用バルブが１回開くごとに、モノシランガスがチャンバ内に供給されて５ｎｍずつ微結晶シリコンが堆積される。モノシラン用バルブが閉じたときには、水素ガスを励起して生成したプラズマによって、堆積された微結晶シリコン膜に含まれるアモルファス成分の改質と未結合手の終端が行なわれる。モノシラン用バルブの開閉を３回繰り返すことによって、微結晶シリコン膜の合計膜厚は１５ｎｍとなる。なお、モノシラン用バルブは、瞬時に開かれたり閉じられたりするので、チャンバに供給されるモノシランガスは瞬時に一定量になったり、０ｓｃｃｍになったりする。同様の方法で、モノシランガスの流量を変えて、複数種類の微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５３】
なお、１回の堆積工程で堆積する微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍであることが好ましい。堆積する微結晶シリコン膜の膜厚が３ｎｍよりも薄くなれば、生成したプラズマが安定しない状態で堆積されるので、微結晶シリコン膜内の各成分のばらつきが大きくなる。膜厚が７ｎｍよりも厚くなれば、堆積された微結晶シリコン膜の全体に十分な水素プラズマ処理を施すことが困難になる。
【００５４】
次に、上述の微結晶シリコン膜からなるチャネル層４０を備えるＴＦＴ１０を用いてその移動度を測定し、流量比Ｒと移動度との関係を求めた。図８は、図７に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜をチャネル層とするＴＦＴにおける、流量比Ｒと移動度との関係を示す図である。図８に示すように、流量比Ｒが小さくなればなるほど、アモルファス成分が多く、マイクロクリスタル成分が少なくなるにもかかわらず、図６に示す場合と異なり、移動度は高くなる。なお、図８には、図６に示す移動度も比較のために記載されている。
【００５５】
微結晶シリコン膜を成膜する際に、目標とする膜厚を一度に成膜するのではなく、数ｎｍ（例えば５ｎｍ）の膜厚の微結晶シリコン膜を堆積する堆積工程と、堆積した微結晶シリコン膜を水素プラズマ処理する水素プラズマ処理工程とを順に繰り返すことによって、移動度が高くなる理由を次のように考える。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、３回に分けて成膜した微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。まず、ゲート絶縁膜３０上に、１回目の微結晶シリコン膜を堆積する堆積工程について説明する。図９（ａ）に示すように、微結晶シリコン膜はナノクリスタル成分およびマイクロクリスタル成分などの結晶成分を含む。微結晶シリコンの微粒子４５が微結晶シリコン膜の表面に供給される速度は、微粒子４５がゲート絶縁膜の結晶状態と整合性をとりながら堆積する速度よりも速いので、微粒子４５はゲート絶縁膜３０の結晶状態と十分に整合性をとることなく堆積される。この結果、微結晶シリコン膜には、微粒子が存在しない空間４３（以下、「ボイド（void）４３」という）が多く発生する。
【００５６】
２回目の堆積工程前には、１回目の堆積工程で成膜された微結晶シリコン膜がすでに堆積されている。２回目の堆積工程で新たに堆積される微結晶シリコン膜に含まれる微粒子４５は、１回目の堆積工程で成膜された微結晶シリコン膜の微粒子４５と結晶性の整合をとりやすくなる。この結果、微結晶シリコンからなる微粒子４５が微結晶シリコン膜の表面に供給される速度と、微粒子４５が１回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜の微粒子４５と整合性をとりながら堆積する速度とが同程度になる。これにより、図９（ｂ）に示すように、２回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜に含まれるボイド４３は少なくなる。
【００５７】
３回目の堆積工程時には、すでに１回目および２回目に堆積した微結晶シリコン膜が堆積されている。したがって、図９（ｃ）に示すように、微結晶シリコンの微粒子４５は、２回目の堆積工程よりもさらに、微結晶シリコン膜と短時間で整合性をとりながら堆積する。このため、３回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜に含まれるボイド４３はさらに少なくなる。
【００５８】
このようにして成膜された微結晶シリコン膜では、ゲート絶縁膜３０に近い側にボイド４３が多く含まれ、ゲート絶縁膜３０から遠くなるにしたがってボイド４３が少なくなる。したがって、微結晶シリコン膜の成膜を複数回に分け、その都度水素プラズマ処理を施せば、微粒子４５の表面に多く存在する未結合手の終端や、微粒子４５に含まれるアモルファス成分の改質を効率よく行なうことができる。これにより、微結晶シリコン膜の移動度を高くすることができる。特に、ゲート絶縁膜３０との界面付近に多くのボイド４３が形成された微結晶シリコン膜をチャネル層とするＴＦＴ１０では、ボイド４３が多く含まれる領域は、チャネル層４０の中でも最も大きな電界がかかる領域であるので、オフ電流が流れやすくなる。そこで、水素イオンや水素ラジカルによって、ボイドを囲む微粒子の表面の未結合手を終端したり、アモルファス成分を改質したりすれば、オフ電流を小さくすることができる。
【００５９】
＜２．第１の実施形態＞
以下、図４に示すボトムゲート型ＴＦＴ１０について、各実施形態に係る製造方法を順に説明する。まず、本発明の第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。ここでは、アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造プロセスにおいて、表示パネルに設けられた各画素のスイッチング素子として機能するＴＦＴを例に挙げ、その製造方法を説明する。しかし、本発明はこれに限定されず、液晶表示装置の表示パネルの周辺に設けられる駆動回路を構成するＴＦＴの製造にも適用される。
【００６０】
図１０〜図１２は、図４に示すＴＦＴ１０の各製造工程を示す工程断面図である。図１０〜図１２を参照しつつ、ＴＦＴ１０の製造方法を説明する。まず、ガラス基板１５上に、スパッタリング法によって、例えば膜厚１００〜５００ｎｍのチタン（Ｔｉ）を主成分とする金属膜（図示しない）を成膜する。なお、Ｔｉを主成分とする金属膜の代わりに、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）等を主成分とする金属膜、またはそれらの合金からなる金属膜を成膜してもよい。
【００６１】
金属膜の表面に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン（図示しない）を形成する。図１０（ａ）に示すように、レジストパターンをマスクにして、金属膜をウエットエッチング法によりエッチングし、ゲート電極２０を形成する。その後、レジストパターンを剥離する。なお、ウエットエッチング法の代わりに、ドライエッチング法を用いてゲート電極２０を形成してもよい。
【００６２】
図１０（ｂ）に示すように、ゲート電極２０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ゲート絶縁膜３０となる窒化シリコン膜を成膜する。窒化シリコン膜は、モノシランガス（ＳｉＨ4）、窒素ガス（Ｎ2）、アンモニアガス（ＮＨ3）、および水素ガス（Ｈ2）を用いて成膜され、その膜厚は、例えば膜厚２００〜５００ｎｍであり、好ましくは３５０ｎｍである。
【００６３】
図１０（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜３０の表面に、微結晶シリコン膜４１を成膜する。微結晶シリコン膜４１は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）方式または表面波プラズマ方式などの高密度プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜される。本実施形態では、成膜される微結晶シリコン膜４１の膜厚は、１０〜２０ｎｍであり、好ましくは１５ｎｍである。微結晶シリコン膜４１の膜厚を１５ｎｍとした場合、微結晶シリコン膜を５ｎｍずつ３回に分けて成膜し、その間に水素プラズマ処理を１回ずつ施す。なお、微結晶シリコン膜４１の成膜条件および水素プラズマ処理条件は、基礎検討で説明した微結晶シリコン膜の成膜条件および水素プラズマ処理条件とそれぞれと同一であるので、その説明を省略する。
【００６４】
図１０（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、微結晶シリコン膜４１の表面に窒化シリコン膜５１を成膜する。窒化シリコン膜５１の成膜条件は、ゲート絶縁膜３０の成膜条件と膜厚を除いて同じである。窒化シリコン膜５１の膜厚は例えば１５０ｎｍである。次に、窒化シリコン膜５１の表面上であって、微結晶シリコン膜４１を間に挟んでゲート電極２０と対向する位置に、フォトリソグラフィ法によってレジストパターン５５を形成する。
【００６５】
図１１（ｅ）に示すように、レジストパターン５５をマスクにして、プラズマエッチング法により窒化シリコン膜５１をエッチングして、エッチングストッパ層５０を形成する。さらに、レジストパターン５５をマスクにして、イオン注入法またはイオンドーピング法により、微結晶シリコン膜４１に、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を高濃度になるようにドープする。その後、レジストパターン５５を剥離する。この結果、微結晶シリコン膜４１の両端にそれぞれｎ+領域４１ｄが形成され、２つのｎ+領域４１ｄに挟まれた領域は、チャネル領域４０ｃになる。
【００６６】
図１１（ｆ）に示すように、エッチングストッパ層５０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、高密度プラズマＣＶＤ法によって、例えばｎ型不純物を高濃度に含むｎ型微結晶シリコン膜６１を成膜する。ｎ型微結晶シリコン膜６１の膜厚は３０〜５０ｎｍ、好ましくは３５ｎｍである。ｎ型微結晶シリコン膜６１の成膜には、モノシランガスと水素ガスだけでなく、ｎ型不純物をドープするためにホスフィン（ＰＨ3）ガスも使用される。
【００６７】
図１１（ｇ）に示すように、ｎ型微結晶シリコン膜６１の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン（図示しない）を形成する。レジストパターンをマスクにして、ドライエッチング法により、ｎ型微結晶シリコン膜６１と微結晶シリコン膜４１とを連続してエッチングする。その後、レジストパターンを剥離する。これにより、ｎ型微結晶シリコン層６２と島状のチャネル層４０が形成される。また、チャネル領域４０ｃの左側のｎ+領域４１ｄはエッチングされてソース領域４０ａになり、右側のｎ+領域４１ｄはエッチングされてドレイン領域４０ｂになる。ｎ型微結晶シリコン層６２を含むガラス基板１５の全体を覆うように、スパッタリング法によってソースメタル膜７１を成膜する。ソースメタル膜７１は、例えば、膜厚５０〜２００ｎｍのチタンを含む金属膜である。
【００６８】
図１２（ｈ）に示すように、ソースメタル膜７１の表面に、フォトリソグラフィ法を用いて、エッチングストッパ層５０の上方に開口部を有するレジストパターン７５を形成する。図１２（ｉ）に示すように、レジストパターン７５をマスクにして、ウエットエッチング法によりソースメタル膜７１をエッチングし、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを形成する。なお、ウエットエッチング法の代わりにプラズマエッチング法によって、ソースメタル膜７１をエッチングしてもよい。
【００６９】
さらに、レジストパターン７５をマスクにして、プラズマエッチング法によりｎ型微結晶シリコン層６２をエッチングし、エッチングストッパ層５０の上面で左右に分離された２つのオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを形成する。なお、チャネル領域４０ｃの上面に、窒化シリコンからなるエッチングストッパ層５０が形成されているので、ｎ型微結晶シリコン膜６１のエッチングはエッチングストッパ層５０によって停止し、チャネル層４０のチャネル領域４０ｃがエッチングされることはない。このようにして形成されたオーミックコンタクト層６０ａはエッチングストッパ層５０の左上端部からソース領域４０ａの左端部までを覆うように延在し、オーミックコンタクト層６０ｂはエッチングストッパ層５０の右上端部からドレイン領域４０ｂの右端部までを覆うように延在する。
【００７０】
図１２（ｊ）に示すように、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコンからなる保護膜８０を成膜する。保護膜８０は、プラズマＣＶＤ法により、モノシランガスとアンモニアガスを含む原料ガスを用いて成膜され、その膜厚は例えば２００ｎｍである。以上説明した一連の製造工程によって、ＴＦＴ１０が製造される。
【００７１】
以上説明したように、微結晶シリコン膜４１を１回の工程で成膜し、成膜した微結晶シリコン膜４１に水素プラズマ処理を１回だけ施すのではなく、微結晶シリコン膜を堆積する工程と、水素プラズマ処理を施す工程を交互に複数回ずつ繰り返す。このような方法で微結晶シリコン膜４１を成膜すれば、微粒子内のマイクロクリスタル成分やナノクリスタル成分に含まれるシリコン原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分やナノクラスタ成分を改質したりすることを効率的に行なうことができるので、ＴＦＴ１０の移動度を高めることができる。
【００７２】
微結晶シリコン膜４１の成膜は、モノシランガスと水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用い、水素プラズマ処理は水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用いる。これにより、微結晶シリコン膜４１の堆積と水素プラズマ処理とを交互に複数回繰り返すことが容易になり、微結晶シリコン膜４１の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００７３】
微結晶シリコン膜４１の堆積工程と水素プラズマ処理工程における水素ガスの流量は同じであるので、微結晶シリコン膜４１の堆積工程と水素プラズマ処理工程の切り換えを容易に行なうことができる。これによっても、微結晶シリコン膜４１の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００７４】
＜３．第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態のＴＦＴ１０の構成および各製造工程は、図４に示すＴＦＴ１０の構成、および、図１０〜図１２に示すＴＦＴ１０の製造工程と同じであるため、それらの図および説明を省略する。
【００７５】
本実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法のうち、第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法と異なるのは、微結晶シリコン膜の成膜工程である。具体的には、微結晶シリコン膜の成膜条件のうち、モノシランガスの流量を、第１の実施形態のように一定量とするのではなく段階的に変化させていることだけが異なる。水素ガスの流量、基板温度、ＲＦパワー、チャンバ内の真空度などは、第１の実施形態の成膜条件と同じであるので、それらの説明を省略する。
【００７６】
図１３は、本実施形態における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１３に示すように、微結晶シリコン膜を５ｎｍ成膜する工程と、成膜した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を２０秒間施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜する。具体的には、水素用バルブを開いた状態で、例えば１３秒間（１２〜１４秒間で適宜調整）だけモノシラン用バルブを開け、その後２０秒間モノシラン用バルブを閉じる。このうち、１回目の堆積工程において、モノシラン用バルブを瞬時に開くのではなく、徐々に開くように制御して、モノシランガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、モノシランガスの流量が所定の値（Ｖａ）に達したら、モノシラン用バルブを徐々に閉じるように制御して、モノシランガスを段階的に減らし、モノシラン用バルブを閉じるときには流量を０ｓｃｃｍにする。モノシラン用バルブを閉じている間、水素ガスを励起して生成した水素プラズマによって、水素プラズマ処理を施す。このように、モノシラン用バルブの開閉を３回繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜の成膜と、水素プラズマ処理とを交互に行なう。なお、２回目および３回目の堆積工程では、モノシラン用バルブを瞬時に開くので、モノシランガスの流量は、第１の実施形態におけるモノシランガスの流量と同様に、瞬時に一定になる。
【００７７】
次に、モノシランガスの流量を段階的に変化させた場合の効果について説明する。モノシラン用バルブを徐々に開いて、モノシランガスの流量を段階的に増やしていく場合、水素ガスの流量は一定であるので、流量比Ｒは大きな値から徐々に小さな値に変化する。このような流量比Ｒの変化に伴い、基礎検討で求めた図８からわかるように、ゲート絶縁膜との界面には、結晶性の高いマイクロクリスタル成分を多く含む微結晶シリコン膜が堆積される。微結晶シリコン膜は、結晶性の高い成分を多く含むほど、結晶粒界の数が多くなり、欠陥の多い膜になる。そこで、モノシランガスの流量を段階的に増やして流量比Ｒを小さくして、アモルファス成分を多く含むようにする。これにより、微結晶シリコン膜の欠陥を少なくする。この場合、微結晶シリコン膜内に含まれる微粒子には、マイクロクリスタル成分だけでなく、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、およびアモルファス成分が多く含まれるようになるので、微結晶シリコン膜の移動度を高くすることができる。さらに、各堆積工程の終了後に、これらの微粒子に対して水素プラズマ処理を施すので、未結合手が終端されるとともに、アモルファス成分が改質される。これにより、ＴＦＴの移動度をより高くすることができる。
【００７８】
なお、この実施形態においては、１回目の堆積工程において、モノシランガスの流量をＸａまで段階的に増やしたが、２回目または３回目の堆積工程において、モノシランガスの流量を段階的にＸａまで増やしてもよい。また、例えば１回目と２回目の成膜工程のように、任意の２回の堆積工程において、モノシランガスの流量のＸａまで段階的に増やしてもよい。また、全ての堆積工程において、モノシランガスの流量のＸａまで段階的に増やしてもよい。
【００７９】
＜３．１ 第１の変形例＞
第２の実施形態の第１の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。第１の変形例に係るＴＦＴの製造方法では、３回に分けて行なう微結晶シリコン膜の成膜工程のうち、１回目の堆積工程において、第１の実施形態の場合と同様に、モノシランガスの流量を段階的に変化させる。図１４は、第１の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１４に示すように、モノシラン用バルブを徐々に開き、モノシランガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、モノシランガスの流量が所定の値Ｘｂ（Ｘｂ＞Ｘａ）に達したら、モノシランガスの流量を段階的に減少させ、モノシラン用バルブを閉じるときには、流量を０ｓｃｃｍにする。この場合、図１４に示すモノシランガスの流量の最大値Ｘｂは、図１３に示すモノシランガスの流量の最大値Ｘａよりも大きいので、モノシランガスの流量が最大になったときに流量比Ｒは小さくなる。これにより、微結晶シリコン膜内の微粒子には、アモルファス成分やナノクラスタ成分などの非結晶性の成分を多く含む微結晶シリコン膜が成膜されるので、微結晶シリコン膜はより欠陥の少ない膜になり、移動度をより高くすることができる。
【００８０】
なお、この変形例においては、１回目の堆積工程において、モノシランガスの流量をＸｂまで段階的に増やしたが、２回目または３回目の堆積工程において、モノシランガスの流量を段階的にＸｂまで増やしてもよい。また、例えば１回目と２回目の成膜工程のように、任意の２回の堆積工程において、モノシランガスの流量のＸｂまで段階的に増やしてもよい。また、全ての堆積工程において、モノシランガスの流量のＸｂまで段階的に増やしてもよい。
【００８１】
＜３．２ 第２の変形例＞
第２の実施形態の第２の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、第２の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図であり、図１５（ａ）はモノシランガスの最大流量がＸａの場合の図であり、図１５（ｂ）はモノシランガスの最大流量がＸｂの場合の図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、モノシランガスの流量を連続的に変化させる。モノシランガスの流量を連続的に変化させて成膜した微結晶シリコン膜は、段階的に変化させて成膜した微結晶シリコン膜と同様に欠陥の少ない膜になり、移動度を高くすることができる。
【００８２】
＜４．第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態のＴＦＴ１０の構成および各製造工程は、図４に示すＴＦＴ１０の構成、および、図１０〜図１２に示す第１の実施形態で説明した製造工程と同じであるため、それらの図および説明を省略する。
【００８３】
本実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法のうち、第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法と異なるのは、ｎ型不純物を高濃度にドープした微結晶シリコン膜であるｎ型微結晶シリコン膜の成膜方法である。
【００８４】
図１６は、本実施形態におけるｎ型微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１６に示すように、膜厚３５０ｎｍのｎ型微結晶シリコン膜を、３回の成膜工程に分けて堆積する工程と、堆積した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって成膜する。この場合、モノシラン用バルブと水素バルブだけでなく、ホスフィン用バルブも設けられている。ホスフィン用バルブは、モノシラン用バルブを１回目および２回目に開いたときには閉じられており、３回目に開かれたときに同時に開かれる。このように、１回目から３回目の堆積工程のうち３回目の堆積工程のときだけ、ホスフィン用バルブを開くので、微結晶シリコン膜に含まれる微粒子のうち、３回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜のみにリンがドープされる。
【００８５】
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、３回に分けて成膜したｎ型微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。図１７に示すように、微結晶シリコン膜からなるソース領域／ドレイン領域４０ａ、４０ｂ上に、１回目から３回目の堆積工程によって微結晶シリコン膜が順に堆積されている。図９の場合と同様に、マイクロクリスタル成分、アモルファス成分などを含む微粒子６５が堆積されることによってｎ型微結晶シリコン膜が成膜される。この場合も、１回目の堆積工程では多くのボイド６３が発生し、２回目、３回目の堆積工程となるにつれて、ボイド６３の数は少なくなる。
【００８６】
また、３回目の堆積工程では、水素ガスとモノシランガスだけでなく、ホスフィンガスもチャンバ内に供給される。これにより、３回目の堆積工程では、リンがドープされた微粒子６６も堆積されるので、３回目に堆積された微結晶シリコン膜の抵抗値は小さくなる。この場合、ｎ型微結晶シリコン膜の全体にリンがドープされる場合と比べて、ｎ型微結晶シリコン膜の抵抗値が小さくなりすぎることはない。これにより、オフ電流が大きくなることを防止することができる。また、３回目の堆積工程で堆積されたｎ型微結晶シリコン膜のリン濃度が高くなるので、ｎ型微結晶膜をパターニングしたオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂと、ソース電極７０ａおよびドレイン電極７０ｂとをそれぞれオーミック接続することができる。
【００８７】
このように、３回目の堆積工程で、モノシランガスと、水素ガスと、ホスフィンガスとを励起して生成したプラズマを用いてｎ型微結晶半導体膜を堆積するので、リンを容易にドープすることができる。これにより、ｎ型微結晶半導体膜の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００８８】
なお、３回の堆積工程のうち、１回目または２回目のいずれかの成膜工程におけるモノシラン用バルブを開くときに同時に、ホスフィン用バルブを開いてもよい。また、例えば２回目と３回目の成膜工程のように、任意に選択した２つの成膜工程において、モノシラン用バルブを開くときに同時に、ホスフィン用バルブを開いてもよい。
【００８９】
＜４．１ 変形例＞
第３の実施形態の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。図１８は、本実施形態の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１８に示すように、ｎ型微結晶シリコン膜を３回の堆積工程に分けて堆積する。１回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブは閉じられており、所定の流量比Ｒになるように水素ガスとモノシランガスをチャンバ内に供給する。２回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブを徐々に開き、ホスフィンガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、ホスフィンガスの流量が所定の値に達したら、ホスフィンガスの流量を段階的に減少させ、モノシラン用バルブを閉じるときには、流量を０ｓｃｃｍにする。３回目の堆積工程では、モノシラン用バルブを開けるときに同時に瞬時に開き、水素ガスとモノシランガスだけでなく、一定の流量のホスフィンガスもチャンバ内に同時に供給する。
【００９０】
このように、２回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブを段階的に開くので、それにともなってチャンバ内に供給されるホスフィンガスも少しずつ増加する。それに応じて、２回目の堆積工程で堆積されたｎ型微結晶シリコン膜を構成する微粒子のうち、リンをドープされた微粒子の割合は膜厚方向に少しずつ多くなる。そして、３回目の堆積工程では、一定量のホスフィンガスが供給されるので、堆積されたｎ型微結晶シリコン膜のリン濃度は均一な所定の値になる。
【００９１】
このように、２回目の堆積工程において、ホスフィンガスの流量を段階的に増やせば、ｎ型微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなりすぎることをより防止することができる。これにより、オフ電流が大きくなることをより防止することができる。
【００９２】
なお、上記変形例では、１回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを閉じ、２回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを徐々に開いた。しかし、１回目の堆積工程においてホスフィン用バルブを徐々に開けてホスフィンの流量を段階的に変化させ、２回目の堆積工程においてホスフィン用バルブを閉じてもよい。また、１回目および２回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを徐々に開けてホスフィンの流量を段階的に変化させてもよい。また、ホスフィンガスの流量を連続的に変化させてもよい。ホスフィンガスの流量を連続的に増やした場合の効果は、段階的に増やした場合の効果と同じであるので、その説明を省略する。
【００９３】
＜５．第４の実施形態＞
上述の各実施形態において説明した製造方法によって製造されたＴＦＴ１０では、移動度を高くすることができる。そこで、このようなＴＦＴ１０を用いて液晶表示装置の画素形成部のスイッチング素子を形成すれば、スイッチング速度を速くすることができる。また、液晶表示装置の駆動回路を形成すれば、駆動回路の動作速度を速くすることができる。このように、ＴＦＴ１０の製造方法を含む製造方法によって、高品位の映像を表示する液晶表示装置を製造することができる。
【００９４】
＜６． その他＞
上記各実施形態のチャネル層４０やオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを構成する半導体材料はシリコンであると説明した。しかし、チャネル層４０やオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを、ゲルマニウムシリコンなどの半導体材料で形成してもよい。
【００９５】
上記各実施形態のＴＦＴは、ｎチャネル型であるとして説明したが、ｐチャネル型であってもよい。この場合、オーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを形成するための微結晶シリコン膜には、ボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープする必要がある。この場合、ホスフィンガスの代わりに、例えばジボラン（Ｂ2Ｈ6）ガスをチャンバ内に供給することにより、ｐ型不純物がドープされた微結晶シリコン膜を成膜する。
【００９６】
上記各実施形態の微結晶シリコン膜およびｎ型微結晶シリコン膜の成膜には、モノシランガスを使用したが、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガスやジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガスを使用してもよい。
【００９７】
ＴＦＴを用いて製造される表示パネルには、液晶表示装置の他にも、有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置やプラズマ表示装置などの表示装置が含まれる。
【符号の説明】
【００９８】
１０…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
１５…ガラス基板（絶縁基板）
２０…ゲート電極
３０…ゲート絶縁膜
４０…チャネル層
４０ａ…ソース領域
４０ｂ…ドレイン領域
４１…微結晶シリコン膜
６０ａ、６０ｂ…オーミックコンタクト層
６１…ｎ型微結晶シリコン膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および表示パネルの製造方法に関し、特に、微結晶半導体膜を含むチャネル層を備えた半導体装置の製造方法、および、そのような半導体装置の製造方法を含む表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、「ＴＦＴ」と略す）のチャネル層には、非晶質シリコン膜、または、非晶質シリコン膜にレーザアニールなどのアニール処理を施して形成した多結晶シリコン膜が用いられていた。しかし、非晶質シリコン膜を用いた場合には、ＴＦＴの移動度は０．５ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ程度と低い。これに対して、多結晶シリコン膜を用いた場合には、ＴＦＴの移動度は高くなるが、アニール処理が必要になるので、製造工程が複雑化し、スループットが低下する。
【０００３】
そこで、近年、非晶質シリコン膜を用いた場合よりも移動度が高く、かつスループットを低下させないで成膜できる微結晶シリコン膜が、ＴＦＴのチャネル層として用いられるようになってきた。
【０００４】
このような微結晶シリコン膜の結晶粒（grain）内では、シリコン原子は共有結合しているので、シリコン原子の未結合手（dungling bond）は少ない。しかし、結晶粒界（grain boundary）には、共有結合の相手を失ったシリコン原子の未結合手が多く存在する。このような未結合手は、電子やホールをトラップしてその移動を妨げるので、ＴＦＴの移動度を低下させる原因になっていた。
【０００５】
そこで、特許文献１には、チャネル層となる微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すことによって、結晶粒界に存在する未結合手を水素イオンや水素ラジカルによって終端するＴＦＴの製造方法が開示されている。より詳しく説明すると、高密度プラズマを用いて成膜した微結晶シリコン膜をパターニングしてチャネル層を形成する。その後、ソース電極とドレイン電極を形成した後に、微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すことによって、微結晶シリコン膜の結晶粒界に存在する未結合手を終端する。未結合手の多くが終端されれば、電子やホールは未結合手にトラップされにくくなるとともに、結晶粒界の障壁が低くなる。この結果、電子やホールは移動しやすくなるので、ＴＦＴの移動度が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のＴＦＴの製造方法のように、ソース電極とドレイン電極を形成した後に、微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施すだけでは、微結晶シリコン膜の結晶粒界に存在する未結合手を十分に終端することができない。また、微結晶シリコン膜は、結晶成分と非結晶成分とが混合された薄膜であるので、ＴＦＴの移動度は非結晶成分によっても影響を受ける。しかし、特許文献１は、非結晶成分を改質する処理を開示していない。このように、特許文献１に記載の水素プラズマ処理を施すだけでは、微結晶半導体膜からなるチャネル層の移動度を向上させることはできない。
【０００８】
そこで、本発明は、微結晶半導体膜を含むチャネル層の移動度を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、第１の微結晶半導体膜を含む島状のチャネル層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記第１の微結晶半導体膜を少なくとも１回以上の回数に分けて堆積する第１の堆積工程と、
前記第１の堆積工程を終了するごとに水素プラズマ処理を施す第１の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の堆積工程は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスとを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて前記第１の微結晶半導体膜を堆積する工程を含み、
前記第１の水素プラズマ処理工程は、水素ガスを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて水素プラズマ処理を施す工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで段階的に変化させることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで連続的に変化させることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を、前記第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第２の発明において、
前記第１の堆積工程および前記第１の水素プラズマ処理工程における前記水素ガスの流量は同じであることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第２の発明において、
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、またジクロルシランのいずれかであり、
前記第１の微結晶半導体膜は、微結晶シリコン膜であることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、第７の発明において、
前記第１の堆積工程で堆積される前記微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍずつであることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、第１の発明において、
前記チャネル層の両端部にそれぞれ形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域の上方にそれぞれ設けられたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース領域と前記ソース電極との間、および、前記ドレイン領域と前記ドレイン電極との間にそれぞれ設けられたオーミックコンタクト層とをさらに備え、
前記オーミックコンタクト層は第１または第２の導電型の不純物がドープされた第２の微結晶半導体膜を含み、
前記第２の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記不純物がドープされていない微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第２の堆積工程と、
前記不純物がドープされた微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第３の堆積工程と、
前記第２または第３の堆積工程を終了するごとに、その表面に水素プラズマ処理を施す第２の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする。
【００１８】
第１０の発明は、第９の発明において、
少なくとも前記第２の微結晶半導体膜の表面は、前記第３の堆積工程によって堆積された微結晶半導体膜で覆われていることを特徴とする。
【００１９】
第１１の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を段階的に変化させることを特徴とする。
【００２０】
第１２の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を連続的に変化させることを特徴とする。
【００２１】
第１３の発明は、第９の発明において、
前記第３の堆積工程は、前記第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、前記水素ガスと、前記不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積することを特徴とする。
【００２２】
第１４の発明は、絶縁基板上に複数の半導体装置が配列された表示装置の製造方法であって、
前記半導体装置を第１から第１３のいずれかの発明に係る製造方法によって製造する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、チャネル層に含まれる第１の微結晶半導体膜は、少なくとも１回以上の回数に分けて第１の微結晶半導体膜を堆積し、堆積を終了するごとに水素プラズマ処理を施す。これにより、第１の微結晶半導体膜内のマイクロクリスタル成分やナノクリスタル成分に含まれる原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分やナノクラスタ成分を改質したりすることをより効率的に行なうことができるので、第１の微結晶半導体膜の移動度をより高めることができる。
【００２４】
上記第２の発明によれば、第１の微結晶半導体膜の成膜は、第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用い、水素プラズマ処理は水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用いる。これにより、第１の微結晶半導体膜の堆積と水素プラズマ処理とを交互に複数回繰り返すことが容易になり、第１の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００２５】
上記第３および第４の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を段階的または連続的に増やす。この場合、水素ガスの流量は一定であるので、流量比は大きな値から徐々に小さな値に変化する。このような流量比の値の変化に伴い、第１の微結晶半導体膜内に含まれる微粒子には、結晶性の高いマイクロクリスタル成分だけでなく、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、アモルファス成分も多く含まれるようになるので、第１の微結晶半導体膜の移動度を高くすることができる。
【００２６】
上記第５の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスを、第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させる。この場合、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を連続的に変化させれば、流量比はより小さくなる。これにより、第１の微結晶半導体膜内に含まれる微粒子には、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、アモルファス成分もより多く含まれるようになるので、第１の微結晶半導体膜の移動度をより高くすることができる。
【００２７】
上記第６の発明によれば、第１の堆積工程と第１の水素プラズマ処理工程における水素ガスの流量は同じであるので、第１の堆積工程と第１の水素プラズマ処理工程の切り換えを容易に行なうことができる。これにより、第１の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００２８】
上記第７の発明によれば、第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、ジクロルシランのいずれかであるので、第１の微結晶半導体膜である微結晶シリコン膜を容易に成膜することができる。
【００２９】
上記第８の発明によれば、１回の堆積工程で堆積する第１の微結晶シリコン膜の膜厚が３ｎｍよりも薄くなれば、生成したプラズマが安定しない状態で堆積されるので、第１の微結晶シリコン膜内の各成分のばらつきが大きくなる。膜厚が７ｎｍよりも厚くなれば、堆積された第１の微結晶シリコン膜の全体に十分な水素プラズマ処理を施すことが困難になる。これにより１回の堆積工程で堆積する第１の微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍであることが好ましい。
【００３０】
上記第９の発明によれば、第２の微結晶半導体膜の成膜工程には、不純物がドープされていない微結晶半導体膜を堆積する工程だけではなく、不純物がドープされた微結晶半導体膜を堆積する工程も含まれている。不純物がドープされた微結晶半導体膜を堆積する工程では、不純物がドープされた微粒子も堆積されるので、微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなる。この場合、第２の微結晶半導体膜の一部に不純物がドープされるだけなので、その全体に不純物がドープされる場合と比べて、抵抗値が小さくなりすぎることはない。これにより、オフ電流が大きくなることを防止することができる。
【００３１】
上記第１０の発明によれば、第２の微結晶半導体膜の表面の不純物濃度が高くなるので、第２の微結晶半導体膜をパターニングしたオーミックコンタクト層と、ソース電極およびドレイン電極とをオーミック接続することができる。
【００３２】
上記第１１または第１２の発明によれば、不純物を含むガスの流量を段階的または連続的に増やす。これにより、第２の微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなりすぎることをより防止することができるので、オフ電流が大きくなることをより防止することができる。
【００３３】
上記第１３の発明によれば、第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、水素ガスと、不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積する。これにより、不純物を容易にドープすることができるので、第２の微結晶半導体膜の成膜工程のスループットの低下を防ぐことができる。
【００３４】
上記第１４の発明によれば、第１から第１２のいずれかの発明に係る製造方法によって製造された半導体装置に含まれる第１および第２の微結晶半導体膜の移動度を向上させることができる。このような半導体装置を用いて表示装置のスイッチング素子を形成すれば、スイッチング速度を速くすることができる。また、半導体装置を用いて表示装置の駆動回路を形成すれば、駆動回路の動作速度を速くすることができる。このように、ＴＦＴ１０の製造方法を含む製造方法によって、高品位の映像を表示する表示装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】微結晶シリコン膜のラマン測定結果をピーク分離した図である。
【図２】図１に示すピーク分離を行なった４つの成分の割合の一例を示す図である。
【図３】流量比を変えて成膜した微結晶シリコン膜について、流量比と各成分の割合との関係を示す図である。
【図４】基礎検討で使用したボトムゲート型ＴＦＴの構成を示す断面図である。
【図５】基礎検討において基準となる微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図６】図５に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜を使用したときの流量比と移動度との関係を示す図である。
【図７】基礎検討において検討した微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図８】図７に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜を使用したときの流量比と移動度との関係を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、図７に示す方法で成膜した微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。
【図１０】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１１】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１２】第１の実施形態におけるＴＦＴの各製造工程を示す工程断面図である。
【図１３】第２の実施形態における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の第１の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、第２の実施形態の第２の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１６】第３の実施形態におけるｎ型微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、図１６に示す方法で成膜したｎ型微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。
【図１８】第３の実施形態の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
＜１．基礎検討＞
微結晶シリコン膜の表面状態を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：以下、「ＡＦＭ」という）を用いて観察した。ここで、ＡＦＭとは、先端の鋭いカンチレバー（探針）を用いて試料の表面をなぞることにより、試料の原子とカンチレバーの原子との間に作用する力を検出して、表面付近の画像を表示する装置である。ＡＦＭによって、微結晶シリコン膜の表面状態を観察した結果、微結晶シリコン膜は多数の微粒子によって構成されていることがわかった。微結晶シリコンの形成過程のモデルを検討した文献（例えば、Controlled Growth of Silicon Nanocrystals in a Plasma Reactor, Holger Vach and Quentin Brulin, PHYSICAL REVIEW LETTERS 95, 165502(2005)など）によれば、これらの微粒子は、結晶成分と非結晶成分とを含む微粒子であると考えられる。
【００３７】
そこで、プラズマ化学的気相成長法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：以下、「プラズマＣＶＤ法」という）によって、膜厚５０ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜し、その成分を詳しく調べた。微結晶シリコン膜の成膜条件は、基板温度を２５０℃、ＲＦパワーを２５０Ｗ、水素（Ｈ2）ガスの流量を６５０ｓｃｃｍとした。モノシラン（ＳｉＨ4）ガスは、２．５〜４．０ｓｃｃｍの範囲で変えて、複数の微結晶シリコン膜を成膜した。このような条件で成膜した微結晶シリコン膜を、波数５０〜７５０ｃｍ-1の範囲でラマン測定を行い、さらに波形分離ソフトを用いてラマン強度のピーク分離を行なった。
【００３８】
図１は、微結晶シリコン膜のラマン測定結果をピーク分離した図である。図１に示すように、アモルファス成分とマイクロクリスタル成分との間に、ブロードなピークとシャープなピークとが存在することがわかった。ブロードなピークは、シリコン原子がアモルファス成分よりも部分的に規則性を有するナノクラスタ成分のピークであり、シャープなピークは、ナノクラスタ成分が集合したナノオーダーの結晶構造を有するナノクリスタル成分のピークであると考えられる。また、アモルファス成分のピークよりも波数の小さい側にブロードなピークが存在する。このブロードなピークはアモルファス成分の別のモードであり、以下の説明では省略する。
【００３９】
このようにして求めた４つの成分は、アモルファス成分、ナノクラスタ成分、ナノクリスタル成分、マイクロクリスタル成分の順に結晶性が高くなる。図１に示すように、マイクロクリスタル成分の波形はローレンツ（Lorentz）波形になり、ナノクリスタル成分の波形はガウス−ローレンツ（Gaussian-Lorentz）波形になり、ナノクラスタ成分およびアモルファス成分の波形はガウス（Gaussian）波形になる。
【００４０】
図２は、ピーク分離を行なった４つの成分の割合の一例を示す図である。図２に示すように、ラマン測定によって求めた４つの成分波形の面積を求め、求めた面積の割合から、微結晶シリコン膜を構成する各成分の割合を求める。このようにして、微結晶シリコン膜に含まれる４つの成分の割合が分かれば、微結晶シリコンの原料ガスである水素（Ｈ2）ガスとモノシランガスの流量比Ｒ（Ｒ＝Ｈ2ガスの流量／ＳｉＨ4ガスの流量）と４つの成分の割合との関係を求めることができる。
【００４１】
図３は、流量比Ｒを変えて成膜した微結晶シリコン膜について、流量比Ｒと各成分の割合との関係を示す図である。図３に示すように、流量比Ｒが小さい場合、すなわち水素ガスの流量が少ない場合には、マイクロクリスタル成分の割合が少なく、アモルファス成分の割合が多くなる。しかし、流量比Ｒが大きくなるにつれてアモルファス成分の割合が少なくなるとともに、マイクロクリスタル成分の割合が多くなることがわかる。従来の研究によって、マイクロクリスタル成分の割合が多くなると結晶粒の数が多くなるので、結晶粒界の数も多くなり、移動度が低くなることがわかっている。また、移動度を高くするためには、アモルファス成分やナノクラスタ成分などをある程度含んでいることが必要であることもわかっている。
【００４２】
そこで、上記４つの成分を含む微結晶シリコン膜の移動度をより高くするためには、マイクロクリスタル成分に含まれるより多くのシリコン原子の未結合手を終端することと、アモルファス成分を改質することが有効である。この明細書において、アモルファス成分の改質とは、弱いＳｉ−Ｓｉ結合をエッチングして除去するだけではなく、アモルファス成分内に微細なＳｉ−Ｓｉ結合を形成することをいう。具体的には、水素プラズマに含まれる水素ラジカル（Ｈラジカル）がＳｉ−Ｈ結合を切断すると、水素ラジカルは切断したＨ原子と結合して水素ガスになって微結晶シリコン膜から抜け、残されたＳｉ原子同士が共有結合する。この結果、アモルファス成分は局所的に結晶化される。このように、局所的に結晶化することを改質するという。また、微結晶シリコン膜の未結合手の多くは、ＡＦＭによる画像から、微粒子によって囲まれた空間（三重点）に面する微粒子の表面に存在していると考えられている。そこで、これらの未結合手を、水素プラズマに含まれる水素イオンや水素ラジカルによって終端する。
【００４３】
このように、マイクロクリスタル成分だけでなく、アモルファス成分やナノクラス成分なども多く含む微結晶シリコン膜を成膜し、さらに微結晶シリコン膜を水素プラズマ処理することによって、微結晶シリコン膜の移動度を向上させることができる。
【００４４】
微結晶シリコン膜からなるチャネル層を有するＴＦＴを用いて、流量比Ｒと移動度の関係を求めた。まず、この検討に使用したＴＦＴ１０の構成を説明する。図４は、ボトムゲート型ＴＦＴ１０の構成を示す断面図である。図４を参照して、ＴＦＴ１０の構成を説明する。絶縁基板であるガラス基板１５上に、ゲート電極２０が形成されている。ゲート電極２０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコン膜からなるゲート絶縁膜３０が形成されている。ゲート絶縁膜３０の膜厚は、例えば３５０ｎｍである。
【００４５】
ゲート絶縁膜３０の表面に、平面視においてゲート電極２０を跨いで左右に延びる島状のチャネル層４０が形成されている。チャネル層４０は微結晶シリコン膜からなり、その膜厚は、例えば５０ｎｍである。チャネル層４０は、不純物を含まない真性の微結晶シリコン膜からなるチャネル領域４０ｃと、チャネル領域４０ｃを挟むように形成され、高濃度のｎ型不純物をドープされたソース領域４０ａおよびドレイン領域４０ｂとを含む。なお、微結晶シリコン膜の成膜条件については後述する。
【００４６】
チャネル領域４０ｃの表面中央に、窒化シリコン膜からなるエッチングストッパ層５０が形成されている。エッチングストッパ層５０の左端上面からソース領域４０ａの左端部まで覆うように延在するオーミックコンタクト層６０ａと、エッチングストッパ層５０の右端上面からドレイン領域４０ｂの右端部まで覆うように延在するオーミックコンタクト層６０ｂが形成されている。これらのオーミックコンタクト層６０ａ，６０ｂは、ｎ型不純物を高濃度にドープしたｎ型微結晶シリコン膜からなり、エッチングストッパ層５０の上面で左右に分離されている。
【００４７】
オーミックコンタクト層６０ａ上の右端部からオーミックコンタクト層６０ａを覆ってゲート絶縁膜３０上まで延在するソース電極７０ａと、オーミックコンタクト層６０ｂ上の左端部からオーミックコンタクト層６０ｂを覆ってゲート絶縁膜３０上まで延在するドレイン電極７０ｂとが形成されている。ソース電極７０ａはオーミックコンタクト層６０ａを介してソース領域４０ａとオーミック接触するように接続され、ドレイン電極７０ｂはオーミックコンタクト層６０ｂを介してドレイン領域４０ｂとオーミック接触するように接続されている。さらに、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコン膜からなる保護膜８０が形成されている。
【００４８】
次に、上記ＴＦＴ１０の構成要素のうち、チャネル層となる微結晶シリコン膜の成膜条件について説明する。微結晶シリコン膜の成膜条件は以下のとおりである。
微結晶シリコン膜の成膜条件
原料ガス：水素ガス（流量６５０ｓｃｃｍ）
モノシランガス（流量は適宜変更）
基板温度：２５０℃
ＲＦパワー：２５０Ｗ
チャンバ内の真空度：１１０Ｐａ
また、成膜された微結晶シリコン膜に施す水素プラズマ処理の条件は以下のとおりである。
水素プラズマ処理の条件
原料ガス：水素ガス（流量６５０ｓｃｃｍ）
基板温度：２５０℃
ＲＦパワー：１７５Ｗ
チャンバ内の真空度：１１０Ｐａ
【００４９】
まず、本発明による効果を評価するために、基準となる微結晶シリコン膜について説明する。図５は、基準となる微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図５に示すように、所定の流量のモノシランガスを水素ガスとともにプラズマＣＶＤ装置のチャンバ内に供給することによって、膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を１回の成膜工程で成膜し、その後微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を６０秒間施した。同様の方法で、モノシランガスの流量を変えて、複数種類の微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５０】
次に、上述の微結晶シリコン膜からなるチャネル層を備えるＴＦＴを用いてその移動度を測定し、流量比Ｒと移動度との関係を求めた。図６は、基準となるＴＦＴにおける、流量比Ｒと移動度との関係を示す図である。図６からわかるように、移動度は、流量比Ｒが２２５のときに最大となり、流量比Ｒが２２５より大きくなっても、小さくなっても、低くなることがわかる。
【００５１】
次に、本発明で使用する微結晶シリコン膜の成膜方法の検討結果を説明する。図７は、本発明で使用する微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図７に示すように、微結晶シリコン膜を５ｎｍずつ堆積する工程と、堆積した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を２０秒間施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５２】
具体的には、図７に示すように、水素用バルブは常に開いた状態であるため、水素ガスはチャンバ内に連続的に供給されている。一方、モノシラン用バルブは、例えば１３秒間（１２〜１４秒間で適宜調整）開き、２０秒間閉じることを３回繰り返す。モノシラン用バルブが１回開くごとに、モノシランガスがチャンバ内に供給されて５ｎｍずつ微結晶シリコンが堆積される。モノシラン用バルブが閉じたときには、水素ガスを励起して生成したプラズマによって、堆積された微結晶シリコン膜に含まれるアモルファス成分の改質と未結合手の終端が行なわれる。モノシラン用バルブの開閉を３回繰り返すことによって、微結晶シリコン膜の合計膜厚は１５ｎｍとなる。なお、モノシラン用バルブは、瞬時に開かれたり閉じられたりするので、チャンバに供給されるモノシランガスは瞬時に一定量になったり、０ｓｃｃｍになったりする。同様の方法で、モノシランガスの流量を変えて、複数種類の微結晶シリコン膜を成膜した。
【００５３】
なお、１回の堆積工程で堆積する微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍであることが好ましい。堆積する微結晶シリコン膜の膜厚が３ｎｍよりも薄くなれば、生成したプラズマが安定しない状態で堆積されるので、微結晶シリコン膜内の各成分のばらつきが大きくなる。膜厚が７ｎｍよりも厚くなれば、堆積された微結晶シリコン膜の全体に十分な水素プラズマ処理を施すことが困難になる。
【００５４】
次に、上述の微結晶シリコン膜からなるチャネル層４０を備えるＴＦＴ１０を用いてその移動度を測定し、流量比Ｒと移動度との関係を求めた。図８は、図７に示す方法によって成膜された微結晶シリコン膜をチャネル層とするＴＦＴにおける、流量比Ｒと移動度との関係を示す図である。図８に示すように、流量比Ｒが小さくなればなるほど、アモルファス成分が多く、マイクロクリスタル成分が少なくなるにもかかわらず、図６に示す場合と異なり、移動度は高くなる。なお、図８には、図６に示す移動度も比較のために記載されている。
【００５５】
微結晶シリコン膜を成膜する際に、目標とする膜厚を一度に成膜するのではなく、数ｎｍ（例えば５ｎｍ）の膜厚の微結晶シリコン膜を堆積する堆積工程と、堆積した微結晶シリコン膜を水素プラズマ処理する水素プラズマ処理工程とを順に繰り返すことによって、移動度が高くなる理由を次のように考える。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、３回に分けて成膜した微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。まず、ゲート絶縁膜３０上に、１回目の微結晶シリコン膜を堆積する堆積工程について説明する。図９（ａ）に示すように、微結晶シリコン膜はナノクリスタル成分およびマイクロクリスタル成分などの結晶成分を含む。微結晶シリコンの微粒子４５が微結晶シリコン膜の表面に供給される速度は、微粒子４５がゲート絶縁膜の結晶状態と整合性をとりながら堆積する速度よりも速いので、微粒子４５はゲート絶縁膜３０の結晶状態と十分に整合性をとることなく堆積される。この結果、微結晶シリコン膜には、微粒子が存在しない空間４３（以下、「ボイド（void）４３」という）が多く発生する。
【００５６】
２回目の堆積工程前には、１回目の堆積工程で成膜された微結晶シリコン膜がすでに堆積されている。２回目の堆積工程で新たに堆積される微結晶シリコン膜に含まれる微粒子４５は、１回目の堆積工程で成膜された微結晶シリコン膜の微粒子４５と結晶性の整合をとりやすくなる。この結果、微結晶シリコンからなる微粒子４５が微結晶シリコン膜の表面に供給される速度と、微粒子４５が１回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜の微粒子４５と整合性をとりながら堆積する速度とが同程度になる。これにより、図９（ｂ）に示すように、２回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜に含まれるボイド４３は少なくなる。
【００５７】
３回目の堆積工程時には、すでに１回目および２回目に堆積した微結晶シリコン膜が堆積されている。したがって、図９（ｃ）に示すように、微結晶シリコンの微粒子４５は、２回目の堆積工程よりもさらに、微結晶シリコン膜と短時間で整合性をとりながら堆積する。このため、３回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜に含まれるボイド４３はさらに少なくなる。
【００５８】
このようにして成膜された微結晶シリコン膜では、ゲート絶縁膜３０に近い側にボイド４３が多く含まれ、ゲート絶縁膜３０から遠くなるにしたがってボイド４３が少なくなる。したがって、微結晶シリコン膜の成膜を複数回に分け、その都度水素プラズマ処理を施せば、微粒子４５の表面に多く存在する未結合手の終端や、微粒子４５に含まれるアモルファス成分の改質を効率よく行なうことができる。これにより、微結晶シリコン膜の移動度を高くすることができる。特に、ゲート絶縁膜３０との界面付近に多くのボイド４３が形成された微結晶シリコン膜をチャネル層とするＴＦＴ１０では、ボイド４３が多く含まれる領域は、チャネル層４０の中でも最も大きな電界がかかる領域であるので、オフ電流が流れやすくなる。そこで、水素イオンや水素ラジカルによって、ボイドを囲む微粒子の表面の未結合手を終端したり、アモルファス成分を改質したりすれば、オフ電流を小さくすることができる。
【００５９】
＜２．第１の実施形態＞
以下、図４に示すボトムゲート型ＴＦＴ１０について、各実施形態に係る製造方法を順に説明する。まず、本発明の第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。ここでは、アクティブマトリクス型液晶表示装置の製造プロセスにおいて、表示パネルに設けられた各画素のスイッチング素子として機能するＴＦＴを例に挙げ、その製造方法を説明する。しかし、本発明はこれに限定されず、液晶表示装置の表示パネルの周辺に設けられる駆動回路を構成するＴＦＴの製造にも適用される。
【００６０】
図１０〜図１２は、図４に示すＴＦＴ１０の各製造工程を示す工程断面図である。図１０〜図１２を参照しつつ、ＴＦＴ１０の製造方法を説明する。まず、ガラス基板１５上に、スパッタリング法によって、例えば膜厚１００〜５００ｎｍのチタン（Ｔｉ）を主成分とする金属膜（図示しない）を成膜する。なお、Ｔｉを主成分とする金属膜の代わりに、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）等を主成分とする金属膜、またはそれらの合金からなる金属膜を成膜してもよい。
【００６１】
金属膜の表面に、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン（図示しない）を形成する。図１０（ａ）に示すように、レジストパターンをマスクにして、金属膜をウエットエッチング法によりエッチングし、ゲート電極２０を形成する。その後、レジストパターンを剥離する。なお、ウエットエッチング法の代わりに、ドライエッチング法を用いてゲート電極２０を形成してもよい。
【００６２】
図１０（ｂ）に示すように、ゲート電極２０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ゲート絶縁膜３０となる窒化シリコン膜を成膜する。窒化シリコン膜は、モノシランガス（ＳｉＨ4）、窒素ガス（Ｎ2）、アンモニアガス（ＮＨ3）、および水素ガス（Ｈ2）を用いて成膜され、その膜厚は、例えば膜厚２００〜５００ｎｍであり、好ましくは３５０ｎｍである。
【００６３】
図１０（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜３０の表面に、微結晶シリコン膜４１を成膜する。微結晶シリコン膜４１は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）方式または表面波プラズマ方式などの高密度プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜される。本実施形態では、成膜される微結晶シリコン膜４１の膜厚は、１０〜２０ｎｍであり、好ましくは１５ｎｍである。微結晶シリコン膜４１の膜厚を１５ｎｍとした場合、微結晶シリコン膜を５ｎｍずつ３回に分けて成膜し、その間に水素プラズマ処理を１回ずつ施す。なお、微結晶シリコン膜４１の成膜条件および水素プラズマ処理条件は、基礎検討で説明した微結晶シリコン膜の成膜条件および水素プラズマ処理条件とそれぞれと同一であるので、その説明を省略する。
【００６４】
図１０（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、微結晶シリコン膜４１の表面に窒化シリコン膜５１を成膜する。窒化シリコン膜５１の成膜条件は、ゲート絶縁膜３０の成膜条件と膜厚を除いて同じである。窒化シリコン膜５１の膜厚は例えば１５０ｎｍである。次に、窒化シリコン膜５１の表面上であって、微結晶シリコン膜４１を間に挟んでゲート電極２０と対向する位置に、フォトリソグラフィ法によってレジストパターン５５を形成する。
【００６５】
図１１（ｅ）に示すように、レジストパターン５５をマスクにして、プラズマエッチング法により窒化シリコン膜５１をエッチングして、エッチングストッパ層５０を形成する。さらに、レジストパターン５５をマスクにして、イオン注入法またはイオンドーピング法により、微結晶シリコン膜４１に、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を高濃度になるようにドープする。その後、レジストパターン５５を剥離する。この結果、微結晶シリコン膜４１の両端にそれぞれｎ+領域４１ｄが形成され、２つのｎ+領域４１ｄに挟まれた領域は、チャネル領域４０ｃになる。
【００６６】
図１１（ｆ）に示すように、エッチングストッパ層５０を含むガラス基板１５の全体を覆うように、高密度プラズマＣＶＤ法によって、例えばｎ型不純物を高濃度に含むｎ型微結晶シリコン膜６１を成膜する。ｎ型微結晶シリコン膜６１の膜厚は３０〜５０ｎｍ、好ましくは３５ｎｍである。ｎ型微結晶シリコン膜６１の成膜には、モノシランガスと水素ガスだけでなく、ｎ型不純物をドープするためにホスフィン（ＰＨ3）ガスも使用される。
【００６７】
図１１（ｇ）に示すように、ｎ型微結晶シリコン膜６１の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン（図示しない）を形成する。レジストパターンをマスクにして、ドライエッチング法により、ｎ型微結晶シリコン膜６１と微結晶シリコン膜４１とを連続してエッチングする。その後、レジストパターンを剥離する。これにより、ｎ型微結晶シリコン層６２と島状のチャネル層４０が形成される。また、チャネル領域４０ｃの左側のｎ+領域４１ｄはエッチングされてソース領域４０ａになり、右側のｎ+領域４１ｄはエッチングされてドレイン領域４０ｂになる。ｎ型微結晶シリコン層６２を含むガラス基板１５の全体を覆うように、スパッタリング法によってソースメタル膜７１を成膜する。ソースメタル膜７１は、例えば、膜厚５０〜２００ｎｍのチタンを含む金属膜である。
【００６８】
図１２（ｈ）に示すように、ソースメタル膜７１の表面に、フォトリソグラフィ法を用いて、エッチングストッパ層５０の上方に開口部を有するレジストパターン７５を形成する。図１２（ｉ）に示すように、レジストパターン７５をマスクにして、ウエットエッチング法によりソースメタル膜７１をエッチングし、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを形成する。なお、ウエットエッチング法の代わりにプラズマエッチング法によって、ソースメタル膜７１をエッチングしてもよい。
【００６９】
さらに、レジストパターン７５をマスクにして、プラズマエッチング法によりｎ型微結晶シリコン層６２をエッチングし、エッチングストッパ層５０の上面で左右に分離された２つのオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを形成する。なお、チャネル領域４０ｃの上面に、窒化シリコンからなるエッチングストッパ層５０が形成されているので、ｎ型微結晶シリコン膜６１のエッチングはエッチングストッパ層５０によって停止し、チャネル層４０のチャネル領域４０ｃがエッチングされることはない。このようにして形成されたオーミックコンタクト層６０ａはエッチングストッパ層５０の左上端部からソース領域４０ａの左端部までを覆うように延在し、オーミックコンタクト層６０ｂはエッチングストッパ層５０の右上端部からドレイン領域４０ｂの右端部までを覆うように延在する。
【００７０】
図１２（ｊ）に示すように、ソース電極７０ａとドレイン電極７０ｂを含むガラス基板１５の全体を覆うように、窒化シリコンからなる保護膜８０を成膜する。保護膜８０は、プラズマＣＶＤ法により、モノシランガスとアンモニアガスを含む原料ガスを用いて成膜され、その膜厚は例えば２００ｎｍである。以上説明した一連の製造工程によって、ＴＦＴ１０が製造される。
【００７１】
以上説明したように、微結晶シリコン膜４１を１回の工程で成膜し、成膜した微結晶シリコン膜４１に水素プラズマ処理を１回だけ施すのではなく、微結晶シリコン膜を堆積する工程と、水素プラズマ処理を施す工程を交互に複数回ずつ繰り返す。このような方法で微結晶シリコン膜４１を成膜すれば、微粒子内のマイクロクリスタル成分やナノクリスタル成分に含まれるシリコン原子の未結合手を終端したり、アモルファス成分やナノクラスタ成分を改質したりすることを効率的に行なうことができるので、ＴＦＴ１０の移動度を高めることができる。
【００７２】
微結晶シリコン膜４１の成膜は、モノシランガスと水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用い、水素プラズマ処理は水素ガスを含むガスから生成したプラズマを用いる。これにより、微結晶シリコン膜４１の堆積と水素プラズマ処理とを交互に複数回繰り返すことが容易になり、微結晶シリコン膜４１の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００７３】
微結晶シリコン膜４１の堆積工程と水素プラズマ処理工程における水素ガスの流量は同じであるので、微結晶シリコン膜４１の堆積工程と水素プラズマ処理工程の切り換えを容易に行なうことができる。これによっても、微結晶シリコン膜４１の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００７４】
＜３．第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態のＴＦＴ１０の構成および各製造工程は、図４に示すＴＦＴ１０の構成、および、図１０〜図１２に示すＴＦＴ１０の製造工程と同じであるため、それらの図および説明を省略する。
【００７５】
本実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法のうち、第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法と異なるのは、微結晶シリコン膜の成膜工程である。具体的には、微結晶シリコン膜の成膜条件のうち、モノシランガスの流量を、第１の実施形態のように一定量とするのではなく段階的に変化させていることだけが異なる。水素ガスの流量、基板温度、ＲＦパワー、チャンバ内の真空度などは、第１の実施形態の成膜条件と同じであるので、それらの説明を省略する。
【００７６】
図１３は、本実施形態における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１３に示すように、微結晶シリコン膜を５ｎｍ成膜する工程と、成膜した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を２０秒間施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜を成膜する。具体的には、水素用バルブを開いた状態で、例えば１３秒間（１２〜１４秒間で適宜調整）だけモノシラン用バルブを開け、その後２０秒間モノシラン用バルブを閉じる。このうち、１回目の堆積工程において、モノシラン用バルブを瞬時に開くのではなく、徐々に開くように制御して、モノシランガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、モノシランガスの流量が所定の値（Ｖａ）に達したら、モノシラン用バルブを徐々に閉じるように制御して、モノシランガスを段階的に減らし、モノシラン用バルブを閉じるときには流量を０ｓｃｃｍにする。モノシラン用バルブを閉じている間、水素ガスを励起して生成した水素プラズマによって、水素プラズマ処理を施す。このように、モノシラン用バルブの開閉を３回繰り返すことによって、合計膜厚１５ｎｍの微結晶シリコン膜の成膜と、水素プラズマ処理とを交互に行なう。なお、２回目および３回目の堆積工程では、モノシラン用バルブを瞬時に開くので、モノシランガスの流量は、第１の実施形態におけるモノシランガスの流量と同様に、瞬時に一定になる。
【００７７】
次に、モノシランガスの流量を段階的に変化させた場合の効果について説明する。モノシラン用バルブを徐々に開いて、モノシランガスの流量を段階的に増やしていく場合、水素ガスの流量は一定であるので、流量比Ｒは大きな値から徐々に小さな値に変化する。このような流量比Ｒの変化に伴い、基礎検討で求めた図８からわかるように、ゲート絶縁膜との界面には、結晶性の高いマイクロクリスタル成分を多く含む微結晶シリコン膜が堆積される。微結晶シリコン膜は、結晶性の高い成分を多く含むほど、結晶粒界の数が多くなり、欠陥の多い膜になる。そこで、モノシランガスの流量を段階的に増やして流量比Ｒを小さくして、アモルファス成分を多く含むようにする。これにより、微結晶シリコン膜の欠陥を少なくする。この場合、微結晶シリコン膜内に含まれる微粒子には、マイクロクリスタル成分だけでなく、ナノクリスタル成分、ナノクラスタ成分、およびアモルファス成分が多く含まれるようになるので、微結晶シリコン膜の移動度を高くすることができる。さらに、各堆積工程の終了後に、これらの微粒子に対して水素プラズマ処理を施すので、未結合手が終端されるとともに、アモルファス成分が改質される。これにより、ＴＦＴの移動度をより高くすることができる。
【００７８】
なお、この実施形態においては、１回目の堆積工程において、モノシランガスの流量をＸａまで段階的に増やしたが、２回目または３回目の堆積工程において、モノシランガスの流量を段階的にＸａまで増やしてもよい。また、例えば１回目と２回目の成膜工程のように、任意の２回の堆積工程において、モノシランガスの流量のＸａまで段階的に増やしてもよい。また、全ての堆積工程において、モノシランガスの流量のＸａまで段階的に増やしてもよい。
【００７９】
＜３．１ 第１の変形例＞
第２の実施形態の第１の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。第１の変形例に係るＴＦＴの製造方法では、３回に分けて行なう微結晶シリコン膜の成膜工程のうち、１回目の堆積工程において、第１の実施形態の場合と同様に、モノシランガスの流量を段階的に変化させる。図１４は、第１の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１４に示すように、モノシラン用バルブを徐々に開き、モノシランガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、モノシランガスの流量が所定の値Ｘｂ（Ｘｂ＞Ｘａ）に達したら、モノシランガスの流量を段階的に減少させ、モノシラン用バルブを閉じるときには、流量を０ｓｃｃｍにする。この場合、図１４に示すモノシランガスの流量の最大値Ｘｂは、図１３に示すモノシランガスの流量の最大値Ｘａよりも大きいので、モノシランガスの流量が最大になったときに流量比Ｒは小さくなる。これにより、微結晶シリコン膜内の微粒子には、アモルファス成分やナノクラスタ成分などの非結晶性の成分を多く含む微結晶シリコン膜が成膜されるので、微結晶シリコン膜はより欠陥の少ない膜になり、移動度をより高くすることができる。
【００８０】
なお、この変形例においては、１回目の堆積工程において、モノシランガスの流量をＸｂまで段階的に増やしたが、２回目または３回目の堆積工程において、モノシランガスの流量を段階的にＸｂまで増やしてもよい。また、例えば１回目と２回目の成膜工程のように、任意の２回の堆積工程において、モノシランガスの流量のＸｂまで段階的に増やしてもよい。また、全ての堆積工程において、モノシランガスの流量のＸｂまで段階的に増やしてもよい。
【００８１】
＜３．２ 第２の変形例＞
第２の実施形態の第２の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、第２の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図であり、図１５（ａ）はモノシランガスの最大流量がＸａの場合の図であり、図１５（ｂ）はモノシランガスの最大流量がＸｂの場合の図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、モノシランガスの流量を連続的に変化させる。モノシランガスの流量を連続的に変化させて成膜した微結晶シリコン膜は、段階的に変化させて成膜した微結晶シリコン膜と同様に欠陥の少ない膜になり、移動度を高くすることができる。
【００８２】
＜４．第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態のＴＦＴ１０の構成および各製造工程は、図４に示すＴＦＴ１０の構成、および、図１０〜図１２に示す第１の実施形態で説明した製造工程と同じであるため、それらの図および説明を省略する。
【００８３】
本実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法のうち、第１の実施形態に係るＴＦＴ１０の製造方法と異なるのは、ｎ型不純物を高濃度にドープした微結晶シリコン膜であるｎ型微結晶シリコン膜の成膜方法である。
【００８４】
図１６は、本実施形態におけるｎ型微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１６に示すように、膜厚３５０ｎｍのｎ型微結晶シリコン膜を、３回の成膜工程に分けて堆積する工程と、堆積した微結晶シリコン膜に水素プラズマ処理を施す工程とを交互に３回ずつ繰り返すことによって成膜する。この場合、モノシラン用バルブと水素バルブだけでなく、ホスフィン用バルブも設けられている。ホスフィン用バルブは、モノシラン用バルブを１回目および２回目に開いたときには閉じられており、３回目に開かれたときに同時に開かれる。このように、１回目から３回目の堆積工程のうち３回目の堆積工程のときだけ、ホスフィン用バルブを開くので、微結晶シリコン膜に含まれる微粒子のうち、３回目の堆積工程で堆積された微結晶シリコン膜のみにリンがドープされる。
【００８５】
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、３回に分けて成膜したｎ型微結晶シリコン膜の断面を模式的に示す断面図である。図１７に示すように、微結晶シリコン膜からなるソース領域／ドレイン領域４０ａ、４０ｂ上に、１回目から３回目の堆積工程によって微結晶シリコン膜が順に堆積されている。図９の場合と同様に、マイクロクリスタル成分、アモルファス成分などを含む微粒子６５が堆積されることによってｎ型微結晶シリコン膜が成膜される。この場合も、１回目の堆積工程では多くのボイド６３が発生し、２回目、３回目の堆積工程となるにつれて、ボイド６３の数は少なくなる。
【００８６】
また、３回目の堆積工程では、水素ガスとモノシランガスだけでなく、ホスフィンガスもチャンバ内に供給される。これにより、３回目の堆積工程では、リンがドープされた微粒子６６も堆積されるので、３回目に堆積された微結晶シリコン膜の抵抗値は小さくなる。この場合、ｎ型微結晶シリコン膜の全体にリンがドープされる場合と比べて、ｎ型微結晶シリコン膜の抵抗値が小さくなりすぎることはない。これにより、オフ電流が大きくなることを防止することができる。また、３回目の堆積工程で堆積されたｎ型微結晶シリコン膜のリン濃度が高くなるので、ｎ型微結晶膜をパターニングしたオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂと、ソース電極７０ａおよびドレイン電極７０ｂとをそれぞれオーミック接続することができる。
【００８７】
このように、３回目の堆積工程で、モノシランガスと、水素ガスと、ホスフィンガスとを励起して生成したプラズマを用いてｎ型微結晶半導体膜を堆積するので、リンを容易にドープすることができる。これにより、ｎ型微結晶半導体膜の成膜工程のスループットが低下することを防ぐことができる。
【００８８】
なお、３回の堆積工程のうち、１回目または２回目のいずれかの成膜工程におけるモノシラン用バルブを開くときに同時に、ホスフィン用バルブを開いてもよい。また、例えば２回目と３回目の成膜工程のように、任意に選択した２つの成膜工程において、モノシラン用バルブを開くときに同時に、ホスフィン用バルブを開いてもよい。
【００８９】
＜４．１ 変形例＞
第３の実施形態の変形例に係るＴＦＴ１０の製造方法について説明する。図１８は、本実施形態の変形例における微結晶シリコン膜を成膜する際のバルブの開閉を示す図である。図１８に示すように、ｎ型微結晶シリコン膜を３回の堆積工程に分けて堆積する。１回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブは閉じられており、所定の流量比Ｒになるように水素ガスとモノシランガスをチャンバ内に供給する。２回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブを徐々に開き、ホスフィンガスの流量を０ｓｃｃｍから段階的に増やしていく。そして、ホスフィンガスの流量が所定の値に達したら、ホスフィンガスの流量を段階的に減少させ、モノシラン用バルブを閉じるときには、流量を０ｓｃｃｍにする。３回目の堆積工程では、モノシラン用バルブを開けるときに同時に瞬時に開き、水素ガスとモノシランガスだけでなく、一定の流量のホスフィンガスもチャンバ内に同時に供給する。
【００９０】
このように、２回目の堆積工程では、ホスフィン用バルブを段階的に開くので、それにともなってチャンバ内に供給されるホスフィンガスも少しずつ増加する。それに応じて、２回目の堆積工程で堆積されたｎ型微結晶シリコン膜を構成する微粒子のうち、リンをドープされた微粒子の割合は膜厚方向に少しずつ多くなる。そして、３回目の堆積工程では、一定量のホスフィンガスが供給されるので、堆積されたｎ型微結晶シリコン膜のリン濃度は均一な所定の値になる。
【００９１】
このように、２回目の堆積工程において、ホスフィンガスの流量を段階的に増やせば、ｎ型微結晶半導体膜の抵抗値が小さくなりすぎることをより防止することができる。これにより、オフ電流が大きくなることをより防止することができる。
【００９２】
なお、上記変形例では、１回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを閉じ、２回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを徐々に開いた。しかし、１回目の堆積工程においてホスフィン用バルブを徐々に開けてホスフィンの流量を段階的に変化させ、２回目の堆積工程においてホスフィン用バルブを閉じてもよい。また、１回目および２回目の堆積工程において、ホスフィン用バルブを徐々に開けてホスフィンの流量を段階的に変化させてもよい。また、ホスフィンガスの流量を連続的に変化させてもよい。ホスフィンガスの流量を連続的に増やした場合の効果は、段階的に増やした場合の効果と同じであるので、その説明を省略する。
【００９３】
＜５．第４の実施形態＞
上述の各実施形態において説明した製造方法によって製造されたＴＦＴ１０では、移動度を高くすることができる。そこで、このようなＴＦＴ１０を用いて液晶表示装置の画素形成部のスイッチング素子を形成すれば、スイッチング速度を速くすることができる。また、液晶表示装置の駆動回路を形成すれば、駆動回路の動作速度を速くすることができる。このように、ＴＦＴ１０の製造方法を含む製造方法によって、高品位の映像を表示する液晶表示装置を製造することができる。
【００９４】
＜６． その他＞
上記各実施形態のチャネル層４０やオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを構成する半導体材料はシリコンであると説明した。しかし、チャネル層４０やオーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを、ゲルマニウムシリコンなどの半導体材料で形成してもよい。
【００９５】
上記各実施形態のＴＦＴは、ｎチャネル型であるとして説明したが、ｐチャネル型であってもよい。この場合、オーミックコンタクト層６０ａ、６０ｂを形成するための微結晶シリコン膜には、ボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープする必要がある。この場合、ホスフィンガスの代わりに、例えばジボラン（Ｂ2Ｈ6）ガスをチャンバ内に供給することにより、ｐ型不純物がドープされた微結晶シリコン膜を成膜する。
【００９６】
上記各実施形態の微結晶シリコン膜およびｎ型微結晶シリコン膜の成膜には、モノシランガスを使用したが、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガスやジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガスを使用してもよい。
【００９７】
ＴＦＴを用いて製造される表示パネルには、液晶表示装置の他にも、有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置やプラズマ表示装置などの表示装置が含まれる。
【符号の説明】
【００９８】
１０…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
１５…ガラス基板（絶縁基板）
２０…ゲート電極
３０…ゲート絶縁膜
４０…チャネル層
４０ａ…ソース領域
４０ｂ…ドレイン領域
４１…微結晶シリコン膜
６０ａ、６０ｂ…オーミックコンタクト層
６１…ｎ型微結晶シリコン膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、第１の微結晶半導体膜を含む島状のチャネル層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記第１の微結晶半導体膜を少なくとも１回以上の回数に分けて堆積する第１の堆積工程と、
前記第１の堆積工程を終了するごとに水素プラズマ処理を施す第１の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の堆積工程は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスとを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて前記第１の微結晶半導体膜を堆積する工程を含み、
前記第１の水素プラズマ処理工程は、水素ガスを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて水素プラズマ処理を施す工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで段階的に変化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで連続的に変化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を、前記第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の堆積工程および前記第１の水素プラズマ処理工程における前記水素ガスの流量は同じであることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、またジクロルシランのいずれかであり、
前記第１の微結晶半導体膜は、微結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の堆積工程で堆積される前記微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍずつであることを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記チャネル層の両端部にそれぞれ形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域の上方にそれぞれ設けられたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース領域と前記ソース電極との間、および、前記ドレイン領域と前記ドレイン電極との間にそれぞれ設けられたオーミックコンタクト層とをさらに備え、
前記オーミックコンタクト層は第１または第２の導電型の不純物がドープされた第２の微結晶半導体膜を含み、
前記第２の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記不純物がドープされていない微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第２の堆積工程と、
前記不純物がドープされた微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第３の堆積工程と、
前記第２または第３の堆積工程を終了するごとに、その表面に水素プラズマ処理を施す第２の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも前記第２の微結晶半導体膜の表面は、前記第３の堆積工程によって堆積された微結晶半導体膜で覆われていることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を段階的に変化させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を連続的に変化させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第３の堆積工程は、前記第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、前記水素ガスと、前記不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
絶縁基板上に複数の半導体装置が配列された表示装置の製造方法であって、
前記半導体装置を請求項１から１３のいずれか１項に記載の製造方法によって製造する工程を含むことを特徴とする、表示装置の製造方法。
【請求項１】
絶縁基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、第１の微結晶半導体膜を含む島状のチャネル層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第１の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記第１の微結晶半導体膜を少なくとも１回以上の回数に分けて堆積する第１の堆積工程と、
前記第１の堆積工程を終了するごとに水素プラズマ処理を施す第１の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の堆積工程は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分と水素ガスとを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて前記第１の微結晶半導体膜を堆積する工程を含み、
前記第１の水素プラズマ処理工程は、水素ガスを含むガスを励起して生成したプラズマを用いて水素プラズマ処理を施す工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで段階的に変化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の堆積工程のうち少なくとも１回は、前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を第１の流量まで連続的に変化させることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスの流量を、前記第１の流量よりも多い第２の流量まで段階的または連続的に変化させることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の堆積工程および前記第１の水素プラズマ処理工程における前記水素ガスの流量は同じであることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスは、モノシラン、ジシラン、またジクロルシランのいずれかであり、
前記第１の微結晶半導体膜は、微結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の堆積工程で堆積される前記微結晶シリコン膜の膜厚は３〜７ｎｍずつであることを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記チャネル層の両端部にそれぞれ形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域の上方にそれぞれ設けられたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース領域と前記ソース電極との間、および、前記ドレイン領域と前記ドレイン電極との間にそれぞれ設けられたオーミックコンタクト層とをさらに備え、
前記オーミックコンタクト層は第１または第２の導電型の不純物がドープされた第２の微結晶半導体膜を含み、
前記第２の微結晶半導体膜の成膜工程は、
前記不純物がドープされていない微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第２の堆積工程と、
前記不純物がドープされた微結晶半導体膜を少なくとも１回以上堆積する第３の堆積工程と、
前記第２または第３の堆積工程を終了するごとに、その表面に水素プラズマ処理を施す第２の水素プラズマ処理工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも前記第２の微結晶半導体膜の表面は、前記第３の堆積工程によって堆積された微結晶半導体膜で覆われていることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を段階的に変化させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第３の堆積工程は、前記不純物を含むガスの流量を連続的に変化させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第３の堆積工程は、前記第２の微結晶半導体膜を構成する成分を含むガスと、前記水素ガスと、前記不純物を含むガスとを励起して生成したプラズマを用いて前記第２の微結晶半導体膜を堆積することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
絶縁基板上に複数の半導体装置が配列された表示装置の製造方法であって、
前記半導体装置を請求項１から１３のいずれか１項に記載の製造方法によって製造する工程を含むことを特徴とする、表示装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−２２２６４９（Ｐ２０１１−２２２６４９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８８４８９（Ｐ２０１０−８８４８９）
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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