(57)【要約】【課題】高い移動度を有し、かつ製造時に特殊な後処理工程を必要としない微結晶シリコンを用いた半導体デバイスを提供する。【解決手段】本発明の半導体デバイスは、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体を備え、ナノクラスターシリコンの体積が、ナノクリスタルシリコンの体積よりも大きい。【選択図】図２
2010021276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体を備え、
上記ナノクラスターシリコンの体積が、上記ナノクリスタルシリコンの体積よりも大きいことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
ガラス基板、プラスチック基板または金属基板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
圧力が４００Ｐａ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
ＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比（Ｒ値）が１００以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
圧力が４００Ｐａ以上であり、かつＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比（Ｒ値）が１００以上である条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
高周波電源の周波数が１００ＭＨｚ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
パルス放電を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを製造する方法であって、
ホロカソード電極を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
請求項１または２に記載の半導体デバイスを備えていることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスおよびそれを備えた表示装置に関するものである。さらに詳しくは、高い移動度を有し、かつ製造時に特殊な後処理工程を必要としない微結晶シリコンを用いた半導体デバイスおよびそれを備えた表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスに用いられるシリコンは、ＣＶＤ（chemical vapor deposition、化学蒸着法）等によって作製されるアモルファスシリコン、またはアモルファスシリコン作製後にアニール処理工程を加えて作製される多結晶シリコンであるのが一般的であった。
【０００３】
しかし、アモルファスシリコンを用いた場合には、半導体デバイスの移動度が０．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度と低いという問題点を有している。また、多結晶シリコンを用いた場合には、半導体デバイスの移動度は高いが、シリコンの製造工程数が多くなりコストが増加するという問題点を有している。
【０００４】
上記の問題点を解決するため、近年、半導体デバイスに用いられるシリコンとして、半導体デバイスの移動度を０．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上とすることができ、かつ多結晶シリコンのように特殊な後処理工程を必要としない微結晶シリコンが提案されてきている。
【０００５】
例えば特許文献１には、基板と、該基板上に形成したゲート電極と、絶縁膜と、ノンドープの微結晶シリコン膜と、ソース電極と、ドレイン電極とからなる微結晶シリコン薄膜トランジスタであって、該ソース電極および該ドレイン電極と、該ノンドープの微結晶シリコン膜とでオ−ミックコンタクトを得るように配設されている微結晶シリコン薄膜トランジスタが示されている。特許文献１に示されている微結晶シリコン薄膜トランジスタについて、図７を用いて以下に具体的に説明する。
【０００６】
図７に示すように、微結晶シリコン薄膜トランジスタ１０１は、基板１０２と、該基板１０２上にゲート電極１０５を形成し、さらに絶縁膜１０３を成膜し、該絶縁膜１０３表面上にノンドープであるμｃ−Ｓｉ；Ｈ薄膜１０４を成膜し、ソース電極１０７およびドレイン電極１０６とを形成してなるものである。そして、基板１０２としては、例えばソーダ石灰系ガラス、ホウケイ酸系ガラス、無アルカリガラス等のガラス基板、または表面を絶縁膜化したフロートガラス基板、あるいは石英基板、Ｓｉウエハー等が用いられる。また、μｃ−Ｓｉ；Ｈ薄膜１０４は、トライオ−ド法、ダイオ−ド法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法等によって成膜することができる。
【０００７】
さらに、特許文献１の実施例では、基板１０２としてＳｉウエハーを用いた場合には、μｃ−Ｓｉ；Ｈ薄膜１０４の成膜条件を適宜最適な条件となるように選択することにより、微結晶シリコン薄膜トランジスタ１０１の移動度が１．０〜１．２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度となることが示されている。
【特許文献１】特開平８−３２１６１８号公報（平成８年１２月３日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示されている微結晶シリコン薄膜トランジスタ１０１では、基板１０２として一般的な液晶ディスプレイ等に用いられるガラス基板またはプラスチック基板を用いた場合には、μｃ−Ｓｉ；Ｈ薄膜１０４の成膜条件を適宜最適な条件となるように選択しても、０．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上という十分な移動度を達成することができないという問題点を有している。
【０００９】
上記の問題点が生じる理由としては、後述するシリコンのネットワークが不十分なため、ボトムゲート構造において、チャネル領域にボイドを多く含有し、所望の移動度を得ることが困難だからである。また、トップゲート構造において、微結晶シリコンの膜成長により、粗大なボイドを多く含む結晶粒、つまり欠陥のある結晶粒が形成され、所望の移動度を得ることが困難だからでもある。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、高い移動度を有し、かつ製造時に特殊な後処理工程を必要としない微結晶シリコンを用いた半導体デバイスおよびそれを備えた表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、微結晶シリコンを用いた半導体デバイスの移動度が高くならないという課題を微結晶シリコンの成分から改善し、微結晶シリコンの成分として、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを用い、上記ナノクラスターシリコンの体積が上記ナノクリスタルシリコンの体積よりも大きいことで、半導体デバイスの移動度を向上させることができることを独自に見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の半導体デバイスは、上記課題を解決するために、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体を備え、上記ナノクラスターシリコンの体積が、上記ナノクリスタルシリコンの体積よりも大きいことを特徴としている。
【００１３】
上記の発明によれば、ナノオーダでのシリコンのネットワークを形成することができる。つまり、アモルファスシリコンとナノクリスタルシリコン等の結晶系シリコンとの中間の構造を有するナノクラスターシリコンが、ナノクリスタルシリコン等の結晶系シリコンとは整合性良くＳｉ結合し、かつアモルファスシリコンとは構造の規則性を崩してＳｉ結合するので、ナノオーダでのシリコンのネットワークを形成することができる。これにより、本発明の半導体デバイスは、アモルファスシリコンと結晶系シリコンとが十分にＳｉ結合することができないことにより生じるボイドが少ないシリコンを備えた状態となる。その結果、本発明によれば、半導体デバイスの移動度を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の半導体デバイスは、ガラス基板、プラスチック基板または金属基板を備えていることが好ましい。
【００１５】
これにより、本発明の半導体デバイスは、一般的な液晶ディスプレイ等に用いられるガラス基板、プラスチック基板または金属基板を用いた場合であっても、高い移動度を有する。
【００１６】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、圧力が４００Ｐａ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、ＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比（Ｒ値）が１００以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、圧力が４００Ｐａ以上であり、かつＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比（Ｒ値）が１００以上である条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。なお、通常のプラズマＣＶＤの圧力よりも高い４００Ｐａ以上、Ｒ＝１００以上で、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含み、ＯＮ電流を得られる条件となる。
【００１７】
これにより、本発明の半導体デバイスの製造方法により得られる半導体デバイスは、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンが増加し、移動度が向上する。
【００１８】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、高周波電源の周波数が１００ＭＨｚ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、パルス放電を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、ホロカソード電極を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。
【００１９】
これにより、本発明の半導体デバイスの製造方法により得られる半導体デバイスは、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンが増加し、移動度が向上する。
【００２０】
また、本発明の表示装置は、上記半導体デバイスを備えていることが好ましい。
【００２１】
これにより、上記半導体デバイスは高い移動度を有しているので、本発明の表示装置は、従来の半導体デバイスを備えた表示装置と比較して、移動度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の半導体デバイスは、以上のように、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体を備え、上記ナノクラスターシリコンの体積が、上記ナノクリスタルシリコンの体積よりも大きいものである。
【００２３】
それゆえ、本発明の半導体デバイスは、高い移動度を有し、かつ製造時に特殊な後処理工程を必要としないという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２５】
（Ｉ）本発明の半導体デバイスの構成
本発明の半導体デバイスは、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体の他に、基板、該基板上に形成したゲート電極、絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極等を備えているものである。また、本発明の半導体デバイスの構造は特に限定されず、トップゲート構造であっても、ボトムゲート構造であってもよい。
【００２６】
＜ナノクラスターシリコン・ナノクリスタルシリコン＞
本発明の半導体デバイスは、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを含む半導体を備えているものである。
【００２７】
ここで、クラスターとは、複数個の原子または分子が集まってできる構造単位をいう。また、ナノクラスターシリコンとは、ナノオーダのクラスターを分子内に有するシリコンをいう。なお、後述の図３（ｃ）に示すように、本発明において、ナノクラスターシリコンとは、部分的に結晶構造を有するものを意味している。つまり、本発明において、ナノクラスターシリコンとは、アモルファスシリコンの状態から部分的にシリコン原子が規則的に並んだ（結晶化した）固体をいう。
【００２８】
なお、アモルファスシリコンとは、結晶質でないシリコン、すなわちシリコン原子の配列に規則性がなく無定形なものをいう。
【００２９】
また、本発明において、ナノクラスターシリコンが集合してはっきりとした結晶構造を有する最小寸法の結晶シリコンとなったものを、ナノクリスタルシリコンという。
【００３０】
ここで、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンは、シリコンを主たる構成としていればよく、他の原子または分子が含まれていても、本発明の範囲に含まれる。例えば、シリコン・ゲルマニウム合金ナノ結晶であっても、シリコンを主たる構成としていれば本発明の範囲に含まれる。
【００３１】
本発明の半導体デバイスは、上記ナノクリスタルシリコンの粒径が、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
＜基板＞
本発明で用いられる基板は、半導体デバイスに使用されるものであれば、特に限定されない。例えば、ガラス基板、プラスチック基板、金属基板、シリコン基板、ゲルマニウム基板等が挙げられる。なお、金属基板は、シートタイプで絶縁コート処理を施したものが好ましい。また、本発明で用いられる基板は、不純物、例えばＮ型またはＰ型の導電型の不純物等を含んでいてもよい。不純物の濃度は、当該分野で公知の範囲であればよい。
【００３３】
＜ゲート電極・ソース電極・ドレイン電極＞
本発明の半導体デバイスは、ドレイン電極に一定の電圧を印加した状態で、ゲート電極に印加する電圧を変化させることで、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を制御することができる。
【００３４】
本発明で用いられる上記ソース電極、上記ドレイン電極および上記ゲート電極の材料は、導電性材料であれば、特に限定されない。例えば、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の金属；これらの金属を含む合金；酸化スズ、酸化インジウム等の導電性の酸化物；シリコン、ゲルマニウム等の半導体；などを用いることができる。また、上記ソース電極、上記ドレイン電極および上記ゲート電極の材料は、ドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体等も用いることができる。
【００３５】
電極の配置方法としては、上記材料を原料として、例えば、真空蒸着やスパッタリング等の方法を用いて配置した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて配置する方法、アルミニウムや銅等の金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法等がある。
【００３６】
＜絶縁膜＞
本発明で用いられる絶縁膜の材料は、絶縁性を有する種々の化合物であれば、特に限定されない。例えば、無機化合物、無機酸化化合物、有機化合物等を挙げることができる。上記無機化合物としては、例えば、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等を挙げることができる。また、上記無機酸化化合物としては、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ等を挙げることができる。また、上記有機化合物としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、エポキシ樹脂等のポリマー；これらを組み合わせた共有重合体；等を挙げることができる。
【００３７】
絶縁膜の配置方法としては、上記材料を原料として、例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、印刷、インクジェット等のパターニングによる方法等のウェットプロセスを挙げることができる。
【００３８】
（ＩＩ）本発明の半導体デバイスの物性等
本発明の半導体デバイスは、膜が薄いため、表示装置等に備えた場合に、該表示装置等の小型化、軽量化を図ることができる。
【００３９】
半導体デバイスの膜厚は、上記表示装置等の構造、大きさ等に応じて適宜選択すればよい。例えば、２０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下の膜厚が一般的に用いられているが、これに限定されるものではない。
【００４０】
本発明の半導体デバイスは、高い移動度（電子移動度）を有しているものである。電子移動度は、ゲート誘電体としてのＳｉＯ２にゲート電界を印加した結果、半導体層中に生じるキャリア種の電気的特性を表現する式（ａ）から求めることができる。なお、ゲート誘電体としてＳｉＮｘを用いることもできる。
【００４１】
Ｉｄ＝ＺμＣｉ（Ｖｇ−Ｖｔ）２／２Ｌ  ・・・（ａ）
ここで、Ｉｄは飽和したソース・ドレイン電流値、Ｚはチャネル幅、Ｃｉは絶縁体の電気容量、Ｖｇはゲート電位、Ｖｔはしきい電位、Ｌはチャネル長であり、μが決定する移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ）である。Ｃｉは用いたＳｉＯ２絶縁膜の誘電率、Ｚ，ＬはＦＥＴ（field-effect transistor、電界効果トランジスタ）素子の素子構造よりに決まり、Ｉｄ，ＶｇはＦＥＴ素子の電流値の測定時に決まり、ＶｔはＩｄ，Ｖｇから求めることができる。式（ａ）に各値を代入することで、移動度を算出することができる。
【００４２】
（ＩＩＩ）本発明の半導体デバイスの製造方法
本発明の半導体デバイスの製造方法は、特に限定されるものではなく、本発明のナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを備えること以外は、従来公知の半導体デバイスの製造方法を用いることができる。
【００４３】
本発明の半導体デバイスにナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製する方法は、特に限定されないが、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition、化学蒸着法）、光ＣＶＤ、熱ＣＶＤ、パルスレーザＣＶＤ、レーザアブレーション等で作製することが好ましい。
【００４４】
また、本発明の半導体デバイスにナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製する方法は、基板上に、溶媒として有機溶剤を用いたナノクリスタルシリコンの溶液を塗布後、例えば３００℃以上で加熱して、ナノクリスタルシリコンの結晶構造を崩してナノクラスター化させて、Ｓｉ結合性を確保する方法であってもよい。
【００４５】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、圧力が４００Ｐａ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、ＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比が１００以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。
【００４６】
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、高周波電源の周波数が４０ＭＨｚ以上、好ましくは１００ＭＨｚ以上の条件でプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。高周波電源の周波数が高いほど、電子密度が増加し、増加した電子により微細化を引き起こす（ナノクラスターシリコンが増加する）と考えられる。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、パルス放電を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、上記半導体デバイスを製造する方法であって、ホロカソード電極を用いてプラズマＣＶＤを行い、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを作製することが好ましい。
【００４７】
（ＩＶ）本発明の表示装置
本発明の表示装置は、本発明の半導体デバイスを備えているものであれば、特に限定されない。例えば、液晶表示装置、ＥＬ（electro-luminescence）表示装置等が挙げられる。
【００４８】
本発明の表示装置の製造方法は、特に限定されるものではなく、本発明の半導体デバイスを備えること以外は、従来公知の表示装置の製造方法を用いることができる。
【００４９】
（Ｖ）本発明の半導体デバイスに用いられる微結晶シリコンの物性等
本発明の半導体デバイスに用いられる微結晶シリコンの物性について、図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下の実施形態は、半導体デバイスとして、薄膜トランジスタを例に挙げて説明する。
【００５０】
図１に、従来のプラズマＣＶＤによって作製した微結晶シリコンのラマン測定結果を示す。従来のラマン測定結果のピーク分離は、図１に示すようなアモルファスシリコン成分（ａ−Ｓｉ）およびマイクロクリスタルシリコン成分という２つのピークについて行うのが一般的であった。しかし、従来のプラズマＣＶＤによって作製した微結晶シリコンのラマン測定結果について、本発明におけるピーク分離を行うと、上記の２つのピークの中間に、比較的ブロードなピークと、結晶系と考えられるシャープなピークとが存在することが分かった。そして、比較的ブロードなピークが、アモルファスシリコン成分よりも規則的なＳｉ結合を有するナノクラスターシリコン成分のピークであり、シャープなピークが、ナノクラスターシリコン成分が集合してはっきりとした結晶構造を有する最小寸法の結晶シリコン（ナノサイズの結晶シリコン）となったナノクリスタルシリコン成分であると考えられる。
【００５１】
上記の４つのピークを有する微結晶シリコンを、５５０℃の窒素雰囲気中で長時間アニール処理を行うと、アモルファスシリコン成分が減少して、次第にナノクラスターシリコン成分、さらにナノクリスタルシリコン成分が増加し、同時にマイクロクリスタルシリコン成分も増加することがラマン測定にて確認された。つまり、「アモルファスシリコン成分→ナノクラスターシリコン成分→ナノクリスタルシリコン成分→マイクロクリスタルシリコン成分」という順に結晶性（Ｓｉの規則的な結合性）が変化することが確認された。例えば、マイクロクリスタルシリコン成分は、ナノクリスタルシリコン成分が集合して、結晶が大きくなったものと考えられる。
【００５２】
以上より、微結晶シリコンは、アモルファスシリコン成分以外に、ナノクラスターシリコン成分、ナノクリスタルシリコン成分およびマイクロクリスタルシリコン成分という、順次Ｓｉの規則的な結合性が高い成分を有していると考えられる。
【００５３】
また、アモルファスシリコン成分よりも、ナノクラスターシリコン成分を多く含む微結晶シリコンほど、電気抵抗が低い（電気抵抗値が約一桁下がる）ことが確認された。
【００５４】
本発明では、ナノクラスターシリコン成分およびナノクリスタルシリコン成分を増加させ、かつ「ナノクラスターシリコン成分の体積  ＞  ナノクリスタルシリコン成分の体積」（ナノクラスターシリコン成分の体積がナノクリスタルシリコン成分の体積よりも大きい）にして、高い移動度を有する微結晶シリコン薄膜トランジスタを得る方法を提供している。
【００５５】
図２（ａ）に、従来のプラズマＣＶＤから条件を変えて作製した微結晶シリコンのラマン測定結果を示す。図１における従来のプラズマＣＶＤ条件は、２２０℃、１３０Ｐａ、Ｒ＝１００であったのに対し、図２（ａ）における本発明のプラズマＣＶＤ条件は、２２０℃、７２０Ｐａ、Ｒ＝８００である。なお、Ｒ値は、ＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比を示している。図１と図２（ａ）とを比較すると、図２（ａ）では、アモルファスシリコン成分が少なく、規則的な結合性の高いナノクラスターシリコン成分を多く含み、同時にシリコン結晶系のナノクリスタルシリコン成分およびマイクロクリスタルシリコン成分も多く含む測定結果となっている。ナノクリスタルシリコン成分およびマイクロクリスタルシリコン成分は、Ｓｉの規則的な結合性を有するナノクラスターシリコン成分が増加するに伴い増加したと考えられる。つまり、ナノクラスターシリコン成分が増加することで、最終的なマイクロクリスタルシリコン成分も増加すると考えられる。
【００５６】
なお、上記ナノクリスタルシリコン成分とマイクロクリスタルシリコン成分との違いについては、ピーク分離上の違いだけで、現在のところ、結晶構造等の違いについての知見はない。
【００５７】
図１と図２（ａ）との比較において、図１の条件で作製した微結晶シリコンは、アモルファスシリコン成分と、少量の結晶系シリコン成分（ナノクリスタルシリコン成分、マイクロクリスタルシリコン成分）とを含んでいる。アモルファスシリコン成分と結晶系シリコン成分とは、Ｓｉ結合の構造の違いから十分に結合することができない（図３（ａ）・（ｂ）を参照）。これにより、図１のプラズマＣＶＤの条件で作製した微結晶シリコンには、ボイド等の欠陥が残る。このボイド等の欠陥をなくすためには、アモルファスシリコン成分と結晶系シリコン成分との中間の構造を有し、いずれの成分にも整合性良くＳｉ結合し、かつアモルファスシリコン成分よりも規則的な結合性を有するナノクラスターシリコン成分が必要である（図３（ｃ）参照）。このナノクラスターシリコン成分は、結晶系シリコン成分とは整合性良くＳｉ結合し、かつアモルファスシリコン成分とは規則性を崩してＳｉ結合するものである。また、このナノクラスターシリコン成分は、周辺の成分状況に応じて、結合のため構造を変形するという変形性を有しているものである。
【００５８】
ここで、実際のマイクロクリスタルシリコン成分は多角形となっており、周辺のマイクロクリスタルシリコン成分およびナノクリスタルシリコン成分とは、必ずしも結晶方位が同じではない。このため、多量のナノクラスターシリコン成分（ナノクリスタルシリコン成分の周辺を囲むように、ナノクリスタルシリコン成分の存在量よりも多くする）を、結晶系シリコン成分と結晶系シリコン成分との間、または結晶系シリコン成分とアモルファスシリコン成分との間という整合性の良くないところに存在させ、整合性の良い状態でＳｉ結合を形成させ、ボイドの少ないシリコンのネットワークを形成させることができる。このネットワークは、図３（ａ）に示すアモルファスシリコン成分、図３（ｂ）に示すマイクロクリスタルシリコン成分、および図３（ｄ）に示すナノクリスタルシリコン成分の結合に利用するものである。
【００５９】
図２（ａ）の条件で作製した微結晶シリコンでは、大量のナノクラスターシリコン成分が形成され、それに伴い、結晶系シリコン成分（ナノクリスタルシリコン成分およびマイクロクリスタルシリコン成分）も増加する。そして、図３（ｃ）に示すナノクラスターシリコン成分の利用により、図３（ａ）に示すアモルファスシリコン成分、図３（ｂ）に示すマイクロクリスタルシリコン成分、および図３（ｄ）に示すナノクリスタルシリコン成分が結合した、ボイドの少ない規則的な結合性を有するＳｉ結合が形成された状態となる。なお、Ｓｉ結合が増加するか否かについては、後述する。このように、十分にＳｉ結合を有する微結晶シリコンとするためには、Ｓｉ結合の規則的な結合性を有するナノクラスターシリコン成分を増加させることにより、図３（ａ）に示すアモルファスシリコン成分、図３（ｂ）に示すマイクロクリスタルシリコン成分、および図３（ｄ）に示すナノクリスタルシリコン成分を十分に結合させることが必要である。つまり、図３（ａ）〜（ｄ）に示す多成分を有する微結晶シリコンの構成としては、ナノクラスターシリコン成分を十分に増やして、Ｓｉ結合を十分に有する構成にする必要がある。
【００６０】
図４に、様々なプラズマＣＶＤ条件で作製した微結晶シリコンにおける５０ｃｍ−１〜７５０ｃｍ−１でのラマン測定結果をピーク分離して、４８０ｃｍ−１の強度とＭＡＸの強度との比をグラフにしたもの（図４の左軸）、並びに、１７００ｃｍ−１〜２３００ｃｍ−１でのラマン測定結果から得られるＳｉ−Ｈ結合とＳｉ−Ｈ２結合とをピーク分離して、それぞれの波形の面積比をグラフにしたもの（図４の右軸）を示す。
【００６１】
４８０ｃｍ−１のピーク強度は、図１のように、アモルファスシリコン成分の強度とナノクラスターシリコン成分の裾野強度との和を示す。ＭＡＸのピーク強度は、結晶系シリコン成分で最もラマン散乱強度の高い値を示す。図中のＲ値は、ＳｉＨ４の流量に対するＨ２の流量の比を示し、圧力はプラズマＣＶＤの圧力を示す。
【００６２】
図４に示すように、同じＲ値でも、プラズマＣＶＤの圧力を高くしていくと、４８０ｃｍ−１の強度比が大きくなる傾向にある。また、同じＲ値でも、プラズマＣＶＤの圧力を高くしていくと、Ｓｉ−Ｈ２結合に対するＳｉ−Ｈ結合の比が大きくなる傾向にある。
【００６３】
このＳｉ−Ｈ２結合に対するＳｉ−Ｈ結合の比は、値が小さいほど、つまりＳｉ−Ｈ２結合が多いほど、Ｓｉ結合が少なく、かつボイドが多い傾向を示す。また、図４に示すように、４８０ｃｍ−１の強度比が増加して、Ｓｉ−Ｈ２結合に対するＳｉ−Ｈ結合の比が増加するということは、Ｓｉ結合が増えていくことを意味している。要するに、ナノクラスターシリコン成分の増加は、４８０ｃｍ−１の強度比を増加させ、同時にＳｉ結合を増加させている。なお、４８０ｃｍ−１の強度比を増加させる条件においては、アモルファスシリコン成分が増加し、結晶系シリコン成分が減少する。結晶系シリコン成分が減少することは、本発明の目的ではない。
【００６４】
また、図４に示すように、Ｒ値が大きいほど、Ｓｉ−Ｈ２結合に対するＳｉ−Ｈ結合の比はさらに大きくなっており、Ｓｉ結合が増加している。このような条件で作製した微結晶シリコンは、図２（ａ）に示したようなナノクラスターシリコン成分およびナノクリスタルシリコン成分を多く含有する微結晶シリコンとなり、上述したように、ナノオーダでシリコンのネットワークを形成し、かつボイドの少ない微結晶シリコンを形成した状態となり、移動度が向上した微結晶薄膜トランジスタとなる。
【００６５】
図５に、図２（ｂ）の条件とは異なるプラズマＣＶＤ条件で作製した微結晶シリコンのラマン測定結果を示す。図５における本発明のプラズマＣＶＤ条件は、２２０℃、５７０Ｐａ、Ｒ＝４００である。図５に示すラマン測定結果よりも、図２（ｂ）に示すラマン測定結果の方が、アモルファスシリコン成分が少なく、ナノクラスターシリコン成分および結晶系シリコン成分が多い。これは、図５の条件から図２（ｂ）の条件に変更した場合には、アモルファスシリコン成分がナノクラスターシリコン成分に変化し、同時に結晶系シリコン成分を増加させたという結果を示している。また、図１に示すラマン測定結果は、ナノクラスターシリコン成分および結晶系シリコン成分が少なく、アモルファスシリコン成分が多いものを示す。
【００６６】
ここで、図１,２（ａ）・（ｂ）,４〜６において、Ｒ値はプラズマＣＶＤでの、ＳｉＨ４流量に対するＨ２流量の比を示す。また、圧力はプラズマＣＶＤでの圧力を示す。
【００６７】
図２（ｂ），５において、Ａクラスター／Ａａ−Ｓｉの値は、ラマン測定結果でのナノクラスターシリコン成分における波形の面積強度と、アモルファスシリコン成分における波形の面積強度との比を示す。
【００６８】
図１，２（ａ）・（ｂ），４，５に示すように、アモルファスシリコン成分が減少すると、代わりにナノクラスターシリコン成分、ナノクリスタルシリコン成分およびマイクロクリスタルシリコン成分が増加する。つまり、ナノクラスターシリコン成分の増加、およびナノクリスタルシリコン成分の増加により、微結晶シリコンは、Ｓｉ結合を十分に有する結晶系シリコン成分となることを示している。これにより、移動度が高い微結晶シリコン薄膜トランジスタを得ることができると言える。
【００６９】
図６に、Ｒ値および圧力の異なる３条件のプラズマＣＶＤで作製した微結晶シリコン薄膜トランジスタにおける伝達コンダクタンス特性（ＧＭ）の変化を示す。ＧＭの値が大きいほど、微結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は高くなることを示している。
【００７０】
ここで、図６において、微結晶シリコン薄膜トランジスタはボトムゲート構造とし、Ｖｄ＝１０Ｖでの伝達コンダクタンス特性（ＧＭ）を測定した。
【００７１】
図６に示すように、Ｒ値が大きく、かつ圧力が高い条件、つまりＳｉ結合を形成しやすい条件ほど、微結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は向上するという結果となった。図６において、最も移動度が高くなる条件（７４０Ｐａ  Ｒ＝８００）における微結晶シリコン薄膜トランジスタの移動度は、０．７３ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
【００７２】
上記の結果より、従来十分に解明および利用されていなかったナノサイズのシリコンであるナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンを用い、つまり、ナノクラスターシリコン（アモルファスシリコンよりもＳｉ結合が規則的で電気的特性が良いもの）およびナノクリスタルシリコン（ラマン測定でのピーク分離において、結晶構造を有する最小寸法のシリコンであるもの）を多く含んだ構成成分とし、かつ「ナノクラスターシリコンの体積  ＞  ナノクリスタルシリコンの体積」としてＳｉ結合を作製し、ボイドの少ない微結晶シリコン薄膜トランジスタを作製することで、結晶成分が有効に寄与する微結晶シリコン薄膜トランジスタとなり、移動度が向上するということが明らかになった。
【００７３】
（ＶＩ）その他
このように、本発明における半導体デバイスは、高い移動度の半導体デバイスを可能とするナノクラスター・ナノクリスタルシリコンを主要構成成分とするという構成であってもよい。
【００７４】
また、本発明におけるナノクラスター・ナノクリスタルシリコンを主要構成成分とする半導体デバイスの製造方法は、プラズマＣＶＤにおいて、高圧力であり、かつＲ値が高いという構成であってもよい。
【００７５】
また、本発明における半導体デバイスの製造方法は、プラズマＣＶＤで高周波電源の周波数を高くする方法、パルス放電にする方法またはホロカソード電極とする方法であってもよい。これにより、ナノクラスターシリコンおよびナノクリスタルシリコンは増加する。
【００７６】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の半導体デバイスは、ディスプレイを構成する画素のスイッチング用トランジスタ、薄膜トランジスタ、信号ドライバー回路素子、メモリ回路素子、信号処理回路素子、ダイオード、フォトダイオード、発光ダイオード、発光トランジスタ、電界効果トランジスタ、ガスセンサー、バイオセンサー、血液センサー、免疫センサー、人工網膜、味覚センサー等として好適に利用することができる。ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ、分散型液晶ディスプレイ、電気泳動型ディスプレイ、粒子回転型表示素子、エレクトロクロミックディスプレイ、（有機）エレクトロルミネッセンスディスプレイ、電子ペーパー等が挙げられる。また、本発明の半導体デバイスは、半導体集積回路、太陽電池、携帯電話機器等にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】従来の微結晶シリコンのラマン測定結果を示すグラフである。
【図２】（ａ）・（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる微結晶シリコンのラマン測定結果を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態にかかる微結晶シリコンの構造を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる微結晶シリコンのラマン測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態にかかる微結晶シリコンのラマン測定結果を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態にかかる薄膜トランジスタの伝達コンダクタンス特性（ＧＭ）の変化を示すグラフである。
【図７】従来の薄膜トランジスタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０１  微結晶シリコン薄膜トランジスタ
１０２  基板
１０３  絶縁膜
１０４  μｃ−Ｓｉ；Ｈ薄膜
１０５  ゲート電極
１０６  ドレイン電極
１０７  ソース電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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