JP2001185486A - 半導体膜の形成方法 - Google Patents

半導体膜の形成方法

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JP2001185486A JP36949999A JP36949999A JP2001185486A JP 2001185486 A JP2001185486 A JP 2001185486A JP 36949999 A JP36949999 A JP 36949999A JP 36949999 A JP36949999 A JP 36949999A JP 2001185486 A JP2001185486 A JP 2001185486A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高品質の半導体膜を安価に形成する。 【解決手段】 絶縁性基板1上に非結晶シリコン膜2を
形成する第1工程と、温度が300〜700℃の、ニッ
ケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中で前記非結晶シリ
コン膜2を熱処理する第2工程とを有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は半導体膜の作成方法
に関する。特に、絶縁性基板上に形成される半導体膜の
作成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、液晶ディスプレイやイメージセン
サ等の駆動回路をディスプレイやイメージセンサと同一
の基板上に形成するための開発が進められている。その
ためには通常用いられている安価なガラス基板上に薄膜
トランジスタを作成する必要がある。
【0003】ガラス基板を使用する場合、ガラス基板に
影響を及ぼさないような温度で処理する必要がある。通
常、半導体デバイスへの不純物の影響を考慮して無アル
カリガラスが用いられる。無アルカリガラスにはバリウ
ムホウケイ酸ガラス(コーニング社製#7059、et
c)、ホウケイ酸ガラス(旭硝子社製AN、etc)、
アルミノホウケイ酸ガラス(コーニング社製#173
5、etc)、アルミのケイ酸ガラス(HOYA社製N
A40、etc)等が用いられる。しかし、このような
ガラス基板の歪点は593〜700℃程度であり、実際
に使用できる温度は700℃以下であるので700℃以
下で処理することが求められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、駆動回路を
形成するのに必要な性能を持ったトランジスタを700
℃以下の温度で作製するのは困難である。たとえば、非
結晶シリコン膜を出発材料として600℃程度の温度で
アニールして多結晶化する固相成長法があるが、700
℃以下では多結晶シリコン膜中に多くの欠陥が残ってし
まうため良好な特性を持ったトランジスタを作製するこ
とができなかった。
【0005】また、短波長のエキシマレーザを非結晶シ
リコン膜または多結晶シリコン膜に照射して良質な多結
晶シリコン膜を得る方法もあるが、照射後の多結晶シリ
コン膜の膜質均一性が良くないため問題となっている。
エキシマレーザはパルスレーザであり、かつ、ビームサ
イズが限られているので、大面積に照射する場合はビー
ムを繋ぎ合わせて照射しなければならない。継ぎ合わせ
部分で多結晶シリコン膜の膜質が変化してその部分にあ
るトランジスタは異なった特性になってしまうため良好
な均一性を確保することができない。また、シリコン膜
にレーザ照射するとシリコン表面は局所的、かつ、瞬間
的に溶融し凝固するため、照射エネルギーによって多結
晶シリコン膜の膜質は急峻に変化し、結果的に安定して
同一膜質の多結晶シリコン膜を得ることが困難である。
【0006】また、特開平7−162002号公報に示
されているような方法によると、半導体表面層を酸化し
て、その酸化膜を除去することによって、良質の半導体
膜を得る方法が提案されている。ところが出発材料の多
結晶シリコン膜もできる限り良質でなければ、最終的に
得られる多結晶シリコン膜も十分に良質な特性のものに
ならない。
【0007】一方、特開平6−244103号公報に
は、非結晶シリコン膜を通常の結晶化温度よりも低い温
度で結晶化する技術が開示されている。すなわち、非結
晶シリコン膜上にニッケル、鉄、コバルト、白金の単体
もしくはその圭酸化物等の触媒材料の被膜、粒子、クラ
スター等を形成し、これと非結晶シリコンとの反応によ
って生じる物質のうち、前記触媒材料を含むものを除去
し、残った結晶シリコンを核として結晶化を進展させ、
結晶シリコン膜を得るものである。このように、ニッケ
ル等の触媒作用により、結晶化を促進することにより5
50℃程度の低温で非結晶質シリコン膜のアニールが可
能であるとともに、良質な多結晶シリコン膜を得ること
ができるので、絶縁性基板にガラスを使用しても歪みが
生じることなく、アニール時間も短縮することができ
る。しかし、以上述べたような方法では、触媒材料をエ
ッチングにより除去する工程が必要になるので工程が複
雑になり、コストが高くなる。
【0008】本発明は上記のような課題を解決し簡単で
安価な方法により、良好な特性を持つ半導体膜の形成方
法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体膜の作成方法は、絶縁性基板上に非
結晶シリコン膜を形成する第1工程と、温度が300〜
700℃の、ニッケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中
で前記非結晶シリコン膜を熱処理する第2工程とを有す
るものである。
【0010】前記熱処理する第2工程は、圧力が0.5
〜5MPaの圧力雰囲気で行うのが好ましい。
【0011】次に本発明の作用を説明する。上記のよう
に本発明の半導体膜の形成方法では、絶縁性基板上に非
結晶シリコン膜を形成する第1工程と、ニッケルを含有
する水蒸気を含む雰囲気中で前記非結晶シリコン膜を加
熱処理する第2工程とを有している。第1の作用は、ニ
ッケルを含有する水蒸気に非結晶シリコン膜表面が晒さ
れることにより、ニッケルと非結晶シリコンが反応し、
熱処理過程によってニッケルが触媒となって結晶成長が
起こることである。これによって、非結晶シリコンは多
結晶シリコンへと変化する。
【0012】また、第2の作用は、水蒸気中でシリコン
膜を熱処理すると、一般に水蒸気に晒されている面から
シリコン膜は酸化され酸化シリコン膜となることであ
る。水分子(H2 O)は酸素分子(O2 )に比べ酸化シ
リコン中での拡散係数が3桁程大きいので、酸化シリコ
ンとシリコンの界面での反応が促進され成長が速くな
る。この酸化過程によって、シリコン原子同士の結合が
切り離され、ある確率で完全に自由になるシリコン原子
が生成される。この完全に自由になったシリコン原子
が、多結晶シリコン膜中を拡散して多結晶シリコン膜中
の結晶欠陥を補償し、結晶欠陥が低減されると考えられ
る。結果的に、酸化することによって、多結晶シリコン
膜は改質されて良質の多結晶シリコン膜を得ることがで
きる。
【0013】本発明では、1つの工程で前述の2つの作
用が同時に起こることによって、極めて良質なシリコン
膜を得ることができる。
【0014】また、前記熱処理する第2工程を圧力が
0.5〜5MPaの圧力雰囲気で行うことにより、酸化
均一性および酸化速度を高めることができるので、均一
性が良く、効率の良い酸化処理を行うことができる。
【0015】さらに、本発明の半導体膜の作成方法で
は、前記非結晶シリコン膜を熱処理する第2工程を30
0〜700℃で行うことにより、前述した安価なガラス
基板の使用が可能になる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の1実施形態を図面
に基づいて説明する。図1(a)〜(c)に本発明の半
導体膜の形成方法をわかりやすくするため第1の作用と
第2の作用に分けて示す概略断面図である。1は絶縁性
基板、2は非結晶シリコン膜、3は多結晶シリコン膜、
4は酸化シリコン膜、5は膜質向上した高品質な多結晶
シリコン膜である。絶縁性基板1はガラス基板、石英基
板、サファイヤ基板等の基板を用いる。ガラス基板を用
いることができれば、安価であるので作製するデバイス
コストを低減できるので好ましい。
【0017】これらの基板の代わりにシリコンウエハ上
に絶縁膜を形成したものを用いることもできる。この絶
縁膜には酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミ
ニウム、酸化タンタル等の単膜または2種以上を積層し
たものを用いることができる。
【0018】図1(a)に示すように、第1工程の前記
絶縁基板上に非結晶シリコン膜を形成するには、特に限
定されないが、プラズマCVD法、スパッタ法、減圧C
VD法等が使用できる。減圧CVD法で行った方が熱処
理後に良質な多結晶シリコン膜が得られるので、ここで
は減圧CVD法を用いた.基板温度が400〜600℃
が好ましく、使用する原料ガスはSiH4 、Si26
を用い、膜厚は50〜500nmとした。
【0019】この後、ニッケルを含有する水蒸気雰囲気
で熱処理を行う。ニッケルを含む水蒸気は、たとえば、
水に以下の溶質の少なくとも1つを溶解させ常温または
加熱した状態で超音波等を用いて水蒸気化する。溶質は
NiF2 、NiCl2 、NiCl2 ・6H2 O、NiB
2 、NiSO4 、NiSO4 ・6H2 O、Ni(NO
32 ・6H2 O、Ni(CH3 COO)2 ・4H2
などである。熱処理は大気圧で行ってもよいが後述のよ
うに0.5〜5MPaの高圧雰囲気で行ってもよい。熱
処理温度300〜700℃、熱処理時間2〜12時間で
行うことができる。また、0.5〜5MPaの高圧力下
で熱処理すると熱の伝達効率が高まるので熱処理の均一
性は極めて高くなり、一層良質の多結晶シリコン膜を得
ることができる。
【0020】第1の作用は図1(b)に示すように、前
述の熱処理過程において、ニッケルが触媒となって非結
晶シリコン膜は固相成長し良質の多結晶シリコン膜とな
る。
【0021】第2の作用は図1(c)に示すように前述
の熱処理過程において、この多結晶シリコン膜は酸化さ
れる。これによって、膜質向上した高品質シリコン膜5
が形成できる。
【0022】すなわち、ニッケルが触媒となって非結晶
シリコン膜2が結晶化するのとほぼ同時に、シリコンの
酸化も進行し、酸化によってさらに極めて高品質な多結
晶シリコン膜5を得ることができる。酸化シリコン膜4
はエッチングにより除去してもよいし、そのまま残して
絶縁膜の1部として使用してもよい。
【0023】
【実施例】プラズマCVD法によりガラス基板上に非結
晶シリコン膜2を膜厚100nm形成した。この後、N
iイオンを100ppm含有する水溶液を作製し、超音
波で蒸気化した水蒸気を圧力容器内に導入して600
℃、0.8MPaの雰囲気とした。この状態で2時間処
理を行うことによって、図1(c)の膜5を得た。この
とき酸化シリコン膜4は膜厚約60nm形成されてい
た。図2はこのとき得られた結晶シリコン膜のラマン散
乱分光測定結果を示す。図中には本発明の結晶シリコン
のラマンスペクトルのほかに、標準試料として単結晶シ
リコンのラマンスペクトル、従来例の結晶シリコンのラ
マンスペクトルを示す。従来例の結晶シリコンは非晶質
シリコン膜2にニッケルを触媒として結晶化しただけの
多結晶シリコンを用いた。一般に、半値幅が小さく、ピ
ーク強度が大きく、単結晶シリコンのスペクトルにでき
るだけ近いほど良質な結晶シリコンであるといえるの
で、本発明の結晶シリコンが非常に良好な結晶シリコン
膜であることがわかる。
【0024】
【発明の効果】上記のように本発明の半導体膜の形成方
法では、絶縁性基盤上に非晶質シリコン膜を形成する第
1工程と、ニッケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中で
前記非晶質シリコン膜を熱処理する第2工程とを有して
いる。第1の作用は、ニッケルを含有する水蒸気に非晶
質シリコン膜表面が晒されることにより、ニッケルを触
媒として非晶質シリコンが反応し、熱処理過程によって
結晶成長が起こることがある。これによって、非晶質シ
リコンは多結晶シリコンへと変化する。
【0025】また、第2作用は、水蒸気中でシリコン膜
を熱処理すると、一般に水蒸気に晒されている面からシ
リコン膜は酸化され酸化シリコン膜となることである。
水分子(H2 O)は酸素分子(O2 )に比べ酸化シリコ
ン中での拡散係数が3桁程度大きいので、酸化シリコン
とシリコンの界面での反応が促進されて成長が早くな
る。この酸化過程によって、シリコン原子同士の結晶が
切り離され、ある確率で完全に自由になるシリコン原子
が生成される。この完全に自由になったシリコン原子
が、多結晶シリコン膜中を拡散して多結晶シリコン膜中
の結晶欠陥を補償し、結晶欠陥が低減されると考えられ
る。結果的に、酸化することによって、極めて良質なシ
リコン膜を得ることができる。
【0026】本発明では、1つの工程で前述の2つの作
用が同時に起こることによって、極めて良質なシリコン
膜を得ることができる。
【0027】また、特に前記熱処理する工程を圧力が
0.5〜5MPaの圧力雰囲気で行うことにより、酸化
均一性および酸化速度を高めることができるので、均一
性がよく効率の良い酸化処理を行うことができる。
【0028】また、特に本発明の半導体膜の形成方法で
は、前記非晶質シリコン膜を熱処理する工程を300〜
700℃で行うことにより、前述した安価なガラス基板
の使用が可能である。
【0029】このように本発明の半導体膜の形成方法は
良質結晶シリコン膜が簡単な方法で安価に、かつ、短時
間で形成できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)本発明の半導体膜の作製方法の
1実施例を示す概略断面図である。
【図2】本発明と比較例として単結晶シリコン膜および
従来例の多結晶シリコン膜のラマン散乱分光スペクトル
のグラフである。
【符号の説明】
1 絶縁性基板 2 非晶質シリコン膜 3 多結晶シリコン膜 4 酸化シリコン膜 5 膜質向上した高品質な多結晶シリコン膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板上に非結晶シリコン膜を形成
    する第1工程と、温度が300〜700℃の、ニッケル
    を含有する水蒸気を含む雰囲気中で前記非結晶シリコン
    膜を熱処理する第2工程とを有することを特徴とする半
    導体膜の形成方法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理する第2工程は、圧力が0.
    5〜5MPaの圧力雰囲気で行う請求項1に記載の半導
    体膜の作成方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7964456B2 (en) 2004-02-19 2011-06-21 Samsung Mobile Display Co., Ltd. Method of fabricating polysilicon thin film and thin film transistor using polysilicon fabricated by the same method
KR101233031B1 (ko) 2010-02-24 2013-02-13 가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키 반도체 장치의 제조 방법과 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치

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