JP2687394B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁基板上に形成される半導体装置の製造
方法に関する。
〔従来の技術〕
絶縁膜上に結晶粒の大きな多結晶シリコン薄膜あるい
は、単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、SOI(Silic
on On Insulator)技術として知られている。例えば、
固相成長法、レーザービーム再結晶化法などの方法があ
る。(参考文献応用物理 第54巻 第12号 1274ペー
ジ,1985年)また、固相成長法として、シリコン薄膜に
シリコンイオンをイオン注入し、その後約600℃程度の
低温でアニールすると結晶成長するという方法も報告さ
れている。(参考文献,J.Appl.Phys.59(7),1April,2
422ページ 1986年) 〔発明が解決しようとする課題〕 前記固相成長法においては、結晶成長の種となる核
が、多数存在する為に数多くの結晶粒が成長し該結晶粒
のひとつひとつは大きく成長しない。また、結晶粒がラ
ンダムに成長する為に、結晶粒界がどこに存在するのか
わからない。従って、このような従来の方法で得られた
多結晶シリコン膜を用いて薄膜トランジスタを作製する
と電気的特性のバラツキが大きく実用化できない。例え
ば、結晶粒径の大きさが2μm程度に成長した多結晶シ
リコン薄膜にチャネル長1μmの薄膜トランジスタを作
製した場合を考える。従来の方法では、これまで述べて
きたように、結晶粒界がランダムに存在する為に、基板
上の場所によって、薄膜トランジスタのチャネル内に結
晶粒界が1個存在する場合と、結晶粒界がまったく存在
しない場合があり、この2つの薄膜トランジスタの電気
的特性はまったく異なる。一方、レーザービーム再結晶
化法においては、レーザービームのくり返し走査が必要
な為に大面積を一括して結晶成長させる事はむずかし
い。さらにレーザービーム内のエネルギー分布をも制御
する必要がある為大がかりで高価な装置が要求される。
本発明は、上記のような従来のSOI法の問題点を解決
し、絶縁基板上の所定の位置に多結晶シリコンの結晶領
域を形成させ、該結晶領域内に薄膜トランジスタなどの
半導体装置を作製し、単結晶シリコンを用いた場合と同
程度の特性の半導体装置を絶縁基板上でバラツキなく実
現する事を目的とする。非常に簡単で安価な方法で上述
のような特性のすぐれたバラツキの少ない半導体装置を
実現する事を目的とする。
〔課題を解決する為の手段〕
本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上にシリ
コン薄膜を堆積させる第1の工程と、該シリコン薄膜上
に島状酸化膜を形成する第2の工程と、該島状酸化膜に
覆われていない該シリコン薄膜領域を酸化させる第3の
工程と、表面研磨して該島状酸化の下のシリコン薄膜の
表面を露出させる第4の工程と、非晶質シリコン薄膜を
堆積させる第5の工程と、該第4の工程で露出された該
シリコン薄膜の表面を核とし、該非晶質シリコン薄膜を
結晶成長させて多結晶シリコン薄膜を形成する第6の工
程と、該多結晶シリコン薄膜の結晶粒界部分を除く結晶
領域内に半導体装置を形成する第7の工程を少なくとも
有することを特徴とする。
〔実施例〕
ここでは、アクティブマトリクス基板あるいは密着型
イメージセンサーなどに本発明を用いた場合を例として
本発明の実施例を説明する。従って絶縁基板は可視光を
透過する透明性絶縁基板を用いる。第1図(a)におい
て、石英基板などの透明性絶縁基板1−1上に、シリコ
ン薄膜1−2を堆積させる。該シリコン薄膜1−2は結
晶性の良好な膜である事が望ましい。堆積方法として
は、EB蒸着法(Electron Beam蒸着法),スパッタ法,MB
E(Molecular Beam Epitaxy)法,減圧CVD(Chemical V
apor Deposition)法,常圧CVD法,プラズマCVD法,光
励起CVD法などがある。堆積させたままでもよいが再結
晶化させる為の熱処理工程を入れてもよい。例えば、EB
蒸着法やスパッタ法やMBE法により堆積させられたシリ
コン薄膜は、500℃から700℃の低温アニールにより結晶
粒が1〜2μmに結晶成長する。また減圧CVD法などで
堆積させられたシリコン薄膜は、シリコンイオン注入を
行ないシリコン薄膜を一担非晶質化させ、その後500℃
から700℃の低温アニールすると結晶粒が1〜2μmに
結晶成長する。またプラズマCVD法などで堆積させられ
たシリコン薄膜は、膜中に多量の水素を含んでいるの
で、300℃から450℃程度のアニールで水素を放出させ、
その後500℃から700℃の低温アニールで1〜2μmの結
晶粒に結晶成長させる。
このようにして得られたシリコン薄膜1−2上に島状
酸化膜1−3を形成する。例えば減圧CVD法,常圧CVD
法,プラズマCVD法などの方法で前記シリコン薄膜1−
2上に酸化膜(SiO2)を堆積させホトリソグラフィ法で
該島状酸化膜1−3を形成する。酸化膜ではなく窒化膜
でもよいことはもちろんである。該島状酸化膜1−3ひ
とつひとつの大きさ(以後lと呼ぶ)と、該島状酸化膜
間の距離(以後xと呼ぶ)とは、本発明の目的とする結
晶性の良好な多結晶シリコン薄膜を作製する上で重要な
ファクターとなるので以降必要に応じて説明する。概略
を述べると、lを1〜2μm、xを50μm程度となる。
次に熱酸化を行ない、前記シリコン薄膜1−2におい
て島状酸化膜1−3におおわれていない領域をすべて酸
化膜とする。このように形成された酸化膜をここではフ
ィールド酸化層1−4と呼ぶ。一方、シリコン薄膜1−
2において、島状酸化膜1−3におおわれていた領域
は、島状シリコン薄膜1−5として残る。前記フィール
ド酸化層1−4の形成方法としては乾燥酸素中で700℃
から1400℃に加熱するdry酸化法、酸化速度のより速い
方法としては水蒸気を導入して加熱するwet酸化法など
の方法がある。これらの熱酸化は、フィールド酸化層が
透明性絶縁基板表面に達するまで行なう。従って、この
工程まで終了した基板はほぼ透明となっており、透明性
絶縁基板として扱っても何ら問題はない。また、島状酸
化膜1−3の部分は、くぼんだ形状となっている。一
方、熱酸化工程は上述したように高温熱処理であるの
で、前記島状シリコン薄膜1−5は、前工程での状態と
比べてさらに結晶化が進んでいる。
続いて基板表面を表面研磨して、島状シリコン薄膜1
−5の表面を露出させ、基板表面を平担にする。この工
程まで終了した時の基板の状態を第1図(d)に示す。
図中1−6は研磨面を示す。表面は単結晶シリコンウエ
ハの表面を鏡面研磨する場合と同様な方法で研磨する。
研磨面は不純物や欠陥が残らないように洗浄を必要に応
じて行なう。
次に非晶質シリコン薄膜1−7を堆積させる。該非晶
質シリコン薄膜1−7は、膜質が均一である事が望まし
い。堆積方法としては、前にも述べたように、EB蒸着
法,スパッタ法,MBE法,減圧CVD法,常圧CVD法,プラズ
マCVD法,光励起CVD法などの方法がある。いずれの方法
においても堆積温度を高くすると小さな結晶粒の存在す
る多結晶となってしまうので高くても600℃以下とした
ほうがよい。水素が膜中に含まれないという点で、EB蒸
着法,スパッタ法,MBE法などが有効である。その他の方
法で堆積し膜中に水素が含まれている場合は350℃から4
00℃の低温アニールで水素をゆっくりと放出させる。
続いて、前記島状シリコン薄膜1−5を結晶成長の核
として、該非晶質シリコン薄膜1−7を結晶成長させ
る。前記島状シリコン薄膜1−5は、前に述べたように
大きさlが1〜2μmで、結晶粒径が1〜2μmである
ので、該島状シリコン薄膜1−5には結晶粒界がまった
く含まれないか、あるいは多くても1個含まれるだけで
ある。結晶成長は島状シリコン薄膜1−5に重なってい
る部分を中心として放射状にすすむ。そして島状シリコ
ン薄膜1−5間の中間点で両方向から成長してきた結晶
粒がぶつかり合い、結晶粒界1−8が生じる。結晶粒の
成長は100μm程度に達する。従って前記島状シリコン
薄膜1−5の間の距離xを100μm以下にしておけば、
前記島状シリコン薄膜1−5と結晶粒界1−8との間の
領域は完全な結晶領域1−9となる。結晶粒の成長が10
0μm以上に達成される場合にはxをさらに大きくする
事ができ、より大きな結晶領域を実現できる。結晶成長
の方法は、500℃から700℃の低温アニールで、前記島状
シリコン薄膜1−5を核として結晶成長させる。一種の
固相エピタキシャル成長ということもできる。非晶質シ
リコン薄膜1−7を堆積させた状態で結晶成長させても
よいが、該非晶質シリコン薄膜1−7上に酸化膜などを
キャッピングしてから結晶成長させる事も考えられる。
この場合は結晶領域1−9の表面の平担性を保つ点で効
果がある。もちろん結晶成長後、該酸化膜は除去しても
よいし、あるいはその後作製する半導体装置の一部とし
て利用してもよい。基板表面は平担なので結晶成長は一
様に進行する。
このようにして島状シリコン薄膜1−5と結晶粒界1
−8との間に形成された結晶領域1−9の部分を利用し
て半導体装置を作製する。核となる島状シリコン薄膜1
−5には多くても1個の結晶粒界しか含まれないので、
本発明において半導体装置を作製する点において何ら問
題にならない。本実施例においては薄膜トランジスタを
作製する場合を例として説明する。結晶領域1−9の中
にホトリソグラフィ法により単結晶能動領域1−10をパ
ターニングし、続いてゲート酸化膜1−11を形成する。
ゲート酸化膜は熱酸化法で形成する。その後多結晶シリ
コンなどでゲート電極1−12を形成し該ゲート電極1−
12をマスクとして、ソース及びドレイン領域1−13を形
成する。Pチャネルの場合はB(ボロン)、Nチャネル
の場合は、P(リン),As(ヒ素)を不純物添加する。
添加方法としてはイオン注入法あるいは拡散法などがあ
る。次に層間絶縁膜1−14として酸化膜あるいは窒化膜
を堆積させ、コンタクトホールを形成して金属電極1−
15を形成する。
実施例では薄膜トランジスタの場合を例にとって説明
したが、バイポーラ型トランジスタなどその他の半導体
装置にももちろん応用することができる。
〔発明の効果〕
種結晶の上に非晶質シリコン薄膜を堆積し、該非晶質
シリコン薄膜を低温で固相成長させることができるので
絶縁基板、特に石英基板のような透明性絶縁基板上にほ
ぼ単結晶に近いシリコン薄膜を作製することができる。
種結晶となる島状シリコン薄膜が形成された表面が基板
全面にわたって平担となっているので、形状による結晶
成長のムラについてはまったく問題とならない。従っ
て、その上に堆積させられた非晶質シリコン薄膜の結晶
成長は非常に均一に進行する。結晶粒界の位置及び結晶
領域の位置を基板上所定の場所に形成することができる
ので、結晶領域のみを用いて半導体装置を作製すること
ができ、単結晶シリコン薄膜を用いた半導体装置と同等
の特性が得られる。
本発明を薄膜トランジスタに応用すれば、ドライバー
回路を同一基板内に作り込んだアクティブマトリクス基
板の高速化が実現できる。さらに電源電圧の低減、消費
電流の低減、信頼性の向上に関しても大きな効果があ
る。
本発明を、光電変換素子とその走査回路を同一チップ
内に集積した密着型イメージセンサーに応用した場合に
は、読み取り速度の高速化、高解像度化、及び階調を取
る場合に非常に大きな効果を生み出す。電源電圧の低
減、消費電流の低減、信頼性の向上にも効果は大きい。
高解像度化が達成されるとカラー読み取り用密着型イメ
ージセンサーへの応用も容易となる。
レーザービーム照射装置などの精巧で高価な装置を必
要としないので、作製が簡単であり、費用の低減化に役
だつ。
以上述べたように、本発明は、絶縁基板特に透明性絶
縁基板上に単結晶シリコン薄膜を作製する場合に、非常
に有効なものである。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)から(g)は、本発明における半導体装置
の製造方法を示す工程図である。 1−3……島状酸化膜 1−4……フィールド酸化層 1−5……島状シリコン薄膜 1−6……研磨面 1−8……結晶粒界 1−9……結晶領域

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上にシリコン薄膜を堆積させる第
    1の工程と、該シリコン薄膜上に島状酸化膜を形成する
    第2の工程と、該島状酸化膜に覆われていない該シリコ
    ン薄膜領域を酸化させる第3の工程と、表面研磨して該
    島状酸化の下のシリコン薄膜の表面を露出させる第4の
    工程と、非晶質シリコン薄膜を堆積させる第5の工程
    と、該第4の工程で露出された該シリコン薄膜の表面を
    核とし、該非晶質シリコン薄膜を結晶成長させて多結晶
    シリコン薄膜を形成する第6の工程と、該多結晶シリコ
    ン薄膜の結晶粒界部分を除く結晶領域内に半導体装置を
    形成する第7の工程を少なくとも有することを特徴とす
    る半導体装置の製造方法。
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