JP2822394B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

Info

Publication number
JP2822394B2
JP2822394B2 JP22371388A JP22371388A JP2822394B2 JP 2822394 B2 JP2822394 B2 JP 2822394B2 JP 22371388 A JP22371388 A JP 22371388A JP 22371388 A JP22371388 A JP 22371388A JP 2822394 B2 JP2822394 B2 JP 2822394B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
amorphous silicon
film
polycrystalline
silicon layer
amorphous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP22371388A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0272614A (en
Inventor
秀明 岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP22371388A priority Critical patent/JP2822394B2/en
Publication of JPH0272614A publication Critical patent/JPH0272614A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2822394B2 publication Critical patent/JP2822394B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業業の利用分野] 本発明は、半導体装置の製造方法に係わり、特に、絶
縁性非晶質材料上に半導体素子を形成する製造方法に関
する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a semiconductor element on an insulating amorphous material.

[従来の技術] ガラス、石英等の絶縁性非晶質基板や、SiO2等の絶縁
性非晶質層上に、高性能な半導体素子を形成する試みが
成されている。
[Prior Art] Attempts have been made to form a high-performance semiconductor element on an insulating amorphous substrate such as glass or quartz or an insulating amorphous layer such as SiO 2 .

近年、大型で高解像度の液晶表示パネルや、高速で高
解像度の密着型イメージセンサや三次元IC等へのニーズ
が高まるにつれて、上述のような絶縁性非晶質材料上の
高性能な半導体素子の実現が待望されている。
In recent years, as the need for large, high-resolution liquid crystal display panels, high-speed, high-resolution contact-type image sensors and three-dimensional ICs has increased, high-performance semiconductor elements on insulating amorphous materials as described above The realization of is expected.

絶縁性非晶質材料上に薄膜トランジスタ(TFT)を形
成する場合を例にとると、(1)プラズマCVD法等によ
り形成した非晶質シリコンを素子材としたTFT、(2)C
VD法等で形成した多結晶シリコンを素子材としたTFT,
(3)溶融再結晶化法等により形成した単結晶シリコン
を素子材としたTFT等が検討されている。
Taking the case of forming a thin film transistor (TFT) on an insulating amorphous material as an example, (1) a TFT using amorphous silicon formed by a plasma CVD method or the like as an element material;
TFT using polycrystalline silicon formed by VD method etc. as element material,
(3) TFTs and the like using single crystal silicon formed by a melt recrystallization method or the like as an element material are being studied.

ところが、これらのTFTのうち非晶質シリコンもしく
は多結晶シリコンを素子材としたTFTは、単結晶シリコ
ンを素子材とした場合に比べてTFTの電界効果移動度が
大幅に低く(非晶質シリコンTFT < 1cm2/V・sec,多
結晶シリコンTFT 〜10cm2/V・sec)、高性能なTFTの実
現は困難であった。
However, among these TFTs, TFTs using amorphous silicon or polycrystalline silicon as an element material have significantly lower field-effect mobility than TFTs using single crystal silicon as an element material (amorphous silicon). TFT <1 cm 2 / V · sec, polycrystalline silicon TFT 10 cm 2 / V · sec), and it was difficult to realize a high-performance TFT.

一方、レーザビーム等による溶解再結晶化法は、未だ
に十分に完成した技術とは言えず、また、液晶表示パネ
ルの様に、大面積に素子を形成する必要がある場合には
技術的困難が特に大きい。
On the other hand, the melting recrystallization method using a laser beam or the like is not yet a fully-completed technique, and technical difficulties arise when elements must be formed in a large area such as a liquid crystal display panel. Especially large.

[発明が解決しようとする課題] そこで、絶縁性非晶質材料上に高性能な半導体素子を
形成する簡便かつ実用的な方法として、大粒径の多結晶
シリコンを固相成長させる方法が注目され、研究が進め
られている。(Thin Solid Films 100(1983)p.227,JJ
AP Vol.25 No.2(1986)p.L121) しかし、従来の技術では、多結晶シリコンをCVD法で
形成し、Si+をイオンインプラして該多結晶シリコンを
非晶質化した後、600℃程度の熱処理を100時間近く行っ
ていた。そのため、高価なイオン注入装置を必要とした
ほか、熱処理時間も極めて長いという欠点があった。
[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, as a simple and practical method of forming a high-performance semiconductor element on an insulating amorphous material, a method of growing polycrystalline silicon having a large grain size in a solid phase attracts attention. And research is ongoing. (Thin Solid Films 100 (1983) p.227, JJ
AP Vol.25 No.2 (1986) p.L121) However, according to the conventional technology, after polycrystalline silicon is formed by a CVD method and Si + is ion-implanted to make the polycrystalline silicon amorphous, The heat treatment at about 600 ° C. was performed for nearly 100 hours. Therefore, an expensive ion implantation apparatus is required, and the heat treatment time is extremely long.

そこで、本発明はより簡便かつ実用的な方法で、大粒
径の多結晶シリコンを形成する製造方法を提供するもの
である。
Accordingly, the present invention provides a method for forming polycrystalline silicon having a large grain size by a simpler and more practical method.

[課題を解決するための手段] 本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に第1非晶
質シリコン層をLPCVD法により500℃〜560℃で形成する
工程と、前記第1非晶質シリコン層上に第2非晶質シリ
コン層を真空蒸着法により10-5Pa程度以下の真空度で形
成する工程と、前記第1及び第2非晶質シリコン層を熱
処理により結晶成長させる工程と、結晶成長された前記
第1及び第2非晶質シリコン層に半導体素子を形成する
工程とを有することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a first amorphous silicon layer on a substrate at 500 ° C. to 560 ° C. by LPCVD, Forming a second amorphous silicon layer on the silicon layer by vacuum deposition at a degree of vacuum of about 10 −5 Pa or less, and crystallizing the first and second amorphous silicon layers by heat treatment. Forming a semiconductor element on the first and second amorphous silicon layers on which crystals have been grown.

本発明の半導体装置の製造方法は、前記第1非晶質シ
リコン層の膜厚が500〜1000オングストロームであるこ
とを特徴とする。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first amorphous silicon layer has a thickness of 500 to 1000 Å.

本発明の半導体装置の製造方法は、前記第2非晶質シ
リコン層の膜厚が100〜3000オングストロオームである
ことを特徴とする。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the thickness of the second amorphous silicon layer is 100 to 3000 Å.

[実施例] 第1図は、本発明の実施例における半導体装置の製造
工程図の一例である。尚、第1図では半導体素子として
薄膜トランジスタ(TFT)を形成する場合を例としてい
る。
Embodiment FIG. 1 is an example of a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an example in which a thin film transistor (TFT) is formed as a semiconductor element.

第1図において、(A)は、ガラス、石英等の絶縁性
非晶質基板、もしくはSiO2等の絶縁性非晶質材料層等の
絶縁性非晶質材料101上に第1の非晶質シリコン層102を
形成する工程である。第1の非晶質シリコン層の形成方
法としては、例えば、LPCVD法で500℃〜560℃程度で膜
厚50Å〜1000Å程度の非晶質シリコン膜を形成する等の
方法があるが、成膜方法はこれに限定されるものではな
く、550℃から650℃程度の熱処理による多結晶核発生密
度が第2の非晶質シリコンに比べて高い(望ましくは、
1μm角に結晶核1個未満程度)非晶質シリコン膜であ
ることが重要である。(B)は、該第1の非晶質シリコ
ン層102上に第2の非晶質シリコン層103を積層する工程
である。第2の非晶質シリコン層の形成方法としては、
例えば、真空蒸着法で10-5Pa程度以下の真空度で膜厚10
0Å〜3000Å程度の非晶質シリコン膜を形成する等の方
法がある。尚、成膜方法はこれに限定されるものではな
く、第1の非晶質シリコン膜に比べて多結晶核発生密度
の低い(望ましくは、550℃から650℃程度の熱処理を数
十時間行っても多結晶核が発生しない)非晶質シリコン
であることが重要である。(C)は、第1及び第2の非
晶質シリコン層を熱処理により多結晶化する工程であ
る。熱処理温度は第1及び第2の非晶質シリコン層の成
膜条件により最適条件が異なるが、550℃〜650℃程度で
2〜10時間程度窒素もしくはAr等の不活性ガス雰囲気中
で熱処理することで多結晶シリコン層104が形成され
る。そのメカニズムは、短時間の熱処理によりまず第1
の非晶質シリコン層で結晶核が発生する、続いて、その
結晶核をシードとして第2の非晶質シリコン層が結晶化
され、大粒径の多結晶シリコン層104が形成される。
(D)は、多結晶化されたシリコン層に半導体素子を形
成する工程である。尚、第1図(D)では、半導体素子
としてTFTを形成する場合を例としている。図におい
て、105はゲート電極、106はソース・ドレイン領域、10
7はゲート絶縁膜、108は層間絶縁膜、109はコンタクト
穴、110は配線を示す。TFT形成法の一例としては、多結
晶シリコン層104をパターン形成し、ゲート絶縁膜を形
成する。該ゲート絶縁膜は熱酸化法で形成する方法(高
温プロセス)とCVD法もしくはプラズマCVD法等で600℃
程度以下の低温で形成する方法(低温プロセス)があ
る。低温プロセスでは、基板として安価なガラス基板を
使用できるため、大型な液晶表示パネルや密着型イメー
ジセンサ等の半導体装置を低コストで作成できるほか、
三次元IC等を形成する場合においても、下層部の素子に
悪影響(例えば、不純物の拡散等)を与えずに、上層部
に半導体素子を形成することが出来る。続いて、ゲート
電極を形成後、ソース・ドレイン領域をイオン注入法、
熱拡散法、プラズマドーピング法等で形成し、層間絶縁
膜をCVD法、スパッタ法、プラズマCVD法等で形成する。
さらに、該層間絶縁膜にコンタクト穴を開け、配線を形
成することでTFTが形成される。
In FIG. 1, (A) shows a first amorphous material on an insulating amorphous material 101 such as an insulating amorphous substrate such as glass or quartz or an insulating amorphous material layer such as SiO 2. This is a step of forming the quality silicon layer 102. As a method for forming the first amorphous silicon layer, for example, there is a method of forming an amorphous silicon film having a thickness of about 50 ° to 1000 ° at about 500 ° C. to 560 ° C. by an LPCVD method. The method is not limited to this, and the polycrystalline nucleus generation density by heat treatment at about 550 ° C. to 650 ° C. is higher than that of the second amorphous silicon (preferably,
(About less than one crystal nucleus in 1 μm square) It is important that the film is an amorphous silicon film. (B) is a step of laminating a second amorphous silicon layer 103 on the first amorphous silicon layer 102. As a method for forming the second amorphous silicon layer,
For example, film thickness 10 -5 Pa about a degree of vacuum below a vacuum deposition method 10
For example, there is a method of forming an amorphous silicon film of about 0 ° to 3000 °. The film formation method is not limited to this, and the polycrystalline nucleus generation density is lower than that of the first amorphous silicon film (preferably, heat treatment at about 550 ° C. to 650 ° C. is performed for several tens of hours. It is important that the silicon is amorphous silicon. (C) is a step of polycrystallizing the first and second amorphous silicon layers by heat treatment. The optimum heat treatment temperature varies depending on the film formation conditions of the first and second amorphous silicon layers, but heat treatment is performed at about 550 ° C. to 650 ° C. for about 2 to 10 hours in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or Ar. Thus, a polycrystalline silicon layer 104 is formed. The mechanism is as follows.
A crystal nucleus is generated in the amorphous silicon layer, and then the second amorphous silicon layer is crystallized using the crystal nucleus as a seed to form a polycrystalline silicon layer 104 having a large grain size.
(D) is a step of forming a semiconductor element on the polycrystalline silicon layer. FIG. 1D shows an example in which a TFT is formed as a semiconductor element. In the figure, 105 is a gate electrode, 106 is a source / drain region, 10
7 is a gate insulating film, 108 is an interlayer insulating film, 109 is a contact hole, and 110 is a wiring. As an example of the TFT formation method, the polycrystalline silicon layer 104 is patterned and a gate insulating film is formed. The gate insulating film is formed by thermal oxidation (high-temperature process) and CVD or plasma CVD at 600 ° C.
There is a method (low-temperature process) of forming at a low temperature of the order of magnitude or less. In the low-temperature process, an inexpensive glass substrate can be used as a substrate, so that semiconductor devices such as large liquid crystal display panels and contact image sensors can be manufactured at low cost.
Even when a three-dimensional IC or the like is formed, a semiconductor element can be formed in an upper layer without giving a bad influence (for example, diffusion of an impurity) to an element in a lower layer. Subsequently, after forming the gate electrode, the source / drain region is ion-implanted,
The interlayer insulating film is formed by a thermal diffusion method, a plasma doping method, or the like, and an interlayer insulating film is formed by a CVD method, a sputtering method, a plasma CVD method, or the like.
Further, a TFT is formed by forming a contact hole in the interlayer insulating film and forming a wiring.

本発明に基づく半導体装置の製造方法で作製した低温
プロセスTFT(Nチャンネル)の電界効果移動度は、100
〜150cm2/V・secであり、ガラス基板上に高性能なTFTを
形成することが出来た。これは、本発明の製造方法によ
り、大粒径の多結晶シリコン膜が再現性良く形成できる
ようになった結果可能となった。さらに、前記TFT製造
工程に水素ガス等を含む気体のプラズマ雰囲気に半導体
素子をさらす工程を設けると、結晶粒界に存在する欠陥
密度が低減され、前記電界効果移動度はさらに向上す
る。
The field-effect mobility of a low-temperature process TFT (N-channel) manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is 100
150150 cm 2 / V · sec, and a high-performance TFT could be formed on a glass substrate. This became possible as a result of the fact that a polycrystalline silicon film having a large grain size could be formed with good reproducibility by the manufacturing method of the present invention. Furthermore, when the step of exposing the semiconductor element to a plasma atmosphere of a gas containing hydrogen gas or the like is provided in the TFT manufacturing step, the density of defects existing at the crystal grain boundaries is reduced, and the field effect mobility is further improved.

また、本発明は、第1図の実施例に示したTFT以外に
も、絶縁ゲート型半導体素子全般に応用できるほか、バ
イポーラトランジスタ、静電誘導型トランジスタ、太陽
電池・光センサをはじめとする光電変換素子等の半導体
素子を多結晶半導体を素子材として形成する場合にきわ
めて有効な製造方法となる。
The present invention can be applied not only to the TFT shown in the embodiment of FIG. 1 but also to insulated gate semiconductor devices in general, and to bipolar transistors, electrostatic induction transistors, photovoltaic cells such as solar cells and optical sensors, and the like. This is a very effective manufacturing method when a semiconductor element such as a conversion element is formed using a polycrystalline semiconductor as an element material.

続いて、本発明に到った技術的背景を述べる。我々
は、非晶質シリコンを大粒径の多結晶シリコンに固相成
長させる為に、非晶質シリコンの成膜方法と多結晶化さ
れたシリコンの膜質(結晶粒径、配向性、結晶化度等)
との関係を調べた。その結果、次のようなことが明かと
なった。
Next, the technical background that led to the present invention will be described. In order to grow amorphous silicon into large-grain polycrystalline silicon in a solid phase, we have developed a method of forming amorphous silicon and the quality of polycrystalline silicon (crystal grain size, orientation, crystallization). Degree)
And examined the relationship. As a result, the following became clear.

(1)熱処理による多結晶核発生密度及び多結晶核が生
成するまでの時間は、非晶質シリコンの成膜方法によっ
て異なる。
(1) The polycrystalline nucleus generation density and the time until polycrystalline nuclei are generated by the heat treatment differ depending on the method of forming amorphous silicon.

(2)例えば、LPCVD法で形成したシリコン膜の場合
は、成膜温度590℃程度では非晶質相の中に粒径200〜30
0Å前後の結晶粒が存在する多結晶もしくは微結晶シリ
コンになっている。従って、前記膜を600℃程度で熱処
理しても結晶粒径の増大はほとんど見られない。また、
成膜温度500℃〜560℃で形成した膜は非晶質になってい
るが、600℃程度の熱処理による多結晶核発生密度及び
多結晶核が生成するまでの時間が成膜温度によって異な
っていた。即ち、成膜温度560℃の場合は多結晶核発生
密度が高く、結晶粒径がせいぜい1000Å程度(但し、多
結晶化に要する時間は1〜2時間程度と短い。)であっ
が、成膜温度を下げるにしたがって、多結晶核発生密度
は下がり、成膜温度540℃では2000〜3000Å程度の、ま
た、成膜温度500℃では3000〜5000Å程度の結晶粒径を
有する多結晶シリコンが600℃程度の熱処理により形成
された。(但し、多結晶化に要する時間は、成膜温度54
0℃では5時間程度、成膜温度500℃では20時間以上必要
であった。) (3)同一成膜条件であっても膜厚を薄くすると、多結
晶核発生密度が低くなる傾向がある。
(2) For example, in the case of a silicon film formed by the LPCVD method, at a film formation temperature of about 590 ° C., a particle size of 200 to 30 is contained in an amorphous phase.
It is polycrystalline or microcrystalline silicon having crystal grains of about 0 °. Therefore, even if the film is heat-treated at about 600 ° C., almost no increase in the crystal grain size is observed. Also,
The film formed at a film formation temperature of 500 ° C to 560 ° C is amorphous, but the polycrystalline nucleus generation density and the time until polycrystalline nuclei are generated by heat treatment at about 600 ° C differ depending on the film forming temperature. Was. That is, when the film forming temperature is 560 ° C., the polycrystalline nucleus generation density is high and the crystal grain size is about 1000 ° at most (however, the time required for polycrystallization is as short as about 1 to 2 hours). As the temperature is lowered, the polycrystalline nucleus generation density is lowered. It was formed by moderate heat treatment. (However, the time required for polycrystallization depends on the film formation temperature 54
It took about 5 hours at 0 ° C. and 20 hours or more at 500 ° C. (3) Even under the same film forming conditions, if the film thickness is reduced, the polycrystalline nucleus generation density tends to decrease.

(4)真空蒸着法もしくはプラズマCVD法で形成したシ
リコン膜の場合は、CVD法で形成した膜よりも更に多結
晶核発生密度を下げることが出来る。真空蒸着法の場合
を例にとると、10-6Pa程度以下の真空度で基板温度100
℃程度で形成した非晶質シリコン膜を、600℃の熱処理
を50時間程度行うことで、結晶粒径5000Åを越える多結
晶シリコンが形成された。熱処理温度を550℃程度まで
下げると、1μm以下の粒径を有する多結晶シリコンも
形成できるが、その場合、多結晶化に要する熱処理時間
は100時間以上必要となる。
(4) In the case of a silicon film formed by a vacuum evaporation method or a plasma CVD method, the polycrystalline nucleus generation density can be further reduced as compared with a film formed by a CVD method. For example, in the case of the vacuum deposition method, the substrate temperature is 100 ° C at a degree of vacuum of about 10 −6 Pa or less.
A polycrystalline silicon film having a crystal grain size exceeding 5000 mm was formed by performing a heat treatment at 600 ° C. for about 50 hours on the amorphous silicon film formed at about 100 ° C. When the heat treatment temperature is lowered to about 550 ° C., polycrystalline silicon having a grain size of 1 μm or less can be formed. In that case, the heat treatment time required for polycrystallization requires 100 hours or more.

以上の結果をもとに、大粒径の多結晶シリコンを形成
すべく検討した結果が、第1図に示した本発明の製造工
程である。その技術的ポイントは、多結晶核発生密度の
低い非晶質シリコン膜と多結晶核発生密度の比較的高い
非晶質シリコン膜を積層して固相成長させることで、短
時間の熱処理で大粒径の多結晶シリコン膜を形成可能と
する点にある。
Based on the above results, the result of study for forming polycrystalline silicon having a large grain size is the manufacturing process of the present invention shown in FIG. The technical point is that, by laminating an amorphous silicon film with a low density of polycrystalline nuclei and an amorphous silicon film with a relatively high density of polycrystalline nuclei and performing solid phase growth, it is possible to achieve a large amount of heat in a short time. The point is that a polycrystalline silicon film having a grain size can be formed.

第1図において、(A)は第2の非晶質シリコン膜に
比べて、多結晶核発生密度が比較的高い第1の非晶質シ
リコン膜を形成する工程である。その成膜方法として
は、前述の通り例えばLPCVD法で500℃〜560℃程度で膜
厚50Åから1000Å程度の非晶質シリコン膜を形成する方
法がある。LPCVD法で590℃以上で多結晶シリコン膜を形
成する方法も考えられるが、結晶粒径が200〜300Å程度
と小さく、その上に積層した非晶質シリコン膜も下地を
反映して同程度の粒径の多結晶シリコンに固相成長する
ため、大粒径化は困難である。それに対して、500℃〜5
60℃で形成した非晶質シリコンは多結晶核発生密度(60
0℃程度の熱処理をした場合の核発生密度)が低く、膜
厚1000Åの場合で1000Å〜5000Å角に1個程度の結晶角
が存在するだけであり、膜厚をさらに薄くすれば多結晶
角発生密度がさらに低下することがわかった。例えば、
LPCVD法で500℃〜560℃程度で50Å〜100Å程度の非晶質
シリコン膜を形成した場合は、1μm角に1個以下の核
発生密度に抑えることが出来た。(多結晶核が発生する
までの時間は、成膜温度が高いほど短くなる傾向があっ
た。また、成膜温度が低いほど膜厚を厚くしても核発生
密度が低い傾向があった。従って、熱処理時間の短縮と
膜厚の制御性を考えると成膜温度は530℃〜550℃程度が
特に好ましい。)第2の非晶質シリコン膜は第1の非晶
質シリコン膜で発生した結晶核をシードとして結晶成長
する為、上述のように核発生密度の低い非晶質層を用い
ると粒径1μm以上の多結晶シリコンが得られ、第1の
非晶質シリコン層として特に適している。
In FIG. 1, (A) is a step of forming a first amorphous silicon film having a relatively higher polycrystalline nucleus generation density than the second amorphous silicon film. As a method of forming the film, as described above, for example, there is a method of forming an amorphous silicon film having a thickness of about 50 ° to 1000 ° at about 500 ° C. to 560 ° C. by the LPCVD method. A method of forming a polycrystalline silicon film at 590 ° C. or higher by LPCVD is also conceivable, but the crystal grain size is as small as about 200 to 300 mm, and the amorphous silicon film stacked on Since solid phase growth is performed on polycrystalline silicon having a particle size, it is difficult to increase the particle size. In contrast, 500 ℃ ~ 5
Amorphous silicon formed at 60 ° C has a polycrystalline nucleation density (60
Nucleation density when heat-treated at about 0 ° C) is low, and when the film thickness is 1000Å, there is only one crystal angle per 1000Å-5000Å angle. It was found that the generation density further decreased. For example,
When an amorphous silicon film of about 50 ° to 100 ° was formed at about 500 ° C. to 560 ° C. by the LPCVD method, the nucleation density could be suppressed to one or less per 1 μm square. (The time until polycrystalline nuclei were generated tended to be shorter as the film formation temperature was higher. Also, as the film formation temperature was lower, the nucleation density tended to be lower even when the film thickness was increased. Therefore, considering the shortening of the heat treatment time and the controllability of the film thickness, the film forming temperature is particularly preferably about 530 ° C. to 550 ° C.) The second amorphous silicon film is formed by the first amorphous silicon film. Since the crystal is grown using the crystal nucleus as a seed, polycrystalline silicon having a grain size of 1 μm or more can be obtained by using the amorphous layer having a low nucleation density as described above, which is particularly suitable as the first amorphous silicon layer. I have.

第1の非晶質シリコン層としては、非晶質以外に例え
ば非晶質相の中に、微少な結晶領域が存在する微結晶シ
リコンであっても膜厚等を最適化して結晶核密度を低減
すれば有効である。尚、微結晶シリコンであっても微少
な結晶領域のサイズが小さくなってくると、前記の多結
晶核発生密度の比較的高い非晶質シリコンとの区別は困
難になる。
For the first amorphous silicon layer, for example, even in the case of microcrystalline silicon in which a minute crystal region exists in an amorphous phase other than the amorphous phase, the film thickness and the like are optimized to reduce the crystal nucleus density. It is effective if reduced. It should be noted that, even with microcrystalline silicon, as the size of the microcrystalline region becomes smaller, it becomes difficult to distinguish it from amorphous silicon, which has a relatively high polycrystalline nucleus generation density.

尚、第1の非晶質シリコン層の成膜方法は、CVD法に
限定されるものではなく、プラズマCVD法、光CVD法、MB
E法等で形成することも可能である。例えば、プラズマC
VD法では基板温度を300℃〜500℃と比較的高めに設定し
形成した膜が上述に条件をよく満たしていた。第1の非
晶質シリコン層は、第2の非晶質シリコン層と比べて多
結晶核発生密度が比較的高く、短時間の熱処理で結晶核
が発生する膜であることが重要である。
The method for forming the first amorphous silicon layer is not limited to the CVD method, but may be a plasma CVD method, an optical CVD method,
It can also be formed by the E method or the like. For example, plasma C
In the VD method, a film formed by setting the substrate temperature to a relatively high temperature of 300 ° C. to 500 ° C. satisfies the above conditions well. It is important that the first amorphous silicon layer has a relatively high polycrystalline nucleus generation density as compared with the second amorphous silicon layer, and is a film in which crystal nuclei are generated by a short heat treatment.

(B)は多結晶核発生密度の低い非晶質シリコン膜を
形成する工程である。その成膜方法としては、前述の通
り例えば真空蒸着法で10-5Pa程度以下の真空度で膜厚10
0Å〜3000Å程度の非晶質シリコン膜を形成する等の方
法がある。第2の非晶質シリコン層の膜質で重要な点
は、550℃〜650℃程度の熱処理では多結晶核が発生し難
いもしくは発生するまでの時間が十分に長いことが必要
である。その為には、より規則性の少ないランダムな非
晶質シリコン膜を形成する必要がある。具体的には、EB
蒸着法等の真空蒸着法の他に、MBE法、プラズマCVD法、
スパッタ法、基板温度を500℃程度以下に冷却したCVD法
等で形成した非晶質シリコン膜が適している。特に、EB
法、MBE法で基板温度200℃程度よりも低い温度で形成し
た非晶質シリコン膜は、多結晶核が発生し難く適してい
る。
(B) is a step of forming an amorphous silicon film having a low polycrystalline nucleus generation density. As the film forming method, film thickness 10 -5 Pa about the following degree of vacuum as described above, for example, a vacuum deposition method 10
For example, there is a method of forming an amorphous silicon film of about 0 ° to 3000 °. An important point in the film quality of the second amorphous silicon layer is that the heat treatment at about 550 ° C. to 650 ° C. requires that polycrystalline nuclei hardly occur or the time required to generate polycrystalline nuclei needs to be sufficiently long. For that purpose, it is necessary to form a random amorphous silicon film having less regularity. Specifically, EB
In addition to vacuum evaporation methods such as evaporation methods, MBE method, plasma CVD method,
An amorphous silicon film formed by a sputtering method, a CVD method in which the substrate temperature is cooled to about 500 ° C. or lower, or the like is suitable. In particular, EB
An amorphous silicon film formed at a substrate temperature of less than about 200 ° C. by the MBE method or the MBE method is suitable because polycrystalline nuclei hardly occur.

また、第1の非晶質シリコン上に、第2の非晶質シリ
コン層を積層するときに第1の非晶質シリコン層上に存
在する自然酸化膜を除去した方が膜質及び結晶性の向上
に有効であることが明かとなった。第2の非晶質層を積
層する前に水素ガス雰囲気もしくは水素プラズマ雰囲気
中等で熱処理すると、第1の非晶質上の酸化膜を除去す
ることが出来る。他に、第1の非晶質層と第2の非晶質
層を真空を破らずに連続形成する方法も有効である。
Further, when a second amorphous silicon layer is stacked on the first amorphous silicon, removal of a natural oxide film existing on the first amorphous silicon layer makes it possible to improve film quality and crystallinity. It proved to be effective for improvement. If heat treatment is performed in a hydrogen gas atmosphere or a hydrogen plasma atmosphere before stacking the second amorphous layer, the oxide film on the first amorphous layer can be removed. In addition, a method of continuously forming the first amorphous layer and the second amorphous layer without breaking vacuum is also effective.

多結晶核発生密度が比較的高い第1の非晶質シリコン
層と多結晶核が発生し難い第2の非晶質シリコン層を積
層して550℃〜650℃程度の熱処理を行うと、まず、第1
の非晶質シリコン層で結晶核が発生する。(しかも、核
発生までに要する時間は数時間程度と短い。)続いて、
第1の非晶質シリコン層で発生した結晶核をシードとし
て第2の非晶質シリコン層が多結晶化される。第2の非
晶質シリコン層は多結晶核が発生し難いため、第1の非
晶質シリコン層で発生した結晶核以外の場所からは結晶
成長が起こり難い。その結果、前記結晶核をシードとし
た選択的な結晶成長がなされ、大粒径の多結晶シリコン
が形成される。
When a first amorphous silicon layer having a relatively high polycrystalline nucleus generation density and a second amorphous silicon layer in which polycrystalline nuclei are hardly generated are laminated and subjected to a heat treatment at about 550 ° C. to 650 ° C., , First
A crystal nucleus is generated in the amorphous silicon layer. (In addition, the time required for nucleation is as short as several hours.)
Using the crystal nuclei generated in the first amorphous silicon layer as seeds, the second amorphous silicon layer is polycrystallized. Since polycrystalline nuclei are unlikely to be generated in the second amorphous silicon layer, crystal growth is unlikely to occur from locations other than the crystal nuclei generated in the first amorphous silicon layer. As a result, selective crystal growth using the crystal nucleus as a seed is performed, and polycrystalline silicon having a large grain size is formed.

続いて、第1の非晶質シリコンもしくは第2の非晶質
シリコンの一方のみを固相成長させた場合と比較して本
発明の特徴を述べる。
Subsequently, the features of the present invention will be described in comparison with the case where only one of the first amorphous silicon and the second amorphous silicon is subjected to solid phase growth.

本発明の目的は、大粒径の多結晶シリコンを短時間の
熱処理でしかも簡便な製造プロセスで形成する点にあ
る。第2の非晶質シリコン膜のみを固相成長させた場合
は、長時間の熱処理を必要とする欠点がある。熱処理時
間を短縮するために、熱処理温度を例えば800℃以上に
上げると、多結晶核発生密度が急激に高くなり、せいぜ
い200Å〜300Å程度の粒径の多結晶シリコンしか得られ
なくなる。
An object of the present invention is to form polycrystalline silicon having a large grain size by a heat treatment in a short time and by a simple manufacturing process. When only the second amorphous silicon film is grown by solid phase, there is a disadvantage that a long-time heat treatment is required. When the heat treatment temperature is increased to, for example, 800 ° C. or higher in order to shorten the heat treatment time, the density of polycrystalline nuclei sharply increases, and only polycrystalline silicon having a grain size of about 200 to 300 ° can be obtained at most.

また、第1の非晶質シリコン層のみでは、結晶核発生
密度を低減させるために自由に膜厚を薄くすることがで
きないが、第1の非晶質シリコン層と第2の非晶質シリ
コン層を積層する構造を採用すると、結晶核を発生させ
る第1の非晶質シリコン層の膜厚を任意に設定できる利
点がある。即ち、前述の通り同一の成膜条件であっても
膜厚を薄くするにつれて多結晶核発生密度を小さくでき
る為、例えば、第1の非晶質シリコン層を50Å〜100Å
程度と薄くして残りの膜厚を第2の非晶質シリコンで形
成する等も可能となる。
In addition, the thickness of the first amorphous silicon layer alone cannot be reduced freely in order to reduce the density of crystal nuclei, but the first amorphous silicon layer and the second amorphous silicon When a structure in which layers are stacked is employed, there is an advantage that the thickness of the first amorphous silicon layer for generating crystal nuclei can be arbitrarily set. That is, as described above, even under the same film forming conditions, the polycrystalline nucleus generation density can be reduced as the film thickness is reduced.
It is also possible to form the remaining film thickness of the second amorphous silicon by making it as thin as possible.

尚、第1図では多結晶核発生密度の比較的高い非晶質
シリコン層上に多結晶核の発生し難い非晶質シリコン層
を積層する場合を例としたが、積層順はこの逆でもよ
い。即ち、多結晶核の発生し難い非晶質シリコン層上に
多結晶核発生密度の比較的高い非晶質シリコン層を積層
してもよい。
Although FIG. 1 shows an example in which an amorphous silicon layer in which polycrystalline nuclei are unlikely to be generated is laminated on an amorphous silicon layer having a relatively high polycrystalline nucleus generation density, the laminating order may be reversed. Good. That is, an amorphous silicon layer having a relatively high polycrystalline nucleus generation density may be stacked on an amorphous silicon layer in which polycrystalline nuclei are unlikely to be generated.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によればより簡便な製造プ
ロセスで大粒径の多結晶シリコン膜を形成することが出
来る。その結果、絶縁性非晶質材料上に高性能な半導体
を形成することが可能となり、大型で高解像度の液晶表
示パネルや高速で高解像度の密着型イメージセンサや三
次元IC等を容易に形成できるようになった。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a polycrystalline silicon film having a large grain size can be formed by a simpler manufacturing process. As a result, high-performance semiconductors can be formed on insulating amorphous materials, and large, high-resolution liquid crystal display panels, high-speed, high-resolution contact-type image sensors, and three-dimensional ICs can be easily formed. Now you can.

さらに、本発明はせいぜい650℃程度の低温の熱処理
が加わるだけであるため、(1)基板として安価なガラ
ス基板を使用できる。(2)三次元ICでは、下層部の素
子に悪影響(例えば、不純物の拡散等)を与えずに上層
部に半導体素子を形成することが出来る。等のメリット
もある。
Further, since the present invention only requires a low-temperature heat treatment of at most about 650 ° C., (1) an inexpensive glass substrate can be used as the substrate. (2) In a three-dimensional IC, a semiconductor element can be formed in an upper layer portion without giving an adverse effect (for example, diffusion of an impurity) to an element in a lower layer portion. There are merits such as.

また、本発明は、第1図の実施例に示したTFT以外に
も、絶縁ゲート型半導体素子全般に応用できるほか、バ
イポーラトランジスタ、静電誘導型トランジスタ、太陽
電池・光センサをはじめとする光電変換素子等の半導体
素子を多結晶半導体を素子材として形成する場合にきわ
めて有効な製造方法となる。
The present invention can be applied not only to the TFT shown in the embodiment of FIG. 1 but also to insulated gate semiconductor devices in general, and to bipolar transistors, electrostatic induction transistors, photovoltaic cells such as solar cells and optical sensors, and the like. This is a very effective manufacturing method when a semiconductor element such as a conversion element is formed using a polycrystalline semiconductor as an element material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(a)〜(d)は本発明の実施例における半導体
装置の製造工程図である。 101……絶縁性非晶質材料 102……第1の非晶質シリコン層 103……第2の非晶質シリコン層 104……多結晶シリコン層 105……ゲート電極 106……ソース・ドレイン領域 107……ゲート絶縁膜 108……層間絶縁膜 109……コンタクト穴 110……配線
1 (a) to 1 (d) are manufacturing process diagrams of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 101 insulating amorphous material 102 first amorphous silicon layer 103 second amorphous silicon layer 104 polycrystalline silicon layer 105 gate electrode 106 source / drain region 107 gate insulating film 108 interlayer insulating film 109 contact hole 110 wiring

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に第1非晶質シリコン層をLPCVD法
により500℃〜560℃で形成する工程と、 前記第1非晶質シリコン層上に第2非晶質シリコン層を
真空蒸着法により10-5Pa程度以下の真空度で形成する工
程と、 前記第1及び第2非晶質シリコン層を熱処理により結晶
成長させる工程と、 結晶成長された前記第1及び第2非晶質シリコン層に半
導体素子を形成する工程とを有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
A step of forming a first amorphous silicon layer on the substrate by LPCVD at 500 ° C. to 560 ° C .; and a step of vacuum depositing a second amorphous silicon layer on the first amorphous silicon layer. forming at degree of vacuum of about 10 -5 Pa by law, a step of crystal growth by heat treating the first and second amorphous silicon layer, the crystal grown the first and second amorphous Forming a semiconductor element on a silicon layer.
【請求項2】前記第1非晶質シリコン層の膜厚が500〜1
000オングストロームであることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein said first amorphous silicon layer has a thickness of 500 to 1
2. The method according to claim 1, wherein the thickness is 000 angstroms.
The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
【請求項3】前記第2非晶質シリコン層の膜厚が100〜3
000オングストロオームであることを特徴とする請求項
1記載の半導体装置の製造方法。
3. The film thickness of the second amorphous silicon layer is 100 to 3
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness is 000 angstrom.
JP22371388A 1988-09-07 1988-09-07 Method for manufacturing semiconductor device Expired - Lifetime JP2822394B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22371388A JP2822394B2 (en) 1988-09-07 1988-09-07 Method for manufacturing semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22371388A JP2822394B2 (en) 1988-09-07 1988-09-07 Method for manufacturing semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0272614A JPH0272614A (en) 1990-03-12
JP2822394B2 true JP2822394B2 (en) 1998-11-11

Family

ID=16802501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP22371388A Expired - Lifetime JP2822394B2 (en) 1988-09-07 1988-09-07 Method for manufacturing semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2822394B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7052944B2 (en) 2000-06-23 2006-05-30 Nec Corporation Thin-film transistor and method of manufacture thereof
KR101791727B1 (en) 2013-12-11 2017-10-30 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Amorphous silicon crystallizing method, crystallized silicon film forming method, semiconductor device manufacturing method and film forming apparatus

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5318919A (en) * 1990-07-31 1994-06-07 Sanyo Electric Co., Ltd. Manufacturing method of thin film transistor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7052944B2 (en) 2000-06-23 2006-05-30 Nec Corporation Thin-film transistor and method of manufacture thereof
KR101791727B1 (en) 2013-12-11 2017-10-30 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 Amorphous silicon crystallizing method, crystallized silicon film forming method, semiconductor device manufacturing method and film forming apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0272614A (en) 1990-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6329269B1 (en) Semiconductor device manufacturing with amorphous film cyrstallization using wet oxygen
JPH02140915A (en) Manufacture of semiconductor device
JPH02103925A (en) Manufacture of semiconductor device
JP3357707B2 (en) Method for manufacturing polycrystalline semiconductor film and method for manufacturing thin film transistor
JP3220864B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2822394B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH1168109A (en) Production of polycrystalline thin film and production of thin-film transistor
JP3093762B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH07249574A (en) Manufacture of semiconductor and manufacture of thin film transistor
JP3333187B2 (en) Method for manufacturing thin film semiconductor device
JPH0828509B2 (en) Method of forming active region of thin film transistor
JP2876598B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP3141909B2 (en) Semiconductor device manufacturing method
JPH02213123A (en) Manufacture of semiconductor device
JP2638869B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH02188499A (en) Production of polycrystal silicon film having large crystal grain diameter
JPH01276617A (en) Manufacture of semiconductor device
JPH0284772A (en) Manufacture of semiconductor device
JP2773203B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2867402B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH03132074A (en) Manufacture of thin film and thin-film transistor
JPH03257818A (en) Manufacture of semiconductor device
JP2933081B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH02238617A (en) Crystal growth of semiconductor thin film
JP2910752B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 10

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080904

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080904

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090904

Year of fee payment: 11

EXPY Cancellation because of completion of term
FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 11

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090904