JP2867402B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2867402B2
JP2867402B2 JP32136288A JP32136288A JP2867402B2 JP 2867402 B2 JP2867402 B2 JP 2867402B2 JP 32136288 A JP32136288 A JP 32136288A JP 32136288 A JP32136288 A JP 32136288A JP 2867402 B2 JP2867402 B2 JP 2867402B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、石英基板あるいはガラス基板のような非晶
質絶縁基板上に結晶性の優れた半導体薄膜を成長させる
方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for growing a semiconductor thin film having excellent crystallinity on an amorphous insulating substrate such as a quartz substrate or a glass substrate.

[従来の技術] 非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜上に,結晶方位
の揃った結晶粒径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(Silicon
On Insulator)技術として知られている。{SOI構造
形成技術,産業図書}。大きく分類すると、再結晶化
法、エピタキシャル法、絶縁埋め込み法、張り合わせ法
という方法がある。再結晶化法には、レーザーアニール
あるいは電子ビームアニールによりシリコンを溶融再結
晶化させる方法と、溶融する温度までは昇温させずに固
相成長させる固相成長法の2つに分類される。比較的低
温で再結晶化できるという点で固相成長法が優れてい
る。550℃の低温熱処理にもかかわらずシリコン薄膜の
結晶粒が成長したという結果も報告されている。{IEEE
Electron Device Letters,vol.EDL−8,No.8,p361,A
ugust 1987}。
[Prior Art] A method of forming a polycrystalline silicon thin film or a single crystal silicon thin film having a uniform crystal orientation and a large crystal grain size on an amorphous insulating substrate or an amorphous insulating film is known as SOI (Silicon).
On Insulator) technology. {SOI structure formation technology, industrial books}. When roughly classified, there are a recrystallization method, an epitaxial method, an insulating filling method, and a bonding method. Recrystallization methods are classified into two methods: a method in which silicon is melted and recrystallized by laser annealing or electron beam annealing; and a solid phase growth method in which solid phase growth is performed without raising the temperature to the melting temperature. The solid phase growth method is superior in that it can be recrystallized at a relatively low temperature. It has also been reported that despite the low-temperature heat treatment at 550 ° C., the crystal grains of the silicon thin film grew. {IEEE
Electron Device Letters, vol.EDL-8, No.8, p361, A
ugust 1987}.

[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、結晶成長の始点となる単
結晶シリコンシードが必要となる。該単結晶シリコンシ
ードが無い場合には、固相成長のための活性化エネルギ
ーは小さいが、該生成のための活性化エネルギーが大き
いので、まず核を生成するために、より高温の熱処理と
長い処理時間が必要となる。シリコン膜中にランダムに
存在する核のため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。また結晶粒の成長
がランダムなために、得られた再再結晶化シリコン薄膜
のどこに結晶粒界が存在するのか全くわからない。さら
に結晶方位もそろっていない。従って、この様な再結晶
化シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタなどの薄膜半
導体装置を作製した場合には、同一基板内での特性のば
らつきが大きく実用不可能となる。
[Problem to be Solved by the Invention] In the solid phase growth method, a single crystal silicon seed which is a starting point of crystal growth is required. In the absence of the single crystal silicon seed, the activation energy for solid phase growth is small, but the activation energy for the formation is large. Processing time is required. Many crystal grains grow due to nuclei randomly present in the silicon film, and each of the crystal grains does not grow significantly. Further, since the growth of the crystal grains is random, it is not known at all where the crystal grain boundaries exist in the obtained re-recrystallized silicon thin film. Furthermore, the crystal orientation is not uniform. Therefore, when a thin-film semiconductor device such as a thin-film transistor is manufactured using such a recrystallized silicon thin film, the characteristics vary greatly within the same substrate, making it impractical.

レーザービームあるいは電子ビームのようなエネルギ
ービームを基板の全面にわたって走査させて結晶成長さ
せるような従来の方法では、エネルギービームの照射を
走査することによる結晶成長の不均一が生じる。表面形
状は凹凸が大きい。また非晶質絶縁基板の反りも問題と
なる。特に軟化温度の低いガラス基板を用いた場合には
この問題は大きくなる。また、エネルギービームを制御
性より走査するための高価な装置が必要となる。
In a conventional method in which an energy beam such as a laser beam or an electron beam is scanned over the entire surface of a substrate to grow a crystal, non-uniform crystal growth occurs by scanning the irradiation of the energy beam. The surface shape has large irregularities. Also, the warpage of the amorphous insulating substrate poses a problem. This problem is particularly serious when a glass substrate having a low softening temperature is used. In addition, an expensive device for scanning the energy beam for controllability is required.

本発明は、SOI法、特に固相成長法において、ランダ
ムに核が生成するという問題点を解決し、基板全面にわ
たって均一で結晶粒径の大きな表面形状の平坦なシリコ
ン薄膜を成長し、しかもその結晶粒界の位置を制御する
ことを目的としている。そして、石英基板あるいはガラ
ス基板のような非晶質絶縁基板上に、複雑で高価な装置
を必要としない簡単な方法で特性の優れた薄膜トランジ
スタなどのような薄膜半導体装置を作製する方法を提供
するものである。
The present invention solves the problem of random nucleation in the SOI method, especially in the solid phase growth method, and grows a flat silicon thin film having a uniform crystal surface with a large crystal grain size over the entire surface of the substrate. The purpose is to control the position of the grain boundaries. In addition, a method for manufacturing a thin film semiconductor device such as a thin film transistor having excellent characteristics on an amorphous insulating substrate such as a quartz substrate or a glass substrate by a simple method which does not require a complicated and expensive device is provided. Things.

[課題を解決するための手段] 本発明は、基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、所定のガス雰囲気において熱処理して前
記非晶質半導体薄膜を再結晶化する工程とを有し、前記
再結晶化する工程において、前記所定のガス雰囲気で用
いるガスよりも熱伝導率の高いグラファイトを前記非晶
質半導体薄膜に接触させて、前記非晶質半導体薄膜の前
記グラファイトとの接触箇所から前記非晶質半導体を再
結晶化することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, comprising the steps of: forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate; and performing heat treatment in a predetermined gas atmosphere. Recrystallizing the amorphous semiconductor thin film, wherein in the recrystallizing step, graphite having a higher thermal conductivity than a gas used in the predetermined gas atmosphere is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film. Then, the amorphous semiconductor is recrystallized from the contact portion of the amorphous semiconductor thin film with the graphite.

本発明は、基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、400℃〜700℃で熱処理して前記非晶質半
導体薄膜を再結晶化する工程とを有し、前記再結晶化す
る工程において、突起を前記非晶質半導体薄膜に接触さ
せて、前記非晶質半導体薄膜の前記突起との接触箇所か
ら前記非晶質半導体薄膜を再結晶化することを特徴とす
る。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, comprising the steps of: forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate; and heat-treating the amorphous semiconductor thin film at 400 ° C. to 700 ° C. Crystallizing, wherein in the re-crystallizing step, the projection is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film, and the amorphous semiconductor thin film is contacted with the amorphous semiconductor thin film from the contact point with the projection. Is recrystallized.

本発明は、基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、熱処理して前記非晶質半導体薄膜を再結
晶化する工程とを有し、前記再結晶化する工程におい
て、グラファイト治具を前記非晶質半導体薄膜に接触さ
せて、前記非晶質半導体薄膜の前記グラファイト治具と
の接触箇所から前記非晶質半導体薄膜を再結晶化するこ
とを特徴とする。
The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, comprising the steps of: forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate; and re-crystallizing the amorphous semiconductor thin film by heat treatment. In the step of recrystallizing, a graphite jig is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film, and the amorphous semiconductor thin film is re-formed from a contact portion of the amorphous semiconductor thin film with the graphite jig. It is characterized by being crystallized.

[実施例] 第1図(a)に於て、1−1は非晶質絶縁基板であ
る。石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。Si
O2で覆われたSi基板を用いることもある。石英基板ある
いはSiO2で覆われたSi基板を用いる場合は1200℃の高温
プロセスにも耐えることができるが、ガラス基板を用い
る場合には軟化温度が低いために約600℃以下の低温プ
ロセスに制限される。はじめに非晶質絶縁基板1−1上
に非晶質シリコン薄膜1−2を堆積させる。該非晶質シ
リコン薄膜1−2は一様で、微小な結晶子は含まれてお
らず、結晶成長の核が全く存在しないことが望ましい。
LPCVD法の場合は、デポ温度がなるべく低くて、デポ速
度が早い条件が適している。シランガス(SiH4)を用い
る場合は500℃〜560℃程度、ジシランガス(Si2H6)を
用いる場合は300℃〜500℃程度のデポ温度で分解堆積が
可能である。トリシランガス(Si3H8)は分解温度がよ
り低い。デポ温度を高くすると堆積した膜が多結晶にな
るので、Siイオン注入によって一旦非晶質化する方法も
ある。プラズマCVD法の場合は、基板温度が室温から500
℃以下の低温でも成膜できる。また、デポ直前に水素プ
ラズマあるいはアルゴンプラズマ処理を行えば、基板表
面の清浄化と成膜を連続的に行うことができる。光励起
CVD法の場合も500℃以下の低温デポ及び基板表面の清浄
化と成膜を連続的に行うことができる点で効果的であ
る。EB蒸着法等のような高真空蒸着法の場合は膜がポー
ラスであるために大気中の酸素を膜中に取り込み易く、
結晶成長の妨げとなる。このことを防ぐために、真空雰
囲気から取り出す前に300℃〜500℃程度の低温熱処理を
行い膜を緻密化させることが有用である。スパッタ法の
場合も高真空蒸着法の場合と同様である。
Example In FIG. 1A, 1-1 is an amorphous insulating substrate. A quartz substrate or a glass substrate is used. Si
In some cases, a Si substrate covered with O 2 may be used. When using a quartz substrate or a Si substrate covered with SiO 2 , it can withstand a high-temperature process of 1200 ° C, but when using a glass substrate, it is limited to low-temperature processes of about 600 ° C or less due to its low softening temperature. Is done. First, an amorphous silicon thin film 1-2 is deposited on an amorphous insulating substrate 1-1. It is desirable that the amorphous silicon thin film 1-2 is uniform, does not contain fine crystallites, and has no crystal growth nucleus at all.
In the case of the LPCVD method, conditions where the deposition temperature is as low as possible and the deposition rate is high are suitable. Decomposition and deposition are possible at a deposition temperature of about 500 ° C. to 560 ° C. when using silane gas (SiH 4 ) and about 300 ° C. to 500 ° C. when using disilane gas (Si 2 H 6 ). Trisilane gas (Si 3 H 8 ) has a lower decomposition temperature. If the deposition temperature is increased, the deposited film becomes polycrystalline, and there is also a method in which the film is made amorphous once by implanting Si ions. In the case of the plasma CVD method, the substrate temperature is from room temperature to 500
A film can be formed even at a low temperature of not more than ℃. Further, if hydrogen plasma or argon plasma treatment is performed immediately before deposition, cleaning and film formation of the substrate surface can be continuously performed. Light excitation
The CVD method is also effective in that the low-temperature deposition at 500 ° C. or lower and the substrate surface can be continuously cleaned and formed into a film. In the case of a high vacuum evaporation method such as EB evaporation method, it is easy to take in atmospheric oxygen into the film because the film is porous,
It hinders crystal growth. In order to prevent this, it is useful to perform a low-temperature heat treatment at about 300 ° C. to 500 ° C. before the film is taken out of the vacuum atmosphere to densify the film. The case of the sputtering method is the same as the case of the high vacuum evaporation method.

次に、第1図(b)に示されるように、ドット状の突
起構造1−4を有する平面グラファイト製冶具1−3の
上に,前記非晶質シリコン薄膜1−2が接触するように
設置して該非晶質シリコン薄膜1−2を固相成長させ
る。前記突起構造1−4の先端の大きさはできる限り小
さくすることが望ましい。また該突起構造1−4の間隔
Lは固相成長距離の約2倍とする。例えば固相成長がシ
ードから5μm進む場合はL=10μmとする。該平面グ
ラファイト製冶具1−3の平面を第1図(f)に示す。
また前記冶具はグラファイト製と述べたが、不純物汚染
の問題がなく熱伝導率の高い材質ならば冶具として用い
てもよい。ちなみに700℃におけるグラファイトの熱伝
導率は35〜70(W/m・K)であり,石英基板ではこれよ
りも約1桁小さい。
Next, as shown in FIG. 1 (b), the amorphous silicon thin film 1-2 is brought into contact with a flat graphite jig 1-3 having a dot-like projection structure 1-4. Then, the amorphous silicon thin film 1-2 is solid-phase grown. It is desirable that the size of the tip of the protrusion structure 1-4 be as small as possible. The interval L between the projection structures 1-4 is set to about twice the solid phase growth distance. For example, when solid phase growth advances 5 μm from the seed, L is set to 10 μm. FIG. 1 (f) shows the plane of the flat graphite jig 1-3.
Although the jig is described as being made of graphite, it may be used as a jig as long as it has no problem of impurity contamination and has high thermal conductivity. Incidentally, the thermal conductivity of graphite at 700 ° C. is 35 to 70 (W / m · K), which is about an order of magnitude smaller for a quartz substrate.

続いてこの様に平面グラファイト製冶具の上におかれ
た非晶質シリコン薄膜を,石英アニール炉の中に入れて
500℃〜700℃の低温熱処理を行い、前記非晶質シリコン
薄膜を固相成長させる。アニール雰囲気としては、窒素
ガス、水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用
いる。1×10-6から1×10-10Torrの高真空雰囲気でア
ニールを行ってもよい。雰囲気ガスの1000℃における熱
伝導率は,窒素ガスで約7.4×10-2(W/m・K),アルゴ
ンガスで約5.0×10-2(W/m・K),ヘリウムガスで約4
1.9×10-2(W/m・K),水素ガスについても同程度であ
る。前に述べたグラファイトの熱伝導率の値はこれらに
比べて2〜3桁も大きい。従って,平面グラファイト製
冶具1−3のドット状の突起構造1−4との接触点1−
6がシードとなり、該シートを中心として放射状に前記
非晶質シリコン薄膜1−2が固相成長を始める。この様
子を第1図(c)に示す。1−5は、ドットの突起構造
1−4と非晶質シリコン薄膜1−2の接触点1−6をシ
ードとして固相成長した結晶相を示している。このよう
に固相成長の始点となるシードが、アニール雰囲気ガス
よりも熱伝導率の高い物質を接触させることによって生
成されるので、固相成長の為の熱処理温度をより低温に
することが可能になる。これまでは、熱処理温度は500
〜700℃として述べてきたが、更に低温例えば400℃〜50
0℃の熱処理でも固相成長する可能性がある。低温アニ
ールでは選択的に、結晶成長の活性化エネルギーの小さ
な結晶方位を持つ結晶粒のみが成長し、しかもゆっくり
と大きく成長する。
Next, the amorphous silicon thin film placed on the flat graphite jig was placed in a quartz annealing furnace.
A low-temperature heat treatment at 500 ° C. to 700 ° C. is performed to grow the amorphous silicon thin film in a solid phase. As an annealing atmosphere, a nitrogen gas, a hydrogen gas, an argon gas, a helium gas, or the like is used. Annealing may be performed in a high vacuum atmosphere of 1 × 10 −6 to 1 × 10 −10 Torr. The thermal conductivity of the atmospheric gas at 1000 ° C is about 7.4 × 10 -2 (W / m · K) for nitrogen gas, about 5.0 × 10 -2 (W / m · K) for argon gas, and about 4 × 10 for helium gas.
1.9 × 10 -2 (W / m · K), about the same for hydrogen gas. The previously mentioned values of the thermal conductivity of graphite are a few orders of magnitude higher. Therefore, the contact point 1- 1 with the dot-like projection structure 1-4 of the flat graphite jig 1-3 is formed.
6 serves as a seed, and the amorphous silicon thin film 1-2 starts to grow in a solid phase radially around the sheet. This is shown in FIG. 1 (c). Reference numeral 1-5 denotes a crystal phase that has been solid-phase grown using a contact point 1-6 between the dot projection structure 1-4 and the amorphous silicon thin film 1-2 as a seed. In this way, the seed, which is the starting point of solid phase growth, is generated by contacting a substance with higher thermal conductivity than the annealing atmosphere gas, so that the heat treatment temperature for solid phase growth can be lower. become. Until now, the heat treatment temperature was 500
Although it has been described as 更 に 700 ° C., a lower temperature such as 400 ° C. to 50 ° C.
Solid phase growth may occur even with a heat treatment at 0 ° C. In the low-temperature annealing, only crystal grains having a crystal orientation with a small activation energy for crystal growth selectively grow, and slowly grow larger.

第1図(c)は固相成長過程の途中の段階を示す図で
ある。固相成長が進行し、隣合う2個の前記接触点1−
6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1−7が形成された様子を第1図
(d)に示す。ある結晶粒界1−7とその隣の結晶粒界
1−7との間が結晶相となる。前に述べたように、ドッ
ト状の突起構造1−4の間隔Lを例えば20μmにすれ
ば,結晶相1−5は前記接触点1−6中心として一辺20
μmの結晶領域となる。この様にして、結晶粒界の場所
が制御された大粒径多結晶シリコン薄膜が作製される。
第1図(e),該大粒径多結晶シリコン薄膜を示してい
る。
FIG. 1 (c) is a diagram showing a stage in the middle of the solid phase growth process. Solid phase growth proceeds, and the two adjacent contact points 1-
FIG. 1D shows a state in which the crystal grains grown from both directions collide with each other at an intermediate point of No. 6 to form a crystal grain boundary 1-7. The space between a certain grain boundary 1-7 and the next grain boundary 1-7 is a crystal phase. As described above, if the interval L between the dot-like projection structures 1-4 is set to, for example, 20 μm, the crystal phase 1-5 becomes a center of the contact point 1-6 on a side 20
It is a μm crystal region. In this way, a large-grain polycrystalline silicon thin film in which the locations of crystal grain boundaries are controlled is produced.
FIG. 1 (e) shows the large grain polycrystalline silicon thin film.

本発明を用いて作製した大粒径多結晶シリコン薄膜
を、薄膜トランジスターに応用した例を第2図にしたが
って説明する。第1図(e)に示すように、結晶粒界1
−7の位置が分かっているのでこの場所を避けて、結晶
相1−5をチャネル領域となるように薄膜トランジスタ
ーを作製する。前述のように作製された大粒径多結晶シ
リコン薄膜基板を第2図(a)に示す。、2−1は非晶
質絶縁基板である。2−2は固相成長により形成された
結晶相である。2−3は結晶粒界である。次に前記シリ
コン薄膜をフォトリソグラフィ法によりパターニンして
第2図(b)に示すように島状にする。この時、結晶相
2−2が島状パターンの中心部になるようにパターニン
グする。 次に第2図(c)に示されているように、ゲ
ート酸化膜2−4を形成する。該ゲート酸化膜の形成方
法としてはLPCVD法、あるいは光励起CVD法、あるいはプ
ラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、あるいは高真空蒸着
法、あるいはプラズマ酸化法、あるいは高圧酸化法など
のような500℃以下の低温方法がある。該低温方法で成
膜されたゲート酸化膜は、熱処理することによってより
緻密で界面準位の少ない優れた膜となる。非晶質絶縁基
板2−1として石英基板を用いる場合は、熱酸化法によ
ることができる。該熱酸化法にはdry酸化法とwet酸化法
とがあるが、酸化温度は1000℃以上と高いが薄膜が優れ
ていることからdry酸化法の方が適している。
An example in which a large-diameter polycrystalline silicon thin film manufactured using the present invention is applied to a thin film transistor will be described with reference to FIG. As shown in FIG.
Since the position of -7 is known, a thin film transistor is manufactured by avoiding this position and making the crystal phase 1-5 a channel region. FIG. 2 (a) shows the large-grain polycrystalline silicon thin film substrate produced as described above. 2-1 is an amorphous insulating substrate. 2-2 is a crystal phase formed by solid phase growth. 2-3 is a crystal grain boundary. Next, the silicon thin film is patterned by photolithography to form an island shape as shown in FIG. 2 (b). At this time, patterning is performed so that the crystal phase 2-2 is located at the center of the island pattern. Next, as shown in FIG. 2C, a gate oxide film 2-4 is formed. As a method of forming the gate oxide film, LPCVD method, or photo-excitation CVD method, or plasma CVD method, ECR plasma CVD method, or high vacuum deposition method, or plasma oxidation method, or 500 ℃ or less such as high-pressure oxidation method There is a low temperature method. The gate oxide film formed by the low-temperature method becomes an excellent film which is denser and has less interface states by heat treatment. When a quartz substrate is used as the amorphous insulating substrate 2-1, a thermal oxidation method can be used. The thermal oxidation method includes a dry oxidation method and a wet oxidation method. The oxidation temperature is as high as 1000 ° C. or more, but the dry oxidation method is more suitable because the thin film is excellent.

次に第2図(d)に示されるように、ゲート電極2−
5を形成する。この時、該ゲート電極2−5は結晶粒界
2−3をオーバーラップしないように形成する。従っ
て、ゲート電極2−5の下のシリコンは結晶相となる。
該ゲート電極材料としては多結晶シリコン薄膜、あるい
はモリブデンシリコンサイド、あるいはアルミニュウム
やクロムなどのような金属膜、あるいはITOやSnO2など
のような透明性導電膜などを用いることができる。成膜
方法としては、CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、等の
方法があるが、ここでの詳しい説明は省略する。
Next, as shown in FIG. 2 (d), the gate electrode 2-
5 is formed. At this time, the gate electrode 2-5 is formed so as not to overlap the crystal grain boundaries 2-3. Therefore, the silicon under the gate electrode 2-5 becomes a crystal phase.
As the gate electrode material, a polycrystalline silicon thin film, molybdenum silicon side, a metal film such as aluminum or chromium, or a transparent conductive film such as ITO or SnO 2 can be used. As a film forming method, there are a CVD method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, and the like, but a detailed description thereof is omitted here.

続いて第2図(e)に示すように、前記ゲート電極2
−5をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的
にソース領域2−6およびドレイン領域2−7を形成す
る。同図に於て2−2はまったくの結晶領域であり、こ
れはMOS型薄膜トランジスタのチャンネル領域となる。
結晶粒界2−3はドレイン領域2−7の中に埋もれるの
で、トランジスタ特性にはなんら悪影響を与えない。前
記不純物として、Nchトランジスタを作製する場合はP+
あるいはAs+を用い、Pchトランジスタを作製する場合は
B+等を用いる。不純物添加方法としては、イオン注入方
の他に、レーザードーピング法あるいはプラズマドーピ
ング法などの方法がある。2−8で示される矢印は不純
物のイオンビームを表している。前記非晶質絶縁基板2
−1として石英基板を用いた場合には熱拡散法を使うこ
とができる。不純物濃度は1×1015から1×1020cm-3
度とする。
Subsequently, as shown in FIG.
Using -5 as a mask, impurities are ion-implanted to form a source region 2-6 and a drain region 2-7 in a self-aligned manner. In the figure, reference numeral 2-2 denotes a pure crystal region, which is a channel region of the MOS type thin film transistor.
Since the crystal grain boundary 2-3 is buried in the drain region 2-7, there is no adverse effect on the transistor characteristics. As an impurity, when manufacturing an Nch transistor, P +
Or when using As + to make a Pch transistor
Use B + or the like. As a method for adding impurities, there is a method such as a laser doping method or a plasma doping method in addition to the ion implantation method. Arrows indicated by 2-8 indicate ion beams of impurities. The amorphous insulating substrate 2
When a quartz substrate is used as -1, a thermal diffusion method can be used. The impurity concentration is about 1 × 10 15 to 1 × 10 20 cm −3 .

続いて第2図(f)に示されるように、層間絶縁膜2
−9を積層する。該層間絶縁膜材料としては、酸化膜あ
るいは窒化などを用いる。絶縁性が良好ならば膜厚はい
くらでもよいが、数千Åから数μm程度が普通である。
窒化膜の形成方法としては、LPCVD法あるいはプラズマC
VD法などが簡単である。反応には、アンモニアガス(NH
3)とシランガスと窒素ガスとの混合ガス、あるいはシ
ランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを用いる。
Subsequently, as shown in FIG.
-9 is laminated. As the material of the interlayer insulating film, an oxide film or nitriding is used. The film thickness may be any as long as the insulating property is good, but is usually about several thousand to several μm.
As a method for forming a nitride film, LPCVD or plasma C
VD method is simple. For the reaction, ammonia gas (NH
3) Use a mixed gas of silane gas and nitrogen gas, or a mixed gas of silane gas and nitrogen gas.

ここで、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入
法、あるいはプラズマ窒化膜から水素の拡散法などの方
法で水素イオンを導入すると,ゲート酸化膜界面などに
存在するダングリングボンドなどの欠陥が不活性化され
る。この様な水素化工程は、層間絶縁膜2−9を積層す
る前におこなってもよい。
Here, when hydrogen ions are introduced by a hydrogen plasma method, a hydrogen ion implantation method, or a hydrogen diffusion method from a plasma nitride film, defects such as dangling bonds existing at the gate oxide film interface and the like are inactivated. Is done. Such a hydrogenation step may be performed before stacking the interlayer insulating film 2-9.

次に第2図(g)に示すように、前記層間絶縁膜及び
ゲート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト
電極を形成しソース電極2−10およびドレイン電極2−
11とする。該ソース電極及びドレイン電極は、アルミニ
ュウムなどの金属材料で形成する。この様にして薄膜ト
ランジスタが形成される。
Next, as shown in FIG. 2G, a contact hole is formed in the interlayer insulating film and the gate insulating film, a contact electrode is formed, and a source electrode 2-10 and a drain electrode 2-10 are formed.
11 is assumed. The source electrode and the drain electrode are formed of a metal material such as aluminum. Thus, a thin film transistor is formed.

従来薄膜トランジスタのチャネル領域には結晶粒界が
幾つ存在するかわからなかった。結晶粒界がどこに存在
しているのか、あるいは結晶粒径がどれくらいの大きさ
なのか知ることができなかった。しかし本発明による
と、大きな結晶粒径を得ることができ、結晶粒界の場所
も制御することができるようになる。この結晶粒界部分
を除いた結晶領域だけをチャンネル領域として利用でき
るようになったので、従来に比べて、薄膜トランジスタ
のON電流が増大しOFF電流は小さくなる。またスレッシ
ュホルド電圧も小さくなりトランジスタ特性が大きく改
善される。トランジスタ特性のばらつきは非常に小さ
い。
Conventionally, it has not been known how many grain boundaries exist in the channel region of a thin film transistor. It was not possible to know where the grain boundaries existed or how large the crystal grain size was. However, according to the present invention, a large crystal grain size can be obtained, and the location of the crystal grain boundary can be controlled. Since only the crystal region excluding the crystal grain boundary portion can be used as the channel region, the ON current of the thin film transistor increases and the OFF current decreases as compared with the related art. Also, the threshold voltage is reduced, and the transistor characteristics are greatly improved. The variation in transistor characteristics is very small.

非晶質絶縁基板上に結晶粒界の場所が制御された結晶
性の優れたシリコン薄膜を作製することが可能になった
のでSOI技術の発展に大きく寄与するものである。グラ
ファイトなどのような熱伝導率の高い材質の冶具を用い
ることによってシードを形成するのでフォト工程など、
工程数はまったく増えない。600℃以下の低温のプロセ
スでも作製が可能なので、価格が安くて耐熱温度が低い
ガラス基板をもちいることができる。優れたシリコン薄
膜が得られるにもかかわらずコストアップとはならな
い。
This makes it possible to produce a silicon thin film having excellent crystallinity with controlled locations of crystal grain boundaries on an amorphous insulating substrate, which greatly contributes to the development of SOI technology. Since the seed is formed by using a jig made of a material with high thermal conductivity such as graphite, the photo process, etc.
The number of steps does not increase at all. Since it can be manufactured even in a low-temperature process of 600 ° C. or less, a glass substrate that is inexpensive and has a low heat-resistant temperature can be used. Although an excellent silicon thin film can be obtained, the cost does not increase.

固相成長法において、熱処理の雰囲気ガスよりもきわ
めて大きな熱伝導率を有する材質で作成された冶具を,
非晶質シリコン薄膜に接触させて熱処理することによっ
て、前記非晶質シリコン薄膜上に温度差が生じ、この接
触点は雰囲気ガスよりも高い温度となる。この様にして
シードが形成される。従って、固相成長のための熱処理
温度を更に低温にすることが可能になる。
In the solid phase growth method, a jig made of a material having a thermal conductivity much larger than the atmosphere gas for heat treatment is used.
By performing the heat treatment in contact with the amorphous silicon thin film, a temperature difference occurs on the amorphous silicon thin film, and this contact point has a higher temperature than the atmospheric gas. In this way, a seed is formed. Therefore, the heat treatment temperature for solid phase growth can be further reduced.

非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを
作成することが可能となるので、ドライバー回路を同一
基板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した
場合にも十分な高速動作が実現される。さらに、電源電
圧の低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大き
な効果がある。また、600℃以下の低温プロセスによる
作製も可能なので、アクティブマトリクス基板の低価格
化及び大面積化に対してもその効果は大きい。
Since a thin film transistor having excellent characteristics can be formed on an amorphous insulating substrate, a sufficiently high-speed operation can be realized even when the driver circuit is applied to an active matrix substrate integrated on the same substrate. Furthermore, there is a great effect on reduction of power supply voltage, reduction of current consumption, and improvement of reliability. Further, since it can be manufactured by a low-temperature process of 600 ° C. or less, the effect is large even when the active matrix substrate is reduced in cost and its area is increased.

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、高解像化、さらに階調をと
る場合に非常に大きな効果をうみだす。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。もちろん電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい。
また低温プロセスによって作製することができるので、
密着型イメージセンサーチップの長尺化が可能となり、
一本のチップでA4判あるいはA3判の様な大型ファクシミ
リ用の読み取り装置を実現できる。従って、センサーチ
ップの二本継ぎのような手数がかかり信頼性の悪い技術
を回避することができ、実装歩留りも向上される。
When the present invention is applied to a contact type image sensor in which a photoelectric conversion element and its scanning circuit are integrated in the same chip, a very large reading speed, a high resolution, and a very large gradation are required. Produce effects. When a higher resolution is achieved, application to a contact image sensor for color reading becomes easier. Of course, the effect is great also for reduction of power supply voltage, reduction of current consumption, and improvement of reliability.
Also, since it can be manufactured by a low temperature process,
The length of the contact type image sensor chip can be increased,
A single chip can realize a reading device for large facsimile such as A4 size or A3 size. Therefore, it is possible to avoid troublesome techniques such as double splicing of sensor chips and unreliable technology, and the mounting yield is improved.

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板
(Al2O3)あるいはMgO・Al2O3,BP,CaF2等の結晶性絶縁
基板も用いることができる。
Not only quartz substrate or a glass substrate, a sapphire substrate (Al 2 O 3) or MgO · Al 2 O 3, BP , can be used crystalline insulating substrate CaF 2 and the like.

[発明の効果] 上記の構成要件を具備することにより、本発明は以下
に述べる如き顕著な効果を有するものである。
[Effects of the Invention] By satisfying the above-mentioned constitutional requirements, the present invention has remarkable effects as described below.

(a)熱伝導率の高い物質を非晶質半導体薄膜に接触さ
せて固相成長させるため、大きな結晶粒径を得ることが
でき、半導体装置の移動度を向上させることができる。
(A) Since a substance having a high thermal conductivity is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film to perform solid phase growth, a large crystal grain size can be obtained, and the mobility of the semiconductor device can be improved.

(b)熱処理において、熱伝導率の高い物質を非晶質半
導体薄膜に接触させて接触箇所から非晶質半導体薄膜を
固相成長されるため、熱処理温度をより低温にすること
が可能である。
(B) In the heat treatment, a substance having a high thermal conductivity is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film, and the amorphous semiconductor thin film is solid-phase grown from the contact portion, so that the heat treatment temperature can be lowered. .

以上薄膜トランジスタを例として説明したが、バイポ
ーラトランジスタあろいはヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタなど薄膜を利用した素子に対しても、本発明を応
用することができる。また、三次元デバイスのようなSO
I技術を利用した素子に対しても、本発明を応用するこ
とができる。
Although the above description has been made by taking a thin film transistor as an example, the present invention can be applied to an element using a thin film such as a bipolar transistor or a heterojunction bipolar transistor. Also, SO such as 3D devices
The present invention can be applied to a device using the I technology.

【図面の簡単な説明】 第1図(a)から(e)は、本発明における半導体薄膜
の結晶成長方法を示す工程断面図である。 第1図(f)は、平面グラファイト製冶具の平面図であ
る。 第2図(a)から(g)は、本発明を、薄膜トランジス
タに応用した場合の例を示す薄膜トランジスタの工程図
である。 1−1;非晶質絶縁基板 1−2;非晶質半導体薄膜 1−3;平面グラファイト製冶具 1−4;ドット状突起構造 1−5;結晶相 1−7;結晶粒界 2−2;結晶相
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 (a) to 1 (e) are sectional views showing steps of a method for growing a semiconductor thin film according to the present invention. FIG. 1 (f) is a plan view of the flat graphite jig. 2 (a) to 2 (g) are process diagrams of a thin film transistor showing an example in which the present invention is applied to a thin film transistor. 1-1; amorphous insulating substrate 1-2; amorphous semiconductor thin film 1-3; planar graphite jig 1-4; dot-like projection structure 1-5; crystal phase 1-7; crystal grain boundary 2-2 ; Crystal phase

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、所定のガス雰囲気において熱処理して前
記非晶質半導体薄膜を再結晶化する工程とを有し、 前記再結晶化する工程において、前記所定のガス雰囲気
で用いるガスよりも熱伝導率の高いグラファイトを前記
非晶質半導体薄膜に接触させて、前記非晶質半導体薄膜
の前記グラファイトとの接触箇所から前記非晶質半導体
薄膜を再結晶化することを特徴とする半導体装置の製造
方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, a step of forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate and a step of heat-treating the amorphous semiconductor thin film in a predetermined gas atmosphere to recycle the amorphous semiconductor thin film. Crystallizing, wherein in the recrystallizing step, graphite having a higher thermal conductivity than a gas used in the predetermined gas atmosphere is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film to form the amorphous semiconductor. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising recrystallizing the amorphous semiconductor thin film from a contact portion of the thin film with the graphite.
【請求項2】基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、400℃〜700℃で熱処理して前記非晶質半
導体薄膜を再結晶化する工程とを有し、 前記再結晶化する工程において、突起を前記非晶質半導
体薄膜に接触させて、前記非晶質半導体薄膜の前記突起
との接触箇所から前記非晶質半導体薄膜を再結晶化する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, the method comprising: forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate; and heat-treating the amorphous semiconductor thin film at 400 ° C. to 700 ° C. Recrystallizing, wherein in the recrystallizing step, the projection is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film, and the amorphous semiconductor thin film is formed from a contact portion of the amorphous semiconductor thin film with the projection. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising recrystallizing a thin film.
【請求項3】基板上に半導体薄膜を有する半導体装置の
製造方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形
成する工程と、熱処理して前記非晶質半導体薄膜を再結
晶化する工程とを有し、 前記再結晶化する工程において、グラファイト治具を前
記非晶質半導体薄膜に接触させて、前記非晶質半導体薄
膜の前記グラファイト治具との接触箇所から前記非晶質
半導体薄膜を再結晶化することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
3. A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor thin film on a substrate, comprising: forming an amorphous semiconductor thin film on the substrate; and recrystallizing the amorphous semiconductor thin film by heat treatment. In the step of recrystallizing, a graphite jig is brought into contact with the amorphous semiconductor thin film, and the amorphous semiconductor thin film is formed from a contact portion of the amorphous semiconductor thin film with the graphite jig. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising recrystallizing.
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