JP2987987B2

JP2987987B2 - 結晶半導体薄膜の形成方法並びに薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JP2987987B2
Application number: JP3090386A
Authority: JP
Inventors: 博司筒; 達男吉岡; 守古田; 哲也川村; 豊宮田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1999-12-06
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: JPH04321219A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス基板のような非
晶質絶縁基板の上に結晶性の優れた半導体薄膜を形成さ
せる方法と液晶表示装置、ラインセンサー等へ応用され
る薄膜トランジスタの製造方法に関する。

【０００２】

【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（参考文献ＳＯＩ構造形成技術，産業図書）。ＳＯ
Ｉは再結晶化法、エピタキシャル法、絶縁層埋め込み
法、貼合わせ法という方法に大きく分類される。再結晶
化法には、レーザーあるいは電子ビームの照射によりシ
リコンを部分的に溶融再結晶化させる方法と、非晶質シ
リコンを融点以下の温度で長時間アニールし、固相のま
まで結晶化させる固相成長法の２つに分類される。固相
成長法の場合には、５５０℃の低温熱処理にもかかわら
ずシリコン膜薄膜の結晶粒が成長したという結果も報告
されている（参考文献アイイーイーイーエレクトロンテ゛ハ゛イスレタ
ース゛，ホ゛ル.イーテ゛ィーエル-8,オウカ゛スト 1987,ヒ゜ー361(IEEE Elec
tron Device Letters, Vol.EDL-8,August 1987, p36
1)）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
固相成長法の場合には化学気相堆積法（以下ではＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）法と略記する）により
原料ガスとしてＳｉＨ₄を用い、基板温度６４０℃程度
で堆積された多結晶シリコン薄膜を一度大気中に取り出
し、イオン注入装置を用いてシリコン・イオンを注入し
て多結晶シリコン薄膜を非晶質化し、再び大気中に取り
出した後、シリコンの融点以下の温度でアニールして固
相成長させることが多かった（参考文献アイイーイーイートラ
ンサ゛クションオンエレクトロンテ゛ハ゛イスィス゛,ホ゛ル.37,エヌオー.6,シ゛ュン 1
990,ヒ゜ー.ヒ゜ー.1462-1466(IEEE Transactions on Electro
n Devices, Vol.37, No.6, June 1990, p.p.1462-146
6)）。しかしながら、この方法では固相成長させるま
でにシリコン薄膜が２度も大気中に取り出され、大気中
に取り出される度にシリコン薄膜中に酸素が取り込まれ
てしまう。シリコン薄膜中の酸素などの不純物は固相成
長を妨げるといった問題点を有している。また、シリコ
ンイオンを注入するためにイオン注入装置という高価な
装置を使用するためコストが高いという問題点も有して
いる。

【０００４】本発明はかかる点に鑑み、固相成長により
結晶シリコン薄膜を形成させる場合において酸素からの
コンタミネーションを防ぎ、結晶粒径が大きく、欠陥の
少ない結晶性の優れたシリコン薄膜をガラス基板のよう
な非晶質絶縁基板上に比較的安価な装置を用いた簡単な
方法で形成し、性能の優れた薄膜トランジスタ等の薄膜
半導体装置を作製する方法を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の結
晶成長方法は、非晶質絶縁基板または非晶質絶縁膜の上
に、Ｓｉ_nＨ_2n+2（ｎ＝１，２または３）を少なくとも
含む原料ガスを用いる低圧化学気相堆積法により非晶質
Ｓｉ半導体薄膜を堆積させる第一の工程と、３００℃〜
４５０℃の熱処理を行うことにより前記非晶質Ｓｉ半導
体薄膜中に含まれる水素を脱離させる第二の工程と、５
００℃〜７００℃の低温熱処理により前記水素を脱離さ
れた非晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させて結晶Ｓｉ半
導体薄膜を形成する第三の工程とを少なくとも有すると
ともに、前記第一と第二と第三の各工程を同一反応炉内
で大気中に取り出すことなく行うことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明は、固相成長により結晶シリコン薄膜を
形成させる場合において酸素からのコンタミネーション
を防ぎ、結晶粒径が大きく、欠陥の少ない結晶性の優れ
たシリコン薄膜をガラス基板のような非晶質絶縁基板上
に簡単な方法で、しかも低コストでの形成が可能とな
る。また、高性能の薄膜トランジスタを低コストで製造
できる。

【０００７】

【実施例】（図１）は本発明の一実施例の各工程毎の断
面図を示したものでこれらの図を用いて説明する。（図
１（Ａ））に於て、１は非晶質絶縁基板である。ガラス
基板、石英基板あるいは基板などが用いられる。ＳｉＯ
₂ で覆われたＳｉ基板を用いることもある。しかしなが
ら、本発明は約６００℃以下の比較的低温での結晶成長
が可能であるため、低コストのガラス基板を使用するこ
とが可能である。前述の非晶質絶縁基板１上に、原料ガ
スとしてＳｉ₂Ｈ₆を用い、基板温度４５０℃〜５００℃
の低圧化学気相堆積法（以下ではＬＰ−ＣＶＤ（Low Pr
essure-Chemical Vapor Deposition）法と略記する）に
より非晶質シリコン薄膜２を堆積させる。この非晶質シ
リコン薄膜中にはＳｉ−ＨあるいはＳｉ−Ｈ₂ の形で水
素が多量に含まれているが、成膜された非晶質シリコン
薄膜２を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉に設置したままで
大気中に取り出すことなく連続して３００℃〜４５０℃
の熱処理を行い、前記非晶質シリコン薄膜２に含まれる
水素を脱離させる。４００℃〜５００℃の熱処理による
と、その極めて初期の段階において、前記Ｓｉ−Ｈ及び
Ｓｉ−Ｈ₂ からの水素の脱離と格子の緩和が同時に起こ
り進行する。５００℃程度では核生成が起きる可能性が
あるが、まず水素脱離を行った後、結晶化を行うのが望
ましいので、３００℃〜４５０℃の熱処理が適当であ
る。（図１（Ｂ））において、３は水素脱離された非晶
質シリコン薄膜を示す。このとき反応炉内の雰囲気は窒
素ガス、あるいはヘリウムガス、あるいはアルゴンガス
などのガス雰囲気でも良いし、１０^-8から１０^-11 Ｔｏ
ｒｒの超高真空でもよい。もし、成膜直後の非晶質シリ
コンを大気中に取り出すと、酸素などの不純物を薄膜中
に取り込み易く、その結果として非晶質シリコン薄膜は
一層結晶成長が困難になる。

【０００８】次に、水素脱離された非晶質シリコン薄膜
３を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉内に入れたまま、５０
０℃〜７００℃の低温熱処理を行い、前記水素脱離され
た非晶質シリコン薄膜３を固相成長させると、（図１
（Ｃ））に示すように、固相成長したシリコン薄膜、即
ち、多結晶シリコン薄膜４が成長する。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^-10Ｔｏ
ｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。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。

【０００９】（図２）は本発明の第２の実施例を工程を
追って図示したものであり、この図を用いて説明する。
本実施例は本発明を用いて作成した大粒径多結晶シリコ
ン薄膜を、コプレーナ型薄膜トランジスタに応用した例
である。実施例１に従って作成して得られた大粒径多結
晶シリコン薄膜基板を（図２（Ａ））に示す。５は非晶
質絶縁基板である。６は固相成長により形成された大粒
径多結晶シリコン薄膜である。次に前記シリコン薄膜を
一般のフォトソリグラフィ及びエッチングによりして
（図２（Ｂ））に示すように島状にパターニングする。
次に、（図２（Ｃ））に示されているように、ゲート絶
縁層７として酸化シリコン層を形成する。前記ゲート絶
縁層の形成方法としてはＬＰ−ＣＶＤ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。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５として石英基板等
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℃以上と高いが膜質が優れていることか
らｄｒｙ酸化法の方が適している。

【００１０】次に（図２（Ｄ））に示されるように、ゲ
ート電極８を例えば多結晶シリコンを用いて形成する。
成膜方法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法等の方法があ
るが、ここでの詳しい説明は省略する。

【００１１】続いてゲート絶縁層を前記ゲート電極８を
マスクとしてエッチング除去し、（図２（Ｅ））に示す
ように、前記ゲート電極８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９およびドレイン領
域１０を形成する。前記不純物としては、ｎチャンネル
・トランジスタを作製する場合はＰ⁺あるいはＡｓ⁺を用
い、ｐチャンネル・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、イオン注入法の
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。１１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５とし
て石英基板等を用いた場合に熱拡散法を使うことができ
る。不純物濃度は１×１０¹⁵cm^-3〜１×１０²⁸cm^-3程度
とする。

【００１２】続いて（図２（Ｆ））に示されるように、
層間絶縁膜１２として、例えば窒化シリコン膜を数百nm
〜数μm 程度堆積する。形成方法としては、ＬＰ−ＣＶ
Ｄ法あるいはプラズマＣＶＤ法などが簡単である。反応
ガスには、ＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂ とＨ₂ガス等の混合ガ
スなどを用いる。

【００１３】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の水素の拡散
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１２
を積層する前に行ってもよい。

【００１４】最後に（図２（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、ソース電極１３及びドレイン電極１４として、例え
ばアルミニウムを用いて形成する。この様にしてコプレ
ーナ型薄膜トランジスタが形成される。

【００１５】尚、本実施例ではゲート電極として多結晶
シリコンを用いたが、ゲート電極材料としてはモリブデ
ンシリサイド、あるいはアルミニウムやクロムなどのよ
うな金属材料、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。またソース・
ドレイン電極も同様にアルミニウム、クロム、金属珪化
物のような金属材料、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。

【００１６】上記実施例では、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るいはヘテ
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。

【００１７】（図３）は、本発明の第３の実施例を工程
を追って図示したものである。本実施例は液晶ディスプ
レイ等に応用される透光性基板上の逆スタガ型薄膜トラ
ンジスタを製造する方法に関するものである。

【００１８】（図３（Ａ））は透光性基板１５として例
えばコーニング社製＃１７３３ガラス基板上に、Ｃｒ等
の導電体薄膜をスパッタリング法により被着し、所望の
パターンニングを施してゲート電極１６を形成した後、
ＬＰ−ＣＶＤ法により、ゲート絶縁層１７として例えば
窒化シリコン、非晶質シリコン薄膜１８を連続形成した
ものである。非晶質シリコンの堆積には原料ガスとして
Ｓｉ₂Ｈ₆を用い、基板温度４５０℃〜５００℃で行う。
次に、大気中に取り出すことなく、ＬＰ−ＣＶＤ装置の
反応炉に設置したままで連続して３００℃〜４５０℃の
熱処理を行い、前記非晶質シリコン薄膜１８に含まれる
水素を脱離させ、（図３（Ｂ））に示すような水素脱離
した非晶質シリコン薄膜１９を得る。このとき反応炉内
の雰囲気は窒素ガス、あるいはヘリウムガス、あるいは
アルゴンガスなどのガス雰囲気でも良いし、１０^-6〜１
０^-9Ｐａの超高真空でもよい。更に、水素脱離された非
晶質シリコン薄膜１９を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉内
に入れたまま、５００℃〜６００℃の低温熱処理を行
い、前記水素脱離された非晶質シリコン薄膜１９を固相
成長させ、（図３（Ｃ））に示すように多結晶シリコン
薄膜２０を得る。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^-4から１×１０^-8Ｐａの高真空雰囲気でアニー
ルを行ってもよい。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。しかし
ながら、このままでは、結晶粒界には多くのダングリン
グボンド等が存在するため、粒界障壁が高く、優れたト
ランジスタ性能が望めないので、ＬＰ−ＣＶＤ装置反応
炉内に水素を導入し、基板温度２００℃〜４００℃で高
周波放電を行い、水素プラズマを立てることにより、多
結晶シリコンの粒界のダングリングボンド等をターミネ
イトし、（図３（Ｄ））に示すように、水素化された多
結晶シリコン薄膜２１を得る。高周波放電のため反応炉
にはあらかじめ、電極を設置しておく。電極にはロッド
状やメッシュ状のものが望ましい。本実施例ではゲート
絶縁層と非晶質シリコン層を連続形成しているが、非連
続形成しても、この水素プラズマによるターミネイショ
ンにより、絶縁層−半導体層界面のダングリングボンド
も補償される。

【００１９】次に、図３（Ｅ）に示すように、基板を反
応室から取り出し、通常のフォトリソグラフィー及びエ
ッチングにより、上述のようにして形成された多結晶シ
リコン薄膜を島状にパターニングする。

【００２０】最後に、（図３（Ｆ））に示すように、ソ
ース電極２２及びドレイン電極２３をＡｌ等の金属で形
成して薄膜トランジスタが形成される。ｎチャンネルの
場合にはオーミック特性を改善し、ホール伝導を抑制す
るため、半導体層とソースドレイン電極の間にリン等の
ドナーとなる元素をドープしたｎ⁺ 型シリコン層を介在
させてもよい。また、ｐチャンネルの場合にはオーミッ
ク特性の改善と電子伝導抑制のため、同様にｐ⁺型シリ
コン層を介在させてもよい。

【００２１】尚、上記実施例では、ゲート電極１６の材
料としてＣｒとしたが、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｉ
−Ｃｒ合金やこれらの金属の珪化物等、薄膜トランジス
タのゲート電極の材料として使用されるものならばいず
れも使用し得る。また、ゲート絶縁体層１７の材料とし
ては、窒化シリコン、酸化シリコンや金属酸化物なども
用いられる。

【００２２】さらに、ソース電極２２及びドレイン電極
２３の材料としては、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒやこれら
の金属の珪化物等が使用できる。更に、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｓｎ
Ｏ₂或はこれらの混合物等の透明導電材料も使用でき
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＬＰ−ＣＶＤ法による非晶質シリコン薄膜の成膜後、大
気中に取り出すことなくＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉の中
で連続的に３００℃〜４５０℃の熱処理を行い水素脱離
し、連続して５００℃〜７００℃の低温熱処理を行えば
固相成長して大粒径多結晶シリコン薄膜が得られる。大
気にさらされないため、膜中に酸素等の不純物が取り込
まれなくなるため、粒径は数μｍ〜数＋μｍの大きさま
で成長する。従って、従来は必要であったシリコンイオ
ン注入装置が不要で、かつ結晶性の優れたシリコン薄膜
を低コストで製造できる。しかも、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使用することができる。

【００２４】また、本発明によって得られた大粒径多結
晶シリコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作成する
と、優れた特性が得られる。従来に比べて、薄膜トラン
ジスタのＯＮ電流は増大しＯＦＦ電流は小さくなる。ま
た閾値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。

【００２５】非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トラ
ンジスタを作製することが可能となるので、ドライバ回
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、電源電圧の低域、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。特に、本発明をスイッチング素子とそのドライバ回
路を同一基板内に一体化した液晶ディスプレイに応用し
た場合には、高移動度の多結晶シリコンをスイッチング
素子に使用できるため素子面積を小さくすることが出来
るため、開口率を改善できると共に、ドライバを一体化
しているため、従来は必要であったドライバＩＣの実装
が不要となり、低コストで信頼性の高い高性能の液晶デ
ィスプレイが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における半導体薄膜の結晶成長方法の
実施例における各工程毎の概略断面図である。

【図２】本発明をコプレーナ型薄膜トランジスタの製
造方法に応用した場合の実施例における各製造工程毎の
概略断面図である。

【図３】本発明に基づく逆スタガ型薄膜トランジスタ
の製造方法の実施例における各製造工程毎の概略断面図
である。

【符号の説明】

１非晶質絶縁基板２非晶質シリコン薄膜３水素脱離された非晶質シリコン薄膜４多結晶シリコン薄膜５非晶質絶縁基板６固相成長により形成された大粒径多結晶シリコン薄
膜７ゲート絶縁層８ゲート電極９ソース領域１０ドレイン領域１１不純物イオンビーム１２層間絶縁層１３ソース電極１４ドレイン電極１５透光性基板１６ゲート電極１７ゲート絶縁層１８非晶質シリコン薄膜１９水素脱離された非晶質シリコン薄膜２０多結晶シリコン薄膜２１水素化された多結晶シリコン薄膜２２ソース電極２３ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川村哲也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者宮田豊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平２−103924（ＪＰ，Ａ) 特開平２−304938（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質絶縁基板または非晶質絶縁膜の上
に、Ｓｉ_nＨ_2n+2（ｎ＝１，２または３）を少なくとも
含む原料ガスを用いる低圧化学気相堆積法により非晶質
Ｓｉ半導体薄膜を堆積させる第一の工程と、３００℃〜
４５０℃の熱処理を行うことにより前記非晶質Ｓｉ半導
体薄膜中に含まれる水素を脱離させる第二の工程と、５
００℃〜７００℃の低温熱処理により前記水素を脱離さ
れた非晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させて結晶Ｓｉ半
導体薄膜を形成する第三の工程とを少なくとも有すると
ともに、前記第一と第二と第三の各工程を同一反応炉内
で大気中に取り出すことなく行うことを特徴とする結晶
半導体薄膜の形成方法。
【請求項２】透光性基板の上に、不透光性導電材料を
選択的に被着形成した第一の導電層を形成する工程と、
前記透光性基板の表面の露出面及び前記第一の導電層を
絶縁体層で覆う工程と、前記絶縁体層の上の特定領域を
半導体層で覆う工程と、前記半導体層と一部重なり合う
一対の第二の導電層を形成する工程とからなる薄膜トラ
ンジスタの製造方法において、前記半導体層の形成工程
が、Ｓｉ_nＨ_2n+2（ｎ＝１，２または３）を少なくとも
含む原料ガスを用いる低圧化学気相堆積法により非晶質
Ｓｉ半導体薄膜を堆積させる第一の工程と、３００℃〜
４５０℃の熱処理を行うことにより前記非晶質Ｓｉ半導
体薄膜中に含まれる水素を脱離させる第二の工程と、５
００℃〜７００℃の低温熱処理により前記水素を脱離さ
れた非晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させて結晶Ｓｉ半
導体薄膜を形成する第三の工程と、水素プラズマにより
前記結晶Ｓｉ半導体薄膜を水素化する第四の工程とを少
なくとも有するとともに、前記第一と第二と第三と第四
の各工程を同一反応炉内で大気中に取り出すことなく行
うことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】半導体層の形成工程は、不純物を殆ど含
まない第一の半導体層と少なくとも不純物となるＰ、Ａ
ｓ、ＢおよびＡｌのうち少なくとも１種類の元素を含む
第二の半導体層を被着する工程と、第二の導電層を選択
的に被着形成後前記第二の半導体層の露出部及び前記第
一の半導体層の一部を選択的に除去する工程とを含むこ
とを特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタの製造
方法。