JP2994700B2

JP2994700B2 - 多結晶シリコン薄膜の製造方法及び半導体装置

Info

Publication number: JP2994700B2
Application number: JP2191539A
Authority: JP
Inventors: 景一佐野; 繁能口; 浩志岩多; 聡石田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JPH0476912A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、多結晶シリコン薄膜の製造方法及びその半
導体装置に関する。

（ロ）従来技術近年、薄膜太陽電池や液晶ディスプレイ用表示素子に
使われる薄膜半導体の研究開発が盛んに行われている。
この理由として、例えば薄膜半導体は、従来の単結晶半
導体と比較して、安価で透光性を有する絶縁性基板、所
謂ガラス基板上に容易に形成され、且つ大面積に形成さ
れ得ることなどの特徴を挙げることができる。

これまでの前記薄膜半導体の主流は、非晶質シリコン
膜であったが、最近では、該非晶質シリコン膜の物性に
起因したデバイス特性上の限界が問題となっていた。

そこで、前記非晶質シリコンに代替するものとして、
特に注目され始めた薄膜半導体が多結晶シリコン薄膜で
ある。それは、多結晶シリコン薄膜が、前記非晶質シリ
コン膜と比較して、物性面で優れた特性を有しているた
めである。

多結晶シリコン薄膜の形成方法として、いくつかの成
膜方法が開発されている。

その形成方法は、プロセスの特徴によって２つに大別
される。第１は、比較的古くから開発された直接形成法
で、LPCVD法やAPCVD法によって、高温で初期から多結晶
シリコンを直接形成するものである。

第２は、固相成長法と称されるもので、この方法はプ
ラズマCVD法やスパッタ法などを用いて形成された非晶
質シリコン膜を高温でアニールすることによって多結晶
化し、多結晶シリコン薄膜を得るものである。この方法
は前記非晶質シリコン膜全体をアニールするために部分
的な多結晶化は行えない。

第３の方法として、レーザアニール再結晶化法があ
る。この方法は、プラズマCVD法やスパッタ法などを用
いて形成された非晶質シリコン膜をレーザなどの高エネ
ルギー線で局所的にアニールすることによって多結晶化
し、多結晶シリコン薄膜を得るものである。前述の固相
成長法でのアニール方法がヒータなどの加熱によるもの
であったのに対して、当該レーザアニール再結晶化法は
レーザ光などを用いるために局所的な高温アニールが可
能である。

また、最近、応用物理学会予稿集1990年第２巻552頁2
8a−SB−16「固相成長法による太陽電池用薄膜多結晶シ
リコンの高品質化」に記載されているような“Partial
doping法”と称する第４の方法が開発されている。この
方法は、絶縁性基板上にドーピング層とノン・ドーピン
グ層を積層形成した状態でアニールすると、極めて低温
で良質な多結晶シリコン薄膜が得られるというものであ
る。

従来のこれら多結晶シリコン薄膜を用いた半導体装
置、例えば薄膜トランジスタは、主に前記直接形成法に
よって形成された多結晶シリコンを用いて製造されてい
る。

（ハ）発明が解決しようとする課題前述した多結晶シリコン薄膜形成法では、それぞれに
おいて幾つかの問題を有している。

具体的には前記直接形成法や前記固相成長法では、プ
ロセス途中に基板全体にわたって高温でのアニールを必
要とするため前述した安価な絶縁性基板を使用できな
い。例えば、従来汎用の安価な無アルカリ・ガラスであ
るコーニング社製「7059」ガラスでも、その歪点が593
℃であるため、これ以上の温度では、使用できない。

また、前記レーザアニール再結晶化法では、基板全体
にわたるアニールではないために安価な絶縁性基板が使
用できるもののレーザなどの光源の安定性が未だ不十分
であるため再現性の良い多結晶シリコン薄膜が得られな
い。

さらにまた一般に前記レーザアニール再結晶化法で
は、試料の非晶質シリコン膜の表面にキャッピングと称
する酸化膜を形成する必要がある。この目的はレーザに
よって溶融された非晶質シリコン膜による溶融物の飛翔
を防止することと、当該溶融物が硬化する際の表面の平
坦化を促すためのものである。このために前記酸化膜は
レーザによるアニール時に不純物汚染が発生しないよう
に十分清浄な膜質を要求された。

また、前記“Partial doping法”では、低温によって
多結晶シリコン薄膜を得ることができるものの、構成材
料にドーピング層を必要とするためにたとえ低温でアニ
ールしても僅かであるが前記ドーピング層からノン・ド
ーピング層にドナーやアクセプタとなっている不純物の
拡散が生じ、真性半導体としての多結晶シリコン薄膜、
即ち真性多結晶シリコン薄膜は得られなかった。

このような従来法による問題点を解決するために、多
結晶シリコン薄膜の形成温度が低温で、かつ、半導体装
置への応用を容易にするために、得られる膜が前記真性
多結晶シリコン薄膜であることが必要である。

本発明は、かかる課題に鑑み、低温で且つ真性多結晶
シリコン薄膜の製造方法を提供するとともに、当該多結
晶シリコン薄膜含む半導体装置を提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段本発明の多結晶シリコン薄膜の製造方法の特徴とする
ところは、スパッタ法によるシリコン酸化膜が重畳形成
された真性非晶質シリコン膜を窒素雰囲気中でアニール
することにより、前記真性非晶質シリコン膜を多結晶化
せしめるところにある。

また、前記アニールの温度が500〜600℃の温度範囲で
あることを特徴とする。

或いは、スパッタ法によるシリコン酸化膜が重畳形成
された真性非晶質シリコン膜を不活性ガス雰囲気中でア
ニールすることにより、前記真性非晶質シリコン膜を多
結晶化せしめることを特徴とする。

さらには、前記アニール時の雰囲気中に水素を添加す
ることを特徴とする。

さらに本発明の半導体装置の特徴とするところは、前
記多結晶シリコン薄膜によって形成されたところにあ
る。

（ホ）作用真性非晶質シリコン膜上にスパッタ法によるシリコン
酸化膜を形成し、この積層状態で、窒素雰囲気中でアニ
ールを行う。或いは不活性ガス雰囲気中でアニールを行
う。これにより、従来の高温を必要とした多結晶シリコ
ン薄膜と同等な膜質を有する多結晶シリコン薄膜を得る
ことが可能となる。

斯る現象のメカニズムについては、まだ十分解明され
ていないが、発明者等は、２つの原因を考えている。

第１の原因は、シリコン酸化膜がスパッタ法によって
成膜される際の、スパッタ粒子によって、当該非晶質シ
リコン膜の表面に与えられる衝撃力である。即ち、この
衝撃力によって、前記真性非晶質シリコン膜と前記シリ
コン酸化膜との界面に結晶核が低温で発生するようにな
ったと考えている。第２の原因は、シリコン酸化膜と真
性非晶質シリコン膜との重畳構造としたことによる、こ
れら膜間に内包する内部応力である。つまり、その内部
応力によって、前記結晶核が比較的低温で生じることと
なったと考えている。

（ヘ）実施例以下に本発明を実施例によって詳細に説明する。第１
図は本発明製造方法を説明するための多結晶シリコン薄
膜製造工程断面図である。

まず、第１図（ａ）に示す工程として、絶縁性基板
（１）上にプラズマガス分解法や、減圧CVD法、常圧CVD
法、真空蒸着法、スパッタ法さらにはECR（電子サイク
ロトロン共鳴）法などによって成膜された真性非晶質シ
リコン膜（２）を形成する。さらに本発明製造方法の特
徴であるスパッタ法によってシリコン酸化膜（３）を形
成する。非晶質シリコン膜（２）は、前記各形成方法に
おける従来成膜条件と同様のものである。例えばプラズ
マガス分解法による真性非晶質シリコン膜形成の場合で
は、反応ガスとしてSiH₄（シラン）ガスなどのシリコン
化合物を使用し、形成温度としては50〜550℃とし、膜
厚としては数μｍ以下で行った。さらに、シリコン酸化
膜（３）の代表的な形成条件としては、スパッタ用ター
ゲットにシリコン酸化物を用い、スパッタ用ガスとして
は例えばアルゴンや窒素ガスなどの不活性ガスを使用す
るとともに酸素ガスを５〜40％添加した。さらにスパッ
タ時の真空度を1mTorr〜1Torr,放電電力を50〜400W,基
板温度を200〜300℃で行った。シリコン酸化膜の膜厚
は、数100Å〜5000Åである。特にスパッタ法として、
磁界によるスパッタ効果の増大を計ったマグネトロン型
スパッタ法を使用してもよい。

同図（ｂ）及び（ｃ）は、同図（ａ）の工程後に窒素
雰囲気中520℃でアニールした場合の時間経過による膜
中の多結晶化状態の変化を示している。同図（ｂ）は、
アニール後30分経過した状態を示し、真性非晶質シリコ
ン膜（２）とシリコン酸化膜（３）との界面に結晶核
（４）が発生する。

さらに同図（ｃ）は前記アニールが２時間経過した状
態を示しており、結晶核（４）を起点として多結晶粒
（５）が成長する。真性非晶質シリコン膜（２）が十分
に多結晶化するためのアニール時間は、一般に真性非晶
質シリコン膜（２）の膜厚の増加とともに長くなる。

又、本発明の製造方法によれば、前記アニール温度を
600℃以下とすることで十分良好な多結晶シリコン薄膜
が形成された。当該アニール温度として好適には、500
〜600℃の温度範囲にあり、最適には、500〜550℃の範
囲にある。

実施例によって得られた多結晶シリコン薄膜では、そ
の多結晶粒径が１〜数μｍと極めて大きいものであっ
た。

アニール時の雰囲気は、実施例の窒素に限るものでは
なく、アルゴンなどの他の不活性ガスを使用してもよ
い。さらに当該雰囲気ガスに水素などを添加することに
よって、多結晶シリコン薄膜の形成時に該多結晶シリコ
ン膜中の未結合手を補償することができる。

次に本発明製造方法による多結晶シリコン薄膜によっ
て形成された半導体装置について説明する。

第２図は、薄膜トランジスタの製造工程を説明するた
めの工程断面図で、工程順に示している。

同図（ａ）は、絶縁性基板（10）上に非晶質シリコン
膜（11）とシリコン酸化膜（12）を重畳形成したところ
を示している。これら膜の形成方法は、先の第１図で説
明したものと同様である。次に同図（ｂ）に示すように
550℃で３時間アニールすることによって、非晶質シリ
コン（11）を多結晶シリコン（13）に固相成長した後、
薄膜トランジスタとすべき部分のみを残してパターニン
グする。当該アニール時の雰囲気ガスは窒素である。

同図（ｃ）は、シリコン酸化膜（12）を除去した工程
を示している。次に同図（ｄ）は、ゲート用シリコン酸
化膜（14）とゲート用多結晶シリコン（15）を形成した
後に、それぞれのパターニングを行い且つソース（1
6），ドレイン（17）の多結晶シリコン及びゲート用多
結晶シリコン（15）にイオン注入を行いドーピングを行
った工程を示している。当該工程は、従来の薄膜トラン
ジスタと同様である。

次に、同図（ｅ）に示すようにパッシベーション用シ
リコン酸化膜（18）を常圧CVD法などによって形成す
る。そして同図（ｆ）に示すようにコンタクト部上のパ
ッシベーション用シリコン酸化膜（18）をエッチング除
去し、最後に同図（ｇ）で示されるようにソース，ドレ
イン用電極（19）を形成する。

本実施例の薄膜トランジスタでは、その電子移動度が
150cm²/V・ｓ以上と極めて良好であった。

尚、本発明製造方法によれば前述の“Partial doping
法”の場合と異なり、多結晶シリコン薄膜の製造とし
て、ドーピング層を必要としないために真性多結晶シリ
コン薄膜を得ることができる。

（ト）発明の効果本発明製造方法によれば従来の多結晶シリコン薄膜製
造方法と比較して低温で、高品質な真性多結晶シリコン
薄膜を得ることが可能である。

また、製造された多結晶シリコン薄膜の多結晶粒は数
μｍと大きい。

さらに、本発明の半導体装置によれは、電子移動度の
大きな良好な特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明製造方法を説明するための多結晶シリコ
ン薄膜製造工程断面図、第２図は本発明半導体装置の製
造工程断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田聡大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開昭63−92012（ＪＰ，Ａ) 特開平１−241862（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−36855（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−254467（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】スパッタ法によるシリコン酸化膜が重畳形
成された真性非晶質シリコン膜を窒素雰囲気中でアニー
ルすることにより、前記真性非晶質シリコン膜を多結晶
化せしめることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造
方法。
【請求項２】前記アニールの温度が500〜600℃の温度範
囲であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法。
【請求項３】スパッタ法によるシリコン酸化膜が重畳形
成された真性非晶質シリコン膜を不活性ガス雰囲気中で
アニールすることにより、前記真性非晶質シリコン膜を
多結晶化せしめることを特徴とする多結晶シリコン薄膜
の製造方法。
【請求項４】前記アニール時の雰囲気中に水素を添加す
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項５】請求項第１項乃至第４項のいずれかに記載
の方法により形成された多結晶シリコン薄膜を含むこと
を特徴とする半導体装置。