JP3110133B2 - 半導体装置用ガラス基板の製造方法 - Google Patents

半導体装置用ガラス基板の製造方法

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JP3110133B2
JP3110133B2 JP04054321A JP5432192A JP3110133B2 JP 3110133 B2 JP3110133 B2 JP 3110133B2 JP 04054321 A JP04054321 A JP 04054321A JP 5432192 A JP5432192 A JP 5432192A JP 3110133 B2 JP3110133 B2 JP 3110133B2
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glass
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  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の利用分野】本発明は、その製造工程中において
高温工程を必要とする半導体装置用のガラス基板を製造
する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体装置用のガラス基板として
は、半導体装置作製の際に必要とされる300度〜60
0度の温度状況下において熱膨張係数がほぼゼロになる
結晶化ガラスが用いられていた。
【0003】この結晶化ガラスとは、ガラスを加熱処理
し結晶核生成と結晶成長を予め前処理として行ない、ガ
ラス内部に結晶を析出したものであり、この結晶の析出
をコントロールすることによって熱膨張係数をコントロ
ールし熱衝撃に耐えるガラスを作ることができる。
【0004】一般にガラスを加熱すると膨張する。これ
はガラスが一般に正の熱膨張係数を有しているからであ
る。しかし、ガラスを構成している成分の中から負の熱
膨張係数を有する結晶成分を析出させることによってあ
る温度におけるガラス全体の熱膨張係数をプラスマイナ
スゼロにすることができる。
【0005】液晶表示装置やイメージセンサのようにガ
ラス基板上に直接、薄膜トランジスタ等の半導体装置を
形成しこれを利用する製品がよく知られている。しかし
これら半導体装置の作製には600度以上の温度が必要
でありこの高温度工程を経ることによってガラス基板が
縮んでしまうという問題があった。
【0006】このガラス基板が縮むとは、ガラス基板を
加熱し冷却するとガラス基板が加熱前の寸法よりも縮ん
でしまうという現象である。この現象は繰り返し起き、
一度加熱処理を受け基板寸法が縮んだ後であっても、再
度の加熱処理により、さらに寸法が縮んでしまう。即
ち、ガラス基板は加熱中には一般に膨張するが、ヒステ
リシスを有しておりもとの大きさより小さく縮んでしま
うのである。ただし、その縮みの程度は加熱処理を繰り
返してゆくに従い少なくなってゆく。
【0007】ガラス基板が加熱工程中において膨張して
しまう問題は、前述の結晶化ガラスを用いれば解決する
ことができる。例えばこの熱膨張係数をコントロールし
たガラスとして耐熱ガラスが実用化されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】一方、ガラス基板が縮
んでしまう問題は、マスク合わせを多用する絶縁ゲイト
型電界効果トランジスタ(TFT)等の半導体装置の作
製においてマスク合わせを困難にしてしまう原因となっ
ていた。すなわち、TFTの作製工程においては、多数
枚のフォトマスクを通常は使用する。このマスクは工程
毎に異なるパターン形状をとっているが、すべての工程
を終えた後は一つのTFTを構成するように設計されて
いる。当然ながら、その寸法は全てのマスクにおいて同
一の寸法基準によって作製されている。このようなマス
クを使用してTFT作製する際に、その工程上で基板を
加熱処理する工程が少なくとも一度は必要となる。その
ためこの基板加熱する工程の前後で基板が縮むため、同
一の寸法基準で作製されたマスクを使用すると、パター
ンが一致しない部分が発生することになる。
【0009】このガラス基板の加熱工程における縮みの
問題を解決する問題としては、ガラス基板を予め加熱処
理し縮ましておく方法がある。 この方法を用いること
によってガラス基板の縮みの問題はある程度低減するこ
とができる。これは、加熱によるガラス基板の縮みは、
ガラス基板中に存在している非晶質成分が加熱により結
晶化し、その結果体積が減少するという現象として現れ
るためである。即ち、予めガラス中の非晶質成分を結晶
化させることによって、ガラス基板が実際に使われる場
合に加えられる熱で結晶化する成分を極力なくしておく
のである。
【0010】しかしながら、この事前の加熱処理で基板
を事前に縮ませることは、前述のように完全にその縮み
をとめることができないため、限界があった。特に最近
の流行であるアクティブ型の大面積液晶表示装置やA4
あるいはB4サイズの密着型のイメージセンサの場合に
は、その必要とされる基板の寸法が非常に大きく、この
ガラス基板の縮みをかなり低減させる必要性があり、一
度や二度の事前の加熱処理では、有効な解決手段とはな
らなかった。
【0011】また、結晶性を有するシリコン半導体被膜
を用いた半導体装置を作製しようとする場合には、ガラ
ス基板上で非晶質シリコンを加熱により熱結晶化させる
工程が必要であり、この場合シリコン半導体被膜の縮み
方とガラス基板の縮み方の違いによって結晶性を有する
シリコンの膜に不要な応力が加わってしまったり、結晶
性シリコンにクラックが入ってしまったりする問題があ
った。
【0012】本発明は、ガラス基板が加熱工程において
不要に縮んでしまう問題と、ガラス基板の縮み方とシリ
コンが結晶化する場合の縮み方の違いに起因する結晶性
シリコンに発生する応力の問題を解決することを課題と
する。
【0013】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明では、
溶融したガラス材料中にリチウムを4重量%以上添加す
る。さらにまた、このリチウムが添加されたガラス基板
を前記ガラス基板が使用される最高温度以下の温度で熱
アニールすることにより、がらす基板の縮み量を極力少
なくしたことを特徴とする。
【0014】くわえて、このガラス基板上に非晶質状態
の酸化珪素膜を成膜し、この酸化珪素膜が成膜されたガ
ラス基板を該ガラス基板が使用される最高温度以下の温
度で熱アニールすることを特徴とする半導体装置用ガラ
ス基板の製造方法である。さらにまた、この基板に添加
された、リチウムが基板上の半導体被膜に拡散すること
を防止するために、このガラス基板上に厚さ1000Å
を最高の厚さとする窒化珪素膜を形成する。
【0015】本発明の構成におけるリチウムが4重量%
以上添加されたガラス基板の作製方法とは、ガラス基板
を溶融したガラス材料から作製する際に材料中にLi
COを添加することによりガラスを作製することによ
って得ることができる。
【0016】ガラス基板を作製する方法としては、周知
のロールアウト法やダウンドロー法、フュージョン法、
フロート法を用いることができるが、本発明の構成は、
ガラス材料と、出来上がったガラス基板を処理し半導体
装置の基板用のガラス基板を作製する方法に関するもの
であるので、ガラス基板の製造方法は何ら限定されるも
のではない。
【0017】ガラス材料中にリチウム(Li)を4重量
%以上混入させるのは、リチウムの量によりガラス基板
の加熱工程における縮み量がコントロールできるという
作用を利用するためである。
【0018】リチウムが4重量%以上添加されたガラス
材料を用いたガラス基板を使用最高温度以下で熱アニー
ルするのは、この熱アニールによってガラス基板中の非
晶質成分をある程度結晶化させることによって、後の加
熱工程においてガラス基板中の非晶質成分が結晶化し、
そのことによってガラス基板が縮んでしまうことを防ぐ
ためである。
【0019】もちろんガラス基板が使用される最高温度
以上の温度で熱アニールしてもよいことはいうまでもな
い。
【0020】ガラス基板上に作製される半導体装置とし
ては、TFTが知られているが、例えば結晶性シリコン
を使用したTFTを作製しようとする場合、一般には6
00度以上の高温が必要とされている。
【0021】しかしながらガラスの歪み点以上の温度で
加熱処理を行なうのは、ガラスの変形を招くので好まし
くない。
【0022】リチウムが4重量%以上添加され、さらに
酸化珪素膜が成膜されたガラス基板上をこのガラス基板
が使用される最高温度以下の温度で熱アニールするの
は、上記ガラス基板の加熱工程時における縮みの問題を
解決するのに加えて、ガラス基板の縮みと基板上に形成
される結晶シリコンとの間に発生する応力を緩和するた
めである。
【0023】一般にガラス基板上に直接半導体装置を形
成すると、ガラス基板からのナトリウム等の不純物がし
みだし、半導体の特性に悪影響を与えてしまうことが知
られている。この問題を防止するためにガラス基板上に
下地保護膜として酸化珪素膜や窒化珪素膜を1000〜
3000Å程度成膜することにより、いわゆるバリアー
層を形成する方法がある。
【0024】また、この下地保護膜としてガラス基板上
に酸化珪素膜を形成し、この酸化珪素膜上に非晶質シリ
コン半導体層を形成し、この積層を熱アニールすること
により結晶性シリコンを得ると、ガラス基板上に直接非
晶質シリコンを形成した場合に比較して、シリコンの結
晶化の際にシリコンにクラックが入る確率が非常に小さ
くなるという実験事実がある。
【0025】これは、酸化珪素膜がガラス基板と結晶性
シリコン層との間に生じる応力を緩和するためであると
考えられる。この酸化珪素膜の作製法としては、マグネ
トロン型RFスパッタ法を用いて酸素100%雰囲気中
において成膜されたものがよい。
【0026】また、このバリアー層の効果としては、窒
化珪素膜が最もすぐれている。しかしながら、この窒化
珪素膜とリチウムが添加されたガラス基板との間も加熱
処理により、応力が発生し、窒化珪素膜が剥がれたり、
クラックがはいったりする。そのため、この窒化珪素膜
の膜の厚さは最大1000Åとし、それ以下の厚さ、特
に500Å以下とすることがよかった。また、必要にお
うじて、この窒化珪素膜と酸化珪素膜とを複数積層し、
バリアー機能および基板と半導体膜との応力緩和の機能
を持つ下地保護鵜層とすることも非常に有効であった。
【0027】本発明の構成において、リチウムが4重量
体積%以上添加されたガラス基板上に酸化珪素膜を成膜
したものを熱アニールするのは、以上の理由による。ガ
ラス基板を熱アニールしてから酸化珪素膜を成膜する方
法もあるが、下地保護膜であるガラス基板上の酸化珪素
膜も前処理として熱アニールした方が、応力緩和層とし
ての機能を果たすことができる。
【0028】
【実施例】〔実施例1〕 本実施例は、ガラス基板を構成するガラス材料中にリチ
ウムを4重量%以上添加することの根拠を説明する。
【0029】図1にはガラス材料中のリチウム(Li)
の量(重量%)とそのガラス基板が600度の温度工程
を経ることによる縮み(ppm)との関係を示したもの
である。このグラフによれば、ガラス材料中のリチウム
の量が4重量%以上場合にガラス基板の縮みが30pp
m以下になるということがわかる。
【0030】10cm角の基板において30ppm基板
が縮むと3μmの縮みであり、液晶表示装置やイメージ
センサに用いられるTFTのチャネル長が5μm程度で
あることを考えればこの値は最低レベルにある実用範囲
と考えられる。
【0031】〔実施例2〕 本実施例では、リチウムを5%添加して、その縮み量が
21ppmとなったガラス基板を使用する。この基板上
に、減圧CVD法にて、SiH気体と窒素気体とを約
400℃の温度にて熱分解反応させ、ガラス基板上に5
00Åの窒化珪素膜を形成した。この窒化珪素膜作製段
階で基板にたいして、一度目の加熱処理を同時に施すこ
とができ、さらに縮み量を減らすことができる。
【0032】さらにこの窒化珪素膜上に公知のスパッタ
リング法により、酸化珪素膜を2500Å堆積させる。
この後に、再度基板を450℃程度の温度にて、加熱処
理しこの基板上の窒化珪素膜および酸化珪素膜とを、バ
リアー機能と応力緩和機能の両方を持つ下地層として完
成させた。以上のようにして、半導体装置用のガラス基
板を作製した。
【0033】
【発明の効果】本発明の構成であるリチウムが4重量%
以上添加されたガラス材料を用いてガラス基板を作製
し、このガラス基板上に酸化珪素膜を形成し熱アニール
することによって、このガラス基板上に半導体装置を作
製する際の熱工程において、ガラスが縮むことがなく、
半導体を熱結晶化させた場合に半導体に働く応力を低減
させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はガラス材料中のリチウムの添加量とその
ガラス材料を用いたガラス基板に600度の温度を加え
た後に、冷却した場合における、このガラス基板の縮み
の関係を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03C 1/00 -14/00 H01L 29/786 H01L 31/04 G02F 1/1333

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融したガラス材料にリチウムを4重量%
    以上添加し、リチウム添加ガラス材料を用意し、 前記リチウム添加ガラス材料からガラス基板を形成し、 前記ガラス基板上に半導体装置を形成する前に、前記ガ
    ラス基板を熱アニールし、 前記ガラス基板上に前記半導体装置を形成することを特
    徴とする半導体装置用ガラス基板の製造方法。
  2. 【請求項2】前記熱アニールは、前記ガラス基板のガラ
    ス歪み点より低い温度で行われる請求項1に記載の半導
    体装置用ガラス基板の製造方法。
  3. 【請求項3】前記熱アニールの前に、更に前記ガラス基
    板上に酸化珪素膜、窒化珪素膜、あるいはこれらの積層
    膜を形成する請求項2に記載の半導体装置用ガラス基板
    の製造方法。
  4. 【請求項4】溶融したガラス材料にリチウムを4重量%
    以上添加し、リチウム添加ガラス材料を用意し、 前記リチウム添加ガラス材料からガラス基板を形成し、 前記ガラス基板上に窒化珪素膜を形成し、 前記窒化珪素膜上に酸化珪素膜を形成 前記窒化珪素膜および前記酸化珪素膜を含む前記ガラス
    基板を熱アニールすることを特徴とする半導体装置用ガ
    ラス基板の作製方法。
  5. 【請求項5】溶融したガラス材料にリチウムを4重量%
    以上添加し、リチウム添加ガラス材料を用意し、 前記リチウム添加ガラス材料からガラス基板を形成し、 前記ガラス基板上に窒化珪素膜を形成し、 前記窒化珪素膜上に酸化珪素膜を形成し、 前記窒化珪素膜および前記酸化珪素膜を含む前記ガラス
    基板を、前記ガラス基板のガラス歪み点より低い温度で
    熱アニールすることを特徴とする半導体装置用ガラス基
    板の作製方法。
  6. 【請求項6】前記窒化珪素膜は100nm以下である請
    求項3乃至5のいずれか一つに記載の半導体装置用ガラス
    基板の作製方法。
  7. 【請求項7】リチウムを4重量%以上含んだガラス基板
    を、前記ガラス基板のガラス歪み点より低い温度で熱ア
    ニールし、 前記ガラス基板上に半導体装置を形成することを特徴と
    する半導体装置用ガラス基板の製造方法。
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