JP3331999B2 - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の製造
方法に係わり、特に、均一でしかも結晶粒子の粒径が大
きい半導体薄膜の製造を可能にした半導体薄膜の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、poly−Si薄膜トランジスタ
により、安価なガラス基板上に駆動回路を備えた液晶表
示装置を形成することが可能となっている。poly−
Si薄膜の形成法としては、プロセス温度の低温化およ
び高スループット化の観点から、エキシマレーザ光を照
射することにより非晶質ケイ素薄膜(a−Si薄膜)を
結晶化させてpoly−Si薄膜を得るエキシマレーザ
結晶化法が用いられている。
【0003】エキシマレーザ結晶化法は、均一性が得ら
れないという欠点があり、この問題を回避するために、
例えば、特許第2776276号公報に開示されている
ように、a−Si薄膜上にキャップ膜としてSiO2
膜を堆積してレーザ結晶化を行うキャップアニール法に
より、poly−Si薄膜表面を平坦化する技術が開発
されている。ところがキャップアニール法では、キャッ
プ膜/a−Si薄膜界面が結晶化時の核発生サイトとな
るため、得られる結晶粒の大きさが制限されてしまうと
いう問題がある。そのためpoly−Si薄膜トランジ
スタ(TFT)の電界効果移動度が100cm2 /Vs
程度に留まり、液晶表示装置等は実現できても、DRA
M等の高周波数駆動の高集積回路の実現は不可能であっ
た。
【0004】poly−Si薄膜形成技術としては、こ
の他に、例えば特開平6−267988号公報及び特開
平8−69967号公報に開示されているように、触媒
元素を用いてa−Si薄膜の結晶化を助長する技術が知
られている。しかしながら、触媒元素を用いた場合、p
oly−Si薄膜中に触媒元素が残存するため、例え
ば、特開平10−233363号公報に開示されている
ように、熱処理等の特殊な触媒元素除去工程が必要であ
った。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、工程を増やすこと
なく、均一でしかも結晶粒子の粒径の大きな半導体薄膜
を得ることを可能にした新規な半導体薄膜の製造方法を
提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】 本発明は上記した目的
を達成するため、基本的には、以下に記載されたような
技術構成を採用するものである。 即ち、本発明に係わ
る半導体薄膜の製造方法の第1態様は、絶縁基板上に非
単結晶薄膜半導体と触媒元素を含むキャップ膜を順に形
成し、このキャップ膜上からエキシマレーザ光を照射し
た後、前記キャップ膜をハロゲンを含むガスによるドラ
イエッチ法で除去すると共に、前記触媒元素を除去する
ことを特徴とするものであり、又、第2態様は、絶縁基
板上に非単結晶薄膜半導体と触媒元素を含むキャップ膜
を順に形成し、このキャップ膜上からエキシマレーザ光
を照射した後、前記キャップ膜をフッ酸洗浄およびRC
A洗浄により除去すると共に、前記触媒元素を除去する
ことを特徴とするものであり、又、第3態様は前記キャ
ップに前記非単結晶薄膜半導体の結晶化を助長せしめ
るための触媒元素添加し、その後、エキシマレーザ光を
照射することを特徴とするものであり、又、第態様
は、前記キャップは、スパッタ法又はホットワイヤー
CVD法で成膜することを特徴とするものであり、又、
態様は、前記キャップの膜厚は、少なくとも10
0Åの膜厚であることを特徴とするものであり、又、第
態様は、前記触媒元素が、Ni、Pt、Pd、Co、
Fe、Cu、Au、Ag、Crの内の一種又は複数種類
の元素であることを特徴とするものであり、又、第
様は、前記キャップは、シリコン酸化膜であることを
特徴とするものである。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明に係わる半導体薄膜の製造
方法は、エキシマレーザ結晶化法を用い、透光性絶縁膜
(キャップ膜)越しにa−Si薄膜にレーザ照射してp
oly−Si薄膜を得るキャップアニール法において、
キャップ膜中にa−Siの結晶化を助長する触媒元素を
添加することにより、得られるpoly−Si薄膜の粒
径を拡大したことにある。キャップ膜を用いることによ
り、a−Si膜中に深く触媒元素が混入することがな
い。a−Si膜中に浅く混入された触媒元素は、レーザ
アニール後にpoly−Si/キャップ膜界面に析出す
る。従って、キャップ膜の除去と同時に触媒元素も除去
されるため、新たな触媒元素除去工程が不用であり、p
oly−Si膜中に触媒元素が残存することがない。
【0008】図1に、本発明による断面図を示す。ガラ
ス基板1上のa−Si薄膜2上にSiO2 薄膜5を形成
する。このSiO2 薄膜5にはa−Siの結晶化を助長
する触媒元素(Ni、Pt、Pd、Co、Fe、Cu、
Au、Ag等)が添加されている。SiO2 薄膜5上よ
りエキシマレーザ光を用いてa−Si薄膜2をレーザ結
晶化する。キャップ膜5中に添加された触媒元素によ
り、Siの結晶化が助長され、大粒径を有するpoly
−Si薄膜4が形成される。また、この時、キャップ膜
5によりpoly−Si薄膜4表面は平坦化される。次
にキャップ膜5を除去するが、この時、同時に触媒元素
も除去される。
【0009】従って、工程数を増やすことなく平坦性に
優れ、大粒径を有するpoly−Si薄膜が形成でき、
その結果、高均一で高移動度を有するpoly−Si薄
膜トランジスタ素子が実現可能となる。
【0010】
【実施例】以下に、本発明に係わる半導体薄膜の製造方
法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。 (第1の具体例)図2は、本発明に係わる半導体薄膜の
製造方法の具体例の構造を示す図であって、この図2に
は、絶縁基板1上に非単結晶薄膜半導体2と触媒元素を
含むキャップ膜5を順に形成し、このキャップ膜5上か
らエキシマレーザ光8を照射した後、前記キャップ膜5
の除去を行うことを特徴とする半導体薄膜の製造方法が
示されている。
【0011】以下に、本発明を更に詳細に説明する。カ
バー膜としてSiO2 薄膜が膜厚2000Åとなるよう
にプラズマ化学気相堆積(PECVD)法により成膜さ
れているガラス基板1上にa−Si薄膜2を成膜した。
成膜法としては、減圧化学気相堆積(LPCVD)法、
PECVD法、スパッタ法などが有るが、ここでは膜中
にガスを含まないLPCVD法を用いた。a−Si薄膜
2の膜厚は500Åとした。次に、LPCVD法により
キャップ膜5となるSiO2 膜を成膜した。ここでは、
キャップ膜5中には特に触媒元素は含まれていない。膜
厚は、レーザアニール時の平坦化効果を生む必要最小限
度の100Åとした。
【0012】次に、イオン注入法を用いてキャップ膜5
にNiイオンを注入して触媒元素を含むキャップ膜5を
形成した。イオン注入の加速電圧は10keVとした。
このときの触媒元素を含むキャップ膜5のa−Si薄膜
界面近傍に含まれるNiイオン濃度は8×1017cm-3
となった。イオン濃度は、キャップ膜厚、加速電圧、注
入量などで制御可能である。また、イオン濃度制御のた
め、キャップ膜5上にレジストを塗っても良い。
【0013】次に触媒元素を含むキャップ膜上からXe
Clレーザをスキャン照射した。照射エネルギーは45
0mJ/cm2 でビーム重ね率は90%とした。レーザ
照射によるSiの溶融・再結晶化において、キャップ膜
界面付近は高応力化にあり、そのためSi液相から吐き
出された不純物が凝集しやすい。特に、SiO2 とN
i、Fe、Crなどの組み合わせで、この凝集作用は顕
著であった。形成されたpoly−Si薄膜4の平均粒
径は約430nmであり、膜厚方向に成長しきった柱結
晶が形成された。また、このときのAFMで評価した表
面凹凸は6.8nmであった。一方、図4に示した従来
法でキャップアニールを行った場合、平坦性は同程度な
がら、平均粒径が50nm程度の2層化した細かなpo
ly−Si組織となった。次に、バッファードフッ酸洗
浄、RCA洗浄(H2 2 /HCl)、希フッ酸洗浄を
順に行い、触媒元素を含むキャップ膜5を除去した。こ
の時、同時に触媒元素も除去された。このようにして作
成したpoly−Si薄膜を用いて薄膜トランジスタを
作成したところ、電界効果移動度が360cm2 /Vs
で、バラツキが5%以内の高移動度且つ高均一特性が実
現された。
【0014】キャップ膜除去の際にRCA洗浄を用いず
にバッファードフッ酸洗浄のみ行った場合は、TFT特
性上に不純物元素の影響によるリーク電流の著しい増大
が観察された。従って、poly−Si/キャップ膜界
面に析出している触媒元素の完全な除去にはRCA洗浄
が必要である。しかしながら触媒元素の除去にあたり、
スループットの顕著な低下を引き起こす加熱処理は不必
要であった。
【0015】(第2の具体例)ガラス基板上にカバー膜
としてSiN膜をPECVD法により1000Å、及び
LPCVD法によりa−Si膜を750Åを順に成膜し
た。次に、RFスパッタ法によりSiO2 膜を1100
Å成膜した。このとき、SiO2 膜中にスパッタ室のチ
ャンバ材質であるステンレス構成元素が不純物として混
入された。この時、Feが6×1017cm-3、Crが9
×1016cm-3であった。
【0016】次に、KrFレーザを、上記のFe、Cr
の触媒元素を含むキャップ膜上より照射してpoly−
Si薄膜を形成した。ここで照射強度を480mJ/c
2、ビーム重ね率を95%とした。poly−Si薄
膜の平均結晶粒径及び表面凹凸は、夫々、390nm及
び5.4nmであった。次に、ドライエッチング法を用
いてキャップ膜を除去した。ドライエッチ条件としては
CF4 ガス流量40sccm、O2 ガス流量10scc
m、圧力6Pa、放電出力500Wとした。以上の方法
により作成したpoly−Si薄膜を用いて薄膜トラン
ジスタを作成したところ、電界効果移動度が310cm
2 /Vsでバラツキが5%以内の高移動度且つ高均一特
性が実現された。ドライエッチガスにハロゲンが含まれ
ているため、触媒元素の除去能力が高く、キャップ膜の
除去と同時に界面近傍の触媒元素までもが除去可能であ
った。
【0017】(第3の具体例)本発明の第3の具体例を
図3を用いて説明する。ガラス基板上にSiO2 膜をP
ECVD法により1000Å成膜した後に、a−Si膜
を500Å成膜した。400度のアニールを30分施
し、a−Si膜の脱水素処理を行った。次に、図3に示
すようなホットワイヤーCVD法によりSiO2 膜を5
00Å成膜した。ワイヤー7としてはPtワイヤーを用
い、ワイヤー温度1100度、基板ワイヤー間距離20
mm、シランガス流量20sccm、N2 Oガス流量4
00sccm、Heガス流量100sccm、基板温度
350度とした。このとき、SiO2 膜中にPtが不純
物として混入され、その濃度は1×1018cm-3であっ
た。
【0018】次に、上記Ptの触媒元素を含むキャップ
膜上からXeClレーザをスキャン照射した。照射エネ
ルギーは330mJ/cm2 でビーム重ね率は90%と
した。poly−Si薄膜の平均結晶粒径及び表面凹凸
は、夫々、680nm及び6.1nmであった。次に第
2の具体例と同条件のドライエッチ法を用いてキャップ
膜を除去した。
【0019】なお、触媒元素としては、Ni、Pt、P
d、Co、Fe、Cu、Au、Agの内の一種又は複数
種類の元素であれば良い。
【0020】
【発明の効果】本発明に係わる半導体薄膜の製造方法
は、上述のように構成したので、工程数を増やすことな
く平坦性に優れ、大粒径を有するpoly−Si薄膜を
形成でき、その結果、高均一で高移動度を有するpol
y−Si薄膜トランジスタ素子の実現が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる半導体薄膜の製造方法の実施の
形態を示す図である。
【図2】第1の具体例の各工程を示す断面図である。
【図3】第3の具体例の各工程を示す断面図である。
【図4】第1の具体例の効果を説明するための、従来の
技術を説明する図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 a−Si薄膜 4 poly−Si薄膜 5 キャップ層 8 エキシマレーザ光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI B01J 23/70 B01J 23/70 M 23/755 23/86 M 23/86 23/89 M 23/89 23/74 321M H01L 21/336 H01L 29/78 627G 29/786 (56)参考文献 特開 平7−307286(JP,A) 特開 平7−162004(JP,A) 特開 平5−21339(JP,A) 特開 平11−67663(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上に非単結晶薄膜半導体と触媒
    元素を含むキャップ膜を順に形成し、このキャップ膜上
    からエキシマレーザ光を照射した後、前記キャップ膜を
    ハロゲンを含むガスによるドライエッチ法で除去すると
    共に、前記触媒元素を除去することを特徴とする半導体
    薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 絶縁基板上に非単結晶薄膜半導体と触媒
    元素を含むキャップ膜を順に形成し、このキャップ膜上
    からエキシマレーザ光を照射した後、前記キャップ膜を
    フッ酸洗浄およびRCA洗浄により除去すると共に、前
    記触媒元素を除去することを特徴とする半導体薄膜の製
    造方法。
  3. 【請求項3】 前記キャップに前記非単結晶薄膜半導
    体の結晶化を助長せしめるための触媒元素添加し、その
    後、エキシマレーザ光を照射することを特徴とする請求
    項1又は2記載の半導体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記キャップは、スパッタ法又はホッ
    トワイヤーCVD法で成膜することを特徴とする請求項
    乃至3記載の半導体薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記キャップの膜厚は、少なくとも1
    00Åの膜厚であることを特徴とする請求項1乃至
    何れかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記触媒元素が、Ni、Pt、Pd、C
    o、Fe、Cu、Au、Ag、Crの内の一種又は複数
    種類の元素であることを特徴とする請求項1乃至の何
    れかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記キャップは、シリコン酸化膜であ
    ることを特徴とする請求項1乃至の何れかに記載の半
    導体薄膜の製造方法。
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