JP3378260B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】[発明の目的] 【0002】 【産業上の利用分野】本発明は基板上に多結晶シリコン
を成膜した、液晶やファクシミリの駆動回路またはスイ
ッチング素子等に用いる薄膜トランジスタの製造方法に
関する。 【0003】 【従来の技術】多結晶シリコンを使用した薄膜トランジ
スタの開発が盛んに行われて、これを応用したイメージ
センサ(特開昭60-22881号公報)、感熱ヘッド(特開昭
62-181473 号公報)、液晶ディスプレイ等、様々な製品
が生み出されている。これらは、いずれも絶縁基板上に
多結晶シリコンを用いて薄膜トランジスタを形成し、駆
動回路もしくはスイッチング素子を構成しているもの
で、高速駆動が可能である等の利点を有している。 【0004】薄膜トランジスタの活性層として使用され
る多結晶シリコン膜は、次のような方法で石英もしくは
ガラス基板上に形成される。 【0005】低温で非晶質シリコンを成膜した後、熱
処理を施して結晶粒径を成長させることにより、移動度
等を向上させた多結晶シリコン膜を形成する。 【0006】多結晶シリコンを成膜しこれにシリコン
イオンを注入していったんアモルファス化した後、つい
でこの非晶質膜に熱処理を施して結晶粒径を成長させる
ことにより、移動度等を向上させた多結晶シリコン膜を
形成する。 【0007】また、多結晶シリコンの結晶粒の界面等に
存在すると考えられる未結合手を減少させ、移動度を高
めるために、上記、の技術を適用した膜に、さらに
水素プラズマアニール等の手法でシリコンの未結合手と
水素を結合させて電気的に安定させることが知られてい
る。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べたような非晶質シリコンを長時間の熱処理によって多
結晶化する方法では、最終的に形成される多結晶シリコ
ンの結晶粒径を均一で十分に大きなものにできないとい
う問題点があった。このようなことは非晶質膜自身の膜
質が結晶化後の粒径に大きく影響するものと考えられる
ものの、どのような非晶質シリコンがアニールによって
固相成長して結晶粒径の大きな多結晶シリコンとなる
か、いまだよく分かっていない。 【0009】本発明は上記従来の問題点を解消するため
なされたもので、アニールによって均一かつ大粒径の多
結晶シリコンとすることができる非晶質シリコンの膜質
を決定し、所定の膜質を有する非晶質シリコンを成膜す
ることにより、基板上に結晶粒径の大きな多結晶シリコ
ン膜を形成した高電子移動度の薄膜トランジスタを製造
することを目的とする。 【0010】[発明の構成] 【0011】 【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の薄膜
トランジスタの製造方法は、多結晶シリコン膜を基板上
に形成する第1の多結晶シリコン膜形成ステップと、前
記第1の多結晶シリコン膜形成ステップで形成された多
結晶シリコン膜にシリコンイオンを注入して、ラマンス
ペクトルのTOフォノンバンドのピーク波数が473c
-1〜490cm-1の範囲にありかつ該TOフォノンバ
ンドの半値幅が75cm-1下の非結晶シリコン膜を形
成する非結晶シリコン膜形成ステップと、前記非結晶シ
リコン膜形成ステップで形成された非結晶シリコン膜を
アニールして、結晶粒径1μm以上の結晶粒を含む多結
晶シリコン膜を形成する第2の多結晶シリコン膜形成ス
テップと、を具備することを特徴とする。 【0012】 【作用】非晶質シリコン膜をアニールして多結晶シリコ
ン膜とする過程において、まず非晶質シリコン膜中に結
晶核が発生し、これら結晶核が結晶成長して非晶質シリ
コン膜が多結晶シリコン膜となる。したがって、非晶質
シリコン膜中における結晶核の発生と、これら結晶核の
結晶成長とをうまくバランスさせることが均一かつ大粒
径の多結晶シリコン膜を得るために必要となってくる。 【0013】本発明者等は種々の実験から、出発材料で
ある非晶質シリコン膜の性質が結晶核の発生と結晶成長
とに大きく影響していることを見出見出だした。そし
て、本発明者等は出発材料である非晶質シリコン膜の性
質を、特にラマン分光法により測定されるTOフォノン
バンドのピーク値と、このピーク値の半値幅(Γ)とで
特定することにより、結晶核の発生と、これら結晶核の
結晶成長とをうまくバランスさせ、均一かつ大粒径の多
結晶シリコン膜が得られることを見出だした。 【0014】出発材料である非晶質シリコン膜のラマン
分光法により測定されるTOフォノンバンドのピーク値
は、 473〜 490cm-1の範囲内であることが必須の要件と
なっている。TOフォノンバンドのピーク値は、膜中に
おけるSi-Si 間の結合の緻密性を示しており、TOフォ
ノンバンドのピーク値が 473cm-1よりも小さいと結晶成
長において大きなエネルギーが必要となるため大粒径の
多結晶シリコン膜を得ることができない。また、TOフ
ォノンバンドのピーク値が 490cm-1よりも大きいと、微
結晶を含む膜となりやすく、各所で結晶核の発生が起こ
り相互の結晶成長を疎外するため、やはり大粒径の多結
晶シリコン膜を得ることができない。 【0015】また、本発明によれば、大粒径の多結晶シ
リコン膜を得るためには、出発材料である非晶質シリコ
ン膜のラマン分光法により測定されるTOフォノンバン
ドのピーク値の半値幅が75cm-1以下であることが必須の
要件となっている。 【0016】D.Beeman et al.(Phys. Rev. B 3
2、 874 1985) によれば、Si-Si結合間のゆらぎ角
(θ)は、ラマン分光法によるTOフォノンバンドのピ
ーク値の半値幅(Γ)より次式の通り示されることが報
告されている。 △θ=(Γ−15)/6 この式からSi-Si 結合間のゆらぎ角(θ)はTOフォノ
ンバンドのピーク値の半値幅(Γ)に依存しており、半
値幅(Γ)が小さい程、Si-Si結合間のゆらぎ角(θ)
は小さく、秩序性に優れた膜といえる。 【0017】半値幅(Γ)が75cm-1よりも大きいと、膜
の秩序性が悪いため、核発生速度に比べて結晶成長速度
が遅く、短時間に大粒径の多結晶シリコン膜が得にく
い。 【0018】上述したように、本発明は出発材料である
非晶質シリコン膜のラマン分光法により測定されるTO
フォノンバンドのピーク値と、その半値幅(Γ)とを特
定することにより、特に結晶核の発生速度と結晶速度と
をうまくバランスさせ、均一かつ大粒径の多結晶シリコ
ン膜を得るものである。そして、本発明によれば、高い
電子移動度の薄膜トランジスタを生産性良く安定して供
給することができる。本発明に使用可能な非晶質シリコ
ン膜を得る方法としては種々の方法が考えられるが、特
に減圧CVD法等により多結晶シリコン膜を成膜した後
に、シリコンイオンを注入しアモルファス化して非晶質
シリコン膜を得る方法が好ましい。この方法によれば、
シリコンイオンの注入条件により膜のTOフォノンバン
ドのピーク値あるいはその半値幅(Γ)の制御が容易で
あり、本発明に使用可能な非晶質シリコン膜を容易に得
られるためである。 【0019】 【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1に基
板1上に多結晶シリコン膜2を形成してなる薄膜トラン
ジスタの一部断面を示す。その製作手順はまず、石英基
板1上に非晶質シリコン膜を形成し、この非晶質シリコ
ン膜をアニールして多結晶シリコン膜2とした後、これ
を島状にパターニングし、この上にゲート絶縁層3を成
膜し、ついでゲート電極部4を形成して、ソースおよび
ドレインコンタクト部のイオン注入、層間絶縁膜5の形
成、コンタクトホールの形成、金属配線6の成膜および
パターニングを行うものであり、このようにして図1に
示す薄膜トランジスタが形成される。 【0020】上記薄膜トランジスタの製作手順におい
て、石英基板1上に表1に示す種々の方法で膜厚2000オ
ングストロームの非晶質膜を形成し、この非晶質膜のラ
マンスペクトルのTOフォノンバンドを評価するととも
に、600 ℃、40時間アニール処理後固相成長した結晶粒
径を透過電子顕微鏡により求めた。このようにして求め
た非晶質膜のラマンスペクトルのTOフォノンバンドの
ピーク波数およびその半値幅とアニール処理後の結晶粒
径を表2に示す。 【0021】 表2から明らかなように、ラマンスペクトルのTOフォ
ノンバンドのピーク波数が高波数でかつ半値幅が小さい
非晶質膜ほど結晶粒径の大きな多結晶シリコンを形成す
ることができる。 【0022】本実施例では、実施例1〜3の非晶質シリ
コン膜はTOフォノンバンドのピーク波数が 473cm-1
上の高波数側にあり、その半値幅が75cm-1以下と小さな
値を示しており、アニール後の結晶粒径が 1μm 以上と
大きくなっている。 【0023】したがって、このようなラマンスペクトル
を呈する非晶質シリコン膜を用いることによって、電子
移動度は結晶粒径に比例して大きくなるため、電子移動
度の向上した高性能な薄膜トランジスタを製造すること
ができる。すなわち、多結晶シリコンの結晶粒径を 1μ
m 以上にすることによって、移動度が30〜100 cm2 /V
・s の薄膜トランジスタが得られる。 【0024】 【発明の効果】以上述べたように、非晶質シリコンをア
ニールして大粒径の多結晶シリコンを形成する場合、ラ
マン分光法により規定されるSi間の結合の秩序性の高い
非晶質シリコン膜を形成することにより、大結晶粒径
( 1μm 以上)の多結晶シリコンが形成可能となり、高
電子移動度の薄膜トランジスタを製造することができ
る。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明にかかる多結晶シリコンを形成した薄膜
トランジスタの構成を示す断面図である。 【図2】非晶質シリコンの代表的なラマンスペクトル図
である。 【図3】結晶シリコンのラマンスペクトル図である。 【符号の説明】 1………基板 2………多結晶シリコン膜 3………ゲート絶縁層 4………ゲート電極部 5………層間絶縁膜 6………金属配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−103924(JP,A) 特開 平2−254759(JP,A) 特開 昭62−104021(JP,A) 「ラマン分光法による アモルファス シリコンの構造評価」日本分光、Jas co Report、vol.no. 2、1992、p.15〜19

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 多結晶シリコン膜を基板上に形成する第
    1の多結晶シリコン膜形成ステップと、 前記第1の多結晶シリコン膜形成ステップで形成された
    多結晶シリコン膜にシリコンイオンを注入して、ラ マン
    スペクトルのTOフォノンバンドのピーク波数が473
    cm-1〜490cm-1の範囲にありかつ該TOフォノン
    バンドの半値幅が75cm-1下の非結晶シリコン膜を
    形成する非結晶シリコン膜形成ステップと、 前記非結晶シリコン膜形成ステップで形成された非結晶
    シリコン膜をアニールして、結晶粒径1μm以上の結晶
    粒を含む多結晶シリコン膜を形成する第2の多結晶シリ
    コン膜形成ステップと、 を具備することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方
    法。
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「ラマン分光法による アモルファスシリコンの構造評価」日本分光、Jasco Report、vol.no.2、1992、p.15〜19

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