JP3813288B2

JP3813288B2 - 半導体製造方法

Info

Publication number: JP3813288B2
Application number: JP05032697A
Authority: JP
Inventors: 明人原; 邦紀北原; 聡村上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: JPH10245296A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜ポリシリコンを製造する方法に関する。より詳しく言えば、本発明は、アモルファスシリコンに比べて高い移動度を示すポリシリコンを絶縁膜の上に形成する方法に関する。このような移動度の高いポリシリコンは、特にＬＣＤデイスプレイ、太陽電池、半導体デバイス等における半導体材料として利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄膜のポリシリコン（以下「ポリ−Ｓｉ」）の作製は、（１）アモルファスシリコン（以下「ａ−Ｓｉ」）の薄膜に６００℃程度の熱処理を５０時間ほど加えて結晶化する方法、（２）ａ−Ｓｉをレーザーのエネルギーを加えて熔融させ、冷却時に結晶化させてポリ−Ｓｉを形成する方法、（３）６００℃以上の温度において化学気相成長（ＣＶＤ）及び物理蒸着（ＰＶＤ）法で形成する方法、のうちのいずれかで行われている。
【０００３】
ａ−Ｓｉを熱処理してポリ−Ｓｉを作る方法は、熱処理の初期段階に結晶の核を形成させ、それを成長させることにより結晶化をはかるものであるが、この方法では６００℃という熱処理温度に長時間さらすことが必要であり、そのためガラス基板上でポリ−Ｓｉを作製するような用途には不向きである。また、この方法で成長させた結晶内には積層欠陥や双晶が多量に含まれており、結晶性のよいポリ−Ｓｉ膜は得られない。
【０００４】
ａ−Ｓｉをレーザーでアニールしてポリ−Ｓｉを作製する方法では、上記（１）〜（３）の方法の中で結晶性が最も優れた膜が得られる。しかし、ａ−Ｓｉをレーザーで結晶化する場合、高品質の結晶を作製するためには大きなレーザーエネルギーを必要とする、そして大きなレーザーエネルギーを利用した時、均一なポリ−Ｓｉ膜が得られない、などの問題点がある。
【０００５】
ＣＶＤやＰＶＤを利用してポリ−Ｓｉを結晶成長させる方法は、６００℃以上という熱処理温度を必要とする。そのため、ガラス基板上にポリ−Ｓｉを成長させようとするとガラス基板がこの熱処理に耐えられないといった不都合がある。また、６００以下で成長させた場合、結晶性が十分ではなく、高い移動度を示す結晶を得ることができない。
【０００６】
これらの方法のほかにも、ポリ−Ｓｉを製造することができる方法として、ａ−Ｓｉの中に金属不純物をドープして形成した金属シリサイドを核として熱処理によりシリコン結晶を成長させる金属誘起結晶成長方法が知られている。この方法によれば、結晶成長温度を６００℃以下にすることが可能であり、成長させた結晶は良好な結晶性と高い移動度を示すことが知られている。とは言え、シリコン結晶の成長には長時間を要しており、ガラス基板上での結晶の製造にとって６００℃近い温度でそのように長時間熱処理することはガラス基板の変形等の不都合を招きかねない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの従来技術の問題を解決するため、６００℃未満の温度においてより短い時間で結晶性の良好なポリ−Ｓｉの半導体薄膜を製造するのを可能にする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）中に金属不純物をドープして形成させた金属シリサイドを核として熱処理により半導体シリコンの結晶を成長させる半導体製造方法であって、ドープする金属として当該金属元素の同位体のうち質量数の小さいものを使用することを特徴とする。また、金属不純物をドープされるアモルファスシリコンについても、質量数の小さい同位体（²⁸Ｓｉ）を使用するのが有利である。²⁸Ｓｉの濃度を高くしたアモルファスシリコンを使用する場合には、金属不純物は質量数の小さいものをドープしてもよく、あるいは質量数を特に調整していない自然に存在するままの金属をドープしてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、ａ−Ｓｉ中に金属不純物をドープして形成させた金属シリサイドを核として熱処理によりシリコン結晶を成長させる金属誘起結晶成長方法を利用する。この成長方法では、ａ−Ｓｉ内において結晶性シリコンと格子定数が一致したシリサイドが形成され、これが結晶核として作用することが必要になる（図１（ａ））。そして次に、この金属シリサイドを核としてシリコン結晶が成長（図１（ｂ））するためには、金属シリサイドの部分にシリコンが流入することが必要となる。
【００１０】
シリサイドの形成速度は金属不純物の拡散によって支配される。金属の拡散係数が大きい方が核形成に対して有利である。一方、このシリサイドを核としてシリコンの結晶成長が進行する過程では、シリコンがシリサイドへ流入する速度によって結晶成長が支配される。従って、核となるシリサイド前面でａ−Ｓｉがシリサイドに変化する速度が重要な物理的パラメーターになる。すなわち、金属の拡散係数とシリコンの自己拡散係数が大きいとシリコンが結晶化しやすいことになる。
【００１１】
不純物としてドープされる金属の拡散係数は、その金属元素の質量数に左右され、質量数が小さいほど元素は軽くなるので拡散係数は大きくなる。従って、ド−プする金属は当該金属元素の同位体のうちの質量数の小さいものを使用するのが、核となる金属シリサイドの形成にとって有利である。また、この場合の同位体は放射性のものでなく安定な同位体であるべきである。
【００１２】
ａ−Ｓｉ中にドープする金属としては、結晶性シリコンの成長にとって都合のよいようにシリコンと格子定数が一致したシリサイドを形成するものが好ましい。そのような都合のよい金属の例としては、アルミニウム、金、銅、ニッケル、白金等を挙げることができ、このほかにも例えばリチウム、鉄、銀、クロム、マンガン、コバルト、パラジウム等を使用することが可能である。これらの金属元素の特定の質量数の同位体は、商業的に入手することができる。また、２種類以上の金属元素を使用し、各金属元素のうちの質量数の小さいものをドープするようにしても差し支えない。
【００１３】
同様にして、シリコンについてもその自己拡散係数は質量数に左右され、本発明の目的にとっては質量数の小さいものが好ましい。シリコンの同位体は、質量数が２８、２９、３０のものが存在する。従って、質量数２８のものを使用するのが好適である。
【００１４】
本発明によれば、６００℃より低い温度において、典型的には４５０〜５５０℃程度の温度で、相対的に短い時間でシリコン結晶を得ることができる。そのため、例えばガラスのように耐熱温度が６００℃程度である基板を使ってポリ−Ｓｉを製造するような場合においても、基板に損傷を与えることがない。また、得られるシリコン結晶は金属シリサイドを核として成長した、高い移動度を示す針上の結晶であることから、半導体材料として使用するのに好適である。こうしたことから、本発明の方法はガラス基板上に多数のトランジスタ回路を作製することが必要なＬＣＤディスプレーの製造用途に特に適している。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例により本発明を更に説明する。言うまでもなく、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００１６】
ここでは、ニッケル（自然存在率は⁵⁸Ｎｉ＝６８．２７％，⁶⁰Ｎｉ＝２６．１０％，⁶¹Ｎｉ＝１．１３％，⁶²Ｎｉ＝３．５９％，⁶⁴Ｎｉ＝０．９１％）の同位体効果を利用した場合について説明する。
【００１７】
図２に示したように、ガラス基板１の上にＳｉＨ₄を利用したプラズマＣＶＤ法でａ−Ｓｉ膜２（厚み５００Å（５０ｎｍ））を形成した。次いで、この膜２の表面に、ａ−Ｓｉ中に１０¹⁹／ｃｍ³ほどの濃度でニッケルをドープするような量の⁵⁸Ｎｉ（抽出率９９％）の薄膜３を蒸着により付着させた。また、別のａ−Ｓｉ膜の上にやはりａ−Ｓｉ中に１０¹⁹／ｃｍ³ほどの濃度でニッケルをドープするような量の⁶⁴Ｎｉ（抽出率９９％）を付着させた。不純物金属を付着させる方法としては、このほかに溶液を塗布して乾燥する方法等があり、またａ−Ｓｉ中にイオン注入により不純物金属を直接ド−プすることも可能である。
【００１８】
その後、付着させたニッケルの金属不純物を４５０℃で熱処理して熱拡散させることによりａ−Ｓｉ内にドープした。続いて５５０℃で熱処理することにより核形成（シリサイド形成）とＳｉの結晶成長を行わせた。
【００１９】
図３に、⁵⁸Ｎｉをドープした場合と⁶⁴Ｎｉをドープした場合についてそれぞれ得られた熱処理時間に対し結晶化率をプロットしたグラフを示す。結晶化率はラマン散乱により測定した。この図から、軽い質量数を有する同位体を利用した結晶では短い時間でシリコンの結晶化率が高くなっていることが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明を利用することにより、低温且つ短時間の熱処理で、移動度の高いシリコン半導体結晶を固相成長させることができる。従って、本発明は移動度の高い半導体結晶を必要とする半導体デバイスや太陽電池等の分野に広く応用することができる。とりわけ、本発明はガラスの耐熱温度よりも相当低い温度での熱処理を可能にすることから、ガラス基板上に多数のトランジスタ回路を製作するＬＣＤディスプレーの製造分野にとって大変有利なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で利用する金属誘起結晶成長方法を説明する図であって、（ａ）は結晶核となる金属シリサイドの形成を説明する図であり、（ｂ）は金属シリサイドを核としてシリコン結晶が成長する様子を示す図である。
【図２】実施例で使用した材料を説明する図である。
【図３】実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ガラス基板
２…アモルファスシリコン膜
３…ドープ用ニッケルの膜

Claims

アモルファスシリコン中に金属不純物をドープして形成させた金属シリサイドを核として熱処理により半導体シリコンの結晶を成長させる半導体製造方法であって、ドープする金属として当該金属元素の同位体のうち質量数の小さいものを使用することを特徴とする半導体製造方法。
前記アモルファスシリコンとして²⁸Ｓｉを濃縮してその濃度を高くしたシリコンを使用することを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記アモルファスシリコンに２種類以上の金属不純物をドープし、各金属元素の同位体のうちの質量数の小さいものを使用する、請求項１又は２記載の方法。
アモルファスシリコン中に金属不純物をドープして形成させた金属シリサイドを核として熱処理により半導体シリコンの結晶を成長させる半導体製造方法であって、²⁸Ｓｉを濃縮してその濃度を高くしたアモルファスシリコンを使用することを特徴とする半導体製造方法。
ドープする前記金属不純物がアルミニウム、金、銅、ニッケル、白金、リチウム、鉄、銀、クロム、マンガン、コバルト及びパラジウムのうちの少なくとも１種である、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。