JPH01102918A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （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に関するもので
ある。

（従来の技術） 近年、液晶や薄膜発光素子を用いた画面表示装置や、ア
モルファスシリコンを用いた光センサを駆動するのに、
多結晶シリコン薄膜トランジスタが使用され始めている
。

従来、多結晶シリコン薄膜トランジスタに用いる多結晶
シリコン薄膜は適当な基板温度に非晶質基板を昇温した
後、多結晶シリコン薄膜を前記非晶質基板上に成膜する
ものであった。前記多結晶シリコン薄膜の製造工程にお
いて、基板温度を高くすれば大きい結晶粒径の多結晶シ
リコン薄膜を得ることができる。しがしながら、前記工
程により得られる多結晶シリコン薄膜の結晶粒径は１１
００ｎ以下のものである。このように従来は多結晶シリ
コン薄膜成膜時の基板温度を制御することにより１１０
０ｎ以下の結晶粒径を制御していた。“（発明が解決し
ようとする問題点） しかし、上で述べた結晶結晶粒径１１００ｎ以下の多結
晶シリコン薄膜を用いて作成した薄膜トランジスタは、
移動度が低く、オフ電流が大きいという問題があった。

一方、アプライド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙ、Ｌｅｔｔ、）第４８巻第１０号６４７頁から６
４９頁にはシリコン薄膜を基板温度θ〜６００℃で真空
蒸着し、ついで８００℃で熱処理し、多結晶シリコン薄
膜を得る方法が記載されている。これによると、蒸着時
の基板温度により、作成した多結晶シリコン薄膜の結晶
粒径に極大値が存在し、これ以上の結晶粒径を得ること
とが出来ない。そして、この結晶粒径の最大の薄膜を用
いて薄膜トランジスタを作成しても、性能がまだ不十分
であった。

このような多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性は結
晶粒界が存在するために生ずる。電子あるいは正孔は、
前記結晶粒界により散乱される。

このため、多結晶シリコン薄膜トランジスタは、単結晶
シリコンから作成されるトランジスタより低い移動度を
示す。また、単結晶シリコンを用いたトランジスタでは
、チャネル領域とソース領域あるいはチャネル領域とド
レイン領域からなるＰＮ接合の逆方向電流は小さいため
、オフ電流は低く抑えられる。しかし、多結晶シリコン
薄膜トランジスタにおいては、前記ＰＮ接合の空乏層中
に結晶粒径が存在する。さらに、結晶粒界中の獲得準位
には°キャリアが獲得されている。このため、空乏層中
に印加される電界により、前記の獲得されたキャリアが
放出される。このような原因のため、多結晶シリコン薄
膜トランジスタのＰＮ接合の逆方向電流は大きなものと
なり、オフ電流が大きくなる。

上記多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性を改善する
ためには、結晶粒径を大きくすることが必要である。結
晶粒径を大きくすることにより、多結晶シリコン薄膜中
に含まれる単位面積当たりの獲得準位数を減少すること
が出来る。しかし、むやみに結晶粒径を大きくすること
は以下の問題を生じる。チャネル長あるいはチャネル幅
程度の結晶粒径を持つ多結晶シリコン薄膜をトランジス
タに用いた場合にはチャネル領域内に含まれる結晶結晶
粒径が少数であるため、同一の工程で作成した薄膜トラ
ンジスタの特性に顕著な違いが現れてしまう。そこで、
作成する薄膜トランジスタのチャネル長あるいはチャネ
ル幅に対して、多結晶シリコン薄膜粒径を制御する必要
があった。

本発明の目的は、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を制御
し得る多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供することで
ある。

（問題を解決するための手段） 本発明は、非晶質基板上に反応室内において非晶質シリ
コン薄膜を作成し、熱処理をする多結晶シリコン薄膜の
製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜作成時の基
板温度または成膜温度と前記多結晶シリコン薄膜の結晶
粒径との関係を求め、前記多結晶シリコン薄膜の所望の
結晶粒径に対応する基板温度または成膜温度で非晶質シ
リコン薄膜を作成し、該非晶質シリコン薄膜を大気中へ
搬出し、７００℃以下の熱処理をすることを特長とした
多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供する。

（作用） 本発明の詳細な説明する。本発明においては、反応室に
おいて、非晶質シリコン薄膜を非晶質基板上に蒸着もし
くは化学的気相成長法により作成する。このように成膜
した非晶質シリコン薄膜は、空孔を含み、この空孔の総
表面積は非晶質シリコン薄膜成膜時の基板温度とともに
減少する。

本発明の製造方法においては、反応室内で作成した非晶
質シリコン薄膜を反応室外に搬出する。このことにより
、空気中の酸素が前記非晶質シリコン薄膜中の空孔表面
に吸着する。前記吸着酸素の総量は、前記空孔の総表面
積に比例する。本発明の製造方法においては、前記非晶
質シリコン薄膜に熱処理を加える。この工程において、
前記空孔の総体積は減少し、前記非晶質シリコン薄膜は
緻密化する。このとき、前記吸着差酸素は前記非晶質シ
リコン中に含まれる。従って、反応室内において低い基
板温度で作成した非晶室シリコン薄膜程、空孔の総体積
が大きいため、熱処理により大量の酸素を含む。

通常、熱処理により非晶質シリコン薄膜は膜中の均一な
領域により多結晶化する。この不均一な領域からの結晶
化は結晶粒として観察することができる。従って、不均
一な領域の密度を制御することができれば、結晶粒と結
晶粒の間隔を制御することができ、ひいては成長する結
晶粒の大きさを制御することができると考えられる。し
かし、この不均一な領域は、基板上の凹凸や汚染物ある
いは非晶質シリコン成膜時の微粒子等により作られるた
め、不均一な領域の密度を直接制御することは実用上困
難である。一方、非晶質シリコン薄膜中に酸素が含まれ
ており、７００℃以下で熱処理した場合には、酸素の効
果により不均一な領域の結晶化が抑えられるため、不均
一な領域の一部分は結晶化に対して不活性化する。ただ
し、７００℃以上で熱処理した場合は、不活性化するの
ではなく、逆に酸素が核となり結晶化してしまうので効
果はない。このため、非晶質シリコン作成時の基板温度
を制御することにより、前記非晶質シリコン薄膜中の酸
素濃度を制御することができ、さらには結晶化する不均
一領域の密度を制御し、最終的に得られる結晶粒を制御
することができる。

（実施例） 本発明の第１の実施例については説明する。石英基板上
に真空槽内において、基板温度３００℃１３２０℃，３
４０℃，３６０℃１３８０℃で、真空蒸着法により非晶
質シリコン薄膜を厚さ２００ｎｍ堆積した。このときの
成膜時の真空槽内の圧力はｌＸ１０＝ｔｏｒｒ以下であ
った。次に、前記５枚の石英基板を真空槽外に搬出した
。つぎに、窒素雰囲気中において６５０℃で前記非晶質
シリコン薄膜を１０時間然処理により多結晶化した。第
１図は、非晶質シリコン薄膜形成時の基板温度に対する
結晶粒径を示す図である。第１図より、低い基板温度で
作成した非晶質シリコン薄膜程、大きい結晶粒径が得ら
れることが判る。従って、第１図に示す基板温度と結晶
粒径の関係にもとづいて結晶粒径を制御することができ
る。また、チャネル領域の面積中に平均５個以上の結晶
粒径が存在するときトランジスタ特性のずれが無視でき
るとすると、作成する薄膜トランジスタのチャネル面積
を考慮することにより最終結晶粒径を選択することがで
きる。

例えば、チャネル長２ｐｍチャネル幅８ｐｍの薄膜トラ
ンジスタを作成する場合、最終的な結晶粒径は３ｐｍ以
下でなければならず、このためには基板温度３２０℃以
下で成膜した非晶室シリコン薄膜を多結晶化しなければ
ならないことが判る。

次に化学気相反応を用いた実施例について述べる。シラ
ン（ＳｉＨ４）の熱分解を用いた気相化学反応法では非
晶室シリコン薄膜成膜時の温度が低下するにつれて成膜
速度が低下し、実用的な成膜速度が得られなくなる。し
かし、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などの高次の水素化シリ
コンを用いることにより、低い温度で成膜することが可
能である。第２図にシランおよびジシランを用いた非晶
質シリコン薄膜成膜時の温度に対する、６００℃の熱処
理による最終結晶粒径の大きさの関係を示す。シランを
用いた場合、６００℃以下の成膜温度で非晶質シリコン
薄膜が得られる。しかし、成膜温度５００’Ｃ以下では
シランを用いては実用的な成膜速度が得られなくなる。

そこでジシランを用いれば４００℃までの温度で実用的
な成膜が可能である。第２図に示すように気相化学反応
法でも、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径を数十ｎｍから
数千ｎｍの大きさまで制御することが可能である。この
実施例についても、第１の実施例と同様に真空度１５０
Ｐａの反応室内でガラス基板上に非晶質シリコン薄膜を
１５０ｎｍ成膜し、大気中に搬出したのち、窒素雰囲気
中において、６００℃ｌ２Ｏ時間の熱処理により多結晶
化した。

このときの成膜温度は、最終結晶粒径から第２図に示す
成膜温度と結晶粒径の関係を用いて決めた。なお、この
関係は、多結晶化する熱処理温度とは関係ない。したが
って、用いる基板の軟化点を考慮して、熱処理温度を７
００℃以下の任意の温度に変えることができる。

（発明の効果） 以上から本発明の製造方法により、薄膜トランジスタの
チャネル領域の面積に対して最適な結晶粒径の多結晶シ
リコン薄膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による真空蒸着非晶質シ
リコン薄膜形成時の基板温度に対する結晶粒径を示す図
である。第２図は本発明の第２の実施例による気相化学
反応性非晶質シリコン薄膜形成時の成膜温度に対する結
晶粒径を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　非晶質基板上に反応室内において非晶質シリコン薄膜
   を作成し、熱処理をする多結晶シリコン薄膜の製造方法
   において、前記非晶質シリコン薄膜作成時の基板温度ま
   たは成膜温度と前記多結晶シリコン薄膜の結晶粒径との
   関係を求め、前記多結晶シリコン薄膜の所望の結晶粒径
   に対応する基板温度または成膜温度で非晶質シリコン薄
   膜を作成し、該非晶質シリコン薄膜を大気中へ搬出し、
   ７００℃以下の熱処理をすることを特徴とした多結晶シ
   リコン薄膜の製造方法。