JPH01187873A - 半導体装置の製造方法 - 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、絶縁基板上に形成される半導体ｍ　２２の製
造方法に関する。

〔従来の技術〕

絶縁膜上に結晶粒の大きな多結晶シリコン薄膜あるいは
単結晶シリコンＲＰｆＸを形成する方法は、５ｏｌ（Ｓ
ｆｌｉｃｏｎ　　Ｏｎ　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術と
して知られている。例えば、固相成長法、レーザービー
ム再結晶化法などの方法がある。（参考文献　応用物理
第５４巻　第１２号１２７４ページ、１９８５年）まだ
、固相成長法として、シリコン薄膜にシリコンイオンを
イオン注入し、その後約６００°Ｃ程度の低温でアニー
ルすると結晶成長するという方法も報告されている。（
参考文献、Ｊ、ＡＰＩ）１．　　　Ｐｈｙｓ、５９（７
）、Ｉ　　ＡＰｒｉｌ、　　　２４２２ペ一ジ１９８６
年） 〔発明が解決しようとする課閃〕 前記固相成長法においては、結晶成長の種となる咳が、
多数存在する為に数多くの結晶粒が成長し該結晶粒のひ
とつひとつは大きく成長しない。

また、結晶粒がランダムに成長する為に、結晶粒界がど
こ、に存在するのかわからない。従って、このような従
来の方法で得られた多結晶シリコン膜を用いて薄膜トラ
ンジスタを作製すると電気的特性のバラツキが大きく実
用化できない。例えば、結晶粒径の大きさが２μｍ程度
に成長した多結晶シリコン薄膜にチャネル長１　ｔｔ　
ｍのＦＩｉ１％）ランジスタを作製した場合を考える。

従来の方法では、これまで述べたきたように、結晶粒界
がランダムに存在する為に、基板上に場所によって、薄
膜トランジスタのチャネル内に結晶粒界が１個存在する
場合と、結晶粒界がまったく存在しない場合があり、こ
の２つの薄膜トランジスタの電気的特性はまったく異な
る。一方、レーザービーム再結晶化法においては、レー
ザービームのくり返し走査が必要な為に大面積を一括し
て結晶成長させる事はむずかしい。さらにレーザービー
ム内のエネルギー分布をも制御する必要がある為大がか
りで高価な装置が要求される。

本発明は、上記のような従来のＳｏｌ法の問題点を解決
し、絶縁基板上の所定の位置に多結晶シリコンの結晶領
域を形成させ、該結晶領域内に薄膜トランジスタなどの
半導体装置を作製し、単結晶シリコンを用いた場合と同
程度の特性の半導体装置を絶縁基板上でバラツキなく実
現する事を目的とする。非常に簡単で安価な方法で上述
のような特性のすぐれたバラツキの少ない半導体装置を
実現する事を目的とする。

〔課題を解決するた°めの手段〕

本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上に、シリ
コン薄膜を堆積させる第一の工程と、該シリコン薄膜を
島状にパターニングする第二の工程と、該島状シリコン
薄膜を結晶成長させる第三の工程と、非晶質シリコン薄
膜を堆−積させる第四の工程と、前記第三の工程で結晶
化した島状シリコン薄膜を核とし、前記非晶質シリコン
薄膜を結晶成長させて多結晶シリコン薄膜を形成する第
五の工程と、該多結晶シリコン薄膜の結晶粒界部分を除
く結晶領域内に半導体装置を形成する第六の工程を少な
くとも存する事を特徴とする。

〔実施例〕

ここでは、アクティブマトリクス基板あるいは密着型イ
メージセンサ−などに本発明を用いたＱ合を例として本
発明の詳細な説明する。従って絶縁基板は可視光を透過
する透明性絶縁基板を用いる。第１図（ａ）において、
透明性絶縁基板１−１上に、シリコン薄膜１−２を堆積
させる。透明性絶縁基板としては、耐熱性の優れた石英
基板あるいは、価格が低いガラス基板などがある。以下
の工程で１０００°Ｃ以上の高温処理工程が含まれる場
合（以後、高温プロセスと呼ぶ）には、石英基板を用い
なければならないが、以下の熱処理工程がすべて約６０
０°Ｃ以下の場合（以後、低ｍプロセスと呼ぶ）には、
ひずみ点温度が石英基板より低いガラス基板を用いる事
が出来る。もちろん透明であればガラス基板でなくても
利用できる。前記シリコン薄膜１−２は、結晶成長させ
る時の核が少なくて均一な膜質である事が望ましい。堆
積方法メしては、ＥＢ蒸着法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｂ
ｅａｍ蒸着法）、スパッタ法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ　　　Ｂｅａｍ　　　Ｅｐｉｔａｘｙ）減圧ＣＶＤ
法（Ｃｈ　ｅ　ｍ　ｉ　ｃ　ａ　Ｉ　　Ｖ　ａ　ｐ　。

ｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）常圧ＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法などといった方法がある。次
にホトリソグラフィ法により前記シリコン薄膜１−２を
エツチングし、第１図（ｂ）に示すような島状シリコン
薄膜１−３を形成する。

前記エッヂング方法には、硝フッ酸溶液を用いたウェッ
トエツチング法と、プレオンガス　（ＣＦ４）あるいは
ＣＦ、とｒ！ｉ素Ｏ１の混合ガスのプラズマを用いたド
ライエツチング法がある。Ｏ！の混合比により島状シリ
コン薄膜に容易にテーパーが付けられる点でドライエツ
チング法が仔効である。前記島状シリコン薄膜１−３の
大きさ（以後Ｘと記す）と島状シリコン薄膜間の距殖（
以後ρと記す）は、以降の工程で形成される多結晶シリ
コン薄膜の結晶成長と結晶粒径にかかわる重要なファク
ターであるので、以後必要に応じて説明する。

次に前記島状シリコン薄膜１−３を結晶成長させて島状
単結晶シリコン薄膜１−４を形成する。

結晶成長方法としては、　ストリップヒーターアニール
などがあるが、約６００＠Ｃの低温で長時間アニールし
て同相成長させる方法が配向性のそろった均一な結晶を
成長させる上でを効である。

シリコン薄膜１−２をＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ
法などで堆積させた場合は、ここでは約６００°Ｃ程度
でゆっ（りと長時間アニールする。

（数十時間から数百時間）シリコン薄膜１−２を減圧Ｃ
ＶＤ法、常圧ＣＶＤ法などの方法で堆積して多結晶化し
ている場合は、シリコンイオン注入を行ない、−担非晶
質化した後、同様に、約６００°Ｃ程度で長時間アニー
ルする方法も仔効である。また前記シリコン薄膜１−２
をプラズマＣＶＤ法で堆積させ膜中に水素が多量に含ま
れている場合には、膜を一度３５０°Ｃから４００’Ｃ
でアニールして水素を膜から放出させる。その後同様に
約６００°Ｃ程度で長時間アニールして結晶化させる。

約ｅｏｏ＠ｃ程度の低温アニールではシリコンの最も結
晶成長しやすい方位例えば（１１０）配位面の結晶粒だ
けが選択的に成長する為に、方位のそろった大きな結晶
粒を得ることができる方法として仔効である。前工程に
おいて前記島状シリコン薄膜の大きさを１〜１０μｍ程
度の大きさにすれば、前記約６００°Ｃの低温アニール
で充分に島全体が結晶粒に成長しうる。従って島ひとつ
ひとつが結晶粒界を含まない結晶領域となる。このよう
にして島状単結晶シリコン薄膜１−４が得られる。

次に同図（ｄ）に示すように非晶質シリコン薄膜１−５
を堆積させる５該非晶質シリコン薄膜１−５を堆積させ
る前の基板表面は０浄に保つ。必要ならばアルカリ洗浄
や自然酸化膜のライトエツチングなどを必要に応じて行
なう。該非晶質シリコン薄膜１−５の堆積方法としては
、前にも述べたようにＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＩｌ
Ｅ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法
、光励起ＣＶＤ法、などの方法がある。いずれの方法に
おいても堆積温度を高くすると小さな結晶粒の存在する
多結晶となってしまうので高くても７００°Ｃ以下とし
たほうがよい。水素が膜中に含まれないという点で、Ｅ
Ｂ蒸肴法、スパッタ法、ＭＢＥ法などが仔効である。そ
の他の方法で堆積し、膜中に水素が含まれている場合は
前工程でも述べたように３５０°Ｃから４００”Ｃの低
温アニールで水素を放出させる。続いて、非晶質シリコ
ン薄膜１−５を結晶成長させる。結晶成長は島状単結晶
シリコン薄［１−４に重なっている部分を中心として放
射状にすすむ。そして島状単結晶シリコン薄膜間の中間
点で両方向から成長してきた結晶粒がぶつかり合い、結
晶粒界１−６が生じる。結晶粒の成長は１００μｍ程度
に達する。従って前記島状単結晶シリコン薄膜１−４の
間の距離ρを１００μｍ以下にしておけば、前記島状単
結晶シリコン薄膜１−４と結晶粒界１−６との間の領域
は完全な結晶領域１−７となる。結晶粒の成長が１００
μｍ以上に達成される場合にはρをさらに大きくする事
ができ、より大きな結晶領域を実現できる。結晶成長の
方法は、約６００°Ｃの低温アニールで、前記島状単結
晶シリコン薄膜１−４を核として結晶成長させる。従っ
て一種の固相エピタキシャル成長ということもできる。

非晶質シリフン薄膜１−５を堆積させた状態で結晶成長
させてもよいが、該非晶質シリコン薄ｖ！、ｌ−５上に
酸化膜などをキャッピングしてから結晶成長させる事も
考えられる。この場合は結晶領域１−７の表面の平坦性
を保つ点で効果がある。もちろん結晶成長後、該酸化膜
は除去してもよいし、あるいはその後作製する半導体装
置の一部として利用してもよい。

このようにして島状単結晶シリコン薄膜１−４と結晶粒
界１−６との間に形成された結晶領域１−７の部分を利
用して半導体装置を作製する。本実施例においては薄膜
トランジスタを作製する場合を例として説明する。結晶
領域１−７の中にホトリソグラフィ法により単結晶能動
領域１−８をパターニングし、続いてゲート酸化膜１−
９を形成する。前にも述べたように石英基板を用いた高
温プロセスの場合は、熱酸化法によりゲート酸化膜を形
成することができる。低温プロセスの場合は、減圧ＣＶ
Ｄ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ
法、などの方法で６００°Ｃ以下の温度で形成しなけれ
ばならない。その後多結晶シリコンなどでゲート電極１
−１０を形成し該ゲート電極１−１０をマスクとして、
ソース及びドレイン領域１−１１を形成する。Ｐチャネ
ルの場合は、Ｂ（ポロン）、Ｎチャネルの場合はＰ（リ
ン）Ａｓ（ヒ素）を不純物添加する。添加方法としては
イオン注入法などが一般的である。高温プロセスの場合
は拡散法を用いる事ができる。

次に居間絶縁膜１−１２として酸化膜あるいは窒化膜を
堆積させ、コンタクトホールを形成して金属電極１−１
３を形成する。

実施例では薄膜トランジスタの場合を例にとって説明し
たが、バイポーラ型トランジスタなどその他の半導体装
ｆＱＦにももちろん応用することができる。

〔発明の効果〕

種結晶の上に非晶質シリコン薄膜を堆積し、該非晶質シ
リコン薄膜を低温で固相成長させることができるので絶
縁基板、特に石英基板あるいはガラス基板のような絶縁
性透明基板上にもほとんど単結晶に近いシリコン薄膜を
作製することができる。結晶粒界の位置及び結晶領域の
位置を基板上所定の場所に形成することができるので、
結晶領域のみを用いて半導体ＩＡＨを作製することがで
きるので単結晶シリコン薄膜を用いた半導体装置と同等
の特性が得られる。このように透明性絶縁基板上に単結
晶とほぼ同等のＦＪ膜トランジスタを形成することが可
能となる。本発明を用いて薄膜トランジスタを作製して
アクティブマトリクス基板に利用すればドライバー回路
を同一基板内に作り込んだ場合にも充分な高速動作が実
現できる。さらに電源電圧の低減、消費電流の低減、信
頼性の向上に関しても大きな効果がある。低温プロセス
を用いた場合には、アクティブマトリクス基板の大面積
化に効果がある。

本発明を、光電変換素子とその走査回路を同一チップ内
に集積した密着型イメージセンサ−に応用した場合には
、読み取り速度の高速化、高解像度化、及び階調を取る
場合に非常に大きな効果を生み出す。電源電圧の低減、
消費電流の低減、信頼性の向上にも効果は大きい。高解
像度化が達成されると、カラー読み取り用密着型イメー
ジセンサ−への応用も容易となる。また低温プロセスを
用いると密着型イメージセンサ−の長尺化が可能となり
、１本のチップでＡ４判あるいはＡｓ判といった大！！
　７　ｙクシミリの読み取り装置を実現できる。従って
センサーチップの２本つなぎのような手数がかかり信頼
性の悪い技術を回避することができる。つまり実装歩留
りも向上される。

高温プロセスばかりでなく、低温プロセスを用いる事も
可能なので大型の透明性絶縁基板を使用することが可能
となり、アクティブマトリクス基板の大面積化、イメー
ジセンサ−チップの長尺化に大きな効果がある。また一
基板あたりのチップの取れ数が増大するので低コスト化
にも効果がある。

レーザービーム照射！＊Ｉなどの精巧で高価な装置を必
要としないので、製作が簡単であり費用の低減化に役た
つ。

以上述べたように、本発明は、絶縁基板特に透明性絶縁
基板上に単結晶シリコン薄膜を作製する場合に、非常に
作動なものである。

【図面の簡単な説明】

°第１図（ａ）から（ｆ）は、本発明における半導体装
置の製造方法を示す工程図である。 １−１・・・絶縁基板 １−４・・・島状単結晶シリコン薄膜 １−５・・・非晶質シリコン薄膜 １−６・・・結晶粒界 １−７・・・結晶領域 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　絶縁基板上に、シリコン薄膜を堆積させる第一の工程
   と、該シリコン薄膜を島状にパターニングする第二の工
   程と、該島状シリコン薄膜を結晶成長させる第三の工程
   と、非晶質シリコン薄膜を堆積させる第四の工程と、前
   記第三の工程で結晶化した島状シリコン薄膜を核とし、
   前記非晶質シリコン薄膜を結晶成長させて多結晶シリコ
   ン薄膜を形成する第五の工程と、該多結晶シリコン薄膜
   の結晶粒界部分を除く結晶領域内に半導体装置を形成す
   る第六の工程を少なくとも有することを特徴とする半導
   体装置の製造方法。