JPH01216519A - 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装置の製造方
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
、単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、　Ｓ　ＯＩ　
（Ｓ　１ｌｉｃｏｎ　　Ｏｎ　Ｉ　ｎ５ｕｌａｔｏｒ）
技術として知られている０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　１９８
５年）また、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℃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、　Ａｐｐｌ、、　Ｐｈｙｓ、　
５９（７）、　Ｉ　Ａｐｒｉｌｊ４２２ページ１９８６
年） （本発明が解決しようとする課題） 前記固相成長法においては、結晶成長の種となる核が、
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０例えば、結晶粒径の大きさが２ｇｍ程度に
成長した多結晶′シリコン薄膜にチャネル長１ｐｍの薄
膜トランジスタを作製した場合を考える。従来の方法で
は。

これまで述べてきたように、結晶粒界がランダムに存在
する為に、基板上の場所によって、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ＳＯｆ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
現する裏を目的とする。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。

（課題を解決する為の手段） 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、該シリコン薄膜上
に、島状金属薄膜を形成する第二の工程と、前記シリコ
ン薄膜において、前記島状金属薄膜におおわれていない
シリコン薄膜表面をプラズマ酸化させて選択的にプラズ
マ酸化膜を形成する第三の工程と、前記島状金属薄膜を
除去し、該プラズマ酸化膜に島状窓をあけ、島状シリコ
ン表面を露出させる第四の工程と、非晶質シリコン薄膜
を堆積させる第五の工程と、前記第四の工程で露出され
た島状シリコン表面を核とし、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＊Ｍを形成させる第六
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七の工程を少なく
とも★することを特徴とする。

（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場合を例として本
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１価格が低いガラス基板がある。

以下の工程で１０００℃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１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７０
０℃以下の場合（以後、低温プロセスと呼ぶ）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、結晶性の良好な
膜である事が望ましい、堆積方法としては、ＥＢ蒸着法
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）、スパッタ法％ＭＢＥ
（ｉｌｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）
法、減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、光励起ＣＶＤ法などがある。堆積させたままでもよ
いが、結晶性を改善させる為の熱処理工程を入れてもよ
い０例えば、ＥＢ蒸着法やスパッタ法やＭＢＥ法により
堆積させられたシリコン薄膜は、５００℃から７００℃
の低温アニールにより、結晶粒径が１〜２μｍに結晶成
長する。また減圧ＣＶＤ法などで堆積させる場合は、５
５０℃以下の低温で成膜させその後５００℃〜７００℃
の低温アニールすると、、同様に結晶成長する。一方５
５０℃以上で堆積させた場合は、シリコンイオン注入を
行ないシリコン薄膜を一坦非晶質化させ、その後、５０
０℃から７００℃の低温アニールすると結晶粒径が１〜
２ｐｍに結晶成長する。またプラズマＣＶＤ法などで堆
積させられたシリコン薄膜は、膜中に多量の水素を含ん
でいるので、３００℃から４５０℃程度のアニールて水
素を放出させ、その後、５００℃から７００℃の低温ア
ニールで結晶粒径が１１−２ｐに結晶成長する。

このようにして得られたシリコン薄膜１−２上に島状金
属薄膜１−３を形成する。金属としては、アルミニウム
、クロム、などシリコンとの選択エツチング性のよい材
料を用いる。堆積方法としてはスパッタ法、真空蒸着法
などが簡単である。続いてフォトリングラフィ法により
、前記島状金属薄１１［１−３を形成する。

次に前記島状金属薄Ｊｌｌｔ−３におおわれていないシ
リコン薄膜表面をプラズマ酸化させて選択的にプラズマ
酸化１ｉｌｌ−４を成長させる。プラズマ酸化法の特徴
は、°低温で優れた膜質を有する酸化膜を形成すること
ができ今という点である。−船釣には、酸素プラズマ中
の活性な酸素イオンを利用してシリコン表面を酸化させ
るものである。プラズマの発生方法としては高周波電界
により誘起させる方法、あるいはマイクロ波と磁界との
相互作用による電子サイクロトロン共鳴による方法など
がある。これらの方法によると約３００℃の低温からシ
リコンの酸化が起こりはじめる。従つて、透明性絶縁基
板１−１として、安価でひずδ点源度の低いガラス基板
を用いる事が可能となるので低温プロセスにも本発明を
応用することができる。一方プラズマ酸化膜１−４は、
島状金属薄膜１−３の下部へもわずかに成長が進むので
、第１図（ｃ）に示すようにプラズマ酸化膜の端部はな
だらかなテーパー状となる。

次に、島状金属薄膜１−３を、塩酸などのような酸を主
成分とする溶液によりエツチング除去し、前記プラズマ
酸化ａｌｌｌ−４に島状窓をあけ。

島状シリコン表面１−５を露出させる。該島状シリコン
表面１−５の大きさｄ及び島状シリコン表面間の距離ｌ
は、前記島状′金属薄［ｌ１１−３のフォトリソグラフ
ィによるバターニングの時に決まる。くわしくは後に述
べる。

次に第１図（”ｅ）に示すように非晶質シリコン薄１１
１−６を堆積させる。該非晶質シリコン薄膜１−６を堆
積させる前の基板表面は清浄に保つ。

必要ならばクリーニング処理を行なう、該非晶質シリコ
ン薄膜１−６の堆積方法としては、ＥＢ蒸着法、スパッ
タ法、ＭＢＥ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＯ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りてしまうので高くても７００℃以
下としたほうがよい、水素が膜中辷含まれないという点
で、ＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ法などが有効であ
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３００℃から４５０℃の低温アニールで水素を放出
させる。シリコンイオン注入を行なって非晶質化させる
方法も有効である。続いて非晶質シリコン薄Ｍｌ−８を
結晶成長させる。結晶成長は島状シリコン表面１−５と
非晶質シリコン薄膜ｔ−ｅとの接触面から始まり、この
部分を中心として放射状に進む、そして島状シリコン表
面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１−７が生じる。

結晶粒の成長は−Ｉ　Ｏ’Ｏμｍｓ度に達する。従って
前記島状シリコン表面ｔ−・５の間の距離皇を１００＃
Ｌｍ以下にしておけば、前記島状シリコン表面ｌ゛−５
と結晶粒界ｌ−７との間の領域は完全な結晶領域１−８
となる。結晶粒の成長が１００＃Ｌｍ以上に達成される
場合は、ざらに皇を大きくすればより大きな結晶領域を
得ることができる。！Ｌは結晶粒の成長可能な大きさと
同程度とするのがよい、結晶成長の方法は５００℃から
７００℃の低温アニールにより、前記島状シリロン表面
１−５を核として結晶成長させる。従つて一種の固相エ
ピタキシャル成長ということもできる。非晶質シリコン
＠＠１−６を形成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１１１１−６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と結晶領域１−８の表
面の平坦性を保つ点で効果がある。このキャッピング酸
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シリコン表面１−５と結晶粒界１−
７との間に形成された結晶領域１−８の部分を利用して
半導体装置を作製する６本実施例に３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
−８の中にフォトリソグラフィ法により単結晶能動領域
１−９をバターニングし、続いてプラズマ酸化［１１１
−４をエツチングしさらにシリコン薄１５１１−２をエ
ツチングする。この工程により基板の単結晶能動領域１
〜９以外は透明となる。続°いてゲート酸化［１１１−
１０を形成する。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できるが、低温プロセスの場合は
、減圧、ＣＶ　Ｄ法、光励起ＣＶＤ法、あるいはプラズ
マＣＶＤ法などの方法でゲート酸化膜を形成する。その
後多結晶シリコンなどでゲート電ａｉ１−１１を形成し
、該ゲート電極１−１１をマスクとして、ソース及びト
レイン領域１−１２を形成する。Ｐチャネルの場合はＢ
（ボロン）、Ｎチャネルの場合はＰ（リン）あるいはＡ
ｓ（ヒ素）を不純物として添加する。添加方法としては
イオン注入法が一般的である。高温プロセスの場合は、
この他に拡散法を用いることもできる０次に層間絶縁膜
１−１３として酸化膜あるいは窒化膜を堆積させ、コン
タクトホールな形成して金属電極１−１４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
置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５００℃から７００℃の低温で固相成長さ
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装置を作製すれば、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。第１
ｆｆｌ　（ｅ）に示されるようにプラズマ酸化膜１−４
にあけられた島状窓の端の部分はテーパー状になりてい
るので島状シリコン表面を核としての非晶質シリコン薄
Ｈ１−６の結晶成長がスムーズに進行する。

よってより結晶性よく成長する。このように絶縁性透明
基板上に単結晶とほぼ同等の薄膜トランジスタを形成す
ることが可能となる０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上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Ｗ：着星型イメ
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−の長尺化ギ可能とな
り、１本のチップでＡ４判あるいはＡｓ判といった大型
ファ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、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
可能なので大型の絶縁性透明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か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装置などのような精巧で高価な装置
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１本発明は、絶縁基板特に絶縁性透明
基板上に単結晶シリコン薄膜を作製する場合に非常に有
効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（ｇ）は１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・・・絶縁性透明基板 １−４・・・プラズマ酸化膜 １−５・・・島状シリコン表面 １−６・・・非晶質シリコン薄膜 １−７・・・結晶粒界 １−８・・・結晶領域 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　最　上　　務（他１名）（ａ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　！−ノ第１図

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、該シリコン薄膜上に、島状金属薄膜を形成する第二
   の工程と、前記シリコン薄膜において、前記島状金属薄
   膜におおわれていないシリコン薄膜表面をプラズマ酸化
   させて選択的にプラズマ酸化膜を形成する第三の工程と
   、前記島状金属薄膜を除去し、該プラズマ酸化膜に島状
   窓をあけ、島状シリコン表面を露出させる第四の工程と
   、非晶質シリコン薄膜を堆積させる第五の工程と、前記
   第四の工程で露出された島状シリコン表面を核とし、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
   薄膜を形成させる第六の工程と、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
   る第七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。