JPH02165619A - 半導体薄膜の結晶成長方法 - 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、石英基板あるいはガラス基板のような非晶質
絶縁基板上に結晶性の優れた半導体薄膜を成長させる方
法に関する。

［従来の技術］ 非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜上に、結晶方位の
揃った結晶粒径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、　５ＯＩ（Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　　、Ｏｎ　　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術
として知られている。　（ＳＯＩ構造形成技術、産業図
書）。　　大きく分類すると、再結晶化法、エピタキシ
ャル法、絶縁層埋め込み法、貼゛り合わせ法という方法
がある。再結晶化法には、レーザーアニールあるいは電
子ビームアニールによりシリコンを溶融再結晶化させる
方法と、溶融する温度までは昇温させずに固相成長させ
る固相成長法の２つに分類される。比較的低温で再結晶
化できるという点で固相成長法が優れている。

５５０″Ｃの低温熱処理にもかかわらずシリコン薄膜の
結晶粒が成長したという結果も報告されている。　　（
工ＥＥＥ　　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　　Ｄｅｖｉｃｅ　
　Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ、−ＥＤＬ−８，Ｎｏ。

８、ｐ３６１．Ａｕｇｕｓｔ　　１９８７）。

［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、結晶成長の始点となる単結
晶シリコンシートが必要となる。該単結晶シリコンシー
トが無い場合には、固相成長のための活性化エネルギー
は小さいが、核生成のための活性化エネルギーが大きい
ので、まず核を生成するために、より高温の熱処理と長
い処理時間が必要となる。シリコン膜中にランダムに存
在する核のため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。また結晶粒の成長が
ランダムなために、得られた再結晶化シリコン薄膜のど
こに結晶粒界が存在するのか全くわからない。さらに結
晶方位もそろっていない。従って、この様な再結晶化シ
リコン薄膜を用いて薄膜トランジスタなどの薄膜半導体
装置を作製した場合には、同一基板内での特性のばらつ
きが大きく実用不可能となる。

レーザービームあるいは電子ビームのようなエネルギー
ビームを基板の全面にわたって走査させて結晶成長させ
るような従来の方法では、エネルギービーム照射を走査
することによる結晶成長の不均一が生じる。表面形状は
凹凸が大きい、また非晶質絶縁基板の反りも問題となる
。特に軟化温度の低いガラス基板を用いた場合にはこの
問題は大きくなる。

本発明は、ＳＯＸ法、特に固相成長法において、ランダ
ムに核が生成するという問題点、及び、エネルギービー
ムアニールに伴う上記のような問題点を解決し、基板全
面にわたって均一で結晶粒径の大きな表面形状の平坦な
シリコン’ｔ！ｉＷ４を形成し、しかもその結晶粒界の
位置を制御することを目的としている。そして、石英基
板あるいはガラス基板のような非晶質絶縁基板上に、特
性の優れた薄膜トランジスタなどのような薄膜半導体装
置を作製する方法を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体ｓ、ｍの結晶成長方法は、非晶質絶縁基
板上に、非晶質半導体薄膜を堆積させ、該非晶質半導体
薄膜を５００°Ｃ〜７００°Ｃの低温熱処理により再結
晶化させる半導体薄膜の結晶成長方法において、前記５
００　’Ｃ〜７００　’Ｃの低温熱処理工程中に、スポ
ット状に絞ったエネルギービームを前記非晶質半導体Ｆ
ＬＩＩ上に間隔を開けてステップ的に照射することによ
り、同相成長中に任意の位置にシートを形成させながら
前記非晶質半導体薄膜を再結晶化させることを特徴とす
る。

［実施例］ 第１図（ａ）に於て、１−１は非晶質絶縁基板である。

石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。Ｓ　ｉ
　Ｏ２で覆われたＳｉ基板を用いることもある。石英基
板あるいはＳ　ｉ　Ｏ２で覆われたＳｉ基板を用いる場
合は１２００°Ｃの高温プロセスにも耐えることができ
るが、ガラス基゛板を用いる場合は軟化温度が低いため
に約６００″Ｃ以下の低温プロセスに制限される。はじ
めに非晶質絶縁基板１−１上に非晶質シリコン薄ｌ１１
−２を堆積させる。該非晶質シリコン薄膜１−２は一様
で、微小な結晶子は含まれておらず結晶成長の核が全く
存在しないことが望ましい。ＬＰＣＶＤ法の場合は、デ
ボ温度がなるべく低くて、デボ速度が早い条件が適して
いる。シランガス（ＳｉＨｎ）を用いる場合は５００　
”Ｃ〜５６０℃程度、ジシランガス（Ｓｉ２Ｈｅ）を用
いる場合は３００℃〜５００°Ｃ程度のデボ温度で分解
堆積が可能である。トリシランガス（ＳｉａＨｓ）は分
解温度がより低い。

デボ温度を高くすると堆積した膜が多結晶になるので、
Ｓｉイオン注入によって−Ｈ非晶買化する方法もある。

プラズマＣＶＤ法の場合は、基板温度が室温から５００
℃以下の低温でも成膜できる。

また、デボ直前に水素プラズマあるいはアルゴンプラズ
マ処理を行えば、基板表面の清浄化と成膜を連続的に行
うことができる。光励起ＣＶＤ法の場合も５００°Ｃ以
下の低温デボ及び基板表面の清浄化と成膜を連続的に行
うことができる点で効果的である。ＥＢ蒸着法等のよう
な高真空蒸着法の場合は膜がポーラスであるために大気
中の酸素を膜中に取り込み易く、結晶成長の妨げとなる
。このことを防ぐために、真空雰囲気から取り出す前に
３００　”Ｃ〜５００℃程度の低温熱処理を行い膜を緻
密化させることが有効である。スパッタ法の場合も高真
空蒸着法の場合と同様である。

この様にして成膜された核を含まない非晶質シリコン薄
膜を５００°Ｃ〜７００℃の低温雰囲気中に設置する。

この時のチャンバーとして、光ＣｖＤ装置あるいはレー
ザードーピング装置に使われているようなエネルギービ
ームを透過させる窓を有するチャンバーを用いる。この
様に該チャンバーの中で、５００　’Ｃ〜７００℃に保
たれた前記非晶質シリコン薄膜１−２に、スポット状に
絞ったエネルギービームを間隔を開けてステップ的に照
射する。、この様子を第１図（ｂ）に示す。スポット状
に絞ったエネルギービーム１−３が照射されると、前記
非晶質シリコン薄膜１−２の中にシート１−４が生成さ
れる。この時前記非晶質シリコ、ン薄膜１−２は５００
℃〜７００　”Ｃに保たれているので前記シート１−４
が生成された後肢シート１−４を核として連続して前記
非晶質シリコン薄膜１−２が固相成長を始める。第１図
（ｂ）において１−５は、シート１−４を核として固相
成長した結晶相をしめし・ている。このように固相成長
の始点となるシートが熱処理以外のエネルギーにより生
成されるので、固相成長の為の熱処理温度をより低温に
することが可能になる。これまでは、熱処理温度は５０
０℃〜７００℃として述べてきたが、更に低温例えば４
００℃〜５００°Ｃの熱処理でも固相成長する可能性が
ある。低温アニールでは選択的に、結晶成長の活性化エ
ネルギーの小さな結晶方位を持つ結晶粒のみが成長し、
しかもゆっくりと大きく成長する。アニール雰囲気とし
ては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガ
スなどを用いる。１×１０−＋１から１×１Ｏ−１０Ｔ
　ｏ　ｒ　ｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい
。次にエネルギービーム１−３について述べる。５ｉ−
８ｉの結合エネルギーは約１．’８３ｅＶである。従っ
て１．８３ｅ■以上のエネルギーをもつエネルギービー
ムを照射しなければならない。前記エネルギービームと
してはレーザービームあるいは電子ビームなどがある。

レーザービームには、発振波要約５００ｎｍのアルゴン
レーザー　あるいは発振波要約３０８ｎｍのＸｅＣｌエ
キシマレーザ−等が用いられる。光子１個当りのエネル
ギーはそれぞれ２．４１ｅＶ、４．０３ｅ■である。出
力は数ワラトル数十ワット程度が通常である。ビーム径
はなるべく小さい方がよい。

このレーザービーム１−３を第１図（ｂ）に示すように
間隔りを開けてステップ的に照射する。該間隔りは固相
成長距離の約２倍とする。例えば固相成長がシートから
５μｍ進む場合はＬ：１０μｍとすることができる。一
方電子ビームの場合は加速電圧数ｋＶから数十ｋＶ電流
数ｍＡの電子ビームを、数百Ａ程度のビームに絞って照
射する。

その池はレーザービームの場合と同様である。

前記非晶質シリコン薄膜１−２の固相成長は、前記シー
ト１−４と前記非晶質シリコン薄膜１−２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。その様
子を第１図（ｂ）に示す。

この図は固相成長過程の途中の段階を示す図である。同
相成長が進行し、隣合う２個のシートの中間点で、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が形成された様子を第１図（Ｃ）に示す。前記シー
ト１−４と結晶粒界１−６との間が結晶相となる。前に
述べたように、シートの間隔つまりエネルギービームの
ステップ照射の間隔りを例えば２０μｍにすれば、結晶
相１−５は前記シートを中心として一辺２０μｍの結晶
領域となる。この様にして、結晶粒界の場所が制御され
た大粒径多結晶シリコン薄膜が作製される。

本発明を用いて作製した大粒径多結晶シリコン薄膜を、
薄膜トランジスターに応用した例を第２図にしたがって
説明する。第１図（Ｃ）に示すように、結晶粒界１−６
の位置が分かっているのでこの場所を避けて、結晶相１
−５をチャネル領域となるように薄膜トランジスターを
作製する。前述のようにして作製された大粒径多結晶シ
リコン薄膜基板を第２図（ａ）に示す。　　２−１は非
晶質絶縁基板である。２−２はシートであり、２−３は
固相成長により形成された結晶相である。２−４は結晶
粒界である。次に前記シリコン薄膜をフォトリソグラフ
ィ法によりパターニンして第２図（ｂ）に示すように島
状にする。この時、結晶相２−３が島状パターンの中心
部になるようにバターニングする。　　次に第２図（Ｃ
）に示されているように、ゲート酸化膜２−５を形成す
る。該ゲート酸化膜の形成方法としてはＬＰＣＶＤ法、
あるいは光励起ＣＶＤ法、あるいはプラズマＣＶＤ法、
ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、あるいは高真空蒸着法、ある
いはプラズマ酸化法、あるいは高圧酸化法などのような
５００℃以下の低温方法がある。該低温方法で成膜され
たゲート酸化膜は、熱処理することによってより緻密で
界面準位の少ない優れた膜となる。非晶質絶縁基板２−
１として石英基板を用いる場合は、熱酸化法によること
ができる。該熱酸化法にはｄｒｙ酸化法とｗｅｔ酸化法
とがあるが、酸化温度は１０００″Ｃ以上と高いが膜質
が優れていることがらｄｒｙ酸化法の方が適している。

次に第２図（ｄ）に示されるように、ゲート電極２−６
を形成する。この時、該ゲート電ｗＳ２−６は結晶粒界
２−４およびシート２−２とオーバーラツプしないよう
に形成する。従って、ゲート電極２−６の下のシリコン
は結晶相となる。該ゲート電極材料としては多結晶シリ
コンＦｉｉ膜、あるいはモリブデンシリサイド、あるい
はアルミニュウムやクロムなどのような金属膜、あるい
はＩＴＯやＳ　ｎ　０２などのような透明性導電膜など
を用いることができる。成膜方法としては、ＣＶＤ法、
スパッタ法、真空蒸着法、等の方法があるが、ここでの
詳しい説明は省略する。

続いて第２図（ｅ）に示すように、前記ゲート電極２−
６をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的に
ソース領域２−７およびドレイン領域２−８を形成する
。同図に於て２−３はまったくの結晶領域であり、これ
はＭＯＳ型薄膜トランジスタのチャネル領域となる。結
晶粒界２−４はドレイン領域２−８の中に埋もれるので
、トランジスタ特性にはなんら悪影響を与えない。前記
不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する場合は
ＰｏあるいはＡｓ”を用い、Ｐｃｈ　トランジスタを作
製する場合はＢ゛等を用いる。不純物添加方法としては
、イオン注入力の他に、レーザードーピング法あるいは
プラズマドーピング法などの方法がある。前記非晶質絶
縁基板２−１として石英基板を用いた場合には熱拡散法
を使うことができる。不純物濃度は、ｌＸｌ０”から１
×１０２１０２Ｏ’程度とする。

続いて第２図（ｆ）に示されるように、眉間絶縁膜２−
９を積層する。該眉間絶縁膜材料としては、酸化膜ある
いは窒化膜などを用いる。絶縁性が良好ならば膜厚はい
くらでもよいが、数千人から数μｍ程度が普通である。

窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法あるいはプラ
ズマＣＶＤ法などが゛簡単である。反応には、アンモニ
゛アガス（ＮＨ３）とシランガスと窒素ガスとの混合ガ
ス、あるいはシランガスと窒素ガスとの混合ガスなどを
用いる。

ここで、水素プラズマ法、あるいは水素イオン注入法、
あるいはプラズマ窒化膜からの水素の拡散法などの方法
で水素イオンを導入すると、ゲート酸化膜界面などに存
在するダングリングボンドなどの欠陥が不活性化される
。この様な水素化工程は、眉間絶縁膜２−９を積層する
前におこなってもよい。

次に第２図（ｇ）に示すように、前記層間絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクト電
極を形成しソース電極２−１０およびドレイン電極２−
１１とする。該ソース電極及びドレイン電極は、アルミ
ニュウムなどの金属材料で形成する。この様にして薄膜
トランジスタが形成される。

［発明の効果］ 従来薄膜トランジスタのチャネル領域には結晶粒界が幾
つ存在するかわからなかった。結晶粒界がどこに存在し
ているのか、あるいは結晶粒径がどれくらいの大きさな
のか知ることができなかった。しかし本発明によると、
大きな結晶粒径を得ることができ、結晶粒界の場所も制
御することができるようになる。この結晶粒界部分を除
いた結晶領域だけをチャネル領域として利用できるよう
になったので、従来に比べて、薄膜トランジスタのＯＮ
電流は増大しＯＦＦ電流は小さくなる。またスレッシュ
ホルド電圧も小さくなりトランジス夕特性が大きく改善
される。トランジスタ特性のばらつきは非常に小さい。

非晶質絶縁基板上に結晶粒界の場所が制御された結晶性
の優れたシリコン薄膜を作製することが可能になったの
でＳＯＩ技術の発展に大きく寄与するものである。シリ
コン薄膜のデポは１層のみである。また、シートの形成
方法もエネルギービームのステップ照射であるのでフォ
ト工程など、工程数はまったく増えない。６００℃以下
の低温のプロセスでも作製が可能なので、価格が安くて
耐熱温度が低いガラス基板をもちいることができる。優
れたシリコン薄膜が得られるのにかかわらずコストアッ
プとはならない。

固相成長法において、核生成を熱以外のエネルギーによ
り行うので固相成長のための熱処理温度を更に低温にす
ることが可能になる。

非晶質絶縁基板上に優れた特性の薄膜トランジスタを作
製することが可能となるので、ドライバー回路を同一基
板上に集積したアクティブマトリクス基板に応用した場
合にも十分な高速動作が実現される。さらに、電！電圧
の低減、消費電流の低ｉ１Ｌ　　ｆｆｉ頼性の向上に対
して大きな効果がある。

また、６００°Ｃ以下の低温プロセスによる作製も可能
なので、アクティブマトリクス基板のてい価格か及び大
面積化に対してもその効果は大きい。

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、さらに階調をと
る場合に非常に大きな効果をうみだす。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。もちろん電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に対してもその効果は大きい。

また低温プロセスによって作製することができるので、
密着型イメージセンサ−チップの長尺化が可能となり、
−本のチップでＡ４判あるいはＡ３判の様な大型ファク
シミリ用の読み取り装置を実現できる。従って、センサ
ーチップの二本継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。

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａ１２０ｘ）　あるいはＭｇｏ−Ａｌ２Ｏ３゜Ｂ　Ｐ、
　　Ｃａ　Ｆ　２等の結晶性絶縁基板も用いることがで
きる。

以上薄膜トランジスタを例として説明したが、バイポー
ラトランジスタあるいはへテロ接合バイポーラトランジ
スタなど薄膜を利用した素子に対しても、本発明を応用
することができる。また、三次元デバイスのようなＳＯ
Ｉ技術を利用した素子に対しても、本発明を応用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）から（Ｃ）は、本発明における半導体薄膜
の結晶成長方法を示す工程図である。 第２図（ａ）から（ｇ）は、本発明を、薄膜トランジス
タに応用した場合の例を示す薄膜トランジスタの工程図
である。 １−１−非晶質絶縁基板 １−３　；エネルギービーム １−４　；　シート １−５　；結晶相 １−６　；結晶粒界 ２−３　；結晶相 以上 出願人　　　　　セイコーエプソン株式会社代理人弁理
士　　上柳　雅誉（池１名）（ａ） （ｂ） 第 図 （ａ） （ｂ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質絶縁基板上に、非晶質半導体薄膜を堆積させ、該
   非晶質半導体薄膜を５００℃〜７００℃の低温熱処理に
   より再結晶化させる半導体薄膜の結晶成長方法において
   、前記５００℃〜７００℃の低温熱処理工程中に、スポ
   ット状に、絞ったエネルギービームを前記非晶質半導体
   薄膜上に間隔を開けてステップ的に照射することにより
   、固相成長中に任意の位置にシートを形成させながら前
   記非晶質半導体薄膜を再結晶化させることを特徴とする
   半導体薄膜の結晶成長方法。