JPH02194620A - 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。　（参考文献　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℃の低温熱
処理にもが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。　（参考文献　ＩＥＥＥ　
　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ。

ｖｏｌ、ＥＤＬ−８，Ｎｏ、８．ｐ３６１．Ａｕｇｕｓ
ｔ　　１９８７）。

［本発明が解決しようとする課題］ 前記同相成長法においては、従来、−殻内にはＣＶＤ（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）法により成膜されたシリコン薄膜が用いられてい
る。これに対して、スパッタ法により成膜されたシリコ
ン薄膜は、　（１）膜構造がポーラス（ｐｏｒｏｕｓ）
であること、あるいは（２）不純物汚染を受は易いこと
などの欠点を有している。第３図にスパッタ法により成
膜された非晶質シリコン薄膜の断面図を模式的に示めす
。

３−１は非晶質絶縁基板を示し、３−２はスパッタ法に
より成膜された非晶質シリコン薄膜を示す。

３−３は空隙であり該非晶質シリコン薄膜がポーラスで
あることを示している。成ｌＩ後、スパッタ装置の反応
炉から前記非晶質シリコン薄膜を大気中に取り出すと、
膜構造がポーラスであるためにシリコンｆｆ膜中に酸素
が多量に取り込まれてしまう。シリコンｆｆ膜中の酸素
などの不純物は同相成長を妨げることが知られている。

また、ポーラスな為に膜のシリコン密度が低下している
ことも、同相成長に対して妨げとなっている。

本発明は、スパッタ法により成膜された非晶質シリコン
薄膜を固相成長させる場合に於て、上述のようなスパッ
タ非晶質シリコン薄膜が有する欠点を解決し、結晶粒径
が大きく、欠陥の少ない結晶性の優れたシリコン薄膜を
成長させ、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、複雑で高価な装置を必要としない簡単な
方法で特性の優れた薄膜トランジスタなどのようなＷＩ
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］ 本発明の半導体薄膜の結晶成長方法は、非晶質絶縁基板
上に、少なくとも水素ガスを含む雲囲気ガス中でのスパ
ッタ法により非晶質半導体薄膜を堆積させる第１の工程
と、該非晶質半導体薄膜を大気中に取り出すことなく前
記堆積時と同一反応炉内で連続して３００℃〜４５０℃
の熱処理を行なうことにより、前記半非晶質半導体薄膜
を緻密化させる第２の工程と、５００℃〜７００℃の低
温熱処理により前記緻密化された非晶質半導体薄膜を固
相成長させる第３の工程とを少なくとも有することを特
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
　Ｏａ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５ｉＯｚで覆われた８１基板を用いる場合は
１２００℃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６０
０℃以下の低温プロセスに制限される。該非晶質絶縁基
板１−１上に、スパッタ法により非晶質シリコン薄膜１
−２を堆積させる。結晶シリコンをターゲット（カソー
ド）とし、１０−”　〜１０−’Ｔｏｒｒ程度の不活性
ガス圧下で高電界を印加し、放電させると、放電によっ
て生じた正イオンが電界からエネルギーを得てターゲッ
トを衝撃し、それによってターゲット材料がたたき出さ
れる。アノード側に低温の基板を配置しておくと非晶質
シリコン薄膜が堆積する。これがスパッタ法の概要であ
る。前記不活性ガスに水素を混合しておくと水素化非晶
質シリコン薄膜（ａ−８ｉ：Ｈ）が得られる。このよう
な方法を反応性スパッタ法（Ｒｅａｃ　ｔ　ｉｖｅ　　
Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ法）と言う。これには１３．５６
ＭＨｚの高周波電界を用いた高周波スパッタ法、直流電
界を用いた直流スパッタ法、あるいはイオンビームスパ
ッタ法などが知られている。前記不活性ガスとしては通
常アルゴンが用いられ、このスパッタ雰囲気中の水素分
圧ＰＭが膜特性に大きな影響を与える。そのほか、高周
波電力は１〜４　Ｗ　／　ｃ　ｍ　２程度に設定するこ
とが多い。

水素分圧ｐＭが高い場合にはスパッタ非晶質シリコン薄
膜中の水素量ＮＨは多い。酸素などのような結晶成長を
妨げるような不純物を少なくするために水素分圧ｐＨは
１〜１０ｍＴｏｒｒ程度に設定する。

緻密な膜構造を得るために、基板温度は２００℃〜３５
０℃程度に設定する。グロー放電分解法と比較して高い
基板温度においても膜中の水素量を多゛くで゛きること
が反応性スパッタ法の特徴である。

図中１−３は空隙であり膜がポーラスであることを示し
ている。

次に、この様にスパッタ法により成膜された非晶質シリ
コン薄膜を、スパッタ装置の反応炉に設置したままで大
気中に取り出すことなく連続して３００℃〜４５０℃の
熱処理を行い、前記非晶質シリコン薄膜１−２を緻密化
させる。第１図（ｂ）において、１−４は緻密化された
非晶質シリコン薄膜を示す。このとき反応炉内の雰囲気
は、水素ガス、あるいは窒素ガス、あるいはヘリウムガ
ス、あるいはアルゴンガスなどのガス雰囲気でも良いし
、１０−８から１ｏ−””ｒｏｒｒの超高真空でもよい
。もしも、緻密化させることなく大気中に取り出される
と、第１図（ａ）に示されるように膜構造がポーラスな
為に酸素などの不純物を膜中に取り込み易く、その結果
としてシリコン薄膜は結晶成長し難くなる。

前記非晶質シリコン薄膜１−２中には、ＳｉＨあるいは
Ｓ　ｉ　Ｈ２の結合で多量の水素が存在する。

４００℃〜５００℃の熱処理によると、その極めて初期
の段階において、前記ＳｉＨ及びＳｉＨ２からの水素の
脱離と格子構造の緩和が同時に起こり進行する。　（参
考文献　Ｊａｐａｎｅｓｅ　　Ｊ。

ｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ、Ｖｏｌ、２６．Ｎｏ、１２．１９８７．ｐｐ１９
７１−１９７７）　５００℃程度では核生成が起きる可
能性があるので、３００℃〜４５０℃の熱処理が適当で
ある。

次に、緻密化された非晶質シリコン薄ａ１−４を１石英
アニール炉の中にいれて５００℃〜７００℃の低温熱処
理を行い、前記緻密化された非晶質シリコン薄［１−４
を固相成長させる。固相成長したシリコン薄膜つまり大
粒径多結晶シリコン薄膜を１−５と表す。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
ウムガスナトを用イル。ｌＸｌ０−’からＩ　Ｘ　１０
−”Ｔ。

ｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。

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。また、スパッタ装置の反応
炉から取り出さずに緻密化熱処理に続いて固相成長させ
ても問題はない。

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、同相成長させて
得られた大粒径多結晶シリコン７Ｉ！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は固相成長により形成された大粒径多結晶シリコン薄
膜である。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。　　次に第２図（Ｃ）に示されているように、
ゲート酸化膜２−３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℃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２−４
を形成する。該ゲート電極材料としては多結晶シリコン
薄膜、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５ｎ０２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−
４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２−６およびドレイン領域２−７を形成する
。前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する
場合はＰ゛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、イオン注入法の他に、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。２−５で
示される矢印は不純物のイオンビームを表している。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、１×１０＋５からｔｘｔｏ”ｃｍ−’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−
８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１よプ
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２−９およびドレイン電極２−１
０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］ 従来スパッタ法により成膜された非晶質シリコン薄膜は
、膜構造がポーラスであるためシリコンの密度が小さい
ことと膜中に酸素を取り込み易いという性質があるため
に、固相成長させることは困難であった。しかしながら
本発明によると、成膜時にスパッタ雰囲気ガス中に水素
ガスを水素分圧ｐＨ＝１から１０ｍＴｏｒｒ程度混合さ
せた反応性スパッタ法を利用するので、膜中に多量の水
素が取り込まれるため酸素の浸入が抑えられ、従って固
相成長し易くなる。また膜中に水素が多量に含まれるた
めに膜構造の柔軟性が高い。従って、３００℃〜４５０
　’Ｃの熱処理の初期段階において、水素の脱離と格子
構造の緩和が起こり、ダングリングボンドなどのような
欠陥が減少する。

また、成膜後、大気中に取り出すことなくスパッタ装置
の反応炉の中で連続的に３００℃〜４５０℃の熱処理を
行うので、非晶質シリコン薄膜がポーラスであったとし
ても酸素は取り込まれることなく清浄な状態のまま非晶
質シリコン薄膜は緻密化される。この後大気中に取り出
されても酸素は膜中に入りにくい。そのため、続いて５
００℃〜７００℃の低温熱処理を行えば固相成長して大
粒径多結晶シリコン薄膜が得られる。粒径は数μｍ〜数
十μｍに成長する可能性がある。

非晶質絶縁基板上に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。工程数はまったく増えない。６０
０℃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。

本発明によって得られた大粒径多結晶シリコン薄膜を用
いてＷＩ膜トランジスタを作成すると、優れた特性が得
られる。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タ特性が大きく改善される
。

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、電源電圧
の低減、消費電流の低減、信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低価格化及び大面
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サイズあるいはＡ３サイズの様な大
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（
Ａ　１２０３　）あルイ４；ｔ　Ｍ　ｇ　Ｏ−Ａ　１２
０３゜ＢＰ、ＣａＦ２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断面図である。 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。 第３図は、ポーラスな構造を持つスパッタ非晶質シリコ
ン薄膜の断面図である。 ；非晶質絶縁基板 ；　スパッタ法により成膜された非 晶質半導体薄膜 ；空隙 ；緻密化された非晶質半導体ＷＩＩ膜 ；固相成長された非晶質半導体薄 ２−２　；結晶相 以上 （ａ） 出願人　　　　　セイコーエプソン株式会社代理人弁理
人　　上櫛　雑音（他１名）（ｂ） 第１図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第２図 （ｅ） （ｆ） （ｇ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質絶縁基板上に、少なくとも水素ガスを含む雰囲気
   ガス中でのスパッタ法により非晶質半導体薄膜を堆積さ
   せる第１の工程と、該非晶質半導体薄膜を大気中に取り
   出すことなく前記堆積時と同一反応炉内で連続して３０
   ０℃〜４５０℃の熱処理を行なうことにより、前記非晶
   質半導体薄膜を緻密化させる第２の工程と、５００℃〜
   ７００℃の低温熱処理により前記緻密化された非晶質半
   導体薄膜を固相成長させる第３の工程とを少なくとも有
   することを特徴とする半導体薄膜の結晶成長方法。