JPH02238617A - 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】 ［産業上の利用分野ゴ 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、　Ｓｏｌ（Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　工ｎｓｕ１　ａｔ　ｏ　ｒ
）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、エビタキシャル法、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ζご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湿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。　［参考文献　ＩＥＥＥ
　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，ｖｏｌ．ＥＤＬ−８，Ｎｏ．８，ｐ３６１，Ａｕ
ｇｕｓｔ　　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シー
ドが必要となる。一般的に、固相成長のための活性化エ
ネルギーはｌＪ）さいが、核生成のための活性化エネル
ギーは大きいことが知られている。従って，大きな結晶
粒径を持つ結晶性の優れた半導体Ｎ膜を得るためには、
核発生密度を極力低く抑え、低い温度の熱処理によって
ゆっくりと結晶成長させなければならない。しかし、熱
処理温度が低すぎると核生成のために例えば数百時間と
いう長い時間を必要とし実用的でない。

本発明は、非晶質絶縁基板上に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で、上述のような長時
間アニールを必要とする欠点を解決し、短時間の熱処理
により、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］ 本発明の半導体薄膜の結晶成長方法は、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７００℃がら８　０　０　’Ｃの温度で極めて短時
間の熱処理することにより結晶成長の核を生成させる第
１のアニール工程と、少なくとも前記第１のアニール工
程よりも低い温度て熱処理することにより前記非晶質半
導体薄膜を固相成長させる第２のアニール工程を有する
ことを特徴とする。

［実施＠］ 第１図（ａ）に於で、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
　Ｏ　２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　０　２で覆われた８１基板を用い
る場合は１　２　０　０　’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６　０　０　’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
シリコン薄膜１−２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（ＳｉＨ４）を用いる
場合は５　０　０　００〜５６０℃程度、シシランガス
（Ｓｉ２Ｈａ）を用いる場合は３００°Ｃ〜５００℃程
度のデボ温度で分解堆積が可能である。トワシランガス
（Ｓｉ３Ｈｓ）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一旦非晶質化する方法もある。

プラズマＣＶＤ法の場合は、基板温度が５００℃以下で
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℃以下の低温デポ及び基板表面の清浄化と或膜
を連続的に行うことができる点で効果的である。ＥＢ恭
着法などのような高真空蒸着法の場合は膜がボーラスで
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３　０　０　’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
膜に、結晶成長のシードを形成するために７００℃〜８
００℃の温度できわめて短時間の熱処理を行い第１のア
ニール工程とする。その方法としては、通常の炉アニー
ルの他に、ランプアニール、あるいは赤外線アエールな
どの方法がある。アニール雰囲気としては窒素ガスある
いはアルゴンガスあるいはヘリウムガスなどを用いる。

アニール時間は数十秒、長くても数分とする。この理由
は、核の発生密度をできるだけ少なくしたいからである
。この様にして形成されたシードを第１図（ｂ）に１−
３で示す。図ではシードが非晶質絶縁基板１−１と非晶
質シリコン薄膜１−２との界面に生成されたように描か
れているが、非晶質シリコン薄膜１−２の表面に生成さ
れることも考えられる。

次に、前記シード１−３を核として、前記非晶質シｔＪ
コン薄膜１−２を，固相成長させる第２のアニール工程
を行う。固相成長方法は、石英管による炉アニールが便
利である。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。ＩＸＩ
Ｏ−６からＩＸＩＯ　−１［ＩＴ　ｏ　ｒ　ｒの高真空
雰囲気でアニールを行ってもよい。固相成長アニール温
度は少なくとも前記第１のアニール工程のアニール温度
よりも低温に設定する。従って、およそ５００℃〜７０
０℃とする。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。

前記非晶質シリコン薄膜１−２の固相成長は、前記シー
ド１−３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。固相成
長が進行し、隣合う２個のシードの中間点で、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１−５
が形成された様子を第１図（Ｃ）に示す。このようにし
て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、固相成長させて
得られた大粒径多結晶シリコン＠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。２−３はシード、２−４は結晶粒界をしめす。次
に前記シリコン薄膜をフォトリソグラフィ法によりバタ
ーニンして第２図（ｂ）に示すように島状にする。次レ
こ第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Ｌ
ＰＣＶＤ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１　０　０　０　
’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。該ゲート電極材科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Ｓｎ０２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（ＩＢ）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。前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製す
る場合はＰ９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。２−９
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＠濃度は、ＩＸＩＯ”からＩ　Ｘ　１　０２ｌｌｃ
ｍ−３程度とする。

続いて第２図（ｆ）に示されるように、層間絶縁膜２−
１０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、ＬＰＣ’ＶＤ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−ト酸化膜界面などに存
在するダング１ノ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２−１１およびドレイン電極２−
１　２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、まったく核を含まない非晶質シリコン薄膜を固相
成長させるためには高温の熱処理か、あるいは長時間の
熱処理が必要であった。また、核を生成させるためにレ
ーザアニール、あるいは電子ビームアニールなどのよう
な高価な装置が必要であった。しかしながら本発明によ
ると、熱処理温度を２段階に分けることにより、核生成
にためのきわめて短時間の熱処理の第１の、アニール工
程と、前記核をシードとして非晶質シリコン薄膜を固相
成長させるために前記第１のアニール工程よりも低い温
度で熱処理する第２のアニール工程とに分けたので、固
相成長のために要していたアニール時間を大幅に短縮さ
せることができる。また、レーザーアニール装置のよう
に高価で大がかりな装置を必要としないので製造費用を
非常に低く抑えることができる。

前記第１のアニール工程と、第２のアニール工程は、同
一炉で行うこともできるので、核生成と固相成長とを連
続的に行うことも可能である。

非晶質絶縁基板上に結晶性の優れたシｌ／コン薄膜を作
製することが可能になったのでＳ○工技術の発展に大き
く寄与するものである。工程数はまったく増えない。６
　０　０　’Ｃ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１２一 薄膜を用いて薄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Ｂ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、６　０　０　’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ー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←こ階調を
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冫フ用密着型イメージセンサ
ー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゛ジセンサーチップの長尺化が可能となり
、一本のチップで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工２０３）あルイハＭ　ｇ　Ｏ　・Ａ　１　２０ａ，
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、バイボー
ラトランジスタあるいはへテロ接合八イポーラトランジ
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
とがでぎる。

【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。 ；非晶質絶縁基板 ；非晶買半導体薄膜 一　シード ：　固相成長された非晶質半導体薄 膜 ；　結晶粒界 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士　鈴木喜三郎（他１名） （ａ） （ｄ） 第２図 （ｆ） 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７００℃から８００℃の温度で極め
   て短時間の熱処理することにより結晶成長の核を生成さ
   せる第１のアニール工程と、少なくとも前記第１のアニ
   ール工程よりも低い温度で熱処理することにより前記非
   晶質半導体薄膜を固相成長させる第２のアニール工程を
   有することを特徴とする半導体薄膜の結晶成長方法。