JPH03159116A - 多結晶半導体薄膜の熱処理方法 - 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、多結晶半導体薄膜の熱処理方法に関し、特に
、粒界での電気的特性の良い多結晶半導体薄膜の形成に
係るものである。

［発明の概要］ 本発明は、多結晶半導体薄膜の熱処理方法において、 多結晶半導体薄膜を、その非晶質状態での融点以上でそ
の単結晶状態での融点未満の温度で熱処理し、前記多結
晶半導体薄膜の粒界及び／又は微小欠陥を溶融させるこ
とにより、 多結晶半導体薄膜中の粒界トラップを減少させて電気的
特性を向上させるようにしたものである。

［従来の技術］ 近年、液晶デイスプレィ、ＬＳＩ等に非晶質（アモルフ
ァス）シリコンが盛んに用いられている。

この非晶質シリコンを用いたデバイスとしては、薄膜ト
ランジスタ（ＴＰＴ）がある。

また、このような薄膜トランジスタを形成する半導体薄
膜の形成方法としては、特願昭６１−７８１２０号公報
記載に係る技術が知られている。

この従来技術は、絶縁基体上の薄膜半導体層にレーザを
照射して溶融した後、冷却固化してなる薄膜単結晶を形
成するに際し、レーザ照射の面工程で熱処理を施して半
導体層の半導体の粒径を均一にするようにしたものであ
る。

さらに最近では、液晶デイスプレィ、ＬＳＩ等において
移動度の向上が期待されており、このため高移動度が期
待される多結晶シリコン薄膜の研究が盛んになっている
。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、多結晶シリコン薄膜を用いて薄膜トラン
ジスタを形成する場合、粒界にトラップが生じ、このト
ラップ密度が大きくなる問題点がある。

祈るトラップ密度（Ｎ、）が増大した場合、以下の式に
より、 Ｓ　＝ｋ　Ｔ／　ｑ　−１２ｎ　１０（１＋　ｑ　Ｎ−
／　Ｃ，、）−（１）Ｓ：電圧のスイング値 ｑ：電荷 Ｃｏｔ：絶縁膜容量 μ〜μｏ−ｅｘｐ（−ΔＥ／ｋＴ）−（２）μ：移動度 へＥ：グレインバンダリーを乗り越えるためのエネルギ
ー μ。ｏｃ［、・・・（３） Ｌ：粒径 ΔＥＯＣＮ、”・・・（４） Ｊ、−（ｑＮｔｋＴπ）δｖ　ｔｈｎ　ｔ／　２ＷＲ（
Ｖ　Ｒ）・・（５）（ｐｎ接合） Ｊ：電流密度 Ｎ１：真性キャリア密度 ｖＩＩ：逆バイアス 移動度μが小さくなると共に、電圧のスイング値が大き
く、また、リーク電流が大きくなるという問題点がある
。特に、多結晶シリコンの粒界部は、微細な非晶質とし
てとらえることもでき、ダングリングボンドが存在し、
トラップ密度が大きいといえる。

本発明は、このような従来の問題点に着目して創案され
たものであって、粒界のトラップ密度を減少させて、電
気的特性を高める多結晶半導体薄膜の熱処理方法を得ん
とするものである。

［課題を解決するための′手段］ そこで、本発明は、多結晶半導体薄膜を、その非晶質状
態での融点以上でその単結晶状態での融点未満の温度で
熱処理し、前記多結晶半導体薄膜の粒界及び／又は微小
欠陥を溶融させることを、その解決手段としている。

［作用］ 多結晶半導体薄膜の粒界や微小欠陥は、当該半導体の非
晶質状態での融点以上で且つその半導体の単結晶状態で
の融点未満の温度で熱処理することにより、粒界等のみ
を溶融し、不対原子層を減少させてトラップ密度を小さ
くして薄膜の電気的特性を高める。このため、多結晶半
導体薄膜の厚さの変化はなく平坦性を維持することが可
能となる。

［実施例］ 以下、本発明に係る多結晶半導体薄膜の熱処理方法の詳
細を実施例に基づいて説明する。

（第１実施例） 先ず、第１図に示すように、絶縁基体としての例えば耐
熱ガラスより成る基板ｉ上に１０００人程度０膜厚の５
ｉｎｓ絶縁膜２を被着形成し、さらに、ＳｉＯ！絶縁膜
２上に、多結晶シリコン膜３を、例えば温度６１０℃の
ＣＶＤ法（気相成長法）で４００人の厚さに堆積させる
。

次に、多結晶シリコン膜３にエキシマレーザを照射温度
が１３００℃程度となるよう例えば２２０　ｍ　Ｊ　／
　ｃ　ｍ　”で照射して、多結晶シリコンの粒界のみを
溶融させる。かかるエキシマレーザの照射を行なった後
の多結晶シリコン膜３の厚さは、４００人で変化はみら
れない。

なお、上記エキシマレーザの照射温度は、非晶質シリコ
ンの融点温度（１１００℃）よりも高く′単結晶シリコ
ンの融点温度（１４１５℃）よりも低い範囲で設定可能
である。

（第２実施例） 本実施例は、先ず、上記第１の実施例と同様に基板ｌ上
に５ｉＯｚ絶縁膜２．多結晶シリコン膜３を順次形成し
た後、第２図Ａに示すようにシリコンイオン（Ｓ、”）
をドーズＪｉｌＸ　１０”／ａｍ’でイオン注入し、多
結晶シリコン膜３を非晶質化させ、６００℃で４０時間
のアニール（低温アニール）を行なう。なお、このアニ
ールは、多結晶シリコン膜３の結晶化が飽和しない状態
で停止する。

第２図Ａは、多結晶シリコン膜３が上記工程により非晶
質化した非晶質部３Ａと結晶化した単結晶部３Ｂに変っ
た断面状態を示しており、第３図はその平面である。

次に、エキシマレーザを２２０　ｍ　Ｊ　／　ｃ　ｍ　
’で照射し、上記第１実施例と同様に非晶質シリコンの
融点温度と単結晶シリコンの融点温度との間の温度で加
熱することにより、非晶質部３Ａを溶融して単結晶部３
Ｂに変え、粒径の大きい（〜０゜０２μｍ）多結晶シリ
コン膜３が形成されろ。本実施例においても多結晶シリ
コンＭ３の厚さに変化はなかった。

次に、このようにして形成された多結晶シリコン薄膜を
用いて、チャネル長！μｍ、チャネル幅ｒＯμｍとして
薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）と、エキシマレーザの照射
工程を省略したシリコン薄膜を用いて形成した同様の構
造の薄膜トランジスタの特性を第４図〜第７図のグラフ
に基づいて比較する。

第４図に示すグラフは、エキシマレーザ照射が施された
薄膜トランジスタのゲート電圧とドレイン電流との関係
を示すものであり、第５図のグラフに示す、エキシマレ
ーザ照射をしない薄膜トランジスタとその特性を比較す
ると、そのスイングが大きく立上り特性が良好となって
いる。

また、第６図及び第７図は、電子移動度とゲート電圧と
の関係を示すグラフであり、第６図に示すエキシマレー
ザ照射を施して成る薄膜トランジスタの電子移動度は、
第７図に示すエキシマレーザ照射を施していない薄膜ト
ランジスタの電子移動度よりも著しく向上している。

上記した特性の比較から判るように、エキシマレーザを
照射したことにより粒界となっている非晶部分が溶融し
て、トラップ密度が減少し、各種特性か向上した乙のと
考えられる。

以上、各実施例について説明したが、本発明は、この他
品種の変更が可能である。

例えば、上記各実施例においては、エキシマレーザを加
熱手段として用いたが、加熱温度を非晶質シリコンの融
点以上で単結晶シリコンの融点未満の温度とする加熱手
段であれば他のものを用いてもよい。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明に係る多結晶半
導体薄膜の熱処理方法によれば、多結晶半導体薄膜にお
ける粒界トラップを減少させて電気的特性を向上させる
効果がある。

また、粒界付近のみしか溶融しないため、薄膜の平坦性
を維持する効果がある。さらに、基本的結晶粒径は維持
されるため、粒径の制御性を良好にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る多結晶半導体薄膜の熱処理方法の
第１の実施例を示す断面図、第２図Ａ〜第２図Ｃは第２
実施例の断面図、第３図は第２実施例の平面図、第４図
はエキシマレーザを照射した薄膜を用いたトランジスタ
のスイングを示すグラフ、第５図はエキシマレーザを照
射しない薄膜を用いたトランジスタのスイングを示すグ
ラフ、第６図はエキシマレーザを照射した薄膜を用いた
トランジスタの移動度を示すグラフ、第７図はエキシマ
レーザを照射しない薄膜を用いたトランジスタの移動度
を示すグラフである。 ３・・・多結晶シリコン膜、３Ａ・・・非晶質部、３Ｂ
・・・単結晶部。 第２友施伊］の手面回 第３図 第２定施イ列の４面回 第２図Ａ （鴬２友施イア４） 第２図Ｂ ■ ↓ ↓ 条 番 （′１１１２疋施例） 第２図Ｃ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多結晶半導体薄膜を、その非晶質状態での融点以
   上でその単結晶状態での融点未満の温度で熱処理し、前
   記多結晶半導体薄膜の粒界及び／又は微小欠陥を溶融さ
   せることを特徴とする多結晶半導体薄膜の熱処理方法。