JPH03290924A - 結晶性シリコン膜の製造方法および結晶性シリコン半導体の製造方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、絶縁基板上に規則的パターン化あるいは島状
化された結晶性シリコン膜を製造する方法およびその技
術を利用した新規な結晶性シリコン半導体とその製造方
法に関する。

〔従来技術〕

絶縁基板（ｅｘ、Ｓｉｎ２，ＳｉＮ）上に単結晶ｓ１膜
を形成する方法として、レーザや電子ビームを用いた多
結晶シリコン（Ｐ　ｏｌｙ−Ｓ　ｉ）またはａ−Ｓｉの
溶融再結晶化法や線状ヒーターを用いた帯域溶融再縁晶
化法あるいは、エピタキシャルＣＶＤ、エピタキシャル
固相成長法等が提案されている。しかし、これらの方法
は全て単結晶Ｓｉを種結晶に利用するため単結晶Ｓｉウ
ェハーを基板材料として展開している技術であり、完全
な絶縁基板上に単結晶Ｓｉを形成するためには単結晶Ｓ
ｉウェハー基板に代わる種結晶が必要とされる。

従来、絶縁基板上に種結晶を作製する方法として、 １、　Ｓｉ”イオンビーム照射によってガラス基板上に
結晶核を生成する（′８８春季応用物理学会予稿集、　
（２８ｐ　−Ｍ−９） ２、　レーザアニールによりＳｉＯ２上に単結晶領域を
形成する（′８９第８回新機能素子技術シンポ） 等があるが、スループットが低かったり、工程が複雑で
あったりして、多数の課題をかかえているのが実情であ
る。

このため、　Ｐ　ｏｌｙ−Ｓ　ｉ膜を単結晶Ｓｉの代替
材料とした半導体素子の開発が進められている。

Ｐ　ｏｌｙ−Ｓ　ｉ膜を半導体素子１例えば薄膜トラン
ジスタ（ＴＰＴ）の活性層に用いた場合、結晶粒径が大
きな程キャリア移動度が大きくなりトランジスター性能
が向上することが知られている。

このように、Ｐ　ｏｌｙ−Ｓ　ｉの結晶粒径と、その半
導体素子特性には密接な関係があり、粒径拡大方法が盛
んに検討されている。

この中で、大面積絶縁基板上に均一に大粒径Ｐ　ｏｌｙ
−Ｓ　ｉを作製する方法として、非晶質Ｓｉ膜の固相結
晶化法がある。従来この非晶質Ｓｉ膜を作製する方法と
しては。

ａ）　　ＬＰ−ＣＶＤ法による低温製膜ｂ）　　Ｐ　ｏ
ｌｙ−Ｓ　ｉ膜へのＳｉ″″注入による非晶質化ｃ）Ｐ
−ＣＶＤ法 ｄ）真空蒸着法 などがある。

これらの非晶質Ｓｉ膜を固相結晶化させた場合、膜中の
結晶核密度が低くなる非晶質Ｓ１膜の作製方法１条件を
選択することにより、最大１０μｍ程度の結晶粒が成長
するが、結晶成長方向がランダムであるため、結果的に
結晶同志がぶつかり合ってしまい平均的な粒径が小さく
なってしまう５という問題点がある。

〔目　　的〕

本発明の目的はシリコン膜の結晶粒径を大きくすると同
時に結晶粒界の向きを特定方向にそろえることにより移
動度を向上させる点にある。

本発明のもう１つの目的は、絶縁基板上に規則的パター
ン状あるいは島状単結晶Ｓｉ膜、または従来のものより
粒径の大きい規則的パターン状あるいは島状ｐｏｌｙ−
Ｓｉ膜を形成する点にある、 本発明の他の目的は前記島状のパターンと作製しようと
する半導体素子のパターンを一致させることによりすぐ
れた物姓をもつ半導体およびその製法を提供する点にあ
る。

〔構　　或〕

第１の本発明は、絶縁基板上の非晶質シリコン膜（ａ−
Ｓｉ膜）をあらかじめ規則的パターンにパターン化した
後、固相結晶化を行うことを特徴とする結晶性シリコン
膜の製造方法に関する。

第２の本発明は、絶縁基板上の非晶質シリコン膜（ａ−
Ｓｉ膜）をあらかじめ島状化した後。

固相結晶化を行うことを特徴とする結晶性シリコン膜の
製造方法に関する。

第３の本発明は、ａ−Ｓｉ膜中に生成する結晶核が島状
領域に１個または少数個にその数が制御された数だけ存
在するように前記島状領域の大きさを決定することを特
徴とする結晶性シリコン膜の製造方法に関する。

第４の本発明は、絶縁基板上のａ−Ｓｉ膜を作製しよう
とする半導体素子のパターンと一致するパターンを用い
て島状化した後、固相結晶化を行うことを特徴とする結
晶性シリコン半導体の製造方法に関する。

第５の本発明は、絶縁基板とその上に規則的パターン状
に設けられた結晶性シリコンよりなる結晶性シリコン半
導体において、特定方向に結晶粒界が少ないことを特徴
とする結晶性シリコン半導体に関する 第６の本発明は、ＩＩ！縁基板基板の上に島状に設けら
れた結晶性シリコンよりなる結晶性シリコン半導体にお
いて、島内のシリコン結晶の数が１個又は少数個の制御
された数であることを特徴とする結晶性シリコン半導体
に関する。

非晶質Ｓｉの固相結晶化によって生成する結晶粒を模式
的に第１図（ａ）に示す。

結晶粒３は、結晶核ｌから双晶筒２に沿って結晶成長し
てできあがるや そこで、本発明のものと従来のものを第２図（ａ）、（
ｂ）に模式的に示した。

第２図（ａ）は従来の固相結晶化によるものであり、結
晶核１からの結晶成長方向がランダムであるため、結晶
粒３同志の成長がぶつかって阻害される。結果的に複雑
に入り組んだ結晶粒界が存在する。

第２図（ｂ）は本発明の固相結晶化方法によるものであ
る。非晶質Ｓｉ膜があらかじめ島状化されているため、
島状非晶質Ｓｉ領域４以外からの成長結晶の侵入がなく
、結果として粒径が大きくなり粒界が減少する。

このように、本発明の目的を達成するための技術的ポイ
ントとしては、つぎのようなものがある。

（１）非晶質Ｓｉ膜中に生成する結晶核１の密度を制御
すること。

（２）結晶核ｌの密度や結晶成長距離に対して規則的パ
ターン状または島状パターンサイズが適正化されている
こと。

前記（１）は、いわば本発明の基本的事項であり、すな
わちａ−Ｓｉの固相結晶化によってＳｉ島を形成するた
めにもっとも重要な点であり、特に単結晶Ｓｉ島を得る
ためには、固相結晶化においてａ−Ｓｉ中に生成する結
晶核が島内に１つだけ存在するように島領域の大きさや
、ａ−Ｓｉの形成方式、形成条件あるいは固相結晶化条
件（例えば温度）等の条件を適正範囲に設定することで
ある。

ａ−Ｓｉ膜については、非結晶性が高い程、又結晶化に
おいては１例えばその温度が低い程。

共に生成する結晶核の数は減少する。そこで、例えば非
晶質Ｓｉ膜の形成方式にＬＰ−ＣＶＤ法を用いた場合、
製膜温度を低くしたり、製膜速度を高くすることで固相
結晶化によって生成する結晶核の密度を低下させること
ができる。

規則的パターンあるいは島状パターンの大きさ、形状等
はフォトマスクのパターンサイズを変えることで簡単に
制御しうる。

パターンサイズは希望する結晶粒界の方向や島領域の大
きさによって決るが、ストライプ状パターンの巾や島領
域の大きさはａ−Ｓｉ中に生成する結晶核の生成数をも
とにして求めることができる。

第４図（ａ）（平面図）、（ｂ）（断面図）に示すよう
に、パターンをストライプ状のものにした場合には５そ
のストライプ巾を結晶粒と同程度かそれに近い巾に設定
することによりストライプに垂直な方向の結晶成長がお
さえられ、ストライプ方向に結晶成長がおこるので結晶
粒界はストライプ方向にそろい、この方向の移動度が向
上する。

〔実施例〕

実施例１ 第３図に実施例の構成を示す。

石英基板１０上にＬＰ−ＣＶＤ法で非晶質Ｓｉ膜１１を
形成する。ＬＰ−ＣＶＤ法による製膜条件はＳ　ｉ２Ｈ
＆１５０ｓｅｃｍ、圧力０．２ｔｏｒｒ、温度５００℃
、膜厚１０００入である。

この非晶質Ｓ１膜１１をフォトリンパターニングし、領
域１１−ａ、領域１１−ｂを形成する。領域１１−ａは
、従来例として非晶質Ｓｉを島状化しない場合のもので
あり、領域１１−ｂは本発明の島状化非晶質Ｓｉである
。領域１１−ｂの島領域はサイズ１０μ如口である。

この後、Ｎ２雰囲気中で６００℃、２０時間の７ニール
を行ない、さらに１０２０℃、２時間のア二一ルをして
、面相結晶化させる。

第１表はこのようにして得た固相結晶化Ｓｉ膜の領域１
１−ａ、　１１−ｂについて、粒界エツチングを行ない
ＳＥＭを用いてｌＯμｍ口の面積に存在する結晶粒の数
を比較ｌｌ！察したものである。

第１表から明らかなように１０μ１口内の結晶粒が領域
１１−ｂの場合、領域１１−ａと比較して大幅に減少し
ており粒界が大幅に拡大していることが判る。

以上説明したように本発明によって従来よりもさらに粒
径の大きなＰ　ｏｉｙ−Ｓ　ｉ膜が得られた。

なお、この条件で島状パターン面積をさらに小さくすれ
ば、島状単結晶の作製が可能である。

本発明を半導体素子の作製に利用する場合には、島状パ
ターンと素子の位置が一致するようにマスク設計すれば
良い。

実施例２ アニールの条件のみをＮ２雰囲気中５６０℃で５０時間
、ついで１１００℃で２時間とした以外は実施例１の方
法を繰り返した。

このようにして得られたＳｉ島をＳＥＭで観察した結果
、粒界が存在せず単一結晶によって形成されていること
が判った。これに対して、島状化サイズだけを１０μＩ
１０として実施例２を繰り返したものは、ＳＥＭ観祭の
結果Ｓｉ島内には粒界が認められ１０〜２０個の結晶粒
によって構成されていることが判った。

実施例３ 石英基板上にＬＰＣＶＤ法またはシリコンイオン注入法
によりａ−Ｓｉ膜を形成する。このときシランガスを用
いると製膜温度５４０℃以上では結晶相が混じっている
ためそれ以下の温度で製膜する。

このａ−Ｓｉ膜を第４図に示すようにフォトリソによっ
てストライプ状にバターニングする。

このとき伝導方向をストライプ方向に選びストライプの
幅は結晶粒径程度かそれ以下にする。

このａ−Ｓｉを熱アニールにより固相結晶化させる。ア
ニール温度は５００〜６００℃で１０〜１００時間で粒
径２〜３μｍのＰｏ１ｙ−Ｓｉが得られる。その結果ス
トライプ方向に粒界がそろったＰｏ１ｙ−Ｓｉ膜となる
。

〔効　　果〕

（１）簡単な方法により単結晶シリコン膜または従来よ
り粒径の大きいＰ　ｏｌｙ−Ｓ　ｉ膜を得ることができ
た。

（２）本発明により結晶粒界の方向がそろったＰｏ１ｙ
−Ｓｉ膜を形成でき、その結果、この方向の移動度を向
上させることができた。

（３）本発明の半導体は、各半導体素子中のシリコン結
晶数が１個または少数に制御できるため、半導体として
の性能を大巾に向上することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ａ−３ｊの固相結晶化によって生成する結晶
粒を模式的に示したものであり、第２図（ａ）は従来法
による固相結晶化の様子を、第２図（ｂ）は本発明方法
による固相結晶化の様子を示す。第３．図は、実施例１
における本発明と従来例の構成を示す。第４図（ａ）は
本発明のストライプ状パターンをもつ結晶性シリコン半
導体の平面図、（ｂ）はその断面図である。 １・・・結晶核　　　２・・・双晶面 ３・・・結晶粒　　　４・・・島状非晶質Ｓｉ領域５・
・・結晶粒界　　１０・・・基板 １１・・・非晶質Ｓｉ膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上の非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）をあ
   らかじめ規則的パターンにパターン化した後、固相結晶
   化を行うことを特徴とする結晶性シリコン膜の製造方法
   。 ２、絶縁基板上の非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）をあ
   らかじめ島状化した後、固相結晶化を行うことを特徴と
   する結晶性シリコン膜の製造方法。 ３、ａ−Ｓｉ膜中に生成する結晶核が島状領域に１個ま
   たは少数個にその数が制御された数だけ存在するように
   請求項２の島状領域の大きさを決定することを特徴とす
   る結晶性シリコン膜の製造方法。 ４、絶縁基板上のａ−Ｓｉ膜を作製しようとする半導体
   素子のパターンと一致するパターンを用いて島状化した
   後、固相結晶化を行うことを特徴とする結晶性シリコン
   半導体の製造方法。 ５、絶縁基板とその上に規則的パターン状に設けられた
   結晶性シリコンよりなる結晶性シリコン半導体において
   、特定方向に結晶粒界が少ないことを特徴とする結晶性
   シリコン半導体。 ６、絶縁基板とその上に島状に設けられた結晶性シリコ
   ンよりなる結晶性シリコン半導体において、島内のシリ
   コン結晶の数が１個又は少数個の制御された数であるこ
   とを特徴とする結晶性シリコン半導体。