JPH04100211A - 薄膜半導体装置の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、薄膜半導体装置及びその製造方法に係わり、
特に、結晶性の優れたシリコン薄膜を利Ｅｌ　ｌ、た薄
膜半導体装置及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、３０丁あるいは、三次元ＩＣや、大型液晶表示パ
ネルや、高速で高解像度の密着型イメージセンサ等への
ニーズが高まるにつれて、絶縁性非晶質材料上に、高性
能な薄膜半導体装置の実現する技術が重要になってきた
。

石英基板、ガラス基板等の絶縁性非晶質基板あるいは５
ｉ０２等の絶縁性非晶質層上に、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、Ｓ○Ｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　
　Ｏｎ　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術として知られてい
る。　（参考文献　Ｓ０Ｉ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、熱
処理により溶融する温度までは昇温させずに結晶成長さ
せる固相成長法の２つに分類される。前記レーザーアニ
ール等による溶融再結晶化法は、大面積化に対して技術
的困難が大きい。この方法に比較して、低温熱処理にお
いても容易に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　　Ｅｌｅｃｔｒ。

ｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ、ＥＤ
Ｌ−８，Ｎｏ、８．ｐ３６１．Ａｕｇｕｓｔｌ　９８７
）。そこで、本発明は、固相成長法における従来技術の
問題点を解決し、より優れた固相成長技術の確立を主旨
とする。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の技術では、多結晶シリコン薄膜をＣＶＤ法で成膜
し、Ｓｉｏをイオン注入して該多結晶シリコン薄膜を非
晶質化した後、６００　℃程度の熱処理を１００時間近
く行っていた。このため、高価なイオン注入装置を必要
としたほか、熱処理時間が極めて長いという欠点があっ
た。

また、固相成長法においては、酸素等の不純物によって
結晶成長が妨害される。そこで、ＥＢ蒸着法、スパッタ
法、ＭＢＥ法等で非晶質シリコン薄膜を成膜する場合は
、極めて清浄で、しかも超高真空なチャンバー内で成膜
しなければいけない。

従って、量産時の能力に問題があり、メンテナンスも容
易ではなくなる。

プラズマＣＶＤ法で成膜された非晶質シリコン薄膜は、
不純物は非常に少ないが、膜中に多くの水素を含んでい
る。その水素が固相成長を阻害するため、あるいは急激
な熱処理により水素が爆発的に放出するために、固相成
長させる非晶質シリコン薄膜の成膜方法としてプラズマ
ＣＶＤ法は適していないと従来考えられていた。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、より簡便で実
用的なプラズマＣＶＤ法で成膜された非晶質シリコン薄
膜に含まれる水素量を制御し、より短時間の熱処理で大
粒径の多結晶シリコン薄膜を形成できる固相成長法を提
供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、（１）〔ａ〕　
　絶縁性非晶質材料上に水素を含有する非単結晶半導体
薄膜を堆積させる工程、該非単結晶半導体薄膜を熱処理
することにより水素を放出させる工程、 固相成長法により該非単結晶半導体薄膜を結晶成長させ
る工程、 結晶成長させた非単結晶半導体薄膜に半導体装置を形成
する工程を少なくとも有することを特徴とする。

（ｂ） （ｄ） （Ｃ） ［実施例コ 絶縁性非晶質材料上に、非単結晶半導体薄膜を成膜する
。前記絶縁性非晶質材料としては、石英基板、ガラス基
板、窒化膜あるいはＳｉＯ２膜等が用いられる０石英基
板を用いる場合はプロセス温度は１２００℃程度まで許
容されるが、ガラス基板を用いる場合は、６００°Ｃ以
下の低温プロセスに制限される。本発明は、石英基板を
用い、前記非単結晶半導体薄膜としてＳｉ薄膜を用いた
場合を実施例として説明する。プラズマＣＶＤ装置を用
い、第１図（１）〔ａ〕に示すように石英基板１−１上
に、ＳｉＨ４とＨ２の混合ガスを、　１３．５６ＭＨｚ
の高周波グロー放電により分解させて非晶質Ｓｉ膜１−
２を堆積させる。前記混合ガスのＳｉ分圧は１０〜２０
％、デボ中の内圧は０．５〜１゜５　ｔｏｒｒ程度であ
る。基板温度は２５０°Ｃ以下、１８０℃程度が適して
いる。赤外吸収測定より結合水素量を求めたところ約８
ａｔｏｍｉｃ％であった。

続いて、該非晶質Ｓｉ膜を、４００°Ｃ〜５００°Ｃで
熱処理して水素を放出させる。

以下、発明者が行なった実験の結果を交えながら実施例
を説明する。非晶質Ｓｉ膜は基板温度１８０°Ｃ１内圧
０．８ｔｏｒｒと設定して堆積した。

結晶性のアニール時間依存性を詳しく調べるためにＸ線
回折測定を行った。その結果を第２図に示す。縦軸は＜
１１１＞、＜２２０＞、く３１１〉方位からのスペクト
ルの積分強度を総和したＸ線回折強度を示し、横軸はア
ニール時間を示す。

丸印は６００℃、三角印は６５０℃、逆三角印は７００
℃のアニール温度の結果を示している。この結果は、ア
ニール温度がより低い方が、結晶成長が始まるまでに長
いアニール時間を要するけれども、Ｘ線回折強度はより
強くなることを示している。アニール温度６００℃の場
合、Ｘ線回折信号は８時間のアニールでは観測されず、
１７時間のアニールで初めて観測される。この８〜１７
時間の潜伏時間で起きている現象について調べるために
、ＥＳＲ（電子スピン共鳴）とＳＸＭＳ　（二次イオン
質量分析）の測定を行った。その結果をそれぞれ第３図
と第４図に示す。

第３図において、縦軸はスピン密度、横軸はアニール時
間を示している。１時間アニールによりスピン密度は増
加し、５時間までは徐々に増えている。ところがスピン
密度は、８時間のアニールによりわずかに減少し、１７
時間以上では急激に減少している。第４図において、縦
軸は水素濃度、横軸はアニール時間を示している。水素
濃度は、８時間までは急激に減少しているが、１７時間
以上では、はぼ検出限界以下の値となっている。これら
の結果より、５時間までは水素が放出されダングリング
ボンドが増加する過程、５〜８時間の間はほぼ水素が抜
けきり、結晶核が生成し始め、そのためにダングリング
ボンドがわずかに減少する過程、そして８時間以上では
結晶成長が進むためにダングリングボンドが急激に減少
する過程が起きていると推察される。

プラズマＣＶＤ法によって成膜された非晶質５ｉ１１１
ｊは多量の水素を含有しているために、その格子構造は
容易に再配列することが知られているが、水素の存在は
固相成長を妨げるという悪影響があることがわかった。

以上の実験結果より、水素を７　Ｘ　１０Ｉ９ｃｍ−３
以上という多量に含む非晶質Ｓｉ膜を６００℃以下の低
温熱処理で固相成長させるためには、少なくとも１７時
間以上望ましくは１００時間程度の長時間アニールが必
要であることがわかった。又、スピン密度に関しては、
２×ＩＱ１９ｃｍ−３以下と少ない場合にはＳｉ原子同
士の結合力が強いために固相成長に長時間を要すること
がわかった。固相成長を行う前に、非晶質Ｓｉから水素
を放出させて含有水素量を７×１０１９〜３　Ｘ　１０
２１Ｉｃ　ｍ−’　　スピン密度を２×１０１９〜５　
ｘ　１０”Ｃｍ−３とし、その後に６００℃の低温でア
ニールすれば短時間のアニールで大粒径の多結晶Ｓｉが
得られることがわかった。そこで、本発明では、ひとつ
の方法として第１図（１）〔ａ〕に示されるように非晶
質Ｓｉ膜１−２を堆積させた後、４００℃〜５００℃の
低温で熱処理することにより、水素を放出させて前記の
水素濃度及びスピン密度を持ったＳｉ膜を形成する。ま
たもう一つの方法としてプラズマＣＶＤ法で基板温度を
２５０℃〜４００℃の比較的高温に設定することによっ
て前記の水素温度及びスピン密度を持ったＳｉ膜１−２
を直接堆積させる方法がある。

次に、前記非晶質薄膜１−２を面相成長させる。

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。ｌＸｌ０−’か
ら１　ｘ　１０−１ｆｌＴｏ　ｒ　ｒＯ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５０
０℃〜７００℃とする。この様な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。第１図（ｂ）において、１−３は固相成長シリコ
ン薄膜を示している。

次に前記固相成長シリコン薄膜１−３をフォトリソグラ
フィ法によりパターニングして第１図（Ｃ）に示すよう
に島状にする。

次に第１図（ｄ）に示されているように、ゲート酸化膜
１−４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、あるいにプラ
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１−１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からｄｒｙ酸化法
の方が適している。

次に第１図（ｅ）に示されるように、ゲート電極１−５
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、プラズマＣＶＤ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１図（ｆ）に示すように、前記ゲート電極１−
５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１−６およびドレイン領域１−７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　）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。１−８
で示される矢印は不純物のイオンビームを表している。

前記絶縁性非晶質材料１−１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１×１０２９ｃｍ１程度とする。

続いて第１図（ｇ）に示されるように、眉間絶縁膜１−
９を積層する。該層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０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１−９を積層する
前におこなってもよい。

次に第１図（ｈ）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１−１０およびドレイン電極１−
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。

［発明の効果コ プラズマＣＶＤによって成膜された非晶質Ｓｉ膜は多い
場合は数１０％の水素を含んでいる。そして、ＴＥＭ観
察、ラマン測定、Ｘ線回折測定、ＥＳＲ測定、ＳＩＭＳ
分析等の結果より、非晶質Ｓｉ膜中に含まれる水素が、
固相成長を遅らせていることが分かった。従って、従来
の固相成長法では、非晶質Ｓｉ膜から水素が脱離するの
に長時間を要し、２μｍ以上の大粒径Ｓｉ膜を成長させ
るためには１００時間に近い長時間アニールが必要であ
った。

本発明においては、固相成長の前に、４００℃〜５００
℃の熱処理により水素を放出させて、水素含有１７　ｘ
　１０”　〜３　Ｘ　１０”ｃｍ−３スピン密度２ｘ　
１０Ｉ９〜５　ｘ　１０”ｃｍ−３の非晶質Ｓｉ膜を形
成する。その次に、固相成長させるので、固相成長のア
ニール温度が６００℃程度の低温でも結晶核発生に長時
間アニールを必要とせず、潜伏時間を非常に短くするこ
とが可能となる。前記ＴＥＸ写真で示した通り、アニー
ル温度が低ければ核発生密度が小さくなり、最終的に非
常に大きな結晶粒径のＳｉ膜が得られる。従って、本発
明は、固相成長に要する時間を大幅に短縮させるばかり
でなく、大粒径のＳｉ膜を形成することに対して極めて
大きな効果がある。

１〜２時間という非常に短時間で大粒径のＳｉ膜が得ら
れるので、薄膜トランジスタを作成する場合の工程時間
の短縮化、及びスルーブツトの向上、ひいてはコストダ
ウンに対して本発明は極めて大きな効果がある。

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。フォト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。

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。

ＮチャネルとＰチャネルとの特性の不釣合いさも改善さ
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℃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、充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（
Ａ１２０３）あルイはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３゜ＢＰ、Ｃａ
Ｆ２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（１）〔ａ〕から（ｈ）は、本発明の実施例を示
すＴＰＴの工程断面図である。 第２図は、Ｘ線回折強度の固相成長条件依存性を示す図
である。縦軸は、Ｓｉの（１１１）、　（２２０）、　
（３１１）のＸ線回折信号の積分強度の合計を示し、横
軸はアニール時間を示している。 図中Ｔａはアニール温度を示す。 第３図は、固相成長のアニール温度が６００℃の場合の
ＥＳＲ測定によって得られたスピン密度のアニール時間
依存性を示す図である。 第４図は、固相成長のアニール温度が６００℃の場合の
水素温度のアニール時間依存性を示す図である。 絶縁性非晶質材料 第１図 （ｂ） 第１図 （１）〔ａ〕 第１図 （ｄ） 簗１図 （ｅ） 非晶質Ｓｉ膜 固相成長させたＳｉ膜 以上

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１） 〔ａ〕絶縁性非晶質材料上に水素を含有す る非単結晶半導体薄膜を堆積させる工 程、 〔ｂ〕該非単結晶半導体薄膜を熱処理する ことにより水素を放出させる工程、 〔ｃ〕固相成長法により該非単結晶半導体 薄膜を結晶成長させる工程、 〔ｄ〕結晶成長させた非単結晶半導体薄膜 に半導体装置を形成する工程を少なく とも有することを特徴とする薄膜半導 体装置の製造方法。
2. （２）前記非単結晶半導体薄膜を、プラズマＣＶＤ法に
   より堆積させることを特徴とする 特許請求項第１記載の薄膜半導体装置の製 造方法。
3. （３）前記非単結晶半導体薄膜を熱処理することにより
   水素を放出させる工程後、該非単 結晶半導体薄膜の含有水素量が７×１０＾１＾９〜３×
   １０＾２＾０ｃｍ＾−＾３、スピン密度が２×１０＾１
   ＾９〜５×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾３であることを特徴
   とする特許請求項第１記載の薄膜半導体装 置の製造方法。
4. （４）前記非単結晶半導体薄膜を熱処理することにより
   水素を放出させる工程において、 熱処理温度が４００〜５００℃であること を特徴とする特許請求項第１記載の薄膜半 導体装置の製造方法。
5. （５）前記固相成長法は、５００〜７００℃の低温アニ
   ールであることを特徴とする特許 請求項第１記載の薄膜半導体装置の製造方 法。