JPH04152624A - 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用した薄膜半導
体装置及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、ＳＯＩ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Ｓ
　ｉ　０２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、５ＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　　Ｏｎ　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術として知られ
ている。　（参考文献　Ｓ０工構造形成技術、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　　Ｄ　ｅ　ｖ　ｉ　ｃ　ｅ　　Ｌ　ｅ　ｔ　ｔ　ｅ
　ｒ　ｓ、　　ｖ　ｏ　１．　　ＥＤＬ−８，Ｎｏ、８
．ｐ３６１．Ａｕｇｕｓｔ１９８７）。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、Ｓｉ゛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′Ｃ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法は適していなし八と従来考えられていた。

低温で良質のゲート絶縁膜を形成する技術が重要となっ
てきた。熱酸化法は、９００〜１２００℃程度の高温プ
ロセスであるため、　（１）安価なガラス基板上に素子
を形成できない、　（２）不純物の横拡散。　（３）三
次元ＩＣでは下層部の素子に悪影響（不純物の拡散など
）を与える。　（４）ｐｏｌｙ−３ｉの熱酸化膜は絶縁
耐圧が不十分で界面準位密度が大きい等の問題がある。

現在、ＣＶＤ法や、光ＣＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法な
どでゲート酸化膜を形成する技術が検討されている。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、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を
熱処理することにより、大粒径の多結晶シリコン薄膜を
形成すると同時により優れたゲート酸化膜を形成できる
面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、絶縁性非晶質材
料上の非単結晶半導体薄膜を固相成長させる工程を少な
くとも有する薄膜半導体装置の製造方法において、前記
固相成長法は、酸素ガス分圧９９．９９％以上の酸素雰
囲気中で行うことを特徴とする。

（２）〔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、 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。

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。

（４）　前記非単結晶半導体薄膜を熱処理するこ（Ｃ） （ｄ） 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。

（５）　前記固相成長法は、５００〜７００″Ｃの低温
アニールであることを特徴とする。

［実旌例コ 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℃以下
の低温プロセスに制限される。また、不純物の放出拡散
を抑えるために酸化膜あるいは窒素化膜を堆積させた石
英基板やガラス基板を用いる場合もある。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（２）〔ａ〕に示す
ように石英基板１−１上に、５ｉＨａ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５ｉＨａ分圧は１０〜２０％、デボ中の
内圧は０．５〜１．５ｔｏｒｒ程度である。

基板温度は２５０℃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８ａｔｏ
ｍｉｃ％であった。

続いて、該非晶質Ｓｉ膜を、４００℃〜５００℃で熱処
理して水素を放出させる。この工程は、水素の爆発的な
脱離を防ぐことを目的としている。

次に前記非晶質シリコン薄膜１−２をフォトリソグラフ
ィ法によりバターニングして第１図〔ｂ〕１−３に示す
ように島状非晶質シリコン薄膜にする。

次に、前記島状非晶質シリコン薄膜１−３を固相成長さ
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、酸素ガス主体とする
。酸素ガス分圧を９９．９９％以上とする。この様な酸
素ガス雰囲気では混入不純物が非常に少なく、清浄なア
ニール処理ができる。固相成長アニール温度は５００℃
〜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
。しかも酸素雰囲気中での熱処理なので固相成長と同時
にシリコン表面には非常に薄い酸化膜が形成される。シ
リコンの酸化工程は酸化膜厚の範囲によって大きく２つ
の領域に分類される。１つは膜厚が約２０ｎｍ以下の初
期増速酸化の領域であり、他方は２０ｎｍ以上の酸化膜
厚で定義される１ｉｎｅａｒ−ｐａｒａｂｏｌｉｃ酸化
領域である。酸化初期では酸化速度が増速されるので６
００℃という低温にもかかわらず薄い酸化膜が形成され
る。１６時間の熱処理でシリコンの結晶粒径は２μｍ以
上、酸化膜厚は数十Ａ程度となる。第１図（Ｃ）におい
て、１−４は固相成長シリコン薄膜を示し、１−５は酸
素雰囲気中で固相成長したことによって形成された薄い
酸化膜を示している。

次に第１図（ｄ）に示されているように、ゲート酸化１
１１［１−８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℃
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。シリコン表面には薄い酸化膜１−５が
すでに形成されているが、その膜厚は数十人と薄いので
前述したとおり初期増速酸化の領域である。従って、Ｓ
ｉ／　Ｓ　ｘ　Ｏ２界面の酸化が進行し、優れた界面が
形成される。

次に第１図（ｅ）に示されるように、ゲート電極１−７
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。成層方法としては、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１１１（ｆ）に示すように、前記ゲート電極１
−７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１−８およびドレイン領域１−９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Ｐｏ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あるいはイオンシャワー法
などの方法がある。１−１０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。不純物温度は、ｌＸｌ０”から１　ｘ　１０
”ｃｍ−’程度とする。前記薄い酸化膜１−５と前記ゲ
ート酸化膜１−６との総合膜厚が例えば１２００Ａの場
合、リンイオンは８０〜１２０ｋｅＶ程度、ボロンイオ
ンは３０〜８０ｋｅＶ程度の加速電圧でイオン注入する
。

続いて第１図（ｇ）に示されるように、層間絶縁膜１−
１１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（Ｎ　Ｈ３）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、ゲート酸化膜界面あるいは
シリコン膜中の結晶粒界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、電気的特性が飛躍的に改善
される。この様な水素化工程は、層間絶縁膜１−１１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１−１２およびドレイン電極１−
１３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、ＴＥＮ観
察、ラマン測定、Ｘ線回折測定、ＥＳＲ測定、Ｓ　ＩＭ
Ｓ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しられている。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。また、固相成長後、いったん大気に出して
からゲート酸化層を形成していたので界面に不純物が付
着したり界面準位が多くなるという問題があった。

本発明においては、固相成長の前に、４００°Ｃ〜５０
０°Ｃの熱処理により水素を放出させて、爆発的な水素
の放出を防ぎ空孔等の欠陥の発生を極力抑えた。そして
島状にパターニングした後、酸素雰囲気中で固相成長さ
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。酸素雰囲気の
酸素純度が９９．９９％以上なので不純物の少ない酸化
膜が形成される。また、シリコン膜が固相成長すると同
時にシリコン表面が連続的に酸化されるので、極めて清
浄な界面が形成される。この様に、本発明は、数μｍの
結晶粒径をもった大粒径のＳｉ膜を形成することを可能
にするばかりでなく、清浄なＳ　ｉ　／　Ｓ　ｉ○２界
面の形成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）あるいはＭ　ｇ　Ｏ−Ａ　１２０３゜Ｂ　
Ｐ、　　Ｃａ　Ｆ　２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（２）〔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。 絶縁性非晶質材料 非晶質Ｓｉ膜 固相成長させたＳｉ膜 固相成長中に形成された 薄い酸化膜 ゲート酸化膜 以上

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性非晶質材料上の非単結晶半導体薄膜を固相
   成長させる工程を少なくとも有する薄膜半導体装置の製
   造方法において、前記固相成長法は、酸素ガス分圧９９
   ．９９％以上の酸素雰囲気中で行うことを特徴とする薄
   膜半導体装置の製造方法。
2. （２） 〔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請
   求項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、プラズマＣＶＤ法に
   より堆積させることを特徴とする請求項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請求項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請求項１記載の薄膜半導体
   装置の製造方法。