JPH04321219A - 結晶半導体薄膜の形成方法並びに薄膜トランジスタの製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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形成させ
る方法と液晶表示装置、ラインセンサー等のへ応用され
る薄膜トランジスタの製造方法に関する。

【０００２】

【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、
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）
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）。ＳＯＩは再結晶化法、エピタキシャ
ル法、絶縁層埋め込み法、貼合わせ法という方法に大き
く分類される。再結晶化法には、レーザーあるいは電子
ビームの照射によりシリコンを部分的に溶融再結晶化さ
せる方法と、非晶質シリコンを融点以下の温度で長時間
アニールし、固相のままで結晶化させる固相成長法の２
つに分類される。固相成長法の場合には、５５０℃の低
温熱処理にもかかわらずシリコン膜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　　アイイ
ーイーイー　　エレクトロン　　テ゛ハ゛イス　　レタ
ース゛，ホ゛ル．イーテ゛ィーエル−８，オウカ゛スト
　　１９８７，ヒ゜ー３６１（ＩＥＥＥ　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．Ｅ
ＤＬ−８，Ａｕｇｕｓｔ　１９８７，　ｐ３６１））。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
固相成長法の場合には化学気相堆積法（以下ではＣＶＤ
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法と略記する）により原料ガスとしてＳｉＨ４を用
い、基板温度６４０℃程度で堆積された多結晶シリコン
薄膜を一度大気中に取り出し、イオン注入装置を用いて
シリコン・イオンを注入して多結晶シリコン薄膜を非晶
質化し、再び大気中に取り出した後、シリコンの融点以
下の温度でアニールして固相成長させることが多かった
（参考文献　　アイイーイーイー　　トランサ゛クショ
ン　　オンエレクトロン　　テ゛ハ゛イスィス゛，ホ゛
ル．３７，エヌオー．６，シ゛ュン　　１９９０，ヒ゜
ー．ヒ゜ー．１４６２−１４６６（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎ
ｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉ
ｃｅｓ，　Ｖｏｌ．３７，　Ｎｏ．６，　Ｊｕｎｅ　１
９９０，　ｐ．ｐ．１４６２−１４６６））。　　しか
しながら、この方法では固相成長させるまでにシリコン
薄膜が２度も大気中に取り出され、大気中に取り出され
る度にシリコン薄膜中に酸素が取り込まれてしまう。シ
リコン薄膜中の酸素などの不純物は固相成長を妨げると
いった問題点を有している。また、シリコンイオンを注
入するためにイオン注入装置という高価な装置を使用す
るためコストが高いという問題点も有している。

【０００４】本発明はかかる点に鑑み、固相成長により
結晶シリコン薄膜を形成させる場合において酸素からの
コンタミネーションを防ぎ、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ガラス基板のよう
な非晶質絶縁基板上に比較的安価な装置を用いた簡単な
方法で形成し、性能の優れた薄膜トランジスタ等の薄膜
半導体装置を作製する方法を提供するものである。

【０００５】

【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、非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜上
に、ＳｉｎＨ２ｎ＋２　（ｎ＝１，２または３）を少な
くとも含む原料ガスを用いる化学気相堆積法により非晶
質Ｓｉ半導体薄膜層を堆積させる第一の工程と、３００
℃〜４５０℃の熱処理を行うことにより前記非晶質Ｓｉ
半導体薄膜中に含まれる水素を脱離させる第２の工程と
、５００℃〜７００℃の低温熱処理により前記水素を脱
離された非晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させ結晶Ｓｉ
半導体薄膜を形成する第３の工程とを少なくとも有する
とともに、前記第１と第２と第３の工程を同一反応炉内
で大気中に取り出すことなく行うことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明は、固相成長により結晶シリコン薄膜を
形成させる場合において酸素からのコンタミネーション
を防ぎ、結晶粒径が大きく、欠陥の少ない結晶性の優れ
たシリコン薄膜をガラス基板のような非晶質絶縁基板上
に簡単な方法で、しかも低コストでの形成が可能となる
。また、高性能の薄膜トランジスタを低コストで製造で
きる。

【０００７】

【実施例】（図１）は本発明の一実施例の各工程毎の断
面図を示したものでこれらの図を用いて説明する。（図
１（Ａ））に於て、１は非晶質絶縁基板である。ガラス
基板、石英基板あるいは基板などが用いられる。ＳｉＯ
２　で覆われたＳｉ基板を用いることもある。しかしな
がら、本発明は約６００℃以下の比較的低温での結晶成
長が可能であるため、低コストのガラス基板を使用する
ことが可能である。前述の非晶質絶縁基板１上に、原料
ガスとしてＳｉ２Ｈ６を用い、基板温度４５０℃〜５０
０℃の低圧化学気相堆積法（以下ではＬＰ−ＣＶＤ（Ｌ
ｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏ
ｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と略記する）により非晶
質シリコン薄膜２を堆積させる。この非晶質シリコン薄
膜中にはＳｉ−ＨあるいはＳｉ−Ｈ２　の形で水素が多
量に含まれているが、成膜された非晶質シリコン薄膜２
を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉に設置したままで大気中
に取り出すことなく連続して３００℃〜４５０℃の熱処
理を行い、前記非晶質シリコン薄膜２に含まれる水素を
脱離させる。４００℃〜５００℃の熱処理によると、そ
の極めて初期の段階において、前記Ｓｉ−Ｈ及びＳｉ−
Ｈ２　からの水素の脱離と格子の緩和が同時に起こり進
行する。５００℃程度では核生成が起きる可能性がある
が、まず水素脱離を行った後、結晶化を行うのが望まし
いので、３００℃〜４５０℃の熱処理が適当である。（
図１（Ｂ））において、３は水素脱離された非晶質シリ
コン薄膜を示す。このとき反応炉内の雰囲気は窒素ガス
、あるいはヘリウムガス、あるいはアルゴンガスなどの
ガス雰囲気でも良いし、１０−８から１０−１１　Ｔｏ
ｒｒの超高真空でもよい。もし、成膜直後の非晶質シリ
コンを大気中に取り出すと、酸素などの不純物を薄膜中
に取り込み易く、その結果として非晶質シリコン薄膜は
一層結晶成長が困難になる。

【０００８】次に、水素脱離された非晶質シリコン薄膜
３を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉内にいれてたまま、５
００℃〜７００℃の低温熱処理を行い、前記水素脱離さ
れた非晶質シリコン薄膜３を固相成長させると、（図１
（Ｃ））に示すように、固相成長したシリコン薄膜、即
ち、多結晶シリコン薄膜４が成長する。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。１×１０−６から１×１０−１０
　Ｔｏｒｒの高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。 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。

【０００９】（図２）は本発明の第２の実施例を工程を
追って図示したものであり、この図を用いて説明する。 本実施例は本発明を用いて作成した大粒径多結晶シリコ
ン薄膜を、コプレーナ型薄膜トランジスタに応用した例
である。実施例１に従って作成して得られた大粒径多結
晶シリコン薄膜基板を（図２（Ａ））に示す。５は非晶
質絶縁基板である。６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。次に前記シリコン薄膜を
一般のフォトソリグラフィ及びエッチングによりして（
図２（Ｂ））に示すように島状にパターニングする。 次に、（図２（Ｃ））に示されているように、ゲート絶
縁層７として酸化シリコン層を形成する。前記ゲート絶
縁層の形成方法としてはＬＰ−ＣＶＤ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。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５として石英基板等
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。

【００１０】次に（図２（Ｄ））に示されるように、ゲ
ート電極８を例えば多結晶シリコンを用いて形成する。 成膜方法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法等の方法があ
るが、ここでの詳しい説明は省略する。

【００１１】続いてゲート絶縁層を前記ゲート電極８を
マスクとしてエッチング除去し、（図２（Ｅ））に示す
ように、前記ゲート電極８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９およびドレイン領
域１０を形成する。前記不純物としては、ｎチャンネル
・トランジスタを作製する場合はＰ＋あるいはＡｓ＋を
用い、ｐチャンネル・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。１１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５
として石英基板等を用いた場合に熱拡散法を使うことが
できる。不純物濃度は１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０
２８ｃｍ−３程度とする。

【００１２】続いて（図２（Ｆ））に示されるように、
層間絶縁膜１２として、例えば窒化シリコン膜を数百ｎ
ｍ〜数μｍ　程度堆積する。形成方法としては、ＬＰ−
ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法などが簡単である。 反応ガスには、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２　とＨ２ガス等
の混合ガスなどを用いる。

【００１３】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、層間絶縁膜１２
を積層する前に行ってもよい。

【００１４】最後に（図２（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、ソース電極１３及びドレイン電極１４として、例え
ばアルミニウムを用いて形成する。この様にしてコプレ
ーナ型薄膜トランジスタが形成される。

【００１５】尚、本実施例ではゲート電極として多結晶
シリコンを用いたが、ゲート電極材料としてはモリブデ
ンシリサイド、あるいはアルミニウムやクロムなどのよ
うな金属材料、あるいはＩＴＯやＳｎＯ２　などのよう
な透明性導電膜などを用いることができる。またソース
・ドレイン電極も同様にアルミニウム、クロム、金属珪
化物のような金属材料、あるいはＩＴＯやＳｎＯ２など
のような透明性導電膜などを用いることができる。

【００１６】上記実施例では、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ヘテ
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。

【００１７】（図３）は、本発明の第３の実施例を工程
を追って図示したものである。本実施例は液晶ディスプ
レイ等に応用される透光性基板上の逆スタガ型薄膜トラ
ンジスタを製造する方法に関するものである。

【００１８】（図３（Ａ））は透光性基板１５として例
えばコーニング社製＃１７３３ガラス基板上に、Ｃｒ等
の導電体薄膜をスパッタリング法により被着し、所望の
パターニングを施してゲート電極１６を形成した後、Ｌ
Ｐ−ＣＶＤ法により、ゲート絶縁層１７として例えば窒
化シリコン、非晶質シリコン薄膜１８を連続形成したも
のである。非晶質シリコンの堆積には原料ガスとしてＳ
ｉ２Ｈ６を用い、基板温度４５０℃〜５００℃で行う。 次に、大気中に取り出すことなく、ＬＰ−ＣＶＤ装置の
反応炉に設置したままで連続して３００℃〜４５０℃の
熱処理を行い、前記非晶質シリコン薄膜１８に含まれる
水素を脱離させ、（図３（Ｂ））に示すような水素脱離
した非晶質シリコン薄膜１９得る。このとき反応炉内の
雰囲気は窒素ガス、あるいはヘリウムガス、あるいはア
ルゴンガスなどのガス雰囲気でも良いし、１０−６〜１
０−９Ｐａの超高真空でもよい。更に、水素脱離された
非晶質シリコン薄膜１９を、ＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉
内にいれてたまま、５００℃〜６００℃の低温熱処理を
行い、前記水素脱離された非晶質シリコン薄膜３を固相
成長させ、（図３（Ｃ））に示すように多結晶シリコン
薄膜を２０を得る。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
。１×１０−４から１×１０−８Ｐａの高真空雰囲気で
アニールを行ってもよい。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。 しかしながら、このままでは、結晶粒界には多くのダン
グリングボンド等が存在するため、粒界障壁が高く、優
れたトランジスタ性能が望めないので、ＬＰ−ＣＶＤ装
置反応炉内に水素を導入し、基板温度２００℃〜４００
℃で高周波放電を行い、水素プラズマを立てることによ
り、多結晶シリコンの粒界のダングリングボンド等をタ
ーミネイトし、（図３（Ｄ））に示すように、水素化さ
れた多結晶シリコン薄膜２１を得る。高周波放電のため
反応炉にはあらかじめ、電極を設置しておく。電極には
ロッド状やメッシュ状のものが望ましい。本実施例では
ゲート絶縁層と非晶質シリコン層を連続形成しているが
、非連続形成しても、この水素プラズマによるターミネ
イションにより、絶縁層−半導体層界面のダングリング
ボンドも補償される。

【００１９】次に、図３（Ｅ）に示すように、基板を反
応室から取り出し、通常のフォトリソグラフィー及びエ
ッチングにより、上述のようにして形成された多結晶シ
リコン薄膜を島状にパターニングする。

【００２０】最後に、（図３（Ｆ））に示すように、ソ
ース電極２２及びドレイン電極２３をＡｌ等の金属で形
成して薄膜トランジスタが形成される。ｎチャンネルの
場合にはオーミック特性を改善し、ホール伝導を抑制す
るため、半導体層とソースドレイン電極の間にリン等の
ドナーとなる元素をドープしたｎ＋　型シリコン層を介
在させてもよい。また、ｐチャンネルの場合にはオーミ
ック特性の改善と電子伝導抑制のため、同様にｐ＋型シ
リコン層を介在させてもよい。

【００２１】尚、上記実施例では、ゲート電極１６の材
料としてＣｒとしたが、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｉ
−Ｃｒ合金やこれらの金属の珪化物等、薄膜トランジス
タのゲート電極の材料として使用されるものならばいず
れも使用し得る。また、ゲート絶縁体層１７の材料とし
ては、窒化シリコン、酸化シリコンや金属酸化物なども
用いられる。

【００２２】さらに、ソース電極２２及びドレイン電極
２３の材料としては、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒやこれら
の金属の珪化物等が使用できる。更に、Ｉｎ２Ｏ３、Ｓ
ｎＯ２或はこれらの混合物等の透明導電材料も使用でき
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＬＰ−ＣＶＤ法による非晶質シリコン薄膜の成膜後、大
気中に取り出すことなくＬＰ−ＣＶＤ装置の反応炉の中
で連続的に３００℃〜４５０℃の熱処理を行い水素脱離
し、連続して５００℃〜７００℃の低温熱処理を行えば
固相成長して大粒径多結晶シリコン薄膜が得られる。大
気にさらされないため、膜中に酸素等の不純物が取り込
まれなくなるため、粒径は数μｍ〜数＋μｍの大きさま
で成長する。従って、従来は必要であったシリコンイオ
ン注入装置が不要で、かつ結晶性の優れたシリコン薄膜
を低コストで製造できる。しかも、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使用することができる。

【００２４】また、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
閾値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。

【００２５】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
、電源電圧の低域、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
。特に、本発明をスイッチング素子とそのドライバ回路
を同一基板内に一体化した液晶ディスプレイに応用した
場合には、高移動度の多結晶シリコンをスイッチング素
子に使用できるため素子面積を小さくすることが出来る
ため、開口率を改善できると共に、ドライバを一体化し
ているため、従来は必要であったドライバＩＣの実装が
不要となり、低コストで信頼性の高い高性能の液晶ディ
スプレイが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明における半導体薄膜の結晶成長方法
の実施例における各工程毎の概略断面図である。

【図２】　　本発明をコプレーナ型薄膜トランジスタの
製造方法に応用した場合の実施例における各製造工程毎
の概略断面図である。

【図３】　　本発明に基づく逆スタガ型薄膜トランジス
タの製造方法の実施例における各製造工程毎の概略断面
図である。

【符号の説明】

１　　非晶質絶縁基板 ２　　非晶質シリコン薄膜 ３　　水素脱離された非晶質シリコン薄膜４　　多結晶
シリコン薄膜 ５　　非晶質絶縁基板 ６　　固相成長により形成された大粒径多結晶シリコン
薄膜 ７　　ゲート絶縁層 ８　　ゲート電極 ９　　ソース領域 １０　　ドレイン領域 １１　　不純物イオンビーム １２　　層間絶縁層 １３　　ソース電極 １４　　ドレイン電極 １５　　透光性基板 １６　　ゲート電極 １７　　ゲート絶縁層 １８　　非晶質シリコン薄膜 １９　　水素脱離された非晶質シリコン薄膜２０　　多
結晶シリコン薄膜 ２１　　水素化された多結晶シリコン薄膜２２　　ソー
ス電極 ２３　　ドレイン電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶縁膜
   上に、ＳｉｎＨ２ｎ＋２　（ｎ＝１，２，または３）を
   少なくとも含む原料ガスを用いる化学気相堆積法により
   非晶質Ｓｉ半導体薄膜層を堆積させる第一の工程と、３
   ００℃〜４５０℃の熱処理を行うことにより前記非晶質
   Ｓｉ半導体薄膜中に含まれる水素を脱離させる第二の工
   程と、５００℃〜７００℃の低温熱処理により前記水素
   を脱離された非晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させ結晶
   Ｓｉ半導体薄膜を形成する第三の工程とを少なくとも有
   するとともに、前記第一と第二と第三の工程を同一反応
   炉内で大気中に取り出すことなく行うことを特徴とする
   結晶半導体薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】　　透光性基板上に、不透光性導電材料を
   選択的に被着形成した第一の導電層を形成する工程と、
   前記基板表面の露出面及び前記第一の導電層を絶縁体層
   で覆う工程と、前記絶縁体層上の特定領域を半導体層で
   覆う工程と、前記半導体層と一部重なり合う一対の第二
   の導電層を形成する工程からなる薄膜トランジスタの製
   造方法において、前記半導体層の形成工程が、ＳｉｎＨ
   ２ｎ＋２　（ｎ＝１，２，または３）を少なくとも含む
   原料ガスを用いる化学気相堆積法により非晶質Ｓｉ半導
   体薄膜層を堆積させる第一の工程と、３００℃〜４５０
   ℃の熱処理を行うことにより前記非晶質Ｓｉ半導体薄膜
   中に含まれる水素を脱離させる第二の工程と、５００℃
   〜７００℃の低温熱処理により前記水素を脱離された非
   晶質Ｓｉ半導体薄膜を固相成長させ結晶Ｓｉ半導体薄膜
   を形成する第三の工程と、水素プラズマにより前記結晶
   Ｓｉ半導体薄膜を水素化する第四の工程を少なくとも有
   するとともに、前記第一と第二と第三と第四の工程を同
   一反応炉内で大気中に取り出すことなく行うことを特徴
   とする薄膜トランジスタの製造方法。
3. 【請求項３】　　半導体層は不純物を殆ど含まない第一
   の半導体層と少なくとも不純物となるＰ、Ａｓ、Ｂまた
   はＡｌのうち少なくとも１種類以上の元素を含む第二の
   半導体層を被着する工程と前記第二の導電層を選択的に
   被着形成後、前記第二の半導体層の露出部及び前記第一
   の半導体層の一部を選択的に除去する工程を含むことを
   特徴とする請求項２記載の薄膜トランジスタの製造方法
   。