JPH04349617A - 多結晶シリコン薄膜とその製造方法及びこの薄膜を用いた薄膜トランジスタ - 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、薄膜トランジスタや太
陽電池等に利用可能な多結晶シリコン薄膜とその製造方
法に係り、特に、薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結
晶の連続性に優れた多結晶シリコン薄膜を高温条件に晒
すことなく短い製造時間で求められる多結晶シリコン薄
膜とその製造方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜は数百オングストロ
ーム〜数μｍの結晶シリコンが多数集合して形成された
結晶シリコンの薄膜で、アモルファスシリコンと較べ電
子の移動度が１〜２桁程大きい優れた特性を有している
上、単結晶シリコンでは困難なガラス等の非晶質基板上
へ成膜可能な利点を有している。

【０００３】そして、この種の薄膜を形成する方法とし
て、従来ガラス等の非晶質基板上に多結晶シリコンを直
接成膜して多結晶シリコン薄膜を求める熱ＣＶＤやプラ
ズマＣＶＤ等の気相成長法、上記非晶質基板上にアモル
ファスシリコンを一旦成膜しこれを加熱炉内で長時間加
熱し結晶成長させて多結晶シリコン薄膜を求める固相成
長法、及び、上記アモルファスシリコン薄膜面へレーザ
ビームを照射しその部位を結晶化させて多結晶シリコン
薄膜を求めるレーザアニール成長法等が利用されている
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記気相成
長法により多結晶シリコン薄膜を求めた場合、この成膜
法では図１３に示すようにシリコンの結晶成長が非晶質
基板ａとの界面部位から開始するため成膜された多結晶
シリコン薄膜ｂの上記非晶質基板ａとの界面部位に結晶
成長の不十分な未成長領域ｃが形成され易い欠点があり
、結晶の連続性がなくなって電子移動度等の電気的特性
が劣化する問題点があった。

【０００５】このため、上記非晶質基板上に形成する多
結晶シリコン薄膜の膜厚を薄く設定しようとすると膜中
に含まれる未成長領域の割合が相対的に多くなり、この
気相成長法では薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶
の連続性に優れた多結晶シリコン薄膜を求めることが困
難な問題点があった。

【０００６】尚、非晶質基板温度を上げ高温条件下で多
結晶シリコン薄膜を形成することにより上記未成長領域
ｂの低減を図ることは可能であるが、この様な方法を採
った場合、適用できる非晶質基板が高価な耐熱基板に限
定されてしまうため現実的に適用困難な方法であった。

【０００７】他方、上記固相成長法においては長時間の
結晶化アニール処理を必要とするため作業効率が劣る問
題点があり、また、レーザアニール成長法においてはこ
の製法に要する装置が高額でかつその寿命が短いといっ
た欠点があり、しかもレーザの出力が変動した場合に不
均質な結晶領域が生ずる欠点があるため熱ＣＶＤやプラ
ズマＣＶＤ等の気相成長法と同様に薄膜でかつ結晶粒径
が大きくしかも結晶の連続性に優れた多結晶シリコン薄
膜を求めることが困難な問題点があった。

【０００８】本発明はこの様な問題点に着目してなされ
たもので、その課題とするところは、薄膜でかつ結晶粒
径が大きくしかも結晶の連続性に優れた多結晶シリコン
薄膜を高温条件に晒すことなく短い製造時間で求められ
る多結晶シリコン薄膜とその製造方法並びにこの多結晶
シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタを提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち請求項１に係る
発明は、非晶質基板上に成膜される多結晶シリコン薄膜
を前提とし、上記非晶質基板との間に酸化プラセオジウ
ムの多結晶膜を備えこの多結晶膜に対しヘテロエピタキ
シャル成長させて形成された多結晶シリコンにより多結
晶シリコン薄膜が構成されていることを特徴とし、他方
、請求項２に係る発明は、請求項１記載の多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法を前提とし、非晶質基板上に酸化プラ
セオジウムの多結晶膜を一様に成膜し、かつ、この多結
晶膜上にシリコンをヘテロエピタキシャル成長させて多
結晶シリコン薄膜を形成することを特徴とするものであ
る。

【００１０】この様な技術的手段において酸化プラセオ
ジウム（ＰｒＯ２　、Ｐｒ６　Ｏ１１）はイオン性の物
質で極めて結晶化し易く、例えば、真空蒸着法やスパッ
タリング法等によりＰｒＯ２　若しくはＰｒ６　Ｏ１１
又はこれ等の混合物の多結晶膜をガラス、セラミックス
等の非晶質基板上に容易に形成できる化合物であり、か
つ、これ等結晶の格子定数はシリコンの格子定数と近似
しシリコンとの格子整合可能な物質である。そして、成
膜時における非晶質基板の加熱温度や成膜速度（供給ガ
スの分圧、ヒーター温度、ＲＦパワー等設定条件による
）等を適宜設定することによりその多結晶膜を（１１１
）方向（図５参照）、（１１０）方向（図６参照）又は
（１００）方向（図７参照）へ単一配向させることが可
能な化合物である。

【００１１】次に、この酸化プラセオジウムの多結晶膜
上に多結晶シリコンを成膜するには、アモルファスシリ
コンを成膜した後結晶化アニール処理にてこれを多結晶
シリコンにする固相成長法やレーザアニール成長法等が
、また、上記多結晶膜上に多結晶シリコンを直接成膜す
る熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法等が適用できる。そして
、固相成長法を適用した場合には酸化プラセオジウム結
晶を結晶核にしてアモルファスシリコンがヘテロエピタ
キシャル成長するため結晶化アニール時間の短縮が図れ
、他方、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法等の気相成長法を
適用した場合には上記酸化プラセオジウム結晶を結晶核
にしてシリコンのヘテロエピタキシャル成長が行われる
ため、低温条件下で成膜処理を行っても成膜された多結
晶シリコン薄膜と非晶質基板との界面部位に結晶の連続
性を妨げる未成長領域が形成されることがない。

【００１２】尚、これ等の成膜手段においてシリコン原
子の供給ガスとしては、ＳｉＨ４　、Ｓｉ２　Ｈ６　、
Ｓｉ３　Ｈ８　等の水素化珪素、ＳｉＨｍ　Ｘ４−ｍ　
（但し、ｍは０〜３、ＸはＣｌ又はＦ原子好ましくはＦ
原子である）、Ｓｉ２　Ｆ６　で示されるハロゲン化シ
ラン等が適用できる。

【００１３】そして、酸化プラセオジウムの多結晶膜が
上述したように（１１１）、（１１０）又は（１００）
等一定の方向へ優先配向している場合にはこの多結晶膜
に対しヘテロエピタキシャル成長させて形成された多結
晶シリコン薄膜も同じ配向をしているため、ランダム成
長した多結晶シリコン薄膜に較べてその電気特性の向上
が図れる利点を有している。

【００１４】次に、上記酸化プラセオジウムの多結晶膜
はシリコンの結晶成長を助長するがこの多結晶膜を非晶
質基板の選択された領域に成膜した場合、その部位に成
膜されたシリコンのみを優先的に結晶成長させることが
可能となる。

【００１５】請求項３に係る発明はこの様な技術的根拠
に基づき完成されており、請求項１記載の多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法を前提とし、非晶質基板上の選択され
た領域に酸化プラセオジウムの多結晶膜を成膜し、かつ
、この多結晶膜が形成された非晶質基板上へシリコンを
成膜すると共に、上記多結晶膜上のシリコンをヘテロエ
ピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜にすること
を特徴とするものである。

【００１６】この場合、非晶質基板のある領域へ酸化プ
ラセオジウムの多結晶膜を選択的に形成する手段として
は、非晶質基板上へ酸化プラセオジウムを一様に成膜し
かつこれをウエットエッチング法やドライエッチング法
により選択的にエッチングして選択形成する方法、ある
いは非晶質基板上にマスクを設置しこのマスクから露出
した非晶質基板上へ酸化プラセオジウムを選択的に成膜
する方法等が適用できる。

【００１７】尚、これ等請求項１〜３に係る発明におい
ては、真性の多結晶シリコン薄膜を形成するだけでなく
、例えば、成膜時における適用ガス中に元素周期率表第
ＩＩＩ族又は第Ｖ族のドーパントガスを混入することに
より求めた多結晶シリコン薄膜をｐ型又はｎ型にするこ
とができる。この場合のドーパントガスとしてはジボラ
ン、ホスフィン、アルシン等の水素化物が挙げられる。

【００１８】次に、請求項１〜３に係る発明において適
用されている酸化プラセオジウムの多結晶膜は１０１５
Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を示すため、この多結晶膜上
に形成された多結晶シリコン薄膜を電子素子等に適用し
た際に上記酸化プラセオジウムの多結晶膜が弊害を及ぼ
すことはない。

【００１９】請求項４に係る発明はこの様な技術的背景
から完成されており、その活性層が多結晶シリコン薄膜
にて構成され液晶ディスプレイ装置やイメージセンサ等
に適用される薄膜トランジスタを前提とし、非晶質基板
と、この非晶質基板上に成膜された酸化プラセオジウム
の多結晶膜と、この多結晶膜上にヘテロエピタキシャル
成長させて形成した多結晶シリコン薄膜と、この多結晶
シリコン薄膜に形成されたソース電極・ドレイン電極と
、絶縁膜を介し上記多結晶シリコン薄膜に対向して設け
られたゲート電極、とを備えることを特徴とするもので
ある。

【００２０】そして、この請求項４に係る薄膜トランジ
スタにおいてはその活性層が薄膜でかつ結晶粒径が大き
くしかも結晶の連続性に優れた多結晶シリコン薄膜によ
り構成されているため、電子移動度の向上並びに漏れ電
流の低減等電気特性が改良される利点を有している。

【００２１】

【作用】請求項１に係る発明によれば、非晶質基板との
間に酸化プラセオジウムの多結晶膜を備えこの多結晶膜
に対しヘテロエピタキシャル成長させて形成された多結
晶シリコンにより多結晶シリコン薄膜が構成されている
ため、この多結晶シリコン薄膜における結晶の大粒径化
と結晶の連続性とを図ることが可能となる。

【００２２】また、請求項２に係る発明によれば、非晶
質基板上に酸化プラセオジウムの多結晶膜を一様に成膜
し、かつ、この多結晶膜上にシリコンをヘテロエピタキ
シャル成長させて多結晶シリコン薄膜を形成しており、
上記酸化プラセオジウム多結晶膜の作用によりシリコン
の結晶成長が助長されるため、薄膜でかつ結晶粒径が大
きくしかも結晶の連続性に優れた多結晶シリコン薄膜を
低温、短時間の条件で形成することが可能となり、他方
、請求項３に係る発明によれば、非晶質基板上の選択さ
れた領域に酸化プラセオジウムの多結晶膜を成膜し、か
つ、この多結晶膜が形成された非晶質基板上へシリコン
を成膜すると共に、上記多結晶膜上のシリコンをヘテロ
エピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜にしてお
り、上記酸化プラセオジウム多結晶膜の作用によりその
部位のシリコンの結晶成長が選択的に助長されるため、
薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続性に優れ
た結晶領域と非結晶領域とを有する多結晶シリコン薄膜
を低温、短時間の条件で形成することが可能となる。

【００２３】また、請求項４に係る発明によれば、非晶
質基板と、この非晶質基板上に成膜された酸化プラセオ
ジウムの多結晶膜と、この多結晶膜上にヘテロエピタキ
シャル成長させて形成した多結晶シリコン薄膜と、この
多結晶シリコン薄膜に形成されたソース電極・ドレイン
電極と、絶縁膜を介し上記多結晶シリコン薄膜に対向し
て設けられたゲート電極、とを備え、その活性層が薄膜
でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続性に優れた多
結晶シリコン薄膜により構成されているため、電子移動
度の向上並びに漏れ電流の低減等電気特性の改良を図る
ことが可能となる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。

【００２５】［実施例１］この実施例に係る多結晶シリ
コン薄膜は、図１に示すようにガラス基板１上に形成さ
れた厚さ５０〜１０００オングストロームの酸化プラセ
オジウム多結晶膜２上にヘテロエピタキシャル成長によ
り成膜された多結晶シリコン薄膜３にて構成されている
ものである。

【００２６】そして、この多結晶シリコン薄膜３は以下
のような工程を経て形成されたものである。

【００２７】まず、図２（Ａ）に示すように上記ガラス
基板１上へ真空蒸着法にてＰｒＯ２　とＰｒ６　Ｏ１１
の混合物から成る厚さ５０〜１０００オングストローム
の酸化プラセオジウムの多結晶膜２を成膜する。

【００２８】図３はこの成膜に適用された真空蒸着装置
の概略を示したもので、真空チャンバ２０内に設置され
た容器２３へ酸化プラセオジウムの原料２４を収容し、
これをヒータ２２で加熱することにより同じくヒータ２
１で加熱されたガラス基板１上にこの酸化プラセオジウ
ムが堆積される。この酸化プラセオジウムはシリコンと
格子整合可能な化合物で極めて結晶化し易く、ガラス基
板１上に容易に多結晶膜を形成することができる。この
場合、成膜時におけるガラス基板１の加熱温度や成膜速
度（ヒータ２２の設定温度条件等）等を適宜設定するこ
とによりその多結晶膜を、例えば（１１１）方向に単一
配向させることができる。

【００２９】次に、この酸化プラセオジウムの多結晶膜
２上へ図２（Ｂ）に示すように多結晶シリコン薄膜３を
成膜する。

【００３０】この実施例においてはこの成膜手段として
固相成長法が適用されており図４は固相成長法で併用さ
れるプラズマＣＶＤ法を説明するものである。図中、１
１は真空チャンバ、１２は電極、１３はヒータが内蔵さ
れた電極、１５は高周波電源、１６はシランガス（Ｓｉ
Ｈ４　）、１７はポンプである。

【００３１】そして、上記ポンプ１７で排気した真空チ
ャンバ１１内へシランガス１６を導入し、かつ、高周波
電源１５により電極１２、１３間でプラズマ放電を生じ
させてシランガス１６を分解させると共に、このガスを
電極１３内のヒータにて加熱されたガラス基板１上へ成
膜させて厚さ５００〜１００００オングストロームのア
モルファスシリコン層を形成する。尚、このプラズマＣ
ＶＤは２００〜３００℃程度の条件で行われる。この様
にしてアモルファスシリコン層が形成されたガラス基板
１をほぼ５８０℃に設定された加熱炉の中で１時間放置
することによりアモルファスシリコン層が結晶化して多
結晶シリコン薄膜３となる。

【００３２】このとき、酸化プラセオジウムとシリコン
とは格子整合が可能で上記酸化プラセオジウムの多結晶
膜２の作用によりアモルファスシリコンの結晶成長が助
長されるため、上述したような低温、短時間の条件で薄
膜かつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続性に優れた多
結晶シリコン薄膜の形成が可能となる。

【００３３】尚、この固相成長法に限らず、例えばＭＢ
Ｅ法を用いても低温プロセスで通常のガラス基板上への
多結晶シリコン薄膜の形成は可能である。また、上記酸
化プラセオジウムの多結晶膜２が一定の方位へ優先配向
している場合にはヘテロエピタキシャル成長させた多結
晶シリコンも同じ配向を持ち、そのため電気的特性の向
上を図ることができ、かつ、酸化プラセオジウムは１０
１５Ω・ｃｍ以上の高い絶縁性を示すため、この多結晶
シリコン薄膜を電子素子に応用する場合に妨げとなるこ
とがない。

【００３４】［実施例２］この実施例は請求項３に係る
発明を適用したものである。

【００３５】まず、図８に示すようにガラス基板１上に
マスク８０を設置しこの状態で実施例１と同一の条件で
真空蒸着法により厚さ５０〜１０００オングストローム
の酸化プラセオジウムの多結晶膜を成膜し、かつ、上記
マスク８０をガラス基板１から取除いてガラス基板１の
特定領域に帯状の酸化プラセオジウム多結晶膜２を形成
する（図９参照）。

【００３６】次に、この酸化プラセオジウム多結晶膜２
が形成されたガラス基板１の全面に実施例１と同一の条
件でシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法により厚さ５
００〜１００００オングストロームのアモルファスシリ
コン層３０を成膜する（図１０参照）。

【００３７】そして、このアモルファスシリコン層３０
が形成されたガラス基板１をほぼ５８０℃に設定された
加熱炉の中で１時間放置することにより上記アモルファ
スシリコン層３０を結晶化させて図１１に示すように多
結晶シリコン薄膜３を形成した。

【００３８】このとき、酸化プラセオジウムとシリコン
とは格子整合が可能で上記酸化プラセオジウムの多結晶
膜２の作用によりその部位のアモルファスシリコン層３
０の結晶成長が助長されるため、上述したような低温、
短時間の条件で薄膜かつ結晶粒径が大きくしかも結晶の
連続性に優れた結晶領域３１と非結晶領域３２を有する
多結晶シリコン薄膜３の形成が可能となる。

【００３９】尚、この多結晶シリコン薄膜３においては
その結晶領域３１と非結晶領域３２とで電子移動度等の
電気的特性が相違するため、同一基板上に特性が相違す
る薄膜トランジスタを形成するような場合に適用するこ
とができる。例えば、アクティブマトリックス型液晶デ
ィスプレイにおいてその液晶ディスプレイのスイッチン
グ素子用トランジスタとドライブ回路用トランジスタと
を同一のガラス基板上に形成するような場合、上記ドラ
イブ回路用トランジスタを多結晶シリコン薄膜３の結晶
領域３１で形成し他方のスイッチング素子用トランジス
タを非結晶領域３２で形成することにより特性の優れた
アクティブマトリックス型液晶ディスプレイを簡単に求
めることが可能となる。

【００４０】［実施例３］この実施例は請求項４に係る
発明が適用されており実施例１により求められた多結晶
シリコン薄膜３を用いて薄膜トランジスタを構成したも
のである。

【００４１】すなわち、この実施例に係る薄膜トランジ
スタは、図１２に示すようにガラス基板１と、このガラ
ス基板１上に一様に成膜された酸化プラセオジウムの多
結晶膜２と、この多結晶膜２上にヘテロエピタキシャル
成長させて形成され適宜形状にパターニングされた活性
層を構成する多結晶シリコン薄膜３と、この多結晶シリ
コン薄膜３の両端側にそれぞれ形成されたソース電極５
並びにドレイン電極６と、上記多結晶シリコン薄膜３上
にスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等にて形成され
たＳｉＯ２　膜あるいはＳｉＮｘ　膜のような厚さ１０
００〜２０００オングストロームのゲート絶縁膜４と、
このゲート絶縁膜４上に形成されたゲート電極７とでそ
の主要部が構成されているものである。

【００４２】尚、ＳｉＯ２　膜あるいはＳｉＮｘ　膜の
形成は、スパッタリング法によれば１５０℃程度、プラ
ズマＣＶＤ法によれば３００〜３５０℃程度で形成でき
る。

【００４３】そしてこの薄膜トランジスタにおいてその
活性層が薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続
性に優れた多結晶シリコン薄膜３により構成されている
ため、電子移動度の向上並びに漏れ電流（ＯＦＦ電流）
の低減が図れその電気的特性を飛躍的に改善できる利点
を有している。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、多結晶シ
リコン薄膜における結晶の大粒径化と結晶の連続性とを
図ることが可能になるため電子移動度等の電気的特性の
向上が図れる効果を有している。

【００４５】また、請求項２に係る発明によれば、酸化
プラセオジウム多結晶膜の作用によりシリコンの結晶成
長が助長され、薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶
の連続性に優れた多結晶シリコン薄膜を低温、短時間の
条件で形成できるため、電子移動度等の電気的特性に優
れた多結晶シリコン薄膜を簡便に提供できる効果を有し
ており、他方、請求項３に係る発明によれば、非晶質基
板上の選択された領域に形成された酸化プラセオジウム
多結晶膜の作用によりその部位のシリコンの結晶成長が
選択的に助長され、薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも
結晶の連続性に優れた結晶領域と非結晶領域とを有する
多結晶シリコン薄膜を低温、短時間の条件で形成できる
ため、部分的にその電子移動度等の電気的特性が相違す
る多結晶シリコン薄膜を簡便に提供できる効果を有して
いる。

【００４６】また、請求項４に係る発明によれば、その
活性層が薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続
性に優れた多結晶シリコン薄膜により構成されているた
め、電子移動度の向上並びに漏れ電流の低減が図れその
電気的特性を飛躍的に改善できる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の断面図。

【図２】（Ａ）と（Ｂ）は実施例１に係る多結晶シリコ
ン薄膜の形成工程図。

【図３】実施例１において適用した真空蒸着装置の構成
説明図。

【図４】実施例１において適用したプラズマＣＶＤ装置
の構成説明図。

【図５】酸化プラセオジウムの結晶格子を示すモデル図
。

【図６】酸化プラセオジウムの結晶格子を示すモデル図
。

【図７】酸化プラセオジウムの結晶格子を示すモデル図
。

【図８】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の形成工程
図。

【図９】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の形成工程
図。

【図１０】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の形成工
程図。

【図１１】実施例２に係る多結晶シリコン薄膜の形成工
程図。

【図１２】実施例３に係る薄膜トランジスタの構成説明
図。

【図１３】従来法により形成された多結晶シリコン薄膜
の断面図。

【符号の説明】

１　　　　ガラス基板 ２　　　　酸化プラセオジウムの多結晶膜３　　　　多
結晶シリコン薄膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　非晶質基板上に成膜される多結晶シリ
   コン薄膜において、上記非晶質基板との間に酸化プラセ
   オジウムの多結晶膜を備えこの多結晶膜に対しヘテロエ
   ピタキシャル成長させて形成された多結晶シリコンによ
   り多結晶シリコン薄膜が構成されていることを特徴とす
   る多結晶シリコン薄膜。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の多結晶シリコン薄膜の
   製造方法において、非晶質基板上に酸化プラセオジウム
   の多結晶膜を一様に成膜し、かつ、この多結晶膜上にシ
   リコンをヘテロエピタキシャル成長させて多結晶シリコ
   ン薄膜を形成することを特徴とする多結晶シリコン薄膜
   の製造方法。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の多結晶シリコン薄膜の
   製造方法において、非晶質基板上の選択された領域に酸
   化プラセオジウムの多結晶膜を成膜し、かつ、この多結
   晶膜が形成された非晶質基板上へシリコンを成膜すると
   共に、上記多結晶膜上のシリコンをヘテロエピタキシャ
   ル成長させて多結晶シリコン薄膜にすることを特徴とす
   る多結晶シリコン薄膜の製造方法。
4. 【請求項４】　　その活性層が多結晶シリコン薄膜にて
   構成される薄膜トランジスタにおいて、非晶質基板と、
   この非晶質基板上に成膜された酸化プラセオジウムの多
   結晶膜と、この多結晶膜上にヘテロエピタキシャル成長
   させて形成した多結晶シリコン薄膜と、この多結晶シリ
   コン薄膜に形成されたソース電極・ドレイン電極と、絶
   縁膜を介し上記多結晶シリコン薄膜に対向して設けられ
   たゲート電極、とを備えることを特徴といる薄膜トラン
   ジスタ。