JPH06204137A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法 - Google Patents

多結晶シリコン薄膜の製造方法

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JPH06204137A
JPH06204137A JP4347535A JP34753592A JPH06204137A JP H06204137 A JPH06204137 A JP H06204137A JP 4347535 A JP4347535 A JP 4347535A JP 34753592 A JP34753592 A JP 34753592A JP H06204137 A JPH06204137 A JP H06204137A
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鍾業 辛
Suk B Ma
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 既存の固相結晶化法の長所である大面積の均
一性を維持しながら、結晶化工程の温度上限を低減させ
て、ガラス基板の収縮および曲がり現象を防止し、工程
時間を短縮するとともに高移動度を有する高品質の多結
晶シリコン薄膜の製造方法を提供すること。 【構成】 ガラス基板１上に微結晶性シリコン層４を形
成し、その上にａ−Ｓｉ：Ｈ層２を形成し、熱処理して
多結晶シリコン層３を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非結晶性シリコン（Am
orphous Silicon : ａ−Ｓｉ）薄膜を低温で多結晶シリ
コン（Polycrystalline Silicon : ｐ−Ｓｉ）薄膜に結
晶化させる方法に関し、詳しくはガラス基板上に微結晶
性シリコン種子（μ−Ｓｉ ｓｅｅｄ）層を化学蒸着法
（ＣＶＤ）で１００〜５００オングストロームに形成
し、そのうえａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成した後、熱処理して
多結晶シリコン層を形成して多結晶シリコン薄膜を製造
するか、またはガラス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成し
熱処理して多結晶シリコン層を形成し、そのうえａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層を形成した後、熱処理して多結晶シリコン薄膜
を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、多結晶シリコン薄膜トランジスタ
を基板上に集積して半導体のＤＲＡＭ素子またはディス
プレイ分野のｐ−Ｓｉ ＴＦＴ ＬＣＤまたはＣＩＳ
（Contact Image Sensor）等に広範囲に使用されてい
る。
【０００３】一般に、現在開発され使用されている製造
方法は、６２０〜６５０℃付近で直接多結晶シリコンを
製造するか、または非結晶性或いは微結晶性シリコン
（Microcrystalline Silicon : μ−Ｓｉ）等を１００
０℃付近の高熱で熱処理するもので、特性は優れるが高
温により基板が曲がるかまたは剥離される現象が発生す
るので、単結晶シリコン（Crystal Silicon : ｃ−Ｓ
ｉ）または石英（Quartz）等の高価な基板を使用しなけ
ればならない問題点があった。特に、薄膜が厚いほど、
その現象が著しくて、その次の工程であるフォトリソグ
ラフィー工程を進行し得ないという問題点があった。
【０００４】従って、前記問題点を解決するための低温
多結晶シリコンの結晶化技術は、６００℃以下の温度で
多結晶シリコンを製造するのにガラス基板を使用し得る
ので、装置の製作原価の節減効果が高い。
【０００５】具体的には、低温多結晶化は、主に炉等に
より加熱する固相結晶化法（SolidPhase Crystallizati
on : ＳＰＣ）、急熱アニーリング（Rapid Thermal Ann
ealing : ＲＴＡまたはＲＴＰ）およびレーザーで加熱
するレーザーアニーリング（Laser Annealing : ＬＡ）
により行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｓ
ＰＣ法は大面積に均一な多結晶を容易に形成し得る長所
があるが、約６００℃の温度で２４時間乃至７２時間の
熱処理を必要とするので、約５８０℃の変形温度を有す
るガラス基板の収縮と曲がりが発生する。曲がり現象は
基板上の蒸着物質およびその厚みに応じておおいに影響
を受ける。このような現状は半導体集積工程で行われる
ＴＦＴ素子製造時、パターンアラインメント（partern
alignment ）に問題があり、結果として素子特性の低下
および消失の原因となり、前記のように結晶化時間が長
ければ生産性が小さくガラス基板内の不純物が多結晶シ
リコン薄膜層に浸透し得る機会を一層高めるようにな
る。
【０００７】また、ＲＴＡ方法は固相結晶化法に比べ
て、結晶化が数秒乃至数分に過ぎない短い工程であるけ
れども、高温露出により基板が変形され、一定温度の維
持が難しい。
【０００８】また、ＬＡ方法は短時間に高移動度の多結
晶シリコンが得られるが、１回で実行し得る結晶化面積
が小さいので全体の均一度に問題がある。
【０００９】結局、前記すべての低温結晶化方法はそれ
ぞれ深刻な問題点を有するので、工程改善による最適条
件への接近が要求されている。
【００１０】本発明は、前記従来の問題を解決するため
になされたのものであり、既存の固相結晶化法の長所で
ある大面積の均一性を維持しながら、結晶化工程の温度
上限を低減させて、ガラス基板の収縮および曲がり現象
を防止し、工程時間を短縮するとともに高移動度を有す
る高品質の多結晶シリコン薄膜の製造方法を提供するこ
とをその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の本発明の多結晶シリコン薄膜の製
造方法は、ガラス基板上に微結晶性シリコン層を形成
し、その上にａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成し、熱処理して多結
晶シリコン層を形成することを特徴とする。
【００１２】また、請求項２に記載の本発明の多結晶シ
リコン薄膜の製造方法は、請求項１に記載の多結晶シリ
コン薄膜の製造方法において、前記微結晶性シリコン種
子層は、ガラス基板１上に１００〜５００オングストロ
ームの厚みに形成されていることを特徴とする。
【００１３】また、請求項３に記載の本発明の多結晶シ
リコン薄膜の製造方法は、請求項１に記載の多結晶シリ
コン薄膜の製造方法において、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層は、
１０００オングストローム以内の厚みに蒸着されて、５
８０〜６００℃で２０〜５０時間固相結晶化されて多結
晶シリコン層とされることを特徴とする。
【００１４】また、請求項４に記載の本発明の多結晶シ
リコン薄膜の製造方法は、ガラス基板１上にａ−Ｓｉ：
Ｈ層を形成し、熱処理して多結晶シリコン種子層を形成
し、前記多結晶シリコン種子層上にａ−Ｓｉ：Ｈ層を形
成し熱処理して多結晶シリコン層を形成することを特徴
とする。
【００１５】また、請求項５に記載の本発明の多結晶シ
リコン薄膜の製造方法は、請求項４に記載の多結晶シリ
コン薄膜の製造方法において、前記多結晶シリコン種子
層は、ガラス基板上に３００〜５００オングストローム
の厚みにａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成し、６００℃で固相結晶
化させて形成されることを特徴とする。
【００１６】また、請求項６に記載の本発明の多結晶シ
リコン薄膜の製造方法は、請求項４に記載の多結晶シリ
コン薄膜の製造方法において、前記多結晶シリコン層は
ａ−Ｓｉ：Ｈ層を１０００オングストローム以内の厚み
に形成し、５８０〜６００℃で２０〜５０時間固相結晶
化させて形成されることを特徴とする。
【００１７】
【作用】請求項１から請求項６に記載の本発明の多結晶
シリコン薄膜の製造方法によれば、ガラス基板の曲がり
と収縮を減少させることができ、多結晶シリコンの品質
向上により薄膜トランジスタの全体効果と移動度を高め
ることができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明を図１から図４に基づいてより
詳細に説明する。
【００１９】本発明の微結晶性シリコン薄膜を種子とす
る低温多結晶化方法は、図１Ａに示すように、変形温度
約６００℃のよく錬磨されたガラス基板１をフッ酸（Ｈ
Ｆ）および有機溶媒で洗浄した後、化学蒸着法で１００
〜５００オングストロームの厚みの微結晶性シリコン種
子層４を形成する。この微結晶性シリコン層４の形成
は、非結晶性シリコン太陽電池から開発された高動力条
件で実施する。即ち、２０％のＳｉＨ4 を原料ガスと
し、基本圧力を２×１０-6torrとし、パワー密度（powe
r density ）を数ｍＷ／ｃｍ2 として実施する。
【００２０】この時、前記微結晶性シリコン種子層４の
厚みが１００オングストローム以下であると種子の結晶
が小さくなる問題があり、５００オングストローム以上
であると結晶が大きくなるが素子製造および特性に問題
がある。
【００２１】その後、前記微結晶性シリコン種子層４上
に、図１Ｂに示すように、基板温度を１８０〜２７０℃
に維持しながら化学蒸着法によりａ−Ｓｉ：Ｈ層２を１
０００オングストローム以内の厚みに成長させる。基板
の温度を前記範囲に維持させる理由は、多結晶の特性が
熱処理後に最もよいためである。
【００２２】終わりに、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層２を窒素ガ
ス雰囲気と５８０〜６００℃で２０〜５０時間固相成長
させて多結晶シリコン層３を形成する（図１Ｃ）。
【００２３】本発明の他の方法は、図２Ａに示すよう
に、変形温度約６００℃のよく錬磨されたガラス基板１
をフッ酸（ＨＦ）および有機溶剤で洗浄した後、化学蒸
着法で３００〜５００オングストロームの厚みの水素化
非結晶性シリコン層２´を形成する。この時、前記非結
晶性シリコン層２´の厚みが３００オングストローム以
下であると種子の結晶の大きさが小さくなる問題があ
り、５００オングストローム以上であると結晶は大きく
なるが素子製造および特性上の問題が生じる。
【００２４】その後、前記非結晶性シリコン層２´を固
相結晶化により６００℃で熱処理して多結晶シリコン種
子層４´を製造する（図２Ｂ）。ここで、結晶化温度が
６００℃にしても、膜が薄いのでガラス基板１の曲がり
現象は生じない。
【００２５】前記固相結晶化により形成された多結晶シ
リコン種子層４´上に、図２Ｃに示すように、基板温度
を１８０〜２７０℃で維持しながら化学蒸着法によりａ
−Ｓｉ：Ｈ層２´を１０００オングストローム以内の厚
みに成長させる。基板の温度を前記範囲に維持すること
は多結晶の特性が熱処理後に最もよいためである。
【００２６】終わりに、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層を窒素ガス
雰囲気と５８０〜６００℃で２０〜５０時間固相結晶化
して多結晶シリコン層３´を形成する（図２Ｄ）。
【００２７】次に、本発明をより具体的に説明するため
に、実施例および比較実施例を説明する。
【００２８】実施例１ 変形温度約６００℃のよく錬磨されたガラス基板１をフ
ッ酸（ＨＦ）で洗浄した後、ＳｉＨ4 を燃料ガスとし、
基本圧力を２×１０-6torrとし、パワー密度を７〜８ｍ
Ｗ／ｃｍ2 とする化学蒸着法により３００オングストロ
ームの厚みになるように微結晶性シリコン種子層４を形
成した（図１Ａ）。
【００２９】その後、前記のようにして形成された微結
晶性シリコン種子層４上に、図１Ｂに示すように、基板
温度を２００℃に維持しながら１００％のＳｉＨ4 を原
料ガスとし、基本圧力を２×１０-6torrとし、パワー密
度を３０〜５０ｍＷ／ｃｍ2とする化学蒸着法によりａ
−Ｓｉ：Ｈ層２を１０００オングストロームの厚みに成
長させた。
【００３０】終わりに、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層２を５８０
℃の窒素ガス雰囲気で４０時間固相結晶化させて多結晶
シリコン層３を形成した（図１Ｃ）。この時、前記固相
結晶化工程の方法は、５００℃で約２時間熱処理し、５
℃／分の加熱速度で５８０〜６００℃まで加熱した後、
約４０時間維持し、最終的に１℃／分の冷却速度で冷却
するものである。
【００３１】前記多結晶シリコン薄膜の結晶化時間、結
晶化程度および結晶の品質を確認し得るラマンシフト
（Raman Shift ）の結晶化時間に対する偏差変化を図３
にａで示した。また、結晶化程度はアニーリング時間に
対する最高強度比（peak intensity ratio）を測定して
図４にａで示した。
【００３２】実施例２ 変形温度約６００℃のよく錬磨されたガラス基板１をフ
ッ酸（ＨＦ）で洗浄した後、実施例１の条件と同様に化
学蒸着法により３００オングストロームの厚みになるよ
うに水素化非結晶性シリコン層２´を形成した（図２
Ａ）。その後、前記非結晶性シリコン層２´を固相結晶
化により、実施例１と同様に、６００℃で４０時間熱処
理して多結晶シリコン種子層４´に形成した（図２
Ｂ）。
【００３３】前記固相結晶化により形成された多結晶シ
リコン種子層４´上に、図２Ｃに示すように、基板温度
を２００℃で維持しながら化学蒸着法によりａ−Ｓｉ：
Ｈ層２´を１０００オングストロームの厚みに成長させ
た。終わりに、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層２´を、実施例１と
同様に、５８０℃の窒素雰囲気で４０時間固相結晶化し
て多結晶シリコン層３´に結晶化させた（図２Ｄ）。
【００３４】前記多結晶シリコン薄膜の結晶化時間、結
晶化程度および結晶の品質を確認し得るラマンシフトの
結晶化時間に対する偏差変化を図３にａ´で示した。ま
た、結晶化程度はアニーリング時間に対する最高強度比
を測定して図４にａ´で示した。
【００３５】比較実施例 変形温度約６００℃のよく錬磨されたガラス基板１をフ
ッ酸（ＨＦ）で洗浄した後、化学蒸着法により１０００
オングストロームの厚みになるように水素化非結晶性シ
リコン層２を形成した（図５Ａ）。その後、前記非結晶
性シリコン層２を６００℃の窒素雰囲気で６５時間熱処
理して多結晶シリコン層３を形成した（図５Ｂ）。
【００３６】前記多結晶シリコン薄膜の結晶化時間、結
晶化程度および結晶の品質をそれぞれ確認し得るラマン
シフトの結晶化時間に対する偏差変化を図３にｂで示し
た。また、結晶化程度はアニーリング時間に対する最高
強度比を測定して図４にｂで示した。
【００３７】図３から分るように、微結晶性シリコンを
種子とした場合（ａ）と多結晶シリコンを種子とした場
合（ａ´）との低温多結晶化程度が既存の方法に比べて
早く達され、飽和状態が約１９時間程度早く達され、さ
らに多結晶シリコンの品質を表すラマンシフトの偏差変
化においても本発明の場合がずっと小さいので、高い移
動度を有することを確認し得る。また、図４に示すよう
に、本発明は（特にａ´の場合）は結晶化度を向上させ
ることができる。
【００３８】さらに、本発明の多結晶シリコンは微結晶
性シリコンと同じ大きさを有し、種子を中心として柱状
方向に成長する。従って、結晶化された多結晶性シリコ
ンの結晶粒は既存の固相結晶化による結晶粒より大き
く、結晶粒界は最小化されて高移動度を有する高品質の
多結晶シリコンが得られる。
【００３９】なお、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００４０】
【発明の効果】前述したように、本発明の多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法は構成され作用するものであるから、
結晶化温度を５８０℃まで低減さるとともに結晶化時間
を短縮するので、ガラス基板の曲がりと収縮を減少させ
ることができる。結果として、本発明の多結晶シリコン
の品質向上により薄膜トランジスタの全体効果と移動度
を高めることができる等の高価を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは本発明の一実施例により基板上に種子用μ
−Ｓｉ層が形成された薄膜の断面図、Ｂは同図Ａのμ−
Ｓｉ種子層上にａ−Ｓｉ：Ｈが蒸着された薄膜の断面
図、Ｃは同図ＢのＡ−Ｓｉ：Ｈ層が結晶化された多結晶
シリコン薄膜の断面図
【図２】Ａは本発明の他の実施例による結晶化前のａ−
Ｓｉ：Ｈ薄膜の断面図、Ｂは同図Ａのａ−Ｓｉ：Ｈが結
晶化されてｐ−Ｓｉ種子が形成された薄膜の断面図、Ｃ
は同図Ｂのｐ−Ｓｉ種子層上にａ−Ｓｉ：Ｈ層が蒸着さ
れた薄膜の断面図、Ｄは同図Ｃのａ−Ｓｉ：Ｈ層が結晶
化された多結晶シリコン薄膜の断面図
【図３】本発明の実施例１、２および比較実施例のラマ
ンシフトの結晶化時間に対する偏差変化（５２１ｃｍ-1
基準）を示すグラフ
【図４】本発明の実施例１、２および比較実施例のアニ
ーリング時間に対する結晶化最高強度比を示すグラフ
【図５】Ａは従来技術による多結晶化前のａ−Ｓｉ：Ｈ
薄膜の断面図、Ｂは従来技術による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、２´ ａ−Ｓｉ：Ｈ層 ３、３´ 多結晶シリコン層 ４、４´ 微結晶性シリコン種子層 ａ、ａ´ μ−Ｓｉ（３００オングストローム） ｂ ａ−Ｓｉ（種子がない場合）

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガラス基板（１）上に微結晶性シリコン
    層（４）を形成し、その上にａ−Ｓｉ：Ｈ層（２）を形
    成し、熱処理して多結晶シリコン層（３）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。
  2. 【請求項２】 前記微結晶性シリコン種子層（４）は、
    ガラス基板（１）上に１００〜５００オングストローム
    の厚みに形成されていることを特徴とする請求項１に記
    載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ａ−Ｓｉ：Ｈ層（２）は、１０００
    オングストローム以内の厚みに蒸着されて、５８０〜６
    ００℃で２０〜５０時間固相結晶化されて多結晶シリコ
    ン層（３）とされることを特徴とする請求項１に記載の
    多結晶シリコン薄膜の製造方法。
  4. 【請求項４】 ガラス基板（１）上にａ−Ｓｉ：Ｈ層
    （２）を形成し、熱処理して多結晶シリコン種子層（４
    ´）を形成し、前記多結晶シリコン種子層（４´）上に
    ａ−Ｓｉ：Ｈ層（２´）を形成し熱処理して多結晶シリ
    コン層（３´）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。
  5. 【請求項５】 前記多結晶シリコン種子層（４´）は、
    ガラス基板（１）上に３００〜５００オングストローム
    の厚みにａ−Ｓｉ：Ｈ層（２´）を形成し、６００℃で
    固相結晶化させて形成されることを特徴とする請求項４
    に記載のシリコン薄膜の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記多結晶シリコン層（３´）はａ−Ｓ
    ｉ：Ｈ層（２´）を１０００オングストローム以内の厚
    みに形成し、５８０〜６００℃で２０〜５０時間固相結
    晶化させて形成されることを特徴とする請求項４に記載
    のシリコン薄膜の製造方法。
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