JPH09186086A - エピタキシャル結晶化プロセス及び薄膜シリコン結晶 - Google Patents
エピタキシャル結晶化プロセス及び薄膜シリコン結晶Info
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Abstract
ィルムを製造する方法を提供する。 【解決手段】 上面及び下面を有する基体を提供し、基
体の上面にアモルファスシリコンから成る層を蒸着し、
アモルファスシリコン層の上にキャッピングシード層を
蒸着し、アニーリングしてアモルファスシリコン層を結
晶化し、キャッピングシード層を除去する。
Description
ンジスタに関し、更に詳細には、ポリシリコンフィルム
を製造する典型的な方法に比べて低い温度で高品質のポ
リシリコンフィルムを製造する方法に関する。
シリコン(ポリシリコン)薄膜トランジスタ(TFT
s)は、アモルファスシリコン(a−Si)と比較する
と性能が優れているため、広範囲のエレクトロニクスア
プリケーションにとって重要である。現在、表面粗さが
低く絶縁基体(例えば、酸化物、石英、ガラス)構造の
完成度が高い高品質のポリシリコンフィルムを得る好ま
しい方法は、アモルファス相を蒸着し、次に熱アニーリ
ングする方法である。結晶化プロセスは、普通550℃
〜600℃で2時間以上アニーリングするか又は約80
0℃の高温で急速に(1秒より短い)熱アニーリングす
ることが要求される。結晶化に必要な "熱の量”が比較
的大きいこととガラス基体の領域が広いことは両立せ
ず、その理由はガラス基体は反り及び縮みの問題のため
に600℃より高い温度で長時間さらされることに耐え
られないためである。
2つのプロセスによって制限される。これらの2つの制
限プロセスは、粒子の核形成と粒子成長である。核形成
は粒子成長が起こる前に行われなければならない。核形
成は主にa−Siと基体との間のより低いインターフェ
ースで行われる。一度核形成が行われると、粒子成長は
核形成された側から横方向(インターフェースに平行な
方向)と垂直方向(インタフェースに垂直な方向)の両
方向で行われる。高性能のTFTアプリケーションに適
したポリシリコンフィルムは典型的には100nmより
薄い厚さであるが平均的な粒子のサイズは100nmよ
り大きいため、垂直方向の粒子成長よりもむしろ横方向
の粒子成長が結晶化プロセスの制限ステップである。
を得る新しい方法が提案される。この方法では、結晶化
は隣接する多結晶フィルムからエピタキシャル成長する
ことによって起こる。このようにして、成長は粒子の核
形成率及び横方向の粒子成長率ではなく垂直(固相)結
晶化率のみによって制限される。この結晶化方法によっ
てプロセススループットがかなり改善されアニーリング
温度が減少する。これらの改善点は、古い方法が有す
る、長いアニーリング時間又は高いアニーリング温度に
よる反り及び縮みの問題を緩和する。
リングプロセスよりも低温及び短い時間を必要とするポ
リシリコンフィルムの結晶化方法を提供することであ
る。
めることによって明白になるであろう。
べると、a−Siフィルムの結晶化を "促進する”ポリ
シリコンゲルマニウム(poly-Si1-xGex ;ここで、xは
0より大きいが1以下の数である)キャッピングフィル
ムを使用した新しい結晶化方法が提供される。キャッピ
ングフィルムが配置されると、結晶化は通常の方法より
も低温且つ短時間で行われる。結晶化が起こった後、ポ
リシリコンゲルマニウムキャッピングフィルムは簡単に
且つ選択的に除去され得る。
ャル結晶化プロセスであって、a)上面及び下面を有す
る基体を提供し、b)基体の上面にアモルファスシリコ
ンから成る層を蒸着し、c)アモルファスシリコン層の
上にキャッピングシード層を蒸着し、d)アニーリング
してアモルファスシリコン層を結晶化し、e)キャッピ
ングシード層を除去する、ことを含む。
ャル結晶化プロセスから形成された薄膜シリコン結晶で
あって、前記プロセスは、a)上面及び下面を有する基
体を提供し、b) 基体の上面にアモルファスシリコン
から成る層を蒸着し、c)アモルファスシリコン層の上
にキャッピングシード層を蒸着し、d)アニーリングし
てアモルファスシリコン層を結晶化し、e)キャッピン
グシード層を除去する、ことを含む。
ン結晶であって、a)上面及び下面を有する基体を有
し、b)上面を有する結晶シリコンから成る層を有し、
基体の上面には核形成サイトはなく、結晶シリコン付近
の領域よりも結晶シリコン上面付近の領域の方が結晶粒
界が多く、基体上面のインタフェースは、結晶化及び結
晶成長は結晶シリコン上面から起こり基体上面に向かう
方向に進行することを示す。
進する”ポリシリコンゲルマニウム(poly-Si1-xGex )
キャッピングフィルムを使用したこの新しい方法の可能
性及び利点を示す最初の研究が実行された。結晶化のよ
うな物理的な現象は、SiよりもSi1-xGex の方がより低
い温度で行われるため、Si1-x Gex はa−Siの蒸着及
び結晶化に典型的に使用される温度、即ち、約550℃
であるが250℃〜600℃の範囲である温度で多結晶
状態で蒸着される。
の石英ウエハ及び6つのシリコンウエハから成る)は図
1に示されるように準備され、ウエハ10の1つのセッ
トは実験的な対照例を確立するために使用された。対照
例では、a−Si14はキャップされなかった。ウェハ
10の3つのセット全ては最初に絶縁層としてSiO 2
12でコーティングされ、アニーリングされた。SiO
2 12はおよそ700nmの厚さであったが、(石英又
はガラス基体に対して)0〜1000nmの範囲の厚み
が使用された。その後、a−Si14及びキャッピング
シード層16は、図2に示されるように、従来の低圧化
学蒸着(LPCVD)システムで蒸着された。ウエハ1
0の各セットに使用されたa−Si14の蒸着条件は同
一であった。温度は約550℃に保たれ、約100ミリ
トールの圧力で約1時間蒸着された。これらの条件によ
って約86nmの厚さのa−Si14フィルムが得られ
ることがわかった。
は、Geソースガス(GeH4)は約5分間オンになりその
直後にSiソースガス(SiH4)によるa−Si14の蒸
着ステップが行われ、キャッピングシード層16として
poly-Si0.4Ge0.6 のキャッピング層を蒸着する。実験的
なウエハ10の第2セットに対しては、Siソースガス
(SiH4 )はa−Si14の蒸着ステップの直後にオ
フになり、Geソースガス(GeH4)が5分間オンになっ
てポリゲルマニウム(poly-Ge)のキャッピングシード層
16を蒸着する。
速度はシリコンの蒸着速度よりも速く、ゲルマニウムの
量に伴って速くなることに注目されたい。したがって、
poly-Si1-xGex のキャッピング層は、非常に短い時間で
蒸着され得る。poly-Si0.4Ge 0.6 のキャッピングシード
フィルム16及び本発明の中のpoly-Ge フィルムの厚み
は100nmを越える。キャッピングシードフィルム1
6の厚みは5〜500nmの範囲内であることが好まし
い。
ピングシード層16内に見られる。結晶粒界18と核形
成サイト20の配置は典型的な蒸着結晶構造であるか又
は典型的なアニーリング技術で形成された結晶構造のい
ずれかである。a−Si14とキャッピングシード層1
6の境界付近では結晶粒界18はランダムに現れ、これ
は、結晶は多くの核形成サイト20を伴うキャッピング
シード層14でスタートすることを示す。キャッピング
シード層16がa−Si14から上方へ成長すると結晶
粒界18はより整然と配列し、核形成サイト20はなく
なる。従って、核形成サイト20と結晶粒界18の結晶
を分析することによって、結晶構造のどこで結晶成長が
始まりどの方向に結晶が成長するのかが特定される。
晶ゲルマニウムのいずれかから成るキャッピングシード
層16を蒸着することによって行われたが、他の代替物
もキャッピングシード層16として利用できる。キャッ
ピングシード層16は結晶形態よりもむしろアモルファ
スで蒸着される。ゲルマニウム及びシリコンとゲルマニ
ウムの化合物はシリコンよりも低い温度でアニーリング
したり結晶化したりするため、キャッピングシード層1
6をアモルファス状態で蒸着し、キャッピングシード層
16の結晶化はアニーリング及び結晶化処理ステップの
一部として最初に行われることが可能である。キャッピ
ングシード層16が結晶化すると、a−Si14もこれ
らの実験のと同じ方法で結晶化する。
ンは、キャッピングシード層16にわたって濃度を有す
るSi1-x Gex のアモルファス層又は結晶層を蒸着するこ
とである。これはシリコンとキャッピング層との間の格
子のミスマッチを改善するために行われる。シリコンと
ゲルマニウムとの間の格子のミスマッチは約4%であ
る。効率的なエピタキシャル成長を促進するためには、
格子のミスマッチは約2%より下に維持されなければな
らない。したがって、グレーディッドキャッピングシー
ド層16におけるゲルマニウムの含有量はa−Si14
とキャッピングシード層16との間の境界面で最低であ
って高品質のシリコンフィルムのエピタキシャル成長を
促進する。キャッピングシード層16の別の部分におけ
るゲルマニウムの含有量は高く、低いアニーリング温度
で急速な結晶化を促進する。
程度をほぼ決定するために、結晶化実験は予熱ステップ
を伴った非常に高速の熱処理(VRTP)キセノンアー
クランプシステムで最初に実行された。poly-Si1-XGeX
のキャッピングシード層16はa−Si14よりもより
効率的にアークランプ電力を吸収することがわかったた
め、より低い予熱温度及び/又はより低いランプ電力が
使用され得る。Si1-XGeX によるより効率的なランプエ
ネルギーの吸収によって、キャッピングシード層16は
より速く加熱されエピタキシャル成長を促進する。例え
ば、キャップされていないa−Si12のサンプルを6
50℃に加熱するためには、445℃の加熱温度及び1
4kWのランプ電力が要求され、対照的に多結晶ゲルマ
ニウムのキャッピングシード層16を有するa−Si1
2のサンプルを加熱するためには353℃及び11kW
が要求される。従って、VRTP結晶化プロセスに対し
てはpoly-Si1-XGeX キャッピングシード層16の付加の
利点は電力消費が減少することである。
セット全てからのクォーツウエハ10は非常に速い(2
秒の)熱アニーリングを受けた。サンプルの対照的なセ
ットに対しては、アニーリング温度は647℃〜660
℃の範囲であり、実験サンプルの第1セットに対しては
625℃〜650℃の範囲であり、実験サンプルの第2
セットに対しては570℃〜654℃の範囲であった。
同じ温度でアニーリングされたキャップされたSiフィル
ムとキャップされていないSiフィルムの比較ができるよ
うに選択された。キャップされていないa−Siフィル
ムは結晶化に645℃よりも高いアニーリング温度を必
要とした。Si0.4Ge0.6のキャッピングシード層16を有
するa−Si14は結晶化に約620℃を必要とした。
結晶化は色とa−Si14フィルムの透明度の変化によ
って表される。poly-Ge のキャッピングシード層16を
有するa−Si14のフィルムは570℃で結晶化する
ことがわかった。これらの結果は、結晶化温度は多結晶
キャッピングシード層16を使用することによって低下
し得ることを証明する。市販の広域ガラス基体の歪み点
は約630℃であるため、この方法によって高スループ
ット、ガラスコンバーチブル結晶化プロセスが実現され
る。
プロセスがそうであったようにキャッピング層の結晶化
プロセスに対して変化することが予想される。従来のプ
ロセスでは、結晶化時間と結晶化温度との間にはほぼ逆
対数関数の関係がある。たとえば、温度を100℃減ら
すためには結晶化のために必要とされる時間を約10倍
に増やさなければならない。これは正確な計算でなく単
なる概算である。また、結晶化時間と結晶化温度とのお
およその関係は本明細書中で述べられた新しい結晶化プ
ロセスにも適用されることが予想される。
キャッピングシード層16を有するa−Si14のフィ
ルムは570℃で2秒間のアニーリングプロセスで結晶
化することがわかったため、従来のプロセスからの時間
と温度の関係を適用するとpoly-Ge のキャッピングシー
ド層16を有するa−Si14フィルムは470℃で2
0秒間のアニーリングプロセスで結晶化する。或いは、
結晶化時間は670℃で2秒間のアニーリングプロセス
の1/10に短縮される。
層16を有するa−Si14が2秒間の結晶化プロセス
に約620℃を必要とする場合、結晶化のためには52
0℃で20秒間のプロセスで十分である。或いは、結晶
化時間は720℃で2秒間のアニーリングプロセスの1
/10に短縮される。
れた後、poly-Si0.4Ge0.6 又はpoly-Ge のキャッピング
シード層16は図4に示されるように標準的な "51
1”浴(H2 O:H2 O2 :NH4 OH=5:1:1の
浴であり、標準的な "RCA”洗浄プロセスで使用され
る)内でそれぞれ二つの実験サンプルから取られた二つ
のウエハ上でエッチングされる。キャッピングシード層
16を完全に除去するには数分のエッチング時間で十分
だとわかった。poly-Si0.4Ge0.6 から成るポリシリコン
フィルム14の厚みは約80nmと測定され、一方ポリ
ゲルマニウムから成るキャッピングシード層16を有す
るポリシリコンフィルム14の厚みは84nmと測定さ
れた。これらの結果は最小のゲルマニウム拡散は結晶化
プロセス中に起こり、poly-Si1-xGex は単純なウェット
エッチングプロセスよって選択的に除去されることがで
きることを表す。ゲルマニウム拡散によって得られるSi
1-xGex から成る中間層は "511" 浴でエッチングさ
れるため、ゲルマニウム拡散は残っているポリシリコン
14の厚さが減少することによって示される。
ハは、X線回折(XRD)分析のためにサンプルの各セ
ットから取り出された。ピークは、各SiフィルムのX
RDスペクトルで観察された。しかし、ピークの強度は
フィルムが薄いために比較的弱かった。poly-Ge から成
るキャッピングシード層16を有するサンプルとその対
照サンプルは両方ともSiの{111}平面空間に対応
する一つのピークだけを示した。対照的に、Poly-Si0.4
Ge0.6 でキャップされたサンプルはSiの{111}及
び{220}平面空間に対応する二つのピークを示し
た。
ンプルから取り出され、Poly-Si0.4Ge0.6 から成るキャ
ッピング層を持たない別のウエハは、更なるXRD分析
のために用いられた。このサンプルは下層のSiフィル
ム及びキャッピングPoly-Si0 .4Ge0.6 フィルムの{11
1}及び{220}平面空間に対応する四つのピークを
示した。
46℃でアニーリングされ、poly-Ge から成るキャッピ
ングシード層16を持たないウエハは更なるXRD分析
のために用いられた。このサンプルは下層のSiフィル
ム及びキャッピングGeフィルムの{111}平面空間
に対応する二つのピークを示した。
ルム16のテクスチャ又は好ましいオリエンテーション
は下層のシリコンフィルム14に複製されるか又はシリ
コンフィルム14の結晶化はキャッピングシード層16
からエピタキシャルに起こることを表している。
晶粒界18及び核形成サイト20は結晶粒界22として
結晶化シリコン24に複製され、結晶化はa−Si14
とキャッピングシード層16との境界で開始し、結晶成
長は境界から離れる方向に進むことに注目されたい。上
記のプロセスが従来通りのアニーリング及び結晶化プロ
セスで行われたとするとこれはa−Si14の結晶化と
は明らかに異なる。従来通りのプロセスでは、SiO2
12とa−Si14との間のインタフェース付近に各形
成サイトがあり、結晶成長はSiO2 12とa−Si1
4の境界から離れるように起こる。a−Si14とキャ
ッピングシード層16の境界付近の核形成サイトのない
特徴的なパターンは、a−Si14の結晶化はキャッピ
ングシード層16からエピタキシャルに起こることを示
す。
ードフィルム16を有するサンプルは、走査プローブ顕
微鏡の原子間力顕微鏡検査(AFM)によって分析され
た。二乗平均(rms)表面粗さは16Åと測定され、
平均粒子サイズは150nmと推定された。対照的に、
従来の(キャップされていない)炉で結晶化したSiフ
ィルムのrms粗さは20Å以上であり、VRTPで結
晶化したSiフィルムの平均粒子サイズは典型的には5
0nmより小さい。これらの結果は、エピタキシャル結
晶化方法は比較的滑らかな表面を有するポリシリコンフ
ィルム14及び高性能のトップゲート薄膜トランジスタ
(TFT)を得るために必須の適当なサイズの粒子を提
供することができることを示す。粗さは有効なキャリヤ
移動度を低下させて電気ストレスによる劣化を改良する
ので、滑らかな表面及び大きな粒子サイズは重要であ
る。この実施の形態で開示されたキャッピング及び結晶
化プロセスによって形成された薄膜シリコンで製造され
たトップゲート薄膜トランジスタのパフォーマンスは、
表面粗さが減少し粒子サイズが大きくなった薄膜シリコ
ンの優れた特性によって、従来のプロセスで形成された
薄膜シリコンで形成されたトップゲート薄膜トランジス
ターのパフォーマンスよりも優れていることが予想され
る。
けなくても開示されたプロセスによって利点が得られる
ことが実験によって示された。Si1-x Gex から成るキャ
ッピングシード層16はa−Si14の直後に反応系内
(in-situ)で蒸着されるため、キャッピングシード層1
6としてpoly-Si1-xGex を使用したEC方法の実施によ
って複雑なプロセス又は時間の追加が最小になる。poly
-Si 14がアニーリングステップで結晶化すると、図3
に示されるように、キャッピングシード層16は、市販
されている湿式洗浄浴で除去される。キャッピングシー
ド層16の除去によって薄膜トランジスタを製造するた
めに使用される薄膜ポリシリコンの洗浄層が残るため、
キャッピングシード層16の除去は重要である。不純物
又は薄膜ポリシリコンの他の層は、薄膜ポリシリコン層
内で製造された薄膜トランジスタのパフォーマンスを劣
化する。
に必要とされる "熱の量”は、ポリSi 1-x Gex フィルム
から成るキャッピングシード層16及びエピタキシャル
結晶化(EC)方法を使用することによって、かなり低
下する。 "熱の量”を低下させることによって、ガラス
基体との適応性が得られ処理スループットが向上する。
当な粒子サイズを有するpoly-Si 14フィルムを製造す
る。
で蒸着し結晶化アニーリングは従来通りの炉又はRTP
システムで実行されるため、EC方法で得られたポリシ
リコンフィルムの厚み及び構造の均一性は優れている。
ECプロセスでは、結晶化は半ランダムな粒子の核形成
及び次の粒子成長よりもむしろエピタキシャル成長で行
われる。従って、ECプロセスはポリシリコン14のテ
クスチャを制御し最適化する手段を提供する。poly-Si
1-xGex キャッピングシード層16を用いることによっ
て、キャッピングシード層16及び下層のシリコンフィ
ルム14の好ましい粒子オリエンテーションはゲルマニ
ウム含有量を変化させることによって調節される。
の基体の断面図を示す。
の基体を示す。
の図2の基体を示す。
の基体を示す。
Claims (3)
- 【請求項1】 エピタキシャル結晶化プロセスであっ
て、 a) 上面及び下面を有する基体を提供し、 b) 基体の上面にアモルファスシリコンから成る層を
蒸着し、 c) アモルファスシリコン層の上にキャッピングシー
ド層を蒸着し、 d) アニーリングしてアモルファスシリコン層を結晶
化し、 e) キャッピングシード層を除去する、エピタキシャ
ル結晶化プロセス。 - 【請求項2】 エピタキシャル結晶化プロセスから形成
された薄膜シリコン結晶であって、前記プロセスは、 a) 上面及び下面を有する基体を提供し、 b) 基体の上面にアモルファスシリコンから成る層を
蒸着し、 c) アモルファスシリコン層の上にキャッピングシー
ド層を蒸着し、 d) アニーリングしてアモルファスシリコン層を結晶
化し、 e) キャッピングシード層を除去する、薄膜シリコン
結晶。 - 【請求項3】 薄膜シリコン結晶であって、 a) 上面及び下面を有する基体を有し、 b) 上面を有する結晶シリコンから成る層を有し、基
体の上面には核形成サイトはなく、結晶シリコン付近の
領域よりも結晶シリコン上面付近の領域の方が結晶粒界
が多く、基体上面のインタフェースは、結晶化及び結晶
成長は結晶シリコン上面から起こり基体上面に向かう方
向に進行することを示す、薄膜シリコン結晶。
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US08/578,809 US5893949A (en) | 1995-12-26 | 1995-12-26 | Solid phase epitaxial crystallization of amorphous silicon films on insulating substrates |
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