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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来よりも低温且つ短時間でポリシリコンフ
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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に薄膜トラ
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。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】多結晶
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。
【0003】絶縁基体上のa−Siフィルムの結晶化は
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。
【0004】絶縁基体上に高品質ポリシリコンフィルム
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。
【0005】従って、本発明の主な目的は従来のアニー
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。
【0006】本発明の更なる利点は以下の記述を読み進
めることによって明白になるであろう。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に従って手短に述
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。
【0008】本発明の請求項1の態様では、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、ことを含む。
【0009】本発明の請求項2の態様では、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、ことを含む。
【0010】本発明の請求項3の態様では、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。
【0011】
【発明の実施の形態】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
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。
【0012】ウエハ10の二つのセット(それぞれ5つ
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。
【0013】実験的なウエハ10の第1セットに対して
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。
【0014】所与の蒸着温度に対するSi1-x Gex の蒸着
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。
【0015】結晶粒界18と核形成サイト20はキャッ
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。
【0016】これらの実験はpoly-Si0.4Ge0.6 又は多結
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。
【0017】キャッピングシード層の別のバリエーショ
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。
【0018】新しい方法で得られる結晶化温度の減少の
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。
【0019】図3に示されるように、サンプルの3つの
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。
【0020】これらのオーバーラップする温度範囲は、
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。
【0021】結晶化時間と結晶化温度の関係は、従来の
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。
【0022】例えば、実行された実験では、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。
【0023】同様に、Si0.4Ge0.6のキャッピングシード
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。
【0024】サンプルが図3に示されたように結晶化さ
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 2 :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。
【0025】645℃でアニーリングされた一つのウエ
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。
【0026】650℃でアニーリングされた第1実験サ
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。
【0027】実験サンプル第2セットから取り出され6
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。
【0028】これらの結果は、キャッピングシードフィ
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。
【0029】また、キャッピングシード層16の中の結
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。
【0030】poly-Si0.4Ge0.6 から成るキャッピングシ
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。
【0031】複雑なプロセスを追加したり時間を更にか
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。
【0032】
【発明の効果】第1に、a−Si14フィルムの結晶化
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。
【0033】第2に、ECプロセスは表面粗さが低く適
当な粒子サイズを有するpoly-Si 14フィルムを製造す
る。
【0034】第3に、キャッピングフィルムは反応系内
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はアモルファスシリコンフィルムの蒸着後
の基体の断面図を示す。
【図2】図2は多結晶シードフィルムの蒸着の後の図1
の基体を示す。
【図3】図3は結晶化アニーリングの処理ステップの後
の図2の基体を示す。
【図4】図4は多結晶シードフィルムの除去の後の図3
の基体を示す。
【符号の説明】
10 ウエハ 12 SiO2 14 アモルファスシリコン 16 キャッピングシード層 18 結晶粒界 20 核形成サイト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャクソン エイチ.ホー アメリカ合衆国 94301 カリフォルニア 州 パロ アルト ハミルトン アベニュ ー 1168

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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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