JPH113860A - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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JPH113860A
JPH113860A JP14143698A JP14143698A JPH113860A JP H113860 A JPH113860 A JP H113860A JP 14143698 A JP14143698 A JP 14143698A JP 14143698 A JP14143698 A JP 14143698A JP H113860 A JPH113860 A JP H113860A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 600℃以下の低温プロセスで、高性能な薄
膜トランジスタを有する駆動回路を提供する。 【解決手段】 熱伝導率の高い物質を所定の間隔で非晶
質半導体層に接触させて固相成長し、結晶粒界がチャネ
ル領域にないように薄膜トランジスタを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、石英基板あるいは
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
半導体薄膜を成長させる方法に関する。
【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。{SOI構造形成技術,産業図
書}。大きく分類すると、再結晶化法、エピタキシャル
法、絶縁層埋め込み法、貼り合わせ法という方法があ
る。再結晶化法には、レーザーアニールあるいは電子ビ
ームアニールによりシリコンを溶融再結晶化させる方法
と、溶融する温度までは昇温させずに固相成長させる固
相成長法の2つに分類される。比較的低温で再結晶化で
きるという点で固相成長法が優れている。550℃の低温
熱処理にもかかわらずシリコン薄膜の結晶粒が成長した
という結果も報告されている。{IEEE Elect
ron Device Letters, vol.
EDL−8,No.8, p361, August19
87}。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記固相成長法におい
ては、結晶成長の始点となる単結晶シリコンシードが必
要となる。該単結晶シリコンシードが無い場合には、固
相成長のための活性化エネルギーは小さいが、核生成の
ための活性化エネルギーが大きいので、まず核を生成す
るために、より高温の熱処理と長い処理時間が必要とな
る。シリコン膜中にランダムに存在する核のために数多
くの結晶粒が成長し、該結晶粒のひとつひとつは大きく
成長しない。また結晶粒の成長がランダムなために、得
られた再結晶化シリコン薄膜のどこに結晶粒界が存在す
るのか全くわからない。さらに結晶方位もそろっていな
い。従って、この様な再結晶化シリコン薄膜を用いて薄
膜トランジスタなどの薄膜半導体装置を作製した場合に
は、同一基板内での特性のばらつきが大きく実用不可能
となる。
【0004】レーザービームあるいは電子ビームのよう
なエネルギービームを基板の全面にわたって走査させて
結晶成長させるような従来の方法では、エネルギービー
ム照射を走査することによる結晶成長の不均一が生じ
る。表面形状は凹凸が大きい。また非晶質絶縁基板の反
りも問題となる。特に軟化温度の低いガラス基板を用い
た場合にはこの問題は大きくなる。また、エネルギービ
ームを制御性よく走査するための高価な装置が必要とな
る。
【0005】本発明は、SOI法、特に固相成長法にお
いて、ランダムに核が生成するという問題点を解決し、
基板全面にわたって均一で結晶粒径の大きな表面形状の
平坦なシリコン薄膜を形成し、しかもその結晶粒界の位
置を制御することを目的としている。そして、石英基板
あるいはガラス基板のような非晶質絶縁基板上に、複雑
で高価な装置を必要としない簡単な方法で特性の優れた
薄膜トランジスタなどのような薄膜半導体装置を作製す
る方法を提供するものである。
【0006】
【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、非晶質絶縁基板上に、非晶質半導体薄膜
を堆積させ、該非晶質半導体薄膜を500℃〜700℃の低温
熱処理により再結晶化させる半導体薄膜の結晶成長方法
において、任意の間隔をおいてドット状の突起構造を有
する平面グラファイト冶具の上に、前記非晶質半導体薄
膜の表面を接触させて設置して低温熱処理することによ
り前記非晶質薄膜を再結晶化させることを特徴とする。
【0007】
【実施例】図1(a)に於て、1−1は非晶質絶縁基板であ
る。石英基板あるいはガラス基板などが用いられる。S
iOで覆われたSi基板を用いることもある。石英基
板あるいはSiOで覆われたSi基板を用いる場合は
1200℃の高温プロセスにも耐えることができるが、ガラ
ス基板を用いる場合は軟化温度が低いために約600℃以
下の低温プロセスに制限される。はじめに非晶質絶縁基
板1−1上に非晶質シリコン薄膜1−2を堆積させる。該非
晶質シリコン薄膜1−2は一様で、微小な結晶子は含まれ
ておらず結晶成長の核が全く存在しないことが望まし
い。LPCVD法の場合は、デポ温度がなるべく低く
て、デポ速度が早い条件が適している。シランガス(S
iH)を用いる場合は500℃〜560℃程度、ジシランガ
ス(Si)を用いる場合は300℃〜500℃程度のデ
ポ温度で分解堆積が可能である。トリシランガス(Si
)は分解温度がより低い。デポ温度を高くすると
堆積した膜が多結晶になるので、Siイオン注入によっ
て一旦非晶質化する方法もある。プラズマCVD法の場
合は、基板温度が室温から500℃以下の低温でも成膜で
きる。また、デポ直前に水素プラズマあるいはアルゴン
プラズマ処理を行えば、基板表面の清浄化と成膜を連続
的に行うことができる。光励起CVD法の場合も500℃
以下の低温デポ及び基板表面の清浄化と成膜を連続的に
行うことができる点で効果的である。EB蒸着法等のよ
うな高真空蒸着法の場合は膜がポーラスであるために大
気中の酸素を膜中に取り込み易く、結晶成長の妨げとな
る。このことを防ぐために、真空雰囲気から取り出す前
に300℃〜500℃程度の低温熱処理を行い膜を緻密化させ
ることが有効である。スパッタ法の場合も高真空蒸着法
の場合と同様である。
【0008】次に、図1(b)に示されるように、ドット
状の突起構造1−4を有する平面グラファイト製冶具1−3
の上に,前記非晶質シリコン薄膜1−2が接触するように
設置して該非晶質シリコン薄膜1−2を固相成長させる。
前記突起構造1−4の先端の大きさはできる限り小さくす
ることが望ましい。また該突起構造1−4の間隔Lは固相
成長距離の約2倍とする。例えば固相成長がシードから5
μm進む場合はL=10μmとする。該平面グラファイト
製冶具1−3の平面図を図1(f)に示す。また前記冶具は
グラファイト製と述べたが,不純物汚染の問題がなく熱
伝導率の高い材質ならば冶具として用いてもよい。ちな
みに700℃におけるグラファイトの熱伝導率は35〜70
(W/m・K)であり,石英基板ではこれよりも約1桁小
さい。
【0009】続いてこの様に平面グラファイト製冶具の
上におかれた非晶質シリコン薄膜を,石英アニール炉の
中にいれて500℃〜700℃の低温熱処理を行い、前記非晶
質シリコン薄膜を固相成長させる。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1×10−10Torrの
高真空雰囲気でアニールを行ってもよい。雰囲気ガスの
1000℃における熱伝導率は,窒素ガスで約7.4×10−2
(W/m・K),アルゴンガスで約5.0×10−2(W/m・
K),ヘリウムガスで約41.9×10−2(W/m・K),水
素ガスについても同程度である。前に述べたグラファイ
トの熱伝導率の値はこれらに比べて2〜3桁も大きい。従
って,平面グラファイト製冶具1−3のドット状の突起構
造1−4との接触点1−6がシードとなり、該シードを中心
として放射状に前記非晶質シリコン薄膜1−2が固相成長
を始める。この様子を図1(c)に示す。1−5は、ドッ
ト状の突起構造1−4と非晶質シリコン薄膜1−2との接触
点1−6をシードとして固相成長した結晶相を示してい
る。このように固相成長の始点となるシードが、アニー
ル雰囲気ガスよりも熱伝導率の高い物質を接触させるこ
とによって生成されるので、固相成長の為の熱処理温度
をより低温にすることが可能になる。これまでは、熱処
理温度は500℃〜700℃として述べてきたが、更に低温例
えば400℃〜500℃の熱処理でも固相成長する可能性があ
る。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。
【0010】図1(c)は固相成長過程の途中の段階を示
す図である。固相成長が進行し、隣合う2個の前記接触
点1−6の中間点で、両方向から成長してきた結晶粒がぶ
つかり合い、結晶粒界1−7が形成された様子を図1(d)
に示す。ある結晶粒界1−7とその隣の結晶粒界1−7との
間が結晶相となる。前に述べたように、ドット状の突起
構造1−4の間隔Lを例えば20μmにすれば,結晶相1−5
は前記接触点1−6中心として一辺20μmの結晶領域とな
る。この様にして、結晶粒界の場所が制御された大粒径
多結晶シリコン薄膜が作製される。図1(e)は,該大粒
径多結晶シリコン薄膜を示している。
【0011】本発明を用いて作製した大粒径多結晶シリ
コン薄膜を、薄膜トランジスターに応用した例を図2に
したがって説明する。図1(e)に示すように、結晶粒界
1−7の位置が分かっているのでこの場所を避けて、結晶
相1−5をチャネル領域となるように薄膜トランジスター
を作製する。前述のようにして作製された大粒径多結晶
シリコン薄膜基板を図2(a)に示す。2−1は非晶質絶縁
基板である。2−2は固相成長により形成された結晶相で
ある。2−3は結晶粒界である。 次に前記シリコン薄膜
をフォトリソグラフィ法によりパターニングして図2
(b)に示すように島状にする。この時、結晶相2−2が
島状パターンの中心部になるようにパターニングする。
次に図2(c)に示されているように、ゲート酸化膜
2−4を形成する。該ゲート酸化膜の形成方法としてはL
PCVD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。該低温方法
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2−1として石英基板を用いる場合は、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we
t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。
【0012】次に図2(d)に示されるように、ゲート電
極2−5を形成する。この時、該ゲート電極2−5は結晶粒
界2−3とオーバーラップしないように形成する。従っ
て、ゲート電極2−5の下のシリコンは結晶相となる。該
ゲート電極材料としては多結晶シリコン薄膜、あるいは
モリブデンシリサイド、あるいはアルミニュウムやクロ
ムなどのような金属膜、あるいはITOやSnOなど
のような透明性導電膜などを用いることができる。成膜
方法としては、CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、等
の方法があるが、ここでの詳しい説明は省略する。
【0013】続いて図2(e)に示すように、前記ゲート
電極2−5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2−6およびドレイン領域2−7を形成す
る。同図に於いて2−2はまったくの結晶領域であり、こ
れはMOS型薄膜トランジスタのチャネル領域となる。
結晶粒界2−3はドレイン領域2−7の中に埋もれるので、
トランジスタ特性にはなんら悪影響を与えない。前記不
純物としては、Nchトランジスタを作製する場合はP
あるいはAsを用い、Pch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
オン注入方の他に、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。2−8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2−1として石英基板を用いた場合には熱拡散法を
使うことができる。不純物濃度は、1×1015から1×10
20cm−3程度とする。
【0014】続いて図2(f)に示されるように、層間絶
縁膜2−9を積層する。該層間絶縁膜材料としては、酸化
膜あるいは窒化膜などを用いる。絶縁性が良好ならば膜
厚はいくらでもよいが、数千オングストロームから数μ
m程度が普通である。窒化膜の形成方法としては、LP
CVD法あるいはプラズマCVD法などが簡単である。
反応には、アンモニアガス(NH3)とシランガスと窒
素ガスとの混合ガス、あるいはシランガスと窒素ガスと
の混合ガスなどを用いる。
【0015】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2−9
を積層する前におこなってもよい。
【0016】次に図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、コン
タクト電極を形成しソース電極2−10およびドレイン電
極2−11とする。該ソース電極及びドレイン電極は、ア
ルミニュウムなどの金属材料で形成する。この様にして
薄膜トランジスタが形成される。
【0017】
【発明の効果】従来薄膜トランジスタのチャネル領域に
は結晶粒界が幾つ存在するかわからなかった。結晶粒界
がどこに存在しているのか、あるいは結晶粒径がどれく
らいの大きさなのか知ることができなかった。しかし本
発明によると、大きな結晶粒径を得ることができ、結晶
粒界の場所も制御することができるようになる。この結
晶粒界部分を除いた結晶領域だけをチヤネル領域として
利用できるようになったので、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。
またスレッシュホルド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。トランジスタ特性のばらつきは
非常に小さい。
【0018】非晶質絶縁基板上に結晶粒界の場所が制御
された結晶性の優れたシリコン薄膜を作製することが可
能になったのでSOI技術の発展に大きく寄与するもの
である。グラファイトなどのような熱伝導率の高い材質
の冶具を用いることによってシードを形成するのでフォ
ト工程など、工程数はまったく増えない。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もちいることができる。優れ
たシリコン薄膜が得られるのにかかわらずコストアップ
とはならない。
【0019】固相成長法において、熱処理の雰囲気ガス
よりもきわめて大きな熱伝導率を有する材質で作成され
た冶具を,非晶質シリコン薄膜に接触させて熱処理する
ことによって、前記非晶質シリコン薄膜上に温度差が生
じ、この接触点は雰囲気ガスよりも高い温度となる。こ
の様にしてシードが形成される。従って、固相成長のた
めの熱処理温度を更に低温にすることが可能になる。
【0020】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、ドライバー
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 電源電圧の低減、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。
【0021】本発明を、光電変換素子とその走査回路を
同一チップ内に集積した密着型イメージセンサーに応用
した場合には、読み取り速度の高速化、高解像度化、さ
らに階調をとる場合に非常に大きな効果をうみだす。高
解像度化が達成されるとカラー読み取り用密着型イメー
ジセンサーへの応用も容易となる。もちろん電源電圧の
低減、消費電流の低減、信頼性の向上に対してもその効
果は大きい。また低温プロセスによって作製することが
できるので、密着型イメージセンサーチップの長尺化が
可能となり、一本のチップでA4判あるいはA3判の様な大
型ファクシミリ用の読み取り装置を実現できる。従っ
て、センサーチップの二本継ぎのような手数がかかり信
頼性の悪い技術を回避することができ、実装歩留りも向
上される。
【0022】石英基板やガラス基板だけではなく、サフ
ァイア基板(Al)あるいはMgO・Al
,BP,CaF等の結晶性絶縁基板も用いるこ
とができる。
【0023】以上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ろいはへテロ接合バイポ
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。また、三次元デバイス
のようなSOI技術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。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)から(e)は、本発明における半導体薄膜
の結晶成長方法を示す工程断面図である。(f)は、平
面グラファイト製冶具の平面図である。
【図2】(a)から(g)は、本発明を、薄膜トランジス
タに応用した場合の例を示す薄膜トランジスタの工程図
である。
【符号の説明】
1−1;非晶質絶縁基板 1−2;非晶質半導体薄膜 1−3;平面グラファイト製冶具 1−4;ドット状突起構造 1−5;結晶相 1−7;結晶粒界 2−2;結晶相
【手続補正書】
【提出日】平成10年6月16日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 薄膜トランジスタの製造方法
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0001
【補正方法】変更
【補正内容】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の薄膜トラン
ジスタを形成する薄膜トランジスタの製造方法に関し、
特に石英基板あるいはガラス基板のような基板上に結晶
性の優れた半導体薄膜を成長させる方法に関する。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に複数
の薄膜トランジスタを形成する薄膜トランジスタの製造
方法において、前記基板上に非晶質半導体薄膜を形成す
る工程と、所定の間隔を有する複数のシードを前記非晶
質半導体薄膜に接触させて、前記非晶質半導体薄膜を結
晶化することにより結晶化膜を形成する工程と、前記結
晶化膜の結晶粒界がない領域に前記複数の薄膜トランジ
スタの各チャネル領域を形成する工程とを有することを
特徴とする。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】本発明を用いて作製した大粒径多結晶シリ
コン薄膜を用いて複数の薄膜トランジスタを形成する例
を図2にしたがって説明する。図1(e)に示すように、
結晶粒界1−7の位置が分かっているのでこの場所を避
けて、結晶相1−5をチャネル領域となるように薄膜ト
ランジスターを作製する。前述のようにして作製された
大粒径多結晶シリコン薄膜基板を図2(a)に示す。2
−1は非晶質絶縁基板である。2−2は固相成長により
形成された結晶相である。2−3は結晶粒界である。
次に前記シリコン薄膜をフォトリソグラフィ法によりパ
ターニングして図2(b)に示すように島状にする。こ
の時、結晶相2−2が島状パターンの中心部になるよう
にパターニングする。次に図2(c)に示されているよ
うに、ゲート酸化膜2−4を形成する。該ゲート酸化膜
の形成方法としてはLPCVD法、あるいは光励起CV
D法、あるいはプラズマCVD法、ECRプラズマCV
D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。該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2−1として石英基板
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。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0017
【補正方法】変更
【補正内容】
【0017】
【発明の効果】本発明によると、大きな結晶粒径を得る
ことができる。また、複数の薄膜トランジスタを形成す
る際に、結晶粒界部分を除いた結晶領域にチヤネル領域
を形成することができるため、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。
またスレッシュホルド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。トランジスタ特性のばらつきは
非常に小さい。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】削除
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0019
【補正方法】削除

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非晶質絶縁基板上に、非晶質半導体薄膜
    を堆積させ、該非晶質半導体薄膜を500℃〜700℃の低温
    熱処理により再結晶化させる半導体薄膜の結晶成長方法
    において、任意の間隔をおいてドット状の突起構造を有
    する平面グラファイト冶具の上に、前記非晶質半導体薄
    膜の表面を接触させて設置して低温熱処理することによ
    り前記非晶質薄膜を再結晶化させることを特徴とする半
    導体薄膜の結晶成長方法。
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