JPS63304670A - 薄膜半導体装置の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜トランジスタの製造方法に関し、特にアク
ティブマトリックス方式のディスプレイ用として好適な
ように、ゲート用絶縁膜の特性向上を図った薄膜トラン
ジスタの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

薄膜トランジスタは、一般的に、絶縁性基板上に酸化膜
を介し、または介することなしに被着形成したシリコン
膜上にゲート酸化膜が形成され、この酸化膜上に形成さ
れたゲート電極をマスクとして、シリコン膜にソース領
域とドレイン領域とが形成された構造になっている。

そして、安価で高品質の薄膜トランジスタを形成するた
め、基板にガラス基板を、またシリコン層に多結晶シリ
コン層を用いるための研究が進められている。

このためには、薄膜トランジスタ形成プロセスをガラス
の耐熱温度以下の低温にしなければならない。このため
、ゲート酸化膜も低温で形成する必要がアリ、一般に低
温形成の容易な常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパ
ッタ法等により形成された膜が用いられている。

しかし、これらの方法では、ゲート酸化膜を多結晶シリ
コンの表面上に堆積するため、多結晶シリコン層とゲー
ト酸化膜との界面に不飽和結合（ダンプリングボンド）
が残シ、トラップとなる界面準位が多く形成されること
、および多結晶シリコン表面が汚染され易く、さらに界
面の平坦性やゲート酸化膜の厚みの均一性が悪いなどの
問題があった。

これらの問題点を解決するために、特開＠６０−２５１
６６附公報では熱酸化でゲー）１に化膜を形成しており
、また特開昭６０−１６４３６２号公報では、多結晶シ
リコン層の表面に熱酸化膜を形成した後、所定のゲート
酸化膜厚にするためにＣＶＤ酸化膜なその上に堆積させ
ている。しかし、これらの公知技術は、基板に石英を用
いた高温酸化プロセスを採用してお９、ガラス基板には
適用することができないという問題がある。

一方、形成されたゲート酸化膜の表面に凹凸があった９
、酸化膜厚分布が不均一であったシすると、絶縁破壊電
圧が低下する。

前記公知技術では、石英基板上に堆積された多結晶シリ
コンを熱酸化しているが、多結晶シリコンは結晶方位に
よってその生長速度が異なるために、その表面に凹凸を
生じ易く、このために多結晶シリコン／熱酸化膜界面の
平坦性や熱酸化膜の厚みの均一性の改善が十分でないと
いう問題があった。

これに関しては、多結晶シリコンを高温に加熱すると、
酸化速度の面方位依存性が小さくなることが知られてお
シ、多結晶シリコンでも、ランプによる高温加熱（１１
５０℃）によっても、その表面に平坦な酸化膜が得られ
たことが報告されている（ＮＩＫＫＥＩ　ＭＩＣＲＯＤ
ＥＶＩＣＥ　１９８６年１１月号第４５〜４７頁）。

しかし、ランプによる高温加熱では基板まで加熱される
ので、基板がガラスである場合には基板に歪を生じる１
、このために、多結晶シリコン／熱酸化膜界面の平坦性
や熱酸化膜の厚みの均一性が低下し、結果的に薄膜半導
体装置の電気的特性が低下することになる。

〔発明が解決しようとする問題点１ 以上に述べた従来技術では、多結晶シリコン膜の上に形
成されるゲート酸化膜厚の均一性、多結晶シリコン／ゲ
ート酸化膜界面の平坦性、界面単位の低減、および処理
工程の低温化などの諸要求の９ち、一部を達成すること
は可能であるが、その全部を同時に達成することはでき
ないといり問題があった。

したがって本発明の目的は、前記諸要求のすべてを同時
に達成することができ、換言すれは、ガラス基板の使用
可能な低温プロセスで、シリコン膜上にゲート酸化膜を
形成し、しかもシリコン／ゲート酸化膜界面の平坦化及
び界面単位の低減、ならびにゲート酸化膜厚の均一化を
図ることのできる薄膜半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、非晶質シリコンを主成分とするシリコン膜
を形成した後、その結晶性向上および表面の熱酸化膜形
成のための熱処理を、低温の酸化性雰囲気中で行なうこ
とで達成できる。

つｔｂ、非晶質シリコンを主成分とするシリコン膜の結
晶性向上と同時に、多結晶シリコン膜表面を低温で直接
酸化することＫよｐ１界面準位の少ない、平坦な多結晶
シリコン／ゲート絶縁膜界面が実現できる。

〔作　用〕

基板上に低温で形成された非晶質シリコンの表面は、多
結晶シリコンに比較してその表面の平坦性に優れ【いる
。このために、その表面に形成される熱酸化膜は厚みが
均一となυ、シリコンと熱酸化膜との界面の平坦性も良
好となる。

このよりに界面が平坦となることにより、界面での不飽
和結合が減少し、界面準位も減少するので、半導体装置
の電気的特性や信頼性が改善される。しかもこの熱処理
はガラスの軟化点以下の低温で行なうことができるので
、ガラス基板の使用が可能となシ、コストの低減が実現
される。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は減圧ＣＶＤ法で形成したシリコン膜の結晶性の
堆積温度依存性を示す。なお、この場合のシリコンの膜
厚は１５００人である。

堆積温度約５６０℃以下においては、Ｘ線回折法によっ
ては結晶成分は検出されない。すなわち、この温度範囲
では非晶質成分を主成分とするシリコン膜が堆積される
。堆積温度５７０℃以上では、結晶成分を含むシリコン
膜が堆積されることがわかる。

第３図（、）は、堆積時に結晶成分を多く含むように、
５８０℃で堆積した減圧ＣＶＤシリコン膜を、続＜６０
０℃の常圧飽和水蒸気中で熱処理した際の多結晶シリコ
ン／熱酸化膜界面のｌｆｉ′面形状を示したものである
。

図中１はガラス基板、２は多結晶シリコン膜、３１は熱
酸化膜である。多結晶シリコン／熱酸化膜界面は凹凸が
激しいことがわかる。

その理由としては、多結晶シリコンを構成する各単位結
晶の方位によって生長速度が異なるために、減圧ＣＶＤ
シリコン膜自体の表面の平坦度が必ずしも良くないこと
、および熱酸化の速度も均一でないことなどが考えられ
る。

第３図伽）は、非晶質成分が主成分となるように５５０
℃で堆積した減圧ＣＶＤシリコン膜を、同様に熱処理し
、非晶質成分を多結晶化すると共に、その表面を熱酸化
した際の、多結晶シリコン／熱酸化膜界面の断面形状を
示したものである。同図（荀に比べて、非常に平担な多
結晶シリコン／熱酸化膜界面が得られていることがわか
る。。

このことから、約５６０℃以下の温度範囲で堆積した減
圧ＣＶＤシリコン膜（非晶質成分を主成分とする）を、
ガラスに歪みを与えない６４０℃以下の温度範囲の酸化
性ず囲気中で熱処理することにより、多結晶シリコン膜
の上でも、平坦な界面を有する均一な膜厚の熱酸化膜が
得られることが確認された。

また、プラズマＣＶＤ法で、３ｏｏ℃以下の温匿で堆積
したシリコン膜の場合も、同様に非晶質成分を主成分と
する膜が得られていることから、同様の熱処理効果が期
待できる。

第４図は、５５０℃で堆積した減圧ＣＶＤシリコン膜を
６００℃の常圧飽和水蒸気中で熱処理した際の、熱処理
時間（横軸）と形成した酸化膜厚（縦軸）との関係を示
したものである。これより、例えば２４時間の熱処理で
３００人の熱酸化膜が形成できることがわかる。

第５図には、この時の減圧ＣＶＤシリコン膜の結晶性の
時間的変化を示した。酸化性雰囲気中での熱処理により
、前記減圧ＣＶＤシリコン膜の結晶性は向上し、熱処理
時間２４時間ではｙ完全に飽和していることがわかる。

この場合のＸ線回折強度の飽和値はほぼ３Ｋｃｐａであ
シ、表面の８１０．膜形成で、シリコン膜厚が薄くなっ
たことを考慮すると、窒素気流中熱処現時のＸａ回折強
度にほぼ一致しているとみることができ、結晶性が十分
に改善されていると考えられる。

以上のような実験および解析結果から、絶縁性基板上に
堆積された、非晶質成分を主成分としたシリコン膜を、
酸化性雰囲気中で熱処理してその表面に酸化シリコン膜
を形成すると共に、非晶質成分を多結晶化することによ
り、多結晶シリコン／絶縁属界面が平坦で、界面準位の
少ない清浄な熱酸化膜が得られることがわかる。同時に
シリコン膜の結晶性も、窒素搭囲気での結晶化熱処理時
と同程度に向上できる。

本発明は、以上に詳述した新たな昶見に基づいてなされ
たものである。

第１図に本発明の実施例を示す。第１図（、）は、ガラ
ス基板１上に、非晶質シリコンを主成分とするシリコン
Ｍ２を形成した状態を示す断面図である。この多結晶シ
リコンは、例えば減圧ＣＶＤ法を用いて、５５０℃、１
　ｔｏｒｒの条件で１５００人堆積させる。

つぎに、第１図（ｂ）に示したように、例えば常圧の飽
和水蒸気中で６００℃、２４時１間の熱処理を行ない、
上記シリコン膜２の表面を酸化すると同時に、シリコン
膜２の結晶性を高める。これにより形成される熱酸化膜
３１の厚さは約３００人である。

なン、低温における熱識化膜形成速度は一般に小さいた
め、電気的絶縁に必要な厚さの膜を形成しようとすると
、熱処理時間が長くなるので、ここでは多結晶シリコン
／絶縁膜界面の特性向上に必要かつ十分な最少厚さの酸
化膜を形成した。

第１図（ｃ）では、上記酸化膜３１を選択的にマスキン
グして多結晶シリコン膜２を酸化膜３１とともに島状に
エツチングする。

ｔＪ１図（ｄ）では、上記酸化膜３１上に、２層目の酸
化膜３２を常圧ＣＶＤ法にょ９堆積させる。この酸化膜
３２の厚さは、例えばゲート絶縁膜として必要ｆ金膜Ｊ
１１ヲ１００ＯＡトすルト、７００λ（＝１０００−３
００）となる。

最後に、第１図（、）に示したように、上記酸化膜３１
．３２を選択的にエツチングして、ゲート形状を形成す
る。

上記の方法を用いれば、多結晶シリコンとゲート絶縁膜
界面は、下層であるシリコン膜の熱酸化によって形成さ
れるため、多結晶シリコン膜表面の不純物や欠陥等によ
る界面準位の少ない清浄な界面が得られる。

また、このようにし【得られる多結晶シリコン／酸化膜
界面は凹凸の少ない平坦な形状であるばかりでなく、酸
化膜の厚みも均一となるため、絶縁破壊電圧が高く、リ
ーク電流の少ない良質な絶縁膜が得られる。

なお、上記実施例では酸化性雰囲気として、常圧の飽和
水蒸気を用いたが、加圧し【酸化速度を大きくして熱酸
化膜を形成することもできる。また、酸化性雰囲気とし
て、常圧または加圧酸素ガスを用いることもできる。

また、非晶質シリコンを主成分とするシリコン膜として
、３００℃以下の温度で堆積したプラズマＣＶＤシリコ
ン膜を適用することもできる。

〔発明の効果〕

非晶質シリコンを主成分にしたシリコン膜を堆積した後
に、これを酸化性雰囲気中で熱処理することにより、前
記シリコン膜の表面に熱酸化膜を形成するようにしたの
で、平坦で界面準位の少ない、清浄なシリコン膜／酸化
膜界面を得ることができ、また同時に、酸化膜の厚みが
均一化されるとともに、シリコ／膜の結晶性も向上する
ので、動作特性が良好で、信頼性の高いＴＰＴを実現で
きる。

また、すべて６４０℃以下の低温プロセスであるので、
耐熱性の低いガラス基板も使用可能であ択低コスト化が
達成される。また、プロセス上、結晶化熱処理と酸化膜
形成を同時にできるので、新たなプロセスを加えること
もない。

【図面の簡単な説明】

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板と、該基板上に形成された半導体層と
   、該半導体層上に形成された絶縁層とを有する薄膜半導
   体装置の製造方法において、 非晶質部分を主成分とした半導体層を絶縁性基板上に堆
   積する工程と、 その後、酸化性雰囲気下で熱処理し、前記半導体層の表
   面に平坦な熱酸化膜を形成するとともに、前記半導体層
   の結晶性を向上することを特徴とする薄膜半導体装置の
   製造方法。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、該半導体層
   が、減圧ＣＶＤ法で、約５６０℃以下の温度範囲で堆積
   したシリコン膜であることを特徴とする薄膜半導体装置
   の製造方法。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、該半導体層
   が、プラズマＣＶＤ法で、約３００℃以下の温度で堆積
   したシリコン膜であることを特徴とした薄膜半導体装置
   の製造方法。
4. （４）前記特許請求の範囲第１項において、酸化性雰囲
   気は、常圧または加圧水蒸気中、約６４０℃以下である
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
5. （５）前記特許請求の範囲第１項において、酸化性雰囲
   気は、常圧または加圧酸素ガス中、約６４０℃以下であ
   ることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
6. （６）前記特許請求の範囲第１項において、絶縁基板は
   透明であることを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法
   。