JPH01214110A - 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、絶縁基板上に形成される半導体装置の製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

絶縁膜上に結晶粒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半成する方法は、ＳＯ工（５ｌ
ｉｃｏｎ　Ｏｎ工ｎ５ｕＬａｔｏｒ　）　　技術としで
知られている。例えば、固相成長法、レーザービーム再
結晶化法などの方法がある。（参考文献応用物理　第５
４巻　第１２号　１２７４ペ一ジ１９８５年）また、固
相成長法として、シリコン薄膜にシリコンイオンをイオ
ン注入し、その後約６００１］Ｎ度の低温でアニールす
ると結晶成長するという方法も報告されている。（参考
文献　Ｊ。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　５９（７）、　Ｉ　Ａｐｒｉ
ｌ、　２４２２ページ１；９８６年） 〔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、結晶成長の種となる核が、
多数存在する為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、結晶粒がランダムに成長する為に、結晶粒界がど
こに存在するのかわからない。従って、このような従来
の方法で得られた多結晶シリコン膜を用いて簿膜トラン
ジスタを作製すると′ｔ！を気的特性のバラツキが大き
く実用化できない。例えば、結晶粒径の大きさが２μｍ
程度に成長した多結晶シリコン薄膜にチャネル長１μｍ
の薄膜トランジスタを作製した場合を考える。従来の方
法では、これまで述べてきたように、結晶粒界がランダ
ムに存在する為に、基板上の場所によって、薄膜トラン
ジスタのチャネル内に結晶粒界が１個存在する場合と、
結晶粒界がまったく存在しない場合があり、この２つの
薄膜トランジスタの電気的特性はまったく異なる。一方
、レーザービーム再結晶化法においては、レーザービー
ムのくり返し走査が必゛要な為に大面積を一括して結晶
成長させる事はｂすかしい。さらにレーザービーム内の
エネルギー分布をも制御する必要がある為大がかりで高
価な装置が要求される。

本発明は、上記のような従来のＳＯＩ法の問題点を解決
し、絶縁基板上の所定の位置に多結晶シリコンの結晶領
域を形成させ、該結晶領域内に薄膜トランジスタなどの
半導体装置を作製し、単結晶シリコンを用いた場合と同
程度の特性の半導体装置を絶縁基板上でバラツキなく実
現する事を目的とする。非常に簡嚇で安価な方法で上述
のような特性のすぐれたバラツキの少ない半導体装置を
実現する事を目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板上に、シリ
コン薄膜を堆積させる第一の工程と、該シリコン薄膜上
に島状酸化膜を形成する第二の工程と、前記シリコン薄
膜において、該島状酸化膜におおわれていない領域を酸
化させる第三の工程と、前記島状酸化膜をエツチング除
去してシリコン表面を露出させる第四の工程と、非晶質
シリコン薄膜を堆積させる第五の工程と、前記第四の工
程で露出されたシリコン表面を核とし、前記非晶質シリ
コン薄膜を結晶成長させて多結晶シリコン薄膜を形成す
る第六の工程と、該多結晶シリコン薄膜の結晶粒界部分
を除く結晶領域内に半導体装置を形成する第七の工程を
少なくとも有することを特徴とする。

〔実施例〕

ここでは、アクティブマトリクス基板あるいは密着型イ
メージセンサ−などに本発明を用いた場合を例として本
発明の詳細な説明する。従って絶縁基板は可視光を透過
する透明性絶縁基板を用いる。第１図（α）において、
石英基板などの透明性絶縁基板１−１上に、シリコン薄
膜１−２を堆積させる。該シリコン薄膜１−２は結晶性
の良好な膜である事が望ましい。堆積方法としては、Ｅ
Ｂ蒸着法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ蒸着法）、スパ
ッタ法、　Ｍ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａ
ｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ　）法、常圧ＣＶＤ法、プラズマｃ
ｖＤ法、光励起ｃｖＤ法などがある。堆積させたままで
もよいが再結晶化させる為の熱処理工程を入れてもよい
。例えば、ＫＢ蒸着法やスパッタ法やＭＢＥ法により堆
積させられたシリコン薄膜は、５ｏｏｔ＋から７００’
０の低温アニールにより結晶粒が１〜２μｍに結晶成長
する。また減圧ＯＶＤ法などで堆積させられたシリコン
薄膜は、シリコンイオン注入を行ないシリコン薄膜を一
担非晶質化させ、その後５００℃から７００℃の低温ア
ニールすると結晶粒が１〜２μｍに結晶成長する。また
プラズマＣＶＤ法などで堆積させられたシリコン薄膜は
、膜中に多量の水素を含んでいるので、５００℃から４
５０℃程度のアニールで水素を放出させ、その後５゜０
℃から７００℃の低温アニール１〜２μｍの結晶粒に結
晶成長させる。

このようにして得られたシリコン薄膜１−２上に島状酸
化膜１−５を形成する。例えば減圧ＣＶＤ法、常圧ＯＶ
Ｄ法、プラズマｃｖＤ法などの方法で前記シリコン薄膜
１−２上に酸化膜（ＳｔＯ２）を堆積させホ）　ＩＪソ
グラフィ法で該島状酸化膜１−３を形成する。酸化膜で
はなく窒化膜でもよいことはもちろんである。該島状酸
化膜１−３ひとつひとつの大きさ（以後ｔと呼ぶ）と、
該島状酸化膜間の距離（以後Ｘと呼ぶ）とは、本発明の
目的とする結晶性の良好な多結晶シリコン薄膜を作製す
る上で重要なファクターとなるので以降必要に応じて説
明する。概略を述べるとＬを１〜２μｍ、Ｘを５０μｍ
程度となる。

次に熱澱化を行ない、前記シリコン薄膜１−２において
島状酸化膜１−５におおわれていない領域をすべて酸化
膜とする。このように形成された酸化膜をここではフィ
ールド酸化層１−４と呼ぶ。一方、シリコン薄膜１−２
において、島状酸化膜１−５におおわれていた領域は、
島状シリコン薄膜１−５として残る。前記フィールド哨
化層１−４の形成方法としては乾燥酸素中で７００℃か
ら１４００℃に加熱するｄｒｙ　酸化法、酸化速度のよ
り速い方法としては水蒸気を導入して加熱するｗｅｔ　
酸化法などの方法がある。これらの熱酸化は、フィール
ド酸化層が透明性絶縁基板表面に達するまで行なう。従
って、この工程まで終了した基板はほぼ透明となってお
り、透明性絶縁基板として扱っても何ら問題はない。ま
た、島状酸化膜１−３の部分は、くぼんだ形状となって
いる。一方、熱酸化工程は上述したように高温熱処理で
あるので、前記島状シリコン薄膜１−５は、前工程での
状態と比べてさらに結晶化が進んでいる。

続いて基板表面の酸化膜をエツチングして、島状酸化膜
１−５を除去し、島状シリコン薄膜１−５の表面１−６
を露出させる。この工程まで終了した時の基板の状態を
第１図Ｃｄ）に示す。島状シリコン薄膜の表面１−６が
清浄に保たれているうちに非晶質シリコン薄膜１−７を
堆積させる。

該非晶質シリコン薄膜１−７は、膜質が均一であること
が望ましい。堆積方法としては、前にも述べたように、
ＫＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ法、減圧ＯＶＤ法、常
圧ＣＶＤ法、プラズマＣｖＤ法、光励起ＣＶＤ法などの
方法がある。いずれの方法においても堆積温度を高くす
ると小さな結晶粒の存在する多結晶となってしまうので
高くても７００℃以下としたほうがよい。水素が膜中に
含まれないという点でＥＢ蒸着法ｔスパッタ法ｅＭＢＥ
法などが有効である。その他の方法で堆積し膜中に水素
が含まれている場合は５５０℃から４００℃の低温アニ
ールで水素をゆっくりと放出させる。

続いて、前記島状シリコン簿膜１−５を結晶成長の核と
して、該非晶質シリコン薄膜１−７を結晶成長させる。

前記島状シリコン薄膜１−５は、前に述べたように大き
さｔが１〜２μ扉で、結晶粒径が１〜２μｍであるので
、核島状シリコン薄膜１−５には結晶粒界がまったく含
まれないか、あるいは多くても１個含まれるだけである
。結晶成長は島状シリコンＮ膜１−５に重なっている部
分を中心として放射状にすすむ。そして島状シリコン薄
膜１−５間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１−８が生じる。結晶粒の成長
は１００μｍ程度に達する。

従って前記島状シリコン薄膜１−５の間の距離ＸをＩＯ
Ｄμｍ以下にしておけば、前記島状シリコン薄膜１−５
と結晶粒界１−８との間の領域は完全な結晶領域１−９
となる。結晶粒の成長が１００μｍ以上に達成される場
合にはＸをさらに大きくする事ができ、より大きな結晶
領域を実現できる。結晶成長の方法は、ＳＯＯ℃から７
００℃の低温アニールで、前記島状シリコン薄膜１−５
を核として結晶成長させる。一種の固相エピタキシャル
成長ということもできる。非晶質シリコン薄膜１−７を
堆積させた状態で結晶成長させてもよいが、該非晶質シ
リコン薄膜１−７上に酸化膜などをキャッピングしてか
ら結晶成長させる事も考えられる。この場合は結晶領域
１−９の表面の平担性を保つ点で効果がある。もちろん
結晶成長後、該酸化膜は除去してもよいし、あるいはそ
の後作製する半導体装置の一部として利用してもよいこ
のようにして島状シリコン薄膜１−５と結晶粒界１−８
との間に形成された結晶領域１−９の部分を利用して半
導体装置を作製する。核となる島状シリコン薄膜１−５
には多くても１個の結晶粒界しか含まれないので、本発
明において半導体装置を作製する点において何ら問題に
ならない。

本実施例においては薄膜トランジスタを作製する場合を
例として説明する。結晶領域１−９の中にホトリソグラ
フィ法により単結晶能動領域１−１０をパターニングし
、続いてゲートｍ化膜１−１′Ｆを形成する。ゲート酸
化膜は熱酸化法で形成する。その後多結晶シリコンなど
でゲートを極１−１２を形成し該ゲート電１１−１２を
マスクとして、ソース及びドレイン領域１−１５を形成
する。Ｐチャネルの場合はＢ（ポロン）Ｎチャネルの場
合は、Ｐ　（ＩＪン）ＴＡＢ（ヒ素）を不純物添加する
。添加方法としてはイオン注入法あるいは拡散法などが
ある。次に層間絶縁膜１−１４として戯化辰あるいは窒
化膜を堆積させ、コンタクトホールを形成して金属電極
１−１５を形成する。

実施例では薄膜トランジスタの場合を例にとって説明し
たが、バイポーラ型トランジスタナどその他の半導体装
置にももちろん応用することができる。

〔発明の効果〕

種結晶の上に非晶質シリコン薄膜を堆積し、該非晶質シ
リコン薄膜を低温で固相成長させることができるので絶
縁基板、特に石英基板のような透明性絶縁基板上にほぼ
単結晶に近いシリコン薄膜を作成することができる。結
晶粒界の位置及び結晶領域の位置を基板上所定の場所に
形成することができるので、結晶領域のみを用いて半導
体装置を作製することができ、単結晶シリコン薄膜を用
いた半導体装置と同等の特性が得られる。

本発明を薄膜トランジスタに応用すれば、ドライバー回
路を同一基板内に作り込んだアクティブ了トリクス基板
の高速化が実現できる。さらに電源電圧の低減、消費電
流の低減、信頼性の向上に関しても大きな効果がある。

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−に応用した場合には
、読み取シ速度の高速化、高解像度化、及び階調を取る
場合に非常に大きな効果を生み出す。電源電圧の低減、
消費電流の低減、信頼性の向上にも効果は大きい。高解
像度化が達成されるとカラー読み取シ用密着型イメージ
センサ−への応用も容易となる。

レーザービーム照射装置などの精巧で高価な装置を必要
としないので、作製が簡単であり、費用の低減化に役た
つ。

以上述べたように、本発明は、絶縁基板特に透明性絶縁
基板上に屯結晶シリコン薄膜を作製する場合に、非常に
有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（α）から（９）は、本発明における半導体装置
の製造方法を示す工固図である。 １−６・・・・・・島、伏酸化膜 １−４・・・・・・フィールド酸化層 １−５・・・・・・島状シリコン薄膜 １−６・・・・・・島状シリコン薄膜の表面１−８・・
・・・・結晶粒界 １−９・・・・・・結晶領域 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士最上筋（他１名） （＾） （ｂ） ン ＣＣ）　　　　　　　　　　　　　　ノーｌ、ｄン　　
　　　　　　　　　　　　′−′、）／−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　絶縁基板上に、シリコン薄膜を堆積させる第一の工程
   と、該シリコン薄膜上に島状酸化膜を形成する第二の工
   程と、前記シリコン薄膜において、該島状酸化膜におお
   われていない領域を酸化させる第三の工程と、前記島状
   酸化膜をエッチング除去してシリコン表面を露出させる
   第四の工程と、非晶質シリコン薄膜を堆積させる第五の
   工程と、前記第四の工程で露出されたシリコン表面を核
   とし、前記非晶質シリコン薄膜を結晶成長させて多結晶
   シリコン薄膜を形成する第六の工程と、該多結晶シリコ
   ン薄膜の結晶粒界部分を除く結晶領域内に半導体装置を
   形成する第七の工程を少なくとも有することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法