JPH02140916A - 薄膜トランジスタの製造方法 - 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、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。

［従来の技術］ 非晶質絶縁基板あるいは非晶質絶ｉｔ、　ｇｔ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、　５Ｏ
Ｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏ
ｒ）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°Ｃ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　　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　　Ｄｅｖｉｃｅ　
　Ｌ　ｅ　ｔ　ｔ　ｅ　ｒ　ｓ、　　ｖ　ｏ　１．　　
Ｅ　Ｄ　Ｌ　−８，Ｎ　ｏ。

８、ｐ３６１．Ａｕｇｕｓｔ　　１９８７）。

［発明が解決しようとする課Ｎ］ 前記固相成長法においては、結晶成長の始点となる単結
晶シリコンシートが必要となる。該単結晶シリコンシー
トが無い場合には、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ｉ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Ｔ！ＩＦ
Ａ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。

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。

本発明は、ＳＯＩ法、特にエネルギービームアニールに
伴う上記のような問題点を解決し、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、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。

［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
膜上に、スポット状に絞ったエネルギービームを間隔を
開けてステップ的に照射してシートを形成し、該シート
を核として、５００°Ｃ〜７００　’Ｃの低温熱処理に
より前記非晶質半導体Ｎ膜を再結晶化させることを特徴
とする。

［実施例］ 第１図（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　ｉ
　Ｏ２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ＳｉＯ２で覆われた５１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６０
０°Ｃ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ＪＰＪＩ−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、デボ温度
がなるべく低くて、デボ速度が早い条件が適している。

シランガス（ＳｉＨ，）を用いる場合は５００　”Ｃ〜
５６０℃程度、ジシランガス（Ｓｉ２Ｈａ）を用いる場
合は３００℃〜５００°Ｃ程度のデボ温度で分解堆積が
可能である。トリシランガス（Ｓｉ３ｅｓ）は分解温度
がより低い。

デボ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５００°Ｃ以下
でも成膜できる。また、デボ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°Ｃ以下の低温デボ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。Ｅ
Ｂ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　’Ｃ〜５００°Ｃ程度の低温
熱処理を行い股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。

この様にして成膜された核を含まない非晶質シリコン薄
膜に、結晶成長のシートを形成するためにスポット状に
絞ったエネルギービームを間隔を開けてステップ的に前
記非晶質シリコン薄膜１−２表面に照射する。この様子
を第１図（ｂ）に示す。１−３はエネルギービームを表
し、１−４は該エネルギービーム１−３の照射によって
生成されたシートである。５ｉ−３ｉの結合エネルギー
は約１．８３ｅＶである。従って１．８３ｅＶ以上のエ
ネルギーをもつエネルギービームを照射しなければなら
ない。前記エネルギービームとしてはレーザービームあ
るいは電子ビームなどがある。

レーザービームには、発振波要約５００ｎｍのアルゴン
レーザー　あるいは発振波要約３０８ｎｍのＸｅＣｌエ
キシマレーザ−等が用いられる。光子１個当りのエネル
ギーはそれぞれ２．４１ｅＶ。

４．０３ｅＶである。出力は数ワラトル数十ワット程度
が通常である。ビーム径はなるべく小さい方がよい。こ
のレーザービーム１−３を第１図（ｂ）に示すように間
隔りを開けてステップ的に照射する。該間隔りは固相成
長距離の約２倍とする。

例えば固相成長がシートから５μｍ進む場合はＬ＝１０
μｍとすることができる。一方電子ビームの場合は加速
電圧数ｋＶから数十ｋＶ電流数ｍＡの電子ビームを、数
百人程度のビームに絞って照射する。その池はレーザー
ビームの場合と同様である。この様にして非晶質シリコ
ン薄膜１−２に、間隔り毎にシート１−４が形成される
。

次に、前記シート１−４を核として、前記非晶質シリコ
ン薄１１１１−２を固相成長させる。固相成長方法は、
石英管による炉アニールが便利である。

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。１×１０−８から
Ｉ　Ｘ　１０　””Ｔ　ｏ　ｒ　ｒの高真空雰囲気でア
ニールを行ってもよい。固相成長アニール温度は５００
℃〜７００℃とする。この様な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。前記非晶質シリコン薄膜１−２の固相成長は、前記
シート１−４と前記非晶質シリコン薄膜１−２との接触
面から始まり、この部分を中心として放射状に進む。そ
の様子を第１図（Ｃ）に示す。１−５は、シート１−４
を核として固相成長した結晶相をしめしている。この図
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個のシートの中間点で、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１−６が
形成された様子を第１図（ｄ）に示す。前記シート１−
４と結晶粒界１−６との間が結晶相となる。前に述べた
ように、シートの間隔つまりエネルギービームのステッ
プ照射の間隔りを例えば２０μｍにすれば。

結晶相１−５は前記シートを中心として一辺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。

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第２図にしたがって
説明する。第１図（ｄ）に示すように、結晶粒界１−６
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
リコン薄膜基板を第２図（ａ）に示す。　　２−１は非
晶質絶縁基板である。２−２はシートであり、２−３は
固相成長により形成された結晶相である。２−４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して第２図（ｂ）に示すように島
状にする。この時、結晶相２−３が島状パターンの中心
部になるようにバターニングする。　　次に第２図（Ｃ
）に示されているように、ゲート酸化膜２−５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ＣＶＤ法、あるいはプラズマ酸化法、Ｅ
ＣＲプラズマＣＶＤ法、あるいは貰真空蒸着法、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５
００　’Ｃ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°Ｃ以上と高いが膜
質が優れていることがらｄｒｙ酸化法の方が適している
。

次に第２図（ｄ）に示されるように、ゲート電極２−６
を形成する。この時、該ケート電極２−６は結晶粒界２
−４およびシート２−２とオーバーラツプしないように
形成する。従って、ゲート電極２−６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ＩＴ
Ｏや５ｎ０２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。

続いて第２図（ｅ）に示すように、前記ゲート電極２−
６をマスクとして不純１勿をイオン注入し、自己整合的
にソース領域２−７およびドレイン領域２−８を形成す
る。同図に於て２−３はまったくの結晶領域であり、こ
れはλ（ＯＳ型薄膜トランジスタのチャネル領域となる
。結晶粒界２−４はドレイン領域２−８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Ｂｏ等を用いる。不純物添加方法として
は、イオン注入力の他に、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。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、Ｉ　Ｘ　１０　
”からｌＸｌ０”ａｍ−”程度とする。

続いて第２図（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Ｉｉ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、数千人から数μｍ程度が普通である
。窒化膜の形成方法としては、ＬＰＣＶＤ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。

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、眉間絶縁膜２−９を積層する
前におこなってもよい。

次に第２図＜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。

［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ャ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。

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。シリ
コン薄膜のデボは１層のみである。また、シートの形成
方法もエネルギービームのステップ照射であるのでフォ
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。

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てい価格か及び大面
積化に対してもその効果は大きい。

本発明を、充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１采度化が
達成されるとカラー読み取り用密着型イメージセンサ−
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−チップの長尺化が可能となり、
−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。

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａ　１２０　ｇ　）あるいはＭ　ｇ　Ｏ−Ａ　ｌ　２０
３゜Ｂ　Ｐ、　　Ｃａ　Ｆ　２等の結晶性絶縁基板も用
いることができる。

以上薄膜トランジスタを例として説明したが、バイポー
ラトランジスタある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Ｓ○
工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】

第１図（ａ）から（ｄ）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図である。 第２図（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。 １−１　；　非晶質絶縁基板 １−３　：エネルギービーム １−４　；　シート １−５　；結晶相 １−６　；結晶粒界 ２−３　；結晶相 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士　上柳雅誉　（他Ｉ名） （ｂ） （Ｃ） 第１図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第２図 （ｅ） （ｆ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質絶縁基板上に、非晶質半導体薄膜を堆積させ、該
   非晶質半導体薄膜上に、スポット状に絞ったエネルギー
   ビームを間隔を開けてステップ的に照射してシートを形
   成し、該シートを核として、５００℃〜７００℃の低温
   熱処理により前記非晶質半導体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。