JPH05109629A - Polycrystalline silicon thin film and its manufacturing method as well as thin-film transistor using thin film - Google Patents

Polycrystalline silicon thin film and its manufacturing method as well as thin-film transistor using thin film

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JPH05109629A
JPH05109629A JP3266705A JP26670591A JPH05109629A JP H05109629 A JPH05109629 A JP H05109629A JP 3266705 A JP3266705 A JP 3266705A JP 26670591 A JP26670591 A JP 26670591A JP H05109629 A JPH05109629 A JP H05109629A
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JP
Japan
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thin film
film
polycrystalline silicon
polycrystalline
silicon thin
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Application number
JP3266705A
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Japanese (ja)
Inventor
Tatsuro Nagahara
達郎 長原
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Tonen General Sekiyu KK
Original Assignee
Tonen Corp
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Publication date
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Abstract

PURPOSE:To enable a polycrystalline silicon thin film which is a thin film, has a large crystalline particle diameter, an improved continuity of crystal, less mixture of alkali metal such as sodium, and cannot be released from a substrate to be formed on an amorphous substrate in a short time without exposure to a high-temperature. CONSTITUTION:A zirconium polycrystalline film 2 where 10% calcium oxide is added is formed on a glass substrate 1 and then a polycrystalline silicon thin film 3 is formed on it. The zirconium oxide is a compound which can be subjected to crystalline growth easily and achieves grating conformity with silicon, thus forming a polycrystalline silicon film by allowing silicon to be subjected to hetero epitaxial growth on zirconium oxide polycrystalline film in a short time without exposure to a high temperature. Also, alkali metal is not contained in zirconium oxide excessively, thus eliminating a danger of mixing into the polycrystalline silicon thin film. Furthermore. zirconium oxide shows a solution-retardant property for water etc., thus preventing the polycrystalline silicon film from being released from the substrate due to the solution.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタや太
陽電池等に利用可能な多結晶シリコン薄膜とその製造方
法に係り、特に、結晶粒径が大きく結晶の連続性に優れ
しかも不純物としてのアルカリ金属（ナトリウム及びカ
リウム）の混入が少なくかつ基板から剥離し難い多結晶
シリコン薄膜を高温条件に晒すことなく短い製造時間で
求められる多結晶シリコン薄膜とその製造方法の改良に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polycrystalline silicon thin film that can be used in thin film transistors, solar cells and the like, and a method for producing the same, and in particular, it has a large crystal grain size and excellent crystal continuity, and an alkali metal as an impurity. The present invention relates to a polycrystalline silicon thin film which is required to be produced in a short production time without exposing a polycrystalline silicon thin film containing a small amount of (sodium and potassium) and which is hardly peeled from a substrate to a high temperature condition, and an improvement in the production method thereof.

【０００２】[0002]

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜は数百オングストロ
ーム〜数μｍの結晶シリコンが多数集合して形成された
結晶シリコンの薄膜で、アモルファスシリコンと較べ電
子の移動度が１〜２桁程大きい優れた特性を有している
上、単結晶シリコンでは困難なガラス等の非晶質基板上
へ成膜可能な利点を有している。2. Description of the Related Art A polycrystalline silicon thin film is a thin film of crystalline silicon formed by assembling a large number of crystalline silicon having a thickness of several hundreds of angstroms to several μm, and has an electron mobility of one to two orders of magnitude higher than that of amorphous silicon. In addition to its characteristics, it has the advantage that it can be formed on an amorphous substrate such as glass, which is difficult with single crystal silicon.

【０００３】そして、この種の薄膜を形成する方法とし
て、従来ガラス等の非晶質基板上に多結晶シリコンを直
接成膜して多結晶シリコン薄膜を求める熱ＣＶＤやプラ
ズマＣＶＤ等の気相成長法、上記非晶質基板上にアモル
ファスシリコンを一旦成膜しこれを加熱炉内で長時間加
熱し結晶成長させて多結晶シリコン薄膜を求める固相成
長法、及び、上記アモルファスシリコン薄膜面へレーザ
ビームを照射しその部位を結晶化させて多結晶シリコン
薄膜を求めるレーザアニール成長法等が利用されてい
る。As a method of forming a thin film of this kind, vapor deposition such as thermal CVD or plasma CVD for obtaining a polycrystalline silicon thin film by directly depositing polycrystalline silicon on an amorphous substrate such as glass is conventionally used. Method, a solid phase growth method in which amorphous silicon is once formed on the amorphous substrate and heated in a heating furnace for a long time to grow a crystal to obtain a polycrystalline silicon thin film, and a laser is applied to the surface of the amorphous silicon thin film. A laser annealing growth method or the like is used to obtain a polycrystalline silicon thin film by irradiating a beam to crystallize the portion.

【０００４】ところで、上記気相成長法により多結晶シ
リコン薄膜を求めた場合、この成膜法では図１３に示す
ようにシリコンの結晶成長が非晶質基板ａとの界面部位
から開始するため成膜された多結晶シリコン薄膜ｂの上
記非晶質基板ａとの界面部位に結晶成長の不十分な未成
長領域ｃが形成され易く、結晶の連続性がなくなって電
子移動度等の電気的特性が劣化する欠点があった。この
ため、上記非晶質基板上に形成する多結晶シリコン薄膜
の膜厚を薄く設定しようとすると膜中に含まれる未成長
領域の割合が相対的に多くなり、この気相成長法では薄
膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の連続性に優れた
多結晶シリコン薄膜を求めることが困難であった。尚、
非晶質基板温度を上げ高温条件下で多結晶シリコン薄膜
を形成することにより上記未成長領域ｃの低減を図るこ
とは可能であるが、この様な方法を採った場合、適用で
きる非晶質基板が高価な耐熱基板に限定されてしまうた
め現実的に適用困難な方法であった。By the way, when a polycrystalline silicon thin film is obtained by the above vapor phase growth method, in this film forming method, crystal growth of silicon starts at the interface with the amorphous substrate a as shown in FIG. An ungrown region c with insufficient crystal growth is likely to be formed at the interface between the film-formed polycrystalline silicon thin film b and the amorphous substrate a, and the continuity of the crystal is lost, resulting in electrical characteristics such as electron mobility. There was a drawback that it deteriorated. Therefore, if the thickness of the polycrystalline silicon thin film formed on the amorphous substrate is set to be small, the proportion of the ungrown region contained in the film becomes relatively large. Moreover, it has been difficult to obtain a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size and excellent crystal continuity. still,
It is possible to reduce the ungrown region c by increasing the temperature of the amorphous substrate and forming a polycrystalline silicon thin film under high temperature conditions. Since the substrate is limited to an expensive heat-resistant substrate, it is a practically difficult method to apply.

【０００５】他方、上記固相成長法においては長時間の
結晶化アニール処理を必要とするため作業効率が劣る欠
点があり、また、レーザアニール成長法においてはこの
製法に要する装置が高額でかつその寿命が短くしかもレ
ーザの出力が変動した場合に不均質な結晶領域が生ずる
欠点があるため、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等の気相成
長法と同様に薄膜でかつ結晶粒径が大きくしかも結晶の
連続性に優れた多結晶シリコン薄膜を求めることが困難
であった。On the other hand, the above-mentioned solid phase growth method has a drawback that work efficiency is inferior because it requires a long-time crystallization annealing treatment. Further, in the laser annealing growth method, the apparatus required for this manufacturing method is expensive and Since it has a short life and has a defect that an inhomogeneous crystal region occurs when the laser output fluctuates, it is a thin film with a large crystal grain size and continuous crystals as in vapor phase growth methods such as thermal CVD and plasma CVD. It was difficult to obtain a polycrystalline silicon thin film having excellent properties.

【０００６】この様な技術的背景の下、特開昭６４−１
０６１７号公報においては基板上に配向のあるフッ化カ
ルシウム等多結晶絶縁膜を堆積しこの多結晶絶縁膜上に
シリコンをエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄
膜を求める方法が開示されている。すなわち、この形成
方法においては基板上に堆積させた多結晶絶縁膜の作用
によりシリコンの結晶成長が助長されるため、結晶粒の
配向性に優れた多結晶シリコン薄膜を低温条件下におい
て求められるという方法であった。Under such a technical background, JP-A-64-1
Japanese Patent Publication No. 0617 discloses a method of obtaining a polycrystalline silicon thin film by depositing a polycrystalline insulating film such as oriented calcium fluoride on a substrate and epitaxially growing silicon on the polycrystalline insulating film. That is, in this forming method, since the crystal growth of silicon is promoted by the action of the polycrystalline insulating film deposited on the substrate, a polycrystalline silicon thin film having excellent crystal grain orientation is required under low temperature conditions. Was the way.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】この形成方法を適用す
ることで確かに結晶粒の配向性に優れた多結晶シリコン
薄膜を簡便に製造することが可能となるが、その反面、
上記多結晶絶縁膜として適用されるフッ化カルシウムや
フッ化ストロンチウム等には、その純度が９９％程度に
精製されているものにおいても０．３％程度の多量のナ
トリウムやカリウム等アルカリ金属が含まれており、こ
の多結晶絶縁膜から多結晶シリコン膜内にこれ等アルカ
リ金属が不純物として混入され易い欠点があり、これ等
アルカリ金属の混入に伴って求められた多結晶シリコン
薄膜の電気的特性が不安定となる問題点があった。By applying this forming method, it is possible to easily produce a polycrystalline silicon thin film excellent in crystal grain orientation, but on the other hand,
Calcium fluoride, strontium fluoride, etc. applied as the above-mentioned polycrystalline insulating film contains a large amount of about 0.3% of alkali metal such as sodium or potassium even if the purity thereof is about 99%. However, there is a drawback that these alkali metals are likely to be mixed as impurities from the polycrystalline insulating film into the polycrystalline silicon film, and the electrical characteristics of the polycrystalline silicon thin film obtained with the mixing of these alkali metals. There was a problem that became unstable.

【０００８】また、上記フッ化カルシウムやフッ化スト
ロンチウム等は水若しくは酸水溶液に対して溶解性があ
るため、上記形成方法により求められた多結晶シリコン
薄膜を用いて薄膜トランジスタ等を製造する際、製造途
上の適宜処理液によりフッ化カルシウム等の多結晶絶縁
膜が溶解されその溶解部位から多結晶シリコン薄膜が剥
離し易い問題点があり、製造時に剥離がない場合におい
ても経時的に多結晶シリコン薄膜が基板から剥離し易い
問題点があった。Further, since the above-mentioned calcium fluoride, strontium fluoride and the like are soluble in water or an aqueous acid solution, when manufacturing a thin film transistor or the like using the polycrystalline silicon thin film obtained by the above-mentioned forming method, There is a problem that the polycrystalline insulating film such as calcium fluoride is dissolved by an appropriate treatment liquid on the way and the polycrystalline silicon thin film is likely to be peeled from the dissolved portion. However, there was a problem that it was easily peeled from the substrate.

【０００９】本発明はこの様な問題点に着目してなされ
たもので、その課題とするところは、結晶粒径が大きく
結晶の連続性に優れしかも不純物としてのアルカリ金属
（ナトリウム及びカリウム）の混入が少なくかつ基板か
ら剥離し難い多結晶シリコン薄膜を高温条件に晒すこと
なく短い製造時間で求められる多結晶シリコン薄膜とそ
の製造方法並びにこの多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜
トランジスタを提供することにある。The present invention has been made by paying attention to such problems, and the problem is that the crystal grain size is large and the crystal continuity is excellent, and alkali metals (sodium and potassium) as impurities are contained. It is an object of the present invention to provide a polycrystalline silicon thin film that is required to be produced in a short manufacturing time without exposing a polycrystalline silicon thin film that is less likely to be separated and that is difficult to peel off from a substrate to a high temperature condition, a manufacturing method thereof, and a thin film transistor using this polycrystalline silicon thin film ..

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】すなわち請求項１に係る
発明は、非晶質基板上に成膜される多結晶シリコン薄膜
を前提とし、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化
イットリウムの少なくとも一が添加された酸化ジルコニ
ウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶
膜を上記非晶質基板との間に備え、この多結晶膜に対し
ヘテロエピタキシャル成長させて形成された多結晶シリ
コンにより上記多結晶シリコン薄膜が構成されているこ
とを特徴とし、他方、請求項２に係る発明は、請求項１
記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法を前提とし、酸化
カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムの少
なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは酸化
ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜を非晶質基板上
に一様に成膜し、かつ、この多結晶膜上にシリコンをヘ
テロエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜を形
成することを特徴とするものである。That is, the invention according to claim 1 is premised on a polycrystalline silicon thin film formed on an amorphous substrate, to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide, and yttrium oxide is added. A polycrystalline film of zirconium oxide, hafnium oxide, or a mixture thereof is provided between the amorphous substrate and the polycrystalline film, and the polycrystalline silicon thin film is composed of polycrystalline silicon formed by heteroepitaxial growth of the polycrystalline film. On the other hand, the invention according to claim 2 is characterized by
Based on the method for producing a polycrystalline silicon thin film described above, a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is added is uniformly formed on an amorphous substrate. And forming a polycrystalline silicon thin film by heteroepitaxially growing silicon on the polycrystalline film.

【００１１】この様な技術的手段において酸化ジルコニ
ウム（ＺｒＯ2 ）及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）はイ
オン性の物質で極めて結晶化し易く、高温状態における
結晶状態が共に立方晶でその格子定数もほぼ同一である
ため任意の割合で混合可能な物質であり、共にナトリウ
ムやカリウム等のアルカリ金属の混入が極めて少なくし
かも水若しくは酸水溶液等に対し難溶性の物質である。
そして、例えば電子ビーム蒸着法やスパッタリング法等
により上記酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又
はこれ等混合物の多結晶膜をガラス、セラミックス等の
非晶質基板上に容易に形成できる化合物であり、かつ、
これ等結晶の格子定数はシリコンの格子定数と近似しシ
リコンとの格子整合可能な物質である。そして、成膜時
における非晶質基板の加熱温度や成膜速度（供給ガスの
分圧、ヒーター温度、ＲＦパワー等設定条件による）等
を適宜設定することによりその多結晶膜を（１１１）方
向（図５参照）、（１１０）方向（図６参照）又は（１
００）方向（図７参照）へ優先配向させることが可能な
化合物である。In such a technical means, zirconium oxide (ZrO 2 ) and hafnium oxide (HfO 2 ) are ionic substances and are extremely easily crystallized, and their crystal states at high temperature are both cubic and have substantially the same lattice constant. Therefore, it is a substance that can be mixed in any ratio, and both are substances with very little mixing of alkali metals such as sodium and potassium, and are hardly soluble in water or an aqueous acid solution.
Then, for example, a compound capable of easily forming a polycrystalline film of the above-mentioned zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof by an electron beam evaporation method, a sputtering method or the like on an amorphous substrate such as glass or ceramics, and
The crystal lattice constant of these crystals is similar to that of silicon, and is a material that can be lattice-matched with silicon. Then, by appropriately setting the heating temperature of the amorphous substrate during film formation, the film formation rate (depending on the setting conditions such as the partial pressure of the supply gas, the heater temperature, and the RF power), the polycrystalline film can be formed in the (111) direction (See FIG. 5), (110) direction (see FIG. 6) or (1
It is a compound that can be preferentially oriented in the 00) direction (see FIG. 7).

【００１２】但し、上記酸化ジルコニウム又は酸化ハフ
ニウムは低温（常温）と高温とでその結晶状態が相違し
（すなわち相転移を示す）、低温状態におけるこれ等の
結晶はシリコンとの格子整合性を備えていない。そこ
で、この技術的手段においては高温における結晶状態
（立方晶）を常温で安定化させるため、上述したように
酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）、又は、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）の少なくと
も一を酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこ
れ等混合物に２０％以下、好ましくは１０％程度添加し
て適用しているものである。尚、この技術的手段におい
ては多結晶膜内に上述したような酸化カルシウムや酸化
イットリウム等が添加されておりこれに伴い求められた
多結晶シリコン薄膜内にカルシウムやイットリウム等が
混入されてしまうことがあるが、これ等イットリウム等
は上記ナトリウムやカリウム等に較べて電気的にそれ程
活性でないため多結晶シリコン薄膜の電気的特性を劣化
させる恐れはない。However, the crystal state of zirconium oxide or hafnium oxide is different between low temperature (normal temperature) and high temperature (that is, it shows a phase transition), and these crystals in the low temperature state have a lattice matching property with silicon. Not not. Therefore, in this technical means, in order to stabilize the crystal state (cubic crystal) at high temperature at room temperature, as described above, calcium oxide (CaO), magnesium oxide (Mg oxide)
O) or at least one of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is added to zirconium oxide, hafnium oxide, or a mixture thereof in an amount of 20% or less, preferably about 10%. Incidentally, in this technical means, the above-mentioned calcium oxide, yttrium oxide, etc. are added to the polycrystalline film, and calcium and yttrium, etc. are mixed in the polycrystalline silicon thin film obtained with this addition. However, since yttrium and the like are not so electrically active as compared with the above-mentioned sodium and potassium, there is no fear of deteriorating the electrical characteristics of the polycrystalline silicon thin film.

【００１３】次に、酸化カルシウム、酸化マグネシウ
ム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加された酸化
ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物
の多結晶膜上に多結晶シリコンを成膜するには、アモル
ファスシリコンを成膜した後結晶化アニール処理にてこ
れを多結晶シリコンにする固相成長法やレーザアニール
成長法等が、また、上記多結晶膜上に多結晶シリコンを
直接成膜する熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法等が適用でき
る。そして、固相成長法を適用した場合には酸化ジルコ
ニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物の結晶
を結晶核にしてアモルファスシリコンがヘテロエピタキ
シャル成長するため結晶化アニール時間の短縮が図れ、
他方、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法等の気相成長法を適
用した場合には上記酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフ
ニウム又はこれ等混合物の結晶を結晶核にしてシリコン
のヘテロエピタキシャル成長が行われるため、低温条件
下で成膜処理を行っても成膜された多結晶シリコン薄膜
と非晶質基板との界面部位に結晶の連続性を妨げる未成
長領域が形成されることがない。しかも、上記多結晶膜
の主要部を構成する酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウ
ム内にはナトリウムやカリウム等のアルカリ金属の混入
が極めて少ないためこの多結晶膜と隣接する多結晶シリ
コン薄膜内に上記アルカリ金属が混入する恐れがないと
共に、水若しくは酸水溶液に対して難溶性なため酸化ジ
ルコニウム等から成る上記多結晶膜から多結晶シリコン
薄膜が剥離し難く、従って、非晶質基板から多結晶シリ
コン薄膜が経時的に剥離する恐れもない。Next, in order to form polycrystalline silicon on a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide, amorphous silicon is formed. A solid-phase growth method or a laser annealing growth method for converting the film into polycrystalline silicon by crystallization annealing treatment, or a thermal CVD or plasma CVD method for directly forming polycrystalline silicon on the polycrystalline film. Etc. can be applied. When the solid phase growth method is applied, crystallization annealing time can be shortened because amorphous silicon is heteroepitaxially grown using crystals of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof as crystal nuclei,
On the other hand, when a vapor phase growth method such as thermal CVD or plasma CVD method is applied, heteroepitaxial growth of silicon is performed using the crystal of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof as a crystal nucleus, and therefore, under low temperature conditions. Even if the film formation process is performed, an ungrown region that hinders crystal continuity is not formed at the interface between the formed polycrystalline silicon thin film and the amorphous substrate. Moreover, since the mixing of alkali metals such as sodium and potassium in the zirconium oxide or hafnium oxide that constitutes the main part of the polycrystalline film is extremely small, the alkali metal is contained in the polycrystalline silicon thin film adjacent to this polycrystalline film. Since it is not likely to be mixed and is hardly soluble in water or an aqueous acid solution, it is difficult for the polycrystalline silicon thin film to peel off from the polycrystalline film made of zirconium oxide or the like. There is no fear of peeling off.

【００１４】尚、これ等の成膜手段においてシリコン原
子の供給ガスとしては、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｓｉ3
Ｈ8 等の水素化珪素、ＳｉＨm Ｘ4-m （但し、ｍは０〜
３、ＸはＣｌ又はＦ原子好ましくはＦ原子である）、Ｓ
ｉ2 Ｆ6 で示されるハロゲン化シラン等が適用できる。In these film forming means, SiH 4 , Si 2 H 6 , and Si 3 are used as a supply gas of silicon atoms.
Silicon hydride such as H 8 and SiH m X 4-m (where m is 0 to
3, X is Cl or F atom, preferably F atom), S
A halogenated silane represented by i 2 F 6 or the like can be applied.

【００１５】そして、酸化カルシウム、酸化マグネシウ
ム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加された酸化
ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物
の多結晶膜が上述したように（１１１）、（１１０）又
は（１００）等一定の方向へ優先配向している場合には
この多結晶膜に対しヘテロエピタキシャル成長させて形
成された多結晶シリコン薄膜も同じ配向をしているた
め、ランダム成長した多結晶シリコン薄膜に較べてその
電気特性の向上が図れる利点を有している。The polycrystal film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is added is (111), (110) or (100) as described above. When a polycrystalline silicon thin film formed by heteroepitaxial growth of this polycrystalline film also has the same orientation when it is preferentially oriented in a certain direction, its electrical conductivity is higher than that of a randomly grown polycrystalline silicon thin film. It has the advantage that the characteristics can be improved.

【００１６】次に、上記酸化ジルコニウム若しくは酸化
ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜はシリコンの結
晶成長を助長するがこの多結晶膜を非晶質基板の選択さ
れた領域に成膜した場合、その部位に成膜されたシリコ
ンのみを優先的に結晶成長させることが可能となる。Next, the above-mentioned polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof promotes the crystal growth of silicon, but when this polycrystalline film is formed in a selected region of an amorphous substrate, It is possible to preferentially grow the crystal only on the silicon film formed on the portion.

【００１７】請求項３に係る発明はこの様な技術的根拠
に基づき完成されており、請求項１記載の多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法を前提とし、酸化カルシウム、酸化マ
グネシウム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加さ
れた酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ
等混合物の多結晶膜を非晶質基板上の選択された領域に
成膜し、かつこの多結晶膜が形成された非晶質基板上へ
シリコンを成膜すると共に上記多結晶膜上のシリコンを
ヘテロエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜に
することを特徴とするものである。The invention according to claim 3 has been completed based on such a technical basis, and on the premise of the method for producing a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide. A polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof added with is formed on a selected region of the amorphous substrate, and silicon is deposited on the amorphous substrate on which the polycrystalline film is formed. Along with the film formation, silicon on the polycrystalline film is heteroepitaxially grown to form a polycrystalline silicon thin film.

【００１８】この場合、酸化カルシウム、酸化マグネシ
ウム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加された酸
化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合
物の多結晶膜を上記非晶質基板のある領域へ選択的に形
成する手段としては、非晶質基板上へこれ等多結晶膜を
一様に成膜しかつこれをウエットエッチング法やドライ
エッチング法により選択的にエッチングして選択形成す
る方法、あるいは非晶質基板上にマスクを設置しこのマ
スクから露出した非晶質基板上へ上記酸化ジルコニウム
若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物を選択的に成
膜する方法等が適用できる。In this case, means for selectively forming a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide in a region of the amorphous substrate. As a method for uniformly forming these polycrystalline films on an amorphous substrate and selectively etching them by wet etching or dry etching, or on an amorphous substrate A method in which a mask is provided and the zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof is selectively formed on an amorphous substrate exposed from the mask can be applied.

【００１９】尚、これ等請求項１〜３に係る発明におい
ては、真性の多結晶シリコン薄膜を形成するだけでな
く、例えば、成膜時における適用ガス中に元素周期律表
第III族又は第Ｖ族のドーパントガスを混入することに
より求めた多結晶シリコン薄膜をｐ型又はｎ型にするこ
とができる。この場合のドーパントガスとしてはジボラ
ン、ホスフィン、アルシン等の水素化物が挙げられる。In addition, in the inventions according to claims 1 to 3, not only the intrinsic polycrystalline silicon thin film is formed, but, for example, the group III or the group III or the periodic table of the element is added in the applied gas at the time of film formation. The polycrystalline silicon thin film obtained by mixing the V group dopant gas can be made to be p-type or n-type. Examples of the dopant gas in this case include hydrides such as diborane, phosphine, and arsine.

【００２０】次に、請求項１〜３に係る発明において適
用されている酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化
イットリウムの少なくとも一が添加された酸化ジルコニ
ウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶
膜は１０10Ω・cm以上の高い絶縁性を示すため、この多
結晶膜上に形成された多結晶シリコン薄膜を電子素子等
に適用した際に上記多結晶膜が弊害を及ぼすことはな
い。Next, the polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is applied, which is applied in the invention according to claims 1 to 3, is 10 10 Since the polycrystal silicon thin film formed on the polycrystal film has a high insulating property of Ω · cm or more, the polycrystal film does not have a harmful effect when applied to an electronic device or the like.

【００２１】請求項４に係る発明はこの様な技術的背景
から完成されており、その活性層が多結晶シリコン薄膜
にて構成され液晶ディスプレイ装置やイメージセンサ等
に適用される薄膜トランジスタを前提とし、非晶質基板
と、この非晶質基板上に成膜され酸化カルシウム、酸化
マグネシウム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加
された酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこ
れ等混合物の多結晶膜と、この多結晶膜上にヘテロエピ
タキシャル成長させて形成した多結晶シリコン薄膜と、
この多結晶シリコン薄膜に形成されたソース電極・ドレ
イン電極と、絶縁膜を介し上記多結晶シリコン薄膜に対
向して設けられたゲート電極、とを備えることを特徴と
するものである。The invention according to claim 4 has been completed from such a technical background, and is premised on a thin film transistor whose active layer is composed of a polycrystalline silicon thin film and applied to a liquid crystal display device, an image sensor or the like, An amorphous substrate, a polycrystal film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof which is formed on the amorphous substrate and to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is added, and the polycrystal film A polycrystalline silicon thin film formed by heteroepitaxial growth on the
A source electrode / drain electrode formed on the polycrystalline silicon thin film and a gate electrode provided to face the polycrystalline silicon thin film via an insulating film are provided.

【００２２】そして、この請求項４に係る薄膜トランジ
スタにおいてはその活性層が薄膜で結晶粒径が大きく結
晶の連続性に優れしかもアルカリ金属の混入が少なくか
つ上記非晶質基板から剥離し難い多結晶シリコン薄膜に
より構成されているため、電子移動度の向上並びに漏れ
電流の低減等電気特性が改良される利点を有していると
共に薄膜トランジスタとしての経時的耐性を向上できる
利点を有している。In the thin film transistor according to the present invention, the active layer is a thin film, the crystal grain size is large, the crystal continuity is excellent, the alkali metal is little mixed, and it is difficult to separate from the amorphous substrate. Since it is composed of a silicon thin film, it has an advantage that electric characteristics are improved such as improvement of electron mobility and reduction of leakage current, and also has an advantage that durability over time as a thin film transistor can be improved.

【００２３】[0023]

【作用】請求項１に係る発明によれば、酸化カルシウ
ム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムの少なくとも
一が添加された酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウ
ム又はこれ等混合物の多結晶膜を上記非晶質基板との間
に備えこの多結晶膜に対しヘテロエピタキシャル成長さ
せて形成された多結晶シリコンにより上記多結晶シリコ
ン薄膜が構成されているため、この多結晶シリコン薄膜
における結晶の大粒径化と結晶の連続性とを図ることが
可能となり、かつ、上記多結晶シリコン薄膜内に不純物
としてのナトリウムやカリウム等アルカリ金属が混入す
る恐れがないと共に基板から多結晶シリコン薄膜が剥離
する恐れもない。According to the invention of claim 1, a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is formed between the amorphous substrate and the amorphous substrate. In preparation for this, since the above-mentioned polycrystalline silicon thin film is composed of polycrystalline silicon formed by heteroepitaxially growing the polycrystalline film, it is possible to increase the grain size of the crystal and the continuity of the crystal in this polycrystalline silicon thin film. In addition, there is no risk that alkali metals such as sodium and potassium as impurities will be mixed into the polycrystalline silicon thin film, and there is no risk that the polycrystalline silicon thin film will peel off from the substrate.

【００２４】また、請求項２に係る発明によれば、酸化
カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムの少
なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは酸化
ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜を非晶質基板上
に一様に成膜し、かつ、この多結晶膜上にシリコンをヘ
テロエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜を形
成しており、上記多結晶膜の作用によりシリコンの結晶
成長が助長されるため、薄膜で結晶粒径が大きく結晶の
連続性に優れしかも上記アルカリ金属の混入が少なくか
つ基板から剥離し難い多結晶シリコン薄膜を、低温、短
時間の条件で形成することが可能となり、他方、請求項
３に係る発明によれば、酸化カルシウム、酸化マグネシ
ウム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加された酸
化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等混合
物の多結晶膜を非晶質基板上の選択された領域に成膜
し、かつ、この多結晶膜が形成された非晶質基板上へシ
リコンを成膜すると共に、上記多結晶膜上のシリコンを
ヘテロエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜に
しており、上記多結晶膜の作用によりその部位のシリコ
ンの結晶成長が選択的に助長されるため、薄膜で結晶粒
径が大きく結晶の連続性に優れしかも上記アルカリ金属
の混入が少なくかつ基板から剥離し難い結晶領域と非結
晶領域とを有する多結晶シリコン薄膜を、低温、短時間
の条件で形成することが可能となる。According to the second aspect of the present invention, a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is formed on an amorphous substrate. A uniform film is formed, and silicon is heteroepitaxially grown on this polycrystalline film to form a polycrystalline silicon thin film.Since the action of the polycrystalline film promotes the crystal growth of silicon, It is possible to form a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size, excellent crystal continuity, a small amount of the alkali metal mixed therein, and difficult to peel off from the substrate under low temperature and short time conditions. According to the invention of claim 1, at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is added. Or a hafnium oxide or a mixture thereof is formed on the amorphous substrate in a selected region, and silicon is formed on the amorphous substrate on which the polycrystalline film is formed. , The silicon on the polycrystalline film is heteroepitaxially grown to form a polycrystalline silicon thin film, and the action of the polycrystalline film selectively promotes the crystal growth of silicon at that portion, so that the crystal grain size of the thin film is It becomes possible to form a polycrystalline silicon thin film having a large crystalline continuity, a small amount of the above-mentioned alkali metal mixed therein, and a crystalline region and an amorphous region which are difficult to be peeled from the substrate, under conditions of low temperature and short time. ..

【００２５】また、請求項４に係る発明によれば、非晶
質基板と、この非晶質基板上に成膜され酸化カルシウ
ム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムの少なくとも
一が添加された酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウ
ム又はこれ等混合物の多結晶膜と、この多結晶膜上にヘ
テロエピタキシャル成長させて形成した多結晶シリコン
薄膜と、この多結晶シリコン薄膜に形成されたソース電
極・ドレイン電極と、絶縁膜を介し上記多結晶シリコン
薄膜に対向して設けられたゲート電極、とを備え、その
活性層が薄膜で結晶粒径が大きく結晶の連続性に優れし
かも不純物としてのアルカリ金属の混入が少なくかつ上
記基板から剥離し難い多結晶シリコン薄膜により構成さ
れているため、電子移動度の向上並びに漏れ電流の低減
等電気特性の改良を図ることが可能になると共に経時的
耐性の向上が図れる。Further, according to the invention of claim 4, an amorphous substrate and zirconium oxide or oxide formed on the amorphous substrate and added with at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide. A polycrystalline film of hafnium or a mixture thereof, a polycrystalline silicon thin film formed by heteroepitaxial growth on the polycrystalline film, a source electrode / drain electrode formed on the polycrystalline silicon thin film, and an insulating film And a gate electrode provided opposite to the polycrystalline silicon thin film, the active layer of which is a thin film and has a large crystal grain size and excellent crystal continuity, little alkali metal is mixed as an impurity, and is peeled from the substrate. Since it is composed of a polycrystalline silicon thin film that is difficult to do, it is necessary to improve electrical characteristics such as improving electron mobility and reducing leakage current. Rukoto improvement over time tolerance with becomes possible can be achieved.

【００２６】[0026]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【００２７】［実施例１］この実施例に係る多結晶シリ
コン薄膜は、図１に示すようにガラス基板１上に形成さ
れ１０％の酸化カルシウムが添加された厚さ５０〜１０
００オングストロームの酸化ジルコニウム多結晶膜２上
にヘテロエピタキシャル成長により成膜された多結晶シ
リコン薄膜３にて構成されているものである。Example 1 A polycrystalline silicon thin film according to this example is formed on a glass substrate 1 as shown in FIG. 1 and has a thickness of 50 to 10 to which 10% calcium oxide is added.
It is composed of a polycrystalline silicon thin film 3 formed by heteroepitaxial growth on a zirconium oxide polycrystalline film 2 of 00 angstrom.

【００２８】そして、この多結晶シリコン薄膜３は以下
のような工程を経て形成されたものである。The polycrystalline silicon thin film 3 is formed through the following steps.

【００２９】まず、図２（Ａ）に示すように上記ガラス
基板１上へ電子ビーム蒸着法にて１０％の酸化カルシウ
ムが添加された厚さ５０〜１０００オングストロームの
酸化ジルコニウム多結晶膜２を成膜する。First, as shown in FIG. 2A, a zirconium oxide polycrystal film 2 having a thickness of 50 to 1000 angstroms, to which 10% calcium oxide is added, is formed on the glass substrate 1 by an electron beam evaporation method. To film.

【００３０】図３はこの成膜に適用された電子ビーム蒸
着装置の概略を示したもので、真空チャンバ２０内に設
置された容器２３へ１０％の酸化カルシウムが添加され
た酸化ジルコニウムの原料２４を収容し、かつ、真空チ
ャンバ２０内に少量の酸素を供給しながら上記容器２３
内の原料２４に対し電子ビームを照射することによりヒ
ータ２１で加熱されたガラス基板１上にこの酸化ジルコ
ニウムが堆積される。この１０％の酸化カルシウムが添
加された酸化ジルコニウムはシリコンと格子整合可能な
化合物で極めて結晶化し易く、ガラス基板１上に容易に
多結晶膜を形成することができる。この場合、成膜時に
おけるガラス基板１の加熱温度と真空チャンバ２０内に
供給する酸素分圧等を下記のような条件に設定すること
によりその多結晶膜を（１１１）方向に優先配向させる
ことができた。FIG. 3 shows an outline of an electron beam evaporation apparatus applied to this film formation. A zirconium oxide raw material 24 in which 10% calcium oxide is added to a container 23 installed in a vacuum chamber 20. And the container 23 while supplying a small amount of oxygen into the vacuum chamber 20.
The zirconium oxide is deposited on the glass substrate 1 heated by the heater 21 by irradiating the raw material 24 therein with an electron beam. Zirconium oxide to which 10% of calcium oxide is added is a compound capable of lattice matching with silicon and is extremely easily crystallized, so that a polycrystalline film can be easily formed on the glass substrate 1. In this case, the polycrystalline film is preferentially oriented in the (111) direction by setting the heating temperature of the glass substrate 1 at the time of film formation and the oxygen partial pressure supplied to the vacuum chamber 20 to the following conditions. I was able to.

【００３１】 ガラス基板の加熱温度：５００℃ 酸素分圧：１×１０-6Torr 次に、（１１１）方向に優先配向された酸化ジルコニウ
ム多結晶膜２上へ図２（Ｂ）に示すように多結晶シリコ
ン薄膜３を成膜する。Heating temperature of glass substrate: 500 ° C. Oxygen partial pressure: 1 × 10 −6 Torr Next, on the zirconium oxide polycrystalline film 2 preferentially oriented in the (111) direction, as shown in FIG. 2 (B). A polycrystalline silicon thin film 3 is formed.

【００３２】この実施例においてはこの成膜手段として
固相成長法が適用されており図４は固相成長法で併用さ
れるプラズマＣＶＤ法を説明するものである。図中、１
１は真空チャンバ、１２は電極、１３はヒータが内蔵さ
れた電極、１５は高周波電源、１６はシランガス（Ｓｉ
Ｈ4 ）、１７はポンプである。In this embodiment, the solid phase growth method is applied as the film forming means, and FIG. 4 illustrates the plasma CVD method used together with the solid phase growth method. 1 in the figure
1 is a vacuum chamber, 12 is an electrode, 13 is an electrode with a built-in heater, 15 is a high frequency power supply, and 16 is silane gas (Si
H 4 ), 17 is a pump.

【００３３】そして、上記ポンプ１７で排気した真空チ
ャンバ１１内へシランガス１６を導入し、かつ、高周波
電源１５により電極１２、１３間でプラズマ放電を生じ
させてシランガス１６を分解させると共に、このガスを
電極１３内のヒータにて加熱されたガラス基板１上へ成
膜させて厚さ５００〜１００００オングストロームのア
モルファスシリコン層を形成する。尚、このプラズマＣ
ＶＤは２００〜３００℃程度の条件で行われる。この様
にしてアモルファスシリコン層が形成されたガラス基板
１をほぼ５８０℃に設定された加熱炉の中で１時間放置
することによりアモルファスシリコン層が結晶化して多
結晶シリコン薄膜３となる。Then, the silane gas 16 is introduced into the vacuum chamber 11 evacuated by the pump 17, and a plasma discharge is generated between the electrodes 12 and 13 by the high frequency power source 15 to decompose the silane gas 16 and the gas is discharged. A film is formed on the glass substrate 1 heated by the heater in the electrode 13 to form an amorphous silicon layer having a thickness of 500 to 10000 angstrom. This plasma C
VD is performed under the condition of about 200 to 300 ° C. By leaving the glass substrate 1 on which the amorphous silicon layer has been formed in this manner for 1 hour in a heating furnace set at approximately 580 ° C., the amorphous silicon layer is crystallized to form a polycrystalline silicon thin film 3.

【００３４】このとき、酸化ジルコニウムとシリコンと
は格子整合が可能で上記酸化ジルコニウム多結晶膜２の
作用によりアモルファスシリコンの結晶成長が助長され
るため、上述したような低温、短時間の条件で薄膜、結
晶粒径が大きく、かつ、結晶の連続性に優れた多結晶シ
リコン薄膜の形成が可能となる。しかも、上記酸化ジル
コニウム多結晶膜２内にはナトリウムやカリウム等のア
ルカリ金属が余り含まれていないため、この多結晶シリ
コン薄膜内に上記アルカリ金属が混入する恐れもなく得
られた多結晶シリコン薄膜の電気的特性が安定してい
る。更に、上記酸化ジルコニウム多結晶膜２が（１１
１）方向に優先配向されているためヘテロエピタキシャ
ル成長させた多結晶シリコンも同じ配向を持ち、上記ア
ルカリ金属の混入量の低減と相俟ってその電気的特性の
向上を図ることができた。また、上記酸化ジルコニウム
多結晶膜２は水や酸水溶液に対して難溶性を示すため、
求められた多結晶シリコン薄膜を上記溶剤で処理しても
酸化ジルコニウム多結晶膜２は溶解せず、従って、この
溶解に伴う多結晶シリコン薄膜の剥離現象を防止するこ
とが可能となった。At this time, zirconium oxide and silicon can be lattice-matched, and the crystal growth of amorphous silicon is promoted by the action of the zirconium oxide polycrystalline film 2. Therefore, the thin film can be formed under the conditions of low temperature and short time as described above. It is possible to form a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size and excellent crystal continuity. Moreover, since the zirconium oxide polycrystal film 2 does not contain much alkali metal such as sodium or potassium, the polycrystal silicon thin film is obtained without fear of the alkali metal being mixed into the polycrystal silicon thin film. The electrical characteristics of are stable. Further, the zirconium oxide polycrystal film 2 has (11
Since the preferentially oriented in the 1) direction, the heteroepitaxially grown polycrystalline silicon also has the same orientation, and in combination with the reduction of the amount of the alkali metal mixed in, the electrical characteristics can be improved. Moreover, since the zirconium oxide polycrystalline film 2 is hardly soluble in water or an aqueous acid solution,
Even if the obtained polycrystalline silicon thin film is treated with the above-mentioned solvent, the zirconium oxide polycrystalline film 2 is not dissolved, so that it is possible to prevent the delamination phenomenon of the polycrystalline silicon thin film due to this dissolution.

【００３５】尚、上記固相成長法に限らず、例えばＭＢ
Ｅ法を用いても低温プロセスで通常のガラス基板上への
多結晶シリコン薄膜の形成は可能である。また、酸化ジ
ルコニウムは１０10Ω・cm以上の高い絶縁性を示すた
め、この多結晶シリコン薄膜を電子素子に応用する場合
に妨げとなることがない。Not limited to the above solid phase growth method, for example, MB
Even if the E method is used, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film on a normal glass substrate by a low temperature process. Further, since zirconium oxide has a high insulating property of 10 10 Ω · cm or more, it does not hinder the application of this polycrystalline silicon thin film to electronic devices.

【００３６】［実施例２］１０％の酸化カルシウムが添
加された酸化ジルコニウム多結晶膜２の成膜時における
条件を下記のように設定して（１００）方向に優先配向
させると共にヘテロエピタキシャル成長させた多結晶シ
リコンも（１００）方向に優先配向させた以外は実施例
１と略同一である。[Example 2] The conditions for forming the zirconium oxide polycrystalline film 2 containing 10% of calcium oxide were set as follows: preferentially oriented in the (100) direction and heteroepitaxially grown. The polycrystalline silicon is also substantially the same as that of Example 1 except that it is preferentially oriented in the (100) direction.

【００３７】 ガラス基板の加熱温度：５００℃ 酸素分圧：５×１０-3Torr ［実施例３］１０％の酸化マグネシウムが添加された酸
化ハフニウムを下記の条件で成膜させて（１１０）方向
に優先配向された多結晶膜２を形成し、かつ、この膜上
でヘテロエピタキシャル成長させて（１１０）方向に優
先配向された多結晶シリコンを求めた以外は実施例１と
略同一である。Glass substrate heating temperature: 500 ° C. Oxygen partial pressure: 5 × 10 −3 Torr [Example 3] Hafnium oxide added with 10% magnesium oxide was formed under the following conditions to form a (110) direction. Example 1 is substantially the same as Example 1 except that the preferentially oriented polycrystalline film 2 is formed, and heteroepitaxial growth is performed on the film to obtain polycrystalline silicon preferentially oriented in the (110) direction.

【００３８】 ガラス基板の加熱温度：４００℃ 酸素分圧：５×１０-4Torr ［実施例４］１０％の酸化マグネシウムが添加された酸
化ハフニウムと酸化ジルコニウムの混合体を下記の条件
で成膜させて（１１１）方向に優先配向された多結晶膜
２を形成し、かつ、この膜上でヘテロエピタキシャル成
長させて（１１１）方向に優先配向された多結晶シリコ
ンを求めた以外は実施例１と略同一である。Heating temperature of glass substrate: 400 ° C. Oxygen partial pressure: 5 × 10 −4 Torr [Example 4] A mixture of hafnium oxide and zirconium oxide containing 10% magnesium oxide was formed under the following conditions. Example 1 except that the polycrystalline film 2 preferentially oriented in the (111) direction is formed, and heteroepitaxial growth is performed on this film to obtain polycrystalline silicon preferentially oriented in the (111) direction. It is almost the same.

【００３９】 ガラス基板の加熱温度：５００℃ 酸素分圧：１×１０-6Torr ［実施例５］この実施例は請求項３に係る発明を適用し
たものである。Heating temperature of glass substrate: 500 ° C. Oxygen partial pressure: 1 × 10 −6 Torr [Example 5] In this example, the invention according to claim 3 is applied.

【００４０】まず、図８に示すようにガラス基板１上に
マスク８０を設置しこの状態で実施例１と同一の条件で
電子ビーム蒸着法により１０％の酸化カルシウムが添加
された厚さ５０〜１０００オングストロームの酸化ジル
コニウムの多結晶膜を成膜し、かつ、上記マスク８０を
ガラス基板１から取除いてガラス基板１の特定領域に帯
状の酸化ジルコニウム多結晶膜２を形成する（図９参
照）。First, as shown in FIG. 8, a mask 80 was placed on the glass substrate 1, and in this state, 10% calcium oxide was added by the electron beam evaporation method under the same conditions as in Example 1 to a thickness of 50 to 50. A 1000 angstrom zirconium oxide polycrystalline film is formed, and the mask 80 is removed from the glass substrate 1 to form a band-shaped zirconium oxide polycrystalline film 2 in a specific region of the glass substrate 1 (see FIG. 9). ..

【００４１】次に、この酸化ジルコニウム多結晶膜２が
形成されたガラス基板１の全面に実施例１と同一の条件
でシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法により厚さ５０
０〜１００００オングストロームのアモルファスシリコ
ン層３０を成膜する（図１０参照）。Next, the glass substrate 1 on which the zirconium oxide polycrystalline film 2 was formed was subjected to a plasma CVD method using silane gas under the same conditions as in Example 1 to obtain a thickness of 50.
An amorphous silicon layer 30 having a thickness of 0 to 10000 angstrom is formed (see FIG. 10).

【００４２】そして、このアモルファスシリコン層３０
が形成されたガラス基板１をほぼ５８０℃に設定された
加熱炉の中で１時間放置することにより上記アモルファ
スシリコン層３０を結晶化させて図１１に示すように多
結晶シリコン薄膜３を形成した。Then, the amorphous silicon layer 30
The amorphous silicon layer 30 was crystallized by leaving the glass substrate 1 on which the film had been formed in a heating furnace set at approximately 580 ° C. for 1 hour to form a polycrystalline silicon thin film 3 as shown in FIG. ..

【００４３】このとき、酸化ジルコニウムとシリコンと
は格子整合が可能で上記酸化ジルコニウム多結晶膜２の
作用によりその部位のアモルファスシリコン層３０の結
晶成長が助長されるため、上述したような低温、短時間
の条件下において、薄膜で結晶粒径が大きく結晶の連続
性に優れしかもアルカリ金属の混入の極めて少なくかつ
基板から剥離し難い結晶領域３１と非結晶領域３２を有
する多結晶シリコン薄膜３の形成が可能となる。At this time, zirconium oxide and silicon can be lattice-matched with each other, and the action of the zirconium oxide polycrystal film 2 promotes the crystal growth of the amorphous silicon layer 30 at that portion. Formation of a polycrystalline silicon thin film 3 having a crystalline region 31 and an amorphous region 32, which have a large crystal grain size, excellent crystal continuity, very little alkali metal contamination, and are difficult to peel off from the substrate under time conditions. Is possible.

【００４４】尚、この多結晶シリコン薄膜３においては
その結晶領域３１と非結晶領域３２とで電子移動度等の
電気的特性が相違するため、同一基板上に特性が相違す
る薄膜トランジスタを形成するような場合に適用するこ
とができる。例えば、アクティブマトリックス型液晶デ
ィスプレイにおいてその液晶ディスプレイのスイッチン
グ素子用トランジスタとドライブ回路用トランジスタと
を同一のガラス基板上に形成するような場合、上記ドラ
イブ回路用トランジスタを多結晶シリコン薄膜３の結晶
領域３１で形成し他方のスイッチング素子用トランジス
タを非結晶領域３２で形成することにより特性の優れた
アクティブマトリックス型液晶ディスプレイを簡単に求
めることが可能となる。Since the crystalline region 31 and the amorphous region 32 of the polycrystalline silicon thin film 3 have different electric characteristics such as electron mobility, thin film transistors having different characteristics should be formed on the same substrate. It can be applied in any case. For example, in an active matrix type liquid crystal display, when the switching element transistor and the drive circuit transistor of the liquid crystal display are formed on the same glass substrate, the drive circuit transistor is formed into the crystal region 31 of the polycrystalline silicon thin film 3. And the other switching element transistor is formed in the amorphous region 32, it is possible to easily obtain an active matrix type liquid crystal display having excellent characteristics.

【００４５】［実施例６］この実施例は請求項４に係る
発明が適用されており実施例１により求められた多結晶
シリコン薄膜３を用いて薄膜トランジスタを構成したも
のである。[Embodiment 6] In this embodiment, the invention according to claim 4 is applied, and a thin film transistor is constructed using the polycrystalline silicon thin film 3 obtained in the first embodiment.

【００４６】すなわち、この実施例に係る薄膜トランジ
スタは、図１２に示すようにガラス基板１と、このガラ
ス基板１上に一様に成膜され１０％の酸化カルシウムが
添加された酸化ジルコニウム多結晶膜２と、この多結晶
膜２上にヘテロエピタキシャル成長させて形成され適宜
形状にパターニングされた活性層を構成する多結晶シリ
コン薄膜３と、この多結晶シリコン薄膜３の両端側にそ
れぞれ形成されたソース電極５並びにドレイン電極６
と、上記多結晶シリコン薄膜３上にスパッタリング法、
プラズマＣＶＤ法等にて形成されたＳｉＯ2 膜あるいは
ＳｉＮx 膜のような厚さ１０００〜２０００オングスト
ロームのゲート絶縁膜４と、このゲート絶縁膜４上に形
成されたゲート電極７とでその主要部が構成されている
ものである。That is, in the thin film transistor according to this embodiment, as shown in FIG. 12, a glass substrate 1 and a zirconium oxide polycrystal film uniformly formed on the glass substrate 1 and to which 10% calcium oxide was added. 2, a polycrystalline silicon thin film 3 forming an active layer formed by heteroepitaxial growth on the polycrystalline film 2 and patterned into an appropriate shape, and source electrodes formed on both end sides of the polycrystalline silicon thin film 3, respectively. 5 and drain electrode 6
And a sputtering method on the polycrystalline silicon thin film 3,
A gate insulating film 4 having a thickness of 1000 to 2000 angstroms such as a SiO 2 film or a SiN x film formed by a plasma CVD method and a gate electrode 7 formed on the gate insulating film 4 are the main parts. Is configured.

【００４７】尚、ＳｉＯ2 膜あるいはＳｉＮx 膜の形成
は、スパッタリング法によれば１５０℃程度、プラズマ
ＣＶＤ法によれば３００〜３５０℃程度で形成できる。The SiO 2 film or the SiN x film can be formed at a temperature of about 150 ° C. by the sputtering method and at a temperature of about 300 to 350 ° C. by the plasma CVD method.

【００４８】そしてこの薄膜トランジスタにおいてはそ
の活性層が薄膜で結晶粒径が大きく結晶の連続性に優れ
しかもアルカリ金属の混入の極めて少なくかつ基板から
剥離し難い多結晶シリコン薄膜３により構成されている
ため、電子移動度の向上並びに漏れ電流（ＯＦＦ電流）
の低減が図れその電気的特性を飛躍的に改善できる利点
を有していると共に、薄膜トランジスタにおける経時的
耐性をも向上できる利点を有している。In this thin film transistor, the active layer is a thin film having a large crystal grain size, excellent crystal continuity, a very small amount of alkali metal mixed in, and a polycrystalline silicon thin film 3 which is difficult to peel off from the substrate. , Improvement of electron mobility and leakage current (OFF current)
And has the advantage that the electrical characteristics can be dramatically improved, and also has the advantage that the temporal resistance of the thin film transistor can be improved.

【００４９】[0049]

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、多結晶シ
リコン薄膜における結晶の大粒径化と結晶の連続性とを
図ることが可能となり、かつ、上記多結晶シリコン薄膜
内に不純物としてのナトリウムやカリウム等アルカリ金
属が混入する恐れもないため電子移動度等の電気的特性
の向上と安定化が図れると共に、基板から多結晶シリコ
ン薄膜が剥離し難いためその経時的耐性の向上が図れる
効果を有している。According to the invention of claim 1, it is possible to increase the grain size of the crystal and the continuity of the crystal in the polycrystalline silicon thin film, and as an impurity in the polycrystalline silicon thin film. It is possible to improve and stabilize the electrical characteristics such as electron mobility because there is no risk of mixing with alkali metals such as sodium and potassium, and it is possible to improve the resistance with time because the polycrystalline silicon thin film is difficult to peel off from the substrate. Have an effect.

【００５０】また、請求項２に係る発明によれば、酸化
カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウムの少
なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは酸化
ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜の作用によりシ
リコンの結晶成長が助長され、薄膜で結晶粒径が大きく
結晶の連続性に優れしかもアルカリ金属の混入が少なく
かつ基板から剥離し難い多結晶シリコン薄膜を低温、短
時間の条件で形成できるため、電子移動度等の電気的特
性に優れしかも経時的耐性にも優れた多結晶シリコン薄
膜を簡便に提供できる効果を有しており、他方、請求項
３に係る発明によれば、非晶質基板上の選択された領域
に形成された上記酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニ
ウム又はこれ等混合物の多結晶膜の作用によりその部位
のシリコンの結晶成長が選択的に助長され、薄膜で結晶
粒径が大きく結晶の連続性に優れしかも上記アルカリ金
属の混入が少なくかつ基板から剥離し難い結晶領域と非
結晶領域とを有する多結晶シリコン薄膜を低温、短時間
の条件で形成できるため、部分的にその電子移動度等の
電気的特性が相違ししかも経時的耐性に優れた多結晶シ
リコン薄膜を簡便に提供できる効果を有している。According to the second aspect of the present invention, the crystal growth of silicon is performed by the action of the polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide. It is possible to form a polycrystalline silicon thin film that has a large crystal grain size, excellent crystal continuity, little alkali metal contamination, and is difficult to peel off from the substrate at low temperature for a short time. The present invention has the effect of easily providing a polycrystalline silicon thin film excellent in electrical characteristics and excellent in resistance over time. On the other hand, according to the invention of claim 3, a polycrystalline silicon thin film selected on an amorphous substrate is selected. Due to the action of the polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof formed in the region The thickness of the polycrystalline silicon thin film has a crystal region and an amorphous region which are selectively promoted, have a large crystal grain size, are excellent in crystal continuity, have less alkali metal contamination, and are difficult to peel from the substrate. Since it can be formed under a condition of a short time, it has an effect of easily providing a polycrystalline silicon thin film that partially differs in electrical characteristics such as electron mobility and has excellent durability with time.

【００５１】また、請求項４に係る発明によれば、その
活性層が薄膜で結晶粒径が大きく結晶の連続性に優れし
かも上記アルカリ金属の混入が少なくかつ基板から剥離
し難い多結晶シリコン薄膜により構成されているため、
電子移動度の向上並びに漏れ電流の低減が図れその電気
的特性を飛躍的に改善できる効果を有していると共に薄
膜トランジスタにおける経時的耐性をも向上できる効果
を有している。Further, according to the invention of claim 4, the active layer is a thin film, the crystal grain size is large, the crystal continuity is excellent, the amount of the alkali metal is small, and the polycrystalline silicon thin film is hardly peeled from the substrate. It is composed of
The electron mobility can be improved, the leakage current can be reduced, and the electrical characteristics thereof can be dramatically improved, and also the temporal resistance of the thin film transistor can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】実施例１に係る多結晶シリコン薄膜の断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a polycrystalline silicon thin film according to a first embodiment.

【図２】（Ａ）と（Ｂ）は実施例１に係る多結晶シリコ
ン薄膜の形成工程図。2A and 2B are process diagrams of forming a polycrystalline silicon thin film according to the first embodiment.

【図３】実施例１において適用した電子ビーム蒸着装置
の構成説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration of an electron beam vapor deposition apparatus applied in Example 1.

【図４】実施例１において適用したプラズマＣＶＤ装置
の構成説明図。FIG. 4 is a structural explanatory view of the plasma CVD apparatus applied in the first embodiment.

【図５】酸化ジルコニウム等の結晶格子を示すモデル
図。FIG. 5 is a model diagram showing a crystal lattice of zirconium oxide or the like.

【図６】酸化ジルコニウム等の結晶格子を示すモデル
図。FIG. 6 is a model diagram showing a crystal lattice of zirconium oxide or the like.

【図７】酸化ジルコニウム等の結晶格子を示すモデル
図。FIG. 7 is a model diagram showing a crystal lattice of zirconium oxide or the like.

【図８】実施例５に係る多結晶シリコン薄膜の形成工程
図。FIG. 8 is a process drawing of forming a polycrystalline silicon thin film according to a fifth embodiment.

【図９】実施例５に係る多結晶シリコン薄膜の形成工程
図。FIG. 9 is a process drawing of forming a polycrystalline silicon thin film according to a fifth embodiment.

【図１０】実施例５に係る多結晶シリコン薄膜の形成工
程図。FIG. 10 is a process drawing of forming a polycrystalline silicon thin film according to a fifth embodiment.

【図１１】実施例５に係る多結晶シリコン薄膜の形成工
程図。FIG. 11 is a process drawing of the polycrystalline silicon thin film according to the fifth embodiment.

【図１２】実施例６に係る薄膜トランジスタの構成説明
図。FIG. 12 is a structural explanatory diagram of a thin film transistor according to a sixth embodiment.

【図１３】従来法により形成された多結晶シリコン薄膜
の断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view of a polycrystalline silicon thin film formed by a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ガラス基板 ２ 酸化ジルコニウム多結晶膜 ３ 多結晶シリコン薄膜 1 glass substrate 2 zirconium oxide polycrystalline film 3 polycrystalline silicon thin film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 31/04

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 非晶質基板上に成膜される多結晶シリコ
ン薄膜において、 酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム
の少なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは
酸化ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜を上記非晶
質基板との間に備え、この多結晶膜に対しヘテロエピタ
キシャル成長させて形成された多結晶シリコンにより上
記多結晶シリコン薄膜が構成されていることを特徴とす
る多結晶シリコン薄膜。1. A polycrystalline silicon thin film formed on an amorphous substrate, comprising a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof to which at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is added. A polycrystalline silicon thin film, characterized in that the polycrystalline silicon thin film is formed between the amorphous substrate and polycrystalline silicon formed by heteroepitaxially growing the polycrystalline film. 【請求項２】 請求項１記載の多結晶シリコン薄膜の製
造方法において、 酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム
の少なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは
酸化ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜を非晶質基
板上に一様に成膜し、かつ、この多結晶膜上にシリコン
をヘテロエピタキシャル成長させて多結晶シリコン薄膜
を形成することを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造
方法。2. The method for producing a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is amorphous. A method for producing a polycrystalline silicon thin film, which comprises uniformly forming a film on a crystalline substrate, and heteroepitaxially growing silicon on the polycrystalline film to form a polycrystalline silicon thin film. 【請求項３】 請求項１記載の多結晶シリコン薄膜の製
造方法において、 酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム
の少なくとも一が添加された酸化ジルコニウム若しくは
酸化ハフニウム又はこれ等混合物の多結晶膜を非晶質基
板上の選択された領域に成膜し、かつ、この多結晶膜が
形成された非晶質基板上へシリコンを成膜すると共に、
上記多結晶膜上のシリコンをヘテロエピタキシャル成長
させて多結晶シリコン薄膜にすることを特徴とする多結
晶シリコン薄膜の製造方法。3. The method for producing a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein a polycrystalline film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof containing at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide is amorphous. A film in a selected region on the high quality substrate, and forming a silicon film on the amorphous substrate on which the polycrystalline film is formed,
A method for producing a polycrystalline silicon thin film, which comprises heteroepitaxially growing silicon on the polycrystalline film to form a polycrystalline silicon thin film. 【請求項４】 その活性層が多結晶シリコン薄膜にて構
成される薄膜トランジスタにおいて、 非晶質基板と、 この非晶質基板上に成膜され酸化カルシウム、酸化マグ
ネシウム、酸化イットリウムの少なくとも一が添加され
た酸化ジルコニウム若しくは酸化ハフニウム又はこれ等
混合物の多結晶膜と、 この多結晶膜上にヘテロエピタキシャル成長させて形成
した多結晶シリコン薄膜と、 この多結晶シリコン薄膜に形成されたソース電極・ドレ
イン電極と、 絶縁膜を介し上記多結晶シリコン薄膜に対向して設けら
れたゲート電極、 とを備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。4. A thin film transistor whose active layer is composed of a polycrystalline silicon thin film, wherein an amorphous substrate and at least one of calcium oxide, magnesium oxide and yttrium oxide formed on the amorphous substrate are added. A polycrystal film of zirconium oxide or hafnium oxide or a mixture thereof, a polycrystal silicon thin film formed by heteroepitaxial growth on the polycrystal film, and a source electrode / drain electrode formed on the polycrystal silicon thin film. A gate electrode provided so as to face the polycrystalline silicon thin film with an insulating film interposed therebetween, and a thin film transistor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7910929B2 (en) 2007-12-18 2011-03-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device
US8067793B2 (en) 2007-09-27 2011-11-29 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device including storage capacitor with yttrium oxide capacitor dielectric

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US7910929B2 (en) 2007-12-18 2011-03-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device
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