JP3141909B2

JP3141909B2 - 半導体装置作製方法

Info

Publication number: JP3141909B2
Application number: JP05136542A
Authority: JP
Inventors: 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH06326020A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁基板上に設けられ
たＴＦＴ等の半導体装置作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に多数のＴＦＴを形成し、
これらのＴＦＴを画素の駆動に用いるアクティブ型液晶
表示装置やガラス基板上のＴＦＴを用いたイメージセン
サー等が知られている。

【０００３】これらの装置に用いられるＴＦＴ（薄膜半
導体を用いた絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ）に
は、薄膜状の珪素半導体を用いるのが一般的である。薄
膜状の珪素半導体として、気相法で比較的容易に作製す
ることができる非晶質珪素(a-Si)を用いるこが一般的で
あるが、より高速動作を実現するために、結晶性を有す
る珪素半導体薄膜を利用することが有用である。結晶性
を有する珪素半導体薄膜としては、多結晶珪素、微結晶
珪素、結晶成分を含む非晶質珪素、結晶性と非晶質性の
中間の状態を有するセミアモルファス珪素等が知られて
いる。

【０００４】これら結晶性を有する薄膜状の珪素半導体
を得る方法としては、 (1) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。 (2) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、レーザー光のエ
ネルギーにより結晶性を有せしめる。 (3) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、熱エネルギーを
加えることにより結晶性を有せしめる。とった方法が知られている。しかしながら、(1) の方法
は良好な物性を有する膜を均一に成膜することに問題が
あり、また成膜温度が600 ℃以上と高いので、ガラス基
板上に成膜を行うことに問題があった。また、(2) の方
法は、レーザー光の照射面積が小さいので、生産性に問
題があり、また大面積な基板に対応できないという問題
があった。さたに(3) の方法は、大面積に対応できると
いう利点はあるが、加熱温度として600 ℃以上の高温に
することが必要であり、安価なガラス基板を用いること
を考えると、さらに加熱温度を下げる必要があった。さ
らにまた加熱時間が数十時間以上にも及ぶので、さらに
その時間を短くする必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題に鑑み、本
発明は、１．加熱よる結晶化の方法において、加熱温度の低温度
化と加熱時間の短時間化を計る。２．電気的にも良好な特性を有する結晶性の珪素半導体
薄膜を得る。といったことを満足した結晶性を有する珪素半導体薄膜
を得ることを目的とする。

【０００６】〔発明の背景〕本発明人らは、上記従来の
技術の項で述べた、非晶質の珪素半導体膜をＣＶＤ法や
スパッタ法で成膜し、該膜を加熱によって結晶化させる
方法について、以下のような考察を行った。

【０００７】まず実験事実として、ガラス基板上に非晶
質珪素膜を成膜し、この膜を加熱により結晶化させるメ
カニズムを調べると、結晶成長はガラス基板と非晶質珪
素との界面から始まり、基板表面に対して垂直な柱状に
進行することが認められる。

【０００８】上記現象は、ガラス基板と非晶質珪素膜と
の界面に、結晶成長の基となる結晶核（結晶成長の基と
なる種）が存在していると考察される。このような結晶
核は、基板表面に微量に存在している金属元素やガラス
表面の結晶成分（結晶化ガラスと呼ばれるように、ガラ
ス基板表面には酸化珪素の結晶成分が存在していると考
えられる）であると考えられる。

【０００９】一方、基板に結晶核が存在しないように表
面をエッチングし、さらにその表面の汚染に注意した非
晶質酸化珪素の基板を用い、該基板上に結晶核が存在し
ない条件において非晶質珪素を成膜し、該膜を加熱によ
って結晶化させると、普通のガラス基板上の形成した場
合に比較して、短時間または低温で結晶化を行うことが
でき、しかも結晶性及びその均一性が高く、しかも電気
的な特性に優れた結晶性珪素膜を得ることができた。

【００１０】なんら処理を行なわない基板上（コーニン
グ9059）にプラズマＣＶＤ法で形成された非晶質珪素膜
を窒素雰囲気中での加熱によって、結晶化する場合、そ
の加熱温度として600 ℃とした場合、加熱時間として10
時間以上の時間を必要としたが、上記処理を行なった非
晶質酸化珪素の基板を用いた場合には、４時間程度の加
熱において同様な結晶化状態を得るこができた。尚この
際の結晶化の判断はラマン分光スペクトルを利用した。

【００１１】また、加熱時間を10時間としてガラス基板
を用いた場合には、580 ℃では変化は殆ど見られなかっ
たが、上記非晶質珪素の基板を用いた場合には、10時間
の加熱で結晶化をさせることができた。しかし、上記非
晶質酸化珪素の基板を用いた実験は、その表面に不純物
が存在しないように細心の注意を払って行ったものであ
り実用的ではない。

【００１２】上記実験事実について考察すると、基板中
さらに半導体膜の界面近傍に存在している基板材料の結
晶成分や半導体膜中の結晶成分は、結晶成長の核となり
得るが、良好な結晶成長を行うためにはかえって負の要
因として作用していると考えることができる。換言すれ
ば、結晶化にあったっては、結晶成分が予め存在してい
ることは好ましくない、と考察することができる。

【００１３】本発明は上記実験事実に基づき、基板上の
非晶質珪素半導体膜を加熱によって結晶化を行う場合に
は、基板と非晶質珪素膜との界面に結晶核となる成分、
特に基板表面近傍の結晶成分や基板との界面近傍の非晶
質珪素膜中に結晶成分（非晶質といっても程度の問題で
あり、詳細に観察すれば結晶成分が認められる場合があ
る）が存在していないことが必要である、との考察結果
に基づき行われたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】〔第１の発明〕第１の発明は、請求項１に記載されているように、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上から前記基板に向かって、不活
性な元素のイオンを、該イオンの分布の最大値となる領
域が基板内に存在するように注入する工程と、前記イオンが注入された非単結晶半導体膜を加熱により
結晶化させる工程と、を有することを要旨とする半導体装置作製方法である。

【００１５】上記第１の発明において、基板としては、
絶縁性基板であるガラス基板や石英基板、さらには半導
体基板を挙げることができる。また、非単結晶半導体膜
としては、珪素に代表される半導体の非晶質、微結晶、
多結晶、セミアモルファス等々の半導体を挙げることが
できる。さらにまた、他の半導体材料を用いることもで
きる。

【００１６】不活性な元素というのは、イオン注入が行
われる非単結晶半導体膜に対して悪影響を与えない元素
のことをいう。例えば、非単結晶半導体膜として、非晶
質珪素半導体膜を採用した場合、この不活性な元素とし
て、珪素やゲルマニウム、さらに半導体膜が一導電型に
なることを許容するならリンやボロンの珪素に対し、一
導電型を有せしめる元素を用いることができる。

【００１７】基板と半導体膜との界面近傍というのは、
基板と基板上の半導体膜との界面を境にして、その両
側、即ちその界面を境にした基板側と半導体膜側の近傍
領域ということである。

【００１８】半導体膜に対して、不活性な元素のイオン
注入を行うことによって、半導体膜を非晶質化するとい
うのは、一般に良く知られているように、イオン注入に
よって、当該半導体が非晶質化してしまう現象を利用し
たものである。この非晶質化は、より非晶質化を助長す
るという意味もあるので、非晶質半導体膜に対して行う
ことによって、該非晶質半導体膜中の結晶成分を非晶質
化するという作用を有す。（一般に非晶質半導体膜とし
て気相法等で成膜された膜中には、結晶成分やマイクロ
クリスタル構造が存在している）

【００１９】加熱を行い、半導体膜を結晶化させる、と
いうのは、非晶質状態の半導体膜に熱エネルギーを加え
ることによって、結晶化を助長させ、結晶成分または結
晶性を有する半導体膜を作製することをいう。一般の非
晶質珪素を加熱によって結晶化させる場合には、最低60
0 ℃程度の温度で24時間〜48時間の加熱が必要であるこ
とが実験的に判明している。しかし本発明において、非
単結晶半導体として非晶質珪素を用いた場合には、550
℃、５時間の加熱によって上記従来の場合と同様な結晶
化を行うことができる。

【００２０】

【００２１】上記第１の発明において、不活性な元素
のイオンが基板内を中心に注入されるという意味を以下
に説明する。一般に当該材料中にイオン打ち込みによっ
て、イオンを注入すると、注入されたイオンは、その深
さ方向にある分布でもって存在する。この分布を飛程分
布という。上記第１の発明では、注入されたイオンの分
布の最大値が、基板内に存在するようにイオンを注入す
ることを特徴とするものである。

【００２２】この一例を図２に示す。図２において、点
線より左側が基板側であり、点線より右側がイオンが注
入される半導体膜側である。そして、点線の両側付近が
基板と半導体膜との界面近傍となる。この場合、注入イ
オンの飛程分布の最大値（最も多くの注入イオンが存在
する領域）が基板内にあることを示している。即ち、基
板内を中心にイオンが注入されている状態を示してい
る。

【００２３】〔第２の発明〕第２の発明は、請求項２に記載されているように、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、前記非単結晶半導体膜上から前記基板に向かって、選択
的に不活性な元素のイオンを、該イオンの分布の最大値
となる領域が基板内に存在するように注入する工程と、加熱により、前記非単結晶半導体膜の不活性な元素のイ
オンが注入された領域を、不活性な元素のイオンが注入
されていない領域から結晶成長させる工程と、を有することを要旨とする半導体装置作製方法である。

【００２４】上記第２の発明は、非単結晶半導体膜に
対し、選択的に不活性なイオンを注入することによっ
て、該イオン注入領域を非晶質化した場合、加熱処理を
行うことによって、前記非晶質化されていない領域（非
晶質半導体膜として成膜されたものであっても、イオン
注入による非晶質化を行わなければ、結晶成分が残存し
ている）からの結晶成長が前記非晶質化された領域に向
かって起こり、膜の平面方向に結晶成長した結晶性半導
体膜を得ることができるものである。

【００２５】〔第３の発明〕第３の発明は、請求項３に記載されているように、第１
及び第２の発明において、不活性な元素のイオンは、基板内を中心に注入されてお
り、そのドーズ量は、３×10¹⁴cm^-2〜３×10¹⁵cm^-2であ
ること、を要旨とするものである。

【００２６】

【００２７】なお、本発明は、基板と半導体膜との界
面近傍における結晶成分を排除することによって、加熱
による結晶化の効果を高めるものである。また、基板と半導体膜との界面近傍における結晶成分を
排除した後、人為的に結晶成長核となる材料を導入し、
該材料を核として結晶成長をさせる方法をとってもよ
い。

【００２８】

【作用】ガラス基板表面を非晶質化することで、均一な
結晶成長を阻害する結晶成分を排除することができ、加
熱による結晶化によって、電気的特性においても満足す
る結晶性の半導体薄膜を得るとができる。さらに、結晶
化を行う際の加熱温度を低くすることができ、また加熱
時間を短くすることができる。

【００２９】

【実施例】〔実施例１〕本実施例は、第１の発明の実施例であって、ガラス基板
（コーニング7059）上にＮチャネル型ＴＦＴ、またはＰ
チャネル型ＴＦＴを形成した場合の例である。本実施例
は、ガラス基板上に形成されたＴＦＴを用いた液晶表示
装置やイメージセンサ、さらには絶縁基板上に形成され
た集積回路に利用することができる。

【００３０】本実施例の作製工程を図１を用いて説明す
る。図１において、(11)が絶縁基板であるコーニング70
59ガラス基板である。まずガラス基板上に下地酸化膜と
して酸化珪素膜(12)を3000Åの厚さにスパッタ法によっ
て形成する。勿論この下地の酸化珪素膜(12)はなくても
よい。次に、非晶質珪素膜(13)を公知のプラズマＣＶＤ
法によって、1500Åの厚さに成膜する。成膜方法は、熱
ＣＶＤ法やスパッタ法によるものであってもよい。また
この非晶質珪素膜(13)として、結晶性を有する膜、例え
ば微結晶珪素膜や多結晶珪素膜を成膜するのでもよい。

【００３１】この非晶質珪素膜(13)は、後に加熱によっ
て結晶化させるので、結晶化を阻害する元素である酸素
元素の混入が、成膜時に極力ないようにすることが重要
である。

【００３２】次に、珪素半導体に対しては、電気的に不
活性な元素である珪素イオン(Si ⁺) をイオン打ち込み
法によりイオン注入し、非晶質珪素半導体膜(13)を非晶
質化（非晶質化を助長するということもできる）する。
この際、珪素イオンを打ち込む加速電圧やドーズ量を以
下のようにして定める。

【００３３】まず、この珪素イオンの打ち込みは、ガラ
ス基板(11)の表面近傍さらには下地酸化珪素膜(12)を非
晶質化し、これらの領域に結晶化を阻害すると考えられ
る結晶成分が存在しないようにするものである。即ち、
加熱による結晶成長が、基板（この場合は、下地酸化珪
素膜をも含めて考える）と結晶化させる半導体膜との界
面から起こることに着目し、一様で電気的特性の優れた
結晶性の半導体膜を得るために、結晶化に当たって、負
の要因として作用するこの界面近傍の結晶成分を除去す
るものである。上記結晶化を阻害する結晶成分は、ガラ
ス基板(11)中に存在する酸化珪素の結晶成分や、下地酸
化珪素膜(12)中に存在する酸化珪素の結晶成分や、非晶
質半導体膜(13)中に存在している結晶成分のことをい
う。

【００３４】珪素イオンの打ち込み条件は、図２に示す
ようなドーズ量で行われるようにした。図２に示されて
いるのは、縦軸にドーズ量を、横軸に注入イオンの位置
（注入表面からのイオンの深さ方向の位置）をとったも
のであり、点線より左側が基板(11)側（酸化珪素膜(12)
も含めて考える）であり、点線より右側が出発膜である
非晶質珪素膜(13)側である。本実施例においては、ドー
ズ量を５×10¹⁴cm^-2としたが、３×10¹⁴cm^-2〜３×10¹⁵
cm^-2の範囲で可能である。勿論他の値でも可能であると
思われる。

【００３５】基板と結晶化させる半導体との界面近傍を
非晶質化することが、良好な結晶成長のために必要であ
る。また、上記珪素イオンの打ち込みの結果、非晶質珪
素膜(13)の厚さ方向全体にわたって結晶成分は認められ
ず、膜全体が非晶質化していることが確認された。

【００３６】次に、大気圧の窒素雰囲気中で550 ℃、５
時間の加熱を行い非晶質珪素膜(13)の結晶化を行った。
この結晶化工程によって結晶性珪素半導体膜を得ること
ができた。なお上記結晶化の工程の加熱温度は、一般の
非晶質珪素の結晶化温度（実験によれば10時間程度の加
熱時間で行う場合には、600 ℃以上が必要であることが
判明している）以下の温度で行うことができ、しかも加
熱時間は短くすることができる。

【００３７】以上のようにして作製したガラス基板上の
結晶性珪素半導体膜を利用して、Ｎチャネル型ＴＦＴと
Ｐチャネル型ＴＦＴを作製した。作製方法は、従来より
行われている方法に依った。Ｎチャネル型ＴＦＴでは移
動度が70cm²/Vs以上のものを得るこができ、Ｐチャネル
型ＴＦＴの場合でも30cm²/Vs以上のものを得るこができ
た。これは、珪素イオンによる非晶質化の処理を行わず
に、600 ℃、24時間の加熱によって結晶化された結晶性
珪素半導体膜を用いた場合と同様な結果であった。即
ち、600 ℃, 24時間の加熱によって得られる効果が、55
0 ℃、５時間の加熱によって得ることができた。

【００３８】〔実施例２〕本実施例は、第２の発明の実施例であって、ガラス基板
上に形成される結晶化させた半導体材料において、結晶
の成長方向を基板と平行な方向とすることによって、基
板と平行な方向に対する電気的な特性を改善せんとする
構成を提案するものである。

【００３９】図３に本実施例の作製工程を示す。図３に
おいて、図１と符号が同じものは特に断らないかぎり、
実施例１において説明したものと同様である。まずガラ
ス基板（コーニング7059）上に実施例１と同様に下地酸
化珪素膜を形成し、しかる後に結晶性を有する珪素半導
体膜(13)を形成する。本実施例においては、550 ℃の温
度の熱ＣＶＤ法によって微結晶珪素半導体膜(13)を1500
Åの厚さに成膜する。この結晶性を有する珪素半導体膜
の成膜方法は、公知のプラズマＣＶＤ法を利用すること
もできる。

【００４０】上記構成において、微結晶珪素半導体膜(1
3)を形成するのは、この膜中の結晶成分を結晶核とし
て、後に結晶成長を行うためである。勿論、普通の非晶
質珪素半導体膜であっても、程度の問題として結晶成分
（秩序性が認められる微小領域）が存在していると考え
られるので、ここで半導体膜(13)として公知の非晶質半
導体膜を用いるのでもよい。

【００４１】以上のようにして、図３（Ａ）に示す構成
を得た後、図３（Ｂ）に示す様に、メタルマスク(15)を
設ける。次に、実施例１と同様な工程により、珪素イオ
ン(14)の打ち込みを行い、メタルマスクで覆われていな
い部分に珪素イオンの注入を行う。この結果、珪素イオ
ンが注入された領域は、半導体膜(13)と基板（ここで
は、下地酸化珪素膜(12)と基板(11)との合わせてものを
いう）との界面近傍を中心にして、非晶質化される。

【００４２】その後、実施例１と同様に窒素雰囲気中に
おいて、５５０℃、５時間の加熱を行い、非晶質化され
た領域（６）の半導体膜（１３）を結晶化させる。この
際、結晶化は珪素イオンの打ち込まれていない領域
（（６）以外の領域）においても行われるが、この領域
での結晶化の速度は小さいので、選択的に（６）の領域
において結晶化が行われることになる。ここで重要なの
は、珪素イオン（１４）の注入による非晶質化が行われ
ていない領域から矢印（１７）で示されるように結晶成
長が進行し、基板表面に平行な方向に結晶性が助長され
ることである。

【００４３】上記の現象は、基板表面の結晶成分を結晶
核として、基板表面に垂直方向に非晶質半導体膜の結晶
成長が生じる現象と同じ原理による。

【００４４】本実施例の構成をとることで、結晶性珪素
半導体膜の平面方向（図３の(17)の方向に一致する）へ
のキャリアの伝導を用いるＴＦＴ等の半導体装置の電気
的特性を改善することができる。

【００４５】

【効果】基板表面と非単結晶半導体との界面近傍を、不
活性のイオンの注入によって非晶質化することによっ
て、従来よりも低温でしかも短時間の加熱によって、結
晶化をすることでき、従来の方式によって得られていた
結晶性半導体膜に比較して遜色のない電気的特性を有す
る結晶性半導体膜を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の概要を示す。

【図２】実施例における、珪素イオンの注入の状態を
示す。

【図３】実施例の概要を示す。

【符号の説明】

１１ガラス基板１２下地酸化珪素膜１３半導体膜１４珪素イオン１５メタルマスク６珪素イオンが注入された領域１７結晶成長の方向

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に非単結晶半導体膜を形成する工
程と、前記非単結晶半導体膜上から前記基板に向かって、不活
性な元素のイオンを、該イオンの分布の最大値となる領
域が基板内に存在するように注入する工程と、前記イオンが注入された非単結晶半導体膜を加熱により
結晶化させる工程と、を有することを特徴とする半導体
装置作製方法。
【請求項２】基板上に非単結晶半導体膜を形成する工
程と、前記非単結晶半導体膜上から前記基板に向かって、選択
的に不活性な元素のイオンを、該イオンの分布の最大値
となる領域が基板内に存在するように注入する工程と、加熱により、前記非単結晶半導体膜の不活性な元素のイ
オンが注入された領域を、不活性な元素のイオンが注入
されていない領域から結晶成長させる工程と、を有する
ことを特徴とする半導体装置作製方法。
【請求項３】請求項１または請求項２において、不活
性な元素のイオンのドーズ量は、３×10¹⁴cm^{- 2}〜３×
10¹⁵cm^{- 2}であることを特徴とする半導体装置作製方
法。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項におい
て、不活性な元素は、非単結晶半導体膜を構成する材料
の元素であることを特徴とする半導体装置作製方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項におい
て、基板は、ガラス基板、または上面に酸化珪素膜が形
成されたガラス基板であることを特徴とする半導体装置
作製方法。