JPH01214111A - 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形成する方法は、Ｓｏ工（５ｌ
ｉｃｏｎ　Ｏｎ工ｎ５ｕｌａｔｏｒ　）　　技術として
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ページ、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６００℃程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　Ａｐｒ
ｉｌ　、　２４２２ページ　１９８６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改長し該結晶粒のひ
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―ン膜を用いて薄膜トラン
ジスタを作製すると電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２μｒｒＬＩ
ｕ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
長させる事はむずかしい。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、屯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。非常に開港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
に島状酸化膜あるいは島状窒化膜を形成する第二の工程
と、前記シリコン薄膜罠おいて、該島状０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、表面研磨し
て前記島状酸化膜の下の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化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做とする。

〔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　Ｋｐｉｔａｘｙ　）法、減圧ＯＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法、
常圧ＣｖＤ法、プラズマＯＶＤ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、ＥＢ蒸着法やスパ
ッタ法やＭＢＺ法により堆積させられたシリコン薄膜は
、５００℃から７００℃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ＣＶＤ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、３００℃から゛４５０℃程度のアニールで水素を
放出させ、その後５００℃から７００℃の低温アニール
で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ＯＶＤ法などの方法で前記シリコンＮ膜
１−２上に酸化膜（Ｓ１Ｏ，）を堆積させホトリソグラ
フィ法で該島状酸化＠１−６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
１−５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！（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。

次に熱酸化を行ない、前記シリコン薄膜１−２において
島状酸化膜１−６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。前記フィールド酸
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ａｒｙ　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ｙｅｔ　
　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、前記島状シリフン薄膜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。

続いて基板表面を表面研磨して、島状シリコン９膜１−
５の表面を露出させ、基板表面を平担にする。この工程
まで終了した時の基板の状態を第１図（ｄ）に示す。図
中１−６は研磨面を示す。

表面は単結晶シリフンウェハの表面を鏡面研磨する場合
と同様な方法で研磨する。研磨面は不純物や欠陥が残ら
ないよ５に洗浄を必要に応じて行なう。

次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、膜質が均一である事が
望ましい。堆積方法としては、前罠も述べたように、Ｋ
Ｂ蒸着法、スパッタ法、ＭＢＫ法。

減圧ＯＶＤ法、常圧ＯＶＤ法、プラズマｃｖＤ法、光励
起ＯＶＤ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６００℃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、
スパッタ法２ＭＢＥ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３５０℃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、前記島状シリコン薄膜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１〜２μｍで、結晶粒径が１〜２μｍであるので
、該島状シリコン薄＠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薄膜１−５に重なっている部
分を中心として放射状にすすむ。そして島状シリフン薄
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１０
０μ罵以下にしておけば、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１゜０μｍ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、５００℃から７
００１）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
ル成長といつこともできる。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
。

基板表面は平担なので結晶成長は一様に進行するこのよ
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）酸化［１−１１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
ゲート電１ｉ１１．−１２を形成し該ゲート電極１−１
２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（’Ｉン）ＩＡＥＩ（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。次に眉間絶縁膜１−１４として酸化膜ある
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などその他の半導体
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製することができる。種
結晶となる島状シリコン薄膜が形成された表面が基板全
面にわたって平担となっているので、形状による結晶成
長のムラについてはまったく問題とならない。従って、
その上に堆積させられた非晶質シリコン薄膜の結晶成長
は非常に均一に進行する。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、嘔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マ）　ＩＪクス
基板の高速化が実現できろ。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、読み取り速度の高速化、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心安
としないので、作製が簡単であり、費用の低減化に役だ
つ。

以上述べたように、本発劣は、絶縁基板特に透明性絶縁
基板上に単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（！りは、本発明における半導体装置
の製造方法を示す工程図である。 １−３・・・・・・島状酸化膜 １−４・・・・・・フィールド酸化層 １−５・・・・・・島状シリコン薄膜 １−６・・・・−・研磨面 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 ｔｂ）Ｉ−１ （Ｃ） （＋ン

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あるいは島状窒化膜
   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、表面研磨して前記島状酸化膜の下のシリコン
   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。