JPH02165620A - 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、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縁膜上に、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、　５ＯＩ（Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術
として知られている。　　（ＳＯ工構遺形成技術、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面相成長させ
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。　　（
工ＥＥＥ　　　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題］ 前記固相成長法においては、結晶成長の始点となる単結
晶シリコンシードが必要となる。該単結晶シリコンシー
ドが無い場合には、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ーが大きい
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薄膜のど
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。また、エネルギービームを制御性
よく走査するための高価な装置が必要となる。

本発明は、ＳＯＸ法、特に固相成長法において、ランダ
ムに核が生成するという問題点を解決し、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、複雑で高価な装置を必要としない簡単な方
法で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
膜を５００℃〜７００℃の低温熱処理により再結晶化さ
せる半導体薄膜の結晶成長方法において、任意の間隔を
おいてドツト状の突起構造を有する平面グラファイト治
具の上に、前記非晶質半導体薄膜の表面を接触させて設
置して低温熱処理することにより前記非晶質薄膜を再結
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５ｉｎ２で覆われたＳｉ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℃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１１１−２を堆積
させる。該非晶質シリコン薄ｆ１１１−２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℃〜５
６０℃程度、ジシランガス（Ｓｉ２Ｈａ）を用いる場合
は３００　”Ｃ〜５００℃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（ＳｉａＨｓ）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、基板温度が室温から５００
℃以下の低温でも成膜できる。

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。ＥＢ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℃〜５００℃程度の低温熱処理を行い膜を緻密化
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。

次に、第１図（ｂ）に示されるように、ドツト状の突起
構造１−４を有する平面グラファイト製治具１−３の上
に、前記非晶質シリコン薄１１１−２が接触するように
設置して該非晶質シリコン薄１（１−２を固相成長させ
る。前記突起構造１−４の先端の大きさはできる限り小
さくすることが望ましい。また該突起構造１−４の間隔
りは固相成長距離の約２倍とする。例えば同相成長がシ
ードから５μｍ進む場合はＬ＝１０μｍとする。該平面
グラファイト製治具１−３の平面図を第１図（ｆ）に示
す。また前記治具はグラファイト製と述べたが、不純物
汚染の問題がなく熱伝導率の高い材質ならば治具として
用いてもよい。ちなみに７ｏｏ’ｃにおけるグラファイ
トの熱伝導率は３５〜７０　（Ｗ／ｍ　−Ｋ）であり２
石英基板ではこれよりも約１桁小さい。

続いてこの様に平面グラファイト製治具の上におかれた
非晶質シリコン薄膜を９石英アニール炉の中にいれて５
００℃〜７００℃の低温熱処理を行い、前記非晶質シリ
コン薄膜を固相成長させる。

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。１×１０−６から
ｌＸｌ０−”Ｔｏｒｒの高真空雰囲気でアニールを行っ
てもよい。雰囲気ガスの１０００℃における熱伝導車は
、窒素ガスで約７．４Ｘ１０−２（Ｗ／ｍ−Ｋ　）、　
　アルゴンガスで約５．０Ｘ１０−２（Ｗ　／　ｍ’ｋ
　）　、　　ヘリウムガスで約４１．９Ｘ１０−２（Ｗ
／　ｍ−Ｋ　）、　　水素ガスについても同程度である
。前に述べたグラファイトの熱伝導率の値はこれらに比
べて２〜３桁も大きい。従って、平面グラファイト製治
具１−３のドツト状の突起構造１−４との接触点１−６
がシードとなり、該シードを中心として放射状に前記非
晶質シリコン薄１１！１−２が固相成長を始める。この
様子を第１因（Ｃ）に示す。１−５は、ドツト状の突起
構造１−４と非晶質シリコン薄膜１−２との接触点１−
６をシードとして固相成長した結晶相を示している。こ
のように固相成長の始点となるシードが、アニール雰囲
気ガスよりも熱伝導車の高い物質を接触させることによ
って生成されるので、固相成長の為の熱処理温度をより
低温にすることが可能になる。これまでは、熱処理温度
は５００℃〜７○０℃として述べてきたが、更に低温例
えば４００℃〜５００℃の熱処理でも固相成長する可能
性がある。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。

第１図（ｃ）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個の前記接触点１−６
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１−７が形成された様子を第１図（ｄ）
に示す。ある結晶粒界１−７とその隣の結晶粒界１−７
との間が結晶相となる。前に述べたように、ドツト状の
突起構造１−４の間隔りを例えば２０μｍにすれば、結
晶相１−５は前記接触点１−６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。第１
図（ｅ）は、該大粒径多結晶シリコン薄膜を示している
。

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（８）に示すように、結晶粒界１−７
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は固相成長により形成された
結晶相である。２−３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２−２が島状パターンの中心部になるよう
にパターニングする。　　次に第２図（Ｃ）に示されて
いるように、ゲート酸化膜２−４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ＣＶＤ法、ＥＣＲプラズ
マＣｖＤ法、あるいは高真空蒸着法、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５００℃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℃以上と高いが膜質が優れているこ
とから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２−５
を形成する。この時、該ゲート電極２−５は結晶粒界２
−３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２−５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ＩＴＯやＳ　ｎ　０２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−
５をマスクとして不純物をイオン注入し、自己整合的に
ソース領域２−６およびドレイン領域２−７を形成する
。同図に於て２−２はまったくの結晶領域であり、これ
はＭＯ８型薄膜トランジスタのチャネル領域となる。結
晶粒界２−３はドレイン領域２−７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
ＰｏあるいはＡｓ”を用い、Ｐｃｈ　）ランジスタを作
製する場合はＢ゛等を用いる。不純物添加方法としては
、イオン注入方の他に、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。２−８で示さ
れる矢印は不純物のイオンビームを表している。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、１×１０＋
６からｌＸＩＯ２・ｃｍ−’程度とする。

続いて第２図（ｆ）に示されるように、眉間絶縁＄２−
９を積層する。該眉間絶縁膜材料としては、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層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ｍ２−９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歿
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。グラ
ファイトなどのような熱伝導率の高い材質の治具を用い
ることによってシードを形成するのでフォト工程など、
工程数はまつたく増えない。６００　’Ｃ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。

固相成長法において、熱処理の雰囲気ガスよりもきわめ
て大きな熱伝導率を有する材質で作成された治具を、非
晶質シリコン薄膜に接触させて熱処理することによって
、前記非晶質シリコン薄膜上に温度差が生じ、この接触
点は雰囲気ガスよりも高い温度となる。この様にしてシ
ードカミ形成される。従って、固相成長のための熱処理
温度を更に低温にすることが可能になる。

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　消費電流の低線　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、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、さらに階調をと
る場合に非常に大きな効果をうみだす。高解像度化が達
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　ｌ　２０３）　アルイハＭｇ　Ｏ−Ａ　ｌ　２０ｓ
。

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ＳＯ
Ｉ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（ｅ）は、本発明における半導体Ｍ膜
の結晶成長方法を示す工程断面図である。 第１図（ｆ）は、平面グラファイト製治具の平面図であ
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ＷＩＩＩトランジスタの工
程図である。 １−５　；結晶相 １−７　；結晶粒界 ２−２　；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） １−１　；　非晶質絶縁基板 １−２　；非晶質半導体薄膜 １−３　；平面グラファイト製治具 １−４　；　ドツト状突起構造 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第 図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第２図 第 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
   非晶質半導体薄膜を５００℃〜７００℃の低温熱処理に
   より再結晶化させる半導体薄膜の結晶成長方法において
   、任意の間隔をおいてドット状の突起構造を有する平面
   グラファイト治具の上に、前記非晶質半導体薄膜の表面
   を接触させて設置して低温熱処理することにより前記非
   晶質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。