JPH02207537A - 薄膜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〕 本発明は薄膜半導体装置およびその製造方法に係り、特
にアクティブマトリクス方式のデイスプレィに好適な薄
膜半導体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

アクティブマトリクス方式液晶デイスプレィの大画面化
、高画質化を図るために、薄膜半導体装置である薄膜ト
ランジスタ（工ｈｉｓ　Ｆｉｌｎ＋Ｔｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ　、略してＴＰＴ）の材料としてキャリア移動度の大
きい多結晶シリコン膜が用いられている。

キャリア移動度は多結晶シリコン膜の結晶性に強く依存
していることから、特性の良いＴＦＴ＆得るには、結晶
粒をできるだけ大きくしてキャリア移動度を大きくする
ことが望ましい。

従来、絶縁基板上に膜を成長させる場合、成長初期には
核が基板上にランダムに形成されるため、最初は結晶粒
は小さく、膜厚の増大につれて結晶粒は大きくなり、結
晶性の優れた多結晶シリコン膜になる。従って結晶粒径
を大きくするには膜厚を厚くしなければならない問題が
あった。この問題を解決するため、特開昭６１−８５８
１５号記載のように、絶縁基板上に生成した核を熱処理
により成長させ、これを種結晶として多結晶シリコン膜
を形成する方法が試みられた。この方法は、結晶性向上
に効果は認められるが、基板上にランダムに生成した核
は熱処理をしてもまだ十分大きくならないため、核の数
は減少せず、結局結晶性や結晶粒径も十分大きくなると
は言えない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術、すなわち絶縁基板上に多結晶シリコン膜
を形成する方法においては、絶縁基板とシリコン膜の界
面での核生成を抑制することが重要である。しかし、上
記従来技術では核の数についての配慮が十分でなく、し
たがって、多結晶シリコン膜の結晶性も十分でない、す
なわち、絶縁基板上に多結晶シリコン膜を形成する場合
、絶縁基板とシリコン膜の熱膨張係数や原子間距離の相
違、あるいは絶縁基板からの不純物導入などにより、基
板界面には歪が集中し、結晶核が生成しゃすい状態にな
っている。そのため、核はランダムに多数生成し、そこ
から結晶粒が成長するため、結晶粒は十分大きくならず
、結晶性は上がらない。

このことから、結晶性を上げるには、核発生を結晶化に
必要な最少限に抑制することが重要である。

本発明の目的は、非晶質シリコン膜とその下地との界面
での結晶の核生成を抑制することにより結晶粒が大きく
、かつキャリア移動度が大きくなるような多結晶シリコ
ン膜を形成できる薄膜半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、チャネル領域にあたるシリコン膜の下地部
分を、シリコンと水素で被覆した状態にしておきこの下
地の上に、非晶質シリコン膜を堆積し、熱処理して、非
晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変換させることに
より達成される。下地のシリコンと水素で被覆した状態
は、水素化アモルファスシリコン膜（以下略してａ−８
ｉ：Ｈ）を形成するか、絶縁基板表面に水素とシリコン
の分子イオンを注入して、水素とシリコンの化合物層を
作り絶縁基板表面をａ−８ｉ：Ｈの表面と同質の状態に
改質して形成する。

以下、非晶質シリコン膜の結晶成長過程と、下地膜の影
響について述べる。

第２図は絶縁基板上に減圧ＣＶＤ法により形成した非晶
質シリコン膜の結晶成長過程を透過型電子顕微鏡にて１
′！察した様子をモデル化した図である。第２図（ａ）
は絶縁基板に非晶質シリコン膜５０を堆積した状態であ
る。このときは膜中に結晶粒はみられない。この膜をＮ
２中６００℃で熱処理すると、第２図（ｂ）のように基
板１と膜５０の界面に結晶粒５１が形成される。膜中や
膜表面にはみられない。よって、結晶核は基板との界面
にのみ生成することがわかる。さらに熱処理を続けると
、第２図（ｃ）のように、結晶粒５１を核として周囲の
アモルファス成分を結晶成分に変換しながら結晶粒５２
が成長する。そして第２図（ｄ）のように隣接する結晶
粒がぶつかった時点で横方向の成長は終わり膜厚方向に
成長する。

このような結晶成長過程をとるため、結晶成長は核の生
成密度に強く依存する。よって核の発生を結晶化に最適
な程度まで抑制することにより、結晶粒をより大きくす
ることが可能となり、結晶性のすぐれた多結晶シリコン
膜を形成できる。そこで、絶縁基板と非晶質シリコン膜
の界面にａ−９ｉ　：Ｈを介在させることにより界面の
状態を変えて減圧ＣＶＤ膜形成し、熱処理後の結晶性を
比較した。

第３図はａ−８ｉ：Ｈ下地の有無での減圧ＣＶＤ多結晶
シリコン膜のＸ線回折スペクトルを示したものである。

多結晶シリコン膜のスペクトルには（１１１）（２２０
）（３１１）の３つの方位を持った回折線が観測された
。この回折線のピーク高さ（Ｘ線回折強度）が膜中の結
晶成分の量を表わしており、強度が強い程、結晶性の優
れた膜である。（１１１）の回折ピークに注目すると、
Ｘ線回折強度は下地膜を形成した場合、形成しない従来
の場合と比べて約１．５倍大きくなっており、結晶性が
良くなっていることがわかる。また、Ｘ線回折ピークの
線幅をもとにシェラ−（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）の式から平
均の結晶子の大きさを算出したところ、下地膜を形成し
た場合、３００Å以上となり、従来に比べて約１．５倍
大きくなっている。

以上のことから、非晶質シリコン膜と絶縁基板の間にａ
−Ｓｉ：Ｈを介在させることにより、結晶子の大きさが
３００Å以上と大きく、かつ結晶性のよい膜が得られる
ことがわかる。

〔作用〕

上記方法で結晶性が向上するのは次の理由による。絶縁
基板上にａ−３ｉ：Ｈ膜を形成、あるいはＨとＳｉの分
子イオン注入にする絶縁基板の表面改質することにより
、この下地とその上に形成する非晶質シリコン膜との界
面で起こる結晶核の生成が抑制されるためである。すな
わち、結晶核の生成は、界面での熱膨張係数の相違や格
子の歪などに起因するため、絶縁基板や酸化膜とシリコ
ン膜との界面では起こりやすく、５ｉ−５ｉの界面では
おこりにくい、よって界面での核生成を抑制するには界
面に酸化膜を介在させずに５ｉ−３ｉの界面を作ること
が必要となる。すなわち、酸化されにくく、かつシリコ
ン膜との熱膨張係数差の小さい膜ａ−８ｉ：Ｈを非晶質
シリコン膜と絶縁基板の間に介在させれば核発生を抑え
ることができる。ａ−８ｉ：Ｈと単結晶シリコンの自然
酸化膜の生成速度についてはサーフェイスサイエンス３
０．９１　（１９７２）（Ｓｕｒｆ、ｓｃｉ、３０゜９
１、（１９７２））および、ソリッド　ステイト　エレ
クトロン　２５，８７５　（１９８２）（Ｓｏｌｉｄ　
５ｔａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　２５．８７５（１９８
２））において論じられており、１０３ｓｅｃで単結晶
シリコンは１．０ｎｍ程度の自然酸化膜ができるがａ−
３ｉ：Ｈは０．１ｎｍ　以下であり、はとんど形成され
てない、よって、このａ−８ｉ：Ｈ上に非晶質シリコン
膜を形成すると、表面の水素が抜けて、そこにシリコン
が結合し、酸化膜の介在しない、熱膨張係数差のない界
面が形成され、核生成の抑制された界面になる。

また、ａ−Ｓｉ：Ｈは６００℃での熱処理をしても結晶
化しないため、ガラス基板とａ−３ｉ：Ｈの界面で核が
生成しても非晶質シリコン膜との界面まで、核が到達し
ない。よって、非晶質膜の核の数は、絶縁法・板の影響
を受けず、ａ−３ｉ：Ｈと非晶質シリコン膜の界面での
み生成する数となるため、核の生成を抑制することがで
きる。このように核の数が少くなるため大きな結晶粒を
得ることができる。

一方、シリコンを結晶化して、これを種結晶として結晶
成長させる場合、表面には短時間で自然酸化膜が形成さ
れるため、非晶質シリコンとの界面に自然酸化膜が介在
し、同相成長は妨げられる。

さらに、この自然酸化膜界面では新たな核生成がおこる
ため、核の数は増加し、結晶粒は大きくならない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第４図により説明す
る。

第４図Ａに示すように、まずガラス基板１上に直流４極
スパツタリング装置を用いてａ−８ｉ：Ｈ２を膜厚約５
００人形成した。雰囲気ガスとしてＡｒとＨ２を用い、
２Ｘ１０−”Ｐａの状懲で、基板温度３００℃以下にし
てスパッタリングを行った。上記により作製した試料上
に、第４図Ｂで示すように、ＬＰＣＶＤ法を用いて、５
５０℃、１　、　ＯＴｏｒｒで非晶質シリコン膜３を１
５００人堆積した。次に、第４図Ｃに示すように、Ｎ２
雰囲気中約６００℃で所定時間熱処理することにより、
非晶質シリコン膜３のみが結晶化して、多結晶シリコン
膜４になった。この膜をアイランドホト。

エツチングの工程を通した後、常圧ＣＶＤ法によりゲー
ト絶縁膜用の５ｉＯｚ１８を１０００人堆積させる。次
にゲート電極用のｐｏｌｙ　−Ｓ　ｉ膜１９を５５０℃
、１　、　ＯＴｏｒｒの条件で３５００人堆積させる。

ゲート絶縁膜１９をホト、エッチした後、ソ−ス、ドレ
イン領域１６．１７のインプラを行う。

条件はリン（Ｐ）を用い、５　Ｘ　１０１１５ｃｍ−”
のドーズ量、３０ＫｅＶの電圧である。リンガラスから
なるパッシベーション膜２１を４８０℃で５０００人堆
積させる。さらにＮ２中、６００℃の条件で２０時間熱
処理を行い、インプラ領域を活性化させる。コンタクト
用のホト、エッチ工程の後、ＡＩ２電極２０を６０００
人スパッタする。本実施例のＴＰＴのチャネル幅、チャ
ネル長はそれぞれ３０μｍ、１０μｍである。

次に本発明の第２実施例について第５図Ａ〜第５図Ｃお
よび第６図に基づいて説明する。

第５図に示すように、ガラス基板１上にシリコンと水素
の分子イオンを低エネルギーにてイオン注入してガラス
基板表面をＨとＳｉの化合物層６とし、ガラス基板表面
を改質する。

第６図は、低エネルギーイオン注入装置の説明図である
。真空容器１０１中のアノード電極１０３にガラス基板
１を設置し、容器内へＨｚで希釈したＳｉＨ４ガスを導
入する。容器内圧力は０．５〜５　、　ＯＴｏｒｒ程度
が良い０次に加熱ヒータ１０４により基板１を２００〜
３００℃に加熱しながらアノード電極１０３に対向する
カソード電極１０２に高周波電圧を印加して両電極間に
グロー放電を発生させてＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスをプラ
ズマ状態１０７とする。プラズマ中のイオンＨ＋、Ｓｉ
”ｔＳ　ｉ　Ｈ＋、　Ｓ　ｉ　Ｈ２＋、　Ｓ　ｉ＋Ｈａ
は加速電源１１１に接続された加速電極１１０によって
引きだされて、１〜５ｋＶ程度の比較的低い電圧で加速
され。

基板１に照射され基板表面がＨとＳｉの化合物層６にな
る。この装置は分子イオンを注入できること、大電流が
とれるので表面に多量にイオンを注入できること、低加
速電圧であるため浅く絶縁基板表面にイオン注入可能で
あることから絶縁基板の表面改質に適している。

以上のように表面改質した絶縁基板上に第１実施例と同
様に第４図Ｂに示すようにＬＰＣＶＤ法で非晶質シリコ
ン膜３を堆積した０次に第５図Ｃに示すように、Ｎ２雰
囲気中６００℃で熱処理することにより多結晶シリコン
膜４になった。以下第１実施例と同様のプロセスにてＴ
ＰＴを形成する。

第１および第２実施例で作ったＴＰＴの結晶性を評価す
るため、電界効果移動度を測定したところ、約５０ａｌ
１２−／ｖ−３となり、従来の絶縁基板に直接能動層で
ある多結晶シリコン膜を形成したＴＰＴに比べて約１．
５倍大きくなり、結晶性の優れた多結晶シリコン膜を得
ることができた。

以上、本発明を実施例に基づき説明したが、本発明の上
述の第１及び第２実施例に限定されるものではなく、本
発明の技術的思想に基づく様々の変態が可能である。た
とえば、第１実施例のａ　−８ｉ：Ｈの形成法としては
モノシランのグロー放電分解を用いても可能である。基
板温度３００℃以下、ＲＦパワー３００Ｗとした。

また、第１実施例ではａ−８ｉ：Ｈを堆積したが、同じ
ように水素を多量に含む膜たとえば、ａ−８ｉＯ：Ｈ，
ａ−８ｉＮ：Ｈ，ａ−８ｉＣ：Ｈを用いることにより同
様の効果があげられる。

また、第１および第２実施例において、第４図Ｂの工程
で減圧ＣＶＤ法により非晶質シリコン膜３を形成してい
るが、スパッタ法９分子線蒸着法を使っても同様の効果
があげられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、結晶粒径が大きく、結晶性の良い多結
晶シリコン膜を得ることができ、ひいては、キャリア移
動度の大きいＴＰＴを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例のＴＰＴの構造を示す図、第
２図は非晶質シリコン膜の熱処理における結晶成長過程
のモデル図、第３図は下地膜有無での多結晶シリコン膜
のＸ線回折スペクトルの比較図、第４図は本発明第一実
施例の各製造工程における第１図のＴＰＴの構造を示す
図、第５図は本発明第二実施例の絶縁基板改質工程にお
ける構造を示す図、第６図は低エネルギーイオン注入装
置を示す図である。 １・・・ガラス基板、２・・・ａ−３ｉ：Ｎ１３・・・
非晶質シリコン膜、４・・・多結晶シリコン膜、５・・
・イオン注入、６・・・ＨとＳｉの化合物層、１６・・
・ソース電極、１７・・・ドレイン電極、１８・・・ゲ
ート絶縁膜、１９・・・ゲート電極、２０・・・ＡΩ電
極、２１・・・リンガラス、１０１・・・真空容器、１
０２・・・カソード電極、１０３・・・アノード電極、
１０４・・・加熱ヒータ、１０７・・・プラズマ状態、
１１０・・・加速電極、１１１・・・加速電源。 第 幻 （Ｃ） 回ｊｆｒ角 、２θ （す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上に形成する能動層の下地部分を、シリコ
   ンと水素で被覆する工程と、第１の非晶質シリコン膜を
   前記被覆した基板上に形成する工程と第１の非晶質シリ
   コン膜のみを結晶成分に変換する熱処理工程を具備する
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。 ２、前記第１項記載の下地部分は、水素化アモルファス
   シリコン膜を堆積する、あるいは絶縁基板表面にシリコ
   ンと水素の分子イオンを注入することにより形成するこ
   とを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。 ３、前記第２項記載の水素化アモルファスシリコン膜を
   モノシランのグロー放電分解、水素を含む雰囲気ガス中
   でのスパッタ法を用いて形成することを特徴とする薄膜
   半導体装置の製造方法。 ４、前記第１項記載の非晶質シリコン膜を減圧ＣＶＤ法
   、スパッタ法、分子線蒸着法を用いて形成することを特
   徴とする薄膜半導体装置の製造方法。 ５、前記第２項記載の方法により表面を水素とシリコン
   で被覆することを特徴とする絶縁基板の、表面改質方法
   。