JPH04318921A - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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JPH04318921A
JPH04318921A JP8524991A JP8524991A JPH04318921A JP H04318921 A JPH04318921 A JP H04318921A JP 8524991 A JP8524991 A JP 8524991A JP 8524991 A JP8524991 A JP 8524991A JP H04318921 A JPH04318921 A JP H04318921A
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜トランジスタ等の半
導体素子に応用できる多結晶シリコン薄膜の製造方法に
関し、特に低温で低融点ガラス等の基板上に形成できる
多結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】低融点ガラス基板上に、微結晶または多
結晶Si(poly−Si)を素子材とした高性能な薄
膜トランジスタ(TFT)を作成する試みが活発化して
いる。特に、基板としてコーニング社製7059基板等
の低融点ガラス基板を用い、プロセスの最高温度450
℃程度以下で、高易動度、高ON/OFF比のTFTを
作成するプロセスの実用化が待望されている。
【0003】従来poly−Siをガラス基板上に成膜
するには、減圧CVD法を用いて基板温度600℃程度
でモノシランガスを熱分解する方法が知られている。ま
た高性能なpoly−SiTFTを作成する従来の方法
は、非晶質Si(a−Si)を固相成長法によって大粒
径化したpoly−Siを形成し、TFTを作成する方
法や、a−Siやpoly−Siをレーザーアニーリン
グによって溶融再結晶化し、TFTを作成する方法等が
あった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】減圧CVD法でpol
y−Siを成膜する方法では、成膜温度上の要求から低
融点ガラスを基板に用いることはできない。また固相成
長法によって大粒径poly−Siを得るためには、6
00℃程度の温度で4〜70時間という長時間アニール
をしなければならず、低融点ガラスを基板に用いること
はできない。レーザーアニーリングは、レーザービーム
の不均一特性による素子特性ばらつきや、スループット
が低い等の問題点があった。
【0005】このため、特開昭63−175417、特
開平2−177368、特開平2−202018、Ma
terials Research Society 
Simposia Proceedings,  Vo
lume95, p.225 (1987)等に見られ
るように、プラズマ化学気相成長法(PCVD)で、シ
ランガスと弗素、フロロシラン等のエッチング性ガスの
混合ガスをグロー放電分解することにより、低温で多結
晶シリコンを製造することのできる方法が注目されてい
る。
【0006】これらの成膜方法で得られたpoly−S
i薄膜は、エッチング性ガスとして弗素ガス等のハロゲ
ンガスやフロロシラン、ジクロルシラン等のハロゲン化
物を含むため、得られたpoly−Si中には弗素や塩
素などのハロゲン原子が不純物として含まれる。pol
y−SiTFTを作製するとき、これらの不純物は結晶
欠陥の原因となり、TFTのリーク電流の増大を引き起
こすので大きな問題となる。
【0007】特開平2−248038に見られる多結晶
シリコン薄膜の製造方法は、エッチングガスとして水素
を用いているので、前述の不純物混入の問題はない。し
かし、水素の活性化状態を反応ガスとは別個の活性化室
を設けて制御しているため、装置が複雑化するという問
題点があった。また特公平3−8102に見られる半導
体薄膜の製造方法は、上記の問題点に加え、得られる薄
膜が非晶質シリコンと多結晶シリコンの混在状態であり
、TFTに応用するには適さないという問題点もあった
【0008】本発明は以上の問題点を解決するものでそ
の目的は、ハロゲンガス等の不純物を含まない高品質の
poly−Siを、簡易な装置で、低温で成膜できる方
法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の多結晶シリコン
薄膜の製造方法は、シリコンを含有するガスをプラズマ
励起によりグロー放電分解し、基板上に多結晶シリコン
を形成させる方法において、基板上における水素の活性
状態を、グロー放電用電極間の距離を調整することによ
って制御することを特徴とする。
【0010】
【実施例】以下、本発明の製造方法について詳述する。 使用する基板は単結晶Si以外の基板なら、低融点ガラ
スでもセラミック基板等でも、石英基板でもよい。単結
晶Siを基板に使用するとpoly−Siではなくエピ
タキシャルSi膜が得られる。本実施例ではコーニング
社製7059基板を使用した。PCVD装置は、平行平
板型電極を持つアネルバ社製PED−302型を使用し
た。図1に本発明で用いたPCVD装置の概略図を示す
。1は反応室、2は排気管、3は対抗電極、4はガス吹
き出し孔、5はガス導入部、6は高周波印加電極、7は
基板加熱ヒータ、8は基板、9は高周波電源である。 図1中のWは電極間距離を表す。成膜ガスにはSiH4
、Si2H6、Si3H8等と、H2の混合ガスを用い
る。本実施例ではシラン(SiH4)とH2の、混合ガ
スを用いた。
【0011】基本的な反応機構は次に示す式1に従う。 式1の反応において、R1が成膜反応で、R2がエッチ
ング反応である。
【0012】
【化1】 (nは無次元数)式1において、水素濃度を増して行く
とR2の反応が優勢となるので、結合エネルギーの弱い
Si−H結合はR2のエッチング反応により選択的に切
られる。このためSi−Si結合だけが残ることになり
、このような条件のもとでは基板上にはpoly−Si
が成膜される。一方、シランガス濃度が増えると式1に
おけるR1の成膜反応が優勢となり、基板上には水素濃
度の大きい非晶質シリコン(a−Si)が成膜される。 このようなR1とR2の競合関係は、水素ガス濃度に対
するシランガス濃度の比を変えることによって容易に調
整することができる。
【0013】従ってpoly−Si薄膜を形成するには
、シランガスを大流量の水素ガスで希釈し、シラン濃度
/水素濃度比を少なくとも0.1以下にすることが必要
となる。実際にpoly−Siを成膜する場合、シラン
/水素ガス濃度比はガス流量比でSiH4/H2=0.
5〜5.0%、特に1.0〜3.0%が望ましい。0.
5%より小さいと水素ガスによるエッチング反応が優勢
になりすぎ、デポレートが極端に小さくなり、粒径も小
さいpoly−Siしか成膜されない。5.0%を越え
ると成膜反応が優勢となり、a−Siしか成膜されない
【0014】反応室内の圧力は0.1〜10.0Tor
rで、特に0.3〜1.5Torrが好ましい。プラズ
マを発生させる高周波電力は、電力密度0.01〜5.
0W/cm2、好ましくは0.03〜0.06W/cm
2とする。 0.01W/cm2より小さいと、エッチング反応が弱
くなりすぎ、5W/cm2を越えると薄膜がプラズマダ
メージを受け、高品質の膜を形成できない。基板温度は
100〜600℃である。好ましくは200℃〜400
℃とする。基板温度が100℃より低いとa−Siが成
膜され、600℃より高いと低温成膜PCVDの利点を
生かせなくなる。
【0015】poly−Siを成膜するための重要な条
件は、平行平板型PCVD装置の対向電極間距離(以下
、電極間距離;図1のW)である。エッチング反応が進
むためには、電極間距離が十分に短く、水素が活性状態
で基板上に到達しなければならない。電極間距離が長い
と、エッチング反応は気相中で起こり、基板上には非晶
質シリコンが成膜される。このため、電極間距離Wは高
周波電力と圧力によって規定される。高周波電力が0.
03W/cm2で、圧力が1.2Torrの場合は、電
極間距離Wは45mm未満、好ましくは27mm以下、
更に好ましくは20mm以下である必要がある。成膜前
に1×10−6Torr以下の真空にした反応室内にS
iH4:H2=1.8:98.2の混合ガスを総流量2
00SCCMで供給し、内圧を表1に示す圧力に調整し
た。基板温度を表1に示した温度に設定した後、基板温
度が安定するまで約20分間成膜ガスを流した。次いで
13.56MHzの高周波電源を用いて、放電電力0.
03W/cm2で120分間放電し、ガラス基板上にシ
リコン薄膜を成長させた。成長速度は9〜22Å/分で
あった。得られたpoly−Siの平均粒径はX線回折
によって測定した。
【0016】表1に本発明の製造方法によって作成した
poly−Siの諸特性を示す。表1に明らかなように
、膜厚が1000Åという比較的薄い膜厚でも、結晶粒
径が1000Å程度のpoly−Siが成膜されている
。また結晶方位は表1に示す全ての膜で(111)、(
220)方位のX線回折ピークを観測しており、特にN
o.3、No.4の膜では(220)方位が優先配向と
なるpoly−Si薄膜が得られている。エッチングガ
スにハロゲン系のガスを用いる場合は、膜厚が2500
Å以上から多結晶化が始まることが知られており、薄膜
化が困難だったが、本発明の製造方法によれば、pol
y−Siの薄膜化も可能となるためTFTの応用に際し
効果は大きい。
【0017】
【表1】
【0018】表2に比較例として、電極間距離を45m
mとした場合に、表1と同様にして成膜したSi薄膜の
諸特性を示す。表2に明らかなように、比較例に示した
条件ではpoly−Siが得られず、a−Siが成膜さ
れる。
【0019】
【表2】
【0020】本発明において、成膜ガスに元素周期律表
第III族または第V族のドーピングガスを混入するこ
とにより、p型またはn型のpoly−Siを成膜する
ことができる。ドーピングガスには例えばジボラン、ホ
スフィン、アルシン等が挙げられる。
【0021】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば高品
質のpoly−Siを200℃程度の低温で成膜するこ
とができる。このため基板ガラスに低融点のガラス基板
を用いることができ、TFT製造プロセスの低温化が可
能となる。従って本発明を用いれば、低価格のガラス基
板を用いることができるので、液晶ディスプレイ、密着
型イメージセンサ、太陽電池等のデバイスの低コスト化
に大きな効果がある。しかも必要な装置は通常のプラズ
マCVD装置で良く、水素ガスを活性化するための付加
的な装置は必要ない。
【0022】また本発明はハロゲン系のガスを全く用い
ていないため、弗素のようなTFTの特性に悪影響を及
ぼす不純物元素がpoly−Si膜中に混入することが
無いという大きな利点がある。
【0023】またLPCVD法、固相成長法、レーザー
アニーリング法等で得られたpoly−Si薄膜は、そ
の結晶粒界にダングリングボンドがあるため電気的特性
が劣化するという問題点があり、これを解決するために
poly−Siを成膜後、水素プラズマ等の手段によっ
てダングリングボンドをパッシベートする必要があった
。ところが本発明の方法では、poly−Si成膜時に
水素プラズマにさらされているので、水素パッシベーシ
ョンを後から施す必要はないという長所もある。
【0024】更に、LPCVD法、固相成長法、レーザ
ーアニーリング法等で得られるpoly−Si薄膜は{
111}の優先配向になるのに対し、本発明の方法で得
られたpoly−Si薄膜は{110}の優先配向とな
る。poly−Si薄膜の面内方向(水平方向)に対す
る電子移動度は、{111}配位よりも{110}配位
のpoly−Siの方が大きいことが知られている。 従って、本発明の方法で得られたpoly−Siを使え
ば、高電子移動度の高性能TFTを容易に作成できるよ
うになるという大きな長所も合わせもつ。また本発明は
4Mビット以上の高集積化SRAMの負荷素子用TFT
に代表される、IC、LSI、3次元SOI素子等の半
導体素子一般への応用にも効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明で用いたPCVD装置の概略図。
【符号の説明】
1………反応室 2………排気管 3………対抗電極 4………ガス吹き出し孔 5………ガス導入部 6………高周波印加電極 7………基板加熱ヒータ 8………基板 9………高周波電源

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  シリコンを含有するガスをプラズマ励
    起によりグロー放電分解し、基板上に多結晶シリコンを
    形成させる方法において、基板上における水素の活性状
    態を、グロー放電用電極間の距離を調整することによっ
    て制御することを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造
    方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0641018A1 (en) * 1993-08-23 1995-03-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Manufacturing method of semiconductor device and thin film transistor with a recrystallized thin semiconductor film
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