JPH11307452A - 半導体膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 絶縁基板上に形成される多結晶シリコン膜及
び絶縁膜の品質の均一性を確保できる半導体膜の形成方
法を提供する。 【解決手段】 絶縁性基板１上に非晶質シリコン膜２を
形成する第１工程と、光照射アニールして上記非晶質シ
リコン膜を多結晶シリコン膜３に変換する第２工程と、
圧力が５〜５０気圧、温度が３００〜７００℃の酸化能
力のある気体を含む雰囲気で上記多結晶シリコン膜３の
表面層を酸化して酸化シリコン膜４を形成する第３工程
とを有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体膜の形成方
法に係り、特に絶縁性基板上に形成される半導体膜の形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイやイメージセンサ等の
画像入出力デバイスの駆動回路は、いわゆるＬＳＩとし
て形成され、画像入出力デバイスの基板上に貼り付けら
れて実装されていた。ところが、この貼付作業は複雑、
かつ、面倒であるため、近年では、駆動回路を画像入出
力デバイスと同一基板上に直接作製するための開発が進
められている。これらの画像入出力デバイスの基板に
は、通常、半導体素子への不純物の影響を考慮して、無
アルカリガラスが用いられている。無アルカリガラスに
は、バリウムホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、ア
ルミノホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス等があ
る。これらの無アルカリガラスを使用したガラス基板の
歪点は５９３〜７００℃程度であるため、この基板上に
駆動回路を直接作製するときには、少なくとも７００℃
以下の温度で処理することが要求される。

【０００３】しかし、駆動回路を形成するのに必要な性
能を持ったトランジスタの半導体膜を、７００℃以下の
温度で作製するのは一般に困難である。７００℃以下の
温度で半導体膜を形成する方法として固相成長法があ
る。固相成長法は、非晶質膜を出発材料として、６００
℃程度の温度でアニールして多結晶化することにより、
多結晶シリコン膜を作って半導体膜を成形する方法であ
るが、その多結晶化の段階でそれぞれの結晶方位が異な
るため、その結晶粒界で多くの結晶欠陥が発生する。

【０００４】以上述べた問題点を解決するものとして、
特開平７−１６２００２号公報では、多結晶シリコン膜
の表面層を水蒸気を主成分とする雰囲気下で酸化した
後、その酸化膜を除去することによって、良質の半導体
膜を得る方法が提案されている。このように多結晶シリ
コン膜を酸化処理すると、シリコン原子が酸化されて酸
素原子と結合する過程において、シリコン原子同士の結
合が切り離され、ある確率で完全に自由になるシリコン
原子が生成される。この完全に自由になったシリコン原
子が、多結晶シリコン膜中を拡散して多結晶シリコン膜
中の結晶欠陥を補償し、結晶欠陥が低減されると考えら
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】絶縁性基板上に半導体
膜デバイスを形成するには、多結晶シリコン膜上に絶縁
膜を形成し、第３族または第５族の元素を注入し、熱処
理してＰ型またはＮ型半導体にする。このような半導体
デバイスでは、絶縁性基板全面にわたって均一な品質が
要求されるが、そのためには、上記第３族または第５族
の不純物元素注入前の多結晶シリコン膜と、絶縁膜の厚
さおよび品質の均一性が不可欠である。上記公報には、
これらの膜の均一性を確保するための技術については、
何ら開示されていない。また、多結晶シリコン膜の表面
層を酸化して、酸化シリコンの絶縁膜が得られるが、絶
縁膜の特性が劣るため、それを一旦除去し、その後絶縁
膜を再形成しなければならない。

【０００６】本発明は、従来技術の以上述べた問題点に
鑑み案出されたもので、絶縁基板上に形成される多結晶
シリコン膜および絶縁膜の品質の均一性を確保すること
のできる半導体膜の形成方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体膜の形成方法は、絶縁性基板上に非
晶質シリコン膜を形成する第１工程と、光照射アニール
して上記非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変換す
る第２工程と、圧力が５〜５０気圧、温度が３００〜７
００℃の酸化能力のある気体を含む雰囲気で上記多結晶
シリコン膜を酸化して表面に酸化シリコン膜を形成する
第３工程とを有している。

【０００８】上記光照射アニールは、波長の短いレーザ
ーアニールが好ましいが、ランプアニールでもよい。

【０００９】次に、本発明の作用を説明する。絶縁性基
板上に形成した非晶質シリコン膜に光と照射すると、光
エネルギは照射した物質の表面で熱エネルギに変換し、
表面を加熱する性質があるので、非晶質シリコン膜を選
択的に加熱してアニールする。したがって、絶縁性基板
の温度上昇も少く、安価なガラス基板であっても歪を起
すことがない。このように、非晶質シリコン膜を光照射
アニールすることにより、短時間で比較的良好な特性の
多結晶シリコン膜を得ることができる。

【００１０】このようにして得られた多結晶シリコン膜
を５〜５０気圧の圧力、３００〜７００℃の温度条件で
水蒸気などの酸化能力のある気体を含む雰囲気で酸化す
ることにより、表面に均一な厚さの酸化シリコン膜を形
成とともに、酸化されずに残る多結晶シリコン膜の膜質
をさらに向上させることができる。圧力を５気圧以上と
することにより、熱の伝達効率が高められて熱処理の均
一性が向上するとともに、酸化速度を高めることができ
るので、同じ酸化レートで処理すれば処理温度を低温化
することができる。なお、酸化シリコン膜はそのまま残
して薄膜トランジスタを作製するときの絶縁膜として使
用してもよいし、酸化シリコン膜を除去してその後絶縁
膜を別に形成してもよい。

【００１１】このように非晶質シリコン膜を出発点とし
て、光照射アニールと酸化処理とを組合せた処理を行う
ことによりきわめて良質の多結晶シリコン膜を形成する
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の１実施形態につい
て、図面を参照しつつ説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は
本発明の半導体膜の形成方法の説明用の図面であり、半
導体膜の断面図である。図において、１は絶縁性基板、
２は非晶質シリコン膜、３は多結晶シリコン膜、４は酸
化シリコン膜、５は膜質向上した高品質な多結晶シリコ
ン膜である。絶縁性基板１はガラス基板、石英基板、サ
ファイア基板等の基板を用いることができるが、ガラス
基板は安価であるので作製するデバイスコストを低減で
きるので好ましい。これらの基板上またはシリコンウエ
ハ上に絶縁膜を形成したものを用いてもよく、この絶縁
膜には酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニ
ウム、酸化タンタル等の単膜または２種以上積層したも
のを用いてもよい。

【００１３】図１（ａ）に示すように、前記絶縁性基板
１上に非晶質シリコン膜２を形成するには、プラズマＣ
ＶＤ法、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法等がある。減圧ＣＶ
Ｄ法で行うと熱処理後に良質な多結晶シリコン膜３が得
られる。基板１の温度は４００〜６００℃が好ましく、
使用する原料ガスはＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆を用い、膜厚は
５０〜５００ｎｍとする。

【００１４】次に、図１（ｂ）に示すように、光照射ア
ニールして非晶質シリコン膜２を多結晶シリコン膜３に
変換する。短波長のエキシマレーザーを照射してアニー
ルするのが好ましい。短波長のエキシマレーザーを用い
ることにより、できるだけ非晶質シリコン膜２表面で熱
吸収し非結晶シリコン膜２のみを加熱することができ下
地の絶縁性基板１へのダメージを低減することができ
る。したがって、安価なガラス基板を用いることができ
る。例えば、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波
長３０８ｎｍ）のエキシマレーザーを用いるのが好まし
い。しかし、これ以外のレーザーやランプを用いたアニ
ールでもよい。このようにして、短時間で比較的良質の
多結晶シリコン膜を得ることができる。

【００１５】次に、図１（ｃ）に示すように、この多結
晶シリコン膜３を、圧力が５〜５０気圧、温度が３００
〜７００℃の、水蒸気など酸化能力のある気体を含む雰
囲気で酸化して、表面に酸化シリコン膜４を形成する
と、酸化されずに残った多結晶シリコン膜は膜質がさら
に向上して高品質な多結晶シリコン膜５となる。

【００１６】このように、多結晶シリコン膜３を酸化す
ることによって、酸化されずに残る多結晶シリコン膜５
の膜質を向上させることができるのは、もともと、多結
晶シリコン膜３には膜表面や結晶粒内や結晶粒界等に多
くの結晶欠陥が存在するが、このような多結晶シリコン
膜３を酸化処理すると、シリコン原子が酸化されて酸素
原子と結合する過程において、シリコン原子同士の結合
が切り離されて、ある確率で完全に自由になるシリコン
原子が生成される。この完全に自由になったシリコン原
子が多結晶シリコン膜３中を拡散して多結晶シリコン膜
３中の結晶欠陥を補償し欠陥が低減されるからである。
特に、薄膜トランジスタのチャネルとなる多結晶シリコ
ン膜３表面の欠陥が低減されるので、良好な特性の薄膜
トランジスタを得ることができる。

【００１７】ここで圧力を５〜５０気圧としたのは、実
験データによれば図２に示すように圧力を高めることに
より、加熱炉内の温度の均一性を高めることができるか
らであり、温度を３００〜７００℃としたのは絶縁性基
板にガラスを使用する場合には、７００℃以下の温度で
処理することが要求されるからである。

【００１８】図２は、雰囲気圧力と温度均一性との関係
を示すグラフである。温度設定を６００℃として４００
×５００ｍｍ角のガラス基板の面内温度の均一性を評価
した。測定点数は５０点である。ここで、温度均一性
（％）とは、最高温度と最低温度との差の半分を平均値
で除した商を１００倍した数値である。図２から、高い
圧力下で熱処理すると圧力に応じて熱の伝達効率が高ま
るので熱処理の均一性を高められることが判る。多結晶
シリコン膜３を均一性の高い温度雰囲気で処理すれば、
それだけ均一性の良い多結晶シリコン膜５を得ることが
できる。１０％以下の良好な均一性を得るためには、お
よそ５気圧以上の雰囲気下で熱処理すれば良いことが判
る。また、１０気圧程度まで均一性の向上が顕著であっ
て、１０気圧以上から飽和傾向にあることから、特に好
ましくは、１０気圧以上とすることが効果的であり、逆
に５０気圧以上としても均一性の向上はみられない。

【００１９】さらに、上述のような酸化処理を５気圧以
上の雰囲気で行うと、７００℃以下の温度でも酸化を効
率よく行うことができる。一般には、同一温度であれば
圧力にほぼ比例して酸化レートがあがるので、同じ酸化
レートで処理するとすれば処理温度を低温化することが
できる。

【００２０】このように非晶質シリコン膜２を出発点と
して、光照射アニールと酸化処理とを組合せた処理を行
うことによりきわめて良質の多結晶シリコン膜５を得る
ことができるとともに、酸化シリコン膜４の膜厚の均一
性がよいので薄膜トランジスタを作製するときの絶縁膜
として使用すれば、絶縁膜を別に形成する手間を省くこ
とができる。

【００２１】本発明は、以上述べた実施形態に限定され
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更が可能でる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体膜
の形成方法は、絶縁性基板上に形成された非晶質シリコ
ン膜を光照射アニールにより多結晶シリコン膜とし、そ
れを酸化処理して表面に酸化シリコン膜を形成するとと
もに、酸化されずに残った多結晶シリコン膜の改質を行
うようにしたので、低温の処理が可能であり、品質の一
層の向上が可能であるなどの優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体膜の形成方法の説明用の図面で
ある。

【図２】雰囲気圧力と温度均一性との関係を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ 絶縁性基板 ２ 非晶質シリコン膜 ３ 多結晶シリコン膜 ４ 酸化シリコン膜 ５ 高品質な多結晶シリコン膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板上に非晶質シリコン膜を形成
   する第１工程と、光照射アニールして上記非晶質シリコ
   ン膜を多結晶シリコン膜に変換する第２工程と、圧力が
   ５〜５０気圧、温度が３００〜７００℃の酸化能力のあ
   る気体を含む雰囲気で上記多結晶シリコン膜を酸化して
   表面に酸化シリコン膜を形成する第３工程とを有するこ
   とを特徴とする半導体膜の形成方法。
2. 【請求項２】 上記光照射アニールはレーザーアニール
   またはランプアニールである請求項１記載の半導体膜の
   形成方法。