JPH03289129A - 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、薄膜半導体装置の製造方法に関わり、特に、
大粒径Ｓｉ膜の形成方法に関する。

［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、　ＳＯＸ　　（
Ｓｉｌｉｃｏｎ　　　Ｏｎ　　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）
技術として知られている。　（参考文献　ＳＯＩ構造形
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固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℃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。　（参考文献　ＩＥＥＥ　　
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ
、ｖｏｌ、ＥＤＬ−８，Ｎｏ、８．ｐ３６１．Ａｕｇｕ
ｓｔ　　１９８７）。　　さらに近年、Ｓ○工あるいは
、三次元ＩＣや、大型液晶表示パネルや、高速で高解像
度の密着型イメージセンサ等へのニズが高まるにつれて
、低温で良質のゲート絶縁膜を形成する技術が重要とな
ってきた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の固相成長法では、非晶質シリコン
膜を堆積させた後、−旦大気中に取り出してから固相成
長工程にはいっていた。従って非晶質シリコン膜表面に
は結晶成長の妨げとなる酸素やその他の不純物が吸着し
ており充分な結晶成長が得られなかった。

本発明は、この様な問題点を解決し、結晶粒径の大きな
シリコン膜を簡単な固相成長法によって形成して非常に
優れた特性を有するＴＰＴを実現することを目的として
いる。

［課題を解決するための手段］ 本発明の薄膜半導体装置の製造方法は、　（１）絶縁基
板上に非晶質半導体薄膜を成膜し、該非晶質半導体薄膜
を大気中に取り出すことなく連続して熱処理することに
より固相成長させる工程を少なくとも含むことを特徴と
する薄膜半導体装置の製造方法。

（２）特許請求の範囲第１項記載の薄膜半導体装置の製
造方法において、プラズマＣＶＤ装置のチェンバー内に
絶縁基板を設置しモノシラン（ＳｉＨ４）あるいはジシ
ラン（Ｓｉ２Ｈ６）あるいはトリシラン（Ｓｉ３Ｈ６）
を少なくとも含む混合ガスを導入し、グロー放電分解に
よりａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化非晶質シリコン〉膜を堆積す
る工程と、その後前記混合ガスを排気した後前記チェン
バー内を大気圧に戻すことなく真空のまま、もしくは窒
素ガスあるいはヘリウムガスあるいはアルゴンガス等の
不活性ガスに置換し、６００℃〜７００°Ｃに徐々に昇
温して前記ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を固相成長させて固相成長Ｓ
ｉ膜を形成させる工程を少なくとも含むことを特徴とす
る。

［実施例コ 第１図（６）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。ＳｉＯ
２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ＳｉＯ２で覆われたＳｉ基板を用いる場合は１２
００℃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６００
°Ｃ以下の低温プロセスに制限される。また、ガラス基
板は、酸化膜あるいは窒化膜でコーティングして基板か
らの不純物のしみだしを防止して用いられることもある
。はじめに非晶質絶縁基板１−１上にａ−Ｓｉ膜１−２
を堆積させる。該ａ−Ｓｉ膜１−２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。堆積方法としてはＥＢ　（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ　　Ｂｅａｍ）蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法や光
ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法がある。プラズマＣＶＤ法
は、光起電力素子や、フォトダイオードや、感光ドラム
などを作製する場合によく用いられる方法である。

ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を堆積させるには、シランガス（ＳｉＨ
６）をヘリウムガス（Ｈ６〉あるいは水素ガス（Ｈ２）
で適した温度に希釈し、高周波電圧を印加して、分解堆
積させる。プラズマＣＶＤ法の場合は、基板温度が５０
０℃以下でも成膜できる。

前記シランガスの代わりにジシランガスあるいはトリシ
ランガスを用いると、さらに低い基板温度でも成膜する
ことが可能となる。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。第２図にプラズマ
ＣＶＤ装置のチェンバーの断面模式図を示す。２−１は
チェンバ２−２は高周波電源、２−３は基板ホルダー２
−４は基板を示している。

ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の成膜が終わったら、成膜にもちいたシ
ランなどの反応ガスを排気し、チェンバ−内を真空に引
く、このときの到達真空度は少なくとも１Ｘ１０−’Ｔ
ｏｒｒ以下であることが望ましい。

つづいて、チェンバー内の基板ホルダー２−３を徐々に
加熱して、前記ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１−２を同相成長させる
。このときの加熱温度は６００℃または７００℃を上限
とする。この様な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（
ｂ）において１−３は固相成長Ｓｉ膜を示している。ま
た第２図の２−１で示した前記チェンバー内は窒素ガス
やヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気で
もよい、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜からの水素放出が急激にならな
いように昇温速度ｖｕ、はなるべく小さくするのが望ま
しい。固相成長終了後、降温速度ＶｄｏｗｎはＶ。より
も小さいほうがよい。

第３図（６）に固相成長アニール昇温カーブを示す。縦
軸はアニール温度、横軸は時間を示している。水素の放
出を徐々に行なうために４５０℃程度の温度でしばらく
の時間保持してアニールしてもよい。その昇温カーブを
第３図（ｂ）に示す。

次に前記固相成長した固相成長Ｓｉ膜１−３をフォトリ
ソグラフィ法によりパターニングして第１図（Ｃ）に示
すように島状にする。

次に第１図（ｄ）に示されているように、ゲート酸化膜
１−４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°Ｃ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１−１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［化法の
方が適している。酸化膜１−４はＮ　２０ガスとシラン
ガスの混合ガスをグロー放電分解させるプラズマＣＶＤ
法で堆積させて作成してもよい。酸化膜１−４形成後、
約５００°Ｃ以下のアニールにより前記酸化膜１−４を
緻密化させてもよい。

続いて第１図（ｅ）に示されるように、ゲート電極１−
５を形成する。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ＩＴ
ＯやＳｎ○２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、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、スパ
ッタ法、真空蒸着法、等の方法がある。プラズマＣＶＤ
法によりリン、あるいはボロンをドープしたａ−Ｓｉ：
Ｈ膜を堆積して固相成長させたＳｉ膜をゲート電極とし
て用いるとゲート配線抵抗を低減することが出来る。

続いて第１図（ｆ）に示すように、前記ゲート電極１−
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１−６およびドレイン領域１−７を形成する
。前記不純物としては、Ｎｃｈトランジスタを作製する
場合はＰ゛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、イオン注入法の他に、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。１−８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１−１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。

不純物流度は、１Ｘ１０１５から１×ＩＯ２″ｃｍ″３
程度とする。

続いて第１図（ｇ）に示されるように、層間絶縁膜１−
９を積層する。該層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０反応には、アンモニア
ガス（Ｎ　Ｈ３）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膜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、層間絶縁膜１−９を積層する
前におこなってもよい。

次に第１図（ｈ）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
極を形威しソース電極１−１０およびドレイン電極１−
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。

［発明の効果コ 従来の固相成長法では、例えばａ−Ｓｉ膜を堆積した後
固相成長アニールするためにチェンバーから大気に取り
出してからアニール炉に再び設置していた。このように
前記ａ−Ｓｉ膜は大気にさらされてから固相成長すると
いう工程であった。

従ってａ−Ｓｉ膜表面は酸素をはじめ結晶成長を妨げる
ような不純物によって汚染されており、Ｓｉ膜の結晶粒
径を大きくさせたり結晶性を改善させるために数十から
数百時間という長いアニール時間が必要であった。

本発明によれば、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の成膜と固相成長を同
一チェンバー内で連続して処理することが出来る。従っ
てａ−Ｓｉ：Ｈ膜の表面が清浄な状態で固相成長ができ
るので固相成長に要する時間が短縮され、わずか数時間
のアニールで結晶粒径の大きな優れた結晶性の固相成長
Ｓｉ膜が得られる。

本発明により、非常に優れた固相成長ＴＰＴを実現する
ことが可能となる。

数十〜数百°Ｃの基板温度で堆積可能なので、軟化温度
の低いガラス基板を用いることもできる。

ＳＯＩ技術の発展に大きく寄与するものである。

フォトリソグラフィ工程数はまったく増えない。

６００℃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。５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。

本発明によって得られたゲート絶縁膜と大粒径多結晶シ
リコン薄膜を用いて薄膜トランジスタを作成すると、優
れた特性が得られる。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。

ＮチャネルとＰチャネルとの特性の不釣合いさも改善さ
れる。

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ｔこ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、消費電流の低減、信頼性の向上に対して大
きな効果がある。

また、６００’Ｃ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低価格化及び大面
積化に対してもその効果は大きい。

本発明を、充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サイズあるいはＡ３サイズの様な大
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。

この他、高精細液晶テレビあるいは駆動回路を同一基板
上に集積したサーマルヘッドへの応用も可能となる。

石英基板やガラス基板だけではなく、サファイア基板（
Ａ１２０３）あルイはＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ５゜ＢＰ、Ｃａ
Ｆ２等の結晶性絶縁基板も用いることができる。

以上実施例では薄膜トランジスタを例として説明したが
、通常のＭＯＳトランジスタや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ＳＯＩ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。

なお実施例では、非晶質半導体薄膜の形成方法としてプ
ラズマＣＶＤ装置を用いた場合について説明したが、Ｅ
Ｅ蒸着法やスパッタ法や減圧ＣＶＤ法等他の方法を用い
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（６）から（ｈ）は、本発明の実施例を示す工程
断面図である。 第２図は、プラズマＣＶＤ装置のチェンバー断面図であ
る。 第３図（６）と（ｂ）は、固相成長のアニール条件示す
昇温カーブである。 　−２ −３ −４ ａ−Ｓｉ：Ｈ膜 固相成長Ｓｉ膜 ゲート酸化膜 以上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板上に非晶質半導体薄膜を成膜し、該非晶
   質半導体薄膜を大気中に取り出すことなく連続して熱処
   理することにより固相成長させる工程を少なくとも含む
   ことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の薄膜半導体装置の製
   造方法において、プラズマＣＶＤ装置のチェンバー内に
   絶縁基板を設置しモノシラン（ＳｉＨ＿４）あるいはジ
   シラン（Ｓｉ＿２Ｈ＿６）あるいはトリシラン（Ｓｉ＿
   ３Ｈ＿８）を少なくとも含む混合ガスを導入し、グロー
   放電分解によりａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化非晶質シリコン）
   膜を堆積する工程と、その後前記混合ガスを排気した後
   前記チェンバー内を大気圧に戻すことなく真空のまま、
   もしくは窒素ガスあるいはヘリウムガスあるいはアルゴ
   ンガス等の不活性ガスに置換し、６００℃〜７００℃に
   徐々に昇温して前記ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を固相成長させて固
   相成長Ｓｉ膜を形成させる工程を少なくとも含むことを
   特徴とする薄膜半導体装置の製造方法。