(57)【要約】【課題】非晶質の絶縁層上に任意の位置に単結晶半導体層を成長させることにより高性能半導体素子の積層化あるいは３次元化を可能にし、高機能な半導体集積システムを実現する。【解決手段】絶縁層上に非晶質半導体薄膜を堆積し、その一部に単結晶半導体層を接触させ、熱処理によって単結晶半導体層の結晶性を反映させ非晶質半導体薄膜を単結晶化する半導体薄膜の結晶化方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質絶縁膜あるいは非晶質絶縁基板上に、非晶質あるいは微結晶半導体薄膜を堆積し、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜表面の一部分に接して単結晶の半導体薄膜あるいは薄層を積層し、熱処理により該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層の結晶性を反映することによって下層の該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜を結晶化させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
非晶質絶縁膜あるいは非晶質絶縁基板上に、非晶質あるいは微結晶半導体薄膜を堆積し、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜表面の一部分に接して単結晶の半導体薄膜あるいは薄層を積層し、熱処理により該単結晶の半導体薄膜あるいは薄層と接していない領域の該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を横方向に進行させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
非晶質絶縁膜あるいは非晶質絶縁基板上に単結晶の半導体薄膜あるいは薄層を配置し、該単結晶の半導体薄膜あるいは薄層の少なくとも一部分を非晶質あるいは微結晶半導体薄膜で被覆し、熱処理により該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層の結晶性を反映することによって該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を進行させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
単結晶シリコンウェハから切り出した切片が非晶質あるいは微結晶シリコン薄膜の一部分に接しており、熱処理により該単結晶シリコン切片の結晶性を反映することによって該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を進行させることを特徴とする絶縁層上の単結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を<110>方向に進行させることを特徴とする単結晶半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項４において、該熱処理はレーザビームあるいはイオンビームあるいは電子線ビームあるいはマイクロ波などの電磁波の照射にすることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６において、絶縁膜あるいは絶縁基板上に形成した結晶性半導体薄膜の表面を化学的あるいは機械的あるいはその両方の研磨によって平坦化することを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子回路装置あるいは表示装置等に用いる結晶性半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子回路装置あるいは表示装置等に用いる薄膜トランジスタには、ガラスやプラスチックなどの絶縁物基板に堆積した非晶質あるいは多結晶半導体膜が用いられてきた。
【０００３】
薄膜トランジスタの性能を上げるためにはキャリア移動度の大きな結晶性の良い半導体薄膜を用いる必要がある。非晶質半導体膜のキャリア移動度は小さいため、非晶質半導体膜を電気炉で熱処理あるいはレーザ照射などの方法によって結晶化させる。結晶粒を大きくした多結晶半導体膜を用いることによって、キャリア移動度を大きくできる。
【０００４】
たとえば、連続発振グリーンレーザ照射法で結晶化した多結晶シリコン半導体膜を用いて薄膜トランジスタを製造すると、キャリア移動度はシリコンバルクの値に近くなる。しかし、様々な方位に配向した結晶粒の存在によりキャリア移動度のばらつきが生じ、さらに結晶粒界の存在によりしきい値のばらつきの発生および特性の長期信頼性の劣化をもたらす問題がある。このため、従来の薄膜トランジスタは単結晶シリコンを用いるバルクトランジスタと同様の電子回路設計には使用できない。
【０００５】
多結晶シリコン半導体膜を用いて薄膜トランジスタの性能を改善する方法のひとつに、電流が流れる方向のチャネル内には結晶粒界を含まない構成がある。文献１には、一対の不純物領域間に結晶粒界が形成されることなく複数の結晶方位を有する多結晶半導体薄膜の製造方法が提示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この方法により、チャネルを流れるキャリアの結晶粒界における散乱はかなり抑制できるが、平行に配列した複数の結晶方位をもつ結晶粒を利用することになり、依然、キャリア移動度のばらつきや界面準位のばらつきが残存し、トランジスタしきい値のばらつきの問題は回避できない。
【０００７】
非晶質絶縁膜上に結晶軸のそろった単結晶半導体薄膜を生成する方法として、単結晶シリコン基板に堆積したシリコン酸化膜に開口部を設け、その開口部を覆って非晶質シリコン膜を体積させ、その部分を結晶成長の種領域として、アルゴンレーザアニールにより結晶化させる方法が開示されている。この方法によってシリコン酸化膜上に、幅5μm、長さ15μmの部分的単結晶のシリコン領域を横方向に形成できるとの報告がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
この方法は露出したシリコン単結晶基板の一部を結晶核とするため、単結晶化する領域が狭い面積に制限される。また、絶縁膜上の任意の場所にシリコン単結晶膜を生成することはできず、基板もシリコン単結晶に限定された。また、表面平坦性を維持することが難しく、単結晶薄膜として結晶欠陥が多いことも問題であり、実用的なデバイス製造には適当な方法ではなかった。
【０００９】
また、単結晶半導体ウェハを絶縁膜を介して貼り合わせ、研磨によって薄膜化することで絶縁膜上に単結晶半導体薄層を作ることができる。これは、いわゆる薄膜トランジスタ用の半導体薄膜ではなく、シリコンオンインシュレータ（SOI）ウェハとして実用化されているが、コストが高いことに加えて、膜厚の制御と積層化が難しい問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−６６４２号公報（名称；半導体装置及びその作製方法）
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】J.Sakurai S.Kawamura M.Nakano and M.Takagi "Laser-induced Lateral Epitaxial Growth of Silicon over Silicon Dioxide with Locally Varied Encapsulation" Appl. Phys. Lett. 41(1), 64, (1982)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来、非晶質絶縁基板上に製造する薄膜トランジスタは、非晶質あるいは多結晶半導体を用いるのが一般的であり、単結晶半導体を用いる薄膜トランジスタは実用化されなかった。本発明の課題は、非晶質絶縁基板の任意の位置に単結晶半導体による高性能薄膜トランジスタを製造する実用的な技術を提供することである。一般的な単結晶バルクを用いたトランジスタと同程度の性能を有する薄膜トランジスタを提供することにより、各種電子回路あるいは表示装置の高性能化すなわち信号の高速処理化、低電圧化、低消費電力化などを低コストで実現することを可能にするものである。さらには、高性能薄膜トランジスタの微細化と積層化の両立を可能とし、超高集積電子回路の提供につなげることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）非晶質絶縁膜あるいは非晶質絶縁基板上に、非晶質あるいは微結晶半導体薄膜を堆積し、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の少なくとも一部に接して単結晶半導体の薄膜あるいは薄層を配置し、熱処理により該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層の結晶性を反映することによって該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を進行させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１４】
（２）（１）において、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の一部に接して該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層を配置し、熱処理により該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層と接していない領域の該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を平面的に進行させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１５】
（３）（１）において、該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層と接してない該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の表面を非晶質絶縁薄膜で被覆することを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１６】
（４）（１）において、該熱処理はレーザビームあるいはイオンビームあるいは電子線のスキャン照射によることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１７】
（５）（１）において、該熱処理はマイクロ波などの電磁波の照射によることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１８】
（６）（１）において、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜はシリコンからなり、該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層はシリコン単結晶ウェハから切り出した切片であることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００１９】
（７）（６）において、該単結晶半導体の薄膜あるいは薄層であるシリコン単結晶ウェハから切り出した切片の(100)面が該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の一部に接していることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００２０】
（８）（７）において、該非晶質あるいは微結晶半導体薄膜の結晶化を<110>方向に進行させることを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【００２１】
（９）（１）から（８）において、非晶質絶縁膜あるいは非晶質絶縁基板上に形成した結晶性半導体薄膜の表面を化学的あるいは機械的あるいはその両方の研磨によって平坦化することを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施により、非晶質絶縁基板あるいは絶縁膜の任意の場所に単結晶半導体薄膜を生成できる。本発明では、非晶質半導体膜を堆積し、これを熱処理により単結晶化させるため膜厚の選択幅が広く、その制御性も優れている。また、基板表面形状の凹凸に拘わらず任意の位置を選択して本発明を適用できる。該単結晶半導体薄膜を用いて薄膜トランジスタを製造すると、バルク半導体を用いた時と同様の静的電気性能が得られる。さらに、寄生容量などが大幅に削減されるため優れた動的電気特性すなわち高速動作と消費電力の削減が図れる。また、本発明によれば絶縁膜を介して複数の単結晶薄膜を積層できるので、薄膜トランジスタの3次元的な立体構成が可能になる。これは、高性能で小型な超高集積回路の製造技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施による、非晶質絶縁膜上に単結晶半導体膜を成長する方法の説明図。
【図２】本発明の実施による、酸化膜で被覆した非晶質半導体膜を単結晶化する方法の説明図。
【図３】本発明の実施による、端部に傾斜をもつ半導体切片を利用した非晶質半導体膜を単結晶化する方法の説明図。
【図４】本発明の実施による、CWレーザビーム形状と半導体膜の単結晶化の説明図。
【図５】本発明の実施による、単結晶半導体膜を用いた薄膜トランジスタの製造方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図1は、本発明を実施する最良の形態の説明図である。（1）の断面構造において、１は非晶質ガラス基板である。２はモノシランガスを用いた一般的なプラズマ堆積法による非晶質（アモルファス）シリコン膜である。好ましい膜厚は100nmである。1からの不純物拡散を防止するため、１と２の界面に気相成長法によるシリコン酸化膜を介在させてもよい。２には水素が含まれ、後のプロセスに影響するため、窒素などの不活性ガス中で450℃で30分熱処理し、脱水素処理する。この熱処理では非晶質状態は完全に維持される。
【００２５】
（2）において、（100）面方位の単結晶シリコンウェハから<110>方向の、幅1mm長さ5cmの短冊状の切片３を切り出し、１の表面に配置する。配置に先立っては、１の表面および１と接触する３の背面のシリコン自然酸化膜を希ふっ酸液で除去し、純水洗浄し、１と３の界面を密着させる。３の厚さは単結晶が維持されればよく、ハンドリングできる範囲で100μm程度あればよい。
【００２６】
（3）において、４は波長532nmの連続発振グリーンレーザビームを示す。４を、3の上に照射し、３の断面を横断する方向にスキャンする。４は単結晶シリコンである３にはほとんど吸収されないが、非晶質シリコンの２は大きな吸収を生じ、温度が上がって溶融する。望ましい条件は照射エネルギー密度とスキャン速度による。代表的な条件は、 180μm×20μmのビーム形状をもつ10Wのレーザのスキャン速度は45cm/秒である。溶融したシリコンはビームスキャン後に熱を発散し固化するが、３の下の溶融シリコンは３を結晶核としてその結晶性を反映して（100）面に結晶化する。すなわち、短冊状のシリコン切片に接した面の非晶質シリコンがはじめに膜厚方向に単結晶化する。さらに、（100)面方位の単結晶がスキャン方向と同じ<110>方向に横方向に成長する。さらに、５に示すように３の下からはずれてもスキャン方向に単結晶が横方向に伸長する。
【００２７】
（４）において、４のレーザビームを重なりをもって位置をずらし、（３）の操作を繰り返すことによって２の全面を６に示すようにシリコン単結晶切片３の幅5cmに渡って２０μm程度の長さに単結晶化する。結晶の長さは条件設定によって改良できる。非晶質の２は単結晶シリコン膜になる。３は凸部として２の表面に残るが、これは一般的なシリコンの化学研磨法によって容易に除去でき、平坦な表面の単結晶シリコン薄膜となる。
【００２８】
図２は、本発明を実施する他の形態の説明図である。（１）における、７および８は図１の１と２と同じものである。
【００２９】
（２）において、（100）面方位の単結晶シリコンウェハから<110>方向の、幅1mm長さ5cmの短冊上の切片９を切り出し、８の表面に配置する。配置に先立っては、８の表面および８と接触する９の背面のシリコン自然酸化膜を希ふっ酸液で除去し、純水洗浄し、８と９の界面を密着させる。９の厚さは単結晶が維持されればよく、ハンドリングできる範囲で100μm程度あればよい。露出している８の表面は、ニ酸化シリコン膜などの非晶質膜１０で被覆する。１０は、レーザ照射による熱処理においてレーザ光の反射防止膜となりレーザ光を効率よく８に吸収させるとともに、吸収したレーザエネルギーが外報に放散するのを抑制する。ニ酸化シリコン膜の場合、膜厚は50nmが望ましい。１０は、同じ目的で９を覆う構成にしてもよい。
【００３０】
（３）において、１１は本発明を実施する他の形態の説明図を示す。１１を、１０および９を透過して８に照射し、９の断面を横断する方向に該ビーム１１をスキャンする。１１は単結晶シリコンである９にはほとんど吸収されないが、非晶質シリコンの８は大きな吸収を生じ、温度が融点以上に上がって溶融する。望ましい条件は照射エネルギー密度とスキャン速度による。代表的な条件は、180μm×20μmのビーム形状をもつ４Wのレーザのスキャン速度は45cm/秒である。溶融したシリコンはビームスキャン後に熱を発散し１２のように固化するが、９の下の溶融シリコンは９を結晶核としてその結晶性を反映して結晶化する。すなわち、(100)面方位の単結晶がレーザスキャン方向と同じ<110>方向に成長する。さらに、１２に示すように９の下からはずれてもスキャン方向に単結晶が横方向に伸長する。
【００３１】
（４）において、１１のレーザビームを重なりをもって位置をずらし、（３）の操作を繰り返すことによって８の全面を１３に示すようにシリコン単結晶切片３の幅5cmに渡って単結晶化する。非晶質の２は単結晶シリコン膜になる。その後、希ふっ酸液で１０をエッチング除去する。１３の長さは１０の膜厚と１１の照射エネルギーおよびスキャン速度によるが、前記の条件においては100μm以上が得られる。前記の実施例と比較すると１０の効果は大きいことが分かる。９は凸部として８の表面に残るが、これは一般的なシリコンの化学機械研磨法によって容易に除去でき、平坦な表面の単結晶シリコン薄膜となる。
【００３２】
本発明のより効果的な他の実施例を図３に示す。図3（１）において、１４はガラス基板、１５は非晶質シリコン膜である。（２）において、16は短冊上の（１００）単結晶シリコンウェハ切片である。ただし、端部は１５に向かって傾斜を持っている。説明図では（111）面が表出している。（111）面の表出は一般的なシリコン異方性エッチングにより容易に実現できる。
【００３３】
（3）において、１６の端部を傾斜させることによりレーザビーム１７のスキャンによる温度勾配を緩やかにでき、１６の結晶性を１８の結晶化領域に反映させやすくなる。これによって、（4）に示す19全体の結晶欠陥を低減できる。
【００３４】
前記３つの本発明の実施例においては、取り扱いの容易な波長532nmの連続発振グリーンレーザビームの例を示した。本発明においては、非晶質半導体の結晶化に必要なエネルギーを与えればよく、熱源としてはレーザビームに限るものではない。マイクロ波などの電磁波、イオンビーム、電子ビームを用いてもよいことは明らかである。また、補助熱源として基板全体を一定の温度まで、例えば400℃に、加熱することでスキャンビームのエネルギーを低下できる。
【００３５】
図４は、本発明の実施例の要点である結晶化の様子を説明するための平面図である。２０はガラス基板上の非晶質シリコン薄膜、２１は100μm×10μmの大きさの短冊状のシリコンウェハ切片、２２は180μm×20μmのビーム形状をもつホモジェナイザーを通して強度を均一にしたＣＷグリーンレーザの楕円照射形状を示す。
【００３６】
２２を２１の表面領域からスキャンすることにより、２１の結晶性が２０に反映され非晶質シリコン膜の結晶化<110>方向に進行し、２３に示すように（１００）シリコン単結晶膜が成長する。
【００３７】
図５に、本発明の実施によるシリコン単結晶薄膜トランジスタの製造工程の例を示す。（１）は図1の実施例を用いた非晶質シリコン膜の結晶化肯定である。２４はガラス基板、２５は非晶質シリコン膜、好ましい膜厚は100nmである。２５には水素が含まれ、後のプロセスに影響するため、窒素などの不活性ガス中で450℃で30分熱処理し、脱水素処理する。（100）面方位の単結晶シリコンウェハから<110>方向の、幅1mm長さ5cmの短冊状の切片３を切り出し、２５の表面に配置する。配置に先立ってはシリコン自然酸化膜を希ふっ酸液で除去し、純水洗浄し、界面を密着させる。２６は波長532nmの連続発振グリーンレーザビームを示す。代表的な条件は、 180μm×20μmのビーム形状をもつ10Wのレーザのスキャン速度は45cm/秒である。 (100)面方位の単結晶がスキャン方向と同じ<110>方向に成長する。引き続き、シリカスラリーを用いた化学機械研磨を施し、切片３を除去し、平坦化する。（２）における２７に示す領域がデバイス製造に適した平坦化された単結晶薄膜となる。
【００３８】
（３）において、２８は２７の上に塗布法により堆積したリンを５％含むガラス膜（スピンオンガラス；ＳＯＧ）である。２８を所定の形状にパターン形成したのち、100nmの厚さの拡散防止用シリコン酸化膜２９で被覆し、ＣＷレーザでスキャンすることにより加熱し、リン原子を２７に選択的に拡散する。このレーザのエネルギーは（１）で用いた値と同程度かやや小さくてよい。これにより、２７中にリンを不純物とする高濃度n型領域３０および３１を形成する。
【００３９】
（４）において、２８および２９をエッチング除去した後、２５の上にRFスパッタ法により50nmの厚さのゲート絶縁膜となりシリコン酸化膜３３を堆積する。
【００４０】
（５）において、コンタクト領域となる３４及び３５の領域の３３を選択的にエッチングし、３０および３１を露出する。
【００４１】
（６）において、1μmの厚さのアルミニウム膜をRFスパッタ法で堆積し、パターン形成して、ソース電極３６、ドレイン電極３７、ゲート電極３８を形成する。さらに、４００℃で10分間のフォーミングガス中シンターを行い、半導体薄膜の欠陥を電気的に不活性化するとともに、３６および３７のアルミニウム電極とリンを高濃度に拡散したシリコン膜３０および３１との接触抵抗を低減し、薄膜トランジスタの主要工程を完成する。
【００４２】
図１から図4の本発明の実施例では非晶質半導体膜として不純物添加のない非晶質シリコン膜を用いたが、p型あるいはn型不純物をドープした非晶質シリコン膜でもほぼ同じ条件で本発明を実施できる。
【００４３】
また、半導体薄膜もシリコンに限るものでもなく、ゲルマニウムや各種化合物半導体に適用してもよい。
【００４４】
また、シリコン薄膜にニッケルなどの金属をドーピングすることによって、結晶化を促進できる。従来温度より低温で結晶化できる。例えば、ニッケル原子を４×１０１３  ｃｍ−２の濃度でシリコン薄膜にイオン注入すると５５０℃の温度で結晶化を行いことができる。
【００４５】
また、図５のn型シリコン単結晶薄膜トランジスタの実施例では拡散する不純物としてリンの例を示したが、本発明はこれに限るものでなく砒素、アンチモンあるいはp型シリコン単結晶薄膜トランジスタの場合にはボロンを適用できる。
【００４６】
以上の実施例から分かるように、本発明はきわめて簡単な工程で従来不可能であった単結晶半導体薄膜を非晶質基板の任意の位置に形成できる特徴がある。特に、高性能なシリコン薄膜トランジスタの工程数を削減できる技術を提供する。本発明は、液晶や有機ELなど各種ディスプレー駆動に不可欠な高性能半導体薄膜トランジスタとしてあるいは3次元集積化した低コスト半導体装置の製造方法としてきわめて有用であり、電子工業に広く貢献するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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