(57)【要約】【課題】生産性を低下させることなく、粒径が大きな単結晶領域を得ることが可能なアモルファスシリコンの結晶化方法を提供すること。【解決手段】アモルファスシリコンを結晶化させるアモルファスシリコンの結晶化方法であって、結晶成長が遅い第１のアモルファスシリコン膜２の上に、結晶成長が第１のアモルファスシリコン膜２よりも速い第２のアモルファスシリコン膜３を積層し、積層された第１、第２のアモルファスシリコン膜２、３に対して結晶化処理を施し、少なくとも第２のアモルファスシリコン膜３を結晶化させ、結晶化シリコン膜３ａを得る。【選択図】図２Ｃ
2015115435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスシリコンを結晶化させるアモルファスシリコンの結晶化方法であって、
結晶成長が遅い第１のアモルファスシリコンの上に、結晶成長が前記第１のアモルファスシリコンよりも速い第２のアモルファスシリコンを積層し、
積層された前記第１、第２のアモルファスシリコンに対して結晶化処理を施し、少なくとも前記第２のアモルファスシリコンを結晶化させることを特徴とするアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項２】
前記第１のアモルファスシリコンには、アモルファスシリコンの結晶化の進行を抑制する不純物がドープされていることを特徴とする請求項１に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項３】
前記不純物には、炭素、酸素、および窒素の少なくとも一つが含まれることを特徴とする請求項２に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項４】
結晶成長が遅い前記第１のアモルファスシリコンの上に、前記第１のアモルファスシリコンよりも結晶成長が速い前記第２のアモルファスシリコンを積層することで、前記第２のアモルファスシリコンの内部において、前記第１のアモルファスシリコンと前記第２のアモルファスシリコンとの界面領域に発生する結晶核の発生密度を低減させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項５】
前記結晶核の発生密度を低減させ、前記結晶核から前記第２のアモルファスシリコンの内部に成長する多結晶の結晶粒のサイズを大きくすることを特徴とする請求項４に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項６】
前記第１のアモルファスシリコンの厚さは、前記第２のアモルファスシリコンの厚さよりも薄くすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項７】
前記第２のアモルファスシリコンを結晶化させた後、前記第１のアモルファスシリコンをさらに結晶化させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項８】
前記第１のアモルファスシリコンの成膜温度と前記第２のアモルファスシリコンの成膜温度とを同じとすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアモルファスシリコンの結晶化方法。
【請求項９】
アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜の成膜方法であって、
(１)  被処理体の被処理面上に、シリコン原料ガスと、アモルファスシリコンの結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガスとを供給する工程と、
(２)  前記(１)工程の後、前記被処理面上に、前記不純物を含有したガスを供給せずに、前記シリコン原料ガスを供給する工程と、
(３)  前記(２)工程の後、前記被処理面上に成膜されたアモルファスシリコン膜を結晶化させる結晶化処理を行う工程と
を具備することを特徴とする結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１０】
前記不純物には、炭素、酸素、および窒素の少なくとも一つが含まれることを特徴とする請求項９に記載の結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１１】
アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜の成膜方法であって、
(１)  被処理体の被処理面上に、有機シリコン化合物を含むシリコン原料ガスを供給する工程と、
(２)  前記(１)工程の後、前記被処理面上に、有機シリコン化合物を含まないシリコン原料ガスを供給する工程と、
(３)  前記(２)工程の後、前記被処理面上に成膜されたアモルファスシリコン膜を結晶化させる結晶化処理を行う工程と
を具備することを特徴とする結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１２】
前記被処理面には絶縁物が露出していることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１３】
前記絶縁物は、シリコン酸化物、であることを特徴とする請求項１２に記載の結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１４】
前記（１）工程における処理温度と前記（２）工程における処理温度とを同じとすることを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の結晶化シリコン膜の成膜方法。
【請求項１５】
アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜が用いられている半導体装置の製造方法であって、
前記結晶化シリコン膜の成膜に、請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載された結晶化シリコン膜の成膜方法を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記アモルファスシリコンの結晶化に、前記(３)工程に加え、前記(３)工程の後に行われる工程の熱履歴を利用することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
被処理体を収容する処理室と、
前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理室に収容された前記被処理体を加熱する加熱機構と、
前記処理室を排気する排気機構と、
前記処理ガス供給機構、前記加熱機構、および前記排気機構を制御する制御装置と、を備え、
前記被処理体の被処理面上に結晶化シリコン膜を成膜する際、前記制御装置が、請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載された結晶化シリコン膜の成膜方法を実行するように、前記処理ガス供給機構、前記加熱機構および前記排気機構を制御することを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アモルファスシリコンの結晶化方法、結晶化シリコン膜の成膜方法、半導体装置の製造方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の画素駆動用の膜トランジスタ（ＴＦＴ）や、不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタなどのチャネルには、アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜が用いられている。
【０００３】
アモルファスシリコンを結晶化させる理由は、キャリアの移動度を高めるためである。キャリアの移動度は、アモルファスシリコン→多結晶シリコン→単結晶シリコンの順で高まる。このため、成膜時にはアモルファスであったシリコン膜を結晶化させてから、例えば、トランジスタのチャネルとして用いるようにしている。アモルファスシリコンを結晶化させる方法は、例えば、特許文献１、２に記載されている。
【０００４】
特許文献１においては、絶縁膜上へのアモルファスシリコンの堆積を２段階に分けて行い、第１段階の堆積温度を第２段階の堆積温度よりも低くする。また、第１段階においては水素をドープする。これにより、結晶核の核密度の増大を抑制でき、大粒径のＳＯＩ基板を作成することができる。
【０００５】
また、特許文献２においては、基板上にリン（Ｐ）をドープしたアモルファスシリコン膜およびノンドープのアモルファスシリコン膜を積層形成し、その後、６００℃の温度で熱処理する。特許文献２においては、リンのドープ量を多くすると粒径が大きくなる、という性質を利用する。まず、リンをドープしたアモルファスシリコン膜を結晶化させ、結晶化させたアモルファスシリコンを結晶核としてノンドープのアモルファスシリコン膜を結晶化させる。これにより、粒径が大きい多結晶シリコン膜を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−１２４８１４号公報
【特許文献２】特開平５−１０９６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１においては、アモルファスシリコンの堆積に際し、堆積温度の切り換えを必要とする。このため、プロセス中に昇温時間および降温時間が必要となり、生産性が低下する、という事情がある。
【０００８】
また、特許文献２においては、リン（Ｐ）をドープする。リンはＶ族元素であり、IV族元素をＮ型半導体とする。粒径を大きくするためにリンのドープ量を多くすると、得られる多結晶シリコン膜はＮ型となってしまう。Ｎ型化した多結晶シリコン膜をトランジスタのチャネルに利用する場合、形成されるトランジスタはＰチャネル型トランジスタのみとなる。Ｎチャネル型トランジスタを形成したい場合には、Ｎ型化した多結晶シリコン膜をＰ型に変えなければならない。大量のリンが拡散した多結晶シリコン膜をＰ型に変えるためには、大量のIII族元素を導入する必要がある。しかし、大量のIII族元素の導入は、生産性の観点からも実用的なことではない。もちろん、大量のIII族元素の導入は、結晶欠陥を誘発する可能性も大きくする。
【０００９】
この発明は、生産性を低下させることなく、粒径が大きな単結晶領域を得ることが可能なアモルファスシリコンの結晶化方法および結晶化シリコン膜の成膜方法、並びにその成膜方法を用いた半導体装置の製造方法およびその成膜方法を実行する成膜装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の第１の態様に係るアモルファスシリコンの結晶化方法は、アモルファスシリコンを結晶化させるアモルファスシリコンの結晶化方法であって、結晶成長が遅い第１のアモルファスシリコンの上に、結晶成長が前記第１のアモルファスシリコンよりも速い第２のアモルファスシリコンを積層し、積層された前記第１、第２のアモルファスシリコンに対して結晶化処理を施し、少なくとも前記第２のアモルファスシリコンを結晶化させる。
【００１１】
この発明の第２の態様に係る結晶化シリコン膜の成膜方法は、アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜の成膜方法であって、(１)被処理体の被処理面上に、シリコン原料ガスと、アモルファスシリコンの結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガスとを供給する工程と、(２)前記(１)工程の後、前記被処理面上に、前記不純物を含有したガスを供給せずに、前記シリコン原料ガスを供給する工程と、(３)前記(２)工程の後、前記被処理面上に成膜されたアモルファスシリコン膜を結晶化させる結晶化処理を行う工程とを具備する。
【００１２】
この発明の第３の態様に係る結晶化シリコン膜の成膜方法は、アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜の成膜方法であって、(１)被処理体の被処理面上に、有機シリコン化合物を含むシリコン原料ガスを供給する工程と、(２)前記(１)工程の後、前記被処理面上に、有機シリコン化合物を含まないシリコン原料ガスを供給する工程と、(３)前記(２)工程の後、前記被処理面上に成膜されたアモルファスシリコン膜を結晶化させる結晶化処理を行う工程とを具備する。
【００１３】
この発明の第４の態様に係る半導体装置の製造方法は、アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜が用いられている半導体装置の製造方法であって、前記結晶化シリコン膜の成膜に、第２、又は第３の態様に係る結晶化シリコン膜の成膜方法を用いる。
【００１４】
この発明の第５の態様に係る成膜装置は、被処理体を収容する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、前記処理室に収容された前記被処理体を加熱する加熱機構と、前記処理室を排気する排気機構と、前記処理ガス供給機構、前記加熱機構、および前記排気機構を制御する制御装置と、を備え、前記被処理体の被処理面上に結晶化シリコン膜を成膜する際、前記制御装置が、第２、又は第３の態様に係る結晶化シリコン膜の成膜方法を実行するように、前記処理ガス供給機構、前記加熱機構および前記排気機構を制御する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、生産性を低下させることなく、粒径が大きな単結晶領域を得ることが可能なアモルファスシリコンの結晶化方法および結晶化シリコン膜の成膜方法、並びにその成膜方法を用いた半導体装置の製造方法およびその成膜方法を実行する成膜装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法の一例を示す流れ図
【図２Ａ】この発明の一実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法の一例の主要な工程を示す断面図
【図２Ｂ】この発明の一実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法の一例の主要な工程を示す断面図
【図２Ｃ】この発明の一実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法の一例の主要な工程を示す断面図
【図３】結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図
【図４Ａ】試料１の断面図
【図４Ｂ】試料２の断面図
【図５Ａ】試料１における結晶核の発生を模式的に示す断面図
【図５Ｂ】試料１における結晶化の状態を模式的に示す断面図
【図６Ａ】第１の実施形態における結晶核の発生を模式的に示す断面図
【図６Ｂ】第１の実施形態における結晶化の状態を模式的に示す断面図
【図７】結晶化率の炭素濃度依存性を示す図
【図８】第１の変形例における結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図
【図９Ａ】第１の変形例における結晶化の状態を示す断面図
【図９Ｂ】第１の変形例における結晶化の状態を示す断面図
【図９Ｃ】第１の変形例における結晶化の状態を示す断面図
【図１０】第２の変形例における結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図
【図１１】この発明の第２の実施形態に係る成膜装置の一例を概略的に示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００１８】
（第１の実施形態）
＜結晶化シリコン膜の成膜方法、アモルファスシリコンの結晶化方法＞
図１はこの発明の一実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法の一例を示す流れ図、図２Ａ〜図２Ｃはその成膜方法の主要な工程を示す断面図である。
【００１９】
まず、被処理体として、例えば、シリコン基板を用意する。シリコン基板の被処理面上には絶縁膜、例えば、シリコン酸化物膜１（図２Ａ参照）が形成されている。結晶化シリコン膜は、シリコン酸化物膜１の上に成膜される。
【００２０】
次に、被処理面にシリコン酸化物膜１を有したシリコン基板を、成膜装置の処理室に搬入する。そして、図１中のステップ１に示すように、被処理面上に、シリコン原料ガスと、結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガスとを供給する。これにより、図２Ａに示すように、シリコン酸化物膜１上には、不純物がドープされたアモルファスシリコン膜２が形成される。結晶化の進行を抑制する不純物の例としては、
炭素（Ｃ）
酸素（Ｏ）
窒素（Ｎ）
等を挙げることができる。本例においては、結晶化の進行を抑制する不純物として炭素を用いた。炭素を含有したガスにはエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを、シリコン原料ガスにはモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いた。
【００２１】
ステップ１における処理条件の一例は、
モノシラン流量：５００ｓｃｃｍ
エチレン流  量：５０ｓｃｃｍ
処  理  時  間：１６０ｓｅｃ
処  理  温  度：５３０℃
処  理  圧  力：５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
（本明細書では、１Ｔｏｒｒを１３３Ｐａと定義する。）
である。
【００２２】
これにより、シリコン酸化物膜１上には、膜厚が２ｎｍ程度の炭素がドープされたアモルファスシリコン膜２が形成される（以下、炭素ドープアモルファスシリコン膜２という）。また、本例の炭素ドープアモルファスシリコン膜２における炭素濃度は、およそ１×１０２１ｃｍ−３となる。
【００２３】
次に、図１中のステップ２に示すように、処理室内を排気しつつ処理室内に不活性ガスを供給し、処理室内をパージする。不活性ガスとしては窒素（Ｎ２）ガスや、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの希ガスを用いることができる。なお、ステップ２は必要に応じて省略することも可能である。
【００２４】
次に、図１中のステップ３に示すように、炭素ドープアモルファスシリコン膜２が形成された被処理面上に、炭素を含有したガスを供給せずに、シリコン原料ガスを供給する。これにより、図２Ｂに示すように、炭素ドープアモルファスシリコン膜２上に、ノンドープのアモルファスシリコン膜３が形成される。
【００２５】
ステップ３における処理条件の一例は、
モノシラン流量：５００ｓｃｃｍ
処  理  時  間：１２００ｓｅｃ
処  理  温  度：５３０℃
処  理  圧  力：５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
である。
【００２６】
これにより、炭素ドープアモルファスシリコン膜２上には、膜厚が３０ｎｍ程度のノンドープアモルファスシリコン膜３が形成される。
【００２７】
次に、図１中のステップ４に示すように、処理室内を排気しつつ処理室内に不活性ガスを供給し、処理室内をパージする。
【００２８】
次に、同じ処理室の中において、あるいは成膜装置の処理室から搬出し、熱処理装置の処理室の中において結晶化処理を行う。結晶化処理の一例はアニール処理である。これにより、図１中のステップ５および図２Ｃに示すように、被処理面上に成膜された少なくともノンドープアモルファスシリコン膜３を結晶化させる。
【００２９】
ステップ５における結晶化アニール処理条件の一例は、
アニール雰囲気：Ｎ２、Ｈ２、Ａｒなど
処  理  時  間：６００ｍｉｎ
処  理  温  度：５５０℃
処  理  圧  力：１０１３ｈＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）（常圧）
である。
【００３０】
これにより、ノンドープアモルファスシリコン膜３は、内部に単結晶領域４を有した結晶化シリコン膜３ａとなる。なお、図２Ｃ中の参照符号４ａは、単結晶領域４どうしの結晶粒界を、模式的に図示したものである。
【００３１】
このような第１の実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法によれば、ノンドープアモルファスシリコン膜３を形成する前に、結晶化の進行を抑制する不純物がドープされたアモルファスシリコン膜２を形成しておくので、単結晶領域４の大きさが大きい結晶化シリコン膜３ａを得ることができる。以下、これにつき説明する。
【００３２】
＜結晶化アニール時間と結晶化率との関係＞
図３は結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図である。  
図３中の曲線Ｉに示すように、シリコン酸化物膜１上に、直接に膜厚１６０ｎｍのノンドープアモルファスシリコン膜３を成膜した場合（試料１、図４Ａ参照）、不活性ガス雰囲気、温度５５０℃で結晶化アニールを行うと、２４０ｍｉｎ（４時間）にてノンドープアモルファスシリコン膜３の結晶成長が始まる。その後、３６０ｍｉｎ（６時間）、４８０ｍｉｎ（８時間）、６００ｍｉｎ（１０時間）と結晶化アニール時間が長くなるにつれて、ノンドープアモルファスシリコン膜３の結晶化率が高まっていく。
【００３３】
これに対し、シリコン酸化物膜１上に、膜厚１６０ｎｍの炭素ドープアモルファスシリコン膜２を成膜した場合（試料２、図４Ｂ参照）、不活性ガス雰囲気、温度５５０℃で結晶化アニールを行っても、結晶成長が見られなかった。結晶成長は、結晶化アニール時間が１２００ｍｉｎ（２０時間）経過しても見られなかった。
【００３４】
つまり、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、ノンドープアモルファスシリコン膜３に比較して結晶成長が遅い。そして、ノンドープアモルファスシリコン膜３は結晶成長が速い。結晶化は、アモルファスな膜の内部に結晶核が発生し、この結晶核が結晶成長することで起こる。結晶成長が速いということは、アモルファスな膜の内部に結晶核が発生しやすい、ということである。
【００３５】
結晶核は、アモルファスな膜中にランダムに発生するものではなく、アモルファスな膜中における特異な箇所に集中しやすい傾向がある。アモルファスな膜において、特異な箇所は他の膜との界面領域である。
【００３６】
図５Ａは試料１における結晶核の発生を模式的に示す断面図、図５Ｂは試料１における結晶化の状態を模式的に示す断面図である。  
図５Ａに示すように、試料１においては、ノンドープアモルファスシリコン膜３のうち、シリコン酸化物膜１との界面に面した界面領域に結晶核４ｂが発生する。ノンドープアモルファスシリコン膜３は結晶成長が速いため、結晶核４ｂが高密度に発生する。結晶核４ｂは結晶化アニール処理が行なわれることで成長し、図５Ｂに示すように単結晶領域４へと成長する。試料１においては、結晶核４ｂが高密度に発生するので、結晶化シリコン膜３ａに得られた単結晶領域４の個々の大きさ（粒径）は小さいものになってしまう。
【００３７】
図６Ａは第１の実施形態における結晶核の発生を模式的に示す断面図、図６Ｂは第１の実施形態における結晶化の状態を模式的に示す断面図である。  
図６Ａに示すように、第１の実施形態においては、ノンドープアモルファスシリコン膜３のうち、炭素ドープアモルファスシリコン膜２との界面に面した界面領域に結晶核４ｂが発生する。なお、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、ノンドープアモルファスシリコン膜３に比較して結晶核形成が遅い。このため、ノンドープアモルファスシリコン膜３に結晶核４ｂが発生し始めた時点においては、炭素ドープアモルファスシリコン膜２には結晶核が発生しない。
【００３８】
また、第１の実施形態のノンドープアモルファスシリコン膜３に発生する結晶核４ｂの密度は、結晶成長が遅い、つまり結晶核が発生し難い炭素ドープアモルファスシリコン膜２の影響を受け、試料１に比較して低いものとなる。このようにノンドープアモルファスシリコン膜３に発生する結晶核４ｂの発生密度を低くできる結果、結晶化シリコン膜３ａに得られる単結晶領域４の個々の大きさ（粒径）は、試料１に比較してより大きなものとすることができる。
【００３９】
このような第１の実施形態によれば、結晶成長が遅い炭素ドープアモルファスシリコン膜２の上に、炭素ドープアモルファスシリコン膜２よりも結晶成長が速いノンドープアモルファスシリコン膜３を積層する。これにより、ノンドープアモルファスシリコン膜３の内部において、炭素ドープアモルファスシリコン膜２とノンドープアモルファスシリコン膜３との界面領域に発生する結晶核４ｂの発生密度を低減させることができる。
【００４０】
このように結晶核４ｂの発生密度を低減できる第１の実施形態によれば、結晶核４ｂからノンドープアモルファスシリコン膜３の内部に成長する単結晶領域４の大きさを大きく、即ち、内部に成長する多結晶の結晶粒のサイズを大きくすることができる。この結果、ノンドープアモルファスシリコン膜３をチャネルとして使う半導体装置においては、キャリアの移動度が向上する、といった利点を得ることができる。
【００４１】
しかも、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の成膜温度とノンドープアモルファスシリコン膜３の成膜温度とは、ともに同じ温度とすることが可能であり、生産性を低下させることもない。
【００４２】
また、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、ノンドープアモルファスシリコン膜３に発生する結晶核４ｂの発生密度を減らすことを目的とする膜である。このため、その膜厚は薄いものでよい。したがって、短時間で成膜することが可能であり、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の成膜のために、生産性を大きく低下させることもない。ただし、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、ノンドープアモルファスシリコン膜３の内部に発生する結晶核４ｂの発生密度を減らすことを目的とする膜であることから、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の膜厚は、シリコンがシリコン酸化物膜１上に吸着する程度のものよりは、炭素をドープすることが可能な膜厚、又はノンドープアモルファスシリコン膜３の内部に発生する結晶核４ｂの発生密度を減らすことが可能となる膜厚に設定されることが好ましい。
【００４３】
また、炭素は半導体の導電型を決定する元素ではない。このため、ノンドープアモルファスシリコン膜３の導電型をＮ型とするかＰ型とするかの決定、例えば、ノンドープアモルファスシリコン膜３へのIII族元素又はIV族元素の導入工程も、容易に行うことができる。
【００４４】
このようなアモルファスシリコンの結晶化方法、および結晶化シリコン膜の成膜方法は、アモルファスシリコンを結晶化させた結晶化シリコン膜が用いられている半導体装置、例えば、ＳＯＩ構造を有した半導体集積回路装置や、高さ方向に沿ってチャネルを形成したトランジスタを集積した半導体集積回路装置、並びに画素駆動用のＴＦＴを集積したＦＰＤ装置等の製造に好適である。
【００４５】
したがって、第１の実施形態によれば、生産性を低下させることなく、粒径が大きな単結晶領域を得ることが可能なアモルファスシリコンの結晶化方法、結晶化シリコン膜の成膜方法、および半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００４６】
＜結晶化率の炭素濃度依存性＞
炭素ドープアモルファスシリコン膜２の炭素濃度を変化させ、結晶化率と炭素濃度との関係を調べてみた。
【００４７】
図７は結晶化率の炭素濃度依存性を示す図である。
図７に示すように、第１の実施形態で説明したように、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の炭素濃度が１×１０２１ｃｍ−３であった場合、１２００ｍｉｎの結晶化アニール（不活性ガス雰囲気、温度５５０℃）を行っても、炭素ドープアモルファスシリコン膜２には結晶成長は見られなかった。そこで、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の炭素濃度を１／１０００下げ、炭素濃度を１×１０２０ｃｍ−３として、同じく１２００ｍｉｎの結晶化アニール（不活性ガス雰囲気、温度５５０℃）を試みた。
【００４８】
同じく図７に示すように、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の炭素濃度が１×１０２０ｃｍ−３であった場合、１２００ｍｉｎの結晶化アニール（例えば、不活性ガス雰囲気、温度５５０℃）で結晶化率がおよそ７０％の結晶成長があることが確認された。この結果から、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は結晶成長が遅いだけであり、必ずしも結晶化しないものではない、ということが分かる。そして、炭素濃度を下げていき、炭素ドープアモルファスシリコン膜２をノンドープアモルファスシリコンに近づけていけば、結晶成長の速度はノンドープアモルファスシリコンのそれに近づいていく、と考えることができる。このような炭素ドープアモルファスシリコン膜２が持つ性質を利用すると、ノンドープアモルファスシリコン膜３だけでなく、炭素ドープアモルファスシリコン膜２についても結晶化させた結晶化シリコン膜を成膜することが可能となる。以下、このような例を、第１の変形例として説明する。
【００４９】
＜第１の変形例＞
図８は第１の変形例における結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図、図９Ａ〜図９Ｃは第１の変形例における結晶化の状態を示す断面図である。  
【００５０】
まず、図８の凡例欄に記載されているように、第１の変形例においては炭素ドープアモルファスシリコン膜２の炭素濃度を１×１０２０ｃｍ−３とする。このような炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、例えば、以下のような処理条件により形成することができる。
モノシラン流量：５００ｓｃｃｍ
エチレン流  量：５ｓｃｃｍ
処  理  時  間：１４０ｓｅｃ
処  理  温  度：５３０℃
処  理  圧  力：５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
【００５１】
また、ノンドープアモルファスシリコン膜３は、第１の実施形態において説明したステップ３の処理条件にて形成してよい。ノンドープアモルファスシリコン膜３が形成されたら、結晶化処理、例えば、結晶化アニール処理を行う。結晶化アニール処理条件は、処理時間が異なるのみで、アニール雰囲気、処理温度、処理圧力は第１の実施形態において説明したステップ５の処理条件でよい。
【００５２】
図８および図９Ａに示すように、例えば、結晶化アニール処理が０〜１２０ｍｉｎ以下（０〜２時間以下）の間は、炭素ドープアモルファスシリコン膜２およびノンドープアモルファスシリコン膜３の双方には結晶成長が始まっておらず、双方ともアモルファスな状態である。
【００５３】
次に、図８および図９Ｂに示すように、例えば、結晶化アニール処理が１２０ｍｉｎを超えてくると、ノンドープアモルファスシリコン膜３に結晶成長が始まり、やがてノンドープアモルファスシリコン膜３が結晶化する。
【００５４】
さらに、図８および図９Ｃに示すように、例えば、結晶化アニール処理が７２０ｍｉｎ（１２時間）を超えてくると、炭素ドープアモルファスシリコン膜２にも結晶成長が始まり、やがて炭素ドープアモルファスシリコン膜２も結晶化し、結晶化炭素ドープシリコン膜２ａが得られる。例えば、結晶化アニール処理が１２００ｍｉｎ（２０時間）以上となると、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、およそ７０％以上結晶化させることができる。参照符号５は、結晶化炭素ドープシリコン膜２ａの内部に形成された単結晶領域を示しており、参照符号５ａはその結晶粒界を示している。
【００５５】
このような第１の変形例であると、ノンドープアモルファスシリコン膜３だけでなく、炭素ドープアモルファスシリコン膜２も結晶化することができる。このため、例えば、シリコン酸化物膜１上に成膜されるシリコン膜からアモルファスな部分をほぼ排除でき、ほぼ完全に結晶化された結晶化シリコン膜を成膜できる。
【００５６】
このように、例えば、シリコン酸化物膜１上に、ほぼ完全に結晶化された結晶化シリコン膜を成膜できることからは、例えば、シリコン酸化物膜１上に成膜された結晶化シリコン膜をトランジスタのチャネルに利用する場合、アモルファスな部分に起因した、例えば、キャリアの移動度の低下を抑制できる、という利点を得ることができる。
【００５７】
このように、ノンドープアモルファスシリコン膜３に発生する結晶核４ｂの発生密度を減らすことを目的として形成された炭素ドープアモルファスシリコン膜２についても、結晶化させることが可能である。
【００５８】
なお、炭素ドープアモルファスシリコン膜２を結晶化する際には、第１の変形例のように、結晶化処理、例えば、結晶化アニール処理によって結晶化させてもよい。しかしながら、例えば、結晶化処理を６００ｍｉｎ（１０時間）で打ち切り、炭素ドープアモルファスシリコン膜２の結晶化処理については、ノンドープアモルファスシリコン膜３を結晶化させた後に行われる製造工程、例えば、ゲート電極や内部配線層を形成するための導電体膜の成膜工程や、半導体の導電型を決定する不純物の活性化アニール工程、層間絶縁膜の成膜工程等における熱履歴を利用することも可能である。この場合には、炭素ドープアモルファスシリコン膜２を結晶化させるために、結晶化処理、例えば、結晶化アニール処理の時間を延長する必要がなく、生産性の向上に寄与する、という利点をさらに得ることができる。
【００５９】
＜第２の変形例＞
第１の実施形態および第１の変形例においては、結晶化の進行を抑制する不純物として炭素（Ｃ）を用いた。しかしながら、結晶化の進行を抑制する不純物は、炭素に限られるものではない。例えば、酸素も有効である。酸素源としては、Ｏ２ガス、Ｎ２Ｏガスを用いることができる。
【００６０】
図１０は第２の変形例における結晶化アニール時間と結晶化率との関係を示す図である。  
図１０に示すように、酸素濃度が２×１０２１ｃｍ−３である酸素ドープアモルファスシリコン膜においては、結晶化アニール時間が１２００ｍｉｎ（２０時間）に達しても、結晶化の発生が認められなかった。
【００６１】
酸素濃度が２×１０２１ｃｍ−３である酸素ドープアモルファスシリコン膜は、例えば、以下のような処理条件により形成することができる。
モノシラン流量：５００ｓｃｃｍ
Ｎ２Ｏ  流量：１０ｓｃｃｍ
処  理  時  間：１２０ｓｅｃ
処  理  温  度：５３０℃
処  理  圧  力：５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
【００６２】
これにより、例えば、シリコン酸化物膜上には、膜厚が３ｎｍ程度の酸素ドープアモルファスシリコン膜２が形成される。
【００６３】
したがって、酸素ドープアモルファスシリコン膜も、結晶化の進行を抑制する不純物がドープされたアモルファスシリコン膜として利用することが可能である。なお、酸素以外としては、窒素も結晶化の進行を抑制する不純物として有効である。窒素を結晶化の進行を抑制する不純物として用いる場合には、窒素源としては、ＮＨ３ガスなどを用いることができる。
【００６４】
＜第３の変形例＞
第１の実施形態、第１、第２の変形例においては、結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガスと、シリコン原料ガスとを処理室に供給して、結晶化の進行を抑制する不純物がドープされたアモルファスシリコン膜を形成した。しかしながら、結晶化の進行を抑制する不純物がドープされたアモルファスシリコン膜は、結晶化の進行を抑制する不純物を含有したシリコン原料ガスを処理室に供給して形成することも可能である。
【００６５】
例えば、結晶化の進行を抑制する不純物として炭素を用いる場合には、シリコン原料ガスとして、有機シリコン化合物を含むシリコン原料ガスを用いることが可能である。この場合には、例えば、図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明すると、炭素ドープアモルファスシリコン膜２は、シリコン原料ガスとして、有機シリコン化合物を含むシリコン原料ガスを用いて形成され、ノンドープアモルファスシリコン膜３は、シリコン原料ガスとして、有機シリコン化合物を含まないシリコン原料ガスを用いて形成される。
【００６６】
（第２の実施形態）
＜成膜装置＞
次に、この発明の実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法を実施することが可能な成膜装置の一例を、第２の実施形態として説明する。  
【００６７】
＜成膜装置＞
図１１はこの発明の第２の実施形態に係る成膜装置の一例を概略的に示す縦断面図である。
【００６８】
図１１に示すように、成膜装置１００は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理室１０１を有している。処理室１０１の全体は、例えば、石英により形成されている。処理室１０１内の天井には、石英製の天井板１０２が設けられている。処理室１０１の下端開口部には、例えば、ステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド１０３がＯリング等のシール部材１０４を介して連結されている。
【００６９】
マニホールド１０３は処理室１０１の下端を支持している。マニホールド１０３の下方からは、縦型ウエハボート１０５が処理室１０１内に挿入される。縦型ウエハボート１０５は、複数本の図示せぬ支持溝が形成されたロッド１０６を複数本有しており、上記支持溝に被処理体として複数枚、例えば、５０〜１００枚の半導体基板、本例では、シリコンウエハＷの周縁部の一部を支持させる。これにより、縦型ウエハボート１０５には、シリコンウエハＷが多段に載置される。
【００７０】
縦型ウエハボート１０５は、石英製の保温筒１０７を介してテーブル１０８上に載置される。テーブル１０８は、マニホールド１０３の下端開口部を開閉する、例えば、ステンレススチール製の蓋部１０９を貫通する回転軸１１０上に支持される。回転軸１１０の貫通部には、例えば、磁性流体シール１１１が設けられ、回転軸１１０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。蓋部１０９の周辺部とマニホールド１０３の下端部との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１１２が介設されている。これにより処理室１０１内のシール性が保持されている。回転軸１１０は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１３の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボート１０５および蓋部１０９等は、一体的に昇降されて処理室１０１内に対して挿脱される。
【００７１】
成膜装置１００は、処理室１０１内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構１１４、及び処理室１０１内に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１１５を有している。
【００７２】
本例の処理ガス供給機構１１４は、結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガス供給源１１７ａ、およびシリコン原料ガス供給源１１７ｂを含んでいる。また、不活性ガス供給機構１１５は、不活性ガス供給源１２０を含んでいる。結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガスの一例はエチレン、シリコン原料ガスの一例はモノシラン、不活性ガスの一例はアルゴンである。
【００７３】
結晶化の進行を抑制する不純物を含有したガス供給源１１７ａは、流量制御器１２１ａおよび開閉弁１２２ａを介して、分散ノズル１２３ａに接続されている。同様に、シリコン原料供給源１１７ｂは、流量制御器１２１ｂおよび開閉弁１２２ｂを介して分散ノズル１２３ｂに接続されている。
【００７４】
分散ノズル１２３ａ〜１２３ｂは石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２３ａ〜１２３ｂの垂直部分には、複数のガス吐出孔１２４が所定の間隔を隔てて形成されている。これにより、各ガスは、ガス吐出孔１２４から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００７５】
不活性ガス供給源１２０は、流量制御器１２１ｃおよび開閉弁１２２ｃを介して、ノズル１２８に接続されている。ノズル１２８は、マニホールド１０３の側壁を貫通し、その先端から不活性ガスを、水平方向に処理室１０１内に向けて吐出させる。
【００７６】
処理室１０１内の、分散ノズル１２３ａ〜１２３ｂに対して反対側の部分には、処理室１０１内を排気するための排気口１２９が設けられている。排気口１２９は処理室１０１の側壁を上下方向へ削りとることによって細長く形成されている。処理室１０１の排気口１２９に対応する部分には、排気口１２９を覆うように断面がコの字状に成形された排気口カバー部材１３０が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材１３０は、処理室１０１の側壁に沿って上方に延びており、処理室１０１の上方にガス出口１３１を規定している。ガス出口１３１には、真空ポンプ等を含む排気機構１３２が接続される。排気機構１３２は、処理室１０１内を排気することで処理に使用した処理ガスの排気、及び処理室１０１内の圧力を処理に応じた処理圧力とする。
【００７７】
処理室１０１の外周には筒体状の加熱装置１３３が設けられている。加熱装置１３３は、処理室１０１内に供給されたガスを活性化するとともに、処理室１０１内に収容された被処理体、本例ではシリコンウエハＷを加熱する。
【００７８】
成膜装置１００の各部の制御は、例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ１５０により行われる。コントローラ１５０には、オペレータが成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うタッチパネルや、成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１５１が接続されている。
【００７９】
コントローラ１５０には記憶部１５２が接続されている。記憶部１５２は、成膜装置１００で実行される各種処理をコントローラ１５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納される。レシピは、例えば、記憶部１５２の中の記憶媒体に記憶される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。レシピは、必要に応じて、ユーザーインターフェース１５１からの指示等にて記憶部１５２から読み出され、読み出されたレシピに従った処理をコントローラ１５０が実行することで、成膜装置１００は、コントローラ１５０の制御のもと、所望の処理が実施される。
【００８０】
本例では、コントローラ１５０の制御のもと、例えば、第１の実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法を実行するように、処理ガス供給機構１１４、不活性ガス供給機構１１５、排気機構１３２、加熱機構１３３などを制御し、第１の実施形態に係る結晶化シリコン膜の成膜方法に従った処理を実施する。
【００８１】
この発明の実施形態は、図１１に示すような成膜装置１００を用いることによって実施することができる。
【００８２】
以上、この発明を実施形態に従って説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
【００８３】
例えば、上記一実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではなく、例えば、処理室１０１内の容積や、結晶成長の速度に応じて、適宜変更が可能である。例えば、結晶化の進行を抑制する不純物をドープするための実用的に用いることが可能な範囲としては、
炭素の場合：Ｃ２Ｈ４  流量１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍ
酸素の場合：Ｎ２Ｏ又はＯ２  流量１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍ
窒素の場合：ＮＨ３    流量０．５ｓｃｃｍ〜２５ｓｃｃｍ
である。
【００８４】
また、上記実施形態は、成膜処理を縦型のバッチ式成膜装置において行う例を示したが、枚葉式成膜装置において行うことも可能である。その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１…シリコン酸化物膜、２…炭素ドープアモルファスシリコン膜、３…ノンドープアモルファスシリコン膜、４…単結晶領域、４ａ…結晶粒界、４ｂ…結晶核、５…単結晶領域、５ａ…結晶粒界。
【図１】
2015115435.tif 000003
【図２Ａ】
2015115435.tif 000004
【図２Ｂ】
2015115435.tif 000005
【図２Ｃ】
2015115435.tif 000006
【図３】
2015115435.tif 000007
【図４Ａ】
2015115435.tif 000008
【図４Ｂ】
2015115435.tif 000009
【図５Ａ】
2015115435.tif 000010
【図５Ｂ】
2015115435.tif 000011
【図６Ａ】
2015115435.tif 000012
【図６Ｂ】
2015115435.tif 000013
【図７】
2015115435.tif 000014
【図８】
2015115435.tif 000015
【図９Ａ】
2015115435.tif 000016
【図９Ｂ】
2015115435.tif 000017
【図９Ｃ】
2015115435.tif 000018
【図１０】
2015115435.tif 000019
【図１１】
2015115435.tif 000020