(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に非結晶シリコン膜を形成する第１工程と、圧力が０．５〜５ＭＰａで温度が３００〜７００℃の、水蒸気を含む雰囲気中に微細なニッケル塩粒子が浮遊した状態で前記非結晶シリコン膜を熱処理することによって、ニッケルが触媒となって非結晶シリコン膜が結晶化すると同時にシリコンの酸化も進行し、酸化によって多結晶シリコン膜の改質を行うとともに、多結晶シリコン膜の表面に酸化シリコン膜を形成する第２工程とを有することを特徴とする半導体膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体膜の作成方法に関する。特に、絶縁性基板上に形成される半導体膜の作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶ディスプレイやイメージセンサ等の駆動回路をディスプレイやイメージセンサと同一の基板上に形成するための開発が進められている。そのためには通常用いられている安価なガラス基板上に薄膜トランジスタを作成する必要がある。
【０００３】
ガラス基板を使用する場合、ガラス基板に影響を及ぼさないような温度で処理する必要がある。通常、半導体デバイス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る。無アルカリガラスにはバリウムホウケイ酸ガラス（コーニング社製＃７０５９、ｅｔｃ）、ホウケイ酸ガラス（旭硝子社製ＡＮ、ｅｔｃ）、アルミノホウケイ酸ガラス（コーニング社製＃１７３５、ｅｔｃ）、アルミのケイ酸ガラス（ＨＯＹＡ社製ＮＡ４０、ｅｔｃ）等が用いられる。しかし、このようなガラス基板の歪点は５９３〜７００℃程度であり、実際に使用できる温度は７００℃以下であるので７００℃以下で処理することが求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、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を７００℃以下の温度で作製するのは困難である。たとえば、非結晶シリコン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固相成長法があるが、７００℃以下では多結晶シリコン膜中に多くの欠陥が残ってしまうため良好な特性を持ったトランジスタを作製することができなかった。
【０００５】
また、短波長のエキシマレーザを非結晶シリコン膜または多結晶シリコン膜に照射して良質な多結晶シリコン膜を得る方法もあるが、照射後の多結晶シリコン膜の膜質均一性が良くないため問題となっている。エキシマレーザはパルスレーザであり、かつ、ビームサイズが限られているので、大面積に照射する場合はビームを繋ぎ合わせて照射しなければならない。継ぎ合わせ部分で多結晶シリコン膜の膜質が変化してその部分にあるトランジスタは異なった特性になってしまうため良好な均一性を確保することができない。また、シリコン膜にレーザ照射するとシリコン表面は局所的、かつ、瞬間的に溶融し凝固するため、照射エネルギーによって多結晶シリコン膜の膜質は急峻に変化し、結果的に安定して同一膜質の多結晶シリコン膜を得ることが困難である。
【０００６】
また、特開平７−１６２００２号公報に示されているような方法によると、半導体表面層を酸化して、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。ところが出発材料の多結晶シリコン膜もできる限り良質でなければ、最終的に得られる多結晶シリコン膜も十分に良質な特性のものにならない。
【０００７】
一方、特開平６−２４４１０３号公報には、非結晶シリコン膜を通常の結晶化温度よりも低い温度で結晶化する技術が開示されている。すなわち、非結晶シリコン膜上にニッケル、鉄、コバルト、白金の単体もしくはその圭酸化物等の触媒材料の被膜、粒子、クラスター等を形成し、これと非結晶シリコンとの反応によって生じる物質のうち、前記触媒材料を含むものを除去し、残った結晶シリコンを核として結晶化を進展させ、結晶シリコン膜を得るものである。このように、ニッケル等の触媒作用により、結晶化を促進することにより５５０℃程度の低温で非結晶質シリコン膜のアニールが可能であるとともに、良質な多結晶シリコン膜を得ることができるので、絶縁性基板にガラスを使用しても歪みが生じることなく、アニール時間も短縮することができる。しかし、以上述べたような方法では、触媒材料をエッチングにより除去する工程が必要になるので工程が複雑になり、コストが高くなる。
【０００８】
本発明は上記のような課題を解決し簡単で安価な方法により、良好な特性を持つ半導体膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体膜の作成方法は、絶縁性基板上に非結晶シリコン膜を形成する第１工程と、温度が３００〜７００℃の、ニッケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中で前記非結晶シリコン膜を熱処理する第２工程とを有するものである。
【００１０】
前記熱処理する第２工程は、圧力が０．５〜５ＭＰａの圧力雰囲気で行うのが好ましい。
【００１１】
次に本発明の作用を説明する。
上記のように本発明の半導体膜の形成方法では、絶縁性基板上に非結晶シリコン膜を形成する第１工程と、ニッケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中で前記非結晶シリコン膜を加熱処理する第２工程とを有している。第１の作用は、ニッケルを含有する水蒸気に非結晶シリコン膜表面が晒されることにより、ニッケルと非結晶シリコンが反応し、熱処理過程によってニッケルが触媒となって結晶成長が起こることである。これによって、非結晶シリコンは多結晶シリコンへと変化する。
【００１２】
また、第２の作用は、水蒸気中でシリコン膜を熱処理すると、一般に水蒸気に晒されている面からシリコン膜は酸化され酸化シリコン膜となることである。水分子（Ｈ2 Ｏ）は酸素分子（Ｏ2 ）に比べ酸化シリコン中での拡散係数が３桁程大きいので、酸化シリコンとシリコンの界面での反応が促進され成長が速くなる。この酸化過程によって、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る。結果的に、酸化することによって、多結晶シリコン膜は改質されて良質の多結晶シリコン膜を得ることができる。
【００１３】
本発明では、１つの工程で前述の２つの作用が同時に起こることによって、極めて良質なシリコン膜を得ることができる。
【００１４】
また、前記熱処理する第２工程を圧力が０．５〜５ＭＰａの圧力雰囲気で行うことにより、酸化均一性および酸化速度を高めることができるので、均一性が良く、効率の良い酸化処理を行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明の半導体膜の作成方法では、前記非結晶シリコン膜を熱処理する第２工程を３００〜７００℃で行うことにより、前述した安価なガラス基板の使用が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に本発明の半導体膜の形成方法をわかりやすくするため第１の作用と第２の作用に分けて示す概略断面図である。１は絶縁性基板、２は非結晶シリコン膜、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、サファイヤ基板等の基板を用いる。ガラス基板を用いることができれば、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。
【００１７】
これらの基板の代わりにシリコンウエハ上に絶縁膜を形成したものを用いることもできる。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種以上を積層したものを用いることができる。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、第１工程の前記絶縁基板上に非結晶シリコン膜を形成するには、特に限定されないが、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法等が使用できる。減圧ＣＶＤ法で行った方が熱処理後に良質な多結晶シリコン膜が得られるので、ここでは減圧ＣＶＤ法を用いた．基板温度が４００〜６００℃が好ましく、使用する原料ガスはＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 を用い、膜厚は５０〜５００ｎｍとした。
【００１９】
この後、水蒸気を含む雰囲気中に微細なニッケル塩粒子が浮遊した状態で熱処理を行う。水蒸気を含む雰囲気中に微細なニッケル塩粒子が浮遊した状態のガスは、たとえば、水に以下の溶質の少なくとも１つを溶解させ常温または加熱した状態で超音波を用いて、液の表面から微細な溶液滴を発生させる。微細な溶液滴中の水分は直ちに蒸発して水蒸気化し、残った溶質は微細な粒子となって、水蒸気を含む雰囲気中に浮遊する状態とすることによって発生させる。溶質はＮｉＦ２、ＮｉＣｌ２、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、ＮｉＢｒ２、ＮｉＳＯ４、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ、Ｎｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、Ｎｉ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏなどである。熱処理は大気圧で行ってもよいが後述のように０．５〜５ＭＰａの高圧雰囲気で行ってもよい。熱処理温度は３００〜７００℃、熱処理時間は２〜１２時間で行うことができる。また、０．５〜５ＭＰａの高圧力下で熱処理すると熱の伝達効率が高まるので熱処理の均一性はきわめて高くなり、一層良質の多結晶シリコン膜を得ることができる。
【００２０】
第１の作用は図１（ｂ）に示すように、前述の熱処理過程において、ニッケルが触媒となって非結晶シリコン膜は固相成長し良質の多結晶シリコン膜となる。
【００２１】
第２の作用は図１（ｃ）に示すように前述の熱処理過程において、この多結晶シリコン膜は酸化される。これによって、膜質向上した高品質シリコン膜５が形成できる。
【００２２】
すなわち、ニッケルが触媒となって非結晶シリコン膜２が結晶化するのとほぼ同時に、シリコンの酸化も進行し、酸化によってさらに極めて高品質な多結晶シリコン膜５を得ることができる。酸化シリコン膜４はエッチングにより除去してもよいし、そのまま残して絶縁膜の１部として使用してもよい。
【００２３】
【実施例】
プラズマＣＶＤ法によりガラス基板上に非結晶シリコン膜２を膜厚１００ｎｍ形成した。この後、Ｎｉイオンを１００ｐｐｍ含有する水溶液を作製し、超音波で蒸気化した水蒸気を圧力容器内に導入して６００℃、０．８ＭＰａの雰囲気とした。この状態で２時間処理を行うことによって、図１（ｃ）の膜５を得た。このとき酸化シリコン膜４は膜厚約６０ｎｍ形成されていた。図２はこのとき得られた結晶シリコン膜のラマン散乱分光測定結果を示す。図中には本発明の結晶シリコンのラマンスペクトルのほかに、標準試料として単結晶シリコンのラマンスペクトル、従来例の結晶シリコンのラマンスペクトルを示す。従来例の結晶シリコンは非晶質シリコン膜２にニッケルを触媒として結晶化しただけの多結晶シリコンを用いた。一般に、半値幅が小さく、ピーク強度が大きく、単結晶シリコンのスペクトルにできるだけ近いほど良質な結晶シリコンであるといえるので、本発明の結晶シリコンが非常に良好な結晶シリコン膜であることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
上記のように本発明の半導体膜の形成方法では、絶縁性基盤上に非晶質シリコン膜を形成する第１工程と、ニッケルを含有する水蒸気を含む雰囲気中で前記非晶質シリコン膜を熱処理する第２工程とを有している。第１の作用は、ニッケルを含有する水蒸気に非晶質シリコン膜表面が晒されることにより、ニッケルを触媒として非晶質シリコンが反応し、熱処理過程によって結晶成長が起こることがある。これによって、非晶質シリコンは多結晶シリコンへと変化する。
【００２５】
また、第２作用は、水蒸気中でシリコン膜を熱処理すると、一般に水蒸気に晒されている面からシリコン膜は酸化され酸化シリコン膜となることである。水分子（Ｈ2 Ｏ）は酸素分子（Ｏ2 ）に比べ酸化シリコン中での拡散係数が３桁程度大きいので、酸化シリコンとシリコンの界面での反応が促進されて成長が早くなる。この酸化過程によって、シリコン原子同士の結晶が切り離され、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る。結果的に、酸化することによって、極めて良質なシリコン膜を得ることができる。
【００２６】
本発明では、１つの工程で前述の２つの作用が同時に起こることによって、極めて良質なシリコン膜を得ることができる。
【００２７】
また、特に前記熱処理する工程を圧力が０．５〜５ＭＰａの圧力雰囲気で行うことにより、酸化均一性および酸化速度を高めることができるので、均一性がよく効率の良い酸化処理を行うことができる。
【００２８】
また、特に本発明の半導体膜の形成方法では、前記非晶質シリコン膜を熱処理する工程を３００〜７００℃で行うことにより、前述した安価なガラス基板の使用が可能である。
【００２９】
このように本発明の半導体膜の形成方法は良質結晶シリコン膜が簡単な方法で安価に、かつ、短時間で形成できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）本発明の半導体膜の作製方法の１実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明と比較例として単結晶シリコン膜および従来例の多結晶シリコン膜のラマン散乱分光スペクトルのグラフである。
【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  膜質向上した高品質な多結晶シリコン膜
【図１】
0004019584.tif 000002
【図２】
0004019584.tif 000003