(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に多結晶シリコン膜を形成する第１工程と、水蒸気を主成分とする雰囲気下で熱処理し、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を形成する第２工程と、不活性な気体の雰囲気下で前記多結晶シリコン膜と、酸化シリコンの絶縁膜を熱処理する第３工程とを有し、前記第２工程と第３工程は圧力が１〜５０ａｔｍ、温度が３００〜７００℃で処理が行われ、前記第２工程で形成される酸化シリコンの絶縁膜の絶縁耐圧特性を前記第３工程によって改善することを特徴とする半導体膜の形成方法。
【請求項２】
前記ガラス基板上に多結晶シリコン膜を形成する第１工程は、ガラス基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、形成された非晶質シリコン膜を熱処理して、多結晶シリコン膜とする工程とからなる請求項１記載の半導体膜の形成方法。
【請求項３】
前記不活性な気体は窒素、ヘリウムまたはアルゴンである請求項１または請求項２記載の半導体膜の形成方法。
【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が、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】
短波長のエキシマレーザを非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜に照射して溶融固化することにより、良質な半導体膜を得る方法もある。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、大面積照射する場合はビームを継ぎ合わせて照射しなければならず、その継ぎ合わせ部分で多結晶シリコン膜の膜質が変化し、その部分のトランジスタは異なった特性になってしまう。また、シリコン膜にレーザ照射するとシリコン膜の表面は局所的、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。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、絶縁性基板上に半導体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する必要がある。上記発明では、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。多結晶シリコン膜の水蒸気による酸化により、表面層に形成される酸化シリコンの絶縁膜の特性が劣るのは、酸化時に発生する水素や水酸基が酸化シリコンの絶縁膜中に含まれているためであると推定される。
【０００７】
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、酸化処理後の熱処理による絶縁膜の特性の改善により、酸化膜を除去した後絶縁膜を再形成する必要性を無くし、したがって、コストの低減を図ることが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。
【０００８】
【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多結晶シリコン膜を形成する第１工程と、水蒸気を主成分とする雰囲気下で熱処理し、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を形成する工程と、不活性な気体の雰囲気下で前記多結晶シリコン膜と酸化シリコンの絶縁膜を熱処理する工程とを有するものである。
【０００９】
前記絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成する工程は、多結晶シリコン膜を直接形成する代わりに基板上に非晶質シリコン膜を形成する工程と、形成された非晶質シリコン膜を熱処理して多結晶シリコン膜とする工程とからなるものであってもよい。
【００１０】
前記不活性な気体はアルゴンやヘリウムであってもよいが、安価な窒素であってもよい。
【００１１】
前記酸化工程および不活性な気体の雰囲気での熱処理の工程は、圧力が１〜５０ａｔｍ、温度が３００〜７００℃で行われるのが好ましい。
【００１２】
次に、本発明の作用を説明する。
絶縁性基板上に多結晶シリコン膜を形成し、水蒸気を主成分とする雰囲気下で熱処理し、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を形成すると、先に述べたように、自由なシリコン原子が生成され、これが多結晶シリコン膜中に拡散して多結晶シリコン膜中の結晶欠陥を補償して、多結晶シリコン膜の特性が改善される。
【００１３】
一方、水蒸気による酸化は、酸素を酸化剤として用いる場合に比べて酸化レートが大きく酸化が早く進行するので、生産性が高まる反面、酸化するときに水素や水酸基が発生し、これが酸化シリコンの絶縁膜中に残り、絶縁膜の絶縁特性が劣化する。
【００１４】
酸化処理後、不活性な気体の雰囲気下で熱処理を行うと、酸化シリコンの絶縁膜に含まれる水素や水酸基は、外部に放出され絶縁膜の絶縁特性が改善されるとともに、多結晶シリコン膜を用いて作製した、薄膜トランジスタの特性も改善される。したがって、上記酸化シリコン膜を絶縁膜としてデバイスにそのまま使うことができるとともに、酸化されずに残る多結晶シリコン膜の膜質も向上する。
【００１５】
【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は、本発明の半導体膜の形成方法を実施したときの半導体膜の変化を示す断面図であり、（Ａ）は酸化促進工程前の状態を示す図、（Ｂ）は酸化促進工程後の状態を示す図、（Ｃ）は不活性な気体による熱処理工程後の状態を示す図である。
【００１６】
図１（Ａ）に示すように、絶縁基板１上に形成された多結晶シリコン膜２は、結晶粒３の集まりであり、かつ、結晶粒３と結晶粒３の間は、結晶粒界４となっており、結晶粒３内には、多くの結晶欠陥５（×印）が存在している。絶縁性基板１には、ガラス基板、石英基板、サファイア基板等が用いられるが、安価でデバイスコストを低減できるガラス基板を用いることが多い。
【００１７】
この絶縁性基板１上に多結晶シリコン膜２を形成するには、非晶質シリコン膜を出発材料としてアニールして多結晶シリコン膜２にする固相成長法と、絶縁性基板１上に直接多結晶シリコン膜２を成膜する方法がある。一般に固相成長法のほうが良質な多結晶シリコン膜２が得られる。非晶質シリコン膜を成膜する方法は、特に限定されないが、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法等がある。減圧ＣＶＤ法で行うとアニール後に良質な多結晶シリコン膜２が得られる。この減圧ＣＶＤ法による成膜では、基板温度を４００〜６００℃、使用する原料ガスをＳｉＨ4 またはＳｉ2 Ｈ6 、膜厚を１００〜３００ｎｍとするのが好ましい。次に、アニールして多結晶シリコン膜２を形成する。アニール法は特に限定されないが、炉アニール、レーザアニール、ランプアニール、電子ビームアニールまたはこれらの組み合わせを用いることができる。炉アニールによるアニールでは、窒素雰囲気中で、アニール温度を５００〜６５０℃、アニール時間を４〜２４時間とするのが好ましい。
【００１８】
次に、水蒸気を主成分とする雰囲気下で熱処理し、多結晶シリコン膜２の表面層を酸化して酸化シリコンの絶縁膜６ａを形成する（以下「酸化促進工程」という）。酸化促進工程後の状態を図１（Ｂ）に示す。図に示すように、絶縁膜６ａ中には、水蒸気の酸素がシリコンと結合して酸化シリコンとした後に残る水素や水酸基が不純物７として存在している。酸化されずに残された多結晶シリコン層２中の結晶欠陥５（×印）の数は、激減している。
【００１９】
酸化促進工程の温度は、７００℃以下であれば安価なガラス基板を使用できるが通常は６００℃程度の温度で行う。また、圧力は、常圧でもよいが、５〜２５ａｔｍの高圧下で行えば更に酸化レートが向上するので好ましい。
【００２０】
次に、窒素などの不活性な気体の雰囲気下で、多結晶シリコン膜２と、酸化シリコンの絶縁膜６ａ熱処理する（以下「不活性気体熱処理工程」という）。不活性気体熱処理工程後の状態を図１（Ｃ）に示す。図に示すように、絶縁膜６ｂ中には、水素などの不純物７は残っていない。
【００２１】
不活性気体熱処理工程の温度および圧力は、上記酸化促進工程と同様である。
【００２２】
図２は、本発明の実施に使用する処理装置のフローシートである。図２に示す処理装置は、気密にシールされた圧力容器８と、圧力容器８内で気密にシールされた処理室９と、処理室９を加熱するヒータ１０と、圧力容器８に接続された昇圧ライン１１および減圧ライン１２と、処理室９に接続された処理ガス供給ライン１３および処理ガス排気ライン１４と、から構成されている。なお、処理ガスとは、水蒸気を主成分とする雰囲気または不活性な気体の雰囲気を生成するガスをいう。
【００２３】
処理室９は、内壁が石英で構成された石英管であり、半導体に金属が混入しないようになっている。ヒータ１０は処理室９の外周を囲むように設けられ、処理室９内を３００〜７００℃に維持できるようになっている。昇圧ライン１１は、空気源・減圧弁ＲＶ・フローメータ・バルブＶを有し、バルブＶの開閉により圧力容器８内に空気を供給し、圧力容器８内を１〜５０気圧に昇圧できるようになっている。減圧ライン１２は、バルブＶの開閉により圧力容器８内の空気を排気し、圧力容器８内を減圧できるようになっている。処理ガス供給ライン１３は、処理室９内に処理ガスを放出する下流部に、処理ガスを処理室９内と同等の温度に加熱するヒータ１５を有し、上流部では窒素供給ライン１３ａ・水供給ライン１３ｂに分岐している。窒素供給ライン１３ａは、供給源・減圧弁ＲＶ・フローメータ・バルブＶを有し、バルブＶの開閉により処理室９内に処理ガスを供給し、処理室９内を所定の処理ガス雰囲気にするとともに処理室９内を１〜５０気圧に昇圧できるようになっている。水供給ライン１３ｂは、ポンプＰ・バルブＶを有し、水源から水を汲み上げてバルブＶの開閉によりヒータ１５に水を供給し、そのヒータ１５で水を蒸発させ水蒸気にして処理室９内に供給している。１６は被処理物載置台であり、多結晶シリコン基板を載置する。
【００２４】
図３は、処理工程における時間（hour）と圧力（atm ）の関係を示すグラフである。昇圧は不活性な気体（窒素）により行い、その後一部を水蒸気におきかえて酸化促進工程に移る。酸化完了後、再び処理ガスを窒素におきかえて、不活性気体熱処理工程に移る。なお、これらの処理温度は６００℃である。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の効果を実証するための実験データについて説明する。図４は、絶縁膜の絶縁耐圧特性として電界強度（ＭＶ／ｃｍ）と電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）の関係を示すグラフである。本図において、「従来法」は、酸化促進工程のみで処理したもの、「本発明」は、酸化促進工程の後に不活性気体熱処理工程で処理したものについてのテスト効果を示している。
【００２６】
実験は、絶縁膜を誘電体として電極でサンドイッチし、電極間に電界を加えたときに流れる電流密度を測定することにより、絶縁膜の絶縁耐圧特性を評価した。水蒸気を主成分とする８気圧の雰囲気下において多結晶シリコン膜を酸化し、１００ｎｍ膜厚の酸化シリコン膜を形成し、これを評価した（従来法）。また、本発明により、水蒸気を主成分とする８気圧の雰囲気下において多結晶シリコン膜を酸化し、この後、窒素を主成分とする不活性な気体の８気圧の雰囲気下で３時間処理することにより１００ｎｍ膜厚の酸化シリコン膜を形成し、比較評価した。図に示すように従来法では、３．５ＭＶ／ｃｍ以上において電流密度が上昇し、５．５ＭＶ／ｃｍ以上の領域で絶縁破壊を起こした。これに対し、本発明では低電界領域においても流れる電流密度が減少し、６ＭＶ／ｃｍ程度まで１μＡ／ｃｍ2 以下の低い電流密度に保持され、かつ、絶縁破壊強度が７ＭＶ／ｃｍまで向上した。本発明により、絶縁膜としての絶縁特性が改善していることがわかる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１では上述の方法によって作成した多結晶シリコン膜を電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance ）により測定した欠陥密度を最上段に比較して示しており、さらに、この多結晶シリコン膜に不純物としてリンを注入してＮ型の薄膜トランジスタを作成し、トランジスタ移動度、トランジスタしきい値、トランジスタＳ値をそれぞれ測定し下３段に比較して示している。全ての項目において従来例より本発明の方が特性が優っていることがわかる。
【００２９】
本発明は以上説明した実施形態または実施例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ある。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べ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多結晶シリコン膜を水蒸気を主成分とする雰囲気下で熱処理して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を形成し、その後、不活性な気体の雰囲気下で熱処理して絶縁膜に含まれる水素や水酸基を外部に放出させるようにしたので、絶縁膜の絶縁特性が改善されるとともに酸化されずに残った多結晶シリコン膜の特性も改善されている。したがって、従来技術のようにトランジスタなどの半導体デバイスを製作する前に酸化シリコン膜を除去する必要がなく、そのまま絶縁膜として使用できるので半導体デバイスの製造コストを削減することができるとともに、半導体デバイスの性能向上が図れるなどの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施したときに半導体膜の変化を示す断面図である。
【図２】本発明の実施に使用する処理装置のフローシートである。
【図３】本発明の工程における圧力変化を示すグラフである。
【図４】本発明と従来法で形成した絶縁膜の絶縁耐圧特性を比較して示したグラフである。
【符号の説明】
１  絶縁性基板
２  多結晶シリコン膜
６  酸化シリコンの絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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