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JPH05299348A - Forming method for polysrystalline silicon thin film - Google Patents

Forming method for polysrystalline silicon thin film

Info

Publication number
JPH05299348A
JPH05299348A JP29353092A JP29353092A JPH05299348A JP H05299348 A JPH05299348 A JP H05299348A JP 29353092 A JP29353092 A JP 29353092A JP 29353092 A JP29353092 A JP 29353092A JP H05299348 A JPH05299348 A JP H05299348A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
silicon thin
polycrystalline silicon
heat treatment
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP29353092A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shizuo Oguro
志津夫 小黒
Seiichi Shishiguchi
清一 獅子口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Publication of JPH05299348A publication Critical patent/JPH05299348A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide the forming method for polycrystalline silicon thin film having excellent electrical characteristics in a large crystalline particle diameter while developing less defects in the crystalline particles. CONSTITUTION:When a polycrystalline silicon thin film 4 is formed by crystallizing an amorphous silicon thin film 3 using heat treatment step, the heat treatment step is to be performed in two phases i.e., the first step at the temperature not exceeding 650 deg.C and the second step at the temperature exceeding 700 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、アモルファスシリコン
薄膜を熱処理により結晶化させる多結晶シリコン薄膜の
形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a polycrystalline silicon thin film in which an amorphous silicon thin film is crystallized by heat treatment.

【0002】[0002]

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜は、各種の電極、配
線材料又は抵抗体となり、半導体デバイスの形成材料と
して重要な役割を担っている。例えば、メモリーデバイ
スにおける電荷蓄積電極、ゲート電極又はデバイス活性
層と配線層とのコンタクト埋設材料等にこの多結晶シリ
コン薄膜が適用されている。また、近年においては、多
結晶シリコン薄膜自体をデバイス活性層として使用する
多結晶シリコン薄膜トランジスタ(TFT)が開発さ
れ、SRAM(スタティックRAM)の負荷素子又は液
晶表示装置(LCD)用の液晶駆動素子として実用化さ
れている。
2. Description of the Related Art A polycrystalline silicon thin film serves as various electrodes, wiring materials or resistors and plays an important role as a material for forming semiconductor devices. For example, this polycrystalline silicon thin film is applied to a charge storage electrode, a gate electrode in a memory device, or a contact burying material between a device active layer and a wiring layer. Further, in recent years, a polycrystalline silicon thin film transistor (TFT) using a polycrystalline silicon thin film itself as a device active layer has been developed, and is used as a load element of SRAM (static RAM) or a liquid crystal driving element for a liquid crystal display (LCD). It has been put to practical use.

【0003】従来、この多結晶シリコン薄膜の形成方法
としては、シラン系ガス(SiH4,Si26 )を反
応ガスとする化学気相成長法により、約650℃の成膜
温度で多結晶シリコン薄膜を直接堆積する方法がある。
また、約500℃の成膜温度で、アモルファスシリコン
薄膜を堆積させ、その後、試料温度を約600乃至90
0℃に保持する熱処理により結晶化させて多結晶シリコ
ン薄膜を得る方法等もある。特に、後者の方法で形成し
た多結晶シリコン薄膜は、前者の方法で形成したものよ
り平均結晶粒径が大きいため、低抵抗化が可能であり、
また、トランジスタ特性に強く影響する結晶粒界が前者
の方法で形成したものより少ないという利点を持ってい
る。このため、この後者のアモルファスシリコン薄膜を
熱処理により結晶化させる方法が現在注目を集めてお
り、TFT用薄膜への適用及び将来の各種電極形成法と
して、精力的に開発が実施されている(例えば、Abstra
ctsof the 20th Conference on Solid State Devices a
nd Materials,1989,pp.57-60 )。
Conventionally, as a method of forming this polycrystalline silicon thin film, a chemical vapor deposition method using a silane-based gas (SiH 4 , Si 2 H 6 ) as a reaction gas is used, and the polycrystalline film is formed at a film forming temperature of about 650 ° C. There is a method of directly depositing a silicon thin film.
Further, the amorphous silicon thin film is deposited at a film forming temperature of about 500 ° C., and then the sample temperature is set to about 600 to 90 ° C.
There is also a method of obtaining a polycrystalline silicon thin film by crystallizing it by a heat treatment of holding it at 0 ° C. In particular, since the polycrystalline silicon thin film formed by the latter method has a larger average crystal grain size than that formed by the former method, it is possible to reduce the resistance,
Further, it has an advantage that the number of crystal grain boundaries that strongly influence the transistor characteristics is smaller than that formed by the former method. For this reason, the latter method of crystallizing the amorphous silicon thin film by heat treatment is currently attracting attention, and is vigorously developed as an application to a thin film for TFT and various electrode forming methods in the future (for example, , Abstra
ctsof the 20th Conference on Solid State Devices a
nd Materials, 1989, pp.57-60).

【0004】この熱処理により結晶化させる従来の多結
晶シリコン薄膜の形成方法においては、先ず、シリコン
単結晶基板上に熱酸化膜を約1000Åの厚さまで成長
させて形成した後、通常のLPCVD炉を使用して、ア
モルファスシリコン薄膜を約3000Åの厚さで成膜す
る。この成膜条件は、例えば圧力が0.15Torr、
温度が510℃、反応ガス流量が100%Si26
150sccm,Heベース4%PH3 で200scc
mである。次に、電気炉を使用して、例えば窒素雰囲気
中で、炉内温度を900℃に保持し20分間の熱処理を
施してアモルファスシリコン薄膜を結晶化させて、多結
晶シリコン薄膜を形成する。
In the conventional method for forming a polycrystalline silicon thin film which is crystallized by this heat treatment, first, a thermal oxide film is grown and formed to a thickness of about 1000Å on a silicon single crystal substrate, and then a normal LPCVD furnace is used. Using, an amorphous silicon thin film is formed to a thickness of about 3000Å. The film forming conditions are, for example, a pressure of 0.15 Torr,
The temperature is 510 ° C., the reaction gas flow rate is 150 sccm with 100% Si 2 H 6 , and 200 sccc with He base 4% PH 3 .
m. Next, using an electric furnace, for example, in a nitrogen atmosphere, the furnace temperature is kept at 900 ° C. and heat treatment is performed for 20 minutes to crystallize the amorphous silicon thin film to form a polycrystalline silicon thin film.

【0005】この場合に、多結晶シリコン薄膜は多数の
結晶粒から構成されているため、その電気特性は結晶粒
の特性(サイズ、結晶性)に大きく影響される。例え
ば、結晶粒界に存在するトラップは電気伝導を担うキャ
リアを捕獲するため、粒界近傍にはエネルギー障壁が形
成され、多結晶シリコン薄膜の電気伝導に大きく影響す
る。従って、良好な電気特性(例えば、低い抵抗率又は
高いキャリア移動度)を得るためには、結晶粒のサイズ
をできるだけ大きくすることにより電気伝導領域に存在
する結晶粒界を減少させること及び各結晶粒内の結晶欠
陥を減少させることの2点が重要となる。
In this case, since the polycrystalline silicon thin film is composed of a large number of crystal grains, its electrical characteristics are greatly influenced by the characteristics (size, crystallinity) of the crystal grains. For example, the traps existing at the crystal grain boundaries capture the carriers responsible for electrical conduction, so that an energy barrier is formed near the grain boundaries, which greatly affects the electrical conduction of the polycrystalline silicon thin film. Therefore, in order to obtain good electric characteristics (for example, low resistivity or high carrier mobility), the grain boundaries existing in the electric conduction region are reduced by increasing the size of the crystal grains as much as possible. Two important points are to reduce crystal defects in grains.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来方
法においては、以下に示すように結晶粒に関する上述の
2点の重要な特性を同時に満足することができないとい
う問題点がある。上述したように、従来方法はアモルフ
ァスシリコン薄膜を熱処理により結晶化して多結晶シリ
コン薄膜を形成する方法である。この従来方法により形
成される多結晶シリコン薄膜の結晶粒特性は、主として
結晶化熱処理の条件により決定される。例えば、比較的
低温(約600℃)の熱処理によれば、結晶粒径の大き
な多結晶シリコン薄膜を得ることができるが、結晶粒内
に多数の結晶欠陥が残留する。一方、約900℃の高温
熱処理によれば、結晶粒内の結晶欠陥が少ない多結晶シ
リコン薄膜を得ることができるが、結晶粒径が小さくな
ってしまう。これは、低温熱処理ほど、アモルファスシ
リコン薄膜の結晶化に際して、結晶核の発生速度が遅く
なること及び高温熱処理ほど結晶粒内の結晶欠陥緩和が
促進されることによるものである。従って、従来方法に
おいては結晶粒径が大きく、しかも結晶粒内の欠陥が少
ない多結晶シリコン薄膜を得ることは困難であるという
問題点がある。
However, the conventional method has a problem that it is not possible to simultaneously satisfy the above-mentioned two important characteristics concerning the crystal grains as described below. As described above, the conventional method is a method of crystallizing an amorphous silicon thin film by heat treatment to form a polycrystalline silicon thin film. The crystal grain characteristics of the polycrystalline silicon thin film formed by this conventional method are mainly determined by the conditions of the crystallization heat treatment. For example, by heat treatment at a relatively low temperature (about 600 ° C.), a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size can be obtained, but many crystal defects remain in the crystal grain. On the other hand, high-temperature heat treatment at about 900 ° C. makes it possible to obtain a polycrystalline silicon thin film with few crystal defects in the crystal grains, but the crystal grain size becomes small. This is because the lower the heat treatment, the slower the generation rate of crystal nuclei in the crystallization of the amorphous silicon thin film, and the higher the heat treatment promotes the relaxation of crystal defects in the crystal grains. Therefore, in the conventional method, it is difficult to obtain a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size and few defects in the crystal grain.

【0007】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、結晶粒径が大きく、しかも、結晶粒内欠陥
が少なくて、電気特性が優れた多結晶シリコン薄膜の形
成方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for forming a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size, few crystal grain defects, and excellent electrical characteristics. The purpose is to

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明に係る多結晶シリ
コン薄膜の形成方法は、アモルファスシリコン薄膜を熱
処理により結晶化させて多結晶シリコン薄膜を形成する
方法において、前記熱処理は650℃以下の温度で熱処
理する第1の熱処理工程と、700℃以上の温度で熱処
理する第2の熱処理工程とに分かれていることを特徴と
する。
A method for forming a polycrystalline silicon thin film according to the present invention is a method for forming a polycrystalline silicon thin film by crystallizing an amorphous silicon thin film by heat treatment, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 650 ° C. or lower. It is characterized in that it is divided into a first heat treatment step of performing heat treatment at 1. and a second heat treatment step of performing heat treatment at a temperature of 700 ° C. or higher.

【0009】[0009]

【作用】本発明においては、650℃以下の第1の熱処
理工程と700℃以上の第2の熱処理工程とによりアモ
ルファスシリコン薄膜を結晶化させる。先ず、比較的低
温の第1の熱処理工程においては、結晶核の発生速度が
遅く、結晶粒径が大きい多結晶シリコン薄膜が形成され
る。そして、その後の比較的高温の第2の熱処理によ
り、結晶粒内の結晶欠陥を減少させることができる。従
って、結晶粒径が大きく、しかも、結晶粒内の結晶欠陥
が少ない良質の多結晶シリコン薄膜を形成することがで
きる。
In the present invention, the amorphous silicon thin film is crystallized by the first heat treatment step at 650 ° C. or lower and the second heat treatment step at 700 ° C. or higher. First, in the first heat treatment process at a relatively low temperature, a polycrystalline silicon thin film having a slow generation rate of crystal nuclei and a large crystal grain size is formed. Then, the subsequent second heat treatment at a relatively high temperature can reduce the crystal defects in the crystal grains. Therefore, a high-quality polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size and few crystal defects in the crystal grain can be formed.

【0010】[0010]

【実施例】次に、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

【0011】図1(a)乃至(c)は本発明の実施例方
法を工程順に示す断面図である。先ず、図1(a)に示
すように、例えば面方位が(100)及び抵抗率が10
Ω・cmのP型シリコン基板1を使用し、このシリコン
基板1の上に、図1(b)に示すように、熱酸化膜2を
約1000Åの厚さで形成する。更に、抵抗加熱炉を使
用した通常のバッチ式LPCVD装置により、燐(P)
ドープのN型アモルファスシリコン薄膜3を約3000
Åの厚さで成膜する。
1A to 1C are cross-sectional views showing a method of an embodiment of the present invention in the order of steps. First, as shown in FIG. 1A, for example, the plane orientation is (100) and the resistivity is 10
A P-type silicon substrate 1 of Ω · cm is used, and a thermal oxide film 2 is formed on the silicon substrate 1 with a thickness of about 1000 Å as shown in FIG. In addition, phosphorus (P) was added by a normal batch type LPCVD equipment using a resistance heating furnace.
About 3000 of doped N-type amorphous silicon thin film 3
Deposition is done with a thickness of Å.

【0012】この成膜条件は、例えば、反応管内温度が
約510℃、圧力が0.15Torrであり、また、反
応ガスとして100%Si26 及び4%HeベースP
3ガスを夫々150sccm及び200sccmの流
量で使用する。この条件の場合には、アモルファスシリ
コン薄膜3中の燐濃度が、5×1020/cm3 以下とな
る。
The film forming conditions are, for example, a reaction tube temperature of about 510 ° C., a pressure of 0.15 Torr, and a reaction gas of 100% Si 2 H 6 and 4% He base P.
H 3 gas is used at a flow rate of 150 sccm and 200 sccm, respectively. Under this condition, the phosphorus concentration in the amorphous silicon thin film 3 is 5 × 10 20 / cm 3 or less.

【0013】次に、図1(c)に示すように、先ず、6
50℃以下の温度でアモルファスシリコン薄膜3を形成
したものを熱処理し、多結晶シリコン薄膜4を形成す
る。この多結晶シリコン薄膜4は粒径は大きいが結晶粒
内部に欠陥が存在する。そこで、更に、700℃以上の
温度で多結晶シリコン薄膜4を熱処理してこの欠陥を消
失させる。この場合に、この第2の熱処理は結晶粒径が
小さくならない程度の時間にする。これにより、結晶粒
径が大きく結晶粒内部の欠陥が少ない多結晶シリコン薄
膜4が形成される。
Next, as shown in FIG. 1C, first, 6
The amorphous silicon thin film 3 formed is heat-treated at a temperature of 50 ° C. or lower to form a polycrystalline silicon thin film 4. This polycrystalline silicon thin film 4 has a large grain size, but has defects inside the grain. Therefore, the polycrystalline silicon thin film 4 is further heat-treated at a temperature of 700 ° C. or higher to eliminate this defect. In this case, the second heat treatment is performed for a time period such that the crystal grain size does not decrease. As a result, the polycrystalline silicon thin film 4 having a large crystal grain size and few defects inside the crystal grain is formed.

【0014】本実施例においては、650℃以下の第1
の熱処理工程と700℃以上の第2の熱処理工程とによ
りアモルファスシリコン薄膜を結晶化させる。先ず、比
較的低温の第1の熱処理工程においては、結晶核の発生
速度が遅く、結晶粒径が大きい多結晶シリコン薄膜が形
成される。そして、その後の比較的高温の第2の熱処理
により、結晶粒内の結晶欠陥を減少させることができ
る。従って、結晶粒径が大きく、しかも、結晶粒内の結
晶欠陥が少ない良質の多結晶シリコン薄膜4を形成する
ことができる。
In this embodiment, the first temperature below 650 ° C.
The amorphous silicon thin film is crystallized by the heat treatment step (1) and the second heat treatment step at 700 ° C. or higher. First, in the first heat treatment process at a relatively low temperature, a polycrystalline silicon thin film having a slow generation rate of crystal nuclei and a large crystal grain size is formed. Then, the subsequent second heat treatment at a relatively high temperature can reduce the crystal defects in the crystal grains. Therefore, a high-quality polycrystalline silicon thin film 4 having a large crystal grain size and few crystal defects in the crystal grain can be formed.

【0015】次に、本実施例方法により形成された多結
晶シリコン薄膜の特性を比較例方法により形成したもの
と比較して説明する。先ず、図1(b)に示す工程の条
件で形成したアモルファスシリコン薄膜3の領域を5分
割し、4領域については比較例として従来条件により熱
処理を施し、残りの1領域については本実施例の2段階
の熱処理を施して多結晶シリコン薄膜4を形成した。熱
処理の温度及び時間は、比較例の水準1が600℃で1
80分、水準2が700℃で20分、水準3が800℃
で20分、水準4が900℃で20分であり、本実施例
の水準5が600℃で180分熱処理した後、更に90
0℃で20分実施した。この600℃での熱処理につい
ては、他水準と比較して結晶化に長時間要するため、処
理時間を180分としている。
Next, the characteristics of the polycrystalline silicon thin film formed by the method of this example will be described in comparison with those formed by the method of the comparative example. First, the region of the amorphous silicon thin film 3 formed under the conditions of the process shown in FIG. 1B is divided into 5 regions, 4 regions are heat-treated under conventional conditions as a comparative example, and the remaining 1 region is the same as that of this embodiment. A two-step heat treatment was performed to form a polycrystalline silicon thin film 4. Regarding the temperature and time of the heat treatment, the level 1 of the comparative example is 1 at 600 ° C.
80 minutes, level 2 700 ℃ for 20 minutes, level 3 800 ℃
For 20 minutes, the level 4 is 900 ° C. for 20 minutes, and the level 5 of this embodiment is 90 minutes after heat treatment at 600 ° C. for 180 minutes.
It was carried out at 0 ° C. for 20 minutes. Regarding this heat treatment at 600 ° C., the treatment time is set to 180 minutes because it takes a longer time to crystallize as compared with other levels.

【0016】以下に、多結晶シリコン薄膜の結晶粒径、
結晶粒内の結晶性及び抵抗率について評価した結果につ
いて説明する。先ず、図2は熱処理条件と多結晶シリコ
ン薄膜の結晶粒径との関係を示すグラフ図である。この
図2に示すように、透過型電子顕微鏡により評価される
結晶粒径は、低温熱処理の水準1と低温熱処理の後に高
温熱処理を施している本実施例の2段階熱処理の水準5
とにおいて最大の結晶粒径が得られている。
Below, the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film,
The results of evaluation of crystallinity and resistivity in crystal grains will be described. First, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the heat treatment conditions and the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film. As shown in FIG. 2, the crystal grain size evaluated by the transmission electron microscope is as follows: low-temperature heat treatment level 1 and low-temperature heat treatment followed by high-temperature heat treatment level 5 in this example.
The maximum crystal grain size is obtained in and.

【0017】一方、図3は熱処理条件に対する多結晶シ
リコン薄膜の結晶性を示すグラフ図である。この図3に
示すように、θ−2θスキャン法によりX線回折線のピ
ーク幅(積分幅で評価)から結晶粒内の結晶性を評価す
ると、熱処理温度が900℃の水準4と本実施例の水準
5とにおいてX線回折線のピーク幅(積分幅)が最小と
なっている。回折線のピーク幅は結晶性が良好となるほ
ど小さくなることから、水準4及び水準5において最も
結晶性が向上していることが確認される。
On the other hand, FIG. 3 is a graph showing the crystallinity of the polycrystalline silicon thin film with respect to the heat treatment conditions. As shown in FIG. 3, when the crystallinity in the crystal grains was evaluated from the peak width of the X-ray diffraction line (evaluated by the integral width) by the θ-2θ scan method, the heat treatment temperature was 900 ° C., which was Level 4 and the present example. And the peak width (integral width) of the X-ray diffraction line is minimum. Since the peak width of the diffraction line becomes smaller as the crystallinity becomes better, it is confirmed that the crystallinity is most improved in Level 4 and Level 5.

【0018】更に、図4は熱処理条件に対する多結晶シ
リコン薄膜の抵抗率を示すグラフ図である。この図4に
示すように、4探針法により多結晶シリコン薄膜のシー
ト抵抗を測定し、得られたシート抵抗に対し膜厚補正を
施して膜の抵抗率を計算すると、本実施例の熱処理水準
(水準5)において最小の抵抗率が得られている。
Further, FIG. 4 is a graph showing the resistivity of the polycrystalline silicon thin film with respect to heat treatment conditions. As shown in FIG. 4, the sheet resistance of the polycrystalline silicon thin film was measured by the 4-probe method, and the obtained sheet resistance was subjected to film thickness correction to calculate the film resistivity. The lowest resistivity is obtained at the level (level 5).

【0019】次に、図5乃至図11に基づいて、本発明
の第2の実施例に係る多結晶シリコン薄膜の形成方法に
ついて説明する。本実施例は本発明をTFTの製造に適
用したものである。先ず、図5に示すような面方位が
(100)及び抵抗率が10Ω・cmのP型シリコン単
結晶シリコン基板11上に図6に示すように熱酸化膜1
2を形成し、次に、第1の実施例と同様にしてアモルフ
ァスシリコン薄膜13を成膜する。但し、本実施例では
Pのドーピングは実施しない。
Next, a method for forming a polycrystalline silicon thin film according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment applies the present invention to the manufacture of a TFT. First, as shown in FIG. 5, a thermal oxide film 1 is formed on a P-type silicon single crystal silicon substrate 11 having a plane orientation of (100) and a resistivity of 10 Ω · cm as shown in FIG.
2 is formed, and then an amorphous silicon thin film 13 is formed in the same manner as in the first embodiment. However, P doping is not performed in this embodiment.

【0020】次に、図7に示すように、650℃以下の
温度でアモルファスシリコン薄膜13を熱処理し、多結
晶シリコン薄膜14を形成する。この多結晶シリコン薄
膜14は結晶粒径は大きいが結晶粒内部に欠陥を含むた
め、更に、700℃以上の温度で多結晶シリコン薄膜1
4を熱処理し、結晶粒内の結晶欠陥を減少させる。これ
により、結晶粒径が大きく結晶粒内部の欠陥が少ない多
結晶シリコン薄膜14が形成される。
Next, as shown in FIG. 7, the amorphous silicon thin film 13 is heat-treated at a temperature of 650 ° C. or lower to form a polycrystalline silicon thin film 14. Since this polycrystalline silicon thin film 14 has a large crystal grain size but contains defects inside the crystal grain, the polycrystalline silicon thin film 1 is further heated at a temperature of 700 ° C. or higher.
4 is heat-treated to reduce crystal defects in crystal grains. As a result, the polycrystalline silicon thin film 14 having a large crystal grain size and few defects inside the crystal grain is formed.

【0021】次に、図8に示すように、この多結晶シリ
コン薄膜14をホトリソグラフィー工程及びイオンエッ
チング工程によりパターニングする。
Next, as shown in FIG. 8, this polycrystalline silicon thin film 14 is patterned by a photolithography process and an ion etching process.

【0022】次に、図9に示すように、パターニング後
の多結晶シリコン薄膜14上にゲート酸化膜15を形成
する。
Next, as shown in FIG. 9, a gate oxide film 15 is formed on the patterned polycrystalline silicon thin film 14.

【0023】次に、このゲート酸化膜15上に、通常の
LPCVD法により多結晶シリコン薄膜を成膜した後、
ホトリソグラフィー工程及びイオンエッチング工程によ
り多結晶シリコン薄膜をパターニングし、図10に示す
ように多結晶シリコンゲート電極16を形成する。
Next, after a polycrystalline silicon thin film is formed on this gate oxide film 15 by a normal LPCVD method,
The polycrystalline silicon thin film is patterned by a photolithography process and an ion etching process to form a polycrystalline silicon gate electrode 16 as shown in FIG.

【0024】最後に、図11に示すように、多結晶シリ
コンゲート電極16をマスクとして砒素を注入すること
により多結晶シリコン薄膜14にソース領域17及びド
レイン領域18を形成して多結晶シリコン薄膜トランジ
スタ(TFT)が完成する。
Finally, as shown in FIG. 11, arsenic is implanted using the polycrystalline silicon gate electrode 16 as a mask to form a source region 17 and a drain region 18 in the polycrystalline silicon thin film 14 to form a polycrystalline silicon thin film transistor ( TFT) is completed.

【0025】本実施例においても、650℃以下の第1
の熱処理工程と700℃以上の第2の熱処理工程とによ
りアモルファスシリコン薄膜13を結晶化させて多結晶
シリコン薄膜14を形成するので、得られた多結晶シリ
コン薄膜14は、結晶粒径が大きく、しかも、結晶粒内
の結晶欠陥が少ない良質のものとなる。このため、この
多結晶シリコン薄膜14により構成されるTFTは移動
度及びオン電流が上昇し、応答性が良く、駆動能力が高
い。
Also in this embodiment, the first temperature below 650 ° C.
Since the amorphous silicon thin film 13 is crystallized to form the polycrystalline silicon thin film 14 by the heat treatment step and the second heat treatment step at 700 ° C. or higher, the obtained polycrystalline silicon thin film 14 has a large crystal grain size, Moreover, the quality of the crystal grain is small with few crystal defects. Therefore, the TFT composed of the polycrystalline silicon thin film 14 has improved mobility and on-current, good responsiveness, and high driving ability.

【0026】次に、本実施例方法により形成された多結
晶シリコン薄膜の特性を比較例方法により形成したもの
と比較して説明する。先ず、図6に示す工程の条件で形
成したアモルファスシリコン薄膜13の領域を2分割
し、一方の試料については従来条件の600℃で180
分の熱処理を施し、他方の試料については本実施例条件
の600℃で180分の熱処理をした後、更に900℃
で20分の熱処理を実施してアモルファスシリコン薄膜
13を結晶化し、図7に示すように多結晶シリコン薄膜
14を形成する。それ以降の工程は、いずれも同一のプ
ロセスで上述の如く実施してTFTが完成する。即ち、
以上のTFT形成プロセスにおいて、比較例と本実施例
とは、アモルファスシリコン薄膜13の結晶化工程のみ
が異なり、他のプロセスは全て同一である。
Next, the characteristics of the polycrystalline silicon thin film formed by the method of this example will be described in comparison with those formed by the method of the comparative example. First, the region of the amorphous silicon thin film 13 formed under the conditions of the process shown in FIG. 6 is divided into two, and one sample is 180 ° C. at 600 ° C. which is the conventional condition.
Heat treatment for 180 minutes, and for the other sample, after heat treatment for 180 minutes at 600 ° C. under the conditions of this embodiment, further 900 ° C.
Then, the amorphous silicon thin film 13 is crystallized by performing a heat treatment for 20 minutes to form a polycrystalline silicon thin film 14 as shown in FIG. The subsequent steps are all performed in the same process as described above to complete the TFT. That is,
In the above TFT forming process, the comparative example and the present example are different only in the crystallization process of the amorphous silicon thin film 13, and the other processes are all the same.

【0027】本実施例において、第1の実施例と同様に
多結晶シリコン薄膜14の結晶粒を評価したところ、第
1の実施例と同様に本実施例の方が結晶粒内の結晶欠陥
が著しく減少している。また、TFTのトランジスタ特
性を評価したところ、特に、本実施例は結晶粒特性の影
響を強く受けると考えられるオン電流及び移動度に関し
て改善が見られる。従来条件により得られたTFTは移
動度が30cm2 /V・S、オン電流が100nAであ
るが、本実施例によるTFTは、移動度が35cm2
V・S、オン電流が150nAになり改善されており、
本実施例の方が、従来条件による比較例より速い応答能
力及び高い駆動能力を得ている。
In this example, the crystal grains of the polycrystalline silicon thin film 14 were evaluated in the same manner as in the first example. As in the first example, this example showed that crystal defects in the crystal grains were smaller. It has decreased significantly. Further, when the transistor characteristics of the TFT were evaluated, in particular, the present example shows an improvement in the on-current and the mobility which are considered to be strongly influenced by the crystal grain characteristics. The TFT obtained by the conventional conditions mobility 30cm 2 / V · S, but ON current is 100 nA, TFT according to this embodiment, the mobility is 35 cm 2 /
V ・ S and ON current are improved to 150nA,
The present embodiment has obtained faster response capability and higher drive capability than the comparative example under the conventional condition.

【0028】なお、第1の実施例においては、燐ドープ
膜についてのみ説明したが、ドーパント不純物が砒素又
はボロンであっても、同様の効果(抵抗率の低減)が得
られる。
Although only the phosphorus-doped film has been described in the first embodiment, the same effect (reduction in resistivity) can be obtained even if the dopant impurity is arsenic or boron.

【0029】次に、本発明の第3の実施例について説明
する。本実施例は本発明を各種の半導体装置におけるデ
バイス活性層と配線層とのコンタクト埋設材料に適用し
たものであり、具体的にはコンタクト抵抗評価用基板の
作製方法を示すものである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The present embodiment applies the present invention to a contact burying material for a device active layer and a wiring layer in various semiconductor devices, and specifically shows a method for producing a contact resistance evaluation substrate.

【0030】図12乃至図15は本実施例方法を工程順
に示す断面図である。先ず、図12に示すように、面方
位(100)、抵抗率10Ω・cmのP型シリコン単結
晶基板21の表面の所定の領域にAsをイオン注入し
て、n+型の拡散層22を選択的に形成する。
12 to 15 are sectional views showing the method of this embodiment in the order of steps. First, as shown in FIG. 12, As is ion-implanted into a predetermined region of the surface of a P-type silicon single crystal substrate 21 having a plane orientation (100) and a resistivity of 10 Ω · cm to form an n + -type diffusion layer 22. Selectively formed.

【0031】次いで、図13に示すように、基板21の
表面上に厚さが1μmの熱酸化膜23を形成し、ホトリ
ソグラフィ及びイオンエッチングにより例えば直径が
0.4mm、深さが1μmのコンタクトホール31を形
成する。
Next, as shown in FIG. 13, a thermal oxide film 23 having a thickness of 1 μm is formed on the surface of the substrate 21, and a contact having a diameter of 0.4 mm and a depth of 1 μm is formed by photolithography and ion etching. The hole 31 is formed.

【0032】その後、第1の実施例と同様に、Pのドー
ピングを行いながら、アモルファスシリコン薄膜をコン
タクトホール31に埋め込むように全面に成膜する。そ
して、600℃に180分間加熱した後、900℃に2
0分間加熱する熱処理を行う。これにより、前記アモル
ファスシリコン薄膜が結晶化して、図14に示すよう
に、多結晶シリコン薄膜24が形成される。その後、イ
オンエッチング工程により酸化膜上の余分な多結晶シリ
コン薄膜を除去し、コンタクトホール31内にのみ多結
晶シリコン薄膜24を残存させる。
Thereafter, similarly to the first embodiment, while doping P, an amorphous silicon thin film is formed on the entire surface so as to fill the contact hole 31. Then, after heating to 600 ° C for 180 minutes, it is heated to 900 ° C for 2 minutes.
A heat treatment of heating for 0 minutes is performed. As a result, the amorphous silicon thin film is crystallized to form a polycrystalline silicon thin film 24 as shown in FIG. After that, the excess polycrystalline silicon thin film on the oxide film is removed by an ion etching process, and the polycrystalline silicon thin film 24 remains only in the contact hole 31.

【0033】次いで、図15に示すように、スパッタリ
ング法により、厚さが例えば300Åのチタン(Ti)
薄膜25、厚さが例えば1000Åの窒化チタン(Ti
N)薄膜26、厚さが例えば5500ÅのAl−Si−
Cu合金膜27及び厚さが例えば300ÅのTi薄膜2
8を順次積層形成する。そして、これらの層を所定のパ
ターンでエッチングして分離溝32を形成し、複数の上
部電極に分離した。これにより、多結晶シリコン薄膜2
4からなるコンタクトプラグ部分が例えば2000個直
列に並べられる。
Next, as shown in FIG. 15, titanium (Ti) having a thickness of, for example, 300 Å is formed by a sputtering method.
Thin film 25, titanium nitride (Ti) with a thickness of, for example, 1000Å
N) Thin film 26, Al-Si- with a thickness of 5500Å, for example
Cu alloy film 27 and Ti thin film 2 having a thickness of, for example, 300 Å
8 are sequentially laminated. Then, these layers were etched in a predetermined pattern to form a separation groove 32 and separated into a plurality of upper electrodes. Thereby, the polycrystalline silicon thin film 2
For example, 2000 contact plug portions composed of 4 are arranged in series.

【0034】このようにして、第1水準及び第2水準の
熱処理で製作したコンタクト抵抗評価用基板において、
相違する点はアモルファスシリコンの結晶化熱処理工程
のみである。そして、熱処理条件の影響を調べるため
に、従来方法で900℃に20分間加熱した基板(水準
1)と、本実施例方法により、600℃に180分間加
熱した後、900℃に20分間加熱する熱処理を行った
基板(水準2)について、コンタクト抵抗を測定した結
果、コンタクト1つ当たりの抵抗は、従来法により製作
されたもの(水準1)の抵抗値(800〜1500Ω)
に比して、本実施例(水準2)の抵抗値は235Ωと著
しく低減され、良好なコンタクトを形成することができ
た。
In this way, in the contact resistance evaluation substrate manufactured by the first level and second level heat treatment,
The only difference is the crystallization heat treatment step of amorphous silicon. Then, in order to investigate the influence of the heat treatment conditions, the substrate (level 1) heated to 900 ° C. for 20 minutes by the conventional method and the substrate of 600 ° C. for 180 minutes and then to 900 ° C. for 20 minutes are heated by the method of this embodiment. As a result of measuring the contact resistance of the heat-treated substrate (level 2), the resistance per contact is the resistance value (800 to 1500Ω) of the one manufactured by the conventional method (level 1).
In contrast, the resistance value of this example (level 2) was remarkably reduced to 235Ω, and a good contact could be formed.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、結晶粒が大きく、しか
も、結晶粒内の結晶欠陥が少ない良質の多結晶シリコン
薄膜を形成できる。これにより、従来法と比較して電気
特性(低抵抗率、高キャリア移動度)が優れた多結晶シ
リコン薄膜を形成することができる。
According to the present invention, it is possible to form a high quality polycrystalline silicon thin film having large crystal grains and few crystal defects in the crystal grains. This makes it possible to form a polycrystalline silicon thin film having excellent electrical characteristics (low resistivity and high carrier mobility) as compared with the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は、本発明の第1の実施例に係る多結晶
シリコン薄膜の形成方法における一工程を示す断面図、
(b)は、同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図、(c)は、同じく本実施例方法における他の
一工程を示す断面図である。
FIG. 1A is a sectional view showing one step in a method for forming a polycrystalline silicon thin film according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 6B is a sectional view showing another step of the method of this embodiment, and FIG. 8C is a sectional view showing another step of the method of this embodiment.

【図2】熱処理条件に対する多結晶シリコン薄膜の結晶
粒径を示すグラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing the crystal grain size of a polycrystalline silicon thin film with respect to heat treatment conditions.

【図3】熱処理条件に対する多結晶シリコン薄膜の結晶
性を示すグラフ図である。
FIG. 3 is a graph showing the crystallinity of a polycrystalline silicon thin film with respect to heat treatment conditions.

【図4】熱処理条件に対する多結晶シリコン薄膜の抵抗
率を示すグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing the resistivity of a polycrystalline silicon thin film with respect to heat treatment conditions.

【図5】本発明の第2の実施例に係る多結晶シリコン薄
膜の形成方法によりTFTを製造する方法を説明する一
工程の断面図である。
FIG. 5 is a sectional view of a step illustrating a method for manufacturing a TFT by the method for forming a polycrystalline silicon thin film according to the second embodiment of the present invention.

【図6】同じく本実施例方法における他の一工程を示す
断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another step of the method of this embodiment.

【図7】同じく本実施例方法における他の一工程を示す
断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図8】同じく本実施例方法における他の一工程を示す
断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図9】同じく本実施例方法における他の一工程を示す
断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図10】同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図11】同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図12】本発明の第3の実施例に係る多結晶シリコン
薄膜の形成方法によりデバイス活性層と配線層とのコン
タクトを形成する方法を説明する一工程の断面図であ
る。
FIG. 12 is a sectional view of a step illustrating a method of forming a contact between a device active layer and a wiring layer by the method of forming a polycrystalline silicon thin film according to the third embodiment of the present invention.

【図13】同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図14】同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【図15】同じく本実施例方法における他の一工程を示
す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing another process of the method of this embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,21;シリコン基板 2,12,23;酸化膜 3,13;アモルファスシリコン薄膜 4,14,24;多結晶シリコン薄膜 15;ゲート酸化膜 16;多結晶シリコンゲート電極 17;ソース領域 18;ドレイン領域 22;拡散層 25,28;チタン薄膜 26;窒化チタン薄膜 27;Al−Si−Cu合金膜 31;コンタクトホール Silicon substrates 2, 12, 23; oxide films 3, 13; amorphous silicon thin films 4, 14, 24; polycrystalline silicon thin films 15; gate oxide films 16; polycrystalline silicon gate electrodes 17; source regions 18 Drain region 22; diffusion layers 25 and 28; titanium thin film 26; titanium nitride thin film 27; Al-Si-Cu alloy film 31; contact hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/784 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 29/784

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アモルファスシリコン薄膜を熱処理によ
り結晶化させて多結晶シリコン薄膜を形成する方法にお
いて、前記熱処理は650℃以下の温度で熱処理する第
1の熱処理工程と、700℃以上の温度で熱処理する第
2の熱処理工程とに分かれていることを特徴とする多結
晶シリコン薄膜の形成方法。
1. A method of crystallizing an amorphous silicon thin film by heat treatment to form a polycrystalline silicon thin film, wherein the heat treatment comprises a first heat treatment step of heat treatment at a temperature of 650 ° C. or lower and a heat treatment of 700 ° C. or higher. And a second heat treatment step for forming a polycrystalline silicon thin film.
【請求項2】 前記アモルファスシリコン薄膜として、
燐、砒素又はボロンを不純物としてドーピングしたもの
を使用することを特徴とする請求項1に記載の多結晶シ
リコン薄膜の形成方法。
2. The amorphous silicon thin film,
2. The method for forming a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein a material doped with phosphorus, arsenic or boron as an impurity is used.
【請求項3】 前記多結晶シリコン薄膜を、多結晶シリ
コン薄膜トランジスタのソース及びドレイン形成用活性
領域とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の多
結晶シリコン薄膜の形成方法。
3. The method for forming a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the polycrystalline silicon thin film is used as an active region for forming a source and a drain of a polycrystalline silicon thin film transistor.
【請求項4】 前記多結晶シリコン薄膜を、デバイス活
性層と配線層とのコンタクト埋設層とすることを特徴と
する請求項1又は2に記載の多結晶シリコン薄膜の形成
方法。
4. The method for forming a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the polycrystalline silicon thin film is used as a contact burying layer between a device active layer and a wiring layer.
JP29353092A 1992-02-20 1992-10-30 Forming method for polysrystalline silicon thin film Pending JPH05299348A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100480552B1 (en) * 1997-09-02 2005-05-16 삼성전자주식회사 Method for crystallizing a silicon film
US6946200B2 (en) 2000-08-08 2005-09-20 Honeywell International Inc. Methods for reducing the curvature in boron-doped silicon micromachined structures
JP2010530642A (en) * 2007-06-19 2010-09-09 サンディスク スリーディー,エルエルシー Junction diode with reduced reverse current

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