DE3882856T2 - Herstellung einer polykristallinen Schicht. - Google Patents

Herstellung einer polykristallinen Schicht.

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von polykristallinen Filmen mit großer Korngröße, insbesondere, aber nicht ausschließlich, von Filmen aus polykristallinem Silicium.
  • Amorphes Silicium ist seit mehreren Jahren in großem Umfang in Solarzellen und Display-Anwendungen verwendet worden. Vor kurzem ist ein neues Gebiet der Elektronik gewachsen, basierend auf der Bildung von Großflächenschaltungen von amorphem Siliciummaterial auf großen, billigen, transparenten Glassubstraten. Die dies ermöglichende Technologie ist die Fähigkeit zum Aufbringen von dünnen Filmen dieses halbleitenden Materials über große Flächen und die Bearbeitung von Schaltungen unter Verwendung von der konventionellen IC- Bearbeitung ähnlichen Verfahren. Beispiele solcher Großflächenelektronik werden in der US-A-4 584 592 mit dem "Titel Marking Head for Fluid Jet Assisted Ion Projection Imaging Systems" und der US-A- 4 588 997 mit dem Titel "Electrographic Writing Head" beschrieben. In beiden dieser Patente wird eine Großflächen-Markierungskopf-Anordnung gelehrt, die eine große Zahl von durch Dünnschichttransistor(TFT)-Schaltern mit einer kleinen Zahl von externen Anordnungs-Treiber-Linien verbundenen Eingabe- oder Ausgabe-Wandlern umfaßt, wobei alles auf einem einzigen Großflächensubstrat angefertigt ist.
  • Wenn auch die amorphen Silicium-TFTs bei ihren Anwendungen beträchtlichen Erfolg hatten, so haben doch ihre extrem niedrigen Ladungsträgerbeweglichkeiten (typischerweise unterhalb 1 cm²/V s) ihre Stromtreiber-Kapazitäten und letzten Endes die Vorrichtungs-Arbeitsgeschwindigkeit limitiert. Andererseits wird von polykristallinen Silicium-TFTs erwartet, daß sie eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit in der Größenordnung von 20 bis 100 cm²/V s oder möglicherweise auch höhere Geschwindigkeiten erreichen. Aus der Perspektive der Vorrichtungs-Arbeitsgeschwindigkeit scheint dieses Material in vielen Anwendungen ein attraktiver Ersatz für amorphes Silicium zu sein.
  • Ein Mangel von wie-niedergeschlagenen polykristallinen Filmen sind ihre üblichen kleinen Körnchen, die die Ladungsträgerbeweglichkeit nachteilig beeinflussen. Es ist bekannt, daß eine steigende Korngröße, um die Zahl und den nachteiligen Einfluß von Korngrenzen in dem Film zu reduzieren, die Ladungsträgerbeweglichkeit steigert und die Vorrichtungsleistung erhöht. Üblicherweise hat die Erhöhung der Korngröße eine Hochtemperaturverarbeitung (> 1000ºC) erfordert, was für Großflächen-Elektronikanordnungen auf den gewünschten billigen Glassubstraten unbefriedigend ist. Z.B. ist Corning 7059 ein gutes, billiges, in Massen produziertes Glas, das einen hohen Grad an Ebenheit aufweist und dessen obere Entspannungstemperatur 630ºC ist. Es wäre für jede beliebige Verarbeitung davon nicht vernünftig, 600ºC für eine längere Zeit zu überschreiten. Kürzlich hat die Literatur Verfahren bei niedrigerer Temperatur zur Vergrößerung von Körnchen in polykristallinen, dünnen Siliciumfilmen umfaßt. Die folgenden zwei Veröffentlichungen sind repräsentativ für den aktuellen Stand dieser Technik: "Low Temperature Polysilicon Super Thin-Film Transistor (LSFT)" von Noguchi et al, veröffentlicht in Japanese Journal of Applied Physics, Teil 2, Letters, Bd. 25, Nr. 2, Februar 1986, auf den leiten L121-L123, und "Comparison of Thin Film Transistors Fabricated at Low Temperatures (< 600º C) on As-Deposited and Amorphized-Crystallized Polycrystalline Si" von Kung et al, veröffentlicht in Journal of Applied Physics, 61(4), 15. Februar 1987, auf den Seiten 1638-1642.
  • Die in beiden der oben genannten Veröffentlichungen beschriebenen Verfahren umfassen Amorphisieren des polykristallinen Films durch Siliciumionenimplantation und anschließendes Rekristallisieren des Films durch ein Tempern bei niedriger Temperatur (< 600ºC). In dem Artikel von Noguchi et al wird berichtet, daß die Ionenimplantationsenergie ungefähr bei der mittleren Filmtiefe einen Peak hat, aber die Lokalisierung des Implantationsenergie-Peaks wird in dem Artikel von Kung et al nicht diskutiert. In beiden beschriebenen Verfahren besteht die Wirkung der Ionenimplantation in der Zerstörung der kristallinen Gitterstrukturen, um den polykristallinen Film in eine amorphe Form umzuwandeln. Durch Auswählen des richtigen Ionenimplantationswinkels relativ zum normalen Einfall amorphisiert die Implantation die meisten der kristallinen Körnchen in dem Film. Diese statistischen Kristallite, die nach dem Ionenstrahl ausgerichtet waren, bleiben bestehen und wachsen während des anschließenden Temperschritts. Da die Dichte der übrig bleibenden Kristallite stark vermindert ist, wächst jeder praktisch ungestört und fährt fort, sich zu vergrößern, bis er ein benachbartes Körnchen trifft.
  • In jeder der obengenannten Verweisstellen war das Ausgangsmaterial ein polykristalliner Siliciumfilm, der annähernd vollständig durch Ionenimplantation amorphisiert war. Das Verfahren zum Amorphisieren und Rekristallisieren einer Halbleiterschicht unter Verwendung von Ionenimplantation wurde ebenfalls in den folgenden Patenten offenbart: US-A-4 463 492 (Maeguchi), US-A-4 509 990 (Vasudev) und US-A-4 588 447. Es versteht sich, daß der Ionenimplantationsschritt dieses bekannten Verfahrens einen Film ergibt, der eine vorbestimmte Zahl von Kornwachstumsstellen aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung grobkörniger polykristalliner Filme geschaffen, das die Schritte des Abscheidens einer Schicht von amorphem Halbleitermaterial auf einem isolierenden Substrat wie Glas, des Implantierens von Ionen in den Film bei einer zur Zerstörung der Grenzfläche zwischen der amorphen Schicht und dem isolierenden Substrat ausreichenden Implantationsenergie und -dosis und des anschließenden Temperns des implantierten Films, um seine Kristallisation zu bewirken, umfaßt. Durch geeignete Auswahl der Ionenart, Implantationsenergie und -dosis relativ zu der Dicke und Art der amorphen Schicht sowie ihres unterlegten Substrats wird eine ausreichende Energie auf die Grenzfläche gerichtet, um das Keimbildungsverfahren während des anschließenden Temperns zu verhindern und das Wachstum von großen Körnchen zu ermöglichen.
  • Wir haben gefunden, daß die Verwendung von amorphem Silicium als Ausgangsmaterial erwünscht ist, weil bei ihm Kornwachstumsstellen fehlen sowie wegen seiner geringeren Abscheidungstemperatur, die mit billigen Gläsern vereinbar ist, und seiner extrem glatten wie-abgeschiedenen Oberfläche die ein Faktor bei der Steigerung der Ladungsträgerbeweglichkeit durch in dem Film hergestellte Anordnungs-Kanal-Regionen ist. Ein Vorteil dieser Erfindung ist es, daß sie ein Tieftemperaturverfahren zur Herstellung von polykristallinen Siliciumfilmen mit Anordnungsqualität und großer Korngröße auf einem billigen, isolierenden Glassubstrat schafft. Die Keimbildung in dem Siliciumfilm wird durch den Ionenimplantationsschritt gehemmt und anschließend findet während des folgenden thermischen Temperschritts statistisch die Keimbildung aus der Bodenoberfläche des Siliciumfilms statt, was ein ausgedehnteres Kornwachstum ergibt.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird jetzt beispielhaft beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • Fig. 1 ein schematischer Querschnitt eines Isolatorsubtrats mit einem Siliciumfilm darauf ist,
  • Fig. 2 ein schematischer Querschnitt der gemäß der Erfindung ionenimplantierten Verbund-Film-Struktur von Fig. 1 ist,
  • Fig. 3 ein schematischer Querschnitt der Struktur von Fig. 1 ist, der die durch die Ionenimplantation bewirkte Zerstörung der Grenzfläche zeigt,
  • Fig. 4 die Korngröße als Funktion der Temperzeit für amorphe LPCVD(chemische Dampfabscheidung bei niedrigem Druck)-Siliciumfilme, wie- abgeschieden und implantiert, zeigende repräsentative Kurven wiedergibt,
  • Fig. 5 die Korngröße als Funktion der Temperzeit für amorphe PECVD(plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung)-Siliciumfilme, wie- abgeschieden und implantiert, zeigende repräsentative Kurven wiedergibt,
  • Fig. 6 eine idealisierte graphische Wiedergabe der optimalen implantierten Ionendichteverteilung relativ zu der Grenzfläche der Verbund-Film-Struktur für die Korngrößensteigerung ist,
  • Fig. 7 experimentelle Kurven wiedergibt, die die Korngröße als Funktion der Implantationsdosis für einen mit geringerer Tiefe als die Grenzfläche zwischen dem amorphen LPCVD-Film und seinem Substrat lokalisierten Implantationskonzentrationspeak zeigen,
  • Fig. 8 die Korngröße als Funktion der Implantationsdosis für einen Implantationskonzentrationspeak an der Grenzfläche zeigende experimentelle Kurven wiedergibt,
  • Fig. 9 die Korngröße als Funktion der Implantationsdosis für einen wenig tiefer als die Grenzfläche lokalisierten Implantationskonzentrationspeak zeigende experimentelle Kurven wiedergibt,
  • Fig. 10 die Temperaturabhängigkeit der Keimbildungsgeschwindigkeit und der Wachstumsgeschwindigkeit von kristallinen Körnchen in dem statistischen Kristallisationsverfahren wiedergibt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit einer großen Fläche (möglicherweise Seitengröße) von amorphem Isolationssubstrat anzufangen, auf das eine dünne amorphe Halbleiterschicht abgeschieden wird. Anschließend wird die Halbleiterschicht in kontrollierter Weise ionenimplantiert, um die Grenzfläche zu zerstören und die Keimbildung während eines folgenden Temperschritts zu hemmen. Da wir mit einem amorphen Film beginnen, sind wir sicher, daß in seinem wie-abgeschieden Zustand keine Kristallisationskeime vorliegen. Während des thermischen Temperns findet eine statistische, temperaturabhängige Keimbildung aus der Grenzfläche statt, die einige Embryos von Kristallisationskeimen ergibt, die im Laufe der Zeit genug Energie gewinnen, um kritische Größe zu erreichen und Kristallisationskeime zu werden. Diese fahren fort, zu größeren Körnchen zu wachsen, bis sie auf andere wachsende Körnchen stoßen, die gegenseitig ihr weiteres Wachstum verhindern. Unser Verfahren der gehemmten statistischen Keimbildung sollte von dem wohlbekannten Rekristallisationsverfahren unterschieden werden, bei dem ein kristalliner Halbleiter zuerst selektiv amorphisiert und anschließend aus den wenigen nicht zerstörten Kristallisationskeimen rekristallisiert wird. In dem bekannten Verfahren, bei dem es bei der Initierung des Temperschritts eine vorbestimmte Zahl von Kristallisationskeimen gibt, ist die Endkorngröße durch die Dichte dieser Kristallisationskeime begrenzt.
  • In Figur 1 ist ein Glasubstrat 10 gezeigt, auf das eine dünne Schicht von amorphem Silicium, etwa 100 nm dick, während des ersten Schritts unseres Verfahrens zur Bildung einer Verbundstruktur 14 abgeschieden wurde. Die Abscheidung kann durch LPCVD (chemische Dampfabscheidung bei niedrigem Druck) oder durch PECVD (plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung) oder durch jedes andere geeignete Verfahren erreicht werden. Ein bevorzugtes Glas ist Corning 7059 , das nicht über einen längeren Zeitraum bei einer 600ºC überschreitenden Temperatur verarbeitet werden sollte, weil es eine obere Entspannungstemperatur von 630ºC hat. Typischerweise schieden wir den amorphen Siliciumfilm in einem LPCVD-Reaktor durch Pyrolyse von reinem Silan (SiH&sub4;), das bei einer Fließgeschwindigkeit von 100 sccm eingeleitet wurde, bei einer Temperatur von 575ºC und einem Druck von 0,47 hPa (0,35 Torr) ab. Wenn die Abscheidung durch PECVD erreicht wurde, schieden wir typischerweise den amorphen Siliciumfilm in einem RF-Plasmareaktor durch Zersetzung von reinem Silan, das bei einer Fließgeschwindugkeit von 68 sccm eingeleitet wurde, bei einer Temperatur von 250ºC, einem Druck von 0,37 hPa (0,28 Torr) und einer RF-Leistung von 3 Watt ab.
  • Nach der Abscheidung wird die Verbundstruktur 14 in einen bekannten Teilchenbeschleuniger gebracht, wo sie, wie schematisch durch Pfeile 16 in Figur 2 wiedergegeben, einer kontrollierten Ionenimplantation unterworfen wurde. Zweck der Implantation ist es, die Grenzfläche mit geeignet ausgewählter Ionenbeschleunigungsenergie zu bombardieren, um, wie in Figur 3 gezeigt, die gut definierte Grenzfläche 18 zwischen der Siliciumschicht 12 und dem Siliciumdioxidsubstrat 10 zu zerstören sowie eine schlecht definierte Grenzfläche 20 zu erzeugen. Dies kann optimal erreicht werden durch Lokalisieren der Position des Peaks des implantierten Ionenkonzentrations-Tiefe-Profils (identifiziert als beschossener Bereich Rp) in der Nähe der Grenzfläche 18. Zur Bildung einer nicht dotierten Siliciumschicht implantierten wir mit Silicium&spplus;-Ionen. Natürlich versteht es sich wohl, daß, wenn die Dotierung der Halbleiterschicht erwünscht ist, der Implantationsschritt mit Ionen von Phosphor oder anderen elektrisch aktiven Elementen, wie z.B. Bor, Arsen oder Antimon, durchgeführt werden kann, wobei im wesentlichen die gleichen Ergebnisse der Korngrößensteigerung erreicht werden.
  • Anschließend an den Implantationsschritt wird die Verbundschicht 14 einem thermischen Tempern bei 600ºC für einen zur Schaffung der Kristallisationskinetik für das Wachsen der Körnchen bis zur Vollständigkeit erforderlichen Zeitraum unterworfen. Durch Vergleich der Ergebnisse, die wir erhalten haben, sollte bemerkt werden, daß wie-abgeschiedene (nicht implantierte) amorphe Siliciumfilme beim Tempern bei 600ºC sofort aus der Grenzfläche zu kristallisieren beginnen, was anzeigt, daß die Keimbildung sofort beginnt. Andererseits ändert die gemäß unserem Verfähren kontrollierte Ionenimplantation von amorphen Siliciumfilmen die Mikrostruktur der Grenzfläche so, daß die Keimbildung während des thermischen Aktivierungsschritts energetisch weniger günstig ist. Nach einer Retardationszeit bilden die Körnchen von der Grenzfläche aus Keime und wachsen zu einer viel größeren Endkorngröße an.
  • In Figur 4 kann leicht der Unterschied zwischen der Kristallisationskinetik in wie-abgeschiedenem und tief implantiertem amorphem LPCVD-Silicium erkannt werden. Die Temperzeit wird gegen die Röntgenbeugungsintensität während des Temperns aufgetragen (eine leicht erhaltene Messung, die mit der Korngröße korreliert). Kurve A gibt eine wie-abgeschiedene (nicht implantierte), amorphe Siliciumschicht wieder. Es ist wichtig, zu bemerken, daß das Kornwachstum sofort beginnt, wobei es an der Grenzfläche beginnt und die maximale Korngröße in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 Mikrometer liegt. Im scharfen Kontrast dazu gibt die Kurve B eine gemäß unserer Erfindung tief mit Si&spplus;-Ionen implantierte, amorphe Siliciumschicht wieder, in der es eine Retardations(Inkubations)- Zeit von etwa zehn Stunden gibt, während der kein Kornwachstum stattfindet, gefolgt von dem schnellen Wachstum von weit reichenden Körnchen. Wir konnten grobkörnige, polykristalline Filme mit Körnchen von etwa 2 bis 3 Mikrometer Größe züchten.
  • In gleicher Weise kann in Figur 5 der Unterschied zwischen der Kristallisationskinetik in wie-abgeschiedenem (Kurve C) und tief implantiertem (Kurve D) amorphem PECVD-Silicium erkannt werden. In diesem Fall zeigt der wie-abgeschiedene (nicht implantierte) Film beim Tempern bei 600ºC eine Retardation der Keimbildung für etwa sechzehn Stunden. Nach der tiefen Ionenimplantation zeigen sich jedoch ähnliche Ergebnisse, nämlich die Retardation wird verlängert und die maximale Korngröße gesteigert.
  • In Figur 6 veranschaulichen wir das Implantations-Ionen-Konzentrations-Tiefe- Profil, das der Verbundfilmstruktur überlagert ist, unter optimalen Grenzflächenzerstörungsbedingungen (Rp tSi + 1 , wobei Rp der Peak des Implantationsprofils, tSi die Dicke des amorphen Siliciumfilms und die Standardabweichung des Implantationsprofils ist). Es ist wohlbekannt, daß der Peak des Zerstörungsprofils (maximale aufgebrachte kinetische Energie des Ionenkonzentrations-Tiefe-Profils) dem Peak des Implantationsprofils (Rp) um etwa eine Standardabweichung nacheilt, wie in "Recoil Contribution to Ion-Implantation Energy-Deposition Distributions" von Brice, veröffentlicht in Journal of Applied Physics, Bd. 46, Nr. 8, August 1975, berichtet. Daher zeigt die Kurve F in Figur 6 klar, daß die maximale Zerstörung an der Grenzfläche stattfindet, wenn der Peak des Implantationskonzentrationsprofils (Rp) etwa eine Standardabweichung über die Grenzfläche hinaus in dem Substrat 10 lokalisiert ist.
  • Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen den Effekt der Implantationsenergie und -dosis auf die Kornwachstumskinetik angezeigt durch die Röntgenbeugungsintensität für einen bei 600ºC getemperten, amorphen 81,5nm-LPCVD-Siliciumfilm. In Figur 7 wird mit einer Implantationsenergie von 40 KeV erreicht, daß die Implantation der Ionenart ²&sup8;Si&spplus; ein wenig flacher als die Grenzfläche 18 innerhalb des amorphen Siliciumfilms 12 (Rp = tSi - 1 ) ist. Es kann eine starke Dosisabhängigkeit beobachtet werden. Tatsächlich verhält sich der Film bei der kleinsten Dosis von 1x10¹&sup5; cm&supmin;² faktisch gleich dem wie-abgeschiedenen Film. Wenn eine ausreichend große Dosis zur Verfügung gestellt wird (2x10¹&sup5; und 4x10¹&sup5;), wird eine Kristallisationsretardation und ein Wachstum großer Körnchen erreicht. Wenn auch nicht gezeigt, so haben wir doch beobachtet, daß die Kristallisationskinetik von einem mit einer Dosis von 2x10¹&sup5; implantierten Film in der Mitte des Films (Rp = ½tSi) mit der einem wie-abgeschiedenen Films gleich ist. In Figur 8 wird mit einer Implantationsenergie von 58 KeV erreicht, daß die ²&sup8;Si&spplus;-Implantation an der Grenzfläche ist (Rp = tSi). Jede der verwendeten Dosen ist zum Erhalt eines Wachstums großer Körnchen ausreichend. Die besten und gleichmäßigsten Ergebnisse werden in Figur 9 beobachtet, in der mit einer Implantationsenergie von 92 KeV erreicht wird, daß die ²&sup8;Si&spplus;-Implantation ein wenig tiefer als die Grenzfläche (Rp = tSi + 1 ) in dem SiO&sub2;-Substrat 10 ist. Die Keimbildungsretardationszeit bleibt ungefähr die gleiche, aber die Korngröße ist wesentlich größer. Es sollte bemerkt werden, daß alle Dosen die gleiche Retardation und Korngröße ergeben; daher kann geschlossen werden, daß der Zerstörungs- Grenzwert überschritten wurde.
  • Wenn der amorphe Siliciumfilm auf dem Substrat abgeschieden ist, gibt es eine molekular scharfe Grenzfläche zwischen den zwei Schichten mit reinem Si auf der einen Seite und SiO&sub2; auf der anderen. Unsere Absicht ist die Zugabe ausreichender kinetischer Energie zum Zerstören und Modifizieren dieser scharfen Grenzfläche, um den Energiebedarf für die Keimbildung an der Grenzfläche zu ändern. Die folgende Erklärung stellt unser gegenwärtiges Verständnis des Mechanismus der Korngrößensteigerung durch tiefe Ionenimplantation dar. Eine in der Nähe der Grenzfläche zur Verfügung gestellte Ionenenergie bricht die SiO&sub2;-Bindungen in dem an die Grenzfläche angrenzenden Substrat; dies bewirkt, daß Sauerstoffatome in den Siliciumfilm zurückgestoßen werden. Man denkt, daß die Anwesenheit von zurückgestoßenem Sauerstoff in dem Siliciumfilm das Keimbildungsverfahren durch Änderung der volumetrischen freien Energie des amorphen Siliciums verhindert. Mit anderen Worten, wir unterdrücken das Keimbildungsverfahren durch Modifizieren der Grenzfläche, so daß die Keimbildung energetisch weniger vorteilhaft ist. Nach der Ionenimplantation müssen die Atome in einem hoch gestörten Zustand auf eine zu liefernde, ausreichende thermische Energie warten, um sich in einer Kristallgitterorientierung neu zu ordnen. Wenn das thermische Tempern initiert wird, fangen die Atome an, schneller zu schwinden, und versuchen, sich in einem geordneten Gitter anzuordnen. Da sie statistisch anfangen, angeordnet zu werden, bilden sie zuerst kleine Cluster oder Embryos, die eine geringe Lebensdauer aufweisen und weitere Energie benötigen, um auf die Größe eines kritischen Kristallisationskeims anzuwachsen. Wenn der kritische Kristallisationskeim gebildet ist, beginnt der Kristall, solange zu wachsen, bis sein weiteres Wachstum durch das konkurrierende Wachstum eines benachbarten Kristalls verhindert wird.
  • Unser statistisches Keimbildungsverfahren kann zum Erhalt von größeren Körnchen durch Reduzieren der Tempertemperatur gesteuert werden. In Figur 10 haben wir schematisch den natürlichen Logarithmus (In) der Keimbildungsgeschwindigkeit (N{Ereignisse/cm² sek}) und die Wachstumsgeschwindigkeit (G{cm/sek}) von kristallinen Körnchen als Funktionen der reziproken Temperatur (1/T) bei einem statistischen Kristallisationsverfahren aufgetragen. Für eine gegebene Verminderung der Tempertemperatur verläuft die Keimbildung langsamer und resultiert das Wachstum der sich bildenden Kristallisationskeime in größeren Körnchen, weil weniger Kristallisationskeime gebildet werden. Da sie thermisch aktivierte Verfahren sind, folgen diese Auftragungen nahezu der Gleichung des Arrhenius-Gesetzes
  • {In(N) = In(N&sub0;) - (QN/kT)} für die Keimbildung und {In(G) = In(G&sub0;) - QG/kT)} für das Wachstum. Da die Aktivierungsenergie für die Keimbildung QN größer als die für das Wachstum QG ist können wir wie graphisch durch die Auftragungen in Figur 10 gezeigt, bei Erniedringung der Tempertemperatur einen stärkeren Einfluß auf auf die Keimbildung als auf das Wachstum erwarten.
  • Beispielsweise ist in einem 100 nm dicken Si&spplus;-implantierten, amorphen LPCVD- Film QN = 3,0 eV und QG = 1,6 eV. Bei Erniedrigung der Tempertemperatur von 600ºC auf 560ºC vermindert sich die Keimbildungsgeschwindigkeit (N) mit einem Faktor von 6,8 , während die Wachstumsgeschwindigkeit (G) nur mit einem Faktor von 2,8 vermindert wird. In Anbetracht, daß die Keimbildungsdichte ein Flächenmaß ist und wir üblicherweise die Korngröße über eine mittlere Längendimension (Durchmesser) messen, müssen wir die Quadratwurzel des Verhältnisses der Keimbildung (2,6x) als Anzeichen für die Zunahme der Korngröße bis zu etwa 8 Mikrometer annehmen. Die für die Kristallisationssättigung erforderliche, entsprechend längere Temperzeit (2,8x) ist für die Durchführung recht praktisch.
  • Es sollte nicht vergessen werden, daß unser Verfahren aus drei wichtigen Gründen lieber auf der Verwendung eines amorphen Halbleiterfilms als eines polykristallinen, in den Artikeln von Naguchi et al und Kung et al beschriebenen Films beruht. Erstens kann der amorphe Film auf praktische Weise bei einer niedrigeren Temperatur (etwa 580ºC) als für einen polykristallinen Film erforderlich (625ºC) abgeschieden werden, eine Tatsache, die wichtig ist, weil die höhere Temperatur nur marginal mit den bevorzugten billigen Glassubstraten vereinbar ist. Zweitens weisen wie-abgeschiedene amorphe Filme eine extrem glatte Oberfläche auf, was wichtig ist für die Aufrechterhaltung einer hohen Beweglichkeit in MOSFET-Anordnungen, die auf einem Oberflächenkanal für die Leitung beruhen. Eine rauhe Oberfläche, die typischer für wie-abgeschiedene polykristalline Filme ist, bewirkt in einer anschließend gebildeten Anordnung beim Passieren des Kanals die Streuung der Träger, wobei so die Ladungsträgerbeweglichkeit verringert wird. Drittens können wir für einen gegebenen Satz von Implantationsbedingungen durch Änderung der Tempertemperatur die Korngröße steuern. Im Unterschied dazu ist die Korngröße der im Fachgebiet bekannten, polykristallinen, amorphisierten, rekristallisierten Filme wegen deren bereits existierenden Kristallisationskeimen vorbestimmt.
  • Auf den ersten Blick scheint es starke Ähnlichkeiten zwischen der Implantation einer Ionenart durch die bestrahlte Oberfläche eines von einem Substrat getragenen Halbleiterfilms in unserer Erfindung und in den Lehren des Standes der Technik zu geben. Dies ist nicht der Fall, weil unsere Implantation für einen ganz anderen Zweck durchgeführt und daher anders gesteuert wird. Im dem bekannten Verfahren wird der Ionenimplantationsschritt bei einem vorbestimmten Winkel zur Zerstörung der Kristallgitterstruktur des polykristallinen Films durchgeführt, um den größten Teil davon in einen amorphen Zustand überzuführen. Während der direkte Ionenstrahl die meisten Kristalle zerstört, ist es kritisch, daß er einige Kristallisationskeime in dem Film übrigläßt, aus denen heraus das Kornwachstum anfangen kann, sobald das Tempern beginnt. In unserer Erfindung haben wir keine Kornkristallisationskeime zum Starten und wir führen den Implantationsschritt durch, um ausreichende Energie zum "Aufrühren" der Grenzfläche und Verhindern des Keimbildungsverfahrens bereitzustellen. Wenn die Keimbildung beginnt, dann statistisch und nicht aus bereits existierenden Kristallisationskeimen heraus.
  • Es versteht sich, daß die vorliegende Offenbarung beispielhaft ausgeführt wurde. Obwohl wir unsere Erfindung nur bezüglich eines Siliciumdioxidsubstrats beschrieben haben, kann sie z.B. auch auf einem Siliciumcarbidsubstrat, einem Siliciumnitridsubstrat oder einem anderen geeigneten Substrat durchgeführt werden. In solchen Fällen würden nach der teifen Ionenimplantation Kohlenstoff- oder Stickstoffatome oder andere Atome durch die Grenzfläche zurückstoßen und die Keimbildungsgeschwindigkeit ändern. Das amorphe Halbleitermaterial kann gleichermaßen Silicium, Germanium, Legierungen von Silicium und Germanium, Legierungen von Silicium und Kohlenstoff oder ein anderes geeignetes Material sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bildung grobkörniger polykristalliner Filme, umfassend die Schritte des
Schaffens eines Substrats von isolierendem Material,
Abscheidens einer Schicht von amorphem Halbleitermaterial auf dem Substrat zur Bildung einer Verbundstruktur,
Implantierens einer ausgewählten Ionenart in die Verbundstruktur bei einer Implantationsenergie und -dosis, die ausreicht, um die Grenzfläche zwischen der amorphen Schicht und dem Substrat zu zerstören sowie dadurch die Keimbildung zu verzögern, wenn die Verbundstruktur getempert wird, und
Temperns der Verbundstruktur, um die statistische Keimbildung in der amorphen Schicht zu bewirken und zur Bildung eines grobkörnigen polykristallinen Films die Kornwachstumssättigung zu bewirken.
2. Verfahren von Anspruch 1, in dem die ausgewählte Ionenart bei einer Implantationsenergie und -dosis in die Verbundstruktur implantiert wird, die ausreicht, um zu bewirken, daß die maximale kinetische Energie der Implantation im wesentlichen auf die Grenzfläche aufgebracht wird.
3. Verfahren von Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem das amorphe Halbleitermaterial elementarisch ist und die Ionenart von dem gleichen Element wie das amorphe Halbleitermaterial ist.
4. Verfahren von irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in dem das amorphe Halbleitermaterial Silicium ist.
5. Verfahren von irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in dem die Ionenart von einem anderen Element als das Halbleitermaterial ist, um das Halbleitermaterial zu dotieren.
6. Verfahren von irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in dem das Substrat Siliciumdioxid umfaßt und der Implantationsschritt bewirkt, daß Sauerstoff durch die Grenzfläche aus dem Substrat in die amorphe Schicht zurückstößt.
7. Verfahren von einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das Substrat Siliciumnitrid umfaßt und der Implantationsschritt bewirkt, daß Stickstoff durch die Grenzfläche aus dem Substrat in die amorphe Schicht zurückstößt.
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