DE69033153T2

DE69033153T2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdünnschicht und damit hergestellte Halbleiterdünnschicht

Info

Publication number: DE69033153T2
Application number: DE69033153T
Authority: DE
Inventors: Takao Yonehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2010-03-31
Also published as: EP0390608B1; EP0390608A3; EP0390608A2; US5531182A; DE69033153D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterdünnfilms aus polykristallinem Silicium. Ein durch das Verfahren hergestellter polykristalliner Siliciumdünnfilm einer großen Korngröße ermöglicht die Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie Hochleistungsdünnfilmtransistoren (TFT, thin-film transistor)
Hinsichtlich des Stands der Technik zur Bildung eines polykristallinen Siliciumhalbleiterdünnfilms mit einer großen Korngröße wurde ein Verfahren berichtet, bei dem ein amorpher Siliciumdünnfilm in einer festen Phase wachsen gelassen wird, um einen polykristallinen Siliciumdünnfilm zur Verwendung für einen Dünnfilmtransistor zu bilden [T. Noguchi, T. Ohshima & T. Hayashi; Polysilicon Films and Interfaces, Boston, 1987, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 106, S. 293 (Elsevier Science Publishing, New York, 1988)].
Die Einzelheiten davon sind nachstehend beschrieben.
Bei diesem Verfahren wird zunächst eine amorphe Si- Schicht auf einem Substrat gebildet. Die amorphe Si-Schicht kann durch ein bekanntes Verfahren, wie Implantation von Si- Ionen in eine polykristalline Si-Schicht für die Amorphität, thermische Zersetzung von SiH&sub4; durch chemische Dampfabscheidung und Abscheidung von Si durch Elektronenstrahldampfabscheidung auf einem auf Raumtemperatur gehaltenen Substrat, gebildet werden.
Anschließend wird die amorphe Si-Schicht bei 600ºC in Stickstoffatmosphäre für mehrere bis mehrere zehn Stunden wärmebehandelt. Dadurch werden Kristallisationskeime in der amorphen Si-Schicht gebildet und die Kristallisationskeime wachsen mit der fortschreitenden Behandlungszeit, um schließlich in gegenseitiger Kollision der Kristallkörner unter Bildung von Korngrenzen zu resultieren. Beispielsweise kommt es in einer durch Si-Ionenimplantation gebildeten amorphen Si-Schicht von etwa 100 nm (1000 Å) Dicke durch thermische Behandlung bei 600ºC für 100 Stunden zur Bildung von Kristallkörnern eines Durchmessers von so groß wie 5 um Größe. Bei einem auf einer polykristallinen Si-Schicht mit einem derartig großen Korndurchmesser gebildeten Dünnfilmtransistor wird eine Trägerbeweglichkeit von mehr als 100 cm²/vsec beobachtet. Demzufolge ist diese Behandlung ein besonders nützliches Verfahren zum Kornwachstum.
Jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung als Ergebnis praktischer Experimente und der detaillierten Betrachtung wie nachstehend Nachteile beim vorstehend genannten Stand der Technik gefunden.
(1) Eine amorphe Siliciumschicht wird nicht bei einer Temperatur unter 600ºC kristallisieren, so daß die Behandlungstemperatur nicht erniedrigt werden kann. Beispielsweise wird kein Kristalllsationskeim durch einen Wärmebehandlung bei 550ºC für 2000 Stunden in einer amorph gehaltenen Siliciumschicht gebildet. Die Temperatur von 600ºC ist im allgemeinen höher als die Hitzebeständigkeitstemperatur von für amorphe Si-Dünnfilmtransistoren verwendetem Glas. Deswegen muß hitzebeständiges, teures Quartzglas als Basismaterial verwendet werden.
(2) Im allgemeinen erfordert die Kristallisation eines amorphen Dünnfilms durch Festphasenkristallwachstum eine so lange Dauer wie mehrere zig-Stunden nach Beginn der Wärmebehandlung, um einen vollständig polykristallinen Zustand unabhängig von der Temperatur zu erreichen. Dies ist so, weil die Induktionsperiode vom Beginn der Wärmebehandlung bis zur Bildung von Kristallisationskeimen bis zu mehreren zig-Stunden dauert und das Wachstum der Kristallisationskei me zu Kristallkörnern extrem langsam ist. Beispielsweise wird bei durch Si&spplus;-Ionenimplantation gebildetem amorphen Si beobachtet, daß es eine Induktionsperiode von etwa 10 Stunden bei 600ºC aufweist und eine lange Zeit von 100 Stunden vom Beginn der Wärmebehandlung bis zur Vervollständigung der Kristallisation des gesamten Films erfordert.
Die vorstehenden zwei Probleme sind bei der industriellen Herstellung vom Standpunkt der Herstellungseffizienz und der Herstellungskosten her bedenklich, was selbstverständlich gelöst werden muß.
(3) Zusätzlich zum vorstehenden Nachteil (2) tritt die Kristallisationskeimbildung in amorphem Silicium an zufälligen Positionen auf, so daß sich die Korngrenzen, die durch gegenseitige Kollision von gewachsenen Kristallkörnern gebildet werden, an zufälligen Positionen bilden, die nicht gesteuert werden können. Tatsächlich wird die Si&spplus;- Implantation für die Amorphität der polykristallinen Si- Schicht und die anschließende Wärmebehandlung bei 600ºC eine polykristalline Schicht mit einem Kristalldurchmesser von höchstens 5 um erzeugen. Die Korngröße verteilt sich jedoch weit von 1 um bis 5 um, wodurch Unterschiede in den Charakteristika der Bauteile entstehen und praktisch ein großer Nachteil herbeigeführt werden kann.
Beispielsweise weist ein Feldeffekttransistor, angebracht auf der vorstehend genannten polykristallinen Si- Schicht, die große Körner auf einem 4-inch-Substrat umfaßt, eine Abweichung der Elektronenmobilität von ±10 cm²/vsec bezogen auf 110 cm²/vsec und eine Abweichung des Schwellenwerts von ±0,5 V auf, wobei dies Abweichungen deutlich größer als solche von Transistoren sind, die auf einem Einzelkristall-Si-Substrat angebracht sind, wodurch ein großes Hindernis beim Aufbau eines integrierten Schaltkreises erzeugt wird.
(4) Donor-Akzeptor-Verunreinigungen, die im allgemeinen die elektrischen Eigenschaften verändern, wie P, B, As, usw., sind bekannt dafür, das Wachstum eines Si-Kristalls zu beeinflussen. Insbesondere ist P bekannt dafür, ein anomales Kornwachstum zu begünstigen (Y. Wada & S. Nishimatsu, J. Electrochem. Soc., Bd. 125, Nr. 9, S. 1499).
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch nach langzeitiger umfassender Untersuchung jeder Art von Verunreinigung gefunden, daß die vorstehend genannten Donor- Akzeptor-Verunreinigungen die Kristallisation nur beschleunigen, wenn die Verunreinigung in einer großen Menge nahe der Feststofflöslichkeitsgrenze eingeführt wird, und es in diesem Fall zur Bildung einer n&spplus;- oder p&spplus;-Schicht kommt, die ungeeignet für eine aktive Halbleiterschicht ist, wodurch die Herstellung von Bauelementen erschwert wird.
Die vorliegende Erfindung, definiert in den beigefügten Ansprüchen, ist als eine Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme im Stand der Technik beabsichtigt.
Das definierte Verfahren ermöglicht die Steuerung der Positionen der Kristallisationskeimbildung und die Definition der Position der Korngrenzen und führt zu einer engen Korngrößenverteilung.
Es ist möglich, daß Wachstum eines polykristallinen Films mit einer Korngröße von 10 um oder größer erfolgt. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Festphasenwachstum, mit dem normalerweise eine maximale Korngröße von nur etwa 5 um erreicht wird. Die Umkristallisierung kann mit einer höheren Geschwindigkeit bei einer höheren Temperatur als bisher durchgeführt werden.
Bei dem definierten Verfahren werden durch Sn- Ionenimplantation erhaltene lokalisierte Bereiche zur Initiation der Kristallisationskeimbildung und des Festphasenwachstums verwendet.
Es sei erwähnt, daß bekannt ist, daß die Festphasenepitaxie von amorphem Silicium, insbesondere von (111)- Silicium, durch Einschließen von Sn mit einer Konzentration von weniger als 1 at.% verbessert werden kann. Dies ist in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Bd. B37/38, 1989, S. 387-390 ausgeführt.

In den begleitenden Zeichnungen:

ist Fig. 1 eine Graphik, die die Abhängigkeit der Kristallisationsinitiationstemperatur von dem Implantierungslevel von Sn zeigt;
sind die Fig. 2A bis 2C und die Fig. 3A und 3B schematische Zeichnungen zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bildung eines Halbleiterdünnfilms durch das erfindungsgemäße Verfahren; und
sind die Fig. 4 und 5 Graphiken, die den Effekt der Sn- Addition auf die maximale Korngröße zeigen.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat neutrale Verunreinigungen der Gruppe IV als ein Mittel zu Lösung der vorstehend genannten Probleme des Stands der Technik betrachtet.
Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Gruppe IV- Verunreinigung, die bei Zugabe keine Polarität auf den Siliciumhalbleiter überträgt, nicht nur eine neutrale Verunreinigung ist, sondern auch einen niedrigen Schmelzpunkt und eine hohe Feststoff-Flüssigkeit-Grenze hat, keinen Dotierstoffanteil in der Bandlücke von Si bildet, kein tiefes Rekombinationsniveau bildet und eine ausreichend lange Lebensdauer für die Träger erzeugt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat umfassend die Verunreinigungen untersucht, die die vorstehenden Erfordernisse erfüllen, und hat viele Experimente wiederholt unter Betrachtung von Sn durchgeführt. Folglich war er erfolgreich bei der Senkung der Kristallisationsinitiationstemperatur und bei der Bildung eines polykristallinen Films einer großen Korngröße innerhalb einer kurzen Zeit.
Aufgrund der erniedrigten Kristallisationsinitiationstemperatur nach der vorliegenden Erfindung muß das Substrat nicht hoch hitzebeständig sein. Billiges Glas kann als das Substratmaterial verwendet werden.
Ein amorpher Sn-enthaltender Si-Halbleiterfilm kann beispielsweise durch Aufbringen auf einem Substrat einer polykristallinen Dünnschicht mit einer kleinen Korngröße (weniger als 50 nm (500 Å)) bei 600ºC durch thermochemische Dampfabscheidung (CVD) von SiH&sub4; und Implantierung von Sn- Ionen durch Ionenimplantation, oder andernfalls durch Elektronenstrahldampfabscheidung, Glimmentladung oder Sputtern gebildet werden.
Ein amorpher Siliciumdünnfilm kann direkt durch chemische Dampfabscheidung gebildet werden und Sn-enthaltendes Material kann als eine Gaskomponente bei der chemischen Dampfabscheidung verwendet werden.
Die Menge der Zugabe von Sn ist nicht größer als 1 · 10²² Atome/cm³, da eine Zugabemenge, die 10²² Atome/cm³ übersteigt, eine Ausfällung von β-Sn nach der Wärmebehandlung verursachen kann. Die untere Grenze der Zugabe von Sn beträgt 10¹&sup5; Atome/cm³, da der Effekt der vorliegenden Erfindung im allgemeinen nicht mit einer geringeren Zugabemenge an Sn erreicht werden kann.
Die Dicke des Halbleiterdünnfilms hängt von der zu bildenden Vorrichtung ab. Für TFT liegt die Dicke beispielsweise im Bereich von 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å). Im allgemeinen ist eine Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) für die Verwendung bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung bevorzugt.
Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Kristallisationstemperatur (Kristallisationsinitiationstemperatur) von der Implantationsmenge im Fall der Implantation von Sn-Ionen in eine polykristalline Si-Schicht, um diese amorph zu machen. Die Si-Schicht hatte eine Dicke von 100 nm (1000 Å) und Sn wurde mit einer Implantationsenergie von 110 keV implantiert, wobei die Implantationstiefe ungefähr den mittleren Bereich der Si-Schicht erreichte. Ein Anstieg der Menge an Sn-Implantation von 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;² auf 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;² erniedrigte die Temperatur zur Bildung von Kristallisationskeimen in der durch Sn-Implantation amorph gemachten Si-Schicht um 100ºC, nämlich von 600ºC auf 500ºC, was durch Transmissionselektronenmikroskopie nach der Wärmebehandlung bestätigt wurde.
Wie vorstehend beschrieben, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Abhängigkeit der Kristallisationsinitiationstemperatur von der Zugabemenge an Sn gefunden und war erfolgreich bei der Steuerung der Kristallisationskeimbildungsstelle durch lokalisierte Änderungen der Sn- Konzentration in der Si-Schicht unter Verwendung des vorstehenden Phänomens. Die Korngröße und die Position der Korngrenzen werden durch die Steuerung der Kristallisationskeimbildungsstelle gesteuert.
Die Erfindung wird nachstehend detaillierter beschreiben.
Um die Korngröße und die Korngrenzenposition des polykristallinen Siliciumdünnfilms zu steuern, sollte der mit Sn versetzte Bereich, der lokal eine hohe Konzentration an Zinn (Sn) enthält, klein genug für das durch einen einzelnen Kristallisationskeim ausgelöste Kristallwachstum sein. Die Größe des mit Sn versetzten Bereichs ist nicht größer als 2 um und vorzugsweise nicht größer als 1 um in seinem maximalen Durchmesser.
Außerhalb des vorstehend genannten mit Sn versetzten Bereichs, der lokal eine hohe Konzentration an Zinn (Sn) enthält, muß kein Sn enthalten sein, kann aber enthalten sein, mit der Maßgabe, daß es in einer geringeren Konzentration vorliegt als in dem mit Sn versetzten Bereich, um das Kristallwachstum in der festen Phase zu beschleunigen. Im letzteren Fall sollte vom Standpunkt der Steuerung der Position der Kristallisationskeimbildung und der Beschleunigung des Kristallwachstums die Konzentration an Sn nicht mehr als das 10&supmin;² -fache der des mit Sn versetzten Bereichs sein.
Die Wärmebehandlung zur Bildung des kristallinen Siliciumhalbleiterdünnfilms wird bei einer Temperatur niedriger als 600ºC durchgeführt, die daher unterhalb des Schmelzpunkts von amorphem Silicium ist, um sicherzustellen, daß das Kristallwachstum in der festen Phase erfolgt.
Bei der Wärmebehandlung wird die Initiationsstelle des Kristallwachstums in der festen Phase durch Bereitstellung des mit Sn versetzten Bereichs, der lokal eine hohe Konzentration an Zinn (Sn) enthält, in dem amorphen Siliciumdünnfilm, gesteuert.
Diese Steuerung der Position der Kristallisationskeimbildung in der festen Phase wird basierend auf der-Erkennt nis durchgeführt, daß die Kristallisation in dem mit Sn versetzten Bereich bei einer niedrigeren Temperatur initiiert wird als in dem nicht mit Sn versetzten Bereich. Um die Position der Korngrenze zu steuern, ist die Erwärmungstemperatur derart, daß der Kristall von dem mit Sn versetzten Bereich gebildeten Kristallisationskeim wächst, aber kein Kristallisationskeim in dem nicht mit Sn versetzten Bereich gebildet werden kann.
Im Fall der Verwendung von amorphem Silicium und Sn, wie in Fig. 2 gezeigt, wird Sn lokal zu vorbestimmten Stellen innerhalb des auf einem SiO&sub2;-Substrat 1 gebildeten, amorphem Si 2 zugegeben (Fig. 2A), und anschließend wird die Wärmebehandlung bei einer derartigen Temperatur durchgeführt, daß nur das Sn-enthaltende amorphe Si 3 (mit Sn versetzter Bereich) kristallisieren wird, um Kristallisationskeime zu bilden. In dem anderen amorphen Si-Bereich (nicht mit Sn versetzter Bereich) wird kein Kristallisationskeim gebildet, da dessen Kristallisationstemperatur ausreichend höher als die des mit Verunreinigung versetzten Bereichs ist. Die Fortführung der Wärmebehandlung führt zum Wachstum der positionsgesteuerten Kristallisationskeime in dem amorphen Si-Bereich (Fig. 2B). Dies kommt daher, daß der Phasenübergang einer amorphen Si-Phase zu einer kristallinen Phase mit einem gebildeten Kristallisationskeim bei niedrigerer Energie als der zur Kristallisationskeimbildung in einer amorphen Phase erforderlichen Aktivierungsenergie auftritt. Durch die weitere Fortführung der Wärmebehandlung kommt es zur Kollision der positionsgesteuerten Kristallkörner 4, wodurch ein Korngrenze 6 zwischen den Kristallisationskeim-bildenden Positionen gebildet wird (Fig. 2C).
Fig. 3 zeigt die Steuerung der Position der Kristallisationskeimbildung durch Bildung der Bereiche, die lokal eine höhere Konzentration an Sn enthalten.
Eine amorphe Si-Schicht mit zugefügtem Sn wird auf einem Substratmaterial gebildet. In der Schicht werden Bereiche mit einer lokal höheren Konzentration an Sn mit einem vorbestimmten Abstand gebildet (Fig. 3A). Das Substrat wird thermisch behandelt, um Festphasenumkristallisierung bei einer Temperatur derart herbeizuführen, daß nur die Bereiche mit einer höheren Sn-Konzentration kristallisieren, d. h. niedriger als die Kristallisationstemperatur der Bereiche mit einer niedrigeren Sn-Konzentration, womit Si- Kristallisationskeime nur im Bereich mit einer höheren Sn- Konzentration gebildet werden. Eine weitere Fortführung der Wärmebehandlung führt zum Wachstum des Kristalls in der festen Phase in den Bereich mit einer niedrigeren Sn- Konzentration, wobei keine Kristallisationskeime gebildet werden, Kollision mit dem an dem benachbarten Bereich mit höherer Sn-Konzentration um den Mittelpunkt erzeugten Korn verursacht wird, wodurch der amorphe Sn-Bereich verschwindet und eine positionsgesteuerte Korngrenze an der Position der Kollision gebildet wird (Fig. 2B).
Der Kristallisationskeim wird an einem Abschnitt mit hoher Sn-Dichte gebildet, wobei der Kristall, der in der festen Phase wächst, eine einzelne Domäne zu einem Abschnitt mit niedriger Dichte erhält, da die Aktivierungsenergie zum Kristallwachstum von einem einmal gebildeten Kristallisationskeim niedriger ist als die Aktivierungsenergie für die Kristallisationskeimbildung zur Überwindung der Barriere der Oberflächenenergie.
Ein Experiment wird nun beschrieben, bevor detaillierte Beispiele der vorliegenden Erfindung angegeben werden.

Experiment

Auf einer Glasplatte als Substrat wurde eine polykristalline Schicht, aufgebaut aus kleinen Körnern (kleiner als 50 nm (500 Å) im Durchmesser), durch thermochemische Dampf abscheidung von SiH&sub4; bei 600ºC mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) aufgebracht.
Ionen wurden unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen in die polykristalline Schicht implantiert. Tabelle 1
Die Beschleunigungsspannung von 110 kV wurde so ausgewählt, daß der Projektionsbereich (Implantationstiefe) die Mitte der Si-Schicht erreicht, was in einem Bereich von 49,8 nm (498 Å) von der Oberfläche resultiert.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, werden in die Probe Nr. 0 Sn- Ionen mit einer Dosis von 5 · 10¹&sup5; Ionen/cm² bei 70 kV implantiert, und in die Proben Nr. 1 bis 3 wurden Sn-Ionen mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm², 1 · 10¹&sup6; Ionen/cm² bzw. 1 · 10¹&sup7; Ionen/cm² implantiert.
Nach der Implantation oder vor der Wärmebehandlung hatten Proben der Nr. 0, Nr. 1 und Nr. 2 gemäß der Beobachtung durch Transmissionselektronenmikroskopie eine amorphe Si-Struktur und zeigten bei der Elektronenstrahldiffraktion ein Halomuster, das charakteristisch für amorphes Silicium war. Andererseits kristallisierte die Probe Nr. 3, in die Sn mit einer höheren Konzentration von 1 · 10¹&sup7; Ionen/cm² implantiert wurde (entsprechend einer Sn-Konzentration von 1 x 10²² Ionen/cm³ in der 100 nm (1000 Å) dicken Si-Schicht), bereits zum Zeitpunkt der Implantation. Nach der Wärmebehandlung bei etwa 500ºC wurde durch rasterartige Transmis sionselektronenmikroskopie gefunden, daß sie β-Sn- Einlagerungen hatte. Demzufolge wurden die nachstehenden Tests für diese Probe nicht durchgeführt.
Proben der Nr. 0, Nr. 1 und Nr. 2 wurden einer Konstanttemperaturwärmebehandlung bei einer Temperatur von 600ºC in einer Stickstoffatmosphäre wie in Fig. 4 gezeigt unterzogen. Folglich wurden in der Si-Schicht, die durch Implantation von Si&spplus;-Ionen ohne jegliche Sn-Zugabe amorph gemacht wurde, Kristallisationskeime in dem amorphen Si erst nach einer Induktionsperiode von 10 oder mehr Stunden gebildet, und danach dehnte sich der Kristall in eine Dendritform aus, wodurch Kollision mit dem benachbarten Kristallkorn verursacht wurde, was zum Verschwinden des amorphen Bereichs und zur Kristallisation der gesamten Schicht führte, womit ein Dünnfilmpolykristall erzeugt wurde. In ungefähr 100 Stunden wurde die maximale Korngröße gesättigt, wobei die Korngröße 5 um überstieg.
In Probe Nr. 1, in die Sn mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm² implantiert wurde, betrug die Induktionsperiode ungefähr 6 Stunden, und der gebildete Kristall wurde in 20 Stunden mit einer maximalen Korngröße von etwa 4,8 um gesättigt.
In Probe Nr. 2, in die Sn mit einer höheren Konzentration mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; Ionen/cm² implantiert wurde, betrug die Induktionsperiode 3 Stunden oder weniger, und die maximale Korngröße wurde bei etwa 4,5 um in 6 Stunden gesättigt.
Die maximale gesättigt Korngröße nahm mit dem Anstieg der Sn-Dosis ab. Als Grund dafür wird der Anstieg der Kristallisationskeimbildungsgeschwindigkeit mit dem Anstieg der Menge an zugegebenem Sn angenommen. Es wird angenommen, daß die Zunahme der Sn-Zugabe zu einem Anstieg der-Kristal lisationskeimbildungsdichte zum Zeitpunkt der Kornkollision im amorphen Si führt, was in einer gewissen Abnahme der Korngröße resultiert.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Korngröße von der Wärmebehandlungstemperatur bei einer Behandlung für 100 Stunden konstant unter Stickstoffatmosphäre. In der Probe Nr. 0, die kein Sn enthielt, trat selbst bei 100 Stunden oder mehr Wärmebehandlung keine Kristallisation unter 600ºC auf, während bei 600ºC oder einer höheren Temperatur die Kristallisationskeimbildungsdichte anstieg, mit Tendenz einer kleineren Korngröße bei einer höheren Wärmebehandlungstemperatur aufgrund der höheren Kristallisationskeimbildungsdichte bei einer höheren Temperatur. In Probe Nr. 1, in die Sn mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm² implantiert wurde, wurde die Kristallisation bei 500ºC initiiert, was um 100ºC niedriger ist als bei den Proben ohne Zugabe, und die Kristallisationskeimbildungsdichte konnte niedriger als bei 600ºC gehalten werden, so daß sich die maximale Korngröße durch Wärmebehandlung für 100 Stunden ungefähr 10 um näherte.
In der Probe Nr. 2, in die Sn mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; Ionen/cm² zugefügt wurde, wurde die Kristallisation bei einer so niedrigen Temperatur wie 450ºC initiiert, wodurch eine 10 um übersteigende Korngröße erzeugt wurde.
Wie vorstehend beschrieben, konnte durch die Zugabe von Sn die Induktionsdauer verkürzt werden und die Kristallisationstemperatur erniedrigt werden, und das Wachstum des Kristallkorns auf eine größere Größe wurde ermöglicht.
Ein FET (Feldfeffekttransistor) wurde durch Verwendung des erfindungsgemäß erhältlichen Sn-dotierten polykristallinen Dünnfilms einer großen Korngröße nach einem gewöhnlichem IC-Verfahren hergestellt. Der FET zeigte normale statische Charakteristika eines Transistors, wie einer, der auf einem kein Sn enthaltenden Film gebildet wurde, wobei die Trägerbeweglichkeit mit steigender Korngröße anstieg, was zu einer Verbesserung von 20 bis 40% (120 bis 140 cm²/vsec in der Elektronenbeweglichkeit) führt. Zusätzlich trat die Kristallisation bei 500ºC oder niedriger auf, was die Verwendung von billigem Glas erlaubt, womit wirtschaftliche Effekte erzeugt werden.

Beispiel 1

Auf einem amorphen SiO&sub2;-Substrat (thermisch oxidiertes Si oder Glas) wurde polykristallines Si durch chemische Dampfabscheidung bei 620ºC mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) aufgebracht. Des weiteren wurden Si-Ionen in die gesamte Oberfläche darauf mit einer Beschleunigungsspannung von 70 keV mit einer Dosis von 5 · 10¹&sup5; Ionen/cm² implantiert, um den polykristallinen Si-Film in einen amorphen Si- Film umzuwandeln.
Eine Sn-Verunreinigung wurde lokal durch fokussierte Ionenstrahlimplantation in einem maskenlosen Verfahren unter den Bedingungen eines Sn&spplus;&spplus;-Strahldurchmessers von 0,1 um, einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm², einer Beschleunigungsenergie von 50 keV, Abständen von 10 um, 20 um und 30 um in einer Gitteranordnung, mit einer Größe von 2 um² zur Bildung von implantierten Abschnitten 3 (mit Sn versetzter Bereich) zugefügt (Fig. 2A).
Anschließend wurde damit eine Wärmebehandlung bei 550ºC für 100 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre zum Wachstum des Si-Kristalls 4 durchgeführt. In dem amorphen Si, dem kein Sn zugefügt wurde, wurde während der Wärmebehandlung kein Kristallisationskeim gebildet. Kristallbereiche 5 wurden gebildet, die sich von dem Sn-implantierten Bereich auf ungefähr 10 um ausdehnten, mit Korngrenzen 6, die an den Mittelpunkten zwischen den implantierten Stellen (Fig. 2B und Fig. 2A) gebildet wurden. Die Korngrenzen wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt und haben jeweils Verteilungen im Bereich von 10 um.

Beispiel 2

Amorphes Si wurde durch chemische Dampfabscheidung bei 550ºC mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf ein SiO&sub2;- Substrat aufgebracht. Danach wurden mit Sn versetzte Bereiche von 1 um² in dem amorphen Si in einer Gitteranordnung durch Implantierung von Sn mit einer Dosis von 1 · 1015 Ionen/cm² durch Verwendung eines Resists als Maske mit Öffnungen von 1 um² bei einem Abstand von 10 um, 20 um oder 30 um mit einer Beschleunigungsenergie von 50 keV gebildet. Nach dem Entfernen des Resists wurde das amorphe Si bei 550ºC für 100 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Beobachtung der Kristallstruktur durch Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, daß die Korngrenzen in einer Gitteranordnung gebildet wurden, wobei die Grenzen zwischen den Sn-implantierten Bereichen mit Korngrößen von 10 um ± 1 um, 20 um ± 2 um bzw. 30 um ± 3 um waren.

Beispiel 3

Auf einem 4-inch- (1 inch = 25,4 mm) Glassubstrat wurde ein mit Sn versetzter Dünnfilm mit einer Korngrößenverteilung von 5 ± 1 um erfindungsgemäß gebildet, aus dem 100 Feldeffekttransistoren mit einer Kanallänge von 3 um nach einem herkömmlichen IC-Verfahren hergestellt wurden. Deren Elektronenmobilität betrug 200 ± 10 cm²/vsec und der Schwellenwert betrug 1,5 ± 0,2 V. Der Kanalabschnitt eines jeden Transistors konnte so angeordnet werden, daß kein Korngrenze eingeschlossen wurde, da der Ort der Korngrenzen bekannt war. Die Charakteristika der Bauteile waren verbessert und innerhalb eines engen Bereichs verteilt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumhalbleiterdünnfilms für die Verwendung bei der Herstellung von Dünnfilmtransistoren mit diesem Dünnfilm als aktiver Schicht, wobei dieses Verfahren umfaßt:

Bereitstellung eines amorphen SiO&sub2;-Substrats mit einem Dünnfilm aus amorphem Silicium der Dicke 50 bis 200 nm darauf, in der definierte lokalisierte, durch Snlonenimplantation erhaltene Bereiche mit nicht mehr als 2 um maximalem Durchmesser an vorbestimmten Positionen vorliegen, wobei jeder lokalisierte Bereich Sn in einer Menge von 1 · 10¹&sup5; Atome/cm³ bis 1 · 10²² Atome/cm³ enthält, der Rest des amorphen Siliciums entweder kein Sn enthält oder, falls er Sn enthält, Sn in einer nicht mehr als 10&supmin;²-fachen Menge von derjenigen in jedem lokalisierten Bereich enthält, wobei die Temperatur, bei der die Kristallisation durch Kristallisationskeimbildung in den lokalisierten Bereiche initiiert werden wird, von der Menge an Sn darin abhängig ist und niedriger ist als die Temperatur, bei der die Kristallisation durch Kristallisationskeimbildung des Rests an amorphem Silicium initiiert werden wird; und

Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die niedriger als 600ºC ist, die unterhalb der Kristallisationsinitiationstemperatur des Rests an amorphem Silicium ist, und die nicht niedriger als die Kristallisationsinitiationstemperatur der lokalisierten Bereiche ist, wodurch nur die lokalisierten Bereich nukleiert werden, Kristallwachstum aus einem einzelnen Kristallisationskeim von jedem nukleierten, lokalisierten Bereich erfolgt und somit der polykristalline Siliciumhalbleiterdünnfilm gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Glas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bereitstellung des Substrats mit einem Dünnfilm aus amorphem Silicium darauf die Abscheidung eines Dünnfilms aus amorphem Silicium durch chemische Dampfabscheidung einschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Sn-enthaltendes Material als Gaskomponente bei der chemischen Dampfabscheidung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Bereitstellung des Substrats mit einem Dünnfilm aus amorphem Silicium darauf ein polykristalliner Dünnfilm aus Silicium einer Korngröße weniger als 50 nm bei 600ºC durch thermochemische Dampfabscheidung von SiH&sub4; abgeschieden wird und Sn-Ionen durch Ionenimplantation implantiert werden oder auf andere Weise durch Elektronenstrahldampfabscheidung, Glimmentladung oder Sputtern eingeführt werden.