JP2708559B2 - 結晶性半導体膜の形成方法 - Google Patents

結晶性半導体膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は結晶性半導体膜の形成方法に関し、特に非晶
質絶縁基板あるいは絶縁膜上に大粒径の多結晶薄膜を比
較的低温で形成する方法に関する。本発明は、例えば半
導体集積回路等の電子素子、光素子等に利用される結晶
性半導体薄膜に適用される。
[従来の技術] 非晶質絶縁物上に半導体電子素子のための半導体薄膜
を形成する方法は数多く報告されているが、近年高速デ
バイスの製作を目的とした大粒径多結晶薄膜の形成方法
について特に報告が増えつつある。中でも代表的なもの
として、非晶質もしくは多結晶の半導体層をレーザーや
棒状ヒーター等の熱エネルギーによって溶融固化させ、
ミリメートル程度もの大粒径の多結晶膜を得る方法(Si
ngle Crystal Silicon on non−Single Crystal Insula
tors.Journal of Crystal Growth vol.63,No.3,October
1983 edited by G.W.Cullen)等が挙げられる。また、
非晶質のSiを、Si結晶核の発生する臨界温度付近(約60
0℃)で長時間(数十〜数百時間)熱処理して、数μm
大の平均粒径を有する多結晶薄膜を得る方法(T.Noguch
i,H.Hayashi,H.Ohshima,Polysilicon and Interfaces,B
oston 1987,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.vol.106(Elsevi
er Science Publishing,New York 1988)P.293)などが
報告されている。
[発明が解決しようとしている課題] しかしながら、上記従来例のうち、レーザー等による
溶融再結晶法においては、次のような問題点がある。即
ち、半導体層を溶融させるためにはかなりの高い温度が
必要となる場合がある。例えば、非晶質あるいは多結晶
Siを溶融させるためには1420〜1450℃以上の熱が必要と
なり、そのために、基体を構成する物質にはそれらの温
度に耐え得るものが要求される。またレーザーや棒状ヒ
ーター等でスキャンしながら半導体層を溶融すると、突
起や膜の断切れが生じ易く、SOI(Silicon On Insulato
r)の超薄膜化は困難になってくる。
一方、非晶質半導体層を比較的低温でアニールする方
法は、低温であるために膜の形状変化も殆ど無く薄膜化
に向いているものの、次のような問題がある。即ち、上
記方法は、非晶質層を、その非晶質材料の核発生臨界温
度付近(例えば非晶質Siであれば600℃付近)でアニー
ルし、初期に発生した「結晶核」より固相成長させる方
法であるが、この方法によると初期の核が固相成長して
いる間にも新しい核が次々と生じてしまい、結果とし
て、生成した多結晶膜のグレインサイズに大きなバラツ
キを生じてしまう。つまり、グレインサイズ分布のコン
トロールが困難である。またこの方法では、アニールを
開始してから初めて「結晶核」が生じるまでの時間(in
cu−bation time)が数時間から数十時間と非常に多大
になってしまう。
本発明は上記の問題に鑑み、非晶質半導体層中に結晶
成長の「種」となるものを予め形成しておき、この
「種」より固相成長せしめる方法により、任意のグレイ
ンサイズで結晶性半導体膜を形成する方法を提供するも
のである。
[課題を解決するための手段] 本発明に従って、非晶質絶縁物で形成された表面を有
する基体上に単結晶性の種を配し、次いで該種を覆うよ
うに非晶質半導体を基体上に堆積した後、加熱処理をす
ることにより固相で結晶成長させる結晶性半導体膜の形
成方法であって、前記単結晶性の種は、前記基体上に非
単結晶性の半導体薄膜を形成し、次いで前記薄膜を水素
雰囲気中で、且つ前記薄膜を構成する材料の融点よりも
低い温度でアニールすることによって、薄膜を凝集させ
て形成されたことを特徴とする結晶性半導体膜の形成方
法が提供される。
本発明においては、まず非晶質絶縁物で形成された表
面を有する基体上に、固相で結晶成長の「単結晶性の
種」となるものを形成する。このとき「単結晶性の種」
の核密度(種の密度)は後に述べる方法によってコント
ロールされている。ここでいう「単結晶性の種」(以下
「種」と略す)とは、それを起点として固相で単結晶を
成長することが可能な単結晶性の物質を指す。
次に、「種」の形成された基体表面に該種を覆うよう
に非晶質半導体を堆積し、これを上記非晶質半導体の核
発生臨界温度(TC)より低い温度で、かつ種が存在する
場合には、その種より成長することが可能な成長開始温
度(TG)より高い温度、即ち、TG<T<TCなる温度でア
ニールし、固相成長をせしめる。
次に、本発明の方法を図面を用いて説明する。第1図
(a)〜(e)は、本発明の方法の工程図であり、これ
をステップ毎に説明する。
(a) まず非晶質絶縁物、もしくはこれを表面に有す
る基体1を用意する。基体は、例えば石英基板、Siウエ
ハの表面を酸化したもの、Siウエハ、アルミナウエハに
SiO2、Si3N4等を堆積したもの、その他が挙げられる。
(b) 基体上に、凝集反応を利用した固相法を用いて
結晶成長の「種」2を任意の核密度(種の密度)になる
ように形成する。種の形成方法としては下記の方法が好
適である。
これは第2図に示すように、基体11上に非単結晶性の
薄膜12を形成し、次いで、薄膜12を構成する材料の融点
よりも低い温度でアニールし、薄膜に凝集現象を生起せ
しめて、得られる島状の単結晶を「種」13とする方法で
ある。この凝集現象は、本発明者らの実験によると、H2
雰囲気中で極めて起こり易く、他の雰囲気ガス例えば
N2,Ar,He,O2等においては全く起こらないか、極めて起
こり難いことがわかった。また、凝集させたい非単結晶
性の薄膜中にP,As,B,Sn等の不純物をドーピングする
と、凝集反応が促進されることもわかった。
凝集反応を利用して種13を形成する場合の種の核密度
のコントロールは、凝集させる前の薄膜の膜厚を変える
ことによって行なわれる。つまり第3図(a)に示すよ
うに、処理前の薄膜12の膜厚が薄いと、熱処理後に細か
く分断されて凝集した種13が得られるために核密度が大
きくなる。反対に厚い膜を用いると、第3図(b)のよ
うに1つ当たりの体積が大きな種13に凝集してしまうた
めに、核密度が小さくなる。
種13の核密度をコントロールした例を第4図に示す。
第4図はSiO2上に多結晶Siを堆積して、それを凝集させ
たものについて、もとの多結晶Si薄膜の膜厚と、凝集後
に得られた種の平均核間距離の関係を示したものであ
る。このときの核密度は平均核間距離の2乗の逆数に等
しい。尚、多結晶Si膜中に不純物をドープすると4000Å
の比較的厚い膜がH2雰囲気中約1000℃のアニールで凝集
が起こることや、400Å以下の薄い膜は850℃程度の比較
的低温のアニールで凝集可能なことなどが本発明者らの
実験により確かめられている(Siの融点は約1450℃)。
また、多結晶Siの膜厚が0.5μm(5000Å)を超えると
凝集し難くなり、約1μmを超えると、もはや凝集は起
こらなくなる傾向がある。
凝集を起こす物質は、Siの他に、Ge,Sn等の半導体元
素や、GaAs等の化合物半導体、さらにはSi−Ge,Si−Sn
等の混合物、Au,Ag,Cu,Pt,Pd等の金属、Pt−Si,In−Sn
等の合金などがあり、その他でも凝集し易い物質である
なら、いずれでもさしつかえない。
尚本発明における「凝集」現象とは、物質の表面エネ
ルギーを最小にするため、もしくは内部応力を緩和する
ために、固相で原子が移動する現象を指している。
(c) 再び第1図の工程図に戻り、ステップ(c)を
説明する。(c)はステップ(b)で得られた結晶成長
の「種」2を覆うように非晶質半導体3を堆積したもの
である。これはプラズマCVD,LPCVD、スパッタリング等
の方法で実現される。
(d) 次にこれを(c)で堆積した非晶質半導体材料
の結晶化開始温度よりも低く、かつ成長開始温度よりも
高い温度領域でアニールを行なう。すると、予め配して
おいた種2より成長が行なわれるが、非晶質層中から
は、新たな核は発生しないので、初めの核密度が保たれ
る。
(e) さらに成長させていくと、成長した単結晶粒4
同士がぶつかり合って、Grain Boundary(粒界)5を形
成し、成長をストップする。このときの平均粒径G.S.
は、最初にステップ(b)で形成した種の核密度をN.D.
としたとき、 G.S.=1/N.D. なる関係になる。
以上のようにして結晶性半導体膜を形成することがで
きる。
[実施例] 以下、本発明を実施例により説明する。
実施例1 第1図により説明する。
(a)基体として4インチウエハの表面を深さ2000Åま
で酸化したものを用いた。
(b)上記基体上にLPCVDにより多結晶Siを300Å堆積
し、次いでこれをH2雰囲気中、1000℃で60秒間加熱処理
したところ、凝集反応により島状に単結晶化して、平均
核間距離が0.4μmの結晶粒(種)が得られた。なお、
このときの核密度は6.3×108個/cm2であった。
(c)上記基体上にLPCVDにより非晶質Siを1500Å堆積
した。この時の条件は、 ・ガス成分 SiH4 ・流量 50SCCM ・温度 560℃ ・圧力 0.3Torr であった。
(d)次に、上記基体をN2雰囲気中、590℃で48時間ア
ニールし、(e)のような結晶性Si薄膜を得た。得られ
た薄膜の平均粒径は、平均核間距離と等しく0.4μmで
あった。
実施例2 同様に、第1図により説明する (a)基体として4インチウエハの表面を深さ2000Åま
で酸化したものを用いた。
(b)上記基体上にスパッタ法により多結晶Geを500Å
堆積し、次いでこれをH2雰囲気中、820℃、60秒間加熱
処理したところ、凝集反応により島状に単結晶化して、
平均核間距離が0.8μmの結晶粒(種)が得られた。な
お、このときの核密度は1.6×108個/cm2であった。
(c),(d),(e)以下、実施例1と同じ方法で、
即ちGeの核よりSi結晶を成長させるというヘテロエピタ
キシャル的な固相成長法で結晶性Si薄膜を得た。得られ
た薄膜の平均粒径は、平均核間距離と等しく0.8μmで
あった。
[発明の効果] 本発明によれば、非晶質絶縁物上に固相成長の「種」
(成長開始点)となる物質を、任意の核密度で配し、そ
の種のみから半導体結晶を固相成長させることによって i) 結晶性半導体膜中の粒径とその分布を制御性よく
コントロールすることができるようになった。
ii)「種」は一般的な半導体装置を用いて極めて短かい
時間で形成することができるので、数時間〜数十時間の
成長のincubation timeを必要とする形成方法に較べ、
生産効率をアップすることができ又生産の再現性が得ら
れるようになった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の形成方法を示す概略工程図、 第2図は薄膜の凝集過程を示す図、 第3図は薄膜の厚さを変化させた場合の、凝集したとき
の平均核間距離の変化を示す図、 第4図は多結晶Si薄膜の厚さと凝集した種(核)の平均
核間距離の関係を示す相関図である。 1……基体、2……種 3……非晶質半導体、4……単結晶粒 5……粒界、11……基体 12……薄膜、13……種
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−260621(JP,A) 特開 昭62−76715(JP,A) 特開 昭61−127117(JP,A) 特開 平1−248511(JP,A) 特開 平3−8798(JP,A) 特開 平1−289240(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】非晶質絶縁物で形成された表面を有する基
    体上に単結晶性の種を配し、次いで該種を覆うように非
    晶質半導体を基体上に堆積した後、加熱処理をすること
    により固相で結晶成長させる結晶性半導体膜の形成方法
    であって、前記単結晶性の種は、前記基体上に非単結晶
    性の半導体薄膜を形成し、次いで前記薄膜を水素雰囲気
    中で、且つ前記薄膜を構成する材料の融点よりも低い温
    度でアニールすることによって、薄膜を凝集させて形成
    されたことを特徴とする結晶性半導体膜の形成方法。
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