JP2777599B2 - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

単結晶薄膜の製造方法

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 単結晶薄膜を利用する総ての電子デバイスに関する利
用。
(従来の技術) 多結晶薄膜を単結晶薄膜に変換する試みは数多くなさ
れてきた。シリコンの場合には、グラフォエピタキシ
ー、ZMR(Zone Melting Recristalization)、レーザー
・ビーム再結晶化法、電子ビーム再結晶化法、横方向固
相方位成長法などが挙げられる。
しかし、高温で熱処理をするような方法は三次元ICな
どを作るには適していいない。と言うのは、高温熱処理
によってすでに作り込まれているMOSトランジスターの
特性がかわってしまうからである。
また、低温度で処理をすると結晶化の速度が極めて遅
く、例えば450℃では10-10cm/sec程度で、実用には供せ
られない。
単結晶化のスピードを上げるために、結晶化に寄与す
る空孔密度を増やすために高エネルギー・イオンの照射
も試みられているが、低温においてはそれ程成長速度は
改善されていない。例えば、400℃で0.6MeVのNe+イオン
を照射した場合の成長速度は200オグストローム/1016
イオン/cm2である。
その他の改善策として、不純物の添加も試みられた
が、一桁程度の改善しかできていない。
また、できた単結晶の結晶の質も余り良いものではな
く、格子欠陥の密度も大きい。
(発明が解決しようとする問題点) 三次元ICを作ろうとすると、基板の性質に関係無く単
結晶の方位が自由にコントロールできなくてはならな
い。また、すでに作り込まれた下の層のMOSトランジス
ターの特性に影響が無いよう、単結晶は低温で成長させ
なくてはならない。これらの要求は三次元ICのみならず
表示パネルのアクティブ・マトリックスを作るときにも
必要である。
(問題を解決するための手段および作用) 多結晶薄膜を蒸着のする時に、飛来するイオン、ある
いは原子の結晶構造に及ぼす効果を単結晶薄膜の製造に
使用するのが本発明の目的である。
1957年に、Evance D.M.,William,H.(Acta Cryst.,Ca
mb.,5(1957),P.731)は鉄を蒸着した時に、鉄の蒸発
原子の飛来方向が〈1,1,1〉軸になる様に鉄の結晶が成
長することを観測している。
東北大学の大見教授はアルミニウムのRFスパッターの
際に、アルミニウムターゲットと基板の間に適当なバイ
アス電圧を加えると、強固な薄膜となり、基板に並行な
結晶面は(1,1,1)になることを報告している(日経マ
イクロデバイス、1987 10月)。
日新電機もスパッター中にAr+イオン・ビームで基板
表面を照射すると、微結晶の方向が揃うことを報告して
いる(日経産業新聞1987年10月20日)。
これらの報告によると、結晶方向が揃っていても依然
として、多結晶薄膜であり、〈1,1,1〉軸のまわりに任
意の角度回転した微結晶の集合体である。蒸着原子、あ
るいはイオン・ビームのエネルギーが20エレクトロン・
ボルト以下であれば、基板上の原子を逆スパッターする
こと無く、原子の飛来方向に垂直な面が結晶の最稠密面
になり易いと言うことも報告されている。百万エレクト
ロン・ボルト程度の高エネルギー粒子で照射すると逆に
エネルギーに逆比例して成長速度が悪くなることも報告
されている(R.G.Elliman et al.Beam−Solid Interac
tions and Phase Transformations,North Holland,New
York 1986 p.319)。
以上のことから、単結晶の二つの相異なる最稠密面に
垂直な二方向から20エレクトロン・ボルト程度の低エネ
ルギーのイオン・ビームを蒸着中あるいは蒸着後に照射
してやれば,多結晶薄膜中の微結晶のうち,これら二方
向に垂直な面が同時に最稠密面になるようなものだけ
が、すなわち単結晶だけが選択的に成長する。
面心立方の結晶構造の場合、基板表面に並行な結晶面
を(1,1,1),(1,1,0),(1,0,0)にする時のイオン
・ビームの照射方向第一図にしめす。
これらの操作は比較的低温でも行えるので多層のデバ
イスを作る時には都合が良い。
(実施例−1) 第二図は本発明の第一の実施例を示す説明図で、シリ
コンの単結晶薄膜の製造装置である。
(15)は基板であり、シリコン基板に熱酸化によって
5000オグストロームのSiO2をつけたものである。(1
1)、(13)、(14)はKauffman型のイオン・ソースで
(11)はターゲットをスパッターするためのものであ
り、加速エネルギーは500エレクトロン・ボルト程度、
電流密度は10ma/cm2程度のものである。(13)、(14)
は基板表面を照射するためのアッシスト用イオン・ソー
スであり、加速エネルギーは20ボルト程度,電流密度は
1ma/cm2程度のものである。(12)はターゲットで通常
のシリコン基板である。
装置の全体の構成はイオン・ビーム・スパッター装置
そのものである。但し、アッシスト用イオン・ソースが
二つあること、この加速エネルギーが極めて低いことが
ことなる。
イオンとしてAr+イオンを使用し、動作時の真空度は1
0-4Torrである。(11)、(12)、(15)の位置関係、
すなはちスパッター・イオン・ソース、ターゲット、基
板の位置関係はスパッターされたシリコン原子が基板の
表面にほぼ垂直に入射する様に配置する。
(13)、(14)、(15)の位置関係は、すなはちアッ
シスト用イオン・ソース、基板の位置関係は、所望の結
晶方位に応じて第一図に従って配置する。
スパッターに先立ってのクリーニングなどは通常の方
法に従って行う。約30分のスパッターによって、約1ミ
クロンの厚さの単結晶膜がえられる。但し、基板の周辺
は正確に第一図に示した様な角度が保持できないので,
単結晶にならない所ができる。
(実施例−2) 第三図は本発明の第二の実施例を示す説明図で、別の
単結晶製造装置である。
(15)は基板で50x100mmの石英板であるが、基板上に
前もって、蒸着あるいはCVDなどで、ポリ・シリコンを
約5000〜10000オグストロームの厚さに積んでおく。(1
6)は基板の保持装置で、基板を400℃に加熱するヒータ
ーと矢印の方向に往復運動さす機構を内蔵している。
(13)、(14)はアッシスト用イオン・ソースで、諸元
は実施例−1の場合と全く同じである。
(13)、(14)、(15)の位置関係は、実施例−1の
場合と同じで、所望の結晶方位に応じて、第一図に従っ
て配置する。
動作時の真空度は実施例−1の場合と同じく10-4Torr
で、使用するガスはAr+イオンで、基板の移動速度は1mm
/sec程度である。
単結晶を得るためには、基板の往復移動を何回も行う
必要があり、上記の厚さの場合には20〜30分の時間が必
要である。
さらに、ランプ(17)でイオン照射部を可視光で照射
してやると,シリコンの可塑性が増加し(Photo−Induc
ed Plasticity)、結晶化が容易になる。
(発明の効果) 上述の説明の様に本発明を使用すると、容易に単結晶
薄膜を作ることができる。現在、三次元IC,等倍センサ
ー,LCDパネルなど、いずれもアクティブ素子を作るのに
良質の単結晶薄膜が得られず苦労している。これらの分
野に大きい寄与をするものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
第一図イオン・ビーム照射方向と単結晶方位との関係 第二図単結晶薄膜製造用イオン・ビーム・スパッター装
置 第三図単結晶薄膜製造用イオン・ビーム照射装置 11:スパッター用イオン・ソース 12:ターゲット 13:アッシスト用イオンソース 14:アッシスト用イオンソース 15:基板 16:基板保持装置 17:ランプ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶薄膜を製造する方法において、基板
    面に単結晶材料の蒸気が垂直入射するように蒸着しなが
    ら、所望の方位を持った結晶が得られるように、所望の
    方位の結晶が持つ相異なる最稠密の結晶面に垂直な二方
    向から、不活性ガスのイオン・ビームを照射することを
    特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】単結晶薄膜を製造する方法において、基板
    上に前もって蒸着、スパッター、CVD(Chemical Vapor
    Deposition)などの方法で多結晶薄膜を析出しておき、
    この多結晶を所望の方位を持った単結晶にするため、所
    望の方位の単結晶が持つ相異なる最稠密の結晶面に垂直
    な二方向から、不活性ガスのイオン・ビームを照射する
    ことを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
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