JP2800060B2 - Method for manufacturing semiconductor film - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor film

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JP2800060B2
JP2800060B2 JP11657290A JP11657290A JP2800060B2 JP 2800060 B2 JP2800060 B2 JP 2800060B2 JP 11657290 A JP11657290 A JP 11657290A JP 11657290 A JP11657290 A JP 11657290A JP 2800060 B2 JP2800060 B2 JP 2800060B2
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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、非晶質相をもつ半導体膜を結晶化する方法
に関し、特にイオンビームを用い結晶相を成長させ、均
一で制御された粒径をもつ多結晶半導体膜を形成する方
法に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for crystallizing a semiconductor film having an amorphous phase, and more particularly, to a method for growing a crystal phase using an ion beam to obtain uniform and controlled grains. The present invention relates to a method for forming a polycrystalline semiconductor film having a diameter.

[従来の技術] 従来、イオンビームを用いた結晶成長に関して、珪素
基板上に形成した非晶質珪素を砒素のイオン注入により
固相エピタキシャル成長させた例(Jpn,J.Appl.Phys.21
(1982)Suppl.21−1,p211)やキセノンのイオン注入と
注入時の基板加熱を組み合わせた例(Nuclear Instrum.
Methods Res.B 1,9/20(1987)p457)がある。また、ガ
ラス基板上の半導体膜とイオン注入に関して、石英ガラ
ス上に堆積した多結晶ゲルマニウム膜あるいは珪素膜
に、ゲルマニウムあるいは珪素をそれぞれ加熱しながら
イオン注入し、粒径を大きくさせた例(Appl.Phys.64
(1988)p2337)がある。
[Prior art] Conventionally, with respect to crystal growth using an ion beam, an example in which amorphous silicon formed on a silicon substrate is subjected to solid phase epitaxial growth by arsenic ion implantation (Jpn, J. Appl. Phys. 21)
(1982) Suppl. 21-1, p211) and an example of combining xenon ion implantation and substrate heating during implantation (Nuclear Instrum.
Methods Res. B 1, 9/20 (1987) p457). Further, with respect to the semiconductor film and the ion implantation on the glass substrate, an example in which germanium or silicon was ion-implanted into a polycrystalline germanium film or a silicon film deposited on quartz glass while heating, respectively, to increase the particle size (Appl. Phys.64
(1988) p2337).

これらイオンビームを用いた例は、他の方法に、比
べ、低温で固相成長を行うことが可能であり、半導体プ
ロセスの低温化や三次元集積回路への応用が期待されて
いる。
These examples using an ion beam can perform solid phase growth at a lower temperature than other methods, and are expected to be applied to a lower temperature semiconductor process and a three-dimensional integrated circuit.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来のイオンビームを用いた結晶
成長法は、注入イオンの投影飛程を膜中央に設定してい
るため、結晶相中の欠陥密度が高く、結晶粒を成長させ
るためにイオン注入時の基板温度を高くする必要があっ
た。例えば、多結晶珪素膜について、少なくとも800℃
以上の注入時の基板加熱が必要であり、この温度い耐え
られない材料を半導体膜の基板として使用した場合、基
板形状の変形や基板構成元素の半導体膜への拡散が起き
るといった重大な問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-described conventional crystal growth method using an ion beam, since the projected range of implanted ions is set at the center of the film, the defect density in the crystal phase is high, and In order to grow grains, it was necessary to increase the substrate temperature during ion implantation. For example, at least 800 ° C. for a polycrystalline silicon film
Heating the substrate during the above implantation is necessary, and when a material that cannot withstand this temperature is used as the substrate of the semiconductor film, serious problems such as deformation of the substrate shape and diffusion of the substrate constituent elements into the semiconductor film occur. there were.

また、熱処理により固相で結晶核を形成する公知の方
法では、たとえば、非晶質珪素膜については、少なくと
も600℃以上の高い温度が必要である。
In a known method for forming crystal nuclei in a solid phase by heat treatment, for example, a high temperature of at least 600 ° C. is required for an amorphous silicon film.

[課題を解決するための手段] 本発明は、基板上に結晶を含む非晶質半導体膜を形成
する工程と、前記形成された非晶質半導体膜の表面か
ら、注入イオンの投影飛程が前記非晶質半導体膜の膜厚
より大きくなるようにイオン注入する結晶成長工程とを
含む、基板上に多結晶半導体膜を製造する方法である。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, there is provided a step of forming an amorphous semiconductor film containing crystals on a substrate, and the step of projecting an implanted ion from the surface of the formed amorphous semiconductor film. A crystal growth step of implanting ions so as to have a thickness greater than the thickness of the amorphous semiconductor film.

結晶相を含む非晶質半導体膜の形成は、例えば公知の
プラズマCVD、熱CVD等により、結晶核を含む半導体膜を
基板上に堆積するか、基板上に堆積した非晶質半導体膜
にイオン注入により部分的に結晶相の核形成を行うこと
で実現できる。前記したイオン注入により部分的に結晶
相の核形成をおこなうには、注入するイオンの加速エネ
ルギーは、注入イオンの投影飛程が半導体膜の膜厚より
大きくなるように設定される。これにより、注入イオン
と半導体膜の構成原子のカスケード衝突により非晶質化
の効果が小さくなり、半導体膜中で結晶化させた領域内
の欠陥密度が小さく、良質の結晶核が得られる。加速エ
ネルギーが前記膜厚より小さいと、エネルギーデポジシ
ョンが大きい領域で結晶核の形成密度は高くなるが、結
晶核の結晶性は前記条件より劣る。また、半導体膜内で
イオンが届かない深さには結晶核が形成されない。イオ
ンビームの電力密度は、1W/cm2以上が望ましい。前記電
力密度が小さい場合には、基板を加熱(50〜800℃)し
ながらイオン注入することで、結晶化を形成することも
可能である。基板加熱が必要な電力密度の境界値(結晶
核の生成率が大きく変化する電力密度)は、半導体膜や
基板の種類、イオン種により大きく変化する。用いるイ
オン種は特に限定されないが、結晶化させる半導体構成
元素か基板構成元素か希ガス元素が望ましい。また、上
記した結晶相の核形成をおこなうイオンビームの電流密
度の望ましい条件においても、結晶相の核形成に引きつ
づき結晶相の成長を行うことができるが、成長速度が早
いため、初期に形成された結晶核による結晶粒径と、末
期に形成された結晶との粒径差が大きくなる。
The formation of the amorphous semiconductor film containing a crystal phase can be performed, for example, by depositing a semiconductor film containing crystal nuclei on a substrate by known plasma CVD, thermal CVD, or the like, or by ion-implanting the amorphous semiconductor film deposited on the substrate. This can be realized by partially nucleating the crystal phase by injection. In order to partially form a crystal phase nucleus by the above-described ion implantation, the acceleration energy of the implanted ions is set so that the projected range of the implanted ions is larger than the thickness of the semiconductor film. Thereby, the effect of amorphization is reduced due to cascade collision of implanted ions and constituent atoms of the semiconductor film, the defect density in the crystallized region in the semiconductor film is small, and a high-quality crystal nucleus can be obtained. If the acceleration energy is smaller than the film thickness, the density of crystal nuclei increases in a region where the energy deposition is large, but the crystallinity of the crystal nuclei is inferior to the above conditions. Further, no crystal nucleus is formed at a depth where the ions do not reach in the semiconductor film. The power density of the ion beam is preferably 1 W / cm 2 or more. When the power density is low, crystallization can be formed by ion implantation while heating the substrate (at 50 to 800 ° C.). The boundary value of the power density at which the substrate needs to be heated (the power density at which the generation rate of crystal nuclei greatly changes) greatly changes depending on the type of the semiconductor film or the substrate and the type of ions. The ion species used is not particularly limited, but is preferably a semiconductor constituent element, a substrate constituent element, or a rare gas element to be crystallized. In addition, under the above-described desirable conditions of the current density of the ion beam that forms the nucleation of the crystal phase, the crystal phase can be grown following the nucleation of the crystal phase. The difference between the crystal grain size due to the crystal nucleus thus formed and the crystal grain formed at the last stage increases.

本発明にかかる非晶質半導体膜の表面からイオン注入
する工程のイオンの加速エネルギーは、注入元素の投影
飛程が半導体膜の膜厚より大きくなるよう設定され、注
入イオンと前記半導体膜の構成原子のカスケード衝突に
よる非晶質化の効果が小さくなるように、かつ、半導体
膜中で結晶化させた領域内の欠陥密度が小さくなるよう
に設定される。注入元素の投影飛程が前記膜厚より小さ
いと、半導体膜内でイオンが届かない部分が生じ、その
部分では結晶相の成長は起きにくい。イオンビームの電
力密度は0.5〜1W/cm2が望ましい。前記電力密度以上で
は結晶核の形成が起こり、結晶粒径の制御性が低下す
る。前記電力密度0.5W/cm2以上であれば、基板加熱を特
に行うことなしに結晶成長を行える。また、イオンビー
ムの電力密度が低い場合は、基板をイオン注入するとき
に加熱(50〜800℃)することで、結晶成長速度を大き
くすることが可能である。基板加熱が必要な電力密度の
境界値は、半導体膜や基板の種類等により変化する。半
導体膜が珪素膜の場合は、イオンビームによる加熱効果
により珪素膜の温度が200〜220℃以上となれば、基板加
熱は必要ではない。これ以下の温度では結晶相の成長よ
りは非晶質相の成長が起こりやすいので、基板を外部ヒ
ータにより加熱してこの温度以上にすることが結晶相の
成長に関して重要である。注入するイオンの種類は特に
限定されないが結晶化させる半導体構成元素または基板
構成元素か希ガス元素が望ましい。
The acceleration energy of the ions in the step of implanting ions from the surface of the amorphous semiconductor film according to the present invention is set so that the projected range of the implanted element is larger than the thickness of the semiconductor film. The setting is made so that the effect of amorphization due to cascade collision of atoms is reduced and the defect density in a crystallized region in the semiconductor film is reduced. If the projected range of the implanted element is smaller than the above film thickness, a portion where ions do not reach in the semiconductor film is generated, and the crystal phase hardly grows in the portion. The power density of the ion beam is desirably 0.5 to 1 W / cm 2 . Above the power density, crystal nuclei are formed and the controllability of the crystal grain size is reduced. When the power density is 0.5 W / cm 2 or more, crystal growth can be performed without particularly performing substrate heating. When the power density of the ion beam is low, the crystal growth rate can be increased by heating (50 to 800 ° C.) when implanting ions into the substrate. The boundary value of the power density that requires substrate heating changes depending on the type of the semiconductor film and the substrate. In the case where the semiconductor film is a silicon film, substrate heating is not necessary if the temperature of the silicon film is 200 to 220 ° C. or higher due to the heating effect of the ion beam. At a temperature lower than this, the growth of the amorphous phase is more likely to occur than the growth of the crystal phase. Therefore, it is important for the growth of the crystal phase that the substrate be heated by an external heater to a temperature higher than this temperature. The type of ions to be implanted is not particularly limited, but is preferably a semiconductor element, a substrate element, or a rare gas element to be crystallized.

本発明は、前記した結晶を含む半導体膜を形成する工
程と、前記形成された非晶質半導体膜の表面からイオン
を注入する結晶成長工程との間に制御工程を設けること
ができる。制御工程は、前記結晶を含む半導体膜に含ま
れる結晶の一部を非晶質化することにより、つづく結晶
成長に先立ち、結晶相の密度または膜中での空間的な配
置を制御するために行われ、結晶粒径がより大きく、か
つそろった多結晶からなる半導体膜になるようにおこな
われる。打ち込むイオン電流密度は0.3〜0.7W/cm2程度
であることが望ましく、イオンの加速エネルギーは、注
入元素の投影飛程が半導体膜の膜厚と同程度かそれより
大きくなるよう設定することが望ましい。注入元素の投
影飛程が前記膜厚より小さいと、半導体膜内でイオンが
届かない深さでは非晶質化は起きないので望ましくな
い。前記電力密度以上では、イオン注入による加熱効果
により半導体膜の温度が200℃以上となり、結晶相の成
長が起きやすい。注入するイオンの種類は特に限定され
ないが結晶化させる半導体構成元素か基板構成元素か希
ガス元素が望ましい。
According to the present invention, a control step can be provided between the step of forming the semiconductor film including the crystal and the step of implanting ions from the surface of the formed amorphous semiconductor film. The control step is to amorphize a part of the crystal contained in the semiconductor film containing the crystal to control the density of the crystal phase or the spatial arrangement in the film prior to the subsequent crystal growth. This is performed so that a semiconductor film having a larger crystal grain size and uniform polycrystals can be obtained. It is desirable that the ion current density to be implanted is about 0.3 to 0.7 W / cm 2 , and the acceleration energy of the ions is set so that the projected range of the implanted element is about the same as or larger than the thickness of the semiconductor film. desirable. If the projected range of the implanted element is smaller than the above film thickness, amorphousization does not occur at a depth where ions do not reach in the semiconductor film, which is not desirable. Above the power density, the temperature of the semiconductor film becomes 200 ° C. or higher due to the heating effect of ion implantation, and the crystal phase tends to grow. The type of ions to be implanted is not particularly limited, but is preferably a semiconductor constituent element, a substrate constituent element, or a rare gas element to be crystallized.

結晶相の密度を制御する方法としては、つぎの3方法
を用いることができる。第1の方法は半導体膜表面に所
定の直径の集束イオンビームを非晶質化をおこなう条件
で走査して照射する方法である。イオンビームが注入さ
れた領域にある結晶は非晶質化され、イオン照射されな
い部分の結晶だけが膜中に残る。集束イオンビームの加
速電圧、イオン電流密度、注入量などの条件は、非晶質
半導体膜に含まれている結晶の大きさ、密度などによ
り、つづく結晶成長工程でより大きく、均一な多結晶膜
が得られるように設定される。第2の方法として、非晶
質半導体膜の上にSiO2膜の如き打ち込むイオンに対して
マスキング膜となるものを所定寸法に被覆し、マスキン
グ膜が被覆されていない非晶質半導体膜の露出部分にイ
オン注入をおこなう方法を用いることができる。また前
記イオン注入をおこなうにあたっては、非晶質半導体膜
を加熱しながらおこなってもよい。
The following three methods can be used to control the density of the crystal phase. The first method is a method in which a focused ion beam having a predetermined diameter is scanned and irradiated on the surface of the semiconductor film under conditions for performing amorphization. The crystal in the region into which the ion beam has been implanted is amorphized, and only the portion of the crystal not irradiated with ions remains in the film. Conditions such as the accelerated voltage of the focused ion beam, the ion current density, and the amount of implantation depend on the size and density of the crystals contained in the amorphous semiconductor film, and are larger and more uniform in the subsequent crystal growth process. Is set to obtain. As a second method, an amorphous semiconductor film, which is to be a masking film for ions to be implanted, such as a SiO 2 film, is coated on the amorphous semiconductor film to a predetermined size to expose an amorphous semiconductor film not covered with the masking film. A method of performing ion implantation on a portion can be used. In addition, the ion implantation may be performed while heating the amorphous semiconductor film.

さらに、第3の方法として、結晶成長が起きない、す
なわち非晶質相の成長が起きる条件(半導体膜の基板温
度が220℃以下にする。)で膜全体にイオン注入をおこ
ない、初期状態で比較的サイズが小さい結晶を非晶質化
し、初期状態でサイズが比較的大きい結晶だけを膜中に
残すことにより、結晶相の密度を制御する方法を用いる
ことができる。
Further, as a third method, ions are implanted into the entire film under the condition that crystal growth does not occur, that is, the condition that the growth of the amorphous phase occurs (the substrate temperature of the semiconductor film is set to 220 ° C. or lower). A method of controlling the density of a crystal phase can be used by amorphizing a crystal having a relatively small size and leaving only a crystal having a relatively large size in a film in an initial state.

さらに、基板に到達した注入イオンにより光吸収が生
じた場合、2種類以上のイオンを注入することでこれら
を反応させ(例えば珪素注入により光吸収が発生した場
合は酸素、窒素等をイオン注入)、基板内に透明な化合
物(前述の例ではSiO2あるいはSi3N4)を形成すること
により光吸収を抑制することができる。
Further, when light absorption is caused by the implanted ions reaching the substrate, two or more ions are implanted to react them (for example, when light absorption is caused by silicon implantation, oxygen, nitrogen or the like is ion-implanted). By forming a transparent compound (SiO 2 or Si 3 N 4 in the above example) in the substrate, light absorption can be suppressed.

[作用] 本発明によれば、加速されたイオンが半導体膜に打ち
込まれ、エネルギーを失いながら減速する過程で、格子
系に直接的に(入射原子と半導体原子の弾性衝突)ある
いは間接的に(入射原子と半導体電子系との非弾性衝
突)エネルギーを与え、半導体膜を原子レベルで局所的
に高温に加熱する。
[Action] According to the present invention, accelerated ions are implanted into the semiconductor film, and in the process of decelerating while losing energy, directly (elastic collision between incident atoms and semiconductor atoms) or indirectly ( The semiconductor film is locally heated to a high temperature at an atomic level by applying energy (inelastic collision between incident atoms and a semiconductor electronic system).

このイオンビームによる温度上昇は、時間的にも短く
局所的であることから、平均的な基板の温度上昇はこれ
と比較してはるかに小さく、さらにイオン注入により生
じた欠陥が半導体原子の移動を促進することで、半導体
膜の結晶成長を低い温度で実現する。
Since the temperature rise due to this ion beam is short and local in time, the average temperature rise of the substrate is much smaller than this, and defects caused by ion implantation cause the movement of semiconductor atoms. By promotion, crystal growth of the semiconductor film is realized at a low temperature.

また、結晶核の形成や結晶成長において、注入イオン
の投影飛程が半導体膜の膜厚より大きくなるように決定
した加速エネルギーの設定は、注入原子と半導体膜構成
原子のカスケード衝突による非晶質化の効果を抑え、半
導体膜中で結晶化させた領域内の欠陥密度を小さくし、
低温で良質の結晶粒が得られるよう作用する。
In the formation of crystal nuclei and crystal growth, the acceleration energy determined so that the projected range of the implanted ions is larger than the thickness of the semiconductor film is determined by the cascade collision between the implanted atoms and the atoms constituting the semiconductor film. The defect density in the region crystallized in the semiconductor film,
It works so that good quality crystal grains can be obtained at low temperature.

[実施例] 本発明を以下に実施例に基いて説明する。第1図、第
2図、第3図、第4図は、それぞれ本発明の実施例1,2,
3,4の工程説明図である。第5図、第6図は実施例1の
注入したイオンの濃度分布を示す図であり、第7図は実
施例4の注入したイオンの濃度分布を示す図である。
[Examples] The present invention will be described below based on examples. FIGS. 1, 2, 3, and 4 show examples 1, 2, and 3 of the present invention, respectively.
It is process explanatory drawing of 3,4. 5 and 6 are diagrams showing the concentration distribution of the implanted ions of the first embodiment, and FIG. 7 is a diagram showing the concentration distribution of the implanted ions of the fourth embodiment.

実施例1 石英ガラスとアルカリ土類・アルミナボロシリケート
ガラス(コーニング社製商品名7059ガラス)の2種のガ
ラス基板上に、シランガスを原料とするプラズマCVD法
により結晶核を含む非晶質珪素膜を150nmの膜厚で堆積
した(第1図(a))。次に珪素を、加速エネルギー18
0keV、ドーズ量5×1016個/cm2、ビーム電流密度6μA/
cm2で基板加熱をせずにイオン注入した(第1図
(b))。注入珪素の分布の様子を計算(LSS理論によ
り)した結果を第5図に示す。これら試料を、透過電子
顕微鏡観察および透過電子線回折によりイオン注入の前
後で比較した。イオン注入前には50nm程度の結晶核を含
む非晶質であった珪素膜が、600nm程度の結晶粒を持つ
多結晶珪素膜に成長している様子が確認できた。イオン
ビームの電流密度を変化させたところ、3μA/cm2以下
の電流密度では結晶粒の成長が極端に低下することが明
かとなった。また、最終的な結晶粒の粒径は結晶核の密
度によって決定され、ドーズ量を増加させても結晶粒の
粒径は増加しなかった。従って、非晶質珪素層の全域が
多結晶に変化したところで結晶成長は終了した。一方、
イオンビームの電流密度を低下させ、2μA/cm2とし、3
00℃程度に基板を加熱してイオン注入を行ったところ、
基板加熱を行わない場合と同様の粒径を持つ多結晶珪素
膜がいずれのガラス基板においても得られた。
Example 1 An amorphous silicon film containing crystal nuclei by a plasma CVD method using silane gas as a raw material on two kinds of glass substrates of quartz glass and alkaline earth / alumina borosilicate glass (trade name: 7059 glass, manufactured by Corning Incorporated) Was deposited to a thickness of 150 nm (FIG. 1 (a)). Next, silicon is accelerated to 18
0 keV, dose 5 × 10 16 / cm 2 , beam current density 6 μA /
Ions were implanted in cm 2 without heating the substrate (FIG. 1 (b)). FIG. 5 shows the result of calculation (based on LSS theory) of the distribution of implanted silicon. These samples were compared before and after ion implantation by transmission electron microscope observation and transmission electron beam diffraction. It was confirmed that the amorphous silicon film containing crystal nuclei of about 50 nm before the ion implantation grew into a polycrystalline silicon film having crystal grains of about 600 nm. When the current density of the ion beam was changed, it became clear that the growth of crystal grains was extremely reduced at a current density of 3 μA / cm 2 or less. Further, the final grain size of the crystal grains was determined by the density of the crystal nuclei, and the grain size of the crystal grains did not increase even when the dose was increased. Therefore, the crystal growth was completed when the entire region of the amorphous silicon layer changed to polycrystalline. on the other hand,
Reduce the ion beam current density to 2 μA / cm 2 ,
When the substrate was heated to about 00 ° C and ion implantation was performed,
A polycrystalline silicon film having the same particle size as that obtained when the substrate was not heated was obtained in each of the glass substrates.

さらに、基板中に注入した珪素を酸化させるために、
酸素を加速エネルギー110keV、ドーズ量1×1017個/cm2
注入した(第1図C)。酸素の注入深さは珪素と一致さ
せ、注入量は珪素の2倍とした。この条件で計算した酸
素の濃度分布を第6図に示す。この後、多結晶珪素膜に
パターンを形成し、珪素をエッチングした部分の光吸収
を調べたところ、酸素注入を行っていない場合と比較し
て光吸収の顕著な抑制効果が認められた。
Furthermore, in order to oxidize the silicon implanted in the substrate,
Oxygen acceleration energy 110 keV, dose 1 × 10 17 / cm 2
It was injected (FIG. 1C). The implantation depth of oxygen was matched with that of silicon, and the implantation amount was twice that of silicon. FIG. 6 shows the oxygen concentration distribution calculated under these conditions. Thereafter, a pattern was formed on the polycrystalline silicon film, and the light absorption of the etched silicon portion was examined. As a result, a remarkable effect of suppressing light absorption was observed as compared with the case where oxygen was not injected.

実施例2 実施例1と同じ2種のガラス基板上に、プラズマCVD
法により結晶核を含む非晶質珪素膜を150nmの膜厚で堆
積した。この上に、酸化珪素をスパッタリング法により
200nm堆積し、酸化膜にフォトリソグラフ工程を通して
1辺が500nmの正方形のマスクを3μm毎に設けた(第
2図(a))。次に、珪素を加速エネルギー100keV、ド
ーズ量1×1016個/cm2、ビーム電流密度1μA/cm2で基
板加熱をしないでイオン注入し、マスクのない部分の非
晶質化を行った(第2図(b))。この後、酸化珪素膜
を除去し、さらに珪素を加速エネルギー180keV、ドーズ
量5×1016個/cm2、ビーム電流密度2μA/cm2、基板加
熱300℃の条件でイオン注入した(第2図(c))。こ
の試料を透過電子顕微鏡観察および透過電子線回折によ
り評価したところ、いずれのガラス基板においても3μ
m程度の比較的粒径の揃った多結晶珪素膜が形成されて
いることが分かった。
Example 2 Plasma CVD was performed on the same two types of glass substrates as in Example 1.
An amorphous silicon film containing a crystal nucleus was deposited to a thickness of 150 nm by the method. On top of this, silicon oxide is sputtered
200 nm was deposited, and a square mask having a side of 500 nm was provided on the oxide film every 3 μm through a photolithographic process (FIG. 2A). Next, silicon was ion-implanted at an acceleration energy of 100 keV, a dose of 1 × 10 16 ions / cm 2 , and a beam current density of 1 μA / cm 2 without heating the substrate, thereby amorphizing a portion without a mask ( FIG. 2 (b). Thereafter, the silicon oxide film was removed, and silicon was ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 180 keV, a dose of 5 × 10 16 / cm 2 , a beam current density of 2 μA / cm 2 , and substrate heating of 300 ° C. (FIG. 2). (C)). When this sample was evaluated by transmission electron microscope observation and transmission electron beam diffraction, 3 μm was observed on any of the glass substrates.
It was found that a polycrystalline silicon film having a relatively uniform grain size of about m was formed.

実施例3 実施例1と同じ2種のガラス基板上に、プラズマCVD
法により非晶質珪素膜を150nmの膜厚で堆積した(第3
図(a))。次に珪素を加速エネルギー180keV、ドーズ
量3×1016個/cm2、ビーム電流密度10μA/cm2、基板加
熱なしの条件でイオン注入し、結晶相の形成を行った
(第3図(b))。この後、結晶相の密度を減少させる
ため、珪素を加速エネルギー180keV、ドーズ量1×1016
個/cm2、ビーム電流密度:1μA/cm2、基板加熱200℃の条
件でイオン注入し、粒径が小さい結晶相を非晶質化した
(第3図(c))。さらに、残った結晶相を成長させ、
膜全体を結晶化するため、珪素を加速エネルギー180ke
V、ドーズ量5×1016個/cm2、ビーム電流密度2μA/c
m2、基板加熱300℃の条件でイオン注入した(第3図
(d))。この試料を透過電子顕微鏡観察および透過電
子回折により評価したところ、3μm程度の粒径の多結
晶珪素膜が形成されていることが分かった。また、第3
図(c)まで加工した試料に、窒素雰囲気中で600℃5
時間熱処理を加え、同様の評価を行ったところ、3μ程
度の粒径の多結晶珪素膜がいずれの基板にも形成されて
いることが分かった。なお、熱処理による結晶成長は、
レーザーやランプによるものでも可能であった。
Example 3 Plasma CVD was performed on the same two glass substrates as in Example 1.
An amorphous silicon film was deposited to a thickness of 150 nm by the
Figure (a). Next, silicon was ion-implanted under the conditions of an acceleration energy of 180 keV, a dose of 3 × 10 16 ions / cm 2 , a beam current density of 10 μA / cm 2 , and no substrate heating to form a crystal phase (FIG. 3 (b) )). Thereafter, in order to reduce the density of the crystal phase, silicon was accelerated at an acceleration energy of 180 keV and a dose of 1 × 10 16
Ions were implanted under the conditions of the number of particles / cm 2 , the beam current density: 1 μA / cm 2 , and the heating of the substrate at 200 ° C., and the crystal phase having a small grain size was made amorphous (FIG. 3C). Furthermore, the remaining crystal phase is grown,
Silicon is accelerated at 180 ke to crystallize the entire film
V, dose 5 × 10 16 / cm 2 , beam current density 2μA / c
Ions were implanted under the conditions of m 2 and substrate heating of 300 ° C. (FIG. 3D). When this sample was evaluated by transmission electron microscope observation and transmission electron diffraction, it was found that a polycrystalline silicon film having a particle size of about 3 μm was formed. Also, the third
The sample processed up to Fig. (C) was placed at
When a heat treatment was performed for a long time and the same evaluation was performed, it was found that a polycrystalline silicon film having a grain size of about 3 μm was formed on each of the substrates. The crystal growth by heat treatment
Lasers and lamps were also possible.

実施例4 単結晶ガリウム砒素基板上に、スパッタ法により非晶
質珪素膜を150nmの膜厚で堆積した(第4図(a))。
次にアルゴンを、加速エネルギー280keV、ドーズ量5×
1016個/cm2、ビーム電流密度2μA/cm2、基板加熱250℃
の条件でそれぞれイオン注入した(第4図(b))。注
入アルゴンの分布の様子を第7図に示す。これら試料
を、透過電子顕微鏡観察および透過電子線回折によりイ
オン注入の前後で比較した。イオン注入前には非晶質膜
であった珪素膜が、ほぼ一様な単結晶珪素膜に成長して
いる様子が認められた。なお、アルゴン注入によるガリ
ウム砒素基板中の欠陥は、熱処理により回復が可能であ
った。
Example 4 An amorphous silicon film having a thickness of 150 nm was deposited on a single crystal gallium arsenide substrate by a sputtering method (FIG. 4A).
Next, argon was supplied at an acceleration energy of 280 keV and a dose of 5 ×.
10 16 pieces / cm 2 , beam current density 2μA / cm 2 , substrate heating 250 ° C
(FIG. 4 (b)). FIG. 7 shows the distribution of the injected argon. These samples were compared before and after ion implantation by transmission electron microscope observation and transmission electron beam diffraction. It was observed that the amorphous silicon film before the ion implantation grew into a substantially uniform single crystal silicon film. The defects in the gallium arsenide substrate due to the implantation of argon could be recovered by heat treatment.

[発明の効果] 本発明によれば、従来不可能であった大粒径で、しか
も粒径の揃った多結晶半導体膜の形成あるいはヘテロエ
ピタキシャル成長を、低温で実現できる。従来の加熱に
よる高温プロセスでは熱による変形や基板構成元素の拡
散等で半導体用として使用できなかった基板が、本発明
により使用できる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, formation of a polycrystalline semiconductor film or heteroepitaxial growth having a large grain size and a uniform grain size, which was impossible in the past, can be realized at a low temperature. According to the present invention, a substrate which cannot be used for a semiconductor due to deformation by heat or diffusion of a substrate constituent element in a conventional high temperature process by heating can be used according to the present invention.

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

第1図、第2図、第3図、第4図は、本発明による多結
晶半導体膜の製造方法を説明するための図である。第5
図、第6図、第7図は、本発明の実施例1〜3で注入し
たイオンの濃度分布を説明するための図である。
FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 4 are views for explaining a method of manufacturing a polycrystalline semiconductor film according to the present invention. Fifth
FIG. 6, FIG. 6, and FIG. 7 are diagrams for explaining the concentration distribution of ions implanted in the first to third embodiments of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−310109(JP,A) 特開 昭60−153114(JP,A) 特開 昭61−55915(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/20──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-63-310109 (JP, A) JP-A-60-153114 (JP, A) JP-A-61-55915 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/20

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に結晶を含む非晶質半導体を形成す
る工程と、前記形成された非晶質半導体膜の表面から、
注入イオンの投影飛程が前記非晶質半導体の膜厚より大
きくなるようにイオン注入する結晶成長工程とを含む、
多結晶半導体膜を基板上に製造する方法。
A step of forming an amorphous semiconductor including a crystal on a substrate;
A crystal growth step of implanting ions so that the projected range of the implanted ions is larger than the film thickness of the amorphous semiconductor.
A method for manufacturing a polycrystalline semiconductor film on a substrate.
【請求項2】前記非晶質半導体膜中に含まれる前記結晶
の一部を、非晶質化することにより、結晶の密度および
/または位置を調整する制御工程を、前記結晶成長工程
に先立ち、設けることを特徴とする特許請求範囲第1項
記載の方法
2. A control step of adjusting a density and / or a position of a crystal by amorphizing a part of the crystal contained in the amorphous semiconductor film prior to the crystal growth step. 2. The method according to claim 1, further comprising:
【請求項3】前記制御工程が、前記非晶質半導体膜の表
面に収束イオンビームを間隔をあけて照射してイオンを
注入することからなる特許請求範囲第2項記載の方法。
3. The method according to claim 2, wherein said controlling step comprises implanting ions by irradiating the surface of said amorphous semiconductor film with a focused ion beam at intervals.
【請求項4】前記制御工程が、前記非晶質半導体膜の表
面を所定形状にマスキングし、その後マスキングされな
い前記非晶質半導体膜の露出表面から、イオンを注入す
ることからなる特許請求範囲第2項記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein said controlling step comprises masking a surface of said amorphous semiconductor film into a predetermined shape, and thereafter implanting ions from an exposed surface of said amorphous semiconductor film which is not masked. 3. The method according to item 2.
【請求項5】前記結晶成長工程が、前記基板が単結晶半
導体または単結晶絶縁体であり、前記非晶質半導体膜が
前記基板とは組成が異なる、ヘテロエピタキシャル成長
工程である特許請求範囲第1項乃至第4項のいずれかの
項に記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein said crystal growth step is a heteroepitaxial growth step in which said substrate is a single crystal semiconductor or a single crystal insulator, and said amorphous semiconductor film has a composition different from that of said substrate. Item 5. The method according to any one of Items 4 to 4.
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