JPH02260521A - 多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［！業上の利用分野］ 本発明は、多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品およびその作
製方法に係り、より詳細には、たとえばＴＰＴ　（薄膜
トランジスタ）等の半導体装置を高性能に作り得る、大
粒径の多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品およびその作製方
法間する。

〔従来の技術］ 従来、大粒径の多結晶ｓｉ半導体薄膜形成に関する技術
としては、非晶質Ｓｉ薄膜を固相成長させ、大粒径の多
結晶Ｓ−ｉ薄膜を形成し、薄膜トランジスタに供する技
術が報告されている（Ｔ、Ｎｏｇｕｃｈｉ、Ｔ、Ｏｈｓ
ｈｉｍａ　＆Ｔ、Ｈａｙａｓｈｉ　　；Ｐｏｌｙｓｉｌ
ｉｃｏｎＦｉｌｍｓ　　ａｎｄ　　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｓ、Ｂｏｓｔｏｎ、１９８７．Ｍａｔａｒ、Ｒｅｓ。

Ｓｏｃ、Ｓｙｍｐ、Ｐｒｏｃ、Ｖｏｌ、１０６．ｐ、２
９３（Ｅｌｓｅｃｉｅｒ　ＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓ
ｈｉｎｇ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　　１９８８））＊その
詳細を以下に述べる。

この技術においては、まず、基板上に非晶質Ｓｉ層を形
成する。なお、非晶質Ｓｉ層の形成技術としては、多結
晶Ｓｉ層にＳｉイオンを注入して非晶質化する方法、化
学気相法でＳ　ｉ　Ｈ４を熱分解して非晶質Ｓｉ層を形
成する方法、あるいは、電子ビーム蒸着法でＳｉを室温
に保った基板上に堆積する方法等が知られている。

その後、該非晶質ｓｉ層をＮ２中、６００℃で数時間か
ら数十時間熱処理を施すと、非晶質Ｓｉ層中に結晶核が
発生し、熱処理時間とともにその大きさが増大し、結晶
粒が互いに衝突するまで成長し、そこに粒界が形成され
る０例えば、Ｓｉイオン注入によって作成された厚さ１
０００人はどの非晶質Ｓｉ層は、６００℃、１００時間
のＮ。

中の熱処理によってその粒径は５μｍ程にも成長する。

　かかる大きな粒径の多結晶Ｓｉ層上に作成された薄膜
トランジスタのキャリア移動度は１００ｃｍ”／ｖｓｅ
ｃを越えるものが観測され、素子作成上きわめて有用な
粒径拡大方法である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、前記従来例を実際に追試し、つぶさに検討する
と、以下の問題点が存在することを本発明者は解明した
。

（１）６００℃未満の温度では、非晶質Ｓｉ層は結晶化
せず、低温化が困難である。例えば、５５０℃で２００
０時間熱処理しても、非晶質のままで、結晶核の発生は
皆無である。６００ｔという温度は、一般に、非晶質Ｓ
ｉ薄膜トランジスタに用いられるガラスの耐熱温度を越
えており、従って、耐熱性に優れた高価な石英ガラスを
基体として用いざるを得ない。

（２）熱処理を開始し、完全に多結晶化するのに数十時
間もの長時間を必要とする。これは、熱処理を開始して
から、結晶核が発生するまでの潜伏時間（Ｉｎｄｕｃｔ
ｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ）が数十時間にも及ぶこと、又、
結晶核から結晶粒が増大する成長速度がきわめて遅いた
めと考えられる０例えば、ｓｉ。

イオン注入で作成した非晶質Ｓｉは、６ｏｏ℃で１０時
間程度の潜伏時間が観察されており、さらに、完全に膜
全体が結晶化を完了するには、熱処理を開始してから、
１００時間もの長時間を必要とする。

以上２つの問題は、工業的に生産する場合、生産効率を
高め、製造コストを低減するという意味できわめて重要
な障害であり、克服するべきものであることは自明であ
る。

本発明は上記従来例の有する問題点を解決するものであ
り、本発明の目的は、大粒径の多結晶Ｓｉ薄膜を、低温
において、短時間で形成することのできる多結晶Ｓｉ半
導体薄膜形成物品およびその作製方法を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品は、下地基体と
、該下地基体に形成されＳｎを１×１（）Ｉ５原子ｃｍ
−’以上１×１０１５原子ａｍ−３含有する多結晶Ｓｉ
半導体薄膜とを有することを特徴とする。

本発明の多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品の作製方法は、
下地基体上に、Ｓｎを添加した非晶質Ｓｉ半導体薄膜を
形成し、該薄膜を、その融点以下の温度で熱処理するこ
とにより多結晶Ｓｉ半導体薄膜とすることを特徴とする
。

本発明における下地基体としては、必ずしも高い耐熱性
を必要とせず、例えば安価なガラスを用いることができ
る。

Ｓｎを添加した非晶ｉｓｉ半導体膜の形成方法としては
、たとえば、ＳｉＨ４の熱化学気相法で６００℃にて微
細な粒径（＜５００人）を有する多結晶層を基体上に堆
積し、この多結晶層に例えばイオン注入法によりＳｉイ
オンを注入する方法、あるいは電子ビーム蒸着、グロー
放電法、スパッタ法等があげられる。

本発明では、Ｓｎを添加した非晶質Ｓｉ半導体膜を熱処
理することにより多結晶化する。熱処理はＳｎを添加し
た非晶質Ｓｉ半導体膜の融点以下の固相領域における温
度で行なう。

なお、Ｓｎの添加量としては、１ｘ１０ｔｔ原子ｃｍ−
’以下が好ましい。１×１０１５原子ｃｍ−’を超える
上熱処理後β−Ｓｎが析出することがあり、半導体装置
を設ける場合好ましくないからである。Ｓｎの添加量の
下限としては、１００×１０１５原子Ｃｍ−”が好まし
い。それ以下では本発明に示すような効果は発現しない
。

［作　用］ 以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得た知見と
ともに説明する。

本発明者は、前記課題を解決するために、すなわち、低
温化と成長速度の増速を達成するために、非晶ｘＳｉ層
に不純物を添加することを試みた。Ｓｉの結晶成長に影
響を与える不純物としては、Ｐ、Ｂ、Ａｓ等の一般に電
気的特性を変え得るドナー　アクセプター不純物が知ら
れている。

特に、Ｐが異常粒成長を促進すること、は周知のことで
ある。（Ｙ、Ｗａｄａ　＆　Ｓ、ＮｉｓｈｉＮ１５ｈｉ
、Ｊ、Ｅｌａｃｔｏｒ。

−ｃｈｅｍｉ、Ｓｏｃ、Ｖｏｌ、１２５．Ｎｏ、９．ｐ
、１４９９）　　。

しかし、本発明者は長期間鋭意研究を重ねあらゆる種類
の不純物を試験した結果、上記のドナー、アクセプター
不純物は、その固溶限に近いほど、濃く導入したときに
のみ結晶化速度の増大が観察され、その場合には、半導
体活性層としては不適なｎｏあるいは２０層となってし
まい、素子作成は困難であることを見い出した。

そこで、本発明者が注目したのはいわゆる中性不純物（
■族不純物）である、しかし、車に中性不純物であると
いうだけでは不十分であり、その融点が低く、Ｓｉに対
して高い固溶限界を持ち、また、Ｓｉのバンドギャップ
中にドーパントレベルを作らないことはもとより、深い
再結合準位も作らず、キャリア寿命が充分長いことが必
要である。

以上の要件を満足する不純物を本発明者は鋭意探究し、
Ｓｎについて各種実験を重ねたところ、結晶化開始温度
を低減ｑ得、また短時間に大粒径の多結晶膜を形成でき
た。

［実施例コ 以下に本発明の実施例を述べる。

ガラスを基体として、ガラス上に、ＳｉＨ４の熱化学気
相法で６００℃にて微細な粒径（＜５００人）を有する
多結晶層を１０００人の厚さに堆積した。

次に、この多結晶層に表１の条件でイオンの注入を行な
った。

表１ なお、加速電圧１１０ｋＶは、Ｓｎの投影飛程がＳｉ層
の中央にくるように選択し、その飛程は表面より４９８
人に位置した。

表１に示すように、サンプルＮｏ、Ｏは、Ｓｉイオンを
５ｘｔｏ”イオン／ｃｍ”　　７０ｋＶで注入し、サン
プルＮｏ、１〜３は、７０ｋｖでＳｉイオンを各＄　Ｉ
　Ｘ　Ｉ　Ｏ”　　Ｉ　Ｘ　１０　”　　Ｉ　Ｘ１０′
フイオン／ｃｍ”注入した。

まず、注入したままの、換言すれば、熱処理前の構造を
透過電子顕微鏡で調べた結果、Ｎｏ。

０、Ｎｏ、１．Ｎｏ、２は、非晶質Ｓｉの構造であり、
電子線回折では非晶質Ｓｉ特有のハローパターンが観察
された。しかし、ＳｎをＩＸＩ□＋ｙイオン／ｃｍ２　
（１０００人厚のＳｉ層中では、はぼｔｘｔｏ２２イオ
ン／　ｃ　ｍ　３のＳｎ濃度に匹敵する）と高濃度に注
入したサンプル（Ｎｏ、３）では、注入時に既に結晶化
しており、５００℃程度の熱処理によりβ−５ｎが析出
していることが走査型透過電子顕微鏡で確認されたので
、以下の試験は行なわなかった。

Ｎｏ、０．１．２のサンプルを第１図に示すように、６
００℃温度一定でＮ２中にて等温熱処理を施すと、Ｓｉ
”イオンを注入して非晶質化したＳｉ層即ちＳｎ無添加
では１０時間以上もの長時間のＩｎｄｕｃｕｔｉｏｎ　
　Ｐｅｒｉｏｄ　（１７伏時間）を経て、非晶質Ｓｉ中
に核発生し、その後結晶は樹枝状に広がり隣接する結晶
粒と衝突したところで非晶質領域が消滅し、膜全体が結
晶化し、多結晶薄膜となった。１００時間時間量大粒径
は飽和し、その粒径は５μｍを越えた。

ＳｎをｌＸｌ０”イオン／　ｃ　ｍ　”のドーズで注入
したサンプルＮｏ、１はＩｎｄｕｃｕｔｉｏｎ　　Ｐｅ
ｒｉｏｄは６時間程であり、形成される結晶は２０時間
で飽和し、最大粒径は約４．８μｍとなった。

さらに、Ｓｎを高濃度にｔｘｔｏ”イオン／ｃｍ”のド
ーズで注入したサンプルＮｏ、２ではＩｎｄｕｃｕｔｉ
ｏｎ　　Ｐｅｒｉｏｄは３時間以下となり６時間で最大
粒径４．５μｍ程度で飽和した。

Ｓｎドーズ量が増加するのに伴い最大飽和粒径が低下し
た。これは核形成速度がＳｎ添加量に応じて増大してい
るためと考えらえる。すなわち、Ｓｎ添加量が増えると
非晶質ｓｉ中の粒衝突時の核形成密度が増大し、その結
果粒径の若干の減少を招いたものと考えらえる。

さらに、第２図にＮ２中で、熱処理時間を１００時間と
一定にした時の粒径の熱処理温度依存性を示す、サンプ
ルＮ０００のＳｎ無添加のサンプルでは、６００℃未満
では１００時間以上の熱処理を加えても全く結晶化しな
かった。６００℃以上では核形成密度が増大し、熱処理
温度が高くなるほど粒径は減少する傾向があり、これは
高温程核形成密度が増えたためである。Ｓｎを１×１０
ＩＳイオン／　ｃ　ｍ　”のドーズで注入したサンプル
Ｎｏ、１は５００℃無添加のものに比べて１００℃も低
温で結晶化が開始され、６００℃に比して核形成密度を
低くおさえることができるため、１００時間の熱処理後
には最大粒径は約１０μｍに近づいた。

さらに、ＳｎをｌＸｌ０”イオン／　ｃ　ｍ　”のドー
ズでＳｎを添加したもの（サンプルＮｏ。

２）゛は熱処理温度４５０℃でも結晶化が開始され最大
粒径は１０μｍを越えた。

以上のように、Ｓｎを添加することによってＩｎｄｕｃ
ｕｔｌｏｎ　　Ｐｅｒｉｏｄの短縮及び結晶化温度の低
下を達成できた。

その上、無添加のものに比べて、より大きな粒径の結晶
粒を成長させることが可能となりた。

本発明によって達成されたＳｎドープの大粒径多結晶薄
膜を通常のＩＣプロセスを用いてＦＥＴ（電界効果トラ
ンジスタ）を試作したところ、Ｓｎ無添加の膜と同様に
正常なトランジスタ静特性を示し、そのキャリヤー穆動
度は、その粒径に応じて増大し、無添加のものに比べて
２０〜４０％（電子易動度１２０〜１４００ｍ”　／ｖ
ｓ　ｅ　ｃ）の向上が認められた。加えて５００℃程度
かそれ以下で結晶化が可能なため、低価格のガラスを用
いることができ、経済的効果に寄与することがわかった
。

［他の実施例］ Ｓｉ薄膜にＳｎを添加する方法はイオン注入に限ったも
のではなく、以下に他の実施例を示す。

ガラス基体上に非晶質Ｓｉ薄膜を減圧ＣＶＤ（化学気相
）法を用いて処理温度５５０℃で厚み１０００人で形成
した。

その後、真空蒸着によってＳｎ層を５０人の厚さで非晶
質Ｓｉ裏表面堆積させ、Ｎ２中で４００〜６００℃まで
熱処理した結果、前実施と同様に４５０℃より結晶が開
始され同様の粒径（約１０μｍ）が得られた。

表面層を沸酸と硝酸の混合液で残留Ｓｎを除去し、トラ
ンジスターを作成したところ前実慮例と同様、良好な特
性が得られた。

［発明の効果］ 非晶質Ｓｉ層にＳｎを添加することによって、固相成長
によって大粒径多結晶層を得るに当り形成温度の低温化
、形成時間の短縮化および大粒径化が達成できる。

また、Ｓｎ特有の中性不純物たる効果によりＳｎが含有
されたＳｉ層は、半導体活性層として正常に働き、トラ
ンジスター等の半導体能動素子を作製する上で何ら問題
とならず、その大粒径化の効果によって無添加の多結晶
Ｓｉ層の素子に比べて性能向上が図れる。更にＳＯＯ℃
以下で形成できるため基体として低価格のガラスが使用
可能となり、経済的効果も著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図および′ｓ２図は、Ｓｎの添加の影響を熱処理温
度に対する最大結晶粒径で示したグラフである。 第１図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地基体と、該下地基体に形成されＳｎを１×１
   ０＾１＾５原子ｃｍ＾−＾３以上１×１０＾２＾２原子
   ｃｍ＾−＾３含有する多結晶Ｓｉ半導体薄膜とを有する
   ことを特徴とする多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品。
2. （２）該多結晶Ｓｉ半導体薄膜は、該下地基体上に形成
   されたＳｉを含有する非晶質Ｓｉ半導体薄膜をその融点
   以下の温度で熱処理したものである請求項１記載の多結
   晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品。
3. （３）下地基体は非単結晶である請求項１または請求項
   ２記載の多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品。
4. （４）下地基体上に、Ｓｎを添加した非晶質Ｓｉ半導体
   薄膜を形成し、該薄膜を、その融点以下の温度で熱処理
   することにより多結晶Ｓｉ半導体薄膜とすることを特徴
   とする多結晶Ｓｉ半導体薄膜形成物品の作製方法。
5. （５）Ｓｎ添加量は、１×１０＾１＾５原子ｃｍ＾−＾
   ３以上１×１０＾２＾２原子ｃｍ＾−＾３以下である請
   求項４記載の多結晶Ｓｉ半導体薄膜物品の作製方法。
6. （６）下地基体は非単結晶である請求項４または請求項
   ５記載のＳｎ添加Ｓｉ半導体薄膜形成物品の作製方法。