JPH02260522A - 結晶性半導体薄膜の形成方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は結晶性半導体薄膜の形成方法に係り、特に、複
゛数の半導体単結晶を基体上にその位置を制御して形成
し、該単結晶同士の接した部分に形成される粒界の位置
、および該半導体単結晶の大きさを制御する結晶性半導
体薄膜の形成方法に関する。

本発明は、たとえば、半導体集積回路、磁気回路等の電
子素子、光素子、磁気素子、圧電素子、或は、表面音響
素子などに利用される結晶性半導体薄膜の形成方法に通
用される。

［従来の技術および 発明が解決しようとする課題］ 絶縁物基板などの基体上に半導体単結晶を成長させるＳ
　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　０ｖｅｒ　Ｉｎ５ｕｌａｔ
ｏｒ）技術の分野においては、たとえば、表面材料間の
核形成密度の差による選択核形成に基づいた方法が提案
されている（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ　ｅｔ　ａｔ、　（
１９８７）　Ｅｘ−ｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ
　ｏｆ　ｔｈｅ　１９ｔｈ　ＳＳＤＭ、１９１）。この
結晶形成方法を第７図を用いて説明する。まず第７図（
ａ）に示すように核形成密度の小さい表面３を持つ基体
１上に、表面３よりも核形成密度の大きい表面を持つ領
域７を直径ａ、間隔すで配する。この基体に所定の結晶
形成処理を施すなら、領域７の表面にのみ堆積物の結晶
核９が発生し、表面３の上には発生しない（第７図（ｂ
））、そこで領域７の表面を核形成面（ＳＮＤＬ）、表
面３を非核形成面（ＳＮＩｌｌｓ）と呼ぶ、核形成面フ
に発生した核９をさらに成長させれば結晶粒１０となり
（第７図（Ｃ））、核形成面７の領域を越えて非核形成
面３の上にまで成長し、やがて隣の核形成面ブから成長
してきた結晶粒１０゛と接して粒界１１が形成される。

従来、この結晶形成方法においては、核形成面７に非晶
質５ｉｓＮｔ、非核形成面３に５ｉＯｚを用い、ＣＶＤ
法によってＳｔ単結晶を複数個形成した例（上記論文参
照）、および、５ｉＯｚを非核形成面３とし、集束イオ
ンビームによりＳｔイオンを非核形成面３に注入し、核
形成面７となる領域を形成し、ＣＶＤ法によりＳｔ単結
晶を複数個形成した例（１９８８年第３５回応用物理学
関係連合講演会２８９−Ｍ−９）が報告されていた。

しかしながら、これらの単結晶をその形成位置を制御し
て形成する結晶形成法により、結晶粒を形成する際に、
前記従来例におけるＣＶＤ法のように気相の結晶成長方
法を用いた場合、以下に示すような問題が生じるため、
半導体集積層回路、あるいは、その他の素子の形成に著
しい困難をきたす。

すなわち、ＣＶＤ法などのような気相結晶成長法により
、核形成面に結晶核を発生させて結晶成長を行う場合に
は、基板と水平方向の結晶成長速度（Ｖｈ　）と垂直方
向の結晶成長速度（Ｖｖ）との比Ｖｈ／Ｖｖが１に近く
粒状の結晶が形成されてしまい、上面に大きな凹凸があ
り、得られた結晶上にそのままＭＯＳトランジスタ、ダ
イオードなどの素子を形成することはできない、このよ
うな素子を形成するためには、結晶形成処理の後、さら
に、エツチング、あるいは、ポリッシングなどの平坦化
工程を導入し、前記結晶の上部を半分以上削り、平坦な
上面を形成する必要があり、工程増の問題、および、平
坦化工程にともない堆積した結晶・と堆積時間のむだと
いう問題があった。

しかも、前記平坦化工程に要する技術は、大面積にわた
る膜厚の制御と表面の平坦性の確保という２点において
未だ技術的に確立していない、さらに、気相結晶成長法
のプロセス温度は８００〜１１００℃という高温のため
、通常の廉価なガラスが使用できず、大面積化の要請に
対し、特にコストの点で大きな問題がありな。

一方、近年、非晶質絶縁物基板等の基体上に、ＳＬなど
の非晶質半導体薄膜を数百から数千人程度堆積し、たと
えば、Ｎ、中６００℃程度で固相熱アニールすることに
より、前記非晶質半導体薄膜が結晶化し、最大粒径が５
μｍ程度の多結晶薄膜になるという結晶性半導体薄膜の
形成方法が報告された。（Ｔ、Ｎｏｇｕｃｈｉ　Ｈ，Ｈ
ａｙａｓｈｉ、）ｆ、ｏｈｓｈｉｍａ。

Ｐｏ１ｙｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　　Ｉｎｔｅｒｆａｃ
ａｓ、Ｂｏｓｔｏｎ、１９８？、Ｍａｔａｒ、Ｒｅｓ、
Ｓｏｃ、ＳｙｇＩｐ、Ｐｒｏｃ、ｖｏｌ、１０６（Ｅｌ
ｓｅｖｉｅｒ　　ＳｓｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｉｎ
ｇ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　１９８８）ｐ、２９３）この方
法により得られる結晶の表面は、非晶質半導体薄膜表面
の平坦さを維持するので、表面を平坦化処理する必要が
ない、したがって、該多結晶薄膜上にＭＯＳトランジス
多やダイオードのような素子を平坦化工程を必要とする
ことなく形成することが可能である。しかも、プロセス
温度が低いため、たとえば、廉価な低融点ガラスが使用
可能である。しかし、該結晶形成方法においては、結晶
粒径こそ通常のＬＰＣＶＤ法による多結晶シリコンなど
に比べ大きいものの、結晶粒界の位置が制御されていな
いために、以下に示すような問題点がある。

すなわち、上記方法は、非晶質層を、その非晶質材料の
該発生臨界温度付近（たとえば、非晶賀賞体中に発生し
たｒ結晶核」より面相成長させ、非晶質体を結晶化する
方法である。この方法では非晶質体が完全に結晶化して
しまうまでは新たな核形成が生じ続ける。したがって、
初期に形成された結晶核が固相成長している間にも新た
な結晶核が次々と発生してしまう、そのため、グレイン
サイズも、最大粒径５μｍ程度が可能なだけで、素子の
集積化にともなって、要請される高速化には不十分であ
フた。さらに、第６図のように、できあがった多結晶膜
には遅い時刻に発生した結晶核に起因する平均粒径に比
してかなり小さいグレインが多数音まれることになり、
グレインサイズに大きなばらつきを生じていた。そのう
え、グレインの位置もランダムであるために、ＭＯＳト
ランジスタなどの電子素子の能動領域に含まれる粒界の
数は制御できない、また、キャリア移動度、あるいは、
閾値電圧などの素子特性は素子の能動領域に含まれる結
晶粒界の数により、大きく変化するため、上記方法によ
り結晶化した膜上に電子素子などを形成すると、膜中の
グレインサイズのばらつきが大きいために素子の特性に
大きなばらつきを生じ、たとえば、集積回路等を形成す
る際に素子間の特性差が克服し難く、実用上大きな障害
となつていた。

［８題を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を鑑みなされたものである。

本発明：に係わる結晶性半導体薄膜の形成方法の特徴は
、基体上に非晶質体を形成し、該非晶質体の所望の所望
の位置に、熱処理を施すことにより単一の結晶が形成さ
れるに十分微小な領域を設け、前記領域以外の非晶質体
に前記非晶質体を構成する元素のイオンを注入した後、
第１の温度でＮ１の熱処理を施すことで、前記領域に車
−の結晶を形成し、前記第１の温度よりも低い第２の温
度で第２の熱処理を施すことにより前記車−の結晶を起
点として結晶を成長させるに存在する。

（実施態様例） 以下、第１図および第、２図を用いて本発明による結晶
性半導体薄膜の形成方法を説明する。

■、まず、基体１上に非晶質体１２を形成する。

（１）基体１は、その後の熱処理工程、あるいは、素子
の形成工程に適していればいかなる材料でも構わない０
例を挙げると、シリコンウェハ、石英基板、ガラス基板
などがある。

そのうえに、非晶質体１２を堆積する。非晶質体１２の
形成方法は、電子ビーム加熱の真空蒸着や減圧ＣＶＤ法
による方法、プラズマＣＶＤ法などのほか、あらかじめ
堆積した多結晶体に該多結晶体を構成する元素をイオン
注入することにより非晶質化するという方法でも構わな
い（第１図（ａ））。

（２）続いて、非晶質体１２の核形成を起こしたい複数
個の所望の領域１４を残して、その他の領域１３の表面
から前記非晶質体１２を構成する元素をイオン注入する
。この注入は、領域１４にイオン注入のマスクとしてレ
ジストなどをバターニングしてもよいし、あるいは、そ
の他の方法によりマスクをしてもよい、イオン注入しな
い領域１４の大きさは熱処理によって、結晶が１つだけ
形成される大きさであればよい、イオン注入しない領域
１４の大きさは、熱処理において形成される結晶核の密
度によって決まるが、望ましくは５μｍ以下、より望ま
しくは２μｍ以下とし、結晶核の密度を制御するのが好
ましい（￥％１図（ｂ））。

１１’、続いて、熱処理工程について説明する。本発明
者は、非晶買シリコン薄膜の固相結晶化に関する実験よ
り以下のような知見を得た。

■減圧ＣＶＤ法などの方法により形成された粒径１０人
〜数百人の多結晶シリコン薄膜にシリコンイオンを注入
して形成された非晶質体を長時間アニールしたところ、
（シリコンイオンの注入量により相対的に変化するが、
）第３図のように６００℃前後の温度を臨界温度Ｔｅと
してそれより高い温度では結晶が発生し、その結晶を起
点とし、結晶成長するが（領域Ａ）、温度をＴｅより下
げると、２００時間の熱処理によっても結晶は全く形成
されなくなった。しかし、領域Ｂの温度範囲においても
、あらかじめ結晶を非晶質体中に存在させるか、あるい
は、固相結晶成長の起点となるような結晶体を非晶質体
と接して存在させれば、それを起点として結晶成長は進
むことが明らかになった。さらに、領域Ｃのように温度
を低くすれば、もはや結晶成長は進行しなかった。上記
のような現象は、結晶成長、あるいは、核形成の活性化
エネルギーに差があることに起因していると考えられる
。すなわち、核形成の活性化エネルギーの方が結晶核成
長のそれに比べやや高いためであると考えられる。

■第３図の領域Ａに含まれる温度でのアニールを行った
場合に得られる結晶化した膜の平均粒径はアニール温度
の上昇にともない小さくなっていた。すなわち、非晶買
薄膜中に形成された核の密度が第４図に示すように温度
の上昇にともない高くなった。これは、温度の上昇によ
り、非晶質体に与えられる熱エネルギーが増して、核形
成頻度が高くなることに基づく、また、結晶核の密度は
非晶質シリコンを多結晶体にシリコンをイオン注入する
ことにより形成する際に注入するシリコンのｄｏｓｅ量
を増やすことによっても小さくなる（第５図）、また、
イオン注入により、多結晶体を非晶質化する場合には、
注入量により、非晶質体中の長距離秩序の残留度が異な
ってくるとも考えられている。

以上■０、■の知見に基づき第２図に示す熱処理を行う
。

（１）初期の時刻ｔ１までの熱処理においては、結晶化
初期の一定時間だけ熱処理温度をＴ、にする。このＴ１
は、第２図において前記イオン注入のなされていない領
域に対しては、結晶が発生し、成長する範囲に、かつイ
オン注入のなされた領域に対しては第３図の領域Ｂの範
囲に含まれるような熱処理温度である。このような温度
Ｔ、が存在することは第３図および第５図より明らかで
ある。このように熱処理温度を設定することにより核形
成の起こる領域を制限し、非晶質体中に形成される結晶
核の位置を制御する（第１図（ｂ））、このときの熱処
理温度、あるいは、非晶質体に注入されているイオンの
量を制御することで、結晶核が所望の位置に１つだけ形
成されるようにすることができる（第１図（Ｃ））。

（２）時刻ｔｌまでに形成された位置の制御された結晶
核をｔ、以後、さらに結晶成長させる。前記結晶からの
結晶成長により前記非晶質体全体が結晶化するまでに前
記非晶質体中に新たな結晶発生が起こらないように、時
刻１．以降の熱処理は、その温度が第３図における領域
Ｂに含まれる温度Ｔ１に設定して前記結晶核を起点とす
る結晶成長を行い所望の粒径に成長する時刻ｔ２まで熱
処理を行う（第１図（ｄ））、結晶成長を結晶が隣接す
る結晶とぶつかりあうまで行うと、結晶粒界はこれら結
晶の成長の起点となった結晶核同士を結ぶ線分の中線上
に形成される。したがフて、結晶粒界の位置を制御する
ことが可能である。

このようにして、結晶の位置と粒径、および、粒界の位
置の制御された結晶群が形成できる（第１図（ｅ））。

前記、イオン注入のなされない領域１４を第１図（ｂ）
のように格子点状に配置して、結晶成長を行うと、本発
明により形成される結晶は第１図（ｅ）のように単結晶
粒が規則正しく並び、内部に結晶粒界を含まない素子の
形成が容易である。

［実施例］ （実施例１） 以下、本発明に基づいて結晶粒径と粒界位置とが制御さ
れたところの多結晶シリコン薄膜を形成した実施例２を
示す。

（１）まず、石英基板を基体とし、その表面にＳ　ｉ　
Ｈ，を用いた減圧ＣＶＤ法により温度５５０℃で非晶質
シリコン膜を１０００人はど堆積した。

（２）次に、非晶質化されたシリコン膜表面に通常の半
導体プロセスにおけるフォトリソグラフィー工程により
、レジストを１辺１μｍの正方形が８μｍ間隔の格子点
状になるように配置した。

（３）Ｓｔ＋イオンをレジストで覆われていない領域に
のみ５　Ｘ　１０　ｌＳ／　ｃ　ｍ−’で注入した。そ
の後、レジストを剥離した。

（４）前記の基体を窒素雰囲気中６３０℃で１５時間加
熱処理した。この基体を取り出して光学顕微鏡で観察し
た結果、前記非晶質シリコン薄膜中にはイオンの注入さ
れていない領域にだけそれぞれ１個ずつの結晶が観察さ
れた。

（５）（４）の加熱処理に続いて、前記基体を窒素；囲
気中５８０℃で、さらに１００時間加熱処理した。この
基体を透過型電子顕微鏡で観察した結果、前記非晶質シ
リコン膜中では、前記Ｓｉ結晶を起点として、結晶が固
相成長し、粒径がおよそ８μｍの結晶粒によって基体表
面が覆われており、非晶質のままの領域は観察されなか
った。

（６）このようにして形成したシリコン多結晶膜上に通
常の半導体プロセスを用いて、多数のＭｏＳトランジス
タを１つの結晶粒内にチャネル部が含まれるようにして
作成した。このうち、１００個のトランジスタのモビリ
ティはチャネル長３μｍの場合平均１９０ｃｒｎ”／Ｖ
−ｓｅｃで、閾値電圧のばらつきは平均値に対して±３
２０ｍＶ程度で従来゛の単一の温度での固相再結晶化に
よる多結晶シリコン上のＭＯＳトランジスタ（チャネル
の長さ１０μｍ）におけるモビリティ１１０Ｃｒｒ？／
ｖ−３ｅＣよりも高速で、しかも、閾値のば】らつき±
５００ｍＶに比べ低くなった。

これより、多結晶膜を構成する結晶粒の大きさが均一で
、しかも、結晶粒界の位置を制御することにより、粒界
の含まれない素子をも作成することが可能になり、素子
間の特性差は少なく、しかも、特性のよい素子が形成で
きることが明らかになフた。

（実施例２） 以下、本発明に基づき複数のＳｉ結晶粒を形成した実施
例１を示す。

（１）まず、ガラス基板を基体とし、５ｉＨ４を用いた
減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜を１０００人はど
堆積した、 （２）Ｓｉ”イオンを５　Ｘ　１０　ｌＩｌ／　ｃ　ｍ
−２で多結晶シリコン膜に注入し非晶質化した。

（３）次に、非晶質化されたシリコン膜表面に通常の半
導体プロセスにおけるフォトリソグラフィー工程により
、レジストを１辺２μｍの正方形が１０μｍ間隔の格子
点状になるように配置した。

（４）再び、Ｓｉ０イオンをレジストで覆われていない
領域にのみ加速電圧７０ｋｅＶで５×１０　”　／　ｃ
　ｍ　””で注入した。その後、レジストを剥離した。

（５）前記の基体を窒素雰囲気中６５５℃で、１５時間
加熱処理した。この基体を電子顕微鏡で観察した結果、
前記の非晶質シリコン薄膜中にはイオンの注入されてい
ない領域にのみそれぞれ１個ずつの結晶が観察された。

（６）（５）の加熱処理に続いて、前記の基体を窒素雰
囲気中５８０℃で、１２０時間加熱処理した。この基体
を透過型電子顕微鏡で観察した結果、前記の非晶質シリ
コン膜中では前記Ｓｔ結晶核を起点として、結晶が固相
成長し、粒径がおよそ１０μｍの結晶粒によって、基体
表面が覆われており、非晶質のままの領域は観察されな
かった。

（７）このようにして形成したシリコン多結晶膜上に通
常の半導体プロセスを用いて、多数のＭＯＳトランジス
タをそれぞれのチャネル部が１つの結晶゛粒内に含まれ
、素子を粒界が横切らないようにして作成した。この内
１００個のトランジスタ（チャネル長３μｍ）のモビリ
ティは２００ｃｍ２／Ｖ−ｓｅｃで、閾値電圧のばらつ
きは平均値に対して±３１０ｍＶ程度で、従来の単一の
温度での固相再結晶化による多結晶シリコン上のＭｏＳ
トランジスタ（チャネ・ルの長さ１０μｍ）におけるモ
ビリテ（１１０ｃｒｒ？／Ｖ　−ｓｅｃよりも高速で、
閾値のばらつき±５００ｍＶに比べ低くなった。これは
、結晶性薄膜を構成するダレインの平均粒径が大きくな
り、かつ、粒界位置を制御して形成することが可能にな
ったことによる。

［発明の効果］ 以上から明らかになったように、本発明に係わる結晶性
薄膜の形成方法は次のような効果を有する。

本発明に係わる半導体多結晶薄膜の形成方法によれば、
所望の粒径（従来よりも大粒径が可能）で、結晶粒界の
位置の制御された結晶による結晶性半導体薄膜が得られ
るので、従来よりも格段に素子数が多くても特性がばら
つかず、特性も良好な集積回路の形成が可能となる。

また、本発明に係わる結晶性薄膜の形成方法は、従来の
プラズマＣＶＤのプロセスに比べ、はるかに低温で処理
可能なので、ガラスなどの安価な基板の上にも高速素子
を形成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体多結晶薄膜の形成方法を説
明するための工程図である。′ｓ２図は本発明による半
導体多結晶薄膜の熱処理形成工程を説明する工程図であ
る。第３図は非晶質体の熱処理による結晶化において、
熱処理温度をイオン注入量に対し、結晶核からの結晶成
長の生じる領域の関係を説明するグラフである。第４図
は熱処理温度と非晶質体中に形成された結晶核の密度の
関係を説明するグラフである。第５図はイオン注入のｄ
ｏｓｅ量と熱処理により形成される結晶核の密度の関係
を説明するグラフである。第６図は従来の技術による多
結晶薄膜の粒径分布図である。 第７図は従来の技術による結晶性半導体薄膜の形成方法
を説明する工程図である。 （符号の説明） １・・・基体、３・・・非核形成面、７・・・核形成面
、９・・・結晶核、１０・・・結晶粒、１１・・・結晶
粒界、１２・・・非晶質体、１３・・・さらなるイオン
注入をなされた非晶質領域、１４・・・イオン注入され
ない領域。 第１図 第３図 ＋０１４ ｏ１６ イオン注入量（ｃｍ’勺 汀 第 図 熱処理温度（℃） 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体上に非晶質体を形成し、該非晶質体の所望の
   所望の位置に、熱処理を施すことにより単一の結晶が形
   成されるに十分微小な領域を設け、前記領域以外の非晶
   質体に前記非晶質体を構成する元素のイオンを注入した
   後、第１の温度で第１の熱処理を施すことで、前記領域
   に単一の結晶を形成し、前記第１の温度よりも低い第２
   の温度で第２の熱処理を施すことにより前記単一の結晶
   を起点として結晶を成長させることを特徴とする結晶性
   半導体薄膜の形成方法。
2. （２）前記非晶質体は、多結晶体に該多結晶体を構成す
   る元素をイオン注入することにより非晶質化して形成さ
   れるか、もしくは気相法を用いて堆積した非晶質体であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の結晶
   性半導体薄膜の形成方法。
3. （３）前記非晶質体は、シリコンからなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の結晶性半導体薄膜の
   形成方法。