JPH03120715A - 結晶成長方法および結晶物品 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、結晶成長方法および結晶物品に係り、特に、
複数の薄膜結晶粒の核形成位置を制御して比較的低温で
形成し、隣接する結晶粒どうしの接した部分に形成され
る粒界の位置、および該結晶粒の大きさが制御された結
晶成長方法および結晶物品に関する。

本発明は、例えば、半導体集積回路等の電子素子、光素
子等に利用される薄膜結晶に適用される。

［従来の技術 および発明が解決しようとする課題］ 非晶質基板等の基体上に結晶薄膜を成長させる結晶形成
技術の分野におけるひとつの方法として、基体上に予め
形成された非晶質薄膜を融点以下の低温におけるアニー
ルによって固相成長させる方法が提案されている。例え
ば、非晶質の５ｉ０２表面上に形成された膜厚約１１０
０ｎ程の非晶質ｓｔｉ膜を、Ｎ２霊囲気中６００℃でア
ニールすることにより、前記非晶質Ｓｉ薄膜が結晶化し
、最大粒径が５μｍ程度の多結晶薄膜になるという結晶
形成方法が報告されている（Ｔ。

Ｎｏｇｕｃｈｉ、）１．Ｈａｙａｓｈｉ　ａｎｄ　！（
、Ｏｈｓｈｉｍａ、　１９８７．　Ｍａｔ。

Ｒｅｓ、　Ｓａｃ、　Ｓｙｍｐ、　Ｐｒｏｃ、、　１０
６．　Ｐｏ１ｙｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄＩｎｔｅｒｆａ
ｃｅｓ　２９３．（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ
　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ。

Ｎｅｗ　ｙｏｒｋ　１９８８））。この方法により得ら
れる多結晶薄膜の表面は平坦なままであるので、そのま
まＭＯＳトランジスタやダイオードのような電子素子を
形成することが可能である。またそれらの素子は、多結
晶の平均粒径がＬＰＣＶＤ方によって堆積した通常の多
結晶シリコン等に比べてずっと大きいために、比較的高
性能のものが得られる。

しかしながらこの結晶形成方法においては、結晶粒径こ
そ大きいものの、その分布と結晶粒界の位置が制御され
ていない。なぜならこの場合非晶質の結晶化は、アニー
ルによって非晶質中にランダムに発生した結晶核の同相
エピタキシャル成長に基づいているため、粒界の位置も
またランダムに形成され、その結果粒径が広い範囲に亘
って分布してしまうからである。したがって、単に結晶
粒の平均粒径が大きいだけでは以下のような問題点が生
じる。例えばＭＯＳトランジスタにおいては、ゲートの
大きさが結晶粒径と同程度、あるいは、それ以下になる
ために、ゲート部分には粒界が含まれないか、あるいは
、数個台まれるかである。粒界が含まれるか否かあるい
は、１つか２つかという領域では、電気特性が大きく変
化する。

そのために複数の素子間の特性に大きなばらつきが生じ
、集積回路等を形成する場合、著しい障害となフていた
。

上記の固相結晶化による大粒径多結晶薄膜における問題
点のうち、粒径のばらつきを抑制する方法については特
開昭５８−５６４０６号公報で提案されている。その方
法を第３図を用いて説明する。まず第３図（ａ）に示す
ように非晶質基板３１上に形成した非晶質Ｓｔ薄膜３２
の表面に、他の材料からなる薄膜小片３３を周期的に設
けて、この基板全体を通常の加熱炉でアニールする。す
ると非晶質Ｓｉ薄膜３２中で、薄膜小片３３の周辺と接
する箇所から優先的に結晶核３４の核形成が生ずる。そ
こてこの結晶核をさらに成長させると、非晶質Ｓｉ薄膜
３２は全域にわたって結晶化し、第３図（ｂ）に示すよ
うな大粒径の結晶粒群３５からなる多結晶薄膜が得られ
る。特開昭５８−５６４０６号公報によれば、この方法
では先に示した従来法と比較して、粒径のばらつきを１
／３程度まで低減できるという。

しかしながら、それでもまだ不十分である。例えば薄膜
小片３を１０μｍ間隔の格子点状に配した場合、粒径の
ばらつきは３〜８μｍの範囲に収められるに過ぎない。

さらに結晶粒界位置の制御に至っては、はとんど制御さ
れていないのが実状である。その理由は、非晶質Ｓｔ薄
膜３２と薄膜小片３３の周辺部が接する部分における弾
性エネルギーの局在効果によって、薄膜小片３３の周辺
に優先的な核形成が生じるために、周辺に沿って複数個
の核が発生し、且つその数を制御することが困難である
からである。

非晶質Ｓｉ薄膜の固相成長において核形成位置の制御方
法に関しては、他にも特開昭６３２５３６１６公報等で
提案されている。これらは第４図に示すように、非晶質
Ｓｔ薄膜４２に局所的にＳｔ以外の物質４３をイオン注
入した領域４４を設けて、そこに優先的に結晶核を発生
させようとする方法である。Ｓｔ以外の物質４３として
はＳｎやＰなどが提案されているが、その場合、現実に
はイオン注入された領域４４とそれ以外の領域４５の間
で核形成に関する選択性が不足しており、実際にこれを
実現した報告はない。

［課題を解決するための手段］ 本発明の結晶成長方法は、下地基体表面上に非単結晶質
薄膜を堆積する工程と、該非単結晶質薄膜の全面にイオ
ンを注入し、非晶質薄膜を形成する工程（第１次イオン
注入工程）と、該非晶質薄膜の面内に局所的に二回目の
イオン注入する工程（第２次イオン注入工程）と、該非
晶質薄膜を融点以下の温度でアニールする工程とを有し
、該第１次イオン注入工程および第２次イオン注入工程
のイオンエネルギーおよび／またはドーズを、第２次イ
オン注入工程においてイオン注入されない領域において
のみアニール工程によって単一の核が形成されるように
制御ルて該非晶質薄膜を固相成長によって結晶化させる
ことを特徴とする。

本発明の結晶物品は、上記方法で作製されたことを特徴
とする。

［作用］ 本発明は、非晶質薄膜中における結晶核形成過程が、下
地基体上に形成された非晶質薄膜へのイオン注入おける
注入状態に依存することを利用し、面内に注入状態の異
なる領域が形成された非晶質薄膜を、融点以下の温度で
アニールすることによって、面内の特定の位置だけに人
為的に単一の結晶核を優先形成し、さらにそれらを周囲
まで横方向固相エピタキシャル成長させるものである。

特に本発明では、下地基体上に堆積しておいた非晶質ま
たは多結晶質の非単結晶質薄膜の全面にイオン注入をま
ず施し、次いで、局所的にイオンを注入する。二回とも
イオン注入された領域では下地基体との界面近傍におけ
る核形成を十分に抑制されることは無論のこと、−回目
のイオン注入のみがなされた領域においても、その注入
によって核形成が制御されているために確実に単一の結
晶核が選択形成できる。また、予め非晶質状態にある薄
膜へイオン注入する場合には、多結晶薄膜を非晶質化す
るような高い注入ドーズを必要としない。

以下に、本発明の結晶成長方法をその原理からより詳し
く説明する。

一般に、非晶質表面を有する下地基体上に形成された非
晶質薄膜を、融点以下の温度におけるアニールによって
固相のまま再結晶させると、結晶化の緒端となる結晶核
の核形成は、非晶質薄膜の膜中より下地基体との界面近
傍に生じ易いことが知られている。これは、膜中におけ
る核形成が「均質核形成（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｎ
ｕｃｌｅａｔｉｏｎ）」であるのに対し、界面における
核形成は「不均質核形成（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ
　ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　）　Ｊであり、後者の活性化
エネルギーは前者のそれよりも低いことに起因している
と考えられる。したがって、核形成後の結晶粒の成長レ
ートと膜中における核形成頻度に対して非晶質薄膜の膜
厚が十分に薄い場合、界面に核形成した結晶粒は自らの
成長によって直ちに薄膜表面に達し、その後は薄膜の面
内に横方向成長するばかりとなるために、結果としてか
ような結晶化過程は界面における核形成に律速されるこ
とになる。

そこで幾つかの材料の非晶質薄膜について、アニール工
程に先立りて、その構成物質のイオンを注入してからア
ニールを施して結晶核の形成過程を調べたところ、構成
物質のイオン注入によって、アニールを開始してから最
初の核形成が生じるまでの潜伏時間（ｉｎｃｕｂａｔｉ
ｏｎ　ｔｉｍａ）が顕在化することが分かった。そして
その潜伏時間が、イオン注入の注入エネルギーやドーズ
に依存して変化することも分かった。第２図は、注入エ
ネルギーによって変化させた非晶質薄膜中のイオンの投
影飛程に対する、潜伏時間の依存性の傾向を示すひとつ
の例である。核形成の潜伏時間は、注入イオンの投影飛
程が、膜厚と等しいとき（即ち投影飛程が非晶質薄膜と
基体の界面近傍にくるとき）に極大を示した。、この結
果は、上述の界面近傍で初期に形成されていた結晶核の
核形成が、非晶質薄膜の構成物質のイオン注入によって
抑制されたことに起因している。したがって、注入エネ
ルギーのみならず、ドーズを変化させても核形成の潜伏
時間を制御することができるのである。

［実施態様］ 本発明による薄膜結晶の形成方法は、上記の知見を利用
するものである。

その実施態様を第１図を用いて説明する。

まず、非晶質表面を有する下地基板１上に、目的とする
材料からなる非晶質薄膜２を設ける［第１図（ａ）］。

次に、この非晶質薄膜２の全面にイオン３を注入する［
第１図（ｂ）］。ただしこのとき、注入イオンの加速エ
ネルギーとドーズは、後に二回目の局所的なイオン注入
の際にイオンを注入されずに残される領域（核形成領域
６［第１図（Ｃ）］において、アアニールによって単一
の結晶核が形成されるような値に設定する。

さらに、非晶貿薄ＩＩ＠２の面内に局所的にイオン４を
注入する。具体的には、第１図（ｃ）に示すように、バ
ターニングされたレジスト等のマスク５を用いて全面に
イオン注入するか、あるいは集束イオンビームを用いて
マスクレスの注入を行なっでもよい。これによって、第
一回目のイオン注入しかされずに残された領域が核形成
領域６となり、一方策二回目のイオン注入もされた領域
は非核形成領域７となる［第１図（Ｃ）］。ただし第二
回目のイオン注入では、その加速エネルギーとドーズが
第一回目のイオン注入と合わせて、非核形成領域７にお
いて界面における核形成が十分に抑制されるような値に
設定されねばならない。

これを、非晶質薄膜２の融点より低温でアニールすると
、非核形成領域７ては核形成の潜伏時間が核形成領域６
よりも長いために、核形成領域６の下地基板１との界面
近傍において優先的に結晶核８が発生する。［第１図（
ｄ）］。ここで核形成領域６へのイオン注入条件、即ち
一回目の注入条件に対してアニール温度が適切であれば
、核形成領域６に形成される結晶核８の数をただ一つだ
けに選択することができる。一方、非核形成領域７にお
ける核形成の潜伏時間が十分長ければ、その間に結晶核
８は核形成領域６を越えて非核形成１ 領域７にまで横方向固相エピタキシャル成長し、結晶粒
９となる［第１図（ｅ）］。

そしてやがては、隣接する核形成領域６′から同様にし
て成長してきた結晶粒９°　と前記核形成領域６及び６
′のほぼ中間で成長端面を接し、粒界１０を形成するに
至る［第１図（ｆ）］。こうして、粒粒位置と粒径の制
御された大粒径の結晶粒群からなる薄膜結晶が得られる
。

−段階に亘るイオン注入の加速エネルギーとドーズは次
のように決められればよい。例えばドーズを等しくする
なら、−回目の注入では非晶質薄膜２中におけるイオン
の投影飛程がその膜厚と一致しない、即ち下地基板１と
の界面近傍に位置しないようなエネルギーでイオン注入
を行ない、一方二回目の局所的な注入に際しては、投影
飛程がちょうど界面近傍に位置するようなエネルギーで
イオンを注入すれば、初期の目的を達成できる。また加
速エネルギーを固定するなら、二回のイオン注入のドー
ズの和が、−回目の注入ドーズに対して十分高くなるよ
うな関係であればよ２ い。さらに上記の両者を組み合わせて、加速エネルギー
とドーズの双方を同時に違えることも可能である。

本発明による薄膜結晶の形成方法において、下地基板に
非晶質薄膜を堆積する代わりに多結晶薄膜を形成し、こ
れを第一回目の全面イオン注入によって非晶質化した後
に、二回目のイオン注入工程へ移行することも可能では
ある。しかしながらその場合、多結晶薄膜を完全に非晶
質化するには、既に非晶質状態にある薄膜の下地基板と
の間の界面状態を変化させるのに比べて遥かに高い注入
ドーズが必要であり、工程に要する時間も含めて製造コ
ストの増大を招く。したがって、第１図を用いて説明し
たように当初から非晶質薄膜を堆積し、これにイオン注
入を施したほうが注入ドーズの総和量を低く抑えること
がで奈るので有利である。

また当初から非晶質薄膜を堆積してあっても、−回目の
全面イオン注入を省略してアニールまで工程を進めた場
合、確かに核形成領域において優先約な核形成は生ずる
ものの、その数は多数個であり単一の結晶核を選択する
ことは甚だ困難である。したがって本発明の如く、二回
に亘るイオン注入によって、非核形成領域のみならず核
形成領域においても、下地基板と非晶質薄膜の界面状態
が制御されていることが必須なのである。

［実施例コ 以下に、本発明による薄膜結晶の形成方法を、［実施態
様］に示した工程によってＳｔの薄膜結晶の形成に適用
した実施例を説明する。

（第一実施例） 基体としては溶融石英基板を用い、その表面に低圧ＣＶ
Ｄ法によって下記の条件の下に、非晶質Ｓｉ薄膜を１１
００ｎの膜厚で堆積した。

使用ガス　：　　ＳｉＨ４ ガス流量比：　　５０ｓｅｃｍ 圧力　　　　　０．３Ｔｏｒｒ 基板温度　：　５５０℃ まずはこの基板全面に、４０ｋｅＶのエネルギーに加速
されたＳ１＋イオンをＩＸＩＯ１５ｉｏｎｓ−ｃｍ−２
のドーズで注入した。

次に、このイオン注入されたＳｉ薄膜上にレジストを約
１μｍ程の膜厚で塗布し、これを通常のフォトリソグラ
フィー工程によって、１．５μｍ角の領域を１０μｍ間
隔の格子点状に残すようにバターニングした。

そして基板全面に、今度は７０ｋｅＶのエネルギーに加
速されたＳｉ＋イオンを再び１×１０１５ｉｏｎｓ°ｃ
ｍ−２のドーズで注入した。これによって、レジストで
マスクされていない領域では、注入イオンの投入飛程が
比晶質Ｓｉ薄膜と溶融石英基板との界面に位置すること
になり、非核形成領域となる。一方、レジストでマスク
された領域には核形成領域が形成される。

そこでこれを、レジストを剥離した後に、Ｎ２雰囲気中
で基板温度を６００℃に保ってアニールした。すると、
アニールを開始してから１０時間はどで、レジストで覆
われて二回目のイオン注入をされていない１．５μｍ角
の領域には、結晶核が発生し始めた。この時点で、レジ
ストで覆われ５ ずに二回目のイオン注入をされた領域では何ら核形成は
生じていないので、さらにアニールを続はルト、１．５
μｍ角の領域で既に形成されていた結晶核はその領域を
越えて横方向に成長し、樹枝状の大粒径薄膜結晶となっ
た。そして１００時間はどアニールすると、１０μｍ程
離れた隣接する領域から成長してきた結晶粒と成長端面
を接して粒界をなすに至り、非晶質Ｓｔ薄膜はほぼ全域
に亘って結晶化した。結果として、結晶粒界をほぼ１０
μｍ間隔の格子状に配しながら、平均粒径１０μｍの結
晶粒群からなる薄膜結晶が得られた。

（第二実施例） 第一実施例と同様にして、溶融石英基板上に非晶質Ｓｉ
薄膜をｌＣ１０ｎｍの膜厚で堆積した。

そしてこの基板全面に、７０ｋｅＶのエネルギーに加速
されたＳｔ“イオンを２．５Ｘ１０”ｉｏｎｓ−ｃｍ−
’のドーズで注入した。次に、このイオン注入されたＳ
ｉ薄膜上にレジストを約１μｍ程の膜厚で塗布し、これ
を通常のフォトリソ６ グラフィー工程によって、１μｍ角の領域を５μｍ間隔
の格子点状に残すようにバターニングした。

そして基板全面に、再び７０ｋｅＶのエネルギーに加速
されたＳｉ＋イオンを今度は７．５×１０”ｉ　ｏｎｓ
−Ｃｍ−２のドーズで注入した。これによって、レジス
トでマスクされていない領域では、注入イオンのドーズ
が十分高いために非核形成領域となる。一方、レジスト
でマスクされた領域には核形成領域が形成される。

そこでこれを、レジストを剥離した後に、Ｎ２雰囲気中
で基板温度を６００℃に保ってアニールした。゛すると
、アニールを開始してから１０時間はどで、レジストで
覆われて二回目のイオン注入をされていない１μｍ角の
領域には、結晶核が発生し始めた。この時点で、レジス
トで覆われずに二回目のイオン注入をされた領域では何
ら核形成は生じていないので、さらにアニールを続ける
と、１μｍ角の領域で既に形成されていた結晶核はその
領域を越えて横方向に成長し、樹枝状の大粒径薄膜結晶
となった。そして６０時間はどアニールすると、５μｍ
程離れた隣接する領域から成長してきた結晶粒と成長端
面を接して粒界をなすに至り、非晶質Ｓｉ薄膜はほぼ全
域に亘って結晶化した。結果として、結晶粒界をほぼ５
μｍ間隔の格子状に配しながら、平均粒径５μｍの結晶
粒群からなる薄膜結晶が得られた。

［発明の効果］ 従来考案されていた方法では実現できなかった非晶質薄
膜中の固相成長における単一の結晶核の選択核形成を、
高い歩留まりと共に低コストで可能とするものである。

その結果、本発明による薄膜結晶の形成方法は、研磨等
の工程を要せずども成長したままで平坦であり、且つ隣
接する結晶粒との間の粒界位置と粒径の制御された結晶
粒群からなる薄膜結晶が得られることから、バラツキの
少ない高性能な各種素子を大面積に亘って形成できる結
晶物品を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による結晶薄膜の形成方法の工程を示す
断面図、第２図は本発明による薄膜結晶の形成方法の根
拠である、非晶質薄膜の構成物質のイオン注入における
注入エネルギーに対する、非晶質薄膜の固相再結晶過程
における核形成の潜伏時間の依存性の傾向を示すひとつ
の例、第３図は、薄膜結晶の形成方法における、ひとつ
の従来技術の工程を示す断面図、第４図は薄膜結晶の形
成方法における、ひとつの従来技術の工程を示す断面図
である。 ９ ０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地基体表面上に非単結晶質薄膜を堆積する工程
   と、該非単結晶質薄膜の全面にイオンを注入し、非晶質
   薄膜を形成する工程（第１次イオン注入工程）と、該非
   晶質薄膜の面内に局所的に二回目のイオン注入する工程
   （第２次イオン注入工程）と、該非晶質薄膜を融点以下
   の温度でアニールする工程とを有し、 該第１次イオン注入工程および第２次イオン注入工程の
   イオンエネルギーおよび／またはドーズを、第２次イオ
   ン注入工程においてイオン注入されない領域においての
   みアニール工程によつて単一の核が形成されるように制
   御して該非晶質薄膜を固相成長によって結晶化させるこ
   とを特徴とする結晶成長方法。
2. （２）下地基体表面上に非単結晶質薄膜を堆積する工程
   と、該非単結晶質薄膜の全面にイオンを注入し、非晶質
   薄膜を形成する工程（第１次イオン注入工程）と、該非
   晶質薄膜の面内に局所的に二回目のイオン注入する工程
   （第２次イオ注入工程）と、該非晶質薄膜を融点以下の
   温度でアニールする工程とを有し、 該第１次イオン注入工程および第２次イオン注入工程の
   イオンエネルギーおよび／またはドーズを、第２次イオ
   ン注入工程においてイオン注入されない領域においての
   みアニール工程によって単一の核が形成されるように制
   御して該非晶質薄膜を固相成長によって結晶化させた結
   晶薄膜を有する結晶物品。