JPH03290921A - 結晶成長方法及び該方法で得られた結晶物品 - 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、薄膜結晶及びその形成方法に係り、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、及び該結晶粒の大きさが制御された薄膜結
晶、及び、その形成方法に関する。

本発明は、例えは、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連用さｔ。

る。

［従来の技術 及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ｌ去として、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７去が提案されている。

例えは、非晶質のＳｉＯ２表面上に形威された膜厚約１
１００ｎ程の非晶質Ｓｉ薄膜を、Ｎ２雰囲気中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た（Ｔ。

Ｎｏｇｕｃｈｉ、　Ｈ，Ｈａｙａｓｈｉ　ａｎｄ　Ｈ，
Ｏｈｓｈｉｍａ、　１９８７゜Ｍａｔ、　Ｒｅｓ、　Ｓ
ｏｃ、　Ｓｙｍｐ、　Ｐｒｏｃ、、　１０６．　Ｐｏ１
ｙｓｉｌｉｃｏｎａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ、２９
３．　　（Ｅｌａｅｖｉｅｒ　ＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌ
ｉｓｈｉｎｇ、　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ＭＯＳｌ−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！ある。またそ
れらの素子は、多結晶の平均粒径がＬ　Ｐ　ＣＶ　Ｄ　
法によって堆積した通常の多結晶シリコン等に比べてず
つと大きいために、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固相
エピタキシャル成長に基づいているため、粒界の位置も
またランダムに形威され、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、或いは、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、或いは、数
個含まれるかである。粒界が含まれるか否か或いは、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
。そのための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、著しい障害となってい
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３４３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１上に形成した非晶質５ｉｉＪｌｉ
ｊ２の表面に、他の材料からなる薄膜小片３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ｉｓｉ薄１ｉ２中で、薄膜小片３の周辺と接
する箇所から優先的に結晶核４の核形成が生ずる。そこ
でこの結晶核をさらに成長させると、非晶質Ｓｉ薄膜２
は全域に渡って結晶化し、第３図（ｂ）に示すような大
粒径の結晶粒群５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。

更に結晶粒界位置の制御に至っては、殆ど制御されてい
ないのが実状である。その理由は、非晶質Ｓｉ薄膜２と
薄膜小片３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３の周辺に優先的な核
形成が生しる為に、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５ｉｆｉｌｌｉの固相成長における核形成位置の
制御方法に関しては、他にも特開昭６３−２５３６１６
号公報で提案されている。これらは第４図に示すように
、非晶質Ｓｉ薄膜２に局所的にＳｉ以外の物質３をイオ
ン注入した領域４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。Ｓｉ以外の物質３として
はＮ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４とそれ以外の領域５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及び作用］本発明の結晶成
長方法は、非晶質薄膜を結晶化する結晶成長方法におい
て、膜厚の薄い領域（Ｉ）と、前記領域（１）よりも膜
厚が厚く、固相成長じて単結晶となる核を唯−形威し得
るに十分小さい領域（ＩＩ）とを有する非晶質薄膜に融
点以下の温度で熱処理することを特徴とする特本発明の
結晶物品は、上記方法により得られたことを特徴とする
。

本発明は、非晶質［ｉ中における結晶核形成過程が、該
非晶質薄膜の膜厚に依存することを利用し、面内に、膜
厚の異なる領域が形成された非晶質薄膜を、融点以下の
温度で熱処理することによって、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、更にそれらを周
囲まで横方向固相エピタキシャル成長させることによっ
て、研磨等の工程を要せずと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、薄膜結晶を形成することを可
能とするものである。

以下に、本発明による薄膜結晶の形成方法をその原理か
ら詳しく説明する。

一般に、非晶質表面を有する下地基板上に形成された非
晶質薄膜を、融点以下の温度はおける熱ＩＡ埋によって
固相のまま再結晶させると、結晶化のＮｔ４となる結晶
核の核形成は、非晶質薄膜の膜中より下地基板との界面
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　
ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）　Ｊであるのに対し、界面（お
ける核形成は「不均質核形成（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏ
ｕｓ　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Ｘａ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
斯様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異なる膜厚
の試料を用意し、これに熱処理を施して結晶核の結晶過
程を調べたところ、熱処理を開始してから最初の核形成
が生じるまでの潜伏時間（ｉｎｃｕｂａＨｏｎ　ｔｉｍ
ｅ）や熱処理初期の核形成頻度ｆｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ
　ｒａｔｅ）が、膜厚に強く依存することが分かった。

第２図は、非晶質薄膜の＠厚に対する核形成頻度の依存
性の傾向を示す一例である。

核形成頻度は、ある範囲までは、膜厚の増加に対して指
数的に増大する。核形成頻度は指数的に増大した後、飽
和する。第２図に、飽和した値に対する相対比で膜厚に
対する核形成Ｈ１ｔＬの関係を例示する。また、一般（
核形成の潜伏時間は、膜厚の増加と共に短縮する傾向を
示す。それら二つの現象は、原理的には独立であるし、
そのメカニズムも未だ定かではないが、「膜厚が厚いほ
ど核形成が起こりやすい」ことは確かであろう、従って
、逆に膜厚を選択することによって、核形成のし易さを
制御することができるのである。

［実施態様コ 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。その形成過程を実施態様例として第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！ｌ１ｌｉ　２を、面内に、膜厚の薄
い領￥１（１）４と１．１ｍノＩＪｌ域（ｒ）４よりも
膜厚が厚く、固相成長して単結晶となる核を唯−形威し
得るに十分小さい領域（ＩＩ）３とが共存するように設
ける［第１図（ａ）］、但し、領域（ＩＩ）３と領域（
Ｉ）４の膜厚の差或いは比は、後の熱処理工程において
、核形成し易さに十分な差が得られるように設定されね
ばならない。

非晶質薄膜２の膜厚■は、好ましくは１０〜１１０００
ｎ、より好ましくは２０〜５００ｎｍ、最適には５０〜
３０００ｍである。

領域（ＩＩ）３のｆ！厚と領域（Ｉ）４の膜厚の差■は
、好ましくは１〜５００ｎｍ、より好ましくは５〜３０
０ｎｍ、最適には１０〜１０００ｍである。

領域（Ｉ）４の面積■は、径で表して、好ましくは１０
０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、最適には１
０μｍ以下である。

領域（ＩＩ）３の面積■は、径で表して、好ましくは０
．１〜５０００ｎｍ、より好ましくは１〜２０００　ｎ
　ｍ％最適には３０〜１１０００ｎである。

そこでこれを適切な温度で熱処理するなら、領域３にお
いて優先的に核形成が生じる［第１図（ｂ）］。ここで
領域（Ｈ）３の面積が十分小さく、その核形成頻度に対
して最適化されていれば、発生する核の数を唯１個Ｃ選
ぶことが可能である。

領域（ＴＩ）３に発生した核５［第１図（ｂ）］は、更
なる熱処理によって領域（Ｈ）３を越えて領域（Ｉ）４
にまで成長し、結晶粒６となる［第１図（Ｃ）］。一方
、領域（Ｉ）４における核形成の潜伏時間が十分長けれ
ば、その間に結晶粒６は何も阻害されることなく横方向
成長を続け、やがては、隣接する領域３″から同様にし
て成長してきた結晶粒６°と成長端面を接し、粒界７を
形成するに至る。［第１図（ｄ）］、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
晶が得られるのである。

なお、熱処理温度は、好ましくは、材料の融点（Ｔゎ　
：ケルビン温度）以下、より好ましくは０．２５Ｔ、〜
０．８Ｔゎ、最適には、０４丁、〜０．５Ｔゆである。

結晶材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ。

ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体、Ａｌ１．Ｍｏ等の金属が
あげられる。

また、下地材料としては、例えば、５ｉｎ２゜Ｓ　ｉ　
ｓ　Ｎ４　、　Ａｌ２２０３たおうの非単結晶質絶縁材
料があげられる。

なお、本発明による非晶質薄膜の結晶化は、前記薄膜全
面を結晶化しても、部分的に結晶化してもよい。

［実施例］ 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Ｓｉ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） 基板としては溶融石英基板を用い、その表面に低圧ＣＶ
Ｄ法によって非晶質Ｓｉ薄膜を１５０ｎｍの膜厚で堆積
した。

そして、堆積したままの薄膜の石英基板との界面におけ
る核形成をある程度抑制する為に、薄膜全面に１００ｋ
ｅＶのエネルギーに加速さ朴たＳｉ’イオンをＩ　Ｘ　
１０　”ｉｏｎｓ＝ｃｍ−２のドブズで注入した。

次に、この非晶質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、１μｍ角の領域を５μｍ間隔の格子点状に残
すようにパターニングした。

そして、ＲＴＥ法によってレジストでマスクされていな
い領域のＳｉ４膜を５０ｎｍ程エツチングした。これに
よって、レジストでマスクされてイル領域ハ、１５０ｎ
ｍの膜厚を有し、一方エッチングされた領域の膜厚はｌ
ｏｏｎｍとなる。

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５９０℃に保って熱処理した。すると、熱
処理を開始してから５時間はどで、膜厚の厚い１μｍ角
の領域には、結晶核が発生し始めた。この時点で、周囲
の膜厚の薄い領域ではｆｏｌ′″ら核形成は生していな
いので、更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３０時
間はど熱処理す拳と、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５μｍ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。

（第二実施例） 基板として、今度は表面に熱酸化膜を有するＳｉ基板を
用い、その表面に低圧ＣＶＤ法によって、多結晶Ｓｉ薄
服を１００　ｎ　ｍの＠厚で堆積した。

そしてこの多結晶薄膜を非晶質化し、更に酸化膜界面に
おける核形成をある程度抑制するため、７０ｋｅＶのエ
ネルギーに加速されたＳｉ’イオンを５　ｘ　１０１５
ｉｏｎｓ−ｃｍ−２のドーズで全面に注入した。

次に、この非晶質されたＳ１薄膜上にレジストを約１μ
ｍ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、２μｍ角の領域を１０μｍ間隔の格子
点状に残すようにパターニングした。

そして、ＲＩＥ法によってレジストでマスクされていな
い領域のＳｉ薄膜を２５ｎｍ程エツチングした。これに
よって、レジストでマスクされている領域は、１１００
ｎの膜厚を有し、一方エッチングされた領域の膜厚は７
５ｎｍとなる。

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℃に保って熱処理した。すると、熱
処理を開始してから１０時間はどで、膜厚の厚い２μｍ
角の領域には、結晶核が発生し始めた。この時点で、周
囲の膜厚の薄い領域では何ら核形成は生じていないので
、更に熱処理を続けると、２μｍ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８０時間はど熱
処理すると、１０μｍ程離れ左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Ｓ１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１０μｍ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。

［発明の効果］ 本発明は、非晶質薄膜中における結晶核形成過程が、薄
膜の膜厚に依存することを利用し、面内に膜厚に異なる
領域が形成された非晶質薄膜を、融点以下の温度で熱処
理することによって、面内の特定の位置だけに人為的に
車−の結晶核を優先形成し、更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ことによって、薄膜形
成及びその形成方法を提供するものである。そしてこれ
によって、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、高い歩留まりと具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
形成できる結晶薄膜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力７去の工程を
示す断面図である。 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、非晶質薄膜の固相再結晶過程における、非晶質薄膜
の膜厚に対する核形成頻度の依存性の傾向を示すひとつ
の例である。 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である。 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。 １・・・下地基板、２−・・非晶Ｘ薄膜、３・・・領域
（Ｉ＋）、４・・・領域（Ｉ）。 １００ 非晶質薄膜の膜厚 第２図 ００ （ｎｍ） 第３図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）非晶質薄膜を結晶化する結晶成長方法において、
   膜厚の薄い領域（ I ）と、前記領域（ I ）よりも膜厚
   が厚く、固相成長して単結晶となる核を唯一形成し得る
   に十分小さい領域（II）とを有する非晶質薄膜に融点以
   下の温度で熱処理することを特徴とする結晶成長方法。
2. （２）前記非晶質薄膜は、イオン打込みされた非晶質薄
   膜をパターニングして形成することを特徴とする請求項
   １記載の結晶成長方法。
3. （３）前記膜厚の薄い領域（ I ）と前記膜厚の厚い領
   域（II）の膜厚の差は、１ｎｍ以上、５００ｎｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
4. （４）前記領域（II）の径は、０．１ｎｍ以上５μｍ以
   下であることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法
   。
5. （５）請求項１乃至４に記載された結晶成長方法により
   得られたことを特徴とする結晶物品。