JPH04243137A - 半導体装置の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，多結晶シリコン膜の再
結晶化工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】近年における半導体集積回路の著しい微細
化に伴い，その素子の構成材料には電気的，物理的に厳
しい品質が要請されている。なかでも，多結晶シリコン
膜は，電極，配線又は薄膜トランジスタの材料として，
さらにその他の素子材料として今日の半導体装置に多用
され，品質の向上が望まれている。

【０００３】このため，多結晶シリコン膜の再結晶化に
よる品質向上が必要となるが，高品質の再結晶層を短時
間に製造することは難しく，半導体装置の性能向上のた
め，より結晶粒が大きく，結晶性に優れ，かつ大面積の
均質な再結晶層を短時間に実現できる多結晶シリコンの
再結晶化技術が要求されている。

【０００４】

【従来の技術】従来の多結晶シリコン膜を再結晶化する
方法として，レーザビームを走査して表面近傍の多結晶
を溶融，固化する方法がある。しかし，この方法は結晶
粒径がビーム径により制限されるため大きくできず，ま
たビームの走査に長時間を要する。

【０００５】他の再結晶化方法として，多結晶シリコン
膜をその一部を基板結晶と接触させて酸化膜上に形成し
，その接触部を種として再結晶化させる横方向固相成長
法，あるいは帯状のヒータを多結晶シリコン膜上で走査
し溶融帯の移動により再結晶化する帯溶融結晶化法が知
られている。

【０００６】しかし，横方向固相成長法は，その酸化膜
の構造上の要請から素子構造が限定され一般的な用途に
は用いられず，さらに種となる接触部の必要から再結晶
部を素子面積以上に広くとる必要がある。また，帯溶融
結晶化法は，局部的加熱に起因する応力により基板のそ
りが生じたり，加熱により先に基板上に形成されていた
素子を破壊するおそれがある。

【０００７】近年，上述の従来技術の欠点を回避するた
めに，酸化膜上に堆積した多結晶シリコン膜をイオン注
入によりその全膜厚にわたり非晶質化し，その後熱処理
して再結晶化する方法が薄膜トランジスタの製造方法と
して開発された。かかる方法によれば，溶融温度よりか
なり低温度の熱処理で再結晶化され，且つ大面積の多結
晶シリコン膜を均質に再結晶化できる。

【０００８】しかし，この方法は，再結晶化に数十時間
を必要とし，実用に耐えない。また，多結晶シリコン膜
を全膜厚にわたり非晶質化するためには膜厚全体に対し
て充分なイオン注入がなされねばならないから，多結晶
シリコン膜の下地までイオン注入されることを回避でき
ず，その結果，下地酸化膜を劣化させ，さらにはその酸
化膜の下にある半導体に欠陥を生じさせ，不純物濃度を
変化させることとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の様に，従来の再
結晶化方法では，良質の再結晶膜が得られない，一般的
な構造には使えない，再結晶化時間が長い等の欠点を有
している。

【００１０】また，イオン注入により多結晶シリコン膜
を全膜厚にわたり非晶質化したのち再結晶化熱処理をす
る方法は，多結晶シリコン層の下地材料を傷めることか
ら構造によっては適用出来ない素子がある，また結晶化
に要す時間が長いという欠点がある。

【００１１】本発明は，結晶粒が大きく，結晶性に優れ
，かつ大面積の均質な再結晶層を短時間に製造するため
の多結晶シリコンの再結晶化方法を実現することができ
る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は，本発明の原理説
明図であり，同図（イ）は断面図により本発明にかかる
方法の工程を簡単に表したものである。同図を参照して
本発明の構成を説明する。

【００１３】前記目的を達成するために本発明に係る半
導体装置の製造方法は，基板１上に形成された多結晶シ
リコン膜３の表層部への燐のイオン注入により，該多結
晶シリコン膜３の深部に残された多結晶層３Ｂと接して
，該多結晶シリコン膜３の表面３Ａに達する非晶質層４
を形成する工程と，該非晶質層４を再結晶化する熱処理
工程とを有することを特徴として構成され，及び，上記
多結晶シリコン膜３は，上記多結晶シリコン膜３と上記
基板１との間に絶縁層２を介在させて形成されることを
特徴として構成され，及び，上記イオン注入された燐の
注入量は，少なくとも１×１０１６ｃｍ−２であること
を特徴として構成される。

【００１４】

【作用】本発明の作用を図１を参照して説明する。多結
晶シリコンはイオン注入によって非晶質シリコンに転換
される。

【００１５】かかる多結晶シリコンから非晶質シリコン
への転換は，　多結晶シリコンの単なる照射損傷の回復
と比較すると，再結晶化温度が高くまた再結晶時間も著
しく長いことから明瞭に識別されるものである。

【００１６】例えば，　酸化膜上に形成された多結晶シ
リコンをイオン注入により非晶質化した場合，　多結晶
シリコンの照射損傷は通常５００℃，１時間の熱処理に
より回復するけれども，非晶質シリコンの再結晶温度は
９００　℃以上を要し，　熱処理時間も１０時間以上か
かることが知られている。

【００１７】本発明の発明者は，イオン注入により形成
された非晶質シリコン層３が深部において多結晶層３Ｂ
と接する場合には，非晶質層４の再結晶化が急速に進行
することを発見するとともに，かかる状況の下で形成さ
れた再結晶粒は大きく且つ結晶性に優れていることを，
　以下に詳述するように実験的に明らかにしたのである
。

【００１８】図２は，図１を参照して，シリコン基板１
表面に形成された厚さ１００ｎｍの熱酸化膜からなる絶
縁膜２上に厚さ　２００ｎｍの多結晶シリコン膜３を堆
積し，Ｐを加速電圧４０ｋｅＶでイオン注入して表面か
ら１００　ｎｍの深さまで非晶質層４とした後，５００
　〜９００　℃の温度で，３０分の熱処理をした後のシ
ート抵抗を熱処理温度について示したものである。

【００１９】図中Ａは注入イオンの面密度が１×１０１
６ｃｍ−２の場合を，Ｂは５×１０１５ｃｍ−２の場合
を示している。図２によると，シート抵抗は６００　℃
以下では高抵抗のままであり，　非晶質層４の再結晶化
は進行していないことを示している。

【００２０】６５０　℃ではシート抵抗が激減して，再
結晶化が始まったことを示している。即ち本実験の非晶
質層４は，６００　℃，３０　分で再結晶化するのであ
る。これを，　従来の多結晶シリコン膜３全体を非晶質
化して再結晶化する方法と比較すると，　従前の方法で
は再結晶化に９００　℃，１０　時間以上を必要とする
のに対して，　本実験に示された図２の結果は６００　
℃，３０　分で再結晶が進んでおり，　再結晶化が著し
く促進されたことが明らかにされている。

【００２１】本発明は上記実験事実に基づき考案された
もので，イオン注入により多結晶シリコン膜３を非晶質
化する工程において，多結晶シリコン膜３の深部を多結
晶の儘残して，その上の多結晶シリコンのみを表面迄非
晶質化するものであり，かかる構成により上述の如く，
非晶質層４を短時間にて再結晶化することが出来るので
ある。

【００２２】本発明の上記構成における，イオン注入に
より形成される非晶質層４と，その底面に多結晶層３Ｂ
が接する構造は以下の様にして形成することができる。 図１（ロ）はイオン注入されたＰの深さ方向の濃度分布
，及び非晶質層が形成される条件を示したものである。

【００２３】図１（ロ）を参照して，表面からイオン注
入されたＰは，加速電圧で定まる一定の深さで最高濃度
となりその両側では濃度が低下するように分布する。非
晶質化は注入イオン濃度が臨界濃度Ｄｃを越えたとき生
ずる。

【００２４】本発明においては，Ｐ濃度が表面において
は臨界濃度Ｄｃを越え，かつ多結晶シリコン膜の厚さｄ
よりも浅い深さｈの位置で臨界濃度Ｄｃを下回るように
，加速電圧と注入濃度とを決定するのであり，これによ
って，表面から深さｈ迄の非晶質層４とその下に接して
つながる厚さｄ−ｈの多結晶層３Ｂを形成することがで
きるのである。

【００２５】かかる本発明の構成により，非晶質層４の
厚さｈを精密に制御でき，大面積にわたり容易に均質な
品質を得ることができるという，イオン注入による非晶
質層の形成方法の優れた面を充分に活用できるとともに
，一方では再結晶化が遅いという欠点を克服できるので
ある。

【００２６】本発明の他の効果は，　多結晶シリコン膜
のうちその下地との界面近傍の層は非晶質化される必要
がなく多結晶シリコンのまま残されても良いことから，
　多結晶シリコン膜の全層を非晶質化する従来の方法と
は相違して，界面近傍のＰ濃度は本発明では再結晶化の
際に問題とされることがない。

【００２７】従って界面近傍で低濃度となるようにイオ
ン注入の条件を決定することにより，下地材料に不純物
がドープされ，または損傷を生ずることを防止すること
ができる。

【００２８】本発明によれば，非晶質層４の厚さｈは精
密に制御され，また下地材料の損傷は防止されるから，
本発明は薄い多結晶シリコン膜の再結晶化において特に
有用なものとなる。

【００２９】更に，本発明の発明者は，注入されたＰイ
オン濃度が高いとき結晶粒が大きく，且つ結晶性が良い
ことを明らかにした。即ち，図２において熱処理温度が
９００　℃では，シート抵抗の低減の程度は，図２中Ｂ
で示された低濃度のものよりもＡで示された高密度にイ
オン注入されたもので著しいことが認められるが，これ
は，高濃度のものが結晶性が良いため低抵抗となること
を示している。

【００３０】このように，Ｐイオンの注入濃度１×１０
１６ｃｍ−２を臨界的な濃度としてこれ以上の注入量で
は結晶性の良い再結晶が形成されるのである。さらに，
上記臨界的な濃度以上では，それ以下の濃度の場合より
も再結晶粒は大きいことが断面の観測により確認された
。

【００３１】上述した速い再結晶化と，結晶性の良い大
粒径の再結晶化が起こるという本発明における効果は，
本発明の発明者により次の如き理由によるものと考察さ
れている。

【００３２】非晶質シリコンの再結晶化に高温，長時間
を要すのは，核生成が必要だからであり，多結晶シリコ
ンが接するときは多結晶を核として成長することができ
るから再結晶化し易いものと考えられる。

【００３３】また，多結晶を核として成長する際，特に
成長し易い結晶方位のものが選択的に成長するから，再
結晶粒は核となる多結晶よりも大きな粒子となる，さら
に高濃度のとき非晶質化がより完全にされ結晶性よく再
結晶化するものと考えられる。

【００３４】従って，表面に結晶質の層を残すときは照
射損傷の激しい表面層からの成長が起こり，また下層か
らの成長と衝突するために，良質の再結晶層は得られな
いのであり，　本発明はかかる事態の発生を適正に制御
された注入量と加速電圧により回避するものである。

【００３５】尚，　本発明において，基板１と多結晶シ
リコン膜３との間に絶縁膜２を介するときは，電気的特
性の優れたシリコン膜として，　ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）　構造の半導体基板や
，通常の配線，　ゲート材料等，　広く集積回路材料と
して有用に用いることができる。

【００３６】

【実施例】本発明を図３に示す実施例を以て説明する。 図３は本発明の実施例の工程図であり，薄膜ＦＥＴ（電
界効果トランジスタ）の製造工程を断面図で表している
。

【００３７】初めに，図３（ａ）を参照して，シリコン
基板１の表面に熱酸化膜２（図１の絶縁膜２に相当する
。）を形成する。次いで，同図を参照して，酸化膜２上
に例えば厚さ４００ｎｍ　の多結晶シリコン膜３を，基
板温度６２５　℃でＣＶＤにより堆積する。

【００３８】次いで，図２（ｂ）を参照して，多結晶シ
リコン膜３表面にＰを加速電圧６０ｋｅＶ，注入量１×
１０１６ｃｍ−２の条件下でイオン注入して，非晶質層
４，多結晶層３Ｂを形成する。

【００３９】この条件では，Ｐは酸化膜２には殆ど到達
せず，　従って酸化膜２の照射による劣化は生じない。 また多結晶シリコン膜３の酸化膜２近傍は非晶質化しな
い反面，表面は非晶質化する臨界濃度を越えており，そ
の結果表面から略１３０ｎｍ　の深さまで非晶質層４が
形成される。

【００４０】かかる臨界濃度は加速電圧，注入イオン濃
度，基板温度，注入電流，多結晶膜の製造条件等により
変動するものであるが，加えて電気的特性の優れた再結
晶層を提供するために，例えば上記多結晶シリコン膜３
について注入量１×１０１６ｃｍ−２のとき加速電圧２
０ｋｅｖ　〜８０ｋｅＶ　とすることができる。

【００４１】もちろん，　注入量は多くすることもでき
るし，　非晶質層４の厚さを制御するために加速電圧を
選ぶ，　又は２以上の異なる加速電圧で多重にイオン注
入をすることもできる。

【００４２】次いで，　とくに必要とするときは，９０
０℃，３０　分の熱処理を行い，　非晶質層４を再結晶
化する。かかる再結晶化のための熱処理は後に続く全製
造工程の何れかで行われていればよい。

【００４３】次いで，　図２（ｃ）を参照して，非晶質
層４および多結晶層３Ｂをフォトエッチして動作層５を
形成する。次いで，　図２（ｄ）を参照して，　例えば
熱酸化によりゲート酸化膜６を形成する。

【００４４】次いで，図２（ｅ）を参照して，酸化膜６
上に多結晶シリコン膜７を多結晶シリコン膜３の堆積条
件と同じ条件で堆積する。次いで，非晶質層４の形成と
同一条件でＰをイオン注入して非晶質層１１及び多結晶
層７Ｂを形成した後，９００　℃，３０　分の熱処理に
より再結晶化する。

【００４５】次いで，　フォトエッチにより，　ＦＥＴ
のゲート８　を形成する。次いで，通常のＭＯＳプロセ
スを用いて絶縁層９，配線１０を形成しＦＥＴを完成す
る。

【００４６】本発明の構成にかかる多結晶シリコン膜の
再結晶化の方法は，ゲート以外にも，配線，コンデンサ
の電極等，従来多結晶が用いられていた用途に適用する
ことができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
大面積の多結晶シリコン膜を，下地材料を損傷すること
なく非晶質化し，短時間に均質かつ結晶性の良い再結晶
層とすることができるので，半導体装置の性能向上に寄
与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の原理説明図

【図２】　　熱処理によるＰイオン注入層のシート抵抗
変化

【図３】　　本発明の実施例工程図

【符号の説明】

１　　基板 ２　　絶縁膜 ３　　多結晶シリコン膜 ３Ｂ　　多結晶層 ４，１１　非晶質層 ５　　動作層 ６　　酸化膜 ７　　多結晶シリコン膜 ７Ｂ　　多結晶層 ８　　ゲート ９　　絶縁層 １０　　配線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板（１）上に形成された多結晶シリ
   コン膜（３）の表層部への燐のイオン注入により，該多
   結晶シリコン膜（３）の深部に残された多結晶層（３Ｂ
   ）と接して，該多結晶シリコン膜（３）の表面に達する
   非晶質層（４）を形成する工程と，該非晶質層（４）を
   再結晶化する熱処理工程とを有することを特徴とする半
   導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】　　上記多結晶シリコン膜（３）を，該多
   結晶シリコン膜（３）と上記基板（１）との間に絶縁層
   （２）を介在させて形成することを特徴とする請求項１
   記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】　　上記イオン注入された燐の注入量は，
   少なくとも１×１０１６ｃｍ−２であることを特徴とす
   る請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。