JPH0461318A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
本発明は半導体装置およびその製造方法にががり、特に
S OI (Silicon OI′lIn5ula
tor)構造の半導体装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and particularly relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
The present invention relates to a semiconductor device having a tor) structure.
(従来の技術)
半導体装置の高集積化に伴い、素子の微細化は進む一方
であり、もはや集積化の限界に達しつつある。そこで一
部の素子を垂直方向に重ね合わせることにより集積度を
上げる方法が要求されている。(Prior Art) As semiconductor devices become more highly integrated, the miniaturization of elements continues to progress, and the limits of integration are now being reached. Therefore, there is a need for a method of increasing the degree of integration by vertically overlapping some elements.
そこで基板表面に絶縁膜を介して形成された半導体薄膜
内に素子を形成したいわゆるSol構造が広く用いられ
るようになってきている。この構造は基板との素子分離
が容易であるなとの利点もあり有効な技術である。Therefore, a so-called Sol structure in which elements are formed within a semiconductor thin film formed on the surface of a substrate with an insulating film interposed therebetween has become widely used. This structure has the advantage that it is easy to separate elements from the substrate, and is an effective technique.
従来、このようなSol構造の半導体装置は、絶縁膜上
に形成したアモルファスシリコン膜を熱処理により単結
晶あるいは結晶粒の大きな多結晶膜として固相成長させ
、この膜内に半導体素子を形成する方法によって形成き
れている。Conventionally, semiconductor devices with such a Sol structure have been manufactured using a method in which an amorphous silicon film formed on an insulating film is grown in a solid phase as a single crystal or a polycrystalline film with large crystal grains through heat treatment, and a semiconductor element is formed within this film. It is completely formed by
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、この従来の方法では種結晶からの結晶成
長か長く伸びず多結晶化することが多い。(Problems to be Solved by the Invention) However, in this conventional method, crystal growth from a seed crystal often does not grow long and becomes polycrystalline.
このため、多結晶として用いる場合にも結晶粒の大きさ
にばらつきがあるため、素子特性にばらつきか生し、こ
れらの素子を組み合わせてシステムとして動作させると
きに大きな障害となっていた。For this reason, even when used as a polycrystal, the size of crystal grains varies, resulting in variations in device characteristics, which has been a major hindrance when these devices are combined to operate as a system.
また、従来のCVD法によって堆積したアモルファスシ
リコンを用いた固相成長ではアモルファスシリコン/絶
縁膜界面において多数の結晶核が生成してしまい十分に
大きな粒径の多結晶膜を形成することは困難であった。Furthermore, in solid-phase growth using amorphous silicon deposited by the conventional CVD method, many crystal nuclei are generated at the amorphous silicon/insulating film interface, making it difficult to form a polycrystalline film with a sufficiently large grain size. there were.
本発明は、特性のばらつきを低減し、信頼性の高い半導
体装置を形成することを目的とする。An object of the present invention is to reduce variations in characteristics and form a highly reliable semiconductor device.
(課題を解決するための手段)
そこで本発明の第1では、非晶質半導体膜に対して各回
が固相成長の潜状時間よりも短い、複数回の短時間の熱
処理を繰り返すことにより固相成長により非晶質半導体
の結晶化を行うようにしている。(Means for Solving the Problems) Therefore, in the first aspect of the present invention, an amorphous semiconductor film is solidified by repeating a plurality of short-time heat treatments, each time shorter than the latent time of solid phase growth. The amorphous semiconductor is crystallized by phase growth.
本発明の第2では、絶縁膜上に非晶質半導体膜を堆積し
、この非晶質半導体膜と絶縁膜との界面近傍に到達する
ようにこの半導体と同一材料をイオン注入したのち、潜
状時間よりも短い熱処理を行い固相成長により非晶質半
導体の結晶化を行うようにしている。In the second aspect of the present invention, an amorphous semiconductor film is deposited on an insulating film, and ions of the same material as the semiconductor are implanted so as to reach the vicinity of the interface between the amorphous semiconductor film and the insulating film, and then The amorphous semiconductor is crystallized by solid-phase growth by performing heat treatment for a shorter time than the average time.
本発明の第3では同相成長法によって形成された半導体
薄膜の結晶粒の最大粒径がこの薄膜内に形成される半導
体素子のチャネル長の2分の1以下、10分の1以上と
なるように調整するようにしている。In the third aspect of the present invention, the maximum grain size of the crystal grains of the semiconductor thin film formed by the in-phase growth method is set to be one-half or less and one-tenth or more of the channel length of the semiconductor element formed in this thin film. I am trying to adjust it accordingly.
(作用)
本発明の第1によれば複数回の加熱を行うことにより、
少しづつ成長を行うためランダムな核発生にじゃまされ
ることなく、希望する任意の結晶の大きさを得ることが
できる。(Function) According to the first aspect of the present invention, by performing heating multiple times,
Since growth is performed little by little, any desired crystal size can be obtained without being hindered by random nucleation.
固相成長により結晶化が起こる際、結晶の核が発生する
までに潜状時間と称する準備時間がある。When crystallization occurs through solid phase growth, there is a preparation time called latent time before crystal nuclei are generated.
この時間内に熱処理を停止すれば新しく結晶の核が生し
ることかない。そこでこの潜状時間より短い熱処理を繰
り返すことにより結晶核の発生を防ぎながら、既にある
結晶粒の成長のみを進め、不必要な結晶核の発生を防止
し、必要な結晶成長のみを促進する。If the heat treatment is stopped within this time, new crystal nuclei will not be generated. Therefore, by repeating heat treatment shorter than this latent time, only the growth of existing crystal grains is promoted while preventing the generation of crystal nuclei, preventing the generation of unnecessary crystal nuclei, and promoting only the necessary crystal growth.
なお、種結晶が存在する場合は各回の加熱時間は潜状時
間以下となるようにすればよく、また種結晶が無い場合
は最初は潜状時間よりも長く加熱し種結晶を形成するよ
うにする。In addition, if a seed crystal exists, the heating time each time should be less than or equal to the latent time, and if there is no seed crystal, the heating time should initially be longer than the latent time to form a seed crystal. do.
また、加熱後急冷すると、でき始めた結晶核のもとはク
エンチ(急冷凍結)状態になり、次回の加熱で結晶核と
なる可能性かある。しかし、非晶質半導体膜中の結晶領
域以外の状態が熱処理以前の状態に復帰するような冷却
速度で徐々に冷却することにより、でき始めた結晶核の
もとを消滅せしめることができ、より良好な結晶成長を
行うことかできる。Furthermore, if the material is rapidly cooled after heating, the crystal nuclei that have begun to form will become quenched (quickly frozen), and there is a possibility that they will become crystal nuclei during the next heating. However, by gradually cooling the amorphous semiconductor film at a cooling rate that returns the state of the non-crystalline region to the state before the heat treatment, it is possible to eliminate the source of the crystal nuclei that have begun to form. Good crystal growth can be achieved.
さらにまた、燐等の不純物を入れると徐冷速度を早くし
ても同様の効果を得ることができる。Furthermore, by adding impurities such as phosphorus, the same effect can be obtained even if the slow cooling rate is increased.
本発明の第2の方法によれば、非晶質半導体を絶縁膜上
に形成し、この非晶質半導体/絶縁膜界面近傍にこの半
導体と同一材料のイオンを注入するようにしているため
、界面近傍での結晶粒の生成を抑制することができ、大
粒径の多結晶膜を形成することができた。なおドーズ量
を少なくするようにすれば不純物の混入も抑制すること
かできる。According to the second method of the present invention, an amorphous semiconductor is formed on an insulating film, and ions of the same material as the semiconductor are implanted near the amorphous semiconductor/insulating film interface. The generation of crystal grains near the interface could be suppressed, and a polycrystalline film with large grain size could be formed. Note that by reducing the dose amount, it is possible to suppress the incorporation of impurities.
本発明の第3の半導体装置によれば、半導体薄膜の結晶
粒径がチャネル長の2分の1以下となるような半導体素
子を形成しているため、チャネル長方向の粒界の数のば
らつきを少なくすることができ、また、10分の1以上
にしているため、粒界が多すぎて移動度が大幅に低下す
るのを防ぐことができる。According to the third semiconductor device of the present invention, since the semiconductor element is formed such that the crystal grain size of the semiconductor thin film is one-half or less of the channel length, the number of grain boundaries in the channel length direction varies. In addition, since it is set to one-tenth or more, it is possible to prevent the mobility from being significantly reduced due to too many grain boundaries.
また、この半導体薄膜の膜厚は0,1μl以下とすれば
、移動度の低下を抑制し、素子特性の向上をはかること
ができる。Furthermore, if the thickness of this semiconductor thin film is 0.1 μl or less, it is possible to suppress a decrease in mobility and improve device characteristics.
(実施例)
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施例1
第1図は本発明実施例の固相成長方法を示す説明図、第
2図(a)乃至第2図(d)は本発明実施例の同相成長
を用いた再結晶化多結晶シリコン薄膜の形成方法を示す
工程図である。Example 1 Figure 1 is an explanatory diagram showing the solid phase growth method of the embodiment of the present invention, and Figures 2(a) to 2(d) are recrystallized polycrystals using in-phase growth of the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a process diagram showing a method of forming a silicon thin film.
まず、第2図(a)に示すようにp型のシリコン基板2
0内に所望の素子領域を形成した後、CVD法により酸
化シリコン膜21を堆積し、この上層にCVD法により
膜厚2000人の多結晶シリコン膜22′を堆積する。First, as shown in FIG. 2(a), a p-type silicon substrate 2
After forming a desired element region within 0.0 nm, a silicon oxide film 21 is deposited by the CVD method, and a polycrystalline silicon film 22' having a thickness of 2000 nm is deposited on top of this by the CVD method.
このとき、RIEによって酸化シリコン膜2]に小さな
孔を形成しp型のシリコン基板20を多結晶シリコン膜
22′に接触せしめこの領域を種結晶とする。At this time, a small hole is formed in the silicon oxide film 2 by RIE, the p-type silicon substrate 20 is brought into contact with the polycrystalline silicon film 22', and this region is used as a seed crystal.
そして第2図(b)に示すように、加速電圧50keV
、ドーズ量2 、 5 x i O15C12,加速電
圧120keV、ドーズ量5 、 4 X 1. O”
cm−2と2回にわたり、シリコンイオンをイオン注入
しアモルファスシリコン膜22を形成する。As shown in FIG. 2(b), the acceleration voltage is 50 keV.
, dose amount 2, 5 x i O15C12, acceleration voltage 120 keV, dose amount 5, 4 x 1. O"
An amorphous silicon film 22 is formed by implanting silicon ions twice at cm-2.
次いで、第2図(C)に示すように、このアモルファス
シリコン膜22に対し第1図に加熱プロファイルを示す
ように610℃10時間の加熱を繰り返し、第2図(d
)に示すように再結晶化多結晶シリコン23を得る。Next, as shown in FIG. 2(C), this amorphous silicon film 22 was repeatedly heated at 610° C. for 10 hours as shown in the heating profile shown in FIG.
), a recrystallized polycrystalline silicon 23 is obtained.
この熱処理は数回から数千回繰り返し、アモルファス部
分がなくなるまで行った。This heat treatment was repeated several to several thousand times until the amorphous portion disappeared.
このようにして形成された再結晶化多結晶シリコンは極
めて良好な結晶特性を有するものであった。The recrystallized polycrystalline silicon thus formed had extremely good crystal properties.
これは、1回の加熱時間(10時間)が潜状時間(12
時間)以下となるようにしているため、既に結晶の存在
する種部からは結晶成長が進行し、種のないアモルファ
ス部分では結晶の核となるものができかかるだけである
。This means that one heating time (10 hours) is the latent time (12 hours).
(time) or less, crystal growth progresses from the seed part where crystals already exist, and only crystal nuclei are formed in the amorphous part where there are no seeds.
そこでゆっくり温度を下げると既に成長してしまった結
晶部分はそのまま残り、一方できかかった核のもとは消
滅してしまう。When the temperature is slowly lowered, the crystals that have already grown remain intact, while the nuclei that have begun to grow disappear.
そして再び温度を上げると、結晶化している部分からは
結晶成長が起こり、アモルファス部分では結晶の核とな
るものができかかる。When the temperature is raised again, crystal growth occurs from the crystallized parts, and crystal nuclei begin to form in the amorphous parts.
そこてまた潜状時間内に温度を下げると成長だけが残り
核の元は消えてしまう。Then, if the temperature is lowered again within the latent time, only the growth remains and the original nucleus disappears.
これを繰り返すことにより種部からの結晶成長を長く伸
ばすことができる。By repeating this process, crystal growth from the seed part can be extended for a long time.
次に、1回の加熱時間の長さと種部から伸びていく結晶
部分の長さ(横方自回10成長距離)との関係を測定す
るために、1回の加熱時間を変化し、アモルファス部分
かなくなるまで熱処理を繰り返したときの、横方向同相
成長距離をM1定した。素材としては前記実施例と全く
同様に、第2図(a)に示したようにp型のシリコン基
板内に所望の素子領域を形成した後、CVD法により酸
化シリコン膜を堆積し、この上層にCVD法により膜厚
2000人の多結晶シリコン膜を堆積し、加速電圧50
keV、ドーズ量2. 5 x 1015am−2、加
速電圧120 k、 e V、ドーズ量5. 4 x
] O15cm−2と2回にわたり、シリコンイオンを
イオン注入しアモルファスシリコン膜22を形成したも
のを用い、他の条件は前記実施例と全く同様にして行っ
た。Next, in order to measure the relationship between the length of one heating time and the length of the crystal part extending from the seed part (lateral self-growth 10 growth distance), we changed the heating time of one time and The lateral in-phase growth distance when the heat treatment was repeated until the portion disappeared was determined as M1. The material used is exactly the same as in the previous embodiment. After forming a desired element region in a p-type silicon substrate as shown in FIG. 2(a), a silicon oxide film is deposited by the CVD method, and the upper layer A polycrystalline silicon film with a thickness of 2000 μm was deposited using the CVD method, and an accelerating voltage of 50 μm was applied.
keV, dose amount 2. 5 x 1015 am-2, acceleration voltage 120 k, eV, dose 5. 4 x
] An amorphous silicon film 22 was formed by implanting silicon ions twice at 015 cm -2 , and the other conditions were exactly the same as in the previous example.
その結果を第3図に示す。The results are shown in FIG.
第3図から明らかなように、この温度(610℃)での
潜状時間は12時間程度であるか、1回の加熱時間がこ
の潜状時間以下になると急激に横方向固相成長距離が伸
び、lOμ―まで達することがわかる。従来1回の加熱
の場合(700℃5時間)2μ−程度であった。As is clear from Fig. 3, the incubation time at this temperature (610°C) is about 12 hours, or if the heating time for one time becomes less than this incubation time, the lateral solid phase growth distance suddenly increases. It can be seen that it stretches and reaches lOμ-. Conventionally, when heated once (700° C. for 5 hours), it was about 2 μ-.
実施例2
次に本発明の第2の実施例として、種結晶を使わない場
合の、固相成長について説明する。Example 2 Next, as a second example of the present invention, solid phase growth without using a seed crystal will be described.
前記実施例と全く同様に、第2図(a)に示したように
p型のシリコン基板内に所望の素子領域を形成した後、
CVD法により酸化シリコン膜を堆積し、この上層にC
VD法により膜厚2000人の多結晶シリコン膜を堆積
し、加速電圧50keV、ドーズ量2. 5 X 10
”crA−2、加速電圧12Q k e V、 ド
ーズ量5. 4 x 10150m−’と2回にわたり
、シリコンイオンをイオン注入しアモルファスシリコン
膜22を形成したものを用いた。In exactly the same manner as in the previous embodiment, after forming a desired element region in a p-type silicon substrate as shown in FIG. 2(a),
A silicon oxide film is deposited by the CVD method, and C is deposited on this upper layer.
A polycrystalline silicon film with a thickness of 2,000 ml was deposited by the VD method at an accelerating voltage of 50 keV and a dose of 2. 5 x 10
An amorphous silicon film 22 was formed by implanting silicon ions twice at ``crA-2'', an acceleration voltage of 12 Q ke V, and a dose of 5.4 x 10150 m-''.
そして第4図(a)に示すように、第1回目の加熱のみ
を650℃20時間と潜状時間よりも長く行い、結晶の
核を発生させ、2回目以降の熱処理は600℃20時間
と潜状時間内で行うようにし、アモルファス部分かなく
なるまで熱処理を繰り返した。As shown in Figure 4(a), only the first heating is performed at 650°C for 20 hours, which is longer than the latent time, to generate crystal nuclei, and the second and subsequent heat treatments are performed at 600°C for 20 hours. Heat treatment was repeated within the latent time until the amorphous portion disappeared.
その結果、第4図(a)中および第5図(a)に透過顕
微鏡写真を示すように、大きな結晶を得ることができた
。As a result, large crystals could be obtained as shown in transmission micrographs in FIG. 4(a) and FIG. 5(a).
また、第4図(b)に示すように、第1回目の加熱のみ
を750℃20時間の高温で潜状時間よりも長く行い、
結晶の核を発生させ、2回目以降の熱処理は600℃2
0時間と潜状時間内で行うようにし、アモルファス部分
かなくなるまで熱処理を繰り返した。In addition, as shown in FIG. 4(b), only the first heating was performed at a high temperature of 750°C for 20 hours for a longer time than the latent time.
The second and subsequent heat treatments are conducted at 600℃2 to generate crystal nuclei.
The heat treatment was carried out within the latent time of 0 hours, and the heat treatment was repeated until the amorphous portion disappeared.
その結果、第4図(b)中に示すように、大きな結晶を
得ることができた。As a result, large crystals could be obtained as shown in FIG. 4(b).
第4図(a)と第4図(b)の比較から、本発明によれ
ば第1回目の加熱温度によって結晶の大きさを制御する
ことができる。From the comparison between FIG. 4(a) and FIG. 4(b), according to the present invention, the size of the crystal can be controlled by the first heating temperature.
また、比較のために第4図(C)に従来のように650
℃で連続して加熱を行った。この場合第5図(b)に透
過顕微鏡写真を示すように、核から結晶が成長して大き
くなっている間に新たに核の発生が起こるため、大きい
結晶粒に混ざって小さな結晶か膜中にてきている。Also, for comparison, Fig. 4 (C) shows the conventional 650
Heating was carried out continuously at °C. In this case, as shown in the transmission micrograph in Figure 5(b), new nuclei are generated while the crystals are growing from the nuclei and becoming larger, so small crystals mix with the large crystal grains and form in the film. It's coming.
これに対し、第4図(a)および第5図(a)に示した
本発明の方法では結晶粒径の揃った大きい結晶が形成さ
れている。In contrast, in the method of the present invention shown in FIGS. 4(a) and 5(a), large crystals with uniform grain sizes are formed.
このような結晶粒径の差は、実際に素子を形成したとき
に大きな特性の差をもたらす。Such a difference in crystal grain size brings about a large difference in characteristics when an element is actually formed.
実施例3
次に、本発明の第3の実施例として、この結晶粒径の差
による素子特性の差を測定するために、実際にMOSF
ETを形成する。Example 3 Next, as a third example of the present invention, in order to measure the difference in device characteristics due to the difference in crystal grain size, a MOSFET was actually used.
Form ET.
このMOSFETは、第6図に示すように、シリコン基
板10表面に形成された酸化シリコン膜11の上層に形
成された多結晶シリコン膜に熱処理を施し固相成長によ
り形成したn型巣結晶シリコンイオンに形成されたもの
である。As shown in FIG. 6, this MOSFET is made of n-type nested crystalline silicon ions formed by solid-phase growth by heat-treating a polycrystalline silicon film formed on the upper layer of a silicon oxide film 11 formed on the surface of a silicon substrate 10. It was formed in
このn型車結晶シリコン膜1は、p型のシリコン基板内
に所望の素子領域を形成した後、CVD法により酸化シ
リコン膜を堆積し、この上層にCVD法により膜厚20
00人のn型多結晶シリコン膜を堆積し、加速電圧50
keV、 ドーズ量2.5 X 1015Cta−2
、加速電圧12CIkeV、F−ズ量5.4 X 10
”cm−2と2回にわたりシリコンイオンをイオン注
入しアモルファスシリコン膜を形成したものを素材とし
て用い、第1回目の加熱のみを750℃30分とし潜状
時間よりも長く行い、結晶の核を発生させ、2回目以降
の熱処理は620℃2時間と潜状時間内で行うようにし
、アモルファス部分がなくなるまで熱処理を繰り返した
。This n-type wheel crystal silicon film 1 is made by forming a desired element region in a p-type silicon substrate, depositing a silicon oxide film by CVD method, and depositing a silicon oxide film on top of this film to a thickness of 20 mm by CVD method.
Deposit an n-type polycrystalline silicon film of
keV, dose 2.5 x 1015Cta-2
, acceleration voltage 12CIkeV, F-zuise amount 5.4 x 10
``cm-2'' silicon ions were implanted twice to form an amorphous silicon film, and the first heating was performed at 750°C for 30 minutes, which was longer than the latent time, to remove the crystal nuclei. The second and subsequent heat treatments were performed at 620° C. for 2 hours within the latent time, and the heat treatments were repeated until the amorphous portion disappeared.
このようにして形成されたn型シリコン層1の表面にゲ
ート絶縁膜2を介して多結晶シリコンからなるゲート電
極3が形成され、このゲート電極3に自己整合的にソー
スドレインを構成する高濃度のp十層5a、5bが形成
されている。6a。A gate electrode 3 made of polycrystalline silicon is formed on the surface of the n-type silicon layer 1 formed in this manner with a gate insulating film 2 interposed therebetween. 10 p layers 5a and 5b are formed. 6a.
6bはソースおよびドレイン電極である。ここで寸法は
、ゲート幅W/ゲート長L−1/1.5μ崗とした。6b is a source and drain electrode. Here, the dimensions are gate width W/gate length L-1/1.5 μm.
このようにして形成されたMOSFETの閾値電圧のば
らつきを測定した結果を第7図(a)に示す。The results of measuring the variations in threshold voltage of the MOSFET thus formed are shown in FIG. 7(a).
比較のためにアモルファスシリコン層から熱処理を行う
工程のみを従来と同様700℃5時間の1回加熱で行う
ようにし、他の条件は前記実施例と全く同様にして形成
したMOSFETの閾値電圧のばらつきをn1定した結
果を第7図(b)に示す。For comparison, only the step of heat-treating the amorphous silicon layer was performed once at 700°C for 5 hours as in the conventional method, and the other conditions were exactly the same as in the previous example. The results of determining n1 are shown in FIG. 7(b).
これらのn型シリコン層1の結晶の最大結晶粒径はいず
れも約0.5μmであるにもかかわらず、第7図(a>
および第7図(b)の比較からあきらかなように、本発
明の方法で形成したMOSFETの方がはるかに閾値電
圧のばらつきが小さくなっていることか分かる。Although the maximum crystal grain size of these crystals of the n-type silicon layer 1 is approximately 0.5 μm, FIG.
As is clear from the comparison in FIG. 7(b), the MOSFET formed by the method of the present invention has much smaller variations in threshold voltage.
これは、結晶粒の大きさと素子のチャネル領域の関係に
おいて、チャネル領域に粒界か入ったり入らなかったり
、粒界の数が異なったりするような不安定な状態になる
と、半導体素子の特性はこの影響を受けて大きくばらつ
くためである。This means that if the relationship between the crystal grain size and the channel region of the device becomes unstable, such as grain boundaries entering or not entering the channel region, or the number of grain boundaries differing, the characteristics of the semiconductor device will change. This is because there is a large variation due to this influence.
本発明の方法によれば、結晶の大きさをチャネル領域よ
りも適度に小さくかつ大きさを揃えることができるため
、どの素子も安定して同数の粒界を含み、素子特性のば
らつきを生しないようにすることができる。According to the method of the present invention, the size of the crystal can be made appropriately smaller than the channel region and uniform in size, so that all devices stably contain the same number of grain boundaries and do not cause variations in device characteristics. You can do it like this.
次に、各温度における潜状時間を測定した。Next, the latent time at each temperature was measured.
その結果を第8図に示す。The results are shown in FIG.
ここでも、シリコン基板内に所望の素子領域を形成した
後、CVD法により酸化シリコン膜を堆積し、この上層
にCVD法により膜厚2000人の多結晶シリコン膜を
堆積し、加速電圧50k eV、ドーズ量2. 5 X
1015cm−’、加速電圧12QkeV、ドーズ量
5−4 X 10 ”cm−2と2回にわたりシリコン
イオンをイオン注入して形成し、さらにたアモルファス
シリコン膜に対して熱処理を行った。Here, too, after forming the desired device region in the silicon substrate, a silicon oxide film is deposited by the CVD method, and a polycrystalline silicon film with a thickness of 2000 nm is deposited on top of this by the CVD method, with an acceleration voltage of 50 k eV, Dose amount 2. 5 X
The amorphous silicon film was formed by implanting silicon ions twice at 1015 cm-', an acceleration voltage of 12 QkeV, and a dose of 5-4 x 10'' cm-2, and then heat-treated.
この膜の各温度に対する結晶化率との関係を測定した。The relationship between the crystallization rate and each temperature of this film was measured.
その結果を第8図に示す。下に各温度における結晶化の
始まる時間すなわち潜状時間をしめしている。アモルフ
ァスシリコン膜の形成条件形成方法等によってこの潜状
時間の長さは変化するが、およその挙動はほぼこのよう
に形成される。The results are shown in FIG. The time at which crystallization begins, that is, the latent time, at each temperature is shown below. Although the length of this latent time varies depending on the formation conditions and method of forming the amorphous silicon film, the general behavior of the film is formed as described above.
次に、熱処理の方法を変化させた場合について結晶の核
の生成について測定した。Next, the formation of crystal nuclei was measured when the heat treatment method was changed.
ここでは、加熱温度および時間は同して加熱後の冷却速
度を変化させた場合の核の生成について観察した。第9
図(a)は冷却速度が速い場合、第9図(b)は冷却速
度が遅い場合である。これらの比較から明らかなように
、潜状時間内に加熱を止めても冷却速度が早いといわゆ
るクエンチ(急冷凍結)の状態となって、次に加熱した
ときに結晶核が発生してしまうのに対し、ゆっくり温度
を下げると、温度が下がる過程でアモルファスシリコン
はもとの状態に戻り、次に加熱を繰り返しても核は発生
しない。アモルファスシリコンの膜質によって最適冷却
速度は異なるか、1.’C/分程度が適しており、40
0℃以下は冷却速度は無関係であった。Here, we observed the generation of nuclei when the heating temperature and time were the same and the cooling rate after heating was varied. 9th
Figure 9(a) shows the case where the cooling rate is fast, and Figure 9(b) shows the case where the cooling rate is slow. As is clear from these comparisons, even if heating is stopped within the latent time, if the cooling rate is fast, a so-called quench (quick freezing) state will occur, and crystal nuclei will be generated the next time heating is performed. On the other hand, if the temperature is lowered slowly, the amorphous silicon will return to its original state during the process of lowering the temperature, and no nuclei will be generated even after repeated heating. Does the optimum cooling rate differ depending on the film quality of amorphous silicon?1. 'C/min is suitable, and 40
The cooling rate was irrelevant below 0°C.
また、燐等の不純物を入れると徐冷速度を早くしても同
様の効果を得ることができた。Furthermore, when impurities such as phosphorus were added, the same effect could be obtained even if the slow cooling rate was increased.
また、第10図(b)に示すように、徐冷する代わりに
、急冷して50cm程度の低温で所定の時間維持し再び
加熱する工程を繰り返すことによっても同様の効果を得
ることができた。第10図(a)は0℃まで急冷して0
℃で所定の時間維持し再び加熱する工程を繰り返した場
合の核の生成を示す。これらの比較から、急冷しても5
0cm程度の温度で維持し再び昇温するようにすれば徐
冷と同様の効果を得ることができることがわかる。また
、このようにすることにより全加熱時間を短縮すること
ができる。Furthermore, as shown in Figure 10(b), instead of slow cooling, the same effect could be obtained by repeating the process of rapidly cooling, maintaining it at a low temperature of about 50 cm for a predetermined period of time, and then heating it again. . Figure 10(a) shows the
This shows the generation of nuclei when the process of maintaining at ℃ for a predetermined period of time and heating again is repeated. From these comparisons, it can be seen that even with rapid cooling, the
It can be seen that the same effect as slow cooling can be obtained by maintaining the temperature at about 0 cm and raising the temperature again. Moreover, by doing so, the total heating time can be shortened.
実施例4
第11図は本発明の第4の実施例の多結晶シリコン膜の
形成工程を示す図である。Embodiment 4 FIG. 11 is a diagram showing a process for forming a polycrystalline silicon film according to a fourth embodiment of the present invention.
まず、第11図(a)に示すようにp型のシリコン基板
20内に所望の素子領域を形成した後、CVD法により
酸化シリコン膜21を堆積し、この上層にCVD法によ
り膜厚0,2μ−のアモルファスシリコン膜32を堆積
する。このときの堆積条件は堆積温度450〜600℃
、原料ガスとしてシランガス0.1〜5 Torrある
いはジシランガス0 、 1〜5 Torrとした。First, as shown in FIG. 11(a), after forming a desired element region in a p-type silicon substrate 20, a silicon oxide film 21 is deposited using the CVD method. A 2μ-thick amorphous silicon film 32 is deposited. The deposition conditions at this time were a deposition temperature of 450 to 600°C.
The raw material gas was silane gas at 0.1 to 5 Torr or disilane gas at 0.1 to 5 Torr.
そして第11図(b)に示すように、加速電圧160K
eV、 ドーズ量2 X 1.0 ”c−2、加速電圧
120keV、ドーズ量5− 4 X 1. O15o
n−’と2回にわたりシリコンイオンをイオン注入し酸
化シリコン膜21とアモルファスシリコン膜32との界
面に損傷を与える。As shown in FIG. 11(b), the acceleration voltage is 160K.
eV, dose 2 x 1.0"c-2, acceleration voltage 120 keV, dose 5-4 x 1.O15o
Silicon ions are implanted twice (n-') to damage the interface between the silicon oxide film 21 and the amorphous silicon film 32.
次いで、第11図(C)に示すように、このアモルファ
スシリコン膜32に対しに加熱プロファイルを示すよう
に600℃10時間の加熱を行い、第11図(d)に示
すように大粒径の再結晶化多結晶シリコン33を得る。Next, as shown in FIG. 11(C), this amorphous silicon film 32 is heated at 600° C. for 10 hours as shown in the heating profile to form large grains as shown in FIG. 11(d). Recrystallized polycrystalline silicon 33 is obtained.
このようにして形成された再結晶化多結晶シリコン33
の固相成長後の平面TEM写真を第12図(a)に示す
。この図から、最大2μ■の結晶粒径の多結晶シリコン
膜が形成されていることがわかる。第12図(b)は比
較のために従来例のアモルファスシリコンにイオン注入
を行うこと無くそのまま再結晶化を行った場合の固相成
長後の平面TEM写真を示す。Recrystallized polycrystalline silicon 33 thus formed
A planar TEM photograph after solid-phase growth is shown in FIG. 12(a). From this figure, it can be seen that a polycrystalline silicon film with a maximum crystal grain size of 2 μm is formed. For comparison, FIG. 12(b) shows a planar TEM photograph of conventional amorphous silicon after solid-phase growth in which recrystallization was performed without ion implantation.
これはアモルファスシリコンへのイオン注入によって界
面からの該生成か抑制されたためと煮えられる。This is believed to be because ion implantation into amorphous silicon suppresses its generation from the interface.
第12図(e)に従来例のアモルファスシリコンにイオ
ン注入を行うこと無くそのまま再結晶化を行う場合初期
における断面TEM写真を示す。この写真からもアモル
ファスシリコン/絶縁膜界面で熱処理初期に素早く結晶
粒か高密度に形成されていることがわかる。FIG. 12(e) shows a cross-sectional TEM photograph of a conventional example in which amorphous silicon is directly recrystallized without ion implantation. This photo also shows that crystal grains are quickly formed at a high density at the amorphous silicon/insulating film interface in the early stages of heat treatment.
この結果を説明するための概念図を第13図に示す。−
第13図(a)乃至第13図(C)はそれぞれ本発明実
施例、従来のアモルファスシリコンにイオン注入を行う
ことなく再結晶化を行った場合、多結晶シリコン膜にイ
オン注入を行い再結晶化を行った場合を示す。A conceptual diagram for explaining this result is shown in FIG. −
13(a) to 13(C) are examples of the present invention, conventional recrystallization of amorphous silicon without ion implantation, and recrystallization of polycrystalline silicon by ion implantation. This shows the case where the conversion is performed.
このように本発明の方法によれば、イオン注入によって
界面からの核生成を抑制するようにしているため、結晶
粒径の大きい再結晶化多結晶シリコンを得ることかでき
る。As described above, according to the method of the present invention, since nucleation from the interface is suppressed by ion implantation, recrystallized polycrystalline silicon having a large crystal grain size can be obtained.
なお、この膜を用いて実施例3で第6図に示したのと同
様にMOSFETを作成し、その電流−電圧特性を測定
した。その結果を第14図(a)に示す。第14図(b
)は比較のために、従来例の方法で形成した再結晶化多
結晶シリコン膜を用いて形成したMOSFETの電流−
電圧特性を測定した結果を示す。第14図中曲線aはL
PCVD法で形成した多結晶シリコンを熱処理によって
再結晶化したもの、曲線すはLPCVD法で形成したア
モルファスシリコンを熱処理によって再結晶化したもの
、曲線CはLPCVD法で形成した多結晶シリコンに対
してイオン注入を行った後熱処理によって再結晶化した
ものを用いて形成したMOSFETの特性曲線である。A MOSFET was prepared using this film in the same manner as shown in FIG. 6 in Example 3, and its current-voltage characteristics were measured. The results are shown in FIG. 14(a). Figure 14 (b
) is the current of a MOSFET formed using a recrystallized polycrystalline silicon film formed by a conventional method.
The results of measuring voltage characteristics are shown. Curve a in Figure 14 is L
Curve C is for polycrystalline silicon formed by PCVD method and recrystallized by heat treatment, curve C is for amorphous silicon formed by LPCVD method and recrystallized by heat treatment. This is a characteristic curve of a MOSFET formed using a MOSFET that is recrystallized by heat treatment after ion implantation.
これらの比較からも、本発明実施例の方法で形成したM
OSFETによれば、極めて良好な特性を呈しているこ
とがわかる。These comparisons also show that M formed by the method of the example of the present invention
It can be seen that the OSFET exhibits extremely good characteristics.
この測定結果から最大電界効果移動度を求めた結果17
5cm’/Vsであった。ちなみに本発明および従来例
の方法で形成したものの最大電界効果移動度および最大
粒径を第1表に示す。The result of calculating the maximum field effect mobility from this measurement result17
It was 5 cm'/Vs. Incidentally, Table 1 shows the maximum field effect mobilities and maximum grain sizes of the materials formed by the methods of the present invention and the conventional methods.
この表からも本発明実施例の方法で形成したMOSFE
Tは極めて良好な特性を呈していることがわかる。This table also shows that the MOSFE formed by the method of the embodiment of the present invention
It can be seen that T exhibits extremely good characteristics.
なお、前記実施例では、アモルファスシリコンはCVD
法によって形成したが、蒸着法あるいはスパッタリング
法によって形成しても良い。また、加速電圧およびドー
ズ量は、例えばアモルファスシリコンの膜厚が0.1μ
Mのときは加速電圧90〜1 ]、 Ok e V、ド
ーズ、t7xlO”−BxlQ15c−一2、膜厚が0
.2μ讃のときは加速電圧150〜170 k e V
、ドーズ量1〜6×1015cff12とするのが望ま
しい。In addition, in the above embodiment, the amorphous silicon was made by CVD.
Although it is formed by a method, it may be formed by a vapor deposition method or a sputtering method. In addition, the acceleration voltage and dose amount are, for example, when the film thickness of amorphous silicon is 0.1 μm.
When M, the acceleration voltage is 90~1], Ok e V, dose, t7xlO"-BxlQ15c-2, and the film thickness is 0.
.. Acceleration voltage 150 to 170 k e V when 2μ
, the dose amount is preferably 1 to 6×10 15 cff12.
また、固相成長条件としては500〜900℃の範囲で
行うことにより同様の結果を得ることかできた。Moreover, similar results could be obtained by performing solid phase growth at a temperature in the range of 500 to 900°C.
さらに、この界面からの核生成を抑制するためにおこな
うイオン注入種は、シリコンに限定されることなく、憐
、ヒ素、ボロン、アルゴン、ネオン、酸素、窒素等でも
同様の効果を得ることができる。これらの元素を用いた
場合、それぞれの質量数に応じて加速電圧、ドーズ量を
設定することにより、つねに界面に損傷を形成するため
に必要な最小限のドーズ量、および加速電圧を用いるこ
とにする。Furthermore, the ion implantation species used to suppress nucleation from this interface is not limited to silicon, but similar effects can be obtained with arsenic, boron, argon, neon, oxygen, nitrogen, etc. . When using these elements, by setting the accelerating voltage and dose according to each mass number, it is possible to always use the minimum dose and accelerating voltage necessary to form damage at the interface. do.
また、リーク電流、閾値電圧の点ても従来例の方法で形
成したMOSFETに比較して、本発明のMOSFET
は極めてすぐれた特性を得ることができる。Also, in terms of leakage current and threshold voltage, the MOSFET of the present invention is superior to MOSFETs formed by conventional methods.
can obtain extremely excellent properties.
この結果は次のように考えられる。This result can be considered as follows.
すなわち、多結晶シリコン膜中へのシリコンイオン注入
によってアモルファスシリコン膜を形成するに際しては
、多結晶シリコン中から完全に結晶粒をなくすためにめ
に、1 x 10 l6Cs−2といった高いドーズ量
が必要とされ、また同時に層全体にダメージが与えられ
るように加速電圧を設定する必要かある。ドーズ量が十
分てない場合、膜中に多数の結晶粒が残りそれか核とな
って結晶化が始まり、大きな結晶粒径を得ることができ
ないためと考えられる。In other words, when forming an amorphous silicon film by implanting silicon ions into a polycrystalline silicon film, a high dose of 1 x 10 l6Cs-2 is required to completely eliminate crystal grains from the polycrystalline silicon. It is also necessary to set the accelerating voltage so that the entire layer is damaged at the same time. This is considered to be because if the dose is not sufficient, many crystal grains remain in the film and become nuclei and begin crystallization, making it impossible to obtain a large crystal grain size.
これに対し、はじめからアモルファスシリコンを堆積し
た場合には、アモルファスシリコン/絶縁膜界面にのみ
損傷を与えることができれば十分である。On the other hand, if amorphous silicon is deposited from the beginning, it is sufficient to damage only the amorphous silicon/insulating film interface.
すなわち、加速電圧は最大損傷形成効率をもつ深さとア
モルファスシリコン膜厚とをほぼ一致すせるように設定
すれば良く、またドーズ量は比較的低い値で十分である
。That is, the accelerating voltage may be set so that the depth at which the maximum damage formation efficiency occurs and the thickness of the amorphous silicon film approximately match, and a relatively low dose amount is sufficient.
この結果シリコンイオンの注入と同時にイオン注入され
る窒素などの不純物の量を抑制することができる。窒素
などの不純物は多結晶シリコン中で中性散乱の原因とな
るため、膜中の不純物濃度か低く抑えられている素子は
ど高い移動度を得ることかできると考えられる。As a result, the amount of impurities such as nitrogen that is ion-implanted simultaneously with silicon ion implantation can be suppressed. Since impurities such as nitrogen cause neutral scattering in polycrystalline silicon, it is thought that devices with a low impurity concentration in the film can achieve high mobility.
第15図の曲線aに本発明の方法においてアモルファス
シリコン中にイオン注入を行った場合の窒素の深さ方向
の濃度分布を測定した結果を示す。Curve a in FIG. 15 shows the results of measuring the concentration distribution of nitrogen in the depth direction when ions are implanted into amorphous silicon using the method of the present invention.
曲線すは比較のために多結晶シリコン中にイオン注入を
行った場合の窒素の深さ方向の濃度分布を測定した結果
を示す。これらの比較からも明らかなように、本発明の
方法によれば膜中の不純物濃度が低く抑えられているこ
とがわかる。For comparison, the curves show the results of measuring the concentration distribution of nitrogen in the depth direction when ions were implanted into polycrystalline silicon. As is clear from these comparisons, it can be seen that according to the method of the present invention, the impurity concentration in the film is kept low.
実施例5 次に本発明の第5の実施例について説明する。Example 5 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
実施例3および実施例4で形成したのと同様のMOSF
ETを形成するもので、ここでは結晶粒径とチャネル長
との最適化をはかるものである。MOSFs similar to those formed in Example 3 and Example 4
This is to form an ET, and here the crystal grain size and channel length are optimized.
このMOSFETでは、第16図に示すように、チャネ
ル長りが結晶粒径の2倍となるように形成したことを特
徴とするものである。ここで41はシリコン基板、42
は酸化シリコン膜、43および45はソースドレイン領
域、44はチャネル領域である。このチャネル領域およ
びソースドレイン領域は、前記実施例4と同様アモルフ
ァスシリコンにイオン注入した後700℃、30分の繰
り返し加熱による再結晶化を行うことによって得られた
膜厚0.1μ刊1粒径0.5μ■の多結晶シリコンで構
成されており、チャネル領域45内の長さ方向に2つの
粒界46か形成されている。As shown in FIG. 16, this MOSFET is characterized by being formed so that the channel length is twice the crystal grain size. Here, 41 is a silicon substrate, 42
4 is a silicon oxide film, 43 and 45 are source/drain regions, and 44 is a channel region. The channel region and source/drain region were formed by implanting ions into amorphous silicon and recrystallizing it by repeated heating at 700° C. for 30 minutes as in Example 4. It is made of polycrystalline silicon with a thickness of 0.5 .mu.m, and two grain boundaries 46 are formed in the length direction within the channel region 45.
このM OS F E Tの移動度のばらつきを測定し
た結果を第17図(a)に示す。移動度のばらつきが小
さくなっていることがわかる。比較のために粒径2μ蒙
の多結晶シリコンで構成したMOSFETの移動度のば
らつきを測定した結果を第17図(C)に示す。これら
の比較からも、チャネル長しが結晶粒径の2倍となるよ
うに形成した本発明実施例のMOSFETによれば移動
度のばらつきを抑制することができることがわかる。FIG. 17(a) shows the results of measuring the mobility dispersion of this MOS FET. It can be seen that the variation in mobility has become smaller. For comparison, FIG. 17(C) shows the results of measuring the mobility dispersion of a MOSFET made of polycrystalline silicon with a grain size of 2 μm. From these comparisons, it can be seen that variations in mobility can be suppressed by using the MOSFET of the present invention in which the channel length is formed to be twice the crystal grain size.
また、膜厚を0.08μlとしたときの移動度のばらつ
きを測定した結果を第17図(b)に示す。Further, FIG. 17(b) shows the results of measuring the variation in mobility when the film thickness was 0.08 μl.
その結果第17図(a)に示した膜厚0.1μ飄、粒径
0.5μ■の多結晶シリコン膜を用いたばあいよりも移
動度を大きくすることができる。As a result, the mobility can be increased compared to the case where a polycrystalline silicon film having a thickness of 0.1 μm and a grain size of 0.5 μm is used as shown in FIG. 17(a).
第17図(d)は600℃、10時間の繰り返し加熱に
よる再結晶化を行うことによって得られた膜厚0.1μ
■、粒径2μ■の多結晶シリコンを用いて形成した場合
の移動度のばらつきを測定した結果を示す。この図から
移動度は大きくばらついていることがわかる。Figure 17(d) shows a film with a thickness of 0.1μ obtained by recrystallization by repeated heating at 600°C for 10 hours.
(2) Shows the results of measuring variations in mobility when formed using polycrystalline silicon with a grain size of 2 μm. It can be seen from this figure that the mobility varies widely.
またこのMOSFETのr14M電圧のばらつきを測定
した結果を第18図にaで示す。bは粒径2μ−の多結
晶シリコンを用いて形成したMOSFETである。これ
らの比較から、粒径RO15μ塵チャネル長し2μ馴
(R/L−1/4)の本発明のMOSFETの方かR/
L −1,/ 1の従来例のMOSFETよりもはる
かに閾値電圧のばらつきは小さくなっていることがわか
る。Further, the results of measuring the variation in the r14M voltage of this MOSFET are shown as a in FIG. 18. b is a MOSFET formed using polycrystalline silicon with a grain size of 2 μ-. From these comparisons, it can be seen that particle size RO 15μ dust channel length and 2μ
(R/L-1/4) MOSFET of the present invention or R/
It can be seen that the variation in threshold voltage is much smaller than that of the conventional MOSFET of L -1,/1.
この閾値電圧のばらつきが生じる理由について考察する
。The reason why this variation in threshold voltage occurs will be considered.
第19図(a)および第19図(b)に示すように、チ
ャネル領域に粒界46がある場合とない場合の2つの場
合が考えられる。As shown in FIG. 19(a) and FIG. 19(b), two cases are possible: a case where there is a grain boundary 46 in the channel region and a case where there is no grain boundary 46.
チャネル領域に粒界か入ったり入らなかったりすると閾
値電圧にばらつきか生しる。If a grain boundary enters or does not enter the channel region, variations in threshold voltage occur.
そこで粒界を多くするとばらつきは小さくなる。Therefore, if the number of grain boundaries is increased, the variation will be reduced.
しかしながら、粒界か多くなると移動度は低下する。However, as the number of grain boundaries increases, the mobility decreases.
そこでチャネル長に対して粒径を変化させて移動度のば
らつきを測定した。その結果、粒径R/チャネル長しか
1/2以下となるように粒径を小さくすることによりチ
ャネル長方向に多数の粒界か存在するようにし粒界の数
の差に、より移動度がばらつくのを防止することかでき
る。一方位径R/チャネル長しが1/10以下となると
粒径が多すぎて移動度が大幅に低下してしまう。そこて
R/Lか1/2〜1/10とすることにより、ばらつき
が少なく移動度の高いMOSFETを得ることかできる
ことかわかった。ここでのへた粒径は、粒子の最大径を
指す。Therefore, we measured the variation in mobility by varying the particle size with respect to the channel length. As a result, by reducing the grain size so that the ratio of grain size R/channel length is less than 1/2, a large number of grain boundaries exist in the channel length direction, and the difference in the number of grain boundaries increases the mobility. It is possible to prevent variations. If the unilateral diameter R/channel length is less than 1/10, the particle size will be too large and the mobility will be significantly reduced. Therefore, it was found that by setting R/L to 1/2 to 1/10, it was possible to obtain a MOSFET with little variation and high mobility. The particle diameter here refers to the maximum diameter of the particles.
また、粒径を小さくして移動度を高くするにはチャネル
領域の膜厚を0.1μ量以下とすることにより特性の向
上をはかることができる。以上の実施例では、半導体材
料に81を使用したか、その他の半導体、例えばGeや
化合物半導体、例えば5IGe等でも良い。Furthermore, in order to increase the mobility by reducing the grain size, the characteristics can be improved by reducing the film thickness of the channel region to 0.1 μm or less. In the above embodiments, 81 was used as the semiconductor material, but other semiconductors such as Ge or compound semiconductors such as 5IGe may also be used.
以上説明してきたように、本発明の第1によれば、アモ
ルファスシリコン膜に対して各回の加熱時間が潜状時間
内である複数回の熱処理を繰り返すことにより固相成長
によりアモルファスシリコンの結晶化を行うようにして
いるため、結晶粒径の大きな再結晶シリコン膜を得るこ
とができる。As explained above, according to the first aspect of the present invention, amorphous silicon is crystallized by solid-phase growth by repeating heat treatment on the amorphous silicon film multiple times, each heating time being within the latent time. Since this is carried out, a recrystallized silicon film with a large crystal grain size can be obtained.
本発明の第2では、絶縁膜上にアモルファスシリコン膜
を堆積し、このアモルファスシリコン膜と絶縁膜との界
面近傍に到達するようにシリコンイオンをイオン注入し
たのち、熱処理を行い固相成長によりアモルファスシリ
コンの結晶化を行うようにしているため、界面近傍での
結晶粒の生成を抑制することができる。In the second aspect of the present invention, an amorphous silicon film is deposited on an insulating film, silicon ions are implanted so as to reach the vicinity of the interface between this amorphous silicon film and the insulating film, and then heat treatment is performed to form an amorphous silicon film by solid phase growth. Since silicon is crystallized, the generation of crystal grains near the interface can be suppressed.
本発明の第3では、シリコン薄膜の結晶粒径がチャネル
長の2分の1以下、1o分の1以上となるような半導体
素子を形成しているため、閾値電圧のばらつきを抑制し
特性の良好な半導体装置を得ることか可能となる。In the third aspect of the present invention, since the semiconductor element is formed such that the crystal grain size of the silicon thin film is 1/2 or less and 1/10 or more of the channel length, variations in threshold voltage are suppressed and characteristics are improved. It becomes possible to obtain a good semiconductor device.
第1図は本発明実施例の同相成長方法を示す説明図、第
2図(1)乃至第2図(d)は本発明実施例の同相成長
を用いた再結晶化多結晶シリコン薄膜の形成方法を示す
工程図、第3図は同実施例における1回の加熱時間の長
さと種部から伸びていく結晶部分の長さ(横方向同相成
長距離)との関係を測定した結果を示す図、第4図(a
)および第4図(b)はそれぞれ本発明の第2の実施例
の固相成長方法を示す説明図、第4図(C)は従来例の
同相成長方法を示す説明図、第5図(8)及び第5図(
b)は第4図(a)で示した本発明実施例の方法によっ
て形成した多結晶シリコンを示すTEM写真および第4
図(C)で示した従来例の方法によって形成した多結晶
シリコンを示すTEM写真、第6図は本発明の第3の実
施例のMOSFETを示す図、第7図(a)および第7
図(b)は本発明の第3の実施例および従来例のMOS
FETの閾値電圧のばらつきを測定した結果を示す図、
第8図は加熱時間と結晶化率との関係を示す図、第9図
(a)及び第9図(b)、第10図(a)及び第10図
(b)は本発明の他の実施例の熱処理方法を示す図、第
11図(a)乃至第11図(d)は本発明の第4の実施
例の同相成長を用いた再結晶化多結晶シリコン薄膜の形
成方法を示す工程図、第12図(a)は本発明の第4の
実施例の方法で形成した再結晶化多結晶シリコンの平面
TEM写真を示す図、第12図(b)は従来例のアモル
ファスシリコンにイオン注入を行うこと無くそのまま再
結晶化を行った再結晶化多結晶シリコンの平面TEM写
真を示す図、第12図(C)は従来例のアモルファスシ
リコンにイオン注入を行うこと無くそのまま再結晶化を
行う場合初期における断面T E M写真を示す図、第
13図(a)乃至第13図(C)はそれぞれ本発明実施
例、従来のアモルファスシリコンにイイオン注入を行う
ことなく再結晶化を行った場合、多結晶シリコン膜にイ
オン注入を行い再結晶化を行った場合の概念図、第14
図(a>は本発明の方法で形成したMOSFETの電流
電圧特性を示す図、第14図(b)は従来例の方法で形
成したMOSFETの電流電圧特性を示す図、第15図
は本発明及び従来例の方法においてアモルファスシリコ
ン中にイオン注入を行った場合の窒素の深さ方向の濃度
分布を測定した結果を示す図、第16図は本発明の第5
の実施例のMOSFETを示す斜視図、第17図(a)
乃至第17図(d)は同実施例のMOSFETおよび従
来例のMOSFETの移動度のばらつきを測定した結果
を示す図、第18図は同閾値電圧ののばらつきを測定し
た結果を示す図、第19図は同実施例の原理説明図であ
る。
1・・n型シリコン層、2・・・ゲート絶縁膜、3・ゲ
ート電極、5a、5b−p十層、6a、6b−・ソース
・ドレイン電極、20・・・シリコン基板、2]・・酸
化シリコン膜、22′・・・多結晶シリコン膜、22・
・・アモルファスシリコン膜、23・・再結晶化多結晶
シリコン膜、32・・・アモルファスシリコン膜、41
・・シリコン基板、42・酸化シリコン膜、43.45
・・ソーストレイン領域、44・・チャネル領域、46
・粒界。
崎 開
第1図
第2図
時間
(Q)
哨
r:I
(b)
第
図(忙の1)
第
図(fΦ2)
200nm
(Q、)
((+)ネ茫明
し?1
1直e圧
(V)
(b)
ftf
釆
第7図
第6
面
?し畦時間
(h)
)轡イ丈藺1nの3え8ハ
第8
図
@藺
<b>
第
図
第11
図
糾
問
6吉 rol
(b)
第10図
(G)
(b)
(C)
−T′−トtうJ】巳CVI
ケートti尺ヒ (Xつ
第14図
第15図
□42
第16図
蛇イ蚤05ρm
(C)
(d)
第 77rl!J(f’92)
−Ch
ly4obility
(Q)
Mobility
Cb)
第17図(zつ
7th (V)
n−channel TFTflL、!”1Lfl圧
−一トWdet生、(粗イl−21nOtJac’rl
sK 600”C)、#’ fi4に0.5pm(gM
18M 700’C))第18図
手続補正書
(方式)
%式%
発明の名称
半導体装置およびその製造方法
(0”)
(307)株式会社東芝
平成2年9月10日
(発送臼 平成2年9月25日)
(b)
第19図
7、補正の内容
(1)本願明細書の第30ページ第14行目および同ペ
ージ第16行目の「多結晶シリコン」を「多結晶シリコ
ンの結晶構造」に訂正する。
(2)同明細書の第31ページ第7行目1)上第8待目
および同ページ第11行目、の「多結晶シリコンの平面
TEM写真を示す図」を「多結晶シリコンの結晶構造を
示す平面TEM写真」に訂正する。
(3)同明細書の第31ページ第14行目の「場合初期
における断面TEM写真を示す図」を「場合の初期にお
ける結晶構造を示す断面TEM写真の」に訂正する。
(4)同明細書の第31ページ第16行目の「イイオン
注入」を「イオン注入」に訂正する。
(5)同明細書の添付図面の第11図を別紙のごとく訂
正する。
第11図FIG. 1 is an explanatory diagram showing an in-phase growth method according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2(1) to 2(d) show formation of a recrystallized polycrystalline silicon thin film using in-phase growth according to an embodiment of the present invention. A process diagram showing the method, and FIG. 3 is a diagram showing the results of measuring the relationship between the length of one heating time and the length of the crystal part extending from the seed part (lateral in-phase growth distance) in the same example. , Figure 4 (a
) and FIG. 4(b) are explanatory diagrams showing the solid phase growth method of the second embodiment of the present invention, FIG. 4(C) is an explanatory diagram showing the in-phase growth method of the conventional example, and FIG. 8) and Figure 5 (
b) is a TEM photograph showing polycrystalline silicon formed by the method of the embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 6 is a TEM photograph showing polycrystalline silicon formed by the conventional method shown in FIG.
Figure (b) shows the MOS of the third embodiment of the present invention and the conventional example.
A diagram showing the results of measuring the variation in threshold voltage of FET,
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between heating time and crystallization rate, and FIG. 9(a), FIG. 9(b), FIG. 10(a), and FIG. 11(a) to 11(d) are diagrams illustrating a heat treatment method according to an embodiment. FIGS. 11(a) to 11(d) are steps showing a method for forming a recrystallized polycrystalline silicon thin film using in-phase growth according to a fourth embodiment of the present invention. 12(a) is a plan view TEM photograph of recrystallized polycrystalline silicon formed by the method of the fourth embodiment of the present invention, and FIG. Figure 12 (C) is a plan view TEM photograph of recrystallized polycrystalline silicon that has been recrystallized without any implantation. Figures 13(a) to 13(c) are diagrams showing cross-sectional TEM photographs at the initial stage when recrystallization was carried out in an embodiment of the present invention and conventional amorphous silicon without ion implantation. In this case, conceptual diagram when ion implantation is performed into a polycrystalline silicon film and recrystallization is performed, 14th
Figures (a) are diagrams showing current-voltage characteristics of a MOSFET formed by the method of the present invention, Figure 14 (b) are diagrams showing current-voltage characteristics of a MOSFET formed by a conventional method, and Figure 15 is a diagram showing current-voltage characteristics of a MOSFET formed by the method of the present invention. Figure 16 shows the results of measuring the concentration distribution of nitrogen in the depth direction when ions are implanted into amorphous silicon using the conventional method.
FIG. 17(a) is a perspective view showing the MOSFET of the embodiment.
Figures 17(d) to 17(d) are diagrams showing the results of measuring the mobility variations of the MOSFET of the same example and the conventional MOSFET, and Figure 18 is a diagram showing the results of measuring the variations of the threshold voltage. FIG. 19 is a diagram explaining the principle of the same embodiment. 1. N-type silicon layer, 2. Gate insulating film, 3. Gate electrode, 5a, 5b-p ten layers, 6a, 6b-. Source/drain electrode, 20. Silicon substrate, 2]. Silicon oxide film, 22'... Polycrystalline silicon film, 22.
... Amorphous silicon film, 23 ... Recrystallized polycrystalline silicon film, 32 ... Amorphous silicon film, 41
・・Silicon substrate, 42・Silicon oxide film, 43.45
... Source train region, 44 ... Channel region, 46
・Grain boundaries. Kai Saki Figure 1 Figure 2 Time (Q) Watch r: I (b) Figure (busy 1) Figure (fΦ2) 200nm (Q,) ((+) ne dimming? 1 1 direct e pressure (V) (b) ftf Figure 7 Figure 6 Time for surface? (C) (d) No. 77rl!J(f'92) -Ch ly4ability (Q) Mobility Cb) -21nOtJac'rl
sK 600”C), 0.5pm (gM
18M 700'C)) Figure 18 Procedural Amendment (Method) % Formula % Name of the invention Semiconductor device and its manufacturing method (0") (307) Toshiba Corporation September 10, 1990 (Shipping mortar 1990) (September 25) (b) Contents of amendment to Figure 19 7 (1) "Polycrystalline silicon" on page 30, line 14 and line 16 of the same page of the specification of the present application has been changed to "crystal of polycrystalline silicon.""Structure". (2) The ``diagram showing a planar TEM photograph of polycrystalline silicon'' in the 8th line above and the 11th line of the same page on page 31 of the same specification was changed to ``crystal structure of polycrystalline silicon''. It has been corrected to ``Plane TEM photo showing the (3) In the 14th line of page 31 of the same specification, "Diagram showing a cross-sectional TEM photograph at the initial stage of the case" is corrected to "A cross-sectional TEM photograph showing the crystal structure at the initial stage of the case." (4) "Ion implantation" on page 31, line 16 of the same specification is corrected to "ion implantation." (5) Figure 11 of the accompanying drawings of the same specification is corrected as shown in the attached sheet. Figure 11
Claims (5)
、 前記非晶質半導体膜内に種結晶を形成する種結晶形成工
程と、 各回が固相成長の潜状時間よりも短い熱処理を繰り返し
行い、前記種結晶から固相成長を行う熱処理工程とを含
むことを特徴とする半導体装置の製造方法。(1) A deposition step of depositing an amorphous semiconductor film on the substrate surface, a seed crystal formation step of forming a seed crystal in the amorphous semiconductor film, and a heat treatment each time shorter than the latent time of solid phase growth. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a heat treatment step of repeatedly performing solid phase growth from the seed crystal.
も長い熱処理工程であ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。(2) Claim (1) characterized in that the seed crystal forming step is a heat treatment step that is longer than the latent time of solid phase growth.
A method of manufacturing the semiconductor device described above.
半導体膜中の結晶領域以外の状 態が熱処理以前の状態に復帰するような冷却速度て徐々
に冷却する徐冷工程とを含む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) The heat treatment step includes a heating step shorter than the latent time of solid phase growth and a gradual cooling rate such that the state of the non-crystalline region in the amorphous semiconductor film returns to the state before the heat treatment. A claim characterized in that it includes a slow cooling step of cooling (
1) The method for manufacturing the semiconductor device described above.
体膜堆積工程と、 前記非晶質半導体膜と絶縁膜との界面近傍に到達するよ
うに前記半導体と同一材料をイオン注入するイオン注入
工程と、 固相成長の潜状時間よりも短い熱処理を繰り返し行い、
固相成長により非晶質半導体の結晶化を行う熱処理工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。(4) An amorphous semiconductor film deposition step of depositing an amorphous semiconductor film on the insulating film, and ion implantation of the same material as the semiconductor so as to reach near the interface between the amorphous semiconductor film and the insulating film. The ion implantation process and the heat treatment, which is shorter than the latency time of solid phase growth, are repeated.
1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a heat treatment step of crystallizing an amorphous semiconductor by solid phase growth.
導体素子を備えた半導体装置において、前記非晶質半導
体薄膜の結晶粒の最大粒径が前記半導体素子のチャネル
長の2分の1以下、10分の1以上であることを特徴と
する半導体装置。(5) In a semiconductor device including a semiconductor element within a semiconductor thin film formed by a solid phase growth method, the maximum grain size of crystal grains of the amorphous semiconductor thin film is one-half or less of the channel length of the semiconductor element. , 1/10 or more.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17210890A JPH0461318A (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Semiconductor device and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17210890A JPH0461318A (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Semiconductor device and its manufacture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0461318A true JPH0461318A (en) | 1992-02-27 |
Family
ID=15935702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17210890A Pending JPH0461318A (en) | 1990-06-29 | 1990-06-29 | Semiconductor device and its manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0461318A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006024946A (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-26 | Samsung Electronics Co Ltd | Manufacturing method of polycrystalline silicon and manufacturing method of semiconductor element utilizing the same |
JP2012032385A (en) * | 2010-06-29 | 2012-02-16 | Japan Polypropylene Corp | Method for analyzing crystallinity distribution of polyolefin and device for the same |
-
1990
- 1990-06-29 JP JP17210890A patent/JPH0461318A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006024946A (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-26 | Samsung Electronics Co Ltd | Manufacturing method of polycrystalline silicon and manufacturing method of semiconductor element utilizing the same |
JP2012032385A (en) * | 2010-06-29 | 2012-02-16 | Japan Polypropylene Corp | Method for analyzing crystallinity distribution of polyolefin and device for the same |
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