JPS62287614A - 多結晶シリコン膜の形成方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、非晶質シリコンＪｉｆｆを熱処理により結晶
成長させる多結晶シリコン膜の形成方法に関し、特に５
ｏｌ（シリコン・オン・インシュレーター）技術を用い
て形成される超薄膜の薄■りトランジスタ等の製造に適
用して好適な多結晶シリコン膜の形成方法に関する。

Ｂ８発明の概要 本発明は、非晶質シリコン膜を熱処理により結晶成長さ
せる多結晶シリコン膜の形成方法において、上記非晶質
シリコン膜を１０００Å以上の厚みで形成することによ
り、ダレインサイズ（粒径）の拡大化を図るものである
。

Ｃ０従来の技術 絶縁基板上に半導体薄膜を形成し、その半導体薄膜に素
子を形成してなる所謂ＳＯＩデバイスとして、その膜厚
が例えば２００人〜５００人程度の超Ｆｉｌｌｌの半導
体膜を用いた薄膜トランジスタ等の薄膜半導体素子が知
られている。

そして、この薄膜半導体素子を製造する際においては、
例えば絶縁基板等の基板上に結晶成長させた多結晶シリ
コン膜を形成する場合がある。

ところで、このような薄膜半導体素子の製造のための多
結晶シリコン膜の形成方法としては、イオン注入により
形成した薄膜を一度非晶質化させてから固相成長を行う
方法が知られている。

このイオン注入を用いた固相成長方法は、先ず、イオン
注入の投影飛程Ｒｐを考慮して例えば８００人程０の膜
厚の多結晶ソリコン膜がＣＶＤ　（化学気相成長）法等
により形成される０次に、この多結晶シリコン膜に例え
ば３１＋（シリコン）イオンの打ら込みが行われて当該
多結晶シリコン膜の内部のグレインが破壊され当該多結
晶シリコン膜自体が非晶質構造とされる。そして、非晶
質構造とされた多結晶シリコン膜をおよそ６００℃程度
で熱処理することにより、固相成長が行われ、平均して
約３０００人〜４０００人程度の粒径のグレインが得ら
れ、これを例えば、２００人〜５００人程度の超薄膜に
エツチングして、当該多結晶ノリコン膜は例えば薄膜ト
ランジスタ等のチャンネル形成領域として用いられてい
た。

Ｄ１発明が解決しようとする問題点 上述のような多結晶ノリコン膜の形成方法により形成さ
れた多結晶シリコン膜に薄膜トランジスタを形成した場
合における当Ｘｌ　薄膜トランジスタの移動度μは、お
よそ１００ｃｃＩ１２／■・Ｓ）程度である。

しかしながら、さらに移動度を向上させ、或いはコンタ
クト抵抗（接触抵抗）を低減させる等の高性能化の要求
があり、上述のようなグレインサイズでは、要求を満足
するものとはならない。

そこで、本発明は、形成する半導体素子の高性能化を実
現するためグレインサイズの拡大化を図る多結晶シリコ
ン膜の形成方法を提供することを目的とする。

Ｅ０問題点を解決するための手段 本発明は、非晶質シリコン膜を熱処理することにより結
晶成長させる多結晶シリコン膜の形成方法において、上
記非晶質シリコン膜を１０００Å以上の厚みで形成する
ことを特徴とする多結晶シリコン膜の形成方法により上
述の問題点を解決する。

２１作用 本件発明者らは、上述の如き技術的課題を解決せんと鋭
意研究の末、非晶質シリコン膜を１０００Å以上とする
ことにより、グレインサイズを大きくし得ることを見出
し、ここに提案する−４に及んだものである。

ここで、本件発明者らが行った実験例に基づき説明を加
えると、先ず、各膜１！Ｊ、ｔを有する試料を形成する
ため、シリコン基板におよそ５０００人の酸化膜を形成
したものをｄＡ（ｌｉｌｌＬ、これにＣＶＤ法により２
０００人の多結晶シリコン膜を堆積した。次に、シリコ
ンイオンを用いてそれぞれ濃度とエネルギーを変えた２
回のイオン注入を行って全厚みに亘って均一に非晶質化
させ、これにエツチングを施して膜Ｆ！ｔ＝３００人、
６００人、１０３０人、１５００人、１９５０人の各ｎ
９　Ｈ）を大村を作製した。

これら各試料を約（ｉｏｏ’ｃ、３０時間の条件で固相
成長させたものが、第１図に示すデータである。なお、
グレインサイズの定１化には、紫外分光法を用いている
。

第１図に示すように、膜厚しが３００人〜ｌ０００人の
ときには、グレインサイズは従来のグレインサイズと特
に変わらない値である３０００人〜４０００Å以下のグ
レインサイズしか得られていない。しかし、膜厚ｔが１
０００人を超え、例えば１５００Å以上ではそのグレイ
ンサイズは５０００人程度０値となり、確実なグレイン
サイズの拡大化現象が起こっている。

このように、膜厚りを大きくすることでグレインサイズ
を大きくすることができ、特に膜厚もを１０００Å以上
にすることでグレインサイズを大きくすることが可能で
あって、グレインサイズの大きな多結晶シリコン膜を用
いて薄膜トランジスタ等の半導体素子を形成することに
より高性能の半導体素子を得ることができる。

Ｇ、実施例 本発明の好適な実施例を図面等を参照しながら説明する
。

本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、非晶質シリコ
ン膜を１０００Å以上の膜厚で形成することにより、グ
レインサイズを大きくして良好な特性を存する多結晶シ
リコン膜を形成するものである。

このような本発明をチャンネル形成領域となる半導体膜
の膜厚が２０人〜１０００人、より好ましくは１００人
〜７５０人或いは２００人〜５００人程度の超薄膜トラ
ンジスタの製造に適用した例を実施例として説明すると
、先ず、通常のプロセスに従い、シリコン基板等の半導
体基体上に絶縁膜として例えば酸化膜が所定の膜厚で形
成される。この酸化膜は所謂Ｓｏｌ技術の絶８！基体と
して機能する。

この酸化膜上に、次工程でイオン注入により非晶質シリ
コン膜とされる多結晶シリコン膜が、例えばＣＶＤ法に
より堆積される。この多結晶シリコン膜の膜厚は、非晶
質シリコン膜が１０００Å以上の膜Ｊ！Ｊ、ｔとされる
ため少なく共１０００Å以上の膜厚を有することが必要
となる。なお、低温０ＣＶＤ法等により、予め非晶質シ
リコン膜を形成しても良い。

次に、イオン注入により上記堆積した多結晶シリコン膜
を非晶質化する。このイオン注入は、例えばＳ１＋イオ
ン等のイオンを用いて行われ、上記堆積してなる多結晶
シリコン膜が１０００Å以上で厚い場合には、それぞれ
ドーズ量やエネルギーを変えてイオン注入を複数回行っ
て当該多結晶シリコン膜を略均−に非晶質化する。なお
、複数回のイオン注入でなく、ドーズ量や注入エネルギ
ー等の値を連続的に変化させて、当該多結晶シリコン膜
を略均−に非晶質化しても良い。

ここで、このような多結晶シリコン膜を例えば２０００
人の膜厚で形成したものに略均−にイオン注入する条件
の一例について説明すると、初めに１１０ｋｅＶ、２．
０ＸＩＯＩＳ／ｃｍ２の条件でイオンを打ち込み、続い
て４０ｋｅＶ、ｌ、５Ｘ　１０　Ｓ　／　ｃ　ｍ　２の
条件でイオンを打ち込むことができる。第２図は上記条
件でイオン注入を行った場合をシミュレーションした例
であって、２度の打ち込みによる分布が重なった注入濃
度分布となっている。

また、上記多結晶シリコン膜を例えば１５００人とした
場合のイオン注入の条件の一例としては、初めに７５ｋ
ｅＶ、５．０ＸＩＯ”７ｃｍ２の条件でイオンを打ち込
み、続いて３０ｋｅＶ、ｌ。

５Ｘ１０Ｉｓ／ｃｍ２の条件でイオンを打ち込むことが
できる。

このようなイオン注入は、１０００Å以上の膜厚りの非
晶質シリコン膜を用いてグレインサイズを大きく成長さ
せる本発明の前提となるものである。

そして、上述のようなイオン注入により、或いは予め非
晶質シリコン膜を形成することにより、１０００Å以上
の膜ｆ’Ｊ−ｔの非晶質シリコン膜を得ることができる
。即ち非晶質シリコン膜の膜厚ｔは１０００Å以上の膜
厚とされ、このような厚みの非晶質シリコン膜を用いる
ことによりグレインサイズを大きくすることができる。

ここでグレインサイズを大きくするために、所定の熱処
理が行われる。この熱処理は、例えば、６００℃、３０
時間の条件で行うことができ、上述の実験例をもう一度
引用すると、膜厚（を１０００Å以上とすることで、第
１図に示すように、そのグレインサイズは例えば５００
０Å以上の値を有するようになり、このようにグレイン
サイズの大きいものを用いて素子を製造することにより
高性能の素子を得ることができる。

また、上述のような約６００℃、３０時間の条件で固相
成長を施せば良いが、これに限定されず、他の条件によ
ってもグレインサイズを大きくすることができる。その
−例として２回のアニール処理を施す方法があり、この
ような２回のアニール処理により、膜厚を１０００Å以
上と厚くして行うことと相まってよりグレインサイズを
大きくすることができる。

例えば、固相成長を行って且つ短時間アニールを施し、
さらにグレインサイズを大きくした結果について、第３
図を参照しながら説明すると、およそ６００　’Ｃで６
０時間の固相成長をした後は、図中○印で示すようなグ
レインサイズとなり、更にｔｏｏｏ℃で５０分の短時間
アニールを行って図中・印で示すようなグレインサイズ
となる。この第３図において、最終的に１０００Å以上
の膜厚【では約８０００Å以上のグレインサイズが得ら
れており、また、確実に膜厚ｔが厚い方がグレインサイ
ズを大きくするために有利である。また、膜厚ｔが１９
５０人の試料では、平均ダレインサイズで１４０００Å
以上のグレインサイズが得られている。

次に、上述のようにグレインが成長してなる多結晶シリ
コン膜は所定の素子として必要な膜厚にエツチングされ
る。このエツチングは、例えばＨ２０／Ｈ２０２／ＮＨ
４ＯＨの比を例えば７１０゜１５／２．８５の比にした
エツチング液を用いて行われ、このときは上述のように
成長したグレインサイズの大きさは殆ど変化しない。こ
のようなエツチングによって、膜厚は超薄膜トランジス
タとして好適な１００人〜７５０人或いは２００人〜５
００人程度にエッチバックされる。尚、このエツチング
された後の膜厚は限定されるものではない。そして、通
常のプロセスに従って所謂アイランド法等により素子分
離が行われ、続いてゲート酸化膜が上記多結晶ソリコン
膜の上部に形成される。そして、所定のゲート電極が形
成され眉間絶縁膜の形成やコンタクト孔の開口或いは配
線等が行われて所定の薄膜トランジスタ等の半導体素子
が製造されることになる。

このような本発明の多結晶シリコン膜の形成方法が適用
された薄膜トランジスタの特性については、測定データ
が得られており、これは第４図及び第５図に示すような
特性が得られていることが分かる。

先ず、第４図は、本発明の多結°晶シリコン膜の形成方
法を用いて形成した薄膜トランジスタの移動度を対グレ
インサイズを以て示したものであり、グレインサイズが
大きくなるに従って移動度も高くなり、例えばグレイン
サイズを２００００人としたときには、１６２　（ｅｌ
１２／Ｖ　−Ｓｌ　という従来に比較して格段に優れた
移動度が得られている。

また、第５図は、本発明の多結晶シリコン膜の形成方法
を用いて形成した薄膜トランジスタの闇値電圧（Ｖｔｈ
）を対グレインサイズを以て示したものであり、その闇
値電圧（Ｖｔｈ）は徐々に減少する傾向にあり、グレイ
ンサイズが大きくなるに従ってその値力ｌ包和して行く
ことが分かる。

なお、第４図、第５図のグレインサイズの値は結晶回復
率の値に対応し、例えばグレインサイズの５０００人は
結晶回復率８０％に対応し、グレインサイズの１０００
０人は結晶回復率約８８％に対応する。

以上のように本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、
例えば薄膜トランジスタ等の半導体素子の製造工程に用
いられて良好な素子を形成することができる。また、上
述の実施例に限定されることなく他の素子等の製造に用
いても良いことは勿論である。

Ｈ，発明の効果 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、非晶質シリコ
ン膜の膜厚を１０００Å以上とすることでグレインサイ
ズを大きなものに成長させることができる。従って、こ
のような本発明を適用して素子等を形成することにより
、例えば超薄膜トランジスタ等の半導体素子の高性能化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は膜厚りとグレインサイズの関係を示す図、第２
図は多結晶シリコン膜の深さとイオン注入の注入濃度の
関係を示す図、第３図は他の結晶成長をした場合の膜厚
とグレインサイズの関係を示す図、第４図は本発明を通
用して製造した薄膜トランジスタの移動度とグレインサ
イズの関係を示す特性図、第５図はそのＦＱＩ膜トラン
ジスタの闇値電圧とグレインサイズの関係を示す特性図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質シリコン膜を熱処理することにより結晶成長させ
   る多結晶シリコン膜の形成方法において、上記非晶質シ
   リコン膜を１０００Å以上の厚みで形成することを特徴
   とする多結晶シリコン膜の形成方法。