JPS62287615A - 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関し、特に５ＯＩ（
シリコン・オン・インシェレーター）技術を用いて形成
される超薄膜の薄膜トランジスタ等の製造に用いて好適
な多結晶シリコン膜の形成方法に関する。

８８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、１０００℃
以下の第１の熱処理工程及び１０００℃以上で短時間の
第２の熱処理工程からなる熱処理を施すことにより、グ
レインサイズ（粒径）の拡大化を図るものである。

Ｃ９従来の技術 一般に、ＴＰＴ　（薄膜トランジスタ）等の薄膜半導体
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として、従来の半
導体薄膜より更にそのチャンネル形成領域等の膜厚が薄
くされた例えば２００人〜５００人程度の超ａ　Ｈ９，
とされる半導体素子があり、このような超薄膜の半導体
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
厚の多結晶シリコン膜がＣＶＤ　（化学気相成長）法等
により形成される。次に、この多結晶ソリコン膜に例え
ばＳｉ”（シリコン）イオンの打ち込みが行われて当該
多結晶シリコン膜の内部のダ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人程度の粒径のダレインが得ら
れ、これを例えば２００人〜５００人程度の超ｇＪ膜に
エツチングして、当該超７ｉｔ膜とされた多結晶シリコ
ン膜は例えば薄膜トランジスタ等のチャンネル形成１域
として用いられていた。

Ｄ８発明が解決しようとする問題点 上述のような多結晶シ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８１薄膜の薄膜トランジスタを
形成した場合における当該薄膜トランジスタの移動度μ
は、およそ１００　（ｃｍ２／　Ｖ・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
クト砥抗（接触延抗）を低減させる等の高性能化の要求
があり、上述のようなダレインサイズでは、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
現するためダ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。

Ｅ１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
記熱処理は、１０００℃以下で行ねれる第１の熱処理工
程と、１０００℃以上であって上記第１の熱処理工程よ
り短い時間で行われる第２の熱処理工程とカ１らなるこ
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。

２６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、１０００℃以下の第１の熱処理工程及び１
０００℃以上で短時間の第２の熱処理工程からなる熱処
理を施すことにより、ダレインサイズを大きくし得るこ
とを見出し、ここに促案皐４する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、試料としてシリコン基板におよそ５００
０人の酸化膜を形成したものを準備し、これにＣＶＤ法
により２０００人の多結晶シリコン膜を堆積したものを
用意した。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、当該多結晶シリコン膜を
非晶質シリコン膜とした。そしてエツチングにより種々
の膜厚【に調整し、各膜厚の試料を、先ず第１の熱処理
工程として約６００℃、６０時間の条件で固相成長させ
、次に第２の熱処理工程として約１０００℃、５０分間
の条件でアニールを行った。

このような１０００℃以下の第１の熱処理工程と、１０
００℃以上で短時間の第２の熱処理工程からなる熱処理
を施した結果については、第１図に示すような実験結果
が得られている。すなわち、第１図中○印は約６００℃
、６０時間の条件で固相成長させたときのダレインサイ
ズを示しており、第１図中・印は第２の熱処理工程とし
て約１０００°Ｃ，５０分間の条件でアニールしたとき
のダレインサイズを示している。

この第１図からも明らかなように、第１の熱処理のみで
は膜厚ｔが２０００Å以下の範囲で５０００Å以下のダ
レインサイズのものしか得られていないのに対して、第
２の熱処理を施すことによってグレインサイズが大きく
なり、６００人〜２０００人程度の膜厚ｔの範囲におい
て、少なくとも更にグレインサイズが４０００Å以上は
大きくなり、例えば膜厚ｔが２０００人の場合には、そ
のグレインサイズが１４０００人にも達している。

そして、このような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、１０００℃以
下の第１の熱処理工程と、１０００℃以上で短時間の第
２の熱処理工程からなる熱処理を施すことにより、グレ
インサイズを大きくして良好な特性を有する多結晶シリ
コン膜を形成するものである。

このような本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、先
ず、非晶質化されてなるシリコン膜に対して、その温度
が１０００℃以下とされる第１の熱処理を施すことによ
り、結晶の核を中心に結晶が徐々に成長して行き、更に
ある程度の結晶成長がなされた多結晶シリコン膜に対し
て第２の熱処理を施して、そのグレインサイズを一層大
きく成長させる。なお、このときＡ１結晶基板の一部等
を露出させるようにして、その露出部を種（ンード）と
するような結晶成長でも良い。

このような本発明をより具体化するため、チャンネル形
成領域となる半導体薄膜の膜厚が２０〜１０００人、よ
り好ましくは１００人〜７５０人或いは２００人〜５０
０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８！膜として例えば
酸化膜が形成される。この酸化膜は所謂Ｓｏｌ技術の絶
縁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Ｗ−ｔの場合に、さ
らにグレインサイズを大きくすることができるため、堆
積する膜厚ｔを１０００Å以上のものとすることができ
る。なお、低温のＣＶＤ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Ｓｉ＋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ｔｏｏｏÅ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
、これら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、１．５ＸＩＯ”／ｃｍ２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、５．０ＸＩＯＩ５／ｃｍ２の条件でイオンを打ち
込み、続いて３０ｋｅＶ、１゜５Ｘ１０Ｉ５／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、略その全厚みに亘って非晶
質化されてなる非晶質シリコン膜を得ることができる。

そして、このような非晶質シリコン膜に対して、先ず第
１の熱処理を施す、この第１の熱処理は、例えば６００
℃で６０時間の固相成長を行うものである。このような
第１の熱処理によって上記非品質シリコン膜の中に存在
する結晶の核からグレインが成長して行く。このグレイ
ンの大きさは、上記条件のもとでは、およそ３０００人
〜５０００人程度の４ａ　（膜厚ｔの範囲を６００人〜
２０００人とする。、）となる、そして、続いて第２の
熱処理として１０００℃で５０分の短時間アニールを行
う。この第２の短時間アニールによって、それぞれグレ
インのサイズは、およそ４０００Å以上大きくなる。こ
の傾向は膜ｉｔが厚い程顕著となる。

なお、これら時間や温度等は膜厚ｔや成長させるべきグ
レインサイズに依存して定めることができ、特に限定さ
れるものではない。

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／Ｈ２０ｘ　／Ｎ
Ｈ４ＯＨ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、その月々厚は超薄膜トラ
ンジスタとして好適な１００人〜７５０人或いは２００
人〜５００人程度にエッチバックされる。向、このエッ
チバックされた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シリ
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３図及び第４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３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、グレインサイズが太
き（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　　Ｃｃａ
ｒ２／Ｖ　・Ｓ）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〔Ｖ宿〕は徐々に減少する１頃向にあり、グレイ
ンサイズが大きくなるに従ってその値が飽和して行くこ
とが分かる。

なお、第３図、第４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。

Ｈ１発明の効果 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、第１の熱処理
工程と第２の熱処理工程とからなる熱処理によりグレイ
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通用して素子等を形成すること
により高性能の超薄膜トランジスタ等の半導体素子を容
易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の熱処理工程にかかるグレインサイズと第
２の熱処理工程にかかる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図は本発明を適用して製造し
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４図はその薄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、上記熱処理は
   、１０００℃以下で行われる第１の熱処理工程と、１０
   ００℃以上であって上記第１の熱処理工程より短い時間
   で行われる第２の熱処理工程とからなることを特徴とす
   る多結晶シリコン膜の形成方法。