JPS632312A - 単結晶薄膜の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、実質的な不純物濃度が極めて低い単結晶シリ
コン薄膜を、非晶質絶縁膜上に形成する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の製造方法は、特公昭５９−４７４５３に記載のよ
うに、不純物ドープした多結晶もしくは非晶質シリコン
薄膜の単一層において１０”ａｍ−”以上の濃度の不純
物ドープにより、固相結晶成長が、加速されることを用
いて、ｐ型またはｎ型の単結晶シリコン薄膜を形成させ
ていた。しかし、電気的な不純物濃度が極めて低い単結
晶シリコン薄膜を形成させることについては配慮されて
ぃなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、電気的な不純物濃度が極めて低い単結
晶シリコン薄膜を製造する点については配慮がされてお
らず、該方法を用いて製造した単結晶シリコン薄膜を使
ってデバイスを作る場合に、基板がドープした不純物に
よって、ｎ型またはｐ型に限定されるという問題がある
。本発明は、上記従来の問題を解決し、電気的不純物濃
度が極めて低い単結晶シリコン薄膜を非晶質絶縁膜上に
形成できる方法を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための手段を第１図を用いて説明す
る。単結晶シリコン基板１とこの基板表面の所望部分に
被着された絶縁膜２上に連続して覆うように、多結晶ま
たは非晶質シリコン薄膜３を真空蒸着を用いて被着した
後、リンのイオン打込みを行い、この膜をｎ型とする。

さらに、多結晶あるいは非晶質シリコン膜４を蒸着した
後、ホウ素イオン打込みを行って、これをｐ型にする。

この際、膜３と膜４中のリン、ホウ素の総量は実質的に
等量となるように調節する。この非晶質または多結晶層
を、固相エピタキシーを用いて、基板露出部から単結晶
化し、その後、ｎ型、ｐ型の不純物をアニーリングによ
り拡散させる、或いは。

レーザーにより一旦溶融する、などの方法により混合、
−様化し、単結晶薄膜中の電気的不純物濃度を低下させ
る。

〔作用〕

固相エピタキシーによる単結晶成長は、シリコン基板露
出部から垂直方向に、まず進み、この後絶ＩＮＩＡ上の
非晶質または多結晶シリコン薄膜中を横方向に進むが、
この横方向成長は、第２図、第３図に示すように、１０
２°国−３以上の不純物をドープした場合に、電気的不
純物濃度が低い場合に較べて大幅に増大し、単結晶化と
競合して起るランダムを核生成に起因する多結晶化を抑
えることができるため、横方向成長距離も大きくなる。

単結晶化の後積層単結晶薄膜中に実質的に等量含まれて
いたｎ型、ｐ型不純物の濃度を一様化することにより、
単結晶薄膜の電気的不純物濃度は非常に低下し、実質上
、電気的に中性な単結晶としてデバイス等の作製に利用
できる。

〔実施例〕

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

実施例１ まず、第１図に示すように、単結晶シリコン基板ｌの表
面の所望部分上に、幅１〜２０μｍ、膜厚３０００人（
７）ＳｉＯｚ　ｍ２ｔｔ、１０００℃。

４０分間の水蒸気酸化法とホトリソグラフィ技術によっ
て間隔２μｍで形成した後、１０−δ〜１０−９Ｔｏｒ
ｒの真空中で膜厚２０００人の非晶質シリコン膜３を全
面に蒸着した。この非晶質膜に、ｎ型不純物としてリン
をイオン打込みにより注入した。固相での結晶成長速度
を十分に大きくするためには、１０２０■−３以上の不
純物濃度が望ましく、また不純物を深さ方向に均一に分
布させるために、打込みは数回に分けて行うのがよく１
３゜ｋｅＶで３．３Ｘ１０”ａｎ−”、８０ｋｅＶで２
．２Ｘ　１０１１ｓａｍ−”、　３０　ｋ　ｅ　Ｖテ１
．５　Ｘ　１０１６Ｑｌ−２の３回に分けて打込んだ、
この場合、４０ｋｅＶより高いエネルギーで打込むと、
非晶質層より基板側に多くの不純物が注入されてしまう
ため、エネルギーは１３０ｋｅＶ以下にしなければなら
ない。また、エネルギーが高いほど、打込み後の分布が
広がるため、ドース量を増すことが必要である。（第４
図参照）イオン打込み条件は、該多結晶あるいは非晶質
膜中の不純物濃度が実質的に１×１０２°ローδ以上に
なれば良く、加速エネルギー打込み量等は適切な値を選
ぶ事が出来る。

さらに、ｒｆ！Ａ３と同条件で２０００人の非晶質シリ
コン膜４を真空蒸着した後、ｐ型不純物として、ホウ素
を４０　ｋ　ｅ　Ｖテ３．ＯＸ　Ｉ　ＱＩＩＩａｍ−２
，２０ｋｅＶで２．４　Ｘ　１０”ａｎ−２，１０ｋ　
ｅ　Ｖで１．６Ｘ　１０　”ｃｘｎ−２の条件で打込ん
だ。（第５図参照）この場合も４０ｋｅＶ以上のエネル
ギーではホウ素が下の層に抜けるので避けねばならない
。リンとホウ素の総ドース量は７．ＯＸ　１０”印−２
で、イオン打込みの調節の精度内で等しい。この非晶質
膜は、６００℃、２時間の７ニールにより、２μｍ幅の
ＳｉＯ２膜上を含む全面で単結晶化できた。

この後、１１００℃、３時間のアニールにより、不純物
を拡散させ、電気的な不純物濃度が極めて低い単結晶膜
を得ることができた。不純物の熱拡散を用いて均一化を
行う本実施例では、完成した単結晶膜の結晶欠陥が少な
いことが特徴である。

実施例２ さらに膜厚の厚い単結晶層を得たい場合は、パルスレー
ザ−１ｃｗアルゴンレーザーを用いて非晶質層を一旦溶
融させる方法が有効である。第６図に示したように、不
純物を含むｎ型非晶貿シリコン膜７，９とｐ型非晶質シ
リコン膜８．．１０の計４層を積み重ねて、膜厚５ｏｏ
ｏ人の非晶質膜を作った。これを、６００℃、２時間の
アニールにより単結晶化した後、パルスレーザ−により
溶融し、ｐ型、ｎ型の不純物を混合、液相がらの結晶成
長により単結晶薄膜が得られた。この方法を用いる場合
、ｐ型、ｎ型の不純物は等しくしておくが、積層する膜
の膜厚、枚数は、必要に応じて変えられる。パルスレー
ザ−を用いれば、膜厚１μｍ程度までのＣＷアルゴンレ
ーザーを用いれば。

１．５　μｍ程度までの非晶質シリコン層を溶融するこ
とが可能である。（特開昭５５−１３８８３１　、昭５
６−２４９５４参照） 実施例３ 高抵抗の単結晶層を形成させるためには、不純物を含む
薄い非晶質または多結晶シリコン層を単結晶化した後、
これをシードとして、ドープしていないシリコン層をエ
ピタキシャル成長させ、不純物濃度を低下させればよい
、１０００℃、１時間の水蒸気酸化とリソグラフィー技
術により、膜厚５０００人９幅１０μｍの酸化膜１２を
単結晶シリコン基板１１上に被着した後、第７図ａに示
す様に、膜厚１００人の非晶質シリコン膜１３を加速エ
ネルギー１０ｅＶのイオンドーピングを用いて、リンを
ドープしながら蒸着した。この時の該非晶質シリコン膜
１３の膜厚は、５０〜１０００人程度が適切で、またリ
ンの加速エネルギーは該膜厚に応じて、５〜１００ｅＶ
程度の範囲で選択可能である。該非晶質シリコン膜１３
の膜厚の薄膜化限界は、該５ｉｆｔ段差によって該膜が
不連続にならない事により決まる。−方、厚膜化限界は
、最終的に形成される単結晶薄膜の厚さにより決まるた
め、技術的には特に制限は無い、このリンドープｎ型非
晶質層１３上に、リンと同量のホウ素をドープした非晶
質シリコン膜１４を膜厚１００人で蒸着した。この場合
の積み重ねる非晶質層の数、膜厚は変えられるが、各膜
の不純物濃度は１０”ａ＋＋−’以上にしておく必要が
ある。次の３つの方法により、実質的に不純物をほとん
ど含まない高抵抗単結晶シリコン層が形成できた。

（１）第７図すは、６００℃、３時間のアニールにより
、上述の方法で形成した厚さ２００人の不純物を含む非
結晶層を単結晶化した後、真空蒸着によりノンドープ非
晶質膜を２０００人被着１さらに６００℃、２時間のア
ニールにより単結晶化し、単結晶膜１５を形成後、さら
に１０００℃。

１時間のアニールにより不純物を単結晶層全体に拡散さ
せた状態を示す、この熱処理は、該単結晶膜１５中にデ
バイスを形成する際の熱処理と兼ねても良く、例えばＭ
ＯＳＦＥＴ　、或いは複数個のＭＯＳＦＥＴより成るＭ
Ｏ８ＩＣを形成する場合の素子分離用絶縁膜形成のため
の熱処理等で十分代用可能である。

（２）第７図ａの状態から真空蒸着によりノンドープ非
晶質層を膜厚２０００人で被着した後、６００℃、５時
間のアニールにより不純物層。

ノンドープ層を一度に単結晶化し、さらに１０００℃、
１時間のアニールによって不純物濃度を一様化し、第７
図すと同様の状態が得られた。

（３）６００℃、３時間の７ニールにより、該不純物ド
ープされた非晶質層を単結晶化した後、膜厚２０００人
単結晶シリコン薄膜を、温厚９００℃、０．１ｍｏｎ％
Ｓ　ｉ　ＣＱ　ａ中で２０分間エピタキシャル成長させ
て被着し、この後＋ｎｎｏ’ｒ”、１１マ〒聞のアニー
ルにより不、ｔ’ｉ物ｊご度を均一にした。

上記ノンドープ層の膜厚は、最終的な不純物濃度をどう
設定するかで決められる。膜厚を大きくすれば、より低
不純物濃度高抵抗になるが、均−化要するアニール時間
は長くなる。

また、アニール中に不純物は基板側にも拡散するが、（
第７図す参照）本実施例では、１００人ン、ホウ素の基
板への拡散距離に大きな違いはなく、該単結晶基板１７
中に不純物拡散層１８は形成されるが、ｐ−ｎ接合は形
成されないため、単結晶−基板間はオーミンクな接合特
性を示した。

本実施例では、不純物層を先に単結晶化し、その上に単
結晶を垂直方向に成長させるので、高抵抗単結晶シリコ
ン薄膜を広範囲に、短時間で形成できるという効果があ
る。

実施例４ 固相エピタキシャル成長のシードを前例のストライプ状
でなく、穴状にすることが可能である。

ｆＴＳＢ図に示す様［こ、−辺Ｉ　Ｉｔ　ｍの正方形の
穴５４を膜厚２０００人の５ｉＯｚｌｌｉにリソグラフ
ィ技術、及びＣＦ２Ｈ２ガスを用いた反応性イオンエッ
チを用いて１５μｍ間隔で形成し、全面に膜厚２０００
人の非晶質シリコン膜を蒸着、１３０ｋｅＶ、８０ｋｅ
Ｖ、３０ｋａＶでそれぞれ。

３．３　Ｘ　１０”ａｍ−”、　２．２　Ｘ　Ｉ　Ｏ”
ｃｎ−”、１．５　Ｘ１０Ｘ１０１ｌ１”のリンを打込
んだ。これに、さらに２０００人膜厚の非晶質層を蒸着
、４０ｋａｖで３、ＯＸ　１０”ｃｒｙ’″”、　２０
　ｋ　ｅ　Ｖテ２，４　Ｘ　１０”ａ１″″”、１０ｋ
ｅＶで１．６　Ｘ　１０工６０−２のホウ素を打込み、
これを、６００℃３時間のアニールで単結晶化し、穴を
中心として、Ｓ　ｉ　Ｏｘ膜上に、半径的１０μｍの範
囲で単結晶薄膜を形成した。

本実施例を応用すれば、基板・単結晶間の導通をコンタ
クトホールを通じて行えるという効果がある。

実施例５ 第１０図１．示す様に、膜厚８０００人の水蒸気酸化に
より被着した５ｉＯｚ膜２３に、リソグラフィー技術及
びＲＩＥ技術により、−辺１．５ｐｍの正方形の穴５５
を１０μｍ間隔であけ、基板を露出させた。この上に、
実施例１と同条件で、ｎ型不純物層、ｎ型不純物層を形
成し、これに、リソグラフィー技術及びＲＩＥ技術を用
いて、穴を含む縦３μｍ、横５μｍの領域５６に分離し
た。

６００℃、３時間のアニールにより、この穴の基板露出
部をシードとして単結晶成長が起り１分離された領域を
それぞれ単結晶化できた。本実施例によれば、ＳｉＯｘ
膜上に分離した単結晶膜を形成することができ、デバイ
ス形成後の素子分離を容易にできるという効果がある。

実施例６ 第１１図は、形成した単結晶薄膜上にＭＯＳＦＥＴを作
製した例を示している。ｎ型の抵抗１０Ω・■（１００
）基板を用い、１０００℃、３０分間の水蒸気酸化によ
り、膜厚２５００人の５ｉＯｚ膜を作り、リソグラフィ
ー技術及びウェットエツチングを使って、幅１０μｍ、
長さ２０μｍの矩形パターンを形成させた後、実施例１
に述べた条件で、ｎ型、ｎ型の不純物を含む非晶質層を
それぞれ２０００人ずつ、計４０００人の膜厚につけた
。

ＮＭＯＳを形成するために、ホウ素を１５ｋｅＶ３．５
　Ｘ　１０１３ｄｌ−”の条件でよけいにイオン打込み
しておき、６００℃、２時間の７ニールで単結晶化した
後５ｉａＮａ膜を１２００人の膜厚でＣＶＤ法により被
着５、リソグラフィー技術により５μｍＸ６μｍの活性
領域となる部分を１０μｍ間隔で覆い、他の部分を取り
除いた後１０００℃。

１時間の水蒸気酸化を用い、素子分離のためのＳ　ｉ　
Ｏ予、膜を５０００人膜厚で形成させた。この過程で、
不純物が熱拡散され均一化するが、基板側にも一部拡散
する。しかし、単結晶薄膜側のホウ素濃度は、酸化膜中
に取り込まれることもあって低く、また基板からのｎ型
不純物の拡散もあるため、基板中のｎ型、ｎ型不純物濃
度はほぼ等しく、接合が形成されるため基板−薄膜間の
接合特性はオーミックとなった。

この後、膜厚２００人のＳｉＯｘ膜をドライ酸化で形成
多結晶シリコンを膜厚３５００人でＣＶＤ法により被着
し、これをリンを含む酸化性雰囲気中、８７５℃で３０
分間加熱してリンドープした後、リソグラフィ技術及び
ドライエッチを使って、長さ１．５μｍ９幅６μｍのゲ
ートを活性領域内に形成した。この後、ヒ素を８０　ｋ
　ａ　Ｖ　。

５、ＯＸ　１０１６ａｓ−”で打込み９００℃、３０分
間のアニールを行い、リース、ドレインを形成した後、
ＣＶＤ法により３０００人の絶縁膜を被着、コンタクト
ホールをリソグラフィ技術とドライ二〇ツチングにより
あけ、さらにアルミ層を９０００ｈ喝ｒ ｊ：　、Ａｌ；、、スパッタ蒸着、リソグラフィー技術
とドライエゝ　、−−一′ ツチングを使って配線部２５を形成した。

実施例７ 本発明により、垂直方向に２つのＭＯＳＦＥＴを重ね、
ＣＭＯ８を形成させた実施例を、第１２図に示す。

抵抗１０Ω・■の（１００）ｎ型シリコン基板に５ｉａ
Ｎ４膜を１２００人の膜厚１’　ＣＶ　Ｄ　ニより被着
し、リソグラフィー技術及びドライエツチングを用いて
、１０μｍ間隔の一辺６μｍの正方形の活性領域以外の
部分を露出させた。１０００℃。

１時間の水蒸気酸化により５０００人の酸化膜を形成し
、５ｉａＮａ膜を除去した後、ＢＦ２＋を６０１ｃｅＶ
、３．５Ｘ１０五’　Ｑｌｌ　−”イオン打込みし、０
２分圧０　、１　ａｔｎ＋で９５０℃、２５分間のドラ
イ酸化を行い、膜厚２００人の５ｉＯｚ膜を形成、さら
にＣＶＤ法により多結晶シリコン層を膜厚３５００人で
被着した。この多結晶シリコン層をリンを含む酸化性雰
囲気中８７０℃、３０分間の加熱し、リンをドープし、
リンガラスを除いた後、リソグラフィー技術、ＲＩＥ技
術により、活性領域中に、ゲート長１．５　μｍ、ゲー
ト４２を形成した。

（第１３図参照）イオン打込みにより、ヒ素を８０　ｋ
　ｅ　Ｖ、　５．”ＯＸ　１０１１１ｃｎ−”　＋７）
条件で注入し、ソース、ドレイン４４を形成、第−層Ｎ
ＭＯ８とし、この上に、絶縁膜として、常圧ＣＶＤ法に
より、４５０°で５０００人の５ｉＯｚ膜４１を堆積さ
せた。リソグラフィー技術及びドライエツチング技術に
より、この膜に幅２μｍ、長さ８μｍの穴を、ソースド
レイン部に少なくとも一部が必ずかかるようにあけ、こ
の上に実施例１と同じ条件でドープしたｐ型、ｎ型の非
晶質膜を各膜厚２０００人で、交互に各２Ｍずつ、計４
Ｍ、８０００人の厚さに形成した。第２層をＰＭＯ３と
するため、リンを３０　ｋ　ｅ　Ｖ、４．ＯＸｌ０１８
（！ｍ−”イオン打込みして、不純物層をｎ型にしてお
き、６００℃、５時間のアニールにより単結晶化し、第
−層と同様にして、活性領域以外の部分に５０００人膜
厚の素子分離用５ｉＯｚ膜４７を形成し、同時に不純物
を拡散させ、濃度を均一化した。この時、膜中には、ｎ
型不純物の方が高濃度にあり、基板側にも拡散するが、
基板シード部もｎ型ソース・ドレインなので、接合は生
じない。

ドライ酸化を第−廟と同条件で行い、多結晶シリコン層
をＣＶＤで堆積、リンドープした後、リソグラフィ技術
、ＲＩＥ技術を用いてゲート長１．５μｍのゲート３７
を形成するが、この際第２層のゲートが、第１層のシー
ド部にかかるとＣＭＯＳとして動作しなくなる。この後
、ホウ素を１００１ｃｅＶ、２．０Ｘ１０”ｃｍ−”で
打込み１０００℃、３０分間のアニールにより結晶性回
復を行い、ソース、ドレインを形成した。減圧ＣＶＤに
より。

５ｉＯｚ膜３０００人を被着し、リソグラフィー技術、
ドライエツチング技術を用いて、これにコンタクトホー
ルをあけた後、アルミニウムを。

９０００人膜厚でスパッタ蒸着し、リソグラフィー、ド
ライエツチングの両技術により、配線を行った。

単結晶薄膜中、ソース、ドレイン部のホウ素は基板側に
も拡散するが、同時にリンも拡散し、また基板ＮＭＯ８
のソースドレイン部のリンも拡散することから、上記の
７ニ一ル条件では、ｐｎ接合は生じず、オーミンクな電
気特性を示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、不純物層における固相結晶成長速度が
大きいことを利用できるので、（１）絶縁膜上への単結
晶薄膜の成長距離が長く、広範囲の絶縁膜上の単結晶薄
膜を形成できる、（２）不純物層を積み重ねることによ
り、厚い単結晶膜を形成できる、という効果がある。（
１００）方向の横方向の結晶成長では、３　Ｘ　Ｉ　Ｑ
　２ＬＯｃｍ−”の不純物濃度で、リンでは最大２３μ
ｍ、ホウ素で最大１０μｍまで、単結晶化できるが、不
純物を含まない場合は５μｍ程度までしか単結晶化でき
ない。このため、不純物を含まない単結晶成長を行う場
合の約２倍の面積の薄膜を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図および
第３図は、それぞれリン、ホウ素をドープした非晶質シ
リコン膜における横方向固相成長距離のアニール時間依
存性を示す。第４図および第５図は、それぞれイオン打
込したときのリン。 ホウ素の深さ方向の濃度分布を示す図、第６図は本発明
の他の実施例の断面構造を示す図、第７図ａは実施例３
の途中過程の図、第７区は本発明のさらに他の実施例を
説明するための図、第８図および第９図はさらに他の実
施例を示す図、第１０図乃至第１２図は、それぞれ本発
明の異なる実施例を示す図、第１３図は、第１層ＭＯ５
ＦＥＴ活性領域と１層間分子１ｃＶＤ　　Ｓ　ｉ０２膜
中のシード穴との位置関係の一例を示す図である。 １．５，１１，１７，２２，３２．４３・・・単結晶シ
リコン基板、２，６，１２，１６，２１，２３゜２９．
３１，４７，４８．５２・・・５ｉＯｚ膜、３゜７．９
，１３．２０・・・ｎ型非晶質シリコン層、４゜８．１
０．’　１４，１９，２４・・・ｐ型非晶質シリコン層
、１８．３４・・・基板内不純物拡散域、５４゜５５−
９−ド穴、２８，３６．４１・ＣＶＤ−８ｉＯｘ層、２
６，３７．４２−・・多結晶シリコンゲート、３３．３
９・・・ｐ型車結晶シリコン層。 ５６・・・不純物層分離領域、３０．４０・・・ｎ型単
結第　Ｉ　国 ３’ｒＬ号紘１ｂらＶシリコ：氾（ 番　６凹 １１．１０．＋４　　ト１１”ｊＦｒ；ａ’ｎ；リタン
８矢猶７図 し ｔ５＄＋仁も、ｆ日シリコ）５奢＋１　７８１ｋｍ＊秀
（ピキオ庄芹ルンキ良よりに４９　シー ５０第１ ５１フ１゜ 築１３図 七活別緘

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、非晶質絶縁膜上に単結晶シリコン薄膜を形成させる
   製造方法において、実質的に等量の不純物を含むｐ型と
   ｎ型の非晶質、または多結晶薄膜を少なくとも一層以上
   被着し、これらを固相で単結晶化し、単結晶薄膜を形成
   することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。