JPH02268418A - 大粒径多結晶膜の選択堆積方法 - 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］ 本発明は大粒径多結晶膜の選択堆積方法に関する。本発
明による大粒径多結晶膜は、例えば、半導体集積回路、
光集積回路、磁気回路等の形成に使用される。

［従来の技術およびその課題］ 一般に、半導体デバイスは、単結晶ウェハ（例えばバル
クＳｔウェハ）上に所望のパターンを形成することによ
り、あるいは、単結晶ウェハ上にエピタキシャル成長さ
せて形成した単結晶薄膜上に所望のパターンを形成する
ことにより作製される。

しかるに、近年、ガラスのような大面積の非晶質基板上
に、非晶質あるいは多結晶の薄膜半導体（例えばＳｔ層
）を−面に連続的に堆積し、かかる薄膜半導体層が堆積
した非晶質基板上に所望のパターンを形成することによ
り、半導体デバイスを形成することが行われており、実
用にも供されている。

しかしながら、半導体デバイスの特性は、作製される半
導体層の欠陥密度と密接に対応するものである０例えば
、電界効果型のトランジスタを作製した場合、その電子
キャリヤ移動度は、半導体層がほぼ完全な単結晶Ｓｉか
らなる場合には５００ｃｒｎ”／Ｖ・ｓｅｃ以上であり
、また、現在実用化されている減圧気相成長方法（ＬＰ
ＣＶＤ法）によって作製された粒径５００Å以下の多結
晶薄膜の場合には約１０ｃｍ’／Ｖ−ｓｅａであり、グ
ロー放電法（ＧＤ法）で作成された水素を大量に含有し
た非晶質Ｓｉの場合には約０．　　ＩＣゴ／■・ｓｅｃ
である。

このように、半導体層が非晶質Ｓｉよりなる半導体デバ
イスの特性（特に移動度）は、半導体層が単結晶Ｓｉよ
りなる半導体デバイスの特性に比較して、はなはだ低い
ものである。高い半導体デバイス特性が要求される場合
には半導体層として多結晶ＳＬよりなるものが用いられ
るが、より一層、半導体デバイスの性能向上を図る上か
らは結晶性が良好で結晶欠陥の少ない多結晶薄膜半導体
層の形成方法が望まれている。

ところで、多結晶層では、様々な結晶方位をもった多数
の単結晶粒同士が、多数の結晶粒界（以下粒界と略記す
ることがある）を有して形成されている。この粒界自体
が結晶欠陥となり、また、粒界には不純物（結晶欠陥の
一つである）等が析出しやすいので、主なる結晶欠陥は
その粒界に存在すると考えられる。すなわち、半導体デ
バイスの特性を向上させるには主たる結晶欠陥である粒
界の量を低減させることが必要となり、それは換言する
と多結晶薄膜の結晶粒径（以下粒径と略記することがあ
る）を増大させることに他ならない。

従来、多結晶薄膜における粒径の拡大化は、種々試られ
ている。

例えば、５００人程程度多結晶結晶Ｓｉ薄膜を形成する
に際し、５ｉｆ（４ガスを低圧下（１００Ｔｏｒｒ以下
）で、温度６ｏｏ℃付近で熱分解して形成することが行
なわれているが、この場合、加熱温度を１０００を以上
にしても粒径は高々０．１μｍ〜０．３μｍ程度にしか
増大しない（Ｔ、　１．Ｋａａｌｎｓ　＆　Ｔ・訃ＣＡ
ＳＳ、　Ｔｈ１ｎ　ＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ、　１６．　
（１９７３）　１４７−１６５）。

さらに、レーザー、電子線、ランプ、帯状ヒーター等の
エネルギービームによって薄膜堆積後に薄膜を固相のま
ま熱処理あるいは溶融再結晶化させて前記方法よりは大
きな粒径をもつ５ｔｆｆｌｌｉが得られており、そこに
作製された電解効果トランジスタの電子移動度は単結晶
シリコンにも匹敵するものも報告されている（Ｓｉｎｇ
ｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　５ｉｌｉ−ｃｏｎ　ｏｎ　ｎｏ
ｎ−ｓｉｎ３１ｅ−ｃｒｙｓｔａｌ　１ｎｓｕｌａｔｏ
ｒｓ、Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｇｒｏｗ
ｔｈ、　ｖｏｌ、　８３．　Ｎｏ、　３．　０ｃｔｏｂ
ｅｒ１９８３、　ｅｄｉｔｅｄ　ｂｙ　Ｇ、　Ｗ、　Ｃ
ｕ１ｌｅｎ　）。

しかし、これらの方法は、その工程の複雑性、制御性、
特殊性、容易性に多大の問題があり、粒径が大きく、粒
界の少ないＳｔ薄膜を容易に大面積で得るには不適当で
ある。

本出願人は、上記の諸問題を解決すべく、特願昭６２−
７３６２９号において、核形成密度を変化させることに
より容易に粒径が大きく、粒界の少ない薄膜を大面積で
得ることに成功した技術を提供している。

しかしながら、この技術においては、下地材料として石
英やガラス等のバルクＳｉｎ、を使用した場合、下地材
料と薄膜との熱膨張係数が大幅に違い、その差によって
薄膜にクラックが生じ、この薄膜上に作製したデバイス
の歩留りが低下することがあった。

例えば、多結晶Ｓｔと５ｉｎ２との熱膨張係数は、各々
’７．ｅｘｔｏ−’と５．５Ｘ１０−’（１／℃）であ
り、クラックは、堆積時の比較的高温から室温に降温す
る場合歪みが膜内部に蓄積し、ついには膜破壊に至る結
果生ずるものと考えられる。

本発明は、前記特願昭８２−７３６２９号に開示した発
明をさらに発展させたものであり、部分的に所望の位置
に高性能素子を作製しうる多結晶薄膜を選択堆積させ、
歪みを緩和することによってクラックの発生を防止する
ことができる大粒径多結晶膜の選択堆積方法を提供する
ことを目的としてぃる。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の要旨は、核形成密度の小さい非核形成面
上に、前記非核形成面よりも核形成密度の大きい核形成
面を互いに分離して複数形成し、前記非核形成面と前記
核形成面との核形成密度の差を利用して選択的に大粒径
多結晶膜をそれぞれの前記核形成面に形成することを特
徴とする大粒径多結晶膜の選択堆積方法に存在する。

本発明の第２の要旨は非核形成面と前記非核形成面より
も大きな核形成密度を有する核形成面とを互いに分離し
て有する基体に気相法による結晶成長処理を施し、前記
核形成面上に選択的に多結晶膜を形成することを特徴と
する大粒径多結晶膜の選択堆積方法に存在する。

［作用］ 本発明は、核形成密度が堆積面材料により異ることを利
用することにより、非核形成面上に互いに分離して核形
成面を形成しておぎ、堆積時に自己整合的に大粒径の多
結晶膜を選択的に形成するものである。

したがって、連続した多結晶膜を堆積した場合に比べ、
各多結晶膜を分離して形成することができる。この多結
晶膜の内部応力は大幅に緩和されており、各多結晶薄膜
にはクラックの発生はなくなる。

また、本発明においては、核形成面同志の間隔を所望の
間隔に設けることにより核形成密度を１０層ｃｍ−’以
下とすれば、多結晶膜の平均粒径が１０−’ｍｍ以上と
なり、より大きな結晶粒よりなる多結晶層が得られ、ひ
いては結晶粒界の少ない多結晶層が得られるので好まし
い。

なお、核形成密度は小さければ小さいほど大きな結晶粒
径を有する多結晶層が得らえるので好ましい。

［実施態様例］ 以下に本発明を実施態様例をあげて具体的に説明する。

第１図は本発明の工程図を示すものである。第１図にお
いて、１は核形成密度の小さい材料よりなる基体（たと
えば基板）であり、この表面が非核形成面となる。かか
る基体としては、石英、ガラスのようなバルクのＳｉｎ
、基板を用いればよい。この基体１上に、数十μｍ乃至
数百μｍ角の核形成面３を互いに分離して形成する（第
１図（ｂ））。かかる核形成面３としては、たとえばＣ
ＶＤ法によりＳｔ、Ｎ４層の連続膜を基体上に形成後、
バターニングする方法、Ｓ１０を核形成面となるべき部
分にのみ注入する方法その他の方法を用いて形成すれば
よい。

たとえば、Ｓｔ、Ｎ、層は、５ｉＨ２ｃＩＬ、＋ＮＨ３
ガスを使用して、０．３Ｔｏｒｒ、加熱温度８００℃以
上の条件で０．１μｍ厚に堆積させればよい。

また、たとえば、Ｓｉｎ、基体表面へのＳｔ”イオンの
注入は、５ｉＯｚ基体表面をレジストで覆い、窓をパタ
ーニングして全面にＳｔ”を、２０ｋｅＶ、１ｘｌＯ”
ｃｍ−”以上のドープ量でイオン注入する。もちろん、
マスクレジストを用いずに収束イオンビームを用いても
良い。

続いて、上記核形成面よりＳｔ多結晶を選択的に成長さ
せる（第１図（Ｃ））が、本実施例においては、多結晶
粒の粒径は後述するように重要な意味を持つため、その
粒径は第２図に示すごとく温度変化によって制御が可能
である。なお、第２図は、５ｉＨｚ　Ｃ１１２：ＨＣｌ
：Ｈ２＝１．２：１．Ｏ：　１００　（２層ｍ１ｎ）１
５０Ｔｏｒｒの条件下で堆積を行なった結果得られたグ
ラフである。クラック発生を防止するという目的で多結
晶膜を分離して形成するには、第２図に示したすべての
温度範囲で可能ではあるが、より完全な選択堆積を行な
うには、９４０を以上が望ましい。

なお、ソースガスとともに核形成密度コントロールガス
（たとえばＨＣｆガス）を添加することによっても粒径
制御が可能である。第３図はＨＣｌ量による粒径制御を
示すグラフである。なお、このグラフは、５ｉＨ２ＣＪ
１２　　：Ｈ２＝１、２　：　１００　（４２層ｍｉ　
ｎ）、基体温度９６０℃、圧力１５０Ｔｏｒｒなる堆積
条件で得られたものであるが、圧力は２００Ｔｏｒｒ以
下、温度は８５０℃以上とすることが好ましく、また、
クラックを発生させないように分離した多結晶膜を形成
するためには、すなわち、完全な選択性をもたせるため
には、ＨＣｌ２量を１．　０　（ｆｌ／ｍ１ｎ）以上に
することが望ましい。

以上により得られる多結晶層上に、単体ＭＯ３ＦＥＴを
作製した場合、粒径に応じて素子の特性が決定されるが
、連続膜の場合に比べはるかに高い歩留りが達成される
。

［実施例］ 以下に実施例をあげて具体的に説明する。

第１図に示す工程により多結晶層の堆積を行った。

第１図において、１は核形成密度の小さい材料であり、
石英基板を用いた。この基板１上にＳｔ、Ｎ４の連続Ｉ
Ｉ！２を形成しく第１図（ａ））、パターニングにより
数十μｍ角の核形成面３を互いに分離して形成した（第
１図（ｂ））。この核形成面３は、ＣＶＤ法により形成
した。すなわち、Ｓｉ、Ｎ、層は、５ｉＨ２ＣＩＬ□＋
ＮＨ，ガスを使用して０．３Ｔｏｒｒ、８００℃の条件
で０．１μｍ厚に連続的に堆積させた後、フォトリソグ
ラフィーを用いてパターニングした。

つづいて、上記核形成面３よりＳｔ多結晶をＣＶＤ法に
より選択的に成長・堆積させた（第１図（Ｃ））、なお
、Ｓ　ｉ　Ｈ２Ｃｆ１２：　ＨＣｌ２　：Ｈ２＝＝１．
２：１、Ｏ：　１００　（ｎ／ｍｉ　ｎ）１５０Ｔｏｒ
ｒの条件下で堆積を行なった。基板温度は９４０℃とし
た。本条件により平均粒径３μｍ程の大粒径Ｓｔ多結晶
層が５０μｍ角の面積に選択的に成長した。

以上により得られた多結晶膜上にチャネル長２０μｍの
単体ＭＯ５ＦＥＴを作製したところ多結晶膜ではクラッ
クが発生せず、約１００％に近い歩留りが達成された。

一方、連続膜の場合クラックが発生し、そのクラック上
に配置されたトランジスタは動作せず、歩留りは５０％
程度であった。

［他の実施例］ 石英基板上の１μｍのレジストに５０μｍ角の窓を設け
、それをマスクにして、Ｓｉイオンを注入した。注入エ
ネルギーは２０ｋｅＶ、注入量は２ｘｌＯ１６ｃｍ−２
であった。レジストを除去した後、ＣＶＤ法で多結晶層
を注入表面上にのみ選択的に成長させた。

ガス系は５ｉＨ２Ｃｊ２□／ＨＣｌ１／Ｈ２＝１．２／
１．Ｏ／１００　（ｎ／ｍｉ　ｎ）で３０分程９６０℃
、１５０Ｔｏｒｒの条件で行った。成長した多結晶層の
平均粒径は約１．５μｍであった。成長した薄膜島状に
はクラック皆無であり、チャネル長１０μｍの単体ＭＯ
３ＦＥＴ　（電界効果トランジスター）を各層に一個づ
つ、４インチ基板上に複数個形成したところ、クラック
が無いため、１００％の歩留りで作動した。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば大粒径の多結晶膜
を選択的に形成することが可能であり、クランクの発生
のない大粒径多結晶膜を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は多結晶膜形成の工程を示す断面図である。第２
図は粒径の温度依存性を示すグラフである。第３図は粒
径のＨＣｊ２量依存性を示すグラフである。 １・・・ＳｉＯ□基板、２・・・Ｓｉ、Ｎ、連続膜、３
・・・パターニングされたＳｉ、Ｎ４膜、４・・・多結
晶Ｓｉ膜。 第１ 図 第２図 （”Ｃｉ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）核形成密度の小さい非核形成面上に、前記非核形
   成面よりも核形成密度の大きい核形成面を互いに分離し
   て複数形成し、前記非核形成面と前記核形成面との核形
   成密度の差を利用して選択的に大粒径多結晶膜をそれぞ
   れの前記核形成面に形成することを特徴とする大粒径多
   結晶膜の選択堆積方法。
2. （２）核形成面の核形成密度を１０＾８／ｃｍ＾２以下
   に制御した特許請求の範囲第１項乃至第２項に記載の大
   粒径多結晶膜の選択方法。
3. （３）非核形成面と前記非核形成面よりも大きな核形成
   密度を有する核形成面とを互いに分離して有する基体に
   気相法による結晶成長処理を施し、前記核形成面上に選
   択的に多結晶膜を形成することを特徴とする大粒径多結
   晶膜の選択堆積方法。