JPH03155124A - 半導体膜の製造方法 - Google Patents

半導体膜の製造方法

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JPH03155124A
JPH03155124A JP29532989A JP29532989A JPH03155124A JP H03155124 A JPH03155124 A JP H03155124A JP 29532989 A JP29532989 A JP 29532989A JP 29532989 A JP29532989 A JP 29532989A JP H03155124 A JPH03155124 A JP H03155124A
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ion implantation
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啓司 大吉
Tomonori Yamaoka
智則 山岡
Shuhei Tanaka
修平 田中
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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、非晶質半導体膜中に結晶核を形成する技術に
間し、特にイオンビームを用いて結晶核を形成する技術
および均一な粒径をもつ多結晶半導体膜を形成する技術
に間する。
【従来の技術】
従来、イオンビームを用いた結晶成長に間して、珪素基
板上に形成した非晶質珪素を、砒素のイオン注入により
固相エピタキシャル成長させた例(J、 Nakata
 and K、にajiya+na、 Jpn、 J、
 Appl、 Phys、 21 (+982) 5u
pp1.2+−1,p2+1  )やキセノンのイオン
注入と注入時の基板加熱を組合せた例(A、 Re1b
erich et al、、 Nuclear In5
trun+、 Methods Res、 B 19/
20 (1987) p457 )がある。 また、ガラス基板上の半導体膜とイオン注入に間して、
石英ガラス上に堆積した多結晶ゲルマニラム膜あるいは
珪素膜に、ゲルマニウムあるいは珪素をそれぞれ加熱し
ながらイオン注入し、粒径を大きくさせた例CH,A、
 Atwater et at、、 J、 Appl、
 Phys、 64 (1988) p2337 )が
ある。これらイオンビームな用いた例は、他の方法に比
べ、低温で固相成長を行なうことが可能であり、半導体
プロセスの低温化や三次元集積回路への応用が期待され
ている。
【発明が解決しようとする課!】
しかしながら、上記従来のイオンビームな用いた結晶成
長法は、基板あるいは膜中に既存する結晶を成長させる
方法であり、種となる結晶がない場合あるいは膜中に結
晶核がない場合、例えばガラス上に堆積した非晶質珪素
膜について、これを結晶化させることはできなかった。 また、イオン注入により多結晶半導体膜の結晶粒径を大
きくさせる場合においても、粒径の最大値は膜厚により
制限されるという重大な問題があった。 また、熱処理により固相で結晶核を形成するためには、
非晶質珪素膜について、少なくとも60θ℃以上の温度
が必要であり、この温度に耐えられない材料を非晶質半
導体膜の基板として使用した場合、基板形状の変形や基
板構成元素の半導体膜への拡散といった重大な問題があ
った。
【課題を解決するための手段】
上記従来の問題点を解決するために、本発明は、基体上
に形成した非晶質半導体膜に結晶核を形成し、形成され
た結晶核を基に結晶成長を行なう半導体膜の製造方法に
おいて該結晶核をイオン注入により形成している。 非晶質半導体膜にイオン注入により結晶核を形成する方
法としては、イオン注入におけるビーム電流密度を上昇
させることによフて、基板加熱を特に行なうことなしに
結晶核を形成することができる。 (例えば石英基板上
の非晶質珪素に珪素を注入して結晶核を形成する場合、
イオンビーム電流密度が8μA/cm2以上) また、イオンビームの電流密度が低い場合には、基板を
加熱する(50℃〜800℃)ことで、結晶核を形成す
ることも可能である。 基板加熱が必要な電流密度の境界値く結晶核生成率が大
きく低下する電流密度)は、半導体膜や基板の種類、イ
オン種により大きく変化する。 イオン種は特に問わないが、結晶化させる半導体構成元
素または基板構成元素か希ガス元素が望ましい、注入エ
ネルギーは、半導体膜の種類や膜厚、注入イオンの種類
により変化させなければならないが、注入イオンの投影
飛程が半導体膜の膜厚より大きくなるよう設定し、注入
原子と半導体膜の構成原子のカスケード衡突による非晶
質化の効果が小さい方が、半導体膜中で結晶化させた領
域内の欠陥密度は小さく、良質の結晶核が得られる。な
お、注入イオンの投影飛程がこれより小さいか等しい場
合でも結晶核の形成は可能である。 結晶核の形成密度は、半導体膜の種類や膜厚、基板の種
類、イオン注入条件(イオン種、加速エネルギー 注入
量、ビーム電流密度、イオン注入時の基板温度等)によ
り左右される。これらの条件を適当に選ぶことで、結晶
核の形成密度を制御することができる。 また、マスク(半導体膜の上に堆積した5i02等の任
意の膜に窓を設けたものや金属板等に窓を設けたもの)
を通してイオン注入を行ない、結晶核の密度を制御する
こともできる。 密度を制御して結晶核の生成を行なった後に、熱処理、
イオン注入等を行なうことで、結晶を成長させ、均一で
、粒径が制御された多結晶半導体膜を形成することがで
きる。 また、マスクに代わって、収束イオンビームを用いて、
結晶核の発生位置および密度を制御してもよい。 一方、基板に到達した注入元素により光吸収が生じた場
合、2種類以上の元素をイオン注入することでこれらを
反応させ(例えば珪素注入により光吸収が発生した場合
は酸素、窒素等をイオン注入)、化合物を形成すること
により光吸収を抑制した。
【作用】
本発明によれば、加速されたイオンが半導体膜に打ち込
まれ、エネルギーを失いながら減速する過程で、格子系
に直接的に(入射原子と半導体原子の弾性衝突)あるい
は間接的にく入射原子と半導体電子系との非弾性衝突)
エネルギーを与え、半導体膜を原子レベルで局所的に高
温に加熱するよう作用する。このとき、結晶核形成が起
きるためには、それに必要な局所的温度上昇が、結晶の
臨界核のサイズ程度かそれより大きい領域で、格子系の
再配列に必要な時間以上実現しなければならない。この
イオンビームによる温度上昇は、時間的にも短く、局所
的に作用するため、平均的な基板の温度上昇はこれと比
較して、はるかに小さく、比較的融点の低い基板材料の
上に堆積した半導体膜に結晶核を形成することができる
。また、収束イオンビームの使用やイオン注入時に設け
たマスクは結晶核の位置および密度を制御するよう作用
する。注入した元素に関係した光吸収が基板に発生した
場合には、これと反応して化合物を形成し、光吸収を抑
制する別種の注入元素が基板の透明性を維持するよう作
用する。
【実施例】
(実施例1) 石英、アルカリ土類・アルミナボロシリケート、といっ
た2種のガラス基板上に、スパッタリング法により非晶
質珪素膜を150nmの膜厚て堆積した(第1図(a)
)。次に珪素を、加速エネルギー:180keV、 ド
ーズ量:  3 X 10 ”1ons/cm2 ビー
ム電流密度: lθμA/cm2、基板加熱なし、の条
件でイオン注入した(第1図(b))。 注入珪素の分布の様子を第3図に示す。これら試料を、
透過電子顕微鏡観察および透過電子線回折によりイオン
注入の前後で比較した。イオン注入前には非晶質であっ
た珪素膜に、イオン注入により結晶核が形成され、さら
に初期に形成された核が600 nm程度の粒径に成長
している様子が確認できた。イオンビームの電流密度を
変化させた−ところ、これ以上の電流密度ではより高密
度に結晶核が形成され、これ以下の電流密度では結晶核
の形成密度が極端に低下することが明らかとなった。 また、ドーズ量を増加させると結晶核の密度は更に増加
し、非晶質珪素層の全域が多結晶に変化した。さらに、
400℃程度に基板を加熱して先の条件でイオン注入を
行なったところ、基板加熱を行なわない場合と比較して
高密度に結晶核が形成された。 (実施例2) 実施例1においてガラス基板上に形成した結晶核を含む
非晶質珪素膜に、次の2通りの方法により結晶成長を施
し、均一な粒径を有する多結晶珪素膜を形成したく第1
図(c))。 1)結晶核を形成した膜に、以下の条件のイオン注入に
より、固相における結晶成長を行なった。 結晶成長に用いたイオン注入条件は、珪素の加速エネル
ギー:180keV、  珪素のドーズ量= 5X 1
0”1ons/cm2  ビーム電流密度:2μA/C
112、および基板温度= 250℃であった。 これらを透過電子顕微鏡観察および透過電子線回折によ
り評価したところ、膜全域が結晶化しており、実施例1
でドーズ量を増加させ膜全域を結晶化した試料と比較し
て、粒径が揃った多結晶珪素膜が得られた。さらに、結
晶核の形成や結晶成長を行なうために基板中に注入した
珪素を酸化させるために、酸素を110keVドーズf
fi:  1. 6X 1017ions/ cm2注
入した。酸素の注入深さは珪素と一致させ、注入量は珪
素の2倍としたく第4図)、この後、多結晶珪素膜にパ
ターンを形成し、珪素をエツチングした部分の光吸収を
調べたところ、酸素注入を行なっていない場合と比較し
て光吸収の顕著な抑制効果が認められた。 2)結晶核を形成した膜に熱処理を加え、固相で結晶成
長を行なった。熱処理は、窒素雰囲気中、600℃で1
0時間行なった。これらを透過電子顕微鏡観察および透
過電子線回折により評価したところ、膜全域が結晶化し
ており、実施例1でドーズ量を増加させ膜全域を結晶化
した試料と比較して、粒径が揃った多結晶珪素膜が得ら
れた。なお、熱処理による結晶成長は、レーザーアニー
ルやランプアニールでも可能であった。 (実施例3) 石英、アルカリ土類・アルミナボロシリケート、といっ
た2種のガラス基板上に、スパッタリング法により非晶
質珪素膜を150r+mの膜厚で堆積した。この上に第
2図(a)に示すように、酸化珪素をスパッタリング法
により500 nm堆積し、酸化膜にフォトリソグラフ
ィー工程を通して縦横200nmの窓を縦横3μm毎に
設けた0次に、珪素を、加速エネルギー:180keV
、  ドーズ量: 3X 1016ions/ cm2
  ビーム電流密度:10μA/crn2、基板加熱な
し、の条件でイオン注入した(第2図(b))。この後
、酸化珪素膜を除去し、透過電子顕微鏡観察および透過
電子線回折により評価したところ、窓の下部に結晶核が
1〜2個形成されたことが確認された。これに、実施例
2で述べた2種の結晶成長法を施した後(第2図(c)
)、透過電子顕微鏡観察および透過電子線口7折により
評価した。その結果、3μ−程度の比較的粒径の揃った
多結晶珪素膜が形成されてることが解った。
【発明の効果】
本発明によれば、従来不可能であった大粒径で、しかも
粒径の揃った多結晶半導体膜の形成を、これまでにない
低温で実現できる。さらに、従来の高温プロセスでは様
々な理由(例えば、熱による変形や基板構成元素の拡散
等)で半導体用として使用できなかった基板が、本発明
により使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、本発明による多結晶珪素膜の製
造方法を示したものである。第3図は、実施例1〜3で
結晶核の形成に用いた注入珪素の分布を示したものであ
る。第4図は、実施例2(1)において注入した酸素の
分布を示したものである。 ◆ Si令  Si今  Si◆  Si中1ii111i 第1図 第2図 手 続 補 正 書 事件の表示 特願平1−295329号 発明の名称 半導体膜の製造方法 補正をする者 事件との関係 特許出願人 住所 大阪市中央区道修町3丁目5番11号氏名 (4
00)  日本板硝子株式会社代表者 中心 違二

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基体上に形成した非晶質半導体膜に結晶核を形成
    し、形成された結晶核を基に結晶成長を行なう半導体膜
    の製造方法において該結晶核をイオン注入により形成さ
    せることを特徴とする半導体膜の製造方法。
  2. (2)該結晶核の形成において、集束イオンビームおよ
    び/またはマスク材を用いて、結晶核の形成密度および
    /または結晶核形成位置を制御し、形成された該結晶核
    を基に結晶成長を行ない、均一で制御された粒径をもつ
    多結晶半導体膜を形成する請求項1記載の半導体膜の製
    造方法。
  3. (3)該イオン注入として、2種類以上の元素をイオン
    注入させ、これらを基体内で安定化させることにより、
    注入元素による光吸収を抑制する請求項1または2記載
    の半導体膜の製造方法。
  4. (4)該イオン注入を基体の加熱下で行なう請求項1な
    いし3記載の半導体膜の製造方法。
  5. (5)該結晶成長が、イオン注入によるものである請求
    項1ないし4記載の半導体膜の製造方法。
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