JPH03250621A - 半導体膜の製造方法 - 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、非晶質相をもつ半導体膜を結晶化する方法に
関し、特にイオンビームを用い結晶相を成長させ、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方法
に関する。

［従来の技術］ 従来、イオンビームを用いた結晶成長に関して、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
相エビタ牛／ヤル成長させた例（Ｊｐｎ、　　Ｊ、　　
Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、　　２１　　（１９８２）Ｓ
ｕｐｐｌ、　　２１−１．ｐ２１１）やキセノンのイオ
ン注入と注入時の基板加熱を組み合わせた例（Ｎｕｃｌ
ｅａｒ　　Ｉｎｓｔｒｕｍ、Ｍｅｔｈ。

ｄｓ　　Ｒｅｓ、Ｂ　　１，９／２０　（１９８７）Ｉ
）４５７）がある。また、ガラス基板上の半導体膜とイ
オン注入に関して、石英ガラス上に堆積した多結晶ゲル
マニウム膜あるい珪素膜に、ゲルマニウムあるい珪素を
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（Ａｐｐｌ、ｐｈｙｓ、　　６４　　（１，９８８
）　　ｐ２３３７）　　がある。

これらイオンビームを用いた例は、他の方法に比べ、低
温で固相成長を行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題］ しかしながら、上記従来のイオンビームを用いた結晶成
長法は、注入イオンの投影飛程を膜中央に設定している
ため、非晶質化と結晶化が平衡に達する温度が高く、結
晶粒を成長させるためにイオン注入時の基板温度を高く
する必要があった。

例えば、多結晶珪素膜について、少なくとも８００°Ｃ
以上の注入時の基板加熱が必要であり、この温度に耐え
られない材料を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が起き
るといった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公知の方法
では、たとえば、非晶質珪素膜については、少なくとも
６００℃以上の高い温度が必要である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、基板上に結晶を含む非晶質半導体膜を形成す
る工程と、前記形成された非晶質半導体膜の表面から、
注入イオンの投影飛程が前記非晶質半導体膜の膜厚より
大きくなるようにイオン注入する結晶成長工程とを含む
、基板上に多結晶半導体膜を製造する方法である。

結晶相を含む非晶質半導体膜の形成は、例えば公知のプ
ラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ等により、結晶核を含む半導体
膜を基板上に堆積するか、基板上に堆積した非晶質半導
体膜にイオン注入により部分的に結晶相の核形成を行う
ことで実現できる。

前記したイオン注入により部分的に結晶相の核形成をお
こなうには、注入するイオンの加速エネルギーは、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
に設定される。これにより、注入イオンと半導体膜の構
成原子のカスケード衝突による非晶質化の効果が小さく
なり、半導体膜中て結晶化させた領域内の欠陥密度が小
さく、良質の結晶核が得られる。加速エネルギーが前記
膜厚より小さいと、エネルギーデボジンヨンが大きい領
域で結晶核の形成密度は高（なるが、結晶核の結晶性は
前記条件より劣る。また、半導体膜内でイオンが届かな
い深さには結晶核が形成されない。イオンビームの電力
密度は、ＩＷ／ｃｒｒ＋２以上が望ましい。前記電力密
度が小さい場合には、基板を加熱（５０〜８００℃）し
ながらイオン注入することで、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力密度の境界値（結晶核の生成率か
大きく変化する電力密度）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。用いるイオン種は特に
限定されないか、結晶化させる半導体構成元素か基板構
成元素か希ガス元素か望ましい。また、上記した結晶相
の核形成をおこなうイオンビームの電流密度の望ましい
条件においても、結晶相の核形成に引きつつき結晶相の
成長を行うことかできるか、成長速度が早いため、初期
に形成された結晶核による結晶粒径と、末期に形成され
た結晶との粒径差が大きくなる。

本発明にかかる非晶質半導体膜の表面からイオン注入す
る工程のイオンの加速エネルギーは、注入元素の投影飛
程が半導体膜の膜厚より大きくなるよう設定され、注入
イオンと前記半導体膜の構成原子のカスケード衝突によ
る非晶質化の効果が小さくなるように、かつ、半導体膜
中で結晶化させた領域内の欠陥密度が小さくなるように
設定される。注入元素の投影飛程が前記膜厚より小さい
と、半導体膜内でイオンが届かない部分が生じ、その部
分では結晶相の成長は起きにくい。イオンビームの電力
密度は０．５〜Ｉ　Ｗ　／　ｃ　ｍ　２が望ましい。前
記電力密度以上では結晶核の形成が起こり、結晶粒径の
制御性が低下する。前記電力密度が０゜５Ｗ・’　ｃ　
ｍ　２以上であれば、基板加熱を特に行うことなしに結
晶成長を行える。また、イオンビームの電力密度が低い
場合は、基板をイオン注入するときに加熱（５０〜８０
０℃）することで、結晶成長速度を大きくすることが可
能である。基板加熱が必要な電力密度の境界値は、半導
体膜や基板の種類等により変化する。半導体膜が珪素膜
の場合は、イオンビームによる加熱効果により珪素膜の
温度が２００〜２５０℃となれば、基板加熱は必要では
ない。これ以下の温度では結晶相の成長よりは非晶質相
の成長が起こりやすいので、基板を外部ヒータにより加
熱してこの温度以上にすることが結晶相の成長に関して
重要である。注入するイオンの種類１才特に限定されな
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。

本発明は、前記した結晶を含む半導体膜を形成する工程
と、前記形成された非晶質半導体膜の表面からイオンを
注入する結晶成長工程との間に制御工程を設けることが
できる。制御工程は、前記結晶を含む半導体膜に含まれ
る結晶の一部を非晶質化することにより、つづく結晶成
長に先立ち、結晶の大きさまたは密度、または膜中での
空間的な配置を制御するために行われ、結晶粒径がより
大きく、かつそろった多結晶からなる半導体膜になるよ
うにイオンの注入が前記半導体膜の一部分についておこ
なわれる。打ち込むイオン電流密度ハ０．３〜０．７Ｗ
／ｃｍ２程度であることが望ましく、イオンの加速エネ
ルギーは、注入元素の投影飛程が半導体膜の膜厚と同程
度かそれより大きくなるよう設定することが望ましい。

注入元素の投影飛程が前記膜厚より小さいと、半導体膜
内でイオンが届かない深さでは非晶質化は起きないので
望ましくない。　　前記電力密度以上では、イオン注入
による加熱効果により半導体膜の温度が２００℃以上と
なり、結晶相の成長が起きやすい。

注入するイオンの種類は特に限定されないが結晶化さゼ
る半導体構成元素か基板構成元素か希ガス元素が望まし
い。

イオン注入を半導体膜の表面の一部分におこなう方法と
しては、半導体膜表面に所定の直径の収束イオンビーム
をスボ／ｌ−照射する方法を用いることができる。イオ
ンビームが注入された頌域にある結晶は小さな結晶はな
くなり非晶質化され、比較的大きな結晶はその粒径が小
さくなる。収束イオンビームの加速電圧、直径、イオン
ビームを照射する間隔、時間などの条件は、非晶質半導
体膜に含まれている結晶の大きさ、密度、空間分布など
により、つづく結晶成長工程により大きく、均一な多結
晶膜が得られるように設定される。また、非晶質半導体
膜の上に５ｊ０２膜の如き打ち込むイオンに対してマス
キング膜となるものを所定寸法に被覆し、マスキング膜
が被覆されていない非晶質半導体膜の露出部分にイオン
注入をおこなう方法を用いることができる。また前記イ
オン注入をおこなうにあたっては、非晶質半導体膜を加
熱しながらおこなってもよい。

さらに、基板に到達した注入イオンにより光吸収か生じ
た場合、２種類以上のイオンを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、窒素等をイオノ注入ン、基板内に透明な化合物
（前述の例ではＳ］ｏ２あるいは５ｉ３Ｎｎ）を形成す
ることにより光吸収を抑制することかできる。

［作用コ 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（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。

このイオンビームによる温度上昇は、時間的にも短く局
所的であることから、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、さらにイオン注入により生じ
た欠陥が半導体原子の移動を促進することで、半導体膜
の結晶成長を低い温度で実現する。

また、結晶核の形成や結晶成長において、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に決定し
た加速エネルギーの設定は、注入原子と半導体膜構成原
子のカスケー）゛衝突による非晶質化の効果を抑え、半
導体膜中で結晶化させた卸域内の欠陥密度を小さくし、
低温で良質の結晶粒が得られるよう作用する。

［実施例］ 本発明を以下に実施例に基いて説明する。第１図、第２
図、第３図、第４図は、それぞれ本発明の実施例１．　
２．　３．　４の工程説明図である。第５図、第６図は
実施例１の注入したイオンの濃度分布を示す図であり、
第７図は実施例４の注入したイオンの濃度分布を示す図
である。

実施例１ 石英ガラスとアルカリ土類・アルミナボロシリケートガ
ラス（フーニング社製商品名７０５９ガラス）の２種の
ガラス基板上に、シランガスを原料とするプラズマＣＶ
Ｄ法により結晶核を含む非晶質珪素膜を１５０ｎｍの膜
厚で堆積した（第１図（ａ））。次に珪素を、加速エネ
ルギー１８０ｋｅＶ、　ドーズ量５　Ｘ　Ｉ　Ｏ１６個
”’ｃｍ２、ビーム電流密度６μＡ／Ｃｍ２で基板加熱
をせずにイオン注入したく第１図（ｂ））。注入珪素の
分布の様子を封算（ＬＳＳ理論により）した結果を第５
図に示す。ごれら試料を、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５０ｎｍ程度の結晶核を含む非晶質であっ
た珪素膜が、６００ｎｍ程度の結晶粒を持つ多結晶珪素
膜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、３μＡ　／’　ｃ　ｍ　２
以下の１！流密度では結晶粒の成長が極端に低下するこ
とが明かとなった。また、最終的な結晶粒の粒径は結晶
核の密度によって決定され、ドーズ量を増加させても結
晶粒の粒径は増加しなかった。従って、非晶質珪素層の
全域が多結晶に変化したところで結晶成長は終了した。

一方、イオノビームの電流密度を低下させ、２μＡ／ｃ
ｍ２とし、３００℃程度に基板を加熱してイオン注入を
行ったところ、基板加熱を行わない場合と同様の粒径を
持つ多結晶珪素膜かいずれのカラス基板においても得ら
れた。

さらに、基板中に注入した珪素を酸化させるために、酸
素を加速エネルギー＋１０ｋｅＶ、ドズ！１ｘ１０＋７
個／ｃｍ”注入したく第１図Ｃ）。

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。この条件で計算した酸素の濃度分布を第６図に
示す。口の後、多結晶珪素膜にパターンを形成し、珪素
をエノチノグした部分の光吸収を調べたところ、酸素注
入を行っていない場合と比較して光吸収の顕著な抑制効
果か認められた。

実施例２ 実施例１と同じ２種のガラス基板上に、プラズマＣＶＤ
法により結晶核を含む非晶質珪素膜を１５０ｎｍの膜厚
で堆積した。この上に、酸化珪素をスパッタリング法に
より２００ｎｍ堆積し、酸化膜にフォトリングラフ工程
を通して１辺が５００ｎｍの正方形のマスクを３μｍ毎
に設けた（第２図（ａ））。次に、珪素を加速エネルギ
ーｌ００ｋｅＶ、　ドーズ量ｌＸｌ０”個／ｃｍ２、　
ビーム電流密度１μＡ。・Ｃｍ２て基板加熱をしないで
イオン注入し、７７りのない部分の非晶質化を行ったく
第２図（ｂ））。この後、酸化珪素膜を除去し、さらに
珪素を加速エネルギー１８０ｋｅＶ、ドズＩｔ５ｘｌ□
＋ａ個／ｃｍ２、ビーム電流密度２μＡ、／　ｃ　ｍ　
２、基板加熱３００℃の条件でイオン注入したく第２図
（Ｃ））。この試料を透過電子顕微鏡観察および透過電
子線回折により評価したところ、いずれのガラス基板に
おいても３μｍ程度の比較的粒径の揃った多結晶珪素膜
が形成されていることが分かった。

実施例３ 実施例１と同じ２種のガラス基板上に、プラズマＣＶＤ
法により非晶質珪素膜を１５０ｎｍの膜厚で堆積した（
第３図（ａ））。次に、珪素を加速エネルギー１８０　
ｋ　ｅ　Ｖ、　　ドーズ量３Ｘ１０”個／ｃｍ２、ビー
ム電流密度１０μＡ／ｃｍ２、基板加熱なしの条件でイ
オン注入し、結晶相の形成を行った（第３図（ｂ））。

この後、結晶相の密度を減少させるため、珪素を加速エ
ネルギー１８Ｑ　ｋ　ｅ　Ｖ、　　ドーズｊｌｌｘ＋　
０＋ｓ個、／Ｃｍ２、　ビーム電流密度：１μＡ／ｃｍ
”、基板加熱２００°Ｃの条件でイオン注入し、粒径が
小さい結晶相を非晶質化した（第３図（Ｃ））。さらに
、残った結晶相を成長させ、膜全体を結晶化するため、
珪素を加速エネルギー１８０ｋｅＶ、ドーズ量５Ｘ１０
１６個、’Ｃ１ｎ２、ビーム電流密度２μＡ／Ｃｍ２、
基板加熱３００℃の条件でイオノ注入した（第３図（ｄ
））。この試料を透過電子顕微鏡観察および透過電子線
回折により評価したところ、３μｍ程度の粒径の多結晶
珪素膜が形成されていることが分かった。また、第３図
（Ｃ）まで加工した試料に、窒素雰囲気中で６００℃５
時間熱処理を加え、同様の評価を行ったところ、３μｍ
程度の粒径の多結晶珪素膜がいずれの基板にも形成され
ていることが分かった。なお、熱処理による結晶成長は
、レーザーやランプによるものでも可能であった。

実施例４ 単結晶ガリウム砒素基板上に、スパッタ法により非晶質
珪素膜を１５０ｎｍの膜厚で堆積した（第４図（ａ））
。次にアルゴンを、加速エネルギー　２８０　ｋ　ｅ　
Ｖ、　ドーズ１１５ｘｌ□＋ａ個、、／Ｃｒｒ１２、ビ
ーム電流密度２μＡ、’Ｃｍ２、基板加熱２５０℃の条
件でそれぞれイオン注入したく第４図（ｂ））。注入ア
ルゴンの分布の様子を第７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
珪素膜が、はぼ−様な単結晶珪素膜に成長している様子
が認められた。

なお、アルゴン注入によるガリウム砒素基板中の欠陥は
、熱処理により回復か可能であった。

［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あるいはへテロエピ
タキシャル成長を、低温で実現できる。従来の加熱によ
る高温プロセスでは熱による変形や基板構成元素の拡散
等で半導体用とじで使用できなかった基板が、本発明に
より使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図は、本発明による多結
晶半導体膜の製造方法を説明するための図である。第５
図、第６図、第７図は、本発明の実施例１〜３て注入し
たイオンの１度分布を説明するための図である。 ３結晶相 ２ａｘ、＊珪素膜 Ｓｉ”　　　Ｓｉ”　Ｓｉ”　　Ｓｉ”１１１１１ｉ１ ４５９八昌ｊ　月な 璽 會 ★ 第 図 Ｓｉ◆　　Ｓ１◆　　Ｓｉ÷　　Ｓｉ◆會會ｌ１ｌ Ｓ１◆　　Ｓ１◆　　Ｓ１◆　　Ｓ１÷１１１１ 第 図 イ非晶質珪素膜 ＋ｌｉＮ 甚 １（ ＋＋＋１＋＋＋ Ｓｌ“ ＋＋＋＋＋＋＋１ 第 図 Ａｒ◆　　Ａｒ４−　　Ａｒ＋　　Ａｒ◆＋ｌ１ｉｔｆ
ｌ１ ８単結晶珪素膜 第 図 第５図 深さ／ｎｍ 第６図 第 ７ 図 手続補正書 平成２年９月２９ 日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に結晶を含む非晶質半導体を形成する工程と
   、前記形成された非晶質半導体膜の表面から、注入イオ
   ンの投影飛程が前記非晶質半導体の膜厚より大きくなる
   ようにイオン注入する結晶成長工程とを含む、多結晶半
   導体膜を基板上に製造する方法。 ２）前記非晶質半導体膜中に含まれる前記結晶の部を、
   非晶質化することにより、結晶の密度および／または位
   置を調整する制御工程を、前記結晶成長工程に先立ち、
   設けることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の方法 ３）前記制御工程が、前記非晶質半導体膜の表面に収束
   イオンビームを間隔をあけて照射してイオンを注入する
   ことからなる特許請求範囲第２項記載の方法。 ４）前記制御工程が、前記非晶質半導体膜の表面を所定
   形状にマスキングし、その後マスキングされない前記非
   晶質半導体膜の露出表面から、イオンを注入することか
   らなる特許請求範囲第２項記載の方法。 ５）前記結晶成長工程が、前記基板が単結晶半導体また
   は単結晶絶縁体であり、前記非晶質半導体膜が前記基板
   とは組成が異なる、ヘテロエピタキシャル成長工程であ
   る特許請求範囲第１項及至第４項のいずれかの項に記載
   の方法。