JPH03265123A - Formation of crystalline semiconductor film - Google Patents

Formation of crystalline semiconductor film

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JPH03265123A
JPH03265123A JP6482890A JP6482890A JPH03265123A JP H03265123 A JPH03265123 A JP H03265123A JP 6482890 A JP6482890 A JP 6482890A JP 6482890 A JP6482890 A JP 6482890A JP H03265123 A JPH03265123 A JP H03265123A
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JP
Japan
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substrate
semiconductor layer
amorphous
crystalline semiconductor
crystalline
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Application number
JP6482890A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidemasa Mizutani
英正 水谷
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Canon Inc
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Canon Inc
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は結晶質半導体層の形成方法に関し、特に多結晶
の結晶性および結晶粒径を改善して高性能の薄膜トラン
ジスタ(TPT)を形成するのに好適な結晶質半導体膜
の形成方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for forming a crystalline semiconductor layer, and in particular to improving the crystallinity and crystal grain size of polycrystals to form a high-performance thin film transistor (TPT). The present invention relates to a method for forming a crystalline semiconductor film suitable for.

[従来の技術] 従来より、LPCVD法等によりガラス基板上に多結晶
シリコン膜を堆積し、それを用いてTPTを形成する技
術があるが、最近はTPTの高性能化が強く求められて
きつつある為、多結晶シリコン自体の高品質化が望まれ
ている。例えば最近の学会発表では、多結晶シリコン膜
にシリコンを高ドーズでイオン注入し、完全に非晶質化
した後、600℃程度で長時間アニールし、固相成長さ
せる事で大粒径多結晶を得る例が知られている。
[Conventional technology] Conventionally, there has been a technology to deposit a polycrystalline silicon film on a glass substrate by LPCVD method or the like and use it to form TPT, but recently there has been a strong demand for higher performance of TPT. Therefore, it is desired to improve the quality of polycrystalline silicon itself. For example, in a recent conference presentation, silicon was ion-implanted at a high dose into a polycrystalline silicon film to make it completely amorphous, and then annealed at about 600°C for a long time to grow in a solid phase, resulting in large-grain polycrystals. There are known examples of obtaining .

[発明が解決しようとする課題] このような方法において、その結晶化の過程を考えてみ
るに、高ドーズ(1o16〜to+7/c rn” )
のSiイオン注入によって完全に非晶質化された後のア
ニールにおいて、結晶核が低い発生密度で生じ、それが
固相成長して互いにぶつかり合った所で結晶粒界が生じ
、結晶粒径が定まる。
[Problem to be solved by the invention] In such a method, considering the crystallization process, it is found that
During annealing after completely becoming amorphous by Si ion implantation, crystal nuclei are generated at a low density, grow in a solid phase, and where they collide with each other, grain boundaries are formed and the crystal grain size decreases. Determined.

但し、この固相成長した結晶粒は、通常プントリックと
称せられるツイン・バウンダリーやその他の欠陥が多く
含まれている。結晶核は一般的に半導体シリコン層の上
または下界面で主に発生し易く、その時、初期の戒°長
過程で下地のアモルファスガラス基板等の影響を多く受
けるものと思われる。そして上下界面の界面状態によっ
ては初期の成長段階で積層欠陥等が多く入り易くなるも
のと想像される。
However, this solid-phase grown crystal grain contains many twin boundaries, which are usually called puntrik, and other defects. Generally, crystal nuclei tend to occur mainly at the upper or lower interface of the semiconductor silicon layer, and at that time, it is thought that they are largely influenced by the underlying amorphous glass substrate etc. during the initial stretching process. Depending on the interface conditions between the upper and lower interfaces, it is assumed that many stacking faults and the like are likely to occur in the initial growth stage.

また、結晶粒径は結晶核の発生密度によって決まるが、
この核の発生密度はイオン注入量依存性とともに、下地
基板との界面状態によっても大きく影響されると思われ
る。したがって、界面状態を良好に保たないと粒径を再
現性よくコントロールする事は困難となる。
In addition, the crystal grain size is determined by the density of crystal nuclei,
It is thought that the density of nuclei generated is greatly influenced by the state of the interface with the base substrate as well as the dependence on the ion implantation amount. Therefore, it is difficult to control the particle size with good reproducibility unless the interface state is maintained well.

[課題を解決するための手段] 本発明の結晶質半導体層の形成方法は、プラズマと基体
との間に相対電位を与えつつ、該基体に半導体膜を堆積
させるスパッタリング工程中に、該相対電位を制御する
ことによって基体側に入射されるイオン衝突エネルギー
を制御して非晶質半導体層、結晶質半導体層、非晶質半
導体層を該基体上に順次堆積させ、更にその後、前記基
体をアニールすることにより、前記結晶質半導体層近傍
より核成長させて前記非晶質半導体層を結晶化すること
を特徴とする。
[Means for Solving the Problems] The method for forming a crystalline semiconductor layer of the present invention provides a method for forming a crystalline semiconductor layer during a sputtering process in which a semiconductor film is deposited on a substrate while applying a relative potential between a plasma and a substrate. By controlling the ion collision energy incident on the substrate side, an amorphous semiconductor layer, a crystalline semiconductor layer, and an amorphous semiconductor layer are sequentially deposited on the substrate, and then the substrate is annealed. By doing so, the amorphous semiconductor layer is crystallized by causing nuclei to grow from the vicinity of the crystalline semiconductor layer.

高品質の結晶性を有し、粒径のコントロールされた多結
晶半導体膜を得るものである。
A polycrystalline semiconductor film having high quality crystallinity and controlled grain size is obtained.

[作用コ 以下に本発明の作用を詳細な構成とともに説明する。[Action Co. The operation of the present invention will be explained below along with the detailed configuration.

本発明では、プラズマと基体との間に相対電位を与えて
スパッタリングを行うが、そのための手段をまず説明す
る。
In the present invention, sputtering is performed by applying a relative potential between the plasma and the substrate, and the means for doing so will first be explained.

第1図は基体が絶縁物である場合における相対電位を与
えつつスパッタリングを行うための装置構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for performing sputtering while applying a relative potential when the substrate is an insulator.

基板1は、スパッタリングチャンバー2内に設置され、
それに対向した位置にウェハ(例えばSiウェハ)を用
いたターゲット3が固定されている。このターゲット3
は100MHzのRFパワーがRF電源4より印加され
るとともに、0〜400VまでのDCバイアスがDC電
源5よりロー・パス・フィルター6を介して印加される
。一方絶縁物基体1にも13.56MH,のRFパワー
がR’F電源7よりロー・バス・フィルター8を介して
印加される。
A substrate 1 is installed in a sputtering chamber 2,
A target 3 made of a wafer (for example, a Si wafer) is fixed at a position facing it. This target 3
An RF power of 100 MHz is applied from an RF power source 4, and a DC bias of 0 to 400 V is applied from a DC power source 5 via a low pass filter 6. On the other hand, RF power of 13.56 MH is also applied to the insulating substrate 1 from the R'F power supply 7 via the low bus filter 8.

このような構成でターゲットにRFパワーを印加してプ
ラズマを発生させた時、一般に基体表面にはセルフバイ
アスが生じるが、基板側にもRFパワーを印加させる事
によりこのセルフバイアス、即ちプラズマ電位と基板電
位との相対電位を変化させる事ができる。この変化量は
プラズマ状態や電極面積等の種々の条件で決まるが、一
般には、基体1側のRFパワーの平方根に比例する電圧
が加わる。
When RF power is applied to the target in this configuration to generate plasma, a self-bias is generally generated on the substrate surface, but by applying RF power to the substrate side, this self-bias, that is, the plasma potential The relative potential to the substrate potential can be changed. This amount of change is determined by various conditions such as the plasma state and the electrode area, but generally a voltage proportional to the square root of the RF power on the base 1 side is applied.

このように、基体が絶縁物であっても、基体にRFパワ
ーを印加する事で、基体表面のセルフバイアスを変化さ
せる事が可能で、その結果プラズマ電位どの相対電位に
より加速されたイオンはその衝突エネルギーが制御され
た基体1に入射する。
In this way, even if the substrate is an insulator, by applying RF power to the substrate, it is possible to change the self-bias of the substrate surface, and as a result, ions accelerated by the relative potential of the plasma Collision energy is incident on the controlled substrate 1.

本発明では、この衝突エネルギーをスパッタリング途中
で変化させることにより、基体上に、非晶質、結晶質、
非晶質と順次堆積する。
In the present invention, by changing this collision energy during sputtering, amorphous, crystalline,
Amorphous and sequentially deposited.

相対電位が変化することにより堆積膜の結晶性が相違す
ることは第2図により示される。これは、Appl p
hy Lett Vol 153 No、5 p364
 (1988)に記載されているように、Si基板上に
Siスパッタ堆積を行ったものである。この図から明ら
かなように、例えばターゲット・バイアスを一200V
とした場合、第1ステツプでは−5〜−10V、第2ス
テツプでは、+5〜−5V、第3ステツプでは−5〜−
10Vと相対電位(基板バイアス電圧)を制御すれば、
非晶質、結晶質、非晶質の順に半導体層を堆積させるこ
とができる。なお、層の厚さは堆積時間により調整すれ
ば任意の厚さとすることができる。このように相対電位
を異ならしめると結晶性が異なってくる理由は、第1、
第3ステツプでは、実質的なイオン衝突エネルギーが大
きい為、ダメージ効果によって非晶質化し、一方、第2
ステツプでは丁度シリコン原子が結晶配列するのに適当
なエネルギーが与えられるためと推定される。
FIG. 2 shows that the crystallinity of the deposited film changes as the relative potential changes. This is Appl p
hy Lett Vol 153 No, 5 p364
(1988), Si sputter deposition was performed on a Si substrate. As is clear from this figure, for example, if the target bias is -200V
In this case, the first step is -5 to -10V, the second step is +5 to -5V, and the third step is -5 to -10V.
If you control 10V and relative potential (substrate bias voltage),
Semiconductor layers can be deposited in the order of amorphous, crystalline, and amorphous. Note that the thickness of the layer can be adjusted to any desired thickness by adjusting the deposition time. The reason why the crystallinity differs when the relative potential is different is as follows:
In the third step, since the substantial ion collision energy is large, it becomes amorphous due to the damage effect, while the second step
It is presumed that this is because the step provides just the right amount of energy to crystallize the silicon atoms.

このように、本発明は、非晶質基体上に半導体膜を堆積
させる際、その半導体膜の堆積の途中で、膜に飛来する
イオンの衝突エネルギーを変化させる事で、結晶質の半
導体層が間にはさまれた非晶質半導体層を形成するとこ
ができる。
As described above, the present invention enables the formation of a crystalline semiconductor layer by changing the collision energy of ions flying into the film during the deposition of the semiconductor film on an amorphous substrate. An amorphous semiconductor layer sandwiched therebetween can be formed.

さらに本発明では、このような結晶質の半導体層が間に
はさまれた非晶質半導体層の堆積が終了した後にアニー
ルを行う。アニールを行うと間にはさまれた結晶質層か
ら固相成長が生じ、非晶質層は結晶質層に変化する。こ
のように、結晶成長は結晶質層から生ずるため、従来技
術とは異なり下地基板との界面状態の影響を排除するこ
とが可能となる。
Furthermore, in the present invention, annealing is performed after the deposition of such an amorphous semiconductor layer sandwiched between crystalline semiconductor layers is completed. When annealing is performed, solid phase growth occurs from the interposed crystalline layer, and the amorphous layer changes to a crystalline layer. In this way, since crystal growth occurs from the crystalline layer, unlike the prior art, it is possible to eliminate the influence of the interface state with the underlying substrate.

なお、固相成長が生ずる際の核の発生密度ひいては固相
成長した結晶の粒径は主として、第2ステツプにおける
、衝突エネルギーによって変化させる事が可能となる。
It should be noted that the density of nuclei generated when solid phase growth occurs, as well as the grain size of the solid phase grown crystals, can be changed mainly by the collision energy in the second step.

例えば、ターゲットバイアスが一200Vの時、第2図
から示されるように実質的な相対電位を一10Vから一
5■の範囲と選択すれば結晶質層が堆積することは前述
した通りであるが、さらに、−10Vから一5vの範囲
内において相対電位を変化させると結晶質層の結晶粒径
も変化する。この相対電位を変化させる事でアニール後
の最終的な結晶粒径が変化する事を確認した。これは即
ち、セルフバイアス、つまりイオン衝突エネルギーの変
化によって結晶核の発生密度が変化している為だと思わ
れる。
For example, as mentioned above, when the target bias is 1200V, if the effective relative potential is selected to be in the range of 110V to 15V as shown in Figure 2, a crystalline layer will be deposited. Furthermore, when the relative potential is changed within the range of -10V to -5V, the crystal grain size of the crystalline layer also changes. It was confirmed that by changing this relative potential, the final crystal grain size after annealing changes. This is thought to be because the density of crystal nuclei generated changes due to changes in self-bias, that is, ion collision energy.

以上の説明では、基体として絶縁材料の場合を示したが
、基体が導電材料の場合は基板にはRFパワーではなく
DC電源によるDCバイアスを印加する事でセルフバイ
アスを変化させる事が可能である。
The above explanation shows the case where the substrate is an insulating material, but if the substrate is a conductive material, it is possible to change the self-bias by applying DC bias from a DC power source instead of RF power to the substrate. .

更に以上の説明で半導体材料としてシリコンを代表例と
して述べたが、他のGe等の半導体材料にも応用できる
事は自明である。その際、相対電位をどのように制御す
ればよいかはあらかじめ実験等により第2図に示された
ようなグラフを求めておけばよい。
Further, in the above explanation, silicon was used as a representative example of the semiconductor material, but it is obvious that the present invention can also be applied to other semiconductor materials such as Ge. At this time, how to control the relative potential can be determined by obtaining a graph such as the one shown in FIG. 2 in advance through experiments or the like.

[実施例コ 基体として5i02基板を用い、ターゲットとしてSi
ウェハを用い、第1図に示す装置を用いた。第1図に示
す装置に°おいてスパッタリングチャンハーヲ〜10−
” To r rの真空圧まで排気した後、5i02基
板1を350tに加熱した。しかる後、アルゴン(Ar
)ガスをチャンバー内に導入し、ガス圧が8X10−’
TorrRFパワーが40W、ターゲットバイアス−2
00V、実質的なS i 02表面バイアス−15Vに
設定し、Stスパッタを行った。
[Example] A 5i02 substrate was used as the substrate, and Si was used as the target.
A wafer was used and an apparatus shown in FIG. 1 was used. In the apparatus shown in FIG.
After evacuation to a vacuum pressure of Torr, the 5i02 substrate 1 was heated to 350T. After that, argon (Ar
) Gas is introduced into the chamber and the gas pressure is 8X10-'
TorrRF power is 40W, target bias -2
St sputtering was performed with the setting set to 00V and a substantial Si02 surface bias of -15V.

この第1ステツプでは、5i02基板表面にはスパッタ
されたSiが非晶質構造で1ooλ/分の°レートで堆
積された。第1ステツプとして5分間で500λのa−
5tを堆積した後、第2ステツプとして実質的な510
2基板バイアスを一5Vまで変化させた状態で15秒間
堆積した。
In this first step, sputtered Si was deposited on the surface of the 5i02 substrate in an amorphous structure at a rate of 10.lambda./min. 500λ a- for 5 minutes as the first step
After depositing 5t, a second step is to deposit a substantial 510
2 Deposition was performed for 15 seconds with the substrate bias varied to -5V.

そして第3ステツプとして上記第1ステツプと同じ条件
に戻し、5分間堆積し、全体で約1000入のa−Si
膜を5i02基板上に形成した。
Then, in the third step, the conditions were returned to the same as those in the first step, and the deposition was continued for 5 minutes.
A film was formed on a 5i02 substrate.

このようにして非晶質シリコンを1000入堆積した5
i02基板を600℃で100時間のアニール(熱処理
)をした所、結晶粒径が約2μmで非常に欠陥の少ない
多結晶粒が得られた。
In this way, 1000 pieces of amorphous silicon were deposited.
When the i02 substrate was annealed (heat treated) at 600° C. for 100 hours, polycrystalline grains with a crystal grain size of about 2 μm and very few defects were obtained.

そして、この多結晶化の途中で、半導体層の断面をTE
M観察した所、結晶核の発生が主として、膜の中央から
生じ、成長している事が判明した。
During this polycrystalization, the cross section of the semiconductor layer is subjected to TE.
M observation revealed that crystal nuclei were mainly generated and growing from the center of the film.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、特殊な工程を用い
なくとも、下地との界面状態の影響を排除することがで
き、大粒径の多結晶半導体膜を再現性良く得る事ができ
、更に多結晶粒の結晶性が良好な為、TPTに応用した
場合に極めて有用な多結晶半導体膜を形成する事ができ
る。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to eliminate the influence of the interface state with the base without using any special process, and it is possible to form large-grain polycrystalline semiconductor films with high reproducibility. Since it can be easily obtained and the crystallinity of the polycrystalline grains is good, it is possible to form a polycrystalline semiconductor film that is extremely useful when applied to TPT.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の実施例の方法を説明する為のスパッ
タチャンバーの概念図。第2図は、成膜条件例を示すグ
ラフ図である。 1・・・5i02基板、2・・・スッパタリングチャン
パー 3・・・ターゲット、4.7・・・RF電源、6
゜8・・・ロー・バス・フィルター 5・・・DC電源。 第 ・図
FIG. 1 is a conceptual diagram of a sputtering chamber for explaining a method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph diagram showing an example of film forming conditions. 1...5i02 board, 2...Sputtering chamberer 3...Target, 4.7...RF power supply, 6
゜8...Low bass filter 5...DC power supply. Fig.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] プラズマと基体との間に相対電位を与えつつ、該基体に
半導体膜を堆積させるスパッタリング工程中に、該相対
電位を制御することによって基体側に入射されるイオン
衝突エネルギーを制御して非晶質半導体層、結晶質半導
体層、非晶質半導体層を該基体上に順次堆積させ、更に
その後、前記基体をアニールすることにより、前記結晶
質半導体層近傍より該成長させて前記非晶質半導体層を
結晶化することを特徴とする結晶質半導体膜の形成方法
During the sputtering process in which a semiconductor film is deposited on the substrate while applying a relative potential between the plasma and the substrate, the collision energy of ions incident on the substrate is controlled by controlling the relative potential. A semiconductor layer, a crystalline semiconductor layer, and an amorphous semiconductor layer are sequentially deposited on the substrate, and then the substrate is annealed to grow the amorphous semiconductor layer from the vicinity of the crystalline semiconductor layer. 1. A method for forming a crystalline semiconductor film, comprising crystallizing.
JP6482890A 1990-03-15 1990-03-15 Formation of crystalline semiconductor film Pending JPH03265123A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130025789A1 (en) * 2001-06-15 2013-01-31 Tokyo Electron Limited Dry-etching method

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