JPH04180218A - 結晶物品及び結晶の成長方法 - 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、薄膜結晶及びその形成方法に係り、特に、複
数の薄膜結晶粒の核形成位置を制御して比較的低温で形
成し、隣接する結晶粒どうしの接した部分に形成される
粒界の位置、及び該結晶粒の大きさが制御された薄膜結
晶、及び、その形成方法に関する。

本発明は、例えば、半導体集積回路等の電子素子、光素
子等に利用される薄膜結晶に適用される。

〔従来の技術とその問題点〕

非晶質基板等の結晶性を有さない基体上に形成された非
晶質薄膜を、比較的大粒径の多結晶薄膜に固相成長させ
る結晶形成技術の分野におけるひとつの方法として、基
体上に予め形成した多結晶薄膜をイオン注入によって非
晶質化した後に、融点以下の低温におけるアニールによ
って固相成長させる方法が提案されている。例えば、非
晶質の５ＩＯ２表面上にＬＰＣＶＤ法によって堆積され
た、膜厚約１０００人程の微小粒径多結晶Ｓ１薄膜を、
Ｓビイオンの注入によって非晶質化した後に、Ｎ２雰囲
気中約６００℃でアニールすることにより、前記非晶質
化されたＳｉ薄膜が結晶化し、最大粒径が５μｍ程度の
多結晶薄膜になるという結晶形成方法が報告された（Ｔ
、Ｎｏｇｕｃｈｉ、Ｈ。

Ｈａｙａｓｈｉ　　ａｎｄ　　Ｔ、Ｏｈｓｈｉｍａ。

Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏｃ、１３４゜１’７
７１　　（１９８７））。この方法により得られる多結
晶薄膜の表面は平坦なままであるので、そのままＭＯＳ
トランジスタやダイオードのような電子素子を形成する
ことが可能である。またそれらの素子は、多結晶の平均
粒径がＬＰＣＶＤ法によって堆積したままの多結晶シリ
コン等に比べてずっと大きいために、比較的高性能のも
のが得られる。

しかしながらこの結晶形成方法においては、結晶粒径こ
そ大きいものの、その分布と結晶粒界の位置が制御され
ていない。なぜなら、この場合非晶質薄膜の結晶化は、
薄膜中のランダムな位置に発生した結晶核が、膜厚方向
を制限されながら面内に横方向成長して平板な結晶粒と
なる過程を採るため、隣接する結晶粒との接触点に生じ
る結晶粒界の位置もまたランダムに形成され、その結果
粒径が広い範囲に亘って分布してしまうからである。し
たがって、単に結晶粒の平均粒径が大きいだけでは以下
のような問題が生じる。例えばＭＯＳトランジスタにお
いては、ケートの大きさが結晶粒径と同程度、或いは、
それ以下になるために、ゲート部分には粒界が含まれな
いか、或いは、数個含まれるかである。粒界が含まれる
か否か或いは、１つか２つかという領域では、電気特性
が大きく変化する。そのために、集積回路等を形成する
場合、複数の素子間の特性に大きなばらつきが生じ、著
しい障害となっていた。

上記の固相結晶化による大粒径多結晶薄膜における問題
点のうち、粒径のばらつきを抑制する方法については特
開昭５８−５６４０６号公報で公開されている。その方
法を第６図を用いて説明する。まず第６図（ａ）に示す
ように非晶質基板ｌ上に形成した非晶質Ｓ１薄膜２の表
面に、他の材料からなる薄膜小片３を周期的に設けて、
この基板全体を通常の加熱炉でアニールする。すると非
晶質Ｓｉ薄膜２中で、薄膜小片３の周辺と接する箇所か
ら優先的に結晶核４の核形成が生ずる。そこでこの結晶
核をさらに成長させると、非晶質Ｓｉ薄膜２は全域にわ
たって結晶化し、第６図（ｂ）に示すような大粒径の結
晶粒群５からなる多結晶薄膜が得られる。特開昭５８−
５６４０６号公報によれば、この方法では先に示した従
来法と比較して、粒径のばらつきを１／３程度まで低減
できるという。

しかしながら、それでもまだ不十分である。例えば薄膜
小片３を１０μｍ間隔の格子点状に配した場合、粒径の
ばらつきは３〜８μｍの範囲に収められるに過ぎない。

更に結晶粒界位置の制御に至っては、殆ど制御されてい
ないのが実状である。

その理白は、非晶質Ｓｉ薄膜２と薄膜小片３の周辺部が
接する部分における弾性エネルギーの局在効果によって
、薄膜小片３の周辺に優先的な核形成が生じる為に、周
辺に沿って複数個の核が発生し、且つその数を制御する
ことが困難であるからである。

非晶質Ｓｉ薄膜の固相成長における核形成位置の制御方
法に関しては、他にも特開昭６３−２５３６１６号公報
等で提案されている。これらは第７図に示すように、非
晶質Ｓｉ薄膜２に局所的にＳｉ以外の物質３をイオン注
入した領域４を設けて、そこに優先的に結晶核を発生さ
せようとする方法である。しかしながら現実には、注入
されたイオンは領域４における核形成を促進することは
なく、逆に抑制する方向にはたらく為、そこに結晶核を
優先形成することは不可能である。

更に、より大粒径の結晶粒を規則正しく配置して、粒界
位置を制御することによって結晶粒径のばらつきを抑制
するには、非晶質薄膜の面内に結晶核が優先形成される
領域を設けるばかりでなく、同時にその周囲の領域では
、十分な結晶成長速度が確保されつつも、自発的な核形
成が抑制されていなければならない。例えば、前述の特
開昭５８−５６４０６号公報の方法において、よしんば
薄膜小片３の周囲で偶然単一の結晶核のみが形成された
としても、それが粒径にして最大で８μｍに達するまで
には、膜中でランダムな核形成が生じ、その成長を阻害
するために、それ以上の大粒径の結晶粒は望むべくもな
いのである。

以上述べてきたように、従来から提案されている技術に
は、幾つもの克服すべき問題点が存在していると言える
。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は、非晶質薄膜中における結晶核形成過程
が、該非晶質薄膜の構成物質のイオン注入における注入
状態、薄膜そのものの膜厚、アニール温度等に依存する
こと、及び、核形成以降の結晶成長速度が膜中における
不純物の存在によって増速されることを利用し、懸かる
不純物が導入された非晶質薄膜の面内に、核形成過程の
異なる領域を形成した上で、これを融点以下の温度でア
ニールすることによって、面内の特定の位置だけに確実
に単一の結晶核を優先形成し、更にそれらを周囲まで速
やかに横方向成長させることによって、隣接する結晶粒
との間の粒界位置と粒径の制御された、大粒径の結晶粒
群からなる結晶薄膜を提供するものである。

〔実施態様〕

以下に、本発明による結晶薄膜の形成方法をその原理か
ら詳しく説明する。

一般に、結晶性表面を有さない下地基板上に形成された
非晶質薄膜を、融点以下の温度におけるアニールによっ
て固相のまま再結晶させると、結晶化は非晶質薄膜中に
おける自発的な結晶核の核形成を初端として始まる。そ
して、核形成後の結晶粒の成長レートと膜中における核
形成頻度に対して非晶質薄膜の膜厚が十分に薄い場合は
、膜中に核形成した結晶粒は自らの成長によって直ちに
薄膜の膜厚方向を占めてしまい、その後は薄膜の面内に
横方向成長するばかりとなる。

したがって、斯様な結晶化過程において均一な粒径の平
板な結晶粒を規則正しく配して成長させるには、第一に
、非晶質薄膜面内の二次元的な任意位置に、単一の結晶
核を優先形成する必要がある。即ち、第１図に示した薄
膜平面図の（ａ）の如く、面内に於て核形成の生じ易い
「核形成領域」１を、反対に核形成の生じ難い「非核形
成領域」２に周囲を囲まれるようにして周期的に配し、
それら核形成領域中で単一の結晶核３が選択的に形成さ
れればよい。

２種類の領域間に核形成に関する選択性を与えるものは
、核形成の潜伏時間の差である。非晶質薄膜をアニール
して固相で結晶化させた場合、アニールを開始してから
最初の核形成が生じるまでの潜伏時間（ｉｎｃｕｂａｔ
ｉｏｎ　　ｔｉｍｅ）が観測されることはよく知られて
いるが、本発明の発明者は探索の結果、後に詳述するよ
うな手法によって、この潜伏時間を制御する方法、そし
て更に、異なった潜伏時間を有する領域を非晶質薄膜の
面内に同時に形成する方法を見出した。

しかしながら、核形成領域に優先的に核形成するだけで
は、そこに単一の結晶核を選択形成することにはならな
い。なぜなら、この核形成領域は有限の面積を持つため
に、潜伏時間を経て最初の結晶核が発生した後にも、領
域内における核形成頻度（ｎｕｃｌｅａｔ　ｉｏｎ　　
ｒａｔｅ）の与える確率で次なる核形成を生じるからで
ある。したがって、核形成領域において単一の結晶核を
選択形成するには、領域内に最初に発生した結晶核が横
方向成長して結晶粒となり、領域全域を占拠してしまう
までに新たな核形成が生じることは許されず、この条件
は領域の大きさと、領域内における核形成頻度と結晶成
長速度（ｇｒｏｗｔｈ　　ｒａｔｅ）の比の関係に制限
を加える。例えば、第１図に図示したような、ａＸａ四
方の正方形の核形成領域における、単位面積・単位時間
あたりの核形成頻度γ８、及び、結晶核の成長速度υヶ
が時間に依存しなければ、上記の条件は次なる不等式で
表される。

そこで、核形成領域内においては、前記選択性からの核
形成の潜伏時間への要請のみならず、領域の可能な大き
さａに対して核形成頻度及び結晶成長速度も制御されて
いなければならない。それらを制御する方法についても
、先の潜伏時間の制御方法と同様、後に詳述する。

核形成領域において、単一の結晶粒の選択形成に成功し
たなら、第二に、それらを周囲の非核形成領域にまで横
方向成長せしめて（第１図（ｂ））、遂には隣接する核
形成領域から成長してきた結晶粒と成長端面を接して、
それら二つの核形成領域の中間に結晶粒界４を形成させ
る（第１図（Ｃ））。

その為には、一つの核形成領域に選択形成された結晶粒
が占拠を担うべき、その核形成領域を中心とするｂｘｂ
四方の非核形成領域の周縁まで結晶粒３が成長し尽くす
までに、非核形成領域に一切の核形成が生じてはならな
い。この条件は、両頭域の面積・幾何学的形状と両頭域
における核形成の潜伏時間、及び、結晶成長速度の間の
関係に制限を加えるものである。例えば、核形成領域が
第１図に示したような正方格子点状に配されているとす
ると、上記条件は開領域内それぞれにおける核形成潜伏
時間τ１、τｂと結晶成長速度υ２、υ、に対して、下
の不等式で表される。

したがって、非核形成領域においては、核形成の潜伏時
間が核形成領域におけるそれよりも単に長く選択性があ
るだけではなく、上式を満たすほとの差を有するように
制御されていなければならない上に、一方で結晶成長速
度も十分確保されておらねばならない。

次に、これまで述べた本発明による結晶薄膜の成長方法
を実施するに欠かせない、非晶質薄膜中における核形成
の潜伏時間及び核形成頻度の制御方法について記す。

第一に、発明者は非晶質薄膜中における結晶核の核形成
が、結晶化の為の熱処理に先立った、該非晶質薄膜の構
成元素のイオン注入によって抑制し得ることを見出した
。しかもその場合、核形成の潜伏時間及び核形成頻度は
、イオン注入における注入エネルギー或いは注入ドーズ
によって制御し得るのである。例えば核形成の潜伏時間
は、ある一定の膜厚の非晶質薄膜へのイオン注入のエネ
ルギーを変化させてみると、第２図に表したように、注
入イオンの投影飛程が丁度膜厚と等しくなる、即ち下地
表面との界面に位置するエネルギーにおいて極大を示す
ことが分かった。また、核形成頻度も潜伏時間と同様、
その投影飛程が界面に位置するエネルギーにおいてイオ
ンを注入した場合、最も低い値を与えた。更に、注入エ
ネルギーを固定して注入ドーズを変化させて調べると、
あるドーズ量まではその増加と共に核形成の潜伏時間が
伸長し、核形成頻度は低下するのである。

そこで、第３図（ａ）の断面図に示すように、それぞれ
イオン注入の状態の異なる核形成領域ｌ及び非核形成領
域２を下地基板４上の非晶質薄膜３の面内に形成し、そ
れぞれの面積及び幾何学的形状と領域内における核形成
頻度・核形成潜伏時間及び結晶成長速度を先に述べた条
件を満たすように設定すれば、熱処理によって核形成領
域１に優先的に結晶核５が形成され（第３図（ｂ））、
その単一の核が成長して核形成領域１を埋め尽くした後
に、非核形成領域２にまで成長して結晶粒６となり（第
３図（Ｃ））　、やがては隣接する核形成領域１′から
成長してきた結晶粒６′と成長端面を接して、粒界７を
形成するに至るのである。

第二に、発明者は、非晶質薄膜中における結晶核の核形
成過程が、薄膜そのものの膜厚に依存することを見出し
た。即ち、一般に薄膜の膜厚が厚いほど、熱処理過程に
おける核形成の潜伏時間は短く、核形成頻度は高いので
ある。そこで、結晶化が完了したあかつきに、局所的に
膜厚の厚い領域が面内に存在することが、結晶化薄膜の
用途を損なうことがないならば、次なる構成の成長方法
をもって、初期の目的を達することができる。まずは、
第４図（ａ）の断面図に示すように、膜厚の厚い核形成
領域１と膜厚の薄い非核形成領域２を面内に設けた非晶
質薄膜３を下地基板４上に形成する。但しここで、両頭
域における核形成潜伏時間・核形成頻度が、その投影面
積と領域内における結晶成長速度に対して前述の条件を
満たすように、それぞれの領域の膜厚を設定しなければ
ならない。そうすれば、熱処理によって、核形成領域１
において優先的に結晶核５が形成され、更にはその単一
の核か核形成領域ｌ内を全て結晶化させるであろう（第
４図（ｂ））。熱処理を続けるなら、この結晶核５は非
核形成領域２にまで横方向成長して結晶粒６と成り（第
４図（ｃ））　、やがては隣接する核形成領域１′から
成長してきた結晶粒６′と成長端面を接し、粒界７を成
すに至る。

ここに述べた選択的な核形成方法において、非核形成領
域２における核形成潜伏時間を更に伸長し、核形成頻度
をより低下させるために、前節に述べたイオン注入によ
る核形成制御を併用することも可能である。

第三に、発明者は非晶質薄膜の面内に温度分布を与えな
がら結晶化を生じさせる方法を編み出した。核形成とそ
れに引き続く核成長からなる結晶成長過程が、熱平衡状
態に近似できる系の下で行われる場合、それぞれの過程
を記述する諸量か温度に対して活性型の依存性を示すこ
とは、良く知られている。発明者の詳細な実験によれば
、非晶質材料の固相状態における結晶化過程も、例に洩
れず熱活性型であることが検証された。即ち、熱処理温
度が高いほど、核形成潜伏時間は短縮し、核形成頻度は
増大し、そして結晶成長速度は向上するのである。

そこで、第５図（ａ）に示すように、温度の高い核形成
領域１と温度の低い非核形成領域２か形成されるように
、下地基板４上に設けた非晶質薄膜３の面内に温度分布
を与えながらこれを熱処理すれば、核形成領域ｌにおい
て優先的に結晶核５が発生しく第５図（ｂ））　、その
成長によって核形成領域１全域が結晶化した後に、非核
形成領域２にまで横方向成長した結晶粒６は（第５図（
Ｃ））、遂には隣接する核形成領域１′から成長してき
た結晶粒６′と成長端面を接し、粒界７を成すに至る。

但しここで、両領域における核形成潜伏時間・核形成頻
度が、その投影面積と領域内における結晶成長速度に対
して前述の条件を満たすように、それぞれの領域におけ
る温度を設定しなければならない。

ここに述べた選択的な核形成方法において、非核形成領
域２における核形成潜伏時間を更に伸長し、核形成頻度
をより低下させるために、前々節に述べたイオン注入に
よる核形成制御や、前節の膜厚分布による方法を併用す
ることも可能である。

また上述の第一の方法では無論の事、第二、第三におい
てさえ、熱処理に先立つイオン注入の工程を追加すれば
、下地基板上に当初形成される薄膜は、必ずしも非晶質
状態で無くとも良い。例えば、薄膜が多結晶のような結
晶性を有する材料として形成されていても、上記のイオ
ン注入工程において非晶質化されれば良いのである。

以上述べてきた、三種の非晶質薄膜の面内における選択
的な核形成方法は、主に、核形成潜伏時間や核形成頻度
で記述される核形成過程を制御し、更に薄膜の面内にそ
れらの値の異なった領域を同時に存在させることを目的
としていると要約できる。説明の簡略のために特には触
れなかったか、何れの制御方法においても、核形成に関
する上記の二量のみならず、もう一つの重要な量である
結晶成長速度も同時に変化することは事実である。

しかも、核形成を抑制する、即ち、核形成潜伏時間を伸
長し、核形成頻度を低減させようとすると、それらの二
量はど顕著ではないものの、結晶成長速度もまた一般に
減速する傾向にある。一方、核形成領域における単一核
の選択形成、及び、非核形成領域への選択的な横方向成
長が両領域のサイズに課す条件は、先に詳しく説明した
ように、核形成頻度或は潜伏時間に対する結晶成長速度
の比によって決定される。したがってこのままでは、場
合によっては、核形成領域のサイズがその加工が困難な
ほど微細でなければならなかったり、非核形成領域の大
きさ即ち核形成領域間の距離が十分採れず１こ、結果と
して得られる結晶粒径が小さい範囲に制限されたりする
可能性も生ずる怖れがある。そこで本発明は、前述の三
種の核形成制御方法に加えて、次に説明する、結晶成長
速度を核形成とは独立に制御し増速する手法を併せて、
斯様な問題点を解決した。

本発明による、核形成過程と独立に結晶成長速度を増速
する手法とは、非晶質薄膜の面内で核形成過程を制御す
る前述の構成を採った上で、その材料に対する不純物を
膜中に導入して、熱処理を施す方法である。固相成長に
おける、不純物の導入による結晶成長速度の増速効果は
、従来から、固相エピタキシャル成長（Ｓｏｌｉｄ　　
ＰｈａｓｅＥｐ　ｉ　ｔ　ａｘｙ）の技術分野の研究に
おいて報告されてきた。固相エピタキシャル成長の手法
は、本発明の結晶成長方法とは異なり、結晶成長の種結
晶が単結晶基板表面によって予め用意されているので、
自発的な核形成の過程を要さないが、例えば、単結晶Ｓ
ｉ基板上に形成された非晶質Ｓｉ薄膜の単結晶基板表面
からの結晶化における結晶成長速度は、非晶質薄膜中に
導入されたＰやＢ等の不純物の存在によって、数倍に増
速されるという。

本発明の発明者は、予め単結晶表面のような種結晶を有
さすに、非晶質薄膜中における自発的な核形成を線端と
する結晶成長過程においても、熱処理に先立って薄膜中
に様々な不純物元素を含ませて、結晶化の結果、多結晶
薄膜となっていく過程を具に観測したところ、薄膜中の
任意位置に核形成した結晶核の横方向成長速度の平均値
が、不純物の種類やその濃度によっては数倍から数十倍
にも増加していることを初めて確認した。更に重要なこ
とには、成長速度の増加に対して、核形成頻度及び潜伏
時間は殆ど変化しないことも認めたのである。したがっ
て、斯様な不純物を、適当な濃度で、結晶化させる非晶
質薄膜に予め含有させておくことは、核形成過程とは独
立に結晶成長速度を制御する為の有効な手段たり得るの
である。

そこで、本章の前半で説明した、三通りの選択的な核形
成及び核成長方法において、非晶質薄膜中に不純物元素
を含有させてから、熱処理による結晶化を行うなら、不
純物を導入しない場合に比べて次のような利点が得られ
る。まず、核形成領域のサイズについては、不純物導入
以前よりも太きい領域においても、単一の結晶核が選択
形成できるようになり、また、導入以前にそれが可能で
あったサイズの核形成領域においては、単一核選択の確
度が向上する。そして、一つの核形成領域が担うべき周
辺の非核形成領域の面積も、拡大できる。更には、同じ
粒径の結晶粒群を成長させるのに必要な熱処理時間も短
縮される。即ち、不純物導入によって、以前よりも加工
プロセスの精度が緩和されると同時に、より大きな、整
った粒径の結晶粒群が短時間で得られるのである。

〔実施例〕

以下に、本発明による結晶成長方法を半導体結晶薄膜の
成長に適用した、幾つかの例について述べる。

〈第一実施例〉 初めに、溶融石英基板表面上に通常のＬＰＣＶＤ法によ
って、粒径数１００人程度の結晶粒からなる多結晶Ｓｉ
薄膜を１０００人の膜厚で堆積した。

この多結晶薄膜を非晶質化すると同時に、後に核形成領
域となる領域の核形成頻度を制御する為に、４０ｋｅＶ
のエネルギーに加速されたＳｉイオンを２　ｘ　１０”
ｃｍ−２のドーズで注入した。そして更に、結晶成長速
度増速の為に、４０ｋｅＶのエネルギーに加速されたＰ
イオンを２×ｌ０１５ｃｍ−２のドーズで注入した。

次に、非晶質化されたＳｉ薄膜の表面にフォトレジスト
を塗布し、これを通常のフォトリソクラフィー工程によ
って１．５μｍ角の領域が２０μｍ間隔の格子点状に残
るようにパターニングした。そして、このレジストをマ
スクとして、今度は７０ｋｅＶのエネルギーに加速され
たＳ１イオンを２．５Ｘ　１０”ｃｍ”のドーズで注入
した。ここで、レジストによってマスクされ、Ｓｉ薄膜
にはイオン注入されなかった領域は核形成領域となり、
それ以外の領域が非核形成領域となるようにしである。

そして、マスクとなったレジストを剥離した後に、最後
にこれをＮ２雰囲気中において温度を６００℃に保って
熱処理した。熱処理開始後３時間を経過したところで、
Ｓｉ薄膜の平面像を透過型電子顕微鏡で観察してみると
、２０μｍ間隔の各格子点位置に２〜３μｍ程の粒径を
持った単一の樹枝状結晶粒がきれいに配列していていた
。即ちこれは、核形成領域となるべき領域における単一
の結晶核の核形成と核成長に成功したことを意味してい
る。そこで、熱処理時間を１０時間まで延長したものを
観察してみると、Ｓｉ薄膜は全域にわたって結晶化し、
粒径２０±４μｍの結晶粒群が格子状に並んだ結晶化薄
膜となっていることが分かった。

また、石英基板状に形成するＳｉ薄膜を同じく通常のＬ
ＰＣＶＤ法によって、初めから非晶質状態で堆積し、二
重に亘るＳｌのイオン注入のドーズ量を、それぞれＩ　
Ｘ　１０”、２　Ｘ　１０１５ｃｍ−２と設定する以外
は上述の実施例と全く同様の工程で、Ｓｉ薄膜を結晶化
させても、多結晶状態から出発した場合とほぼ同等の結
果が得られた。

く第二実施例〉 初めに、アルミナ基板上に蒸着法によって非晶質Ｇｅ薄
膜を８００人の膜厚で堆積した。そして、結晶成長速度
増速の為に、これに１６０ｋｅＶのエネルギーに加速さ
れたＢイオンをＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ｃｍ−”のドーズでイ
オン注入した。次に、これを真空中で、基板温度を４０
０℃に保持しながら、同時に、Ｇｅ薄膜表面上で直径１
μｍに集束させた電子ビームを高速で走査して、５μｍ
間隔の格子点の箇所のみに、電子線が２ｍＷ−８で照射
されるようにして熱処理した。ここで、電子ビームが照
射されている領域は、周囲より温度が高くなるために核
形成領域となり、それ以外の領域は非核形成領域となる
。

斯様な熱処理を２時間はど行ったＧｅ薄膜の平面像を透
過型電子顕微鏡で観察してみると、電子線が照射されて
いたと思わしき５μｍ間隔の格子点位置に１〜１．５μ
ｍ程の粒径を持った単一の樹枝状結晶粒がきれいに配列
していた。即ちこれは、核形成領域となるべき領域にお
ける単一の結晶核の核形成と核成長に成功したことを意
味している。そこで、熱処理時間を７時間まで延長した
ものを観察してみると、Ｇｅ薄膜′は全域にわたって結
晶化し、粒径５±１μｍの結晶粒群が格子状に並んだ結
晶化薄膜となっていることが分かった。

〈第三実施例〉 初めに、Ｓｉウェハー表面上に通常のＬＰＣＶＤ法によ
って膜厚１０００人の非晶質３１３Ｎ４薄膜を形成し、
更にその上に、分子線蒸着法によって非晶質ＧａＡｓ薄
膜を２０００人の膜厚まで堆積した。

そして、このＧａＡｓ薄膜を通常のフォトリソグラフィ
ー工程によるエツチングで加工し、１０μｍ間隔の格子
点状に配された２μｍ角の領域はそのままにして、それ
以外の領域を表面から５００人程減じた。ここで、２０
００人の膜厚のまま残された２μｍ角の領域が核形成領
域となり、それ以外の膜厚が１５００人となった領域が
非核形成領域に成る。

次いで、結晶成長速度増速の為に、１２０ｋｅＶのエネ
ルギーに加速されたＳｉイオンを２Ｘ１０”ｃ　ｍ−２
のドーズで注入し、表面に保護層としてＳｉｇｈ膜を形
成した後に、Ａｓ雰囲気中において基板温度を４８０℃
に保って熱処理した。

斯様な熱処理を１時間はど行ったＧａＡｓ薄膜の平面像
を透過型電子顕微鏡で観察してみると、膜厚の厚い１０
μｍ間隔の格子点位置に１〜２μｍ程の粒径を持った単
一の樹枝状結晶粒がきれいに配列していた。即ちこれは
、核形成領域となるべき領域における単一の結晶核の核
形成と核成長に成功したことを意味している。そこで、
熱処理時間を１０時間まで延長したものを観察してみる
と、’　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ薄膜は全域にわたって結晶化し
、粒径１０±２μｍの結晶粒群が格子状に並んだ結晶化
薄膜となっていることが分かった。

〔発明の効果〕

本発明は、非晶質薄膜中における結晶核形成過程が、薄
膜へのイオン注入の状態、薄膜の膜厚、熱処理温度等に
依存すること、及び、核形成後の結晶成長速度が薄膜中
に含まれる不純物元素の存在によって増速されることを
利用し、面内に前者の状態の異なる領域が形成された薄
膜が増速効果を示す不純物元素を膜中に含有するように
して、これを融点以下の温度でアニールすることによっ
て、面内の特定の位置だけに人為的に単一の結晶核を優
先形成し、更にそれらを周囲まで横方向成長させて得ら
れる薄膜結晶、及び、その形成方法を提供するものであ
る。そしてこれによって、従来考案されていた方法では
実現し得なかった、非晶質薄膜中の固相成長における単
一の結晶核の選択核形成を、高い歩留まりを維持しなが
らも、容易な加工精度によって実現することを可能とし
、更には、規則的に配列した、より大粒径の結晶粒群を
短時間で成長させることを可能とする。その結果、本発
明による薄膜結晶の形成方法は、隣接する結晶粒との間
の粒界位置と粒径の制御された大粒径の結晶粒群からな
る薄膜結晶が得られることから、バラツキの少ない高性
能な各種素子を大面積に亘って形成できる結晶薄膜を提
供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による結晶薄膜の形成方法の工程を示す
平面図である。 第２図は本発明による薄膜結晶の形成方法の内で、非晶
質薄膜の面内の任意位置に結晶核を選択形成する一つの
方法の根拠を成す、非晶質薄膜へのイオン注入における
注入エネルギーと膜厚の比に対する、核形成の潜伏時間
の依存性の傾向を示す一つの例である。 第３図は本発明による薄膜結晶の形成方法の内で、非晶
質薄膜の面内の任意位置に結晶核を選択形成する一つの
方法の工程を示す断面図である。 第４図は本発明による薄膜結晶の形成方法の内で、非晶
質薄膜の面内の任意位置に結晶核を選択形成するもう一
つの方法の工程を示す断面図である。 第５図は本発明による薄膜結晶の形成方法の内で、非晶
質薄膜の面内の任意位置に結晶核を選択形成するもう一
つの方法の工程を示す断面図である。 第６図は薄膜結晶の形成方法における、ひとつの従来技
術の工程を示す断面図である。 第７図は薄膜結晶の形成方法における、もうひとつの従
来技術の工程を示す断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）非結晶性の表面上に、非晶質薄膜を固相成長によ
   って結晶化させた結晶薄膜を有する結晶物品において、
   該結晶薄膜が、該非晶質薄膜の面内に人工的に配された
   核形成領域に、熱処理の過程において優先形成された結
   晶核が該核形成領域外部の非核形成領域に横方向成長し
   た結果であるところの結晶粒から構成されており、且つ
   、該結晶薄膜が、結晶の構成元素以外の不純物を含んで
   いることを特徴とする結晶物品。
2. （２）非結晶性の表面上の非晶質薄膜を、固相成長によ
   って結晶化させる結晶薄膜の成長方法において、不純物
   を含んだ該非晶質薄膜の面内に、結晶核が発生し易い核
   形成領域を人工的に設け、これを熱処理することにより
   、該核形成領域に優先形成された結晶核を、領域外部の
   非核形成領域に横方向成長させることを特徴とする結晶
   成長方法。