JPS63283013A - Forming method for polycrystalline silicon thin film - Google Patents

Forming method for polycrystalline silicon thin film

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JPS63283013A
JPS63283013A JP11547887A JP11547887A JPS63283013A JP S63283013 A JPS63283013 A JP S63283013A JP 11547887 A JP11547887 A JP 11547887A JP 11547887 A JP11547887 A JP 11547887A JP S63283013 A JPS63283013 A JP S63283013A
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JP
Japan
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thin film
silicon thin
film
silicon
substrate
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JP11547887A
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Japanese (ja)
Inventor
Akio Kawamura
川村 昭男
Atsushi Kudo
淳 工藤
Masayoshi Koba
木場 正義
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To form a large particle sized polycrystalline silicon thin film in which orientation and plane azimuth are considerably made uniform by forming a silicon thin film on an amorphous substrate, forming a thin film having a larger thermal expansion coefficient than silicon in a strip state on the silicon thin film, and heat treating it. CONSTITUTION:A silicon thin film 12 is formed on an amorphous substrate 10. A thin film 13 having larger thermal expansion coefficient than silicon is formed in a strip state on the film 12. Then, it is heat treated to recrystallize the film 12 formed on the substrate 10 in a solid phase. Since a tensile stress is applied to the film 12 at the time of heating a sample but the film 13 exists, the stress is concentrated at the step of the film 13, and unified in a direction perpendicular to the step of the film 13. Crystal grains in a direction (112) through a twin having fast growing speed are grown along the direction of the stress. Thus, the film 12 in which the orientation and the plane azimuth are considerably made uniform is formed.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電界効果薄膜トランジスタ(F E T )
等の半導体装置の主要部を構成する多結晶シリコン薄膜
の形成方法の改良に関し、特に良好な動作特性を与え、
信頼性の高い半導体装置の主要部を構成する多結晶シリ
コン薄膜の形成方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention is directed to field effect thin film transistors (FET).
Regarding improvements in the method of forming polycrystalline silicon thin films that constitute the main parts of semiconductor devices such as
The present invention relates to a method for forming a polycrystalline silicon thin film that constitutes a main part of a highly reliable semiconductor device.

従来技術 多結晶シリコン薄膜は従来からM OS L S I 
(金属−酸化膜一絶縁物型大規俣集積回路)のデート電
極として使用されており、また近年には多結晶シリコン
薄膜を能動領域として用いるS○I(Sil 1con
−on  1nsulator)素子への適用や、液晶
表示素子用の薄膜トランジスタ(T P T )として
の応用など盛んに研究が進められでいる。
Conventional technology Polycrystalline silicon thin films have traditionally been MOS LSI
(metal-oxide film-insulator type large-scale integrated circuit), and in recent years, S○I (Sil 1con), which uses a polycrystalline silicon thin film as the active region,
Active research is being carried out on applications such as applications to (on 1 nsulator) devices and thin film transistors (T P T ) for liquid crystal display devices.

これらの素子特性はf1ヒ動領域に用いられる多結晶シ
リコン薄膜の膜質に大きく影響される。この膜質は主に
、薄膜を@成する結晶粒の粒径および、結晶粒間に存在
するシリコンの未結合手よりなるキャリアトラップ密度
により決定されるが、良好な特性を与える素子を構成す
るには、適用する多結晶シリコン薄膜がより大きな結晶
粒径をわち、かつ低キヤリアトランプ密度であることが
侵よれる。
These device characteristics are greatly influenced by the quality of the polycrystalline silicon thin film used in the f1 dynamic region. The quality of this film is mainly determined by the grain size of the crystal grains forming the thin film and the carrier trap density consisting of silicon dangling bonds existing between the crystal grains, but it is important to construct a device that provides good characteristics. The problem is that the applied polycrystalline silicon thin film has a larger grain size and a lower carrier Trump density.

従来から多結晶シリコン薄膜は、主に減圧化学気相(L
PGVD)法により形成されている。この方法によれば
、成膜温度G OO’C前後で非晶質基板上に多結晶シ
リコン薄膜か形成されるか、その膜厚が素子化に適用さ
れる0、1〜1μ「0の場合、結晶粒径は高々数1Or
+11+でしがない。さらにこの多結晶シリコン薄膜は
<110>方向に弱い配向性を持つものの、面方位は完
全に任意である。この薄膜を用いてTPTを構成すれば
、TPT特性から得られる電界効果移動度(μeff)
は、高さ1〜20 c+n2/ V・secであり、表
示画素表示用トランンスタとしては十分であるが、これ
らのトランノスタを駆動するシフトレノスタ等の駆動回
路を構築するには不充分である。
Traditionally, polycrystalline silicon thin films have been mainly produced using low pressure chemical vapor phase (L
PGVD) method. According to this method, a polycrystalline silicon thin film is formed on an amorphous substrate at a film formation temperature of around G , the crystal grain size is at most several 1 Orr.
It's +11+. Furthermore, although this polycrystalline silicon thin film has a weak orientation in the <110> direction, the plane orientation is completely arbitrary. If a TPT is constructed using this thin film, the field effect mobility (μeff) obtained from the TPT characteristics
has a height of 1 to 20 c+n2/V·sec, which is sufficient for display pixel display transistors, but is insufficient for constructing drive circuits such as shift renostars that drive these transnostars.

これに対し平均結晶粒径が0.1μI11以上の多結晶
シリコン薄膜を形成することが可能となれば、μeff
 > 100 can2/\1−sec     −(
1)の特性を持つTPTが得られ、駆動回路内蔵型液晶
表示装置が実現されることになる。さらに配向性を持ち
、面方位の揃った多結晶シリコン薄膜を形成すれば、移
動度のより以上の向上がもたらされ乞。また多結晶シリ
コン薄膜とデート絶縁膜との界面での界面準位の低減を
もたらす事から、TPTのしきい値電圧(\7■H)を
低減する事が可能となる。
On the other hand, if it becomes possible to form a polycrystalline silicon thin film with an average grain size of 0.1 μI11 or more, μeff
> 100 can2/\1-sec -(
A TPT having the characteristics 1) can be obtained, and a liquid crystal display device with a built-in driving circuit can be realized. Furthermore, if a polycrystalline silicon thin film with orientation and uniform plane orientation is formed, the mobility will be further improved. Furthermore, since the interface level at the interface between the polycrystalline silicon thin film and the date insulating film is reduced, the threshold voltage (\7■H) of the TPT can be reduced.

大粒径多結晶シリコン薄膜を得る方法として、エネルギ
ビームを利用する方法、あるいは固相成長による方法が
用いられている。+if者はレーザ゛もしくは加速した
電子によるエネルギビームをシリコン薄膜に照射して、
シリコン薄膜の溶融、再結晶化を行なうものである。こ
の方法によれば数μI以上の粒径を持つ多結晶シリコン
薄膜の形成も可能であるが、再結晶化領域はエネルギビ
ーム照射領域に限られ、基板全域において均一に大粒径
多結晶シリコン薄膜を形成することは困難である。
As a method for obtaining large-grain polycrystalline silicon thin films, a method using an energy beam or a method using solid phase growth is used. Those who wish to do so irradiate a silicon thin film with an energy beam from a laser or accelerated electrons.
It melts and recrystallizes silicon thin films. According to this method, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film with a grain size of several μI or more, but the recrystallized region is limited to the energy beam irradiation region, and the large-grained polycrystalline silicon thin film is uniformly formed over the entire substrate area. is difficult to form.

固相成長による方法は、非晶質基板上に形成した非晶質
もしくは多結晶シリコン薄膜を加熱し、固相において結
晶粒を成長させ火粒径多結品シリコン薄膜を得るもので
ある。多結晶シリコン薄膜を加熱して大粒径化を行なう
には、結晶粒間に存在する障壁を超えてシリコン原子を
拡散させるため、1000°C前後の高温を必要とする
のに対し、非晶質シリコン薄膜を加熱する場合には前記
のような障壁が存在しないため、500〜600°Cの
比較的低温で容易に大粒径化を11なうことができる。
In the solid phase growth method, an amorphous or polycrystalline silicon thin film formed on an amorphous substrate is heated to grow crystal grains in the solid phase to obtain a grain size polycrystalline silicon thin film. In order to increase the grain size by heating a polycrystalline silicon thin film, a high temperature of around 1000°C is required in order to diffuse silicon atoms over the barrier that exists between crystal grains. When heating a thin silicon film, since there is no barrier as described above, the grain size can be easily increased at a relatively low temperature of 500 to 600°C.

このとき、結晶粒は非晶質シリコン薄膜中に存在する微
結晶を核として成長するため、成長後の結晶粒の方位は
、微結晶の方位により決定される。
At this time, since the crystal grains grow using microcrystals present in the amorphous silicon thin film as nuclei, the orientation of the crystal grains after growth is determined by the orientation of the microcrystals.

したがって微結晶が任意な方位を持てば、固相成長後方
位の揃った多結晶シリコン薄膜を得ることはできないと
いう問題がある。
Therefore, if the microcrystals have an arbitrary orientation, there is a problem in that it is impossible to obtain a polycrystalline silicon thin film with uniform orientation after solid phase growth.

発明が解決しようとする問題点 本発明は、上記従来の諸問題の解決を試み、発明された
ものであり、良好な動作特性を有し信頼性の高い半導体
装置の主要部を構成する大粒径がつ配向および面方位の
がなり揃った多結晶シリコン薄膜の形成方法を提供する
ことを目的としている。
Problems to be Solved by the Invention The present invention was invented in an attempt to solve the above-mentioned conventional problems. It is an object of the present invention to provide a method for forming a polycrystalline silicon thin film having a uniform diameter orientation and plane orientation.

問題点を解決するための手段 本発明の多結晶シリコン薄膜の形成方法は、非晶質基板
上にシリコン薄膜を形成する工程と、このシリコン薄膜
上にシリコンよりも大きな熱膨張率を持つ薄膜を帯状に
形成した後、加熱処理を施すことにより、上記の非晶質
基板上に形成したシリフン薄膜を固相において再結晶化
させる工程とを含む。
Means for Solving the Problems The method for forming a polycrystalline silicon thin film of the present invention includes a step of forming a silicon thin film on an amorphous substrate, and a thin film having a coefficient of thermal expansion larger than that of silicon on the silicon thin film. The method includes a step of recrystallizing the silicon thin film formed on the amorphous substrate in a solid phase by performing heat treatment after forming it into a band shape.

本方法により非晶質基板上に配向および面方位のかなり
揃った大粒径多結晶シリコン薄膜を形成することができ
る。
By this method, a large-grain polycrystalline silicon thin film with fairly uniform orientation and surface orientation can be formed on an amorphous substrate.

なお、上記の非晶質基板上にシリコン薄膜を形成する工
程において形成されたシリコン薄膜は微結晶を含む非晶
質薄膜である。
Note that the silicon thin film formed in the step of forming a silicon thin film on the amorphous substrate described above is an amorphous thin film containing microcrystals.

また、シリコン薄膜を再結晶化させる工程は、1回以上
の加熱処理よりなり、第1回目の処理温度は500°C
以上650°C未満であることか望ましい。
In addition, the process of recrystallizing the silicon thin film consists of one or more heat treatments, and the first treatment temperature is 500°C.
It is desirable that the temperature be above 650°C.

作  用 シリコン薄膜の形成方法としては、C’、I D(Ch
eIIIical  Vupour  Del+osi
tion)!L P  CV  D  (Lou+Pr
essure Che+n1cal Vapour D
eposition)、プラズマCVD、真空蒸着、ク
ラスタイオンビーム法等があるが、本発明での非晶質基
板上にシリコン薄膜を形成する方法は上記いずれの方法
によってもよく、そのいずれかに限られるものではない
As a method for forming a silicon thin film, C', ID (Ch
eIIIical Vupour Del+osi
tion)! L P CV D (Lou+Pr
essure Che+n1cal Vapor D
The method for forming a silicon thin film on an amorphous substrate in the present invention may be any of the above methods, but is limited to any one of them. isn't it.

以下に一例として、クラスタイオンビーム法により説明
するが、本発明はこの方法に限定されるものではない。
The cluster ion beam method will be explained below as an example, but the present invention is not limited to this method.

クラスタイオンビーム法によるシリコン薄膜の形成は第
1図に示すように、ノズル3を有する密閉型るつぼ1内
に充填したシリコン2を加熱して蒸気化し、シリコン蒸
気をその圧力の少なくとも10分の1以下の圧力を有す
る雰囲気中に噴射させる。このシリコン蒸気にフィラメ
ント4から放出された電子を浴びせてイオン化し、加速
電極5で加速して中性粒子とともに基板表面7に射突堆
積させてシリコン薄膜を得る。なお、第1図において、
6はシヤツク、8は基板7の加熱用赤外線ランプ、9は
〃ス導入管である。
As shown in FIG. 1, the formation of a silicon thin film by the cluster ion beam method involves heating and vaporizing silicon 2 filled in a closed crucible 1 having a nozzle 3, and releasing the silicon vapor at a pressure of at least one-tenth of the pressure of the silicon 2. Inject into an atmosphere having a pressure of: The silicon vapor is ionized by being bombarded with electrons emitted from the filament 4, accelerated by an accelerating electrode 5, and deposited together with neutral particles on the substrate surface 7 to obtain a silicon thin film. In addition, in Figure 1,
6 is a shell, 8 is an infrared lamp for heating the substrate 7, and 9 is a gas introduction tube.

上記方法によればイオン種自身の化学的な活性、またイ
オンの加速によって与えられる運動エネルギを有効に利
用することによって、基板表面における原子間の結合を
促進し、さらにクラスタの崩壊などで生じる表面マイグ
レーションの効果によって、均質かつ緻密な薄膜の形成
が実現される。
According to the above method, by effectively utilizing the chemical activity of the ionic species itself and the kinetic energy given by the acceleration of the ions, bonding between atoms on the substrate surface is promoted, and the surface The migration effect realizes the formation of a homogeneous and dense thin film.

この方法により得られるシリコン薄膜の構造および特性
は真空室のペース真空度、基板温度、シリコンの蒸発速
度、イオン化率および加速電圧などによって影響される
が、シリコン薄膜の結晶性を決定する重要な要因は、基
板温度、イオン化率および加速電圧である。すなわち4
00℃以上の基板温度では形成されたシリコン薄膜はイ
オンの有無にかかわらず、多結晶質である。逆1こ30
0℃未満の基板温度では、結晶構造をもたぬ非晶質であ
る。これに対し基板温度300・〜400℃で形成した
場合には、100Å以下の微結晶が混在する非晶質薄膜
が得られる。
The structure and properties of the silicon thin film obtained by this method are affected by the degree of vacuum in the vacuum chamber, substrate temperature, silicon evaporation rate, ionization rate, accelerating voltage, etc., but important factors determine the crystallinity of the silicon thin film. are the substrate temperature, ionization rate and acceleration voltage. i.e. 4
At a substrate temperature of 00° C. or higher, the silicon thin film formed is polycrystalline regardless of the presence or absence of ions. Reverse 1ko30
At a substrate temperature of less than 0° C., it is amorphous without a crystalline structure. On the other hand, when the film is formed at a substrate temperature of 300.degree. to 400.degree. C., an amorphous thin film containing microcrystals of 100 .ANG. or less is obtained.

この薄膜中に含まれる微納品の密度および結晶性は、イ
オン量および加速電圧により制御が可能である。微結晶
粒の密度は最終的に得られる大粒径多結晶シリコン薄膜
の粒径を決定する重要な要因である。針なわち、シリコ
ン薄膜の形成後に行なう加熱処理により、結晶粒は微結
晶粒を核として、周囲の非晶質領域の原子と結合して成
長するが、その成長は隣接する結晶粒と衝突して止まり
、この時点で結晶粒径は決定される。
The density and crystallinity of the fine particles contained in this thin film can be controlled by the amount of ions and accelerating voltage. The density of microcrystalline grains is an important factor that determines the grain size of the finally obtained large-grained polycrystalline silicon thin film. In other words, by heat treatment performed after the formation of a silicon thin film, crystal grains grow by combining with atoms in the surrounding amorphous region using microcrystalline grains as nuclei, but this growth causes collisions with adjacent crystal grains. The grain size is determined at this point.

したがって微結晶粒の密度の低い方がより大粒径の多結
晶シリコンが得られるが、成長に多大の時間を要する他
、結晶粒径がトランノスタ等の素子と同等の大きさとな
ると、素子に含まれる結晶粒数1こよる特性バラツキが
生じあまり望ましくない。したがって最終的に得られる
多結晶シリコン薄膜の結晶粒径が0.1〜1μmとなる
ような、徽結品粒密度約5 X 10’/cu+2− 
I X 10 ”7cm2を持つ非晶質シリコン薄膜と
することが望ましい。
Therefore, the lower the density of microcrystalline grains, the larger the polycrystalline silicon grain size. This is not very desirable because the number of crystal grains in this case is 1, which causes variations in properties. Therefore, the crystal grain density is about 5 x 10'/cu+2- so that the crystal grain size of the polycrystalline silicon thin film finally obtained is 0.1 to 1 μm.
It is preferable to use an amorphous silicon thin film having a thickness of I x 10''7 cm2.

なお基板としては、シリカ膜、四窒化三ケイ素、耐熱性
ガラス等の非晶質基板を用いうる。
Note that as the substrate, an amorphous substrate such as a silica film, trisilicon tetranitride, or heat-resistant glass can be used.

上記のように本発明方法では、非晶質基板上に形成され
るシリコン薄膜は、その薄膜形成時点では微結晶を含む
非易ff薄膜である。
As described above, in the method of the present invention, the silicon thin film formed on the amorphous substrate is a non-ff thin film containing microcrystals at the time of forming the thin film.

次に微結晶を含む非晶質シリコン薄膜を再結晶化させ、
配向および面方位のかなり揃った大粒径多結晶シリコン
薄膜を形成する方法を説明する。
Next, the amorphous silicon thin film containing microcrystals is recrystallized,
A method for forming a large-grain polycrystalline silicon thin film with fairly uniform orientation and plane orientation will be described.

非晶質シリコン薄膜に加熱処理を施すと、シリコン原子
の再配列が起こり、固相において結晶粒の成長がもたら
される。
Heat treatment of amorphous silicon thin films causes rearrangement of silicon atoms, leading to grain growth in the solid phase.

しかし非晶質基板上に形成した非晶質シリコン薄膜を単
に加熱処理しただけでは、結晶粒の大粒径化は果たされ
るものの、結晶方位を制御することは困難である。これ
は成長核となる微結晶がランダムな結晶方位を持ち、こ
の結晶方位を引き継いで結晶粒が成長するためである。
However, simply heating an amorphous silicon thin film formed on an amorphous substrate makes it possible to increase the grain size of the crystal grains, but it is difficult to control the crystal orientation. This is because microcrystals that serve as growth nuclei have random crystal orientations, and crystal grains grow by taking over this crystal orientation.

しかし、固相での結晶粒の成長をもなら丈力の方向を一
定方向に制御してやれば、異なる結晶粒の方位を揃える
ことが可能となる。薄膜にががる応力は、薄膜自身の持
つ真性応力と、薄膜が形成されている基板および他の薄
膜からもたらされる外部応力があるか、加熱処理により
固相成長を行なう場合の応力は主に成長を行なうとする
薄膜の熱膨張率と、基板および他の薄膜の熱膨張率の差
より引き起こされる外部応力であり、真性応力は無視で
きる。
However, if the growth of crystal grains in the solid phase is controlled in a fixed direction, it becomes possible to align the orientations of different crystal grains. The stress that causes thin films to cling is mainly due to the intrinsic stress of the thin film itself, the external stress brought about by the substrate on which the thin film is formed and other thin films, or the stress that occurs when solid phase growth is performed by heat treatment. This is an external stress caused by the difference between the coefficient of thermal expansion of the thin film to be grown and the coefficient of thermal expansion of the substrate and other thin films, and the intrinsic stress can be ignored.

薄膜の熱膨張率に対し、基板および他の薄膜の熱膨張率
が人外ければ、加熱処理時に薄膜には引張り応力がかが
る。したかって基板および他の薄膜の熱膨張率は、成長
を行なおうとする薄膜の熱膨張率より大であることが望
ましい。
If the coefficient of thermal expansion of the substrate and other thin films is higher than that of the thin film, tensile stress will be applied to the thin film during heat treatment. Therefore, it is desirable that the coefficient of thermal expansion of the substrate and other thin films is greater than that of the thin film to be grown.

上記理由により非晶質シリコン薄膜上に、シリコンより
も熱膨張率の大きな薄膜Aを形成した後、加熱処理を行
なえばシリコン結晶粒の成長が促進される。しかもi 
# Aを島状あるいは帯状に非晶質シリコン薄膜上に形
成して加熱処理した場合、非晶質シリコン薄膜にががる
引っ張り応力は、第2図(a)に示すように薄膜Aの段
差部に集中し、その応力の方向は薄膜Aによる被覆部か
ら非被覆部へ向かう方向に制御することが可能となる。
For the above reason, if a heat treatment is performed after forming the thin film A having a larger coefficient of thermal expansion than silicon on an amorphous silicon thin film, the growth of silicon crystal grains will be promoted. Moreover, i
# When A is formed in the form of islands or bands on an amorphous silicon thin film and heat-treated, the tensile stress that causes the amorphous silicon thin film to break is due to the step difference in the thin film A, as shown in Figure 2 (a). The direction of the stress can be controlled in the direction from the area covered by the thin film A to the uncoated area.

したがって薄膜Aを帯状に形成すれば、非晶質シリコン
■膜にかかる応力は薄膜Aの段差部において、段差面と
垂直な方向となるため、結晶粒の成長をもたらす応力の
方向を一定の方向に揃えることができる。
Therefore, if the thin film A is formed into a strip shape, the stress applied to the amorphous silicon film will be perpendicular to the step surface at the stepped portion of the thin film A, so the direction of stress that causes the growth of crystal grains will be fixed in a certain direction. It can be aligned to

非晶質シリコンが固相において成長する場合、双晶を形
成しつつく冊2〉の方向へ最も早く成長するが、応力が
一定の方向に揃っている場合、個々の結晶粒の<112
>方向・\の成長も、応力の方向に揃えることかで慇る
。結果として、薄膜Aの段差面と垂直な方向を<112
>軸として持つ結晶粒が非晶質シリコン薄膜内で成長す
るため、薄膜面内においてもかなり方位の(#Jった多
結晶シリコン薄膜の形成が実現される。
When amorphous silicon grows in the solid phase, it grows fastest in the direction of 2〉, forming twins, but when the stress is aligned in a certain direction, the <112
>Direction・\ growth can also be improved by aligning it with the direction of stress. As a result, the direction perpendicular to the step surface of thin film A is <112
Since the crystal grains having the axis grow within the amorphous silicon thin film, a polycrystalline silicon thin film with a fairly oriented (#J) orientation can be realized even within the plane of the thin film.

薄膜材料としてはシリコンよりも大きな熱膨張率を持つ
物質であればよく、たとえばシリカ(SiO2)か挙げ
られる。薄膜は帯状で用い、好ましい厚さおよび巾は各
々約0.1〜1.0μI11 、約1〜5μ[flであ
り、望ましくは約1〜5μInの間隔で形成する。具体
的には、先に形成された非晶質シ ゛リコン薄膜上にC
VD法などにより薄膜を形成し、次いでパターニング等
により帯状にする。
The thin film material may be any substance having a coefficient of thermal expansion greater than that of silicon, such as silica (SiO2). The thin film is used in the form of a strip, and its preferred thickness and width are approximately 0.1 to 1.0 .mu.I11 and approximately 1 to 5 .mu.[fl, respectively, and preferably formed at intervals of approximately 1 to 5 .mu.In. Specifically, C was applied to the previously formed amorphous silicon thin film.
A thin film is formed by a VD method or the like, and then formed into a band shape by patterning or the like.

加熱処理は約500〜700℃、好ましくは約500〜
650°Cの比較的低温で行なうとよい。
Heat treatment at about 500-700°C, preferably about 500-700°C
It is preferable to carry out the process at a relatively low temperature of 650°C.

500℃未満の温度で加熱処理を行なった場合、結晶粒
の成長速度は非常に遅く、加熱処理に多大の時間を要し
、実用的でない。逆に700℃以上の高温で加熱した場
合には非晶質内に新たに結晶粒成長の核となる微結晶か
生成されるため、結晶粒密度か増加し、結晶粒の大粒径
化が妨げられる。
When the heat treatment is performed at a temperature below 500° C., the growth rate of crystal grains is very slow, and the heat treatment takes a long time, which is not practical. On the other hand, when heated at a high temperature of 700℃ or higher, new microcrystals that become nuclei for grain growth are generated within the amorphous material, so the grain density increases and the grain size increases. be hindered.

これに対して500〜700℃、より好ましくは500
〜650°Cの処理温度ででは新たな微結晶の生成を押
え既存の微結晶を核として、固相において結晶粒を生成
させることが可能である。
On the other hand, 500-700℃, more preferably 500℃
At a treatment temperature of ~650°C, it is possible to suppress the generation of new microcrystals and to generate crystal grains in the solid phase using existing microcrystals as nuclei.

加熱処理は1回以上行ない、第1回目の処理は、望まし
くは500 ’C以上650℃未満で約5〜70時間行
なうとよい。結晶粒は前述のように隣接する結晶粒と衝
突するまで成長を続け、薄膜の膜厚以上の粒径を有する
多結晶シリコン藩校が形成される。
The heat treatment is performed one or more times, and the first treatment is preferably performed at 500'C or more and less than 650C for about 5 to 70 hours. As described above, the crystal grains continue to grow until they collide with adjacent crystal grains, forming polycrystalline silicon grains having a grain size greater than the thickness of the thin film.

実施例 以下に本発明の兵トド的な実施例を示r。Example Practical embodiments of the present invention are shown below.

第1図の装置において真空チェンバを1×10”lea
以下に排気した後、シリコン2を充填したるつぼ1を約
2000°Cに加熱して、100〜200λ/分の速度
で基板マ上に膜形成を行なった。
In the apparatus shown in Figure 1, the vacuum chamber is 1 x 10"lea
After evacuating to the following temperature, the crucible 1 filled with silicon 2 was heated to about 2000° C., and a film was formed on the substrate at a rate of 100 to 200 λ/min.

基板7としては、(100)シリコン単結晶基板10を
1000°Cで熱酸化し、表面に5in)2膜11を3
000人形成したものを用いた。基板7は赤外ランプ8
によって加熱し、基板温度を350°Cに保った。るっ
ば1と基板7の間に印加する加速電圧は2KVとした。
As the substrate 7, a (100) silicon single crystal substrate 10 was thermally oxidized at 1000°C, and a 5-inch)2 film 11 was formed on the surface.
000 people were used. The board 7 is an infrared lamp 8
The substrate temperature was maintained at 350°C. The accelerating voltage applied between Rubber 1 and substrate 7 was 2 KV.

このとき基板7に入射したイオン電流密度は約3μA/
cI112であった。形成したシリコン薄$12の膜厚
は0.1μ口1である。
At this time, the ion current density incident on the substrate 7 is approximately 3 μA/
It was cI112. The thickness of the formed silicon thin layer 12 is 0.1 μm.

上記の方法により形成したシリコン薄膜を、透過電子顕
微鏡により観察した結果、シリコン薄膜12は100Å
以下の微結晶が面密度的108/ coo’で混在する
非晶質薄膜であった。
As a result of observing the silicon thin film formed by the above method using a transmission electron microscope, it was found that the silicon thin film 12 had a thickness of 100 Å.
It was an amorphous thin film in which the following microcrystals were mixed at an areal density of 108/coo'.

さらにこのシリコン薄膜上に常圧CVD(APCXI 
D )法を用いて0.3μl+1の膜厚を持っSiO,
!膜13を形成した。5in2膜13は7オトリングラ
フイによυ11J1μ■間隔1μmoの帯状に残してパ
ターニングする。
Further, on this silicon thin film, atmospheric pressure CVD (APCXI
D) SiO with a film thickness of 0.3 μl + 1 using the method
! A film 13 was formed. The 5 in 2 film 13 is patterned by 7 otrinography leaving a band shape of υ11J1μ■ with an interval of 1 μm.

第2図は試料構造を示す図であり、10はシリコン(1
00)基板、11は基板10上に形成されたSiO2も
しくはS i3N 、等の非晶質絶縁薄膜、12はクラ
スタイオンビーム法により形成されたシリコン薄膜、1
3は常圧CV Dで形成後、帯状にパターニングされた
SiO2薄膜である。
FIG. 2 is a diagram showing the sample structure, and 10 is silicon (1
00) Substrate, 11 is an amorphous insulating thin film such as SiO2 or Si3N formed on the substrate 10, 12 is a silicon thin film formed by cluster ion beam method, 1
3 is a SiO2 thin film formed by atmospheric pressure CVD and patterned into a band shape.

次に第2図に示す試料に、窒素雰囲気中において600
°C170時間の加熱処理を施し、固相での多結晶シリ
コン成長を行なった。シリコンおよびSiO2の熱膨張
率係数は各々3.65 X 10−6+5.5 X 1
0  ’(deg’)であるため、試料加熱時にはシリ
コン薄膜12には引張り応力がかがる。さらにシリコン
薄膜12上の5in2膜13は帯状に形成されているた
め、応力はSi○2膜13膜設3部に集中し、その方向
は第3図の矢印で示すごとく、SiO2膜13膜数3面
と垂直な方向に統一される。この応力の方向に沿って、
成長速度の速い、双晶を介した<112>方向への結晶
粒の成長がもたらされる。
Next, the sample shown in FIG.
A heat treatment was performed for 170 hours at °C to grow polycrystalline silicon in the solid phase. The thermal expansion coefficients of silicon and SiO2 are each 3.65 x 10-6 + 5.5 x 1
0'(deg'), tensile stress is applied to the silicon thin film 12 when the sample is heated. Furthermore, since the 5in2 film 13 on the silicon thin film 12 is formed in a band shape, the stress is concentrated in the 3rd part of the SiO2 film 13, and the direction is as shown by the arrow in FIG. It is unified in the direction perpendicular to the three planes. Along the direction of this stress,
This results in crystal grain growth in the <112> direction via twins with a high growth rate.

第4図は成長後のシリコン薄膜12の断面および透過電
子顕微鏡で観察した平面模式図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the silicon thin film 12 after growth and a plan view observed with a transmission electron microscope.

結晶粒17はSiO2薄膜13の段差面と垂直な方向に
延び、その粒径は長軸方向に約1μ鎗、短軸方向に約0
.5μ【flのり(成粒が成長している。個々の結晶粒
17の中央には(111)面を双晶面に持っ双晶14が
、結晶粒の技手方向に延びているのか確認された。第5
図は薄膜面に垂直に電子を入射した時の、透過電子回折
像である。多結晶を意味する回折リングとともに菱形状
に並んだ (110)面の強い回折点15が認められる
。また、この強い回折点の他に幾分弱い回折点16が認
められるがこれは(111)面を双晶面に持っ双晶がら
の回折である。
The crystal grains 17 extend in a direction perpendicular to the stepped surface of the SiO2 thin film 13, and the grain size is approximately 1 μm in the long axis direction and approximately 0 μm in the short axis direction.
.. 5 μ [fl paste (grain is growing. In the center of each crystal grain 17, it is confirmed whether the twin crystal 14 having the (111) plane as the twin plane extends in the direction of the crystal grain. 5th
The figure shows a transmission electron diffraction image when electrons are incident perpendicularly to the thin film surface. Strong diffraction points 15 of the (110) plane arranged in a diamond shape are observed along with a diffraction ring indicating polycrystal. In addition to this strong diffraction point, a somewhat weaker diffraction point 16 is also observed, but this is due to twin diffraction with the (111) plane as the twin plane.

この透過電子回折像より、シリコン薄膜12は、(11
0)に配向し、膜面方位もがなり揃った大粒径多結晶シ
リコン薄膜であることが確認される。
From this transmission electron diffraction image, the silicon thin film 12 is (11
It is confirmed that the film is a large-grain polycrystalline silicon thin film with a uniform orientation of 0) and a uniform film surface orientation.

効  果 以上のように本発明によれば、非晶質基板上に大粒径で
かっ、配向および面方位ががなり揃った多結晶シリコン
薄膜を形成することが可能となる。
Effects As described above, according to the present invention, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film with large grain size and uniform orientation and surface orientation on an amorphous substrate.

したがってこの多結品シリコン薄膜を用いて薄膜トラン
ジスタ(T P T )を構成すれば、高いキャリア移
動度を持ち、かつしきい値電圧の低減を図ることができ
る。また液晶表示装置・\の適用を考えた場合、液晶ス
イッチング用トランジスタのみならず、シフトレンスタ
等の駆動回路をも内蔵して形成することが可能となる。
Therefore, by constructing a thin film transistor (T P T ) using this multi-crystalline silicon thin film, it is possible to have high carrier mobility and reduce the threshold voltage. Furthermore, when considering application to a liquid crystal display device, it becomes possible to incorporate not only a liquid crystal switching transistor but also a drive circuit such as a shift lens star.

このように本方法を用いて多結晶シリコン薄膜を形成す
れば、その適用範囲を広げるとともに、上記薄膜を用い
て形成した半導体装置の特性を向上させることが可能と
なる。
By forming a polycrystalline silicon thin film using this method in this way, it becomes possible to expand the range of application and improve the characteristics of a semiconductor device formed using the above-mentioned thin film.

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

第1図はクラスタイオンビーム装置の基本構成を示す図
、第2図(、)は試料の模式的構造を示す断面模式図、
第2図(1))はその平面模式図、第3図(a)はシリ
コン薄膜12にががる応力の方向を示す断面模式図、第
3図(b)はその平面模式図、第4図(、)は成長後の
シリコン薄膜12の断面模式図、第4図(b)は透過電
子顕微鏡観察による多結品シリコン薄膜12の結晶粒状
態楔弐図、第5図は多結晶シリコン薄膜12の透過電子
回折像を表したものである。 1・・・るつぼ、2・・・蒸気源シリコン、3・・・ノ
ズル、4・−・イオン化用フィラメント、5・・加速電
圧、6・・ンヤンタ、7・・基板、8・赤外ランプ、9
・・・〃ス導入管、10・・・シリコン(100)基板
、11・・・3iO2もしくはS i 3N−等の非晶
質絶縁薄膜、12・・・クラスタイオンビームにより形
成したシリコン薄膜、13・・・SiO2等のシリコン
よりも大トな熱膨張率を打つ薄膜、14 ・(111)
面を持つ双晶、15・・・(110)シリコンの回折点
、1G・・双晶からの回折点
Figure 1 is a diagram showing the basic configuration of the cluster ion beam device, Figure 2 (,) is a cross-sectional schematic diagram showing the schematic structure of the sample,
2(1)) is a schematic plan view thereof, FIG. 3(a) is a schematic cross-sectional view showing the direction of stress in the silicon thin film 12, FIG. 3(b) is a schematic plan view thereof, and FIG. Figure (,) is a schematic cross-sectional view of the silicon thin film 12 after growth, Figure 4 (b) is a wedge diagram of the crystal grain state of the multi-crystalline silicon thin film 12 observed by transmission electron microscopy, and Figure 5 is a polycrystalline silicon thin film. 12 represents a transmission electron diffraction image of No. 12. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Crucible, 2... Vapor source silicon, 3... Nozzle, 4... Ionization filament, 5... Accelerating voltage, 6... Nyanta, 7... Substrate, 8... Infrared lamp, 9
...Silicon (100) substrate, 11...Amorphous insulating thin film such as 3iO2 or Si3N-, 12...Silicon thin film formed by cluster ion beam, 13 ...A thin film with a higher coefficient of thermal expansion than silicon such as SiO2, 14 ・(111)
Twin crystal with plane, 15... (110) silicon diffraction point, 1G... Diffraction point from twin crystal

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 非晶質基板上にシリコン薄膜を形成する工程と、同シリ
コン薄膜上にシリコンよりも大きな熱膨張率を有する薄
膜を帯状に形成した後、加熱処理を施して、非晶質基板
上に形成したシリコン薄膜を固相において再結晶化させ
る工程とを含むことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の
形成方法。
A process of forming a silicon thin film on an amorphous substrate, and forming a band-shaped thin film having a coefficient of thermal expansion larger than silicon on the same silicon thin film, and then applying heat treatment to form the thin film on the amorphous substrate. A method for forming a polycrystalline silicon thin film, comprising the step of recrystallizing the silicon thin film in a solid phase.
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