JPH0370123A

JPH0370123A - 結晶性半導体膜の形成方法

Info

Publication number: JPH0370123A
Application number: JP20577789A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamagata; 憲二山方; Toshiyuki Komatsu; 利行小松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1991-03-26
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JP2708559B2

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］本発明は結晶性半導体膜の形成方法に関し、特に非晶質
絶縁基板あるいは絶縁膜上に大粒径の多結晶薄膜を比較
的低温で形成する方法に関する。

本発明は、例えば半導体集積回路等の電子素子、光素子
等に利用される結晶性半導体薄膜に適用される。

を従来の技術〕非晶質絶縁物上に半導体電子素子のための半導体薄膜を
形成する方法は数多く報告されているが、近年高速デバ
イスの製作を目的とした大粒径多結晶薄膜の形成方法に
ついて特に報告が増えつつある。中でも代表的なものと
して、非晶質もしくは多結晶の半導体層をレーザーや棒
状ヒーター等の熱エネルギーによって溶融固化させ、ミ
リメートル程度もの大粒径の多結晶膜を得る方法（Ｓｉ
ｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌ　５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｎ
ｏｎ−３ｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏ
ｒｓ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏ
ｗｔｈ　ｖｏｌ、６３．　Ｎｏ、３．０ｃｔｏｂｅｒ　
１９８３　ｅｄｉｔｅｄ　ｂｙＧ、　Ｗ、　Ｃｕ１ｌｅ
ｎ）等が挙げられる。また、非晶質のＳｌを、Ｓｉ結晶
核の発生する臨界温度付近（約６００℃）で長時間（数
十〜数百時間）熱処理して、数μｍ大の平均粒径を有す
る多結晶薄膜を得る方法（Ｔ、　Ｎｏｇｕｃｈｉ、　Ｈ
，Ｈａｙａｓｈｉ、　Ｈ，Ｏｈｓｈｉｍａ。

Ｐｏ１ｙｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｓ、　Ｂｏｓｔｏｎ　１９８７゜Ｍａｔｅｒ、　　Ｒｅ
ｓ、　　Ｓｏｃ、　　Ｓｙｍｐ、　　Ｐｒｏｃ、　　ｖ
ｏｌ、１０６（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｐ
ｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　１９８８）
Ｐ、　２９３）などが報告されている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

しかしながら、上記従来例のうち、レーザー等による溶
融再結晶法においては、次のような問題点がある。即ち
、半導体層を溶融させるためにはかなりの高い温度が必
要となる場合がある。例えば、非晶質あるいは多結晶Ｓ
Ｌを溶融させるためには１４２０〜１４５０℃以上の熱
が必要となり、そのために、基体を構成する物質にはそ
れらの温度に耐え得るものが要求される。またレーザー
や棒状ヒーター等でスキャンしながら半導体層を溶融す
ると、突起や膜の断切れが生じ易く、ＳＯＩ　（Ｓｉｌ
ｉｃｏｎＯｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）の超薄膜化は困難
になってくる。

一方、非晶質半導体層を比較的低温でアニールする方法
は、低温であるために膜の形状変化も殆ど無く薄膜化に
向いているものの、次のような問題がある。即ち、上記
方法は、非晶質層を、その非晶質材料の核発生臨界温度
付近（例えば非晶質ＳＬであれば６００℃付近）でアニ
ールし、初期に発生した「結晶核」より固相成長させる
方法であるが、この方法によると初期の核が固相成長し
ている間にも新しい核が次々と生じてしまい、結果とし
て、生成した多結晶膜のグレインサイズに大きなバラツ
キを生じてしまう。つまり、グレインサイズ分布のコン
トロールが困難である。またこの方法では、アニールを
開始してがら初めて「結晶核」が生じるまでの時間（ｉ
ｎｃｕ−ｂａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ）が数時間から数十時
間と非常に多大になってしまう。

本発明は上記の問題に鑑み、非晶質半導体層中に結晶成
長の「種」となるものを予め形成しておき、この「種」
より固相成長せしめる方法により、任意のグレインサイ
ズで結晶性半導体膜を形成する方法を提供するものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明に従って、非晶質絶縁物で形成された表面を有す
る基体上に単結晶性の種を配し、次いで数種を覆うよう
に非晶質半導体を基体上に堆積した後、加熱処理するこ
とにより固相で結晶成長させる結晶性半導体膜の形成方
法であって、前記単結晶性の種は、気相法により堆積膜
を形成する過程の初期に発生した結晶核であるか、もし
くは前記基体上に配した薄膜が凝集反応により島状に単
結晶化したものである結晶性半導体膜の形成方法が提供
される。

本発明においては、まず非晶質絶縁物で形成された表面
を有する基体上に、気相又は固相で結晶成長の「単結晶
性の種」となるものを形成する。

このとき「単結晶性の種」の核密度（種の密度）は後に
述べる方法によってコントロールされている。ここでい
う「単結晶性の種」　（以下ｒ種Ｊと略す）とは、それ
を起点として固相で単結晶を成長することが可能な単結
晶性の物質を指す。

次に、「種」の形成された基体表面に数種を覆うように
非晶質半導体を堆積し、これを上記非晶質半導体の核発
生臨界温度（Ｔｃ）より低い温度で、かつ種が存在する
場合には、その種より成長することが可能な成長開始温
度（Ｔｏ）より高い温度、即ち、Ｔ　ｏ　＜　Ｔ　＜　
Ｔ　ｃなる温度でアニールし、固相成長をせしめる。

次に、本発明の方法を図面を用いて説明する。

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明の方法の工程図であり
、これをステップ毎に説明する。

（ａ）　　＊ず非晶質絶縁物、もしくはこれを表面に有
する基体１を用意する。基体は、例えば石英基板、Ｓｉ
ウェハの表面を酸化したもの、Ｓｉウェハ、アルミナウ
ェハにＳｉＯ□、Ｓｉ３Ｎ４等を堆積したもの、その他
が挙げられる。

（ｂ）　　基体上に、例えばプラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ
等の気相法、もくしは凝集反応を利用した固相法を用い
て結晶成長の１種」２を任意の核密度（種の密度）にな
るように形成する。種の形成方法としては下記（ｉ）、
　（ｉｆ）が好適である。

（ｉ）気相法これはＣＶＤ法により多結晶膜を形成する過程の初期に
おいて、まず微細な結晶の粒、即ち結晶核が基体上にラ
ンダムに発生し、後にこの結晶核より成長した成長核同
士が衝突し、膜を形成する現象を利用している（第２図
）。つまり、結晶核がランダムに発生した時点、即ち第
２図（ａ）の時点でＣＶＤを停止して得られる結晶核を
「種」とする方法である。このとき、ＣＶＤの条件とし
て温度、圧力、ガスの種類、エツチングガスの導入、及
びその流量等のパラメータや、基体表面の材料を変える
ことによって、核密度を任意に得ることができるのであ
る。その例を第３図に示す。

第３図は基体表面が５ｉＯｉであるものと、５ｉＪ４で
あるものそれぞれに、ＳＬの核をＣＶＤにより形成した
ときの核密度を示している。ＣＶＤ条件の例としては、
ガス系はＳ１ソースガスとしてＳＳｉ３２Ｃ１、雰囲気
ガスとしてＨ２を使用し、そこに添加ガスとして、エツ
チング作用をもつＨＣＩガスを導入している。温度は９
５０℃、圧力は１５０　Ｔｏｒｒ、堆積時間は２０分間
と固定しである。この条件でＨＣＩガスの流量のみを変
化させたときの、５ＬＯ２，Ｓｉ３Ｎ４の表面上でのＳ
ｉの核密度を示している。

（ｉｉ）固相法これは第４図に示すように、基体１１上に非単結晶性の
薄膜１２を形成し、次いで、薄膜１２を構成する材料の
融点よりも低い温度でアニールし、薄膜に凝集現象を生
起せしめて、得られる島状の単結晶を「種」１３とする
方法である。この凝集現象は、本発明者らの実験による
と、Ｈ２雰囲気中で極めて起こり易く、他の雰囲気ガス
例えばＮ＊　、Ａｒ、　Ｈｅ、　０＊等においては全く
起こらないか、極めて起こり難いことがわかった。また
、凝集させたい非単結晶性の薄膜中にＰ、　Ａｓ、　Ｂ
、　Ｓｎ等の不純物をドーピングすると、凝集反応が促
進されることもわかった。

凝集反応を利用して種１３を形成する場合の種の核密度
のコントロールは、凝集させる前の薄膜の膜厚を変える
ことによって行なわれる。つまり第５図（ａ）に示すよ
うに、処理前の薄膜１２の膜厚が薄いと、熱処理後に細
かく分断されて凝集した種１３が得られるために核密度
が大きくなる。

反対に厚い膜を用いると、第５図（ｂ）のように１つ当
たりの体積が大きな種１３に凝集してしまうために、核
密度が小さくなる。

種１３の核密度をコントロールした例を第６図に示す。

第６図は５ｉｎｓ上に多結晶Ｓｉを堆積して、それを凝
集させたちのについて、もとの多結晶ＳＬ薄膜の膜厚と
、凝集後に得られた種の平均核間距離の関係を示したも
のである。このときの核密度は平均核間距離の２乗の逆
数に等しい。尚、多結晶Ｓｉ膜中に不純物をドープする
と４０００人の比較的厚い膜がＨ２雰囲気中約１０００
℃のアニールで凝集が起こることや、４００Å以下の薄
い膜は８５０℃程度の比較的低温のアニールで凝集可能
なことなどが本発明者らの実験により確かめられている
（Ｓｉの融点は約１４５０℃）。また、多結晶ＳＬの膜
厚が０．５μｍ　　（５０００人）を超えると凝集し難
くなり、約１μｍを超えると、もはや凝集は起こらなく
なる傾向がある。

凝集を起こす物質は、Ｓｉの他に、Ｇｅ、　Ｓｎ等の半
導体元素や、ＧａＡｓ等の化合物半導体、さらには５ｉ
−Ｇｅ、　５ｉ−３ｎ等の混合物、Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃ
ｕ、　Ｐｔ、　Ｐｄ等の金属、Ｐｔ−３Ｌ、　Ｉｎ−３
ｎ等の合金などがあり、その他でも凝集し易い物質であ
るなら、いずれでもさしつかえない。

尚本発明における「凝集」現象とは、物質の表面エネル
ギーを最小にするため、もしくは内部応力を緩和するた
めに、固相で原子が移動する現象を指している。

（ｃ）　　再び第１図の工程図に戻り、ステップ（ｃ）
を説明する。（ｃ）はステップ（ｂ）で得られた結晶成
長の１種」２を覆うように非晶質半導体３を堆積したも
のである。これはプラズマＣＶＤ。

ＬＰＧＶＤ、スパッタリング等の方法で実現される。

（ｄ）　　次にこれを（ｃ）で堆積した非晶質半導体材
料の結晶化開始温度よりも低く、かつ成長開始温度より
も高い温度領域でアニールを行なう。すると、予め配し
ておいた種２より成長が行なわれるが、非晶質層中から
は、新たな核は発生しないので、初めの核密度が保たれ
る。

（ｅ）　　さらに成長させていくと、成長した単結晶粒
４同士がぶつかり合って、Ｇｒａｉｎ　Ｂｏｕｎｄａｒ
ｙ（粒界）５を形成し、成長をストップする。このとき
の平均粒径Ｇ、　Ｓ、は、最初にステップ（ｂ）で形成
した種の核密度なＮ、　Ｄ、とじたとき、Ｇ、Ｓ、＝１
／　　Ｎ、Ｄ。

なる関係になる。

以上のようにして結晶性半導体膜を形成することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

実施例１第１図を用いて説明する。

（ａ）基体として石英基板を用いた。

（ｂ）ＣＶＤ装置により次の条件で堆積を行なった。

・ガス成分　　ＳｉＨ，Ｃ１２／　ＨＣＩ　／　Ｈ。

・流量　　　　０．５３　／　０．８０　／１００　（
ｆｌ／ｍ１ｎ）・温度　　　　９５０℃ ・圧力　　　　１５０　Ｔｏｒｒ・堆積時間　　１２０ｓｅｃこの結果ｌＸｌ０’個／ａｍ”の核密度でＳｉの種が存
在する基体が得られた。

（Ｃ）上記基体上にＬＰＣＶＤにより非晶質Ｓｉを１５
００人堆積した。この時の条件は、・ガス成分　　ＳｉＨ４・流量　　　　５０　ＳＣＣＭ・温度　　　　５６０℃ ・圧力　　　　０．３Ｔｏｒｒであった。

（ｄ）次に、上記基体なＮ２雰囲気中、５９０℃で４８
時間アニールし、（ｅ）のような結晶性ＳＬ薄膜を得た
。このときの平均粒径は３．３　Ｂｍで、粒径のバラツ
キは極めて小さいものであった。

実施例２同様に、第１図により説明する。

（ａ）基体として４インチウェハの表面を深さ２０００
Åまで酸化したものを用いた。

（ｂ）上記基体上にＬＰＧＶＤにより多結晶ＳＬを３０
０Å堆積し、次いでこれをＮ２雰囲気中、１０００℃で
６０秒間加熱処理したところ、凝集反応により島状に単
結晶化して、平均核間距離が０．４μｍの結晶粒（種）
が得られた。なお、このときの核密度は６．３Ｘ１０’
個／ａｍ”であった。

（ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）以下、実施例１と同じ
方法で結晶性ＳＬ薄膜を得た。得られた薄膜の平均粒径
は、平均核間距離と等しく０．４μｍであった。

実施例３同様に、第１図により説明する（ａ）基体として４インチウェハの表面を深さ２０００
人まで酸化したものを用いた。

（ｂ）上記基体上にスパッタ法により多結晶Ｇｅを５０
０Å堆積し、次いでこれをＮ２雰囲気中、８２０℃、６
０秒間加熱処理したところ、凝集反応により島状に単結
晶化して、平均核間距離が０．８μｍの結晶粒（種）が
得られた。　なお、このときの核密度は１６　ＸＬＯ’
個／Ｃがであった。

（ｃ）　、　（ｄ）　、　（ｅ）以下、実施例１と同じ
方法で、即ちＧｅの核よりＳＬ結晶を成長させるという
ヘテロエピタキシャル的な固相成長法で結晶性Ｓｉ薄膜
を得た。得られた薄膜の平均粒径は、平均核間距離と等
しく０．８μｍであった。

［発明の効果］本発明によれば、非晶質絶縁物上に固相成長の「種」　
（成長開始点）となる物質を、任意の核密度で配し、そ
の種のみから半導体結晶を固相成長させることによってｉ）結晶性半導体膜中の粒径とその分布を制御性よくコ
ントロールすることができるようになった。

ｉｉ）　　ｒ種」は一般的な半導体装置を用いて極めて
短かい時間で形成することができるので、数時間〜数十
時間の成長の１ｎｃｕｂａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅを必要と
する形成方法に較べ、生産効率をアップすることができ
又生産の再現性が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の形成方法を示す概略工程図、第２図は
多結晶膜が形成される過程を示す図、第３図はＣＶＤ法
による５ｉ０２上又は５ｔ３Ｎ４上におけるＨＣ１流量
とＳＬの核密度の関係を示す相関図、第４図は薄膜の凝集過程を示す図、第５図は薄膜の厚さを変化させた場合の、凝集したとき
の平均核間距離の変化を示す図、第６図は多結晶ＳＬ薄
膜の厚さと凝集した種（核）の平均核間距離の関係を示
す相関図である。１・・・基体　　　　　　２・・・種

Claims

【特許請求の範囲】１、非晶質絶縁物で形成された表面を有する基体上に単
結晶性の種を配し、次いで該種を覆うように非晶質半導
体を基体上に堆積した後、加熱処理することにより固相
で結晶成長させる結晶性半導体膜の形成方法であって、前記単結晶性の種は、気相法により堆積膜を形成する過
程の初期に発生した結晶核であるか、もしくは前記基体
上に配した薄膜が凝集反応により島状に単結晶化したも
のである結晶性半導体膜の形成方法。２、加熱処理の温度は、単結晶性の種を起点として結晶
成長し得るが、非晶質半導体中に結晶核を発生し得ない
温度である請求項１記載の結晶性半導体膜の形成方法。