DE69015550T2

DE69015550T2 - Verfahren zum Züchten eines Kristalls.

Info

Publication number: DE69015550T2
Application number: DE69015550T
Authority: DE
Inventors: Takao Yonehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: US5457058A; JP2695488B2; EP0422864A1; EP0422864B1; DE69015550D1; JPH03125422A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Züchten eines Kristalls, insbesondere auf ein Verfahren zum Züchten eines Kristalls, bei dem durch Kristallisation einer amorphen Schicht bzw. eines amorphen Films mittels Festphasenwachstums eine kristalline Schicht bzw. ein kristalliner Film gebildet wird.
Als ein Verfahren auf dem Gebiet der Technik der Kristallbildung zum Züchten einer kristallinen Dünnschicht bzw. eines kristallinen Dünnfilms auf einem Substrat, wie einem amorphen Substrat und ähnlichem, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein zuvor auf einem Substrat gebildeter amorpher Dünnfilm durch Tempern bei niedriger Temperatur, nicht höher als der Schmelzpunkt des amorphen Films, einem Festphasenwachstum unterzogen wird. Zum Beispiel wurde über ein Verfahren der Kristallbildung berichtet, bei dem ein amorpher Si-Dünnfilm mit einer Filmdicke von ungefähr 100 nm auf einer amorphen SiO&sub2;-Oberfläche bei 600 ºC in einer N&sub2;- Atmosphäre getempert wird, um den vorstehend erwähnten amorphen Si-Film zur Kristallisation zu bringen, wodurch ein polykristalliner Dünnfilm mit großer Korngröße, ungefähr 5 um, gebildet wird (T. Noguchi, H. Hayashi und H. Ohshima, Mat. Res. Sos. Symp. Proc., 106, Polysilicon and Interfaces, 293, (Elsevier Science Publishing, New York, 1988)) Die Oberfläche des durch dieses Verfahren erhaltenen polykristallinen Dünnfilms bleibt flach und kann deshalb für die Herstellung einer elektronischen Vorrichtung, wie eines MOS-Transistors oder einer Diode, verwendet werden. Da diese Vorrichtungen weit größere mittlere Korngrößen der Polykristalle als das polykristalline Si und ähnliches, das in dem herkömmlichen Si- IC-Verfahren verwendet wird und bei dem die Abscheidung mittels des LPCVD-Verfahrens erfolgt, aufweisen, können Vorrichtungen erhalten werden, die ein vergleichsweise höheres Leistungsverhalten zeigen.
In dem Verfahren der Kristallbildung erfolgt jedoch, obwohl die Kristallkörner groß sind, keine Steurung ihrer Verteilung und der Position der Kristallkorngrenze. Da in diesem Fall die Kristallisation des amorphen Si-Dünnfilms auf dem Festphasenwachstum der Kristallkeime beruht, die mittels Temperns zufällig innerhalb des amorphen Films erzeugt werden, werden die Korngrenzen ebenfalls zufällig gebildet. Also treten die nachstehend beschriebenen Probleme lediglich bei großen Durchschnittskorngrößen der Kristalle auf.
Zum Beispiel werden in MOS-Transistoren in jedem Gatebereich, da die Größe des Gates gleich oder kleiner als die Durchschnittskristallkorngröße wird, Bereiche gebildet werden, die keine Korngrenze enthalten, und Bereiche, die mehrere Grenzen enthalten. Die elektrischen Eigenschaften zwischen einem Bereich ohne Korngrenze und einem Bereich mit mehreren Grenzen werden sich beträchtlich unterscheiden. Dementsprechend wird unter einer Vielzahl an Vorrichtungen eine große Varianz in den Eigenschaften auftreten, und die Varianz in der Kristallkorngröße war ein bemerkenswertes Hindernis bei der Herstellung von integrierten Schaltungen.
Um den Problemen des wie vorstehend beschriebenen, mittels Festphasenkristallisation hergestellten, polykristallinen Dünnfilms mit großer Korngröße zu begegenen, wurde in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 58-56406 ein Verfahren zur Hemmung bzw. Verhinderung einer Varianz der Korngröße vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Zuerst wurde, wie in Fig. 1A gezeigt, auf die Oberfläche eines amorphen Si-Dünnfilms 42, der auf einem amorphen Substrat 41 gebildet worden war, ein kleiner dünner Filmstreifen 43 bereitgestellt, und das ganze Substrat wird einem Tempern in einem herkömmlichen Glühofen unterzogen. Dann erfolgt die Bildung der Kristallkeime 44 bevorzugt an Stellen in dem amorphen Si-Dünnfilm 42, wo er die äußere Begrenzung des Dünnfilmstreifens 43 berührt. Wenn es jedem Kristallkeim gestattet wird, weiterzuwachsen, kommt es dementsprechend unter Bildung eines polykristallinen Dünnfilms, der wie in Fig. 1B gezeigt, eine Gruppe von Kristallkörnern 45 mit großen Körnern umfaßt, zur Kristallisation des amorphen Si-Dünnfilms 42 über den gesamten Bereich. In der vorstehend erwähnten Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 58-56406 wird demgemäß berichtet, daß in diesem Verfahren die Varianz der Korngröße auf ungefähr 1/3, verglichen mit dem wie vorstehend beschriebenen Verfahren vom Stand der Technik, verringert werden kann.
Jedoch selbst solch ein Ergebnis ist noch ungenügend. Wenn zum Beispiel die Dünnfilmstreifen 43 in Gitterform mit Abständen von 10 um angeordnet sind, kann die Varianz der Korngröße nur so gesteuert bzw. geregelt werden, daß sie innerhalb eines Bereichs von 3 bis 8 um liegt. Ferner wurde, was die Regelung der Position der Kristallkorngrenze anbelangt, bei den gegenwärtigen Gegebenheiten im wesentlichen keine Regelung erreicht. Der Grund dafür liegt darin, daß eine Vielzahl an Kristallkeimen entlang der äußeren Begrenzung gebildet wird, da aufgrund der Lokalisierungswirkung der Elastizitätsenergie an dem Bereich, wo der amorphe Dünnfilm 42 die äußere Begrenzung des Dünnfilmstreifens 43 berührt, die bevorzugte Kristallkeimbildung um den Dünnfilmstreifen 43 herum erfolgt und es schwer ist, die Zahl solcher Kristallkeime zu steuern.
Was das Verfahren zur Steuerung der Position der Kristallkeimbildung während des Festphasenwachstums des amorphen Si-Dünnfilms anbelangt, so gibt es andererseits einen Vorschlag in der der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 63-253616. Wie in Fig. 2 (53 stellt andere Ionen als Si dar und 54 ist ein mit Ionen injizierter Bereich) gezeigt, handelt es sich dabei um Verfahren, in dem der mit anderen Ionen 53 als Si injizierte Bereich 54 örtlich in dem amorphen Si-Dünnfilm 52, der sich auf dem amorphen Substrat 51 befindet, bereitgestellt wird und die Kristalikeime werden dort bevorzugt gebildet. Als Ionen 53 wurden andere Ionen als Si, N- und B-Ionen vorgeschlagen, aber in diesem Fall ist die tatsächliche Selektivität in Bezug auf die Kristallkeimbildung zwischen den mit Ionen injizierten Bereichen 54 und anderen Bereichen unzureichend und es wurde nichts über eine praktische Realisierung berichtet.
Es seien die nachstehenden anderen Veröffentlichungen erwähnt:
Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP-A 58-169905 zielt auf die Herstellung eines einkristallinen Films und nicht eines polykristallinen Films mit großen Kristallkörnern ab. In dem beschriebenen Verfahren wird ein Teil der Oberfläche eines Siliziumeinkristallsubstrats mit einem Oxidfilm versehen. Material wird dann unter Bedingungen abgeschieden, unter denen an der freien Substratoberfläche epitaxiales Wachstum auftritt, wobei es sich aber von einer epitaxialen Schicht-Überwachsung dadurch unterscheidet, daß das Material, das auf der Oberfläche des über diese Oberfläche gebildeten Oxidfilms Kristallkeime bildet, polykristallin ist. Es wird eine gemusterte Maske gebildet, der restliche Teil der Maske bedeckt nur das epitaxial gewachsene Einkristallkorn. Es erfolgt eine Ioneninjektion, um den freien polykristallinen Film in eine amorphe Form umzuwandeln. Nach der Entfernung der Maske wird der Film mittels eines Abtastlaserstrahls warmebehandelt, wobei die Abtatstung an der Position des Einkristallkorns beginnt und mit der Zeit über den polykristallinen Film führt. Während dieser Abtastung schreitet das Festphasen-Kristallwachstum von dem Einkristallkorn nach außen voran. Es ist ein besonderes Erfordernis des offenbarten Verfahrens, daß das vorgesehene Substrat ein Einkristall ist.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0308166 zielt auf ein Verfahren zur Herstellung polykristalliner Filme mit großen Körnern ab. In dem beschriebenen Verfahren wird Material auf die Oberfläche eines Substrats unter Erzeugung eines amorphen Films abgeschieden. Dieser amorphe Film wird anschließend einer Ioneninjektion unterzogen, um eine Beschädigung an der Grenzfläche zwischen dem Film und dem Substrat hervorzurufen. Diese Ioneninjektion wird ohne Hilfe einer Maske ausgeführt. Anschließend wird der Film getempert. Während des Temperns kommt es zur Kristallkeimbildung und das Wachstum in der festen Phase schreitet voran. Ein polykristalliner Film mit einer Korngröße von 2 bis 3 Mikrometern entsteht. Es wird offenbart, daß die Kristallkeimbildung durch die vorangegangene Beschädigung mittels der Ioneninjection gehemmt und verzögert wird.
Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP-A-60- 143624 zielt auf die Bereitstellung von Einkorn-Bereichen eines Materials innerhalb einer Matrix eines polykristallinen Films ab. In dem offenbarten Verfahren wird Material auf die isolierte Oberfläche eines Substrats unter Erzeugung eines polykristallinen Films abgeschieden. Dieser polykristalline Film wird dann maskiert, wobei freie Bereiche des polykristallinen Films zurückbleiben, die Bereiche definierter Größe darstellen und durch reguläre Abstände voneinander beabstandet sind. Das freie polykristalline Material wird durch Ioneninjektion in eine amorphe Form umgewandelt und anschließend wird dieses amorphe Material durch Bestrahlung mit einem gerichteten Laserstrahl in eine Einkornform umgewandelt.
Die Erfindung stellt eine Lösung der vorstehenden Probleme dar.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Films mit großen Kristallkörnern und mit schmaler Verteilung der Korngröße zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfaßt:
Bereitstellung eines amorphen Films aus kristallisierbarem Material auf der Oberfläche eines Substrats,
Überführung des amorphen Films in einen polykristallinen Film durch Einwirkung von Wärme, bei einer erhöhten Temperatur, die nicht höher als sein Schmelzpunkt ist,
Aufbringen einer gemusterten Maske auf die Oberfläche des polykristallinen Films, wobei die Maske erste Bereiche bedeckt, aber zweite Bereiche des polykristallinen Films frei läßt,
Bestrahlung des polykristallinen Films mit Ionen des kristallisierbaren Materials unter Injektion der Ionen in die zweiten Bereiche, mit einer Eindringtiefe, die nicht wesentlich kleiner als die Dicke des polykristallinen Films ist, um die zweiten Bereiche an jeder Grenzfläche zwischen jedem zweiten Bereich und dem Substrat in einen amorphen Zustand mit fehlgeordneter Struktur zu überführen,
Entfernen der Maske, und
Züchtung bzw. Wachsenlassen eines Kristallkorns aus jedem ersten Bereich durch kontinuierliche Einwirkung von Wärme, bei einer erhöhten Temperatur, die nicht höher als sein Schmelzpunkt ist, in einer Atmosphäre entweder aus Wasserstoff oder Stickstoff, solange bis jeder zweite Bereich im amorphen Zustand in einen polykristallinen Zustand überführt wird, der aus Kristallkörnern besteht, die aus den ersten Bereichen wachsengelassen wurden.
In dem soeben dargelegten Verfahren kann die Position der Korngrenzen vorherbestimmt werden. Wenn dieses Verfahren bei der IC-Verarbeitung befolgt wird, ist es deshalb möglich, IC-Vorrichtungen mit kleiner Varianz in ihren Eigenschaften über einen großen Bereich zu erzeugen.
In den beigefügten Zeichnungen sind:
Fig. 1A, 1B und Fig. 2 schematische Ansichten von Schnitten in Längsrichtung, die Kristallzüchtungsverfahren vom Stand der Technik zeigen,
Fig. 3 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Injektionsenergie und der Kristallisationstemperatur zeigt,
Fig. 4 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen den zurückgelegten Flugweg und der Latenzzeit zeigt,
Fig. 5A-5C sind Stufendiagramme zur Darstellung einer Ausführungsform des Kristallwachstumsverfahrens der Erfindung, und
Fig. 6 ist ein Feldeffekttransistor, gebildet in einem durch die Erfindung erhaltenen Kristall.
Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern, werden nachstehend bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Die nachstehenden Beschreibung dient nur als Beispiel.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Position, wo der Kristall in der festen Phase wächst, zu regeln. Das heißt, es besteht darin, einen Basispunkt für ein Kristallwachstum in einem amorphen Dünnfilm anzulegen und eine bevorzugte Kristallausdehnung zu ermöglichen, und die Erzeugung von Kristallkeimen in anderen Bereichen zu hemmen.
Die Erfinder stießen auf das Phänomen, daß beim Abscheiden einer polykristallinen Schicht auf einem Substratmaterial, zum Beispiel aus SiO&sub2;, der anschließenden Überführung der polykristallinen Si-Schicht in den amorphen Zustand mittels der Injektion von Si-Ionen, zur Zeit der Wärmebehandlung die Temperatur der Kristallkeimbildung (Kristallisationstemperatur) stark von der Ioneninjektionsenergie abhängt.
Dementsprechend wurde der Grund, warum die Temperatur der Kristallkeimbildung von der Ioneninjektionsenergie abhängt, geklärt.
Wenn die Injektionsenergie verändert wird, verändert sich die Verteilung der injizierten Si-Ionen in der Si- Schicht, nachdem diese amorph (amorphe Si-Schicht) gemacht wurde, und als Ergebnis wird sich die Verteilung von Fehlstellen, namentlich die Verteilung in jedem Bereich, wo injizierte Schäden auftreten, durch die injizierte Energie in Richtung der Filmdicke verändern.
Es werden auch innerhalb der amorphen Substanz Kristallkeime gebildet, die den Oberflächenenergienachteil uberwinden, und danach kommt es zu einem Phasentransfer von der amorphen Phase der Si-Atome zu der Kristallphase
Die Kristallkeimbildung schließt eine einheitliche Kristallkeimbildung und eine uneinheitliche Kristallkeimbildung ein, wobei es sich bei ersterer um Kristallkeimbildung in einer einheitlichen Substanz (z.B. das Innere eines amorphen Si-Films) handelt; ob solch eine Kristallkeimbiidung stattfindet oder nicht, hängt davon ab, ob sie durch Überwindung des Oberflächenenergienachteils vergrößert werden kann oder nicht. Andererseits wird bei letzterer, uneinheitlicher Kristallkeimbildung die Erzeugung der Kristallkeime durch den Kontakt mit Fremdmaterial erzwungen und die Aktivierungsenergie bei letzterer ist kleiner als bei ersterer. Deshalb kommt es einfacher zu einer uneinheitlichen Kristallkeimbildung als zu einer einheitlichen Kristallkeimbildung. Praktisch wird die Kristallkeimbildung in dem amorphen Si- Dünnfilm in erster Linie durch die uneinheitliche Kristallkeimbildung in der Umgebung bzw. in Nähe der Substratgrenzfläche gesteuert.
Die Erfinder fanden, daß die Eindring- bzw. Injektionstiefe der Ioneninjektion (zurückgelegter Flugweg) einen ernsthaften Einfluß auf die wie vorstehend beschriebene uneinheitliche Kristallkeimbildung an der Grenzfläche ausübt, selbst unter den Bedingungen einer konstanten Injektionsmenge.
Fig. 3 stellt eine graphische Darstellung dar, die die Beziehung zwischen der Injektionsenergie und der Kristallisationstemperatur zeigt.
Die Bedingungen zu dieser Zeit sind nachstehend beschrieben. Die Injektionsschicht stellt eine mittels Tiefdruck-CVD-Zersetzung von SiH&sub4; bei 620ºC auf einem SiO&sub2;- Substrat abgeschiedene polykristalline Si-Schicht mit einer Dicke von 100 nm dar, und die injizierten Ionen bestehen aus Si&spplus;. Die injizierte Menge war konstant (in diesem Fall 5 x 10¹&sup5;cm&supmin;²) und lag über der kritischen Injektionsmenge (ungefähr 10¹&sup5;cm&supmin;²). Die Injektionsenergie variierte von 40 keV bis 80 keV und die Injektionsschicht wird einer Ionenkollision unterworfen, um die Si-Atome aus der Gitterposition zu stoßen, wobei der beschädigte Bereich durch Injektion auf einem Niveau der kritischen Injektionsmenge oder größer kontinuierlich und amorph wird. Die amorphe Si-Schicht wird 20 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei entsprechenden Temperaturen in einer N&sub2;- Atmosphäre unterzogen und der Rekristallisationsprozeß in der festen Phase wurde in erster Linie unter Verwendung eines Transmissions-Elektronenmikroskops zur Untersuchung der Kristallisationstemperatur unter den vorstehenden Bedingungen beobachtet.
Um zum Beispiel Injektionsenergien von 40 keV und 70 keV zu erwähnen, so beträgt deren Injektionstiefe, d.h. die Injektionstiefe (zurückgelegter Flugweg) bei 40 keV und 70 keV 55,2 nm bzw. 99,7 nm, was sich innerhalb der 100 nm-Schicht befindet, und der Umgebung des Zentrums der Filmdicke und der Umgebung der Grenzfläche zu dem Substratmaterial entspricht. Es existiert ein Unterschied von 50 ºC oder mehr zwischen diesen Kristallisationstemperaturen, und diejenige, die in die Umgebung der Substratgrenzfläche injiziert wurde, weist eine höhere Kristallisationstemperatur auf, wodurch angezeigt wird, daß sie kaum zu kristallisieren ist. Dies mag auf den größeren Schadensbereich bis zu der Grenzfläche zurückgeführt werden, wodurch eine uneinheitläche Kristallkeimbildung verhindert wurde. Wenn ferner bei einer Temperatur, bei der eine Schicht, die durch Injektion mit 40 keV amorph gemacht wurde, so daß der zurückgelegte Flugweg die Umgebung des Zentrums der Filmdicke erreichte, wobei die durch CVD abgeschiedene amorphe Schicht innerhalb einer Stunde kristallisierte (namentlich 600 ºC), eine Schicht, die amorph gemacht wurde, so daß die Injektionstiefe bei 70 keV die Umgebung der Grenzfläche erreichte, einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, wurde durch ein Transmissionselektronenmikroskop bestätigt, daß diese Schicht nach einer Zeitdauer von 100 Stunden oder länger nicht kristallisierte. Ihr Verhalten, namentlich die Beziehung zwischen der Zeit vom Beginn der Wärmebehandlung zum Beginn der Kristallisation (Latenzzeit) und der Injektionstiefe ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt, verlängert sich die Latenzzeit, wenn die Injektionstiefe in Richtung auf die Grenzfläche zunimmt und die Kristallisation wird dadurch schwieriger. Die Stelle, an der (Injektionstiefe)/(Filmdicke) ungefähr gleich 1 ist, ist nämlich die Stelle, wo die die Umgebung der Grenzfläche am meisten beschädigt ist, sie weist den Maximalpunkt auf, an dem die Latenzzeit maximal wird.
Aus den vorstehenden Tatsachen geht hervor, daß durch Veränderung der Injektionsenergie, sich die Kristallisationstemperatur und die Latenzzeit verändern, und als Gründe dafür werden die Hemmung der uneinheitlichen Kristallkeimbildung in der Umgebung der Grenzfläche angenommen.
Die Erfindung beabsichtigt eine Steuerung der Position der Kristallkeimbildung, indem sie das vorstehend beschriebene Phänomen ausnutzt, und indem sie Ionen der Aufbausubstanz eines amorphen Dünnfilms injiziert, so daß der Restkristall- Feinbereich, der von Injektionsschäden frei ist, innerhalb des amorphen Dünnfilms an einer gewünschten Stelle gebildet werden kann, und anschließend bei der Temperatur des Schmelzpunkts des amorphen Dünnfilms oder tiefer, eine bevorzugte Ausdehnung des Kristallbereichs von dem Feinbereich aus erfolgt.
Vor der Beschreibung der Beispiele der Erfindung werden zunächst Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Fig. 5A - 5C sind Stufendiagramme zur Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens der Kristallzüchtung der Erfindung.
Wie in Fig. 5A gezeigt, wird ein amorpher Film einem Festphasenwachstum unterworfen, und durch Aufbringen einer Maske 1, wie einem Resist bzw. einer Abdeckung oder ähnlichem, auf die Oberfläche des polykristallinen Si-Films mit relativ großer Korngröße, wird ein Bereich, kleiner als die Korngröße, der zum ersten Bereich, kleiner als die Korngröße, wird, bedeckt, und Si-Ionen werden nur in andere Bereiche injiziert, wobei die Auswahl der Injektionsenergie so erfolgt, daß die amorphe Si-Schicht und die Umgebung der Substratgrenzfläche beschädigt werden kann. Schäden entstehen primär in der Umgebung der Grenzfläche an dem Bereich, der von der Abdeckung nicht abgedeckt wird, und die Kristallkeimbildung während der nachfolgenden Wärmebehandlung wird gehemmt. Der Bereich 3 (nachstehend injizierter amorpher Bereich genannt, dies wird der zweite Bereich) in dem Bereich, wo das Ausmaß an Injektionsschaden höher ist (nachstehend als Grenzflächen- Schadensbereich bezeichnet) 4 wird nicht zur Kristallisation gebracht und der Bereich, der keiner Injektions-Beschädigung unterworfen wurde, wurde nicht amorph und der Kristallbereich (nachstehend als Restkristallbereich bezeichnet, er wird zum ersten Bereich ) 2 bleibt erhalten und wird bewahrt.
Um hier einen polykristallinen Film mit relativ größerer Korngröße zu erhalten, kann die Filmdicke des amorphen Films, auf den die Kristallisationsbehandlung angewendet werden soll, bevorzugt 0,05 um bis 0,3 um, bevorzugter 0,05 um bis 0,2 um, optimalerweise 0,05 um bis 0,15 um betragen.
Die Kristallisationsbehandlung zur Erhaltung eines polykristallinen Films mit relativ größerer Korngröße wird wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
Es ist wünschenswert, die Wärmebehandlung auf einen amorphen Film unter Temperaturbedingungen bevorzugt von 550 ºC bis 650 ºC, bevorzugter von 575 ºC bis 625 ºC, optimalerweise von 580 ºC bis 620 ºC anzuwenden.
Andererseits, wenn ein amorpher Film durch Überführung eines polykristallinen Films in den amorphen Zustand gebildet wird, ist es wünschenswert, Si&spplus;-Ionen in die Umgebung der Grenzfläche zwischen Dünnfilm und Substrat zu injizieren, wodurch die Geschwindigkeit der Kristallkeimbildung erniedrigt wird. Als spezielles Beispiel können in einen Si-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,1 um ungefähr 1 x 10¹&sup5; cm&supmin;² Si&spplus;-Ionen mittels einer Beschleunigung mit 70 keV injiziert werden und es kann ungefähr 50 Stunden lang eine Wärmebehandlung bei 600 ºC in N&sub2; erfolgen, wodurch eine polykristalline Schicht mit großer Korngröße und einer maximalen Korngröße von einigen um erreicht werden kann.
Die Größe eines jeden Maskenbereichs 1, der zum ersten Bereich wird, kann bevorzugt 0,03 um oder mehr und 5 um oder weniger, bevorzugter 0,05 um oder mehr und 2 um oder weniger, optimalerweise 0,05 um oder mehr und 1 um oder weniger betragen, um die Korngröße und die Position der Korngrenze zu steuern.
Als nächstes werden aus Fig. 3 und Fig. 4 die Temperatur und die Zeit, bei denen der Bereich, der durch Injektion amorph gemacht wurde, um nicht nach dem Entfernen der Abdeckung zu kristallisieren, ermittelt und die amorphe Si- Schicht, in die die Si-Ionen an der Grenzfläche injiziert wurden, wird einer Wärmebehandlung in N&sub2; oder H&sub2; unterzogen. Durch solch eine Wärmebehandlung erfolgt eine Ausdehnung des Kristalls von dem Restkristallbereich 2 zu dem injizierten amorphen Bereich 3 und in dem injizierten, amorphen Bereich 3 wird eine zufällige Kristallkeimbildung verhindert. Für die amorphe Si-Schicht ist typischerweise eine Wärmebehandlung von ungefähr 100 Stunden bei ungefähr 630 ºC geeignet.
Dies deshalb, weil die aktive Energie, bei der die Atome in den amorphen Bereichen in die existierende Kristallphase eingebaut werden, geringer ist als die Energie für eine Zufalls-Kristallkeimbildung, abgesehen von dem Oberflächenenergienachteil in den amorphen Bereichen.
Die Temperatur- und Zeitbedingungen für die Wärmebehandlung zum Züchten des Kristalls aus dem vorstehend erwähnten ersten Bereich zu dem vorstehend erwähnten zweiten Bereich können bevorzugt für 30 bis 100 Stunden 550 ºC bis 650 ºC, bevorzugter für 40 Stunden bis 80 Stunden 575 ºC bis 625 ºC, optimalerweise für 50 Stunden bis 70 Stunden 580 ºC bis 620 ºC betragen, um einen polykristallinen Film zu erhalten, der flach ist und große und geregelte Korngrößen aufweist.
Wenn ein Bereich des Nicht-Grenzflächen-Schadensbereichs, nämlich der Restkristallbereich 2, mit kleiner Fläche (5 um im Durchmesser oder weniger, wünschenswerterweise 2 um im Durchmesser oder weniger, optimalerweise 1 um im Durchmesser oder weniger) verbleibt, findet, wenn eine Wärmebehandlung beginnt, eine Vergrößerung des Kristallbereichs aus dem feinen Restkristallbereich statt, wodurch ein Kristall einer vergrößerten Einzeldomäne heranwächst, wenn der Restkristallbereich 2 eine Einzeldomäne ist (Fig. 5B; 3a ist ein amorpher Bereich.). Die Kristallphase mit der Einzeldomäne wird sich rundherum, wenn die Wärmebehandlung fortgesetzt wird, mit der Grenzfläche zwischen der kristallinen Phase und dem amorphen Bereich in Richtung auf die Außenseite bewegen. Das heißt die Si-Atome innerhalb des amorphen Bereichs werden durch Überspringen der Grenzfläche in die kristalline Phase eingebaut. So nimmt die Größe des Kristalls zu, wobei der Phasentransfer von der amorphen Phase in die kristalline Phase mit weniger Energie vor sich geht als sie bei der Kristallkeimbildung angesichts des Oberflächenenergienachteils erforderlich ist, und deshalb erfolgt vor der Kristallkeimbildung in dem Grenzflächen-Schadensbereich 4 ein Einbau in die einkristalline Phase, die ausgehend von dem Restkristallbereich 2 erzeugt wurde, solange bis die angrenzenden Kristallbereiche 2a unter Bildung einer Kristallkorngrenze 5 miteinander in Kontakt treten (Fig. 5C).
Die Kristallkorngröße wird gleich dem Abstand der nicht-injizierten Restkristallbereichs 3, der frei festgelegt werden kann, und auch die Stelle seiner Korngrenze kann festgelegt werden.
Der amorphe Dünnfilm der Erfindung ist nicht auf diejenigen beschränkt, die durch Überführung der polykristallinen Filme mittels Durchführung einer Ioneninjektion in die polykristallinen Dünnfilme in den amorphen Zustand gebildet wurden, sondern kann auch diejenigen einschließen, die während der Abscheidung eine amorphe Struktur aufweisen.
Wenn das Ausgangsmaterial eine polykristalline Schicht ist, wird, zunächst ohne Aufbringen einer Maske, die erste Ioneninjektion so ausgeführt, daß der zurückgelegte Flugweg in der Umgebung des Zentrums des polykristallinen Dünnfilms liegt. Mittels solch einer Ioneninjektion kann der polykristalline Dünnfilm in den amorphen Zustand überführt werden, ohne daß in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Dünnfilm und dem Substrat Injektionsschäden auftreten. Anschließend, nachdem der gesamte Film mittels Festphasenwachstums in einen polykristallinen Film mit relativ größerer Korngröße von ungefähr 1 bis 5 um überführt wurde, wurde, nachdem eine dem feinen Bereich entsprechende Abdeckungsmaske bereitgestellt wurde, die zweite Ioneninjektion so durchgeführt, daß der zurückgelegte Flugweg (Injektionstiefe) die Umgebung der Grenzfläche zwischen dem amorphen Dünnfilm und dem darunterliegenden Substrat erreicht. Durch solch eine Ioneninjektion treten an der Grenzfläche zwischen dem amorphen Dünnfilm und dem darunterliegendem Substrat anders als bei den mit der Maske versehenen Bereichen Injektionsschäden auf, während an den Bereichen, an denen die Maske aufgebracht ist, keine Injektionsschäden auftreten, wodurch die Kristallphase erhalten bleibt.
Nachdem vorstehend Ausführungsformen beschrieben wurden, in denen Silizium als der polykristalline Film verwendet wird, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf Siliziumfilme beschränkt ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Auf einem Substrat, umfassend ein Glas, wurde während einer chemischen Abscheidung aus der Gasphase unter geringem Druck SiH&sub4; pyrolysiert, um einen polykristallinen Si-Dünnfilm mit einer Dicke von 100 nm abzuscheiden. Die Bildungstemperatur betrug 620 ºC, der Druck 40 Pa (0, 3 Torr) und seine Korngröße war fein, nämlich ungefähr 50 nm. Es erfolgte eine zweifache Si-Injektion. Zuerst wurden Si-Ionen ohne eine Abdeckungsmaske in einer Menge von 3 x 10¹&sup5; cm&supmin;² mit einer Injektionsenergie von 40 keV über die gesamte Oberfläche in die polykristalline Si-Schicht injiziert, wodurch wie vorstehend beschrieben, eine kontinuierliche Beschädigung erfolgte, die die Schicht amorph werden ließ. Der zurückgelegte Flugweg wurde jedoch so festgelegt, daß er in der Umgebung des Zentrums der Filmdicke von 100 nm führte, und konsequenterweise erfolgte im wesentlichen in der Umgebung der Si/SiO&sub2;- Substrat-Grenzfläche keine Beschädigung.
Wenn der amorphe Si-Film bei 600 ºC in N&sub2; 50 Stunden lang einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, wächst er in der Festphase zu einem polykristallinen Si-Film mit Korngrößen von 1 bis 5 um heran.
Dann wird eine Abdeckungsmaske mit einem Durchmesser von 1 um in Abständen von 5 um und 10 um aufgebracht, gefolgt von einer zweiten Si&spplus;-Ioneninjektion bei 70 keV, um in der Umgebung der Grenzfläche eine Beschädigung herbeizuführen. Die injizierte Menge entsprach derjenigen bei der ersten Injektion. Nachdem die Abdeckung abgelöst worden war, wurde in N&sub2; bei 620 ºC 100 Stunden lang eine Wärmebehandlung durchgeführt. Als Ergebnis wurden Korngrößen mit 5 um ± um, 10 um ± 1 um erhalten, und außerdem wurde gefunden, daß die Korngrenzen in einem Gitter angeordnet waren.
Auf die in Beispiel 1 erhaltene Si-Schicht von 100 nm wurde durch herkömmliche IC-Verarbeitung ein in Fig. 6 gezeigter Feldeffekttransistor mit einer Kanallänge von 3 um hergestellt. Der Transistor wies, wie in Figur 6 gezeigt, eine Gate-Elektrode 105, einen Source-Drainbereich 106, einen isolierenden Gatefilm 107, eine Kontaktöffnung 109 und eine Zuleitung 110 auf. Die Elektronenbeweglichkeit des Transistors betrug 200 ± 5 cm²/V sec und die Varianz des Schwellenwertes ± 0,2 V. Da es möglich ist, die Transistoren so anzuordnen, daß an dem Kanalbereich der Transistoren keine Korngrenze auftritt, wurde es möglich, die Kenngrößen der Vorrichtung zu verbessern und die Verteilung der Kenngrößen der Vorrichtung schmaler zu machen.

Beispiel 2

Ein amorpher Ge-Dünnfilm mit einer Dicke von 50 nm wurde im Vakuum auf das SiO&sub2; mittels eines Elektronenstrahls abgeschieden. Die Abscheidung wurde bei einem Vakuum von 10&supmin;&sup4; Pa (1 x 10&supmin;&sup6; Torr) und einer der Raumtemperatur entsprechenden Substrattempertur durchgeführt. Während der Abscheidung wurde die Temperatur von Raumtemperatur auf 100 ºC angehoben.
Dem amorphen Ge-Film wurde es gestattet bei 350 ºC in N&sub2; 50 Stunden lang in Festphase zu wachsen, um einen polykristallinen Film mit Korngrößen von 1 bis 3 um zu bilden, gefolgt von einer Maskierung eines Bereichs von 1,5 um im Durchmesser und Abständen von 10 um mit einer Abdeckung, und Ge&spplus;- Ionen werden mit 130 keV in den gesamten Bereich injiziert. Die Injektionsmenge betrug 2 x 10¹&sup5; cm&supmin;². Die Injektionstiefe der Ge&spplus;-Ionen von der Oberfläche betrug ungefähr 50 nm, und die Ionen wurden geballt in die Umgebung der Grenzfläche zu dem Substrat injiziert, um eine Beschädigung des Grenzflächenbereichs herbeizuführen. Nach dem Entfernen der Maske wurde bei 380 ºC 50 Stunden lang eine Wärmebehandlung in einer N&sub2; oder H&sub2;-Atmosphäre durchgeführt. Als Ergebnis erfolgte eine Ausdehnung der Kristalle in den amorphen Ge-Bereich, in dem an der Grenzfläche durch Ge-Ionen Beschädigungen erfolgt waren, ausgehend von den feinen Restkristallbereichen, die frei von einer Beschädigung waren, da bedeckt mit einer Maske, keine Injektion von Ge&spplus;-Ionen erfolgte, wodurch je zwei Kristalle in der Mitte benachbarter Kristallkeimerzeugungspunkte miteinander unter Bildung einer Kristallkorngrenze in Kontakt traten. Es wurde durch eine Untersuchung der Kristallstruktur unter Verwendung eines Transmisssions-Elektronenmikroskops gefunden, daß die Größe des Kristalls einer jeden Einzeldomäne 10 um ± 1 um betrug.

Beispiel 3

Ein polykristalliner Ge-Dünnfilm wurde mittels einer GeH&sub4;-Pyrolyse während einer chemischen Abscheidung aus der Gasphase unter geringem Druck bei einer Abscheidungstemperatur von 400 ºC auf SiO&sub2; mit einer Dicke von 50 nm gebildet. Es wurde durch eine Untersuchung mittels eines Transmissions- Elektronenmikroskops gefunden, daß das als solches abgeschiedene Polykristalline Ge eine Korngröße von ungefähr 100 nm aufwies. Dann wurden Ge&spplus;-Ionen mit einer Injektionsenergie von 60 keV in einer Menge von 2 x 10¹&sup5; cm&supmin;² injiziert, um den gesamten Film amorph zu machen. Die Injektionstiefe von der Oberfläche betrug bei einer Injektionsenergie von 60 keV ungefähr 25 nm und zu dieser Zeit erfolgte an der Ge-Film/SiO&sub2;-Substrat-Grenzfläche im wesentlichen keine Beschädigung.
Dem amorphen Ge-Film wurde es gestattet in Festphase bei 360 ºC in N&sub2; 50 Stunden zu wachsen, um einen polykristallinen Film mit Korngrößen von 1 bis 4 um zu bilden, gefolgt von einer weiteren Maskierung mit einer Abdeckung in einem Bereich mit einem Durchmesser von 1,2 um in Abständen von 15 um, und es wurden Ge-Ionen bei 130 keV in einer Menge von 2 x 10¹&sup5; cm&supmin;² injiziert. Zu dieser Zeit erfolgte eine Beschädigung in erster Linie an der (Ge/SiO&sub2;)-Grenzfläche des injizierten Bereichs. Nach der Entfernung der Abdeckungsmaske wurde bei 390 ºC 60 Stunden lang eine Wärmebehandlung in N&sub2; durchgeführt.
Von dem feinen Restkristallbereich, der keiner Beschädigung der Grenzfläche des Ge-Films ausgesetzt wurde, erfolgt eine Ausdehnung des Kristalls zu dem Bereich, wo Beschädigungen der Grenzfläche erfolgten, wobei der Kristall seine Struktur beibehält, bis er schließlich unter Bildung einer Korngrenze in der Mitte der benachbarten feinen Bereiche mit unbeschädigter Grenzfläche den benachbarten Kristall berührt.
Als ein Ergebnis einer mittels eines Transmissions- Eektronenmikroskops durchgeführten Untersuchung wurde gefunden, daß die Korngröße 15 um ± 2 um betrug.

Beispiel 4

Auf ein Quarzsubstrat wurde mittels Elektronenstrahl- Aufdampfung im Ultravakuum amorphes Si mit einer Filmdicke von 100 nm unter den nachstehenden Bedingungen abgeschieden:
Erreichtes Vakuum: 1,3 x 10&supmin;&sup8; Pa (1 x 10&supmin;¹&sup0; Torr)
Vakuum während der Aufdampfung: 6,6 x 10&supmin;&sup8; Pa (5 x 10&supmin;¹&sup0; Torr)
Substrattemperatur: 300 ºC.
Abscheidungsgeschwindigkeit: ca. 100 nm/Std.
Der amorphe Si-Dünnfilm wurde 50 Stunden lang einem Festphasenwachstum in N&sub2; bei 600 ºC unterzogen, um einen polykristallinen Film mit Korngrößen von 1 bis 4 um zu bilden, wobei eine Abdeckung mittels herkömmlicher photolithographischer Schritte in Form eines Musters so auf den polykristallinen Si-Dünnfilm aufgebracht wurde, daß Bereiche von 1 Quadrat-um in Gitterpunkten mit Abständen von 10 um zurückblieben.
Ferner wurden in das gesamte Substrat Si-Ionen, auf eine Energie von 70 keV beschleunigt, in einer Menge von 1 x 10¹&sup5; cm&supmin;² injiziert. In diesem Fall beträgt der zurückgelegte Flugweg der Si-Ionen im Si 99,7 nm und deshalb wird der Bereich, der nicht mit einer Abdeckung bedeckt ist, in amorphes Si überführt, wobei die meisten Si-Ionen in die Umgebung der Grenzfläche mit dem Quarzsubstrat verteilt sind und an der Grenzfläche große Beschädigungen erfolgen.
Nach der Entfernung der Abdeckung wurde eine Wärmebehandlung durch Aufrechterhalten einer Substrattemperatur von 590 ºC in einer N&sub2;-Atmosphäre durchgeführt. 15 Stunden nach Beginn der Wärmebehandlung trat in dem Bereich ohne Abdeckung, in den Si-Ionen injiziert worden waren, ausgehend von dem Restkristallbereich von 1 Quadrat-um, in dem keine Si-Ionen injiziert worden waren, keine Kristallkeimbildung auf, und deshalb wurde das Tempern fortgeführt, wobei die bereits in dem Bereich gebildeten Kristalle in seitlicher Richtung jenseits dieses Bereichs zu wachsen begannen. Und wenn das Tempern 120 Stunden lang fortgeführt wurde, kam der Kristall an der Wachstumsendfläche mit dem Kristallkorn des benachbarten Bereichs, der ungefähr 10 um davon entfernt ist, in Kontakt und bildete eine Korngrenze, wodurch eine Kristallisation des amorphe Si-Dünnfilm über im wesentlichen den gesamten Bereich erfolgte. Als Ergebnis wurde, wobei die Kristallgrenzen im wesentlichen in einem Gitter mit 10 um- Abständen angeordnet waren, ein Dünnfilmkristall erhalten, der eine Gruppe von Kristallen mit einer durchschnittlichen Korngröße von 10 um umfaßte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Films mit großen Kristallkörnern (2a) und mit einer schmalen Korngrößenverteilung, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfaßt:

Bereitstellung eines amorphen Films (42) aus kristallisierbarem Material auf der Oberfläche eines Substrats (41),

Überführung des amorphen Films (42) in einen polykristallinen Film (45) durch Einwirkung von Wärme, bei einer erhöhten Temperatur, die nicht höher als sein Schmelzpunkt ist,

Aufbringen einer gemusterten Maske (1) auf die Oberfläche des polykristallinen Films (45), wobei die Maske (1) erste Bereiche (2) bedeckt, aber zweite Bereiche (3) des polykristallinen Films (45) frei läßt,

Bestrahlung des polykristallinen Films (45) mit Ionen des kristallisierbaren Materials unter Injektion der Ionen in die zweiten Bereiche (3), mit einer Eindringtiefe, die nicht wesentlich kleiner als die Dicke des polykristallinen Films (45) ist, um die zweiten Bereiche (3) an jeder Grenzfläche zwischen jedem zweiten Bereich (3) und dem Substrat (41) in einen amorphen Zustand mit fehlgeordneter Struktur (4) zu überführen,

Entfernung der Maske (1), und

Wachsenlassen eines Kristallkorns (2a) aus jedem ersten Bereich (2) durch kontinuierliche Einwirkung von Wärme, bei einer erhöhten Temperatur, die nicht höher als sein Schmelzpunkt ist, in einer Atmosphäre entweder aus Wasserstoff oder Stickstoff, solange bis jeder zweite Bereich (3) im amorphen Zustand in einen polykristallinen Zustand überführt wird, der aus Kristallkörnern (2a) besteht, die aus den ersten Bereichen (2) wachsengelassen wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der amorphe Film (42) eine Dicke von 0,05 bis 0,3 um aufweist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Bereitstellung des amorphen Films (42) durch Abscheidung des kristallisierbaren Materials auf die Oberfläche des Substrats (41) durchgeführt wird, um einen ersten polykristallinen Film herzustellen, und dann eine Überführung des ersten polykristallinen Films in den amorphen Film (42) mittels der Bestrahlung des ersten polykristallinen Films mit Ionen des kristallisierbaren Materials erfolgt um die Ionen mit einer Eindringtiefe zu injizieren, die wesentlich geringer ist als die Dicke des ersten polykristallinen Films, wodurch eine Beschädigung in der Nähe der Film-Substrat-Grenzfläche vermieden wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gemusterte Maske (1) gebildet wird, um erste Bereiche (2) des polykristallinen Films (45) mit einem Durchmesser von 5 um oder weniger zu bedecken

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gemusterte Maske (1) bedeckte erste Bereiche (2) des polykristallinen Films (45) in Abständen von 5- bis 15 um- Teilung definiert.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kristallisierbare Material entweder Silizium oder Germanium ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das kristallisierbare Material Silizium ist und das Substrat (41) entweder Glas oder Quarz ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das kristallisierbare Material Germanium und das Substrat (41) Siliziumdioxid ist.