JPH06177036A - 半導体薄膜結晶の成長方法 - Google Patents
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Abstract
る。 【構成】 基体11上にアモルファス状シリコン薄膜1
2を被着形成する工程と、アモルファス状シリコン薄膜
12の所定位置に、選択的にイオン注入するイオン注入
工程と、低温固相結晶化工程とを採って半導体単結晶1
3を成長する。
Description
に係わる。
・アクセス・メモリ(SRAM)では、多結晶半導体す
なわち多結晶シリコンで形成した負荷型メモリセルが用
いられている。しかしながら、高抵抗負荷型のSRAM
は、動作マージン、信頼性、スタンバイ電流等を充分に
確保することが困難である。
体基体上に、膜質の均一性にすぐれた多結晶半導体例え
ば多結晶シリコンを形成し、これに形成した薄膜トラン
ジスタを負荷素子として用いた積層型SRAMが提案さ
れている。
示装置の画像駆動にも用いられているところである。
コンに比し、未結合手いわゆるダングリングボンドが高
密度に存在することから、トランジスタのスイッチオフ
時においてはリーク電流の発生原因となり、またスイッ
チオン時の動作速度を低下させる原因となる。
に、水素ドーピングを行ってこのダングリングボンドに
水素を結合させるという方法も採られているが、いずれ
にせよ特性向上において、結晶欠陥の少ない膜質にすぐ
れた多結晶シリコンを成長させることが重要である。
に化学的気相成長法(CVD法)や、固体成長法(SP
C法)等が提案されている。
m以上に形成することができ、このような大きな結晶粒
上に薄膜トランジスタを形成する場合、低リークで電流
駆動能力の大きなトランジスタを得ることが可能とな
る。
成される結晶粒の位置が不確定すなわちランダムである
ことから、薄膜にトランジスタを形成した場合、そのチ
ャネル部に粒界が存在するこになって、必ずしも、低リ
ーク化、電流駆動能力の向上をはかることができず、特
性のばらつき大きくなるという問題点がある。
のとして、選択された特定位置に結晶粒の育成を行うこ
とができるようにした結晶成長方法の提案もなされてい
る(例えば、H,Kumomi他、"Control of Grain-Location
in Solid State Crystallization of Si" Extended A
bstracts of the 22nd(1990 International) Conferenc
e on Solid State Devices and Materials,Sendai, 199
0,pp1159-1160 及び特開平3ー12542号公報参
照)。
と、この場合、図2Aに示すように、基体1、例えばS
iO2 層上に多結晶シリコン薄膜2を堆積成膜する。そ
して、例えばこの多結晶シリコン薄膜2に全面的に低ド
ーズ量をもってSiイオンをイオン注入する。
トリソグラフィ技術を用いてフォトレジストのマスク3
を、単結晶領域を形成する領域に応じて選択的に形成す
る。その後、高ドーズ量をもってマスク3によって被覆
されていない部分にSiイオンをイオン注入する。
除去し、低温固相成長のアニールを行う。このようにす
ると、多結晶シリコン薄膜3の、そのイオン注入濃度の
低い部分すなわちマスク3が形成されていない部分から
結晶成長が開始されて半導体薄膜単結晶4が形成され
る。すなわち、予め決めた位置、つまり確定された位置
に単結晶育成を行うことができる。
入の濃度の高低による結晶成長の核発生の潜伏時間の差
(J.Electrochem.Soc.:SOLID-STATE SCIENCE AND TECHN
OLOGY,July 1987 p1775 Fig.5 参照)を利用するもので
あり、濃度の低い方が濃度が高い場合より核発生の潜伏
時間が短いことからこの低濃度部から先に結晶成長核の
発生が生じ、ここから結晶が成長していくようにしたも
のである。
単結晶粒の形成がなされた半導体薄膜単結晶が形成され
るので、この位置に例えば薄膜トランジスタを形成する
ことによってそのチャネルが粒界に形成されるような不
都合を回避でき、特性の良い薄膜トランジスタを構成す
ることができる。
とも2回のイオン注入を行うものであり、イオン注入の
作業はたとえ1回でもこれが増えることによる作業時間
の増大、作業の煩雑さは、きわめて大きい。
結晶の成長方法において、イオン注入作業の低減化、ひ
ては、スループットの向上をはかる。
例の工程図を図1に示すように、基体11上にアモルフ
ァス状シリコン薄膜12を被着形成する工程(図1A)
と、アモルファス状シリコン薄膜12の所定位置に、選
択的イオン注入を行うイオン注入工程と、低温固相結晶
化工程とを採って半導体薄膜結晶13を成長させる(図
1B)。
ァス状シリコン薄膜12の被着形成を540℃以下の低
温化学的気相成長(CVD)によって行う。
オン注入工程後の、低温固相結晶化工程前に、固相結晶
化が生じることのない600℃未満の低温アニール工程
を採る
入を1.5×1015/cm2 以上のドーズ量をもって行
う。
て堆積成膜することによって低ドーズのイオン注入を行
うことなく、単に選択的に高濃度すなわち高ドーズのイ
オン注入を行うのみで、単結晶化を行うことができた。
積成膜は、低温、ことに540℃以下の基体温度下での
低温CVDで形成することで形成できるものであり、ま
た、選択的イオン注入を1.5×1015/cm2 以上の
ドーズ量をもって行い、低温固相結晶化のアニールに先
立ってその固相結晶化がなされる温度の600℃未満、
すなわち固相結晶化が行われることのない低温で予めア
ニールを施しておくことによって、その結晶核の潜伏時
間が、従来少なくとも16時間以上であったところを、
30分〜15時間に短縮化できることから、その後の固
相結晶化のアニール時間が従来30時間程度であったも
のを15〜20時間に短縮できるとともに、均質でより
すぐた結晶性を有する半導体薄膜結晶13を得ることが
できた。
する。
℃以下の低温CVDを行う。この低温CVDは、減圧C
VDによって例えばSiH4 を用いて500℃〜540
℃、Si2 H6 を用いて450℃〜540℃で、プラズ
マCVDによって100℃以上望ましくは200℃〜5
40℃の堆積温度すなわち基体温度で、例えば40nm
の厚さにアモルファス状シリコン薄膜12を堆積成膜す
る。
は、例えば半導体基板上にSiO2 等の絶縁層が形成さ
れた基体等である。
シリコン薄膜12上に、例えば、フォトレジストを全面
的に塗布し、その後フォトリソグラフィによってこのフ
ォトレジストを所定のパターン例えば所要の間隔を有す
る例えばストライプ状、格子状等のパターン化してイオ
ン注入のマスク14を形成する。
によって覆われていない部分に1.5×1015/cm2
以上で、結晶性を損なうことのない程度の例えば5×1
015/cm2 以下のドーズ量をもって、最終的に得る半
導体に対して電気的、化学的特性に影響を与えない、す
なわち中性の元素、望ましくはアモルファス状シリコン
薄膜12の構成元素と同一のSi、或いはその他の例え
ばAr、Ne、Ca等のいずれかのイオンの注入を行
う。
て除去する。
の600℃未満でアモルファス状シリコン薄膜12の堆
積成膜温度より高い温度をもってN2 雰囲気中で例えば
2時間以下の熱処理すなわちプリアニールを行う。
温固相結晶化処理を15〜20時間行う。
いてイオン注入が殆どなされていない部分の結晶成長核
の発生の潜伏時間が短いことから、此処で先に結晶の成
長が生じこれが核となって、高濃度のイオン注入がなさ
れて結晶成長核の発生が抑制されている部分へと単結晶
化が進行されて半導体薄膜単結晶13が形成される。す
なわち、この半導体薄膜単結晶13は、図1Aで示した
マスクの形成位置で規定された位置に形成されることに
なる。
の位置は、確定されている。
晶13部に通常の方法を採って例えば薄膜MIS(絶縁
ゲート型)トランジスタを形成する。
のチャネルを確実に結晶粒界から外して形成することが
できるので、低リークの均一な信頼性の高いトランジス
タを構成することができることになる。
0℃以下の基体温度下での低温CVDでアモルファス状
シリコン薄膜12として堆積成膜することによって、低
ドーズのイオン注入を行うことなく、単に選択的に高濃
度すなわち高ドーズのイオン注入を行うのみで、単結晶
化を行うことができた。
1015/cm2 以上のドーズ量をもって行い、低温固相
結晶化のアニールに先立ってその固相結晶化がなされる
温度の600℃未満、すなわち固相結晶化が行われるこ
とのない低温でプリアニールを施しておくことによっ
て、その結晶核の潜伏時間が、従来少なくとも16時間
以上であったところを、30分〜15時間に短縮化でき
ることから、その後の固相結晶化のアニール時間が従来
30時間程度であったものを15〜20時間に短縮でき
た。
た結晶性を有する半導体薄膜結晶13を得ることができ
た。
オン注入を採ることなく高濃度イオン注入の一回のイオ
ン注入作業で良いこと、更に固相結晶化のアニール時間
を短縮できることからその生産性は著しく向上する。
結晶は、すぐれた膜質、結晶性を有すること、さらにそ
の形成位置がランダムではなく特定されたつまり確定さ
れた位置に形成できることから、これに対して半導体素
子例えば薄膜トランジスタを形成するときは、特性、例
えば低リーク、高電流駆動能力を有し、安定した信頼性
の高いトランジスタを構成することができ、SRAM
や、液晶表示装置等に適用してその実用上の利益はきわ
めて大である。
Claims (4)
- 【請求項1】 基体上にアモルファス状シリコン薄膜を
被着形成する工程と、 上記アモルファス状シリコン薄膜の所定位置に、選択的
イオン注入を行うイオン注入工程と、 低温固相結晶化工程とを採って半導体単結晶を成長する
ことを特徴とする半導体薄膜結晶の成長方法。 - 【請求項2】 上記アモルファス状シリコン薄膜の被着
形成を、540℃以下の低温化学的気相成長によって行
うことを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜結晶の
成長方法。 - 【請求項3】 上記イオン注入工程後の、上記低温固相
結晶化工程前に、固相結晶化が生じることのない600
℃未満の低温アニール工程を採ることを特徴とする請求
項1に記載の半導体薄膜結晶の成長方法。 - 【請求項4】 上記選択的イオン注入を1.5×1015
/cm2 以上のドーズ量としたことを特徴とする請求項
1に記載の半導体薄膜結晶の成長方法。
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