JPS62169320A - Manufacture of thin film - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
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] <Industrial Application Field> The present invention relates to an improvement in a method for forming a polycrystalline silicon thin film that constitutes the main part of a semiconductor device such as a field effect thin film transistor, and provides particularly good operating characteristics and reliability. The present invention relates to a method for forming a polycrystalline silicon thin film that constitutes the main part of a semiconductor device with high performance.
〈従来の技術及びその問題点〉
多結晶シリコン薄膜は従来からＭＯ５ＬＳＩのゲート電
極として使われており、また近年には多結晶シリコン薄
ｌＩＱを能動領域として用いる５ＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ
−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）テ°バイヌへの適用や
、液晶ディスプレイ表示素子用の薄膜トランジスタ（Ｔ
ＰＴ）としての応用など、盛んに研究が進められている
。液晶ディヌプレイ用ＴＦＴの場合、透過光を用いるた
め、ガラス、石英等の透明基板が用いられる。液晶ディ
７プレイ基板としては安価で大面債素子の形成が可能な
低融点ガラスが望ましいが、これらは、耐熱性に乏しく
６００℃以上の加熱処理を用いることは困難である。<Prior art and its problems> Polycrystalline silicon thin films have traditionally been used as gate electrodes in MO5LSIs, and in recent years, 5OI (silicon
-on-insulator) applications, as well as thin film transistors (T
Research is actively progressing on applications such as PT). In the case of a TFT for liquid crystal display, a transparent substrate such as glass or quartz is used because transmitted light is used. As the liquid crystal display 7 substrate, it is desirable to use low-melting glass which is inexpensive and allows the formation of large-area bonded elements, but these glass materials have poor heat resistance and are difficult to be heat-treated at temperatures of 600° C. or higher.
しかし現在多結晶シリコン薄膜の形成に通常用いられて
いる減圧ＣＶＤ（ＬＰＧＶＤ）法では、６００℃前後の
成長温度を必要とするため、これらのガラス基板を用い
ることができず、高価な石英基板等を使わざるを得々か
った。However, the low pressure CVD (LPGVD) method, which is currently commonly used to form polycrystalline silicon thin films, requires a growth temperature of around 600°C, so these glass substrates cannot be used, and expensive quartz substrates etc. I had no choice but to use .
さらにＬＰＣＶＤ法や電子ビーム蒸着法を用いて形成し
た多結晶シリコン薄膜は、その膜厚がデバイスとして用
いられる数１００Ａ〜数μｍの範囲では、個々の結晶粒
は任意の方位を持ち、わずかに＜１１０＞方向への配向
性を持つ程度である。Furthermore, in polycrystalline silicon thin films formed using the LPCVD method or the electron beam evaporation method, when the film thickness is in the range of several 100 Å to several μm used for devices, individual crystal grains have arbitrary orientations, and slightly <110> direction.
Ｍ ＯＳ （Ｍｅｔａｌ −０ｘｉｄｅ−５ｉｌｉｃｏ
ｎ ）デバイスの場合、酸化膜とシリコン半導体との界
面が非常に重要であシ、デバイス特性を向上させるには
、界乞
面準位♂低減させることが重要な課題である。多結晶シ
リコンの場合、一般に個々の結晶は任意の方向を持つた
め、界面準位は単結晶シリコンに比べてはるかに大きい
。しかし個々の結晶方位を一定の方向に揃えることが可
能となれば、界面準位を減少させ、単結晶シリコンの値
に近づけることができる。MOS (Metal-Oxide-5ilico)
n) In the case of a device, the interface between an oxide film and a silicon semiconductor is very important, and in order to improve device characteristics, it is important to reduce the interface level ♂. In the case of polycrystalline silicon, individual crystals generally have arbitrary directions, so the interface states are much larger than in single-crystal silicon. However, if it becomes possible to align individual crystal orientations in a certain direction, the interface states can be reduced and brought closer to the value of single-crystal silicon.
また成膜後未処理の多結晶シリコン薄膜では、その結晶
粒径は小さく、膜厚以上の粒径を得ることは困難である
。例えば、ＬＰＣＶＤ法で作成した２ ００ ｎｍの膜
厚を持つ多結晶シリコン薄膜では、その粒径は高々数１
０ ｎｍでしかない。結晶粒径は、多結晶シリコン薄膜
の特性を決定する重要なパラメターであり、３０ ｎｍ
の粒径を持つ薄膜ではそのキャリア移動度は、高々２０
ｃｆ／Ｖ’ ｓｅｃである。これに対し、１００ ｎ
ｍの粒径を持つ多結晶シリコン薄膜でば１００ ｄ／Ｖ
−ｓｅｃ弱にまで向上することが知られている。Furthermore, in a polycrystalline silicon thin film that has not been treated after film formation, its crystal grain size is small, and it is difficult to obtain a grain size larger than the film thickness. For example, in a polycrystalline silicon thin film with a thickness of 200 nm created by the LPCVD method, the grain size is at most several 1
It is only 0 nm. Grain size is an important parameter that determines the properties of polycrystalline silicon thin films, and 30 nm
In a thin film with a grain size of , the carrier mobility is at most 20
cf/V' sec. On the other hand, 100 n
100 d/V for a polycrystalline silicon thin film with a grain size of m
It is known that the speed can be improved to just under -sec.
膜厚以上の結晶粒径を持つ、多結晶シリコン薄膜の形成
法として Ｓｉのイオン打ち込みを用いる方法が最近提
案されている。これは非晶質基板上にＬＰＣＶＤ法等で
多結晶シリコン薄膜を形成し２８ ＋
た後、加速したＳｉを多結晶シリコン薄膜に打ち込み、
まず結晶粒を破壊、非晶質化する。その後５００°〜１
０００℃の加熱を行い、固相成長により再度結晶化し、
大粒径多結晶シリコン薄膜を得るものである。この方法
によれば０．１μｍの膜厚でも１μｒｎ以上の粒径を持
つ多結晶シリコン薄膜の形成が可能である。しかし上記
方法では、多結晶シリコン薄膜形成にあたシ、イオン打
ち込みという工程を必要とするため、工程が複雑となり
、低コスト化を目指すときの障害となる。Recently, a method using Si ion implantation has been proposed as a method for forming a polycrystalline silicon thin film having a crystal grain size larger than the film thickness. This involves forming a polycrystalline silicon thin film on an amorphous substrate using LPCVD, etc., and then implanting accelerated Si into the polycrystalline silicon thin film.
First, the crystal grains are destroyed and made amorphous. then 500°~1
Heating at 000°C and crystallizing again by solid phase growth,
A large-grain polycrystalline silicon thin film is obtained. According to this method, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film having a grain size of 1 μrn or more even with a film thickness of 0.1 μm. However, the above method requires a step of ion implantation to form a polycrystalline silicon thin film, which complicates the process and becomes an obstacle when aiming for cost reduction.
この様に、結晶方位が揃った大粒径多結晶シリコン薄膜
が比較的低温で形成可能となれば、多結晶シリコンを用
いたデバイスの特性を飛躍的に向上させるのみならず、
その適用分野を拡大するなど、その波及結果は非常に大
きいものとなる。したがって、大粒径多結晶シリコンを
低温で形成し、かつその結晶方位を揃える成膜技術を確
立することは、大粒径多結晶シ１ｊコンを用いたデバイ
スの特性を向上させ、その多様化を深める上で瓶めて重
要である。If large-grain polycrystalline silicon thin films with uniform crystal orientation can be formed at relatively low temperatures, this will not only dramatically improve the characteristics of devices using polycrystalline silicon, but also
The ripple effects will be huge, such as expanding the field of application. Therefore, establishing a film-forming technology that forms large-grain polycrystalline silicon at low temperatures and aligns its crystal orientation will improve the characteristics of devices using large-grain polycrystalline silicon and will contribute to their diversification. It is important to bottle it to deepen your understanding.
本発明は上記した従来の成膜方法の諸問題に濫みて創案
されたものであり、イオンを利用した薄膜形成法を用い
、非晶質基板上に強い配向性を有する大粒径多結晶シリ
コン薄膜を比較的低温で形成することが可能な薄膜の形
成方法を提供することを目的としている。The present invention was devised in view of the problems of the conventional film forming methods described above, and uses a thin film forming method using ions to deposit large-grain polycrystalline silicon with strong orientation on an amorphous substrate. It is an object of the present invention to provide a method for forming a thin film that can be formed at a relatively low temperature.
〈問題点を解決するための手段及び作用〉本発明でいう
イオンを利用した薄、嘆の形成方法とは、蒸発源シリコ
ンを加熱し、これを真空中へ蒸発させてシリコン薄膜を
形成する工程において、シリコン蒸気を少なくとも一部
イオン化、加速して基板に射突させ嘆形成を行う方法で
あり、イオンブレーティング法、イオンビーム蒸着法、
クラスタイオンビーム法などが含まれる。以下では緻密
かつ高純度の薄膜形成を実現するクラスタイオンビーム
法に限って説明するが、本発明はこれに限定されるもの
でないことは言うまでもない。<Means and operations for solving the problem> The method of forming a thin film using ions in the present invention is a process of heating silicon as an evaporation source and evaporating it into a vacuum to form a thin silicon film. In this method, at least a portion of silicon vapor is ionized and accelerated, and the silicon vapor is bombarded with the substrate to form a silicon vapor.
This includes cluster ion beam methods. Although the description below will be limited to the cluster ion beam method that realizes the formation of a dense and highly pure thin film, it goes without saying that the present invention is not limited thereto.
本発明の説明に先立ち、まず、本発明の実施例において
用いるクラスタイオンビーム蒸着法について簡単に説明
する。Before explaining the present invention, the cluster ion beam evaporation method used in the embodiments of the present invention will first be briefly explained.
クラスタイオンビーム蒸着法においては、第１図に示す
ように噴射ノズル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、このシリコン蒸気を
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。In the cluster ion beam evaporation method, silicon 2 filled in a closed crucible 1 having an injection nozzle 3 is heated and vaporized as shown in FIG. It is injected into an atmosphere having a pressure of .
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、加速電属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はシャフタ、８は基
板７の加熱用赤外線ランプ、９はガス導入管である。This silicon vapor is ionized by being bombarded with electrons emitted from the filament 4, and is accelerated by an accelerating metal 5 to impinge and deposit on the substrate surface 7 together with neutral particles to obtain a silicon thin film. In FIG. 1, 6 is a shafter, 8 is an infrared lamp for heating the substrate 7, and 9 is a gas introduction tube.
上記した方法によれば、イオン種自身の化学的な活性、
及びイオンの加速によって与えられる運動エネルギーを
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、更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
形成が可能である。According to the above method, the chemical activity of the ionic species itself,
By effectively utilizing the kinetic energy given by the acceleration of ions, it is possible to promote the bonding between atoms on the substrate surface, and to form a homogeneous and dense thin film through the effect of surface migration caused by cluster collapse. be.
本発明においては、このようなイオンを用いた成膜法の
特徴に着目し、基板温度４００℃未満で、非晶質基板上
への微結晶を含む非晶質シリコン薄膜の形成について検
討を進めた。その結果イオン制御により層中に含まれる
微結晶密度及び方位制御が可能である１ことを見い出し
た。さらにこの薄膜を６００℃以下の温度で熱処理する
ことにより、強い配向性を有する平均粒径１μｍ以上の
多結晶ンリコン薄１摸を得るに至った。In the present invention, we focused on the characteristics of the film formation method using such ions, and investigated the formation of an amorphous silicon thin film containing microcrystals on an amorphous substrate at a substrate temperature of less than 400°C. Ta. As a result, we found that it is possible to control the density and orientation of microcrystals contained in the layer by controlling ions. Furthermore, by heat-treating this thin film at a temperature of 600° C. or lower, a polycrystalline silicone thin film with a strong orientation and an average grain size of 1 μm or more was obtained.
イオンビームを用いて形成される薄膜の構造及び特性は
真空室のベース真空度、基板温度、シリコンの蒸発速度
、イオン化率及び加速電圧などによって影響される。The structure and characteristics of a thin film formed using an ion beam are influenced by the base vacuum of the vacuum chamber, substrate temperature, silicon evaporation rate, ionization rate, accelerating voltage, and the like.
ベースの真空度は膜中への酸素、炭素、窒素等の不純物
の混入を防ぐために１０’Ｐａ以下に保つことが望まし
い。The degree of vacuum in the base is desirably kept at 10'Pa or less in order to prevent impurities such as oxygen, carbon, and nitrogen from entering the film.
基板温度はシリコン薄膜の結晶性を決定する重要な要因
である。上記したクラスタイオンビーム蒸着法による薄
膜の形成方法では、４００℃以上の基板温度で多結晶シ
リコン薄膜の形成が可能である。上記温度で形成した多
結晶シリコン薄膜は１００〜５００Ａの結晶粒径を持つ
。一方、３００’Ｃ未満の基板温度では、形成される薄
膜は結晶構造を持たぬ非晶質である。これに対し３００
〜４０ｆｆ’Ｃの基板温度で薄膜を形成した場合、１０
０Ａ以下の微結晶が混在する非晶質薄膜が得られる。こ
の薄膜中に含まれる微結晶の密度及び結晶性はイオンに
より制御が可能である。イオンのパラメターは、イオン
量を表わすイオン電流量及びそのエネルギーを決定する
加速電圧である。イオンによる結晶性制御を充分に行な
うには、１μＡ／ｃｄ以上のイオン電流密度を必要とす
る。さらに、加速電圧イｆ［
は微結晶密度及び結晶方鴇を決定する重要なパラメータ
ーである。数Ｖ−数百Ｖの加速電圧では、基板に到達し
たイオンは基板表面を清浄化するとともに、表面でのマ
イグレーション効果を促進し、良質な薄膜形成を行なう
には有効である。Substrate temperature is an important factor determining the crystallinity of silicon thin films. In the thin film forming method using the cluster ion beam evaporation method described above, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film at a substrate temperature of 400° C. or higher. The polycrystalline silicon thin film formed at the above temperature has a crystal grain size of 100 to 500A. On the other hand, at a substrate temperature of less than 300'C, the formed thin film is amorphous without a crystalline structure. 300 for this
When forming a thin film at a substrate temperature of ~40ff'C, 10
An amorphous thin film containing microcrystals of 0A or less is obtained. The density and crystallinity of the microcrystals contained in this thin film can be controlled by ions. Ion parameters are the ion current amount, which represents the ion amount, and the acceleration voltage, which determines its energy. In order to sufficiently control crystallinity using ions, an ion current density of 1 μA/cd or more is required. Furthermore, the accelerating voltage f[ is an important parameter that determines the crystallite density and crystal orientation. At an accelerating voltage of several volts to several hundred volts, the ions that reach the substrate clean the substrate surface, promote the migration effect on the surface, and are effective in forming a high-quality thin film.
しかし、上記の加速電圧では、薄膜中に発生する結晶核
はランダムな方位を持ち、方位制御を行なうことは困難
である。また６〜７ ｋＶ以上ではスパッタ現象や膜の
損傷が激しく々す、良質な薄膜の形成は行なえない。例
えば加速電圧１０ ｋＶの場合、シリコンイオンはシリ
コン薄膜中に表面からおよそ１５０Ａ侵入し、薄膜表面
からこの範囲にある領域の結晶性を破壊してしまう。However, at the above acceleration voltage, the crystal nuclei generated in the thin film have random orientations, and it is difficult to control the orientation. Further, if the voltage exceeds 6 to 7 kV, sputtering phenomenon and film damage occur frequently, and a high-quality thin film cannot be formed. For example, when the accelerating voltage is 10 kV, silicon ions penetrate approximately 150 A from the surface of the silicon thin film, destroying the crystallinity of the region within this range from the thin film surface.
これに対しｌ〜５ｋＶの加速電圧では、シリコンイオン
はシリコン薄膜中に１〜数１０Ａ侵入する。つまり原子
層にして表面から約１０層以下の範囲で結晶粒の破壊が
生じる。しかし、薄嘆内部シＩ
にはイオンは＼達せず、３００°〜４００ ’Ｃの基板
温度により、ある程度の結晶回復が起こる。さらに結晶
中にイオンを射突させた場合、イオンの入射方向が結晶
軸に平行な場合、千オ不リング現象が起こシ、イオンと
結晶中シリコン原子の衝突回数が減少し、結晶の破壊度
は減少することになる。On the other hand, at an accelerating voltage of 1 to 5 kV, silicon ions penetrate from 1 to several tens of amperes into the silicon thin film. In other words, destruction of crystal grains occurs within a range of about 10 atomic layers or less from the surface. However, the ions do not reach the thin inner shell, and some degree of crystal recovery occurs due to the substrate temperature of 300° to 400′C. Furthermore, when ions are injected into a crystal, and the direction of the ion's incidence is parallel to the crystal axis, a ring phenomenon occurs, which reduces the number of collisions between the ions and the silicon atoms in the crystal, reducing the degree of crystal destruction. will decrease.
イオンを射突せずに形成したシリコン薄膜では、発生し
た個々の結晶粒はランタムな方位を持ち、〈１１０＞方
向に弱い配向を持つ。これに対し、イオンを入射した場
合、薄嘆表面部で発生したうンダムな方位を持つ結晶粒
はシリコンイオンによシ破壊される。しかし基板に垂直
な方向に、その結晶軸が比較的方位が揃っている（１１
０＞の方位を持つ結晶粒は上記チャネリング現象により
、破壊の程度が少く、結晶性を保ったまま残る。In a silicon thin film formed without ion bombardment, the individual crystal grains generated have a random orientation, with a weak orientation in the <110> direction. On the other hand, when ions are injected, the crystal grains with random orientation generated in the thinned surface area are destroyed by the silicon ions. However, their crystal axes are relatively aligned in the direction perpendicular to the substrate (11
Due to the channeling phenomenon described above, crystal grains having an orientation of 0> are less likely to be destroyed and remain with their crystallinity maintained.
この様にして比較的方位の揃った微結晶粒を含む非晶質
シリコン薄膜を形成した後、これに６００℃未満の比較
的低温での熱処理を数１０時間加える。６００℃未満に
温度を押えるのは、安価な低融点ガラス基板の使用を可
能にするためである。After forming an amorphous silicon thin film containing microcrystalline grains with relatively uniform orientation in this manner, it is subjected to heat treatment at a relatively low temperature of less than 600° C. for several tens of hours. The reason why the temperature is kept below 600°C is to enable the use of an inexpensive low-melting glass substrate.
また８００℃以上の高温で処理した場合、膜中にランダ
ムに核が発生し、方位制御が困難になるとともに、結晶
核密度が増加するために、１μｍ以上の大きな結晶粒径
を持つ多結晶シリコン薄膜の形成は困難となる。５００
〜６００℃の熱処理を与えた場合、新たな核発生は押え
られ、シリコン薄膜堆積時に膜中に残された微結晶粒を
核として固相での再成長が起る。この微結晶粒は比較的
方位が揃っているために、成長した結晶粒はその方位を
受は継ぎ、薄膜全体として強い配向性を有する大粒径多
結晶シリコン薄膜が形成されることになる。Furthermore, when processed at a high temperature of 800°C or higher, nuclei are generated randomly in the film, making it difficult to control the orientation and increasing the crystal nucleus density. Forming a thin film becomes difficult. 500
When heat treatment is applied at ~600°C, new nucleation is suppressed, and regrowth in the solid phase occurs using the microcrystalline grains left in the silicon thin film as nuclei. Since these microcrystalline grains have relatively uniform orientation, the grown crystal grains inherit the orientation, resulting in the formation of a large-grain polycrystalline silicon thin film having strong orientation as a whole.
〈実施例〉 以下に具体的な実施例を示す。<Example> Specific examples are shown below.
第１図に示す装置において、真空チェンバはｌＸ１０Ｐ
ａ以下に排気した後、シリコン蒸着源２を充填したるつ
ぼ１を約２０００℃に加熱してＳ ｉ３Ｎ４あるいは６
００℃程度の耐熱性を有するガラス等の非晶質基板を用
いても構わない。基板７は赤外ランプ８によって加熱し
、基板温度３５０℃に保った。るつぼ１と基板７の間に
印加する加速電圧は２ｋＶとした。このとき、基板７に
入射したイオン電流密度は約３μＡ／ｃＪであった。形
成したシリコン薄膜１２の膜厚は０．５μｍである。In the apparatus shown in Fig. 1, the vacuum chamber is 1×10P.
After evacuating to a temperature below a, the crucible 1 filled with the silicon vapor deposition source 2 is heated to about 2000°C to form Si3N4 or 6.
An amorphous substrate such as glass having heat resistance of about 00° C. may also be used. The substrate 7 was heated by an infrared lamp 8 and maintained at a substrate temperature of 350°C. The accelerating voltage applied between the crucible 1 and the substrate 7 was 2 kV. At this time, the ion current density incident on the substrate 7 was approximately 3 μA/cJ. The thickness of the formed silicon thin film 12 is 0.5 μm.
また、比較のためにシリコン蒸気のイオン化を行なわず
蒸着により、上記と同一基板温度で０．２μｍの膜厚を
持つシリコン薄膜を形成した。For comparison, a silicon thin film having a thickness of 0.2 μm was formed by vapor deposition without ionizing silicon vapor at the same substrate temperature as above.
第２図は試料構造断面を示す図であり、１０はシリコン
＜ １００ ＞基板、１１は基板１０上に形成された５
ｉ０２ もしくはＳｉ：＋Ｎ＜等の非晶質絶縁薄膜、１
２はクラスタイオンビーム法により形成されたシリコン
薄膜である。また第３図は加速電圧２ｋＶで形成した試
料の表面部拡大模式図であり、＠４図は蒸着により形成
した試料の表面部拡大模式図であり、２１及び２２は微
結晶粒を示している。FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the sample structure, in which 10 is a silicon <100> substrate, 11 is a 5
i02 or Si:+N< etc. amorphous insulating thin film, 1
2 is a silicon thin film formed by cluster ion beam method. Fig. 3 is an enlarged schematic diagram of the surface of a sample formed at an accelerating voltage of 2 kV, and Fig. 4 is an enlarged schematic diagram of the surface of a sample formed by vapor deposition, and 21 and 22 indicate microcrystalline grains. .
上記第３図及び第４図に示す試料の表面部拡大模式図よ
り明らかなように、第４図に示す蒸着膜は、ランダムな
方位を持つ微結晶粒２２が高密度で存在する非晶質薄膜
であるのに対して、第３図低密度で存在する非晶質薄膜
である。As is clear from the enlarged schematic diagrams of the surface of the sample shown in FIGS. 3 and 4 above, the deposited film shown in FIG. Although it is a thin film, it is an amorphous thin film existing at a low density as shown in Figure 3.
さらに、これ等のシリコン薄膜を窒素雰囲気中において
、５５０℃、４０時間の熱処理を行なった後、Ｘ線透過
電子顕微鏡により薄膜の評価を行なった。Further, these silicon thin films were subjected to heat treatment at 550° C. for 40 hours in a nitrogen atmosphere, and then the thin films were evaluated using an X-ray transmission electron microscope.
第５図はイオンを入射して形成した試料をＸ線ディフラ
クトメーターによシ測定した結果を示したもので、回折
角２θに対する相対的回折強度■の測定結果を示したも
のであシ、第６図は蒸着のみにより形成した試料のＸ線
ディフラクトメーターによシ測定した結果を示したもの
で、回折角２θに対する相対的回折強度Ｉを示したもの
である。この第５図及び第６図において、２θ＝６９゜
付近に見られる強い回折１６．１６’は＜１００＞シリ
コン単結晶基板の（４，００）面からの回折である。第
６図に示す蒸着のみによる表面シリコン薄膜１２からの
回折としては２θ＝２８°、４７°。Figure 5 shows the results of measuring a sample formed by ion injection using an X-ray diffractometer, and shows the measurement results of the relative diffraction intensity (■) with respect to the diffraction angle 2θ. FIG. 6 shows the results of measurement using an X-ray diffractometer of a sample formed only by vapor deposition, and shows the relative diffraction intensity I with respect to the diffraction angle 2θ. In FIGS. 5 and 6, the strong diffraction 16.16' seen around 2θ=69° is diffraction from the (4,00) plane of the <100> silicon single crystal substrate. The diffraction from the surface silicon thin film 12 only by vapor deposition shown in FIG. 6 is 2θ=28° and 47°.
５６°付近にピークを持つ（１１１）、 （２２０）
。(111), (220) with a peak around 56°
.
（３１１）面からの回折１３’、 １４’ 、 １５
’が認められ、非晶質であったシリコン薄ｆｆｔＸが５
５０ ’Ｃ４０時間の熱処理により、同相での結晶成長
が起り、多結晶シリコン薄膜が形成されたことを示して
いる。またＸ線の回折強度は回折面によって異なり、シ
リコンパウダーでの回折強度では（１１１）面からの回
折強度を１とした場合、（２２０）。Diffraction from (311) plane 13', 14', 15
' was observed, and the amorphous silicon thin fftX was 5
It is shown that by heat treatment at 50'C for 40 hours, crystal growth occurred in the same phase and a polycrystalline silicon thin film was formed. Furthermore, the diffraction intensity of X-rays differs depending on the diffraction plane, and the diffraction intensity of silicon powder is (220) when the diffraction intensity from the (111) plane is 1.
（３１１）面からの回折強度はそれぞれ０，６゜０．３
５である。したがって水試料の（１１１）。The diffraction intensity from the (311) plane is 0.6° and 0.3, respectively.
It is 5. Therefore (111) of the water sample.
（２２０）、（３１１）面の存在比は１．０ ： １．
４＝１．１となシ、わずかに＜ １１０＞方向に配向性
を持つ程度である。The abundance ratio of (220) and (311) planes is 1.0:1.
4=1.1, so it has a slight orientation in the <110> direction.
一方、加速電圧２ｋＶで形成し走試料でも、表面シリコ
ン薄膜からは（１１１）、（２２０）。On the other hand, even in the sample formed at an accelerating voltage of 2 kV, the surface silicon thin film has (111) and (220).
（３１１）面からの回折１３．１４．１５が認められ、
多結晶シリコン薄膜が形成されている。しかし水試料の
場合、はるかに（２２０）面からの回折１４が強く、（
１１１）、（３１１）面からの回折１３．１５は逆に弱
くなっている。この強度から換算すると（１１１）、
（２２０）、 （３１１）面の存在比は０．４ ： １
．０ ： ０．３となり（１１０＞方向に強く配向して
いることが確認された。Diffraction 13, 14, 15 from the (311) plane was observed,
A polycrystalline silicon thin film is formed. However, in the case of water samples, the diffraction 14 from the (220) plane is much stronger, and (
111) and (311) plane, diffraction 13.15 is on the contrary weak. Converted from this strength (111),
The abundance ratio of (220) and (311) planes is 0.4:1
．． 0: 0.3, and it was confirmed that the film was strongly oriented in the 110> direction.
次に、これ等の試料をフッ酸溶液中に浸し、表面の多結
晶シリコン薄膜を剥離し、透過電子顕微鏡により観察し
た。Next, these samples were immersed in a hydrofluoric acid solution, the polycrystalline silicon thin film on the surface was peeled off, and the samples were observed using a transmission electron microscope.
この観察結果より、蒸着のみの試料では、平均粒径０．
２μｍの樹状結晶粒が成長し、イオンを入射した試料で
は１μｍにもぶする樹状結晶粒が成長して多結晶シリコ
ン薄膜が形成されていることが確認された。From this observation result, the average particle size of the sample with only vapor deposition is 0.
It was confirmed that dendritic crystal grains of 2 μm in size grew, and in the sample into which ions were incident, dendritic crystal grains covering 1 μm grew to form a polycrystalline silicon thin film.
上記の様に加速したシリコンイオンを用いて、４００℃
以下の基板温度で微結晶粒を含む非晶質ンリコンＮ膜を
形成した後、６００℃未満の比較的低温での熱処理を与
えることによシ、非晶質基板上に強い配向性を存し、平
均粒径が１μｍにも達する大粒径多結晶シリコン薄膜を
形成することが可能であることが確認された。Using silicon ions accelerated as described above, 400℃
After forming an amorphous silicone N film containing microcrystalline grains at a substrate temperature of It was confirmed that it is possible to form a large-grain polycrystalline silicon thin film with an average grain size of as much as 1 μm.
〈発明の効果〉
以上のように、本発明にしたがって、多結晶シリコン薄
膜を形成すれば、耐熱性の乏しいガラス基板上に、強い
配向性を有する大粒径多結晶シリコン薄膜を形成するこ
とが可能となる。したがってこの多結晶シリコン薄膜を
用いて薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）付加方式液晶ディス
プレイを構成すれば、ディスプレイの低価格化、大面積
化が実現される。さらに本発明の方法で形成された多結
晶シリコン薄膜は強い配向性を有するために、多結晶シ
リコンと酸化膜の界面での界面準位が低減され、しきい
値電圧の低減が図られる。また結晶粒界のＢラツキが押
えられ、結晶方位が比較的揃っているために、キャリア
移動度が向上するとともに、デバイス特性のバラツキを
低減させることも可能となる。<Effects of the Invention> As described above, if a polycrystalline silicon thin film is formed according to the present invention, a large-grain polycrystalline silicon thin film with strong orientation can be formed on a glass substrate with poor heat resistance. It becomes possible. Therefore, if a thin film transistor (TPT) added type liquid crystal display is constructed using this polycrystalline silicon thin film, the display can be made lower in price and larger in area. Furthermore, since the polycrystalline silicon thin film formed by the method of the present invention has strong orientation, the interface state at the interface between polycrystalline silicon and the oxide film is reduced, and the threshold voltage is reduced. Further, since the B fluctuation in the grain boundaries is suppressed and the crystal orientation is relatively uniform, carrier mobility is improved and it is also possible to reduce variations in device characteristics.
このように本発明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
て形成したデバイスの特性を向上させることが可能とな
るなど、本発明に係る薄膜形成方法の及ぼす効果は非常
に大きい。If a polycrystalline silicon thin film is formed using the present invention in this way, the range of application thereof can be expanded, and the characteristics of devices formed using the above thin film can be improved. The effects of this method are enormous.
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図は試料の構造断面を示す模式図、第３図は加速
電圧２ｋＶで形成した試料の表面部断面の拡大模式図、
第４図はイオン化を行なわず加速電圧ＯｋＶで形成した
試料の表面部断面の拡大模式図、第５図は加速電圧２ｋ
Ｖで形成した後、５５０℃、４０時間の熱処理を加えた
試料のＸ線ディフラクトメーターによる測定結果を示す
図、第６図はイオン化を行外わず加速電圧ＯｋＶで形成
した後、５５０℃、４０時間の熱処理を加えた試料のＸ
線ディフラクトメ〜りによる＋１１１Ｉ定結果を示す図
であり、第５．第６図において横軸は回折角２θ、縦軸
は相対強度Ｉである。
１・・・るつぼ、 ２・・・蒸発源シリコン、 ３・・
・ノズル、 ４・・・イオン化用フィラメント、 ５
・・加速電極、 ６・・・シャッタ、 ７・・・基板
、 ８・・・赤外ランプ、 ９・・・ガヌ導入管、
１ｏ・・・シリコン＜１００＞基板、 １１・・・Ｓ
ｉＯ２もしくはＳｉ：＋Ｎ、等の非晶質絶縁薄膜、
１２・・・クラ７タイオンビームにより形成したシリコ
ン薄１漠、 １３．１３’・・・（１１１）而からのＸ
線回折ピーク、 １４．１４’・・・（２２０）而か
らの回折ピーク、 １５．１５’・・・（３１１）面
からの回折ピーク、 １６．１６’・・・（１００＞
基板からの回折ピーク、 ２１．２２・・・微結晶粒
。
代即人 弁理士 杉 山 毅 至（他１名）Ｅ宝
ｏｏｏｏ 〜８
第１図
第５図
第２図
第３図
第４図
第６図Fig. 1 is a diagram showing the basic configuration of a cluster ion beam device, Fig. 2 is a schematic diagram showing a structural cross section of a sample, and Fig. 3 is an enlarged schematic diagram of a cross section of the surface of a sample formed at an accelerating voltage of 2 kV.
Figure 4 is an enlarged schematic diagram of the cross section of the surface of a sample formed at an acceleration voltage of OkV without ionization, and Figure 5 is an enlarged schematic diagram of the cross section of the surface of the sample formed at an acceleration voltage of OkV without ionization.
Figure 6 shows the measurement results using an X-ray diffractometer of a sample formed at V and then heat treated at 550°C for 40 hours. , X of the sample heat-treated for 40 hours
FIG. 5 is a diagram showing +111I constant results obtained by line diffractometry; In FIG. 6, the horizontal axis is the diffraction angle 2θ, and the vertical axis is the relative intensity I. 1... Crucible, 2... Evaporation source silicon, 3...
・Nozzle, 4... Ionization filament, 5
...Accelerating electrode, 6...Shutter, 7...Substrate, 8...Infrared lamp, 9...Ganu introduction tube,
1o...Silicon <100> substrate, 11...S
Amorphous insulating thin film such as iO2 or Si:+N,
12... Silicon thin film formed by ion beam, 13. X from 13'... (111)
Linear diffraction peak, 14.14'...Diffraction peak from (220) plane, 15.15'...Diffraction peak from (311) plane, 16.16'...(100>
Diffraction peak from the substrate, 21.22... Microcrystalline grain. Representative Patent Attorney Takeshi Sugiyama (1 other person) Ehooooo~8 Figure 1 Figure 5 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figure 6
Claims (1)
において、 蒸気化したシリコンの一部をイオン化、加速して上記非
晶質基板に中性シリコン蒸気とともに射突させてシリコ
ン薄膜を堆積する工程と、アニール処理を施すことによ
り上記非晶質基板上に堆積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 を含み、上記非晶質基板上に強い配向性を有する大粒径
多結晶シリコン薄膜を形成することを特徴とする薄膜の
形成方法。 ２、前記シリコン薄膜堆積時の前記非晶質基板の温度を
４００℃未満に保持してなり、前記堆積時のシリコン薄
膜が微結晶を含む非晶質薄膜であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の薄膜の形成方法。 ３、前記シリコンイオンを加速する加速電圧を１〜５ｋ
Ｖとなしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項もし
くは第２項記載の薄膜の形成方法。 ４、前記シリコン薄膜堆積後のアニール処理を６００℃
未満の温度で行なうようになしたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項、第２項もしくは第３項記載の薄膜の
形成方法。[Claims] 1. In a method for forming a polycrystalline silicon thin film on an amorphous substrate, a part of the vaporized silicon is ionized and accelerated, and it hits the amorphous substrate together with neutral silicon vapor. and a step of recrystallizing the silicon thin film deposited on the amorphous substrate in a solid phase by performing an annealing treatment. 1. A method for forming a thin film, the method comprising forming a large-grain polycrystalline silicon thin film. 2. The temperature of the amorphous substrate during the deposition of the silicon thin film is maintained at less than 400°C, and the silicon thin film during the deposition is an amorphous thin film containing microcrystals. A method for forming a thin film according to scope 1. 3. Set the acceleration voltage for accelerating the silicon ions to 1 to 5k.
A method for forming a thin film according to claim 1 or 2, characterized in that V is formed. 4. Annealing treatment after depositing the silicon thin film at 600°C
A method of forming a thin film according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the method is carried out at a temperature of less than 100 ml.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1154786A JPS62169320A (en) | 1986-01-21 | 1986-01-21 | Manufacture of thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1154786A JPS62169320A (en) | 1986-01-21 | 1986-01-21 | Manufacture of thin film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62169320A true JPS62169320A (en) | 1987-07-25 |
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ID=11780985
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP1154786A Pending JPS62169320A (en) | 1986-01-21 | 1986-01-21 | Manufacture of thin film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62169320A (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5893228A (en) * | 1981-11-30 | 1983-06-02 | Toshiba Corp | Preparation of semiconductor single crystal thin film |
| JPS5935016A (en) * | 1982-08-18 | 1984-02-25 | Agency Of Ind Science & Technol | Preparation of hydrogen-containing silicon layer |
| JPS5994412A (en) * | 1982-11-22 | 1984-05-31 | Agency Of Ind Science & Technol | Manufacture of semiconductor element |
-
1986
- 1986-01-21 JP JP1154786A patent/JPS62169320A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS5994412A (en) * | 1982-11-22 | 1984-05-31 | Agency Of Ind Science & Technol | Manufacture of semiconductor element |
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