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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleiterdünnfilms aus polykristallinem Silicium. Ein
durch das Verfahren hergestellter polykristalliner
Siliciumdünnfilm einer großen Korngröße ermöglicht die Herstellung
von Halbleitervorrichtungen wie
Hochleistungsdünnfilmtransistoren (TFT, thin-film transistor)
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Hinsichtlich des Stands der Technik zur Bildung eines
polykristallinen Siliciumhalbleiterdünnfilms mit einer
großen Korngröße wurde ein Verfahren berichtet, bei dem ein
amorpher Siliciumdünnfilm in einer festen Phase wachsen
gelassen wird, um einen polykristallinen Siliciumdünnfilm
zur Verwendung für einen Dünnfilmtransistor zu bilden [T.
Noguchi, T. Ohshima & T. Hayashi; Polysilicon Films and
Interfaces, Boston, 1987, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Bd.
106, S. 293 (Elsevier Science Publishing, New York, 1988)].
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Die Einzelheiten davon sind nachstehend beschrieben.
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Bei diesem Verfahren wird zunächst eine amorphe Si-
Schicht auf einem Substrat gebildet. Die amorphe Si-Schicht
kann durch ein bekanntes Verfahren, wie Implantation von Si-
Ionen in eine polykristalline Si-Schicht für die Amorphität,
thermische Zersetzung von SiH&sub4; durch chemische
Dampfabscheidung und Abscheidung von Si durch
Elektronenstrahldampfabscheidung auf einem auf Raumtemperatur gehaltenen Substrat,
gebildet werden.
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Anschließend wird die amorphe Si-Schicht bei 600ºC in
Stickstoffatmosphäre für mehrere bis mehrere zehn Stunden
wärmebehandelt. Dadurch werden Kristallisationskeime in der
amorphen Si-Schicht gebildet und die Kristallisationskeime
wachsen mit der fortschreitenden Behandlungszeit, um
schließlich in gegenseitiger Kollision der Kristallkörner
unter Bildung von Korngrenzen zu resultieren. Beispielsweise
kommt es in einer durch Si-Ionenimplantation gebildeten
amorphen Si-Schicht von etwa 100 nm (1000 Å) Dicke durch
thermische Behandlung bei 600ºC für 100 Stunden zur Bildung
von Kristallkörnern eines Durchmessers von so groß wie 5 um
Größe. Bei einem auf einer polykristallinen Si-Schicht mit
einem derartig großen Korndurchmesser gebildeten
Dünnfilmtransistor wird eine Trägerbeweglichkeit von mehr als 100
cm²/vsec beobachtet. Demzufolge ist diese Behandlung ein
besonders nützliches Verfahren zum Kornwachstum.
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Jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung
als Ergebnis praktischer Experimente und der detaillierten
Betrachtung wie nachstehend Nachteile beim vorstehend
genannten Stand der Technik gefunden.
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(1) Eine amorphe Siliciumschicht wird nicht bei einer
Temperatur unter 600ºC kristallisieren, so daß die
Behandlungstemperatur nicht erniedrigt werden kann. Beispielsweise
wird kein Kristalllsationskeim durch einen Wärmebehandlung
bei 550ºC für 2000 Stunden in einer amorph gehaltenen
Siliciumschicht gebildet. Die Temperatur von 600ºC ist im
allgemeinen höher als die Hitzebeständigkeitstemperatur von
für amorphe Si-Dünnfilmtransistoren verwendetem Glas.
Deswegen muß hitzebeständiges, teures Quartzglas als
Basismaterial verwendet werden.
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(2) Im allgemeinen erfordert die Kristallisation eines
amorphen Dünnfilms durch Festphasenkristallwachstum eine so
lange Dauer wie mehrere zig-Stunden nach Beginn der
Wärmebehandlung, um einen vollständig polykristallinen Zustand
unabhängig von der Temperatur zu erreichen. Dies ist so,
weil die Induktionsperiode vom Beginn der Wärmebehandlung
bis zur Bildung von Kristallisationskeimen bis zu mehreren
zig-Stunden dauert und das Wachstum der
Kristallisationskei
me zu Kristallkörnern extrem langsam ist. Beispielsweise
wird bei durch Si&spplus;-Ionenimplantation gebildetem amorphen Si
beobachtet, daß es eine Induktionsperiode von etwa 10
Stunden bei 600ºC aufweist und eine lange Zeit von 100
Stunden vom Beginn der Wärmebehandlung bis zur
Vervollständigung der Kristallisation des gesamten Films erfordert.
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Die vorstehenden zwei Probleme sind bei der
industriellen Herstellung vom Standpunkt der Herstellungseffizienz und
der Herstellungskosten her bedenklich, was
selbstverständlich gelöst werden muß.
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(3) Zusätzlich zum vorstehenden Nachteil (2) tritt die
Kristallisationskeimbildung in amorphem Silicium an
zufälligen Positionen auf, so daß sich die Korngrenzen, die durch
gegenseitige Kollision von gewachsenen Kristallkörnern
gebildet werden, an zufälligen Positionen bilden, die nicht
gesteuert werden können. Tatsächlich wird die Si&spplus;-
Implantation für die Amorphität der polykristallinen Si-
Schicht und die anschließende Wärmebehandlung bei 600ºC
eine polykristalline Schicht mit einem Kristalldurchmesser
von höchstens 5 um erzeugen. Die Korngröße verteilt sich
jedoch weit von 1 um bis 5 um, wodurch Unterschiede in den
Charakteristika der Bauteile entstehen und praktisch ein
großer Nachteil herbeigeführt werden kann.
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Beispielsweise weist ein Feldeffekttransistor,
angebracht auf der vorstehend genannten polykristallinen Si-
Schicht, die große Körner auf einem 4-inch-Substrat umfaßt,
eine Abweichung der Elektronenmobilität von ±10 cm²/vsec
bezogen auf 110 cm²/vsec und eine Abweichung des
Schwellenwerts von ±0,5 V auf, wobei dies Abweichungen deutlich
größer als solche von Transistoren sind, die auf einem
Einzelkristall-Si-Substrat angebracht sind, wodurch ein
großes Hindernis beim Aufbau eines integrierten
Schaltkreises erzeugt wird.
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(4) Donor-Akzeptor-Verunreinigungen, die im allgemeinen
die elektrischen Eigenschaften verändern, wie P, B, As,
usw., sind bekannt dafür, das Wachstum eines Si-Kristalls zu
beeinflussen. Insbesondere ist P bekannt dafür, ein anomales
Kornwachstum zu begünstigen (Y. Wada & S. Nishimatsu, J.
Electrochem. Soc., Bd. 125, Nr. 9, S. 1499).
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch nach
langzeitiger umfassender Untersuchung jeder Art von
Verunreinigung gefunden, daß die vorstehend genannten Donor-
Akzeptor-Verunreinigungen die Kristallisation nur
beschleunigen, wenn die Verunreinigung in einer großen Menge nahe
der Feststofflöslichkeitsgrenze eingeführt wird, und es in
diesem Fall zur Bildung einer n&spplus;- oder p&spplus;-Schicht kommt, die
ungeeignet für eine aktive Halbleiterschicht ist, wodurch
die Herstellung von Bauelementen erschwert wird.
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Die vorliegende Erfindung, definiert in den beigefügten
Ansprüchen, ist als eine Lösung der vorstehend beschriebenen
Probleme im Stand der Technik beabsichtigt.
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Das definierte Verfahren ermöglicht die Steuerung der
Positionen der Kristallisationskeimbildung und die
Definition der Position der Korngrenzen und führt zu einer engen
Korngrößenverteilung.
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Es ist möglich, daß Wachstum eines polykristallinen
Films mit einer Korngröße von 10 um oder größer erfolgt.
Dies ist ein Vorteil gegenüber dem herkömmlichen
Festphasenwachstum, mit dem normalerweise eine maximale Korngröße von
nur etwa 5 um erreicht wird. Die Umkristallisierung kann mit
einer höheren Geschwindigkeit bei einer höheren Temperatur
als bisher durchgeführt werden.
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Bei dem definierten Verfahren werden durch Sn-
Ionenimplantation erhaltene lokalisierte Bereiche zur
Initiation der Kristallisationskeimbildung und des
Festphasenwachstums verwendet.
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Es sei erwähnt, daß bekannt ist, daß die
Festphasenepitaxie von amorphem Silicium, insbesondere von (111)-
Silicium, durch Einschließen von Sn mit einer Konzentration
von weniger als 1 at.% verbessert werden kann. Dies ist in
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Bd.
B37/38, 1989, S. 387-390 ausgeführt.
In den begleitenden Zeichnungen:
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ist Fig. 1 eine Graphik, die die Abhängigkeit der
Kristallisationsinitiationstemperatur von dem
Implantierungslevel von Sn zeigt;
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sind die Fig. 2A bis 2C und die Fig. 3A und 3B
schematische Zeichnungen zur Veranschaulichung des Verfahrens zur
Bildung eines Halbleiterdünnfilms durch das erfindungsgemäße
Verfahren; und
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sind die Fig. 4 und 5 Graphiken, die den Effekt der Sn-
Addition auf die maximale Korngröße zeigen.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat neutrale
Verunreinigungen der Gruppe IV als ein Mittel zu Lösung der
vorstehend genannten Probleme des Stands der Technik
betrachtet.
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Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Gruppe IV-
Verunreinigung, die bei Zugabe keine Polarität auf den
Siliciumhalbleiter überträgt, nicht nur eine neutrale
Verunreinigung ist, sondern auch einen niedrigen
Schmelzpunkt und eine hohe Feststoff-Flüssigkeit-Grenze hat, keinen
Dotierstoffanteil in der Bandlücke von Si bildet, kein
tiefes Rekombinationsniveau bildet und eine ausreichend
lange Lebensdauer für die Träger erzeugt.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat umfassend
die Verunreinigungen untersucht, die die vorstehenden
Erfordernisse erfüllen, und hat viele Experimente wiederholt
unter Betrachtung von Sn durchgeführt. Folglich war er
erfolgreich bei der Senkung der
Kristallisationsinitiationstemperatur und bei der Bildung eines polykristallinen Films
einer großen Korngröße innerhalb einer kurzen Zeit.
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Aufgrund der erniedrigten
Kristallisationsinitiationstemperatur nach der vorliegenden Erfindung muß das Substrat
nicht hoch hitzebeständig sein. Billiges Glas kann als das
Substratmaterial verwendet werden.
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Ein amorpher Sn-enthaltender Si-Halbleiterfilm kann
beispielsweise durch Aufbringen auf einem Substrat einer
polykristallinen Dünnschicht mit einer kleinen Korngröße
(weniger als 50 nm (500 Å)) bei 600ºC durch thermochemische
Dampfabscheidung (CVD) von SiH&sub4; und Implantierung von Sn-
Ionen durch Ionenimplantation, oder andernfalls durch
Elektronenstrahldampfabscheidung, Glimmentladung oder
Sputtern gebildet werden.
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Ein amorpher Siliciumdünnfilm kann direkt durch
chemische Dampfabscheidung gebildet werden und Sn-enthaltendes
Material kann als eine Gaskomponente bei der chemischen
Dampfabscheidung verwendet werden.
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Die Menge der Zugabe von Sn ist nicht größer als 1 ·
10²² Atome/cm³, da eine Zugabemenge, die 10²² Atome/cm³
übersteigt, eine Ausfällung von β-Sn nach der
Wärmebehandlung verursachen kann. Die untere Grenze der Zugabe von Sn
beträgt 10¹&sup5; Atome/cm³, da der Effekt der vorliegenden
Erfindung im allgemeinen nicht mit einer geringeren
Zugabemenge an Sn erreicht werden kann.
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Die Dicke des Halbleiterdünnfilms hängt von der zu
bildenden Vorrichtung ab. Für TFT liegt die Dicke
beispielsweise im Bereich von 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å). Im
allgemeinen ist eine Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) für die
Verwendung bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung
bevorzugt.
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Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der
Kristallisationstemperatur (Kristallisationsinitiationstemperatur) von der
Implantationsmenge im Fall der Implantation von Sn-Ionen in
eine polykristalline Si-Schicht, um diese amorph zu machen.
Die Si-Schicht hatte eine Dicke von 100 nm (1000 Å) und Sn
wurde mit einer Implantationsenergie von 110 keV
implantiert, wobei die Implantationstiefe ungefähr den mittleren
Bereich der Si-Schicht erreichte. Ein Anstieg der Menge an
Sn-Implantation von 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;² auf 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;² erniedrigte
die Temperatur zur Bildung von Kristallisationskeimen in der
durch Sn-Implantation amorph gemachten Si-Schicht um 100ºC,
nämlich von 600ºC auf 500ºC, was durch
Transmissionselektronenmikroskopie nach der Wärmebehandlung bestätigt wurde.
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Wie vorstehend beschrieben, hat der Erfinder der
vorliegenden Erfindung die Abhängigkeit der
Kristallisationsinitiationstemperatur von der Zugabemenge an Sn gefunden und
war erfolgreich bei der Steuerung der
Kristallisationskeimbildungsstelle durch lokalisierte Änderungen der Sn-
Konzentration in der Si-Schicht unter Verwendung des
vorstehenden Phänomens. Die Korngröße und die Position der
Korngrenzen werden durch die Steuerung der
Kristallisationskeimbildungsstelle gesteuert.
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Die Erfindung wird nachstehend detaillierter
beschreiben.
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Um die Korngröße und die Korngrenzenposition des
polykristallinen Siliciumdünnfilms zu steuern, sollte der mit Sn
versetzte Bereich, der lokal eine hohe Konzentration an Zinn
(Sn) enthält, klein genug für das durch einen einzelnen
Kristallisationskeim ausgelöste Kristallwachstum sein. Die
Größe des mit Sn versetzten Bereichs ist nicht größer als 2
um und vorzugsweise nicht größer als 1 um in seinem
maximalen Durchmesser.
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Außerhalb des vorstehend genannten mit Sn versetzten
Bereichs, der lokal eine hohe Konzentration an Zinn (Sn)
enthält, muß kein Sn enthalten sein, kann aber enthalten
sein, mit der Maßgabe, daß es in einer geringeren
Konzentration vorliegt als in dem mit Sn versetzten Bereich, um das
Kristallwachstum in der festen Phase zu beschleunigen. Im
letzteren Fall sollte vom Standpunkt der Steuerung der
Position der Kristallisationskeimbildung und der
Beschleunigung des Kristallwachstums die Konzentration an Sn nicht
mehr als das 10&supmin;² -fache der des mit Sn versetzten Bereichs
sein.
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Die Wärmebehandlung zur Bildung des kristallinen
Siliciumhalbleiterdünnfilms wird bei einer Temperatur niedriger
als 600ºC durchgeführt, die daher unterhalb des
Schmelzpunkts von amorphem Silicium ist, um sicherzustellen, daß
das Kristallwachstum in der festen Phase erfolgt.
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Bei der Wärmebehandlung wird die Initiationsstelle des
Kristallwachstums in der festen Phase durch Bereitstellung
des mit Sn versetzten Bereichs, der lokal eine hohe
Konzentration an Zinn (Sn) enthält, in dem amorphen
Siliciumdünnfilm, gesteuert.
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Diese Steuerung der Position der
Kristallisationskeimbildung in der festen Phase wird basierend auf
der-Erkennt
nis durchgeführt, daß die Kristallisation in dem mit Sn
versetzten Bereich bei einer niedrigeren Temperatur
initiiert wird als in dem nicht mit Sn versetzten Bereich. Um die
Position der Korngrenze zu steuern, ist die
Erwärmungstemperatur derart, daß der Kristall von dem mit Sn versetzten
Bereich gebildeten Kristallisationskeim wächst, aber kein
Kristallisationskeim in dem nicht mit Sn versetzten Bereich
gebildet werden kann.
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Im Fall der Verwendung von amorphem Silicium und Sn,
wie in Fig. 2 gezeigt, wird Sn lokal zu vorbestimmten
Stellen innerhalb des auf einem SiO&sub2;-Substrat 1 gebildeten,
amorphem Si 2 zugegeben (Fig. 2A), und anschließend wird die
Wärmebehandlung bei einer derartigen Temperatur
durchgeführt, daß nur das Sn-enthaltende amorphe Si 3 (mit Sn
versetzter Bereich) kristallisieren wird, um
Kristallisationskeime zu bilden. In dem anderen amorphen Si-Bereich
(nicht mit Sn versetzter Bereich) wird kein
Kristallisationskeim gebildet, da dessen Kristallisationstemperatur
ausreichend höher als die des mit Verunreinigung versetzten
Bereichs ist. Die Fortführung der Wärmebehandlung führt zum
Wachstum der positionsgesteuerten Kristallisationskeime in
dem amorphen Si-Bereich (Fig. 2B). Dies kommt daher, daß der
Phasenübergang einer amorphen Si-Phase zu einer kristallinen
Phase mit einem gebildeten Kristallisationskeim bei
niedrigerer Energie als der zur Kristallisationskeimbildung in
einer amorphen Phase erforderlichen Aktivierungsenergie
auftritt. Durch die weitere Fortführung der Wärmebehandlung
kommt es zur Kollision der positionsgesteuerten
Kristallkörner 4, wodurch ein Korngrenze 6 zwischen den
Kristallisationskeim-bildenden Positionen gebildet wird (Fig. 2C).
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Fig. 3 zeigt die Steuerung der Position der
Kristallisationskeimbildung durch Bildung der Bereiche, die lokal
eine höhere Konzentration an Sn enthalten.
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Eine amorphe Si-Schicht mit zugefügtem Sn wird auf
einem Substratmaterial gebildet. In der Schicht werden
Bereiche mit einer lokal höheren Konzentration an Sn mit
einem vorbestimmten Abstand gebildet (Fig. 3A). Das Substrat
wird thermisch behandelt, um Festphasenumkristallisierung
bei einer Temperatur derart herbeizuführen, daß nur die
Bereiche mit einer höheren Sn-Konzentration kristallisieren,
d. h. niedriger als die Kristallisationstemperatur der
Bereiche mit einer niedrigeren Sn-Konzentration, womit Si-
Kristallisationskeime nur im Bereich mit einer höheren Sn-
Konzentration gebildet werden. Eine weitere Fortführung der
Wärmebehandlung führt zum Wachstum des Kristalls in der
festen Phase in den Bereich mit einer niedrigeren Sn-
Konzentration, wobei keine Kristallisationskeime gebildet
werden, Kollision mit dem an dem benachbarten Bereich mit
höherer Sn-Konzentration um den Mittelpunkt erzeugten Korn
verursacht wird, wodurch der amorphe Sn-Bereich verschwindet
und eine positionsgesteuerte Korngrenze an der Position der
Kollision gebildet wird (Fig. 2B).
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Der Kristallisationskeim wird an einem Abschnitt mit
hoher Sn-Dichte gebildet, wobei der Kristall, der in der
festen Phase wächst, eine einzelne Domäne zu einem Abschnitt
mit niedriger Dichte erhält, da die Aktivierungsenergie zum
Kristallwachstum von einem einmal gebildeten
Kristallisationskeim niedriger ist als die Aktivierungsenergie für die
Kristallisationskeimbildung zur Überwindung der Barriere der
Oberflächenenergie.
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Ein Experiment wird nun beschrieben, bevor detaillierte
Beispiele der vorliegenden Erfindung angegeben werden.
Experiment
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Auf einer Glasplatte als Substrat wurde eine
polykristalline Schicht, aufgebaut aus kleinen Körnern (kleiner als
50 nm (500 Å) im Durchmesser), durch thermochemische
Dampf
abscheidung von SiH&sub4; bei 600ºC mit einer Dicke von 100 nm
(1000 Å) aufgebracht.
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Ionen wurden unter den in Tabelle 1 gezeigten
Bedingungen in die polykristalline Schicht implantiert.
Tabelle 1
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Die Beschleunigungsspannung von 110 kV wurde so
ausgewählt, daß der Projektionsbereich (Implantationstiefe) die
Mitte der Si-Schicht erreicht, was in einem Bereich von
49,8 nm (498 Å) von der Oberfläche resultiert.
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Wie in Tabelle 1 gezeigt, werden in die Probe Nr. 0 Sn-
Ionen mit einer Dosis von 5 · 10¹&sup5; Ionen/cm² bei 70 kV
implantiert, und in die Proben Nr. 1 bis 3 wurden Sn-Ionen
mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm², 1 · 10¹&sup6; Ionen/cm²
bzw. 1 · 10¹&sup7; Ionen/cm² implantiert.
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Nach der Implantation oder vor der Wärmebehandlung
hatten Proben der Nr. 0, Nr. 1 und Nr. 2 gemäß der
Beobachtung durch Transmissionselektronenmikroskopie eine amorphe
Si-Struktur und zeigten bei der Elektronenstrahldiffraktion
ein Halomuster, das charakteristisch für amorphes Silicium
war. Andererseits kristallisierte die Probe Nr. 3, in die Sn
mit einer höheren Konzentration von 1 · 10¹&sup7; Ionen/cm²
implantiert wurde (entsprechend einer Sn-Konzentration von 1
x 10²² Ionen/cm³ in der 100 nm (1000 Å) dicken Si-Schicht),
bereits zum Zeitpunkt der Implantation. Nach der
Wärmebehandlung bei etwa 500ºC wurde durch rasterartige
Transmis
sionselektronenmikroskopie gefunden, daß sie β-Sn-
Einlagerungen hatte. Demzufolge wurden die nachstehenden
Tests für diese Probe nicht durchgeführt.
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Proben der Nr. 0, Nr. 1 und Nr. 2 wurden einer
Konstanttemperaturwärmebehandlung bei einer Temperatur von
600ºC in einer Stickstoffatmosphäre wie in Fig. 4 gezeigt
unterzogen. Folglich wurden in der Si-Schicht, die durch
Implantation von Si&spplus;-Ionen ohne jegliche Sn-Zugabe amorph
gemacht wurde, Kristallisationskeime in dem amorphen Si erst
nach einer Induktionsperiode von 10 oder mehr Stunden
gebildet, und danach dehnte sich der Kristall in eine
Dendritform aus, wodurch Kollision mit dem benachbarten
Kristallkorn verursacht wurde, was zum Verschwinden des
amorphen Bereichs und zur Kristallisation der gesamten
Schicht führte, womit ein Dünnfilmpolykristall erzeugt
wurde. In ungefähr 100 Stunden wurde die maximale Korngröße
gesättigt, wobei die Korngröße 5 um überstieg.
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In Probe Nr. 1, in die Sn mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5;
Ionen/cm² implantiert wurde, betrug die Induktionsperiode
ungefähr 6 Stunden, und der gebildete Kristall wurde in 20
Stunden mit einer maximalen Korngröße von etwa 4,8 um
gesättigt.
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In Probe Nr. 2, in die Sn mit einer höheren
Konzentration mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; Ionen/cm² implantiert
wurde, betrug die Induktionsperiode 3 Stunden oder weniger,
und die maximale Korngröße wurde bei etwa 4,5 um in 6
Stunden gesättigt.
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Die maximale gesättigt Korngröße nahm mit dem Anstieg
der Sn-Dosis ab. Als Grund dafür wird der Anstieg der
Kristallisationskeimbildungsgeschwindigkeit mit dem Anstieg
der Menge an zugegebenem Sn angenommen. Es wird angenommen,
daß die Zunahme der Sn-Zugabe zu einem Anstieg
der-Kristal
lisationskeimbildungsdichte zum Zeitpunkt der Kornkollision
im amorphen Si führt, was in einer gewissen Abnahme der
Korngröße resultiert.
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Korngröße von der
Wärmebehandlungstemperatur bei einer Behandlung für 100
Stunden konstant unter Stickstoffatmosphäre. In der Probe
Nr. 0, die kein Sn enthielt, trat selbst bei 100 Stunden
oder mehr Wärmebehandlung keine Kristallisation unter 600ºC
auf, während bei 600ºC oder einer höheren Temperatur die
Kristallisationskeimbildungsdichte anstieg, mit Tendenz
einer kleineren Korngröße bei einer höheren
Wärmebehandlungstemperatur aufgrund der höheren
Kristallisationskeimbildungsdichte bei einer höheren Temperatur. In Probe Nr. 1,
in die Sn mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm² implantiert
wurde, wurde die Kristallisation bei 500ºC initiiert, was
um 100ºC niedriger ist als bei den Proben ohne Zugabe, und
die Kristallisationskeimbildungsdichte konnte niedriger als
bei 600ºC gehalten werden, so daß sich die maximale
Korngröße durch Wärmebehandlung für 100 Stunden ungefähr 10 um
näherte.
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In der Probe Nr. 2, in die Sn mit einer Dosis von 1 ·
10¹&sup6; Ionen/cm² zugefügt wurde, wurde die Kristallisation bei
einer so niedrigen Temperatur wie 450ºC initiiert, wodurch
eine 10 um übersteigende Korngröße erzeugt wurde.
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Wie vorstehend beschrieben, konnte durch die Zugabe von
Sn die Induktionsdauer verkürzt werden und die
Kristallisationstemperatur erniedrigt werden, und das Wachstum des
Kristallkorns auf eine größere Größe wurde ermöglicht.
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Ein FET (Feldfeffekttransistor) wurde durch Verwendung
des erfindungsgemäß erhältlichen Sn-dotierten
polykristallinen Dünnfilms einer großen Korngröße nach einem gewöhnlichem
IC-Verfahren hergestellt. Der FET zeigte normale statische
Charakteristika eines Transistors, wie einer, der auf einem
kein Sn enthaltenden Film gebildet wurde, wobei die
Trägerbeweglichkeit mit steigender Korngröße anstieg, was zu einer
Verbesserung von 20 bis 40% (120 bis 140 cm²/vsec in der
Elektronenbeweglichkeit) führt. Zusätzlich trat die
Kristallisation bei 500ºC oder niedriger auf, was die Verwendung
von billigem Glas erlaubt, womit wirtschaftliche Effekte
erzeugt werden.
Beispiel 1
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Auf einem amorphen SiO&sub2;-Substrat (thermisch oxidiertes
Si oder Glas) wurde polykristallines Si durch chemische
Dampfabscheidung bei 620ºC mit einer Dicke von 100 nm
(1000 Å) aufgebracht. Des weiteren wurden Si-Ionen in die
gesamte Oberfläche darauf mit einer Beschleunigungsspannung
von 70 keV mit einer Dosis von 5 · 10¹&sup5; Ionen/cm²
implantiert, um den polykristallinen Si-Film in einen amorphen Si-
Film umzuwandeln.
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Eine Sn-Verunreinigung wurde lokal durch fokussierte
Ionenstrahlimplantation in einem maskenlosen Verfahren unter
den Bedingungen eines Sn&spplus;&spplus;-Strahldurchmessers von 0,1 um,
einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; Ionen/cm², einer
Beschleunigungsenergie von 50 keV, Abständen von 10 um, 20 um und 30 um in
einer Gitteranordnung, mit einer Größe von 2 um² zur Bildung
von implantierten Abschnitten 3 (mit Sn versetzter Bereich)
zugefügt (Fig. 2A).
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Anschließend wurde damit eine Wärmebehandlung bei
550ºC für 100 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre zum
Wachstum des Si-Kristalls 4 durchgeführt. In dem amorphen
Si, dem kein Sn zugefügt wurde, wurde während der
Wärmebehandlung kein Kristallisationskeim gebildet.
Kristallbereiche 5 wurden gebildet, die sich von dem Sn-implantierten
Bereich auf ungefähr 10 um ausdehnten, mit Korngrenzen 6,
die an den Mittelpunkten zwischen den implantierten Stellen
(Fig. 2B und Fig. 2A) gebildet wurden. Die Korngrenzen
wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt und
haben jeweils Verteilungen im Bereich von 10 um.
Beispiel 2
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Amorphes Si wurde durch chemische Dampfabscheidung bei
550ºC mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf ein SiO&sub2;-
Substrat aufgebracht. Danach wurden mit Sn versetzte
Bereiche von 1 um² in dem amorphen Si in einer Gitteranordnung
durch Implantierung von Sn mit einer Dosis von 1 · 1015
Ionen/cm² durch Verwendung eines Resists als Maske mit
Öffnungen von 1 um² bei einem Abstand von 10 um, 20 um oder
30 um mit einer Beschleunigungsenergie von 50 keV gebildet.
Nach dem Entfernen des Resists wurde das amorphe Si bei
550ºC für 100 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre
wärmebehandelt. Die Beobachtung der Kristallstruktur durch
Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, daß die
Korngrenzen in einer Gitteranordnung gebildet wurden, wobei die
Grenzen zwischen den Sn-implantierten Bereichen mit
Korngrößen von 10 um ± 1 um, 20 um ± 2 um bzw. 30 um ± 3 um waren.
Beispiel 3
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Auf einem 4-inch- (1 inch = 25,4 mm) Glassubstrat wurde
ein mit Sn versetzter Dünnfilm mit einer
Korngrößenverteilung von 5 ± 1 um erfindungsgemäß gebildet, aus dem 100
Feldeffekttransistoren mit einer Kanallänge von 3 um nach
einem herkömmlichen IC-Verfahren hergestellt wurden. Deren
Elektronenmobilität betrug 200 ± 10 cm²/vsec und der
Schwellenwert betrug 1,5 ± 0,2 V. Der Kanalabschnitt eines jeden
Transistors konnte so angeordnet werden, daß kein Korngrenze
eingeschlossen wurde, da der Ort der Korngrenzen bekannt
war. Die Charakteristika der Bauteile waren verbessert und
innerhalb eines engen Bereichs verteilt.