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JP2755214B2 - 半導体薄膜の形成方法 - Google Patents

半導体薄膜の形成方法

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Publication number
JP2755214B2
JP2755214B2 JP7145022A JP14502295A JP2755214B2 JP 2755214 B2 JP2755214 B2 JP 2755214B2 JP 7145022 A JP7145022 A JP 7145022A JP 14502295 A JP14502295 A JP 14502295A JP 2755214 B2 JP2755214 B2 JP 2755214B2
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JP
Japan
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annealing
thin film
semiconductor layer
semiconductor thin
esr
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP7145022A
Other languages
English (en)
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JPH08107067A (ja
Inventor
隆 野口
久雄 林
健文 大嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP7145022A priority Critical patent/JP2755214B2/ja
Publication of JPH08107067A publication Critical patent/JPH08107067A/ja
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Publication of JP2755214B2 publication Critical patent/JP2755214B2/ja
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子に供する半
導体薄膜を形成する方法において、イオン注入により十
分に非晶質化させた後の半導体層に対して多段階の熱処
理を施すことにより、高キャリヤ移動度を再現性良く達
成するものである。 【0002】 【従来の技術】一般に、TFT(薄膜トランジスタ)等
の半導体素子に用いるための薄膜半導体層の形成方法と
して、シリコン基板等の半導体基体或いは絶縁基体上
に、例えば多結晶シリコンをCVD等の方法で被着形成
し、アニール等の熱処理を行ってグレインの成長を促
し、キャリヤ移動度の向上を得ることが行われている。 【0003】ここで、具体的な数値を提示して説明する
と、例えばLP−CVD(減圧CVD法)等の方法によ
り被着した多結晶シリコン層のグレイン・サイズ(粒
径)は、そのままの状態では5〜20nm程度の大きさ
であるが、このような多結晶シリコン層に対して100
0℃程度のアニール処理を施した場合には、およそ80
nm程度までには当該多結晶シリコン層のグレイン・サ
イズが成長することになる。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、素子の
高密度化の要請から、チャンネル長を短くし、或いは半
導体薄膜の膜厚を20〜40nmの超薄膜にしていった
ときには、素子特性のばらつきが顕著になり、高キャリ
ヤ移動度を得るためにアニール等の熱処理を行っても、
その再現性が問題となる。 【0005】また、さらに素子の高性能化を意図した場
合にあっては、一層グレイン・サイズを大きなものに成
長させて高キャリヤ移動度を実現する必要があり、上述
の方法によっては必ずしもその要求に応えるものとは言
い得ない。 【0006】一方、アニール等の熱処理の前にイオン注
入を行って、半導体薄膜を非晶質化させてから、熱処理
を行い、グレイン・サイズを大きくする方法も知られて
いる。 【0007】しかし、イオン注入のドーズ量によって、
非晶質化の度合を定量化することは容易ではなく、その
再現性に高度なものが要求される微細化傾向の中にあっ
ては十分なものとは言い得ない。 【0008】そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、何
ら素子の再現性に悪影響を与えることなく高キャリヤ移
動度の素子特性を実現する半導体薄膜の形成方法の提供
を目的とする。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の形
成方法は、上述の目的を達するために提案されるもので
あり、基板上に非晶質もしくは多結晶質の半導体層を形
成する工程と、前記半導体層に不活性元素のイオン注入
を施して損傷を与える工程と、異なる温度にて複数回の
アニールを施すことにより前記半導体層の結晶粒成長を
進行させる工程とを有するものである。 【0010】ここで、上記不活性元素とは、上記半導体
層に特定の導電型を与えず、また半導体層と反応して化
合物を形成しない元素である。半導体層がSi層である
場合には、Arに代表される希ガスの他、Siを用いる
ことができる。 【0011】また、上記アニールは加熱炉を用いた炉ア
ニール(FA)、ハロゲン・ランプを用いたラピッド・
サーマル・アニール(RTA)、エキシマ・レーザ光を
用いたエキシマ・レーザ・アニール(ELA)等の公知
のアニール手段により行うことができ、これらの手段の
組み合わせは任意である。ただし、FAは低温長時間ア
ニール、RTAやELAは高温短時間アニールに適して
いるので、基板の耐熱性を考慮して、たとえば第1段階
ではFAもしくはRTA、第2段階ではRTAもしくは
ELAといった組み合わせが特に好ましい。 【0012】また、ELAは基本的に基板上でのスキャ
ンにて行われるアニール法であるから、往路と復路を一
部重複させながらスキャンを行えば、この重複領域にお
いては高温アニールが行われることになる。 【0013】いずれにしても、多段階アニールの最初の
段階では相対的に低温域でアニールを行う方が良い。こ
れは、最初から高温域でアニールを行うと、結晶核が同
時多発的に形成され、最終的な結晶粒径を大きくできな
いからである。 【0014】そして、イオン注入は、1.03×1019
個/cm3以上のESR(電子スピン共鳴)中心密度を
与えるように行う。この値は、ドーズ量を可変してES
R中心密度の測定値とキャリヤ移動度との関係から見出
したものであり、この値未満では十分なキャリヤ移動度
を達成することができず、半導体素子の高速化を図るこ
とが困難となる。 【0015】 【作用】例えばシリコンを材料とする半導体層にSi等
のイオンを用いたイオン注入を行うことにより、Si−
Si結合が破壊されてダングリング・ボンドが増加す
る。しかし、この後に異なる温度で多段階アニールを行
うことにより、半導体層の結晶粒径を増大させ、これに
より高いキャリヤ移動度を達成して半導体素子の高速化
を図ることが可能となる。 【0016】なお、本発明においては、多段階アニール
を行う前に上記イオン注入により十分量のダングリング
・ボンドが形成されていること、つまり、半導体層が徹
底的に非晶質化されていることが必要であるが、この非
晶質化の尺度としてESR中心密度を利用することがで
きる。ダングリング・ボンドは、自由電子の捕獲,散乱
等に寄与して電気伝導度に影響し、直接的にシリコン等
の非晶質化の程度を定量的に示す尺度となる。ESR解
析とは、常磁性欠陥を有する試料の不対電子のエネルギ
ー準位が磁場中でゼーマン分裂を起こした場合に、該分
裂によって生じたエネルギー差に応じて吸収されるマイ
クロ波のエネルギー量を測定する手法であるから、その
ESR中心密度によりダングリング・ボンドを定量する
ことができる。本発明では、ESR中心密度が1.03
×1019個/cm3 以上となるごとく十分な非晶質化を
行った場合に、その後の多段階アニールによりキャリヤ
移動度の高い半導体薄膜を形成することができる。 【0017】 【実施例】本発明の実施例を実験例に基づき説明する。 【0018】本実験例の半導体薄膜の形成方法は、ま
ず、半導体層として多結晶シリコン層を、LP−CVD
法により、SiH4 ガスとHeガス(20%)の混合ガ
スを使用し、基板温度610℃,真空度70Pa,堆積
レート6〜7nm/分の条件でおよそ80nmに堆積さ
せている。 【0019】次に、このような多結晶シリコン層に対し
て、導入するイオンとしてSi(シリコン)イオンを用
い、40keVのイオン加速エネルギーで、ドーズ量を
表1に示す各量として試料を作製した。 【0020】 【表1】 【0021】ここで、各試料1〜5については、試料1
を除き上記所定のドーズ量でイオン注入が施されてお
り、このイオン注入によって、上記多結晶シリコン層は
ダメージ(損傷)を受け、多結晶シリコン層中の共有結
合が切れて、ダングリング・ボンドの量が増加すること
になる。 【0022】なお、導入するイオンは特にSiイオンに
限定されず、他の電気的に不活性な元素のイオンでも良
く、更に他の高エネルギー粒子でも良い。 【0023】そして、上述の各ドーズ量に対応するES
R中心密度についてそれぞれ測定し、それぞれ先の表1
に示すような結果が得られている。なお、測定は、マイ
クロ波出力8.0mW,磁場掃引幅±50mT,変調幅
6.3μT,測定温度−20℃で行ったものである。こ
のような各ESR中心密度の値は、直接的には試料の多
結晶シリコン層のダングリング・ボンドの量を代表する
ものである。 【0024】次に、このような多結晶シリコン層に対し
て、エッチングにより80nmから20nmへの超薄膜
化を図った。続いて、第1段階のアニールとしてまず6
00℃でFAを施し、次に第2段階のアニールとして1
000℃でRTAを行った。このときの概念的なアニー
ル温度の変化パターンは、図1に示されるとおりであ
る。 【0025】上述のように大粒径化を図ったシリコン層
の電子移動度を測定し、ESR中心密度との相関関係を
求めた。この相関関係を表すグラフを図1に示す。図
中、●はサンプリング点であり、横軸はESR中心密度
(単位=個/cm3 )を示し、また、縦軸はキャリヤ移
動度(対数目盛:単位=cm2 /V・sec)を示す。
ここでは、前述の表1に示した上記試料1〜5に対応す
るデータに加えて他のデータをも補完して示している。
この図より、電子移動度はESR中心密度1.03×1
19個/cm3 の地点から臨界的な挙動を示し、この値
以上のESR中心密度を有する試料は高い電子移動度を
示すことが明らかである。 【0026】ところで、本発明の多段階アニールは、上
述のように第1段階と第2段階とを完全に分離して行う
方法の他、たとえば図3に示されるように第1段階と第
2段階を連続して行う方法、あるいは図4に示されるよ
うに第1段階に第2段階を重畳して行う方法にて行うこ
とができる。特に後者の重畳法は、実用上はELAによ
り可能となる方法である。すなわち、基板上におけるレ
ーザ・ビームのスキャン軌跡を往路と復路とで一部重複
させれば、往路で加熱された領域がまだ冷却しないうち
に復路で再度の加熱を行うことができるので、重複領域
において相対的に高温域でのアニールが行われることに
なる。 【0027】なお、往路と復路の重複幅を1回のスキャ
ン幅の半分とすれば、図4に示されるような2段階の温
度設定によるアニールが行われるが、この重複幅を小さ
くしてゆけば、図5に示されるような3段階以上の多段
階アニールも可能である。 【0028】なお、本発明は上述の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、たとえば半導体層として多結晶シリ
コン以外の材料層を用いることも可能である。 【0029】 【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、成膜後に一旦十分に非晶質化された半導体
層を複数段階のアニールを経て大粒径化させるため、高
いキャリヤ移動度を示す半導体素子を再現性良く製造す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】 【図1】2段階アニールにおける温度変化パターンの一
例を示すグラフである。 【図2】ESR中心密度と電子移動度との関係を示すグ
ラフである。 【図3】2段階アニールにおける温度変化パターンの他
の例を示すグラフである。 【図4】2段階アニールにおける温度変化パターンのさ
らに他の例を示すグラフである。 【図5】多段階アニールにおける温度変化パターンの一
例を示すグラフである。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.基板上に非晶質もしくは多結晶質の半導体層を形成
    する工程と、不活性元素のイオン注入を1.03×10 19 個/cm 3
    以上のESR中心密度を与えて施すことによって前記半
    導体層に 損傷を与える工程と、 異なる温度にて複数回のアニールを施すことにより前記
    半導体層の結晶粒成長を進行させる工程とを有する半導
    体薄膜の形成方法。
JP7145022A 1995-06-12 1995-06-12 半導体薄膜の形成方法 Expired - Lifetime JP2755214B2 (ja)

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