JPH02143416A - Method of producing polycrystalline si film of large grain size having oriented crystallographic axis on insulator substrate - Google Patents
Method of producing polycrystalline si film of large grain size having oriented crystallographic axis on insulator substrateInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野コ
本発明は、薄膜トランジスタ用の多結晶シフコン材料と
して、特定の結晶軸方向に配向し、かつ大粒径の結晶粒
サイズをもつ多結晶シリコン膜の作製方法に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Field of Application] The present invention provides a polycrystalline silicon film oriented in a specific crystal axis direction and having a large crystal grain size as a polycrystalline SiFCON material for thin film transistors. This invention relates to a method for producing.
［従来の技術］
従来の薄膜トランジスタ用の多結晶シリコン材料におい
ては、結晶粒サイズを増加させる方法として、絶縁体基
板上に堆積されたアモルファス・シリコン膜または多結
晶シリコン膜にシリコンをイオン注入してアモルファス
化した膜を６００°Ｃ程度以下の低い温度で熱処理する
方法が一般的に採用されているく例えば、応用物理欧文
誌 （ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ’ｓ） 、 ２５巻、１９８６
年、上２９１ページ参照）。[Prior Art] In conventional polycrystalline silicon materials for thin film transistors, a method of increasing crystal grain size is to implant silicon ions into an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film deposited on an insulating substrate. A method of heat-treating an amorphous film at a low temperature of about 600°C or less is generally adopted.
Lied Physics), Volume 25, 1986
(see p. 291).
特定の結晶軸方向に配向した多結晶シリコン膜を作製す
る方法としては、シラン系ガスを含む原料ガスを低ガス
圧力下で熱分解する時、ガス圧力および堆積温度を調整
することによって得られている（例えば、電気化学学術
誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉ
ｃａＳｏｃｉｅｔｙ） 、１３４巻、１９８７年、２５
４１ページ参照）
さらに、配向多結晶シリコン膜の作製方法に関しては、
本発明者は、原料ガスを６００〜７００９Ｃでプラズマ
放電分解することにより、究めて強＜＜１１０＞結晶軸
方向に配向した多結晶シリコン膜を得ている（応用物理
学術誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ）、６４巻、１９８８年、４１５４ペー ジ
参照）。A method for producing a polycrystalline silicon film oriented in a specific crystal axis direction is to thermally decompose a raw material gas containing a silane gas under low gas pressure, and then adjust the gas pressure and deposition temperature. (For example, Journal of Electrochemistry
caSociety), Volume 134, 1987, 25
(See page 41) Furthermore, regarding the method for producing oriented polycrystalline silicon films,
The present inventor has obtained a polycrystalline silicon film oriented in the strong <<110> crystal axis direction by plasma discharge decomposition of a raw material gas at 600 to 7009C (Journal of Applied Ph.
ysics), Vol. 64, 1988, p. 4154).
［発明が解決しようとする課題］
従来のアモルファス・シリコン膜を低温熱処理すること
により大粒径の多結晶シリコン膜を作製する方法では、
成長する結晶粒の結晶軸方向は制御されていないため、
多くの場合、結晶軸方向はランダムとなる。[Problems to be solved by the invention] In the conventional method of producing a large-grain polycrystalline silicon film by subjecting an amorphous silicon film to low-temperature heat treatment,
Since the crystal axis direction of growing grains is not controlled,
In many cases, the crystal axis directions are random.
一方、原料ガスを高温で熱分解する方法では、堆積温度
の増加およびガス圧力の減少により、ねらいとする結晶
軸配向をもつ多結晶シリコン膜が得られるが、結晶粒サ
イズは小さく、さらには配向の強さに強く依存して多結
晶シリコン膜の表面が非常に荒れるという問題点があっ
た。On the other hand, in the method of thermally decomposing raw material gas at high temperature, a polycrystalline silicon film with the desired crystal axis orientation can be obtained by increasing the deposition temperature and decreasing the gas pressure, but the crystal grain size is small and the orientation There is a problem in that the surface of the polycrystalline silicon film becomes extremely rough depending on the strength of the polycrystalline silicon film.
プラズマ放電分解法によって配向多結晶シリコン膜を作
製した場合は、その表面は非常に平滑となるが、結晶粒
サイズは小さい。When an oriented polycrystalline silicon film is produced by plasma discharge decomposition, the surface is very smooth, but the crystal grain size is small.
本発明は、多結晶シリコン膜を薄膜トランジスタに応用
する場合にその特性に強く影響する、多結晶シリコンと
ゲート絶縁膜との界面における表面準位および結晶粒間
の界面準位の影響を減少させるために、＜１００＞また
は＜１１０＞方向に結晶軸が配向し、かつ大粒径の結晶
粒サイズをもつ多結晶シリコン膜を得ることを目的とし
ている。The present invention is aimed at reducing the effects of surface states at the interface between polycrystalline silicon and a gate insulating film and interface states between crystal grains, which strongly affect the characteristics when a polycrystalline silicon film is applied to a thin film transistor. Another object of the present invention is to obtain a polycrystalline silicon film having crystal axes oriented in the <100> or <110> direction and having large crystal grain sizes.
［課題を解決するための手段］
前記目的を達成するために、本発明の多結晶シリコン膜
の作製方法においては、シラン系ガスを含む原料ガスの
プラズマ放電分解により、絶縁体基板上に＜１００＞ま
たは＜１１０＞方向に強く結晶軸が配向した多結晶シリ
コン膜を堆積し、次に、その上にアモルファス・シリコ
ン膜を堆積する。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, in the method for manufacturing a polycrystalline silicon film of the present invention, a film of <100 A polycrystalline silicon film whose crystal axis is strongly oriented in the > or <110> direction is deposited, and then an amorphous silicon film is deposited thereon.
これを６００°Ｃ程度以下で熱処理することにより、ア
モルファス・シリコン膜を固相結晶化させて下地の配向
多結晶シリコン膜と同一の配向結晶軸をもち、かつ大粒
径の結晶粒サイズをもつ多結晶シリコンを作製するもの
である。By heat-treating this at about 600°C or less, the amorphous silicon film is solid-phase crystallized to have the same oriented crystal axis as the underlying oriented polycrystalline silicon film and a large crystal grain size. This method produces polycrystalline silicon.
上記のアモルファス・シリコン膜の堆積時に下地となる
＜１１０＞方向に配向した多結晶シリコン膜の作製法に
間しては、前記［従来の技術］に記載された既に公表さ
れている技術を用いることができる。The method for producing the polycrystalline silicon film oriented in the <110> direction, which serves as the base for the deposition of the amorphous silicon film described above, uses the previously published technology described in the above [Prior Art]. be able to.
上記のアモルファス・シリコン膜の同相結晶化過程にお
いて、下地の配向多結晶シリコン膜と接する側からアモ
ルファス・シリコンを結晶化させ、下地の配向性を維持
するためには、アモルファス・シリコン膜中に結晶化過
程において核となる部分が少なく、また含有水素濃度の
少ないことが好ましい。In the in-phase crystallization process of the amorphous silicon film described above, in order to crystallize the amorphous silicon from the side in contact with the underlying oriented polycrystalline silicon film and maintain the orientation of the underlying layer, it is necessary to It is preferable that there are few portions that become nuclei in the oxidation process, and that the concentration of hydrogen contained is low.
そのためには、アモルファス・シリコン膜の堆積方法と
して６００°Ｃ以下の温度での原料ガスの熱分解法があ
る。さらには、シリコンをイオン注入してアモルファス
化する方法が効果的である。この場合、シリコン・イオ
ン注入する深さは、下地の配向多結晶シリコン膜の一部
が含まれる深さに選べばよい。For this purpose, there is a thermal decomposition method of raw material gas at a temperature of 600° C. or less as a method for depositing an amorphous silicon film. Furthermore, a method of ion-implanting silicon to make it amorphous is effective. In this case, the depth of silicon ion implantation may be selected to include a portion of the underlying oriented polycrystalline silicon film.
配向多結晶シリコン膜上にアモルファス・シリコン膜を
堆積する過程で、アモルファス・シリコン膜を下地の配
向多結晶シリコン膜と同一の配向性を維持させて結晶化
させるためには、その配向性同相結晶成長を妨げる原因
となる外来不純物によって下地の配向多結晶シリコン膜
の表面が汚染されていないことが不可欠である。表面が
汚染されている場合は、ドライ・クリーニング法により
表面を洗浄した後、引き続いてアモルファス・シリコン
膜を堆積することにより可能となるが、表面汚染を完全
に除去するためには、前記の両シリコン膜を同一のシリ
コン薄膜堆積装置を用いて、空気中にさらすことなく引
き続いて堆積するとよい。In the process of depositing an amorphous silicon film on an oriented polycrystalline silicon film, in order to crystallize the amorphous silicon film while maintaining the same orientation as the underlying oriented polycrystalline silicon film, it is necessary to It is essential that the surface of the underlying oriented polycrystalline silicon film is not contaminated by foreign impurities that may hinder growth. If the surface is contaminated, this can be done by cleaning the surface using a dry cleaning method and then depositing an amorphous silicon film, but in order to completely remove surface contamination, both of the above methods are necessary. It is preferable that the silicon films are successively deposited using the same silicon thin film deposition apparatus without exposure to air.
［作用］
前記のように、絶縁体基板−配向多結晶シフコン膜−ア
モルファス・シリコン膜の構成をもつシリコン膜を、ア
モルファス・シリコンが結晶化し始める境界の温度より
わずかに高い温度で熱処理を施す時、アモルファス・シ
リコン膜中には、このような低温での結晶化の基となる
核が存在しないために、下地の配向多結晶シリコン膜の
表面における配向した核を基にしてアモルファス・シリ
コン膜は選択的に固相結晶成長することとなる。[Function] As mentioned above, when a silicon film having the structure of an insulator substrate - oriented polycrystalline Schifcon film - amorphous silicon film is heat-treated at a temperature slightly higher than the temperature at the boundary where amorphous silicon begins to crystallize. Since there are no nuclei in the amorphous silicon film that serve as the basis for crystallization at such low temperatures, the amorphous silicon film is formed based on the oriented nuclei on the surface of the underlying oriented polycrystalline silicon film. This results in selective solid phase crystal growth.
［実施例］
絶縁体基板上に６００°Ｃ以上の堆積温度でシラン系ガ
スを含む原料ガスをプラズマ放電分解することにより、
配向多結晶シリコン膜を堆積した後、同一のシリコン薄
膜堆積装置を用いて、空気中にさらすことなく引き続い
て、アモルファス・シリコン膜を５３０〜６００°Ｃの
温度で熱分解することにより堆積する。これを６００’
Ｃ程度以下の低い温度で２０〜５０時間熱処理を施し、
アモルファス・シリコン膜を固相結晶化させる。[Example] By plasma discharge decomposition of a raw material gas containing a silane gas at a deposition temperature of 600°C or higher on an insulating substrate,
After depositing the oriented polycrystalline silicon film, an amorphous silicon film is subsequently deposited by pyrolysis at a temperature of 530-600°C using the same silicon thin film deposition apparatus without exposure to air. This is 600'
Heat treatment is performed for 20 to 50 hours at a low temperature of about C or below,
Solid phase crystallization of amorphous silicon film.
別の実施例では、上記の方法により、絶縁体基板上に配
向多結晶シリコン膜を堆積した後、ドライ・クリーニン
グ機構をもつシリコン薄膜堆積を用いて、配向多結晶シ
リコン膜の表面を洗浄した後、上記の方法でアモルファ
ス・シリコン膜を堆積して、低温熱処理を行う。In another embodiment, after depositing an oriented polycrystalline silicon film on an insulating substrate by the method described above, the surface of the oriented polycrystalline silicon film is cleaned using silicon thin film deposition with a dry cleaning mechanism. , an amorphous silicon film is deposited by the method described above and subjected to low temperature heat treatment.
別の実施例では、上期の方法により、絶縁体基板−配向
多結晶シリコン膜−アモルファス・シリコン膜を作製し
た後、アモルファス・シリコン腹側からシリコンをイオ
ン注入することにより、アモルファス・シリコン層をよ
り完全にアモルファス化した後、前記の低温熱処理を施
し、固相結晶化させる。なお、この時のシリコン・イオ
ンの注入深さは、アモルファス・シリコン膜の厚さおよ
び配向多結晶シリコン膜の一部を加えた深さに選ぶ。In another example, after fabricating an insulator substrate, an oriented polycrystalline silicon film, and an amorphous silicon film by the method of the first half, silicon ions are implanted from the amorphous silicon belly side to further improve the amorphous silicon layer. After being completely amorphous, the above-mentioned low-temperature heat treatment is performed to solid-phase crystallize it. Note that the implantation depth of silicon ions at this time is selected to be the depth of the amorphous silicon film plus a portion of the oriented polycrystalline silicon film.
なお、前記の両シリコン膜を堆積する時の原料ガスとし
ては、シラン（ＳｉＨａ）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈａ
）を含む、キャリヤ・ガスとして水素またはアルゴン、
ドーパント・ガスとしてフォスフイン（ＰＨ３）、アル
シン（ＡＳＨ３）またはジボラン（Ｂ２Ｈ６）との混合
ガスを用いることができる。Note that the source gas for depositing both silicon films is silane (SiHa) or disilane (Si2Ha).
), hydrogen or argon as carrier gas,
A mixture of phosphine (PH3), arsine (ASH3) or diborane (B2H6) can be used as the dopant gas.
薄膜トランジスタに応用した場合、以下に記載されるよ
うな効果を奏する。When applied to thin film transistors, the following effects are produced.
シリコンとゲート絶縁膜との界面における表面準位密度
が少なくなる上記の結晶軸方向での配向は、しきい電圧
の変動を少なくし、キャリヤ易動度を増加させる効果を
もつ。また、この効果に加えて結晶粒サイズの増加は、
結晶粒間に存在するポテンシャル・バリヤの影響を減少
させる効果をもつ。この両者の効果のため、従来の多結
晶シリコン膜を使用した場合に比較して、薄膜トランジ
スタの特性は改善されたものとなる。The above-mentioned orientation in the crystal axis direction, which reduces the density of surface states at the interface between silicon and the gate insulating film, has the effect of reducing fluctuations in threshold voltage and increasing carrier mobility. In addition to this effect, the increase in grain size also
It has the effect of reducing the influence of potential barriers that exist between crystal grains. Because of both of these effects, the characteristics of the thin film transistor are improved compared to when a conventional polycrystalline silicon film is used.
Claims (1)
ズマ放電分解することにより、 ＜１００＞または＜１１０＞方向に強く結 晶軸が配向した多結晶シリコン膜を堆積さ せ、その後、清浄な表面状態を保った配向 多結晶シリコン膜上にアモルファス・シリ コン膜を堆積させた２層構造をもつシリコ ン膜を作製し、これを６００℃程度以下 の温度で熱処理することにより、アモルフ ァス・シリコン層を固相結晶化させて下地 の配向多結晶シリコンと同一の配向結晶軸 をもち、かつ大粒径の結晶粒サイズをもつ 配向多結晶シリコン膜を作製する方法。[Claims] 1. A polycrystalline silicon film having a crystal axis strongly oriented in the <100> or <110> direction is deposited on an insulating substrate by plasma discharge decomposition of a source gas containing a silane-based gas. After that, a silicon film with a two-layer structure is prepared by depositing an amorphous silicon film on an oriented polycrystalline silicon film with a clean surface condition, and this is heat-treated at a temperature of about 600°C or less. A method of solid-phase crystallizing an amorphous silicon layer to produce an oriented polycrystalline silicon film that has the same oriented crystal axis as the underlying oriented polycrystalline silicon and has large crystal grain sizes.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29785588A JPH02143416A (en) | 1988-11-24 | 1988-11-24 | Method of producing polycrystalline si film of large grain size having oriented crystallographic axis on insulator substrate |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP29785588A JPH02143416A (en) | 1988-11-24 | 1988-11-24 | Method of producing polycrystalline si film of large grain size having oriented crystallographic axis on insulator substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02143416A true JPH02143416A (en) | 1990-06-01 |
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ID=17852024
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| JP29785588A Pending JPH02143416A (en) | 1988-11-24 | 1988-11-24 | Method of producing polycrystalline si film of large grain size having oriented crystallographic axis on insulator substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02143416A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1320659C (en) * | 2003-04-04 | 2007-06-06 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | Silicon-on-insulator chip with multiple orientations and manufacturing method thereof |
-
1988
- 1988-11-24 JP JP29785588A patent/JPH02143416A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1320659C (en) * | 2003-04-04 | 2007-06-06 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | Silicon-on-insulator chip with multiple orientations and manufacturing method thereof |
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