專利名稱：半導體材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及特別適合用于形成在絕緣體上的半導體層的半導體材料，例如制造使用該半導體層的器件。
在MOSLSI領域中，目前正在積極地開發(fā)關于SOI(絕緣體上的硅)的技術來符合使用較低的源電壓的要求。迄今為止，已提出了各種不同的用于制造SOI襯底的方法，一些方法已付諸實踐。目前的用于制造SOI襯底的典型方法包括SIMOX工藝和鍵合工藝，但所有這些方法都涉及下述問題難以在60nm以下均勻地控制硅(Si)膜的厚度和制造襯底的成本較高，這些問題妨礙了SOI襯底更廣泛的實際應用。
另一方面，可通過使用鍵合工藝在各種不同的諸如玻璃襯底的襯底上制造Si晶體薄膜，但當要制造面積更大的薄膜時，要保證均勻的厚度變得越來越困難。
此外，雖然可在玻璃襯底或其它不同種類的襯底上方便地形成多晶硅膜，但由于晶粒的粒子大小的變動、晶粒邊界的存在、晶粒取向方面的無序性等的緣故，它們的電特性是不能令人滿意的。
因而，本發(fā)明的一個目的是克服在常規(guī)技術中涉及的問題。即，本發(fā)明的一個目的是提供這樣一種半導體材料，它在電特性方面優(yōu)于多晶半導體材料，并且能容易地在各種襯底上形成。
按照本發(fā)明，提供一種包括多個基本上為半導體的單晶態(tài)的晶粒的半導體材料，這些晶粒在一個共同的表面取向上擇優(yōu)取向，鄰近的晶粒至少在其晶粒邊界的一部分處基本上呈互相晶格匹配的狀態(tài)。
由于按照本發(fā)明的半導體材料的晶體性質(zhì)與單晶類似，故在本說明書中將其稱為“準靜態(tài)單晶”在本發(fā)明中，形成品粒的典型的半導體是具有金剛石型晶體結構的共價鍵型的半導體。在這種情況下，多個晶粒呈{100}擇優(yōu)取向、{111}擇優(yōu)取向或{110}擇優(yōu)取向。當晶粒呈{100}擇優(yōu)取向時，從一個方向觀察時晶粒分別近似呈正方形，它們以行和列密接地排列。當晶粒呈{111}擇優(yōu)取向時，從一個方向觀察時晶粒分別近似呈六角形，它們密接地排列以形成等邊甲魚殼圖形。當晶粒呈{110}擇優(yōu)取向時，從一個方向觀察時晶粒分別近似呈六角形，它們密接地排列以形成甲魚殼圖形。
在本發(fā)明中，晶粒在擇優(yōu)取向上的取向度最好不小于20％，更為理想的是不小于30％。但是，在擇優(yōu)取向上的晶粒包含偏離一個取向在±5度范圍內(nèi)的取向上的晶粒。
在本發(fā)明中，晶粒的平均的粒子尺寸不小于0.1μm和不大于10μm。該晶粒在粒子大小方面最好相等。
在本發(fā)明中，具有金剛石型的晶體結構的共價鍵型的半導體是Ⅳ族半導體，即諸如硅(Si)、鍺(Ge)和碳(C)的元素半導體，以及包含硅和至少從由Si、Ge和C組成的一組中選出的一種的化合物半導體，例如SiGe和SiC。
在本發(fā)明中，半導體材料一般以在襯底上的薄膜的形式來制造。以這種方式制造的準靜態(tài)單晶半導體薄膜的厚度例如是10nm至100nm，盡管該厚度依賴于在何處使用和怎樣使用。
具有按照本發(fā)明的上述已說明的結構的半導體材料與常規(guī)的多晶半導體材料相比在電特性方面是良好的，這是因為晶粒基本上是單晶并在一個共同的方向上擇優(yōu)取向，并且因為鄰近的晶粒至少在其晶粒邊界的一部分處基本上呈晶格匹配的狀態(tài)，因而在該處電勢壘較低。另外，通過諸如CVD的淀積工藝、使用受激準分子激光的激光退火、固相晶體化或其它適當?shù)募夹g的組合，可方便地在玻璃襯底或任何其它各種襯底上制造該半導體材料。
通過下述的與附圖相結合的詳細的描述，本發(fā)明的以上的和其它的目的、特征和優(yōu)點將變得很明顯。
圖1是示出按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的平面圖；圖2是沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線取的剖面圖；圖3是用于說明制造按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的方法的剖面圖；圖4是用于說明制造按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的方法的剖面圖；圖5是用于說明制造按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的方法的剖面圖；圖6是用于說明制造按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的方法的剖面圖；圖7是用于說明制造按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構的方法的剖面圖；圖8是示出具有用按照本發(fā)明的第1實施例的方法制造的SOI結構的準靜態(tài)單晶硅膜中的晶粒的粒子大小的分布的測量結果的簡圖；圖9是示出常規(guī)的多晶硅膜中的晶粒的粒子大小的分布的測量結果的簡圖；圖10是示出按照本發(fā)明的第2實施例的SOI結構的平面圖；圖11是示出按照本發(fā)明的第3實施例的SOI結構的平面圖；以及圖12是示出按照本發(fā)明的第4實施例的SOI結構的平面圖；以下參照


的是本發(fā)明的實施例。在所有說明這些實施例的附圖中，用共同的參照數(shù)字來注明相同或等效的要素或部分。
圖1和2示出按照本發(fā)明的第1實施例的SOI結構，其中，圖1是平面圖，圖2是沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線取的剖面圖。
如圖1和2中所示，在按照第1實施例的SOI結構中，在硅襯底1上制造的SiO2膜2上形成準靜態(tài)單晶硅膜。準靜態(tài)單晶硅膜3由基本上為單晶態(tài)的晶粒3a構成，該3a是{100}擇優(yōu)取向的，呈正方形，以行和列密接地排列。各個晶粒3a的四個側表面是{002}取向表面。鄰近的晶粒3a至少在其晶粒邊界3b的一部分處基本上呈互相晶格匹配的狀態(tài)。準靜態(tài)單晶硅膜3的厚度例如是100nm，晶粒3a的平均的粒子尺寸例如是0.1μm至10μm。
以下說明的是用于制造具有以上按照第1實施例說明的結構的SOI結構的方法。
如圖3中所示，在硅襯底1上首先例如用CVD制造SiO2膜2之后，在該SiO2膜2上例如用低壓CVD制造硅膜4。
其次，如圖4中所示，將例如硅離子注入到硅膜4中將其變成非晶硅膜5。在下述條件下注入硅離子例如，能量是25KeV，劑量是1.5×1015cm-2。
其次，如圖5中所示，例如用CVD在非晶硅膜5上形成SiO2膜6。將該SiO2膜6用作在以下說明的脈沖激光束的照射期間的抗反射膜。該SiO2膜6的厚度例如是50nm。其次在SiO2膜6上例如用低壓CVD形成硅膜7。之后，用光刻在硅膜7上形成具有與圖1和2中示出的晶粒3a的中心對準的圓形開口的抗蝕劑圖形(未示出)。使用該抗蝕劑圖形作為掩模，利用刻蝕有選擇地除去硅膜7以形成圓形開口7a。硅膜7的厚度例如是100nm，各個開口7a的直徑例如是0.8μm。
其次，如圖6中所示，通過使用例如受激準分子激光器，從硅膜7的一側照射紫外線波長的脈沖激光束8。在脈沖激光束8的照射表面上的光斑的形狀例如是矩形的，該光斑具有不短于40μm和不長于約1mm的寬度(W)，例如是400μm，并具有任意的長度，例如是150mm。該脈沖激光束8的照射實際上可如下述那樣來進行。在該光斑的寬度方向上相對于脈沖激光束8移動硅襯底1的同時，通過固定該脈沖激光束8的照射方向，重復該脈沖激光束8的照射。在這種情況下，該移動方向可平行于圖1和2中示出的晶粒3a的邊。在此這樣來控制其移動，使得在兩個連續(xù)的照射周期之間硅襯底1的移動距離L不大于40μm，最好不大于4μm(例如，4μm)，移動距離L相對于脈沖激光束8的光斑寬度W的比率L/W是0.1％至5％，最好是0.5％至2.5％(例如，1％)。L/W是0.1％至5％這一點意味著脈沖激光束8在兩個連續(xù)的照射周期之間重疊99.9％至95％，而L/W是0.5％至2.5％這一點意味著脈沖激光束8在兩個連續(xù)的照射周期之間重疊99.5％至97.5％。脈沖激光束8可以是從XeCl受激準分子激光器發(fā)射的波長為308nm的脈沖激光束。該脈沖激光束8的照射能量密度可以是320mJ/cm2，脈沖寬度可以是約26ns，頻率可以是約200Hz。
在這種情況下，照射到硅膜7上的脈沖激光束8被硅膜7吸收。即，硅膜7起到對于脈沖激光束8的掩模的作用。結果，只有穿過開口7a的脈沖激光束8的一部分照射到非晶硅膜5上，并將非晶硅膜5的這些部分加熱到高的溫度。因而，使在開口7a之下的非晶硅膜5的部分熔融和再結晶化。數(shù)字9表示以這種方式形成的再結晶的區(qū)域。
其次，用刻蝕除去該硅膜7。其后，使該半產(chǎn)品在退火爐中例如在600℃下退火5至20小時，使用該再結晶區(qū)9作為籽晶將非晶硅膜5轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗑w。結果，如圖7中所示，基本上為單晶態(tài)的正方形晶粒3a在呈現(xiàn)再結晶區(qū)9的部分的周圍生長，從而得到準靜態(tài)單晶硅膜3。
之后，用刻蝕除去SiO2膜6，結果，完成了如圖1和2中示出的打算得到的SOI結構。
在利用脈沖激光束的照射的激光退火和其后的用于固相晶體化的處理的技術方面，“Proceedings of the 44th symposium onsemiconductors and integrated circuits technology,p.187(1993)”和“Materials Letters 27(1996)275-279”提供了相關的描述。再有，日本專利申請No.Hei 9-64036和日本專利申請No.Hei 9-88728提出了可使{100}取向的正方形單晶態(tài)晶粒以行和列有規(guī)則地排列的技術，而該技術在以往是不可能實現(xiàn)的。
圖8示出在用按照第1實施例的方法制備的SOI結構中的準靜態(tài)單晶硅膜3中的晶粒3a的粒子尺寸分布(依據(jù)粒子面積分布)的研究結果，其中，這樣來照射脈沖激光束8，使其在連續(xù)的兩個照射周期之間重疊99％。為了進行比較，圖9示出在用低壓CVD制造的常規(guī)的多晶硅膜中的晶粒的粒子尺寸分布(依據(jù)粒子面積分布)的研究結果，其中，這樣來照射脈沖激光束8，使其在連續(xù)的兩個照射周期之間重疊90％。在圖8和9中，n是晶粒的總數(shù)，Na是晶粒的平均面積，σ是標準偏差。當晶粒的平均粒子尺寸是<L>和晶粒面積是S時，<L>～S1/2。
從圖8和圖9之間的比較可知，在用按照第1實施例的方法制造的SOI結構中的準靜態(tài)單晶硅膜3中的晶粒的粒子尺寸比常規(guī)的多晶硅膜中的晶粒大很多并且更均勻。
如以上所說明的那樣，按照該第1實施例，在SiO2膜2上形成的準靜態(tài)單晶硅膜3在電特性方面比常規(guī)的多晶硅膜更好，這是因為它由在{111}上擇優(yōu)取向基本上為單晶態(tài)的晶粒3a構成，鄰近的晶粒3a至少在其晶粒邊界3b的一部分處呈晶格匹配的狀態(tài)，以及晶粒3a的粒子尺寸比常規(guī)的多晶硅膜中的晶粒更大并且更均勻。
因而，可實現(xiàn)與體單晶硅等效的高質(zhì)量的SOI結構。使用該SOI結構可以制造薄膜晶體管(TFT)，例如與使用體單晶硅的MOSFET等效的高性能TFT。
圖10示出按照本發(fā)明的第2實施例的SOI結構。如圖10中所示，在按照第2實施例的SOI結構中，該準靜態(tài)單晶硅膜3由等邊六角形的基本上為單晶態(tài)的晶粒3a構成，該3a是{111}擇優(yōu)取向并且以等邊甲魚殼圖形按二維方式排列。各個晶粒的六個側表面是{202}取向的，在其它方面，這里示出的SOI結構與按照第1實施例的SOI結構相同。
按照第2實施例的SOI結構可通過與關于按照第1實施例的SOI結構已說明的相同的工藝來制造。
同樣，第2實施例可得到與第1實施例相同的優(yōu)點。
圖11示出按照本發(fā)明的第3實施例的SOI結構。如圖11中所示，在按照第3實施例的SOI結構中，該準靜態(tài)單晶硅膜3由基本上為單晶態(tài)的晶粒3a構成，該3a是{100}擇優(yōu)取向并且按二維方式排列。在這種情況下，各個晶粒3a具有通過切去正方形的四個角而構成的形狀，即，八角形。在被四個晶粒3a包圍的各個部分中，存在比晶粒3a小的單晶態(tài)晶粒3c。除各個晶粒3a的四個角外的四個側表面是{002}取向的，而在四個角處的側表面是{022}取向的。此外，這些晶粒3a和3c中的鄰近的晶粒至少在其晶粒邊界3b的一部分處呈互相晶格匹配的狀態(tài)。在其它方面，這里示出的SOI結構與按照第1實施例的SOI結構相同。
同樣，該按照第3實施例的SOI結構可通過用按照第1實施例的SOI結構已說明的工藝來制造。
同樣，第3實施例可得到與第1實施例相同的優(yōu)點。
圖12示出按照本發(fā)明的第4實施例的SOI結構。如圖12中所示，在按照第4實施例的SOI結構中，該準靜態(tài)單晶硅膜3由六角形的基本上為單晶態(tài)的晶粒3a構成，該3a是{110}擇優(yōu)取向并且以甲魚殼圖形按二維方式排列。各個晶粒3a的六個側表面是{200}和{111}取向的。在其它方面，這里示出的SOI結構與按照第1實施例的SOI結構相同。
這里，該SOI結構也可通過用按照第1實施例的SOI結構已說明的工藝來制造。
同樣，第4實施例可得到與第1實施例相同的優(yōu)點。
已參照附圖描述了本發(fā)明的特定的優(yōu)選實施例，應了解本發(fā)明不限于這些明確的實施例，在不偏離由后附的權利要求所確定的本發(fā)明的范圍或精神的前提下，本領域的專業(yè)人員可進行各種不同的變更和修正。
例如，在第1至第3實施例的說明中指出的數(shù)字值、材料、結構和工藝僅僅是舉例，可采用其它適當?shù)臄?shù)字值、材料、結構和工藝。
類似地，雖然第1至第4實施例使用由XeCl受激準分子激光器產(chǎn)生的脈沖激光束作為脈沖激光束8，但它們可以是來自任何除XeCl受激準分子激光器之外的適當?shù)氖芗史肿蛹す馄鞯拿}沖激光束，或來自除受激準分子激光器之外的激光器，諸如全固態(tài)的紫外線激光器。
如以上所述，按照本發(fā)明的半導體材料由在一個方向上擇優(yōu)取向的基本上為半導體單晶態(tài)的晶粒構成，鄰近的晶粒至少在其晶粒邊界的一部分處呈互相晶格匹配的狀態(tài)。因而，該半導體材料在電特性方面比多晶半導體材料更好，并可方便地在各種不同種類的襯底上形成。
權利要求
1．一種包括多個基本上為半導體的單晶態(tài)的晶粒的半導體材料，其特征在于所述晶粒在一個共同的表面取向上擇優(yōu)取向，以及所述晶粒中的鄰近晶粒至少在其晶粒邊界的一部分處基本上呈互相晶格匹配的狀態(tài)。
2．如權利要求1中所述的半導體材料，其特征在于所述半導體是具有金剛石型晶體結構的共價鍵型的半導體。
3．如權利要求2中所述的半導體材料，其特征在于所述晶粒呈{100}擇優(yōu)取向。
4．如權利要求3中所述的半導體材料，其特征在于從一個方向觀察時所述晶?；旧戏謩e呈正方形，它們以行和列有規(guī)則地排列。
5．如權利要求2中所述的半導體材料，其特征在于所述晶粒呈{111}擇優(yōu)取向。
6．如權利要求5中所述的半導體材料，其特征在于從一個方向觀察時所述晶?；旧戏謩e呈六角形并以等邊甲魚殼圖形來排列。
7．如權利要求2中所述的半導體材料，其特征在于所述晶粒呈{110}擇優(yōu)取向。
8．如權利要求7中所述的半導體材料，其特征在于從一個方向觀察時所述晶?；旧戏謩e呈六角形，它們以甲魚殼圖形來排列。
9．如權利要求1中所述的半導體材料，其特征在于所述晶粒的取向度不小于20％。
10．如權利要求1中所述的半導體材料，其特征在于所述晶粒的取向度不小于30％。
全文摘要
提供一種其電特性比多晶半導體材料更好并可方便地在各種不同種類的襯底上形成的半導體材料。該半導體材料由基本上為單晶態(tài)的半導體晶粒3a構成。這些半導體晶粒3a在一個共同的表面取向上擇優(yōu)取向,例如{100}、{111}或{110}取向,鄰近的晶粒3a的晶粒邊界3b至少在其一部分處基本上呈互相晶格匹配的狀態(tài)。
文檔編號C30B29/06GK1223460SQ98123959
公開日1999年7月21日 申請日期1998年11月6日 優(yōu)先權日1997年11月7日
發(fā)明者野口隆, 池田裕司 申請人:索尼公司