DE4421109A1 - Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen HalbleiterdünnfilmsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms, wie
beispielsweise ein polykristalliner Siliziumdünnfilm, der als
Rohhalbleitermaterial für ein Halbleiterelement oder ein Ver
drahtungsmaterial verwendet wird.
Beispielsweise ist ein Niederdruck-CCD-Verfahren, d. h.
ein chemisches Dampfablagerungsverfahren unter einem niedri
gen Druck, bekannt als ein Verfahren zur Herstellung eines
polykristallinen Siliziumdünnfilms. Fig. 2 ist eine konzep
tionelle Ansicht, die das Niederdruck-CVD-Verfahren zeigt. In
der Zeichnung ist ein Quarzschiff 23, das ein Einkristallsi
liziumsubstrat 11 vertikal darauf angeordnet hat, in einer
transparenten Quarzröhre 22 angeordnet, die in einem rohrför
migen elektrischen Ofen 21 angeordnet ist und die Röhre wird
durch eine Vakuumpumpe über eine Auspufföffnung 24 und ein
Ventil 25 evakuiert. Danach werden die Siliziumsubstrate 11
geheizt und Silan (SiH₄) wird durch eine Eingangsöffnung 26
und ein Ventil 27 eingebracht. Wenn die Substrate auf eine
Temperatur geheizt sind, die größer ist als die Zerfallstem
peratur des Silans, d. h. ungefähr 600-620°C, wird das Silan
durch die Hitze in einem Gebiet nahe dem Substrat 11 zerlegt,
so daß ein polykristalliner Siliziumdünnfilm auf dem Substrat
11 abgelagert wird. Obwohl das Silan zerlegt wird wenn eine
Substratheiztemperatur 450°C erreicht, wird in diesem Falle
ein amorpher Siliziumdünnfilm in dem Gebiet von 450-600°C
abgelagert.
Die Korngröße des so gewachsenen polykristallinen Sili
ziums ist jedoch so klein und liegt um die 1 µm oder weniger,
und Defekte einer hohen Dichte treten an den Korngrenzen auf.
Obwohl es ausschließlich als ein Verdrahtungsmaterials einer
integrierten Schaltung verwendet wird, ist es daher ein Nach
teils daß, wenn es für ein aktives Gebiet eines Halbleiter
elements wie eine Diode und ein Transistor verwendet wird,
d. h. wenn es als ein Rohmaterial zum Bilden eines Übergangs
verwendet wird, die Eigenschaften des Elements schlecht sind.
Der Grund, warum die Kristallkörner so klein sind, ist, daß,
da die kristallinen Kerne als der Ursprung des Kristallwachs
tums in verschiedenen Abschnitten des Substrats ausgebildet
werden, die Anzahl der Kristalle groß ist und wenn sie auf
die Größe einer gewissen Ausdehnung wachsen, sie durch die
Störung anderer Kristallkörnern nicht weiterwachsen können.
Angesichts des obigen ist es eine Aufgabe der vorliegen
den Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines polykri
stallinen Halbleiterdünnfilms zu schaffen, der eine große
Korngröße hat und als ein Material für ein aktives Gebiet ei
nes Halbleiterelements verwendet werden kann.
Um die obige Aufgabe zu lösen, umfaßt ein Verfahren zur
Herstellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms gemäß
der vorliegenden Erfindung die Schritte des Aufbringens eines
amorphen Halbleiterdünnfilms auf einem Substrat, teilweises
Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünnfilms durch die
Bestrahlung mit Licht in eine Vielzahl von Bereichen, die
voneinander durch im wesentlichen den gleichen Abstand ge
trennt sind und das Wachsenlassen einer polykristallinen
Schicht durch thermische Zerlegung eines Verbundgases auf dem
gesamten Gebiet des kristallisierten Gebiets und des amorphen
Gebiets, während die Temperatur des kristallisierten Gebiets
höher gehalten wird als diejenige des amorphen Gebiets.
Infrarotstrahlen oder sichtbare Strahlen können als Licht zum
partiellen Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünnfilms
verwendet werden. Um die Temperatur des kristallisierten Ge
biets höher als die diejenige des amorphen Gebiets zu halten,
kann das gesamte Gebiet mit Infrarotstrahlung bestrahlt wer
den. Vorzugsweise ist das Halbleitersubstrat Silizium.
Wenn der amorphe Halbleiterdünnfilm kristallisiert wird,
während die Temperatur des kristallisierten Bereichs höherge
halten wird als diejenige des amorphen Bereichs und dann eine
polykristalline Schicht durch die thermische Zerlegung auf
den gesamten Bereich wachsengelassen wird, wird der kristal
lisierte Bereich einer hohen Temperatur ein Kern und ein
polykristalliner Halbleiterdünnfilm mit Kristallkörnern einer
geringen Oberflächendichte kann gebildet werden, so daß die
Größe der Kristallkörner vergrößert werden kann. Da der kri
stallisierte Bereich einen Absorptionskoeffizienten für
Infrarotstrahlung hat, der sehr viel größer ist als derjenige
des amorphen Bereichs, ist es einfach die Temperatur des kri
stallisierten Bereichs höher als diejenige des amorphen Be
reichs durch die Bestrahlung des gesamten Bereichs mit Infra
rotstrahlung zu halten.
Die Fig. 1(a) bis 1(e) sind Querschnittsansichten,
die die aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung eines
polykristallinen Siliziumdünnfilms gemäß einer Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung zeigen, und
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine kon
ventionelle Vorrichtung zur Herstellung eines polykristalli
nen Siliziumdünnfilms zeigt.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Verfahrens zur Her
stellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms gemäß der
vorliegenden Erfindung werden genau unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1(a) bis 1(e) sind Ansichten, die das Konzept ei
nes Verfahrens zur Herstellung eines polykristallinen Sili
ziumdünnfilms auf einem transparenten Quarzglassubstrat gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Zu
erst, nachdem ein transparentes Quarzglassubstrat 1 in einem
organischen Lösungsmittel wie Azeton oder Methanol gewaschen
wurde, während Ultraschallwellen zugeführt wurden, wurde das
Substrat mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Auf
diesem Substrat 1, wie in der Fig. 1(a) dargestellt ist, wird
durch ein Plasma-CVD-Verfahren, in dem eine Glimmentladung in
einem Silangas erzeugt wird, ein amorpher Siliziumdünnfilm 2
von ungefähr 0,5 µm Dicke erzeugt. Die Wachstumsbedingungen
waren so, daß die Substrattemperatur 250°C betrug, die Fluß
rate des Silangases 20 cc/sek (konvertierter Wert in einem
Standardzustand) betrug, der Gasdruck in einer Reaktionskam
mer 50 Pa betrug und die Leistungsdichte der Glimmentladung
15 mW/cm² betrug. Ferner wurde Wasserstoff als ein Verdün
nungsgas dem Silan mit einer Flußrate von 20 cc/sek
(konvertierter Wert in einem Standardzustand) hinzugefügt.
Unter diesen Bedingungen war die Wachstumsrate des amorphen
Siliziums 0,3 nm/sek. Danach wurde die Probe einschießlich
des so gewachsenen amorphen Siliziumdünnfilms auf eine beweg
liche Ebene eines XY-Zweiachsers angeordnet. Während das Sub
strat 1 in die Richtung des Pfeiles 3 und in die Richtung
normal dazu bewegt wurde, wie es in der Fig. 2(b) gezeigt
wird, wird dieses mit einem Lichtstrahl 4 bestrahlt, der aus
einen optischen Puls der zweiten Harmonischen (Wellenlänge
0,532 µm) eines Q-Switch-YAG-Lasers vom Pulsoszillationstyp
bestand, gebündelt durch eine konvexe Linse und durch einen
Schlitz geleitet, so daß die Bereiche 5 von 10 µm×10 µm,
die voneinander mit der Länge und Breite von 50 µm separiert
sind, kristallisiert wurden. Die Strahlungsbedingungen des
Laserstrahls waren so, daß die Leistung 2 J/cm², die Puls
breite 145 ns und die Wiederholfrequenz 7 kHz betrug.
Danach wird die Probe einschließlich der teilweise kri
stallisierten Bereiche 5, wie dargestellt in der Fig. 1(b),
in einen Heizofen mit einer infraroten Lampe gesetzt und die
gesamte Oberfläche wurde bei einem Silangasdruck von 100 Pa
mit Infrarotstrahlen 6 von einer Infrarotlampe bestrahlt, wie
es in der Fig. 1(c) dargestellt ist. Ein optischer Absorpti
onskoeffizient für die infrarote Strahlung der Wellenlänge
1,2 µm ist 10-2 cm-1 für das polykristalline Silizium des kri
stallisierten Bereichs 5, während er 1×cm-1 oder weniger
für das amorphe Silizium des anderen Bereichs 2 ist, welches
um zwei Größenordnungen oder mehr geringer ist als der er
stere so daß die kristallisierten Bereiche 5 selektiv ge
heizt werden und der amorphe Siliziumbereich 2 wegen deren
Wärmeleitung beheizt wird. Durch das Berechnen der erzeugten
Wärmemenge unter Verwendung des optischen Absorptionskoeffi
zienten der Infrarotstrahlung des amorphen Siliziumdünnfilms
und dem des polykristallinen Siliziumdünnfilms und das Lösen
einer Wärmeleitungsgleichung basierend auf der Wärmemenge,
stellt es sich heraus, daß die Temperatur des kristallisier
ten Bereichs ungefähr 630°C durch die infrarote Strahlung
wurde, die die Intensität hat durch die die Temperatur des
Substrats und des amorphen Bereichs ungefähr 550°C wurde. In
der Praxis, unter den Bedingungen, bei denen die Temperatur
des amorphen Bereichs ungefähr 500°C wurde, wie es in der
Fig. 1(d) dargestellt wurde, wurde beobachtet, daß ein poly
kristalliner Siliziumdünnfilm 7 durch eine teilweise thermi
sche CVD wuchs. Die thermische CVD wurde nur in den Bereichen
5 beobachtet, die durch die optischen Pulse des YAG-Lasers
kristallisiert wurden. Das heißt, es wurde beobachtet, daß
selektives Kristallwachstum auftrat, während die kristalli
sierten Bereiche als die Kerne des Kristallwachstums dienten.
Während das polykristalline Silizium wächst, nimmt die Fläche
des amorphen Silizium ab und die Fläche des polykristallinen
Siliziums nimmt zu, so daß eine mittlere Absorptionsmenge der
Infrarotstrahlung durch die Probe zunimmt und die Temperatur
des Substrates zunimmt. Daher wurde die Temperatur des Sub
strates unter Verwendung eines Infrarot-Strahlungsthermome
ters gemessen, so daß die Stärke der infraroten Strahlung
rückgekoppelt gesteuert war. Auf diese Weise, dargestellt in
der Fig. 1(e), wuchs der polykristalline Siliziumdünnfilm 7
von ungefähr 50 µm Dicke auf der gesamten Oberfläche des
amorphen Siliziumdünnfilms 2. Der polykristalline Silizium
dünnfilm 7 wurde durch ein optisches Mikroskop beobachtet,
und sehr große Kristallkörner mit einer mittlerer Korngröße
von ungefähr 50 µm wurden beobachtet. Das heißt, es wurde ge
funden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Korngröße
des polykristallinen Siliziumdünnfilms bemerkenswert zunahm
im Vergleich mit dem konventionellen Verfahren.
In der obigen Ausführungsform wurde ein transparentes
Quarzsubstrat 1 verwendet. Jedoch können andere Substrate
verwendet werden, falls sie keinen Kristallkern von Silizium
auf der Oberfläche haben, der thermische Ausdehnungskoeffizi
ent nahe demjenigen von Silizium ist und die Wärmeleitfähig
keit gering ist. Beispielsweise können ähnliche Resultate er
zielt werden, selbst wenn das Substrat derart ist, daß ein
SiO₂-Dünnfilm geformt wird durch thermisches CVD auf einem
Einkristallsiliziumsubstrat oder einem SiO₂-Dünnfilm durch
thermische CVD auf einem Metallpegelsiliziumsubstrat gebildet
wird, das eine sehr viel geringe Reinheit hat, aber viel bil
liger ist als eine Halbleiterebene 1. Da die Temperaturdiffe
renzen zwischen dem kristallisierten Bereich und dem amorphen
Bereich jedoch groß sein können für ein Substrat mit einer
geringen Absorptionsmenge von Infrarotstrahlung, ist es vor
teilhaft, das Einkristallsiliziumsubstrat zu verwenden.
Ferner, selbst wenn sichtbare Strahlung von einem konti
nuierlichen Laser für die optischen Pulse zum teilweisen Kri
stallisieren des amorphen Siliziumdünnfilms, beispielsweise
die sichtbare Strahlung der Wellenlänge 515 nm von einem Ar
gon-Ionen-Laser oder die sichtbare Strahlung der Wellenlänge
488 nm kürzer als die erstere, verwendet wird wie sie ist
oder nachdem sie zerhackt worden ist um zu diskontinuierli
chen Strahlungen konvertiert zu werden, können ähnliche Er
gebnisse erzielt werden. In diesem Falle, entsprechend der
kontinuierlichen Strahlung, wird die amorphe Siliziumschicht
im Gegensatz zu der obenbeschriebenen Ausführungsform linear
kristallisiert. Es ist überflüssig zu sagen, daß die Wellen
länge des verwendeten Laserstrahls derart ist, daß der opti
sche Absorptionskoeffizient in dem amorphen Bereich groß ist.
Anstatt der in der Fig. f1(c) gezeigten Bestrahlung mit In
frarotstrahlung 6 kann ein Energiestrahl teilweise dem kri
stallisierten Bereich 5 zugeführt werden, um den Bereich zu
erhitzen. In diesem Falle, falls der kristallisierte Bereich
5 vergrößert ist, muß der Bereich der Bestrahlung ausgedehnt
werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein amorpher Halb
leiterdünnfilm durch Lichtbestrahlung teilweise kristalli
siert, und der kristallisierte Bereich wird selektiv auf eine
Temperatur über der thermischen Zersetzungstemperatur eines
Rohmaterialverbundgases zum Durchführen der selektiven ther
mischen CVD erhitzt, so daß ein aus großen polykristallen,
die aus Kernen des kristallisierten Bereichs gewachsen sind,
gebildeter Halbleiterdünnfilm erzielt werden kann. Daher ist
es möglich einen polykristallinen Halbleiterdünnfilm zu er
zeugen, der als Rohmaterial für einen aktiven Bereich eines
Halbleiterelementes verwendet werden kann.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms, das die Schritte aufweist:
Aufbringen eines amorphen Halbleiterdünnfilms auf einem Substrat;
teilweises Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünn films durch Bestrahlung mit Licht in eine Vielzahl von Berei chen des amorphen Halbleiterdünnfilms, die voneinander mit im wesentlichen dem gleichen Abstand getrennt sind; und
Wachsen einer polykristallinen Schicht durch thermisches Zerlegen eines Verbundgases auf einer gesamten Oberfläche der kristallisierten Bereiche und der amorphen Bereiche, während eine Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche höher gehalten wird als diejenige der entsprechenden amorphen Bereiche.
Aufbringen eines amorphen Halbleiterdünnfilms auf einem Substrat;
teilweises Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünn films durch Bestrahlung mit Licht in eine Vielzahl von Berei chen des amorphen Halbleiterdünnfilms, die voneinander mit im wesentlichen dem gleichen Abstand getrennt sind; und
Wachsen einer polykristallinen Schicht durch thermisches Zerlegen eines Verbundgases auf einer gesamten Oberfläche der kristallisierten Bereiche und der amorphen Bereiche, während eine Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche höher gehalten wird als diejenige der entsprechenden amorphen Bereiche.
2. Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halblei
terdünnfilms nach Anspruch 1, worin der amorphe Halbleiter
dünnfilm teilweise durch die Bestrahlung mit einem Infrarot
strahl kristallisiert wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin der amorphe Halblei
terdünnfilm teilweise durch die Bestrahlung mit einem sicht
baren Strahl kristallisiert wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der
entsprechenden kristallisierten Bereiche durch die Bestrah
lung mit einem Infrarotstrahl auf die gesamte Oberfläche der
kristallisierten Bereiche und der amorphen Bereiche höher ge
halten wird als diejenigen der entsprechenden amorphen
Bereiche.
5. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der
entsprechenden kristallisierten Bereiche durch Bestrahlung
mit einem Energiestrahl auf die kristallisierten Bereiche hö
her gehalten wird als diejenige der entsprechenden amorphen
Bereiche.
6. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin der Halbleiterdünnfilm
aus Silizium besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin die Temperatur der
entsprechenden kristallisierten Bereiche höher gehalten wird
als eine thermische Zerlegungstemperatur des Verbundgases.
8. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb
leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin das Verbundgas aus
Silan besteht.
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