JP2005322842A - 薄膜半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積を均一に結晶化させて、太陽電池用基板やＴＦＴ用基板等として適した薄膜半導体基板を得る。
【解決手段】異種基板としてのガラス基板０１上に形成され、レーザの走査によって結晶化された多結晶シリコン膜０５を備えた薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜０５の結晶粒を、レーザの走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向に実質的に連続に成長している結晶粒とする。また上記ガラス基板０１と多結晶シリコン膜０５の間には、絶縁層としての酸化シリコン膜０２を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池用基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）用基板等の、半導体素子用基板として適した薄膜半導体基板及びその製造方法に関するものである。

近年、非導電性の異種基板、例えばガラス基板等の上に結晶性シリコン薄膜を形成するための研究が盛んに行なわれている。この異種基板の上に形成した結晶性シリコン薄膜の用途は広く、液晶デバイス用ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、薄膜太陽光発電素子などに用いることができる。

薄膜太陽光発電素子は、安価な基板の上に低温プロセスで良好な結晶性を有する結晶性シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図った光電変換素子である。このように結晶性シリコン薄膜を光電変換装置に用いることにより、非晶質シリコンからなる光電変換素子で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質シリコンからなる光電変換素子では感度のない、長波長光をも電気エネルギーに変換することができる。この技術は薄膜太陽光発電素子のみならず、光センサ等への応用も可能であると期待されている。

結晶性シリコン薄膜からなる光電変換素子の形成方法としては、一般的に、プラズマＣＶＤによって直接、結晶性シリコン薄膜を堆積させる方法が用いられている。この方法により、基板の上に低温で結晶性シリコン薄膜が形成され得ることが知られており、これは低コスト化に有効であるとされている。

この方法においては、プラズマＣＶＤの形成条件として、水素でシラン系原料ガスを１５倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内の圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、基板温度を１５０℃〜５５０℃、望ましくは１５０℃〜４００℃に制御して成膜する。これにより、結晶性シリコン薄膜が基板の上に形成される。しかし、この方法では結晶性シリコン薄膜の結晶粒径は高々数μｍで膜厚以上に粒径を大きくすることは困難である。その上、この方法では、基板の上から柱状の結晶が成長するが、結晶の内部には欠陥が多く存在し、結晶の質もさほど良くない。また、光電変換機能の根幹を担うｉ層は、素子構造の最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下する。これらのことから、光電変換素子としては低コスト化に有利なシングルセルで１０％を大きく上回る効率を達成することは困難であった。また、液晶デバイス用の、低温で成長した多結晶シリコンは、移動度が１０cm²／Ｖｓを超えることが困難であった。

一方、レーザ光を照射し走査することで結晶化させる試みも種々検討されている。古くから、パルスレーザであるエキシマレーザを用いて結晶化させることが試みられてきた。この方法によれば、比較的大きな面積を短時間で多結晶化させることが可能であり、ＴＦＴ用の多結晶シリコン膜の製造方法として広く開発が行なわれている。また、より安定なレーザ光源である固体レーザの連続波を用いる方法が、近年提案されている。その一例として、特開２００１−３５１８６３号公報（特許文献１参照）に開示されたものがある。この方法は、異種基板の上に非晶質シリコン薄膜を形成し、帯状の連続波レーザ光を照射し走査することで多結晶シリコン膜を熔融・結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。

この固体レーザの連続波を用いて結晶化を行なう場合、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ₄等の固体レーザの第二高調波を用いて結晶化を行なうことが試みられている。これら固体レーザを用いることで、ランニングコストを大幅に低下させると同時に、品質の高い多結晶シリコン膜を形成することが可能となった。この固体レーザの連続波を用いる方法では、表面形状を非常に平坦にできることが報告されており、ＴＦＴを作製する上で好都合である（例えば、非特許文献１参照）。

粒径を大きくすることで、移動度が２００cm²／Ｖｓ以上にできる方法としては、連続（ＣＷ）発振、もしくはパルス発振する固体レーザを用いる方法と、パルスレーザであるエキシマレーザを用いる方法とがある。

エキシマレーザを用いて結晶化する場合には、強いエネルギーを非晶質シリコン薄膜に照射することで横方向の結晶成長を起こすことが可能となる（例えば、非特許文献２参照）。この原理を用いた場合、位置をずらしながらパルスレーザを照射し走査することで、大面積を多結晶化させることが可能であるとされている。

これに対して、パルス発振する固体レーザを用いる方法として、２パルスを用いることによって３５μｍを１回の照射で結晶化する方法がある（例えば、非特許文献３参照）。

また、他のＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを使用する方法として、レーザ発振する時間を制御することで、結晶化する場所のみにレーザ光を照射する方法がある（例えば、非特許文献４参照）。

連続発振する固体レーザを用いた方法は、連続発振するレーザ光を用いて結晶化させる方法である（例えば、非特許文献１、５参照）。
特開２００１−３５１８６３号公報 電子通信学会論文誌ｖｏｌ．ｊ８５−ｃ Ｎｏ．８（２００２）ｐ６０１ Ｒ．Ｓ．Ｓｐｏｓｉｌｉ，Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，ＡＰＬ６９（１９９６），ｐ．２８６４ ＬＣＤ／ＰＤＰ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２００２液晶ディスプレイ・セミナー２００２テキストＤ−２（５） ＬＣＤ／ＰＤＰ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２００２液晶ディスプレイ・セミナー２００２テキストＤ−２（３） ＬＣＤ／ＰＤＰ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２００２液晶ディスプレイ・セミナー２００２テキストＤ−２（２）

上述したように、粒径を大きくすることで、移動度が２００cm²／Ｖｓ以上にできる方法としては、連続（ＣＷ）発振、もしくはパルス発振する固体レーザを用いる方法と、パルスレーザであるエキシマレーザを用いる方法とがある。しかしながら、従来の方法には次のような課題がある。

エキシマレーザを用いて結晶化する場合には、強いエネルギーを非晶質シリコン薄膜に照射することで、横方向の結晶成長を起こすことが可能となる（非特許文献２参照）。この原理を用いた場合、位置をずらしながらパルスレーザを照射し走査することで、大面積を多結晶化させることが可能であるとされている。

しかし、１ｍ角を超える領域を結晶化させる場合、フォトマスクを有した高精度の光学系を用いる必要がある。この方法では、一方方向に長く伸びた結晶粒が形成されるが、スループットを高くする場合、必ず結晶粒界がその方向に形成されることとなる。この結晶粒界は、キャリア移動を阻害することから移動度を高くできないという問題があった。

これに対して、パルス発振する固体レーザを用いる方法として、上記の２パルスを用いることによって３５μｍを１回の照射で結晶化する方法（非特許文献３参照）は、まず、部分的に長く伸びた結晶粒を形成することに適している。なぜならば、パルス周波数と走査速度によってレーザ光が照射される箇所が決定されるからである。従って、レーザ光が照射された箇所の周辺部は温度が低いことから、必ず小さい結晶粒径の多結晶シリコン膜が形成される。

しかし、レーザ光が照射された箇所の中心部では十分に高性能な多結晶シリコン膜が形成されるが、その周辺部分では、移動度の低い多結晶シリコン膜しか得られない。この方法で全面を結晶化させるには、レーザパルスの周波数と走査速度を同期させることが必要である。逆に言うと、レーザパルス周波数と走査速度が同期した条件のみでしか全面を結晶化させることはできない。レーザパルス周波数と走査速度を同期させるには、レーザ幅の８５％以上を重複させる必要があり、スループットが低下することとなる。

また、エキシマレーザを用いた場合と同様に、全面を結晶化させる場合においても、長く伸びた方向に必ず結晶粒界が多い部分が形成されるため、移動度の低下が起こる。この方法は、トランジスタを形成する場所に制限ができることから、個別に設計を行なう必要が生じ、生産性を低下させる原因となる。また、形成できる多結晶シリコン膜の平均粒径面積の記述はこれまでにない。

また、他のＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを使用する方法として、上記のレーザ発振する時間を制御することで、結晶化する場所のみにレーザ光を照射する方法（非特許文献４参照）は、結晶化が必要な場所が特定されている場合にのみ適用可能な方法であり、大面積を均一に結晶化させることが必要な半導体装置を作製するには適さない。

連続発振する固体レーザを用い、その連続発振するレーザ光を用いて結晶化させる方法（非特許文献１、５参照）においても、結晶化が必要な領域のみにレーザ光を照射させることを目的としており、基板上の全面を結晶化させる為に必要、且つ有効な技術についての記載はない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、大面積を均一に結晶化させて、太陽電池用基板やＴＦＴ用基板等の、半導体素子用基板として適した大面積の薄膜半導体基板及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る薄膜半導体基板は、異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の結晶粒の平均粒径面積が９０平方μｍ以上であることを特徴とする。

請求項２の発明に係る薄膜半導体基板は、異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の結晶粒がレーザ光の走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向に成長していることを特徴とする。

ここで「レーザ光の走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向」とは、例えば図１の如く、結晶粒の凝固がレーザ光照射領域の端から中心方向に斜めに向かう方向である。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記結晶粒における最も長く成長した結晶粒の長さが５０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記異種基板がガラスからなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記結晶粒の成長方向が、オリエンテーションフラットに対して平行もしくは垂直な方向、または基板の一辺に対して平行もしくは垂直な方向、またはノッチが示す方向に対して平行もしくは垂直な方向であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記異種基板と上記多結晶シリコン膜の間に絶縁層が形成されていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６記載の薄膜半導体基板において、上記絶縁層が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンのいずれか、もしくは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンの積層構造からなることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６記載の薄膜半導体基板において、上記絶縁層が、基板側から順に、窒化シリコン、酸化シリコンが積層されている積層構造からなることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項２記載の薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の平均粒径面積が９０平方μｍ以上であることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の中に含まれる金属不純物の濃度が１×１０¹⁶cm^-3以下であることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の表面に含まれる金属不純物の密度が１×１０¹⁰cm^-2以下であることを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の膜厚が４０nm以上５μｍ以下であることを特徴とする薄膜半導体基板。

請求項１３の発明に係る薄膜半導体基板の製造方法は、異種基板の上に非晶質シリコン薄膜を形成し、レーザ光を照射し走査することで、該非晶質シリコン薄膜を結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する薄膜半導体基板の製造方法において、上記レーザ光が連続発振されたことを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１３記載の薄膜半導体基板の製造方法において、レーザ光を照射し走査した幅の１／２以上において、重ねてその次のレーザ光を照射し走査することを特徴とする。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

請求項１に記載の発明によれば、異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の結晶粒の平均粒径面積が９０平方μｍ以上である薄膜半導体基板が得られる。

請求項２〜１２に記載の発明によれば、異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、上記多結晶シリコン膜の結晶粒がレーザ光の走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向に成長している薄膜半導体基板が得られる。

ここで「レーザ光の走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向」とは、例えば図１の如く、結晶粒の凝固がレーザ照射領域の端から中心方向に斜めに向かう方向である。この薄膜半導体基板は大面積で得ることが可能であるので、薄膜太陽電池用基板やＴＦＴ用基板に最適である大面積な多結晶シリコン膜を有する薄膜半導体基板となる。

また、上記異種基板と多結晶シリコン膜の間に絶縁層を形成した形態では、この絶縁層により、ガラス基板に含まれる不純物の拡散を防止し、及びその上部に形成する多結晶シリコン膜とガラス基板の間に発生する応力を緩和することができる（請求項６〜８）。

また請求項９〜１２に記載の発明によれば、上記多結晶シリコン膜の平均粒径面積が９０平方μｍ以上、金属不純物の濃度が１×１０¹⁶cm^-3以下、金属不純物の密度が１×１０¹⁰cm^-2以下、膜厚が４０nm以上５μｍ以下の薄膜半導体基板を得ることができる。すなわち、半導体シリコンの移動度やライフタイムを低下させる重金属等の不純物、例えば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属の濃度が多結晶シリコン膜としては非常に低濃度な１×１０¹⁶cm^-3以下であり、従って太陽電池用基板やＴＦＴ用基板に最適な大面積多結晶シリコン膜基板を作製することが可能である。

また請求項１３の発明に係る製造方法では、連続発振するレーザ光を非晶質シリコン薄膜に照射し走査して結晶性シリコン薄膜とするので、例えば半導体レーザ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波を用いることにより、スループットを高くし、装置のランニングコストを下げることができる。

また、そのレーザ光の走査方法として、前回の走査でレーザ光が照射された範囲の１／２を超える幅で、前回の走査に並行に重ねて次回の走査を行うことで（請求項１４）、容易に前の走査で形成された結晶粒を引き継ぎ、大面積多結晶シリコン膜基板を作製することが可能である。

本発明は、ガラス基板や石英ガラス基板等の異種基板上の全面もしくはそれに準ずる大面積を均一に結晶化させる場合に有効な結晶化の方法を提示するものである。

本発明の好ましい形態を次の（ａ）〜（ｈ）に示す。

（ａ）所望の面積の基板を用意する。太陽電池用やＴＦＴ用には、１ｍ角以上の面積を有する基板を用いることで低コスト化が可能であることから、大面積の基板を使用することが望ましい。基板の材質は、その上部に形成するシリコン薄膜を保持する機能を有し、且つレーザ光による処理で発生する熱に耐え得る程度の耐熱性を有するものであればなんでも良い。耐熱性が高い石英基板やセラミックス基板を用いることは、レーザ光の照射条件が広くなることから好ましいが、低価格な、多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板を提供する観点からは好ましくない。ディスプレイや太陽電池等に用いられる大面積な薄膜半導体基板を低価格で提供するには、低価格なガラス基板を用いることが好ましい。

（ｂ）次に用意したガラス基板の上部に絶縁層を形成する。この絶縁層は主にガラス基板に含まれる不純物の拡散を防止すること、及びその上部に形成する多結晶シリコン膜とガラス基板の間に発生する応力を緩和することを主な目的とする。

この絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンのいずれでも効果があるし、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンの積層構造でも効果がある。これらのシリコン化合物はＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＴＥＯＳ−ＣＶＤ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることで容易に形成することが可能である上、高温下でも安定である。また、レーザ光による処理によって上部のシリコンが融解した状態でも半導体シリコンに悪影響を及ぼす不純物を含まないことから下部の基板から不純物の拡散を防止する役割を果たす。この働きの他、多結晶シリコン膜とガラス基板の間に発生する応力を緩和する働きもあるが、この働きについては、窒化シリコンを用いた場合に有効であった。

また、多結晶シリコン膜と基板の密着性は、酸化シリコンを用いた場合に有効であった。基板側から窒化シリコン、酸化シリコンの順に積層させることで、上記効果がより大きくなった。特にＣＷレーザによる結晶化を行なう場合、パルスレーザと比較するとエネルギーは大きくなり、それに伴って融解シリコンが凝固する際の過冷度は小さくなる。この為、上部の多結晶シリコンはより高い温度で凝固することとなり、熱履歴による応力が大きくなる。この応力が大きくなると、膜や基板にクラックが発生し、多結晶シリコン膜に電子デバイスを形成することが不可能となる。

従って、ガラス基板は過度に加熱されないようにする必要があるのと同時に、全面結晶化した場合、発生する応力をできるだけ緩和することが可能な絶縁層を形成する必要がある。酸化シリコン膜のみを用いた場合と比較して、窒化シリコン膜を酸化シリコン膜の下部に形成することで、より大きな応力を緩和させることが可能であった。

（ｃ）このようにして形成した絶縁層の上部に、非晶質シリコンを形成する。非晶質シリコンの形成方法には幾つかの方法がある。

膜中に水素を含まない状態で形成するにはスパッタリングデポジション法がある。この方法によると、大面積を均一な膜厚で形成することが可能である。

水素を含む膜を形成する場合には、プラズマＣＶＤ法やｃａｔ−ＣＶＤ法がある。これらの方法は、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓ₂Ｈ₆）等のガスを用いて非晶質シリコンを形成する。プラズマＣＶＤ法では、反応チャンバ内にガスを導入し、その中でガスを電離させて活性な状態とし、非晶質シリコンを形成する。ｃａｔ−ＣＶＤ法は、反応チャンバ内に触媒となるヒータ線を張り、ヒータ線を１５００℃を越える高温にすることでガスを分解し、非晶質シリコン膜を形成する。プラズマＣＶＤ法、ｃａｔ−ＣＶＤ法ともに大面積を均一な膜厚で形成することが可能である。

プラズマＣＶＤ法、ｃａｔ−ＣＶＤ法では、ドーピングガスを用いることで、膜中に取りこまれるドーピング元素の濃度を自由に変えることが可能である。一般に、ｎ型のドーピング元素としては燐が、ｐ型のドーピング元素としてはボロンが用いられ、それらのドーピング元素をドーピングするためのドーピングガスとしてはフォスフィン（ＰＨ₃）、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）が用いられる。プラズマＣＶＤ法やｃａｔ−ＣＶＤ法を用いることで、形成する膜のドーピング濃度を換えられることから、多結晶シリコン膜を有する薄膜半導体基板を作製するに当たって有利である。また、ｃａｔ−ＣＶＤ法では、ドーピングガスの収集効率が４０％と高く、原理的には８０％近い収集効率を達成することも可能であり、多結晶シリコン膜を有する薄膜半導体基板の製造コストを下げることが可能である。

より大面積を低コストに非晶質シリコン薄膜を形成するには、上記の方法が有利であるが、本発明はこれに限られるものではなく、非晶質シリコン薄膜を形成できる方法であればどのような方法を用いても良い。

（ｄ）これらの方法で非晶質シリコン薄膜を所望の膜厚で形成する。この膜厚は使用する電子デバイスによって異なる。ＴＦＴを形成する場合には５０〜１００nmの膜厚にすることが望ましい。４０nm以下では、波長５００nm程度のレーザ光を用いると、レーザ光を非晶質シリコン膜が十分に吸収できないことから、融解させることが困難になる。したがって、４０nm以上とすることが望ましい。また、膜厚５μｍ以上とすると、非晶質シリコンが融解した際の熱量が大きくなることから、ガラス基板が熱変形したり、クラックが生じる。

上記理由により、４０nm以上５μｍ以下とすることが望ましい。一般的にはＴＦＴ用薄膜多結晶向けには薄い膜とすることでよりスループットを高くすることが可能となる上、ＴＦＴを作製した場合のＯＦＦ時リーク電流を小さくできる。ＴＦＴ向けには厚さ４０nm〜１００nmが最適である。太陽電池を形成する場合には、光吸収を多くするためには膜厚を厚くする必要がある。膜厚を厚くすることで発生キャリアを大きくできる。しかしながら、１０μｍ以上ではスループットが低下するのに加えて、膜中の欠陥に起因する発生電圧の低下が起こる為、１．５〜５μｍとすることが望ましい。

（ｅ）このようにして、基板の上に絶縁層を形成し、その上部に非晶質シリコン膜を形成したものに、連続波レーザを用いてレーザを照射し、非晶質膜を融解、結晶化を行なう。

連続波レーザには、Ａｒ＋レーザ等の気体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ等の固体レーザがある。融解させることが可能な波長域を持つレーザであればどのようなレーザであっても良いが、スループットを高くすることや装置のランニングコストを下げるには、半導体レーザ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波を用いることが望ましい。これらのレーザは、励起光源も含めて安定であり、メンテナンスフリーである。気体レーザでは気体の交換等のメンテナンスが必要であり、高額のメンテナンス費用と定期的なメンテナンス期間を設定する必要がある。半導体レーザ励起の固体レーザは、半導体レーザの交換だけですむことから、ランニングコストを低くすることが可能であり、より低価格の多結晶シリコン基板を提供することが可能となる。

（ｆ）レーザ発振源から発振されたレーザ光は一般的に円形のガウス分布を持っている。この円形のガウス分布を有したレーザ光を所望の大きさに集光して走査しても良いが、より広い面積を結晶化させようとする場合、シリンドリカルレンズを用いて集光し、走査方向に短軸を持つ楕円形のレーザ光に集光することが望ましい。

このようにして集光したレーザ光を前記ガラス基板もしくは石英基板の上に形成した非晶質シリコン全面に走査することで、全面結晶化を行なう。この走査は基板の一辺に対して並行でない方向に走査することが望ましい。

（ｇ）レーザ発振源から発振されたレーザ光は一般的に円形のガウス分布を有している。一般的な円レンズやシリンドリカルレンズを用いてレーザ光を集光してもガウス分布となる。このビーム光を使用してレーザ照射をした場合、照射領域の温度は、中心部は高く、周辺部は低くなる。また走査を行っていることから、レーザ照射領域の端から中心方向に向かって凝固が進むこととなる。そこで凝固の際、結晶粒は、凝固が進行する方向（図１に矢印で示す冷却される向き）に長く伸びる。すなわち、多結晶シリコン膜の結晶粒は、レーザの走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向に実質的に連続に成長している。

さらに、図２に走査方向と結晶粒が成長する方向を複数回の走査領域との関係で示すように、その結晶粒を伸ばすように同じ向きで次回の走査を行なうことで、前回の走査で形成された結晶粒をさらに長く伸ばすことが可能となる。

この方法を用いることで、基板上部から見て９０平方μｍ以上の結晶粒面積の多結晶シリコン膜を形成することが可能となる。結晶粒面積が大きな多結晶シリコン膜は、単結晶と見なせる領域が多いことから高い特性を有する。本発明はさらにＴＦＴ等に用いる場合に有利な特性を有する。

（ｈ）上記の走査を繰り返して基板の上を全面結晶化した場合、ある一方方向に結晶粒界が極端に少ない方向ができる。粒界が存在しない方向についてはキャリアの移動が阻害されないことから、ＴＦＴ等の多数キャリアデバイスについては移動度を高くできる。

この方向に関して、四角形の基板を用いる場合は、一辺に並行となるような方向で照射すると、移動度が高くなる方向が特定された基板の形成が可能となる。また、円形の基板を用いる場合は、オリエンテーションフラットに対して平行もしくは垂直の方向にすることで、この方向を特定することが可能である。

上記（ｇ）、（ｈ）のような方法を用いることで、結晶成長方向を制御して基板全面を結晶化させることが可能となる。

上記実施形態によれば、半導体シリコンの移動度やライフタイムを低下させる重金属等の不純物を多結晶シリコン中に拡散させることなく形成することが可能である。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ等の金属不純物の濃度が多結晶シリコン膜としては非常に低濃度な１×１０¹⁶cm^-3以下とすることが可能である。従って太陽電池やＴＦＴ用途に最適な大面積多結晶シリコン膜基板を作製することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図３に示すように、ガラス基板０１上に１００nmの酸化シリコン膜０２を形成した。酸化シリコン膜０２の形成方法は、プラズマＣＶＤ法を用いて行い、原料ガスにはＳｉＨ₄とＮ₂Ｏガスを用いた。この上部に非晶質シリコン膜０３を全面に７０nm形成した。非晶質シリコン膜０３の形成にはｃａｔ−ＣＶＤ（ｃａｔａｌｙｔｉｃ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた。この基板にＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを直径φ４０μｍに集光して、１５μｍピッチで走査した。レーザ光は行きと帰りを共にＯＮとして、図４の如く走査を行なった。その結果、ガラス基板０１の上の全面に多結晶シリコン膜０５が形成された。その際、形成された結晶粒は、前の走査で形成された結晶粒から引き続いて次の走査で結晶粒が形成されることが確認できた（図５参照）。なお、このレーザ照射によって形成される多結晶シリコン膜０５は、レーザ照射によって形成される温度勾配の向き、すなわち冷却される向きに細長い結晶粒が形成されることがＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析から見出せた。

［実施例２］
図６に示すように、１０×１０cm角のガラス基板０６上に５０nmの窒化シリコン膜０７を形成後、５０nmの酸化シリコン膜０８を形成した。その上部に、非晶質シリコン膜０９を５０nm形成し、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザを直径φ３００μｍに集光して、１００μｍピッチで走査した。

走査の方向は、図７に示す如く、ガラス基板０６の一辺に対して３０度に傾けて行ない、レーザ光は走査中、行きＯＮ、帰りＯＦＦとして一方方向のみでレーザ照射させることとした。また、レーザ走査は互いに１／２以上が重なり合うようにし、前の走査で形成された結晶粒を引き継ぐように走査した。

このレーザ照射を繰り返すことで、基板全面を照射し、基板の上の一面に多結晶シリコン膜１１を形成した。このレーザ照射によって形成された多結晶シリコン膜１１は、ガラス基板０６の上の一辺に概略並行に伸びた多結晶粒の集まりの薄膜となっていた。また、ＳＩＭＳ分析を行った結果、金属不純物の濃度は測定限界の１×１０¹⁶cm^-3以下であった。また、蛍光Ｘ線測定においても、結晶化に対して触媒効果のあるＮｉ等の金属不純物の表面密度は測定限界の１×１０¹⁰cm^-2以下であった。

［実施例３］
基板の大きさを３００×３００mm角として実施例２の方法で同様の構造（図６）を作製した。その場合においても、実施例２と同様に基板全面に多結晶シリコン膜を形成することが可能であった。なお、基板サイズを大きくすることで増えるプロセスに要する時間は、実施例２と比較して１．５７倍であり、本発明は大面積化に適した方式であった。

［実施例４］
図８に示すように、ガラス基板１２の上に窒化シリコン膜１３、その上部に酸化シリコン膜１４を形成した。膜厚はそれぞれ５００nm、２μｍとした。その上部に非晶質シリコン膜１５を２μｍ形成した。この非晶質シリコン膜１５に実施例１と同様のレーザ光を走査することで結晶化を行った。この際、窒化シリコン膜１３を形成しない場合（図３）に比べて、クラックが形成されないことを見出した。また、この構造を用いることで、非晶質シリコン膜は最大５μｍまで結晶化させることが可能であった。

［実施例５］
本実施例では多結晶シリコン膜の平均粒径と移動度の関係に着目した実験を行った。実施例２と同様の方法において、レーザパワーを変えたところ、形成される結晶粒の大きさが変化した。

この方法で形成した結晶粒径の違う多結晶シリコン膜にイオン注入を行い、５×１０¹⁸cm^-3の濃度に燐をドーピングした。活性化させるため６００℃の熱処理を３０分行なった後、移動度測定用のＡｌ電極パターンを形成した。

移動度の評価には四端子による電流−電圧測定を行い、評価した。その結果を図９に示す。多結晶シリコン膜の平均粒径面積が９０平方μｍを超えると、図９に示すように移動度が急激に高くなり、１００cm²／Ｖｓを超える移動度となることが分かった。

多結晶シリコン膜の平均粒径面積が９０平方μｍを超えると、さらに、多結晶シリコン膜の中における任意の場所で測定した移動度のばらつきは±１０％以内となり、移動度のばらつきを大幅に減少させることが可能となった。

このことから、本発明における形成方法を用いて平均粒径面積を９０平方μｍ以上とすることによって、より高品質な多結晶シリコン膜基板を作製することが可能となることを見出した。

また、本実施例で作製した多結晶シリコン膜の結晶粒の長さをＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ−Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いて評価した。その結果の一例を図１０に示す。図１０の分布から分かるように、最大５０μｍ以上の結晶粒の長さを有する膜が作製可能であった。

本発明の薄膜半導体基板の一例を示したもので、非晶質シリコン膜にガウス分布のレーザ光を走査した場合の結晶粒の形状図である。 本発明の薄膜半導体基板の製造方法を示したもので、一方方向に結晶粒を伸ばす際の走査方法を示す模式図である。 本発明の実施例１における、結晶シリコン系半導体基板の作製途中を示す模式図である。 本発明の実施例１における、レーザ光の走査方法を示す模式図である。 本発明の実施例１における結晶粒の形状図である。 本発明の実施例２における、結晶性シリコン半導体基板の作製途中を示す模式図である。 本発明の実施例２における、レーザ光の走査方法を示す模式図である。 本発明の実施例４における、結晶性シリコン半導体基板の作製途中を示す模式図である。 本発明の実施例５における、多結晶シリコン膜の平均粒径と移動度の関係を示した図である。 本発明の実施例５における、多結晶シリコン膜の結晶粒の長さの分布を示した図である。

符号の説明

０１ ガラス基板
０２ 酸化シリコン膜
０３ 非晶質シリコン膜
０４ 融解したシリコン
０５ 多結晶シリコン膜
０６ ガラス基板
０７ 窒化シリコン膜
０８ 酸化シリコン膜
０９ 非晶質シリコン膜
１０ 融解したシリコン
１１ 多結晶シリコン膜
１２ ガラス基板
１３ 窒化シリコン膜
１４ 酸化シリコン膜
１５ 非晶質シリコン膜
１６ 融解したシリコン
１７ 多結晶シリコン膜

Claims (14)

1. 異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、
   上記多結晶シリコン膜の結晶粒の平均粒径面積が９０平方μｍ以上であることを特徴とする薄膜半導体基板。
2. 異種基板の上に形成され、レーザ光の走査によって結晶化された多結晶シリコン膜を備えた薄膜半導体基板において、
   上記多結晶シリコン膜の結晶粒がレーザ光の走査方向に対して並行でなく、且つ垂直でない概略ある一方方向に成長していることを特徴とする薄膜半導体基板。
3. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
   上記結晶粒の中で最も長く成長している結晶粒の長さが５０μｍ以上であることを特徴とする薄膜半導体基板。
4. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
   上記異種基板がガラスからなることを特徴とする薄膜半導体基板。
5. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
   上記結晶粒の成長方向が、オリエンテーションフラットに対して平行もしくは垂直な方向、または基板の一辺に対して平行もしくは垂直な方向、またはノッチが示す方向に対して平行もしくは垂直な方向であることを特徴とする薄膜半導体基板。
6. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
   上記異種基板と上記多結晶シリコン膜の間に絶縁層が形成されていることを特徴とする薄膜半導体基板。
7. 請求項６記載の薄膜半導体基板において、
   上記絶縁層が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンのいずれか、もしくは、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンの積層構造からなることを特徴とする薄膜半導体基板。
8. 請求項６記載の薄膜半導体基板において、
   上記絶縁層が、基板側から順に、窒化シリコン、酸化シリコンが積層されている積層構造からなることを特徴とする薄膜半導体基板。
9. 請求項２記載の薄膜半導体基板において、
   上記多結晶シリコン膜の平均粒径面積が９０平方μｍ以上であることを特徴とする薄膜半導体基板。
10. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
    上記多結晶シリコン膜の中に含まれる金属不純物の濃度が１×１０¹⁶cm^-3以下であることを特徴とする薄膜半導体基板。
11. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
    上記多結晶シリコン膜の表面に含まれる金属不純物の密度が１×１０¹⁰cm^-2以下であることを特徴とする薄膜半導体基板。
12. 請求項１又は２記載の薄膜半導体基板において、
    上記多結晶シリコン膜の膜厚が４０nm以上５μｍ以下であることを特徴とする薄膜半導体基板。
13. 異種基板の上に非晶質シリコン薄膜を形成し、レーザ光を照射し走査することで、該非晶質シリコン薄膜を結晶化し、多結晶シリコン膜を形成する薄膜半導体基板の製造方法において、
    上記レーザ光が連続発振されたことを特徴とする薄膜半導体基板の製造方法。
14. 請求項１３記載の薄膜半導体基板の製造方法において、
    レーザ光を照射し走査した幅の１／２以上において、重ねてその次のレーザ光を照射し走査することを特徴とする薄膜半導体基板の製造方法。