JP2008004812A - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりもアスペクト比の小さな凹部を利用して、結晶化した半導体薄膜を製造する方法を提供する。
【解決手段】 （ａ）基板表面に、複数の凹部を形成する。（ｂ）前期凹部内が埋め尽くされるように、前記基板上に、アモルファスまたは多結晶状態のシリコン膜を形成する。（ｃ）前記シリコン膜の一部に、第１のレーザパルスを入射させて、該シリコン膜を加熱し、該第１のレーザパルスの熱的影響が残っている状態で、同一位置に第２のレーザパルスを入射させることにより、入射位置のシリコン膜を一時的に溶融させ、結晶化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体薄膜の製造方法に関し、特に非晶質の半導体薄膜にレーザビームを入射させることにより結晶化した半導体薄膜を製造する方法に関する。

下記の特許文献１に開示された多結晶シリコン薄膜の製造方法について、図６Ａ〜図６Ｃを参照して説明する。

図６Ａに示すように、ガラス基板１００の上に、酸化シリコン膜１０１を形成する。この酸化シリコン膜１０１に、円筒状の凹部１０２を形成する。凹部１０２の直径は５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内であり、深さは７５０ｎｍ程度である。凹部１０２内及び酸化シリコン膜１０１の上に、厚さ３０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の非晶質シリコン膜１０３を形成する。

図６Ｂに示すように、レーザビーム１０５を非晶質シリコン膜１０３に入射させる。レーザビーム１０５として、例えば波長３０８ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ〜２５０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられる。なお、レーザ照射時に、ガラス基板１００を、２００℃〜４００℃の範囲内の温度に加熱しておく。非晶質シリコン膜１０３に入射したレーザビームは、そのほとんどが非晶質シリコン膜１０３の表面付近で吸収される。これは、波長３０８ｎｍにおける非晶質シリコンの吸収係数が０．１３９ｎｍ^−１程度であるためである。凹部１０２内の底部に非溶融状態の部分が残り、それ以外の部分はほぼ完全溶融状態になる。これにより、レーザ照射後のシリコンの結晶成長は、凹部１０２の底部近傍で先に始まり、非晶質シリコン膜１０３の表面付近へ進行する。

凹部１０２の底部では、いくつかの結晶粒が発生し得る。凹部１０２の平断面寸法を１個の結晶粒か、それよりも少し小さい程度にしておくと、凹部１０２の開口部には１個の結晶粒のみが到達する。凹部１０２の開口部に到達した結晶粒を種結晶として、非晶質シリコン膜１０３の面内方向に結晶成長が進行する。これにより、図６Ｃに示すように、ほぼ単結晶の結晶粒１０８が形成される。

下記の特許文献２に、第１の酸化シリコン膜に形成された直径１μｍ程度、深さ８００ｎｍ程度の凹部の内面に、第２の酸化シリコン膜をコンフォーマルに堆積させることにより、凹部の直径を０．１μｍ程度まで縮小させる技術が開示されている。縮小された凹部の底面にＮｉ等の結晶化推進膜を堆積させる。この上に、第１の非晶質シリコン膜を堆積させる。第１の酸化シリコン膜の上面が露出するまで、第１の非晶質シリコン膜、結晶化促進膜、及び第２の酸化シリコン膜を除去する。これにより、凹部内にのみ結晶化促進膜が残り、その上に第１の非晶質シリコン膜が残る。

除去工程後、第２の非晶質シリコン膜を堆積させることにより、その面方位を（１１１）面に揃えることができる。

特開２００５−２６３３０号公報 特開２００５−５６８９４号公報

上記特許文献１に開示された方法では、成長核を発生させるための凹部のアスペクト比を５〜１５程度にしなければならない。凹部のアスペクト比が大きくなると、凹部内を非晶質シリコン膜で再現性よく埋め込むことが困難になる。

特許文献２に開示された方法においては、非晶質シリコン膜を充填すべき凹部の平断面の寸法が０．１μｍ程度まで縮小化されているため、その中に非晶質シリコン膜を充填することがより困難である。

本発明の目的は、従来よりもアスペクト比の小さな凹部を利用して、結晶化した半導体薄膜を製造する方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、
（ａ）基板表面に、複数の凹部を形成する工程と、
（ｂ）前期凹部内が埋め尽くされるように、前記基板上に、アモルファスまたは多結晶状態のシリコン膜を形成する工程と、
（ｃ）前記シリコン膜の一部に、第１のレーザパルスを入射させて、該シリコン膜を加熱し、該第１のレーザパルスの熱的影響が残っている状態で、同一位置に第２のレーザパルスを入射させることにより、入射位置のシリコン膜を一時的に溶融させ、結晶化させる工程と
を有する半導体薄膜の製造方法が提供される。

第１のレーザパルスの熱的影響が残っている状態で、同一位置に第２のレーザパルスを入射させることにより、凹部のアスペクト比が小さくなっても、１つの凹部に対してほぼ１つの結晶粒が配置された多結晶膜を形成することができる。

図１Ａ〜図４を参照して、実施例による半導体薄膜の製造方法について説明する。

図１Ａに示すように、シリコンからなる下地基板１の上に、厚さ５００ｎｍの酸化シリコン膜２を形成する。酸化シリコン膜２は、例えば周知の化学気相成長（ＣＶＤ）により形成することができる。この酸化シリコン膜２に、多数の凹部３を形成する。凹部３の各々の深さは５００ｎｍであり、その平断面は、直径０．１９μｍの円形である。

図２Ａに、凹部３の面内の配置を示す。凹部３は、格子間隔Ｄが０．６μｍの正方格子の格子点に対応する位置に配置されている。

図１Ａに戻って説明を続ける。凹部３の内面、及び酸化シリコン膜２の上面を、厚さ３０ｎｍの酸化シリコン膜４で覆う。酸化シリコン膜４は、例えば、原料ガスとしてテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）とオゾン（Ｏ_３）とを用いたＣＶＤにより形成することができる。

凹部３の内部が埋め込まれるように、基板上に厚さ１００ｎｍの非晶質シリコン膜５を堆積させる。非晶質シリコン膜５は、例えばシラン（ＳｉＨ_４）を用いたＣＶＤにより形成することができる。

図１Ｂに示すように、非晶質シリコン膜５に、パルスレーザビーム１０を入射させる。パルスレーザビーム１０は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波である。なお、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの代わりに、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザを使用してもよい。

図３Ａに、パルスレーザビーム１０のタイミングチャートを示す。まず、第１のレーザパルスＰ_１１が入射する。遅延時間ＴＤ後に、同じ位置に第２のレーザパルスＰ_１２が入射する。本明細書において、第１のレーザパルスＰ_１１の入射と第２のレーザパルスＰ_１２の入射とを併せて、「１ショット」と呼ぶこととする。第１のレーザパルスＰ_１１及び第２のレーザパルスＰ_１２のパルス幅ＰＷは、１００ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内である。第１のレーザパルスＰ_１１の、非晶質シリコン膜５の表面におけるパルスエネルギ密度は、０．６Ｊ／ｃｍ^２であり、第２のレーザパルスＰ_１２の、非晶質シリコン膜５の表面におけるパルスエネルギ密度は、１．０Ｊ／ｃｍ^２である。このパルスエネルギ密度は、非晶質シリコン膜５を溶融させるのに十分な大きさである。

第１のレーザパルスＰ_１１が入射してから第２のレーザパルスＰ_１２が入射するまでの遅延時間ＴＤは、５００ｎｓである。この遅延時間ＴＤは、第１のレーザパルスＰ_１１による熱的影響が十分残存している長さ、すなわち溶融状態が維持されている長さである。なお、「溶融状態」には、過冷却状態も含まれる。このように、１ショット内で、最初に入射したレーザパルスの熱的影響が十分残存する短い時間内に、次のレーザパルスを入射させるレーザ加工方法を、「ダブルパルス法」と呼ぶこととする。より一般的に、１ショットを３個以上のレーザパルスで構成する方法を「マルチパルス法」と呼ぶこととする。本実施例ではダブルパルス法を採用するが、マルチパルス法を採用してもよい。

第１のレーザパルスＰ_１１及び第２のレーザパルスＰ_１２で構成される１ショットの照射後、第１のレーザパルスＰ_２１と第２のレーザパルスＰ_２２で構成される次のショットの照射が行われる。１つのショットの照射から次のショットの照射までの時間間隔Ｔは１ｍｓである。すなわち、ショットの繰り返し周波数は１ｋＨｚである。

図３Ｂに、非晶質シリコン膜５の表面におけるビーム断面の形状を示す。ビーム断面は、ｙ軸方向に長い長方形であり、長さＬが２．５ｍｍ、幅Ｗが０．２５ｍｍである。図２Ａに示した格子間隔Ｄが０．６μｍであるため、１つのビーム断面内の幅方向に並ぶ凹部３の数は４００個以上になる。

レーザビーム照射工程においては、非晶質シリコン膜５の表面の同一箇所に入射するショットの数を１にしてもよいし、２以上、例えば１０にしてもよい。同一箇所に入射するショット数を１０にする場合、一例として、基板を静止させて１０ショットを同一箇所に入射させてもよいし、ショット間のオーバラップ率が９０％になるように下地基板１をｘ軸方向に移動させながら照射を行ってもよい。下地基板１を移動させながらレーザ照射を行う場合、１つのショットを構成する第１のレーザパルスと第２のレーザパルスとは、遅延時間ＴＤが極僅かであるため、実質的に同一の領域に入射すると考えることができる。ショット間のオーバラップ率とは、ある１つのショットで照射される領域のうち、次の１ショットで照射される領域と重なる部分の占める割合を意味する。

図１Ｃに示すように、凹部３内の深さ方向の途中まで、非晶質シリコン膜５が一時的に溶融し、結晶化する。これにより、多結晶シリコン膜５ａが形成される。凹部３の深い領域には、非晶質状態のシリコンが残る。

図２Ｂに、レーザ照射後の基板の平面図を模式的に示す。凹部３内に発生した成長核から結晶が成長する。結晶成長が凹部３の開口部まで達した後は、結晶が面内方方向に成長する。相互に隣り合う２つの凹部３から成長した結晶が衝突すると、結晶成長が停止し、衝突部分に粒界６が形成される。凹部３が正方格子の格子点に配置されているため、１つの結晶粒７は、正方形に近い平面形状を示す。

図４に、実際に作製した多結晶シリコン膜５ａの表層部をセコエッチした後の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を示す。ほぼ正方形の結晶粒が、行列状に規則的に配置されていることがわかる。電子後方散乱パターン（ＥＢＳＰ：Electron Back Scattering Pattern）法を用いて、各結晶粒の結晶方位を測定した。その結果、１つの結晶粒内においては、基板面に垂直な方向、及び基板面内の相互に直交する２方向のいずれの方向においても、結晶方位が一定であることがわかった。すなわち、結晶粒の各々は単結晶であることが確認された。また、＜００１＞方向が基板面に対して垂直な方向を向く結晶粒が最も多いことがわかった。

さらに、凹部３を通過する基板の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、凹部３内の非晶質状態のシリコンと、結晶化したシリコンとの界面が、酸化シリコン膜２の上面から約２００ｎｍの深さに位置することがわかった。

上記実施例で形成した凹部３の底面及び側面が、厚さ３０ｎｍの酸化シリコン膜４で被覆されているため、実質的な凹部の直径は０．１３μｍ、深さは０．４７μｍになる。この凹部のアスペクト比は、約３．６である。従来のレーザ照射による結晶化においては、凹部のアスペクト比を５〜１５程度にしなければならなかった。これは、１つの凹部内に１つの成長核のみを発生させる必要があるからである。なお、凹部５内のシリコン膜５のうち深さ０．２μｍよりも浅い部分が溶融し、それよりも深い部分は溶融しなかった。凹部３の実質的な深さは、溶融した部分の深さ、すなわち０．２μｍと考えることができる。この場合、実質的なアスペクト比は約１．５になる。凹部３のアスペクト比を１．５程度としても、上記実施例と同様の効果が期待できる。

実施例のように、マルチパルス法を採用することにより、アスペクト比を５より小さくしても、凹部の分布に対応して分布する結晶粒を形成することが可能になる。マルチパルス法を採用すると、１つの凹部内に複数の成長核が発生しても、１つの成長核から成長した結晶粒のみが凹部の開口部まで成長し、他の成長核から成長した結晶粒は、凹部の開口部まで成長しないと考えられる。このため、アスペクト比を小さくしても、多結晶シリコン膜５ａの表面においては、１つの凹部３に対してほぼ１つの結晶粒７が形成されることになる。

図４Ａに示した多結晶シリコン膜は、同一箇所に１ショットのみを入射させて形成したものである。図４Ａには、１つの凹部に対応する１つの結晶粒内に、粒界のような黒い線が観察される。これは、転位等の結晶欠陥であると考えられる。

図４Ｂに示した多結晶シリコン膜は、オーバラップ率９０％の条件で入射位置を移動させながらレーザビームを入射させて形成したものである。この場合、同一箇所に１０ショットのレーザパルスが入射されることになる。結晶欠陥密度が減少していることがわかる。１つの凹部に対応する１つの結晶粒内に現れている直線的な線は、双晶を構成する２つの単結晶の境界である。この境界は、通常の結晶欠陥に比べてキャリア移動度に与える影響は小さい。このように、同一箇所に複数ショットを入射させることにより、結晶欠陥を消滅させ、結晶粒の結晶品質を高めることができる。

多結晶シリコン膜に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する場合、ＴＦＴを配置する位置に凹部を配置しておくことにより、１つの結晶粒内に１つのＴＦＴを形成することが可能になる。＜００１＞方向が基板面に垂直な結晶粒においては、＜１１１＞方向が基板面に垂直な結晶粒に比べて、電界効果移動度の高いＴＦＴを形成することが可能になる。

図５Ａに、凹部３の配置の他の例を示す。図２Ａに示した実施例では、凹部３が正方格子の格子点の位置に配置されていた。図５Ａに示した例では、正方格子の格子点の偶数番目の行の凹部３が、行方向に半ピッチだけずれている。すなわち、凹部３は、三角格子の格子点の位置に配置されている。

図５Ｂに、凹部３と結晶粒７との位置関係を示す。１つの凹部３を中心として面内方向に結晶成長して形成された結晶粒７は、ほぼ六角形の平面形状を持つ。図２Ｂに示した実施例では、４個の凹部３からの成長が一点で衝突していたが、図５Ｂに示した例では、３個の凹部３からの成長が一点で衝突する。一点で衝突する結晶粒の数が減ることにより、粒界の位置における盛り上がりを低くすることができる。

上記実施例では、凹部３の平面形状を直径が０．１９μｍの円形としたが、その他の大きさ及び形状にしてもよい。例えば、直径１５０ｎｍの円を内包し、かつ直径３００ｎｍの円に内包される平面形状としてもよい。また、凹部３を浅くすると、複数の成長核から成長した結晶粒が凹部３の開口部まで到達する。１つの凹部に対して１つの結晶粒を形成するために、凹部３の深さを２００ｎｍ以上（アスペクト比を１．５以上）とすることが好ましい。凹部３を浅くしすぎると、凹部３の底に発生した複数の種結晶からそれぞれ成長した結晶粒が上面まで到達するため、１つの凹部に対して複数の結晶粒が形成されてしまう。凹部３を深くしすぎると、その内部を非晶質シリコンで埋め込むことが困難になる。このため、凹部３の深さを、５００ｎｍ以下とすることが好ましい。従来方法では凹部のアスペクト比を５以上にしなければならなかったが、本実施例では、アスペクト比が４以下でも、凹部と結晶粒とがほぼ１対１に対応した多結晶シリコン薄膜を形成することができる。

上記実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザの第２高調波を用いたが、その他のレーザを用いてもよい。例えば、波長波長５２０〜５４０ｎｍの範囲内に中心波長を持つレーザを用いてもよい。

１ショット内の第１のレーザパルスＰ_１１が入射してから第２のレーザパルスＰ_１２が入射するまでの遅延時間ＴＤは、第１のレーザパルスＰ_１１による熱的影響が十分残存している時間内に、第２のレーザパルスＰ_１２を入射させるために、遅延時間ＴＤを１μｓ以下とすることが好ましい。

上記実施例では、下地基板１としてシリコン基板を用いたが、その他の材料からなる基板を用いてもよい。例えば、ガラス基板を用いてもよい。また、酸化シリコン膜２を形成することなく、ガラス基板に直接凹部を形成してもよい。この場合、凹部の内面を覆う酸化シリコン膜４を形成する必要はない。

また、上記実施例では、凹部３内に充填する膜を非晶質シリコン膜５としたが、多結晶シリコン膜を凹部３に充填してもよい。多結晶シリコン膜の成膜時には、結晶粒が不規則に分布するが、上記実施例による方法で結晶化させることにより、凹部３に対応して分布する結晶粒を形成することができる。

上記実施例では、有底の凹部内にシリコン膜を充填したが、基板を貫通する凹部（貫通孔）内にシリコン膜を充填してもよい。この場合、基板を貫通する凹部の側面に堆積したシリコン膜によって貫通孔内がシリコン膜で完全に充填される。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）及び（１Ｂ）は、実施例による半導体薄膜の製造方法を説明するための、製造途中段階における基板の断面図であり、（１Ｃ）は、基板、及びその上に作製された多結晶シリコン膜の断面図である。 （２Ａ）は、凹部の分布を示す平面図であり、（２Ｂ）は、凹部と結晶粒との関係を示す平面図である。 （３Ａ）は、レーザパルスのタイミングチャートであり、（３Ｂ）は、基板上におけるレーザビームの断面を示す線図である。 実施例による方法で作製された多結晶シリコン膜をセコエッチした後のＳＥＭ写真である。 （５Ａ）は、凹部の分布の他の例を示す平面図であり、（５Ｂ）は、凹部と結晶粒との関係を示す平面図である。 従来の多結晶シリコン膜の作製方法を説明するための、製造途中段階における基板の断面図である。

符号の説明

１ 下地基板
２、４ 酸化シリコン膜
３ 凹部
５ 非晶質シリコン膜
５ａ 多結晶シリコン膜
６ 粒界
７ 結晶粒
１０ レーザビーム
１００ シリコン基板
１０１ 酸化シリコン膜
１０２ 凹部
１０３ 非晶質シリコン膜
１０５ レーザビーム
１０８ 結晶粒

Claims (7)

1. （ａ）基板表面に、複数の凹部を形成する工程と、
   （ｂ）前期凹部内が埋め尽くされるように、前記基板上に、アモルファスまたは多結晶状態のシリコン膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記シリコン膜の一部に、第１のレーザパルスを入射させて、該シリコン膜を加熱し、該第１のレーザパルスの熱的影響が残っている状態で、同一位置に第２のレーザパルスを入射させることにより、入射位置のシリコン膜を一時的に溶融させ、結晶化させる工程と
   を有する半導体薄膜の製造方法。
2. 前記工程ａで形成する前記凹部が、直径１５０ｎｍの円を内包し、かつ直径３００ｎｍの円に内包される平面形状を有し、深さが２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
3. 前記第１のレーザパルス及び前記第２のレーザパルスが、波長５２０ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内に中心波長を持つ請求項１または２に記載の半導体薄膜の製造方法。
4. 前記第１のレーザパルス及び前記第２のレーザパルスが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、またはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの第２高調波である請求項１または２に記載の半導体薄膜の製造方法。
5. 前記工程ｃにおいて、前記第１のレーザパルスの入射から前記第２のレーザパルスの入射までの時間が１μｓ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
6. 前記第１のレーザパルスの入射と前記第２のレーザパルスの入射とを１ショットと定義したとき、前記工程ｃにおいて、前記シリコン膜の同一箇所に複数のショットを入射させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。
7. 前記第１のレーザパルス及び前記第２のレーザパルスのパルス幅が１００ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内である請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造方法。