JP2010534412A - 結晶性半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

光電荷による誘導加熱を利用してガラス基板、セラミックス基板、プラスチック基板のような非晶質または多結晶基板の上に形成される結晶性半導体薄膜の製造方法に関して開示する。この結晶性半導体薄膜の製造方法は、ガラス基板、セラミックス基板、プラスチック基板のような安価な非晶質または多結晶基板の上に低濃度半導体層を形成する工程と、光電荷を用いた誘導加熱で低濃度半導体層を結晶化する工程とを含む。これにより、一般的な非晶質半導体薄膜や多結晶半導体薄膜より優秀な特性を有する低濃度の結晶性半導体薄膜を、簡単な工程と少ない費用で得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶性半導体薄膜の製造方法に関するものであり、より詳細には、非晶質基板や多結晶基板上に低濃度の結晶性半導体薄膜を製造する方法に関するものである。

一般に、スイッチング素子に適用されるＭＯＳＦＥＴは、ゲートによって伝導体に転換されるチャネル領域、スイッチングデバイスの両側の高濃度の電極（ドレイン、ソース）、ゲート酸化膜、及びゲートを含み、これらは注入プロセスや他の一般的な半導体プロセスで形成される。この時、チャネル領域はおおよそ１０^１９／ｃｍ^３以下の不純物濃度を有する低濃度半導体薄膜でなされる。よって、このようなチャネル領域を形成するための低濃度半導体薄膜は、スイッチング特性を決める重要な要素として作用して、結晶化されていることが要求される。

従来、シリコン（Ｓｉ）、水素化された非晶質シリコン薄膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、マイクロクリスタルシリコン薄膜（ｕｃ−Ｓｉ）、そして結晶成長されたシリコン薄膜からなる低濃度半導体薄膜が、主に利用された。

このうち、主に大面積のＬＣＤを製造するのに使われる水素化された非晶質シリコン薄膜やマイクロクリスタルシリコン（ｕｃ−Ｓｉ）薄膜は、製造方法が簡単な長所はあるが、薄膜内部に多くの欠陥を含むので、電荷の移動度（mobility）が低く、ライフタイムが短くて、スイッチング素子のスイッチング特性が優秀ではない短所がある。一方、主に小面積の高画質ＬＣＤなどに使われる結晶成長されたシリコン薄膜は、電荷の移動度が優秀で、ライフタイムも長くてスイッチング素子のスイッチング特性が優秀な長所があるが、シリコンを結晶化させる工程が複雑で、結晶成長されたシリコン薄膜を製造するまで製造時間が長い短所がある。

このような方法の長所を取り合わせるために提案された方法として、低濃度の半導体薄膜を結晶化させる方法がある。低濃度の半導体薄膜を結晶化させることに関する研究は多様な方法に進行されているが、最も一般に使われる方法は、非晶質の半導体薄膜を堆積して熱処理する方法である。しかし、この方法は結晶化工程の時間が非常に長いという短所がある。例えば、コーニングガラス（Corning glass）上に堆積されたシリコン薄膜を結晶化する工程は、７００℃程度の温度で４時間以上の熱処理を要するので、低濃度の結晶質シリコン薄膜の生産性が非常に低い。

他の方法で、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）などのような薄い金属膜の上にシリコンを堆積して、４５０℃以下の温度で熱処理すると、金属とシリコンの位置が変わりながらシリコンが結晶化するようになるＭＩＣ（Metal Induced Crystallization）方法がある。この方法は、低温熱処理を使用するために下部の基板で使われる材質の制限が緩和される長所があるが、結晶化されたシリコン薄膜には多くの金属不純物が存在して素子特性を劣化させる要因として作用する短所がある。

また、他の方法で、非晶質シリコン層を誘導加熱方式で結晶化させる方法がある。

図１は、誘導加熱方式で結晶性半導体薄膜を製造する一般的な方法を示したものであり、図１を参照して、非晶質シリコン層を誘導加熱方式で結晶化させる方法を簡略に説明する。

まず、基板１１０の上部に拡散防止層１２０及び非晶質シリコン層１３０を形成して、誘導コイル１５２下に非晶質シリコン層１３０を配置する。その後、電流生成器１５１で誘導コイル１５２に交流電流を流れるようにすると、非晶質シリコン層１３０には交流磁場が作用するようになる。

非晶質シリコン層１３０のうち誘導コイルの下にある部分（ｂ）のキャリア（carrier）は、交流磁場によって回転運動をすることで、オーム加熱（ohmic heating）になる。よって、この部分（ｂ）は流体状態になって、固体状態である部分（ａ）、（ｃ）との界面（ｄ）で固体状態である部分（ａ）、（ｃ）をシード（seed）にして、結晶化が行われる。その後、非晶質シリコン層１３０を特定の方向（ｅ）に移動させると他の部分（ｃ）の結晶化が進行する。

この方法は、誘導加熱される部分で発生する熱が、自由電子（free electron）のようなキャリアの量に依存するので、高濃度の不純物を有するシリコン薄膜に適用が可能である。しかし、スイッチング素子などを形成するための低濃度の半導体薄膜には相対的に少ない数のキャリアが存在するので、適用することができない短所がある。したがって、この方法を用いて結晶質の低濃度の半導体薄膜を得るためには、高濃度の半導体薄膜を結晶化した後、別途の不純物の濃度を減らすための工程が必要である。

低濃度の半導体薄膜を誘導加熱によって結晶化するためには、高い温度まで低濃度の半導体薄膜の温度を上昇させて十分な熱電子が発生されるようにする予備加熱過程が必要である。発生された熱電子は誘導加熱のキャリアとして利用される。しかし、予備加熱の温度は半導体薄膜の不純物の濃度が低いほどさらに高くなるので、低濃度半導体薄膜の結晶化に使用できる下部基板の材質は制限される。

本発明は、別途の予熱する過程が必要なしに、外部の光源によって発生した光電荷の誘導加熱を通じて低濃度の結晶性半導体薄膜を製造する方法に関する。

本発明の形態では、結晶性半導体薄膜の製造方法は、（ａ）基板に低濃度半導体層を形成する工程と、（ｂ）前記低濃度半導体層に光を照射して、光電荷を生成する工程と、（ｃ）前記低濃度半導体層を誘導加熱して、前記低濃度半導体層を結晶化させる工程と、を含む。

一般的な誘導加熱方式で結晶性半導体薄膜を製造する過程を示したものである。 本発明の具体例にかかる結晶性半導体薄膜の製造方法を示すフローチャートである。 図２に示された結晶性半導体薄膜の製造方法で光電荷による誘導加熱の例を示したものである。

以下では、本発明の具体例について、図面を参照して詳しく説明する。

図２は、本発明の具体例にかかる結晶性半導体薄膜の製造方法を示すフローチャートである。本発明による結晶性半導体薄膜の製造方法２００は、低濃度半導体層形成工程（Ｓ２１０）、光電荷生成工程（Ｓ２２０）、及び低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）を具備する。

図３は、図２に示された結晶性半導体薄膜の製造方法で光電荷による誘導加熱（Induction Heating）の例を示したものである。図２に示された結晶性半導体薄膜の製造方法２００を説明する際に、図３に示された光電荷を用いた誘導加熱プロセスの例３００を参照する。

低濃度半導体層の形成工程

低濃度半導体層の形成工程（Ｓ２１０）では、ＰＥＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）方法や電子ビーム蒸着（e-beam evaporation）、スパッタリングのようなＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）方法などで基板３１０上部に１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３の不純物を含む低濃度半導体層３２０を形成する。以下において、「低濃度半導体層」は、１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３の不純物が含まれている半導体層をいう。低濃度半導体層３２０の成分は、広く知られたシリコンを主要素として含む。

一般に、基板３１０は単結晶シリコン基板になることができる。しかし、基板３１０はスイッチング素子のような半導体素子の製造時に直接使用される部分ではないので、基板３１０としてガラス基板、プラスチック基板、セラミックス基板のような安価な非晶質または多結晶基板を利用することができる。

基板３１０上部に低濃度半導体層３２０を形成する前に、拡散防止層（diffusion barrier）３１５を形成する工程（Ｓ２０５）をさらに具備することができる。拡散防止層３１５は、基板３１０が多結晶構造を有している場合や、基板３１０の成分が低濃度半導体層３２０への拡散可能性がある場合に有用に作用することができる。例えば、ソーダライムガラスを基板３１０として使用する場合、ソーダライムガラスのナトリウム（Ｎａ）成分が低濃度半導体層３２０に拡散して素子特性を劣化させることがあるので、Ａｌ_２Ｏ_３のような拡散防止層３１５を約５０ｎｍ程度形成すると、基板３１０の成分が低濃度半導体層３２０へ拡散することを防止できる。

このような拡散防止層３１５は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＳｒＯ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｒＴｉＯ_３のような酸化物や、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＴｉＮのような窒化物から形成されてもよい。酸化物には、ＬＡ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３のようなランタン系酸化物が含まれてもよい。

低濃度半導体層の形成工程（Ｓ２１０）で形成される低濃度半導体層３２０は、非晶質構造を有するか、またはナノ結晶（nano-crystalline）のような多結晶構造を有する。よって、形成された低濃度半導体層３２０をスイッチング素子のような半導体素子製造用などの目的として使用するためには、非晶質や多結晶状態の低濃度シリコン層３２０を高温で再結晶化（re-crystallization）させるような結晶化過程が必要である。このように、本発明は、光電荷生成工程（Ｓ２２０）及び低濃度シリコン層結晶化工程（Ｓ２３０）を具備する。

光電荷生成工程

光電荷生成工程（Ｓ２２０）では、低濃度半導体層３２０に光を照射３３０して、低濃度半導体層３２０の表面に電子−正孔対を生成するが、光の照射３３０によって生成された電子−正孔を光電荷と称する。

後述するように、低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）で、自由電子のようなキャリアの運動を通じて低濃度半導体層３２０を誘導加熱して結晶化が進行する。しかし、低濃度半導体層３２０には誘導加熱に必要なキャリアが不足であるので、このようなキャリア数を増大させるために光電荷を生成する必要がある。

照射される光は、低濃度半導体層３２０のエネルギーギャップによって選択される。例えば、低濃度半導体層３２０が非晶質シリコンから形成される場合、赤色から青色の間の可視光領域であるおおよそ１．８ｅＶ〜３．０ｅＶ範囲のエネルギーを有する光を照射することができる。この波長帯で非晶質シリコンは、結晶質シリコンに比べておおよそ２０倍以上の吸収率を有する。よって、前記範囲のエネルギー範囲を有する光が非晶質シリコンに照射される場合、非晶質シリコンの表面で多くの光電荷が発生するようになる。

光電荷の数は、光の照射時間及び光の強さに比例して増加する。よって、光の照射時間が充分に長くて照射される光の強さが充分に大きければ、光電荷がそれほど増加するので、生成された光電荷は後述する低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）で誘導加熱のための十分な数のキャリアになることができる。

低濃度半導体層の結晶化工程

低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）では、低濃度半導体層３２０を誘導加熱して、低濃度半導体層３２０を結晶化させる。

前記の光電荷生成工程（Ｓ２２０）がない場合、低濃度半導体層３２０には熱によって励起された少数の熱電子のみが存在して、常温でおおよそ１０^１５／ｃｍ^３の電子と正孔が存在するようになる。よって、交流磁場によって誘導される電流は、微小であってオーム加熱によって発生する熱は微弱である。熱電荷の密度を高めるために外部の熱源によって低濃度半導体層３２０を加熱することができるが、この場合下部の基板３１０が共に加熱される問題点がある。よって、光の照射３３０によって光電荷を発生させる場合、低濃度半導体層３２０下部の基板３１０の温度を高くすることなく、誘導加熱に必要な多数のキャリアを確保することができるようになる。

低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）の詳細なプロセスは次のようである。

誘導加熱のための装置は、交流電流を供給する電流生成器３４１と、交流電流を誘導する誘導コイル（induction coil）３４２を具備する。電流生成器３４１によって誘導コイル３４２には交流電流が流れると、誘導コイル３４２に流れる交流電流によって発生される交流磁場は、誘導コイル３４２下部の低濃度半導体層３２０に作用する。

電子−正孔対の電子と正孔は、外部の交流磁場によってそれぞれお互いに反対方向に加速される。また、お互いに反対方向に加速される電子と正孔は、外部磁場によって回転運動をするようになる。半導体層３２０の誘導コイル３４２下にある部分（ｂ）は、交流磁場によって回転運動をする光電荷によってオーム加熱になる。

光電荷によるオーム加熱によって、誘導コイル３４２下にある部分（ｂ）は融点以上の温度になって流体状態になり、結晶化される。低濃度半導体層３２０が形成される基板３１０を特定の方向（ｅ）に移動させると、既に誘導コイル３４２を通り過ぎた部分（ａ）は結晶化されて、融点以下で固体状態になる。この時、低濃度半導体層３２０の結晶化は、流体状態である部分（ｂ）と他の固体状態である部分（ａ）、（ｃ）との界面（ｄ）で、固体状態である部分をシードにして、結晶化が進行する。

低濃度半導体層３２０の形成以前に、前述したＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４などのような拡散防止層３１５が形成された場合、拡散防止層３１５はシード層として作用することができる。よって、低濃度半導体層３２０の結晶化は、流体部分（ｂ）と固体部分（ａ）、（ｃ）との界面（ｄ）で、拡散防止層３１５をシードにしてなされることができる。例えば、基板３１０がガラスから形成され、低濃度半導体層３２０がシリコンから形成された場合、基板３１０上部に、β−Ａｌ_２Ｏ_３からなる拡散防止層３１５を形成した場合、形成されたβ−Ａｌ_２Ｏ_３はシリコンを結晶化させる過程でシードとして作用する。

低濃度半導体層３２０の結晶化は、低濃度半導体層３２０を一側部分から反対側にある部分まで特定な方向（ｅ）に移動させながら、任意に区分することができるそれぞれの部分別に順番に（（ａ）→（ｂ）→（ｃ））行われる。よって、（ａ）部分で結晶化が終われば（ｂ）部分で光電荷が生成されて結晶化が行われる。また、（ｂ）部分で結晶化が終われば、（ｃ）部分で光電荷が生成されて結晶化が行われる。

前記のような結晶化過程で、基板３１０の温度は充分に低い温度を維持することができる。例えば、基板３１０を絶縁体であるガラスから形成すると、低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）で基板３１０には電流が誘導されないので、誘導加熱による熱が発生されない。基板３１０に流入される熱は、基板３１０と低濃度半導体層３２０の熱接触のみを通るものなので、照射される光の強さ、誘導コイル３４２に流れる電流の強さ、及び基板３１０の移動速度を適切に調節することで、基板３１０の温度を低く維持することができる。よって、低濃度半導体層３２０下部の基板３１０に影響を及ぼすことなく、上部の低濃度半導体層３２０のみを選択的に溶融することができるようになる。

図２では、低濃度半導体層３２０の結晶化が光電荷を利用した誘導加熱によってなされることを明確にするために、光電荷生成工程（Ｓ２２０）と、低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）とを別に表示したが、光電荷生成のために光の照射３３０がなされる状態で低濃度半導体層３２０の結晶化のために誘導コイル３４２へ交流電流が印加されて、誘導コイル３４２に交流電流が印加された状態でも続いて光の照射３３０がなされる。

前述のように、光電荷生成工程（Ｓ２２０）では、光の照射３３０によって低濃度半導体層３２０の表面に電子−正孔対を発生させて、低濃度半導体層の結晶化工程（Ｓ２３０）で発生した電子−正孔対を交流の磁場によって分離させて回転運動をするようにすることで熱を発生させる。よって、本発明による製造方法によると、前記のような簡単な過程で結晶性の低濃度半導体薄膜を製造することができるため、従来の高濃度半導体薄膜を結晶化した後に不純物の濃度を減らすための別途の工程を略することができる。

また、誘導コイル３４２は充分に長い長さで製作が可能であるので、低濃度でありながら大面積の結晶性半導体薄膜も短い時間に安価な工程で製造可能である。

本発明は、その例示的な具体例を参照しながら特別に示され、また述べられたが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、添付の請求項で規定される本発明の精神や範囲から離れることなく、形態や細部において多様な変形が可能であることを理解すべきである。

本発明にかかる結晶性半導体薄膜の製造方法では、低濃度を有する半導体層に照光を使って光電荷を発生させるので、別に予熱する過程なしに、単結晶に近い低濃度の半導体薄膜を容易に得ることができる。また、大面積の再結晶化された低濃度の半導体薄膜を安価な工程を使って短い時間内に得ることができる。

また、本発明にかかる結晶性半導体薄膜の製造方法では、半導体層下部にある基板の温度を高めることなく半導体層を結晶化できるので、下部基板として、ガラス基板、セラミックス基板、プラスチック基板のような融点の低い安価な基板の適用が可能である。

また、本発明にかかる結晶性半導体薄膜の製造方法によって製造された半導体薄膜は、低濃度であるので、キャリア（電荷）のライフタイムが長くて、移動度が高く、スイッチング素子に適用することができる。

Claims (9)

1. （ａ）基板上に低濃度半導体層を形成する工程と、
   （ｂ）前記低濃度半導体層に光を照射して、光電荷を生成する工程と、及び
   （ｃ）前記低濃度半導体層を誘導加熱して、前記低濃度半導体層を結晶化させる工程と、を含むことを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。
2. 前記（ｃ）工程は、
   （ｃ１）誘導コイルに交流電流を流して、前記低濃度半導体層に交流磁場を形成する工程と、
   （ｃ２）前記形成された交流磁場によって前記光電荷が加速される工程と、
   （ｃ３）前記光電荷の加速によって前記低濃度半導体層のうちで前記誘導コイルの下にある部分が加熱されて流体状態になる工程と、及び
   （ｃ４）前記流体状態になった部分を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記（ｃ４）工程は、前記流体状態である部分と固体状態である部分との界面において、固体状態である部分をシードにして前記結晶化が行われることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
4. 前記低濃度半導体層には、１０^１４／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３の不純物が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
5. 前記（ｂ）工程は、１．８ｅＶ〜３．０ｅＶの範囲のエネルギーを有する光を照射してなされることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
6. 前記（ａ）工程は、前記基板に拡散防止層を形成した後に、前記低濃度半導体層を形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
7. 前記拡散防止層は、酸化物または窒化物から形成されることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
8. 前記基板は、非晶質基板または多結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
9. 前記（ｃ）工程は、前記拡散防止層をシードに用いて、前記低濃度半導体層の結晶化が行われることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。

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