JP2692138B2 - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

単結晶薄膜の製造方法

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JP2692138B2 JP63128083A JP12808388A JP2692138B2 JP 2692138 B2 JP2692138 B2 JP 2692138B2 JP 63128083 A JP63128083 A JP 63128083A JP 12808388 A JP12808388 A JP 12808388A JP 2692138 B2 JP2692138 B2 JP 2692138B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、単結晶の製造方法に関し、特に半導体デバ
イスの特性および機能を向上させるための製造方法に関
する。
〔従来の技術〕
従来より、SOIと称される絶縁膜上に半導体単結晶薄
膜を製造する方法が、数多く試みられているが、成功し
ている例は少ない。
絶縁物、例えば、SiO2上にCVD(Chemical Vapor Depo
sition)で多結晶シリコンを0.5〜1.0μ程度成長させ、
この上にSiO2をCVDで0.5〜1.0μ積み、基板側からヒー
ターで加熱して狭いゾーン状にシリコンを溶融し、この
溶融ゾーンを移動させて単結晶にする方法が比較的良好
な結果を与えている。しかし、シリコンとSiO2の膨張係
数の差が大きいため、マイクロ・クラックが発生し、大
きな単結晶は得られていない。この方法で得られる単結
晶のサイズは、膜厚によって見ると、膜厚を0.5μ程度
に減らしても0.5mm程度のものしか得られていない。
また、この方法では、基板側から加熱する必要がある
ため、3次元LSIの製造には向いていない等の問題があ
る。
3次元LSIを製造する方法としては、シリコン回路上
にSiO2膜を成長させ、この上に多結晶シリコンを比較的
低温でCVD等で成長させ、この多結晶薄膜をレーザー・
ビーム、電子ビームを用いてスポット状に溶融し、ゾー
ン・メルティングを行うことにより単結晶化することが
行われている。この場合、基板のSi結晶をシードとして
用い、水平方向にエピタキシャルに結晶を成長させるこ
とが多いが、基板のSi結晶の主面が(1,0,0)であって
も、絶縁膜上の結晶薄膜が(1,1,1)方向に変ってしま
うことが多い。
また、絶縁膜下の回路に熱的な衝撃を与えないように
しようとすると、ビームのパワー、移動速度に制限が生
じて、双晶が発生したり、亜粒界が発生して、大きな単
結晶を得ることが困難なようである。
その他の方法としては、固体の状態で、多結晶膜を単
結晶にする、いわゆる固相エピタキシー法も検討されて
いるが、やはり大きな単結晶を得ることは困難なようで
ある。
〔発明が解決しようとする課題〕
現在のところ、最も有望な方法としては、シリコン基
板上に熱酸化等でSiO2を成長させ、この上に多結晶のシ
リコン層をCVD等で成長させ、レーザー・ビームを用い
てゾーン・メルティングを行う際に、多結晶膜上にポリ
エチレン・グリコール等の冷却液の層を設け、この液を
ガラス板等で押さえて、層の厚さを均一にしてやる方法
である。この方法によれば、比較的大きな単結晶が簡単
に得られる。
しかし、この方法も多結晶薄膜を大きくすると、単結
晶にした後の膜厚の変動や、表面の凹凸が大きくなる等
の問題がある。
以上は、シリコン単結晶薄膜の製造方法に関する従来
の技術の説明であるが、最近は。GaAsの単結晶をSi上に
エピタキシャルに成長させる試みがなされている。しか
し、GaAsとシリコンの格子定数が異なるため、非常に数
多くの転位が発生する。この防止対策として、エピタキ
シャル成長時に温度を上下させる等の方法を採用してい
るが、未だに防止するには至っていない。
本発明の目的は、これら従来の課題を解決し、半導体
単結晶薄膜を基板の構造とは関係なく、任意の厚さに成
長させることができる単結晶の製造方法を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明による単結晶の製造
方法は、半導体と熱膨張係数および熱伝導度が近接し、
かつ機械的強度の優れた基板上に、比較的熱伝導が悪
く、耐熱性の優れた絶縁層を0.5〜1.0μ程度析出させ、
この上に蒸着、スパッター、CVDのうちの1つを用い
て、第1の半導体薄膜を多結晶の形で0.5μ程度成長さ
せ、この上にこの半導体の融点では気化しない透明の冷
却液体層を設け、この液体層を通してレーザー光を照射
し、半導体薄膜のみを局所的に溶融させ、このレーザー
・ビームを移動させることにより第1の半導体薄膜全体
を単結晶化し、その後、冷却液体を取り除き、エピタキ
シャル成長により第2の半導体単結晶薄膜を上記第1の
半導体薄膜上に大きな厚みに成長させることに特徴があ
る。また、上記第1の半導体薄膜の抵抗率を0.01Ω−cm
以下の低い値とし、第2の半導体薄膜は第1の半導体薄
膜と同じ導電型で、かつ抵抗率が1.0Ω−cm以上の高い
値とすることにも特徴がある。さらに、第1の半導体薄
膜を成長させるために、半導体を微粒子にして、冷却液
体と同系統の物質で重合度の高いものをバインダーとし
てペースト状にし、シルクスクリーン法により絶縁層上
に成長させることにも特徴がある。
〔作用〕
本発明においては、基板上に絶縁層を形成した後、第
1の半導体薄膜を多結晶の形で形成させ、この上に透明
の冷却液体層を設けて、ここにレーザー光を照射しなが
ら、半導体薄膜のみを局所的に溶融させるという、本願
より先に出願された基本的発明を利用するものである。
そして、本発明では、この後、冷却液体層を取り除き、
エピタキシャル成長により第2の半導体結晶薄膜を第1
の半導体薄膜上に大きな厚みを持たせて成長させる。さ
らに、別の方法として、第1の半導体薄膜を形成するた
めに、半導体を微粒子にして、冷却液体と同系統の物質
で重合度の高いものをバインダーにしてのペースト状に
し、これをシルクスクリーン法により絶縁層上に成長さ
せる。これにより、厚みの大きい単結晶薄膜を多結晶薄
膜から製造することが可能となる。
〔実施例〕
以下、本発明の原理と実施例を、図面により詳細に説
明する。
先ず、本発明の製造方法の原理を説明する。
前述のように、本願より先に、薄膜構造の表面に冷却
媒体を設けた状態で、レーザ光を照射する単結晶の製造
方法が提案された(特願昭63-53289号の『半導体薄膜の
レーザー溶融再結晶化方法』の明細書と図面を参照)。
以下、この発明を基本発明Aと呼ぶことにする。
第3図は、上記基本発明Aの製造方法の説明図であ
る。
最初にシリコン基板結晶21を熱酸化してSiO2被膜22を
形成し、次に減圧CVD法によりシリコン多結晶膜23を形
成し、次にSiN薄膜24を形成し、最後に冷却媒体として
用いたポリエチレングリコール25でサンプルの表面を覆
った後、アルゴンイオンレーザーをレンズで集光して、
サンプルの表面に照射する。そして、レーザー光を照射
しながらサンプルを移動させると、シリコン多結晶薄膜
23で再結晶化が行われる。この方法によれば、レーザー
光照射により生じたシリコンの溶融領域が、SiN薄膜24
を介して接するポリエチレングリコールの液膜により、
放熱面積の大きい表面方向から冷却が行えるので、冷却
効果が素子の全面に拡散して緩和される。その結果、従
来では生じていた側面方向からのグレインの成長が抑制
される。
第4図は、第3図のシリコン溶融領域の要部断面図で
ある。
基本発明Aでは、第4図に示すように、熱を加えても
沸騰しない安定したポリエチレングリコール25がシリコ
ン多結晶23に隣接して存在するため、内部の温度の方が
表面の温度より高くなり、従来とは逆側のポリエチレン
グリコール25側から単結晶化される。従って、ポリエチ
レングリコール25側から、つまり右上から左下の傾斜で
単結晶化が進むため、もしシリコン基板側で異常結晶が
発生しても、これが成長されることはなく、半導体素子
の高性能化が可能である。
しかし、従来の方法および基本発明Aにおいても、製
造された単結晶薄膜の厚さは、極めて薄く、0.5μmの
ものしか作れなかった。各種の半導体素子を生成するた
めには、さらに厚さの大きい単結晶薄膜が必要である。
そこで、本発明では、上記基本発明を利用して、さら
に第2の半導体薄膜を成長させる処理を加える。
第1図は、本発明の第1の実施例を示す単結晶の製造
方法の説明図である。
先ず、第1図(a)に示すようなシリコン基板6を熱
酸化して、その上にシリコン薄膜7を0.5μmの膜厚で
形成する(第1図b))。上記シリコン基板6は、半導
体(ここでは、シリコン多結晶薄膜)の熱膨張係数およ
び熱伝導度が近接しており、かつ機械的強度が優れたも
のであれば、他の物質でもよい。シリコン薄膜7は、比
較的熱伝導が悪く、耐熱性の優れた絶縁層であれば、他
の物質でも差し支えない。この絶縁層は、基板6上に0.
5〜1.0μ程度成長させて形成される。
次に、減圧CVD法によりシリコン多結晶薄膜8を0.5μ
mの膜厚で形成し(第1図(c))、最後に冷却媒体と
して用いるポリエチレングリコール9でサンプルの表面
を覆った後、グラス基板10の上から光出力3ワットのア
ルゴンイオンレーザーをレンズで集光してサンプル表面
に照射する(第1図(d))。レーザ光を照射しなが
ら、サンプルを移動させる。なお、シリコン多結晶薄膜
8の形成は、蒸着やスパッターの方法で成長させても勿
論差し支えない。冷却媒体9としては、半導体の融点で
は気化しない透明の冷却媒体であれば、他の液体でもよ
い。
ここまでが、基本発明Aである。本発明では、さら
に、冷却媒体を取り除き、第1図(e)に示すように、
(d)で形成された厚さの薄い(0.5μm膜厚)かつ抵
抗の低い(n+:10-2〜10-3Ω/cm)単結晶薄膜11の上
に、エピタキシャル成長方法により、抵抗の高い(n-:
1Ω/cm)単結晶薄膜12を、5μmの高さに成長させる。
エピタキシャル成長方法により成長させれば、レーザパ
ワーが少なくて膜厚の単結晶薄膜を形成することが可能
である。通常のレーザービームでは、薄い膜厚のものし
か製造できず、また通常、SiO2の上では、エピタキシャ
ル成長しても多結晶薄膜が形成されてしまい、単結晶に
はならない。
エピタキシャル成長させることのできる材料として
は、Si,GaAs,Ga1-xAlAs,GaP,InP等を用いることができ
る。
このように、本発明では、絶縁層の上に形成させる第
1の半導体薄膜の抵抗率を0.01Ω−cm以下の低い値と
し、エピタキシャル成長により形成する第2の半導体薄
膜は、第1の半導体薄膜と同じ導電型で、かつ抵抗率が
1.0Ω−cm以上の高い値とする。
第2図は、本発明の第2の実施例を示す単結晶の製造
方法の説明図である。
第2の実施例では、第1の実施例におけるCVDによる
薄膜の成長を使用せずに、スクリーンによる成長法を使
用する。すなわち、第1の半導体薄膜を積むために、半
導体を微粒子にしてペースト状にし、シルクスクリーン
法により絶縁層上に成長させるのである。その後に基本
発明Aの単結晶化の方法と第1実施例と同じエピタキシ
ャル成長による薄膜の成長方法を用いる。
先ず、第2図(a)に示すセラミック1を、粒状にし
てバインダーやポリエチレングリコール等の溶剤を混ぜ
てペースト状に固め、これをシルクスクリーン法で塗
る。次に、これを大気中または不活性雰囲気中で700〜1
000℃で焼成した後、蒸着により半導体多結晶薄膜2を
その上から塗る(第2図(b))。次に、基本発明Aと
同じように、半導体薄膜2の上に冷却媒体として用いる
ポリエチレングリコール3を覆った後、グラス基板4の
上から光出力3ワットのアルゴンイオンレーザーをレン
ズで集光してサンプル表面に照射する(第2図
(c))。レーザ光を照射しながら、サンプルを移動さ
せる。このようにして、半導体多結晶を単結晶にした
後、エピタキシャル成長法により厚膜の単結晶半導体5
を成長させる(第2図(d))。
この第2の実施例で製造された単結晶半導体は、例え
ばソーラーセル等に使用される。
また、第1の実施例で製造された単結晶半導体、特に
GaAs等は、トランジスタ材料に使用される。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、基板の構造と
関係なく、少ないレーザーパワーで膜厚の大きい半導体
単結晶薄膜を製造することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す単結晶製造方法の過程
図、第2図は本発明の他の実施例を示す単結晶製造方法
の過程図、第3図は本発明の基礎となる単結晶製造方法
の過程図、第4図は第3図の製造方法の要部断面図であ
る。 1:セラミック、2:半導体薄膜、3:ポリエチレングリコー
ル、4:ガラス、5:エピタキシャル成長、6:シリコン、7:
二酸化シリコン、8:GaAs、9:ポリエチレングリコール、
10:ガラス、11:SiまたはGaAsのn+材料、12:SiまたはGa
Asのn-材料。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体単結晶薄膜の製造方法において、基
    板上に絶縁層を0.5〜1.0μm成長させ、該絶縁層の上に
    蒸着、スパッター、CVDのうちの1つを用いて、第1の
    半導体薄膜を多結晶の形で0.5μm成長させ、前記薄膜
    の上に前記半導体の融点では気化しない透明の冷却液体
    層を設け、該冷却液体層を通してレーザー・ビームを照
    射し、前記半導体薄膜のみを局所的に溶融させ、該レー
    ザー・ビームを移動させることにより前記第1の半導体
    薄膜全体を単結晶化し、その後、前記冷却液体層を取り
    除き、エピタキシャル成長により第2の半導体単結晶薄
    膜を前記第1の半導体薄膜上に成長させることを特徴と
    する単結晶薄膜の製造方法。
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