JP2709591B2 - 再結晶半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

再結晶半導体薄膜の製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は絶縁基板上の半導体薄膜のレーザ等のエネル
ギービームを用いた再結晶化方法に関する。 〔発明の概要〕 絶縁基板上の半導体薄膜をエネルギービームを照射し
て再結晶化するにあたり、半導体薄膜に第1領域と特に
不純物が添加された部分をもつ第2領域とを形成し、第
1及び第2領域の両方をほぼ均一な強度のビームで照射
して再結晶化する。その際、第2領域は不純物添加によ
って融点が低下しているために、再結晶化は第1領域か
ら始まり第2領域へ拡がって大粒径の半導体再結晶膜が
得られる。半導体膜がSiのとき、不純物はGeまたはGeと
導電型決定不純物が選ばれる。また、第2領域の膜厚を
第1領域より厚くすることで、冷却速度に差をもたせ、
上記の効果を助長させる。 〔従来の技術〕 SOI(Silicon on lnsulator)技術は三次元集積回路
の重要な部分を占め、レーザ、電子線、赤外線等のエネ
ルギービームを半導体薄膜に照射し溶融、再結晶化させ
るものである。この技術は日経エレクトロニクス1985年
10月7日号229頁に詳述されている。それによれば、方
法として3種類に大別され、(1)ビーム強度を変化さ
せる方法 (2)半導体膜表面に反射膜や吸収膜を設け
てビームに強度分布をもたせる方法 (3)熱の逃げ方
に差をつける方法がある。(1)の方法はビーム強度分
布の精密な制御と安定性が (2)や(3)の方法は複
雑な試料構造が必要である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は試料構造が簡単で、しかもビーム強度分布が
一様でも大粒径の再結晶半導体膜が得られる方法を提供
するものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は再結晶化すべき半導体薄膜中に第1領域と第
2領域を設け、第2領域の融点(凝固点)をより低く
し、再結晶過程が第1領域から始まり第2領域へと拡大
する様にしたものである。第2領域にはそのため不純物
を添加する。半導体薄膜がSiの場合、不純物としてGeま
たはGeとIII族またはV族の不純物を用いる。この効果
をさらに助長するため、第1、第2領域の厚みをビーム
が透過する程度に薄くし、かつ第1領域をより薄くして
第2領域に対し熱容量を小さくすることにより、第1領
域の冷却がより速く行なうことも併用できる。 〔作用〕 第1及び第2領域にビームを均一に照射すると第2領
域が早く溶融はするが近似的に第1及び第2領域共にほ
ぼ同一温度に上昇し溶融する。第1及び第2領域の厚み
が一定で熱放散も一定と仮定すれば、溶融した第1及び
第2領域共に同じ冷却速度で温度低下し、先ず第1領域
の凝固点に達し第1領域で再結晶化が生じる。この段階
では第2領域はまだ溶融している。さらに冷却するに従
って第2領域側へ再結晶化が進み、大粒径または単結晶
の半導体再結晶膜が得られる。 一方、半導体薄膜の厚みがビームの吸収係数αに対し
1/αオーダーになると、吸収されるエネルギーは膜厚に
ほぼ比例する。第1領域を第2領域より薄くすると、同
じ膜質と仮定したときには、ビーム照射でほぼ同じ速度
で温度上昇して溶ける。しかし単位面積あたりの熱容量
は第2領域の方が大きいので、冷却時は第2領域の方が
遅く、やはり再結晶化は第1領域から開始する。 本発明は主に前者の作用によると共に、後者の作用も
併用できるものである。 〔実施例〕 a.実施例1 (第1図) 第1図(a)〜(c)には本発明による再結晶半導体
薄膜の製造方法の1実施例を示す。第1図(a)はビー
ムアニール前の試料の断面構造である。第1領域21と第
2領域22をもつ半導体薄膜は絶縁基板1上に形成されて
いる。第1領域21は例えばa−Si膜2、第2領域22はGe
が添加されたa−Si膜3(または非晶質のSi-Ge合金a
−SiGe)でGeのイオン注入等で選択的に形成される。Ge
の密度は例えば1%〜50%である。第1領域21の幅は狭
いことが望ましいが例えば5〜10μm以下に選ばれる。
この例では第1及び第2領域共厚さはほぼ等しく、例え
ば5000Å以下である。基板1には、石英、ガラス、セラ
ミックス等の絶縁体や、Siや金属に絶縁物コートしたも
の等が用いられ、特に低融点のガラスの場合には表面を
SiO2やSiNでコートすることが望ましい。第1図(b)
には、第1領域21及び少なく共その両側の第2領域22を
同時にビームアニールした後の断面であり、第1領域21
には再結晶Si膜20が、第2領域22にはGe添加された再結
晶Si膜30(またはSi-Ge混晶)が形成される。ビームア
ニールには、例えばAr,Cwレーザによる走査、エキシマ
ーレーザによるパルスアニールなど、または電子線や赤
外線、ランプ光などが用いられる。Geは再結晶過程で第
1領域21側へ再分布するがその範囲は数μm以下であ
る。第1図(c)には再結晶過程における温度分布の模
式図を示す。ビーム照射直後(t=0)には、均一に温
度上昇し第1領域21の融点Tm1以上になって溶融する。
ある時間経過後(t=t1)、均一な放熱のために各領域
共ほぼ一定速度で冷却し、第1領域溶融Tm1と第2領域
融点Tm2の間になる。この段階で第1領域21は再結晶化
しているが、第2領域22は溶融している。さらに時間経
過後(t=t2)Tm2以下の温度となりすべて再結晶化す
る。即ち、再結晶化は第1領域から第2領域へ拡がる様
に進み大粒径が得られる。Tm2の値はGeの密度で定まり
例えば10%でTm1より20℃程度低い。第2領域22内のGe
の密度は一様である必要はなく、例えば100%Geのうす
い層が第2領域内にあっても同様な効果が得られる。 b.実施例2 (第2図) 第2図(a)〜(c)は他の試料構造例を示す。第2
図(a)は基板1上にa−Si膜2とGe添加a−Si膜3を
順次堆積した状態を示す。堆積PCVDや光CVD、スパッタ
等で連続的に行える。第2図(b)は、Ge添加a−Si膜
3を選択エッチして、a−Si膜2のみの第1領域21とa
−Si膜2とGe添加a−Si膜3の2層からなる第2領域22
を設けた状態である。この状態で表面側からレーザ光40
を照射して第2図(c)の様に再結晶膜が形成される。
ビーム照射は基板1が透明なときは裏面からもできる。
第2図(d)は、再結晶過程の温度分布を示す。a−Si
膜2及びGe添加a−Si膜3がビーム吸収係数αに対し1/
αオーダーにあるときは、吸収エネルギーはほぼ膜厚に
比例するので温度はほぼ均一に上昇し、Tm1以上になる
(t=0)。t1経過後、放熱が均一だが膜厚差による熱
容量差があるので薄い第1領域21の方が早く冷却する。
t2経過後、まず第1領域21がTm1以下になり再結晶化す
るが、第2領域は溶けている。t3経過後、全体がTm2
下になり全体が再結晶化する。 本例は、融点差と熱容量差の両方を用いた再結晶方法
である。a−Si膜2の膜厚は例えば1000〜2000Å、Ge添
加a−Si膜は100〜1000Å程度が選ばれ、ビームはArレ
ーザが用いられる。ビームの種類により、膜厚やGe密度
は適宜選ばれる。 c.実施例3 (第3図) 第3図(a)〜(c)は他の実施例を示す。第3図
(a)はまず基板1上にGe添加a−Si膜3を堆積し、選
択エッチした断面、第3図(b)はa−Si膜2を全体に
堆積した断面で、この状態でビームアニールすると第3
図(c)の様に再結晶膜20,30が得られる。 d.実施例3 TFT製造工程 (第4図) 本発明による再結晶膜をTFTに応用した場合の工程例
を第4図(a)〜(d)に示す。第4図(a)は、第1
領域21にP型再結晶Si膜20を、第2領域22にはGe添加Si
再結晶膜30を前述の方法で形成した状態を示す。第4図
(d)は、第1領域21をチャンネル領域とすべく島状に
再結晶膜20,30を残し、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5
を形成した断面である。第4図(c)はゲート電極5を
マスクにしたイオン注入によって再結晶膜20,30内にn+
ソース及びドレイン領域36,37を設けた状態であり、さ
らにコンタクト開孔しソース配線5、ドレイン配線6を
設けて第4図(d)の様に完成する。第2領域22にはGe
が添加されている活性領域ではないので特性に影響はな
いし、例え活性領域にGeが微量含まれてもGeはSi中で電
気的に不活性なため問題は少ない。また、第2領域22は
Geの他にn型不純物を同時添加すれば、n+ソース・ドレ
イン領域36,37の形成が容易で自己整合工程をしなけれ
ば第4図(c)のイオン注入工程を省くことができる。 e.実施例5 TFT製造工程 (第5図) 実施例4はビーム走査方向と垂直にチャンネル長方向
をもったTFTであるのに対し、第5図(a)〜(d)図
では、これが平行な場合を平面図で示す。第5図(a)
は第1領域21と第2領域22がストライプ状に隣接して設
けられたビームアニール後の平面図、第5図(b)は、
チャンネル領域23として第1領域21の半導体膜20を残し
第2領域22は除去し、またソース及びドレイン領域36,3
7として第1及び第2領域21,22の両方を残した平面図で
ある。第5図(c)は、ゲート絶縁膜(図示せず)堆積
後、ゲート電極5を形成した状態、第5図(d)はイオ
ン注入でn+ソース及びドレイン領域36,37を形成し、各
コンタクト開孔部16,17を設けた後ソース及びドレイン
配線6,7を施した完成状態を示す。この様にして粒界が
発生しやすい第2領域22を活性領域から除くことができ
る。この例でも、第2領域22の半導体膜30にn型不純物
を添加しておくことは有効である。 〔発明の効果〕 本発明によれば簡単な試料構造で大粒径または単結晶
の再結晶薄膜が得られる。主にa−Si膜をレーザアニー
ルする例で説明したが、多結晶Siや他の半導体材料にも
適用でき、また他のビームアニール方法例えば電子線、
赤外線、ランプ光による走査やパルスによって行える。
不純物としてGeを主に述べたが、半導体薄膜がSiの場合
Sn,In,Sb,Ga等の不純物の添加により融点が下がるも
の、Ti,Pt,Ni,Mo,Co等でSi融点より低い融点をもつシリ
サイド共晶を作るものなどが使える。一般的に不純物添
加されたSiは光の吸収率が上がるので、第2領域の温度
上昇はより大きくなり、本発明の効果を助長する。 応用としてTFTを示したが、本発明はSOI技術を用いた
他のデバイスにも適用され、効果が大きい。
【図面の簡単な説明】 第1図(a)〜(c)は本発明による半導体薄膜の再結
晶方法を説明するための図、第2図(a)〜(d)は本
発明の他の実施例を説明するための図、第3図(a)〜
(c)は他の実施例の試料断面構造図、第4図(a)〜
(d)は本発明をTFTに適用した工程順の断面図、第5
図(a)〜(d)はTFTの工程順の平面図である。 1……基板、2……a−Si膜 3……Ge添加a−Si膜、21……第1領域 22……第2領域、20……再結晶Si膜 30……再結晶Ge添加Si膜 4……ゲート絶縁膜、5……ゲート電極 36,37……n+領域、6……ソース配線 7……ドレイン配線、40……レーザ光

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.絶縁基板上に設けられた半導体薄膜に平面的に第1
    領域と第2領域を設け、前記第2領域の少なくとも一部
    に、前記第1領域の半導体薄膜に比し融点を低下させる
    ために前記半導体薄膜と異なる不純物を添加し、前記半
    導体薄膜の前記第1領域と第2領域に同時にエネルギー
    ビームを照射して、前記半導体薄膜を再結晶化させるこ
    とを特徴とする再結晶半導体薄膜の製造方法。 2.前記第2領域の厚みが第1領域に比して厚く、かつ
    前記エネルギービームをある程度透過させる厚み以下で
    ある特許請求の範囲第1項記載の再結晶半導体薄膜の製
    造方法。 3.前記半導体薄膜示が非晶質もしくは多結晶シリコン
    であり、前記不純物ゲルマニウムである特許請求の範囲
    第1項または第2項記載の再結晶半導体薄膜の製造方
    法。 4.前記不純物としてゲルマニウムの他に導電型決定不
    純物も含まれる特許請求の範囲第1項記載の再結晶半導
    体薄膜の製造方法。
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