JP3208201B2 - 多結晶半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶半導体薄膜の製
造方法に関し、特に、非晶質半導体薄膜から固相成長に
より多結晶半導体薄膜を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば多結晶シリコン薄膜のような多結
晶半導体薄膜では、結晶粒径が大きく、粒界の少ない多
結晶半導体薄膜が要望されている。多結晶半導体薄膜の
製造方法の一例として、基板上に非晶質半導体薄膜を形
成した後、該半導体薄膜を加熱して結晶化させる、いわ
ゆる固相成長法が知られている。

【０００３】固相成長法により結晶粒径の大きな多結晶
シリコン薄膜を製造する方法として、いわゆるパーシャ
ルドーピング法が提案されている。パーシャルドーピン
グ法は、非晶質シリコン薄膜の一部にリン（Ｐ）あるい
はボロン（Ｂ）等をドーピングすることにより、非晶質
シリコンの荷電状態を変化せさ、ドーピングされた部分
から選択的に結晶化を開始させる方法である。パーシャ
ルドーピング法によれば、非晶質シリコン薄膜中の特定
の部分から結晶化が開始されるため、結晶核の発生を上
記ドーピングにより制御することができ、従って、比較
的大きな結晶粒径を有する多結晶シリコン薄膜を得るこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パーシ
ャルドーピング法は、不純物のドーピングにより結晶化
を制御する方法であるため、得られた多結晶半導体薄膜
において、ドーパントが不純物として残存し、多結晶半
導体薄膜の特性に悪影響を与えるおそれがあった。従っ
て、得られる半導体薄膜の特性を考慮して不純物をドー
ピングする必要があったため、結晶化の促進及び制御を
充分にかつ高精度に行うことができないという問題があ
った。その結果、大粒径の結晶粒を有する多結晶半導体
薄膜を得ることが困難であった。

【０００５】加えて、上記パーシャルドーピング法で
は、加熱により結晶化を促進するものであるが、多結晶
半導体薄膜を得るのに比較的長時間の加熱工程を経なけ
ればならないという問題もあった。

【０００６】本発明の目的は、結晶化後の特性に悪影響
を与える不純物を用いずともよく、より自由にかつ高精
度に結晶成長を制御することができ、大粒径の結晶粒を
有する多結晶半導体薄膜を比較的短時間で製造すること
を可能とする、多結晶半導体薄膜の製造方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、非晶質半導体薄膜に光を照射しつつ加熱することに
より結晶化を促進し、それによって多結晶半導体薄膜を
得る多結晶半導体薄膜の製造方法であって、前記非晶質
半導体薄膜として、その一部が他の部分に比べて前記光
に対する吸収係数が大きくされているものを用いること
を特徴とする、多結晶半導体薄膜の製造方法である。

【０００８】

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法において、上記非
晶質半導体の光に対する吸収係数が結晶化後の半導体の
光に対する吸収係数よりも大きくなる波長の光を照射す
ることを特徴とする。

【００１０】さらに、請求項３に記載の発明は、上記請
求項１，２に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法におい
て、非晶質半導体薄膜表面に光を照射し、結晶核を発生
させる際の光照射条件と、結晶核発生後の光照射条件と
を異ならせることを特徴とするものである。

【００１１】本発明は多結晶半導体薄膜の製造方法に関
するものであり、本発明が適用される半導体材料は特に
限定されるものでなく、例えば、シリコン、ゲルマニウ
ムあるいはＧａＡｓ等の任意の半導体材料からなる多結
晶薄膜を本発明により製造することができる。

【００１２】また，請求項１〜３に記載の発明におい
て，結晶化を促進するために照射する光としては、目的
とする多結晶半導体薄膜を構成する材料の種類及び薄膜
の厚み等によっても異なるが、通常、１５０〜９００ｎ
ｍの波長、０．１〜２０Ｗ／ｃｍ² の強度の光が用いら
れる。このような光を照射する光源としては、特に限定
されるものではなく、ハロゲンランプ、レーザー等の任
意の光源を用いることができる。

【００１３】また、請求項１〜３に記載の多結晶半導体
薄膜の製造方法では上記光の照射とともに非晶質半導体
薄膜を加熱する。この加熱は、基板上に非晶質シリコン
薄膜を形成した場合には、基板を加熱することによって
行ってもよく、あるいは非晶質半導体薄膜や基板上に非
晶質半導体薄膜が形成された積層体をある温度雰囲気下
に配置することによって行ってもよい。加熱の程度は、
通常３００〜７００℃程度で行われるが、この加熱条件
についても目的とする半導体材料の種類及び薄膜の厚み
等によって変更され得る。

【００１４】

【作用】請求項１に記載の発明では、非晶質半導体薄膜
に光が照射されることにより、非晶質半導体の荷電状態
が変化される。従って、該光の照射により結晶化が促進
される。この結晶化は上記光の照射及び加熱により制御
される。従って、光照射により結晶化を制御し得るた
め、不純物をドーピングすることなく固相成長により結
晶を成長させることができる。

【００１５】よって、結晶を成長させる条件を上記光照
射条件や加熱条件等を選択することにより自由に選択す
ることができ、所望の粒径の結晶粒を有する多結晶半導
体薄膜を容易にかつ確実に得ることができる。

【００１６】さらに、照射される光に対する吸収係数が
大きな部分において結晶化が先に進み、しかる後、照射
される光に対する吸収係数が相対的に小さな他の部分に
おいて結晶化が進行することになる。従って、光に対す
る吸収係数の大きな部分を予め選択的に形成しておくこ
とにより、所望の位置から結晶化を進行させることがで
きる。

【００１７】請求項２に記載の発明では、非晶質半導体
薄膜の光吸収係数が、結晶半導体の光に対する吸収係数
よりも大きくされているため、光を多く吸収する非晶質
半導体の表面付近から結晶化が進行する。さらに、結晶
化されると光に対する吸収係数が小さくなるため、より
内部の非晶質半導体部分に光が到達することになる。従
って、結晶化が薄膜表面から内部に向かって順次進行す
ることになるため、大きな結晶粒を得ることができる。

【００１８】請求項３に記載の発明では、非晶質半導体
薄膜表面に光を照射して結晶核を発生させる際の光照射
条件と、結晶核発生後の光照射条件とが異ならされてい
るため、結晶の成長をより緻密にコントロールすること
ができ、一層高品質の多結晶体を得ることができる。

【００１９】

【実施例の説明】以下、本発明の実施例を説明すること
により、本発明を明らかにする。参考例 石英基板上に、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、非晶質
シリコン薄膜を形成した。非晶質シリコン薄膜の形成条
件は以下の通りである。

【００２０】膜形成温度：５００℃、材料ガス：ＳｉＨ
₄ 、ガス流量：２０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：３０Ｗ、圧
力：５０Ｐａ。 上記の条件で、石英基板上に厚み１７μｍの非晶質シリ
コン薄膜を形成した。次に、上記石英基板を約５００℃
に加熱し、図１（ａ）に示すように、石英基板１上に形
成された非晶質シリコン薄膜２の表面に波長４５０ｎｍ
及び強度１Ｗ／ｃｍ² の光Ａを照射した。

【００２１】非晶質シリコン及び結晶シリコンの光吸収
係数の波長依存性を図２に示す。図２から明らかなよう
に、非晶質シリコンの４５０ｎｍにおける光吸収係数は
１０⁶ ｃｍ^-1以上である。従って、照射された光は、非
晶質シリコン薄膜２の表面から１００Å程度の深さまで
の部分２ａでほぼ全てが吸収され、この部分２ａにおい
て多くの光励起キャリア（電子及び正孔）が発生し、荷
電状態が変化し、結晶化が起こる。

【００２２】上記のようにして結晶化された部分２ａの
光吸収係数は図２から明らかなように、非晶質シリコン
に比べて小さくなるため、照射されている光は図１
（ａ）に示した部分２ａよりも内部の非晶質シリコン層
に到達し、図１（ｂ）に示すように、より内側の部分２
ｂにおいて結晶化が進行する。従って、既に結晶化され
ている部分２ａに連なるように、部分２ｂにおいて結晶
化が進行するため、大きな結晶粒が形成されていく。さ
らに、部分２ｂが結晶化されると、上記と同様にして光
がより下層部分２ｃ（図１（ｃ）参照）に到達し、順次
結晶化が進行していく。よって、最終的には図１（ｄ）
に示すように、図１（ａ）に示した非晶質シリコン薄膜
２の全厚みに渡り結晶化が進行し，該膜厚に相当する結
晶粒を有する多結晶シリコン薄膜３が得られることにな
る。

【００２３】本参考例では、上記加熱温度５００℃にお
いて、上記光の照射を５時間行うことにより、厚み１５
μｍの多結晶シリコン薄膜３が形成された。上記のよう
にして得られた多結晶シリコン薄膜の電子顕微鏡写真を
図３に模式図で示す。また、比較のために、公知のパー
シャルドーピング法により形成された相当の膜厚の多結
晶シリコン薄膜の電子顕微鏡写真の模式図を図４に示
す。なお、この従来法では、６００℃の温度で１０時間
加熱することにより多結晶シリコン薄膜が得られた。

【００２４】図３及び図４の比較から明らかなように、
本参考例によれば、従来法に比べて大きな結晶粒を有す
る多結晶シリコン薄膜が得られることがわかる。実際に
は、従来法では最も大きな結晶粒でも粒径が６μｍであ
ったのに対し、本参考例では、１０μｍを超える粒径の
結晶粒が観察された。

【００２５】実施例 参考例 と同様にして、石英基板上に非晶質シリコン薄膜
を形成した。もっとも実施例では、図５（ａ）に示すよ
うに、石英基板１上に形成されている非晶質シリコン薄
膜４の厚み方向中央に、残りの部分４ａ，４ｂに比べて
光に対する吸収係数が大きな部分４ｃを形成した。この
光に対する吸収係数の大きな部分４ｃは、残りの部分４
ｂ，４ｃに比べて含有水素量を減らすことにより形成し
た。

【００２６】次に、加熱可能な基板支持台上に上記石英
基板１を配置し、５００℃に加熱し、波長６５０ｎｍ、
及び強度５Ｗ／ｃｍ² の光を５時間照射した。照射され
た光は、参考例で用いた光に比べて長波長であるため、
非晶質シリコンの光吸収係数は低く（図２参照）、従っ
て非晶質シリコン薄膜４のより内部にまで到達する。非
晶質シリコン薄膜４の厚み方向中央には、光に対する吸
収係数の大きな部分４ｃが形成されているため、該光に
対する吸収係数の大きな部分４ｃにおいて光が多く吸収
される。その結果、部分４ｃに多くの光励起キャリア
（電子及び正孔）が発生し、荷電状態が変化し、結晶化
が起きる。結晶化した部分を図５（ｂ）において参照番
号５ａで示す。上記波長では、結晶化シリコンの光に対
する吸収係数は、非晶質シリコン比べて小さいため（図
２参照）、照射されている光は、結晶化された部分５ａ
を透過する。従って、最初に結晶化された部分５ａの上
下の非晶質シリコン部分において次に結晶化が進行し、
最初に結晶されている部分５ａに連なるように結晶成長
が進行する。図５（ｃ）に、結晶化が進行した部分を参
照番号５ｂで示す。そして、最終的には、当初の非晶質
シリコン薄膜４の全厚みに渡り結晶化が完了し，該膜厚
に相当する結晶粒を有する多結晶シリコン薄膜５が得ら
れることになる（図５（ｄ）参照）。

【００２７】上記のようにして得られた多結晶シリコン
薄膜５を参考例の場合と同様にして電子顕微鏡で観察し
たところ、１０μｍを超える結晶粒を有する大きな結晶
粒を有する多結晶シリコン薄膜が得られていることが確
かめられた。

【００２８】実施例から明らかなように、パーシャルド
ーピング法により得られた多結晶シリコン薄膜に比べて
より大きな結晶粒を有する多結晶シリコン薄膜が得られ
ることがわかる。同様に、光の照射により結晶成長が促
進されるため、実施例によれば、加熱温度を従来法に比
べて低くすることができ、しかも固相成長に必要な時間
を短縮し得ることがわかる。

【００２９】さらに、実施例では、光の照射により結晶
化を制御することができるため、所望の粒径を有するよ
うに結晶化を高精度にかつ自由に制御することができ
る。のみならず、リンやホウ素等のドーパントを用いな
いため、得られた多結晶シリコン薄膜中に特性の劣化を
引き起こすような不純物が存在し難い。なお、実施例で
は、多結晶半導体薄膜として、多結晶シリコン薄膜を製
造する例につき説明したが、ＧｅやＧａＡｓ等の他の半
導体材料からなる多結晶半導体薄膜も上記実施例の方法
に従って製造することができる。

【００３０】また、実施例では薄膜支持部材として石英
基板１を用いたか、非晶質半導体薄膜の製造時ならびに
上記固相成長に際しての温度雰囲気に耐えうるものであ
れば他の材料、例えばセラミックス、ステンレスもしく
はガラス等からなる基板を用いてもよい。

【００３１】さらに、固相成長に際しての加熱条件につ
いても、実施例では５００℃としたが、半導体材料の種
類及び目的とする半導体薄膜の厚み等に応じて加熱温度
を選択することができ、通常３００〜７００℃程度、非
晶質シリコンやＧｅ薄膜を結晶化する際には、４００〜
６００℃程度の温度で加熱すればよい。

【００３２】同様に、光照射条件についても、上記実施
例の値に限られず、半導体材料の種類や目的とする半導
体薄膜の厚み等に応じて変化させることができる。例え
ば、参考例のように、光の照射されている表面部分から
順次結晶化を進行させる場合や、実施例のように中央の
光吸収の相対的に大きな非晶質部分から順次結晶化を進
行させる場合には、非晶質半導体に比べて結晶半導体の
光に対する吸収係数が小さな波長の光を用いることが必
要である。

【００３３】すなわち、参考例，実施例では、図２から
明らかなように、非晶質シリコンの方が結晶シリコンよ
りも光吸収係数の大きい領域の光、すなわち７００ｎｍ
以下の波長の光を用いることが必要である。同様に、Ｇ
ｅからなる多結晶半導体薄膜を得る場合には、図２から
明らかなように、非晶質Ｇｅの光に対する吸収係数が結
晶Ｇｅの光に対する吸収係数よりも大きな領域の波長の
光を用いることが必要である。

【００３４】もっとも、本発明では、必ずしも非晶質半
導体の光に対する吸収係数が結晶半導体の光に対する吸
収係数よりも大きな領域の波長の光を用いる必要はな
い。例えば、基板上に非晶質半導体薄膜を形成した構造
において、非晶質半導体薄膜表面から光を照射するにあ
たり、基板側に近い非晶質半導体薄膜部分から結晶化を
進行させる場合には、結晶半導体の光に対する吸収係数
が非晶質半導体の光に対する吸収係数よりも大きな波長
の光を用いてもよい。

【００３５】また、実施例では、光に対する吸収係数が
他の部分に比べて大きい部分４ｃが、非晶質半導体薄膜
４の厚み方向中央において平面的には全領域に形成され
ていたが、このように形成される必要は必ずしもない。
非晶質半導体薄膜の任意の厚み位置に、あるいは非晶質
半導体薄膜の膜面と平行な面内において部分的に形成し
てもよく、それによって所望の部分から所望の方向に、
例えば、非晶質半導体薄膜の膜の主面方向と平行に結晶
成長を行わせることも可能である。

【００３６】また、本発明の多結晶半導体薄膜の製造方
法は、上記のように加熱及び光の照射により結晶成長を
制御するものであるが、従来より公知の固相成長法、例
えばパーシャルドーピング法を組み合わせて結晶成長を
行ってもよく、それによってドーピングされた多結晶薄
膜材料を本発明の方法によって得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、非晶質
半導体薄膜に光を照射しつつ加熱することにより結晶化
を促進するものであるため、結晶成長を上記光の照射条
件の変更により制御し得うる。従って、結晶成長を高精
度にかつより自由に制御できるので、目的とする多結晶
半導体薄膜を容易に得ることができる。

【００３８】しかも、ドーパントを用いることなく多結
晶半導体薄膜を得ることができるため、得られた多結晶
半導体薄膜において過剰なドーパントの存在による電気
的な特性の劣化も生じがたい。従って、結晶性に優れた
多結晶半導体薄膜を電気的特性の劣化を招くことなく提
供することが可能となる。

【００３９】加えて、非晶質半導体薄膜の一部が他の部
分に比べて光に対する吸収係数が大きくされているた
め、光の照射により上記光に対する吸収係数の大きな部
分から選択的に結晶粒が成長される。従って、上記光に
対する吸収係数の大きな部分の位置を選択することによ
り、様々な結晶状態の多結晶半導体薄膜を容易に得るこ
とができる。

【００４０】請求項２に記載の発明では、非晶質半導体
薄膜の光に対する吸収能が結晶化半導体薄膜の光に対す
る吸収能よりも大きくなる波長の光を照射するため、非
晶質半導体薄膜の表面側から光を照射した際には該表面
側から内部に向かって結晶粒の成長が進行し、また光吸
収係数の大きな部分が設けられている非晶質半導体薄膜
では該光吸収能の大きな部分を基点として結晶粒の成長
が進行する。従って、大きな結晶粒を有する多結晶半導
体薄膜を容易にかつ確実に得ることができる。

【００４１】請求項３に記載の発明は、非晶質半導体薄
膜表面に光を照射して結晶核を発生させる際の光照射条
件と、結晶核発生後の光照射条件とが異ならされている
ため、結晶核発生後の光照射条件をより緻密にコントロ
ールすることができ、従って、所望とする大きさの結晶
粒を、より高精度にかつ容易に得ることができるととも
に、結晶核発生に必要なエネルギー及び結晶成長に必要
なエネルギーを効率よく与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の参考例
において光を照射することにより結晶成長を行わせる各
工程を説明するための模式的断面図。

【図２】非晶質シリコン、結晶シリコン、非晶質ゲルマ
ニウム及び結晶ゲルマニウムの光吸収係数の波長依存性
を示す図。

【図３】参考例で得られた多結晶シリコン薄膜の結晶構
造を示す電子顕微鏡写真の模式図。

【図４】比較のために用意したパーシャルドーピング法
により得られた多結晶シリコン薄膜の結晶構造の電子顕
微鏡写真の模式図。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の実施例
において多結晶シリコン薄膜を光の照射により製造する
各工程を説明するための模式的断面図。

【符号の説明】

１…石英基板 ２…非晶質シリコン薄膜 ３…多結晶シリコン薄膜

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−288817（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−196116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−187030（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−275641（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−293720（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−178124（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非晶質半導体薄膜に光を照射しつつ加熱
   することにより結晶化を促進し、多結晶半導体薄膜を得
   る多結晶半導体薄膜の製造方法であって、 前記非晶質半
   導体薄膜として、その一部が他の部分に比べて前記光に
   対する吸収係数が大きくされているものを用いることを
   特徴とする、多結晶半導体薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】 前記非晶質半導体の光に対する吸収係数
   が結晶化後の半導体薄膜の該光に対する吸収係数よりも
   大きい波長の光を照射することを特徴とする、請求項１
   に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
3. 【請求項３】 前記非晶質半導体薄膜表面に光を照射
   し、結晶核を発生させる際の光照射条件と、結晶核発生
   後の光照射条件とを異ならせることを特徴とする、請求
   項１または２に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。