JP3223040B2

JP3223040B2 - 半導体薄膜の結晶化法

Info

Publication number: JP3223040B2
Application number: JP13832294A
Authority: JP
Inventors: 正明亀田; 康樹原田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 2001-10-29
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JPH07321034A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非晶質等の様々な半
導体薄膜を結晶化させる方法に係り、特に、半導体薄膜
中における任意の位置に任意の大きさになった単結晶等
の結晶を簡単に形成できる半導体薄膜の結晶化法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質等の様々な半導体薄膜を結
晶化させる方法としては、例えば、半導体薄膜を加熱さ
せて結晶を固相成長させる固相成長法や、半導体薄膜に
レーザを照射させて結晶化させるレーザアニール法や、
半導体薄膜に交流磁場を印加させて渦電流による加熱に
より結晶化させる方法等が知られていた。

【０００３】しかし、上記のような何れの方法であって
も、半導体薄膜中において結晶化させる位置やその大き
さを制御することが非常に困難であり、また結晶化させ
てデバイスを作製した場合に、このデバイス中に不均一
な結晶粒界が残ったりし、これによりデバイスの特性が
低下する等の問題があった。

【０００４】また、従来においては、半導体薄膜の任意
の位置に任意の大きさになった単結晶等の結晶を形成す
るため、図１の（Ａ），（Ｂ）に示すように、基板１上
に非晶質等の半導体薄膜２を形成した後、この半導体薄
膜２において結晶化させる部分を残すようにして、その
他の不必要な部分をエッチングによって取り除き、その
後、この半導体薄膜２に対して交流磁場を印加させ、渦
電流による加熱によって残った部分における半導体を溶
融させて結晶化させる方法が開発された。

【０００５】しかし、このようにして半導体薄膜２の任
意な位置に任意の大きさになった結晶領域を形成する場
合、上記のようにエッチング等の複雑な工程が必要にな
り、その生産性が悪く、また半導体を溶融させて結晶化
させるため、結晶化する際に基板１から不純物がこの半
導体薄膜２内に混入されたり、図１の（Ｃ）に示すよう
に、溶融された半導体２ｃが基板１上において水滴状に
丸くなって固まる等の問題があった。

【０００６】また、上記のように溶融された半導体２ｃ
が水滴状に丸くなって固まるのを防止するため、前記の
ようにエッチングを行った後、残った半導体薄膜２の上
にＳｉＯ₂ 等の保護膜を設け、この状態で結晶化させる
方法も行なわれたが、この場合、保護膜を設ける工程が
更に必要となって、より生産性が悪くなり、製造コスト
が高くつく等の問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、非晶質等
の様々な半導体薄膜を結晶化させる場合における上記の
ような様々な問題を解決することを課題とするものであ
る。

【０００８】すなわち、この発明においては、非晶質等
の様々な半導体薄膜中において、任意の位置に任意の大
きさになった単結晶等の結晶を簡単に形成できるように
することを課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明においては、上
記のような課題を解決するため、非晶質，微結晶または
多結晶の半導体薄膜中に導電率の異なる領域を設け、こ
の半導体薄膜に交流磁場を印加させて渦電流による加熱
を行い、この半導体薄膜において導電率の高くなった部
分を結晶化して固相成長させるようにしたのである。

【００１０】ここで、上記の半導体薄膜として、この発
明においては、非晶質，微結晶，多結晶の半導体薄膜を
用いることができ、このような半導体薄膜において結晶
を固相成長させ、半導体薄膜に単結晶或いは結晶粒が大
きくて特性の良い多結晶を作成するようになっている。

【００１１】また、この発明において、半導体薄膜中に
導電率の異なる領域を設けるにあたっては、半導体薄膜
中の任意の位置にリン，ボロン等の導電率を高める元素
を注入させて、導電率の高い領域を設けるようにした
り、エキシマレーザ等のレーザ光を半導体薄膜中の任意
の位置に照射させて、この部分における導電率を高める
ようにする。

【００１２】さらに、このように半導体薄膜中に導電率
の異なる領域を形成する場合において、導電率を高める
元素の注入量を部分的に変更させて、半導体薄膜中にお
ける導電率を段階的に変更させ、例えば、中心部などに
局所的に上記のような元素を多く注入させて、高導電率
の部分を設けるようにしたり、また半導体薄膜中におい
て導電率を高める元素が注入された部分における適当な
位置にレーザ光を照射させて結晶核を形成し、この結晶
核部分における導電率だけをさらに高めるようにしても
良い。

【００１３】また、上記のように導電率の異なる領域を
設けた半導体薄膜に交流磁場を印加させて渦電流による
加熱を行い、この半導体薄膜中において結晶を固相成長
させる場合、結晶化された結晶核の周囲が固相で結晶成
長するのに適し且つ新たな結晶核が発生しないような温
度で半導体薄膜が加熱されるように交流磁場の強さを調
整することが好ましい。

【００１４】

【作用】この発明における半導体薄膜の結晶化法におい
ては、上記のように半導体薄膜中の適当な部分に、導電
率を高める元素の注入量を変更させたり、レーザを照射
させたりして、半導体薄膜中に導電率の異なる領域を設
け、この半導体薄膜に交流磁場を印加させるようにす
る。

【００１５】このように導電率の異なる領域が設けられ
た半導体薄膜に交流磁場を印加させると、導電率の違い
により渦電流密度に差が生じ、渦電流による加熱によっ
て半導体薄膜中に温度勾配が生じ、まず導電率の高くな
った部分が渦電流による加熱によって結晶化され、引き
続き交流磁場を印加させると、結晶化された周囲が渦電
流により次第に加熱されて結晶が固相成長し、この交流
磁場の印加による加熱を制御することによって半導体薄
膜中の任意の領域における結晶化が行えるようになる。

【００１６】また、上記交流磁場の強度を、結晶化され
た結晶核の周囲が固相で結晶成長するのに適し且つ新た
な結晶核が発生しないような温度になるように調整する
と、結晶核の周囲のみが結晶成長に適した温度となり、
選択的な結晶成長が行え、結晶粒界を含まない単一結晶
を半導体薄膜中の任意の領域に簡単に形成できるように
なる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づい
て具体的に説明する。

【００１８】この実施例においては、図２の（Ａ）に示
すように、熱ＣＶＤ法により下記の表１に示すアモルフ
ァスシリコン膜形成条件で、基板１上にアモルファスシ
リコン膜２からなる半導体薄膜２を形成した。なお、こ
のアモルファスシリコン膜２は、その膜厚が２μｍ、導
電率が３〜５×１０^-11 Ｓ／ｃｍ² であった。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、図２の（Ｂ）に示すように、上記の
ように形成したアモルファスシリコン膜２の上にプラズ
マ耐性を持つＺｎＯからなるマスク３を設け、このマス
ク３にレーザを用いてエッチングを行い、同図の（Ｃ）
に示すように、このマスク３に大きさが１０μｍ×１０
μｍになった種結晶作成用の開口部３ａを形成した。な
お、上記のレーザとしては、波長３０８ｎｍ，パルス幅
２０ｎｓｅｃ，エネルギー密度０．５Ｊ／ｃｍ² のＸｅ
Ｃｌエキシマレーザを用いた。

【００２１】そして、上記のようにマスク３に設けられ
た種結晶作成用の開口部３ａを通して、イオンプラズマ
パッシベーションにより、下記の表２に示すドーピング
条件で、この開口部３ａに対応したアモルファスシリコ
ン膜２の種結晶作成部２ａに導電率を高める元素として
リンを注入させた。なお、このドーピングによる種結晶
作成部２ａへのリンのドープ量は１×１０²⁰個／ｃｍ³
であった。

【００２２】

【表２】

【００２３】そして、このようにアモルファスシリコン
膜２の種結晶作成部２ａに導電率を高めるリンを注入さ
せた後、上記種結晶作成用の開口部３ａがほぼ中央にな
るようにして、その周辺部のマスク３を上記のようにレ
ーザを用いてエッチングし、図２の（Ｄ）に示すよう
に、マスク３に大きさが２００μｍ×４００μｍになっ
た開口部３ｂを設け、その後、この開口部３ｂを通し
て、この開口部３ｂに対応したアモルファスシリコン膜
２の種結晶作成部２ａ及びその周辺における結晶化部２
ｂに、イオンプラズマパッシベーションにより下記の表
３に示すドーピング条件で、導電率を高めるリンを注入
させた。なお、このドーピングによる種結晶作成部２ａ
及び結晶化部２ｂへのリンのドープ量は１〜８×１０¹⁹
個／ｃｍ³ であった。

【００２４】

【表３】

【００２５】このようにしてアモルファスシリコン膜２
の種結晶作成部２ａ及び結晶化部２ｂに導電率を高める
元素としてリンを注入させた結果、種結晶作成部２ａに
おける導電率が１〜３×１０^-6Ｓ／ｃｍ² 、また結晶化
部２ｂにおける導電率が５×１０^-8〜３×１０^-7Ｓ／ｃ
ｍ² になった。

【００２６】そして、上記のようにリンが注入されて導
電率が高くなった種結晶作成部２ａと結晶化部２ｂとが
形成されたアモルファスシリコン膜２に対し、この実施
例においては、ＲＦ発信器に２０〜３００Ｖ，１５〜２
５Ａの電圧及び電流を加え、このＲＦ発信器によって交
流磁場を印加させた。

【００２７】このようにアモルファスシリコン膜２に交
流磁場を印加させると、このアモルファスシリコン膜２
に渦電流が発生し、リンが多くドープされて導電率が高
くなった種結晶作成部２ａにおける渦電流密度が高くな
って、この種結晶作成部２ａが他の部分より渦電流によ
って強く加熱され、図３の（Ａ）に示すように温度勾配
が生じ、この種結晶作成部２ａにおける温度が他の部分
より高くなって結晶化する温度に達し、この種結晶作成
部２ａが結晶化されてアモルファスシリコン膜２に種結
晶が形成された。

【００２８】そして、このように種結晶が形成されたア
モルファスシリコン膜２にさらに交流磁場を印加させて
渦電流による加熱を行うと、図３の（Ｂ）に示すよう
に、種結晶作成部２ａの周囲において導電率が高くなっ
た結晶化部２ｂにおける温度が上昇して、種結晶が形成
された種結晶作成部２ａの周囲から次第に結晶化部２ｂ
の温度が結晶化する温度に達し、種結晶作成部２ａの種
結晶が次第にその結晶化部２ｂに成長して結晶領域が拡
大し、約２時間の時間で結晶化部２ｂも結晶化されて、
アモルファスシリコン膜２に約２００μｍ×４００μｍ
の大きさになった結晶領域が形成された。なお、図３の
（Ａ），（Ｂ）において、Ｔ₁ 以上は結晶化した部分の
温度であり、またＴ₂ は結晶成長が起こる温度の下限で
あり、温度ＴがＴ₁ ＞Ｔ＞Ｔ₂ の範囲で結晶が成長す
る。

【００２９】ここで、この実施例においては、結晶化さ
せる半導体薄膜２にアモルファスシリコン膜２を用いた
例を示しただけであるが、その他の非晶質半導体膜や、
微結晶或は多結晶の半導体膜を用いることも可能であ
る。

【００３０】また、この実施例においては、結晶化させ
る半導体薄膜２に導電率の異なる領域を設けるにあた
り、アモルファスシリコン膜２に導電率を高める元素と
してリンをドーピングさせるようにしたが、その他のボ
ロン等の導電率を高める元素をドーピングさせたり、ま
たエキシマレーザ等のレーザ光を半導体薄膜２に照射さ
せて、この部分における導電率を高めるようにしてもよ
い。

【００３１】また、この実施例においては、図４の
（Ａ），（Ｂ）に示すように、アモルファスシリコン膜
２の種結晶作成部２ａにリンをドープさせた後、さらに
その周辺の結晶化部２ｂにリンをドープさせて、種結晶
作成部２ａと結晶化部２ｂにおけるリンのドーピング量
を変化させたが、例えば、図５の（Ａ）〜（Ｃ）に示す
ように、上記結晶化部２ｂの長辺方向において、その縁
部におけるリンのドーピング量を少なくし、リンのドー
ピング量を３段階に変更させるようにしたり、図６の
（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、上記結晶化部２ｂの周縁
部におけるリンのドーピング量を多くして、リンのドー
ピング量を３段階に変更させるようにしたり、さらには
図７の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、結晶化部２ｂを設
けずに種結晶作成部２ａにだけリンをドーピングさせる
ようにしてもよい。

【００３２】ここで、図５に示すように、結晶化部２ｂ
の長辺方向の縁部におけるリンのドーピング量を少なく
した場合、交流磁場を印加させて加熱を行った際におけ
る温度勾配が同図の（Ｄ）に示すようになり、結晶化部
２ｂの長辺方向の縁部における温度の上昇が遅くなり、
結晶化部２ｂ全体を結晶化させるのに要する時間が長く
なるが、種結晶を核とした結晶成長がうまく行われて、
結晶化が困難な材料からなる半導体薄膜２であっても質
のよい結晶が形成されるようになった。

【００３３】また、図６に示すように、結晶化部２ｂの
周縁部におけるリンのドーピング量を多くした場合、交
流磁場を印加させて加熱を行った際における温度勾配が
同図の（Ｄ）に示すようになり、結晶化部２ｂの周縁部
における温度の上昇が早まり、結晶化部２ｂ全体を結晶
化させるのに要する時間が短くなった。

【００３４】また、図７に示すように、種結晶作成部２
ａにだけリンをドーピングさせた場合、交流磁場を印加
させて加熱を行った際における温度勾配が同図の（Ｄ）
に示すようになり、種結晶作成部２ａだけが早く結晶化
されるようになった。

【００３５】なお、上記の実施例においては、リンのド
ープ量を多くして導電率を高くした種結晶作成部２ａを
設け、交流磁場の印加による加熱により、この種結晶作
成部２ａにおいて種結晶を作成させるようにしたが、上
記のような種結晶作成部２ａを設けずに、結晶化部２ｂ
の適当な位置にエキシマレーザ等のレーザ光を照射させ
て結晶化部２ｂの一部に種結晶を作成し、その後、交流
磁場を印加させて上記の種結晶の周辺を加熱し、これに
より結晶を成長させて結晶化部２ｂを結晶化させるよう
にしてもよい。

【００３６】以上詳述したように、この発明における半
導体薄膜の結晶化法においては、非晶質，微結晶または
多結晶の半導体薄膜中の適当な部分に、導電率を高める
元素を注入させたり、レーザを照射させたりして、半導
体薄膜中に導電率の異なる領域を設け、その後、この半
導体薄膜に交流磁場を印加させて渦電流による加熱を行
い、導電率の違いによる渦電流密度の差により、導電率
が高くなった部分の温度を上昇させて結晶化させ、次第
にこの結晶を固相成長させるようにしたため、半導体薄
膜に印加する交流磁場を制御することによって、半導体
薄膜中の任意の位置に任意の大きさになった結晶領域を
簡単に形成できるようになった。

【００３７】また、上記のように半導体薄膜に交流磁場
を印加させるにあたり、この交流磁場の強度を、結晶化
された結晶核の周囲が固相で結晶成長するのに適し且つ
新たな結晶核が発生しないような温度になるように調整
することにより、結晶核の周囲において選択的な結晶成
長が行え、結晶粒界を含まない単一結晶を半導体薄膜中
の任意の領域に簡単に形成できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体薄膜の任意の位置に任意の大きさになっ
た結晶を形成する従来の方法を示した概略図である。

【図２】この発明の一実施例において、アモルファスシ
リコン膜にリンをドーピングさせて導電率が高くなった
種結晶作成部と結晶化部とを形成する工程を示した概略
図である。

【図３】この発明の一実施例において、種結晶作成部と
結晶化部とが形成されたアモルファスシリコン膜に交流
磁場を印加させて、渦電流による加熱を行った場合にお
けるアモルファスシリコン膜の温度状態の変化を示した
図である。

【図４】この発明の一実施例において、アモルファスシ
リコン膜の種結晶作成部と結晶化部とにリンをドーピン
グさせた場合におけるリンのドーピング量の変化を示し
た図である。

【図５】結晶化部の長辺方向の縁部におけるリンのドー
ピング量を少なくしたこの発明の他の実施例を示した図
である。

【図６】結晶化部の周縁部におけるリンのドーピング量
を多くしたこの発明の他の実施例を示した図である。

【図７】種結晶作成部にだけリンをドーピングさせたこ
の発明の他の実施例を示した図である。

【符号の説明】

２半導体薄膜（アモルファスシリコン膜）２ａ種結晶作成部２ｂ結晶化部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質，微結晶または多結晶の半導体薄
膜中に導電率の異なる領域を設け、この半導体薄膜に交
流磁場を印加させて渦電流による加熱を行い、この半導
体薄膜において導電率の高くなった部分を結晶化して固
相成長させることを特徴とする半導体薄膜の結晶化法。
【請求項２】請求項１に記載の半導体薄膜の結晶化法
において、半導体薄膜中に導電率を高める元素を注入さ
せて、半導体薄膜中に導電率の異なる領域を設けること
を特徴とする半導体薄膜の結晶化法。