JPH01270311A - 薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石英基板のような透明性絶縁基板上に単結晶
シリコンシートを形成し、該単結晶シリコンシートを核
として結晶成長させ透明性絶縁基板上に結晶粒径が大き
く、しかも結晶方位がそろった高品質のシリコン薄膜を
形成する薄膜形成方法に関する。

〔従来の技術〕

絶縁膜上に、結晶粒径の大きな多結晶シリコン薄膜ある
いは、単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、Ｓｏ　Ｉ
　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術
として知られている。（参考文献、ＳＯＩ構造形成技術
、産業図書）大きく分類すると、再結晶化法、エピタキ
シャル成長法、絶縁層埋込み法、貼り合わせ法という方
法がある。再結晶化法にはレーザービームアニールある
いは電子ビームアニールによりシリコン溶融再結晶化さ
せる方法と、溶融する温度までは上げずに再結晶化させ
る固相成長法の２つに分類される。再結晶化法は透明性
絶縁基板上にも単結晶シリコン薄膜と同等の膜が形成さ
れる点で注目される。一方貼り合せ法は、２枚のＳｉＯ
２膜でおおわれた単結晶シリコンウェハを重ね合せ、密
着し、酸素雰囲気巾約７００℃で熱処理することにより
Ｓｉｎ、同志が接合することを利用し、前記２枚のうち
のどちらか一枚の単結晶シリコンウェハを薄膜化して、
ＳＯＩ基板を形成するという技術である。

〔本発明が解決しようとする課題〕

前記再結晶化法においては、再結晶化の為の単結晶シリ
コンシートを透明性絶縁基板上にいかに形成するかが大
きな問題となる。単結晶シリコンシートがない場合には
、シリコン膜中にランダムに存在する核の為に数多くの
結晶粒が成長し、該結晶粒のひとつひとつは大きく成長
しない、結晶方位もそろはない、また結晶粒の成長がラ
ンダムな為に、得られた再結晶化シリコン薄膜のどこに
結晶粒界が存在するのかまったくわからない、従って、
このような再結晶化シリコン薄膜を用いてＴＰＴ　（Ｔ
ｈｉｎ　Ｆｉｌｑ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した
場合には、同一基板内での特性のバラツキが著しく実用
不可能となる。

石英基板に単結晶シリコンウェハを接合し、該単結晶シ
リコンウェハを研磨して薄膜化し、そのままでＳＯＩ基
板とする方法もあるが、これではシリコン薄膜の膜厚制
御がむずかしい、単結晶シリコンウェハは厚さは少なく
とも数百μｍ以上はある。ＴＰＴあるいはＭ　ＯＳ　（
Ｍｅｔａｌ　０ｘｉｄｅ　５ｅｎｉ−ｃｏｎｄｕｃ　ｔ
ｏｒ　）の能動部としては厚くても数千Ａ程度、できれ
ば数百人程度のＷｉ膜が特性の点から望ましい、ウェハ
全面にわたって数百μｍもある単結晶シリコンウェハを
均一に数百人まで研磨することは非常にむずかしい、現
状では２インチ径のウェハで、膜厚が１μｍ制御で１．
３μｍ±０゜４μｍまでバランいているということが報
告されている。これでは大面積基板を作ることは、もち
ろん小面積基板でさえも実用不可能である。

本発明は、上記のような貼り合わせ法を応用し、石英基
板のような透明性絶縁基板上に再結晶化の為の単結晶シ
リコンシートの形成方法を提案し、大面積にわたり、結
晶方位が均一で、結晶粒径の大きな高品質の再結晶化シ
リコン薄膜を形成することを目的とする。

また、従来、透明性絶縁基板と単結晶シリコンウェハ全
面にわたって接合していたが、この場合該単結晶シリコ
ンウェハを薄膜化し、フォトエツチング工程により島状
単結晶シリコンシートを作製するという工程が必要であ
った。この時生じる薄膜化における膜厚バラツキの増大
、フォト工程数の増大という問題点を解決する事も本発
明の目的とするところである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の薄膜形成方法は、Ｓ　ｉ　ｏ２１１ｇ！でおお
われた単結晶シリコンウェハを帯状に切り出し、帯状単
結晶シリコン小片を作製する第一の工程と、ＳｉＯ２膜
でおおわれた透明性絶縁基板の表面と、前記帯状単結晶
シリコン小片上のＳｉｎ、膜とを密着させ、接合する第
二の工程と、前記帯状単結晶シリコン小片を薄膜化して
帯状単結晶シリコンシートとする第三の工程と、シリコ
ン薄膜を堆積させる第四の工程と、前記第三の工程で形
成された帯状単結晶シリコンシートを核とし、前記シリ
コン薄膜を形成する第五の工程を少なくとも有すること
を特徴とする薄膜形成方法。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を第１図に従って説明する。第１図（ａ
）に帯状単結晶シリコン小片の斜め上方から見た図を示
す、１−１帯状単結晶モ片、１−２はＳｉＯ２膜である
。該ＳｉＯ２膜１−２の膜厚は約１μｍ以下が適当であ
る。まず石英基板あるいはサファイア基板のような透明
性絶縁基板１−３にＳｔＯ，膜１−４を積層する。Ｓｉ
Ｏ２膜の堆積方法としては、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、光Ｃ
ＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法などの方法がある。前
記ＳｉＯ２膜は同一方法で形成するのが良好と思われる
が、興なる場合でも問題はない、ＷＡ厚は１μｍ以下が
適当である。第１図（ｂ）に示すように透明性絶縁基板
上のＳｉＯフ膜１−４と１、前記帯状単結晶シリコン小
片上のＳｉＯ２膜１−２とを重ね合わせ、密着させる、
角型透明性絶縁基板を用いる場合は、該角型透明性絶縁
基板のある一辺に前記帯状単結晶シリコン小片とを一致
させる。密着は高真空雰囲気中で行なえば良好な結果が
得られる。そして酸化雰囲気中に配置し、７００℃から
１２００℃程度の熱処理を行なうことによりＳｉＯ２膜
同±１−２と１−４との密着界面が接合し、前記帯状単
結晶シリコン小片１−１と透明性絶縁基板１−３との接
合が完了される。接合機構についてはｒｓＯＩ楕造形成
技術産業図書版」に説明されているのでここでは省略す
る。前記帯状単結晶リシコン小片１−１の結晶方位は単
結晶シリコンウェハの結晶方位によって決定されるので
任意のものを選ぶことができる。結晶成長が進みやすい
という点で＜１００）基板が適している０次に第１図（
ｃ）に示すように帯状単結晶シリコン小片をＷｉ膜化し
て、帯状単結晶シリコンシート１−５を形成する。

通常の研磨方法を用いればよい、まず砥粒を用いて租研
磨し、ひきつづき鏡面研磨をする。な、るべく薄くなる
まで行なう、できれば、数千人まで、厚くとも数μｍ程
度の薄さになるまで研磨する。

その後は、硝フッ酸などでさらに化学的エツチングを行
なってもよい。

この状態で前記島状単結晶シリコンシートの表面を清浄
化する工程が必要となる場合もある。これは後に行なわ
れる結晶成長が良好に進行させる為に効果がある。アル
カリ洗浄あるいはライトエツチングなどの化学的清浄法
の他にＡｒビームによるスパッタリング清浄法も効果が
ある。この工程は必要なければ行わなくてもよい。

次に第１図（ｄ）に示すようにシリコン薄膜１−６を堆
積させる。膜厚は数百人程度、゛厚くても数千Å以下と
する。ＥＢ（電子ビーム）蒸着法あるいはスパッタ法に
おいては基板温度が約３００℃以下で堆積膜は非晶質シ
リコン薄膜となる。膜堆積中チャンバーの中は１０−６
から１０−７Ｔｏｒｒ以上の高真空に保ち堆８！膜中へ
の不純物元素の混入を防ぐ、また水素元素も膜中に取り
込まれにくい。

プラズマＣＶＤ法はグロー放電分解法とも呼ばれるもの
である。この方法は太陽電池や光応答デバイスとなどの
非晶質シリコン薄膜堆積について有効な方法である。膜
中に多量の水素が含まれることが特徴８〜２０ａｔ％程
度の水素を収り込んでおり、ダングリングボンドなどの
欠陥を不活性化している。このままでは後に結晶成長さ
せる場合に、水素が脱離し欠陥が多量に残り基板と膜と
の密着性も低下することが予想される。そこで堆積の際
にＳｉＨ４ガス（シランガス）を希釈しないで用いるか
、あるいはＡｒガス希釈とする。さらに基板温度は通常
より高い４００℃から５００℃とする。このように＃！
積腹膜中取り込まれる水素量が極力少なくなる堆積条件
を設定し、膜堆積復往々に水素を放出させる。３００℃
から４００℃の温度領域と約７００°Ｃ付近の熱処理温
度において水素放出量のピークが存在することが知られ
ている。

従って、３００°Ｃから４００℃で熱処理を行ない水素
を放出させさらに約７００℃で熱処理を行なうという二
段階アニール方法、あるいは室温のアニール炉に基板を
セットし、室温から７００℃程度まで徐々に温度を上げ
てゆく方法、など結晶成長工程にはいる前に水素放出処
理を行なう、光ＣＶＤ法は、ＣＶＤガス雰囲気にＣＯ２
レーザなどを照射し分解温度を低減させるものである。

堆積膜は非晶質シリコン薄膜あるいはシード付近はエピ
タキシャル成長する条件もある。減圧ＣＶＤ法はシラン
ガスの熱分解による成膜法である。堆積膜の膜質はガス
温度に強く依存しており、５００℃から約５５０℃程度
、では非晶質シリコン薄膜、約５５０℃から７００℃程
度では多結晶シリコン薄膜が堆積する。シードが依存す
る場合は約７００℃以上の高温でエピタキシャル成長す
ることが知られている。低温での堆積膜には水素が多少
台まれているので必要ならばプラズマＣＶＤ法のところ
で述べたような水素放出処理を行なう。

次に第１図（ｅ）に示すように前記シリコン薄ＷＡＩ−
６を結晶成長させる。方法としてはレーザービームアニ
ールあるいは電子ビームアニールによる溶融再結晶化法
と、溶融する温度までは上げずに再結晶化させる固相成
長法の２つに分類される。

前記シリコン薄膜１−６として多結晶シリコン薄Ｍ？成
膜した場合には、前記溶融再結晶化法を採用する。結晶
粒界には妨害されない−様な結晶成長が進む、溶融再結
晶化法は、非結晶シリ：７ン３膜にも同様に適用できる
。一方、前記シリコン薄ＩＢ！！　１−６として非晶質
シリコン薄膜を成膜した場合には、固相成長法を採用す
ることが可能となる０石英管による炉アニールが便利で
ある。アニール雰囲気としては、Ｎ、ガス、Ｈ、ガス、
Ａｒガスなどを用いる。真空雰囲気でアニールを行なっ
てもよい、固相成長アニール温度は５００℃から７００
℃とする。このような低温では結晶成長しやすい結晶方
位をもつ結晶粒のみが成長し、ゆっくりと大きく成長す
る０例えば（１００）方位の結晶が成長しやすい事が知
られている。従ってｗＩ記単結晶シリコンウェハ１−１
の結晶方位を（１００）に選べば、より結晶成長は進行
しやすくなる。もちろん池の方位を持つ単結晶シリコン
ウェハを用いてもよい。

結晶相は前記帯状単結晶シリコンシートから平行に成長
してゆく、第１図（ｅ）に示すように、前記帯状単結晶
シリコンシート１−５を核とし、前記シリコン薄膜１−
６か再結晶化し、再結晶化シリコン薄膜１−７が成長し
てゆ＜、［８はシリコ〉′薄膜と再結晶化シリコン薄膜
との境界を表わし、図中の矢印は結晶成長の進行方向を
示す。

第１図（ｅ）の平面図を第２図に示す。２−１は帯状単
結晶シリコンシート、２−２はシリコン薄膜、２−３は
再結晶化シリコン薄膜、２−４は、シリコン薄膜２−２
と再結晶化シリコン薄膜２−４との塙界線を表わす０図
中の矢印は結晶成長の進行方向を示している。

再結晶化シリコン薄膜の表面をなめらかにする為に、シ
リコンＲＧ１−６上にＳ　ｉ　０２あるいはＳｉ３Ｎ４
あるいはＳｉｎ、と５ｉ３Ｎａとの積層膜により形成ｉ
−なキャップ層を堆積させてから結晶成長工程を行って
しよい。

〔発明の効果〕

本発明によると従来透明性絶縁基板上に形成することか
むずかしかった単結晶シリコンシートを作ることが可能
となる。透明性絶縁基板の上に、単結晶シリコンウェハ
を接合し、該単結晶シリコンウェハを研磨や化学エツチ
ングにより薄膜化して単結晶シリコンシートとするので
、所望の結晶方位を得ることができる。シリコンウェハ
を用いるのでシードの結晶性としてはほぼ完璧である。

また従来透明性絶縁基板上に接合した単結晶ウェハを研
磨などで薄膜化した場合、ウェハ内でのの膜厚のバラツ
キが非常に大きく、これにＴ　Ｐ　Ｔなどの半導体素子
を作製するとバラツキが非常に大きくなるという問題点
があったが、本発明によれば前記膜厚のバラツキが大き
くてもまったく問題ならなくなる。前述したように結晶
成長の核が単結晶シリコンウェハで作られたシードなど
で、その上に堆積されたシリコン薄膜の結晶成長は良好
に進行する。

また、従来１枚の単結晶シリコンウェハ全体を透明性絶
縁基板に接合していたので、シードを形成する為のフォ
ト工程が必要であった。しかし本発明によれば、単結晶
シリコンウェハを小片に分割してから透明性絶縁基板に
接合し、そのまま結晶成長のシードとしている為、従来
必要だったシード形成のためのフォト工程が不要となる
。このように工程の簡略化、コストの低減化にも大きな
効果がある。単結晶シリコンウェハを小片に分割し該小
片を透明性絶縁基板に接合し、その上に堆積されたシリ
コン薄膜を前記小片をシードとして結晶成長させるので
、再結晶化シリコン膜の面積は、従来のように単結晶シ
リコンウェハの大きさに制限されることなく、例えば３
０ｅｓ角の透明性絶縁基板にも大面積にわたって結晶性
の良好な再結晶化シリコン薄膜が得られる０以上述べた
ように本発明によれば、大面積の透明性絶縁基板上に、
単結晶シリコンに近い高品質の再結晶化シリコン薄膜が
形成されるという大きな効果がある。

従って、本発明にて得られた再結晶化シリコン薄膜でＴ
ＰＴを作製すれば、高いＯＮ電流、小さいＯＦＦ電流、
高電界易動１斐といった単結晶シリコンデバイスの値に
近い特性が得られる０例えば、絶縁基板上でさえも遅延
時間の非常に小さいリングオシレータ回路を実現できる
。また、アクティブマトリックス基板へ応用すると走査
速度の高速化、駆動電圧の低減化、消費電流の低減化、
あるいは各画素の駆動用シフトレジスタ回路を同一基板
上に設けるドライバー内蔵アクティブマトリックス基板
の実現に対して非常に大きな効果を有するものである。

アクティブマトリクス基板の大型化に対しても有効であ
る。その他に駆動回路内蔵密着イメージセンサ−の駆動
回路部への応用にも有効であり、高速読み取り、高解像
度化、カラー化などにも非常に効果的である。チップの
長尺化が実現できるので、Ａ３版など大型化に効果があ
る。駆動電圧も低減化できるので信頼性向上に対しても
有効である。ＴＰＴばかりでなく、バイポーラトランジ
スタ、ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）あ
るいは太陽電池への応用に関しても非常に効果が大きい
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明による再結晶化シリコ
ン薄膜を形成する工程断面図である。 第２図は、第１図（ｅ）で示す結晶成長のようすを基板
上方から見た平面図である。 以　　上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上　柳　雅　誉（他１名）（ａ） （ｂ） 第１図 （ｄ） 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ＳｉＯ＿２膜でおおわれた単結晶シリコンウェハを帯
   状に切り出し、帯状単結晶シリコン小片を作製する第一
   の工程と、ＳｉＯ＿２膜でおおわれた透明性絶縁基板の
   表面と、前記帯状単結晶シリコン小片上のＳｉＯ＿２膜
   とを密着させ、接合する第二の工程と、前記帯状単結晶
   シリコン小片を薄膜化して帯状単結晶シリコンシートと
   する第三の工程と、シリコン薄膜を堆積させる第四の工
   程と、前記第三の工程で形成された帯状単結晶シリコン
   シートを核とし、前記シリコン薄膜を結晶成長させて再
   結晶化シリコン薄膜を形成する第五の工程を少なくとも
   有することを特徴とする薄膜形成方法。