JPH01297814A - 単結晶薄膜の製造方法 - 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、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、５１０２上にＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｊ
　ｃａ　ＩＶａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で多
結晶シリコンをＱ、５〜１．０μ程度積み、この上にＳ
］０２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ＳｉＯ□膜を積み上げ、この上に多結晶シリコンを比
較的低温でＣＶＤ等で積み上げ、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ラ１〜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衡機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を積み、この上に多結晶のシリ
コン層をＣＶＤ等で積み、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、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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程度析
出させ、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積み上げることに特徴
がある。また、上記第１の半導体薄膜の抵抗率を０．０
１Ω−Ｇ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−０
１１１以上の高い値とすることにも特徴がある。さらに
、第１の半導体薄膜を積むために、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１−状にし、シルクスクリーン法に
より絶縁層上に積み上げ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積み上げる。

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積み上
げる。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Ｊ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ＳｉＯ□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ニチレングリコール２５でサ
ンプルの表面を覆った後、アルゴンイオンレーザ−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
エチレングリコ一ル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作成するた
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の半導体薄膜を積み上げる処理を加える。

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程度析出させて形成される。

次に、減圧ＣＶＤ法によりシリコン多結晶薄膜８を０．
５μｍの膜厚で形成しく第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ワツ
トのアルゴンイオンレーザ−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析出させて
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
高さに積み上げる。エピタキシャル成長方法により積み
上げれば、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、Ｓ　ｉ　
Ｏ２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、Ｇａ、−ｘＡＩＡｓ、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−（１）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−■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
薄膜の積み上げを使用せずに、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Ｉ−状にし、シルクスク
リーン法により絶縁層上に積み上げるのである。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積み上げ方法を用いる。

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ワツトのアルゴンイオンレーザ−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を積み上
げる（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Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ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ニガラス、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ニガラス、１１　：　Ｓｉ
またはＧ　ａ　Ａ　ｓのｎ＋材料、１２：ＳｉまたはＧ
ａＡｓのｎ−材料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体単結晶膜薄膜の製造方法において、この半
   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程度析出させ、
   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積み上げることを特徴とする単
   結晶薄膜の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の単結晶の製造方法に
   おいて、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を特徴とする単結晶薄膜の製造方
   法。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の単結晶
   の製造方法において、第１の半導体薄膜を積むために、
   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積み上げることを特徴
   とする単結晶薄膜の製造方法。