JPH03177395A - 結晶シリコン膜の製造方法及び製造装置 - 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、ガラス基板上に結晶シリコン膜を作製する方
法及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

現在、半導体工業では広くシリコンが用いられている。

中でもアモルファスシリコンは、大面積に亘って均一で
、しかも結晶シリコンに較べて低温で成膜できるために
大面積を目的とした応用分野に適している。しかしなが
ら、アモルファスシリコンを用いたトランジスタでは、
易動度が高々１．０ｃｒｄ／Ｖｓであり、結晶シリコン
の６００分の１以下である。さらにアモルファスシリコ
ンは、その構造が不安定な状態である等の点から、素子
の信頼性が結晶シリコンに較べて劣る点にあった。

これに対し、多結晶シリコン膜は、アモルファスシリコ
ン膜を数十〜数百ナノメートル形成し、その後アニール
炉・レーザ等を用いて加熱し、結晶化を行う。この場合
、結晶シリコンの核発生は、アモルファスシリコン膜中
どの地点にも不規則に発生することが可能であり、不規
則に発生した核は適当な条件下で各々成長し、成長した
各々の結晶シリコンは境界を持つようになる。この場合
、易動度は、結晶シリコンの６分の１程度にまで改善さ
れている。しかしながらこの多結晶シリコンには粒径、
粒界等が存在するため大面積に亘って均一な特性を持つ
デバイスを作製するには困難があった。またシリコン膜
のエピタキシャル成長の分野においても種結晶を必要と
し、しかも高温を必要とすることからガラス基板上への
シリコン結晶膜は作製不可能であった。

シリコンを蒸発させるには、現在エレクトロンビームや
スバタリングが多く用いられているが、蒸発量の制御が
困難であった。また、軟化点の低いガラス基板等は、従
来から用いられているランプヒータ等では、基板全体が
加熱されてしまうことから、表面だけを加熱するには問
題があった。

さらに、基板上では、温度を高くすることで微晶質シリ
コンは作製可能であるが、単結晶を作製するには至って
いない。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、ガラス基板上に大面積に亘る結晶シリコン
膜の作製は、アモルファスシリコンを加熱する方法やエ
ピタキシャル成長法では不可能であり、また製造装置上
の問題としてもほぼ不可能とされている。

本発明は、このような問題点を解決することによりガラ
ス基板上に結晶シリコン膜を作製すること、及びその製
造装置を与えることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１のレーザ光でシリコンソースを蒸発させ
、第２のレーザ光で加熱した基板上にシリコン膜を蒸着
し、さらに蒸着したシリコン膜を第３のレーザ光で一方
向から走査することによりガラス基板上に結晶シリコン
膜の成長を可能とすることを特徴とする結晶シリコン膜
の製造方法である。また、もう１つの発明は、シリコン
ソースと絶縁性基板とが対向配置し得る真空チャンバと
、シリコンソースの蒸発を目的としてシリコンソースに
対向配置した第１のレーザと、基板加熱、基板面上の走
査を目的として基板に対向配置した第２、第３のレーザ
とを少くとも備え、レーザ光を照射することにより絶縁
性基板上に結晶シリコン膜の成長を可能とすることを特
徴とする結晶シリコン膜の製造装置である。

〔作用〕

まず、シリコンソースはレーザによって蒸発させる。こ
れは、ガラス基板上に吸着するシリコンの量を制御する
ためのものである。即ち、吸着するシリコン膜が結晶化
するためには、基板上に吸着したシリコンがほぼ単層に
なるように制御する必要がある。シリコンソースから蒸
発したガス状シリコンは、ガラス基板上に吸着し、非晶
質なシリコン膜となっている。このままシリコン膜の堆
積を続けた場合、ガラス基板上のシリコン膜は非晶質膜
となる。特にガラス基板との界面部分の膜は、ガラス（
Ｓｉ０２）との結合であるため、格子間隔が異なり、結
晶シリコン膜を作製することは不可能である。したがっ
て、ガラス基板との界面部分数ナノメートル程度はアモ
ルファスシリコンのままになる。しかしながら基板表面
部分を加熱することにより吸着粒子が表面を移動できる
ようなエネルギを熱によって与え、各粒子の最安定位置
が得られるようにする。表面部分のみを加熱するには、
レーザが最も適している。

このように安定位置に原子を供給することが、結晶質シ
リコン膜の作製においては最も重要な点である。

一般に蒸気相から入射してきた原子及び分子は熱のかた
ちで膜表面に運動エネルギを奪われて表面に吸着する。

しかしながら、熱ゆらぎによって吸着エネルギ（Ｅ、）
以上のエネルギを得ると吸着粒子は固相表面から気相に
離脱する。

吸着から離脱までに粒子が表面に滞在する平均滞在時間
τは式（１〉で与えられる。

τ＝ｅｘｐ　（Ｅａ　／ｋＴ）／ν　・・・・・１１）
吸着エネルギが大きいほど、また、基板表面の温度が低
いほど表面からの粒子離脱頻度は低くなり、平均滞在時
間τも長くなる。ここで、νは表面上の安定位置を中心
に熱振動する吸着分子の振動数である。また吸着分子が
平均滞在時間τの間に表面拡散によって表面を移動する
表面拡散距離ｘ３の自乗平均は次式（２）で与えられ、
吸着分子が表面拡散を行うにはＥ、ｄの表面拡散の活性
化エネルギを必要とする。

Ｘ、２＝τ−ａ２−　ｖ　−ｅｘｐ　（−Ｅ、ｄ／ｋＴ
）・・・・・・（２〉 ここに、ａは表面に存在する格子間隔を、またＥｓｄは
表面拡散の活性化エネルギを各々意味し、Ｅｎｄが小さ
いほど、温度が高いほど表面拡散距離Ｘ３は大きくなる
。

以上式（１）及び式（２）より、表面拡散距離は式（３
）で表現される。

Ｘ、　−ａ−ｅｘｐ　（Ｅａ　−Ｅｓｄ／２ｋＴ）・・
・・・・（３） Ｅ、ｄが小さいほど、また表面温度が高いほど表面拡散
距離が大きくなり、移動拡散距離内に存在する格子点の
存在確率が高くなる。各々の粒子はこの格子点を見出す
ことにより結晶度の高いシリコン薄膜を構成することが
可能となる。

吸着エネルギ及び表面拡散の活性化エネルギは、はぼ一
定であるため結晶シリコン薄膜を作製する条件として可
変な変数は温度のみである。したがって、結晶化を有効
に行うには、表面温度の最適値を見積ることが必要であ
る。通常、アモルファスシリコンの固相成長を行う場合
、５００〜６００度の温度が必要とされていることから
基板表面の温度は６００度前後に保つ必要がある。

次にアモルファスシリコン層が数層堆積された後、表面
全体の加熱とは異なって、第２図に示す上うに、一方向
からスポット状のレーザ光を照射して部分的に溶融に近
い状態を作る。この走査を全面に対し常に一方向から数
回行うことにより結晶度を上昇させる。この工程も前述
のように、表面をシリコンが拡散することを目的とする
。しかしながら、今度はシリコンは化学的な吸着をして
いることから、前記の温度よりさらに高温にし、拡散の
エネルギを与える必要がある。レーザスポット部分の温
度を１２００度前後にした場合拡散距離Ｘ、は、およそ
格子間隔ａの５０〜５００倍程度になり、結晶化には最
も適した温度が得られる。さらに、この工程は一方向か
らの走査であることから結晶面も揃えることができ、粒
状の結晶ができ難くなる。

この後、ソース蒸発用のレーザを用いてガス状シリコン
を供給し、基板上にほぼ単層のシリコンが覆われる状態
を与える。このように単層だけ吸着したシリコン層を再
び上記のようにレーザ光で走査することにより結晶性を
上昇させる。最初は任意の点で卓越した面が発生するが
シリコン層を積層する間に卓越した層は単一化するよう
になる。

〔実施例〕

結晶シリコン膜製造装置の概略を示す。レーザ１．２．
３を第１図に示すように配置する。レーザ１は蒸着ソー
スを供給するためのものであり、シリコン蒸着量を微妙
に制御するためにはレーザを用いる必要があり、またレ
ーザの種類については、ＡｒＦ、ＹＡＧ等瞬間的に１５
００度以上の熱を供給でき、シリコンを昇華させるだけ
のパワーを持つレーザであればよい。レーザ２及びレー
ザ３は基板加熱用及び走査用であり、各々ビームエキス
パンダ、ポリゴンミラーを内蔵したものである。これら
は基板表面の必要面積を加熱するため、及びビームスポ
ットの走査を行うためのものであり、各レーザは各々の
目的物に対しほぼ垂直になるように配置されている。−
この理由は、レーザによるエネルギを効率的に与えるた
めである。

また、各レーザはレーザ出力等に応じて同時に数本のレ
ーザを用いても同様な効果が得られる。

基板ホルダー４の内部は中空となっており、この中を冷
却水を通過させガラス基板５の温度が軟化点を越えない
ようにしている。また、チャンバー６はほぼ１０−６パ
ス力ル程度の真空度を保ち、ガスの排気は、膜の均一性
を考慮して基板ホルダー中心の後方チャンバ壁から行う
。

レーザ１〜３はエキシマレーザを用いた。ガラス基板５
は３００×３５０ＩＩＩＩＩＩの大きさのものを用い、
ガラス基板内に２００Ｘ２５０關の結晶シリコン薄膜を
３０００人作製した例である。レーザ１はシリコンソー
ス蒸発用である。半値幅、パワー、発信周波数、繰り返
し周期をそれぞれ３０ｎｓ、１００ｍｊ／ｐｕｌｓｅ、
５０Ｈｚ。

１０００ｓとした。レーザ２は６００程度の基板表面加
熱を行う、この加熱はＡｒＦレーザを用い、波長１９３
　ｎｍ、繰り返し周波数５０Ｈｚ、パルス幅１０ｎｓ、
照射面積２００Ｘ２５０ｍｎ（、パワー１．５ＭＷ／ｃ
ｕｔで行った。アモルファスシリコン層が数層堆積され
たときに今度は、レーザ３を用いて第２図に示すように
、一方向からスポット（１ｍｍφ）状のレーザ光を走査
しながら照射して溶融に近い状態を部分的に作る。これ
にはＸｅＣル−ザを用いた。ビーム径、半値幅、パワー
、発信周波数、繰り返し周期をそれぞれ１關φ、３０ｎ
ｓ、５０ｍｊ／ｐｕｌｓｅ、１００Ｈｚ、２５０ｓとし
た。この走査レーザ光によって瞬間的に１２００度程度
まで加熱している。この薄膜を用いて２００　Ｘ　２５
　Ｏａｍ面内にトランジスタを作製したところ、全域に
わたり約６００　ｃｎｔ／Ｖ−ｓの易動度が得られた。

この値は結晶シリコンの値とほぼ等しく前記の方法で作
製したシリコン薄膜が結晶シリコン膜であることが証明
された。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、シリコンソースを蒸発
させる為のレーザ、基板加熱用のレーザ、及び基板表面
を走査するレーザを用いて結晶シリコン膜を作製してい
るので広い面積にわたって良質の結晶シリコン膜が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶シリコン膜製造装置の断面図であ
る。第２図はガラス基板上を走査するレーザの方向を示
した図である。 １はシリコンソース蒸発用のレーザである。 ２は基板表面を６００度に保つためのレーザである。 ３はシリコンを一方向に揃えるために基板を１２００度
に加熱するためのレーザである。 ４は冷却用の構造を備えた基板ホルダである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ照射でシリコンソースを蒸発させ、レーザ光
   で加熱した絶縁性基板上にシリコン膜を蒸着し、さらに
   蒸着したシリコン膜にレーザ光を一方向から走査するこ
   とを特徴とする結晶シリコン膜の製造方法。 ２、シリコンソースと絶縁性基板とを対向して配置し得
   る真空チャンバと、シリコンソースにレーザ光を照射す
   る第１のレーザと、基板を照射・加熱する第２のレーザ
   と、基板面上を走査する第３のレーザとを少くとも具備
   することを特徴とする結晶シリコン膜の製造装置。