JPH05109619A

JPH05109619A - 薄膜半導体の製造法

Info

Publication number: JPH05109619A
Application number: JP29847091A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hino; 威日野; Mitsugi Irinoda; 貢入野田
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1993-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、形成する単結晶半導体薄膜よりも
低い融点を持つ基板を使用することが可能な、薄膜半導
体の製造法の提供を目的とする。【構成】イオンビームが照射されている部位の下流直
後を加熱することにより、その部位に形成される半導体
薄膜の融点よりも低く周囲の温度よりも高い帯状高温領
域を形成することを特徴とする薄膜半導体の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、絶縁性基板上に単結晶半導体薄
膜を有する薄膜半導体とその製法に関する。

【０００２】

【従来技術】画像読み取り用として長尺化した一次元フ
ォトセンサーや、大面積化した二次元フォトセンサー等
の画像読み取り装置の走査回路部、液晶（ＬＣ）やエレ
クトロ・クロミック材料（ＥＣ）あるいはエレクトロ・
ルミネッセンス材料（ＥＬ）を使用した画像表示デバイ
スの駆動回路部は、それらのデバイスの大型化に伴っ
て、所定の基板上に形成したシリコン薄膜を素材として
形成した薄膜トランジスタを用いることが提案されてい
る。従来から薄膜の製造方法としては、プラズマＣＶＤ
法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣＶ
Ｄ法、スパッタ法、真空蒸着法などの方法が知られてい
るが、いずれの方法によっても得られる薄膜の結晶構造
は基板の結晶構造に類似してしまう。そのため、ガラス
やセラミックのような従来から使用されている絶縁性基
板の上に前述の薄膜形成法により薄膜を形成しても単結
晶薄膜を得ることはできず、その薄膜は多結晶又は非晶
質になってしまう。したがって、これらのトランジスタ
形成に用いるシリコン薄膜としては非晶質シリコンある
いは多結晶シリコン薄膜が使用されることが多い。しか
しながら、近年、これらのデバイスへの高速化、高機能
化の要求が高まり、それにともない駆動部の薄膜トラン
ジスタの性能の向上が必要とされるようになってきた
が、上記非晶質シリコンあるいは多結晶シリコン薄膜で
形成した薄膜トランジスタの移動度は非晶質シリコン薄
膜トランジスタで０．１〜１．０ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ、
多結晶シリコントランジスタで１．０〜１０ｃｍ²／Ｖ
・ｓｅｃ程度であり、結晶シリコンで形成されるトラン
ジスタの移動度〜６００ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃにはとうて
い及ばない。そのため、大面積基板上に単結晶シリコン
薄膜を形成する必要性が高まっている。そこで、従来よ
りこの多結晶又は非晶質のシリコン薄膜を一度溶融させ
た後再結晶化することにより単結晶薄膜に変換する方
法、具体的には帯域溶融再結晶化法〔Zone Melt Recrys
tallization（以下ＺＭＲ法という）〕が提案されてい
る。ＺＭＲ法においては良質な再結晶化膜を得るための
必要条件として溶融半導体の固化における冷却速度が小
さいことがあげられるが、冷却速度を小さくするために
は必然的に基板も半導体融点近くまで加熱する必要があ
る。そのため、前記基板材料は、その融点あるいは軟化
点がシリコンの融点よりも高い必要があり、さらに、透
明性を必要とする基板の場合には実質的に石英（軟化点
１６５０℃）に限られてしまっていた。一方、シリコン
の場合には、非晶質シリコンを融点以下において炉中ア
ニールを行ない、結晶化させる固相成長法も提案されて
いる。この方法によると、基板はシリコンの融点まで耐
える必要はないので、基板を選択する自由度は大きくな
るはずである。しかしながら、実際には、非晶質シリコ
ンを炉中アニールした場合、結晶の核形成が膜中のいた
るところでおこってしまうので、アニール温度を低くし
て結晶の無秩序な核形成をおさえ、種結晶を用いて長時
間アニールするという方法が試みられているが、広い領
域にわたる単結晶薄膜は得られていない。また、種結晶
を用いているために、基板はシリコンウェハに限られて
しまっている。固相成長法の新たな試みとして、アニー
ル中にＮｅ等のイオンを打ち込み、固相成長速度を増速
させることを狙った方法や、非晶質シリコンをランプ等
の帯状加熱により結晶性を上げることを狙った方法も検
討されているが、広い領域にわたる単結晶薄膜は得られ
ていない。ゲルマニウムの場合にはシリコンよりも非晶
質体が不安定であるので、固相成長法による単結晶化の
試みは、現在のところ報告されていない。

【０００３】

【目的】本発明の目的は、形成する周期律表IV族の半導
体薄膜よりも低い融点を持つ基板を使用することが可能
な単結晶半導体薄膜を製造する方法を提供する点にあ
る。

【０００４】

【構成】本発明の薄膜半導体の製造方法は、支持体基板
上に常法により形成された多結晶あるいは非晶質の周期
律表第IV族のシリコン又はゲルマニウム薄膜に、形成さ
れた半導体薄膜と同種元素、ドーパントとなる周期律表
III族あるいはＶ族の元素又は不活性ガス元素のイオン
をイオンビーム又は薄膜半導体を任意の方向に走査を行
ないながら打ち込み、イオンが照射されている部位の走
査下流直後に、形成された半導体薄膜の融点よりも低く
周囲の温度よりも高い帯状高温領域をもうけ、帯状高温
領域の走査後方にて固相成長させることにより単結晶半
導体薄膜に変換することを特徴とするものである。

【０００５】支持体基板はガラス（ホウケイ酸ガラス、
鉛ガラス、アルミシリケートガラス等）等の大面積が形
成可能な材料でその融点が形成する薄膜半導体（シリコ
ン又はゲルマニウム）の融点（シリコンの場合１４１２
℃、ゲルマニウムの場合９５８℃）より低い材料を用い
得るが、勿論、融点がこの薄膜半導体の融点より高い材
料であっても差し支えない。又、この薄膜半導体を光セ
ンサとして使用する場合は、支持体基板は透明なものが
好ましい。厚さは通常約０．３〜５ｍｍであり、望まし
くは約０．５〜１．５ｍｍである。

【０００６】支持体基板上に形成する非晶質あるいは多
結晶質の周期律表IV族の半導体層１０２はプラズマＣＶ
Ｄ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、ＭＯＣ
ＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等の各種製膜方法を用
いて形成する。膜厚は通常約０．１〜５μｍ、望ましく
は０．１〜１．５μｍである。こうして形成した半導体
薄膜を下記のようなイオン打ち込みと帯状高温領域を設
けることにより単結晶化する。

【０００７】イオン打ち込みに用いるイオン種には、ノ
ンドープの単結晶薄膜半導体を作成する場合には、薄膜
半導体と同種元素あるいは不活性ガス元素を用いる。ド
ープ膜を作成する場合には、III族あるいはＶ族の元素
を用いる。打ち込まれる半導体薄膜中のイオン濃度は、
イオン種によって異なるが、好ましくは１０²⁰ｃｍ^-3程
度以上になるようにする。イオンの打ち込みエネルギー
は、薄膜半導体の元素の種類あるいはその膜厚によっ
て、また、打ち込むイオンのイオン種によって異なる
が、打ち込まれたイオンが薄膜半導体中で停止するよう
に、その飛程を考慮して適当な値に定める。イオンビー
ムは任意の方向に走査することができ、イオンビーム照
射部分の走査後方に帯状高温領域をもうける。その位置
関係を図２に示す。２つの領域の間隔は、領域の一部を
共有している距離から、２つの領域が離れていても２ｍ
ｍ程度とする。イオンビームを半導体薄膜に照射するこ
とにより照射部分は非晶質化されるが、この非晶質領域
は非常に不安定で結晶の核形成が起こりやすい。したが
って、イオンビーム照射部分と帯状高温領域との相対的
な位置関係は、非常に重要であり、また、イオンビーム
を照射した後に、あらためて、帯状高温領域による固相
成長といった方法等では、単結晶薄膜は得ることができ
ない。走査方法は色々考えられるが、多結晶あるいは非
晶質の半導体薄膜が基板上面に形成された薄膜半導体を
固定し、イオンビームと帯状高温領域を走査しても良い
し、相対的に、イオンビームと帯状高温領域の加熱源を
固定しておき、薄膜半導体を走査するのでも良い。帯状
高温領域の温度は、２００℃以上であれば固相成長がお
きるが、支持体基板の融点あるいは軟化点以下の範囲で
できるだけ高温にした方が固相成長の成長速度が速く、
走査速度を速くすることができる。帯状高温領域の加熱
源として、半導体薄膜内で発熱するＡｒレーザーあるい
はＹＡＧレーザーを用いることが望ましいが、帯状高温
領域の温度は支持体基板の融点あるいは軟化点よりも低
いのでＣＯ₂レーザーやワイヤー・ストリップヒーター
といった支持体基板を加熱する熱源でも良い。熱源とし
てレーザーを用いる場合には、複数のレーザーを重ね合
わせて帯状のレーザービームを得るが、さらに、帯の幅
を調節する場合はシリンドリカル・レンズを用いて一方
向に絞る（図３）。幅広の単結晶薄膜を得る場合には、
イオンビームの照射部分が幅広になるように、上述のイ
オンビーム走査方向と垂直の方向にイオンビームを走査
する（図４）。幅広で成長を行なうと図４のように亜粒
界が入るので、非晶質あるいは多結晶半導体薄膜を図５
のように、予め１０〜３００μｍ程度の幅のストライプ
にパターニングしてから成長を行なうと亜粒界が入らな
い単結晶半導体薄膜が得られる。なお、本発明の効果
は、イオンビームにより不純物が導入され、非晶質
半導体のフェルミ準位が移動し、その結果、非晶質半導
体中に存在するダングリングボンドの荷電状態が不純物
導入前と比較して変化することにより、非晶質半導体中
の固相成長に関係するサイトが増加して固相成長速度が
増加する、あるいはイオンビームにより、非晶質半
導体中の空孔の形成を促し、固相成長の活性化エネルギ
ーを下げる、という作用効果に基づくものと考えられ
る。

【０００８】実施例１支持体基板１０１には縦４０．０ｍｍ、横４０．０ｍ
ｍ、厚さ１．０ｍｍのホウケイ酸ガラス（商品名；コー
ニング＃７７４０）を用いた。このガラスの軟化点は８
２０℃である。この支持体基板１０１の多結晶シリコン
薄膜を形成する側の面の凹凸を５００Å以下になるよう
に研磨した。このガラス支持体基板１０１を１）硫酸（濃度９８重量％）と過酸化水素水（濃度４９
重量％）との１：１混合溶液で１０分間煮沸２）純水にて洗浄３）アンモニア水（濃度４０重量％）と過酸化水素水
（濃度４９重量％）と純水との１：１：５混合溶液で１
０分間煮沸４）純水にて洗浄５）フッ酸（濃度２０重量％）と水との１：１０混合溶
液中で３０秒浸漬６）純水にて洗浄７）塩酸（濃度３６重量％）と過酸化水素水（濃度４９
重量％）と純水との１：１：６混合溶液で１０分間煮沸８）純水にて洗浄の手順で洗浄したのち乾燥窒素ガスを吹きつけて乾燥し
た。こうして表面が清浄にされた支持体基板上に減圧化
学気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）により多結晶シリコン層
１０２を形成した。成膜条件は以下の通りであった。温度６５０±１ ℃ シランガス（ＳｉＨ₄、希釈なし）５ｍｌ／ｓｅｃ窒素ガス５０ｍｌ／ｓｅｃ圧力１．０±０．１Ｔｏｒｒ得られた膜厚は１５００Åであった。次に、この多結晶
シリコン薄膜をフォトリソグラフィーの手法により幅１
００μｍのストライプ状に加工した。上記の方法で作成
した多結晶シリコン薄膜半導体材料を図５のように、イ
オン打ち込みと帯状高温領域を用いて固相成長を行なっ
た。イオン打ち込みには、シリコンイオン〔²⁸Ｓｉ
（＋）〕を用いた。イオンビームのエネルギーは、１８
０ｋｅＶで、ビームスポットは、直径３ｍｍ程度に絞っ
た。イオンビーム電流は１００ｎＡ程度で、図５のイオ
ンビーム走査方向に静電偏向により８３３．３Ｈｚで幅
５ｃｍ程度に走査した。帯状高温領域はＡｒレーザーを
用いて形成した。Ａｒレーザービームはビームエキスパ
ンダーを用いて、ビーム直径１８ｍｍに拡大する。この
拡大したレーザービーム６本を使い図３のように合成し
て、幅６３ｍｍのレーザービームを得る。この合成した
レーザービームをシリンドリカル・レンズにより半導体
薄膜上で６３ｍｍ×０．１ｍｍ程度になるように絞り、
図５の位置関係になるように、上述のイオンビーム照射
部分の近傍に照射する。レーザービーム１本の出力は４
Ｗであった。図５の走査方向に相当する走査は、支持体
基板をのせているステージを０．０１ｍｍ／ｍｉｎで走
査した。また、イオンビーム照射とレーザービーム照射
により、支持体基板全体が温まらないように、このステ
ージは水冷する。この条件で実施した場合、薄膜中に打
ち込まれるシリコンのイオン濃度は１０²⁰ｃｍ^-3程度と
なり、また、レーザー照射による帯状高温領域の温度は
７５０℃程度となり、単結晶シリコン薄膜を得ることが
できた。

【０００９】実施例２支持体基板１０１として、縦４０．０ｍｍ、横４０．０
ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのアルミナシリケートガラス（商
品名ＨＯＹＡＬＥ３０）を用いる。アルミナシリケー
トガラスの軟化点は９１２℃である。この支持体基板を
実施例１で述べた方法により洗浄を行ない、洗浄後の支
持体基板上に実施例１で述べた減圧化学気相成長法（Ｌ
ＰＣＶＤ法）により多結晶シリコン薄膜を形成した。膜
厚は２０００Åとした。次に、これも実施例１で述べた
ように多結晶シリコン薄膜を幅１００μｍのストライプ
状に加工した。上記の方法で作成した多結晶シリコン薄
膜半導体材料を図５のように、イオン打ち込みと帯状高
温領域を用いて固相成長を行なった。イオン打ち込みに
は、リンイオン〔³¹Ｐ（＋）〕を用いた。イオンビーム
のエネルギーは、１８０ｋｅＶで、ビームスポットは、
直径３ｍｍ程度に絞った。イオンビーム電流は３００ｎ
Ａ程度で、図５のイオンビーム走査方向に静電偏向によ
り８３３．３Ｈｚで幅５ｃｍ程度に走査した。帯状高温
領域は実施例１と同じＡｒレーザーを用いてレーザーチ
ュウブ１本当たりの出力を４．６Ｗとして同じ方法によ
り合成して得た。図５の走査方向に相当する走査は、支
持体基板をのせているステージを０．１ｍｍ／ｍｉｎで
走査した。また、イオンビーム照射とレーザービーム照
射により、支持体基板全体が温まらないように、このス
テージは水冷する。この条件で実施した場合、薄膜中に
打ち込まれるリンイオンの濃度は１０²⁰ｃｍ^-3程度とな
り、また、レーザー照射による帯状高温領域の温度は８
５０℃程度となり、単結晶シリコン薄膜を得ることがで
きた。

【００１０】実施例３支持体基板１０１には厚さ１．０ｍｍのアルミナシリケ
ートガラス（商品名ＨＯＹＡＬＥ３０）を用いた。こ
のガラスの軟化点は９１２℃である。この支持体基板を
実施例１で述べた方法により洗浄を行ない、洗浄後の支
持体基板上にスパッタ法を用いて非晶質シリコン薄膜１
０２を形成した。その膜厚は３０００Åとした。次に、
この非晶質シリコン薄膜１０２をフォトリソグラフィー
の手法により幅１００μｍのストライプ状に加工した。
上記の方法で作成した非晶質シリコン薄膜半導体材料を
図５のように、イオン打ち込みと帯状高温領域を用いて
固相成長を行なった。イオン打ち込みには、ホウ素イオ
ン〔¹¹Ｂ（＋）〕を用いた。イオンビームのエネルギー
は、１５０ｋｅＶで、ビームスポットは直径３ｍｍ程度
に絞った。イオンビーム電流は４００ｎＡ程度で、図５
のイオンビーム走査方向に静電偏向により８３３．３Ｈ
ｚで幅５ｃｍ程度に走査した。帯状高温領域はＣＯ₂レ
ーザーを用いて形成した。ＣＯ₂レーザー１本のビーム
直径は１２ｍｍであった。このレーザービーム８本を使
い図３のように合成して、幅５４ｍｍのレーザービーム
を得る。この合成したレーザービームをシリンドリカル
レンズにより半導体薄膜上で５４ｍｍ×１ｍｍ程度にな
るように絞り、図５の位置関係になるように、上述のイ
オンビーム照射部分の近傍に照射する。レーザービーム
１本の出力は１２Ｗであった。図５の走査方向に相当す
る走査は、支持体基板をのせているステージを０．１ｍ
ｍ／ｍｉｎで走査した。また、イオンビーム照射とレー
ザービーム照射により、支持体基板全体が温まらないよ
うに、このステージは水冷する。この条件で実施した場
合、薄膜中に打ち込まれるホウ素イオンの濃度は１０²⁰
ｃｍ^-3程度となり、また、レーザー照射による帯状高温
領域の温度は８５０℃程度となり、単結晶シリコン薄膜
を得ることができた。

【００１１】実施例４支持体基板１０１には、縦４０．０ｍｍ、横４０．０ｍ
ｍ、厚さ１．０ｍｍのホウケイ酸ガラス（商品名；コー
ニング＃７７４０）を用いた。このガラスの軟化点は８
２０℃である。この支持体基板を実施例１で述べた方法
により洗浄を行ない、洗浄後の支持体基板上にスパッタ
法を用いて多結晶ゲルマニウム薄膜１０２を形成した。
その膜厚は１５００Åとした。次に、この多結晶ゲルマ
ニウム薄膜１０２をフォトリソグラフィーの手法により
幅１００μｍのストライプ状に加工した。上記の方法で
作成した多結晶ゲルマニウム薄膜半導体材料を図５のよ
うに、イオン打ち込みと帯状高温領域を用いて固相成長
を行なった。イオン打ち込みには、ネオンイオン〔²⁰Ｎ
ｅ（＋）〕を用いた。イオンビームのエネルギーは、１
８０ｋｅＶで、１００ｎＡ程度で、図５のイオンビーム
走査方向に静電偏向により８３３．３Ｈｚで幅５ｃｍ程
度に走査した。帯状高温領域は実施例１と同じＣＯ₂レ
ーザーを用いてレーザーチュウブ１本当たりの出力を１
０Ｗとして同じ方法により合成して形成した。図５の走
査方向に相当する走査は、支持体基板をのせているステ
ージを０．０５ｍｍ／ｍｉｎで走査した。また、イオン
ビーム照射とレーザービーム照射により、支持体基板全
体が温まらないように、このステージは水冷する。この
条件で実施した場合、薄膜中に打ち込まれるネオンイオ
ンの濃度は１０²⁰ｃｍ^-3程度となり、また、レーザー照
射による帯状高温領域の温度は７５０℃程度となり、単
結晶ゲルマニウム薄膜を得ることができた。

【００１２】

【効果】本発明の薄膜半導体の製造方法によると、半導
体の融点以下の温度で単結晶薄膜半導体を製造できるの
で、支持体基板の素材の種類の選択の範囲を拡げること
ができる。また、三次元集積回路へ応用すると下部の回
路に損傷を与えることなく、上部の単結晶薄膜半導体層
を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の処理前の非晶質あるいは多結晶薄膜半
導体の断面図を示す。

【図２】本発明の処理によって得られる薄膜半導体のイ
オンビーム照射側の状態図を示す。

【図３】（ａ）は単一のレーザービームを４個重ね合わ
せた状態を示す図であり、（ｂ）は重ね併せたレーザー
の強度分布を示す図である。

【図４】イオンビームの照射を幅広に行った場合に、単
結晶中に亜粒界が入ることがあることを示す図である。

【図５】非晶質あるいは多結晶半導体薄膜としてストラ
イプ状にパターニングしたものを使用することにより、
図４に示すような亜粒界が入ることのない単結晶が得ら
れることを示す図である。

【符号の説明】

１０１支持体基板１０２非晶質あるいは多結晶半導体薄膜２０１イオンビーム照射領域２０２帯状高温２０３単結晶半導体薄膜３０１単一のレーザービーム４０１亜粒界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 27/12 8728−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持体基板および該基板上に形成された
周期律表IV族の元素より構成される多結晶あるいは非晶
質の薄膜からなる薄膜半導体の薄膜に、半導体薄膜を構
成する元素と同種元素、ドーパントとなる周期律表III
族あるいはＶ族の元素あるいは不活性ガス元素のイオン
をビーム照射によって打ち込み、単結晶薄膜半導体を製
造する方法において、イオンビーム源および／または多
結晶あるいは非晶質薄膜半導体を任意の特定方向部分に
走査を行い、かつ前記イオンビームが照射されている部
位の下流直後を加熱することにより、その部位に形成さ
れる半導体薄膜の融点よりも低く周囲の温度よりも高い
帯状高温領域を形成することを特徴とする薄膜半導体の
製造法。
【請求項２】多結晶あるいは非晶質の半導体薄膜が、
ストライプ状にパターニングしたものである請求項１記
載の薄膜半導体の製造法。
【請求項３】帯状高温領域の形成を、複数のレーザー
ビームを重ね合わせて行い、必要に応じて該帯状の幅を
シリンドリカル・レンズを用いて調節する請求項１また
は２記載の薄膜半導体の製造法。