JPH05275333A - Manufacture of polycrystalline silicon thin film - Google Patents

Manufacture of polycrystalline silicon thin film

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JPH05275333A
JPH05275333A JP7099192A JP7099192A JPH05275333A JP H05275333 A JPH05275333 A JP H05275333A JP 7099192 A JP7099192 A JP 7099192A JP 7099192 A JP7099192 A JP 7099192A JP H05275333 A JPH05275333 A JP H05275333A
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JP
Japan
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film
amorphous silicon
thin film
single crystal
polycrystalline silicon
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Application number
JP7099192A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisaki Tarui
久樹 樽井
Eiji Maruyama
英治 丸山
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a high quality polycrystalline silicon thin film by forming an amorphous silicon film so as to cover a region with dotted single crystal silicon followed by performing heat treatment on this amorphous silicon film. CONSTITUTION:A first amorphous silicon film 2 is formed on a supporting substrate 1 followed by patterning this for being dotted and irradiated with a laser beam 3 in order to make the dotted amorphous silicon film 2 a single crystal silicon region 2a. Next, a second amorphous silicon film 4 is formed on the surface of the supporting substrate 1 so as to cover the single crystal silicon region 2a. Then, heat is applied so as to polycrystallize the second amorphous silicon film 4 while having the dotted single crystal silicon regions 2a as nuclei in order to make a polycrystalline silicon thin film 5 of high quality.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタや、
太陽電池の母材となる多結晶シリコン薄膜の製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a thin film transistor,
The present invention relates to a method for manufacturing a polycrystalline silicon thin film which is a base material of a solar cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜は、通常これを構成
する結晶粒のサイズが大きなものほど良好な特性を示す
ことが知られており、そのためには、この結晶粒を成長
段階から制御しつつ多結晶シリコン薄膜を形成する必要
がある。
2. Description of the Related Art It is known that a polycrystalline silicon thin film generally shows better characteristics as the size of the crystal grains constituting the polycrystalline silicon thin film increases. To this end, while controlling these crystal grains from the growth stage. It is necessary to form a polycrystalline silicon thin film.

【0003】多結晶シリコン薄膜の形成方法として提案
されている方法としては、例えば特開昭63年−143
869号や応用物理第57巻第9号(1988年)p.
1387〜1392などがある。図6は、この提案され
ている多結晶シリコン薄膜製造方法の工程別素子構造図
で、以下の手順に従って製造される。
A method proposed as a method for forming a polycrystalline silicon thin film is, for example, JP-A-63-143.
869 and Applied Physics Vol. 57, No. 9 (1988) p.
1387 to 1392. FIG. 6 is an element structure diagram for each step of the proposed method for manufacturing a polycrystalline silicon thin film, which is manufactured according to the following procedure.

【0004】同図(a)に示す工程では、石英基板(61)
上に真空蒸着法による膜厚0.1μmの多結晶シリコン
薄膜(62)を基板温度600℃の条件下で形成する。
In the process shown in FIG. 1A, a quartz substrate (61) is used.
A polycrystalline silicon thin film (62) having a film thickness of 0.1 μm is formed thereon by a vacuum deposition method at a substrate temperature of 600 ° C.

【0005】次に同図(b)に示す工程では、従来周知
のフォトグラフィー法によってこの多結晶シリコン薄膜
(62)を石英基板(61)上で島状となるようにパターニング
する。このように分割された多結晶シリコン薄膜(62)…
は、後の熱処理工程で非晶質シリコン薄膜を多結晶化す
る際の核として機能するものである。以下では、この分
割された多結晶シリコン薄膜(62)…を多結晶シリコン核
と称する。
Next, in the step shown in FIG. 1B, this polycrystalline silicon thin film is formed by a conventionally known photography method.
(62) is patterned on the quartz substrate (61) to have an island shape. The polycrystalline silicon thin film (62) divided in this way ...
Serves as a nucleus when polycrystallizing the amorphous silicon thin film in the subsequent heat treatment step. Hereinafter, the divided polycrystalline silicon thin films (62) ... Are referred to as polycrystalline silicon nuclei.

【0006】同図(c)に示す工程では、この多結晶シ
リコン核(62)…を覆うように、真空蒸着法により膜厚0.
2μmの非晶質シリコン膜(63)を石英基板(61)上に形成
する。
In the step shown in FIG. 6C, the film thickness of the polycrystalline silicon nuclei (62) ...
A 2 μm amorphous silicon film (63) is formed on the quartz substrate (61).

【0007】そして、次の同図(d)に示す工程では、
窒素雰囲気中でこれら非晶質シリコン薄膜(63)に600
℃、20時間の熱処理を施し、この非晶質シリコン膜(63)
を多結晶シリコン薄膜(64)にする。
Then, in the next step shown in FIG.
These amorphous silicon thin films (63) have a thickness of 600 in a nitrogen atmosphere.
This amorphous silicon film (63) was subjected to heat treatment at ℃ for 20 hours.
Into a polycrystalline silicon thin film (64).

【0008】この熱処理が施された非晶質シリコン膜
は、各々の多結晶シリコン核(62)…の部分から結晶化が
始まり、次第に石英基板(61)の面方向に沿って多結晶化
が進むこととなる。
The heat-treated amorphous silicon film starts to be crystallized from the respective polycrystal silicon nuclei (62), and is gradually polycrystallized along the plane direction of the quartz substrate (61). Will proceed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、このような
多結晶シリコン薄膜(64)の製造方法にあっては、非晶質
シリコン膜(63)の多結晶化のための核として多結晶シリ
コンを用いていることから多結晶化の程度としては限界
がある。
However, in the method of manufacturing such a polycrystalline silicon thin film (64), polycrystalline silicon is used as a nucleus for polycrystallization of the amorphous silicon film (63). Since it is used, there is a limit to the degree of polycrystallization.

【0010】とりわけ、初期に形成される多結晶シリコ
ン核(62)の品質によって、その核としての機能が決定さ
れてしまうことから、斯る核以上の品質のよい多結晶シ
リコン薄膜をそもそも得ることはできない。
In particular, the quality of the initially formed polycrystalline silicon nuclei (62) determines the function of the nuclei, so that it is possible to obtain a polycrystalline silicon thin film having a quality higher than that of the nuclei in the first place. I can't.

【0011】又、この核(62)は核自体の品質による多結
晶化への影響のみならず、核の幾何学的配置による影響
も大きい。即ち、一般に多結晶シリコン薄膜を構成して
いる結晶粒は、その核から放射状に成長するが、その成
長は通常隣接する他の核から成長した他の結晶粒と相互
に接した位置で成長が止まり、それ以上に大きく成長す
ることはできない。このことは、相隣接する核間距離如
何によって、相対的にその結晶粒の大きさが決定されて
しまうことを意味する。又それら結晶粒が接する部分に
おいては粒界と称する一般に膜質の悪い部分ができるこ
とから、その核の配置によってこの粒界の生じる位置が
決定されてしまうこととなる。
The nucleus (62) is not only affected by the quality of the nucleus itself but also by the geometrical arrangement of the nucleus. That is, generally, the crystal grains forming the polycrystalline silicon thin film grow radially from the nucleus, but the growth is usually at a position in contact with another crystal grain grown from another adjacent nucleus. You can't stop and grow bigger than that. This means that the size of the crystal grain is relatively determined depending on the distance between adjacent nuclei. In addition, since a portion having a poor film quality generally called a grain boundary is formed at a portion where the crystal grains are in contact with each other, the position of the grain boundary is determined by the arrangement of the nuclei.

【0012】然し乍ら、従来の多結晶シリコン薄膜の製
造方法で斯る核の幾何学的配置を考慮しその多結晶シリ
コン核を所望の距離をおいて点在せしめたとしても、う
まく粒界の発生位置を制御することはできない。それ
は、元来核として働く多結晶シリコン核がそもそもラン
ダムな結晶面しか有していないことから、この核から成
長する多結晶シリコン薄膜も秩序だった成長ができない
からである。
However, even if the polycrystalline silicon nuclei are scattered at a desired distance in consideration of the geometrical arrangement of the nuclei in the conventional method for producing a polycrystalline silicon thin film, the grain boundaries are well generated. It is not possible to control the position. This is because the polycrystalline silicon nuclei that originally function as nuclei originally have only random crystal planes, and therefore the polycrystalline silicon thin film grown from this nuclei cannot grow in an orderly manner.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明多結晶シリコン薄
膜の製造方法の特徴とするところは、支持基板上に第1
の非晶質シリコン膜を形成する工程と、前記第1の非晶
質シリコン膜を前記支持基板上に点在するようにパター
ニングする工程と、前記第1の非晶質シリコン膜にエネ
ルギービームを照射することにより単結晶シリコン領域
とする工程と、点在する前記単結晶シリコン領域を覆う
ように第2の非晶質シリコン膜を被着形成する工程と、
該第2の非晶質シリコン膜を熱処理することにより多結
晶化させる工程と、からなることにあり、又前記第1の
非晶質シリコン膜の膜厚が、300〜600Åとしたこ
と、更には前記支持基板上に点在する前記第1の非晶質
シリコン膜のパターンサイズを3μm□以下としたこと
にある。
The feature of the method for producing a polycrystalline silicon thin film according to the present invention lies in that it is formed on the supporting substrate by the first method.
Forming an amorphous silicon film, patterning the first amorphous silicon film so as to be scattered on the supporting substrate, and applying an energy beam to the first amorphous silicon film. A step of forming a single crystal silicon region by irradiation, and a step of depositing and forming a second amorphous silicon film so as to cover the scattered single crystal silicon regions,
And a step of polycrystallizing the second amorphous silicon film by heat treatment, and the thickness of the first amorphous silicon film is 300 to 600 Å, Means that the pattern size of the first amorphous silicon film scattered on the supporting substrate is 3 μm □ or less.

【0014】[0014]

【作用】本発明製造方法によれば、支持基板上に形成さ
れた固相成長のための核として、単結晶シリコンを用い
ていることから、この核から成長する多結晶シリコン薄
膜も高品質な薄膜とすることができる。
According to the manufacturing method of the present invention, since single crystal silicon is used as a nucleus for solid phase growth formed on a supporting substrate, a polycrystalline silicon thin film grown from this nucleus also has high quality. It can be a thin film.

【0015】特に、本発明では、この核として、非晶質
シリコン膜を出発材料とし、これにエネルギービームを
照射することにより得られる欠陥の少ない高品質な単結
晶シリコンを核とすることから良好な多結晶化が行える
こととなり、とりわけこの非晶質シリコン膜を単結晶化
するにあたっては、その膜厚とパターニングのサイズを
300〜600Å、3μm□以下とすることで核として
十分な機能を有する単結晶シリコン領域を得ることがで
きる。
Particularly, in the present invention, an amorphous silicon film is used as a starting material for this nucleus, and high quality single crystal silicon with few defects obtained by irradiating this with an energy beam is used as the nucleus. In particular, when the amorphous silicon film is single-crystallized, the film thickness and patterning size of 300 to 600 Å and 3 μm □ or less have a sufficient function as a nucleus. A single crystal silicon region can be obtained.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、本発明製造方法の工程別素子構造図
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a structural drawing of an element according to steps of the manufacturing method of the present invention.

【0017】同図(a)に示す第1工程では、石英、ガ
ラス等の支持基板(1)上に、第1の非晶質シリコン膜(2)
を形成する。実施例では、この非晶質シリコン膜(2)と
して従来周知のプラズマCVD法によって形成した。本
例では、この膜厚を500Åとした。本発明にあって
は、この第1の非晶質シリコン膜(2)の膜厚及び次工程
におけるこの膜のパターニングサイズが重要な要素とな
る。これらの最適値については、実験結果を示して後述
する。
In the first step shown in FIG. 1A, a first amorphous silicon film (2) is formed on a supporting substrate (1) such as quartz or glass.
To form. In the embodiment, the amorphous silicon film (2) is formed by the conventionally known plasma CVD method. In this example, this film thickness was set to 500 Å. In the present invention, the film thickness of the first amorphous silicon film (2) and the patterning size of this film in the next step are important factors. These optimum values will be described later by showing experimental results.

【0018】この非晶質シリコン膜(1)の代表的な形成
条件を表1に示す。
Table 1 shows typical conditions for forming the amorphous silicon film (1).

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】次に同図(b)に示す第2工程では、この
第1の非晶質シリコン膜(2)…を支持基板(1)表面の所望
の位置に点在するようにパターニングする。斯るパター
ニングによって形成された非晶質シリコン膜(2)…は、
次工程におけるエネルギービームを照射することによっ
て核として機能する単結晶シリコン領域と成ることか
ら、この非晶質シリコン膜(2)…のパターニングのサイ
ズが本発明の重要な第2の要素となる。
Next, in a second step shown in FIG. 2B, this first amorphous silicon film (2) is patterned so as to be scattered at desired positions on the surface of the supporting substrate (1). The amorphous silicon film (2) formed by such patterning is
The size of the patterning of the amorphous silicon film (2) is an important second factor of the present invention because it becomes a single crystal silicon region that functions as a nucleus by irradiation with an energy beam in the next step.

【0021】そして、同図(c)に示す第3工程では、
この点在する非晶質シリコン膜(2)…にレーザビーム(3)
を照射し、これら各非晶質シリコン膜(2)…は単結晶シ
リコン領域(2a)…となる。通常、この領域(2a)の形状は
粒状あるいは膜状となる。これにより、後工程で多結晶
化のための核を支持基板(1)上の所望の位置に配置する
ことができたことになる。尚、表2にはそのレーザ照射
の代表的な条件を示す。又本レーザビームとしては、A
rF(193nm)エキシマレーザを使用した。
Then, in the third step shown in FIG.
A laser beam (3) is applied to the interspersed amorphous silicon film (2).
Are irradiated, the amorphous silicon films (2) ... Become single crystal silicon regions (2a). Usually, the shape of this region (2a) is granular or film-like. As a result, the nuclei for polycrystallization can be arranged at a desired position on the supporting substrate (1) in the subsequent step. Table 2 shows typical conditions for the laser irradiation. Moreover, as this laser beam,
An rF (193 nm) excimer laser was used.

【0022】[0022]

【表2】 [Table 2]

【0023】特に、本発明による核の製造では、エネル
ギービームを使用することから、その核つまり単結晶シ
リコン領域(2a)が堅固に支持基板(1)と密着できる。
In particular, in the production of the nucleus according to the present invention, since the energy beam is used, the nucleus, that is, the single crystal silicon region (2a) can be firmly adhered to the supporting substrate (1).

【0024】同図(d)に示す第4工程では、支持基板
(1)の表面に、第2の非晶質シリコン膜(4)を点在する単
結晶シリコン領域(2a)…をも覆うように、その膜厚が5
00Å〜3000Åの範囲で形成する。この形成方法に
ついては、第1の非晶質シリコン(2)と同様な方法で形
成すればよい。
In the fourth step shown in FIG. 3D, the supporting substrate is
The surface of (1) has a thickness of 5 so as to cover the single crystal silicon regions (2a) ... Interspersed with the second amorphous silicon film (4).
It is formed in the range of 00Å to 3000Å. As for the forming method, the same method as the first amorphous silicon (2) may be used.

【0025】そして、同図(e)に示す第5工程では、
熱を加えることにより、第2の非晶質シリコン膜(4)を
点在する単結晶シリコン領域(2a)…を核として多結晶化
させ、多結晶シリコン薄膜(5)とする。この多結晶化
は、単結晶シリコン領域(2a)…から放射状に進行し、や
がて相隣接する単結晶シリコン領域(2a)…からの同様の
多結晶化とが接するまで進むこととなる。通常これら隣
接する単結晶シリコン領域(2a)からの結晶化は、殆ど同
程度に進行することから粒界(6)がこれら単結晶シリコ
ン領域(2a)…の略中間に出来ることとなる。
Then, in the fifth step shown in FIG.
By applying heat, the second amorphous silicon film (4) is polycrystallized using the interspersed single crystal silicon regions (2a) ... as nuclei to form a polycrystalline silicon thin film (5). This polycrystallization progresses radially from the single crystal silicon regions (2a) ... Until eventually the similar polycrystallization from the adjacent single crystal silicon regions (2a). Normally, crystallization from these adjacent single crystal silicon regions (2a) progresses almost at the same level, so that the grain boundaries (6) are formed substantially in the middle of these single crystal silicon regions (2a).

【0026】特に、本発明によれば、結晶性の優れた単
結晶シリコンを核とすることから、この粒界(6)の位置
が十分制御できることとなり、多結晶シリコンを核とす
る従来法によるものでは生じていたランダムな位置での
粒界の発生が抑制でき、結果として高品質な多結晶シリ
コン薄膜が得られる。
In particular, according to the present invention, since the single crystal silicon having excellent crystallinity is used as the nucleus, the position of the grain boundary (6) can be sufficiently controlled, and the conventional method using the polycrystalline silicon as the nucleus is used. It is possible to suppress the generation of grain boundaries at random positions, which has occurred in the case of using a material, and as a result, a high quality polycrystalline silicon thin film can be obtained.

【0027】従って、本発明製造方法によれば前記第2
工程で行う第1の非晶質シリコン膜(2)のパターニング
形状の反映した位置に粒界(6)でできることとなること
から、この第1の非晶質シリコン膜(2)のパターニング
形状を考慮することによって、この多結晶シリコン薄膜
内の全く粒界(6)が存在しない部分を種々の半導体装置
の活性層として利用することができる。この利用方法の
具体例については後述する。
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the second
Since the grain boundaries (6) can be formed at the positions reflecting the patterning shape of the first amorphous silicon film (2) performed in the step, the patterning shape of the first amorphous silicon film (2) can be changed. By taking this into consideration, the portion where no grain boundary (6) exists in this polycrystalline silicon thin film can be used as an active layer of various semiconductor devices. A specific example of this usage method will be described later.

【0028】更に、本発明製造方法による多結晶シリコ
ン薄膜では、粒界(6)で囲まれた部分の結晶構造が秩序
だったものとなることから、斯る部分を局所的に見たな
らば単結晶シリコン(7)と言うことができる。従って、
本発明による多結晶シリコン膜は、単結晶シリコンから
成る結晶粒が多数集合して成る薄膜という特徴を有して
いる。
Furthermore, in the polycrystalline silicon thin film produced by the manufacturing method of the present invention, the crystal structure of the portion surrounded by the grain boundaries (6) is ordered, so if such a portion is viewed locally, It can be said to be single crystal silicon (7). Therefore,
The polycrystalline silicon film according to the present invention is characterized by being a thin film composed of a large number of crystal grains made of single crystal silicon.

【0029】次に、本発明製造方法において重要な要素
である第1の非晶質シリコン膜(2)の膜厚と、そのパタ
ーンサイズについて説明する。まず、図2は、この第1
の非晶質シリコン(2)の膜厚と、前記第3工程でのレー
ザビーム照射(3)によって得られた単結晶シリコン領域
(2a)の大きさとの関係を示す特性図である。尚、使用し
た第1の非晶質シリコン膜(2)のパターンサイズは、1
μm□であり、またレーザとしては、ArFエキシマレ
ーザをそのエネルギー強度300mJ/cm2とし、基
板温度400℃下、128パルス(数10Hz程度)を
照射することにより行った。
Next, the film thickness of the first amorphous silicon film (2), which is an important factor in the manufacturing method of the present invention, and its pattern size will be described. First, FIG. 2 shows the first
Film thickness of the amorphous silicon (2) and the single crystal silicon region obtained by the laser beam irradiation (3) in the third step
It is a characteristic view showing a relationship with the size of (2a). The pattern size of the first amorphous silicon film (2) used was 1
It was performed by irradiating an ArF excimer laser with an energy intensity of 300 mJ / cm 2 as a laser and 128 pulses (about several tens Hz) under a substrate temperature of 400 ° C.

【0030】同図によればレーザ照射によって得られる
単結晶シリコン領域の粒径は第1の非晶質シリコン膜の
膜厚を300〜600Åとした場合が最も大きく、実験
によれば約3μmを越える大きなものができている。一
方この範囲外では急激に粒径が小さくなっている。特
に、300Å以下の薄い膜厚ではエネルギー強度が30
0mJ/cm2程度と大きな照射強度を使用したことか
らアモルファス相と結晶相との混在した結晶性の不十分
な膜しか得られてない。尤も、斯る膜厚の下300mJ
/cm2よりも小さなエネルギー強度とした場合にあっ
ても、精々3000〜4000Åの大きさの単結晶シリ
コン領域しか得られないことを確認している。
According to the figure, the grain size of the single crystal silicon region obtained by the laser irradiation is the largest when the thickness of the first amorphous silicon film is 300 to 600 Å, and according to the experiment, it is about 3 μm. There is a big thing to cross. On the other hand, outside this range, the particle size is rapidly reduced. Especially, if the film thickness is less than 300Å, the energy intensity is 30
Since a high irradiation intensity of about 0 mJ / cm 2 was used, only a film having an insufficient crystalline property in which an amorphous phase and a crystalline phase were mixed was obtained. However, below this film thickness 300 mJ
It has been confirmed that even if the energy intensity is smaller than / cm 2, only a single crystal silicon region having a size of 3000 to 4000 Å can be obtained.

【0031】また、膜厚600Åを越える場合にあって
は、たとえレーザ照射のエネルギー強度を大きく設定し
てもその粒径の大型化は成し得ずある段階で飽和してし
まっている。この原因については明らかではないが、本
発明者によれば次のように推測している。即ち、レーザ
光を第1の非晶質シリコン膜(2)に照射するとこの膜は
単結晶シリコン領域となるが、単結晶化には照射される
第1の非晶質シリコン膜(2)の膜全体の温度が均等に上
昇することが好ましい。特に、使用するガラス等の支持
基板(1)が比較的熱伝導性が悪いことから、第1の非晶
質シリコン膜(2)の全体が高温化するとレーザ光吸収に
よる熱は逃げ場を失うこととなるため、その熱は単結晶
化のために有効に利用できることとなる。
Further, when the film thickness exceeds 600 Å, the particle size cannot be increased even if the energy intensity of laser irradiation is set large, and the particle size is saturated at a certain stage. The reason for this is not clear, but the present inventors presume as follows. That is, when the first amorphous silicon film (2) is irradiated with laser light, this film becomes a single crystal silicon region, but the single amorphous silicon film (2) is irradiated for single crystallization. It is preferable that the temperature of the entire film rises uniformly. In particular, since the supporting substrate (1) such as glass used has a relatively poor thermal conductivity, the heat due to laser light absorption loses its escape when the temperature of the entire first amorphous silicon film (2) rises. Therefore, the heat can be effectively utilized for single crystallization.

【0032】しかしながら、膜厚600Å以上の厚い膜
となると、そのレーザ光による熱は、第1の非晶質シリ
コン膜(2)の表面近傍のみに与えられる。すると、この
熱はその表面近傍に留まらず未だ低温状態にある第1の
非晶質シリコン膜(2)の膜深さ方向に向かって熱伝導し
始める。これにより、レーザ光による熱が単結晶化とし
て有効に利用できないこととなり、結果として小さな単
結晶シリコン領域しかできないこととなる。
However, in the case of a thick film having a film thickness of 600 Å or more, the heat generated by the laser light is applied only to the vicinity of the surface of the first amorphous silicon film (2). Then, this heat does not stay near the surface but begins to conduct heat in the film depth direction of the first amorphous silicon film (2) which is still in a low temperature state. As a result, the heat generated by the laser light cannot be effectively utilized for single crystallization, and as a result, only a small single crystal silicon region can be formed.

【0033】とりわけ、エキシマレーザを使用した場合
にあってはそのレーザ波長が比較的短波長であることか
ら、第1の非晶質シリコン膜(2)の表面近傍にのみその
レーザ光の吸収が集中しやすいと考えている。
In particular, when the excimer laser is used, the laser wavelength is relatively short, so that the absorption of the laser beam is only near the surface of the first amorphous silicon film (2). I think it's easy to concentrate.

【0034】以上から、第1の非晶質シリコン膜(2)の
膜厚は、300〜600Åの範囲とすることが好適で、
特に膜厚500Å程度とすることが結晶粒の大型化に最
も適している。
From the above, the thickness of the first amorphous silicon film (2) is preferably in the range of 300 to 600Å,
In particular, a film thickness of about 500Å is most suitable for increasing the size of crystal grains.

【0035】次に、第1の非晶質シリコン膜のパターン
サイズについて説明する。この第1の非晶質シリコン膜
(2)は、前記第3工程でのエネルギービーム照射により
単結晶シリコン領域(2a)とし、後工程での多結晶化のた
めの核として機能させるものであることから、良質な単
結晶シリコンであることが必要である。
Next, the pattern size of the first amorphous silicon film will be described. This first amorphous silicon film
(2) is a single crystal silicon region (2a) that is formed by the energy beam irradiation in the third step and functions as a nucleus for polycrystallization in the subsequent step, so that it is a high quality single crystal silicon. It is necessary to be.

【0036】図3は、この単結晶シリコン領域の出発材
料となる第1の非晶質シリコン膜のパターンサイズを種
々変化させた場合の、レーザ照射後の結晶状態を走査型
電子顕微鏡で観察した模式図である。尚、レーザ照射条
件は図2で使用した条件のうち第1の非晶質シリコンの
膜厚を約500Åとしたこと以外は同様とし、パターン
サイズとしては、0.5〜7μmまでの5種類について
示している。更に、走査顕微鏡での観察を明瞭に行ない
得るように、観察前の多結晶シリコン薄膜の表面をわず
かにセコエッチングしている。
In FIG. 3, the crystalline state after laser irradiation was observed by a scanning electron microscope when the pattern size of the first amorphous silicon film as the starting material of the single crystal silicon region was variously changed. It is a schematic diagram. The laser irradiation conditions are the same as those used in FIG. 2 except that the film thickness of the first amorphous silicon is about 500 Å, and the pattern size is five types from 0.5 to 7 μm. Shows. Further, the surface of the polycrystalline silicon thin film before observation is slightly secco-etched so that the observation under a scanning microscope can be clearly performed.

【0037】同図によれば、パターンサイズが約3.0
μm以上に大きくなると、レーザ照射による結晶化では
単結晶シリコン領域(31)となるまでには至らず多結晶シ
リコン(32)に留まってしまい、その膜内にはいくつかの
粒界(33)ができてしまう。一方、約3.0μmよりも小
さなサイズとした場合にあっては良好な単結晶シリコン
(31)ができている。特に、本発明製造方法によれば、従
来の非晶質シリコン膜を単に加熱処理することによって
得られる多結晶シリコン薄膜と比較しても高品質の膜が
得られる。
According to the figure, the pattern size is about 3.0.
When the size becomes larger than μm, the crystallization by laser irradiation does not reach the single crystal silicon region (31) and remains in the polycrystalline silicon (32), and some grain boundaries (33) exist in the film. Will be created. On the other hand, when the size is smaller than about 3.0 μm, good single crystal silicon
(31) is completed. In particular, according to the manufacturing method of the present invention, a high quality film can be obtained even when compared with a polycrystalline silicon thin film obtained by simply heat treating a conventional amorphous silicon film.

【0038】次に、本発明製造方法によって形成した多
結晶シリコン薄膜を利用した各種半導体装置について説
明する。図4は、この多結晶シリコン薄膜を利用した薄
膜トランジスタの工程別素子構造図である。同図(a)
は、ガラス等の支持基板(41)上に等間隔となるようにパ
ターニングされた第1の非晶質シリコン膜(図示せず)
をエネルギービームによって単結晶化して形成された単
結晶シリコン領域(42)である。
Next, various semiconductor devices using the polycrystalline silicon thin film formed by the manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 4 is an element structure diagram for each step of a thin film transistor using this polycrystalline silicon thin film. The same figure (a)
Is a first amorphous silicon film (not shown) patterned on a supporting substrate (41) such as glass at equal intervals.
This is a single crystal silicon region (42) formed by single crystallizing with a energy beam.

【0039】次に同図(b)に示す工程では、第2の非
晶質シリコン膜(図示せず)を形成した後、この非晶質
シリコン膜を多結晶シリコン(43)にまで多結晶化したも
のである。この結果、図示の如く単結晶シリコン領域が
配置された位置のほぼ中間に粒界(44)ができることとな
り、これら粒界(44)によって囲まれた3つの単結晶シリ
コン(43a)によって全体として多結晶シリコン薄膜が構
成されていることとなる。
Next, in the step shown in FIG. 4B, after forming a second amorphous silicon film (not shown), this amorphous silicon film is polycrystalline to the polycrystalline silicon (43). It has been transformed. As a result, a grain boundary (44) is formed substantially in the middle of the position where the single crystal silicon region is arranged as shown in the figure, and the three single crystal silicon (43a) surrounded by these grain boundaries (44) make a large number as a whole. This means that a crystalline silicon thin film is formed.

【0040】同図(c)に示す工程では、粒界(44)で囲
まれた1区域に在る単結晶シリコン(43a)内に1つの薄
膜トランジスタが形成されるように、その粒界(44)に沿
って単結晶シリコン(43a)を分断した後、薄膜トランジ
スタとしての通常の工程に従って素子を形成する。図の
中の(45)はこの多結晶シリコン薄膜を利用したチャネル
層、(46)はゲート絶縁膜、(47)はゲート電極、(48)はソ
ース電極、そして(49)はドレイン電極を示している。本
発明による多結晶シリコン薄膜以外は従来周知の方法で
成膜・パターニングしたものである。本実施例にあって
は、3つの薄膜トランジスタが形成されている。
In the step shown in FIG. 3C, the grain boundary (44) is formed so that one thin film transistor is formed in the single crystal silicon (43a) existing in one area surrounded by the grain boundary (44). After dividing the single crystal silicon (43a) along the line (4), an element is formed according to a normal process as a thin film transistor. In the figure, (45) is a channel layer using this polycrystalline silicon thin film, (46) is a gate insulating film, (47) is a gate electrode, (48) is a source electrode, and (49) is a drain electrode. ing. Other than the polycrystalline silicon thin film according to the present invention, it is formed and patterned by a conventionally known method. In this embodiment, three thin film transistors are formed.

【0041】本実施例で示すように、本発明の多結晶シ
リコン薄膜の粒界の位置を予め制御できることから、こ
の粒界(44)を薄膜トランジスタのチャネル層(45)の中に
含まれないように使用することができることとなり、高
移動度のトランジスタを製作することができる。尚、本
例では粒界(44)によって挟まれた部分について1つのト
ランジスタのみを製作したが本発明による多結晶シリコ
ン薄膜の利用はこれに限られるものではなく、例えば1
つの単結晶シリコン(43a)内に複数の薄膜トランジスタ
を製作してもよいことは言うまでもない。
As shown in this example, since the position of the grain boundary of the polycrystalline silicon thin film of the present invention can be controlled in advance, the grain boundary (44) should not be included in the channel layer (45) of the thin film transistor. Therefore, a high-mobility transistor can be manufactured. In this example, only one transistor was manufactured for the portion sandwiched by the grain boundaries (44), but the use of the polycrystalline silicon thin film according to the present invention is not limited to this.
It goes without saying that a plurality of thin film transistors may be manufactured in one single crystal silicon (43a).

【0042】次に、本発明製造方法で形成した多結晶シ
リコン薄膜を利用した光起電力装置の実施例について説
明する。図5は、その光起電力装置に製造工程別素子構
造断面図である。同図(a)に示す工程では、石英から
なる支持基板(51)上に、本発明製造方法における単結晶
シリコン領域(52)を所望の間隔で形成したものである。
Next, an example of a photovoltaic device using a polycrystalline silicon thin film formed by the manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view of the element structure for each manufacturing step of the photovoltaic device. In the step shown in FIG. 3A, single crystal silicon regions (52) in the manufacturing method of the present invention are formed on a supporting substrate (51) made of quartz at desired intervals.

【0043】次に同図(b)に示す工程では、第2の非
晶質シリコン膜(図示せず)を形成した後、この非晶質
シリコン膜を多結晶シリコン薄膜(53)にまで多結晶化さ
せ、更にイオン注入法、熱拡散法等によって、この多結
晶シリコン薄膜をp型とする。この多結晶シリコン薄膜
(53)には、先の実施例と同様に粒界(54)によって囲まれ
た単結晶シリコン(55)によって構成されている。
Next, in the step shown in FIG. 6B, after forming a second amorphous silicon film (not shown), this amorphous silicon film is expanded to a polycrystalline silicon thin film (53). The polycrystalline silicon thin film is made to be p-type by crystallization and further by an ion implantation method, a thermal diffusion method or the like. This polycrystalline silicon thin film
(53) is composed of single crystal silicon (55) surrounded by grain boundaries (54) as in the previous embodiment.

【0044】同図(c)に示す工程ではこの多結晶シリ
コン薄膜(53)の表面にイオン注入法や熱拡散法等によっ
てリンを拡散し、その表面をn型多結晶シリコン薄膜(5
3a)としたものである。
In the step shown in FIG. 5C, phosphorus is diffused on the surface of the polycrystalline silicon thin film (53) by an ion implantation method or a thermal diffusion method, and the surface is n-type polycrystalline silicon thin film (5).
3a).

【0045】同図(d)に示す工程では、粒界(54)に相
当する部分についてその表面からエッチングを施して下
部のp型多結晶シリコン膜(53)を露出させた後、斯る部
分にはアルミニュームからなる金属電極(55)を、p型表
面には透明導電膜からなる光入射側電極(56)をそれぞれ
形成する。本例でのリン等の不純物拡散などの工程は従
来周知の方法によって行っている。
In the step shown in FIG. 3D, the portion corresponding to the grain boundary (54) is etched from the surface thereof to expose the lower p-type polycrystalline silicon film (53), and then the portion. And a light incident side electrode (56) formed of a transparent conductive film on the p-type surface. The steps such as the diffusion of impurities such as phosphorus in this example are performed by a conventionally known method.

【0046】本実施例では、本来膜質の悪い粒界(54)の
部分を光キャリア取り出しとして使用することから、そ
のキャリアはそもそもこの粒界(54)を横切ることなく外
部に取り出すことができることとなり、所謂キャリア再
結合に因るキャリアの損失を低減することができる。
In this embodiment, since the portion of the grain boundary (54) which originally has poor film quality is used as the optical carrier extraction, the carrier can be extracted to the outside without crossing this grain boundary (54) in the first place. The loss of carriers due to so-called carrier recombination can be reduced.

【0047】また、前述した薄膜トランジスタの場合と
同様に、本発明製造方法によって形成された多結晶シリ
コン膜(53)を粒界(54)が存在しない単結晶シリコンの部
分を光起電力装置の光活性層として利用し得ることか
ら、高い変換効率を得ることができる。
Further, as in the case of the above-mentioned thin film transistor, the polycrystalline silicon film (53) formed by the manufacturing method of the present invention is replaced with the portion of single crystal silicon where the grain boundaries (54) do not exist by the light of the photovoltaic device. Since it can be used as an active layer, high conversion efficiency can be obtained.

【0048】更に、本実施例ではレーザ光源としてAr
Fエキシマレーザ(193nm)を使用したが、この他にKr
Fエキシマレーザ(248nm)やXeClエキシマレーザ(3
08nm)等を使用し非晶質シリコン膜を単結晶化させても
よい。
Further, in this embodiment, Ar is used as the laser light source.
F excimer laser (193 nm) was used, but Kr
F excimer laser (248 nm) and XeCl excimer laser (3
The amorphous silicon film may be single-crystallized by using (08 nm) or the like.

【0049】又、本実施例での第4工程での膜形成とし
てはプラズマCVD法による方法を使用したが本発明製
造方法はこれに限られるものではなく、例えば光CVD
法や、熱CVD法等を使用してもよい。またこれら反応
方法で使用するガスとしてはフッソ系ガスを使用しても
よい。
Although the method of plasma CVD is used as the film formation in the fourth step in this embodiment, the manufacturing method of the present invention is not limited to this.
Method or thermal CVD method may be used. Further, as the gas used in these reaction methods, a fluorine-based gas may be used.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明製造方法によれば、高品質な単結
晶シリコン領域を核として利用するものであることか
ら、これに基づいて成長した多結晶シリコン薄膜は高品
質な膜となり、加えてこの膜を構成する結晶粒は単結晶
シリコンと成っている。
According to the manufacturing method of the present invention, since a high quality single crystal silicon region is used as a nucleus, a polycrystalline silicon thin film grown on the basis of this becomes a high quality film. The crystal grains forming this film are made of single crystal silicon.

【0051】更に、本発明によれば、核となる第1の非
晶質シリコンのパターン位置に反映した位置を粒界を配
置することができることとなることから、この多結晶シ
リコン薄膜の結晶粒を各種半導体装置に活性層としての
利用が容易となる。
Further, according to the present invention, since the grain boundary can be arranged at the position reflecting the pattern position of the first amorphous silicon serving as the nucleus, the crystal grain of this polycrystalline silicon thin film can be arranged. Can be easily used as an active layer in various semiconductor devices.

【0052】とりわけ、本発明製造方法で示した第1の
非晶質シリコン膜の膜厚及びサイズによれば、過大なレ
ーザ照射強度によることなく結晶欠陥の少ない高品質な
単結晶シリコン領域を得ることができる。
In particular, according to the thickness and size of the first amorphous silicon film shown in the manufacturing method of the present invention, a high-quality single crystal silicon region with few crystal defects can be obtained without depending on an excessive laser irradiation intensity. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明製造方法を説明するための工程別素子構
造断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an element structure for each step for explaining the manufacturing method of the present invention.

【図2】本発明製造方法で利用する第1の非晶質シリコ
ン膜の膜厚と、単結晶シリコン領域との関係を示す特性
図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a film thickness of a first amorphous silicon film used in the manufacturing method of the present invention and a single crystal silicon region.

【図3】本発明製造方法で利用する第1の非晶質シリコ
ン膜のパターンサイズと、レーザ照射後の結晶状態を走
査型電子顕微鏡で観察したものの模式図である。
FIG. 3 is a schematic view of a pattern size of a first amorphous silicon film used in the manufacturing method of the present invention and a crystalline state after laser irradiation, which is observed by a scanning electron microscope.

【図4】本発明製造方法によって形成した多結晶シリコ
ン薄膜を利用した薄膜トランジスタの製造工程別素子構
造断面図である。
FIG. 4 is a sectional view of an element structure for each manufacturing step of a thin film transistor using a polycrystalline silicon thin film formed by the manufacturing method of the present invention.

【図5】本発明製造方法によって形成した多結晶シリコ
ン薄膜を利用した光起電力装置の製造工程別素子構造断
面図である。
FIG. 5 is a sectional view of an element structure for each manufacturing step of a photovoltaic device using a polycrystalline silicon thin film formed by the manufacturing method of the present invention.

【図6】従来の多結晶シリコン薄膜の製造方法を説明す
るための工程別素子構造断面図である。
FIG. 6 is a sectional view of a device structure for each step for explaining a conventional method for manufacturing a polycrystalline silicon thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1)…支持基板 (2)…第1の
非晶質シリコン膜 (2a)…単結晶シリコン領域 (4)…第2の
非晶質シリコン膜
(1) ... Support substrate (2) ... First amorphous silicon film (2a) ... Single crystal silicon region (4) ... Second amorphous silicon film

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 支持基板上に第1の非晶質シリコン膜を
形成する工程と、 前記第1の非晶質シリコン膜を前記支持基板上に点在す
るようにパターニングする工程と、 前記第1の非晶質シリコン膜にエネルギービームを照射
することにより単結晶シリコン領域とする工程と、 点在する前記単結晶シリコン領域を覆うように第2の非
晶質シリコン膜を被着形成する工程と、 該第2の非晶質シリコン膜を熱処理することにより多結
晶化させる工程と、 からなることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方
法。
1. A step of forming a first amorphous silicon film on a supporting substrate; a step of patterning the first amorphous silicon film so as to be scattered on the supporting substrate; A step of irradiating the amorphous silicon film of No. 1 with an energy beam to form a single crystal silicon region; and a step of depositing and forming a second amorphous silicon film so as to cover the scattered single crystal silicon regions. And a step of heat-treating the second amorphous silicon film to polycrystallize the second amorphous silicon film.
【請求項2】 前記請求項1において、前記第1の非晶
質シリコン膜の膜厚が、300〜600Åとしたことを
特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
2. The method for producing a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the first amorphous silicon film has a film thickness of 300 to 600 Å.
【請求項3】 前記請求項1又は2において、前記支持
基板上に点在する前記第1の非晶質シリコン膜のパター
ンサイズを3μm□以下としたことを特徴とする多結晶
シリコン薄膜の製造方法。
3. The production of a polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the pattern size of the first amorphous silicon film scattered on the supporting substrate is 3 μm □ or less. Method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107017153A (en) * 2017-04-13 2017-08-04 京东方科技集团股份有限公司 A kind of polysilicon membrane preparation method and polysilicon membrane

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