JPH0574702A - 薄膜多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スポット状のレーザ光照射を使用して膜質が
均一な薄膜多結晶シリコンを得ることを目的とする。 【構成】 基板(1)上に形成されたシリコン膜(2)に対し
て、基板の両主面から交互にレーザ光Ａ，Ｂ，Ｃを照射
するとともに、その照射部の一部がその交互で互いに重
なり合うように、且つそのシリコン膜の形成面側からの
レーザ光の照射強度の方を大となるように照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン膜にスポット
状のエネルギービームを照射することにより、薄膜多結
晶シリコンとする製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜太陽電池や液晶ディスプレイ
用表示素子などに使われる薄膜半導体の研究が盛んであ
る。これは薄膜半導体が従来の単結晶半導体と異なり、
透光性を有する安価な絶縁性基板、例えばガラス基板な
どを基板として容易に形成でき、且つ大面積に形成し得
るという特徴を有しているためである。

【０００３】これまで前記薄膜半導体の主流は非晶質シ
リコン膜であったが、斯る非晶質シルコン膜では、物性
面での限界のあることが近年明らかとなり、これに替わ
る材料が求められていた。

【０００４】そこで、前記非晶質シリコン膜に代替する
ものとして、特に注目され始めたのが薄膜多結晶シリコ
ンである。これは、薄膜多結晶シリコンが非晶質シリコ
ン膜と比較して多くの優れた特徴を有してるためである
ことと、更にはその製造にあっては、非晶質シリコン膜
にエネルギーを加えることによって比較的容易に形成で
きるためである。

【０００５】図５（ａ）は、従来の薄膜多結晶シリコン
の製造方法を説明する工程断面図で、石英等の透光性基
板(51)上に形成された非晶質シリコン膜にパルス状のエ
ネルギービームであるスポット状レーザ光(52)を１回の
み照射した際の状態を示している。図中の(53)はレーザ
光照射によって変質し形成された薄膜多結晶シリコンで
あり、(54)は多結晶シリコンを構成する多結晶粒であ
る。

【０００６】同図から分かるように、スポット状のレー
ザ光によって多結晶化されたシリコン膜は、レーザ光の
面内の強度ムラにより照射部の中央部においては大きな
多結晶粒(54a)が形成されるものの、その周囲では小さ
な多結晶粒(54b)しかできない。

【０００７】同図(ｂ）は、スポット状のレーザ光が照
射された場合の照射端部の拡大断面図である。

【０００８】図示の如くレーザ光の中央で照射されるこ
ととなる部分は、前述の如く大きな多結晶粒(54a)とな
るが、レーザ光照射の端部に近付くに従って小さな多結
晶粒(54b)となり、さらに端部の周囲では非晶質シリコ
ン(54c)のままである。

【０００９】これら膜面に沿った多結晶化状態の変化は
照射に利用したレーザ光の強度分布に強く影響を受け
る。

【００１０】斯る変化は膜厚方向に沿っても同様に存在
する。即ち、スポット状のレーザ光を１回照射した場
合、膜表面には大きな粒径の多結晶粒が生じるが、膜厚
方向に沿ってしだいに粒径は小さくなっていく。これ
は、レーザ光が表面近傍で多く吸収され、膜表面から深
くなるに従ってレーザ光のエネルギーが小さくなること
から、透光性基板(51)近傍の非晶質シリコンが多結晶化
される程度は小さくなってしまうのである。

【００１１】従って、レーザ光の端部で、且つ基板近傍
ではより多くの非晶質シリコンが多結晶化されることな
く残存することとなる。

【００１２】同図（ｃ）は、一般的な均一光学系を備え
たスポット状のレーザ光のエネルギー強度ムラを示す特
性図で、横軸がレーザ光の照射位置を示しゼロがレーザ
光の中心である。縦軸は各位置における強度を示す相対
値である。同図から分かるように、レーザ光のエネルギ
ー強度は、その中心近傍では均一光学系を用いることに
より比較的均一とすることができ、実際に±５％以内の
バラツキの範囲である。

【００１３】そして、レーザ光の端部付近ではレーザ光
の中央から離れるにしたがって減少する。

【００１４】斯る分布が、シリコン膜の多結晶化の程度
に反映し、前述したような結晶粒の大きさのバラツキと
なって現れる。

【００１５】そこで、通常このような小さな多結晶粒(5
4b)の発生を防止するため、大面積にわたった多結晶化
を行う場合には、シリコン膜の膜面に沿ってレーザ光照
射器を移動し、且つ先にスポット状に照射するレーザ光
(52a)によって多結晶化されたシリコン膜の端部がその
直後に隣接して照射されるレーザ光(52b)によって再び
照射されるという、いわゆる重なりの部分(ア)が生じる
ように設定されている（同図（ｄ))。

【００１６】同図（ｄ）では、２回のレーザ光（ビーム
１(52a)，ビーム２(52b))を順次照射することによって
透光性基板(51)上に形成されたシリコン膜は、薄膜多結
晶シリコン(53)に変質することとなる。これにより、各
照射部の端部に従来生じた小さな多結晶粒の発生を抑制
している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前述したよ
うに照射部分の一部が重なるように順次レーザ光を照射
しても、未だ斯る部分(ア)の特性は不十分で、例えばこ
の従来法による多結晶シリコンを薄膜トランジスタのチ
ャネル層として使用した場合でもレーザ光の中央で照射
されて成る多結晶シリコンと比較して十分大きなキャリ
ア移動度を得ることができない。

【００１８】これは、そもそもレーザ光照射による多結
晶化では、最初の照射(52a)によって多結晶化される程
度と、この最初の照射によって多結晶化されたシリコン
が次の照射(52b)によってより多結晶化される程度とで
は、前者の方が大きく、後者はそれ程大きくならないか
らである。

【００１９】即ち、照射部の重なった部分(ア)では、先
のレーザ光の照射で小さな結晶粒を有する多結晶シリコ
ンができ、次のレーザ光照射の重なりによって多結晶化
が促進される。しかし、その促進の程度は僅かなもの
で、生成された多結晶シリコンの物性の殆どは最初の照
射によって決定されてしまっている。

【００２０】これは、先のレーザ光の照射によって生成
された段階での多結晶シリコンは、未照射の非晶質シリ
コンの物性と比較して、レーザ光の吸収係数が小さく、
又溶融のための閾値エネルギーが大きいものとなる。従
って、一度レーザ光によって多結晶化されたものは、先
のレーザ光の強度よりも大きなものを照射しないことに
は、再度レーザ光の照射を受けても十分な多結晶化が成
し得ないこととなる。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明薄膜多結晶シリコ
ンの製造方法の特徴とするところは、透光性基板の一主
面上に形成されたシリコン膜に、エネルギービーム照射
器から出射されるスポット状のエネルギービームを、前
記主面に沿って前記透光性基板の両主面から交互に照射
するとともに、その照射部の一部をその交互で互いに重
なり合わせ、且つ前記透光性基板の他主面側からの前記
エネルギービームの強度を、他方の側のエネルギービー
ムの強度よりも大とすることにあり、また、基板上に形
成されたシリコン膜に、エネルギービーム照射器からス
ポット状のエネルギービームを前記シリコン膜に沿って
照射するとともに、該エネルギービームの前記スポット
内におけるエネルギー強度ムラを補償するための加熱を
行うことにある。

【００２２】

【作用】従来、エネルギービームの照射端部では、膜の
表面よりも基板側の方により多くの非晶質シリコンが残
存していることから、本発明製造方法の如く膜形成面側
からの照射に加え基板側からの照射をも交互に行うこと
によって、各照射端部においても多結晶化が容易に行い
得る。

【００２３】特に、基板側から照射するエネルギービー
ムの強度を膜形成面側からのそれよりも大きくすること
によって、シリコン膜の表面における多結晶シリコンの
粒径を大きく揃えることができる。

【００２４】つまり、膜形成面側からの照射強度を大き
くすると、基板近傍での多結晶化の程度は大きくなる
が、膜の表面に近付くに従って小さくなり、結局膜形成
面側からのエネルギービーム照射による膜表面の多結晶
化の程度とほぼ同等にすることができるからである。

【００２５】又、エネルギービームにおけるスポット内
のエネルギー強度ムラを補償するために、エネルギー強
度の小さい部分について加熱を行うことによって多結晶
化を促進でき、全体として均質な薄膜多結晶シリコンを
得ることが可能となる。

【００２６】

【実施例】図１（ａ)は、本発明薄膜多結晶シリコンの
製造方法を模式的に示したものである。図中では、石英
基板(1)上にシリコン膜として従来周知のプラズマＣＶ
Ｄ法にて非晶質シリコン(2)を形成し、これに石英基板
(1)の両主面からエネルギービームＡ，Ｂ，Ｃであるレ
ーザ光を照射している。本例では、ビームＡからビーム
Ｃまでの３つのスポット状のレーザ光を照射した場合に
ついて示している。実際の薄膜多結晶シリコンの製造に
あたっては、多数のスポット状レーザ光を膜面に沿って
照射することにより、大面積の薄膜多結晶シリコンを形
成する。

【００２７】同図(ｂ)は、ビームＡからビームＣの各照
射タイミングを説明するためのタイムチャートを示して
いる。本実施例では、ビーム１(3)とビーム３(5)につい
ては同一のレーザ光照射器（イ）を使用し、ビーム２に
ついては、別異のレーザ照射器（ウ）を使用している。

【００２８】従って、本発明製造方法によれば、レーザ
光を両主面からビームＡ，ビームＢそしてビームＣとい
う順に交互に非晶質シリコン(2)に照射するとともに、
その交互に照射された位置が互いに一部が重なるように
位置設定されている。

【００２９】実施例で使用できるレーザ光としては、エ
キシマレーザ(XeCl;308nm,KrF;248nm,ArF;193nm）、銅
蒸気レーザ(510.6nm,578.2nm)さらにはＹＡＧレーザ(第
２高調波）などがある。実験によれば、ノン・アルカリ
ガラス基板や石英以外のガラスを基板とする場合では、
紫外光をエネルギービームとするとその基板に吸収され
てしまうため、斯る場合にあっては銅蒸気レーザやＹＡ
Ｇレーザを使用するのが好適である。

【００３０】一方、レーザ強度については、本例ではビ
ームＡ及びビームＣが３００ｍＪ／ｃｍ²、ビームＢを
４００ｍＪ／ｃｍ²としている。すなわち、基板側から
のレーザ強度は、膜形成面側のそれと比較して大きくな
るように調整している。

【００３１】これは、膜形成面側からの照射強度を大き
くすると、基板近傍での多結晶化の程度は大きくなる
が、膜の表面に近付くに従って小さくなり、結局膜形成
面側からのエネルギービーム照射による膜表面の多結晶
化の程度とほぼ同等にすることができるからである。

【００３２】この結果、シリコン膜の表面は、粒径の揃
った多結晶シリコンとすることができることとなる。

【００３３】このことは、例えば本発明製造方法による
多結晶シりコンを薄膜トランジスタの活性層として使用
した場合にあっては、良好なチャネルを形成することが
可能となる。

【００３４】更に、ビームのスポットサイズとしては、
例えばエキシマレーザの場合、数ｍｍ角から１ｃｍ角で
行え、最大７００ｍＪ／ｃｍ²までの強度で照射でき
る。 銅蒸気レーザでは、数ｍｍ角で最大６００ｍＪ／
ｃｍ²までの強度で行える。

【００３５】図２は、本発明製造方法で製作した薄膜多
結晶シリコンの局所的な電界効果移動度を、レーザ光の
照射位置と対応させて測定したもので、横軸は、図１に
おけるビームＡとビームＢとの境界をゼロとしている。

【００３６】従って、図中で示すように、このゼロを中
心として両側がレーザ光が重なり部分に相当することと
なる。

【００３７】同図には、本発明方法による場合(21)の他
に、従来のレーザ光の照射方法であるところの、単に隣
接するレーザ光を同一の主面側から照射しつつ重なりを
設けたもの(22)も同時に示している。

【００３８】同図から分かるように本発明薄膜多結晶シ
リコンの製造方法によれば、隣接するレーザ光の照射間
でも電界効果移動度の低下は殆ど発生せず、ほぼ１００
ｃｍ ²／Ｖ・ｓと一定値を示すバラツキのない良好な膜
であることがわかる。

【００３９】これに対して従来の方法による特性(22)に
あっては、光の重ね合わせ部で、電界効果移動度が７０
ｃｍ²／Ｖ・ｓまで低下している。

【００４０】次に他の本発明薄膜多結晶シリコンの製造
方法について説明する。

【００４１】図３は、本発明薄膜多結晶シリコンの製造
方法を説明するための製造工程図である。これは、基板
(31)の主面上にプラズマＣＶＤ法によって従来周知の方
法で形成されたシリコン膜に、他の主面側からヒータ加
熱(32)による熱を加えるとともにエネルギービーム(33)
であるレーザ光をスポット状に１回照射した状態であ
る。

【００４２】ヒータ加熱による熱は、エネルギービーム
(33)のエネルギー強度ムラに対応するように、このスポ
ット状レーザ光の周辺部(33a)に対して加えた。これに
より、このシリコン膜は、エネルギービームの中央部で
は、主にエネルギービームのみによるエネルギーによっ
て多結晶化され、その周辺部(33a)では、エネルギービ
ーム(33)とともにこのエネルギービームのエネルギー不
足分をヒータ加熱による熱で補償しつつ多結晶化され
る。この結果、シリコン膜全体として均質な多結晶シリ
コン(34)となる。

【００４３】図３では、１回のみの照射について説明し
たが、実際に大面積の薄膜多結晶シリコンを得る場合に
は、エネルギービーム照射器をシリコン膜面に沿って移
動させつつスポット状のエネルギービームを順次照射し
ていく。

【００４４】このため、本発明を実施する場合にあって
は、図４に示すようなメッシュ状の加熱ヒータ(32)を基
板(31)に近接配置して行う。なお、同図では、理解を容
易とするために透視図で示しており、また図３と同様の
内容を示すものについては同一の符号を付している。

【００４５】具体的な発明の実施としては、ＡｒＦエキ
シマレーザを３ｍｍ角の大きさのスポット状としエネル
ギー強度３００ｍＪ／ｃｍ²で行った。この場合のヒー
タ加熱による温度上昇は、４００℃とした。

【００４６】実験によれば、本発明の特徴であるヒータ
加熱を行った場合にあっては、それを用いなかった場合
に比べて、約２倍の電界効果移動度が得られた。

【００４７】なお、加熱手段としては、ヒーターに限ら
れず、その他にランプ加熱や、熱線、高周波による加熱
などがある。更に、加熱の形状は、実施例のようなメッ
シュ状に限られるものではなく、実施に際しては例えば
レーザ光の光学系によって生じる強度ムラに対応するよ
うに変形して行えばよいことは言うまでもない。

【００４８】さらに、本発明製造方法の場合には加熱手
段を使用するため基板自体は非透光性基板であっても実
施可能である。

【００４９】また、多結晶化されるシリコン膜は、実施
例で使用したプラズマＣＶＤ法によるものだけではな
く、その他に熱ＣＶＤやスパッタなどで形成したもので
あっても同様に用いることができる。従って、シリコン
膜の種類としては、非晶質シリコン膜、微結晶シリコン
膜、あるいはこれらの混合膜であってもよいことは言う
までもない。

【００５０】

【発明の効果】本発明製造方法によれば、シリコン膜が
形成された透光性基板の両主面から交互に互いに強度の
異なるエネルギービームを、このシリコン膜に照射する
ことによって、エネルギービームの照射中央のみならず
相隣接するエネルギービームの照射間においても、薄膜
多結晶シリコンとして均質な膜が得られる。

【００５１】また、透光性基板側からの照射強度を大き
くすることによって、シリコン膜表面での多結晶粒径を
揃えることができることとなり、薄膜トランジスタなど
のチャネルとするのに優れている。

【００５２】更に、本発明製造方法によれば、エネルギ
ービームの強度ムラを補償するような加熱を行うことに
よって、相隣接するエネルギービームの照射間において
も、薄膜多結晶シリコンとしての均質な膜が得られ、こ
のことは大面積の薄膜多結晶シリコンを容易に形成し得
ることとなる。

【００５３】その結果、本発明製造方法では大粒径の薄
膜多結晶シリコンが形成できることから、電気特性の優
れた半導体装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明薄膜多結晶シリコンの製造方法の模式図
である。

【図２】本発明製造方法で製作した薄膜多結晶シリコン
の電界効果移動度とレーザ光照射位置との関係を示す特
性図である。

【図３】他の本発明薄膜多結晶シリコンの製造方法を説
明するための製造工程図である。

【図４】図３に示した製造方法において大面積の薄膜多
結晶シリコンを製造する際の工程図（透視図）である。

【図５】従来の薄膜多結晶シリコンの製造方法を模式的
に示した工程図である。

【符号の説明】 透光性基板 薄膜多結
晶シリコン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性基板の一主面上に形成されたシリ
   コン膜に、エネルギービーム照射器から出射されるスポ
   ット状のエネルギービームを、前記主面に沿って前記透
   光性基板の両主面から交互に照射するとともに、その照
   射部の一部をその交互で互いに重なり合わせ、且つ前記
   透光性基板の他主面側からの前記エネルギービームの強
   度を、他方の側のエネルギービームの強度よりも大とす
   る薄膜多結晶シリコンの製造方法。
2. 【請求項２】 基板上に形成されたシリコン膜に、エネ
   ルギービーム照射器からスポット状のエネルギービーム
   を前記シリコン膜に沿って照射するとともに、該エネル
   ギービームの前記スポット内におけるエネルギー強度ム
   ラを補償するための加熱を行う薄膜多結晶シリコンの製
   造方法。