JPH0574704A - 半導体層の形成方法 - Google Patents

半導体層の形成方法

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JPH0574704A
JPH0574704A JP3235099A JP23509991A JPH0574704A JP H0574704 A JPH0574704 A JP H0574704A JP 3235099 A JP3235099 A JP 3235099A JP 23509991 A JP23509991 A JP 23509991A JP H0574704 A JPH0574704 A JP H0574704A
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JP
Japan
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silicon layer
thin film
layer
substrate
semiconductor layer
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JP3235099A
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English (en)
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Tsutomu Hashizume
勉 橋爪
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Seiko Epson Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザービームをシリコン層に照射する方法
を工夫することによって基板全体に均一な多結晶シリコ
ン層を形成することを目的とする。 【構成】 絶縁基板上に形成されたシリコン層に絶縁薄
膜とレーザ吸収・昇華層を順次被着形成して、台形上の
空間的なエネルギー分布を持つパルスレーザビームをレ
ーザ吸収・昇華層を昇華しながら照射することにより、
レーザビームエッジ周辺部に微結晶シリコンを発生する
ことなく、基板全体に渡って均一な大粒径の電気的特性
の優れた多結晶シリコン層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、SO
I、アクティブマトリックス型方式の薄膜トランジス
タ、3次元素子の半導体層の形成に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、単結晶絶縁基板上の半導体薄膜
は、SOS(サファイア上のシリコン)にみられるよう
にバルク半導体に比べ、次のような利点を有することが
知られている。
【0003】島状に切断あるいは誘電体分離をすると
き、素子間の分離を容易かつ確実にできる。P−N接
合面積を小さくすることにより、浮遊容量を小さくでき
る。
【0004】また、サファイア等の単結晶絶縁基板が高
価であることから、これに代わるものとして、溶融水晶
板や、Si基板を1000℃以上温度で酸化して形成し
た非晶質SiO2膜やSi基板上に堆積した非晶質Si
2膜あるいは非晶質SiN膜を用い、これらの上に半
導体薄体を形成する方法が提案されている。ところが、
これらSiO2膜やSiN膜は単結晶でないため、その
上シリコン層を被着形成し1000℃以上の温度のプロ
セスで結晶化すると基板上には多結晶が成長する。この
多結晶の粒径は数10nmであり、このうえにMOSト
ランジスタを形成しても、そのキャリア移動度はバルク
シリコン上のMOSトランジスタの数分の1程度であ
る。
【0005】また、液晶表示体のアクティブマトリック
ス基板用に、歪点が850℃以下の安価なガラス基板上
のMOSトランジスタでは、1000℃以上のプロセス
を利用することが出来ないので、減圧化学気相成長法で
シリコン層を堆積しても、多結晶の粒径は高々数nmで
あるため、この上にMOSトランジスタを形成しても、
そのキャリア移動度は、バルクシリコン上のMOSトラ
ンジスタの数十分の1程度である。
【0006】そこで最近、レーザービームや電子ビーム
等をシリコン薄膜上を走査し、該薄膜の溶融再固化を行
うことにより、結晶粒径を増大させ単結晶化あるいは多
結晶化する方法が検討されている。この方法によれば、
絶縁基板上に高品質シリコン単結晶相を、または高品質
多結晶を形成でき、それを用いて作成した素子の特性も
向上し、バルクシリコンに作成した素子の特性と同程度
まで改善される。さらにこの方法では、素子を積層化す
ることが可能となりいわゆる3次元ICの実現が可能と
なる。そして高密度、高速、多機能などの特徴を持つ回
路が得られるようになる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ービームの照射によってシリコン層を基板全体にわたっ
て均一に結晶化することは困難である。PECVD法あ
るいは減圧化学気層成長法などにより形成したシリコン
層をレーザービームにより高品質なシリコン層を得るた
めには、ある適当なエネルギーが必要である。モノシラ
ンをグロー放電により分解して形成した水素を含有する
非晶質なシリコン層の場合には、ある適度なビームエネ
ルギーであると、大粒径の多結晶シリコン膜を形成する
ことができるが、最適値よりある程度小さいエネルギー
であると、微結晶シリコン層となってしまう。
【0008】フライレンズなどの特殊な光学系を利用し
た、レーザビームは図4の様なエネルギー強度分布を持
ち、疑似的なガウス分布をしており、L1からL2およ
びL5からL6の間でエネルギー強度が0からEmax
まで遷移する。レーザビームのL3からL4の間ではシ
リコン層を効果的に結晶化することができるエネルギー
強度Eeffであるが、L2からL3の間およびL4か
らL5の間では、微結晶のシリコン層を生じるエネルギ
ー強度Eeffである。
【0009】従来、図5の構造で形成されているシリコ
ン層をパルスレーザにより結晶化が試みられてきた。図
5は絶縁基板上に形成されているシリコン層の断面図で
あり、GLは歪点が600℃程度のガラス基板、ASは
非晶質あるいは多結晶のシリコン層、NKはレーザビー
ムが透過できる絶縁薄膜である。図4の様なエネルギー
分布のパルスレーザービームを重ねながら走査してシリ
コン層をアニールすると、図5(a)に示すようにビー
ムのエネルギー強度に応じた性質のシリコン層が形成さ
れる。エネルギー強度がEeffである範囲では大粒径
の結晶である多結晶シリコン層CPSが形成され、エネ
ルギー強度がEinf1とEinf2である範囲では微
結晶シリコン層MPSが形成される。減圧CVD法で温
度550℃で形成された厚みが50nmの非晶質シリコ
ン層ASの場合、図4のパルスレーザのEinfの照射
により形成された微結晶シリコン層は、つぎのEeff
のエネルギー強度のレーザで大粒径化することがない。
図5(a)のシリコン層に位置をずらして2度目のパル
スレーザを照射すると図5(b)に示すように、1度目
のパルスレーザの照射によって形成された微結晶シリコ
ンMPSの領域Tは依然微結晶シリコンMPSのままで
ある。なお、一度目のパルスレーザの照射によって形成
された大粒径の多結晶シリコン層CPSの領域(Q、
R、S)は2度目のパルスレーザの照射によって変化し
ない。このように、減圧CVD法で温度550℃で形成
された厚みが50nmの非晶質シリコン層の場合、従来
の方法では、ビームより広い範囲にわたってパルスレー
ザでアニールすると、図6の断面図に示すように微結晶
な部分と大粒径の結晶が混在し、基板全面に渡って均一
な結晶化シリコン層が得られない欠点があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題を
鑑み、パルスレーザーの照射のよって、パルスレーザー
のビームよりも広い面積のシリコン層を均一に高品質化
するシリコン半導体層の形成方法を提供するものであ
る。
【0011】
【実施例】以下に本発明の実施例を図1と図2、図3の
断面図を参照しながら詳細に説明する。
【0012】まず、図1に示したように絶縁基板GL
に、減圧CVD法により温度550℃で厚み50nmの
非晶質シリコン層ASを被着形成する。このシリコン層
の形成方法はこれに限られることなく、プラズマCV
D、スパッタ法、蒸着法、あるいは電子サイクロトロン
共鳴スパッタ法によっても形成してもよい。次に、絶縁
薄膜NKとして電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で酸
化シリコン薄膜を150nm被着形成する。この酸化シ
リコン薄膜の酸素原子と珪素原子の構成比は2:1が好
ましい。次に、この絶縁薄膜上にレーザ吸収・昇華層B
Sを被着形成する。このレーザ吸収・昇華層BSとして
は、減圧CVD法により550℃の温度で形成された1
0nmの厚みの非晶質シリコン層BSを使用することが
できる。
【0013】次に、上記レーザ吸収・昇華層BSの表面
にパルスレーザービームLAを照射する。このレーザー
ビームLAは例えばXeClエキシマレーザーであり、
波長が308nmであるので、レーザ吸収・昇華層であ
る非晶質シリコン層は308nmの吸収係数が106
-1と大きいため、該レーザービームのエネルギーの約
85%が上記非晶質シリコン層に吸収され、絶縁基板G
Lに被着形成されている非晶質シリコン層ASには、1
5%以下のレーザビームが到達する。レーザビームLA
の照射強度は図4に示すEmaxで、例えば300〜7
00mJ/cm2であり、より好ましい条件は400〜
600mJ/cm2である。図2(a)に示すように、
エネルギー強度がEeffの領域ではレーザ吸収・昇華
層BSは昇華するが、Einf1とEinf2の領域で
はレーザ吸収・昇華層BSは昇華せずに残る。この時、
レーザ吸収・昇華層BSが昇華した領域Aと領域Bにあ
る非晶質シリコン層ASは、到達したレーザビームのエ
ネルギーが不十分なために変化しない。次に、図2
(b)に示すようにARR方向に走査して位置をずらし
て一回目のパルスレーザビームLA1の照射領域に部分
的に重なるように、2回目のパルスレーザビームを照射
する。領域Bでは、レーザビームは絶縁薄膜NKを透過
して非晶質シリコン層ASに到達するため、多結晶シリ
コン層CPSが形成される。一方、領域Cでは、レーザ
吸収・昇華層BSが昇華し、非晶質シリコン層ASは変
化しない。さらに、位置をずらして3回目のパルスレー
ザビームを照射すると図2(C)に示すように、領域C
が結晶化する。上記のように、レーザビームのエネルギ
ーによって適度に吸収し、昇華するレーザ吸収・昇華層
を利用することにより、ビームのエッジ領域で微結晶シ
リコンを発生することなく、図3に示すように基板全面
に渡ってパルスレーザの照射により均一な特性の多結晶
シリコン層CPSを形成することができる。
【0014】本実施例では非晶質シリコン層ASについ
ての説明したが、レーザ結晶化する薄膜は非晶質シリコ
ン層に限らず、多結晶シリコン層の再結晶化、金属薄膜
の結晶化に応用することができる。さらに、本実施例で
は、薄膜の結晶化について説明したが、パルスレーザの
照射による薄膜の非晶質化や平坦化などにも本発明を適
用することができる。
【0015】絶縁薄膜NKに被着形成するレーザ吸収・
昇華層BSは非晶質シリコン層に限らず、多結晶シリコ
ンあるいは、酸化クロム薄膜、硫化亜鉛、ヨウ化銀など
の薄膜でも本発明を実施することが可能である。非晶質
シリコン層とレーザ吸収・昇華層BSの間には絶縁薄膜
NKがあるので、レーザ吸収・昇華層BSの不純物によ
り多結晶シリコン層CPSが汚染されることはない。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザービームの幾何学的形状よりも広い面積のシリコン
層を均一に結晶化することができるので、大面積の基板
上にレーザービームの照射によって結晶粒径の大きな電
気的特性の優れた良質なシリコン層を均一に形成するこ
とができる。したがって、基板全面に移動度の高い高性
能の薄膜トランジスタを室温のレーザーアニールにより
基板全面に形成することができるので、駆動回路を内蔵
したアクティブマトリックス方式の平面表示体を、歪温
度の低い安価なガラス基板に製造することができる。こ
の結果、平面表示体のコストは、基板に効果な石英基板
でなく安価なガラス基板に形成することができるので、
平面表示体のコストが安価になる。
【0017】また、エキシマレーザを利用すればシリコ
ン層の吸収係数が大きいので3次元半導体集積回路の構
成するための均一な多結晶シリコン薄膜を形成すること
もできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体層を形成する実施例の工程
図。
【図2】 本発明の半導体層を形成する実施例の具体的
説明図。
【図3】 本発明の半導体層を形成する実施例の工程
図。
【図4】 パルスレーザビームのエネルギー強度分布を
示す図。
【図5】 パルスレーザビームによる半導体層の結晶化
の従来例の図。
【図6】 従来の方法により結晶化された半導体層層の
状態を示す図。
【符号の説明】
GL 絶縁基板 AS 非晶質シリコン層 NK 絶縁薄膜 BS レーザ吸収・昇華層 LA レーザパルスビーム LA1 1回目のレーザパルスビーム LA2 2回目のレーザパルスビーム LA3 3回目のレーザパルスビーム ARR レーザビームの走査方向 CPS 多結晶シリコン層 MPS 微結晶シリコン層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上に非晶質または多結晶の半導
    体層を形成する工程と、上記半導体層上に絶縁薄膜を被
    着形成する工程と、上記絶縁薄膜上にパルスレーザのエ
    ネルギーを吸収する薄膜を形成する工程と、上記薄膜に
    パルスレーザを照射することを特徴とする半導体層の形
    成方法。
  2. 【請求項2】 前記請求項1においてパルスレーザの最
    大エネルギー強度が、前記パルスレーザのエネルギーを
    吸収する薄膜を昇華できるエネルギー強度であることを
    特徴とする半導体層の形成方法。
  3. 【請求項3】 前記請求項1において上記半導体層上に
    被着形成した絶縁薄膜がパルスレーザ光を透過すること
    を特徴とする半導体層の形成方法。
JP3235099A 1991-09-13 1991-09-13 半導体層の形成方法 Pending JPH0574704A (ja)

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