JPH0732122B2 - シリコン基体の製造方法 - Google Patents

シリコン基体の製造方法

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JPH0732122B2
JPH0732122B2 JP59232789A JP23278984A JPH0732122B2 JP H0732122 B2 JPH0732122 B2 JP H0732122B2 JP 59232789 A JP59232789 A JP 59232789A JP 23278984 A JP23278984 A JP 23278984A JP H0732122 B2 JPH0732122 B2 JP H0732122B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、シリコンとは異種のセラミック基板上へ高品
質の結晶シリコン膜を配置したシリコン基体の製造方法
に関するものである。
[従来技術] 最近SOI(Silicon on Insulator)技術が研究されてい
るが、石英基板上の結晶シリコン薄膜についての報告は
あるものの、溶融・結晶化に際して熱膨張係数の違いか
らシリコン薄膜に亀裂が入って素子を作る迄に至ってい
ない。基板としてはシリコンウエハ上に絶縁膜を形成し
たものが多く、その絶縁膜上にシリコン薄膜を形成し、
それを溶融・結晶化して素子形成等に使用していた。し
かし、シリコンウエハを使用している以上、大面積素子
を低価格で製造することは不可能であり、シリコンウエ
ハよりも低価格な異種基板上に結晶シリコン膜を亀裂等
がなく、しかも汚染を受けない状態で製造する技術の出
現が望まれていた。
[目的] 本発明の目的は、低価格の異種基板上に亀裂がなく、し
かも汚染原子の量が少なく、結晶粒の大きい結晶シリコ
ン膜を成長させることができるような構造としたシリコ
ン基体の製造方法を提供することにある。
[発明の構成] このような目的を達成するために、本発明では、セラミ
ック基板と、基板上に配置した厚さ1000Å以上のシリコ
ン酸化膜および窒化膜の少なくとも一方あるいはシリコ
ン酸化・窒化膜(2層又は中間化合物)よりなるバッフ
ァ層と、バッファ層上に設けられ溶融・結晶化した結晶
シリコン膜とによりシリコン基体を構成する。
本発明では、このような基本的な構成の他に、上記バッ
ファ層と結晶シリコン膜との間に第3の膜を設けてデバ
イス製造上格別な効果をもたらすようにすることもでき
る。すなわち、本発明シリコン基体は、バッファ層と結
晶シリコン膜との間に、予め所望の有効不純物を含有さ
せたシリコン酸化膜(低級酸化膜も含む),シリコン窒
化膜(低級窒化膜も含む),およびその2層または中間
化合物膜,シリコン炭化膜等のシリコン化合物膜を設
け、溶融・結晶化の際に前記シリコン結晶膜に不純物を
添加した構成のデバイスを製造するときに格別な効果を
有する不純物添加膜構成として用いることができる。こ
の場合、バッファ層に有効不純物を含有させて第3の膜
の役割を行わせることもできる。
さらにまた、本発明では、前記結晶シリコン膜の裏面で
のコンタクトをとるために、結晶シリコンより融点の高
い導電性膜をバッファ層と結晶シリコン膜との間に設け
た構成とすることもできる。
[実施例] 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明シリコン基体の構成例を示し、1はセラ
ミック基板、2はこの基板1上に配置したバッファ層、
3はバッファ層2上の結晶シリコン膜である。
本発明では、石英よりもシリコンに熱膨張係数の近いア
ルミナ等のセラミック基板1を用いる。通常、アルミナ
基板の表面には、仕上げが良好なものでも、サブμmか
ら数μmの凹凸があり、このためシリコン膜の基板への
機械的付着が良好である。しかし、シリコン膜の溶融・
結晶化のためにレーザ等の光線または電子線で走査・溶
融した後の結晶粒は、面積にして10μm2以下のものが多
く、未だ素子作製には不充分であり、かつ基板からの汚
染不純物原子が膜中に1017個/cm3以上混入し、素子を
作製しても良好な特性が期待できなかった。
そこで、本発明では、セラミック基板1とシリコン膜3
との間にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜またはそ
れらの二層膜あるいはシリコン酸化・窒化膜によるバッ
ファ層2を挿入することによって、上記の汚染不純物原
子濃度を一桁以上減少させ、さらに結晶粒もその面積が
100μm2以上に達する大きさまで増大させることができ
る。本発明によれば、セラミック基板1からの汚染不純
物原子濃度を小さくできるので、素子作製に有効な、有
効不純物を添加して膜の特性を制御することもできる。
この有効不純物はセラミック基板1とシリコン膜2との
間に挿入するシリコン酸化膜または窒化膜またはその多
層膜中の何れか一層に含ませておいても良いし、さらに
この有効不純物を含むシリコン酸化膜の層をバッファ層
2と結晶シリコン膜3との間に配置しても良い。このよ
うな構成で、シリコン膜を溶融・結晶化すると、有効不
純物は膜の基板側から表面に向けて減少する不純物濃度
分布をとるので、素子作製上好都合なことが多い。
以上に本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1〜6 アルミナセラミック基板((株)京セラ製,商品名スム
ース基板)上へバッファ層としてスピンオンシリコン酸
化膜をそれぞれ厚さ1000Å(実施例1),2200Å(実施
例2),4000Å(実施例3)塗布して200℃で30分間加熱
乾燥し、更に690℃でベーキングを行い、その上にモノ
シランの熱分解により、630℃前後の温度で3μmの厚
さにアモルファスと微結晶の混在するシリコン薄膜を堆
積した。
実施例1〜3と同種のセラミック基板上へ680℃の熱CVD
によりバッファ層としてシリコン窒化膜を1270Å成長さ
せた基板(実施例4)、実施例1〜3と同様の方法でシ
リコン酸化膜を厚さ4200Åだけ塗布して更にシリコン窒
化膜を厚さ1270Åほど成長させてバッファ層とした基板
(実施例5)および実施例1〜3と同様の方法でシリコ
ン酸化膜を約8000Åの厚さに塗布して更にシリコン窒化
膜を厚さ1300Åほど成長させてバッファ層とした基板
(実施例6)上に同様に3μmの厚さにシリコン薄膜を
堆積させた。
これら実施例1〜6で得た試料をArレーザビーム(ビー
ム径は約60μmφとした)で最適のスイープ速度(5−
20mm/sec),ピッチ(30〜40μm)を以って3〜4.5Wの
エネルギーを加え溶融・結晶化した。これにより再結晶
化したシリコン薄膜は多結晶であった。結晶化後の結晶
粒を観測するためにSECCOエッチ(重クロム酸カリ水溶
液(4重量%):50%フッ酸水溶液=1:2に混合)を行っ
て粒界を観察できるようにし、一定面積の中の結晶粒の
個数を計測して平均の結晶粒面積を導出した。この結果
を第1表に示す。なお、第1表に示す比較例1は、バッ
ファ層を設けない従来例である。
第1表から、本発明により、セラミック基板上にシリコ
ン酸化膜または窒化膜によるバッファ層を介挿してシリ
コン薄膜を堆積すると、結晶粒平均面積は実施例1また
は4のような約1000Åのバッファ層に対しても、比較例
1に対してすでに倍まで増大させる効果があり、実施例
5または6のようにシリコン窒化膜とシリコン酸化膜と
の2重層からなるバッファ層を用いた場合には結晶粒面
積は10〜20倍にも拡大され、改善の程度が著しいことが
わかる。
結晶粒の増大の他にバッファ層はセラミック基板からの
汚染不純物の混入を緩和する。SIMS(二次イオン分析装
置)を用いた解析によれば、アルミナセラミックの場
合、バッファ層を設けないときには、結晶化したシリコ
ン薄膜の中にはアルミニウム,マグネシウム等の不純物
が基板から溶け込んでおり、このため膜のキャリア濃度
も高くなっている。バッファ層はこの基板からの不純物
の混入を少なくとも一桁は減少させることがわかった。
第1表にこの効果を数量的に示すためにアルミニウムの
混入と関係が深いと思われるキャリア濃度の測定値を示
す。実施例1または4の1000Åのシリコン酸化膜,シリ
コン窒化膜で約1/10,実施例5または6のシリコン窒化
膜とシリコン酸化膜との2重層で1/40に汚染不純物濃度
を減少させることができた。
実施例7 基板側からこのシリコン溶融・結晶化膜へ、デバイス製
造に都合のよい不純物である硼素を添加した。まず、ア
ルミナ基板上に厚さ約4000Åのシリコン酸化膜,厚さ13
00Åのシリコン窒化膜を塗布して200℃で熱処理し、更
に硼素を含むシリコン酸化膜を厚さ1400Åに塗布し、つ
いでモノシランの熱分解により630℃でシリコン薄膜を
厚さ3μm堆積した。この試料を前述のようにArレーザ
ビームで溶融・結晶化し、結晶粒平均面積およびキャリ
ア濃度を測定した。結晶粒平均面積は約150μm2、キャ
リア濃度は8×1017個/cm3であり、5×1015個/cm3
バックグランド濃度に対して、活性な硼素が意図したよ
うに添加されていることが判明した。しかもこの硼素は
シリコン酸化膜(基板側)側から不純物濃度が減少して
行くように分布しており、太陽電池等のデバイスの試作
に都合の良い分布となっている。
上記の溶融・結晶化シリコン薄膜を用いて太陽電池を試
作した。上記薄膜上にリン原子を含んだ厚さ300〜500Å
のアモルファスシリコン膜と更に900Åの酸化錫・イン
ジウム(ITO)膜をそれぞれプラズマCVD技術と電子ビー
ムの蒸着技術により堆積した。溶融再結晶化シリコン薄
膜にはアルミニウム薄膜を正電極として蒸着し、負電極
としては上記のITO膜を用いた。この太陽電池にAM1.5ス
ペクトルの擬似太陽光を照射したところ、10mA/cm2以上
の短絡光電流が得られた。これと同時に結晶シリコンウ
エハ(厚み400μm)上に作られた太陽電池の短絡光電
流は22mA/cm2であり、約100分の1の厚さの本発明の溶
融再結晶化シリコン薄膜でこの1/2の短絡光電流値が得
られた。したがって、本例により材料利用効率としては
約50倍の新技術が得られたことになる。
上記実施例7の他に、シリコン窒化膜,シリコンオキシ
ナイトライド膜,シリコン炭化膜等のシリコン化合物膜
に、硼素や燐原子等の有効不純物の化合物を添加したも
のをバッファ層とシリコン膜との間に挿入しておいて、
溶融・結晶化を行うことによって、有効不純物を結晶シ
リコン膜中へ裏面から添加することもできる。更に、低
級シリコン酸化膜,窒化膜(たとえば酸素または窒素が
シリコンに対して数%〜数十%混入した膜)やシリコン
炭化膜等の高融点半導体膜は、有効不純物を添加してバ
ッファ層と結晶シリコン膜との間に挿入し、シリコン膜
を溶融・結晶化した場合に導電性が得られ、シリコンの
裏面コンタクトとして、太陽電池,バイポーラデバイス
等の製造の場合には有用な機能層として利用することが
できる。更にまた、上記高融点半導体膜とバッファ層と
の間に高融点導体の膜を挿入しておくことにより、裏面
コンタクト層の抵抗を一層低下させることが可能とな
る。
[効果] 以上から明らかなように、本発明はセラミック基板とこ
の基板上に設けられた1000Å以上のシリコン酸化膜ある
いは窒化膜あるいは酸化膜と窒化膜との二重膜をバッフ
ァ層となし、さらにこのバッファ層上に溶融・結晶化し
た結晶シリコン膜を配置するので、結晶シリコン薄膜を
低価格に、高純度で、かつ結晶粒の大きい状態で、得る
ことができ、しかも電子的な特性、光電特性も優れたも
のが得られる。本発明によればシリコンの有効利用が可
能で、セラミック基板上に大面積、かつ高性能のデバイ
スまたは大集積化が可能となる。しかも、薄膜電子デバ
イスの基板側から不純物の導入も可能であるため、デバ
イス設計上大きな利点を生ずる。
更にまた、本発明では、高融点の導電性の膜をバッファ
層と結晶シリコン膜の間に挿入することができ、この導
電性の膜をコンタクト層としてデバイス製造時に活用で
きるという格別な効果が生ずる。
なお、本発明の実施例では、シリコン酸化膜、窒化膜の
2例およびそれらの2層膜の例を挙げたが、いわゆるシ
リコン・オキシ・ナイトライド膜(シリコン酸化・窒化
膜)を用いても同様な効果が得られる。シリコン薄膜の
厚さも0.5μm〜10μmまで同様な効果が得られること
が確められた。
本発明で溶融・結晶化手段は上述のアルゴンレーザの場
合に限られず、各種の加熱手段を用いることができ、た
とえば5〜10μmとシリコン膜厚が厚い場合は、YAGレ
ーザを用いることができる。電子ビームまたはランプ加
熱により溶融・結晶化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面図である。 1……セラミック基板、2……バッファ層、3……結晶
シリコン膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 徹夫 茨城県新治郡桜村梅園1丁目1番4号 電 子技術総合研究所内 (72)発明者 中村 之大 東京都新宿区早稲田南町35番地 (56)参考文献 特開 昭56−111258(JP,A) 特開 昭59−121823(JP,A) 特公 昭40−22696(JP,B1) 半導体振興研究会編「半導体研究」第4 巻,1969.3.25,株式会社工業調査会発 行,第154〜155頁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック基板上に、厚さ1000Å以上のシ
    リコン酸化膜上にシリコン窒化膜を設けた二層膜よりな
    るバッファ層を配置し、該バッファ層の上面のシリコン
    窒化膜に接して、シリコン膜を上記バッファ層を溶融さ
    せない程度の温度で堆積し、更に該シリコン膜を溶融・
    結晶化させることを特徴とするシリコン基体の製造方
    法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載のシリコン基体
    の製造方法において、前記バッファ層内に有効不純物を
    含ませ、溶融・結晶化を行う時に前記結晶シリコン膜中
    へ有効不純物を添加したことを特徴とするシリコン基体
    の製造方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項記載のシリコン基体
    の製造方法において、前記バッファ層と前記結晶シリコ
    ン膜との間に有効不純物を含んだシリコン化合物膜を配
    置し、溶融・結晶化を行う時に前記シリコン膜中へ有効
    不純物を添加したことを特徴とするシリコン基体の製造
    方法。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項記載のシリコン基体
    の製造方法において、前記バッファ層と前記結晶シリコ
    ン膜との間に、シリコンより高融点の導電性膜を配置し
    て前記結晶シリコン膜の裏面のコンタクト層としたこと
    を特徴とするシリコン基体の製造方法。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第1項記載のシリコン基体
    の製造方法において、前記溶融・結晶化は電子線または
    光線の走査により行うことを特徴とするシリコン基体の
    製造方法。
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