JPH0734431B2 - Method for manufacturing semiconductor crystal layer - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor crystal layer

Info

Publication number
JPH0734431B2
JPH0734431B2 JP63066848A JP6684888A JPH0734431B2 JP H0734431 B2 JPH0734431 B2 JP H0734431B2 JP 63066848 A JP63066848 A JP 63066848A JP 6684888 A JP6684888 A JP 6684888A JP H0734431 B2 JPH0734431 B2 JP H0734431B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
sample
layer
solid phase
semiconductor layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP63066848A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH01239836A (en
Inventor
正國 鈴木
正博 平本
美嗣 荻浦
栄一 軒内
修一 岡野
芳雄 柿本
渡 上坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP63066848A priority Critical patent/JPH0734431B2/en
Publication of JPH01239836A publication Critical patent/JPH01239836A/en
Publication of JPH0734431B2 publication Critical patent/JPH0734431B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体結晶層の製造方法に関する。さらに詳
しくは、絶縁層の上に形成された非晶質半導体層を固相
−固相間の相転移を起こさせることにより単結晶半導体
層を固相エピタキシャル成長させるための方法に関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a semiconductor crystal layer. More specifically, it relates to a method for solid phase epitaxial growth of a single crystal semiconductor layer by causing a solid phase-solid phase transition of an amorphous semiconductor layer formed on an insulating layer.

〔背景技術と発明が解決しようとする課題〕[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]

集積回路の高性能化を目指して現在多くの研究が進めら
れているが、素材の面からは化合物半導体や絶縁膜上半
導体層SOI(Silicon on Insulator)などが研究されて
いる。
A lot of research is currently underway to improve the performance of integrated circuits, but from the viewpoint of materials, compound semiconductors and SOI (Silicon on Insulator) on the insulating film are being researched.

特に、後者(SOI)では、現在のシリコンテクノロジー
における集積回路製造プロセスを殆どそのまま活用でき
ること、更に素子分離が容易であること、寄生容量が少
ないことなどから、高集積で高速の集積回路を実現する
ことができる。また、SOIは3次元集積回路の製作には
欠くことのできない構造であり、次世代集積回路の有力
な候補と考えられている。しかも、固相エピタキシャル
成長によるSOIはシリコンをその融点以上に加熱する必
要がないので、製造温度が低く、且つ省エネルギー的で
あり、高温プロセスをできるだけ避けたい3次元集積回
路の製作や大面積液晶ディスプレイの駆動回路の実現の
ためには不可欠なものである。したがって、固相エピタ
キシャル成長によるSOIの研究の成果が強く期待されて
いる。
Especially, in the latter (SOI), a highly integrated and high-speed integrated circuit can be realized because the integrated circuit manufacturing process in the current silicon technology can be used almost as it is, the element isolation is easy, and the parasitic capacitance is small. be able to. In addition, SOI is an essential structure for the fabrication of three-dimensional integrated circuits and is considered to be a promising candidate for next-generation integrated circuits. Moreover, since SOI by solid phase epitaxial growth does not need to heat silicon above its melting point, it is a low manufacturing temperature and energy-saving, and is suitable for the fabrication of three-dimensional integrated circuits and large-area liquid crystal displays that want to avoid high temperature processes as much as possible. It is indispensable for realizing a drive circuit. Therefore, the results of SOI research by solid-phase epitaxial growth are strongly expected.

しかし、従来の均一加熱を行う単純な炉アニール法で
は、横方向固相エピタキシャル成長距離は100μmを越
える例がなく、高品質で一層大面積のシリコン単結晶薄
膜を形成するための技術が望まれている。
However, in the conventional simple furnace annealing method that performs uniform heating, the lateral solid phase epitaxial growth distance does not exceed 100 μm, and a technique for forming a high-quality and large-area silicon single crystal thin film is desired. There is.

固相エピタキシャル成長法によって大面積の単結晶シリ
コン(c-Si)を得ようとする場合、妨げになるのは多結
晶化である。すなわち、シリコン酸化膜(SiO2)などの
絶縁層の上に非晶質シリコン(a-Si)の薄膜を形成し、
この非晶質シリコンを熱アニールすると、非晶質シリコ
ンに隣接している単結晶の種付け部から次第に単結晶シ
リコン層が固相エピタキシャル成長して行くが、一方で
非晶質シリコン中には微細な結晶核が発生し、この結晶
核が成長して行く。そして、この結晶核の結晶方位はラ
ンダムであるために多結晶となり、このランダムな核生
成が原因となって大きな横方向固相エピタキシャル成長
距離を得ることができなかった。
When trying to obtain a large area of single crystal silicon (c-Si) by the solid-phase epitaxial growth method, the obstacle is polycrystallization. That is, a thin film of amorphous silicon (a-Si) is formed on an insulating layer such as a silicon oxide film (SiO 2 ),
When this amorphous silicon is thermally annealed, the single crystal silicon layer gradually undergoes solid phase epitaxial growth from the single crystal seeding portion adjacent to the amorphous silicon. A crystal nucleus is generated, and this crystal nucleus grows. Then, since the crystal orientation of the crystal nuclei is random, the crystal nuclei become polycrystalline, and a large lateral solid phase epitaxial growth distance cannot be obtained due to the random nucleation.

そこで、本発明者達は、高品質で大面積のシリコン多結
晶薄膜を得るべく、非晶質シリコンの結晶化過程に関す
る基礎研究を続けた。その結果、ランダムな核生成は非
晶質シリコンが加熱されると即時に起こるのではなく、
核を中心として結晶化が起こるまでにはインダクション
タイム(潜伏時間)とでも言うような時間的遅れが存在
するという知見を得た。そこで、本発明の理解を容易に
するため、この基礎研究の方法及び結果を次に説明す
る。
Therefore, the present inventors continued basic research on the crystallization process of amorphous silicon in order to obtain a high-quality, large-area silicon polycrystalline thin film. As a result, random nucleation does not occur immediately when amorphous silicon is heated,
It was found that there is a time delay called an induction time (latency time) before crystallization occurs mainly in the nucleus. Therefore, in order to facilitate understanding of the present invention, the method and results of this basic research will be described below.

まず、試料としては石英ガラス基板の表面に非晶質シリ
コンの薄膜を形成したものが多数用意された。この試料
をアニール炉中に入れてアニール処理すると、上述のご
とく非晶質相にランダムな微結晶核が発生し、これが成
長して多結晶相が生成される訳であるが、この際の微結
晶核発生の様子を知る為、本発明者達は上記の試料につ
いてアニール設定温度及びアニール時間を様々に変化さ
せ、薄膜に結晶化(相変化)が生じているか否かを調べ
た。ここで非晶質相の薄膜形成技術としては、プラズマ
CVD(気相化学反応)法やCVD法、スパッタリング法など
が用いられた。また、非晶質シリコンを結晶化させるた
めには、窒素雰囲気中で等温アニール処理(Isothermal
Annealing)を行った。
First, a large number of samples were prepared by forming a thin film of amorphous silicon on the surface of a quartz glass substrate. When this sample is placed in an annealing furnace and annealed, random microcrystalline nuclei are generated in the amorphous phase as described above, and this grows to form a polycrystalline phase. In order to know the state of generation of crystal nuclei, the inventors of the present invention examined various changes in the annealing temperature and the annealing time for the above samples, and examined whether or not crystallization (phase change) occurred in the thin film. Here, as a technique for forming an amorphous thin film, plasma is used.
The CVD (vapor phase chemical reaction) method, the CVD method, the sputtering method, etc. were used. In order to crystallize amorphous silicon, isothermal annealing (Isothermal
Annealing).

こうして等温アニール処理された試料は、X線回折によ
って結晶化の有無を検査された。また、X線回折で不十
分な試料については、ラマン散乱によって検査し、ラマ
ン散乱の結果を優先した。なお、X線回折では、(11
1)面による回折線が最も顕著に表れるので、この回折
線の強度に注目した。ラマン散乱については、約520cm
-1に出現するピークを非晶質相の結晶化の目安とした。
この結果の一部を第6図のグラフに示す。これはプラズ
マCVD法によって形成された非晶質シリコンの薄膜を630
℃〜680℃の範囲のアニール温度で等温アニール処理を
行った試料について、X線回折及びラマン散乱により測
定した結果を示したものである。
The sample thus anisothermally annealed was inspected for crystallization by X-ray diffraction. In addition, the samples with insufficient X-ray diffraction were inspected by Raman scattering, and the results of Raman scattering were prioritized. In X-ray diffraction, (11
1) Since the diffraction line due to the plane appears most prominently, we focused on the intensity of this diffraction line. About Raman scattering, about 520 cm
The peak appearing at -1 was used as a standard for crystallization of the amorphous phase.
Part of this result is shown in the graph of FIG. This is a thin film of amorphous silicon formed by plasma CVD method.
It shows the results of measurement by X-ray diffraction and Raman scattering for a sample that has been subjected to an isothermal annealing treatment at an annealing temperature in the range of ° C to 680 ° C.

第6図(a)〜(d)の各々において、縦軸はX線強度
を示し、横軸はアニール時間を示しており、また○印は
X線測定の結果を、◎印及び破線の丸印はラマン散乱の
測定結果をそれぞれプロットしたものである。但し、◎
はX線測定とラマン散乱による測定のいずれでも結晶ピ
ークが出ず、両者の結果が一致した場合であり、これに
対し、破線の丸印は両者の結果が不一致の場合で、この
為ラマン散乱の結果を優先してプロットしたものであ
る。ここで、斜線の領域よりもアニール時間が短い側で
は(111)方向のX線強度が零となっているが、これは
非晶質相にあって特定の方向に強くX線を散乱させない
からである。また、斜線の領域よりもアニール時間が長
い側では、結晶化しているために(111)方向のX線散
乱が生じている。即ち、非晶質シリコンの薄膜は、高温
のアニール炉中に挿入されると、直ちに結晶化するので
はなく、一定温度(アニール温度)に達した後かなり長
い時間アモルファス状態(非晶質相)に留まっており、
ある時間経過後急速に結晶化が進行していることが分か
る。この結果、非晶質相の結晶化過程には潜伏時間が存
在すると結論することができ、発明者達はこの潜伏時間
を核生成のためのインダクションタイムtdと名付けた。
In each of FIGS. 6 (a) to 6 (d), the vertical axis represents the X-ray intensity, the horizontal axis represents the annealing time, and the ∘ mark indicates the X-ray measurement result, and the ∘ mark and the dotted circle Marks are plots of Raman scattering measurement results. However, ◎
Indicates that crystal peaks did not appear in both X-ray measurement and Raman scattering measurement, and the results of both were in agreement, whereas the dotted circles indicate that the results of both were inconsistent, and therefore Raman scattering This is a plot with priority given to the result of. Here, the X-ray intensity in the (111) direction is zero on the side where the annealing time is shorter than the shaded region, because this is in the amorphous phase and does not scatter X-rays strongly in a specific direction. Is. Further, on the side where the annealing time is longer than the shaded region, X-ray scattering in the (111) direction occurs due to crystallization. That is, when a thin film of amorphous silicon is inserted into a high temperature annealing furnace, it does not crystallize immediately, but remains in an amorphous state (amorphous phase) for a long time after reaching a certain temperature (annealing temperature). Stays in
It can be seen that crystallization is progressing rapidly after a certain time has passed. As a result, it can be concluded that there is a latency in the crystallization process of the amorphous phase, and the inventors named this latency the induction time t d for nucleation.

インダクションタイムtdは、第6図(a)〜(d)の斜
線の領域内にあり、同図から明らかなようにインダクシ
ョンタイムtdはアニール温度Tによって変化している。
そこで、斜線の領域の幅を測定誤差としてインダクショ
ンタイムtdを対数目盛りで縦軸にとり、1/Tを横軸にと
ってtdと1/Tの関係をプロットしたものが第7図であ
る。この結果、インダクションタイムtdと1/Tとの関係
は第7図のような直線で表され、これを式で表すと、 td=τ・exp(Ea/kT) …… が得られる。ここに、Eaはインダクションタイムの活性
化エネルギーであり、τは半導体薄膜層の材質や薄膜
形成技術によって変化する定数であり、無限大温度にお
けるインダクションタイムに相当するものであるが、こ
のτは実験的に決定することができる。なお、CVD法
やスパッタリング法によって非晶質シリコンの薄膜層を
形成した場合の結果は示さなかったが、定量的には差異
はあるものの、定性的には同様な結果となっている。
Induction time t d is in FIG. 6 (a) ~ hatched region in (d), induction time t d As apparent from the figure has changed by the annealing temperature T.
Therefore, it is taken ordinate in logarithmic scale the induction time t d the width of the shaded area as a measurement error, which the 1 / T was plotted the relation between t d and 1 / T for the horizontal axis is Figure 7. As a result, the relationship between the induction time t d and 1 / T is represented by a straight line as shown in Fig. 7. By expressing this with a formula, t d = τ o exp (E a / kT) …… is obtained. To be Here, E a is the activation energy of the induction time, τ o is a constant that changes depending on the material of the semiconductor thin film layer and the thin film forming technology, and corresponds to the induction time at infinite temperature. o can be determined empirically. It should be noted that although the result of forming the thin film layer of amorphous silicon by the CVD method or the sputtering method is not shown, the result is qualitatively the same although there is a difference in the quantity.

以上の結晶化過程におけるメカニズムは次のように解釈
できると思われる。非晶質層を適当な温度で加熱する
と、微結晶核が発生し、この微結晶核が成長して多結晶
層が生成するが、この現象の駆動力となるものは非晶質
相と結晶相との間の自由エネルギーの差によるものであ
る。すなわち、微結晶核は表面自由エネルギーが大きい
ので、一度生成しても再び無秩序なアモルファス状態に
戻る確率が存在し、ある温度に置かれた非晶質層の中で
は微結晶核が生成したり削減したりしている。したがっ
て、微結晶核が安定に存在し、かつ成長するためには微
結晶核の3次元的な大きさに閾値が存在すると予想され
る。そして、この閾値がインダクションタイムないし多
結晶相生成の時間遅れの原因となるものである。ここ
で、インダクションタイムの温度依存性を考える。微結
晶核の生成率は温度に依存し、温度が高いほど生成率も
大きいと考えられ、また微結晶核が安定な成長を遂げる
ための閾値に達する確率も温度に依存し、温度が高いほ
ど該確率も増大すると考えられる。しかも、この両過程
とも、活性化型の温度依存性を持つと考えることは妥当
である。したがって、温度が高くなるほどインダクショ
ンタイムは短くなる傾向を示すものと考えられ、その温
度依存性もexp(Ea/kT)に比例する活性化型になると期
待されるから、第7図のようにまとめられた実験結果や
式は妥当な結果であると考えられる。
The mechanism in the above crystallization process can be interpreted as follows. When an amorphous layer is heated at an appropriate temperature, microcrystalline nuclei are generated, and these microcrystalline nuclei grow to form a polycrystalline layer. The driving force for this phenomenon is the amorphous phase and the crystalline phase. This is due to the difference in free energy between the phases. That is, since the microcrystalline nuclei have large surface free energy, there is a probability that they will return to a disordered amorphous state once they are generated, and microcrystalline nuclei are generated in an amorphous layer placed at a certain temperature. We are reducing it. Therefore, it is expected that a threshold exists in the three-dimensional size of the microcrystal nuclei in order that the microcrystal nuclei exist stably and grow. Then, this threshold value causes an induction time or a time delay in the production of a polycrystalline phase. Here, consider the temperature dependence of the induction time. The generation rate of microcrystalline nuclei depends on temperature, and it is considered that the higher the temperature, the greater the generation rate, and the probability that the microcrystalline nuclei reach the threshold for achieving stable growth also depends on temperature. It is considered that the probability also increases. Moreover, it is appropriate to consider that both of these processes have activation-type temperature dependence. Therefore, it is considered that the higher the temperature is, the shorter the induction time tends to be, and its temperature dependence is also expected to be the activation type proportional to exp (E a / kT), as shown in Fig. 7. The summarized experimental results and formulas are considered to be valid results.

しかして、本発明は上記の知見(特に、非晶質相が加熱
された場合、ランダムな核生成が起こるまでには、有限
なインダクションタイムの経過が必要であるというこ
と。)に基づいてなされたものであり、その目的とする
ところは、ランダムな核成長による多結晶化を抑えるこ
とによって大面積の多結晶半導体層を固相エピタキシャ
ル成長させることのできる方法を提供することにある。
Therefore, the present invention has been made based on the above findings (particularly, when the amorphous phase is heated, a finite induction time needs to elapse before random nucleation occurs). The object of the invention is to provide a method capable of solid phase epitaxial growth of a large-area polycrystalline semiconductor layer by suppressing polycrystallization due to random nucleus growth.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

このため、本発明の半導体結晶層の製造方法は、絶縁層
の上に非晶質半導体層を形成し、この非晶質半導体層を
ランダムな核生成のためのインダクションタイムよりも
短い時間内に初期温度から固相エピタキシャル設定温度
まで温度上昇させて急峻な立ち上がり温度勾配を有する
温度条件下でアニールし且つ該アニール領域を相対的に
移動させることにより、固相(非晶質半導体)−固相
(単結晶半導体)間の相転移を起こさせて絶縁層の上に
単結晶半導体層を固相エピタキシャル成長させることを
特徴としている。
Therefore, the method for producing a semiconductor crystal layer of the present invention, an amorphous semiconductor layer is formed on the insulating layer, and the amorphous semiconductor layer is formed within a time shorter than the induction time for random nucleation. Solid phase (amorphous semiconductor) -solid phase by increasing the temperature from the initial temperature to the solid phase epitaxial set temperature, annealing under temperature conditions having a steep rising temperature gradient, and relatively moving the annealing region. It is characterized in that a phase transition between (single crystal semiconductor) is caused to cause solid phase epitaxial growth of the single crystal semiconductor layer on the insulating layer.

上記の急峻な温度勾配κは、次式を満足するように決定
するとよい。
The steep temperature gradient κ may be determined so as to satisfy the following equation.

ここに、T1は初期温度、Tepは固相エピタキシャル設定
温度、Eaはインダクションタイムの活性化エネルギー、
kはボルツマン定数、Tは積分定数、Vは非晶質半導体
層の移動速度、τは定数であって無限大温度における
結晶核発生までのインダクションタイムである。
Where T 1 is the initial temperature, T ep is the solid phase epitaxial set temperature, E a is the activation energy of the induction time,
k is a Boltzmann constant, T is an integration constant, V is a moving speed of the amorphous semiconductor layer, and τ o is a constant, which is an induction time until generation of crystal nuclei at infinite temperature.

また、絶縁層上または非晶質半導体層上の一部にシーデ
ィング用の金属層を設け、互いに隣接する金属層と非晶
質半導体層との間で形成される共晶領域から単結晶半導
体層を固相エピタキシャル成長させるようにするとよ
い。
In addition, a metal layer for seeding is provided on a part of the insulating layer or the amorphous semiconductor layer, and a single crystal semiconductor is formed from a eutectic region formed between the metal layer and the amorphous semiconductor layer which are adjacent to each other. The layers may be solid phase epitaxially grown.

〔作用〕[Action]

本発明は、急峻な立ち上がり温度勾配を有する温度条件
下で非晶質半導体層を移動させてアニールし、単結晶半
導体層を固相エピタキシャル成長させているので、非晶
質半導体層のある点が固相エピタキシャル設定温度に達
するまでランダムな核生成が起きないように設定するこ
とができ、広い面積にわたる固相エピタキシャル成長が
可能になるのである。すなわち、急峻な立ち上がり温度
勾配を有する温度条件下で非晶質半導体層を移動させて
アニールすることにより、ランダムな核生成のためのイ
ンダクションタイムよりも短い時間内に低温の初期温度
からエピタキシャル設定温度まで一気に温度を上昇させ
ることができ、このため非晶質半導体層にランダムな核
生成が生じる前に、既に結晶化している領域から固相エ
ピタキシャル成長によって最も結晶化速度の速い結晶面
が非晶質半導体層中に侵入してくるので、多結晶層の生
成を抑制して単結晶半導体層を成長させることができる
のである。このようにして多結晶相の生成を抑制するこ
とで、大面積の単結晶半導体層を得ることができる。
In the present invention, the amorphous semiconductor layer is moved and annealed under the temperature condition having a steep rising temperature gradient, and the single crystal semiconductor layer is solid-phase epitaxially grown. It can be set so that random nucleation does not occur until the phase epitaxial set temperature is reached, and solid phase epitaxial growth over a wide area becomes possible. That is, the amorphous semiconductor layer is moved and annealed under a temperature condition having a steep rising temperature gradient, so that the initial temperature of the low temperature is changed to the epitaxial set temperature within a time shorter than the induction time for random nucleation. It is possible to raise the temperature all at once, and therefore, before random nucleation occurs in the amorphous semiconductor layer, the crystal plane with the highest crystallization rate is amorphous from the already crystallized region by solid phase epitaxial growth. Since it penetrates into the semiconductor layer, it is possible to suppress the generation of the polycrystalline layer and grow the single crystal semiconductor layer. By suppressing the generation of the polycrystalline phase in this manner, a large-area single crystal semiconductor layer can be obtained.

ここで、急峻な立ち上がり温度勾配κは、温度変化を線
形近似した場合には、次式 (ここに、Lは初期温度Tiから固相エピタキシャル設定
温度Tepまで変化している領域の端から端までの距離で
ある。) で表されるものであり、これを移動速度Vとの関係で上
記式を満足するように設定することにより、非晶質半
導体層をインダクションタイムよりも短い時間内で固相
エピタキシャル設定温度に到達させることができる。し
たがって、式により必要な立ち上がり温度勾配の下限
を定量化することができる。
Here, the steep rising temperature gradient κ is expressed by the following equation when the temperature change is linearly approximated. (Here, L is the distance from the end of the region changing from the initial temperature T i to the solid-phase epitaxial set temperature T ep .), Which is referred to as the moving speed V. By setting so as to satisfy the above equation in relation to the above, the amorphous semiconductor layer can reach the solid phase epitaxial set temperature within a time shorter than the induction time. Therefore, the lower limit of the required rising temperature gradient can be quantified by the equation.

また、絶縁層の上にシーディング用の金属層を形成する
ことによって、種付け部となる共晶領域を形成して安定
した固相エピタキシャル成長を実現できる。
Further, by forming a seeding metal layer on the insulating layer, a eutectic region serving as a seeding portion can be formed to realize stable solid phase epitaxial growth.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を添付図に基づいて詳述する。 An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

(試料) まず、準備された試料13は、プラズマCVD法によって石
英ガラス基板1(本実施例における、絶縁層)の表面に
非晶質シリコン膜2(本実施例においける、非晶質半導
体層)を成膜したものであり、第1図に示すように、さ
らに非晶質シリコン膜2の一端にはシーディング用の薄
い金膜〔Au〕4(本実施例における、金属層)が蒸着さ
せられている。試料13としては、種結晶となる金膜4を
持たせず、この試料13の前縁が加熱されて多結晶化する
と、その後は最も成長速度の大きい結晶方位をもつ結晶
で覆われるようにしても広い面積の単結晶層を得ること
が可能であるが、上記のように非晶質シリコン膜2と隣
接して金膜4を形成することにより単結晶成長の再現性
を向上させることができた。即ち、非晶質シリコン膜2
と隣接して金膜4を設けることにより377℃という低温
で隣接領域にSi-Au共晶領域を形成することができるの
で、種結晶の存在を確実にすることができるためであ
る。尚、この金属層としては、金層に限らず、例えばア
ルミニウム層等も用いうる。
(Sample) First, the prepared sample 13 is an amorphous silicon film 2 (an amorphous semiconductor in this example) on the surface of a quartz glass substrate 1 (insulating layer in this example) by a plasma CVD method. As shown in FIG. 1, a thin gold film [Au] 4 for seeding (metal layer in this embodiment) is further formed on one end of the amorphous silicon film 2 as shown in FIG. It is vapor-deposited. The sample 13 does not have the gold film 4 as a seed crystal, and when the front edge of the sample 13 is heated to be polycrystallized, it is covered with a crystal having a crystal orientation with the highest growth rate. Although it is possible to obtain a single crystal layer having a large area, the reproducibility of single crystal growth can be improved by forming the gold film 4 adjacent to the amorphous silicon film 2 as described above. It was That is, the amorphous silicon film 2
This is because the Si-Au eutectic region can be formed in the adjacent region at a low temperature of 377 ° C. by providing the gold film 4 adjacent to the seed film, so that the existence of the seed crystal can be ensured. The metal layer is not limited to the gold layer, but an aluminum layer or the like may be used.

(ラテラルアニール炉) 第2図に示すものは、横方向固相エピタキシャル成長
(LSPE)を行わせるためのラテラルアニール炉の概略断
面図である。このラテラルアニール炉5は、試料冷却ス
テージ6、試料支持ステージ7、試料微動送り装置8、
スポット状局部加熱装置9及び線状局部加熱装置10等か
らなっている。
(Lateral Annealing Furnace) FIG. 2 is a schematic sectional view of a lateral annealing furnace for performing lateral solid phase epitaxial growth (LSPE). The lateral annealing furnace 5 includes a sample cooling stage 6, a sample support stage 7, a sample fine feed device 8,
It comprises a spot-shaped local heating device 9 and a linear local heating device 10.

上記の試料冷却ステージ6と試料支持ステージ7は、試
料13を水平に支持して滑らかに移動させるものであり、
いずれも熱伝導率の高い材質の板、例えば銅板などを用
いて上面を平滑に仕上げられている。また、両試料ステ
ージ6,7は各々支柱11及び12によって水平に支持されて
おり、上面が同じ高さで面一となるようにして互いに先
端部を近接して対向させられており、両試料ステージ6,
7間にはほぼ全幅にわたって小間隙14が形成されてい
る。更に、試料冷却ステージ6は内部ないし下面に水を
循環させるための構造(図示せず)を備えていて水冷方
式で冷却されている。
The sample cooling stage 6 and the sample support stage 7 support the sample 13 horizontally and smoothly move it.
In each case, a plate made of a material having a high thermal conductivity, for example, a copper plate or the like is used to finish the upper surface to be smooth. Both sample stages 6 and 7 are horizontally supported by struts 11 and 12, respectively, and their tips are closely opposed to each other so that their upper surfaces are flush with each other at the same height. Stage 6,
A small gap 14 is formed between 7 along almost the entire width. Further, the sample cooling stage 6 is provided with a structure (not shown) for circulating water inside or on the lower surface and is cooled by a water cooling method.

試料微動送り装置8は、試料13の後端を押して試料13を
移動させるためのプッシュロッド15と、プッシュロッド
15を水平に且つ極く精密に一定速度で移動させるための
送り装置本体16とからなっており、試料冷却ステージ6
側に設置されている。しかして、試料冷却ステージ6及
び試料支持ステージ7の上に載置された試料13は、試料
微動送り装置8によって試料冷却ステージ6から試料支
持ステージ7側へと一定速度で移動させられるのであ
る。
The fine sample feed device 8 includes a push rod 15 for pushing the rear end of the sample 13 to move the sample 13, and a push rod 15.
The sample cooling stage 6 comprises a feeder main body 16 for moving the 15 horizontally and extremely precisely at a constant speed.
It is installed on the side. Then, the sample 13 placed on the sample cooling stage 6 and the sample supporting stage 7 is moved at a constant speed from the sample cooling stage 6 to the sample supporting stage 7 side by the fine sample moving device 8.

スポット状局部加熱装置9は、試料ステージ6,7の上方
に配設されており、第3図(a)に示すように、レーザ
発振器17と集光用の光学系18とを備えている。しかし
て、第1図及び第3図(a)に示すように、レーザ発振
器17から射出されたレーザ光19は光学系18で細く絞ら
れ、小間隙14の位置において試料ステージ6,7の上に載
置された試料13の上面のほぼ中央に点状に焦点を結ぶよ
うに調整されている。ここで用いたレーザ発振器17は、
波長800nm,出力100mWの半導体レーザである。実施例で
は、スポット状局部加熱装置9として、半導体レーザを
用いたが、この他のレーザでもよく、またイオンビーム
や電子ビーム、あるいは光学系によりランプの光を細く
絞ったものを用いることも考えられる。なお、このレー
ザ光19の位置は固定であって、試料13の幅方向には走査
させていない。
The spot-shaped local heating device 9 is arranged above the sample stages 6 and 7, and is provided with a laser oscillator 17 and an optical system 18 for focusing, as shown in FIG. 3 (a). Then, as shown in FIGS. 1 and 3 (a), the laser beam 19 emitted from the laser oscillator 17 is narrowed down by the optical system 18, and is placed on the sample stage 6, 7 at the position of the small gap 14. It is adjusted so that a point-like focus is formed on almost the center of the upper surface of the sample 13 placed on. The laser oscillator 17 used here is
A semiconductor laser with a wavelength of 800 nm and an output of 100 mW. In the embodiment, a semiconductor laser is used as the spot-shaped local heating device 9, but other lasers may be used, and it is also conceivable to use an ion beam, an electron beam, or an optical system in which the light of a lamp is narrowed down. To be The position of the laser beam 19 is fixed, and the sample 13 is not scanned in the width direction.

線状局部加熱装置10は、楕円反射面22をもつ楕円反射炉
20内に線状熱源21を配置したものである。この楕円反射
炉20は、楕円反射面22を金メッキにより鏡面処理したも
のであり、楕円反射面22は断面が楕円を描くように形成
されており(したがって、3次元的には楕円状の筒体を
横にした形態となっている。)、この楕円反射面22の下
側の焦点に線状熱源21が配置されている。また、この楕
円反射面22は上部を欠いて開口させられており、この上
部開口に試料ステージ6,7が位置するようにして楕円反
射炉20が据付けられている。さらに、楕円反射炉20の中
央には試料ステージ6,7の間の小間隙14が位置してお
り、楕円反射面22の上側の焦点は試料ステージ6,7上に
載置された試料13の非晶質半導体層と同じ高さになるよ
うに調整されている(但し、線状熱源21からの光線が石
英ガラス基板1を通過して非晶質半導体層に当たるよう
に試料13を設置したときは、石英ガラス基板1による光
の屈折を考慮してある。)。従って、線状熱源21から出
た熱源24は楕円反射面22で反射して試料13の非晶質半導
体層で集熱される。また、線状熱源21としては、ハロゲ
ンランプや赤外線ランプ、カンタルリボンヒータなどを
用いることができるが、特にハロゲンランプが良好であ
った。なお、線状局部加熱装置10としては、試料冷却ス
テージ6及び試料支持ステージ7に近接してカンタルリ
ボンヒータ等を配置しただけのものも可能であるが、上
記のように楕円反射炉20を用いることにより単結晶成長
の再現性を向上させることができた。
The linear local heating device 10 is an elliptical reflection furnace having an elliptical reflection surface 22.
A linear heat source 21 is arranged inside 20. This elliptical reflection furnace 20 is obtained by subjecting an elliptical reflection surface 22 to a mirror treatment by gold plating, and the elliptical reflection surface 22 is formed so that its cross section draws an ellipse (thus, three-dimensionally an elliptical tubular body). , The linear heat source 21 is arranged at the focal point below the elliptical reflecting surface 22. Further, the elliptical reflection surface 22 is opened with its upper part cut off, and the elliptical reflection furnace 20 is installed so that the sample stages 6 and 7 are located in the upper opening. Furthermore, a small gap 14 between the sample stages 6 and 7 is located in the center of the elliptical reflection furnace 20, and the focus on the upper side of the elliptical reflection surface 22 is that of the sample 13 placed on the sample stages 6 and 7. The height is adjusted to be the same as that of the amorphous semiconductor layer (however, when the sample 13 is placed so that the light beam from the linear heat source 21 passes through the quartz glass substrate 1 and hits the amorphous semiconductor layer). Takes into consideration the refraction of light by the quartz glass substrate 1.). Therefore, the heat source 24 emitted from the linear heat source 21 is reflected by the elliptical reflecting surface 22 and collected by the amorphous semiconductor layer of the sample 13. Further, as the linear heat source 21, a halogen lamp, an infrared lamp, a canthal ribbon heater, or the like can be used, but a halogen lamp is particularly preferable. As the linear local heating device 10, a device in which only a Kanthal ribbon heater or the like is arranged close to the sample cooling stage 6 and the sample support stage 7 is possible, but the elliptical reflection furnace 20 is used as described above. As a result, the reproducibility of single crystal growth could be improved.

(実施方法とその結果) 次に、上記のラテラルアニール炉を用いて横方向固相エ
ピタキシャル成長させる方法を説明する。まず、窒素ガ
ス等の雰囲気中において、試料ステージ6,7の上に試料1
3を載置し、スポット状加熱装置9及び線状加熱装置10
によって金層4と非晶質シリコン膜2とが重なっている
領域を加熱する。こうして、金とシリコンの共晶領域23
が形成され、この共晶領域23が単結晶成長のための種結
晶となる。次いで、スポット状局部加熱装置9及び線状
局部加熱装置10によって試料13の表面を加熱しながら試
料微動送り装置8により試料13を押して一定速度Vで水
平に移動させる。しかして、試料13の移動に伴って試料
13のアニール領域が移ってゆき、試料13表面では単結晶
シリコン膜3(本実施例における、単結晶半導体層)が
共晶領域23から次第に固相エピタキシャル成長してゆく
のである。これを試料13のある断面に着目して見ると、
まず試料冷却ステージ6の上では試料13は初期温度Ti
冷却されており、試料冷却ステージ6の端を越えて小間
隙14の上に出ると下方から線状局部加熱装置10により急
加熱される。したがって、試料13は急峻は立ち上がり温
度勾配のもとで固相エピタキシャル設定温度Tepまで急
速に加熱されることになる。更に、中央部では上からス
ポット状局部加熱装置9により加熱されているので、一
層急峻な立ち上がり温度勾配のもとでアニールされる。
第3図(b)には、試料13の長さ方向に沿っての温度変
化を示してある。同図(b)において、横軸は試料に沿
って測った距離、縦軸は温度であり、横軸上のイが試料
冷却ステージ9の端に対応している。このグラフで、実
線のロ部分は試料冷却ステージ6により冷却されている
状態を表しており、破線ニは線状局部加熱装置10による
加熱状態を表しており、二点鎖線ホはスポット状局部加
熱装置9による加熱状態を表しており、実線のヘ部分は
試料支持ステージ7側での徐冷状態を表している。線状
局部加熱装置10による加熱曲線ニは、急峻な立ち上がり
特性を有しているが、スポット状局部加熱装置9による
加熱領域に比べれば比較的ブロードに立ち上がってい
る。このため、線状局部加熱装置10による加熱にスポッ
ト状局部加熱装置9による加熱が重畳されると、第3図
(b)の実線のハ部分のように一層急峻な立ち上がり温
度勾配が得られた。こうして、急峻な立ち上がり温度勾
配の温度条件下で試料13を移動させて表面の非晶質シリ
コン膜2をアニールすることにより、温度を速やかに固
相エピタキシャル設定温度まで上昇させることが可能に
なる。そして、非晶質シリコン膜2の温度を核生成のた
めのインダクションタイムよりも短い時間内に固相エピ
タキシャル設定温度まで上昇させると、未だインダクシ
ョンタイムを経過していないためにランダムな核生成が
起きておらず、一方固相エピタキシャル設定温度に達し
た非晶質シリコン膜2は共晶領域からの固相エピタキシ
ャル成長により単結晶シリコン膜3が生成される。この
結果、多結晶相のシリコンを含まない大面積の単結晶シ
リコン膜3が得られるのである。第4図には、こうして
固相エピタキシャル成長させられた試料13を模式的に示
してある。ここで、右端の部分が蒸着された金層4であ
り、この部分は最初に加熱されて377℃で共晶が形成さ
れているが、膜厚が厚く固溶溶限以上の金元素が残って
いるために該部分は不透明である。また、左端の部分は
アニールされていない非晶質シリコン膜2であり、赤黒
色のまま変化していない。中央の部分が単結晶化した単
結晶シリコン膜3であり、この部分は非晶質相よりも可
視光での吸収係数が小さいために薄い黄色透明となって
いる。この部分の長さsが横方向固相エピタキシャル成
長距離であり、実験の結果では約2mmのものが得られ
た。この2mmという値は、従来の44μmという値に較べ
れば非常に大きな値(2桁大きな数字である。)である
が、これはラテラルアニール炉の温度制御精度などの向
上によりcmのオーダーまで伸ばすことができると考えら
れ、さらにはウエハサイズのものまで製作できると期待
することができる。
(Method of Implementation and Result) Next, a method of lateral solid phase epitaxial growth using the above-mentioned lateral annealing furnace will be described. First, place the sample 1 on the sample stages 6 and 7 in an atmosphere such as nitrogen gas.
3 is placed, the spot heating device 9 and the linear heating device 10
The region where the gold layer 4 and the amorphous silicon film 2 overlap is heated by. Thus, the eutectic region of gold and silicon 23
Are formed, and this eutectic region 23 becomes a seed crystal for growing a single crystal. Then, while heating the surface of the sample 13 by the spot-shaped local heating device 9 and the linear local heating device 10, the sample 13 is pushed by the sample fine movement feeding device 8 and moved horizontally at a constant speed V. Then, as the sample 13 moves, the sample
The annealing region of 13 moves, and the single crystal silicon film 3 (single crystal semiconductor layer in this embodiment) on the surface of the sample 13 gradually solid-phase epitaxially grows from the eutectic region 23. Looking at this with a particular cross section of sample 13,
First, on the sample cooling stage 6, the sample 13 has been cooled to the initial temperature T i , and when it goes beyond the end of the sample cooling stage 6 and comes out above the small gap 14, it is rapidly heated by the linear local heating device 10 from below. It Therefore, the sample 13 is rapidly heated up to the solid phase epitaxial set temperature T ep under the rising temperature gradient. Further, since the central portion is heated by the spot-shaped local heating device 9 from above, annealing is performed under a steeper rising temperature gradient.
FIG. 3B shows the temperature change along the length direction of the sample 13. In the figure (b), the horizontal axis is the distance measured along the sample, the vertical axis is the temperature, and the a on the horizontal axis corresponds to the end of the sample cooling stage 9. In this graph, the solid line B represents the state of being cooled by the sample cooling stage 6, the broken line D represents the state of heating by the linear local heating device 10, and the two-dot chain line E is the spot local heating. The heating state by the device 9 is shown, and the solid line F shows the gradually cooled state on the sample support stage 7 side. The heating curve D by the linear local heating device 10 has a steep rising characteristic, but rises relatively broadly as compared with the heating region by the spot local heating device 9. Therefore, when the heating by the spot-shaped local heating device 9 is superimposed on the heating by the linear local heating device 10, a steeper rising temperature gradient is obtained as indicated by the solid line C in FIG. 3 (b). . Thus, by moving the sample 13 and annealing the amorphous silicon film 2 on the surface under the temperature condition of the steep rising temperature gradient, the temperature can be quickly raised to the solid phase epitaxial set temperature. Then, when the temperature of the amorphous silicon film 2 is raised to the solid phase epitaxial set temperature within a time shorter than the induction time for nucleation, random nucleation occurs because the induction time has not yet passed. On the other hand, on the other hand, the amorphous silicon film 2 which has reached the solid-phase epitaxial set temperature, the single-crystal silicon film 3 is generated by the solid-phase epitaxial growth from the eutectic region. As a result, a large area single crystal silicon film 3 containing no polycrystalline silicon is obtained. FIG. 4 schematically shows the sample 13 thus solid-phase epitaxially grown. Here, the rightmost part is the vapor-deposited gold layer 4, and this part was first heated to form a eutectic at 377 ° C., but the film thickness was thick and gold elements above the solid solution limit remained. The area is opaque due to Further, the left end portion is the amorphous silicon film 2 which is not annealed, and remains unchanged reddish black. The central portion is a single crystal silicon film 3 that has been single-crystallized, and this portion is light yellow and transparent because it has a smaller absorption coefficient in visible light than the amorphous phase. The length s of this portion is the lateral solid phase epitaxial growth distance, and the experimental result was about 2 mm. This value of 2 mm is much larger than the conventional value of 44 μm (a two-digit large number), but it should be extended to the cm order by improving the temperature control accuracy of the lateral annealing furnace. It can be expected that a wafer size wafer can be manufactured.

また、スポット状局部加熱装置9で照射されていない非
晶質シリコン膜2の両側部分でも、第3図(b)の破線
ニで示すような急峻な立ち上がり温度勾配を有する温度
条件下でアニールされているが、更にこの両側部分では
横方向固相エピタキシャル成長速度の大きな中央の部分
に引きずられて固相エピタキシャル成長が進行してい
る。つまり、中央部分はスポット状局所加熱装置9によ
り加熱されていて両側よりも大きな温度になるので、大
きな横方向固相エピタキシャル成長速度を有しており、
この中央部分が種結晶となって両側部分を引きずるよう
にして成長しており、このため第4図に見られるように
結晶質シリコン膜3の左縁がくの字型に見えているので
ある。したがって、試料13の移動速度を変化させれば、
このくの字型の角度も変化すると推測される。
Further, both side portions of the amorphous silicon film 2 which are not irradiated with the spot-shaped local heating device 9 are annealed under the temperature condition having a steep rising temperature gradient as shown by a broken line D in FIG. 3 (b). However, the solid-phase epitaxial growth is further dragged by the central portion where the lateral solid-phase epitaxial growth rate is large on both sides. That is, since the central portion is heated by the spot-shaped local heating device 9 and has a temperature higher than those on both sides, it has a large lateral solid phase epitaxial growth rate,
This central portion serves as a seed crystal and grows so that both side portions are dragged. Therefore, the left edge of the crystalline silicon film 3 looks like a dogleg as shown in FIG. Therefore, if the moving speed of the sample 13 is changed,
It is assumed that the angle of this dogleg shape also changes.

アニール温度はシリコンの融点以下であり、80℃〜900
℃の温度が適当と考えられるが、上記の実施例では約78
0℃でアニールされたと推定される。固相エピタキシャ
ル成長速度Vepとしては約1000μm/hの値を達成できた。
Annealing temperature is below the melting point of silicon, 80 ℃ ~ 900
A temperature of ° C is considered suitable, but in the above example about 78
Presumed to be annealed at 0 ° C. The solid-phase epitaxial growth rate V ep of about 1000 μm / h could be achieved.

(第一の条件式) 次に、必要な立ち上がり温度勾配の大きさを見積もるた
めの式を与える。即ち、温度勾配κをもって試料13を初
期温度Tiから固相エピタキシャル設定温度Tepまで温度
上昇させるとすると、この時の温度勾配κは、試料13の
移動速度Vとの関係で、 の式を満たす必要がある。
(First Conditional Expression) Next, an expression for estimating the magnitude of the required rising temperature gradient is given. That is, assuming that the temperature of the sample 13 is raised from the initial temperature T i to the solid phase epitaxial set temperature T ep with the temperature gradient κ, the temperature gradient κ at this time is related to the moving speed V of the sample 13, Must satisfy the formula.

次に、この式を証明する。まず、試料温度は試料13が
距離Lを移動する間に初期温度Tiから固相エピタキシャ
ル設定温度Tepまで直線的に上昇しているとして、第9
図に破線で示すように温度勾配を直線近似しよう。温度
Tiの位置から距離xの位置における温度Txは、 Tx=κx+Ti …… で表される。ここで、温度勾配κは、 で表される。
Next, we prove this formula. First, it is assumed that the sample temperature linearly rises from the initial temperature T i to the solid-phase epitaxial set temperature T ep while the sample 13 moves the distance L.
Let's approximate the temperature gradient linearly as shown by the broken line in the figure. temperature
Temperature T x at the position of distance x from the position of the T i is expressed by T x = κx + T i ...... . Where the temperature gradient κ is It is represented by.

さらに、区間Lを微小区間ξ(ξ=1,2,…,n)にn等分
し、この間でTiとTepとを結ぶ直線を第9図に示すよう
な階段状の折れ線で近似する。よって、各微小区間ξの
幅Δx、試料13が各微小区間ξに滞在している時間Δ
t、各微小区間毎の温度の増分ΔTは、それぞれ次式で
与えられる。
Further, the section L is divided into n equal sections ξ (ξ = 1,2, ..., n), and a straight line connecting T i and T ep between them is approximated by a stepped polygonal line as shown in FIG. To do. Therefore, the width Δx of each minute section ξ, the time Δ that the sample 13 stays in each minute section ξ
t and the temperature increment ΔT for each minute section are given by the following equations.

Δx=L/n Δt=Δx/V ΔT=(Tep−Ti)/n この三式よりΔxとnを消去してΔtとΔTとの関係を
求めると、 Δt=LΔT/(Tep−Ti)V となり、これは温度勾配κを用いて Δt=ΔT/κV …… と表せる。
Δx = L / n Δt = Δx / V ΔT = (T ep −T i ) / n When Δx and n are deleted from these three formulas and the relationship between Δt and ΔT is obtained, Δt = LΔT / (T ep − T i ) V, which can be expressed as Δt = ΔT / κV ... Using the temperature gradient κ.

次に、温度が第9図のように階段状に変化して行く場合
を想定し、各微小領域ξにおいて、ランダムな核生成が
生じるまでに残された時間を求めてみよう。温度Tにお
けるインダクションタイムtdは、背景技術の欄で述べた
通り、 td=τ・exp(Ea/kT) …… で与えられるから、温度Tiの微小領域(ξ=1)におけ
るインダクションタイムは、 τ・exp(Ea/kTi) となり、またこの微小領域の終わりにおいてはランダム
な核生成までの残り時間(以下、単に残り時間とい
う。)は、 τ exp(Ea/kTi)−Δt となっている。これより、微小領域ξ=1での残り時間
率は、 で与えられる。
Next, assuming a case where the temperature changes stepwise as shown in FIG. 9, let's find the time left until random nucleation occurs in each micro region ξ. Since the induction time t d at the temperature T is given by t d = τ o · exp (E a / kT) ... As described in the background section, in the minute region of the temperature T i (ξ = 1) The induction time is τ o exp (E a / kT i ), and at the end of this minute region, the remaining time until random nucleation (hereinafter simply referred to as remaining time) is τ o exp (E a / KT i ) -Δt. From this, the remaining time ratio in the small area ξ = 1 is Given in.

次に、温度Ti+ΔTの微小領域(ξ=2)を考える。既
にξ=1の微小領域において温度TiでΔt時間アニール
されているので、ここを出発点とすると、核生成までの
インダクションタイムとしては、残り時間率で表された
比率だけの時間が残っている。従って、ξ=2の微小領
域におけるインダクションタイムは、 τexp(Ea/k(Ti+ΔT)) ×〔1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi)〕 で表される。従って、微小領域ξ=2での残り時間は、 τexp(Ea/k(Ti+ΔT))〔1−(Δt/τ) ×exp(−Ea/kTi)〕−Δt となり、残り時間率は {τexp(Ea/k(Ti+ΔT))〔1 −(Δt/τ)exp(−Ea/kTi)〕−Δt} ÷τexp(Ea/k(Ti+ΔT)) =1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) で表される。
Next, consider a small region (ξ = 2) of temperature T i + ΔT. Since it has already been annealed for Δt time at the temperature T i in the minute region of ξ = 1, if this is used as the starting point, the induction time until nucleation will have a time corresponding to the ratio represented by the remaining time ratio. There is. Therefore, the induction time in the minute region of ξ = 2 is represented by τ o exp (E a / k (T i + ΔT)) × [1- (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i )] It Therefore, the remaining time in the small region ξ = 2 is τ o exp (E a / k (T i + ΔT)) [1- (Δt / τ o ) × exp (-E a / kT i )]-Δt , The remaining time ratio is {τ o exp (E a / k (T i + ΔT)) [1- (Δt / τ o ) exp (-E a / kT i )] − Δt} ÷ τ o exp (E a / k (T i + ΔT)) = 1− (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT)).

同様にして、温度Ti+2ΔTの微小領域ξ=3では、結
果だけを示せば、 インダクションタイム; τexp(Ea/k(Ti+2ΔT))〔1 −(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT))〕 残り時間; τexp(−Ea/k(Ti+2ΔT)〔1 −(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT))〕 −Δt 残り時間率; 1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi)〕 −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+2ΔT)) で表される。
Similarly, in the small region ξ = 3 of the temperature T i + 2ΔT, if only the result is shown, the induction time; τ o exp (E a / k (T i + 2ΔT)) [1 − (Δt / τ o ) exp ( −E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT))] Remaining time; τ o exp (−E a / k (T i + 2ΔT) [1 − (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT))] −Δt Remaining time rate; 1− (Δt / τ o ) exp ( −E a / kT i )] − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT)) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) To be done.

これを演繹すると、温度Ti+(n−1)ΔTの最後の微
小領域(ξ=n)では、 インダクションタイム; τexp〔Ea/k(Ti+(n−1)ΔT)〕 ×{1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+2ΔT))…… …
… …… …… …… −(Δt/τ)exp〔−Ea/k(Ti+(n−2)Δ
T)〕} 残り時間; τexp〔Ea/k(Ti+(n−1)ΔT)〕 ×{1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+2ΔT))…… …
… …… …… …… −(Δt/τ)exp〔−Ea/k(Ti+(n−2)Δ
T)〕} −Δt 残り時間率; 1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi)〕 −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+Δ2T))…… ……
…… …… −(Δt/τ)exp〔−Ea/k(Ti+(n−1)ΔT)〕 が得られる。
By deducing this, the induction time; τ o exp [E a / k (T i + (n-1) ΔT)] in the last minute region (ξ = n) of the temperature T i + (n-1) ΔT × {1- (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT)) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) …………
……………………… − (Δt / τ o ) exp [−E a / k (T i + (n-2) Δ
T)]} Remaining time; τ o exp [E a / k (T i + (n-1) ΔT)] × {1- (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT)) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) …………
……………………… − (Δt / τ o ) exp [−E a / k (T i + (n-2) Δ
T)]}-Δt remaining time rate; 1- (Δt / τ o ) exp (-E a / kT i )]-(Δt / τ o ) exp (-E a / k (T i + ΔT))-( Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + Δ2T)) …………
............ − (Δt / τ o ) exp [−E a / k (T i + (n−1) ΔT)] is obtained.

よって、固相エピタキシャル設定温度Tepに達した瞬間
におけるインダクションタイムは、 τexp(Ea/k(Ti+nΔT)) ×{1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+2ΔT))…… …
… …… …… …… −(Δt/τ)exp〔−Ea/k(Ti+(n−1)Δ
T)〕} …… となる。
Therefore, the induction time at the moment when the solid phase epitaxial set temperature T ep is reached is τ o exp (E a / k (T i + nΔT)) × {1- (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + ΔT)) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) …………
……………………… − (Δt / τ o ) exp [−E a / k (T i + (n-1) Δ
T)]} ...

しかして、ランダムな核生成を起こすことなく固相エピ
タキシャル成長させるための条件は、試料が固相エピタ
キシャル設定温度Tepに達して単結晶となった時に、未
だインダクションタイムが経過していないことである。
The condition for solid phase epitaxial growth without causing random nucleation is that the induction time has not yet passed when the sample reaches the solid phase epitaxial set temperature T ep and becomes a single crystal. .

この条件は上記式が正であることである。即ち、 τexp(Ea/k(Ti+nΔT)) ×{1−(Δt/τ)exp(−Ea/kTi) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) −(Δt/τ)exp(−Ea/k(Ti+2ΔT))…… …
… …… …… …… −(Δt/τ)exp〔−Ea/k(Ti+(n−1)Δ
T)〕}≧0 更に、この条件式は、 1≧(Δt/τ){exp(−Ea/kTi) +exp(−Ea/k(Ti+ΔT)) +exp(−Ea/k(Ti+2ΔT)) …… …… …… …… …… +exp〔−Ea/k(Ti+(n−1)ΔT)〕} と変形され、しかも前記式を用いると、この式は、 τκV≧ΔT・Σexp〔−Ea/k(Ti+(ξ−1)Δ
T)〕 (和はξ=1からξ=nまで) と書ける。そこで、 Ti+(ξ−1)ΔT=T とおき、ΔT→0(n→∞)として、積分表現に直す
と、上記式 が得られるのである。
The condition is that the above equation is positive. That is, τ o exp (E a / k (T i + nΔT)) × {1- (Δt / τ o ) exp (−E a / kT i ) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k ( T i + ΔT)) − (Δt / τ o ) exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) …………
……………………… − (Δt / τ o ) exp [−E a / k (T i + (n-1) Δ
T)]} ≧ 0 Furthermore, this conditional expression is 1 ≧ (Δt / τ o ) {exp (−E a / kT i ) + exp (−E a / k (T i + ΔT)) + exp (−E a / k (T i + 2ΔT)) ……………………………… + exp [-E a / k (T i + (n-1) ΔT)]} is transformed into Is τ o κV ≧ ΔT · Σexp [−E a / k (T i + (ξ−1) Δ
T)] (the sum is from ξ = 1 to ξ = n). Therefore, if T i + (ξ−1) ΔT = T is set and ΔT → 0 (n → ∞), the above expression is rewritten as an integral expression. Is obtained.

また、この式は、 と書くこともできる。Also, this formula is You can also write

尚、τは式で定義されるもので、実験によって決め
ることができる。
Note that τ o is defined by an equation and can be determined by experiment.

(第二の条件式) 急峻な立ち上がり温度勾配κとしては、上記式を満足
するように決めればよいが、これは試料の移動速度Vに
よっても変化し、試料の移動速度を大きくすれば温度勾
配κに対する要求は緩やかになる。
(Second Conditional Expression) The steep rising temperature gradient κ may be determined so as to satisfy the above expression, but this also changes depending on the moving speed V of the sample, and if the moving speed of the sample is increased, the temperature gradient is increased. The demand for κ will be lenient.

しかし、試料の移動速度Vは任意に大きくすることはで
きず、上限速度が存在する。即ち、試料の移動速度Vが
固相エピタキシャル成長速度Vepよも大きいと、単結晶
が充分に成長することができないからである。したがっ
て、 V≦Vep …… を満足する必要があり、試料の移動速度Vは固相エピタ
キシャル成長速度Vepが上限となる。
However, the moving speed V of the sample cannot be arbitrarily increased, and there is an upper limit speed. That is, if the moving speed V of the sample is higher than the solid phase epitaxial growth speed V ep , the single crystal cannot grow sufficiently. Therefore, it is necessary to satisfy V ≦ V ep .. .., and the upper limit of the moving speed V of the sample is the solid phase epitaxial growth speed V ep .

なお、非晶質相に隣接して単結晶が存在すると、その単
結晶から固相エピタキシャル成長が起こるが、その固相
エピタキシャル成長速度Vepは温度が高くなると大きく
なることが知られている。固相エピタキシャル成長は、
結晶と非晶質相の界面にある非晶質相の原子が、より自
由エネルギーの低い結晶格子位置に落ち込むことによっ
て起こるからである。第8図には、この固相エピタキシ
ャル成長速度Vepと固相エピタキシャル設定温度Tepとの
関係を調べた実験結果を図示してある。この結果より、 Vep=Voexp(−Eep/kTep) という温度依存性が得られる。ここに、Eepは固相エピ
タキシャル成長の活性化エネルギーである。しかして、
試料移動速度Vは V≦Voexp(−Eep/kTep) …… を満足するように決める必要がある。
It is known that when a single crystal exists adjacent to the amorphous phase, solid phase epitaxial growth occurs from the single crystal, but the solid phase epitaxial growth rate V ep increases with increasing temperature. Solid phase epitaxial growth is
This is because the atoms of the amorphous phase at the interface between the crystal and the amorphous phase occur when they fall into the crystal lattice position where the free energy is lower. FIG. 8 shows the experimental results for examining the relationship between the solid phase epitaxial growth rate V ep and the solid phase epitaxial set temperature T ep . From this result, the temperature dependence of V ep = V o exp (−E ep / kT ep ) is obtained. Here, E ep is the activation energy of solid phase epitaxial growth. Then,
The sample moving speed V must be determined so as to satisfy V ≦ V o exp (−E ep / kT ep ).

第5図に示すものは、本発明の他例であり、シリコン単
結晶層25の上にシリコン酸化物(SiO2)の絶縁層1aを形
成し、絶縁層1aに適当な窓26を開口させてシリコン単結
晶層25を露出させ、この上の全面に非晶質シリコン膜2a
を成膜した試料を用いる場合である。しかして、スポッ
ト状局部加熱装置により上方から点状にレーザ光19を照
射させると共に線状局部加熱装置により上方から幅方向
に延びた線状の熱線24を照射させながら試料13を移動さ
せるのである。しかして、非晶質シリコン膜2aは窓26か
ら露出しているシリコン単結晶層25を種結晶として固相
エピタキシャル成長し、単結晶シリコン膜3aが形成され
るのである。そして、この単結晶シリコン膜3aの上に
は、SOI構造のMOSFETなどを構成することができるもの
である。
FIG. 5 shows another example of the present invention in which an insulating layer 1a of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on a silicon single crystal layer 25, and an appropriate window 26 is opened in the insulating layer 1a. To expose the silicon single crystal layer 25, and the amorphous silicon film 2a is formed on the entire surface.
This is a case of using a sample having a film formed thereon. Thus, the sample 13 is moved while irradiating the spot-shaped local heating device with the laser beam 19 from above in a dot shape and irradiating the linear local heating device with the linear heating wire 24 extending in the width direction from above. . Thus, the amorphous silicon film 2a is solid-phase epitaxially grown using the silicon single crystal layer 25 exposed from the window 26 as a seed crystal to form the single crystal silicon film 3a. Then, a MOSFET having an SOI structure or the like can be formed on the single crystal silicon film 3a.

なお、本発明はこの他にも適宜設計変更可能であり、例
えばレーザ等のスポット状局部加熱装置を試料の幅方向
に走査させながら固相エピタキシャル成長を行ってもよ
い。また、石英ガラス基板の下面に非晶質半導体層を形
成した試料などを用いることも可能である。
The present invention can be appropriately modified in addition to this, and for example, solid phase epitaxial growth may be performed while scanning a spot-shaped local heating device such as a laser in the width direction of the sample. It is also possible to use a sample in which an amorphous semiconductor layer is formed on the lower surface of a quartz glass substrate.

〔効果〕〔effect〕

本発明によれば、均一な単結晶半導体層の成長を妨げる
ランダムな核生成を起こさないようにして、非晶質半導
体層を固相エピタキシャル成長させることができ、大面
積の単結晶半導体層を得ることができるものである。
According to the present invention, an amorphous semiconductor layer can be solid-phase epitaxially grown without causing random nucleation that hinders the growth of a uniform single crystal semiconductor layer, and a large-area single crystal semiconductor layer is obtained. Is something that can be done.

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

第1図は本発明の一実施例を示す斜視図、第2図はラテ
ラルアニール炉の全体を示す概略図、第3図(a)
(b)は同上の側面図と試料の温度分布を示すグラフ、
第4図は同上のラテラルアニール炉により単結晶半導体
層を固相エピタキシャル成長させられた試料を示す平面
図、第5図は他の形態の試料を示す断面図、第6図
(a)(b)(c)(d)は各々異なるアニール温度に
おけるアニール時間とX線強度との関係を示すグラフ、
第7図はインダクションタイムと温度との関係を示すグ
ラフ、第8図は固相エピタキシャル成長速度と温度との
関係の一例を示すグラフ、第9図は必要な温度勾配を与
える式を導くための参考図である。 1…石英ガラス基板、1a…絶縁層、2,2a…非晶質シリコ
ン膜、3,3a…単結晶シリコン膜、4…金層。
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing the entire lateral annealing furnace, and FIG. 3 (a).
(B) is a side view of the above and a graph showing the temperature distribution of the sample,
FIG. 4 is a plan view showing a sample in which a single crystal semiconductor layer is solid-phase epitaxially grown by the above-mentioned lateral annealing furnace, FIG. 5 is a sectional view showing a sample of another form, and FIGS. 6 (a) and 6 (b). (C) and (d) are graphs showing the relationship between annealing time and X-ray intensity at different annealing temperatures,
FIG. 7 is a graph showing the relationship between induction time and temperature, FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between solid phase epitaxial growth rate and temperature, and FIG. 9 is a reference for deriving an equation that gives the necessary temperature gradient. It is a figure. 1 ... Quartz glass substrate, 1a ... Insulating layer, 2,2a ... Amorphous silicon film, 3,3a ... Single crystal silicon film, 4 ... Gold layer.

フロントページの続き (72)発明者 軒内 栄一 石川県金沢市小立野2―11―4 宮本ハイ ツ (72)発明者 岡野 修一 富山県高岡市能町1248 (72)発明者 柿本 芳雄 石川県金沢市平和町2―6―23 県住23― 205 (72)発明者 上坂 渡 大阪府高槻市郡家新町35―22 松摂寮 (56)参考文献 特開 昭62−92427(JP,A) 特開 昭61−196515(JP,A) 特開 昭58−114420(JP,A)(72) Inventor Eiichi Eiichi 2-11-4 Otino, Kanazawa City, Ishikawa Prefecture Miyamoto Heights (72) Inventor Shuichi Okano 1248, Nonomachi, Takaoka City, Toyama Prefecture (72) Inventor Yoshio Kakimoto Kanazawa City, Ishikawa Prefecture 2-6-23 Heiwacho 23-205 Prefectural residence 23-205 (72) Inventor Watari Uesaka 35-22 Moriyashinmachi, Takatsuki-shi, Osaka Matsusetori (56) References JP 62-92427 (JP, A) JP Sho 61-196515 (JP, A) JP-A-58-114420 (JP, A)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁層の上に非晶質半導体層を形成し、こ
の非晶質半導体層をランダムな核生成のためのインダク
ションタイムよりも短い時間内に初期温度から固相エピ
タキシャル設定温度まで温度上昇させて急峻な立ち上が
り温度勾配を有する温度条件下でアニールし且つ該アニ
ール領域を相対的に移動させることにより、固相(非晶
質半導体)−固相(単結晶半導体)間の相転移を起こさ
せて絶縁層の上に単結晶半導体層を固相エピタキシャル
成長させることを特徴とする半導体結晶層の製造方法。
1. An amorphous semiconductor layer is formed on an insulating layer, and the amorphous semiconductor layer is heated from an initial temperature to a solid phase epitaxial set temperature within a time shorter than an induction time for random nucleation. Phase transition between solid phase (amorphous semiconductor) and solid phase (single crystal semiconductor) by increasing temperature and annealing under temperature conditions having a steep rising temperature gradient and moving the annealed region relatively. And a single crystal semiconductor layer is grown on the insulating layer by solid phase epitaxial growth.
【請求項2】急峻な温度勾配κで初期温度Tiから固相エ
ピタキシャル設定温度Tepへと変化する温度条件下にお
いて、次の条件式 (ここに、Eaは活性化エネルギー、kはボルツマン定
数、Tは積分定数、τは定数であって無限大温度にお
ける結晶核発生までのインダクションタイムである。) を満足するように、前記非晶質半導体層及び絶縁層を速
度Vで相対的に移動させることを特徴とする請求項1に
記載の半導体結晶層の製造方法。
2. Under the temperature condition where the initial temperature T i changes to the solid phase epitaxial set temperature T ep with a steep temperature gradient κ, the following conditional expression (Where Ea is the activation energy, k is the Boltzmann constant, T is the integration constant, and τ o is a constant, which is the induction time until the generation of crystal nuclei at infinite temperature.) The method for producing a semiconductor crystal layer according to claim 1, wherein the crystalline semiconductor layer and the insulating layer are relatively moved at a speed V.
【請求項3】前記絶縁層上または非晶質半導体層上の一
部にシーディング用の金属層を設け、この金属層と前記
非晶質半導体層とで共晶領域を形成し、この共晶領域か
ら単結晶半導体層を固層エピタキシャル成長させること
を特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の半導体
結晶層の製造方法。
3. A seeding metal layer is provided on a part of the insulating layer or the amorphous semiconductor layer, and a eutectic region is formed by the metal layer and the amorphous semiconductor layer. The method for producing a semiconductor crystal layer according to claim 1, wherein the single crystal semiconductor layer is grown by solid-phase epitaxial growth from the crystal region.
JP63066848A 1988-03-18 1988-03-18 Method for manufacturing semiconductor crystal layer Expired - Lifetime JPH0734431B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63066848A JPH0734431B2 (en) 1988-03-18 1988-03-18 Method for manufacturing semiconductor crystal layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63066848A JPH0734431B2 (en) 1988-03-18 1988-03-18 Method for manufacturing semiconductor crystal layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH01239836A JPH01239836A (en) 1989-09-25
JPH0734431B2 true JPH0734431B2 (en) 1995-04-12

Family

ID=13327678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP63066848A Expired - Lifetime JPH0734431B2 (en) 1988-03-18 1988-03-18 Method for manufacturing semiconductor crystal layer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0734431B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07333565A (en) * 1994-06-14 1995-12-22 Eihiko Ando Lens body

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6830616B1 (en) 1997-02-10 2004-12-14 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Manufacturing method of semiconductor and manufacturing method of semiconductor device
CN108728813B (en) * 2017-04-25 2020-02-11 北京大学 Method and device for rapidly and continuously preparing oversized single crystal film

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58114420A (en) * 1981-12-28 1983-07-07 Nec Corp Formation of single crystal silicon film
JPS6292427A (en) * 1985-10-18 1987-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor-manufacturing device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07333565A (en) * 1994-06-14 1995-12-22 Eihiko Ando Lens body

Also Published As

Publication number Publication date
JPH01239836A (en) 1989-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3213338B2 (en) Manufacturing method of thin film semiconductor device
US6322625B2 (en) Crystallization processing of semiconductor film regions on a substrate, and devices made therewith
Geis et al. Zone‐melting recrystallization of encapsulated silicon films on SiO2—morphology and crystallography
EP0078681B1 (en) Method for producing single crystal semiconductor areas
JPH07249779A (en) Fabrication of semiconductor device
JP3573811B2 (en) Irradiation method of linear laser light
JP2005347694A (en) Method and device for manufacturing semiconductor thin film
JP2009135501A (en) Crystallization method
JP2006005148A (en) Method and device for manufacturing semiconductor thin film
Hawkins et al. Growth of single‐crystal silicon islands on bulk fused silica by CO2 laser annealing
US4737233A (en) Method for making semiconductor crystal films
JP2797104B2 (en) Method for manufacturing semiconductor crystal layer
JPH0734431B2 (en) Method for manufacturing semiconductor crystal layer
JP3587900B2 (en) Method for manufacturing crystalline silicon film
Zhang et al. Modeling of continuous wave laser melting of germanium epitaxial films on silicon substrates
JP4032553B2 (en) Semiconductor manufacturing equipment
JP2006196534A (en) Method and device for manufacturing semiconductor thin film
JP2003168646A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP6544090B2 (en) Crystallization method, patterning method, and thin film transistor manufacturing method
Park et al. CW laser crystallization of amorphous silicon; dependence of amorphous silicon thickness and pattern width on the grain size
US6794274B2 (en) Method for fabricating a polycrystalline silicon film
JPH0282519A (en) Solid phase epitaxy method
JP2000232066A (en) Manufacture of semiconductor substrate
JP2000277454A (en) Semiconductor manufacturing device
JPS6237922A (en) Semiconductor substrate

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term