JPH076960A - 多結晶半導体薄膜の生成方法 - Google Patents

多結晶半導体薄膜の生成方法

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JPH076960A
JPH076960A JP5144111A JP14411193A JPH076960A JP H076960 A JPH076960 A JP H076960A JP 5144111 A JP5144111 A JP 5144111A JP 14411193 A JP14411193 A JP 14411193A JP H076960 A JPH076960 A JP H076960A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体素子の活性領域の材料として用いること
のできる大きな結晶粒からなる多結晶半導体薄膜を生成
する。 【構成】基板上に堆積した非晶質半導体の薄膜を間隔を
介して局部的に結晶化したのち、赤外線を照射して結晶
化領域を非晶質領域より高温に保ちながらその上に熱分
解により多結晶半導体層を成長させる。この多結晶層
は、結晶化領域を核として成長した多結晶粒よりなるた
め、結晶粒が大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の半導体素
体あるいは配線材料などに用いられる多結晶シリコン薄
膜のような多結晶半導体薄膜の生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、多結晶シリコン薄膜の生成方法
としては減圧ＣＶＤ法、すなわち減圧下での化学気相成
長法が知られている。図２は減圧ＣＶＤ方法を概念的に
示し、管状電気炉21中に設置した透明石英管22内に、垂
直に単結晶シリコン基板11をセットした石英ボート23を
置き、排気口24からバルブ25を通じて真空排気ポンプで
いったん真空引きする。次に、シリコン基板11を管状電
気炉で加熱し、導入口26からバルブ27を通じてシラン
(SiＨ4 ) を導入する。基板をシランの分解温度以上、
すなわち600 〜620 ℃に加熱することにより、シランが
基板11付近の領域で熱分解され、多結晶シリコン薄膜が
基板11上に堆積する。この場合、基板加熱温度が450 ℃
になるとシランが分解するが、450 〜600 ℃の範囲では
非晶質シリコン薄膜が堆積する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこうして
成長した多結晶シリコンの粒径は１μｍ程度以下と小さ
く、粒界に高密度で存在する欠陥のために、単に集積回
路内の配線材料としては使われてきたものの、ダイオー
ドやトランジスタ等の半導体素子の活性領域、すなわち
接合の形成材料として用いた場合、その素子特性が悪い
という問題点があった。結晶粒が小さいのは、結晶成長
のもととなる結晶核の形成が、基板上のいたるところで
起こるため、結晶の数が多く、ある程度の大きさまで成
長すると、他の結晶粒に妨げられて、それ以上の大きさ
には成長できなくなるためである。
【０００４】本発明の目的は、上述の観点から、粒径の
大きく、半導体素子の活性領域の材料として用いること
のできる多結晶半導体薄膜の生成方法を提供することに
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の多結晶半導体薄膜の生成方法は、基板上
に非晶質半導体薄膜を堆積する工程と、その非晶質半導
体薄膜のほぼ等しい間隔を介した複数の領域に光を照射
して部分的に結晶化させる工程と、結晶化領域を非晶質
領域よりも高い温度に保ちながらそれらの領域全面上に
化合物ガスの熱分解により多結晶層を成長させる工程を
有するものとする。非晶質半導体薄膜を部分的に結晶化
させるための光は赤外線でも可視光でもよい。結晶化領
域を非晶質領域よりも高い温度に保つには、赤外線を全
面に照射すればよい。そして、半導体がシリコンである
ことが有効である。
【０００６】
【作用】非晶質半導体薄膜を局部的に結晶化領域を非晶
質領域よりも高い温度に保ちながら結晶化させ、そのあ
と全面上に熱分解により多結晶層を成長させると、温度
の高い結晶化させた部分が核となって結晶粒の面密度の
低い多結晶半導体薄膜が形成でき、結晶粒の大きさを増
大させることができる。結晶化領域は非晶質領域より赤
外線の吸収係数が格段に大きいから、赤外線を全面に照
射することにより結晶化領域を非晶質領域よりも高い温
度に保つことが簡単にできる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明による多結晶半導体薄膜の生成
方法の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図
１(a) 〜(e) に、本発明の一実施例の透明石英ガラス基
板上への多結晶シリコン薄膜の生成方法を概念的に示
す。まず、透明石英基板１をアセトン、メタノールなど
の有機溶剤中で超音波をかけながら洗浄した後、脱イオ
ン水ですすぎ乾燥した。この基板１上に、図１(a) に示
すように、シランガス中でグロー放電を発生させるプラ
ズマＣＶＤ法で、約0.５μｍの厚さの非晶質シリコン薄
膜２を成長させた。成長条件は、基板温度が250 ℃、シ
ラン流量が毎秒20cc (標準状態での換算値) 、反応室内
のガス圧力が50Pa、グロー放電電力密度が15mW／cm2 で
ある。なお、シランの希釈ガスとして水素を毎秒20cc
(標準状態での換算値) の流量で加えた。この条件下で
の非晶質シリコン薄膜の成長速度は毎秒0.３nmであっ
た。次に、こうして成長した非晶質シリコン薄膜試料を
ＸＹ二軸の可動ステージ上に配置し、基板１を図２(b)
に示すように矢印３およびそれと直角方向に移動しなが
ら、Ｑスイッチパルス発振型のＹＡＧレーザの第二高調
波 (波長0.532 μｍ) の光パルスを凸レンズで集光後、
スリットを通して光ビーム４として照射し、縦横50μｍ
おきに10μｍ×10μｍの領域５を結晶化した。なお、レ
ーザ光の照射条件は、強度が２Ｊ／cm2 、パルス幅が14
5ns 、繰り返し周波数が７kHz である。
【０００８】次いで、図１(b) に示した領域５が部分的
に結晶化した試料を、赤外ランプ加熱炉に入れ、ガス圧
力100Pa のシラン中で、図１(c) に示すように赤外線ラ
ンプからの赤外線６を全面に照射した。しかし、波長1.
２μｍの赤外線の光吸収係数が、結晶化領域５の多結晶
シリコンは10-2cm-1であるのに対し、その他の領域２の
非晶質シリコンは１cm-1以下と２桁以上小さいため、結
晶化領域５が選択的に加熱され、そこからの熱伝導で非
晶質シリコン領域２が加熱される。非晶質シリコン薄膜
および多結晶シリコン薄膜の赤外線に対する光吸収係数
を用いて発生する熱量を計算し、この熱量を元にして熱
伝導方程式を解くことにより、基板温度および非晶質部
分が約550 ℃になる赤外線強度で、結晶化部分の温度は
約630 ℃になることが分かった。実際には、非晶質部分
が約500 ℃程度になる条件で図１(d) に示すように、部
分的な熱ＣＶＤによる多結晶シリコン薄膜７の成長が見
られた。熱ＣＶＤは、ＹＡＧレーザからの光パルスで結
晶化した領域５でのみ生じた。つまりこの部分を結晶成
長時の核とした、選択的な結晶成長が見られた。多結晶
シリコンが成長するに従い、非晶質シリコン部分の面積
が減少し、多結晶シリコン部分の面積が増加するため、
試料の平均的な赤外線の吸収量が増加し、基板温度が上
昇するので、赤外放射温度計を用いて基板温度を測定
し、赤外線の強度を帰還制御した。このようにして、図
２(e) に示すように非晶質シリコン薄膜２上の全面に厚
さ約50μｍまで多結晶シリコン薄膜７が成長した。この
多結晶シリコン薄膜７を光学顕微鏡で観察したところ、
平均粒径約50μｍの非常に大きな結晶粒が観察され、本
発明により、多結晶シリコン薄膜の粒径が従来法に比べ
て著しく拡大されたことが分かった。
【０００９】以上の実施例では、透明石英基板１を用い
たが、表面にシリコンの結晶核をもたず、熱膨張係数が
シリコンに近く、かつ熱伝導度の低いものであれば、他
の基板も使用可能である。例えば、単結晶シリコン基板
の表面上に、熱ＣＶＤ法でSiＯ2 薄膜を形成したもの
や、半導体級よりも純度が低いがずっと安価な金属級シ
リコン基板に、熱ＣＶＤ法でSiＯ2 薄膜を形成したもの
を用いても同様の結果が得られる。但し、赤外線の吸収
量が少ない基板の方が、結晶化部分と非結晶化部分の温
度差が大きくとれるため、単結晶シリコン基板を用いた
ものの方が適している。
【００１０】さらに、非晶質シリコン薄膜を部分的に結
晶化する光パルスとしては、連続発振型の、たとえばア
ルゴンイオンレーザからの波長515nm 、あるいはそれよ
り短波長の488nm の可視光をそのまま、またはチョッピ
ングして断続光にして用いても、同様の結果が得られ
る。この場合、前者では上記の実施例とはことなり、非
晶質シリコン層が線状に結晶化される。なお、レーザ光
の波長は、非晶質部分による光吸収係数が大きい波長を
用いることはいうまでもない。
【００１１】図２(c) に示す赤外線６の照射の代わり
に、結晶化領域５に局部的にエネルギー線を照射して加
熱してもよい。その場合は、結晶化領域５の拡大に伴っ
て照射領域を広げなければならない。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば、光照射により非晶質半
導体薄膜を部分的に結晶化させておき、この部分を選択
的に原料化合物ガスの分解温度以上に加熱することで選
択的な熱ＣＶＤを行うため、結晶化領域が核となって成
長する大きな多結晶からなる半導体薄膜が得られ、半導
体素子の活性領域の材料として用いることのできる多結
晶半導体薄膜を生成することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の多結晶シリコン薄膜生成の
工程を(a) ないし(e) の順に示す断面図
【図２】従来の多結晶シリコン薄膜生成装置の断面図
【符号の説明】
１ 透明石英基板 ２ 非晶質シリコン薄膜 ４ 光ビーム ５ 結晶化領域 ６ 赤外線 ７ 多結晶Si薄膜

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に非晶質半導体薄膜を堆積する工程
    と、その非晶質半導体薄膜のほぼ等しい間隔を介した複
    数の領域に光を照射して部分的に結晶化させる工程と、
    結晶化領域を非晶質領域よりも高い温度に保ちながらそ
    れらの領域全面上に化合物ガスの熱分解により多結晶層
    を成長させる工程を有することを特徴とする多結晶半導
    体薄膜の生成方法。
  2. 【請求項２】非晶質半導体薄膜を赤外線の照射により部
    分的に結晶化させる請求項１記載の多結晶半導体薄膜の
    生成方法。
  3. 【請求項３】非晶質半導体薄膜を可視光の照射により部
    分的に結晶化させる請求項１記載の多結晶半導体薄膜の
    生成方法。
  4. 【請求項４】赤外線の照射により結晶化領域を非晶質領
    域よりも高い温度に保つ請求項１ないし３のいずれかに
    記載の多結晶半導体薄膜の生成方法。
  5. 【請求項５】半導体がシリコンである請求項１ないし４
    のいずれかに記載の多結晶半導体薄膜の生成方法。
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