JPS6256651B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、単結晶半導体膜形成法、特にガラス
などの非晶質基板上にシリコンなどの半導体材料
の単結晶膜を成長させる方法に関するものであ
る。

従来、非晶質基板上にシリコン単結晶を成長さ
せる方法としてはグラフオエピタキシ法が知られ
ている（M.W.Geis，D.C.Flanders and H.I.
Smith，Applied Physics Letter第35巻第71頁
（1979年））。この方法では、非晶質絶縁基板上に
ピツチ３μｍで深さ100nm程度の溝をグレーテイ
ング状に刻み、その上に化学気相堆積（CVD）
法により非晶質シリコンを堆積した後にレーザア
ニール法により非晶質シリコンを結晶化させる。
ここで、基板上に切刻した溝により結晶化する際
の結晶方位を制御している。

しかしながら、かかる方法では、結晶性を向上
させるためにアニールのレーザ出力を増加させる
と、上述した溝の断面形状が熱により矩形から変
形してしまうので良い結晶が得られないという欠
点があつた。また、結晶化の際に保護膜（SiO₂
やSi₃N₄）が必要なので工程上複雑であるという欠
点もあつた。

以上の欠点を解決するため、森、Japanese
Journal of Applied Physics第20巻L905〜L908
頁（1981年）や特開昭57−10224号には、第１図
に示すように、Auなどシリコンと低温で共晶反
応を起す金属を溝２を刻んだ石英基板１の全面上
に堆積して金属膜３を形成した後、この金属膜３
上に低温でシリコン単結晶を成長させる方法が示
されている。

しかしながら、森らの方法では、＜111＞が基板
に垂直な方向に配向する性質を持つため、単結晶
膜を得るためには第１図に示すように、基板１上
の溝２を109.5゜の角度を持つように精密に加工
する必要があり、また溝同士が60゜で交差するよ
うに溝２を形成する必要がり、このためプロセス
が複雑になる欠点があつた。

また、溝２の加工には、リアクテイブスパツタ
エツチング等が使用されるが、理想的な断面形状
をもつ溝を形成するのは非常に困難であるため、
結晶性の向上には限界があつた。

そこで、本発明の目的は、結晶性のよい単結晶
半導体薄膜を形成する方法を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、製造が容易な単結晶半導
体薄膜を形成する方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、低温で製造できる単
結晶半導体薄膜を形成する方法を提供することに
ある。

かかる目的を達成するために、本発明の第１の
形態では、平面非晶質基板上に結晶成長すべき半
導体と共晶または化合物となる金属を60゜の整数
倍の角度の頂角をもつ多角形の繰返し図形に形成
し、その図形状金属を有する基板の上に半導体材
料を堆積させて単結晶半導体薄膜を形成する。

本発明の第２の形態では、平面非晶質基板上に
結晶成長すべき半導体と共晶または化合物となる
金属を60゜の整数倍の角度の頂角をもつ多角形の
繰返し図形に形成し、その図形状金属を有する基
板の上に半導体材料を堆積させて単結晶半導体膜
を成長させ、次いで金属を除去してから、単結晶
半導体膜上に新たな単結晶半導体膜をエピタキシ
ヤル成長させる。

ここで、半導体としてはシリコンを用いること
ができる。繰返し図形としては、例えば正三角形
あるいは60゜と120゜の頂角を有する平行四辺形
とすることができる。

本発明の好適例では、半導体材料の堆積を半導
体と金属との共晶温度以下で行う。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第２Ａ図〜第２Ｆ図は本発明方法の順次の工程
の一実施例を示し、第２Ａ図に示すような基板、
例えば石英ガラス基板１１上に単結晶を成長させ
るべき半導体と共晶または化合物となる金属膜１
２、例えば半導体がシリコンの場合には例えば金
膜１２を蒸着法等で厚さ、例えば1000Åに形成し
て第２Ｂ図に示す構造を得る。

この構造の上に所定形状のレジストパターン１
３を形成して第２Ｃ図に示す構造を得た後、この
レジストパターン１３をマスクとして金膜１２を
スパツタエツチ法等でエツチングして約60゜の整
数倍の角度を頂角に持つ多角形の繰返し図形の金
属（ここでは金）パターン１４を形成して第２Ｄ
図の構造を得る。

ここでは金パターン１４の形状は、第３図に示
すように、60゜と120゜の頂角を有し、対向する
辺の間の距離が１μｍのひし形とし、かかるひし
形金パターン１４のピツチは1.2μｍとした。

ところで、第２Ｄ図の構造を得るためには、第
２Ｂ図および第２Ｃ図の処理の他に、リフトオフ
を利用する方法を用いてもよい。すなわち、基板
１１上に、例えば厚さ0.7μｍのレジストパター
ン１５を所定形状に形成して第４Ａ図の構造を得
る。次いで、この構造の上にレジストパターン１
５より薄い厚さに金膜１６を蒸着法等で堆積して
第４Ｂ図の構造を得る。その後、アセトン等によ
りレジストパターン１５と共にレジストパターン
１５上の金膜１６をリフトオフ処理により除去し
て第２Ｄ図のような金パターン１４を有する構造
を得る。

第２Ｄ図示の金パターン構造を得る際のレジス
トパターン１３または１５を形成するにあたつて
は次のような方法を用いることができる。まず、
石英ガラス基板１１上にレジスト（たとえばシプ
レー社製AZ1350J）を塗布し、次にたとえばHe
−Cdレーザ等からのレーザ光を重畳干渉させた
状態で上記レジストをグレーテイング状に露光す
る。次に基板１１を60゜回転し、同様に重畳干渉
させたレーザ光を照射し、前記グレーテイング状
の露光に重ねて他のグレーテイング状の露光を行
う。次に、現像処理を行うと、重なつて露光した
部分のレジストがひし形状に除去され、所定形状
のレジストパターン１３または１５が形成され
る。

次に、第２Ｄ図示の金パターンを有する基板を
シリコンと金との共晶点温度よりも高い温度、た
とえば380℃に加熱した状態で、第２Ｅ図のよう
に半導体材料としてシリコンSiを数Å／sec、例
えば３Å／secの蒸着速度でかかる基板１１の全
表面に蒸着する。蒸着されたシリコンは順次に金
と反応し、ある濃度で金中に溶融してSi−Au共
晶合金１７を形成する。蒸着が進行すると、過剰
のシリコンは基板１１上に符号１８で示すように
析出し始める。この析出において、析出シリコン
１８の結晶は基板１１に対して垂直方向に＜111
＞に配向し、金パターン１４の形状により基板１
１に対して水平方向の結晶方位が揃うので、単結
晶シリコン膜１９が基板１１上に形成される。金
はこの単結晶シリコン膜１９上に移送されてSi−
Au共晶合金の薄膜２０となり、第２Ｆ図の層構
造が得られる。このときの単結晶シリコン膜１９
の膜厚は2000Åであつた。

このようにして得られた第２Ｆ図の層構造をエ
レクトロンマイクロプローブ分析法により深さ方
向に元素分析を行つてみると、基板１１の側から
上方に向つてシリコン層１９があり、そのシリコ
ン層１９の上にSi−Au共晶合金層２０のあるこ
とが確認された。また、単結晶シリコン膜１９に
対して、透過電子回折法によりその結晶性を調べ
た結果、第５図に示すように基板に対して垂直方
向に＜111＞軸の単結晶が形成されていることが
確認された。

なお、第２Ｆ図の構造において、Si−Au共晶
合金層２０は必要に応じて除去すればよい。

ところで、金パターン１４の平面形状を、約60
゜の整数倍の角度を頂角に持つ多角形とすると、
単結晶シリコンが成長できるのは次のような理由
によるものと推察される。すなわち、蒸着された
シリコンは金と反応して合金を作るが、共晶温度
以上に基板１１が保たれているため、かかるSi−
Au合金は溶融状態となる。シリコン蒸着の進行
により、遂には、Si−Au合金中にシリコン結晶
が析出する。析出した結晶は、基板面に平行に＜
111＞面が配向するため、正三角形となり、その
基板面内での方位は結晶がSi−Au溶融合金から
受ける表面張力を最小とするように配向する。

従つて、金パターン１４の形状は必ずしも上述
した実施例にのみ限定されるものではなく、最も
単純なパターンは第６図に示すような正三角形の
繰返しパターンである。その他にも、第７図に示
すパターンなど種々の変形例があり、また、多角
形の頂角についても、その角度を60゜またはその
整数倍に正確に定めなくてもよい。

以上の実施例では、金属膜として、金を用いた
が、その他、アルミニウム、銀、錫、銅、白金、
ニツケル、パラジウム、ガリウム、インジウムな
どのようにシリコンと共晶または化合物を作るも
のであればいかなるものでもよい。

基板加熱の温度は、半導体を基板上に析出させ
るため、共晶温度または化合物生成温度程度また
はそれ以上の温度であることが必要である。

また、本実施例では、シリコンを供給するため
に蒸着法を用いたが、その他、化学気相堆積法
（CVD）、スパツタリング法、プラズマCVD法等
を用いてもよい。

更に、シリコン供給時に不純物をも同時に供給
すれば、不純物を含む結晶を成長させることもで
きる。

結晶性のよいシリコンを成長させるためには、
金属膜の厚さは数百Å以上であればよい。さらに
加えて、繰り返し形状の金属パターンを形成した
後、その全面に上述の金属パターンが転写される
程度の厚さ、たとえば500Å程度以下の厚さで同
種の金属を均一に付着させ、しかる後にシリコン
を付着させてもよい。

さらに今まで述べた方法で成長させた結晶膜上
に通常のシリコンエピタキシヤル法により高純度
シリコン結晶膜を成長させることができるのはい
うまでもない。

金属膜パターンの繰り返しピツチについては数
十μｍ以下であればよく、好ましくは１〜３μｍ
程度とする。

また、基板としては、石英ガラスの他に、通常
のガラス、Si₃N₄やステンレスなどの金属基板を
用いてもよい。

以上説明したように、本発明では、金属とシリ
コンとの合金より結晶を析出させ、その結晶の配
向を金属膜の繰返し、パターンの形状により制御
して単結晶シリコン膜を形成するので、平面基板
上でも単結晶膜が得られる。さらに、また、本発
明では、共晶温度が低いので低温で結晶を成長さ
せることができ、従つて、ソーダガラスやパイレ
ツクスなど安価なガラスを使用できる。

以上より、本発明は、低価格の太陽電池をはじ
めとして、薄膜トランジスタや三次元LSI等の製
造に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単結晶膜の形成法の説明図、第
２Ａ図〜第２Ｆ図は本発明における順次の工程の
一実施例を示すそれぞれ断面図、第３図はその繰
返し金属パターンを示す線図、第４Ａ図および第
４Ｂ図はリフトオフ法で金属パターンを形成する
工程を説明するためのそれぞれ断面図、第５図は
本発明により成長した結晶の構造を示す電子回折
写真、第６図および第７図は繰返し金属パターン
の他の２例を示す線図である。 １……石英基板、２……溝、３……金属膜、１
１……非晶質基板、１２……金膜、１３……レジ
ストパターン、１４……繰返し金属パターン、１
５……レジストパターン、１６……金膜、１７…
…Si−Au共晶合金、１８……析出シリコン結
晶、１９……単結晶シリコン膜、２０……Si−
Au共晶合金層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非晶質基板上に結晶成長する半導体と共晶ま
   たは化合物となる金属を約60゜の倍数の角度の頂
   角をもつ多角形の繰返し図形状に形成する工程
   と、しかる後に、前記図形状の金属を有する基板
   上に半導体材料を堆積させて単結晶半導体膜を成
   長させる工程とを具えたことを特徴とする単結晶
   半導体膜形成法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の単結晶半導体
   膜形成法において、前記半導体はシリコンである
   ことを特徴とする単結晶半導体膜形成法。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   単結晶半導体膜形成法において、前記繰返し形状
   は正三角形であることを特徴とする単結晶半導体
   膜形成法。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   単結晶半導体膜形成法において、前記繰返し形状
   は60°と120゜の頂角を有する平行四辺形である
   ことを特徴とする単結晶半導体膜形成法。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かの項に記載の単結晶半導体膜形成法において、
   前記半導体材料の堆積は前記半導体と前記金属と
   の共晶温度以上で行うことを特徴とする単結晶半
   導体膜形成法。 ６ 非晶質基板上に結晶成長する半導体と共晶ま
   たは化合物となる金属を約60゜の倍数の角度の頂
   角をもつ多角形の繰返し図形状に形成する工程
   と、しかる後に、前記図形状の金属を有する基板
   上に半導体材料を堆積させて単結晶半導体膜を成
   長させる工程と、その後、金属を除去する工程
   と、前記単結晶半導体膜上に新たな単結晶半導体
   膜をエピタキシヤル成長させる工程とを具えたこ
   とを特徴とする単結晶半導体膜形成法。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の単結晶半導体
   膜形成法において、前記半導体はシリコンである
   ことを特徴とする単結晶半導体膜形成法。 ８ 特許請求の範囲第６項または第７項に記載の
   単結晶半導体膜形成法において、前記繰返し形状
   は正三角形であることを特徴とする単結晶半導体
   膜形成法。 ９ 特許請求の範囲第６項または第７項に記載の
   単結晶半導体膜形成法において、前記繰返し形状
   は60゜と120゜の頂角を有する平行四辺形である
   ことを特徴とする単結晶半導体膜形成法。 １０ 特許請求の範囲第６項ないし第９項のいず
   れかの項に記載の単結晶半導体膜形成法におい
   て、前記半導体材料の堆積は前記半導体と前記金
   属との共晶温度以上で行うことを特徴とする単結
   晶半導体膜形成法。