JPH02181911A

JPH02181911A - 半導体単結晶薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH02181911A
Application number: JP133689A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Asakawa; 浅川　俊文
Original assignee: NIYUURARU SYST KK
Current assignee: NIYUURARU SYST KK
Priority date: 1989-01-09
Filing date: 1989-01-09
Publication date: 1990-07-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体デバイスの製作技術に係わり、絶縁物
基板上の多結晶、あるいは非晶質半導体薄膜にレーザー
光照射を行い、この半導体薄膜を溶融、再結晶化させる
方法に関するものである。

（従来の技術とその課題）既に、多結晶あるいは非晶質半導体薄膜にレーザー光を
照射し、前記の半導体薄膜を溶融再結晶化する技術は公
知である。

しかし、従来の方法では、大きい単結晶粒を得ることは
困難で、小さい結晶粒からなる多結晶膜になることが多
い。　基板に組み込まれた回路、素子の熱伝導度、比熱
に関係無く結晶を成長さす為、反射防止膜、冷却媒体、
シード結晶の併用等も試みられたが、これだけでは満足
すべき結果は得られていない。　さらに、レーザービー
ムの照射スポットの形状制御等も試みられたが、形状制
御が不十分のせいか、期待する程の成果は報告されてい
ない。

多結晶になるのを防止するにはまず結晶核の発生を押さ
えなくてはならない。　また、不必要な結晶核が発生し
ても、この結晶核の成長を押さえなくてはならない。　
これが本発明の基本的な考え方である。

（課題を解決するための手段）一般に、溶融相から自由に結晶を成長させると、最稠密
結晶面が良く発達することが知られている。　換言する
と、結晶成長面が最稠密結晶面と一致していると結晶成
長は一番安定する。　この様な状況を作り出す為には、
溶融帯の形状を最稠密結晶面で囲まれた単結晶の形状に
すれば良い。

込れを行うには、溶融再結晶化中の膜内の温度分布が自
由に制御出来なくてはならない。

薄膜構造に垂直な深さ方向の温度勾配の制御は、冷却媒
体を使用することでがなり自由に行えるようになり、結
晶粒もある程度大きくすることが出来た。　この冷却媒
体を使用する方法は、「半導体薄膜のレーザー溶融再結
晶化方法」として提案されている。（昭和６３年３月７
日出願の同表題の明細と図面を参照。　出願番号：特６
３−０５３２８９）　　以下、この発明を基本発明Ａと
呼ぶことにする。

第一図は上記基本発明Ａの製造方法の説明図である。　
シリコン基板（１１）を熱酸化し表面にＳｉｎ、膜（１
２）を形成し、ＣＶＤ　（ケミカルベーパー　デポジシ
ョン）でシリコン多結晶膜（１３）をこの上に形成し、
さらに保護膜としてＳ；、、Ｎ、膜（１４）を薄く積み
、冷却媒体としてボー勺エチレン・グリコール層（１５
）で覆い、−様な厚みになる様にカバー・ガラス（１７
）で押さえ、アルゴン・レーザー・ビームをレンズで集
光してシリコン多結晶膜を照射する。

レーザー・ビームを移動させると多結晶膜の帯溶融再結
晶化が行われる。　溶融帯（１６）及びこの近傍の高温
部は保護膜５ｌＩＮ４の薄い膜を隔ててポリエチレン・
グリコールと接触しており、ポリエチレン・グリコール
の熱分解によって絶えず冷却されているので、照射部近
傍のみが高温でかつ、表面温度は内部温度より低くなる
ようにすることが出来る。　特に、表面の保護膜　５１
３Ｎ４．の厚さを適当に選ぶが、保護膜をＳｉ０．と５
ｉｓＮ４の複合膜にし適当な厚さにすると、結晶成長面
をほぼ基板表面に垂直にすることが出来、比較的大きい
結晶粒が得られる。

以上が基本発明Ａの概要であるが、この方法を用いても
結晶粒は、レーザー・ビームの移動方向に何本もの帯状
の結晶粒となり、単結晶にはなり難い。　また、レーザ
ー・ビームの照射部の面積を減らすと帯状の結晶粒の数
を比較的少なくする幻とが出来、長さも長く出来るが、
幅が大きくな全ないので、実用には供し得ない。　また
、溶融領域を大きくする為、表面の保護膜の厚さを厚く
するとか、レーザー・パワーを大きくし過ぎると照射部
の中心の温度が上がり過ぎ溶融領域に隣接するＳｉＯ□
、Ｓｉ、Ｎ４が溶融Ｓｉと反応し、全体が　Ｓｉｎ、Ｓ
ｉＮｘとなり単結晶が得られない。

この様に、うまく単結晶の成長が起こらないのは、レー
ザー光のビーム断面の形状が円形で、エネルギー分布が
ガウス分布である為、結晶成長面が円形となり、この円
形の接線方向を最稠密結晶面とする数多くの結晶粒が発
生し、円の中心に向って成長するうえ、溶融領域が少し
大きくなると中心部の温度が高くなり過ぎ、隣接する５
ｉＯｚＳｉ３Ｎ、と反応が起こる為である。

これらの問題を解決するには、溶融部の温度を溶融部全
領域にわたり、１４１４°Ｃ〜１４５００Ｃの範囲に押
さえ、溶融部の形状を最稠密結晶面で囲まれた単結晶の
結晶断面と同じにすればれば善い。

冷却媒体を用い深さ方向の温度分布を、照射部形状の制
御で水平方向の温度分布を制御し、これらの結晶成長面
を単結晶の最稠密面に一致させるようにすると安定な単
結晶成長が得られる。

これが、本発明の課題を解決する為の手段である。

（実施例−１）第二図は、本発明を利用したシリコン単結晶薄膜の製造
方法の第一の実施例を示す図である。

Ａｒレーザー光源（２１）から出たビームはフレネル・
プリズム（２２）、（２３）によって２つのビームに分
け、ビーム形状修正用のマスク（２４）を分けられたビ
ームの中間に第三図に示す様な位置に設ける。　第三図
は、第二図（ａ）の位置の断面図で、図中の等廃線はレ
ーザー・ビームの等強度線である。　修正されたビーム
は反射鏡（２５）で直角に曲げ、集光レンズ（２６）に
より試料上に集光される。　　（２７）はポリエチ試料
はシリコン基板（３２）上に０．５ミクロンの５１０２
（３１）を熱酸化で積み、その上にＣＶＤ法を用い６０
０°Ｃ″Ｃ″０．５ミクロンの多結晶シリコンを積み、
その上にＳｉｎ、、５ｉ、Ｎ４の合成保護膜（２９）を
０．２ミクロンＣＶＤ法で積んだものである。

基板全面を再溶融する為に、レーザー・ビームの照射部
を基板全面を覆う様に移動させなくてはならない。　　
（３３）はその為の２次元の移動機溝で、Ｘ−軸方向に
定速度で１０ｃｍ直線移動した後、Ｙ−軸方向に溶融帯
が重なり合う様に数十ミクロン移動し、これを繰り返し
、基板全面を再溶融する。

溶融部の形状は修正を行わない場合には第四図（１）の
様な形状であるが、修正を行うと、第四図（２）の様に
９０度の角度の凹部を持つ様になる。　このような角度
にする為にマスクの突起部の角度は８０度とした。　レ
ーザー・ビームの直径は約２ｍｍで、出力は２ワツト、
ビーム間隔は３ｍｍとした。　ビームの移動方向は、９
０度の）ｂ！１部が結晶成長部となるよう、即ち、第四
図では上から下えの移動である。　　移動速度は２ｃｍ
／秒とした。

この様にして得られた結晶は幅２０ミクロンの単結晶で
幅方向には双晶、粒界は存在しないが、移動方向には数
百ミクロン毎に双晶状のものが観測される試料もあった
。

（実施例−２）第五図、第六図は本発明を利用したシリコン薄膜のレー
ザー溶融融結晶化の第二の実施例を示す図である。

第五図の（２Ｉ）はＡｒレーザー光源でビーム直径３ｍ
ｍ最大出力６ワツトの光源で、この光源からのレーザー
・ビームをビーム・エクスバンダー（３４）を通して約
２倍に広げ、反射［（２５）で直角に曲げ、垂直にし、
ファイバー・オプティックスの束（３５）を通し、第六
図（１）に示す様にＬ字型の光源になる様にする。　フ
ァイバ、ト・オプティックスの束（３５）は入力側は円
形に配置されているが、出力側は第六図（２）に示す様
にＬ字形に配置し、がっ、各部の平均的な光の強度が一
様になるようにランダムに配置する。

使用したファイバーの直径は０．１ｍｍで、１０００本
を束ねて使用した。

ファイバー・オプティックスの束（３５）の出力をレン
ズ（２６）を通し試料面上に集光する。

試料の構造は実施例−１の場合と同じであるが、レーザ
ー・ビームがファイバー・オプティックスを通過する時
に強度が半分に減るので、膜（２１）、（２９）の厚さ
を１ミクロン、０．４ミクロンとし熱効率の改善を行っ
た。

レーザーの出力を６ワツトに設定し、基板は第六図（１
）の矢印の方向に１ｃｍ／秒の速度で移動させた。　再
結晶化した領域は、実施例−１の場合と同様に幅方向に
は欠陥は観測されなかったが、移動方向にはある程度結
晶が成長すると双晶のようなものが発生するのが認めら
れた。　　しかし、従来の方法に比べ結晶粒の大きさは
格段に改善された。

（実施例−３）第七図、第八図は本発明を利用したシリコン薄膜のレー
ザー溶融融結晶化の第三の実施例を示す図である。

（４１）はＱスウィッチを用いたアンステーブル形、ス
ラブタイプのＹＡＧレーザーで、出力は５０ワツトのも
のである。　この出力ビームをシリンドリカル・レンズ
（４２）を用い試料上に集光する。

試料の構造は実施例−２と同じであるが、ＹＡＧレーザ
ーの波長は１ミクロン前後とシリコンには吸収され難い
ので、シリコン上のＳｉｎ、膜（３１）中に０．１ミク
ロンのタングステン膜（４３）を設は基板に抜けるレー
ザー・ビームを反射させている点が異なる。

実施例−３では、連続光ではなくパルス光を用いて溶融
再結晶化をおこなったのが従来の方法と異なる。　パル
スの幅は約１マイクロセカンドで繰り返しは１００ヘル
ツ、集光されたレーザー・、ビームの形状は１ｃｍ　　
ｘ　　１００ミクロンである。　　しかし、単一パルス
で溶融する幅は約２０ミクロン程度で、第八図（１）に
示す様に直径２０ミクロンの結晶粒が直線上に並ぶ。　
移動装置（３３）を用い第八図（２）の矢印の方向に移
動しながらパルス光で照射し、各照射による溶融帯が重
なり合う様にすると、第八図（２）の様な何本もの帯状
の結晶粒が得られた。　この状況は高速（１００ｃｍ／
秒）の電子ビーム照射の時に観察される溶融再結晶化の
現象と同じである。

さらに、試料を９０度回転し、同じ様な方法で溶融再結
晶化を繰り返すとかなり大きい結晶粒かえられた。

（５？！明の効果）上述の説明の様に本発明を使用すると、各種のレザー光
源を使用することが可能になり、容易に溶融再結晶化を
行うことが出来、同時に結晶粒の大きさも大きく出来、
また、方位の制御もある程度可能となるので、３次元Ｌ
ＳＩの製造技術に非許に役立つ。　また、等倍センサー
、液晶デイスプレーのアクチブ・マトリックスの製造に
も役に立つ。

【図面の簡単な説明】

第一図　レーザー溶融再結晶化方法の基本発明説明図第二図　実施例−１の説明図第三図　第二図（ａ）点の断面図第四図（１）　通常の溶融部の形状第四図（２）　修正を行った時の溶融部の形状第五図　
実施例−２の説明図第六図（１）　Ｌ字形光源の形状第六図（２）　　Ｌ字形光源を得る為のファイバー・オ
プチックスの束の配置第七図　実施例−３の説明図第八図（１）　単一照射による結晶粒の形状第八図（２
）　照射移動を繰り返した時の結晶粒の形状（符号の説明）１１．３２・・・シリコン基板１２．３１・・・二酸化シリコン（Ｓｉｎ、）　　薄膜１３．３０・・・半導体多結晶薄膜１４・・・窒化シリコン薄膜１５．２８　・・・ポリエチレン・グリコール１６・・
・溶融帯（レーザー照射前は半導体多結晶）１７．２７・・・カバーガラス２１・・・Ａｒレーザー光源２２．２３・・・フレネル・プリズム４　・・・５　・・・６　・・・９　・・・３　・・・４　・・・５　・１　・・・２　・・・３　・・・マスク反射鏡集光レンズ窒化シリコン、二酸化シリコン多層複合膜Ｘ−Ｙ移動機構ビーム・エックスバンダーファイバー・オブチックスＹＡＧレザー光源シリンドリカル・集光レンズタングステン薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

絶縁物基板上の多結晶、あるいは非晶質半導体薄膜にレ
ーザー光を照射し、この半導体を溶融させ再結晶化させ
る方法に於て、前記半導体薄膜上に透明絶縁薄膜を設け
た薄膜構造の表面に冷却媒体を設けた状態で前記レーザ
ー光を照射し、結晶成長面が出来る限り、成長させよう
とする単結晶の最稠密結晶面に近付く様に、前記レーザ
ー光のビームの断面形状と、前記透明絶縁膜の厚さを制
御することを特徴とするレーザー溶融再結晶化による半
導体単結晶薄膜の製造方法。