JPH02256227A - 薄膜半導体とその製法 - Google Patents

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】 〔技術分野〕 本発明は、絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を有する
薄膜半導体とその製法に関する。この薄膜半導体は、Ｏ
Ａ機器等の大型撮像デバイス兼乱動デバイスの、あるい
は表示デバイス兼即動デバイスの製造用部材として有用
である。

〔従来技術〕

従来から、薄膜の製造方法としては、プラスＶＣＶＤ法
、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯＣＶ
Ｄ法、スパッタ法、真空蒸着法などの方法が知られてい
るが、いずれの方法によっても得られる薄膜の結晶構造
は基板の結晶構造に類似してしまう。そのため、ガラス
やセラミックスのような従来から使用されている絶縁性
基板の上に前述の薄膜形成法により薄膜を形成しても単
結晶薄膜を得ることはできず、その薄膜は多結晶又は非
晶質になってしまう。

そこで、従来よりこの多結晶又は非晶質のシリコン薄膜
を一度溶融させた後再結晶化することにより単結晶薄膜
に変換する方法、具体的には帯域溶融再結晶化法（Ｚｏ
ｎｅ　Ｍｅｌｔ　Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ
（以下Ｚ　Ｍ　Ｒ法という）〕が提案されている。この
ＺＭＲ法は溶融再結晶化の時にシリコン薄膜の表面エネ
ルギーの異方性により一定の結晶方位が優先的に結晶化
するという利点がある。そして、この溶融再結晶化のた
めの加熱手段としては、 （１）高周波加熱カーボンサセプタ法 （２）赤外線ランプ加熱法 （３）ストリップヒータ加熱法 などがある。ところでＺＭＲ法においては良質な再結晶
化膜を得るための必要条件として溶融シリコンの同化に
おける冷却速度が低いことがあげられる。ＺＭＲ法にお
ける上記（１）〜（３）のような従来の加熱法では冷却
速度を小さくするためには必然的にも基板も１４１２℃
近くまで加熱してしまう。

そのため前記基板材料としてはこの温度に酎する材料で
ある必要があり、さらに、透明性を必要とする基板の場
合には実質的に石英（軟化点１６５０℃）に限られてし
まっていた。

〔目　　的〕

画像読み取り用として長尺化した二次元フォトセンサー
や、大面積化した二次元フォトセンサー等の画像読み取
り装置の走査回路部、液晶（ＬＣ）やエレクトロミック
ス材料（Ｅ　Ｃ，）あるいはエレクトロミネッセンス材
料（ＥＬ）を使用した画像表示デバイスの暉動回路部は
、それらのデバイスの大型化に伴って、所定の基板“上
に形成したシリコン薄膜を素材として形成した薄膜トラ
ンジスタを用いることが提案されている。これらのトラ
ンジスタ形成に用いるシリコン薄膜としては非晶質シリ
コンあるいは多結晶シリコン薄膜が使用されることが多
いが、その理由としてはこれらの材料が大面積基板上に
比較的容易に形成できるためである。

近年これらデバイスへの高速化、高機能化の要求が高ま
り、それにともない開動部の薄膜トランジスタの性能の
向上が必要とされるようになってきたが、上記非晶質シ
リコンあるいは多結晶シリコン薄膜で形成した薄膜トラ
ンジスタの移動度は非晶質シリコン薄膜トランジスタで
０．１〜０　、１ｃｍ２／ｖ−ｓｅｅ、多結晶シリコン
トランジスタで１．０〜１００ｍ２／Ｖ−ｓｅｃ程度で
あり結晶シリコンで形成されるトランジスタの移動度〜
６００ｃｍ”／ｖ−ｓｅｃにはとうてい及ばない。その
ため大面積基板上に単結晶シリコン薄膜を形成する必要
性が高まっている。

そこで本発明の目的は、上述のＺＭＲ法により形成され
た単結晶シリコンの薄膜デバイス用部材において、その
基板材料として石英にしばられない広い材料選択が可能
となる半導体の積層構造を開発する点にある。

又、本発明の目的は、シリコンの融点よりも低い絶縁性
材料を基板として使用できるという新しい技術を開発す
る点にある。

さらに、本発明のもう１つの目的は、その新しい積層構
造体を製造するための新しい方法を提供する点にある。

〔構　　成〕

本発明の薄膜半導体は、融点あるいは軟化点がシリコン
の融点（］、４４１２℃より低い材料よりなる支持体基
板、融点あるいは軟化点がシリコンの融点より高い薄膜
よりなる熱緩衝層および単結晶シリコン薄膜層より構成
されていることを特徴とするものであり、又１本発明の
Ｎ暎半導体の製造方法は、（ａ）融点あるいは軟化点が
シリコンの融点より低い材料よりなる支持体基板上に、
融点あるいは軟化点がシリコンの融点より高い材料を用
いて薄膜を形成することにより熱緩衝層を製造する工程
、（ｂ）この上に常法により多結晶シリコン薄膜又は非
晶質シリコン薄膜を形成する工程、（ｃ）さらに、この
上に融点あるいは軟化点がシリコンの融点より高い材料
を用いて表面保護層を形成する工程、（ｄ）このように
して得られた積層体の表面保ＭＭの側からレーザー光、
好ましくはシリコンに高い吸収係数を持つレーザー光を
照射し、前記多結晶シリコン薄膜又は非晶質シリコン薄
膜を単結晶シリコン薄膜に変換する工程、および必要に
応じて（ｅ）前記表面保護層を除去する工程、よりなる
ことを特徴とするものである。

支持体基板はガラス（ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス、ア
ルミノシリケートガラス等）等の大面積が形成可能な材
料でその融点が１４１２℃より低い材料を用いるが、で
きるだけ単結晶シリコンの熱膨張係数に近い材料を選択
するのが好ましい。勿論融点１４１２℃より高い材料で
あっても差支えない。又、光センサーとして使用する場
合は透明なものが好ましい。厚さは通常約０．３〜５ｍ
ｍであり、望ましくは約０．５〜１　、５ｍｍである。

熱緩衝層は、その融点又は軟化点が１４１２℃より高い
材料であり、望ましい材料としては、絶縁性のものでは
Ｓｉｎ２（ｍ、ｐ、　１７２７℃）、ＡＵ２０３（ｍ、
ｐ、２０４３℃）、ＴｉＣ２（ｍ、ｐ１９０２℃）、Ｚ
ｒ０２（ｍ、ｐ、　２６６５℃）＋５ｌｖＮ、　（ｍ、
Ｐ、１９５５℃）、ＢＮ（ｍ、ｐ、３０００℃）および
これらの組合せを、また、導電性のものではＴｉＣ（ｍ
、ρ。

３１２７℃）、ＳｉＣ（ｍ、ｐ、　２８２７℃）などの
炭化物を挙げることができるが通常単結晶化シリコンの
下は絶縁性の層とするため熱緩衝層にも絶縁性の材料を
使用する場合が多い。導電性材料を使用する場合には、
その上にさらに絶縁性の材料を積層して使用する。これ
らの材料の選択も籏結品シリコンの熱膨張係数にできる
だけ近い熱膨張係数をもったものを選択するのが好まし
い。又、シリコン層との親和性の高い材料を選択するこ
とも好ましいことであり、この面からいえば、Ｓｉや○
といった元素をもつ材料が好ましい。

これらの材料をプラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ
法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法。

スパッタ法、真空蒸着法等の各種製膜方法等やイオン注
入法を用いて形成する。熱緩衝層全体の膜厚は２μｍ以
上とする。望ましい膜厚としては１０μｍ〜１００μｍ
とする。

レーザー光の照射を用いた溶融再結晶化により単結晶化
されるシリコン＃　２０３はまず多結晶シリコンあるい
は非晶質シリコンの層により構成される。この暦はプラ
ズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ
法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等の各種製
膜方法を用いて熱緩衝層上に形成する。膜厚は通常約０
．１〜５μｍ、望ましくは約０．１〜１．５μｍである
。

溶融再結晶化により、多結晶又は非晶質の層を単結晶化
するためには、この層が完全な溶融状態になる必要があ
る。溶融した層を保持するためには、熱緩衝層と表面保
；ｉ層により溶融層がくずれないように保持してやる必
要がある。

表面保護１２０４は溶融再結晶シリコン薄膜の作成にお
いて不可欠のものである。表面保護層は絶縁性材料によ
り構成される。望ましい材料構成としてはＳｉＯ□、　
ＳｉＯ、Ｓｉ、　Ｎ４．　ＳｉＮ等の一層構成もしくは
これらの薄膜の組合せによる多層構成が用いら九る。こ
れらの材料をプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ
法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、真空
蒸着法等の各種製膜方法を用いて多結晶又は非晶質シリ
コン上に形成す゛る。膜厚は通常約０．５〜５μｍ、望
ましくは約１．０〜２．０μｍである。この表面保護層
は通常単結晶化工程の終了後にエツチングなどの手段に
より除去される暦である。

次にこの多結晶あるいは非晶質シリコン膜はレーザー光
を熱源とした溶融再結晶法（ＺＭＲ法）により単結晶シ
リコン薄膜化される。

このような構成の材料でシリコンの溶融再結晶化を行う
ためにはその熱源としてレーザー光を使用することが必
要である５用いられるレーザー光としては多結晶シリコ
ンあるいは非晶質シリコンに吸収係数の高い波長のレー
ザー光である。可視光から近赤外領域まで広い範囲のレ
ーザー光が使用可能であるがレーザー光の出力及びシリ
コンの吸収係数の観点からＡｒレーザー及びＹＡＧレー
ザーの使用が好ましい。

第１図にレーザー光を熱源としたＺＭＲ法における温度
変化の様子を三次元グラフで示した５シリコン活にだけ
吸収があるような波長のレーザー光の照射によりシリコ
ン層の温度は融点まで達し、シリコンの溶解が行なわれ
る６レーザー光がシリコン層の下にある支持体基板に達
する場合でもこのレーザー光はシリコン層にのみ吸収が
ある波長のものであるから支持体基板での温度Ｔ１の上
昇はない。レーザー光の吸収により溶融したシリコンは
レーザー光が通過しレーザー光からの熱の供給がなくな
った箇所から順次冷却を開始し再結晶化する。この時冷
却は溶融シリコンから周囲へ熱が逃げることにより行わ
れるために支持体基板はそのシリコンからの熱のながれ
込みにより温度が上昇し、その温度上昇が急激な場合に
は熱衝撃となり支持体基板の破壊につながる。しかしな
がら本発明のごとく支持体基板と溶融再結晶化されるシ
リコン層との中間に熱緩衝層を形成することにより溶融
シリコンの冷却時の熱の流れはこの熱緩衝層により基板
への熱？ＩＪ撃を防ぐことが可能となる。

本発明によりシリコン薄膜半導体はその結晶学的性質が
本発明が開示した緩［σに用いた材料の種類あるいは製
造法における種々の条件により異なって来る。具体的に
は、熱緩衝層ではその材料の熱膨張係数等の熱的な性質
により、また製造法においては溶融再結晶化に用いるレ
ーザー光の種類、あるいはレーザー光の出力、レーザー
光の走査速度などにより、溶融再結晶化法により得られ
た単結晶シリコン薄膜半導体はその薄膜表面の結晶配向
性が（１００）である場合と（１１１）である場合があ
り、また単結晶シリコン薄膜にサブグレンバンダリと称
する微細な欠陥が発生する場合、あるいは双晶欠陥が発
生する場合がある。またこれらの欠陥の発生によりシリ
コン単結晶薄膜のホール移動度も異なってくる。

〔実施例〕

実施例−１ 第２図を参照して本実施例を説明する。。

支持体基板（２０１）には縦４０．０ｍｍ、横４０．０
ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのホウケイ酸ガラス（コーニング
＃７７４０）を用いたにのガラスの軟化点は８２０℃で
ある。支持体基板（２０１）の多結晶シリコン薄膜を形
成する側の面の凹凸は５００Å以下になるように研磨し
た。

このガラス支持体基板（２０１）を、■）硫酸（１度９
８重量％）と過酸化水素水（濃度４９重量％）との１：
１混合溶液の沸騰水で１０分間、２）塩酸（濃度３６重
量％）と過酸化水素水（ａ度４９重量％）と水との１：
１：４混合溶液の沸騰水中で１０分間、３）アンモニア
水（濃度４０重量％）と過酸化水素水（濃度４９重量％
）と水との１：１：４混合溶液の沸騰水中で１０分間、
４）フッ酸（濃度２０重量％）と水との１＝１０混合溶
液中で３０秒間の手順で洗浄したのち乾燥窒素ガスを吹
き付けて乾燥した。

こうして表面が清浄にされた支持体基板上に第３図に示
した減圧化学気相成長装置（ＬＰＧＶＤ装置）を用いて
ＳｉＯ□薄膜を耐熱材料で構成される熱緩衝Ｊｌｆｉ　
（２０２）として形成した。ＳｉＯ□薄膜の形成の手順
及び条件は次の通りである。

■ホウケイ酸ガラス基板（２０１，）を成膜室（３０６
）にセットし成膜室内部を２，５Ｘ　１０””Ｔｏｒｒ
以下にまで減圧に排気する。

■成膜室（３０６）の温度を７５０±１℃に維持し、シ
ランガス（ＳｉＨ，、希釈なし）を１　ｍ　Ｑ／　ｓｅ
ｅ、亜酸化窒素ガス（Ｎ２０、希釈なし）を５０ｍＱ／
ｓｅｅの割合で流し基板にＳｉＯ□薄膜を形成する。こ
のとき成膜室の圧力は２．０±０．ＩＴｏｒｒに保つ。

■所定の成膜時開終了後シランガス、亜酸化窒素ガスの
導入を止め、代りに窒素ガスを５０ｍＱ／ｓａｃｉＭ人
し、窒素雰囲気中で冷却速度約７’Ｃ／ｍｉｎで２５℃
以下まで冷却する（徐冷）。

■成膜室内が２５℃以下になったら、成膜室内を窒素ガ
スで大気圧にし、基板を取り出す。

上記の手順で成膜したＳｉＯ□薄膜（熱緩衝層である）
は膜厚が１０μｍであった。

続いてこの熱緩衝層の上に第３図に示した減圧化学気相
成長装置（ＬＰＧＶＤ装置）を用いて多結晶シリコン薄
膜２０３を形成した。形成の手順及び条件は次の通りで
ある。

■５ｕｎ２薄膜が形成しであるホウケイ酸ガラス基板２
０］を成膜室にセットし成膜室内部を２．５×１０−”
Ｔｏｒｒ以下にまで減圧に排気する。

（■成膜室の温度を６５０±１℃に維持し、シランガス
（Ｓ　ｉ　Ｈ４、希釈なし）を５　ｍ　Ｑ／ｓｅｃ、窒
素ガスを５０ｍρ！ｓｅｃの割合で流し基板に多結晶シ
リコン薄膜を形成する。このとき成膜室の圧力は１．０
±０．ＩＴｏｒｒに保つ。

■所定の成膜時間終了後シランガスの導入を止め、窒素
雰囲気中で冷却速度約７℃／ｍｉｎで２５℃以下まで冷
却する。

■成膜室内が２５℃以下になったら、成膜室内を窒素ガ
スで大気圧にし、基板を取り出す。

上記の手順で形成した多結晶シリコン薄膜２０３は膜厚
が３５００人であり、ＸＢ回折によると薄膜表面は（１
１０）配向が強く、またＸ線回折の結果から粒径はおお
よそ５００人であった。

次にこの多結晶シリコン薄膜をフォトリングラフイーの
手法により幅１００μｍのストライプ状に加工した。

続いてこの多結晶シリコン薄膜の上に第３図に示した減
圧化学気相成長装置　（ＬＰＧＶＤ装置）を用いて溶融
再結晶化の時の表面保護層２０４であるＳＬＯ□薄膜を
形成した（なお、半導体の製造においては、膜の純度を
保つため、Ｓよ成膜用とＳｉＯ□成膜用とを同一の装置
を使用することはあり得ない。同じ構造の装置でも別の
装置を使用する。本例では便宜上、同一図面を用いて説
明した。）。形成の手順及び条件は次の通りである。

■中間層及び多結晶シリコン薄膜が形成されているホウ
ケイ酸ガラス基板を成膜室にセットし成膜室内部を２．
５　Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下にまで減圧に排気する。

■成膜室の温度を７５０±１℃に維持し、シランガス（
ＳｉＨ，、希釈なし）　１　ｍＱ、／ｓｅｅ、亜酸化窒
素ガス（Ｎ、Ｏ，希釈なし）を５０ｍ１２／ｓｅｃの割
合で流し基板にＳｉＯ□薄膜を形成する。このとき成膜
室の圧力は２．０±０．ＩＴｏｒｒに保つ。

■所定の成膜時間終了後シランガス、亜酸化窒素ガスの
導入を止め、代わりに窒素ガスを５０ｍＱ／ｓｅｅ導入
し、窒素雰囲気中で冷却速度約７’Ｃ／ｍｉｎで２５℃
以下まで冷却する。

■成膜室内が２５℃以下になったら、成膜室内を窒素ガ
スで大気圧にし、基板を取り出す。

上記の手順で成膜した５ｉｎ２表面保護層は膜厚が１．
２μｍであった。

上記の方法で作成した多結晶シリコン薄膜半導体材料を
第５図に示すレーザーＺＭＲ装置を用いて溶融再結晶化
し、単結晶シリコン薄膜２０３′を形成する。

本実施例レーザー再結晶化においてはレーザー光として
Ａｒレーザーを用いている。レーザービームは２個のシ
リンドリカルレンズを用いて楕円状（サンプル上で６０
０μｍ×５０μｍ）に整形され、楕円の長軸が第４図の
多結晶シリコンストライプ（２０３’　）に直交するよ
うに照射され、多結晶シリコンストライプ（２０３’　
）に沿って基板２０１の反対側からビームが走査される
。

多結晶シリコンの溶融再結晶化に必要なＡ、　ｒレーザ
ーの出力はビームの走査速度が０．５ｍｍ／ｓｅＣの時
１５Ｗであった。再結晶化されたシリコン薄膜はストラ
イプ全体にわたり結晶粒界が存在せず単結晶薄膜である
。また結晶配向性は表面に（１００）面配向である。こ
の時ホウ酸ガラス支持体基板２０１にはクラック等の溶
融再結晶化時における熱衝撃の影響は認められなかった
。

以上の方法で実施例−１の薄膜半導体材料が完成する。

実施例−１においては多結晶シリコンをＺＭＲ法により
溶融再結晶化したが、非晶質シリコンもまた同様にＺＭ
Ｒ法により溶融再結晶化されることは言うまでもない。

実施例−２ 第２図を参照して本実施例を説明する。

支持体基板２０１として、厚さ１．Ｏｍｍのアルミナシ
リケートガラス（）ＩＯＹＡ　ＬＰ０１）を用いる。ア
ルミナシリケートガラスの軟化点は９１２℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄した後に、熱緩
衝層２０２としてＡｇ２Ｏ３をＲＦスパッタ法により６
０μｍの膜厚で形成する。Ａｌ１１２０．の形成条件は
、次の通りである。

圧　　　　　力　　　　：５Ｘ　１０−”ＴｏｒｒＡｒ
ガス雰囲気（酸素ガス５ｓｅｃｍ導入）高周波投入能カ
ニ１０Ｗ／Ｃｍ２ 基板温度　　　＝２５０℃ 次に上記条件により形成したＡＱ、０３上に、溶融再結
晶化により単結晶化されるシリコン層２０３として、多
結晶シリコン薄膜２０３をＬＰＣＶＤ法により膜厚０．
３５μｍで形成する。続いて、この多結晶シリコン薄膜
２０３をフォトリソグラフィーの手法を用いて第４図の
ごとく幅１００μｍのストライプ形状に加工する。

次に上記多結晶シリコン薄膜２０３上に、表面保護層２
０４としてＳｉｎ、をＬＰＣＶＤ法により膜厚１．２μ
ｍで形成する。

以上の方法で作成した薄膜半導体を第５図に示すレーザ
ー光を用いた溶融再結晶化装置によす単結晶化する。

本実施例のレーザー照射は、Ａｒレーザーの出力をビー
ムの走査速度が０．７ｍｍ／ｓｅｃの時２０Ｗとしたほ
かは実施例１と同一である。

多結晶シリコン薄膜２０３はストライプの全域にわたっ
て単結晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３′となる。

この時アルミナシリケートガラスの支持基板２０１には
クラック等の溶融再結晶化時における熱衝撃の影響は認
められなかった。

実施例−３ 第２図を参照して本実施例を説明する。

支持体基板２０１には厚さ１．０ｍｍのホウケイ酸ガラ
ス（コーニング＃　７７４０）を用いた。このガラスの
軟化点は８２０℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄し、高周波スパ
ッタ法を用いてＴｉｅ２薄膜を耐熱材料で構成される熱
緩衝層２０２として厚さ１５μｍに形成した。Ｔｉｅ２
薄膜の形成条件は、次の通りである。

圧力　　　：　ｓｘ　１０−”ＴｏｒｒＡｒガス雰囲気
（酸素ガス０．５ｓｅｃｍ導入）高周波電カニ　５１／
ｃｍ２ 基板温度　：２００℃ 続いてこの熱緩衝層の上にプラズマＣＶＤ装百を用いて
溶融再結晶化法により単結晶化されるシリコン層２０３
として、非晶質シリコン薄膜を形成した。その膜厚は５
０００人である。

続いてこの非晶質シリコン２０３の上にＬＰＧＶＤ装ぽ
を用いて溶融再結晶化の時の表面保護層２０４となるＳ
ｉＮ薄膜を厚さ２μｍに形成した。

つぎにこの非晶質シリコン薄膜半導体を第５図に示す様
なレーザー光を用いた溶融再結晶化装置により単結晶化
する。

本実施例のレーザー照射は、Ａｒレーザーの出力をビー
ムの走査速度が０．５ｍｍ／ｓｅｃの時１０１ｉ１とし
た以外は実施例１と同一である。

非晶質シリコン薄膜層２０３は支持体基板状の全域にわ
たって単結晶化され、単結晶シリコン薄膜となる。この
時ホウケイ酸ガラスの支持体基板２０１にはクラック等
の溶融再結晶化時における熱衝撃の影響は認められなか
った。

実施例−４ 第２図を参照して本実施例を説明する６支持体基板２０
１として、厚さ１．２ｍｍのアルミナシリケートガラス
（ＨＯＹＡ　ＬＥ３０）を用いる。アルミナシリケート
ガラスの軟化点は９１２℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄した後に、熱緩
衝層２０２としてＺｒＯ□をＲＦスパッタ法により１０
μｍの膜厚で形成する。ＺｒＯ□の形成条件は、次の通
りである。

圧力　　　　　：　５　Ｘ　１０−”　ＴｏｒｒＡｒガ
ス雰囲気（酸素ガス５ｓｅｃｍ導入）高周波投入能カニ
　４Ｗ／ａｍ” 基板温度　　　：２００℃ 次に上記条件により形成したＺｒＯ□上に、溶融再結晶
化により単結晶化されるシリコンＭ２Ｏ３として、多結
晶シリコン薄膜２０３をＲＦスパッタ法により膜厚０．
３μｍで形成する。続いて、この多結晶シリコン薄膜Ｚ
（１３をフォトリソグラフィーの手法を用い°て第６図
のとと＜　１００μｍＸ１００μｍのビットが２００μ
ｍピッチで並び、各ビットが幅２０μｍのストライプで
つながれる連結島状パターンに加工する。

次に上記多結晶シリコン薄膜２０３上に、表面保護Ｎ２
Ｏ４としてＳｉＯ□をＥＢ蒸着法により膜厚２．０μｍ
で形成する。

以上の方法で作成した薄膜半導体を第５図に示すレーザ
ー光を用いた溶融再結晶化装置により単結晶化する。

本実施例のレーザー再結晶化においてはレーザー光とし
てＹＡＧレーザーを用いる。レーザービームは２個のシ
リンドリカルレンズを用いて楕円状（サンプル上で６０
０μｍＸ５０μｍ）に整形され、楕円の長袖が前述の多
結晶シリコン連結島状パターンに直交するように照射さ
れ、多結晶シリコン連結島状パターンに沿って基板２０
１の反対側からビームが走査される。多結晶シリコン薄
膜の溶融再結晶化に必要なＹＡＧレーザーの出力はビー
ムの走査速度がＯ，１ｍｍ／ｓｅｅの時１２０Ｖである
。

多結晶シリコン薄膜２０３は連結島状パターンの全域わ
たって単結晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３”を形
成する。この時アルミナシリケートガラスの支持基板２
０１にはクラック等の溶融再結晶化時における熱衝撃の
影響は認められなかった。

実施例−５ 第２図を参照して本実施例を説明する。

支持体基板２０１には、厚さｌ　、　Ｏｍｍのホウケイ
酸ガラス（コーニング＃　７７４０）を用いた。このガ
ラスの軟化点は８２０℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄し、イオンビー
ムアシステド高周波スパッタ装置を用いてＳｉ、Ｎ４薄
膜を耐熱材料で構成される熱緩衝層２０２として厚さ３
０μｍに形成した。５Ｌ３Ｎ４薄膜の形成条件は、次の
通りである。

圧力　　　：　３Ｘ　１Ｏ−２ＴｏｒｒＮ２ガス雰囲気 高周波電力＝５Ｉｌｌ／Ｃｌ１１２ 基板温度　：　４００℃ Ｎイオン照射条件 加速電圧：　１ｏｏｏｖ 電流密度：　０．２５ｍＡ／ｃｍ２ 続いてこの熱緩衝層の上にスパッタ法を用いて溶融再結
晶化法により単結晶化されるシリコンＷＪ２０３として
非晶質シリコン薄膜を形成した。

その膜厚は５０００人である。

次にこの非晶質シリコン薄膜２０３をフォトリソグラフ
ィーの手法により第４図に示すごとく幅１００μｍのス
トライプ状に加工した。

続いてこの非晶質シリコン２０３の上にスパッタ法を用
いて溶融再結晶化の時の表面保護層２０４となるＳｉＯ
薄膜を厚さ１．５μｍに形成した。つぎにこの非晶質シ
リコン薄膜半導体を第５図に示すようなレーザー光を用
いた溶融再結晶化装置により単結晶化する。

本実施例のレーザー再結晶化においてはレーザー光とし
てＹＡＧレーザーを用いている。レーザービームは２個
のシリンドリカルレンズを用いて楕円状（サンプル上で
６００μｍＸ５０μｍ）に整形され、楕円の長軸が上述
の非晶質シリコンストライプに直交するように照射され
、非晶質シリコンストライプに沿ってビームが走査され
る。非晶質シリコンの溶融再結晶化に必要なＹＡＧレー
ザーの出力はビームの走査速度が１．ＯＩｎｍ／ｓｅｃ
の時５００りであった。

非晶質シリコン薄膜２０３はストライプの全域。

にわたって単結晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３′
となる。この時ホウケイ酸ガラスの支持体基板２０１に
はクラック等の溶融再結晶化時における熱ｉｓの影響は
認められなかった。

実施例−６ 第７図を参照して本実施例を説明する。

支持体基板２０１として、厚さ１．ｏＩｎＩｎのホウケ
イ酸ガラス（コーニング＃７７４０）を用いる。ホウケ
イ酸ガラスの軟化点は８２０℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄した後に、熱緩
？＃層２０２としてＢＮ膜をＲＦスッパタ法により３５
μｍの膜厚で形成する。ＢＮ膜の形成条件は次の通りで
ある。

圧　　　　　　　力　　：　３Ｘ　１Ｏ−２ＴｏｒｒＮ
２ガス雰囲気 高周波投入型カニ　５Ｗ／Ｃｍ” 基板温度：５００℃ 次に上記条件により形成したＢＮ膜上に、溶融再結晶化
により単結晶化されるシリコン／１２０３として多結晶
シリコン薄膜を光ＣＶＤ法により膜厚０．３５μｍで形
成する。続いて、この多結晶シリコン薄膜２０３をフォ
トリソグラフィーの手法を用いて第４図のとと１ｌｏｏ
μｍのストライプ形状に加工する・ 次に上記多結晶シリコン薄膜２０３上に、表面保護＃　
２０４として５ｉｎ２２０４−１と５ｉＮ２０４−２を
プラズマＣＶＯ法より各々の膜厚１．０μｍ、０．５μ
ｍで形成する。

以上の方法で作成した薄膜半導体を、第５図に示すレー
ザー光を用いた溶融再結晶化装置により単結晶化する。

本実施例のレーザー再結晶化においてはレーザー光とし
てＡｒレーザーを用いる。レーザービームは２個のシリ
ンドリカルレンズを用いて楕円状（サンプル上で６００
μｍＸ５０μｍ）に整形され、楕円の長軸が上述の多結
晶シリコンストライプに直交するように照射され、多結
晶シリコンストライプに沿って表面保護層の側からビー
ムが走査される。多結晶シリコン薄膜の溶融再結晶化に
必要なＡｒレーザーの出力はビームの走査速度が０．５
ｍｍ／ｓｅｅの時１５ｔｉｌである。

多結晶シリコン薄膜２０３はストライプの全域にわたっ
て単結晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３′となる。

この時ホウケイ酸ガラスの支持基板２０１にはクラック
等の溶融再結晶化時における熱衝撃の影響は認められな
かった。

実施例−７ 第８図を参照して本実施例を説明する６支持体基板２０
１には厚さ１　、３ｍｍのアルミナシリケートガラス（
ＨＯＹＡ　ＬＥ３０）を用いた。このガラスの軟化点は
９２１℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄し、高周波スッ
パタ法を用いてＴｉＣ及び５ｕｎ２薄膜の２Ｍ構成を耐
熱材料で構成される熱衝撃／ｌ！７２０１−１．２０２
−２としてそれぞれ厚さ１０μｍ、及び５μｍに同一の
成膜装置内で形成した。　ＴｉＣ及びＳｉＯ□薄膜の形
成条件は次の通りである。

ＴｉＣ薄膜形成条件 圧　　　　　　　力　　：　　Ｉ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒ
ｒＡｒガス雰囲気 高周波型カニ　５Ｗ／ａｍ” 基板温度：５００℃ ＳｉＯ□薄膜の形成条件 圧　　　　　　　力　　：　５Ｘ　１０−”ＴｏｒｒＡ
ｒガス雰囲気（酸素ガス０．５ｓｅｃｍ導入）高周波型
カニ　５Ｗ／ａｍ２ 基板温度＝２００℃ 続いてこの熱緩衝層２０２−１，２０２−２の上にＬＰ
ＣＶＤ装置を用いて溶融再結晶化法により単結晶化され
るシリコン層２０３として多結晶シリコン薄膜を形成し
た。その膜厚は３５００人である。

次にこの多結晶シリコン薄膜２０３をフォトリソグラフ
ィーの手法により第４図に示すごとく［１００μｍのス
トライプ状に加工した。

続いてこの多結晶シリコン２０３の上にＬＰＧＶＤ装置
を用いて溶融再結晶化の時の表面保護層となる５ｉｎ２
薄膜２０４を厚さ１．５μｍに形成した。つぎにこの”
多結晶シリコン薄膜半導体を第５図に示すようなレーザ
ー光を用いた溶融再結晶化装置により単結晶化する。

本実施例のレーザー再結晶化においてはレーザー光とし
てＹＡＧレーザーを用いている。レーザービームは２個
のシリンドリカルレンズを用いて楕円状（サンプル上で
６００μｍＸ５０μｍ）に整形され、楕円の長軸が上述
の多結晶シリコンストライプに直交するように照射され
、多結晶シリコンストライプに沿ってビームが走査され
る。多結晶シリコンの溶融再結晶化に必要なＹＡＧレー
ザーの出力はビームの走査速度が１．Ｏｍｍ／ｓｅｅの
時５００υであった。

多結晶シリコン薄膜はストライプの全域にわたって単結
晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３′となる。この時
アルミナシリケートガラスの支特休基板にはクラック等
の溶融再結晶化時における熱衝撃の影響は認められなか
った。

実施例−８ 第９図を用いて本実施例を説明する。

支持体基板２０１として厚さ１　、０ｍｍのアルミナシ
リケートガラス（ＨＯＹＡ　ＬＥ３０）を用いる。アル
ミナシリケートガラスの軟化点は９１２℃である。

このガラス支持体基板を常法により洗浄した後、熱衝撃
層２０２としてＳｉＣ膜２０２−１とＳｉ、Ｎ４２０２
−２をＬＰＣＶＤ法により各々１０μｍ、１．５μｍの
膜厚で形成する。ＳｉＣ膜及びＳｉ、　Ｎ４膜の形成条
件は次の通りである。

ＳｉＣ膜形成条件 圧　　　カニ　１．０Ｔｏｒｒ ガス流量：　Ｓｉ）１４５ｓｅｃｍ ：Ｃ３ＨＩ１２０ｓｃｃｍ 基板温度＝７５０℃ Ｓｉ、　Ｎ４膜形成条件 圧　　　カニ　１，０Ｔｏｒｒ ガス流量：　ＳｉＳｉ３４５ｓｅ ：　Ｎ８３５０ｓｃｃｍ 基板温度ニア５０℃ 次に上記条件により形成した熱緩衝層２０２上に、溶融
再結晶化により単結晶化されるシリコンＷｉ２０３とし
て、アモルファスシリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法によ
り膜厚０．５μｍで形成する。

続いて、このアモルファスシリコン薄膜をフォトリング
ラフィの手法を用いて第４図のごとく＠１００μｍのス
トライプ形状に加工する。

次に上記アモルファスシリコン薄膜２０３上に、表面保
護Ｍ２Ｏ４としてＳｉＯ□２０４−１と５ｉＮ２０４−
２をプラズマＣＶＤ法により各々の膜厚１．０μｍ、０
．５μｍで形成する。

以上の方法で作成した薄膜半導体を第５図に示すレーザ
ー光を用いた溶融再結晶化装置により単結晶化する。

本実施例のレーザー照射はＡｒレーザーの出力がビーム
の走査速度が０．５ｍｍ／ｓｅｅの時３０Ｗである。ほ
かは実施例１と同一であった。

アモルファスシリコン薄膜１００４はストライプの全域
にわたって単結晶化され、単結晶シリコン薄膜２０３′
となる。この時アルミナシリケートガラスの支持基板１
００１にはクランク等の溶融再結晶化時における熱衝撃
の影響は認められなかった。

以上の８実施例により得られたシリコン単結晶薄膜半導
体について、■支持体基板の割れあるいはクラックの発
生、■薄膜半導体層でのクラックの発生、■薄膜表面の
結晶方位面、■ホール移動度、■基板の反り、■サブグ
レンバンダリの発生、■双晶欠陥の発生の項目について
評価した。

各々の項目の評価法として、■および■のクラックの発
生の様子については顕微ａｌｌ！察により行った。■の
薄膜表面の結晶方位面の評価はＸ線回折法によりおこな
い、■のホール移動度の評価はＶＡＮ　ＤＥＲＰＡＷ法
によった。■の基板の反りの評価は基板の曲率を測定す
ることで行い。

■のサブグレンバンダリと■の双晶欠陥の評価はエツチ
ング法によった。

評価結果を表−１に示す。すべての実施例において支持
体基板に割れおよびクラックは発生せず、熱緩衝層とし
て有効であることがわかる。

しかし支持体基板上に作成された単結晶薄膜半導体層は
その特性が、熱緩衝層に用いた材料により異なっている
ことが認められ、本発明が開示する薄膜半導体材料の一
層の有効利用のためには本発明による薄膜半導体材料を
用いて作成する半導体素子に求められる性能より考慮し
て熱緩衝層の材料を選択することが好ましい。

（以下余白） 〔効　　果〕 先に述べたように画像読み取り用デバイス。

あるいは表示用デバイス等の高速化、高機能化にともな
いそれらのデバイスの駆動部として用いられるシリコン
の薄膜トランジスタの性能の向上が必要とされるように
なってきたが、その要求に応えるのが帯域溶融再結晶化
法（ＺＭＲ法）で形成されたシリコンの単結晶薄膜であ
る。

この方法によるとガラス等の大面積が形成可能な基板上
で単結晶シリコン薄膜が形成され、同一基板上に上記の
画像読み取り用素子あるいは表示用素子を形成すること
で高性能で小型のセンサーあるいはデイスプレーが形成
可能となる。

しかしながら従来のＺＭＲ法による単結晶薄膜はその溶
融再結晶化における加熱方法からの制限により、支持体
基板材料は石英ガラス等の溶融温度あるいは軟化点温度
がシリコンの溶融温度１４１２℃より高い材料に限られ
ていた。

本発明は上述のＺＭＲ法における加熱源としてレーザー
光を用いることにより、ｆｊ融融結結晶化際の熱の発生
する領域を支持体基板材料の極表面に限定し、かつシリ
コンの溶融再結晶化にともない発生する熱衝撃を支持体
基板とシリコン薄膜層の中間にシリコンの溶融温度１４
１２℃より高い材料で構成される熱緩１／ｆｆを形成す
ることにより上記ＺＭＲ法における支持体基板材料とし
てシリコンの溶融温度１４１２℃より低い材料の使用が
可能になる（溶融温度が１４１２℃より高い材料も使用
できるのは勿論である）など支持体基板材料に対する選
択の範囲を広げる。

このようにして、絶縁性基板の材料選択の自由度の拡大
は、石英の供給状態に左程影響をうけなくなるという効
果にとどまらない。

すなわち、薄膜半導体全体の厚みはほとんど基板の厚み
であり、半導体の熱による膨張、収縮は基板の影響を大
きく受けることになる。ところが、シリコン単結晶の熱
膨張係数と石英の熱膨張係数は前者が約５　Ｘ　１０−
’／’Ｃであり、後者が約４ＧＸＩＦ’／’Ｃであるた
め大変異っているので、どうしてもシリコン単結晶膜に
ひずみが残留し、これを緩和するためシリコン単結晶膜
にマイクロクラックが発生したり、あるいは眉間剥離を
おこす心配があった。それが基板の材料選択の道がひら
けたことにより、シリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係
数をもつ基板材料を使用できることは本発明の１つの大
きな効果である。

又、本発明によれば、ガラス等の大面積が形成可能な材
料を使用し、大面積の基板上で単結晶シリコン薄膜が形
成でき、しかも溶融再結晶の条件を＃御することにより
同一基板上で結晶方位の異る単結晶シリコン領域を形成
することができる。その結果、同一基板上に画像読み取
り用素子と例えば表示用素子あるいはＴＰＴとを形成す
ることができ、これにより高性能で小型のセンサー兼デ
イスプレー、ＴＰＴ駆動回路をもつ画像読み取り装置あ
るいは画像表示装置等の形成が可能となった。

このように本発明の薄膜半導体は、−枚の基板でＯＡ機
器等の大型撮影デバイス兼即動装置として、あるいは表
示デバイス兼１１に動装置として使用できるので、情報
化社会のニーズに極めてマツチした部材であるというこ
とができる。

本発明は加熱源としてレーザー光を選択使用することに
より、溶融再結晶化の際、加熱領域を積層体の溶融を必
要とする個所にのみ限定することができ、かつシリコン
の溶融再結晶化にともない発生する熱衝撃、熱伝導を支
持体基板とシリコン薄膜層の中間にシリコンの溶融温度
１４１２℃より高い材料で構成される熱緩衝層を形成す
ることにより溶融再結晶化における支持体基板材料とし
てシリコンの溶融温度１４１２℃より低い材料の使用を
可能とした。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザー光を熱源とした本発明方法における温
度変化の様子である。 第２図は本発明が開示する薄膜半導体の中間製品の構成
である。 第３図は実施例−１で用いたＳｉ０２層形成及び多結晶
シリコン暦形成のための減圧化学気相成長装置の概略図
である。 第４図は実施例−１等におけるストライプ状多結晶シリ
コン膜り０３′上に表面保護層２０４が形成されている
状態を示す図面であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はその
断面図である。 第５図は実施例で用いたレーザーＺＭＲ装置の概略図で
ある。 第６図は、第４図（Ａ）のストライプ状の変形であり、
実施例−４等における連結島状パターンの多結晶シリコ
ン膜２０３′を示し、（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は
その拡大図である。 第７図〜第９図は、第２図に示す実施例の変形例を示す
。 ２０１・・・支持体基板材料２０２・・・熱緩衝層２０
３・・・多結晶シリコン層 ２０３′・・・ストライプ状多結晶シリコン層２３０″
・・・連結島状多結晶シリコン層２４０・・・表面保護
層　　３０６・・・成膜室３０７・・・真空計　　　　
３０８・・・真空排気装置３０９・・・恒温炉 ３１０．３１０’　、３１０’・・・ガス流量計５０１
・・・Ａｒレーザー ５０２・・・シリンドリカルレンズ ５０３・・・試料ステージ　５０５・・・コントローラ
第 図 第 ？ 図 第５ 図 口２ 第４ 図 ２０３’ 第７ 図 第８図 第 ９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、融点あるいは軟化点がシリコンの融点（１４１２℃
   ）より低い材料よりなる支持体基板、融点あるいは軟化
   点がシリコンの融点より高い薄膜よりなる熱緩衝層およ
   び単結晶シリコン薄膜層より構成されていることを特徴
   とする薄膜半導体。 ２、（ａ）融点あるいは軟化点がシリコンの融点より低
   い材料よりなる支持体基板上に、融点あるいは軟化点が
   シリコンの融点より高い材料を用いて薄膜を形成するこ
   とにより熱緩衝層を製造する工程、（ｂ）この上に常法
   により多結晶シリコン薄膜又は非晶質シリコン薄膜を形
   成する工程、（ｃ）さらに、この上に融点あるいは軟化
   点がシリコンの融点より高い材料を用いて表面保護層を
   形成する工程、（ｄ）このようにして得られた積層体の
   表面保護層の側からレーザー光を照射し、前記多結晶シ
   リコン薄膜又は非晶質シリコン薄膜を溶融再結晶化させ
   ることにより単結晶シリコン薄膜に変換する工程、およ
   び必要に応じて（ｅ）前記表面保護層を除去する工程、
   よりなることを特徴とする薄膜半導体の製法。