JPH0372618A - 半導体膜の再結晶化法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体膜の再結晶化法に関し、より詳しくは
絶縁基板上もしくは該絶縁基板上に設けた絶縁膜上に形
成した非単結晶の半導体膜にレーザ等のエネルギビーム
を照射することによって半導体膜を単結晶化する方法に
関する。

〔従来の技術〕

近年、レーザによって非単結晶シリコン膜を溶融し単結
晶化する、いわゆるレーザによる再結晶化法がＳ○Ｉ　
（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術等
において有望視され、種々の方法が数多く報告されてい
る。例えばシリコン膜の再結晶化層における粒径の成長
促進化や成長平均化等を図って大型かつ欠陥の少ない単
結晶領域を得るためには、レーザの照射時におけるシリ
コン膜の固体領域と溶融領域との界面の温度分布の制御
が特に重要であり、この制御方法として以下に述べる技
術が報告されている（ＪＡＰＡＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡ
Ｌ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　Ｐ）ＩＹｓＩｃｓ。

Ｖｏｌ、２８．Ｎｏ、１．ＪＡＮＵＡＲＹ、１９８９．
ｐｐ、Ｌ１２８−ＬＬ３０等参照）。

上記技術を第３図に基づいて説明する。

シリコンウェハ１０１上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜
１０２を形成させ、その上に多結晶のシリコン膜１０３
をＣＶＤ法により堆積させる。さらに、シリコン膜１０
３に冷却媒体として透明のポリエチレングリコール（液
体、分子量約６００以下）層１０４を接触させる。この
とき、透明のガラス板１０５によってポリエチレングリ
コール層１０４の厚み（約０．　５〜約２〔す）を一定
に保持させている。

このような状態下でレーザ光りを走査させながらシリコ
ン膜１０３に照射し、これを溶融及び固化させ単結晶化
を行う。

上記ガラス板１．０５及びポリエチレングリコールＮ１
０４が無い場合には、レーザ光りの照射直後においてシ
リコン膜１０３の厚み方向に急な温度勾配が生じる。な
ぜなら、シリコン膜、１０３の底面側１０３ｂは酸化シ
リコン膜１０２に接しており、一方、表面側１０３ａは
雰囲気ガスに接しており、酸化シリコン膜上０２の熱伝
導度は雰囲気ガスより大きいために、底面側１０３ｂが
表面側１０３ａよりいちはやく冷却されるため、表面側
１０３ａが高温、底面側１０３ｂが低温の急な温度勾配
が生じることになる。

一方、シリコン膜１０３に冷却媒体を接触させた上記方
法によれば、シリコン膜１０３の表面側１０３ａはポリ
エチレングリコール層１０４により底面側１０３ｂと同
程度に冷却され放熱作用が行われるので、溶融シリコン
の厚み方向の温度勾配は小さくなる。これにより、結晶
粒径の残長が促進され、大型の単結晶が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の技術では、基板上に形成され
たシリコン膜の表面を覆う比較的厚い液体のポリエチレ
ングリコール層及びガラス板の２つの層をレーザ光が通
過してシリコン膜を溶融するので、上記両層の屈折率の
相違や振動その他によるポリエチレングリコール層の厚
みの変化等によりレーザ光の焦点ずれが生じやすい。ま
た、常温で液体のポリエチレングリコール層を用いてい
るので、シリコン膜が溶融する前にシリコン膜からの熱
でポリエチレングリコール層が沸騰し、気泡が発生する
等してレーザ光の光路が妨げられる。

このため、シリコン膜に酸化シリコン膜等のキャップ層
を約２μｍ以上設けて熱の伝達を妨げ、気泡の発生を防
止することが行われている。ところが、このようにキャ
ップ層が厚くなるとシリコン膜が単結晶になった後、シ
リコン膜と酸化シリコン膜との熱膨張係数の相違により
、両層にクランクが発生するという問題が生じる。

〔発明の目的〕

そこで、本発明はガラス等の絶縁基板上に形成した半導
体膜の再結晶化法において、上記従来技術の問題点を解
決し、かつエネルギビーム照射直後の半導体膜の膜厚方
向の温度勾配を小さくして結晶性の良好な広帯域の単結
晶膜が得られるような半導体膜の再結晶化法を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は以下に述べる第１の発明（イ）もしくは第２
の発明（ロ）の手段によって解決される。

すなわち、 （イ）　絶縁基板上もしくは該絶縁基板上に設けた絶縁
膜上に形成した非単結晶の半導体膜へエネルギビームを
走査させながら照射して、前記半導体膜を溶融及び固化
させることによって単結晶化する方法において、 前記絶縁基板の熱伝導度とほぼ同等の物体を前記半導体
膜の表面に接触させて、前記絶縁基板側からレーザを照
射することを特徴とする半導体膜の再結晶化法によって
上記課題は解決される。

また、 （ロ）　絶縁基板上もしくは該絶縁基板上に設けた第１
絶縁膜上に形成した非単結晶の半導体膜へエネルギビー
ムを走査させながら照射して、前記半導体膜を溶融及び
固化させることによって単結晶化する方法において、 前記半導体膜上に第２絶縁膜を設け、該第２絶縁膜上に
被着した固体のポリエチレングリコール層を支持板で挟
み、前記絶縁基板側からもしくは前記支持板側からエネ
ルギビームを照射することを特徴とする半導体膜の再結
晶化法によっても上記課題は解決される。

〔作用〕

次に、本発明の作用について説明する。

上記半導体膜の再結晶化法によれば、非単結晶の半導体
膜には絶縁基板の熱伝導度とほぼ同等か近似する物体を
接触させているので、溶融した半導体膜の熱は膜厚方向
にほぼ均等に逃げ、膜厚方向の温度勾配を小さくするこ
とができ、半導体膜の結晶粒径の残長を促進し、欠陥の
少ない広帯域の単結晶が得られる。

また、特に絶縁基板側からエネルギビームを照射する方
法では、従来のようにエネルギビームがポリエチレニン
グリコール層を通過して半導体膜を溶融することがない
ので、エネルギビームが屈折したり焦点がずれたりする
ことが極力防止され、良質な単結晶の半導体膜を成膜す
ることができる。

〔実施例〕

本発明に係る実施例について図面に基づいて詳細に説明
する。

〈第１の発明の実施例〉 第１図は第１の発明の実施例を示す図であり、絶縁基板
に形成された半導体膜へエネルギビームとしてレーザ光
を照射した様子の部分断面図である。図中１は厚さ約０
．　７ミリの石英ガラス基板（以後、単に基板ともいう
）であり、この上にプラズマＣＶＤ等により厚さ約５０
００オングストロームの非晶質シリコンの半導体膜３を
被着させている。さらに、半導体膜３の表面には冷却媒
体として分子量約４００程度のポリエチレングリコール
（液体）の層５を接触させている。ここで、基板ｌの厚
さは上記厚さに限るものではなく、約２〜３くすのもの
でもかまわない。また、基板１の材料は石英ガラス以外
（例えばアルカリ金属元素を極度に除去したガラス、ホ
ウケイ酸ガラスの＃７０５９等）でもかまわない。ただ
し、この場合には基板１と半導体膜３との間に約１００
オングストローム〜数ミクロン程度の厚さの酸化シリコ
ンや窒化シリコン等の絶縁膜を介在させてもよい。これ
によれば、半導体膜３の溶融時における基板１から半導
体膜３への不純物混入等が防止される。同様な理由で層
５と半導体膜３との間にも酸化シリコン等の絶縁膜を介
在させてもよい。半導体膜３は結晶質のものでもよく、
その厚さは約１００オングストローム〜１０ミクロン程
度の膜が成膜されるものとする。また、ポリエチレング
リコールの分子量はこれに限らず、例えば約２００〜約
２００００程度のものが使用されるものとする。また、
ポリエチレングリコールの他に、基板１と熱伝導度がほ
ぼ同等のものとして、例えば分子量約４００〜約４００
０のポリプロピレングリコール等の高分子材料やフロリ
ナート、さらには水銀またはスズ等の低融点金属等でも
よい。ただし、金属等を用いる場合にはＷ！５と半導体
膜３との間に絶縁膜を介してもよい。

上記状態において、基板１側からレーザ光りを照射する
。レーザは出力約０．　１〜２０ワット程度の連続発振
アルゴンレーザを用いビーム径を約１０〜３００ミクロ
ンに集光する。走査速度は約ｌ〜２０センチ／秒程度で
ある。

本実施例によれば、従来技術のようにポリエチレングリ
コールの層を例えば透明なガラス板で押さえる必要もな
く、レーザ光りが透過する層が薄い基板２であり、かつ
唯一の層で済むのでレーザ光りの焦点ずれの心配もほと
んどない。また、冷却媒体もポリエチレングリコールの
ように透明かつ熱的に安定な材料を使う必要もなく、様
々な材料を選択できるという利点を有する。特に、層５
と半導体膜３との間に酸化シリコン等の絶縁膜を介する
ことによって、上記材料の選択の幅をいっそう広げるこ
とができる。さらに、この半導体膜３は基板１と熱伝導
度がほぼ同等の層５とで挟まれているのでレーザ光りが
基板１側から半導体膜３に照射した際に、溶融している
ときの熱が半導体膜３の上下方向に均等に逃げ、膜厚方
向の温度勾配がきわめて小さくなる。

１０− このように、従来に比して簡単かつ汎用性のある構成で
大型かつ欠陥の少ない単結晶膜が得られる。

く第２の発明の実施例〉 次に、第２の発明に係る実施例について第２図に基づい
て説明する。

第２図は絶縁基板上に絶縁膜を介して形成した半導体膜
にレーザ光を照射する様子の部分断面図である。図中１
１は透光性の絶縁基板であり、厚さ約０．　７ミリのガ
ラス基板（例えばアルカリ金属元素を極度に除去したホ
ウケイ赦ガラス＃７０５９、以後、単にこれを基板とも
いう）であり、この上にプラズマＣＶＤ法等により厚さ
約５０００オングストロームの酸化シリコンの第１絶縁
膜１２を形成している。なお、ここで基板１１を石英ガ
ラスにすればこの第１絶総膜１２は形成しなくともよい
。なぜなら、石英ガラスと第１絶縁膜１２とは材質が近
似するために基板側からの不純物の拡散を考慮する必要
がないからである。第１絶縁膜１２上にはプラズマＣＶ
Ｄ法等により厚さ１１− 約５０００オングストロームの非晶質シリコンの半導体
膜１３を形成している。この半導体膜１３は成膜後約６
００℃の温度でアニールし、さらに脱水素処理を施した
ものを用いている。半導体膜１３上には第１絶縁膜１２
と同様な厚みの酸化シリコンの第２絶縁膜１４が形成さ
れている。さらに、第２絶ｍ膜１４上には分子量約１０
００程度のポリエチレングリコールＮ１５（常温すなわ
ち、２５℃で固体）を被着している。ポリエチレングリ
コール層１５上には支持板１６が載置しており、ポリエ
チレングリコール１１５が被着している。

ここで、ポリエチレングリコール１１５は以下の方法で
準備する。まず、基板１１の上に形成された第１絶縁膜
１２、半導体膜１３、第２絶縁膜１４をポリエチレング
リコールの沸点以上（例えば約３　’ＯＯ’Ｃ程度）に
加熱する。次いで、第１縁膜１４の上にポリエチレング
リコールの粉末を均一に振りかける。このとき、ポリエ
チレングリコールの粉末は溶融する。この状態でポリエ
チレングリコールを第２絶縁膜１４及び支持板１６に１
２− 被着させるために、厚み約０．　７ミリのカバーガラス
の支持板１６を載置し、この支持板１６に約ｌキログラ
ム／センチの荷重をかけて圧着しほぼ室温に冷却する。

このとき、ポリエチレングリコール層１５の厚みは約１
０〜約５０ミクロンとなっており、第２絶縁膜１４及び
支持板１６の両者に密着する。

なお、各層の厚みは上記数値に限定されるものではなく
、例えば基板１１は約２〜約３ミリ程度のものが使用さ
れてもよく、第１及び第２絶縁膜１２．１’４は約５０
０オングストローム〜約１ミクロン、半導体膜１３は約
１００オングストローム〜約１０′、クロン程度の膜が
成膜されてもよい。

また、この半導体膜１３は結晶質のものでもかまわない
し、第１及び第２絶縁膜１２．１４は窒化シリコンや炭
化シリコン等透光性及び耐熱性を有する絶縁膜であれば
よい。さらに、ポリエチレングリコールの分子量はこれ
に限らず、例えば約工ｏＯＯ〜約２００００程度のもの
が使用されるものとする。

上記態様において、基板１１側からエネルギビームとし
てレーザ光りを半導体膜１３へ以下の条件で照射する。

レーザは出力約０．　７〜約１．５ワット程度の連続発
振アルゴンレーザを用い、ビーム径を約１０〜約１００
ミクロンに集光し、走査速度約１〜約２０センチ／秒程
度で走査する。

上記条件によればポリエチレングリコールＮ１５での気
泡の発生は全くみられず、半導体膜の膜厚方向の温度勾
配がきわめて小さくなるので、広帯域でかつ欠陥の少な
い良好な単結晶シリコン膜が成膜されることを確認した
。

すなわち、本実施例によれば、従来技術のように比較的
厚い（ミリオーダ）ポリエチレングリコール層を例えば
透明なガラス板で精度よく押さえる必要もなく、レーザ
光りが透過する主な層は薄い第１絶縁膜１２及び基板１
１だけであり、基板１１に石英ガラスを用いれば基板１
１のみで済むので、レーザ光りの焦点ずれの心配がない
。さらに、この半導体膜１３は基板１１と支持板１６に
被着したポリエチレングリコール層１５とで挟ま１３− １４ れており、このポリエチレングリコール層１５は５０ミ
クロン以下のきわめて薄い層となっているので、レーザ
光りの照射時にポリエチレングリコール層１５が液化し
ても支持板１６に熱がすみやかに伝達するため沸騰は起
こらない。さらにまた、この液化が生じる箇所はレーザ
光のビームが当たっている箇所のみでありきわめて局所
的である。

したがって、レーザ光りが基板１１側から半導体膜１３
に照射した際に、半導体膜１３が溶融しているときの熱
が半導体膜１３の上下方向に均等に逃げるように、膜厚
方向の温度勾配のコントロールを容易に行えることがで
き、従来に比してきわめて簡単な構成で大型かつ欠陥の
少ない結晶性の良好な単結晶膜を得ることができる。な
お、本実施例において半導体膜上３を溶融させる手段と
してレーザを用いたが、例えば電子ビームやイオンビー
ム等のエネルギビームを用いてもかまわない。

また、上記態様においてレーザ光りを支持板１６の側か
ら照射させることによっても、常温で固体でかつきわめ
て薄いポリエチレングリコール層１５− １５を用いるので、従来の液体のポリエチレングリコー
ル層を用いた場合のレーザ光りの屈折や焦点ずれ等の問
題を解消するばかりでなく、ポリエチレングリコール層
を固定するための装置が簡便であり、レーザ光等エネル
ギビーム照射時における半導体膜の膜厚方向の温度分布
の制御も高精度に行うことができ、上記実施例とほぼ同
様な作用・効果が期待できる。ただし、この場合ポリエ
チレングリコールＮ１５を被着させる支持板１６は透光
性を有するものでなければならないことはいうまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体膜の再結晶化法に
よれば、半導体膜は絶縁基板の熱伝導度とほぼ同等もし
くは近似する物体に接触させた状態、または固体のポリ
エチレングリコール層が絶縁膜を介して設けられた状態
でエネルギビームを走査させながら照射するものである
。

したがって、従来のように液体のポリエチレングリコー
ル層を厚く設けたことや、ポリエチレン１６− グリコール層が沸騰することによって気泡が発生して、
エネルギビームの屈折や焦点ずれが生じることが極力防
止できる。

また、特に第２の発明において固体のポリエチレングリ
コール層を用いた方法では、溶融した半導体膜の膜厚方
向の温度勾配を小さく制御することが精度よくでき、大
型かつ結晶性の良好な単結晶が得られる。

さらに、透光性の絶縁基板上に形成した半導体膜に対し
て、この絶縁基板下側からエネルギビームを照射する方
法にあっては、−ＨＩＮ品性の良好な単結晶の半導体膜
の形成が期待でき、例えばＴＰＴ等のデバイスを製造す
るのに、安価なガラス基板上に非晶質の半導体膜を成膜
して、これを再結晶化する場合にこの方法を採用するこ
とはきわめて好適といえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明に係る実施例を示す部分断面図であ
り、第２図は第２の発明に係る実施例を示す部分断面図
であり、第３図は従来の技術を示す部分断面図である。 １．１１　　・・・ ２ ３．１３　・・・ ４ １５　　　・・・ ６

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板上もしくは該絶縁基板上に設けた絶縁膜
   上に形成した非単結晶の半導体膜へエネルギビームを走
   査させながら照射して、前記半導体膜を溶融及び固化さ
   せることによつて単結晶化する方法において、 前記絶縁基板の熱伝導度とほぼ同等の物体を前記半導体
   膜の表面に接触させて、前記絶縁基板側からレーザを照
   射することを特徴とする半導体膜の再結晶化法。
2. （２）絶縁基板上もしくは該絶縁基板上に設けた第１絶
   縁膜上に形成した非単結晶の半導体膜へエネルギビーム
   を走査させながら照射して、前記半導体膜を溶融及び固
   化させることによって単結晶化する方法において、 前記半導体膜上に第２絶縁膜を設け、該第２絶縁膜上に
   被着した固体のポリエチレングリコール層を支持板で挟
   み、前記絶縁基板側からもしくは前記支持板側からエネ
   ルギビームを照射することを特徴とする半導体膜の再結
   晶化法。