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DE4421109A1 - Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms

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Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms, wie beispielsweise ein polykristalliner Siliziumdünnfilm, der als Rohhalbleitermaterial für ein Halbleiterelement oder ein Ver­ drahtungsmaterial verwendet wird.
Beispielsweise ist ein Niederdruck-CCD-Verfahren, d. h. ein chemisches Dampfablagerungsverfahren unter einem niedri­ gen Druck, bekannt als ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliziumdünnfilms. Fig. 2 ist eine konzep­ tionelle Ansicht, die das Niederdruck-CVD-Verfahren zeigt. In der Zeichnung ist ein Quarzschiff 23, das ein Einkristallsi­ liziumsubstrat 11 vertikal darauf angeordnet hat, in einer transparenten Quarzröhre 22 angeordnet, die in einem rohrför­ migen elektrischen Ofen 21 angeordnet ist und die Röhre wird durch eine Vakuumpumpe über eine Auspufföffnung 24 und ein Ventil 25 evakuiert. Danach werden die Siliziumsubstrate 11 geheizt und Silan (SiH₄) wird durch eine Eingangsöffnung 26 und ein Ventil 27 eingebracht. Wenn die Substrate auf eine Temperatur geheizt sind, die größer ist als die Zerfallstem­ peratur des Silans, d. h. ungefähr 600-620°C, wird das Silan durch die Hitze in einem Gebiet nahe dem Substrat 11 zerlegt, so daß ein polykristalliner Siliziumdünnfilm auf dem Substrat 11 abgelagert wird. Obwohl das Silan zerlegt wird wenn eine Substratheiztemperatur 450°C erreicht, wird in diesem Falle ein amorpher Siliziumdünnfilm in dem Gebiet von 450-600°C abgelagert.
Die Korngröße des so gewachsenen polykristallinen Sili­ ziums ist jedoch so klein und liegt um die 1 µm oder weniger, und Defekte einer hohen Dichte treten an den Korngrenzen auf. Obwohl es ausschließlich als ein Verdrahtungsmaterials einer integrierten Schaltung verwendet wird, ist es daher ein Nach­ teils daß, wenn es für ein aktives Gebiet eines Halbleiter­ elements wie eine Diode und ein Transistor verwendet wird, d. h. wenn es als ein Rohmaterial zum Bilden eines Übergangs verwendet wird, die Eigenschaften des Elements schlecht sind. Der Grund, warum die Kristallkörner so klein sind, ist, daß, da die kristallinen Kerne als der Ursprung des Kristallwachs­ tums in verschiedenen Abschnitten des Substrats ausgebildet werden, die Anzahl der Kristalle groß ist und wenn sie auf die Größe einer gewissen Ausdehnung wachsen, sie durch die Störung anderer Kristallkörnern nicht weiterwachsen können.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts des obigen ist es eine Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines polykri­ stallinen Halbleiterdünnfilms zu schaffen, der eine große Korngröße hat und als ein Material für ein aktives Gebiet ei­ nes Halbleiterelements verwendet werden kann.
Um die obige Aufgabe zu lösen, umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte des Aufbringens eines amorphen Halbleiterdünnfilms auf einem Substrat, teilweises Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünnfilms durch die Bestrahlung mit Licht in eine Vielzahl von Bereichen, die voneinander durch im wesentlichen den gleichen Abstand ge­ trennt sind und das Wachsenlassen einer polykristallinen Schicht durch thermische Zerlegung eines Verbundgases auf dem gesamten Gebiet des kristallisierten Gebiets und des amorphen Gebiets, während die Temperatur des kristallisierten Gebiets höher gehalten wird als diejenige des amorphen Gebiets. Infrarotstrahlen oder sichtbare Strahlen können als Licht zum partiellen Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünnfilms verwendet werden. Um die Temperatur des kristallisierten Ge­ biets höher als die diejenige des amorphen Gebiets zu halten, kann das gesamte Gebiet mit Infrarotstrahlung bestrahlt wer­ den. Vorzugsweise ist das Halbleitersubstrat Silizium.
Wenn der amorphe Halbleiterdünnfilm kristallisiert wird, während die Temperatur des kristallisierten Bereichs höherge­ halten wird als diejenige des amorphen Bereichs und dann eine polykristalline Schicht durch die thermische Zerlegung auf den gesamten Bereich wachsengelassen wird, wird der kristal­ lisierte Bereich einer hohen Temperatur ein Kern und ein polykristalliner Halbleiterdünnfilm mit Kristallkörnern einer geringen Oberflächendichte kann gebildet werden, so daß die Größe der Kristallkörner vergrößert werden kann. Da der kri­ stallisierte Bereich einen Absorptionskoeffizienten für Infrarotstrahlung hat, der sehr viel größer ist als derjenige des amorphen Bereichs, ist es einfach die Temperatur des kri­ stallisierten Bereichs höher als diejenige des amorphen Be­ reichs durch die Bestrahlung des gesamten Bereichs mit Infra­ rotstrahlung zu halten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Fig. 1(a) bis 1(e) sind Querschnittsansichten, die die aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung eines polykristallinen Siliziumdünnfilms gemäß einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung zeigen, und
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine kon­ ventionelle Vorrichtung zur Herstellung eines polykristalli­ nen Siliziumdünnfilms zeigt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen eines Verfahrens zur Her­ stellung eines polykristallinen Halbleiterdünnfilms gemäß der vorliegenden Erfindung werden genau unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1(a) bis 1(e) sind Ansichten, die das Konzept ei­ nes Verfahrens zur Herstellung eines polykristallinen Sili­ ziumdünnfilms auf einem transparenten Quarzglassubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Zu­ erst, nachdem ein transparentes Quarzglassubstrat 1 in einem organischen Lösungsmittel wie Azeton oder Methanol gewaschen wurde, während Ultraschallwellen zugeführt wurden, wurde das Substrat mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Auf diesem Substrat 1, wie in der Fig. 1(a) dargestellt ist, wird durch ein Plasma-CVD-Verfahren, in dem eine Glimmentladung in einem Silangas erzeugt wird, ein amorpher Siliziumdünnfilm 2 von ungefähr 0,5 µm Dicke erzeugt. Die Wachstumsbedingungen waren so, daß die Substrattemperatur 250°C betrug, die Fluß­ rate des Silangases 20 cc/sek (konvertierter Wert in einem Standardzustand) betrug, der Gasdruck in einer Reaktionskam­ mer 50 Pa betrug und die Leistungsdichte der Glimmentladung 15 mW/cm² betrug. Ferner wurde Wasserstoff als ein Verdün­ nungsgas dem Silan mit einer Flußrate von 20 cc/sek (konvertierter Wert in einem Standardzustand) hinzugefügt. Unter diesen Bedingungen war die Wachstumsrate des amorphen Siliziums 0,3 nm/sek. Danach wurde die Probe einschießlich des so gewachsenen amorphen Siliziumdünnfilms auf eine beweg­ liche Ebene eines XY-Zweiachsers angeordnet. Während das Sub­ strat 1 in die Richtung des Pfeiles 3 und in die Richtung normal dazu bewegt wurde, wie es in der Fig. 2(b) gezeigt wird, wird dieses mit einem Lichtstrahl 4 bestrahlt, der aus einen optischen Puls der zweiten Harmonischen (Wellenlänge 0,532 µm) eines Q-Switch-YAG-Lasers vom Pulsoszillationstyp bestand, gebündelt durch eine konvexe Linse und durch einen Schlitz geleitet, so daß die Bereiche 5 von 10 µm×10 µm, die voneinander mit der Länge und Breite von 50 µm separiert sind, kristallisiert wurden. Die Strahlungsbedingungen des Laserstrahls waren so, daß die Leistung 2 J/cm², die Puls­ breite 145 ns und die Wiederholfrequenz 7 kHz betrug.
Danach wird die Probe einschließlich der teilweise kri­ stallisierten Bereiche 5, wie dargestellt in der Fig. 1(b), in einen Heizofen mit einer infraroten Lampe gesetzt und die gesamte Oberfläche wurde bei einem Silangasdruck von 100 Pa mit Infrarotstrahlen 6 von einer Infrarotlampe bestrahlt, wie es in der Fig. 1(c) dargestellt ist. Ein optischer Absorpti­ onskoeffizient für die infrarote Strahlung der Wellenlänge 1,2 µm ist 10-2 cm-1 für das polykristalline Silizium des kri­ stallisierten Bereichs 5, während er 1×cm-1 oder weniger für das amorphe Silizium des anderen Bereichs 2 ist, welches um zwei Größenordnungen oder mehr geringer ist als der er­ stere so daß die kristallisierten Bereiche 5 selektiv ge­ heizt werden und der amorphe Siliziumbereich 2 wegen deren Wärmeleitung beheizt wird. Durch das Berechnen der erzeugten Wärmemenge unter Verwendung des optischen Absorptionskoeffi­ zienten der Infrarotstrahlung des amorphen Siliziumdünnfilms und dem des polykristallinen Siliziumdünnfilms und das Lösen einer Wärmeleitungsgleichung basierend auf der Wärmemenge, stellt es sich heraus, daß die Temperatur des kristallisier­ ten Bereichs ungefähr 630°C durch die infrarote Strahlung wurde, die die Intensität hat durch die die Temperatur des Substrats und des amorphen Bereichs ungefähr 550°C wurde. In der Praxis, unter den Bedingungen, bei denen die Temperatur des amorphen Bereichs ungefähr 500°C wurde, wie es in der Fig. 1(d) dargestellt wurde, wurde beobachtet, daß ein poly­ kristalliner Siliziumdünnfilm 7 durch eine teilweise thermi­ sche CVD wuchs. Die thermische CVD wurde nur in den Bereichen 5 beobachtet, die durch die optischen Pulse des YAG-Lasers kristallisiert wurden. Das heißt, es wurde beobachtet, daß selektives Kristallwachstum auftrat, während die kristalli­ sierten Bereiche als die Kerne des Kristallwachstums dienten. Während das polykristalline Silizium wächst, nimmt die Fläche des amorphen Silizium ab und die Fläche des polykristallinen Siliziums nimmt zu, so daß eine mittlere Absorptionsmenge der Infrarotstrahlung durch die Probe zunimmt und die Temperatur des Substrates zunimmt. Daher wurde die Temperatur des Sub­ strates unter Verwendung eines Infrarot-Strahlungsthermome­ ters gemessen, so daß die Stärke der infraroten Strahlung rückgekoppelt gesteuert war. Auf diese Weise, dargestellt in der Fig. 1(e), wuchs der polykristalline Siliziumdünnfilm 7 von ungefähr 50 µm Dicke auf der gesamten Oberfläche des amorphen Siliziumdünnfilms 2. Der polykristalline Silizium­ dünnfilm 7 wurde durch ein optisches Mikroskop beobachtet, und sehr große Kristallkörner mit einer mittlerer Korngröße von ungefähr 50 µm wurden beobachtet. Das heißt, es wurde ge­ funden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Korngröße des polykristallinen Siliziumdünnfilms bemerkenswert zunahm im Vergleich mit dem konventionellen Verfahren.
In der obigen Ausführungsform wurde ein transparentes Quarzsubstrat 1 verwendet. Jedoch können andere Substrate verwendet werden, falls sie keinen Kristallkern von Silizium auf der Oberfläche haben, der thermische Ausdehnungskoeffizi­ ent nahe demjenigen von Silizium ist und die Wärmeleitfähig­ keit gering ist. Beispielsweise können ähnliche Resultate er­ zielt werden, selbst wenn das Substrat derart ist, daß ein SiO₂-Dünnfilm geformt wird durch thermisches CVD auf einem Einkristallsiliziumsubstrat oder einem SiO₂-Dünnfilm durch thermische CVD auf einem Metallpegelsiliziumsubstrat gebildet wird, das eine sehr viel geringe Reinheit hat, aber viel bil­ liger ist als eine Halbleiterebene 1. Da die Temperaturdiffe­ renzen zwischen dem kristallisierten Bereich und dem amorphen Bereich jedoch groß sein können für ein Substrat mit einer geringen Absorptionsmenge von Infrarotstrahlung, ist es vor­ teilhaft, das Einkristallsiliziumsubstrat zu verwenden.
Ferner, selbst wenn sichtbare Strahlung von einem konti­ nuierlichen Laser für die optischen Pulse zum teilweisen Kri­ stallisieren des amorphen Siliziumdünnfilms, beispielsweise die sichtbare Strahlung der Wellenlänge 515 nm von einem Ar­ gon-Ionen-Laser oder die sichtbare Strahlung der Wellenlänge 488 nm kürzer als die erstere, verwendet wird wie sie ist oder nachdem sie zerhackt worden ist um zu diskontinuierli­ chen Strahlungen konvertiert zu werden, können ähnliche Er­ gebnisse erzielt werden. In diesem Falle, entsprechend der kontinuierlichen Strahlung, wird die amorphe Siliziumschicht im Gegensatz zu der obenbeschriebenen Ausführungsform linear kristallisiert. Es ist überflüssig zu sagen, daß die Wellen­ länge des verwendeten Laserstrahls derart ist, daß der opti­ sche Absorptionskoeffizient in dem amorphen Bereich groß ist. Anstatt der in der Fig. f1(c) gezeigten Bestrahlung mit In­ frarotstrahlung 6 kann ein Energiestrahl teilweise dem kri­ stallisierten Bereich 5 zugeführt werden, um den Bereich zu erhitzen. In diesem Falle, falls der kristallisierte Bereich 5 vergrößert ist, muß der Bereich der Bestrahlung ausgedehnt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein amorpher Halb­ leiterdünnfilm durch Lichtbestrahlung teilweise kristalli­ siert, und der kristallisierte Bereich wird selektiv auf eine Temperatur über der thermischen Zersetzungstemperatur eines Rohmaterialverbundgases zum Durchführen der selektiven ther­ mischen CVD erhitzt, so daß ein aus großen polykristallen, die aus Kernen des kristallisierten Bereichs gewachsen sind, gebildeter Halbleiterdünnfilm erzielt werden kann. Daher ist es möglich einen polykristallinen Halbleiterdünnfilm zu er­ zeugen, der als Rohmaterial für einen aktiven Bereich eines Halbleiterelementes verwendet werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms, das die Schritte aufweist:
Aufbringen eines amorphen Halbleiterdünnfilms auf einem Substrat;
teilweises Kristallisieren des amorphen Halbleiterdünn­ films durch Bestrahlung mit Licht in eine Vielzahl von Berei­ chen des amorphen Halbleiterdünnfilms, die voneinander mit im wesentlichen dem gleichen Abstand getrennt sind; und
Wachsen einer polykristallinen Schicht durch thermisches Zerlegen eines Verbundgases auf einer gesamten Oberfläche der kristallisierten Bereiche und der amorphen Bereiche, während eine Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche höher gehalten wird als diejenige der entsprechenden amorphen Bereiche.
2. Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halblei­ terdünnfilms nach Anspruch 1, worin der amorphe Halbleiter­ dünnfilm teilweise durch die Bestrahlung mit einem Infrarot­ strahl kristallisiert wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin der amorphe Halblei­ terdünnfilm teilweise durch die Bestrahlung mit einem sicht­ baren Strahl kristallisiert wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche durch die Bestrah­ lung mit einem Infrarotstrahl auf die gesamte Oberfläche der kristallisierten Bereiche und der amorphen Bereiche höher ge­ halten wird als diejenigen der entsprechenden amorphen Bereiche.
5. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche durch Bestrahlung mit einem Energiestrahl auf die kristallisierten Bereiche hö­ her gehalten wird als diejenige der entsprechenden amorphen Bereiche.
6. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin der Halbleiterdünnfilm aus Silizium besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin die Temperatur der entsprechenden kristallisierten Bereiche höher gehalten wird als eine thermische Zerlegungstemperatur des Verbundgases.
8. Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halb­ leiterdünnfilms nach Anspruch 1, worin das Verbundgas aus Silan besteht.
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