JPH09306837A - Thin film semiconductor and its manufacture - Google Patents
Thin film semiconductor and its manufactureInfo
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- JPH09306837A JPH09306837A JP11928796A JP11928796A JPH09306837A JP H09306837 A JPH09306837 A JP H09306837A JP 11928796 A JP11928796 A JP 11928796A JP 11928796 A JP11928796 A JP 11928796A JP H09306837 A JPH09306837 A JP H09306837A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜太陽電池、薄
膜トランジスタなどの大面積半導体デバイスに応用が可
能で、ガラス基板のような絶縁性基板上に形成されるこ
とで、電極としての役割を果たし得る、低抵抗性の薄膜
状シリコン系半導体およびその製造方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention can be applied to large-area semiconductor devices such as thin film solar cells and thin film transistors, and when it is formed on an insulating substrate such as a glass substrate, it serves as an electrode. The present invention relates to a low resistance thin film silicon-based semiconductor and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ガラスをはじめとする絶縁物質でなる基
板上にデバイスを作製するには、電流の取り出し用の下
地電極を必要とすることが多い。例えば、アモルファス
シリコン太陽電池などの場合には、この下地電極にはイ
ンジウム錫オキシド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2、ＺｎＯなど
の透明導電酸化膜が用いられている。ところが、これら
の膜の上に直接、高品質なシリコン薄膜、例えば結晶粒
子サイズが大きく結晶欠陥の少ない結晶性シリコンの薄
膜を低温で成長させるのはかなり困難である。従って、
シリコン薄膜そのものを低抵抗化して電極として用いる
ことができればこのような他の電極材料は不必要である
と考えられる。さらに、結晶性のシリコン薄膜を形成す
ればその上部に形成されるべき層のシード層としても働
くことから、ガラス基板上に低温プロセスで薄膜多結晶
シリコン太陽電池などのデバイスを作製するのに非常に
有用である。2. Description of the Related Art In order to fabricate a device on a substrate made of an insulating material such as glass, a base electrode for taking out a current is often required. For example, in the case of an amorphous silicon solar cell or the like, a transparent conductive oxide film of indium tin oxide (ITO), SnO 2 , ZnO or the like is used for this base electrode. However, it is quite difficult to directly grow a high-quality silicon thin film, for example, a crystalline silicon thin film having a large crystal grain size and a small number of crystal defects on these films at a low temperature. Therefore,
It is considered that such other electrode materials are unnecessary if the silicon thin film itself can be used as an electrode with low resistance. Furthermore, when a crystalline silicon thin film is formed, it also functions as a seed layer for the layer to be formed on top of it, which makes it very useful for fabricating devices such as thin film polycrystalline silicon solar cells on glass substrates by a low temperature process. Useful for.
【０００３】低抵抗の薄膜状シリコンを形成するには、
i）ドーパント原子を含むシリコンのアモルファス膜を
熱アニールすることによる固相成長法；ii）熱分解によ
るＣＶＤ法によりドーパント原子を含む結晶性膜を直接
成長させる方法；iii）一旦形成された多結晶シリコン
膜にドーパント原子をイオン注入した後にアニールを行
って再結晶化させる方法；などが通常用いられている。To form low resistance thin film silicon,
i) solid phase growth method by thermally annealing an amorphous film of silicon containing dopant atoms; ii) method of directly growing a crystalline film containing dopant atoms by a CVD method by thermal decomposition; iii) once formed polycrystal A method in which dopant atoms are ion-implanted into a silicon film and then annealed to recrystallize the film is usually used.
【０００４】上記従来の方法においては、種々の問題が
ある。例えば、i、ii、およびiiiの方法においては、い
ずれもドーピングの量に制限があり、iおよびiiの方法
においては、そしてiiiの方法において熱アニール法を
採用した場合には、ドーパント原子の活性化率が悪いな
どの欠点がある。そのため、シリコン膜の低抵抗化と膜
の高品質化（例えば、結晶粒径が大きく結晶欠陥が少な
い）を両立させるには限界がある。例えばキャリア濃度
で１×１０20ｃｍ-3以上、シート抵抗にして２００Ω／
□以下の低抵抗の薄膜状シリコンを得ることは、特にｐ
型の場合には困難である。熱分解によるＣＶＤ法では、
ドーピング量が多くなると結晶化があまり進まないた
め、得られるシリコン膜の結晶の粒径が小さくなる。さ
らに上記iの固相成長法や、iiiのイオン注入後に固相成
長させる方法においては、６００℃前後でアニールを行
うと良質な多結晶シリコンが得られると言われている
が、この程度の成長温度ではドーパント原子の活性化率
が不十分なために低抵抗化には限界があり、しかも成長
速度が遅いという問題がある。さらにこれらのいずれの
手法においてもプロセス温度が高く、基板がガラスの場
合、高融点の高価なものを用いなければならない。There are various problems in the above conventional method. For example, in each of the methods i, ii, and iii, the amount of doping is limited, and in the methods i and ii, and when the thermal annealing method is adopted in the method iii, the activity of the dopant atom is reduced. There are drawbacks such as poor conversion rate. Therefore, there is a limit in achieving both low resistance of the silicon film and high quality of the film (for example, large crystal grain size and few crystal defects). For example, the carrier concentration is 1 × 10 20 cm −3 or more, and the sheet resistance is 200 Ω /
□ To obtain low resistance thin film silicon below
Difficult for molds. In the CVD method by thermal decomposition,
When the doping amount is large, the crystallization does not proceed so much, so that the crystal grain size of the obtained silicon film becomes small. Further, in the solid phase growth method of i and the method of solid phase growth after ion implantation of iii, it is said that good quality polycrystalline silicon can be obtained by annealing at around 600 ° C. Since the activation rate of the dopant atoms is insufficient at temperature, there is a limit to lowering the resistance, and there is a problem that the growth rate is slow. Further, in any of these methods, the process temperature is high, and when the substrate is glass, an expensive one having a high melting point must be used.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
課題を解決するためになされたものであり、その目的と
するところは、安価に入手し得るガラスのような絶縁物
質でなる基板上に高品質でしかも電極として利用可能な
程度の低抵抗の薄膜状シリコン系半導体、および該半導
体を低温かつ簡便なプロセスにて製造する方法を提供す
ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to provide a substrate made of an insulating material such as glass that can be obtained at low cost. Another object of the present invention is to provide a thin film silicon semiconductor having high quality and low resistance that can be used as an electrode, and a method for manufacturing the semiconductor by a simple process at low temperature.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】発明者らは種々の検討を
行った結果、比較的多量のドーパント原子を含むアモル
ファスシリコン系薄膜を絶縁基板上に形成し、これにパ
ルスレーザーを照射することで薄膜の結晶化およびドー
パント原子のキャリア化を行うと、最終的に低抵抗かつ
高品質の薄膜状シリコン系半導体が形成されるという知
見を得、本発明を完成するに至った。As a result of various studies, the inventors have formed an amorphous silicon-based thin film containing a relatively large amount of dopant atoms on an insulating substrate and irradiating it with a pulse laser. The present invention has been completed based on the finding that when a thin film is crystallized and a dopant atom is made to be a carrier, a thin film silicon semiconductor of low resistance and high quality is finally formed.
【０００７】本発明の薄膜状シリコン系半導体は、絶縁
性基板上に形成された薄膜状シリコン系半導体であっ
て、そのキャリア濃度は１×１０20ｃｍ-3以上であり、
そのことにより上記目的が達成される。The thin-film silicon-based semiconductor of the present invention is a thin-film silicon-based semiconductor formed on an insulating substrate and has a carrier concentration of 1 × 10 20 cm -3 or more.
Thereby, the above object is achieved.
【０００８】好適な実施態様においては、上記薄膜状シ
リコン系半導体の膜厚は３０ｎｍ以上１μｍ以下であ
り、そのシート抵抗は２００Ω／□以下である。In a preferred embodiment, the film thickness of the thin film silicon-based semiconductor is 30 nm or more and 1 μm or less, and the sheet resistance thereof is 200 Ω / □ or less.
【０００９】本発明の薄膜状シリコン系半導体は、絶縁
性基板上に形成されたドーパント原子を含む薄膜状シリ
コン系半導体であって、その表面あるいは基板との界面
の近傍１０ｎｍ以内の部分に、１×１０21ｃｍ-3以上の
割合で該ドーパント原子が含まれる。The thin-film silicon-based semiconductor of the present invention is a thin-film silicon-based semiconductor formed on an insulating substrate and containing dopant atoms, and is formed on the surface or in the vicinity of the interface with the substrate within 10 nm. The dopant atoms are contained in a proportion of × 10 21 cm -3 or more.
【００１０】本発明の薄膜状シリコン系半導体は、絶縁
性基板上にプラズマＣＶＤ法でドーパント原子を含むア
モルファスシリコン系薄膜を形成する工程、および該薄
膜にパルスレーザーを照射する工程、により得られ、そ
のキャリア濃度は１×１０20ｃｍ-3以上である。The thin film silicon-based semiconductor of the present invention is obtained by the steps of forming an amorphous silicon-based thin film containing dopant atoms on an insulating substrate by plasma CVD, and irradiating the thin film with a pulse laser. The carrier concentration is 1 × 10 20 cm −3 or more.
【００１１】好適な実施態様によれば、上記ドーパント
原子はボロンである。According to a preferred embodiment, the dopant atom is boron.
【００１２】本発明の薄膜状シリコン系半導体の製造方
法は、絶縁性基板上にプラズマＣＶＤ法でドーパント原
子を含むアモルファスシリコン系薄膜を形成する工程、
および該薄膜にパルスレーザーを照射することにより該
ドーパント原子を活性化させて、キャリア濃度を１×１
０20ｃｍ-3以上とする工程を包含する。The method of manufacturing a thin film silicon-based semiconductor of the present invention comprises the steps of forming an amorphous silicon-based thin film containing dopant atoms on an insulating substrate by plasma CVD.
And activating the dopant atoms by irradiating the thin film with a pulsed laser so that the carrier concentration is 1 × 1.
The step of adjusting the pressure to 0 20 cm -3 or more is included.
【００１３】好適な実施態様によれば、上記ドーパント
原子はボロンであり、該ボロンは上記プラズマＣＶＤ法
により上記アモルファスシリコン系薄膜中に取り込まれ
る。According to a preferred embodiment, the dopant atom is boron, and the boron is incorporated into the amorphous silicon type thin film by the plasma CVD method.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】本発明の薄膜状シリコン系半導体
を得るには、まず、ドーパント原子を含有するアモルフ
ァスシリコン系薄膜を絶縁性基板上に形成する。これ
は、プラズマＣＶＤ法により行われる。このプラズマＣ
ＶＤ法を採用すると純度が高くしかも大面積で均一な膜
を得ることが可能であり、しかもドーパント原子の濃度
は、必要に応じて任意に制御され得る。ドーパント原子
は、通常、Ｓｉ １００重量部に対して０．１〜１０重
量部の割合で薄膜中に含有させる。これは、プラズマＣ
ＶＤ法において、低基板温度下で原料ガスの混合比を変
えることにより達成され、薄膜中に固溶限界濃度以上の
ドーパント原子を容易に取り込ませることが可能であ
る。ｐ型半導体薄膜を形成する場合にはドーパント原子
としては、Ｂ、Ａｌ、Ｇａなどが、ｎ型半導体薄膜を形
成する場合にはＰ、Ａｓ、Ｓｂなどが利用され得る。こ
のようにして形成されるアモルファス膜の膜厚は、３０
ｎｍ以上１μｍ以下、望ましくは５０ｎｍ以上５００ｎ
ｍ以下、さらに好ましくは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以
下である。この厚みは、後述のパルスレーザー照射で一
度に薄膜の結晶化が可能であり、かつ十分低いシート抵
抗を得ることの可能な厚みである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION To obtain the thin film silicon-based semiconductor of the present invention, first, an amorphous silicon-based thin film containing a dopant atom is formed on an insulating substrate. This is performed by the plasma CVD method. This plasma C
When the VD method is adopted, it is possible to obtain a uniform film having a high purity and a large area, and the concentration of the dopant atom can be arbitrarily controlled as needed. Dopant atoms are usually contained in the thin film in a ratio of 0.1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of Si. This is plasma C
In the VD method, it is achieved by changing the mixing ratio of the raw material gas at a low substrate temperature, and it is possible to easily incorporate the dopant atoms in the thin film at the solid solution limit concentration or more. When forming a p-type semiconductor thin film, B, Al, Ga, etc. can be used as a dopant atom, and when forming an n-type semiconductor thin film, P, As, Sb, etc. can be used. The film thickness of the amorphous film thus formed is 30
nm or more and 1 μm or less, preferably 50 nm or more and 500 n
m or less, and more preferably 50 nm or more and 300 nm or less. This thickness is such that a thin film can be crystallized at one time by irradiation with a pulse laser described below and a sufficiently low sheet resistance can be obtained.
【００１５】次に、形成されたドーパント原子を含むア
モルファスシリコン薄膜にパルスレーザーを照射する。
使用されるパルスレーザーの波長は、５０〜１０００ｎ
ｍ、好ましくは１５０〜５００ｎｍであり、そのパルス
幅は狭く、通常、１ナノ秒〜５マイクロ秒、好ましく
は、１０ナノ秒〜１マイクロ秒である。レーザーのエネ
ルギー密度は、通常、５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ2、望
ましくは２００〜５００ｍＪ／ｃｍ2である。このよう
なパルスレーザー光源としては、例えば、ＫｒＦ（波長
２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＡｒＦ
（波長１９３ｎｍ）エキシマレーザーが用いられる。Next, the formed amorphous silicon thin film containing dopant atoms is irradiated with a pulse laser.
The wavelength of the pulse laser used is 50-1000n
m, preferably 150 to 500 nm, and its pulse width is narrow, usually 1 nanosecond to 5 microseconds, preferably 10 nanoseconds to 1 microsecond. The energy density of the laser is usually 50 to 1000 mJ / cm 2 , preferably 200 to 500 mJ / cm 2 . Examples of such pulsed laser light sources include KrF (wavelength 248 nm), XeCl (wavelength 308 nm), ArF.
An excimer laser (wavelength 193 nm) is used.
【００１６】このようにパルスレーザーが照射されるこ
とにより、基板上のアモルファスシリコン薄膜のアニー
リングが行われる。レーザーが照射されるとシリコン薄
膜は溶融し、次いで冷却固化して結晶化する。本法にお
いては、波長の短いパルスレーザーが採用されるため、
基板を長時間高温にさらすことなく瞬時に膜のみを溶融
・固化させることが可能である。その結果、高品質な多
結晶シリコン薄膜、具体的には結晶粒が大きく、ある面
方位に強く配向し、表面が平滑であり、かつ電気的特性
の優れた結晶性のシリコン薄膜が得られる。By thus irradiating the pulsed laser, the amorphous silicon thin film on the substrate is annealed. When the laser is irradiated, the silicon thin film is melted, then cooled and solidified to be crystallized. In this method, since a pulsed laser with a short wavelength is adopted,
It is possible to instantly melt and solidify only the film without exposing the substrate to high temperature for a long time. As a result, a high-quality polycrystalline silicon thin film, specifically, a crystalline silicon thin film having large crystal grains, strongly oriented in a certain plane orientation, a smooth surface, and excellent electrical characteristics can be obtained.
【００１７】上記パルスレーザー照射によるシリコン薄
膜の結晶化とともに、薄膜中に含有されるドーパント原
子の電気的活性化が起こる。つまり、パルスレーザーを
照射してシリコン膜を溶融させたときに、ドーパント原
子は冷却固化後も膜中に残ってそのほとんどが活性化さ
れてキャリア源となる。よって結晶シリコン薄膜中のド
ーパント原子の固溶限界濃度である４×１０21ｃｍ-3付
近までの任意のキャリア濃度、通常１×１０20ｃｍ-3を
以上のキャリア濃度を有する、低抵抗のシリコン薄膜が
作製できる。As the silicon thin film is crystallized by the pulsed laser irradiation, the dopant atoms contained in the thin film are electrically activated. That is, when the silicon film is melted by irradiation with the pulsed laser, the dopant atoms remain in the film even after being cooled and solidified, and most of them are activated to serve as a carrier source. Therefore, low resistance silicon having an arbitrary carrier concentration up to 4 × 10 21 cm −3 which is the solid solution limit concentration of the dopant atoms in the crystalline silicon thin film, usually 1 × 10 20 cm −3 or more. A thin film can be produced.
【００１８】ドーピング量に制限がないため、出発材料
のアモルファスシリコン膜中にはさらに高濃度のドーパ
ント原子を含ませることができる。ドーパント原子は結
晶シリコン膜中に固溶限界濃度以上の濃度では存在でき
ないため、パルスレーザーを照射してシリコン膜を溶融
・冷却固化していく過程で、ドーパント原子が高濃度の
場合は、過剰なドーパント原子が薄膜表面および薄膜と
基板との界面の方向に吐き出される。その結果、表面お
よび基板との界面近傍にバルク中よりも数倍もの濃度の
ドーパント原子が偏析する。このようなドーパント原子
が過剰に含有されるシリコン薄膜は、その表面から約１
０ｎｍ以内の部分および基板との界面から約１０ｎｍ以
内の部分に、通常、１×１０21ｃｍ-3以上の割合でドー
パント原子を含有する。このような高濃度ドーパント層
が障壁となり、その後のバルクシリコン中からのドーパ
ント原子の再離脱（揮発）が抑制される。その結果、バ
ルクシリコンだけでは得られないような低シート抵抗の
シリコン薄膜が得られる。Since the amount of doping is not limited, the starting material amorphous silicon film can contain a higher concentration of dopant atoms. Since the dopant atoms cannot exist in the crystalline silicon film at a concentration higher than the solid solution limit concentration, when the concentration of the dopant atoms is high in the process of melting and cooling and solidifying the silicon film by irradiating the pulse laser, the excess amount of Dopant atoms are ejected toward the surface of the thin film and toward the interface between the thin film and the substrate. As a result, dopant atoms having a concentration several times higher than that in the bulk are segregated near the surface and the interface with the substrate. A silicon thin film containing an excessive amount of such dopant atoms has a surface area of about 1
Dopant atoms are usually contained at a ratio of 1 × 10 21 cm −3 or more in a portion within 0 nm and a portion within approximately 10 nm from the interface with the substrate. Such a high-concentration dopant layer serves as a barrier, and the subsequent re-desorption (volatilization) of the dopant atoms from the bulk silicon is suppressed. As a result, a silicon thin film having a low sheet resistance, which cannot be obtained by bulk silicon alone, is obtained.
【００１９】[0019]
【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【００２０】（実施例１）出発材料であるアモルファス
シリコン膜は、ガラス基板上にＲＦプラズマＣＶＤ法に
より作製する。ここでガラス基板にはコーニング＃７０
５９ガラスなどを用いるが、さらに低融点で安価なソー
ダガラスなどでも十分適用できる。ＲＦプラズマＣＶＤ
法における成膜条件は以下に記す通りである：基板温度
３００〜４００℃、反応室内圧力１．０Ｔｏｒｒ、ＲＦ
Ｐｏｗｅｒ １６ｍＷ／ｃｍ2；原料ガスにはシラン
（ＳｉＨ4）を、不純物ドーピングガスにはジボラン
（Ｂ2Ｈ6）を用い、その流量比は例えば１：０．００２
２である。Example 1 An amorphous silicon film as a starting material is formed on a glass substrate by RF plasma CVD method. Corning # 70 on the glass substrate
Although 59 glass or the like is used, soda glass or the like which has a low melting point and is inexpensive can be sufficiently applied. RF plasma CVD
The film forming conditions in the method are as follows: substrate temperature 300 to 400 ° C., reaction chamber pressure 1.0 Torr, RF
Power 16 mW / cm 2 ; Silane (SiH 4 ) is used as a source gas, and diborane (B 2 H 6 ) is used as an impurity doping gas, and the flow rate ratio thereof is, for example, 1: 0.002.
2.
【００２１】形成されたアモルファスシリコン薄膜に、
以下の条件にてレーザー光を照射する。このときの雰囲
気は室温・大気中でよいが、レーザー照射前に一度例え
ば４５０℃〜５５０℃の範囲の温度に試料を加熱し、ア
モルファスシリコン膜中に残留している水素原子を放出
させる処理を行うことが望ましい。レーザー光源にはＫ
ｒＦ：波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを使用する。
レーザーパルス幅は約２５ナノ秒、レーザーエネルギー
密度は５０〜６００ｍＪ／ｃｍ2、望ましくは２００〜
５００ｍＪ／ｃｍ2である。On the formed amorphous silicon thin film,
Laser light is irradiated under the following conditions. The atmosphere at this time may be room temperature or the atmosphere, but a treatment of heating the sample to a temperature of, for example, 450 ° C. to 550 ° C. once before laser irradiation to release hydrogen atoms remaining in the amorphous silicon film is performed. It is desirable to do. K for laser light source
rF: An excimer laser with a wavelength of 248 nm is used.
The laser pulse width is about 25 nanoseconds, the laser energy density is 50 to 600 mJ / cm 2 , preferably 200 to
It is 500 mJ / cm 2 .
【００２２】レーザー照射により形成された薄膜は、双
晶がやや見られるものの、粒径数百ｎｍの結晶がかなり
均一に成長していることが電子顕微鏡による観察などか
ら確認される。作製条件によっては平均粒径１μｍ以上
にまで達する薄膜も得られた。この結晶はＸ線回折スペ
クトルにより（１１１）方向に強く配向していることが
わかった。In the thin film formed by laser irradiation, twin crystals are slightly observed, but it is confirmed by observation with an electron microscope that crystals with a grain size of several hundreds nm grow fairly uniformly. A thin film having an average particle size of 1 μm or more was also obtained depending on the manufacturing conditions. It was found from the X-ray diffraction spectrum that this crystal was strongly oriented in the (111) direction.
【００２３】作製されたシリコン膜の電気的特性の具体
例を挙げる。アモルファスシリコンの膜厚が１５０ｎｍ
のとき、パルスレーザーエネルギー密度を３５０ｍＪ／
ｃｍ2とすれば、得られる薄膜のシート抵抗は約５０Ω
／□であり、膜厚が３００ｎｍのとき、パルスレーザー
エネルギー密度を５００ｍＪ／ｃｍ2とすればシート抵
抗は約３０Ω／□であった。ホール効果測定によれば、
いずれの膜厚においてもレーザー照射条件を最適化する
ことで比抵抗１×１０-3Ωｃｍ以下、キャリア濃度７×
１０20ｃｍ-3以上、ホール移動度１０ｃｍ2／Ｖ秒以上
が達成された。ホール効果は室温、磁場５０００ガウス
の条件で測定される。また、シート抵抗も上記ホール効
果の測定で得られるが、これとは別に簡便に４端子シー
ト抵抗測定器でも測定され得る。Specific examples of electrical characteristics of the produced silicon film will be given. Amorphous silicon film thickness is 150 nm
When the pulse laser energy density is 350 mJ /
If the sheet thickness is cm 2 , the sheet resistance of the obtained thin film is about 50Ω.
When the film thickness was 300 nm and the pulse laser energy density was 500 mJ / cm 2 , the sheet resistance was about 30 Ω / □. According to Hall effect measurements
By optimizing the laser irradiation conditions at any film thickness, the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less and the carrier concentration is 7 ×.
A hole mobility of 10 20 cm -3 or more and a hole mobility of 10 cm 2 / V sec or more were achieved. The Hall effect is measured at room temperature and a magnetic field of 5000 gauss. The sheet resistance can also be obtained by measuring the Hall effect, but separately from this, it can be easily measured by a four-terminal sheet resistance measuring instrument.
【００２４】上記のように低抵抗化を実現できるのは、
薄膜中にボロン原子が高濃度に取り込まれているだけで
なく、これらのほとんどがキャリアとしてほぼ１００％
近く活性化されていることによる。The reason why the resistance can be reduced as described above is
Not only are boron atoms incorporated in a high concentration in the thin film, but most of these are almost 100% as carriers.
Due to being activated nearby.
【００２５】（実施例２）本実施例では、実施例１より
も約１桁ほどドーピング量の高い場合について説明す
る。(Embodiment 2) In this embodiment, a case where the doping amount is higher by about one digit than that of Embodiment 1 will be described.
【００２６】出発材料である高濃度ドープアモルファス
シリコン系薄膜は、ガラス基板上にＲＦプラズマＣＶＤ
法により作製する。ここでガラス基板にはコーニング＃
７０５９ガラスなどを用いるが、さらに低融点で安価な
ソーダガラスなどでも十分適用できる。ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法における成膜条件は以下に記す通りである：基板
温度３００〜４００℃、反応室内圧力１．０Ｔｏｒｒ、
ＲＦ Ｐｏｗｅｒ １６ｍＷ／ｃｍ2；原料ガスにはシ
ラン（ＳｉＨ4）を、不純物ドーピングガスにはジボラ
ン（Ｂ2Ｈ6）を用い、その流量比は例えば１：０．０１
６である。The heavily doped amorphous silicon thin film, which is the starting material, is subjected to RF plasma CVD on a glass substrate.
It is produced by the method. Corning on the glass substrate here #
7059 glass or the like is used, but soda glass or the like which has a lower melting point and is inexpensive can be sufficiently applied. RF plasma C
The film forming conditions in the VD method are as follows: substrate temperature 300 to 400 ° C., reaction chamber pressure 1.0 Torr,
RF Power 16 mW / cm 2 ; Silane (SiH 4 ) is used as a source gas and diborane (B 2 H 6 ) is used as an impurity doping gas, and the flow rate ratio thereof is, for example, 1: 0.01.
It is 6.
【００２７】形成されたアモルファスシリコン薄膜に、
以下の条件にてレーザー光を照射する。この時の雰囲気
は室温・大気中でよいが、レーザー照射前に一度例えば
４５０℃〜５５０℃の範囲の温度に試料を加熱し、アモ
ルファスシリコン膜中に残留している水素原子を放出さ
せる処理を行うことが望ましい。レーザー光源にはＫｒ
Ｆ：波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを使用する。レ
ーザーパルス幅は約２５ｎ秒、レーザーエネルギー密度
は５０〜６００ｍＪ／ｃｍ2、望ましくは２００〜５０
０ｍＪ／ｃｍ2である。On the formed amorphous silicon thin film,
Laser light is irradiated under the following conditions. The atmosphere at this time may be room temperature / atmosphere, but before the laser irradiation, the sample is once heated to a temperature in the range of, for example, 450 ° C. to 550 ° C. to release hydrogen atoms remaining in the amorphous silicon film. It is desirable to do. Kr for laser light source
F: An excimer laser with a wavelength of 248 nm is used. The laser pulse width is about 25 ns, the laser energy density is 50 to 600 mJ / cm 2 , and preferably 200 to 50.
It is 0 mJ / cm 2 .
【００２８】作製されたｐ型シリコン薄膜半導体の電気
的特性の具体例を挙げる。アモルファスシリコンの膜厚
が１５０ｎｍのとき、パルスレーザーエネルギー密度を
３５０ｍＪ／ｃｍ2とすれば、得られる薄膜のシート抵
抗は約１１Ω／□であり、膜厚が３００ｎｍのとき、パ
ルスレーザーエネルギー密度を５００ｍＪ／ｃｍ2とす
ればシート抵抗は約６Ω／□であった。ホール効果測定
によれば、いずれの膜厚においても比抵抗が２．５×１
０-4ｃｍ以下、キャリア濃度が３×１０21ｃｍ-3以上と
いう、バルクシリコンでも容易に得られないような値を
示している。Specific examples of electrical characteristics of the produced p-type silicon thin film semiconductor will be given. If the pulse laser energy density is 350 mJ / cm 2 when the film thickness of amorphous silicon is 150 nm, the sheet resistance of the obtained thin film is about 11 Ω / □, and when the film thickness is 300 nm, the pulse laser energy density is 500 mJ. / Cm 2 , the sheet resistance was about 6Ω / □. According to the Hall effect measurement, the specific resistance is 2.5 × 1 at any film thickness.
The values are 0 −4 cm or less and the carrier concentration is 3 × 10 21 cm −3 or more, which are not easily obtained even in bulk silicon.
【００２９】次に、上記と同様の方法で、ドーピングガ
スとしてホスフィン（ＰＨ3）を用い、ドーパントとし
てリン原子を含有するｎ型の薄膜半導体を形成した。Next, phosphine (PH 3 ) was used as a doping gas and an n-type thin film semiconductor containing a phosphorus atom as a dopant was formed by the same method as described above.
【００３０】図ｌに上記ｐ型およびｎ型の半導体薄膜の
膜厚とシート抵抗との関係をそれぞれ示す。図中黒丸
は、ボロンをドーパントとして含有するｐ型半導体薄膜
の測定値を示し、白丸は、リンをドーパントとして含有
するｎ型半導体薄膜の測定値を示す。ｐ型半導体薄膜の
場合を見ると、膜厚の増加に従ってシート抵抗が減少
し、４５０ｎｍでは５〜６Ω／□にまで下がっている。
３００ｎｍの厚みまでは完全な多結晶膜であり、４５０
ｎｍでは一部アモルファス部分が残留したり、結晶粒子
サイズが小さい場合もある。従って、目的に応じて膜厚
を設定する必要がある。このｐ型半導体薄膜の場合に
は、リンをドーパントとして含有するｎ型半導体薄膜の
場合よりも、全範囲にわたって数分の１も抵抗が低くな
っている。パルスレーザーを照射してシリコン膜を溶融
させたときに、ｐ型膜におけるドーパントであるボロン
原子はｎ型膜におけるドーパントであるリン原子と比べ
て蒸発による再離脱が起こりにくく、しかも、冷却固化
後も膜中に残ってその殆とが活性化されてキャリア源と
なることがわかる。FIG. 1 shows the relationship between the film thickness of the p-type and n-type semiconductor thin films and the sheet resistance, respectively. In the figure, the black circles show the measured values of the p-type semiconductor thin film containing boron as a dopant, and the white circles show the measured values of the n-type semiconductor thin film containing phosphorus as a dopant. Looking at the case of the p-type semiconductor thin film, the sheet resistance decreases as the film thickness increases and drops to 5 to 6 Ω / □ at 450 nm.
It is a completely polycrystalline film up to a thickness of 300 nm.
In nm, some amorphous parts may remain or the crystal grain size may be small. Therefore, it is necessary to set the film thickness according to the purpose. In the case of this p-type semiconductor thin film, the resistance is reduced to a fraction of that of the case of the n-type semiconductor thin film containing phosphorus as a dopant over the entire range. When the silicon film is melted by irradiation with a pulsed laser, the boron atom, which is a dopant in the p-type film, is less likely to be re-desorbed by evaporation than the phosphorus atom, which is a dopant in the n-type film, and after cooling and solidification. It is understood that most of them also remain in the film and are activated to serve as a carrier source.
【００３１】他のプロセスで形成した結晶Ｓｉの場合に
は、一般的にはｎ型の方が低抵抗であることが多く、ｐ
型でこれほど低抵抗の薄膜が得られた例はない。プラズ
マＣＶＤ法による高濃度ドープアモルファスシリコン系
膜の形成とパルスレーザーによるアニールプロセスによ
り上記効果が得られると考えられる。In the case of crystalline Si formed by another process, n-type is generally lower in resistance, and p
There is no case where a thin film having such a low resistance was obtained in the mold. It is considered that the above effect can be obtained by the formation of a highly-doped amorphous silicon film by the plasma CVD method and the annealing process by the pulse laser.
【００３２】上記ボロンをドーパントとして含有するｐ
型半導体薄膜の、膜中のボロンの深さ方向（厚み方向）
の分布をＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrosco
py）を用いて調べた結果を図２示す。図２において横軸
は膜の深さ（膜の表面からの距離；表面を０とする）を
示しており、縦軸は該表面からの距離の位置におけるボ
ロン濃度を示す。薄膜の表面付近には約５×１０21ｃｍ
-3という、それ以外の領域よりも３倍以上もの濃度のボ
ロン原子が存在することがわかる。これは出発材料のア
モルファスシリコン系薄膜中には均一に分布していたも
のが、結晶化によって固溶限界を越えたために吐き出さ
れて偏析したものである。この超高濃度のドーパント層
が存在するために、バルクｐ型シリコンでの限界を越え
た低シート抵抗の多結晶シリコン膜が得られる。P containing the above boron as a dopant
Direction of the boron in the semiconductor thin film
Of the distribution of SIMS (Secondary Ion Mass Spectrosco
2 shows the result of the examination using py). In FIG. 2, the horizontal axis represents the depth of the film (distance from the surface of the film; the surface is 0), and the vertical axis represents the boron concentration at the position of the distance from the surface. About 5 × 10 21 cm near the surface of the thin film
It can be seen that there is a boron atom with a concentration of -3 , which is three times or more that of the other regions. This is because the amorphous silicon-based thin film as the starting material was uniformly distributed, but was discharged and segregated because it exceeded the solid solution limit due to crystallization. Due to the presence of this ultra-high concentration dopant layer, a polycrystalline silicon film having a low sheet resistance exceeding the limit of bulk p-type silicon can be obtained.
【００３３】（実施例３）次に、実施例ｌあるいは実施
例２で述べた作製プロセスを２回以上繰り返すことで、
より低いシート抵抗の多結晶シリコン膜を得る実施例に
ついて説明する。まず、出発材料である高濃度ドープア
モルファスシリコン膜の第１層を、ガラス基板上にＲＦ
プラズマＣＶＤ法により形成する。ここでガラス基板に
はコーニング＃７０５９ガラスなどを用いるが、さらに
低融点で安価なソーダガラスなどでも十分適用できる。
ＲＦプラズマＣＶＤ法における成膜条件は以下に記す通
りである：基板温度３００〜４００℃、反応室内圧力
１．０Ｔｏｒｒ、ＲＦ Ｐｏｗｅｒ １６ｍＷ／ｃ
ｍ2；原料ガスにはシラン（ＳｉＨ4）を、不純物ドーピ
ングガスにはジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用い、その流量比は
例えば１：０．０２５である。(Embodiment 3) Next, by repeating the manufacturing process described in Embodiment 1 or Embodiment 2 two or more times,
An example of obtaining a polycrystalline silicon film having a lower sheet resistance will be described. First, the first layer of a highly doped amorphous silicon film, which is a starting material, is RF-coated on a glass substrate.
It is formed by the plasma CVD method. Here, Corning # 7059 glass or the like is used for the glass substrate, but soda glass or the like which has a low melting point and is inexpensive can be sufficiently applied.
The film forming conditions in the RF plasma CVD method are as follows: substrate temperature 300 to 400 ° C., reaction chamber pressure 1.0 Torr, RF Power 16 mW / c.
m 2 ; Silane (SiH 4 ) is used as a source gas, and diborane (B 2 H 6 ) is used as an impurity doping gas, and the flow rate ratio thereof is 1: 0.025, for example.
【００３４】形成されたアモルファスシリコン膜第１層
に、以下の条件にてレーザー光を照射する。このときの
雰囲気は室温・大気中でよいが、レーザー照射前に一度
例えば４５０℃〜５５０℃の範囲の温度に試料を加熱
し、アモルファスシリコン膜中に残留している水素原子
を放出させる処理を行うことが望ましい。レーザー光源
にはＫｒＦ：波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを使用
する。レーザーパルス幅は約２５ナノ秒、レーザーエネ
ルギー密度は５０〜６００ｍＪ／ｃｍ2、望ましくは２
００〜５００ｍＪ／ｃｍ2である。The first layer of the formed amorphous silicon film is irradiated with laser light under the following conditions. The atmosphere at this time may be room temperature or the atmosphere, but a treatment of heating the sample to a temperature of, for example, 450 ° C. to 550 ° C. once before laser irradiation to release hydrogen atoms remaining in the amorphous silicon film is performed. It is desirable to do. A KrF: excimer laser having a wavelength of 248 nm is used as a laser light source. The laser pulse width is about 25 nanoseconds, the laser energy density is 50 to 600 mJ / cm 2 , preferably 2
It is from 00 to 500 mJ / cm 2 .
【００３５】このようにして作製した多結晶シリコン膜
の上に、さらに高濃度ドープアモルファスシリコン膜第
２層を上記と同様にプラズマＣＶＤ法にて成膜する。そ
してこの積層膜に再び上記と同様にパルスレーザーを照
射して結晶化させる。こうして成膜、レーザー照射を繰
り返すことで低シート抵抗の多結晶シリコン積層膜が形
成される。On the polycrystalline silicon film thus produced, a second layer of a highly-doped amorphous silicon film is further formed by the plasma CVD method as in the above. Then, the laminated film is again irradiated with the pulsed laser to be crystallized. Thus, by repeating the film formation and laser irradiation, a polycrystalline silicon laminated film having a low sheet resistance is formed.
【００３６】作製されたシリコン積層膜の電気的特性の
具体例を挙げる。アモルファスシリコンの第１層の膜厚
が２００ｎｍ、第２層の膜厚が２００ｎｍで合計４００
ｎｍのとき、シート抵抗は約４Ω／□であった。さらに
各々膜厚が２００ｎｍの第３層および第４層をさらに積
層して合計膜厚８００ｎｍとした場合には、シート抵抗
は約２Ω／□であった。２００ｎｍの厚みの第１層のみ
のときにはシート抵抗は約８Ω／□であったので、膜厚
にほぼ反比例した割合でシート抵抗が低減できる。この
ように、必要に応じて多層の薄膜を形成することによ
り、シート抵抗をさらに低減させることが可能となる。Specific examples of electrical characteristics of the produced silicon laminated film will be given. The first layer of amorphous silicon has a thickness of 200 nm, and the second layer has a thickness of 200 nm.
The sheet resistance was about 4 Ω / □ at nm. Further, when a third layer and a fourth layer each having a film thickness of 200 nm were further laminated to give a total film thickness of 800 nm, the sheet resistance was about 2Ω / □. Since only the first layer having a thickness of 200 nm had a sheet resistance of about 8Ω / □, the sheet resistance can be reduced at a rate substantially inversely proportional to the film thickness. In this way, it is possible to further reduce the sheet resistance by forming a multilayer thin film as needed.
【００３７】[0037]
【発明の効果】本発明によれば、このように、絶縁性基
板上に形成された高品質でかつ電極として用いることが
可能な低抵抗の薄膜状のシリコン系半導体が得られ得
る。このような低抵抗の薄膜状のシリコン系半導体を用
いると、他の電極材料が不要である。このような薄膜状
シリコン系半導体は、通常多結晶薄膜であるため、これ
をシード層あるいは結晶化制御層とすることで、低温プ
ロセスにて結晶シリコン系半導体をその上に成長させる
こともできる。従って、本発明の薄膜状のシリコン系半
導体は、種々の薄膜デバイスヘの応用が可能である。As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a high-quality thin-film silicon-based semiconductor formed on an insulating substrate and which can be used as an electrode. When such a low resistance thin film silicon semiconductor is used, no other electrode material is required. Since such a thin film silicon-based semiconductor is usually a polycrystalline thin film, by using this as a seed layer or a crystallization control layer, a crystalline silicon-based semiconductor can be grown on it by a low temperature process. Therefore, the thin film silicon-based semiconductor of the present invention can be applied to various thin film devices.
【図１】本発明の薄膜状のシリコン系半導体の膜厚とシ
ート抵抗との関係を示すグラフ。図中黒丸はｐ型、白丸
はｎ型の薄膜状半導体を示す。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the film resistance and the sheet resistance of a thin film silicon-based semiconductor of the present invention. In the figure, black circles indicate p-type and white circles indicate n-type thin film semiconductors.
【図２】本発明の薄膜状のシリコン系半導体の膜の表面
からの距離と、該表面からの距離の位置におけるボロン
濃度との関係を示すプロファイル。FIG. 2 is a profile showing the relationship between the distance from the surface of the thin film silicon-based semiconductor film of the present invention and the boron concentration at the position of the distance from the surface.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/786 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｇ 21/336 (72)発明者 山本 憲治 兵庫県神戸市兵庫区吉田町１丁目１−３− 504─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication location H01L 29/786 H01L 29/78 627G 21/336 (72) Inventor Kenji Yamamoto Hyogo Ward, Kobe City, Hyogo Prefecture 1-3-1 504, Yoshidacho
Claims (7)
ン系半導体であって、キャリア濃度が１×１０20ｃｍ-3
以上である、薄膜状シリコン系半導体。1. A thin film silicon-based semiconductor formed on an insulating substrate, having a carrier concentration of 1 × 10 20 cm −3.
The above is a thin film silicon-based semiconductor.
シート抵抗が２００Ω／□以下である、請求項１に記載
の薄膜状シリコン系半導体。2. The film thickness is 30 nm or more and 1 μm or less,
The thin film silicon-based semiconductor according to claim 1, having a sheet resistance of 200 Ω / □ or less.
子を含む薄膜状シリコン系半導体であって、その表面あ
るいは基板との界面の近傍１０ｎｍ以内の部分に、１×
１０21ｃｍ-3以上の割合で該ドーパント原子が含まれ
る、薄膜状シリコン系半導体。3. A thin film silicon semiconductor containing a dopant atom formed on an insulating substrate, wherein 1 × is formed on the surface or within 10 nm of the interface with the substrate.
A thin film silicon-based semiconductor containing the dopant atom at a ratio of 10 21 cm −3 or more.
パント原子を含むアモルファスシリコン系薄膜を形成す
る工程、および該薄膜にパルスレーザーを照射する工
程、 により得られる薄膜状シリコン系半導体であって、 キャリア濃度が１×１０20ｃｍ-3以上である、薄膜状シ
リコン系半導体。4. A thin film silicon-based semiconductor obtained by a step of forming an amorphous silicon-based thin film containing a dopant atom on an insulating substrate by a plasma CVD method, and a step of irradiating the thin film with a pulse laser, A thin film silicon-based semiconductor having a carrier concentration of 1 × 10 20 cm -3 or more.
求項３または４に記載の薄膜状シリコン半導体。5. The thin film silicon semiconductor according to claim 3, wherein the dopant atom is boron.
パント原子を含むアモルファスシリコン系薄膜を形成す
る工程、および該薄膜にパルスレーザーを照射すること
により該ドーパント原子を活性化させて、キャリア濃度
を１×１０20ｃｍ-3以上とする工程を包含する、薄膜状
シリコン系半導体の製造方法。6. A step of forming an amorphous silicon-based thin film containing a dopant atom on an insulating substrate by a plasma CVD method, and activating the dopant atom by irradiating the thin film with a pulse laser to increase a carrier concentration. A method for producing a thin film silicon-based semiconductor, which includes a step of adjusting the pressure to 1 × 10 20 cm −3 or more.
記プラズマＣＶＤ法により前記アモルファスシリコン系
薄膜中に取り込まれる、請求項６に記載の製造方法。7. The manufacturing method according to claim 6, wherein the dopant atom is boron and is incorporated into the amorphous silicon-based thin film by the plasma CVD method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11928796A JPH09306837A (en) | 1996-05-14 | 1996-05-14 | Thin film semiconductor and its manufacture |
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| JPH09306837A true JPH09306837A (en) | 1997-11-28 |
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|---|---|
| JP (1) | JPH09306837A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002505531A (en) * | 1998-03-03 | 2002-02-19 | エーケーティー株式会社 | Coating and annealing method for large area glass substrate |
| JP2004505433A (en) * | 1999-11-18 | 2004-02-19 | ピー・デイ・エフ ソリユーシヨンズ インコーポレイテツド | System and method for product yield prediction |
| JP2005011941A (en) * | 2003-06-18 | 2005-01-13 | Tokyo Electron Ltd | Semiconductor manufacturing apparatus and heat treatment method |
-
1996
- 1996-05-14 JP JP11928796A patent/JPH09306837A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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