結晶シリコンの製造方法
【課題】結晶シリコンの位置を制御可能な結晶シリコンの製造方法を提供する。
【解決手段】結晶シリコンの製造方法は、基板上にａ−Ｓｉ膜を形成する工程Ｓ１と、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをａ−Ｓｉ膜上に配置する工程Ｓ２と、ａ−Ｓｉ膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する工程Ｓ３とを備える。
【解決手段】結晶シリコンの製造方法は、基板上にａ−Ｓｉ膜を形成する工程Ｓ１と、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをａ−Ｓｉ膜上に配置する工程Ｓ２と、ａ−Ｓｉ膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する工程Ｓ３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、結晶シリコンの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気圧下における直流アーク放電によって生成された熱プラズマジェットを石英基板上のアモルファスシリコン膜に照射してアモルファスシリコン膜を溶融結晶化する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０６０８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の方法では、結晶シリコンの位置を制御することが困難であった。
【０００５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、結晶シリコンの位置を制御可能な結晶シリコンの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法は、基板上にアモルファスシリコン膜を形成する第１の工程と、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをアモルファスシリコン膜上に配置する第２の工程と、アモルファスシリコン膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する第３の工程とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法においては、熱プラズマジェットは、マスクがアモルファスシリコン膜上に配置された状態で所望の方向に走査される。その結果、マスクに接するアモルファスシリコン膜の領域は、溶融結晶化せず、貫通孔を介して熱プラズマジェットに曝されるアモルファスシリコン膜の領域だけが溶融結晶化する。
【０００８】
従って、結晶シリコンの位置を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造に用いる半導体製造装置の構成図である。
【図２】図１に示す半導体製造装置の動作を説明するための概念図である。
【図３】プラズマ処理装置の概略図である。
【図４】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第１の工程図である。
【図５】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第２の工程図である。
【図６】熱プラズマジェットの照射による熱伝導を説明するための概念図である。
【図７】図１に示す半導体装置を用いて結晶化した結晶シリコンの光学顕微鏡像を示す図である。
【図８】溶融結晶化の概念図である。
【図９】マスクの斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態による一般的な結晶シリコンの製造方法を示す工程図である。
【図１１】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いたＴＦＴの製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１１】
図１は、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造に用いる半導体製造装置の構成図である。図１を参照して、半導体製造装置１００は、架台１と、圧電素子２と、プラズマ源１０と、測定装置３０と、制御装置４０と、ＸＹステージ５０とを備える。
【００１２】
圧電素子２は、一方端が架台１に固定され、他方端がプラズマ源１０に連結される。
【００１３】
プラズマ源１０は、陽極１１と、絶縁体１２と、導体１３と、陰極１４と、ガス導入管１５と、給水管１６と、排出管１７と、電源回路２０とを含む。
【００１４】
陽極１１は、概略、中空の円筒形状からなり、ＸＹステージ５０側に噴出口１８を有する。また、陽極１１は、その内部に中空部分１９を有する。そして、陽極１１は、例えば、熱伝導率が高い銅（Ｃｕ）からなる。
【００１５】
絶縁体１２は、陽極１１と導体１３との間に陽極１１および導体１３に接して配置される。そして、絶縁体１２は、例えば、アルミナおよびセラミックス等からなる。
【００１６】
導体１３は、略十字形状を有する。そして、導体１３のうち、水平方向ＤＲ１に配置された部分は、絶縁体１２に接して配置される。また、導体１３のうち、上下方向ＤＲ２に配置された部分は、陽極１１の噴出口１８の方向へ突出するとともに、一方端が尖っており、他方端が圧電素子２に連結されている。さらに、導体１３は、陰極１４を挿入するための孔を有する。そして、導体１３は、例えば、Ｃｕからなる。
【００１７】
絶縁体１２が陽極１１および導体１３に接するように配置されることによって、内部空間２１が形成される。
【００１８】
陰極１４は、導体１３に挿入されるとともに、一方端側が導体１３から露出する。また、陰極１４は、その一方端が噴出口１８に向かって尖っている。そして、陰極１４は、例えば、タングステン、タンタル、ルテニウム、およびジルコニウム等の熱陰極金属材料からなる。
【００１９】
ガス導入管１５は、その一方端側が陽極１１を貫通して内部空間２１に達するように陽極１１に固定される。そして、ガス導入管１５は、アルゴン（Ａｒ）ガスを保持するガスボンベ（図示せず）に連結されている。給水管１６は、その一方端側が陽極１１を貫通して中空部分１９に達するように陽極１１に固定される。排出管１７は、その一方端側が陽極１１を貫通して中空部分１９に達するように陽極１１に固定される。
【００２０】
噴出口１８は、例えば、６００μｍφの直径を有する。電源回路２０は、陽極１１と陰極１４との間に電気的に接続される。測定装置３０は、その底面３０Ａが陽極１１の底面１１Ａに一致するように陽極１１の外周面に設置される。ＸＹステージ５０は、支持部材（図示せず）によって架台１に固定される。
【００２１】
圧電素子２は、制御装置４０から電圧が印加されると、上下方向ＤＲ２に伸縮し、プラズマ源１０を上下方向ＤＲ２へ移動させる。
【００２２】
プラズマ源１０は、電源回路２０から直流電圧が印加され、ガス導入口１５からＡｒガスが内部空間２１へ供給されると、直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生する。そして、プラズマ源１０は、その発生した熱プラズマジェットを噴出口１８から放射する。
【００２３】
ガス導入管１５は、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。この場合、内部空間２１は、大気圧に設定される。
【００２４】
給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９へ供給する。排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。
【００２５】
電源回路２０は、陽極１１がプラスになり、陰極１４がマイナスになるように、直流電圧を陽極１１−陰極１４間に印加する。
【００２６】
測定装置３０は、制御装置４０からの制御に従って、ＸＹステージ５０に設置された基板６０と噴出口１８との距離を測定する。より具体的には、測定装置３０は、距離の測定を指示するための信号ＤＳを制御装置４０から受けると、レーザ光を出射する。出射されたレーザ光は、ハーフミラー（図示せず）によって２つに分割され、一方のレーザ光は、基板６０に照射され、他方のレーザ光は、リファレンスに照射される。そして、一方のレーザ光は、基板６０で反射されて測定装置３０に到達する。また、他方のレーザ光は、リファレンスで反射されて測定装置３０に到達する。測定装置３０は、一方のレーザ光と他方のレーザ光とが測定装置３０に到達するときに生じる干渉パターンを検出する。そして、測定装置３０は、噴出口１８と基板６０との距離をＬとすると、その検出した干渉パターンと距離Ｌとの関係に基づいて距離Ｌを算出する。そうすると、測定装置３０は、その算出した距離Ｌを制御装置４０へ出力する。
【００２７】
制御装置４０は、信号ＤＳを測定装置３０へ出力する。また、制御装置４０は、距離Ｌを測定装置３０から受け、その受けた距離Ｌに基づいて、噴出口１８と基板６０との距離が所望の距離に設定されるように、圧電素子２に電圧を印加する。
【００２８】
半導体製造装置１００においては、噴出口１８と基板６０との距離は、例えば、１ｍｍに設定される。制御装置４０は、測定装置３０によって測定された距離Ｌが１ｍｍになるように電圧を圧電素子２に印加する。
【００２９】
半導体製造装置１００は、プラズマ源１０によって熱プラズマジェットを発生し、その発生した熱プラズマジェットを基板６０上に形成されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜に照射することによって、ａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化する。
【００３０】
半導体製造装置１００における動作について説明する。図２は、図１に示す半導体製造装置１００の動作を説明するための概念図である。
【００３１】
図２を参照して、ａ−Ｓｉ膜６１が形成された基板６０をＸＹステージ５０に設置する。なお、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜６１の膜厚は、例えば、５０ｎｍである。
【００３２】
そして、ａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化する場合、制御装置４０は、測定装置３０によって測定された距離Ｌが１ｍｍになるように電圧を圧電素子２に印加する。これによって、噴出口１８と基板６０との距離が１ｍｍに設定される。
【００３３】
その後、ガス導入管１５は、内部空間２１の圧力が大気圧になるように、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。この場合、Ａｒガスの流量は、例えば、２．５〜３．２リットル／分である。また、給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９に供給するとともに、排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。これによって、陽極１１は、冷却される。
【００３４】
引き続いて、電源回路２０は、例えば、１．９〜２．１ｋＷの直流電力を陽極１１−陰極１４間に印加する。そうすると、陰極１４は、先端部から熱プラズマジェットＴＰＪを発生し、その発生した熱プラズマジェットＴＰＪを噴出口１８を介してａ−Ｓｉ膜６１に照射する。この場合、移動機構（図示せず）によってプラズマ源１０を２６００〜４０００ｍｍ／ｓの速度で移動させる。
【００３５】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１のうち、熱プラズマジェットＴＰＪが照射された部分が溶融結晶化され、結晶シリコン６１１が形成される。この結晶シリコン６１１は、１００μｍ以上の粒径を有する。
【００３６】
図３は、プラズマ処理装置の概略図である。図３を参照して、プラズマ処理装置６００は、石英管６１０と、反応室６２０と、基板ホルダー６３０と、ヒーター６４０と、配管６５０と、バルブ６６０と、アンテナ６７０と、マッチング回路６８０と、高周波電源６９０とを備える。
【００３７】
石英管６１０は、１０ｃｍφの直径を有し、その一方端が反応室６２０内に挿入されるように固定される。反応室６２０は、中空の円筒形状からなり、上面６２０Ａに石英管６１０の一方端を挿入するための開口部６２１を有し、側面６２０Ｂに排気口６２２を有する。そして、反応室６２０は、開口部６２１から石英管６１０の一方端が挿入されることによって、内部空間が石英管６１０の内部空間と連通する。従って、ポンプ（図示せず）によって反応室６２０および石英管６１０の内部の気体を排気口６２２を介して排気できる。
【００３８】
基板ホルダー６３０は、反応室６２０の下面６２０Ｃ上に配置される。ヒーター６４０は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなり、基板ホルダー６３０内に配置される。
【００３９】
配管６５０は、バルブ６６０を介して石英管６１０の他方端に連結される。バルブ６６０は、配管６５０に装着される。アンテナ６７０は、基板ホルダー６３０上に設置された基板６０から３２ｃｍの位置で石英管６１０の周囲を取り巻くように配置される。そして、アンテナ６７０は、その一方端がマッチング回路６８０に接続され、他方端が接地される。
【００４０】
マッチング回路６８０は、アンテナ６７０の一方端と高周波電源６９０との間に接続される。高周波電源６９０は、マッチング回路６８０と、接地ノードとの間に接続される。
【００４１】
ヒーター６４０は、基板ホルダー６３０を介して基板６０を所定の温度に加熱する。配管６５０は、シラン（ＳｉＨ４）ガスおよび水素（Ｈ２）ガス等をボンベ（図示せず）から石英管６１０内に導く。バルブ６６０は、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガス等を石英管６１０内へ供給し、またはＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガス等の石英管６１０内への供給を遮断する。
【００４２】
マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射を低くして高周波電力をアンテナ６７０へ供給する。高周波電源６９０は、例えば、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０へ供給する。
【００４３】
プラズマ処理装置６００における処理動作について説明する。基板６０が基板ホルダー６３０上に配置され、排気口６２２から反応室６２０および石英管６１０の真空引きが行なわれる。
【００４４】
その後、バルブ６６０が開けられ、ボンベ（図示せず）から所定量のＳｉＨ４ガスが配管６５０を介して石英管６１０内へ導入される。そして、石英管６１０内の圧力が所定の圧力に達すると、高周波電源６９０は、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に供給する。この場合、マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射が最も低くなるように調整される。
【００４５】
そうすると、石英管６１０内でプラズマ７１０が発生し、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜が基板６０上に堆積される。
【００４６】
ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の堆積が終了すると、高周波電源６９０がオフされ、バルブ６６０が閉じられて処理動作が終了する。
【００４７】
図４および図５は、それぞれ、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【００４８】
図４を参照して、結晶シリコンの製造が開始されると、石英からなる基板６０を洗浄し、その洗浄した基板６０をプラズマ処理装置６００の基板ホルダー６３０上に配置する（工程（ａ））。
【００４９】
そして、石英管６１０および反応室６２０内を排気口６２２から真空引きし、到達圧力が１×１０−５Ｐａ以下になると、ボンベ（図示せず）から５ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガスを配管６５０を介して石英管６１０および反応室６２０内に導入し、石英管６１０および反応室６２０内の圧力を６．６５Ｐａに設定する。
【００５０】
その後、高周波電源６９０は、３０Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、石英管６１０内にプラズマ７１０が発生し、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０が基板６０上に堆積される（工程（ｂ））。この場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０の膜厚は、例えば、１００ｎｍである。
【００５１】
引き続いて、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０／基板６０を窒素（Ｎ２）ガス雰囲気中で４５０℃で１時間熱処理し、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０中の水素を脱離する。これによって、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０は、水素含有量が少ないａ−Ｓｉ膜６１になる（工程（ｃ））。
【００５２】
図５を参照して、工程（ｃ）の後、マスク１２０をａ−Ｓｉ膜６１上に配置する（工程（ｄ））。このマスク１２０は、例えば、５２５μｍの厚みを有する単結晶シリコンからなり、貫通孔１２１を有する。貫通孔１２１は、長方形の平面形状を有する。長方形の短辺の長さ、即ち、基板６０の平面方向ＤＲ３における貫通孔１２１の長さ（＝貫通孔１２１の幅ｗ）は、例えば、０．５ｍｍ以下である。また、長方形の長辺の長さ、即ち、図５の紙面に垂直な方向における貫通孔１２１の長さは、例えば、３〜４ｍｍである。
【００５３】
工程（ｄ）の後、マスク１２０／ａ−Ｓｉ膜６１／基板６０を半導体装置１００のＸＹステージ５０上に設置する。そして、上述した方法によって、噴出口１８と基板６０との距離を１ｍｍに設定する。その後、２．５〜３．２リットル／分の流量のＡｒガスをガス導入管１５を介してプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。また、給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９に供給するとともに、排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。引き続いて、電源回路２０は、例えば、１．９〜２．１ｋＷの直流電力を陽極１１−陰極１４間に印加する。
【００５４】
そうすると、陰極１４は、先端部から熱プラズマジェットＴＰＪを発生し、その発生した熱プラズマジェットＴＰＪを噴出口１８を介してａ−Ｓｉ膜６１およびマスク１２０に照射する。この場合、移動機構（図示せず）によってプラズマ源１０を２６００〜４０００ｍｍ／ｓの速度で矢印１２２の方向に移動させる。即ち、貫通孔１２１の短辺方向に沿って熱プラズマジェットＴＰＪを走査する（工程（ｅ））。
【００５５】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１が結晶化され、結晶シリコン６１１が製造される（工程（ｆ））。これによって、結晶シリコンの製造が終了する。
【００５６】
結晶シリコン６１１は、領域６１１Ａ，６１１Ｂからなる。領域６１１Ａは、ａ−Ｓｉ膜が溶融結晶化した領域であり、領域６１１Ｂは、ａ−Ｓｉ膜が固相結晶化した領域である。
【００５７】
図６は、熱プラズマジェットの照射による熱伝導を説明するための概念図である。図６の（ａ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪがマスク１２０に照射されている場合、マスク１２０の構成材料である単結晶シリコンは、１３０Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有するため、熱プラズマジェットＴＰＪの照射によってマスク１２０内で発生した熱は、マスク１２０の面内方向に伝導し、マスク１２０に接しているａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂには、伝導し難くく、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂは、マスク１２０によって温度が上昇するが、溶融されない。
【００５８】
一方、熱プラズマジェットＴＰＪが貫通孔１２１を介してａ−Ｓｉ膜６１に照射されている場合、ａ−Ｓｉ膜６１内に熱が発生し、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ａが溶融される。
【００５９】
従って、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ａは、溶融結晶化され、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂは、固相結晶化される。
【００６０】
この発明の実施の形態においては、好ましくは、図６の（ｂ）に示すマスク１２０Ａを用いる。マスク１２０Ａは、マスク１２０の周縁部を残して内側を一定の深さにエッチングした構成からなる。これによって、マスク１２０Ａをａ−Ｓｉ膜６１上に配置したとき、マスク１２０Ａとａ−Ｓｉ膜６１との間に隙間が発生する。その結果、熱プラズマジェットＴＰＪをマスク１２０Ａに照射したときに発生する熱がａ−Ｓｉ膜６１に伝導するのをほぼ１００％遮断できる。
【００６１】
このように、マスク１２０を用いることによって、ａ−Ｓｉ膜６１において、熱を与える位置を制御できる。また、基板６０への熱の投与を抑制できる。
【００６２】
また、マスク１２０Ａを用いることによって、ａ−Ｓｉ膜６１において、熱を与える位置を更に精密に制御できる。また、基板６０への熱の投与を更に抑制できる。
【００６３】
図７は、図１に示す半導体装置１００を用いて結晶化した結晶シリコンの光学顕微鏡像を示す図である。
【００６４】
図７において、（ａ）は、マスク１２０無しでａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化したときの光学顕微鏡像を示し、（ｂ）は、貫通孔１２１の幅ｗを０．５ｍｍに設定したときの光学顕微鏡像を示し、（ｃ）は、貫通孔１２１の幅ｗを０．１ｍｍに設定したときの光学顕微鏡像を示す。
【００６５】
図７の（ａ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３１の方向へ走査された。その結果、領域１３２，１３４は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１３３は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００６６】
領域１３２，１３４における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１３３における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００６７】
そして、領域１３３において、結晶成長の方向は、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して変化する。また、溶融結晶化した領域１３３においては、クラックが発生している。
【００６８】
図７の（ｂ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３５の方向へ走査された。その結果、領域１３６，１３８は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１３７は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００６９】
領域１３６，１３８における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１３７における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００７０】
そして、領域１３７において、結晶成長の方向は、貫通孔１２１の幅方向、即ち、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている。また、溶融結晶化した領域１３７においては、クラックが発生していない。
【００７１】
図７の（ｃ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３９の方向へ走査された。その結果、領域１４０，１４２は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１４１は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００７２】
領域１４０，１４２における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１４１における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００７３】
そして、領域１４１において、結晶成長の方向は、貫通孔１２１の幅方向、即ち、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている。また、溶融結晶化した領域１４１においては、クラックが発生していない。
【００７４】
このように、マスク１２０を用いた場合には、結晶成長の方向が貫通孔１２１の幅方向に対して揃っている。即ち、マスク１２０を用いた場合、結晶成長の方向が熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている（（ｂ），（ｃ）参照）。そして、溶融結晶化した領域１３７，１４１においては、クラックが発生していない。また、貫通孔１２１の幅ｗを０．３５〜０．５ｍｍに設定した場合、溶融結晶化した領域では、貫通孔１２１の中心部分に１４９〜１６０μｍの長距離結晶成長が確認された。
【００７５】
従って、マスク１２０を用いてａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化することによって、結晶成長の方向を揃えることができるとともに、クラックの発生を防止できる。
【００７６】
図８は、溶融結晶化の概念図である。図８の（ａ）を参照して、マスク１２０が無い場合、熱プラズマジェットＴＰＪが矢印１２３の方向へ走査されると、瞬間的には、熱プラズマジェットＴＰＪ１，ＴＰＪ２，ＴＰＪ３がａ−Ｓｉ膜６１へ順次照射される。
【００７７】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１の溶融領域の端部は、曲線ｋ１〜ｋ３によって規定される。従って、図７の（ａ）に示すように結晶成長の方向が熱プラズマジェットの走査方向に対して揃わなくなる。
【００７８】
一方、マスク１２０を用いた場合、熱プラズマジェットＴＰＪが矢印１２４の方向へ走査されると、瞬間的には、熱プラズマジェットＴＰＪ１，ＴＰＪ２，ＴＰＪ３がａ−Ｓｉ膜６１へ順次照射される（（ｂ）参照）。
【００７９】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１の溶融領域の端部は、直線ｋ４，ｋ５によって規定される。従って、図７の（ｂ），（ｃ）に示すように結晶成長の方向が熱プラズマジェットの走査方向に対して揃う。
【００８０】
この発明の実施の形態においては、貫通孔１２１の幅ｗは、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、どのような値であってもよい。貫通孔１２１の幅ｗが熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、ａ−Ｓｉ膜は、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向において、全領域が溶融結晶化するからである。
【００８１】
また、マスク１２０は、単結晶シリコンに限らず、金属からなっていてもよく、一般的には、１３０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有する材料であれば、どのような材料から成っていてもよい。
【００８２】
更に、ａ−Ｓｉ膜６１は、熱ＣＶＤ法によって形成されてもよい。熱ＣＶＤ法は、材料ガス（ＳｉＨ４ガス）の熱分解温度以上の温度を用いてａ−Ｓｉ膜を基板上に堆積する。そのため、水素がａ−Ｓｉ膜中へ殆ど取り込まれない。従って、熱ＣＶＤ法によってａ−Ｓｉ膜を形成することによって、上述した水素を脱離する工程を省略できる。
【００８３】
図９は、マスクの斜視図である。図９を参照して、マスク２００は、上述したマスク１２０と同じ材料からなり、碁盤目状に配置された複数の貫通孔２０１を有する。貫通孔２０１は、上述した貫通孔１２１と同じ寸法を有する。
【００８４】
方向ＤＲ４における貫通孔２０１の寸法は、方向ＤＲ５における貫通孔２０１の寸法よりも小さく、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さい。従って、マスク２００を用いてａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化する場合、方向ＤＲ５において熱プラズマジェットＴＰＪを一定の距離づつずらせながら、熱プラズマジェットＴＰＪを矢印２０２〜２０４に示すように方向ＤＲ４に沿って走査する。
【００８５】
これによって、大面積な基板上の所望の位置に結晶シリコンを碁盤目状に製造できる。
【００８６】
従って、マスク２００は、例えば、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）をマトリックス状に形成する場合に好適である。
【００８７】
また、複数の貫通孔２０１は、碁盤目状に配置されていなくてもよく、所望のパターンに従って配置されていてもよい。
【００８８】
更に、マスク２００に形成する貫通孔は、貫通孔２０１のように長方形の平面形状を有する貫通孔に限らず、平面形状の一部の寸法が熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、任意の平面形状からなる貫通孔であってもよい。
【００８９】
更に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）において使用されている技術を用いて貫通孔を形成することによって、微細かつ精密な形状を有する貫通孔をマスク２００に形成できる。その結果、局所的に熱を投与することができる。
【００９０】
このように、マスク２００の材料として単結晶シリコンを用いることによって、ＭＥＭＳにおける技術を用いて貫通孔２０１を微細かつ精密な形状に加工できる。
【００９１】
図１０は、この発明の実施の形態による一般的な結晶シリコンの製造方法を示す工程図である。
【００９２】
図１０を参照して、まず、最初に、ａ−Ｓｉ膜を基板６０上に形成する（工程Ｓ１）。なお、ａ−Ｓｉ膜を基板上に形成するとは、（ｉ）ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を基板上に堆積し、その堆積したａ−Ｓｉ：Ｈ膜を熱処理して水素を脱離することによってａ−Ｓｉ膜を基板上に形成すること、（ｉｉ）最初から水素量の少ないａ−Ｓｉ膜を基板上に形成すること、の両方を含む。そして、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜は、プラズマＣＶＤ法等の各種の方法を用いて基板上に堆積されてもよく、ａ−Ｓｉ膜は、熱ＣＶＤ法等の各種の方法を用いて基板上に最初から形成されてもよい。
【００９３】
工程Ｓ１の後、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをａ−Ｓｉ膜上に配置する（工程Ｓ２）。
【００９４】
そして、ａ−Ｓｉ膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する（工程Ｓ３）。この場合、熱プラズマジェットの走査方向における貫通孔の寸法は、熱プラズマジェットの孔径よりも小さい。これによって、所望の位置に結晶シリコンを製造できる。
【００９５】
このように、熱プラズマジェットの走査方向における貫通孔の寸法を熱プラズマジェットの孔径よりも小さく設定することによって、熱プラズマジェットの走査方向に対して結晶成長の方向を揃えることができる。
【００９６】
図１１は、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いたＴＦＴの製造方法を示す工程図である。
【００９７】
図１１を参照して、ＴＦＴの製造が開始されると、図４および図５に示す工程（ａ）〜（ｆ）に従って、結晶シリコン６１１が基板６０上に製造される（工程（ａ））。
【００９８】
そして、リン（Ｐ）イオンが結晶シリコン６１１の領域６１１Ｂにイオン注入され（工程（ｂ））、ソース電極６２１が領域６１１Ａの左側に形成され、ドレイン電極６２２が領域６１１Ａの右側に形成される（工程（ｃ））。
【００９９】
その後、例えば、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを材料として用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２膜を結晶シリコン６１１の全面に形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、ゲート酸化膜６２３を結晶シリコン６１１の領域６１１Ａに接して形成する（工程（ｄ））。
【０１００】
引き続いて、ゲート電極６２４をゲート酸化膜６２３に接して形成する。これによって、ＴＦＴが完成する（工程（ｅ））。
【０１０１】
このように、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いてアモルファスシリコン膜の所望の位置を溶融結晶化することによって、基板６０上の所望の位置にＴＦＴを製造することができる。
【０１０２】
また、図９に示すマスク２００を用いることによって、基板６０上の所望の位置にＴＦＴをマトリックス状に製造することができる。
【０１０３】
そして、上述した方法によって製造したＴＦＴにおいて、２６０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が得られた。
【０１０４】
また、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径と同じ程度の面積を有するａ−Ｓｉ膜を形成し、その形成したａ−Ｓｉ膜を上述した方法によって溶融結晶化する。そして、その溶融結晶化した結晶シリコンをチャネル層に用いたＴＦＴを作製した結果、４８０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が得られた。
【０１０５】
従って、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法は、石英基板等の単結晶シリコンと異なる異種基板上に高品質な結晶シリコンを形成できることが実証された。
【０１０６】
なお、上記においては、プラズマ源１０の噴出口１８の直径は、６００μｍφであると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、噴出口１８の直径は、１ｍｍφ以下の範囲であればよい。
【０１０７】
更に、ａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化するときの基板６０と噴出口１８との距離は、１ｍｍに限らず、２ｍｍよりも短ければよい。
【０１０８】
更に、内部空間２１の圧力は、大気圧に限らず、０．１気圧〜１０気圧程度の範囲であればよい。
【０１０９】
更に、基板６０は、石英に限らず、通常のガラスおよび樹脂性のフィルム等であってもよい。
【０１１０】
更に、ノンドープのａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、ボロン（Ｂ）を含むｐ型ａ−Ｓｉ膜またはＰを含むｎ型ａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化してもよい。
【０１１１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
この発明は、結晶シリコンの製造方法に適用される。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 架台、２ 圧電素子、１０ プラズマ源、１１ 陽極、１２，１３ 絶縁体、１４陰極、１５ ガス導入管、１６ 給水管、１７ 排出管、１８ 噴出口、１９ 中空部分、２０ 電源回路、２１ 内部空間、３０ 測定装置、４０ 制御装置、５０ ＸＹステージ、６０ 基板、６１ ａ−Ｓｉ膜、１００ 半導体製造装置、１１０ ａ−Ｓｉ：Ｈ膜、１２０ マスク、１２１ 貫通孔、６００ プラズマ処理装置、６１０ 石英管、６１１ 結晶シリコン、６１１Ａ，６１１Ｂ 領域、６２０ 反応室、６２１ ソース電極、６２２ ドレイン電極、６２３ ゲート酸化膜、６２４ ゲート電極、６３０ 基板ホルダー、６４０ ヒーター、６５０ 配管、６６０ バルブ、６７０ アンテナ、６８０ マッチング回路、６９０ 高周波電源。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、結晶シリコンの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気圧下における直流アーク放電によって生成された熱プラズマジェットを石英基板上のアモルファスシリコン膜に照射してアモルファスシリコン膜を溶融結晶化する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０６０８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の方法では、結晶シリコンの位置を制御することが困難であった。
【０００５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、結晶シリコンの位置を制御可能な結晶シリコンの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法は、基板上にアモルファスシリコン膜を形成する第１の工程と、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをアモルファスシリコン膜上に配置する第２の工程と、アモルファスシリコン膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する第３の工程とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法においては、熱プラズマジェットは、マスクがアモルファスシリコン膜上に配置された状態で所望の方向に走査される。その結果、マスクに接するアモルファスシリコン膜の領域は、溶融結晶化せず、貫通孔を介して熱プラズマジェットに曝されるアモルファスシリコン膜の領域だけが溶融結晶化する。
【０００８】
従って、結晶シリコンの位置を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造に用いる半導体製造装置の構成図である。
【図２】図１に示す半導体製造装置の動作を説明するための概念図である。
【図３】プラズマ処理装置の概略図である。
【図４】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第１の工程図である。
【図５】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第２の工程図である。
【図６】熱プラズマジェットの照射による熱伝導を説明するための概念図である。
【図７】図１に示す半導体装置を用いて結晶化した結晶シリコンの光学顕微鏡像を示す図である。
【図８】溶融結晶化の概念図である。
【図９】マスクの斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態による一般的な結晶シリコンの製造方法を示す工程図である。
【図１１】この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いたＴＦＴの製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１１】
図１は、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造に用いる半導体製造装置の構成図である。図１を参照して、半導体製造装置１００は、架台１と、圧電素子２と、プラズマ源１０と、測定装置３０と、制御装置４０と、ＸＹステージ５０とを備える。
【００１２】
圧電素子２は、一方端が架台１に固定され、他方端がプラズマ源１０に連結される。
【００１３】
プラズマ源１０は、陽極１１と、絶縁体１２と、導体１３と、陰極１４と、ガス導入管１５と、給水管１６と、排出管１７と、電源回路２０とを含む。
【００１４】
陽極１１は、概略、中空の円筒形状からなり、ＸＹステージ５０側に噴出口１８を有する。また、陽極１１は、その内部に中空部分１９を有する。そして、陽極１１は、例えば、熱伝導率が高い銅（Ｃｕ）からなる。
【００１５】
絶縁体１２は、陽極１１と導体１３との間に陽極１１および導体１３に接して配置される。そして、絶縁体１２は、例えば、アルミナおよびセラミックス等からなる。
【００１６】
導体１３は、略十字形状を有する。そして、導体１３のうち、水平方向ＤＲ１に配置された部分は、絶縁体１２に接して配置される。また、導体１３のうち、上下方向ＤＲ２に配置された部分は、陽極１１の噴出口１８の方向へ突出するとともに、一方端が尖っており、他方端が圧電素子２に連結されている。さらに、導体１３は、陰極１４を挿入するための孔を有する。そして、導体１３は、例えば、Ｃｕからなる。
【００１７】
絶縁体１２が陽極１１および導体１３に接するように配置されることによって、内部空間２１が形成される。
【００１８】
陰極１４は、導体１３に挿入されるとともに、一方端側が導体１３から露出する。また、陰極１４は、その一方端が噴出口１８に向かって尖っている。そして、陰極１４は、例えば、タングステン、タンタル、ルテニウム、およびジルコニウム等の熱陰極金属材料からなる。
【００１９】
ガス導入管１５は、その一方端側が陽極１１を貫通して内部空間２１に達するように陽極１１に固定される。そして、ガス導入管１５は、アルゴン（Ａｒ）ガスを保持するガスボンベ（図示せず）に連結されている。給水管１６は、その一方端側が陽極１１を貫通して中空部分１９に達するように陽極１１に固定される。排出管１７は、その一方端側が陽極１１を貫通して中空部分１９に達するように陽極１１に固定される。
【００２０】
噴出口１８は、例えば、６００μｍφの直径を有する。電源回路２０は、陽極１１と陰極１４との間に電気的に接続される。測定装置３０は、その底面３０Ａが陽極１１の底面１１Ａに一致するように陽極１１の外周面に設置される。ＸＹステージ５０は、支持部材（図示せず）によって架台１に固定される。
【００２１】
圧電素子２は、制御装置４０から電圧が印加されると、上下方向ＤＲ２に伸縮し、プラズマ源１０を上下方向ＤＲ２へ移動させる。
【００２２】
プラズマ源１０は、電源回路２０から直流電圧が印加され、ガス導入口１５からＡｒガスが内部空間２１へ供給されると、直流アーク放電によって熱プラズマジェットを発生する。そして、プラズマ源１０は、その発生した熱プラズマジェットを噴出口１８から放射する。
【００２３】
ガス導入管１５は、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。この場合、内部空間２１は、大気圧に設定される。
【００２４】
給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９へ供給する。排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。
【００２５】
電源回路２０は、陽極１１がプラスになり、陰極１４がマイナスになるように、直流電圧を陽極１１−陰極１４間に印加する。
【００２６】
測定装置３０は、制御装置４０からの制御に従って、ＸＹステージ５０に設置された基板６０と噴出口１８との距離を測定する。より具体的には、測定装置３０は、距離の測定を指示するための信号ＤＳを制御装置４０から受けると、レーザ光を出射する。出射されたレーザ光は、ハーフミラー（図示せず）によって２つに分割され、一方のレーザ光は、基板６０に照射され、他方のレーザ光は、リファレンスに照射される。そして、一方のレーザ光は、基板６０で反射されて測定装置３０に到達する。また、他方のレーザ光は、リファレンスで反射されて測定装置３０に到達する。測定装置３０は、一方のレーザ光と他方のレーザ光とが測定装置３０に到達するときに生じる干渉パターンを検出する。そして、測定装置３０は、噴出口１８と基板６０との距離をＬとすると、その検出した干渉パターンと距離Ｌとの関係に基づいて距離Ｌを算出する。そうすると、測定装置３０は、その算出した距離Ｌを制御装置４０へ出力する。
【００２７】
制御装置４０は、信号ＤＳを測定装置３０へ出力する。また、制御装置４０は、距離Ｌを測定装置３０から受け、その受けた距離Ｌに基づいて、噴出口１８と基板６０との距離が所望の距離に設定されるように、圧電素子２に電圧を印加する。
【００２８】
半導体製造装置１００においては、噴出口１８と基板６０との距離は、例えば、１ｍｍに設定される。制御装置４０は、測定装置３０によって測定された距離Ｌが１ｍｍになるように電圧を圧電素子２に印加する。
【００２９】
半導体製造装置１００は、プラズマ源１０によって熱プラズマジェットを発生し、その発生した熱プラズマジェットを基板６０上に形成されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜に照射することによって、ａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化する。
【００３０】
半導体製造装置１００における動作について説明する。図２は、図１に示す半導体製造装置１００の動作を説明するための概念図である。
【００３１】
図２を参照して、ａ−Ｓｉ膜６１が形成された基板６０をＸＹステージ５０に設置する。なお、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜６１の膜厚は、例えば、５０ｎｍである。
【００３２】
そして、ａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化する場合、制御装置４０は、測定装置３０によって測定された距離Ｌが１ｍｍになるように電圧を圧電素子２に印加する。これによって、噴出口１８と基板６０との距離が１ｍｍに設定される。
【００３３】
その後、ガス導入管１５は、内部空間２１の圧力が大気圧になるように、Ａｒガスをガスボンベ（図示せず）からプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。この場合、Ａｒガスの流量は、例えば、２．５〜３．２リットル／分である。また、給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９に供給するとともに、排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。これによって、陽極１１は、冷却される。
【００３４】
引き続いて、電源回路２０は、例えば、１．９〜２．１ｋＷの直流電力を陽極１１−陰極１４間に印加する。そうすると、陰極１４は、先端部から熱プラズマジェットＴＰＪを発生し、その発生した熱プラズマジェットＴＰＪを噴出口１８を介してａ−Ｓｉ膜６１に照射する。この場合、移動機構（図示せず）によってプラズマ源１０を２６００〜４０００ｍｍ／ｓの速度で移動させる。
【００３５】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１のうち、熱プラズマジェットＴＰＪが照射された部分が溶融結晶化され、結晶シリコン６１１が形成される。この結晶シリコン６１１は、１００μｍ以上の粒径を有する。
【００３６】
図３は、プラズマ処理装置の概略図である。図３を参照して、プラズマ処理装置６００は、石英管６１０と、反応室６２０と、基板ホルダー６３０と、ヒーター６４０と、配管６５０と、バルブ６６０と、アンテナ６７０と、マッチング回路６８０と、高周波電源６９０とを備える。
【００３７】
石英管６１０は、１０ｃｍφの直径を有し、その一方端が反応室６２０内に挿入されるように固定される。反応室６２０は、中空の円筒形状からなり、上面６２０Ａに石英管６１０の一方端を挿入するための開口部６２１を有し、側面６２０Ｂに排気口６２２を有する。そして、反応室６２０は、開口部６２１から石英管６１０の一方端が挿入されることによって、内部空間が石英管６１０の内部空間と連通する。従って、ポンプ（図示せず）によって反応室６２０および石英管６１０の内部の気体を排気口６２２を介して排気できる。
【００３８】
基板ホルダー６３０は、反応室６２０の下面６２０Ｃ上に配置される。ヒーター６４０は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなり、基板ホルダー６３０内に配置される。
【００３９】
配管６５０は、バルブ６６０を介して石英管６１０の他方端に連結される。バルブ６６０は、配管６５０に装着される。アンテナ６７０は、基板ホルダー６３０上に設置された基板６０から３２ｃｍの位置で石英管６１０の周囲を取り巻くように配置される。そして、アンテナ６７０は、その一方端がマッチング回路６８０に接続され、他方端が接地される。
【００４０】
マッチング回路６８０は、アンテナ６７０の一方端と高周波電源６９０との間に接続される。高周波電源６９０は、マッチング回路６８０と、接地ノードとの間に接続される。
【００４１】
ヒーター６４０は、基板ホルダー６３０を介して基板６０を所定の温度に加熱する。配管６５０は、シラン（ＳｉＨ４）ガスおよび水素（Ｈ２）ガス等をボンベ（図示せず）から石英管６１０内に導く。バルブ６６０は、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガス等を石英管６１０内へ供給し、またはＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガス等の石英管６１０内への供給を遮断する。
【００４２】
マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射を低くして高周波電力をアンテナ６７０へ供給する。高周波電源６９０は、例えば、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０へ供給する。
【００４３】
プラズマ処理装置６００における処理動作について説明する。基板６０が基板ホルダー６３０上に配置され、排気口６２２から反応室６２０および石英管６１０の真空引きが行なわれる。
【００４４】
その後、バルブ６６０が開けられ、ボンベ（図示せず）から所定量のＳｉＨ４ガスが配管６５０を介して石英管６１０内へ導入される。そして、石英管６１０内の圧力が所定の圧力に達すると、高周波電源６９０は、６０ＭＨｚの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に供給する。この場合、マッチング回路６８０は、高周波電源６９０から供給された高周波電力の高周波電源６９０側への反射が最も低くなるように調整される。
【００４５】
そうすると、石英管６１０内でプラズマ７１０が発生し、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜が基板６０上に堆積される。
【００４６】
ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の堆積が終了すると、高周波電源６９０がオフされ、バルブ６６０が閉じられて処理動作が終了する。
【００４７】
図４および図５は、それぞれ、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【００４８】
図４を参照して、結晶シリコンの製造が開始されると、石英からなる基板６０を洗浄し、その洗浄した基板６０をプラズマ処理装置６００の基板ホルダー６３０上に配置する（工程（ａ））。
【００４９】
そして、石英管６１０および反応室６２０内を排気口６２２から真空引きし、到達圧力が１×１０−５Ｐａ以下になると、ボンベ（図示せず）から５ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガスを配管６５０を介して石英管６１０および反応室６２０内に導入し、石英管６１０および反応室６２０内の圧力を６．６５Ｐａに設定する。
【００５０】
その後、高周波電源６９０は、３０Ｗの高周波電力をマッチング回路６８０を介してアンテナ６７０に印加する。これによって、石英管６１０内にプラズマ７１０が発生し、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０が基板６０上に堆積される（工程（ｂ））。この場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０の膜厚は、例えば、１００ｎｍである。
【００５１】
引き続いて、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０／基板６０を窒素（Ｎ２）ガス雰囲気中で４５０℃で１時間熱処理し、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０中の水素を脱離する。これによって、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜１１０は、水素含有量が少ないａ−Ｓｉ膜６１になる（工程（ｃ））。
【００５２】
図５を参照して、工程（ｃ）の後、マスク１２０をａ−Ｓｉ膜６１上に配置する（工程（ｄ））。このマスク１２０は、例えば、５２５μｍの厚みを有する単結晶シリコンからなり、貫通孔１２１を有する。貫通孔１２１は、長方形の平面形状を有する。長方形の短辺の長さ、即ち、基板６０の平面方向ＤＲ３における貫通孔１２１の長さ（＝貫通孔１２１の幅ｗ）は、例えば、０．５ｍｍ以下である。また、長方形の長辺の長さ、即ち、図５の紙面に垂直な方向における貫通孔１２１の長さは、例えば、３〜４ｍｍである。
【００５３】
工程（ｄ）の後、マスク１２０／ａ−Ｓｉ膜６１／基板６０を半導体装置１００のＸＹステージ５０上に設置する。そして、上述した方法によって、噴出口１８と基板６０との距離を１ｍｍに設定する。その後、２．５〜３．２リットル／分の流量のＡｒガスをガス導入管１５を介してプラズマ源１０の内部空間２１へ供給する。また、給水管１６は、冷却水を陽極１１の中空部分１９に供給するとともに、排出管１７は、陽極１１の中空部分１９から冷却水を排出する。引き続いて、電源回路２０は、例えば、１．９〜２．１ｋＷの直流電力を陽極１１−陰極１４間に印加する。
【００５４】
そうすると、陰極１４は、先端部から熱プラズマジェットＴＰＪを発生し、その発生した熱プラズマジェットＴＰＪを噴出口１８を介してａ−Ｓｉ膜６１およびマスク１２０に照射する。この場合、移動機構（図示せず）によってプラズマ源１０を２６００〜４０００ｍｍ／ｓの速度で矢印１２２の方向に移動させる。即ち、貫通孔１２１の短辺方向に沿って熱プラズマジェットＴＰＪを走査する（工程（ｅ））。
【００５５】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１が結晶化され、結晶シリコン６１１が製造される（工程（ｆ））。これによって、結晶シリコンの製造が終了する。
【００５６】
結晶シリコン６１１は、領域６１１Ａ，６１１Ｂからなる。領域６１１Ａは、ａ−Ｓｉ膜が溶融結晶化した領域であり、領域６１１Ｂは、ａ−Ｓｉ膜が固相結晶化した領域である。
【００５７】
図６は、熱プラズマジェットの照射による熱伝導を説明するための概念図である。図６の（ａ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪがマスク１２０に照射されている場合、マスク１２０の構成材料である単結晶シリコンは、１３０Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有するため、熱プラズマジェットＴＰＪの照射によってマスク１２０内で発生した熱は、マスク１２０の面内方向に伝導し、マスク１２０に接しているａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂには、伝導し難くく、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂは、マスク１２０によって温度が上昇するが、溶融されない。
【００５８】
一方、熱プラズマジェットＴＰＪが貫通孔１２１を介してａ−Ｓｉ膜６１に照射されている場合、ａ−Ｓｉ膜６１内に熱が発生し、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ａが溶融される。
【００５９】
従って、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ａは、溶融結晶化され、ａ−Ｓｉ膜６１の領域６１Ｂは、固相結晶化される。
【００６０】
この発明の実施の形態においては、好ましくは、図６の（ｂ）に示すマスク１２０Ａを用いる。マスク１２０Ａは、マスク１２０の周縁部を残して内側を一定の深さにエッチングした構成からなる。これによって、マスク１２０Ａをａ−Ｓｉ膜６１上に配置したとき、マスク１２０Ａとａ−Ｓｉ膜６１との間に隙間が発生する。その結果、熱プラズマジェットＴＰＪをマスク１２０Ａに照射したときに発生する熱がａ−Ｓｉ膜６１に伝導するのをほぼ１００％遮断できる。
【００６１】
このように、マスク１２０を用いることによって、ａ−Ｓｉ膜６１において、熱を与える位置を制御できる。また、基板６０への熱の投与を抑制できる。
【００６２】
また、マスク１２０Ａを用いることによって、ａ−Ｓｉ膜６１において、熱を与える位置を更に精密に制御できる。また、基板６０への熱の投与を更に抑制できる。
【００６３】
図７は、図１に示す半導体装置１００を用いて結晶化した結晶シリコンの光学顕微鏡像を示す図である。
【００６４】
図７において、（ａ）は、マスク１２０無しでａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化したときの光学顕微鏡像を示し、（ｂ）は、貫通孔１２１の幅ｗを０．５ｍｍに設定したときの光学顕微鏡像を示し、（ｃ）は、貫通孔１２１の幅ｗを０．１ｍｍに設定したときの光学顕微鏡像を示す。
【００６５】
図７の（ａ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３１の方向へ走査された。その結果、領域１３２，１３４は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１３３は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００６６】
領域１３２，１３４における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１３３における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００６７】
そして、領域１３３において、結晶成長の方向は、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して変化する。また、溶融結晶化した領域１３３においては、クラックが発生している。
【００６８】
図７の（ｂ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３５の方向へ走査された。その結果、領域１３６，１３８は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１３７は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００６９】
領域１３６，１３８における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１３７における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００７０】
そして、領域１３７において、結晶成長の方向は、貫通孔１２１の幅方向、即ち、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている。また、溶融結晶化した領域１３７においては、クラックが発生していない。
【００７１】
図７の（ｃ）を参照して、熱プラズマジェットＴＰＪは、矢印１３９の方向へ走査された。その結果、領域１４０，１４２は、ａ−Ｓｉ膜６１が固相結晶化した領域であり、領域１４１は、ａ−Ｓｉ膜６１が溶融結晶化した領域である。
【００７２】
領域１４０，１４２における結晶粒径は、２０ｎｍ程度であり、領域１４１における粒径は、１００〜２００μｍである。
【００７３】
そして、領域１４１において、結晶成長の方向は、貫通孔１２１の幅方向、即ち、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている。また、溶融結晶化した領域１４１においては、クラックが発生していない。
【００７４】
このように、マスク１２０を用いた場合には、結晶成長の方向が貫通孔１２１の幅方向に対して揃っている。即ち、マスク１２０を用いた場合、結晶成長の方向が熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向に対して揃っている（（ｂ），（ｃ）参照）。そして、溶融結晶化した領域１３７，１４１においては、クラックが発生していない。また、貫通孔１２１の幅ｗを０．３５〜０．５ｍｍに設定した場合、溶融結晶化した領域では、貫通孔１２１の中心部分に１４９〜１６０μｍの長距離結晶成長が確認された。
【００７５】
従って、マスク１２０を用いてａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化することによって、結晶成長の方向を揃えることができるとともに、クラックの発生を防止できる。
【００７６】
図８は、溶融結晶化の概念図である。図８の（ａ）を参照して、マスク１２０が無い場合、熱プラズマジェットＴＰＪが矢印１２３の方向へ走査されると、瞬間的には、熱プラズマジェットＴＰＪ１，ＴＰＪ２，ＴＰＪ３がａ−Ｓｉ膜６１へ順次照射される。
【００７７】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１の溶融領域の端部は、曲線ｋ１〜ｋ３によって規定される。従って、図７の（ａ）に示すように結晶成長の方向が熱プラズマジェットの走査方向に対して揃わなくなる。
【００７８】
一方、マスク１２０を用いた場合、熱プラズマジェットＴＰＪが矢印１２４の方向へ走査されると、瞬間的には、熱プラズマジェットＴＰＪ１，ＴＰＪ２，ＴＰＪ３がａ−Ｓｉ膜６１へ順次照射される（（ｂ）参照）。
【００７９】
その結果、ａ−Ｓｉ膜６１の溶融領域の端部は、直線ｋ４，ｋ５によって規定される。従って、図７の（ｂ），（ｃ）に示すように結晶成長の方向が熱プラズマジェットの走査方向に対して揃う。
【００８０】
この発明の実施の形態においては、貫通孔１２１の幅ｗは、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、どのような値であってもよい。貫通孔１２１の幅ｗが熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、ａ−Ｓｉ膜は、熱プラズマジェットＴＰＪの走査方向において、全領域が溶融結晶化するからである。
【００８１】
また、マスク１２０は、単結晶シリコンに限らず、金属からなっていてもよく、一般的には、１３０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有する材料であれば、どのような材料から成っていてもよい。
【００８２】
更に、ａ−Ｓｉ膜６１は、熱ＣＶＤ法によって形成されてもよい。熱ＣＶＤ法は、材料ガス（ＳｉＨ４ガス）の熱分解温度以上の温度を用いてａ−Ｓｉ膜を基板上に堆積する。そのため、水素がａ−Ｓｉ膜中へ殆ど取り込まれない。従って、熱ＣＶＤ法によってａ−Ｓｉ膜を形成することによって、上述した水素を脱離する工程を省略できる。
【００８３】
図９は、マスクの斜視図である。図９を参照して、マスク２００は、上述したマスク１２０と同じ材料からなり、碁盤目状に配置された複数の貫通孔２０１を有する。貫通孔２０１は、上述した貫通孔１２１と同じ寸法を有する。
【００８４】
方向ＤＲ４における貫通孔２０１の寸法は、方向ＤＲ５における貫通孔２０１の寸法よりも小さく、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さい。従って、マスク２００を用いてａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化する場合、方向ＤＲ５において熱プラズマジェットＴＰＪを一定の距離づつずらせながら、熱プラズマジェットＴＰＪを矢印２０２〜２０４に示すように方向ＤＲ４に沿って走査する。
【００８５】
これによって、大面積な基板上の所望の位置に結晶シリコンを碁盤目状に製造できる。
【００８６】
従って、マスク２００は、例えば、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）をマトリックス状に形成する場合に好適である。
【００８７】
また、複数の貫通孔２０１は、碁盤目状に配置されていなくてもよく、所望のパターンに従って配置されていてもよい。
【００８８】
更に、マスク２００に形成する貫通孔は、貫通孔２０１のように長方形の平面形状を有する貫通孔に限らず、平面形状の一部の寸法が熱プラズマジェットＴＰＪの孔径よりも小さければ、任意の平面形状からなる貫通孔であってもよい。
【００８９】
更に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）において使用されている技術を用いて貫通孔を形成することによって、微細かつ精密な形状を有する貫通孔をマスク２００に形成できる。その結果、局所的に熱を投与することができる。
【００９０】
このように、マスク２００の材料として単結晶シリコンを用いることによって、ＭＥＭＳにおける技術を用いて貫通孔２０１を微細かつ精密な形状に加工できる。
【００９１】
図１０は、この発明の実施の形態による一般的な結晶シリコンの製造方法を示す工程図である。
【００９２】
図１０を参照して、まず、最初に、ａ−Ｓｉ膜を基板６０上に形成する（工程Ｓ１）。なお、ａ−Ｓｉ膜を基板上に形成するとは、（ｉ）ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を基板上に堆積し、その堆積したａ−Ｓｉ：Ｈ膜を熱処理して水素を脱離することによってａ−Ｓｉ膜を基板上に形成すること、（ｉｉ）最初から水素量の少ないａ−Ｓｉ膜を基板上に形成すること、の両方を含む。そして、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜は、プラズマＣＶＤ法等の各種の方法を用いて基板上に堆積されてもよく、ａ−Ｓｉ膜は、熱ＣＶＤ法等の各種の方法を用いて基板上に最初から形成されてもよい。
【００９３】
工程Ｓ１の後、単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクをａ−Ｓｉ膜上に配置する（工程Ｓ２）。
【００９４】
そして、ａ−Ｓｉ膜およびマスクに熱プラズマジェットを照射しながら熱プラズマジェットを所望の方向に走査する（工程Ｓ３）。この場合、熱プラズマジェットの走査方向における貫通孔の寸法は、熱プラズマジェットの孔径よりも小さい。これによって、所望の位置に結晶シリコンを製造できる。
【００９５】
このように、熱プラズマジェットの走査方向における貫通孔の寸法を熱プラズマジェットの孔径よりも小さく設定することによって、熱プラズマジェットの走査方向に対して結晶成長の方向を揃えることができる。
【００９６】
図１１は、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いたＴＦＴの製造方法を示す工程図である。
【００９７】
図１１を参照して、ＴＦＴの製造が開始されると、図４および図５に示す工程（ａ）〜（ｆ）に従って、結晶シリコン６１１が基板６０上に製造される（工程（ａ））。
【００９８】
そして、リン（Ｐ）イオンが結晶シリコン６１１の領域６１１Ｂにイオン注入され（工程（ｂ））、ソース電極６２１が領域６１１Ａの左側に形成され、ドレイン電極６２２が領域６１１Ａの右側に形成される（工程（ｃ））。
【００９９】
その後、例えば、ＳｉＨ４ガスおよびＮ２Ｏガスを材料として用いたプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２膜を結晶シリコン６１１の全面に形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、ゲート酸化膜６２３を結晶シリコン６１１の領域６１１Ａに接して形成する（工程（ｄ））。
【０１００】
引き続いて、ゲート電極６２４をゲート酸化膜６２３に接して形成する。これによって、ＴＦＴが完成する（工程（ｅ））。
【０１０１】
このように、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法を用いてアモルファスシリコン膜の所望の位置を溶融結晶化することによって、基板６０上の所望の位置にＴＦＴを製造することができる。
【０１０２】
また、図９に示すマスク２００を用いることによって、基板６０上の所望の位置にＴＦＴをマトリックス状に製造することができる。
【０１０３】
そして、上述した方法によって製造したＴＦＴにおいて、２６０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が得られた。
【０１０４】
また、熱プラズマジェットＴＰＪの孔径と同じ程度の面積を有するａ−Ｓｉ膜を形成し、その形成したａ−Ｓｉ膜を上述した方法によって溶融結晶化する。そして、その溶融結晶化した結晶シリコンをチャネル層に用いたＴＦＴを作製した結果、４８０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が得られた。
【０１０５】
従って、この発明の実施の形態による結晶シリコンの製造方法は、石英基板等の単結晶シリコンと異なる異種基板上に高品質な結晶シリコンを形成できることが実証された。
【０１０６】
なお、上記においては、プラズマ源１０の噴出口１８の直径は、６００μｍφであると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、噴出口１８の直径は、１ｍｍφ以下の範囲であればよい。
【０１０７】
更に、ａ−Ｓｉ膜６１を溶融結晶化するときの基板６０と噴出口１８との距離は、１ｍｍに限らず、２ｍｍよりも短ければよい。
【０１０８】
更に、内部空間２１の圧力は、大気圧に限らず、０．１気圧〜１０気圧程度の範囲であればよい。
【０１０９】
更に、基板６０は、石英に限らず、通常のガラスおよび樹脂性のフィルム等であってもよい。
【０１１０】
更に、ノンドープのａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化すると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、ボロン（Ｂ）を含むｐ型ａ−Ｓｉ膜またはＰを含むｎ型ａ−Ｓｉ膜を溶融結晶化してもよい。
【０１１１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
この発明は、結晶シリコンの製造方法に適用される。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 架台、２ 圧電素子、１０ プラズマ源、１１ 陽極、１２，１３ 絶縁体、１４陰極、１５ ガス導入管、１６ 給水管、１７ 排出管、１８ 噴出口、１９ 中空部分、２０ 電源回路、２１ 内部空間、３０ 測定装置、４０ 制御装置、５０ ＸＹステージ、６０ 基板、６１ ａ−Ｓｉ膜、１００ 半導体製造装置、１１０ ａ−Ｓｉ：Ｈ膜、１２０ マスク、１２１ 貫通孔、６００ プラズマ処理装置、６１０ 石英管、６１１ 結晶シリコン、６１１Ａ，６１１Ｂ 領域、６２０ 反応室、６２１ ソース電極、６２２ ドレイン電極、６２３ ゲート酸化膜、６２４ ゲート電極、６３０ 基板ホルダー、６４０ ヒーター、６５０ 配管、６６０ バルブ、６７０ アンテナ、６８０ マッチング回路、６９０ 高周波電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にアモルファスシリコン膜を形成する第１の工程と、
単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクを前記アモルファスシリコン膜上に配置する第２の工程と、
前記アモルファスシリコン膜および前記マスクに熱プラズマジェットを照射しながら前記熱プラズマジェットを所望の方向に走査する第３の工程とを備える結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記所望の方向における前記貫通孔の寸法は、前記熱プラズマジェットの孔径よりも小さい、請求項１に記載の結晶シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記マスクは、単結晶シリコンからなる、請求項１または請求項２に記載の結晶シリコンの製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程は、
前記基板上に水素化アモルファスシリコン膜を堆積する第１のサブ工程と、
前記水素化アモルファスシリコン膜から水素を脱離して前記アモルファスシリコン膜を形成する第２のサブ工程とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結晶シリコンの製造方法。
【請求項１】
基板上にアモルファスシリコン膜を形成する第１の工程と、
単結晶シリコンの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ、所望のパターンに配置された貫通孔を有するマスクを前記アモルファスシリコン膜上に配置する第２の工程と、
前記アモルファスシリコン膜および前記マスクに熱プラズマジェットを照射しながら前記熱プラズマジェットを所望の方向に走査する第３の工程とを備える結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記所望の方向における前記貫通孔の寸法は、前記熱プラズマジェットの孔径よりも小さい、請求項１に記載の結晶シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記マスクは、単結晶シリコンからなる、請求項１または請求項２に記載の結晶シリコンの製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程は、
前記基板上に水素化アモルファスシリコン膜を堆積する第１のサブ工程と、
前記水素化アモルファスシリコン膜から水素を脱離して前記アモルファスシリコン膜を形成する第２のサブ工程とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結晶シリコンの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２１１４４（Ｐ２０１３−２１１４４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３５０３（Ｐ２０１１−１５３５０３）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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