JP2786534B2 - Crystal formation method - Google Patents
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、結晶の形成方法に係り、特に核形成密度の
小さな表面を有する基体上に、単結晶を選択的に成長さ
せる結晶の形成方法に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a crystal, and more particularly to a method for forming a crystal in which a single crystal is selectively grown on a substrate having a surface having a low nucleation density. About.
本発明の結晶の形成方法は、半導体集積回路、光集積
回路、磁気回路等の電子素子、光素子、磁気素子、圧電
素子あるいは表面音響素子等に好適に用いられるもので
ある。The crystal forming method of the present invention is suitably used for electronic devices such as semiconductor integrated circuits, optical integrated circuits, and magnetic circuits, optical devices, magnetic devices, piezoelectric devices, surface acoustic devices, and the like.
[従来の技術] 従来半導体素子や光素子などに用いられる単結晶膜
は、単結晶基体上に単結晶をエピキシャル成長をさせる
ことで形成されていた。[Prior Art] Conventionally, a single crystal film used for a semiconductor element, an optical element, or the like has been formed by epitaxially growing a single crystal on a single crystal substrate.
たとえば、Si単結晶基体(シリコンウエハ)上には、
Si,Ge,GaAsなどを液相、気相または固相からエピキシャ
ル成長することが知られており、また、GaAs単結晶基体
上にはGaAs,GaAlAsなどの単結晶がエピキシャル成長す
ることが知られている。For example, on a Si single crystal substrate (silicon wafer)
It is known that Si, Ge, GaAs, etc. are epitaxially grown from a liquid phase, a gas phase, or a solid phase, and that single crystals such as GaAs, GaAlAs are epitaxially grown on a GaAs single crystal substrate. ing.
このようにして形成された半導体膜を用いて、半導体
素子および集積回路、半導体レーザやLEDなどの発光素
子などが作製される。Using the semiconductor film formed in this manner, a semiconductor element and an integrated circuit, a light emitting element such as a semiconductor laser and an LED, and the like are manufactured.
また、最近、二次元電子ガスを用いた超高速トランジ
スタや、量子井戸を利用した超格子素子などの研究開発
が盛んであるが、これらを可能にしたのは、たとえば、
超高真空を用いたMBE(分子線エピタキシー)やMOCVD
(有機金属化学気相法)などの高精度エピタキシャル技
術である。In recent years, research and development of ultra-high-speed transistors using two-dimensional electron gas and super-lattice devices using quantum wells have been actively pursued.
MBE (molecular beam epitaxy) and MOCVD using ultra-high vacuum
(High-precision epitaxial technology such as metal organic chemical vapor deposition).
このような単結晶基体上のエピタキシャル成長では、
基体の単結晶材料とエピタキシャル成長層との間に、格
子定数と熱膨張係数との整合をとる必要がある。In such epitaxial growth on a single crystal substrate,
It is necessary to match the lattice constant and the coefficient of thermal expansion between the single crystal material of the base and the epitaxial growth layer.
たとえば、絶縁物単結晶基体であるサファイア上にSi
単結晶膜をエピタキシャル成長させることは可能である
が、格子定数のズレによる界面での結晶格子欠陥および
サファイアの成分であるアルミニウムのエピタキシャル
層への拡散などが電子素子や回路への応用上の問題とな
っている。For example, Si on sapphire, an insulator single crystal substrate,
Although it is possible to grow a single crystal film epitaxially, crystal lattice defects at the interface due to a shift in the lattice constant and diffusion of aluminum, which is a component of sapphire, into the epitaxial layer, etc., pose problems in application to electronic devices and circuits. Has become.
このように、エピタキシャル成長による従来の単結晶
膜の形成方法は、その基体材料に大きく依存することが
分かる。Mathewsなどは、基体材料とエピタキシャル成
長層との組合せを調べている(EPITAXIAL GROWTH.Aoade
mic Press,NewYork,1975 edited by J.W.Mathews)。Thus, it can be seen that the conventional method for forming a single crystal film by epitaxial growth largely depends on the base material. Mathews and others are exploring combinations of substrate materials and epitaxial growth layers (EPITAXIAL GROWTH.Aoade
mic Press, New York, 1975 edited by JWMathews).
また、基体の大きさは、現在Siウエハで6インチ程度
であり、GaAs、サファイア基体の大型化はさらに遅れて
いる。Also, the size of the substrate is currently about 6 inches for a Si wafer, and the enlargement of GaAs and sapphire substrates is further delayed.
さらに、単結晶基体は製造コストが高いため、チップ
当りのコストが高くなる。Further, since the single crystal substrate has a high manufacturing cost, the cost per chip increases.
このように、従来の方法によって良質な素子の作製が
可能な単結晶層を形成するには、基体材料の種類がきわ
めて狭い範囲に限定されるという問題点を有していた。As described above, in order to form a single crystal layer on which a high-quality device can be manufactured by the conventional method, there is a problem that the type of the base material is limited to an extremely narrow range.
一方、半導体素子を基体の法線方向に積層形成し、高
集積化および多機能化を達成する三次元集積回路の研究
開発が近年盛んに行われている。On the other hand, in recent years, research and development of a three-dimensional integrated circuit that achieves high integration and multifunctionality by laminating semiconductor elements in a normal direction of a base has been actively performed.
また、安価なガラス上に素子をアレー状に配列する太
陽電池や液晶の画素スイッチングトランジスタなどの大
面積半導体装置の研究開発も年々盛んになりつつある。In addition, research and development of large-area semiconductor devices such as solar cells and liquid crystal pixel switching transistors in which elements are arranged in an array on inexpensive glass are becoming active every year.
これら両者に共通することは、半導体膜を非晶質絶縁
物上に形成し、そこにトランジスタなどの電子素子を形
成する技術を必要とすることである。そのなかでも、特
に、非晶質絶縁物の上に高品質の単結晶半導体を形成す
る技術が望まれている。What is common to both of them is that a technique of forming a semiconductor film on an amorphous insulator and forming an electronic element such as a transistor thereon is required. In particular, a technique for forming a high-quality single crystal semiconductor over an amorphous insulator is desired.
一般的に、SiO2などの非晶質絶縁物基体の上に薄膜を
堆積させると、基体材料の長距離秩序の欠如によって、
堆積膜の結晶構造は非晶質または多結晶となる(ここで
非晶質膜とは、最近接原子程度の近距離秩序は保存され
ているが、それ以上の長距離秩序はない状態のものであ
り、多結晶膜とは、特定の結晶方位を持たない単結晶粒
が粒界で隔離されて集合したものである)。Generally, when a thin film is deposited on an amorphous insulator substrate such as SiO 2 , the lack of long-range order of the substrate material results in
The crystalline structure of the deposited film is amorphous or polycrystalline. (Here, an amorphous film is one in which the short-range order of the nearest atom is preserved, but there is no longer long-range order.) And a polycrystalline film is a collection of single crystal grains having no specific crystal orientation separated by grain boundaries).
たとえば、SiO2上にSiをCVD法によって形成する場
合、堆積温度が約600℃以下であれば非晶質シリコンと
なり、それ以上の温度であれば粒径が数百〜数千Åの多
結晶シリコンとなる。ただし、多結晶シリコンの粒径は
形成条件によって大きく変化する。For example, when Si is formed on SiO 2 by a CVD method, amorphous silicon is formed at a deposition temperature of about 600 ° C. or lower, and polycrystalline with a grain size of several hundred to several thousand で あ れ ば at a higher temperature. It becomes silicon. However, the grain size of polycrystalline silicon greatly changes depending on the forming conditions.
さらに、非晶質または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ
などのエネルギビームによって溶融固化させることで、
ミクロンあるいはミリメートル程度の大粒径の多結晶膜
が得られている(Single−Crystal silicon on non−si
ngle−crystal insulators.Journal of crystal Growth
vo1.63,No.3,October,1983 edited by G.W.Cullen)。Furthermore, by melting and solidifying the amorphous or polycrystalline film with an energy beam such as a laser or a rod heater,
A polycrystalline film having a large grain size of about a micron or millimeter has been obtained (Single-Crystal silicon on non-si
ngle-crystal insulators.Journal of crystal Growth
vo1.63, No.3, October, 1983 edited by GWCullen).
このようにして形成された各結晶構造の薄膜にトラン
ジスタを形成し、その特性から電子易動度を測定する
と、非晶質シリコンでは〜0.1cm2/V・sec、数百Åの粒
径を有する多結晶シリコンでは1〜10cm2/V・sec、溶融
固化による大粒径の多結晶シリコンでは単結晶シリコン
の場合と同程度の易動度が得られている。When a transistor is formed on the thin film of each crystal structure formed in this way and the electron mobility is measured from the characteristics, amorphous silicon has a particle size of ~ 0.1 cm 2 / V The polycrystalline silicon has a mobility of 1 to 10 cm 2 / V · sec, and the polycrystalline silicon having a large grain size by fusion and solidification has the same mobility as that of the single crystal silicon.
この結果から、結晶粒内の単結晶領域に形成された素
子と、粒界にまたがって形成された素子とは、その電気
的特性に大きな差異のあることが分かる。From this result, it can be seen that there is a large difference in the electrical characteristics between the element formed in the single crystal region in the crystal grain and the element formed over the grain boundary.
すなわち、非晶質上の堆積膜は非晶質または多結晶構
造となり、そこに作製された素子は、単結晶層に作製さ
れた素子に比べて、その性能が大きく劣るものとなる。
そのために、用途としては、簡単なスイッチング素子、
太陽電池、光電変換素子などに限られる。That is, the deposited film on the amorphous has an amorphous or polycrystalline structure, and the device manufactured there has much lower performance than the device manufactured on the single crystal layer.
Therefore, as a use, a simple switching element,
Limited to solar cells, photoelectric conversion elements, etc.
[発明が解決しようとする課題] 前述したように、非晶質基体表面には単結晶表面のよ
うには長距離秩序が存在せず、短距離秩序のみ保持され
ているため、堆積されたままの薄膜の構造は、よくて粒
界の位置が無秩序な多結晶にしかならず、また、非晶質
基体表面には長距離秩序がないばかりか、結晶方位(基
体法線方向および面内方位)を規定する異方性が存在し
ないため、その上層の結晶方位の制御は不可能であっ
た。[Problems to be Solved by the Invention] As described above, since the long-range order does not exist on the surface of the amorphous substrate unlike the single-crystal surface and only the short-range order is maintained, The structure of the thin film of (1) is polycrystalline in which the positions of the grain boundaries are disordered at best, and the amorphous substrate surface has not only long-range order but also the crystal orientation (normal direction of the substrate and in-plane orientation). Since there is no specified anisotropy, it was impossible to control the crystal orientation of the upper layer.
すなわち、非晶質基体上へ単結晶を堆積させる上での
課題は、粒界位置を制御し、結晶方位を制御する技術の
確立にある。That is, a problem in depositing a single crystal on an amorphous substrate is to establish a technique for controlling a grain boundary position and controlling a crystal orientation.
以下、粒界の位置制御及び結晶方位の制御に関する従
来の技術及びその問題点について説明する。In the following, a description will be given of a conventional technique relating to control of the position of a grain boundary and control of a crystal orientation and its problems.
粒界位置の制御については、核形成位置を人工的にあ
らかじめ規定することにより粒界位置を決定できること
が示されており(特開昭63−107016号公報)Sentaxy(S
elective Nucleation based Epitaxy)と名付けられた
(T.Yonehara,Y.Nishigaki,H.Mizutani,S.Kondoh,K.Yam
agata,T.Noma and T.Ishikawa,Applied Physics Letter
s vo1.12,pp.1231,1988)。この技術は、SiO2上にSi3N4
を局在させ、そこが核形成サイトとなり、Siの単一の結
晶が成長し、隣接するサイトより成長した結晶と衝突す
ることにより粒界が形成され粒位置が決定されるもので
ある。As for the control of the grain boundary position, it has been shown that the grain boundary position can be determined by artificially defining the nucleation position in advance (Japanese Patent Laid-Open No. 63-107016).
elective Nucleation based Epitaxy) (T.Yonehara, Y.Nishigaki, H.Mizutani, S.Kondoh, K.Yam
agata, T.Noma and T.Ishikawa, Applied Physics Letter
s vo1.12, pp.1231,1988). This technology uses Si 3 N 4 on SiO 2
Are localized, and the nucleation site is formed. A single crystal of Si grows and collides with a crystal grown from an adjacent site to form a grain boundary and determine a grain position.
また、核形成位置に自発的に発生する「核」の代わり
に、非単結晶性の原種子なる材料を予めパターニングし
ておき、これを凝集現象を利用することによって単結晶
に変質させ、「種結晶」とする技術が示された(特開平
1−132117号公報)。In addition, instead of the "nucleus" spontaneously generated at the nucleation position, a non-single-crystal original seed material is patterned in advance, and this is transformed into a single crystal by utilizing the aggregation phenomenon. A technique for forming a “seed crystal” was disclosed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-132117).
これらの結晶の面方位(基板と垂直方向の結晶方位)
は核発生時、もしくは原種子の凝集時に基板となる非晶
質界面との界面エネルギーの安定化、表面エネルギーの
安定化、内部応力の緩和等の要因により決定されるが、
完全に単一の方位を得るのは非常に困難であり、主面方
位の他に複数の方位が混在してしまうことが多い。特に
面内結晶方位は、核形成面もしくは凝集面が非晶質であ
り、異方性が存在しないため、単一には決定されない。Plane orientation of these crystals (crystal orientation perpendicular to substrate)
Is determined by factors such as stabilization of interfacial energy with the amorphous interface that becomes a substrate at the time of nucleation or aggregation of original seeds, stabilization of surface energy, relaxation of internal stress, etc.
It is extremely difficult to obtain a completely single orientation, and a plurality of orientations are often mixed in addition to the main surface orientation. In particular, the in-plane crystal orientation is not determined solely because the nucleation plane or the aggregation plane is amorphous and has no anisotropy.
一方、1987年、H.I.Smithは非晶質基体表面に凸凹に
よる異方性をリソグラフィによって人工的に付与するこ
とによって、その上に堆積するKClの結晶方位を制御で
きることを初めて示し、Graphoepitaxyと名付けた(H.
I.Smith and D.C.Flanders,Applied Physics Letters v
o1.32,pp.349,1978)(H.I.Smith U.S.Patent No.4,33
3,792,1982)。On the other hand, in 1987, HISmith showed for the first time that it was possible to control the crystal orientation of KCl deposited on an amorphous substrate surface by artificially imparting anisotropy by lithography to the surface of the amorphous substrate, and named it Graphepitaxy ( H.
I. Smith and DCFlanders, Applied Physics Letters v
o1.32, pp.349,1978) (HISmith USPatent No.4,33
3,792,1982).
その後、Ge薄膜の粒成長(T.Yonehara,H.I.Smith,C.
V.Thompson and J.E.Palmer,Applied Physics Letters
vo1.45,pp.631,1984)、Snの初期成長(L.S.Darken and
D.H.Lowndere,Applied Physics Letters vo1.40,pp.95
4,1987)にも、基体表面の人工レリーフパターンがその
結晶方位に影響を与えることが確認された。After that, the grain growth of Ge thin film (T.Yonehara, HISmith, C.
V. Thompson and JEPalmer, Applied Physics Letters
vo1.45, pp.631,1984), initial growth of Sn (LSDarken and
DHLowndere, Applied Physics Letters vo1.40, pp.95
4, 1987), it was confirmed that the artificial relief pattern on the substrate surface affected the crystal orientation.
しかし、GraphoepitaxyにおいてKCl、Snはその堆積初
期の分離された結晶個々の方位について効果が見出され
たものであり、連続した層についてはSiを堆積後レーザ
ーアニールにより結晶成長したもの(M.W.Ceis,D.A.Fla
nders and H.I.Smith,Applied Physics Letters vol.3
5,p.p.71,1979)とGaの固相成長(T.Yonehara,H.I.Smit
h,C.V.Thompson and J.E.Palmer,Applied Physics Lett
ers vol.45,p.p.631,1984)が報告されている。However, KCl and Sn were found to have an effect on the orientation of each of the separated crystals in the initial stage of their deposition in Graphepitaxy. For continuous layers, crystals were grown by laser annealing after depositing Si (MWCeis, DAFla
nders and HISmith, Applied Physics Letters vol.3
5, pp71,1979) and solid phase growth of Ga (T.Yonehara, HISmit)
h, CVThompson and JEPalmer, Applied Physics Lett
ers vol.45, pp631, 1984).
しかしながら、このSi,Geの場合においても、方位は
ある程度制御されるものの、モザイク状に結晶群が並
び、さらにその結晶同士には結晶方位がわずかに異る結
晶との粒界が存在し、その位置は無秩序であり、大面積
に均一に単結晶を得るに至っていなかった。However, even in the case of Si and Ge, although the orientation is controlled to some extent, crystal groups are arranged in a mosaic shape, and furthermore, the crystals have grain boundaries with crystals having slightly different crystal orientations. The position was disordered, and a single crystal was not obtained uniformly over a large area.
その理由は、個々の結晶の三次元的結晶方位が完全に
は一致していないことに加えて、表面リレーフパターン
は、その核発生位置が制御されていないことによる。This is because, in addition to the fact that the three-dimensional crystal orientations of the individual crystals do not completely match, the surface relay pattern has an uncontrolled nucleation position.
本発明の目的は、粒界の位置が制御され、且つ面方
位,面内方位の揃った単結晶を成長させる結晶の形成方
法を提供することにある。It is an object of the present invention to provide a method for forming a crystal in which the position of a grain boundary is controlled and a single crystal having a plane orientation and an in-plane orientation is grown.
[課題を解決するための手段] 本発明の結晶の形成方法は、核形成密度の小さな表面
を有する基体面上もしくは該基体に形成された凹部に、
全ての側壁及び底面が絶縁物と接触して囲まれている直
方体形状又は立方体形状であって、且つその体積が単一
に凝集するに充分微小な原種子を配し、この原種子に凝
集を生起させる熱処理を施し、面方位及び面内方位の制
御された単結晶性の種結晶とし、結晶成長処理を施すこ
とにより、該種結晶を起点として単結晶を選択的に成長
させることを特徴とする。[Means for Solving the Problems] The method of forming a crystal according to the present invention comprises the steps of:
All the side walls and the bottom surface are arranged in a rectangular parallelepiped or cubic shape in contact with and surrounded by the insulator, and the original seeds are arranged so that the volume thereof is small enough to singly aggregate. The heat treatment is performed to produce a single crystal seed crystal having a controlled plane orientation and in-plane orientation, and a crystal growth treatment is performed to selectively grow the single crystal starting from the seed crystal. I do.
以下、本発明の原理について説明する。 Hereinafter, the principle of the present invention will be described.
凝集した結晶の面方位は、前述したように結晶の表面
エネルギー(free surface energy)や基板との界面エ
ネルギー(interfacial energy)等の最小化を駆動力と
して決まる。例えば、多結晶SiをSiO2上で凝集させる
と、Siの表面エネルギーは(111)面で最小となるの
で、面方位を(111)に揃えようとする。一方Si−SiO2
の界面エネルギーは(100)が安定なので、界面エネル
ギーは(100)に揃えようとする。その他にも多結晶Si
そのものは、その堆積温度にもよるが、概して(110)
配向を有しているので、その初期状態の要因も加わって
くる。この結果SiO2上で凝集したSiは比較的(111)に
強く配向し、X線回折の反射強度で言うと、(111)の
約1/2〜1/3の強度で(110)が存在する。そして、その
他に(100),(311),(331),(422)等の微弱なピ
ークが観測される。(111)方位が支配的になる理由
は、凝集したSiは半球状の結晶となり、その表面積が界
面の面積に比べてだいぶ大きくなることや、方位を決定
する因子の中で、表面エネルギーの安定化が最も強い要
因であることなどが考えられる。As described above, the plane orientation of the aggregated crystal is determined by minimizing the free surface energy of the crystal and the interfacial energy with the substrate as the driving force. For example, when polycrystalline Si is agglomerated on SiO 2 , the surface energy of Si is minimized on the (111) plane, and the plane orientation is attempted to be aligned to (111). On the other hand, Si-SiO 2
Since the interface energy of (100) is stable, the interfacial energy tries to be equal to (100). Other polycrystalline Si
It is generally (110), depending on its deposition temperature.
Since it has an orientation, factors in its initial state are also added. As a result, Si agglomerated on SiO 2 is relatively strongly oriented to (111), and (110) exists at about 1/2 to 1/3 of the intensity of (111) in terms of X-ray diffraction reflection intensity. I do. In addition, weak peaks such as (100), (311), (331), and (422) are observed. The reason that the (111) orientation is dominant is that the agglomerated Si becomes hemispherical crystals, whose surface area is much larger than the interface area, and that the surface energy is stable due to the factors that determine the orientation. Is considered to be the strongest factor.
しかしたとえ、基板表面の材料を変えたり、凝集の条
件を変えたりしても、前述したように多くの因子が影響
を及ぼすために、1つの方位を完全に制御することは極
めて困難である。ましてや面内方位までも制御するの
は、二次元面上での凝集では不可能に近い。However, even if the material on the surface of the substrate is changed or the conditions for aggregation are changed, it is extremely difficult to completely control one orientation, because many factors influence as described above. Furthermore, it is almost impossible to control the in-plane orientation by agglomeration on a two-dimensional plane.
そこで本発明において発明者らは、まず1つの方位を
制御するために界面エネルギーの安定化が方位を決定す
る主要因となるような構成を考え、次に面内方位をも制
御する構成を考えた。そしてこれらの構成を一度に満足
させるのが、本発明の構成、即ち直方体形状又は立方体
形状をした原種子の側面と底面が絶縁物に接触した形で
囲まれ、かつ単一に凝集するに充分微小な体積に形成
し、これを凝集させることにより得るものである。Therefore, in the present invention, the inventors first consider a configuration in which stabilization of interface energy is the main factor for determining the orientation in order to control one orientation, and then consider a configuration in which the in-plane orientation is also controlled. Was. It is the configuration of the present invention that satisfies these configurations at one time, that is, the side and bottom surfaces of the cuboid or cubic original seed are surrounded by contact with the insulator, and are sufficient to be singly aggregated. It is obtained by forming a small volume and aggregating it.
具体的には第1図(A)に示したような、原種子を考
えてやれば良い。但しこの直方体(又は立方体)は1つ
の面(xy平面の上面)除いて、残り全ての面が絶縁物と
接して囲まれているものとする。Specifically, it is sufficient to consider an original seed as shown in FIG. 1 (A). However, this cuboid (or cubic) is assumed to be surrounded by all the remaining surfaces in contact with the insulator except for one surface (the upper surface of the xy plane).
これは、つまり今まで凝集時における界面エネルギー
の安定化は、原種子の底面と下地の絶縁物面、即ち1面
だけが影響を及ぼしていたのに対し、本発明の結晶の形
成方法に於ては、5面が界面エネルギーの安定化に供与
し、しかも5つの面は全て隣接面と直交しているので、
凝集により形成される結晶の安定方位構造に等価な面と
して作用できるという長所を有している。また同時に従
来より露出する面積が小さくなることにより、凝集時の
表面エネルギーの安定化による構造変化の影響を少なく
する効果をも伴なっている。その結果、グラフォエピタ
キシーで見られるような、もしくは表面リレーフ構造内
で起こるGeの粒成長の例のような方位(面内も含む)の
制御が1つの原種子の凝集という系の中で再現されるの
である。This means that the stabilization of the interfacial energy at the time of aggregation has been affected only by the bottom surface of the original seed and the insulating surface of the base, that is, only one surface. In other words, since five planes contribute to stabilization of interfacial energy, and all five planes are orthogonal to adjacent planes,
It has the advantage that it can act as a plane equivalent to the stable orientation structure of crystals formed by aggregation. At the same time, since the exposed area is smaller than before, the effect of reducing the influence of the structural change due to the stabilization of the surface energy at the time of aggregation is accompanied. As a result, the control of orientation (including in-plane), such as that seen in graphoepitaxy or the example of Ge grain growth that occurs in a surface relay structure, is reproduced in a system of aggregation of a single original seed. It is done.
以下、具体的な実施態様例を第1図(A)〜(D)及
び第2図(A)〜(D)を用いて説明する。Hereinafter, specific embodiments will be described with reference to FIGS. 1 (A) to (D) and FIGS. 2 (A) to (D).
(実施態様例) まず本発明に於て最も重要な原種子の形状と大きさ
(サイズ)について述べる。(Example of embodiment) First, the shape and size (size) of the most important original seed in the present invention will be described.
原種子の形状は既に述べでいるように直方体又は立方
体でなければならないが、厳密に言えば完全な直方体又
は立方体でなくても本発明の目的は達成される。逆に言
えば、仮に完全な直方体の原種子があったとして、これ
を絶縁物で囲んで凝集させても単結晶性の種結晶を絶縁
物面と垂直方向に数秒角のずれもなく、特定方位にする
ことは困難である。このような種結晶から成長した結晶
同士が衝突すれば、必ずそこに粒界を生じてしまうので
ある。したがって、本願においては、粒界の位置が制御
されていて、デバイス作製時に方位のバラツキに起因す
るデバイス特性のバラツキが生じない範囲であれば良い
のである。具体的には通常のフォトリングラフィー工
程、及びエッチング工程で生じるパターンエッジの「だ
れ」や、オーバーエッチングによる設計値からのずれ、
即ち角度にして数度以内は許容範囲である。The shape of the original seed must be a rectangular parallelepiped or a cube as already described, but strictly speaking, the object of the present invention can be achieved even if it is not a perfect rectangular parallelepiped or a cube. Conversely, assuming that there is a complete cuboid original seed, even if it is surrounded by an insulator and agglomerated, the single crystal seed crystal can be identified with no deviation of several seconds in the direction perpendicular to the insulator surface. Orientation is difficult. If crystals grown from such a seed crystal collide with each other, a grain boundary is necessarily generated there. Therefore, in the present application, the position of the grain boundary is controlled, and it suffices that the position is within a range that does not cause variation in device characteristics due to variation in orientation during device fabrication. Specifically, the normal photolinography process and the pattern edge "drow" generated in the etching process, deviation from the design value due to over-etching,
That is, an angle within several degrees is an allowable range.
また「側壁及び底面が絶縁物と接触して囲まれている
直方体形状又は立方体形状の原種子」とは、例えば第1
図(B)、(C)及び(D)に示したような形状であ
る。第1図(B),(C)は所謂「埋め込み型」であ
る。これは予め絶縁物基板2の表面の一部を正方形又は
長方形にパターニングし、エッチングすることによって
直方体又は立方体の空間を形成してやり、その中に原種
子を埋め込むタイプのものである。この場合埋め込まれ
る原種子1は、その露出面が第1図(B)のように絶縁
物表面と同一平面、即ち全面フラットになるような形で
も、第1図(C)のように原種子の露出面が絶縁物表面
より低い位置にあるもの、つまり原種子の高さ(第1図
(A)に示すcの値)がエッチングの深さに比べて小さ
いものでもかまわない、一方第1図(D)は、「側壁形
成型」である。これは絶縁物基板あるいは、表面層が絶
縁部で出来ている基板の上にまず原種子を直方体又は立
方体にパターニングし、そしてその後から、上面は残し
て側壁だけに絶縁物を形成し、とり囲んでやるタイプの
ものである。Further, “a rectangular or cubic original seed whose side wall and bottom surface are in contact with and surrounded by an insulator” is, for example, the first seed.
The shape is as shown in FIGS. (B), (C) and (D). FIGS. 1B and 1C show a so-called “embedded type”. This is a type in which a part of the surface of the insulator substrate 2 is patterned in advance into a square or a rectangle and etched to form a rectangular parallelepiped or cubic space, in which original seeds are embedded. In this case, the original seed 1 to be embedded has the exposed surface flush with the surface of the insulator as shown in FIG. 1B, that is, the entire surface is flat as shown in FIG. 1C. May be located at a position lower than the surface of the insulator, that is, the height of the original seed (the value of c shown in FIG. 1 (A)) may be smaller than the etching depth. FIG. 4D shows a “sidewall forming type”. This is done by first patterning the seeds into a rectangular parallelepiped or cube on an insulating substrate or a substrate whose surface layer is made of insulating parts, and then forming an insulating material only on the side walls, leaving the top surface, and surrounding it. It is of the type to do.
なお、いずれの場合も、必ずしも壁面の材質が基体2
の材質と一致していなくてもかまわない。例えば、上記
「埋め込み型」において基体に直方体又は立方体の空間
を形成した後、この空間内に絶縁膜を形成しこの絶縁膜
の表面を絶縁物の壁面としてもよい。In any case, the material of the wall surface is not necessarily
It does not have to match with the material of. For example, after forming a rectangular parallelepiped or cubic space in the substrate in the “embedded type”, an insulating film may be formed in this space, and the surface of the insulating film may be used as a wall surface of the insulator.
次に原種子のサイズに関して述べる。第1図(A)に
於てこの原種子のサイズはa,b≦2μm(なおa=bで
あってもよい)が好ましく、より好ましくは1μm以
下、最適には0.5μm程度である。これはa,bの大きさが
2μmを超えると原種子は単一体に凝集せずに複数個に
分断しつ凝集してしまうためである。但し分断するかし
ないかは膜の厚さ、即ちcの値によって大きく左右さ
れ、a又はbとcとのアスペクト比(縦横比)が大きい
と分断しやすくなる。なお、a,bの値の最適値を0.5μm
程度としたのは、0.5μmより小さく設計すると、一般
的な半導体のフォトプロセスが適用困難になるからであ
る。一方、原種子の厚さ(=c)であるが、0.05μm以
上0.5μm以下が好ましく、より好ましくは0.1μm以上
0.4μm以下である。最適な値はa,bの大きさによって決
まる、cの値については、実際には薄ければ薄い程、凝
集は容易に起こるのであるが、0.05μmより小さくなる
と単一に凝集されるためにa,bの値も小さくしてやらな
ければならず、前に述べたように一般のフォトプロセス
の適用が困難になることと、面内方位を制御するための
側壁の影響が小さくなってしまうという課題が生ずる。
またcの値が0.5μmより厚いと凝集が起こり難くなっ
てしまうことより、原種子の厚さの最適値が0.5≧c≧
0.05(μm)の範囲内で決まる。Next, the size of the original seed will be described. In FIG. 1 (A), the size of the original seed is preferably a, b ≦ 2 μm (a = b may be satisfied), more preferably 1 μm or less, and most preferably about 0.5 μm. This is because when the sizes of a and b exceed 2 μm, the original seeds are not aggregated into a single body but are divided into a plurality and aggregated. However, whether or not the film is divided largely depends on the thickness of the film, that is, the value of c. When the aspect ratio (aspect ratio) between a or b and c is large, the film is easily divided. The optimal value of a and b is 0.5 μm
The reason is that if it is designed to be smaller than 0.5 μm, it becomes difficult to apply a general semiconductor photo process. On the other hand, the thickness of the original seed (= c) is preferably 0.05 μm or more and 0.5 μm or less, more preferably 0.1 μm or more.
0.4 μm or less. The optimum value is determined by the size of a and b. For the value of c, in fact, the thinner the thinner, the easier the agglomeration occurs. The values of a and b must also be reduced, which makes it difficult to apply a general photo process and reduces the influence of the side wall for controlling the in-plane orientation as described above. Occurs.
When the value of c is larger than 0.5 μm, aggregation hardly occurs. Therefore, the optimal value of the thickness of the original seed is 0.5 ≧ c ≧
Determined within the range of 0.05 (μm).
次に凝集させる原種子の材料であるが、Si,Ge,Sn等の
半導体元素やAu,Ag,Cu,Pt,Pd等の金属、または合金や化
合物、混合物も可能である。The material of the original seed to be agglomerated next may be a semiconductor element such as Si, Ge, Sn or the like, a metal such as Au, Ag, Cu, Pt, Pd, or an alloy, a compound, or a mixture.
非核形成面となる絶縁物はSiO2,SixHy,SiON等の非晶
質絶縁物が用いられる。また非核形成面の絶縁物と、原
種子に接している部分の絶縁物とは、組成が必ずしも一
致していなくてもよい。Insulator comprising a non-nucleating surface SiO 2, Si x H y, amorphous insulating material such as SiON is used. Also, the composition of the insulator on the non-nucleus forming surface and the insulator on the portion in contact with the original seed do not necessarily have to be the same.
次に本発明の一実施態様例の工程図を第2図(A)〜
(D)を用いて説明する。Next, FIGS. 2 (A) to 2 (A) show a process chart of an embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG.
まず、第2図(A)に示すように、絶縁物基板22、も
しくは表面層が絶縁物で覆われている基板の微細な凹部
23a,23bに、それぞれ原種子21a,21bとなる物質を埋め込
む。凹部23a,23bは直方体もしくは立方体とする。な
お、前述したように必ずしも凹部でなくても、第1図
(D)に示したように、原種子21a,21bの側壁が絶縁物
と接触して囲まれていればよい。First, as shown in FIG. 2 (A), a minute concave portion of the insulator substrate 22 or a substrate whose surface layer is covered with an insulator.
The substances to be the original seeds 21a and 21b are embedded in 23a and 23b, respectively. The recesses 23a and 23b are cuboids or cubes. Note that, as described above, the side walls of the original seeds 21a and 21b may be in contact with and surrounded by the insulator as shown in FIG.
原種子21a,21bの材料は前述したようにSi,Geその他が
用いられるが、多結晶であっても非晶質であってもかま
わない。As described above, the material of the original seeds 21a and 21b is Si, Ge, or the like, but may be polycrystalline or amorphous.
次に、第2図(B)に示すように、原種子21a,21bを
水素雰囲気中で熱処理し、凝集を生起させて、面方位、
面内方位とも揃った単結晶性の種結晶24a,24bを形成す
る。熱処理の条件は、原種子の材料やその体積にもよる
が原種子材料がSi,Ge等の半導体元素である場合、その
温度は大抵700〜1100℃程度である。また圧力は、常圧
でもよいが、減圧(数Torr〜200Torr)で行なった方が
凝集を生起させ易い。また、原種子に不純物(リン,ホ
ウ酸,ヒ素等)が多量にドーピングされていると、凝集
の開始する温度を下げる効果がある。Next, as shown in FIG. 2 (B), the original seeds 21a and 21b are heat-treated in a hydrogen atmosphere to cause agglomeration, and
Single-crystal seed crystals 24a and 24b having uniform in-plane orientation are formed. The condition of the heat treatment depends on the material of the original seed and its volume, but when the original seed material is a semiconductor element such as Si or Ge, the temperature is usually about 700 to 1100 ° C. The pressure may be normal pressure, but aggregation is more likely to occur when the pressure is reduced (several Torr to 200 Torr). In addition, if the original seed is doped with a large amount of impurities (phosphorus, boric acid, arsenic, etc.), there is an effect of lowering the temperature at which aggregation starts.
次に、第2図(C)に示すように、凝集した単結晶性
の種結晶を中心に結晶を選択成長させる。この際成長は
CVD法等で行なわれる。例えば、Siの結晶を成長させる
ならば、SiH4,Si2H6等のシラン系のソースガス、SiH2C
l,SiHCl3,SiCl4等のクロロシラン系のソースガス、SiH2
F2,SiF4等のクロロシラン系のソースガスが用いられ、
これとHCl等のエッチングガスをH2希釈ガスの混合させ
て800〜1200℃の温度で成長を行なうことにより達成で
きる。Next, as shown in FIG. 2 (C), crystals are selectively grown around the aggregated single crystal seed crystal. At this time, the growth
This is performed by a CVD method or the like. For example, when growing a Si crystal, a silane-based source gas such as SiH 4 or Si 2 H 6 or SiH 2 C
l, SiHCl 3, chlorosilane-based source gas of SiCl 4, etc., SiH 2
A chlorosilane-based source gas such as F 2 or SiF 4 is used,
This can be achieved by mixing this with an etching gas such as HCl and an H 2 diluting gas and growing at a temperature of 800 to 1200 ° C.
種結晶24aから成長を続けた結晶25aは、同様に隣りの
種結晶24bから成長して来た結晶25bと最初にパターニン
グされた種結晶同士の中間位置にて粒界(Grain Bounda
ry)26を生ずる。本来2つの結晶25a,25bが面内を含め
て互いに全く同一の結晶方位を有しているならば、粒界
は生じず連続な結晶膜となるのだが、実際にはどの結晶
も若干の結晶方位のずれが存在するため、殆どの場合粒
当界は形成される。Similarly, the crystal 25a that has continued to grow from the seed crystal 24a has a grain boundary (Grain Bounda) at an intermediate position between the crystal 25b that has grown from the adjacent seed crystal 24b and the first patterned seed crystal.
ry) yields 26. Originally, if two crystals 25a and 25b have exactly the same crystallographic orientation including the in-plane direction, no grain boundary will be formed and a continuous crystal film will be formed. Due to the misalignment, grain boundaries are formed in most cases.
なお、成長した結晶25a,25bは単結晶であるためにそ
の結晶特有の結晶面(ファセット)をもっている。そこ
で成長した結晶上に電子素子等を形成する場合には、第
2図(D)に示すように、必要に応じて結晶を研磨し、
表面を平坦にしてやればよい。Since the grown crystals 25a and 25b are single crystals, they have crystal faces (facets) unique to the crystals. Therefore, when an electronic element or the like is formed on the grown crystal, the crystal is polished as necessary as shown in FIG.
The surface may be flattened.
[実施例] 以下、本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。Example An example of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例1) 第3図(A)〜(D)は、本発明の結晶の形成方法の
第1実施例の原種子の形成工程を示す工程図である。(Example 1) FIGS. 3 (A) to 3 (D) are process diagrams showing a step of forming an original seed of a first example of the method for forming a crystal of the present invention.
なお、原種子を凝集させて種結晶とし、この種結晶を
起点として単結晶を成長させる工程は第2図(B)〜
(D)を用いて説明した工程と同様なので第2図(B)
〜(D)を用い、また同一符号を用いて説明する。The step of aggregating the original seed to form a seed crystal and growing a single crystal starting from the seed crystal is shown in FIGS.
Since the process is the same as that described with reference to FIG.
To (D) and the same reference numerals.
まず、第3図(A)に示すように、基板として4イン
チSiウエハー31を用意し、このウエハー表面を1μm酸
化してSiO2層32を形成した。その後、このSiO2層32の表
面の一部を通常のフォトプロセスにて正方形にパターニ
ングし、正方形部分をSiO2層の途中までRIE(反応性イ
オンエッチング)でエッチングした。このとき正方形の
一辺a=b=0.8μm、エッチングの深さc=0.4μmと
した。尚、これと同様の凹部を縦横間隔l=60μmのマ
トリックス状に複数個形成した(第3図(A)において
は凹部33a,33bのみ図示)。First, as shown in FIG. 3A, a 4-inch Si wafer 31 was prepared as a substrate, and the wafer surface was oxidized by 1 μm to form an SiO 2 layer 32. After that, a part of the surface of the SiO 2 layer 32 was patterned into a square by a normal photo process, and the square part was etched to the middle of the SiO 2 layer by RIE (reactive ion etching). At this time, one side of the square was a = b = 0.8 μm, and the etching depth c was 0.4 μm. A plurality of similar concave portions were formed in a matrix with a vertical and horizontal interval 1 = 60 μm (only the concave portions 33a and 33b are shown in FIG. 3A).
次に、第3図(B)に示すように、この基板上にLPCV
D法を用いて多結晶Si34を0.4μm堆積した。多結晶Si中
にイオン注入法にてリン(31P+)を8×1020cm-3の濃度
になるように注入した。更にリンをドープされた多結晶
Si34上に、表面が平坦になるようにレジスト35をコーテ
ィングした。Next, as shown in FIG. 3 (B), LPCV
0.4 μm of polycrystalline Si34 was deposited by using the D method. Phosphorus ( 31 P + ) was implanted into polycrystalline Si by an ion implantation method so as to have a concentration of 8 × 10 20 cm −3 . Polycrystalline further doped with phosphorus
A resist 35 was coated on the Si 34 so that the surface became flat.
次に、第3図(C)に示すように、RIEでレジストと
多結晶Siのエッチングレートが同じになる条件で、両層
をSiO2層32の表面が露出するまでエッチバッグを行な
い、凹部の中にのみ、多結晶Si34a,34bが残るようにし
た。そしてこの多結晶Si34a,34bを原種子とした。尚、
この時のエッチバックの条件は、レジストはOFPR5000を
使用し、RIEの条件として、使用ガスC2F6/O2=80/35(s
ccm)、圧力50pa.出力2kWで行なった。Next, as shown in FIG. 3 (C), under the condition that the etching rate of the resist and that of polycrystalline Si are the same by RIE, an etch bag is performed on both layers until the surface of the SiO 2 layer 32 is exposed. Only polycrystalline Si34a and 34b were left in the inside. These polycrystalline Si34a and 34b were used as original seeds. still,
At this time, the etch-back condition is that OFPR5000 is used for the resist, and the gas used is C 2 F 6 / O 2 = 80/35 (s) as the RIE condition.
ccm), pressure 50pa. output 2kW.
次に、第2図(B)に示すように、以上のようにして
直方体の凹部に埋め込まれた形の多結晶Si34a,34bを、
水素雰囲気中、圧力100Torr、温度1050℃で10分間の熱
処理を行なった。すると多結晶Si34a,34bは固相で凝集
し、その表面を半球状にして単結晶24a,24bに変化し
た。Next, as shown in FIG. 2 (B), the polycrystalline Si 34a, 34b embedded in the rectangular
Heat treatment was performed in a hydrogen atmosphere at a pressure of 100 Torr and a temperature of 1050 ° C. for 10 minutes. Then, the polycrystalline Si34a, 34b aggregated in the solid phase, and the surface became hemispherical and changed to single crystals 24a, 24b.
次に、第2図(C)に示すように、凝集した単結晶Si
24a,24bを種結晶として、Si結晶を選択成長させた。成
長条件はソースガスとしてSiH2Cl2、エッチング用添加
ガスとしてHCl、キャリアガスとしてH2をそれぞれ0.5
3、1.6、100(l/min)の割合で混合したガス中に基板を
置き温度1030℃、圧力80Torr、成長時間90分間で行なっ
た。その結果Si単結晶25aは横方向に30μm成長したと
ころで、隣りの単結晶25bと衝突し、粒界26を形成し
た。しかし外観のファセット形状、ファセットの方向は
どの結晶もほぼ同一であった。Next, as shown in FIG. 2 (C), the aggregated single crystal Si
Si crystals were selectively grown using 24a and 24b as seed crystals. The growth conditions were as follows: SiH 2 Cl 2 as a source gas, HCl as an additive gas for etching, and H 2 as a carrier gas.
The substrate was placed in a gas mixture of 3, 1.6, and 100 (l / min) at a temperature of 1030 ° C., a pressure of 80 Torr, and a growth time of 90 minutes. As a result, when the Si single crystal 25a grew 30 μm in the lateral direction, it collided with the adjacent single crystal 25b to form a grain boundary 26. However, the facet shape and facet direction of the appearance were almost the same for all crystals.
得られた結晶は基板と垂直方向(100)に配向してお
り、X線回折で測定したところ、他の方位は観測できな
かった。また面内方位に関しては、ECP(Electron Chan
neling Pattern)で解析したところ、種結晶のパターニ
ングされた方向に対して(100)の等価方向に対して±
5゜以内の回転にとどまっていた。The obtained crystal was oriented in the direction (100) perpendicular to the substrate, and other directions could not be observed when measured by X-ray diffraction. Regarding the in-plane orientation, ECP (Electron Chan
neling Pattern), the patterning direction of the seed crystal was ± 100 relative to the (100) equivalent direction.
He was still turning within 5mm.
次に、第2図(D)に示すように、このようにして得
られた結晶の上にトランジスタ等の素子を形成するため
に、結晶を平坦化した。これは通常Siウエハーを研摩す
るのと全く同じ行程、即ち砥粒を懸濁させた弱アルカリ
溶液を用いて、荒研摩、仕上げ研摩の順で、1μmの厚
さになるまで研磨を行なった。Next, as shown in FIG. 2 (D), the crystal was planarized in order to form an element such as a transistor on the crystal thus obtained. The polishing was performed in exactly the same process as that for polishing a Si wafer, that is, using a weak alkaline solution in which abrasive grains were suspended, followed by rough polishing and finish polishing in the order of 1 μm in thickness.
(実施例2) 第4図(A)〜(D)は、本発明の結晶の形成方法の
第2実施例の原種子の形成工程を示す工程図である。Example 2 FIGS. 4 (A) to 4 (D) are process diagrams showing an original seed forming step of a second example of the crystal forming method of the present invention.
なお、原種子を凝集させて種結晶とし、この種結晶を
起点として単結晶を成長させる工程は第2図(B)〜
(D)を用いて説明した工程と同様なので第2図(B)
〜(D)を用い、また同一符号を用いて説明する。The step of aggregating the original seed to form a seed crystal and growing a single crystal starting from the seed crystal is shown in FIGS.
Since the process is the same as that described with reference to FIG.
To (D) and the same reference numerals.
まず、第4図(A)に示すように、4インチ径の溶融
石英基板41上にLPCVD法で多結晶Si42を0.1μm堆積し、
さらにその上にLPCVD法でSi3N4膜43を0.05μm堆積し
た。First, as shown in FIG. 4A, 0.1 μm of polycrystalline Si is deposited on a 4-inch diameter fused quartz substrate 41 by LPCVD.
Further, a Si 3 N 4 film 43 was deposited thereon by 0.05 μm by LPCVD.
次に、第4図(B)に示すように縦横1×1μmの島
状領域を50μm間隔にパターニングし、島状領域を残し
て、他の部分のSi3N4膜、多結晶Si膜を全てRIEによりエ
ッチングした。Next, as shown in FIG. 4 (B), an island region of 1 × 1 μm in length and width is patterned at an interval of 50 μm, and an Si 3 N 4 film and a polycrystalline Si film of another portion are left except for the island region. All were etched by RIE.
次に、第4図(C)に示すように、島状に分離された
多結晶Si42a,42bを、Si3N4膜43a,43bのキャップがつい
たまま酸化した。基板上方向から見て正方形の多結晶Si
の周辺部分のみが酸化され、多結晶Si42a,42bはSiO2の
壁44a,44bに囲まれる形となった。Next, as shown in FIG. 4 (C), the polycrystalline Sis 42a and 42b separated into islands were oxidized with the caps of the Si 3 N 4 films 43a and 43b attached. Square polycrystalline Si viewed from above the substrate
Is oxidized, and the polycrystalline Si 42a, 42b is surrounded by SiO 2 walls 44a, 44b.
次に、第4図(D)に示すように、熱リン酸(H3P
O4)を用いて多結晶Si42′上にあるSi3N4層43a,43bのみ
をエッチングした。Next, as shown in FIG. 4 (D), hot phosphoric acid (H 3 P
O 4 ) was used to etch only the Si 3 N 4 layers 43 a and 43 b on the polycrystalline Si 42 ′.
あとは、第2図(A)〜(D)が示す工程図に従い、
第1の実施例と同じ条件で多結晶Si42a,42bを凝集さ
せ、更に選択成長させた。平坦化も同様に行なった。After that, according to the process diagrams shown in FIGS. 2 (A) to 2 (D),
Under the same conditions as in the first embodiment, polycrystalline Si42a and 42b were aggregated and further grown selectively. Flattening was performed in the same manner.
(実施例3) 第5図(A)〜(C)は、本発明の結晶の形成方法の
第3実施例の形成工程を示す工程図である。Example 3 FIGS. 5A to 5C are process diagrams showing forming steps of a third example of the crystal forming method of the present invention.
まず、第5図(A)に示すように、4インチ径の溶融
石英基板51を用意し、その表面に縦横40μm、深さ0.8
μmの領域を通常のフォトリソグラフィー及びRIEを用
いたエッチング工程によりエッチングし、これを結晶成
長領域53とした。尚、この結晶成長領域は、正方形の中
心間距離として60μm間隔の格子状に施した。First, as shown in FIG. 5 (A), a fused quartz substrate 51 having a diameter of 4 inches is prepared, and the surface thereof is 40 μm in length and width and 0.8 μm in depth.
The μm region was etched by an ordinary etching process using photolithography and RIE, and this was used as a crystal growth region 53. Note that this crystal growth region was formed in a lattice pattern at intervals of 60 μm as the distance between the centers of the squares.
次にこの結晶成長領域の凹底部中心位置に更に0.7×
0.7μm2の正方形領域を0.2μmの深さまでエッチング
し、これを種結晶形成領域とした。Next, an additional 0.7 × is placed at the center of the concave bottom of this crystal growth region.
The 0.7 μm 2 square region was etched to a depth of 0.2 μm, and this was used as a seed crystal forming region.
石英基板51の全表面にGeをスパッタ蒸着法により0.2
μm堆積し、更に第1実施例で行なったと同様の方法
で、種結晶形成領域外に堆積されたGeをエッチバックに
より除去した。そして種結晶形成領域内には、Geの原種
子52を残した。Ge is sputter-deposited on the entire surface of the quartz substrate 51 by 0.2.
Then, Ge deposited outside the seed crystal forming region was removed by etch-back in the same manner as in the first embodiment. The original seed 52 of Ge was left in the seed crystal forming region.
次に、第5図(B)に示すように、Geの原種子52が施
された基板を水素雰囲気中、80Torr、750℃という条件
で熱処理をし、原種子を凝集させて、単結晶Geの種結晶
54とした。Next, as shown in FIG. 5 (B), the substrate on which the Ge original seed 52 has been applied is heat-treated in a hydrogen atmosphere under the conditions of 80 Torr and 750 ° C. to aggregate the original seed to form a single crystal Ge. Seed crystal
54.
次にこの単結晶Geを起点としてSiの結晶を選択的に気
相より成長させ、約50μm大のSi単結晶55を成長させ
た。このときの成長条件は、第1実施例と同様に行なっ
た。Next, starting from the single crystal Ge, a Si crystal was selectively grown from the gas phase, and a Si single crystal 55 having a size of about 50 μm was grown. The growth conditions at this time were the same as in the first embodiment.
得られた結晶の平坦化は第1実施例と同様に、通常の
Siウエハーの研摩工程に準じて行なった。但し、この際
に研摩砥粒としてコロイダルシリカを用い、結晶の研磨
面が石英基板51表面に達する直前で研摩速度を遅くして
やる等の調整を行ない、Si結晶面を石英基板51の表面と
一致させたところで研摩を終了した。The flattening of the obtained crystal is performed in the same manner as in the first embodiment.
The polishing was performed according to the polishing process of the Si wafer. However, at this time, colloidal silica was used as the abrasive grains, and the polishing speed was reduced immediately before the polished surface of the crystal reached the surface of the quartz substrate 51, so that the Si crystal surface was made to coincide with the surface of the quartz substrate 51. Then polishing was finished.
この様に結晶成長及び研摩を行なったために、Si単結
晶55′は各々が完全に分離された形で、しかも全面が完
全な平坦に得ることができた。Since the crystal was grown and polished in this manner, the Si single crystal 55 'could be obtained in a completely separated form and completely flat on the entire surface.
結晶の面方位は、マイクロX線回折法で個々の結晶に
ついて測定したところ、全ての結晶が(100)面より±
3゜以内のずれ程度の極めて良好な配向性を示した。ま
た、全体のX線回折を見ても(100)以外のピークは現
われなかった。面内方位についてはECP法で観察したと
ころ、種結晶のパターニングされた方向(結晶成長領域
の格子状パターン方向)に対して(100)と等価方位よ
り±4゜以内の回転にとどまっていた。The plane orientation of the crystals was measured for each individual crystal by the micro X-ray diffraction method.
Extremely good orientation with a deviation of 3 ° or less was shown. In addition, when the whole X-ray diffraction was observed, no peak other than (100) appeared. When the in-plane orientation was observed by the ECP method, the orientation was (100) with respect to the patterning direction of the seed crystal (the lattice pattern direction of the crystal growth region), and the rotation was within ± 4 ° from the equivalent orientation.
[発明の効果] 以上、説明したように、本発明の結晶の形成方法によ
れば、面方位及び面内方位の制御された単結晶性の種結
晶を起点として、単結晶を選択的に成長させることがで
きるため、絶縁基体に粒界の位置が制御され、且つ面方
位、面内方位の揃った単結晶を形成することが可能とな
る。[Effects of the Invention] As described above, according to the method for forming a crystal of the present invention, a single crystal is selectively grown starting from a single crystal seed crystal having a controlled plane orientation and in-plane orientation. Therefore, the position of the grain boundary is controlled on the insulating substrate, and a single crystal having a uniform plane orientation and in-plane orientation can be formed.
第1図(A)〜(D)は、原種子の形状及び原種子を囲
む絶縁物の形態を示す説明図である。 第2図(A)〜(D)は、本発明の結晶の形成方法の一
実施態様例の工程図である。 第3図(A)〜(C)は、本発明の結晶の形成方法の第
1実施例の原種子の形成工程を示す工程図である。 第4図(A)〜(D)は、本発明の結晶の形成方法の第
2実施例の原種子の形成工程を示す工程図である。 第5図(A)〜(C)は、本発明の結晶の形成方法の第
3実施例の形成工程を示す工程図である。 1……原種子、2……絶縁物基体、31……Siウエハー、
32……SiO2層、33a,33b……凹部、34,34a,34b……多結
晶Si、35……レジスト、41……溶融石英基板、42a,42b
……多結晶Si、43a,43b……Si3N4膜、44a,44b……SiO2
壁、51……溶融石英基板、52……原種子、53……結晶成
長領域、54……種結晶、55,55′……Si単結晶。1 (A) to 1 (D) are explanatory views showing the shape of an original seed and the form of an insulator surrounding the original seed. 2 (A) to 2 (D) are process diagrams of one embodiment of the method for forming a crystal of the present invention. FIGS. 3 (A) to 3 (C) are process diagrams showing a process of forming an original seed of the first embodiment of the method of forming a crystal of the present invention. FIGS. 4 (A) to 4 (D) are process diagrams showing a step of forming original seeds according to a second embodiment of the method of forming crystals of the present invention. 5 (A) to 5 (C) are process diagrams showing a forming process of a third embodiment of the crystal forming method of the present invention. 1 ... original seed, 2 ... insulating substrate, 31 ... Si wafer,
32: SiO 2 layer, 33a, 33b: recess, 34, 34a, 34b: polycrystalline Si, 35: resist, 41: fused quartz substrate, 42a, 42b
…… Polycrystalline Si, 43a, 43b …… Si 3 N 4 film, 44a, 44b …… SiO 2
Wall, 51: fused quartz substrate, 52: original seed, 53: crystal growth region, 54: seed crystal, 55, 55 ': Si single crystal.
Claims (4)
もしくは該基体に形成された凹部に、全ての側壁及び底
面が絶縁物と接触して囲まれている直方体形状又は立方
体形状であって、且つその体積が単一に凝集するに充分
微小な原種子を配し、この原種子に凝集を生起させる熱
処理を施し、面方位及び面内方位の制御された単結晶性
の種結晶とし、 結晶成長処理を施すことにより、該種結晶を起点として
単結晶を選択的に成長させる結晶の形成方法。A cubic or cubic shape in which all side walls and bottom surfaces are in contact with an insulator and are surrounded on a surface of a substrate having a surface having a small nucleation density or in a recess formed in the substrate. And, the original seeds whose volume is small enough to be aggregated singly are arranged, and a heat treatment for causing the original seeds to cause aggregation is performed to obtain a monocrystalline seed crystal with a controlled plane orientation and in-plane orientation, A method for forming a crystal in which a single crystal is selectively grown starting from the seed crystal by performing a crystal growth treatment.
面である請求項1記載の結晶の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the surface having a low nucleation density is an amorphous insulating surface.
温度である請求項1又は2記載の結晶の形成方法。3. The method according to claim 1, wherein the heat treatment temperature is lower than the melting point of the original seed.
た請求項1、2又は3記載の結晶の形成方法。4. The method according to claim 1, wherein the heat treatment of the original seed is performed in a hydrogen atmosphere.
Priority Applications (5)
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