JPH059089A

JPH059089A - 結晶の成長方法

Info

Publication number: JPH059089A
Application number: JP18416291A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamagata; 憲二山方
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-01-19

Abstract

(57)【要約】【構成】絶縁物基体上に決められた範囲内の大きさを
有する島状の非単結晶半導体薄膜をパターニングし、こ
の半導体薄膜をランプ加熱による一括処理によって一旦
溶融したのち再結晶させ、ここに得られる単結晶を種結
晶として結晶を成長させる。【効果】レーザー等のビームアニールを使用しないの
で、高い生産性が達成でき、また最初にパターニングす
る島状半導体膜の面積の「バラツキ」に対する依存性も
極めて少なく、安定して結晶が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶薄膜の形
成方法に係り、特にＳＯＩ構造の高性能電子素子を形成
するためのシリコン薄膜の成長に適した結晶の成長方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】絶縁基体上の半導体薄膜に電子素子を形
成する所謂ＳＯＩ構造は、素子間や素子と基体と間の寄
生容量の低下等のメリットから、高性能素子への応用が
有望視されている。しかし絶縁物基体が非晶質である場
合には、通常、に堆積する膜は非晶質か、よくても多結
晶膜になってしまい、これが素子の高性能化にとって大
きな障害となる。そこで絶縁物基体上に堆積した非単結
晶の膜を、レーザービームや電子ビームによって全面ア
ニールして単結晶化し、この膜に素子を形成する試みが
なされている（Electronics,Nov.22.pp039-40,1979）。
またレーザービームや電子ビームによってアニールする
部分を、全面でなく、予めパターニングした島状領域内
とし、これによって単結晶化された特定の領域内に１つ
の素子を形成する方法（特開昭５９−２１０６３８号公
報）や、同様に島状領域をレーザーまたは電子ビームア
ニールにより単結晶化し、これを種結晶として結晶成長
させる方法（特公昭６０−４６０７４号公報）等が知ら
れている。島状領域を１つの素子領域として単結晶化し
たり、これを種結晶としてエピタキシャル成長するの
は、ビームの掃引方向に沿ってできる粒界を避け、また
単結晶領域を拡大することを目的としている。

【０００３】またエネルギービームを使用せずに、絶縁
基体上に複数の単結晶を成長させるＳＯＩ技術の分野に
おいては、例えば表面材料間の核形成密度の差による選
択核形成に基づいた方法が提案されている（T.Yonehara
et al.(1987)Extended Abstracts of the 19th SSDM p
191)。この結晶形成方法を図３を用いて説明する。まず
図３−Ａに示すように核形成密度の小さい表面３０３を
もつ基体３０１上に、表面３０３よりも核形成密度の大
きい表面をもつ適宜な直径の領域３０２，３０２’を適
当な間隔で配設する。この基体３０１に所定の結晶形成
処理を施すと、領域３０２，３０２’の表面にのみ堆積
物の核３０４，３０４’が発生し、表面３０３の上には
核発生が起こらない（図３−Ｂ）。そこで領域３０２，
３０２’の表面を核形成面、表面３０３を非核形成面と
呼ぶ。核形成面３０２に発生した核３０４をさらに成長
させれば結晶粒３０５となり（図３−Ｃ）、核形成面３
０２の領域を越えて非核形成面３０３の上にまで成長
し、やがて隣の核形成面３０２’から成長してきた結晶
粒３０５’と接して粒界３０７が形成される。従来、こ
の結晶形成方法においては、核形成面３０２，３０２’
に非晶質Ｓｉ₃Ｎ₄、非核形成面３０３にＳｉＯ₂を用
い、ＣＶＤ法によってＳｉ単結晶を複数個形成した例
（上記論文参照）、およびＳｉＯ₂を非核形成面３０３
とし、収束イオンビームによりＳｉイオンを非核形成面
３０３に注入し、核形成面３０２，３０２’となる領域
を形成し、ＣＶＤ法によりＳｉ単結晶を複数個形成した
例（１９８８年第３５回応用物理学関係連合講演会、２
８ｐ−Ｍ−９）が報告されている。なお、この結晶成長
法を以後「選択核成長法」と呼ぶ。

【０００４】また上記結晶成長方法と類似したもので、
選択核形成の代わりに凝集現象を利用して半導体結晶の
種結晶形成を行ない、これを選択的に成長させる技術が
報告されている（１９８９年第５０回応用物理学会学術
講演会、２７ａ−Ｃ−１１）。この結晶形成方法は、非
単結晶性の半導体薄膜を適宜な直径、間隔で絶縁物基体
上に配設し、この基体を水素雰囲気中で熱処理を施すこ
とにより、非単結晶性半導体膜が凝集を起こし、半球状
に形状を変化させながらその結晶性も単結晶へと変化し
ていくという現象を利用している。そして得られた単結
晶を種結晶として結晶を選択的に成長させる。なお、こ
の結晶成長法を以後「凝集種結晶成長法」と呼ぶ。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】上記のようなＳＯ
Ｉ構造の形成方法のうち、最初に挙げたレーザービーム
や電子ビームを用いるものにおいては、アニール領域が
全面であろうとなかろうと、ＣＶＤによる結晶成長方法
に比べて生産性の面で著しく劣る。これはＣＶＤによる
結晶成長が通常多数枚の基体（ウェハー）を一括処理で
きるのに対し、エネルギービームを使用するものは基体
１枚ずつしか処理できず、しかも１枚の基体上で収束さ
れたビームをある決められた速度でスキャンしなければ
ならないからである。

【０００６】一方、前述のＣＶＤによる結晶成長方法に
おいては、「選択核成長法」では核形成領域の大きさ
が、また「凝集種結晶成長法」では凝集前の非単結晶半
導体薄膜の大きさがそれぞれ均一でない場合、ある点で
結晶が成長しなかったり、またある点では「核」や「種
結晶」が複数個できてしまい、その結果多結晶が成長し
てしまったりする可能性が少なからず存在するという問
題がある。特に基体の面積が大きくなればなる程、島状
にパターニングする際に、形成される島状領域の面積は
露光装置の照度の均一性に依存するために、上記の問題
が大きくなってくる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の結晶の成長方法
は、非晶質絶縁物基体もしくは表面に非晶質絶縁物層を
堆積した基体上に島状の半導体薄膜を設ける工程と、こ
の半導体薄膜をランプ加熱による熱処理によって一旦溶
融し、ついで再結晶化させることにより単一体の単結晶
へ変化させる工程と、生成した単結晶を種結晶として半
導体単結晶を成長させる工程とを具備することを特徴と
する。

【０００８】すなわち本発明は、絶縁物基体上に決めら
れた範囲内の大きさを有する島状の非単結晶半導体薄膜
をパターニングし、この半導体薄膜をランプ加熱による
一括処理によって一旦溶融し、再結晶させたときに得ら
れる単結晶を種結晶として結晶を成長させることを特徴
とする。この方法によれば、レーザー等のビームアニー
ルを使用しないので、高い生産性が達成できる。また溶
融と固化という２つの単純な系での操作なので、最初に
パターニングする島状半導体膜の面積の「バラツキ」に
対する依存性も極めて少なく、安定して結晶が得られ
る。

【０００９】つぎに本発明の好ましい実施態様を図１に
もとづいて説明する。

【００１０】Ａ．表面に核形成密度の小さい非核形成面
１０３を有する基体１０１上にシリコン膜１０２を堆積
する。この際、まず非核形成面を有する基体１０１とし
ては、石英基体、その他のセラミックス等の任意基体、
もしくはこれらの基体表面に常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、
プラズマＣＶＤ、スパッタ等の方法でＳｉＯ_x、または
ＳｉＮ_yを主成分とする膜を堆積したものなどが使用で
きる。基体１０１は、シリコンの融点よりも高い融点を
有する材料であることが好ましいが、基体１０１が透明
基体である場合、基体自体は可視または赤外光を吸収し
ないで、シリコン膜のみが光を吸収して加熱されるの
で、シリコンより融点が低い材料を用いてもよい場合
（シリコンの溶融を数秒〜数十秒で行なう場合）があ
る。基体１０１上に堆積するシリコン膜１０２は、減圧
ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、スパッタ等で堆積すればよ
い。膜質は多結晶であっても非晶質であっても構わな
い。膜厚は０．０５μｍ以上、２μｍ以下が好ましく、
より好ましくは０．１μｍ以上、１μｍ以下である。そ
の理由としては、シリコン膜１０２が０．０５μｍより
薄いと、溶融したシリコンの表面張力によりシリコンが
分断してしまい、また２μｍよりも厚いと、溶融状態か
ら固化する際に複数箇所から結晶化が始まり、得られる
種結晶の内部に粒界が生じてしまう、即ち多結晶になっ
てしまう可能性が大きくなる、ということが挙げられ
る。最適な膜厚は０．５μｍ前後である。

【００１１】Ｂ．通常のフォトリソグラフィーおよびエ
ッチング技術を用いて、堆積したシリコン膜１０２を、
適宜な間隔をもって島状にパターニングして島状領域１
０２ａ，１０２ｂを形成する。この島状領域は、一辺が
５μｍ以下の矩形、もしくはこれに相当する面積の多角
形または円形のものである。これは、面積がこれより大
きいと、膜厚が厚い場合と同様に複数箇所から結晶化が
始まり、種結晶が多結晶化してしまうからである。島状
領域の面積の下限は特に決められるものではないが、通
常の露光装置で安定的に得られる島状パターンの大きさ
として、一辺が０．５μｍ程度以上が好ましい。露光装
置の「照度ムラ」やその他の不確定要因を考慮に入れる
ならば、より好ましくは一辺が２μｍ以上４μｍ以下の
大きさとなる。

【００１２】因みにレーザービームや電子ビームにより
アニールする場合は、ビームをスキャンしながらアニー
ルするので、島状領域の大きさは５μｍ以上でもよいこ
とになる。またランプ加熱による一括処理の場合は、島
状領域の大きさが重要なパラメータになる。

【００１３】Ｃ．島状にパターニングされたシリコン膜
をランプ加熱でアニールする前に、通常の場合シリコン
膜上に保護層１０６を堆積する。保護層１０６がない
と、融解したシリコンが一部蒸発してしまったり、流動
したりまたは飛び散ったりすることがある。保護層１０
６の材質はＳｉＯ₂が最も好ましく、他にはＳｉＯ₂層の
上にＳｉ₃Ｎ₄層がある２層構造のものなども良好に使用
できる。保護層１０６の厚さは０．２〜１μｍ程度でよ
い。また予め保護層を施さなくても、加熱処理を酸素雰
囲気中で行なうと、半導体膜１０２の表面にＳｉＯ₂層
が形成されながらアニールされるので、これが保護層の
役割を十分に果たす。

【００１４】Ｄ．上記基体をランプ加熱装置によって熱
処理を行ない、基体上のシリコン膜１０２からなる島状
領域１０２ａ，１０２ｂを溶融し、再び結晶化して単一
の単結晶シリコン１０４ａ，１０４ｂを得る。通常、薄
膜を熱処理する場合には、基体からの熱伝導によってな
されることが多いが、基体が透明基体の場合には、基体
が光を吸収しないために温度が上がらず、従って薄膜の
アニール効果が得られないこともある。そのような場合
には、シリコン膜の膜厚を大きくすることにより膜自体
の光吸収量を大きく取り、アニール効果を上げることも
できる。また基体をＳｉＣ等の光吸収量の大きいサセプ
ターの上に接触させて置き、サセプターからの熱伝導に
よってシリコン膜をアニールすることもできる。

【００１５】単結晶化したシリコン１０４ａ，１０４ｂ
は、溶融していたときに、その表面張力により外形を多
少変化させる場合があるが、結晶成長の種結晶として用
いるのに何ら支障は無い。

【００１６】Ｅ．保護層１０６がある場合には、これを
エッチングして、種結晶としてのシリコン１０４ａ，１
０４ｂを露出させた後に、通常のエピタキシャル装置等
によりシリコン単結晶１０５ａ，１０５ｂの選択成長を
行なう。保護層１０６がＳｉＯ₂であれば、フッ酸系の
エッチング液でエッチングできる。シリコンの単結晶成
長はＣＶＤ法で行なうが、ソースガスとしてＳｉＣ
ｌ₄，ＳｉＨＣｌ₃，ＳｉＨ₂，Ｃｌ₂等のクロロシラン
系、ＳｉＦ₄，ＳｉＨ₂Ｆ₂等のフロロシラン系、Ｓｉ
Ｈ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆等のシラン系が使用できる。選択成長を
行なうのでＨＣｌ等のエッチングガスを添加し、Ｈ₂ガ
スをキャリアとして成長させる。成長温度は９００〜１
２００℃、成長圧力は数Ｔｏｒｒ〜２５０Ｔｏｒｒ程度
の範囲内で行なうのが好ましい。

【００１７】なお、結晶は単結晶特有のファセットをも
って３次元的に成長するので、素子を形成するためには
結晶を平坦化する必要がある。

【００１８】［第１実施例］図１を用いて第１実施例に
ついて説明する。

【００１９】１．図１−Ａに示す基体１０１として、４
インチ径の溶融石英基体を用いた。この基体（非核形成
面）１０１上に、減圧ＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ膜１０
２を０．５μｍ堆積した。堆積条件はＳｉＨ₄ガスを用
い、温度６２０℃、流量５０［ｓｃｃｍ］、圧力０．３
Ｔｏｒｒで、５０分間の堆積を行なった。

【００２０】２．図１−Ｂに示すように、堆積した多結
晶シリコン膜１０２を島状にパターニングし、他をエッ
チングした。島状領域１０２ａ，１０２ｂの大きさは直
径３μｍの円形とし、５０μｍの間隔をもって正方マト
リックス点上に配設した。

【００２１】３．多結晶シリコン膜からなる島状領域１
０２ａ，１０２ｂを含む基体１０１上に、常圧ＣＶＤを
用いてＳｉＯ₂の保護層１０６を０．５μｍ堆積した
（図１−Ｃ）。

【００２２】４．ついで基体をラピッド・サーマル・ア
ニーラー（急速熱処理装置）にセットして熱処理を行な
い、島状領域１０２ａ，１０２ｂを溶融した。このとき
ＳｉＣでできたサセプター上に基体を置き、サセプター
温度１４８０℃で３分間の処理を行なった。基体は熱処
理後約３０秒程で室温まで冷却され、図１−Ｄに示すよ
うな単一の単結晶シリコン１０４ａ，１０４ｂが得られ
た。

【００２３】５．バッファードフッ酸を用いて保護層１
０６を除去した後、エピタキシャル反応炉内に基体をセ
ットし、種結晶シリコン１０４ａ，１０４ｂを中心にシ
リコンの単結晶を成長させた。成長条件は次のとおりで
あった。

【００２４】ソースガス／エッチングガス／キャリアガ
ス：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂／ＨＣｌ／Ｈ₂ ガス流量：０．５３／１．８０／１００（ｌ／ｍｉ
ｎ．）堆積温度：１０３０℃ 堆積圧力：８０Ｔｏｒｒ堆積時間：４５ｍｉｎこの結果、図１−Ｅに示すように、シリコン単結晶１０
５ａが種結晶シリコン１０４ａを中心に成長し、隣り合
う種結晶シリコン１０４ｂから成長してきたシリコン単
結晶１０５ｂと衝突して粒界１０７を生じた。そしてシ
リコン単結晶１０５ａ，１０５ｂ上に素子を形成するた
めに、結晶上部を通常のシリコンウェハーの鏡面研磨技
術を応用して平坦化したところ、一辺が５０μｍの正方
形の単結晶領域がマトリックス状に得られた。

【００２５】［第２実施例］図１を用いて第２実施例に
ついて説明する。

【００２６】１．図１−Ａに示す基体１０１として、４
インチ径の溶融石英基体を用いた。この基体１０１の非
核形成面上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜１０
２を１μｍ堆積した。堆積条件はＳｉＨ₄ガスを用い、
温度６２０℃、流量５０［ｓｃｃｍ］、圧力０．３Ｔｏ
ｒｒで、１００分間堆積を行なった。

【００２７】２．図１−Ｂに示すように、堆積した多結
晶シリコン膜１０２を島状にパターニングし、他をエッ
チングして島状領域１０２ａ，１０２ｂを形成した。島
状領域の大きさは一辺が４μｍの正方形とし、５０μｍ
の間隔をもって正方マトリックス点上に配設した。

【００２８】３．上記基体をラピッド・サーマル・アニ
ーラー（急速熱処理装置）にセットして熱処理を行な
い、島状領域１０２ａ，１０２ｂを溶融した。このとき
熱処理は酸素雰囲気中で行なった。サセプタは特殊なも
のでなく、通常の石英冶具のものを用いた。熱処理の温
度はＳｉＣ基体を置いた場合に基体温度が１５５０℃に
なる時と同じパワーで５分間の処理を行なった。このと
き島状領域の表面にはＳｉＯ₂膜が形成され、これが保
護層１０６の役割を果たした。基体は熱処理後、約３０
秒で室温まで冷却され、図１−Ｄに示すような単一の単
結晶シリコン１０４ａ，１０４ｂが得られた。

【００２９】４．その後、第１実施例と全く同様に結晶
成長を行ない、第１実施例と同じ結果を得た。

【００３０】［第３実施例］図２を用いて第３実施例に
ついて説明する。

【００３１】１．図２−Ａに示す基体２０１として、４
インチ径のシリコン基体を用い、表面の非核形成面とし
て基体２０３の表面を０．５μｍ酸化したものを用い
た。この基体２０３の非核形成面上に減圧ＣＶＤ法によ
り多結晶シリコン膜２０２を０．２μｍ堆積した。堆積
条件はＳｉＨ₄ガスを用い、温度６２０℃、流量５０
［ｓｃｃｍ］、圧力０．３Ｔｏｒｒで、２０分間の堆積
を行なった。

【００３２】２．堆積した多結晶シリコン膜２０２に、
ゲルマニウムイオン２０８をイオン注入装置を用いてド
ーピングした（図２−Ｂ）。イオンのドーズ量は２×１
０¹⁶ｃｍ^-2とした。

【００３３】３．ゲルマニウムをドーピングしたシリコ
ン膜２０２を、図２−Ｃに示すような島状にパターニン
グして他をエッチングして島状領域２０２ａ，２０２ｂ
を形成した。このとき島状領域の大きさは一辺が４μｍ
の正方形で、間隔を５０μｍのマトリックス状に配設し
た。

【００３４】４．図２−Ｄに示すように島状領域２０２
ａ，２０２ｂがパターニングされた基体上に、ＳｉＯ₂
膜からなる保護層２０６を常圧ＣＶＤ装置を用いて０．
５μｍ堆積した。さらに同基体を第１実施例で用いた熱
処理装置にセットし、基体温度１３５０℃で７分間アニ
ールした。この結果、シリコン基体２０１は何の変化も
なく、ゲルマニウムをドーピングしたシリコン膜２０２
のみが溶融した。熱処理後基体は３０秒で室温まで冷却
され、単結晶シリコン２０４ａ，２０４ｂを得た。

【００３５】５．その後、第１実施例と全く同様に結晶
成長を行ない、シリコン単結晶２０５ａが種結晶である
島状領域２０４ａを中心に成長し、隣り合う種結晶２０
４ｂから成長してきたシリコン単結晶２０５ｂと衝突し
て粒界２０７を生じた（図２−Ｅ）。この結晶は第１実
施例と同じ結果を示した。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、絶縁物基体上にパ
ターニングされた島状の非単結晶シリコン薄膜をランプ
加熱により短時間に一括で熱処理して一旦溶融し、この
島状シリコンを再結晶させるときに単結晶化し、これを
種結晶として単結晶シリコンを成長させることによっ
て、従来レーザーや電子ビームを用いて種結晶を形成し
たり、またアニールした領域に直接素子を作成するよう
な方法に比べて、素子性能を低下させることなしに格段
に生産性を向上することができる。また非晶質絶縁基体
上の任意の位置から結晶核を発生させる「選択核成長
法」や、非晶質絶縁基体上の微細な島状非単結晶シリコ
ンを凝集現象を利用して単結晶化してこれを種結晶とす
る「凝集種結晶成長法」に比べて、本発明方法によれ
ば、は堆積の大きな種結晶を形成できるので、より安定
的な結晶成長ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、第２実施例における結晶成長の
工程図。

【図２】本発明の第３実施例における結晶成長の工程
図。

【図３】従来の選択核成長法による結晶成長法の説明
図。

【符号の説明】

１０１，２０１基体１０２，２０２多結晶シリコン膜１０２ａ，２０２ａ島状領域１０２ｂ，２０２ｂ島状領域１０３，２０３非核形成面１０４ａ，２０４ａ単結晶シリコン１０４ｂ，２０４ｂ単結晶シリコン１０５，２０５シリコン単結晶１０６，２０６保護層１０７，２０７結晶粒界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質絶縁物基体もしくは表面に非晶質
絶縁物層を堆積した基体上に島状の半導体薄膜を設ける
工程と、この半導体薄膜をランプ加熱による熱処理によ
って一旦溶融し、ついで再結晶化させることにより単一
体の単結晶へ変化させる工程と、生成した単結晶を種結
晶として半導体単結晶を成長させる工程とを具備するこ
とを特徴とする結晶の成長方法。
【請求項２】前記島状半導体薄膜が、シリコンを主成
分とする非単結晶膜である請求項１記載の結晶の成長方
法。
【請求項３】前記島状半導体薄膜が、一辺５μｍ以下
の矩形、もしくはこれに相当する面積の多角形または円
形をなしている請求項１記載の結晶の成長方法。