JPS58130517A - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単結晶薄膜の製造方法に関し、詳しくは単結晶
シリコン薄膜を絶縁真上に、比較的低温度の熱処理によ
って形成する方法に関する。

従来、半導体デバイスの製造工程において、単結晶基板
の表面上に、単結晶薄膜の形成に必要な材料を輸送して
、上記単結晶基板表面上にエピタキシャル成長を行なう
技術が、広く用いられている。

一方、近年における各種半導体デバイスの著しい進歩に
より、単結晶基板上の−みではなく、絶縁膜など非晶質
物質上にも、単績晶薄１［ｔ−形成し得る技術が強く要
望されている。

絶縁編上に単結晶薄膜を形成する方法として、多くの方
法が提案されており、・たとえば、強力なレーザー光中
電子５ｔｔ−多結晶もしくは非晶質シリコン属に照射し
て、単結晶化する方法が提案嘔れている。

この方法は、基板上に堆積され九多紹晶もしくは非晶質
シリコン膜に、レーザー元や電子ｍを照射して融解し、
融解から固化する過程における液相エピタキシー、まえ
は粒成長を利用して、絶縁膜上に単結晶成長を行なうも
のである。

しかし、レーザー元や電子−照射による単結晶薄膜の成
長には、堆積膜の形状変形、大きな熱勾配による歪みの
発生、単結晶の成長条件が限定される、るるいは、融解
領域近傍での温度上昇によるデバイスの活性領域におけ
る不純御拡散など−多くの問題が発生し、解決が必要と
されている。

−万、たとえば１０°７〜１０”？−ル根匿の高真空中
で、率結晶基板衆面上へ所望＊＊の薄膜を堆積した盪、
上記基板を加熱し−ｃ翫上６己物質の薄膜を固相エピタ
キシャル成長によって単結晶化させる方法が提案されて
ｉる。

この鳩首、薄膜堆積後に行なゎる熱処理の温度は、比較
的低温度でもよく、九とえば６ｏｏ〜７００Ｃに加熱す
れば、単結晶成長が行なわれる、といわれているが、非
晶質基板上への単結晶成長には全く言及されてｉない。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、レーザー元
や電子ｌＩａを用いることなく、低温の熱処理によって
、絶縁物質上に単結晶薄膜を成長し得る方法を提供する
ことでるる。

上記目的を達成する丸め、本発明は、露出された単結晶
基板表面と、この基板表面の所望部分上に被着されであ
る絶ｆｊ＆膜上に連続して覆うように多結晶ま九は非晶
質薄ｊｉｌｔ趨＾真空雰囲気（はぼ１０−’トール以下
）で被着し九後、低温度の熱処ｆｆｌを行ない上記多結
、ｆｌｌまたは非晶質薄Ｊ［會単結晶化させるものでる
る。

以下、実施例を用いて本発明を詳＃Ｋａ＠する。

まず、第１図に示すように、単結晶シリコン基板１の表
面の所ｍ部分上に、５Ｉｏｌ属２を被着した後、超高真
空装置へ移す。はぼ１０１〜１０”）−ル程度に減圧し
、非晶質シリコン膜３を室温で全一に被着する。

装置内の真空ｆを上記値に保持したまま、第１回の熱処
理を行なった後、上記超高真空装置から堆出し、友とえ
ばチッ素など非酸化性雰囲気中にお−て書び加熱し、第
２回の熱処理を行なう。

上記超高真空で行なわれる第１回の熱処理温度が、はぼ
２００１：’以下でるると、チッ素雰囲気中において行
なわれる上記第２回の熱処理の条件を檎々と変えても、
上記非晶質シリコン膜は均一に単結晶化することなく成
長膜中には多結晶粒が含まれる。

しかし、上記第１回の熱処理の＠度ｔはぼ２００Ｃ以上
、九とえは２５０Ｃにすると、上記非晶質シリコン績は
上記第２回の熱処理によって単結晶化される。

すなわち、上記第１回の熱処理では、単結晶化は起らな
いが、上記第２回の熱処理を行なうと、第２図に示すよ
うに、シリコン基板ｌの露出され九表面４と接している
部分から、非晶質シリコン膜３の単結晶化が唄次行なわ
れる。

この場合、まず、単結晶シリコン基板１の露出された表
面４と接する部分におｉて、シリコン基板１の結晶方位
を受けつぎ、矢印５で示し丸ように縦方向の固相エピタ
キシャル成長が起る。

縦方向の固相エピタキシャル成長が完了すると、つぎに
、上記固相エピタキシャル成長によって生じ九結晶１ｍ
として、矢印６で示したように、横向きの固相エピタキ
シャル成長が続いて行なわれ、５ｉｌｌ膜２上の非晶質
シリコン膜３も単結晶化される。

非晶質シリコン膜３のうち、５ｔｏｌ膜２の上に被着さ
れである部分は、上記縦方向の固相エピタキシル成畏が
行なわれている過程では、結晶粒子の成長がいくらか認
められるｍ＊で心って、単結晶化の進行はわずかである
。

Ｓｉｎ、膜２上の非晶質シリコン膜【単結晶化し得る範
囲、すなわち、ＳｉＱ、属２の端部から、得られ丸単結
晶薄膜の先燗までの距離は、＃１２囲の熱処理における
温度と時間によって定まり、熱処理のｓｆＦを適宜選定
することによって、５ｊＣｈ膜２の端部から所望の距離
までの単結晶化促進なう仁とが可能でるる。

実施例 第１図に示すように、単結晶シリコン基板１の４１００
）面上に、幅１〜２０ａｍ、膜厚３０００人（ＤＢ４０
重膜２會、周知の熱酸化法とホトリソグシフイ技術によ
って２μｍの間隔で形成し友後、超高真空１ｉｌＩｉｌ
内へ移し、装置内を真空度１〇−畠〜１０’″ｓトール
に排気し九。

公知の蒸着技術を用いて、非晶質シリコン膜３を層温で
全面に被着した後、真空度１１０−’〜１０−・トール
に保ったままで、２５０Ｃ，ＩＦ１８間の熱感塩會行な
った。

との熱感ｉｌＡは、次の工種に移るために真空装置外へ
填り出し友際における外気による汚染の防止と単結晶化
促進のために行なうものでろって１はぼ２０００以上と
することが好ましい。

はぼ２０（Ｉ’以下でるると、！＠２回の熱処理によっ
て、非晶質シリコンｗｊＪ＆１に均一に単結晶化するこ
とが困難になる。

１九、はぼ８００〜ＩＱＯＱＣ以上になると、基板内の
ｐｎｉｉ合などに好ましくない影響が顕著になるので、
上記真空装置内における熱処理の温度會はぼ８００〜１
００ＯＣ以上にするのは避ける方がよい。

真空度１Ｏ−１〜１０−・　トールにおける熱感’ｉｎ
ｔ。

温度が、はぼ５ｏｏｃ以上であると、この熱処理のみに
よって単結晶化が進行するから、このｗ４の熱処理温度
をほぼ５ｏｏｃ以上とし、！ｓ２回Ｏ熱処理１１！ｔ−
省略することも可能である。

しかし、直径の大きいシリコン基板を超高真空装置内に
おいて高温度の熱処理會行なり、単結晶化させるのは、
やや煩雑である。また、高集積密度の半導体デバイス【
高９槓置で形成する丸めには、熱処理温度はできるだけ
低くするのが好ましい。

これらの理由から、超高真空における熱処理温度は低く
して、ｊｌｚ回Ｏ熱処熱感よって単＃’Ａせる方が、実
用的に有利でめる。

非晶質シリコン膜３を被層した後、上記超舗真空装置か
ら上記シリコン基板ｋｊ１２出して、乾燥したチツ累雰
囲気中で６５（１，３０分分間隔処理を行なつ九。

仁の結果、上紀超＾真空における熱処理の温度がほぼ２
Ｇ（１以下でるると、シリコン基板１の露出された表面
４上に被層されている部分の非晶質シリコン膜３は表面
近傍が多結晶に遷移するのが認められ、Ｓ　ｌ　ＯＨ膜
２上に被着されている非晶質シリコン膜３も、同様に多
結晶化しているのしかし、上記熱処ｆｆｌ温度がほぼ２
０００以上でめつ九場合は、露出され九基板の表面４上
のみではなく％ｓｔｏ！膜２上に被着されてめる非晶質
シリコン膜３も、（１００）方位の単結晶に成長してい
ることが−められ九。

こＯＩＩ曾、８１０　怠ｇ　２の鴨が、はぼＩｎｎ以下
でめると、Ｓｉｎ、膜２上の非晶質シリコン膜３もすべ
て単結晶となったが、ｓｔｏｗ膜２０幅が、はぼ６μｍ
以上であると、８ｉ０．膜２０両端部からそれぞれ３μ
ｍ　＊　ｉ！ｉ晶化が進んだのみで、単結晶化石れた領
域の間には、非晶質領域が残った。

したがって、ａｓｏｃにおける固相エピタキシーの成長
速度は、縦方向および横方向ともに、はぼＩＧＯＯＡ／
分である。

まえ、縦方向および横方向の成長によって、それぞれ形
成される単結晶シリコン膜の特性には、大きな差異は認
められなかり九。

８１０ｍ膜上における単結晶領域の−５すなわち横方向
成長６の距１ｌＩｌｔ−大自くする丸めには、第２回熱
処理における熱処理温度を高くするか、あるいは熱処理
時間を長くすればよく、九とえば、上記成長温［（６５
０Ｃ）で、熱鵡履時間を１００分とすれば、幅２０μｍ
０８ｉｏ禽膜上の非晶質シリコン膜を単結晶化すること
かで１ｉえ。

上記ａｌｉ２（ロ）熱処理の温度は、はぼ５ＯＯＣ以上
でめることが好ましい、５ｏｏｃよ抄着干低い温度でも
、固相エピタキシャル成長はげ北であるが、所望の単結
晶膜を得るのに要する時間が著しく長くなってしまうの
で、はぼ５００Ｃ以上の温度で成長を行なうのが、実用
上好ましい。

たとえば、熱処理！度が５００Ｃの場合の、単結晶シリ
コンの成長速度は、はぼ１０人／分以下でろって、１０
００人の長さを単結晶化するためには、縦方向の成長に
要する時間を含めると、はぼ２００分以上必要である。

しかし、熱処理温度を７００Ｃとすれば、単結晶成長速
度はほぼ１μｍ／分となるから、非晶質シリコン膜厚が
大きい場合、あるいは絶縁属上に大面積の単結晶シリコ
ン膜を形成する際には、熱処理温度を高くすることが実
用上有効で少る。

しかし、シリコン基板内に、拡散層やｐｎ接合が形成さ
れてめると、はぼ８００〜１０００Ｃ以上の熱処理によ
って、すでに導入されてるる不純物が拡散し、好ましく
ない影響が生じるので、熱感ｆｆｉ温［はほぼ８００〜
１００ＯＣ以下にした方がよい。

単結晶薄膜へのドーピング【行なうには、イオン打込み
や熱拡散によって、あらかじめ所望不純！ｌ１１１Ｉｔ
−非晶質シリコン属内にドープしておき、上記熱処理を
行なって、単結晶化すればよい。

不純物がドープされている非晶質シリコンの単結晶化速
度は、不純物を含まない場合と若干異なるが、ドープさ
れる不純物の種類の関数として、あらかじめ単結晶成長
速度を求めておけばよ−。

上記実施例においては、基板上に被着する絶縁膜として
５ｉｎｓ膜ｔ−使用し九が、本発明において使用できる
絶縁膜が、ＳｉＯｍｊ［に限定されるものでないことは
、いうまでもなｉことでろり、５１ｓＮａ膜など他の絶
縁膜ｔ−便用することが可能でるる。

本発明において、非晶質もしくは多結晶Ｊ［ｔ−超高真
空中で基板上に被着するのは、不純物、酸素めるりは水
蒸気などの混入や吸着音、ｗ１度に低減させることによ
って、固相エビタキシャ、ル成長が、低温度においても
支障なく進行できるようにするためでめる。

したがって、横着時の装置内圧力は、低いほど好ましい
ことはいうまでもないが、実用上、はぼ１０−’）−ル
以下でめれば、第２回熱処理の温度がほぼ５００〜６０
０Ｃという低温であっても、国体エピタキシーによって
良好な単結晶薄膜を形成できる。

なお、上記のように、多結晶もしくは非晶質膜上被着後
、装置外へ取９出すことなく熱処理を行ない、超高真空
において固相エピタキシャル成長を行なうこともできる
。この場合の熱処理温度は、上記第２回熱処理の場合と
同じ理由により、はぼ５０（１’以上、はぼ８００〜１
０００Ｃ以下とすることが好ましい、外部へ収出して行
なわれる第２回熱処理に先立って超高真空装置内で行な
われる、上記はぼ２００Ｃ以上の熱処理は、この場合に
は省略で自ることはいうまでもない。

絶縁膜と基板ｆ１面との角度α（第１図参照）は、適音
の場合はほぼ４５°でるるか、はぼ９０°以下でめれば
、単結晶の成長に好ましくない影響を与えることなく、
本発明を支障な〈実施することができる。

以上説明したように、本発明によれば、はぼ５００Ｃ以
上という低温の熱処理によって、基板の露出された表面
から絶縁属上へ延伸する単結晶薄膜を形成することがで
きるので、従来は困−で６つ九新規な牛導体デバイスの
形成も可能になるなど、得られる利益は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の詳細な説明する丸めの
断面図でるる。 ｌ・・・単結晶シリコン基板、２・・・５ｉｎｓ膜、３
・・・非晶質シリコン膜、４・・・基板の露出された表
面、５．６・・・同相エピタキシャル成長の方向。 代理人　弁理士　薄田利拳 第１頁の続き ０発　明　者　吉広尚次 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　徳山説 国文寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　石原宏 横浜市緑区長津田町４２５９ ７９−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下起工根を含む単結晶薄膜の製造方法（１）　　単
   結晶基板赤面の所望部分上に所望の平面形状ｔ４にする
   絶縁膜を被層する工程 （２）　　超高真空雰囲気中において多結晶もしくは非
   晶薄ｇ’を全面に被層する工程 偽）　熱処理を行なって上記多結晶もしくは非晶質薄膜
   の所望部分を単結晶化し、上記基板表面から上記絶縁膜
   上へ延伸して被着された単結晶４膜を形成する工程 ２、上記工程（３）は上記超高真望以外の非酸化性雰囲
   気中において行なわれ、かつ、該非酸化性雰囲気中にお
   いて行なわれる熱処理に先立って、はぼ２００Ｃ以上の
   熱処理が上記超高真空雰囲気中において行なわれる特許
   請求の範囲ｍ１項記載の単結晶薄膜の製造方法。 ３、上記工程（３）は上記超高真空雰囲気中において行
   なわれる特ｉ！！ｆＩｌＩＩ求の範囲第１項目己載の単
   結晶薄膜の製造方法。 ４、上記超高真空の空気圧力ははぼ１Ｏ−Ｔトール以下
   でめる特許請求の範囲第１Ｊｌｌｊ乃至第３項記載の単
   結晶薄膜の製造方法。 ５、上記工ａ（３）における熱処理はほぼ５００〜１０
   ００Ｇにおいて行なわれる特ｉＦＦｍ求の範囲第１項乃
   至第４項記載の単結晶薄膜の製造方法。