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JPS60202952A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPS60202952A
JPS60202952A JP59060403A JP6040384A JPS60202952A JP S60202952 A JPS60202952 A JP S60202952A JP 59060403 A JP59060403 A JP 59060403A JP 6040384 A JP6040384 A JP 6040384A JP S60202952 A JPS60202952 A JP S60202952A
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silicon layer
layer
silicon
semiconductor device
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JP59060403A
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秀樹 山脇
Yoshihiro Arimoto
由弘 有本
Shigeo Kodama
児玉　茂夫
Takaaki Kimura
記村　隆章
Masaru Ihara
賢 井原
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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Priority to EP85400604A priority patent/EP0159252B1/en
Priority to KR1019850002066A priority patent/KR900000203B1/ko
Priority to DE8585400604T priority patent/DE3587377T2/de
Publication of JPS60202952A publication Critical patent/JPS60202952A/ja
Priority to US07/073,839 priority patent/US5037774A/en
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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】 （１）発明の技術分野 本発明は、半導体装置の製造方法に関する。特に、マグ
ネシャスピネル、サファイヤ等の単結晶絶縁物層上に単
結晶シリコン層を形成し、この単結晶シリコン層を活性
層とする半導体装置の製造方法の改良に関する。
（２）技術の背景 マグネシャスピネル、サファイヤ等の単結晶絶縁物層上
に形成されたＱｉ結晶シリコン層を活性層とする半導体
装置においては、素子分離が不必要または容易であり、
さらに、浮遊静電容量か存在しないか、または、存在し
ても、その値が極めて小さいという利点がある。
（３）従来技術と問題点 ただ、マグネシャスピネル、サファイヤ等は結晶性物質
であるとはいえ、単結晶シリコン層をこの」−に形成す
る場合はへテロ接合となるため、この単結晶シリコン層
中に結晶欠陥がある程度発生することは避は難いという
欠点があり、マグネシャスピネル、サファイヤ等の単結
晶絶縁物層上に結晶欠陥のない高品質の単結晶シリコン
層を形成する技術の開発が望まれていた。
（４）発明の目的 本発明の目的は、この要請にこたえることにあり、マグ
ネシャスピネル、サファイヤ等の単結晶絶縁物層上に結
晶欠陥のない高品質の薄膜及び厚膜の単結晶シリコン層
を形成する工程を含む半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。
（５）発明の構成 本発明の構成は、単結晶絶縁物層上に第１の単結晶シリ
コン層を形成し、該第１の単結晶シリコン層上にアモル
ファスシリコン層を形成し、該アモルファスシリコン層
を第２の単結晶シリコン層に転換する工程を含む半導体
装置の製造方法にある（特許請求の範囲第１Ｊｊ４）。
さらに、第２の単結晶シリコン層上に第３の単結晶シリ
コン層を形成すると、この第３の単結晶シリコン層の結
晶品位かさらにすくれたものとなる（特許請求の範囲第
２項）。
そして、第１の単結晶シリコン層の厚さを０．０１〜１
０ｇｍとし、アモルファスシリコン層の厚さを０．０１
〜５ｇｍとすると第３の単結晶シリコン層の品位が最も
良好になる。第１の単結晶シリコン層の厚さを１０ル■
以上にすると、欠陥の数は減少するが、その欠陥のサイ
ズが大きくなり、又、アモルファスシリコン層の厚さを
５ｐＬ脂以上にすると、これを７ニールした場合多結晶
化しやすく単結晶化しにくいという性質があり、そのた
め、」二記の範囲に最適条件か存在するからである（特
許請求の範囲ｆｆＩＪ３項）。
また、上記のアモルファスシリコン層は、反応性物質た
るモノシランと窒素ガス等の不活性ガスとの混合カス中
において３５０〜６５０°Ｃの反応温度をもってなす化
学気相成長法を使用すると、容易に形成することかでき
、上記単結晶化のための７ニールエ程を水素カス中にお
いて６５０〜１．３５０°Ｃの温度をもってなすと、比
較的短時間で欠陥の少ない第２の単結晶シリコン層を形
成することができる（特許請求の範囲第４項）。
上記の半導体装置の製造方法において、第１の単結晶シ
リコン層の形成に先立ち、マグネシャスピネル、サファ
イヤ等の単結晶絶縁物層の表面を、３０％の過酸化水素
水１リツトル中に１〜０．００１グラムのモリブデン酸
を溶解させた溶液をもって処理すると、その上にペテロ
エピタキシャルシリコン層が形成される場合核形成が容
易となり、第１のシリコン層の欠陥密度が大幅に減少し
、結果的に、第３の単結晶シリコン層の欠陥”ＭＷをさ
らに減少して高品位にすることかできる（特許請求の範
囲第５項）。
上記の半導体装置の製造方法において、アモルファスシ
リコン層を形成し、これを第２の単結晶シリコン層に転
換する工程を複数回繰り返し実行すると、第３の単結晶
シリコン層を良質の物とすることができる（＠許請求の
範囲第６項）。
上記の半導体装置の製造方法において、アモルファスシ
リコン層から転換された第２の単結晶シリコン層上に第
３の単結晶シリコン層を形成するに先立ち、低い成長速
度をもって第４の単結晶シリコン層を形成すると、第３
の単結晶シリコン層を良質の物とすることかできる（°
特許請求の範囲Ｍ’５７　’ｊｌ　）−アモルファスシ
リコン層を単結晶化して形成した第２の単結晶シリコン
層上に部分的に存在する酸素原子等、エピタキシャルシ
リコンの結晶品位を低ドさせる物質を排除して、第３の
単結晶シリコン層の結晶品位を向上することかできるか
らである。
（６）発明の実施例 以ト、図面を参照しつ〜、本発明の実施例に係る栓導体
装置の製造方法を更に説明する。
第１実施例 行１．１請求の範囲第１．２．３．４槙に対応する第１
の実施例について述べる。
第１１図参照 シリコン単結晶基板ｌ上に、厚さ１ｌＬＩ１１程度の単
結晶マグネシャスピネル層２を形成し、さらに、厚さ０
．５μｍの第１のシリコン単結晶層３を形成する。この
第１のシリコン単結晶層３は、通常の方法、すなわち、
モノシランと水素カスとの混合気体中で９００〜９５０
　”Ｃの温度をもって形成するが、そのド面はへテロ界
面であるから、若干の欠陥は避は難い、そして、この第
ｌのシリコン単結晶層３の厚さを大きくすると、欠陥の
数は減少するが、そのサイズは大きくなる傾向があり、
この第１のシリコン単結晶層３の厚さを１０ｐｍ以上に
することは望ましくない。一方、この第ｌのシリコン単
結晶層３の厚さを極度に薄くすることも望ましくなく１
本発明の効果が認められるためには、この第１のシリコ
ン単結晶層３の厚さを０．０１−１０ルｍにした場合で
ある。
次ニ、　ＪＳＥ　サ０．５＃Ｌｍのアモルファスシリコ
ン層４を形成する。このアモルファスシリコン層４は、
モノシランと窒素カスとの混合気体中で５４０℃程度の
温度において゛８３０λ／分程度の成長速度をもってな
す化学気相成長法をもって形成する。アモルファスシリ
コン層を形成するには反応温度を低下しなければならな
いが、反応温度を低トするとキャリアカスを窒素カス、
ヘリウムガス等の不活性カスとする必要があり、望まし
い品位のアモルファスシリコン層４を形成するには、不
７．５性カスまたは不活性カスを主体とする混合ガス中
において３５０〜８５０°Ｃの反応温度をもってなす化
学気相成長法を使用してなすことか望ましい。
第２（Δ参照 」−記のアモルファスシリコン層４　ヲ、１，１００℃
程１ｍの水＾カス中で１０分間程度アニールして第２の
シリコン単結晶Ｉ！−４°に転換する。このような転換
工程は、従来技術においては、ヘリウムガスと、へ・不
活性カス中においてなすアニール法をもってなすことか
一般であったが、不活性ガス中でなすと、その後その上
に形成したシリコン単結晶層に、第３図（ａ）に示すよ
うに多くの欠陥が発生するか、上記のように水素カス中
でなすと、第３図（ｂ）に示すように欠陥の発生かＷＪ
著に少ない。なお、上記の７ニ一ルエ程前後の反射電子
線回折像を第４図（ａ）、（ｂ）に示す、第４図（ａ）
はアニール前の状態を示し、スポットもリングも認めら
れずアモルファスであることがわかり、第４図（ｂ）は
アニール後の状態を示し、スポット状態の輝点が認めら
れ、単結晶化していることがわかる０本発明の効果が顕
著であるアニール条件は、水素カス中において６５０〜
１，３５０’Ｃの温度範囲においてなすことである。
第５図（＆）、（ｂ）参照 第５図（ａ）はアニール工程後の第２のシリコン層４°
の欠陥の状態を示す電子顕微鏡写真（２０，０００倍）
であり、その欠陥密度は５　Ｘ　１０’〜５Ｘ１０　７
ｃｍ　程度である。これに対し、第５図（ｂ）は従来方
法によるものであり、アモルファスシリコン層４を形成
せずにシリコン単結晶層３の厚さのみをｌル膓とした時
の欠陥の状態をボす電子顕微鏡写真Ｃ２０，０００倍）
であり、その欠陥密爪は１０８〜１０’　／　Ｃ１１２
である。この第５図（ａ）、（ｂ）から明らかなように
、アモルファスシリコンを単結晶化した第２のシリコン
単結晶層を形成することにより、大幅に欠陥を減少させ
さらに、　８５０℃程度の水素ガス中において０．８５
μｍ／分程度の成長速度をもって第３のシリコン単結晶
層５を４０ｇｍ程度の厚さに形成する。
以北の工程をもって製造した第３のシリコン単結晶層５
のｆ１微鏡写真（４００倍）を第６図（ａ）に、また、
マグネシャスピネル層上に直接成長させられた従来技術
に係るシリコン単結晶層の顕微鏡写真ｕｏｏ（ｌを第６
図（ｂ）にフ１＼して比較すＢ る。従来技術にあってはｌＯ〜ｌｏ／ｃ１１２程瓜の欠
陥は避は難かったか１本実施例に係る場合の欠５ 陥冨度は１０　〜ｌＯ／ｃｍ２程度であり、大幅に改良
されていることか認められる。
第２実施例 特許請求の範囲第５項に対応する第２の実施例について
述べる。
この実施例は、上記の第１の実施例において実現された
欠陥に度（第３のシリコン単結晶層におけるｌＯ〜１０
”／ｃ＋ｏ２程度の欠陥雀度）をさらに減少して、第３
のシリコン単結晶層をさらに高品位にするものである。
第１の実施例の場合と同様、シリコン単結晶基板上に、
厚さ１．■程度の単結晶マグネシャスピネル層を形成す
る。一方、３０％程瓜の過酸化水素水１リツトル中に０
．１グラム程度のモリブデン酸を溶解した溶液を用意す
る。そして、上記の単結晶マグネシャスピネル層をこの
溶液に約３０秒間浸漬した後、乾燥し、その後、第１の
実施例の場合と同様、モノシランと水玉ガスとの混合気
体中で９５０℃程瓜の温度において０．８５ｊＬ＋ｍ　
／分程度の成長速度をもってなす化学気相成長法を使用
して。
０．５ＪＬｍ程度の厚さの第１のシリコン単結晶層を形
成し、つＣいて、モノシランと窒素ガスとの混合気体中
で５４０°Ｃ程度の温度において８３０Ａ　／分程度の
成長速度をもってなす化学気相成長法を使用して、厚さ
０．５ＪＬｍ程度のアモルファスシリコン層を形成し、
これを　１　、１００°Ｃ程度の水素カス中でｌＯ分分
程度アニールして上記のアモルファスシリコン層を単結
晶化して第２のシリコン単結晶層を形成し、さらに、そ
の上に、モノシランと水素ガスとの混合気体中で８５０
℃程度の温度において０．８５ｇｍ　／分程度の成長速
度をもってなす化学気相成長法を使用して、厚さ４０ｇ
、ｍ程度の第３のシリコン単結晶層５を形成する。
以上の工程をもって製造した第３のシリコン単結晶層５
の顕微鏡写真（４００倍）を第７図（ａ）に、また、第
１の実施例において製造した第３のシリコン単結晶層の
顕微鏡写真（４０θ倍）を第７図（ｂ）に２１＼して比
較する。欠陥音度はｌｏ３〜１０／ｃｍ２程度に改善さ
れている。
第３実施例 特許請求の範囲第６項に対応する第３の実施例について
述へる。
この実施例は、上記の第２の実施例において実現された
欠陥に渋（第３のシリコン単結晶層における１０　”　
１０’　／　ｃｍ２程度の欠陥布度）をさらに減少して
、第３のシリコン単結晶層をさらに高品位にするもので
ある。
第８図参照 第２の実施例の場合と同様、シリコン単結晶基板ｌ上に
、厚さｌｐｍ程度の単結晶マグネシャスピネル層２を形
成し、３０％程度の過酸化水素水１リツトル中に０．１
グラム程度のモリブデン酸を溶解した溶液に上記の単結
晶マグネシャスピネル層を約３０秒間浸漬した後、乾燥
し、その後、モノシランと水素カスとの混合気体中で８
５０℃程度の温度において０．８５ｇｍ　／分程度の成
長速度をもってなす化学気相成長法を使用して、０．５
ルｌ程度の厚さの第１のシリコン単結晶層３を形成し、
つりいて、モノシランと窒素カスとの混合気体中で５４
０℃程度の温度において８３０Ａ　／分程度の成長速度
をもってなす化学気相成長法を使用して、厚す０−５　
ｐ−鵬程度のアモルファスシリコン層ヲ形成し、これを
１１００℃程度の水素カス中で１０分分程度アニールし
て上記のアモルファスシリコン層を単結晶化して第２の
シリコン単結晶層４°を形成する。そして、このアモル
ファスシリコン層の形成工程とその単結晶化工程を２回
繰り返して実行する。さらに、そつ上に、モノシランと
水素カスとの混合気体中で８５０℃程度の温度において
０．８５ルｌ／分程度の成長速度をもってなす化学気相
成長法を使用して、厚さ４０ＪＬ１１程度の第３のシリ
コン単結晶層５を形成する。
以上の工程をもって製造した第３のシリコン単結晶層５
の顕微鏡写真（４００倍）を第９図（ａ）に、また、第
２の実施例におい″て製造した第３のシリコン単結晶層
の顕微鏡写真（４００倍）を第９図（ｂ）に７Ｒして比
較する。欠陥密度は１０２〜１０／ＣＩａ２程瓜に改善
されている。
：４’ｒ　４　Ｊ施例 ’ｌ！ｆ　ａ’ｌ’　請求の範囲第７項に対応する第４
の実施例について述べる。
この実施例は、上記の第２の実施例において実現された
欠陥冨度（第３のシリコン単結晶層における１０　〜１
０４／ｃ１１２程度の欠陥密度）をさらに減少して、第
３のシリコン単結晶層をさらに高品位にするものである
。
第１０図参照 第２の実施例の場合と同様、シリコン単結晶基板ｌ」−
に、厚さＩｇｍ程瓜の単結晶マグネシャスピネル層２を
形成し、３０％程度の過酸化水素水ｌリットル中に０．
１グラム程度のモリブデン酸を溶解した溶液に上記の単
結晶マグネシャスピネル層を約３０秒間浸漬した後、乾
燥し、その後、モノシランと水素ガスとの混合気体中で
８５０℃程度の温度において０．８５ｇｍ　／分程度の
成長速度をもってなす化学気相成長法を使用して、０．
５１Ｌｍ程度の厚さの第１のシリコン単結晶層３を形成
し、つＣいて、モノシランと窒素ガスとの混合気体中で
５４０°Ｃ程度の温度において８３０Ａ／分程俄の成長
速度をもってなす化学気相成長法を使用して、厚さ０．
５１Ｌ脂程度のアモルファスシリコン層を形成し、これ
を　１　、　ｔｏｏ℃程変の水素カス中で１０分分程度
アニールして上記のアモルファスシリコン層を単結晶化
して第２のシリコン単結晶層４°を形成する。
次に、　８５０℃程度の水素カスとモノシランとの混合
気体中で、　１．００ＯＡ　／分程度の低い成長速疋を
もって厚さ２μ烏の第４のシリコン単結晶層６を形成す
る。この工程によって、上記の単結晶化された第２のシ
リコン単結晶層４°の層上に部分的に存在する酸素原子
等エピタキシャルシリコンの結晶品質を低下させる物資
が排除される。
さらに、その上に、モノシランと水素ガスとの４ｉコ合
気体中で９５０　’Ｏ程度の温度において０．８５井層
／分程瓜の成長速度をもってなす化学気相成長法を使用
して、ｔｐさ４ｏμＩＩ＋程廉の第３のシリコン単結晶
層５を形成する。
以上の工程をもって、ｖ！造した第３のシリコン単結晶
層５のＷＪ微微候真（４０θ倍）を第１１図（ａ）に、
また、第２の実施例において製造した第３のシリコン単
結晶層の顕微鏡写真（４００倍〕を第１１図（ｂ）にン
１：　して比較する。欠陥密度は大幅に改善されている
。
第４の実施例では、第４のシリコン単結晶層６を、水素
カスとモノシランとの混合気体中で形成したか、水素カ
スと、四塩化ケイ素又はジクロルシランの混合気体、ま
たは、これら混合気体にさらに塩化水素を程合した気体
中で、成長温度９５０−　１，１５０℃、成長速度０．
０１〜０．２＃Ｌｍ　７分で形成しても同様の結果を得
ることができる。
以上の第１〜第４の実施例では、第３の単結晶シリコン
層５（第２図、第８図、第１Ｏ図参照）をモノシランと
水素ガスとの混合気体中で形成したが、このほか、通常
行なわれている四塩化ケイ素、ジクロルシランを用いた
成長方法で形成しても、効果は同様で、その成長１模厚
も応用するデバイスに応して任意の値を取ることができ
ることは言うまでもない。
第１２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）参照 また、以上の実施例は＋担なシリコン単結晶基板ｌ上に
１本発明を実施したものであるが、第１２図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）にン１＜すようなＷ　ｅ　ｌ　Ｉ型構造の
シリコン単結晶基板１゛上に本発明を応用しても同一の
効果が得られることは言うまでもない。
また、以上の実施例では、アモルファスシリコンの成長
条件として、成長温度５４０℃、成長速度８３０λ／分
で行なったが、成長温度３５０〜６５０℃、成長速度２
０〜２，０００λ／分の範囲内で成長を行なった場合で
もほぼ同等の効果が得られた。
（７）発明の効果 以」−説明せるとおり、本発明によれば、マグネシャス
ピネル、サファイヤ等の単結晶絶縁物層上に結晶欠陥の
ない高品質の薄膜°及び厚膜の単結晶シリコン層を形成
する工程を含む半導体装置の製造方法を提供することか
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図、第２図は１本発明の第１の実施例を説明する断
面図であり、第３図（ａ）、（ｂ）は、アモルファスシ
リコンを単結晶化する工程をヘリウムカス中（ａ）と水
素カス中（ｂ）とでアニールした場合、その上に形成さ
れるシリコン単結晶層中の欠陥の発生状態を比較する顕
微鏡写真（４００イ１〜）である。第４図（ａ）、（ｂ
）は本発明のアニール上程（単結晶化工程）前後のシリ
コン層の顕微鏡写真（４００倍）である、第５図（ａ）
。 （ｂ）は、本発明のアニール工程後の第２のシリコン単
結晶層の欠陥状１ムと従来技術におけるシリコン単結晶
層の欠陥状態とを比較する電子顕微鏡写真（２０，００
０倍）である。第６図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１
の実施例に係るシリコン単結晶層中（ａ）と従来技術に
係るシリコン単結晶層中（ｂ）との欠陥の発生状７ｉを
比較する顕微鏡写真（４００倍）である。第７図（ａ）
、（ｂ）は、本発明の第２の実施例に係るシリコン単結
晶層中（ａ）と本発明の第１の実施例に係るシリコン単
結晶層中（ｂ）との欠陥の発生状態を比較する顕微鏡写
真（４００倍）である、第８図は、本発明の第３の実施
例を説明する断面図であり、第９図（ａ）、（ｂ）は本
発明の第３の実施例に係るシリコン単結晶層中（ａ）と
本発明の第２の実施例に係るシリコン単結晶層中（ｂ）
との欠陥の発生状態を比較する顕微鏡写真（４００倍）
である、第１０図は、本発明の第４の実施例を説明する
断面図であり、第１１図（ａ）、（ｂ）は本発明の第４
の実施例に係るシリコン単結晶層中（ａ）と本発明の第
２の実施例に係るシリコン単結晶層中（ｂ）との欠陥の
発生状態を比較する顕微鏡写真（４００倍）である、第
１２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はＷｅｌｌ型構造のシリ
コン単結晶基板上に本発明を適用した場合の各主要工程
後の基板断面図である。 １００．シリコン単結晶基板、ｌ　’　＊　ｅ　＊Ｗ　
ｅ　ｌ　ｌ型構造のシリコン単結晶基板、２・・・中結
晶マグネシャスピネル層、３・　・　９シリコンＱ’　
ｋ’＋　品層、　４・・台アモルファスシリコン層、　
４°　・・・第２のシリコン単結晶層、５・・・第３の
シリコン単結晶層、６・・・第第１図 第３１４ 第４図 第 Ｎ 第 ７図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）単結晶絶縁物層上に第１の単結晶シリコン層を形
    成し、該第１の単結晶シリコン層上にアモルファスシリ
    コン層ヲ形成し、該アモルファスシリコン層を第２の単
    結晶シリコン層に転換する土石：を含む半導体装置の製
    造方法。
  2. （２）　＋ｉｉｊ記第２の単結晶シリコン層上に第３の
    単結晶シリコン層を形成する工程を含む特許請求の範囲
    第１Ｊ１．ｌ記載の半導体装置の製造方法。
  3. （３）前記第ｌの単結晶シリコン層の厚さを０．Ｏ１〜
    １０）ｉｍとし、前記アモルファスシリコン層の厚さを
    ０，０１〜５．ｇａ＋とする特許請求の範囲第１項また
    は第２槙記載の半導体装置の製造方法。
  4. （４）前記アモルファスシリコン層を形成する工程は、
    不活性ガスまたは不活性カスを主体とする混合カス中に
    おいて３５０〜６５０°Ｃの反応温度をもってなす化学
    気相成長法をもってなし、前記転換工程は、水素ガス中
    において６５０〜１，３５０℃の温度をもってなす７二
    −ルをもってなす特許請求の範囲第１項、第２項または
    第３項記載の半導体装置の製造方法。
  5. （５）前記第１の単結晶シリコン層の形成に先立ち、前
    記単結晶絶縁物層の表面を、３０％の過酸化水素水１リ
    ツトル中にｌ〜　０．００１グラムのモリブデン酸を溶
    解させた溶液をもって処理する工程を有する、特許請求
    の範囲第１項、第２項、第３項または、第４Ｊｆ４記載
    の半導体装置の製造方法。
  6. （６）前記アモルファスシリコン層を形成してこれを第
    ２の単結晶シリコン層に転換する工程を複数回繰り返し
    実行する、特許請求の範１２ｔｌ第１項。 第２項、第３項、第４項または第５項記載の半導体装置
    の製造方法。
  7. （７）前記アモルファスシリコン層から転換された第２
    の単結晶シリコン層上に第３の単結晶シリコン層を形成
    するに先立ち、低い成長速度をもって第４の単結晶シリ
    コン層を形成する工程を有する、特許請求の範囲第２項
    、第３項、第４項または第５項記載の半導体装置の製造
    方法。
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