JP2517330B2 - Soi構造の形成方法 - Google Patents

Soi構造の形成方法

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JP2517330B2 JP62290918A JP29091887A JP2517330B2 JP 2517330 B2 JP2517330 B2 JP 2517330B2 JP 62290918 A JP62290918 A JP 62290918A JP 29091887 A JP29091887 A JP 29091887A JP 2517330 B2 JP2517330 B2 JP 2517330B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は単結晶Si基板上に絶縁膜を介在させて、基板
の面方位と同じ面方位の単結晶Si層を成長させるSOI構
造の形成方法に関するものである。
(ロ)従来の技術 絶縁膜(あるいは絶縁基板)上に単結晶Si膜を形成し
たものをSOI(Silicon on Insulator)構造と称し、半
導体集積回路における高速化や、高集積化、及び素子の
三次元化の基本技術として知られ、上層Si膜の高品質化
のために研究開発が進められている。
上層の単結晶Si膜の形成は、例えばExtended Abstrac
t of the 18th(1986,International)Conference on S
olid State Devices and Materials,ToKyo,1986.PP565
〜568にあるように、単結晶Si基板上に絶縁膜を設け、
該絶縁膜の一部に結晶面方位を揃えるための開口部(通
常シードと呼ばれる。)を設け、この絶縁膜上に多結晶
Siを形成し、更にこの多結晶Si層にレーザビームや電子
ビーム等のエネルギービームをシード部の位置から順次
走査照射して多結晶Si層を溶融し、固化する際に再結晶
化させて単結晶Si層を得ている。
第2図は従来のシードを用いる再結晶化技術を利用し
たSOI構造の形成方法の中間工程図である。同図におい
て、(20)は単結晶Si基板であり、その表面にはおおむ
ね幅10μmの開口部(21)を設けた絶縁膜であるSiO2
(22)が約0.5μmの膜厚で形成されており、さらに全
面に多結晶Si(23)が約0.7μm堆積されている。ここ
で、エネルギービーム(24)は開口部(21)からSiO2
上の多結晶Siに向けて走査され、多結晶Si層のみ溶融、
再結晶化することによって基板Siと同一の面方位を有す
る単結晶Si層を得るものである。
(ハ)発明が解決しようとする問題点 この形成方法では開口部内の多結晶Siが溶融、固化す
る際の放熱速度(25)と、絶縁膜上の多結晶Siが溶融固
化する際の放熱速度(26)を比較すると、SiO2層の熱伝
導率が0.015W/cm・Kと、単結晶Siの0.50W/cm・Kより
もはるかに小さいために開口部内の放熱速度(25)が極
めて大きいことが判る。従って、開口部内の多結晶Siを
溶融するためには絶縁膜上の多結晶Siを溶融するよりも
高密度なエネルギービームを照射する必要が生じる。し
かし通常、エネルギービームの走査速度は数cm〜数100c
m/secであり、開口部の幅10μmの領域を走査するとき
だけ、エネルギービームのエネルギー密度が高くなるよ
うな制御をすることは不可能であり、止むを得ずSiO2
上の多結晶Si層には必要以上に高密度なエネルギービー
ムが照射されている。その結果、再結晶化されたSi層の
平坦性が劣化したり、結晶の品質が劣化するといった欠
点を有する。また、デバイス設計上の理由でさらに膜厚
の厚いSiO2膜が必要とされる場合には、放熱速度の差が
更に大きくなってしまい、もはや適当なエネルギー密度
条件は存在しなくなり、SiO2膜上の多結晶Siが飛散して
しまうなどの問題により、SOI構造が得られなくなって
しまう。
これらの問題点を解決するために、例えば、まず開口
部内にのみ多結晶Siを堆積し、高エネルギー密度のエネ
ルギービームを照射し、開口部内の多結晶Siのみ単結晶
Si化することでシード部を形成したのち、全面に多結晶
Siを形成し、再度、シード部よりSiO2膜上の多結晶Siに
向けて低エネルギー密度のエネルギービームを照射する
方法(通常2stepアニール法と呼ばれ、例えば特開昭62
−81017号公報、特開昭62−65410号公報及び電子通信学
会研究会技報ED86−74PP79〜84に開示されている。)
や、Si基板上の絶縁膜の開口部内にのみ、選択エピタキ
シヤル成長法により、単結晶Siを形成したのちに、全面
に多結晶Siを堆積し、エネルギービーム照射を行って溶
融再結晶化する方法(シード部選択エピ法と呼ばれ、例
えば特開昭60−234312号公報に開示)等が提案されてい
る。前記いずれの場合も、シード部のSi層は単結晶であ
り、もはや溶融する必要がないため、低エネルギー密度
のエネルギービームで多結晶Siを溶融、再結晶化するも
のである。
しかし、これらの方法においても、前者の2Stepアニ
ール法では、多結晶Si層を形成したのち、エツチバツク
法により、開口部にのみ多結晶Siを残し、エネルギービ
ームの照射を行ったのち、さらに全面に多結晶Siを堆積
して再度、エネルギービームの照射を行わなければなら
ず、SOI構造形成のプロセスが極めて繁雑になるだけで
なく、開口部の配置についての自由度も低下してしまう
といった問題点を有する。
一方、後者のシード部選択エピ法については、開口部
に単結晶Siを選択的に形成する際に、絶縁膜であるSiO2
表面が劣化するとともに、プロセスが繁雑になるといっ
た欠点を有する。
(ニ)問題点を解決するための手段 本発明は上記欠点に鑑みなされたものであり、極めて
簡単なプロセスによって高品質なSOI構造を形成し得る
方法として、 単結晶Si基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工
程と、次いで上記開口部に露出した単形晶Si基板部、及
び絶縁膜表面に非晶質Si層を1μm以下の膜厚で堆積す
る工程と、次いで550℃乃至650℃の間の温度で熱処理を
施し、前記開口部の単結晶Si部に接した部分からの固相
成長によって該開口部内、及び該開口部の口縁より少な
くとも5μmまでの外方に位置する非晶質Si層を単結晶
Si化すると共に、その他の領域の非晶質Si層を多結晶Si
化する工程と、前記単結晶Si化した領域から多結晶Si化
した領域に向けエネルギービームを走査しながら照射
し、多結晶Si領域を溶融、単結晶Si化する工程を有する
ことを特徴とするSOI構造の形成方法、を提供するもの
である。
(ホ)作用 本発明方法によれば、簡単なプロセスで開口部(シー
ド部)を単結晶化することができ、さらに開口部周辺も
基板と同一面方位をもつ単結晶にすることができるた
め、エネルギービーム照射時にはシード単結晶部と多結
晶領域の断面構造を実質的に同一にすることができるこ
とから、多結晶領域の溶融再結晶化条件にのみ依存する
エネルギー密度条件での照射が可能になり、絶縁膜厚に
よらず、平坦で、高品質なSOI構造を形成することがで
きる。
(ヘ)実施例 第1図は本発明方法の一実施例の工程説明図である。
先ず単結晶Si基板(1)上に、絶縁膜としてSiO2
(2)をCVD法や熱酸化法により1μmの厚さに形成す
る(第1図A)。このSiO2膜(2)に通常のリソグラフ
イ工程で幅10μmのストライプ状開口部(3)を形成す
る。開口部はこの実施例のようなストライプ状に限ら
ず、円形や矩形のドツト状に形成するようにしても良
い。
次いで、減圧CVD法や超高真空蒸着法によって、開口
部(3)に露出した単結晶Si基板部及び絶縁膜(2)表
面に非晶質Siを膜厚約0.8μm堆積して非晶質Si層
(4)を形成する(第1図B)。次いで、抵抗炉により
窒素雰囲気中で600℃、約6時間の熱処理を施すと、固
相成長によって、開口部(3)内、及び該開口部の口縁
から概ね5〜10μmの領域の非晶質Si層(4)は基板の
単結晶Siと同一の面方位をもつ単結晶Siになる。領域
(5)は単結晶Siに変成した領域を示している。一方、
この領域(5)外の非晶質Si層は、自然核生成によって
多結晶Siになる。(6)は多結晶Siに変成された領域を
示している(第1図C)。この工程において、当初堆積
する非晶質Si層(4)の膜厚が1μm以上になると、開
口部(3)直上の非晶質Siは単結晶化するが、開口部周
辺には十分に固相成長が起こらなくなるため、非晶質Si
の膜厚は概ね1μm以下にしておく必要がある。また熱
処理温度が550℃未満の場合には固相成長速度が極めて
小さくなるため実用的ではなく、650℃超の場合には自
然核の生成が速くなり、開口部周辺への横方向への固相
成長が十分に延びなくなるため、熱処理温度は550℃乃
至650℃の間の温度に選ぶ必要がある。
次に、ウエハ全面に減圧CVD法やプラズマCVD法によ
り、膜厚約600Åの絶縁膜(Si3N4膜)(7)を堆積し、
フオトリソグラフイ工程により、幅5μm、間隔10μm
のストライプ状にパターニングする(第1図D)。この
ストライプパターンは反射防止膜であり、次工程でのレ
ーザービームのエネルギー分布を制御するためのもので
あり、他にエネルギービームのエネルギー分布を双峰型
に整形したり、試料表面に凹凸を形成する等の手段を用
いても良いことは言うまでもない。
次いで、この試料を熱板上に設置、固定し、概ね500
℃に加熱し、例えばビーム直径100μm、出力12ワツト
のアルゴンイオンレーザビーム(8)を約50mm/secの速
さで走査する(第1図E)。このとき、レーザビームの
走査の開始点は必ずしも開口部(3)の直上である必要
はなく、少なくとも開口部周辺の既に固相成長によって
単結晶化されている領域から多結晶Si領域に向けて走査
されれば良く、両領域の断面構造は同一であるため、基
板側への放熱速度(9)(10)はほぼ同一になり、絶縁
膜(2)上の多結晶Siの溶融条件にのみ依存した照射条
件を選ぶことができるようになり、再結晶化Si層(11)
の平坦性も良く、基板Siと同一面方位をもつ高品質なSO
I構造を容易に得ることができる。なお、このとき開口
部の周辺より固相成長によって横方向に単結晶化してい
る領域が5μm以下であれば開口部の影響を受けて放熱
特性が変化してしまい、多少高エネルギーのエネルギー
ビームを照射する必要が生じてしまい好ましくない。
次に、反射防止膜をエツチング除去すれば、Si/SiO2/
Si基板のSOI構造が得られる(第1図F)。
なお、上述の実施例ではビーム直径100μm、出力12
ワツトのアルゴンイオンレーザビームを50mm/secの条件
で使用しているが、この条件は幅広い範囲で最適値を選
ぶことができ、レーザビームのかわりに電子ビーム等の
エネルギービームを用いても良い。
また、本発明の応用として、下地にSi単結晶基板を用
いるのではなく、既に形成されたSOI構造の上に、更に
多層のSi活性層を形成する工程としても活用できること
は言うまでもない。
(ト)発明の効果 本発明方法によれば開口部周辺の単結晶Si即ちシード
単結晶部とこれに隣接する多結晶Si領域の各断面構造を
実質的に同一にすることができるため、次工程のエネル
ギービーム照射工程では多結晶Si領域の溶融再結晶化条
件にのみ依存するエネルギー密度条件での照射が可能に
なり、絶縁膜厚によらず、平坦で、高品質なSOI構造を
形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法の一実施例の工程説明図、第2図は
従来方法の工程説明図である。 (1)…単結晶Si基板、(2)…絶縁膜、(3)…開口
部、(4)…非晶質Si層、(5)…単結晶Si部、(8)
…エネルギービーム。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶Si基板上に開口部を有する絶縁膜を
    形成する工程と、次いで上記開口部に露出した単結晶Si
    基板部、及び絶縁膜表面に非晶質Si層を1μm以下の膜
    厚で堆積する工程と、次いで550℃乃至650℃の間の温度
    で熱処理を施し、前記開口部の単結晶Si部に接した部分
    からの固相成長によって該開口部内、及び該開口部の口
    縁より少なくとも5μmまでの外方に位置する非晶質Si
    層を単結晶Si化すると共に、その他の領域の非晶質Si層
    を多結晶Si化する工程と、前記単結晶Si化した領域から
    多結晶Si化した領域に向けエネルギービームを走査しな
    がら照射し、多結晶Si領域を溶融、単結晶Si化する工程
    を有することを特徴とするSOI構造の形成方法。
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