JP2569402B2 - 半導体薄膜結晶層の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、絶縁膜上に単結晶シリコン等の半導体薄膜
結晶層を形成する半導体薄膜結晶層の製造方法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、電子ビームやレーザビーム等を用いたビームア
ニール法で、絶縁膜上に半導体単結晶層を形成する、所
謂SOI（絶縁膜上のシリコン膜）技術の開発が盛んに行
われている。さらに、このSOI技術を利用して、素子を
３次元的に形成する３次元ICの開発も進められている。
３次元ICを実現するには、半導体ウェハ表面に形成され
た素子（下層素子）上にSOI技術により半導体単結晶層
を形成する。しかるのち、この単結晶層に素子（上層素
子）を形成することにより、積層構造素子が形成される
ことになる。

ところで、エネルギービームによって上層素子形成用
の半導体単結晶層を作成する際には、層間絶縁膜の開口
部より下部半導体基板を結晶成長の種として結晶成長が
行われる。しかし、第３図（ａ）に示すような従来の試
料構造では、開口部に露出した半導体基板の熱伝導度と
絶縁膜の熱伝導度が大きく異なり、開口部では熱が逃げ
やすく、反対に絶縁膜上では熱が溜り易い。そこで、エ
ネルギービームにより半導体膜を溶融・再結晶化する際
に、開口部と絶縁膜との境界である絶縁膜の肩部での温
度分布の勾配が、急激になり、このため半導体膜の体積
収縮時に、第３図（ｂ）に示すように欠落部を生ずると
いう問題があった。なお、第３図において31は単結晶シ
リコン基板、32は層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜、
33は開口部、34はシリコン薄膜、35は保護膜、36はエネ
ルギービーム、37は欠落部を示している。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ビームアニール時における半導体薄
膜の収縮を少なくすることができ、絶縁膜上に欠落部の
発生等のない半導体単結晶層を容易に作成することので
きる半導体薄膜結晶層の製造方法を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、ビームアニーム時に半導体薄膜の温
度分布が不均一となる部分の膜厚を他の部分よりも厚く
形成することにより、半導体薄膜の収縮を低減すること
にある。

即ち本発明は、半導体基板上にストライプ状の開口部
が設けられた絶縁膜を形成したのち、上記開口部及び絶
縁膜上に多結晶若しくは非晶質の半導体薄膜を形成し、
次いでこの半導体薄膜上でエネルギービームを走査して
該半導体薄膜を溶融・再結晶化する半導体薄膜結晶層の
製造方法において、前記半導体薄膜の膜厚を前記開口部
及びその周辺部の方が他の部分よりも厚くなるよう形成
するようにした方法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、開口部と層間絶縁膜の平坦部との境
界上の半導体薄膜が厚く形成されているので、エネルギ
ービームにより半導体薄膜を溶融した際、温度分布が不
均一な場合でも半導体薄膜の収縮が発生し難くなる。こ
のため、欠落部のない半導体薄膜結晶層を得ることが容
易となる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例方法に係わ
るシリコン単結晶層の製造工程を示す断面図である。

まず、第１図（ａ）に示す如く、面方位（100）の単
結晶シリコン基板（半導体基板）11上にCVD法等により
厚さ1.3［μｍ］のシリコン酸化膜（絶縁膜）12を形成
し、このシリコン酸化膜12に底部幅２［μｍ］のストラ
イプ状の開口部13を形成する。この開口部13は、結晶成
長のシードとして作用するもので、開口上側が広がるテ
ーパ形状を持つものとした。

次いで、第１図（ｂ）に示す如く、全面に多結晶シリ
コン膜（半導体薄膜）14を堆積し、このシリコン膜14の
膜厚を次のようにした。即ち、シリコン酸化膜12上の膜
厚の薄い部分で0.6［μｍ］、シリコン酸化膜12上の膜
厚の厚い部分で１［μｍ］とした。また、ストライプ状
の開口部13からビーム走査方向の前方の多結晶シリコン
膜14の厚くなっている部分の開口部13からの距離が30
［μｍ］以上となるように形成した。

なお、上記多結晶シリコン膜14の形成方法としては、
例えば、全面に厚さ0.6［μｍ］の多結晶シリコン膜をC
VD法で堆積したのち、膜厚を厚くすべき部分にリフトオ
フ法等により、更に厚さ0.4［μｍ］の多結晶シリコン
膜を選択的に形成すればよい。また、全面にCVD法等に
より厚さ１［μｍ］の多結晶シリコン膜を堆積したの
ち、膜厚を厚くすべき部分以外を0.4［μｍ］程度エッ
チングするようにしてもよい。

次いで、第１図（ｃ）に示す如く多結晶シリコン膜14
上に厚さ0.5［μｍ］のシリコン酸化膜（保護膜）15を
形成する。この試料を、疑似線状電子ビーム16の走査に
よりアニールし、多結晶シリコン膜14を溶融・再結晶化
した単結晶化した。ここで、疑似線状電子ビームとは、
微小スポット径の電子ビームを一方向に高速偏向するこ
とにより得られる等価的な線状ビームのことである。そ
して、この疑似線状電子ビームを上記高速偏向方向とは
直交する方向に走査することにより、比較的大きな幅を
帯状にビームアニールできることになる。

かくして得られた単結晶シリコン層は、シリコン膜の
収縮に起因する欠落部の発生も見られず、良好な結晶特
性を示した。また、第２図に示す如く、ストライプ状開
口部13からビーム走査方向の前方の多結晶シリコン膜14
の他の部分よりも膜厚が厚い部分のビーム走査方向での
ストライプ状開口部13までの距離をｘとし、この距離ｘ
を10,20,30［μｍ］として３つの試料を作成し、これら
をそれぞれビームアニールにより単結晶化し、欠落部発
生状況について調べたところ次のような結果が得られ
た。

即ち、上記距離ｘが10［μｍ］の場合においては、従
来問題となったシリコン膜の10［μｍ□］程度の欠落部
は、ストライプ状開口部13の100［μｍ］当り２〜３箇
所の割合で発生していた。また、距離ｘが20［μｍ］で
は欠落部の発生率は１〜２箇所となり、距離ｘが30［μ
ｍ］では欠落部の発生は殆ど見られなかった。つまり、
多結晶シリコン膜14の膜厚を厚くすべき部分のストライ
プ状開口部13からの距離ｘを30［μｍ］以上としておく
ことにより、欠落部の発生を防止できることが判る。

このように本実施例方法によれば、シリコン酸化膜12
の開口部13及びこの開口部13近傍の多結晶シリコン膜14
を他の部分よりも厚く形成しているので、電子ビームを
用いてビームアニールする際のシリコン膜14の温度分布
不均一に起因する収縮を少なくすることができ、欠落部
の発生を防止することができる。このため、シリコン酸
化膜12上に良質のシリコン単結晶層を形成することがで
き、３次元IC等の製造等に極めて有効である。

なお、本発明は上述した実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、前記半導体薄膜の他の部分よりも厚
くする部分の開口部からの距離ｘは、半導体薄膜の厚さ
及び開口部の大きさ等の条件に応じて適宜定めればよ
い。さらに、上記距離Ｘはストライプ状開口部の両側で
同じようにする必要はなく、ビーム走査方向の前方で前
記欠落部の発生を抑制できるに十分な長さとし、ビーム
走査方向の後方ではこれより短いものであってもよい。

また、前記エネルギービームは電子ビームに限るもの
でははく、レーザビームを用いることもできる。また、
ビームアニールすべき半導体薄膜としては、多結晶シリ
コンの代りに非晶質シリコンを用いることができ、さら
に他の半導体を用いることも可能である。また、絶縁膜
の膜厚，ストライプ状開口部の形状及び大きさ等の条件
は、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例方法に係わる
シリコン単結晶層の製造工程を示す断面図、第２図は上
記実施例方法の作用を説明するための模式図、第３図
（ａ）（ｂ）は従来の問題点を説明するための工程断面
図である。 11……単結晶シリコン基板（半導体基板）、12……シリ
コン酸化膜（絶縁膜）、13……開口部、14……多結晶シ
リコン膜（半導体薄膜）、15……シリコン酸化膜（保護
膜）、16……電子ビーム（エネルギービーム）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上にストライブ状の開口部が設
   けられた絶縁膜を形成する工程と、上記絶縁膜上並びに
   上記開口部上に上記開口部において上記半導体基板に接
   する多結晶若しくは非晶質の半導体薄膜を形成し、且つ
   この多結晶若しくは非晶質の半導体膜の膜厚を上記開口
   部及びその周辺部の方が他の部分よりも厚くなるように
   形成する工程と、上記半導体薄膜上でエネルギービーム
   を走査して上記多結晶若しくは非晶質の半導体薄膜を溶
   融せしめるとともに、上記開口部の半導体基板をシード
   部として上記溶融した半導体薄膜を再結晶化させる工程
   を含むことを特徴とする半導体薄膜結晶層の製造方法。