JP2592833B2 - 結晶形成方法 - Google Patents
結晶形成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は結晶の形成方法に係り、特に堆積面材料の種
類による堆積材料の核形成密度の差および紫外光照射の
効果を利用した結晶の形成方法に関する。
類による堆積材料の核形成密度の差および紫外光照射の
効果を利用した結晶の形成方法に関する。
本発明は、たとえば半導体集積回路，光集積回路，磁
気回路等の電子素子，光素子，磁気素子，圧電素子ある
いは表面音響素子等に使用される結晶の形成に適用され
る。
気回路等の電子素子，光素子，磁気素子，圧電素子ある
いは表面音響素子等に使用される結晶の形成に適用され
る。
［従来の技術］ 従来、電子素子や光素子等に用いられる単結晶薄膜
は、単結晶基板上のエピタキシャル成長によって形成さ
れていた。たとえばSiやGaAsの単結晶基板上のエピタキ
シャル成長は、すでに半導体素子や集積回路，半導体レ
ーザー等の作製に利用されている。また近年、絶縁物基
板上の半導体単結晶膜，シリコンオンインシュレーター
（SOI）の形成に関する研究も注目されている。なぜな
らそれは素子間の分離や寄生容量の低減に有利であるば
かりか、素子の三次元集積化をも容易にするからであ
る。SOIを形成する方法としては、シリコンオンサファ
イア（SOS）やエピタキシャルラテラルオーバーグロー
ス（ELO），溶融固化法などがある。SOSはサファイア上
にSiの単結晶エピタキシャル成長させる方法で、サファ
イアの単結晶基板が必要である。またELOはSi単結晶基
板上に開口部を有するSiO2などの絶縁膜を形成し、その
開口部をシードとしてSi単結晶をエピタキシャル成長さ
せ、それを絶縁膜上にも横方向に成長させる方法であ
る。溶融固化法は絶縁膜上に堆積させた非晶質薄膜をレ
ーザー照射などによって溶融固化すると同時に再結晶さ
せるものである。
は、単結晶基板上のエピタキシャル成長によって形成さ
れていた。たとえばSiやGaAsの単結晶基板上のエピタキ
シャル成長は、すでに半導体素子や集積回路，半導体レ
ーザー等の作製に利用されている。また近年、絶縁物基
板上の半導体単結晶膜，シリコンオンインシュレーター
（SOI）の形成に関する研究も注目されている。なぜな
らそれは素子間の分離や寄生容量の低減に有利であるば
かりか、素子の三次元集積化をも容易にするからであ
る。SOIを形成する方法としては、シリコンオンサファ
イア（SOS）やエピタキシャルラテラルオーバーグロー
ス（ELO），溶融固化法などがある。SOSはサファイア上
にSiの単結晶エピタキシャル成長させる方法で、サファ
イアの単結晶基板が必要である。またELOはSi単結晶基
板上に開口部を有するSiO2などの絶縁膜を形成し、その
開口部をシードとしてSi単結晶をエピタキシャル成長さ
せ、それを絶縁膜上にも横方向に成長させる方法であ
る。溶融固化法は絶縁膜上に堆積させた非晶質薄膜をレ
ーザー照射などによって溶融固化すると同時に再結晶さ
せるものである。
また、溶融固化によって大粒径の多結晶薄膜を形成す
る方法は、ウエハごとに非晶質または単結晶薄膜をエネ
ルギビームで走査するために、大粒径化に多大な時間を
要し、量産性に乏しく、また大面積化に向かないという
問題点を有していた。
る方法は、ウエハごとに非晶質または単結晶薄膜をエネ
ルギビームで走査するために、大粒径化に多大な時間を
要し、量産性に乏しく、また大面積化に向かないという
問題点を有していた。
［発明が解決しようとする問題点］ Si単結晶基板上にSi単結晶を形成するような通常のエ
ピタキシャル成長によって形成された単結晶膜は素子間
分離や素子の三次元集積化には適さない。また基板材料
や堆積材料は極く限られたものしか適用できない。
ピタキシャル成長によって形成された単結晶膜は素子間
分離や素子の三次元集積化には適さない。また基板材料
や堆積材料は極く限られたものしか適用できない。
一方既存のSOI技術においても基板材料に対する制約
がある。例えばSOSにおいては、サファイアの単結晶基
板が大面積のものが得にくいことから量産に適さないと
いう問題がある。またこの場合、素子の基板の法線方向
に積層形成していくのは容易ではない。ELOにおいては
シードとなる基板材料と堆積材料の関係は通常のエピタ
キシャル成長の場合と同じであり基板材料は大きく制限
される。更に絶縁膜上に結晶を横方向に成長させるに際
して、横方向と縦方向の成長速度の比を制御する手段の
ないことも問題である。また絶縁膜上での結晶核形成を
完全に避けることができないために単結晶膜の質が低下
してしまう。溶融固化法においては基板材料の融点が堆
積材料のそれよりも高くならなければならない。
がある。例えばSOSにおいては、サファイアの単結晶基
板が大面積のものが得にくいことから量産に適さないと
いう問題がある。またこの場合、素子の基板の法線方向
に積層形成していくのは容易ではない。ELOにおいては
シードとなる基板材料と堆積材料の関係は通常のエピタ
キシャル成長の場合と同じであり基板材料は大きく制限
される。更に絶縁膜上に結晶を横方向に成長させるに際
して、横方向と縦方向の成長速度の比を制御する手段の
ないことも問題である。また絶縁膜上での結晶核形成を
完全に避けることができないために単結晶膜の質が低下
してしまう。溶融固化法においては基板材料の融点が堆
積材料のそれよりも高くならなければならない。
以上述べたように解決すべき問題点は（下地）基板材
料および堆積材料の選択の自由度と、絶縁膜上での核形
成の抑制および縦方向と横方向の成長速度比の制御に集
約される。
料および堆積材料の選択の自由度と、絶縁膜上での核形
成の抑制および縦方向と横方向の成長速度比の制御に集
約される。
本発明の目的は、上記従来の問題点を解決し簡単な工
程で良質で核形成が抑制され、成長速度の制御された結
晶を形成方法を提供することにある。
程で良質で核形成が抑制され、成長速度の制御された結
晶を形成方法を提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために本発明の結晶形成方
法は、核形成密度の小さい非核形成面（ＳNDS）と、成
長させるべき結晶の単一核が形成されるのに充分小さい
面積を有し、成長させるべき結晶の材料と異なる材料か
らなり、かつ非核形成面（ＳNDS）の核形成密度（NDS）
より大きい核形成密度（NDL）を有する核形成面
（ＳNDL）とが隣接して配された自由表面を有する基体
に、核形成面（ＳNDL）上に結晶を成長させるための原
料ガス雰囲気中で紫外線を照射しながら結晶形成処理を
施して成長させるべき結晶の単一核を核形成面
（ＳNDL）上に形成し、引き続き該単一核より単結晶を
成長させることを特徴とする。
法は、核形成密度の小さい非核形成面（ＳNDS）と、成
長させるべき結晶の単一核が形成されるのに充分小さい
面積を有し、成長させるべき結晶の材料と異なる材料か
らなり、かつ非核形成面（ＳNDS）の核形成密度（NDS）
より大きい核形成密度（NDL）を有する核形成面
（ＳNDL）とが隣接して配された自由表面を有する基体
に、核形成面（ＳNDL）上に結晶を成長させるための原
料ガス雰囲気中で紫外線を照射しながら結晶形成処理を
施して成長させるべき結晶の単一核を核形成面
（ＳNDL）上に形成し、引き続き該単一核より単結晶を
成長させることを特徴とする。
［作用］ 第１図は本発明による結晶の形成方法の説明図であ
る。まず任意材料の下地基板１の上に核形成密度の小さ
い薄膜２を堆積させ、その上に形成密度の十分大きい異
種材料からなる核形成面３を十分微細に形成する［第１
図（Ａ）］。ただし異種材料３の代りに適当なイオンの
イオン注入などによって薄膜２の十分微細な領域に形成
された核形成密度の大きい異種領域を設けてもよい。次
に堆積面に紫外光６を照射しながら適当な堆積条件によ
って所望の単結晶材料を堆積させるなら異種材料３の上
にのみ単一の核４が形成される［第１図（Ｂ）］。適当
な堆積条件の下での紫外光６の照射は薄膜２での核形成
密度をより低下させる。更に、堆積が進むと単一の核４
は単結晶５に成長する［第１図（Ｃ）］。紫外光６の照
射のために単結晶５の成長速度は基板に対して縦（垂
直）方向よりも横（水平）方向の方が速くなる。したが
って成長が進んだ後には平坦性の高い単結晶５を得るこ
とができる［第１図（Ｄ）］。
る。まず任意材料の下地基板１の上に核形成密度の小さ
い薄膜２を堆積させ、その上に形成密度の十分大きい異
種材料からなる核形成面３を十分微細に形成する［第１
図（Ａ）］。ただし異種材料３の代りに適当なイオンの
イオン注入などによって薄膜２の十分微細な領域に形成
された核形成密度の大きい異種領域を設けてもよい。次
に堆積面に紫外光６を照射しながら適当な堆積条件によ
って所望の単結晶材料を堆積させるなら異種材料３の上
にのみ単一の核４が形成される［第１図（Ｂ）］。適当
な堆積条件の下での紫外光６の照射は薄膜２での核形成
密度をより低下させる。更に、堆積が進むと単一の核４
は単結晶５に成長する［第１図（Ｃ）］。紫外光６の照
射のために単結晶５の成長速度は基板に対して縦（垂
直）方向よりも横（水平）方向の方が速くなる。したが
って成長が進んだ後には平坦性の高い単結晶５を得るこ
とができる［第１図（Ｄ）］。
ここで異種材料３の上にのみ単一の核４が形成される
のは、異種材料３がその核形成密度および堆積条件に対
して十分微細に形成されているからである。また紫外光
６の照射の効果は次の理由によるものである。一般に気
相成長の場合、結晶成長の反応種の分子は紫外線領域に
励起モードをもつことが多い。したがってその遷移エネ
ルギーに対応した紫外光６の照射によって励起され反応
種が基底状態のときよりも、第１図における薄膜２の材
料に対して付着係数が小さければ、核形成密度を低下さ
せることができる。例えばSiの気相成長にソースガスと
してSiCl4,SiHCl3あるいはSiH2Cl2等を用いた場合、反
応種はSiCl2である。SiCl2は240nm近傍に反結合性の励
起モードをもち、励起状態は基底状態に比べて酸素との
吸着力が小さいことが知られている。そこで第１図にお
ける薄膜２の材料としてSiO2を選択するならば、励起状
態のSiCl2のSiO2に対する付着係数が小さいためにSiO2
薄膜上でのSiの核形成密度は低下する。
のは、異種材料３がその核形成密度および堆積条件に対
して十分微細に形成されているからである。また紫外光
６の照射の効果は次の理由によるものである。一般に気
相成長の場合、結晶成長の反応種の分子は紫外線領域に
励起モードをもつことが多い。したがってその遷移エネ
ルギーに対応した紫外光６の照射によって励起され反応
種が基底状態のときよりも、第１図における薄膜２の材
料に対して付着係数が小さければ、核形成密度を低下さ
せることができる。例えばSiの気相成長にソースガスと
してSiCl4,SiHCl3あるいはSiH2Cl2等を用いた場合、反
応種はSiCl2である。SiCl2は240nm近傍に反結合性の励
起モードをもち、励起状態は基底状態に比べて酸素との
吸着力が小さいことが知られている。そこで第１図にお
ける薄膜２の材料としてSiO2を選択するならば、励起状
態のSiCl2のSiO2に対する付着係数が小さいためにSiO2
薄膜上でのSiの核形成密度は低下する。
一方励起状態の反応種の第１図薄膜２に対する付着係
数が小さくなるなら、薄膜２の上で反応種の易動度は増
し平均拡散距離は増大する。平均拡散距離が大きくなれ
ば反応種が成長中の単結晶５に出会う確率が高くなる。
単結晶５にとっては基板に対する従って（垂直）方向か
ら供給される反応種の数は変わらないのに、横（水平）
方向からの供給は増すことになる。かような機構によっ
て縦（垂直）方向の成長速度よりも横（水平）方向の成
長速度の方が大きくなることが説明される。
数が小さくなるなら、薄膜２の上で反応種の易動度は増
し平均拡散距離は増大する。平均拡散距離が大きくなれ
ば反応種が成長中の単結晶５に出会う確率が高くなる。
単結晶５にとっては基板に対する従って（垂直）方向か
ら供給される反応種の数は変わらないのに、横（水平）
方向からの供給は増すことになる。かような機構によっ
て縦（垂直）方向の成長速度よりも横（水平）方向の成
長速度の方が大きくなることが説明される。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
第２図は本発明による結晶の形成方法の実施例を示す
形成工程図である。まず下地基板１としてSiウエハーを
用意し、これに常圧CVD法によっての非晶質のSiO2膜７
を2000Å堆積する［第２図（Ａ）］。次にSiO2膜７の上
にSi3Ｎ4膜８を減圧CVD法により300Å堆積する［第２図
（Ｂ）］。これをフォトリソグラフィーの手法を用いて
パターニングすることによりSi3Ｎ4膜８を微細に形成
し、異種材料３とする［第２図（Ｃ）］。ここでSi3Ｎ4
膜８はSiO2膜７よりも核形成密度が103倍程大きい。ま
た微細に形成された異種材料Si3Ｎ4３の径は２μｍ、隣
接する異種材料３の間の距離は100μｍとした。
形成工程図である。まず下地基板１としてSiウエハーを
用意し、これに常圧CVD法によっての非晶質のSiO2膜７
を2000Å堆積する［第２図（Ａ）］。次にSiO2膜７の上
にSi3Ｎ4膜８を減圧CVD法により300Å堆積する［第２図
（Ｂ）］。これをフォトリソグラフィーの手法を用いて
パターニングすることによりSi3Ｎ4膜８を微細に形成
し、異種材料３とする［第２図（Ｃ）］。ここでSi3Ｎ4
膜８はSiO2膜７よりも核形成密度が103倍程大きい。ま
た微細に形成された異種材料Si3Ｎ4３の径は２μｍ、隣
接する異種材料３の間の距離は100μｍとした。
次にウエハー［第２図（Ｃ）参照］にCVD法により紫
外線６を照射しながらSiを堆積させる［第２図
（Ｄ）］。成長条件は以下のとおりである。まず圧力は
150Torr、温度は1000℃、ソースガスはSiH2Cl2（流量0.
6l.min）、キャリアガスはＨ2（流量100l/min）とし
た。これに加えてエッチングガスHClを1.2l/min混入し
た。また照射した紫外線は反応種SiCl2の励起エネルギ
ーに対応してHg-Xeランプの輝線（240nm）を用いた。
外線６を照射しながらSiを堆積させる［第２図
（Ｄ）］。成長条件は以下のとおりである。まず圧力は
150Torr、温度は1000℃、ソースガスはSiH2Cl2（流量0.
6l.min）、キャリアガスはＨ2（流量100l/min）とし
た。これに加えてエッチングガスHClを1.2l/min混入し
た。また照射した紫外線は反応種SiCl2の励起エネルギ
ーに対応してHg-Xeランプの輝線（240nm）を用いた。
以上のような条件の下で、異種材料３に発生した単一
核を成長させたところ180分でウエハー全面を埋めるに
到り平坦性の高いSiの単結晶群９を得た［第２図
（Ｅ）］。ここで横方向の成長は50μｍであるのに対
し、Si単結晶９の厚さを計ると約12μｍであった。した
がって縦方向の成長速度と横方向の成長速度の比が1:4
となっていることが分る。これは紫外光を照射しなかっ
た場合の成長がほぼ等方的、すなわち縦方向と横方向の
成長速度比が1:1であったことに比べて大きく改善され
ていると言える。本実施例で得られたSi単結晶の平坦性
があれば、この後特別な工程を経ずとも半導体基板とし
て使用できる。
核を成長させたところ180分でウエハー全面を埋めるに
到り平坦性の高いSiの単結晶群９を得た［第２図
（Ｅ）］。ここで横方向の成長は50μｍであるのに対
し、Si単結晶９の厚さを計ると約12μｍであった。した
がって縦方向の成長速度と横方向の成長速度の比が1:4
となっていることが分る。これは紫外光を照射しなかっ
た場合の成長がほぼ等方的、すなわち縦方向と横方向の
成長速度比が1:1であったことに比べて大きく改善され
ていると言える。本実施例で得られたSi単結晶の平坦性
があれば、この後特別な工程を経ずとも半導体基板とし
て使用できる。
なお、成長条件を圧力50〜250Torr,温度900〜1100℃,
HCl混入量0.6〜2.0l/min程度の範囲で変化させても成長
可能である。
HCl混入量0.6〜2.0l/min程度の範囲で変化させても成長
可能である。
［発明の効果］ 本発明による結晶形成方法は、任意材料の下地基板上
に平坦性の高い単結晶を形成することができるものであ
る。しかも通常の半導体プロセスで使用される装置以外
の特別な装置を必要としない。下地基板材料に対する制
約がないことは素子の三次元集積化，大面積化または電
子素子と光素子のように異った機能の素子の集積化そし
て低コスト化を容易に実現させる。とくに大面積化の効
能を生かしてガラス等に素子を集積した大型フラットデ
ィスプレイ等の大面積電子装置への応用や、異種機能素
子の集積化をいかしたOEICなどの多機能集積回路への応
用が期待できる。
に平坦性の高い単結晶を形成することができるものであ
る。しかも通常の半導体プロセスで使用される装置以外
の特別な装置を必要としない。下地基板材料に対する制
約がないことは素子の三次元集積化，大面積化または電
子素子と光素子のように異った機能の素子の集積化そし
て低コスト化を容易に実現させる。とくに大面積化の効
能を生かしてガラス等に素子を集積した大型フラットデ
ィスプレイ等の大面積電子装置への応用や、異種機能素
子の集積化をいかしたOEICなどの多機能集積回路への応
用が期待できる。
第１図は本発明による結晶の形成工程図、 第２図は本発明による結晶の形成方法の実施例を示す形
成工程図である。 １……下地基板、２……薄膜、３……異種材料、４……
単一の核、５……単結晶、６……紫外光、７……SiO
2膜、８……Si2Ｎ4膜、９……単結晶。
成工程図である。 １……下地基板、２……薄膜、３……異種材料、４……
単一の核、５……単結晶、６……紫外光、７……SiO
2膜、８……Si2Ｎ4膜、９……単結晶。
Claims (1)
- 【請求項１】核形成密度の小さい非核形成面（ＳNDS）
と、成長させるべき結晶の単一核が形成されるのに充分
小さい面積を有し、成長させるべき結晶の材料と異なる
材料からなり、かつ前記非核形成面（ＳNDS）の核形成
密度（NDS）より大きい核形成密度（NDL）を有する核形
成面（ＳNDL）とが隣接して配された自由表面を有する
基体に、前記核形成面（ＳNDL）上に結晶を成長させる
ための原料ガス雰囲気中で紫外線を照射しながら結晶形
成処理を施して成長させるべき結晶の単一核を前記核形
成面（ＳNDL）上に形成し、引き続き該単一核より単結
晶を成長させることを特徴とする結晶形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62073512A JP2592833B2 (ja) | 1987-03-27 | 1987-03-27 | 結晶形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62073512A JP2592833B2 (ja) | 1987-03-27 | 1987-03-27 | 結晶形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63239184A JPS63239184A (ja) | 1988-10-05 |
| JP2592833B2 true JP2592833B2 (ja) | 1997-03-19 |
Family
ID=13520374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62073512A Expired - Fee Related JP2592833B2 (ja) | 1987-03-27 | 1987-03-27 | 結晶形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2592833B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE68913257T2 (de) * | 1988-10-02 | 1994-07-07 | Canon Kk | Gegenstand aus Kristall und Verfahren zu seiner Herstellung. |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6046074B2 (ja) * | 1981-06-30 | 1985-10-14 | 日本電信電話株式会社 | 半導体結晶成長方法 |
-
1987
- 1987-03-27 JP JP62073512A patent/JP2592833B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63239184A (ja) | 1988-10-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |