JP2699329B2 - 単結晶薄膜の形成方法 - Google Patents
単結晶薄膜の形成方法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、絶縁基板又は絶縁層上に形成した半導体薄
膜をエネルギー照射によって再結晶化させる単結晶薄膜
の形成方法に関する。 〔発明の概要〕 本発明は、絶縁体上に形成した半導体薄膜をエネルギ
ー照射によって再結晶化させる単結晶薄膜の形成方法に
おいて、半導体薄膜上に水素を含まないSiO2膜及びその
上に形成した水素を含むSiO2膜によるキャッピング層を
形成し、再結晶化を行う前に酸素雰囲気中又は窒素雰囲
気中で熱処理することにより、SiO2キャッピング層を改
質して再結晶化後の半導体薄膜の集塊現象をなくし高品
質の単結晶薄膜を形成するようにしたものである。 〔従来の技術〕 近時、絶縁基板上にシリコン単結晶薄膜を形成するSO
I（Silicon on Insulator）技術の開発が進められてい
る。絶縁基板上に良質なシリコン単結晶薄膜を形成する
方法としては、従来より第５図に示すような方法が知ら
れている。即ち絶縁基板として石英ガラス基板（１）又
は表面に熱酸化によるSiO2層（２）を有したシリコン基
板（３）を用い、これらの基板（１）又は（３）上にCV
D（化学気相成長）法により多結晶シリコン又は非晶質
シリコン薄膜（４）を厚さ0.1〜５μｍ程度堆積する。
さらに、このシリコン薄膜（４）の上にSiO2膜をCVD法
で0.5〜２μｍ程度形成してキャッピング層（５）とす
る。このようにして作成した試料（６）又は（７）をゾ
ーンメルト法（図示の例では下側グラファイト・ヒータ
（11）上に試料（６）又は（７）を配しその上に可動の
上側グラファイト・ストリップ・ヒータ（12）を配して
行う。その他、ハロゲンランプ，キセノンアークランプ
を用いたゾーンメルト法もある）、またはレーザビーム
照射法，電子ビーム照射法（即ちエネルギービーム（1
3）を走査する方法）を用いて、固相アニール又は溶融
再結晶化するものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、上述した固相アニールまたは溶融再結晶化
後のシリコン膜は結晶成長して良質な多結晶シリコン膜
または単結晶膜になるが、通常はこれらの過程でシリコ
ン膜が基板に沿って移動し、集塊（Agglomeration）を
生ずる。この結果、第６図Ａ及びＢに示すように、結晶
成長したシリコン膜（４）が局所的に集ってヒルロック
（15）を生じてSiO2のキャッピング層（５）が破壊する
に至るか、又は集塊の結果、一部基板面を露出させてボ
イド（16）を作る。 この様な集塊を防止するためには、キャッピング層
（５）であるSiO2膜の膜質を選びSiとのなじみのよいよ
うな膜質になるようにSiO2膜の形成条件を選択するが、
一般にはむずかしい。 そこでキャップ層として種々の工夫がなされている
（文献1:Appl.Phys.Lett.40（２）.15 January 1982 15
8頁〜160頁，文献2:IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS.VO
L.EDL−7,No.6.JUNE 1986 356頁〜358頁参照）。例えば
上記文献１では第７図に示すように300Å程度のSi3N4膜
（18）と２μｍ程度のSiO2膜（17）からなる２重キャッ
ピング層（19）を用いる方法である。しかし、この方法
でも完全に集塊を防ぐことは不可能であり、且つ２重キ
ャッピング層（19）に対するわずらわしさもある。 本発明は、上述の点に鑑み、SiO2膜のみをキャッピン
グ層として用いて絶縁体上の半導体薄膜を固相アニール
する場合、または溶融再生結晶化する場合に、集塊現象
を抑制することができる単結晶薄膜の形成方法を提供す
るものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、絶縁体上に多結晶又は非結晶質の半導体薄
膜を形成し、エネルギー照射によって半導体薄膜を再結
晶化させる単結晶薄膜の形成方法において、半導体薄膜
上に水素を含まない酸化シリコン膜を形成し、これ上に
水素を含む酸化シリコン膜を形成し、これら酸化シリコ
ン膜をキャッピング層として、上記再結晶化の前に酸素
雰囲気中または窒素雰囲気中で熱処理するようになす。 ここで再結晶化とは、溶融再結晶化によって単結晶半
導体膜とする場合の溶融再結晶化、または固相アニール
によって結晶粒成長させる過程を経て単結晶半導体膜と
する場合の結晶粒成長過程を含むものである。エネルギ
ー照射の手段としては、グラファイト・ストリップ・ヒ
ータ，ハロゲンランプ，キセノンアークランプ，レーザ
ビーム，電子ビーム等の加熱手段を用いることができ
る。 再結晶化前の熱処理温度としては、半導体薄膜の溶融
温度以下とする。 〔作用〕 半導体薄膜上に水素を含まない酸化シリコン膜を形成
し、これの上に水素を含む酸化シリコン膜を形成し、再
結晶化、即ち溶融再結晶化または固相アニールを行う前
に酸素雰囲気中または窒素雰囲気中で熱処理することに
より、半導体薄膜における集塊現象が抑制され、高品位
の単結晶薄膜が得られる。この理由は、水素が抜けて多
孔性となり緻密化していない酸化シリコン膜を通して酸
素原子または窒素原子が、酸化シリコン膜と半導体薄膜
の界面に達し、界面で酸化または窒化が生じて、半導体
とのなじみが良くなること即ち、例えば溶融再結晶化時
に溶融した半導体原子の酸化シリコン膜に対する濡れが
良くなるためである。また熱処理でキャッピング層であ
る酸化シリコン膜自体も硬くなり、再結晶化の過程での
半導体の移動を抑える効果があるためである。 〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 参考例 先ず、本発明の実施例の説明に先立ち関連する参考例
を説明する。 本参考例は石英基板上に形成した多結晶シリコン薄膜
からなる半導体薄膜をグラファイト・ストリップ・ヒー
タによるゾーンメルト法で溶融結晶化して単結晶薄膜を
形成する際の集塊現象を除去する場合である。 先ず、第１図に示すように石英基板（21）の上にCVD
法により厚さ0.5μｍの多結晶シリコン薄膜（22）を被
着形成し、さらにその上にキャッピング層としてCVD法
により（760℃,30分）厚さ1.4μｍのSiO2膜（23）を被
着形成して試料（24）を作成する。 この試料（24）をこのままグラファイト・ストリップ
・ヒータによるゾーンメルト法で溶融再結晶化したとき
には、参考写真１の左部分（Ｉ）で示すように多くのボ
イド或はヒルロックが発生して実用に供し得ない。 これに対し、本例においては、キャッピング層である
SiO2膜（23）を、従ってこの場合試料（24）を酸素雰囲
気中で1000℃,2時間のアニール処理してから、同様にグ
ラファイト・ストリップ・ヒータによるゾーンメルト法
で多結晶シリコン薄膜（22）を溶融再結晶化する。本例
では再結晶化するとき、参考写真１の右部分（II）で示
すように集塊現象は全く見られず、良好な単結晶薄膜が
形成される。 アニール温度が1200℃〜1300℃であれば、アニール時
間は10分程度で十分であった。また、酸素雰囲気の他に
窒素雰囲気でも同様の効果が認められるが、多結晶シリ
コンの膜厚が薄い場合（2000Å以下）では窒素雰囲気よ
り酸素雰囲気の方が効果が大きいことが確められた。 ゾーンメルト再結晶化を行う前の酸素雰囲気中または
窒素雰囲気中のアニールが集塊防止に役立つ理由は２つ
ある。まず考えられることは緻密化していないCVD直後
のSiO2膜（23）は雰囲気ガスを通すと考えられ、SiO2膜
（23）を通った酸素原子または窒素原子がSiO2‐Si界面
に達し、界面での酸化または窒化を助長し、Siとのなじ
みが良くなることである。即ち、溶融したSi膜のSiO2膜
に対する濡れが良くなる効果である。もう一つは、高温
でキャッピング層であるSiO2膜それ自体が硬くなりキャ
ッピングの効果、即ちゾーンメルト時の溶融Siの移動を
抑える効果がより増大するためである。 なお、キャッピング層として、プラズマCVDで作ったS
iO2膜を用いた時は上記効果は少ない。これはプラズマC
VDで作ったSiO2の中には水素が可成り入っており、この
ため溶融Siとの濡れが改善されないためではないかと考
えられる。 実施例 本実施例では、石英基板上に形成した多結晶シリコン
薄膜からなる半導体薄膜をグラファイト・ストリップ・
ヒータによるゾーンメルト法で溶融結晶化して単結晶薄
膜を形成する際の集塊現象を除去する場合に、さらに半
導体薄膜上のキャッピング層を、半導体薄膜に接する水
素を含まない酸化シリコン膜とその上の水素を含む酸化
シリコン膜との２重構造膜をもって構成する。そして、
酸素雰囲気中または窒素雰囲気中でアニーム処理してか
ら溶融再結または固相結晶成長を行う。水素を含まない
酸化シリコン膜としてはCVD法によるSiO2膜（熱CVDSiO2
膜）、スパッタによるSiO2膜、蒸着によるSiO2膜を用い
ることができ、水素を含む酸化シリコン膜としてはプラ
ズマCVD法によるSiO2膜を用いることができる。水素を
含まないSiO2膜の薄厚は出来るだけ薄く、好ましくは0.
2μｍ以下とし、その上の水素を含むSiO2膜の薄厚は半
導体薄膜の膜厚以上とする。 半導体薄該の膜厚が薄くなると、半導体薄膜の界面で
の表面エネルギーが高くなり、溶融再結晶化又は固相ア
ニールする過程で半導体薄膜により凝集しやすくなる。
このために、半導体のキャップ層である酸化シリコン膜
への濡れ性を改善するためには、より多くの酸素原子又
は窒素原子を半導体薄膜と酸化シリコン膜の界面に供給
しなければならない。しかし、参考例で示したキャップ
層としてCVDSiO2膜のみの場合には、酸素原子又は窒素
原子を通すとはいうものの、通りにくくアニール時間を
かけても十分に供給できない。これに対し、この実施例
では半導体薄膜に接して薄い水素を含まない酸化シリコ
ン膜（例えばCVDSiO2膜）を被着し、その上に水素を含
む酸化シリコン膜（例えばプラズマCVDSiO2膜）を被着
して２重構造膜によるキャッピング層を形成して後、酸
素雰囲気中又は窒素雰囲気中でアニール処理している。
このアニール時に水素を含む酸化シリコン膜では水素が
出て多孔性となるため、酸素原子又は窒素原子がこの多
孔性となった酸化シリコン膜を通り、さらに薄い水素を
含まない酸化シリコン膜を通って十分に供給され、半導
体薄膜と反応し、溶融再結晶化または固相アニール時の
半導体のキャッピング層に対する濡れ、なじみが良くな
る。又、水素を含む酸化シリコン膜はキャッピング層の
アニールで硬くなり半導体の基板に沿っての移動を抑え
る役目をする。これにより、溶融再結晶或は固相結晶成
長を行うとき、半導体薄膜が集塊するのを防ぐことがで
き、特に絶縁基板又は絶縁層上に0.2μｍ以下の厚さの
薄い単結晶薄膜を作ることができる。 以下にその実施例を示す。本例は石英基板上に厚み0.
17μｍのシリコン単結晶薄膜を作る場合である。先ず、
第２図に示すように石英基板（21）上にCVD法により厚
さ0.17μｍの多結晶シリコン薄膜（22）を形成し、その
上に同様にCVD法による厚さ0.5μｍのSiO2膜（25）を形
成する。この多結晶シリコン薄膜（22）とCVDSiO2膜（2
5）は同一のCVD装置で連続的に行うことが出来る。多結
晶シリコン薄膜（22）は650℃、15分、SiH4/Arガスを流
して堆積し、CVDSiO2膜（25）は760℃,120分かけて堆積
する。次に、CVDSiO2膜（25）上にさらにプラズマCVD法
によって厚さ1.0μｍのSiO2膜（26）を60分かけて形成
し（使用ガスはSiH4/Ar＋N2O）、試料（27）を作成す
る。ここではCVDSiO2膜（25）とプラズマCVDSiO2膜（2
6）の２重構造の膜によってキャッピング層が形成され
る。この試料（27）を酸素雰囲気中で1000℃、200分の
アニール処理してから、グラファイト・ストリップ・ヒ
ータによるゾーンメルト法で多結晶シリコン薄膜（22）
を溶融再結晶化する。参考写真２の左下部（III）は本
例のゾーンメルト後の再結晶化表面の写真であり、集塊
現象が生じていないことがわかる。参考写真２の右上部
（IV）は、比較のためのもので多結晶シリコン薄膜（2
2）上にキャッピング層としてプラズマCVD法によるSiO2
膜（使用ガス10％ SiH4/Ar＋N2O、RF＝5W/10cmφ、Ts
＝260℃）のみを厚さ2.0μ被着した場合の、同じグラフ
ァイト・ストリップ・ヒータによるゾーンメルト後の再
結晶化表面の写真である。この場合の多結晶シリコン薄
膜は180μｍ幅のストライプパターンを有しているが、
ストライプの中心部に集塊している様子がわかる。一般
にゾーンメルト法で0.2μｍ以下の単結晶薄膜（所謂SOI
膜）を得ることは集塊により不可能であるが、本例では
プラズマCVDSiO2膜（26）とCVDSiO2膜（25）の２重構造
であるが故に均一な単結晶薄膜が基板全体で得られた。
このように多結晶シリコン薄膜が0.2μｍ以下でも集塊
しない理由は、前述したようにプラズマCVDSiO2膜（2
6）が多孔性で緻密でないために、雰囲気の酸素がプラ
ズマCVDSiO2膜を通ってさらに薄いCVDSiO2膜（25）をも
短時間で通過し、多結晶シリコン薄膜（22）の界面に達
する。従って、溶融シリコンのSiO2膜への濡れがよくな
り、しかもプラズマCVDSiO2膜がアニールで硬化し、半
導体の移動を抑え込む役目を果しているためと考えられ
る。この方法で作った厚さ1.0μｍの単結晶薄膜にＮチ
ャンネルのMOS-FETを試作した。易動度は600〜700cm2/V
・Ｓ、リーク電流は10-13A/μｍと小さい。第３図及び
第４図にこのＮチャンネルMOS-FETのID‐IDS特性及びID
−IG特性の例を示す。 上例では、石英基板上に多結晶シリコン薄膜及びキャ
ッピング層であるSiO2膜を形成した試料の場合である
が、Si基板表面の熱酸化によるSiO2膜上に多結晶シリコ
ン薄膜及びキャッピング層であるSiO2膜を形成した試料
の場合にも同様の効果が得られる。 上述の本方法によれば、SiO2膜/Si薄膜／SiO2膜（熱
酸化）又は石英基板構造におけるゾーンメルト再結晶化
において、従来不可能であったシリコン膜の集塊現象の
抑制が可能となるものであり、その結果高品質の所謂SO
I基板を作成することができる。 尚、上例では半導体薄膜としてSiを用いたが、Si以外
の半導体（例えばGe等）でも同様な効果が期待できる。
又、上例ではゾーンメルトの場合に適用したが、ゾーン
アニールの場合にも適用できる。又、本発明はゾーンメ
ルト法だけでなく、一括照射のアニール再結晶化の場合
も適用できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、絶縁体上の再結晶薄膜の形成におい
て、半導体薄膜の表面に水素を含まないSiO2膜を形成
し、その上に水素を含むSiO2膜を形成し、エネルギー照
射して再結晶化する前に酸素雰囲気中または窒素雰囲気
中で熱処理することにより、多孔性となったSiO2膜を通
じて酸素原子又は窒素原子が十分に供給され半導体薄膜
と反応し、SiO2膜と半導体薄膜との濡れを良くして再結
晶化時の集塊現象を抑制することができる。従って、高
品質の単結晶薄膜を形成することができる。
膜をエネルギー照射によって再結晶化させる単結晶薄膜
の形成方法に関する。 〔発明の概要〕 本発明は、絶縁体上に形成した半導体薄膜をエネルギ
ー照射によって再結晶化させる単結晶薄膜の形成方法に
おいて、半導体薄膜上に水素を含まないSiO2膜及びその
上に形成した水素を含むSiO2膜によるキャッピング層を
形成し、再結晶化を行う前に酸素雰囲気中又は窒素雰囲
気中で熱処理することにより、SiO2キャッピング層を改
質して再結晶化後の半導体薄膜の集塊現象をなくし高品
質の単結晶薄膜を形成するようにしたものである。 〔従来の技術〕 近時、絶縁基板上にシリコン単結晶薄膜を形成するSO
I（Silicon on Insulator）技術の開発が進められてい
る。絶縁基板上に良質なシリコン単結晶薄膜を形成する
方法としては、従来より第５図に示すような方法が知ら
れている。即ち絶縁基板として石英ガラス基板（１）又
は表面に熱酸化によるSiO2層（２）を有したシリコン基
板（３）を用い、これらの基板（１）又は（３）上にCV
D（化学気相成長）法により多結晶シリコン又は非晶質
シリコン薄膜（４）を厚さ0.1〜５μｍ程度堆積する。
さらに、このシリコン薄膜（４）の上にSiO2膜をCVD法
で0.5〜２μｍ程度形成してキャッピング層（５）とす
る。このようにして作成した試料（６）又は（７）をゾ
ーンメルト法（図示の例では下側グラファイト・ヒータ
（11）上に試料（６）又は（７）を配しその上に可動の
上側グラファイト・ストリップ・ヒータ（12）を配して
行う。その他、ハロゲンランプ，キセノンアークランプ
を用いたゾーンメルト法もある）、またはレーザビーム
照射法，電子ビーム照射法（即ちエネルギービーム（1
3）を走査する方法）を用いて、固相アニール又は溶融
再結晶化するものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、上述した固相アニールまたは溶融再結晶化
後のシリコン膜は結晶成長して良質な多結晶シリコン膜
または単結晶膜になるが、通常はこれらの過程でシリコ
ン膜が基板に沿って移動し、集塊（Agglomeration）を
生ずる。この結果、第６図Ａ及びＢに示すように、結晶
成長したシリコン膜（４）が局所的に集ってヒルロック
（15）を生じてSiO2のキャッピング層（５）が破壊する
に至るか、又は集塊の結果、一部基板面を露出させてボ
イド（16）を作る。 この様な集塊を防止するためには、キャッピング層
（５）であるSiO2膜の膜質を選びSiとのなじみのよいよ
うな膜質になるようにSiO2膜の形成条件を選択するが、
一般にはむずかしい。 そこでキャップ層として種々の工夫がなされている
（文献1:Appl.Phys.Lett.40（２）.15 January 1982 15
8頁〜160頁，文献2:IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS.VO
L.EDL−7,No.6.JUNE 1986 356頁〜358頁参照）。例えば
上記文献１では第７図に示すように300Å程度のSi3N4膜
（18）と２μｍ程度のSiO2膜（17）からなる２重キャッ
ピング層（19）を用いる方法である。しかし、この方法
でも完全に集塊を防ぐことは不可能であり、且つ２重キ
ャッピング層（19）に対するわずらわしさもある。 本発明は、上述の点に鑑み、SiO2膜のみをキャッピン
グ層として用いて絶縁体上の半導体薄膜を固相アニール
する場合、または溶融再生結晶化する場合に、集塊現象
を抑制することができる単結晶薄膜の形成方法を提供す
るものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、絶縁体上に多結晶又は非結晶質の半導体薄
膜を形成し、エネルギー照射によって半導体薄膜を再結
晶化させる単結晶薄膜の形成方法において、半導体薄膜
上に水素を含まない酸化シリコン膜を形成し、これ上に
水素を含む酸化シリコン膜を形成し、これら酸化シリコ
ン膜をキャッピング層として、上記再結晶化の前に酸素
雰囲気中または窒素雰囲気中で熱処理するようになす。 ここで再結晶化とは、溶融再結晶化によって単結晶半
導体膜とする場合の溶融再結晶化、または固相アニール
によって結晶粒成長させる過程を経て単結晶半導体膜と
する場合の結晶粒成長過程を含むものである。エネルギ
ー照射の手段としては、グラファイト・ストリップ・ヒ
ータ，ハロゲンランプ，キセノンアークランプ，レーザ
ビーム，電子ビーム等の加熱手段を用いることができ
る。 再結晶化前の熱処理温度としては、半導体薄膜の溶融
温度以下とする。 〔作用〕 半導体薄膜上に水素を含まない酸化シリコン膜を形成
し、これの上に水素を含む酸化シリコン膜を形成し、再
結晶化、即ち溶融再結晶化または固相アニールを行う前
に酸素雰囲気中または窒素雰囲気中で熱処理することに
より、半導体薄膜における集塊現象が抑制され、高品位
の単結晶薄膜が得られる。この理由は、水素が抜けて多
孔性となり緻密化していない酸化シリコン膜を通して酸
素原子または窒素原子が、酸化シリコン膜と半導体薄膜
の界面に達し、界面で酸化または窒化が生じて、半導体
とのなじみが良くなること即ち、例えば溶融再結晶化時
に溶融した半導体原子の酸化シリコン膜に対する濡れが
良くなるためである。また熱処理でキャッピング層であ
る酸化シリコン膜自体も硬くなり、再結晶化の過程での
半導体の移動を抑える効果があるためである。 〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 参考例 先ず、本発明の実施例の説明に先立ち関連する参考例
を説明する。 本参考例は石英基板上に形成した多結晶シリコン薄膜
からなる半導体薄膜をグラファイト・ストリップ・ヒー
タによるゾーンメルト法で溶融結晶化して単結晶薄膜を
形成する際の集塊現象を除去する場合である。 先ず、第１図に示すように石英基板（21）の上にCVD
法により厚さ0.5μｍの多結晶シリコン薄膜（22）を被
着形成し、さらにその上にキャッピング層としてCVD法
により（760℃,30分）厚さ1.4μｍのSiO2膜（23）を被
着形成して試料（24）を作成する。 この試料（24）をこのままグラファイト・ストリップ
・ヒータによるゾーンメルト法で溶融再結晶化したとき
には、参考写真１の左部分（Ｉ）で示すように多くのボ
イド或はヒルロックが発生して実用に供し得ない。 これに対し、本例においては、キャッピング層である
SiO2膜（23）を、従ってこの場合試料（24）を酸素雰囲
気中で1000℃,2時間のアニール処理してから、同様にグ
ラファイト・ストリップ・ヒータによるゾーンメルト法
で多結晶シリコン薄膜（22）を溶融再結晶化する。本例
では再結晶化するとき、参考写真１の右部分（II）で示
すように集塊現象は全く見られず、良好な単結晶薄膜が
形成される。 アニール温度が1200℃〜1300℃であれば、アニール時
間は10分程度で十分であった。また、酸素雰囲気の他に
窒素雰囲気でも同様の効果が認められるが、多結晶シリ
コンの膜厚が薄い場合（2000Å以下）では窒素雰囲気よ
り酸素雰囲気の方が効果が大きいことが確められた。 ゾーンメルト再結晶化を行う前の酸素雰囲気中または
窒素雰囲気中のアニールが集塊防止に役立つ理由は２つ
ある。まず考えられることは緻密化していないCVD直後
のSiO2膜（23）は雰囲気ガスを通すと考えられ、SiO2膜
（23）を通った酸素原子または窒素原子がSiO2‐Si界面
に達し、界面での酸化または窒化を助長し、Siとのなじ
みが良くなることである。即ち、溶融したSi膜のSiO2膜
に対する濡れが良くなる効果である。もう一つは、高温
でキャッピング層であるSiO2膜それ自体が硬くなりキャ
ッピングの効果、即ちゾーンメルト時の溶融Siの移動を
抑える効果がより増大するためである。 なお、キャッピング層として、プラズマCVDで作ったS
iO2膜を用いた時は上記効果は少ない。これはプラズマC
VDで作ったSiO2の中には水素が可成り入っており、この
ため溶融Siとの濡れが改善されないためではないかと考
えられる。 実施例 本実施例では、石英基板上に形成した多結晶シリコン
薄膜からなる半導体薄膜をグラファイト・ストリップ・
ヒータによるゾーンメルト法で溶融結晶化して単結晶薄
膜を形成する際の集塊現象を除去する場合に、さらに半
導体薄膜上のキャッピング層を、半導体薄膜に接する水
素を含まない酸化シリコン膜とその上の水素を含む酸化
シリコン膜との２重構造膜をもって構成する。そして、
酸素雰囲気中または窒素雰囲気中でアニーム処理してか
ら溶融再結または固相結晶成長を行う。水素を含まない
酸化シリコン膜としてはCVD法によるSiO2膜（熱CVDSiO2
膜）、スパッタによるSiO2膜、蒸着によるSiO2膜を用い
ることができ、水素を含む酸化シリコン膜としてはプラ
ズマCVD法によるSiO2膜を用いることができる。水素を
含まないSiO2膜の薄厚は出来るだけ薄く、好ましくは0.
2μｍ以下とし、その上の水素を含むSiO2膜の薄厚は半
導体薄膜の膜厚以上とする。 半導体薄該の膜厚が薄くなると、半導体薄膜の界面で
の表面エネルギーが高くなり、溶融再結晶化又は固相ア
ニールする過程で半導体薄膜により凝集しやすくなる。
このために、半導体のキャップ層である酸化シリコン膜
への濡れ性を改善するためには、より多くの酸素原子又
は窒素原子を半導体薄膜と酸化シリコン膜の界面に供給
しなければならない。しかし、参考例で示したキャップ
層としてCVDSiO2膜のみの場合には、酸素原子又は窒素
原子を通すとはいうものの、通りにくくアニール時間を
かけても十分に供給できない。これに対し、この実施例
では半導体薄膜に接して薄い水素を含まない酸化シリコ
ン膜（例えばCVDSiO2膜）を被着し、その上に水素を含
む酸化シリコン膜（例えばプラズマCVDSiO2膜）を被着
して２重構造膜によるキャッピング層を形成して後、酸
素雰囲気中又は窒素雰囲気中でアニール処理している。
このアニール時に水素を含む酸化シリコン膜では水素が
出て多孔性となるため、酸素原子又は窒素原子がこの多
孔性となった酸化シリコン膜を通り、さらに薄い水素を
含まない酸化シリコン膜を通って十分に供給され、半導
体薄膜と反応し、溶融再結晶化または固相アニール時の
半導体のキャッピング層に対する濡れ、なじみが良くな
る。又、水素を含む酸化シリコン膜はキャッピング層の
アニールで硬くなり半導体の基板に沿っての移動を抑え
る役目をする。これにより、溶融再結晶或は固相結晶成
長を行うとき、半導体薄膜が集塊するのを防ぐことがで
き、特に絶縁基板又は絶縁層上に0.2μｍ以下の厚さの
薄い単結晶薄膜を作ることができる。 以下にその実施例を示す。本例は石英基板上に厚み0.
17μｍのシリコン単結晶薄膜を作る場合である。先ず、
第２図に示すように石英基板（21）上にCVD法により厚
さ0.17μｍの多結晶シリコン薄膜（22）を形成し、その
上に同様にCVD法による厚さ0.5μｍのSiO2膜（25）を形
成する。この多結晶シリコン薄膜（22）とCVDSiO2膜（2
5）は同一のCVD装置で連続的に行うことが出来る。多結
晶シリコン薄膜（22）は650℃、15分、SiH4/Arガスを流
して堆積し、CVDSiO2膜（25）は760℃,120分かけて堆積
する。次に、CVDSiO2膜（25）上にさらにプラズマCVD法
によって厚さ1.0μｍのSiO2膜（26）を60分かけて形成
し（使用ガスはSiH4/Ar＋N2O）、試料（27）を作成す
る。ここではCVDSiO2膜（25）とプラズマCVDSiO2膜（2
6）の２重構造の膜によってキャッピング層が形成され
る。この試料（27）を酸素雰囲気中で1000℃、200分の
アニール処理してから、グラファイト・ストリップ・ヒ
ータによるゾーンメルト法で多結晶シリコン薄膜（22）
を溶融再結晶化する。参考写真２の左下部（III）は本
例のゾーンメルト後の再結晶化表面の写真であり、集塊
現象が生じていないことがわかる。参考写真２の右上部
（IV）は、比較のためのもので多結晶シリコン薄膜（2
2）上にキャッピング層としてプラズマCVD法によるSiO2
膜（使用ガス10％ SiH4/Ar＋N2O、RF＝5W/10cmφ、Ts
＝260℃）のみを厚さ2.0μ被着した場合の、同じグラフ
ァイト・ストリップ・ヒータによるゾーンメルト後の再
結晶化表面の写真である。この場合の多結晶シリコン薄
膜は180μｍ幅のストライプパターンを有しているが、
ストライプの中心部に集塊している様子がわかる。一般
にゾーンメルト法で0.2μｍ以下の単結晶薄膜（所謂SOI
膜）を得ることは集塊により不可能であるが、本例では
プラズマCVDSiO2膜（26）とCVDSiO2膜（25）の２重構造
であるが故に均一な単結晶薄膜が基板全体で得られた。
このように多結晶シリコン薄膜が0.2μｍ以下でも集塊
しない理由は、前述したようにプラズマCVDSiO2膜（2
6）が多孔性で緻密でないために、雰囲気の酸素がプラ
ズマCVDSiO2膜を通ってさらに薄いCVDSiO2膜（25）をも
短時間で通過し、多結晶シリコン薄膜（22）の界面に達
する。従って、溶融シリコンのSiO2膜への濡れがよくな
り、しかもプラズマCVDSiO2膜がアニールで硬化し、半
導体の移動を抑え込む役目を果しているためと考えられ
る。この方法で作った厚さ1.0μｍの単結晶薄膜にＮチ
ャンネルのMOS-FETを試作した。易動度は600〜700cm2/V
・Ｓ、リーク電流は10-13A/μｍと小さい。第３図及び
第４図にこのＮチャンネルMOS-FETのID‐IDS特性及びID
−IG特性の例を示す。 上例では、石英基板上に多結晶シリコン薄膜及びキャ
ッピング層であるSiO2膜を形成した試料の場合である
が、Si基板表面の熱酸化によるSiO2膜上に多結晶シリコ
ン薄膜及びキャッピング層であるSiO2膜を形成した試料
の場合にも同様の効果が得られる。 上述の本方法によれば、SiO2膜/Si薄膜／SiO2膜（熱
酸化）又は石英基板構造におけるゾーンメルト再結晶化
において、従来不可能であったシリコン膜の集塊現象の
抑制が可能となるものであり、その結果高品質の所謂SO
I基板を作成することができる。 尚、上例では半導体薄膜としてSiを用いたが、Si以外
の半導体（例えばGe等）でも同様な効果が期待できる。
又、上例ではゾーンメルトの場合に適用したが、ゾーン
アニールの場合にも適用できる。又、本発明はゾーンメ
ルト法だけでなく、一括照射のアニール再結晶化の場合
も適用できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、絶縁体上の再結晶薄膜の形成におい
て、半導体薄膜の表面に水素を含まないSiO2膜を形成
し、その上に水素を含むSiO2膜を形成し、エネルギー照
射して再結晶化する前に酸素雰囲気中または窒素雰囲気
中で熱処理することにより、多孔性となったSiO2膜を通
じて酸素原子又は窒素原子が十分に供給され半導体薄膜
と反応し、SiO2膜と半導体薄膜との濡れを良くして再結
晶化時の集塊現象を抑制することができる。従って、高
品質の単結晶薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は参考例で用いた試料の断面図、第２図は本発明
の実施例で用いた試料の断面図、第３図及び第４図は本
発明で得た単結晶薄膜に作成したMOS-FETの特性図、第
５図は従来の単結晶薄膜の形成方法を示す構成図、第６
図Ａ及びＢは再結晶化後の半導体薄膜の状態を示す要部
の平面図及びその断面図、第７図は従来の２重キャッピ
ング層を設けた試料の断面図である。 （１）（21）は石英基板、（４）は多結晶シリコン又は
非晶質シリコン薄膜、（５）（23）はSiO2膜、（22）は
多結晶シリコン薄膜、（25）はCVDSiO2膜、（26）はプ
ラズマCVDSiO2膜である。
の実施例で用いた試料の断面図、第３図及び第４図は本
発明で得た単結晶薄膜に作成したMOS-FETの特性図、第
５図は従来の単結晶薄膜の形成方法を示す構成図、第６
図Ａ及びＢは再結晶化後の半導体薄膜の状態を示す要部
の平面図及びその断面図、第７図は従来の２重キャッピ
ング層を設けた試料の断面図である。 （１）（21）は石英基板、（４）は多結晶シリコン又は
非晶質シリコン薄膜、（５）（23）はSiO2膜、（22）は
多結晶シリコン薄膜、（25）はCVDSiO2膜、（26）はプ
ラズマCVDSiO2膜である。
─────────────────────────────────────────────────────
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(56)参考文献 特開 昭60−15915（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−155121（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−93216（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．絶縁体上に半導体薄膜を形成し、エネルギー照射に
よって該半導体薄膜を再結晶化させる単結晶薄膜の形成
方法において、 上記半導体薄膜上に水素を含まない酸化シリコン膜を形
成し、その上に水素を含む酸化シリコン膜を形成し、上
記再結晶化の前に酸素雰囲気中又は窒素雰囲気中で熱処
理することを特徴とする単結晶薄膜の形成方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61-220292 | 1986-09-18 | ||
| JP22029286 | 1986-09-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63184319A JPS63184319A (ja) | 1988-07-29 |
| JP2699329B2 true JP2699329B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=16748879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61241089A Expired - Lifetime JP2699329B2 (ja) | 1986-09-18 | 1986-10-09 | 単結晶薄膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2699329B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200541079A (en) | 2004-06-04 | 2005-12-16 | Adv Lcd Tech Dev Ct Co Ltd | Crystallizing method, thin-film transistor manufacturing method, thin-film transistor, and display device |
| JP4769491B2 (ja) * | 2004-06-04 | 2011-09-07 | 株式会社 液晶先端技術開発センター | 結晶化方法、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタおよび表示装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6015915A (ja) * | 1983-07-08 | 1985-01-26 | Hitachi Ltd | 半導体基板の製造方法 |
-
1986
- 1986-10-09 JP JP61241089A patent/JP2699329B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63184319A (ja) | 1988-07-29 |
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |