JP2699347B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁基板上に形成した半導体層を溶融再結
晶化させてなる半導体基板の製造方法に関する。 〔発明の概要〕 本発明は、シリコン単結晶基板上に開口を有する絶縁
膜を形成し、全面に窒素、酸素、炭素又はセレンを含有
したシリコン層を形成し、開口に臨むシリコン単結晶基
板を種結晶としてシリコン層を溶融再結晶化させて単結
晶シリコン層を形成することにより、再結晶化の半導体
薄膜の凝集現象を防止して結晶性のよい単結晶薄膜を形
成するようにしたものである。 〔従来の技術〕 絶縁基板上にシリコン単結晶薄膜を形成するSOI（Sil
icon On Insulator）技術の開発が進められている。こ
のSOI構造の半導体基板を実現する１つの方法に溶融再
結晶化法が知られている。これは例えば第３図に示すよ
うにシリコン単結晶基板（１）の表面に一部開口（４）
を有するSiO₂膜（２）を形成し、この上に多結晶シリコ
ン又は非晶質シリコン等の非単結晶シリコン膜（３）を
堆積して後、エネルギービーム（例えば電子ビーム、レ
ーザビーム等）を照射し、非単結晶シリコン膜（３）を
一度溶融させ、このシリコン膜（３）が固化する際に開
口（４）に臨むシリコン基板（１）を種結晶部として之
よりSiO₂膜（２）上に向って横方向に再結晶化してシリ
コン単結晶薄膜を形成するものである。しかし、この場
合、溶融したシリコン膜（３）と下層のSiO₂膜（２）と
が剥離し、溶融シリコンの表面張力によって玉状に凝集
する現象（bead up）、即ちその結果第４図に示すよう
に溶融固化したシリコン膜（５）が局所的に凝集する現
象が多く観察される。 この凝集現象を防ぐために、例えば第５図に示すよう
に非単結晶シリコン膜（３）上にSiO₂膜（６）とSi₃N₄
膜（７）によるキャップ層（８）を形成して溶融再結晶
化する方法がある。しかし、この方法は凝集現象は防止
できるも、キャップ層（８）による物理的なストレスの
ために溶融再結晶化したシリコン単結晶薄膜の結晶性が
悪くなるという欠点がある。 これを解決するために、キャップ層（８）を用いない
で凝集現象を防止する方法も提案されている。例えば特
開昭58−14526号では第６図に示すようにシリコン単結
晶基板（１）上のSiO₂層（９）の表面を窒素を含むシリ
コン化合物層（10）とし、この上に非単結晶シリコン膜
（３）を形成して後、溶融再結晶化を行っている。これ
によれば、溶融されたシリコンの窒素含有シリコン化合
物層（10）への濡れがよいために再結晶化後も凝集が生
じない。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし乍ら、上述の特開昭58−14526号で示された技
術においては、溶融再結晶化後においても窒素を含むシ
リコン化合物層（10）が残る。従って、再結晶化された
シリコン単結晶薄膜にデバイスを形成した場合、例えば
MOSトランジスタでは、チャンネル領域が厚い場合には
問題が生じないが、薄膜化の傾向に伴いチャンネル領域
がより薄くなった場合にはキャリアがシリコン単結晶薄
膜と窒素含有シリコン化合物層の界面（いわゆるSi−Si
N界面）にトラップされ、メモリ作用によるVthの変化
（またこれに伴う誤動作）、或は移動度μの低下等デバ
イス特性が悪化する懼れが生ずる。 本発明は、上述の点に鑑み、半導体層の溶融再結晶化
においてキャップ層を設けることなく凝集現象を防ぎ、
しかもデバイスを作成したときにもデバイス特性に影響
ないようにしたSOI構造の半導体基板の製造方法を提供
するものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、シリコン単結晶基板（21）上に開口（22）
を有する絶縁膜（23）を形成し、全面に窒素、酸素、炭
素又はセレンを含有したシリコン層（24）を形成し、開
口（22）に臨むシリコン単結晶基板（21）を種結晶とし
てシリコン層（24）を溶融再結晶化させて単結晶シリコ
ン層（25）を形成する。 〔作用〕 シリコン層（24）に窒素、酸素、炭素又はセレンを含
有させることにより、このシリコン層（24）を溶融再結
晶化したとき、キャップ層を用いずとも溶融したシリコ
ンの凝集現象が防止され、結晶性の良い再結晶化膜が得
られる。又、本法によってSiO₂膜（23）上にシリコンの
再結晶化膜（25）を形成した場合、Si−SiO₂界面が存在
するのみで、SiとSiO₂間に他の不純物含有絶縁層は存在
しないため、界面状態は良い。従って再結晶化膜にデバ
イスを形成したときにもデバイス特性を劣化させること
がない。 〔実施例〕 以下、本発明による半導体基板の製造方法の実施例を
説明する。 本例においては、第１図Ａに示すようにシリコン単結
晶基板（21）の一面に熱酸化によりSiO₂膜（23）を形成
し、種結晶部に対応する部分のSiO₂膜を除去して開口
（23）を形成して後、CVD（化学気相成長）法にて全面
に多結晶シリコン膜（24）を形成し、この多結晶シリコ
ン膜（24）に電気的に不活性の不純物、例えば窒素を含
有せしめる。次に、ゾーンメルト法又はレーザビーム照
射法、電子ビーム照射法等により所謂エネルギー照射
し、開口（22）に臨む基板（21）を種結晶として多結晶
シリコン膜（24）を溶融再結晶化してシリコン単結晶薄
膜（25）を形成し、第１図Ｂに示すSOI構造の半導体基
板（26）を得る。 多結晶シリコン膜（24）に窒素を導入するには次のよ
うな方法がある。 （ｉ）SiO₂膜（23）を有する基板（21）上に多結晶シリ
コン膜（24）を形成した後、この試料を窒素性雰囲気
（N₂,NH₃,N₂H₂等窒素の誘導体全てを含む）中で直接、
あるいはプラズマ状態にした窒素性雰囲気中でアニール
して窒素を多結晶シリコン膜（24）中に導入する。第２
図は多結晶シリコン膜中における窒素濃度のアニール温
度依存性とアニール時間依存性を示すもので、直線
（Ｉ）はアニール時間15分一定としたときのアニール温
度依存性、直線（II）はアニール温度1100℃一定とした
ときのアニール時間依存性を示す。この第２図から明ら
かなように窒素性雰囲気中でアニールした場合には多結
晶シリコン膜中に窒素が導入され、しかもアニール温度
を変えることによって、導入される窒素濃度が顕著に変
化することが認められる。 （ii）窒素をイオン注入法にて多結晶シリコン膜（24）
中に導入する。窒素の導入に際しては、多結晶シリコン
膜中に窒素を均一に、或は凝集現象の防止や溶融再結晶
化後の膜質の向上を効果的にするような分布を持たせて
導入することもできる。又、この時の窒素分布として
は、多結晶シリコン膜の表面もしくは下層SiO₂膜との界
面に窒素濃度のピークが存することが望ましい。 （iii）多結晶シリコン膜をCVD法等により堆積する際に
反応雰囲気中に窒素性雰囲気（N₂,NH₃,N₂H₂等窒素の誘
導体）を導入して多結晶シリコン膜中に窒素を導入す
る。又基板（21）上に開口（22）を有するSiO₂膜（23）
を形成して後、エピタキシャル成長して種結晶部は単結
晶シリコンを、SiO₂膜（23）上は多結晶シリコンを成長
せしめる場合には、そのエピタキシャル成長する際に反
応雰囲気中に窒素性雰囲気を導入して多結晶シリコン膜
中に窒素を導入するようになす。この場合にも、（ii）
項で述べたように凝集現象の防止、溶融再結晶化後の膜
質向上のために窒素分布に変化を持たせるようにしても
よい。 （ｉ）、（ii）（時には（iii））の方法において、
窒素の導入はSOI部即ちSiO₂膜（23）上の多結晶シリコ
ン膜中に限定するのが望ましい。即ち種結晶部では、窒
素不純物を少なくする事によりきれいな結晶が得られ、
また窒素不純物が少ない程種結晶部の溶融が容易にな
る。（iii）の方法においてシリコン膜をエピタキシャ
ル成長させる構成の場合には、単結晶成長部では窒素不
純物が排斥されるために種結晶部の窒素含有量に比べて
SOI部の多結晶シリコン膜中の窒素含有量が多くなり、
凝集現象の防止が容易になる。 凝集現象防止効果を奏する窒素濃度の臨界値X_Nとして
は、 １×10¹⁷atoms/cm³≦X_N≦５×10¹⁷atoms/cm³ の範囲である。１×10¹⁷atoms/cm³より小さいと凝集現
象防止の効果が少なく、又５×10¹⁷atoms/cm³より大き
いと再結晶化膜の結晶性が悪くなる。 上述の本発明製法によれば、SiO₂膜（23）上に形成し
た多結晶シリコン膜（24）に窒素不純物を含有せしめて
溶融再結晶化することにより、従来のキャップ層を形成
することなく、溶融したシリコンの凝集現象を確実に防
止し大面積にわたってシリコン単結晶薄膜（25）を形成
することができる。そして、キャップ層を有しないため
に再結晶化された単結晶薄膜（25）は結晶性が良好であ
る。なお、参考写真Ｉ及びIIにおいて、N₂アニールした
場合と、N₂アニールなしの場合の再結晶化膜の状態を示
す。夫々試料はシリコンウェハの表面を熱酸化して厚み
0.5μｍのSiO₂膜を形成し、種結晶部に対応する部分のS
iO₂膜を除去して後、CVD法にて厚さ0.5μｍの多結晶シ
リコン膜を形成して構成される。この試料に対して、窒
素雰囲気中にて1100℃、５分のアニール処理を施して多
結晶シリコン膜中に窒素を含有させた後、電子ビームを
照射して（照射条件は、電圧10KV、電流1.0A、電子ビー
ム走査速度4m/sec程度、電子ビームサイズ200μｍ×20m
m）多結晶シリコン膜を溶融再結晶化したのが、参考写
真Ｉである。参考写真Ｉにおいて、（31）は種結晶部、
（32）はSOI部であり、SOI部では凝集現象が全くみられ
ず、符号ａで示すように単結晶成長している。しかし、
この場合には符号ｂで示すように扇形に結晶欠陥が入っ
ている。これは第２図で示すように窒素濃度が大きすぎ
ているためである。又、上記試料に対し、N₂アニールを
施さずに電子ビームを照射して（照射条件は、電圧10K
V、電流0.7A、電子走査速度4m/sec程度、電子ビームサ
イズ200μｍ×20mm）多結晶シリコン膜を溶融再結晶化
したのが参考写真IIである。参考写真IIにおいては全面
にわたって凝集が起きている。即ち黒色がSiで、黒点
（ｃ）が飛散したSiであり、下地SiO₂膜（ｄ）がむき出
しになっている。 一方シリコン単結晶薄膜（25）が形成された第１図Ｂ
のSOI構造の半導体基板（26）においては、単結晶薄膜
（25）と絶縁膜（23）との界面はSi−SiO₂界面であり、
界面状態は良好である。従って、この単結晶薄膜（25）
にデバイスを作成したときにもデバイス特性が影響を受
けることがない。 上例では不純物として窒素を用いたが、その他酸素、
炭素、セレン等を用いることもできる。この際、不純物
として酸素を用いると、シリコン中の酸素は、シリコン
の降伏応力を大きくすることから転位の運動、増殖が阻
止できるという利点がある。そして、酸素を用いた場
合、凝集現象防止効果を奏する酸素濃度の臨界値X₀とし
ては 10¹⁷atoms/cm³≦X₀≦10²⁰atoms/cm³ の範囲である。下限値より小さいと凝集現象防止の効果
が少なく、また上限値より大きいと再結晶化膜の膜中に
グレンバンダリが多数入り膜質が悪くなる。 そして酸素、炭素、セレン等の不純物も、上述の
（ｉ），（ii），（iii）の方法で多結晶シリコン膜に
導入することにより同様の効果が得られる。 又、上例では多結晶シリコン膜（24）を形成して溶融
再結晶化したが、非晶質シリコン膜を形成して溶融再結
晶化することもできる。 又、上例では種結晶部を用いて溶融再結晶化する場合
に適用したが、その他、種結晶部を用いず、シリコン基
板上にSiO₂膜を形成し、その上に非単結晶シリコン膜形
成してエネルギービームを照射して再結晶化する場合、
或は石英基板上に非単結晶シリコン膜を形成してエネル
ギービームを照射して再結晶化する場合にも本法を適用
できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、シリコン層に窒素、酸素、炭素又は
セレンを含有させて溶融再結晶化することによりキャッ
プ層を有することなく、溶融半導体層の凝集現象を防止
して良好な再結晶化膜を形成することができる。そし
て、キャップ層を有しないので、再結晶化膜の結晶性を
良くすることができ、また大面積にわたって再結晶化膜
を形成することができる。さらに再結晶化後において従
来のように再結晶化膜と絶縁基板間の他の不純物含有絶
縁層が存在しないので、再結晶化膜と絶縁基板間の界面
状態が良く、従って、この再結晶化膜にデバイスを作成
したときに、デバイス特性を損うことがない。

【図面の簡単な説明】 第１図Ａ及びＢは本発明の半導体基板の製造方法の実施
例を示す工程図、第２図は多結晶シリコン膜中における
窒素濃度のN₂アニールの温度依存性と時間依存性を示す
グラフ、第３図は本発明の説明に供する断面図、第４図
は再結晶化膜に凝集現象が起きた状態を示す断面図、第
５図及び第６図は夫々従来例を示す断面図である。 （１）（21）はシリコン単結晶基板、（２）（23）はSi
O₂膜、（３）は非単結晶シリコン膜、（24）は多結晶シ
リコン膜、（25）はシリコン単結晶薄膜である。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．シリコン単結晶基板上に開口を有する絶縁膜を形成
   し、 全面に窒素、酸素、炭素又はセレンを含有したシリコン
   層を形成し、上記開口に臨む上記シリコン単結晶基板を
   種結晶として上記シリコン層を溶融再結晶化させて単結
   晶シリコン層を形成することを特徴とする半導体基板の
   製造方法。