JP2703334B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2703334B2 JP12015089A JP12015089A JP2703334B2 JP 2703334 B2 JP2703334 B2 JP 2703334B2 JP 12015089 A JP12015089 A JP 12015089A JP 12015089 A JP12015089 A JP 12015089A JP 2703334 B2 JP2703334 B2 JP 2703334B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、絶縁膜上に液晶成長によって単結晶層を
形成する技術に関し、特に基板に熱による変形を起こさ
ないようにしてこのような単結晶層を得るようにした半
導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a technique for forming a single crystal layer on a dielectric film by liquid crystal growth, and particularly to a technique for preventing a substrate from being deformed by heat. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which such a single crystal layer is obtained.

(従来の技術) 基板上にシリコン等の半導体単結晶膜を得る方法とし
て、酸化物の絶縁膜上に堆積させた多結晶シリコン膜を
エネルギービームによって融解し、単結晶化する方法が
知られていた。
(Prior Art) As a method of obtaining a semiconductor single crystal film of silicon or the like on a substrate, there is known a method of melting a polycrystalline silicon film deposited on an oxide insulating film by an energy beam to form a single crystal. Was.

上記方法においては、シリコン再結晶層の均一性を確
保するため、一度に大面積を溶解再結晶化することが有
効である。しかし、大面積を一度に溶かすと熱歪も大き
くなり、半導体単結晶層を形成した後基板の変形が起っ
てしまうものであった。
In the above method, it is effective to melt and recrystallize a large area at a time in order to ensure the uniformity of the silicon recrystallized layer. However, when a large area is melted at a time, the thermal strain increases, and the substrate is deformed after the semiconductor single crystal layer is formed.

次に、上記従来の液相成長による方法およびその問題
点について第4図を参照して説明する。
Next, the conventional liquid phase growth method and its problems will be described with reference to FIG.

第4図(a)は、上記従来の液相成長方法を示す説明
図である。図において、20は上面に薄い二酸化珪素(Si
O2)膜21を形成したシリコン半導体基板、22はSiO2膜21
上に堆積させたシリコンの非晶質膜である。この基板20
に対して、電子ビーム、イオンビームあるいはレーザー
ビーム等のエネルギービーム23を走査して照射し、非晶
質シリコン膜22を溶融させ基板を種として再結晶化する
ことにより、半導体単結晶膜を得る。
FIG. 4 (a) is an explanatory view showing the above-mentioned conventional liquid phase growth method. In the figure, reference numeral 20 denotes a thin silicon dioxide (Si
O 2 ) A silicon semiconductor substrate on which a film 21 is formed, and 22 is an SiO 2 film 21
It is an amorphous silicon film deposited thereon. This board 20
The semiconductor single crystal film is obtained by scanning and irradiating an energy beam 23 such as an electron beam, an ion beam, or a laser beam to melt the amorphous silicon film 22 and recrystallize the substrate using the substrate as a seed. .

(発明が解決しようとする課題) ところが、第4図(a)に示す単結晶膜の製造にあた
っては、大面積を一度に溶かすために、強いエネルギー
ビーム23を微細な領域に照射するため、非晶質膜21を含
む基板20が局在的に強く加熱され、基板に極端な温度勾
配を生じる。その結果、製造後の基板には熱歪みによる
変形が生じ、製品化上大きな問題となる。なお24は熱歪
みの等高線を概念的に示したものである。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in manufacturing the single crystal film shown in FIG. 4 (a), in order to melt a large area at a time, a strong energy beam 23 is applied to a fine region. The substrate 20 including the crystalline film 21 is locally and strongly heated, causing an extreme temperature gradient in the substrate. As a result, the substrate after manufacturing is deformed by thermal strain, which is a serious problem in commercialization. Note that reference numeral 24 conceptually shows contour lines of thermal strain.

このような熱歪みによる変形を防ぐために、第4
(b)に示すように、基板20を裏面からヒーター25によ
って加熱し、基板20全体の温度を上げてビーム23による
熱の局在的な集中を和らげる方法も考えられている。し
かしながら、この方法では図示するように熱歪み24は比
較的緩かな勾配を取るようになるが、実用上問題がない
程度基板の熱変形を減少させるには、いまだ十分でな
い。
In order to prevent such deformation due to thermal distortion, the fourth
As shown in (b), a method has been considered in which the substrate 20 is heated from the back side by the heater 25 to raise the temperature of the entire substrate 20 to reduce the local concentration of heat by the beam 23. However, in this method, although the thermal strain 24 has a relatively gentle gradient as shown in the figure, it is still not enough to reduce the thermal deformation of the substrate to a practically acceptable level.

この発明は、以上のような点に関しなされたもので、
その目的は、単結晶膜を液晶成長により形成する過程で
基板にはほとんど熱歪みが生じないようにして、製造後
の基板の変形を実用上問題がない程度に減少させること
ができる半導体装置の製造方法を提供することである。
The present invention has been made in view of the above points,
The purpose of the semiconductor device is to reduce the deformation of the substrate after the production to such a degree that practically no problem is caused by causing almost no thermal strain on the substrate in the process of forming the single crystal film by liquid crystal growth. It is to provide a manufacturing method.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、この発明に従う半導体装
置の製造方法は、シリコン基板上に絶縁膜と非晶質シリ
コン膜を層状に形成する工程と、 上記シリコン基板の裏面にそれぞれ所定の融点を有す
るインジウム−Pt合金およびインジウム−Pd合金の内の
1つから成る熱伝導性に優れた接着層を介在させて金属
板をはりつける工程と、 上記所定の融点以上の温度で上記接着層を予備加熱し
て上記接着層を溶解させる工程と、 上記接着層がその融点以下の温度となる様に上記シリ
コン基板上の非晶質シリコン膜に対してエネルギービー
ムを照射し液相成長によってこの非晶質シリコン膜を結
晶化しシリコンの単結晶膜を得る工程、 とを有している。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film and an amorphous silicon film in a layer on a silicon substrate. And bonding a metal plate to the back surface of the silicon substrate with an adhesive layer having excellent thermal conductivity made of one of an indium-Pt alloy and an indium-Pd alloy each having a predetermined melting point interposed therebetween, A step of pre-heating the adhesive layer at a temperature equal to or higher than a predetermined melting point to dissolve the adhesive layer; and a step of heating the amorphous silicon film on the silicon substrate so that the temperature of the adhesive layer is equal to or lower than the melting point. Irradiating an energy beam to crystallize the amorphous silicon film by liquid phase growth to obtain a silicon single crystal film.

(作用) 上記液相成長を行わせるにあたって、基板裏面と金属
板とを溶解状態の熱伝導性のよい接着層を介してはりつ
け、上記接着層が固体状態において、上記シリコン基板
上にエネルギービームを照射する様にしている。従っ
て、基板に局在して発生した熱は、上記接着層を介して
はりつけられた金属板を通じて速やかに周囲に拡散され
る。そのため、熱が基板の1点に集中するのが防止さ
れ、また全体として速やかに放熱が行われるので基板の
温度上昇を抑える結果となる。これによって、エネルギ
ービームの照射による基板の熱歪みの発生は効果的に減
少して実用上問題とならない程度となるので、基板変形
が抑えられる。
(Function) In performing the above-mentioned liquid phase growth, the back surface of the substrate and the metal plate are bonded to each other via an adhesive layer having good thermal conductivity in a dissolved state, and when the adhesive layer is in a solid state, an energy beam is applied onto the silicon substrate. Irradiation is performed. Therefore, the heat generated locally on the substrate is quickly diffused to the surroundings through the metal plate bonded via the adhesive layer. For this reason, heat is prevented from being concentrated on one point of the substrate, and heat is radiated quickly as a whole, so that a rise in the temperature of the substrate is suppressed. As a result, the occurrence of thermal distortion of the substrate due to the irradiation of the energy beam is effectively reduced to a level that does not pose a problem in practical use, so that substrate deformation is suppressed.

さらに、上記エネルギービームの照射時において、上
記接着層は固相状態となっているため、上記シリコン基
板は、上記接着層によって一定形状に保持されている。
従って、上記シリコン基板の変形はさらに抑えられるも
のである。
Further, at the time of irradiation with the energy beam, since the adhesive layer is in a solid state, the silicon substrate is held in a fixed shape by the adhesive layer.
Therefore, the deformation of the silicon substrate is further suppressed.

(実施例) 以下にこの発明の実施例を図面と共に詳細に説明す
る。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

第1図はこの発明の一実施例の説明に供する図であ
り、シリコン基板にエネルギービームを照射しながら液
相成長を行っている状態を示したものである。図示する
ようにこの方法では、先ず例えば(100)方位の単結晶
シリコン基板10上にCVD法によって2.0μm厚の二酸化珪
素膜11を形成し、さらに多結晶シリコンの再結晶時の核
となる部分としてこの二酸化珪素膜11の一部分を選択的
にエッチングして開口部12を形成する。なおこのエッチ
ングにはフッ化アンモニウム水溶液を用いた。次に開口
部12を含む二酸化珪素膜11の上部全面に、シラン(Si
H4)の熱分解を利用したCVD法によって0.8μm厚さの多
結晶シリコン膜13を堆積した後、さらにCVD法により厚
さ0.5mmの二酸化珪素(SiO2)膜18を堆積する。
FIG. 1 is a view for explaining one embodiment of the present invention, and shows a state in which liquid phase growth is performed while irradiating a silicon substrate with an energy beam. As shown in this figure, in this method, first, for example, a 2.0 μm thick silicon dioxide film 11 is formed on a (100) oriented single crystal silicon substrate 10 by a CVD method, and a portion serving as a nucleus during recrystallization of polycrystalline silicon is formed. The opening 12 is formed by selectively etching a part of the silicon dioxide film 11. Note that an aqueous solution of ammonium fluoride was used for this etching. Next, silane (Si) is applied to the entire upper surface of the silicon dioxide film 11 including the opening 12.
After a polycrystalline silicon film 13 having a thickness of 0.8 μm is deposited by a CVD method utilizing thermal decomposition of H 4 ), a silicon dioxide (SiO 2 ) film 18 having a thickness of 0.5 mm is further deposited by a CVD method.

以上のようにして基板10上に酸化物膜11,18とシリコ
ン膜13とを層状構造に形成した後、シリコン基板10の裏
面にタングステン金属板14をインジウム−Pt合金あるい
は、インジウム−Pd合金から成る接着層15を介在させて
貼り付ける。上記インジウム−Pt合金は、インジウムの
割合が65〜75%となっており、融点が894℃である。ま
た、上記インジウム−Pd合金は、インジウムの割合が68
〜78%となっており、融点は、800℃である。
After the oxide films 11, 18 and the silicon film 13 are formed in a layered structure on the substrate 10 as described above, the tungsten metal plate 14 is formed on the back surface of the silicon substrate 10 from an indium-Pt alloy or an indium-Pd alloy. It is pasted with the adhesive layer 15 formed therebetween. The indium-Pt alloy has an indium ratio of 65 to 75% and a melting point of 894 ° C. The indium-Pd alloy has an indium ratio of 68.
The melting point is 800 ° C.

次に、上記接着層15を基板10と共に800℃〜1000℃に
加熱し、上記接着層15を溶解させる。
Next, the adhesive layer 15 is heated to 800 ° C. to 1000 ° C. together with the substrate 10 to dissolve the adhesive layer 15.

その後、上記接着層15を基板10と共に、750℃北の温
度として、固体状態とする。従って、上記基板10と接着
層15とタングステン板14とは極めて、よく密着し、熱伝
導性がより向上する。
Thereafter, the adhesive layer 15 and the substrate 10 are brought to a solid state at a temperature of 750 ° C. north. Therefore, the substrate 10, the adhesive layer 15, and the tungsten plate 14 adhere very well, and the thermal conductivity is further improved.

以上のようにしてシリコン基板が用意されると、第1
図に示すように電子ビーム16を矢印の方向に走査して照
射すると、多結晶シリコン膜13は加熱された部分から融
解し、再結晶化し、単結晶シリコン膜が得られる。ここ
で、上記電子ビームの照射は、上記接着層15が750℃以
下の固体状態となる様に行なわれる。このとき電子ビー
ム16の照射部分にはかなりの熱が発生し、熱歪み17が発
生するが、この実施例の方法によれば、基板10の裏面に
接着層15を介してタングステン板14が密着性よく貼り付
けてあるので、熱はこれら両層を介して周囲に速やかに
伝達され、熱の1点への集中を防ぐと共に、外部へも放
熱して基板の温度上昇を抑える。そして、上記基板10
は、上記固体状態の接着層15によって一定形状に保持さ
れている。そのため、基板10に層じる熱歪みは実用上問
題とならない程度に減少し、シリコン基板の変形が殆ど
ない半導体層を得ることができる。また発明者らの実験
では、開口部から横方向エピタキシャル成長を継続して
行うことが可能であった。
When the silicon substrate is prepared as described above, the first
As shown in the figure, when the electron beam 16 is scanned and irradiated in the direction of the arrow, the polycrystalline silicon film 13 is melted from the heated portion and recrystallized to obtain a single crystal silicon film. Here, the irradiation of the electron beam is performed so that the adhesive layer 15 becomes a solid state at 750 ° C. or lower. At this time, considerable heat is generated in the irradiated portion of the electron beam 16 and thermal strain 17 is generated. However, according to the method of this embodiment, the tungsten plate 14 adheres to the back surface of the substrate 10 via the adhesive layer 15. The heat is quickly transferred to the surroundings through these two layers because it is adhered well, preventing heat from concentrating at one point and radiating heat to the outside to suppress a rise in the temperature of the substrate. Then, the substrate 10
Is held in a fixed shape by the solid-state adhesive layer 15. Therefore, the thermal strain applied to the substrate 10 is reduced to a level that does not cause a problem in practical use, and a semiconductor layer with almost no deformation of the silicon substrate can be obtained. Further, in the experiments by the inventors, it was possible to continue the lateral epitaxial growth from the opening.

なお発明者の実験では上記電子ビーム16の走査は、シ
ャーナルオブアプライドフィジックス誌(J.Apll.phy
s.)59巻(1986)2971頁に記載のハマサキ(T.Hamasak
i)等による論文に示された方法を用いた。即ち、50Mhz
の振幅変調した正弦波により半値幅約150μmのスポッ
トビームを一方向に高速偏向して、長さ約10mmに擬似的
に線状化した電子ビームを得た。またこのビームの振幅
変調には、周波数100KHzで線状化ビームの長さ方向の強
度分布を均一化するために、計算機制御された波形を持
つ変調波を用いた。このようにして線状化されたビーム
をビーム加速電圧10KV、ビーム電流12mA、走査速度100m
m/sで、線状化ビームと直角な方向に走査した。
In the experiment of the inventor, the scanning of the electron beam 16 was performed by the method of Shanar of Applied Physics (J. Apll.
s.) 59 (1986) p. 2971 (T. Hamasak
The method shown in the article by i) et al. was used. That is, 50Mhz
The spot beam having a half width of about 150 μm was rapidly deflected in one direction by an amplitude-modulated sine wave to obtain a pseudo linear electron beam having a length of about 10 mm. For the amplitude modulation of this beam, a modulated wave having a waveform controlled by a computer was used in order to equalize the intensity distribution in the length direction of the linearized beam at a frequency of 100 KHz. The beam linearized in this manner is subjected to a beam acceleration voltage of 10 KV, a beam current of 12 mA, and a scanning speed of 100 m.
At m / s, scanning was performed in a direction perpendicular to the linearized beam.

第2図はこの発明の他の実施例を示す図である。この
実施例では、シリコン基板10に酸化物絶縁膜11,18、非
晶質シリコン膜13を形成し、さらに基板10の裏面に接着
層15を介在させてタングステン板14を貼り付ける点で
は、上記第1図に示した方法と全く同じであるが、この
方法ではさらに基板10の裏面下側からヒーター17によっ
て基板10全体を加熱しながら試料面への電子ビームの走
査を行って液相成長による短結晶膜を形成することを特
徴としている。この方法によれば、タングステン板14を
介して基板10が全体に加熱され、そのために電子ビーム
の照射による基板の温度勾配がより緩かなものとなり、
熱歪みの発生がさらに緩和される。したがってシリコン
基板の熱による変形が殆どない半導体装置の単結晶膜を
得ることができる。なお電子ビームの照射方法は、上述
した第1図の方法と同じものを利用することができる。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, the oxide insulating films 11 and 18 and the amorphous silicon film 13 are formed on the silicon substrate 10, and the tungsten plate 14 is attached to the back surface of the substrate 10 with the adhesive layer 15 interposed therebetween. Although the method is exactly the same as the method shown in FIG. 1, this method further scans the sample surface with an electron beam while heating the entire substrate 10 from below the rear surface of the substrate 10 with a heater 17 to perform liquid phase growth. It is characterized in that a short crystal film is formed. According to this method, the substrate 10 is entirely heated through the tungsten plate 14, and therefore, the temperature gradient of the substrate due to the irradiation of the electron beam becomes gentler,
The occurrence of thermal distortion is further reduced. Therefore, a single crystal film of a semiconductor device in which the silicon substrate is hardly deformed by heat can be obtained. The electron beam irradiation method can be the same as the method shown in FIG. 1 described above.

第3図は、加熱領域の大きさのそのときのシリコンウ
エハの反りの関係を示したグラフである。即ちこのグラ
フは、横軸に加熱領域の大きさを示すものとして電子ビ
ームの線状化の長さをとり、縦軸にシリコン基板の変形
の程度を示すものとしてウエハの反りの程度をとってい
る。また、グラフ中、曲線Aは従来におけるウエハの変
形の程度を示し、曲線Bはこの発明の方法によるシリコ
ンウエハの変形の程度を示すものである。このグラフよ
り明らかなように、この発明の方法によるシリコンウエ
ハでは同じ加熱領域に対してその変形の度合いが従来法
によるものよりも大幅に改善されており、特に線状化の
長さ5mm以上でシリコン基板の変形を実用上問題がない
範囲に抑えながら単結晶化を行うことが可能となった。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the size of the heating area and the warpage of the silicon wafer at that time. In other words, in this graph, the horizontal axis indicates the linearization length of the electron beam as the size of the heating region, and the vertical axis indicates the degree of the warpage of the wafer as the degree of deformation of the silicon substrate. I have. In the graph, curve A indicates the degree of deformation of the conventional wafer, and curve B indicates the degree of deformation of the silicon wafer by the method of the present invention. As is clear from this graph, in the silicon wafer according to the method of the present invention, the degree of deformation for the same heating area is significantly improved as compared with the conventional method, particularly when the linearization length is 5 mm or more. It has become possible to perform single crystallization while suppressing deformation of the silicon substrate to a practically acceptable range.

なお上記タングステンの代わりにモリブデン、タンタ
ルあるいはレニウムを用いても、上述の実施例と同様の
効果を得ることができた。さらに上述の2例の実施例で
は、酸化物絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成しこれを
非晶質化しているが、酸化物絶縁膜上に直接非晶質シリ
コンを堆積させても良いことは勿論である。また、この
発明の方法はエネルギービームとして電子ビーム、イオ
ンビーム、レーザービーム等を用いる場合にすべて適用
することができるが、接着層材料としてインジウム合金
を用いると電子ビーム照射に対して特に有効である。こ
れはインジウム合金の真空中での蒸気圧が低いため、高
真空を要する電子ビーム照射に対してもその真空度を損
う恐れが無いためである。
It should be noted that the same effect as in the above-described embodiment could be obtained by using molybdenum, tantalum or rhenium instead of tungsten. Further, in the above two embodiments, the polycrystalline silicon film is formed on the oxide insulating film and made amorphous, but amorphous silicon may be directly deposited on the oxide insulating film. Of course. In addition, the method of the present invention can be applied to all cases where an electron beam, an ion beam, a laser beam, or the like is used as an energy beam. . This is because the vapor pressure of the indium alloy in a vacuum is low, so that the degree of vacuum is not impaired even by electron beam irradiation requiring a high vacuum.

[発明の効果] 以上実施例を挙げて詳述したように、この発明に従う
方法によれば、基板の1点に集中して発生した熱を速や
かに周囲に逃がしながらエネルギービームの利用による
液相成長を行って単結晶膜を得ることができるので、製
造後の基板に熱歪みによる変形をほとんど生じることが
ない。したがって変形のほとんどない基板を有する優れ
た半導体装置を得ることができる。
[Effects of the Invention] As described above in detail with reference to the embodiments, according to the method according to the present invention, the heat generated by concentrating at one point on the substrate is quickly released to the surroundings, and the liquid phase is formed by using the energy beam. Since the single crystal film can be obtained by growing, the substrate after the production hardly undergoes deformation due to thermal strain. Therefore, an excellent semiconductor device having a substrate with almost no deformation can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の一実施例の方法を説明するための概
略図、 第2図はこの発明の他の実施例の方法を説明するための
概略図、 第3図はエネルギービームによる加熱領域の大きさと基
板(ウエハ)の変形の程度を示すグラフ、 第4図は従来の製造方法を示す概略図である。 10……半導体基板 11,18……酸化物絶縁膜 13……非晶質シリコン膜 14……タングステン板 15……インジウム合金層(接着層) 16……電子ビーム
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method of one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a method of another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a heating region by an energy beam. FIG. 4 is a graph showing the size of the substrate and the degree of deformation of the substrate (wafer). FIG. 4 is a schematic diagram showing a conventional manufacturing method. 10 Semiconductor substrate 11, 18 Oxide insulating film 13 Amorphous silicon film 14 Tungsten plate 15 Indium alloy layer (adhesive layer) 16 Electron beam

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板表面に絶縁膜を介して非晶質
シリコン膜を形成する工程と、 上記シリコン基板の裏面に所定の融点を有するインジウ
ム−Pt合金又はインジウム−Pd合金の接着層を介して金
属板をはりつける工程と、 上記所定の融点以上の温度で上記接着層を予備加熱して
上記接着層を溶解させる工程と、 上記接着層が、その融点以下の温度となる様に上記シリ
コン基板上の非晶質シリコン膜に対してエネルギービー
ムを照射し液相成長によってこの非晶質シリコン膜を結
晶化しシリコンの単結晶膜を得る工程、 とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming an amorphous silicon film on a surface of a silicon substrate via an insulating film; and a step of bonding an indium-Pt alloy or an indium-Pd alloy having a predetermined melting point on a back surface of the silicon substrate. Bonding the metal plate, and preheating the adhesive layer at a temperature equal to or higher than the predetermined melting point to dissolve the adhesive layer. The silicon substrate so that the adhesive layer has a temperature equal to or lower than the melting point. Irradiating the upper amorphous silicon film with an energy beam and crystallizing the amorphous silicon film by liquid phase growth to obtain a single crystal silicon film. .
【請求項2】上記インジウム−Pt合金は、インジウムの
割合が65〜75%であり、上記インジウム−Pd合金は、イ
ンジウムの割合が68〜78%であることを特徴とする請求
項1に記載の半導体装置の製造方法。
2. The indium-Pt alloy according to claim 1, wherein the proportion of indium is 65-75%, and the indium-Pd alloy has a proportion of indium of 68-78%. Of manufacturing a semiconductor device.
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