JP2857480B2 - 半導体膜の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電子回路を形成するために、絶縁下地上に形
成された単結晶半導体膜、いわゆるSOI（Silicon on In
sulator）構造と称される単結晶シリコン膜の製造方法
に関し、一般には再結晶化法と称される方法に属する方
法に関するものである。

本発明方法により製造される単結晶シリコン膜はアク
ティブマトリックス型液晶ディスプレー装置、高集積LS
I、高耐圧デバイス、耐放射線デバイス、三次元集積回
路など多くの分野に利用することができる。

（従来の技術） SOI構造形成技術は、再結晶化法、エピタキシャル成
長法、絶縁層埋込み法、張り合せ法などがある。SOI構
造形成技術の全般的な説明は「SOI構造形成技術」（産
業図書株式会社発行、昭和62年）に詳しく述べられてい
る。

再結晶化法のうち、レーザビーム再結晶化法では、絶
縁下地上に形成した多結晶又は非晶質のシリコン膜をレ
ーザビームのエネルギーで溶融し、その溶融部分を移動
させながら結晶成長を行なわせる。

レーザビーム照射による多結晶又は非晶質の膜内の温
度分布を改善して単結晶膜を得るために次のような試み
がなされる。

（ａ）光学系又は複数のレーザ光源を用いることによっ
てレーザビームのスポット内の温度分布を改善する。

（ｂ）試料膜表面に反射防止膜や光吸収膜を設け、入射
するレーザビームの吸収を変化させて温度分布を改善す
る。

（ｃ）試料の構造を変化させることにより場所的な熱放
散を変化させて温度分布を改善する。

張付け法では表面に酸化膜が形成された単結晶シリコ
ン基板同士を、酸化膜が互いに接触するように重ね合わ
せて、酸化雰囲気中で約700℃で熱処理することにより
接合させ、その後、一方のシリコン基板をエッチバック
法を用いて所定の厚さになるまでエッチングすることに
よりSOI基板を形成する。

（発明が解決しようとする課題） ガラス基板や絶縁膜上にシリコン膜を形成し、溶融さ
せ単結晶化させる場合、単結晶のシードになる部分がな
いため、単結晶膜の結晶軸が回転するなど、結晶軸制御
が困難である。

張付け法ではシリコン基板のエッチバックにドライエ
ッチング法を用いるとエッチングに長期間を要し、スル
ープットが悪くなったり、素子形成面にダメージを与え
るなどの問題が生じ、ウェットエッチング法を用いると
膜厚の均一性が悪くなったり、エッチングしない方のシ
リコン基板にマスクを設ける工程が必要になるなど種々
の問題点がある。

本発明は外部からシードを与えることにより単結晶膜
の結晶軸制御を行なって結晶性を向上させることのでき
る単結晶シリコン膜の製造方法を提供することを目的と
するものである。

本発明はまた、単結晶シリコン膜を選択的に成長させ
た基板を用い、他の基板上に溶融単結晶化させることに
より、結晶性のよい単結晶シリコン膜を効率よく選択的
に製造する方法を提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明では、表面の少なくとも一部が単結晶である第
１の基板表面を第２の基板の絶縁表面又は多結晶もしく
は非晶質のシリコン表面と密着させた状態でシリコン膜
を溶融させ単結晶化させた後、両基板を引き離す。

第１の基板を表面に単結晶シリコン膜を有する基板と
し、第２の基板を絶縁下地上に多結晶又は非晶質のシリ
コン膜を形成した基板とすることができる。第１の基板
は単結晶シリコン膜をエピタキシャル成長させることの
できる基板であり、例えばサファイア基板である。第１
の基板表面の単結晶シリコン膜を選択的に形成してお
き、第２の基板上に選択的に単結晶シリコン膜を形成す
ることもできる。

第１の基板をサファイア基板のみとすることもでき
る。

溶融単結晶後の単結晶シリコン膜を第２の基板に形成
されやすくするために、第２の基板では多結晶又は非晶
質のシリコン膜の真下にシリコン膜に対して濡れ性のよ
い絶縁膜を形成しておくことができる。濡れ性のよい絶
縁膜としては、例えばシリコン窒化膜を用いることがで
きる。ここで、「濡れ性がよい」という用語は、シリコ
ン膜との親和性が大きく、シリコン膜との密着力が強い
ことを意味している。

第１の基板を表面に単結晶シリコン膜を選択的に成長
させた基板とし、第２の基板はシリコンに対して第１の
基板表面より密着性のよい絶縁表面をもつ基板とするこ
ともできる。

シリコン膜を溶融させるエネルギーとして、例えばレ
ーザビーム又はその他の光ビームを照射する。

（作用） 第２の基板上の多結晶又は非晶質のシリコン膜に第１
の基板の単結晶シリコン膜を密着させた状態で溶融させ
た単結晶化させると、溶融したシリコン膜が冷却して単
結晶化するとき第１の基板の単結晶シリコン膜がシード
となってその単結晶シリコン膜の結晶方向を引き継ぎ、
結晶軸方向の制御された単結晶シリコン膜が形成され
る。

第１の基板がサファイア基板のみの場合は、サファイ
ア基板と接する多結晶又は非晶質のシリコン膜がエネル
ギービームで照射されて溶融し、冷却して単結晶化する
際、サファイアの結晶性がシリコン膜に伝達されるの
で、形成される単結晶シリコン膜の結晶軸の方向が制御
される。例えば、（１02）面をもつサファイア基板を
接触させると（100）面をもつシリコン単結晶膜が得ら
れ、（0001）面をもつサファイア基板を接触させると
（111）面をもつシリコン単結晶膜が得られる。

サファイア基板の表面に単結晶シリコン膜をもつSOS
（Silicon On Sapphire）基板を形成する方法として
は、サファイア基板上に高温で長時間に渡ってSiH₄を熱
分解させてシリコン単結晶膜をエピタキシャル成長させ
る方法があるが、その方法ではサファイア側からのAlの
オートドープの問題が生じる。しかし、第１の基板とし
てサファイア基板のみを用いる方法で、エネルギービー
ムとして例えばレーザビームを用い、短時間にシリコン
膜を加熱して溶融させ単結晶化させれば、Alのオートド
ープの問題はほとんど発生しない。

第２の基板で多結晶又は非晶質のシリコン膜の直下に
シリコン膜に対して濡れ性のよい絶縁膜を形成しておく
と、溶融単結晶化の後、両基板を引き離す際、単結晶シ
リコン膜が第１の基板側に移るのを防ぐことができる。

第１の基板上の単結晶シリコン膜と第２の基板の絶縁
表面とを接触させて重ね合わせ、シリコン膜を溶融させ
単結晶化させる場合は、第２の基板の絶縁表面がシリコ
ン窒化膜などの絶縁膜であるときは、第１の基板上の単
結晶シリコン膜が第２の基板の表面に溶融単結晶化す
る。第２の基板の絶縁表面が第１の基板表面よりシリコ
ンに対して密着性がよいので、溶融単結晶化後に両基板
を引き離す際、単結晶シリコン膜は第２の基板上に残
る。

（実施例） 第１図は一実施例を表わす。

（Ａ）ガラス基板１上にCVD法により約100〜200Åの厚
さのシリコン窒化膜２を堆積させ、その上に非晶質シリ
コン膜３をCVD法により約1000〜5000Åの厚さに堆積さ
せる。これとは別に、サファイア基板４上に単結晶シリ
コン膜５を約3000Åの厚さにエピタキシャル成長させ
る。

（Ｂ）非晶質シリコン膜３の表面及び単結晶シリコン膜
５の表面を清浄にするために適当な前処理を施す。前処
理として、例えばバッファド・フッ酸等で洗浄する。こ
れにより非晶質シリコン膜３上や単結晶シリコン膜５上
に形成された自然酸化膜が除去される。

前処理後、非晶質シリコン膜３と単結晶シリコン膜５
が密着するように直ちに両基板を重ね合わせる。

ガラス基板１の裏面側から出力4W程度のアルゴンイオ
ン・レーザビーム７を照射し、走査して被照射部６のシ
リコン膜を溶融させ単結晶化させる。

（Ｃ）ガラス基板１とサファイヤ基板４を引き離す。

ガラス基板１上には単結晶シリコン膜6aが形成され
る。

レーザービーム７の照射はガラス基板１側からに限ら
ず、サファイヤ基板４側から行なうようにしてもよい。

ガラス基板にシリコン膜を溶融単結晶化させる場合は
レーザービーム照射により行なうのが好都合である。こ
れは、ガラスの融点は材料によって異なるが、石英ガラ
スで約1600℃であり、シリコンの融点1410℃に近く、低
温プロセスが望まれるためである。レーザービームを照
射する方法であれば、局所的に加熱され、ガラス基板ま
では高温に加熱されない。

第２図は第２の実施例を表わす。

第１図と同様に試料を用意する。レーザービーム７を
照射する際、サファイア基板４の裏面に接して液状冷却
媒体８を設ける。冷却媒体８としては比較的高温まで蒸
発しない液状有機化合物、例えばポリエチレングリコー
ル、ポリエチレンエーテル、ポリエチレンエステル、ポ
リプロピレンオキシドなど、一般に表面活性剤として知
られるものを用いる。

冷却媒体８を設けるとサファイア基板４側の冷却速度
が速くなり、溶融部分６が冷却する際にサファイア基板
４上の単結晶シリコン膜５側から冷却し、単結晶シリコ
ン膜５がより有効にシードとして作用し、結晶軸方向が
引き継がれやすくなる。

上記の実施例においてガラス基板上にシリコン窒化膜
２を設け、その上に非晶質シリコン膜３を形成してい
る。シリコン窒化膜２はシリコン膜に対して濡れ性がよ
いので、シリコン膜が溶融単結晶化した後、両基板を引
き離す際に単結晶シリコン膜がサファイア基板側に移る
のを防ぐことができる。濡れ性のよい絶縁膜の他の例と
しては、シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成した
ものでもよい。その場合、例えばシリコン酸化膜の厚さ
を約1000Å、シリコン窒化膜の厚さを約100Åとすれば
よい。シリコン窒化膜よりは濡れ性は劣るが、ガラス基
板と非晶質シリコン膜の間にシリコン酸化膜のみを形成
しておくこともできる。その場合のシリコン酸化膜の厚
さは例えば約1000Åとする。また、ガラス基板上に多結
晶又は非晶質のシリコン膜を直接形成してもよい。

溶融させた単結晶化させようとするシリコン膜は多結
晶であってもよい。

レーザビーム７をサファイア基板側から照射するとき
は、レーザパワーなどはサファイアの吸収係数や厚さな
どを考慮して決定すればよい。

レーザビーム７は走査することにより線状に単結晶膜
を形成することができる。レーザビームの走査を広い面
積に渡って行なえば広い面積の単結晶膜を得ることがで
きる。

サファイア基板４はガラス基板に比べて高価である。
サファイア基板４上に単結晶シリコン膜５を形成したも
のをガラス基板上のシリコン膜上に密着させて溶融単結
晶化を行なうと、サファイア基板４上の単結晶シリコン
膜はなくなるので、サファイア基板４上の残りの単結晶
シリコン膜を全て除去した後、再びエピタキシャル成長
させることにより単結晶シリコン膜５を再生して使用す
ることができる。

第２の基板上には多結晶又は非晶質のシリコン膜を形
成し、これを溶融させ単結晶化させているが、シリコン
膜を設けず、第１の基板上の単結晶シリコン膜を第２の
基板上に接合させ、溶融単結晶化させてもよい。

第３図はさらに他の実施例を表わす。

（Ａ）ガラス基板11上に厚さが約100〜200Åのシリコン
窒化膜12をCVD法により形成し、その上に非晶質シリコ
ン膜13をCVD法により約1000〜5000Åの厚さに形成す
る。14はガラス基板11とは別に用意した厚さが約0.3mm
のサファイア基板である。

（Ｂ）非晶質シリコン膜13の表面と、非晶質シリコン膜
13と接触させるサファイア基板14の表面を清浄にするた
めに、バッファド・フッ酸による洗浄などの前処理を施
した後、直ちに非晶質シリコン膜13の表面にサファイア
基板14を密着させる。

サファイア基板14を通して出力3W程度のアルゴンイオ
ン・レーザビーム15を照射して走査し、非晶質シリコン
膜13を溶融させる。16は溶融部分である。溶融部分16は
冷却して単結晶化する。

（Ｃ）その後、サファイア基板14をガラス基板11から引
き離すとガラス基板11上に形成された単結晶シリコン膜
16aが得られる。

レーザビーム15はガラス基板11側から照射してもよ
い。

第６図はさらに他の実施例を表わす。

（Ａ）ガラス基板11上にシリコン窒化膜12を介して非晶
質シリコン膜13を形成する点は第３図と同じであるが、
サファイア基板17には非晶質シリコン膜13と密着する部
分だけが突出した凸部18を予め形成しておく。

（Ｂ）接触面を清浄にする前処理を施した後、凸部18の
表面が非晶質シリコン膜13と密着するようにサファイア
基板17を非晶質シリコン膜13上に重ね、サファイア基板
17側（又はガラス基板11側）から凸部18のある部分にレ
ーザビーム15を照射して非晶質シリコン膜13を溶融させ
単結晶化させる。

その後、サファイア基板17を引き離す。

本実施例では単結晶化させようとする部分だけ非晶質
シリコン膜13上にサファイア基板17の一部が接触するの
で、両者の密着性がよくなる。第３図のようにサファイ
ア基板14の全面を非晶質シリコン膜13上に密着させよう
とすると、ガラス基板11やサファイア基板14に反りがあ
る場合には非晶質シリコン膜13とサファイア基板14との
密着性が悪くなり、サファイア基板14から溶融単結晶化
部分への結晶性の伝達が不十分となる恐れがある。その
点、サファイア基板17を部分的に凸部18をもつように加
工することにより、密着性が向上し、サファイア基板17
の結晶性が溶融単結晶化部分へ伝達されやすくなる。

第５図は本発明を用いて液晶ディスプレー装置の基板
を製作する場合を示したものである。

アクティブマトリックス型の液晶ディスプレー装置で
は、ガラス板上にマトリックス状に薄膜トランジスタや
ダイオードなどの活性素子を形成する必要がある。これ
までは非晶質シリコン膜を用いて薄膜トランジスタやダ
イオードが形成されているので、キャリアの移動度や酸
化速度が場所により異なり、得られる薄膜トランジスタ
やダイオードは特性のばらつきの大きいものになってし
まう。

そこで、本実施例ではガラス基板19上にシリコン窒化
膜などの絶縁膜を介して又は直接に非晶質シリコン膜を
形成しておき、薄膜トランジスタやダイオードなどを形
成する領域（活性領域）に凸形状をもつサファイア基板
21の凸部を密着させ、第４図のようにレーザビームを照
射し、走査することにより活性領域20−１を溶融単結晶
化させる。続いてサファイア基板21を活性領域20−２へ
移動させて、同様の工程により活性領域20−２を溶融単
結晶化させる。

第５図ではサファイア基板21は小さいものですむの
で、サファイア基板が高価であるがコストは高くならな
い。

第６図は第５図のような液晶ディスプレイの基板のご
とく、多数の活性領域をもつ基板を作成する場合に用い
るのに好都合なサファイア基板を表わしている。

サファイア基板22の表面に複数の凸部23−1,23−2,…
…をもつように加工する。一方、ガラス基板上に非晶質
又は多結晶のシリコン膜を形成しておき、サファイア基
板22の凸部23−1,23−2,……がシリコン膜に密着するよ
うにガラス基板上にサファイア基板22を重ね、レーザビ
ームを照射して走査し、溶融単結晶化させる。

多数の凸部をもつサファイア基板22を用いることによ
り、サファイア基板を活性領域ごとに移動させる手間が
省ける。

第７図はさらに他の実施例を表わす。

第３図の実施例と同様に、ガラス基板11上にシリコン
窒化膜12を介して非晶質又は多結晶のシリコン膜13を形
成したものの上にサファイア基板14を重ねる。その後、
サファイア基板14の裏面に接してポリエチレングリコー
ルなどの液状冷却媒体24を設ける。

その後、外部からレーザビーム15を照射してシリコン
膜13を溶融単結晶化させる。

第７図の実施例によれば、溶融部分16からサファイア
基板14側への放熱効果が向上する。そのため、溶融部分
16が冷却されて単結晶化する過程において、サファイア
基板14側から単結晶化が始まることになり、サファイア
基板14の結晶性が一層よくシリコン膜へ伝達される。

第８図はさらに他の実施例を表わす。

（Ａ）サファイア基板32上にマスク材として例えばシリ
コン酸化膜34を形成し、後にSOI基板で活性領域となる
べきとろころのサファイア基板32が露出するようにシリ
コン酸化膜34を写真製版とエッチングによりパターン化
する。

（Ｂ）露光したサファイア基板上にSiH₄の熱分解など、
よく知られた方法で単結晶シリコン膜36をエピタキシャ
ル成長させる。単結晶シリコン膜36はシリコン酸化膜４
と同じ厚さとし、又は後に第11図で説明するようにシリ
コン酸化膜34より薄く形成したときはシリコン酸化膜34
をエッチングして単結晶シリコン膜36を突出させる。単
結晶シリコン膜36の膜厚は、後のサファイア基板剥離工
程及びその後の活性領域の深さなどを考慮して適当な値
に定める。単結晶シリコン膜36の膜厚を例えば約3000Å
とする。

（Ｃ）一方、シリコン基板38上にCVD法により約100〜20
0Åの厚さのシリコン窒化膜40を形成し、その上に非晶
質シリコン膜42をCVD法により約1000〜5000Åの厚さに
堆積させる。シリコン窒化膜はシリコン膜との密着性の
よい絶縁膜の一例として用いられている。

単結晶シリコン膜36の表面、シリコン酸化膜34の表
面、及び非晶質シリコン膜42の表面を清浄にするために
バッファド・フッ酸による洗浄などの適当な前処理を施
す。

前処理の後、単結晶シリコン膜36と非晶質シリコン膜
42が密着するように直ちに両基板を重ね合わせる。

この状態で、非晶質シリコン膜42を溶融単結晶化させ
る。溶融の方法としては、サファイア基板32側から例え
ば光出力が約２〜4Wのアルゴンレーザビームを照射し走
査する。単結晶化の際、サファイア基板32と非溶融部分
の単結晶シリコン膜36がシードとなって非晶質シリコン
膜42の単結晶化の際の結晶軸が制御される。

（Ｄ）単結晶化後、サファイア基板32をシリコン基板38
から引き離す。44は溶融単結晶化して形成された単結晶
シリコン膜であり、単結晶シリコン膜44はサファイア基
板32よりも密着性の優れたシリコン窒化膜40のあるシリ
コン基板38側に密着し、サファイア基板32とは分離され
る。これにより、シリコン基板38上の絶縁膜（シリコン
窒化膜）40上に単結晶シリコン膜44が島状に存在したSO
I構造となる。

第８図の工程（Ｃ）において非晶質シリコン膜42を溶
融単結晶化させる際、シリコン基板38に半導体素子など
が予め形成されていない場合には、レーザビームを照射
するのに変えてヒータで加熱することもできる。ヒータ
による加熱はサファイア基板32側から行なってもよく、
又はシリコン基板38側から行なってもよい。シリコン基
板38側を加熱しながら、線状ヒータをサファイア基板32
側に配し、サファイア基板32から一定の距離を保ちなが
ら一方向に走査してもよい。レーザビームを照射して加
熱するときは、レーザビーム径が数μｍと小さいため
に、試料の全面を溶融単結晶化させるのに長時間を要す
るのに対し、ヒータで試料全面を加熱すれば加熱時間が
短かくてすみ、また設備も安価なものですむ。

第９図はさらに他の実施例を表わす。

第８図の実施例と比較すると、第２の基板として非晶
質又は多結晶のシリコン膜を形成しない基板、例えばシ
リコン基板38上にシリコン窒化膜40を形成したものを用
いる。

サファイア基板32上にマスク材としてシリコン酸化膜
34を形成し、パターン化した後に単結晶シリコン膜36を
形成し、両基板の接触面を前処理により清浄にした後、
単結晶シリコン膜36とシリコン窒化膜40が接触するよう
に重ね合わせ、レーザビーム照射又はヒータ加熱により
単結晶シリコン膜36を溶融単結晶化させる。

その後、サファイア基板32をシリコン基板38から引き
離すと、シリコン基板38上のシリコン窒化膜40上に単結
晶シリコン膜が島状に形成されたSOI基板が得られる。

第９図の実施例では、サファイア基板32上に形成する
単結晶シリコン膜36の厚さを第８図の実施例のものより
も厚めに形成しておく。

第10図はさらに他の実施例を表わす。

第８図の実施例と同様に試料を用意する。溶融のエネ
ルギーとしてレーザビーム48を照射し、走査するが、そ
の際、サファイア基板32の裏面に接してポリエチレング
リコールなどの液状冷却媒体46を設ける。

冷却媒体46を設けるとサファイア基板32側の冷却速度
が速くなり、溶融部分が冷却する際にサファイア基板32
側から冷却し、サファイア基板32がより有効にシードと
して作用し、結晶軸方向が引き継がれやすくなる。

サファイア基板32に選択的に形成された単結晶シリコ
ン膜36は溶融単結晶化の後は活性領域となるので、単結
晶シリコン膜36に予め不純物をドーピングしておいても
よい。

溶融単結晶化の条件によってはマスク材であるシリコ
ン酸化膜34がシリコン基板38側に移ることもある。それ
でも問題はなく、場合によっては活性領域を島状に分離
するために用いることができ、好都合な場合もある。

サファイア基板32に単結晶シリコン膜36を選択的に成
長させる場合、その高さの調整が難しい。

第11図（Ａ）に示されるように、単結晶シリコン膜36
をシリコン酸化膜34の膜厚よりも厚く成長させた場合
は、単結晶シリコン膜36が横方向に広がり、溶融単結晶
化させたとき横方向に寸法のずれが生じる。そこで、
（Ｂ）に示されるように、単結晶シリコン膜36の膜厚を
シリコン酸化膜34の膜厚よりも薄く形成し、（Ｃ）に示
されるようにシリコン酸化膜34をエッチングして単結晶
シリコン膜36が突出するようにすれば、単結晶シリコン
膜36が第２の基板の表面と密着し、しかも横方向の寸法
精度もよくなる。（Ｃ）の状態にしたときは、シリコン
酸化膜34と第２の基板の表面との間に空洞ができ、そこ
に封止された気体が膨張する恐れもあるので、その場合
は真空中で両基板を密着させるようにすればよい。

外部からシードを与えることにより単結晶シリコン膜
の結晶軸制御を行なって結晶性を向上させるとともに、
単結晶化と同時に単結晶シリコン膜にパターン化を施す
ことのできる他の方法を第12図と第13図により説明す
る。第12図又は第13図の方法では、絶縁下地上に多結晶
又は非晶質のシリコン膜を形成し、その上にサファイア
基板又はサファイア基板にエピタキシャル成長させた単
結晶シリコン膜を密着させた状態でマスクを介してエネ
ルギービームを照射してシリコン膜を溶融結晶化させた
後、サファイア基板を引き離す。シリコン膜溶融のため
のエネルギーとして、例えばレーザビーム又はその他の
光ビームを照射する。

第12図の方法を説明する。

（Ａ）ガラス基板39上に厚さが約100〜200Åのシリコン
窒化膜40をCVD法により形成し、その上に非晶質シリコ
ン膜42をCVD法により約1000〜5000Åの厚さに形成す
る。32はガラス基板31とは別に用意した厚さが約0.3mm
のサファイア基板である。

（Ｂ）非晶質シリコン膜42の表面と、非晶質シリコン膜
42と接触させるサファイア基板32の表面を清浄にするた
めに、バッファド・フッ酸による洗浄などの前処理を施
した後、直ちに非晶質シリコン膜42の表面にサファイア
基板32を密着させる。

マスク49を介して、サファイア基板32を通してアルゴ
ンレーザビーム48を全面照射して非晶質シリコン膜42を
溶融させる。マスク49は例えばガラス基板にCrなどでパ
ターンを形成したものである。マスク49のパターンは後
に素子が形成される部分にCr膜のないパターンを用い
る。レーザビーム48の照射条件は、例えば光出力２〜10
W、走査速度20mm/秒、ビーム径５〜10μｍである。43は
溶融部分である。溶融部分43は冷却して単結晶化する。

（Ｃ）その後、サファイア基板32をガラス基板39から引
き離すとガラス基板39上にシリコン窒化膜40を介してパ
ターン化されて形成された単結晶シリコン膜43aが得ら
れる。

アクティブマトリックス型の液晶ディスプレー装置で
は、ガラス基板上にマトリックス状に薄膜トランジスタ
やダイオードなどの活性素子を形成する必要がある。こ
れまでは非晶質シリコン膜を用いて薄膜トランジスタや
ダイオードが形成されているので、キャリアの移動度や
酸化速度が場所により異なり、得られる薄膜トランジス
タやダイオードは特性のばらつきの大きいものになって
しまう。

そこで、第12図の方法では、薄膜トランジスタやダイ
オードなどを形成する領域（活性領域）にCrパターンの
開口をもつマスク49を用いてレーザビームを照射し、走
査することにより活性領域を溶融単結晶化させることが
できる。

第13図は第12図の変形方法である。

第12図では非晶質（又は多結晶）のシリコン膜42上に
サファイア基板32を接触させるのに対し、第13図ではサ
ファイア基板32上に単結晶シリコン脈36を約3000Åの厚
さにエピタキシャル成長させておき、シリコン膜42上に
単結晶シリコン膜36を接触させる。このときも接触面を
清浄にするために、バッファド・フッ酸による洗浄など
の前処理を施す。

その後、第12図と同じく、マスク49を介してレーザビ
ーム48を照射してシリコン膜を溶融単結晶化させる。

第12図又は第13図では絶縁下地上に多結晶又は非晶質
のシリコン膜を全面に形成しておいても、エネルギービ
ームを照射する際、マスクを介して照射するので、溶融
単結晶化したシリコン膜がパターン化されており、従来
のように写真製版やエッチングなどの工程を経ずに微細
パターンを形成することができる。

第14図は第８図の実施例により形成されるSOI構造を
用いてNMOSトランジスタを形成した例を表わしたもので
ある。

溶融単結晶化した単結晶シリコン膜44にＰ型不純物を
導入してＰウエル50とし、ソース・ドレインとなるN⁺拡
散層52,54を形成する。ゲート酸化膜56を介して多結晶
シリコンにてなるゲート電極58を形成し、コンタクトホ
ールを介してソース・ドレイン52,54にそれぞれアルミ
ニウム配線62,64を接続している。

第14図のNMOSトランジスタの寸法の一例を示すと、単
結晶シリコン膜44の厚さは約8000Å、シリコン窒化膜40
の厚さは約200Å、単結晶化されなかった非晶質シリコ
ン膜42の厚さは約5000Åである。

本発明により形成される単結晶シリコン膜を用いると
MOSトランジスタに限らず、種々のデバイスを形成する
ことができる。

形成される単結晶シリコン膜とシリコン基板38又はガ
ラス基板39の間にシリコン窒化膜40を形成しておけば、
シリコン窒化膜０はシリコン膜と親和性がよく密着力が
強いので、シリコン膜が溶融単結晶化した後、両基板を
引き離す際に単結晶シリコン膜44がサファイア基板32側
に移るのを防ぐことができる。

（発明の効果） 本発明では表面の少なくとも一部が単結晶である第１
の基板表面を第２の基板の絶縁表面又は多結晶もしくは
非晶質のシリコン表面と密着させた状態でシリコン膜を
溶融させ単結晶化させた後、両基板を引き離すようにし
たので、シリコン膜を溶融させ単結晶化させる際、第１
の基板の単結晶表面の結晶方向を引き継いで結晶軸方向
が制御された単結晶シリコン膜が形成される。

第１の基板では表面に単結晶シリコン膜を形成してお
き、第２の基板では絶縁下地上に多結晶又は非晶質のシ
リコン膜を形成しておくと、シリコン膜の溶融単結晶化
の際、第１の基板上の単結晶シリコン膜の結晶方向が引
き継がれる。

第１の基板をサファイア基板とし、第２の基板では絶
縁下地上に多結晶又は非晶質のシリコン膜を形成してお
くと、シリコン膜の溶融単結晶化の際、単結晶化する部
分にサファイア基板の結晶性が伝達されて結晶軸方向の
制御された単結晶シリコン膜を得ることができる。

第２の基板で多結晶又は非晶質のシリコン膜の真下に
シリコン膜に対して濡れ性のよい絶縁膜を形成しておく
と、溶融単結晶化後に両基板を引き離す際の歩留まりが
向上する。

第１の基板上に単結晶シリコン膜を選択的に形成して
おけば、得られるSOI基板の単結晶シリコン膜がすでに
パターン化された状態となり、活性領域の素子分離がな
された状態でSOI基板が形成される。したがって素子分
離工程を省略することができる。

SOI構造の単結晶シリコン膜の素子分離は高耐圧であ
る。つまり、活性領域が島状に存在しているので、高い
素子分離特性を得ることができる。

SOI基板の表面がデバイス特性上で最も重要な役割を
果たすが、その表面はサファイア基板に気相成長で作成
することができるので、良好な結晶を得ることができ
る。サファイア基板全面に単結晶シリコン膜を成長させ
るのに比べて、選択的に成長させると、溶融単結晶化後
にサファイア基板を第２の基板から剥離する際、単結晶
シリコン膜とサファイア基板との密着性が悪くなるので
単結晶シリコン膜がサファイア基板に残ることが少なく
なり、歩留まりが向上する。

サファイア基板はシリコン基板やガラス基板に比べる
と高価ではあるが、サファイア基板上に単結晶シリコン
膜を繰返し成長させることによってサファイア基板を繰
返し使用することができ、コストを低下させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す工程断面図、第２図は他の実施
例における途中工程を示す断面図、第３図はさらに他の
実施例を示す工程断面図、第４図はさらに他の実施例を
示す工程断面図、第５図は一実施例の応用例を示す斜視
図、第６図は他の応用例で用いるサファイア基板を示す
平面図、第７図はさらに他の実施例の工程の途中段階を
示す断面図、第８図はさらに他の実施例を示す工程断面
図、第９図及び第10図はそれぞれさらに他の実施例にお
ける途中工程を示す断面図、第11図はサファイア基板上
に単結晶シリコン膜を選択的に形成する工程を示す断面
図、第12図及び第13図はそれぞれ単結晶シリコン膜を選
択的に形成する他の方法を示す工程断面図、第14図は得
られたSOI構造にNMOSトランジスタを形成した例を示す
断面図である。 1,11……ガラス基板、2,12,40……シリコン窒化膜、3,1
3,42……非晶質シリコン膜、4,14,17,18,21,22,32……
サファイア基板、5,36……単結晶シリコン膜、6,16……
溶融部分、6a,16a,44……単結晶化されたシリコン脈、
7,15,48……レーザビーム、23−1,23−２……サファイ
ア基板の凸部、34……シリコン酸化膜、38……シリコン
基板、46……ポリエチレングリコール。

フロントページの続き (72)発明者 岸本 明子 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 27/12 H01L 21/20 H01L 21/762

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面の少なくとも一部が単結晶である第１
   の基板表面を第２の基板の絶縁表面又は多結晶もしくは
   非晶質のシリコン表面と密着させた状態でシリコン膜を
   溶融させ単結晶化させた後、両基板を引き離す半導体膜
   の製造方法。
2. 【請求項２】第１の基板は表面に単結晶シリコン膜を有
   し、第２の基板は絶縁下地上に多結晶又は非晶質のシリ
   コン膜を形成したものである請求項１に記載の半導体膜
   の製造方法。
3. 【請求項３】第１の基板表面上の単結晶シリコン膜は選
   択的に形成されている請求項２に記載の半導体膜の製造
   方法。
4. 【請求項４】第１の基板はサファイア基板であり、サフ
   ァイア基板表面にマスク材を形成してパターン化するこ
   とによりサファイア基板表面を選択的に露出させ、露出
   したサファイア基板表面に単結晶シリコン膜をエピタキ
   シャル成長させて選択的に形成された単結晶シリコン膜
   を得る請求項３に記載の半導体膜の製造方法。
5. 【請求項５】第１の基板はサファイア基板のみであり、
   第２の基板は絶縁下地上に多結晶又は非晶質のシリコン
   膜を形成したものである請求項１に記載の半導体膜の製
   造方法。
6. 【請求項６】第２の基板で多結晶又は非晶質のシリコン
   膜の直下にはシリコン膜に対して濡れ性のよい絶縁膜を
   形成しておく請求項2,3,4又は５に記載の半導体膜の製
   造方法。
7. 【請求項７】第１の基板は表面に単結晶シリコン膜を選
   択的に成長させた基板であり、第２の基板はシリコンに
   対して第１の基板表面より密着性のよい絶縁表面をもつ
   基板である請求項１に記載の半導体膜の製造方法。
8. 【請求項８】第２の基板は表面にシリコン窒化膜が成膜
   されたものである請求項７に記載の半導体膜の製造方
   法。