JP2919513B2 - 薄膜半導体とその製造方法 - Google Patents

薄膜半導体とその製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、MOS構造以外のデバイス、例えばバイポー
ラトランジスタデバイスのような結晶面が(111)面を
有する活性層を必要とする分野で有用な薄膜半導体とそ
の製法に関する。
〔従来技術〕
絶縁性材料上に単結晶シリコン薄膜を形成する技術は
SOI技術として近年盛んに研究されているが、多くは集
積回路の高性能化を主たる目的として行なわれてきたの
で、研究の重点がシリコンウエハーを用いた3次元LSI
の実現に向けられている。ガラス基板上での単結晶シリ
コン薄膜の形成に関しては研究例が少ないが、石英ガラ
ス基板上で多結晶シリコン薄膜を形成し、その上に表面
保護層として酸化シリコン膜を形成し、石英ガラス基板
と酸化シリコン膜にはさまれた多結晶シリコン層を外部
から供給する熱により帯状に溶融し、再結晶化させた場
合には、単結晶シリコン薄膜が得られることが知られて
いる。このような手法は帯域溶融再結晶化法(Zone Mel
ting Recrystallization法、以下ZMR法と略す)と呼ば
れており、多結晶シリコン層を溶融させる加熱源として
ストップヒーター加熱、カーボンセサプタを用いた高周
波加熱、ハロゲンランプ加熱、レーザー加熱、電子ビー
ム(Electron Beam以下EBと略す)加熱等の例がある。
これら種々の加熱源を用いたZMR法において、特に基
板材料に石英ガラスのような結晶材料ではない材料を用
いる場合には、シリコンを溶融再結晶化させる時に基板
材料を再結晶の時の種結晶として用いることができず、
溶融再結晶化させるシリコンの結晶配向性(ここでは基
板表面に平行な結晶面を再結晶化膜の配向面と呼ぶ)を
制御することはできない。基板に石英ガラスを用いた場
合、石英ガラス上に溶融再結晶化させる多結晶シリコン
層を、さらにその表面にSiO2あるいはSiOといったシリ
コンの酸化物が主成分であるような層を設けて表面保護
層とした積層体をつくり、この中間層である多結晶シリ
コン層を帯状に溶融再結晶化させると種々の条件を最適
化した場合には再現性よく多結晶シリコン層を単結晶シ
リコン層を変えることができ、得られた再結晶化膜(単
結晶シリコン層)は(100)面配向をもつものになるこ
とが知られている。なおZMR法においては上述の表面保
護層は不可欠なものである。なぜなら、ZMR法において
表面保護層を形成せずにシリコンを溶融再結晶化させよ
うとすると、溶融シリコンはその表面張力により基板上
で球状に固化してしまい〔この現象をビードアップ(be
ad up)と称する〕、このようにして得られた再結晶化
膜はもはや薄膜半導体材料としては機能しなくなるから
である。
シリコンの(100)面は、この面における原子密度の
低さからMOS構造とした場合、界面準位密度の低いシリ
コン−シリコン酸化膜界面が得られるため、MOS構造の
デバイスを形成する場合には都合が良い。しかしながら
MOS以外のデバイス、例えばバイポーラトランジスタデ
バイスにはシリコンの(111)面が使用されることが多
い。更には、シリコン上にシリコンと異なる結晶材料を
成長させようとする、いわゆるヘテロエピクタシー技術
への応用を考えた場合、基板となるシリコンの結晶面は
種々選択できることが望ましい。しかしながら石英ガラ
ス基板を用いたシリコン薄膜のZMR法において安定に得
られる再結晶化膜の結晶配向性が(100)面以外のもの
であるという例はまだなく、この結晶配向面の自由度の
ないことがZMR−シリコン膜の欠点の1つであった。本
発明はこの問題点を解決しようとするものである。
〔目的〕
本発明は、石英ガラス基板上に今まで形成することの
できなかった結晶面が(111)面をもつ単結晶シリコン
層をもつ新しい薄膜半導体とその製法を提供する点にあ
る。
〔構成〕
本発明の第1は、石英ガラス基板上に多結晶あるいは
非晶質シリコンよりなるシリコン層を形成し、この上に
表面保護層を形成した後、前記シリコン層を帯状に溶融
し、再結晶化させる溶融再結晶化法により単結晶シリコ
ン層に変換するにさいし、溶融したシリコンの温度を14
30℃〜1440℃の範囲に保って再結晶化させることによ
り、前記シリコン層を(111)面の単結晶層とすること
を特徴とする薄膜半導体の製造方法に関し、本発明の第
2は、石英ガラス基板、請求項1記載の方法により形成
された結晶面が(111)面である単結晶シリコン層、表
面保護層の順で積層されていることを特徴とする薄膜半
導体に関する。
溶融再結晶化により単結晶化されるシリコン層203は
まず多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンの層により
構成される。この層はプラズマCVD法、熱CVD法、光CVD
法、LP−CVD法、MOCVD法、スパッタ法、真空蒸着法等の
各種製膜方法を用いて石英ガラス基板上に形成する。膜
厚は通常約0.1〜5μm、望ましくは約0.1〜1.5μmで
ある。
表面保護層204は溶融再結晶シリコン薄膜の作成にお
いて不可欠のものである。表面保護層としてはシリコン
の融点より高い融点を持つ材料が用いられ、望ましい材
料としてSiO2,SiO,Si3N4,SiN等の一層構成もしくはこれ
らの薄膜の組合せによる多層構成が用いられる。これら
の材料をプラズマCVD法、熱CVD法、光CVD法、LP−CVD
法、MOCVD法、スパッタ法、真空蒸着法等の各種製膜方
法を用いて多結晶又は非晶質シリコン上に形成する。膜
厚は通常約0.5〜5μm、望ましくは約1.0〜2.0μmで
ある。この表面保護層は通常単結晶化工程の終了後にエ
ッチングなどの手段により除去される層である。
次にこの多結晶あるいは非晶質シリコン膜は溶融再結
晶法(ZMR法)により単結晶シリコン薄膜化される。
この溶融再結晶化のための加熱手段としては、 (1)高周波加熱カーボンサセプタ法 (2)赤外線ランプ加熱法 (3)ストリップヒータ加熱法 などがある。
〔実施例〕
以下実施例を用いて本発明の詳細を説明する。
実施例 本実施例はZMR法において、シリコンを溶融させる熱
源としてカーボンで製造された線状のヒーターによる加
熱法を用いている。装置の概略を第1図に示す。
101は、内部にヒーターが組み込まれた試料ステージ
で、ボールネジ110とモーター109により図中Y方向に任
意の速度で移動可能となっている。102は、本実施例に
使用する試料で第2図に示すような構成になっている。
103は、試料102のシリコン層を溶融させるための熱量を
与えるカーボン製の棒状ヒーターで、試料102上に試料
表面と等距離を保って配置されている。なおこのカーボ
ン製の棒状ヒーターはその加熱により試料のシリコン層
を溶融した時に、溶融シリコン部の温度が試料102の基
板上で±0.5℃の温度範囲に入るように、その形状を加
工してある。104は、非接触の温度計で、試料102上に形
成された溶融シリコン部の温度を検出できるように設置
されている。温度計104より発せられる温度信号は温度
検出回路105を介して、ヒーター温度制御回路106に伝達
される。ヒーター温度制御回路106は温度信号によりカ
ーボン製棒状ヒーター103のヒーター電源107を制御し、
試料102の溶融再結晶化を通じて、溶融シリコン部の温
度を±0.5℃の範囲で一定に保つ。単結晶化される試料1
02を第2図を用いて説明する。
基板201は厚さ1.0mmの透明石英ガラスである。この基
板201を常法により洗浄し、シラン(SiH4)ガスを原料
として減圧化学気相成長(LPCVD)法により多結晶シリ
コン薄膜を3200Åの膜厚で形成した。形成条件は、 圧 力:1.0Torr ガス流料:SiH4,5ml/min N2 50ml/min 温 度:650℃ 得られた多結晶シリコンは(110)面配向のもので粒
径はおおよそ500Åであった。次にこの多結晶シリコン
薄膜をフォトリソグラフィーの手法を用いて第3図に示
すように幅100μ、間隔100μのストライプ状多結晶薄膜
202とした。
ついで、このストライプ状の多結晶シリコン薄膜202
の上にLPCVD法により酸化シリコンで構成される表面保
護層203を厚さ1.2μmの膜厚で形成した、形成条件は以
下のようである、 圧 力:1.8Torr ガス流料:SiH4,1ml/min N2O 50ml/min 温 度:750℃ なおこの条件で形成した酸化シリコン薄膜は遠赤外線
分光分析により組成がSiO2に近い酸化シリコン膜である
ことを認めている。
上記の手順で作られた多結晶シリコンストライプ状で
内包する試料102を第1図に示すZMR装置により溶融再結
晶化を行なった。前記試料102はカーボン製棒状ヒータ
ーと直交するように試料ステージ101上に置かれモータ
ー109の駆動により溶融再結晶化は試料102の一端から他
端にわたって行なわれた。
溶融再結晶化は試料102のヒーターによる基板加熱温
度900℃、試料の移動速度0.1mm/secと一定に設定し、溶
融シリコン部の温度を種々変えて行なった。
得られた再結晶化膜は、その結晶配向性をX線回折法
とKOH溶液を用いたシリコン異方性エッチング法により
評価した。X線回折は、Cu−Kα線を用いた2θ−θス
キャン法で測定した。この測定法では、試料基板表面に
平行な面によるブラッグ反射が観測されるので、本発明
において定める所の配向面を決定できる。しかしながら
本測定法は、一つの結晶面だけを基板401表面に平行し
ていれば第4図に示すように基板面内では異なる方向を
持つ多結晶体402,402′でも1つの配向性を示す試料と
して観測される。そこで再結晶化膜の結晶配向性を評価
する他の手法としてKOH溶液によるシリコンの異方性エ
ッチングを利用したエッチピット法による評価を行なっ
た。エッチピット法の評価の原理を第5図に示すが、KO
H溶液はシリコンに対するエッチング速度が、シリコン
の面により異なり、(111)面に対するエッチング速度
が最も遅い。そのためエッチングが進行すると、エッチ
ング面はシリコンの(111)面で構成されるようになる
ので、円形の孔502をもつエッチングマスク501を用いて
KOH溶液でエッチングを行なうと、シリコン結晶の配向
面の反映した特徴的なエッチピット模様が得られる。す
なわち下記の表−1中に示したように多結晶試料であれ
ばエッチピット模様は円形、(100)面配向の場合には
エッチピット模様は正方形、(111)面配向の場合には
エッチピット模様は正六角形となるものである。
本実施例でのエッチピット評価は直径10μの円形の孔
502をもつマスク501を用い、エッチングにおけるKOH溶
液の温度は80±5℃に保って行なった。
表−2に溶融シリコン部の温度を1425℃、1435℃、14
45℃の3通りに変化させた場合に得られる溶融再結晶化
膜のそれぞれの結晶配向性の評価結果と、更に比較のた
めにカーボン製の棒状のヒーターで加熱される部分の温
度が1410℃の場合の結果を合わせて示した。
溶融部分シリコンの温度が1435℃の場合に(111)面
に配向した単結晶シリコンの再結晶化膜が得られてい
る。
更に詳細な実験の結果(111)面に配向した単結晶シ
リコンの再結晶化膜が安定に得られる温度範囲は1430℃
〜1440℃であった。
なお、本発明による製造方法は上述した実施例に限定
されるものではない。例えば、シリコンを溶融再結晶化
させるための加熱手段は、カーボン製の棒状ヒーター以
外に電子ビーム、あるいはレーザービーム、更には集光
させたハロゲンランプ等、種々の加熱源に溶融シリコン
部の温度が一定に保つ機能を備えている場合においては
本発明の製造方法が実施可能である。また溶融再結晶化
は基板上全面にわたって行なう必要はなく、上述のビー
ム加熱源を用いた場合には基板上の任意の場所に(11
1)面配向の単結晶シリコン薄膜を形成することも可能
である。また溶融再結晶化を行なう試料の製法、形状に
ついても、本実施例に比べた以外で使用可能である。例
えば、シリコン層、及び酸化シリコンの製法はLPCVD法
の他、スパッタ法、プラズマCVD法等、種々の成膜法が
適用可能である。また、シリコン層については本実施例
で述べたストライプ状以外にビット状、あるいは未加工
の状態でも使用可能である。以上本発明要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して使用可能である。
〔効果〕
本発明による溶融再結晶化法による薄膜半導体材料の
製造方法によれば、石英ガラス基板上に今まで得られな
かった(111)面配向の単結晶シリコン薄膜が形成でき
るので、本発明の製造法により製造した薄膜半導体は、
バイポーラトランジスタ用基板あるいはヘテロエピクタ
シャル用基板として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の製法に使用する装置の具体例を示す
概略図、第2図は、本発明の薄膜半導体製造に使用する
出発材料の具体例を示す断面図、第3図は、第2図の多
結晶シリコン薄膜をストライプ状に加工した状態を示す
平面図、第4図は、本発明の評価方法を説明するための
ものであり、第4図Aは平面図、Bはその断面図であ
る。第5図は、本発明の評価方法の原理を説明するため
の斜視図である。第6〜8図は、シリコン結晶構造のエ
ッチピット模様写真であり、第9〜12図は、表−2の溶
融シリコン部のそれぞれの温度に対応して得られたシリ
コン結晶のX線回折図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−154548(JP,A) 特開 昭62−47113(JP,A) 特開 昭61−20314(JP,A) 特開 平2−148831(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/20

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】石英ガラス基板上に多結晶あるいは非晶質
    シリコンよりなるシリコン層を形成し、この上に表面保
    護層を形成した後、前記シリコン層を帯状に溶融し、再
    結晶化させる溶融再結晶化法により単結晶シリコン層に
    変換するにさいし、溶融したシリコンの温度を1430℃〜
    1440℃の範囲に保って再結晶化させることにより、前記
    シリコン層を(111)面の単結晶層とすることを特徴と
    する薄膜半導体の製造方法。
  2. 【請求項2】石英ガラス基板、請求項1記載の方法によ
    り形成された結晶面が(111)面である単結晶シリコン
    層、表面保護層の順で積層されていることを特徴とする
    薄膜半導体。
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