JPH01272107A - 薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石英基板のような透明性絶縁基板上に単結晶
シリコンシートを形成し、該単結晶シリコンシートを核
として結晶成長させ透明性絶縁基板上に結晶粒径が大き
く、しかも結晶方位がそろった高品質のシリコン薄膜を
形成する薄膜形成方法に関する。

〔従来の技術〕

絶縁膜上に、結晶粒径の大きな多結晶シリコン薄膜ある
いは、単結晶シリコン薄膜を形成する方法は、Ｓ　ＯＩ
　（５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ’　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技
術として知られている。（参考文献、ＳＯＩ構造形成技
術、産業図書）大きく分類すると、再結晶化法、エピタ
キシャル成長法、絶縁層埋込み法、貼り合わせ法という
方法がある。再結晶化法にはレーザービームアニールあ
るいは電子ビームアニールによりシリコンを溶融再結晶
化させる方法と、溶融する温度までは上げずに再結晶化
させる固相成長法の２つに分類される。再結晶化法は透
明性絶縁基板上にも単結晶シリコン薄膜と同等の膜が形
成される点で注目される。一方貼り合せ法は、２枚の５
ｉ０２膜でおおわれた単結晶シリコンウェハを重ね合せ
、密着し、酸素雰囲気巾約７００℃で熱処理することに
よりＳ　ｉ　Ｏ２同士が接合することを利用し、前記２
枚のうちのどちらか一枚の単結晶シリコンウェハを薄膜
化して、ＳＯＩ基板を形成するという技術である。

〔本発明が解決しようとする課題〕

前記再結晶化法においては、再結晶化の為の単結晶シリ
コンシートを透明絶縁基板上にいかに形成するかが大き
な問題となる。単結晶シリコンシートがない場合には、
シリコン膜中にランダムに存在する核の為に数多くの結
晶粒が成長し、該結晶粒のひとつひとつは大きく成長し
ない、結晶方位もそろはない。また結晶粒の成長がラン
ダムな為に、得られた再結晶化シリコン薄膜のどこに結
晶粒界が存在するのかまったくわからない、従って、こ
のような再結晶化シリコン薄膜を用いてＴＰ　Ｔ（Ｔｈ
１ｎ　ｒｉｌｉ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した場
合には、同一基板内での特性のバラツキが著しく実用不
可能となる。

石英基板に単結晶シリコンウェハを接合し、該単結晶シ
リコンウェハを研磨して薄膜化し、そのままでＳＯ■基
板とする方法もあるが、これではシリコン薄膜の膜厚制
御がむずかしい。単結晶シリコンウェハは厚さは少なく
とも数百μｍ以上はある。ＴＰＴあるいはＭＯＳ　（Ｍ
ｅｔａｌ　０ｘｉｄｅ　５ｅｉｉ−Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　）の能動部としては厚くても数千Ａ程度、できれば数
百人程度の薄膜が特性の点から望ましい、ウェハ全面に
わたって数百μｍもある単結晶シリコンウェハを均一に
数百人まで研磨することは非常にむずかしい、現状では
２インチ径のウェハで、膜厚が１μｍ厚制御で１．３μ
ｍ±０゜４μｍまでバラクいているということが報告さ
れている。これでは大面積基板を作ることは、もちろん
小面積基板でさえも実用不可能である。

本発明は、上記のような貼り合わせ法を応用し、石英基
板のような透明性絶縁基板上に再結晶化の為の単結晶シ
リコンシートの形成方法を提案し、大面積にわたり、結
晶方位が均一で、結晶粒径の大きな高品質の再結晶化シ
リコン薄膜を形成することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の薄膜形成方法は、５ｉ０２膜でおおわれた単結
晶シリコンウェハの表面と、５ｉＯ２Ｊｌｉでおおわれ
た透明性絶縁基板の表面とを密着させ、接合する第一の
工程と、前記単結晶シリコンウェハを薄膜化する第二の
工程と、フォトリングラフィ法により該薄膜化された単
結晶シリコンウェハをパターニングし、島状単結晶シリ
コン薄膜シートを形成する第三の工程と、シリコン薄膜
を堆積させる第四の工程と、前記第三の工程で形成され
た島状単結晶シリコン薄膜シートを核とし、前記シリコ
ン薄膜を結晶成長させて再結晶化シリコン薄膜を形成す
る第五の工程を少なくとも有することを特徴とする。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を第１図に従って説明する。単結晶シリ
コンウェハ１−１をＳｉＯ２膜１−２でおおう。

また石英基板あるいはサファイヤ基板などの透明性絶縁
基板１−３をＳｉＯ２膜でおおう、前記ＳｉＯ２膜１−
２と１−４とは同一の方法で形成したほうが良い、減圧
ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法ＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法な
どの方法がある。膜厚は約１μｍ以下が適当である。前
記２枚の基板を第１図＜ａ）に示すように重ね合わせ、
密着させる。真空雰囲気では良好な密着性が得られる。

そして酸素雰囲気中に配置し、７００°Ｃがら１２００
°Ｃ程度の熱処理を行なうことにより５ｉ０２ＪＩＧ！
同±１−２と１−４との密着界面が接合し、前記単結晶
シリコンウェハ１−１と前記透明性絶縁基板１−３との
接合が完了される。接合機構についてはｒｓＯＩ構造形
成技術産業図書版」に説明されているのでここでは省略
する。前記単結晶シリコンウェハ１−１の結晶方位は、
所望の方位によって選ぶことができる。結晶成長が進み
やすいという点で（１００）基板が適している。

次に第１図（ｂ）に示すように単結晶シリコンウエバ１
−１の薄膜化工程に続く０通常の研磨方法を用いればよ
い、まず砥粒を用いて粗研磨し、ひきつづき鏡面研磨を
する。なるべく薄くなるまで行なう、できれば数千人ま
で、厚くとも数μｍ程度の薄さになるまで研磨する。そ
の後は、硝フヅ酸などでさらに化学的エツチングを行な
ってもよい。続いてフォトリソグラフィ法により薄膜化
された単結晶シリコンウェハをパターンニングし、島状
単結晶シリコンシート１−５を形成する。エツチングは
硝フッ酸を用いてもよいし、フレオンガスを用いたドラ
イエツチングでもよい、その様子を第１図（ｃ）に示す
、前記島状単結晶シリコンシート１−５の該島状単結晶
シリコンシート間の距離１は、結晶成長させる場合の重
要なファクタとなるので後はどくわしく説明する。

この状態で前記島状単結晶シリコンシートの表面を清浄
化する工程が必要となる場合もある。これは後に行なわ
れる固相成長などの結晶成長が良好に進行させる為に効
果がある。アルカリ洗浄あるいはライトエツチングなど
の化学的清浄法の他にＡｒビームによるスパッタリング
清浄法も効果がある。この工程は必゛要なければ行わな
くてもよい。

次に第１図（ｄ）に示すようにシリコン薄ｔｉｌｌ−６
を堆積させる。膜厚は数百環形度：厚くても数千Ａ以下
とする。ＥＢ（電子ビーム）蒸着法あるいはスパッタ法
においては基板温度が約３００℃以下で堆積膜は非晶質
シリコン薄膜となる。膜堆積中チャンバーの中は１０−
６から１０−”Ｔｏｒｒ以上の高真空に保ち堆積膜中へ
の不純物元素の混入を防ぐ、また水素元素も膜中に取り
込まれにくい。

プラズマＣＶＤ法はグロー放電分解法とも呼ばれるもの
である。この方法は太陽電池や光応答デバイスとなどの
非晶質シリコン薄膜堆積について有効な方法である。膜
中に多量の水素が含まれることが特徴８〜２０ａｔχ程
度の水素を取り込んでおり、ダングリングボンドなどの
欠陥を不活性化している。このままでは後に結晶成長さ
せる場合に、水素が脱離し欠陥が多量に残り基板と膜と
の密着性も低下することが予想される。そこで堆積の際
にＳｉＨ４ガス（シランガス）を希釈しないで用いるか
、あるいはＡｒガス希釈とする。さらに基板温度は通常
より高い４００°Ｃから５００℃とする。このように堆
積膜中に取り込まれる水素量が極力少なくなる堆積条件
を設定し、膜堆積挟体々に水素を放出させる。３００℃
から４００℃の温度領域と約７００°Ｃ付近の熱処理温
度において水素放出量のピークが存在することが知られ
ている。

従って、３００℃から４００℃で熱処理を行ない水素を
放出させさらに約７００℃で熱処理を行なうという二段
階アニール方法、あるいは室温のアニール炉に基板をセ
ットし、室温から７００℃程度まで徐々に温度を上げて
ゆく方法、など結晶成長工程にはいる前に水素放出処理
を行なう、光ＣＶＤ法は、ＣＶＤガス雰囲気にＣＯ２レ
ーザなどを照射し分解温度を低減させるものである。堆
積膜は非晶質シリコン薄膜あるいはシート付近はエピタ
キシャル成長する条件もある。減圧ＣＶＤ法はシランガ
スの熱分解による成膜法である。堆積膜の膜質はガス温
度に強く依存しており、５００℃から約５５０℃程度で
は非晶質シリコン薄膜、約５５０℃から７００℃程度で
は多結晶シリコン薄膜が堆積する。シートが依存する場
合は約７００℃以上の高温でエピタキシャル成長するこ
とが知られている。低温での堆積膜には水素が多少台ま
れているので必要ならばプラズマＣＶＤ法のところで述
べたような水素放出処理を行なう。

次に第１図（ｅ）に示すように前記シリコン薄膜１−６
を結晶成長させる。方法としてはレーザービームアニー
ルあるいは電子ビームアニールによる溶融再結晶化法と
、溶融する温度までは上げずに再結晶化さぜる固相成長
法の２つに分類される。

前記シリコン薄膜１−６として多結晶シリコン薄膜を成
膜した場合には、前記溶融再結晶化法を採用する。結晶
粒界には妨害されない−様な結晶成長が進む、溶融再結
晶化法は、非晶質シリコン薄膜にも同様に適用できる。

一方、前記シリコン薄膜１−６として非晶質シリコン薄
膜を成膜した場合には、固相成長法を採用することが可
能となる０石英管による類アニールが便利である。アニ
ール雰囲気としては、Ｎ、ガス、Ｈ２ガス、Ａｒガスな
どを用いる。真空雰囲気でアニールを行なってもよい、
固相成長アニール温度は５００℃から７００°Ｃとする
。このような低温では結晶成長しやすい結晶方位をもつ
結晶粒のみが成長し、ゆっくりと大きく成長する０例え
ば（１００）方位の結晶が成長しやすい事が知られてい
る。従って前記単結晶シリコンウェハ１−１の結晶方位
を（１００）に選べば、より結晶成長は進行しやすくな
る。もちろん他の方位を持つ単結晶シリコンウェハを用
いてもよい。

結晶相は前記島状単結晶シリコンシートから放射状に成
長してゆく、第１図（ｅ）に示すように、隣り合う島状
単結晶シリコンシートを該として結晶成長した結晶相１
−７と１−８がぶつかりあったところに亜流界１−９が
形成される。第２図に、第１図（ｅ）の平面図を示す。

固相成長が進行する限界がｄとすれば前記島状単結晶シ
リコンシート１−５の間の距離を２ｄに設定する。ＴＰ
Ｔなどのデバイスは、亜流界１−９を除く結晶相１−７
あるいは１−８の領域に形成する０図中、２−１は島状
貼結晶シリコンシート、２−２は固相成長した結晶相、
２−３は亜流界である。

溶融再結晶化法など結晶成長が大面積にわたって進行す
る場合には、前記島状単結晶シリコンシートを基板の端
に細長く１個だけ形成すると効果的である。その様子を
第３図に示す、３−１は細長い島状単結晶シリコンシー
ト、３−２はシリコン薄膜、３−３は結晶成長相、３−
４は結晶相と非結晶相との境界線であり、図中の矢印は
結晶相の成長の進行方向を示している。

再結晶化シリコン薄膜の表面をなめらかにする為に、シ
リコン薄Ｊｌｉｌ−６上に５ｉ０２あるいはＳｉ３Ｎ４
あるいは５ｉ０２と５ｉ３Ｎａとの積層膜により形成し
たキャップ層を堆積させてから結晶成長工程を行っても
よい。

〔発明の効果〕

本発明によると従来透明性絶縁基板上に形成することが
むずかしかった単結晶シリコンシートを作ることが可能
となる。透明性絶縁基板の上に、単結晶シリコンウェハ
を接合し、該単結晶シリコンウェハを研磨や化学エツチ
ングにより薄膜化して単結晶シリコンシートとするので
、所望の結晶方位を得ることができる。シリコンウェハ
を用いるのでシートの結晶性としてはほぼ完璧である。

また従来透明性絶縁基板上に接合した単結晶ウェハを研
磨などで薄膜化した場合、ウェハ内でのの膜厚のバラツ
キが非常に大きく、これにＴＰＴなどの半導体素子を作
製するとバラツキが非常に大きくなるという問題点があ
ったが、本発明によれば前記膜厚のバラツキが大きくて
もまったく問題ならなくなる。前述したように結晶成長
の核が単結晶シリコンウェハで作られたシートなどで、
その上に堆積されたシリコン薄膜の結晶成長は良好に進
行する。

従って、本発明にて得られた再結晶化シリコン薄膜でＴ
ＰＴを作製すれば、高いＯＮ電流、小さいＯＦＦ電流、
高電界易動度といった単結晶シリコンデバイスの値に近
い特性が得られる０例えば、絶縁基板上でさえも遅延時
間の非常に小さいリングオシレータ回路を実現できる。

また、アクティブマトリックス基板へ応用すると走査速
度の高速化、駆動電圧の低減化、消費電流の低減化、あ
るいは各画素の駆動用シフトレジスタ回路を同一基板上
に設けるドライバー内蔵アクティブマトリックス基板の
実現に対して非常に大きな効果を有するものである。そ
の他に駆動回路内蔵密着イメージセンサ−の駆動回路部
への応用にも有効であり、高速読み取り、高解像度化、
カラー化などにも非常兎に効果的である。駆動電圧も低
減化できるので信頼性向上に対しても有効である。ＴＰ
Ｔばかりでなく、バイポーラトランジスタ、ＨＢＴ（ヘ
テロ接合バイポーラトランジスタ）あるいは太陽電池へ
の応用に関しても非常に効果が大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明による再結晶化シリコ
ン薄膜を形成する工程断面図である。 第２図は、島状単結晶シリコンシートを複数個基板上に
設けた場合の実施例１の平面図である。 第３図は、角型基板上に１個の細長い単結晶シリコンシ
ートを基板端に設けた場合の実施例２の平面図である。 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上　柳　雅　誉（他１名）第１図 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ＳｉＯ＿２膜でおおわれた単結晶シリコンウェハの表
   面とＳｉＯ＿２膜でおおわれた透明性絶縁基板の表面と
   を密着させ、接合する第一の工程と、前記単結晶シリコ
   ンウェハを薄膜化する第二の工程と、フオトリソグラフ
   ィ法により該薄膜化された単結晶シリコンウェハをパタ
   ーニングし、島状単結晶シリコン薄膜シートを形成する
   第三の工程と、シリコン薄膜を堆積させる第四の工程と
   、前記第三の工程で形成された島状単結晶シリコン薄膜
   シートを核とし、前記シリコン薄膜を結晶成長させて再
   結晶化シリコン薄膜を形成する第五の工程を少なくとも
   有することを特徴とする薄膜形成方法。