JPH02105517A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH02105517A
JPH02105517A JP25849588A JP25849588A JPH02105517A JP H02105517 A JPH02105517 A JP H02105517A JP 25849588 A JP25849588 A JP 25849588A JP 25849588 A JP25849588 A JP 25849588A JP H02105517 A JPH02105517 A JP H02105517A
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JP
Japan
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silicon
film
epitaxial growth
selective epitaxial
single crystal
Prior art date
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Pending
Application number
JP25849588A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Hamada
耕治 濱田
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable an improved and a large-area single crystal silicon(SOI) layer to be formed on an insulation layer by using the selective epitaxial growth method and the solid phase epitaxial growth method together. CONSTITUTION:A silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, an opening part is provided, silicon selective epitaxial growth of silicon is made, and a selective epitaxial silicon film 3 of the same thickness as the film thickness of the silicon oxide film 2 is allowed to grow. Then, by using an inactive gas as a carrier gas, a amorphous silicon film 4 is allowed to grow, annealing is performed for 2 hours within an atmospheric pressure nitrogen environment, and the fixed epitaxial reaction of the amorphous silicon film 4 is generated, using the selective epitaxial silicon film 3 as a seed crystal, to form a single- crystal silicon layer 5. Thus, since the selective epitaxial growth and fixed epitaxial growth of silicon are adopted to form a large-area and improved SOI layer 5.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁膜上に
単結晶シリコン層を形成する方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and particularly to a method of forming a single crystal silicon layer on an insulating film.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、絶縁膜上に単結晶シリコン層を形成する技術は、
S OI (5ilicon On In5ulato
r)技術と呼ばれているが、これにはシリコン選択エピ
タキシャル成長法と固相エピタキシャル成長法の二つが
広く用いられている。
Conventionally, the technology for forming a single crystal silicon layer on an insulating film is
S OI (5ilicon On In5ulato
r) technology, and two methods are widely used: silicon selective epitaxial growth method and solid phase epitaxial growth method.

シリコン選択エピタキシャル成長法は、ジャーナル・オ
ブ・クリスタル・グロウス(Jounal ofCry
stal Growth) 、63巻、1983年、4
93−526頁に発表されたものである。まず、このS
OI技術について説明する。
The silicon selective epitaxial growth method is described in the Journal of Crystal Growth.
stal Growth), Volume 63, 1983, 4
It was published on pages 93-526. First, this S
OI technology will be explained.

第2図は従来の選択エピタキシャル成長法による単結晶
シリコン層の形成方法を説明するための半導体ウェーハ
の断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer for explaining a method of forming a single crystal silicon layer by a conventional selective epitaxial growth method.

単結晶シリコン基板1の上に膜厚的0.5μmのシリコ
ン酸化膜2を形成し、このシリコン酸化膜2を選択エツ
チングしてシリコン基板表面が露出する開口部を設ける
。次に、シリコンの選択エピタキシャル成長を行う。
A silicon oxide film 2 having a thickness of 0.5 μm is formed on a single crystal silicon substrate 1, and this silicon oxide film 2 is selectively etched to provide an opening through which the surface of the silicon substrate is exposed. Next, selective epitaxial growth of silicon is performed.

これには、一般に、原料ガスに5i82C!22又はS
 i H4及びH2,HClを用いる。選択エピタキシ
ャルシリコン膜3の膜厚がシリコン酸化膜2と同じ膜厚
に達した後、さらにシリコン酸化膜2の上を横方向にシ
リコンの横方向エピタキシャル成長(Epitaxia
l Latteral Overgrowth )を行
って、単結晶シリコン層5を形成する。
For this, generally 5i82C! 22 or S
i Using H4 and H2, HCl. After the film thickness of the selective epitaxial silicon film 3 reaches the same film thickness as the silicon oxide film 2, lateral epitaxial growth (Epitaxia) of silicon is further performed laterally on the silicon oxide film 2.
1 Lateral Overgrowth) to form a single crystal silicon layer 5.

次に、固相エピタキシャル成長法を用いる単結晶シリコ
ン層形成方法について説明する。
Next, a method for forming a single crystal silicon layer using solid phase epitaxial growth will be described.

第3図は従来の固相エピタキシャル成長法による単結晶
シリコン層の形成方法を説明するための半導体ウェーへ
の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer for explaining a method of forming a single crystal silicon layer by a conventional solid phase epitaxial growth method.

単結晶シリコン基板1の上に膜厚0.2〜0゜5μmの
シリコン酸化膜2を形成する。次に、このシリコン酸化
膜2にシリコン基板表面を露出させるような開口部を形
成する。開口部形成方法には、選択酸化法と選択エツチ
ング法の二つが用いられる。どちらの方法を用いても差
支えない6開ロ部に形成される自然酸化物膜を弗酸で除
去した後、すぐにシリコン基板を無定形シリコン膜成長
装置内に入れる。無定形シリコン膜成長装置には、化学
気相成長装置、スパッタ薄膜装置、または電子線加熱蒸
着装置などがあるが、どれを用いても差支えない。これ
らの無定形シリコン膜成長装置を用いて、シリコン基板
表面に無定形シリコン膜4を約0.5〜2.0μmの厚
さに成長させる。
A silicon oxide film 2 having a thickness of 0.2 to 0.5 μm is formed on a single crystal silicon substrate 1. Next, an opening is formed in this silicon oxide film 2 to expose the surface of the silicon substrate. Two methods are used to form the opening: selective oxidation and selective etching. After removing the natural oxide film formed in the six-opening groove with hydrofluoric acid, whichever method is used, the silicon substrate is immediately placed in an amorphous silicon film growth apparatus. Examples of the amorphous silicon film growth apparatus include a chemical vapor deposition apparatus, a sputter thin film apparatus, and an electron beam heating evaporation apparatus, and any of them may be used. Using these amorphous silicon film growth apparatuses, an amorphous silicon film 4 is grown on the surface of a silicon substrate to a thickness of approximately 0.5 to 2.0 μm.

次に、乾燥窒素またはアルゴン大気圧中で550℃〜6
50℃の温度で約5時間以上のアニールを行い、無定形
シリコン膜4を単結晶シリコン層5へ変換する固相エピ
タキシャル成長を行わせる。
Then 550°C to 6°C in dry nitrogen or argon atmospheric pressure.
Annealing is performed at a temperature of 50° C. for about 5 hours or more to perform solid phase epitaxial growth to convert the amorphous silicon film 4 into a single crystal silicon layer 5.

このようにして形成された単結晶シリコン層5には局部
的に多結晶シリコを含む場合があることがアプライド・
フィジックス・レターズ(Appli−ed Phys
ics Letters)  43巻、11号、198
3年、1028〜1030頁、及びジャパニーズ・ジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japan
ese Journal of Applied Ph
ysics )、23巻、10号、1984年、129
4〜1299頁に記載されている。
It is known that the monocrystalline silicon layer 5 formed in this way may locally contain polycrystalline silicon.
Physics Letters (Appli-ed Phys
ics Letters) Volume 43, No. 11, 198
3, pp. 1028-1030, and Japanese Journal of Applied Physics (Japan
ese Journal of Applied Ph.
ysics), Volume 23, No. 10, 1984, 129
It is described on pages 4-1299.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上述した従来のSOI層形成技術では、以下に示す欠点
がある。
The conventional SOI layer forming technology described above has the following drawbacks.

まず、選択エピタキシャル成長方法を用いたSOI層形
成技術では、開口部に単結晶の選択エピタキシャルシリ
コン膜3を成長させながら、この膜厚がシリコン酸化膜
と同じ厚さ以上になると、選択エピタキシャルシリコン
膜3は、縦方向以外にシリコン酸化膜上を横方向にも成
長を行う。この時、縦方向と横方向の成長速度の比が1
:1以上にする技術は安定しておらず、シリコン酸化膜
上を横方向に長く選択エピタキシャルシリコン膜を形成
するためには、縦方向にも非常に厚く選択エピタキシャ
ルシリコン膜を成長させるか、もしくは開口部の間隔を
狭くするしがながった。また、各開口部から横方向エピ
タキシャル成長してきたシリコン膜同士が衝突する所6
では転位やボイドが形成されるなどの欠点をもっていた
First, in the SOI layer forming technology using the selective epitaxial growth method, while growing a single-crystal selective epitaxial silicon film 3 in the opening, when the film thickness becomes equal to or more than the same thickness as the silicon oxide film, the selective epitaxial silicon film 3 The growth is performed not only vertically but also horizontally on the silicon oxide film. At this time, the ratio of the growth rate in the vertical direction and the horizontal direction is 1
:1 or more is not stable, and in order to form a long selective epitaxial silicon film in the horizontal direction on a silicon oxide film, it is necessary to grow a selective epitaxial silicon film very thick in the vertical direction, or The gap between the openings was narrowed. In addition, the silicon films that have grown laterally from each opening collide with each other 6
However, it had drawbacks such as the formation of dislocations and voids.

一方、固相エピタキシャル成長方法を用いたSOI層形
成技術では、種結晶の形状及び面方位とシリコン酸化膜
と種結晶との平坦性とにエピタキシャルシリコン膜の結
晶性は大きく依存している。現在の開口部形成技術では
、LOCO3法などを用いると、絶縁用のシリコン酸化
膜と種結晶境界部で、バーズビークやバーズヘッドと呼
ばれる開口部側へのシリコン酸化膜のせり上りや、シリ
コン酸化膜自身のもり上りがみちれ、種結晶とシリコン
酸化膜との平坦性が悪く、シリコンの固相エピタキシャ
ル成長時に転位やファセットなどが発生し易くなる。ま
た、エツチング技術を用いてシリコン酸化膜にテーパー
をもたせた開口部に形成した種結晶についても、上記と
同様に種結晶の面方位やシリコン酸化膜のテーパー角度
によってはファセットを生じ、ファセットより先は多結
晶状態のシリコン膜になってしまったり、転位の発生原
因となるなどの欠点をもっている。
On the other hand, in the SOI layer forming technology using the solid phase epitaxial growth method, the crystallinity of the epitaxial silicon film largely depends on the shape and plane orientation of the seed crystal and the flatness of the silicon oxide film and the seed crystal. With current opening formation technology, when the LOCO3 method is used, the silicon oxide film rises toward the opening side, called a bird's beak or bird's head, at the boundary between the insulating silicon oxide film and the seed crystal, and the silicon oxide film The crystal itself bulges out, and the flatness between the seed crystal and the silicon oxide film is poor, making it easy for dislocations and facets to occur during solid phase epitaxial growth of silicon. In addition, with respect to seed crystals formed in tapered openings in silicon oxide films using etching technology, facets may occur depending on the plane orientation of the seed crystals and the taper angle of the silicon oxide film, as described above. However, it has drawbacks such as forming a polycrystalline silicon film and causing dislocations.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の半導体装置の製造方法は、単結晶シリコン基板
上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を選択エツチ
ングして前記シリコン基板表面を露出せしめる開口部を
形成する工程と、シリコンの選択エピタキシャル成長法
を用いて前記絶縁膜と同じ膜厚になるまで単結晶シリコ
ン膜を前記開口部に堆積する工程と、前記絶縁膜及び単
結晶シリコン膜を含む全表面に無定形シリコン膜を堆積
する工程と、前記シリコン基板を500℃乃至1200
℃の温度で熱処理して前記開口部に堆積された単結晶シ
リコン膜を種結晶として固相エピタキシャル成長を行わ
しめ前記無定形シリコン膜を単結晶シリコン層に変換す
る工程とを含んで構成される。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate, a step of selectively etching the insulating film to form an opening that exposes the surface of the silicon substrate, and selection of silicon. a step of depositing a single crystal silicon film in the opening using an epitaxial growth method until it has the same thickness as the insulating film; and a step of depositing an amorphous silicon film on the entire surface including the insulating film and the single crystal silicon film. Then, the silicon substrate was heated to 500°C to 1200°C.
.degree. C. to perform solid phase epitaxial growth using the single crystal silicon film deposited in the opening as a seed crystal to convert the amorphous silicon film into a single crystal silicon layer.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図(a)〜(c)は本発明の一実施例を説明するた
めの工程順に示した半導体ウェーへの断面図である。
FIGS. 1(a) to 1(c) are cross-sectional views of a semiconductor wafer shown in the order of steps for explaining an embodiment of the present invention.

まず、第1図(a)に示すように、シリコン基板1の上
に、シリコン酸化膜2を形成し、シリコンのエピタキシ
ャル成長に必要な種結晶となる部分を形成するため、反
応性イオンエツチング法を用いてシリコン酸化膜をシリ
コン基板1の表面が露出するまで選択エツチングしてシ
リコン酸化膜2に開口部を設ける。次に、熱酸化して開
口部のシリコン表面に厚さ数10nmの熱酸化膜を形成
した後、この熱酸化膜を弗酸で除去する。除去後すぐに
シリコン基板1をエピタキシャル成長装置内に入れ、原
料ガスに5iH2Cρ2.H2及びHCρを用いて成長
温度的900〜1050℃でシリコンの選択エピタキシ
ャル成長を行い、シリコン酸化膜2の膜厚と同じ膜厚だ
け選択エピタキシャルシリコン膜3を成長させる。原料
ガスには5iH2CJ22の代りにSiH4、Si2 
H6SiH2F2などシリコンの選択エピタキシャル成
長可能な原料ガスを用いてもよい。
First, as shown in FIG. 1(a), a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and a reactive ion etching method is applied to form a portion that will become a seed crystal necessary for epitaxial growth of silicon. Then, the silicon oxide film is selectively etched until the surface of the silicon substrate 1 is exposed, thereby forming an opening in the silicon oxide film 2. Next, a thermal oxide film several tens of nanometers thick is formed on the silicon surface of the opening by thermal oxidation, and then this thermal oxide film is removed with hydrofluoric acid. Immediately after removal, the silicon substrate 1 is placed into an epitaxial growth apparatus, and 5iH2Cρ2. Selective epitaxial growth of silicon is performed at a growth temperature of 900 to 1050° C. using H2 and HCρ, and a selective epitaxial silicon film 3 is grown to the same thickness as the silicon oxide film 2. The raw material gas contains SiH4 and Si2 instead of 5iH2CJ22.
A source gas capable of selective epitaxial growth of silicon, such as H6SiH2F2, may be used.

次に、第14図(b)に示すように上記のシリコン選択
エピタキシャル成長を行った装置と同一装置内で、炉の
温度を580℃以下に下げて、原料ガスにSiH4又は
Si2H6及びH2又はN2又はそれに準する不活性ガ
スをキャリアガスとして用いて、無定形シリコン膜4を
成長させる。
Next, as shown in FIG. 14(b), in the same apparatus as that in which the silicon selective epitaxial growth was performed, the temperature of the furnace was lowered to 580°C or less, and the source gases were SiH4 or Si2H6 and H2 or N2 or An amorphous silicon film 4 is grown using a similar inert gas as a carrier gas.

次に、第1図(c)に示すように、炉温600℃、大気
圧の窒素雰囲気中で48時間のアニールを行った後、炉
の温度を上昇させ、炉の温度1150℃、大気圧の窒素
雰囲気中で2時間のアニールを行い、選択エピタキシャ
ルシリコン膜3を種結晶として、無定形シリコン膜4の
固定エピタキシャル反応を起こさせて単結晶シリコン層
5を形成する。
Next, as shown in Figure 1(c), after 48 hours of annealing in a nitrogen atmosphere at a furnace temperature of 600°C and atmospheric pressure, the furnace temperature was increased to 1150°C and atmospheric pressure. Annealing is performed for 2 hours in a nitrogen atmosphere to cause a fixed epitaxial reaction in the amorphous silicon film 4 using the selective epitaxial silicon film 3 as a seed crystal, thereby forming a single crystal silicon layer 5.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明は、シリコンの選択エピタ
キシャル成長法と固定エピタキシャル成長とを併用する
方法を採用したので大面積で良質のSOI層が形成でき
る効果がある。
As explained above, the present invention employs a method that uses a combination of selective epitaxial growth and fixed epitaxial growth of silicon, and therefore has the effect of forming a high-quality SOI layer over a large area.

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

第1図(a)〜(C)は本発明の一実施例を説明するた
めの工程順に示した半導体ウェーハの断面図、第2図は
従来の選択エピタキシャル成長法による単結晶シリコン
層の形成方法を説明するための半導体ウェーハの断面図
、第3図は従来の固相エピタキシャル成長法による単結
晶シリコン層の形成方法を説明するための半導体ウェー
ハの断面図である。 1・・・シリコン基板、2・・・シリコン酸化膜、3・
・・選択エピタキシャルシリコン膜、4・・・無定形シ
リコン膜、5・・・単結晶シリコン層、6・・・衝突面
FIGS. 1(a) to (C) are cross-sectional views of a semiconductor wafer shown in the order of steps to explain an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer for explaining a method of forming a single crystal silicon layer by a conventional solid-phase epitaxial growth method. 1... Silicon substrate, 2... Silicon oxide film, 3.
... Selected epitaxial silicon film, 4... Amorphous silicon film, 5... Single crystal silicon layer, 6... Collision surface.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記
絶縁膜を選択エッチングして前記シリコン基板表面を露
出せしめる開口部を形成する工程と、シリコンの選択エ
ピタキシャル成長法を用いて前記絶縁膜と同じ膜厚にな
るまで単結晶シリコン膜を前記開口部に堆積する工程と
、前記絶縁膜及び単結晶シリコン膜を含む全表面に無定
形シリコン膜を堆積する工程と、前記シリコン基板を5
00℃乃至1200℃の温度で熱処理して前記開口部に
堆積された単結晶シリコン膜を種結晶として固相エピタ
キシャル成長を行わしめ前記無定形シリコン膜を単結晶
シリコン層に変換する工程とを含むことを特徴とする半
導体装置の製造方法。
a step of forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate; a step of selectively etching the insulating film to form an opening that exposes the surface of the silicon substrate; a step of depositing a single crystal silicon film in the opening until the film thickness is reached; a step of depositing an amorphous silicon film on the entire surface including the insulating film and the single crystal silicon film;
and converting the amorphous silicon film into a single crystal silicon layer by performing solid phase epitaxial growth using the single crystal silicon film deposited in the opening as a seed crystal by heat treatment at a temperature of 00°C to 1200°C. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by:
JP25849588A 1988-10-14 1988-10-14 Manufacture of semiconductor device Pending JPH02105517A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100647364B1 (en) * 2000-06-23 2006-11-17 주식회사 하이닉스반도체 A method for silicon on insulator substrate
JP2007221144A (en) * 2006-02-16 2007-08-30 Samsung Electronics Co Ltd Single crystal substrate and its process for fabrication
JP2008218468A (en) * 2007-02-28 2008-09-18 Univ Of Ryukyus Three-dimensional integrated circuit device and manufacturing method thereof

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