JPH03108728A - Ｓｏｉ構造半導体集積回路装置の製造方法 - 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） 本発明は誘電体上に単結晶半導体膜を形成し、その単結
晶膜に電子回路を形成する、いわゆるＳＯＩ　（Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）構造と称される
半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に再結晶化法
と称される方法により単結晶半導体膜を形成する工程を
含む製造方法に関するものである。

本発明方法により製造される半導体集積回路装置は高隻
積ＬＳ　１．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適用することができる。

成長させる単結晶半導体膜がシリコン以外に、例えばＧ
ａＡｓなどの化合物半導体であっても一般にはＳＯＩ構
造と称されているように、本発明でも成長させる単結晶
半導体膜はシリコンに限定されない。

（従来の技術） Ｓ○■構造形成技術には、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。Ｓ○
■構造形成技術の全般的な説明は「Ｓ○■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
膜などの下地上に形成した多結晶又は非晶質の膜をレー
ザビームのエネルギーで溶融し、その溶融部分を移動さ
せなか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
なされている。

（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方法
。

（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
る方法。

（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方法。

従来の方法では、単結晶化させようとする半導体膜の表
面は直接又は誘電体膜を介して熱伝導率の悪い気体と接
している。そのため、レーザビームなどのエネルギービ
ームを半導体膜に照射すると、半導体膜の表面側は裏面
側に比へて高い温度となる。すなわち、半導体膜の裏面
側は例えば誘電体膜を介して半導体ウェハなどに接して
いるため、表面側よりも熱伝導率が大きいからである。

このように、半導体膜の表面側と裏面側で温度分布か不
均一になるため、エネルギービームによって半導体膜が
溶融して冷却されるときに多数の結晶核が生成し、それ
ぞれの成長面が出会って、大きな単結晶が成長しない問
題がある。小さな単結晶が寄り集まった半導体膜では半
導体装置を構成したときにその性能を阻害する問題を生
ずる。

そこで、第３図に示されるように、単結晶シリコン基板
８０上に形成された誘電体膜である５５０２膜８２」二
に多結晶シリコン膜８／ＩをＳ　ｉ　Ｏ７膜８２と分離
用のＳｉｎ、膜８６によって島状構造としたものが提案
されている。島状の多結晶シリコン膜領域８４の寸法は
レーザビームの直径りよりも小さくし、レーザビームの
ガウス分布の中央３− 部を使用し、周辺部を熱吸収層とすることにより、熱の
逃げ方に差をつけて単結晶を成長させる。

第３図に示される方法によれば、多結晶シリコン膜８４
が単結晶化したとき、５１０２膜８６によって分離され
ているので、その単結晶シリコン膜領域に電子回路を形
成すれは、素子分離が同時になされ、つまり、半導体集
積回路装置のプロセスとの互換性がよくなる利点がある
。

（発明か解決しようとする課題） しかし、島状領域をレーザビーム径りよりも小さくしな
ければならないので、大面積の単結晶を得ることができ
ない欠点がある。

本発明は、半導体集積回路装置のプロセスとの互換性を
よくするために誘電体により素子分離された単結晶半導
体膜を形成することができ、かつ、半導体領域の面積に
も制約を受けないＳＯＩ構造の単結晶化プロセスを含む
半導体集積回路装置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、半導体膜中の温度分布を均一にすること
によってレーザビームなどのエネルギービームを照射し
て溶融させ、冷却して結晶化するときのグレインサイズ
を大きくすることを目的どするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では、誘電体上に多結晶又は非晶質の半導体膜を
形成し、その七に少なくとも窒化膜を含む誘電体膜を形
成し、分離領域の前記誘電体膜及び＾「記半専体膜の一
部を除去し、表面に液状冷却媒体を設け、表面側からエ
ネルギービームを照射して前記半導体膜を単結晶化させ
、冷却媒体を除去した後、前記窒化膜をマスクにして分
離領域の半導体膜を酸化し、その後、単結晶半導体膜領
域に電子回路を形成する。

半導体膜中の温度分布を均一にして溶融再結晶化した単
結晶半導体薄膜のグレインサイズを大きくするために、
半導体膜の上方向への熱伝導率とド方向への熱伝導率を
等しくするように半導体膜上下の誘電体膜の膜厚を設定
する。半導体膜の下側に形成される誘電体膜としては、
例えばシリコン酸化膜（ＳｉＣ２）やシリコン窒化膜（
ｓｘ３Ｎ４）などを用いる。半導体膜の上側に形成され
る誘電体膜としてはシリコン窒化膜の単層又はシリコン
窒化膜を含む多層膜を用いる。

半導体膜はＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰなどである。

冷却媒体としては、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。

エネルギービームとしては、レーザビームもしくはその
他の光ビーム、電子ビーム、又は熱線などを用いる。

（作用） 冷却媒体層を介して表面側からレーザビームなどのエネ
ルギービームを多結晶又は非晶質の半導体膜に照射する
ことにより、広い面積に渡る半導体膜が単結晶化する。

窒化膜をマスクにして選択酸化を行なうと、露出した半
導体膜、すなわち分離領域の半導体膜が酸化されて酸化
膜により分離された単結晶半導体膜が形成される。

半導体膜の上方向の熱伝導率と下方向の熱伝導率が等し
くなっていると、半導体膜にレーザビームなどのエネル
ギービームを照射して溶融させ、溶融部分を移動させる
と、溶融部分が冷却して単結晶化するときに表面側と裏
面側で同じ速度で冷却し、グレインサイズの大きな単結
晶が成長する。

（実施例） 第１図（Ａ）〜（Ｆ）により一実施例のプロセスを説明
する。

（Ａ）通常のウェハプロセスによってメタル工程まで完
了させる。図では、右側にＰチャネルＭＯＳトランジス
タが形成され、左側にはＮチャネルＭＯＳトランジスタ
が形成されている。

２はＰ型シリコン基板、４はＮ型ウェル領域であり、フ
ィールド酸化膜６によって素子分離が行なわれている。

Ｎ型ウェル領域４には、Ｐ型拡散層８，８によってソー
ス、ドレインが形成され、チャネル領域上にはゲート酸
化膜を介して多結晶シリコン膜にてなるゲート電極１０
が形成されている。Ｐ型シリコン基板にはＮ型拡散層１
２，１２によってソース、ドレインが形成され、チャネ
ル領域上にはゲート酸化膜を介して多結晶シリコン膜に
てなるゲート電極１４が形成されている。

１６はＰＳＧ膜であり、そのｐｓａ膜１６のコンタクト
ホールを介して、タングステンなどの高融点金属膜又は
高融点金属シリサイド膜にてなる配線１８がソース、ド
レインと接続されている。

さらに、その上に１種類以上の誘電体膜２０゜２２が層
間絶縁膜として厚さが１μｍ以上に形成され、エッチバ
ックなどの工程によって表面が平坦化されている。平坦
化のためのエッチバック工程は、例えば誘電体膜２２上
にレジストなどの有機物膜を表面が平坦になるまで塗布
し、誘電体膜２２と有機物膜のエツチング速度が等しく
なる条件で全面エツチングを行なって誘電体膜２２の表
面を平坦化する。

（Ｂ）誘電体膜２２上に多結晶シリコン膜２４をＬＰＣ
ＶＤ法により約３０００人の厚さに堆積し、その上にシ
リコン酸化膜２６を約１００ｏ人の厚さに形成し、さら
にその上にシリコン窒化膜２８を約１０００人の厚さに
形成する。

（Ｃ）写真製版とエツチング工程によって分離領域にエ
ツチングを施す。このエツチングでは分離領域のシリコ
ン窒化膜２８、シリコン酸化膜２６を除去し、多結晶シ
リコン層２４の一部を除去して１０００〜１５００人程
度の多結晶シリコン膜を残す。

（Ｄ）表面に冷却媒体としてポリエチレングリコール層
３０を設ける。

そして、ウェハ表面側からエネルギービームとして例え
ばアルゴンレーザビーム３２をポリエチレングリコール
５３０及びシリコン窒化膜２８、シリコン酸化膜２６を
介して多結晶シリコン膜２４に照射する。レーザビーム
３２の出力は３ワット以上とする。レーザビーム３２を
シリコン基板に対して相対的に矢印３４で示されるよう
に走査させると、多結晶シリコン膜２４の溶融部分３６
も移動して単結晶シリコン膜３８が形成される。

レーザビーム３２をシリコン基板に対して相対的に走査
させるには、レーザビーム３２を固定してシリコン基板
を移動させてもよく、逆にシリコン基板を固定してレー
ザビーム３２を移動させてもよい。

（Ｅ）その後、ポリエチレングリコール層３０を除去す
る。

酸化を行なう。この酸化工程は、ＭＯＳプロセスの通常
のフィールド酸化膜形成の酸化工程と同じであり、例え
ばＨＣＱ／■（２１０□雰囲気や１くライＯ７雰囲気で
９００〜９５０℃で行なう。この酸化工程により、分離
領域以外の領域にはシリコン窒化膜２８が存在するため
、分離領域だけが選択的に酸化され、８１−０２層４０
が形成され、４９結晶シリコン層３８がＳｉ０２層４ｏ
で分離された状態となる。

（Ｆ）シリコン窒化膜２８及びシリコン酸化膜２６を除
去した後、通常のウェハプロセスによってＭｏｓ＋−ラ
ンジスタなどの半導体装置を形成する。

例えば、ＳＯＩ構造の右側領域にはＮチャネルＭＯＳト
ランジスタが形成され、左側にはＰチャネルＭＯ８＋−
ランジスタが形成される。４１．４１はＮチャネルＭＯ
Ｓトランジスタのソース、ドレインとなるＮ型拡散領域
、４２はチャネル領域」二に形成された多結晶シリコン
膜のゲート電極、４４．４４はＰチャネルＭＯ８１〜ラ
ンジスタのソース、ドレインとなるＰ型拡散領域、４Ｇ
はチャネル領域上に形成された多結晶シリコン膜のゲー
ト電極、４８はＰＳＧ膜、５０はメタル配線、５２はパ
ッシベーション膜である。

Ｐ　Ｓ　Ｇ膜４８、Ｓ］、Ｏ，膜４０．層間絶縁膜２２
．２０にスルーホールが設けられ、ＣＶＤ法により形成
されたタングステン膜がそのスルーホールに埋め込まね
て下層のＰチャネルＭＯＳトランジスタのドレインと上
層のＮチャネルＭｏｓ＋〜ランジスタの１〜レインが接
続されてＣＭＯ８が構成されている。

第１図において多結晶シリコン膜２４に代えて非晶質シ
リコン膜を用いてもよい。

第２図は半導体膜の上方向への熱伝導率と下方向への熱
伝導率を等しくする場合の一実施例を表１ ２ わす。

単結晶シリコン基板６０」二に膜厚が約８０００〜９０
００人のシリコン酸化膜６２を形成する。

シリコン酸化膜６２上に減圧ＣＶＤ法により膜Ｊフが約
５００ＯＡの多結晶シリコン膜６４を形成する。多結晶
シリコン膜６４上に減圧ＣＶＤ法により膜厚が７０００
〜９０００人、例えば約８０００人のシリコン窒化膜６
６を形成する。シリコン窒化膜６６の表面を冷却媒体と
してのポリエチレングリコール層６８で被う。

光出力５Ｗ又はそれ以上のアルゴンイオンレーザビーム
７０をｌメンズで集光して多結晶シリコン膜６４に照射
しながら基板６０を矢印７２の方向しこ移動さぜる。７
４はレーザビーム７０の照射により半導体膜６４が溶融
した部分であり、基板６０の移動により溶融部分７４も
移動し、冷却されることによって単結晶膜７６が成長す
る。この移動により、例えば１５〜２０μｍ＠のストラ
イブ状に単結晶化部分が成長する。

基板６０を移動させるのに代えて、基板６０を固定しレ
ーザビーム７０を移動させてもよい。

レーザビーム７０の出力や移動速度は実験的に適当な値
に設定すればよい・ 実施例では半導体膜６４が多結晶シリコン膜であるが、
多結晶シリコン膜に代えて非晶質シリコン膜を用いても
よい。

実施例では半導体膜６４の表面をシリコン窒化膜６Ｇで
被っているが、シリコン窒化膜６６に代えてシリコン酸
化膜を用いてもよい。その場合、シリコン酸化膜の膜厚
を例えば１０００〜３０００人にする。

半導体膜６４の表面に形成する誘電体膜はまた、例えば
シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を積層した二層構造
としてもよい。その場合の膜厚は、シリコン酸化膜が５
００〜２０００人、シリコン窒化膜が３０００〜６００
０人、好ましくはシリコン酸化膜が約１０００人、シリ
コン窒化膜が約４０００人である。

半導体膜６４の下側の誘電体膜６２と上側の誘電体膜６
６は−・層構造であっても多層構造であってもよいが、
上側の誘電体膜上に冷却媒体６８を形成したときに半導
体膜６４の下方向への熱伝導率と上方向への熱伝導率が
等しくなるように下側と上側の誘電体膜の種類及び膜厚
を設定すればよい。

冷却媒体６８の厚さを均一にするために、冷却媒体６８
の表面に光学ガラス板を載せてもよい。

（発明の効果） 本発明では誘電体上に多結晶又は非晶質の半導体膜を形
成し、その上に窒化膜を含む誘電体膜を形成し、分離領
域の前記誘電体膜及び前記半導体膜の一部を除去し、表
面に液状冷却媒体を設け、表面側からエネルギービーム
を照射して前記半導体層を単結晶化させ、冷却媒体を除
去した後、前記窒化膜をマスクにして分離領域の半導体
膜を酸化し、その後、単結晶半導体膜領域に電子回路を
形成するので、５ｉｎ２膜で分離された単結晶半導体膜
を形成することができ、通常のＭＯＳプロセスと互換性
の高いプロセスとなる。

本発明では単結晶化しようとする半導体膜の上部に冷却
媒体を設けるので、半導体膜の上方向の熱の放散を促進
する。半導体膜の表面側の誘電体膜は冷却媒体によって
半導体膜が冷却されすぎるのを防ぐ。そして、半導体膜
の下側の誘電体膜と上側の誘電体膜の膜厚を調節するこ
とにより、半導体膜の下側と上側の温度分布を調節し、
半導体膜の溶融部分中に均一な温度分布を実現すること
ができる。その結果、本発明により得られる単結晶膜の
グレインサイズは従来の方法により得られる単結晶膜よ
りも大きくなり、この単結晶膜にＭＯＳトランジスタな
どの半導体装置を形成するとその性能がよくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）から同図（Ｆ）は一実施例を工程顔に示す
断面図、第２図は他の実施例を示す断面図である。第３
図は従来の５ＯＩｉ造形成方法の一例を示す断面図であ
る。 ２０．２２・・・・・層間絶縁膜、２４．．６４・・・
・・・多結晶シリコン膜、２６．６２・・・・・・シリ
コン酸化膜、２８．６６　・・・・シリコン窒化膜、３
０．６８・・・・・・５ ６ ポリエチレングリコール層、３２．７０・・・・・・レ
ーザビーム、３６．７４・・・・・・溶融部分、３８．
７６・・・・・・単結晶シリコン膜、４ｏ・・・・・・
シリコン酸化膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘電体上に多結晶又は非晶質の半導体膜を形成し
   、その上に少なくとも窒化膜を含む誘電体膜を形成し、
   分離領域の前記誘電体膜及び前記半導体膜の一部を除去
   し、表面に液状冷却媒体を設け、表面側からエネルギー
   ビームを照射して前記半導体膜を単結晶化させ、冷却媒
   体を除去した後、前記窒化膜をマスクにして分離領域の
   半導体膜を酸化し、その後、単結晶半導体膜領域に電子
   回路を形成するＳＯＩ構造半導体集積回路装置の製造方
   法。
2. （２）前記半導体膜の上方向への熱伝導率と前記半導体
   膜の下方向への熱伝導率を等しくするように前記半導体
   膜上下の誘電体膜の膜厚を設定した請求項１に記載のＳ
   ＯＩ構造半導体集積回路装置の製造方法。