JPH03114219A - 半導体装置用基板の製造方法 - 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】 〔概要］ 半導体装置用基板の製造方法、より詳しくは膜厚の異な
る絶縁膜が形成された基板上に非単結晶半導体層（ポリ
シリコンもしくはアモルファスシリコン層）を成長させ
、しかる後に非単結晶半導体層に選択的に不純物導入を
なし、次いで該非単結晶半導体層表面をレーザもしくは
電子ビームなどのエネルギービームによって照射し、溶
融し、不純物が導入されていない領域の非単結晶半導体
から固化が始まり、不純物が導入された領域に向かって
単結晶化が進行する工程を含むセミコンダクター・オン
・インシュレータ（Ｓｏｌ）技術の改善に関し、 従来技術における単結晶化の欠点に鑑み、ＳＯＩ技術に
よる半導体装置用基板の製造において、より大きな単結
晶粒を形成し、絶縁膜の膜厚の薄い凹状領域を１つの単
結晶で構成する方法を提供することを目的とし、 半導体基板上に膜厚の薄い凹状領域を有する如くに形成
された絶縁膜上に非単結晶半導体層を成長させ、しかる
後、該非単結晶半導体層の表面をエネルギービーム照射
により溶融し、膜厚の厚い領域の非単結晶半導体を膜厚
の薄い領域に流し込んで単結晶化する工程において、前
記絶縁膜の膜厚の薄い凹状領域の中心部を除き該非単結
晶半導体層に選択的に不純物導入を行い、しかる後に非
単結晶半導体層を溶融させ、次いで前記凹状領域の中心
部から非単結晶半導体層を冷却し単結晶化する工程を含
むことを特徴とする半導体装置用基板の製造方法を含み
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置用基板の製造方法、より詳しくは膜
厚の異なる絶縁膜が形成された基板上に非単結晶半導体
層（ポリシリコンもしくはアモルファスシリコン層）を
成長させ、しかる後に非単結晶半導体層に選択的に不純
物導入をなし、次いで該非単結晶半導体層表面をレーザ
もしくは電子ビームなどのエネルギービームによって照
射し、溶融し、不純物が導入されていない領域の非単結
晶半導体から固化が始まり、不純物が導入された領域に
向かって単結晶化が進行する工程を含むセミコンダクタ
ー・オン・インシュレーク（ＳＯＴ）技術の改善に関す
る。

〔従来の技術〕

半導体装置の動作特性向上のためには、製造技術の向上
はもちろんのこと、特性にかなったより精度の高い単結
晶基板が必要である。例えばバイポーラトランジスタの
基板が前記したＳｏｌ技術で形成される場合、従来技術
では基板の単結晶性が十分でなく、当該トランジスタの
特性の向上のためにより精度の高い単結晶基板を形成す
る必要性が注目されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２図は従来のＳｏｌ技術における非単結晶半導体、例
えばポリシリコンの単結晶化を説明するための概略断面
図で、同図を参照すると、シリコン基板１上に形成され
た膜厚の薄い凹状領域（同図Ｂで示す領域）が設けられ
た二酸化シリコン膜（ＳｉＯｚ　ＨＡ縁膜）２上にポリ
シリコン層３が成長されている。なお上記凹状領域は従
来の窓開は技術などにより容易に形成しうる。

上記構造をもった半導体基板における従来のＳＯＩ技術
による単結晶化は、先ず、上記ポリシリコンＰ１３の表
面をレーザもしくは電子ビームでビーム照射をなして溶
融させる。かかる溶融により、上記絶縁膜２の膜厚が厚
い領域（同図Ａで示す領域）と薄い領域との冷却速度の
相違により生ずる粘度の差や表面エネルギーの作用によ
って、膜厚の厚い領域のポリシリコンが膜厚の薄い凹状
領域に流れ込んで単結晶化することが確認されている。

ところで、従来技術における上記単結晶化は、二酸化シ
リコン膜厚の厚い部分はもともと温度が余り上がらない
ことや二酸化シリコンの凹部側壁に沿うポリシリコンの
照射ビームに対する実効膜厚の増大による側壁底部は上
層部より常に低温になることなどが原因となって、ポリ
シリコン冷却時に結晶の核が前記ＢｉＪｌ域の隅の部分
に形成され、そこから同図破線で示すように結晶化が進
むため、絶縁膜２の膜厚の薄い凹状領域内に唯一つのシ
リコン単結晶粒を形成することができないという欠点が
認められた。この点をやや詳しく説明すると、Ｂ領域の
例えば中央部分では、溶融したポリシリコンの熱は、薄
い酸化膜を通して同図に垂直方向に矢印で示すように基
板内方向に流れるとともに、上層部および中央部に比較
して低温な隅の部分に向かって水平方向に同図上方の水
平方向矢印で示される方向にも流れる。しかし、ＢＮ域
の隅の部分では、ポリシリコンの熱は中央部同様に基板
内下方向に流れるとともに、隅の部分の厚いＳｉＯ□絶
縁膜からは熱が入って来ないので、隅の部分では基板内
下方と外の方向とに向って熱が流れ、Ｂ領域の中央の部
分よりもより速く冷却する。加えて、隅の部分では、融
液の曲率が小となるために、核が形成され易いという結
晶成長における経験則が働いている。このような理由で
、単結晶化は破線で示すように段差の部分から中央上方
部分へ向けて進むものと解される。

そこで本発明は、従来技術における単結晶化の欠点に鑑
み、ＳＯＩ技術による半導体装置用基板の製造において
、より大きな単結晶粒を形成し、絶縁膜の膜厚の薄い凹
状領域を１つの単結晶で構成する方法を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題は、半導体基板上に底部膜厚の薄い凹状領域を
有する如くに形成された絶縁膜上に非単結晶半導体層を
成長させ、しかる後、該非単結晶半導体層の表面をエネ
ルギービーム照射により溶融し、膜厚の厚い領域の非単
結晶半導体を膜厚の薄い領域に流し込んで単結晶化する
工程において、前記絶縁膜の膜厚の薄い凹状領域の中心
部を除き該非単結晶半導体層に選択的に不純物導入を行
い、しかる後に非単結晶半導体層を溶融させ、次いで前
記凹状領域の中心部から非単結晶半導体層を単結晶化す
る工程を含むことを特徴とする半導体装置用基板の製造
方法によって解決される。

〔作用〕

非単結晶半導体に不純物を導入するとその融点が降下す
る。そこで、膜厚の薄い部分を膜厚の厚い部分で囲んだ
構造の絶縁膜上に堆積した非単結晶半導体層に、前記膜
厚のより薄い部分の一部、好ましくはそのほぼ中心部分
を除いて不純物を選択し、次いで非単結晶半導体層にエ
ネルギービームを照射すると、不純物を導入した部分の
融点が不純物を導入しない部分よりも・低いため、不純
物導入部分がより速く溶融し、その結果、冷却過程では
不純物非拡散領域から先に単結晶化するものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例により具体的に説明する。

第３図は本発明者が開発した技術の第１の例を示す概略
断面図で、二酸化シリコン膜２の膜厚の薄い部分２ａ（
この部分は従来技術によると第１図に示されるように均
一に形成されている）の膜厚を、中心部２ｂで最も薄く
、かつ、そこから外側に向けて厚くなるように、いわゆ
るヒート・シンク（ｈｅａｔ　５ｉｎｋ）　領域を形成
して熱伝導を制御する構造を示す。同図を参照すると（
なお第２図以下においても第１図に示されたものと同じ
部分は同一符号で示す）、シリコン基板１上に形成され
た二酸化シリコン膜２において、この二酸化シリコン膜
２の膜厚の薄い部分２ａの中心部２ｂをさらに薄く形成
する。かかるヒート・シンクを備えた膜厚構造は、従来
のエツチング技術などによって形成しうる。このように
膜厚の異なった部分２ａ、２ｂをもった二酸化シリコン
膜２上に、非単結晶半導体例えばポリシリコン層３を成
長し、かかる成長層の表面を例えばレーザによるビーム
照射で溶融する。

この場合、膜厚が最も薄いＳｉＯ□膜２ｂでは、溶融し
たポリシリコン層の熱は最も速くシリコン基板１内に流
れるのに対し、Ｓｉ島腹膜２ａ部分では、ＳｉＯ□膜２
ａがＳｉｎ、膜２ｂよりもより厚く形成されているため
その上のポリシリコン層の熱はその大なる膜厚の分だけ
より遅くシリコン基板１内に逃げる。このようにして、
Ｓｉｎ、膜２ｂの部分ではポリシリコンＮ３が最も早く
冷却するため、結晶成長が同図に破線で示す如く、膜厚
の最も薄い部分を核として周辺部へと進行し、単一の大
きな結晶粒（グレイン）が形成される。

第４図は本発明者が開発した技術の第２の例を示し、こ
の例において、前述したヒート・シンク領域における膜
厚の変化を連続的に、かつ、その表面断面の形状が下に
（シリコン基板方向に）凸の湾曲部２ｃが作られるよう
に形成した。

かかる構造においても、第１の例において説明した如く
、膜厚の最も薄い部分の冷却が最も速く進行し、その後
徐々に周辺部へと冷却が進行するため、同図に破線で示
す如く単結晶化が進み、大きな単結晶粒が形成される。

第１図は本発明の実施例を示す断面図で、この実施例に
おいては、絶縁膜２の形状は第２図に示される従来技術
による場合のものと同じで、膜厚の薄い部分４が膜厚の
大なる部分２によって囲まれた構造であるが、この絶縁
膜２上に形成された非単結晶半導体層（例えばポリシリ
コン層もしくはアモルファスシリコン層）に選択的に不
純物導入、例えばアルゴンイオン（Ａｒ”　）をイオン
注入することにより、当該非単結晶半導体層の融点を降
下せしめて不純物を拡散しない領域に対して熱伝導の相
違をもたらし、それによって大きな単結晶粒の形成を達
成する。

同図を参照すると、例えばポリシリコン層３の膜厚の薄
い領域の中心部５（同図破線で囲む部分）を除いた領域
（図中Ｘ印を付した領域）に適当なイオン（例えば計゛
）を注入する。なお、かかるイオン注入はマスクを用い
る従来技術で行うことができる。かかるイオン注入によ
って、イオン注入領域のポリシリコンはその融点が下降
し、イオン注入を行わなかった中心部５のポリシリコン
に比べ溶融し易くなる。その結果、例えばレーザを用い
るエネルギービームで照射した後、融液の表面張力によ
り、不純物を導入した部分のポリシリコンが中心部５に
流入し、結果的に表面の平坦化が起こると共に、中心部
５ではそこのポリシリコンの融点が高いことによってま
わりから流入したポリシリコンに比べて冷却時により速
く固化が起こり、単結晶成長はイオン注入を行わなかっ
た膜厚の薄い領域の中心部５を核としてイオン注入がな
された部分に向けて進行し、大きな単結晶粒が形成され
る。

本発明の特徴は、イオン注入をしなかった領域（中心部
４）を核として単結晶化が進むことであり、絶縁膜２の
膜厚の薄い部分をどの程度まで薄くすればよいかについ
て厳しい条件はない。従って、素子形成後の静電容量で
絶縁膜４にある厚さ以上のものが要求される場合、本発
明はその要求に応じることが容易である。このようにし
て、絶縁膜４の厚さがクリティカルでないので、絶縁膜
２と４との段差を小にすることが可能になり、それはプ
ロセスの簡易化に有効である。

なお、本発明の不純物導入はイオン注入の場合に限定さ
れるものでな（、またレーザビームに代えて、電子ビー
ムやその他のエネルギービームを用いても実現でき、単
結晶化するポリシリコンに限定されず、アモルファスシ
リコンの単結晶化にも実施しうる。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明の方法によれば、大きな単結晶
粒基板を絶縁股上に形成することができ、この単結晶基
板に形成されるバイポーラトランジスタなどの半導体装
置の信顧性を向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例断面図、 第２図は従来のＳＯＩ技術を説明するための半導体基板
の要部の断面図、 第３図と第４図は本発明者によるＳＯＩの例を説明する
ための半導体基板の要部の断面図である。 図中、 １はシリコン基板、 ２は二酸化シリコン膜（絶縁膜）、 ３はポリシリコン層、 ４は絶縁膜の薄い部分、 ５はポリシリコン層の膜厚の薄い部分の中心部を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板（１）上に底部膜厚の薄い凹状領域を有する
   如くに形成された絶縁膜（２）上に非単結晶半導体層（
   ３）を成長させ、しかる後、該非単結晶半導体層（３）
   の表面をエネルギービーム照射により溶融し、膜厚の厚
   い領域の非単結晶半導体を膜厚の薄い領域に流し込んで
   単結晶化する工程において、 前記絶縁膜の膜厚の薄い凹状領域の中心部を除き該非単
   結晶半導体層（３）に選択的に不純物導入を行い、しか
   る後に非単結晶半導体層（３）を溶融させ、次いで前記
   凹状領域の中心部から非単結晶半導体層（３）を単結晶
   化する工程を含むことを特徴とする半導体装置用基板の
   製造方法。