JPH0311727A - 半導体薄膜の製造方法 - 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） 本発明は半導体集積回路装置を製造する半導体薄膜であ
って、一般にＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　０ｎＩｎｓ
ｕｌａｔｏｒ）構造と称される構造の半導体薄膜を製造
す゛る方法に関し、特に再結晶化法と称される方法に関
するものである。

本発明の半導体基板は高集積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で
利用することができる。

成長させる半導体薄膜がシリコン以外に、例えばＧａＡ
ｓなと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、本発明でも一成長させる半導体薄
膜はシリコンに限定されない。

（従来の技術） ’ＳＯＩ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
ＯＩ構造形成技術の全般的な説明はｒｓＯＩ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
せなが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）光学系を改善し、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。

（発明が解決しようとする課題） しかし、これらの方法によっても部分的な単結晶は得ら
れるが、大面積の単結晶を得るには至っていない。

本発明は、簡単なプロセスで大面積の単結晶膜を得るこ
とのできる方法を提供することを目的とするものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明では、多結晶又は非晶質の半導体薄膜にエネルギ
ービームを照射して溶融させ、その溶融部分を移動させ
るとともに、薄膜構造表面でエネルギービーム照射中の
部分又はエネルギービーム照射から僅かに遅れた部分に
冷却用流体を吹きつける。

冷却用流体としては、例えば０□、　Ｎ、、　ＮＨ。

及び不活性ガスのうちのいずれかのガス若しくはそれら
を含んだガス、又は単結晶化させようとする半導体薄膜
の構成元素を含むガスである。

照射するエネルギーは、レーザービームその他の光ビー
ム、電子ビーム、熱線などの形で与える。

（作用） 半導体薄膜にレーザービームなどのエネルギービームを
照射し、移動させると、照射された部分が溶融し、その
後冷却するときに単結晶化が行なわれるが、一般には薄
膜構造の表面側は気体に接触し、裏面側には半導体ウェ
ハなどが存在するため、表面側は裏面側よりも冷却され
にくく、このことが良好な単結晶の成長を妨げる一因に
なっている。そこで、本発明により表面側に冷却用流体
を吹きつけることによって、溶融部分の冷却を速めて単
結晶化を促進する。

冷却用流体は気体又は液体であるが、気体の場合は目的
に応じて種々のものを用いることができる。溶融再結晶
化させようとする半導体薄膜が多結晶シリコン又は非晶
質シリコンである場合に、冷却用流体として酸素を用い
ると形成される単結晶薄膜の表面がシリコン酸化膜で被
われた状態となり、単結晶薄膜の表面に絶縁膜を必要と
する場合には［８膜を形成する工程を１つ省略すること
ができて好都合である。冷却用流体として窒素又はアン
モニアを用いるときは形成される単結晶薄膜の表面にシ
リコン窒化膜が形成され、この場合も絶縁膜形成工程を
１つ省略することができる。

単結晶化させようとする半導体薄膜がＧ　ａ　Ａ　ｓで
ある場合には、Ａｓが蒸発するのを防・ぐために、冷却
用流体にＡｓを含むガスを用いると良好なＧａ　Ａ　ｓ
単結晶薄膜を形成することができる。

（実施例） 第１図は一実施例を表わす。

１は単結晶シリコン基板であり、その表面に厚さが１μ
ｍ程度のシリコン酸化膜２を形成する。

シリコン酸化膜２は熱酸化又は減圧ＣＶＤ法により形成
することができる。三次元ＩＣを製造する場合には、シ
リコン基板１に半導体素子がすでに形成されている。

シリコン酸化膜２上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコ
ン薄膜３を約５０００人の厚さに堆積する。

多結晶シリコン薄膜３を単結晶シリコン薄膜に成長させ
るために、アルゴンイオンレーザ−ビーム６を多結晶シ
リコン薄膜３に照射して走査し、レーザービーム６の照
射にやや遅れて窒素ガス７をビーム状に絞って走査しな
がら吹き付ける。レーザービーム６と窒素ガスビーム７
を走査するには、レーザービーム６と窒素ガスビーム７
を同時に矢印８方向に移動させてもよく、又はレーザー
ビーム６と窒素ガスビーム７を固定しておき、基板１を
矢印９で示される方向に移動させてもよ、い。

レーザービーム６の照射条件は、例えば照射パワー２Ｗ
、ビーム径１０μｍ、走査速度２ｃｍ／秒であり、窒素
ガスビーム７の照射条件は、例えばその温度は室温より
も１０℃程度低めであり、ビーム径１ｍｍ、走査速度は
レーザービーム６と同じ２ｃｍ／秒である。しかしなが
ら、レーザービーム６や窒素ガスビーム７の照射条件、
レーザーの種類などは実験的に最適なものに設定すれば
よい。

多結晶シリコン薄膜３にレーザービーム６が照射される
と、照射部分が溶融する。溶融部分４が溶融後に窒素ガ
スビーム７で冷却されることによって単結晶シリコン薄
膜５になる。

冷却用ガスとして窒素ガスを吹きつけると、形成される
単結晶薄膜５の表面に窒化シリコン膜が形成される。

第１図の方法は種々に変形することができる。

例えば、多結晶シリコン薄膜３上にシリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜などの誘電体膜を形成して熱伝導性を調整
するようにしてもよい。多結晶シリコン薄膜３の下層の
シリコン酸化膜２に代えてシリコン窒化膜などの誘電体
膜を設けてもよい、多結晶シリコン薄膜３の膜厚は形成
しようとする単結晶薄膜の膜厚に応じて設定すればよい
。

冷却用ガス７としてアンモニアガスを用いるときも、得
られた単結晶薄膜の表面にシリコン窒化膜が形成される
。

冷却用ガス７としてヘリウムやアルゴンなどの不活性ガ
スを用いることもできる。

第２図は冷却用ガスとして酸化性ガスを用いた実施例を
表わしている。

冷却用ガスとして酸素だけのガス又は不活性ガスに酸素
を含んだガス１ｏを吹きつけることにより、得られる単
結晶シリコン薄膜５の表面にシリコン酸化膜１１を形成
することができる。

第３図は単結晶化しようとする半導体薄膜としてＧ　ａ
　Ａ　ｓ薄膜を用いた実施例を表わしている。

シリコン基板１上にシリコン酸化膜２を形成し、その上
に多結晶Ｇ　ａ　Ａ　ｓ薄膜１２を形成する。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓの場合、その溶融部分と接するガスの蒸
気圧が低いときは蒸発によって母材料が損失したり、Ａ
ｓが抜けてＧａ液漬が発生する。そこで、ＧａＡｓの場
合は冷却用ガス１５の圧力を高くしたり、又は冷却用ガ
ス１５にＡｓを含ませることによって母材料損失やＡｓ
蒸発を防止することができる。

第３図の場合もレーザービーム６を走査しながら照射し
、少し遅れて冷却用ガスビーム′１５を走査しながら吹
きつけることによって、溶融部分１３が冷却されて単結
晶ＧａＡｓ薄膜１４が形成される。

半導体薄膜がレーザービームなどのエネルギービームに
よって溶融され、冷却されて再結晶化する際に結晶成長
の種を形成するのに好都合なガスを含んだものとするこ
ともできる。

冷却用流体としては実施例ではガスを用いているが、液
体窒素や液体酸素など、液状のものを吹きつけてもよい
。

本発明では薄膜構造の表面から強制的に冷却するため、
下地の結晶の影響を受けずに溶融再結晶化させることが
できる。また、そのため、後に製造するデバイス構造の
ことを考えて、例えば多結晶シリコン薄膜３の下に部分
的に高融点金属などの導電層を形成しておいてもよい。

（発明の効果） 本発明ではレーザービームなどのエネルギービームを照
射する溶融再結晶化法において、表面側から冷却用流体
を吹きつけることによって大面積の単結晶薄膜を形成す
ることができる。これにより、三次元集積回路装置など
の実現が可能となる。

冷却用流体としてガスを用いるときは、ガスの種類、温
度、圧力などは容易に変化させることができ、形成され
る半導体薄膜を最適化するのが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図はそれぞれ実施例を示す断面
図である・ １・・・・・・シリコン基板、２・・・・・・シリコン
酸化膜、３・・・・・・多結晶シリコン薄膜、４・・・
・・・溶融部分、５・・・・・・単結晶シリコン薄膜、
６・・・・・・レーザービーム、７・・・・・・冷却用
窒素ガス、１ｏ・・・・・・酸素を含んだ冷却用ガス、
１２・・・・・・多結晶Ｇ　ａ　Ａ　ｓ薄膜、１３・・
・・・・溶融部分、１４・・・・・・単結晶ＧａＡｓ薄
膜、１５・・・・・・Ａｓを含んだ冷却用ガス。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）多結晶又は非晶質の半導体薄膜にエネルギービー
   ムを照射して溶融させ、その溶融部分を移動させるとと
   もに、薄膜構造表面でエネルギービーム照射中の部分又
   はエネルギービーム照射から僅かに遅れた部分に冷却用
   流体を吹きつける半導体薄膜の製造方法。
2. （２）冷却用流体はＯ＿２、Ｎ＿２、ＮＨ＿３及び不活
   性ガスのうちのいずれかのガス又はそれらを含んだガス
   である請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
3. （３）冷却用流体は前記半導体薄膜の構成元素を含む請
   求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。