JPH03250620A - 半導体装置の製造方法 - 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〕 この発明は半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁物上
の非結晶半導体をレーザ照射により単結晶化するための
熱分布制御膜形成に関するものである。

〔従来の技術〕

絶縁物上に単結晶半導体層を形成する方法としては、単
結晶半導体基板における酸素イオン注入による方法（Ｓ
　ＩＭＯＸ）、絶縁膜上の非結晶半導体のヒータ加熱に
よる溶融再結晶化法、あるいはエネルギー・ビーム照射
による溶融再結晶化法等が考えられている。特にエネル
ギー・ビーム照射による溶融再結晶化法は三次元素子の
実現に際しては不可欠な技術である。

溶融再結晶化法に用いるエネルギー・ビームとしては大
出力レーザあるいは電子ビームが考えられているが、操
作性の良さからレーザを用いる方法が絶縁物上に単結晶
半導体層を形成する方法として主流となっている。

レーザ照射による溶融再結晶化法により単結晶半導体層
を形成するには、溶融した半導体中の温度分布を制御し
て任意の場所から再結晶化を起こすことが必要となる。

このような温度分布制御法の１つに反射防止膜法がある
。この構造を第６図に示す。第６図（ａ）は半導体単結
晶基板１上に絶縁１１１２と非結晶半導体膜３を順次形
成し、その上に反射防止ｌｌ！４を形成しパターニング
した状態を表わしている。また再結晶した半導体層の結
晶方位を制御するためにシード５を設けている。この図
で示したシード構造は絶縁膜２に単結晶基板１まで達す
る穴を開け、非結晶半導体で埋め込んだものである。実
際の例では半導体単結晶基板１にはシリコン単結晶基板
、絶縁物２にはシリコン酸化物、非結晶半導体膜３には
ポリシリコン膜、及び反射防止膜４にはシリコン窒化膜
が用いられている。

第６図（ｂｌはレーザ照射中の試料断面の模式図である
。反射防止膜４の下においては反射防止膜４のない部分
よりレーザ光の吸収が大きいため、より高温となる。レ
ーザ照射により溶融した半導体層３ａは温度の低いとこ
ろから固化し始めるが、第６図に示すような構造を取っ
た場合、反射防止膜下はより高温となっているので、反
射防止膜の間から常に再結晶化が始まる。さらに熱伝導
率に関しては結晶半導体が最も大きな値を持つので、固
化する際の熱の散逸は主に結晶半導体側へ起こる。この
結果、第６図に示すようにシード５を反射防止膜の間に
設ければ、再結晶化は常にシード５から始まるため、絶
縁物２上に基板の単結晶半導体１と同じ結晶方位を持つ
単結晶半導体膜が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記従来の技術においては、第７図に示すよ
うに再結晶化した半導体膜の結晶方位がシードから離れ
るにつれて連続的に回転することが知られている。第７
図においては縦軸に結晶軸回転角度を、横軸にはシード
からの距離を示している。このように結晶軸が連続的に
変化していると、素子形成時、例えばゲート酸化膜形成
時には酸化レートが結晶方位の違いにより異なるため、
均一な膜厚の酸化膜が形成されず、素子性能のバラツキ
が生じてしまうという問題が発生する。また、この結晶
軸回転は反射防止膜を用いていることに起因するもので
はなく、レーザ溶融再結晶化法特有の現象であることが
知られている。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、レーザ照射による溶融再結晶化法によって形成
した絶縁物上の単結晶半導体膜の結晶軸回転を抑制する
ことができる半導体装置の製造方法を提供することを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

ところで、前記の結晶軸回転は溶融した半導体層が再結
晶するとき、その固液界面の上下（非結晶半導体膜の表
面側と絶縁物界面側）に温度差が生じることによって起
こると考えられている。この温度差は再結晶化時の熱の
散逸が主に絶縁物及び単結晶半導体基板側へ起こること
によって生じている。そこで非結晶半導体層の表面側に
高熱伝導率層を形成すれば、表面側への再結晶化時の熱
の散逸を大きくすることができるようになり、非結晶半
導体層上下に生じる温度差を減少することが可能となる
。その結果、結晶軸回転を抑制することが可能になると
考えられる。

第８図に示したのは、レーザ照射中の非結晶半導体層中
の温度分布をシミュレーションにより求めた物である。

第８図（ａｌは非結晶半導体膜上に何も形成しない場合
の例で、シリコン単結晶基板上にシリコン酸化膜とポリ
シリコン膜を順次形成したものについてのシミュレーシ
ョン結果である。

図中の太線は固液界面を表わしているが、ポリシリコン
膜上下の温度差により固液界面が傾いているのがわかる
。この傾きは約１５度である。

一方、第８図（ｂｌに示したのは、非結晶半導体膜上に
高熱伝導率層を形成した場合で、ここではタングステン
膜をポリシリコン上に形成したもののシミュレーション
結果である。これによれば、固液界面の傾きは約２２度
とタングステン膜のない場合に比較して大きくなってお
り、この方法でポリシリコン膜上下の温度差を減少する
ことができることが分かる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の知見に基
づいてなされたもので、単結晶半導体基板もしくは既に
デバイスが形成された半導体基板主面上に絶縁膜と非結
晶半導体膜を順次形成し、この上にさらにパターニング
された高熱伝導率層を形成し、その後基板全面にレーザ
光を照射することにより非結晶半導体層を単結晶化する
ようにしたものである。

〔作用〕

本発明の半導体装置の製造方法によれば、レーザ照射に
よる溶融再結晶化法を用いて絶縁物上に単結晶半導体膜
を形成する場合に、再結晶化時の非結晶半導体膜上下に
生じる温度差を減少することが可能となり、結晶軸回転
を抑制することが可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

なお、本実施例に係る説明図において、前述した従来例
に係る第６図と互いに同一もしくは相当する部分には同
一符号を付している。

第１図（ａｌは本発明の第１の実施例による半導体装置
の製造方法により製造されたものの鳥敵図をである。シ
リコン単結晶基板１上にシリコン酸化膜２．ポリシリコ
ン膜３．及びパターニングしたタングステン膜６を有す
るとともに、またシード５もあわせて有している。

第１図山）以降には第１図（ａ）の半導体装置の製造方
法の各主要工程の断面図を示している。第１図（ｂｌは
シリコン単結晶基板１上にシリコン酸化膜２を形成し、
この上にレジスト７を塗布してパターニングした状態を
示している。この後、シリコン酸化膜２をエツチングす
ることによりシード用の穴が形成される。シリコン酸化
膜２はＣＶＤ法で堆積するか、またはシリコン単結晶基
板１を酸化して形成すればよい。実際の素子ではシリコ
ン酸化膜２の膜厚は１〜２μｍ程度である。また第１図
（Ｃ）はシード５の別の形成法を示している。これはＬ
ＯＣＯ３法を用いたもので、シードを形成する場所をシ
リコン窒化膜８で覆って酸化することにより、シリコン
酸化膜２とシード５を同時に形成することができる。第
１図（Ｃ）から次の工程に進む前に、シリコン窒化膜８
は除去する。以下の工程において、第１図（ｂｌと第１
図（Ｃ）に示した構造では共通の過程を経るので第１図
（ｂ）の例を用いて説明する。

第１図（ｂ）に示した状態からシード５用の穴を形成後
、レジスト７を除去し、シリコン酸化膜２上にポリシリ
コン膜３を形成した状態を第１図（ｄｉに示す。この時
、シリコン酸化膜２に形成したシード用の穴はポリシリ
コンで完全に埋められている必要があるので、ポリシリ
コン膜の形成は複数回に分けて行ってもよい。実際の例
ではポリシリコン膜厚は０．５〜０．６μｍ程度である
。

次にポリシリコン膜３上に高熱伝導率層としてタングス
テン膜６を形成し、その上にレジスト層９を形成・パタ
ーニングしたものを第１図（ｅ）に示す。タングステン
６の膜厚は０．５μｍ程度である。ここで第９図（ａｌ
、　（ｂｌのグラフ及び表に示すように、タングステン
膜厚と固液界面の傾きとの間には複雑な関係があるため
、高熱伝導率層形成の効果を最大に引き出すには膜厚及
びパターン形状の最適化が必要となるが、少なくとも高
熱伝導率層を形成しないものと比較した場合には高熱伝
導率層を持つものの方が結晶軸回転を抑制できる。

第１図（ｅ）に引き続き、レジスト９をマスクとしてタ
ングステン膜６をパターニングし、その後、レジスト９
を除去した状態を第１図（ｆｌに示す。これに引き続き
、本試料に主面側からレーザ照射を行い、ポリシリコン
膜３を単結晶化することで絶縁物２上に単結晶シリコン
膜を形成することができる。この後、タングステン膜６
を除去し、単結晶シリコン層をデバイス形成層とする。

ここで、本実施例では反射防止膜を設けていないが、タ
ングステン膜がレーザ光に対して反射膜として作用する
ため、熱分布制御は可能である。

また、本実施例ではシード５を設けた試料について説明
しているが、高熱伝導率層の効果はシードのないものに
ついても同様に有効に作用することは言うまでもない。

第２図は本発明の第２の実施例による半導体装置の製造
方法の工程断面図を示している。なお、ここでは上記実
施例と異なりシードを設けない例を示している。

第２図（１１）は単結晶シリコン基板１上にシリコン酸
化膜２．ポリシリコン３．シリコン窒化膜４を順次形成
した上、レジスト層１０を塗布してバタニングし、これ
をマスクとしてシリコン窒化膜４をパターニングした状
態を示している。ここでシリコン窒化Ｗ！４は反射防止
膜として作用するように膜厚を設定する。

第２図（ｂ）は第２図（ａ）に引き続きレジスト層１０
を除去したのち、タングステン膜６を形成後、再度レジ
スト層９を塗布・パターニングした状態を示している。

これをマスクとしてタングステン膜６をパターニングし
、レジスト層９を除去したのが第２図（Ｃ１である。

この後、レーザ照射によりポリシリコン３を単結晶化し
、シリコン窒化膜４とタングステン膜６を除去すれば、
絶縁膜２上に単結晶シリコン膜が形成される。

また、第３図は本発明の第３の実施例による半導体装置
の製造方法を示しており、単結晶シリコン基板１上にシ
リコン酸化＃２．ポリシリコン膜３及びタングステン膜
６を順次形成したのち、レジスト層９を形成・パターニ
ングし、これをマスクとしてタングステン膜６をパター
ニングしたものを第３図（８）に示す。引き続いて、レ
ジスト層９を除去したのち、シリコン窒化膜４を全面に
形成した状態を第３回出）に示す。ここで、シリコン窒
化１ｔ！４の膜厚はポリシリコン膜３と直接接している
部分が反射防止膜となるように設定される。これにより
第２図（Ｃ）に示したものと同様の効果が得られる。

また、さらには第３図（ｂｌに続いてシリコン窒化膜上
にレジストを塗布しエッチバックすることにより第３図
（Ｃ）に示すように第２図（Ｃ）と同じ構造を得ること
ができる。

また、本発明の第４の実施例として、タングステン膜６
とポリシリコン膜３が直接接しないように新たな膜を形
成する構造が考えられる。第４図はその実施例で、単結
晶シリコン基板１上にシリコン酸化１１１２．ポリシリ
コン膜３．シリコン酸化膜１１及びタングステンＷ！Ｘ
６を順次形成した後、レジスト層９を形成・パターニン
グしたものを第４図（ａｌに示している。レジスト層９
をマスクとしてタングステンｌＮｌ６をパターニングし
、その後レジストを除去したものが第４図（ｂ）である
。また、これは第４図ＣＣＩに示すように、さらにシリ
コン酸化膜１１がパターニングされてもかまわない。こ
の構造で、シリコン酸化膜厚１はポリシリコン３とタン
グステン６がレーザ照射時に反応しないようにするもの
であるので、その膜厚は０．０１μｍ程度でよい。もっ
とも、レーザ照射時に熱分布を乱さなければ膜厚はもっ
と厚くでもかまわない。

本第４の実施例は、上記第１の実施例で示した第１図（
ｆ）の状態にシリコン酸化膜１１を形成したものである
。同様に上記第２の実施例である第２図（Ｃ）の構造、
及び上記第３の実施例である第３回出）の構造である場
合にもポリシリコンとタングステンとの間に新たな膜を
形成することが考えられる。第５図（ａ）はその−例と
しての本発明の第５の実施例であり、これは、第２図（
Ｃ）に示した構造に、シリコン酸化膜１１を形成したも
のである。

また、第５図（ｂｌは本発明の第６の実施例による半導
体装置を示しており、タングステン６とポリシリコン３
の間をシリコン窒化膜４で分離している。本実施例にお
いては、シリコン窒化膜４の厚さを適当に選べば、反射
防止膜を同時に形成することになる。

以上、本発明における多々の実施例を述べてきたが、高
熱伝導率層としてはタングステンに限らず、シリコン窒
化膜より大きな熱伝導率を持つ物質であれば程度の差は
あれ、同様な効果が期待できる。しかし、最大限に効果
を引き出すにはレーザ照射時の高温下においても高熱伝
導率を有するものが望ましく、そういう意味で高融点金
属であるタングステンを例として実施例を説明してきた
。

タングステン以外にもタングステンシリサイド。

チタンシリサイドといった化合物を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、非結晶半導体層の表
面側にパターン化した高熱伝導率層を形成するようにし
たので、後のレーザ照射による溶融再結晶化時の溶融層
上下の温度差を減少することができる。従って、結晶軸
回転の抑制された、良質の単結晶半導体膜を絶縁物上に
形成することが可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１の実施例による半導体装置の製造
方法を示す図、第２図は本発明の第２の実施例による半
導体装置の製造方法を示す図、第３図は本発明の第３の
実施例による半導体装置の製造方法を示す図、第４図は
本発明の第４の実施例による半導体装置の製造方法を示
す図、第５図は本発明の第５及び第６の実施例による半
導体装置の製造方法を示す図、第６図は従来例の半導体
装置の構造を示す図、第７図は従来の半導体装置重層が
ある場合とない場合の固液界面の傾きをシミュレートし
たものを示す図、第９図は高熱伝導率層の厚さと固液界
面との関係を表わす図である。 図において、１は単結晶シリコン基板、２．１１はシリ
コン酸化物、３はポリシリコン、４．８はシリコン窒化
膜、５はシード、６はタングステン、７，９．１０はレ
ジストである。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶半導体基板もしくは既にデバイスを備えた
   半導体基板主面上に、絶縁膜を介して非結晶半導体層を
   形成し、その後レーザ照射により該非結晶半導体膜を単
   結晶化してなる半導体装置の製造方法において、 上記レーザ照射に際し、予め上記非結晶半導体層の表面
   側にパターニングされた高熱伝導率層を設けたことを特
   徴とする半導体装置の製造方法。