JPH03289130A - 結晶の形成方法 - 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］ 本発明は結晶の形成方法に係り、特に非晶質絶縁基体上
に単結晶を形成する結晶の形成方法に関する。

本発明は、半導体集積回路等の電子素子、特に高性能電
子素子用に使用されるＳｉ単結晶膜の形成に好適に用い
られるものである。

［従来の技術］ 近年、高性能電子素子の開発のためにＳＯＩ（Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）構造のＳｉ膜が注
目されている。Ｓｉ膜が結晶質（非晶質を除く）のもの
だけを取り上げても、かなり多くの形成方法があり、膜
質の性能別に多くのランクに分別される。

例えば、最も簡単な形はＳｉｇｈ等の絶縁物（膜）上に
ＣＶＤ、スパッタ等で多結晶ＳＬを堆積させるものであ
る。これは堆積時の基板温度にもよるが、平均粒径が数
百〜数千人に分布した多結晶膜となる。熱論、この多結
晶膜は粒（グレイン）の形、大きさ等は一切制御されて
いない。

さらに上記多結晶膜または非晶質膜を、レーザーや棒状
ヒーター等の熱エネルギーによって溶融固化させ、ミク
ロンあるいはミリメートル程度の大粒径多結晶膜を得る
方法も報告されている（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌ
　５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｎｏｎ−ｓｉｎｇｌｅ−Ｎｏ
ｎ−５ｉｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒｓ、Ｊｏｒｎａｌ　ｏ
ｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈｖｏｌ、　６３．　
Ｎｏ、３．０ｃｔｏｂｅｒ　１９８３　ｅｄｉｔｅｄ　
ｂｙ　Ｇ、Ｗ。

Ｃｕ１１ｅｎ）。

このようにして形成された各結晶構造の膜にトランジス
タを形成し、その特性から電子易動度を測定し、単結晶
シリコンにおける電子易動度と比較すると、溶融固化に
よる数μｍ〜数１１１ｆｆｌの粒径を有する多結晶シリ
コンでは、単結晶シリコンの場合と同程度であり、数百
〜数千人の粒径分布を有する多結晶シリコンでは単結晶
シリコンの場合の１０−３程度であり、また非晶質シリ
コンでは単結晶シリコンの場合の２ＸＩＯ−’程度であ
った。

この結果から、結晶粒内の単結晶領域に形成された素子
と、粒界にまたがって形成された素子とは、その電気的
特性に大きな差異のあることが分る。すなわち、溶融固
化を行わない従来の結晶の形成方法で得られていた非晶
質上の堆積膜は非晶質又は粒径分布をもった多結晶構造
となり、そこで作製された素子は、単結晶層に作製され
た素子に比べて、その性能が大きく劣るものとなる。そ
のために、用途としては簡単なスイッチング素子、太陽
電池、光電変換素子等に限られる。

従って、高性能な電子素子を形成するためには、粒界が
無いか、もしくは粒界の位置の制御された半導体単結晶
膜が必要となる。

粒界が無い非晶質上のＳｉ単結晶膜の例としてＳ　ＯＳ
　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ）やＳＩ
ＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｉｍｐｌａｎｔ
ａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｘｙｇｅｎ）、貼り合わせ、酸化
分離（米国特許第４，３６１，６００号）等が報告され
ており、粒界の位置の制御された半導体膜の形成方法と
しては、特開昭６３−１０７０１６号公報に開示された
半導体膜の形成方法がある。

ＳＯ８は基板にサファイヤ（単結晶Ａ１□０３）を使用
し、その表面にＳｉをヘテロエピタキシャル成長させる
ものである。この技術は、サファイヤ基板が非常に高価
であることと、Ｓｉ膜中に基板の構成成分であるＡＩが
拡散してしまうという問題点を有していた。

ＳＩＭＯＸは、Ｓｉウェハーに０“　（酸素イオン）を
高エネルギーで注入し、アニールすることによって表面
のＳｉの単結晶構造を保ったまま、ウェハ内にＳｉＯ□
の中間層を形成する技術である。この技術は非常に高エ
ネルギーで、しかも高濃度の酸素イオンを注入するため
スルーブツトが悪く、また高温のアニールが必要なため
に基板への応力が心配されている。

また、貼り合わせ技術とは、表面が酸化された２枚のＳ
ｉウェハ、もしくは一方は酸化され他方は酸化されてい
ない組み合わせの２枚のＳｉウェハを、貼り合わせてア
ニールすることにより、原子レベルで密着させ、片方側
から研磨してＳｉ層が所定の厚さとなったところで研磨
を止める単結晶Ｓｉ膜の形成方法である。この方法は、
片方のウェハの殆どを研磨してしまうために、コストが
高くなることと、もともと厚さにバラツキのあるウェハ
を研磨し、僅かにＳｉ層を残す位置で研磨を止めなけれ
ばならないので、その制御が非常に困難であった。

酸化分離は、Ｓｉウェハの表面に凹凸を形成し、凸部の
上面と側面にマスクを施してから全体を酸化するもので
ある。これによりマスクの施されていない部分から酸化
が進み、凸部全体が５ｉＯｚによって基板側と絶縁分離
されるものである。しかし、この方法ではＳＯＩの構造
は得られるが、Ｓｉ層が薄膜でなくバルク（塊状）に分
離される。これを研磨したとしても５ｉＯｉとＳＬの界
面が平坦でないため、Ｓｉ単結晶膜は得られない。

また、以上の様な基板の材質が限定される方式に対して
、特開昭６３−１０７０１６号公報のように基板の材質
が限定されず、粒界位置の制御された半導体単結晶膜を
得る方法もある。これは核形成密度の異なる２種類の非
晶質材料を用いて、任意の点に半導体単結晶の核を形成
し、選択的に成長させて、成長した結晶どうしを任意の
位置で衝突させ、粒界を形成し得るものである。粒界が
形成されるということは、少なくとも各結晶粒の面内方
位は揃っていないことを示している。

［発明が解決しようとしている課題１ 以上の様に上記従来の結晶の形成方法はそれぞれが優れ
た特徴を有している反面、多くの問題点をかかえていた
。

本発明の目的は、安価な非晶質絶縁基板上の任意の位置
に、任意の面方位に揃った単結晶膜を形成することの可
能な結晶の形成方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の結晶の形成方法は、単結晶面を有する基体の該
単結晶面上に選択エピタキシャル成長のマスクとなるマ
スク層を形成する工程と、該マスク層の一部に開口部を
形成し、該開口部より前記マスク層表面をこえて単結晶
を選択的にエピタキシャル成長させる工程と、 前記マスク層を除去する工程と、 非晶質絶縁基体の面と選択的にエピタキシャル成長させ
た前記単結晶の成長面とを密着する工程と、 選択的にエピタキシャル成長させた単結晶の成長端と、
前記単結晶面を有する基体とが酸化絶縁分離されるまで
酸化する工程と、 酸化部分を除去し、前記単結晶面を有する基体と前記非
晶質絶縁基体とを分離する工程と、分離された非晶質絶
縁物基体に残された単結晶を種として選択的に結晶成長
を行なう工程と、を備えたことを特徴とする。

なお、本願において、単結晶面を有する基体とは、単結
晶からなる基体の他、非単結晶基体上に単結晶面を形成
した基体をも含むものとする。

［作　用］ 本発明の結晶の形成方法は、単結晶面を有する基体から
選択エピタキシャル成長（以下、ＳＥＧという）した単
結晶部分を非晶質絶縁基体に貼り合わせ、５ＥＧＬ、た
単結晶部分を酸化処理し、単結晶の非酸化部分を残して
酸化部分をエツチングし、前記単結晶面を有する基体と
非晶質絶縁基体を分離するとともに、単結晶の非酸化部
分を非晶質絶縁基体側に移し、これを種として単結晶を
選択的に結晶成長させることにより非晶質絶縁基板に方
位の制御された単結晶膜を成長させるものである。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

まず、本発明の詳細な説明に先立って、本発明の概念を
最もよく表わす本発明の実施態様例について説明する。

（実施態様例〉 第１図（ａ）〜（ｈ）は本発明の結晶の形成方法の一実
施態様例を示す工程図である。

第１図（ａ）に示すように、単結晶面を有する基体とな
るＳｉウェハー１０の表面にＳＥＧ用のマスク１１を形
成し、次いで、マスク１１に開口部１２を形成する。

マスク１１の材料は、Ｓｉウェハーを酸化したもの（Ｓ
ｉｎ２）　、　ＣＶ　Ｄ法、スパッタ法等で堆積したＳ
ｉＯ２，ＳｔＮ、　５ｚＯＮその他が用いられる。マス
ク１１の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、
より好ましくは２μｍ以上５μｍ以下、最適には３μｍ
程度である。これは、後の工程でＳｉウェハー１０と別
の基板を貼り合わせる際に、２枚の基板のすき間を酸化
雰囲気に保つ必要があるが、このすき間の大きさがマス
ク１１の厚さに近いため前記の最適値が決まる。

開口部１２の大きさは、直径にして０．５μｍ以上４μ
ｍ以下が好ましく、より好ましくぼ１μｍ以上３μｍ以
下、最適には１．５μｍ程度である。

これは後の工程でＳＥＧ部分の単結晶１３を酸化してＳ
ＥＧ先端部１３゛とＳｉウェハー１０を酸化分離する必
要があるが、開口部１２が大きすぎると、酸化分離の際
に多大な時間を費してしまい、また小さすぎると、ＳＥ
Ｇの成長がしにくいといった不都合が起こるために、前
記の最適値が決まる。

次に、第１図（ｂ）に示すように、Ｓｉ選択エピタキシ
ャル成長法により、結晶がマスク１１の表面を越えて、
横方向に成長するまで結晶成長処理を施す。尚、どの程
度まで横方向成長させるかは任意であるが、通常は開口
部１２の大きさの１．５〜３倍程度が好ましい、１．５
倍より小さい場合には、ＳＥＧの成長部分を完全酸化し
たときに、後に５ｅｅｄとなる未酸化部分が安定的に得
られなくなり、また３倍より大きい場合には、元の開口
部の大きさにもよるが、ＳＥＧ先端部１３°の平面が消
失し、多角錐形のファセットに覆われてしまうからであ
る。従って、より好ましくは開口部１２の大きさの２倍
程度が望ましい。

次に、第１図（ｃ）に示すように、マスク１１をエツチ
ングする。この際エッチャントはマスク１１の材料によ
って異なる。

次に、第１図（ｄ）に示すように、Ｓｉウェハー１０の
結晶成長面と非晶質絶縁基板１４とを密着させる。

次に、第１図（ｅ）に示すように、密着した２枚の基板
を酸化雰囲気中に曝し、Ｓｉウェハー１０の表面を酸化
する。このとき、ＳＥＧの成長部分の単結晶１３が完全
に酸化され、且つＳＥＧ先端部１３゛の中に未酸化部分
のＳｉ単結晶１６が残るような条件で酸化を行なう。

例えば、開口部１２が直径１．２μｍの円形であったな
らば、必然的にＳＥＧの成長部分の単結晶１３の直径も
１，２μｍとなる。そして、通常Ｓｉを０．６μｍ酸化
する条件で、同基板を酸化すれば、ＳＥＧの成長部分の
単結晶工３は完全に酸化されるが、ＳＥＧ先端部１３゛
は開口部１２の径より大きいので完全には酸化されず、
未酸化部分のＳｉ単結晶１６が残る。酸化は通常の熱酸
化法（Ｈｔ＋ＯｓまたはＯ，）でかまわない。

次に、第１図（ｆ）に示すように、上記密着した２枚の
基板をフッ酸溶液に浸し、Ｓｉウェハー１０の表面に形
成された酸化膜１５をエツチングすることにより、２枚
の基板を分離する。このとき非晶質絶縁基板１４の表面
にＳｉ単結晶の種（ｓｅｅｄ）１６ａが残る。

次に、第１図（ｇ）に示すように、非晶質絶縁基板１４
上のＳｉ単結晶の種１６ａを選択成長させ、Ｓｉ単結晶
１７を形成する。

次に、第１図（ｈ）に示すように、素子形成時に、必要
に応じてＳｉ単結晶１７を研磨し、平坦な素子領域１８
を形成する。

以下、本発明の実施例について説明する。

（第１実施例） なお、本実施例の工程において、第１図（ａ）〜（ｃ）
の工程は、同様であるので第１図（ａ）〜（ｃｌを引用
して説明するものとし、その後の工程については第２図
（ａ）〜（ｅ）を用いて説明するものとする。

第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１実施例の工程図で
ある。

まず、第１図（ａｌに示すように、４インチ（１００）
方位Ｓｉウェハー１０上に常圧ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ
□１１を２ＬＬｍ堆積した。このときＣＶＤ条件はＳｉ
Ｈ＋／　Ｏｚ　＝　５０　／　６０　（ｓｃｃｍ）、４
００℃、２０分間で堆積した。

次に、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて直径１
．２μｍの開口部１２を５０１Ｊ、　ｍ間隔の格子点上
に形成した。

次に、第１図（ｂ）に示すように、上記Ｓｉウェハーｌ
Ｏに選択エピタキシャル成長処理を施し、単結晶１３を
成長させ、ＳｉＯ２マスク１１の表面を越えて横方向に
ＳＥＧ先端部１３゛がＩｕｍ程度オーバーグロースした
時点で成長を止めた。この時の成長条件は、５ｉＨｚ　
Ｃ氾／ＨＣ，Ｑ／Ｈ２＝０．５３／１．６　／　１００
（ｓ（２ｍｌ、９９０℃、１５０Ｔｏｒｒ、２４０秒で
あった。

次に、第１図（ｃ）に示すように、上記成長処理を施し
たＳｉウェハー１０を濃フッ酸溶液に１０分間浸して５
ｉＯｚｌｌをエツチング除去し、単結晶１３を有するＳ
ｉウェハー１０を得た。

一方、上記処理を施したＳｉウェハー１０を貼り合わせ
る基板には、第２図（ａ）に示すように、４インチの溶
融石英基板２４を用いた。この石英基板２４は、表面に
ＬＰＧＶＤで５ｉｓＮ＜膜２９を０．２μｍ堆積した後
、４０ＩｉｍＸ４０μｍの正方形で、深さ１μｍの凹部
を１０μｍ間隔に形成したものを用いた。

次に、第２図（ａ）に示すように、上記石英基板２４と
、上記結晶成長及びマスクエツチング処理を施したＳｉ
ウェハー１０を密着させた。密着は特に表面の処理は行
わず、単に面と面を接触させるのみとした。貼り合わせ
た二枚の基板は溝をきざんである石英の治具に垂直に立
てた。密着させた際にＳｉウェハー１０のＳＥＧ成長部
分の単結晶１３が石英基板２４の凹部２２のほぼ中心に
くるように調節した。

次に、第２図（ｂ）に示すように、上記貼り合わせた基
板を水素雰囲気中、９５０℃で２０分間熱処理した後に
、これを酸化雰囲気中に置き、Ｓｉウェハーを酸化した
。酸化条件は、Ｈ，１０，＝４．５　／３．０　（ｓｊ
２ｍ）、１０００℃、１１５分間で行なった。ＳＥＧ結
晶部分の単結晶１３は完全に酸化され、且つＳＥＧ結晶
の中に未酸化部分のＳｉ単結晶１６が残った。

次に、第２図（ｃ）に示すように、上記酸化処理を施し
た基板をＨＦ：Ｈ，Ｏ＝２　：　１のフッ酸溶液に浸し
てＳｉｎｇをエツチングすることによりＳｉウェハー１
０と石英基板２４とを分離し、単結晶の種１６ａが配さ
れた石英基板２４を得た。

尚、石英基板２４も成分が５Ｌ（ｈであるため、フッ酸
処理により多少エツチングされるが、ＳＬの熱酸化膜に
比ベエッチング速度が極めて遅く、また多少エツチング
されても構造上特に問題はない。

次に、第２図（ｄ）に示すように、石英基板２４上のＳ
ｉ単結晶の種１６ａを選択成長し、Ｓｉ単結晶１７を成
長させた。このときの成長条件は、　５ｉＨｉ　Ｃβ／
ＨＣ尼／　Ｈ２＝　０．５３／１．６　／１０１００（
ｓｊ２．１０００℃、１００Ｔｏｒｒ、８０分間であっ
た。この結果、面方位が（１００）に揃ったＳｉ単結晶
が成長した。

次に、第２図（ｅ）に示すように、ＳｉＪ＜膜２９をス
トッパーとした選択研磨を行ない、平坦で且つ島状に分
離された素子領域２８を得た。

この時折なった選択研磨法は、コロイダルシリカを研磨
砥粒として用いたメカニカルボリシング（特願平１−２
５５５０３号）で行なった。

（第２実施例） 本実施例は、アルミナ基体上にＳｉウェハーを接着し、
第１図（ａ）〜（ｈ）を用いて説明した工程で結晶を形
成するものである。

第３図（ａ）は、アルミナ基体上にＳｉウェハーを接着
した状態を示す説明図であり、第３図（ｂ）は、非晶質
絶縁基体上に形成された単結晶膜を示す説明図である。

第３図（ａ）に示すように、支持体として縦横２０ｃｍ
Ｘ８ｃｍ、厚さ０．５ｃｍのアルミナ基板３０を用意し
た。このアルミナ基板３０の表面にＬＰＧＶＤ法で多結
晶ＳＬを０．４μｍ堆積した。更に両面が研磨され、且
つ厚みが揃った８　ｃｍＸ　６　ｃｍの（１００）　Ｓ
ｉウェハー３１と、８ｃｍＸ４ｃｍの（１１１）　Ｓｉ
ウェハー３２を交互に２枚ずつ並べて、Ｓｉウェハー３
１．３２とアルミナ基板３０とを接着させるために水素
雰囲気中、９５０℃で２０分間熱処理を行なった。

更に全体の平面性を得るために、−法化されたアルミナ
−３ｉ基板のＳＬ面を通常のＳｉウェハーの最終研磨工
程と同じ内容で研磨し、完全な同一平面を得た。

次に、第１実施例で行なったのと同じ条件で、常圧ＣＶ
Ｄ法で５ｉ０２膜を２４ｚｍ堆積し、ＳｉＯ２膜に開口
部を設けた。開口部の大きさは、（１００）Ｓｉ、（１
１１）Ｓｉ共に直径を１．５μｍとし、その間隔は（１
００）Ｓｉが縦横５０μｍＸ５０μｍ、（１１１）Ｓｉ
が縦横８０μｍＸ５０ｔＬｍとした。

次に、上記基板を第１実施例と同じ条件で選択エピタキ
シャル成長を行なった。

次に、第１実施例の工程と同様にして、上記選択エピタ
キシャル成長を行なった基板を縦横２０ｃｍＸ８ｃｍ、
厚さ０．２ｃｍのアルミナセラミックス基板に密着させ
、その後は第１実施例の各工程と同じ要領で酸化、エツ
チング、選択成長を行なった。

成長したＳｉ結晶の研磨は、通常のＳｉウェハーの研磨
工程と同じ手順で行ない、第３図（ｂ）に示したような
厚さ３μｍで縦横５０μｍＸ５０μｍの単結晶領域が格
子状に並んだ（１００）Ｓｉ単結晶膜３５と、同じ＜８
０ｇｍｘ５０ｔＬｍの（１１１）Ｓｉ単結晶膜３６が同
一基板上に形成された。

尚、ここで使用したアルミナ支持体に貼り付いたＳｉウ
ェハーは、使用後簡単な平坦化処理を行なうことにより
再生し、１００回以上くり返し使用することが可能であ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の結晶の形成方法によれば
、単結晶面を有する基体から成長した微小な結晶を非晶
質絶縁基体に移し変え、これを選択成長させることによ
り、次のような効果がもたらされる。

（１）開口部の位置を所望の位置に設定することで、単
結晶面を有する基体の所望の設定された位置から結晶成
長させることができ、非晶質絶縁基体上に移し変えられ
た微小な一部の単結晶も所望の設定された位置に配置さ
れるので、粒界位置の制御された単結晶膜を形成するこ
とかできる。

（２）単一の単結晶面を有する基体から成長した結晶の
一部を非晶質絶縁基体に移し変えて、単結晶膜を形成す
れば、面方位はもとより面内方位も完全に制御された結
晶膜を作製することが可能である。

また、面方位の異なる複数の単結晶面を有する基体から
成長した結晶の一部を非晶質絶縁基体に移し変えて、単
結晶膜を形成すれば、同−基体上に面方位の異なる結晶
領域を形成することも可能である。

（３）非晶質絶縁基体に結晶種を形成させるためのＳｉ
ウェハーは、数百回の再生利用を行なうことら可能であ
り、経済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｈ）は本発明の結晶の形成方法の一実
施態様例を示す工程図である。 第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１実施例の工程図で
ある。 第３図（ａ）は、本発明の第２実施例のアルミナ基体上
にＳｉウェハーを接着した状態を示す説明図であり、第
３図（ｂ）は、絶縁基体上に形成された単結晶膜を示す
説明図である。 １６ａ・・・Ｓｉ単結晶の種 １７・・・成長したＳｉ単結晶 １８．２８・・・素子領域 ２９・・・Ｓｉ窒化膜（ＳｉＪ４） ３１・・・（１００）Ｓｉウェハー ３２・・・　（１１１）Ｓｉウェハー ３５・・・（１００）Ｓｉ単結晶膜 ３６・・・（１１１）Ｓｉ単結晶膜 ０．２０・・・Ｓｉウェハー ト・・ＳＥＧ用のマスク ２・・・開口部 ３・・・ＳＥＧの成長部分の単結晶 ３°・・・ＳＥＧ先端部 ４・・・非晶質絶縁基板 ４・・・石英基板 ０．３４・・・アルミナ基板 ５・・・ＳＬ酸化膜（Ｓｉ（ｈ） ６・・・未酸化部分のＳｉ単結晶

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶面を有する基体の該単結晶面上に選択エピ
   タキシャル成長のマスクとなるマスク層を形成する工程
   と、 該マスク層の一部に開口部を形成し、該開口部より前記
   マスク層表面をこえて単結晶を選択的にエピタキシャル
   成長させる工程と、 前記マスク層を除去する工程と、 非晶質絶縁基体の面と選択的にエピタキシャル成長させ
   た前記単結晶の成長面とを密着する工程と、 選択的にエピタキシャル成長させた単結晶の成長端と、
   前記単結晶面を有する基体とが酸化絶縁分離されるまで
   酸化する工程と、 酸化部分を除去し、前記単結晶面を有する基体と前記非
   晶質絶縁基体とを分離する工程と、分離された非晶質絶
   縁物基体に残された単結晶を種として選択的に結晶成長
   を行なう工程と、を備えたことを特徴とする結晶の形成
   方法。
2. （２）前記単結晶面を有する基体が、面方位の異なる複
   数の単結晶面を有する基体である請求項１記載の結晶の
   形成方法。
3. （３）前記非晶質絶縁基体に凹部を設け、この凹部に選
   択的に単結晶を、前記非晶質絶縁基体面をこえて結晶成
   長させ、前記非晶質絶縁基体面を基準として除去してな
   る請求項１記載の結晶の形成方法。