JPH0351289B2 - - Google Patents

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JPH0351289B2
JPH0351289B2 JP60082298A JP8229885A JPH0351289B2 JP H0351289 B2 JPH0351289 B2 JP H0351289B2 JP 60082298 A JP60082298 A JP 60082298A JP 8229885 A JP8229885 A JP 8229885A JP H0351289 B2 JPH0351289 B2 JP H0351289B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は種子結晶を用いることなく、SOI結晶
を形成する方法に関する。
(従来技術) 絶縁体膜上のシリコン膜を光学的エネルギービ
ームで加熱し、再結晶化させて、単結晶化する場
合、結晶学的方位制御は後のデバイス特性の向
上、均一化に非常に重要である。結晶学的方位制
御方法については、Si基板を種子結晶として用い
る方法(エム タムラら、ジヤパニーズ ジヤー
ナルオブ アプライド フイジクス:M.
Tamura、et al.Japn.J.Appl.Phys.19、L23
(1980).)や種子結晶を用いない方法、特に人工
的な溝を形成し、その溝形状により、結晶方法を
制御するグラフオエピタキシ(エム.ダブリユ・
ガイズら、アプライド・フイジツクス・レター
M.W.Geis et al.Appl.Phys.Lett.35、71(1979).)
が知られている。多層構造を有する三次元回路素
子を実現するためには、種子結晶を用いない結晶
方位制御の開発が急務である。SiO2絶縁体膜上
のSi半導体結晶の結晶方位を制御に関しては、上
記ガイスらの発表(ジヤーナル オブ バキユー
ム サイエンス アンド テクノロジー:J.Vac.
Sci.Technol、16、1640(1979).)詳しく示され
ているが、未だ、不十分な所が多い。例えば、Si
のように、平坦な基板上に堆積しただけでも、<
100>−軸配向性[基板垂直方向が<100>方位を
有するもの、]が強い膜は、第2図に示したよう
に基板表面に人工的な溝を施し、その幾何学的形
状を制御することにより、基板面内の結晶方位制
御が可能であると言われている。第2図のaは、
溝形状として、基板表面と、平行な溝底面を有す
る場合、bは溝がのこぎり状で、基板表面と平行
な溝底面を持たせない場合の例で、それぞれ、隣
り合つた面(側面もしくは底面)が90°をなして
いる場合である。前記のガイスらの発表(ジヤー
ナル オブ バキユーム サイエンス アンド
テクノロジー:J.Vac.Sci.Technol、16、1640
(1979).)では、平坦な基板上に堆積しただけで
も<111>−軸配向性[基板垂直方向が<111>方
位を有するもの、]が強い膜についても、前記と
同様な方法により基板面内の方位制御が可能であ
ることを述べているが、本発明は<100>単結晶
シリコン膜の形成にあるので、前者の場合につい
て、説明する。
次に第2図に示した従来例において、aの場合
が良く試みられているが、実際にはデバイス形成
に十分な<100>単結晶Siが得られた例が少なか
つた。
本発明の目的は、従来例の欠点(溝形成)を改
善し、デバイス形成に必要な大粒径の単結晶シリ
コン膜を再現性良く形成する方法を提供すること
にある。
(発明の構成) 本発明によれば、少なくとも表面が絶縁体膜で
覆われている基板の表面に、溝の底面と基板表面
が平行で向い合つた1組の溝の側壁が底面となす
角のうち小なる角が54.7°±3°である帯状の溝を複
数個形成し、次いで基板表面に多結晶シリコン膜
を堆積し、次いで、光学的エネルギービームを前
記シリコン膜に照射して固相と液相が共存する状
態になるように加熱し、再結晶化させて、前記基
板上に、帯状の溝の長手方向が<110>方位、か
つ、基板垂直方向が<100>方位である単結晶シ
リコン膜を形成することを特徴とするSOI結晶形
成法が得られる。
(構成の詳細な説明) 第2図に示すような、従来例でなぜ十分な<
100>単結晶Siが得られないかを詳しく検討した
ところ、次のようなことが判つた。通常良く行わ
れているようなエネルギービームアニール法(一
度、非晶質もしくは多結晶シリコン膜を堆積後、
レーザビームのような加熱源により加熱し、再結
晶化させる方法)においては、前述のような基板
表面に人工的に形成された溝と、微小結晶粒子と
の間に生じる相互作用だけを考慮するのでは不十
分であり、加熱した場合に一部存在するシリコン
の液相と溝の相互作用をも考慮することが必要で
ある。レーザビーム等の(光学的加熱源)で、シ
リコン膜を直接加熱すると固相と液相が共存する
状態があることが知られている。(ホーキンス、
アプライド フイジツクス レター:Appl.
Phys.Lett.42、358(1983).)本発明者は、この共
存状態についてさらに詳しく検討していたとこ
ろ、固相・液相の共存状態では熱力学的に安定な
状態として、ラメラ状の固相シリコンが選択的に
成長し、その固相シリコンの基板垂直方向が<
100>方位、固相シリコンと液相シリコンとの境
界は(111)面で形成され、さらにラメラ状の固
相シリコンの長手方向が<110>方位になること
を見い出した。従つて溝の形状はシリコンとの液
相との相互作用を考慮して決定する必要があるこ
とを見いだした。ところが従来例では、これらの
ことが考慮されていなかつた。
第1図は本発明の基本概念を説明するための基
板構造の斜視図である。先ず基板1上の絶縁体膜
2の表面に溝の底面3と基板表面が平行で、向い
合つた1組の溝の側壁4が底面3となす角のうち
小なる角θが54.7°あるいはその近傍である帯状
の溝を複数個、一定間隔で形成する。次に、多結
晶シリコン膜5を該基板表面上に堆積し、光学エ
ネルギービームとして、レーザビームで該シリコ
ン膜5を、固相と液相が共存する状態になるよう
に加熱し、再結晶化させる。この時、加熱された
該シリコン膜中では、基板垂直方向<100>方位
である微小結晶粒子が選択的に成長してくる。さ
らに、この状態では、固相のシリコン粒子は主
に、基板垂直方向が<100>方位を有するもので
あつて、この固相シリコン粒子と液相シリコン粒
子との界面は(111)結晶面になる傾向が強い。
特に、基板垂直方向が<100>方位で微小結晶粒
子がラメラ状に細長く成長し、その傾いた側面が
結晶格子面の(111)面に対応するような幾何学
的条件を有する絶縁体基板表面上に成長しやすい
ことが判つた。
以上のことを幾何学的にまとめると、基板表面
が(100)面で、溝の長手方向Yに関して、左右
1組の等価な(111)面が溝の側壁4と平行の時、
上記の溝の長手方向Yは<110>方位となる。こ
のとき、(100)面と(110)面のなす角は54.7°で
あつて、あらかじめ、本発明のように、溝底面と
側壁とのなす角が制御された基板上に単結晶シリ
コン膜が形成されることが判つた。
(実施例) 以下、本発明の実施例について、第1図を参照
して詳細に説明する。本実施例においては、1で
示した基板として、サフアイヤ基板、あるいは石
英ガラス基板を用いた。基板1上には化学気相成
長法で絶縁体である非晶質SiO2膜2を0.4μm堆積
した。次いで、第1図で示したような溝底面3と
溝側壁4となす角が54.7°の溝を形成するために、
フオトリソグラフイ技術で、溝の凸に相当する部
分だけを膜厚4000AのレジストAZ1350Jで被覆
し、CHF3−O2系のプラズマエチツング技術で所
望の角度付きの溝を加工した。O2を10%程度含
む、SiO2膜のプラズマエチツング技術による形
状制御については、キヤステラーノが詳しく報告
している(R.N.Castellano、ソリツド ステー
ト テクノロジ:Solid State Technology/
May1984、P203−206)。ここで形成した溝のピ
ツチは4μm、溝の深さは0.2μmであつた。第1図
のaの値は2.0μm、bの値は1.7μmである。
以上のようにして、形成した溝を有する基板表
面上で、多結晶シリコン膜5として、減圧化学気
相成長法としてSiH4−H2系)、700℃で成長させ
たものを用い、膜厚は0.4μmとした。しかる後、
光学的エネルギービームとして、CW−Ar+レー
ザ(波長0.5μm)をY方向にスキヤンし、シリコ
ン膜5を加熱し、再結晶化させた。加熱条件とし
ては、ビーム径80μm、パワー9W、レーザ走査
速度2mm/sとして、該シリコン膜5は液相と固
相が共存する状態となつた。
以上のごとく形成したシリコン膜5をエツチン
グ法、X線回折法、電子チヤネリング法で評価し
たところ、基板垂直方向Zが<100>方位で、方
位分布の半値幅は1°程度、基板面内の溝の長手方
向Yが<110>方位であることが明らかになつた。
また、得られた単結晶シリコン粒子の大きさはレ
ーザ走査方向が溝と直角の時はレーザビームがガ
ウス形のものを用いたので、レーザビーム径の約
半分程度(40μm)であつたが、レーザ走査方向
を溝と平行にした場合は、幅40μm、長さ5mm程
度という、集積回路のチツプサイズと同程度の非
常に大きなものが再現性良く形成できていること
が判つた。基板として、石英ガラスを用いた場合
には、従来から指摘されているようにマイクロク
ラツグの発生が見られ、結晶粒の長さは0.5mm程
度であつた。ただし再現性は良好であつた。サフ
アイヤ基板のものと石英基板のものにそれぞれチ
ヤンネルMOSトランジスタを形成した。本発明
で得られた単結晶シリコン膜は結晶粒子が大き
く、結晶方位が制御されているため、いづれも電
圧Vthがウエハ内で±5%以内に収まつており、
結晶粒界に沿つたリーク電流が発生していないた
め、リーク電流値が、結晶粒界が存在している場
合に比で1/1000になつていることが判つた。
さらに、同様な方法により、一度下層に単結晶
シリコン膜を形成した後、層間絶縁体分離膜を形
成し、再度、単結晶シリコン膜を形成して、調べ
たところ、下層と同様な良質で、均一性の良い膜
が上層にも形成されることが判つた。
また、溝形状として、溝底面3と溝側壁4とが
なる角θが54.7°から±3°程度はずれていても本発
明の結晶学的方位制御の効果が十分あることが判
つた。
本実施例以外に、基板1としてアルミナ、窒化
アルミニウム、スピネル、シリコン基板等を用い
ても、同様な結果が得られた。また、絶縁体膜2
として、シリコン膜を熱酸化して形状したSiO2
膜を用いても、同様な結果が得られた。
さらに、シリコン膜5として、減圧化学気相成
長法で、他の成長温度で堆積したものや、他の手
段、例えば、常圧化学気相成長法、真空蒸着法、
プラズマ成長法等で形成したものを用いても良
く、少なくとも、基板垂直方向が<100>方位で
ある微小結晶粒子を含み、その後のアニール過程
で、<100>方位の結晶粒子をもとに選択的に成長
するものであればかまわない。
光学エネルギービームとして、CW−Ar+レー
ザを用いた例を示したが、本発明は用いるレーザ
の波長に限定されず、他のCW−Nd:YAGレー
ザ、CO2レーザ等を使用しても、何ら限定されな
い。また、光学エネルギービームはレーザ光に限
定されず、ハロゲンランプ等のランプ光源をミラ
ー、レンズで集光したものを用いても、何ら差し
つかえない。
(発明の効果) 基板表面に施された溝形状により、該基板の溝
膜材料の単結晶化をもたらす方法において、従来
の<100>textureシリコン膜を単結晶化させよう
とする溝形状が、溝の底面が基板表面と平行か
つ、溝側面が溝底面と直角な従来例では、大粒径
の単結晶化膜が得られにくかつたが、本発明で
は、溝形状の改良により、大粒径かつ、基板垂直
方向が<100>方位、溝の長手方向が<110>方位
である単結晶シリコン膜を再現性良く形成できる
利点を有する。
本発明で得られる単結晶シリコン膜上にMOS
トランジスター等の素子を形成すると、デバイス
特性向上のみならず、デバイス特性の均一性が著
しく向上する等の利点を有し、さらには、デバイ
スの多層化において、種結晶を必要としないため
に、デバイス回路設計上の自由度が大きく、半導
体装置製造に当たり、多大の効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を説明するための基板構造の斜
視図。第2図a,bは従来例を説明するための基
板構造の斜視図。 1……基板、2……絶縁体膜、3……溝底面、
4……溝側壁、5……シリコン膜。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 少なくとも表面が絶縁体膜で覆われている基
    板の表面に、溝の底面と基板表面が平行で向い合
    つた1組の溝の側壁が底面となす角のうち小なる
    角が54.7°±3°である帯状の溝を複数個形成し、次
    いで基板表面に多結晶シリコン膜を堆積し、次い
    で、光学的エネルギービームを前記シリコン膜に
    照射して固相と液相が共存する状態になるように
    加熱し、再結晶化させて、前記基板上に、帯状の
    溝の長手方向が<110>方位、かつ、基板垂直方
    向が<100>方位である単結晶シリコン膜を形成
    することを特徴とするSOI結晶形成法。
JP60082298A 1985-04-19 1985-04-19 Soi結晶形成法 Granted JPS61241909A (ja)

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JP60082298A JPS61241909A (ja) 1985-04-19 1985-04-19 Soi結晶形成法

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60082298A JPS61241909A (ja) 1985-04-19 1985-04-19 Soi結晶形成法

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