JPH0397694A - 結晶膜の形成方法 - 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］ 木発明は結晶膜の形成方法に係り、特に結晶板を形成す
る基体表面の傷の密度差を利用した！＃結晶乃至粒界が
制御された多結晶の結晶膜の形成方法に関する。

なお、木発明は、例えば半導体集積回路、光集積回路、
Ｉｉｎ気回路等の電子素子，光素子、磁気素子、圧電素
子あるいは表面音響素子等に使用される単結晶や多結晶
等の結晶膜の形成に好適に通用される。

［従来技術及びその問題点］ 従来、半導体電子素子や光素子等に用いられる単結晶薄
膜は、単結晶基板上にエビタキシャル威長させる事で形
成されていた。例えば、Ｓｉ単結晶基板（シリコンウエ
ハ）上には、Ｓｉ，　Ｇｅ．　ＧａＡｓ等を液相、気相
又は固相からエビタキシャル成長することが知られてお
り、またＧａＡｓ単結晶基板上にはＧａＡｓ，　ＧａＡ
ＩＡｓ等のＪＩＬ結晶がエビタキシャル成長することが
知られている．このようにして形成された半導体薄膜を
用いて、半導体素子および集積回路、半導体レーザやＬ
ＥＤ等の発光素子等が作製される。

又、最近、二次元電子ガスを用いた超高速トランジスタ
や、量子井戸を利用した超格子素子等の研究開発が盛ん
であるが、これらを可能にしたのは、例えば超高真空を
用いたＭＢＥ（分子線エビタキシー〉やＭＯＣＶＤ　（
有機金属化学気相法）等の高精度エビタキシャル技術で
ある， このような単結晶基板上のエビタキシャル成長では、基
板の単結晶材料とエビタキシャル成長層との間に、格子
定数と熱膨張係数とを整合をとる必要がある。たとえば
、絶縁物単結晶基板であるサファイア上にＳｉ！！！−
結晶薄膜をエビタキシャル成長させることは可能である
が、格子定数のずれによる界面での結晶格子欠陥および
サファイアの成分であるアルミニウムのエビタキシャル
層への拡散等が電子素子や回路への応用上の問題となっ
ている。

この様に、エビタキシャル成長による従来の単結晶薄膜
の形成方法は、その基板材料に大きく依存する事が分る
。ＭａＬｈｅｗｓ等は、基板材料とエビタキシャル成長
層との組合せを調べている（ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ　ＧＲ
ＯＷＴ｝Ｉ．　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　　Ｎｅ
ｗ　Ｙｏｒｋ　　１９７５ｅｄｉｔｅｄ　ｂｙ　Ｊ．　
Ｗ．　Ｍａｔｈｅｗｓ　）。

また、基板の大きさは、現在Ｓｉウエハで６インチ程度
であり、ＧａＡｓ，サファイア基板の大型化は更に遅れ
ている。加えて、単結晶基板は製造コストが高いために
、チップ当りのコストが高くなる。

このように、従来の方法によって、良質な素子が作製可
能な単結晶層を形成するには、基板材料の種類が極めて
狭い範囲に限定されるという問題点を有していた。

一方、半導体素子を基板の法線方向に積層形威し、高集
積化および多機能化を達成する三次元集積回路の研究開
発が近年盛んに行われており、また安価なガラス上に素
子をアレー状に配列する太陽電池や液晶画素のスイッチ
ングトランジスタ等の大面積半導体装置の研究開発も年
々盛んになりつつある。

これら両者に共通することは、半導体薄膜を非品質絶縁
物上に形威し、そこにトランジスタ等の電子素子を形成
する技術を必要とすることである。その中でも特に、非
晶質絶縁物上に高品質の単結晶半導体を形成する技術が
望まれている．一般的に、Ｓｉｎ２等の非晶質絶縁物基
板上に薄膜を堆積させると、基板材料の長距離秩序の欠
如によって、堆積膜の結晶構造は非晶貿又は多結晶とな
る。ここで非品質膜とは、最近接原子程度の近距離秩序
は保存されているが、それ以上の長距離秩序はない状態
のものであり、多結晶膜とは、特定の結晶方位を持たな
い単結晶粒が粒界で隔離されて集合したものである。

たとえば、Ｓｉ０　２上にＳｉをＣＶＤ法によって形成
する場合、堆積温度が約６００℃以下であれば非品質シ
リコンとなり、それ以上の温度であれば粒径が数百〜数
千人の間で分布した多結晶シリコンとなる。ただし、多
結晶シリコンの粒径及びその分布は形成方法によって大
きく変化する。

更に、非晶買または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ等の
エネルギビームによって溶融固化させる事によって、ミ
クロンあるいはミリメートル程度の大粒径の多結晶薄膜
が得られている（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｎｏｎ−ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔ
ａｌ　ｉｎｓｕ一Ｉａｔｏｒｓ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ
ｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　ＧｒｏＷｔｈ　ＶＯＩ，６３，　
　Ｎｏ，　３，　Ｏｃｔｏｂｅｒ，　１９８３ｅｄｉｔ
ｅｄ　ｂｙ　Ｇ．　Ｗ．Ｃｕｌｌｅｎ　）。

このようにして形成ざれた各結晶構造のｆｉＩ膜に］、
ラアシスタを形成し、その特性から電子易勤度を測定す
ると、非晶貿シリコンでは〜０．　１　ｃｍ２／Ｖ−ｓ
ｅｃ　．数百人の粒径を有する多結晶シリコンでは１〜
１０ｃｍ’／Ｖ−ｓｅｃ　，　（ｆＪ融固化による大粒
径の多結晶シリコンでは単結晶シリコンの場合と同程度
の易動度が得られている。

この結果から、結晶粒内の！＃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、従来
法で得られていた非品質上の堆ｆＪｔ膜は非晶買又は粒
径分布をもった多結晶構造となり、そこに作製ざれた素
子は、車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？Ｒ
ｉ！＃なスイッチング素子、太陽電池、充電変換素子等
に限られる。

また、溶融同化によって大粒径の多結晶薄膜を形成する
方法は、ウエハごとに非晶買又は単結晶薄膜をエネルギ
ビームで走査するために、大粒径化に多大な時間を要し
、量産性に乏しく、また大面積化に向かないという問題
点を有していた。

更に、近年、ダイヤモンド薄膜成長の研究が盛んになり
つつある。ダイヤモンド薄膜は、特に半導体としてバン
ドギャップが５．５ＶｅＶと広く、従来の半導体材料で
あるＳｉ，　Ｇｅ，　ＧａＡｓ等に比べて高温（〜５０
０℃）で動作させる事ができる６又、キャリア易動度は
電子、正孔共にＳｔのそれを上回っており（電子は１８
ＱＯｃｍ”／Ｖ−ｓｅｃ　，正孔は１８００ｃｍ２／Ｖ
−ｓｅｃ）、熱伝導度も非常に高い。このために，発熱
量の大きい大消費電力型の半導体素子への応用が有望視
されている。

しかしながら、従来では、気相成長によって、ダイヤモ
ンド基板上にダイヤモンド薄膜をエビタキシャル成長さ
せた報告はあるが（Ｎ．　Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｔ．　　
Ｉｍａｉ　　ａｎｄ　＾．　　Ｄｏｔ　Ｐｒｏ．　ｏｆ
　Ｉｎｔ．　（：ｏｕｆ．ＩＰＡＴ）　．ダイヤモンド
基板以外の基板上にヘテロエビタキシャル成長させた成
功例の報告はない。

一般的には、マイクロ波による励起を利用し、ＣＨ４の
炭化水素系のガスを用い、熱フィラメントや電子線照射
によりダイヤモンド核を生成するのであるが、一般に核
形戒密度が低く、連続な薄膜にはなりにくい。たとえ連
続薄膜となったとしても粒径分布が大きい多結晶構造で
あり、半導体素子への応用には困難がある． また、ダイヤモンド基板を用いる限り、当然高価格とな
り、大面積化にも問題があり、実用化には適さない。

以上述べたように、従来の結晶成長方法およびそれによ
って形成される結晶では、三次元集積化や大面積化が容
易ではなく、デバイスへの実用的な応用が困難であり、
優れた特性を有するデノくイスを作製するために必要と
される単結晶および多結晶等の結晶を容易に、かつ低コ
ストで形成することができなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の主な目的は、基体の性！（例えば材料、構成、
大きさ等）に制約されることなく粒界を含まない単結晶
および粒界制御された多結晶等の良質な結晶膜の形成方
法を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、特別な装置を用いず、簡単な
工程で効率良く上記結晶を形成することができる結晶膜
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千段］ 本発明の第１の要旨は、基体表面に鋭利な傷を設けた後
、前記鋭利な傷を設けた部分にのみ気相成長注により所
望の結晶膜を形成する方法において、基体表面に、部分
的に鋭利ｒ．−傷を有する結晶形威面と、前記結晶形成
面より前記鋭利な傷の密度の小さい結晶非形成面とを形
成し、かつ、前記結晶形成面上の鋭利な傷の密度を充分
小さくすることにより単結晶乃至粒界が制御された多結
晶を戒長させることを特徴とする結晶膜の形成方法に存
在する。

前記鋭利な傷は、例えば高硬度な粉末を前記基体表面へ
衝突することによって得られる。

また、前記基体表面に部分的２低硬度部と高硬度部をそ
れぞれ配置し、少なくとも前記低硬度部より高い硬度を
持つ前記高硬度な粉末を前記基体表面へ衝突処理するこ
とによって、前記鋭利な傷の密度の大きい部分と小さい
部分を形成し、それぞれ前記結晶形成面と前記結晶非形
成面としてもよい。

さらに、前記基体上に所望のパターンを持つマスク材を
重ね、少なくとも前記基体表面より高い硬度を持つ前記
高硬度な粉末を、前記基体表面上へ前記マスク材を介し
て衝突処理することによって、前記鋭利な傷の密度の大
きい部分と小さい部分を生成し、それぞれ前記結晶形成
面と前記結晶非形成面としてもよい。

［作用］ 以下２本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の結晶膜形成法を用いた場合の結晶成長
初期（ａ）　と結晶成長後に平坦化処理を施した状態（
ｂ）を示すものである。

基体１は、鋭利な傷２を有する結晶形成面３と、該結晶
形成面３より前記鋭利な傷２の密度の小さい結晶非形成
面４とからなる結晶非形成面５を持ち、適当な気相成長
法により、第１図（ａ）に示す単結晶６あるいは多結晶
７が成長する。

さらにこれを機械研磨することによって、（ｂ）図に示
す様に平坦化されデバイスに使用することができる。

基体１は、鋭利な傷２がつけられる材料であれば使用可
能であり、結晶膜形成面３の面積を変化させるか、鋭利
な傷２の生成法によって傷の密度を設定することができ
、これにより、！＃結晶としたり粒界の制御された多結
晶とすることが可能となる。

例えば、結晶膜形成面３の結晶性は鋭利な傷２が結果的
に単一核形成となる様にその面積を小さくすることによ
って結晶形戒面全体にわたり阜桔晶にすることも可能で
ある。

さて、グレーティングを表面につけることによって任意
の基体上に結晶成長させる方法（グラフ才・エビタキシ
）の発見は早く、Ｇ．Ｓｈｉｍａｏｋａらの報告Ｊ．　
Ｖａｃ，　Ｓｃｉ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　７　（１９７０
）　３４９によってすでに明らかとなっており、結晶核
形成がグレーティングの溝の位置より始まり結晶方位は
グレーティングの方向によっていることが分かつている
。しかし、本発明の基太的な原理は特開昭８０−８６０
９８号公報にも開示ざれている様に鋭利な傷によって核
形成エネルギーを低下せしめ、核発生速度を大きくする
ことに存在する．しかし、前記公報には、単結晶および
粒界制御された多結晶等の形成や位置の設定については
制御されておらず、本発明の結晶膜形成法はこのに特徴
を有している。

低硬度部９の材料としては、Ｓｉ，　Ｔａ，　ＳｉＯｚ
、ボリマーなど高硬度部８に対して相対的に硬度が低け
れば基本的に使用可能である。

故に、例えばＳＬ基体上に、Ｎ１のイオンインブランテ
ーション（Ｉ／Ｉ）によって、ＳｉＮｘの表面層を作成
し、Ｘの大きさによって硬度差をつけても良い。

次に第２図（ｂ）　に示す様に、少なくとも低硬度部（
ａ）より高硬度な粉末１０を基体表面５へ衝突処理し、
鋭利な傷２の密度の大きい部分１ｌと小さレ１部分１２
を作成する。

高硬度な粉末ｌＯとしてはダイヤモンド、ＳｒＣＳｉＮ
　，　　α−アルミナなどの粉末が考えられるが、鋭利
な傷２が低硬度部（ａ）に生成される様な硬度であり、
高硬度部と鋭利な傷２の密度に差がつけばこれに限定さ
れない。

要は、結果的に核形成密度に差が得られるのに充分な鋭
利な傷２の密度差が得られれば、硬度差のつまり、本発
明の結晶膜形成法によれば、基板材料、構成、大きさ等
に制約されることなく、単結晶および粒界制御された多
結晶等の良質な結晶膜が簡ｉな工程で形成することが可
能となる。

［実施態様例］ 次に、本発明の結晶膜形成の工程を図によって詳細に説
明する。

第２図は本発明の実施態様例の１つを示すものであり、
まず基体１の表面に高硬度部と低硬度部９を作成する　
（第２図（ａ））。

基体１としてはＳｔ，Ｇｅ　，　Ｃ　，　Ｍｏ，　Ｔａ
．Ｗ．　５ｉ０，、炭化水素など任意のものが使用可能
であり、高従度部あるいは低硬度部９をそれぞれ低硬度
あるいは高硬度の基体１の上ヘパターニングしても良い
し，、高硬度部８と低硬度部９を任意の基体１上へそれ
ぞれバターニングしても良い。

高硬度部の材料としてはＳｉＮ　，　ＳｉＣ　，　　α
−アルミナなどが考えられる。またこれらの材料の組合
せが可能である。

次に、第２図（Ｃ）に示す様に、例えばＣＶＤ法などに
よってＳｉやダイヤモンドの結晶核ｌ３が結晶膜形成面
３にのみ生成し、さらに第２図（ｄ）　に示す様に、単
結晶６あるいはある程度の結晶粒界ｌ４を有する多結晶
７となる。

単結晶６を得る場合には、結晶膜形成面３の面積を小さ
くするか、高硬度な粉末１０の衝突が少なくなる様に処
Ｉ里すれば良い。

衝突処理の方ｌ去はエアー加速式、水噴射式、遠心投射
式、ベルト投射式のブラスト加工や、粒子を分散した溶
液中で基体を超音波処理する等の方法から任意に選択で
きる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

尚、本発明は以下の実施例によって何等限定されるもの
ではない。

（実施例１） 基体としてＳｔウエハを使用し、その上に第２図（ａ）
に示す様に、Ｎ”をＩ／Ｉ処理を行ない、高硬度Ｋ’ｓ
ｓｉＮ層を作成した。

高硬度部は低硬度部Ｓｉが１μｍ角の大きさで５０μｍ
の間隔で配置される様に形威した。次に平均粒径５００
０人のダイヤモンド粉末を水に拡散させ、この中へ前述
の基体を入れて超音波処理した、この処理は低硬度部に
１〜３個の傷が生成される程度にした。

続いて、マイクロ波ＣＶＤ　？去によって、メタン５ｓ
ｅｃｍ　．水素ガス２００ｓｃｃｚを分解し、ダイヤモ
ンドの！＃結晶を作威した。

この際、マイクロ波電力は４００Ｗ　．基体温度は８０
０℃、圧力は４０Ｔｏｒｒであった。

以上の成膜で粒径２０μｍ以上のダイヤモンド車結晶が
９０％以上含まれ、９８％以上の確率で低硬度部である
Ｓｉ層の上に選択的に形成された。

なお、選択性および確率は次のように算出した。

１、低硬度部をパターン形成した基板上にダイアモンド
成長させる。

２，光学的に表面形態を観察する。

３．ウエハ上の任意の領域（１ｍｍ角）中におけるダイ
アモンドの個数を数える。さらに、この領域内での粒径
２０μｍ未満のダイアモンドの個数を数える。

選択性（％） ＝（ダイアモンドが成長した 低硬度部の個数）ｘｌＯＯ／ ｛全低硬度部の個数｝ 成長ダイアモンドのサイズ ＝（ダイアモンドの数（全体）一ダイアモンドの数（粒
径２０μｍｊ＝満））ＸＩＯＯ／｛ダイアモンドの数（
全体）｝ （実施例２） Ｓｔウエハを熱酸化処理し、表面に２０００人のＳｉ０
２層を形成し低硬度部とした。

次に熱ＣｖＤ法で前記Ｓｉｎ２層上にｓｉＪ４層を５０
０人厚形成し、さらにリソグラフィによって２μｍ角の
大きさで５０μｍ間隔のＳｉｎ，層を島状に露出させた
。

こうして、低硬度部のＳｉ０　２層が高硬度部のＳｉＪ
４層に囲まれたパターンを形成した。

次に、平均粒径７０００入のＳｉＮ粉末を水中に拡敗さ
せ超音波処理することによって、低硬度部に１〜２個鋭
利な傷をつけた。

次に、圧力：２００Ｔｏｒｒ．＾ｒ：５００ｓｃｃｍ，
　ＳｊＨ２Ｃｌ２４００Ｓｃｃｍ　，　ＳｉＨ４：３０
０ｓｅｃｍ，　Ｈ２：ＬＯＯｓｃｃｍ，基板温度・５０
０℃の条件下でプラズマＣＶＤ法によって基体上にＳｔ
結晶膜を形成をさせた。

この結果作成されたＳｉ膜は、粒径２５μｍの良實な単
結晶が９５％以上であった。

方、結晶非形成面であるＳ＋３Ｎａ層上には；よとんど
結晶が成長していないことが分かった。

［発明の効果］ 本発明によれば、基体の性質に制約されることなく粒界
を含まない良質な単結晶および粒界制御された′！７結
晶を、特別な装置を用いず、簡車な工程で効率良く形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明概念を示す概念図であり、第２図は本発
明の結晶膜形成法の工程を説明する工程図である。 】・・・基体、２・・・鋭利な傷、３・・・結晶膜形成
面、４・・・結晶膜非形成面、５・・・基体表面、６・
・・単結晶、７・・・多結晶、８・・・高硬度部、９・
・・低硬度部、ｌＯ・・・高硬度な粉末。 第１図 （ａ） （ｂ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体表面に鋭利な傷を設けた後、前記鋭利な傷を
   設けた部分にのみ気相成長法により所望の結晶膜を形成
   する方法において、基体表面に、部分的に鋭利な傷を有
   する結晶形成面と、前記結晶形成面より前記鋭利な傷の
   密度の小さい結晶非形成面とを形成し、かつ、前記結晶
   形成面上の鋭利な傷の密度を充分小さくすることにより
   単結晶乃至粒界が制御された多結晶を成長させることを
   特徴とする結晶膜の形成方法。
2. （２）前記鋭利な傷は高硬度な粉末を前記基体表面へ衝
   突することによって得られることを特徴とする請求項１
   記載の結晶膜の形成方法。
3. （３）前記基体表面に部分的に低硬度部と高硬度部をそ
   れぞれ配置し、少なくとも前記低硬度部より高い硬度を
   持つ前記高硬度な粉末を前記基体表面へ衝突処理するこ
   とによって、前記鋭利な傷の密度の大きい部分と小さい
   部分を形成し、それぞれ前記結晶形成面と前記結晶非形
   成面とすることを特徴とする請求項１記載の結晶膜の形
   成方法。
4. （４）前記基体上に所望のパターンを持つマスク材を重
   ね、少なくとも前記基体表面より高い硬度を持つ前記高
   硬度な粉末を、前記基体表面上へ前記マスク材を介して
   衝突処理することによって、前記鋭利な傷の密度の大き
   い部分と小さい部分を生成し、それぞれ前記結晶形成面
   と前記結晶非形成面とすることを特徴とする請求項１記
   載の結晶膜の形成方法。