JPH04106918A - 単結晶シリコン膜形成方法およびその装置 - 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、例えば三次元集積回路素子の製造等に用い
られるものであって、基板の表面に単結晶シリコン膜を
形成する単結晶シリコン膜形成方法およびその装置に関
する。

〔背景となる技術〕

基板上にトランジスタ等の素子を三次元的に集積した三
次元集積回路素子の実現のためには、非晶質の絶縁物上
に、素子を形成するのに十分に良質な半導体結晶を形成
する技術が必要である。

絶縁物上にシリコン膜を形成する従来技術としては、レ
ーザアニールを用いるものがある。これは、絶縁膜上に
１μｍ以下の薄いアモルファスシリコン膜または多結晶
シリコン膜を形成し、これに強力なレーザ光を照射する
技術であり、レーザ光の照射によりシリコン膜が瞬間的
に溶融して再び固化するときに単結晶化する現象を利用
するものである。

しかしながらこの従来技術は、現在では未だ研究段階に
あり、三次元集積回路素子の製造が可能な段階にまでは
確立されていない。即ち、レーザ再結晶化による結晶成
長では、レーザ出力の変化、試料のパターン欠陥、およ
びビーム系の変動等の影響を受けて、結晶欠陥ができや
すく、半導体素子等の素子を形成するのに十分に良質な
半導体単結晶を形成することができない。

このような問題を解決するものとして、基板表面の性質
に関係なくその表面に良質の単結晶シリコン膜を形成す
ることができる単結晶シリコン膜の形成方法が同一出願
人によって先に提案されている（特願平１−９１２７１
号）。それを要約して説明すると次のとおりである。

即ち、絶縁物の表面にシリコンを蒸着すると種々の方向
を向いた結晶粒が成長してシリコン膜（多結晶）が形成
されるが、このシリコン膜にイオンを照射すると、シリ
コン原子はイオンによるスパッタ作用を受ける。このと
きのシリコン原子のスパッタ量は、イオンとシリコン原
子との衝突回数に比例する。

ところが、イオンの入射方向に沿う結晶軸を有する結晶
粒において前記結晶軸が低指数であるときには、イオン
から結晶粒を見た場合に、この結晶粒は第３図において
符号Ａで示す”す”が開いた構造に見える。この“す”
の中にイオンが入り込むと、このイオンはシリコン原子
と衝突しにくくなり、“す”のチャンネルの中を通り抜
けて行くことになる。従って結晶粒に低指数の結晶軸に
沿う方向からイオンが入射する場合には、このイオンと
シリコン原子との衝突回数が少ないので、スパッタ率が
小さくなる。つまり、イオンの入射方向に沿った異なる
結晶軸を有する各結晶粒におけるシリコン原子のスパッ
タ率は各結晶粒の前記結晶軸により決定付けられると言
える。

更に、０ｎｄｅｒｄｅｌｉｎｄｅｎの仮説によれば、結
晶軸（ｕｖｗ）へのこの結晶軸に沿う方向からのイオン
の入射によるスパッタ率Ｙ（ｕｖｗ）には、原子間距離
ｔ　ａｖｗとの間に次の関係がある。

Ｙ　＜　ｕ　Ｖ　Ｗ　＞　ＱＣＬ　ａｖｗ””この式を
シリコン結晶に適用すると、各結晶軸＜１１０＞、＜１
１１〉、（１００＞に関して次の関係が成立する。

Ｙ　（１１０＞　　：Ｙ＜１１１＞　　：Ｙ　＜１００
＞＝　（１／７７）””：　　（、／”’丁／　２　）
　−３／Ｚ　：１３／Ｚ＝０．５９：０．８１：１　　
　　　　−更に高次指数軸をも考えると、 ｙ　＜ｉ　ｉｏ＞＜ｙ　＜ｔ　ｉ　ｉ＞＜ｙ　＜１ｏｏ
＞＜Ｙ（高次指数〉 なる関係が成立する。

なお、〈１１０）なる表示は、［ｌｌＯ］およびそれに
等価な方向をまとめて示すものである（他も同様）。

従って、様々な方向を向いている結晶粒を有するシリコ
ン膜にイオンを照射すると、イオンの照射方向に沿って
結晶軸＜１１０＞を有する結晶粒がより多く残留するこ
とになる。

従って、絶縁物の表面に蒸着等の方法によりシリコンを
堆積させ、かつこの絶縁物の表面に向けてイオンを照射
することにより、結晶軸〈１１０〉をイオンの入射方向
に向けたシリコン結晶の形成が可能である。但し、この
ようにして結晶軸＜１１０＞の方向が定まっても、結晶
軸〈１００〉あるいは（１１１＞の方向が定まらなけれ
ば、形成されるシリコン膜を単結晶膜にすることはでき
ない。

これを詳述すると、第４図はシリコン結晶の［０１１］
軸を中心としたステレオ投影図である。

この図からも分かるように、シリコン結晶では、結晶軸
＜１１０＞相互間の角度は６０°または９０＠であり、
結晶軸＜ｉｉｏンと＜１００＞との間の角度は４５°ま
たは９０°であり、更に結晶軸＜１１０＞とく１１１〉
との間の角度は３５゜３°または９０″である。従って
例えば、第５図のように基板２に対して垂直にイオン４
を照射した場合には結晶軸＜１１０＞はイオンの入射方
向を向くので、結晶軸Ｈ００）は基板２に垂直の方向に
対して４５°の角度を成す母線を有する円錐の側面内で
任意の方向を取り得ることになり、また第６図に示すよ
うに結晶軸＜ＩＩＮは基板２に垂直な方向に対して３５
．３°の角度を成す母線を有する円錐の側面内で任意の
方向を取り得ることになる。このように、シリコンを堆
積させた基板２に１方向からイオンの照射を行うだけで
は単結晶膜を形成することはできない。

この点を解決したのが先の出願であり、即ち少なくとも
２方向からイオンを照射し、このイオンの照射方向の成
す角を結晶軸＜１１０＞相互間の角度に等しく選ぶこと
により、結晶軸＜１１０＞以外の結晶軸の方向を一定の
方向に規定することができる。そして、このとき単結晶
シリコン膜を形成すべき基板に対するイオンの入射角を
、結晶軸＜１１０＞と＜１００＞との間の角度に等しく
選べば、基板に垂直な方向に結晶軸＜ｉｏｏ＞を向けた
シリコン結晶を成長させることができる。

また、前記入射角を結晶軸＜１１０＞と〈１１１〉との
間の角度に等しく選べば、基板に垂直な方向に結晶軸〈
１１工〉を向けたシリコン結晶を成長させることができ
る。

そのための装置構成を第７図および第８図に示す。室温
〜７００°Ｃ程度の温度とされる基板２に向けて、シリ
コンの堆積用にこの例では電子ビーム加熱式の蒸発源８
が配置され、更にスパッタ用に２台のイオン源６．７が
配置されている。イオン源６．７からのイオン（例えば
アルゴン等の不活性ガスイオン）４の基板２への照射方
向Ｒ１、Ｒ２は、基板２に対していずれも角度αを成し
ており、また照射方向Ｒ１、Ｒ２の基板２の表面への正
射影は角度βを成している。そして第７図の例は、 αζ４５’　、　　β’１１８０゜ になるようにしている（但しβζ９０°でも良い）。こ
のようにすると、第９図にも示すように、基板２に対し
て垂直な方向に結晶軸＜１００＞を有し、これと４５°
の角度を成す結晶軸＜ＩＩＯ〉を同一平面内に配列した
シリコン結晶を得ることができる。この場合の両結晶軸
＜１１０＞は互いに９０°の角度を成す。

また、第８図の例では、 αζ５４．７”、　　β＃１２０゜ になるようにしている。このようにすると、第１０図に
も示すように、基板２に対して垂直な方向に結晶軸＜１
１１＞を有し、これと３５．３°の角度を成す結晶軸（
１１０＞を同一平面内に配列したシリコン結晶を得るこ
とができる。この場合の両結晶軸＜１１０＞は互いに６
０°の角度を成す。

上記のような手段によれば、基板２の表面には結晶軸＜
１１０＞と＜１００：）あるいは＜１１１〉の方位が−
様なシリコン結晶を成長させることができるので、基板
２の表面には良質の単結晶シリコン膜が形成されるよう
になる。

〔発明の目的］ ところが、上記のような先行例では、単結晶シリコン膜
の形成が可能であるけれども、その生産性（スループッ
ト）については特に考慮されていない。

即ち、仮に上記のような基板２に対するシリコンの堆積
とイオンの照射とを一つの処理室で行うものとすると、
そこに２台のイオン源６．７のみならず蒸発源８をも立
体的に配置しなければならないので、処理室が非常に大
きくなる。その結果、基板２の搬出入等に伴う真空排気
時間が長くなり、しかも基板２の搬出入時には全ての処
理を停止しなければならないのでロス時間が生じ、スル
ーブツトを高めることが難しい。

そこでこの発明は、このような点を更に改善して、スル
ープットを高めることができ、それによって成膜コスト
を下げることをできるようにした単結晶シリコン膜形成
方法およびその装置を提供することを主たる目的とする
。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、この発明の単結晶シリコン膜
形成方法は、簡単に言えば、基板の表面にシリコンを堆
積させる第１の工程と、この第１の工程を経た基板の表
面に向けて前述したような所定の少なくとも２方向から
イオンを照射する第２の工程と、この第２の工程を経た
基板の表面にシリコンを堆積させる第３の工程とを備え
ることを特徴とする。

また、この発明の単結晶シリコン膜形成装置は、簡単に
言えば、基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設け
られた第１の処理室と、この第１の処理室から搬送され
てきた基板の表面に向けて前述したような所定の少なく
とも２方向からイオンを照射する手段が設けられた第２
の処理室と、この第２の処理室から搬送されてきた基板
の表面にシリコンを堆積させる手段が設けられた第３の
処理室と、基板を前記第１の処理室から第２の処理室を
経て第３の処理室へと搬送する基板搬送手段とを備える
ことを特徴とする。

〔実施例〕

第１図は、この発明に係る単結晶シリコン膜形成装置の
一例を示す概略図である。第２図は、第１図の線１　＝
　Ｉに沿う概略断面図である。前述した先行例と同一ま
たは相当する部分には同一符号を付し、以下においては
当該先行例との相違点を主に説明する。

この装置では、基板２の表面にシリコンを堆積させる第
１の工程を第１の処理室１０で、この第１の工程を経た
基板２の表面に向けて前述したような所定の少なくとも
２方向からイオンを照射する第２の工程を処理室１０に
隣接された第２の処理室２０で、この第２の工程を経た
基板２０表面に更にシリコンを堆積させる第３の工程を
処理室２０に隣接された第３の処理室３０で行うように
している。

各処理室１０．２０．３０問およびその前後には、真空
弁４１〜４４がそれぞれ設けられている。

また、各処理室１０．２０および３０間には、図示しな
いけれども、基板２を処理室１０から処理室２０を経て
処理室３０へと搬送する、より具体的には基板２を処理
室１０内の後述するホルダを兼ねる電極１１へと搬送し
、そこで処理の終わった基板２を処理室２０内の後述す
るホルダ２１へと搬送し、そこで処理の終わった基板２
を処理室３０内の後述するホルダを兼ねる電極３１へと
搬送し、更にそこで処理が終わった基板２を処理室３０
外へと搬送する基板搬送手段が設けられている。図中の
矢印Ｂはその搬送方向を示す。この基板搬送手段は、具
体的には、搬送ベルトや搬送アーム等を用いて構成され
る。

処理室１０内には、外部の高周波電源１４から高周波電
力が供給される二つの平行平板状の電極１１および１２
が設けられている。これらはホルダを兼ねており、一方
の電極１１には前述したような基板２が装着される。他
方の電極１２にはスパッタ用のシリコンターゲット１３
が保持されている。

従って、電極１１に基板２を装着してこの処理室１０内
を真空排気すると共にそこにアルゴン等のスパッタガス
を所定の圧力（例えば１０−２〜１Ｏ−３Ｔｏｒｒ程度
）になるように導入し、画電極１１．１２間に高周波電
力を供給すると、画電極１１．１２間で高周波放電が生
してプラズマが作られ、それによってシリコンターゲッ
ト１３がスパッタされて基板２の表面にシリコンが堆積
する。

これによって基板２の表面に形成されるのは、多結晶シ
リコン膜である。その膜厚は例えば数十〇ｍ程度とする
。

処理室２０内には、基板２を保持するホルダ２１が設け
られている。このホルダ２１内またはその背後には、必
要に応じて、例えば第２図に示すように、基板２を加熱
する加熱源２２が設けられる。

また、この処理室２０の側壁部には、この実施例では前
述したような２台のイオン源６および７が、第７図また
は第８図のところで説明したような所定の配置で設けら
れている。

即ち、結晶軸＜１００＞を基板２に垂直な方向に向けた
シリコン結晶を得る場合は、基板２の表面とイオン４の
照射方向との間の角度αはほぼ４５°にされ、かつイオ
ン４の照射方向の基板２の表面への正射影が相互に成す
角度β（第２図では図示省略）はほぼ１８０６またはほ
ぼ９０°にされる。また、結晶軸＜１１１）を基板２に
垂直な方向に向けたシリコン結晶を得る場合は、上記α
はほぼ５４．７’にされβはほぼ１２０°にされる。

従って、前の工程で表面にシリコンが堆積された基板２
をホルダ２１に装着してこの処理室２０内を所定の真空
度に（例えば１０−５〜１０−’Ｔ。

ｒｒ程度に）なるように排気し、それに両イオン源６．
７からイオン（例えばアルゴン等の不活性ガスイオン）
４を照射すると、それによる前述したようなスパッタ作
用で、結晶軸＜１００＞または＜１１１＞を基板２０表
面に垂直に向けた結晶粒のみを残すことができる。即ち
、基板２０表面に単結晶シリコンの核形成を行うことが
できる。

処理室３０内には、外部の高周波電源３４から高周波電
力が供給される二つの平行平板状の電極３１および３２
が設けられている。これらはホルダを兼ねており、一方
の電極３１には基板２が装着される。他方の電極３２に
はスパッタ用のシリコンターゲット３３が保持されてい
る。

従って、前の工程で表面に核形成が成された基板２を電
極３１に装着してこの処理室３０内を真空排気すると共
にそこにアルゴン等のスパッタガスを所定の圧力（例え
ば１０−２〜１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ程度）になるよう
に導入し、画電極３１．３２間に高周波電力を供給する
と、画電極３１．３２間で高周波放電が生じてプラズマ
が作られ、それによってシリコンターゲット３３がスパ
ッタされて基板２の表面にシリコンが堆積する。

この場合、基板２の表面には前の工程で単結晶シリコン
の核形成が成されているので、その上に上記のようにし
てシリコンを堆積させることによってエピタキシャル成
長が行われ、単結晶シリコン膜が形成される。従ってこ
れによって、所要の膜厚の単結晶シリコン膜を得るよう
にすれば良い。

上記のように、単結晶シリコン膜の形成を、基板２の表
面にシリコンを堆積させる工程、その基ｖｉ２にイオン
を照射して核形成する工程およびその上にシリコンを堆
積させて単結晶シリコンを成長させる工程の３工程に分
けて行うことにより、多数の基板２をロス時間を少なく
して連続的に成膜処理することができるので、スルーブ
ツトが向上する。

また、上記装置では、各処理室１０．２０および３０に
おいては、各工程専用の処理を行えば良いので、各処理
室１０．２０および３０を小型化することができ、その
真空排気時間も短くて済む。

しかも、成膜をインライン化して全て真空中で処理する
ことができる。これらの結果、スループットを向上させ
ることができる。また、大面積の基板２に対しても容易
に対応することができる。

なお、この発明によれば、基板２が均質な面方位を有し
ているか否かに関係なく単結晶シリコン膜を形成するこ
とができるので、基板２は特定のものに限定されるもの
ではなく、例えばガラス基板やシリコン基板等でも良く
、またその表面に非品質の絶縁物層が形成されたもので
も良い。

また、核形成前後に基板２の表面にシリコンを堆積させ
る手段は、上記例のようなスパッタに限られるものでは
なく、真空蒸着やＣＶＤ　（化学気相成長）等でも良い
。

また、イオン源６．７から引き出すイオン４のエネルギ
ーは、特定のものに限定されないが、例えば１００ｅＶ
　〜１００ＫｅＶ　（より好ましくは５００ｅＶ〜１０
ＫｅＶ）程度が好ましい。これはシリコンのスパツクが
起こりやすい範囲だからである。

また、第２の工程における、即ち処理室２０におけるイ
オン源は、第４図のステレオ投影図からも分かるように
、基板２の表面への正射影が相互にほぼ９０°またはほ
ぼ１８０°の角度を成すように３台または４台用いても
良（（結晶軸〈１００〉を基板２に垂直に向けたシリコ
ン結晶を得る場合）、あるいはほぼ１２０６の角度を成
すように３台用いても良い（結晶軸（１１１＞を基板２
に垂直に向けたシリコン結晶を得る場合）。あるいは、
ホルダ２１を回転させて基板２を回転させることができ
るようにすれば、固定されたイオン源を１台用いて同様
な成膜処理が可能である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明の単結晶シリコン膜形成方法によ
れば、単結晶シリコン膜の形成を、基板の表面にシリコ
ン膜を堆積させる工程、その表面にイオンを照射して核
形成する工程およびその上にシリコンを堆積させて単結
晶シリコンを成長させる工程の３工程に分けて行うよう
にしたので、多数の基板をロス時間を少なくして連続的
に成膜処理することができ、スルーブツトが向上する。

その結果、成膜コストを下げることができる。

またこの発明の単結晶シリコン膜形成装置によれば、各
処理室においては各工程専用の処理を行えば良いので、
各処理室を小型化することができ、その真空排気時間も
短くて済む。しかも成膜をインライン化することもでき
る。これらの結果、スループットを向上させることがで
き、それによって成膜コストを下げることができる。ま
た、大面積の基板に対しても容易に対応することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る単結晶シリコン膜形成装置の
一例を示す概略図である。第２図は、第１図の線１−１
に沿う概略断面図である。第、３図は、低指数の結晶軸
方向から見たシリコン結晶の構造を模式的に示す図であ
る。第４図は、シリコン結晶の［０１１］軸を中心とし
たステレオ投影図である。第５図は、シリコンを堆積さ
せた基板にイオンを照射したときのシリコンの結晶軸く
１１０〉および＜１００＞の方位を示す図である。 第６図は、シリコンを堆積させた基板にイオンを照射し
たときのシリコンの結晶軸Ｎ　１０）および＜１１１＞
の方位を示す図である。第７図および第８図は、それぞ
れ、この発明の背景となる単結晶シリコン膜形成方法の
実施のための基本的な構成を示す図である。第９図およ
び第１０図は、それぞれ、基板の表面に形成されるシリ
コン結晶の各結晶軸の方位を示す図である。 ２・・・基板、４・・・イオン、６，７・・・イオン源
、１０・・・第１の処理室、１３・・・シリコンターゲ
ット、２０・・・第２の処理室、３０１．・第３の処理
室、３３．・・　シリコンターゲット。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の表面にシリコンを堆積させる第１の工程と
   、この第１の工程を経た基板の表面に向けて、その表面
   とイオンの照射方向とがほぼ４５゜の角度を成し、イオ
   ンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成す角度が
   ほぼ９０゜またはほぼ１８０゜となる少なくとも２方向
   からイオンを照射する第２の工程と、この第２の工程を
   経た基板の表面にシリコンを堆積させる第３の工程とを
   備えることを特徴とする単結晶シリコン膜形成方法。
2. （２）基板の表面にシリコンを堆積させる第１の工程と
   、この第１の工程を経た基板の表面に向けて、その表面
   とイオンの照射方向とがほぼ５４．７゜の角度を成し、
   イオンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成す角
   度がほぼ１２０゜となる少なくとも２方向からイオンを
   照射する第２の工程と、この第２の工程を経た基板の表
   面にシリコンを堆積させる第３の工程とを備えることを
   特徴とする単結晶シリコン膜形成方法。
3. （３）基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設けら
   れた第１の処理室と、この第１の処理室に隣接されてい
   て、そこから搬送されてきた基板の表面に向けて、その
   表面とイオンの照射方向とがほぼ４５゜の角度を成し、
   イオンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成す角
   度がほぼ９０゜またはほぼ１８０゜となる少なくとも２
   方向からイオンを照射する手段が設けられた第２の処理
   室と、この第２の処理室に隣接されていて、そこから搬
   送されてきた基板の表面にシリコンを堆積させる手段が
   設けられた第３の処理室と、基板を前記第１の処理室か
   ら第２の処理室を経て第３の処理室へと搬送する基板搬
   送手段とを備えることを特徴とする単結晶シリコン膜形
   成装置。
4. （４）基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設けら
   れた第１の処理室と、この第１の処理室に隣接されてい
   て、そこから搬送されてきた基板の表面に向けて、その
   表面とイオンの照射方向とがほぼ５４．７゜の角度を成
   し、イオンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成
   す角度がほぼ１２０゜となる少なくとも２方向からイオ
   ンを照射する手段が設けられた第２の処理室と、この第
   ２の処理室に隣接されていて、そこから搬送されてきた
   基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設けられた第
   ３の処理室と、基板を前記第１の処理室から第２の処理
   室を経て第３の処理室へと搬送する基板搬送手段とを備
   えることを特徴とする単結晶シリコン膜形成装置。