JPH04182378A - 半導体単結晶膜の形成方法 - 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］ 本発明は半導体単結晶膜の形成方法に関し、特に、半導
体単結晶基板上に形成された絶縁体層中のシード穴を介
してその絶縁体層上に半導体単結晶膜を形成する方法に
関するものである。

［従来の技術］ 半導体装置の高性能化を図るために、回路素子を立体的
に多層積層した積層型半導体装置であるいわゆる三次元
集積回路を製造する試みがなされている。その試みにお
いて、半導体基板上の絶縁体層上に堆積された非単結晶
の半導体層に細く絞ったエネルギービームを照射するこ
とにより、半導体基板温度を８００°Ｃ以下の比較的低
温に保ったままで非単結晶半導体層のみを加熱溶融して
単結晶化する行程が必要である。基板温度を８００℃以
下に保つのは、基板内に形成された回路素子の不純物領
域中の不純物が半導体単結晶膜の形成時に再拡散するの
を防止するためである。

第２Ａ図は先行技術による半導体単結晶膜の形成力法を
説明するための概略的な平面図であり、第２Ｂ図は第２
Ａ図中の線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図である。これらの
図を参照して、シリコン基板１上に厚さ約１μｍのシリ
コン酸化膜２が形成されている。酸化膜２内には、約３
μｍ径のシード穴３が設けられている。酸化膜２上には
、約０゜５μｍ厚さの多結晶シリコン膜４がＣＶＤ　（
化学気相析出）によって堆積されている。多結晶シリコ
ン膜４上には、ＣＶＤによって約５００人の厚さに堆積
されてパターニングされたシリコン窒化膜パターン５ａ
、５ｂが設けられている。−辺か約４μｍの四辺形の窒
化膜５ａは、シード穴３の上方に設けられている。帯状
の窒化膜５ｂは約５μｍの幅を有しており、互いに平行
に約１０μｍずつ隔てられて配置されている。単結晶シ
リコン膜は、シード穴３を出発点としてエネルギービー
ムの照射によって多結晶シリコン膜４を窒化膜の帯５ｂ
に沿った方向に帯溶融することによって形成される。

第３図は、第２Ｂ図の多結晶膜４を帯溶融することによ
って単結晶化する過程を示している。シリコン基板１は
、抵抗ヒータ（図示せず）によって約４５０°Ｃに加熱
されている。円形断面６１ａで表されたレーザビーム６
１がシード穴３を出発点として矢印で示されているよう
に右方向へ走査させられ、多結晶シリコン膜４が左から
右へ帯溶融させられる。

約４００μｍの直径に絞られたレーザビーム６１は、１
．２Ｗのパワーを有する連続発振のアルゴンレーザから
得られる。レーザビーム６１は、２５ｃｍ／ｓの速度で
走査させられる。レーザビーム６１の照射を受けている
領域４ａにおいて多結晶シリコン膜は溶融し、その直下
の領域２ａ内においてシリコン酸化膜２が軟化している
。レーザビーム６１が通過した後、溶融シリコンは再凝
固し、シード部３を介して単結晶基板１から受継いだ結
晶軸を有する単結晶シリコン膜４ｂがエピタキシャルに
成長する。

なお、第２Ａ図に示された窒化膜の帯５ｂはレーザ光の
反射防止膜として働き、シード３からの単結晶の成長が
長く維持されるようにその成長方向を横断する方向の温
度分布を制御する。また、シード３の上方に設けられた
四辺形の窒化膜５ａは、シリコンであるシード３の方が
酸化膜２よりも熱伝導率が大きいので、その熱伝導によ
る熱の逃げを補うようにレーザ光の反射を防止して熱吸
収を高めるために設けられている。

上述のような先行技術によるシリコン単結晶膜の形成機
構は、Ｅｘｔｅｎ、ｄｅｄ　　Ａｂｓｔｒａｃｔ　　ｏ
ｆ　　ｔｈｅ　　１８ｔｈ　（１９８６Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ）　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　
５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　ａｎｄ
　　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、　　　Ｔｏｋｙｏ。

１９８６、　　　ｐｐ、５６５−５６８において詳細に
述べられている。

［発明が解決しようとする課題］ 半導体単結晶膜は、先行技術による方法においては以上
のように形成されていた。しかし、このようにして得ら
れたシリコン単結晶膜４ｂの結晶軸がシード３から離れ
るに従って連続的に回転していくという課題が存在して
いる。

第４図は、ＥＣＰ（エレクトロンチャンネリングパター
ン）によって測定したシリコン単結晶膜４ｂの結晶軸と
シリコン単結晶基板１の結晶軸とが成す角度をシード３
からの距離に関して示したグラフである。横軸はシード
からの距離（μｍ）を表し、縦軸は結晶軸回転角度（度
）を表している。白丸印で表された曲線Ａは、先行技術
による方法によって得られた単結晶シリコン膜４ｂの結
晶軸の回転角度を示している。この曲線Ａから、結晶軸
はシード３から３００μｍの距離において約３０度回転
していることが分かる。このような結晶軸回転の現象は
、以下のように説明されている。

第５図は、第３図のシリコン溶融領域４ａとシリコン単
結晶膜４ｂとの界面近傍における二次元的な温度分布を
シュミレーションによって求めた等温線で表した概略的
な断面図である。この図において、シリコン溶融帯４ａ
は左から右に進行していく。破線で示された等温線ＭＰ
はシリコンの融点である１４１４°Ｃを表している。シ
リコン溶融帯４ａと単結晶シリコン膜４ｂとの間の固液
界面は、この等温線ＭＰに沿って存在している。等温線
ＭＰから明らかなように、固液界面は、シリコン溶融帯
４ａの進行方向を前方として後傾している。すなわち、
固液界面近傍において、単結晶シリコン膜４ｂの上層部
の温度が下層部の温度より高くなっている。

したがって、単結晶シリコン膜４ｂの上層部における結
晶格子は熱膨張によって下層部の結晶格子より延びた状
態にある。このような状態では、シリコン溶融帯４ａ中
のシリコン原子は、固液界面において湾曲した結晶格子
上にエピタキシャルに再凝固し、その状態で下層の酸化
膜２に固定される。このようにして、シリコン単結晶膜
４ｂは、その成長か進むに従って結晶軸か徐々に回転し
ていくのである。

このような先行技術の課題に鑑み、本発明は、絶縁体層
上に結晶軸回転の小さい半導体単結晶膜を形成する方法
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］ 本発明によれは、半導体単結晶基板上に形成された絶縁
体層中のシード穴を介してその絶縁体層上に半導体単結
晶膜を形成する方法は、シード穴を介して単結晶基板に
接続された半導体非単結晶膜を絶縁体層上に堆積し、基
板を８００°Ｃ以下の温度に維持した状態でシード穴を
出発点としてエネルギービームを走査することによって
非単結晶膜中に形成した溶融帯を移動させ、それによっ
て、溶融帯の通過した後方に半導体単結晶膜をエピタキ
シャルに成長させ、そのエピタキシャル成長の間に溶融
帯の再凝固における固液界面から後方の少なくとも３０
μｍの距離に渡って絶縁体層の上層部はその軟化点以上
の温度に維持されていることを特徴としている。

［作用］ 本願発明による絶縁体層上に半導体単結晶膜を形成する
方法においては、半導体単結晶膜のエピタキシャル成長
の間に、半導体溶融帯の再凝固側における固液界面から
単結晶側の少なくとも３０μｍの距離に渡って絶縁体層
の上層部がその軟化点以上の温度に維持されているので
、半導体単結晶膜中の温度差による弾性的な結晶回転の
回復を可能にする。したがって、はとんど結晶軸の回転
を伴わない上質の半導体単結晶膜を提供することができ
る。

［実施例］ 第１図は、第２Ｂ図の多結晶シリコン膜４を本発明の一
実施例に従って帯溶融することによって単結晶化する過
程を示している。シリコン基板１は、抵抗ヒーター（図
示せず）によって約４５０００に加熱されている。ガウ
ス型の温度分布を有する２つの円形断面６１ａと６２ａ
で表された２つのレーザビーム６１と６２が１つの複合
レーザビーム６１＋６２を構成している。複合レーザビ
ーム６１＋６２は、シード穴３を出発点として矢印で示
されているように右方向へ走査させられ、多結晶シリコ
ン膜４が左から右へ帯溶融させられる。

先行するレーザビーム６１は、約１００μｍのビーム径
と１２Ｗのパワーを有している。後続するレーザビーム
６２は、約１５０μｍのビーム径と１４Ｗのパワーを有
している。これらの先行と後続のレーザビーム６１と６
２はそれらの相対的位置関係が固定された複合レーザビ
ーム６１＋６２を構成し、複合レーザビーム６１＋６２
は２５ｃｍ／ｓの速度で走査させられる。

先行レーザビーム６１は４８Ｊ／Ｃｍ２のパワー密度を
有しており、これは多結晶シリコン膜４を溶融するのに
十分なパワーである。なお、第２Ｂ図の多結晶シリコン
膜４を溶融するのに必要なパワー密度は４５Ｊ／ｃｍ２
である。他方、後続レーザビーム６２のパワー密度は３
７Ｊ／ｃｍ２であり、多結晶シリコン膜４を溶融させる
ことはできない。しかし、後続レーザビーム６２は、シ
リコン溶融帯４ａの後方において、シリコン酸化膜２を
その軟化点である１１５０℃以上の１２００°Ｃに間接
的に加熱することができる。第１図中のシリコン酸化膜
２内において破線で示された領域２ｂはシリコン酸化膜
２の軟化点である１１５０℃以上の温度領域を表してお
り、この領域２ｂ＝　１０− 内において酸化膜２は軟化している。温度分布のシュミ
レーションによれば、酸化膜２の軟化領域２ｂは、シリ
コン単結晶膜４Ｃの成長先端にある固液界面から後方１
４０μｍの距離まで延びている。

以上のように形成されたシリコン単結晶膜４Ｃの結晶軸
回転が、第４図の黒三角印で示されている。すなわち、
第１図の方法によって形成されたシリコン単結晶膜４Ｃ
の結晶軸回転は、シード３からの距離が３００μｍの遠
い位置においても１°以下であることが分かる。このよ
うに小さな結晶軸回転は、シリコン単結晶膜４Ｃ上に半
導体回路素子を形成する場合に工業上何ら問題を生じな
いものである。すなわち、第１図の方法によって、工業
上十分に満足し得る品質のシリコン単結晶膜を絶縁体層
上に形成し得ることが分かる。

第１図の方法によって形成されたシリコン単結晶膜の結
晶軸回転が小さい理由は以下のように理解される。本発
明者達が調べた結果、第３図の先行技術によって形成さ
れて第４図の白丸印の曲線によって示された結晶軸回転
を有するシリコン単結晶膜４ｂは、はとんど結晶欠陥を
含んでいないことが分かった。このことは、結晶軸回転
が弾性変形によってもたらされていることを意味する。

このように、結晶軸が回転したまま酸化膜２上に固定さ
れたシリコン単結晶膜４ｂは、弾性歪みエネルギーを含
んだ高い自由エネルギー状態にある。

したがって、第１図の方法におけるように、シリコン単
結晶膜４Ｃ下の上層部２ｂを軟化させてやれば、シリコ
ン単結晶膜４Ｃが弾性歪みエネルギーを放出して結晶軸
回転を戻すことを許容するように、酸化膜２の軟化領域
２ｂが移動すると考えられる。

なお、第５図のシミュレーションの結果から、第３図の
先行技術の方法においても、酸化膜２の軟化領域２ａは
、単結晶膜４ｂの成長先端から約３μｍ後方の距離まで
延びていることが分かる。

しかし、軟化領域２ａのこの程度の広がりでは、単結晶
膜４ｂの結晶回転を緩和できていない。これは、単結晶
膜４ｂの成長先端から後方への軟化領域２ａの広がりが
単結晶膜４ｂの膜厚である約０．５μｍと大差なく、単
結晶膜４ｂ中の弾性歪みエネルギーを十分に放出できる
ように、軟化領域２ａが十分な距離だけ移動することが
てきないからであると考えられる。

以上の検討結果から、第１図中の軟化領域２ｂは少なく
とも単結晶成長先端から後方へ約３０μｍ以上延びてい
ることが必要であり、好ましくは、単結晶膜４Ｃの膜厚
の約１０倍に相当する距離だけ延びていることが望まれ
る。

なお、第１図の実施例では２本のレーザビーム６１と６
２を用い、そのうちの後続レーザビーム６２にって酸化
膜２の上層部における軟化領域２ｂを形成したが、軟化
領域２ｂを形成するためのエネルギー源として約５００
μｍ径以下に絞った電子ビームや赤外線ランプのような
他のエネルギービームを用いることも可能である。

また、第１図の実施例では、円形断面を有する２つのレ
ーザビームからなる複合レーザビームを用いたが、楕円
断面のような他の断面形状を有するレーザビームを用い
ることも可能であることが明らかであろう。

さらに、第１図の実施例では、基板温度を４５０°Ｃに
設定したが、８００°Ｃ以下のいずれの温度に設定して
もよいことが理解されよう。なぜならば、基板温度が８
００°Ｃ以下であれば、半導体基板中に既に形成された
回路素子の不純物領域の再拡散を防止することができる
からである。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、半導体単結晶膜のエピ
タキシャル成長の間に半導体溶融帯の再凝固側における
固液界面から単結晶側の少なくとも３０μｍの距離に渡
って絶縁体層の上層部がその軟化点以上の温度に維持さ
れているので、半導体単結晶膜中の温度差による弾性的
な結晶回転の回復を可能にする。したがって、本発明に
よれば、はとんど結晶軸の回転を伴わない上質の半導体
単結晶膜を絶縁体層上に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による半導体単結晶膜の製造
方法を示す概略的な断面図である。 第２Ａ図は、先行技術による半導体単結晶膜の製造方法
を説明するための概略的な平面図である。 第２Ｂ図は、第２八図中の線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図
である。 第３図は、先行技術による半導体単結晶膜の製造方法を
示す概略的な断面図である。 第４図は、絶縁体層上に形成された半導体単結晶膜の結
晶軸回転を示すグラフである。 第５図は、単結晶膜の成長先端近傍における温度分布を
示す概略的な断面図である。 図において、１はシリコン単結晶基板、２はシリコン酸
化膜、２ａはシリコン酸化膜の軟化領域、３はシード、
４は多結晶シリコン膜、４ａはシリコン溶融帯、４ｂと
４０はシリコン単結晶膜、５ａと５ｂはシリコン窒化膜
パターン、そして６１と６２はレーザビームを示す。 なお、各図において、同一符号は同一内容または相当部
分を示す。 一倖シ′ ４Ｑｆｌ−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体単結晶上に形成された絶縁体層中のシード穴を介
   して前記絶縁体層上に半導体単結晶膜を形成する方法で
   あって、 前記シード穴を介して前記単結晶基板に接続された半導
   体非単結晶膜を前記絶縁体層上に堆積し、前記基板を８
   ００℃以下の温度に維持した状態で前記シード穴を出発
   点としてエネルギービームを走査することによって前記
   非単結晶膜中に形成した溶融帯を移動させ、それによっ
   て、前記溶融帯の通過した後方に半導体単結晶膜をエピ
   タキシャルに成長させ、 前記エピタキシャル成長の間に前記溶融帯の再凝固側に
   おける固液界面から後方の少なくとも３０μｍの距離に
   渡って前記絶縁体層の上層部はその軟化点以上の温度に
   維持されることを特徴とする半導体単結晶膜の形成方法
   。