JPH04219923A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板の製造方法

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JPH04219923A
JPH04219923A JP41384790A JP41384790A JPH04219923A JP H04219923 A JPH04219923 A JP H04219923A JP 41384790 A JP41384790 A JP 41384790A JP 41384790 A JP41384790 A JP 41384790A JP H04219923 A JPH04219923 A JP H04219923A
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film
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solid phase
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Hidekane Ogata
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は単結晶シリコン基台表面
に絶縁膜を介在させて単結晶シリコン膜を積層形成する
、所謂SOI(Silicon On Insulat
or) 構造を応用した半導体基板を製造する方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】SOI 構造は絶縁物による素子間分離
が容易で高集積化、特に素子の三次元化に利用できるこ
と、CMOSにおけるラッチアップがないこと、接合容
量, 配線容量を低減出来て低消費電力で高速動作が期
待出来ること等の優れた特性を備えており、従来より種
々の応用技術が提案されている。このようなSOI 構
造の応用技術の一つとして単結晶シリコン基台の表面に
絶縁膜を介在させて一部を単結晶シリコン基台と接触さ
せた状態で非晶質シリコン膜又は多結晶シリコン膜を形
成した後、アニール処理により接触する単結晶シリコン
基台をシードとして固相エピタキシャル成長させ、非晶
質シリコン膜、又は多結晶シリコン膜を単結晶化する技
術が知られている。
【0003】図5は従来知られているSIO 構造の半
導体基板を製造する主要工程を示す工程説明図であり、
単結晶シリコン基台31上に熱酸化、或いはCVD 法
等によりSiO2 等を所定厚さ堆積して絶縁膜32を
形成した後、この絶縁膜32に窓孔32a を形成して
単結晶シリコン基板31の表面の一部を露出させ(図5
(a))、絶縁膜32表面及び窓孔32a 内に露出す
る単結晶シリコン基板31の表面にわたって非晶質シリ
コン膜33を堆積させる(図5(b))。次に単結晶シ
リコン基台31を600 ℃程度に加熱してアニール処
理し、窓孔32a 内に露出する単結晶シリコン基台3
1表面の単結晶をシースとして、縦方向固相エピタキシ
ャル成長(SPE Vertical Solid P
hase Epitaxy)を、また絶縁膜32上では
前記縦方向固相エピタキシャル成長させた領域から横方
向固相エピタキシャル成長(Lateral Soli
d Phase Epitaxy) を夫々行わせて固
相エピタキシャル成長層34を形成する(図5(c))
【0004】ところで例えば3次元回路素子を形成する
場合、絶縁膜32は単結晶シリコン基台31にて構成さ
れる下層デバイスと、固相エピタキシャル成長層34に
構成される上層デバイスとの間の層間絶縁膜を司る必要
上、膜厚は1μm 以上とするから、窓孔32a 部分
で非晶質シリコン膜33に段差が生じるため、縦方向固
相エピタキシャル成長から横方向固相エピタキシャル成
長への移行が円滑に行い難いという難点があった。この
対策として絶縁膜32の窓孔32a 内にのみ選択的に
固相エピタキシャル成長を行わせて窓孔32a 内に単
結晶シリコンの選択成長を行って埋め戻した後、この単
結晶シリコン及び絶縁膜32上にわたって非晶質シリコ
ン膜33を均一に堆積させ、アニール処理により固相エ
ピタキシャル成長を行って非晶質シリコン膜33を単結
晶化する方法が提案されている。
【0005】しかしこの方法では、非晶質シリコン膜3
3の厚さを、例えばノンドープで膜厚1μm とすると
、絶縁膜32の窓孔32a から径方向に10μm の
範囲で横方向固相エピタキシャル成長が可能となるが、
この横方向固相エピタキシャル成長層には転位、積層欠
陥等の種々の格子欠陥が発生し、その欠陥密度は窓孔3
2a からの距離が大きくなるに従って増大する傾向が
ある。図6は絶縁膜32上に形成した非晶質シリコン膜
33を1050℃で1時間熱処理して得た固相エピタキ
シャル成長層34のTEM(Transmission
 Elctron Microscope)像 (倍率
10万倍) を示している(参考写真3参照)。図6か
ら明らかなように十分な結晶性が得られていないことが
解る。ちなみに横方向固相エピタキシャル成長層では(
110) ファセット成長で進む領域である窓孔32a
 から2μm 程度迄の範囲での格子欠陥密度は、10
8 〜109 個/cm2 、またそれ以後の(111
) ファセット成長で進む領域では格子欠陥密度は10
9 〜1010個/cm2 程度である。
【0006】このような格子欠陥の発生機構の詳細は不
明であるが、非晶質の状態から結晶化する過程での体積
変化、或いは固相エピタキシャル成長層とSiO2 絶
縁膜との界面でのミスマッチが考えられ、このような格
子欠陥は接合リークの原因となり、特性の劣化は免れ得
ない。そこでこのような格子欠陥を低減する方法として
従来高温アニール法が提案されている(J.Appl.
 Phys. 54(5), May 1983, 2
847頁)。これは電気炉を用いて1150℃で4時間
程度アニールする方法であり、転位密度を1010個/
cm2 程度から108 個/cm2 程度へ低減し得
ることが認められている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしこのような高温
での長時間の熱処理は3次元回路素子の破壊を招くこと
は免れ得ないという問題があった。本発明はかかる事情
に鑑みなされたものであって、その目的とするところは
低温で短時間の熱処理により素子の破壊を生じないよう
にした半導体基板の製造方法を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体基板
の製造方法は、単結晶半導体基台上に形成した絶縁膜の
一部に窓孔を設けて単結晶半導体基台表面を露出させ絶
縁膜表面に非晶質半導体膜を堆積させた後、アニール処
理して固相エピタキシャル成長させた半導体膜を形成し
てなる半導体基板を製造する方法において、前記半導体
膜の表面にこれとは熱膨張係数が異なる膜を形成する工
程と、この状態で熱処理する工程とを含むことを特徴と
する。
【0009】
【作用】本発明方法にあっては、固相エピタキシャル成
長層の表面にこれと熱膨張係数の異なる膜を形成した後
、熱処理を行うこととしているから、熱処理過程で熱膨
張係数の差によって固相エピタキシャル成長層に応力を
作用させ、転位の移動速度を高めることで低温下で、且
つ短時間の熱処理にて格子欠陥の低減が可能となる。
【0010】
【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づき
具体的に説明する。図1は本発明に係る半導体基板の製
造方法の主要工程を示す工程説明図であり、図中1は単
結晶シリコン基台、2はSiO2 等の絶縁膜を示して
いる。単結晶シリコン基台1は20〜30Ωcmの導電
型がp型であってその(100) 面上に、SiO2 
の絶縁膜2を厚さ0.5 μm 堆積して、この絶縁膜
2にフォトリソグラフィ技術、或いはエッチング技術に
よって〔100 〕方向に平行なストライプ状にパター
ニングし、溝状の窓孔2aを形成する(図1(a))。
【0011】次にこの窓孔2a内で単結晶シリコン基台
1表面の単結晶をシードとしてシリコンを厚さ0.5 
μm だけ選択的にエピタキシャル成長させ、窓孔2a
を絶縁膜2の表面と面一となるように単結晶シリコン3
にて埋め戻す(図1(b))。この単結晶シリコン3表
面及び絶縁膜2の表面にわたって非晶質シリコン膜4を
厚さ0.5 μm 堆積し(図1(c))、この状態で
24時間アニールし、固相エピタキシャル成長を行う。
【0012】次にこのようにして形成した固相エピタキ
シャル成長層5の表面に半導体材料の酸化物又は窒化物
、例えばSiO2 ,Si3 N4 の膜6をCVD 
法等により420 ℃で厚さ0.5 μm 堆積し、そ
の後、この状態で900 〜1200℃にて30分〜4
時間程度の熱処理を施す(図1(d))。膜6の厚さは
エピタキシャル成長層5の厚さの1/2 〜数倍程度と
する。その後、膜6をHF等を用いたエッチングにより
除去する(図1(e))。
【0013】図2は固相エピタキシャル成長層中におけ
る格子欠陥の分布態様を窓孔2aの中心線から片側につ
いて示す部分拡大説明図であり、図中に示す線5aは夫
々格子欠陥部分を示している。このような格子欠陥部分
5aは熱処理によって矢符で示す如く固相エピタキシャ
ル成長層5の表面側、或いは絶縁膜2との界面、或いは
多結晶領域8との境界部に移動して消滅し、またバーガ
ースペクトルの正反対の転位同士が合体して消滅すると
考えられる。
【0014】ところでこの転位の移動速度vは剪断応力
τ,温度Tの関数として式(1) の如くに表される。     v=v0 (τ/τ0 )exp (−E/K
B T)    …(1)             
      但し、v0 ,τ0 :定数      
                         
 E:活性化エネルギ(Si:2eV程度) (1) 
式から明らかな如く転位の移動速度vは温度が高くなる
に従って、また剪断応力τが大きくなるに従って速くな
る。しかし温度を高くすることは前述した如く素子の破
壊をもたらすから、本発明方法では剪断応力τを大きく
し、低い温度で転位の移動速度vを大きくする。
【0015】この剪断応力τを大きくするための手段と
して固相エピタキシャル成長層5表面に熱処理温度であ
る900 〜1200℃より低い温度にて固相エピタキ
シャル成長層5と異なる熱膨張係数を有する膜を積層し
、この状態で熱処理を行う。これによって、固相エピタ
キシャル成長層5と、その表面の膜との熱膨張係数の差
により固相エピタキシャル成長層5に圧縮,引張り応力
σが作用し、この応力がすべり面{111 }に対して
すべり方向<110 >に垂直な剪断応力τ=σcos
 54.7°=0.58σを生じさせる。
【0016】通常シリコン結晶中のすべり転位はすべり
面{111 },すべり方向<110 >であり、60
°転位, 螺旋転位等の部分転位も上記したすべり面上
に位置しており、これが転位の移動速度の増速に寄与し
、より低温下での熱処理で転位の低減を図れることとな
る。
【0017】例えば横方向固相エピタキシャル成長層5
の表面に600 ℃で絶縁膜2と同じ厚さにSiO2 
膜6を堆積させた後、600 ℃以上で熱処理を行うと
、膜6の堆積を行わないで熱処理した場合と比較して固
相エピタキシャル成長層5に作用する応力は2倍程度大
きくなり、(1) 式から転位の移動速度は2倍となり
、熱処理時間を同じとすると、処理温度は 1/{1+(KθT/E)・ln2} に低下し得ることとなる。
【0018】上述の如き本発明方法により得た半導体基
板断面についてのTEM 像を図3に示す(参考写真1
参照)。なお参考のためSiO2 等の膜6を堆積せず
に1050℃にて1時間熱処理して得た固相エピタキシ
ャル成長層15のTEM 像を図4に示す(参考写真2
参照)。図3と図4,図6と対比すれば明らかな如く、
本発明方法によった場合は転位密度が格段に低減し得て
いることが解る。
【0019】なお、上述した実施例においては単結晶シ
リコン基台1上に単結晶シリコン3,絶縁膜2を介在さ
せて非晶質シリコン膜4を堆積し、これを固相エピタキ
シャル成長させる構成について説明したが、何らシリコ
ンのみに限るものではなく、種々の半導体材料について
も適用し得ることも勿論である。
【0020】
【発明の効果】以上の如く本発明方法にあっては、非晶
質半導体膜をアニール処理により固相エピタキシャル成
長させた後、再度これと熱膨張係数が異なる膜を堆積し
て熱処理を施すから、低温でしかも短時間の熱処理で格
子欠陥を効果的に低減出来、素子を破壊することがない
等、本発明は優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の主要工程を示す模式的断面図であ
る。
【図2】固相エピタキシャル成長層中の格子欠陥の分布
状態を示す説明図である。
【図3】本発明方法により得た固相エピタキシャル成長
層の断面のTEM 像を示す図である。
【図4】従来方法による固相エピタキシャル成長層の断
面のTEM 像を示す図である。
【図5】従来方法の主要工程を示す模式的断面図である
【図6】図5で示す方法により得た固相エピタキシャル
成長層の断面のTEM像を示す図である。
【符号の説明】
1    単結晶シリコン基台 2    絶縁膜 2a    窓孔 3    単結晶シリコン 4    非晶質シリコン膜 5    固相エピタキシャル成長層 6    固相エピタキシャル成長層と熱膨張係数が異
なる膜

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  単結晶半導体基台上に形成した絶縁膜
    の一部に窓孔を設けて単結晶半導体基台表面を露出させ
    、絶縁膜表面に非晶質半導体膜を堆積させた後、アニー
    ル処理して固相エピタキシャル成長させた半導体膜を形
    成してなる半導体基板を製造する方法において、前記半
    導体膜の表面にこれとは熱膨張係数が異なる膜を形成す
    る工程と、この状態で熱処理する工程とを含むことを特
    徴とする半導体基板の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113013323A (zh) * 2019-12-19 2021-06-22 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 半导体结构及其形成方法、半导体器件

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