JPH0435439B2 - - Google Patents
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Description
〔発明の関連する技術分野〕
この発明は、単結晶シリコンの層をエピタキシ
ヤル的に形成する方法、更に具体的には単結晶基
板上に形成されている孔の明いたマスク層上に単
結晶シリコンを生成する方法に、関するものであ
る。
〔発明の背景〕
半導体装置の製造の分野では、エピタキシヤル
法で被着したシリコンが広く種々の用途に利用さ
れている。基本的に、この被着は、被着したシリ
コンが基板の結晶格子と連続した構造を形造るよ
うになる結晶格子の上へガス源からシリコンを析
出させる過程を含んでいる。通常使用されるシリ
コンのガス源(ソース)は、シラン(SiH4)、四
塩化シリコン(SiCl4)、トリクロロシラン(Si
HCl3)およびジクロロシラン(SiH2Cl2)であつ
て、その代表的な処理に関しては「ジクロロジラ
ンのエピタキシヤル技術の進歩(ADVANCES
IN DICHLOROSILANE EPITAXIAL
TECHNO−LOGY」デロング(D.J.Delong)氏
著ソリツド・ステート・テクノロジイ(Solid
State Tech−nology)197210月刊のpp.29−34,
41およびゴールドスミス(Goldsmith)氏他によ
る米国特許第3945864号に詳細に説明されている。
シリコンの品質と被着速度は、上記の文献および
米国特許と共にサートル(E.Sirtl)氏による米
国特許第3239372号に詳述されているように、被
着温度とガスの組成との関数である。
(従来の技術)
シリコンのエピタキシヤル・フイルムは、単結
晶シリコン基板の表面にある二酸化シリコン(Si
O2)マスクの開孔中に選択的に成長させられて
いた。その様な方法の一例は「シリコンの選択的
エピタキシヤル被着(SELECTIVE
EPITAXIAL DEPOSITION OF SILICON)」
ジヨイス(B.D.Joyce)氏他(ネイチヤ
(Nature)195巻pp.485−6、1962年8月4日号)
に詳述されている。選択的なエピタキシヤル被着
法は、或る格子状の単結晶シリコン島状部の形成
にも使用されており、この格子は二酸化シリコン
層における開孔アレイの或特別の中心間々隔で定
められておりまた各シリコン島状部はこの各開孔
を囲んでいる二酸化シリコン上に或特定距離にわ
たつて重畳成長しているものである。その様な重
畳成長構造とその製造法は、「エピコン・アレイ
新しい半導体アレイ型撮像管構造(THE
“EPICON”ARRAY:A NEW
SEMICONDUCTOR ARRAY−TYPE
CAMERA TUBE STRUCTURE)エンゲラ
(W.E.Engeler)氏他、アプライド・フイジツク
ス・レターズ(Applied Physics Letters)16巻
5号、1970年3月1日号、「エピコン撮像管:エ
ピタキシヤル ダイオードアレイ ビジコン
(THE EPICON CAMERATUBE:AN
EPITAXIAL DIODE ARRAY VIDICON)ブ
ルーメントフエルド(S.M.Blumenfeld)氏他、
IEEE トランザクシヨン(IEEE Trans,)1巻
ED18,11号、1971年11月、およびエンゲラ(W.
E.Engeler)氏による米国特許第3746908号に説明
されている。
上述の各引用文献に開示されているように、単
結晶シリコンのエピタキシヤル被着法は半導体工
業分野で確立されている。たとえば、反応温度、
被着用ガスの組成、およびガスの流速などが品質
および被着速度に及ぼす影響は良く判つている。
単結晶基板上に単結晶シリコンは良く核を作るが
多結晶表面または非晶質(アモルフアス)表面に
核を作らないことは、既によく知られている。通
常、二酸化シリコン層の表面の如き非単結晶表面
をエピタキシヤル被着環境の中におくと、非単結
晶シリコン・フイルムが被着する。
従来、二酸化シリコン上に単結晶シリコンを形
成することは、エンゲラ氏およびブルーメンフエ
ルド氏が発表したように単結晶シリコン島状部の
格子を作り出すことによつて、行なつていた。こ
の方法はシリコン島状部の成長を助長するように
シリコン島状部相互間の酸化物表面を横切つてシ
リコン原子が移動する現象に依存している。もし
ある特定の温度で析出するシリコンの移動距離が
シリコン島状部相互間の距離の2分の1より短い
ときは、単結晶シリコン島状部相互間の酸化物上
に非単結晶シリコンの核が生ずる。
〔発明の開示〕
非単結晶シリコン層の形成を防止し、またエピ
タキシヤルの核生成位置の形状寸法や成長時間に
制限されない被着方法を提供する研究の過程で、
この発明の方法が発見された。
この発明の方法では、基板の単結晶部分を露出
させるような少なくとも1個の開孔を有するマス
ク層を、半導体基板上に形成する。次に、シリコ
ン・ソースガスとキヤリヤガスを含む混合ガスか
ら、シリコンをエピタキシヤル被着させる。次
に、この基板を、既に被着されたシリコンの一部
がエツチングされるように、エツチングガスとキ
ヤリヤガスから成る混合ガスをさらす。この被着
とエツチングのサイクルを適当回数繰返して、こ
のマスク層上に所定寸法の単結晶シリコン層を得
る。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照しつゝ詳細に説明する。
第1図に例示したように、実質的に平坦な表面
12を有する基板10を先ず用意する。好ましい
実施例にあつては、この基板10の材料は単結晶
シリコンであり、その表面12は主結晶表面であ
る。しかし、後述するように基板10の材料はシ
リコンに限定されるものではない。好ましい実施
例では厚さが約0.1乃至1.0μの二酸化シリコン(Si
O2)層より成る有孔マスク14を基板表面12
の上に形成する。二酸化シリコンは、非晶質であ
りまた後続するエピタキシヤル被着工程に物理的
に耐え得るという理由で、マスク材料として選ば
れる。更に、SiO2マスク14は、形成が容易でか
つ普通のホトエツチング技法で容易に開孔を作る
ことができる。しかし、この発明は、SiO2を使用
することに限定されないし、また上記特定厚さの
マスクの使用のみには限定されない。マスク14
の重要な物理的特性は、非単結晶質であるこ
とゝ、後続する工程期間中にさらされる温度に耐
え得ることである。他の適当なマスク材料として
は、たとえば、窒化シリコンおよび酸化アルミニ
ウムなどがある。
第1図において、マスク14には複数個の開孔
16があり、その寸法、間隔および形状は変える
ことができる。更に、第1図の実施例では複数個
の開孔16を持つものを示しているが、この発明
は1個の開孔16さえあれば可能である。この複
数の開孔を有する形態は単なる例示のためであ
る。図示の開孔16は、たとえば、複数の正方
形、円形またはしま状をしたものである。
各開孔16によつて露出している基板表面12
の部分を以下「核生成位置18」ということにす
る。第1図における核生成位置18は表面12上
のどこにでも位置決めすることができる。唯一の
制限は、各核生起位置18は単結晶構造でなけれ
ばならぬことである。これは、たとえば、基板1
0をバルク単結晶材料で作ること、本来は非単結
晶基板10の表面12に単結晶層を設けること、
或いは各開孔16が粒子の境界内に完全に入り得
るような大きさの粒子をもつ多結晶表面12を作
ること、によつて実現できる。
マスクを施した第1図の構体を続いて2つの段
階すなわちシリコン被着およびエツチングのサイ
クルで処理する。以下、被着段階という第1の段
階では、シリコン・ソースガスとキヤリヤガスを
含む混合ガスからシリコンを被着させる。更に、
この被着段階の期間中にシリコン・エツチングガ
スを上記混合ガス中に含ませることもできる。エ
ツチング段階という第2の段階では、第1の段階
で被着されたシリコンの一部を、シリコン・エツ
チングガスとキヤリヤガスの混合ガス中でエツチ
ングする。この被着とエツチングのサイクルは、
マスク層14上に所定寸法の単結晶シリコン層が
形成されるまで必要に応じ何回でも、繰返す。各
核生成位置18では、結晶の成長がマスク14の
厚みを通してほゞ縦方向(表面12に垂直に)に
進行しまた次いでマスク14の表面を横切つて横
方向に進行することになる。このサイクルの反復
により、最終的には第2図に示されるように各核
生成位置18に単結晶シリコンの島状部20がで
きる。
この被着とエツチング(以下、被着/エツチン
グと記す)のサイクルは、大気圧のまたは減圧し
た普通の炉の中で行なうことが可能であり、また
種々のシリコン・ソースガス、シリコン・エツチ
ングガスおよびキヤリヤガスを使用することがで
きる。シリコン・ソースガスとしてジクロロシラ
ンを、エツチングガスとしてHClを(両段階で)、
キヤリヤガスとして水素を使用した場合の、一例
被着/エツチングの諸パラメータをまとめると下
表の通りである。
[Technical field to which the invention relates] The present invention relates to a method of epitaxially forming a layer of single crystal silicon, and more specifically, to a method of epitaxially forming a layer of single crystal silicon on a mask layer with holes formed on a single crystal substrate. The present invention relates to a method of producing silicon. BACKGROUND OF THE INVENTION In the field of semiconductor device manufacturing, epitaxially deposited silicon is widely used in a variety of applications. Basically, this deposition involves depositing silicon from a gas source onto a crystal lattice such that the deposited silicon forms a structure continuous with the crystal lattice of the substrate. Commonly used silicon gas sources include silane (S i H 4 ), silicon tetrachloride (S i Cl 4 ), and trichlorosilane (S i
HCl 3 ) and dichlorosilane (S i H 2 Cl 2 ), and their typical treatments are described in ``ADVANCES
IN DICHLOROSILANE EPITAXIAL
TECHNO-LOGY” by DJ Delong Solid State Technology
State Tech-nology) Monthly issue 197210 pp.29-34,
41 and US Pat. No. 3,945,864 to Goldsmith et al.
Silicon quality and deposition rate are a function of deposition temperature and gas composition, as detailed in E. Sirtl, U.S. Pat. . (Prior Art) Silicon epitaxial films are made from silicon dioxide (S i ) on the surface of a single crystal silicon substrate.
O 2 ) was grown selectively during the apertures of the mask. An example of such a method is “SELECTIVE Epitaxial Deposition of Silicon”.
EPITAXIAL DEPOSITION OF SILICON)
BDJoyce et al. (Nature, Vol. 195, pp. 485-6, August 4, 1962 issue)
detailed in. Selective epitaxial deposition techniques have also been used to form a lattice of monocrystalline silicon islands defined by specific center spacings of an array of openings in a silicon dioxide layer. Each silicon island is grown over a certain distance over the silicon dioxide surrounding each opening. Such a superimposed growth structure and its manufacturing method are known as the “Epicon Array New Semiconductor Array Image Tube Structure (THE
“EPICON” ARRAY:A NEW
SEMICONDUCTOR ARRAY−TYPE
CAMERA TUBE STRUCTURE) WEEngeler et al., Applied Physics Letters, Vol. 16, No. 5, March 1, 1970, "THE EPICON CAMERATUBE: AN
EPITAXIAL DIODE ARRAY VIDICON) Mr. SMBlumenfeld et al.
IEEE Transactions (IEEE Trans) Volume 1
ED18, No. 11, November 1971, and Engela (W.
E. Engeler), US Pat. No. 3,746,908. As disclosed in the references cited above, epitaxial deposition of single crystal silicon is well established in the semiconductor industry. For example, reaction temperature,
The influence of the composition of the deposition gas, gas flow rate, etc. on quality and deposition rate is well known.
It is already well known that single-crystal silicon nucleates well on a single-crystal substrate, but does not nucleate on polycrystalline or amorphous surfaces. Typically, a non-monocrystalline silicon film is deposited by placing a non-monocrystalline surface, such as the surface of a silicon dioxide layer, in an epitaxial deposition environment. Traditionally, forming single-crystal silicon on silicon dioxide has been accomplished by creating a lattice of single-crystal silicon islands, as described by Engela and Blumenfeld. This method relies on the movement of silicon atoms across the oxide surface between silicon islands to promote silicon island growth. If the migration distance of silicon that precipitates at a certain temperature is less than half the distance between the silicon islands, non-single crystal silicon nuclei will be formed on the oxide between the single crystal silicon islands. occurs. DISCLOSURE OF THE INVENTION In the course of research to provide a deposition method that prevents the formation of non-monocrystalline silicon layers and is not limited by epitaxial nucleation location geometry or growth time,
This inventive method has been discovered. In the method of the invention, a mask layer is formed on a semiconductor substrate, having at least one aperture that exposes a single crystal portion of the substrate. Silicon is then epitaxially deposited from a gas mixture containing a silicon source gas and a carrier gas. The substrate is then exposed to a gas mixture consisting of an etching gas and a carrier gas so that some of the silicon that has already been deposited is etched. This deposition and etching cycle is repeated an appropriate number of times to obtain a monocrystalline silicon layer of a predetermined size on the mask layer. [Embodiments of the Invention] Hereinafter, a detailed description will be given with reference to the drawings. As illustrated in FIG. 1, a substrate 10 having a substantially planar surface 12 is first provided. In the preferred embodiment, the material of the substrate 10 is single crystal silicon, and its surface 12 is a major crystal surface. However, as will be described later, the material of the substrate 10 is not limited to silicon. In a preferred embodiment, silicon dioxide (S i
A perforated mask 14 consisting of an O 2 ) layer is placed on the substrate surface 12.
form on top of. Silicon dioxide is chosen as the mask material because it is amorphous and can physically withstand subsequent epitaxial deposition steps. Furthermore, the S i O 2 mask 14 is easy to form and can be easily apertured using conventional photoetching techniques. However, the invention is not limited to the use of S i O 2 or only to the use of a mask of the specified thickness. mask 14
An important physical property of is that it is non-monocrystalline and can withstand the temperatures to which it is exposed during subsequent processing. Other suitable mask materials include, for example, silicon nitride and aluminum oxide. In FIG. 1, mask 14 has a plurality of apertures 16, the size, spacing and shape of which can vary. Further, although the embodiment shown in FIG. 1 shows a device having a plurality of apertures 16, the present invention is possible with just one aperture 16. This configuration with multiple apertures is for illustrative purposes only. The illustrated apertures 16 are, for example, square, circular, or striped. Substrate surface 12 exposed by each aperture 16
The part will be hereinafter referred to as "nucleation position 18". Nucleation location 18 in FIG. 1 can be positioned anywhere on surface 12. Nucleation location 18 in FIG. The only restriction is that each nucleation site 18 must be of single crystal structure. This is, for example, substrate 1
0 from a bulk single crystal material, providing a single crystal layer on the surface 12 of the originally non-single crystal substrate 10;
Alternatively, this can be accomplished by creating a polycrystalline surface 12 with grains sized such that each aperture 16 can fit completely within the boundaries of the grains. The masked structure of FIG. 1 is then processed in two steps: silicon deposition and etching cycles. In the first step, hereinafter referred to as the deposition step, silicon is deposited from a mixed gas containing a silicon source gas and a carrier gas. Furthermore,
A silicon etching gas may also be included in the gas mixture during this deposition step. In the second step, the etching step, a portion of the silicon deposited in the first step is etched in a mixture of silicon etching gas and carrier gas. This deposition and etching cycle is
This process is repeated as many times as necessary until a single crystal silicon layer of a predetermined size is formed on the mask layer 14. At each nucleation location 18, crystal growth will proceed generally lengthwise (perpendicular to surface 12) through the thickness of mask 14 and then laterally across the surface of mask 14. By repeating this cycle, an island 20 of single crystal silicon is finally formed at each nucleation location 18, as shown in FIG. This deposition and etching cycle (hereinafter referred to as deposition/etching) can be carried out in a conventional furnace at atmospheric or reduced pressure, and can be performed using various silicon source gases, silicon etching gases, etc. and carrier gas can be used. dichlorosilane as silicon source gas and HCl as etching gas (in both stages);
The table below summarizes various parameters for deposition/etching when hydrogen is used as the carrier gas.
【表】
これらのパラメータは、縦方向の成長速度が大
体1.0μ/分および水平成長速度対縦方向成長速度
の比が1.5のとき観測されたものである。
この縦方向の成長速度、水平対縦の成長速度比
および被着サイクル中にシリコン・エツチングガ
スを使用するかどうかの決定は、シリコン・ソー
スガスとその流量、シリコン・エツチングガスと
その流量、被着サイクルの時間、エツチング・サ
イクルの時間、流速、炉の温度、および被着圧力
の関数として変化する。たとえば、シリコン・ソ
ースガスとしてSiH2Cl2を使用すれば、SiH2Cl2の
流量を約0.10から1.0リツトル/分の間で変化さ
せかつ被着段階の期間シリコン・エツチングガス
の流量を適当に調節することによつて、その縦方
向成長速度を約0.4〜2.0μ/分の間で変化させる
ことができる。
反応温度が低いと水平対縦方向の成長速度比が
一般に増大する。たとえば、上記した表に示され
たパラメータを使用した場合に、その炉内の温度
を1200℃から1050℃に変化させると水平対縦方向
の成長速度比は大体1.0と2.2の間で変化すること
が観測された。
炉の温度が成長速度と水平対縦方向成長速度比
とに及ぼす影響の大きさも、使用するシリコン・
ソースガスと被着圧力とに依存している。たとえ
ばSiH4はSiH2Cl2よりも低温で被着が可能であり、
またSiCl4はSiH2Cl2よりも高温で被着を可能にす
る。被着圧力もたとえば約100トールから大気圧
まで変えることができる。
上記の、被着時間とエツチング時間もガスの組
成と温度の関数として変化させることができる。
たとえば、実際の被着時間の範囲は大体30秒から
4分であり、またエツチング・サイクルの時間の
実用上の範囲は約20秒から2分である。
上記した被着/エツチング段階の被着段階の期
間に、基板とマスクの全露出表面にシリコン・ソ
ースガスからシリコンが析出する。各核生成位置
18上に被着するシリコンはその位置における単
結晶格子構造に従う。これと反対に、マスク14
上に析出するシリコンは好ましい配向を持たず、
従つて分離された非単結晶集合体の形で被着す
る。更に、前述のパラメータで、マスク上に非単
結晶の被着が生じる前には或る時間の遅れがある
が単結晶シリコンの被着は直ちに開始されること
を確認した。
被着サイクル中にHClのような或るシリコン・
エツチングガスが存在すると、被着時にマスク1
4上に非単結晶シリコンの被着が生ずる可能性が
減少する。この被着期間中、シリコン・ソースガ
スとシリコン・エツチングガスの相対量および被
着時間は、マスク14上に被着する非単結晶シリ
コンを後のエツチング段階で除去し得る能力を保
ちつゝ非単結晶シリコンの実用的な成長速度が得
られるように、平衡をとらねばならない。
ガスの組成と被着/エツチング段階におけるエ
ツチング段階の継続時間は、被着段階の後マスク
14上に残留する非単結晶集合体をすべて完全に
除去するように定める。このエツチングによつ
て、核生成位置18から成長した単結晶シリコン
の幾分かも除去されるが、この単結晶シリコンの
溶解速度は非単結晶集合体の溶解速度に比べて相
当に低い。従つて、1回の被着/エツチングサイ
クルの後では、エツチング段階中にエツチング除
去されるよりも多量のシリコンが被着段階で被着
されており、この被着材料は本質的に全部単結晶
である。
上記の被着/エツチング法によつて得られる縦
方向対水平単結晶成長速度比によつ、種々の有用
な半導体構造を作ることができる。第2図に示さ
れた構造は、たとえば、複数個の個々に選択的に
配置された半導体装置を形成するのに使用するこ
とができる。その様な装置は、たとえば、基板1
0とシリコン島状部20を通常の半導体処理技法
により選択的にドープすることにより作ることが
できる。たとえば、各シリコン島状部20と基板
10の間の界面はドーピングによつて整流性ある
いは非整性にすることができ、また、各シリコン
島状部20内および基板10内の内部ドーピング
分布は普通のホトエツチング技法を使つて調節す
ることができる。
第3図から第6図までは、この発明の方法で製
作し得るまた別の構造を示している。第2図に示
される構造に対して上記の被着/エツチング法を
続けて施すことにより、複数個のシリコン島状部
は互に成長して最後には第3図に示されるように
連続的な単結晶シリコン層22が形成される。第
5図は、マスク14上に単結晶シリコン層22が
形成された第3図のそれと同様な構造が、マスク
14の1個の開孔16によつて露出する1個の核
生成位置18から製造可能であることを示してい
る。
第4図は、集積回路ICの設計において重要な
別の実施例を示している。これは、第3図のシリ
コン層22中の開孔16に相当する部分にエツチ
ングによつて空洞部24を形成することにより、
作り得る。この実施例において、空洞部24は、
シリコン層22の全厚さおよび各開孔16内のエ
ピタキシヤル・シリコンを貫通して、基板表面1
2を露出させている。従つて、開孔16の寸法形
状をその様に設計すれば電気的に分離された複数
個のシリコン島状部26を形成することができ
る。この形式の構造は、絶縁基板上に複数個の単
結晶シリコン島状部が形成されたシリコン・オ
ン・サフアイヤ型(SOS型)の応用面に特に有用
である。更に、第4図の構造の用途次第で、この
構造中の空洞部24に引続き誘電体、抵抗材料ま
たは導電材料を充填して平坦な構造とすることが
できる。
第4図の構造は、第5図の1個の開孔を持つた
構造から同様にして作り得ることが判る。また、
同様に、第2図の構造或いは第2図と第3図にし
めされた構造の中間の構造に、空洞部を設けるこ
ともできる。
第6図は、この発明によつて製造可能なマルチ
レベル構造の一例を示している。有孔マスク14
上には、前述の被着/エツチング法で、互に分離
された単結晶シリコン島状部26を形成する。次
いで、このシリコン島状部26上に有孔マスク2
8を形成し、次にその上に同様にシリコン島状部
30の第2の組をエピタキシアル成長させる。必
要に応じて1個または複数個の空洞部24を設け
て各シリコン島状部26と/または各シリコン島
状部30を分離することができる。この様にし
て、たとえばSiO2マスクによつて各レベルが選択
的に分離されたマルチレベル集積回路を、この発
明の被着/エツチング法で作ることができる。こ
の技術は、将来の集積回路における集積密度およ
び集積レベルに強い効果を及ぼすものと考えられ
る。
以上説明した実施例は何れも単なる例示のため
であつてこの発明の範囲を制限する意味を持つも
のではないと理解されたい。この被着/エツチン
グ法を使用して多種多様な単一レベルまたはマル
チレベル構造を作ることが可能である。Table These parameters were observed when the vertical growth rate was approximately 1.0 μ/min and the ratio of horizontal to vertical growth rate was 1.5. The vertical growth rate, the horizontal to vertical growth rate ratio, and the decision to use a silicon etch gas during the deposition cycle depend on the silicon source gas and its flow rate, the silicon etch gas and its flow rate, and the silicon etching gas and its flow rate. It varies as a function of deposition cycle time, etch cycle time, flow rate, furnace temperature, and deposition pressure. For example, if S i H 2 Cl 2 is used as the silicon source gas, the flow rate of S i H 2 Cl 2 can be varied between about 0.10 and 1.0 L/min and the silicon etching gas flow rate can be varied during the deposition step. By appropriately adjusting the flow rate, the longitudinal growth rate can be varied between about 0.4 and 2.0 μ/min. Lower reaction temperatures generally increase the horizontal to vertical growth rate ratio. For example, if the temperature in the furnace is changed from 1200°C to 1050°C using the parameters shown in the table above, the horizontal to vertical growth rate ratio will change between approximately 1.0 and 2.2. was observed. The effect of furnace temperature on growth rate and horizontal to vertical growth rate ratio also depends on the silicon used.
It depends on the source gas and deposition pressure. For example, S i H 4 can be deposited at a lower temperature than S i H 2 Cl 2 ;
S i Cl 4 also allows deposition at higher temperatures than S i H 2 Cl 2 . The deposition pressure can also vary, for example from about 100 Torr to atmospheric pressure. The deposition and etching times mentioned above can also be varied as a function of gas composition and temperature.
For example, the practical range of deposition times is approximately 30 seconds to 4 minutes, and the practical range of etching cycle times is approximately 20 seconds to 2 minutes. During the deposition stage of the deposition/etch stage described above, silicon is deposited from the silicon source gas on all exposed surfaces of the substrate and mask. The silicon deposited on each nucleation location 18 follows a single crystal lattice structure at that location. On the contrary, mask 14
The silicon deposited on top does not have a preferred orientation;
It is therefore deposited in the form of separated non-single crystal aggregates. Additionally, it has been determined that with the parameters described above, there is a certain time delay before non-single crystal deposition occurs on the mask, but single crystal silicon deposition begins immediately. Certain silicones, such as HCl, may be present during the deposition cycle.
If etching gas is present, mask 1 will be removed during deposition.
The possibility of non-monocrystalline silicon deposits occurring on 4 is reduced. During this deposition period, the relative amounts and deposition times of the silicon source gas and silicon etch gas are adjusted to maintain the ability to remove non-monocrystalline silicon deposited on mask 14 in subsequent etching steps. A balance must be struck to obtain a practical growth rate for single crystal silicon. The composition of the gas and the duration of the etching step in the deposition/etching step are determined to completely remove any non-single crystal aggregates remaining on the mask 14 after the deposition step. Although this etching also removes some of the single crystal silicon that has grown from the nucleation sites 18, the rate of dissolution of this single crystal silicon is considerably lower than that of the non-single crystal mass. Therefore, after one deposition/etch cycle, more silicon has been deposited during the deposition stage than is etched away during the etching stage, and this deposited material is essentially all monocrystalline. It is. Depending on the vertical to horizontal single crystal growth rate ratio obtained by the above-described deposition/etching method, a variety of useful semiconductor structures can be made. The structure shown in FIG. 2 can be used, for example, to form a plurality of individually selectively arranged semiconductor devices. Such a device includes, for example, a substrate 1
0 and silicon islands 20 can be made by selectively doping them using conventional semiconductor processing techniques. For example, the interface between each silicon island 20 and the substrate 10 can be made rectifying or non-rectifying by doping, and the internal doping distribution within each silicon island 20 and within the substrate 10 is Adjustments can be made using common photoetching techniques. 3 through 6 illustrate other structures that can be produced using the method of the invention. By successively applying the above-described deposition/etching method to the structure shown in FIG. 2, a plurality of silicon islands grow together and finally become continuous as shown in FIG. A single crystal silicon layer 22 is formed. FIG. 5 shows a structure similar to that of FIG. 3 with a monocrystalline silicon layer 22 formed on a mask 14 from a single nucleation site 18 exposed by a single aperture 16 in the mask 14. This shows that it can be manufactured. FIG. 4 shows another embodiment important in integrated circuit IC design. This is done by forming a cavity 24 by etching in a portion corresponding to the opening 16 in the silicon layer 22 shown in FIG.
It can be made. In this embodiment, the cavity 24 is
Through the entire thickness of the silicon layer 22 and the epitaxial silicon within each aperture 16, the substrate surface 1 is
2 is exposed. Therefore, if the size and shape of the opening 16 are designed in such a manner, a plurality of electrically isolated silicon island portions 26 can be formed. This type of structure is particularly useful in silicon-on-sapphire (SOS) applications where a plurality of single crystal silicon islands are formed on an insulating substrate. Additionally, depending on the application of the structure of FIG. 4, the cavity 24 in the structure can be subsequently filled with dielectric, resistive, or conductive material to create a planar structure. It can be seen that the structure of FIG. 4 can be similarly made from the single aperture structure of FIG. Also,
Similarly, a cavity may be provided in the structure of FIG. 2 or in a structure intermediate between the structures shown in FIGS. 2 and 3. FIG. 6 shows an example of a multi-level structure that can be manufactured according to the invention. Perforated mask 14
Separated monocrystalline silicon islands 26 are formed thereon by the deposition/etching method described above. Next, a perforated mask 2 is placed on this silicon island portion 26.
8 and then similarly epitaxially grown a second set of silicon islands 30 thereon. If desired, one or more cavities 24 can be provided to separate each silicon island 26 and/or each silicon island 30. In this way, multi-level integrated circuits with each level selectively separated, for example by a S i O 2 mask, can be made with the deposition/etching method of the present invention. This technology is expected to have a strong impact on the integration density and level of integration in future integrated circuits. It should be understood that the embodiments described above are merely illustrative and are not intended to limit the scope of the invention. A wide variety of single-level and multi-level structures can be made using this deposition/etching method.
第1図および第2図はこの発明による処理順序
の一例を示す図、第3図乃至第6図は何れもこの
発明の方法により製造される種々の構造を示す図
である。
10……基板、12……基板の表面、14……
マスク層、16……開孔、18……核生成位置、
20……単結晶シリコン島状部。
1 and 2 are diagrams showing an example of the processing sequence according to the present invention, and FIGS. 3 to 6 are diagrams each showing various structures manufactured by the method of the present invention. 10...Substrate, 12...Surface of substrate, 14...
mask layer, 16... opening, 18... nucleation position,
20...Single crystal silicon island.
Claims (1)
分上に開孔を有するマスク層を上記表面に設けた
半導体基板を用意する段階と、シリコン・ソース
ガスとキヤリヤガスを含んでいる混合ガスからシ
リコンを被着させる段階と、更に、この被着した
シリコンの一部をシリコン・エツチングガスとキ
ヤリヤガスより成る混合ガス中でエツチングする
段階とを有し、上記の被着とエツチングのサイク
ルを繰返して上記マスク層の上記開孔部の基板表
面から延長して上記マスク層に所定距離に亘つて
重畳する単結晶シリコン島状部を得るようにす
る、マスク層上に単結晶シリコン層を形成する方
法。1. Preparing a semiconductor substrate having a single-crystal portion on the surface and a mask layer having openings on the single-crystal portion; The method includes the steps of depositing silicon and etching a portion of the deposited silicon in a gas mixture consisting of a silicon etching gas and a carrier gas, and repeating the deposition and etching cycle. A method of forming a single crystal silicon layer on a mask layer, the method comprising obtaining a single crystal silicon island extending from the substrate surface of the opening in the mask layer and overlapping the mask layer over a predetermined distance. .
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