JPH0448621A - 半導体装置の製造方法及び製造装置 - 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】 〔概要〕 ５ｏｌ（シリコンオンインシュレータ）基板の製造方法
の改良に関し、 シード部から横方向に固相エピタキシャル成長する領域
の幅を大きくシ、うるようにするＳＯＩ基板の製造方法
を提供することを目的とし、単結晶半導体基板上に形成
されている絶縁物の薄膜の一部領域に開口を形成し、こ
の一部領域に開口を有し前記の単結晶半導体基板が露出
している前記の絶縁物の薄膜上に非晶質半導体薄膜を形
成し、前記の開口領域の単結晶半導体基板をシードとし
てなす同相エピタキシャル成長法をもって前記の非晶質
半導体薄膜を単結晶半導体薄膜に転換するに適する光量
の光ビームを該非晶質半導体薄膜上に照射するにあたっ
て、該光ビームを、前記の開口に対応する領域から、該
単結晶半導体薄膜成長領域に照射しつ＼この開口と離隔
する領域に向かって該単結晶薄膜の成長に伴い漸次移動
させて、前記の非晶質半導体薄膜を単結晶半導体薄膜に
転換するように構成する。

（産業上の利用分野〕 本発明は、５ｏｌ（シリコンオンインシュレータ）基板
の製造方法の改良及びその製造装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造に使用される基板としては、長年にわ
たって厚さ数百μの単結晶半導体基板が使用されてきた
が、近年、絶縁膜上に厚さ０．１乃至数ｎの単結晶半導
体薄膜を成長させたＳＯ■基板が注目されるようになっ
た。その理由は、このＳｏｌ基板を使用することにより
、半導体装！内のデバイス間の絶縁分離が容易になり、
また、寄生容量が減少するために高速動作が期待できる
からである。

Ｓｏｌ基板の製造方法としては、単結晶半導体基板上に
形成された絶縁膜上に多結晶半導体薄膜を形成し、レー
ザ光を照射してこの多結晶半導体薄膜を溶融・固化させ
て単結晶化させる方法及び単結晶半導体基板上に形成さ
れた絶縁膜上に非晶質半導体薄膜を形成し、熱処理をな
して固相エピタキシャル成長させ、この非晶質半導体薄
膜を単結晶化させる方法が知られている。上記のいずれ
の方法においても、単結晶半導体基板上に形成された絶
縁膜に開口を形成し、絶縁膜上に形成される多結晶半導
体薄膜または非晶質半導体薄膜をこの開口を介して単結
晶半導体基板に直接接触させ、この接触領域を結晶成長
のシードとして作用させる手法が一般的であり、特に、
固相エピタキシャル成長法を使用する後者の場合には、
シード部の形成が必須である。

本発明は、単結晶半導体基板上に形成された絶縁膜上に
非晶質半導体薄膜を形成し、熱処理をなして固相エピタ
キシャル成長させて非晶質半導体薄膜を単結晶半導体薄
膜に転換する方法に関するものである。

従来は、第５図に示すように、単結晶のシリコン基！ｊ
１１上に二酸化シリコン絶縁膜１２を形成し、この二酸
化シリコン絶縁！１１２をバターニングして一部領域に
開口１３を形成し、この間口１３の内面を含む二酸化シ
リコン絶縁１！１１２上に真空蒸着法を使用して非晶質
シリコンＩ膜１４を形成した後、６００°Ｃ程度の温度
に昇温して熱処理を施す、二酸化シリコン絶縁膜１２の
開口１３に対応する領域の単結晶シリコン基板１１をシ
ードとして、非晶質シリコン薄Ｈ１４内において固相エ
ピタキシャル成長が開始し、成長方向は、図中に矢印を
もって示すように、最初はシード部上方へ進み、次いで
、二酸化シリコン絶縁膜１２上の非晶質半導体薄膜１４
へと横方向へ進行する。この横方向の固相エピタキシャ
ル成長の幅を如何に大きくするかがＳＯＩ基板形成の重
要課題である。なお、成長進行速度は通常２〜８λ／秒
である。

〔発明が解決しようとする！Ｉｆｆ） 熱処理時間を長くしても、シード部から横方向に固相エ
ピタキシャル成長する領域の幅は第６図に示すようにＩ
ｏｎ程度まで−あり、それを越える領域は多結晶状態に
なってしまう、この原因は、長時間の熱処理によって非
晶質シリコン薄膜１４の随所において微細な結晶化が始
まり、これがシードとなって予め形成したシード部以外
からもエピタキシャル成長が開始するためと推定される
。このような微細なシード成長は、非晶質シリコン薄膜
中の不純物あるいは表面の僅かな凹凸が引き金となるた
め、この抑制は難しい。

本発明の目的は、この欠点を解消することにあり、二つ
の独立した目的を有する。第１の目的は、シード部から
横方向に固相エピタキシャル成長する領域の幅を大きく
しうるようにするＳｏｌ基板の製造方法を提供すること
にある。第２の目的は、Ｓｏｌ基板の製造に使用される
製造装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 上記二つの目的のうち、第１の目的は、単結晶半導体基
板（１１）上に形成されている絶縁物の１１１１１（１
２）の一部領域に開口（１３）を形成し、この一部領域
に開口（１３）を有し前記の単結晶半導体基板（１１）
が露出している前記の絶縁物のｙｌＭｌｌ（１２）上に
非晶質半導体重Ｍ　（１４）を形成し、前記の開口（１
３）　ｆｉｌ域の単結晶半導体基板（ＩＩ）をシードと
してなす固相エピタキシャル成長法をもって前記の非晶
質半導体薄膜（１４）を単結晶半導体薄膜に転換するに
適する光量の光ビームを該非晶質半導体薄膜（１４）上
に照射するにあたって、該光ビームを、前記の開口Ｃ１
３）に対応する領域から、該単結晶半導体薄膜成長傾城
に照射しつ−この開口（１３）と離隔する領域に向かっ
て該単結晶半導体１膜の成長に伴い漸次移動させて、前
記の非晶質半導体ｍｌ　（１４）を単結晶半導体′ｒＩ
Ｉ膜に転換する工程を含む半導体装置の製造方法によっ
て達成される。

なお、前記の間口（１３）領域の単結晶半導体基板（１
１）をシードとしてなす固相エピタキシャル成長法をも
って前記の非晶質半導体薄膜（１４）を単結晶半導体薄
膜に転換するに適する光量に光ビームを制御する方法は
、光ビームを間欠照射する方法が効果的であり、前記の
開口（１３）は、前記の光ビームの移動方向と交叉する
方向に延びる線状開口であることが好適である。

また、前記の絶縁物の薄膜（１２）は、酸化シリコン、
窒化シリコン、または、酸化アルミニウムの薄膜である
ことが好適であり、前記の工程は、１気圧以上の不活性
ガスまたは窒素ガス中においてなすことが好ましい。

上記二つの目的のうち、第２の目的は、不活性ガスまた
は窒素ガスが１気圧以上の圧力をもって供給される反応
容Ｆｆ（１）と、この反応容器（１）中に収容される試
料支持手段（４）と光１ｆｆｉ（５）とこの光源（５）
の発生する光をビームに収束する光収束手段とこの光ビ
ームを前記の試料支持手段（４）に間欠的に照射する間
欠的光照射手段とを有する半導体装１製造用装置によっ
て達成されなお、前記の光収束手段は、楕円面鏡（６）
とスリット（７）とよりなり、前記の光ビームを前記の
試料支持手段（４）に間欠的に照射する間欠的光照射手
段は、少なくとも１個の開口を有し、往復運動するシャ
ッタ（８）または複数の開口を有し、回転運動するシャ
ッタであることが好適である。

（作用） 固相エピタキシャル成長が予め形成されたシード部のみ
から開始するようにするには、他の領域においてシード
が発生するのを抑制すればよい。

従来の方法においては、非晶質半導体薄膜全体が昇温さ
れるために、予め形成されたシード部以外の領域におい
てもシードが発生するものと考えられるから、固相エピ
タキシャル成長がなされる非晶質層と単結晶層との境界
領域のみを昇温し、その他の領域の昇温を低く抑えるよ
うにすれば、障害となる未制御シードの発生は抑制され
る筈であ第１−１図、第１−２図に示す原理図を参照し
て本発明の詳細な説明する。第１−１図（ａ）は試料断
面図を示し、１１は単結晶半導体基板であり、１２は絶
縁物の薄膜であり、１４は非晶質半導体薄膜である。０
点は絶縁物の薄膜１２に形成された開口１３を介して単
結晶半導体基板１１と非晶質半導体薄膜１４とが接触し
ているシード部であり、Ａ点は光ビームの照射されてい
る領域であり、シード部ＣからＡ点までの非晶質半導体
薄膜は単結晶半導体薄膜に転換され、Ａ点よりＢ点側の
領域は非晶質半導体薄膜領域である。

第１−１図（ｂ）に示すようにＡ点に光ビームを間欠的
に照射すると、Ａ点の温度は第１−１図（Ｃ）に示すよ
うに、光ビームが照射されている間は上昇するが、照射
されていない間は室温付近の温度まで低下する。高温度
に保持されている間は固相エピタキシャル成長が進み、
単結晶層と非晶質層との境界領域Ａは少しづ一非晶質層
側（第１−１図（ａ）において右側）へ移動する。

一方、非晶ｆｅＭ域のＢ点の温度は第１−２図（ｄ）に
示すように、Ａ点の温度変化よりも遅れて上昇下降する
。Ａ点に照射された光ビームのエネルギーは熱となって
第１−１図（ａ）に矢印をもって示す方向に流れ、また
一部は雰囲気ガス中に放出されるため、Ｂ点における最
高温度はＡ点のそれより低くなる。したがって、Ｂ点の
最高温度が４００　”Ｃ以下となるように光ビームの照
射時間と非照射時間とを選定すれば、Ｂ点におけるシー
ド発生確率は著しく低減する。もし、第１１図（ｂ）に
−点鎖線をもって示すように光ビームを連続照射すると
、Ｂ点の温度は第１−２図（ｄ）に−点鎖線をもって示
すように高温となるの温度を従来の炉による熱処理温度
６００°Ｃより高い７００〜８００°Ｃまで上昇させて
も未制御シードの発生を抑制することができる。そのた
めには、雰囲気ガスの圧力を高めて、雰囲気ガス中に放
出されるエネルギーを増加させてＢ点への熱伝導量を極
力抑えることが有効である。

〔寞施例〕

以下、図面を参照しつ一１本発明の一実施例に係る半導
体装室の製造方法及び製造装置について説明する。

第２図参照 第２図に本発明の一実施例に係るＳｏｌ基板製造用装置
の構成図を示す。図において、１は不活性ガスまたは窒
素ガス供給手段２とガス排出手段３とを有する反応容器
であり、４は試料９を支持する試料支持手段であり、５
は高輝度線状ランプ例えば長さ１４ｃｍのタングステン
ランプであり、６は楕円面鏡であり、一方の焦点に光源
を置くと他方の焦点に集光する性質を有している。７は
スリットであり、試料支持手段４に支持された試料９上
に約３Ｏｎの間隙をもって配設される。楕円面鏡６とス
リット７とからなる光収束手段をもって試料支持手段４
に支持された試料９に照射する光ビームの幅を５ｎ程度
に制御する。８は間欠的光照射手段として使用されるシ
ャッタであり、少なくとも１個の開口が形成された平板
を往復運動させることによってタングステンランプ５の
光ビームを間欠的に試料支持手段４に支持された試料９
に照射させるものである。なお、複数の開口を有する筒
状体をもってタングステンランプ５を囲み、この筒状体
を回転することによって光ビームを間欠的に試料支持手
段４に支持された試料９に照射させるようにしてもよい
。

第４図参照 単結晶シリコン基板１１を熱酸化して０．５　ｎ厚程度
の二酸化シリコン膜１２を形成し、二酸化シリコン膜１
２をパターニングして幅１０ｎ程度の線状の開口１３を
形成し、線状の開口１３の内面を含む二酸化シリコン膜
１２上に真空蒸着法を使用して０．６ｎ厚程度の非晶質
シリコン層１４を形成する。

第３回置時参照 第３図は、第２図に示すＳｏｌ基板製造用装置の主要部
である光収束手段及び間欠的光照射手段を拡大した斜視
図である。第４図に示す試料９を第２図に示すＳＯＩ基
板製造用装置の試料支持手段４上に載置し、ガス供給手
段２から不活性ガスまたは窒素ガスを反応容器１内に供
給して反応容器内の圧力を１気圧以上に保持する０次に
、タングステンランプ５にＩＫＷの電力を供給し、発生
した光を楕円面鏡６によって反射させてビーム状に収束
させ、さらにスリット７を使用して幅５ｎ程度の光ビー
ムにして試料９の単結晶層と非晶質層との境界領域上に
照射する。シャッタ８を左右に往復運動させて、１回の
光ビーム照射時間を５μｓ、繰り返し周波数をｌ０ＫＨ
ｚとなるように調整して、単結晶層の成長に伴い光ビー
ム照射位置を移動させつ１２０時間光ビームの間欠照射
をなしたところ、二酸化シリコン膜１２の開口１３に対
応する領域のシード部より４０ｎＲれた領域まで固相エ
ピタキシャル成長していることが確認された。

なお、単結晶シリコン基板Ｉｌ上に形成される絶縁物の
薄膜は二酸化シリコン膜に限定されるものではなく、窒
化シリコン膜、酸化アルミニウム膜であってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る半導体装置の製造方
法及び製造装置においては、光ビームを間欠照射するこ
とによって、非晶質半導体薄膜を単結晶半導体薄膜に転
換するに適する光量の光ビームを、シード部から、単結
晶半導体薄膜成長領域に照射しつ一シード部と離隔する
方向に向かって単結晶半導体薄膜の成長に伴い漸次移動
させて非晶質半導体薄膜を単結晶半導体薄膜に転換する
ので、非晶質半導体’Ｆｉｌ＃の全領域が同時に加熱さ
れることがなくなる。したがって、非晶質半導体薄膜の
随所に不所望の未制御シードが発生することが抑制され
、予め形成されたシード部から固相エピタキシャル成長
する領域の幅が太き（なり、Ｓｏｌ基板のシード領域の
占める割合が減少し、半導体装置の高密度化が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１−１図、第１−２図は、本発明の原理説明図である
。 第２図は、本発明の一実施例に係るＳ○■基板製造装置
の構成図である。 第３図は、Ｓ○■基板製造装置の主要部の斜摺図である
。 第４図は、Ｓｏ　Ｉｌ＆板の製造に使用される試料の断
面図である。 第５図、第６図は、従来技術に係るＳＯｒ基板の製造方
法の説明図である。 １　・　・ ２　・　・ ３　・ ４　・　・ ５　・　・ ６　・　・ ７　・　・ ８　・　・ ９　・　・ １１　・　・ 反応容器、 ガス供給手段、 ガス排出手段、 試料支持手段、 ・光＃（タングステンランプ）、 ・楕円面鏡、 スリ　ノド、 ・シャッタ、 ・試料、 ・単結晶半導体基板（単結晶シリコン基板）、１２・ ・絶縁物の＊Ｈ（二酸化シリコン薄膜）、１３・ ・開口、 １４・ ・非晶質半導体薄膜（非晶質シリコン薄膜）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］単結晶半導体基板（１１）上に形成されている絶
   縁物の薄膜（１２）の一部領域に開口（１３）を形成し
   、 該一部領域に開口（１３）を有し前記単結晶半導体基板
   （１１）が露出している前記絶縁物の薄膜（１２）上に
   非晶質半導体薄膜（１４）を形成し、前記開口（１３）
   領域の単結晶半導体基板（１１）をシードとしてなす固
   相エピタキシャル成長法をもって前記非晶質半導体薄膜
   （１４）を単結晶半導体薄膜に転換するに適する光量の
   光ビームを該非晶質半導体薄膜（１４）上に照射するに
   あたって、該光ビームを、前記開口（１３）に対応する
   領域から、該単結晶半導体薄膜成長領域に照射しつゝ該
   開口（１３）と離隔する領域に向かって該単結晶半導体
   薄膜の成長に伴い漸次移動させて、前記非晶質半導体薄
   膜（１４）を単結晶半導体薄膜に転換する 工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 ［２］前記開口（１３）領域の単結晶半導体基板（１１
   ）をシードとしてなす固相エピタキシャル成長法をもっ
   て前記非晶質半導体薄膜（１４）を単結晶半導体薄膜に
   転換するに適する光量に光ビームを制御する方法は、光
   ビームを間欠照射する方法である ことを特徴とする請求項［１］記載の半導体装置の製造
   方法。 ［３］前記開口（１３）は、前記光ビームの移動方向と
   交叉する方向に延びる線状開口である ことを特徴とする請求項［１］または［２］記載の半導
   体装置の製造方法。 ［４］前記絶縁物の薄膜（１２）は、酸化シリコン、窒
   化シリコン、または、酸化アルミニウムの薄膜である ことを特徴とする請求項［１］、［２］、または、［３
   ］記載の半導体装置の製造方法。 ［５］前記工程は、１気圧以上の不活性ガスまたは窒素
   ガス中においてなす ことを特徴とする請求項［１］、［２］、 ［３］、または、［４］記載の半導体装置の製造方法。 ［６］不活性ガスまたは窒素ガスが１気圧以上の圧力を
   もって供給される反応容器（１）と、該反応容器（１）
   中に収容される試料支持手段（４）と光源（５）と該光
   源（５）の発生する光をビームに収束する光収束手段と
   該光ビームを前記試料支持手段（４）に間欠的に照射す
   る間欠的光照射手段と を有することを特徴とする半導体装置製造用装置。 ［７］前記光収束手段は、楕円面鏡（６）とスリット（
   ７）とよりなる ことを特徴とする請求項［６］記載の半導体装置製造用
   装置。 ［８］前記光ビームを前記試料支持手段（４）に間欠的
   に照射する間欠的光照射手段は、少なくとも１個の開口
   を有し、往復運動するシャッタ（８）または複数の開口
   を有し、回転運動するシャッタである ことを特徴とする請求項［６］または［７］記載の半導
   体装置製造用装置。