JPH0449250B2 - - Google Patents

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JPH0449250B2
JPH0449250B2 JP58047958A JP4795883A JPH0449250B2 JP H0449250 B2 JPH0449250 B2 JP H0449250B2 JP 58047958 A JP58047958 A JP 58047958A JP 4795883 A JP4795883 A JP 4795883A JP H0449250 B2 JPH0449250 B2 JP H0449250B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、非晶質絶縁物あるいは、絶縁膜上
に、単結晶半導体薄膜を形成する方法に関するも
のである。
３次元集積回路を形成する場合の重要なポイン
トの１つに、SOI（Semiconductor−On−
Insulator）構造がある。このSOIの形成方法とし
ては、第１図に示す様に、２つに大別出来る。第
１の方法において、試料の構造は、第１図ａに示
す様に、単結晶半導体１上に、絶縁膜２を付着さ
せ、その一部に開口を設けた後に、半導体膜３を
全面に付着させたものである。この場合、半導体
膜３の一部は、単結晶半導体１と直接接してお
り、この部分は、シード部４と呼ばれている。こ
の方法においては、単結晶半導体１の結晶性の情
報をシード部４を通して、半導体３に伝えること
が出来るため、結晶成長後の半導体３の結晶方位
は、単結晶半導体１と同一に出来る特長がある。
第２の方法における試料構造は、第１図ｂに示す
様に、単結晶半導体１上に全面に、絶縁膜２を付
着させ、さらに、その上に、半導体膜３を付着さ
せたものである。この方法においては、第１の方
法と異なり、シード部を設けなくてよい特長があ
る。
しかし、いづれの方法においても、従来、グレ
インあるいは、サブグレインの粒界が存在してい
ない単結晶のSOIの大きさとしては、幅が数10μ
ｍであり長さが数mmといつた細長いものである。
３次元集積回路形成のためのSOIの大きさとして
は、少なくともチツプサイズ以上あれば望まし
い。さらに、また、３次元集積回路を考えた場
合、SOIの形成方法としては、シード部を設ける
制限がなくなり、自由度が増すため前述した、第
２の方法すなわち、シード部を用いない形成法が
有効と考えられる。
従来、第１図ｂに示した構造のSOIの形成手段
としては、レーザあるいは、電子ビームを用いる
方法と、カーボンヒーターを用いる方法の２つに
大別できる。まず、レーザあるいは、電子ビーム
を用いる従来法について述べる。通常SOIの形成
のために用いられているレーザあるいは、電子ビ
ームは40〜100μｍ程度のビーム径を有しており、
近似的に、ガウス分布と見なせる。このようなビ
ームを第１図ｂに示した様な試料に照射を行な
い、表面の半導体膜３を溶融させ、一方向にビー
ムの走査を行なつても、半導体膜３をビーム径程
度に単結晶化することはできない。すなわち、第
２図ａに示す様に、ガウス分布をしたビームにお
いては、ビームの中心が最も高温になるため、半
導体３は溶融後、ビームの照射された周辺から冷
却が生じるため、結晶核が多数発生し、ビーム径
程度の大きさの結晶粒を成長させることは、でき
ない。この様子を、第２図ａの右側に示してあ
り、この図は、ビーム照射後の、試料の模式的平
面図であり、斜めの曲線は、結晶粒界を示す。こ
のように、通常のガウスビームでは、大きな結晶
粒を成長させることが出来ないため、その対策と
しては、ビームを整形する方法あるいは、レーザ
を用いる場合には、半導体膜３上にさらに、膜を
付着させ、レーザ光の透過率を変化させる方法な
どにより、第２図ｂの様な、温度分布を実現する
事により、大きな結晶粒の形成を行なつている。
すなわち、中心付近の温度が低いために、中心か
ら結晶成長が生じ、外側へ成長するために、第２
図ｂの右側に示した様に、大きな結晶粒を成長で
きる。しかし、この方法を用いても、幅の広い
SOIを形成するために、ビームを、重ね合せて、
SOIの形成を行なうと、結晶粒ごとに、結晶軸が
異なつたり、また、重ね合せ部分に、凹凸が生
じ、欠陥が多数発生するなどの問題が生じ、スポ
ツト状のビームを用いて、幅の広いSOIを形成す
ることは、従来、困難であつた。
一方、幅の広いSOIを形成する手段として、幅
の広いカーボンヒーターを加熱源として用い、広
い範囲にわたり、表面の半導体を溶融し、大面積
のSOIを形成する方法も、従来、報告されてい
る。第２図ｃに、この方法の場合の温度分布、お
よび、SOI形成後の結晶粒の様子を示してある
が、この場合には、幅方向に、結晶核が多数発生
するために多くの、粒界（サブバウンダリーと呼
ばれている）が存在しており、この場合は、必ず
しも、単結晶とはいえず、このサブバウンダリー
を除去することが、この方法の重要な問題となつ
ている。
本発明の目的は、上述の如き、従来の欠点を大
幅に改善し、粒界がほとんど発生せず、しかも、
大面積の単結晶半導体薄膜を形成する方法を提供
することである。
本発明は、少なくとも表面に非晶質絶縁体層が
形成された基板の前記絶縁体層上に非晶質あるい
は多結晶半導体膜を形成し、次いでその上に絶縁
膜を、後に前記半導体膜を再結晶化させるときの
核となるべき微小領域と広い面積で再結晶化させ
る領域とをテーパ状に結合させたパターンを備え
しかも該パターンの内と外で光学距離が変わるよ
うに形成し、次いで電子ビームとレーザ光を同時
に前記微小領域から前記広い面積の領域へ向かつ
て前記パターン外の領域を含めて照射していくこ
とにより前記パターン内の半導体膜を再結晶化さ
せることを特徴とする単結晶半導体薄膜の製造方
法を提供する。
本発明によれば、半導体薄膜を溶融するのに大
出力のとれる電子ビームを用い、また、結晶成長
時の周辺からの核発生を抑制するために、周辺の
温度を高くするような温度勾配を付けるため、電
子ビームと同程度あるいは、それ以上の領域を加
熱することが必要である。そのための加熱源とし
ては、レーザ光を用いており、電子ビームとレー
ザ光の出力をそれぞれ独立に制御できるため、結
晶成長の制御が容易である。
また、本発明によれば、平担な絶縁薄膜上の小
さな領域をまず単結晶とし、これをシードとし
て、大面積のSOIを形成しているために、グレイ
ンあるいは、サブグレインの発生のない大面積の
単結晶半導体薄膜を形成できる。
以下、一実施例をもとに、より詳細な説明を行
なう。第３図には、本実施例に用いた試料の平面
図ａおよび、断面図ｂをそれぞれ示す。まず、平
面図ａにおいて、１３はSOIを形成する領域を示
し、１４は、SOI形成領域のマスクとなる領域を
示し、また、１０は、大面積のSOIを形成するた
めのいわゆるシードとなるべき領域であり、１１
は、SOIを大面積にするためのテーパー部分であ
り、１２は、実際にデバイスを形成するために使
用するSOI領域である。ｂは試料の断面図を示し
てあり、シリコン基板１５上に、酸化膜１６を形
成後、多結晶シリコン膜１７を付着させる。その
後、１３と１４の領域で異なつた厚みの酸化膜１
８を付着させ、さらに、１３の領域のみ、窒化膜
１９を付着させた。本実施例においては、多結晶
シリコン膜１７の膜厚は、0.5μｍ、酸化膜１８の
膜厚は、１４の領域で0.25μｍまた、１３の領域
で0.17μｍ、窒化膜１９の厚みは、0.12μｍとし
た。
上記構造の試料に対して、多結晶シリコン膜１
７を溶融させ、単結晶化を行なうための加熱法と
しては、線状の、電子ビームとレーザ光を同時
に、同一領域に照射する方法を用いた。第３図ｂ
に示した断面構造の試料に対して、１３と１４の
領域全体に、電子ビームの照射と同時に、Arレ
ーザを照射する。この時、酸化膜１８と窒化膜１
９の膜厚を変える。即ち領域１３と１４で絶縁膜
の光学距離を変えることにより、多結晶シリコン
膜１７に達するArレーザのパワーを変化させる
ことが出来る。本実施例の場合、１３の領域で
は、入射パワーの約50％が、多結晶シリコン膜１
７に達し、１４の領域では、入射パワーの約95％
が多結晶シリコン膜１７に達した。従つて、１３
と１４の領域においては、Arレーザの照射によ
り多結晶シリコン膜１７の加熱状態は異なり、１
４の領域の方が高温になる。この時、多結晶シリ
コン膜１７は、溶融していない。次に、このAr
レーザの照射と同時に、１３と１４の領域全面
に、電子ビームの照射を行ない、多結晶シリコン
膜１７を１３と１４の領域において、溶融させ
る。この時の溶融された多結晶シリコン膜１７の
温度は、１４の領域の方が、１３の領域に比べ
Arレーザと電子ビームの全パワーが大きいため、
高くなり、Arレーザと電子ビームの照射を止め
た後の溶融した多結晶シリコン膜１７は、１３の
領域の中心から１４の領域に向うように冷却され
固化する。また、Arレーザと電子ビームの形状
は線状とし、最初は第３図ａに示した微小領域１
０に同時に照射してこの部分及び周辺の多結晶シ
リコン膜１７を溶融する。微小領域１０は幅20μ
ｍ長さ50μｍと小さくしてあるためこの領域は容
易に単結晶化する。次にこの領域１０を核として
照射部分を領域１１から領域１２へ移していく。
領域１０と同様に多結晶シリコン膜１７は溶融
し、その後冷却するとき領域１０の結晶方位をう
けつぐため、領域１１から領域１２という広い面
積にわたつて単一の結晶方位を有するシリコン膜
を得られる。
本実施例に用いたArレーザは、出力13Wであ
りビームは、幅50μｍ、長さ1.4mmとなるように、
レンズ系を用いて、整形を行なつた。また、電子
ビームは、15K.V.の加速電圧を有し、パワー密
度は25KW／cm2、ビームの走査速度は、10cm／
sec、ビームサイズは、幅0.5mm、長さ２mmであつ
た。この時、第３図ａの各部分の寸法は、１０の
領域は、幅20μｍ長さ50μｍ、１１の領域の長さ
は、0.1mm、１２の領域は、一辺が、１mmの正方
形とした。この様な条件で試料を作製した結果、
グレインあるいは、サブグレインの粒界のない１
mm角の正方形を有するSOIが形成できた。この
時、SOIの表面は、酸化膜１８と、窒化膜１９で
被われているため、なめらかであり通常のMOS
デバイスを作製する上でその表面の凹凸は、特に
問題に、ならなかつた。
上述した実施例においては、Arレーザーの多
結晶シリコン膜１７への透過量を制御するため
に、酸化膜と窒化膜を用いたが、これは、第４図
に示す様に、単に、酸化膜の厚みを変化させるだ
けでも、可能であつた。第４図において、１００
はシリコン基板、１０１は酸化膜、１０２は多結
晶シリコン膜、１０３は酸化膜である。この時、
酸化膜１０３の膜厚は、１３の領域で0.17μｍ、
１４の領域で0.25μｍとした。この時、Arレーザ
が酸化膜１０３を透過し、多結晶シリコン膜１０
２に達する割合は、照射パワーに対し、１３の領
域で70％、１４の領域で95％であつた。第３図ｂ
の構造に比べて、１３と１４の領域でのパワーの
透過量の差は小さいが、第４図の構造でも、粒界
の存在しない大面積のSOIを形成できた。
なお、前記実施例では単結晶化させる膜として
多結晶シリコンを用いたが、非晶質シリコンでも
よい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、SOIの代表的な形成法を説明するた
めの図で試料の断面構造を示す図である。１は単
結晶半導体、２は絶縁膜、３は半導体、４はシー
ド部をそれぞれ示す。第２図は、シード部を有さ
ないSOIの形成において、(a)通常のガウスビーム
を用いた場合、(b)温度分布を制御した場合、(c)ス
トリツプヒーターを用いた場合のそれぞれ代表的
な結果を示す図。左側の図は、ビーム強度又は、
温度の分布を示し右側の図は、結晶成長後の粒界
の分布を示してある。第３図は、シード部を有さ
ないSOIの形成における試料の(a)平面図及び(b)断
面図を示す。１０は、大面積のSOIを形成するた
めのシードとなるべき領域、１１はSOIを、大面
積にするためのテーパ部、１２は実際に使用する
SOIの領域、１３は、SOIを形成する領域、１４
はSOIを形成するマスクとなるべき領域をそれぞ
れ示す。さらに、１５はシリコン基板、１６は酸
化膜、１７は多結晶シリコン膜、１８は酸化膜、
１９は窒化膜をそれぞれ示す。 第４図は、試料の断面構造を示す図であり、１
００は、シリコン基板、１０１は酸化膜、１０２
は多結晶シリコン膜、１０３は酸化膜をそれぞれ
示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 少なくとも表面に非晶質絶縁体層が形成され
    た基板の前記絶縁体層上に非晶質あるいは多結晶
    半導体膜を形成し、次いでその上に絶縁膜を、後
    に前記半導体膜を再結晶化させるときの核となる
    べき微小領域と広い面積で再結晶化させる領域と
    をテーパ状に結合させたパターンを備えしかも該
    パターンの内と外で光学距離が変わるように形成
    し、次いで電子ビームとレーザ光を同時に前記微
    小領域から前記広い面積の領域へ向かつて前記パ
    ターン外の領域を含めて照射していくことにより
    前記パターン内の半導体膜を再結晶化させること
    を特徴とする単結晶半導体薄膜の製造方法。
JP58047958A 1983-03-24 1983-03-24 単結晶半導体薄膜の製造方法 Granted JPS59175116A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58047958A JPS59175116A (ja) 1983-03-24 1983-03-24 単結晶半導体薄膜の製造方法

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JP58047958A JPS59175116A (ja) 1983-03-24 1983-03-24 単結晶半導体薄膜の製造方法

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JPS59175116A JPS59175116A (ja) 1984-10-03
JPH0449250B2 true JPH0449250B2 (ja) 1992-08-11

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JPS59175116A (ja) 1984-10-03

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