JPH0461491B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体装置の製造方法、特に絶縁
体上に半導体単結晶膜を形成し、これを基板とし
てトランジスタを形成する方法の改良に関するも
のである。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置の高速化、高密度化のため、
回路素子を誘電体で分離して浮遊容量の少ない半
導体集積回路を製造する試み、また回路素子を立
体的に積層する、いわゆる三次元回路素子を製造
する試みがなされており、その一方法として絶縁
体上に半導体層を形成し、その半導体結晶中に回
路素子を構成する方法がある。この半導体結晶層
を形成する方法として、絶縁体上に多結晶または
非晶質の半導体層を堆積し、その非にレーザ光、
電子線などのエネルギー線を照射することによつ
て表面層のみを加熱し、単結晶の半導体層を形成
する方法がある。

従来、絶縁体上への単結晶半導体膜の製造方法
として第３図に示すものがあつた。図において、
単結晶シリコン基板１１は（001）面を主面とし、
この主面上に二酸化シリコン膜からなる酸化膜１
２が形成されている。この酸化膜１２はその一部
に長手状開口部１４を有し、この部分で単結晶シ
リコン基板１１は厚い酸化膜１２表面まで露出し
ている。この長手状開口部１４は基板１１の
（001）面上の＜110＞方向のうちの、基板のオリ
エンテーシヨン・フラツトの向きから時計回りに
90°以内の範囲にある〔110〕方向Ｙに設けられて
いる。さらに、酸化膜１２中には、化学的気相成
長法（以下CVD法と称す）によつてタングステ
ンからなるＷ膜（埋込み層）１７がストライプ状
に形成されている。このストライプは基板１１の
上記〔110〕方向と垂直な〔１１０〕方向Ｘに、
幅5μm、間隔10μmでパターニングされている。
このタングステン膜１７を含んだ酸化膜１２上
と、長手状開口部１４上には厚さ0.5μmの多結晶
シリコン１３がCVD法により形成されている。
そして該多結晶シリコン膜１３にレーザ光１５を
照射すると、これによつてこの多結晶シリコンを
溶融することができる訳であるが、ここでレーザ
光１５のビーム径は100μmに調整し、かつこれは
基板１１の〔１１０〕方向Ｘに速度25cm／secで
走査する。

しかして、酸化膜１２上への半導体単結晶膜の
製造に際し、長手状開口部１４上の多結晶シリコ
ン１３をレーザ光１５の照射によつて溶融させ、
この溶融を長手状開口部１４の単結晶シリコン基
板１１の表面まで及ばせることにより、固化の際
に長手状開口部１４の単結晶シリコン基板１１を
種とするエピタキシヤル成長が生じて多結晶シリ
コン１３が単結晶化する。さらに、レーザ光１５
で多結晶シリコン１３を照射しながらこれを矢印
方向に走査すると、多結晶シリコン膜１３が溶融
されて、溶融部１６が形成され、この溶融部１６
から走査方向にエピタキシヤル成長が連続して生
じ、絶縁膜としての酸化膜１２上にまで単結晶膜
を成長させることができる。ここで、酸化膜１２
中に設けられたタングステン膜１７は、レーザ光
１５照射時の多結晶シリコン１３の温度分布を制
御し、横方向からの結晶成長が起こらないように
作用する。すなわち、酸化膜１２はタングステン
膜１７に比べて熱伝導率が小さいためレーザ光１
５照射時に、タングステン膜１７のない部分の上
の多結晶シリコン１３の温度は、タングステン膜
１７のある部分の上の多結晶シリコン１３よりも
高く保たれる。したがつて多結晶シリコン１３の
固化再結晶化は、温度の低い、タングステン膜１
７のある部分上の多結晶シリコン１３から、温度
の高い、タングステン膜１７のない部分上の多結
晶シリコン１３に向かつて起こる。タングステン
膜１７は長手状開口部１４に接続されているた
め、固化再結晶化は長手状開口部１４からタング
ステン膜１７のある部分上へ連続的に起こる。こ
のようにストライプ状のタングステン膜１７によ
つて多結晶シリコンの横（レーザ走査方向に対し
て）からの結晶化が抑えられるため、長手状開口
部１４の単結晶シリコン基板１１を種としたエピ
タキシヤル成長が酸化膜１２上の多結晶シリコン
まで及び、酸化膜１２上の多結晶シリコン１３は
基板１１と同じ（001）結晶面を持つた単結晶に
成長する。

次にレーザ光１５は走査方向に対して直角の方
向に50μm移動し、図中矢印の方向に走査される。
このレーザ光の走査が終了すると、基板１１上の
全ての領域の多結晶シリコンが単結晶化する。レ
ーザ光照射後、酸化膜１２上の単結晶化したシリ
コン上にトランジスタなどの素子が作製される。

なおここで、単結晶シリコン基板の主面に面方
位やストライプ状埋込み層の形成方向は、結晶の
基本軸に基づいて定義されるミラー指数を用いて
表示されており、このミラー指数は、各種括弧で
まとめられた整数の組からなり、例えば大括弧
〔001〕や〔110〕はそれぞれある特定の方向を表
し、小括弧（001）は上記〔001〕方向に垂直な特
定の平面を表しており、またかぎ括弧＜110＞は、
上記〔110〕方向と等価な方向のすべてを１つの
まとまりとして示している。従つて上記（001）
面上の＜110＞方向は、〔110〕方向と、この方向
となす角度が90°である〔１１０〕方向と、これ
らの方向とは逆向きの〔11０〕方向と〔１10〕方
向とをまとめて示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、かかる従来の構造では、シリコン基板
１１上で、長手状開口部１４から＜010＞方向に
レーザ光を走査しているので、結晶は＜110＞方
向にエピタキシヤル成長する。ところが＜110＞
方向への結晶成長速度は小さいため、レーザ光の
走査速度が速いと、単結晶エピタキシヤル成長が
レーザ光の走査に追いつかず、100〜200μm程度
の距離でエピタキシヤル成長は止まつてしまい、
以後は、積層欠陥などの結晶欠陥が発生し、最後
は他の結晶軸を持つた結晶が成長してしまうとい
う問題点があつた。

この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、絶縁体上に大面積の、かつ基
板と同一の結晶軸を持つた単結晶化を行なうこと
のできる半導体装置の製造方法を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る半導体装置の製造方法は、その
上でエネルギー線を走査して非単結晶半導体膜の
溶融再結晶化を行うための絶縁物層中には、これ
とは熱導電率の異なる物質からなるストライプ状
埋込み層を、上記半導体単結晶基板の（001）面
上の＜110＞方向のうちの、上記オリエンテーシ
ヨン・フラツトの向きから時計回りに90°の以内
の範囲にある方向あるいはその逆方向に対し、こ
れとなす角度が20°以上かつ60°以下となる方向に
向けて形成するようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、その上でエネルギー線を
走査して非単結晶半導体膜の溶融再結晶化を行う
ための絶縁物層中に、これとは熱導電率の異なる
ストライプ状埋込み層を、上記（001）面上の＜
110＞方向のうちの、オリエンテーシヨン・フラ
ツトの向きから時計回りに90°以内の範囲の方向
あるいはその逆方向に対して、これとなす角度が
20°以上かつ60°以下である方向に向けて形成する
ようにしたから、上記埋込み層のストライプの方
向では、結晶成長速度が大きいため、結晶成長が
エネルギー線の走査速度に追随できるようにな
り、これにより結晶欠陥の発生を低減して、表面
に半導体単結晶基板と同一の結晶軸を有する多結
晶半導体膜を大きな面積に渡つて形成することが
できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。なお、この実施例の説明において、従来の技
術と同一の部分についてはその説明を省略する。

第１図ａ，ｂ，ｃはそれぞれ、この説明の一実
施例である半導体装置の製造方法の再結晶化工程
を説明するための平面図、第１図ａの−線断
面図、第１図ａの−線断面図である。

本実施例のエネルギー線照射時の基板構造は、
従来の半導体装置の製造とほとんど同じである
が、ただし本実施例では、酸化膜１２中のタング
ステン膜１７は、そのストライプの方向が単結晶
（001）基板１１の＜110＞方向のうちの、オリエ
ンテーシヨン・フラツトの向きから時計回りに
90°以内の範囲にある方向（〔１１０〕方向Ｘ）に
対し、33°の角度をなすよう、具体的には〔５１
０〕方向X₁と一致するよう形成されており、ま
た長手状開口部１４はこれと直角方向〔510〕方
向Y₁に向けて形成されている。なお上記タング
ステン膜１７のストライプの方向は、上記方向
〔５１０〕方向Ｘとは逆向きの〔５10〕方向であ
つてもよい。

しかして、一定のパワーのレーザ光のビーム径
を100μmに調節して、該レーザ光を図中矢印で示
した＜510＞方向へ走査速度25cm／secで走査しな
がら照射する。一回の走査が終了したのちは、レ
ーザビームを走査方向と垂直な方向に50μm移動
させ、前回と同じ方向に走査を行なう。

次に多結晶化の機構について説明する。

まず照射するレーザ光の条件、また、酸化膜１
２中に設けられたストライプ状のタングステン膜
１７が形成する多結晶シリコン１３中の温度分
布、固化再結晶化の機構等は従来技術の場合と同
様である。そして、本実施例では、酸化膜１２中
のストライプ状のタングステン膜１７は結晶成長
速度の大きい＜510＞方向にパターニングされて
おり、またレーザの走査方向も＜510＞方向とさ
れているため、単結晶エピタキシヤル成長の速度
はビームの走査に追随できる速度となり、このた
め積層欠陥などの結晶欠陥は少なくなり（001）
結晶面を有する良質、大面積の単結晶を得ること
ができる。

なお、上記実施例では絶縁膜と熱伝導率の異な
る物質としてタングステン膜を使用したが、これ
は多結晶シリコンが溶融する温度である約1420℃
に耐えられる物質であつて、絶縁膜と熱伝導率が
異なる物質であれば、モリブデン膜、モリブデン
シリサイド（MoSiz）膜、タングステンシリサイ
ド（WSiz）膜等何でもよく、上記実施例と同様
の効果が得られる。

また、本発明は三次元回路素子に適用して、第
１の絶縁体層の下に構造を有するようにしてもよ
く、その例を第２図に示す。即ち、本実施例で
は、単結晶シリコン基板１１にトランジスタなど
の素子を形成した後、絶縁層１２をCVD法によ
り形成し、この絶縁層１２上にタングステン膜１
７をCVD法により堆積してからこれをストライ
プ状にパターニングし、さらに絶縁膜１２を
CVD法で形成してから、この絶縁膜１２をエツ
チバツク法により平坦化し、その後多結晶シリコ
ン１３を形成する。

〔発明の効果〕

以上の本発明によれば、その上でエネルギー線
を走査して非単結晶半導体膜の溶融再結晶化を行
うための絶縁物層中に、これとは熱導電率の異な
るストライプ状埋込み層を、半導体単結晶基板の
（001）面上の＜110＞方向のうちの、オリエンテ
ーシヨン・フラツトの向きから時計回りに90°以
内の範囲の方向あるいはその逆方向に対して、こ
れとなす角度が20°以上かつ60°以下である方向に
向けて形成するようにしたので、上記埋込み層の
ストライプの方向では、結晶成長速度が大きいた
め、結晶成長がエネルギー線の走査速度に追随で
きるようになり、これにより結晶欠陥の発生を低
減して、表面に半導体単結晶基板と同一の結晶軸
を有する単結晶半導体膜を大きな面積に渡つて形
成することができる半導体装置の製造方法を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による半導体装置
の製造方法を説明するための工程概略図で、第１
図ａは平面図、第１図ｂは第１図ａの−線部
の断面図、第１図ｃは第１図ａの−線部の断
面図である。第２図は本発明の他の実施例を説明
するための工程概略図で、第２図ａは平面図、第
２図ｂは断面図、第２図ｃは側断面図、第３図は
従来の半導体装置を説明するための工程概略図で
ある。 １１……（001）の単結晶シリコン基板、１２
……酸化シリコン膜、１３……多結晶シリコン
膜、１４……長手状開口部、１５……レーザ光、
１６……溶融シリコン、１７……タングステン
膜。なお図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ その主表面の面方位が（001）面と略一致す
   る、所定方向のオリエンテーシヨン・フラツトを
   有する半導体単結晶基板の表面に、又は該基板表
   面上に機能素子を形成した後基板上全面に、上記
   半導体単結晶基板に達する開口を有する絶縁物層
   を形成し、この上に非晶質又は多結晶の非単結晶
   半導体膜を形成した後、該非単結晶半導体膜上に
   エネルギー線を走査しながら照射することによ
   り、上記開口を通して半導体結晶基板の結晶軸を
   拾つて上記非単結晶半導体膜を溶融再結晶化し、
   上記半導体結晶基板と同一方向の結晶軸を有する
   単結晶半導体膜を形成する再結晶化工程を有する
   半導体装置の製造方法において、 上記絶縁物層は、これとは熱導電率の異なる物
   質からなり、該絶縁物層中に所定の方向にストラ
   イプ状に形成された埋込み層を有しており、 上記ストライプ状埋込み層の形成方向は、上記
   半導体単結晶基板の（001）面上の＜110＞方向の
   うちの、上記オリエンテーシヨン・フラツトの向
   きから時計回りに90°以内の範囲にある方向ある
   いはその逆方向に対して、これとなす角度が20°
   以上かつ60°以下となるよう設定されていること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。 ２ 上記半導体単結晶基板は単結晶シリコン基板
   であり、 上記絶縁物層は二酸化シリコンから構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体装置の製造方法。 ３ 上記絶縁物層中の埋込み層は、高融点金属か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の半導体装置の製造方法。