JPH0513327A

JPH0513327A - 単結晶シリコン膜の形成方法

Info

Publication number: JPH0513327A
Application number: JP16670191A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Kusukawa; 喜久雄楠川; Osamu Okura; 理大倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1993-01-22

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁膜上の単結晶シリコン膜形成方法の提供。【構成】単結晶シリコン基板１上に酸化膜２を形成した
後に、非晶質シリコン膜３を形成する（図１(ａ)）。次
に、種結晶基板４表面に酸化膜５を形成し、更に高濃度
ボロン層６を形成する。この種結晶基板４をホトエッチ
ングを用いてストライプ状のシリコン柱を表面に形成す
る（図１(ｂ)）。その後、非晶質シリコン膜３表面と種
結晶基板４を圧着し、熱処理（Ｎ₂，６００℃，１２時
間）を行ない、非晶質シリコン膜３を単結晶シリコン膜
７とする（図１(ｃ)）。次に、高濃度ボロン層６を選択
的にエッチングすることによって単結晶シリコン膜７か
ら種結晶基板４を切り離し、酸化膜２上に単結晶シリコ
ン膜７が形成される（図１(ｄ)）。【効果】非晶質シリコン膜の固相成長による単結晶シリ
コン膜の形成が試料表面の全域で可能となる。形成され
た単結晶シリコン膜は、単体ＭＯＳトランジスタのみに
限らず、ＣＭＯＳ，ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭの高集積メモリ
ー，高速演算回路等を合わせ持った半導体装置への適用
も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】非晶質シリコン膜の固相エピタキ
シャル成長を用いた単結晶シリコン膜の形成方法及びそ
の方法で形成した半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶縁膜上に単結晶シリコン薄膜を
形成する方法は、３つに大別できる。１つめの方法は、
単結晶シリコン基板に酸素イオン打ち込みを行うことに
より基板表面の単結晶層を基板から分離するＳＩＭＯＸ
法（特公昭49−39233 号）である。２つめの方法は、単
結晶基板を貼り合わせた後に片方の基板を研磨等により
薄膜化する貼り合わせ法（特開平1−215041 号）であ
る。３つめの方法は、液相成長，固相成長、及び選択エ
ピタキシーを用いた絶縁膜上へのシリコンのオーバー成
長等の結晶成長を用いて単結晶シリコン膜を形成する方
法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の各種の形成法を
用いた絶縁膜上の単結晶シリコン膜には、次のような特
徴がある。

【０００４】(1）ＳＩＭＯＸ法を用いる場合、単結晶シ
リコン層は酸素イオン打ち込みを用いて基板表面のみを
分離して形成するため、膜厚制御がイオン打ち込みの精
度でできるため膜厚制御は良好である。しかし、ＳＩＭ
ＯＸ基板では単結晶シリコン基板に高濃度の酸素イオン
打ち込みを行って酸化膜を形成するため得られる単結晶
シリコン層には１０⁵個／cm²以上の結晶欠陥が生じる。

【０００５】(2）貼り合わせ法を用いる場合、単結晶シ
リコン基板を熱処理により貼り合わせるため、結晶欠陥
はほとんど無い。その反面、貼り合わせる単結晶シリコ
ンは機械的強度を要するため数百μｍ以上のものを用い
る必要があり、単結晶シリコン膜の薄膜化後の膜厚分布
が大きい。

【０００６】(3）結晶成長法を用いる場合、単結晶シリ
コン膜厚が堆積膜の精度で決定するため膜厚制御は良好
である。しかし、結晶成長法では結晶成長の種となるシ
ード領域が必要であり、絶縁膜に開口部を設けることに
よって形成する。そして、絶縁膜上の結晶成長はシード
部から横方向へ進行していくため、形成した単結晶シリ
コン層の酸化膜界面側には結晶欠陥が多い。

【０００７】以上のように、従来法では結晶性及び膜厚
分布の優れた単結晶シリコン膜の形成は困難であった。
然るに、第３８回応用物理学関係連合講演会において
（1991年春期）、酸化膜上に蒸着した非晶質シリコン膜
に上面から単結晶を接触させて熱処理を行い、非晶質シ
リコン膜が接触させた単結晶を種に固相エピタキシャル
成長したことが報告（予稿集：第２分冊ｐ．６１４，２
８ｐ−Ｘ−１０）された。しかし、この結晶成長法は荷
重をかけて固相成長処理を行なっているにもかかわら
ず、単結晶成長が一部の領域しか得られていない。本発
明の目的は、この結晶成長手法を改善することによっ
て、基板全面に単結晶シリコン膜を形成する方法を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】酸化膜上の非晶質シリコ
ン膜を上面に接触させた単結晶により固相エピタキシャ
ル成長する結晶成長手法を以後、種結晶接触法と呼ぶこ
とにする。種結晶接触法において、結晶成長の際に絶縁
膜上の非晶質シリコン膜と種結晶の接触が不完全である
ため、試料の表面全域で結晶成長が生じないことが課題
となっている。この課題を解決するための手段として、
従来法では試料の全域で接触させていた非晶質シリコン
膜と種結晶の接触面積を低減することによって非晶質シ
リコン膜と種結晶の接触部に生じるガス（接触時の周囲
雰囲気：例えば空気）の混入等を防ぎ、非晶質シリコン
膜と種結晶を完全に接触させた状態で結晶成長を行なう
ことを考案した。

【０００９】〔請求項１〕では、種結晶に凹凸を形成す
ることにより、非晶質シリコン膜と種結晶の接触面積を
低減する方法を用いる。〔請求項２〕では、絶縁膜上の
非晶質シリコン膜をパターニングすることによって、非
晶質シリコン膜と種結晶の接触面積を低減する方法を用
いる。〔請求項３〕では、絶縁膜上の非晶質シリコン膜
と種結晶の双方にパターンと凹凸を形成することによ
り、接触面積を低減する方法を用いる。

【００１０】

【作用】種結晶接触法において、非晶質シリコン膜のパ
ターニングあるいは種結晶に凹凸を形成することによっ
て、非晶質シリコン膜と種結晶の接触面間に混入する空
気等の接触時の雰囲気ガスを非晶質シリコンパターン間
の空間あるいは種結晶の凹部から排除し、非晶質シリコ
ン膜と種結晶の接触を完全にさせた状態で結晶成長を行
なうことができる。これによって、非晶質シリコン膜は
試料表面全域で固相成長し、絶縁膜上に単結晶シリコン
膜あるいは単結晶シリコンパターンが形成される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００１２】＜実施例１＞単結晶シリコン基板１を１０
００℃の酸素雰囲気中で熱処理することにより約５００
ｎｍの酸化膜２を形成した。次に、真空蒸着装置内で低
エネルギーＡｒ（アルゴン）イオンビーム・スパッタ及
び７００℃，６０分の熱処理工程による試料の表面クリ
ーニングを行ない清浄な試料表面を形成した後に超高真
空中（２×１０^-7Ｐａ）で電子ビーム蒸着により膜厚が
約５００ｎｍの非晶質シリコン膜を堆積し、それに引き
続き真空中で４５０℃，１時間の熱処理による非晶質シ
リコン膜の緻密化を行うことによって、緻密化した非晶
質シリコン膜３を形成した（図１(ａ)参照)。

【００１３】次に、結晶成長の種結晶となる単結晶シリ
コン（１００）基板４を１０００℃の酸素雰囲気中で熱
処理することにより約２０ｎｍの酸化膜５を形成した。
次に、酸化膜５を通して種結晶基板４にボロンイオン打
ち込み（Ｂ+ ，１０ｋｅＶ，６×１０¹⁵cm^-2）を行い、
高濃度ボロン層６を形成した。更に、通常のホトレジス
ト工程とシリコン基板の異方性ドライエッチングを用い
て＜１００＞方向に幅１μｍ，高さ１μｍのストライプ
状のシリコン柱を５μｍの間隔で基板表面の全域に形成
した（図１(ｂ)参照）。そして、非晶質シリコン膜３表
面の自然酸化膜と種結晶基板４表面の酸化膜５を弗酸水
溶液処理で除去した後に速やかに圧着し、６００℃の窒
素雰囲気中で熱処理（１２時間）を行なった。この熱処
理により、非晶質シリコン膜３は種結晶基板４との接触
部から固相成長が開始し、これが更に進行することによ
って膜全面が単結晶シリコン膜７となった（図１（ｃ）
参照）。

【００１４】次に、弗酸と硝酸と氷酢酸の混合液（Ｈ
Ｆ：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：３：８）処理を行な
い、高濃度ボロン層６を選択的にエッチングすることに
よって単結晶シリコン膜７から種結晶基板４を切り離
し、酸化膜２上に単結晶シリコン膜７が得られた（図１
(ｄ)参照）。

【００１５】上記のように非晶質シリコン膜３と種結晶
基板４の接触部面積を少なくすることによって、種結晶
基板４が非晶質シリコン膜３表面に密着し、酸化膜２上
全域に単結晶シリコン膜７を形成することができた。そ
して、得られた単結晶シリコン膜７は、種結晶基板４と
同じ（１００）面であった。

【００１６】＜実施例２＞単結晶シリコン基板１１を１
０００℃の酸素雰囲気中で熱処理することにより約４０
０ｎｍの酸化膜１２を形成した。次に、真空中で１００
０℃，３０分の熱処理工程により試料の表面クリーニン
グを行ない清浄な試料表面を形成した後にモノシラン
(ＳｉＨ₄）の熱分解を用いる低圧ＣＶＤ法により膜厚が
約３５０ｎｍの非晶質シリコン膜１３を形成した（図２
(ａ)参照）。この非晶質シリコン膜１３を通常のホトエ
ッチング工程を用いて素子形成領域に非晶質シリコンパ
ターンを形成した。なお、この時に非晶質シリコン膜１
３にホトレジスト工程用のアライメントターゲットを形
成することによって、他層の合わせも容易に行なうこと
が可能となった。

【００１７】次に、結晶成長の種結晶となる単結晶シリ
コン（１００）基板１４を１０００℃の酸素雰囲気中で
熱処理することにより約２０ｎｍの酸化膜１５を形成し
た。次に、酸化膜１５を通して単結晶シリコン基板１４
にボロンイオン打ち込み（Ｂ+ ，１０ｋｅＶ，６×１０
¹⁵cm^-2）を行い、高濃度ボロン層１６を形成した（図２
(ｂ)参照）。そして、非晶質シリコンパターン１３表面
の自然酸化膜と種結晶基板１４表面の酸化膜１５を弗酸
水溶液処理で除去した後に速やかに圧着し、６００℃の
窒素雰囲気中で熱処理（６時間）を行なった。この熱処
理により、非晶質シリコンパターン１３は種結晶基板１
４との接触部から縦方向に固相成長進行することによっ
て、非晶質シリコンパターン１３が単結晶シリコンパタ
ーン１７となった（図２(ｃ)参照）。

【００１８】次に、弗酸と硝酸と氷酢酸の混合液（Ｈ
Ｆ：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：３：８）処理を行な
い、種結晶基板１４表面に形成した高濃度ボロン層１６
を選択的にエッチングすることによって単結晶シリコン
パターン１７から種結晶基板１４を切り離し、酸化膜１
２上に単結晶シリコンパターン１７が得られた（図２
(ｄ)参照）。

【００１９】上記のように非晶質シリコン膜１３と種結
晶基板１４の接触部面積を少なくすることによって、種
結晶基板１４が非晶質シリコン膜１３表面全域に密着
し、酸化膜１２上に単結晶シリコンパターン１７を形成
することができた。そして、得られた単結晶シリコンパ
ターン１７は、種結晶基板１４と同じ（１００）面であ
った。

【００２０】＜実施例３＞石英基板２１を通常のＲＣＡ
洗浄により試料の表面クリーニングを行ない清浄な試料
表面を形成した後にジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）の熱分解を用
いる低圧ＣＶＤ法により膜厚が約２００ｎｍの非晶質シ
リコン膜２２を形成した。この非晶質シリコン膜２２を
通常のホトエッチング工程を用いて素子形成領域に非晶
質シリコンパターンを形成した（図３(ａ)参照）。な
お、この時に非晶質シリコン膜２２にホトレジスト工程
用のアライメントターゲットを形成した。

【００２１】次に、結晶成長の種結晶となる単結晶シリ
コン（１００）基板２３を１０００℃の酸素雰囲気中で
熱処理することにより約２０ｎｍの酸化膜２４を形成し
た。そして、酸化膜２４を通して単結晶シリコン基板２
３にボロンイオン打ち込み（Ｂ+ ，１０ｋｅＶ，６×１
０¹⁵cm^-2）を行い、高濃度ボロン層２５を形成した。更
に、通常のホトレジシト工程とシリコン基板の異方性ド
ライエッチングを用いて＜１００＞方向に幅１μｍ，高
さ１μｍのストライプのシリコン柱を素子形成領域の繰
り返しピッチの間隔に合わせて基板表面の全域に形成し
た（図３(ｂ)参照）。なお、この時に種結晶基板２３表
面の一部にホトレジスト工程用のアライメントターゲッ
トを形成した。

【００２２】その後、非晶質シリコンパターン２２表面
の自然酸化膜と種結晶基板２３表面の酸化膜２４を弗酸
水溶液処理で除去した後に速やかに圧着した。この時
の、非晶質シリコンパターン２２と種結晶基板２３のシ
リコン柱との合わせは非晶質シリコンパターン２２のパ
ターン幅以下の精度で行なうことが重要である。そこ
で、通常のコンタクトアライナーを用いて、種結晶基板
２３を試料，石英基板２１をマスクに見立て、パターン
合わせを行ない、コンタクトすることによって圧着した
（図３(ｃ)参照)。

【００２３】次に、この圧着した試料を６００℃の窒素
雰囲気中で熱処理（１２時間）することにより、非晶質
シリコンパターン２２は種結晶基板２３との接触部から
固相成長が開始し、これが更に進行することによってパ
ターン全領域が単結晶シリコンパターン２６となった
（図３(ｄ)参照）。

【００２４】次に、弗酸と硝酸と氷酢酸の混合液（Ｈ
Ｆ：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：３：８）処理を行な
い、高濃度ボロン層２５を選択的にエッチングすること
によって単結晶シリコンパターン２６から種結晶基板２
３を切り離し、石英基板２１上に単結晶シリコンパター
ン２６が得られた（図３(ｅ)参照）。

【００２５】上記のように非晶質シリコン膜２２と種結
晶基板２３の接触部面積を少なくすることによって、種
結晶基板２３が非晶質シリコン膜２２表面に密着し、石
英基板２１上に単結晶シリコンパターン２６を形成する
ことができた。そして、得られた単結晶シリコンパター
ン２６は、種結晶基板２３と同じ（１００）面であっ
た。

【００２６】＜実施例４＞単結晶シリコン基板３１を１
１００℃の酸素雰囲気中で熱処理することにより約１０
００ｎｍの酸化膜３２を形成した。次に、通常のホトエ
ッチング工程を用いてＭＯＳトランジスタとなる素子領
域に酸化膜３２を残した。そして、通常のＲＣＡ洗浄に
よる試料表面のクリーニングを行なった後、単結晶シリ
コン基板３１を１０００℃の酸素雰囲気中で熱処理する
ことにより約２００ｎｍの酸化膜３３を形成した。更
に、超高真空中（２×１０^-7Ｐａ）で電子ビーム蒸着に
より膜厚が約１００ｎｍの非晶質シリコン膜を堆積し、
それに引き続き真空中で450℃，１時間の熱処理による
非晶質シリコン膜の緻密化を行うことによって、緻密化
した非晶質シリコン膜３４を形成した（図３(ａ)参
照)。

【００２７】次に、結晶成長の種結晶となる単結晶シリ
コン（１００）基板３５を１０００℃の酸素雰囲気中で
熱処理することにより約２０ｎｍの酸化膜３６を形成し
た。この酸化膜３６を通して単結晶シリコン基板３５に
ボロンイオン打ち込み（Ｂ+，１０ｋｅＶ，６×１０¹⁵c
m^-2）を行い、高濃度ボロン層３７を形成した（図３
(ｂ)参照）。そして、非晶質シリコン膜３４表面の自然
酸化膜と種結晶基板３５表面の酸化膜３６を弗酸水溶液
処理で除去した後に速やかに圧着し、６００℃の窒素雰
囲気中で熱処理（１時間）を行なった。この熱処理によ
り、非晶質シリコン膜３４は種結晶基板３５との接触部
から固相成長が開始し、接触部の非晶質シリコン膜３４
のみが単結晶シリコン膜３８となった（図３(ｃ)参
照）。

【００２８】次に、弗酸と硝酸と氷酢酸の混合液（Ｈ
Ｆ：ＨＮＯ₃：ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：３：８）処理を行な
い、高濃度ボロン層３７と非晶質シリコン膜３４を選択
的にエッチングすることによって単結晶シリコン膜３８
を酸化膜３２上に残した（図３(ｄ)参照）。

【００２９】その後、単結晶シリコン膜３８をチャネル
領域とし、通常の多結晶シリコンゲートＭＯＳトランジ
スタ形成工程を用いて素子を作製することができる（図
３(ｅ)参照）。

【００３０】＜実施例５＞単結晶シリコン膜形成後の種
結晶基板の除去法に次のような手法もある。単結晶シリ
コン基板４１を１０００℃の酸素雰囲気中で熱処理する
ことにより約400ｎｍの酸化膜４２を形成した。次に、
真空中で１０００℃，３０分の熱処理工程により試料の
表面クリーニングを行ない清浄な試料表面を形成した後
にモノシラン(ＳｉＨ₄）の熱分解を用いる低圧ＣＶＤ法
により膜厚が約４００ｎｍの非晶質シリコン膜４３を形
成した（図４(ａ)参照)。

【００３１】次に、結晶成長の種結晶となる単結晶シリ
コン（１００）基板４４を１０００℃の酸素雰囲気中で
熱処理することにより約２０ｎｍの酸化膜４５を形成し
た。その後、通常のホトレジストパターン形成と異方性
ドライエッチングにより酸化膜４５と種結晶基板４４を
エッチングした（図４(ｂ)参照）。この時の種結晶基板
に形成した単結晶シリコン柱４６の幅は５００ｎｍ以下
とした。その後、非晶質シリコン膜４３表面の自然酸化
膜と種結晶基板４４表面の酸化膜４５を弗酸水溶液処理
で除去した後に速やかに圧着し、６００℃の窒素雰囲気
中で熱処理（２０時間）を行なった。この熱処理によ
り、非晶質シリコン膜４３は種結晶基板４４との接触部
から固相成長が開始し、非晶質シリコン膜４３が単結晶
シリコン膜４７となった（図４(ｃ)参照）。

【００３２】次に、１０００℃の酸素雰囲気中で熱処理
することにより約３００ｎｍの酸化膜４８を形成した。
この酸化膜４８を弗酸水溶液処理することによって単結
晶シリコン膜４７から種結晶基板４４を切り離し、酸化
膜４２上に単結晶シリコン膜４７が得られた（図４(ｄ)
参照）。

【００３３】上記のように単結晶シリコンパターン４７
と種結晶基板４４の接触部を酸化とそのエッチングによ
って、切り離すことも可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、非晶質シリコン膜と種
結晶基板との接触面積が小さくなると共に接触面が微細
なパターンで構成されるので、接触部にボイド(気泡)等
の発生が無く、密着が可能となる。したがって、非晶質
シリコン膜の固相成長による単結晶シリコン膜の形成
は、試料表面の全域で可能となる。さらに、本発明の効
果を用いて形成した単結晶シリコン膜は、単体ＭＯＳト
ランジスタのみに限らず、ＣＭＯＳ，ＤＲＡＭ，ＳＲＡ
Ｍの高集積メモリー，高速演算回路等を合わせ持った半
導体装置への適用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の製造工程を示す断面図である。

【図２】実施例２の製造工程を示す断面図である。

【図３】実施例３の製造工程を示す断面図である。

【図４】実施例４の製造工程を示す断面図である。

【図５】実施例５の製造工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１…単結晶シリコン基板、２…熱酸化膜、３…非晶質シ
リコン膜、４…種結晶基板、５…酸化膜、６…高濃度ボ
ロン層、７…単結晶シリコン膜、１１…単結晶シリコン
基板、１２…熱酸化膜、１３…非晶質シリコン膜、１４
…種結晶基板、１５…酸化膜、１６…高濃度ボロン層、
１７…単結晶シリコン膜、２１…石英基板、２２…非晶
質シリコン膜、２３…種結晶基板、２４…酸化膜、２５
…高濃度ボロン層、２６…単結晶シリコン膜、３１…単
結晶シリコン基板、３２…熱酸化膜、３３…酸化膜、３
４…非晶質シリコン膜、３５…種結晶基板、３６…酸化
膜、３７…高濃度ボロン層、３８…単結晶シリコン膜、
４１…単結晶シリコン基板、４２…熱酸化膜、４３…非
晶質シリコン膜、４４…種結晶基板、４５…酸化膜、４
６…単結晶シリコン柱、４７…単結晶シリコン膜、４８
…酸化膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成するに
おいて、（１）絶縁膜表面を有する基板に非晶質シリコ
ン膜を形成する工程、（２）上記基板と異なる単結晶シ
リコンの基板に凹凸を形成する工程、（３）上記非晶質
シリコン膜を形成した基板と凹凸を形成した単結晶シリ
コン基板を密着する工程、（４）上記密着した二枚の基
板を熱処理することにより非晶質シリコン膜を単結晶シ
リコン基板との密着部から単結晶化せしめる工程、
（５）上記非晶質シリコン膜を形成した基板から凹凸を
形成した単結晶シリコン基板を除去する工程とを具備す
ることを特徴とする単結晶シリコン膜の形成方法。
【請求項２】絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成するに
おいて、（１）絶縁膜表面を有する基板に非晶質シリコ
ン膜を形成する工程、（２）上記非晶質シリコン膜の少
なくても一部を除去する工程、（３）上記非晶質シリコ
ン膜を形成した基板と単結晶シリコン基板を密着する工
程、（４）上記密着した二枚の基板を熱処理することに
より非晶質シリコン膜を単結晶シリコン基板との密着部
から単結晶化せしめる工程、（５）上記非晶質シリコン
膜を形成した基板から単結晶シリコン基板を除去する工
程とを具備することを特徴とする単結晶シリコン膜の形
成方法。
【請求項３】絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成するに
おいて、（１）絶縁膜表面を有する基板に非晶質シリコ
ン膜を形成する工程、（２）上記非晶質シリコン膜の少
なくても一部を除去する工程、（３）上記基板と異なる
単結晶シリコンの基板に凹凸を形成する工程、（４）上
記非晶質シリコン膜を形成した基板と凹凸を形成した単
結晶シリコン基板を密着する工程、（５）上記密着した
二枚の基板を熱処理することにより非晶質シリコン膜を
単結晶シリコン基板との密着部から単結晶化せしめる工
程、（６）上記非晶質シリコン膜を形成した基板から凹
凸を形成した単結晶シリコン基板を除去する工程とを具
備することを特徴とする単結晶シリコン膜の形成方法。