JPH0519976B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は半導体装置を製造する分野で利用され
る単結晶薄膜の製造方法に関し、さらに詳細には
非晶質絶縁膜上に形成した非晶質あるいは多結晶
等の非単結晶シリコン薄膜に光ビーム照射を行つ
て、非単結晶シリコン薄膜を単結晶化する単結晶
シリコン薄膜の製造方法の改良に関するものであ
る。

＜従来の技術＞ 従来より、単結晶シリコン基板上に形成した、
一部開口部を有する絶縁膜の上に非晶質あるいは
多結晶等の非単結晶シリコン薄膜を形成し、この
非単結晶シリコン薄膜にレーザ等の光ビーム照射
を行つて溶融再結晶化させることにより、単結晶
シリコン基板と結晶方位の一致した単結晶シリコ
ン薄膜を作製する方法が提案されている。

この従来より提案されている方法は、通常第４
図ａ，ｂに示すように単結晶シリコン基板２１上
に一部開口部２１ａを有する絶縁膜２２を形成
し、さらにその上に単結晶化すべき非晶質あるい
は多結晶の非単結晶シリコン薄膜２３を形成した
後、レーザ等の光ビーム２４の照射を非単結晶シ
リコン薄膜２３が単結晶シリコン基板２１の露出
部２１ａと直接接した領域から行うことにより単
結晶シリコン基板２１を結晶成長の種として非単
結晶シリコン薄膜２３を単結晶化して単結晶シリ
コン基板２１と結晶方位の一致した単結晶シリコ
ン薄膜２５にしている。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかし、上記した従来の方法では、単結晶シリ
コン基板２１と単結晶化しようとする非単結晶シ
リコン薄膜２３との間の絶縁膜２２の厚さが1μm
以上になると単結晶シリコン基板２１の露出部２
１ａ周囲に生じる急峻かつ大きな段差のため、単
結晶シリコン基板２１と接した領域の非単結晶シ
リコン薄膜２３から絶縁膜２２上の非単結晶シリ
コン薄膜２３に結晶成長が連続して起こらなくな
る。

また、シリコンと絶縁膜の熱伝導率の大きな差
により、単結晶シリコン基板２１の露出部２１ａ
上の非単結晶シリコン薄膜２３が溶融しなかつた
り、逆に絶縁膜２２上の非単結晶シリコン薄膜２
３が飛散したりする。そのため単結晶シリコン基
板２１の結晶方位と一致した単結晶シリコン薄膜
２５を得ることができない等の問題がある。

また、特に単結晶シリコン基板２１の露出部２
１ａの形状がストライプ状であつたり、ドツト状
であつてもその大きさが大きい場合は、絶縁膜２
２の厚さが厚くなると、単結晶シリコン基板２１
の露出部２１ａと絶縁膜２２上で基板２１への熱
伝導が大きく異なり、光ビーム２４の照射時に上
記両部分上の非晶質あるいは多結晶のシリコン薄
膜に著しい温度差が生じ、良好な単結晶シリコン
薄膜２５を得ることが出来ない等の問題がある。

本発明はこのような点に鑑みて創案されたもの
で、レーザ等の光ビーム照射により、結晶方位の
制御された良質な単結晶薄膜を形成する単結晶シ
リコン薄膜の製造方法を提供することを目的とし
ている。

＜問題点を解決するための手段＞ 上記の目的を達成するため、本発明の単結晶シ
リコン薄膜製造方法は次のように構成している。

即ち、先ず単結晶シリコン基板の露出したドツ
ト状の領域上にのみ、まず絶縁膜の厚さとほぼ同
等膜厚で非単結晶シリコンを埋め込み、さらに全
面に単結晶化したい非単結晶シリコン薄膜を形成
する。次に反射防止膜を形成し、非単結晶シリコ
ンを埋め込んだ領域に光ビームを照射してこの領
域の非単結晶シリコンをあらかじめ単結晶シリコ
ン基板の結晶方位と一致した単結晶にしておく。
次にその反射防止膜上に単結晶化した埋め込みシ
リコン部を覆うようにストライプ状のシリコン被
膜を形成する。このストライプ状シリコン被膜の
ストライプ幅より広い光ビームを照射することに
よりあらかじめ単結晶化した埋め込みシリコンを
種として絶縁膜上の非単結晶シリコン薄膜を単結
晶化し、単結晶シリコン基板と結晶方位の一致し
た単結晶シリコン膜を得るように構成している。

＜作用＞ 絶縁膜の開口部を含む領域に光ビームを照射し
て非単結晶シリコン薄膜を溶融させた時を考える
と、開口部に絶縁膜と同程度の厚さの非単結晶シ
リコンを埋め込んでおかない場合、絶縁膜上の溶
融シリコンが開口部内に流れ込んできて、開口部
周辺でシリコン膜が薄くなり、絶縁膜が厚い場合
にはシリコン膜が開口部周囲で切れてしまう。そ
れに対し、あらかじめ開口部に絶縁膜と同程度の
厚さの非単結晶シリコンを埋め込んでおくと、溶
融シリコンの流れ込みがなく、溶融後も連続した
シリコン膜が得られる。

次にストライプ状シリコン被膜のストライプ幅
より広い光ビームを照射し、埋め込みシリコンを
種として絶縁膜上の非単結晶シリコン薄膜を単結
晶化しようとする場合を考えると、絶縁膜の熱伝
導率が単結晶シリコン基板露出部に埋め込んだ非
晶質あるいは多結晶のシリコン薄膜の熱伝導率よ
り小さいとき、絶縁膜上の非晶質あるいは多結晶
のシリコン薄膜の方が温度が上がりやすい。単結
晶シリコン基板の露出部の形状がストライプ状で
あつたり、4μm角を超える大きさになると、絶縁
被膜開口部を埋め込んだ非晶質あるいは多結晶の
シリコン薄膜を通じて基板へ逃げる熱量が大きく
なり、開口部上の非晶質あるいは多結晶の薄膜が
溶融しなくなる。この開口部上の非晶質あるいは
多結晶のシリコン薄膜が溶融するまで光ビームの
パワー密度を上げると絶縁膜上の非晶質あるいは
多結晶のシリコン薄膜に飛散が生じてしまう。こ
のような問題は、単結晶シリコン基板上に形成さ
れる絶縁膜が厚くなると、より一層顕著なものと
なる。トランジスタ等の素子を多層に積層してい
く三次元回路素子においては各能動層間の絶縁膜
厚が２〜4μmにもなる。

本発明においては、絶縁膜開口部の形状をスト
ライプ状等ではなくドツト状とし、かつ本発明の
実施態様としてその大きさを4μm以下にすること
により、この開口部に埋め込んだシリコンを通し
て基板へ逃げる熱量が小さくなり、周囲からの熱
伝導で開口部上の非晶質あるいは多結晶のシリコ
ン薄膜の温度と絶縁膜上の非晶質あるいは多結晶
のシリコン薄膜の温度の差が小さくなつて両部を
同時に飛散なく溶融できるようになる。

以上の作用によつて絶縁膜が厚くなつても安定
して基板開口部からの単結晶引き上げができるよ
うになる。

＜実施例＞ 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。

第１図ａ乃至はそれぞれ本発明の一実施例を
説明するための工程図である。

まず第１図ａに示す（100）単結晶シリコン基
板１上に厚さ3μmの層間のSiO₂膜２をCVD法等
により形成し、単結晶シリコン基板１を露出すべ
き部分のみホトエツチング法によりパターニング
を行い、第１図ｂに示すように3μm角の複数個の
開口部１ａ，１ａ，…を15μm間隔に形成する
（第２図参照）。

次に、この単結晶シリコン基板１が露出した領
域１ａ，１ａ，…にのみ、絶縁膜２の厚さとほぼ
等しい厚さの非晶質あるいは多結晶のシリコン薄
膜６を埋め込み形成する。具体的にはまず、第１
図ｃに示すように全面に減圧CVD法により非単
結晶シリコン薄膜３を2μmの膜厚に形成した後、
第１図ｄに示すように有機塗布膜材料４を表面が
平坦になるように塗布し、有機塗布膜４の表面か
ら非単結晶シリコン薄膜３との等速エツチング５
を第１図ｅのように行い、当初の有機塗布膜４の
平坦な表面を転写するとともに、このエツチング
を上記SiO₂膜２が露出した時点で停止させて、
第１図ｆに示すようにSiO₂膜２の開口部１ａに
非単結晶シリコン６を埋め込む。

次に第１図ｇに示すように非単結晶シリコン６
の上部および絶縁膜２の上部の両域に厚さ0.6μm
の単結晶化したい非単結晶シリコン薄膜７を減圧
CVD法によつて形成し、さらに第１図ｈに示す
ように反射防止膜として作用するSiO₂膜８を厚
さ850Åに常圧CVD法により形成する。

この状態で第１図ｉに示すように溶融幅60μm、
レーザパワー10Wのレーザ光９を領域１ａ，１
ａ，…に沿つて照射し、単結晶シリコン基板１の
露出部１ａ上の非単結晶シリコン６及びその近傍
の非単結晶シリコンを単結晶シリコン基板１の露
出部１ａを種として単結晶化して、単結晶シリコ
ン基板１と結晶方位の一致したシリコン１０を
得、シードの引き上げを行なう。

次に第１図ｊ及びｋに示すようにストライプ状
の非単結晶シリコン薄膜１１をストライプの長手
方向が〔010〕となるように形成する（第２図参
照）。具体的には、まず反射防止膜８上に減圧
CVD法により厚さ0.6μmの非単結晶シリコン薄膜
を形成し、ホトエツチング法により選択エツチン
グしてストライプ状にパターニングして第１図ｊ
およびｋに示すように幅10μm、間隔5μmのスト
ライプ状非単結晶シリコン薄膜１１を単結晶シリ
コン基板露出部１ａを覆うように形成する。

最後に第１図に示すように溶融幅60μm、レ
ザーパワー１２Ｗのレザー光１２の走査をストラ
イプ状非単結晶シリコン薄膜１１の長手方向に走
査速度100mm／secで、単結晶シリコン基板１の露
出部１ａから行い、単結晶シリコン基板と結晶方
位の一致した埋め込みシリコン１０を種として非
単結晶シリコン薄膜７を単結晶化して単結晶シリ
コン薄膜１３を得る。このようにして単結晶シリ
コン基板１と結晶方位の一致した（100）単結晶
シリコン薄膜１３を得る。

また、比較のために開口部１ａの形状を3μm幅
のストライプ状とし、その他については上記第１
図ａ〜に示した同じ工程にて非単結晶シリコン
薄膜７の単結晶化を行つたところ、レーザパワー
１２Ｗでは開口部１ａ上の非単結晶シリコン薄膜
７が溶融せず、レーザパワー１３Ｗでは開口部１
ａ上の非単結晶シリコン薄膜７が溶融しないのに
SiO₂膜２上のストライプ状非単結晶シリコン薄
膜１１が飛散してしまう結果となつた。これは溶
融幅やレーザ光走査速度を種々変えても同様で、
SiO₂膜２の厚さが3μmと厚い場合は開口部１ａ
の形状がストライプ状であると両部を同時に飛散
なく良好に溶融できるレーザ照射条件は存在しな
かつた。

また開口部１ａに非単結晶シリコン６を埋め込
まず、その他については上記第１図ａ，ｂ，ｇ〜
に示した同じ工程にて非単結晶シリコン薄膜７
の単結晶化を行つたところ、開口部１ａの周辺で
非単結晶シリコン薄膜７が非常に薄くなつたり、
不連続になつてしまい単結晶シリコン基板１と結
晶方位の一致した単結晶シリコン薄膜１３が得ら
れなかつた。

一方、上記第１図ｉの工程をとばし、１回のレ
ーザ光照射で単結晶シリコン基板１と結晶方位の
一致した単結晶シリコン薄膜１３を得ようとした
場合、一応可能ではあつたがあらかじめ開口部１
ａ上に埋め込んだ非単結晶シリコン６を第１図ｉ
の工程により単結晶シリコン基板１と結晶方位の
一致した単結晶シリコン１０にしておいた方が安
定して非単結晶シリコン薄膜７を単結晶シリコン
基板１と結晶方位の一致した単結晶シリコン薄膜
１３にできた。

また、本発明の他の実施例として、絶縁膜開口
部の大きさを変えたとき、シーデイング率が絶縁
膜厚により、どのように変化するかを調べた。そ
の結果を第３図に示すが、開口部が5μm角と大き
い時は絶縁膜厚が4μmと厚くなるとシーデイング
率が低下するのに対し、2μm，3μm及び4μm角で
は絶縁膜が4μmになつてもシーデイング率の低下
は見られない。三次元回路素子においては各能動
層間の厚さは最大でも4μm程度であるので開口部
の大きさを4μm角以下にしておけば充分である。

また上記した実施例において、単結晶シリコン
基板として（100）の結晶面を用い、レーザ走査
方向を〔010〕としたのは、この組み合わせが最
も結晶欠陥が入りにくく、種部から単結晶領域が
引き伸ばせるためである。

また、上記した実施例において〔010〕方向と
等価な〔０１０〕，〔001〕，〔00１〕の方向に結晶
成長させた場合も、同様に安定した結晶成長が得
られ、更にシリコン基板１として（100）面と等
価な面（010），（001）等を有するものを用い結晶
成長の方向をその面内において、結晶成長の方向
〔010〕と対称性から等価な〔001〕，〔100〕等の方
向に結晶成長させた場合にも、同様に安定な結晶
成長が得られ、｛100｝の結晶面を用い、レーザ走
査方向を＜100＞とすることにより、安定な結晶
成長が得られた。

＜発明の効果＞ 以上のように本発明によれば、シード形状を小
さなドツト状とし、かつシード部を予め非単結晶
シリコンで埋め込んで光ビーム照射し、層間絶縁
膜上にシードを一旦引き上げた後、ラテラルエピ
タキシヤル成長させることにより、単結晶シリコ
ン基板上に1μm以上の例えば実際の三次元回路素
子に適用できる4μmの厚い絶縁膜が被覆されてい
ても、その絶縁膜上に単結晶シリコン基板と結晶
方位の一致した良質な単結晶シリコン薄膜を形成
することができる。

単結晶基板からのシード引き上げ時と、ラテラ
ルエピタキシヤル成長時との光ビームパワーを完
全に独立に制御できるため、絶縁膜の膜厚に依存
することなく、基板単結晶をシードに用いたラテ
ラルエピタキシヤル成長が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ乃至はそれぞれ本発明の一実施例を
説明するための試料断面等を示した工程図、第２
図はストライプ状シリコン薄膜の形成方向（光ビ
ーム走査方向）を説明するための図、第３図は絶
縁膜開口部の大きさがシーデイング率に与える影
響を示す図、第４図ａ及びｂはそれぞれ従来の単
結晶薄膜形成法を説明するための試料断面を示す
模式図である。 １……単結晶シリコン基板、１ａ……単結晶シ
リコン基板露出部分、２……SiO₂膜、３……非
単結晶シリコン薄膜、４……有機塗布膜、５……
等速エツチング、６……非単結晶シリコン、７…
…単結晶化すべき非単結晶シリコン薄膜、８……
SiO₂膜、９……埋め込みシリコン単結晶化のた
めのレーザ光照射、１０……単結晶シリコン、１
１……ストライプ状非単結晶シリコン薄膜、１２
……横方向単結晶成長のためのレーザ光照射、１
３……単結晶シリコン薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単結晶シリコン基板の一部がドツト状に露出
   するように該単結晶シリコン基板に一部を開口し
   て絶縁膜を形成する第１工程と、 上記絶縁膜開口部の上記単結晶シリコン基板の
   一部露出した領域のみに非単結晶シリコンを埋め
   込む第２工程と、 上記開口部に非単結晶シリコンの埋め込まれた
   上記絶縁膜上を単結晶化すべき非単結晶シリコン
   薄膜を形成する第３工程と、 上記非単結晶薄膜上に反射防止膜を形成する第
   ４工程と、 上記基板露出部に埋め込んだ非単結晶シリコン
   を含む領域に光ビームを照射することにより、上
   記単結晶シリコン基板の露出部を種として、少な
   くとも上記埋め込み非単結晶シリコンを単結晶シ
   リコン基板と結晶方位を一致させて単結晶化する
   第５工程と、 上記反射防止膜上にストライプ状のシリコン被
   膜を、上記第５工程にて単結晶化した上記埋め込
   みシリコン領域を含むように形成する第６工程
   と、 上記シリコン被膜部分を覆い、そのストライプ
   長手方向に沿つて光ビームを照射することによ
   り、上記単結晶化した埋め込みシリコンを種とし
   て、上記非単結晶シリコン薄膜を単結晶化する第
   ７工程と、 を含んでなることを特徴とする単結晶シリコン被
   膜の製造方法。 ２ 種部となる単結晶シリコン基板露出部を複数
   個形成し、上記ストライプ状のシリコン被膜を複
   数本上記複数個の種部に対応して形成してなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の単結
   晶シリコン薄膜の製造方法。