JPH06120137A - 単結晶シリコン薄膜の形成方法 - Google Patents
単結晶シリコン薄膜の形成方法Info
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- JPH06120137A JPH06120137A JP26717892A JP26717892A JPH06120137A JP H06120137 A JPH06120137 A JP H06120137A JP 26717892 A JP26717892 A JP 26717892A JP 26717892 A JP26717892 A JP 26717892A JP H06120137 A JPH06120137 A JP H06120137A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成するにお
いて、結晶性の良好な大面積単結晶膜の形成方法を提供
する。 【構成】 単結晶シリコン基板１とその上に形成した熱
酸化膜２を連続して覆う非晶質シリコン膜３の試料を形
成する。次に、この試料を真空中で熱処理することによ
って、絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成する。 【効果】 本発明によれば、絶縁膜上に形成する単結晶
シリコン膜の結晶領域の拡大、及び結晶性の向上が可能
となる。したがって、本発明を用いた絶縁膜上の単結晶
シリコン膜形成によって、電気的特性の優れた素子が再
現性良く形成することができる。
いて、結晶性の良好な大面積単結晶膜の形成方法を提供
する。 【構成】 単結晶シリコン基板１とその上に形成した熱
酸化膜２を連続して覆う非晶質シリコン膜３の試料を形
成する。次に、この試料を真空中で熱処理することによ
って、絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成する。 【効果】 本発明によれば、絶縁膜上に形成する単結晶
シリコン膜の結晶領域の拡大、及び結晶性の向上が可能
となる。したがって、本発明を用いた絶縁膜上の単結晶
シリコン膜形成によって、電気的特性の優れた素子が再
現性良く形成することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】シリコンデバイス及びその集積回
路の作製に用いるためのシリコン基板の形成方法に関す
る。
路の作製に用いるためのシリコン基板の形成方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】絶縁膜上にシリコンのエピタキシャル成
長を利用して形成する単結晶シリコン膜(ＳＯＩ構造)の
形成技術は、堆積シリコン膜の熱処理による液相エピタ
キシャル成長、固相エピタキシャル成長、あるいはシラ
ン系ガスの熱分解による気相エピタキシャル成長の３つ
に大別できる。これらのＳＯＩ構造形成法において、単
結晶シリコン基板表面に形成した素子を覆う絶縁膜上に
ＳＯＩ構造を形成する積層構造対応のＳＯＩ構造形成法
は固相エピタキシャル成長法のみである。この固相エピ
タキシャル成長法は、単結晶シリコン基板表面と基板表
面に被着した絶縁膜を覆う非晶質シリコン膜を６００℃
程度の窒素或いは不活性ガス雰囲気中で熱処理すること
によって、非晶質シリコン膜を単結晶シリコン基板接触
部(シード部)から単結晶化するＳＯＩ構造形成法であ
る。この単結晶化領域は、絶縁膜上の非晶質シリコン膜
中に発生するランダムな結晶核(多結晶核)によって非晶
質シリコン膜が多結晶シリコン膜になる間に、非晶質シ
リコン膜の結晶成長がシード部から絶縁膜のエッジを乗
り越えて横方向に伸びる距離で決まる。
長を利用して形成する単結晶シリコン膜(ＳＯＩ構造)の
形成技術は、堆積シリコン膜の熱処理による液相エピタ
キシャル成長、固相エピタキシャル成長、あるいはシラ
ン系ガスの熱分解による気相エピタキシャル成長の３つ
に大別できる。これらのＳＯＩ構造形成法において、単
結晶シリコン基板表面に形成した素子を覆う絶縁膜上に
ＳＯＩ構造を形成する積層構造対応のＳＯＩ構造形成法
は固相エピタキシャル成長法のみである。この固相エピ
タキシャル成長法は、単結晶シリコン基板表面と基板表
面に被着した絶縁膜を覆う非晶質シリコン膜を６００℃
程度の窒素或いは不活性ガス雰囲気中で熱処理すること
によって、非晶質シリコン膜を単結晶シリコン基板接触
部(シード部)から単結晶化するＳＯＩ構造形成法であ
る。この単結晶化領域は、絶縁膜上の非晶質シリコン膜
中に発生するランダムな結晶核(多結晶核)によって非晶
質シリコン膜が多結晶シリコン膜になる間に、非晶質シ
リコン膜の結晶成長がシード部から絶縁膜のエッジを乗
り越えて横方向に伸びる距離で決まる。
【０００３】非晶質シリコン膜の固相成長は、(１００)
シリコン基板表面の(１００)方向の絶縁膜パターン上の
場合、シード部では{１００}面成長し、絶縁膜エッジを
乗り越えたところで{１１０}面成長になり、最後に｛１
１１}面成長で進行して、多結晶核に突き当たって終了
する。従って、横方向固相成長領域には、シード近傍に
{１１０}面成長部、その外側に{１１１}面成長部が形成
される。この固相成長領域の結晶性を電気的特性で調べ
ると、{１１０}面成長部では単結晶に近い電解効果移動
度が得られ、{１１１}面成長部では多結晶膜に近い電解
効果移動度(≒70cm2/V・s)である。
シリコン基板表面の(１００)方向の絶縁膜パターン上の
場合、シード部では{１００}面成長し、絶縁膜エッジを
乗り越えたところで{１１０}面成長になり、最後に｛１
１１}面成長で進行して、多結晶核に突き当たって終了
する。従って、横方向固相成長領域には、シード近傍に
{１１０}面成長部、その外側に{１１１}面成長部が形成
される。この固相成長領域の結晶性を電気的特性で調べ
ると、{１１０}面成長部では単結晶に近い電解効果移動
度が得られ、{１１１}面成長部では多結晶膜に近い電解
効果移動度(≒70cm2/V・s)である。
【０００４】単結晶成長領域のみならず、{１１０}面成
長領域を拡大する方法として熱処理前の非晶質シリコン
膜表面に酸化膜層等のない状態で固相成長を行うこと
が、提案されている［Ａppl. Ｐhys. Ｌett. 60(1), 6
Ｊanuary 1998］。この方法は、非晶質シリコン膜が横
方向に進行する際の{１１０}面成長から{１１１}面成長
への変化時間が遅くなるために{１１０}面成長領域が拡
大され、更に{１１０}面成長速度が{１１１}面成長速度
よりも大きい分だけ単結晶成長領域を増大することがで
きる。
長領域を拡大する方法として熱処理前の非晶質シリコン
膜表面に酸化膜層等のない状態で固相成長を行うこと
が、提案されている［Ａppl. Ｐhys. Ｌett. 60(1), 6
Ｊanuary 1998］。この方法は、非晶質シリコン膜が横
方向に進行する際の{１１０}面成長から{１１１}面成長
への変化時間が遅くなるために{１１０}面成長領域が拡
大され、更に{１１０}面成長速度が{１１１}面成長速度
よりも大きい分だけ単結晶成長領域を増大することがで
きる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】絶縁膜上に堆積した非
晶質シリコン膜の横方向固相成長によるＳＯＩ構造成形
では、非晶質シリコン膜表面に自然酸化膜等の層が存在
することによって結晶成長モードが{１１０}面成長から
{１１１}面成長に変化し易い。この結晶成長モードの変
化が結晶性の良好な単結晶性長領域の拡大を妨げる要因
になっており、重要な課題である。
晶質シリコン膜の横方向固相成長によるＳＯＩ構造成形
では、非晶質シリコン膜表面に自然酸化膜等の層が存在
することによって結晶成長モードが{１１０}面成長から
{１１１}面成長に変化し易い。この結晶成長モードの変
化が結晶性の良好な単結晶性長領域の拡大を妨げる要因
になっており、重要な課題である。
【０００６】非晶質シリコン膜の横方向固相成長におい
て結晶成長モードが変化する原因は、非晶質シリコン膜
表面に生じた薄膜層であると考えることができる。従来
用いられている熱処理雰囲気である不活性ガスあるいは
窒素ガス中で、非晶質シリコン膜表面に薄膜層が生じ、
結晶成長モードが変化するものと予想できる。
て結晶成長モードが変化する原因は、非晶質シリコン膜
表面に生じた薄膜層であると考えることができる。従来
用いられている熱処理雰囲気である不活性ガスあるいは
窒素ガス中で、非晶質シリコン膜表面に薄膜層が生じ、
結晶成長モードが変化するものと予想できる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】そのため、ガス中の不純
物等の影響を防ぐため、非晶質シリコン膜の固相成長を
真空中で行う。
物等の影響を防ぐため、非晶質シリコン膜の固相成長を
真空中で行う。
【０００８】
【作用】絶縁膜上の非晶質シリコン膜を単結晶化するた
めの熱処理雰囲気を窒素ガス或いは不活性ガスから真空
中にすることによって、非晶質シリコン膜表面にガス中
から取り込まれる不純物等による薄膜層の発生を防ぐ。
これによって、非晶質シリコン膜の固相成長の際の膜表
面層の影響による結晶成長モードの変化を防ぐことがで
きるので単結晶成長距離及び{１１０}面成長領域の拡大
が可能になる。
めの熱処理雰囲気を窒素ガス或いは不活性ガスから真空
中にすることによって、非晶質シリコン膜表面にガス中
から取り込まれる不純物等による薄膜層の発生を防ぐ。
これによって、非晶質シリコン膜の固相成長の際の膜表
面層の影響による結晶成長モードの変化を防ぐことがで
きるので単結晶成長距離及び{１１０}面成長領域の拡大
が可能になる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
【００１０】（実施例１）実施例１を図１に示す。単結
晶シリコン基板１の選択酸化により約２００ｎｍの熱酸
化膜２を形成した。次に、選択酸化膜形成に用いた窒化
膜及びパッド酸化膜を除去した後、試料表面の洗浄(Ｒ
ＣＡ洗浄)を行なった。その後、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７０
０℃、６０分の熱処理工程による試料の表面クリーニン
グを行い清浄な試料表面を形成し、更に超高真空中(3×
10~7Pa以下)で電子ビーム蒸着により約６００ｎｍ厚の
非晶質シリコン膜を堆積した。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３の緻密化
を行なった。
晶シリコン基板１の選択酸化により約２００ｎｍの熱酸
化膜２を形成した。次に、選択酸化膜形成に用いた窒化
膜及びパッド酸化膜を除去した後、試料表面の洗浄(Ｒ
ＣＡ洗浄)を行なった。その後、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７０
０℃、６０分の熱処理工程による試料の表面クリーニン
グを行い清浄な試料表面を形成し、更に超高真空中(3×
10~7Pa以下)で電子ビーム蒸着により約６００ｎｍ厚の
非晶質シリコン膜を堆積した。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３の緻密化
を行なった。
【００１１】上記試料を真空中で６００℃、１時間の熱
処理を行なった。この熱処理によって酸化膜２上の非晶
質シリコン膜３は多結晶シリコン膜となり、単結晶シリ
コン基板１表面との接触部からの横方向単結晶成長が終
了していた。従来の非晶質シリコン膜の窒素雰囲気によ
る固相成長では非晶質シリコン膜の多結晶化時間は、約
５時間であったことから、真空雰囲気中の熱処理では、
結晶成長が促進されることが分かった。
処理を行なった。この熱処理によって酸化膜２上の非晶
質シリコン膜３は多結晶シリコン膜となり、単結晶シリ
コン基板１表面との接触部からの横方向単結晶成長が終
了していた。従来の非晶質シリコン膜の窒素雰囲気によ
る固相成長では非晶質シリコン膜の多結晶化時間は、約
５時間であったことから、真空雰囲気中の熱処理では、
結晶成長が促進されることが分かった。
【００１２】そこで、非晶質シリコン膜の熱処理雰囲気
を窒素と真空中で行なった時の熱処理温度と横方向固相
成長速度({111}面成長速度)の関係を調べた。この結果
を図２に示す。図は、非晶質シリコン膜における{１１
１}面成長速度の熱処理温度依存性である。図から、熱
処理温度が高くなるにしたがって結晶成長速度が増加す
ることが分かる。また、真空中の熱処理による結晶成長
は窒素雰囲気中に比べて急速に進行することが明らかで
ある。従来の非晶質シリコン膜の窒素、６００℃におけ
る{１１１}面成長速度(約112A/min)に相当する真空熱処
理温度は、約５２０℃であった。
を窒素と真空中で行なった時の熱処理温度と横方向固相
成長速度({111}面成長速度)の関係を調べた。この結果
を図２に示す。図は、非晶質シリコン膜における{１１
１}面成長速度の熱処理温度依存性である。図から、熱
処理温度が高くなるにしたがって結晶成長速度が増加す
ることが分かる。また、真空中の熱処理による結晶成長
は窒素雰囲気中に比べて急速に進行することが明らかで
ある。従来の非晶質シリコン膜の窒素、６００℃におけ
る{１１１}面成長速度(約112A/min)に相当する真空熱処
理温度は、約５２０℃であった。
【００１３】非晶質シリコン膜を窒素雰囲気及び真空中
で熱処理したときの横方向固相成長距離の時間依存性
(成長特性)を図３に示す。図の成長特性は、真空熱処理
では温度を５１６℃とし、窒素熱処理では６００℃とし
た結果である。図の成長特性の違いから、非晶質シリコ
ン膜の固相成長の熱処理を真空中で行うことによって、
横方向単結晶成長距離を約３μｍから４μｍに拡大でき
た。また、結晶性の良い{１１０}面成長部の拡大も得ら
れていた。
で熱処理したときの横方向固相成長距離の時間依存性
(成長特性)を図３に示す。図の成長特性は、真空熱処理
では温度を５１６℃とし、窒素熱処理では６００℃とし
た結果である。図の成長特性の違いから、非晶質シリコ
ン膜の固相成長の熱処理を真空中で行うことによって、
横方向単結晶成長距離を約３μｍから４μｍに拡大でき
た。また、結晶性の良い{１１０}面成長部の拡大も得ら
れていた。
【００１４】（実施例２）単結晶シリコン基板１１を１
０００℃の酸素雰囲気中で処理することによって約６０
ｎｍの熱酸化膜１２を形成した(図４(a)参照)。次に、
通常のホトレジスト・エッチング工程による熱酸化膜の
パターン１３を形成した後、アンモニアと過酸化水素の
混合液を用いて試料表面の洗浄を行なった。その後、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い清浄な試料表面を形成し、
更に超高真空中(5×10~7Pa以下)で電子ビーム蒸着によ
り約８００ｎｍ厚の非晶質シリコン膜１４を堆積した。
この堆積した非晶質シリコン膜１４は、引き続き真空中
で４５０℃、１時間の熱処理によって緻密化を行なった
(図４(b)参照)。
０００℃の酸素雰囲気中で処理することによって約６０
ｎｍの熱酸化膜１２を形成した(図４(a)参照)。次に、
通常のホトレジスト・エッチング工程による熱酸化膜の
パターン１３を形成した後、アンモニアと過酸化水素の
混合液を用いて試料表面の洗浄を行なった。その後、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い清浄な試料表面を形成し、
更に超高真空中(5×10~7Pa以下)で電子ビーム蒸着によ
り約８００ｎｍ厚の非晶質シリコン膜１４を堆積した。
この堆積した非晶質シリコン膜１４は、引き続き真空中
で４５０℃、１時間の熱処理によって緻密化を行なった
(図４(b)参照)。
【００１５】上記試料を引き続き真空中(2×10~6Pa以
下)で６００℃、１時間の熱処理を行なった。この熱処
理後に酸化膜１２上のシード周辺部の非晶質シリコン膜
１４は、単結晶シリコン膜になった。この単結晶成長の
{１１０}面成長領域の結晶欠陥密度は、従来の窒素雰囲
気で形成した{１１０}面成長領域に比べて２桁程度少な
かった。従って、非晶質シリコン膜の固相成長の熱処理
雰囲気を真空中で行なうことによって、結晶性の良好な
単結晶膜を得ることできる。
下)で６００℃、１時間の熱処理を行なった。この熱処
理後に酸化膜１２上のシード周辺部の非晶質シリコン膜
１４は、単結晶シリコン膜になった。この単結晶成長の
{１１０}面成長領域の結晶欠陥密度は、従来の窒素雰囲
気で形成した{１１０}面成長領域に比べて２桁程度少な
かった。従って、非晶質シリコン膜の固相成長の熱処理
雰囲気を真空中で行なうことによって、結晶性の良好な
単結晶膜を得ることできる。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、絶縁膜上に形成する単
結晶シリコン膜の結晶領域の拡大、及び結晶性の向上が
可能となる。したがって、本発明を用いた絶縁膜上の単
結晶シリコン膜形成によって、電気的特性の優れた素子
が再現性良く形成することが可能である。本発明の効果
を用いて形成したシリコン薄膜は、単体ＭＯＳトランジ
スタのみに限らず、ＣＭＯＳ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等の
高集積メモリーや、半導体装置への適用も可能である。
結晶シリコン膜の結晶領域の拡大、及び結晶性の向上が
可能となる。したがって、本発明を用いた絶縁膜上の単
結晶シリコン膜形成によって、電気的特性の優れた素子
が再現性良く形成することが可能である。本発明の効果
を用いて形成したシリコン薄膜は、単体ＭＯＳトランジ
スタのみに限らず、ＣＭＯＳ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等の
高集積メモリーや、半導体装置への適用も可能である。
【図１】実施例１を示す断面図である。
【図２】非晶質シリコン膜の熱処理温度依存性を示す図
である。
である。
【図３】非晶質シリコン膜の成長特性を示す図である。
【図４】実施例４を示す断面図である。
１…単結晶シリコン基板、２…熱酸化膜、３…非晶質シ
リコン膜、１１…単結晶シリコン基板、１２…熱酸化
膜、１３…酸化膜パターン、１４…非晶質シリコン膜。
リコン膜、１１…単結晶シリコン基板、１２…熱酸化
膜、１３…酸化膜パターン、１４…非晶質シリコン膜。
Claims (2)
- 【請求項１】単結晶シリコン基板の露出した表面と上記
単結晶シリコン基板表面の少なくとも一部に被着した絶
縁膜層とを連続して覆う非晶質シリコン層を８００℃以
下の熱処理によって絶縁膜上に単結晶シリコン層を形成
する製造方法において、単結晶シリコン基板の少なく
とも一部に絶縁膜を形成する工程、単結晶半導体基板
と絶縁膜を連続して覆う非晶質Ｓｉ膜を堆積する工程、
上記非晶質シリコン膜を熱処理によって緻密化する工
程、その後、緻密化した非晶質シリコン膜を真空中(1
×10~4torr以下)で熱処理する工程を具備することを特
徴とする単結晶シリコン薄膜の形成方法。 - 【請求項２】特許請求項１において、緻密化した非晶質
シリコン膜の熱処理を５００〜５３０℃の真空中(1×10
~4torr以下)で行うことを特徴とする単結晶シリコン薄
膜の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26717892A JPH06120137A (ja) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | 単結晶シリコン薄膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26717892A JPH06120137A (ja) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | 単結晶シリコン薄膜の形成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06120137A true JPH06120137A (ja) | 1994-04-28 |
Family
ID=17441195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26717892A Pending JPH06120137A (ja) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | 単結晶シリコン薄膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06120137A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6573160B2 (en) * | 2000-05-26 | 2003-06-03 | Motorola, Inc. | Method of recrystallizing an amorphous region of a semiconductor |
-
1992
- 1992-10-06 JP JP26717892A patent/JPH06120137A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6573160B2 (en) * | 2000-05-26 | 2003-06-03 | Motorola, Inc. | Method of recrystallizing an amorphous region of a semiconductor |
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