JPH06302511A

JPH06302511A - 半導体単結晶層の製造方法

Info

Publication number: JPH06302511A
Application number: JP19952392A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Suzuki; 正國鈴木; Akio Kitagawa; 章夫北川; Masaki Takeuchi; 雅樹竹内; Sadaki Futaki; 貞樹二木; Shungo Kanai; 俊吾金井; Kazunori Tsubota; 和憲坪田; Yoshio Kakimoto; 芳雄柿本
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のＳＯＩ技術の溶融再結晶化法を改良し
て、絶縁体基板上に半導体単結晶層を迅速かつ大面積に
一括して形成できる製造方法を提供する。【構成】絶縁体基板上に半導体層を形成し、この半導
体層の一方向には均一な温度分布、多方向にはほぼ均一
な温度勾配を形成するような加熱条件を備えた火焔１１
を半導体層の表面に接触させて半導体層を融解しなが
ら、絶縁体基板を上記の多方向へ所定の速度で移動し
て、半導体層の融解領域の相対的な転移によって順次連
続的に冷却を行って半導体層を単結晶化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体単結晶層の製造方
法に関し、詳しくはＳＯＩ（SemiconductorOn Insulato
r）技術のうちの溶融再結晶化法に凖ずる方法を用い
て、基板上の半導体層を単結晶化させる半導体単結晶層
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁物上に単結晶の半導体層を形
成するＳＯＩ技術が、半導体デバイスの高速化、高密度
化及び３次元化に資するものとして注目され、その開発
・研究が盛んである。そして、この技術に関しては、例
えば、応用物理；第５４巻、第１２号、（１９８５）、
ｐ１２７４−ｐ１２８２：「ＳＯＩ技術」西村正・赤坂
洋一著、に整理された解説が開示されている。

【０００３】ＳＯＩ技術において、溶融再結晶化法と呼
ばれているものは、絶縁層上に堆積した半導体層の一部
を電子ビーム、レーザ光、線状カーボンヒータのような
限定的加熱手段で溶融（融解とも言い、場合によっては
溶解とも言う）し、この融解領域を移動させて順次連続
的に徐冷することにより単結晶化し、絶縁基板上にＳＯ
Ｉ層を形成する技術である。なお、本来は、再結晶化と
いうからには元の半導体層は多結晶体の筈であるが、最
近では元が非晶質体であっても慣用的に再結晶化と称さ
れている。つまり、多結晶膜だけでなく非晶質膜は任意
の厚さで使用でき、ＬＳＩプロセスとの整合性が良いと
の理由で特に研究が盛んである。

【０００４】溶融再結晶化法のうち、電子ビームやレー
ザ光のようなエネルギビームを用いて非常に細い融解領
域を形成し、下層構造に熱的影響を与えずに表面層のみ
を加熱するものを、ビーム再結晶化法と呼んでいる。ビ
ーム再結晶化法は、エネルギの強いビーム照射による半
導体膜内での発熱を利用して半導体層を溶融結晶化する
方法であり、その意味で内部（発熱）加熱法といえる。

【０００５】これに対して、線状カーボンヒータのよう
な比較的広域の加熱手段により帯状の融解領域を作成
し、これを移動することによって、基板上の大面積の部
分に一括して単結晶を形成するものを帯域溶融再結晶化
法とよんでいる。この方法は、高温のヒータを半導体膜
に近接させ、間接的に半導体層を加熱溶融再結晶化させ
る方法であり、その意味で間接加熱法ということができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のＳ
ＯＩ技術において、まず、ビーム再結晶化法は、上述の
ように下層構造に影響を与えることなく単結晶層を形成
することができるので、三次元回路素子のような積層構
造半導体デバイスの作成には好適な方法である。しか
し、ビーム幅が狭いため、基板上の大面積の半導体層を
一括して単結晶化させることは困難であり、また可能で
あるにしても装置構成が複雑になるという問題が生ず
る。すなわち、大面積の半導体層を一挙に単結晶化する
には、基板とビームとの相対的な位置決め、ビーム走査
の緻密な制御、ビーム内のパワー分布の均一化をはじめ
とするビーム強度の調整方法等の他に光の反射、放吸熱
の最適化等に特殊の工夫と配慮が必要である。

【０００７】これに対して、帯域溶融再結晶化法は装置
構成が比較的簡単である反面、半導体層以外の下地等も
熱的影響を受けるため、熱歪みの解消に関連して熱流の
制御が大きな課題となっている。

【０００８】本発明は、上述のような内部（発熱）加熱
法や間接加熱法などの溶融再結晶化法の問題点を解決す
るためになされたもので、絶縁体基板上に半導体単結晶
層を、迅速かつ大面積に一括して形成できる簡易な製造
方法を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体単結
晶層の製造方法は、絶縁体基板上に半導体層を形成し、
この半導体層の表面に火焔を直接接触させて半導体層を
加熱して融解領域を形成し、この融解領域を火焔に対し
て相対的に移動させて、順次この融解領域の冷却を行
い、半導体層を単結晶化するものである（これを本発明
の第１の態様とする）。

【００１０】本発明の第２の態様では、前記第１の態様
において火焔を融解領域の上流側から斜めに吹き付け
て、半導体層を加熱するものである。本発明の第３の態
様では、前記第２の態様において融解領域の上流側で未
融解の半導体層を予熱するようにしている。本発明の第
４の態様では、前記第１〜第３のいずれかの態様におい
て融解領域の下流側で半導体層に対して熱シールドを行
うものである。本発明の第５の態様では、前記第１〜第
４のいずれかの態様において火焔の接触面とは反対側の
絶縁体基板面の加熱を行うものである。

【００１１】

【作用】本発明の第１の態様においては、半導体層の溶
融加熱に火焔を使用するから、火力の増減、ノズル形
状、火焔の照射方向等の工夫によって、上下流方向（前
記の表面の他方向）及び横幅方向（表面の一方向）に適
切な温度分布を持つ温度条件が得られるような加熱が行
われる。この加熱条件は、全域での一様な単結晶化に寄
与する。火焔はガス焔であることが望ましく、このよう
な火焔加熱の溶融再結晶化法は接触（又は直接）加熱法
とも称することができる。したがって、この加熱法は前
述の内部（発熱）加熱法や間接加熱法とは加熱モードを
異にするものとなる。なお、再結晶化前の半導体層は非
晶質であっても多結晶質であっても構わない。

【００１２】次に第２，第３の態様においては、火焔を
上流方向から斜めに吹き付けるから、加熱、溶融、凝固
の過程で単結晶領域が形成される場合に、火焔との間で
相対的に移動する半導体層の面に特定の熱的分布（熱勾
配）の形成を可能とする。特に、上流方向からの斜め照
射によれば、半導体層の移動方向に沿って、上流から下
流に向かって適切な勾配を有する昇熱領域、融解領域、
適切な勾配の冷却領域が形成される。この場合、この熱
分布を、少なくとも火焔の照射角度の工夫により単結晶
形成に必要な分布形状にすることができ、さらに半導体
層の下部領域と上部の単結晶領域との整合性を良くする
ことができるので、単結晶領域の作成に適した温度条件
の設定が得られる。また、火焔を斜めから吹き付けるこ
とで、火焔との接触部より上流の試料を、非接触かつ近
接する火焔により予熱することもできる。

【００１３】さらに、第４の態様においては、融解領域
の下流側で熱シールドを行うから、火焔の先頭部分によ
る単結晶領域への熱的悪影響が防止される。特に火焔を
斜め照射する場合には、その先頭部における火焔の効果
である温度の均一性を維持することが難しい場合があ
る。例えば気流の分布のような装置内部における種々の
影響や、火焔照射圧力の衰退による制御性の低下によ
り、火焔の先頭部まで熱的制御が行き届かない場合があ
る。このような場合には、熱シールドにより火焔先頭部
による熱分布を均一化もしくは冷却速度の調整、又は保
温ができ、結晶方位の安定化が得られ、欠陥密度が低減
される。

【００１４】そして、第５の態様においては、火焔の接
触面とは反対側の基板面を加熱するので、火焔による急
激な加熱によって試料が損傷するのを防止することがで
きる。特に、このような付加的な加熱により試料を予熱
すると基板の損傷は激減する。

【００１５】

【実施例】本実施例は実験室的な手法によって行われた
ものであるから、以下の説明においては、これまで述べ
てきた絶縁体基板（基板上に形成した絶縁体層であって
もよい）上の半導体層を、適宜に基板を含めて「試料」
と称する。なお、単結晶化前のものは単に試料とし、単
結晶化後のものを成長試料とする。以下、試料の半導体
層を、本発明による製造方法によって単結晶層化した一
実施例について、図面を参照しながら説明する。

【００１６】（１）試料の準備図３は本実施例用に準備した試料の模式断面図である。
図にみられるように、石英基板１２上に電子ビーム蒸着
により非晶質のＳｉ薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜とも記す）１３
の半導体層を形成して、試料１０を作成した。この場
合、試料は幅約３ｃｍの帯状平板の石英基板１２の片側
全面にＳｉ薄膜１３を堆積したものである。なお、この
半導体層は多結晶質であっても構わないし、ＣＶＤのよ
うな他の公知手段で成膜してもよい。

【００１７】上述のＳｉ薄膜１３上に、後の本工程での
溶融時のＳｉ表面を保護するための保護膜を形成した。
保護膜は、ＳｉＯ₂膜を第１保護膜１４とし、Ｓｉ₃Ｎ
₄膜を第２保護膜１５とする２層保護膜が使用可能であ
る。第１保護膜１４のＳｉＯ₂膜は、（ａ）公知技術の
ＳＯＧ（Spin On Glass)で塗布した後、熱処理する、
（ｂ）ＣＶＤ法による成膜、（ｃ）Ｓｉ膜を適当な方法
で形成した後Ｓｉ膜上に熱酸化による薄いＳｉＯ₂膜を
成長させ、その後にＳＯＧ、ＣＶＤＳｉＯ₂膜等を堆
積する、等の方法で作成する。本実施例では（ｃ）の薄
い熱酸化膜上にＳＯＧを積層した例について示すが、他
の方法で成膜した試料であっても、同様な結果が得られ
た。第２保護膜１５のＳｉ₃Ｎ₄膜は、第１保護膜１４
上にスパッタ法により形成した。しかし、この成膜もＣ
ＶＤ法等を使用可能であり、これに限定されない。

【００１８】このような保護膜を設けることの目的は、
加熱中の溶融Ｓｉ層の表面張力を調整し、表面荒れを防
止することと、処理中のＳｉへの不純物の混入を防止す
るためである。しかしながら、保護膜は、必ずしも上記
のように２層構造にする必要はなく、後に示す実施例の
結果によれば、ＳｉＯ₂膜だけの１層保護膜でも良好な
結果が得られている。図４に１層保護膜で構成した試料
１６を示す。

【００１９】（２）結晶試料の形成方法２．１製造装置図１は本発明による製造方法に用いた装置の一実施例を
示す模式外観図であり、図２はその主要部の断面図であ
る。両図において、本装置は、ガスバーナ１を主体とし
火焔１１を供給する加熱手段と、試料１６を載置して処
理する試料保持台２ａ、試料保持台２ａを載せる台２、
試料１６をその移動方向に案内する軌道レール３、試料
１６の送り機構として設けた牽引手段４及び図示しない
試料徐冷手段を備えた試料処理手段からなるものであ
る。この場合、試料保持台２ａを載せる台２の上面部
は、火焔１１の照射方向に対して傾斜するように設定さ
れる。なお、５は試料牽引用のワイヤーである。なお、
試料徐冷手段は、例えば、耐熱性の高いセラミックス部
材を試料の進行方向に沿って、試料近傍に敷設すること
で実現できる。

【００２０】そして、火焔１１により試料１６を加熱す
る領域の試料保持台２ａの表面側には、試料１６の裏面
を所定温度に加熱するヒータ６が設けられている。この
ヒータによる加熱により少なくとも試料の予熱が可能と
なり、試料の損傷を防止できる。また、予熱によって試
料の温度条件を調整することができる。さらに、ヒータ
加熱を付加することで、その温度条件を短時間で実現で
きる場合があり、単結晶形成速度の向上に寄与する。こ
のヒータ６は、試料１６の基板に石英以外のものを用い
る場合に特に有用である。このヒータ６により、ガスバ
ーナ１の火焔１１の照射位置を含む前後の比較的広い範
囲で試料裏面（石英基板１２）を均一温度に保つように
コントロールされる。本実施例の場合には、３００℃よ
り高めに設定される。なお、このヒータ６を分割してそ
れぞれ独立に温度制御したり、ヒータの近接部に金属片
を敷設して加熱の均一性を崩したりすることによって、
温度勾配をつけて試料裏面の加熱を行えば、半導体層の
面に適当な温度分布を作ることも容易になる。ただ、一
般的には試料徐冷手段とヒータは必要に応じて設置する
ようになっている。

【００２１】図１には図示を省略したが、図２にみられ
るように加熱位置の試料１６の下流側（試料が牽引され
る側を下流側と定義している）に試料に平行で、かつで
きるだけ近接して熱シールド板７が配設されている。熱
シールド板７はセラミックス製の板状体からなり、火焔
１１部を通過した試料１６に対して火焔１１を遮蔽する
ことにより、溶融状態のＳｉ薄膜１３に大きな温度勾配
を付与した後、引き続く試料１６の等速移動により加熱
部より遠ざけながら自然冷却するために設けられるもの
である。

【００２２】ガスバーナ１は、都市ガスやプロパンガス
などの燃料ガスに酸素を混合して使用する。このガスバ
ーナ１は、均一線状加熱を可能にするよう、バーナ・ノ
ズル（図示しない）はＷｆの火焔幅が得られるような細
長いスリットになっている。この火焔１１の幅（Ｗｆ）
は試料の幅（Ｗｓ）以上に設定されているため、試料幅
方向の加熱状態を殆ど均一に維持することができる。し
かも、バーナの性質いかんにより加熱幅を変えることが
できるので、形成される単結晶層／基板の幅は、基本的
には火炎加熱手段によって、いかに均一で長い線状加熱
が可能になるかによりきまる。

【００２３】本実施例では、Ｗｓは約３ｃｍ、Ｗｆは約
５ｃｍである。また、火焔１１は水平よりやや下向き、
時にはやや上向きにする。例えば都市ガスの場合、先端
部所定位置の火焔１１の接触加熱によるＳｉ薄膜１３の
温度変化は図５に示す通りである。図５の線図におい
て、横軸は時間、縦軸は半導体層の温度を示している。
この場合は、試料１６は１ｍｍ／秒の移動速度で下方か
ら上方へ移動し、図４の温度変化で加熱されることにな
る。ここで、最高温度は半導体層の溶融温度以上でなけ
ればならないので、ａ−Ｓｉの溶融温度を考慮して、１
４２０℃程度に設定する必要がある。

【００２４】なお、試料１６は、正確に速度制御される
ワイヤー巻取型牽引装置（図示せず）による牽引手段４
にワイヤー５を介して接続されている。従って、設定し
た巻取速度に応じた速度で試料保持台２ａは台２上を移
動する。そして、軌道レール３に挾まれた領域を斜め上
方に移動し、その移動方向は適正に規定される。移動速
度は、現在の装置では、０．４〜１０ｍｍ／秒に可変で
きるようになっている。

【００２５】また、火焔１１は試料面に対して上流側か
ら下流側に斜めに照射するように位置決めされている。
実施例では台２が傾斜しガスバーナ１がほぼ水平に位置
決めされ、斜め照射の場合を示しているが、台２を水平
にしてガスバーナ１を斜めに位置決めしても構わない。
このような斜め照射を行うと、照射位置において試料
（Ｓｉ薄膜１３）の融解が行われ、ここから逃げる火焔
や熱によって溶融再結晶化領域を焼鈍する働きをする。
ただし、過度の焼鈍は再結晶化の作用に影響するので、
下流側にシールド板７を配設することにより、火焔照射
位置から逃げる火焔や熱を試料から遮断して、特に均一
な自然冷却が可能な温度勾配を必要とする下流側で、不
必要な加熱を防止するようになっている。

【００２６】２．２成長試料の形成方法まず、図１，図２に示すように、試料１６を試料保持台
２ａに載置しその端部をワイヤー５に接続した後、ヒー
タ６を通電して試料１６を３００℃より若干高めに成る
ように予熱する。次いで、牽引手段４を作動して所定の
試料の移動速度（約１ｍｍ／秒）で傾斜面に沿って試料
１６を引き上げる。試料１６を引き上げながらバーナを
点火して所定のガス操作条件で火焔１１を噴射し試料１
６のＳｉ薄膜１３を第１保護膜１４を介して加熱する。

【００２７】上記のような加熱によって、試料１６の上
面の幅方向のある特定点（線）における温度変化のプロ
フィールは図２に例示するようになるが、この場合は約
８秒で１４２０℃に到達してこの部分のＳｉ薄膜１３は
試料幅Ｗｓ方向の狭い帯状に溶融した後、引き続いて引
き上げられながら時間とともに指数関数的に温度が低下
し、ａ−Ｓｉは順に所定の温度勾配によって冷却され
る。そのため、連続して単結晶化が進行することにより
比較的大きな面積の成長試料が形成される。すなわち、
Ｓｉ薄膜１３が溶融した時点から約１００秒後にはこの
部分は１００℃程度になり、このような連続した流れに
よってＳｉ薄膜１３の順次単結晶化が進行し、石英基板
１２上の全面に単結晶層が形成されるようになる。

【００２８】試料は、図５に示したような温度変化を有
する移動過程において、適当な温度勾配による昇熱、溶
融及び冷却の過程を経て形成過程を通過する。この場
合、冷却過程は自然冷却であっても構わないが、通常は
徐冷の方が好ましいので、図２にみられるように、前述
の熱シールド板７の設置による熱シールドを実施し、保
温若しくは熱遮蔽による冷却速度の制御を行うようにし
ている。

【００２９】２．３結晶試料の評価実施例の形成方法によって得られた結晶試料の第１保護
膜１４を除去して露出された石英基板１２上のＳｉ結晶
層について、その単結晶性についての評価を異方性エッ
チングによって行った。図６は異方性エッチングによっ
て得た成長試料の表面の顕微鏡写真の模写図である。写
真の倍率は６００倍である。図において、２０はエッチ
ピットであり、２１は干渉縞である。

【００３０】エッチングはＫＯＨ系の異方性エッチング
で行ったが、正方形のエッチピット２０が縦横５０μｍ
の間隔で規則正しく分布して存在しているのが観察され
る。これは（１００）面の単結晶層が一面に形成されて
いることを示している。そして、図示しない低倍率の写
真からも勘案すると、幅が凡そ１００μｍ、長さが凡そ
１ｍｍの大きさの単結晶領域の形成が認められた。以上
により、シード（種結晶）なしで非晶質のＳｉが単結晶
に成長したことが確認された。これは、溶融Ｓｉが基板
と保護膜に挾まれているために、固化する際の境界条件
が自然に設定されることによるのではないかと考えられ
ている。

【００３１】なお、加熱溶融時の温度が高めであると、
結晶化したＳｉの表面が波打つといわれているが、図６
に示したようなノマルスキー微分干渉顕微鏡による写真
にもそのような波打ちによると思われる干渉縞２１が見
られる。これは、温度制御を行うことと、保護膜を、図
３のように、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の２層構造にするこ
とによって解決されることが判った。

【００３２】さらに、本発明の第２の態様及び実施例に
おいては、火焔を斜めから吹き付ける技術的思想のみを
記述しているが、斜めでない方向から吹き付けることも
本発明の要旨とする。すなわち、例えば、試料面に対し
て略垂直に火焔を吹き付けるとともに、その火焔の一部
をシールド手段で遮蔽すれば、単結晶層の形成可能な条
件を実現することができる。また、これにヒータや試料
徐冷手段とを組み合わせることで、その条件を好適化す
ることもできる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、絶縁体層
の上に半導体層を形成し、この半導体層を温度勾配を有
する温度条件になるような火焔により加熱して融解しな
がら、この融解領域を相対的に移動させることにって冷
却を行い半導体層を結晶化し、単結晶層を形成するか
ら、次に列挙するような効果が得られる。（イ）基板上の非晶質の半導体層や多結晶半導体層を、
種結晶なしでも単結晶化し単結晶層に成長させることが
できる。（ロ）この場合、広い幅にわたって、比較的速いスピー
ドで単結晶化が可能である。例えば、都市ガスの火焔加
熱で数ｍｍ／秒の形成速度が達成されている。（ハ）上述のイ．ロ項を勘案すれば、結晶化処理自体に
必要な加熱溶融装置は簡単かつ低価格であることから判
断して、製造コストは極めて安価となることが明らかで
ある。（ニ）製造されたＳＯＩは、現在のＳｉウェーハを用い
るＩＣ製造設備のラインにそのままのせることが可能で
ある。したがって、高速・高性能の半導体デバイスへの
適用が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による製造方法に用いた装置の一実施例
を示す模式外観図である。

【図２】図１の要部断面図である。

【図３】本発明の実施例用に準備した試料の模式断面図
である。

【図４】本発明の実施例に使用した試料の断面図であ
る。

【図５】本発明の試料の特定の移動速度における加熱時
間とその温度の変化を示す線図である。

【図６】本発明の実施例で得られた成長試料の異方性エ
ッチング後の顕微鏡写真の模写図である。

【符号の説明】

１ガスバーナ２台２ａ試料保持台３軌道レール４牽引手段５ワイヤー６ヒータ７熱シールド板１０，１６試料１１火焔１２石英基板１３Ｓｉ薄膜１４第１保護膜１５第２保護膜２０エッチピット２１干渉縞

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【手続補正書】

【提出日】平成４年８月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】半導体単結晶層の製造方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁物上に単結晶の半導体層を形
成するＳＯＩ技術が、半導体デバイスの高速化、高密度
化及び３次元化に資するものとして注目され、その開
発．研究が盛んである。そして、この技術に関しては、
例えば、応用物理；第５４巻、第１２号、（１９８
５）、ｐ１２７４−ｐ１２８２：「ＳＯＩ技術」西村正
・赤坂洋一著、に整理された解説が開示されている。

【０００６】

【０００９】

【００１１】本発明の第６の態様では、絶縁体基板上に
半導体層及び保護層を形成し、この保護層の表面に火焔
を直接接触させて半導体層を加熱して融解領域を形成
し、この融解領域を火焔に対して相対的に移動して、順
次融解領域の冷却を行い、半導体層を単結晶化して、半
導体単結晶領域を形成するものである。

【００１２】本発明の第７の態様では、前記第６の態様
において、保護層を酸化珪素膜としたものである。ま
た、本発明の第８の態様では、前記第６の態様におい
て、保護層を、半導体層上に形成された酸化珪素膜及び
この酸化珪素膜上に形成された窒化珪素膜の２層膜とし
たものである

【００１３】

【００１４】次に第２，第３の態様においては、火焔を
上流方向から斜めに吹き付けるから、加熱、溶融、凝固
の過程で単結晶領域が形成される場合に、火焔との間で
相対的に移動する半導体層の面に特定の熱的分布（熱勾
配）の形成を可能とする。特に、上流方向からの斜め照
射によれば、半導体層の移動方向に沿って、上流から下
流に向かって適切な勾配を有する昇熱領域、融解領域、
適切な勾配の冷却領域が形成される。この場合、この熱
分布を、少なくとも火焔の照射角度の工夫により単結晶
形成に必要な分布形状にすることができ、さらに半導体
層の下部領域と上部の単結晶領域との整合性を良くする
ことができるので、単結晶領域の作成に適した温度条件
の設定が得られる。また、火焔を斜めから吹き付けるこ
とで、火焔との接触部より上流の試料を、非接触かつ近
接する火焔により予熱することもできる。

【００１５】さらに、第４の態様においては、融解領域
の下流側で熱シールドを行うから、火焔の先頭部分によ
る単結晶領域への熱的悪影響が防止される。特に火焔を
斜め照射する場合には、その先頭部における火焔の効果
である温度の均一性を維持することが難しい場合があ
る。例えば気流の分布のような装置内部における種々の
影響や、火焔照射圧力の衰退による制御性の低下によ
り、火焔の先頭部まで熱的制御が行き届かない場合があ
る。このような場合には、熱シールドにより火焔先頭部
による熱分布を均一化もしくは冷却速度の調整、又は保
温ができ、結晶方位の安定化が得られ、欠陥密度が低減
される。

【００１６】そして、第５の態様においては、火焔の接
触面とは反対側の基板面を加熱するので、火焔による急
激な加熱によって試料が損傷するのを防止することがで
きる。特に、このような付加的な加熱により試料を予熱
すると基板の損傷は激減する。

【００１７】また、第６〜第８の態様においては、半導
体層の上に、同一半導体の酸化物の単層膜又はこの酸化
物と窒化物との２層膜を保護膜として形成しておく。こ
れにより、融点の高いこれらの保護膜は溶融せず、その
下側の溶融層の表面張力を調整し、不純物の混入を防止
でき、均一に冷却させる。それ故、より広い単結晶化領
域の形成を促進する。特に２層膜の場合この作用が強く
なる。

【００１８】

【００１９】（１）試料の準備図３は本実施例用に準備した試料の模式断面図である。
図にみられるように、石英基板１２上に電子ビーム蒸着
により非晶質のＳｉ薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜とも記す）１３
の半導体層を形成して、試料１０を作成した。この場
合、試料は幅約３ｃｍの帯状平板の石英基板１２の片側
全面にＳｉ薄膜１３を堆積したものである。なお、この
半導体層は多結晶質であっても構わないし、ＣＶＤのよ
うな他の公知手段で成膜してもよい。

【００２０】上述のＳｉ薄膜１３上に、後の本工程での
溶融時のＳｉ表面を保護するための保護膜を形成した。
保護膜は、ＳｉＯ₂膜を第１保護膜１４とし、Ｓｉ₃Ｎ
₄膜を第２保護膜１５とする２層保護膜が使用可能であ
る。第１保護膜１４のＳｉＯ₂膜は、（ａ）公知技術の
ＳＯＧ（Spin On Glass)で塗布した後、熱処理する、
（ｂ）ＣＶＤ法による成膜、（ｃ）Ｓｉ膜を適当な方法
で形成した後Ｓｉ膜上に熱酸化による薄いＳｉＯ₂膜を
成長させ、その後にＳＯＧ、ＣＶＤＳｉＯ₂膜等を堆
積する、等の方法で作成する。本実施例では（ｃ）の薄
い熱酸化膜上にＳＯＧを積層した例について示すが、他
の方法で成膜した試料であっても、同様な結果が得られ
た。第２保護膜１５のＳｉ₃Ｎ₄膜は、第１保護膜１４
上にスパッタ法により形成した。しかし、この成膜もＣ
ＶＤ法等を使用可能であり、これに限定されない。

【００２１】このような保護膜を設けることの目的は、
加熱中の溶融Ｓｉ層の表面張力を調整し、表面荒れを防
止することと、処理中のＳｉへの不純物の混入を防止す
るためである。しかしながら、保護膜は、必ずしも上記
のように２層構造にする必要はなく、後に示す実施例の
結果によれば、ＳｉＯ₂膜だけの１層保護膜でも良好な
結果が得られている。図４に１層保護膜で構成した試料
１６を示す。

【００２２】（２）結晶試料の形成方法２．１製造装置図１は本発明による製造方法に用いた装置の一実施例を
示す模式外観図であり、図２はその主要部の断面図であ
る。両図において、本装置は、ガスバーナ１を主体とし
火焔１１を供給する加熱手段と、試料１６を載置して処
理する試料保持台２ａ、試料保持台２ａを載せる台２、
試料１６をその移動方向に案内する軌道レール３、試料
１６の送り機構として設けた牽引手段４及び図示しない
試料徐冷手段を備えた試料処理手段からなるものであ
る。この場合、試料保持台２ａを載せる台２の上面部
は、火焔１１の照射方向に対して傾斜するように設定さ
れる。なお、５は試料牽引用のワイヤーである。なお、
試料徐冷手段は、例えば、耐熱性の高いセラミックス部
材を試料の進行方向に沿って、試料近傍に敷設すること
で実現できる。

【００２３】そして、火焔１１により試料１６を加熱す
る領域の試料保持台２ａの表面側には、試料１６の裏面
を所定温度に加熱するヒータ６が設けられている。この
ヒータによる加熱により少なくとも試料の予熱が可能と
なり、試料の損傷を防止できる。また、予熱によって試
料の温度条件を調整することができる。さらに、ヒータ
加熱を付加することで、その温度条件を短時間で実現で
きる場合があり、単結晶形成速度の向上に寄与する。こ
のヒータ６は、試料１６の基板に石英以外のものを用い
る場合に特に有用である。このヒータ６により、ガスバ
ーナ１の火焔１１の照射位置を含む前後の比較的広い範
囲で試料裏面（石英基板１２）を均一温度に保つように
コントロールされる。本実施例の場合には、３００℃よ
り高めに設定される。なお、このヒータ６を分割してそ
れぞれ独立に温度制御したり、ヒータの近接部に金属片
を敷設して加熱の均一性を崩したりすることによって、
温度勾配をつけて試料裏面の加熱を行えば、半導体層の
面に適当な温度分布を作ることも容易になる。ただ、一
般的には試料徐冷手段とヒータは必要に応じて設置する
ようになっている。

【００２４】図１には図示を省略したが、図２にみられ
るように加熱位置の試料１６の下流側（試料が牽引され
る側を下流側と定義している）に試料に平行で、かつで
きるだけ近接して熱シールド板７が配設されている。熱
シールド板７はセラミックス製の板状体からなり、火焔
１１部を通過した試料１６に対して火焔１１を遮蔽する
ことにより、溶融状態のＳｉ薄膜１３に大きな温度勾配
を付与した後、引き続く試料１６の等速移動により加熱
部より遠ざけながら自然冷却するために設けられるもの
である。

【００２５】ガスバーナ１は、都市ガスやプロパンガス
などの燃料ガスに酸素を混合して使用する。このガスバ
ーナ１は、均一線状加熱を可能にするよう、バーナ・ノ
ズル（図示しない）はＷｆの火焔幅が得られるような細
長いスリットになっている。この火焔１１の幅（Ｗｆ）
は試料の幅（Ｗｓ）以上に設定されているため、試料幅
方向の加熱状態を殆ど均一に維持することができる。し
かも、バーナの性質いかんにより加熱幅を変えることが
できるので、形成される単結晶層／基板の幅は、基本的
には火焔加熱手段によって、いかに均一で長い線状加熱
が可能になるかによりきまる。

【００２６】本実施例では、Ｗｓは約３ｃｍ、Ｗｆは約
５ｃｍである。また、火焔１１は水平よりやや下向き、
時にはやや上向きにする。例えば都市ガスの場合、先端
部所定位置の火焔１１の接触加熱によるＳｉ薄膜１３の
温度変化は図５に示す通りである。図５の線図におい
て、横軸は時間、縦軸は半導体層の温度を示している。
この場合は、試料１６は１ｍｍ／秒の移動速度で下方か
ら上方へ移動し、図４の温度変化で加熱されることにな
る。ここで、最高温度は半導体層の溶融温度以上でなけ
ればならないので、ａ−Ｓｉの溶融温度を考慮して、１
４２０℃程度に設定する必要がある。

【００２７】なお、試料１６は、正確に速度制御される
ワイヤー巻取型牽引装置（図示せず）による牽引手段４
にワイヤー５を介して接続されている。従って、設定し
た巻取速度に応じた速度で試料保持台２ａは台２上を移
動する。そして、軌道レール３に挾まれた領域を斜め上
方に移動し、その移動方向は適正に規定される。移動速
度は、現在の装置では、０．４〜１０ｍｍ／秒に可変で
きるようになっている。

【００２８】また、火焔１１は試料面に対して上流側か
ら下流側に斜めに照射するように位置決めされている。
実施例では台２が傾斜しガスバーナ１がほぼ水平に位置
決めされ、斜め照射の場合を示しているが、台２を水平
にしてガスバーナ１を斜めに位置決めしても構わない。
このような斜め照射を行うと、照射位置において試料
（Ｓｉ薄膜１３）の融解が行われ、ここから逃げる火焔
や熱によって溶融再結晶化領域を焼鈍する働きをする。
ただし、過度の焼鈍は再結晶化の作用に影響するので、
下流側にシールド板７を配設することにより、火焔照射
位置から逃げる火焔や熱を試料から遮断して、特に均一
な自然冷却が可能な温度勾配を必要とする下流側で、不
必要な加熱を防止するようになっている。

【００２９】２．２成長試料の形成方法まず、図１，図２に示すように、試料１６を試料保持台
２ａに載置しその端部をワイヤー５に接続した後、ヒー
タ６を通電して試料１６を３００℃より若干高めに成る
ように予熱する。次いで、牽引手段４を作動して所定の
試料の移動速度（約１ｍｍ／秒）で傾斜面に沿って試料
１６を引き上げる。試料１６を引き上げながらバーナを
点火して所定のガス操作条件で火焔１１を噴射し試料１
６のＳｉ薄膜１３を第１保護膜１４を介して加熱する。

【００３０】上記のような加熱によって、試料１６の上
面の幅方向のある特定点（線）における温度変化のプロ
フィールは図２に例示するようになるが、この場合は約
８秒で１４２０℃に到達してこの部分のＳｉ薄膜１３は
試料幅Ｗｓ方向の狭い帯状に溶融した後、引き続いて引
き上げられながら時間とともに指数関数的に温度が低下
し、ａ−Ｓｉは順に所定の温度勾配によって冷却され
る。そのため、連続して単結晶化が進行することにより
比較的大きな面積の成長試料が形成される。すなわち、
Ｓｉ薄膜１３が溶融した時点から約１００秒後にはこの
部分は１００℃程度になり、このような連続した流れに
よってＳｉ薄膜１３の順次単結晶化が進行し、石英基板
１２上の全面に単結晶層が形成されるようになる。

【００３１】試料は、図５に示したような温度変化を有
する移動過程において、適当な温度勾配による昇熱、溶
融及び冷却の過程を経て形成過程を通過する。この場
合、冷却過程は自然冷却であっても構わないが、通常は
徐冷の方が好ましいので、図２にみられるように、前述
の熱シールド板７の設置による熱シールドを実施し、保
温若しくは熱遮蔽による冷却速度の制御を行うようにし
ている。

【００３２】２．３結晶試料の評価実施例の形成方法によって得られた結晶試料の第１保護
膜１４を除去して露出された石英基板１２上のＳｉ結晶
層について、その単結晶性についての評価を異方性エッ
チングによって行った。図６は異方性エッチングによっ
て得た成長試料の表面の顕微鏡写真の模写図である。写
真の倍率は６００倍である。図において、２０はエッチ
ピットであり、２１は干渉縞である。

【００３３】エッチングはＫＯＨ系の異方性エッチング
で行ったが、正方形のエッチピット２０が縦横５０μｍ
の間隔で規則正しく分布して存在しているのが観察され
る。これは（１００）面の単結晶層が一面に形成されて
いることを示している。そして、図示しない低倍率の写
真からも勘案すると、幅が凡そ１００μｍ、長さが凡そ
１ｍｍの大きさの単結晶領域の形成が認められた。以上
により、シード（種結晶）なしで非晶質のＳｉが単結晶
に成長したことが確認された。これは、溶融Ｓｉが基板
と保護膜に挾まれているために、固化する際の境界条件
が自然に設定されることによるのではないかと考えられ
ている。

【００３４】なお、加熱溶融時の温度が高めであると、
結晶化したＳｉの表面が波打つといわれているが、図６
に示したようなノマルスキー微分干渉顕微鏡による写真
にもそのような波打ちによると思われる干渉縞２１が見
られる。これは、温度制御を行うことと、保護膜を、図
３のように、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の２層構造にするこ
とによって解決されることが判った。

【００３５】さらに、本発明の第２の態様及び実施例に
おいては、火焔を斜めから吹き付ける技術的思想のみを
記述しているが、斜めでない方向から吹き付けることも
本発明の要旨とする。すなわち、例えば、試料面に対し
て略垂直に火焔を吹き付けるとともに、その火焔の一部
をシールド手段で遮蔽すれば、単結晶層の形成可能な条
件を実現することができる。また、これにヒータや試料
徐冷手段とを組み合わせることで、その条件を好適化す
ることもできる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、絶縁体層
の上に半導体層を形成し、この半導体層を温度勾配を有
する温度条件になるような火焔により加熱して融解しな
がら、この融解領域を相対的に移動させることにって冷
却を行い半導体層を結晶化し、単結晶層を形成するか
ら、次に列挙するような効果が得られる。（イ）基板上の非晶質の半導体層や多結晶半導体層を、
種結晶なしでも単結晶化し単結晶層に成長させることが
できる。（ロ）この場合、広い幅にわたって、比較的速いスピー
ドで単結晶化が可能である。例えば、都市ガスの火焔加
熱で数ｍｍ／秒の形成速度が達成されている。（ハ）上述のイ．ロ項を勘案すれば、結晶化処理自体に
必要な加熱溶融装置は簡単かつ低価格であることから判
断して、製造コストは極めて安価となることが明らかで
ある。（ニ）半導体層の上に保護膜を形成しておくから、より
大きな単結晶領域の形成が可能となった。（ホ）製造されたＳＯＩは、現在のＳｉウェーハを用い
るＩＣ製造設備のラインにそのままのせることが可能で
ある。したがって、高速・高性能の半導体デバイスへの
適用が可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図２】図１の要部断面図である。

【図４】本発明の実施例に使用した試料の断面図であ
る。

【符号の説明】１ガスバーナ２台２ａ試料保持台３軌道レール４牽引手段５ワイヤー６ヒータ７熱シールド板１０，１６試料１１火焔１２石英基板１３Ｓｉ薄膜１４第１保護膜１５第２保護膜２０エッチピット２１干渉縞

【手続補正書】

【提出日】平成４年８月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】

【実施例】以下の説明においては、これまで述べてきた
絶縁体基板（基板上に形成した絶縁体層であってもよ
い）上の半導体層を、適宜に基板を含めて「試料」と称
する。なお、単結晶化前のものは単に試料とし、単結晶
化後のものを成長試料とする。以下、試料の半導体層
を、本発明による製造方法によって単結晶層化した一実
施例について、図面を参照しながら説明する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】（１）試料の準備先ず、石英基板１２上に電子ビーム蒸着により非晶質の
Ｓｉ薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜とも記す）１３の半導体層を形
成して、試料１０を作成した。この場合、試料は幅約３
ｃｍの帯状平板の石英基板１２の片側全面にＳｉ薄膜１
３を堆積したものである。なお、この半導体層は多結晶
質であっても構わないし、ＣＶＤのような他の公知手段
で成膜してもよい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】次に、上述のＳｉ薄膜１３上に、後の本工
程での溶融時のＳｉ表面を保護するための保護膜を形成
し、別の態様の試料を作成した。図３は、この別の態様
の試料の模式断面図である。保護膜は、ＳｉＯ₂膜を第
１保護膜１４とし、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を第２保護膜１５とす
る２層保護膜が使用可能である。第１保護膜１４のＳｉ
Ｏ₂膜は、（ａ）公知技術のＳＯＧ（Spin On Glass)
で塗布した後、熱処理する、（ｂ）ＣＶＤ法による成
膜、（ｃ）Ｓｉ膜を適当な方法で形成した後Ｓｉ膜上に
熱酸化による薄いＳｉＯ₂膜を成長させ、その後にＳＯ
Ｇ、ＣＶＤでＳｉＯ₂膜等を堆積する、等の方法で作成
する。本実施例では（ｃ）の薄い熱酸化膜上にＳＯＧを
積層した例について示すが、他の方法で成膜した試料で
あっても、同様な結果が得られた。第２保護膜１５のＳ
ｉ₃Ｎ₄膜は、第１保護膜１４上にスパッタ法により形
成した。しかし、この成膜もＣＶＤ法等を使用可能であ
り、これに限定されない。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】このような保護膜を設けることの目的は、
加熱から冷却、凝固にわたる溶融Ｓｉ層の表面張力を調
整し、表面荒れを防止することと、処理中のＳｉへの不
純物の混入を防止するためである。しかしながら、保護
膜は、必ずしも上記のように２層構造にする必要はな
く、後に示す実施例の結果によれば、ＳｉＯ₂膜だけの
１層保護膜でも良好な結果が得られている。図４に１層
保護膜で構成した試料１６を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北川章夫石川県金沢市旭町３−７−17 メゾンＮＡＯ (72)発明者竹内雅樹石川県小松市八幡町37 (72)発明者二木貞樹石川県石川郡美川町中町イ67−３ (72)発明者金井俊吾富山県富山市水橋市江新町130−４ (72)発明者坪田和憲福井県福井市高木北４丁目405−２ (72)発明者柿本芳雄石川県金沢市平和町２−６−23 県住23− 205

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁体基板上に半導体層を形成し、この半導体層の表面に火焔を直接接触させて前記半導体
層を加熱して融解領域を形成し、この融解領域を前記火焔に対して相対的に移動させて、
順次この融解領域の冷却を行い、前記半導体層を単結晶化することを特徴とする半導体単
結晶層の製造方法。
【請求項２】前記火焔の前記半導体層の表面に対する
接触は前記融解領域の上流側から斜めに吹き付けること
を特徴とする請求項１記載の半導体単結晶層の製造方
法。
【請求項３】前記融解領域の上流側で、未融解の前記
半導体層を予熱することを特徴とする請求項２記載の半
導体単結晶層の製造方法。
【請求項４】前記融解領域の下流側で、前記半導体層
に対して熱シールドすることを特徴とする請求項１乃至
３のいずれかに記載の半導体単結晶層の製造方法。
【請求項５】前記火焔の接触面と反対側の前記絶縁体
基板面を加熱することを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれかに記載の半導体単結晶層の製造方法。