JPH0652711B2 - 半導体装置 - 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、特にシリコン・オン・インシュ
レータ構造を実現する際の基体として用いられる半導体
装置に関する。

［従来の技術］ 半導体装置の高速化，高密度化を実現するために、回路
素子を誘電体で電気的に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３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単結晶層を
形成し、この半導体単結晶層中に回路素子を構成する方
法がある。この半導体単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
の表面にレーザ光，電子線などのエネルギー線を照射す
ることによって表面層の半導体層のみを加熱し溶融，再
結晶化させることにより単結晶の半導体結晶層を形成す
る方法がある。

第４Ａ図ないし第４Ｃ図は従来の、絶縁体上へ単結晶半
導体膜を形成するための基体となる半導体装置の構成お
よび単結晶半導体膜の製造方法を示す図であり、第４Ａ
図は従来の半導体装置の平面配置を示し、第４Ｂ図は第
４Ａ図の線Ｉ−Ｉ′線に沿った断面構造を示し、第４Ｃ
図は第４Ａ図のII−II′線に沿った断面構造を示す図で
ある。第４Ａ図ないし第４Ｃ図において、基体となる半
導体装置は、（００１）面を主面とする単結晶シリコン
基板１１と、基体１１主面上に形成される二酸化シリコ
ン膜からなる絶縁膜１２と、絶縁膜１２上に形成され
て、エネルギー線の照射により溶融，再結晶化する多結
晶または非晶質のシリコン膜１３とから構成される。酸
化膜１２はその一部に長手状開口部１４を有し、この開
口部１４において単結晶シリコン基板１１は比較的厚い
酸化膜１２表面まで露出する。この長手状開口部１４は
単結晶シリコン基板１１の主面（００１）面上の＜１１
０＞方向に設けられる。さらに、酸化膜１２には幅６μ
ｍ、間隔１０μｍで周期的に段差が写真製版技術および
ドライエッチング法を用いて形成される。段差の幅の部
分の酸化膜１２の膜厚は１．３μｍ、間隔の部分の膜厚
は１．０μｍである。さらに、この段差は単結晶シリコ
ン基板１１の＜１１０＞方向（正確には＜１０＞方
向）にストライプ状に延び開口部１４上に達する。この
周期的な段差はレーザ光照射時に多結晶シリコン膜内に
周期的な横方向（レーザ走査方向に対し）の温度分布を
形成する。これにより、再結晶化時の結晶成長方向が制
御される。酸化膜１２上と長手状開口部１４上に形成さ
れる多結晶シリコン膜１３は、化学的気相成長法（以
下、ＣＶＤ法と称する）を用いて膜厚０．５μｍに形成
される。多結晶シリコン膜１３にはアルゴンレーザから
のレーザ光１５が照射され、それによりこの多結晶シリ
コン膜が溶融，再結晶化する。レーザ光１５のビーム径
は１００μｍであり、単結晶シリコン基板１１の＜１１
０＞方向（図中の矢印方向Ａ）に走査速度２５cm／秒で
走査される。次に第３Ａ図ないし第３Ｃ図を参照して絶
縁体膜（酸化膜）１２上へ半導体単結晶膜を製造する方
法について説明する。

長手状開口部１４上の多結晶シリコン膜１３をレーザ光
１５による照射によって溶融させ、その溶融を長手状開
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（再結晶化）の際に長手状開口部１４
の下地単結晶シリコン基板１１を種とするエピタキシャ
ル成長が生じて、多結晶シリコン１３が単結晶化する。
レーザ光１５を多結晶シリコン１３を照射しながら矢印
Ａ方向に走査するとレーザ光１５が照射された多結晶シ
リコン膜１３が溶融されて溶融部１６が形成される。こ
の溶融部１６からレーザ光１５の走査方向に沿って下地
単結晶基板１１を種結晶とするエピタキシャル成長が連
続して生じ、絶縁膜としての酸化膜１２上にまで単結晶
シリコン膜を成長させることができる。ここで、酸化膜
１２上に周期的に設けられた段差は、レーザ光１５照射
時に多結晶シリコンにおける温度分布を制御し、一方方
向の結晶成長のみが起こるように作用する。すなわち、
酸化膜１２は、シリコン単結晶１１に比べて熱伝導率が
小さいため、レーザ光１５照射時において酸化膜１２の
膜厚の厚い部分（幅部分）上の多結晶シリコン膜１３の
温度は酸化膜１２の薄い部分（間隔部分）上の多結晶シ
リコン１３よりも高く保たれる。したがって、多結晶シ
リコン膜１３の固化，再結晶化は温度の低い酸化膜１２
の薄い部分上の多結晶シリコン１３から温度の高い酸化
膜１２の厚い部分上の多結晶シリコン１３に向かって生
じる。酸化膜１２の段差は長手状開口部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から酸
化膜１２の膜厚の薄い部分上へ連続的に生じる。このよ
うなストライプ状の酸化膜１２の段差によって、多結晶
シリコン膜１３のレーザ走査方向Ａに対して横方向から
の雑多な結晶核を種とする結晶化を抑制することができ
るため、長手状開口部１４下の単結晶シリコン基板１１
を種としたエピタキシャル成長のみが酸化膜１２上の多
結晶シリコン膜１３まで及び、酸化膜１２上の多結晶シ
リコン膜１３は単結晶シリコン基板１１主面と同じ（０
０１）結晶面を持つ単結晶に成長する。１回の走査が終
了すると、レーザ光１５は走査方向に対して直角の方向
に５０μｍ移動され、再び図中矢印Ａ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上のすべ
ての領域の多結晶シリコン膜１３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膜上
にトランジスタなどの回路素子が作成される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上述のような従来の構造では、単結晶シリコン
基板１１上で、長手状開口部１４から酸化膜１２のスト
ライプ状の段差の長さ方向、すなわち、＜１１０＞方向
にレーザ光を走査しているので、多結晶シリコン膜１３
がエピタキシャル成長する方向は＜１１０＞方向とな
る。しかし、＜１１０＞方向へのこの結晶固有の結晶成
長速度が小さいため、レーザ光の走査速度が速いと単結
晶エピタキシャル成長速度がレーザ光の走査に追随する
ことができず、開口部１４端部から１００〜２００μｍ
程度の距離でエピタキシャル成長が止まってしまい、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
軸を有する結晶が成長して、大面積の単結晶半導体層が
得られないという問題点があった。

それゆえ、この発明は上述のような問題点を除去し、速
いエネルギー線走査速度に対しても絶縁体上に下地単結
晶シリコン基板と同一の結晶軸配向を有する大面積の単
結晶半導体層を形成することができる半導体装置を提供
することである。

［問題点を解決するための手段］ この発明にかかる半導体装置は、（００１）面を主面と
する半導体単結晶基板上に、少なくともその一部分に下
地単結晶に達する開口部を有しかつストライプ状の膜厚
分布を有する比較的厚い絶縁膜を形成し、この絶縁膜上
にエネルギー線照射により溶融，再結晶化されるべき多
結晶または非晶質半導体層を形成した構造において、ス
トライプ状の膜厚分布を有する絶縁膜のストライプの長
さ方向を単結晶基板主面上の［１１０］方向、［１
０］方向、［１０］方向、および［０］方向のう
ちの一方向から反時計方向に２０度以上６０度未満の範
囲内の角度をなす方向にしたものである。

［作用］ 多結晶または非晶質の半導体層は、溶融，再結晶化する
際、絶縁膜に形成されたストライプの長さ方向に沿って
結晶成長する。ダイヤモンド構造の半導体層において
［１１０］方向、［１０］方向、［１０］方向、お
よび［０］方向のうちの一方向から反時計方向に２
０度以上６０度以下の範囲内の角度をなす方向では結晶
成長速度が大きいので、速いエネルギー線走査速度にお
いても単結晶成長距離を長くすることができ、大面積の
単結晶領域を得ることができる。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。なお以下の説明において従来の技術の説明と重複
する部分については適宜その説明を省略する。

第１Ａ図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置の構成および再結晶化工程を示す図であり、第
１Ａ図はこの発明の実施例である半導体装置の平面図を
示し、第１Ｂ図は第１Ａ図における線Ｉ−Ｉ′線に沿っ
た断面構造およびレーザ光の走査方向を示し、第１Ｃ図
は第１Ａ図に示されるII−II′線に沿った断面構造を示
す図である。この発明の特徴として、周期的に段差が繰
返されるストライプ状の膜厚分布を有する絶縁膜である
酸化シリコン膜２２のストライプの長さ方向が＜５１０
＞方向、すなわち単結晶シリコン基板１１の主面上の＜
１１０＞方向に対し３３゜の角度をなすように設けられ
る。レーザ光１５は第１Ｂ図における矢印Ｂの方向、す
なわち＜５１０＞方向に走査される。それ以外の構成は
第３Ａ図ないし第３Ｃ図に示される従来の半導体装置の
構成と同一である。次に第１Ａ図ないし第１Ｃ図を参照
して多結晶（または非晶質）シリコン層の再結晶化工程
について説明する。

予め定められたパワーを有するたとえばアルゴンレーザ
からのレーザ光１５のビーム径を１００μｍに調節し
て、第１Ｂ図に示される矢印Ｂ、すなわち＜５１０＞方
向へ走査速度約２５cm／秒で走査しながら照射する。１
回の走査が終了するとレーザ光１５を走査方向に垂直に
５０μｍ移動させ、再び＜５１０＞方向へ走査する。次
に単結晶化の機構について説明する。

レーザ光１５のパワー、走査速度等の条件、絶縁膜であ
る酸化シリコン膜２２に形成されたストライプ状の段差
が多結晶シリコン層１３へ与える温度分布、固化，再結
晶化の機構等は従来の場合と同様である。しかし、レー
ザ光１５の走査方向および絶縁膜である酸化シリコン膜
２２のストライプ状の段差の長さが、結晶成長速度の大
きい＜５１０＞方向にパターニングされているため、単
結晶エピタキシャル成長（下地の単結晶シリコン基板１
１を種結晶とした多結晶シリコン膜１３の単結晶成長）
がレーザ光１５の速い走査に追随することができ、この
ため積層欠陥などの結晶欠陥がほとんどなく、かつその
結晶面方位が下地単結晶シリコン基板と同一の（００
１）面である良質かつ大面積の単結晶層を得ることがで
きる。

ここで、従来の半導体装置の構成において＜１１０＞方
向に走査した場合単結晶成長距離は約１００〜２００μ
ｍ程度であるのに対し、この発明の一実施例である半導
体装置の構成においては少なくとも８００μｍ〜１mmの
単結晶成長層を得ることができる。

第２Ａ図ないし第２Ｃ図はこの発明の他の実施例である
半導体装置の概略構成を示す図であり、第２Ａ図はこの
発明の他の実施例である半導体装置の平面配置を示す図
であり、第２Ｂ図は第２Ａ図に示される線Ｉ−Ｉ′線に
沿った断面構造を示し、第２Ｃ図は第２Ａ図に示される
II−II′線に沿った断面構造を示す図である。第１Ａ図
ないし第１Ｃ図に示される実施例においては、絶縁膜で
ある酸化シリコン膜２２の主面上にストライプ状の段差
を形成することにより所望の膜厚分布を形成するように
している。しかし、第２Ｃ図に最もよく示されるよう
に、単結晶シリコン基板１１主面上にその長さ方向が＜
５１０＞方向に延びるストライプ状の段差を形成した
後、たとえば熱酸化法を用いて酸化シリコン膜２２′を
形成し、その後エッチバック法などを用いて絶縁膜であ
る酸化シリコン膜２２′の表面を平坦化することにより
ストライプ状の膜厚分布を酸化シリコン膜２２′に与え
るようにしても同様の効果が得られる。

さらに、３次元回路素子のように多結晶シリコン素子１
３に所望の温度分布を与えるための絶縁膜である酸化膜
の下に予め回路構造が形成されていてもよく、たとえば
第３図に示されるように、単結晶シリコン基板（（００
１）面を主面とする）上にトランジスタなどの回路素子
を形成した後、厚い絶縁物層２３をＣＶＤ法等を用いて
形成し、この絶縁膜２３主面上にストライプ状の段差を
形成し、かつその長さ方向を＜５１０＞方向とし、この
絶縁層２３上に溶融，再結晶化されるべき多結晶シリコ
ン層を形成するようにしてもよい。ここで第３図におい
て、単結晶シリコン基板１１主面上には、ゲート電極３
１と、回路素子を相互接続するためのたとえば高融点金
属配線３２と、各回路素子を電気的に分離するための絶
縁膜３３，３４から構成される回路素子３０が形成され
る。回路素子３０上には、単結晶シリコン基板１１表面
に達する開口部１４を有し、かつその長さ方向が＜５１
０＞方向に設定されたストライプ状の段差を有する絶縁
物層２３が形成される。この絶縁物層２３上に溶融，再
結晶化されるべき多結晶シリコン層１３がたとえばＣＶ
Ｄ法等により形成される。

なお、上記実施例においては、ストライプ状の膜厚分布
のストライプの長さ方向を＜５１０＞方向として説明し
ているが、たとえば＜４１０＞方向や＜１００＞方向な
どでもよく、すなわち基板単結晶の（００１）面の主面
上の［１１０］方向、［１０］方向、［１０］方
向、および［０］方向に対し２０度以上６０度以下
の範囲内の角度をなす方向にストライプの長さ方向が設
けられるような構造であれば同様の効果を得ることがで
きる。ここで、ストライプの長さ方向がなす角度は反時
計方向に測定される。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば（００１）面またはその
等価な結晶面を主面とする単結晶半導体基板と、この単
結晶半導体基板上に形成され、少なくともその一部分に
基板表面が露出する長手状開口部を有し、かつストライ
プ状の膜厚分布を有する絶縁膜と、この絶縁膜上および
長手状開口部上に形成される多結晶または非晶質半導体
層とから構成される半導体装置において、前記絶縁膜の
ストライプ状の膜厚分布のストライプの長さ方向を＜１
１０＞方向またはその等価な方向に対し一定の角度、す
なわち２０゜ないし６０゜の範囲の角度を有するように
パターニングしたので、速いエネルギー線走査速度に対
しても下地単結晶を種とするエピタキシャル結晶成長距
離を大幅に増大することができ、結晶欠陥のない高品質
かつ大面積の単結晶半導体層を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置の構成を示す図であり、第１Ａ図はその平面
図、第１Ｂ図は第１Ａ図の線Ｉ−Ｉ′線に沿った断面構
造およびエネルギー線走査方向を示す図であり、第１Ｃ
図は第１Ａ図のII−II′線に沿った断面構造を示す図で
ある。 第２Ａ図ないし第２Ｃ図はこの発明の他の実施例である
半導体装置の構成を示す図であり、第２Ａ図はその平面
配置を示す図であり、第２Ｂ図は第２Ａ図のＩ−Ｉ′線
に沿った断面構造およびエネルギー線走査方向を示す図
であり、第２Ｃ図は第２Ａ図のII−II′線に沿った断面
構造を示す図である。 第３図はこの発明のさらに他の実施例である半導体装置
の概略構成を示す断面図である。 第４Ａ図ないし第４Ｃ図は従来の半導体装置の構成およ
び単結晶シリコン層を形成するための工程を説明するた
めの図であり、第４Ａ図は従来の半導体装置の平面配置
を示す図であり、第４Ｂ図は第４Ａ図のＩ−Ｉ′線に沿
った断面構造およびレーザ光走査方向を示す図であり、
第４Ｃ図は第４Ａ図のII−II′線に沿った断面構造を示
す図である。 図において、１１は（００１）面またはその等価な結晶
面を主面とする単結晶シリコン半導体基板、１２は＜１
１０＞方向にストライプ状の膜厚分布を有する絶縁膜、
１３は多結晶または非晶質半導体層、１４はシリコン基
板１１に達する開口部、１５はレーザ光、２２，２
２′，２３は＜１１０＞方向に対し一定の角度をなすス
トライプ状の膜厚分布を有する絶縁膜である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−121826（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−93221（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に（００１）面からなる結晶面を主
   面とする半導体単結晶基板と、 前記半導体単結晶基板の前記主面上に形成され、少なく
   ともその一部分に前記半導体単結晶基板の前記主面に達
   する開口部を有し、かつ予め定められた幅および間隔を
   有して周期的にその膜厚が変化するストライプ形状の膜
   厚分布を有する絶縁層と、前記絶縁層および前記開口部
   上に形成され、エネルギ線の照射を受けて溶融し、単結
   晶化された半導体層とを備え、 前記絶縁層のストライプ形状は、その長さ方向が前記主
   面における［１１０］方向、［１０］方向、［１
   ０］方向および［０］方向のうちのいずれか一方向
   から反時計方向に２０度以上６０度以下の範囲内の角度
   θをなすように形成されたことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】前記半導体単結晶基板はシリコン単結晶基
   板で構成され、かつ前記絶縁層は二酸化シリコン膜を備
   える特許請求の範囲第１項に記載の半導体装置。