JPH0779078B2 - 半導体層の単結晶化方法 - Google Patents

半導体層の単結晶化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体層の単結晶化方法に係わり、特に絶縁
層上の半導体層をエネルギービーム照射により単結晶化
する方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、電子ビーム，レーザー光、あるいは、カーボンヒ
ーターなどにより非晶質絶縁膜上に形成した多結晶もし
くは、非晶質の半導体層、例えばシリコン層やゲルマニ
ウム層などを単結晶化し、SOSの代替基板や３次元構造I
C用基板として用いるという試みが盛んに行なわれてい
る。
しかし、例えばこの種の方法でエネルギービームでSiO2
層上のシリコン層を単結晶化しようとする場合、高々数
100μｍの単結層を作るのが限界で、面方位も定まらな
いのが通常であった。
これに対し、再結晶化後のシリコン層の面方位を定める
ための手法として第２図に示すように、SiO2層32の一部
を開口し、シリコン層33と単結晶シリコン基板31とを直
接接触させ、横方向に結晶成長させる技術が特公昭56−
73697公報に提案されている。
なお、第２図中、31は単結晶シリコン基板、32はSiO
2層、33は非晶質シリコン層、34は、例えばCVD法で堆積
したSiO2層、35はSiO2層の開口部、36はビームを示して
いる。
しかし、この方法によっても単結晶化できるシリコン層
の長さは20〜30μｍが限界であり、しかも実現した単結
晶中には多数の転位、積層欠陥などが含まれ、シリコン
層の結晶性は極めて悪いものであった。また、このシリ
コン層の表面には、かなり大きな凹凸ができ、そのため
この層中に素子を作る際には、リソブラフィー上多くの
難点があり、出来上がった素子の特性は、SOSに形成さ
れたものよりはるかに悪いものであった。
上記の問題が生じる原因は現在までにいろいろ分析され
ており、１つには物質の熱伝導係数の違いにより、絶縁
層上のシリコン層の方が基板と接触している開口部のシ
リコン層より温度が高くなることがあげられる。この場
合、絶縁層上のシリコン層の方が先に溶融再結晶するた
め、前記第２図に示すように開口部からはなかなかエピ
タキシャルしにくい。これは開口部のシリコン層が溶融
し、しかも絶縁層上のシリコン層が蒸発せずに横方向に
エピタキシャル成長するビームアニール条件が極めて狭
いためである。
この他にも、ビームエネルギーの経時不安定性、下地膜
の熱伝導の違いなど再結晶時化を妨げている要因は多
い。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、絶縁層上に良質の半導体単結晶を形成
することができ、SOS代替用基板や積層集積回路装置用
基板の実現に寄与し得る半導体層の単結晶化方法を提供
することにある。
〔発明の概要〕
本発明の骨子は、エネルギービームにより半導体層をア
ニールする際に、単結晶化すべき半導体層の上に凹凸面
をもつ被覆層、例えば絶縁層を設け、それを通してビー
ムを照射することにある。
すなわち本発明は、多結晶もしくは非晶質の半導体層を
ビームのアニールにより単結晶化する方法において、単
結晶半導体上に非晶質絶縁層を介して多結晶もしくは非
晶質の半導体層を形成し、かつこの半導体層の一部を基
板に接触させ、次いで凹凸をもった被覆層を通して上記
半導体層上にビームを照射して該半導体層をアニールす
るようにした方法である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、多結晶もしくは非晶質の半導体層上に
凹凸をもった被覆層を設けることによりビーム熱の第１
の絶縁層上での高温化を防ぐことができる。これは、該
半導体層の熱放出を半導体層の被覆層に凹凸をつけるこ
とによって実質的に増加させたことによるものである。
これにより開口部の半導体層と絶縁層上の半導体層の温
度バラツキを抑えることが可能となり、開口部からのエ
ピタキシャル成長が起こりやすくなるビームアニール条
件が広くすることができる。このため、ビームエネルギ
ーの経時不安定性や下地の熱伝導の違いなどもある程度
許容でき、極めて良質の単結晶化された半導体層を得る
ことができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図（ａ）〜（ｇ）は本発明をMOSトランジスタ製造に
適用した実施例を示す工程断面図である。まず、第１図
（ａ）に示す如く、Ｐ型（100）面方位の単結晶シリコ
ン基板11の上に約１μｍ厚さの埋め込みSiO2層（第１の
絶縁層）12を選択形成する。このとき、シリコン基板11
には図示しないが、すでに所望の素子が周知の工程によ
り形成されていることもある。
次に第１図（ｂ）に示すように全面に約6000Åの多結晶
シリコン層（半導体層）13を形成し、その上に約4000Å
のSiO2膜14（第２の絶縁膜）を例えばCVD法により堆積
する。
次に、第１図（ｃ）に示すように通常の写真食刻法によ
り下地SiO2膜14に形成する凹凸のレジストパターンを形
成する。
次に第１図（ｄ）に示すように、レジストパターン15を
マスクにして例えば反応性イオンエッチング法（RIE
法）などによりSiO2膜14を約2000Å程度エッチングし、
規則性のある凹凸面をもつグレーティングを形成する。
このとき、例えば第１の絶縁層上に形成した凹凸のピッ
チや深さを変えることによって第１の絶縁層上のシリコ
ン層の熱放出速度を促進させることもできる。
次に第１図（ｅ）に示すようにレジスト15を除去した
後、線状化したビーム16を開口部のエッヂに直交する様
に走査してまず開口部でエピタキシャル成長により（10
0）Siとなし、次いでビームの走査とともに横方向にエ
ピタキシャル成長させることによりSiO2層12上のシリコ
ン層13を全面的に（100）面方位の単結晶とする。
この場合、シリコン層13の上部のSiO2膜14は、SiO2層12
上のシリコン層13がビームにより加熱されたとき、熱放
出器の役割を果し開口部のシリコン層13との温度差を縮
めることにより単結晶化のための条件を拡げる。さらに
単結晶化後のシリコン層13′の汚染を防ぐためのもので
もある。ここではSiO2膜を用いたが、SiO2膜だけに限定
されるものではなく、例えばSiNであっても良いし、凹
凸形状を作り易いSiO2とSiNの積層膜であっても良い。
このようにしてビームアニールによりシリコン層13を単
結晶化後SiO2層14の除去を行ない、第１図（ｆ）に示す
如く素子分離絶縁膜17を形成する。そして、素子形成領
域には、ゲート酸化膜18を介して例えばリンをドープし
た多結晶シリコンからなるゲート電極19を形成し、ソー
ス，ドレイン領域20,21を形成してMOSトランジスタとす
る。
次いで第１図（ｇ）に示すように全面を絶縁膜22でおお
った後Alによる電極23,24,25を形成して、２層に積層し
た半導体装置を完成する。
また本発明は、上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で積々変形して実施する
ことができる。
例えば上述したSiの外にGe,GaAs,GaP,InP,InSbなどの半
導体の単結晶化に適用することも可能である。
また、単結晶化した半導体層上に形成する素子はMOSト
ランジスタに限らず、Ｃ−MOSトランジスタ、バイポー
ラトランジスタ、ダイオードその他各積の半導体素子で
あっても良い。
また、ビームとしてはレーザービーム、電子ビーム等を
用いる。レーザーアニール等を行なう場合は凹凸のピッ
チを適当に選ぶことによってレーザビームの反射を減ず
ることにより効率の良い熱吸収と放出が可能になる。
また第２の絶縁膜は金属等の被覆層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）〜（ｇ）は本発明をMOSトランジスタ製造
に適用した実施例を説明するための工程断面図、第２図
は、従来のビーム照射による横方向エピタキシャル成長
構造の単結晶層の形成過程を説明する断面図である。 11,31……単結晶シリコン基板（半導体基板）、 12,32……SiO2層（第１の絶縁層）、 13,33……多結晶シリコン層（半導体層）、 14,34……SiO2層（第２の絶縁層）、 18……ゲート酸化膜、 20,21……ソースドレイン領域、 19……ゲート電極、 23,24,25……Al電極、 16,36……ビーム、 35……開口部。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単結晶半導体上に開口を有する絶縁層を形
    成する工程と、前記開口及び前記絶縁膜上に延在する多
    結晶もしくは非晶質の半導体層を形成する工程と、 前記半導体層の上部に少なくとも一層から成る被覆層を
    設ける工程と、 前記半導体層の表面を露出することなく、前記被覆層を
    写真食刻法により、熱放出用の凹凸を有する層に加工す
    る工程と、 前記被覆層の上からエネルギービームを照射して前記半
    導体層を前記開口より全面的に単結晶化すべくアニール
    する工程とを備えたことを特徴とする半導体層の単結晶
    化方法。
  2. 【請求項２】前記エネルギービームは、前記半導体層上
    で線状の形状を有し、その線方向と直交する方向に走査
    され、前記被覆層の凹凸は前記走査方向に対して直交す
    るように形成されていることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項記載の半導体層の単結晶化方法。
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