JPS58164219A - 積層型半導体装置の製造方法 - Google Patents

積層型半導体装置の製造方法

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JPS58164219A
JPS58164219A JP57046288A JP4628882A JPS58164219A JP S58164219 A JPS58164219 A JP S58164219A JP 57046288 A JP57046288 A JP 57046288A JP 4628882 A JP4628882 A JP 4628882A JP S58164219 A JPS58164219 A JP S58164219A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に三次元ＩＣとして知られている積層型半
導体装置の製造方法に関するものである。
このような三次元ＩＣといわれる積層型半導体装置の積
層型単結晶を形成する製造方法については、ここ数年来
、多くの提案がなされている。以下に、これら技術につ
いて簡単に説明を行うと共に、問題となっている点を挙
げる。
島状率結晶島のビームアニール法は、絶縁基盤（例えば
ＳｔＯやＳ　ｉ　３Ｎ４）上に通常の蝕刻法などで多結
晶半導体島を形成し、ビームアニール（ＣＷやパルスレ
ーザ、エレクトロンビームなと）法により、単結晶化な
いしは大結晶粒化した結晶島を形成する技術である。こ
の方法にてかなり良好な単結晶島が得られているが、結
晶方位の制御は不可能であり、又、種結晶が島周辺から
雑多に生ずるために単結晶島でなく大結晶粒から成る複
結晶島が生じ易いといった欠点、したがって大きな結晶
島を形成することができないといった欠点がある。
グラフオ・エピタキシー法は、同様に絶縁非晶質基板上
に単結晶薄膜をビームアニール法で形成しようとするも
のである＠この時、非結晶質基板上に、結晶癖や結晶の
対称形に対応した非常に細かな溝をあらかじめ設けてお
き、前述の方法では不可能であった結晶方位を制御しよ
うとするものである。しかしながら、現在の所、ＫＣｌ
の水溶液からの単結晶成長では幾分かの成功が得られて
いるようであるが、Ｓｔなどの半導体膜では満足なもの
はまだ得られていない。半導体素子特性の評価や、結晶
欠陥、微小角粒界、双晶など解析が不十分で現在のとこ
ろ使用し得る技術ではない。
又、形成する溝の精度は非常に高いものが要求さレテオ
、６．現在の超ＬＳＩ技術で可能なサブミクロン加工で
も難しい点が多々残っている。
ブリッジングエピタキシー法やシープイドビームアニー
リング法においては、種結晶としての半導体基板への開
口部より結晶成長が生ずるために、結晶方位が制御され
ると同時に前述の多結晶島のビームアニール法と同様に
良好な結晶性が得られ易いことが知られている。しかし
、開口部より周辺に結晶成長が生ずるため、菊花状に単
結晶がバラバラに成長し完全な単結晶が得られない、開
口部周辺の絶縁膜上へ結晶が成長してゆく時に結晶欠陥
や乱れが生じ易いなどの欠点が指通されている。さらに
、大面積化には、このままでは適用できないなどの欠点
がある。
本発明は、シープイドビームアニーリング法の範噴に入
るともいえる方法を適用し、前述のような欠点なく前記
半導体基盤全面上に結晶化層を形成し、三次元ＩＣなる
積層型半導体装置の優れた製造方法を提供するものであ
る。以下、本発明の実施例とともに本発明の詳細な説明
する。
本発明は、第１層目の半導体素子を形成した半導体基盤
上にたとえば少なくとも二層の絶縁膜によって鋭いカド
を有する矩形開口部をスクライプライン交点に設け、前
記開口部および絶縁膜上に多結晶半導体膜を形成し、前
記開口部の基盤を種結晶として、多結晶半導体膜を結晶
化させる際に、エネルギービームを渦巻き状に半導体基
盤全面に照射すると同時に、少なくとも一回転毎に前期
開口部をエネルギービームが通過し、そこから新らだに
結晶成長を生じしめ、最終的にほぼ半導体基盤全面を結
晶化せしめた後、この結晶化層に１通常の半導体工程に
よシ第２層目の半導体素子を形成するものである。
さて、本発明は第１図に示すごとく半導体基盤（半導体
ウニへ−）１のスクライプライン２の交点ａ上に少くと
も２層の絶縁膜よりなる開口部を形成し、この基盤上に
多結晶半導体膜を形成したのちレーザ等のエネルギービ
ーム４を第１図のように渦巻き状に照射して結晶化する
方法を用いる。
ととろで、一般に、薄膜に開口部を現在の半導体蝕刻技
術で矩形にあけようとしても、よく知られているように
開口部のカドが丸みを帯びる。これに対して、本発明の
様に複数層の絶縁膜を使用することによって正確に、且
つ鋭いカドを有する矩形開口を得ることができる。
これは、第２図に示すように、第１層目の半導体素子形
成工程を得た基盤１上に第１の絶縁膜を形成しく第１層
半導体素子形成時に作成された絶縁膜を用いても良い）
、縦横のスクライプライン２の交点に、通常の蝕刻法に
より縦に長軸を有した矩形開口部５を形成した後、更に
第２の絶縁膜を形成し次にこの第２の絶縁膜に横に長袖
を有しいる。しかも、スクライプライン２上には、半導
体素子が形成されておらず平坦であるため、写真蝕刻法
などで非常に問題となる凹凸による線の歪みが全く生じ
ないという利点がある。このように正確な微細な矩形開
口部７を形成できるため、この部分がその上て形成する
多結晶半導体膜を短結晶化するときの種結晶になるのみ
ならず、前述のグラフオエピタキシーの効果を合わせも
つ特徴が認められており、は）ｉ（１００）面を有した
半導体基盤１では、オリエンテーションフラットに対し
、平行なめしは４６°傾斜せしめて作成した矩形開口部
の絶縁膜端部での結晶性が優れており、従って、良好な
結晶成長が引き続き継続していくものと推定される。
さらに、スクライプライン２はもともと未利用部分であ
るため、この部分を種結晶に利用してを素子の有効面積
を減少することはない。又、開口部は短時間ではあるが
、１０００℃を越す温度に上昇するため、不純物を拡散
させる恐れがあるが、スクライプライン如おいては全く
問題とならないなど種々の特徴がある。
また、本発明のごとく、渦巻き状にエネルギービームを
照射することによって、さらに良質の単結晶層を得るこ
とができる。これは、特Ｉ／ｃＸ−Ｙステージなどの高
速走査系では、走査が不安定と成り易すく、特に高速下
では蛇行したり、振動が生じたりすることが知られてお
り、このような変動が結晶の劣化になっ−でいると考え
られる。一方、本発明で用いるごとき渦巻き状の照射で
はさらに高速にしても例えば半導体基盤をステージなど
に吸着して、数万ｒｐｍ　　で安定に回転せしめること
は容易であり、エネルギービームを単純に横方向にゆっ
くりと移動させれば、結果として基盤に対して相対的に
渦巻き状の走査がなされる。基盤の回転、ビームの移動
も精密に制御１．易すいため、上述のように、優れた結
晶化層を得ることができる。なお、ビームの角速度を基
盤の半径に反比例して変化させることによって走査速度
を基盤上で一定にでき、また円状の半導体基盤に対して
簡単に効率良く走査することができる。
この時、さらに少なくともビームの一回転毎に種結晶と
なる開口部を通過させるようＫすれば、結晶成長が途中
で断続してもすぐ元のように種結晶から新たに結晶が成
長する。従って、１００ＩＩｆｉＩｌφの直径を有する
現行の半導体基盤に応用しても、そのほぼ全面を所望の
方位に備えることができ、不良部分を最低限におさえる
ことができる特長もある。このためには、第３図に示す
ように１無数の開口部７をスクライプライン２に形成す
ることが望ましい。こうすれば１チツプ毎に種結晶によ
る再結晶が生ずる。また、開口部７の大きさは、第４図
（ａ）に示すように、エネルギービーム４の径より小さ
いことが望ましく、こうすることにより前述したような
グラフオエピタキシーの効果が生ずる。第ｑ図か）のよ
うな関係の時には、図より明らかなようにその効果を期
待し難い。
次に微少な開口部７を多数隣接して形成する場合には、
現在の写真蝕刻技術においては、第６図に示すように、
Ｉ／１！、＃’！等間隔に開口部７を形成する方法が最
とも良い。この時、第６図（−）に示すように、開Ｏ部
７間のピッチｐの２倍以上の径を有するエネルギービー
ム吟を照射すれば、常に少なくとも１ケの開口部７をビ
ーム径内如完全に収めているので、その部分のグラフオ
エピタキシーを伴なった種結晶よりの成長が生ずる。最
初の照射の時に開口部７の一部しか照射されなくとも次
の走査の際には、完全如ビーム径内に収まってしまう。
一般にエネルギービーム照射では、最初の走査と次の走
査を次々に重ねて行うのが通常であるが、少ない重なり
である１０％でも、この場合には問題とならない。とこ
ろが、第５図（切に示すようにビーム７の径が小さい場
合妬は、ビームの重なりを十分とらないとビーム径内に
すべての開口部が一度は収まる条件にならない。同図の
ような場合には、＃１ぼ６ｏ％の重なシが必要であシ、
約１０％の重なりの時には、少なくとも半数の開口部は
グラフオエピタキシーの効果を生じ得ないこととなる。
したがって、前述のように、走査の重ね合せの依存性が
少なく、照射効率の優れた相対的に大きなビーム径が望
ましい。
なお、多結晶半導体膜を形成後、７００〜９００℃の温
度で焼鈍しておくと、膜中に吸着ないし捕獲されたガス
類が放出されると同時に、高密度化し、基盤への密着性
が改善されるなど好ましい効果がある。しかし、９００
１：を越える温度では基盤に形成された第１層目の半導
体素子の不純物プロファイルを変化させるので好ましく
ない。
次に、本発明の一実施例にかかる積層型半導体ＩＣの製
造工程を第６図、第７図とともに説明する。
まず、第６図（→に示すように、（１００）単結晶シＩ
Ｊ　ｑン基盤１の表面部分に第１層目の半導体素子（た
とえばＭＯＳ）ランジスタ）を形成する。１０．１１は
ＭＯＳ）ランジスタのソース、ドレイン領域、１２はゲ
ート絶縁膜を介して形成されたゲート電極、１３，１４
はソース、ドレイン電極、１６は絶縁膜である。しかる
のち、基盤１上全面にたとえばプラズマ窒化硅素膜より
なる第１の絶縁膜１６を形成する。
しかるのち、第１の絶縁膜１６に矩形の開口部６を設け
、続けて次にプラズマ酸化硅素膜よシな７がスクライブ
ライン２上に形成される。このときの開口部７の部分の
概略を第７図に示す。
この上に、第６図（ｃ）のごとくさらに多結晶シリコン
（ポリシリコン）膜１８を０．３〜０．７μｍの厚さに
形成する。この形成方法は、プラズマＣＶＤ、ＬＰＣＶ
Ｄなどいずれでも良い。この後、９００℃、ａＯ分の焼
鈍を加え、前工程での絶縁膜も含めて安定化の熱処理を
行った。この半導体基盤を真空吸着ステージに載せ、４
６０℃に加熱しながら、ＣＷ−Ａｒレーザビームを照射
した。レーザ出力は約１８Ｗ、ビーム径約８０ｐｍ、走
査速度１　ｍ／ｓ　ｅ　ｃ　。
前述した重ね合わせ３０％とした。走査は、ステージを
高速に回転させると同時に、レーザビーム４を一軸方向
に矢印Ｘのごとく一定速度に移動させることによって、
半導体基盤のほぼ中心部分から外側に向かって渦巻き状
に照射を行った。この結果中心部分から外側に拡大する
ようにポリシリコン膜１８の単結晶化が進み、全面が結
晶化していった。
得られた再結晶化層が第２層目の半導体素子形成用の基
盤となる。そして、通常の半導体製造技術を用いて、半
導体素子を形成する。このとき、第６図（ｄ）　Ｋ示す
ように再結晶化シリコン層の一部を酸化すれば完全に周
囲が絶縁膜１ｅで分離されたシリコンの島領域２ｏが形
成される。なお、シリコン層の酸化により形成された絶
縁膜および前述ノ絶縁膜１５，１６．１７を一体［１９
として示した。こうして平坦な島領域２ｏが形成される
。
しかるのち、島領域２０ＶｃＭＯ８）ランジスタのソー
ス、ドレイン領域２１，２２、ゲート絶縁膜、ゲート電
極２３、ソース、ドレイン電極２４゜２６を通常の半導
体集積回路の製造技術を用いて形成し、２Ｊ目の半導体
素子を第６図（ｅ）に示すごとく形成し、積層型ＩＣを
作製する。なお、第１層目と第２層目の半導体素子の配
線については、チップ周辺に各々設けたバッド間をワイ
ヤボンドすることにより行ってもよいし、直接第１．第
２層が接続されるよう処してもよい。
このようにして得られた第２層目の半導体素子のＭＯＳ
ダイオード群の歩留りは非常に高く、本発明の方法にお
ける、グラフオエピタキシー効果を兼ね備えたシープイ
ドビームアニーリング法、且つ、スクライブライン毎に
新たに種結晶から成長が生ずる短周期での繰り返しが、
良質の結晶化層を提供しており、且つ、酸化などによっ
て大部分の非活性領域が絶縁化され、幾分残留している
欠陥部分が残去される率が高いためにも、歩留りが向上
していると思われる。
また、さらに多層化する場合には、第６図（ｄ）におい
てスクライブラインに相当する部分をそのまま残してお
き、次層での種結晶部として繰り返し使用することがで
きることは云うまでもない。
以上の説明で明らかなように、本発明は、高密度、高速
化を可能ならしめる三次元ＩＣの一型式である積層型半
導体装置の優れた製造方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に用いるエネルギービームの照射状態を
示す図、第２図は本発明における矩形開口部をスクライ
ブラインに形成した状態の部分概略図、第３図はスクラ
イブラインに多数の開口部を形成した状態の部分概略図
、第４図（ａ）　、　（ｂ）　、第６図（ａ）　、　（
ｂ）はビーム径及び開口部の相対的な大きさの差による
効果を示す図、第６図（＆）〜（ｅ）は本発明の一実施
例の積層型半導体装置の製造工程断面図、第７図は第６
図（ロ）における要部概略斜視図である。 １・・・・・・シリコン基盤、２・・・・・・スクライ
ブライン、３０ａ・・・交点、４・・・・・・エネルギ
ービーム、５．６，７・＠１１１１＠＠矩形開口部、１
０，２１・■・ｏ・ソース領域、１１，２２・・・・・
Ｓドレイン領域、１６゜１７．１９−・台■・絶縁膜、
１８−幸・・・・ポリシリコン膜、２０・・・・・・シ
リコン島領域。 特許出願人　工業技術院長　石　坂　誠　−第５ＩＷ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１１半導体基盤表面上に第１層目の半導体素子を形成
    する工程と、前記半導体基盤のスクライプラインの交点
    上に２層以上の絶縁膜よりなる開口部を形成し、前記開
    口部より前記牛導体基盤面を露出させる工程と、前記絶
    縁膜ならびに前記開口部の半導体基盤上に多結晶半導体
    膜を被覆する前記多結晶半導体膜形成工程と、前記半導
    体基盤に対して相対的に渦巻き状にエネルギービームを
    前記多結晶半導体膜に照射するとともに、−回転中に前
    記ビームが少なくとも一ケの前記開口部を通過するよう
    にし、前記多結晶半導体膜を結晶化層とする工程と、前
    記結晶化層に第２層目の半導体素子を形成する工程とを
    備えたことを特徴とする積層型半導体装置の製造方法・ （２）　　第１の絶縁膜に長軸を有する第１の矩形を開
    口し、第２の絶縁膜を形成した後前記長軸とほぼ直交す
    る長軸を有する第２の矩形を重ねて形成し、前記第１．
    第２の矩形を合わせた共通部分より成る開口部を形成す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の積層
    型半導体装置の製造方法。 １３）多結晶半導体形成工程において、多結晶半導体膜
    を被覆した後、７００℃から９００℃の温度で熱処理を
    施すことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の積
    層型半導体装置の製造方法。 （４１照射せしめるエネルギービーム径が、開口部の最
    大長より大きなことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    に記載の積層型半導体装置の製造方法。 （６］　　隣接する２個のスクライプラインの交点間の
    スクライプライン上に、照射するエネルギービーム径の
    ％以下のピッチで開口部を形成することを特徴とする特
    許請求の範囲第１項に記載の積層型半導体装置の製造方
    法。
JP57046288A 1982-03-25 1982-03-25 積層型半導体装置の製造方法 Granted JPS58164219A (ja)

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US06/466,301 US4487635A (en) 1982-03-25 1983-02-14 Method of fabricating a multi-layer type semiconductor device including crystal growth by spirally directing energy beam
GB08304181A GB2119168B (en) 1982-03-25 1983-02-15 Forming crystallized semiconductor layers
FR8302561A FR2524201B1 (fr) 1982-03-25 1983-02-17 Procede de fabrication d'un dispositif semi-conducteur du type multicouche

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