JPS5861622A - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

単結晶薄膜の製造方法

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JPS5861622A
JPS5861622A JP56160193A JP16019381A JPS5861622A JP S5861622 A JPS5861622 A JP S5861622A JP 56160193 A JP56160193 A JP 56160193A JP 16019381 A JP16019381 A JP 16019381A JP S5861622 A JPS5861622 A JP S5861622A
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single crystal
films
polycrystalline
laser
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Masao Tamura
田村　誠男
Naoji Yoshihiro
吉廣　尚次
Nobuyoshi Kashu
夏秋　信義
Masanobu Miyao
正信 宮尾
Osamu Okura
理 大倉
Hideo Sunami
英夫 角南
Takashi Tokuyama
徳山　「あ」
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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】 本発明は単結晶薄膜の製造方法に関し、詳しくは、半導
体単結晶基板上に形成されである絶縁膜上に、半導体単
結晶−腹を製造する方法に関する。
周知のように、レーザー光もしくは電子線を用いて、絶
縁膜上に単結晶薄膜を生長させる方法が１いくつか提案
されている。
第１の方法は、第１図（ａ）に示すように、ｓｉｏ。
など絶縁物１０表面に凹部を形成した後、非晶質シリコ
ン膜２を被着し、レーザーを照射して、非晶質シリコン
を単結晶化するものである。このようにすると、非晶質
シリコン膜２のうち、凹部内に被着されている部分が、
まず単結晶化され、ついで、他の部分も順次単結晶化さ
れる、といわれている。
しかし、この方法に、絶縁物上への溝の形成など、工程
の制御が困難であるばかりでなく、得られる単結晶膜の
特性も不十分であるため、笑用に供するのに難かしい。
着し、レーザーを照射によって、非晶質クリ・ｐ単結晶
化ｔ−ハかるものである。
この方法によって単結晶化し得るのは、僅かに数μｍ×
数１０μｍ程度の島状のシリコン膜のみであるが、良好
な結晶方位を持った無欠陥層が得られる。
しかし、この方法には、レーザー照射によって島状の非
晶質シリコン膜が融解し、形状がくずれてしまうという
大きな問題がある。このようなレーザー照射による形状
のくずれを防止するため、島状の非晶質シリコン膜を８
ｉ０を膜で囲むなどの方法も提案されているが、工程が
極めて複雑になってしまうため、実用に供するのは、困
難である。
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、絶縁膜上に
被着された非晶質もしくは多結晶シリコン膜を、容易に
単結晶化し得る方法を提供する仁とである。
本発明の他の目的は、連続して被着されである非晶質も
しくは多結晶シリコン膜′のうち、絶縁膜上に被着され
ている部分のみを選択的に単結晶化することのできる単
結晶薄膜の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明に、半導体単結晶基板
と絶縁膜上に連続して被着されである多結晶もしくは非
晶質半導体膜に臨界エネルギより僅かに低いエネルギ強
度を持ったレーザーを照射することにより、上記多結晶
もしくは非晶質半導体膜のうち、上記絶縁膜上に被着さ
れである部分のみを１選択的に単結晶化するものである
。
以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。
第２図に示すように、単結晶シリコン基板３の光面の所
望部分上に、ｓｉｏ、膜４を被着した後、多結晶（非晶
質でもよい）シリコン膜５を全面に被着する。
パルスレーザ−またはＣＷレーザーを照射して、上記多
結晶シリコン膜を融解させると、まず、単結晶シリコン
基板３に接触している部分が、液相エピタキシャル成長
によって単結晶化し、つぎに、この単結晶仰域が横方向
に延びて成長し、その結果、絶縁膜４上の部分も単結晶
化される。
この方法は、単結晶基板表面と絶縁膜上に、連続した単
結晶膜を形成できる、極めてすぐれた方法であるが、絶
縁膜上の多結晶もしくは非晶質シリコンのみを選択的に
単結晶化し、単結晶基板上に被着されている部分は、そ
のまま単結晶化せずに残すことができれば、実用上極め
て有用なことは明らかである。
本発明に、上記のように、まず、単結晶基板３の表面の
所望部分上に１絶縁膜４を被着し、さらに、多結晶もし
くは非晶質シリコン膜５を全面に被着する。
つぎに、上記多結晶もしくは非晶質シリコン膜にレーザ
ー光を照射するのでおるが、この際におけるレーザー光
のエネルギ強度を、上記臨界値より僅かに低くする。
このようにすると、多結晶もしくは非晶質シリコンＪ［
５のうち、単結晶基板３と直接接触している部分は、融
解せずに多結晶もしくは非晶質状態がそのまま保たれる
が、絶縁膜３上に被着されて参る部分は融解が生じる。
すなわち、単結晶シリコン基板の熱伝導率は１．４５Ｘ
１０””であるため、多結晶もしくは非晶質シリコン膜
５が、直接接触していると、レーザー照射によって加熱
されても、熱は基板を介して揮散されるため、温度上昇
は抑制されて融解は生じない。
しかし、絶縁膜（Ｓ’Ｏ＊）の熱伝導率は１．３×１０
°雪で、基板より小さいため、熱の揮散は少なく、融解
が生じる。
このように、基板と直接接触している部分に融解せず、
絶縁膜上の部分のみが融解するため、絶縁膜上の多結晶
もしくは非晶質シリコン膜のみが選択的に単結晶化され
、レーザー照射の条件を適当に選定するこ・とによって
、粒界のない均一な単結晶膜を得ることが可能である。
この単結晶化を、上記絶縁膜上の島状多結晶シ□　リコ
ンの単結晶化（第１図（ｂ）参照）の場合と比較すると
、本発明の場合は、加熱および冷却の際に、絶縁膜端部
からの歪み（５ｈｅａｒ　　５ｔｒｅｓｓ　）が、単結
晶形成のために有効に作用し、よシ良好な単結晶が得ら
れる本のと考えられる。
また、上記のようにＮ絶縁膜上に島状の多結晶シリコン
膜を被着して単結晶化する場合は、レーザー照射による
形状のくずれが大きな問題であったが、本発明において
は、連続して被着された多結晶もしくは非晶質シリコン
膜の所望部分を、選択的に単結晶化しているのであるか
ら、このような問題は全く生じない。
本発明によれば、第３図（ａ）に示したように、単結晶
基板３上は多結晶もしくは非晶質シリコン膜５、絶縁膜
４上には単結晶シリコン膜５′がそれぞれ形成される・
。
多結晶もしくは非晶質シリコンは、単結晶シリコンにく
−らべて溶解度が著るしく大きいから、エツチングを行
なうことにより、第３図（ｂ）に示したように、単結晶
シリコン膜５′のみを残すことができる。
本発明において、パルスレーザ−もしくはＣＷ（連続発
振）レーザーのいずれをも用いることができるが、照射
されるレーザーのエネルギ強度が、所定範囲内にあるこ
とが必要である。
エネルギ強度が過大であると、絶縁膜上のみではなく１
単結晶基板上の多結晶もしくは非晶質シリコンも、融解
して単結晶化してしまう。
また、照射レーザー光のエネルギ強度が小さすぎると、
絶縁膜上の多結晶もしくは非晶質シリコン膜も融解せず
、単結晶膜を得ることはできない。
本発明において、好ましいレーザー光のエネルギ密度の
範囲は、単結晶化すべき多結晶もしくは非晶質シリコン
膜の膜厚によって若干異なり、膜厚が大になるほど、大
きいエネルギ密度が必要になる。
１（ たとえば、上記膜厚が、はぼ３００〜５００．ｔｈであ
るときは、Ｑスイッチをかけたパルスレーザ−（ルビー
）ではほぼ１．２！！１Ｍ雪、ビーム径５０μｍのＣＷ
アルゴンレーザーではほぼ？Ｗ。
先 上記膜厚がほぼ５００〜７００−のと１Ｊｆｌ、Ｑスイ
ッチをかけたパルスルビーレーザーでハホホ１．５Ｊ／
ｃ♂、ビーム径５０μｍのＣＷアルゴンレーザーでは、
はぼ８〜９Ｗ、上記膜厚がほぼ７００ｎｍ〜１μｍのと
きは、Ｑスイッチをかけたパル入ｈビーレーザーではほ
ぼ２　Ｊ　７ｃｍ”、ビーム径５０μｍのＣＷアルゴン
レーザーではほぼ１０Ｗ１とすれば好ましい結果が得ら
れる。また、厚さが１０００ｍのときに適した同じビー
ム径を持ったＣＷアルゴンレーザーの強度はほぼ５Ｗで
あった。これらのエネルギ強度は、いずれもほぼ±１０
％程度増減しても、良好な結果を得ることが可能である
。
また、レーザー光のビーム径や走査速度を変えることに
よって、照射に用いるレーザー光のエネルギは、相当広
い範囲で変え得ることはいうまでもない。
上記多結晶もしくは非晶質シリコン膜があま夛薄すぎる
と、得られた単結晶シリコン膜内に、接合を有する半導
体素子を形成することが困峻になり、反対に、膜厚が大
きすぎると、レーザー照射による完全な単結晶化が難か
しくなる。
上記理由から、多結晶もしくは非晶質シリコン膜の膜厚
は、実用上はぼｌＱＱｎｍ−、，１μｍとすることが好
ましい。
実施例１ 第２図に示したように、単結晶シリコン基板３の（１０
０）面上に、幅４μｍ、膜厚２５０μｍの８１０！膜４
を、周知の熱酸化法とホトリソグラフィー技術を用いて
、それぞれ２μｍの間隔で形成した後、周知のＣＶＤ技
術を用いて、膜厚的４００ｆ１ｍの多結晶シリコン膜５
ｔ−全面に形成した。
連続発振（ＣＷ）アルゴンレーザーによって、上記多結
晶シリコ／膜５を全面に走査して、ｓｈｏ、膜４上に被
着されである部分を融解し、第３図（句に示すように、
単結晶シリコン膜５′を形成した。
本実施例においてに、レーザーのビーム径がほぼ３０岸
ｍのときは５〜６Ｗ、　　ビーム径がほぼ２０μｍのと
１！！［３〜４Ｗのエネルギ強度を用いたが−いずれも
良好な結果が得られ友。
ＣＷレーザーを用いた場合、走査速度も結果に影響を与
えるが、本実施例においてに、上記エネルギ強度に対し
、走査速度？：１０〜２５ｃｍ／秒としたが、いずれも
良好な結果が得られ、走査速度をこの範囲にすることが
好ましいことが認められた。
つぎに、フッ酸１：硝酸５０：氷酢酸２５という組成の
エツチング液を用いてエツチングを行なうと、このエッ
チ液による多結晶シリコンのエツチング速度は、単結晶
シリコンのエツチング速度よりはるかに大きいため、シ
リコン基板３と直接接触している多結晶シリコン膜５は
エッチされて除去され、第３図（ｂ）に示したように、
絶縁膜４上の単結晶シリコン膜５′のみが残った。この
エツチングには、エッチ液を用いるウェットエツチング
のみではなく、ドライエツチングを用いてもよく、同様
の結果を得ることができる。
ま友、多結晶シリコン膜のかわシに、真空蒸着法〒プラ
ズマ法などによって形成した非晶質シリコン膜を用いて
も、多結晶シリコ／を用いた場合と同一の結果を得るこ
とができた。
照射に用いるレーザー光ａ、ＣＷレーザーのみではなく
、ルビーやＹＡＧなどのパルスレーザ−を用いても良好
な結果が得られるが、パルスレーザ−の場合は、照射時
間が極度に短かいため、照射量の正確な制御がやや難し
く、実用上はＣＷレーザーの方が便利である。
上記説明は、便宜上レーザー光を照射した場合について
行なったが、レーザー光のみでなく、選択的に膜を加熱
して融解することの゛できる、電子ビームを用いてもよ
いことは、いうまでもない。
また、レーザー照射によって単結晶化し得る絶縁膜上の
半導体膜は、シリコン膜のみではなく、シリコン膜以外
の半導体膜を使用できる。
たとえば、上記多結晶シリコン膜のかわりに、ＧａＡ１
１ｌ［を、周知のＣＶＤや分子ビームエピタキシー法な
どによって、単結晶基板とＳｉｎ！など絶縁膜上に連続
して被着し、連続発振するアルゴンレーザーの出力を適
宜調切して〜全面を走査すれば、基板上には多結晶Ｇａ
Ａｓを残し、絶縁膜上に単結晶ＧａＡＳを形成すること
ができる。
したがって、つぎに、たとえば、臭素１％を含むメタノ
ールを用いるなど選択性の高いエツチング法によって処
理すれば、第３図（ｂ）に示したシリコンの場合と同様
に、多結晶ＧａＡ！Ｉｔ！除去され、絶縁膜上の単結晶
ＱａＡｌｉのみが残る。
このようにして、シリコンなどの基板の上に、絶縁膜を
介して、シリコンや化合物半導体の単結晶膜を選択的に
形成できるので、得られた構造体を用いて、従来は不可
能であつｙｔ−ｍ造の各種半導体装置を形成することが
できる。
上記説明は、便宜上、絶縁膜としてｓｉｏ、膜、基板と
して単結晶シリコン膜を、それぞれ用いた場合について
行なったが、本発明がこれらに限定されるものでないこ
とはいうまでもない。
すなわち、絶縁膜としては、Ｓｉｎ、膜のみではなく、
Ａｔ＊Ｏｍ膜、８ｉ、Ｎ４膜など各種絶縁体からなる膜
を使用できる。基板としても、単結晶シリコンのみでな
く、絶縁膜との熱伝導率の差が大きく、機械的強度の大
きい材料を基板として使用することができる。
上記説明から明らかなように１本発明によれば１極めて
容易に、良好な単結晶半導体膜を絶縁膜上に選択的に形
成できるので、従来は見られなかった新規な構造の半導
体装置を形成することが可能となシ、得られる利益は極
めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の単結晶膜製造方法を説明するための模式
図、第２図および第３図は、本発明の詳細な説明するた
めの断面図である。 １．４・・・絶縁膜、２．５・・・多結晶シリコン膜、
３￥！Ｊ　　　　ｒｏｄ＜久ノ 方　ｌ　図（１） 第　Ｚ　　図 第１頁の続き ０発　明　者　大倉理 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　角南英夫 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　徳山説 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、下記工程を含む単結晶薄膜の製造方法（１）　　基
    板表面上の所望位置に絶縁膜を被着する工程。 （２）上記基板表面と上記絶縁膜を連続して覆う多結晶
    もしくは非晶質半導体膜を被着する工程。 （３）上記多結晶もしくは非晶質半導体膜の全面にレー
    ザー光もしくは電子ビームを照射し、上記多結晶もしく
    は非晶質半導体膜のうち、上記絶縁膜上に被着されであ
    る部分を選択的に融解して単結晶化する工程。 ２　上記半導体膜はシリコン膜である特許請求の範囲第
    １項記載の単結晶薄膜の製造方法。 ３、　上記絶縁膜はｓｈｏ鵞ｅｓ’ａＮ４膜もしくはＡ
    ４０ｍ　膜である特許請求の範囲第１項乃至第２項記載
    の単結晶薄膜の製造方法。 ４、　上記基板は単結晶シリコンである特許請求の範囲
    第１項乃至第３項記載の単結晶薄膜の製造方法。
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