JPS60263427A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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】 ｔａ＋　産業上の利用分野 本発明は誘電体分離構造の半導体装置の製造方法に係り
、特に半導体素子が形成される単結晶半導体層を絶縁膜
等の絶縁物基体上に形成する方法に関する。

半導体集積回路装置（ＩＣ）における素子間分離の方法
の一つに誘電体分離構造がある。この構造の半導体ＩＣ
においては、絶縁膜等の絶縁物基体上に複数の単結晶半
導体層を互いに隔たった島状に配設し、該島状単結晶半
導体層にそれぞれ独立した半導体素子を形成し、これら
の半導体素子を配線層で接続して集積回路が構成される
。

該誘電体分離構造は、半導体素子と基板との結合容量が
小さいので該半導体ＩＣの高速化が図れ、且つ分離耐圧
が高いので分離領域幅を縮小して該半導体ｒｃの高集積
化が図れるという優れた長所を持っている。

更に該構造を応用することによって、半導体素子上に絶
縁膜を介して別の半導体素子を積層形成出来るので、３
次元構造の高集積度半導体ＩＣの形成が可能になる。

上記誘電体分離構造の半導体１ｃにおける絶縁股上の単
結晶半導体層例えば単結晶シリコン層は、主として絶縁
膜上に形成された多結晶シリコン層をレーザビーム走査
によって順次溶融再結晶−ロしめて単結晶化するレーザ
アニール技術によって形成されている。

このレーザアニール技術は、下部即ち絶縁膜及び基板の
温度」−昇を低く抑えて単結晶化しようとする多結晶シ
リコン層のみを溶融温度以上の高温に加熱できるので、
３次元構造の半導体ｒＣを形成する際には欠くことの出
来ない極めて重要な４を結晶化技術となる。

通常のレーザビームのエネルギー分布は中心部が最も高
い所謂ガウス分布を有している。そのため該レーザビー
ムを上記レーザアニール技術に適用した際には、温度の
低い周辺部に形成される多数の核から結晶化が進んで該
周辺部から走査領域の中心部に向かって長く延びる結晶
粒界が多発し、単結晶領域は幅数μｍで長さ２０μｍ程
度の大きさにしか形成できないという欠点を生ずる。

この欠点を除去し単結晶層の形成効率を高めるには、ド
ーナツ型のエネルギー分布を持つレーザビームが極めて
適していることは、当山願人が既に立証されている。（
Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｅｔ、４０．３９４．１９８
驚　２）“、ｔ、：：ｏ場合′°６１・幅２０“７長３
１００μ″以上の単結晶領域が容易に得られる。

第２図＋ａ＋及びｔｂ＋は上記ドーナツ型レーザビーム
のビームスポット形状及びその−断面例えばＡ−Ａ断面
のエネルギー分布を模式的に表す図で、図中、ＳＲはビ
ームスポット、Ｅはエネルギー分布曲線、ａ、ｂ、ｃ、
ｄばそれぞれ対応する点を示している。

かかるレーザビームにより多結晶シリコン層上を走査し
た際には、走査領域の周辺に近い部分が最も高温に加熱
され、中心部はそれよりも低い温度に加熱される。

そのため該レーザビームの走査により溶融されたシリコ
ン層が順次冷却されて行く際に走査領域の中心部に核を
生じ、走査領域の周辺部に生成した核からと同時に該中
心部の核からも結晶が成長する。そして該中心部から成
長する単結晶が周辺部から中心部に延びる結晶の成長距
離を短く抑えるので、溶融領域の周辺部から中心部に延
びる結晶粒界は短くなり、ビームスポット径に対して１
７２以上の広い幅を有し走査方向に非常に長い単結晶シ
リコン層が得られる。ビーム形状がウェーハに対して常
に同じに保たれていれば、走査方向にはいくらでも長く
単結晶領域が形成出来る。

第３図は上記単結晶シリコン層の形成状態を示す平面図
で、図中、５−３ｉは単結晶シリコン層、Ｗｍは溶融領
域幅、−３は単結晶シリコン層の幅、Ｂａは溶融領域の
周辺部から生ずる結晶粒界、Ｂｂは単結晶層の縁部に生
ずる結晶粒界、ｍｓは走査方向を示す矢印を表している
。

（ｂｌ　従来の技術 上記のように単結晶化効率の優れたドーナツ型エネルギ
ー分布を有するレーザビームを形成するのに、従来は第
４図の斜視模式図に示すようなレーザビーム発生装置が
用いられていた。

即ち該レーザビーム発生装置は、ブルーメタ窓ｌａ、　
ｌｂによって側面が封止され、放電形成用電極２ａ、２
ｂを有するレーザ管３と、該レーザ管３の一端の外部に
配設された高反射率を有する平面反射板４及び他端の外
部に配設された半透明の曲面反射板５とによって主とし
て構成され、電極２ａ、２ｂ間の放電６により発生した
光が、共振ミラーとして機能する前記反射板４，５間に
おける発振作用によって励起され、曲面反射板５を透過
しレーザビーム７として射出される。

そして曲面反射板５の曲率半径をガウス分布のレーザビ
ームが得られる曲率半径より小さい特定の曲率半径に選
ぶことによって、上記ドーナツ形状のエネルギー分布を
有するレーザビーム７を形成していた。

なおシリコン層の単結晶化に際しては、シリコンに対し
て吸収効率の高いアルゴン・レーザが用いられる。

（Ｃ１発明が解決しようとする問題点 然し上記従来のドーナツ型レーザビーム形成手段におい
ては、曲面反射板５と平面反射板４との対向角度の調節
が極めて微妙であり、該レーザビーム形成手段が固定さ
れる基台を介して走査系等から伝わる震動や、走査面か
らの熱輻射による温度上昇等によって、僅かでもその対
向する角度が変わると該レーザビームのドーナツ形状が
崩れるという欠点があった。

其のため従来は例えば多結晶シリコン層を単結晶化する
場合、同様な広い幅を有する単結晶シリコン層を再現性
よく得ることが極めて困難で、該単結晶化技術を用いて
形成される誘電体分離構造成いは３次元構造の半導体ｒ
ｃの製造歩留りが低下するという問題を生じていた。

ｆｄｌ　問題点を解決するための手段 上記問題点は、絶縁物基体上に形成された非単結晶半導
体層上を、光ファイバの一端部に該光ファイバの光軸に
対して斜めの方向からレーザビームを入射して該光ファ
イバの他端部から射出される該レーザビームによって走
査し順次溶融再結晶せしめることによって、該絶縁物基
体上に単結晶半導体層を形成する工程を有する本発明に
よる半導体装置の製造方法により達成される。

ｆｅ）　作用 即ち本発明の方法においては、レーザビームの搬送媒体
として光ファイバを用い、該光ファイバに通常のガウス
分布を有するレーザビームを、該光ファイバの光軸に対
して光の伝播のための最大入射角θ。−より小さい斜め
の角度から入射することによって該光ファイバの他端部
から射出されるレーザビームのエネルギー分布をドーナ
ツ型の形状となし、該ドーナツ型レーザビームによって
多結晶半導体層上を走査して該半導体層の単結晶化を行
うものである。

この方法によれば光ファイバが可撓性を有することによ
って、光ファイバのレーザ射出端が固定される走査系等
から該光ファイバに伝わる震動が該ファイバ内で吸収さ
れ該光ファイバのレーザ入射端に伝わらないので、該光
ファイバの入射端面とレーザビーム発生装置との相対位
置は予め調整固定された位置から変化することがない。

又光ファイバを介してビーム形状を形成する場所即ち該
ファイバの入射端から遠く離れた場所で該レーザビーム
走査による半導体層の加熱がなされるので、該ファイバ
の入射端が上記走査面からの熱輻射による影響を受ける
ことがなく、この点からも該ファイバに対するレーザビ
ームの入射角度は安定に保たれる。

かくて本発明によれば常に形状の安定したドーナツ型の
レーザビームが得られるので、該レーザビームの走査に
よって広い幅の単結晶半導体層を再現性良く形成するこ
とが出来る。

（ｆｌ　実施例 以下本発明の方法を、図を用い実施例により具体的に説
明する。

第１図＋ａｌは本発明の方法に用いるレーザアニール装
置の一実施例における要部の構成を示す模式断面図で、
第１図ｆｂｌは本発明の方法におけるドーナツ型レーザ
ビームの形成機構を示す模式断面図である。

・本発明の方法により例えば絶縁膜上に形成された多結
晶シリコン層を単結晶化するに際しては、例えば第１図
（ａｌに示すようなレーザアニール装置がもちいられる
。

該レーザアニール装置は、ブルーメタ窓１ａ、　ｌｂに
よって側面が封止され、放電形成用電極２ａ、２ｂを有
するレーザ管３と、該レーザ管３の一端の外部に配設さ
れた高反射率を有する平面反射板４及び他端の外部に配
設された半透明の曲面反射板５とによって主として構成
されてなる通常のアルゴンレーザ（ガウス分布）発生装
置１１と、該レーザ発生袋Ｗ］ｌから射出されたレーザ
ビーム７を所望のビームスポット径に集光する第１のレ
ンズ１２と、該集光されたレーザビームを所定の角度θ
で入射して所望の場所に伝送する光ファイバ１３と、該
光ファイバ１３から射出される該レーザビーム７を所望
のスポット径に集光する第２のレンズ１４と、単結晶化
しようとする多結晶シリコン層が載設された被加工基板
１５上を該レーザビーム７で走査するためにＸ−Ｙ方向
に駆動するＸ−Ｙステージ１６、及び該Ｘ−Ｙステージ
１６が載設された基台１７とによって主として構成され
る。なお略記した１８はレーザ発生装置１１と第１のレ
ンズ１２及び光ファイバ１３の結合手段、１９は光ファ
イバ１３の先端部の固定手段を示す。

そして所望のエネルギー分布形状を有するドーナツ型レ
ーザビームを形成するために、レーザ発生装置１１はそ
の光軸が光ファイバ１３の光軸と例えば３０度程度の角
度θをなすように配設される。

かくすることによって第１図ｆｂｌに示すように、光フ
ァイバ１３に入射したガウス分布のレーザビーム７は主
として光ファイバ１３の内面（厳密には該光ファイバ１
３のコアの内面）に沿ってジグザグに進行し、且つ該フ
ァイバ１３の内面に沿って廻り込んで、該ファイバ１３
からは周辺近１ｉＭ域のエネルギーが高く中心部のエネ
ルギーが低い前記第２図に示したようなドーナツ型レー
ザビームＤＢが射出される。

なお該装置において、レーザ発生装置１１と光ファイバ
１３の入射端１３ａ及びその間に介在せしめられる第１
のレンズ１２は結合手段１８によって前述シた所定の角
度を持って固定されるが、Ｘ−Ｙステージ１６の駆動に
よって震動する基台１７に固持手段１９によって固定さ
れている光ファイバの出射端１３ｂ近傍から該光ファイ
バ１３に伝わる震動は、可撓性を有する該光ファイバ１
３で吸収されて前記結合手段１８まで伝わらない。

１　従ってレーザ発生装置１１と光ファイバ１３の入射
端１３ａ及びその間に介在せしめられる第１のレンズ１
２の相対位置は安定に保たれ、更に又、ｘ−ｙステージ
１６の振動によってレーザ発生装置＋１とＸ−Ｙステー
ジ１６との相対位置が時間と共に変動しても、光ファイ
バ１３の出射端１３ｂとＸ−Ｙステージ１６の本体との
相対位置の変化は、基体１７と固定手段１９により小さ
く抑えられる。

一般的に、レーザ発生装置を含めた全システムの相対位
置の変動を小さくするよりも、本構成のように光ファイ
バ１３の可撓性を利用して、比較的軽量なレーザ出射端
１３ｂとＸ−Ｙステージ１６の相対位置変動のみを小さ
くする方が温かに容易である。

又被加工面からの輻射熱によって光ファイバ１３の出射
端１３ｂは加熱されるが、この熱は該光ファイバ１３の
熱抵抗により減衰せしめられ前記結合手段１８まで伝わ
らないので該結合手段１８はその影響を受けず、レーザ
発生装置１１と光ファイバ１３の入射端１３ａ及びその
間に介在せしめられる第１のレンズ１２の相対位置は安
定に保たれる。

１ なお上記本発明の方法において、第１のレンズ１２は省
略されることもある。

又本発明の方法はシリコンに限らず他の半導体層を単結
晶化する際にも適用できる。この場合当該半導体に対し
て吸収効率の良いレーザをエネルギー源として用いる。

１ｇ）　発明の詳細 な説明したように本発明によれば、絶縁物基体上の半導
体層を単結晶化する際のレーザアニール処理において、
ドーナツ型のエネルギー分布を有するレーザビームを極
めて安定に保つことができる。

従ってビームスポット径に対して高い比率を有する広い
幅の単結晶層が再現性良く得られるので、誘電体分離構
造及び三次元構造の半導体集積回路装置の製造歩留りの
向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｆ８）は本発明の方法に用いるレーザアニール装
置の一実施例における要部構成を示す模式断面図、 ２ 第１図ｆｂ）は本発明の方法におけるドーナツ型レーザ
ビームの形成機構を示す模式断面図、第２図（ａ）及び
（ｂｌはドーナツ型レーザビームのビームスポット形状
の平面図、及びそのエネルギー分布図、 第３図は単結晶シリコン層の形成状態を示す平面図、 第４図は従来のドーナツ型レーザビーム発生装置の斜視
模式図である。 図において、ｌａ、ｌｂはブルーメタ窓、２ａ、２ｂは
放電形成用電極、３はレーザ管、４は平面反射板、５は
半透明の曲面反射板、７はレーザビーム、１１はアルゴ
ンレーザ発生装置、１２は第１のレンズ、１３は光ファ
イバ、１４は第２のレンズ、１５は被加工基板、１６は
ｘ−ｙステージ、１７は基台、１８は結合手段、１９は
固定手段、８は入射角を示す。 代理人　弁理士　松岡宏四部 革／１ｍ （′Ｉ！２） 第２　図 （１２） □枝置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 絶縁物基体上に形成された非単結晶半導体層上を、光フ
   ァイバの一端部に該光ファイバの光軸に対して斜めの方
   向からレーザビームを入射して該光ファイバの他端部か
   ら射出される該レーザビームによって走査し順次溶融再
   結晶せしめることによって、該絶縁物基体上に単結晶半
   導体層を形成する工程を有することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。