JPS6116510A - 再結晶化用基板およびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ビームアニール法を用いて非晶質絶縁体上に
単結晶シリコン膜を形成するだめの再結晶化用基板およ
びその製造方法に関するもので、ＬＳＩの高速化や三次
元化に利用される。

〔従来技術とその問題点〕

非晶質絶縁体上に単結晶シリコン膜を形成する手法の一
つとしてビーム照射によシ非晶質又は多結晶シリコン膜
を一度溶融して再結晶化する方法が知られている。

この方法において、シリコ／膜をあらかじめ帯状に分割
し、かつ絶縁体表面の溝に埋め込んで′おくことによ多
帯状に長い単結晶シリコン膜を容易に形成することがで
きる（　Ｋ、　Ｂｇａｍｉ　ａｎｄ　Ｍ、Ｋｉ−ｍｕｒ
ａｙ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ　ｖｏｌ、４３　ｔｐｔ　１０２３　（１９８３）
　）。　この方法は種子結晶を用いていないため各帯状
の単結晶シリコン膜の結晶学的方位は揃っていない。こ
のことはデバイス特性の均一性、再現性を劣化させる原
因となる。このため、結晶学的方位の制御は重要である
。

種子結晶を用いずに結晶学的方位を制御する方法として
非晶質絶縁体表面に非常にこまかい溝を複数個形成し、
その上にシリコン膜を堆積し、レーザービーム照射によ
シ単結晶シリコン膜を形成するいわゆるグラフオエピタ
キシーが知られている（　Ｍ、Ｗ、Ｇｅ１ｓ　ｐ　Ｄ、
Ｃ，Ｆｌａｎｄｅｒｓ　ａｎｄ　Ｈｅｎｒｙ　Ｉ。

Ｓｍ１ｔｈｊＡｐｐ１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　ｖ
ｏｌ、　３５　ｓ　ｐ、　７１（１９７９））。

このグラフオエピタキシーを種子結晶領域の形成に利用
し、結晶学的方位が制御された帯状の単結晶シリコン膜
を形成する方法を本発明者等は特願昭５８−１３１９５
８号で示した。

この方法は、第１図に示すように表面に帯状の第１の溝
１が形成されており、該帯状の溝１の底面の一部にグラ
フオニ、ピタキシー効果を誘起させるだめの第２の溝乙
が形成されたような非晶質絶縁体基板を用い、第１およ
び第２の溝の中にシリコン膜を埋め込んだ後この溝領域
をレーザ照射してまず結晶学的方位の揃った領域を形成
し、次にこの領域を種子にして再びレーザ照射によ多帯
状の単結晶シリコン膜を成長させる方法である。この、
方法で用いた構造の溝を形成する場合、一度溝加工した
のち溝底面の一部に再び溝加工する技術を必要とし、凹
凸を有する面に再びパターニングを施すことは目合わせ
や露光時間の制御等の点で容易ではなく、特願昭５８−
１３１９５８号で示した溝構造は充分とは言いがたい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は従来のかかる欠点を解決するための新規
な基板構造およびその製造方法を提供することにある。

〔構成の詳細な説明〕

帯状の溝に一部にグラフオエピタキシーを誘起させるだ
めの細かな溝領域を形成し、この領域を種子として帯状
の単結晶シリコン膜を形成する手法では、種子領域の溝
構造をいかに容易に実現しうるような構造にするかが成
否の鍵となる。本発明は、種子領域における溝構造およ
びその形成方法が従来と異なシ、溝形成のだめのパター
ニングは１回ですませ、あとはシリコン膜堆積と研摩工
程のみによ）、グラフオエピタキシーに有効な溝構造を
実現しうるような新規な基板およびその製造方法を提供
することにある。

本発明における非晶質絶縁体表面に形成した溝形状の平
面図を第２図に示す。４は帯状の溝甲で、７は非晶質絶
縁体である。６はグラフオエピタキシーを誘起するだめ
の細かな溝乙で、５は溝甲を複数個の溝乙に仕切るだめ
の非晶質絶縁体からなる壁である。

第２図中のＡ−Ａ′断面の様子を示した斜視図が第３図
である。第３図に示すように、本発明における溝構造で
は、溝４および溝６の底面は同一平面をなし、溝６の仕
切るための壁５は溝４の深さよりも低くなっているのが
特徴である。

このような構造をとることにより、壁５の高さの調整は
別にして、溝甲および溝乙は１回のパターニング工程で
同時に形成することができる。溝甲および溝乙の中にシ
リコン膜を埋め込んだ状態（基板断面）を第４図に示す
。第４図で８は再結晶化用のシリコン膜、９はシリコン
膜８が均一に再結晶化されるような熱分布をもたらすだ
めのシリコン膜である。１０は絶縁体基板である。溝乙
を有する領域に例えばレーザビームを照射してシリコン
膜８を溶融して再結晶化させると溝乙の効果により、溝
乙が存在する領域のシリコン膜は、溝の底面に垂直方向
および帯の長さ方向に＜ｉ　ｏ　ｏ＞の結晶学的方位を
有する単結晶シリコン膜となる。

溝乙の効果によシグラフオエビタキシーを誘起溝甲の深
さの半分以下におさえることが望ましい。

一方し−ザピームによシリコン膜厚溶融する場合、通常
用いられているアルゴン（Ａｒ）ガスレーザやネオジム
・ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザにより厚さが３０００Ｘ
以下のシリコン膜を均一に溶融するのがむずかしく、シ
リコン膜がはがれやすい。このためシリコン膜厚は３０
００　Ｘ以上であることが望ましく、溝４の深さは壁５
の高さよシも大きくとるのが有効である。

次に第４図に示した再結晶化用基板の製造方法について
述べる。第２図〜第４図に示されるように、本発明の基
板構造は、帯状の溝４の一部が壁５によって複数個の溝
６に仕切られている。壁５の高さは最終的には゛溝４の
深さよりも低くなるが、このような構造を形成するにあ
たシ１、まず壁５の高さが溝４の深さと同一のものを形
成する。このような構造は、第２図に示すようなマスク
パターンを用いることにより１回のレジスト膜パターニ
ングおよびエツチング工程で容易に形成できる。

次に、壁５の高さを３０００　Ｘ以下に低くシ、かつ溝
甲および溝乙内にシリコン膜を埋め込む。本発明ではこ
れらの工程に対して通常のシリコン膜堆積工程と特殊な
ポリシング工程とを用いる。凹凸のある基板上にシリコ
ン膜を一様に堆積し、該シリコン膜表面を平坦化する場
合に研摩が有効であることは公知である〔例えば浜ロツ
木村を沃土を第３０回応用物理学関係連合講演会講演予
稿集、ｐ　６５９　（１９８３）　）。

この方法は被研摩面を研摩布（ポリシャ）に押しつけな
がらメカニカルおよびケミカルな作用によシ被加工物を
研摩除去するものである。この場合細かな溝が存在する
領域とそうでない領域での研摩速度がことなシ、その結
果、溝が存在する領域が余計に研摩され、溝が存在しな
い領域に比べて凹となる。しかもその境界は急峻でなく
、１００μｍ程度にわたってゆるやかに傾斜する。従っ
てこのような従来の研摩法によシ第４図に示すような構
造の基板を製造する場合、壁５の高さは低くできるがそ
の高さが場所によシ変化してしまい、壁５が消失してし
まうような個所も出現する。

これに対して、本発明で用いる研摩法は被研、摩面とポ
リシャ間の間隔が制御できるような特殊房研摩装置Ｃ特
願昭５８−１６０７６４号）を用い、表面凹凸を有する
被研摩面の平坦化の際、ポリシャの繊維と被研摩面が接
触状態のときと非接触状態のときとでの研摩のされ方の
違いを利用したものでおる。

即ち、溝乙のような非常に微細な幅を有する溝領域では
、被研摩面がポリシャに押しつけられていない状態でポ
リシャの繊維と接触しているような条件下で研摩を施す
と、溝領域では研摩速度が他の領域に比べて大きくなシ
、溝領域の表面は平坦になるが溝のない領域に比べて凹
状態となる。

このとき境界領域に段差が生ずるが、この段差は前述し
た通常の研摩法に見られるゆるやかな傾斜状態とは異な
シ、急峻となることが種々の実験から明らかにされた。

従ってこの現象を利用する。ことによシ壁５の高さを溝
甲４の深さより小さくすることができる。

次に、ポリシャの繊維が被研摩面に接触していない状態
では溝のない領域との段差が殆んどない状態で溝領域の
凹凸を有する被研摩面を平坦にすることができる。従っ
てこの種の研摩工程は、シリコン膜を溝甲および溝乙に
埋め込むための最終工いることによシ第４図に示すよう
な再結晶化用基板を製造することができる。

（実施例） 以下実施例によシ本発明の詳細な説明する。

第４図に示すようなレーザ再結晶化用基板の製造工程を
第５図〜第９図に示す。

第５図は絶縁膜７の表面に通常のレジスト膜パターニン
グおよびドライエツチング法によシ溝甲および溝乙を形
成した基板の断面（第２図ｈ−Ｘ断面）を示す。絶縁体
基板１０として石英ガラス基板を用い、絶Ｒ膜７として
熱酸化によって形成した二酸化シリコン膜を用いた。こ
の段階では溝甲を複数個の溝乙６に仕切るための壁５の
高さに溝甲の深さと同じである。壁５の高さは０．５μ
ｍ１溝−０幅は１０〜３０μｍ１溝乙６の幅は２〜３μ
か、溝乙６を仕切るための壁５の厚さは１μｍとした。

厚さ０．４μイ結晶シリコン膜９は化学気相堆積（（４
Ｄ）法によ多形成した。

次に、第６図に示すような基板上に溝甲がほぼ埋まるて
いどの厚さの多結晶シリコン膜１１を減圧ＣＶＤ法によ
シ堆積した。

第７図は、第一の研摩工程を施し、壁５の高さを低くし
た状態を示す。ここで第一の研摩工程とはポリシャの繊
維が被研摩面に接触しかつ被研摩面がポリシャに押しつ
けられていない状態で研摩を施す工程を意味する。

本実施例で用いた研摩装置（特願昭５８−１６０７６４
号）を第１０図に示す。又、ポリシャの繊維と被研摩面
との関係を示す模式図を第１１図に示す。

ここで第１０図に示す研摩装置について簡単に説明する
。被加工物１３を保持する支持板１４は固定されたベア
リング１５によシ支持虜れ、７ランジ１６に固定されて
いる。７ランジ１６の他方には厚み方向に着磁している
磁石１７が固定されている。磁石１７と磁力線の向きが
反対の磁石１８して、支持板１４は被加工物１３の加工
面に垂直と９つけられた研摩布（ポリシャ）１９との間
隙２１が生じる。また被加工物１３は研摩液２２に浸さ
れている。ここで、研摩板２０を矢印２４の方向に回転
させると研摩板２０と被加工物１３の間に相対運動が生
じ、間隙２１に研摩液の流れが生じ、この相対運動が大
きくなるほど支持板１４は研摩板２０の方に吸引され、
間隙２１は小さく被加工物１３は原子オーダで加工され
る。第４１図は、第１０図における研摩板２０の回転数
を調整して間隙２１を小さくしてシリコン膜１１の表面
がポリシャに押しつけられず、かつポリシャの繊維１９
がシリコン膜１１の表面に接触している状態を示したも
のである。

このような第一の研摩工程によシ壁５の高さがＯ１２μ
ｍでかつ溝乙の中にシリコン膜１１が埋め込まれた状態
が実現できた。シリコン膜１１の表面と壁５の表面とは
必ずしも同じ高さとはならず一般にシリコン膜１１の表
面は壁５に対して若干凹む。第８図はこのような基板表
面にシリコン膜１１と同じ堆積方法で多結晶シリコン膜
１２を０．３〜０．４μｍ堆積した状態を示す。

次に、第８図に示すような凹凸を有するシリコン膜１２
に対して第二の研摩工程を施す。ここで、第二の研摩工
程とは、第１０図のような研摩装置を用い、第一の研摩
工程よシ研摩板の回転数を小さくしてポリシャの繊維が
シリコン膜１２の表面に接触していない状態（第１２図
）で研摩を施す工程を意味する。

この第２の研摩工程によシ第８図における絶縁膜７上の
シリコン膜１２および溝領域のシリコン膜表面の凹凸は
除去され、第９図に示すような基板表面が平坦となるよ
うにシリコン膜１１，１２が溝甲および溝乙に埋め込ま
れ、所望のレーザ再結晶化用基板を製造することができ
た。

このようなレーザ再結晶化用基板に、ビーム直径５０μ
ｍ程度のアルゴン（Ａｒ）レーザを照射して第１１図に
おけるシリコン膜１１．１２を溶融して再結晶化した結
果、溝乙が存在する領域のシリコン膜は、基板面に垂直
方向および壁５に垂直方向に＜１００＞を有する単結晶
であることをＸ線評価で確認した。

更に、この溝領域を種子にして溝甲内の帯状のシリコン
膜をレーザ照射で再結晶化することによ＃）種子領域と
同一の方位を有する帯状の単結晶シリコン膜を形成する
ことができた。本実施例では、溝甲の形状として矩形の
場合について示したが、一部の領域の溝幅が異なった４
つ以上の壁で囲まれた溝形状に対しても本発明は有効で
ある。

〔発明の効果〕

以上示したように、本発明の基板構造は、ビームアニー
ルによるシリコン膜の再結晶化において、再結晶化され
たシリコン膜の結晶学的方位の制御に有効であシ、かつ
このような構造を形成する手法として本発明が提供する
製造方法を用いることによシ、溝構造が複雑であるにも
かかわらずバターニング工程を１回です壕せることかで
き、目合せのわずられしさから解放される。本発明の再
結晶化用基板およびその製造方法を用いることによシ、
種子結晶を用いずとも非晶質絶縁体上に結晶学的方位の
揃った帯状の単結晶シリコン膜を形成することができ、
本発明はＬＳＩの高速化、三次元化に多大の効果をもた
らすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の溝構造の一例を示す斜視図。 第２図は溝加工が施された絶縁体基板表面の一部を示す
平面図。 第３図は第１図のＡ−Ａ’断面を示す斜視図。 第４図は再結晶化用基板の断面図。 第５図〜第９図は、本発明の再結晶化用基板の製造工程
を示す断面図。 第１０図は、本発明の実施例で用いた研摩装置を示す概
略図。 第１１図は第１の研摩工程におけるシリコン膜表面とポ
ジシャの繊維との関係を示す断面図。 第１２図は第２の研摩工程におけるシリコン膜表面とポ
リシャの繊維との関係を示す断面図。 １・・・第１の溝　　　１４・・・支持板２・・・第２
の溝　　　１５・・・ベアリング３・・・絶縁体　　　
　１６・・・フランジ４・・・溝甲　　　　　　１７シ
１８・・・磁石５・・・壁　　　　　　１９・・・ポリ
シャ６・・・溝乙　　　　　２０・・・研摩板７・・・
絶縁膜　　　　２１・・・間隙８．９司」ｔ１２・・・
シリコン膜　　２２・・・研摩液１０・・・絶縁体基板
　　２３・・・枠１３・・・被加工物　　　２４・・・
回転方向第１図 ！ 第２図 鞘３図 乙　　５ 第１０図 第１１図 第１７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非晶質絶縁体表面に少くとも４つの溝壁に囲まれた
   帯状の溝甲が複数個形成されており、さらに、各々の溝
   甲の一部が、溝の低面に垂直でかつ、溝の長さ方向に平
   行でかつその高さが溝甲の深さより低い壁によってさら
   に複数個の帯状の溝乙に仕切られており、溝甲および乙
   の中にシリコン膜が埋め込まれていることを特徴とする
   再結晶化用基板。 ２、非晶質絶縁体表面に、写真蝕刻工程を用いて少くと
   も４つの壁に囲まれた帯状の複数個の溝甲と、各々の溝
   甲の一部に溝の底面に垂直でかつ溝の長さ方向に平行な
   複数個の壁によって仕切られた溝乙を同時に形成し、次
   いでシリコン膜を前記非晶質絶縁体上に堆積し、次いで
   研摩を施してシリコン膜を溝乙を形成している壁の高さ
   を溝甲の深さより低くしかつシリコン膜を溝甲および溝
   乙内に残し、次いでシリコン膜を堆積して溝甲および溝
   乙のシリコン膜厚を溝甲の深さと同程度又はそれより厚
   くし、次いで研摩によって溝甲および乙以外の部分のシ
   リコン膜を除去することを特徴とする再結晶化用基板の
   製造方法。