JPS61179524A - 多結晶シリコン膜の単結晶方法 - Google Patents

多結晶シリコン膜の単結晶方法

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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は多結晶シリコン膜の単結晶方法に関し、特に半
導体素子の製造に使用されるものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
周知の如く、多結晶シリコン膜は小単結晶体の集合、堆
積であり、気相成長力等により形成された多結晶シリコ
ン膜の単一ブレーン（単結晶）サイズは平均的１０００
〜３００００程度である。
これにレーザ光又は電子線等のエネルギ光を照射して一
端溶解すると、再固化する際に、エネルギ光の照射方法
、照射条件に対応してブレーンサイズの増大、成長が生
じる。そこで、これを応用して必要とする領域の多結晶
シリコン膜の単結晶化技術が、特に立体構造（三次元）
集積回路の分野で研究されている。
従来、レーザ光、電子線等のエネルギ光照射により多結
晶シリコン膜の単結晶化を行なう場合、第４図に示す如
く行なっている。即ち、エネルギ光１はシリコン基板２
上の多結晶シリコン膜３上を直線的に走行し、更にこの
走行線を徐々に移動して必要とする領域全面への照射及
び単結晶化を行なう。この際、最初のエネルギ光１ａの
走行線４と次のエネルギ光１ｂの走行線５とは、第５図
に示す如く一部重なるように走査する。なお、図中の６
はエネルギ光の走行方向を、７はエネルギ光の走行方向
４の移動向を、８は隣り合う走行線４．５の重なり部分
を夫々示す。ここで、エネルギ光としてレーザ光を用い
た場合、ルビー・レーザ（波長０．６９μｍ＞やＹＡＧ
レーザ（波長１．０６μＴｒＬ）によるパルス・レーザ
ともう一つアルゴンレーザ（０，５３μ７７１）などに
よる連続発振レーザ光を、数十ミクロン程度の径に絞っ
てエネルギ密度を高め、スポット照射しながら試料面を
操作する。
しかしながら、従来の如くエネルギ光を照射し、溶解、
再固化を行なった場合、第６図及び第７図に示す如く、
多結晶シリコン膜の溶解部１１の冷却は溶解部周辺から
生じ、再固化時の種結晶は溶解部周辺に接したブレーン
となり形成される単結晶は複数存在することになる。な
お、第６図及び第７図において、１２は冷却方向（再固
化の進行方向）を、１３は種結晶となるブレーンを夫々
示す。そして、エネルギ光を走行した場合、第８図に示
す如く溶解部１１の冷却は走行方向とは反対側から生じ
再固化もこれに従う。従って、単結晶部の形状はエネル
ギスポット径を種結晶の数で割った程度の線状のものに
なってしまう。なお、第８図で１４は単結晶化した領域
を示すが、完全な単一の結晶体ではない。
そこで、改良例として第９図（ａ）〜（Ｃ）に示す如く
、エネルギ光のスポット形状を長円形（同図（ａ））、
線状（同図（ｂ））もしくは走行方向と直角方向に高速
に往復操作（同図（Ｃ））することにより単結晶化領域
の大面積化を行なうとともに、第１０図に示す如くエネ
ルギ光スポットの内部のエネルギ密度を周辺部より弱め
エネルギ光を走行した場合、一定の位置Ｐから再固化が
開始され、単一の種結晶から単一の単結晶（スポット径
と同じ幅の線状）が容易に行なうことが提案されている
。なお、第１０図において、１５はスポット周囲のエネ
ルギ密度の大きいエネルギ光照射部を、１６はスポット
内側のエネルギ密度の小さいエネルギ光照射部を夫々示
す。しかしながら、前記方法によれば、最初の走行線に
よって形成された単結晶領域とこれに平行して次の走行
で得られる単結晶領域との間には結晶方位の統一が困難
であり、前後の単結晶領域間に欠陥等が発生し、大面積
例えば半導体ウェハ全面等は今のところ不可能である。
なお、従来例で得られる単結晶領域の面積は第９図（Ｃ
）に示した走行方向と直角の高速に往復操作するもので
あるが、往復操作により溶解したある点をエネルギ光が
移動して再び元の位置にエネルギ光スポットが戻る間ま
でその点が溶解していなければ往復操作面内での単結晶
化は不可能となる。従って、走査可能な最大速度とエネ
ルギ光の得られる最大エネルギ密度の関係から今のとこ
ろ約５００μｍの線状領域に限定される。
このように従来方法ではその単結晶化領域の面積的制約
がある点と、結晶内に多くの結晶の不連続（欠陥）が発
生する点に問題がある。また、直線内往復照射を行なう
為の装置の複雑化、処理能力の低下等の問題がある。
〔発明の目的〕
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、単結晶時間
を短縮するとともに、容易でかつ高い処理能力で大面積
を単結晶化できる多結晶シリコン膜の単結品番方法を提
供することを目的とする。
（発明の概要） 本発明は、半導体基板上に直接もしくは絶縁膜を介して
多結晶シリコン膜を形成′し、この多結晶シリコン膜に
単結晶化を行なう領域の中心から外方へ向かって渦巻き
状にエネルギ光を走行しながら照射することを特徴とす
るもので、大面積領域の多結晶シリコン膜を容易でかつ
高い処理能力で単結晶化なし得るものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図を参照して説
明する。
まず、単結晶化に先立ち、Ｎ型のシリコン（１００）基
板（抵抗５〜６Ω’　ｃｒｒｔ、直径１０Ｃａ＋）２１
上に、１０００℃、８２　＋０２雰囲気中で水素燃焼酸
化により厚さ８０００人シリコン酸化膜２２を成長させ
た後、この上に厚さ４０００人の多結晶シリコンｌｌＩ
２３を堆積し第２図に示すウェハを得た。この後、ウェ
ハを第１図に示す如く電気モータで回転する軸２４上に
真空吸着により固定する。なお、前記軸２４内は空洞と
なっており、下端部は図示しない真空ポンプに接続され
ている。
こうした状態で、ウェハを軸２４と共に例えば矢印Ａの
方向に回転させなからレーザ光２５を中心部から外方向
（矢印Ｂ）へ移動させる。これにより、レーザ光が、多
結晶シリコン膜２１上を第３図に示す如く中心部から外
方向へ向かって渦巻き状（矢印Ｃ）に走行しながら照射
される。この際、試験条件は次に示す通りである。
■、レーザ光光波波長０．５３４ｍ出力１０〜１５Ｗ１
ビーム径１００μｍの連続発振のアルゴンレーザ。なお
、つ１ハの中心部付近と外周部付近でレーザ光２５によ
る単位時間当りの照射エネルギ密度があまり大きくなら
ないようにレーザ光２５の出力は、外部に移動するにつ
れ高くなるように工夫した。
■２ウェハの回転速度；レーザ光の走行速度がウェハに
対して外周付近で約１０ｃｍ／ＳｅＣとなるようにする
ため、ウェハの回転速度は１８〜２４ｒｐｍとした。
■、レーザ光の速度；レーザ光２５の走行は一回転して
約３０ｕｍ程度、隣り合う走行軌道が重なり合う様にピ
ッチ約７０μｍとしてレーザ光２５の中心から外方への
直線移動速度は約２１〜２８μＴｒＬ／ＳｅＣテ行なう
。
しかして、本発明によれば、所定の条件下でレーザ光２
５を単結晶化を行なうべき多結晶シリコン膜２１の中止
から外方へ向かって渦巻き上に走査しながら照射するた
め、多結晶シリコン膜２３を中心部の単一の種結晶から
連続的に約５００’Ｃに加熱でき、液相エピタキシャル
成長による多結晶シリコン膜２３の大面積の単結晶化が
容易でかつ高い処理能力でできる。また、本発明によれ
ば、ウェハを回転することにより多結晶シリコン膜の単
結晶化を行なうため、レーザ光自体を複雑に走査する特
別な機構を必要とせず、簡単な装置で容易に処理が行な
える。
また、処理能力を向上するため、レーザ光２５のウェハ
に対する走行速度を常に１ｏＣＩＲ／ＳｅＣとなるよう
に、ウェハの回転速度をレーザ光２５の照射位置が外部
に移動するに伴い低速となる様に工夫すれば、例えば４
インチ（直径１０ｃＩりウェハ全面に形成された多結晶
シリコン膜の単結晶化は約１９分以下で行なえる。但し
、この時のレーザ光は、開始から終了まで一定の出力１
２Ｗで行なった。これに対し、従来、レーザ光のスポッ
ト径約１００μｍ、走行速度１０ｃｒｔｒ／Ｓｅｃ走行
線のピッチ７０μｍとした場合、単結晶化に約２５分程
度以上かかるので、本発明が従来と比べ優れていること
が明らかである。
なお、上記実施例では、軸の回転によりウェハ自体を回
転して渦巻き状のレーザ光照射を行なう場合について述
べたが、これに限らず、レーザ光を回転して渦巻き状の
レーザ光照射を行なってもよい。
上記実施例では、レーザ光を単に照射することにより渦
巻き状に形成した場合について述べたが、これに限らず
、従来のようにエネルギ光のスポット形状を長円形、線
状等にして渦巻き状に形成してもよい。この場合、スポ
ット形状の長径方向に直角もしくは外方向端部が走行方
向に対して後方に位置する様に照射すると、再固化が中
心部に近い方向から外方向へ向けて進み、単結晶化が容
易となる。
上記実施例では、基板上にシリコン酸化膜を介して設け
られた多結晶シリコン膜を単結晶する場合について述べ
たが、これに限らない。例えば、エネルギ光の照射の始
点となる位置のシリコン酸化膜を予め除去し、多結晶シ
リコン膜と基板とが直接接する領域を設けてもよい。こ
れにより、単結晶の方位を基板と同方位に形成すること
ができる。また、基板上に直接多結晶シリコン膜を形成
し、これを単結晶化してもよい。
〔発明の効果〕
以上詳述した如く本発明によれば、従来と比べ単結晶時
間を短縮できるとともに、その走査ｈ＜容易でかつ大面
積で処理能力が高い多結晶シリコン膜の単結晶方法を提
供できるものである。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係る多結晶シリコン膜の単
結晶方法を説明するための斜視図、第２図は本発明方法
に用いられるウェハの斜視図、第３図は同方法における
レーザ光の走行状態を説明するための平面図、第４図は
従来の多結晶シリコン膜の単結晶方法を説明するための
斜視図、第５図は同方法におけるエネルギ光の走行線の
重なりを説明するための図、第６図は同方法におけるエ
ネルギ光照射時の多結晶シリコン膜の溶解部の冷却状態
を説明するための図、第７図は第６図のＸ−Ｘ線に沿う
断面図、第８図は同方法におけるエネルギ光走行時の多
結晶シリコン膜の溶解部の冷　　　　・却状態を説明す
るための図、第９図はエネルギ光のスポット形状を説明
するための図、第１０図は従来の改良された多結晶シリ
コン膜の単結晶方法を説明するための図である。 ２１・・・Ｎ型のシリコン基板、２２・・・シリコン酸
化膜、２３・・・多結晶シリコン膜、２４・・・軸、２
５・・・レーザ光。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第４図 第６図 第７図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）、半導体基板上に直接もしくは絶縁膜を介して多
    結晶シリコン膜を形成する工程と、この多結晶シリコン
    膜に単結晶化を行なう領域の中心から外方へ向かつて渦
    巻き状にエネルギ光を走行しながら照射する工程とを具
    備することを特徴とする多結晶シリコン膜の単結晶方法
    。
  2. （２）、エネルギ光のスポット形状が長円形もしくは線
    状で、エネルギ光をそのスポットの長径方向がエネルギ
    光の走行方向に直角もしくは外方向端が走行方向に対し
    て後方に位置するように照射することを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の多結晶シリコン膜の単結晶方法
    。
  3. （３）、エネルギ光のスポットを走行方向と直角に高速
    で往復走査することを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の多結晶シリコン膜の単結晶方法。
  4. （４）、エネルギ光のスポット内のエネルギ密度を単結
    晶化を行なう領域の内部から外方向へ徐々に大きくし、
    エネルギ分布に傾斜を付けたことを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の多結晶シリコン膜の単結晶方法。
  5. （５）、エネルギ光の照射の始点となる位置の絶縁膜を
    予め除去し、半導体基板と多結晶シリコン膜が直接接す
    る領域を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の多結晶シリコン膜の単結晶方法。
  6. （６）、単結晶を行なう領域の中心部を回転軸の中心と
    して半導体基板を回転させ、エネルギ光を該中心部を始
    点として外部方向に走行しながら照射することを特徴と
    する特許請求の範囲第１項記載の多結晶シリコン膜の単
    結晶方法。
  7. （７）、エネルギ光としてレーザ光もしくは電子線を用
    いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多結
    晶シリコン膜の単結晶方法。
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