JPS6175513A - シリコン結晶膜の製造方法 - Google Patents

シリコン結晶膜の製造方法

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JPS6175513A
JPS6175513A JP14245885A JP14245885A JPS6175513A JP S6175513 A JPS6175513 A JP S6175513A JP 14245885 A JP14245885 A JP 14245885A JP 14245885 A JP14245885 A JP 14245885A JP S6175513 A JPS6175513 A JP S6175513A
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徳山 巍
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隆雄 宮崎
Haruo Ito
晴夫 伊藤
Hiroshi Tamura
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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】 本発明は結晶性の優れたシリコン結晶膜の製造方法に関
する。
現在、シリコンを用いる半導体装置ではチョクラルスキ
ー法で作成した単結晶インボッ1〜をスライスし、研摩
した厚さ置200μmのウェハーが用いられている。し
かし、半導体装置ではウェハーの表面近傍しか利用され
ず大部分無駄となっており、素子の低コスト化への1つ
の障害となっている。また、シリコン層が厚いことが素
子分離を困難とし高速LSIの開発を難しくしている。
1つの解決法としてサファイア結晶上にシリコン薄膜を
エピタキシャル成長させるSO8技術があるが、サファ
イア結晶が高く素子の低コスト化には問題がある。
以上の問題点を解決するため安価な基板上に移結晶シリ
コン膜を形成して半導体素子を作成する試みが行われて
いる。しかし、従来の方法では結晶粒径が0.1〜10
μmと小さく性能の充分な素子は得られていない。性能
を改善するには粒径を大きく粒界での少数キャリアの再
結合を減少させる必要があり、そのためシリコンの融点
近傍で多結晶膜を加熱し結晶粒を成長させ最終的には乍
結晶膜を得ようとする試みがなされている。しかるに、
融点以下の加熱では粒成長は速やかに進行せず(C,D
、0utyens and H,Hejjjjgers
、 App。
Phys、Letters、 Von、26. No、
 10.569(1975)参照)、また融点以上では
シリコン融液が表面張力のため球状になり厚さの均一な
膜は得られない。
本発明は多結晶シリコン膜の溶融時表面張力による膜の
凝集を防止するためシリコン膜−ヒに保護膜を設けるこ
とを特徴とするものである。従来、表面張力を低下させ
る保護膜を設は結晶性を向」ニさせる方法はInSbに
おいて知られているが(H,H,Wieder、  S
o]jcl  5tate  Communjcati
on。
VoQ、3,159 (1965))S iに関シテは
全く知られていない。
本発明者は多結晶シリコンの再結晶化用の保護膜として
は単結晶シリコンデバイスのパッシベーション用の各種
の酸化物膜が適していることを見出した。たとえば、5
i02.Al□03゜”2031 Sn○2.Al□0
3−8j02゜B2O3−8i02.P2O5,P2O
5−8i02゜PbOを含む低融点ガラス、さらには上
記各種の組合せを含む多成分系ガラス(例えば7o59
ガラス)などが適している。上記各種ガラス膜の中で、
B2O3−8i○2系およびP2O5−8iOz系ガラ
スは組成を適当に選ぶことによりSiと熱膨張係数を一
致させることができ加熱時および冷却時クラックの生じ
ない保護膜として適当である。このようなガラスとして
はイ也にPbO−B203−Al□Oa  SiO□系
、 pbo −Al203−5j02系r Pb0−B
 203−ZnO−8in2系オヨびPbO−B203
−Al□03−ZnO−8j02系ガラス等がある。シ
リコン膜が溶融する時シリコンは収縮し、冷却して凝固
する時約9%膨張するので保護膜に大きな応力がかかる
。保護膜はかかる応力により亀裂もしくは剥離を生ずる
ことは好ましくなく、またこれを防止するにはシリコン
膜の溶融時もしくは再結晶化時に保護膜が軟化している
ことが応力緩和上必要である。
上記各種硅酸塩ガラスは一般にSiの融点近傍では軟化
し保護膜として適当なものである。この種の酸化物膜は
軟化点が著しく低い場合一般に流動しやすくなりシリコ
ン表面が凹凸を呈しやすくなる。この場合、軟化しない
硬い膜を軟化する酸化物膜上に被着して2層膜を形成す
るとかかる問題点を克服できる。また、上記ガラス膜の
中で8203  SiO3系もしくはP2OlS−8j
O2系などの硅酸塩ガラス膜は再結晶化時の保護膜とし
て有効であるのみならずBもしくは兄の不純物を基板結
晶中にドーピングすることにも有効であることは言う迄
もない。
以上酸化膜について説明してきたがシリコンとぬれ性の
良い他の物質も有効であった。ぬれの良い他の物質とし
て、BN、AIN、GaN。
S i 2 N 4などの窒化物、B4C,A14C3
tSiCなどの炭化物および炭素などがある。これらの
物質は一般に酸化物に比べぬれが良く特に炭素および炭
化物はシリコンにほぼ完全にぬれる。
以上の保護膜形成法として、化学蒸着法、スパッタ法、
電子ビーム蒸着法およびガラス溶着法など通常の膜形成
法が使用され得る。また、シリコン膜表面の直接酸化、
窒化および炭化も同様に有効である。
再結晶化前のシリコン膜は通常多結晶膜であるが非晶質
膜についても有効である。かかる非晶質膜はシランガス
を用いる化学蒸着法もしくは電子蒸着法などにより低温
で作成される。また、シリコン膜としてシリコン膜と他
の物質からなる多層膜もしくは他の物質を含むシリコン
膜も有効である。他の物質として、アルミニウム、すす
、チタン、ジルコニウム、ニオブおよび白金などの各種
金属および化合物があり、これらの物質とシリコンとの
合金の融点はシリコンより低くくなり低温再結晶化法と
して有利である。
以下、本発明を実施例にて詳細に説明する。
実施例1 アルミナ基板上に化学蒸着法により多結晶シリコン膜を
堆積後、該シリコン膜上にアルミナ膜を被着しシリコン
の融点以」−に加熱し冷却後再結晶化を行なった。以下
、第1図にて本発明を説明する。
まず、アルミナ板1を有機溶媒中で超音波洗浄後、高周
波加熱炉へ挿入し1100℃に加熱し、トリクロルシラ
ンガスを流し5μm厚の多結晶シリコン層2を形成した
。多結晶層の粒径を透過電子顕微鏡を用いて調べた所、
平均粒径は約1μmであった。
つぎに、上記試料を400℃に加熱しトリイソブチルア
ルミニウムガスの酸化により厚さ0.7μmのアルミナ
膜3を多結晶シリコン層2の」二に被着した。
この試料を酸素ガス雰囲気中1420℃で10分間加熱
した。その結果、シリコン膜は溶融し冷却中再結晶化し
た。再結晶化シリコン膜の粒径は約2mmと再結晶化前
の値に比べ桁違いに大きくなった。
実施例2 アルミナ基板上に化学蒸着法により多結晶シリコン膜を
堆積後、該シリコン該」―にリン硅酸塩ガラス膜を被着
しシリコンの融点以−にに加熱することにより、再結晶
化を行なった。以下、第1図にて本発明を説明する。
まず、アルミナ板1を有機溶媒中で超音波洗浄後、高周
波加熱炉へ挿入し1100℃に加熱し、トリクロルシラ
ンガスを流し20μm厚の多結晶シリコン層2を形成し
た。多結晶層の粒径を透過電子顕微鏡を用いて調べた所
、平均粒径は約1μmであった。
つぎに、上記試料を400℃に加熱しI” )−13−
8iT(4系ガスを用いる化学蒸着法により5モル%の
P2O5を含むリン硅酸塩ガラス膜3を1μm多結晶膜
2上に被着した。
この試料を空気雰囲気中1420℃で10分間加熱した
。その結果、シリコン膜が溶融し急冷中にデンドライト
状に再結晶化した。デンドライト結晶の長さは約1cm
、幅約1mmと再結晶化前の直H1μmに比べ桁いに大
きな粒径となった。リン硅酸塩ガラス膜を被覆しないと
、シリコン膜は溶融時に凝集して球状になりアルミナ基
板面が露出してしまう。
実施例3 アルミナ基板上に金属チタンを蒸着後、多結晶シリコン
膜を堆積し硼硅酸塩ガラス膜と酸化硅素膜の2重膜を被
着し再結晶化を行なった。以下、第2図にて本発明を説
明する。
まず、アルミナ基板11を洗浄し真空蒸着装置に挿入し
た。電子ビーム蒸着法により、アルミナ基板11上に約
0.1μm厚のチタン膜12を形成し、さらに実施例1
と同様な方法で20μm厚の多結晶層13を堆積した。
つぎに、この試料を400℃に加熱しB2■]6SiH
4系ガスを用いる化学蒸着法により該多結晶膜13上に
17モル%のB2O3を含む硼硅酸塩ガラス膜】4を0
.8μm、さらにその上に酸化硅素膜15を0.2μm
を被着した。5102膜15は、硼硅酸塩ガラス膜14
が湿気を吸収し劣化することを防ぐためとガラス膜14
が軟化して流動することを防ぐため設けている。
この試料を酸素中1380℃で10分間加熱してシリコ
ン膜を溶融し約り℃/分の速度で冷却し、試料を再結晶
化した。再結晶化した結晶の粒径は約0 、5 cmで
あり再結晶化前に比べ粒径が著しく大きくなった。
実施例4 アルミナ基板上に実施例】と同様な方法で多結晶シリコ
ンを堆積後、水蒸気中1000℃で1時間加熱し表面を
酸化した。酸化膜の厚さは約0.5μmであった。
この試料を実施例1と同様の方法で熱処理を行ない、同
程度の再結晶化シリコン膜を得た。
実施例5 炭素用板」二に実施例1と同様な方法で50μm厚さの
多結晶シリコンを堆積した。
この試料を1100℃に加熱しシランガスとアンモニア
ガスの反応により窒化シリコン膜1.0μmをシリコン
表面に被着した。その後、低融点ガラスの粉末を該窒化
シリコン膜上に載せて加熱溶融し厚さ5μmのガラス膜
を形成した。
これをアルゴンガス気流中1420°Cに加熱後冷却し
再結晶化を行なった。シリコン膜の結晶性は実施例1と
同様であった。
実施例6 アルミナ基板」二に多結晶シリコン膜を形成後アンモニ
アもしくは窒素ガス雰囲気巾約1300℃に加熱し、シ
リコン表面を窒化した。
その後、実施例5と同様な方法で該窒化膜上に低融点ガ
ラス膜を形成し同様な熱処理を行ない同程度の再結晶化
膜を得た。
実施例7 厚さの多結晶シリコンを堆積した。
この試料を1300℃に加熱しシランとプロパンガスの
反応により炭化硅素膜を被着し、実施例5と同様な方法
で熱処理した。その結果、実施例1と同程度の再結晶化
膜を得た。
実施例8 炭素基板−Lに実施例1と同様な方法で50μm厚の多
結晶シリコン膜を形成した。このシリコン膜表面に真空
蒸着法により炭素膜を0.5μm被着した。この試料を
実施例5と同様な方法で熱処理し同程度の結晶性を有す
る再結晶化膜を得た。
実施例9 炭素基板上に実施例Iと同様な方法で50μm厚の多結
晶シリコン膜を形成した。この試料を炭素含有ガス中で
1350’Cに加熱しシリコン表面を炭化した。
この試料を実施例5と同様な方法で熱処理を行ない実施
例1で得た結晶性に近い再結晶化膜を得ることができた
実施例10 アルミナ基板上に電子ビーム蒸着法により非晶質シリコ
ン装置1μmを被着し実施例3と同様な2層膜を該シリ
コン膜表面に形成した。
この試料を実施例3と同様な方法で熱処理し、同程度の
結晶性を有する再結晶化膜を得た。
以上、本発明を試料を均一に加熱して冷却した場合すな
わち均一再結晶化について述べたが、さらに電子ビーム
やレーザービームを用いる微小帯域再結晶化法(M 1
cro−zone Recrystal HzaLj、
on) 。
または温度勾配中の再結晶化法と本発明を組合わせても
シリコン膜の結晶性を向」ニさせうろことは明らかであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に記載した多層膜の構造図、第2図は本
発明に記載した他の実施例である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、多結晶シリコン膜もしくは非晶質シリコン膜上に第
    1の保護膜を形成した後、第2の保護膜を形成する工程
    と、該シリコン膜が溶融し且つ該第2の保護膜は軟化し
    ないが該第1の保護膜が軟化する温度に加熱し、該シリ
    コン膜が液相成長によって再結晶化し且つ該保護膜が軟
    化している温度に移行する工程を含むことを特徴とする
    シリコン結晶膜の製造方法。 2、基板上に設けた金属膜上に形成された多結晶シリコ
    ン膜もしくは非晶質シリコン膜上に保護膜を形成する工
    程と、該シリコン膜が溶融し、且つ該保護膜が軟化する
    温度に加熱し、該シリコン膜が液相成長によって再結晶
    化し且つ該保護膜が軟化している温度に移行する工程を
    含むことを特徴とするシリコン結晶膜の製造方法。 3、基板上に設けた金属膜上に形成された多結晶シリコ
    ン膜もしくは非晶質シリコン膜上に、第1の保護膜を形
    成した後、第2の保護膜を形成する工程と、該シリコン
    膜が溶融し且つ該第2の保護膜は軟化しないが該第1の
    保護膜が軟化する温度に加熱し、該シリコン膜が液相成
    長によって再結晶化し、且つ該保護膜が軟化している温
    度に移行する工程を含むことを特徴とするシリコン結晶
    膜の製造方法。
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