JPS62165907A - 単結晶薄膜の形成方法 - 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、半導体層の溶融領域内に発生する微細結晶（
ラメラという）を利用し・た単結晶薄膜の形成方法に関
する。

（発明の概要〕 本発明は、絶縁性基板上に形成した半導体層を溶融した
後、再結晶化させる単結晶薄膜の形成方法において、半
導体層が露出した第１の領域と、半導体層がギャップ層
で覆われた第２の領域を形成し、第１の領域を溶融再結
晶化させて（１００）面を有する単結晶薄膜を形成した
後、これを種として第２の領域を溶融再結晶化すること
によって、確実に単結晶薄膜を形成できるようにしたも
のである。

〔従来の技術〕

絶縁基板上に形成した多結晶シリコン薄膜を再結晶化さ
せて単結晶シリコンを形成するいわゆるＳ　ＯＩ　　（
ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　１ｎｓｕｌａｔｏｒ）技術の開
発が進　“められている。

絶縁股上に被着形成された多結晶シリコン膜にレーザ光
等の放射光を照射して加熱溶融すると、溶融領域内に細
長い微細な固相島領域（いわゆるラメラ）が存在する状
態がある。このラメラは（１００）面を膜面方位として
もつ単結晶であり、ラメラの長手方向が＜１１０＞方位
であることが知られている。従って、このラメラを種結
晶として結晶成長することが出来れば、絶縁膜上に面方
位と面内方位の揃った単結晶薄膜を形成することができ
る。この様な考えのちとにラメラ種結晶の再結晶化と、
それに続くラメラ種結晶よりの結晶成長法が報告されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の方法で問題となるのは、ラメラ種結晶の確実な形
成と、ラメラ種結晶を用いた状態で長い単結晶成長が確
実に行えるか、という問題である。

１つのラメラ種結晶で結晶方位の揃った長い単結晶を成
長させることは困難である。

本発明は、上述の点に鑑み、ラメラ種結晶の形成を確実
にして単結晶成長を確実に行えるようにし、さらには基
板の全面にわたって単結晶成長を確実に行えるようにし
た単結晶薄膜の形成方法を提供するものである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は、絶縁性基板（２）上に形成した半導体層（３
）を溶融した後、再結晶化させる単結晶Ｈ，膜の形成方
法において、半導体Ｎ（３）が露出した第１の領域（１
１）と半導体層（３）がキャップ層（４）で覆われた第
２の領域（１２）を形成し、第１の領域（１１）を溶融
再結晶化させて（１００）面を有する小結晶薄膜を形成
した後、これを種として第２の領域（１２）を溶融再結
晶化して単結晶薄膜を形成することを特徴とする。

第１の領域（１１）にエネルギービームを照射して（１
００）面を有する単結晶薄膜部ちラメラ種結晶を形成す
る際はエネルギービームを一方向に走査して溶融再結晶
化せしめ、第２の領域（１２）にエネルギービームを照
射してラメラ種結晶より単結晶薄膜を成長する際は上記
一方向と直交する方向にエネルギービームを走査せしめ
る。第１の領域（１１）は帯状に形成され、その幅はエ
ネルギービームの径以上にするを可とする。第１の領域
（１１）においてラメラ種結晶を作るときのエネルギー
ビームとしては第１の領域の幅方向に波状エネルギー分
布をもつエネルギービームを用いるを可とする。また第
１の領域（１１）の長手方向に平行に反射防止膜ストラ
イブ（２０）を形成しておくこともできる。この場合に
はうメラ種結晶を作るときのエネルギービームとしては
ガウス分布のエネルギービームでよい。第２の領域（１
２）を再結晶化させるときのエネルギーと一ムとしては
双峰型エネルギー分布をもつようなエネルギービームを
用いる。このときのエネルギービームパワーは、ラメラ
種結晶が溶融し始める最小のパワーに設定される。第１
の領域（１１）は基板における一方のスクライブライン
（９）に対応するところに形成するを可とする。

〔作用〕

ラメラの発生現象をみると、空気中に露出した半導体層
の再結晶時に発生し易い。従って第１の領域（１１）に
おいてはキャンプ層（４）がなく半導体層（３）が露出
しているために、エネルギービームを照射して溶融再結
晶化したとき、ラメラが確実に発生し、種結晶となる単
結晶薄膜が確実に形成される。

そして、ラメラ種結晶を形成した後、第１の領域（１１
）の長手方向と直交する方向に双峰型エネルギー分布を
もつエネルギービームを走査して第２の領域（１２）を
溶融再結晶化するとき、キャップ層（４）のない第１の
ｆ＋ｆｆ＠（１１）ではエネルギービームの反射率が大
きく、従って温度が低（なるのでラメラ種結晶は溶ける
ことがな（、一方キャップ層（４）がある第２の領域（
１２）ではキャップ層（４）によって反射率が小さくな
りエネルギービームの吸収が大きいことによって溶融し
、ラメラ種結晶よりの結晶成長が確実になる。

幅の広い第１の領域をガウス分布をもつエネルギービー
ムで溶融再結晶化すると、ラメラの向きは一方向に揃わ
ずランダムになる。一方、幅の狭い第１の領域をガウス
分布をもつエネルギービームで溶融再結晶化すると、ラ
メラの向きは長平方向に揃う。しかし、第１の領域の幅
が狭すぎると、隣接する第２の領域からの熱伝導でラメ
ラが溶ける憧れがある。従って、一方向に揃ったラメラ
を形成し、且つ残すためには第１の領域の幅を広くし、
且つ波状エネルギービームで、もしくはガウス分布をも
つエネルギービームの場合は第１の領域（１１）に反射
防止膜ストライプ（２０）を複数平行に形成して実質的
に波状エネルギービームで走査したと等価な状態として
溶融再結晶化すればよい。

又、第１の領域（１１）をスクライブライン（９）の位
置に対応して設けるときは、スクライブライン毎にラメ
ラ種結晶が存在するので、１つの種結晶で長い単結晶を
形成する必要がなく、基板全体の単結晶化が容易となる
。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明による単結晶薄膜の形成方
法の例を説明する。

本例においては、第１図及び第２図に示すように、Ｓｉ
基板＋１１上に絶縁膜例えば５ｉ０２膜（２）を熱酸化
又はＣＶＤ　（化学気相成長）法により形成する。

次にこの５ｉＯｚ膜（２）上に例えば厚さ０．５μｍ程
度の多結晶Ｓｉ膜（３）を減圧ＣＶＤ法等により被着形
成し、更にこの多結晶Ｓｉ膜（３）上にキャップ層（４
）として５ｉ０２膜（５）又は／及びＳ　ｉ３Ｎ　４膜
（６）（本例では５ｉ（ｈ膜（５）の厚さは２００人程
度、Ｓ　ｉＪ　４　Ｉｆ！ｉＩ　（６）の厚さは３００
人程度）を被着形成する。次に各デバイスチップ（７）
毎に分割するためのスクライブライン（８）及び（９）
のうち一方のタライブライン（９）に対応する部分のキ
ャップ層（４）をホトリソグラフィ技術によって選択的
に除去し、試料（１０）を作製する。

このキャンプ層（４）が除去され多結晶Ｓｉ膜（３）が
露出した領域がラメラ種結晶を形成する第１の領域（１
１）となり、キャップ層（４）で覆われた領域が単結晶
成長を行う第２の領域（１２）となる。

次に、この試料（１０）に対し、キャンプ層（４）が除
去された第１の領域（１１）に第３図及び第４図に示す
ように波状エネルギー分布（１５）をもつレーザビーム
（１４）を照射し、且つ第１図の矢印ａ方向に沿って走
査せしめて、第１の領域（１１）の多結晶Ｓｉ膜（３）
を溶融再結晶化してラメラを発生させ、（１００）面の
単結晶薄膜叩ちラメラ種結晶部を形成する。第５図はレ
ーザビーム（１４）の照射による固液相界面と液相領域
（１６）に発生したラメラ（１７）の形状及び方向を示
したものである。

（１８）は固相領域である。ラメラ（１７）はその長手
方向が＜１１０　＞方位であり膜面方位が（１００）面
となる。

次に、このラメラ種結晶部となった第１の領域（１１）
の延長方向と直角方向即ち第１図の矢印す方向に沿って
双峰型エネルギー分布をもつようなレーザビームを走査
してキャップ層（４）で覆われた第２の領域（１２）の
多結晶Ｓｉ膜（３）を溶融した後、第１の領域（１１）
のラメラ種結晶を核としてこれより単結晶成長せしめる
。このとき第１の領域（１１）が周期的に存在するので
試料の端から端まで結晶方位の揃った単結晶薄膜が得ら
れる。

矢印す方向に走査する双峰型エネルギー分布をもつレー
ザビームのパワーはラメラ種結晶が溶融し始める最小の
パワーに設定する。従ってキャンプ層（４）のない第１
の領域（１１）ではレーザビームの反射率が大きいため
ラメラ種結晶は熔けず、キャップ層（４）のある第２の
領域ではレーザビームの反射率が小さいために十分溶融
するレーザビームパワーとなり得て、第２の領域（１２
）はラメラ種結晶よりの結晶成長が確実に行える。

尚、上剥では第１の領ｉ！３ｉ（１１）にはキャップ層
（４）を全て除去した構成としたが、その他例えば第６
図に示すように、多結晶Ｓｉ膜（３）上に例えば厚さ５
００人程度の５ｉ３Ｎｑ膜よりなり、反射防止絶縁膜を
兼ねるキャンプＩ＠ｆ４）を形成し、第２の領域（１２
）ではこのキャップ層（４）を形成し、第１の領域（１
１）ではこのキャップ層（４）をストライプ状にパター
ニングし、例えば２０μｍのピンチで３本捏の反射防止
肱ストライプ（２０）を形成するようになしても良い。

この場合には反射防止膜ストライプ（２０）で形成され
た第１の領域（１１）に第７図に示すガウス型エネルギ
ー分布（２１）をもつ通常のレーザビーム（２２）を走
査すれば波状エネルギー分布のレーザビームで走査した
と等価な状態となり、−方向に揃ったラメラが発生され
る。

又、実際にはスクライブラインの幅は１００μｍ程度あ
るため、この幅よりビーム径の小さいレーザビームでこ
のスクライブラインにス・Ｉ応する第１の領域（１１）
を複数走査してラメラ種結晶を形成し、又、第１の領域
（１１）と直交する方向に走査して単結晶成長させろと
きのレーデビーム径も第１の領域（１１）の幅より小さ
い。

上述の方法によれば、ラメラ種結晶を形成すべき第１の
ｆｆＩ域ではキャップ層（４）が形成されず多結晶Ｓｉ
膜（３）が空気中に露呈されることにより、レーザビー
ム（１４）又は（２２）を照射して溶融再結晶化したと
きに、ラメラが発生し易く、確実にラメラ種結晶が形成
できる。そして、この第１の領域（１１）を一方のスク
ライブライン（９）に対応する位置に合せてスクライブ
ラインの数だけ形成することによりレーザビームを矢印
す方向に走査して第１の領域（１１）のラメラ種結晶を
核として溶融再結晶化したときに、第２の領域（１２）
のキャップ層に覆われた多結晶Ｓｉ膜（３）をラメラ種
結晶が繰り返されることによって一つの種で長い小結晶
を作る必要はなくなり、試料（１０）の全面にわたって
確実に単結晶Ｓｉ薄膜が形成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ラメラ種結晶を形成すべき第１の領域
では、キャンプ層がなく、半導体層が露出されているた
めに、この第１の領域を溶融再結晶化したときに確実に
ラメラが発生され、小結晶Ｖ＃膜が形成される。そして
この第１の領域の単結晶′Ｒ膜を種としてキャンプ層で
覆われた第２の領域を溶融再結晶化するときは、キヤ・
７プ５でのエネルギービームの反射率が小さいので、第
１の領域の結晶薄膜を溶かすことなく、第２の領域を溶
融再結晶化させることができ、確実に目的のｉＦ結晶薄
膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶薄膜の形成方法に通用される試
料の平面図、第２図は第１図のＡ　−Ａ　ｉ５１上の断
面図、第３図はラメラ種結晶形成工程の断面図、第４図
はそのときのレーザビームのエネルギー分布を示す図、
第５図はレーザビーム照射時の多結晶Ｓｉ膜の固液相界
面と発生したうメラの形状１方向を示す要部の平面図、
第６図は第１の領域の他の例を示す断面図、第７図は第
６図のレーザビームのエネルギー分布を示す図である。 （１）はＳｉ基板、（２）は絶縁膜、（３）は多結晶Ｓ
ｉ校、（４）ハキ＋　ソ７”ｆ’ｖ、（１１）ハ第１（
７）ｆｒ４域、（１２）は第２の領域、（１６）は液相
領域、（１７）はラメラ、（１８）は固相領域である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ、絶縁性基板上に形成した半導体層を溶融した後、再
   結晶化させる単結晶薄膜の形成方法において、 ｂ、上記半導体層が露出した第１の領域と、上記半導体
   層がキャップ層で覆われた第２の領域を形成し、 ｃ、上記第１の領域を溶融再結晶化させて（１００）面
   を有する単結晶薄膜を形成した後、これを種として上記
   第２の領域を溶融再結晶化することを特徴とする単結晶
   薄膜の形成方法。