JPS62206815A - 半導体ウエハ - 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］ この発明はシリコン・オン・インシコレータ（Ｓｏ　Ｉ
　）構造を実現するための半導体ウェハに関し、特に、
半導体ウェハ上に絶縁膜を介して非晶質または多結晶の
半導体層を形成し、この半導体層をエネルギ線を用いて
溶融、再結晶化させることにより単結晶半導体層を製造
する方法において大きな単結晶成長領域を得ることがで
きる半導体ウェハに関する。

パ［従来の技術］ 第５Ａ図および第５Ｂ図は従来の半導体ウェハ、特にシ
リコンウェハの構成を示す図であり、第５Ａ図はその平
面図であり、第５Ｂ図はその斜視図である。第５Ａ図お
よび第５Ｂ図において、たとえば直径１０ｃｍのシリコ
ンウェハ１は、（００１）面からなる主面と、シリコン
ウェハ１端面に位置または方位検出のために形成される
長さ約３３ＩｌｌＩの（１１０）面からなるオリエンテ
ーションフラット面２とを有する。（００１）面または
その等価な結晶面を主面とするシリコンウェハ１は、酸
化によって形成される二酸化シリコン膜との界面に存在
する電子単位が少なく、他の結晶面を主面とするシリコ
ンウェハより電気的に安定であるため、特にＭＯＳ　（
金属−酸化膜一半導体）型と称されるトランジスタによ
り形成されるＬＳＩ（大規模集積回路）製造用の基板と
して用いられることが多い。オリエンテーションフラッ
ト面２の役割は、半導体製造工程における位置決めであ
り、製造工程に含まれる多数の写真製版工程におけるマ
スク合わせは、このオリエンテーラ３ンフラツト面２を
マスクの一辺に揃えることにより行なわれる。

第６Ａ図および第６Ｂ図は半導体ウェハ上に形成される
半導体チップの平面配置およびチップ内に形成されるＭ
ＯＳトランジスタのチャネル方向を示す図であり、第６
Ａ図はウェハ上のチップの平面配置を示し、第６Ｂ図は
チップ内のＭＯＳトランジスタのチャネル方向を示す。

上述のように、写真製版工程におけるマスクの位置合わ
せはオリエンテーションフラット面２を同様にして、チ
ップ３内部に形成されるＭＯＳトランジスタのチャネル
方向も、第６Ｂ図に示されるように、オリエンテーショ
ンフラット面２に平行またはｇ！直な方向に形成される
。

最近、このシリコンウェハ１上に厚い絶縁層を設け、そ
の上にさらに多結晶または非晶質のシリコン層を形成し
、この多結晶または非晶質シリコン層をレーザ光または
電子線などとのエネルギー線の照射またはヒータを用い
て昇温して、溶融。

再結晶化させて単結晶シリコン層を得るシリコン・オン
・インシュレータ（以下、Ｓｏｆと称す）が注目されて
いる。これは、従来のシリコン・オン・サフアイヤ（以
下、単にＳＯ８と記す）に比べて安価で、かつＳＯ８に
おける欠点を除去できる可能性を有し、かつさらにＳＯ
８の特質をすべて活かすことが可能であるという背景に
よっている。このＳｏｌの形成方法のうち、絶縁層に下
地シリコンウェハ主面に達する開口部を形成し、この開
口部を通して下−地のシリコンウェハ単結晶を種結晶と
して絶縁層上にも下地の単結晶の結晶軸れている。

第７Ａ図ないし第７Ｄ図は従来のＳｏｆの製造方法を示
す主要工程の断面図である。以下、第７八図ないし第７
Ｄ図を参照して従来のＳｏｌの製造方法について説明す
る。

第７Ａ図において、（００１）面を主面としかつ（１１
０）面をオリエンテーションフラット面とする単結晶シ
リコン基板４上に、たとえば膜厚５０００人の絶縁体で
ある二酸化シリコンからなる酸化Ｍ５が形成される。

１７Ｂ図において、写真製版およびエツチング法を用い
て、酸化膜５に下地単結晶シリコン基板４主面に達する
開口部６を形成し、単結晶シリコン基板表面を露出させ
る。

第７Ｃ図において、たとえば減圧気相成長法を用いて、
絶縁膜５および開口部６上に厚さ５０００Ａの膜厚を有
する多結晶シリコン層７を形成する。

第７Ｄ図において、たとえば連続発振の大出力アルゴン
レーザビーム８を用いて多結晶シリコン層７を照射しな
がら図面矢印六方向（＜１１０＞方向）に走査する。多
結晶シリコン層７はレーザビーム８により溶融し、開口
１６において下地の単結晶シリコン基板４にまで溶融が
達してから同化、再結晶化し始める。このとき、下地の
単結晶シリコン基板４が有する結晶軸をなぞって結晶成
長するため、レーザ光８の走査に従って下地単結晶シリ
コン基板４と同じ結晶軸配向を有する単結８！１９が酸
化膜５上に成長する。このとき、単結晶成長方向は＜１
１０＞方向となる。

■構造における単結晶シリコン層の単結晶が成長できる
距離を示す図である。第８図（ａ　＞は上述の製造方法
により作成されたＳｏｌ構造の断面構造を示す図であり
、第８図（ｂ）は開口部６を有する酸化ｌｌｌ５上に形
成された単結晶シリコン層９のラマン敗乱光強度と開口
部６端 の関係を示す図である。第８図（ｂ）において、縦軸は
ラマン敗乱光強度を示し、横軸は開口部６の端部からの
距離りを示す。また、曲線Ｘ，は、下地単結晶シリコン
基板と同一の＜００１）ｆｆｉからのラマン敢乱光強度
を示し、曲ａ　Ｙ　＋は、（００１）門からのラマン散
乱光の偏光方向と９０。

傾いた偏光方向を有するラマン散乱光の強度を示す。す
なわち、ラマン散乱光曲線Ｘ，が高く、がつラマン散乱
光曲線Ｙ，が低い位置にあることは、結晶面が（００１
）面方位に配向していることを示す。また、ラマン敗乱
光曲ａＸ，が低く、がっラマン散乱光曲線Ｙ，が高い位
置にあることは、結晶面方位が（００１）面からずれた
ことを示す。

さらに、ラマン散乱光曲線Ｘ，のみ低い位置にあ開口部
６より左側においては、レーザビームが矢印六方向に走
査されるため、開口部６下の単結晶シリコン基板４の影
響を受けないので、結晶品質は良いが、その結晶面の配
向は（００１）面に配向していない。開口部６にお番プ
る再結晶シリコン層９は下地の単結晶シリコン基板４を
種結晶としてエピタキシャル成長するため下地単結晶シ
リコン基板４と同一のｃｏｏｉ＞面方位に配向し、この
状態が開口部６から右側においても保持される。

開口部６端 マン散乱光曲線Ｘ，が低くなり始め、その結晶性が悪く
なり始める。したがって、開口部６端ら１５０μ■の範
囲では結晶面方位の揃った単結晶層が成長していること
が見られる。

この単結晶成長距離は、多結晶シリコン層を溶融させる
ためのレーザ光の走査速度と密接な関係がある。走査速
度が比較的遅い場合（〜Ｉ　Ｃ１／　６６Ｃ０）、その
成長距−は長くなる。これは結晶成長速度がレーザ光の
走査速度に追随できるからであえられている。ここで＜
１１０＞方向はレーザ走査方向の矢印六方向である。

従来の半導体ウェハでは、既に述べたように、オリエン
テーションフラン１〜面が（１１０）面またはその近く
の結晶面に設定されているため、ウェハ上に形成される
種々のデバイスのパターンが＜１１０＞方向と平行また
は垂直になる。したがって、再結晶化処理における結晶
成長方向もく１１０＞方向に平行または垂直にせざるを
得ない。

このため、多結晶シリコンを溶融．再結晶化させるため
のレーザ光等の走査速度を上げて処理速度（スルーブツ
ト）を上げることに支障が生じ、また大面積を単結晶化
するためにはレーザビームのパワー分布や溶融されるべ
き試料側の種々の工夫をしなければならず、従来の手法
では絶縁膜上での単結晶成長距離は絶縁膜に形成された
開口部端部から約１５０μ−が限度となり、回路設計に
支障をきたすなどの問題点があった。

それゆえ、この発明の目的は上述の欠点を除去し、多結
晶シリコン層の再結晶化の手法に比較的［問題点を解決
するための手段］ この発明における単結晶半導体ウェハは、その主面を（
００１）面またはその等価な結晶面とし、ものである。

［作用］ 種々の結晶軸方向における固有の結晶成長速度とそれら
に対するレーザ光の走査方向との関係を検討した結果、
絶縁層に設けられた開口部端部から最も長い結晶成長距
離が得られる方向はく４１０〉から＜５１０＞方向また
はその等価な方向であることを見出した。すなわち、＜
１１０＞方向に対し３３°±１０″の間の角度の方向へ
最も長い単結晶成長が生じる。この単結晶領域は、レー
ザ光の次の走査でざらに絶縁層上へ成長が続いて拡大し
ていき、素子を形成するチップ上全面を単結晶化するこ
とができる。

但し、この結晶成長面内には結晶成長方向に小傾角の結
晶粒界が入ることがある。したがって、従来の半導体ウ
ェハを基体として用いた場合、再結晶シリコン層上に形
成する素子のパターンをこの小傾角結晶粒界が斜めに横
切ることがあり、ウェハ内で素子の特性にばらつきが生
じる原因どなる。

公報）等により、再結晶化時の多結晶または非晶質単結
晶層内の熱分布を制御することにより決定することがで
きる。したがって重要なことは、小傾角結晶粒界の発生
方向（結晶成長方向）と素子のパターンの配列方向を平
行または垂直にすることにある。

素子のパターンの配列方向はオリエンテーションフラッ
ト面を基準にして、それと平行または垂直にされるので
、オリエンテーションフラット面と半導体ウェハとの主
面との交線を、大きな結晶成長ｉｙ１が得られる方向に
垂直または平行に形成すればよい。したがって、＜００
１）面またはその等価な結晶面を主面とする半導体ウェ
ハにおいて、そのオリエンテーションフラット面を（４
１０）ないしく５１０）面すなわちオリエンテーション
フラット面と主面との交線が＜１１０＞方向またはその
等価な方向と３３°±１００の範囲の角度をなすように
形成すれば、単結晶成長距離を大幅に改善することがで
きる。

［発明の実施例］ ラット面２０が（４１０）面に設定される。

第２Ａ図および第２８図はこの発明の一実施例である半
導体ウェハ上のチップの配置およびチップ内に形成され
るＭＯＳ　ｔ−ランジスタのパターンの配置をそれぞれ
示す平面図である。

第２Ａ図において、半導体ウェハ（シリコンウェハ）９
上には、その短辺または長辺がく４１０〉方向と平行と
なるようにチップ３が配置される。

第２Ｂ図において、チップ３内のＭＯＳトランジスタ３
のチャネルの長さ方向は、く４１０〉方向に対し平行ま
たは垂直な方向に設定される。

シリコンウェハ９のオリエンテーションフラット面２０
に対し、半導体製造プロセスにおける写真製版工程にお
いてマスクの一辺を合わせることによって、シリコンウ
ェハ９の主面上に形成されるすべての素子は第２Ａ図お
よび第２Ｂ図に示されるように、＜４１０＞軸方向に平
行または垂直に配置される。

第３Ａ図および第３Ｂ図はこの発明の一実施例である半
導体ウェハを用いた場合の多結晶シリコチップ３におい
て、主面を（００１）面とし、そのオリエンテーション
フラット面が＜４１０）面である単結晶シリコン基板４
上に、基板４の主面に達する開口部６を有する絶縁［１
５が形成され、さらに絶縁１Ｉｌｓ上に溶融、再結晶化
されるべき多結晶または非晶質のシリコン！ｉＩ７が形
成される。

多結晶シリコン層７上には、レーザ光照射時に多結晶シ
リコン層７に予め定められた温度分布を与えるための、
予め定められた幅および間隔を有するストライブ状の反
射防止１１３５が形成される。

反射防止１１３５は、レーザ光照射時に多結晶シリコン
層内に周期的な横方向（レーザ走査方向に対して）の温
度分布を与え、開口部６を通じての下地基板単結晶を種
とするエピタキシャル成長のみを生じさせる。反射防止
膜３５のストライブの長さ方向は＜４１０＞方向に平行
にされる。すなわち、オリエンテーションフラット面２
０に垂直または平行にされる。多結晶（または非晶質）
シリコン層７を溶融、再結晶化させるためのレーザ光８
は、たとえば走査速度２５　ａｍ／　ｓｅｃ　、で＜１
１０〉方向に走査される。

単結晶シリコン層７ａを形成するための方法は従来と同
様であり、レーザ光８を走査することにより、多結晶ま
たは非晶質シリコン層７が下地単結晶基板４を種結晶と
して反射防止膜３５のスト′＼ライブの長さ方向に沿・
て下地シリコン単結晶の、１ 結晶軸を拾って成長する。レーザ光８の走査を繰返すこ
とにより、前回の１７−ザ光８の走査により成長した単
結晶を種結晶どしてエピタキシ１アル成艮が繰返される
。このとき、反射防止！Ｉ！３５の効果により、多結晶
または非晶質シリコン層７が単結晶成長する成長方向は
、その結晶面固有の成長速度が大きい＜４１０＞方向に
されているため、速いレーザ光走査速度に対しても従来
より長い単結晶成長距離を得ることができる。すなわち
、大きな面積の単結晶層を比較的速いレーザ光走査速度
を用いても得ることができる。また、単結晶成長方向と
素子の配置方向が一致しているため、小傾角結晶粒界が
発生しても素子パターンを横切ることがなく、チップご
との素子特性の均一性は非常に良好となる。

なお、上記実施例においては、レーザ光の走査方向を＜
１１０＞方向としているが、オリエンテーションフラッ
ト面２０に垂直または平行な方向、すなわち＜４１０＞
方向に走査しても従来のちのに比べれば長い単結晶成長
距離を得ることができる。

第４図（ａ　）および第４図（ｂ）はこの発明の一実施
例である半導体ウェハを用いた場合の再結晶シリコン層
が単結晶成長できる距離を示す図であり、第４図（ａ　
）は再結晶シリコン層の＜４１０〉方向に沿った断面構
造を示し、第４図（ｂ）はこの再結晶シリコン層からの
ラマン散乱光強度と開口部端からの距離との関係を示す
図である。

第４図（ｂ）において、散乱光強度曲線×２は（００１
）面からのラマン散乱光強度を示し、ラマン散乱光強度
曲線Ｙ２は（００１）面からのラマン敗乱光の偏光方向
から９０°傾いた偏光方向を有するラマン敗乱光の強度
を示す図である。第４図（ｂ）から見られるように、距
離りが約３００μ−からラマン散乱光−１ｉ１　Ｘ　ｚ
が低くなるので、開口部６端 リコン層が、シリコンウェハと同一の結晶軸配向を有す
る単結晶となっていることがわかる。

したがって、絶縁膜５上での単結晶成長は絶縁ｌｌｌｌ
５に設けられた開口部６端 となり、大面積の単結晶領域を得ることができ、回路設
計上の制限を非常に緩かにすることができる。

なお、上記実施例においては、（４１０）面をオリエン
テーションフラット面とした場合を示したが、（５１０
）面の場合もほぼ同様の効果を得ることができる。すな
わち、オリエンテーション得ることができる。

さらに、上記実施例においてはストライブ状の反射防止
膜を形成した場合について説明しているが、ＳＯＩ構造
を実現する他の方法においても、同様の効果が得られる
。

［発明の効果］ 以上のように、この発明にかかる半導体ウェハによれば
、Ｓｏｌにおいて絶縁膜に設けられた開口部を介して単
結晶成長させるにあたって、単結晶成長距離の長い方向
をオリエンテーションフラット面と主面との交線となる
ように構成したので、再結晶化の手法に比較的注意を払
うことなしに容易に大きな単結晶成長領域を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である半導体ウェハの構成
を示す斜視図である。 第２Ａ図はこの発明の一実施例である半導体ウェハ上に
形成される半導体チップの平面配置を示す図である。 第２Ｂ図はこの発明の一実施例である半導体ウェハ上に
形成されたチップ内に形成されるＭＯＳトランジスタの
チャンネル方向の一例を示す図である。 第３Ａ図はこの発明の一実施例である半導体ウェハを用
いて多結晶または非晶質シリコン層をレーザ光を用いて
溶融再結晶化させる際のレーザ走査方向と単結晶成長方
向との関係の一例を示す図である。 第３Ｂ図は第３Ａ図に示される半導体チップのＸ−Ｘ線
に沿った断面構造を示す図である。 第４図（ａ）および（ｂ）はこの発明の一実施例である
半導体ウェハを用いた場合の単結晶シリコン層が得られ
る距離を示す図である。 第５Ａ図および第５Ｂ図は従来の半導体ウェハの構成の
一例を示す図であり、第５Ａ図はその平面図であり、第
５Ｂ図はその斜視図である。 第６Ａ図は従来の半導体ウェハ上に構成される半、導体
チップの平面配置を示す図である。 第６Ｂ図は従来の半導体ウェハ上に形成されるチップ内
に形成されるＭＯＳトランジスタのチャネル方向または
回路パターンの方向を示す図である。 第７八図ないし第７Ｄ図は従来のＳｏｆの製造方法を示
す主要工程断面図である。 ゛である。 ＾−ノ 図において、１は従来の半導体ウェハ、２は従来のオリ
エンテーションフラット面、５は絶縁膜、６は開口部、
７は多結晶または非晶質シリコン層、７ａは再結晶シリ
コン層、８はレーザ光、９はこ、（・の発明の半導体ウ
ェハ、２０はこの発明のオリエ、１ ：ヒテーションフラット面である。 ′なお、図中、同符号は同一または相当部分を示す。 特許出願人　工業技術院長　等々力　連名１の 第３Ａ図　　　　　　　　第３Ｂ口 ＜４１０２ 第２Ａ図 第２Ｂ図 第４図 ［）　　（ＪｔＬｒｎ） 萬ＳＡ図 くｌＯＯ〉　　　　　　　　〈ＯＩＯ〉第６８図 第７Ａ図 第８図 Ｄ　（、ｔｔ−’ｔ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体として用いられる半導体単結晶からなるウェ
   ハの一主面上に、少なくともその一部分に前記半導体単
   結晶ウェハに達する開口部を有する比較的膜厚の厚い絶
   縁物層を形成し、前記開口部上および前記絶縁物層上に
   形成された多結晶または非晶質の第１の半導体層をエネ
   ルギー線を用いて照射しながら走査して前記第１の半導
   体層を溶融、再結晶化させることにより前記開口部を通
   じて前記半導体単結晶を種結晶として前記絶縁物層上に
   前記半導体単結晶と結晶軸配向の等しい半導体単結晶層
   を製造する方法において前記基体として用いられる半導
   体ウェハであつて、 （００１）面またはその等価な結晶面からなる主面と、 前記主面との交線が＜１１０＞方向またはその等価な方
   向と３３°±１０°の範囲の角度をなすように前記半導
   体単結晶ウェハ側面に形成される方位検出用のオリエン
   テーションフラット面とを有する半導体ウェハ。
2. （２）前記半導体ウェハはシリコンにより構成される、
   特許請求の範囲第１項記載の半導体ウェハ。