JPS62206819A

JPS62206819A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS62206819A
Application number: JP4847186A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Sugahara; 和之須賀原; Tadashi Nishimura; 正西村; Shigeru Kusunoki; 茂楠; Yasuaki Inoue; 靖朗井上
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1986-03-07
Publication date: 1987-09-11
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: JPH0652712B2

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］この発明は半導体装置、特に、絶縁体上に半導体単結晶
膜を形成し、この単結晶膜を基板としてトランジスタを
形成する構造の半導体装置において、絶縁体層上に高品
質かつ大面積の単結晶半導体層を形成することのできる
半導体装置に関する。

［従来の技術］半導体装置の高速化、高密度化を実現するため。

回路素子を誘電体で電気的に分離して浮遊容量の少ない
半導体集積回路を製造する試み、また回路素子を立体的
に積層するいわゆる３次元回路素子を製造する試みがな
されており、その一方法として絶縁体層上に半導体単結
晶層を形成し、この半導体単結晶層内に回路素子を構成
する方法がある。

この半導体単結晶層を形成する方法の１つとして、絶縁
体上に多結晶または非晶質の半導体層を堆積し、その表
面にレーザ光、電子線などのエネルギー線を照射するこ
とによって表面層の半導体層のみを加熱し、非晶質また
は多結晶の半導体層を溶融、再結晶化させることにより
単ＩｔＩ晶の半導体層を形成する方法がある。

第３八図ないし第３Ｃ図は従来の、絶縁体膜上に単結晶
半導体膜を製造する方法を示すための図であり、第３Ａ
図は従来の半導体装置の平面構造を示し、第３Ｂ図は第
３Ａ図のＩ−Ｉ線に沿った断面構造およびレーザ走査方
向を示す図であり、第３Ｃ図は第３Ａ図のＩｒ−Ｕ線に
沿った断面構造、、、、１−示す図である。以下、第３
八図ないし第３Ｃ図：、“青参照して従来の半導体装置
の構成および絶縁体””＋、−膜上へ単結晶半導体層を製造する方法について説１
、−明する。

従来の半導体装置は、（１００）面（（００１）面また
はその等価な結晶面）を主面とするシリコンからなる単
結晶半導体基板１１と、単結晶シリコン基板１１の主面
上に、その一部に長手状開口ＰＡ２３を有する厚い二酸
化シリコンからなる絶縁袋である酸化ＩＩ！１１２と１
、酸化１１１１１２上および開口部２３上に形成され、
レーザ光１５によって溶融されるべき多結晶シリコンｇ
１１３と、多結晶シリコン膜１３上に、その長さ方向が
シリコン単結晶基板１１の（００１）面上の＜１１０＞
方向（正確にはく１ＴＯ〉方向）に設定され、幅約５μ
ｍ１間隔約１０μｌで周期的にストライプ状に形成され
るたとえばシリコン窒化膜からなる反射防止膜４１とか
ら構成される。酸化膜１２に設けられた長手状開口部２
３は、シリコン単結晶基板１１の（００１）面上のく１
１０ン方向に設けられ、この部分において、ｔｉ１結晶
結晶９冫３２は酸化摸１２表面まで露出する１６反射防
止！１１４１は、レーザ光１５照射時に多結晶シリコン
讃１３内の温度分布を制御して一方方向の結晶成長く開
口部２３を通じた下地基板単結晶を種とするエビ第３Ｂ
図の矢印Ｘ方向、すなわち単結晶シリコン基板１１の（
Ｏｏｌ）主面上の＜１１０＞方向に走査される。次に第
３Ａ図ないし第３Ｃ図を参照して多結晶シリコン層１３
を単結晶化する方法について説明する。

長手状間口部２３上およびｊい酸化１１１２上の多結晶
シリコン膜１３をレーザ光１５の照射により溶融させ、
さらにこの溶融を長手状開口部２３の下地単結晶シリコ
ン基板１１の表面まで及ばせることにより、溶融部３０
が固化，再結晶化する際に、長手状開口部２３の下地単
結晶シリコン基板１１を種とするエピタキシャル成長が
生じ多結晶シリコン９！Ｊ　１　３が単結晶化する９，
ここで多結晶シリコンＭＷ　１　３　Ｊ二（こ六ｑけら
れたストライプ状のシリコン窒化膜からなる反射防止［
４１は、レーザ光の走査方向く矢印Ｘ方向）に対し横方
向の温度を上昇させ、溶融部３０が同化，再結晶化する
際に、多結晶シリコンｌ！Ｉ　１　３に存在する唯多な
結晶核を種とする結晶成長を抑制し多結晶シリコン幌１
３の溶融部３０の結晶成長が必ず間口部２３の下地の多
結晶シリコンＩＩＩを積とするエピタキシ“、゛ｙル成
長のみが生じるように、その幅１間隔および１ｌｌＪ９
Ｎが設定されている。したがって、レーザ光！１５で多結晶シリコンｆｆＷ１３を照射しながら矢印Ｘ
方向に走査すると、多結晶シリコン１１１１３が溶融さ
れて溶鵬部３０が形成され、この溶融部３０から走査方
向、すなわち矢印Ｘ方向にエピタキシャル成長が連続し
て生じ、絶縁膜としての酸化嗅１２上まで下地単結晶シ
リコン基板の有する面方位をなぞった単結晶１１１１４
を成長させることができる。レーザ光１５の照０１、す
なわち全ての多結晶シリコン膜１３を単結晶シリコン模
１４に成長させた後、シリコン窒化膜からなる反射防止
膜４１は除去され、単結晶化したシリコン膜１４上にト
ランジスタ等の素子が作成される。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、上述のような従来の半導体装置の構造において
は、下地単結晶シリコン基板１１上でく１１０〉方向に
設けられた長手状開口部２３からこの長手状開口部２３
に垂直なく１１０＞（正確には＜１１０＞）方向にレー
ザ光１５を走査しているので、開口部２０の下地単結晶
シリコン基板１１を種とするエピタキシャル結晶成長方
向はレーザ光１５の走査方向、すなわち＜１１０＞方向
となる。しかし、＜１１０＞方向へのこの結晶面固有の
結晶成長速度が小さいため、処理速度（スループット）
を考慮してレーザ光の走査速度を速くすると、単結晶エ
ピタキシャル成長がレーザ光の走査に追随することがで
きず、積層欠陥などの結晶欠陥が発生し開口部端から１
００〜２００μｍ程度の距離でエピタキシャル成長が止
まってしまい、それ以後は他の結晶軸をもった結晶が成
長してしまうなどの問題点があった。

それゆえ、この発明の目的は、上述のような問題点を除
去し、速いレーザ光走査速度においても単結晶成長距離
を長くすることができ、絶縁体膜上に大面積の下地基板
と同一の結晶軸を有する単結晶半導体層を得ることので
きる半導体装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］この発明にかかる半導体装置は、多結晶または非晶質半
導体（シリコン）膜上に、エネルギー線照射時に所望の
温度分布を与えるためのストライプ状に形成される反射
防止膜または反ＯＩ膜のストライプの長さ方向を下地単
結晶基板の（１００）面の主面上の＜１１０＞方向また
はそれとｖ洒な方向に対し２０°から６０°の範囲の角
度をなすようにしたものである。

［作用］エピタキシャル成長は、はぼストライプの長さ方向に沿
って生じる。この結晶面の固有の成長速度は＜１１０＞
方向またはその等価な方向に対し２０°から６０’の角
度の方向で大きいので比較的速い走査速度でレーザ光を
走査しても結晶成長がレーザ光の走査に追随することが
でき、絶縁体膜上に形成される単結晶半導体層の成長距
離を長くすることができ、大面積で結晶欠陥のない良品
質な半導体単結ａｌＩを得ることができる。

［発明の実施例コ以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。なお以下の実施例の説明において従来の技術の説
明と重複する部分については適宜その説明を省略する。

第１八図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置および絶縁体膜上に単結晶膜を形成する工程を
説明するための図であり、第１Ａ図はこの発明の一実施
例である半導体装置の平面配置を示す因であり、第１Ｂ
図は第１Ａ図の１−■線に沿った断面構造およびレーザ
光の走査方向を示し、第１Ｃ図は第１Ａ図の■−■線に
沿った断面構造を示す図である。第１八図ないし第１Ｃ
図において、この発明の特徴として長手状開口部２３の
長手方向および膜厚５５０ＡのＣＶＤ法で形成された窒
化シリコン膜からなるストライプ状、の反射防止ｌ１４
１のストライプの長さ方向が共に＜ｉｉｏ＞方向または
その等価な方向に対し３３ように行なわれる。たとえば
連続発振のアルゴンレーザからなる予め定められたパワ
ー密度を有するレーザ光１５のビーム径を１００μ−に
調節して、第１Ｂ図に示される矢印Ｙ方向、すなわち〈
５１０〉方向へ走査速度１０ｃｍ／秒で走査しながら照
射する。レーザ光１５の１回の走査が終了すると、レー
ザ光１５を走査方向に対し垂直方向に４０μｍ移動させ
た債、再び矢印Ｙ方向に走査する。次に多結晶シリコン
層１３の単結晶化の機構について詳細に説明する。

レーザ光は通常、そのパワーが中心部で高く周辺部で低
いいわゆるガウス型の強度分布を有している。しかし、
多結晶シリコン１１１１３上にはシリフン窒化膜からな
る反射防止１ｌＩ４１がストライプ状にバターニングさ
れているため、シリコン窒化＋１１４１下部の多結晶シ
リコン膜１３の温度は、シリコン窒化１１４１のない領
域下部の多結晶シリフン膜１３の温度より高く保たれる
。これによりレーザ光１０の照射領域では、ストライプ
が形成されている周期とほぼ同様の周期を有する温度分
布１、）ノストライプとストライプの間隔部分の温度が低い温度
分布が周期的に繰返される温度分布を多結晶シリコン１
１１３内に与える。溶融した多結晶シリコン３０は、反
射防止膜（シリコン窒化膜）４１の効果により、ｆｉｌ
ｒＪ［の低いシリコン窒化１１４１が形成されていない
領域の中心部から温度の高いシリコン窒化１１４１が形
成されている領域へ向かって固化、再結晶化する。この
とき、多結晶シリコン膜１３は開口部２３を通じて基板
単結晶シリコン１１に接しているため、開口部２３から
下地単結晶シリコン基板１１を種とするエピタキシャル
な結晶成長のみがストライプの長さ方向に沿って、窒化
シリコン１１４１が形成されていないｍ域に向かって連
続的に生じる。このとき窒化シリコン膜４１のストライ
プの長さ方向はシリコン結晶の固有の結晶成長速度が大
きい＜５１０＞方向にバターニングされているため、多
結晶シリコン１１１３が再結晶化する際の単＠晶エピタ
キシャル成長はレーザ光１５の走査に追随することがで
き、それにより積層欠陥等の結晶欠陥が少なく、かつそ
の〜得ることができる。

■なお、上記実施例′においては１反射防止膜ストライ
プの長さ方向を単結晶シリコン基板１１の主面上の＜５
１０＞方向としているが他の方向たとえば＜４１０＞、
＜２１０＞、＜１００＞方向にストライプを形成しても
ほぼ同様の効果が得られる。すなわち、反射防止膜のス
トライプの長さ方向が下地単結晶シリコン基板１１の主
面上のく１１０〉方向またはその等価な方向に対し２０
°ないし６０°の角度をなす方向にストライプを形成す
るようにすれば開口部２３９部からのエピタキシャル結
晶成長距離を大幅に増大させることができる。

さらに、上記実施例においては、反射防止膜として膜厚
５５０Ａのシリコン窒化膜を使用しているが、溶融され
るべき多結晶シリコン膜中に所望の濃度分布を作るよう
な膜の構成であればどのような構成でもよく、たとえば
多結晶シリコン１１１３上に１６００Ａのシリコン酸化
膜をＣＶＤ法を用いて堆積し、このシリコン酸化膜上に
膜厚５５０Ａのシリコン窒化膜をストライプ状にバター
ニングした２１１ＩＩｉ造の絶縁体反射防止膜であって
も同様の効果が得られる。さらに、膜厚２０００ＡのＣ
ＶＤ法を用いて形成したシリコン酸化膜上にストライプ
状のバターニングをした多結晶シリコン■を設ける構成
であってもよい。この場合はこのストライプ状に形成さ
れた多結晶シリコン膜がレーザ光を吸収するため、スト
ライプ状の多結晶シリコン膜が形成されている領域の下
の溶融されるべき多結晶シリコン膜１３の温度はストラ
イプ状の多結晶シリコン膿が形成されていない領域より
も低くなる。さらに、溶融されるべぎ多結晶シリコン膜
」二にシリコン酸化膜とたとえばタングステン膜からな
る高融点金属を堆積しこの高融点金属をストライプ状に
バターニングしてもよい。このとき高融点金属躾をレー
ザ光を反射するため、その高融点金属の機能は反射防止
膜と反対の反射膜となる。

さらに上記実施例においてはたとえば連続発振のアルゴ
ンレーザを用いる場合を説明しているが、他のレーザ光
を用いてもよく、また電子線などのエネルギ線を用いて
も同様の効果が得られる。

またさらに、３次元回路素子のように下地半導体基板主
面上に構造が形成されていてもよく、たとえば第２Ａ図
、１２Ｂ図に示されるように、下地単結晶シリコン基板
１１の主面上にトランジスタなどの素子３０を形成した
後で厚い絶縁物届１２を介して多結晶シリコン１３、お
よび反射防止膜４１を形成しても同様の効果が得られる
。ここで、第２Ａ図は上述の３次元回路素子を実現する
ための半導体装置の構成の一例を示す因であり、めの厚
い絶縁膜すなわち分離酸化１１１２＝と、ＭＯＳトラン
ジスタの動作を制御するためのゲート電極３１と、各回
路素子を相互接続するためのたとえば高融点金属で構成
される配線３２とからなる１層目の回路素子３０が形成
される。１層目の回路素子３０上には厚い絶縁膜である
酸化膜１２が形成され、厚い酸化膜１２の一部には下地
単結晶シリコン基板１１の主面に達する開口部２３が長
手状に設けられる。厚い絶縁膜である酸化１１１２上お
よび開口部２３上には溶融されるべき多結晶シリコン膜
１３が形成され、多結晶シリコン膜１３上には、そのス
トライプの長さ方向がたとえば＜５１０＞方向に設定さ
れた反射防止膜４１が予め定められた幅および間隔を有
してストライプ状に形成される。このような構成におい
ても開口部２３の多結晶シリコン膜１３をレーザ光を用
いて溶融させ、この溶融を単結晶シリコン基板１１の主
面にまで及ばせることによりこの開口部２３の多結晶シ
リコンＪ１１１３をエピタキシャル成長さ１１（２上の
多結晶シリコン膜１３上へのエビタキシャｔル成艮をレーザ光の走査により実現することができ、結
晶成長速度の大きい＜５１０＞方向に沿って長い距離の
単結晶成長を実現することができる。

さらに上記実施例においては、溶融されるべき半導体膜
として多結晶シリコン膜を用いた場合について説明して
いるが、非晶質シリコン膜を用いた場合においても同様
の効果が得られる。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、（００１）面またはそ
の等価な結晶面を主面とする１ｌＩ１１！ｉ！ｉ品手導
体基板と、この基板主面上に形成され、少なくともその
一部分に単結晶半導体基板主面が露出する長手状開口部
を有する絶縁膜と、この絶縁膜上および長手状開口部上
に形成される、エネルギー線照射により溶融されるべき
多結晶または非晶質半導体膜とから構成される基体とな
る半導体装置において、エネルギー線照射時に多結晶ま
たは非晶質半導体膜内に所望の温度分布を与えるための
反ｔＦＪ躾または反射防止膜を下地生結晶半導体基板の
主面上の＜１１０＞方向またはその等価な方向に単結晶
半導体層を短時間で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１八図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置および絶縁膜上に単結晶半導体層を形成するた
めの工程を示す図であり、第１Ａ図はこの発明の一実施
例である半導体装置の平面配置を示す図であり、第１Ｂ
図は第１Ａ図の線Ｉ−■に沿った新面構造およびエネル
ギー線照射および走査方向を示す図であり、第１ｃ図は
第１Ａ図の■−■線に沿った新面構造を示す図である。第２Ａ図および第２Ｂ図はこの発明の他の実施例である
半導体装置の構成を示す図であり、第２Ａ図はその平面
配置を示し、第２Ｂ図は第２Ａ図のＩ−Ｉ’線に沿った
新面構造を示す図である。第３八図ないし第３Ｃ図は従
来の半導体装置の構成および絶縁体膜上に単結晶半導体
層を形成するための装造工程を示すための図であり、第
３Ａ図は従来の半導体装置の平面配置を示す図であり、
第３Ｂ図は第３Ａ図のＩ−Ｉ線に）ａっだ断面構造およ
びエネルギー線照射走査方向を示す回であり、第３Ｃ図
は第３Ａ図の■−■線に沿った断面構造を示す図である
。図において、１１は＜００１）面またはその等価な結晶
面を主面とする単結晶半導体基板、１２は絶縁膜である
鹸化シリコン膜、１３は溶融されるべき多結晶または非
晶質シリコン膜、１４は再結晶化シリコン膜、２３は長
手状開口部、３０は１層目の回路素子、４１は反射防止
膜である。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　連射１ＡＩ！］　
　　　　　　名１０図 −−−÷＜５１０＞第１Ｂ図＜ｓｉｏ＞第２８閉第３Ａ図　　　　　　　第３ｃ図第３Ｂ［！１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（００１）面またはその等価な結晶面を主面とす
る半導体単結晶の基板と、前記半導体単結晶基板の前記主面上に形成され、少なく
ともその一部分に前記基板主面に達する開口部を有する
第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上および前記開口部上に形成されてエ
ネルギー線の照射を受けて溶融、再結晶化されるべき非
晶質または多結晶の第１の半導体層と、前記第１半導体層上に形成されて、予め定められた幅お
よび間隔を有するストライプが周期的に繰返されるスト
ライプ状の膜厚分布を有し前記エネルギー線に対し前記
ストライプ状の反射率変化を与えるストライプ層とを備
える半導体装置において、前記ストライプ層のストライプの長さ方向が前記単結晶
基板の主面上の＜１１０＞方向またはその等価な方向と
交わるような予め定められた角度θをなすように形成さ
れていることを特徴とする半導体装置。
（２）前記予め定められた角度θは、２０°≦θ≦６０
°の条件を満足することを特徴とする、特許請求の範囲
第１項記載の半導体装置。
（３）前記半導体単結晶基板はシリコンからなり、かつ
前記第１の絶縁層は二酸化シリコンである、特許請求の
範囲第１項または第２項記載の半導体装置。
（４）前記ストライプ層は、前記ストライプ状に形成さ
れる第２の絶縁物層１層のみで構成される、特許請求の
範囲第１項または第２項記載の半導体装置。
（５）前記第２の絶縁物層はシリコン窒化膜で構成され
る、特許請求の範囲第４項記載の半導体装置。
（６）前記ストライプ層は、前記多結晶または非晶質の
第１の半導体層上に形成される第２の絶縁物層と、前記
第２絶縁物層上に前記ストライプ状に形成される第３の
絶縁物層とから構成される、特許請求の範囲第１項ない
し第３項のいずれかに記載の半導体装置。
（７）前記第２の絶縁物層は二酸化シリコンからなり、
かつ前記第３の絶縁物層はシリコン窒化膜である、特許
請求の範囲第６項記載の半導体装置。
（８）前記ストライプ層は、前記第１の半導体層上に形
成される第２の絶縁物層と、前記第２絶縁物層上に前記
ストライプ状に形成される非晶質または多結晶の第２の
半導体層とから構成される、特許請求の範囲第１項ない
し第３項のいずれかに記載の半導体装置。
（９）前記第２の絶縁物層は二酸化シリコンで構成され
、かつ前記第２の半導体層は多結晶シリコンを用いて構
成される、特許請求の範囲第８項記載の半導体装置。
（１０）前記ストライプ層は、前記ストライプ状に形成
される高融点金属層を含む、特許請求の範囲第１項記載
の半導体装置。
（１１）前記高融点金属層はタングステンで構成される
、特許請求の範囲第１０項記載の半導体装置。
（１２）前記エネルギー線は連続発振レーザ光ビームで
ある、特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
（１３）前記エネルギー線は電子線である、特許請求の
範囲第１項記載の半導体装置。
（１４）前記単結晶基板と前記第１の絶縁物層との間に
はトランジスタ回路素子が形成される、特許請求の範囲
第１項記載の半導体装置。