JPS62219510A - 単結晶島状領域の形成方法 - 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】 〔概　要〕 例えば半導体皮膜の傍熱方式再結晶化方法において、半
導体膜とエネルギー線吸収層との間に単結晶化しようと
する領域上を選択的に厚くした熱伝導制御層を介在させ
、該熱伝導制御層によって半導体膜の再結晶化に際して
の温度分布を制御して、該熱伝導制御層を厚く形成した
領域の下部″に選択的に結晶粒界の存在しない領域を形
成したのち、熱伝導制御層の厚い部分をマスクとして前
記半導体層を部分的にエツチングし、半導体単結晶島状
領域を形成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は例えば半導体である皮膜の再結晶化方法に係り
、特に絶縁膜上に形成した多結晶質若しくは非晶質の皮
膜の定義された領域を、選択的に結晶粒界の存在しない
再結晶領域化したのち、該領域を島状に分離する単結晶
島状領域の形成法に係る。

本発明は、特願昭６０−２７２６７７号明細書に記載さ
れた発明の追加の発明に相当するものである。

半導体集積回路装置（ＩＣ）の分野においては、接合容
量を減少して動作速度の向上が図れる、素子間の分離耐
圧を向上して高耐圧素子の併設が容易になる、３次元構
造が可能になり高集積化が図れる、等の利点から、絶縁
膜上に再結晶シリコン（半導体）基体を形成し、該再結
晶シリコン基体に半導体素子を形成する５ｏｌ（Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ　　Ｏｎ　　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）構造が提案
されている。

この構造に用いられる絶縁膜上の再結晶シリコン基体は
、通常絶縁膜上に気相成長させた多結晶（若しくは非晶
質）シリコン膜をエネルギー線で溶融し再結晶化させる
ことによって形成されるが、この際再結晶シリコン基体
内には結晶粒界が形成され、そのため半導体基板に形成
される通常の半導体ＩＣに比べ製造歩留りが著しく低下
するという問題がある。

そこで少なくとも素子性能に影響を及ぼす活性領域には
結晶粒界が存在しない再結晶シリコン基体を形成する方
法が要望されている。更に、これ等結晶粒界の存在しな
い活性領域を、島状分離領域とする技術も求められ°ζ
いる。

〔従来の技術〕

絶縁膜上の再結晶シリコン基体を形成する際の多結晶シ
リコン層の再結晶化方法として当初提供されたのは、絶
縁膜上に気相成長した多結晶シリコン膜を直にエネルギ
ー線ビーム多くはレーザビームによって走査加熱し、該
走査領域を順次溶融再結晶化せしめる直熱方式である。

しかしこの直熱方式は、レーザビームの出力ヤヒームス
ポソト内の出力プロファイルの揺らぎによってその都度
加熱条件が変動するので、結晶品質が一様で且つ一定の
面積を有する結晶粒界の存在しない領域を再現性良く形
成することが極めて困難であり、更にまた、再結晶化し
ようとする半導体膜の種類に応じてその吸収波長に合っ
た波長を有するレーザの種類を選ばねばならないという
欠点があった。

そこで提案されたのが傍熱方式の再結晶化方法である。

この傍熱方式は、再結晶化しようとする絶縁膜上の多結
晶シリコン膜上にエネルギー線例えばレーザの吸収層を
形成し、このレーザ吸収層をレーザビーム照射により加
熱し、該加熱されたレーザ吸収層からの熱伝導によって
上記多結晶シリコン膜を溶融し再結晶化させる方法で、
前述したレーザビームの出力及びプロファイル等の揺ら
ぎはレーザ吸収層がバッファとなって均一化されるので
再結晶化が再現性良く行われ、且つレーザ吸収層をレー
ザ波長に合わせて選定しておくことにより、被再結晶■
りの種類に関係なく容易にレーザの種類が選べるという
利点を持っている。

第３図は従来の傍熱方式の再結晶化方法を示す模式側断
面図である。

同図に示すように従来の方法は、シリコン基板５１上に
形成された絶縁膜５２上に、気相成長、パターンニング
の工程を経て、トランジスタ等の半導体素子の大きさに
対応する多結晶シリコン島状基体５３を形成し、該多結
晶シリコン島状基体５３の表面にレーザ吸収層との融合
を阻止する分離用絶縁層５４を形成し、該多結晶シリコ
ン島状基体５３の形成された絶縁膜５２」二に例えば多
結晶シリコンよりなるレーザ吸収層５５を気相成長によ
り形成し、上記多結晶シリコン島状基体５３の上部を含
む領域の該多結晶シリコン・レーザ吸収層５５をシリコ
ンの吸収波長とほぼ等しい発振波長を有するＡｒレーザ
光５６の照射によって高温に加熱し、該レーザ吸収層５
５からの熱伝導によって多結晶シリコン島状基体５３を
加熱溶融し、レーザ照射を停止して該多結晶シリコン島
状基体５２を冷却し再結晶化させる方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然し上記従来の傍熱方式の導電体膜再結晶化方法におい
ては、前述したように半導体素子の大きさに対応する広
い面積の多結晶シリコン島状基体５３全体を溶融再結晶
化せしめるために、素子面積が大きい場合即ち島状基体
５３の面積が大きい場合には、溶融された該島状基体５
３の冷却時に、島状基体５３内に中心部近傍の一点が最
も低温で周辺部に向かって順次高温になる温度分布が形
成され難くなる。

そのため、素子性能に影響を及ぼす該島状基体５３内の
所定小領域内に結晶粒界の発生する確率が増し、Ｓｏｌ
構造の半導体ＩＣの製造歩留りを低下せしめるという問
題が生じていた。更に、素子領域を島状に分離する工程
でマスク合わせを要することも好ましいことではない。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図（ａｌ、　（ｂｌは本発明の原理を示す図である
。

上記問題点は同図ｆａ＋に示すよ・うに、基板（１）上
に多結晶質若しくは非晶質の皮膜（２）を形成し、該皮
膜（２）上に、該皮膜の結晶粒界の存在しない再結晶導
電体膜を形成しようとする領域（３）上の膜厚を選択的
に厚くした（４）熱伝導制御層（５）を形成し、該熱伝
導制御層（５）上にエネルギー線吸収層（６）を形成し
、該エネルギー線吸収層（６）をエネルギー線（７）で
照射して昇温せしめ、該エネルギー線吸収層（６）から
の該熱伝導制御層（５）を介しての伝導加熱により前記
皮膜（２）を溶融し再結晶化せしめることにより、該皮
膜（２）に選択的に結晶粒界の存在しない再結晶領域（
８）を形成したのち、同図（ｂｌに示すように、前記エ
ネルギー線吸収層及び前記熱伝導制御層の膜厚が小であ
る部分を除去し、前記熱伝導制御層（５）の残留部分を
マスクとして前記皮膜（２）をエツチング除去すること
を特徴とする単結晶島状領域の形成方法によって解決さ
れる。

〔作　用〕

即ち傍熱方式を有する本発明の皮膜の再結晶化方法にお
いては、先ず、再結晶化しようとする絶縁膜上の多結晶
質若しくは非晶質よりなる皮膜と、該門型体膜を伝導熱
によって加熱するエネルギー線吸収層との間に、部分的
に厚い領域を有する熱伝導制御層を設け□ることによっ
て、エネルギー線照射により高温に加熱されたエネルギ
ー線吸収層からの伝導加熱により溶融する皮膜内に、上
記熱伝導制御層の厚い領域のほぼ中心の≠部が最も低温
である温度分布を形成せしめる。これにより下部の絶縁
膜に向かって一様に放熱されて前記皮膜が冷却再結晶化
される段階において、売なくとも上記熱伝導制御層の厚
い領−の下部領域においては、その中東・の最も低温で
ある部分から周囲に向かって再結晶化が進行するので、
上記熱伝導制御層の鹸い領域の下部に、該領域の大きさ
に対応した結晶粒界の存在しない再結晶領域が形成され
る。かかる処理工程に従えば、前記熱伝導制御層の厚い
領域の下に目的とする結晶粒界の存在しない再結晶領域
が形成されているので、該厚い熱伝導制御層をマスクと
して皮膜の結晶粒界の存在する部分をエツチング除去す
ることにより、目的とする導電体単結晶島状領域が形成
される。

〔実施例〕

以下本発明を、図示実施例により具体的に説明する。

第２図は本発明の方法の一実施例を示す工程断面図であ
る。

全図を通じ同一対象物は同一符合で示す。

第２図＋ａｌ参照 本発明の方法を用いて絶縁膜上に再結晶シリコン島状基
体が形成されてなるＳｏｌ構造基板を形成するに際して
は、先ずシリコン基板１１上に例えば１〜２μｍ程度の
厚い下部絶縁膜即ち下部二酸化シリコン（ＳｉＯｚ）膜
１２を熱酸化法等により形成し、次いで、例えば減圧化
学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）法によって、前記下部絶縁
膜１２」−に厚さ４０００人程度０多結晶シリコン膜１
３を形成する。

第２図ｆｂｌ参照 次いで、上記多結晶シリコン膜１３上にＣＶＤ法により
厚さ例えば４０００人程度０多１の二酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ□）膜を形成し、次いで図示しないレジストマスク
を介し、例えば（Ｃ１ｌＦ３）等のガスを用いる通常の
りアクティブ・イオンエツチング（ＲＩ　Ｂ）処理によ
り上記ＳｉＯ□膜をパターンニングして、上記多結晶シ
リコン膜１３の結晶粒界の存在しない領域を形成しよう
とする定義された所定領域３上に、該所定領域の大きさ
例えば２０　Ｘ　２０μｍに対応する第１のＳｉＯ□膜
バクーン１４を形成し、次いで熱酸化を行って該第１の
ＳｉＯ□ｉＯ□−ン１４の外部に表出している多結晶シ
リコン膜１３上に厚さ例えば３００人程鹿の第２のＳｉ
Ｏ□膜１５膜形５する。

第２図（Ｃ１参照 次いで、通常のＣＶＤ法により上記第１の５ｉＯｚ膜パ
ターン１４及び第２の５ｒ（ｈ膜１５０表面に厚さ例え
ば８００人程０の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ＜）膜１６を
形成する。

ここで第２のＳｉＯ□膜Ｉ５は高温においてＳｉ３Ｎ４
膜１６とシリコン層１２が反応するのを阻止する機能を
有し、５ｉＪａ膜１６は此の」二に形成される多結晶シ
リコンよりなるレーザ吸収層の高温溶融時の濡れ性を向
上させる働きをする。

そして該５ｉＪｎ膜１６、第２のＳｉＯ□膜１５膜形５
のＳｉＯ□ｉＯ□−ン１４は全体として熱伝導制御層５
を構成し、第１の５ｉＯｚ膜パターン１４が存在する領
域が、結晶粒界の存在しない再結晶シリコンよりなる領
域として定義された所定領域に対応して熱伝導制御層が
厚く形成された領域４となる。

第２図ｆｄｌ参照 次いで上記熱伝導制御Ｎ５が形成された基板上に、例え
ば減圧ＣＶＤ法により厚さ７０００人程度０多結晶シリ
コン・エネルギー線吸収層１７を形成し、次いで該多結
晶シリコン・エネルギー線吸収層１７上にＣＶＤ法によ
り例えば厚さ３００人程度のＳｉ３Ｎ４膜１８ａと厚さ
３００人程鹿の５ｉＯ７膜１８ｂとよりなるレーザの反
射防止膜１Ｂを形成する。

第２図（ｅｌ参照 次いで該基板を予備加熱した状態において、多結晶シリ
コン・エネルギー線吸収層１７上に走査法を用いてレー
ザビーム７を順次照射し、該エネルギー線吸収層１７を
順次１５００〜１６００゛ｃ程度の高温に加熱する。

なおこの際用いられるレーザは、シリコンにおける吸収
係数の大きい５００　ｎｍ程度の発光波長を有するＡｒ
イオンレーザが用いられる。またレーザビームスポット
内のエネルギー強度の分布は通常のガウシアン分布のも
のが用いられる。

然しなからビームスポットの大きさは、１回の走査で前
記定義された領域（２０Ｘ２０μｍ）全体の多結晶シリ
コン膜１２が同時に溶融されることが必要なため、該領
域を充分に包含する大きさを必要とする。

照射条件は、例えば ビームスポットの大きさ　　１００μｍφレーザ出力　
　　　　　　　１５〜１３　Ｗ走査速度　　　　　　　
　　２．５■／秒基板加熱温度　　　　　　　４５０℃ である。

このレーザ照射により多結晶シリコンよりなるエネルギ
ー線吸収層１７は、勿論順次溶融される。そして多結晶
シリコンｌ！Ｊ１３は、高温に加熱されたエネルギー線
吸収Ｎ１７から熱伝導制御層５を介して伝わる伝導熱に
よって順次加熱溶融され再結晶化される（１１３は再結
晶シリコン膜）。

ここで、第１のＳｉＯ□ｉＯ□−ン１４の下部即ち熱伝
導制御層５が厚く形成された領域４の下部領域の多結晶
シリコン膜１３は同時に溶融される際、中央部に供給さ
れる熱量が周囲から供給される熱量より少なくなるため
、その内部に中央部が最も低く周辺部に行くに従って高
くなる温度分布が形成される。そのため基板１１側に熱
が一様に逃げて該領域が冷却される段階において、再結
晶化は最も温度の低い該領域の中央部から周辺部に向か
う方向のみに進み、該領域には結晶粒界が存在しない再
結晶シリコン領域２１３が形成される。

第２図（ｆｌ参照 次いで、例えば燐酸系のエツチング液により５ＬＮａ膜
１８ａを除去し、弗酸系のエツチング液により５ｉ０２
膜１８ｂを除去し、弗酸と硝酸の混合されたエツチング
液によりエネルギー線吸収層１７を除去し、燐酸系のエ
ツチング液により５ｉＪ４膜１６を除去する。

次いで弗酸系のエツチング液により５ｉｆｔ膜１５を除
去するが、この時、厚いＳｉＯ□膜パターン１４は同様
にエツチングされるものの、その厚みが大なる故、元の
パターンと殆ど変わらない形で残る。

パターン精度を維持したい場合、ＲＩＥによれば横方向
のエツチングは殆ど進まないので、単結晶化した領域を
減少させることなく島領域とすることが出来る。

第２図（幻参照 次いで例えば（ＣＦ４　＋０２）をエツチングガスとし
て用いる通常のドライエツチング処理により、上記厚い
ＳｉＯ□膜パターン１４をマスクとして再結晶シリコン
膜１１３のパターニングを行うと、下部５ｉＯ７膜１２
上に結晶粒界の存在しない再結晶シリコン領域２１３の
みから成る再結晶シリコン島状基体１９が形成され、Ｓ
ｏｌ基板が完成する。

そして以後図示しないが上記再結晶シリコン島状基体に
半導体素子が作り付けられ、Ｓｏｌ構造の半導体ＩＣが
提供される。

該実施例ではＳｏｌ構造の形成について説明したが、本
発明の方法はポリＳｉの単結晶化とそのパターニングだ
けでなく、他の材料膜から単結晶化された島嬢領域を形
成する際にも適用し得る。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、絶縁膜上に形成され
たシリコン等の多結晶質若しくは非品質の導電体膜を再
結晶化するに際して、予め定義された所定の領域を選択
的に結晶粒界の存在しない島状領域に形成することが出
来る。

従ってＳｏｌ構造の半導体ＩＣにおいては、この結晶粒
界の存在しない領域に素子を形成することが可能になる
ので、その製造歩留りを向上せしめる効果を生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す図、 第２図は本発明の方法の一実施例を示す工程断面図、 第３図は従来の傍熱方式の再−晶化方法を示□す模式断
面図である。 図において、 １は基板、 ２は非単結晶皮膜、 ３は結晶粒界を存在せしめない領域、 ４は膜厚を選択的に厚くした領域、 ５は熱伝導制御層、 ６はエネルギー線吸収層、 ７はエネルギー線、 ８は結晶粒界の存在しない再結晶領域、１１はシリコン
基板、 １２は下部Ｓｉｎ、膜、 １３は多結晶シリコン膜、 １４は第１の５ｉｎ２膜パターン、 １５は第２のＳｉＯ□膜、 １６は５ｉ３Ｎａ膜、 １７は多結晶シリコンエネルギー線（レーザ）吸収層、 １８は反射防止膜、 １９は再結晶シリコン島状基体 ５１はシリコン基板、 ５２は絶縁膜、 ５３は多結晶シリコン島状領域、 ５４は分離用絶縁膜、 ５５はレーザ吸収層、 ５６はＡｒレーザ光、 １１３は再結晶シリコン膜、 ２１３は結晶粒界の存在しない再結晶シリコン領域 を示す。 ６　　Ｍ＆米ｔ！ｆｔｎ子７在（４ｕ）４余＆／ｆａ４
１に仝明し：ｎ原理を示す圓 第　１　層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板上に多結晶質若しくは非晶質の皮膜（２）を形成し
   、 該皮膜（２）上に、該皮膜の結晶粒界の存在しない再結
   晶領域を形成しようとする領域（３）上の膜厚を選択的
   に厚くした（４）熱伝導制御層（５）を形成し、 該熱伝導制御層（５）上にエネルギー線吸収層（６）を
   形成し、 該エネルギー線吸収層（６）をエネルギー線（７）で照
   射して昇温せしめ、 該エネルギー線吸収層（６）からの該熱伝導制御層（５
   ）を介しての伝導加熱により該皮膜（２）を溶融し再結
   晶化せしめることにより、 該皮膜（２）に選択的に結晶粒界の存在しない再結晶領
   域（８）を形成したのち、 前記エネルギー線吸収層（６）及び前記熱伝導制御層（
   ５）の膜厚が小である部分を除去し、前記熱伝導制御層
   （５）の残留部分をマスクとして前記皮膜（２）をエッ
   チング除去することを特徴とする単結晶島状領域の形成
   方法。