JPS62272520A - 半導体基板の製造方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は絶縁物上に高結晶品質の半導体層を有する基板
、いわゆるＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５
ｕｌａｔｏｒ）基板の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

絶縁物基板上に高結晶品質の半導体層を形成する方法と
して、絶縁物基板上に多結晶または非晶質の半導体層を
形成しておき、これを溶融再結晶化して単結晶半導体層
とする方法が知られている。

溶融再結晶化法には種々あるが、カーボンストリップヒ
ータなどの加熱源によって半導体層を細長く溶融して走
査するゾーンメルティング法が大面積の単結晶半導体層
を得られるという特徴を有している。この方法は、例え
ば、アイ・イー・イー“イー　エレクトロン　デバイス
　レターズ。

イー　ディー　エル３巻、第４号（１９８２年）第７９
頁から第８２頁（ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ
ｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ、　ＶｏＱ　ＥＤＬ−３，Ｎｎ４
（１９８２）ｐｐ７９−８２）に記載されているＢ　−
Ｙ　、Ｔｓａｕｒらの論文に記されている。

この方法はシリコンの配化膜（絶縁物）上に堆積した多
結晶シリコン（半導体）をカーボンストリップヒータに
より溶融し、さらにその溶融帯をストリップヒータの走
査によって移動させ、移動方向に再結晶化が進行させる
方法である。この再結晶化法により大面積の単結晶シリ
コン膜が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、得られる単結晶膜の面方位は
（１００）にそろっており、また単結晶膜の面積は数ｗ
ｉ２　と広い。さらに種結晶を使用することにより、絶
縁物基板全面にまで広げることも可能である。しかしな
がらゾーンメルティング法によって得られる単結晶シリ
コン膜中にはサブグレインバウンダリーという結晶欠陥
が存在するという問題がある。

サブグレインバウンダリーは転位の集合体であることが
知られており、この転位の存在がトランジスタ等の素子
の性能を低下させる元になる。

本発明の目的は、ゾーンメルティング法によつ−て大面
積の単結晶シリコン膜を形成すると同時に、その単結晶
シリコン膜中のサブグレインバウンダリーの存在を著し
く低下させ、単結晶シリコン膜の結晶性を高める点にあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は次のような手段により達成される。

まず種結晶を使用したゾーンメルティング法により絶縁
物基板上の多結晶シリコンを再結晶化させ＜Ｌ　ＯＯ＞
面方位の単結晶シリコンを形成する。

この際、（１００＞方向の結晶成長が進行するように溶
融帯を＜１００＞方向に走査すれば、基板上全面に単結
晶シリコンが形成する。形成された単結晶シリコン膜中
には多数のサブグレインバウンダリーが発生している。

この時の状況を第１図（ａ）に示す。

次１こ基板を４５°回転しく１１０＞方向に対して数１
００μｍから数薗の間隔で、ゾーンメルティングによる
加熱によっても単結晶シリコン膜が溶融しないような構
造を設けた後、ゾーンメルティング再結晶化する。この
時＜１１０＞方向の結′晶成長は成長距離が短いが、サ
ブグレインバウンダリーの発生がきわめて少ないという
特徴があるため、第１図（ｂ）のように溶融しなかった
単結晶シリコンを種結晶として、サブグレインバウンダ
リーがほとんど発生することなく結晶成長が進行する。

このように（１００＞方向の結晶成長と（１１０）方向
の結晶成長を組み合わせることにより、サブグレインバ
ウンダリーの少ない単結晶シリコン膜を形成できる。

〔作用〕

上述したサブグレインバウンダリーを低減する方法は、
次のような結晶成長の現象を利用したものである。

まず、ゾーンメルティング再結晶化では＜１００＞面方
位の結晶成長が優勢で、再結晶シリコン膜の面方位は主
に（１００＞になっている。さらに結晶成長の方向に関
しては、（１００＞方向の結晶成長が起こりやすい。し
かしながら、（１００＞方向の結晶成長をして形成され
た再結晶シリコン膜中には、前述したようにサブグレイ
ンバウンダリーが結晶成長方向に長く伸びている。一方
、種結晶を使用するなどして＜１１０＞方向の結晶成長
をさせたものでは、サブグレインバウンダリーの発生は
著しく少ない。しかしながら、結晶成長が進行し難く、
成長距離が数ｍと短い。

本発明は上記現象を積極的に利用したもので、まず種結
晶のく１００ン方向にゾーンメルティングの加熱源を走
査し、基板全面に（ｌ　ＯＯ＞面方位の単結晶シリコン
膜を形成する。この時は第１図（ａ）のように単結晶シ
リコン膜１中にサブグレインバウンダリー２が存在して
いる。次にこの単結晶シリコン膜の＜１１０＞方向に対
して数１００μｍから数■間隔で第２回目の再結晶化時
の加熱に対する熱吸収層を設ける。この層の存在によっ
てこの層の直下のシリコン膜は溶融せず、溶融再結晶化
する部分の種結晶として働く。第２回目のゾーンメルテ
ィングは（１１０＞方向に加熱源を走査するため、結晶
成長は＜１１０＞方向に進行するが１種結晶部分と再結
晶化部分を交互に配置しておけば、（１１０＞方向の結
晶成長距離は短くて済む。さらにこの時は、（１００＞
方向の結晶成長であるためサブグレインバウンダリーの
発生が著しく少ない６また種結晶となる部分にサブグレ
インバウンダリーが存在していても（１１０＞方向の結
晶成長では次第に消滅する。

第１図（ｂ）は第２回目のゾーンメルティング後のサブ
グレインバウンダリーの発生状況を示したもので、溶融
再結晶化領域３のサブグレインバウンダリー２は少なく
なっている。さらに第３回目のゾーンメルティング再結
晶化では、第２回目のゾーンメルティングで再結晶化し
た部分を種結晶として溶融しなかった部分（非再結晶化
領域４）を溶融再結晶化すれば、同様な機構によりサブ
グレインバウンダリーが低減される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図から第４図の図面を用
いて説明する。

第２図（ａ）において、（１００＞面方位のシリコン基
板５の表面を一部（種結晶部６）を残して熱酸化し、シ
リコン酸化膜（以下、単に酸化膜と呼ぶ）７を形成する
。本実施例ではシリコン酸化［７の厚さを１μｍとした
。次に、気相成長法により多結晶シリコン８を０．５　
　μｍの厚さに堆積し、さらに気相成長法により厚さ２
μｍのＳｉＯ２（二酸化シリコン）９を形成する。

５ｉＯｚ９はゾーンメルティング再結晶化の際に溶融シ
リコンの動きを抑える被覆膜として働く。

このような構造とした後、ゾーンメルティング再結晶化
処理を行う。

ゾーンメルティング再結晶化は上記構造の基板全体をプ
レート状のヒータにて１３００℃に加熱しながら、上部
の細長いカーボンストリップヒータ１０によって多結晶
シリコン８を溶融し溶融シリコン１１となし、カーボン
ストリップヒータ１゜を移動させることによって溶融シ
リコン１１を移動させて行った。カーボンストリップヒ
ータの温度は約２０００℃、基板表面とのギャップは０
．５−とじた。

第２図のゾーンメルティング再結晶化において１よ、カ
ーボンストリップヒータの走査方向は種結晶部６の＜１
００＞方向に平行な方向とした。こうすることにより、
ゾーンメルティングによって（１００＞方向の結晶成長
が進行し、基板全面を一つの単結晶シリコン膜とするこ
とができた。しかしながらこのようにしてできた単結晶
シリコン膜１中には第２図（ｂ）のようにサブグレイン
バウンダリー２が多数発生している。サブグレインバウ
ンダリー２は図のようにゾーンメルティング方向に長く
伸びたものであり、それらの間隔はゾーンメルティング
の温度や走査条件によって異るが、約１０μｍのオーダ
ーである。なお、サブグレインバウンダリーは実際には
エツチング等により顕在化しなければｗｔ察できないが
、図では説明のために記した。

上述のように第１回目のゾーンメルティングを終えた後
の工程を第３図にて説明する。第３図（ａ）のように５
ｉＯｚ９の上に膜厚１０００人の多結晶シリコン１２を
形成する。多結晶シリコン１２は図のように部分的に除
去された構造になっているが、その平面パターンは第３
図（ｂ）で示したように多結晶シリコンの存在する部分
が単結晶シリコン膜１の結晶方位＜１１０＞方向に対し
て約２ｍ間隔で交互に存在するようなストライプ状にな
っている。次に膜厚１μｍのＳｉ○２１３を気相成長法
により形成して被覆膜となす。このような構造とした後
、先に述べたストリップヒータによるゾーンメルチイン
・グ再結晶化を行う。

第２回目のゾーンメルティング再結晶化では、カーボン
ストリップヒータ１ｏの走査方向は第３図（ｃ）及び（
ｄ）に示す如く単結晶シリコン膜１の＜１１０＞方向に
平行とする。ゾーンメルティング再結晶時には、多結晶
シリコン１２の存在する部分ではカーボンストリップヒ
ータ１２の輻射熱は多結晶シリコン１２に吸収され下層
の単結晶シリコン膜１を溶融するには至らない。−六条
結晶シリコン１２の無い部分では、輻射熱は吸収される
ことはなく単結晶シリコン膜１を溶融する。

従って、単結晶シリコン膜１の溶融状態は第３図（Ｃ）
のように多結晶シリコン１２が上部に無い部分で溶融シ
リコン１１が生じる形になる。カーボンストリップヒー
タ１０が通過し去った後、この溶融シリコン１１は単結
晶シリコン膜１の溶融しなかった部分を種結晶として＜
１１０＞方向に結晶成長する。この２度目の再結晶化領
域１４は＜１１０）方向結晶成長のため、第３図（ｄ）
で示すようにサブグレインバウンダリーの発生が少ない
。一方、非溶融部は元の単結晶シリコン膜１のままで、
サブグレインバウンダリーが残り変化はない。

このようにして第２回目のゾーンメルティング再結晶化
を終了した後、５ｉＯｚ１３と多結晶シリコン１２（多
結晶シリコン１２はカーボンストリップヒータの輻射熱
を受けて溶融再結晶化している）を除去する。その後の
工程は第２回目のゾーンメルティング前の工程と同様で
、第４図（ａ）及び（ｂ）に示す如く多結晶シリコン１
２を堆積してストライプ状にパターニングし、さらに５
ｉＯｚ１３を被覆する。このとき多結晶シリコンを残す
領域は、先の第２回目のゾーンメルティング再結晶化処
理の時に溶融した再結晶化領域１４に対応しているが、
パターンずれを考慮して幅をやや狭めである。このよう
な構造を形成した後、第３回目のゾーンメルティング再
結晶化を施す。

第３回目のゾーンメルティングは第２回目と同様、単結
晶シリコン膜１の（１１０＞方向に平行な方向、すなわ
ち多結晶シリコン１２のストライプパターンに垂直な方
向に加熱源であるカーボンストリップヒータ１０を走査
する。この時、第２回目と同様な現象で、多結晶シリコ
ン１２直下にある単結晶シリコン（第４図（Ｃ）で第２
回目のゾーンメルティング時の再結晶化領域１４）を種
結晶として、多結晶シリコン１２の無い領域の単結晶シ
リコン膜１が＜１１０＞方向の結晶成長をし、再結晶化
領域１５ができる。

第４図（ｄ）は第３回目のゾーンメルティング後のサブ
グレインバウンダリーの発生状況で、サブグレインバウ
ンダリー２は当初（第２図（ｂ））よりも低減されてい
る。

このようにして形成した酸化膜７上の単結晶シリコン膜
にＭＯＳＦＥＴを作製しその特性を評価したところ、サ
ブグレインバウンダリーを多く含むものよりもチャネル
移動度は向上しており、また素子の歩留りも上がってお
り、単結晶シリコン膜の結晶性が向上していることがわ
かった。

次に本発明の他の実施例を説明する。

まず先の実施例と同様に第２図における（１００）結晶
成長した単結晶シリコン膜１を形成する。その後、第５
図（ａ）に示すように、タングステン膜１６を形成して
パターニングする。タングステン膜１６のパターンは第
５図（ｂ）のように単結晶シリコン膜１の＜１１０＞方
向に細長く残されたストライプ状である。このタングス
テン膜は第２回目のゾーンメルティングにおけるストリ
ップヒータ１０からの輻射を反射するための反射膜とし
て作用する。従ってタングステン膜１６の存在する領域
の下層の単結晶シリコン膜１は溶融せず、ここを種結晶
としてタングステン膜１６の存在しない領域の単結晶シ
リコン膜１が溶融シリコン１１となり、溶融シリコン１
１が再結晶化する。

この時、先の実施例と同様、＜１１０＞方向の結晶成長
によりサブグレインバウンダリーが低減され、結晶性が
向上する。この後、次のゾーンメルティングで同様な方
法（タングステン膜１６のパターニング）により単結晶
シリコン膜１を溶融再結晶化する。

このようにして形成した単結晶シリコン膜は。

先の実施例と同様に良い結晶であった。

さらに本発明の他の実施例を説明する。

第６図（ａ）は第１回目のゾーンメルティングによって
単結晶シリコン膜１（サブグレインバウンダリー多数存
在）を形成した後、第２回目のゾーンメルティング時の
基板の断面構造を示したものである。被覆膜のＳｉ○２
９上に赤外線に対する反射防止膜１７をストライプ状に
形成する。反射防止膜としては、ホトレジスト、５ｉａ
Ｎ＋などが用いられる。反射防止膜１７の作用により、
その直下の単結晶シリコン膜１は／８融しくｌ　ｌ　Ｏ
＞方向の再結晶成長を起こすことにより結晶性が向上す
る。以下の工程は前記実施例と同様、反射防止膜１７の
パターニングを第２回目のゾーンメルティングとは逆（
存在領域が逆の関係になる）にして第３回目のゾーンメ
ルティングを行えばよい。

こうして形成した単結晶シリコン膜は、前述の２つの実
施例と同様良い結晶性を有している。

以上の実施例では、ゾーンメルティング法としてカーボ
ンストリップヒータを使用したが、他の方法、たとえば
ランプ照射による方法でもよい。

またレーザや電子ビームによる加熱法でもよい。

特にストライプ状の多結晶シリコン１２や反射防止膜１
９の幅と間隔が狭い場合、加熱される幅（ゾーンメルテ
ィング方向に対する幅）がストライプ間隔よりも広いと
いうストライプの下層のシリコンまで溶融する恐れがあ
るため、加熱幅を狭くできるレーザや電子ビームが望ま
しい。

なお、再結晶化する半導体層はシリコンを対象としたが
、ゲルマニウムや他の半導体層、ＧａＡｓのような化合
物半導体層でもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基板のほぼ全面に渡って結晶欠陥（サ
ブグレインバウンダリー）の少ない。

（１００＞面方位の単結晶シリコン膜を形成できる。

結晶欠陥の少ないことから、形成された単結晶膜中に作
られた単体素子の特性は、バルクシリコン単結晶に作ら
れた素子と同等である。

また、絶縁物（酸化膜）上の単結晶シリコン膜、いわゆ
るＳＯＩ結晶は基板上−面に形成されているので、素子
の配置に制限がなく自由にレイアウトできるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主な原理を示す半導体基板の　　　　
一平面図、第２図、第３図及び第４図は本発明の一実施
例の主要工程を示す半導体基板の断面図および平面図、
第５図は本発明の他の実施例の主要工程を示す半導体基
板の断面図および平面図、第６図は本発明のさらに他の
実施例の主要工程を示す半導体基板の断面図および平面
図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、絶縁物上の多結晶または非晶質半導体層を溶融再結
   晶する半導体基板の製造方法において、種結晶の＜１０
   ０＞方向に前記半導体層を再結晶成長させて再結晶半導
   体層とした後、該再結晶半導体層の一部を溶融させない
   構造を設けて、該再結晶半導体層の他の部分を＜１１０
   ＞方向に再結晶成長させることを特徴とする半導体基板
   の製造方法。