JPS62278187A - 半導体単結晶層の成長方法 - Google Patents

半導体単結晶層の成長方法

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JPS62278187A
JPS62278187A JP11843886A JP11843886A JPS62278187A JP S62278187 A JPS62278187 A JP S62278187A JP 11843886 A JP11843886 A JP 11843886A JP 11843886 A JP11843886 A JP 11843886A JP S62278187 A JPS62278187 A JP S62278187A
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single crystal
semiconductor
plane
crystal layer
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Tadashi Nishimura
正 西村
Yasuaki Inoue
靖朗 井上
Kazuyuki Sugahara
和之 須賀原
Shigeru Kusunoki
茂 楠
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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] この発明は、立方晶の単結晶半導体基板上に形成された
絶縁層上に同じ立方晶の単結晶半導体層を形成する方法
に関するものである。
[従来の技術〕 従来から、レーザビームを用いて絶縁層上の多結晶シリ
コン層を溶融再凝固させて単結晶化する方法は、たとえ
ば3次元構造などの新しい構造の半導体装置の基礎技術
として注目されてきた。
第8図の断面図を参照して、テキサスインスッルメンツ
社のH,W、Lam達(EC5Meeting、198
0年、Extended  Abstract)によっ
て発表されたラテラルシーディング法が図解されている
。単結晶シリコン基板10上には絶縁層12が形成され
ており、絶縁層12上には単結晶化されるべき多結晶シ
リコン層13が形成されている。このシリコン層13は
絶縁層12の開口部11を介して基板結晶10に種付け
されて、左から右に走査するレーザビーム14によって
溶融再凝固しながら単結晶化される。
この方法は単結晶化されたシリコン層13の結晶方位が
基板結晶によって完全に規定されるので理想的な結晶成
長技術であるとされており、国内では特公昭42−12
087号公報で公表されている。
しかし、原理的に優れていると考えられたこの手法は、
実際には成功を収めていない。すなわち、半導体層13
の種付けされた結晶成長は開口部11から100〜20
0μm程度しか進まず、また積層欠陥や双晶などの結晶
欠陥が多数発生し、良好な単結晶層とは言い難いもので
あった。
[発明が解決しようとする間塵点] 上述のラテラルシープインク法が成功していない原因は
、従来レーザビームのガウス分布に近いパワー分布を補
償するような工夫をすることなくビーム走査を行なって
溶融再凝固させていたからである。すなわち、レーザビ
ーム14によって照射されているシリコン層13の領域
は、ビームの走査方向を横切る方向において第9A図の
ような温度分布を有している。第9B図において、この
ような温度領域がシリコン層13上を移動した状態の平
面図が第8図のような断面図と対比されて示されている
。レーザビーム14は太い矢印で示されている方向に移
動する。このとき、多数の細い矢印で示されているよう
に、ビーム移動の両側縁の低温度部から走査帯の中心軸
に向かって多数の細長い結晶が延びて成長する。そして
、走査帯の中央部において、それらの細長い結晶が出会
うため、開口部11で種付けされて単結晶化されたシリ
コン層13の領域(ハツチングされた領域S)の成長が
その後阻止されてしまう。すなわち、この単結晶領域S
が成長するのは開口部かられずか100〜200μmに
限られている。
このような走査帯の両側縁部からの結晶の侵入を阻止し
ようとして、第10A図、第10B図。
および第10C図で図解されているような反射防止膜を
シリコン層13上に形成することが試みられた。第10
A図は平面図であって、シリコン層13上に形成された
反射防止膜15.16が示されている。所定の幅を有す
る反射防止膜のストライブ16は、レーザビームの走査
方向に沿って所定の間隔で配置されている。また、開口
部11の直上領域には、その開口部を介して基板10に
逃げる熱による温度低下を補うために反射防止帯15が
設けられている。第10B図と第10C図は、それぞれ
第10A図における線10B−10Bと線10C−10
0に沿った断面構造を示している。
この場合、レーザビームの走査方向を横切る方向におい
て、ストライプ16の効果によって周期的に変動する温
度分布の波を形成し、それによって走査帯の両側縁部か
らの結晶が中央部へ侵入することを阻止しようとするも
のである。同様に、下地酸化膜の厚みに変化をつけるこ
とによって、走査方向を横切る方向の熱分布の制御も試
みられた。
しかし、いずれの試みも開口部11から200μm以上
の単結晶の成長を達成することはできなかった。
することである。
[問題点を解決するための手段] 本発明による立方晶の半導体単結晶の成長方法は、絶縁
層上の多結晶半導体層を種付用開口部を介して半導体基
板の単結晶に種付けし、エネルギビームでその半導体層
を部分的に溶融再凝固させながら走査し、その走査に伴
って移動する半導体層の再凝固する液固界面を1以上の
fl 111面に一致させながら移動させるよにしたも
のである。
[作用] 本発明による半導体単結晶層の成長方法においては、立
方晶半導体結晶で一般に最も安定な(111)面が液固
界面(結晶成長面)に一致させられて移動するので、そ
の結晶成長は最も安定して行なわれ、粒界や結晶欠陥の
発生を生ずるような歪が極めて少なくなり、長い単結晶
成長が得られる。
[実施例] 第1図は本発明の一実施例に用いるシリコン単結晶基板
を示している。その主面は(OO1)面であり、オリエ
ンテーションフラット面は(110)面である。
第2A図と第2B図を参照して、第1図の半導体基板を
用いた半導体単結晶層成長用ウェハが概略的に図解され
ている。第2A図はそのウェハの一部を示す平面図であ
り、第2B図は第2A図に・ご+264912”−2°
゛°4°′″’l1riljilNa’kyRL rl
、゛)る。シリコン単結晶基板10上には約10μm幅
ン多結晶層13が形成されている。シリコン層13上に
は、第10A図と同様にパターン化された反射防止膜1
5.16が形成されている。しかし、本実施例の場合、
レーザビームの走査方向に沿って配置されるストライプ
16は基板単結晶10の[100]方向と一致させられ
ている。さらに、このウェハ表面には表面保護用の薄い
絶縁膜17が設けられている。
第3A図と第3B図は、のようなウェハをレーザビーム
で左から右へ走査する場合の状態を概略的に図解してい
る。レーザビームの走査において、たとえば連続発振す
る約15Wのアルゴンレーザを用いることができ、約1
00μmのスポットサイズのビームで、約12cm/s
ecの速度で走査することができる。レーザビーム14
が照射されているシリコン層13のうち、反射防止スト
ライプ16の下の領域はレーザエネルギをよく吸収−二 、′するので他の領域より温度が高くなる。そして、−
布の波が形成される。したがって、シリコン層13の単
結晶成長の先端における液固界面において、;・ストラ
イプ16直下の領域では再凝固が遅れ、他、′の領域で
は凝固が進むことになる。その結果、結晶成長の液固界
面は第3A図の参照番号20で示されているように鋸歯
状になる。また、シリコン層13中の熱は開口部11方
向や下方に逃げるので、液固界面20は第3B図に示さ
れているようにシリコン層13の下方で進み上方で送れ
る結果となる。
第4図に示されたウェハの一部の透視図において、基板
単結晶10から結晶方位を受は継いで、絶縁層12上で
[100]方向に成長しようとするシリコン層13の単
結晶領域におけるfl 11)面の組合わせによって、
参照番号30で示されているような鋸歯状の境界を形成
することができる。
すなわち、(111)面と(111)面は下地絶縁層1
2との交線が互いに90°で交わり、第3A図の液固界
面20と同様な鋸歯状の境界30を形成することができ
る。また、この境界30はシー したがって、開口部1
1の幅1反射防止膜15と16の厚さ、およびストライ
ブ16の幅と間隔などを適切に設定することにより、結
晶成長の液固界面20を(111)面および(111)
面を組合わせた境界3Gと一致させることができる。
この場合、シリコンの最も安定な結晶面であるfl 1
11面が移動しながら単結晶が成長することになるので
、粒界や結晶欠陥が発生するような歪が極めて小さくな
り、安定した単結晶成長が得られることになる。
第5図の上段はこのようにして得られたシリコン層13
の単結晶成長帯の光学顕微鏡写真を示しており、下段に
その構造が図解されている。この単結晶成長帯は、9μ
mの開口部11.厚さ50Qnmのシリコン窒化膜から
なる反射防止膜15と16.および厚さ60人のシリコ
ン窒化膜からなる表面保護膜を用いて得られたものであ
る。写真の単結晶帯は結晶欠陥を表わすためにセコエツ
チングされているが、下段の線図で図解されているよう
に単結晶帯に平行な亜粒界(sub−G。
B、 )以外には結晶欠陥が観察されず、開口部ができ
るシリコン単結晶基板を示している。この°°ム板の主
面は(110)面であり、オリニオチー! 一ジョンフラット面は(110)面である。
第7A図と第7B図は、第6図のシリコン単結晶基板1
0を用いてシリコン層13を単結晶化する場合における
第4図と同様な透視図である。第7A図は単結晶を[1
10F方向に成長させる場合であり、第7B図は[OQ
 13方向に成長させる場合である。第7A図と第7B
図において、(丁IT)°面(111)面はそれぞれ1
09.47°と70.52°の立体角で交わり、いずれ
の面もシリコン層13内において垂直に立っている。
したがって、このようなfl 111面の組合わせによ
る境界面を単結晶成長の液固界面と一致させるためには
、下地絶縁層の開口部11の幅を約2μmのように小さ
くシ、さらにストライブ16の幅と間隔を第7A図の場
合にはたとえばそれぞれ4μmと10μmにし、第7B
図の場合にはそれぞれ6μmと10μmにすればよい。
このようにすれば、シリコン層13の上方と下方の放熱
差はを主面とする単結晶基板を用いた場合と同様にシリ
コン層13が良好に単結晶化される。但し、この場合の
単結晶層13の主面は(110)面であり、第1図の基
板を用いた場合には(OO1)面になることは言うまで
もない。
以上の実施例では、特定の面方位や軸方位を指定して説
明したが、等価な関係にある面方位や軸方位の等価な組
合わせであれば同等に実施し得ることが明らかである。
また、上記実施例では、レーザビームを用いる場合を説
明したが、たとえば線状の電子ビームを用いても同様な
結果が得られる。
[発明の効果コ 以上のように、本発明による立方晶の半導体単結晶層の
成長方法によれば、結晶成長の液固界面を安定な結晶面
であるfl 111面を組合わせて形成される境界と一
致させるようにしたので、結晶粒界や結晶欠陥が導入さ
れることなく良質の単結晶半導体層が形成される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に用いられるシリコン単結晶基板を示す
斜視図である。 第2A図と第2B図は本発明によるシリコン単結晶層形
成用のウェハの構造を示す図である。 第3A図と第3B図は本発明によるレーザビームによる
走査の状態を説明する図である。 第4図は第3A図および第3B図に示されたウェハと1
111)面の組合わせによる境界との関係を図解する透
視図である。 第5図は本発明による一実施例によって得られた単結晶
層の光学顕微鏡写真である。 第6図は本発明のもう1つの実施例に用いられるシリコ
ン単結晶基板の斜視図である。 第7A図と第7B図は第6図のシリコン単結晶基板を用
いたウェハと+1111面の組合わせによる境界との関
係を示す透視図である。 第8図は従来のラテラルシーディング法を示す断面図で
ある。 第9A図は従来のラテラルシー、ディング法において単
結晶化されるべき半導体層の温度分布を説明する図であ
り、第9B図はそのような温度分布で走査した場合の溶
融再凝固組織を示す図である。 第10A図は第9A図のような温度分布を修正するため
の反射防止膜のパターンををする従来のウェハの上面図
であり、第10B図と第10C図は第10A図のウェハ
の断面図である。 図において、10はシリコン基板、11は種付用開口部
、12は下地絶縁層、13は多結晶シリコン層、14は
レーザビーム、15は開口部11の上方の反射防止膜、
16は反射防止膜のストライブ、17は表面保護用の絶
縁膜、20は単結晶成長の液固界面、30はfl 11
1面の組合わせによる境界を示す。 なお、各図において同一符号は同一部分または相当部分
を示す。 特許出願人  工業技術院長 等々力 達〔001〕 (tTの s 第2B図 第4図 〔llO〕 (llO) 第5図 ’ (+10) 第7A図  。、7o。 第7A図 に!−

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)立方晶の単結晶半導体基板と、前記基板の1主面
    上に形成されかつ前記主面の一部を露出させる種付用開
    口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成されかつ前
    記開口部を介して前記基板に種付される立方晶の多結晶
    半導体層を備えたウェハを用意し、 エネルギビームで前記半導体層を部分的に溶融再凝固さ
    せながら走査し、それによって、前記開口部を介して前
    記基板を種結晶として前記半導体層を単結晶化する方法
    において、 前記エネルギビームの走査に伴って移動する前記半導体
    層の再凝固する液固界面を1以上の{111}面に一致
    させながら移動させることを特徴とする半導体単結晶層
    の成長方法。
  2. (2)前記半導体層上には、前記エネルギビームの走査
    方向に沿って、所定の幅を有する細い反射防止膜の帯が
    所定の間隔で設けられていることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の半導体単結晶層の成長方法。
  3. (3)前記半導体層上には、前記開口部の直上領域にも
    反射防止膜が形成されていることを特徴とする特許請求
    の範囲第2項記載の半導体単結晶層の成長方法。
  4. (4)前記主面は1つの{100}面であり、前記エネ
    ルギビームの走査方向は前記主面内の1つの<100>
    方向であることを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
    し第3項のいずれかの項に記載された半導体単結晶層の
    成長方法。
  5. (5)前記主面は1つの{110}面であり、前記エネ
    ルギビームの走査方向は前記主面内の1つの<110>
    方向であることを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
    し第3項のいずれかの項に記載された半導体単結晶層の
    成長方法。
  6. (6)前記主面は1つの{110}面であり、前記エネ
    ルギビームの走査方向は前記主面内の1つの<100>
    方向であることを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
    し第3項のいずれかの項に記載された半導体単結晶層の
    成長方法。
  7. (7)前記基板と半導体層はシリコンからなることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項ないし第6項のいずれか
    の項に記載された半導体単結晶層の成長方法。
  8. (8)前記ウェハは、薄い絶縁物の表面保護膜によって
    表面が保護されていることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項ないし第7項のいずれかの項に記載された半導体
    単結晶層の成長方法。
  9. (9)前記エネルギビームは連続発振のアルゴンレーザ
    ビームであり、少なくとも4880Åと5145Åの波
    長の1つを含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    ないし第8項のいずれかの項に記載された半導体単結晶
    層の成長方法。
  10. (10)前記エネルギビームは連続的な電子ビームであ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第8項
    のいずれかの項に記載された半導体単結晶層の成長方法
JP11843886A 1986-03-07 1986-05-24 半導体単結晶層の成長方法 Granted JPS62278187A (ja)

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EP87103146A EP0235819B1 (en) 1986-03-07 1987-03-05 Process for producing single crystal semiconductor layer
US07/022,717 US4822752A (en) 1986-03-07 1987-03-06 Process for producing single crystal semiconductor layer and semiconductor device produced by said process
US07/587,500 US5371381A (en) 1986-03-07 1990-09-24 Process for producing single crystal semiconductor layer and semiconductor device produced by said process

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