JPS63239185A - 結晶成長方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は非晶質絶縁基板上にＳｉ＄結晶薄膜を形成する
いわゆるＳＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌ
ａｔｏｒ）技術を利用した結晶成長方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来、半導体電子素子や光素子等に用いられる単結晶薄
膜は、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることで
形成されていた。例えば、Ｓｉ単結晶基板（シリコンウ
ェハ）上には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等を液相、気相ま
たは固相からエピタキシャル成長することが知られてお
り、またＧａＡｓ単結晶基板上にはＧａＡｓ、ＧａＡｌ
Ａｓ等の単結晶がエピタキシャル成長することが知られ
ている。このようにして形成された半導体薄膜を用いて
、半導体素子および集積回路、半導体レーザやＬＥＤ等
の発光素子等が作製される。

また、最近、二次元電子ガスを用いた超高速トランジス
タや、量子井戸を利用した超格子素子等の研究開発が盛
んであるが、これらを可能にしたのは、例えば超高真空
を用いたＭＢＥ　　（分子線エピタキシー）やＭＯＩＩ
：ＶＤ　　（有機金属化学気相法）等の高精度エピタキ
シャル技術である。

このような単結晶基板上のエピタキシャル成長では、基
板の単結晶材料とエピタキシャル成長層との間に、格子
定数と熱膨張係数とを整合する必要がある。この整合が
不十分であると格子欠陥がエピタキシャル層に発達する
。また基板を構成する元素がエピタキシャル層に拡散す
ることもある。

このように、エピタキシャル成長による従来の単結晶薄
膜の形成方法、その基板材料に大きく依存することが分
る。Ｍａｔｈｅｗｓ等は、基板材料とエピタキシャル成
長層との組合せを調べている（ＥＰＩＴ八ＸＩへＬ　　
ＧＲＯＷＴＩ（、八ｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、　　
Ｎｅｗ　　Ｙｏｒｋ。

１９７５　ｅｄ、　ｂｙ　Ｊ、Ｗ、Ｍａｔｈｅｗｓ）。

　また、基板の大きさは、現在Ｓｉウニ八へ６インチ程
度であり、ＧａＡｓ、サファイア基板の大型化は更に遅
れている。加えて、単結晶基板は製造コストが高いため
に、チップ当りのコストが高くなる。

このように、従来の方法によって、良質な素子が作製可
能な単結晶層を形成するには、基板材料の種類が極めて
狭い範囲に限定されるという問題点を有していた。

一方、半導体素子を基板の法線方向に積層形成し、高集
積化および多機能化を達成する三次元集積回路の研究開
発が近年盛んに行われており、また安価なガラス上に素
子をアレー状に配列する太陽電池や液晶画素のスイッチ
ングトランジスタ等の大面積半導体装置の研究開発も年
々盛んになりつつある。

これら両者に共通することは、半導体薄膜を非晶質絶縁
物上に形成し、そこにトランジスタ等の電子素子を形成
する技術を必要とすることである。その中でも特に、非
晶質絶縁物上に高品質の単結晶半導体を形成する技術が
望まれている。

一般的に、５ｉｎ２等の非晶質絶縁物基板上に薄膜を堆
積させると、基板材料の長距離秩序の欠如によって、堆
積膜の結晶構造は非晶質または多結晶となる。ここで非
晶質膜とは、最近接原子程度の近距離秩序は保存されて
いるが、それ以上の長距離秩序はない状態のものであり
、多結晶膜とは、特定の結晶方位を持たない単結晶粒が
粒界で隔離されて集合したものである。

例えば、ＳｉＯ□上にＳｔをＣＶＤ法によって形成する
場合、堆積温度が約６００℃以下であれば非晶質シリコ
ンとなり、それ以上の温度であれば粒径が数百〜数千人
の間で分布した多結晶シリコンとなる。ただし、多結晶
シリコンの粒径およびその分布は形成方法によって大き
く変化する。

更に、非晶質または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ等の
エネルギビームによって溶融固化させることによって、
ミクロンあるいはミリメートル程度の大粒径の多結晶薄
膜が得られている（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ　５
Ｎｉｃｏｎ　ｏｎ　ｎｏｎ−ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔ
ａｌｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　ｖｏｌ。

６３、　Ｎｏ、３．０ｃｔｏｂｅｒ、　　１９Ｂ３　ｅ
ｄｉｔｅｄ　ｂｙ　Ｇ、　Ｗ。

Ｃｕ１ｌｅｎ）。

このようにして形成された各結晶構造の薄膜にトランジ
スタを形成し、その特性から電子易動度を測定すると、
非晶質シリコンでは〜０．１ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ　、数
百人の粒径を有する多結晶シリコンでは１〜１０ｃｍ２
／Ｖ−ｓｅｃ　、溶融固化による大粒径の多結晶シリコ
ンでは単結晶シリコンの場合と同程度の易動度が得られ
ている。

この結果から、結晶粒内の単結晶領域に形成された素子
と、粒界にまたがって形成された素子とは、その電気的
特性に大きな差異のあることが分る。すなわち、従来法
で得られていた非晶質上の堆積膜は非晶質または粒径分
布をもった多結晶構造となり、そこに作製された素子は
、単結晶層に作製された素子に比べて、その性能が大き
く劣るものとなる。そのために、用途としては簡単なス
イッチング素子、太陽電池、光電変換素子等に限られる
。

また、溶融固化によって大粒径の多結晶薄膜を形成する
方法は、ウェハごとに非晶質または単結晶薄膜をエネル
ギビームで走査するために、大粒径化に多大な時間を要
し、量産性に乏しく、また大面積化に向かないという問
題点を有していた。

［発明が解決しようとする問題点１ 以上述べたように、従来の結晶成長方法では、三次元集
積化や大面積化が容易ではなく、デバイスへの実用的な
応用が困難であり、優れた特性を有するデバイスを作製
するために必要とされる単結晶および多結晶等の結晶を
容易に、かつ低コストで形成することができなかった。

従って、本発明は上記の従来の問題点を解消し、三次元
集積化や大面積化が容易で、デバイスへの実用的な応用
が容易で優れた特性を有する結晶形成方法を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段１ このような目的を達成するために、本発明の結晶成長方
法は、核形成密度の小さい非核形成面（ＳＮＤＳ）　ニ
、光ＣＶＤ法あルイはレーザＣｖＤ法により非晶質ある
いは多結晶質より成る充分に微細なスポット状の堆積物
を形成し、堆積物をエネルギビーム照射により単結晶化
することでそれのみより結晶成長が可能な単一核とし、
次いで結晶形成処理を施して、単一核より単結晶を成長
させることを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば非晶質絶縁物基板上に、マスクパターン
を光路に配置した光ＣＶＤ　（化学的気相成長法）やレ
ーザーＣＶＤなどにより、例えば非晶質シリコンあるい
は多結晶シリコンを所望の位置に微細な点状に堆積した
後、レーザーや電子線やランプなどのエネルギービーム
で堆積膜を溶融固化させることによってシリコン単結晶
微粒子にし、その後ＣＶＤエピタキシャル成長法や液相
エピタキシャル成長法によりシリコン単結晶微粒子を２
次元的あるいは３次元的に成長させることにより、非晶
質絶縁物基板上に単体デバイスが形成可能なほど充分大
きなシリコン単結晶を多数形成できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の結晶成長方法を示す第
１実施態様例の形成工程図、第２図（Ａ）および（Ｂ）
はそれぞれ第１図（Ａ）および（Ｄ）における基板の斜
視図、第３図は結晶製造装置の概略図である。

まずレーザＣＶＤおよびレーザアニールを行なう結晶製
造装置について説明する。第３図に示すように石英カラ
ス基板１をレーザーＣＶＤをかねるレーザーアニール室
６にセットし、基板温度を３５０℃に保つ。石英窓１１
を通して波長１９３ｎｍ。

１００ｍＪ　／パルスのＡｒＦエキシマレーザ−９を光
学系ｌＯを用いることにより、レーザスポット径約５μ
ｍに絞り、基板１を移動させながら、５０μｍ間隔で照
射した。その後ソースガスとして５ｉ２Ｉｔ６゜５０Ｓ
ＣＣ：Ｍをガスボンベ７から流し排気系１２で排気しな
がら、圧力を８０　Ｔｏｒｒに保った。その結果直径約
１μｍの多結晶シリコン２が堆積した（第１図（Ａ）お
よび第２図（Ａ））。次にソースガスＳ　ｉ　２　Ｈａ
の供給を停止し、ＡｒＦエキシマレーザ−を基板１を移
動させながら照射したところ、多結晶シリコン２が溶融
固化し、粒径約０．７μｍの単結晶シリコン３になった
（第１図（Ｂ））。次に微小な単結晶シリコン３が５０
μｍ間隔に多数形成された石英ガラス基板１をＣＶＤ室
１３に移動し、基板温度を９５０℃に保った。そしてソ
ースガスとして５ｉＨ２ＣｊＬ　２を０．６ｊ２　／ｍ
ｉｎ、　エツチングガスとしてＨＣｆｌを１　ｊ２／ｍ
ｉｎ、キャリアガスとしてＨ２をガスボンベ８より　１
００ｆｌ／ｍｉｎ流して、圧力を１５０　Ｔｏｒｒに保
ち単結晶シリコン３を成長させたところ、３０分間で直
径約４０μｍの大きな単結晶シリコン４になった（第１
図（Ｃ））。この成長条件では、シリコン原子は石英ガ
ラス（Ｓｉｎ２）上には直接堆積せず、単結晶シリコン
上にのみ単結晶として成長する。

したがって単結晶シリコンが単結晶のまま少しずつ大き
くなっていき、５ｉ０２上を覆っていくのである。この
ようにして形成した単結晶シリコン５にデバイスを形成
するためには、シリコンウェハの製造工程と同様にポリ
ッシングをおこなって平坦な面にする（第１図（Ｄ））
、なお大きく成長したシリコン単結晶は、ファセット（
平坦な成長面）があり、マイクロＸ線回折装置（理学電
機製）により単結晶シリコンであることが確認された。

本発明の基板１としては、石英ガラス（Ｓｉ（ｈ）の他
、シリコンウェハやアルミナやセラミックなどの耐熱性
基板の表面に非晶質ＳｉＯ□薄膜や非晶質Ｓｉ、Ｎ４薄
膜などを堆積したものも用いることができる。

本発明の非晶質シリコンあるいは多結晶シリコンを微細
な点状に堆積する方法としては、大別してマスクパター
ンを光路に配置した光ＣＶＤ法とマスクを用いないレー
ザーＣＶＤ法の２つがある。光ＣＶＤの光源としては、
低圧水銀ランプ。

高圧水銀ランプ、重水素ランプ、希ガスランプ。

キセノンショートアークランプ、ハロゲンランプ、シン
クロトロシ軌道放射光（ｓｏｎ　）などを用いることが
できる。またレーザーＣ，ＶＤの光源としては各種のレ
ーザを用いることができるが、Ｆ。

エキシマレーザ−、ＡｒＦエキシマレーザ−、Ａｒイオ
ンレーザ−１ＣＯ。レーザーなどが多く用いられる。ソ
ースガスとしてはシリコンを含む各種ガス、たとえばＳ
ｉＨ４，５ｉＨ２ＣｊＺ　２，５ｉＨＣｊＺ　、　、５
ｉ−Ｃｕ　４゜５ｉ２Ｈａ、Ｓｉ、Ｈ８，５ｉｌｌＦ３
．ＳｉＨ２Ｆ２などを用いることができる。

本発明の非晶質シリコンあるいは多結晶シリコンのスポ
ット状の堆積膜を溶融固化して単結晶シリコン微粒子に
変えるために照射するエネルギービームとしては、各種
レーザー、電子線、各種ランプなどを用いることができ
る。

本発明の非晶質絶縁物基板上の単結晶シリコン微粒子を
単結晶のまま２次元的あるいは３次元的に成長させる方
法としては、ＣＶＤエピタキシャル成長法や液相エピタ
キシャル成長法などを用いることができる。ＣＶＤエピ
タキシャル成長法に用いるソースガスとしては、ＳｉＨ
，＋、５ｉＨ２Ｃｆｉ　２＋５ｉＨＣｆＬ　３．５ｉＣ
ｆＬ４などが用いられる。エツチングガスとしてはＨ（
：ｊ２　、Ｆ２．　Ｃｌ１２．ＣＨＦ３．　ＣＦｎ、Ｃ
（：ｆ１２Ｆ２゜ＣＣＪＺ　３Ｆなどを用いることがで
きる。このエツチングガスの存在が、Ｓｉｎ、上へのシ
リコンの直接堆積をおさえるのに重要である。基板温度
はソースガスの種類により異なるが、８００〜１１００
℃、圧力は減圧がよく、２０〜２００Ｔｏｒｒ程度であ
る。液相エピタキシャル成長法のソース溶液としては、
Ｓｎを溶媒としたＳｉ溶液、　Ｇａを溶媒としたＳｉ溶
液などを用いることができる。Ｓｎ溶媒の場合、たとえ
ば成長温度９００℃、冷却速度０．２℃／ｍｉｎで結晶
成長が可能である。

以上の実施例はシリコン薄膜についてであるが、本発明
はダイヤモンド薄膜、　ＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物
半導体薄膜などにも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば非晶質絶縁物基盤
上に微細な点状に非晶質あるいは多結晶の薄膜を堆積し
、エネルギービームにより堆積膜を溶融固化し、単結晶
微粒子に変え、その単結晶微粒子を単結晶のまま２次元
的あるいは３次元的に成長させて、非晶質絶縁基板上の
単結晶薄膜を形成するので、次のような効果がある。

（ａ）非晶質絶縁物基板を用いるため、後工程のプロセ
ス温度以上の耐熱性があれば表面に非晶質５ｉ０２を堆
積できるので任意の基板が可能であり、ガラスのような
大面積の基板上にも単結晶薄膜を形成できる。

（ｂ）　ｊ１３−結晶を大きく成長させるのにＣＶＤエ
ピタキシャル成長や液相エピタキシャル成長を用いてい
るので、全面に非晶質あるいは多結晶の薄膜堆積した後
、全面をレーザービームでアニールする方法と比べて、
結晶の成長速度を速くできる。

（ｃ）基板の任意の位置に微細な単結晶を形成してから
結晶成長させるため、各単結晶が衝突するまで成長させ
たとき、その微細な単結晶粒子の間隔により成長された
単結晶の大きさも制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の単結晶薄膜の形成工程図
、 第２図（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ第１図（Ａ）およ
び（Ｄ）における基板の斜視図、 第３図は結晶製造装置の概略図である。 ｌ・・・石英ガラス基板、 ２・・・多結晶シリコン、 ３〜５・・・単結晶シリコン、 ７．８・・・ガスボンベ、 ９・・・レーザー、 １０・・・光学系、 １１・・・石英窓、 １２・・・排気系、 １３・・・ＣＶＤ室。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）核形成密度の小さい非核形成面（Ｓ＿Ｎ＿Ｄ＿Ｓ）
   に、光ＣＶＤ法あるいはレーザＣＶＤ法により非晶質あ
   るいは多結晶質より成る充分に微細なスポット状の堆積
   物を形成し、該堆積物をエネルギビーム照射により単結
   晶化することでそれのみより結晶成長が可能な単一核と
   し、次いで結晶形成処理を施して、前記単一核より単結
   晶を成長させることを特徴とする結晶成長方法。 ２）前記成長させる結晶がシリコン単結晶であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の結晶成長方法。