JPS63503345A - Ｓｐｅ種およびレ−ザ結晶化を用いて単結晶シリコンを形成する方法 - 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】 ＳＰＥ種およびレーザ結晶化を用いて単結晶シリコンを形成する方法 発明の背景 １、　発明の分野 本発明は絶縁体上に単結晶シリコンを形成する方法に関するものでｓｂ、とくに 、種（ｓｅｅｄ）を用いるレーザ結晶化を採用する方法に関するものである。

２、　関連する技術についての説明 多くの半導体装置は絶縁体上にシリコン結晶を含む構造（ＳＯＩ）を採用してい る。レーザ結晶化というのは、絶縁体上に単結晶シリコン膜を成長させる１つの 従来の方法である。第１図を参照して、二酸化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｏ２）の絶縁 層２０がシリコン基板２２の上に形成され、その絶縁層２０内に窓２４が形成さ れる。それから、絶縁層２０の上と、シリコン基板２２のうち窓２４によシ露出 されている部分の上にポリシリコン層２６が形成される。ポリシリコン層２６を 単結晶に変えるために、ポリシリコン層２６と窓２４内のシリコン基板２２との 境界における種領域から始って、レーザビーム２８で走査することにより、レー ザ結晶化が行われる。ポリシリコン層２６を結晶化させるようにポリシリコン層 ２６を融点まで加熱するために、レーザビーム２８がポリシリコン層２６を横切 って走査させられる。しかし、第１図に示されている構造の伝導性のために、レ ーザ結晶化が行われる時に問題が起る。とくに、熱は二酸化シリコン絶縁層２０ を通るよシも窓２４を通る方がよシ速く伝わる。レーザ結晶化においては、全て のポリシリコンを同時に融かすことが望ましい。

しかし、第１図の構造では、熱は二酸化シリコン絶縁層２ｏを通るよシも窓２４ を通る方がよシ速く伝わるから、ポリシリコン層２６のうち二酸化シリコン絶縁 層２゜の上の部分（すなわち、ポリシリコン層２６のうち窓２４の中の部分）が 種領域よシも早く加熱される。

そのために、全てのポリシリコン層２６を同時に融かすことが困難となる。また 、ポリシリコン層２６のうち窓２４内の部分が、絶縁酸化物層２０の上のポリシ リコンよシも速く凝固する。

第２図はレーザの出力と、ポリシリコン層２６のうち種領域の上の部分と、ポリ シリコン層２６のうち酸化物絶縁層２０の上の部分とにおける温度とのグラフで ある。第２図に示されている、ポリシリコン層２６のうち酸化物絶縁層２０の上 の部分の温度は、シリコンの融点（１４２０°Ｃ）に達するまで入力とともに上 昇する。ポリシリコンが融けるとそれの反射率が２倍になるから、かならずしも 全ての膜が同時に融けるわけではなく、むしろ、入力が増大するにつれて、全て の膜が融けるまでは、膜の増加する部分が温度上昇なしに融ける。したがって、 酸化物絶縁層２０の上のポリシリコン層２６の温度はシリコンの融点において横 ばいとなシ、層全体が融けて反射率が高くなるのに十分に高い入力レベルに達す るまで、上昇しない。最後に、第２図のグラフにＭＡＸと記されている点におい て、ポリシリコン層２６のうち酸化物絶縁層２０の上の部分が固まシ始めるから 、シリコン層内にシリコンのボールと穴が形成される。酸化物絶縁層２０が厚く なると、これは大きな問題となる。酸化物絶縁層２０の下側のシリコンが融ける こともあシ得る。その場合には二酸化シリコンは留められず、持ちあがって、上 側のポリシリコン層を薄くすることがある。酸化物絶縁層２０が薄くなると、こ れは大きな問題になる。すなわち、酸化物絶縁層２０の上のポリシリコン層２６ の部分を走査するためのレーザのパワーの範囲は、第２図のグラフにＭＡＸと記 されている点よシ下に制限せねばならない。ポリシリコン層２６のうち、酸化物 絶縁層２０の上に形成されている部分とは対照的に、ポリシリコン層２６のうち 種領域の上の部分は同じ入力吸収に対して温度が低い。したがって、ポリシリコ ン層２６のうち種領域の上側の部分をシリコンの融点まで温度上昇させるために は、第２図のグラフにＭＩＮと記されているレーザパワーがめられる。

以上述べた種々の熱伝導性の結果として、第２図のグラフでＭＩＮおよびＭＡＸ と記されている点の間にレーザのパワーを維持しなければならないから、種領域 および絶縁層の上側のレーザ結晶化を行うことは非常に困難となる。いわゆる「 レーザパワー窓」と呼ばれるこの範囲は、酸化物絶縁層の厚さとともに変化する 。レーザパワー窓は極めて狭くでき、結晶化パラメータにおいてめられる一様さ を得ることは、不可能ではないが、困難なことがある。たとと、パワー窓は１パ ーセントよシ小さい範囲に含まれることがあるから、典型的にはパワー窓の過熱 の問題がひき起されることになる。

第３図は、酸化物絶縁層２０の上と種領域の上のレーザパワーの範囲を示すグラ フである。第３図に示されているように、レーザ結晶化を行うために利用できる のは、種領域に対する最小パワーと、酸化物絶縁層２０に対する最大パワーとの 間の重なシ合う領域（すなわち、「レーザパワー窓」）においてのみである。先 に述べたように、レーザパワーがレーザパワー窓をこえて増大したとすると、不 十分な結晶化または過熱（基板の反シ、団塊化等をひき起す）が起シ得る。

例として、１９８４年、アイイーディーエム・ミーティング（ＩＥＤＭ　Ｍｅｅ ｔｉｎｇ）　＋サンフランシスコ（５ａｎＦｒａｎｃｊａｃｏ）のピーアールオ ーシー（Ｐｒｏｃ、）８０８〜８１１−：、　−シ所載の「テバイス・パーフォ −マンセス・オブ・ア・サブミクロン・ニスオーアイ・テクノロジー　（Ｄｅｖ ｉｃｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ａ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　ＳＯＩ　 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」と題するニー・ジエー・オウパートン・ハーフ（Ａ、 　Ｊ、　Ａｕｂｅｒｔｏｎ　Ｈｅｒｖｅ）他の論文に記載されているように、厚 さが０．２ミクロンの絶縁二酸化シリコン膜の場合には、基板温度が５００℃で あるとパワー窓は数パーセントである。また、僅かに数パーセントのパワー窓は レーザ結晶化中に維持することは困難であシ、製造処理において通常存在する膜 厚の変化を許容しない。したがって、狭いレーザパワー窓によシ制限されないレ ーザ結晶化法がこの分野においてめられている。

発明の概要 本発明の目的は、従来の方法の諸欠点を克服した、絶縁体上に単結晶シリコン膜 を形成する方法を得ることである。

とくに、本発明の目的は、薄い絶縁層に限定されないレーザ結晶化法を得ること である。

本発明の別の目的は、絶縁体上に高品質の分離されたＳＯＩ回路を形成できるよ うに、絶縁体上に単結晶シリコン膜を形成する方法を得ることである。

本発明の方法においては、基板上に絶縁層を形成し、その絶縁層内に様態を形成 する。アモルファスシリコンの層が絶縁層の上と、基板のうち様態内の部分の上 とにアモルファスシリコンの層を形成する。

それから、様態内に、絶縁層の上を延長する固相エピタキシャル単結晶シリコン 膜の固相エピタキシャル成長を行わせるように、アモルファスシリコン層を加熱 する。加熱工程中に、アモルファスシリコン層の残シがポリシリコン膜に変えら れる。次に、ポリシリコン膜を横切ってレーザを走査し、固相エピタキシャル単 結晶シリコン膜を種として用いて種を用いるレーザ結晶化を行うことによシ、絶 縁層の残シの部分の上を単結晶シリコン膜を延長させる。

本発明の方法は、絶縁層の上でレーザ結晶化を行うために、レーザパワー窓と同 じ幅にレーザパワー窓を拡げる点で、従来の技術よシ大きな利点を得るものであ る（第２図および第３図参照）。更に、改良したレーザパワー窓の結果として、 絶縁層を厚くできるから高い質の分離特性を持つＳＯＩ回路を絶縁層の上に形成 できる。

それらの目的および利益、ならびに後で明らかとなるであろう他の目的および他 の利益は、それの一部を形成する添附図面を参照して後で詳しく説明し、かつ請 求される構造および動作の詳細に存する。図面において同じ数字は全体を通じて 同じ部分を指すものである。

図面の簡単な説明 第１図は従来のレーザ結晶化方法を説明するだめの半導体構造の横断面図； 第２図は絶縁酸化物層の上のポリシリコンと、種領域の上のポリシリコンとの両 方に対するレーザパワ一対温度のグラフ； 第３図は第１図を参照して説明する従来のレーザ結晶化方法に対する「レーザパ ワー窓」を示す第２図に類似のグラフ； 第４図〜第１０図は本発明の実施例に従って単結晶シリコン膜を形成する方法の 工程を説明するための横断面図である。

好適な実施例の説明 第４図を参照して、本発明の方法において社、シリコン基板３２の上に絶縁層３ ０を形成し、様態３４を形成してシリコン基板３２０部分を露出させる。

好適々実施例においては、厚さが約１ミクロンのＬＯＣＯＳ　（シリコンの局部 酸化（１ｏｃａｌ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　５ｉｆｔｃｏｎ）　）酸化物膜 を、絶縁層３０として、基板３２のうち最後のＳＯＩ膜を設ける部分の上で成長 させる。

その結果、様態３４が絶縁層３０内に形成される。

第５図を参照して、アモルファスシリコン層３６を絶縁層３０の上と、シリコン 基板３２のうち様態３４の中の部分の上とに付着する。好適な実施例においては 、アモルファスシリコン層３６の厚さは約０．２〜０．５ミクロンである。次に 、様態３４の中で固相エピタキシャル単結晶シリコン膜３Ｂを固相エピタキシャ ル（ＳＰＥ）成長させるようにアモルファスシリコン層３６を加熱する。その固 相エピタキシャル単結晶シリコン膜は絶縁層３０の上の部分を横方向に延長する （第６図）。この加熱工程中に、アモルファスシリコン層３６の残シの部分はポ リシリコン膜４０に変えられる。好適な実施例においては、炉内で基板を５６０ 〜６００℃の範囲の温度まで恒温加熱することにより、固相エピタキシャル結晶 化が行われる（より高い温度が用いられるとすると、アモルファスシリコン層３ ６のうち絶縁層３０の上の部分に優先して核成長が起きる。絶縁体内での核成長 を避け、ＳＰＦ、結晶化されたシリコンを一層成長させるためにより低い温度を 用いると、結晶化処理に時間がかかりすぎることになる）。好適な実施例におい てハ、シエーエーピー・ジエー・ニーピーピーエル−フィジックス（Ｊａｐ、　 Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓｉｃｓ）　２１巻、３号、１９８２年３月号し１５ ２〜Ｌ１５４ページ所載の［ソリッドーフェーズ１ラテラル・エピタキシャル・ グロース拳オンツーｅアジエイセント・ニスアイオーツ−・フィルム・フロム優 アモルファス・シリコン・デポジツテツド・オン・シングル・クリスタル・７リ コンーサブストレート（５ｏｌｉｄ−Ｐｈａｓｅ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｅｐｉｔａ ｘｉａｌＧｒｏｗｔｈ　ｏｎｔｏ　Ａｄｊａｃｅｎｔ　５ｉ０２　Ｆｉｌｍ　Ｆ ｒｏｍ　Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　５ｉｌｉｃｏｎＤｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｏｎ　Ｓｉ ｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ　５ｉｌｉｃｏｎ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ）　Ｊと題す るワイ・オームラ他の論文と、エムアールニス・シンポジウム・ピーアールオー シー（ＭＲ８Ｓｙｍｐｏｓｉｎｍ　Ｐｒｏｃ、　）　２３巻（１９８４）　４３ １〜４４２ページ所載の「ラテラル−ソリッド・フェーズ・エピタキシ・オン・ シリコンφオーバー・オキサイド（Ｌａｔｅｒａｌ　５ｏｌｉｄ−Ｐｈａｓｅ　 Ｅｐｉｔａｘｙ　ｏｆ　５ｉｌｉｃｏｎ　０ｖｅｒ　０ｘｉｄｅ）　Ｊと題する ジエー・ニー・ロス（Ｊ、　Ａ、　Ｒｏｔｈ）他の論文に記載されているように 、ＳＰＥ単結晶シリコン膜３８を絶縁酸化物層３０の上を約５ミクロン延長する まで成長させる。

ＳＰＥ種（すなわち、ＳＰＥ単結晶シリコン膜３８）を形成した後で（第６図） 、構造全体の上に５ｉ０２のキャップ層４２を付着する（第７図）。それから、 ＳＰＥ単結晶シリコン３８が種として機能して、レーザビーム４４を用いてポリ シリコン膜４０の種を用いるレーザ結晶化を行って単結晶シリコン膜３Ｂを絶縁 層３０の残りの部分の上で延長させる。本発明のレーザ結晶化のために用いられ るレーザパワーは、シリコン基板上でポリシリコンを結晶化させるためのレーザ パワーの範囲を考慮に入れることなしに、絶縁酸化物層の上のポリシリコンを結 晶化するために適切なレーザパワーのみを基にして決定できる。

絶縁層３０の上を延長する単結晶シリコン膜３日を形成するためにレーザ結晶化 が終った後で（第８図）、上に最後のＳＯＩ装置を形成すべき領域の上にＳｉＯ □／Ｓｉ３Ｎ４マスク４６を形成し、種領域の上に酸化物膜４８を形成する（第 ９図）。好適な実施例においては、酸化物ｊｌ１４８はＬＯＣＯ８酸化物膜であ る。最後に、ｓｏｒ装置を上に製造するために利用できる分離された単結晶シリ コン膜構造５０（単結晶シリコンＭ３８に対応する）を残すために、Ｓ　１０２ 　／　Ｓ　Ｉ　３　Ｎ４マスク４６を除去する（第１０図）。

以上説明したように、本発明の方法は、横方向の固相エピタキシャル成長の後で 種を用いるレーザ結晶化を採用している点で、従来の技術よシはるかに大きい利 益が得られる。すなわち、ＳＰＥ種３８（第６図）を設けることによシ、絶縁層 ３０の上にポリシリコン４０をレーザ結晶化するために利用できるレーザパワー 窓は、従来のレーザ結晶化方法に利用できるレーザパワー窓よシはるかに広い範 囲を有する。更に、上に単結晶シリコン膜３８を形成される絶縁層３０の厚さは 、従来の方法で利用できる厚さよシ厚くできるから、分離特性が優れている高品 質のＳＯＩ装置を単結晶シリコン膜の上に形成できる。

本発明の多くの特徴および利点は詳述した明細書から明らかであシ、したがって 本発明の要旨に含まれるこの方法のそれらの特徴および利点の全てを付属の請求 の範囲によシ保護しようとするものである。

更に、数多くの修正および変更を当業者は容易に行うことができるから、本発明 をこの明細書において示し、かつ説明した構造および動作そのものに限定するこ とを望むものではなく、したがって、全ての適当な変更および均等なものを用い ることができ、かつ全ての適当な変更および均等なものは本発明の要旨に含まれ るものである。

浄書Ｃ内容に１更なし） ＦＩＧ、　２゜ Ｆ／に　３゜ （葭牧枦夕 浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、４゜ ｆ〃り５ 浄書（内容に変更なし） ＦＩＧθ。

手続補正書（方式） ２、発明の名称 事件との関係　特　許　出願人 名称（氏名）アライド・コーポレーションノ＋＋Ｌ身 ６、補正の対象 （１）特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の特許出願人の欄国際調査 報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔｈｒ：　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ）ｉ　 ＲｌＪＯＲＴ　ＯＮ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）基板の一部を露出させるために中に種窓が形成されている絶縁層を基 板上に形成する工程と、（ｂ）絶縁層の上と、基板の種窓内の部分の上とにアモ ルフアスシリコン層を形成する工程と、（ｃ）絶縁層の一部の上を延長する固相 エピタキシヤル単結晶シリコン膜を種窓内で固相エピタキシヤル成長させるよう にアモルファスシリコン層を加熱する工程と、 （ｄ）固相エピタキシヤル単結晶シリコン膜を種として用いて種を用いるレーザ 結晶化を行うためにレーザビームをポリシリコン膜を横切って走査させることに より、絶縁層の残りの部分の上で単結局シリコン膜を延長させる工程と を備え、前記加熱工程はアモルファスシリコン層の残りをポリシリコン膜に変え る、単結晶シリコン膜を形成する方法。
2. ２．請求の範囲第１項記載の方法であって、前記工程（ｃ）はアモルフアスシリ コン層を５６０〜６００℃の温度まで加熱することを含む方法。
3. ３．請求の範囲第２項記載の方法であって、前記工程（ｃ）は、基板をほぼ５６ ０℃の温度まで恒温加熱するために、炉の内部に置くことによりアモルフアスシ リコン層を加熱することを更に含む方法。
4. ４．請求の範囲第３項記載の方法であって、前記工程（ｃ）は、固相エピタキシ ャル単結晶シリコン膜が絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するようにアモルフア スシリコン層を加熱することを更に含む方法。
5. ５．請求の範囲第２項記載の方法であって、前記工程（ｃ）は、固相エピタキシ ヤル単結晶シリコン膜が絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するようにアモルフア スシリコン層を加熱することを更に含む方法。
6. ６．請求の範囲第１項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）と（ｄ）の間に、ポ リシリコン膜と固相エピタキシャル単結晶シリコン膜の上にキヤッブ層を付着す る工程を更に備える方法。
7. ７．請求の範囲第６項記載の方法であって、（ｅ）前記加熱工程（ｄ）の後でキ ヤッブ層を除去する工程と、 （ｆ）単結晶シリコン膜のうち、装置を上に形成すべき部分の上にマスクを形成 する工程と、（ｇ）単結晶シリン膜のうち、マスクにより露出される部分の上に 絶縁膜を形成する工程と、（ｈ）単結晶シリコン膜のうち装置を形成すべき部分 からマスクを除去して、その部分を露出させる工程と を更に備える方法。
8. ８．請求の範囲第７項記載の方法であって、前記工程（ｇ）はＬＯＣＯＳ酸化物 膜を成長させることを含む方法。
9. ９．請求の範囲第８項記載の方法であって、単結晶シリコン膜のうち、上に装置 が形成される部分の上にＳｉ０２／Ｎｉ３Ｎ４マスクを形成することを含む方法 。
10. １０．請求の範囲第７項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）はアモルファスシ リコン層を５６０〜６００℃の温度まで加熱することを含む方法。
11. １１．請求の範囲第１０項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）は、固相エピタ キシャル単結晶シリコン膜が絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するようにアモル ファスシリコン層を加熱することを更に含む方法。
12. １２．請求の範囲第７項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）は、固相エピタキ シヤル単結晶シリコン膜が絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するようにアモルフ アスシリコン層を加熱することを更に含む方法。
13. １３．請求の範囲第１項記載の方法であつて、前記工程（ａ）はＬＯＣＯＳ酸化 物膜を成長させることを含む方法。
14. １４．請求の範囲第１３項記載の方法であつて、前記工程（ａ）は絶縁層を少く とも１ミクロンの厚さまで成長させることを含み、 前記工程（ｂ）は、ほぼ０．２〜５ミクロンの厚さになるようにアモルファスシ リコン層を形成することを含む、 方法。
15. １５．（ａ）基板の一部を露出させるために中に種窓が形成されている酸化物絶 縁層を基板上に形成する工程と、 （ｂ）酸化物絶縁層の上と、基板の種窓内の部分の上とにアモルファスシリコン 層を形成する工程と、（ｃ）酸化物絶縁層の一部の上を延長する固相エピタキシ ヤル単結晶シリコン膜を種窓内で固相エピタキシヤル成長させるようにアモルフ アスシリコエン層を加熱する工程と、 （ｄ）ポリシリコン層と固相エピタキシャル単結晶シリコン膜の上にキヤッブ層 を付着する工程と、（ｅ）固相エピタキシヤル単結晶シリコン膜を種として用い て種を用いるレーザ結晶化を行うためにレーザビームをポリシリコン膜を横切つ て走査させることにより、絶縁層の残りの部分の上で単結晶シリコン膜を延長さ せる工程と を備え、前記加熱工程はアモルフアスシリコン層の残りをポリシリコン膜に変え る、単結晶シリコン膜を形成する方法。
16. １６．請求の範囲第１５項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）はアモルフアス シリコン層を５６０〜６００℃の温度まで加熱することを含む方法。
17. １７．請求の範囲第１６項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）は、基板をほぼ ５６０℃の温度まで恒温加熱するために、炉の内部に置くことによりアモルファ スシリコン層を加熱することを更に含む方法。
18. １８．請求の範囲第１７項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）は、固相エピタ キシャル単結晶シリコン膜が酸化物絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するように アモルファスシリコン層を加熱することを更に含む方法。
19. １９．請求の範囲第１６項記載の方法であつて、前記工程（ｃ）は、固相エピタ キシヤル単結晶シリコン膜が酸化物絶縁層の上をほぼ５ミクロン延長するように アモルファスシリコン層を加熱することを更に含む方法。