JPS6388819A - 半導体装置の製造方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に電子ビーム
等のエネルギービームを非晶質或いは多結晶質薄膜に照
射して溶融再結晶化させることにより、非晶質或いは多
結晶質薄膜の結晶成長を図り、単結晶化する半導体装置
の製造方法に関するものである。

〈従来の技術〉 近年、非晶質或いは多結晶質薄膜として形成された薄膜
を単結晶化して半導体用基板として利用することが活発
に研究されている。

即ち非晶質或いは多結晶質薄膜にレーザビームや電子ビ
ーム等によりエネルギーを与えて、−旦溶融し、この溶
融部が凝固する際に温度分布と核発生位置を制御するこ
とにより単結晶化を図るもので、本出願人も先に「半導
体装置の製造方法」（特願昭５９−２３１５５６号）と
して提案している。

第３図は本出願人が先に提案した半導体装置の製造方法
における基板断面を示す図である。

この第３図において、シリコン等の材料からなる基板ｌ
を支持台として、この基板ｌの表面に５ｉｏ２，５ｉ３
Ｎ４　等の材料からなる絶縁膜１０を形成し、この絶縁
膜１０の表面に単結晶化させるための多結晶シリコンＩ
Ｉを形成し、この多結晶シリコン１１の表面にＳｉＯ３
，５ｉ３Ｎ４　等の材料からなる絶縁膜１２を形成し、
この絶縁膜１２の表面に多結晶シリコン膜Ｉ３及びモリ
ブデン（Ｍｏ）。

タングステン（Ｗ）等の材料より成る高融点金属膜１４
の帯状複合被膜】５を形成する。この際帯状複合被膜１
５の帯幅は、電子ビーム径より小さく、例えば１０〜２
０／Ｌｍ幅に設定する。

上記積層構造からなる基板に電子ビームが照射されて多
結晶シリコン１１を単結晶化するためのエネルギーが与
えられる。

このような構成において、帯状の複合被膜１５の両側に
おいては電子ビームが絶縁膜１２のみを介して多結晶シ
リコン膜１１を加熱するが、複合被膜１５下では高融点
金属膜１４の電子反射率及び阻止能が高いため、電子ビ
ームのエネルギーは反射によシ減少し、かつ薄膜１５中
ですべて吸収され、薄膜１５自身で温度上昇し、それが
伝導されて薄膜１１を加熱する。

従って、帯状複合被膜１５は非単結晶薄膜１１に対して
温度上昇を抑制し、溶融部中央が周辺部より低い温度分
布をつくり出し、溶融再結晶化時において、単結晶化に
適した固液界面形状と核発生位置を提供することになる
。この際、多結晶シリコン膜１３は加熱時に絶縁膜１２
と高融点金属膜１４の間に発生する熱応力を緩和する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本出願人が先に提案した半導体装置の製造方法は以上の
通りであるが、この本出願人が先に提案した方法におい
ては、その後種々検討した結果、エネルギービームによ
って加熱されている部分に発生する温度勾配及び材料の
違いによる熱膨張率の差により熱応力が発生し、この熱
応力により単結晶成長が乱され、これにより単結晶化の
パワーマージンも小さくなることが判明した。

第４図は上記第３図に示した従来の方法で溶融再結晶化
した際の帯状複合被膜中央の試料厚さ方向の温度分布を
示す図であり、同図において、ａは最高温度、ｂは単結
晶化すべき非晶質或いは多結晶質薄膜１１が部分的に凝
固した時、Ｃは薄膜１１が全部凝固した時の温度分布を
示している。

温度勾配及び材料の違いによる熱膨張率差によシ熱応力
が基板１及び薄膜１０．１１に発生する。

ａの時点では薄膜１１は全体が溶融しているので、薄膜
１１では熱応力は発生しない。また基板１及び薄膜】０
で発生した熱応力も薄膜１１に影響を与えない。ｂの時
点では薄膜Ｉｆの凝固した部分で熱応力が発生する。ま
た基板Ｉ及び薄膜１０に発生した熱応力も上記薄膜１１
の凝固部分に作用する。凝固が進行中であるため、これ
らの応力により薄膜１１の単結晶成長に乱れが生じる。

またパワーを大きくすると高温になる範囲が増大し薄膜
１１に加わる応力が大きくなるため乱れは大きくなる。

したがってこの現象により単結晶化のパワーマージンが
制限される。

Ｃの時点では薄膜１１は凝固を完了しているので薄膜１
１内に熱応力が発生する。また基板１及び薄膜１０に発
生した熱応力も薄膜１１に力を及ぼす。しかしこの時点
では薄膜１１の凝固は完了しているため、これらの応力
は単結晶成長に影響を与えることはない。しかしこれら
の応力により凝固を完了した結晶に欠陥を発生させる。

」二記のように温度勾配及び熱膨張率差により発生する
熱応力が単結晶成長を乱し、単結晶化のパワーマージン
を小さくする。

本発明は上記の点にかんがみて創案されたものであり、
非晶質或いは多結晶質薄膜にエネルギービームを照射し
て溶融再結晶化して単結晶化する半導体装置の製造方法
に改良を加え、非晶質あるいは多結晶質薄膜を容易に溶
融再結晶化できかつ従来の方法と比較して単結晶成長の
乱れが少く、単結晶化のパワーマージンの大きな半導体
装置の製造方法を提供することを目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明は非晶質或いは多結
晶ａｉ膜をエネルギービームによるアニールで溶融再結
晶化させて薄膜単結晶を形成する半導体装置の製造方法
において、非晶質あるいは多結晶質薄膜と基板との間に
非晶質或いは多結晶質薄膜より融点の低い薄膜を形成す
るように構成している。

〈作用〉 上記の如き構成により、非晶質或いは多結晶質薄膜を溶
融再結晶化する際に単結晶化すべき非晶質或いは多結晶
質薄膜が単結晶化を完了するまで上記非晶質あるいは多
結晶質より融点の低い薄膜を溶融状態に保持し、これに
より基板及び基板と非晶質或いは多結晶質薄膜を絶縁す
る膜に温度勾配及び熱膨張率差により発生する熱応力を
、上記非晶質或いは多結晶質薄膜が単結晶化を完了する
まで−に記非晶質或いは多結晶質薄膜より融点の低い薄
膜より上に伝わらないようにすることにより、」１記単
結晶化すべき非晶質或いは多結晶質薄膜に単結晶成長中
に作用する熱応力を減少し、上記非晶質或いは多結晶質
薄膜の単結晶成長の乱れを減少させ、単結晶化のパワー
マージンを拡大する。

〈実施例〉 以下図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明する
。

以下に示す本発明の実施例において試料構造は次の通り
である。即ち基板に絶縁膜を形成し、その上に非晶質或
いは多結晶質薄膜より融点の低いゲルマニウム等の薄膜
を形成し、その上に比較的ン専い絶縁膜を形成し、その
上に単結晶化すべき非晶質或いは多結晶質薄膜を形成し
、その」−に保護膜として作用する比較的薄い絶縁膜を
形成し、更に電子ビーム径より幅の小さい帯状のモリブ
デン（ＭＯ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属と多
結晶シリコンの複合被膜を積層して試料基板が作成され
る。

そしてこの試料基板に電子ビームを照射し、前述の本出
願人が先に提案した方法と同様な方法で単結晶成長に最
適な温度分布をつくり出し、非晶質或いは多結晶質薄膜
を単結晶化する。その際非晶質或いは多結晶質薄膜より
融点の低い薄膜が非晶質或いは多結晶質薄膜と基板との
間に形成されていることにより、非晶質或いは多結晶質
薄膜が凝固を完了するまで上記非晶質或いは多結晶質薄
膜より融点の低い薄膜が溶融状態に保持され、基板及び
絶縁膜に温度勾配及び熱膨張率差により発生する熱応力
が上記非晶質或いは多結晶質薄膜より融点の低い薄膜よ
り上に伝わらないようになり、その結果単結晶化の際に
非晶質或いは多結晶質薄膜に作用する熱応力が減少し、
単結晶化の乱れが減少し、単結晶化のパワーマージンが
拡大スる。

第１図は本発明における一実施例を説明するための基板
断面を示す図である。

第１図においてシリコン等の材料からなる基板１上に５
ｉｏ２，５ｉ３Ｎ４　等の材料からなる絶縁膜２を形成
し、この絶縁膜２の上に単結晶化される非晶質或いは多
結晶質薄膜より融点の低いゲルマニウム（Ｇｅ　）等か
らなる低融点薄膜３を形成し、その上１ｃ　Ｓ　＋　０
２　、Ｓ　ｉ　３Ｎ４　　等の材料からなる比較的薄い
絶縁膜４を形成し、その上に単結晶化すべき非晶質或い
は多結晶質シリコン膜５を形成し、この上にＳｉＯ２，
Ｓｉ３Ｎ４　　等の材料からなる絶縁膜６を形成し、こ
の」二にアニール時の帯状複合被膜の熱応力を緩和する
多結晶シリコン膜７及び電子阻止能が大キく、かつ電子
反射率の高いモリブ７’　：’　（Ｍ　ｏ　）　、タン
グステン（Ｗ）等の材料より成る高融点金属膜８を形成
する。この際高融点金属膜８と多結晶シリコン膜７の複
合膜９は帯状にパクーニングし、この帯幅は電子ビーム
のビーム径より小さく例えば１０〜２０μｍ幅に設定す
る。

上記の如き構成において、帯状複合被膜９の両側では電
子ビームが絶縁膜６のみを介して多結晶シリコン膜５を
加熱するが、複合被膜９下ではこの複合被膜９の電子反
射率及び電子阻止能が高いため、電子ビームのエネルギ
ーは反則により減少し、かつ複合被膜９中で全て吸収さ
れ、複合被膜自身で温度上昇し、それが伝導されて多結
晶シリコン膜５を加熱する。したがって複合被膜９は多
結晶シリコン膜５に対して温度上昇を抑制し、中央部が
周辺部より低い温度分布を作り出し、溶融再結晶化時に
おいて、単結晶成長が起こるのに適した温度分布を提供
する。

また複合被膜９は電子が直接単結晶化すべき部分近傍に
到達することを防ぐため、単結晶化膜の電子線損傷を減
少させる効果を持つ。

上記電子線吸収複合被膜９の膜厚は、電子の飛程より厚
く、膜内で電子のエネルギーが１００％吸収され、かつ
電子吸収膜９の熱応力によるアニ−）７時の剥離を抑制
するような厚さに設定する。

例えばモリブデン（ＭＯ）を用いた場合、加速電圧１０
ｋＶの電子ビームでアニールする場合、電子の飛程は約
５００　ｎｍと考えられ、また多結晶シリコンの電子阻
止能はモリブデン（Ｍ　ｏ　）の約１１５と考えられる
ので、モリブデンの剥離の抑制と電子線吸収膜９中の熱
伝導による温度分布制御効果も考慮してモリブデン（Ｍ
Ｏ）の膜厚は４００〜６００ｎｍ、多結晶シリコン膜厚
は５００〜］０００ｎｍに設定する。

また、薄膜５を被う絶縁膜６は電子吸収膜９からの伝熱
を遅延する効果と、薄膜５への電子線の直接入射による
損傷を防ぐ効果、及び電子線吸収膜９との直接接触によ
る汚染を防ぐ効果を持つ。

薄膜９が発生した熱の絶縁膜６中での伝熱による薄膜９
下での温度低下を図るため、絶縁膜６の膜厚は４００〜
６００　ｎｍに設定する。

薄膜３を被う絶縁膜４は薄膜３と薄膜５との直接接触に
よる薄膜５の汚染を防ぐ役目をなし、絶縁膜４の膜厚は
４００ｎｍ程度に形成する。

第２図は」二記のような構造における溶融再結晶化時の
帯状被膜中央部の厚さ方向の温度分布な示す図であり、
ａは最高温度、ｂは多結晶シリコン薄膜５が部分的に凝
固した時、Ｃは薄膜５が凝固を完了した時、ｄは多結晶
シリコン薄膜より融点の低いＧｅ等薄膜３が凝固を完了
した時である。

ａの時点ではまだ薄膜５は薄膜５の溶融点（ｍ。

ｐ、５）より高い温度の溶融状態であるので薄膜５内で
熱応力は発生しておらず、基板ｌ及び絶縁膜２．４に温
度勾配及び熱膨張率差により発生した熱応力も薄膜５に
は伝わらない。

ｂの時点では薄膜５は部分的に凝固している。

従って薄膜５内の凝固した部分及び絶縁膜４に同様の熱
応力が発生する。しかしこの時点で薄膜３はまだ薄膜３
の溶融点（ｍ、ｐ、３　）より高い温度の溶融状態であ
るため基板ｌ及び絶縁膜２で発生した熱応力は薄膜５に
伝わらない。従って薄膜３がない場合に比べて薄膜５が
単結晶化する際に薄膜５に作用する熱応力は減少し、単
結晶成長の乱れが減少する。またパワーを大キくシて高
温になる領域が基板１及び絶縁膜２において拡大しこれ
らによる熱応力が増大してもそれが薄膜５に作用しない
ため単結晶化のパワーマージンが拡大する。

Ｃの時点では薄膜５は凝固を完了しているためこの時点
での薄膜５に作用する熱応力は単結晶成長には影響を与
えない。しかし形成された単結晶に欠陥を発生させる。

絶縁膜４及び薄膜５による熱応力が薄膜５に作用する。

しかし、この時点で薄膜３はまだ溶融状態であるため基
板ｌ及び絶縁膜２による熱応力は薄膜５に作用しない。

従って薄膜３が無い場合に比べて薄膜５が凝固を完了し
た時点で薄膜５に作用する熱応力は減少し、このような
薄膜５がまだ変形しやすい状態にある時に薄膜５に作用
する熱応力が減少するため、凝固後に薄膜５に発生する
欠陥も減少する。

ｄの時点では簿膜３も凝固を完了する。これにより基板
１及び絶縁膜２の熱応力が薄膜５に作用がない場合に比
べて小さい。

この際薄膜３の膜厚は基板Ｉ及び絶縁膜２の熱応力を充
分に緩和するために４００〜８００　ｎｍに設定する。

また薄膜３の材料としては第２図に示したように薄膜５
が凝固を完了した時にまだ溶融状態であることができる
ような融点を持つ物質を選ぶ。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、非晶質或いは多結晶質薄
膜を電子ビームアニールにより溶融再結晶化して単結晶
化する際に、単結晶成長の乱れが減少し、単結晶化のパ
ワーマージンが拡大する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例を説明するための基板断
面を示す図、第２図は本発明による一実施例において溶
融再結晶化時の温度分布を示す図、第３図は本出願人が
先に提案した半導体装置の製造方法を説明するための基
板断面を示す図、第４図は本出願人が先に提案した半導
体装置製造方法において溶融再結晶化時の温度分布を示
す図である。 ｌ・・・シリコン等の基板、２・・・絶縁膜、３・・・
単結晶化すべき非晶質或いは多結晶質薄膜よシ融点の低
い薄膜、４・・・絶縁膜、５・・・非晶質或いは多結晶
質薄膜、６・・・絶縁膜、７・・・電子線吸収膜として
作用する多結晶シリコン膜、８・・・電子線吸収膜とし
て作用する高融点金属膜、９・・・複合被膜（電子線吸
収膜）。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）、　　ＩＯ
？　　ｒＱ　　Ｎ　　　− ＩＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、非晶質或いは多結晶質薄膜をエネルギービームによ
   るアニールで溶融再結晶化させて単結晶薄膜を形成する
   半導体装置の製造方法において、上記単結晶化すべき非
   晶質或いは多結晶質薄膜と基板との間に上記非晶質或い
   は多結晶質薄膜より融点の低い薄膜を形成することを特
   徴とする半導体装置の製造方法。