JPH0149003B2 - - Google Patents

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JPH0149003B2
JPH0149003B2 JP59101775A JP10177584A JPH0149003B2 JP H0149003 B2 JPH0149003 B2 JP H0149003B2 JP 59101775 A JP59101775 A JP 59101775A JP 10177584 A JP10177584 A JP 10177584A JP H0149003 B2 JPH0149003 B2 JP H0149003B2
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JP
Japan
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layer
single crystal
opening
semiconductor
annealing
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JP59101775A
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JPS60246622A (ja
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Kenji Shibata
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P34/00Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P34/40Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation
    • H10P34/42Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation with electromagnetic radiation, e.g. laser annealing

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  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体結晶層の製造方法に係わり、
特に局部的に溶融・再結晶することにより、絶縁
膜上に単結晶半導体層をエピタキシヤル成長させ
る半導体結晶層の製造方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
非晶質絶縁膜上に半導体、例えばシリコン、ゲ
ルマニウムの単結晶薄膜層を形成する技術はSOS
代替基板や3次元構造IC用基板等の提供という
観点から、今後特に重要な技術として考えられて
いる。従来、この絶縁膜上半導体層(例えば
SiO2膜上Si層;SOI)を得るには、電子ビーム、
レーザビーム、ハロゲンランプ或いはカーボンヒ
ータ等により非単結晶Si層を局部的に溶融し、こ
の溶融領域を走査する、所謂帯溶融法により単結
晶化を行つている。しかし、この方法を用いた場
合、高々数百ミクロン径の単結晶層を作るのが限
界であり、面方位も(100)になかなか定まらな
い(J.J.A.P.Vol.21(1982)L294)。従つて、再結
晶化層に素子を形成しても、特性のバラツキが大
きく、歩留り的にも大いに問題である。
再結晶化後のSi層の面方位を定める方法の一つ
としては、SiO2膜の一部を開口し、Si層と半導
体基板(例えば単結晶Si基板)とを直接つなぎ、
この開口部からのエピタキシヤル成長により単結
晶化させる方法がある(特公昭56−73697号公
報)。しかし、この方法によつて(SiO2膜上Si層
を単結晶化させる場合、横方向へのエピタキシヤ
ル成長距離はおよそ40〜50[μm]が限界で、こ
れより長くなると膜中に歪みが溜り、これにより
転移の発生、引いては転移が集まつて結晶粒界が
生じ単結晶化は困難となる。
この原因としては、現在までにも色々分析され
ているが、その中で最も有力思われているのは、
Si層中に酸素が偏析し、この酸素偏析部より転移
や結晶粒界等が発生するというものである。特
に、帯溶融法を用いる場合には横方向エピタキシ
ヤル成長を続けてゆくにつれて、酸素がはき寄せ
られて濃度が次第に上昇してゆくため酸素偏析物
ができ易くなり、ある距離エピタキシヤル成長す
ると転移或いは結晶粒界が必ず発生するようにな
るというものである。
一方、アニール源として電子ビームやレーザビ
ーム等を用いる場合には、細く絞つたスポツト状
ビームの場合とビームを長く伸ばした線状ビーム
の場合との2種類のアニール方法が考えられる
が、横方向エピタキシヤル成長の様子は両者では
際立つた違いが見られる。即ち、スポツト状ビー
ムアニールの場合には横方向成長距離が一律40〜
50[μm]であるのに対し、線状ビームアニール
では第1図aに示す如くビーム長さを底辺とする
3角形状に単結晶化が進行する。そこで、これを
少しずつオーバーラツプさせながら、全面のアニ
ールを行うと、第1図bに示す如く絶縁膜上Si層
の単結晶化が進行する。なお、図中11はSiO2
等の絶縁膜に設けた開口部、12は線状ビーム、
13はSi層等の多結晶部、14は単結晶部、15
は溶融幅、16はビーム走査方向、17はビーム
ステツプ送り方向を示している。
このようなエピタキシヤル成長上の特徴から判
断すると、ビーム周辺には何らかの結晶粒界発生
原因が隠されていることが判る。ビーム周辺での
上記要因を推定すると、急峻な温度勾配に基づく
熱応力、Si層の溶融・固化に伴う堆積変化に基づ
く応力等が考えられる。そして、この種の要因に
よつて、横方向エピタキシヤル成長は妨げられ、
絶縁膜上Si層の良好な単結晶化膜は実現されてい
ないのが現状である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、絶縁膜上に良質の単結晶半導
体層を形成することができ、積層集積回路半導体
装置、或いはSOSに代わる高性能なSOI半導体装
置の実現に好適する半導体結晶層の製造方法を提
供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の骨子は、絶縁膜上非単結晶半導体層が
エピタキシヤル成長により単結晶する際の種付け
部となる絶縁膜の開口部の形状を制御することに
より、エピタキシヤル成長を起り易くして、再結
晶化後のSi層の品質を向上させることにある。
即ち本発明は、半導体基板上に一部開口が設け
られた絶縁膜を形成し、全面に非晶質若しくは多
結晶の非単結晶半導体層を形成し、この半導体層
を局部的な加熱の連続的な走査によりアニールし
前記基板からのエピタキシヤル成長により単結晶
化する半導体結晶層の製造方法において、前記開
口部の幅を前記アニールの走査ピツチに応じて周
期的に変化させるようにした方法である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、絶縁膜の開口部の幅をアニー
ルの走査ピツチに応じて周期的に変化させること
により、開口部からのエピタキシヤル成長を容易
に行うことができ、これにより絶縁膜上に良質な
単結晶半導体層を再現性良く形成することができ
る。従つて、該単結晶層に高性能な半導体素子を
形成することにより、高速、高集積、多機能な積
層集積回路半導体装置、或いはSOI半導体装置を
実用上十分な特性を持たせて実現することが可能
となり、その有用性は絶大である。
〔発明の実施例〕
まず、実施例を説明する前に本発明の概要を説
明する。
第2図は帯溶融エピタキシヤル成長による絶縁
膜上Si層の単結晶化工程を示す断面図である。こ
の方法では、まず(100)面方位の単結晶Si基板
21上にSiO2膜22を形成し、その一部に開口
部23を形成する。続いて、SiO2膜22上及び
開口部23上に連続的に非単結晶Si層24を形成
し、レーザビームや電子ビーム等のエネルギービ
ーム25、或いはカーボンやタングステン等のヒ
ーターを用いてSi層24を局部的に溶融する。そ
して、単結晶Si基板21より順次エピタキシヤル
成長させることにより、Si層24を単結晶化させ
る。
第3図a,bは上記方法を改良した本発明方法
を示す図である。まず、第3図aに示す如く
(100)面方位の単結晶Si基板(単結晶半導体基
板)31上にSiO2膜(絶縁膜)32を形成し、
その一部に開口部33を形成する。ここで、開口
部33の形状としては、第3図bに示す如く、例
えば電子ビーム35の走査方向と直交するストラ
イプ形状とし、該開口部33の幅を上記ビーム3
5によるアニール幅(この場合アニール幅=走査
ピツチ)と等間隔で周期的に大きくする。次い
で、図には示さないが全面に非晶質や多結晶等の
非単結晶Si層(非単結晶半導体層)を形成し、レ
ーザビーム、電子ビーム等のエネルギービーム3
5、或いはカーボン、タングステン等のヒーター
を用いて上記Si層を溶融する。そして、単結晶Si
基板31より順次エピタキシヤル成長させること
によりSi層を単結晶化させる。
ここで、本発明方法の最も特徴ある点は、第3
図bに示す如く、開口部33の形状を工夫したこ
とにある。即ち、従来の方法では開口部の形状は
矩形或いはストライプ状のものが種であるが、本
発明では、例えば電子ビーム等で帯溶融アニール
を行う際に、その溶融幅及び走査ステツプ等に合
せてその幅を変化させることにより、開口部より
の種付け、エピタキシヤル成長と云うプロセスが
非常にスムーズにいくようにした。
従来方法の欠点は、溶融端での応力集中を防ぐ
ことができず、従つて溶融端が開口部と交差する
点より結晶粒界が導入されるのを防ぎ切れなかつ
た点である。そこで本発明では、この部分で応力
緩和ができるように一定曲率により開口部の幅を
広げている。このような改良を行うと、ビーム周
辺での応力集中が起こらないため、前記説明した
ような結晶粒界は導入されず、横方向成長できる
長さが大幅に増大することになる。なお、開口部
の幅は必ずしもアニールの走査ピツチに応じて周
期的に広げる必要はなく、上記応力緩和ができる
ものであればよく、第3図の例とは逆に狭くする
ようにしてもよい。
以下、本発明の詳細を図示の実施例によつて説
明する。
第4図a〜dは本発明の一実施例方法に係わる
3次元半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。まず、第4図aに示す如く、例えばP型
(100)面方向の単結晶Si基板41上に約1[μm]
の厚さのSiO2膜42を形成し、その一部に開口
部43を形成する。ここで、開口部43の形状と
しては、前記第3図bに示す如くビームアニール
の走査ピツチと等間隔で周期的にその幅が大きく
なるようにした。また、Si基板41には図示しな
いが既に所望の素子が周知の工程を経て形成され
ているものとする。次いで、第4図bに示す如
く、全面に約6000[Å]の多結晶Si層44を形成
し、その上に2000[Å]のSiO2膜45を形成す
る。この状態で、例えば電子ビーム46を用い該
ビーム46をSiO2膜45上で走査してエピタキ
シヤル成長を行う。即ち、まず開口部43でエピ
タキシヤル成長により(100)Siとなし、次いで
電子ビームの走査と共に横方向にエピタキシヤル
成長させて、Si層44を全面的に(100)面方位
の単結晶となさしめる。
ここで、本発明の特徴は前述した通り開口部3
3の形状にある。即ち、従来の横方向エピタキシ
ヤル成長によるSi層単結晶化の欠点を改良して、
開口部43での応力集中を防ぐことができ、これ
により単結晶化できるSi層44の長さが従来の40
〜50[μm]から1〜5[mm]と大幅に増大した。
また、再結晶化後のSi層44′の質も飛躍的に向
上した。この時の電子ビームアニール条件として
は、加速電圧10[KeV]、ビーム電流2[mA]、
走査速度100[cm/sec]であつた。
なお、ビームアニール条件としては加速電圧5
〜30[KeV]で特に10[KeV]以下がよく、ビー
ム電流は1〜10[mA]がよいが、加速電圧10
[KeV]では2[mA]が最適であつた。また、
エピタキシヤル成長に用いる電子ビームとして
は、スポツト状ビームよりも線状ビームの方がよ
り本発明の効果が現れる。例えば、幅500[μm]、
長さ10[mm]の線状ビームを用いてアニールを行
うと、エピタキシヤル成長できる長さは、およそ
10[mm]となり、一挙に10×10[mm□]が全面単結
晶化できることになる。
次に、上記工程によりSi層44を単結晶化した
のち、前記SiO2膜45を除去する。次いで、第
4図cに示す如く素子分離用絶縁膜47を選択形
成すると共に、公知の方法により素子を形成す
る。即ち、単結晶化されたSi層44′上にゲート
酸化膜48を介して多結晶Siからなるゲート電極
49を形成し、さらにソース・ドレイン領域50
a,50bを形成してMOSトランジスタとする。
その後、第4図dに示す如く全面を絶縁膜51で
覆つた後、Alによる電極52を形成することに
よつて、2層に積層した半導体装置が完成するこ
とになる。
かくして本実施例方法によれば、SiO2膜42
の開口部43の形状を改良することにより、
SiO2膜42上の多結晶Si層44を良質な単結晶
とすることができるので、該単結晶層44′上に
形成するMOSトランジスタの特性向上をはかり
得る。また、従来方法に比して開口部43の形状
を代えるのみの簡易な工程で実現し得る等の利点
がある。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではない。例えば、前記開口部の形状は前記第
3図bに何等限定されるものではなく、その幅が
アニールの走査ピツチに応じて周期的に変化する
ものであればよい。さらに、開口部の幅を変化さ
せる部分は必ずしも上記走査ピツチと等間隔であ
る必要はなく、該ピツチの1/2間隔であつてもよ
い。また、前記非単結晶Si層をアニールする手段
として、電子ビームの代りにレーザビーム、ハロ
ゲンランプ、赤外線ランプ等の波動ビーム、或い
はイオン、中性子ビーム等の粒子ビームを用いて
もよく、またカーボンストリツプヒータ、タング
ステンストリツプヒータ等により上記アニールを
行うようにしてもよい。これ等のビーム或いはヒ
ータを用いた場合でも、線状のビームの方が効果
は大きい。また、単結晶化すべき半導体層はSiに
限るものではなく、ゲルマニウム、GaAs、
GaP、InP、InSb等の各種の半導体に適用するこ
とが可能である。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図a,bは線状ビームにより再結晶化した
時のエピタキシヤル成長の様子を示す模式図、第
2図及び第3図は本発明の概要を説明するための
もので第2図は従来の単結晶化工程を示す断面
図、第3図a,bは本発明による単結晶化工程を
示す図、第4図a〜dは本発明の一実施例に係わ
る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 31,41……単結晶Si基板(単結晶半導体基
板)、32,42……SiO2膜(絶縁膜)、33,
43……開口部、44……多結晶Si層(非単結晶
半導体層)、35,46……電子ビーム、45,
47,51……絶縁膜、48……ゲート酸化膜、
49……ゲート電極、50a,50b……ソー
ス・ドレイン領域、52……Al電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板上に一部開口が設けられた絶縁膜
    を形成し、全面に非晶質若しくは多結晶の非単結
    晶半導体層を形成し、この半導体層を局部的な加
    熱の連続的な走査によりアニールし前記基板から
    のエピタキシヤル成長により単結晶化する半導体
    結晶層の製造方法において、前記開口部の幅を前
    記アニールの走査ピツチに応じて周期的に変化さ
    せたことを特徴とする半導体結晶層の製造方法。 2 前記開口部の幅を、前記アニールの走査ピツ
    チに応じて周期的に広げたことを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の半導体結晶層の製造方
    法。 3 前記開口部の幅を、前記アニールの走査ピツ
    チと等間隔或いはその1/2間隔で変化させたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記
    載の半導体結晶層の製造方法。
JP59101775A 1984-05-22 1984-05-22 半導体結晶層の製造方法 Granted JPS60246622A (ja)

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JPS60246622A JPS60246622A (ja) 1985-12-06
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6054475B2 (ja) * 1980-11-11 1985-11-30 株式会社ニチベイ ブラインドの昇降傾動装置
JPS5996383A (ja) * 1982-11-19 1984-06-02 立川ブラインド工業株式会社 ヘツドボツクス昇降型ブラインドの開閉駆動装置

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JPS60246622A (ja) 1985-12-06

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