JPH02191321A - 結晶の形成方法 - Google Patents

結晶の形成方法

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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば、半導体集積回路、光集積回路、磁気
回路等の電子素子、光素子、磁気素子、圧電素子、ある
いは、表面音響素子等を形成するのに使用される結晶を
形成する方法に関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来、
半導体や絶縁体で構成される電子素子や光素子等の作成
に用いられる単結晶体からなる薄膜は、単結晶基体上に
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単結晶体(シリコンウェハ)上には、Si、G
e、GaAs等が液相、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
晶基体上には、GaAs、GaAlAs等の単結晶体が
エピタキシャル成長することが知られている。このよう
にして形成された単結晶性の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MOCVD
 (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。
しかしながら、このような単結晶基体上のエピタキシャ
ル成長では、基体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させる必要が
ある。この整合が不十分であると格子欠陥等の結晶欠陥
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薄膜単結
晶体の形成方法は、その基体材料に大きく依存すること
がわかる。M a t h e w s等は、基体材料
とエピタキシャル成長層との組合わせを調べている(E
PITAXIAL  GROWTH,Academic
Press、 NewYork、 1975 ed b
y J、W、Mathews)。
ところで、単結晶基体の大きさは、現在Siウェハで6
インチ程度であり、GaAs、サファイア基体の大型化
はさらに遅れている。加えて、単結晶基体は製造コスト
が高いために、チップ当りのコストが高(なるのを避け
られない。
このように、従来の方法によって、良質な素子が作製可
能な単結晶を成長させるには、基体材料の種類が極めて
狭い範囲に限定され、設計時及び製造時の自由度が小さ
いという課題を有していた。
一方、半導体素子を基体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いる。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表示装置のスイ
ッチングトランジスタ等の大面積化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、半導体の薄膜単結晶を非
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、SiO2等の非晶質絶縁物基体上に薄膜を堆
積させると、基体材料の長距離秩序の欠如によりて、堆
−積膜の結晶構造は単結晶質とはならず、非晶質又は多
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
ない状態の膜であり、多結晶膜とは、特定の結晶方位を
持たない単結晶体が粒界で隔離されて集合した膜である
例えば、非晶質5i02上にSiを熱CVD法によって
形成する場合、堆積温度が約580℃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。
さらに、大粒径の多結晶薄膜を得る方法としては、非晶
質膜または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ等を用いて熱
エネルギー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(SingleCrystal  5il
icon on  non−single−cryst
alinsulators、 Journal  of
 crystal  Growthvol、63.No
、3,0ctober、1983  editedby
  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
スタ等の電子素子を形成し、その特性から電子易動度を
測定し、多結晶シリコンを用いた場合と電子易動度の比
較をした例からすれば溶融固化による数μm〜数mmの
粒径を有する多結晶シリコンでは、単結晶シリコンの場
合と同程度であり、数百〜数千人の粒径分布を有する多
結晶シリコンでは単結晶シリコンの場合の10−a程度
であり、また非晶質シリコンでは単結晶シリコンの2X
10−’程度の電子易動度が得られている。
この結果から、単結晶領域内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又は粒径分布をもった
多結晶等の非単結晶構造となり、そこに作製された素子
は、単結晶に作製された素子に比べて、その性能が太き
(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、光電変換素子等に今のところ限られている。
また、前述し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、ウェハーごとに非晶質又は多結晶の薄
膜にエネルギービーム等を走査して行うために、大粒径
化に多大な時間を要し、量産性に乏しく、溶融させるた
めに加える熱による不純物の拡散及び大面積化に向かな
いという課題を有していた。
〔発明が解決しようとしている課題〕
以上述べたように従来の結晶形成方法では、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を容易に、且つ低コストで
形成することができなかった。
この問題点を解決するため本出願人により、核形成密度
の差を利用した結晶成長方法(ヨーロッパ公開公報0,
224,081号、’87−11−4公開)および熱処
理による凝集を利用した結晶成長方法(ヨーロッパ公開
公報0,306,153号、’89−3−8公開)等が
提案されている。
本発明の目的は、上記の従来の課題を解消し、三次元集
積化や大面積化、デバイスの作成に適した優れた特性を
有する結晶の形成方法を提供することである。
本発明の他の目的は、前述本出願人の提案した結晶成長
方法をさらに発展した結晶の形成方法を提供することで
ある。
本発明の他の目的は後工程のプロセス温度以上の耐熱性
があれば任意の基体が使用可能であり、設計時及び製造
時の自由度が大きく、ガラスのような大面積化の容易な
非晶質基体上にも単結晶薄膜を容易に形成でき結晶の形
成方法を提供することでもある。
本発明の更に他の目的は、基体の任意の位置に微小な単
結晶種子を所望の間隔で形成してから結晶形成処理を行
うことで、各種子を起点にして成長する単結晶が衝突す
るまで成長させる際、その微小な単結晶種子の間隔によ
り成長する単結晶の大きさ及び粒界の位置も制御できる
結晶の形成方法を提供することである。
本発明の他の目的は、非晶質絶縁基板上に単体デバイス
が形成可能な程、充分大きな半導体単結晶を多数形成で
き、例えば石英ガラスのような安価で大面積の基体に、
高性能な単結晶デバイスを集積形成できる結晶の形成方
法を提供することである。
本発明の別の目的は、熱処理によって凝集するに充分微
細な表面積を有し不純物が含有されている原種子が設け
られ、核形成密度の小さい非核形成面(S NDS )
を有する基体に、水素雰囲気中に於いて、前記原種子が
融解する温度より低い熱処理温度で熱処理を施して前記
原種子に凝集を生起させることにより前記原種子を単結
晶化して種子を形成し、次いで結晶形成処理を施して前
記種子を起点にして単結晶を成長させる事を特徴とする
尚、本件で使用する「凝集」とは表面エネルギーを減少
させるために固相で原子が移動する現象を云う。本発明
のように、結晶の種子を与える源が薄膜である場合、薄
膜の体積に対する表面積の占める割合が著しく太き(、
その結果、表面エネルギーが減少することを駆動力とし
て、融点より低い温度、場合によっては融点よりはるか
に低い温度でも「凝集」が起こる。
以下、図面を用いて本発明を具体的に説明する。
第1図に本発明の結晶の形成方法の好適な実施態様の一
例の工程図を模式的に示す。
第1図(A)は核形成密度の低い表面を有する下地材料
101の該表面に種子形成源となる薄膜102を堆積す
る。該薄膜102中に矢印104で模式的に示すように
不純物をドーピングする工程(例えばイオンインプラン
テーション等)にて前記薄膜102中に不純物を含有さ
せてもよいし、ドーピング用のガスを含む雰囲気中で不
純物を含有する薄膜102を形成してもよい。
ここで、核形成密度の低い表面を有する下地材料lot
の好適な例としては、例えばガラス(SiO2)、表面
を熱酸化したシリコンウェハ、表面に非晶質酸化硅素膜
あるいは非晶質窒化硅素膜を有する金属材料やAi7 
、 O□等、セラミック材料等が挙げられる。
ここで、前記下地材料101と前記薄膜102との核形
成密度の差は好ましくは10”倍以上、より好ましくは
10”倍以上であることが望ましい。
種子形成源となる薄膜102を形成する材料としてはS
t、 Ge、 Sn等の半導体材料や、GaAs等の化
合物半導体材料、さらには5t−Ge、 5i−3n等
の半導体性混合材料、Au、 Ag、 Cu、  Pt
、  Pd等の金属材料、Pt−3t、 InSn等の
合金材料など、高い核発密度を有し、凝集しやすい物質
が挙げられる。
薄膜102中にドーピングする不純物としては薄膜10
2を形成する材料によって所望に応じて適宜選択される
が、例えば薄膜102形成材料にSi系の材料を選択す
る場合はP、 B、 As、 Sn等が挙げられる。勿
論、これ等の不純物は、他の薄膜102形成材料を選択
した場合でも使用可能である。
薄膜102を形成する材料にドーピングする不純物の含
有量としては好ましくは1×102o原子/crd以上
、好ましくは5XIQ”原子/crd以上、最適には固
溶限以上とするのが凝集開始温度を下げ、短時間で単一
体に凝集し、単結晶性の種子を形成するためには望まし
い。
第1図(B)は、前記薄膜102を分断することなく単
一体に凝集するに充分微細にパターニングして原種子(
P r i m a r y  s e e d ) 
102 a 〜102 dを形成した状態を示すもので
ある。ここで単一体に凝集する原種子102 a−10
2dの大きさは原種子の膜厚とパターンの大きさの相関
に於いて適宜所望に応じて決定される。例えば第2図に
描かれているように薄膜202が厚さtl−辺lの大き
さにバターニングされているとする。このtとlとを適
切に選択しない場合にはこの薄膜202に熱処理を加え
ると第2図の右側に示される様に薄膜202は凝集現象
を起こしはするが203a〜203Cに示すような小さ
な粒に分断されて単一体にならない。この現象はバター
ニング寸法lに対してtが小さすぎる場合には起こる。
そこで第3図に示すように第2図に示す一辺の長さlに
対して膜厚tを充分大きくとると第3図に示すように分
断することな(単一体の粒304になるように凝集する
ことができる。尚、303は粒界を示す。又は、第2図
に示すtに対してlを充分小さくすれば薄膜402a、
 402bの夫々は凝集して、単一の粒403a、40
3bになる。
本発明者が実験と検討を多く行った結果からすればその
サイズが一辺の長さ11厚さt(第6図参照)の原種子
を単一体に凝集させるtとEの条件は、例えば原種予形
成材料が非単結晶質シリコン、多結晶シリコン又は非晶
質シリコンである場合、第5図に示すような関係をもつ
ことがわかった。第5図において、斜線領域(領域A)
にある寸法を有する原種子が熱処理後に単一の種子に凝
集し、本発明の結晶成長法の種子となり得る。但し単一
種子になり得る膜厚tの上限は約1μm(10,000
人)程度であった。
ここで、より低い処理温度、より短い処理時間で単一体
に凝集した種子を得るための原種子のサイズ範囲は、第
5図に示す領域A内にあることが望ましく、−辺の長さ
lは好ましくは5μm以下、より好ましくは0.5μm
以上2μm以下、また膜厚tは好ましくは1μm以下、
より好ましくは700Å以上4000Å以下、最適には
1200Å以上2000Å以下とするのが望ましい。
第5図からも判るように原種子の膜厚が1200人を超
えれば、バターニング寸法は一辺が1μm以上とするこ
とが出来るので、一般のフォトリソグラフィ技術のレベ
ルでも充分対応できる。
なお、原種子の形状は上記した正方形に同等限定される
ものではなく、水素を含有する雰囲気中で熱処理するこ
とにより単一体に凝集し得る形状であればよい。例えば
、多角形、ダ円形、円形等であってもよい。
上記に示したように単一体に凝集できるほど充分微細に
加工された原種子102a〜102d (第1図(B)
参照)は、次の工程で水素を含む雰囲気中で熱処理され
る。熱処理をうけた原種子102a−102dは凝集し
て第1図(C)に示すように単結晶の種子103 a−
103dに変化する。このときの熱処理条件としては、
水素を含有する雰囲気を用いることがより短時間、より
低温で単一体に凝集させるためには望ましい。
前記水素を含有する雰囲気中の水素濃度は、好ましくは
20%以上100%以下、より好ましくは70%以上1
00%以下、最適には90%以上100%以下とするの
が望ましい。
また、熱処理を行う際の圧力は減圧、常圧、加圧どちら
でもよいが、より短時間より低温で単一体に凝集するた
めには減圧とするのが望ましい。
第7図に単結晶性の種子の形成率と熱処理時間との関係
を示す。
この時の条件は、基体として層厚2000人の熱酸化シ
リコン層を表面に有するSiウェハ上に層厚4000人
、直径1.2μmφのlXl0”原子/cn?のPを含
有するPo1y−5iからなる原種子を配し、圧カフ6
0Torr、熱処理部度1045℃であった。
第7図からも明らかなように、水素を含有しない雰囲気
中の熱処理と比較して水素を含有する雰囲気中での熱処
理では、層厚が4000人もの厚さの原種子を単結晶化
することができる。
熱処理を行う温度としては、原種子の融解する温度より
低く、原種子の材料の原子が表面エネルギーを減小させ
るために固相で移動しはじめる温度以上が好ましい。
原種子の融解する温度以上で熱処理すると、原種子の材
料によっては、下地材料と反応したり、蒸発等により単
結晶性の種子が得られない場合がある。
前記原種子の材料の原子が固相で移動しはじめる温度は
原種子の表面積、膜厚にもよるが、通常0.6XTm 
(K)程度である(ここでTmは原種子の材料の融点(
K))。
原種子の材料を例えばシリコンとした場合、800℃以
上1100℃以下の熱処理温度で熱処理することにより
単結晶性の種子を形成し得る。
熱処理の時間の下限としては好ましくは10秒以上、よ
り好ましくは30秒以上、最適には5分以上であって、
上限としては10時間以下、より好ましくは5時間以下
、最適には30分以下とするのが単一体に凝集した単結
晶性の種子を歩留りよ(形成するには望ましい。
熱処理の時間が10秒未満の場合には非単結晶性の原種
子から単結晶性の種子を十分形成できないことがある。
熱処理の時間が10時間以上の場合には原種子の材料に
よっては、熱処理の温度で高い蒸気圧を有していたり、
下地材料表面の材料と反応し、高い蒸気圧の化合物が生
成し、形成した単結晶性の種子が昇化反応により小さ(
なっていき、やがて消失してしまうことがある。
前述した、水素を含有する雰囲気中での熱処理により原
種子材材と下地材料表面の材料とが固相反応により高い
蒸気圧の化合物を生成する場合には、原種子と下地材料
との間に原種子材材との反応がほとんど起こらない材料
からなる中間層を設け、原種子材材と下地材料とが接触
するのを防ぐことが望ましい。
前記中間層の材質としては化学的に安定であって、成長
させる結晶材料に対する核形成密度が低い材料、例えば
Aj! 203.SiNx、5iON等が挙げられる。
前記中間層の層厚としては、原種子材材と下地材料との
接触を防ぎ得る層厚であれば良く、層厚にバラツキがな
く安定した層を形成し得る50λ以上500Å以下程度
の層厚があれば十分である。
前記中間層は原種子と下地材料とが水素を含む雰囲気中
での熱処理によつて前述固相反応を起こす材料の組合せ
であっても、原種子材料を効率よく利用して種子を形成
し得、また、前記固相反応による下地材料の掘り下げや
表面荒れを防ぐことができる。
次に種子103a−103dは結晶成長処理を施される
(第1図(D))。成長する単結晶体104a−104
dは種子103a〜103dに対してホモエピタキシャ
ルでもヘテロエピタキシャルでも良く、気相法や液相法
等の選択成長の可能な条件で行われる。単結晶体104
 a−104dは成長を続けると第1図(E)のように
隣りの単結晶体同志がぶつかり合って、そこに粒界(G
rain  boundary)を生ずる。この粒界の
位置は第1図(E)かられかるように種子と種子のほぼ
中間位置に形成される。従って原種子を所望の位置に配
することによって粒界の位置も成長した単結晶体の粒径
も制御出来る。
以上のようにして成長した単結晶体は、その上にデバイ
スを形成する等その目的に応じて、第1図(F)に示す
ように単結晶体104a〜104dの各上部をエツチン
グやラッピング等で平担化される。
本発明に於けるドーピングする不純物は凝集を促進する
働きと凝集を起す条件の範囲を拡大する働きがある。
前述した例に従えば、原種予形成材料が多結晶シリコン
の場合、原種子中に含有される不純物としては、例えば
P(リン)等が挙げられ、その濃度は例えばlXlO2
0Cm””程度とすることによって、1辺が2μm四方
で、厚み4000人の薄層状原種子が1000℃、5分
間の水素を含有する雰囲気中の熱処理で単一体に凝集す
る。
従っである程度厚い層を凝集させるためには、不純物の
ドーピングは極めて有効な要素となる。
第8図は水素ガス100%の雰囲気中、圧カフ60To
rrで30分間熱処理した場合のノンドープpoly−
5i連続層及び7.5X10”原子/crdのリンを含
有したpoly−5i連続層の層厚と凝集開始温度との
関係を示したものである。第8図より明らかなように不
純物を含有することによってpoly−3i層は不純物
を含有しないpoly−3i層と比較して約100℃も
低い温度で凝集を開始することがわかる。
実施例1 第1図を参考にしながら本発明の実施例1を説明する。
まず基体101として4インチシリコンウェハーを使用
し、表面を核形成密度の小さい非核形成面とすべ(通常
の熱酸化法により、厚み2000人の非晶質酸化シリコ
ン膜を形成した。その上にLPCVD法で多結晶シリコ
ン膜102を2000人の厚みに堆積した。このときの
条件は、ソースガスとしてモノシラン(SiH4)、流
量50SCCM、圧力0.3Torr。
膜形成温度620℃とした。次いで多結晶シリコン膜1
02中に、不純物としてsIP+(リン)をイオンイン
ブランターでイオン加速電圧30KeVの条件で2 X
 I O”cm−”注入した(第1図(A)参照)。
次に、前記濃度でリンがドープされた多結晶シリコン膜
102を通常のフォトリソグラフィー技術を使って、1
つが1.2μmX1.2μmの正方形で100μmの間
隔にパターニングして、これを原種子102 a−10
2dとした(第1図(B)参照)。
次にこの様に原種子102a〜102dを形成した基体
101を圧カフ60Torr水素雰囲気中1010℃で
3分間熱処理した。その結果第1図(C)に示すように
各原種子はそれぞれが単一体に凝集し、単結晶性の種子
103a〜103dとなった。
次にこの様にして種子103 a−1036を形成した
基体に結晶形成処理を施した。このときの結晶形成処理
条件は、ガス系を5iH2C12: HCI : H2
=0.53 : 1.65 : 100 (SLM)と
し、処理温度990℃、圧力150Torrで行った。
その結果初めの数分間で第1図(D)に示すように種子
103a−103dの夫々を起点として単結晶体104
a−104dが成長した。
同条件で成長を続けると、約90分間で隣り同志の単結
晶体が、第1図(E)に示すような形でぶつかり合い、
隣りの種子とのほぼ中間位置に結晶粒界(Grain 
 Boundary)が生じた。
以上のようにして形成された単結晶群をラッピングによ
り平担化し、第1図(F)に示すような、−辺が約10
0μmの単結晶群が5i02膜上に形成された。これ等
の単結晶群に就で、X線による結晶回折を行ったところ
極めて良好な結晶性が得られた。
実施例2 ガラス基板上にLPGVDによりP(燐)を3XlO”
cm−2ドープした多結晶シリコン膜を250人の厚さ
に堆積した。この堆積膜をEB(電子線)露光技術を用
いたバターニング技術によって、0.3μmX0.3μ
mの正方形で100μm間隔にバターニングして原種子
を形成した。
上記原種子を配したガラス基板を990℃で2分間、圧
力200Torrの水素雰囲気中で熱処理し、単結晶性
の種子に転化せしめ、続いてSiH2C12:HCj!
 :H2=OJ3: 1,6F): 100 (SLM
)、990℃、I 50Torrで90分間結晶成長処
理を行った。
これにより、隣りの種子とのほぼ中間位置に結晶粒界を
有し、−辺が約100μmの単結晶群が成長した。
成長した単結晶の上面をラッピングにより平担化し、ガ
ラス基板上に一辺100μm角の単結晶群から成る層を
形成した。
この単結晶群に就で結晶性をX線で確認したところ極め
て良好なものであった。
実施例3 ガラス基板上にスパッタ法により多結晶ゲルマニウムを
1000人堆積し、堆積膜中にAsイオンをイオンイン
ブランターでlXl0”/crrf、50KeVで注入
した。
次に上記のAsがドープされたゲルマニウム薄膜を通常
のフォトリソ技術で1.2μmX1.2μmの正方形で
100μm間隔にバターニングして原種子を形成した。
次に上記原種子を配したガラス基体を圧力50Torr
の水素雰囲気中で700℃、1分間熱処理し、単結晶ゲ
ルマニウムの種子に転化させた。
あとは前記実施例2と同様の条件でシリコン単結晶体を
ヘテロエピタキシャル成長させ、その後平担化処理を施
して一辺が100μm角のSf単結晶群を形成した。
この単結晶は良品質のものであることがX線回折によっ
て確認された。
実施例4 第9図を参照しつつ本実施例を説明する。
4インチ溶融石英801上に、LPCvDを用いて多結
晶シリコン膜802を厚さ1500人堆積する(第9図
(A))。
通常のフォトリソグラフィー工程により多結晶シリコン
膜を直径1.2μmの円形の島状に50μm間隔の格子
点上にバターニングし、原種子803を形成する(第9
図(B))。
前記原種子803を配した基体を水素雰囲気中100T
orr、 1050℃、20分間のアニールを行った。
このときバターニングされた多結晶シリコン膜からなる
原種子は凝集を起し、それぞれが単一ドメインの単結晶
性の種子804になった(第9図(C))。
第10図は液相中での選択成長法の本実施例に用いられ
る結晶成長装置の一例を示す概略構成図である。
第10図において、931は表面に選択堆積がなされる
基体であり、該基体は基体ホルダ932により固定保持
されており、該基体ホルダは基体支持棒933により上
方から吊下げられている。934はルツボであり、該ル
ツボ中には成長させる結晶材料の成分を含有する溶液9
35が収容されている。以上の部材は処理室936内に
配置されており、該処理室の周囲にはヒータ937が配
置されている。
選択堆積時には、上記溶液935中に基体931を浸漬
して、ヒータ937により処理室936内を適宜の温度
に加熱し、適宜の速度で徐々に冷却することができる。
次に、種子を形成した基体に第1O図に示す結晶成長装
置を用いて液相法により結晶成長処理を施した。
この時の条件はシリコンを溶質とし、スズを溶媒とする
1000℃の飽和溶液を0.2℃/ m i nの徐冷
速度で800℃まで徐冷するものとした。
結晶成長処理終了後、基体を結晶成長装置から取り出し
、希塩酸で基体を洗浄したところ、種子より成長した結
晶805が基体を覆っていた(第9図(D))。
この様な液相中からの選択堆積によれば、堆積材料の過
飽和度を十分に小さく維持した状態にて熱平衡に極めて
近い条件下で堆積が行われるので、結晶欠陥等のない良
質の単結晶が得られる。
成長した結晶805は隣り合った種子とのほぼ中間で接
し、結晶粒界806を形成しており、粒界の位置と粒径
50μmに粒径の制御された結晶を形成することができ
た(第9図(D))。
実施例5 第11図を参考にしながら本発明の詳細な説明する。
実施例1と同様にして4インチシリコンウェハー100
1を通常の熱酸化法により表面酸化して厚さ2000人
の非晶質酸化シリコン層1002を形成した。その上に
LPCVD法により、窒化シリコン層1003を厚さ5
00人堆積した。この時の条件はソースガスとしてSi
H2C12、流量20SCCM及びNH3、流fi80
3CCM、圧力0.3Torr、膜形成温度SOO℃と
した。
次いでLPCVD法によりリンをドープした多結晶シリ
コン膜1004を厚さ1000人堆積した(第11図(
A))。この時の条件はソースガスとしてPH8を0.
3%含むSiH4、流量50SCCM、圧力0.3To
rr、膜形成温度630℃とした。
次にリンをドープした多結晶シリコン膜と窒化シリコン
膜とを一緒に、通常の反応性イオンエツチング技術を使
って1つが0.8μmX0.8μmの正方形で100μ
mの間隔にパターニングして、原種子1005を有する
基体を形成した(第11図(B))。
次にこのようにして原種子を形成した基体を水素雰囲気
中760Torr、1000℃、30分間熱処理した。
その結果、第11図(C)に示すように各原種子100
5はそれぞれが単一体に凝集し、単結晶性の種子100
6となった。尚、これらの種子が単結晶であることは透
過電子顕微鏡で確認した。
次に種子を形成した基体にCVD法による結晶成長処理
を施した。この時の条件はガス系をSiH2C12:H
Cl:H2=1.2 : 1,8 : 100 (SL
M)とし、圧力150Torr、処理温度960℃とし
た。
この条件で成長を続けると約90分間で隣り同志の種子
より成長した単結晶体が第11図(D)に示すように、
隣りの種子とのほぼ中間で接し、結晶粒界が生じた。
これを走査電子顕微鏡で結晶の外形を観察したところ、
約4400個のサンプルのうち99.9%が単結晶特有
、のファセットを形成していた。
実施例6 第12図を参照し、本実施例を説明する。
まず、下地材料としての石英1201上に通常のLPC
VDを用いて中間層として、非晶質Si 3 N 4層
1202を500人、更ニソノ上に同じ< LPGVD
を用イテpoly−Si層1203を1000人堆積し
た基体を形成した。
この基体のpoiy−8i層1203にイオン注入法に
よりalp+イオンを加速エネルギー40KeV、注入
量8X10”cm−”で注入し、リンドープされたpo
ly−3i層1204を有する基体を形成した。
次にpoly−3i層1203を直径1.2μmφ、 
50μmピッチの島状にバターニングして、原種子12
05を有する基体を形成した(第12図(C))。
上記基体を水素雰囲気中1000℃、760Torr。
5分間のアニールを行った。その結果、前記原種子12
05は単一体に凝集し、単結晶性の種子1206になっ
た(第12図(D))。
以後、実施例1と同様にして前記基体に結晶成長処理を
施したところ、粒径約50μmであワて、前記単結晶性
の種子どうしのほぼ中間の位置に粒界1207を有する
結晶性の良好な単結晶体1208が形成された。
実施例7 実施例6と同様にして下地材料としての石英基板130
1上にa−Si3N4層1302とpoly−5i層1
303を形成し、イオン注入されたp o l y −
S 3層1304を有する基体を形成した(第13図(
A)及び第13図(B))。
次に、実施例6と同寸法のパターンでpoly−3i層
1304とa−Si3N4層1302とを一緒に通常の
反応性イオンエツチング法にてエツチングし、原種子1
305を有する基体を形成した。
この基体に水素雰囲気中、950℃、圧力100Tor
rの熱処理条件で5分間熱処理した。
基体上の原種子1305は単一体に凝集し、単結晶性の
種子1306になった。
以後、実施例1と同様にして前記基体に結晶成長処理を
施したところ、粒径的50μmであって、前記単結晶性
の種子どうしのほぼ中間の位置に粒界1307を有する
結晶性の良好な単結晶体1308が形成された。
〔発明の効果〕
本発明によれば、所望の位置に所望の大きさの良質の単
結晶性を有し、半導体集積回路、光集積回路、磁気回路
等の電子素子、光素子、磁気素子、圧電素子、或いは表
面音響素子等を形成するに適した結晶が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)乃至第1図(F)は本発明の詳細な説明す
るための模式的説明図。 第2図乃至第4図は夫々凝集現象を説明するための模式
的説明図。 第5図は原種子がSi薄膜である場合の原種子が単一体
の種子になり得る、膜厚とパターニング寸法との関係を
示す図。 第6図は原種子の寸法を示す斜視図。 第7図は単結晶性の種子の形成率と熱処理時間との関係
を示す図。 第8図は層厚と凝集開始温度との関係を示す図。 第9図は本発明の詳細な説明するための模式的説明図。 第10図は結晶成長装置の一例を示す概略構成図。 第11図乃至第13図は本発明の詳細な説明するための
模式的説明図。 毛G図

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)結晶の形成方法において、 不純物を含有し、熱処理により単一の単結晶体に凝集し
    得るに十分微細な表面積を有する非単結晶性の材料から
    なる原種子と、前記原種子よりも核形成密度の小さい非
    核形成面と、を有する基体に、水素ガスを含有する雰囲
    気中にて前記原種子が融解する温度より低い温度で、前
    記原種子が凝集し、単結晶性の種子を形成するための熱
    処理を施し、 結晶成長処理を施し、前記種子を起点として単結晶を成
    長させることを特徴とする結晶の形成方法。
  2. (2)前記原種子は非晶質材料よりなる請求項1の結晶
    の形成方法。
  3. (3)前記原種子は多結晶質材料よりなる請求項1の結
    晶の形成方法。
  4. (4)前記雰囲気は20vol%以上100vol%以
    下の水素ガスを含有する請求項1の結晶の形成方法。
  5. (5)前記結晶成長処理は、気相法である請求項1の結
    晶の形成方法。
  6. (6)前記結晶成長処理は、液相法である請求項1の結
    晶の形成方法。
  7. (7)前記非核形成面は非単結晶性材料により形成され
    る請求項1の結晶の形成方法。
  8. (8)前記非核形成面は電気絶縁性材料により形成され
    る請求項1の結晶の形成方法。
  9. (9)前記非核形成面は、前記原種子と固相反応し難い
    材料より形成される結晶の形成方法。
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