JPH02295110A - 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】 ［概要］ サファイヤ基板上に単結晶シリコン層を形成してなるＳ
ＯＳ基板など、単結晶絶縁基板上に単結晶半導体層を形
成してなる半導体装置の製造方法に関し、 結晶性の良好な単結晶半導体層を形成することを目的と
し、 単結晶絶縁基板上に単結晶半導体層をエピタキシャル成
長させる工程と、該単結晶半導体層上に所定パターンの
レーザビームに対する非透明膜を形成する工程と、その
後、前記レーザビームを前記単結晶半導体層の前記非透
明膜が形成された６Ｂ域と形成されない領域に同時に照
射して前記単結晶半導体層を再結晶化する工程とを含み
構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明はサファイヤ基板上に単結晶シリコン層を形成し
てなるＳ　Ｏ　Ｓ　（　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｓａｐ
ｐｈｉｒｅ　）基板など、単結晶絶縁基板上に単結晶半
導体層を形成してなる半導体装置の製造方法に関する。

近年、ＬＳＩの高速化を図る上で最も有望視されている
のが、Ｂｉ−ＣＭＯＳであり、また、このＢ　ｉ−Ｃ　
Ｍ　Ｏ　Ｓを製造する場合に最も好適とされている基板
がＳＯＳ基板である。なぜなら、ＳＯＳ基板は、トラン
ジスタと基板との間の寄生容量を小さくできるとともに
、ラッチアップ現象も回避でき、しかも、結晶性におい
て優れているからである。

［従来の技術コ 従来、かかるＳＯＳ基板は、第３図にその製造方法を示
すようにして製造されていた。

即ち、先ず、第３図Ａに示すように、サファイヤ基板１
を用意し、このサファイヤ基板１の表面に単結晶シリコ
ン層２をエピタキシャル成長（ヘテロエピタキシャル成
長）させる。ところが、この場合、サファイヤ基板１と
単結晶シリコン層２との間には僅かであるが、格子定数
に相違があるため、界面から単結晶シリコン層２にかけ
て多量の双晶欠陥３が発生してしまう。

そこで、次に、第３図Ｂに示すように、レーザビーム４
を単結晶シリコン層２に照射し、走査することによって
単結晶シリコン層２の再結晶化を実行する。このように
すると、双晶欠陥３は消滅し、双晶欠陥３を含まない羊
結晶シリコン層２を形成することができ、ここに、ＳＯ
Ｓ基板を得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、かかる従来のＳＯＳ基板の製造方法にお
いては、レーザビーム４による再結晶化を実行すると、
新たに、微小欠陥である結晶亜粒界（図示せず）゛が単
結晶シリコン層２中に散在的に発生して［７まい、これ
がキャリャ散乱の原因となり，単結晶シリコン層２を動
作領域として形成される素子の寿命や移動度を低下させ
てしまうという問題点があった． 本発明は、かかる点に鑑み、サファイヤ基板上に単結晶
シリコン層を形成する場合など、単結晶絶縁基板上に単
結晶半導体層を形成してなる半導体装置を製造する場合
に、結晶性の良好な単結晶半導体層を形成することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記目的は、単結晶絶縁基板上に単結晶半導体層をエピ
タキシャル成長させる工程と、該単結晶半導体層上に所
定パターンのレーザビームに対する非透明膜を形成する
工程と、その後、前記レーザビームを前記単結晶半導体
層の前記非透明膜が形成された領域と形成されない領域
に同時に照射して前記単結晶半導体層を再結晶化する工
程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法によ
って達成することができる。

［作用］ 単結晶絶縁基板上に単結晶半導体層をエピタキシャル成
長させると、この単結晶半導体層には、双晶欠陥が多量
に散在してしまう。しかし、この双晶欠陥はレーザビー
ムによる単結晶半導体層の再結晶化を実行することによ
って消滅させることができる。

ここに、本発明においては、単結晶半導体層上に所定パ
ターンのレーザビームに対して非透明の膜を形成した後
、レーザビームを照射することによって単結晶半導体層
を再結晶化するようにしている。このようにすると、非
透明膜下方の単結晶半導体層の温度は、非透明膜の形成
されていない表面領域下方の単結晶半導体層の温度より
も低くなる。このため、単結晶半導体層の再結晶化は、
非透明膜の下方の部分から非透明膜の形成されていない
表面領域下方の部分に向かって進行することになる。

この結果、再結晶化によって発生する結晶亜粒界は、再
結晶層が衝突し合う、即ち、非透明膜の形成されていな
い表面領域下方の単結晶半導体層部分に発生することに
なる。換言すれば、非透明膜下方の単結晶半導体層は、
双晶欠陥も結晶亜粒界もない結晶性の良好な単結晶半導
体層となり、この部分を素子形成領域として使用するこ
とができる。

なお、ここで、非透明膜とは、例えば、レーザビームを
反射又は吸収し、その下の結晶層に温度差を生せしめる
性質の膜をいう。

［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の各種実施例につき説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。

二凛ｌｍ 第１図は本発明の一実施例によるＳＯＳ基板の製造方法
を示す断面図である。

本例においては、先ず、第１図Ａに示すように、その厚
みを０．３〜０．５ｍｍとするサファイヤ基板１０を用
意し、このサファイヤ基板１０の表面にモノシランＳｉ
Ｈ４の熱分解による気相成長法により単結晶シリコン層
１１を６００ｎｍの膜厚にエピタキシャル成長させる。

なお、成長温度は１０００゜Ｃ、成長速度は５〜３０ｎ
ｍ／ｍｉｎとする。この場合、単結晶シリコン層１１に
は、双晶欠陥１２が多量に散在してしまうことは前述し
た通りである．次に、第１図Ｂに示すように、単結晶シ
リコン層１１上に非透明膜を形成するための高融点膜、
例えば、タングステン膜１３を膜厚５００〜１０００人
に形成する。これはスパッタリングによって行うことが
できる。

次に、第１図Ｃに示すように、タングステン膜１３に対
して反応性イオンエッチング＜ＲＩＥ＞を施してパター
ニングし、ストライプ状の開口部１４及びタングステン
Ｍ１５を形成する。この場合、開口部１４の幅Ｌ１は、
例えば、２〜３μｍとし、タングステン膜１５の幅Ｌ２
は、例えば、４〜５μｍとする。

次に、第１図Ｄに示すように、華結晶シリコン層１１に
対して、メルト〈溶融）幅Ｌ３を１２〜２０μｍとし、
メルト幅Ｌ３中に３本の開口部１４と２本のタングステ
ン膜１５とを含むレーザビーム１６を照射し、このレー
ザビーム１６を紙面垂直方向に走査して単結晶シリコン
層１１の再結晶化を実行する。なお、レーザビーム１６
としては、出力３Ｗ、波長５１４　ｎ　ｍのアルゴンイ
オンレーザビームを使用することができる。また、走査
列の移動は、第１図Ｄに示すように、既に走査の終了し
た部分に隣接する２本のタングステン膜１５を含むよう
にして行う。

ここに、タングステン膜１５は、レーザビーム１６の一
部を反射、吸収するので、タングステン膜１５の下方の
単結晶シリコン層部分１１Ａの温度は、開口部１４の下
方の単結晶シリコン層部分１１Ｂの温度よりも低くなり
、単結晶シリコン層１１には、第１図Ｄに二点鎖線Ｖで
示すような温度分布が発生する。このため、単結晶シリ
コン層１１の再結晶化は、第１図Ｄにおいて単結晶シリ
コン層１１中に記載した矢印Ｗが示すように、タングス
テン膜１５の下方の単結晶シリコン層部分１１Ａから開
口部１４の下方の単結晶シリコン層部分１１Ｂに向かっ
て進行することになる。

この結果、結晶亜粒界１７は、再結晶層が衝突し合う開
口部１４の下方の単結晶シリコン層部分１１Ｂの略中央
部に発生することになる。なお、この再結晶化によって
単結晶シリコン層１１に散在した双晶欠陥１２は消滅す
る。

次に、第１図Ｅに示すように、タングステン膜１５を除
去することによって本例のＳＯＳ基板を得ることができ
る。

以上のように、この第１図例によれば、少なくとも、タ
ングステン膜１５の下方の単結晶シリコン層部分１１Ａ
は、双晶欠陥も結晶亜粒界もない結晶性の良好な単結晶
シリコン層となる。

したがって、この単結晶シリコン層部分１１Ａを素子形
成領域として使用する場合には、キャリャの散乱が発生
しないので、寿命が長く、ｉな、移動度の大きい素子を
作り込むことができる。

つまり、単結晶シリコン層部分１１ＡにＭＯＳトランジ
スタやバイボーラトランジスタを形成し、結晶亜粒界１
７の形成された部分を素子分離領域として使用すればよ
い。

鷹９』ロ１帆 第２図は本発明の他の実施例によるＳＯＳ基板の製造方
法を示す断面図である。

本例は第１図例のＳＯＳ基板の製造方法を改良したもの
であり、素子形成領域に第１図例よりも更に結晶性の良
好な単結晶シリコン層を得ることを目的としている。即
ち、第１図例においては、レーザビーム１６によって単
結晶シリコン層１１を再結晶化する場合、高温プロセス
となるため、サファイヤ基板１０中のアルミニウムＡ１
が素子を形成すべき単結晶シリコン層１１中に混入して
しまう場合があるという問題点があった。本発明は、か
かる問題点を解消するものである。

本例においても、先ず、第２図Ａに示すように第１図例
と同様に、その厚みを０．３〜０．５ｍｍとするサファ
イヤ基板１０を用意し、このサファイヤ基板１０の表面
にモノシランＳ　ｉ　｝Ｉ　４の熱分解による気相成長
法により単結晶シリコン層１８をエピタキシャル成長さ
せる。但し、その膜厚は、２００ｎｍとする。なお、こ
の単結晶シリコン層１８に多量の双晶欠陥１つが散在し
てしまうことは第１図例の場合と同様である。

次に、第２図Ｂ及びＣに示すように、第１図Ｂ及びＣに
示すと同様にして単結晶シリコン層１８上にタングステ
ン膜１３を形成し、その後、このタングステン膜１３に
対して反応性イオンエッチングを施してストライプ状の
開口部ｌ４及びタングステン膜１５を形成する。

次に、第２図Ｄに示すように、第１図Ｄに示すと同様に
して単結晶シリコン層１８にレーザビーム１６を照射し
、これを紙面垂直方向に走査して単結晶シリコン層１８
の再結晶化を実行する。

この場合も、第１図例の場合と同様にタングステン膜１
５は、レーザビーム１６の一部を反射、吸収するので、
タングステン膜１５の下方の単結晶シリコン層部分１８
Ａの温度は、開口部１４の下方の単結晶シリコン層部分
１８Ｂの温度よりも低くなり、単結晶シリコン層１８に
は、第２図Ｄに二点鎖線Ｘで示すような温度分布が発生
する．このため、単結晶シリコン層１８の再結晶化は、
第２図Ｄにおいて便宜上、サファイヤ基板ｌｏ中に矢印
Ｙで示すように、タングステン膜１５の下方の単結晶シ
リコン層部分１８Ａがら開口部１４の下方の単結晶シリ
コン層部分１８Ｂに向がって進行することになる． この結果、結晶亜粒界２０は、再結晶層が衝突し合う開
口部１４の下方の単結晶シリコン層部分１８Ｂの略中央
部に発生することになる．なお、この再結晶化によって
単結晶シリコン層ｌ８に多量に散在した双晶欠陥１つは
消滅する。

ところが、この再結晶化の工程は高温プロセスになるた
め、サファイヤ基板ｌｏ中のアルミニウムＡ１が単結晶
シリコン層１８に混入してしまう場合がある。

そこで次に、第２図Ｅに示すように、タングステン膜１
５を除去した後、単結晶シリコン層１８上に更に単結晶
シリコン層２１を膜厚４００ｎｍにエピタキシャル成長
（ホモエピタキシャル成長）させる。ここに、本例のｓ
ｏｓ基板を得ることができる。

この場合、単結晶シリコン層２１は単結晶シリコン層１
８の結晶亜粒界２ｏと対応する部分に結晶亜粒界２２が
発生してしまうが、その他の部分は、双晶欠陥も結晶亜
粒界もない結晶性の良好な単結晶シリコン層となる。

しかも、単結晶シリコン層２１の形成は゛、低温プロセ
スで行うことができるので、レーザビーム１６による再
結晶化時、単結晶シリコン層１８に混入されたアルミニ
ウムＡ１が単結晶シリコン層２１に混入するのを阻止す
ることができ、たとえ混入したとしても、僅かであり、
素子の動作に影響を与えることはない。

このように、この第２図例によれば、素子形成領域とし
て、第１図例の場合よりも更に結晶性の良好な単結晶シ
リコン層を形成することができる。

鬼本」［久実』１』 なお、上述の実施例においては、非透明膜としてタング
ステンを使用した場合につき述べたが、この代わりに、
タングステンシリサイドＷＳｉ、タンタルＴａ、チタン
シリサイドＴｉ　Ｓｔなどの高融点金属を使用すること
ができる。

また、上述の実施例においては、単結晶絶縁基板として
サファイヤ基板１０を使用した場合につき述べたが、こ
の代わりに、スピネル基板を使用することもできる。

また、上述の実施例においては、レーザビーム１６の走
査をそのメルト幅Ｌ３中に３本の開口部１４と２本のタ
ングステン膜１５とを含むようにして行ったが、メルト
幅Ｌ３中に含まれる開口部１４の数及びタングステン膜
１５の数は、開口部１４の幅Ｌｌ、タングステン膜１５
の幅Ｌ２及びレーザビーム１６のメルト幅Ｌ３との関係
で決定されるものであって、種々のパターンを取り得る
ものである。

また、上述の実施例においては、サファイヤ基板１０上
に単結晶シリコン層１１、１８、２１を形成する場合に
つき述べたが、その他、本発明はガリウム・ヒ素Ｇａ　
Ａｓなど、化合物半導体層を形成する場合にも適用する
ことができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、単結晶絶縁基板上にエ
ピタキシャル成長させた単結晶半導体層をレーザビーム
によって再結晶化するにあたり、単結晶半導体層上に所
定パターンのレーザビームに対する非透明膜を形成し、
その後、レーザビームによる再結晶化を実行するという
構成を採用したことにより、非透明膜下方の単結晶半導
体層の温度を非透明膜の形成されていない領域の下方の
部分の温度よりも低くし、再結晶化を非透明膜の下方の
部分から非透明膜の形成されていない領域の下方の部分
に向かって進行させることができるので、双晶欠陥を回
復できるとともに、結晶亜粒界を非透明膜の形成されて
いない部分の下方の単結晶半導体層部分に集中させ、非
透明膜の下方の単結晶半導体層には双晶欠陥も結晶亜粒
界もない結晶性の良好な単結晶半導体層を形成すること
ができる。したがって、この部分を素子形成領域として
使用する場合には、寿命が長く、また、移動度の大きい
素子を作り込むことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｅは本発明の一実施例によるＳＯＳ基板の製
造方法を示す断面図、 第２図Ａ〜Ｅは本発明の他の実施例によるＳＯＳ基板の
製造方法を示す断面図、 第３図Ａ及びＢは従来例によるｓＯｓ基板の製造方法を
示す断面図である。 １、１０・・・サファイヤ基板 ２、１１、１８、２１・・・単結晶シリコン層３、１２
、１９・・・双晶欠陥 １３、１５・・・タングステン膜 １４・・・開口部 １６・・・レーザビーム １７、２０、２２・・・結晶亜粒界 Ｉｎ結晶シリコン層 １０サファイヤ基板 １ｏ 本発明の一実施例によるＳＯＳ基板の製造方法第１図 １６レーザビーム 本発明の一実施例によるＳＯＳ基板の製造方法１６レー
ザビーム 本発明の他の実施例によるＳＯＳ基板の製造方法Ｂ ４レーザビーム ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 従来例によるＳＯＳ基板の製造方法 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 単結晶絶縁基板上に単結晶半導体層をエピタキシャル成
   長させる工程と、 該単結晶半導体層上に所定パターンのレーザビームに対
   する非透明膜を形成する工程と、 その後、前記レーザビームを前記単結晶半導体層の前記
   非透明膜が形成された領域と形成されない領域に同時に
   照射して前記単結晶半導体層を再結晶化する工程とを 含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。