JPH0269385A - 単結晶薄膜の製造方法 - 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、エレクトロニクス等の工業上に有用な物質の
単結晶薄膜を、直接には単結晶成長させることのできな
い基板上に形成する方法に閏するものである。

［従来の技術］ このような技術は、特に近年、現在の二次元的な集積回
路の限界を打ち破る三次元集積回路の枢要な４１成要素
であるＳ０１（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｏｎＩｎ
ｓｕｌａｔｏｒ、絶縁体上の半導体）構造を製作するの
に必須のものとなり、工業的に有効な手法の開発が強く
要請されている。以下、半導体としてシリコン（Ｓｉ）
の単結晶薄膜を、絶縁体であるアモルファス二酸化シリ
コン（ＳｉＯ２）の上に形成する場合を例にとフで説明
する。

５ｉ０２がアモルファスであるためもあって、その上に
気相反応などでＳｉを堆積させても、そのＳｉはアモル
ファスあるいは多結晶となるに過ぎない。

このＳｌ膜を単結晶化させるために従来試みられてきた
方法の一つはビーム溶融再結晶法である。これは第６図
に示すように、多結晶として堆積させたＳｌ膜６にレー
ザーまたは電子ビーム７を当てて局部的に溶かしつつこ
のビームを掃引し、Ｓｉが再凝固する際に結晶粒が大き
くなることを期待する方法である。特に同図に示すよう
にｓｉＵ＃結晶１を基底として用い、その上の５ｉ０２
膜２の一部に窓を開けておいて、多結晶Ｓｉ膜６がこの
部分１ａで基底のＳｉ単結晶１に接触している構造にす
ると、ここを種結晶としてエピタキシャルに多結晶５ｉ
ｌｉｉの再結晶化が行なわれ、単結晶領域６ｂが得られ
る。しかしその場合でも、種結晶部１ａから遠くへ掃引
するに従って結晶方位が徐々にずれるなどの欠陥が現わ
れるので、単結晶領域６ｂの寸法は掃引方向に１００μ
ｍ程度にしかならない。また、下層に熱損傷を与えない
ために堆積Ｓｉ膜６だけを溶かすようにビーム出力と掃
引速度を制御する必要があるが、これには堆積５ｉｌｌ
ｉ６の厚さだけでな（５ｉ０２膜２の厚さや下層の構造
も影響を与えるので、極めて複雑な制御が必要となり、
またスルーブツトにも制約が加わる。

もう一つの方法は横方向固相エピタキシャル成長法であ
る。これは第７図に示すように、単結晶Ｓｉ基底１の上
の５ｉ０２膜２に窓を開けた構造の上にアモルファスＳ
ｉ膜３を堆積させ、これを６００℃程度に加熱して、Ｓ
ｉを溶融させることなく、窓部分から同相エピタキシャ
ル成長を開始させ、生じたＳｉ単結晶領域３ａをさらに
横方向にＳｉＯ□膜２上のＳｉ膜部分にも伸ばす方法で
ある。しかしながら横方向固相成長の進行は例えば６０
０℃では８時間かかって２５μｍ程度と遅く、しかもこ
れ以上加熱すると多結晶核が発生するため単結晶領域は
伸ばせない。

さらに、種結晶を用いた方法が特公昭３７−９８７５号
公報および昭和３８年春の第１θ回応用物理学連合講演
会（予稿集ｐ、２３８）に発表されている。その内容は
第８図に示すように、微小種結晶８を治具９上の半導体
層（薄膜または粉末成型）　１０の一部のみに接触させ
ており、しかも電子ビーム等のビーム７を用いて半導体
層１０を溶融・再凝固させつつこのビーム７を横方向に
掃引する方法をとっており、先に述べたビーム溶融再結
晶法に分類されるべきものである。従ってさきに述べた
同法の有する欠点をまぬがれることはできない。

にまず物質のアモルファス薄膜を形成し、次にアモルフ
ァス薄膜の表面に種結晶面を密着させ両者が融着しない
程度の温度で加熱して、アモルファスであった物質をエ
ピタキシャルに単結晶化させ単結晶膜とすることを特徴
とする。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の方法によつ・て得られる単結晶領域３ａもしくは
６ｂの結晶面方位は基底結晶１の方位で決定され、これ
と異なる選択はできない、かつ、種結晶部分１ａおよび
微小種結晶９はＳＯＩ構造としては利用できない。

本発明は、上記の従来法とは原理的に異なる手法を用い
て、従来法の欠点を解消させた新しい方法を提起するも
のである。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、所望の物
質が単結晶では成長できない基板の上に物質の単結晶薄
膜を形成するために、基板の表面［作　用］ 本発明は、上記の従来法の欠点を回避するために、種結
晶を基底側からでなくアモルファス薄膜の表面側から、
かつ局所でなく必要とする面積の全面にわたって同時に
供給する手段を講じている。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

具体的には、第１図に例示するように、加工しようとす
る試料とは別個のＳｉの単結晶面４をアモルファスＳｉ
薄膜３の上側から、必要とする面積の全面を覆うように
その表面に密着させ、この結晶面を種として、融点には
達しない程度の加熱によりアモルファスＳｉ薄＠３の表
面から底部に向って縦方向固相エピタキシャル成長を進
行させるものである。加熱の熱エネルギー５は、第１図
（ｂ）のように種結晶４の側から与えてもよいし、反対
に基底Ｓｉ単結晶１の側から与えてもよい。またそのや
り方は、輻射によフてもよいし、ヒータを接触させて加
熱してもよい。

一例として、第１図（ａ）　に示すようにＳｉｉ結晶１
を基底としてその全面を厚さ１μｍの熱酸化５ｉｎ２膜
２で覆った構造を基板として用い、　５００℃でモノシ
ランＳｉＨ４の熱分解により厚さ１μｍのアモルファス
Ｓｉ膜３をＳｉｎ、の表面全面に堆積させた。次に図（
ｂ）に示すように、その表面に別のＳｉ単結晶４の（１
００）面を密着させて６００℃で加熱したところ、アモ
ルファスＳｉ膜３の単結晶４との界面に固相成長部分３
ａが育ち、５５分でアモルファスＳｉ膜を表面から底部
まで完全に［１００３方位で単結晶化させることができ
た。従って縦方向固相エピタキシャル成長の速度は６０
０℃で３　ｘ　１０−’ｃｍ／秒と見積もられ、これは
Ｓｉの［１００］方向についての既報の値（古用静二部
編著ｒ　Ｓ０１構造形成技術」、産業図書１９８７．ｐ
、１０７）と一致している。

このようにして成長させた単結晶膜の表面に５ｉｎ２膜
を設け、上述した工程を繰返して絶縁膜と単結晶膜とを
複数層積層することもできる。

本方法では、種結晶面が試料表面とよく密着しているこ
とが必要であるが、この点は、バネ機構を備えた治具等
によって種結晶面を試料に圧着すれば、高温でＳｉ結晶
の弾性定数が小さくなっていることも手伝って容易に達
成で鮒る。また試料表面がデバイス作製プロセス等を経
て段差をもっている場合には、集積回路プロセス技術で
常用される平坦化プロセスによってアモルファスＳｉ膜
の表面が単一平面を成すように加工しておけばよい。

長時間の加熱中、あるいは加熱後の冷却期間中に種結晶
面と試料とを密着させたままで置いたのでは種結晶面と
試料とが固着してしまうおそれがある場合は、第２図に
示すように固相成長の初期においてのみ種結晶面４と試
料とを密着させておき（同図（ａ））、アモルファスＳ
ｉ膜表面から固相成長がある程度内部へ進行した時点て
種結晶面４を雌して、以後試才４のみ加熱を継続する（
同図（ｂ））方法をとっても、アモルファスＳ１膜３全
体を結晶化させるのに差し支えはない。

また、本方法の実施にとってもう一つ重要なのは、試料
のアモルファスＳｉ膜表面と種結晶面かともに清浄であ
ることであるが、この点を完全に行なうには、密着加熱
に先立フて両表面をアルゴン・イオンによるスパッタリ
ング等で清浄化しておく方法がある。あるいは第３図（
ａ）に示すように、Ｓｉを堆積させる装置に試料だけで
なく種結晶の基板となるＳｉ単結晶板４をもヒータとと
もに装着しておき、両者を列した状態で同時にＳｉ反応
ガス１１にさらして、下地がアモルファス５ｉ０２であ
る試料上にはアモルファスＳｉ　３を、また加熱されて
いる単結晶板４の表面にはエピタキシャル成長した単結
晶Ｓｉ層４′を形成し、堆積終了と同時に雰囲気を超高
真空に切り変えて、図（ｂ）に示すように直ちに両者を
密着させ、加熱するという方法をとってもよい。またこ
の両方を組み合わせた方法も有効である。

本方法の特徴の一つは、種結晶面の面方位を任意に選ん
で、それと同じ面方位のＳｉ単結晶膜を備えたＳｏｌ構
造を作れること、すなわち、・ＳＯＴ構造の基底部分を
なすＳｉの結晶面方位には拘束されず５ｉ０２上のＳｉ
層を結晶化させるときは種結晶面に（１００）面を用い
ることによって、この５４層３ａをＮチャネルＭＯ５ト
ランジスタに通した（１００）面方位にする、もしくは
その逆の組合わせを実現して、それぞれの層に適したデ
バイスを配置する、といった事が可能である。あるいは
第４図（ｂ）　に示すように、基底Ｓｉ単結晶１はＰチ
ャネルＭＯ５トランジスタに適した（１１０）面、上の
５４層３ａはＮチャネルＭＯ５トランジスタに適した（
１００）面、もしくはその逆の組合わせとして、上下層
を使って０Ｍ０５回路を構成することもできる。これら
は基底５ｉ４１ｉ結晶を種結晶として用いているビーム
溶融再結晶法や横方向固相エピタキシャル成長法ではと
うていなし得ないところである。

次に本方法を、所要時間の点で従来法と比較してみる。

仮にｌｏｃｍｘ　１０ｃｍの面積に厚さ１μｍの一回の
掃引時間は２秒であるが、ビームの幅が２０μｍ程度に
限定されるので、その面積全体を走査するには第５図（
ａ）　に示すようにストライプに分けて５０００回の掃
引が必要であり、総時間は１７０分を要する。

横方向固相エピタキシャル法では、仮に種結晶部１ａを
第５図（ｂ）　　に示すようにその面積の横幅いっばい
にとれたとすれば横方向成長は一回で済むが、その進行
速度は上記程度のＳｉ膜厚の場合膜厚にはあまり依らな
いとはいえ、前述のごとくたかだか３μｍ／時であるの
で、１０ｃｍの距ユを進むには、３０，０００時間を要
する。試料面上復数個所に種結晶部を設ければ時間は短
縮できるが、異なる種結晶部から成長してきた結晶層が
ぶつかるところに多かれ少なかれ結晶粒界が生じる。ま
た上記両方法とも、種結晶部分１ａの面積がＳｏｌ構造
としては無駄になる。

これに対し本方法では、第５図（Ｃ）に示すようにＩＱ
ｃｍｘ　１０ｃｍの種結晶面４を密着させ・て加熱すれ
ば、前述のように５５分で厚さ１μｍのＳｉ膜を全体に
わたって単結晶化できる。しかも面積が増大しても、そ
れに見合う種結晶面４さλ得られれば所要時間は変らな
い。かつ、前記従来法と違って全面を５０１構造となし
得、種結晶領域を設けるための無駄がない。

［発明の効果］ 以上述べてきたように、本発明はここに例示したＳｏｌ
構造の作製に適用するときは、従来法のなし得ない高効
率で、かつ基底の半導体と結晶方位の異なフた単結晶層
が得られるといった自由度の多い構造の形成を実現させ
るものである。さらに、例示したＳｉｎ、上のＳｉの場
合に限らず、任意の半導体を組合わせ、また複数の層数
を持たせたＳｏｌ積層構造、あるいは半導体同士のへテ
ロ接合構造、さらには金属、半導体、絶縁体を任意に組
合わせた積層構造の形成に広く通用可能であり、工業上
重要な価値を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を示すプロセス概念図、第２図お
よび第３図は本発明の他の実施法を示す概念図、 第４図は末法によって作製されるｓｏｒ構造の例を示す
図、 第５図はスループットに着目して末法と従来法を比較し
た図、 第６図は従来のビーム溶融再結晶法の概念図、第７図は
従来法の横方向固相エピタキシャル成長法の概念図、 第８図は種結晶の接触を用いる従来の提案を示す図であ
る。 ｌ・・・基底を成すシリコン単結晶、 ２・・・シリコン酸化膜、 ３・・・アモルファス・シリコン膜、 ３ａ・・・同相エピタキシャル成長した部分、４・・・
大面積の種結晶、 ５・・・加熱のための熱エネルギー ６・・・多結晶シリコン膜、 ６ａ、６ｂ・・・その溶融部分と再結晶部分、７・・・
レーザーまたは電子ビーム、 ８・・・微小種結晶、 ９・・・治具、 ｌＯ・・・多結晶半導体層、 １１・・・シリコン膜を堆積させる反応ガス。 第１図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所望の物質が単結晶では成長できない基板の上に該
   物質の単結晶薄膜を形成するために、前記基板の表面に
   まず該物質のアモルファス薄膜を形成し、次に該アモル
   ファス薄膜の表面に種結晶面を密着させ両者が融着しな
   い程度の温度で加熱して、アモルファスであった該物質
   をエピタキシャルに単結晶化させ単結晶膜とすることを
   特徴とする単結晶薄膜の製造方法。 ２）前記種結晶面は前記所望の物質と同一の物質から成
   り、該物質のアモルファス膜を堆積させて作成すると同
   一の装置内で、別に設けた単結晶基板上にエピタキシャ
   ル成長させて得られたものを用いることを特徴とする請
   求項１に記載の単結晶薄膜の製造方法。 ３）前記種結晶面は加熱中の一部時間のみアモルファス
   薄膜の表面に密着させられており、該種結晶面を離した
   状態でアモルファス薄膜の加熱が継続されることを特徴
   とする請求項１に記載の単結晶薄膜の製造方法。 ４）前記基板は、最下層の基底として半導体単結晶を用
   い、その表面を絶縁膜で覆ったものであり、該絶縁膜の
   表面に前記基底の半導体とは異なる種類の半導体の単結
   晶膜を形成する工程と、該単結晶膜上に絶縁膜を形成す
   る工程とを繰り返して、絶縁膜をはさんで２種類以上の
   半導体単結晶薄膜を所望の層数積層することを特徴とす
   る請求項１に記載の単結晶薄膜の製造方法。 ５）前記基板は、基底をなす半導体単結晶の表面を絶縁
   膜で覆ったものであり、該絶縁膜の表面に前記基底の半
   導体単結晶の結晶方位とは異なる結晶方位の半導体単結
   晶膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の単結
   晶薄膜の製造方法。