JPH03110825A - 半導体製造方法 - 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〕 半導体製造方法に関し、 拡散等の熱的問題を生じ難くすることができ、かつ結晶
方位を揃えて結晶性の良好な再結晶シリコン膜を形成す
ることができる半導体製造方法を提供することを目的と
し、 下地の膜に結晶方位を揃えるための処理を行う工程と、
該下地の股上に４００℃〜５００℃の堆積温度でポリシ
リコン膜を形成する工程と、該ポリシリコン膜が形成さ
れた該下地の膜を８００℃〜１１００℃で３０秒以下の
熱処理をする工程とを含むように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体製造方法に係り、３次元デバイス作成
に於ける再結晶シリコン膜の形成技術に適用することが
でき、特に、結晶方位の揃った結晶性の良好な再結晶シ
リコン膜を形成することができる半導体製造方法に関す
る。

近年の半導体の集積化に伴い、３０１　　（Ｓｉｌｉｃ
ｏｎＯｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ　）構造への期待は非常
に高いものがある。このＳＯｔ構造を形成する方法には
、再結晶化法と称して、レーザ、電子ビーム、ヒータ等
を光源としてポリシリコン薄膜をシリコンの融意思上に
加熱して溶融させ再結晶化する方法がある。これらの方
法に共通な目標として、結晶方位の揃った結晶性の良好
な再結晶シリコン膜を形成することが要求されている。

〔従来の技術〕

従来、第３図に示すように、バルクシリコンからなる下
地基板３１上に形成した５ｉｎ２からなる絶縁膜３２と
、絶縁膜３２上に形成したポリシリコン膜３３とからな
るＳｏｌ構造における半導体製造方法においては、ポリ
シリコンを再結晶化させ、それも結晶方位を揃えたもの
にするために、絶縁膜３２をエツチングして下地基板３
１を露出させてその部分を種結晶部分３４としてそこか
ら再結晶化させていた。ここで、ポリシリコンを再結晶
化するのは、最上層のポリシリコンＢ’Ｊ３３は堆積し
ただけではアモルファス状態で結晶方位がばらついてお
り、このまま３次元デバイスを形成すると素子特性がば
らついてしまうからである。ここでは、集光レンズ３５
を介してレーザビーム３６を照射して、予め堆積したポ
リシリコン膜３３を溶融状態とし、固化する時にエネル
ギー的に安定な方向で結晶方位が揃うという特性を利用
して、下地基板３１を露出させた種結晶部分３４からそ
れをＸ方向（ｊｌ結晶の成長方向）に引っばって再結晶
化させるものである。

また、第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、ポリシリコ
ン膜３３上に形成したレーザ光を反射するＳｉ３Ｎ、（
Ｓｉｎ、及び５ｔ３Ｎ４からなる場合でもよい）等から
なるレーザ光反射防止膜３８を方向性を持たせて選択的
に形成することによって再結晶の成長方向を制御するこ
とを行っていた。

ここではレーザ光反射防止膜３８を形成して、その部分
の結晶化を他の部分に比べて遅らせている。

また、これらの方法以外にも第５図（ａ）〜（Ｃ）に示
すように、グラフオエピタキシーと呼ばれる再結晶化技
術を利用したものがある。この方法は、下地の絶縁膜３
２上に溝を形成し、この上に堆積したポリシリコン膜３
３をレーザビームなどで溶融する。すると下地に形成し
た溝の形状によってその上のポリシリコン膜３３をエネ
ルギー的に安定な面方位で選択的に成長させることがで
きる。

いずれの方法も堆積したポリシリコン膜３３を溶融する
ことは共通である。また、ここでは第３図に示すような
絶縁膜３２を貫通させた種結晶部分３４はなく絶縁膜３
２にのみ溝を形成している。

具体的には第５図（ａ）に示す（１００）面で接触させ
ている場合は（１００）方向は面として揃うが、回転方
向が揃い難い。この回転方向を揃えるために、第５図（
ｂ）では絶縁膜３２に矩形溝を形成しており、第５図（
ｃ）では絶縁膜３２に三角溝を形成している。そして、
第５図（ｂ）ではポリシリコン膜３３の上面は（１００
）面であるが、第５図（ｃ）ではポリシリコン膜３３の
上面は（１１０）面である。

このように、下地の絶縁膜３２の形状を制御してやれば
ポリシリコン膜３３の面方位を揃えることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したポリシリコン膜３３の堆積温度は６００〜７０
０℃の高温で行っていたが、半導体プロセスの低温化が
高集積化、薄膜化が求められる中、ポリシリコン膜３３
の堆積温度を低く抑えることが必要である。低温化の傾
向にあるのは、イオン注入及びアニール処理で所定の位
置に形成した拡散層がその後工程で行うアニール工程や
膜の堆積する際の基板への高温熱処理によって拡散して
しまい、所定の位置に滞まってくれない恐れがあるから
である。なお、６００〜７００℃の高温で行う場合は、
予め拡散してしまう分を見込んで行うこともできるが、
低温で行えばこのような無駄な見込みはなくなるという
利点もある。このため、拡散等の問題を解決するには４
００〜５００℃の低温の堆積温度でポリシリコン膜３３
を形成することが知られている。しかしながら、堆積し
たままではその結晶状態が前述のようにアモルファス状
態で結晶粒径が小さく何らかの方法で再結晶化を行わな
ければデバイス形成することができない。この方法とし
て従来からのポリシリコンを溶融する方法は溶融シリコ
ンの近傍に熱の影響を与えてしまうという問題がある。

結晶性を良くする再結晶化のために前述したようなシリ
コン溶融（１４１５℃以上）のための熱処理を加えてし
まうため、折角４００〜５００℃という低温でポリシリ
コン膜３３を形成したとしても、結局、拡散等の問題が
生じる恐れがあるからである。

また、第３図に示すようなポリシリコン膜３３の一箇所
につけた種結晶部分３４から広範囲に結晶方位を揃える
ことは非常に難しく、熱の影響が少なく結晶性の良好な
再結晶シリコン膜を形成することが困難であるという問
題があった。

そこで本発明は、拡散等の熱的問題を生じ難くすること
ができ、かつ結晶方位を揃えて結晶性の良好な再結晶シ
リコン膜を形成することができる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。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体装置の製造方法は上記目的達成のた
め、下地の膜に結晶方位を揃えるための処理を行う工程
と、該下地の膜上に４００℃〜５００℃の堆積温度でポ
リシリコン膜を形成する工程と、該ポリシリコン膜が形
成された該下地の膜を８００°Ｃ〜１１００°Ｃで３０
秒以下の熱処理をする工程とを含むものである。

本発明に係る下地の膜は、基板または基板上に形成した
絶縁膜等の被膜、あるいはその両方の態様を含むもので
ある。

本発明において、下地の膜に結晶方位を揃えるための処
理を行う工程とは、基板上に形成した絶縁膜等の被膜、
または基板、あるいはその両方に最終的に揃えたい面方
位が最もエネルギー的に安定になるような矩形溝や三角
溝等の溝を形成する工程を含むものであり、この溝の加
工方法としては例えば電子ビーム、イオンビーム、エツ
チング液による場合が挙げられる。

本発明において、ポリシリコン膜の堆積温度の上限を５
００℃としているのは、ポリシリコン膜を堆積する際の
熱により、予め形成した拡散層が拡散したりする等の熱
的問題を生じないようにするためであり、５００℃より
高くすると予め形成した拡散層が拡散したりする等の熱
的問題が生じ実用上好ましくないからである。また、そ
の下限を４００℃としているのは、４００℃より低くす
るとポリシリコン膜を形成し難く実用上好ましくないか
らである。

本発明において、熱処理温度の下限を８００℃としてい
るのは、８００℃より低くして時間を長く（例えば数時
間）かけて熱処理してもポリシリコンの結晶性の回復に
はほとんど効果がなく実用上好ましくないからであり、
また、上限を１１００℃としているのは時間の制御が困
難であり、拡散層が拡散し易く実用上好ましくないから
である。

本発明において、熱処理時間の上限を３０秒以下にして
いるのは、８００℃〜１１００℃で３０秒より長く熱処
理してもポリシリコンの結晶性の回復にはほとんど効果
がなく、しかも拡散等の問題が生じ実用上好ましくない
からである。

本発明において、ポリシリコンの結晶性を好ましく回復
することができ、かつ拡散等の問題を好ましく生じない
ようにすることができる熱処理条件の好ましい態様とし
ては、例えば８００℃で３０秒熱処理する場合と、１１
００℃で５秒熱処理する場合である。

〔作用〕

本発明方法の作用を説明する。低温で堆積したポリシリ
コン膜はそのままではアモルファス状態であるが、上記
のような８００〜１１００℃で３０秒以下の熱処理を行
うことによって、その原因は必ずしも明らかでないがポ
リシリコンの結晶性が急激に回復し、その結晶粒の大き
さは小さい（＜１０μｍ）が、再結晶化が起こり結晶方
位の揃った結晶性の良好な再結晶ポリシリコン膜が形成
される。

なお、６００〜７００℃という高温でポリシリコン膜を
形成し、その後上記の短時間で高温の熱処理をしても結
晶性の良好な再結晶ポリシリコン膜を形成することがで
きない。これは高温でポリシリコン膜を形成しているた
めに、種結晶がランダムに形成されてしまい、この後熱
処理を加えると種結晶が変に育ってしまうことによるも
のと考えられる。これに対して、本発明の低温でポリシ
リコン膜を形成した際は種結晶は形成されないため、こ
の後熱処理を加えても種結晶が変に育つことはない。ま
た、本発明の熱処理温度は高いものの、時間が極めて短
いため、再結晶化領域近傍への熱の影響を少なくするこ
とができる。但し、この結晶粒の面方位は下地の膜に加
工がなされていないと、第５図（ａ）で説明したように
、面方位の回転方向がランダムである。

したがって、面方位を揃えるために、予め下地の膜、例
えば基板または基板上に形成した絶縁膜、あるいはその
両方に加工を行う。液体、固体が異種の物質と接すると
き、接触面近傍はその他の部分に比べてエネルギー的に
高い状態にある。固体はその面方位によって表面エネル
ギーの大きさが違う。上記のような熱処理によりアモル
ファス状態から再配列が起こる際、このエネルギーを低
くするような面方位に揃うようにして結晶化が進む。

下地の膜に加工する溝の形状をかえるとその形状に対応
する最もエネルギー的に安定な面が成長することになる
。この加工手段としては例えば電子ビーム、イオンビー
ムまたはエツチング液を用いればよい。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図は本発明に係る半導体製造方法の一実
施例を説明する図であり、第１図（ａ）〜（ｆ）は一実
施例の製造方法を説明する図、第２図は一実施例の効果
を説明する図である。図示例の半導体製造方法はｓｏｒ
構造における半導体製造方法に適用する場合である。

これらの図において、■は例えばバルクシリコンからな
る下地基板、２ａ、２ｂはイオンビーム、３ａ、３ｂは
溝、４は例えば５ｉ０２からなる化８！膜、５は開口部
、６はポリシリコン膜である。

次に、その製造方法について説明する。

まず、第１図（ａ）に示すバルクシリコンからなる下地
基板１を用い、第１図（ｂ）に示すように、イオンビー
ム２ａを下地基板ｌに照射して幅が例えば４μｍで深さ
が例えば０．５μｍの溝３ａを形成する。

次に、第１図（ｃ）に示すように、例えばＣＶＤ法によ
り溝３ａを覆うようにＳｉＯ２を堆積して膜厚が例えば
１μｍの絶縁膜４を形成する。

次に、第１図（ｄ）に示すように、イオンビーム２ｂを
絶縁膜４に照射して溝３ａと同じ形状の溝３ｂを形成す
る。この時、溝３ｂは幅が例えば４μｍで深さが例えば
０．１μｍである。

次に、第１図（ｅ）に示すように、例えばＲＩＥにより
溝３ａが形成された部分の下地基板ｌが露出するように
絶縁膜４を選択的にエツチングすることにより開口部５
を形成する。この時、開口部５下には溝３ａが露出され
、溝３ａ内の５ｉ０２もエツチングされるため下地基板
１が露出される。

次に、第１図（「）に示すように、例えばＣＶＤ法によ
り溝３ａ、３ｂ及び開口部５を覆うようにポリシリコン
を堆積してポリシリコン膜６を形成する。この時の堆積
温度は４００〜５００℃にする。

このようにして形成されたポリシリコン膜６はアモルフ
ァス状態である。次いで、ポリシリコン膜６が形成され
た下地基板１を更に、例えばランプアニールにより８０
０〜１１００℃で５〜３０秒間の範囲で熱処理すること
により再結晶シリコン膜（再結晶化膜）を得ることがで
きる。

すなわち、上記実施例では、下地基板１及び絶縁膜４に
結晶方位を揃えるために溝３ａ、３ｂを形成しているた
め、従来の第５図で説明した結晶方位の回転方向がラン
ダムになるのを生じ難くすることができる。そして、４
００〜５００℃という低温の堆積温度でポリシリコン膜
６を形成しているため、ポリシリコン膜６を堆積する際
の熱による拡散等の熱的問題を生じ難くすることができ
る。

ここでのポリシリコン膜６は堆積したままではアモルフ
ァス状態であるため、８００〜１１００℃で３０秒以下
の高温で短時間の熱処理を行う。このような高温で短時
間の熱処理により結晶方位の揃った結晶性の良好な再結
晶ポリシリコン膜を形成することができる。これについ
ては、ＴＥＭ等で観察し確認することができた。即ち、
本発明のものは、あたかも枯れ葉形状のパターンのよう
な結晶が成長しており良好な再結晶シリコン膜が得られ
ていた。

また、Ｘ線回折で調べたところ、従来の６５０℃の高温
でポリシリコン膜を堆積した場合では第２図（ａ）に示
すように、中心のＸ１点に対してドーナッツ形状のパタ
ーンＡがぼんやりとでておりアモルファス状態で結晶性
が回復していなかったのに対し、本発明の４５０℃で堆
積し、１０００℃、１０秒の熱処理したものは第２図（
ｂ）に示すように、中心のＸ２点に対してビークＢ１、
Ｂ２、Ｂ３、が規則的に所定の位置に出ており結晶方位
が揃って結晶性が回復し良好になっていることが確認で
きた。

また、従来のレーザアニールの場合ではレーザアニール
で堆積したポリシリコン膜を溶融させるのに３０分以上
もかかっていたが、本発明では、ポリシリコン膜を低温
で堆積し、３０秒以下の熱処理だけでよいのでその時間
的短縮効果が大きい。しかも、本発明では低温堆積、高
温短時間の熱処理を行っているため、従来のレーザアニ
ールの場合と比べ、周辺部分に加わる熱の影響が少なく
拡散等の熱的問題を生じ難くすることができる。

したがって、より制御性の良いデバイス作製プロセスに
対応することができる。

なお、上記実施例では、下地基板１とポリシリコン膜６
間に絶縁膜４を有するＳＯ１構造における半導体製造方
法に適用する場合について説明したが、本発明はこれに
限定されるものではなく、絶縁膜４を形成しないで下地
基板１上にポリシリコンを直接堆積させたポリシリコン
膜６を有する構造の半導体製造方法に適用する場合であ
ってもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、拡散等の熱的問題を生じ難くすること
ができ、かつ結晶方位を揃えて結晶性の良好な再結晶シ
リコン膜を形成することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る半導体製造方法の一実
施例を説明する図であり、 第１図は一実施例の製造方法を説明する図、第２図は一
実施例の効果を説明する図、第３図〜第５図は従来例の
製造方法を説明する図である。 ・・・・・・下地基板、 ａ、２ｂ・・・・・・イオンビーム、 ａ、３ｂ・・・・・・溝、 ・・・・・・開口部、 ・・・・・・ポリシリコン膜。 一実施例の製造方法を説明する図 第 図 一実施例の製造方法を説明する図 第 図 一実施例の効果を説明する図 従来例の製造方法を説明する図 第３図 距離 従来例の製造方法を説明する図 第 図 従来例の製造方法を説明する図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下地の膜に結晶方位を揃えるための処理を行う工程と、 該下地の膜上に４００℃〜５００℃の堆積温度でポリシ
   リコン膜を形成する工程と、 該ポリシリコン膜が形成された該下地の膜を８００℃〜
   １１００℃で３０秒以下の熱処理をする工程とを含むこ
   とを特徴とする半導体製造方法。