JPH0387017A - 溶融再結晶化法による半導体薄膜の製造方法 - 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） 本発明は誘電体上の単結晶半導体薄膜に電子回路を形成
する、いわゆるＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎＩｎ
ｓｕｌａｔｏｒ）構造と称される半導体集積回路装置を
製造するために、単結晶半導体薄膜を形成する方法に関
するものである。

（従来の技術） ＳＯＩ構造の単結晶半導体薄膜を形成する方法としては
１種々の方法が考えられているが、広い面積の単結晶薄
膜を形成することは困難である。

例えば、誘電体上に全面に渡って形成した多結晶シリコ
ン層にレーザビームなどのエネルギービームを照射して
再結晶化させると、結晶成長は照射領域の周辺から中央
に進み、多数の核が形成されてそれぞれの成長面が出会
い、大きな単結晶を得ることができない。

また、溶融再結晶化する場合、半導体薄膜の表面側は熱
伝導率の低い空気に接しているので、表面側からの熱放
散よりも、裏面側からの熱放散の方が多くなる。したが
って、半導体薄膜の深さ方向の温度分布が不均一となる
。このことがらも大きな単結晶を成長させることは困難
である。

そこで、半導体薄膜の表面側への熱放散を大きくするた
めに薄膜構造の表面をポリエチレングリコールのような
冷却媒体で被ってレーザービームを照射し走査する方法
が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 薄膜構造を冷却媒体で被うとしても、レーザービームを
走査して溶融再結晶化を起こさせるので、半導体薄膜で
の温度分布はレーザービームスポットの温度分布とは異
なったものになる。レーザービームスポットはガウス型
温度分布をもつが、第７図に示されるようにレーザービ
ームスポット１を矢印りの方向に走査すると、半導体薄
膜表面の温度分布の等隠線は実線２で示されるように、
走査方向りと反対方向に尾を引いた形状となる。その結
果、レーザービームスポットｌの中心部が通過した部分
と端部が通過した部分との間で温度差が大きくなり、再
結晶化するときにクラックが発生するなどの問題が生じ
る。

本発明は溶融再結晶化させようとする半導体薄膜を含む
薄膜構造を冷却媒体で被い、レーザービームなどのエネ
ルギービームを照射して走査しながら再結晶化させる方
法において、エネルギービームの走査によっても温度分
布の等隠線が走査方向と逆方向に長く伸びないようにし
て温度分布を改善し、良質の単結晶薄膜を形成する方法
を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では、薄膜構造に頂点から両側斜め方向へ広がる
山形平面形状の凹みを少なくとも１個設け、薄膜構造の
表面を冷却媒体で被った状態で、前記凹みの山形形状の
頂点の方向に向かってその頂点を通るラインに沿ってエ
ネルギービームを走査する。

本発明の好ましい態様では、前記凹みは前記山形部分に
、第２の山形形状部分をその頂点がエネルギービーム走
査ライン上にあり、かつ１両山形形状部分が互いに背中
合わせになるように組み合わせた平面形状をしている。

薄膜構造は誘電体下地上に多結晶又は非晶質の半導体薄
膜を形成し、その半導体薄膜上に保護キャップ膜として
誘電体膜を形成したものである。

誘電体下地としてはシリコン基板上にシリコン酸化膜を
形成したものや、ガラス基板上にシリコン酸化膜を形成
したものなどを用いることができる。

保護キャップ膜としてはシリコン酸化膜、シリコン窒化
膜、又はシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を積層した
２層膜などを用いることができる。

（作用） 第２図に示されるように平面形状が山形の凹み１６をも
つ薄膜構造の表面をポリエチレングリコールのような冷
却媒体で被うと、凹み１６では冷却媒体の厚みが厚くな
るので、凹み１６の部分はその他の部分よりも放熱しや
すくなる。レーザービームなどのエネルギースポットが
矢印りで示される方向に走査されると、エネルギースポ
ットが凹み１６を通過した直後の薄膜構造の温度分布は
、記号１７で示されるように走査方向りと逆方向に伸び
る尾の部分が小さくなる。これは、エネルギースポット
が凹み１７を通過した直後では、中心部が通過した部分
Ａは端部が通過した部分Ｂ、Ｃに比べて冷却されやすい
からである。このような温度分布の結果、大きな単結晶
が成長しやすくなる。

第４図に示される凹み２０はエネルギービームの走査方
向りを向いている第１の山形平面形状部分２０ａと、逆
方向を向いた第２の山形平面形状部分２０ｂとが組み合
わされた形状をしている。

２つの部分の頂点を結ぶ線上をエネルギースポットが通
過する場合、凹み２０を通過する直前では第２の山形部
分２０ｂによって薄膜構造での温度分布は記号２１で示
されるようになる。これも。

中心部分の位ＷｉＡでは端部の位置Ｂ、Ｃに比べて冷却
されやすいからである。エネルギースポットが凹み２０
を通過すると、通過直後では第１の山形部分２０ａによ
って第２図に示されたのと同じ理由により薄膜構造での
温度分布が走査方向りと反対方向に伸びるのが防止され
る。

（実施例） 第１図は一実施例を表わす。

（Ａ）シリコン基板１１を熱酸化してシリコン酸化膜１
２を約５ｏｏｏ入の厚さに形成する。

次に、減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコン薄膜１３を約
５００ＯＡの厚さに形成する。

続いて、その上にシリコン酸化膜１４を減圧ＣＶＤ法に
より約２００ＯＡの厚さに形成する。

（Ｂ）山形平面形状の開口をもつレジストパターンをシ
リコン酸化ｆｉ１４上に形威し、そのレジストパターン
をマスクにしてシリコン酸化膜１４と多結晶シリコン薄
膜１３をエツチングし、凹み１６を形成する。凹み１６
の内壁にはシリコン酸化膜１４．多結晶シリコン薄膜１
３が露出し、凹み１６の底面にはシリコン酸化膜１２が
露出する。

その後、エツチングに用いたレジストを除去する。

（Ｃ）次に、試料の全面に渡って冷却媒体として約１ｍ
ｍの厚さのポリエチレングリコール層１５を形成する。

（Ｄ）ポリエチレングリコール層１５上からレーザービ
ームを照射して走査する。Ｓはレーザービームスポット
であり、その走査方向りは凹み１６の頂点を通り、凹み
の山形形状の頂点を通る方向である。

照射するレーザービームとしては、例えばアルゴンイオ
ンレーザ−をレンズで集光して用いる。

レーザーの光出力は例えば５Ｗである。

レーザービームが通過した後には多結晶シリコン薄膜１
３が溶融再結晶化した単結晶薄膜が形成され、特にレー
ザービームが凹み１６を通過した直後に良好な単結晶薄
膜が形成される。

凹み１６のサイズはレーザービームスポットＳと同等又
はそれより若干大きめぐらいとする。凹み１６をダイシ
ングラインに設けるとすると、ダイシングラインの幅は
通常１００μｍ程度であるので、第２図に示される凹み
１６の寸法りはダイシングラインに収まる程度で、約８
０μｍとし。

山形の角度θは約９０〜１００度とし、凹み１６のａＷ
は約３０〜５０μｍとする。

このような山形形状の凹み１６を単一で用いるときは、
その凹み１６のごく近傍で良好な単結晶が得られるので
、その単結晶を種とし、（Ｄ）におけるレーザービーム
の走査方向りと交わる方向にさらにレーザービームを走
査することにより、広い面積の単結晶を成長させること
ができる。

第３図は他の実施例を表わす。

凹み２０の形状が第１図のものと異なっている。

凹み２０は菱形平面形状をしており、その内壁にはシリ
コン酸化膜１４と多結晶シリコン薄膜１３が露出し、底
面にはシリコン酸化膜１２が露出している。

菱形形状の凹み２０の対角線方向にレーザービームを走
査すると、凹み２０は第４図に示されるように、走査方
向りに対して進行方向に向いた山形部分２０ａと、進行
方向とは逆方向を向いた山形部分２０ｂが背中合せに組
み合わされた形状をしている。

半導体集積回路装置を製造する場合、シリコンウェハ上
にダイシングラインで区切られた多数のチップが整然と
並べられた状態で製造される。そこで、第５図に示され
るように、ダイシングライン３０に沿って凹み１６を複
数個配列して形成する。３２はチップ領域である。隣接
する凹み１６間の間隔は、それらの凹み１６に沿ってレ
ーザービームを走査するとき、凹み１６による冷却効果
が及ぶ範囲である。凹み１６間の間隔はレーザービーム
の走査速度とも関係し、走査速度はまたレーザービーム
のエネルギーとも関係して定められる。それぞれの凹み
１６については第１図に示されたプロセスに従って形成
する。

矢印りの方向にレーザービームを走査すると、凹み１６
と凹み１６の間の領域の多結晶シリコン薄膜が単結晶化
する。

その後、単結晶化されたシリコン薄膜３１を起点として
、レーザービームをＭで示されるチップ方向へ走査する
と、チップ３２上にある多結晶シリコン薄膜が整った単
結晶シリコン薄膜に成長する。

ダイシングライン３０に形成する凹みの形状を第３図に
示される菱形のものとしてもよい。

実施例では半導体薄膜として多結晶シリコン薄膜１３を
用いているが、非晶質シリコン薄膜を用いることもでき
る。

ここで、レーザ溶融再結晶化における結晶軸の回転につ
いての測定結果を第６図に示す。第６図はガラス基板上
に約１００ＯＡの厚さのシリコン酸化膜を形成し、その
上に非晶質シリコン薄膜を約５０００Åの厚さに形成し
、その上に形成される保護用キャップ膜としてシリコン
酸化膜を形成し、その保護用キャップ膜上をポリエチレ
ングリコール層で被ってレーザ溶融再結晶化させた場合
の結果である。

保護用キャップ膜であるシリコン酸化膜の膜厚を０．２
μｍ、０．６．ｕｎ、１．Ｑμｍと変化させた。結晶方
位は電子チャネリングパターンで測定した。

第６図によれば、保護用キャップ膜のシリコン酸化膜の
膜厚を薄くすると結晶軸の回転が抑えられる。

一般に、レーザ溶融再結晶化では、レーザビームの走査
方向に結晶軸が回転することが知られている。下地構造
と半導体薄膜上の保護用キャップ膜膜厚の調整により半
導体薄膜の表面方向と裏面方向の放熱特性を調整して、
深さ方向の温度分布を制御し結晶軸回転を抑えることが
できる。つまり、半導体薄膜の上下方向の熱伝導を等し
くすることにより、大きなグレインサイズの単結晶半導
体薄膜が形成されるとともに、結晶軸の回転を抑制する
こともできる。

結晶軸回転を抑えることのできる薄膜構造の例を示す。

下地はシリコン基板上に６０００〜１２０００人、好ま
しくは約５ｏｏｏ人のシリコン酸化膜を形成したもの、
又はガラス基板上に約１００ＯＡのシリコン酸化膜を形
成したものなどである。

下地上に形成される半導体薄膜は３０００〜６０００人
、好ましくは約５０００大の多結晶又は非晶質のシリコ
ン膜である。

半導体薄膜上に形成される保護用キャップ膜は１０００
〜３０００Ａ、好ましくは約２０００人のシリコン酸化
膜、７０００〜９０００λ、好ましくは約５ｏｏｏ入の
シリコン窒化膜、又はシリコン窒化膜上にシリコン酸化
膜を積層した膜のときはシリコン窒化膜の膜厚を４００
〜８００Ａ、好ましくは約５０ＯＡとし、シリコン酸化
膜の膜厚を１０００〜３０００人、好ましくは約２００
０人としたものである。

ポリエチレングリコール層１５の厚さを均一にするため
に、ポリエチレングリコール層１５上に光学ガラス板を
設けてもよい。

冷却媒体としては、ポリエチレングリコールの他、ポリ
エチレンエーテル、ポリエチレンエステル、ポリプロピ
レンオキシドなど、一般に表面活性剤として知られてい
るものを用いることができる。

エネルギービームとしては、レーザビームの他、他の光
ビーム、電子ビーム、又は熱線などを用いることができ
る。

凹みの形状は、実施例に示されたものに限定されず、本
発明の趣旨に従って半導体薄膜での温度分布を改善する
ように変形することができる。

（発明の効果） 本発明では半導体薄膜を含む薄膜構造の表面を冷却媒体
で被うとともに、結晶成長の核となる単結晶薄膜を形成
する領域には薄膜構造に凹みを形成して、レーザービー
ムなどのエネルギービームを走査することに伴なう温度
分布を改善したので、良好な単結晶薄膜を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第工図は一実施例を示す工程図、第２図は一実施例にお
ける半導体薄膜での温度分布を示す図、第３図は他の実
施例における凹みを示す概略斜視図、第４図は同実施例
における半導体薄膜での温度分布を示す図、第５図はさ
らに他の実施例における凹みを示す平面図、第６図は保
護用キャップ膜の膜厚と結晶軸回転の関係を示す図、第
７図は従来の方法における半導体薄膜での温度分布を示
す図である。 １１・・・・・・シリコン基板、１２・・・・・・シリ
コン酸化膜、１３・・・・・・多結晶シリコン薄膜、１
４・・・・・・シリコン酸化膜、１５・・・・・・ポリ
エチレングリコール層、１６゜ ２０・・・・・・凹み。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体薄膜にエネルギービームを照射しながら走
   査し、この半導体薄膜を溶融させた後、冷却して再結晶
   化させる方法において、薄膜構造に頂点から両側斜め方
   向へ広がる山形平面形状の凹みを少なくとも１個設け、
   薄膜構造の表面を冷却媒体で被った状態で、前記凹みの
   山形形状の頂点の方向に向かってその頂点を通るライン
   に沿ってエネルギービームを走査することを特徴とする
   半導体薄膜の製造方法。
2. （２）前記凹みは前記山形部分に、第２の山形形状部分
   をその頂点がエネルギービーム走査ライン上にあり、か
   つ、両山形形状部分が互いに背中合わせになるように組
   み合わせた平面形状をしている請求項１に記載の半導体
   薄膜の製造方法。