JPH04294522A - 単結晶半導体膜の形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶半導体膜の形成
方法に係り、特にエネルギ−ビ−ムにより非単結晶シリ
コンを溶融，再結晶化させて単結晶シリコン膜を形成す
る単結晶シリコン膜の形成方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より単結晶シリコン膜の形成方法と
して、シリコン基板上に開口部が設けられた絶縁膜とな
る二酸化シリコン膜を介して堆積された多結晶シリコン
膜にエネルギ−ビ−ムを照射して融解，再結晶化し、シ
リコン基板を種結晶として横方向エピタキシャル結晶成
長を行なわせて単結晶シリコン膜を形成する方法が用い
られている。

【０００３】ところで対流により多結晶シリコン膜の表
面から放出する熱量は、多結晶シリコン膜からシリコン
基板に流出する熱量に比べて非常に少ない。特にエネル
ギ−ビ−ムとして電子ビ−ムを用いる場合、多結晶シリ
コン膜は真空中で加熱されるで対流により熱流出がなく
なる。

【０００４】また、シリコンの熱伝導率は二酸化シリコ
ンのそれより一桁程度大きいので二酸化シリコン膜の開
口部を通じてシリコン基板へ流出する熱量は二酸化シリ
コン膜を介してシリコン基板へ流出する熱量よりはるか
に大きい。その結果、開口部の温度がその周辺部の温度
より下がり、多結晶シリコン膜を均一に加熱し溶融させ
ることが困難になる。

【０００５】そこで、図１に示すように、多結晶シリコ
ン膜の熱損失量の均一性を確保するため、二酸化シリコ
ン膜３の膜厚を徐々に薄くしてテ−パをつけた開口部を
形成し多結晶シリコン膜５とシリコン基板１との界面に
熱を供給しやすくすると共に、多結晶シリコン膜５とシ
リコン基板１との接触部分の面積を小さくして種結晶部
２から流出する熱量を抑制する方法（Ｔ．Ｈａｍａｓａ
ｋｉ　　ｅｔａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６２（
１９８７）ｐ．１２６）が報告されている。

【０００６】しかしながら、このような複雑な開口部を
有する二酸化シリコン膜３を得るには最低でも３枚のマ
スクを用いる必要があるため、工程数，作製時間，コス
トの点で問題が生じる。

【０００７】また、開口部が先に説明したものより広く
なるので素子形成領域が狭くなるという問題もある。

【０００８】更にまた、開口部の面積はリソグラフィ−
技術の限界以上には小さくできないため、開口部の面積
を種結晶部２が溶融するのに最適な大きさにすることは
できるが、開口部の面積はリソグラフィ−技術の限界以
上には小さくできないため、他の部分の多結晶シリコン
膜５が必要以上に加熱されないように開口部の面積を小
さくすることはできない。その結果、多結晶シリコン膜
５の溶融の際に多結晶シリコン膜５中に二酸化シリコン
膜３からの酸素等の不純物が混入して結晶欠陥が生じ膜
質が劣化するという問題があった。また、熱損失量の均
一性を確保するため、多結晶シリコン膜と下層の単結晶
シリコン膜との接触をできるだけ小さくし、開口部の面
積を小さくすると、多結晶シリコン膜が溶融しなくなる
という問題もある。

【０００９】また、このような方法を用いて多層の単結
晶シリコン膜を形成するには、図２に示すように、多結
晶シリコン膜５をエネルギ−ビ−ムで加熱して単結晶シ
リコン膜６を形成した後、この単結晶シリコン膜６上に
図１と同様に二酸化シリコン膜７，多結晶シリコン膜９
を形成する。この場合も、種結晶部１０を介してシリコ
ン基板１に熱を流出させ、その熱量を多結晶シリコン膜
９と単結晶シリコン膜６との接触面積，開口部の形状に
より調整しているので単層の単結晶シリコン膜の場合と
同様な問題が生じる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来の単結
晶シリコン膜の形成方法では、溶融しているシリコン多
結晶シリコン膜の熱を所定どおりに逃がすのが困難であ
った。その結果、多結晶シリコン膜が溶融しなかったり
、または必要以上に加熱されたりして高品質の単結晶シ
リコン膜を得られないという問題があった。

【００１１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高品質の単結晶膜を得
ることできる単結晶半導体膜の形成方法を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の単結晶半導体膜の形成方法は、複数の開
口部を有する第１の絶縁膜上に形成された単結晶半導体
膜上に、前記第１の絶縁膜の複数の開口部との間隔が前
記第１の絶縁膜の膜厚の５倍以上となる複数の開口部を
有する第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁
膜上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、エネルギ−
ビ−ムを照射して前記非単結晶半導体膜を単結晶化する
工程とを備えたことを特徴とする。

【００１３】また、本発明の他の単結晶半導体膜の形成
方法は、単結晶半導体膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口部の間隔が、前記絶縁膜の膜厚の１倍
以上２０倍以下となる複数の開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、エ
ネルギ−ビ−ムを照射して前記非単結晶半導体膜を単結
晶化する工程とを備えたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の単結晶半導体膜の形成方法では、エネ
ルギ−ビ−ムで溶融された非単結晶半導体膜は、第２の
絶縁膜上に設けられた開口部を介して熱を逃がす。非単
結晶半導体膜がその開口部を介して流出する熱量は、第
１の絶縁膜の開口部と第２の絶縁膜の開口部との間隔に
依存する。即ち、間隔が狭いほど流出する熱量は多くな
り、間隔が広いほど流出する熱量は少なくなる。このと
き、第１の絶縁膜の開口部と第２の絶縁膜の開口部との
間隔が第２の絶縁膜の膜厚の５倍以上離れていると、第
２の絶縁膜の開口部を介して熱が必要以上に流出するの
防止でき、非単結晶半導体膜を容易に溶融することがで
きる。

【００１５】なお、種結晶部の形成は、絶縁膜の堆積、
穴開け、非単結晶半導体膜堆積という単純な工程で済み
ので一枚のマスクで単結晶半導体膜を一層積み重ねるこ
とができ、形成工程が簡略する。

【００１６】また、第２の絶縁膜の開口部の間隔をこの
第２の絶縁膜の膜厚の１倍未満にすると、隣接する開口
部が１つの開口部として機能し、開口部周辺部の温度が
低下し、非単結晶半導体膜の溶融が進まなくなる。また
、開口部の間隔を第２の絶縁膜の膜厚の２０倍より大き
くすると、熱が逃げ難くなり非単結晶半導体膜が必要以
上に加熱され、結晶欠陥が生じる。

【００１７】したがって、第２の絶縁膜の開口部の間隔
をこの第２の絶縁膜の膜厚の１倍以上２０倍以下にする
ことで良質な単結晶半導体膜を得ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明する
。

【００１９】図３は本発明の一実施例に係る単結晶シリ
コン膜の形成方法を示す図である。これを形成工程に従
い説明すると、最初、（１００）方位の単結晶シリコン
基板１１上にＣＶＤ法を用いて絶縁膜となる厚さ約２．
０μｍの二酸化シリコン膜１３を堆積する。次いで種結
晶部を形成するために二酸化シリコン膜１３の所望の位
置にテ−パ状の開口部１３ａを設ける。

【００２０】次に二酸化シリコン膜１３上にシラン（Ｓ
ｉＨ４　）の熱分解を用いたＣＶＤ法により厚さ約０．
８μｍの多結晶シリコン膜を開口部１３ａを埋め込むよ
うに堆積した後、エネルギ−ビ−ムでこの多結晶シリコ
ン膜を溶融，再結晶化して単結晶シリコン膜１５を形成
する。

【００２１】次に単結晶シリコン膜１５上にＣＶＤ法を
用いて厚さ約２．０μｍの二酸化シリコン膜１７を堆積
した後、この二酸化シリコン膜１７上にフォトレジスト
パタ−ンを形成し、これをマスクにＲＩＥ（反応性イオ
ンエッチング）を用いて直径１μｍ、深さ２μｍの円柱
状の開口部２５を種結晶部１２から１０μｍ離れた位置
に形成する。

【００２２】次に開口部２５が設けられた二酸化シリコ
ン膜１７上にＣＶＤ法を用いて厚さ約０．８μｍの多結
晶シリコン膜を開口部２５を埋め込むように堆積した後
、この多結晶シリコン膜にエネルギ−ビ−ムを照射して
単結晶シリコン膜１９を形成する。

【００２３】次に単結晶シリコン膜１９上に厚さ２．０
μｍの二酸化シリコン膜２１を堆積した後、開口部２５
との間隔Ｌ２　が１０μｍ（二酸化シリコン膜１７，２
１の膜厚ｔの５倍）の開口部２７を形成する。なお、同
一二酸化シリコン膜上における開口部の間隔Ｌ１　は開
口部２５，２７ともに１５μｍ（二酸化シリコン膜１７
，２１の膜厚ｔの７．５倍）となるように形成した。次
いでこの開口部２７が設けられた二酸化シリコン膜２１
上に厚さ約０．８μｍの多結晶シリコン膜を開口部２７
を埋め込むように形成し、この多結晶シリコン膜にエネ
ルギ−ビ−ムを照射して単結晶シリコン膜２３を形成す
る。

【００２４】このように開口部２５と開口部２７との間
隔を二酸化シリコン膜１７，２１の膜厚ｔの５倍にする
と、開口部２５，２７から必要以上の熱が多結晶シリコ
ン膜１５，２３から逃げるのを防止できる。更に、同一
二酸化シリコン膜上の開口部の間隔をその二酸化シリコ
ン膜の膜厚の７．５倍にすることで開口部同士の間の熱
の流れと上下のシリコン膜の熱の流とが適当な関係にな
るので温度制御を良好に行うことができ、良質な単結晶
シリコン膜を得ることができた。即ち、熱が各開口部に
沿ってのみ流れるようにすることができた。

【００２５】以下、同様な工程を繰り返すことで必要枚
数の単結晶シリコン膜を得ることができる。

【００２６】図４は本発明の他の実施例に係る単結晶シ
リコン膜の形成方法を示す図である。また、図５は図４
に示されている試料基板を上方から見たものである。

【００２７】先ず、半導体基板２９上の素子分離用絶縁
膜３１で区分された素子形成領域にソ−ス・ドレイン３
３を形成した後、ゲ−ト電極３５，厚さ約０．５μｍの
ゲ−ト絶縁膜３７を形成する。更に層間絶縁膜３８を形
成する。

【００２８】次に層間絶縁膜３８に直径１μｍの円柱状
の開口部を形成した後、層間絶縁膜３８上に厚さ約０．
８μｍの多結晶シリコン膜を前記開口部を埋め込むよう
に堆積し、所定の形状にエッチングする。なお、層間絶
縁膜３８の開口部の間隔Ｌ１　が層間絶縁膜３８の膜厚
の１倍以上２０倍以下になるようにした。次いで後述す
る走査方法を用いて電子ビ−ムを、図中、４３で示され
るように、層間絶縁膜３８の開口部周辺部に限定して照
射して多結晶シリコン膜を溶融，再結晶化して単結晶シ
リコン膜３９を形成する。

【００２９】次に単結晶シリコン膜３９が形成された層
間絶縁膜３８上に厚さ約１．５μｍの絶縁膜４０を堆積
した後、この絶縁膜４０に直径１μｍの円柱状の開口部
を形成する。なお、絶縁膜４０の開口部の間隔は絶縁膜
４０の膜厚の１倍以上２０倍以下になるようにし、且つ
層間絶縁膜３８の開口部との間隔Ｌ２がこの絶縁膜４０
の膜厚の５倍以上になるようにした。

【００３０】次に絶縁膜４０上に厚さ約０．８μｍの多
結晶シリコン膜を前記開口部を埋め込むように形成した
後、図中、４５で示されるように、素子を形成する領域
に電子ビ−ムを走査して単結晶シリコン膜４１を形成す
る。

【００３１】以下、同様な工程を繰り返すことで必要枚
数の単結晶シリコン膜を得ることができる。

【００３２】次に図６を用いて本実施例における電子ビ
−ムの走査方法を説明する。

【００３３】これはＴ．Ｈａｍａｓａｋｉ　　ｅｔ　　
ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９（１９８６）２
９７１．に報告されているもので、スポット状の電子ビ
ームを高速偏向させて照射面積を制御する方法である。

【００３４】ビ−ム光源４７から出射した半値幅１５０
μｍのスポットビ−ム４９を発振器５１で板間電圧が制
御される偏向板５３により、Ｘ方向に偏向して線状化し
た電子ビ−ム５５を生成する。このとき、図７に示すよ
うに、周波数３６ＭＨｚの正弦波５９を周波数１００ｋ
Ｈｚの変調波６１で振幅変調をした板間電圧を偏向板５
３に印加する。また、電子ビ−ムのＸ方向の長さが約５
ｍｍとなるべく制御した。

【００３５】次にビ−ム加速電圧１０ｋＶ，ビ−ム電流
３２ｍＡの条件で電子ビ−ム５５を例えばコイル等から
なる磁場発生器（不図示）で発生した磁場により速度１
００ｍｍ／ｓでＹ方向（Ｘ方向に垂直な方向）に走査し
試料基板５７を加熱し、再結晶化を行なう。

【００３６】図８は本実施例の方法を用いて図４に示し
た単結晶シリコン膜４１となる上部多結晶シリコン膜を
再結晶化したときの種結晶部（絶縁膜の開口部）からの
距離と上部多結晶シリコン膜の熱履歴の最高温度，単結
晶シリコン膜３９の熱履歴の最高温度との関係を示す図
である。図中、実線６３は単結晶シリコン膜３９の最高
温度，実線６７は上部多結晶シリコン膜の最高温度をあ
らわしている。

【００３７】なお、比較のために図２に示した従来の方
法を用いて単結晶シリコン膜９となる上部多結晶シリコ
ン膜を再結晶化したときのシリコン膜の熱履歴の最高温
度についても調べた。図８中、破線６５は単結晶シリコ
ン膜６の最高温度，破線６９は上部多結晶シリコン膜の
最高温度を示している。

【００３８】この図から分かるように、従来の方法では
単結晶化される上部多結晶シリコン膜は種結晶部で熱が
下方の膜等に奪われるため、そこでの最高温度はシリコ
ンの融点温度（１４１４℃）以下になり、種結晶部から
離れたところでは単結晶化を進める際にビ−ムエネルギ
−で予熱されるためオ−バ−ヒ−トする。また、単結晶
シリコン膜６は種結晶部を介して上部多結晶シリコン膜
の熱が流入するので種結晶部での最高温度はシリコンの
融点を越えている。これは膜質の劣化を引き起こす原因
となる。

【００３９】一方、本実施例の場合、上述した関係に開
口部を形成しているため、種結晶部が溶融するのに最適
な照射エネルギ−密度を有する電子ビ−ムを照射しても
上部多結晶シリコン膜は種結晶部で熱が下方の膜等に奪
われることもないし、素子を形成する領域がオ−バ−ヒ
−トすることもないので上部多結晶シリコン膜の最高温
度は略一定になる。同様な理由で単結晶シリコン膜３９
も１０００℃以下に保たれている。

【００４０】図９は上述した方法で形成した単結晶シリ
コン膜中の酸素濃度と溶融しているシリコン膜の温度と
の関係を示す測定結果である。なお、酸素濃度はＳＩＭ
Ｓ分析法を用いて測定し、温度は光温度計を用いて測定
した。

【００４１】単結晶シリコン膜中に酸素が混入したのは
、その下に形成された絶縁膜である二酸化シリコン膜の
酸素が拡散したからだと考えられる。

【００４２】この図から分かるようにシリコン膜の温度
がシリコンの融点（１４１４℃）より１５０℃程オ−バ
−ヒ−トしただけで酸素混入量が４倍になっている。し
たがって本実施例の方法を用いてオーバーヒートを防止
すれば酸素の混入量が十分小さい単結晶シリコン膜を得
ることができる。

【００４３】また、このようにして得られた上方の単結
晶シリコン膜を用いてｎ型のＭＯＳトランジスタを形成
しその移動度を調べたところ、その値は５５０ｃｍ２　
／Ｖ・ｓとなり良好な結果が得られた。一方、従来の方
法を用いて形成したｎ型のＭＯＳトランジスタの移動度
の値は、酸素混入などの影響で３２０ｃｍ２　／Ｖ・ｓ
程度にしかならなかった。

【００４４】また、第２図に示したような従来法で得ら
れた下方の単結晶シリコン膜に素子を形成した場合も、
しきい値の変化など特性の劣化がみられたが、本実施例
で得られた下方の単結晶シリコン膜を用いた場合にはそ
のような特性劣化がみられなかった。

【００４５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。上記実施例では多結晶シリコン膜の場
合について説明したが、多結晶シリコン膜の代わりにア
モルファスシリコン膜を用いても同様の効果が得られる
。

【００４６】また、開口部の形状を円柱としたが、他の
形状、例えば、多角形にしても同様な効果が得られる。 その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施できる。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように本発明の単結晶半導体
膜の形成方法によれば、開口部を介して適量の熱を非単
結晶膜から逃がすことができるので高品質な単結晶膜を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の単層の単結晶シリコン膜の形成方法を説
明するための図。

【図２】従来の多層の単結晶シリコン膜の形成方法を説
明するための図。

【図３】本発明の一実施例に係る単結晶シリコン膜の形
成方法を説明するための図。

【図４】本発明の他の実施例に係る単結晶シリコン膜の
形成方法を説明するための図。

【図５】図４に示されている試料基板を上方から見た図
。

【図６】電子ビ−ムの走査方法の一例を示す図。

【図７】電子ビ−ムの偏向に用いる変調波を示す図。

【図８】上部多結晶シリコン膜を再結晶化したときの種
結晶部からの距離と各シリコン膜の熱履歴の最高温度と
の関係を示す図である。

【図９】単結晶シリコン膜中の酸素濃度と溶融している
シリコン膜の温度との関係を示す図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…種結晶部，３…二酸化シリコン
膜、５…多結晶シリコン膜、６…単結晶シリコン膜、７
…二酸化シリコン膜、９…多結晶シリコン膜、１０…種
結晶部、１１…シリコン基板、１３…二酸化シリコン膜
、１５…単結晶シリコン膜、１７…二酸化シリコン膜、
１９…単結晶シリコン膜、２１…二酸化シリコン膜、２
３…単結晶シリコン膜、２５，２７…開口部、２９…半
導体基板、３１…素子分離用絶縁膜、３３…ソ−ス・ド
レイン、３５…ゲ−ト電極、３７…ゲ−ト絶縁膜、３８
…層間絶縁膜、３９…単結晶シリコン膜、４１…単結晶
シリコン膜、４３，４５…電子ビ−ムの走査方向、４７
…ビ−ム光源、４９…スポットビ−ム、５１…発振器、
５３…偏向板、５５…電子ビ−ム、５７…試料基板、５
９…正弦波、６１…変調波、６３，６５，６７，６９…
温度曲線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の開口部を有する第１の絶縁膜上に形
   成された単結晶半導体膜上に、前記第１の絶縁膜の複数
   の開口部との間隔が前記第１の絶縁膜の膜厚の５倍以上
   となる複数の開口部を有する第２の絶縁膜を形成する工
   程と、前記第２の絶縁膜上に非単結晶半導体膜を形成す
   る工程と、エネルギ−ビ−ムを照射して前記非単結晶半
   導体膜を単結晶化する工程と、を有することを特徴とす
   る半導体単結晶膜の製造方法。
2. 【請求項２】単結晶半導体膜上に絶縁膜を形成する工程
   と、前記絶縁膜に開口部の間隔が前記絶縁膜の膜厚の１
   倍以上２０倍以下となる複数の開口部を形成する工程と
   、前記絶縁膜上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
   エネルギ−ビ−ムを照射して前記非単結晶半導体膜を単
   結晶化する工程と、を有することを特徴とする半導体単
   結晶膜の製造方法。