JPH0479993B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、立方晶の単結晶半導体基板上に形
成された絶縁層上に同じ立方晶の単結晶半導体層
を形成する方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、レーザビームを用いて絶縁層上の多
結晶シリコン層を溶融再凝固させて単結晶化する
方法は、たとえば３次元構造などの新しい構造の
半導体装置の基礎技術として注目されてきた。

第８図の断面図を参照して、テキサスインスツ
ルメンツ社のH.W.Lam達（ECS Meeting，1980
年、Extended Abstract）によつて発表されたラ
テラルシーデイング法が図解されている。単結晶
シリリコン基板１０上には絶縁層１２が形成され
ており、絶縁層１２上には単結晶化されるべき多
結晶シリコン層１３が形成されている。このシリ
コン層１３は絶縁層１２の開口部１１を介して基
板結晶１０に種付けされて、左から右に走査する
レーザビーム１４によつて溶融再凝固しながら単
結晶化される。この方法は単結晶化されたシリコ
ン層１３の結晶方位が基板結晶によつて完全に規
定されるので理想的な結晶成長技術であるとされ
ており、国内では特公昭42−12087号公報で公表
されている。

しかし、原理的に優れていると考えられたこの
手法は、実際には成功を収めていない。すなわ
ち、半導体層１３の種付けされた結晶成長は開口
部１１から100〜200μm程度しか進まず、また積
層欠陥や双晶などの結晶欠陥が多数発生し、良好
な単結晶層とは言い難いものであつた。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述のラテラルシーデイング法が成功していな
い原因は、従来レーザビームのガウス分布に近い
パワー分布を補償するような工夫をすることなく
ビーム走査を行なつて溶融再凝固させていたから
である。すなわち、レーザビーム１４によつて照
射されているシリコン層１３の領域は、ビームの
走査方向を横切る方向において第９Ａ図のような
温度分布を有している。第９Ｂ図において、この
ような温度領域がシリコン層１３上を移動した状
態の平面図が第８図のような断面図と対比されて
示されている。レーザビーム１４は太い矢印で示
されている方向に移動する。このとき、多数の細
い矢印で示されているように、ビーム移動の両側
縁の低温度部から走査帯の中心軸に向かつて多数
の細長い結晶が延びて成長する。そして、走査帯
の中央部において、それらの細長い結晶が出会う
ため、開口部１１で種付けされて単結晶化された
シリコン層１３の領域（ハツチングされた領域
Ｓ）の成長がその後阻止されてしまう。すなわ
ち、この単結晶領域Ｓが成長するのは開口部から
わずか100〜200μmに限られている。

このような走査帯の両側縁部からの結晶の侵入
を阻止しようとして、第１０Ａ図、第１０Ｂ図、
および第１０Ｃ図で図解されているような反射防
止膜をシリコン層１３上に形成することが試みら
れた。第１０Ａ図は平面図であつて、シリコン層
１３上に形成された反射防止膜１５，１６が示さ
れている。所定の幅を有する反射防止膜のストラ
イプ１６は、レーザビームの走査方向に沿つて所
定の間隔で配置されている。また、開口部１１の
直上領域には、その開口部を介して基板１０に逃
げる熱による温度低下を補うために反射防止帯１
５が設けられている。第１０Ｂ図と第１０Ｃ図
は、それぞれ第１０Ａ図における線１０Ｂ−１０
Ｂと線１０Ｃ−１０Ｃに沿つた断面構造を示して
いる。この場合、レーザビームの走査方向を横切
る方向において、ストライプ１６の効果によつて
周期的に変動する温度分布の波を形成し、それに
よつて走査帯の両側縁部からの結晶が中央部へ侵
入することを阻止しようとするものである。同様
に、下地酸化膜の厚みに変化をつけることによつ
て、走査方向を横切る方向の熱分布の制御も試み
られた。しかし、いずれの試みも開口部１１から
200μm以上の単結晶の成長を達成することはでき
なかつた。

本発明の目的は、上述のような問題点を克服し
て、単結晶半導体基板上に形成された絶縁層上に
大面積の半導体単結晶層を成長させる方法を提供
することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による立方晶の半導体単結晶の成長方法
は、絶縁層上の多結晶半導体層を種付用開口部を
介して半導体基板の単結晶に種付けし、エネルギ
ビームでその半導体層を部分的に溶融再凝固させ
ながら走査し、その走査に伴つて移動する半導体
層の再凝固する液固界面を１以上の｛111｝面に
一致させながら移動させるようにしたものであ
る。

［作用］ 本発明による半導体単結晶層の成長方法におい
ては、立方晶半導体結晶で一般に最も安定な
｛111｝面が液固界面（結晶成長面）に一致させら
れて移動するので、その結晶成長は最も安定して
行なわれ、粒界や結晶欠陥の発生を生ずるような
歪が極めて少なくなり、長い単結晶成長が得られ
る。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例に用いるシリコン単
結晶基板を示している。その主面は（001）面で
あり、オリエンテーシヨンフラツト面は（１１
０）面である。

第２Ａ図と第２Ｂ図を参照して、第１図の半導
体基板を用いた半導体単結晶層成長用ウエハが概
略的に図解されている。第２Ａ図はそのウエハの
一部を示す平面図であり、第２Ｂ図は第２Ａ図に
おける線２Ｂ−２Ｂに沿つた断面構造を示してい
る。シリコン単結晶基板１０上には約10μm幅の
種付舗用開口部１１を有する絶縁層１２が形成さ
れ、絶縁層１２上には単結晶化されるべきシリコ
ン多結晶層１３が形成されている。シリコン層１
３上には、第１０Ａ図と同様にパターン化された
反射防止膜１５，１６が形成されている。しか
し、本実施例の場合、レーザビームの走査方向に
沿つて配置されるストライプ１６は基板単結晶１
０の［100］方向と一致させられている。さらに、
このウエハ表面には表面保護用の薄い絶縁膜１７
が設けられている。

第３Ａ図と第３Ｂ図は、のようなウエハをレー
ザビームで左から右へ走査する場合の状態を概略
的に図解している。レーザビームの走査におい
て、たとえば連続発振する約15Wのアルゴンレー
ザを用いることができ、約100μmのスポツトサイ
ズのビームで、約12cm／secの速度で走査するこ
とができる。レーザビーム１４が照射されている
シリコン層１３のうち、反射防止ストライプ１６
の下の領域はレーザエネルギをよく吸収するので
他の領域より温度が高くなる。そして、レーザビ
ームの走査方向を横切る方向において、ストライ
プ１６の周期に対応した周期的な温度分布の波が
形成される。したがつて、シリコン層１３の単結
晶成長の先端における液固界面において、ストラ
イプ１６直下の領域では再凝固が遅れ、他の領域
では凝固が進むことになる。その結果、結晶成長
の液固界面は第３Ａ図の参照番号２０で示されて
いるように鋸歯状になる。また、シリコン層１３
中の熱は開口部１１方向や下方に逃げるので、液
固界面２０は第３Ｂ図に示されているようにシリ
コン層１３の下方で進み上方で送れる結果とな
る。

第４図に示されたウエハの一部の透視図におい
て、基板単結晶１０から結晶方位を受け継いて、
絶縁層１２上で［100］方向に成長しようとする
シリコン層１３の単結晶領域における｛111｝面
の組合わせによつて、参照番号３０で示されてい
るような鋸歯状の境界を形成することができる。
すなわち、（１１１）面と（111）面は下地絶縁層
１２との交線が互いに90゜で交わり、第３Ａ図の
液固界面２０と同様な鋸歯状の境界３０を形成す
ることができる。また、この境界３０はシリコン
層１３の下方において［100］方向に進んでおり、
上方において遅れている。これは第３Ｂ図の液固
界面２０と同様である。

したがつて、開口部１１の幅、反射防止膜１５
と１６の厚さ、およびストライプ１６の幅と間隔
などを適切に設定することにより、結晶成長の液
固界面２０を（１１１）面および（111）面を組
合わせた境界３０と一致させることができる。こ
の場合、シリコンの最も安定な結晶面である
｛111｝面が移動しながら単結晶が成長することに
なるので、粒界や結晶欠陥が発生するような歪が
極めて小さくなり、安定した単結晶成長が得られ
ることになる。

第５図の上段はこのようにして得られたシリコ
ン層１３の単結晶成長帯の光学顕微鏡写真を示し
ており、下段にその構造が図解されている。この
単結晶成長帯は、9μmの開口部１１、厚さ500nm
のシリコン窒化膜からなる反射防止膜１５と１
６、および厚さ60Åのシリコン窒化膜からなる表
面保護膜を用いて得られたものである。写真の単
結晶帯は結晶欠陥を表わすためにセコエツチング
されているが、下段の線図で図解されているよう
に単結晶帯に平行な亜粒界（sub−G.B.）以外に
は結晶欠陥が観察されず、開口部（seed）から１
mm以上の長さにわたつて結晶が成長している。

第６図はもう１つの実施例において用いること
ができるシリコン単結晶基板を示している。この
基板の主面は（110）面であり、オリエオテーシ
ヨンフラツト面は（１１０）面である。

第７Ａ図と第７Ｂ図は、第６図のシリコン単結
晶基板１０を用いてシリコン層１３を単結晶化す
る場合における第４図と同様な透視図である。第
７Ａ図は単結晶を［１10］方向に成長させる場合
であり、第７Ｂ図は［001］方向に成長させる場
合である。第７Ａ図と第７Ｂ図において、（１１
１）面（１11）面はそれぞれ109.47゜と70.52゜の立
体角で交わり、いずれの面もシリコン層１３内に
おいて垂直に立つている。したがつて、このよう
な｛111｝面の組合わせによる境界面を単結晶成
長の液固界面と一致させるためには、下地絶縁層
の開口部１１の幅を約2μmのように小さくし、さ
らにストライプ１６の幅と間隔を第７Ａ図の場合
にはたとえばそれぞれ4μmと10μmにし、第７Ｂ
図の場合にはそれぞれ6μmと10μmにすればよい。
このようにすれば、シリコン層１３の上方と下方
の放熱差は小さなり、第７Ａ図と第７Ｂ図のいず
れの場合にも液固界面を｛111｝面の組合わせた
界面に一致させることができる。こうして、
（001）面を主面とする単結晶基板を用いた場合と
同様にシリコン層１３が良好に単結晶化される。
但し、この場合の単結晶層１３の主面は（110）
面であり、第１図の基板を用いた場合には（001）
面になることは言うまでもない。

以上の実施例では、特定の面方位や軸方位を指
定して説明したが、等価な関係にある面方位や軸
方位の等価な組合わせであれば同等に実施し得る
ことが明らかである。

また、上記実施例では、レーザビームを用いる
場合を説明したが、たとえば線状の電子ビームを
用いても同様な結果が得られる。

［発明の効果］ 以上のように、発明による立方晶の半導体単結
晶層の成長方法によれば、結晶成長の液固界面を
安定な結晶面である｛111｝面を組合わせて形成
される境界と一致させるようにしたので、結晶粒
界や結晶欠陥が導入されることなく良質の単結晶
半導体層が形成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられるシリコン単結晶基
板を示す斜視図である。第２Ａ図と第２Ｂ図は本
発明によるシリコン単結晶層形成用のウエハの構
造を示す図である。第３Ａ図と第３Ｂ図は本発明
によるレーザビームによる走査の状態を説明する
図である。第４図は第３Ａ図および第３Ｂ図に示
されたウエハと｛111｝面の組合わせによる境界
との関係を図解する透視図である。第５図は本発
明による一実施例によつて得られた単結晶層の光
学懸微鏡写真である。第６図は本発明のもう１つ
の実施例に用いられるシリコン単結晶基板の斜視
図である。第７Ａ図と第７Ｂ図は第６図のシリコ
ン単結晶基板を用いたウエハと｛111｝面の組合
わせによる境界との関係を示す透視図である。第
８図は従来のラテラルシーデイング法を示す断面
図である。第９Ａ図は従来のラテラルシーデイン
グ法において単結晶化されるべき半導体層の温度
分布を説明する図であり、第９Ｂ図はそのような
温度分布で走査した場合の溶融再凝固組織を示す
図である。第１０Ａ図は第９Ａ図のような温度分
布を修正するための反射防止膜のパターンを有す
る従来のウエハの上面図であり、第１０Ｂ図と第
１０Ｃ図は第１０Ａ図のウエハの断面図である。 図において、１０はシリコン基板、１１は種付
用開口部、１２は下地絶縁層、１３は多結晶シリ
コン層、１４はレーザビーム、１５は開口部１１
の上方の反射防止膜、１６は反射防止膜のストラ
イプ、１７は表面保護用の絶縁膜、２０は単結晶
成長の液固界面、３０は｛111｝面の組合わせに
よる境界を示す。なお、各図において同一符号は
同一部分または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 立方晶の単結晶半導体基板と、前記基板の１
   主面上に形成されかつ前記主面の一部を露出させ
   る種付用開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上
   に形成されかつ前記開口部を介して前記基板に種
   付される立方晶の多結晶半導体層を備えたウエハ
   を用意し、 エネルギビームで前記半導体層を部分的に溶融
   再凝固させながら走査し、それによつて、前記開
   口部を介して前記基板を種結晶として前記半導体
   層を単結晶化する方法において、 前記エネルギビームの走査に伴つて移動する前
   記半導体層の再凝固する液固界面を１以上の
   ｛111｝面に一致させながら移動させることを特徴
   とする半導体単結晶層の成長方法。 ２ 前記半導体層上には、前記エネルギビームの
   走査方向に沿つて、所定の幅を有する細い反射防
   止膜の帯が所定の間隔で設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体結晶
   層の成長方法。 ３ 前記半導体層上には、前記開口部の直上領域
   にも反射防止膜が形成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の半導体単結晶層の
   成長方法。 ４ 前記主面は１つの｛100｝面であり、前記エ
   ネルギビームの走査方向は前記主面内の１つの
   〈100〉方向であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載され
   た半導体単結晶層の成長方法。 ５ 前記主面は１つの｛110｝面であり、前記エ
   ネルギビームの走査方向は前記主面内の１つの
   〈110〉方向であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載され
   た半導体単結晶層の成長方法。 ６ 前記主面は１つの｛110｝面であり、前記エ
   ネルギビームの走査方向は前記主面内の１つの
   〈100〉方向であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかの項に記載され
   た半導体単結晶層の成長方法。 ７ 前記基板と半導体層はシリコンからなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項
   のいずれかの項に記載された半導体単結晶層の成
   長方法。 ８ 前記ウエハは、薄い絶縁物の表面保護膜によ
   つて表面が保護されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかの項に
   記載された半導体単結晶層の成長方法。 ９ 前記エネルギビームは連続発振のアルゴンレ
   ーザビームであり、少なくとも4880Åと5145Åの
   波長の１つを含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第８項のいずれかの項に記載され
   た半導体単結晶層の成長方法。 １０ 前記エネルギビームは連続的な電子ビーム
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第８項のいずれかの項に記載された半導体単
   結晶層の成長方法。