JPH05102035A - 半導体結晶の成長方法 - Google Patents

半導体結晶の成長方法

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JPH05102035A
JPH05102035A JP28570291A JP28570291A JPH05102035A JP H05102035 A JPH05102035 A JP H05102035A JP 28570291 A JP28570291 A JP 28570291A JP 28570291 A JP28570291 A JP 28570291A JP H05102035 A JPH05102035 A JP H05102035A
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JP
Japan
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semiconductor layer
amorphous semiconductor
single crystal
light
excimer laser
Prior art date
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Pending
Application number
JP28570291A
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English (en)
Inventor
Takashi Noguchi
隆 野口
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、エキシマレーザ光照射によって非
晶質半導体層の所定の領域に結晶成長させる核を発生さ
せることで、低温固相アニール処理を開始してから結晶
成長を始めるまでの時間を短縮してスループットの向上
を図る。 【構成】 第1の工程で、基板11上の非晶質半導体層
13の上面に遮光性マスク17を形成する。次いで第2
の工程で、遮光性マスク17を用いて、当該非晶質半導
体層13にエキシマレーザ光31を照射し、照射領域に
結晶成長させる核18を発生させる。続いて第3の工程
で、低温固相アニール処理を施すことで、当該非晶質半
導体層13に発生させた核18より結晶を成長させて単
結晶領域19,20を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、SOI基板やSOS基
板等の非晶質シリコン層を結晶化する半導体結晶の成長
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高抵抗負荷型のスタティックRAM(以
下SRAMと記す)では、多結晶シリコンで形成した負
荷型メモリセルが用いられている。しかしながら高抵抗
負荷型のSRAMは、動作マージン,信頼性,スタンバ
イ電流等を十分に確保することが困難である。そこで上
記問題点を解決するために、膜質の均一性に優れた多結
晶シリコンに形成した薄膜トランジスタを負荷素子に用
いた積層型SRAMが提案されている。多結晶シリコン
の形成方法として、通常の化学的気相成長法、またはラ
ンダム固相成長法等が提案されている。特にランダム固
相成長法では、結晶粒の粒径が1μm以上に大粒径化さ
せた多結晶シリコン層を形成することが可能である。ま
た選択的に形成した単結晶領域に薄膜トランジスタを形
成する方法も提案されている。次に選択的に単結晶領域
を形成する方法を、図3の形成工程図により説明する。
図の(1)に示すように、酸化シリコン層51上の多結
晶シリコン層52に低ドーズ量でシリコン(Si+ )を
イオン注入する。続いて図の(2)に示す如く、多結晶
シリコン層52の上面にレジストマスク53を形成し、
レジストマスク53で覆われていない多結晶シリコン層
52に高ドーズ量でシリコン(Si+ )を選択的にイオ
ン注入する。その後レジストマスク53を除去して、図
の(3)に示すように、低温固相成長法によりシリコン
を高濃度にイオン注入した領域を中心にして結晶を成長
させ、単結晶シリコン領域54を形成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通常の
化学的気相成長法による多結晶シリコン膜の形成方法で
は、大きな結晶粒を形成しようとすると膜質の均一性に
優れかつ低リークで高移動度を有する多結晶シリコン膜
を形成することが困難である。ランダム固相成長法で
は、結晶を選択的に成長させることが難しいので、トラ
ンジスタのチャネルが結晶粒界にかかることがある。こ
の場合には、リーク電流やしきい電圧にばらつきが生じ
て、トランジスタの信頼性が低下する。また選択的に単
結晶シリコン領域を形成する方法では、低温固相成長処
理を開始してから結晶が成長を始めるまでに数時間かか
るので、スループットが低い。さらにSOI基板を形成
する方法として、アルゴンイオンレーザを照射して結晶
化する方法,SIMOX法またはゾーンメルト法等が提
案されているが、いずれも再現性が悪く、スループット
も低い。
【0004】本発明は、品質に優れた単結晶領域を選択
的に形成する半導体結晶の成長方法を提供することを目
的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた半導体結晶の成長方法である。す
なわち、第1の工程で、基板上の非晶質半導体層の上面
に遮光性マスクを形成する。次いで第2の工程で、遮光
性マスクを用いて、当該非晶質半導体層にエキシマレー
ザ光を照射して結晶成長させる核を発生させる。続いて
第3の工程で、低温固相アニール処理を施すことで、当
該非晶質半導体層に発生させた核より結晶を成長させて
単結晶領域を形成する。
【0006】
【作用】上記半導体結晶の成長方法では、非晶質半導体
層の上面に遮光性マスクを形成し、当該遮光性マスクを
用いて単結晶領域を形成しようとする非晶質半導体層の
部分にエキシマレーザ光照射を照射することにより、結
晶成長させる核を発生させる。その後低温固相成長を施
すことによって、核より結晶を成長させて、単結晶領域
を形成する。
【0007】
【実施例】本発明の実施例を図1に示す単結晶領域の形
成工程図により説明する。図(1)に示すように、例え
ば低圧の化学的気相成長法によって、シリコンよりなる
基板11の上面に酸化シリコン(SiO2 )の絶縁膜1
2を成膜する。続いてモノシラン(SiH4 )またはジ
シラン(Si2H6 )を反応ガスに用いた低圧の化学的
気相成長法またはプラズマによる化学的気相成長法等に
よって、絶縁膜12の上面にアモルファスシリコンの非
晶質半導体層13を例えば40nmの厚さに成膜する。
なおこのときの成膜温度は450℃以下に設定する。
【0008】また上記工程において、化学的気相成長法
によって基板11の上面に多結晶シリコン層を形成し、
その後形成した多結晶シリコン層にシリコン(Si+ )
をイオン注入し、多結晶シリコン層を非晶質化して非晶
質半導体層13を形成してもよい。あるいは、基板11
の上面に酸化シリコンの絶縁膜12を形成しないで、基
板11を石英ガラスで形成し、この基板11に上記同様
に化学的気相成長法によって非晶質シリコンよりなる非
晶質半導体層13を成膜することも可能である。
【0009】次いで図の(2)に示す第1の工程で、例
えば化学的気相成長法によって、非晶質半導体層13の
上面におよそ500nmの厚さの酸化シリコン膜14と
およそ100nmの厚さのシリコン膜15とを積層状態
に成膜する。なお酸化シリコン膜14は、エキシマレー
ザ光を照射することによりシリコン膜15で熱変換され
たエキシマレーザ光の熱を十分に逃がす作用をする厚さ
に形成される。またシリコン膜15の厚さは、エキシマ
レーザ光が透過しない厚さであれば100nmに限定さ
れない。通常80nmの厚さがあればエキシマレーザ光
は透過しないので、80nm以上の厚さに形成する。
【0010】その後通常のホトリソグラフィーによっ
て、シリコン膜15の上面にレジストでエッチングマス
ク(図示せず)を形成する。次いでこのエッチングマス
クを用いて、例えば反応性イオンエッチングによって、
シリコン膜15と酸化シリコン膜14とを異方性エッチ
ングし、2点鎖線で示す部分を除去する。そしてシリコ
ン膜15と酸化シリコン膜14とにスルーホール16を
設けた、遮光性マスク17を形成する。スルーホール1
6は、結晶成長させようとする領域の中心に形成され、
その径の大きさは最大0.8μmより小さい径で形成さ
れる。径の大きさを0.8μm以上に形成した場合に
は、後述する低温固相成長処理において結晶成長した部
分が多結晶シリコンになる。
【0011】その後図の(3)に示すように、上記エッ
チングマスクを、例えばアッシャー処理によって除去す
る。次いで第2の工程で、遮光性マスク17を用いて、
エキシマレーザ光31を非晶質半導体層13に向けて照
射する。エキシマレーザ光31はスルーホール16を通
過して非晶質半導体層13に照射され、その照射部分の
非晶質半導体層13中に核18が発生する。照射するエ
キシマレーザ光31のエネルギー密度は、非晶質半導体
層13の厚さに対応して当該非晶質半導体層13が結晶
化しないエネルギー密度(例えば非晶質半導体層13の
厚さが40nmの場合にはおよそ130mJ/cm2 )
に設定される。
【0012】続いて図の(4)に示すように、遮光性マ
スク17〔図1の(3)参照〕をウェットエッチングま
たはプラズマエッチング等の非晶質半導体層13にダメ
ージを与えない手段により除去する。次いで第3の工程
を行う。この工程では、核18を発生した非晶質半導体
層13を低温固相アニール処理して、発生した核18よ
り樹枝状の結晶を成長させ、幅および長さがおよそ数μ
mの樹枝状の単結晶領域19,20を生成する。この低
温固相アニール処理は、例えば電気炉を用い、炉中を窒
素(N2 )雰囲気にし、雰囲気の温度を600℃にして
40時間保持して行う。
【0013】上記低温固相アニール処理によって生成さ
れる単結晶領域19,20の成長状態を図2により説明
する。まず図の(1)に、0.7μm径の領域にエキシ
マレーザ光(図1参照)を照射した後、低温固相アニー
ル処理を3時間行った後の結晶の成長状態を示す。図に
示すように、エキシマレーザ光を照射した領域(2点鎖
線で囲まれた部分)に結晶成長させる核(図示せず)が
発生する。この核より樹枝状の結晶21がほぼ放射状に
成長して、単結晶領域19,20を形成する。そして低
温固相アニール処理をさらに続けた場合を図の(2)に
示す。この場合には、上記樹枝状の結晶21がさらに成
長して、一つの核より結晶成長した単結晶領域19は隣
接する単結晶領域20に接触する状態になるまで成長す
る。このとき単結晶領域19,20とが接する部分は結
晶粒界22になる。
【0014】上記のようにして形成された単結晶領域1
9,20は、膜質の均一性に優れていてかつ低リークで
高キャリア移動度を有する。また非晶質半導体層13の
所望の位置に単結晶領域19,20を形成することがで
きるので、非晶質半導体層13にトランジスタ(図示せ
ず)を形成する場合には、トランジスタのチャネル層を
上記単結晶領域19,20内に形成することが可能にな
る。
【0015】このように上記単結晶領域19,20をト
ランジスタのチャネル層として用いた場合には、キャリ
ア移動度μが高くなる。因みに薄膜トランジスタの場合
にはμの値が100cm2 /Vs程度になる。このた
め、トランスコンダクタンスgmが大きくなる。よって
リーク電流が少なくなる。また、チャネル層には結晶粒
界が存在しないので、リーク電流やしきい電圧Vthの
ばらつきが小さくなる。さらに結晶化する際の熱処理温
度が600℃以下なので、低温化プロセスが可能にな
る。
【0016】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
エキシマレーザ光照射によって非晶質半導体層に核を発
生させることができるので、核発生の時間が短縮でき、
結晶化のスループットが向上する。また遮光性マスクを
形成して、結晶化したい非晶質半導体層の部分にのみエ
キシマレーザ光を照射するので、選択的に単結晶領域を
形成することが可能になる。よって、トランジスタのチ
ャネル層を形成する領域に単結晶領域を形成することが
可能になる。この結果、チャネル層には結晶粒界が存在
しなくなるのでリーク電流が大幅に低減され、移動度が
高くなり、しきい電圧のばらつきが小さくなる。よっ
て、トランジスタの信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の単結晶領域の形成工程図である。
【図2】低温固相アニール処理における結晶成長の説明
図である。
【図3】従来例の結晶成長方法の説明図である。
【符号の説明】
11 基板 13 非晶質半導体層 17 遮光性マスク 18 核 19 単結晶領域 20 単結晶領域 31 エキシマレーザ光

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上の非晶質半導体層の上面に遮光性
    マスクを形成する第1の工程と、 前記遮光性マスクを用いて前記非晶質半導体層にエキシ
    マレーザ光を照射することで、当該非晶質半導体層に結
    晶成長させるための核を発生させる第2の工程と、 前記非晶質半導体層に低温固相アニール処理を施すこと
    により、前記発生させた核より結晶を成長させて、当該
    非晶質半導体層に単結晶領域を形成する第3の工程とに
    よりなることを特徴とする半導体結晶の成長方法。
JP28570291A 1991-10-04 1991-10-04 半導体結晶の成長方法 Pending JPH05102035A (ja)

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JP28570291A JPH05102035A (ja) 1991-10-04 1991-10-04 半導体結晶の成長方法
US07/954,341 US5373803A (en) 1991-10-04 1992-09-30 Method of epitaxial growth of semiconductor

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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