JPH0652712B2

JPH0652712B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JPH0652712B2
Application number: JP61048471A
Authority: JP
Inventors: 和之須賀原; 正西村; 茂楠; 靖朗井上
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1986-03-07
Publication date: 1994-07-06
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: JPS62206819A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は半導体装置、特に、絶縁体上に半導体単結晶
膜を形成し、この単結晶膜を基板としてトランジスタを
形成する構造の半導体装置において、絶縁体層上に高品
質かつ大面積の単結晶半導体層を形成することのできる
半導体装置に関する。

［従来の技術］半導体装置の高速化，高密度化を実現するため、回路素
子を誘電体で電気的に分離して浮遊容量の少ない半導体
集積回路を製造する試み、また回路素子を立体的に積層
するいわゆる３次元回路素子を製造する試みがなされて
おり、その一方法として絶縁体層上に半導体単結晶層を
形成し、この半導体単結晶層内に回路素子を構成する方
法がある。この半導体単結晶層を形成する方法の１つと
して、絶縁体上に多結晶または非晶質の半導体層を堆積
し、その表面にレーザ光，電子線などのエネルギー線を
照射することによって表面層の半導体層のみを加熱し、
非晶質または多結晶の半導体層を溶融，再結晶化させる
ことにより単結晶の半導体層を形成する方法がある。

第３Ａ図ないし第３Ｃ図は従来の、絶縁体膜上に単結晶
半導体膜を製造する方法を示すための図であり、第３Ａ
図は従来の半導体装置の平面構造を示し、第３Ｂ図は第
３Ａ図のＩ−Ｉ線に沿った断面構造およびレーザ走査方
向を示す図であり、第３Ｃ図は第３Ａ図のII−II線に沿
った断面構造を示す図である。以下、第３Ａ図ないし第
３Ｃ図を参照して従来の半導体装置の構成および絶縁体
膜上へ単結晶半導体を製造する方法について説明する。

従来の半導体装置は、｛１００｝面（（００１）面また
はその等価な結晶面）を主面とするシリコンからなる単
結晶半導体基板１１と、単結晶シリコン基板１１の主面
上に、その一部に長手状開口部２３を有する厚い二酸化
シリコンからなる絶縁膜である酸化膜１２と、酸化膜１
２上および開口部２３上に形成され、レーザ光１５によ
って溶融されるべき多結晶シリコン膜１３と、多結晶シ
リコン膜１３上に、その長さ方向がシリコン単結晶基板
１１の（００１）面上の＜１１０＞方向（正確には＜１
０＞方向）に設定され、幅約５μｍ、間隔約１０μｍ
で周期的にストライプ状に形成されるたとえばシリコン
窒化膜からなる反射防止膜４１とから構成される。酸化
膜１２に設けられた長手状開口部２３は、シリコン単結
晶基板１１の（００１）面上の＜１１０＞方向に設けら
れ、この部分において、単結晶シリコン基板１１の主面
は酸化膜１２表面まで露出する。反射防止膜４１は、レ
ーザ光１５照射時に多結晶シリコン膜１３内の温度分布
を制御して一方方向の結晶成長（開口部２３を通じた下
地基板単結晶を種とするエピタキシャル成長）のみを実
現するために厚さ約５５０ÅにＣＶＤ法などを用いて形
成される。多結晶シリコン１３を溶融するためのレーザ
光１５は第３Ｂ図の矢印Ｘ方向、すなわち単結晶シリコ
ン基板１１の（００１）主面上の＜１１０＞方向に走査
される。次に第３Ａ図ないし第３Ｃ図を参照して多結晶
シリコン層１３を単結晶化する方法について説明する。

長手状開口部２３上および厚い酸化膜１２上の多結晶シ
リコン膜１３をレーザ光１５の照射により溶融させ、さ
らにこの溶融を長手状開口部２３の下地単結晶シリコン
基板１１の表面まで及ばせることにより、溶融部３０が
固化，再結晶化する際に、長手状開口部２３の下地単結
晶シリコン基板１１を種とするエピタキシャル成長が生
じ多結晶シリコン膜１３が単結晶化する。ここで多結晶
シリコン膜１３上に設けられたストライプ状のシリコン
窒化膜からなる反射防止膜４１は、レーザ光の走査方向
（矢印Ｘ方向）に対し横方向の温度を上昇させ、溶融部
３０が固化，再結晶化する際に、多結晶シリコン膜１３
に存在する雑多な結晶核を種とする結晶成長を抑制し多
結晶シリコン膜１３の溶融部３０の結晶成長が必ず開口
部２３の下地の多結晶シリコン基板を種とするエピタキ
シャル成長のみが生じるように、その幅，間隔および膜
厚が設定されている。したがって、レーザ光１５で多結
晶シリコン膜１３を照射しながら矢印Ｘ方向に走査する
と、多結晶シリコン膜１３が溶融されて溶融部３０が形
成され、この溶融部３０から走査方向、すなわち矢印Ｘ
方向にエピタキシャル成長が連続して生じ、絶縁膜とし
ての酸化膜１２上まで下地単結晶シリコン基板の有する
面方位をなぞった単結晶膜１４を成長させることができ
る。レーザ光１５の照射後、すなわち全ての多結晶シリ
コン膜１３を単結晶シリコン膜１４に成長させた後、シ
リコン窒化膜からなる反射防止膜４１は除去され、単結
晶化したシリコン膜１４上にトランジスタ等の素子が作
成される。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、上述のような従来の半導体装置の構造において
は、下地単結晶シリコン基板上で＜１１０＞方向に設け
られた長手状開口部２３からこの長手状開口部２３に垂
直な＜１１０＞（正確には＜１０＞）方向にレーザ光
１５を走査しているので、開口部２０の下地単結晶シリ
コン基板１１を種とするエピタキシャル結晶成長方向は
レーザ光１５の走査方向、すなわち＜１１０＞方向とな
る。しかし、＜１１０＞方向へのこの結晶面固有の結晶
成長速度が小さいため、処理速度（スループット）を考
慮してレーザ光の走査速度を速くすると、単結晶エピタ
キシャル成長がレーザ光の走査に追随することができ
ず、積層欠陥などの結晶欠陥が発生し開口部端から１０
０〜２００μｍ程度の距離でエピタキシャル成長が止ま
ってしまい、それ以後は他の結晶軸をもった結晶が成長
してしまうなどの問題点があった。

それゆえ、この発明の目的は、上述のような問題点を除
去し、速いレーザ光走査速度においても単結晶成長距離
を長くすることができ、絶縁体膜上に大面積の下地基板
と同一の結晶軸を有する単結晶半導体層を得ることので
きる半導体装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］この発明にかかる半導体装置は、多結晶または非晶質半
導体（シリコン）膜上に、エネルギー線照射時に所望の
温度分布を与えるためのストライプ状に形成される反射
防止膜または反射膜のストライプの長さ方向を下地単結
晶基板の｛１００｝面の主面における［１１０］方向、
［１０］方向、［１０］方向、および［０］方
向のうちの一方向から反時計方向に２０度以上６０度以
下の範囲内の角度をなすようにしたものである。

［作用］エピタキシャル成長は、ほぼストライプの長さ方向に沿
って生じる。この結晶面の固有の成長速度は（００１）
主面における［１１０］方向、［１０］方向、［１
０］方向、および［０］方向のうちの一方向から反
時計方向に２０度以上６０度以下の範囲内の角度をなす
方向で大きいので比較的速い走査速度でレーザ光を走査
しても結晶成長がレーザ光の走査に追随することがで
き、絶縁体膜上に形成される単結晶半導体層の成長距離
を長くすることができ、大面積で結晶欠陥のない良品質
な半導体単結晶膜を得ることができる。

［発明の実施例］以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。なお以下の実施例の説明において従来の技術の説
明と重複する部分については適宜その説明を省略する。

第１Ａ図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置および絶縁体膜上に単結晶膜を形成する工程を
説明するための図であり、第１Ａ図はこの発明の一実施
例である半導体装置の平面配置を示す図であり、第１Ｂ
図は第１Ａ図のＩ−Ｉ線に沿った断面構造およびレーザ
光の走査方向を示し、第１Ｃ図は第１Ａ図のII−II線に
沿った断面構造を示す図である。第１Ａ図ないし第１Ｃ
図において、この発明の特徴として長手状開口部２３の
長手方向および膜厚５５０ÅのＣＶＤ法で形成された窒
化シリコン膜からなるストライプ状の反射防止膜４１の
ストライプの長さ方向が共に＜１１０＞方向またはその
等価な方向に対し３３゜の角度をなす方向、すなわち＜
５１０＞方向に設けられている点を除いて、第３Ａ図な
いし第３Ｃ図に示される従来の半導体装置の構成と同一
である。多結晶シリコン層１３の単結晶化は以下のよう
に行なわれる。たとえば連続発振のアルゴンレーザから
なる予め定められたパワー密度を有するレーザ光１５の
ビーム径を１００μｍに調節して、第１Ｂ図に示される
矢印Ｙ方向、すなわち＜５１０＞方向へ走査速度１０cm
／秒で走査しながら照射する。レーザ光１５の１回の走
査が終了すると、レーザ光１５を走査方向に対し垂直方
向に４０μｍ移動させた後、再び矢印Ｙ方向に走査す
る。次に多結晶シリコン層１３の単結晶化の機構につい
て詳細に説明する。

レーザ光は通常、そのパワーが中心部で高く周辺部で低
いいわゆるガウス型の強度分布を有している。しかし、
多結晶シリコン膜１３上にはシリコン窒化膜からなる反
射防止膜４１がストライプ状にパターニングされている
ため、シリコン窒化膜４１下部の多結晶シリコン膜１３
の温度は、シリコン窒化膜４１のない領域下部の多結晶
シリコン膜１３の温度より高く保たれる。これによりレ
ーザ光１０の照射領域では、ストライプが形成されてい
る周期とほぼ同様の周期を有する温度分布が多結晶シリ
コン１３内に形成されて、レーザ光１５のガウス型の強
度分布を補償することができる。すなわち反射防止膜４
１下の温度が高くかつストライプとストライプの間隔部
分の温度が低い温度分布が周期的に繰返される温度分布
を多結晶シリコン膜１３内に与える。溶融した多結晶シ
リコン３０は、反射防止膜（シリコン窒化膜）４１の効
果により、温度の低いシリコン窒化膜４１が形成されて
いない領域の中心部から温度の高いシリコン窒化膜４１
が形成されている領域へ向かって固化，再結晶化する。
このとき、多結晶シリコン膜１３は開口部２３を通じて
基板単結晶シリコン１１に接しているため、開口部２３
から下地単結晶シリコン基板１１を種とするエピタキシ
ャルな結晶成長のみがストライプの長さ方向に沿って、
窒化シリコン膜４１が形成されていない領域に向かって
連続的に生じる。このとき窒化シリコン膜４１のストラ
イプの長さ方向はシリコン結晶の固有の結晶成長速度が
大きい＜５１０＞方向にパターニングされているため、
多結晶シリコン膜１３が再結晶化する際の単結晶エピタ
キシャル成長はレーザ光１５の走査に追随することがで
き、それにより積層欠陥等の結晶欠陥が少なく、かつそ
の結晶面が下地単結晶シリコン基板１１と同一の（００
１）面である良質かつ大面積の単結晶層を得ることがで
きる。

なお、上記実施例においては、反射防止膜ストライプの
長さ方向を単結晶シリコン基板１１の主面上の＜５１０
＞方向としているが他の方向たとえば＜４１０＞，＜２
１０＞，＜１００＞方向にストライプを形成してもほぼ
同様の効果が得られる。すなわち、反射防止膜のストラ
イプの長さ方向が下地単結晶シリコン基板１１の主面上
の＜１１０＞方向またはその等価な方向に対し２０゜な
いし６０゜の角度をなす方向、すなわち主面における
［１１０］方向、［１０］方向、［１０］方向、お
よび［０］方向のうちの一方向から反時計方向に２
０度以上６０度以下の角度をなす方向にストライプを形
成するようにすれば開口部２３端部からのエピタキシャ
ル結晶成長距離を大幅に増大させることができる。

ここで、〈１１０〉方向としてはオリエンテーションフ
ラット面と最小の角度をなす方向をとると配置が実際的
となる。通常のウエハではオリエンテーションフラット
面は実質的に（１１０）面に一致するので、ストライプ
の長さ方向はオリエンテーションフラット面とウエハ主
面の交線から２０゜ないし６０゜の範囲内の角度をなす
方向に設定されてもよい。

さらに、上記実施例においては、反射防止膜として膜厚
５５０Åのシリコン窒化膜を使用しているが、溶融され
るべき多結晶シリコン膜中に所望の温度分布を作るよう
な膜の構成であればどのような構成でもよく、たとえば
多結晶シリコン膜１３上に１６００Åのシリコン酸化膜
をＣＶＤ法を用いて堆積し、このシリコン酸化膜上に膜
厚５５０Åのシリコン窒化膜をストライプ状にパターニ
ングした２層構造の絶縁体反射防止膜であっても同様の
効果が得られる。さらに、膜厚２０００ÅのＣＶＤ法を
用いて形成したシリコン酸化膜上にストライプ状のパタ
ーニングをした多結晶シリコン膜を設ける構成であって
もよい。この場合はこのストライプ状に形成された多結
晶シリコン膜がレーザ光を吸収するため、ストライプ状
の多結晶シリコン膜が形成されている領域の下の溶融さ
れるべき多結晶シリコン膜１３の温度はストライプ状の
多結晶シリコン膜が形成されていない領域よりも低くな
る。さらに溶融されるべき多結晶シリコン膜上にシリコ
ン酸化膜とたとえばタングステン膜からなる高融点金属
を堆積しこの高融点金属をストライプ状にパターニング
してもよい。このとき高融点金属膜をレーザ光を反射す
るため、その高融点金属の機能は反射防止膜と反対の反
射膜となる。

さらに上記実施例においてはたとえば連続発振のアルゴ
ンレーザを用いる場合を説明しているが、他のレーザ光
を用いてもよく、また電子線などのエネルギ線を用いて
も同様の効果が得られる。

またさらに、３次元回路素子のように下地半導体基板主
面上に構造が形成されていてもよく、たとえば第２Ａ
図，第２Ｂ図に示されるように、下地単結晶シリコン基
板１１の主面上にトランジスタなどの素子３０を形成し
た後で厚い絶縁物層１２を介して多結晶シリコン１３、
および反射防止膜４１を形成しても同様の効果が得られ
る。ここで、第２Ａ図は上述の３次元回路素子を実現す
るための半導体装置の構成の一例を示す図であり、第２
Ａ図はその平面配置を示す図であり、第２Ｂ図はその断
面構造を示す図である。第２Ａ図および第２Ｂ図におい
て、下地単結晶シリコン基板１１の主面上には、回路素
子を電気的に分離するための厚い絶縁膜すなわち分離酸
化膜１２′と、ＭＯＳトランジスタの動作を制御するた
めのゲート電極３１と、各回路素子を相互接続するため
のたとえば高融点金属で構成される配線３２とからなる
１層目の回路素子３０が形成される。１層目の回路素子
３０上には厚い絶縁膜である酸化膜１２が形成され、厚
い酸化膜１２の一部には下地単結晶シリコン基板１１の
主面に達する開口部２３が長手状に設けられる。厚い絶
縁膜である酸化膜１２上および開口部２３上には溶融さ
れるべき多結晶シリコン膜１３が形成され、多結晶シリ
コン膜１３上には、そのストライプの長さ方向がたとえ
ば＜５１０＞方向に設定された反射防止膜４１が予め定
められた幅および間隔を有してストライプ状に形成され
る。このような構成においても開口部２３の多結晶シリ
コン膜１３をレーザ光を用いて溶融させ、この溶融を単
結晶シリコン基板１１の主面にまで及ばせることにより
この開口部２３の多結晶シリコン膜１３をエピタキシャ
ル成長させ、この開口部２３の下地単結晶シリコン基板
１１の結晶面方位を拾ってエピタキシャル成長した単結
晶膜を種結晶として、絶縁体である酸化膜１２上の多結
晶シリコン膜１３上へのエピタキシャル成長をレーザ光
の走査により実現することができ、結晶成長速度の大き
い＜５１０＞方向に沿って長い距離の単結晶成長を実現
することができる。

さらに上記実施例においては、溶融されるべき半導体膜
として多結晶シリコン膜を用いた場合について説明して
いるが、非晶質シリコン膜を用いた場合においても同様
の効果が得られる。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、（００１）面またはそ
の等価な結晶面を主面とする単結晶半導体基板と、この
基板主面上に形成され、少なくともその一部分に単結晶
半導体基板主面が露出する長手状開口部を有する絶縁膜
と、この絶縁膜上および長手状開口部上に形成される、
エネルギー線照射により溶融されるべき多結晶または非
晶質半導体膜とから構成される基体となる半導体装置に
おいて、エネルギー線照射時に多結晶または非晶質半導
体膜内に所望の温度分布を与えるための反射膜または反
射防止膜を下地単結晶半導体基板の主面における［１１
０］方向、［１０］方向、［１０］方向、および
［０］方向のうちの一方向から反時計方向に２０度
以上６０度以下の範囲内の角度をその長さ方向が有する
ストライプ状に形成したので、絶縁体膜上に高品質かつ
大面積の単結晶半導体層を短時間で形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図ないし第１Ｃ図はこの発明の一実施例である半
導体装置および絶縁膜上に単結晶半導体層を形成するた
めの工程を示す図であり、第１Ａ図はこの発明の一実施
例である半導体装置の平面配置を示す図であり、第１Ｂ
図は第１Ａ図の線Ｉ−Ｉに沿った断面構造およびエネル
ギー線照射および走査方向を示す図であり、第１Ｃ図は
第１Ａ図のII−II線に沿った断面構造を示す図である。
第２Ａ図および第２Ｂ図はこの発明の他の実施例である
半導体装置の構成を示す図であり、第２Ａ図はその平面
配置を示し、第２Ｂ図は第２Ａ図のＩ−Ｉ′線に沿った
断面構造を示す図である。第３Ａ図ないし第３Ｃ図は従
来の半導体装置の構成および絶縁体膜上に単結晶半導体
層を形成するための製造工程を示すための図であり、第
３Ａ図は従来の半導体装置の平面配置を示す図であり、
第３Ｂ図は第３Ａ図のＩ−Ｉ線に沿った断面構造および
エネルギー線照射走査方向を示す図であり、第３Ｃ図は
第３Ａ図のII−II線に沿った断面構造を示す図である。図において、１１は（００１）面またはその等価な結晶
面を主面とする単結晶半導体基板、１２は絶縁膜である
酸化シリコン膜、１３は溶融されるべき多結晶または非
晶質シリコン膜、１４は再結晶化シリコン膜、２３は長
手状開口部、３０は１層目の回路素子、４１は反射防止
膜である。なお、図中、同符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−108313（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−93221（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に（００１）面の結晶面を主面とす
る半導体単結晶の基板と、前記基板の前記主面上に形成され、少なくともその一部
分に前記基板主面に達する開口部を有する第１の絶縁層
と、前記第１の絶縁層上および前記開口部上に形成され、エ
ネルギ線の照射を受けて溶融し、単結晶化された第１の
半導体層と、前記第１の半導体層上に形成されて、予め定められた幅
および間隔を有するストライプが周期的に繰返されるス
トライプ状の膜厚分布を有し、前記エネルギ線に対しス
トライプ状の反射率変化を与えるストライプ層とを備え
る半導体装置において、前記ストライプ層のストライプ
の長さ方向が前記基板の主面における［１１０］方向、
［１０］方向、［１０］方向、および［０］方
向のうちの一方向から反時計方向に２０度以上６０度以
下の範囲内の角度θをなすように形成されたことを特徴
とする半導体装置。
【請求項２】前記基板はシリコンからなり、かつ前記第
１の絶縁層は二酸化シリコンからなる特許請求の範囲第
１項記載の半導体装置。
【請求項３】前記ストライプ層は、ストライプ状に形成
される第２の絶縁層一層のみで構成される特許請求の範
囲第１項または第２項記載の半導体装置。
【請求項４】前記第２の絶縁層は、シリコン窒化膜で構
成される特許請求の範囲第３項記載の半導体装置。
【請求項５】前記ストライプ層は、前記第１の半導体層
上に形成される第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に
前記ストライプ状に形成される第３の絶縁層とから構成
される特許請求の範囲第１項または第２項に記載の半導
体装置。
【請求項６】前記第２の絶縁層は、二酸化シリコンから
なり、かつ前記第３の絶縁層は、シリコン窒化膜からな
る特許請求の範囲第５項記載の半導体装置。
【請求項７】前記ストライプ層は、前記第１の半導体層
上に形成される第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に
ストライプ状に形成される非単結晶の第２の半導体層か
ら構成される特許請求の範囲第１項または第２項の記載
の半導体装置。
【請求項８】前記第２の絶縁層は、二酸化シリコンから
なり、かつ前記第２の半導体層は、多結晶シリコンを用
いて構成される特許請求の範囲第７項記載の半導体装
置。
【請求項９】前記ストライプ層は、前記ストライプ状に
形成される高融点金属層を含む特許請求の範囲第１項記
載の半導体装置。
【請求項１０】前記高融点金属層は、タングステンで構
成される特許請求の範囲第９項記載の半導体装置。
【請求項１１】前記エネルギ線は、連続発振レーザ光ビ
ームである特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項１２】前記エネルギ線は、電子線である特許請
求の範囲第１項記載の半導体装置。
【請求項１３】前記基板と前記第１の絶縁層との間には
トランジスタ回路素子が形成される特許請求の範囲第１
項記載の半導体装置。