JPH0693429B2 - 多層半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は半導体基板の製造方法に関し、特に絶縁体上
に形成された単結晶半導体基板上にトランジスタ等の回
路素子を形成する半導体基板の製造方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 半導体装置の高性能化のため回路素子を誘導体で分離し
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
層上に非単結晶の半導体層を形成し、これをレーザ光な
どのエネルギ線を照射することによって表面層のみを加
熱し、単結晶の半導体層を形成する方法がある。この際
絶縁体に部分的に半導体単結晶基板に達する開口部を設
けておき、非単結晶の半導体層の溶融を開口部の単結晶
半導体基板の表面にまで及ばせることにより、非単結晶
の半導体層を基板単結晶と同一の結晶軸をもった単結晶
にすることが試みられている。

第４図は従来のエネルギ線を照射する直前の結晶基板の
平面図であり、第５図は第４図のＶ−Ｖ断面図である。

以下、両図を参照してその構成について説明する。

まず、単結晶よりなるシリコン基板１上に二酸化シリコ
ンよりなる酸化膜２が厚さ１μｍで形成され、所定位置
にシリコン基板１に達する開口３が設けられる。開口３
内部を含み、酸化膜２上に化学的気相成長法（CVD法）
で0.5μｍの厚さに多結晶シリコン５を堆積させ、その
上にやはりCVD法で100Åの厚さに酸化膜６を堆積させ
る。さらに酸化膜６上には開口３上方位置にCVD法で500
Åの厚さにストライプ状に窒化膜７が堆積される。また
窒化膜７に挾まれた酸化膜６上には、同じくCVD法で500
Åの厚さの窒化膜12が幅５μｍ、間隔10μｍで形成され
る。ここで、開口３は通常スクライブ線と呼ばれ幅100
ないし200μｍ、長さ10〜20mmで半導体集積回路のチッ
プを分断するための領域として設けられている。

第６図はエネルギ線の照射時における半導体基板の断面
図である。

以下、図を参照して照射状態について説明する。

第５図のような構造の基板に連続発振のアルゴンレーザ
光９を100μｍに絞って走査速度25cm/sで走査しながら
照射し、多結晶シリコン５を溶融させる。溶融された溶
融シリコン10の固化再結晶化は、開口３の単結晶のシリ
コン基板１から酸化膜２上の多結晶シリコン５に向かっ
て起こり、酸化膜２上の多結晶シリコン５はレーザ光の
照射が終了すると基板単結晶シリコンと同一の結晶軸を
持った単結晶化シリコン11になる。この際、開口３上の
窒化膜７はレーザ光照射時にレーザ光の反射防止膜とし
ては働き、酸化膜２より熱拡散が大きい開口３中の多結
晶シリコンの温度下降を防ぐために設けられている。さ
らに、酸化膜２上の多結晶シリコン５上に設けられたス
トライプ状の窒化膜12は、レーザ光照射時の多結晶シリ
コン５の横方向温度分布を制御し、単結晶成長がチップ
全体に続くように設けられており、その再結晶化の機構
については特願昭61−048468に詳細に述べられている。
また酸化膜６はレーザ光照射時に溶融した溶融シリコン
10中へ窒化膜7,12中の窒素が混入しないための混入阻止
膜として設けられている。レーザ光照射が終了し、チッ
プ内の多結晶シリコン５が単結晶化した後、窒化膜7,12
および酸化膜６は除去された後は通常の集積回路製造プ
ロセスによって酸化膜２上の単結晶化シリコン11上に回
路素子が形成される。全プロセス終了後に半導体基板は
開口３に沿って分断（スクライブ）され、10〜20mm角の
半導体集積回路のチップが完成する。したがって、開口
３は酸化膜２上に単結晶シリコン基板１と同じ結晶軸を
持った単結晶化シリコン11を製造する役割と、全プロセ
ス終了後集積回路チップを分断するためのスクライブ線
としての役割を持っている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の製造方法においては、開口３が直線
上に大きな領域にわたって形成されている。したがって
開口３中の多結晶シリコン５と酸化膜２上の多結晶シリ
コン５の溶融時の温度分布が違う（酸化膜２上の多結晶
シリコン５の温度が高い）ため、溶融シリコン10の粘度
は酸化膜２上の方が小さくなる。そのため酸化膜2,6と
の界面に働く表面張力により、開口３端に接する酸化膜
２上の多結晶シリコン５は再結晶化時（単結晶化時）に
その膜厚が薄くなってしまう。

第７図はこの状態を示した半導体基板の断面図である。

図に示すように開口３端部の酸化膜２上の多結晶シリコ
ン５は凹んで凹部15となり、その凹んだ部分は走査下流
側の開口３端部の酸化膜２上の単結晶化シリコン11を膨
れさせて凸部16を生じさせる。場合によってはこの凹み
がさらに進み開口３端での単結晶化シリコン11が、溶融
時の溶融シリコン10の移動により消滅（膜厚が０にな
る）してしまうという問題点があった。この問題は開口
３と酸化膜２上での多結晶シリコン５の溶融時の温度を
均一にすれば解決されることは明白であるが、事実上種
々の構造において温度を均一にすることはコスト問題上
困難であった。このようにスクライブ線としての１辺５
μｍ以上の長方形（直線状）の開口３の周辺の単結晶化
シリコン11は再結晶化後必ず膜厚が減少し、他方端でそ
の凸部を生じてしまうのである。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、単結晶半導体基板上に絶縁膜を介して単結晶
の半導体層を膜厚の減少なしに得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る多層半導体基板の製造方法は、熱エネル
ギを走査して与えて非単結晶の半導体層を溶融させる
際、絶縁膜に形成された開口の熱エネルギの走査下流側
であって所定範囲の絶縁膜上の半導体層だけを溶融させ
ないものである。

［作用］ この発明においては開口の熱エネルギの走査下流側の半
導体層を溶融させないので、この部分を凹ませることな
く再結晶化後の単結晶化した半導体層の膜厚変化を抑え
る。

［実施例］ 第1A図〜第1F図はこの発明の一実施例における製造方法
を示す概略工程断面図であり、第２図はエネルギ線照射
時の第1D図に対応する半導体基板の平面図である。

以下、これらの図を参照してこの製造方法について説明
する。

まず、単結晶よりなるシリコン基板１上に厚さ１μｍの
二酸化シリコンよりなる酸化膜２を形成し（第1A図参
照）、これをパターニングすることによってシリコン基
板１に達する開口3,4を形成する。ここで開口３はスク
ライブ線（幅100〜200μｍ、長さ10〜20mm）として用い
るものであり、開口４は後工程での多結晶半導体層の単
結晶化時の種付用として用いられるものである。したが
って、非単結晶の半導体層を単結晶シリコン基板と同一
結晶軸も持った単結晶とするまでもない場合は開口４を
形成しなくてもよい（第1B図参照）。

開口部3,4内部を含み、酸化膜２上にCVD法で多結晶シリ
コンを厚さ0.5μｍに堆積させ、さらにその上に同じくC
VD法で酸化膜６を厚さ100Åに堆積させる（第1C図参
照）。

続いて、酸化膜６上にCVD法で窒化膜を堆積し、これを
パターニングすることによって開口3,4のそれぞれ上方
に対応する位置に厚さ500Åのストライプ状および矩形
状の窒化膜7,8を形成する（第1D図参照）。

第1D図の状態の平面図を示したのが第２図である（第1D
図は第２図のＸ−Ｘ′断面図である）が、第２図に示す
ように窒化膜７で囲まれた酸化膜６上の領域には、さら
にストライプ状の窒化膜12が所定間隔で設けられてい
る。この窒化膜12はレーザ光照射時の多結晶シリコン５
の横方向（レーザ走査方向）の温度分布を制御して、単
結晶成長がチップ全体に続くように機能するのは従来例
と同じであるが、この発明では図面において左側の窒化
膜７の右側で20μｍの範囲で窒化膜12が設けられていな
い。

このような構成の半導体基板の上方からビーム径100μ
ｍのアルゴンレーザ光９を第２図のＸ→Ｘ′の方向に走
査しながら照射する。するとまず最初にＸ側の開口３の
多結晶シリコン５が溶融して溶融シリコン10となる。し
かしその右側の酸化膜２の上の窒化膜12が形成されてい
ない多結晶シリコン５はレーザ光が照射されていてもそ
の反射率が高いため（波長4880Åのレーザ光に対して酸
化膜100Åのみの場合の反射率は約38％、窒化膜500Å／
酸化膜100Åの場合の反射率は0.2％）溶融しない。した
がって、表面張力等の力が働かないため開口３の右端で
の多結晶シリコン５の膜厚の減少は起こらない。次にレ
ーザ光は開口４の上を照射することになるが、開口４は
１辺５μｍの正方形でかつ離散的に設けられているの
で、多結晶シリコン５の溶融時の温度の不均一性は小さ
い開口４周辺に限定される。このため、開口４の周辺で
の再結晶化後の単結晶化シリコン11の膜厚の減少は低減
されてかつ再結晶化後の単結晶化シリコン11の結晶軸を
単結晶シリコン基板１と同一にすることができる（第1E
図参照）。

レーザ光照射が終了した後には窒化膜7,8,12および酸化
膜６を除去し、単結晶化シリコン11上に通常の集積回路
の製造プロセスによって回路素子を形成することができ
る（第1F図参照）。

なお、上記実施例では、スクライブ線に相当する開口３
端部の多結晶シリコンを溶融させないようにしたが、直
線状の開口部であってエネルギ線の走査進行方向の端の
辺の長さが（走査方向に対して直角方向）５μｍ以上あ
る開口部であればその目的（スクライブ線またはアライ
メントマークなど）を問わず同様に適用することができ
る。

また、上記実施例では、開口３の端部の多結晶シリコン
を溶融させないためのその上方に窒化膜12を形成しない
ようにしたが、レーザ光の照射強度を変化させることに
よってその部分のみ溶融させないとすることでも同様の
効果を奏する。

また、上記実施例では、開口３上に窒化膜７を設けて多
結晶シリコン５を溶融するようにしたが、その必要がな
ければ直線状の開口３の多結晶シリコンを溶融させなく
てもよい。

さらに、上記実施例では、酸化膜２の下にデバイス形成
されていない例を示したが、デバイスが形成されていて
も同様の効果を奏する。

第３図は他の実施例としてこのような構成を示す概略断
面図である。

図において、シリコン基板１上にゲート電極13や配線14
等により構成されたデバイスが酸化膜２に覆われてお
り、その上に多結晶シリコン５、さらに酸化膜６が形成
されている。レーザ光の照射要領等は上記実施例と同様
である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、開口の熱エネルギの走
査下流側の所定範囲の非単結晶の半導体層を溶融しない
ようにしたので、熱エネルギ走査後の単結晶化した半導
体層が膜厚の凹凸なしに絶縁体上に得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第1A図〜第1F図はこの発明の一実施例における製造方法
を示す概略工程断面図、第２図は第1D図に対応する平面
図（第1D図は第２図のＸ−Ｘ′断面図）、第３図はこの
発明の他の実施例におけるエネルギ線照射時の概略断面
図である。 第４図〜第７図はすべて従来例を示すものであり、第４
図はエネルギ線照射前の半導体基板の平面図、第５図は
第４図のＶ−Ｖ断面図、第６図はエネルギ線照射時の半
導体基板の断面図、第７図はエネルギ線照射後の半導体
層の状態を示した半導体基板の断面図である。 図において、１はシリコン基板、２は酸化膜、3,4は開
口、５は多結晶シリコン、６は酸化膜、７は窒化膜、９
はレーザ光、10は溶融シリコン、11は単結晶化シリコ
ン、12は窒化膜である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主面を有する単結晶からなる半導体基板を
   準備する工程と、 前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する
   工程と、 前記第１の絶縁膜の所定の位置に前記半導体基板に達す
   る所定の大きさの第１の開口を形成する工程と、 前記第１の開口内部を含み、前記第１の絶縁膜上に非単
   結晶からなる半導体層を形成する工程と、 前記半導体層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１の開口を横断する方向に走査して、走査下流側
   の前記第１の開口に接した所定範囲の前記第１の絶縁膜
   上の領域の前記半導体層を除く前記半導体層を溶融する
   ように熱エネルギを与え、溶融した前記半導体層を単結
   晶化する工程と、 前記第２の絶縁膜を除去する工程とを備えた、多層半導
   体基板の製造方法。
2. 【請求項２】前記第１の開口を形成する工程は、 前記熱エネルギの走査下流側の前記所定範囲を除いた前
   記第１の絶縁膜に前記半導体基板に達する第２の開口を
   形成する工程を含み、前記半導体層が前記第２の開口内
   部にも形成される、特許請求の範囲第１項記載の多層半
   導体基板の製造方法。
3. 【請求項３】前記第１の開口上方の前記第２の絶縁膜上
   に前記第１の開口の大きさに対応した第１の窒化膜を形
   成する工程と、 前記第１の絶縁膜上方の前記第２の絶縁膜上に、前記熱
   エネルギの走査方向に沿ったストライプ状の第２の窒化
   膜を形成する工程とをさらに備え、 前記第２の窒化膜は、前記所定範囲の前記第１の絶縁膜
   の一部上の前記半導体上方には形成されない、特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の多層半導体基板の製造
   方法。
4. 【請求項４】前記半導体基板はシリコン基板であり、前
   記半導体層は多結晶シリコンであり、前記第１および第
   ２の絶縁膜は二酸化シリコンである、特許請求の範囲第
   １項、第２項または第３項記載の多層半導体基板の製造
   方法。
5. 【請求項５】前記熱エネルギは、エネルギ線の照射によ
   って発生する、特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれかに記載の多層半導体基板の製造方法。
6. 【請求項６】前記エネルギ線は、連続発振のアルゴンレ
   ーザ光である、特許請求の範囲第５項記載の多層半導体
   基板の製造方法。
7. 【請求項７】前記第１の開口はエネルギの走査方向に対
   して直角方向に５μｍ以上の長さを有する、特許請求の
   範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の多層半導体
   基板の製造方法。