JPH072599A

JPH072599A - 単結晶薄膜成長方法

Info

Publication number: JPH072599A
Application number: JP14257892A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Saito; 修一齋藤; Hidekazu Okabayashi; 秀和岡林; Hirotaro Mori; 森　　博太郎; Masao Komatsu; 正雄小松
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1995-01-06

Abstract

(57)【要約】【目的】非晶質シリコンを再結晶化する際のランダム
な核発生を抑制し、絶縁膜上により広い面積の単結晶膜
を結成する。【構成】シリコン基板１上に酸化膜２を形成し、開口
３を設ける。次に開口３表面の自然酸化膜等を除去した
後、ＭＢＥで非晶質シリコン膜４を堆積する。電子ビー
ム５を１〜２Ｍｅｖでドーズ量１×１０²³ｃｍ^-2照射し
た。基板温度は室温または６００℃とする。次に６００
℃、窒素中で１〜１０時間熱処理し、電子線を１×１０
²²ｃｍ^-2以上照射すると、結晶鹿野熱処理の際非晶質シ
リコン中で発生するランダムな核発生が１〜２桁程度低
減でき、横方向の成長距離が増加する。一方、照射量が
１×１０²⁰ｃｍ^-2〜１×１０²²ｃｍ^-2の場合は逆に核発
生が促進される。従って非晶質シリコンと単結晶したシ
リコンとの境界に照射すると単結晶化が促進され横方向
の成長距離が延びる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスの微細
化あるいは高性能化のためのデバイスを形成する基板に
関するものであり、絶縁膜上に単結晶半導体膜を形成す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの微細化はますます進
み、この先ＭＯＳ型トランジスタのゲート長としては、
０．１μｍ程度まで小さくなると考えられる。このよう
な半導体デバイスを高集積で形成するためには、製造プ
ロセスとしては極力単純なものでなければならない。さ
らに、半導体デバイスの性能としてもより高い性能にし
たい要求がある。

【０００３】このような要求を満足する方法の１つとし
て、半導体基板を使用するのではなく、絶縁膜上に形成
された半導体薄膜を使用すれば良いことが、報告されて
いる。このような絶縁膜上の半導体膜を使用すれば、半
導体デバイスの微細化も容易であり、また、立ち上がり
特性等デバイスの特性向上も期待される。このように絶
縁膜上の半導体薄膜は微細デバイス作製に極めて好都合
であるが、このような絶縁膜上の半導体薄膜を実現する
上での課題は、半導体薄膜の結晶性の改善および単結晶
領域の拡大である。

【０００４】絶縁膜上の半導体薄膜の形成方法の１つで
ある結晶化方法には各種の方法が報告されている。それ
らの中で面内の均一性、再現性、結晶化温度さらには現
在のプロセスとの整合性等の観点から考えると、固相成
長を用いた方法が最も有望である。この方法は、図４に
示すように、半導体基板２１上に絶縁膜２２を形成後、
絶縁膜２２の一部に開口２３を設ける。次に、開口２３
の部分の半導体基板２１の表面を清浄化した後に、非晶
質半導体薄膜２４を堆積する。その後、熱処理を行い結
晶化させる。この時の熱処理温度としては、例えばシリ
コンを結晶化させようとすると、５００−６００℃程度
が用いられている。この熱処理により、非晶質半導体薄
膜２４における開口２３部からまず結晶化が始まり、次
に横方向に結晶化が進み、絶縁膜２２上においても結晶
化する。この方法において、非晶質半導体薄膜２４の横
方向成長距離を制限しているのは、非晶質半導体薄膜２
４中で発生するランダムな核２５の発生である。開口２
３からの成長とは無関係に非晶質半導体膜２４中に核発
生が生じると、この核が時間と共に成長するために、開
口２３からの横方向成長とぶつかり、基板と同じ結晶方
位を有する単結晶膜の成長はここまでとなる。従って、
横方向の成長距離を従来よりさらに伸ばすためには、ラ
ンダムな核発生を抑制するかあるいは開口２３からの成
長速度を早めることが必要である。

【０００５】このような対策として、いくつかの方法が
報告されている。まず、ランダムな核発生を抑制する方
法としては、石原（Ｈ．ＩＳＨＩＷＡＲＡ）らによって
第１８回固体素子・材料コンファレンス予稿集（Ｅｘｔ
ｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓｏｆｔｈｅ１８
ｔｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔ
ａｔｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌ
ｓ）、Ｔｏｋｙｏ，１９８６，ｐｐ５５３−５５６によ
り報告されているように、非晶質シリコン中にリン等を
イオン注入する方法がある。この場合、リンを非晶質シ
リコン中に導入することにより、ランダムな核発生を抑
制すると共に固相成長速度を大きくする効果がある。し
かし、この場合には非晶質シリコン中に多量のリン、例
えば１ー２×１０²⁰ｃｍ^-3程度の濃度がドープされてい
るために、ここに半導体デバイスを作製することはでき
ない、という問題がある。これを避けるために、部分的
にリン等をドープすることが行われている。これは開口
２３の近辺の非晶質シリコン中へのみリンをドープする
方法である。開口２３の近辺は非晶質シリコンが縦から
横方法へ変化するところであり、また絶縁膜の膜厚も変
化する所であり、半導体デバイスを作製するには適さな
い。従って、この部分は早く成長させた方が良く、リン
等をドープし成長速度を早くすることは効果ある。しか
し、これでも横方向の成長距離はランダムな核発生によ
り制限されてしまい、本質的な解決になっていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】絶縁膜上に単結晶の半
導体薄膜を固相成長法により成長させようとすると、横
方向の成長距離、すなわち単結晶の大きさは、例えばリ
ンなどをドープしたとしても前述のように、ランダムな
核発生により制限されしまう。従って、成長距離を大き
くするためには、核発生を抑制することが本質的に必要
である。

【０００７】

【課題を解決しようとする課題】本発明は、単結晶半導
体基板上に形成した絶縁膜の一部に開口を設けた後に、
非晶質半導体膜を形成し、前記非晶質半導体膜に１×１
０²²ｃｍ^-2以上のドーズ量の電子線を照射し、さらに熱
処理を行うことあるいは、電子線を照射時に基板を加熱
しておき、照射と同時に熱処理効果を持たせることを特
徴とするものである。

【０００８】また本発明は単結晶半導体基板上に絶縁膜
を形成し絶縁膜の一部に開口を設けさらに、非晶質半導
体膜を形成した後に、前記開口部から成長した単結晶層
と前記非晶質層との境界部に、１×１０²⁰ｃｍ^-2以上で
かつ１×１０²²ｃｍ以下のドーズ量の電子線を照射し、
さらに熱処理を行うことあるいは、電子線を照射時に基
板を加熱しておき、照射と同時に熱処理効果を持たせる
ことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】絶縁膜上の非晶質半導体膜を結晶化させる場
合、単に熱処理を行なうとランダムな核発生がおこる。
この核発生をいかに抑えるかが、横方向の成長距離を伸
ばすための鍵である。本発明者は、非晶質半導体膜に電
子線を照射すると非晶質膜の結晶化が極めて遅くなるこ
とを見出した。遅くなる原因は、電子線照射による単結
晶層の原子のはじき出しによる非晶質化により、横方向
の成長が抑制されているのでもなく、また電子線照射時
におけるノックオン効果による不純物の影響とも考えず
らく、電子的な作用によるものと考えているがその原因
は良く分からない。しかしいずれにしても、非晶質半導
体に電子線を照射するとその結晶化が遅くなることが分
かった。従って、この効果を利用して非晶質半導体膜全
面あるいは結晶層と非晶質半導体膜との境界以外の非晶
質半導体膜に電子線を照射する事により、非晶質半導体
膜から発生するランダムな核発生が抑制でき、横方向の
結晶化距離を大きくできる。この効果は、電子線の照射
ドーズが１×１０²²ｃｍ^-2以上の場合である。一方、電
子線の照射ドーズ量が１×１０²⁰ｃｍ^-2以上でかつ１×
１０²²ｃｍ^-2以下の場合、電子線を非晶質半導体膜に照
射すると、今度は非晶質半導体膜中の核発生が逆に促進
されることが分かった。従って、非晶質半導体膜と単結
晶成長した膜との境界に前記の条件で電子線を照射する
ことにより、単結晶化が促進され、従って横方向の成長
距離が延びることになる。

【００１０】

【実施例】以下、実施例を基に図面を用いて本発明を説
明する。

【００１１】図１は第１の実施例を示す試料構造図であ
る。シリコン基板１上にＬＯＣＯＳ法を用いて熱酸化膜
２を０．１ー０．３μｍの厚さに形成した。次いで、こ
の酸化膜２に開口３を形成する。その後、ＭＢＥ法を用
いて、非晶質シリコン４を堆積した。この時、開口３の
所のシリコン基板表面の自然酸化膜等は結晶化の時の結
晶性に大きく影響を与えるために、高真空中で除去を行
った。非晶質シリコン４の膜厚は０．１ー１μｍとし
た。次に、同一真空中で低温の加熱を行った。この低温
加熱を行うことで、非晶質シリコンの密度を高くし、試
料を大気中に取り出しても結晶化に影響のないようにし
ている。次に、非晶質シリコン４に電子ビーム５を照射
した。電子ビームの条件としては、１ー２ＭｅＶで電子
ビームの照射ドーズとしては１×１０²³ｃｍ^-2とした。
照射レートは６×１０¹⁹ｃｍ^-2／ｓｅｃで３０分間照射
した。またこの時の基板温度としては、室温でも、また
８００℃以下であれば加熱されていても良い。基板が加
熱されている時には、電子線に照射と同時に加熱効果が
得られ、必要に応じて次の熱処理を行えば良い。今回
は、基板温度が室温と６００℃の２種類で行った。この
ように非晶質シリコンに電子ビームを照射することで、
次の結晶化のための熱処理において非晶質シリコン中で
発生するランダムな核発生は１ー２桁程度低減される。
次に、窒素中で６００℃で熱処理を行い結晶化を行っ
た。熱処理時間としては１ー１０時間とした。その結果
から、電子線を照射することでランダムな核発生が抑制
され、横方向の成長距離が増大した。

【００１２】図２は、第２の実施例を示す試料の断面構
造図である。シリコン基板１０上にＬＯＣＯＳ法を用い
て熱酸化膜１１を厚さ０．１ー０．５μｍ形成した。次
に、第１の実施例と同様なプロセスをもちいて非晶質シ
リコン１２を堆積し、同一真空中で低温の熱処理を行
い、非晶質シリコンの高密度化を行った。次に、この試
料を窒素中で６００ー７５０℃で５時間熱処理を行っ
た。これは通常の条件での成長であるので、横方向の成
長距離はそれほど大きくない。しかし、ＬＯＣＯＳの開
口部近辺は結晶化できる。次に、この結晶化した領域の
み残すように、ホトレジストを用いてパターニングを行
う。これにより結晶化シリコン１３を形成する。次に、
再度非晶質シリコン１４を前記実施例１と同様の方法で
堆積する。この時、結晶シリコン１３上にも非晶質シリ
コンは堆積されるが、これはそのままでも良いが、エッ
チバックあるいは研磨等を用いて平坦化した方が更に良
い。次に、このような試料に電子ビーム１５を照射す
る。照射条件としては、加速電圧０．５ー３ＭｅＶで電
子線の照ドーズ量としては０．５ー５×１０²³ｃｍ^-2で
あり、また基板温度としては室温から７００℃とした。
このようにまず、シード近辺のみを結晶化することで、
横方向への結晶化がより容易に進む。即ち、実施例１の
ように開口３の領域が非晶質のままでさらに、電子線を
照射すると、この領域の結晶化も遅れてしまい、横方向
への結晶化が進までに時間遅れを生じることになる。そ
れで実施例２では、それを改善するために開口部のみを
まず結晶化し、容易に横方向の成長ができるようにした
電子ビームを照射するときに結晶化シリコン１３にも照
射されこの部分の結晶性の劣化が懸念されるが、特に大
きな問題とはならない。特に、基板が加熱されているよ
うな時には電子線によるシリコン原子のはじきだしによ
る結晶性の劣化は全く問題ない。本第２の実施例では結
晶化シリコン１３を形成するのに、一度非晶質シリコン
を堆積した後に、熱処理を行い結晶化している。しかし
このような方法を用いなくても、例えばシリコンの選択
成長技術を用いて酸化膜１１の開口部にのみ、単結晶シ
リコンを形成しても良い。また、選択成長でなくても、
通常のエピタキシャル成長でも良い。ただし、この場合
には本実施例と同様に、シリコンをエピタキシャル成長
後、パターニングする必要がある。以上２つの実施例で
示したように、非晶質シリコンに電子線を照射すること
で、非晶質シリコン中のランダムな核発生を抑制でき、
横方向の成長距離を増大できることが分かった。

【００１３】次に、第３の実施例として、非晶質半導体
膜に電子線を照射して結晶化を促進する事による、横方
向成長距離の拡大をした例を示す。試料構造としては第
２の実施例で用いた試料と同じ物を用いた。第２の実施
例と異なるのは電子線の照射条件と照射領域である。本
実施例では図２において、結晶化シリコン１３と非晶質
シリコン１４との境界領域に電子線を照射した。この
際、第２の実施例とは異なり、６００℃の基板温度で、
エネルギーが２ＭｅＶの電子線を、１×１０²¹ｃｍ^-2照
射した。この時の照射時間としては、５ー３０分とした
が、特にこの照射時間の範囲では照射効果に大きな変化
は見られなかった。次に、この試料を６００℃で１ー５
時間加熱した。これにより電子線照射された領域では、
未照射領域に較べて横方向の成長距離が増大した。この
方法では、電子線が照射された領域の成長速度が大きく
なるので、非晶質シリコン１４の全面にこの条件で電子
線を照射すると、結局ランダムな核発生速度も大きくし
ていることになり、それほど大きな効果はみられない。
従って、電子線の照射領域としては、成長速度の増大分
に対応する程度の距離であり、今回の条件では、通常の
成長距離の約１桁大きい５０μｍとした。より大きな効
果を発生させるためには、単結晶成長につれて結晶ー非
晶質界面に電子線を照射していく方が良い。その１つの
方法としては、結晶の横方向の成長速度と電子線の走査
速度を同期させれば良い。この時、電子線を線状に整形
し、一度に大面積照射できるようにする必要がある。こ
の方法としては線状のフィラメントを用いるか、あるい
はポイントビームを走査して疑似線状化すれば良い。

【００１４】しかし、第１から第３までの実施例ではい
づれでも横方向の成長距離を制限しているのは、最終的
には非晶質シリコン中の核発生である。次に、これを改
善した方法である第４の実施例を説明する。

【００１５】図３には、本発明で行った第４の実施例を
示す試料の断面構造図と加熱の配置図を示す。試料構造
としては、第２の実施例で用いたものと同じものを用い
た。第２の実施例と異なるのは試料の加熱方法である。
即ち、第１および２の実施例では、試料全体を加熱して
いるために横方向成長時に、非晶質シリコン中で核発生
が生じてしまう。そこで図３に示すように、成長フロン
トのみ加熱しその加熱領域をずらすことで、横方向に成
長させれば、この成長領域近辺以外での核発生は生じな
いので、横方向の成長距離がランダムな核発生により制
限されることはない。ここで、このような方法を用いれ
ば、電子線を照射しない試料でも同様に横方向成長距離
が増大できそうに考えられるが、実際にはそうではな
い。というのは、電子線を照射していない試料を用いて
図３のような構成でランプ光１６で加熱すると、加熱領
域より先まで熱が伝わり、その部分でのランダムな核発
生が生じてしまい、横方向の成長距離を大きくすること
はできない。しかし、電子ビームを照射することで核発
生速度を小さくできると、この部分での核発生が抑制で
き、横方向の成長距離を増大できることになる。ここで
は、まず全面に電子ビームを照射する方法を用いている
が、これは全面に照射せず、ランプ光１６の照射領域よ
り前の領域、即ち少なくとも熱が伝導で伝わる領域にの
み電子ビームが照射されていれば良いわけで、電子ビー
ムとランプ光を平行に配置し、まず電子ビームが照射さ
れ次にランプ光が照射されるような構成にしても良い。

【００１６】

【発明の効果】絶縁膜上の非晶質シリコンを絶縁膜の一
部の開口部を基に一方向に成長させる方法においては、
その成長距離を制限しているのは非晶質シリコン中での
ランダムな核発生である。その核発生が抑制できれば、
より広い面積の単結晶膜を絶縁膜上に形成できることに
なる。その方法としては、ここでは電子ビームの照射に
よる、非晶質シリコン中での核発生の抑制効果を用い
た。さらにこの効果を用いて、試料の加熱を試料全面で
なく横方向成長フロントにのみ制限することで、横方向
の成長距離を増大できた。

【００１７】本発明の製造方法は、ＳＯＩトランジスタ
やＳＲＡＭの薄膜トランジスタの作製などに応用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における試料の断面構造
図である。

【図２】本発明の第２の実施例における試料の断面構造
図である。

【図３】本発明の第３の実施例における試料の断面構造
図である。

【図４】従来例を示す試料構造図である。

【符号の説明】

１、１０シリコン基板２、１１、２２絶縁膜３、２３開口４、１２、１４非晶質シリコン１３結晶化シリコン５、１５電子ビーム１６ランプ光２１半導体基板２４非晶質半導体膜２５結晶膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶半導体基板上に絶縁膜を形成し絶
縁膜の一部に開口を設けた後に、非晶質半導体膜を形成
し、前記非晶質半導体膜に１×１０²²ｃｍ^-2以上のドー
ズ量の電子線を照射し、さらに熱処理を行うこと、ある
いは電子線の照射時に基板を加熱しておき、照射と同時
に熱処理効果を持たせることを特徴とする単結晶薄膜成
長方法。
【請求項２】単結晶半導体基板上に絶縁膜を形成し絶
縁膜の一部に開口を設けさらに、非晶質半導体膜を形成
した後に、前記開口部から成長した単結晶層と前記非晶
質層との境界部に、１×１０²⁰ｃｍ^-2以上でかつ１×１
０²²ｃｍ^-2以下のドーズ量の電子線を照射し、さらに熱
処理を行うことあるいは、電子線の照射時に基板を加熱
しておき、照射と同時に熱処理効果を持たせることを特
徴とする単結晶薄膜成長方法。