JPH0727863B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、SOI（Semiconductor on Insulator）構造
を有する半導体装置と、その製造方法とに関するもので
ある。

（従来の技術） 所定の回路が作り込まれた半導体基板上に絶縁層を形成
し、この絶縁層上に新たな半導体層を成長させ、この半
導体層に新たな回路を作り込むようにすれば、三次元集
積回路と称される高集積化に適した半導体装置の形成が
可能になる。

上述したような三次元集積回路の実現を図るためには、
SOI構造を形成する技術が必要であり、このため、この
技術についての研究が従来から精力的に行なわれてきて
いる。

このような技術の一例としては、例えばこの出願人に係
る特願昭61−60691に提案されている砒化ガリウム（GaA
s）の結晶成長方法がある。この方法によれば、単結晶
基板上にこの基板の一部を露出する窓を有する絶縁層を
形成し、単結晶基板の露出領域上及び絶縁層上に、少な
くともトリエチルガリウムを含むガリウム供給源を用い
た有機金属化学気相成長法（MOCVD法）によってGaAs層
を成長させている。そして、この方法によれば、単結晶
基板上には単結晶GaAs層が、絶縁層上には多結晶GaAs層
が成長し、然も、GaAs層の成長条件を選ぶことによって
単結晶GaAs層の成長速度と、多結晶GaAs層の成長速度と
の比を制御することが出来る。従って、GaAs層を、その
表面を平坦に保たせながら成長させることが出来る。さ
らに、この方法によれば、絶縁層の材質によらず、表面
平坦なGaAs層の成長が可能である。又、多結晶GaAs層の
部分は、ドナー或はアクセプタのドーピングの有無に関
係なく半絶縁性を示すようになることから、この多結晶
GaAs層をアイソレーション層として用いることが出来
る。

又、SOI構造を得るための技術の他の例としては、例え
ば文献（Extended Abstracts of the 19th Conference
on Solid State Devices and Materials,Tokyo（エクス
テンデッド・アブストラクツ・ザ19th・カンファレンス
・オン・ソリッドステートデヴァイセズ・アンド・マテ
ィアリアルズ東京1987,PP,151〜154）に開示されている
ものがある。

第３図は、この文献に開示されている技術の説明に供す
る図であり、この技術によって得られた半導体装置の構
造を概略的に示した断面図である。以下、この図を参照
して、この技術につき簡単に説明する。

単結晶基板としての11で示すGaAs基板上に、このGaAs基
板11の一部分（この部分がシードと称される。図中、11
aで示す。）を露出する窓13aを有する13で示すSiO₂膜が
形成され、このSiO₂膜13上に再結晶化すべ半導体層とし
ての15で示すゲルマニウム（Ge）層が形成される。この
ゲルマニウム層は、単結晶基板と化合物半導体層との格
子整合に有効なものである。

次に、このゲルマニウム層15の所定領域に対しエネルギ
ービームが選択的に照射されてこの領域の再結晶化が図
られ、このゲルマニウム層の再結晶化させた領域15a上
及び再結晶化させなかった領域15b上に、有機金属化学
気相成長法（MOCVD法）によって17で示すGaAs層が形成
されて、第３図に示した半導体装置が得られる。

第３図に示した半導体装置においては、上述の文献にも
開示されているように、再結晶化すべき半導体層である
ゲルマニウム層の、エネルギービームによって再結晶化
が充分に行なわれた領域、即ちシード部の面方位を受け
継いだような領域上には、単一の面方位（単結晶）の化
合物半導体層17aが成長し、一方、再結晶化させなかっ
た領域上には多結晶の化合物半導体17bが成長する。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第３図に示した従来の半導体装置におい
ては、再結晶化すべき半導体層のエネルギービーム照射
がされた領域であっても、その領域の端部のように再結
晶化が充分に行われなかった部分は、多結晶、すなわち
複数の面方位の結晶面が生じる。この結果、化合物半導
体層のこの部分上に成長される部分はそれらの面方位を
受け継いで成長するため、複数の面方位を有する多結晶
層になってしまう。このような場合には、化合物半導体
層の成長速度は面方位の異る部分毎で異ることになり、
これがため、化合物半導体層の表面の平坦化が困難にな
るという問題点が生じる。

又、再結晶化すべき半導体層上に化合物半導体層が設け
られているため、再結晶化すべき半導体層の構成成分
が、化合物半導体層中へ拡散してゆく場合が考えられ、
このような場合は、この構成成分は化合物半導体中に導
電性の不純物として取り込まれることになる。そして、
不純物のこのような取り込まれ方は、化合物半導体の単
結晶部分では少ないと云えるが、再結晶化すべき半導体
層の再結晶化が充分行なわれていないような部分上に成
長した化合物半導体の部分では、上述したような面方位
の違いに起因する成長速度の差によって、所定の膜厚よ
りも膜厚の薄い部分が出来てしまうことから、非常に多
くなる。従って、第３図中、19を付し矢印で示す如く、
不純物を多く取り込んでしまう部分及び再結晶化すべき
半導体層で構成される経路を介し化合物半導体の単結晶
部分同志が導通してしまうことになり、この結果、単結
晶部分間の電気的絶縁が図れないという問題点が生じて
しまう。

上述したような問題点は、三次元集積回路等を構成する
うえで種々の弊害になる。

この出願は、このような点に鑑みてなされたものであ
り、従ってこの出願の第一発明の目的は、上述の問題点
を解決し、平坦性及び絶縁性に優れたSOI構造を有する
半導体装置を提供することにある。

又、この出願の第二発明の目的は、平坦性及び絶縁性に
優れたSOI構造を有する半導体装置を簡易に製造するこ
とが出来る方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この出願の第一発明の目的の達成を図るため、この出願
の第一発明によれば、単結晶基板上側に一部が再結晶化
された半導体層を具えると共に、この半導体層上に化合
物半導体層を具える半導体装置において、 一部が再結晶化された前述の半導体層及び前述の化合物
半導体層間に、前述の半導体層の再結晶化された領域を
この領域の面積より狭い面積で露出する窓を有する絶縁
層を設け、 この絶縁層上には多結晶の化合物半導体層を具え、窓部
に露出した半導体層上には単結晶の化合物半導体層を具
えたことを特徴する。

又、この出願の第二発明の目的の達成を図るため、この
出願の第二発明の半導体装置の製造方法によれば、 単結晶基板上側に形成された再結晶化すべき半導体層の
所定領域をエネルギービームによって再結晶化する工程
と、 この再結晶化すべき半導体層上に、再結晶化済みの前述
の所定領域をこの領域の面積より狭い面積で露出する窓
を有する絶縁層を形成する工程と、 この絶縁層上及び再結晶化済み所定領域の前述の窓から
露出する部分上に、少なくともトリエチルガリウムを含
むガリウム供給源を用いた有機金属化学気相成長法によ
って化合物半導体層を成長させる工程とを含むことを特
徴とする。

（作用） この出願の第一発明によれば、再結晶化すべき半導体層
の再結晶化がなされた領域の縁部即ち複数の面方位の結
晶面が混在する部分は、絶縁層によって覆われ、絶縁層
の窓からは、再結晶化すべき半導体層のうちの真に再結
晶化が図られた領域のみが露出されるようになる。さら
に、化合物半導体層の多結晶の部分と、再結晶化すべき
半導体層との間の絶縁層は、再結晶化すべき半導体層の
構成成分が化合物半導体層の多結晶部分に入り込むこと
を防止する働きをするようになる。

又、この出願の第二発明によれば、再結晶化すべき半導
体層の再結晶化がなされた領域のうちの再結晶化が充分
になされなかった領域を絶縁層で覆った状態で、絶縁層
上及び再結晶化領域上に化合物半導体層の成長を行なう
ことが出来る。又、特願昭61−60691に提案されている
如く、絶縁層の材質に関係なく、多結晶化合物半導体層
及び単結晶化合物半導体層を同時に、然も、再結晶化す
べき半導体層の構成成分が多結晶化合物半導体層中に拡
散することなく成長させることが出来る。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の半導体装置及びその製
造方法の実施例につきそれぞれ説明する。尚、説明に用
いる各図は、この発明が理解出来る程度に概略的に示し
てあるにすぎず、従って、各構成成分の寸法、形状、及
び配置関係は図示例のみに限定されるものではなく、種
々の変形又は変更を行ない得ることは明らかである。

装置説明 先ず、第１図を参照して第一発明である半導体装置の実
施例につき説明する。第１図は、実施例の半導体装置の
一部分を示した断面図である。

第１図において、21は単結晶基板を示す。この基板は、
半導体装置の設計に応じた任意好適なものとすることが
出来、例えばシリコン（Si）、砒化ガリウム（GaAs）等
である。

この単結晶基板21の上側には、一部が再結晶化された23
で示す半導体層を具える構成となっているが、この実施
例の場合、半導体層23は単結晶基板21上側に以下に説明
するように設けてある。

単結晶基板21上には、単結晶基板21の一部を露出する窓
25aを有する絶縁層25が設けてある。そして、この絶縁
層25上及び単結晶基板21の窓25aから露出する領域上に
上述の半導体層23を、単結晶基板21の窓25aによって露
出している部分（シード部と称し、図中、21aで示
す。）に半導体層23の再結晶化された領域23aの一部が
接するように設けてある。尚、窓25aの大きさ、その平
面的な形状は、半導体装置の設計に応じた適切なものと
する。又、シード部21aの個数は、半導体装置の設計に
応じて適切な個数とされるが、第１図においては、隣接
する二個のシード部のみを示してある。

ここで、絶縁層25は、SiO₂又はその他の任意好適な絶縁
物で構成することが出来る。

又、一部が再結晶化された半導体層23は、例えば電子ビ
ーム等のエネルギービームによって一部を再結晶化した
ゲルマニウム層で構成することが出来る。図中23bを付
した領域は、ゲルマニウム層23の再結晶化させなかった
領域である。尚、この半導体層23は、設計によっては、
ゲルマニウム層以外の再結晶化処理が可能な他の半導体
層としても良い。

又、一部が再結晶化された半導体層23上には、この半導
体層23の再結晶化された領域23aをこの領域の面積より
狭い面積で露出する27aで示す窓を有する絶縁層（以
下、中間絶縁層27と称する場合もある。）を具える。こ
の窓27aの平面形状及びその大きさは、半導体装置の設
計に応じ決定されるが、半導体層23の再結晶化された領
域23aの結晶化が充分なされた領域のみを露出出来るよ
うなものである必要がある。

又、このような中間絶縁層27上及び半導体層23の窓27a
から露出している領域上には29で示す化合物半導体層を
具える。

尚、中間絶縁層27の膜厚は、半導体装置の設計に応じた
好適な膜厚としてある。又、この中間絶縁層27の材料
は、この中間絶縁層27上に成長させる化合物半導体層29
の材質と、この層29の成長方法とを考慮して選定するの
が良い。例えば、化合物半導体層29を、特願昭60−6069
1に提案されているようなトリエチルガリウム（TEG）を
含むガリウム供給源を用いたMOCVD法によって成長可能
なGaAs層、AlGaAs層とすれば、中間絶縁層27をSiO₂膜或
はSi₃N₄膜等の従来から良く用いられている絶縁膜とし
ても、中間絶縁層27上には多結晶GaAs層が、又再結晶化
された領域23a上には単結晶GaAs層が同様な成長速度で
成長するようになる（詳細は後述する。）。

尚、上述の実施例は、単結晶基板21上の絶縁層25上に、
一部分がシード部21と接する一部が再結晶化された半導
体層23を設け、この半導体層23上に中間絶縁層27及び化
合物半導体層29を設けた例で説明している。しかしなが
ら、単結晶基板21上に、一部が再結晶化された半導体層
23を直接設けた場合であっても、中間絶縁層27による効
果は実施例と同様に得ることが出来る。

製造方法の説明 次に、第２図（Ａ）及び（Ｂ）と、第１図とを参照して
第二発明である半導体装置の製造方法の実施例につき説
明する。尚、第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、製造工程中の
主な工程における半導体装置の様子を断面によって示し
た図である。

単結晶基板上側に形成された再結晶化すべき半導体層の
所定領域をエネルギービームによって再結晶化すること
を、この実施例の場合は以下に説明するように行なう。

単結晶基板21上に、絶縁層として例えばSiO₂膜25を従来
公知の好適な成膜方法によって形成する。次いで、この
絶縁層25の所定領域を例えばフォトリソグラフィ技術に
よって除去して、単結晶基板21のシード部21aを露出す
る窓25aを形成する。

次に、シード部21a上及び絶縁層25上に、従来公知の好
適な成膜方法によって、再結晶化すべき半導体層として
例えばゲルマニウム層23を形成する。次に、このゲルマ
ニウム層23のシード部21aを含む所定領域に対し、電子
ビーム等のエネルギービーム（図中、31を付して示す）
を走査して熱処理を行ない、この部分を再結晶化させる
（第２図（Ａ））。

次に、一部が再結晶化されたゲルマニウム層23上に、従
来公知の好適な成膜方法によって絶縁層27（中間絶縁層
27）として例えばSiO₂膜を形成する。尚、この中間絶縁
層27の膜厚は、半導体装置の設計に応じたものとする
が、通常は数1000Å程度である。次いで、フォトリソグ
ラフィ技術を用い、この中間絶縁層27のゲルマニウム層
23の再結晶化領域23aに対応する領域に、この再結晶化
領域23aの一部を露出する窓27aを形成する（第２図
（Ｂ））。尚、この窓27aは、ゲルマニウム層23のエネ
ルギービーム走査によって再結晶化された領域のうちの
エネルギービームの走査端に当るような再結晶化が充分
に行なわれていない部分は絶縁層27によって覆うことが
出来、真に再結晶化された部分のみを露出することが出
来るような形状大きさを有するものとなるように形成す
る必要がある。

次に、ゲルマニウム層23の窓27aから露出する部分と、
中間絶縁層27との上に、有機金属化学気相成長法（MOCV
D法）を用いて、化合物半導体層を成長させる。この化
合物半導体層は、トリエチルガリウム（TEG）を含むガ
リウム供給源を用いたMOCVD法によって成長可能なもの
例えばGaAs層、AlGaAs層等とする。そして、この実施例
の場合、この層をGaAs層とした。又、この実施例の場合
のGaAs層の成長は、比較的低温度で第一のGaAs層を先ず
形成し、この第一のGaAs層を成長させた温度よりも高い
温度で第二のGaAs層を成長させるというような二段階成
長法で行なった。しかし、この成長条件はこれに限られ
るものではなく半導体装置の設計に応じ変更することが
出来る。

特願昭61−60691号に提案されているように、トリエチ
ルガリウムを用いることによって、半導体層23の再結晶
化された領域23a上には単結晶GaAs層が成長し、絶縁層2
7上には多結晶GaAs層が成長する。さらに、この方法に
おいては、GaAs層の成長条件を選ぶことによって単結晶
GaAs層の成長速度と、多結晶GaAs層の成長速度との比を
制御することが出来る。従って、単結晶GaAs層の成長膜
厚と、多結晶GaAs層の成長膜厚とが等しくなるような成
長条件を選択することによって、化合物半導体層の成長
後の表面を平坦なものとすることが出来、第１図に示す
ような半導体装置を得ることが出来る。さらに、この方
法によれば、中間絶縁層を酸化シリコン膜や窒化膜のよ
うな従来広く用いられているものとしても、中間絶縁層
上に表面平坦なGaAs層の成長が可能になる。さらに、中
間絶縁層27が設けてあることから、多結晶GaAs層の部分
にゲルマニウム層23からゲルマニウム等が拡散すること
がないため、多結晶GaAs層の半絶縁性が損なわれること
がない。

尚、上述の実施例は、単結晶基板21上にこの基板の一部
を露出する窓25aを有する絶縁層25を形成し、この絶縁
層上に一部分がシード部21と接する一部が再結晶化され
た半導体層23を形成しているが、この発明の製造方法は
この例に限られるものではない。例えば単結晶基板21上
に、ゲルマニウム層等の再結晶化すべき半導体層23をア
モルファス状に直接形成し、次に、この半導体層の所定
領域をエネルギービームによって再結晶化し、その後、
この半導体層23上に中間絶縁層27及び化合物半導体層29
を実施例と同様に形成しても実施例と同様な効果を得る
ことが出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この出願の第一発
明の半導体装置は、単結晶基板上側に設けられた再結晶
化すべき半導体層上に、この半導体層の再結晶化がなさ
れた領域の真に再結晶化が図られた領域のみを露出する
窓を有する絶縁層を具えている。又、再結晶化が図られ
た領域上に単結晶化合物半導体層を成長させ、かつ、絶
縁層上に多結晶化合物半導体層を成長させ然も両層の層
厚を等しくすることは上述の説明の如く可能であるか
ら、ゲルマニウム層のような再結晶化すべき半導体層上
であっても、成長後の表面が平坦な化合物半導体層を成
長させることが出来る。さらに、この絶縁層は、化合物
半導体層の多結晶の部分と、再結晶化すべき半導体層と
の間にあることから、再結晶化すべき半導体層の構成成
分が化合物半導体層の多結晶部分に入り込むことを防止
する働きをするようになるから、多結晶化合物半導体層
の絶縁性を保つことが出来る。

これがため、平坦性及び絶縁性に優れたSOI構造を有す
る半導体装置を提供することが出来る。

又、この出願の第二発明によれば、ゲルマニウム層のよ
うな再結晶化すべき半導体層を具えるSOI構造の半導体
装置であっても、再結晶化すべき半導体層の真に再結晶
化が図られた領域上には単結晶化合物半導体層を成長さ
せ、かつ、絶縁層上には多結晶化合物半導体層を成長さ
せ、然も、両層の層厚を等しく、さらに、多結晶化合物
半導体層の半絶縁性は維持させて成長させることを容易
に行なうことが出来る。従って、この発明の製造方法
は、三次元デバイスの製造に適用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第一及び第二発明の説明に供する図であり、
実施例の半導体装置を概略的に示した断面図、 第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、第二発明の説明に供する図
であり、製造方法を示す工程図、 第３図は、従来技術の説明に供する図である。 21……単結晶基板、21a……シード部 23……再結晶化すべき半導体層 23a……再結晶化すべき半導体層の再結晶化させた領域 23b……再結晶化すべき半導体層の再結晶化させなかっ
た領域 25……絶縁層、25a……窓 27……絶縁層（中間絶縁層） 27a……再結晶化させた領域をこの領域の面積より狭い
面積で露出する窓 29……化合物半導体層 29a……単結晶化合物半導体層 29b……多結晶化合物半導体層 31……エネルギービーム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶基板上側に一部が再結晶化された半
   導体層を具えると共に、該半導体層上に化合物半導体層
   を具える半導体装置において、 一部が再結晶化された前記半導体層及び前記化合物半導
   体層間に、前記半導体層の再結晶化された領域を該領域
   の面積より狭い面積で露出する窓を有する絶縁層を具
   え、 前記絶縁層上には多結晶の前記化合物半導体層を具え、
   前記窓部に露出した前記半導体層上には単結晶の前記化
   合物半導体層を具えたことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】単結晶基板上側に形成された再結晶化すべ
   き半導体層の所定の領域をエネルギービームによって再
   結晶化する工程と、 該再結晶化すべき半導体層上に、再結晶化済み前記所定
   領域を該領域の面積より狭い面積で露出する窓を有する
   絶縁層を形成する工程と、 該絶縁層上及び再結晶化済み所定領域の前記窓から露出
   する部分上に、少なくともトリエチルガリウムを含むガ
   リウム供給源を用いた有機金属化学気相成長法によって
   化合物半導体層を成長させる工程と を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。