JPH0738377B2 - 単結晶シリコン膜の成形方法 - Google Patents

単結晶シリコン膜の成形方法

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JPH0738377B2
JPH0738377B2 JP59258164A JP25816484A JPH0738377B2 JP H0738377 B2 JPH0738377 B2 JP H0738377B2 JP 59258164 A JP59258164 A JP 59258164A JP 25816484 A JP25816484 A JP 25816484A JP H0738377 B2 JPH0738377 B2 JP H0738377B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、単結晶基板又は絶縁基板上の非単結晶シリコ
ン膜を加熱溶融した後、単結晶化させる単結晶シリコン
膜の形成方法に関するものである。
［従来の技術］ 従来の単結晶シリコン膜の形成方法には、特開昭59-114
815号公報及びJ.Appl.Phys.Suppl.20−1,pp39−42（198
1）等に開示されているように、ストリップヒーター
（以下ヒーターと略称する）又はレーザビーム（以下LB
と略称する）あるいは電子ビーム（以下EBと略称する）
のみによる非単結晶シリコン膜の加熱溶融・単結晶化す
る方法であった。
また、特開昭58-147024号公報には、非単結晶シリコン
層を単結晶化する為の加熱手段として、レーザ光、電子
ビーム等を照射するのが一般的であるが、カーボンヒー
ター、アークランプ、ハロゲンランプ等の棒状の加熱装
置が用いられることが開示されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の技術では、ヒーターのみによる非単結晶
シリコン膜の加熱溶融・単結晶化においては、ヒーター
下の非単結晶シリコン膜を含むすべての膜が非単結晶シ
リコン膜の溶融温度近傍の高温にさらされることにな
り、３次元集積回路の如く不純物拡散等を実施して、既
にデバイスを形成した層がある場合には、その層上での
単結晶化となるので下層デバイスにおける不純物の再拡
散の結果、所望のデバイス特性からのずれを生じ、さら
にデバイスの熱による特性劣化へとつながる。
またLB又はEBのみによる溶融単結晶化においては、加熱
溶融が比較的表面近傍のみに生ずる。従って、結晶成長
の際、種となる単結晶が下層に存在するような非単結晶
シリコン膜の単結晶化では、種結晶に達するような溶融
が困難になり、３次元集積回路のように、多層にデバイ
スを形成する際、上層の半導体層の結晶性は下層の半導
体層の結晶性より悪くなることが考えられ、デバイス間
のばらつき、特性の不均一性が生ずるという問題を有す
る。
本発明は、このような問題点を解決するもので、その目
的とするところは、高性能なデバイス特性を必要とする
多層構造による多機能素子における如く、単結晶化後ト
ランジスタ等を形成した際の能動領域を形成することに
なる単結晶化する非単結晶シリコン膜が、各種用途に必
要な層により隔てられて存在する場合にも、下層部の単
結晶化したシリコン膜と品質上差のない均一な単結晶シ
リコン膜の形成方法を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の単結晶シリコン膜の形成方法の第１は、 シリコン単結晶基板上方に複数のシリコンを含む膜を絶
縁膜を介して積層したシリコン半導体基板の最上層に設
けられた非単結晶シリコン膜を加熱溶融した後、単結晶
化させる単結晶シリコン膜の形成方法において、 シリコン単結晶基板上に、単結晶化の際の種となる
種部上をエッチング除去した絶縁膜を形成する工程、 絶縁膜上及び前記シリコン単結晶基板の種部上に非
単結晶シリコン膜を形成する工程 シリコン単結晶基板の種部の上部に固定的に存在
し、かつ非単結晶シリコン膜の融点以上の温度に保たれ
た主ヒーターと、シリコン単結晶基板の種部の下部に固
定的に存在する副ヒーターとから構成され、前記種部を
上下から挟み込むように存在するストリップヒーターに
より、種部及び種部上に位置する非単結晶シリコン膜の
最上層までの第１領域を加熱溶融する工程 しかる後に前記ストリップヒーターの温度を下げ、
第１領域から、第１領域の周辺部へ向かって、レーザー
ビームあるいは電子ビームを非単結晶シリコン膜に対し
て相対的に移動することにより、非単結晶シリコン膜
を、種部の結晶性を受け継ぎながら単結晶化する工程か
らなることを特徴とするものであり、 単結晶シリコン膜の形成方法の第２は、 絶縁基板上方に複数のシリコンを含む膜を絶縁膜を介し
て積層したシリコン半導体基板の最上層に設けられた非
単結晶シリコン層を加熱溶融した後、単結晶化させる単
結晶シリコン膜の形成方法において、 絶縁基板を加工して該絶縁基板上にレリーフを形成
するか又は絶縁基板上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエ
ッチングしてレリーフを形成する工程、 前記レリーフが設けられた前記絶縁基板上に非単結晶シ
リコン膜を形成する工程、 前記非単結晶膜の種部となる部分の上部に固定的に
存在し、かつ前記非単結晶シリコン膜の融点以上の温度
に保たれた主ヒーターと、前記種部下の前記絶縁基板下
部に固定的に存在する副ヒーターとから構成され、前記
種部を上下から挟み込むように存在するストリップヒー
ターにより、前記種部に位置する前記非単結晶シリコン
膜の最上層までを加熱の第１領域を加熱溶融する工程、 しかる後に前記ストリップヒーターの温度を下げ、
前記第１領域から、前記第１領域の周辺部へ向かって、
レーザービームあるいは電子ビームを前記非単結晶シリ
コン膜に対して相対的に移動することにより、前記単結
晶シリコン膜を、前記レリーフの形状により決まる面方
位を有しながら単結晶化する工程、 有することを特徴とするものである。
［作用］ 本発明の上記のような構成によれば、シリコン単結晶基
板の種部の上部及び下部に夫々固定的に存在する主・副
ヒーターから構成され、種部を上下から挟み込むように
存在するストリップヒーターによる加熱により、上層の
非単結晶シリコン膜から下層の種結晶シリコン層まで溶
融が可能となり、かつレーザービームLBあるいは電子ビ
ームEBを非単結晶シリコン膜に対して相対的に移動する
ことにより、基板面方向の表面の非単結晶シリコン膜の
みの溶融が可能となり、かつ各工程における加熱方法の
組み合わせにより、下層のデバイスへの熱的影響を与え
ることなく、上層の非単結晶シリコン膜は種結晶の結晶
性を受け継ぎながら成長するものである。
また、本発明の第２は、前記のような構成によれば、絶
縁基板を加工して絶縁基板上にレリーフを形成するか又
は絶縁基板上に絶縁膜を形成し、レリーフが設けられた
絶縁基板上に非単結晶シリコン膜を形成し、レリーフが
設けられた絶縁基板上に非単結晶シリコン膜を形成し、
第１発明と同様に固定的に存在するストリップヒーター
により、種部に位置する非単結晶シリコン膜の最上層ま
でを加熱溶融し、加熱溶融した領域から、周辺部へ向か
って、LBあるいはEBを非単結晶シリコン膜に対して、相
対的に移動することにより、加熱溶融後の単結晶化で、
結晶方位を揃えることが可能となり、絶縁基板上での非
単結晶シリコン膜の単結晶化を可能とする。
［実施例］ 第１図〜第３図に基づいて、本発明の一実施態様例につ
いて述べる。
第１図は、本発明の一実施例における非単結晶シリコン
膜の結晶化方法の説明図であり、１はシリコン単結晶基
板、２は種部、３は絶縁膜、４は非単結晶シリコン膜、
５はヒーター、5aは主ヒーター、5bは副ヒーター、６は
LBまたはEB、７は溶融部であり、7aはヒーターによる溶
融領域、7bはLBまたはEBによる溶融領域、7cはヒーター
とLBまたはEBによる共溶融領域を示す。
第１図に基づいて、本発明の非単結晶シリコン膜の結晶
化方法について説明する。
先ず、シリコン単結晶基板１上に、単結晶化の際の
種となる種部２上をエッチング除去した絶縁膜３を形成
する。
絶縁膜３上及びシリコン単結晶基板１の種部２上に
非単結晶シリコン膜４を形成する。
次に、非単結晶シリコン膜４を挟み込むように設け
られた主ヒーター5a並びに副ヒーター5bから成るヒータ
ー５をONして、種部２上の非単結晶シリコン膜４を単結
晶化を進めたい最上層まで加熱溶融し、溶融領域7aを形
成する。
なお、主ヒーター5aは非単結晶シリコンの融点以上の温
度を保ちながら加熱溶融し、一方副ヒーター5bは融点以
下の低い温度に保つことにより、シリコン単結晶基板１
からの熱の放散を抑え非単結晶シリコン膜４の均一な溶
融状態を実現する。
固定されたヒーター５によって加熱溶融されている
溶融領域7a直近のLBあるいはEB6により、ヒーター５に
よる溶融領域7a直近の最上層の非単結晶シリコン膜４の
加熱溶融し、その領域の周辺部に向かって、LBあるいは
EBを上記非単結晶シリコン膜４に対して相対的に移動す
ることにより溶融領域7bを形成する。
ヒーター５による溶融領域7aとLBあるいはEBによる溶融
領域7bが接合し、共溶融領域7cが形成されるまでヒータ
ー５による溶融を行う。
ヒーター５による加熱溶融が終了することにより、ヒー
ター５による溶融領域7aは、種部２の結晶性を受け継ぎ
ながら単結晶化する。
第２図又は第３図に図示する如く、LBあるいはEBを走査
して、LBあるいはEBによる溶融領域の中心付近から周辺
部に向って最上層の非単結晶シリコン膜４を単結晶化す
る。
以上〜の工程からなる単結晶シリコン膜の形成方法
である。
第２図は、本実施例において用いたLB加熱溶融の際のLB
の形状およびその光エネルギー強度並びに温度分布を示
す説明図であり、縦軸は温度または光エネルギー強度
を、横軸は距離を示し、８はLB、９は温度または光エネ
ルギー強度を示す。
第２図の如く、双峰型エネルギー密度分布のLBの形状を
得るためには、２つのLBを使用する方法、あるいは１つ
のLBをレンズ系もしくは水晶複屈折板を使用して２つに
分割する。
次に、本実施例において用いたEB加熱溶融の際のEBの形
状およびそれを達成する方法を第３図に基いて説明す
る。
第３図はEBを線状化する方法の説明図であり、10はEB、
11は偏向コイルを示す。
第３図において、ｙ方向に数kHz以上さらに好ましくは1
MHz以上の高周波で例えば5MHzの高周波をのせて、偏向
コイル11により高速偏向させることによりEB10を線状化
する。
この線状化EB10を第３図に示す如くｘ方向に走査するこ
とにより帯状に溶融部が形成される。
またこの際の結晶化領域の温度分布は第２図に示すよう
な分布となる。
第２図に示す温度分布を実現することにより、中心部は
温度が低く、周辺部では高い双峰型の温度分布となるの
で、溶融領域の中心付近から周辺部へ向かって結晶が成
長するので、走査方向のｘ方向に単結晶化が進み大面積
の単結晶化が可能となる。
固定されたヒーター５による加熱では、LBあるいはEBを
非単結晶シリコン膜４に対して相対的に移動することに
より、種部２上の最上層の非単結晶シリコン膜４から最
下層の非単結晶シリコン膜４までの溶融が可能となるの
で、単結晶化では常に、種結晶２の結晶性を受け継ぎな
がら非単結晶シリコン膜４を単結晶化することができる
ので、各単結晶化されたシリコン層は、特性の均一な層
となる。
一方、LB又はEBによる加熱溶融では、熱の吸収はほとん
ど表面の非単結晶シリコン膜４で生ずるので、表面の非
単結晶シリコン膜４のみ溶融し下層への熱による影響を
与えることはない。
従って、下層にデバイスが形成している場合にも、熱に
よるデバイスの破壊あるいは不純物の再拡散によるデバ
イスの特性のばらつきは押さえられ、各層に均一なデバ
イスの形成を可能にする。
第４図は、別の本発明の実施態様例における絶縁基板上
に形成する非単結晶シリコン膜の単結晶化を示す説明図
である。
図において、12は絶縁基板、13はレリーフである。
次に第４図の場合の単結晶シリコン膜の形成方法につい
て説明する。
絶縁基板12を加工して絶縁基板12上にレリーフ13を
形成するか又は絶縁基板12上に絶縁膜３を形成し、絶縁
膜３をエッチングしてレリーフ13を形成する。
絶縁基板12上に非単結晶シリコン膜を形成する。
非単結晶シリコン膜４を挟み込むように設けられた
主、副ヒーター5a、5bから成るヒーターにより、主ヒー
ター5aは非単結晶シリコンの融点以上、一方副ヒーター
5bは融点以下の温度を保ちながら、種部２上の非単結晶
シリコン膜４を最上層まで加熱溶融し、ヒーターによる
溶融領域7aを形成する。
固定されたヒーター５によって加熱溶融されている
溶融領域7a直近の最上層の非単結晶シリコン膜４の加熱
溶融により、その領域の周辺部へ向かってLBあるいはEB
を非単結晶シリコン膜４に対して相対的に移動すること
により溶融領域を形成する。
ヒーター５による溶融領域7aとLBあるいはEBによる溶融
領域7bが接合し、共溶融領域7cが形成されるまでヒータ
ー５による加熱溶融を行う。
ヒーター５による加熱溶融が終了することによりヒータ
ー５による溶融領域7aは、レリーフ13の形状により決ま
る面方位を有しながら単結晶化し、 LBあるいはEBを走査して、LBあるいはEBによる溶融領域
の中心付近から周辺部に向って最上層の非単結晶シリコ
ン膜４を単結晶化する。
以上〜の工程からなる単結晶シリコン膜の形成方法
である。
以上の単結晶シリコン膜の形成方法に述べた如く、絶縁
基板12上にレリーフ13を形成し、絶縁基板12上の非単結
晶シリコン膜４を加熱溶融し、結晶化すると、結晶方位
を規制することができ、均一な層を形成できる特徴があ
る。この場合、結晶方位はレリーフ13の形状により異な
り、第４図に示すような形状のレリーフでは（100）面
方位を有する単結晶化が可能となる。
従ってレリーフ形状を決定して、前述のシリコン単結晶
基板と同様に非単結晶シリコン膜の単結晶化を実行する
ことで、各単結晶化シリコン膜間で、品質のバラツキの
ない均一な単結晶化シリコン膜の形成が可能となる。
［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の単結晶シリコン膜の形成方
法によれば、結晶性を決定する種部上の非単結晶シリコ
ン膜の加熱溶融には、固定されたヒーターを使用し、絶
縁膜上の非単結晶シリコン膜の加熱溶融には、双峰型の
温度分布を形成するように構成したLB又はEBを使用して
非単結晶シリコン膜の単結晶化を行うことにより、３次
元集積回路の如く層状に絶縁膜と非単結晶シリコン膜を
形成する場合にも、種部上では、絶縁層上の非単結晶シ
リコン膜の結晶化毎に、最上層の非単結晶シリコン膜か
ら最下層の非単結晶シリコン膜まで加熱溶融し、その後
LB又はEBを非単結晶シリコン膜に対して相対的に移動す
ることにより絶縁膜上に非単結晶シリコン膜を加熱溶融
して単結晶化を行うので、常に種部の結晶性を受け継ぎ
ながら単結晶化できることになり、各単結晶化シリコン
膜間の結晶性は均一となる。
また、絶縁層上の非単結晶シリコン膜の単結晶化では、
絶縁基板にレリーフ加工することにより、加熱溶融後の
結晶化で、結晶面方位を揃えることが可能となるので、
本発明の単結晶シリコン膜の形成方法により、絶縁基板
上での非単結晶シリコン膜の単結晶化を可能にする等の
効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の単結晶シリコン膜の形成方法の一実施
例を示す説明図、第２図はLBの形状およびその光エネル
ギー強度並びに温度分布を示す説明図、第３図はEBを線
状化する方法の説明図、第４図は、別の本発明の実施態
様例における単結晶シリコン膜の形成方法を示す説明
図。 図において、１……シリコン単結晶基板、２……種部、
３……絶縁膜、４……非単結晶シリコン膜、５……ヒー
ター、5a……主ヒーター、5b……副ヒーター、６……LB
又はEB、７……溶融部、7a……ヒーターによる溶融領
域、7b……LB又はEBによる溶融領域、7c……共溶融領
域、８……LB、９……温度又は光エネルギー強度、10…
…EB、11……偏向コイル、12……絶縁基板、13……レリ
ーフ。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数のシリコンを含む膜を絶縁膜を介して
    積層したシリコン半導体基板の最上層に設けられた非単
    結晶シリコン膜を加熱溶融した後、単結晶化させる単結
    晶シリコン膜の形成方法において、 シリコン単結晶基板上に、単結晶化の際の種となる種部
    上をエッチング除去した絶縁膜を形成する工程、 前記絶縁膜上及び前記シリコン単結晶基板の前記種部上
    に非単結晶シリコン膜を形成する工程、 前記シリコン単結晶基板の前記種部の上部に固定的に存
    在し、かつ前記非単結晶シリコン膜の融点以上の温度に
    保たれた主ヒーターと、前記シリコン単結晶基板の前記
    種部の下部に固定的に存在する副ヒーターとから構成さ
    れ、前記種部を上下から挟み込むように存在するストリ
    ップヒーターにより、前記種部及び前記種部上に位置す
    る前記非単結晶シリコン膜の最上層までの第１領域を加
    熱溶融する工程、 しかる後に前記ストリップヒーターの温度を下げ、前記
    第１領域から、前記第１領域の周辺部へ向かって、レー
    ザービームあるいは電子ビームを前記非単結晶シリコン
    膜に対して相対的に移動することにより、前記非単結晶
    シリコン膜を、前記種部の結晶性を受け継ぎながら単結
    晶化する工程、 を有することを特徴とする単結晶シリコン膜の形成方
    法。
  2. 【請求項２】前記レーザービームは、２つのビーム又は
    １つのビームを２つに分割し、双峰型エネルギー密度分
    布を形成して、前記非単結晶シリコン膜を加熱溶融し、
    単結晶化させることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の単結晶シリコン膜の形成方法。
  3. 【請求項３】前記電子ビームは、数kHz以上の周波数に
    よる高速偏向によりビームを線状にして前記単非結晶シ
    リコン膜を加熱溶融し単結晶化することを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の単結晶シリコン膜の形成方
    法。
  4. 【請求項４】複数のシリコンを含む膜を絶縁膜を介して
    積層したシリコン半導体基板の最上層に設けられた非単
    結晶シリコン層を加熱溶融した後、単結晶化させる単結
    晶シリコン膜の形成方法において、 絶縁基板を加工して該絶縁基板上にレリーフを形成する
    か又は絶縁基板上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチ
    ングしてレリーフを形成する工程、 前記レリーフが設けられた前記絶縁基板上に非単結晶シ
    リコン膜を形成する工程、 前記非単結晶膜の種部となる部分の上部に固定的に存在
    し、かつ前記非単結晶シリコン膜の融点以上の温度に保
    たれた主ヒーターと、前記種部下の前記絶縁基板下部に
    固定的に存在する副ヒーターとから構成され、前記種部
    を上下から挟み込むように存在するストリップヒーター
    により、前記種部に位置する前記非単結晶シリコン膜の
    最上層までを加熱の第１領域を加熱溶融する工程、 しかる後に前記ストリップヒーターの温度を下げ、前記
    第１領域から、前記第１領域の周辺部へ向かって、レー
    ザービームあるいは電子ビームを前記非単結晶シリコン
    膜に対して相対的に移動することにより、前記単結晶シ
    リコン膜を、前記レリーフの形状により決まる面方位を
    有しながら単結晶化する工程、 を有することを特徴とする単結晶シリコン膜の形成方
    法。
  5. 【請求項５】前記レーザービームは、２つのビーム又は
    １つのビームを２つに分割し、双峰型エネルギー密度分
    布を形成して、前記非単結晶シリコン膜を加熱溶融し、
    単結晶化させることを特徴とする特許請求の範囲第２項
    記載の単結晶シリコン膜の形成方法。
  6. 【請求項６】前記電子ビームは、数kHz以上の周波数に
    よる高速偏向によりビームを線状にして前記非単結晶シ
    リコン膜を加熱溶融し単結晶化することを特徴とする特
    許請求の範囲第２項記載の単結晶シリコン膜の形成方
    法。
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