JPS6233734B2 - - Google Patents

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JPS6233734B2
JPS6233734B2 JP57046288A JP4628882A JPS6233734B2 JP S6233734 B2 JPS6233734 B2 JP S6233734B2 JP 57046288 A JP57046288 A JP 57046288A JP 4628882 A JP4628882 A JP 4628882A JP S6233734 B2 JPS6233734 B2 JP S6233734B2
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film
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insulating film
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Koichi Kugimya
Shigenobu Akyama
Haruhide Fuse
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に三次元ICとして知られている
積層型半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
このような三次元ICといわれる積層型半導体
装置の積層型単結晶を形成する製造方法について
は、ここ数年来、多くの提案がなされている。以
下に、これら技術について簡単に説明を行うと共
に、問題となつている点を挙げる。
島状多結晶島のビームアニール法は、絶縁基盤
（例えばSiO2やSi3N4）上に通常の蝕刻法などで多
結晶半導体島を形成し、ビームアニール（CWや
パルスレーザ、エレクトロンビームなど）法によ
り、単結晶化ないしは大結晶粒化した結晶島を形
成する技術である。この方法にてかなり良好な単
結晶島が得られているが、結晶方位の制御は不可
能であり、又、種結晶が島周辺から雑多に生ずる
ために単結晶島でなく大結晶粒から成る複結晶島
が生じ易いといつた欠点、したがつて大きな結晶
島を形成することができないといつた欠点があ
る。
グラフオ・エピタキシー法は、同様に絶縁非晶
質基板上に単結晶薄膜をビームアニール法で形成
しようとするものである。この時、非結晶質基板
上に、結晶癖や結晶の対称形に対応した非常に細
かな溝をあらかじめ設けておき、前述の方法では
不可能であつた結晶方位を制御しようとするもの
である。しかしながら、現在の所、KClの水溶液
からの単結晶成長では幾分かの成功が得られてい
るようであるが、Siなどの半導体膜では満足なも
のはまだ得られていない。半導体素子特性の評価
や、結晶欠陥、微小角粒界、双晶など解析が不十
分で現在のところ使用し得る技術ではない。又、
形成する溝の精度は非常に高いものが要求されて
おり、現在の超LSI技術で可能なサブミクロン加
工でも難しい点が多々残つている。
ブリツジングエピタキシー法やシーデイドビー
ムアニーリング法においては、種結晶としての半
導体基板への開口部より結晶成長が生ずるため
に、結晶方位が制御されると同時に前述の多結晶
島のビームアニール法と同様に良好な結晶性が得
られ易いことが知られている。しかし、開口部よ
り周辺に結晶成長が生ずるため、菊花状に単結晶
がバラバラに成長し完全な単結晶が得られない、
開口部周辺の絶縁膜上へ結晶が成長してゆく時に
結晶欠陥や乱れが生じ易いなどの欠点が指摘され
ている。さらに、大面積化には、このままでは適
用できないなどの欠点がある。
本発明は、シーデイドビームアニーリング法の
範疇に入るともいえる方法を適用し、前述のよう
な欠点なく前記半導体基盤全面上に結晶化層を形
成し、三次元ICなる積層型半導体装置の優れた
製造方法を提供するものである。以下、本発明の
実施例とともに本発明を詳細に説明する。
本発明は、第１層目の半導体素子を形成した半
導体基盤上にたとえば少なくとも二層の絶縁膜に
よつて鋭いカドを有する矩形開口部をスクライブ
ラインに多数設け、前記開口部および絶縁膜上に
多結晶半導体膜を形成し、前記開口部の基盤を種
結晶として、多結晶半導体膜を結晶化させる際
に、エネルギービームを渦巻き状に半導体基盤全
面に照射すると同時に、少なくとも一回転毎に前
記開口部をエネルギービームが通過し、そこから
新らたに結晶成長を生じしめ、最終的にほぼ半導
体基盤全面を結晶化せしめた後、この結晶化層
に、通常の半導体工程により第２層目の半導体素
子を形成するものである。
さて、本発明は第１図に示すごとく半導体基盤
（半導体ウエハー）１のスクライブライン２の交
点３およびその他の部分（たとえば第３図のごと
く）上に少くとも２層の絶縁膜よりなる開口部を
形成し、この基盤上に多結晶半導体膜を形成した
のちレーザ等のエネルギービーム４を第１図のよ
うに渦巻き状に照射して結晶化する方法を用い
る。
ところで、一般に、薄膜に開口部を現在の半導
体蝕刻技術で矩形にあけようとしても、よく知ら
れているように開口部のカドが丸みを帯びる。こ
れに対して、本発明の様に複数層の絶縁膜を使用
することによつて正確に、且つ鋭いカドを有する
矩形開口を得ることができる。
これは、第２図に示すように、第１層目の半導
体素子形成工程を得た基盤１上に第１の絶縁膜を
形成し（第１層半導体素子形成時に作成された絶
縁膜を用いても良い）、縦横のスクライブライン
２の交点に、通常の蝕刻法により縦に長軸を有し
た矩形開口部５を形成した後、更に第２の絶縁膜
を形成し次にこの第２の絶縁膜に横に長軸を有し
た矩形開口部６を重ねて形成すると、これら縦横
の矩形開口部５，６の共通の開口部７は、直線で
縁が決められた開口部５及び６で形成されている
ため非常に鋭いいわゆるシヤープなカドを有して
いる。しかも、スクライブライン２上には、半導
体素子が形成されておらず平坦であるため、写真
蝕刻法などで非常に問題となる凹凸による線の歪
みが全く生じないという利点がある。このように
正確な微細な矩形開口部７を形成できるため、こ
の部分がその上に形成する多結晶半導体膜を単結
晶化するときの種結晶になるのみならず、前述の
グラフオエピタキシーの効果を合わせもつ特徴が
認められており、ほぼ（100）面を有した半導体
基盤１では、オリエンテーシヨンフラツトに対
し、平行ないしは45゜傾斜せしめて作成した矩形
開口部の絶縁膜端部での結晶性が優れており、従
つて、良好な結晶成長が引き続き継続していくも
のと推定される。
さらに、スクライブライン２はもともと未利用
部分であるため、この部分を種結晶に利用しても
素子の有効面積を減少することはない。又、開口
部は短時間ではあるが、1400℃を越す温度に上昇
するため、不純物を拡散させる恐れがあるが、ス
クライブラインにおいては全く問題とならないな
ど種々の特徴がある。
また、本発明のごとく、渦巻き状にエネルギー
ビームを照射することによつて、さらに良質の単
結晶層を得ることができる。これは、特にＸ―Ｙ
ステージなどの高速走査系では、走査が不安定と
成り易すく、特に高速下では蛇行したり、振動が
生じたりすることが知られており、このような変
動が結晶の劣化になつていると考えられる。一
方、本発明で用いるごとき渦巻き状の照射ではさ
らに高速にしても例えば半導体基盤をステージな
どに吸着して、数万rpmで安定に回転せしめるこ
とは容易であり、エネルギービームを単純に横方
向にゆつくりと移動させれば、結果として基盤に
対して相対的に渦巻き状の走査がなされる。基盤
の回転、ビームの移動も精密に制御し易すいた
め、上述のように、優れた結晶化層を得ることが
できる。なお、ビームの角速度を基盤の半径に反
比例して変化させることによつて走査速度を基盤
上で一定にでき、また円状の半導体基盤に対して
簡単に効率良く走査することができる。
この時、さらに少なくともビームの一回転毎に
種結晶となる開口部を通過させるようにすれば、
結晶成長が途中で断続してもすぐ元のように種結
晶から新たに結晶が成長する。従つて、100mmφ
の直径を有する現行の半導体基盤に応用しても、
そのほぼ全面を所望の方位に備えることができ、
不良部分を最低限におさえることができる特長も
ある。このためには、第３図に示すように、無数
の開口部７をスクライブライン２に形成すること
が望ましい。こうすれば１チツプ毎に種結晶によ
る再結晶が生ずる。また、開口部７の大きさは、
第４図ａに示すように、エネルギービーム４の径
より小さいことが望ましく、こうすることにより
前述したようなグラフオエピタキシーの効果が生
ずる。第４図ｂのような関係の時には、図より明
らかなようにその効果を期待し難い。
次に微少な開口部７を多数隣接して形成する場
合には、現在の写真蝕刻技術においては、第５図
に示すように、ほぼ等間隔に開口部７を形成する
方法が最とも良い。この時、第５図ａに示すよう
に、開口部７間のピツチｐの２倍以上の径を有す
るエネルギービーム４を照射すれば、常に少なく
とも１ケの開口部７をビーム径内に完全に収めて
いるので、その部分のグラフオエピタキシーを伴
なつた種結晶よりの成長が生ずる。最初の照射の
時に開口部７の一部しか照射されなくとも次の走
査の際には、完全にビーム径内に収まつてしま
う。一般にエネルギービーム照射では、最初の走
査と次の走査を次々に重ねて行うのが通常である
が、少ない重なりである10％でも、この場合には
問題とならない。ところが、第５図ｂに示すよう
にビーム７の径が小さい場合には、ビームの重な
りを十分とらないとビーム径内にすべての開口部
が一度は収まる条件にならない。同図のような場
合には、ほぼ60％の重なりが必要であり、約10％
の重なりの時には、少なくとも半数の開口部はグ
ラフオエピタキシーの効果を生じ得ないこととな
る。したがつて、前述のように、走査の重ね合せ
の依存性が少なく、照射効率の優れた相対的に大
きなビーム径が望ましい。
なお、多結晶半導体膜を形成後、700〜900℃の
温度で焼鈍しておくと、膜中に吸着ないし捕獲さ
れたガス類が放出されると同時に、高密度化し、
基盤への密着性が改善されるなど好ましい効果が
ある。しかし、900℃を越える温度では基盤に形
成された第１層目の半導体素子の不純物プロフア
イルを変化させるので好ましくない。
次に、本発明の一実施例にかかる積層型半導体
ICの製造工程を第６図，第７図とともに説明す
る。
まず、第６図ａに示すように、（100）単結晶シ
リコン基盤１の表面部分に第１層目の半導体素子
（たとえばMOSトランジスタ）を形成する。１
０，１１はMOSトランジスタのソース、ドレイ
ン領域、１２はゲート絶縁膜を介して形成された
ゲート電極、１３，１４はソース、ドレイン電
極、１５は絶縁膜である。しかるのち、基盤１上
全面にたとえばプラズマ窒化硅素膜よりなる第１
の絶縁膜１６を形成する。
しかるのち、第１の絶縁膜１６に矩形の開口部
５を設け、続けて次にプラズマ酸化硅素膜よりな
る第２層目の絶縁膜１７を全面に被覆せしめた
後、第６図ｂに示すように矩形開口部６を独立し
て形成すると、前述のごとく、カドの鋭い矩形開
口部７がスクライブライン２上に形成される。こ
のときの開口部７の部分の概略を第７図に示す。
この上に、第６図ｃのごとくさらに多結晶シリ
コン（ポリシリコン）膜１８を0.3〜0.7μｍの厚
さに形成する。この形成方法は、プラズマ
CVD，LPCVDなどいずれでも良い。この後、
900℃、30分の焼鈍を加え、前工程での絶縁膜も
含めて安定化の熱処理を行つた。この半導体基盤
を真空吸着ステージに載せ、450℃に加熱しなが
ら、CW―Arレーザビームを照射した。レーザ出
力は約18W、ビーム径約80μｍ、走査速度１ｍ／
sec、前述した重ね合わせ30％とした。走査は、
ステージを高速に回転させると同時に、レーザビ
ーム４を一軸方向に矢印Ｘのごとく一定速度に移
動させることによつて、半導体基盤のほぼ中心部
分から外側に向かつて渦巻き状に照射を行つた。
この結果中心部分から外側に拡大するようにポリ
シリコン膜１８の単結晶化が進み、全面が結晶化
していつた。
得られた再結晶化層が第２層目の半導体素子形
成用の基盤となる。そして、通常の半導体製造技
術を用いて、半導体素子を形成する。このとき、
第６図ｄに示すように再結晶化シリコン層の一部
を酸化すれば完全に周囲が絶縁膜１９で分離され
たシリコンの島領域２０が形成される。なお、シ
リコン層の酸化により形成された絶縁膜および前
述の絶縁膜１５，１６，１７を一体に１９として
示した。こうして平坦な島領域２０が形成され
る。
しかるのち、島領域２０にMOSトランジスタ
のソース、ドレイン領域２１，２２、ゲート絶縁
膜、ゲート電極２３、ソース、ドレイン電極２
４，２５を通常の半導体集積回路の製造技術を用
いて形成し、２層目の半導体素子を第６図ｅに示
すごとく形成し、積層型ICを作製する。なお、
第１層目と第２層目の半導体素子の配線について
は、チツプ周辺に各々設けたパツド間をワイヤボ
ンドすることにより行つてもよいし、直接第１、
第２層が接続されるようにしてもよい。
このようにして得られた第２層目の半導体素子
のMOSダイオード群の歩留りは非常に高く、本
発明の方法における、グラフオエピタキシー効果
を兼ね備えたシーデイドビームアニーリング法、
且つ、スクライブライン毎に新たに種結晶から成
長が生ずる短周期での繰り返しが、良質の結晶化
層を提供しており、且つ、酸化などによつて大部
分の非活性領域が絶縁化され、幾分残留している
欠陥部分が残去される率が高いためにも、歩留り
が向上していると思われる。
また、さらに多層化する場合には、第６図ｄに
おいてスクライブラインに相当する部分をそのま
ま残しておき、次層での種結晶部として繰り返し
使用することができることは云うまでもない。
以上の説明で明らかなように、本発明によれ
ば、下層半導体基板上に積層した多結晶半導体膜
の全面にわたつて良好な品質の結晶化層を短時間
に得ることができ、高密度、高速化を可能ならし
める三次元ICの一型式である積層型半導体装置
の優れた製造方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に用いるエネルギービームの照
射状態を示す図、第２図は本発明における矩形開
口部をスクライブラインに形成した状態の部分概
略図、第３図はスクライブラインに多数の開口部
を形成した状態の部分概略図、第４図ａ，ｂ、第
５図ａ，ｂはビーム径及び開口部の相対的な大き
さの差による効果を示す図、第６図ａ〜ｅは本発
明の一実施例の積層型半導体装置の製造工程断面
図、第７図は第６図ｂにおける要部概略斜視図で
ある。 １……シリコン基盤、２……スクライブライ
ン、３……交点、４……エネルギービーム、５，
６，７……矩形開口部、１０，２１……ソース領
域、１１，２２………ドレイン領域、１６，１
７，１９……絶縁膜、１８……ポリシリコン膜、
２０……シリコン島領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基盤表面上に第１層目の半導体素子を
    形成する工程と、前記半導体基盤のスクライブラ
    インに２層以上の絶縁膜よりなる開口部を多数形
    成し、前記開口部より前記半導体基盤面を露出さ
    せる工程と、前記絶縁膜ならびに前記開口部の半
    導体基盤上に多結晶半導体膜を被覆形成する工程
    と、前記半導体基盤に対して相対的に渦巻き状に
    エネルギービームを走査して前記多結晶半導体膜
    に照射するとともに、前記ビーム走査の一回転中
    に前記ビームが少なくとも一ケの前記開口部を通
    過するようにして、前記多結晶半導体膜を結晶化
    層とする工程と、前記結晶化層に第２層目の半導
    体素子を形成する工程とを備えたことを特徴とす
    る積層型半導体装置の製造方法。 ２ 第１の絶縁膜に長軸を有する第１の矩形を開
    口し、第２の絶縁膜を形成した後前記長軸とほぼ
    直交する長軸を有する第２の矩形を重ねて形成
    し、前記第１，第２の矩形を合わせた共通部分よ
    り成る開口部を形成することを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の積層型半導体装置の製造
    方法。 ３ 多結晶半導体形成工程において、多結晶半導
    体膜を被覆形成した後、700℃から900℃の温度で
    熱処理を施すことを特徴とする特許請求の範囲第
    １項に記載の積層型半導体装置の製造方法。 ４ 照射せしめるエネルギービーム径が、開口部
    の最大長より大きなことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項に記載の積層型半導体装置の製造方
    法。 ５ 隣接する２個のスクライブラインの交点間の
    スクライブライン上に、照射するエネルギービー
    ム径の1/2以下のピツチで開口部を形成すること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の積層
    型半導体装置の製造方法。
JP57046288A 1982-03-25 1982-03-25 積層型半導体装置の製造方法 Granted JPS58164219A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP57046288A JPS58164219A (ja) 1982-03-25 1982-03-25 積層型半導体装置の製造方法
US06/466,301 US4487635A (en) 1982-03-25 1983-02-14 Method of fabricating a multi-layer type semiconductor device including crystal growth by spirally directing energy beam
GB08304181A GB2119168B (en) 1982-03-25 1983-02-15 Forming crystallized semiconductor layers
FR8302561A FR2524201B1 (fr) 1982-03-25 1983-02-17 Procede de fabrication d'un dispositif semi-conducteur du type multicouche

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Publication Number Publication Date
JPS58164219A JPS58164219A (ja) 1983-09-29
JPS6233734B2 true JPS6233734B2 (ja) 1987-07-22

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ID=12743022

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JP57046288A Granted JPS58164219A (ja) 1982-03-25 1982-03-25 積層型半導体装置の製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4487635A (ja)
JP (1) JPS58164219A (ja)
FR (1) FR2524201B1 (ja)
GB (1) GB2119168B (ja)

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