JPS6352407A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は絶縁物上に単結晶半導体層を形成した構造、い
わゆるＳ○Ｉ　　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌ
ａｔｏｒ）の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

絶縁物上に単結晶半導体層を形成する方法として、絶縁
物上に多結晶または非晶質半導体層を堆積しておき、こ
れをレーザや電子ビームあるいは赤外線などで加熱溶融
し、再結晶化する方法が知られている。この方法では大
面積の単結晶半導体層を得るためには、種となる結晶を
用意し、種結晶に隣接する部分から溶融し、ｆ４融部分
を走査して単結晶成長を促進させる手法が行なわれる。

半導体層としてシリコンが用いられるときには、シリコ
ン基板の表面に絶縁層を形成し、その一部を窓あけする
ことによってその窓の部分を種結晶として利用する方法
が一般的である。この種の構造として関連するものには
、例えば特開昭５６−８０１２５号、同５７−４５９２
０号等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、溶融シリコンが再結晶化する
ときに種結晶の結晶方位を確実に伝搬することが重要な
課題である。通常シリコン基板表面の一部に窓あけされ
た絶縁層上に被着した多結晶非晶質シリコンには、窓上
すなわちシリコン基板の単結晶シリコン上と絶縁膜上と
で段差が生じている。そこでまず単結晶シリコン上の多
結晶シリコンを溶融再結晶化して単結晶とし、この結晶
方位を段差をのりこえて絶縁層上へ伝搬させることが必
要である。ところがシリコンと絶ａ層（通常シリコン酸
化膜が使用される）とで熱伝導が異なり、シリコンの熱
伝導率が大きいため、単結晶シリコン上の多結晶シリコ
ンに与えられた熱はシリコン基板に逃げやすいため、こ
この多結晶シリコンを溶融するには絶縁層上の多結晶シ
リコンの溶融よりも大きなエネルギーが必要である。そ
のため、逆に絶縁層上の多結晶シリコンに過大の熱が与
えられ、絶縁層上で溶融シリコンが凝集化したり、その
反作用でシリコンのない空乏化部ができたり、段差が段
切れができたりし、単結晶成長が阻害されるという問題
があった。

本発明の目的は溶融再結晶化時にシリコンの凝集化、空
乏化２段切れなどを起こさずに、種結晶上及び絶縁層上
の多結晶または非晶質シリコンを溶融再結晶化し、シリ
コン基板の結晶方位の伝搬された単結晶成長を実現する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、絶縁層上の多結晶シリコンにはそれを溶融
しうるに必要なだけ加熱し過剰なエネルギを与えないよ
うにし、−万里結晶シリコン上の多結晶シリコンには単
結晶シリコンからの放熱を補いうるに足る充分な熱を与
えるように、各部に与える熱量に差をつけることによっ
て達成される。

単結晶シリコン上または絶縁層上の多結晶シリコンには
その上部よりレーザ、電子ビーム、赤外線などにより加
熱が施される。従って多結晶シリコンに下部構造または
下部構造を設けることによって与えられる熱エネルギの
加減ができる。

第一の方法は、絶縁層上の多結晶シリコン上に熱を減少
させるか吸収する膜を設け、単結晶シリコン上の多結晶
シリコン上にはこのような膜を設けないかあるいは先に
吸収した熱の一部を単結晶シリコン上の多結晶シリコン
に与える構造とすることである。第二の方法は、絶縁層
上の多結晶シリコンの下部にその熱エネルギを単結晶シ
リコン上の多結晶シリコンの方へ流すような膜を設ける
ことである。

〔作用〕

第一の方法では、上部構造とは絶縁層上の多結晶シリコ
ン上部に対してはシリコン酸化膜などの熱伝導率の低い
膜を介して、−万里結晶シリコン上の多結晶シリコンに
対しては直接に設けられた熱吸収性の良い膜あるいは熱
伝導率の大きい膜のことである。これらの膜の存在によ
り絶縁層上の多結晶シリコン上部に与えられた熱は減少
して多結晶シリコンに与えられ、減少分の一部は熱吸収
性の良い膜または熱伝導率の大きい膜を通って！■結晶
シリコン上の多結晶シリコンに流れてこの部分では熱エ
ネルギは増加される。熱エネルギの配分は上部構造の膜
厚により調整できるため、それぞれの多結晶シリコンの
溶融に必要十分にして過剰でない熱エネルギを与えるこ
とができる。

第二の下部構造を設ける方法では、絶縁層の上に熱伝導
の大きい膜を設け、これを単結晶シリコンの露出してい
る窓の縁まで伸ばすことにより上記と同じ熱の流れを生
じさせることがで、同様の効果が生じる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図は再結晶化による多結晶シリコンの単結晶化の熱処理
を施す前の試料の断面構造である。

この構造は次の手順で作製する。シリコン基板１の表面
の一部に窒化シリコンなどの酸化性雰囲気に対するマス
クを設けて熱酸化することにより。

表面にシリコン酸化膜２ｏを形成する。シリコン酸化膜
２０の膜厚は１μｍとした。この後窒化シリコンマスク
を除去して酸化されなかった部分を露出し、気相成長法
により多結晶シリコン３０を堆積する。この多結晶シリ
コン３０が後の工程で再結晶化され単結晶となるが、こ
のとき酸化されずに基板のシリコンが露出している部分
は種結晶４として働く。多結晶シリコン３０堆積後、気
相成長法によりシリコン酸化膜２１を堆積し、種結晶４
よりもやや広い領域のシリコン酸化膜を除去した後、再
び多結晶シリコン３１を堆積する。このようなｔ、ｙｔ
造とした後、多結晶シリコン３０を溶融再結晶化する。

再結晶化はレーザ、電子ビーム、ハロゲンランプ、スト
リップヒータなどの加熱により行われる。

本実施例ではカーボン製ストリップヒータを使用した。

第２図は対結晶化処理の模式図である。原理説明の簡単
化のために、多結晶シリコンは一層とした。通常多結晶
シリコン３０の蒸発を防ぐためシリコン酸化膜２２で被
覆する。試料基板全体を予熱した上で、表面側にストリ
ップヒータ５を接近させヒータを１６００℃〜２０ｏＯ
℃に加熱するとその輻射熱で多結晶シリコン３０が溶融
し、ン容融シリコン６となる。ストリップヒータ５は紙
面に垂直な方向に長細い形状であるため、溶融シリコン
６も帯状の形状となる。そこでストリップピータ５を矢
印７０方向に走査（約１鴫／秒）するとｉＦ状の溶融シ
リコンが移動し、再結晶化シリコン８０が形成される。

再結晶シリコン３３の結晶方位制御のためには第２図の
ように所々に種結晶４を配置しておく必要があるが、種
結晶４上の多結晶シリコン３０を溶融させるための熱エ
ネルギを与えると、第３図のように、シリコンが丸く凝
集し段切れを起こしてしまう。これはシリコンの熱伝導
率がシリコン酸化膜よりも大きいため種結晶４上の多結
晶シリコンに与えられた熱が矢印７１の方向すなわちシ
リコン基板１側に流れているため１種結晶ｌｌ上の多結
晶シリコン３０を溶融させるには熱エネルギを大きくし
なければならず、そのためシリコン酸化膜２０上の多結
晶シリコン３０には過剰の熱が与えられ、溶融シリコン
の表面張力による凝集化が起こりやすくなるからである
。

先に示した第１図の構造はこのような凝集化。

段切れを防止するものである。第１図の構造で再結晶化
するときの熱分布状況を第４図に示す。この場合の再結
晶化でも被覆の酸化シリコン膜等を用いるが図では省略
した。（ａ）ではストリップヒータの熱輻射９は種結晶
４の手前にあり、この輻射エネルギが上層の多結晶シリ
コン３１を溶融しその熱がシリコン酸化膜２１を矢印７
１の方向に通って下層の多結晶シリコン２０を溶融する
と同時に矢印７３の方向すなわち種結晶４の方向にも流
れ種結晶４上の多結晶シリコン３０を予熱する。次に輻
射エネルギが種結晶上へきたときは（ｂ）のように、種
結晶４上ではまだ充分に熱せられていないため溶融して
おらず、一方シリコン酸化膜２ｏ上ではまだ固化せず溶
融状態が保たれている。この状態でも矢印７４のような
熱流束が生じている。次に熱輻射９が種結晶部を怠えて
（ｃ）のように上層のシリコン酸化膜２１上の多結晶シ
リコン３１が溶融すると、ここからの矢印７５方向の熱
流束が先の（ｂ）段階の加熱に加わって種結晶４上の多
結晶シリコン３ｏは溶融する。

次いで輻射エネルギがさらに遠ざかると（ｄ）のように
種結晶上でも固化し、さらに再結晶化がシリコン酸化膜
２０上へも伸展し、種結晶の結晶方位が伝搬される。

本実施例の効果は多結晶シリコンを二層にしない第２図
と比較すると次の通りである。本実施例では下層の多結
晶シリコン３ｏを溶融するのに上層の多結晶シリコン３
１が吸熱した熱を間接的に与えて行っている。そのため
上層の多結晶シリコン３１には過剰の熱エネルギを与え
ることができ、その結果種結晶４の方向への熱流束は第
２図の一層の場合よりも大きくすることができ、種結晶
上の多結晶シリコン３０を容易に溶融することができる
。このとき上層の多結晶シリコン３１は過剰な熱エネル
ギを加えられ最終的に第４図（ｅ）のように上層の再結
晶シリコン８１には凝集化２段切れが生じるが差し支え
ない。また種結晶４上の多結晶シリコンの膜厚は上層下
層あわせたもので厚くなっており、第４図（ｅ）のよう
に下層の再結晶シリコン８０に対しては段切れを起こさ
ない。

また下層の多結晶シリコン３ｏは上層の多結晶シリコン
３１に間接的に加熱されて適度な熱エネルギが与えられ
るため、溶融シリコンの凝集化、空乏化が避けられ、そ
の結果、種結晶の結晶方位が伝搬された単結晶成長が可
能となる。

次に本発明の他の実施例を説明する。第５図は再結晶化
処理工程前の試料構造断面図を示したもので、種結晶４
上の部分をやや広く窓あけした上層のシリコン酸化膜２
１上に熱伝導率のよい膜が形成されている０本実施例で
はカーボン膜１００である。このカーボン膜１００の作
用は先の第１の実施例の上層の多結晶シリコン３１と同
様、下層のシリコン酸化膜２０上の多結晶シリコンに与
えられる熱エネルギを輻射エネルギそのものより弱め、
シリコン酸化膜２０上の多結晶シリコンを溶融するに必
要な熱量とし、一方カーボン膜１００自体が種結晶４上
の多結晶シリコン３０に直接被着されているので種結晶
４方向へ熱流束を生じて種結晶４上の多結晶シリコン３
０に余分に熱を与える作用をするのである。その結果、
第１の実施例と同じく、種結晶４上の多結晶シリコン３
０を溶融し、シリコン酸化膜２ｏ上の再結晶シリコンの
凝集化、空乏化を防止できる。なお、表面に被Ｚ？する
膜はカーボンのほか、タングステンやタンタルなどの高
融点金属も利用できる。

さらに本発明の他の実施例を第６図に示す。この試料断
面図も再結晶化処理工程前の構造である。

これは多結晶シリコン３０堆積前に種結晶４の窓の近傍
に熱伝導率の大きい膜、ここではタングステン膜２００
を設けたものである。このタングステン膜の作用も種結
晶４の方向へ大きな熱流束を生ゼしめるものである。な
おこの場合、タングステン膜上の多結晶シリコン３０に
与えられた熱は熱流束の生成によって減少するが、シリ
コン酸化膜上では減少しないので、溶融シリコンの凝集
。

消散化に対しては温度を必要最小限にするなどのコント
ロールが必要である。なお、この種結晶４近傍の熱伝導
性のよい膜はほかにタンタル等も利用できる。

以上の実施域では、再結晶化処理方法の熱源にストリッ
プヒータを使用したが、レーザ、電子ビーム、ランプに
よる赤外線加熱などでもよい。レーザでは膜厚、膜種に
よって吸収率が変るので注意が必要である。また種結晶
４の窓あけには段差緩和のため選択酸化を使用したが、
エツチングによるシリコン酸化膜除去でもよい。さらに
、再結晶化する層は多結晶シリコンのほか非晶質シリコ
ンでもよい。またシリコンのほか他の半導体、例えばゲ
ルマニウムや化合物半導体にも応用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、再結晶化すべき多結晶シリコンの上部
または下部構造による熱流束の作用によって、種結晶で
ある単結晶シリコン上の多結晶シリコンには絶縁層上の
多結晶シリコンよりも余分の熱量が与えられているため
に溶融再結晶化することにより種結晶の結晶方位を伝搬
することができ、−労組縁層上の多結晶シリコンはその
分過剰に加熱されることがないため、溶融シリコンの凝
集化やその反作用の空乏化、特に種結晶部での段切九が
起こらなく、加熱源の相対的な走査に伴って種結晶の結
晶軸と同一の単結晶成長が実現され、広い面積の単結晶
シリコンを絶縁層上に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主要構造である再結晶化処
理前の基板構造を示す断面図、第２図は再結晶化処理の
説明図、第３図は従来技術の問題点を示す模式図、第４
図は本発明の一実施例での主要工程である再結晶化処理
過程を説明する断面図、第５図は本発明の他の実施例の
主要工程途上の基板構造を示す断面図、第６図は本発明
のさらに他の実施例の主要工程途上の基板構造を示す断
面図である。 １・・・シリコン基板、２０．２１・・・シリコン酸化
膜、３０．３１・・・多結晶シリコン、４・・・種結晶
、６・・・７容融シリコン、８０．８１・・・再結晶シ
リコン、９・・・熱輻射。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁物上の多結晶または非晶質半導体層を再結晶化
   する半導体基板の製造方法において、前記多結晶または
   非晶質半導体層の上部に一部を開口した絶縁層を介して
   熱吸収層または高熱伝導率層を設けることを特徴とする
   半導体基板の製造方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記熱吸収層が多
   結晶または非晶質シリコンであることを特徴とする半導
   体基板の製造方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記高熱伝導率層
   がカーボンであることを特徴とする半導体基板の製造方
   法。 ４、絶縁物上の多結晶または非晶質半導体層を再結晶化
   する半導体基板の製造方法において、前記多結晶または
   非晶質半導体層の下部の一部に高熱伝導率層を設けるこ
   とを特徴とする半導体基板の製造方法。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記高熱伝導率層
   がタングステンであることを特徴とする半導体基板の製
   造方法。