JPS6381807A - 単結晶シリコン薄膜の製造方法 - 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〉 本発明は半導体装置を製造する分野で利用される単結晶
薄膜の製造方法に関し、さらに詳細には非晶質絶縁膜上
に形成した非晶質あるいは多結晶等の非単結晶シリコン
薄膜に光ビーム照射を行って、非単結晶シリコン薄膜を
単結晶化する単結晶シリコン薄膜の製造方法の改良に関
するものである０ 〈従来の技術〉 従来より、単結晶シリコン基板上に形成した、一部間口
部を有する絶縁膜の上に非晶質あるいは多結晶等の非単
結晶シリコン薄膜を形成し、この非単結晶シリコン薄膜
にレーザ等の光ビーム照射を行って溶融再結晶化させる
ことにより、単結晶シリコン基板と結晶方位の一致した
単結晶シリコン薄膜を作製する方法が提案されている。

この従来より提案されている方法は、通常第４図（ａ）
　、　（ｂ）に示すように単結晶シリコン基板２１上に
一部開口部２１ａを有する絶縁膜２２を形成し、さらに
その上に単結晶化すべき非晶質あるいは多結晶の非単結
晶シリコン薄膜２３を形成した後、レーザ等の光ビーム
２４の照射を非単結晶シリコン薄膜２３が単結晶シリコ
ン基板２１の露出部２１ａと直接接した領域から行うこ
とにより単結晶シリコン基板２１を結晶成長の種として
非単結晶シリコン薄膜２３を単結晶化して単結晶シリコ
ン基板２１と結晶方位の一致した単結晶シリコン薄膜２
５にしている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、上記した従来の方法では、単結晶シリコン基板
２１と単結晶化しようとする非単結晶シリコン薄膜２３
との間の絶縁膜２″２−′の厚さが１μｍ以上になると
単結晶シリコン基板２１の露出部２１ａ周囲に生じる急
峻かつ大きな段差のため、単結晶シリコン基板２１と接
した領域の非単結晶シリコン薄膜２３から絶縁膜２２上
の非単結晶シリコン薄膜２３に結晶成長が連続して起こ
らなくなる。

また、シリコンと絶縁膜の熱伝導率の大きな差により、
単結晶シリコン基板２１の露出部２１ａ上の非単結晶シ
リコン薄膜２３が溶融しなかったり、逆に絶縁膜２２上
の非単結晶シリコン薄膜２３が飛散したりする。そのた
め単結晶シリコン基板２１の結晶方位と一致した単結晶
シリコン薄膜２５を得ることができない等の問題がある
。

また、特に単結晶シリコン基板２１の露出部２１ａの形
状がストライプ状であったり、ドツト状であってもその
大きさが大きい場合は、絶縁膜２２の厚さが厚くなると
、単結晶シリコン基板２１の露出部２１ａと絶縁膜２２
上で基板２１への熱伝導が大きく異なり、光ビーム２４
の照射時に上記画部分上の非晶質あるいは多結晶のシリ
コン薄膜に著しい温度差が生じ、良好な単結晶シリコン
薄膜２５を得ることが出来ない等の問題がある。

本発明はこのような点に鑑みて創案されたもので、レー
ザ等の光ビーム照射により、結晶方位の制御された良質
な単結晶薄膜を形成する単結晶シリコン薄膜の製造方法
を提供することを目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明の単結晶シリコン薄
膜製造方法は次のように構成している。

即ち、まず単結晶シリコン基板の露出したドツト状の領
域上にのみ、まず絶縁膜の厚さとほぼ同等膜厚で非単結
晶シリコンを埋め込み、さらに全面に単結晶化したい非
単結晶シリコン薄膜を形成する。次に反射防止膜を形成
し、非単結晶シリコンを埋め込んだ領域に光ビームを照
射してこの領域の非単結晶シリコンをあらかじめ単結晶
シリコン基板の結晶方位と一致した単結晶にしておく。

次にその反射防止膜上に単結晶化した埋め込みシリコン
部を覆うようにストライプ状のシリコン被膜を形成する
。このストライプ状シリコン被膜のストライプ幅より広
い光ビームを照射することによりあらかじめ単結晶化し
た埋め込みシリコンを種として絶縁膜上の非単結晶シリ
コン薄膜を単結晶化し、単結晶シリコン基板と結晶方位
の一致した単結晶シリコン膜を得るように構成している
。

〈作用〉 絶縁膜の開口部を含む領域に光ビームを照射して非単結
晶シリコン薄膜を溶融させた時を考えると、開口部に絶
縁膜と同程度の厚さの非単結晶シリコンを埋め込んでお
かない場合、絶縁膜上の溶融シリコンが開口部内に流れ
込んできて、開口部周辺でシリコン膜が薄くなり、絶縁
膜が厚い場合にはシリコン膜が開口部周囲で切れてしま
う。それに対し、あらかじめ開口部に絶縁膜と同程度の
厚さの非単結晶シリコンを埋め込んでおくと、溶融シリ
コンの流れ込みがなく、溶融後も連続したシリコン膜が
得られる。

次にストライプ状シリコン被膜のストライプ幅より広い
光ビームを照射し、埋め込みシリコンを種として絶縁膜
上の非単結晶シリコン薄膜を単結晶化しようとする場合
を考えると、絶縁膜の熱伝導率が単結晶シリコン基板露
出部に埋め込んだ非晶質あるいは多結晶のシリコン薄膜
の熱伝導率より小さいとき、絶縁膜上の非晶質あるいは
多結晶のシリコン薄膜の方が温度が上がりやすい。単結
晶シリコン基板の露出部の形状がストライプ状であった
り、４μｍ角を超える大きさになると、絶縁膜開口部を
埋め込んだ非晶質あるいは多結晶のシリコン薄膜を通じ
て基板へ逃げる熱量が大きくなり、開口部上の非晶質あ
るいは多結晶の薄膜が溶融しなくなる。この開口部上の
非晶質あるいは多結晶のシリコン薄膜が溶融するまで光
ビームのパワー密度を上げると絶縁膜上の非晶質あるい
は多結晶のシリコン薄膜に飛散が生じてしまう。このよ
うな問題は、単結晶シリコン基板上に形成される絶縁膜
が厚くなると、より一層顕著なものとなる。トランジス
タ等の素子を多層に積層していく三次元回路素子におい
ては各能動層間の絶縁膜厚が２〜４μｍにもなる。

本発明においては、絶縁膜開口部の形状をストライプ状
等ではなくドツト状とし、かつ本発明の実施態様として
その大きさを４μｍ以下にすることによシ、この開口部
に埋め込んだシリコンを通して基板へ逃げる熱量が小さ
くなシ、周囲からの熱伝導で開口部上の非晶質あるいは
多結晶のシリコン薄膜の温度と絶縁膜上の非晶質あるい
は多結晶のシリコン薄膜の温度の差が小さくなって両部
を同時に飛散なく溶融できるようになる。

以上の作用によって絶縁膜が厚くなっても安定して基板
開口部からの単結晶引き上げができるようになる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図（ａ）乃至（Ｉりはそれぞれ本発明の一実施例を
説明するだめの工程図である。

まず第１図（ａ）に示す（１００）単結晶シリコン基板
１上に厚さ３μｍの眉間の５ｉ０２膜２をＣＶＤ法等に
より形成し、単結晶シリコン基板上を露出すべき部分の
みホトエツチング法によりバターニングを行い、第１図
（ｂ）に示すように３μｍ角の複数個の開口部１　ａ　
＋　１　ａ　＋・・・を１５μｍ間隔に形成する（第２
図参照）。

次に、この単結晶シリコン基板１が露出した領域１ａ、
ｌａ、・・・にのみ、絶縁膜２の厚さとほぼ等しい厚さ
の非晶質あるいは多結晶のシリコン薄膜６を埋め込み形
成する。具体的にはまず、第１図（ｃ）に示すように全
面に減圧ＣＶＤ法によシ非単結晶シリコン薄膜３を２μ
ｍの膜厚に形成した後、第１図（ａ）に示すように有機
塗布膜材料４を表面が平坦になるように塗布し、有機塗
布膜４の表面から非単結晶シリコン薄膜３との等速エツ
チング５を第１図（ｅ）のように行い、当初の有機塗布
膜４の平坦な表面を転写するとともに、このエツチング
を上記５ｉ０２膜２が露出した時点で停止させて、第１
図（ｆ）に示すように５ｉ０２膜２の開口部１ａに非単
結晶シリコン６を埋め込む。

次に第１図（ｇ）に示すように非単結晶シリコン６の上
部および絶縁膜２の上部の両部に厚さ０．６μｍの単結
晶化したい非単結晶シリコン薄膜７を減圧ＣＶＤ法によ
って形成し、さらに第１図（ｈ）に示すように反射防止
膜として作用する５ｉ０２膜８を厚さ８５０Ａに常圧Ｃ
ＶＤ法により形成する。

この状態で第１図（ｉ）に示すように溶融幅６０μｍ。

レーザパワー１０Ｗのレーザ光９を領域１ａ、１ａ。

・・・に沿って照射し、単結晶シリコン基板上の露出部
ｌａ上の非単結晶シリコン６及びその近傍の非単結晶シ
リコンを単結晶シリコン基板１の露出部１ａを種として
単結晶化して、単結晶シリコン基板１と結晶方位の一致
したシリコン１０を得、シードの引き上げを行なう。

次に第１図（ｊ）及び（ｋ）に示すようにストライプ状
の非単結晶シリコン薄膜１１をストライプの長手方向が
（０１０）となるように形成する（第２図参照）。具体
的には、まず反射防止膜８上に減圧ＣＶＤ法により厚さ
０．６μｍの非単結晶シリコン薄膜を形成し、ホトエツ
チング法により選択エツチングしてストライプ状にパタ
ーニングして第１図（ｊ）および（ｋ）に示すように＠
１０μｍ　９間隔５μｍのストライプ状非単結晶シリコ
ン薄膜１１を単結晶シリコン基板露出部１ａを覆うよう
に形成する。

最後に第１図（１）に示すように溶融幅６０μｍ。

レーザパワー１２Ｗのレーザ光１２の走査をストライプ
状非単結晶シリコン薄膜１１の長手方向に走査速度１０
０ｒｒａｕ、／　ｓ　ｅ　ｃで、単結晶シリコン基板１
の露出部１ａから行い、単結晶シリコン基板と結晶方位
の一致した埋め込みシリコン１０を種として非単結晶シ
リコン薄膜７を単結晶化して単結晶シリコン薄膜１３を
得る。このようにして単結晶シリコン基板１と結晶方位
の一致した（１００）単結晶シリコン薄膜１３を得る。

また、比較のために開口部１ａの形状を３μｍ幅のスト
ライプ状とし、その他については上記第１図（ａ）〜（
Ｉりに示した同じ工程にて非単結晶シリコン薄膜７の単
結晶化を行ったところ、レーザパワー１２Ｗでは開口部
１ａ上の非単結晶シリコン薄膜７が溶融せず、レーザパ
ワー１３Ｗでは開口部ｌａ上の非単結晶シリコン薄膜７
が溶融しないのに５ｉ０２膜２上のストライプ状非単結
晶シリコン薄膜１１が飛散してしまう結果となった。こ
れは溶融幅やレーザ光走査速度を種々変えても同様で、
５ｉ０２膜２の厚さが３μｍと厚い場合は開口部１ａの
形状がストライプ状であると両部を同時に飛散なく良好
に溶融できるレーザ照射条件は存在しなかった。

また開口部１ａに非単結晶シリコン６を埋め込まず、そ
の他については上記第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（
ｇ）〜Ｃりに示した同じ工程にて非単結晶シリコン薄膜
７の単結晶化を行ったところ、開口部１ａの周辺で非単
結晶シリコン薄膜７が非常に薄くなったり、不連続にな
ってしまい単結晶シリコン基板１と結晶方位の一致した
単結晶シリコン薄膜１３が得られなかった。

一方、上記第１図（ｉ）の工程をとばし、１回のレーザ
光照射で単結晶シリコン基板１と結晶方位の一致した単
結晶シリコン薄膜１３を得ようとした場合、一応可能で
はあったがあらかじめ開口部１ａ上に埋め込んだ非単結
晶シリコン６を第１図（ｉ）の工程により単結晶シリコ
ン基板１と結晶方位の一致した単結晶シリコン１０にし
ておいた方が安定して非単結晶シリコン薄膜７を単結晶
シリコン基板１と結晶方位の一致した単結晶シリコン薄
膜１３にできた。

また、本発明の他の実施例として、絶縁膜開口部の大き
さを変えたとき、シーディング率が絶縁膜厚により、ど
のように変化するかを調べだ。その結果を第３図に示す
が、開口部が５μｍ角と大きい時は絶縁膜厚が４μｍと
厚くなるとシーディング率が低下するのに対し、２μｒ
ｎ、３μｍ及び４μｍ角では絶縁膜が４μｍになっても
シーディング率の低下は見られない。三次元回路素子に
おいては各能動層間の厚さは最大でも４μｍ程度である
ので開口部の大きさを４μｍ角以下にしておけば充分で
ある。

また上記した実施例において、単結晶シリコン基板とし
て（１００）の結晶面を用い、レーザ走査方向を〔０１
０〕としたのは、この組み合わせが最も結晶欠陥が入り
に＜＜、種部から単結晶領域が引き伸ばせるためである
。

また、上記した実施例において、〔０１０〕方向と等価
な［：０１０］、ｌ：００１］、［００１］の方向に結
晶成長させた場合も、同様に安定した結晶成長が得られ
、更にシリコン基板１として（１００）面と等価な面（
０１０）、（００１）等を有するものを用い結晶成長の
方向をその面内において、結晶成長の方向〔０１０〕と
対称性から等価な（：ＯＯ１］。

［１００）等の方向に結晶成長させた場合にも、同様に
安定な結晶成長が得られ、（１００）の結晶面を用い、
レーザ走査方向を＜１００＞とすることにより、安定な
結晶成長が得られた。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、シード形状を小さなドツ
ト状とし、かつシード部を予め非単結晶シリコンで埋め
込んで光ビーム照射し、眉間絶縁膜上にシードを一旦引
き上げた後、ラテラルエピタキシャル成長させることに
より、単結晶シリコン基板上に１μｍ以上の例えば実際
の三次元回路素子に適用できる４μｍの厚い絶縁膜が被
覆されていても、その絶縁膜上に単結晶シリコン基板と
結晶方位の一致した良質な単結晶シリコン薄膜を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至Ｃ１）はそれぞれ本発明の一実施例を
説明するだめの試料断面等を示した工程図、第２図はス
トライプ状シリコン薄膜の形成方向（光ビーム走査方向
）を説明するだめの図、第３図は絶縁膜開口部の大きさ
がシーディング率に与える影響を示す図、第４図（ａ）
及び（ｂ）はそれぞれ従来の単結晶薄膜形成法を説明す
るだめの試料断面を示す模式図である。 １・・・単結晶シリコン基板、 １ａ・・・単結晶シリコン基板露出部分、２・・・Ｓ　
ｉ０２膜、 ３・・・非単結晶シリコン薄膜、 ４・・・有機塗布膜、 ５・・・等速エツチング、 ６・・・非単結晶シリコン、 ７・・・単結晶化すべき非単結晶シリコン薄膜、８・・
・Ｓ　ｉｏ２膜、 ９・・・埋め込みシリコン単結晶化のためのレーザ光照
射、 １０・・・単結晶シリコン、 １１・・・ストライプ状非単結晶シリコン薄膜、１２・
・・横方向単結晶成長のためのレーザ光照射、１３・・
・単結晶シリコン薄膜。 第１図 （ハ （ｋ） 第１図 第２図 第３図 （ａ） ｃｂ＞ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単結晶シリコン基板の一部がドット状に露出するよ
   うに該単結晶シリコン基板に一部を開口して絶縁膜を被
   覆する工程と、 上記絶縁膜開口部の上記単結晶シリコン基板の一部露出
   した領域のみに非単結晶シリコンを埋め込む工程と、 上記開口部に非単結晶シリコンの埋め込まれた上記絶縁
   膜上に単結晶化すべき非単結晶シリコン薄膜を形成する
   工程と、 上記非単結晶薄膜上に反射防止膜を形成する工程と、 上記基板露出部に埋め込んだ非単結晶シリコンを含む領
   域に光ビームを照射することにより、上記単結晶シリコ
   ン基板の露出部を種として上記埋め込み非単結晶シリコ
   ンを単結晶シリコン基板と結晶方位を一致させて単結晶
   化する工程と、 上記反射防止膜上にストライプ状のシリコン被膜を上記
   単結晶化した上記埋め込みシリコン領域を含むように形
   成する工程と、 上記シリコン被膜部分を覆って光ビームを照射すること
   により、上記単結晶化した埋め込みシリコンを種として
   、上記非単結晶シリコン薄膜を単結晶化する工程と を含んでなることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製
   造方法。 ２、種部となる単結晶シリコン基板露出部を複数個形成
   し、上記ストライプ状のシリコン被膜を複数本上記複数
   個の種部に対応して形成してな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薄膜の製造方法
   。