JPS6384013A - 半導体結晶層の製造方法 - 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】 一″−ｉ７［発明の目的］ ？ｉ 最近、電子ビームやレーザービーム等のエネルギービー
ム照射によるアニール法やストリップヒータを用いたゾ
ーンメルト法等によりＳｏ１層を形成する技術の開発が
盛んに行なわれている。

このＳｏｌ技術の目指すところはＳＯＩ上に２次元的に
集積回路を形成し、高速動作素子を製作すること、或い
は集積回路を多層に形成して３次元集積素子を製作する
ことである。

８０１層の形成は通常、シリコン単結晶基板上に絶縁層
として８１０２層を形成し、その上に多結晶シリコン層
を堆積し、更にその上に保護膜として３１０２Ｍを堆積
したのち、上記し、たエネルギービームアニールやゾー
ンメルト法により多結晶シリコン層を溶融・再結晶化さ
せることにより、前記多結晶シリコン層を単結晶化させ
る方法が用いられている。しかしこの場合、再結晶化後
のシリコン層は完全な単結晶層とならず種々の方位の−
−−これを改良する方法として第４図に示す様な方法が
行なわれている。

即ち、シリコン基板（４０）上に開孔部（４１）を持つ
絶縁層（４２）を形成し、続いて多結晶若しくは非晶質
のシリコン層を前記絶縁層（４２）及び開口部（４１）
の全面に形成し、その上に保護用８１０２層（４４）を
堆積した後、電子ビーム或いはレーザービーム等のエネ
ルギービーム（４５）を図のＢから矢印方向へ照射し、
溶融・再結晶化させて単結晶シリコンら縦方向及びそれ
に続いて横方向にエピタキシャル成長が進行しシリコン
基板（４０）の結晶方位情報を絶縁ｒｆ；Ａ（４２）上
に成長する単結晶層に与えることができる。

しかしながら、シリコン基板（４０）と同一方位の単結
晶層は上記開孔部（４１）からの距離が高々　１００μ
ｍ程度しか成長せず、それ以上の距離の領域ではこの方
法によっても亜結晶粒界や結晶粒界が発生する等の問題
があワた。

これら従来方法の根本的原因は第５図に示すように多結
晶若しくは非晶質シリコン層（４Ｂ）が溶融状態のシリ
コン層（４７）である際に、その上下に隣接する５ｉ０
２層（４２）　、　（４４）の一部が溶解し溶融シリコ
ン層（４７）中の酸素濃度が高まりシリコン中の固溶限
界濃度を超えてしまうため、再結晶化する際に析出物が
生成し、それが結晶粒界発生につながるものと考えられ
る。この考察は、融点直下の固相シリコン中の酸素の固
溶限界は１．５〜３Ｘ１０”’ｃｍ−３であり、通常の
Ｓｏｌ再結晶化層中第５図で示した保護用５１０２層（
４４）の一部を開孔させる手法がり、Ｐｒｏｌｆ’ｒｅ
ｒ　ｅｔ　ａｌ、、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、　４７（１９８５０５７，に提案されている
。これは溶融したシリコン層中に含まれている過剰な酸
素原子がシリコン原子と結合した一酸化シリコン（８１
０）の形で上記開口部から蒸発する現象を利用するもの
である。この方法によればＳｏｌ再結晶化層の酸素濃度
を低減化できそれにより結晶欠陥の少ないＳ０１層の形
成が可能である。

しかしながらこの方法では保護膜が連続でない本発明は
上記従来の問題点を鑑みてなされたもので、その目的は
、再結晶化過程でのＳｏｌ中の酸素濃度を低減化し、結
晶欠陥が少なく平坦性に優れた高品質な８０１層を形成
することである。

［発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために絶縁物層を被着した
半導体基板上に半導体結晶層を形成する方法においてこ
の半導体結晶層とすべき半導体層の上部に高融点金属酸
化物膜を被着した後、前２半導体層を溶融・再結晶化し
て半導体結晶層を形成せしめることを特徴とする半導体
結晶層の製造方法を提供する。

（作用） 本発明の原理は、８０１表面保護膜として酸素原子や酸
化シリコン分子に対し透過性に富む物質、即ち、高融点
金属酸化物膜を用いることにより、例えば電子ビームを
用いたＳｏｌの再結晶化過程でＳｏｌ中の過剰な酸素を
外方拡散つまり、表面から蒸発させ、Ｓｏｌ再結晶化層
の酸素濃度的に除去する目的で前記保護膜上にシリコン
層や金属層を堆積する方法も有効である。

（実施例） 以下、本発明による実施例を図面を用いて説明する。第
１図は、本発明の第１の実施例を示す工程断面図である
。ここで用いられる試料（ｌＯ）は、まず第１図（ａ）
に示すように、方位の単結晶シリコン基板（１１）上に
ＣＶＤ法により厚さ　１．５μｍにシリコン酸化（Ｓｔ
　０２　）膜（１２）を堆積し、その上部全面にシラン
（ＳＩ　Ｈ４）の熱分解を用いたＣＶＤ法により厚さ　
０．６μｍの多結晶シリコン層（１３）を堆積しその上
部にスパッタ法により高融点成はターゲツト材の膜の組
成よりも酸素が減少し、Ｚｒ０２−ｘとなるため、スパ
ッタチャンバ中に微により、多結晶シリコン層（１３）
を順次、溶融・再結晶化し単結晶シリコン層（１３ａ）
を形成し、８０１層とした。

電子ビーム（１５）の走査は、Ｔ、１ｌａｏ＋ａｓａｋ
ｌ　ｅｔ　ａｌ、。

Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、５９（１９８Ｂ）２９７１．
　ｌ：よる方法を用いた。

即ち、３６ＭＨｚの振幅変調した正弦波により半値幅約
１５０μｍのスポットビームを一方向に高速偏向するこ
とにより、長さ約５　ｍ１１に疑似的に線状化したもの
を用い、振幅変調には周波数１０ｋ　Ｈｚで線状化ビー
ムの長さ方向強度分布を均一化するために計算機制御さ
れた波形をもつ変調波を用いた。

この線状化されたビーム（１５）をビーム加速電圧１２
ｋＶ、ビーム電流９．５ｍＡｓ走査速度１００ｍｍ／ｓ
結晶シリコン層（１３）の溶融・再結晶化する場合には
、はぼ走査方向を平行に平均間隔１０μｍの結晶粒界が
多数存在するが、上記実施例では平均間隔が２００μｍ
となり、均一な単結晶領域の面積が飛躍的に増大した。

この時、Ｚ「０２層（１４）と単結晶シリコン層（１３
ａ）の界面ではＺｒ５ＩＯｉ！ｌ：；Ｚ　ｒ　Ｏ２＋　
ＳＩ　Ｑ　２の反応が起こり、この界面に極薄い８１０
２層が形成されてこの界面からＺ「０２層表面に向かっ
て酸素濃度勾配が高くなっているものと考えられる。

次に本発明の第２の実施例について第２図を用いて説明
する。

施例と同様に走査型電子ビーム（１５）を走査して、多
結晶シリコン層を溶融・再結晶化させることにより３０
１層を形成することができる。尚、第１図と同一のもの
は同一の符号を付して示し、その形成方法は第１の実施
例と同様であるので詳細な説明は省略する。

この結果得られた８０１層では先の第１の実施例よりも
結晶粒界の発生はより少なかった。つまり、結晶粒界の
間隔は２〜３　ｍｍであり、部分的には〜５報の間隔の
領域も存在する。この様な大面積の単結晶層が得られる
ことにより、その後この単結晶層に半導体素子を形成す
る上でも有効である。

この結果は、再結晶化の過程において前述した過剰な酸
素がＺｒ　０２層（１４）中を拡散し、このｚ「０２上
に被着された多結晶シリコンＩｌ？ＩＣ１Ｂ）のシリコ
ン原子と反応して５１０２層が形成されて、５０１層中
の酸素濃度がシリコン中の酸素の固溶限よりも大幅に低
いものとなり、結晶粒界発生が位の単結晶シリコン基板
（１１）上にＣＶＤ法により厚さ２．０ａｍの５Ｉ０２
膜（１２）を堆積し、通常のフォトエツチングにより幅
２．０μｍのシード部とすべき部分を除去して開孔部（
１７）を形成する。次いでＳｉＨ４の熱分解を用いたＣ
ＶＤ法により前記開孔部（１７）及び５１０２膜（１２
）上全面に連続して厚さ　０．６μｍの多結晶シリコン
層（１３）を堆積し、その上部に第２の実施例と、全く
同様にしてＺｒＯ２層（１４）、多結晶シリコン層（１
６）を順次堆積させたものである。第３図（ｂ）に示す
ようにこの試料上に第１の実施例と同様に走査型電子ビ
ームアニール（１５）をＡ′から矢印方向に走査するこ
とにより、多結晶シリコン層（１３）を単結晶シリコン
層（１３ａ）とした。この結果得られた８０１層はシー
ド部を通じて横方向エピタキシャル成長しているため基
板（１１）のシリコンと同一方位の単結晶となっている
。この実施例において結晶粒界の発生はほとんど見られ
ず５市角パターンこのシードで囲まれた領域が結晶粒界
の無い完全な単結晶層が得１″層 ではＺｒ　０２層（１４）の上部に設ける酸素吸収層の
材料は必ずしも多結晶シリコン層（１６）でなくてもよ
く、非晶質シリコン、ゲルマニウム、Ｇａ　Ａｓ　。

Ｇａ　Ｐ、等の半導体層或いは、Ｓｎ、Ｔ１．Ｈｆ。

Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｉｎ、ｓｂ、Ｎｉ、Ｐｄ。

へ１等の金属層等でも良い。

また、上述の第１乃至第３の実施例では、ＳＯｌの表面
保護層としてジルコニウム酸化物層を用いたが、ハフニ
ウム酸化物、チタン酸化物、及びそれらにイツトリウム
酸化物とシリコン酸化物を混合したもの等を用いても同
様の効果が得られる。

そしてこれらの表面保護層の形成にスパッタ法を用いた
が、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成しターやランプ
加熱等を用いたゾーンメルティング法（ＺＭＲ）等を用
いても同様な効果が得られる。

［発明の効果］ 以上、述べてきたように本発明によれば、従来の５０１
層中の過剰な酸素の析出に起因した結晶欠陥の発生を大
幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明による実施例を示す断面図、
第４図及び第５図は従来例を説明するための説明図であ
る。 １１・・・・・・基板、 １２・・・・・・酸化膜、 １３・・・・・・多結晶シリコン膜、 １３ａ・・・・・・単結晶シリコン層、１４・・・・・
・高融点金属酸化物層、１５・・・・・・エネルギービ
ーム、 １６・・・・・・多結晶シリコン層。 出願人　工業技術院長　飯塚幸三 第１図 第２図 第３図 Ｉ 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁物層を被着した半導体基板上に半導体結晶層
   を形成する方法において、この半導体結晶層とすべき半
   導体層の上部に高融点金属酸化物膜を被着した後、前記
   半導体層を溶融・再結晶化して半導体結晶層を形成せし
   めることを特徴とする半導体結晶層の製造方法。
2. （２）前記高融点金属酸化物としてジルコニウム系酸化
   物、ハフニウム系酸化物、チタン系酸化物、あるいはそ
   れらの混合物を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体結晶層の製造方法。
3. （３）前記高融点金属酸化物層の上層に半導体層と金属
   層の少なくとも一層が被着されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体結晶層の製造方法。
4. （４）前記半導体層の再結晶化はエネルギービームの走
   査によって前記絶縁物層に設けられた開孔部を介して行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   半導体結晶層の製造方法。
5. （５）前記半導体結晶層は半導体単結晶層である特許請
   求の範囲第１項記載の半導体結晶層の製造方法。
6. （６）前記半導体結晶層とすべき半導体層は、多結晶あ
   るいは非晶質半導体層である特許請求の範囲第１項記載
   の半導体結晶層の製造方法。