JPS6384014A - 半導体単結晶層の製造方法 - Google Patents

半導体単結晶層の製造方法

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JPS6384014A
JPS6384014A JP61227187A JP22718786A JPS6384014A JP S6384014 A JPS6384014 A JP S6384014A JP 61227187 A JP61227187 A JP 61227187A JP 22718786 A JP22718786 A JP 22718786A JP S6384014 A JPS6384014 A JP S6384014A
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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】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、絶縁膜上にシリコン等の単結晶層を形成する
技術に係わり、特に酸素や不純物濃度が低く、結晶欠陥
の少ない半導体単結晶層を製造する方法に関する。
(従来の技術) 近年、電子ビームやレーザビーム等を利用したビームア
ニール法により、Sol膜(絶縁膜上のシリコン膜)を
形成する技術の開発が盛んに行われている。このSOI
技術の目指すところは、SOI膜の形成には、単結晶シ
リコン基板上に絶縁層としての5i02膜を形成し、そ
の上に多結晶シリコン膜及び保護膜としての5i02膜
を堆積した構造を製作する。そして、上記のビームアニ
ール法により、多結晶シリコン膜を溶融・再結晶化させ
て、多結晶シリコン膜を単結晶化させる。この場合、ア
ニールの条件によっても異なるが、再結晶化後のSol
膜は完全な単結晶層とはならず、種々の方位を持つ1〜
100[μ77Z]程度の大きさの多結晶層となる。
また、絶縁膜の一部に開孔部を設け、この開孔部をシー
ドとして用いる方法が提案されている。
この場合、開孔部ではシリコン膜がシリコン基板と直接
接触しているので、シリコン基板か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
基板の結晶方位情報を絶縁膜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、この方法を用いても
、シリコン基板と同一方位の単結晶層は、上記開孔部か
らの距離として高々 100[μm]程度しか成長せず
、それコン膜が溶融状態にある際に、その上下に隣接す
る5i02膜の一部が溶解し、溶融シリコン中の酸素濃
度が高まりシリコン中の固溶限界濃度を越えてしまうた
め、シリコンが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。融点直下
の固相シリコン中の酸素の固溶限は1.5〜3xlO[
01−3コであり、通常のSOI再結晶化層中の酸素濃
度は〜10[n−3コ程度であるため、上記の結晶粒界
発生に関する考察は正当なものと言える。なお、第4図
中41は単結晶シリコン基板、42は5i02絶縁膜、
43は多結晶シリコン膜、44は5i02保護膜、45
は単結晶化部、46は溶融部を示している。
上記の問題を解決する方法として、保護用の5i02膜
の一部を開孔させる手法が提案されている。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(Sin)の形で
、上記開孔部から蒸発する現象を利用するものである。
この方法に表面平坦性に問題があり、高密度集積回路素
子を形成することは困難である。
(発明が解決しようとする問題点) このように従来方法では、シリコンの再結晶化過程にお
ける溶融シリコン中の酸素濃度の増大を避けることはで
きず、結晶粒界発生を招き、良質のシリコン単結晶層を
製造することは困難であった。また、保護膜の一部を開
口すると、最終的に得られるSOI膜の表面平坦性が低
下する等のはかることができ、絶縁膜上に結晶欠陥の少
ない高品質のシリコン単結晶層を形成することのできる
半導体単結晶層の製造方法を提供することにある。
[発明の(14成] (問題点を解決するための手段) 本発明の骨子は、Sol膜の表面保護膜に、酸素原子や
酸化シリコン分子に対し透過性に富む物質を用いること
により、シリコンの再結晶化過程でシリコン中の過剰な
酸素を外方拡散させ、Sol再結晶化層の酸素濃度を低
減化し、従来技術での過剰酸素に起因した転位、双晶、
積層欠陥。
結晶粒界等の結晶欠陥の発生を抑制することにある。さ
らに、上記酸素原子や酸化シリコン分子に対し透過性に
富む物質として、多孔質の薄膜を用いることにある。
即ち本発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜上に半
導体単結晶層を製造する方法において、前記絶縁膜上に
非晶質若しくは多結晶の半導体薄膜を形成したのち、こ
の半導体薄膜上に多孔質薄上記の方法であれば、シリコ
ンの溶融・再結晶化過程で、シリコン層に接する5i0
2等の絶縁膜からシリコン中に溶出する過剰な酸素を、
保護膜を通して外方に移動させることができる。従って
、シリコン中の酸素濃度を、シリコンの固溶限以内に低
減することが可能となる。その結果、従来技術における
、S01層中の過剰な酸素の析出に起因した結晶欠陥の
発生を抑制することが可能となる。
(実施例) 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
第1図(a)〜(c)は本発明の第1の実施例に係わる
シリコン単結晶層の製造工程を示す断面図である。まず
、第1図(a)に示す如く、(100)方位の単結晶シ
リコン基板11上にCVD法により厚さ 1.5[μ7
7Z]の5i02膜(絶縁膜)12を堆積し、その上に
SiH4の熱分解を用いたCVD法により厚さ0.6[
μm]の化膜14は、酸素原子、酸素分子及び酸化シリ
コン分子等よりも大きな孔を多数含んでいるため、これ
らが容易に該被膜中を拡散できると共に、溶融したシリ
コンの液滴に比較すると被膜に含まれる孔は十分に小さ
いので、SOI層の溶融・再結晶化過程において、十分
な性能の表面保護膜として機能するものである。
なお、上記多孔質シリコン酸化膜14の形成には、例え
ばSiH4及び02の混合ガスのマイク[cc/min
 ] 、チャンバ内圧力1  [torrl 、マイク
ロ波(2,45G Hz )電力500 [Wコとした
。堆積速度は〜150[入/see]と高速のため、多
孔質性のシリコン酸化膜が形成される。本実施例では、
40秒間の堆積により〜0.6[μ77Z]厚の多孔質
シリコン酸化膜を形成した。
以上の手順で作成した試料を、第1図(c)に示す如く
、電子ビーム15の走査によりビームアニールした。即
ち、走査型電子ビームアニールにより、多結晶シリコン
膜13を順次溶融・再結晶化させた。ここで、電子ビー
ムは36[MHz]の振幅変調した正弦波により、半値
幅約150[μ771]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[M]に疑似的に線状
化したものを用いた。振幅変調には、周波数10[KH
z]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持つ変調波を用いた。
この線状化ビームを線状方向と直角な方向に走査した。
走査速度は100 [M/see ] 、ビーム加の結
晶粒界が多数存在するが、本実施例では平均間隔が20
0[μ7rL]となり、均一な単結晶領域の面積が飛躍
的に増大した。この効果は、再結晶化過程において、溶
融した301層中の過剰な酸素が多孔質シリコン酸化膜
14中を、無数の微細な孔を通って高速に拡散し、表面
から蒸発することにより、S01層中の酸素濃度が大幅
に低減されたことに基くものと考えられる。
かくして本実施例方法によれば、多結晶シリコン膜13
上に保護膜としての多孔質シリコン酸化膜14を堆積し
ておくことにより、ビームアニールの際に溶融シリコン
中の酸素を外方に逃がすこ、とができ、シリコン中の酸
素濃度をシリコンの固溶限以下に低減させることができ
る。このため、結晶粒界発生を抑制することができ、結
晶欠陥の少ない良質のシリコン単結晶層を形成すること
ができる。また、保護膜としての多孔質シリコン酸化膜
14は連続した状態であるので、形成されるSol膜の
表面平坦性は良好なものとなる。
次に、本発明の第2の実施例方法について説明は、先の
実施例で用いた試料の上部にCVD法により、厚さ 0
.1[μm]の多結晶シリコン膜16を堆積させたもの
である。
この試料を先の実施例と同様に、走査型電子ビームアニ
ールにより、301層を溶融や再結晶化させた。この結
果得られたS01層では、結晶粒界の発生は極めて少な
く、結晶粒界の間隔は1〜3 [M]と広く、部分的に
は〜5 [M]間隔の領域も存在する。このような大面
積の単結晶層は、酸化膜14中を拡散し、表面の多結晶
シリコン膜16のシリコン原子と反応して5i02層を
形成することにより、S01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
界発生が完全に抑制されたためと考えられる。
次に、本発明の第3の実施例方法について説明する。こ
の実施例では、試料として第3図に示す構造のものを用
いた。即ち、(100)面方位の単結晶シリコン基板1
1上にCVD法により厚さ2[μm]の5i02膜12
を堆積し、通常のフォトエツチング法により幅2 [μ
m]のシード部とすべき開口部17を形成し、次いでS
iH4の熱分解を用いたCVD法により全面に厚さ 0
.6[μm]の多結晶シリコン膜13を堆積する。さら
に、その上に第2の実施例と同様に、多孔質シリコン酸
化膜14及び多結晶シリコン膜16を順次堆積させたも
のである。
この試料を、走査型電子ビームアニールにより、S01
層を溶融・再結晶化させた。この結果得らドで囲まれた
領域が結晶粒界の自宛全単結晶層として得られた。
なお、本発明は上述した各実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、SO■の上部に被着する表面保護膜
としては、多孔質シリコン酸化膜に限らず、多孔質薄膜
であればよい。多孔質薄膜としては、多孔質シリコン酸
化膜の他に、酸素をんだ多孔質シリコン膜、多孔質アル
ミナ膜、多孔質イツトリア、多孔質ジルコニア、多孔質
ハフニウム酸化膜、或いはこれらの混合物等を用いるこ
とができる。また、これらの多孔質薄膜の形成には、マ
イクロ波放電を利用した気相反応に限らず、スパッタリ
ング法、真空蒸着法、陽極酸化法等を用いることが可能
である。
また、多孔質薄膜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である必要はなく、非晶質シリ
コン、ゲルマニウム、GaAs。
GaP等の半導体やSn、Ti、Hf、Nb。
Fe、Cu、In、Sb、Ni、Pd、Aノ等の用いた
ゾーンメルティング法(ZMR法)等を用いても同様の
効果が得られる。また、半導体薄膜としては、多結晶シ
リコンの代りに、非晶質シリコンを用いることができ、
さらに他の半導体装置を用いることも可能である。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
[発明の効果] 防止することができる。従って、絶縁膜上に結晶欠陥の
少ない良質の半導体単結晶層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(c)は本発明の第1の実施例方法に係
わるシリコン単結晶層の製造工程を示す断面図、第2図
は本発明の第2の実施例方法に用いた試料構造を示す断
面図、第3図は本発明の第3の実施例方法に用いた試料
構造を示す断面図、第4図は従来の問題点を説明するた
めの模式図である。 11・・・単結晶シリコン基板、12・・・5i02膜
(絶縁膜)、13・・・多結晶シリコン膜(半導体薄膜
)、14・・・多孔質シリコン酸化膜(保護膜)、15
・・・電子ビーム、16・・・多結晶シリコン膜、17
・・・開口部。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板上に形成された絶縁膜上に半導体単結
    晶層を製造する方法において、前記絶縁膜上に非晶質若
    しくは多結晶の半導体薄膜を形成するをアニールして溶
    融・再結晶化する工程とを含むことを特徴とする半導体
    単結晶層の製造方法。
  2. (2)前記保護膜として、多孔質シリコン酸化膜を用い
    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
    単結晶層の製造方法。
  3. (3)前記保護膜として、酸素を含む多孔質シリコン膜
    、多孔質アルミナ膜、多孔質ジルコニア膜、多孔質イッ
    トリア膜、或いは多孔質ハフニウム酸化膜、またはこれ
    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項記載の半導体単結晶層の製造方法。
  4. (4)前記半導体薄膜をアニールする前に、前記保護膜
    の上に半導体層及び金属層の少なくとも一方を被着する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項又は第
    3項記載の半導体単結晶層の製造方法。
  5. (5)前記保護膜の形成工程として、マイクロ波放電を
    利用した気相反応を用いたことを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の半導体単結晶層の製造方法。
  6. (6)前記半導体薄膜をアニールする工程として、電子
    ビーム或いはレーザービームを用いたことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の半導体単結晶層の製造方法
    。
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