JP2009283481A

JP2009283481A - 結晶シリコン膜の製造方法

Info

Publication number: JP2009283481A
Application number: JP2008130793A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kudo; 利雄工藤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】良質な単結晶シリコン膜を製造する。
【解決手段】（ａ）単結晶シリコン基板表面の一部に、長さ方向に長く、幅方向に短い凹部を形成する。（ｂ）凹部に、シリコン基板より熱伝導係数の小さい絶縁性の膜を埋め込む。（ｃ）工程（ｂ）で埋め込まれた絶縁性の膜の長さ方向と平行な方向に長く、長さ方向に平行な一方の縁が絶縁性の膜上にあり、長さ方向に平行な他方の縁がシリコン基板表面が露出した領域上にあるシリコン膜を形成する。（ｄ）シリコン膜にレーザビームを照射して、シリコン基板に接触している部分から絶縁性の膜上の部分に向かって結晶成長させることにより、シリコン膜を結晶化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体薄膜の製造方法、殊に結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。

図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して結晶シリコン膜製造方法の従来例を説明する。

図２（Ａ）を参照する。シリコン（Ｓｉ）基板３０表面上に、並行に（本図においては紙面垂直方向に）掘られた複数の溝３０ａに酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を埋め込み、ＳｉＯ_２層３２をストライプ状に形成する。アモルファスシリコン膜３３を、ＳｉＯ_２層３２の形成されたＳｉ基板３０表面上に成膜する。

アモルファスシリコン膜３３にレーザビーム３４を照射し、アモルファスシリコン膜３３の結晶化アニールを行う。

レーザビーム３４は、連続波のレーザビームであってもよいし、パルスレーザビームであってもよい。いずれの場合も、たとえば幅４μｍの細線状に整形されたレーザビーム３４が、アモルファスシリコン膜３３上においてビームの幅方向（たとえば本図における右方向）に走査され、アモルファスシリコン膜３３の結晶化が行われる。レーザビーム３４の走査は、Ｓｉ基板３０をステージ上に載置し、ステージを走査することによって行う。

レーザビーム３４が連続波のビームである場合、レーザビーム３４は、たとえば２×１０^６Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度でアモルファスシリコン膜３３に照射されるように、３３０ｍｍ／ｓで膜３３上を走査する。

レーザビーム３４がパルスレーザビームである場合、パルスレーザビーム３４は、たとえば１Ｊ／ｃｍ^２のエネルギ密度でアモルファスシリコン膜３３上に照射され、０．２μｍ〜０．５μｍ／ショットで膜３３上を走査する。

図２（Ｂ）を参照する。連続波のレーザビーム３４でアニールが行われた場合、アモルファスシリコン膜３３が結晶化された結晶シリコン膜３５には、ＳｉとＳｉＯ_２の熱伝導係数の違いに起因してバンプ（盛上り）３６が形成される。

図２（Ｃ）を参照する。パルス波のレーザビーム３４でアニールが行われた場合、アモルファスシリコン膜３３が結晶化された結晶シリコン膜３５には、バンプ３６の他に、微細な突起３７が形成される。微細な突起３７は、パルスレーザビーム３４の照射位置の継ぎ目に形成される。

特にバンプ３６が形成されると、半導体製造工程におけるリソ描画等が困難になる。

絶縁膜上と種部上のシリコン薄膜の融点差を大きくして、良好な単結晶薄膜を再現性よく得ることのできる「非単結晶薄膜の溶融再結晶化方法」の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開昭６３−１６６２１３号公報

本発明の目的は、良質な単結晶シリコン薄膜を製造することのできる結晶シリコン膜の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）単結晶シリコン基板表面の一部に、長さ方向に長く、幅方向に短い凹部を形成する工程と、（ｂ）前記凹部に、前記シリコン基板より熱伝導係数の小さい絶縁性の膜を埋め込む工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で埋め込まれた絶縁性の膜の長さ方向と平行な方向に長く、長さ方向に平行な一方の縁が前記絶縁性の膜上にあり、長さ方向に平行な他方の縁が前記シリコン基板表面が露出した領域上にあるシリコン膜を形成する工程と、（ｄ）前記シリコン膜にレーザビームを照射して、前記シリコン基板に接触している部分から前記絶縁性の膜上の部分に向かって結晶成長させることにより、前記シリコン膜を結晶化する工程とを有する結晶シリコン膜の製造方法が提供される。

本発明によれば、良質な単結晶シリコン薄膜を製造可能な結晶シリコン膜の製造方法を提供することができる。

図１（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例による結晶シリコン膜の製造方法を説明するための概略図である。

図１（Ａ）を参照する。単結晶Ｓｉ基板３０表面に、たとえば四塩化炭素（ＣＣｌ_４）を用いたドライエッチングにより、複数の溝３０ａを平行に形成する。

各溝３０ａは、Ｓｉ基板３０表面上方（本図においては、たとえば上方向）から見たとき、たとえば幅５μｍ〜１０μｍのライン状に形成され、その幅方向は、本図の左右方向と平行であり、その長さ方向は、紙面垂直方向と平行である。複数の溝３０ａは、幅方向に１μｍ以下の間隔を隔てて相互に隣接するストライプ状に形成される。溝３０ａの深さは、たとえば０．１μｍ〜０．５μｍである。

図１（Ｂ）を参照する。Ｓｉ基板３０表面に、絶縁膜であるＳｉＯ_２膜３１を化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition; CVD)で堆積する。ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)装置またはスパッタ装置を用いて成膜してもよい。

図１（Ｃ）を参照する。化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing; CMP)を用いてＳｉＯ_２膜３１を研磨し、Ｓｉ基板３０表面を露出させる。Ｓｉ基板３０表面に、後述するレーザアニール工程において、結晶成長の核となる種結晶が露出する。Ｓｉ基板３０表面に形成された溝３０ａには、ＳｉＯ_２膜が残る。本図においては、溝３０ａに埋め込まれたＳｉＯ_２膜をＳｉＯ_２層３２と示した。

図１（Ｄ）を参照する。Ｓｉ基板３０表面を水素ガス雰囲気中で約８００℃まで加熱し自然酸化膜を除去した後、ＣＶＤで厚さ２０ｎｍ〜２００ｎｍのアモルファスシリコン膜３３を成膜する。アモルファスシリコン膜３３の成膜では、ＲＦスパッタリング装置を用いてもよい。また、自然酸化膜の除去は逆スパッタリングで行ってもよい。

図１（Ｅ）を参照する。次に、アモルファスシリコン膜３３をリソグラフィ技術を用いてパターニングし、アモルファスシリコン膜３３にライン状の開口を形成する。これによって、アモルファスシリコン膜３３にライン状領域が形成される。たとえばＳｉ基板３０上に、ＳｉＯ_２層３２に沿う、紙面垂直方向に長いアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃが、ストライプ状に形成される。アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃの幅は、ＳｉＯ_２層３２の幅とほぼ同等にする。アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃは、幅方向に１μｍ以下の間隔で相互に隣接することが望ましい。これはストライプ状のアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃが溶融したときバンプが形成されないようにするためである。

アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃは、幅方向の一方のみがＳｉ基板３０が露出した領域（種結晶）に接し、残余の部分はＳｉＯ_２層３２に接するように形成される。

続いて、アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃに、レーザビーム３４を照射し、アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃを結晶化するレーザアニールを行う。

レーザビーム３４は、たとえばＮｄ：ＹＶＯ_４レーザ発振器から出射された波長５３２ｎｍの連続波のレーザビームである。ビーム断面が長さ１００μｍ、幅４μｍの長尺細線状に整形されたレーザビーム３４を、ビームの長さ方向とアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃの長さ方向（本図における紙面垂直方向）とが平行になるようにアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃに入射させ、図面左方向に（すなわち膜３３ａ〜３３ｃが種結晶に接している側から接していない側に）走査してアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃの結晶化を行う。

走査は、たとえばレーザビーム３４が約２×１０^６Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度でアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃに照射されるように、３３０ｍｍ／ｓで行われる。

レーザビーム３４の照射により、アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃは完全に溶融し、その冷却過程において、Ｓｉ基板３０表面が露出した領域（種結晶）に接している部分から、ＳｉＯ_２層３２上の部分に向かって結晶成長が進行する。

冷却過程においては、Ｓｉ（Ｓｉ基板３０）の熱伝導係数がＳｉＯ_２（ＳｉＯ_２層３２）のそれよりも大きいため、種結晶に接していない側を高温とし、種結晶に接している側を低温とする温度勾配が、膜３３ａ〜３３ｃ内に生じる。このため、種結晶側から高温側に向かってラテラル方向（横方向、本実施例の場合は、図面右から左方向）に、エピタキシャル成長する。

図１（Ｆ）を参照する。溶融したシリコンはライン状のスペースに流れ込み、固化する過程で表面が平滑化される。こうして、単結晶シリコン膜３８が形成される。

実施例による結晶シリコン膜の製造方法を用いると、表面の平滑な単結晶シリコン膜を得ることができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、アモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃに連続波のレーザビーム３４を照射して結晶化を行ったが、パルスレーザビームを照射してアニールを行ってもよい。

この場合、たとえば長さ２５０μｍ、幅４μｍの長尺形状に整形されたＮｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍ）を、１Ｊ／ｃｍ^２のエネルギ密度でアモルファスシリコン膜３３ａ〜３３ｃ上に照射する。パルスレーザビームの走査は、Ｓｉ基板３０を載置したステージを一定速度（たとえば３ｍｍ／ｓ〜７．５ｍｍ／ｓ）、固定周波数（たとえば１５ｋＨｚ）で駆動することで行う。

また、実施例においては、溝３０ａにＳｉＯ_２を埋め込んだ。埋め込み材料としては、この他にＳｉＯＮ等を用いることができる。

更に、実施例においては、基板表面にアモルファスシリコン膜を形成してこれを結晶化したが、アモルファスシリコン膜の代わりにマイクロクリスタルシリコン膜を形成してもよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

半導体デバイス、たとえば３次元メモリや混載デバイスの製造に利用することができる。

（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例による結晶シリコン膜の製造方法を説明するための概略図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、結晶シリコン膜製造方法の従来例を説明するための図である。

符号の説明

３０Ｓｉ基板
３０ａ溝
３１ＳｉＯ_２膜
３２ＳｉＯ_２層
３３、３３ａ〜３３ｃアモルファスシリコン膜
３４レーザビーム
３５結晶シリコン膜
３６バンプ（盛上り）
３７微細な突起
３８単結晶シリコン膜

Claims

（ａ）単結晶シリコン基板表面の一部に、長さ方向に長く、幅方向に短い凹部を形成する工程と、
（ｂ）前記凹部に、前記シリコン基板より熱伝導係数の小さい絶縁性の膜を埋め込む工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）で埋め込まれた絶縁性の膜の長さ方向と平行な方向に長く、長さ方向に平行な一方の縁が前記絶縁性の膜上にあり、長さ方向に平行な他方の縁が前記シリコン基板表面が露出した領域上にあるシリコン膜を形成する工程と、
（ｄ）前記シリコン膜にレーザビームを照射して、前記シリコン基板に接触している部分から前記絶縁性の膜上の部分に向かって結晶成長させることにより、前記シリコン膜を結晶化する工程と
を有する結晶シリコン膜の製造方法。
前記絶縁性の膜がＳｉＯ_２で形成されている請求項１に記載の結晶シリコン膜の製造方法。
前記工程（ａ）において、長さ方向に長く、幅方向に短い凹部を、長さ方向が平行となり、幅方向の間隔が１μｍ以下となるように複数形成し、
前記工程（ｂ）において、前記複数の凹部に、前記シリコン基板より熱伝導係数の小さい絶縁性の膜を埋め込み、
前記工程（ｃ）において、前記複数の凹部に埋め込まれた絶縁性の膜の各々について、前記絶縁性の膜の長さ方向と平行な方向に長く、長さ方向に平行な一方の縁が前記絶縁性の膜上にあり、長さ方向に平行な他方の縁が前記シリコン基板表面が露出した領域上にある、厚さ２０ｎｍ〜２００ｎｍのシリコン膜を、相互に隣り合うシリコン膜の幅方向の間隔が１μｍ以下となるように形成する請求項１または２に記載の結晶シリコン膜の製造方法。
前記工程（ｄ）において、レーザビームを前記シリコン膜の幅方向に、前記シリコン基板に接触している部分から前記絶縁性の膜上の部分に向かって走査しながら照射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶シリコン膜の製造方法。