JPH03173417A - 半導体薄膜の製造方法 - 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） 本発明は一般にＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉ
ｎ５ｕｌａｔｏｒ）構造と称される半導体薄膜の製造方
法に関し、特に再結晶化法と称される方法に関するもの
である。

本発明により製造される半導体薄膜は高集積ＬＳ１．高
速度ＬＳＩ、高耐圧デバイス、耐放射線デバイス、三次
元集積回路など多くの分野で利用することができる。

成長させる半導体単結晶膜がシリコン以外に、例えばＧ
ａＡｓなどの化合物半導体であっても一般にはＳＯＩ構
造と称されているように、本発明でも成長させる半導体
単結晶膜はシリコンに限定されない。

（従来の技術） ＳＯＩ構造形成技術には、再結晶化法、エピタキシャル
成長法、絶縁層埋込み法、張り合せ法などがある。ＳＯ
Ｉ構造形成技術の全般的な説明はｒｓＯＩ構造形成技術
」　（産業図書株式会社発行、昭和６２年）に詳しく述
べられている。

再結晶化法のうち、レーザビーム再結晶化法では、絶縁
体などの下地上に形成した多結晶又は非晶質の膜をレー
ザビームのエネルギーで溶融し、その溶融部分を移動さ
せながら結晶成長を行なわせる。

第３図はレーザビーム再結晶化法の一例を表わしたもの
である。薄膜構造体をもつ基板としては。

例えばシリコン基板３０上にシリコン酸化膜３２を形成
し、その上に多結晶シリコン薄膜３４を形成し、さらに
その上にシリコン窒化膜３６を形成したものが用いられ
る。この薄膜構造体の上方がらレーザビーム３８を照射
して基板に対し相対的に矢印４０方向に走査させる。こ
れにより、多結晶シリコン薄膜３４の溶融部分が移動し
て再結晶化し、単結晶シリコン薄膜４２が形成されてい
く。

レーザビーム照射による多結晶又は非晶質の薄膜内の温
度分布を改善して単結晶薄膜を得るために次のような試
みがなされている。

（、）光学系又は複数のレーザ光源を用いることによっ
てレーザビームのスポット内の温度分布を改善する方法
。

（ｂ）試料膜表面に反射防止膜や光吸収膜を設け、入射
するレーザビームの吸収を変化させて温度分布を改善す
る方法。

（ｃ）試料の構造を変化させることにより場所的な熱放
散を変化させて温度分布を改善する方法。

（発明が解決しようとする課題） 第３図のようにレーザビームを照射する再結晶化法では
、溶融部分の冷却はほとんど下部からのみ行なわれ、多
結晶シリコン薄膜３４の溶融部分の再結晶化は下部から
起こる。そのため、多結晶シリコン薄膜内部の温度分布
が不均一となり、結晶軸が回転するなどの不具合を起こ
し、再現性のよい均一な単結晶薄膜を得ることができな
い。

従来のレーザビーム溶融再結晶化法はいずれも基板の薄
膜構造体の表面に冷却のための媒体を設けておらず、冷
却に寄与するのは溶融した半導体薄膜領域直下の絶縁膜
や基板などと半導体薄膜の溶融していない横方向の部分
がほとんどである。

溶融する半導体薄膜領域を絶縁領域で囲んだり、照射す
るレーザビームの形状を変えるなどの熱制御を施した場
合でも、溶融した半導体薄膜部分が冷却するのはその直
下の部分からであり、膜厚方向に対する温度分布の制御
はなされていないのが一般的である。

そのため、部分的な単結晶薄膜は得られるが大面積の単
結晶薄膜を得るには至っていない。

このような、溶融再結晶化しようとする半導体薄膜の膜
厚方向の温度分布を改善する方法として。

その半導体薄膜を含む薄膜構造体の表面に冷却媒体を設
け、レーザビームを半導体薄膜に照射して溶融させる方
法が提案されている。冷却媒体を用いた場合には、薄膜
構造体の上部からの熱吸収もあるために半導体薄膜内部
の温度分布が改善されて冷却媒体を用いない方法に比べ
て均一な単結晶薄膜を得ることができる。しかし、半導
体薄膜の溶融部分近傍の冷却媒体が熱吸収を行なってそ
の温度が上昇し、屈折率や熱吸収特性などの物性が変化
、し、再現性が悪くなる問題がある。

本発明は溶融再結晶化しようとする半導体薄膜を含む薄
膜構造体表面に冷却媒体を設けてレーザビームなどの光
ビームを照射して溶融させる方法において、再現性のよ
い単結晶薄膜を作成することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では下地上に形成した半導体薄膜を有する薄膜構
造体の表面に冷却媒体を流しながらレーザビームなどの
光ビームを照射して半導体薄膜を溶融させ、その溶融部
分を移動させながら結晶成長させる。

下地は半導体基板、導体基板もしくは絶縁基板の表面に
絶縁膜を形成したもの、又は絶縁基板である。下地がシ
リコン基板などの半導体基板上に絶縁膜を形成したもの
である場合には、その半導体基板には所望の電子回路が
形成されているものも含んでいる。下地表面の絶縁膜は
例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などである。

本発明で得られる単結晶半導体薄膜はＳｉ、ＧａＡｓ、
ＧａＰなどである。

冷却媒体としては比較的高温まで蒸発しない液状有機化
合物が好ましい。そのような有機化合物としては、一般
に表面活性剤として知られるもので、例えばポリエチレ
ングリコール、ポリエチレンエーテル、ポリエチレンエ
ステル、ポリプロピレンオキシドなどを用いることがで
きる。

（作用） 冷却媒体を流しながら光ビームを照射することにより、
半導体薄膜の溶融部分近傍の冷却媒体の温度が上昇する
のが防がれ、冷却媒体の屈折率や熱吸収などの物性が変
化するのが防がれる。

（実施例） 第１図は本発明の方法を実施するのに用いる冷却媒体封
止レーザ溶融再結晶化装置を表わしている。

４は円筒状のウェハ支持容器であり、その底部には再結
晶化させようとする半導体薄膜を含む薄膜構造体をもつ
シリコンウェハ２がその薄膜構造体が上側になるように
置かれている。ウェハ支持容器４の側壁の対向する部分
の一方には冷却媒体注入口６があけられ、他方には冷却
媒体排出口８があけられている。ウェハ支持容器４の上
部開口部には透明ガラス板１０が置かれ、ガラス固定治
具１２によってガラス板１０がウェハ支持容器４の上部
開口部を封止するように固定されている。

冷却媒体注入口６からは冷却媒体として例えばポリエチ
レングリコール１４が注入され、シリコンウェハ２の表
面の薄膜構造体の表面を流れて冷却媒体排出口８から排
出されていく。−例として、シリコンウェハ２は直径が
６インチのウェハとし。

ポリエチレングリコール１４は６Ｑ／分の流速で流され
るものとする。

ガラス板１０の上方からは例えば光出力３Ｗ又はそれ以
上のアルゴンレーザビーム１６が照射され、ウェハ支持
容器４が矢印１８の方向に移動させられる。これにより
、レーザビーム１６が照射された半導体薄膜が溶融する
とともに、その溶融部分はウェハ支持容器４の移動に従
って移動し、溶融部分は上方からはポリエチレングリコ
ール１４により、下方からはシリコンウェハ２方向に熱
吸収されて冷却され、再結晶化する。

第２＠に一実施例におけるウェハ２の薄膜構造体を詳細
に示す。

２０はシリコン基板であり、その表面に膜厚が約９００
０人のシリコン酸化膜２２がＣＶＤ法により形成されて
いる。シリコン基板２０には電子回路が形成されていて
もよい。シリコン酸化膜２２上には多結晶シリコン薄膜
２４が約５０００人の厚さに減圧ＣＶＤ法やプラズマＣ
ＶＤ法により形成されている。多結晶シリコン薄膜２４
上には厚さが約２０００人のシリコン酸化膜２６がＣＶ
Ｄ法又は熱酸化法により形成されている。

ポリエチレングリコール１４はシリコン酸化膜２６の表
面に接して一方向に流されている。レーザビーム１６は
この薄膜構造体の上方から照射され、基板２０がウェハ
支持容器４とともに移動することにより、レーザビーム
１６は基板２０に対して相対的に１８ａの方向に移動す
る。ポリエチレングリコール１４は薄膜構造体上を流れ
ていくことにより、レーザビーム１６で加熱されて溶融
した部分からの熱を吸収しても加熱された部分のポリエ
チレングリコール１４が移動して効率よく上部からの冷
却を行なう。ポリエチレングリコール１４の流れる方向
とレーザビーム１６の走査方向は逆方向になるように設
定するのがよい。すなわち、第１図に示されるようにウ
ェハ支持容器４を移動させるときはウェハ支持容器４の
移動方向１８とポリエチレングリコール１４の流れる方
向を同一方向としておくのがよい。

レーザビーム１６の照射により多結晶シリコン薄膜２４
の溶融部分が上方向と下方向に冷却されながら、第２図
で矢印１８ａの方向に移動し、再結晶化シリコン薄膜２
８が形成されていく。

上記の実施例では溶融再結晶化させようとする半導体薄
膜が多結晶シリコン薄膜であるが、非晶質シリコン薄膜
であってもよく、他の半導体薄膜であってもよい。

多結晶シリコン薄膜２４の下地の構造は実施例のように
シリコン基板２ｏ上にシリコン酸化膜を形成したものに
限らない、多結晶シリコン薄膜２４上の絶縁膜もシリコ
ン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜その他の絶縁膜であ
ってもよく、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の２層構
造であってもよい。冷却媒体もポリエチレングリコール
に限定されるものではなく、その流量も実施例に例示さ
れたものには限らない。

（発明の効果） 本発明では溶融再結晶化しようとする半導体薄膜を含む
薄膜構造体表面に冷却媒体を流しながら光ビームを照射
して溶融再結晶化させるようにしたので、冷却媒体によ
り溶融部分を効率よく冷却することができ、再現性のよ
い単結晶半導体装置を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するのに用いる装置の一例と
しての冷却媒体封止レーザ溶融再結晶化装置を示す断面
図、第２図は一実施例における薄膜構造体部分を詳細に
示す断面図、第３図は従来のレーザビーム溶融再結晶化
法を示す断面図である。 ２・・・・・・シリコンウェハ、４・・・・・・ウェハ
支持容器、６・・・・・・冷却媒体注入口、８・・・・
・・冷却媒体排出口。 １０・・・・・・ガラス板、１４・・・・・・ポリエチ
レングリコール、１６・・・・・・レーザビーム、１８
・・・・・・ウェハ支持容器移動方向、２０・・・・・
・シリコン基板、２２・・・・・・シリコン酸化膜、２
４・・・・・・多結晶シリコン薄膜、２６・・・・・・
シリコン酸化膜、２８・・・・・・再結晶化シリコン薄
膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地上に形成した半導体薄膜を有する薄膜構造体
   表面に冷却媒体を流し、この冷却媒体の上方から前記半
   導体薄膜に光ビームを照射して溶融させ、その溶融部分
   を移動させながら結晶成長させる半導体薄膜の製造方法
   。