JPH0324719A - 単結晶膜の形成方法及び結晶物品 - 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］ 本発明は酸化物上の単結晶膜の形成方法に関し、詳しく
は、半導体集積回路等の電子素子、表面音響素子等に使
用される単結晶膜に関する。

［従来の技術］ 一般に、ＳｉＯｇ等の非品質絶縁物基板上に薄膜を堆積
させると、基板材料の長距離秩序の欠如によって、堆積
物の結晶構造は非晶質又は多結晶となる。ここで非晶質
膜とは、最近接原子程度の近距離秩序は保存されている
が、それ以上の長距離秩序は無い状態の膜であり、多結
晶膜とは、特定の結晶方位を持たない単結晶粒が粒界で
隔離されて集合した膜である． 例えば、ＳｉＯｉ上にＳｔ多結晶をＣＶＤ法によって形
成する場合、堆積温度が約５８０℃以下であれば非品質
シリコンとなり、それ以上の温度であれば粒径が数百〜
数千入の間で分布した多結晶シリコンとなる。ただし、
多結晶シリコンの粒径およびその分布は形成方法によっ
て大きく変化する。

さらに、非品質または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ等
の熱エネルギーによって溶融固化させることによって、
ミクロンあるいはミリメートル程度の大粒径の多結晶薄
膜が得られている（ＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌ　Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｎｏｎ−ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔ
ａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃ
ｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　ｖｏｌ．６３．Ｎｏ．３
，Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９８３　ｅｄｉｔｅｄ　ｂｙ　Ｇ
Ｊ．Ｃｕｌｌｅｎ）　．このようにして形成された各結
晶構造の薄膜にトランジスタを形成し、その特性から電
子易動度を測定し、単結晶シリコンにおける電子易動度
を比較すると、溶融固化による数μ鵬〜数ａｍの粒径を
有する多結晶シリコンでは、単結晶シリコンの場合と同
程度であり、数百〜数千人の粒径分布を有する多結晶シ
リコンでは単結晶シリコンの場合の１０−”程度であり
、また非品質シリコンでは単結晶シリコンの２Ｘ１０”
’程度の電子易動度が得られている． この結果から、結晶粒内の単結晶領域に形成された素子
と、粒界にまたがって形成された素子とは、その電気的
特性に大きな差異のあることが分る．すなわち、従来法
で得られていた非品質上の堆積膜は非晶質又は粒径分布
をもった多結晶構造となり、そこに作製された素子は、
単結晶層に作製された素子に比べて、その性能が大きく
劣るものとなる．そのために、用途としては簡単なスイ
ッチング素子、太陽電池、光電変換素子等に限られる． 従って、高性能な電子素子を形成するためには、粒界が
無いか、もしくは粒界の位置の制御された半導体単結晶
薄膜が必要となる． 粒界が無い非品質上のＳＬ単結晶薄膜の例としてＳ　Ｏ
　Ｓ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ）や
ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｉｍｐｌａ
ｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｘｙｇｅｎ）、貼り合わせ、
酸化分離（ＵＳＰ　４，３６１，６００）等が報告され
ており、粒界の位置の制御された半導体薄膜の形成方法
として、特開昭６３−１０７０１６号が報告されている
． ＳＯＳは基板にサファイヤ《単結晶ＡＩ！Ｏｓ）を使用
し、その表面にＳＬをヘテロエビタキシャル成長させる
ものである。この技術は、サファイヤ基板が非常に高価
であることと、Ｓｉ膜中に基板の構成成分であるＡｌが
拡散してしまうという問題点を有している． ＳＩＭＯＸは、ＳｉウエハにＯ”（酸素イオン）ヲ高エ
ネルギー注入し、アニールすることによって表面のＳＬ
の単結晶構造を保ったまま、ウエハ内にＳｉｎ．の中間
層を形成する技術である。この技術は非常に高エネルギ
ーで、しかも高濃度な酸素イオンを注入するためスルー
ブットが悪く、また高温？アニールが必要なために基板
への応力が心配されている． また、貼り合わせ技術とは、表面が酸化された２枚のＳ
ｉウエハ、もしくは１枚は酸化されもう１枚は酸化され
ていない組み合わせの２枚のＳｉウエハを、貼り合わせ
てアニールすることにより、原子レベルで密着させ、片
方側から研磨してＳｉ層が薄膜として残るところで研磨
を止める単結晶Ｓｉ薄膜の形成方法である．この方法は
、片方のウエハの殆どを研磨してしまうために、コスト
が高くなることと、もともと厚さにバラッキのあるウエ
ハを研磨し、僅かにＳｉ層を残す位置で研磨を止めなけ
ればならないので、その制御が非常に困難である． 酸化分離は、Ｓｔウエハの表面に凹凸を形成し、凸部の
上面と側面にマスクを施してから全体を酸化するもので
ある。これによりマスクの施されていない部分から酸化
が進み、凸部全体がＳｉＯ■によって基板側と絶縁分離
されるものである．しかし、この方法ではＳＯＩの構造
は得られるが、Ｓｔ層が薄膜でなくバルク（塊状）に分
離される。これを研磨したとしてもＳｉＯｉとＳｉの界
面が平坦でないため、Ｓｔ単結晶薄膜は得られない。

また、以上の様な基板により限定される方式に対して、
特開昭６３−１０７０１６号のように基板により限定さ
れず、粒界位置の制御された半導体単結晶薄膜を得る方
法もある．これは核形成密度の異なる２種類の非品質材
料を用いて、任意の点に半導体単結晶の核を形成し、選
択成長を行なって、成長した結晶同志を任意の位置で衝
突させ、粒界を形成し得るものである。

［発明が解決しようとする課題］ 以上の様に、上記従来例はそれぞれが優れた特徴を有し
ている反面、多くの問題点をかかえていた． 従って、本発明の目的は、■比較的安価なＳ１ウエハを
使用し、■一般的な装置と一般的なプロセスを使用し、
■面内の任意の面積で絶縁分離され、しかもそれぞれの
領域の面方位はもちろん面内方位まで揃ったＳｉ単結晶
膜を提供することにある． ［課題を解決するための手段及び作用］本発明に従って
、シリコンウェハ表面に形成されたマスクの微小な開口
部より、下地材料のシリコンウェハ表面を露出させた基
体に結晶或長処理を施し、前記微小な露出面より前記マ
スク面上に単結晶を成長せしめ、 マスクを除去し、該基体に酸化処理を施し、前記酸化処
理を施した基体を、成長した単結晶側から研磨を行なう
ことを特徴とする単結晶膜の形成方法、及び、前記方法
により得られた結晶物品、 並びに、微小な開口部を有するマスクと、単結晶性材料
からなる下地材料と、を有する基体に結晶成長処理を施
し、前記開口部より単結晶を成長せしめ、 前記マスクを前記基体より除去し、 酸化処理を前記基体に施し、 前記下地材料側とは反対の成長した単結晶側より研磨す
ることを特徴とする単結晶膜の形成方法が提供される． 本発明は、例えば酸化珪素をマスクとした微小面積の開
口部からの例えばＳＬ単結晶の選択エビタキシャル成長
（　Ｓ　Ｅ　Ｇ　：　Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｅｐｉｔａ
ｘｉａｌＧｒｏｗｔｈ）及び横方向成長（　Ｅ　Ｌ　Ｏ
　：　ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌ　Ｏｖｅｒｇ
ｒｏｗｔｈ）を行ない、成長後にマスクを除去し、さら
に全面酸化することにより、ＳＥＧ−ＥＬＯによる成長
部分を元のＳｔウエハから電気的に分離し得、更に成長
部分を僅かに残すように上面から研磨することによって
、元のＳｉウエハと同一の面方位を有するＳＬ単結晶膜
を酸化珪素上に形成するのである． ［実施態様例］ 次に、第１図を用いて本発明の実施態様例を説明する． 第１図（ａ）において例えば下地材料としてのＳｉウエ
ハ１の表面を熱酸化し酸化珪素（ＳｉＯ＊）をマスク２
とする．マスクの厚さは第１図（ｂ）に後述するように
、結晶がＥＬＯＬた際にも成長結晶とＳｔウエハ面の隙
間にエッチャントが入って行？る厚さ、即ち０．１　ｕ
ｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μ層以上であ
る．また、マスク厚の上限としてはマスク材をＳｔウエ
ハの熱酸化によって得る場合、生産性を考慮すると２μ
ｍ程度が適当である．但し、マスク材をＳｔの熱酸化で
なく、ＣＶＤ法等による堆積によって形成するならばこ
の限りではない。しかし、後に酸化することにより、或
長した結晶とＳｉウェハの隙間を埋めることを考えるな
らば、上限は４μ一程度である。

マスク材はフッ酸（ＨＦ）溶液のような液体のエッチャ
ントまたはフッ酸ガス等のエッチングガスで容易にエッ
チングできるものであればＳｉＯ■でなくてもさしつか
えない。但し成長を行なう際に選択成長が可能なもので
なければならない．例えば、窒化珪素膜は、エッチング
や選択成長に関して、Ｓｉｎ．マスクに比べて不利であ
るが，使用可能である マスク２の一部を開口してウェハ１の微細な表面を露出
するが、開口部の大きさは、直径にして１μｍ以上４μ
ｍ以下が好ましい。これは開口部がｌｕｍφ未満である
と、成長処理を施す際にくずれた結晶が多くなったり、
もしくは成長しない点があったりする傾向があり、４μ
ｍφを越えると、マスクを除去し全体を酸化して、元の
ウエハ部と新たに成長させたウエハ部を絶縁分離する際
に、完全に分離できなくなることがあるからである。従
ってより好ましくは２μ煙φ±０．５μｍ程度である．
開口部と開口部の間隔（ピッチ）は、用途に応じて自由
に決定すればよい．即ち、得られる単結晶膜上に素子を
形成するときの素子サイズに合わせて決めれば良い．通
常２０μｍから１００μ閣程度であり、２００μ鵬を越
えると結晶成長に多大な時間を要する． Ｓｔウエハは（１００）　，　（１１０）　，　（１１
１）等用途に合わせて決定すればよい．結晶はエビタキ
シャル成長するのでウエハの方位と同じものとなる．第
ｌ図（ｂ）例えばＣＶＤ，ＰＶＤ等の気相法により結晶
成長処理を施しＳＬ結晶３を得る。一般に、？択成長を
行なえるガス系としては、Ｈ２をキャリアガスとしてＳ
ｉＣ１４，ＳｉＨＣｌｘ，ＳｉＨ＊Ｃｌｚ等のクロロシ
ラン系ＳｉＨ４，ＳｉｔＨａ等のシラン系があり、これ
らにＨＣＩ等のエッチングガスを添加してもよい．例え
ば熱ＣＶＤ法の場合には、圧力は好ましくは数Ｔｏｒｒ
から２５０Ｔｏｒｒ　．より好ましくは５０Ｔｏｒｒか
ら１７０Ｔｏｒｒ　、最適には１００Ｔｏｒｒ程度の減
圧下で、また温度は好ましくは８５０〜１２００℃、よ
り好ましくは９００〜１０５０℃程度の範囲の中で行な
われることが多い（最適温度は使用するガスの種類によ
って大きく異なる）． 第１図（Ｃ）マスク材をウエット法でエッチングする．
例えばマスク材がＳｉＯ■であるならエツチャントはフ
ッ酸（ＨＦ）溶液とすれば容易に除去できる．第１図（
ｃ）においてマスクを除去して得られた基体４の、その
中で元のウエハそのものをウエハ部分５、ウエハ部分の
上面より更に上方向に形成された部分を成長部分６とす
る。

第１図（ｄ）基体４を熱酸化処理し、Ｓ１酸化物７を得
る．この酸化処理は成長部分６のうち、元のマスク開口
部分に相当する部分が全て酸化され、ウエハ部分と成長
部分が完全に絶縁分離されるところまで行なうのが望ま
しい． 第１図（ｅ）成長部分６の上方側から研磨を行なう。こ
の研磨は通常のウエハ研磨プロセスと同様に行なえばよ
い。研磨は戊長部分のＳＬ結晶３の層が露出した後、Ｓ
Ｌ層が消失するまでの所望のＳｉ膜厚を残して止めれば
よい。

［実施例］ 以下、本発明を図面を用いて実施例により説明する。

実施例１ 本実施例では第１図乃至第３図を用いる。

１．まず（１００）方位の４インチＳｉウエハを用意し
た．このＳｉウエハをｏｓ＋ｏａ雰囲気中において、そ
の表面を１．２μｍ酸化した。

次に第２図に示すように開口部として微小な正方形の領
域（以後「窓」と呼ぶ）を格子点上にパターニングした
．このとき正方形の一辺の大きさ（第２図のａの値）を
２．０μｍとし、窓と窓の間？（同ｂの値）が縦横それ
ぞれ５０μｍになるようにした．そしてこの窓の部分の
ＳｉＯ■を稀フッ酸溶液でエッチングし、第１図（ａ）
に示すようなマスク付Ｓｉウエハを形成した． ２．次に前記マスク付Ｓｉウエハに選択エビタキシャル
成長（ＳＥＧ）処理を施した．このときの条件は次のと
おりである． ガス種　ＳｉＨａ（：１ｇ／ＨＣＩ／Ｈ．ガス流量　　
０．５３／１．９／１００　（Ｊ２／ｍｉｎ）温　　　
度　　　１０３０℃ 圧　　　力　　　１００　Ｔｏｒｒ 成長時間　　８０分 その結果、第１図（ｂ）のような結晶が成長した。これ
をウエハ上方から見ると、第３図のようになる。第３図
はｂの大きさが窓と窓の間隔と同じ５０μｍであり、上
部には（３１１）面に囲まれた特徴的な正四角錐の構造
が観察された。また上記条件で成長を行なうと、隣り同
士の成長結晶は底辺でぶつかり合っているのだが、結晶
の四すみには「ボイド」と呼ばれる、対角線長約２０Ｌ
ＬＬＩｌの？し形の空隙が残った。即ちこの部分には成
長したＳｉ結晶が無く、マスクであるＳｉＯ■表面が露
出している。

３．次に前記結晶成長処理を施したウエハを濃フッ酸溶
液に２０時間浸してマスクをエッチングし、第１図（ｃ
）のような基体を得た。

４．この基板をＨ２＋０■雰囲気中に置き、最初にマス
クを形成したときと同じ条件にて酸化したところ、第１
図（ｄ）のように、成長部分のＳＬがウエハ部分のＳＬ
と完全にＳｉＯ■によって分離されたＳ１島が形成され
た．尚、隣同士の結晶は、その底辺でぶつかり合ってい
たが、その接触面積が小さいことと、接触面が他よりも
多く（速く）酸化されたことにより、第１図（ｄ）のよ
うに、成長結晶同士も完全に絶縁分離されていた． ５．次に前記酸化処理を施した基体を成長結晶の上面か
ら、通常のウエハ研磨工程、即ち、砥粒を用いたメカニ
カルボリシング（ラツピング）で、研磨し、更にケミカ
ルボリシングで鏡面仕上げを行ない、第１図（ｅ）のよ
うな縦横約５０Ｘ５０μ１、厚さ０．５μｍの単結晶Ｓ
Ｌ薄膜を得た。

実施例２ 本実施例では第１図乃至第５図を用いる。

１．まず（ｉｌｌ）方位の５インチウエハを用意し、そ
の表面を１．５μｍ酸化した。第２図に示すように、酸
化膜に窓となる部分をパターニングする。

但し、窓の形は円形とし、その直径は２μｍとした。ま
た窓と窓の間隔を３０ｕｆｌ＋とした。バターニング後
に実施例１と同様に稀フッ酸で窓の部分をエッチングし
・、第１図（ａ）のようなマスク付きウエハを得た． ２．次に前記ウエハに選択エビタキシャル成長処理を施
した．条件は次のとおりである．ガス種　ＳｉＨ＊（：
ｌｘ／ＨＣＩ／Ｈａガス流量　　０．５３／２．５／１
００　（Ｉ２／ｍｉｎ）温　　　度　　　９９０℃ 圧　　　力　　　１００　Ｔｏｒｒ 成長時間　　９０分 この成長の初期を観察すると、（１１１）ウエハのＳＥ
Ｇは、第４図の様な表面の平坦な六角形の結晶が成長し
た．同図において２１はＳｉウエハ、２２はマスク（Ｓ
ｉｎｓ）である。そのまま成長を続けると、第５図の様
に表面が平坦のまま結晶同士が衝突した．このとき上面
から観察してみたところ、第３図と同じ様なひし形のボ
イドがやはり形成されていた．このボイドの大きさは対
角線長で約１０μｍだった。

３．次に前記結晶成長処理を施したウエハを濃フッ酸に
２０時間浸し、酸化膜のマスクを全て除去した。

４．次にこの基体をＨ．：０．＝３：２の酸化雰囲気中
に置き、１０００℃で８時間酸化処理し（１１１）面を
１．２μｍ酸化した。

５．次に前記酸化処理を施した基体を、成長結晶の上面
から研磨し、（Ｉｌｌ）面に揃った膜厚０．５μｍの単
結晶Ｓｉ薄膜を得た。

［発明の効果］ 以上説明したように、ＳｉウエハのＳＥＧを利用し、そ
の窓の大きさ、マスクの厚さ、窓と窓のピッチ等を適切
な値にすることと、マスクを完全に除去することと、全
体を適切な量だけ酸化することと、結晶を適切な量だけ
研磨するという一連の工程を行なうことによって、比較
的大面積に分離され方位が完全に揃った単結晶Ｓｉ膜を
得ることができるようになった．しかも本発明の方法を
用いるならば、同じ様にＳｔｏｗ上又は他の非品質絶縁
物上に単結晶ＳＬ膜を形成するＳＯＳやＳＩＭＯＸより
もはるかに安価で容易に単結晶膜が得られ、しかも素子
形成時に必ず必要となる素子分離を本発明の工程上自動
的に行ない、しかも、素子分離幅が小さくてすむので、
電子素子等の高集積化に有利であるという、多くのメリ
ットをもたらしている． また、膜の結晶性も極めて良好であり、ＳＯＳ％ＳＩＭ
ＯＸ、レーザー溶融結晶と比べて同等以上である．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶膜の形成方法を示す工程図、 第２図はマスクの開口部のパターン例、第３図は（１０
０）結晶のＳＥＧを実行したときの成長結晶を示す図、 第４図及び第５図は（１１１）結晶のＳＥＧを実行した
ときの結晶成長を示す図であり、第４図は初期の結晶で
あり、第５図は成長結晶である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコンウェハ表面に形成されたマスクの微小な開
   口部より、下地材料のシリコンウェハ表面を露出させた
   基体に結晶成長処理を施し、前記微小な露出面より前記
   マスク面上に単結晶を成長せしめ、 マスクを除去し、該基体に酸化処理を施し、前記酸化処
   理を施した基体を、成長した単結晶側から研磨を行なう
   ことを特徴とする単結晶膜の形成方法。 ２、請求項１の方法により得られた結晶物品。 ３、微小な開口部を有するマスクと、単結晶性材料から
   なる下地材料と、を有する基体に結晶成長処理を施し、
   前記開口部より単結晶を成長せしめ、 前記マスクを前記基体より除去し、 酸化処理を前記基体に施し、 前記下地材料側とは反対の成長した単結晶側より研磨す
   ることを特徴とする単結晶膜の形成方法。 ４、前記結晶成長処理は気相法である請求項１及び３の
   単結晶膜の形成方法。 ５、前記マスクは酸化珪素膜である請求項１及び３の単
   結晶膜の形成方法。 ６、前記マスクの厚さは０．１μｍ以上４μｍ以下であ
   る請求項１及び３の単結晶膜の形成方法。