JPS6233418A - 帯域溶融型単結晶半導体層形成装置 - 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］ この発明は帯域溶融型単結晶半導体層形成装置に関し、
特に絶縁層上の多結晶または非晶質半導体層を再結晶化
させることにより、比較的大きな面積でかつ高品質の単
結晶層を製造することができる帯域溶融型単結晶半導体
層形成装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来用いられている帯域溶融型単結晶半導体層形成装置
を第３図に示して説明すると、図において、１は後述す
る試料ウェハ３を下部面からカｏ熱。

昇温するように構成されたカーボンなどからなる板状の
下部ヒータ、２は同じく試料ウェハ３を上部から加熱、
昇温するとともにその一端がら他端へ向かって微速で移
動するように構成された直線状の上部ヒータである。矢
印５は上部ヒータ２の移動方向を示している。また、試
料ウェハ３は溶融、再結晶化されるべき多結晶シリコン
層を有する。この試料ウェハ３は、第４図に示すように
、単結晶のシリコン基板６の一生面上に０．５μｍ程度
の厚い二酸化シリコン層７が形成され、その面上に溶融
、再結晶化されるべき多結晶シリコン＠８が０．５μｌ
ｌ１８！度の厚さを有して形成されている。また、多結
晶シリコン層８の面上には、この多結晶シリコン層が溶
融時に単結晶のシリコン基板６から剥離することを防ぐ
ための保護層として２μｍの二酸化シリコン層つと３Ｑ
ｎｍ程度の窒化シリコン層１０とが積層して形成されて
いる。

而して、試料ウェハ３中の多結晶シリコン＠８を再結晶
化して単結晶にするには、下部ヒータ１で試料ウェハ３
を下部面から１２００℃に加熱。

昇温する。そして、上部ヒータ２を２０００℃に昇温し
た下で、この上部ヒータ２を試料ウェハ３の上面より１
〜２ｍ１Ｎ程１［しその一端から矢印５で示す一定方向
に、たとえば２ｍ１ｌｌ／秒のｉ１度で移動せしめて試
料ウェハ３の全域を走査する。このとき、試料ウェハ３
中には上部ヒータ２の形状に応じた溶融層４ができ、こ
れが上部ヒータ２の移動に伴って移動することにより、
試料ウェハ３中の多結晶シリコン層８の大結晶粒化が図
られることになる。なお、かかる成長はアルゴンなどの
不活性ガス雰囲気中で行なわれる。

第５図は、従来技術のもう１つの例である帯域溶融型単
結晶半導体層形成装置を示す図である。

図において、この装置は、大略第３図の下部ヒータ１．
上部ヒータ２をそれぞれ複数本のＭＷ加熱用管状ランプ
１１ａ〜１１ｅ、溶融体形成用管状ランプ１２で置き換
えた構成となっている。ざらに詳細に説明すると、ウェ
ハ保持板１４上に、第４図と同様な構成の試料ウェハ３
ｏが置かれる。

試料ウェハ３０の上部にはこの上面に平行に集光ミラー
１２０を有する溶融体形成用管状ランプ１２が設けられ
ている。集光ミラー１２０は溶融体形成用管状ランプ１
２からの光を試料ウェハ３０に集光照射してこれを加熱
し、その多結晶シリコン層を帯状に溶融させる。また、
ウェハ保持板１４の下部には、このウェハ保持板の下面
に平行に複数本の基板加熱用環状ランプ１１ａ〜１１ｅ
が設けられており、各基板加熱用管状ランプｌｌａ〜１
１ｅはそれぞれ反射ミラー１１０ａ〜１１０ｅを有して
いる。各基板加熱用管状ランプ１１ａ〜１１ｅの管軸は
、溶融体形成用管状ランプ１２の管軸と平行にかつ互い
に等しい間隔を隔てて配置されている。各反射ミラー１
１０ａ〜１１０ｅはそれぞれ各基板加熱用管状ランプ１
１ａ〜１１ｅからの光の散ｉ会を防ぐａ基板加熱用管状
ランプ１１ａ〜１１ｅからの光はウニＡ保持板１４の全
下面を照射してこれを加熱し、それによって試料ウェハ
３ｏの単結晶のシリコン基板を加熱する。

この装置では、試料ウェハ３ｏの単結晶のシリコン基板
を均一に加熱するために、１１０熱用管状ランプの本数
を比較的多くしている。試料ウニｌ＼３０を基板加熱用
管状ランプ１１ａ〜１１ｅとともに矢印１５方向に溶融
体形成用管状ランプ１２に対して移動し、この溶融体形
成用管状ランプ１２からの光で試料ウェハ３０を照射し
ながらその全域を走査する。このとき、帯状に溶融され
た領域はその上下の二酸化シリコン１間で移動され、こ
のようにして試料ウェハ３０の多結晶シリコン層は再結
晶化されて単結晶になる。

また、上述と同様に、試料ウェハのシリコン基板を均一
に加熱するために、基板加熱用管状ランプの本数を１本
だけに限った装置も提供されていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の帯域溶融型単結晶半導体層形成装置は以上のよう
に構成されており、試料ウェハの単結晶のシリコン基板
の加熱に関しては、これを十分均一にできるような配慮
がなされていた。しかしながら、従来の装置で実際に帯
域溶融を行なうと、試料ウェハはその上下両面から加熱
されるため、試料ウェハ中央部から熱が逃げにくく中央
部と周辺部の溶融条件が異なってくる現象が起こり、如
何に設計しても直径４インチ以上の大面積の試料ウェハ
を一度の走査による帯域溶融では再結晶化できないとい
う問題点があった。

また、試料ウェハの中央の一部のみが溶融できるよう加
熱濃度を配慮して実験をした場合も、溶融から固体に至
る際の固化潜熱を充分逃がしきれず結晶成長にかかわる
温度勾配が緩くなり、結晶成長面が帯域溶融の進行方向
に垂直な面とならない現象が起こる。この現象について
、第６図（Ａ）、（Ｂ）を参照してさらに詳細に説明す
る。第６図（Ａ）は、帯域溶融中の試料ウェハの断面図
であり、第６図（Ｂ）は第６図（Ａ＞の多結晶シリコン
層を含む平面図である。図において、８０は多結晶シリ
コン層８のランプ光１３による帯状溶融領域であり、８
１は単結晶化されたシリコン層である。結晶成長にかか
わる濃度勾配が緩くなると、結晶成長面１６は〈１１１
〉面となり鋸歯のようになってしまう。このため、１７
のような場所に不純物の１析やストレスの増加が生じて
小傾角ではあるが結晶粒界１８が発生し、多結晶シリコ
ン層が全面単結晶とはなり得ないという問題点があった
。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、大面積でかつ高品質の単結晶半導体層を形成
することができる帯域溶融型単結晶半導体層形成装置を
得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段〕 この発明に係る帯域溶融型単結晶半導体層形成装置は、
絶縁層と該絶縁層上に形成される多結晶または非晶質半
導体層を含む試料を台に置き、試料の上面と隔てて平行
に、この試料を照射し加熱して上記半導体層を帯状に溶
融させる第１長手状輻射加熱源を設け、台の下面と隔て
て平行にかつこの台に対して固定的に、試料を照射し加
熱する第２輔射加熱源を設け、移動手段により第２輻射
加熱源を第１長手状輻射加熱源の長手方向にほぼ直角な
方向に第１長手状輻射加熱源に対して相対的に移動して
、帯状溶融領域を絶縁層上で移動させ、この帯状溶！！
領域の移ｖＩ時に、帯状溶融領域に続く前方領緘の濃度
を高くし、帯状溶融領域に続く後方領域の温度を低くす
るよう、ｌ］［＋熱制御手段により第２輻射加熱源の加
熱を制御するようにしたものである。

［作用］ この発明においては、試料の帯状溶融領域の移動的に、
帯状領域に続く前方領域の温度を高（し、帯状溶融領域
に続く後方領域の温度を低くするよう制御されるので、
帯状溶！！領域の後縁における固液界面での温度勾配が
大きくなる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は、この発明の実施例である帯域溶融型単結晶半
導体層形成装置を示す図である。この装置の構成につい
て説明すると、図において、ウェハ保持板１４はカーボ
ン製であり、その厚みを６１１Ｉｍ〜１０１１１．その
形状を正方形または長方形にしである。ウェハ保持板１
４上に試料ウェハ３ｏが置かれる。この試料ウェハは、
第４図の試料ウェハと同様に構成されている。すなわち
、単結晶のシリコン基板上に、二酸化シリコン層、多結
晶シリコン層、二酸化シリコン層、窒化シリコン層がこ
の順序で積層して形成されており、単結晶化すべき多結
晶シリコン層は絶縁層内に挾まれている。

試料ウェハ３０の上部にはこの上面に平行に集光ミラー
１２０を有する溶融体形成用管状ランプ１２が設けられ
ている。集光ミラー１２０は溶融体形成用管状ランプ１
２がらの光を試料ウェハ３゜に集光照射してこれを加熱
し、多結晶シリコン層をその上下の絶縁層間で帯状に溶
融させる。また、ウェハ保持板１４の下部には、このウ
ェハ保持板の下面に平行にかつ溶融体形成用管状ランプ
１２の管軸と平行に１０本の！Ｓ板加熱用筐状ランプ１
９ａ−１９ｊが互いに狂い間隔を隔てて密集して設置プ
られている。昼仮加熱用管状ランプ１９ａ〜１９ｊから
の光はウェハ保持板１４の全下面を照射してこれを加熱
し、それによって試料ウェハ３０の単結晶のシリコン基
板を加熱する。基板加熱用管状ランプ１９ａ〜１９Ｊと
ウェハ保持板１４とは互いに固定されており、移ｇｔＪ
装置（図示せず）は、試料ウェハ３０が置かれたウェハ
保持板１４と基板加熱用管状ランプ１９ａ〜１９ｊとを
溶融体形成用管状ランプ１２の管軸にほぼ直角な矢印１
５方向に溶融体形成用管状ランプ１２に対して相対的に
移動させる。これに−より、試料ウェハ３０の全域は溶
融体形成用管状ランプ１２がらの光で照射されながら走
査され、多結晶シリコン層の帯状ｒ８融領域はその上下
の絶縁層間で走査方向に移動される。ウェハ保持板１４
の側部に位置センサ２１が設けられており、この位置セ
ンサは移動する帯状溶融領域の試料ウェハ３０に対する
位置を検出する。位置センサ２１は副部装置２０に接続
され、この制御装置２０は各基板加熱用管状ランプ１９
ａ〜１９ｊに接続されている。制ｍ装置２ｏは電源を含
み、各基板加熱用管状ランプ１９ａ〜１９Ｊに電力を供
給するとともに、各基板加熱用管状ランプに供給する電
力を位置センサ２１出力に基づいて制御し、これによっ
て試料ウェハ３ｏの温度分布を制御する。

次に、この装置で帯域溶融を行なう場合について説明す
る。基板加熱用管状ランプ１９ａ〜１９ｊからの光によ
りウェハ保持板１４の全下面を照射して加熱し、溶融体
形成用管状ランプ１２からの光により試料ウェハ３０の
上面を照射して加熱し、この状態で移動装置により試料
ウェハ３０が置かれたウェハ保持板１４を基板加熱用管
状ランプ１９ａ〜１９ｊとともに、溶融体形成用管状ラ
ンプ１２の管軸にほぼ直角な矢印１５方向に溶融体形成
用管状ランプ１２に対して相対的に移動させる。このと
き、溶融体形成用管状ランプ１２からの光により試料ウ
ェハ３ｏは照射されながら走査され、試料ウェハ３ｏの
絶縁層間に約２ＩｌｌＩＩ幅の多結晶シリコン層の帯状
溶融領域が生じ、この溶融領域はその後縁で結晶成長さ
せながら絶縁層間を試料ウェハ３０の一方端から他方端
に移動される。このとき、位置センサ２１により帯状溶
融領域の試料ウェハ３０に対する位置が検出され、この
位置センサ２１出力に基づいて制御Ｉ装置２ｏにより、
帯状溶融領域の移動に応じて、帯状溶融領域に続く後方
ｗｔａ下の各基板加熱用管状ランプへの供給電力が帯状
溶融領域に続く前方領域下の各基板加熱用管状ランプへ
の供給電力より低下するように制御され、これによって
、試料ウェハ３゜の走査方向の温度分布は、帯状溶融領
域に続く前方領域の温度が高くなり、帯状溶融領域に続
く後方領域の温度が低くなるように制御される。すなわ
ち、第２図（Ａ＞に示すように、帯状溶融領域に続く接
方領域下の各基板加熱用管状ランプ１９ａ〜１９ｃへの
供給電力が帯状溶融領域に続（前方領域下の各基板加熱
用管状ランプ１９６〜１９Ｊへの供給電力より低下する
ように制御され、このとき、試料ウェハ３０の走査方向
の温度分布は、第２図（Ｂ＞に示すように、基板加熱用
管状ランプ１９６〜１９ｊ上の帯状溶融領域に続く前方
領域の１ｒ！１２０が高くなり、Ｍ仮加熱用管状ランプ
１９ａ〜１９ｃ上の帯状溶融領域に続く後方ｆｉＩ緘の
温度２１が低くなるように制御される。このため、帯状
溝！！！領域の後縁での再結晶にかかわる温度勾配が急
峻になって固化潜熱の吐き出しなど放熱を妨げる要因が
取り除かれ、結晶成長面が走査方向に垂直な面となり、
不純物の偏析などの発生が抑えられて大面積で高品質の
単結晶シリコン層を二酸化シリコン層上に容易に形ｙｉ
することができる。

なお、上記実施例では、基板の加熱に複数の管状ランプ
を使用する場合について示したが、複数の線状ヒータを
使用して基板を加熱してもよく、また、ウェハ保持板を
陽極とし複数の線状アークトーチを陰極として基板を加
熱するようにしてもよく、これらの場合にも上記実施例
と同様の効果を秦する。

また、上記実施例では、多結晶シリコン層を単結晶化す
る場合について示したが、単結晶化する層としては他の
多結晶半導体層や非晶質半導体層であってもよく、この
場合にも上記実施例と同櫟の効果を奏する。

また、上記実施例では、二酸化シリコン層上の多結晶シ
リコン層を１１結晶化する場合について示したが、他の
絶縁層上の多結晶シリコン層を単結晶化してもよく、こ
の場合にも上記実施例と同様の効果を奏する。

また、上記実施例では、基板加熱用管状ランプに供給す
る電力を制御して試料ウェハの温度分布を制御する場合
について示したが、基板加熱用管状ランプからの光を遮
断する断熱材を、溶融帯形成用管状ランプに対して固定
的に設け、かつこの断熱材をウェハ保持板と基板加熱用
管状ランプ間に試料の帯状溶融領域に続く後方領域に対
応して位置するように挿入して、試料ウェハの温度を制
御するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、絶縁層と該絶縁層上に
形成される多結晶または非晶質半導体層を含む試料を台
に置き、試料の上面と隔てて平行に、この試料を照射し
加熱して上記半導体層を帯状に溶融させる第１長手状輻
射加熱源を設け、台の下面と隔てて平行にかつこの台に
対して固定的に、試料を照射し加熱する第２Ｉ！躬加熱
源を設け、移動手段により第２輻射加熱源を第１長手状
輻射加熱源の長手方向にほぼ直角な方向に第１長手状輻
射加熱源に対して相対的に移動して、帯状溶融領域を絶
縁層上で移動させ、この帯状溶融領域の移動時に、帯状
溶融領域に続く前方領域の湿度を高くし、帯状溶Ｆｔ１
１領域に涜く漬方ｆ！４域の温度を低くするよう、加熱
制御手段により第２輻射加熱源の加熱を制御するように
したので、大面積でかつ高品質の単結晶半導体層を絶縁
１上に形成することができる帯域溶融型単結晶半導体層
形成装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例である帯域溶融型単結晶半
導体層形成装置を示す図である。 第２図（Ａ＞、（Ｂ）は、この発明の実施例である帯域
溶融型単結晶゛に導体層形成装置における試料ウェハの
走査方向の温度分布の制御を説明するための図である。 第３図は、従来のカーボンヒータ、を用いた帯域溶融型
単結晶半導体層形成装置を示す図である。 第４図は試料ウェハの断面図である。 第５図は、従来の管状ランプを用いた帯域溶融型単結晶
半導体層形成装置を示す図である。 第６図（Ａ）は帯域溶融中の試料つ１ハの断面図であり
、第６図（Ｂ）は第６図＜Ａ）の多結晶シリコン層を含
む平面図である。 図において、３，３０は試料ウェハ、６は単結晶のシリ
コン基板、７．９は二酸化シリコン層、８は多結晶シリ
コン層、１０は窒化シリコン層、１２は溶融体形成用管
状ランプ、１２０は反射ミラー、１４はウェハ保持板、
１９ａ〜１９ｊは基板加熱用管状ランプ、２０は制御装
置、２１は位置センサである。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代　　理　　人　　　　　大　　岩　　増　　雄第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁層と該絶縁層上に形成される単結晶または非
   晶質半導体層を含む試料において、前記半導体層を帯状
   に溶融させ、この帯状溶融領域を前記絶縁層上で移動さ
   せて前記半導体層を単結晶化する装置であって、 前記試料を置く台と、 前記台に対して該台に置かれた前記試料の側に、該試料
   の上面と隔てて平行に設けられ、該試料を照射し加熱し
   て前記半導体層を帯状に溶融させる第１長手状輻射加熱
   源と、 前記台に対して前記第１長手状輻射加熱源と反対側に、
   該台の下面と隔てて平行にかつ該台に対して固定的に設
   けられ、前記試料を照射し加熱する第２輻射加熱源と、 前記第２輻射加熱源を、前記第１長手状輻射加熱源の長
   手方向にほぼ直角な方向に該第１長手状輻射加熱源に対
   して相対的に移動させる移動手段と、 前記試料の前記帯状溶融領域の移動時に、該帯状溶融領
   域に続く前方領域の温度を高くし、該帯状溶融領域に続
   く後方領域の温度を低くするよう、前記第２輻射加熱源
   の加熱を制御する加熱制御手段とを備えた帯域溶融型単
   結晶半導体層形成装置。
2. （２）前記多結晶または非晶質半導体層はシリコン層で
   あり、 前記絶縁層は二酸化シリコン層である特許請求の範囲第
   １項記載の帯域溶融型単結晶半導体層形成装置。
3. （３）前記第１長手状輻射加熱源は管状ランプである特
   許請求の範囲第１項記載の帯域溶融型単結晶半導体層形
   成装置。
4. （４）前記第２輻射加熱源は複数の管状ランプから構成
   され、該各管状ランプは互いに間隔を隔てかつそれらの
   管軸は前記第１長手状輻射加熱源の長手方向にほぼ平行
   である特許請求の範囲第１項記載の帯域溶融型単結晶半
   導体層形成装置。
5. （５）前記第２輻射加熱源は複数の線状ヒータから構成
   され、該各線状ヒータは互いに間隔を隔てかつそれらの
   長手軸は前記第１長手状輻射加熱源の長手方向にほぼ平
   行である特許請求の範囲第１項記載の帯域溶融型単結晶
   半導体層形成装置。
6. （６）前記第２輻射加熱源は複数の線状アークトーチか
   ら構成され、該各線状アークトーチは互いに間隔を隔て
   かつそれらの長手軸は前記第１長手状輻射加熱源の長手
   方向にほぼ平行である特許請求の範囲第１項記載の帯域
   溶融型単結晶半導体層形成装置。
7. （７）前記加熱制御手段は、前記台と前記第２輻射加熱
   源間に、前記試料の前記帯状溶融領域に続く前記後方領
   域に対応して位置するよう挿入され、かつ前記第１長手
   状輻射加熱源に対して固定的に設けられる断熱材である
   特許請求の範囲第１項記載の帯域溶融型単結晶半導体層
   形成装置。