JPS63239186A - 結晶物品およびその形成方法 - Google Patents

結晶物品およびその形成方法

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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】 [産業上の利用分野] 本発明は結晶および結晶の成長方法に関し、特に単結晶
と多結晶とが同一基板上に制御されて形成されている結
晶物品およびその形成方法に関するものである。
[従来の技術] 従来、半導体電子素子や光素子等に用いられる単結晶薄
膜は、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることで
形成されていた。例えば、Si単結晶基板(シリコンウ
ェハ)上には、Si、Ge、GaAs等を液相、気相ま
たは固相からエピタキシャル成長することが知られてお
り、またGaAs単結晶基板上にはGaAs、GaAu
 As等の単結晶がエピタキシャル成長することが知ら
れている。このようにして形成された半導体薄膜を用い
て、半導体素子および集積回路、半導体レーザやLED
等の発光素子等が作製される。
また、最近、二次元電子ガスを用いた超高速トランジス
タや、量子井戸を利用した超格子素子等の研究開発が盛
んであるが、これらを可能にしたのは、例えば超高真空
を用いたMBE  (分子線エピタキシー)やMOCV
D  (有機金属化学気相法)等の高精度エピタキシャ
ル技術である。
このような単結晶基板上のエピタキシャル成長では、基
板の単結晶材料とエピタキシャル成長層との間に、格子
定数と熱膨張係数とを整合をとる必要がある。この整合
が不十分であると格子欠陥がエピタキシャル層に発達す
る。また基板を構成する元素がエピタキシャル層に拡散
することもある。
このように、エピタキシャル成長による従来の単結晶薄
膜の形成方法、その基板材料に大きく依存することが分
る。Mathews等は、基板材料とエピタキシャル成
長層との組合せを調べている(EPITAXIAL G
ROWTt(、Academic Press、 Ne
w York。
1975 ed、 by J、W、Mathews)。
また、基板の大きさは、現在Siウェハで6インチ程度
であり、GaAs、サファイア基板の大型化は更に遅れ
ている。加えて、単結晶基板は製造コストが高いために
、チップ当りのコストが高くなる。
このように、従来の方法によって、良質な素子が作製可
能な単結晶層を形成するには、基板材料の種類が極めて
狭い範囲に限定されるという問題点を有していた。
一方、半導体素子を基板の法線方向に積層形成し、高集
積化および多機能化を達成する三次元集積回路の研究開
発が近年盛んに行われており、また安価なガラス上に素
子をアレー状に配列する太陽電池や液晶画素のスイッチ
ングトランジスタ等の大面積半導体装置の研究開発も年
々盛んになりつつある。
これら両者に共通することは、半導体薄膜を非晶質絶縁
物上に形成し、そこにトランジスタ等の電子素子を形成
する技術を必要とすることである。その中でも特に、非
晶質絶縁物上に高品質の単結晶半導体を形成する技術が
望まれている。
一般的に、5i02等の非晶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
積膜の結晶構造は非晶質または多結晶となる。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、それ以上の長路■秩序はない状態のものであり
、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ものである。
例えば、5iCh上にSiをCVD法によって形成する
場合、堆積温度が約600℃以下であれば非晶質シリコ
ンとなり、それ以上の温度であれば粒径が数百〜数千人
の間で分布した多結晶シリコンとなる。ただし、多結晶
シリコレ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。
更に、非晶質または多結晶膜をレーザや棒状ヒータ等の
エネルギビーム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(Single−Crystal  
5ilicon  on  non−single−c
rystalinsulators、 Journal
 of crystal Growth vol。
63、 No、3.0ctober、 1983 ed
ited by G、 W。
Culle口) 。
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すると、
非晶質シリコンでは〜0.1cm2/V・sec 、数
百人の粒径を有する多結晶シリコンでは1〜10cm2
/V−sec 、溶融固化による大粒径の多結晶シリコ
ンでは単結晶シリコンの場合と同程度の易動度が得られ
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
で得られていた非晶買上の堆積膜は非晶質または粒径分
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
また、溶融固化によって大粒径の多結晶薄膜を形成する
方法は、ウェハごとに非晶質または単結晶薄膜をエネル
ギビームで走査するために、大粒径化に多大な時間を要
し、量産性に乏しく、また大面積化に向かないという問
題点を有していた。
[発明が解決しようとする問題点1 以上述べたように、従来の結晶成長方法およびそれによ
って形成される結晶では、三次元集積化や大面積化が容
易ではなく、デバイスへの実用的な応用が困難であり、
優れた特性を有するデバイスを作製するために必要とさ
れる単結晶および多結晶等の結晶を容易に、かつ低コス
トで形成することができなかった。
従って、本発明は上記の従来の問題点を解消し、三次元
集積化や大面積化が容易で、デバイスへの実用的な応用
が容易で優れた特性を有する単結晶および多結晶の形成
方法を提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段1 このような目的を達成するために、本発明は核形成密度
の小さい非核形成面(SNcs)、非核形成面(SNO
9)に隣接して配され、単一核のみより結晶成長するに
充分小さい面積を有し、非核形成面(SNDS)の核形
成密度(NDS)より大きい核形成密度(NDL)を有
する少なくとも一つの小核形成面(SNQL−5)、お
よび複数核が成長するに充分大きな面積を有し、非核形
成面(SNDS)の核形成密度(NDS)より大きい核
形成密度(NDL)を有する少なくとも一つの大核形成
面(SsDL−L)を有する基体と、単一核より成長し
て、小核形成面(SNDL、−5)を越えて非核形成面
(SNDS)の一部を覆っている少なくとも1個の単結
晶と、複数核から成長した多結晶膜とからなることを特
徴とする。
また、本発明は核形成密度の小さい非核形成面(SND
S)、単一核のみより結晶成長するに充分小さい面積を
有し、非核形成面(SNos)の核形成密度(NDS)
より大きい核形成密度(NDL)を有する少なくとも一
つの小核形成面(SNDL−5)、および非核形成面(
SNDL−s)の核形成密度(NDS)より大きな核形
成密度(周シ)を有し、複数核が成長するに充分な大き
さの面積を有する少なくとも一つの大核形成面(SND
L、−L)を有する基体に、結晶成長を施して、小核形
成面(SNDL−5)に単一核を形成し、さらに単一核
より非核形成面の一部を覆うように単結晶を成長させる
と共に、大核形成面(SNDL−L)上に多結晶膜を形
成することを特徴とする。
[作 用] 本発明は成長させるべき結晶の核形成密度(ND)が結
晶を成長させる面の材質によって異なることに利用する
ものである。例えばSi結晶を堆積する場合、SiO□
は小さな核形成密度(NDS)を、SiNは大きな核形
成密度(NDL)を有する。モして5t(h面とSiN
面を基板上ではこの核形成密度の差(八NO) によっ
て、Si結晶はSiN上にのみ堆積成長し、5iOz上
には成長しない。このように大きな核形成密度(NDL
)をもち結晶が堆積成長する面を核形成面(SNDL−
L)、小さな核形成密度(NDS)をもち、結晶が成長
しない面を非核形成面(SNas)と称する。この時核
形成面(SNDL)の面積を単一の核しか発生し得ない
程度に十分小さくしておくと、核形成面(SNDL)上
には単結晶が成長し、この単結晶は核形成面(SNDL
)を越えて、非核形成面(SNDS)上へも成長する。
本発明はこのような結晶の選択形成技術を用いることに
よって、同一の基板上に制御されて形成された単結晶と
多結晶とからなる結晶を得ることができる。
[実施例] 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1図(A)に示すように任意の下地基板1上に5in
2膜2を形成する。SiO□膜2はStを下地基板とし
て熱酸化によっても形成でき、アルミナ、高融点ガラス
その他を下地基板として通常のCVD法によっても形成
できる。5i02膜2の厚さは1000人程度とする。
ついで、5in2膜2上に、5iH2Cf12とNH3
ガスを用いたCVD法によってSiNx膜を厚さ500
人程度堆積し、さらにフォトリソグラフィによって、S
iNx膜をバターニングする。こうして、数μm以下の
小面積のSiN3膜3Aと、大面積のSiNx膜3Bと
が5i02膜2上に形成される。
この時5iQ2膜2上ではSiの核形成密度が小さく、
Sin□1192は非核形成面(SNDS)となり、S
iN3膜3Aおよび3BはSiの核形成密度が大きく、
核形成面(SNOL)となる。
次に、このようにして形成された基板上に5iH2CJ
Z2ガスを用いた熱CvI11法によってSi結晶を成
長させる。第1図(B)  に示すように、SiはS 
iNX膜3Aおよび3B上にのみ成長し、5in2膜か
らは成長しない。小面積のSiN、(llU3Aは大き
さが数μm以下であり、この上にはSiの単一核のみが
形成され、この単一核から単結晶4が成長し、SiO□
膜を覆うようになる。一方、大面積のSiNx膜3Bに
は多数の核が形成され、Si多結晶が成長し、やはり5
i02膜2を覆うようになる。さらに成長を続けるとS
i結晶はSiO□膜2の全面を覆うようになる。
第2図(A)は成長の結晶の断面、第2図(B)はその
上面を示す図である。図に示すように、Si単結晶4と
多結晶5とが同時に同一基板上に形成できる。
各単結晶および多結晶は任意の位誼に、かつ任意の形状
で制御して形成することができる。形成された単結晶と
多結晶とは同一材料であり、かつ基板の全面を覆ってい
るので、表面の平坦化を容易に行うことができる。また
平坦化を行った後に、各単結晶の粒界をエツチングして
、各単結晶を分離すること、フォトリングラフィ工程に
よって多結晶部分を任意の形状に再加工することも容易
である。
以上の実施例ではSi結晶を例として説明したが、本発
明は核形成面と非核形成面の組合わせによって、広く他
の結晶に適用できる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば同一基板上に、単
結晶と多結晶とが制御された位置および太き盲で形成さ
れた結晶を得ることができる。
この結晶は表面の平坦化も容易であり、各単結晶の分離
、多結晶部分の加工も容易であり、各単結晶および多結
晶のそれぞれに異なる機能を有する電子素子を形成して
、複合機能を有する素子を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例における結晶成長過程を示す断
面図、 第2図は成長結晶の状態を示す図で、同図(A)は断面
図、同図(B)は上面図である。 1・・・下地基板、 2・・・5in2膜、 :lA、3B・・・Si3N4膜、 4・・・Si単結晶、 5・・・Si多結晶。 為 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)核形成密度の小さい非核形成面(S_N_D_S)
    、該非核形成面(S_N_D_S)に隣接して配され、
    単一核のみより結晶成長するに充分小さい面積を有し、
    前記非核形成面(S_N_D_S)の核形成密度(ND
    _S)より大きい核形成密度(ND_L)を有する少な
    くとも一つの小核形成面(S_N_D_L−S)、およ
    び複数核が成長するに充分大きな面積を有し、前記非核
    形成面(S_N_D_S)の核形成密度(ND_S)よ
    り大きい核形成密度(ND_L)を有する少なくとも一
    つの大核形成面(S_N_D_L−L)を有する基体と
    、前記単一核より成長して、前記小核形成面(S_N_
    D_L−S)を越えて前記非核形成面(S_N_D_S
    )の一部を覆っている少なくとも1個の単結晶と、前記
    複数核から成長した多結晶膜とからなることを特徴とす
    る結晶物品。 2)前記非核形成面(S_N_D_S)が非晶質からな
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の結晶物
    品。 3)前記小核形成面(S_N_D_L−S)の複数が所
    望の間隔で設けられ、前記単結晶が該小核形成面間のほ
    ぼ中央で粒界を介して接することを特徴とする特許請求
    の範囲第1項または第2項記載の結晶物品。 4)前記小核形成面(S_N_D_L−S)と前記大核
    形成面(S_N_D_L−L)とが所望の間隔で設けら
    れ、前記単結晶と前記多結晶が接していることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項または第2項記載の結晶物品
    。 5)前記大核形成面(S_N_D_L−L)の複数が所
    望の位置に所望の形状で形成されていることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかの項に
    記載の結晶物品。 6)核形成密度の小さい非核形成面(S_N_D_S)
    、単一核のみより結晶成長するに充分小さい面積を有し
    、前記非核形成面(S_N_D_S)の核形成密度(N
    D_S)より大きい核形成密度(ND_L)を有する少
    なくとも一つの小核形成面(S_N_D_L−S)、お
    よび前記非核形成面(S_N_D_S)の核形成密度(
    ND_S)より大きな核形成密度(N_D_L)を有し
    、複数核が成長するに充分な大きさの面積を有する少な
    くとも一つの大核形成面(S_N_D_L−L)を有す
    る基体に、結晶成長を施して、前記小核形成面(S_N
    _D_L−S)に単一核を形成し、さらに該単一核より
    前記非核形成面の一部を覆うように単結晶を成長させる
    と共に、前記大核形成面(S_N_D_S−L)上に多
    結晶膜を形成することを特徴とする結晶物品の形成方法
    。 7)前記小核形成面(S_N_D_L−S)と前記大核
    形成面(S_N_D_L−L)とを、前記非核形成面(
    S_N_D_S)を構成する材料より充分大きな核形成
    密度を有する材料を前記非核形成面上に堆積した後、フ
    ォトリソグラフィによるパターニングによって同時に形
    成することを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の結
    晶物品の形成方法。 8)前記小核形成面(S_N_D_L−S)と前記大核
    形成面(S_N_D_L−L)とを、前記非核形成面(
    S_N_D_S)を構成する材料より充分大きな核形成
    密度を有する材料を前記非核形成面にイオン注入して形
    成することを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の結
    晶物品の形成方法。 9)前記小核形成面(S_N_D_L−S)と前記大核
    形成面(S_N_D_L−L)との相対的位置関係によ
    って、前記単結晶の位置および大きさを制御することを
    特徴とする特許請求の範囲第6項ないし第8項のいずれ
    かの項に記載の結晶物品の形成方法。
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