(57)【要約】【課題】単結晶シリコンロッドの製造方法及び単結晶シリコンロッド構造体を提供する。【解決手段】基板上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層にホールを形成する工程と、ホール内にシリコンを選択成長させる工程と、ホール及び絶縁層上にシリコン層を形成する工程と、シリコン層にホールに対して非放射状方向にロッドパターンを形成する工程と、シリコン層を溶融させてホールに対応する位置に結晶核が生成されるように、ロッドパターンが形成されたシリコン層上にレーザビームを照射してシリコン層を結晶化する工程と、を含む単結晶シリコン製造方法である。これにより、欠点のない単結晶シリコンロッドを形成しうる。【選択図】図１８
2008133182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層にホールを形成する工程と、
前記ホール内にシリコンを選択成長させる工程と、
前記ホール及び絶縁層上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層にホールに対して非放射状方向にロッドパターンを形成する工程と、
前記シリコン層を溶融させ、前記ホールに対応する位置に結晶核が生成されるように、前記ロッドパターンが形成されたシリコン層上にレーザビームを照射してシリコン層を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項２】
前記ホールの深さは、前記絶縁層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項３】
前記絶縁層は、第１絶縁層、及び前記第１絶縁層と前記シリコン層との間の第２絶縁層を備えることを特徴とする請求項２に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項４】
前記第１絶縁層は、ＳｉＯ２からなり、前記第２絶縁層は、Ｓｉ３Ｎ４からなることを特徴とする請求項３に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項５】
前記ホールは、前記絶縁層を貫通して前記基板と接触することを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項６】
前記基板と前記絶縁層との間に多結晶シリコン層をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項７】
前記基板と多結晶シリコン層との間に第１絶縁層をさらに備え、
前記絶縁層は、前記多結晶シリコン層上の第２絶縁層、及び前記第２絶縁層と前記シリコン層との間の第３絶縁層を備えることを特徴とする請求項６に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項８】
前記第２絶縁層は、ＳｉＯ２からなり、前記第３絶縁層は、Ｓｉ３Ｎ４からなることを特徴とする請求項７に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項９】
前記絶縁層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４及びＡｌＮからなる群から選択された少なくとも何れか一つからなることを特徴とする請求項１ないし３または５ないし７のうち何れか１項に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１０】
前記ホールの数は、一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１１】
前記ホールの直径は、１ｎｍないし３００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１２】
前記ホールの深さは、１０ｎｍないし３００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１３】
前記シリコン層は、非晶質または多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１４】
前記シリコン層は、非晶質または多結晶シリコンゲルマニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１５】
前記ロッドの長手方向は、ホールから延びた放射状線の方向と異なることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１６】
前記ロッドの数は、一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１７】
前記ロッドの幅は、５ｎｍないし１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１８】
前記ロッドの幅は、２０ｎｍないし１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１３に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項１９】
基板上に予備的結晶核生成位置を含むようにシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層に前記予備的結晶核生成位置と非放射状方向にロッドをパターンする工程と、
前記ロッドがパターンされたシリコン層が溶融され、前記予備的結晶核生成位置に対応する位置に結晶核が生成されるようにレーザビームを照射して、前記シリコン層を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項２０】
前記予備的結晶核生成位置は、金属触媒を塗布する方法、またはマスクパターンを形成する方法で形成することを特徴とする請求項１９に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項２１】
前記金属触媒は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰｄからなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項２０に記載の単結晶シリコンロッドの製造方法。
【請求項２２】
結晶核生成位置で形成された放射状の結晶粒粒界を有する多結晶性シリコン本体部、及び前記結晶核生成位置から非放射状方向に前記シリコン本体部に連結された単結晶シリコンロッドを備える単結晶シリコンロッド構造体。
【請求項２３】
前記単結晶シリコンロッドは、シリコン基板上に形成されたことを特徴とする請求項２２に記載の単結晶シリコンロッド構造体。
【請求項２４】
前記単結晶シリコンロッドは、シリコン基板上でブリッジ構造に形成されたことを特徴とする請求項２２に記載の単結晶シリコンロッド構造体。
【請求項２５】
請求項２２ないし２４のうち何れか１項に記載の単結晶シリコンロッド構造体を含むＧＡＡトランジスタ。
【請求項２６】
請求項２２ないし２４のうち何れか１項に記載の単結晶シリコンロッド構造体を含むＮＡＮＤフラッシュメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶シリコンロッドの製造方法及び単結晶シリコンロッド構造体に係り、さらに詳細には、シリコン層の一部にロッドを形成し、かつ再結晶化する工程を通じた欠陥のない単結晶シリコンロッドの製造方法及び単結晶シリコンロッド構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
非晶質シリコンにレーザなどのエネルギーを供給して溶融状態にした後に、冷却または固化させれば、結晶として析出されるシリコンの結晶化が進められる。このとき、シリコングレインの結晶成長によってシリコン結晶の成長方向が単一であれば、単結晶となり、多数の結晶が同時にランダムに生成されて成長すれば、多結晶となる。
【０００３】
非晶質シリコン薄膜を結晶化して薄膜トランジスタの活性層や半導体素子のチャンネル領域として使用する場合には、シリコングレインのサイズを大きくすることにより、キャリアの移動に妨害となるグレインバウンダリ（結晶粒粒界）の数を減らして素子の特性を向上させることが有利である。
【０００４】
非晶質シリコンを素子に適用する場合、電荷移動度が低くて高速動作が難しく、したがって、高解像度のディスプレイには適用し難い。このような問題点を改善するために、非晶質シリコンを結晶化して多結晶シリコンを形成した後に、薄膜トランジスタを形成しうる。この場合、前記薄膜トランジスタのチャンネル領域は、多結晶シリコンとなる。多結晶シリコンは、電荷移動度が非晶質シリコンに比べて１００倍以上速いという長所を有している。
【０００５】
可能な限り、グレインサイズが大きい多結晶シリコンを製造するための方法には、基板上に蒸着された非晶質シリコン薄膜を結晶化する方法があるが、エキシマーレーザを利用した結晶化方法（Ｅｘｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＥＬＡ）と、固相法（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：ＳＰＣ）とがあり、最近では、ＥＬＡ法をさらに改良した金属誘導側面結晶化法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：ＭＩＬＣ）や連続粒界固相化法（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｇｒａｉｎ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＣＧＳ）も使われている。また、絶縁層内にホールを形成し、非晶質シリコンを満たしてレーザを利用して結晶化するマイクロチョクラルスキー（ｍｉｃｒｏ−Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法がある。このような方法は、何れも非晶質シリコン薄膜を多結晶シリコン薄膜に結晶化する方法である。しかし、多結晶シリコン薄膜の場合にも、多数のグレインバウンダリによって依然として電荷の流れが妨害を受ける。したがって、さらに優れた電気的な特性を得るためには、薄膜トランジスタや半導体素子のチャンネルが形成される領域全体が一つの単結晶シリコンで構成されることが最も望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、薄膜トランジスタや半導体素子のチャンネルが欠陥のない単結晶シリコンで形成されるように、シリコン層の一部にロッドパターンを形成し、シリコン結晶化を進行して、このロッドと一直線上に位置しない位置で欠陥のない単結晶シリコンロッドの製造方法及び単結晶シリコンロッド構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にホールを形成する工程と、前記ホール内にシリコン層を選択成長させる工程と、前記ホール及び絶縁層上にシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層に前記ホールに対して非放射状方向にロッドパターンを形成する工程と、前記シリコン層を溶融させ、前記ホールに対応する位置に結晶核が生成されるように前記ロッドパターンが形成されたシリコン層にレーザビームを照射してシリコン層を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする単結晶シリコンロッドの製造方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、前記ホールは、前記絶縁層を貫通して前記基板と接触するように形成する。このとき、前記基板と前記絶縁層との間に多結晶シリコン層をさらに備えうる。このとき、基板と多結晶シリコン層との間に第１絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、多結晶シリコン層とシリコン層との間に第２絶縁層、及びこの第２絶縁層と前記シリコン層との間の第３絶縁層を備えうる。この場合、前記第２絶縁層は、ＳｉＯ２からなり、前記第３絶縁層は、Ｓｉ３Ｎ４からなりうる。
【０００９】
また、前記ホールの深さは、前記絶縁層の厚さよりも小さく形成しうる。このとき、前記絶縁層は、第１絶縁層、及び前記第１絶縁層と前記シリコン層との間の第２絶縁層を備えうる。前記第１絶縁層は、ＳｉＯ２からなり、前記第２絶縁層は、Ｓｉ３Ｎ４からなりうる。
【００１０】
前記絶縁層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４及びＡｌＮからなる群から選択された少なくとも何れか一つからなりうる。
前記ホールの数は、一つ以上でありうる。前記ホールの直径は、１ｎｍないし３００ｎｍでありうる。前記ホールの深さは、１０ｎｍないし３００ｎｍでありうる。
【００１１】
前記シリコン層は、非晶質または多結晶シリコンからなりうる。
前記シリコン層は、非晶質または多結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）からなりうる。
前記ロッドの長手方向は、ホールから延びた放射状線の方向とは異なるように形成される。
前記ロッドの数は、一つ以上でありうる。前記ロッドの幅は、５ｎｍないし１０００ｎｍでありうる。前記ロッドの幅は、２０ｎｍないし１５０ｎｍでありうる。
【００１２】
本発明は、基板上に予備的結晶核生成位置を含むようにシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層に前記予備的結晶核生成位置と非放射状方向にロッドをパターンする工程と、前記ロッドがパターンされたシリコン層が溶融され、前記予備的結晶核生成位置に対応する位置に結晶核が生成されるようにレーザビームを照射して、前記シリコン層を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする単結晶シリコンロッドの製造方法を提供する。
【００１３】
前記予備的結晶核生成位置は、金属触媒を塗布する方法、またはマスクパターンを形成する方法で形成しうる。
前記金属触媒は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰｄからなる群から選択された何れか一つでありうる。
【００１４】
本発明は、結晶核生成位置から形成された放射状グレインバウンダリを有する多結晶性シリコン本体部、及び前記結晶核生成位置から非放射状方向に前記シリコン本体部に連結された単結晶シリコンロッドを備える単結晶シリコンロッド構造体を提供する。
前記単結晶シリコンロッドは、シリコン基板上に形成される。このとき、前記単結晶シリコンロッドは、シリコン基板上でブリッジ構造で形成される。
【００１５】
本発明は、前記単結晶シリコンロッド構造体を含むＧＡＡ（Ｇａｔｅ Ａｌｌ Ａｒｏｕｎｄ）トランジスタを提供する。
本発明は、前記単結晶シリコンロッド構造体を含むＮＡＮＤフラッシュメモリを提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シリコン層の一部にロッドパターンを形成してシリコン結晶化を進行して、このロッドと一直線上に位置しない位置から欠陥のない単結晶シリコンロッドを形成しうる。すなわち、シリコン層内にホールを形成し、ロッドをホールに対して非放射状方向に形成し、レーザを利用してシリコンを溶融させた後に結晶化する過程で、グレインバウンダリがフィルタリングされてロッドに単結晶シリコンが形成される。
したがって、本発明によれば、欠陥のない単結晶シリコンからなる薄膜トランジスタや半導体素子のチャンネルを形成しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態による単結晶シリコンロッドを製造する方法をさらに詳細に説明する。
図１ないし図９は、本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【００１８】
図１を参照すれば、基板１０上に第１絶縁層１２、多結晶シリコン層１４、第２絶縁層１６及び第３絶縁層１８を順次に形成する。前記基板１０は、シリコン基板か絶縁体基板であり、望ましくは、シリコン基板を使用しうる。前記第１絶縁層ないし第３絶縁層１２，１６，１８は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４及びＡｌＮからなる群から選択された何れか一つで形成され、望ましくは、第１絶縁層１２及び第２絶縁層１６は、ＳｉＯ２で形成され、第３絶縁層１８は、Ｓｉ３Ｎ４で形成される。
【００１９】
前記第３絶縁層１８は、後述するシリコン層２４（図４）を再結晶化または結晶化するためにレーザビームを照射するとき、溶融された液状シリコンとの接着性に優れており、液状シリコンの流出とかたまり（ｃｌｏｇｇｉｎｇ）とを防止または減少させうるかたまり防止層の役割を行う。このようなかたまり防止層としては、液状シリコンとの界面エネルギーが比較的低い物質を使用することが良いが、前記のようにＳｉ３Ｎ４を使用することが望ましい。
【００２０】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、前記第３絶縁層１８と第２絶縁層１６とにリソグラフィ及びエッチングによって後述するシリコン層２４（図４）を前記多結晶シリコン層１４に接触させるためのコンタクトホールとして使われる第１ホール２０を形成する。前記第１ホール２０の深さは、図２Ｂに示したように、前記多結晶シリコン層１４の表面まで形成し、その深さは、１０ないし３００ｎｍである。前記第１ホール２０の直径は、１ないし３００ｎｍとなる。前記第１ホール２０の数は、一つ以上に形成しうる。図２Ａでは、前記第１ホール２０として２個のホールを形成した例を示す。
【００２１】
次いで、図３及び図４のように、前記第１ホール２０及び第３絶縁層１８上にシリコン層２４を形成する。前記シリコン層２４は、非晶質または多結晶の結晶性を有するシリコンまたはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）で形成される。以下では、前記シリコン層２４の材質を便宜上シリコンと表現するが、これは、前記シリコン層２４がシリコンのみで形成されたことを意味せず、シリコンと表現したとしても、これはシリコン及びシリコンゲルマニウムのうち何れか一つを意味すると見なされる。
【００２２】
まず、ＵＨＶＣＶＤ（Ｕｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ Ｖａｃｕｕｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を使用して、前記第１ホール２０内にシリコン層２２を選択成長して第１ホール２０を埋め込み、次いで、第１ホール２０と第３絶縁層１８との全面にシリコン層２４を形成する。
【００２３】
例えば、前記構造の基板をＨＦ（希釈されたもの）クリーニングした後、ＵＨＶＣＶＤ（またはＬＰＣＶＤ）装備で、シリコン、例えば、多結晶シリコンでの潜伏時間が第３絶縁層１８物質として使われるＳｉ３Ｎ４よりも短い特性を利用して、第１ホール２０に多結晶シリコンを選択成長させて埋め込む。
【００２４】
他の例として、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法で前記シリコン層２４を形成することもある。すなわち、ＰＥＣＶＤ装備を利用して多結晶シリコンまたは非晶質シリコンを蒸着するが、第１ホール２０に蒸着されるシリコンの表面が第３絶縁層１８物質として使われるＳｉ３Ｎ４の表面よりも高く蒸着する。
【００２５】
第１ホール２０を非晶質または多結晶シリコン層で埋め込んだ後、次いで、第１ホール２０と第３絶縁層１８との全面に平坦化された多結晶シリコンまたは非晶質シリコン薄膜を蒸着してシリコン層２４を形成する。
【００２６】
次いで、図５を参照すれば、リソグラフィ及びエッチング工程によって前記シリコン層２４をパターニングして、シリコンチャンネルとして使われるロッド３０とその他の部分のシリコン本体部２６とを形成しうる。このとき、前記第１ホール２０が位置された領域は、シリコン本体部２６に含まれる。前記ロッド３０は、その長手方向が前記第１ホール２０から延びた放射状線と一致しないように非放射状方向に置かれるように形成される。すなわち、ロッドパターンは、そのロッド３０の開始部分（シリコンチャンネルの開始部分）と前記第１ホール２０とが一定した位置及び角度関係を維持するように形成される。前記ロッド３０の幅は、５ないし１０００ｎｍ、望ましくは、２０ないし１５０ｎｍとなりうる。
【００２７】
次いで、図６のように、前記ロッドパターンの通りに第２絶縁層１６と第３絶縁層１８とをエッチングして除去した後、図７のようにロッド３０の下部に残っている第２絶縁層１６、すなわち、ＳｉＯ２層を除去するアンダーカットエッチングを進めてブリッジ構造を形成しうる。アンダーカットエッチングは、湿式エッチング方法でなされる。ロッド３０の下部の第２絶縁層１６を除去すれば、ロッド３０及び第３絶縁層１８で構成されたチャンネル（すなわち、シリコン／Ｓｉ３Ｎ４で構成されたチャンネル）が形成される。しかし、図６及び図７のような工程が本発明で必須的なものではない。
【００２８】
次いで、図８及び図９のように、前記パターニングされたロッド３０及びシリコン本体部２６上に垂直にレーザビーム４０を照射して、ロッド３０とシリコン本体部２６とのシリコン層２４を溶融させた後に結晶化しうる。これにより、シリコン層２４が多結晶シリコンからなる場合には、多結晶シリコンの再結晶化がなされ、シリコン層２４が非晶質シリコンからなる場合には、非晶質シリコンの結晶化がなされる。シリコン結晶化は、多結晶シリコンの再結晶化や非晶質シリコンの結晶化を何れも含む概念であるので、以下では簡略にシリコン結晶化と表現する。
【００２９】
このような結晶化のために、例えば、エキシマーレーザを使用しうる。この時のレーザエネルギーの密度は、ロッド３０、すなわち、シリコンチャンネル及びシリコン本体部２６は、完全に溶融させるが、シリコン本体部２６に形成された第１ホール２０領域の下部にある多結晶シリコン層１４は、完全には溶融されない。それは、第１ホール２０領域のシリコンが下部にある多結晶シリコン層１４と連結されて、シリコンチャンネル部分のシリコンよりも十分に厚いために可能である。第１ホール２０下部の多結晶シリコン層１４領域は、レーザビームの照射が中断されれば、シリコンが結晶化される結晶核の役割を行う。多結晶シリコンは、シリコン結晶化過程を通じて第１ホール２０下部の多結晶シリコン層１４領域を結晶核として成長しうる。第１ホール２０の底部で、多結晶シリコンは、完全に溶融されないため、この溶融されない多結晶シリコン部分が核形成位置となって結晶核の役割を行える。
【００３０】
シリコン結晶化時、多結晶シリコンは、シリコン本体部２６に向かって垂直成長して表面まで達した後、ロッド３０領域に水平成長する。このとき、第１ホール２０を中心に十分に大きい一定領域内に放射状のグレインが形成され、その領域内には、十分なレーザエネルギーによってシリコンが完全に溶融されれば、他の核形成位置は生成されない。
【００３１】
例えば、シリコン結晶化は、第１ホール２０領域の多結晶シリコン層１４をシードとして成長し、Ｓｉ３Ｎ４層上の非晶質シリコンまたは多結晶シリコン薄膜の厚さが５０ｎｍである場合、第１ホール２０を中心に２μｍ以上半径内で放射状グレインが形成され、その領域内には、他の核形成位置が発生しない。
【００３２】
このとき、シリコンの結晶化時、前記ロッド３０は、第１ホール２０と非放射状に位置し、第１ホール２０が位置した地点とチャンネル開始部分とが一定した角度を有するので、グレインバウンダリがチャンネル開始部分でフィルタリングされ、ロッド３０には、単結晶性を有し、かつ欠陥のない単結晶シリコンを形成しうる。
【００３３】
したがって、前記のようなシリコン結晶化過程を通じて、図９のように、多結晶シリコンからなるシリコン本体部２８及び欠陥のない単結晶シリコンからなるロッド３８、すなわち、単結晶シリコンチャンネルが得られる。
【００３４】
このような本発明の第１実施形態による製造方法によって、欠陥のない単結晶シリコンチャンネルを形成することは、シリコン層２４が第１ホール２０の底部の多結晶シリコン層１４領域の結晶核で出発してまず垂直成長、その後、ロッド３０、すなわち、チャンネル領域まで水平成長するまで、チャンネル領域のシリコンが十分に長い時間溶融された状態で存在しうるために可能である。
【００３５】
一方、本発明によれば、図６または図７の状態でパルスエキシマーレーザで多結晶シリコンを再結晶化するかまたは非晶質シリコンを結晶化するが、結晶化効率を高めるために、ＳｉＯ２からなるキャッピング層を５０ｎｍないし５００ｎｍ蒸着した後に結晶化を進めることもある。
【００３６】
図１０ないし図１７は、本発明の第２実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
図１０を参照すれば、基板５０上に第１絶縁層５２及び第２絶縁層５６を順次に形成する。前記基板５０は、シリコン基板かまたは絶縁体基板であり、望ましくは、シリコン基板を使用しうる。前記第１絶縁層５２ないし第２絶縁層５６は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４及びＡｌＮからなる群から選択された何れか一つで形成され、望ましくは、第１絶縁層５２は、ＳｉＯ２で形成され、第２絶縁層５６は、Ｓｉ３Ｎ４で形成される。前記第２絶縁層５６は、本発明の第１実施形態での第３絶縁層１８と同様に、かたまり防止層の役割を行える。
【００３７】
次いで、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照すれば、前記第２絶縁層５６及び第１絶縁層５２内に第２ホール６０を形成する。前記第２ホール６０の深さは、前記第２絶縁層５６と第１絶縁層５２との厚さを合わせた厚さよりも小さいことが望ましい。すなわち、図１１Ｂに示したように、前記第２ホール６０は、第１絶縁層５２の一部の深さまでのみ形成されることが望ましい。前記第２ホール６０の直径は、１ないし３００ｎｍとなりうる。前記第２ホール６０の数は、一つ以上に形成しうる。図１１Ａでは、前記第２ホール６０として２個のホールを形成した例を示す。
【００３８】
次いで、図１２及び図１３のように、前記第２ホール６０及び第２絶縁層５６上にシリコン層６４を形成しうる。まず、前記第２ホール６０内にシリコン層６２を選択成長して第２ホール６０を埋め込み、次いで、前記シリコン層６２を選択成長した第２ホール６２及び第２絶縁層５６の全面にシリコン層６４を形成しうる。前記シリコン層６２，６４は、本発明の第１実施形態でのシリコン層２４と同様に、非晶質または多結晶の結晶性を有するシリコンであるか、またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）でありうる。前記シリコン層６２，６４のうち何れか一層は、非晶質シリコン、他の一層は、多結晶シリコンで形成されるか、または何れも同一に非晶質または多結晶シリコンで形成される。
【００３９】
次いで、図１４を参照すれば、前記シリコン層６４をパターニングしてシリコンチャンネルとして使われるロッド７０とその他の部分のシリコン本体部６６とを形成しうる。このとき、前記第２ホール６０が位置した領域は、前記シリコン本体部６６に含まれる。前記ロッド６６の長手方向が前記第２ホールから延びた放射状線と一致しないように、非放射状方向に置かれるようにロッドパターンを形成しうる。前記ロッド７０の幅は、５ｎｍないし１０００ｎｍであり、望ましくは、２０ｎｍないし１５０ｎｍとなりうる。
【００４０】
次いで、図１５ないし図１７のように、前記ロッドパターンの通りに、第１絶縁層５２と第２絶縁層５６とをエッチングして除去した後、前記パターニングされたロッド７０及びシリコン本体部６６上に垂直にレーザビーム８０を照射してロッド７０とシリコン本体部６６とのシリコン層６４を溶融させた後に結晶化しうる。このようなシリコン結晶化のために、例えば、エキシマーレーザを使用しうる。この時のレーザエネルギーの密度は、ロッド７０とシリコン本体部６６とを完全に溶融させるが、シリコン本体部６６に形成された第２ホール６０のシリコン層６２は、完全に溶融されないように照射しうる。すなわち、第２ホール６０の下部にシリコン層６２の一部でも溶融されずに残っているようにレーザエネルギーを照射しうる。これは、第２ホール６０内のシリコン層６２がロッド７０とシリコン本体部６６とのシリコン層６６よりも厚いために可能である。第２ホール６０の下部の溶融されないシリコンは、レーザビームの照射が中断されれば、結晶成長が開始される結晶核の役割を行う。シリコンの結晶化は、第２ホール６０内の溶融されないシリコンを結晶核として垂直成長した後、ロッド７０領域に水平成長する。このとき、第２ホール６０を中心に一定領域内に放射状のグレインが形成され、その領域内には、他の核形成位置は生成されない。シリコン結晶化時、前記ロッド７０は、第２ホール６０と非放射状位置にあるので、チャンネルの開始部分でグレインバウンダリがフィルタリングされ、結晶化されたロッド７０のシリコンは、単結晶の結晶性を有する。これにより、欠陥のない単結晶シリコンチャンネルを形成しうる。
【００４１】
したがって、前記のようなシリコン結晶化過程を通じて、図１７のように、多結晶シリコンからなるシリコン本体部６８及び欠陥のない単結晶シリコンからなるロッド７２、すなわち、単結晶シリコンチャンネルが得られる。
図１８は、本発明の実施形態による単結晶シリコンロッド構造体の形成原理を示す概略的な図面である。
【００４２】
図１８を参照すれば、本発明の一実施形態による構造体は、予備的結晶核生成位置１００から形成された放射状のグレインバウンダリを有する多結晶性シリコン本体部１０２、及び前記予備的結晶核生成位置１００から非放射状方向に前記シリコン本体部１０２に連結された単結晶シリコンロッド１０４を含む単結晶シリコンロッド構造体で形成される。前記単結晶シリコンロッド１０４は、前述したように、下面の絶縁層を除去してシリコン基板上にブリッジ構造で形成することもある。
【００４３】
図１８で、Ａ点は、基板上に形成されたシリコン層内の予備的結晶核生成位置１００であり、Ａ’点は、Ａ点がＸ軸に投影された点である。Ｂ点は、前記シリコン層にロッド１０４が開始される位置であって、シリコンチャンネルの開始部分であり、Ｃ点は、ロッド１０４上の任意の一点を表す。
【００４４】
前記予備的結晶核生成位置１００は、本発明の第１または第２実施形態での第１または第２ホール２０，６０の位置に対応する。
結晶化過程でグレインバウンダリは、図１８のようにＡ点を中心に放射線状に分布されるが、ロッド１０４がＡ点と一直線上ではなく、一定角度を有する非放射状に形成されるため、多結晶性シリコン本体部１０２とロッド１０４とが接するＢ地点でグレインバウンダリがフィルタリングされて、ロッド１０４が形成されたＣ地点には欠陥のない単結晶シリコンが形成される。以上の実施形態では、予備的結晶核生成位置がホールを形成する方法を通じて形成されると説明したが、本発明は、これに限定されず、予備的結晶核生成位置は、金属触媒を塗布する方法、マスクパターンを形成する方法でも形成可能である。
前記金属触媒を利用して予備的結晶核生成位置を形成する方法は、非晶質シリコンまたは多結晶シリコン上に金属触媒を塗布してレーザビームを照射してシリコンを結晶化する方法である。前記金属触媒は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ及びＰｄからなる群から選択された何れか一つである。レーザビームを照射して冷却する過程で金属が触媒となって金属シリサイドが形成され、シリコンが結晶化される。前記金属触媒を使用して工程温度を下げうるという長所がある。
【００４５】
前記マスクパターンを利用して予備的結晶核生成位置を形成する方法は、非晶質シリコンまたは多結晶シリコン上にマスクパターンを形成してレーザビームを照射した後、冷却過程で結晶質シリコンを形成する方法である。前記マスク物質は、フォトレジストまたは金属物質でありうる。前記レーザビームに露出された部分は、シリコンが完全に溶融されるが、マスクパターンの下部のシリコンは、溶融されず、冷却過程で結晶核となって結晶質シリコンを形成する。前記のように本発明による単結晶シリコンロッド構造体は、ＧＡＡ（Ｇａｔｅ Ａｌｌ Ａｒｏｕｎｄ）トランジスタ及びＮＡＮＤフラッシュメモリのチャンネルに適用しうる。
【００４６】
本発明による単結晶シリコンロッド構造体をＧＡＡトランジスタに適用する場合、多結晶シリコン本体部は、ソース（Ｓｏｕｒｃｅ：Ｓ）またはドレイン（Ｄｒａｉｎ：Ｄ）となり、単結晶シリコンロッドは、チャンネルとなる。したがって、多結晶シリコン本体部の一対を単結晶シリコンロッドで連結させる構造で形成してゲート絶縁体にし、ゲート工程を進めて、単結晶シリコンロッドをクロスするようにゲートを形成すれば、ＧＡＡトランジスタが得られる。
【００４７】
このとき、単結晶シリコンチャンネルの下部の絶縁層、すなわち、Ｓｉ３Ｎ４を選択的にエッチングした後、Ｈ２雰囲気で高温熱処理してロッド型チャンネルを形成しうる。また、ゲート絶縁体は、熱的酸化によって作るか、またはＡＬＤ方式でｈｉｇｈ−ｋ誘電体（高誘電体）物質を蒸着して作ることもある。
【００４８】
前述したような本発明は、パルスエキシマーレーザ結晶化技術を利用して結晶核のない基板上に欠陥のない単結晶シリコン（ＳｉまたはＳｉＧｅ）チャンネルを形成する技術であって、この技術をＧＡＡトランジスタ及びＮＡＮＤフラッシュメモリのようなデバイス製作に適用でき、反復積層すれば、３次元積層集積回路（３Ｄ ｓｔａｃｋ ＩＣ）及び３次元積層メモリ（３Ｄ ｓｔａｃｋ ｍｅｍｏｒｙ）を実現しうる。
【００４９】
本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、トランジスタ及びメモリ関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図３】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図５】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図６】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図７】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図８】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図９】本発明の一実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１０】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１１Ａ】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１１Ｂ】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１２】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１３】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１４】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１５】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１６】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１７】本発明の他の実施形態による単結晶シリコンロッドの製造方法を示す図面である。
【図１８】本発明の実施形態による単結晶シリコンロッド構造体の形成原理を示す概略的な図面である。
【符号の説明】
【００５２】
１００    予備的結晶核生成位置
１０２    多結晶性シリコン本体部
１０４    ロッド
【図１】
2008133182.tif 000003
【図２Ａ】
2008133182.tif 000004
【図２Ｂ】
2008133182.tif 000005
【図３】
2008133182.tif 000006
【図４】
2008133182.tif 000007
【図５】
2008133182.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
2008133182.tif 000014
【図１１Ｂ】
2008133182.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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