(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体基板と、該半導体基板よりも熱伝導率の低い材料からなり、相互に平行に配置されて前記半導体基板まで達する複数の溝が形成されている第１の膜と、アモルファスまたはマイクロクリスタルの半導体からなり、該溝内及び該第１の膜の上に配置されている第２の膜とを有する加工対象物を準備する工程と、
前記第２の膜に、該第２の膜の表面において前記溝の長手方向と平行な長尺ビームとなるパルスレーザビームを入射させ、該パルスレーザビームの入射位置を、前記第２の膜の表面において、前記溝の長手方向と交差する方向に、オーバラップさせながら移動させる工程と
を有し、
前記第２の膜の表面における前記パルスレーザビームのビームプロファイルの短軸方向の幅が、相互に隣り合う前記溝の間隔よりも狭く、
前記パルスレーザビームの入射位置を、オーバラップさせながら移動させる工程では、
前記パルスレーザビームが、前記溝の１つである第１の溝と少なくとも部分的に重なる領域に入射したとき、前記第２の膜の一部が溶融し、該第１の溝の底面を画定する前記半導体基板の表面から該第２の膜の内部に向かってエピタキシャル成長を生じさせ、
前記パルスレーザビームの入射位置が、前記第１の溝の隣に位置する第２の溝に到達するまで、前記第２の膜において、前記第１の底面からエピタキシャル成長して形成された単結晶部から、前記第２の溝に向かってエピタキシャル成長を生じさせ、
前記パルスレーザビームの入射位置が、前記第２の溝と重なる位置まで達すると、前記第１の溝の底面からエピタキシャル成長した単結晶部と、前記第２の溝の底面からエピタキシャル成長した単結晶部とを接触させるレーザ加工方法。
【請求項２】
前記パルスレーザビームが、前記第１の溝と少なくとも部分的に重なる領域に入射したとき、前記第１の溝の深さ方向の途中まで前記第２の膜を溶融させ、前記第１の溝の底面に残っている固相の前記第２の膜において、前記単結晶半導体基板から固相エピタキシャ
ル成長を生じさせ、固相エピタキシャル成長により形成された単結晶部から、溶融している部分に向かって、液相エピタキシャル成長を生じさせる請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記半導体基板がシリコンで形成され、その表面の結晶面方位が（１００）であり、前記溝の各々の長手方向が＜１００＞方向である請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
単結晶半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成され、該半導体基板よりも熱伝導率の低い絶縁材料からなる第１の膜と、
前記第１の膜に形成され、相互に平行に配置されており、前記半導体基板の表面まで達する複数の溝と、
前記溝内、及び前記第１の膜の上に配置され、該溝の各々の底面の前記半導体基板から、前記第１の膜の上を経由して、隣の溝の手前までエピタキシャル成長した結晶領域を含む第２の膜と、
前記第２の膜の結晶領域の各々に形成された半導体素子と
を有する半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板がシリコンで形成され、その表面の結晶面方位が（１００）であり、前記溝の各々の長手方向が＜１００＞方向である請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファスまたはマイクロクリスタルの半導体膜にレーザビームを入射させて、半導体膜を結晶化するレーザ加工方法、及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶基板上に形成した絶縁膜を加工したパターンの上にアモルファスシリコン膜を形成し、そのアモルファスシリコン膜を結晶化するレーザ誘発エピタキシャル成長（ＬＥＧ）技術が知られている（特許文献１、非特許文献１）。以下、一般的なＬＥＧ技術について説明する。
【０００３】
シリコン単結晶基板上に、酸化シリコン膜を形成する。この酸化シリコン膜に、相互に平行に配置された仮想直線上に複数の貫通孔を形成し、その底面にシリコン基板を露出させる。気相エピタキシャル成長（ＶＰＥ）により、貫通孔内にシリコンからなる種結晶を成長させる。さらに、種結晶及び酸化シリコン膜の上に、アモルファスシリコン膜を形成する。
【０００４】
このアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射する。レーザ照射によってアモルファスシリコン膜が溶融し、種結晶から横方向に液相エピタキシャル成長が生ずる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２２１１４４号公報
【非特許文献１】Yong-Hoon Son, et al., "Laser-induced Epitaxial Growth (LEG) Technology for High Density 3-D Stacked Memory with High Productivity", 2007 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical papers, pp.80-81
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＥＧ技術でアモルファスシリコン膜を結晶化すると、ある仮想直線上の貫通孔から成長した結晶と、隣の仮想直線上の貫通孔から成長した結晶とが、両者のほぼ中央で衝突する。このため、衝突位置に結晶粒界が発生すると共に、表面には突起が形成される。結晶粒界と重なるように半導体素子を配置することは好ましくないため、半導体素子の配置の自由度が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、ひとつの単結晶領域を大きくするとともに、結晶粒界の位置を限定することが可能なレーザ加工方法を提供することである。本発明の他の目的は、このレーザ加工方法で作製することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
単結晶半導体基板と、該半導体基板よりも熱伝導率の低い材料からなり、相互に平行に配置されて前記半導体基板まで達する複数の溝が形成されている第１の膜と、アモルファスまたはマイクロクリスタルの半導体からなり、該溝内及び該第１の膜の上に配置されている第２の膜とを有する加工対象物を準備する工程と、
前記第２の膜に、該第２の膜の表面において前記溝の長手方向と平行な長尺ビームとなるパルスレーザビームを入射させ、該パルスレーザビームの入射位置を、前記第２の膜の表面において、前記溝の長手方向と交差する方向に、オーバラップさせながら移動させる工程と
を有し、
前記第２の膜の表面における前記パルスレーザビームのビームプロファイルの短軸方向の幅が、相互に隣り合う前記溝の間隔よりも狭く、
前記パルスレーザビームの入射位置を、オーバラップさせながら移動させる工程では、
前記パルスレーザビームが、前記溝の１つである第１の溝と少なくとも部分的に重なる領域に入射したとき、前記第２の膜の一部が溶融し、該第１の溝の底面を画定する前記半導体基板の表面から該第２の膜の内部に向かってエピタキシャル成長を生じさせ、
前記パルスレーザビームの入射位置が、前記第１の溝の隣に位置する第２の溝に到達するまで、前記第２の膜において、前記第１の底面からエピタキシャル成長して形成された単結晶部から、前記第２の溝に向かってエピタキシャル成長を生じさせ、
前記パルスレーザビームの入射位置が、前記第２の溝と重なる位置まで達すると、前記第１の溝の底面からエピタキシャル成長した単結晶部と、前記第２の溝の底面からエピタキシャル成長した単結晶部とを接触させるレーザ加工方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
単結晶半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成され、該半導体基板よりも熱伝導率の低い絶縁材料からなる第１の膜と、
前記第１の膜に形成され、相互に平行に配置されており、前記半導体基板の表面まで達する複数の溝と、
前記溝内、及び前記第１の膜の上に配置され、該溝の各々の底面の前記半導体基板から、前記第１の膜の上を経由して、隣の溝の手前までエピタキシャル成長した結晶領域を含む第２の膜と、
前記第２の膜の結晶領域の各々に形成された半導体素子と
を有する半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
溝の底面を画定する半導体基板から上方に向かって、結晶がエピタキシャル成長する。第１の膜の上においては、結晶が横方向にエピタキシャル成長する。１つの溝から成長したエピタキシャル膜と、その前方の溝から成長したエピタキシャル膜とが接触する位置に粒界が形成される。後方の溝から前方に成長する長さが、前方の溝から後方に成長する長さより長い。このため、粒界は、相互に隣り合う２つの溝の中央ではなく、前方の溝寄りに位置する。
【００１１】
このエピタキシャル成長した膜に、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１Ａ〜図１Ｄを参照して、実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００１３】
図１Ａに示すように、単結晶シリコンからなる半導体基板１０の表層部を熱酸化することにより、酸化シリコンからなる第１の膜１１を形成する。半導体基板１０の表面の結晶面方位は（１００）である。第１の膜１１の厚さは、例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。なお、第１の膜１１に、酸化シリコンに代えて、半導体基板１０よりも熱伝導率の小さな絶縁材料を用いてもよい。
【００１４】
図１Ｂに示すように、第１の膜１１に複数の溝１２を形成する。複数の溝１２は、相互に平行に配置され、半導体基板１０まで達する。溝１２の底面には、半導体基板１０が露出する。溝１２の各々の幅は、０．１μｍ〜１μｍである。溝１２の各々の長手方向は、半導体基板１０の＜１００＞方向とする。相互に隣り合う２本の溝１２の間に、帯状の第１の膜１１が残る。帯状の第１の膜１１の各々の幅は、２μｍ〜１０μｍである。
【００１５】
図１Ｃに示すように、第１の膜１１の上に、アモルファスシリコンからなる第２の膜１５を、化学気相成長（ＣＶＤ）により形成する。第２の膜１５は、溝１２内にも充填される。なお、第２の膜１５の形成前に、溝１２の底面に露出している半導体基板１０の表面を、高温水素処理により清浄化しておくことが好ましい。第１の膜１１の上に堆積している第２の膜１５の厚さは、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍとする。なお、第２の膜１５を、アモルファスシリコンに代えて微結晶（マイクロクリスタル）シリコンで形成してもよい。アモルファスシリコン膜または微結晶シリコン膜を成膜した後、その表面を平坦化することが好ましい。
【００１６】
図１Ｄに示すように、第２の膜１５にパルスレーザビーム１７を入射させながら、入射領域を溝１２の長手方向と直交する方向に移動させる。第２の膜１５の表面におけるパルスレーザビームのビームプロファイルは、溝１２の長手方向と平行な方向に長い長尺形状である。長手方向に関する光強度分布は均一化されており、幅方向に関する光強度分布は、例えばガウス分布である。ビームの短軸方向の幅は、例えば４μｍであり、帯状の第１の膜１１の各々の幅よりも狭い。このため、２本の溝１２が、パルスレーザビーム１７によって同時に照射されることはない。
【００１７】
パルスレーザビーム１７には、例えばＮｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍ）を用いることができる。パルス幅は、例えば２８０ｎｓである。第２の膜１５の表面におけるパルスエネルギ密度は、例えば１．４Ｊ／ｃｍ２である。パルス周波数は１５ｋＨｚであり、１つのレーザパルスの照射から次のレーザパルスの照射までのレーザビーム入射位置の移動距離は、０．２μｍ〜０．５μｍである。すなわち、オーバラップ率が８７．５％〜９５％になる。なお、実際には、半導体基板１０を載せたＸＹステージを一定速度で移動させることにより、第２の膜１５の表面上において、レーザビームの入射位置を移動させる。
【００１８】
次に、図２Ａ〜図２Ｊを参照して、エピタキシャル膜の形成方法について説明する。
【００１９】
図２Ａに、レーザパルス１７が１つの溝１２ａと重なる領域に入射したときの状態を示す。レーザパルス１７が入射した領域の第２の膜１５が溶融し、溶融部２０が形成される。溶融部２０は、溝１２ａの深さ方向の途中まで達する。溝１２ａの底面に接する一部分には、固相の第２の膜１５が残る。
【００２０】
レーザパルス１７の入射が終了すると、溶融部２０の温度が低下し、固化が始まる。第２の膜１５及び半導体基板１０の熱伝導率が、第１の膜１１の熱伝導率より高いため、溝１２ａの底面を通して、半導体基板１０に向かう熱流が発生する。
【００２１】
このため、図２Ｂに示すように、溝１２ａの底面近傍の固相の第２の膜１５が、半導体基板１０から上方に向かって固相エピタキシャル成長する。さらに、固相エピタキシャル成長により形成された単結晶部から溶融部２０内に向かって、結晶が液相エピタキシャル成長する。エピタキシャル成長が第１の膜１１の上面まで達すると、第２の膜１５内で横方向のエピタキシャル成長が生ずる。これにより、半導体基板１０の結晶性を引き継いだ単結晶部２２が形成される。溶融していた領域２０のうち、半導体基板１０からのエピタキシャル成長の先端が到達する前に固化した領域２３内には、微結晶が不規則に分布する
なお、溶融部２０が、溝１２ａの底面まで到達してもよい。この場合、溝１２ａの底面を画定する半導体基板１０から液相エピタキシャル成長により、半導体基板１０の結晶性を引き継いだ単結晶部２２が形成される。
【００２２】
図２Ｃに示すように、レーザビームの入射位置を、溝１２ａの隣の溝１２ｂに向かって移動させ、次のレーザパルス１７を照射する。パルスレーザビームの入射位置の移動方向に関して、レーザパルス１７の入射領域の後方側の縁が、既にエピタキシャル成長している単結晶部２２内に位置するように、レーザビーム入射位置の移動距離が設定されている。すなわち、１ショットのパルスレーザビームの入射によって横方向にエピタキシャル成長する長さよりも、パルスレーザビームの入射位置の移動距離の方が短い。レーザパルス１７の入射領域の第２の膜１５が溶融し、溶融部２０が形成される。単結晶部２２の光吸収率は、アモルファス状態の第２の膜１５の光吸収率より低い。このため、単結晶部２２は殆ど溶融しない。溶融部２０は、既にエピタキシャル成長している単結晶部２２に接する。
【００２３】
レーザパルス１７の入射が終了すると、溶融部２０の固化が始まる。既に形成されている単結晶部２２の熱伝導率が、第１の膜１１の熱伝導率よりも高いため、溶融部２０から単結晶部２２を介して半導体基板１０に向かう熱流が発生する。これにより、単結晶部２２と溶融部２０との界面に急峻な温度勾配ができ、固液界面から溶融部２０内に向かって、横方向のエピタキシャル成長が生ずる。
【００２４】
図２Ｄに示すように、単結晶部２２が、溶融していた領域に向かって大きくなる。溶融部２０のうち、単結晶部２２のエピタキシャル成長の先端が到達する前に固化した領域２３には、微結晶が不規則に分布する。
【００２５】
レーザパルスの入射と、レーザビームの入射位置の移動とを繰り返すことにより、図２Ｅに示すように、単結晶部２２が、溝１２ｂに向かって成長する。単結晶部２２の成長の先端部には、微結晶が不規則に分布する領域２３が形成される。図２Ｅは、微結晶領域２３が、溝１２ａの隣の溝１２ｂに接する位置まで到達した状態を示す。
【００２６】
図２Ｆに示すように、レーザパルス１７の入射位置が、隣の溝１２ｂと重なる位置まで移動する。この状態でレーザパルス１７を入射させと、溝１２ｂの内の第２の膜１５が、深さ方向の途中まで溶融し、溶融部２０が形成される。レーザパルスの入射が終了すると、溝１２ｂの底面から上方に固相エピタキシャル成長が生じ、さらに液相エピタキシャル成長が生じる。また、単結晶部２２と溶融部２０との固液界面からも溝１２ｂに向かってエピタキシャル成長が進む。
【００２７】
図２Ｇに示すように、単結晶部２２が、溝１２ｂに向かって成長するとともに、溝１２ｂの底面を画定する半導体基板１０を種結晶としてエピタキシャル成長した単結晶部３２が形成される。両者の間に、微結晶が不規則に分布する領域２３が形成される。
【００２８】
図２Ｈに示すように、レーザビームの入射位置を移動させて、レーザパルス１７を照射する。単結晶部２２と３２との間に形成されていた微結晶領域及び単結晶部３２の一部が溶融して溶融部２０が形成される。レーザビームの入射が終了すると、単結晶部２２及び３２が横方向にエピタキシャル成長する。
【００２９】
図２Ｉに示すように、後方の単結晶部２２と前方の単結晶部３２とが接触し、両者の間に凸部３０が形成される。前方の単結晶部３２は、さらに前方に向かってエピタキシャル成長する。
【００３０】
さらに、入射位置の移動と、パルスレーザビームの照射とを繰り返すと、溝１２ｂの底面から成長した単結晶部３２が、溝１２ａとは反対側の隣の溝に向かってエピタキシャル成長する。単結晶部２２と単結晶部３２との間には、粒界が残存する。なお、パルスレーザビームを繰り返し照射すると、凸部３０が部分的に溶融し、再固化時にその表面がなだらかになる。また、なだらかになった凸部は、最初に形成された凸部３０の位置よりもレーザビームの走査方向にやや移動した位置に残存する。
【００３１】
図２Ｊに示すように、単結晶部２２に、第１の膜１１まで達する素子分離絶縁膜３５を、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）法により形成する。素子分離絶縁膜３５により、活性領域が画定される。この活性領域内に、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子４０を形成する。ＭＯＳトランジスタは、公知の方法で形成することができる。一例として、チャネルドープ、ウェル注入、ゲート絶縁膜の形成、ゲート電極膜の形成、ゲートパターニング、エクステンション注入、ハロ注入、サイドウォールスペーサ形成、ソース及びドレイン注入、活性化アニール、及びサリサイド形成等の各工程により作製される。その後、保護膜及び層間絶縁膜４５の形成、プラグ４６、４７の形成を行う。層間絶縁膜４５の上に多層配線層が形成される。
【００３２】
溝１２ａと、その隣の溝１２ｂとの間隔が広くなると、単結晶部２２が横方向に長く成長することになる。横方向の成長が長くなると、結晶面方位が回転した複数の結晶粒が発生しやすくなる。すなわち、溝１２ａの長手方向に、複数の結晶粒が配列することになる。溝１２ａの長手方向に関して単一の単結晶部を形成するために、溝１２ａと１２ｂとの間隔を、複数の結晶粒が発生し始める長さよりも狭くしておくことが好ましい。この場合、溝１２ａの底面から成長した結晶部が複数の結晶粒に分割され始める前に、溝１２ｂの底面から新たにエピタキシャル成長した次の単結晶部３２が形成される。従って、溝１２ａの長手方向に直交する方向に長くエピタキシャル成長させても、溝１２ａの長手方向に関して複数の結晶粒が発生することを抑制できる。
【００３３】
上述の実施例によるレーザ加工方法により、第２の膜１５を半導体基板１０の結晶性を引き継いだ単結晶膜にすることができる。溝１２ａから横方向にエピタキシャル成長した単結晶部２２と、レーザの走査方向前方に位置する隣の溝１２ｂからエピタキシャル成長した単結晶部３２との粒界が、溝１２ｂ寄りに形成される。溝１２ａと溝１２ｂとの間の帯状の第１の膜１１の上面のほぼ中央に粒界が形成されることを、防止できる。成長方向後方側の溝１２ｂから、粒界までの距離は、レーザ照射条件に依存するが、高々０．４μｍである。このように、粒界が、成長方向後方側の溝の極近傍に位置する。平面視において、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子を、帯状の第１の膜１１のほぼ中央に配置しても、半導体素子が粒界によって分断されることはない。また、粒界が、一方の溝の極近傍に位置するため、帯状の第１の膜１１の上に堆積している第２の膜１５を、半導体素子の形成領域として有効利用することができる。
【００３４】
緑色の波長域において、シリコン単結晶の光吸収率は、アモルファスシリコンやマイクロクリスタルシリコンの光吸収率よりも小さい。このため、一旦形成された単結晶部は再溶融しにくい。従って、この単結晶部を種結晶として横方向のエピタキシャル成長を行うことができる。
【００３５】
また、上記実施例では、結晶成長が＜１００＞方向に進む。この方向は、シリコンが成長しやすい方向であるため、結晶欠陥の少ない結晶性シリコン膜を形成することができる。
【００３６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（１Ａ）〜（１Ｃ）は、実施例による方法で用いられる加工対象物を製造する方法を説明するための加工対象物の断面図であり、（１Ｄ）は、レーザ加工中の加工対象物の断面図である。
【図２−１】実施例によるレーザ加工方法において結晶化が進む様子を模式的に示す断面図（その１）である。
【図２−２】実施例によるレーザ加工方法において結晶化が進む様子を模式的に示す断面図（その２）である。
【図２−３】実施例によるレーザ加工方法において結晶化が進む様子を模式的に示す断面図（その３）である。
【図２−４】実施例によるレーザ加工方法で形成された結晶膜に作製した半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  半導体基板
１１  第１の膜
１２  溝
１５  第２の膜
１７  パルスレーザビーム
２０  溶融部
２２、３２  単結晶部
２３  微結晶領域
３０  凸部
３５  素子分離絶縁膜
４０  半導体素子
４５  層間絶縁膜
４６、４７  プラグ
【図１】
0005235462.tif 000002
【図２−１】
0005235462.tif 000003
【図２−２】
0005235462.tif 000004
【図２−３】
0005235462.tif 000005
【図２−４】
0005235462.tif 000006