(57)【要約】【課題】アモルファス層の上に、任意の所望の方位の単結晶半導体膜を形成する方法を提供する【解決手段】非結晶表面に単結晶半導体膜を形成する方法が述べられている。この方法によれば、核生成サイトによる秩序配列を組込んだテンプレート層が非結晶表面に堆積され、核生成サイトによる秩序配列から、非結晶表面に単結晶半導体膜が形成される。また、この方法によって形成された１つまたは複数の単結晶半導体層を組込んだ集積回路が述べられている。【選択図】図２
2004509457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非結晶表面に単結晶半導体膜を形成する方法であって、
前記非結晶表面に核生成サイトによる秩序配列を組込んだテンプレート層を堆積させるステップと、
前記核生成サイトによる秩序配列から、前記非結晶表面に前記単結晶半導体膜を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記テンプレート層は、有機分子の秩序配列を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記有機分子は、前記核生成サイトによる秩序配列を定義する無機物の種を組込んでいる請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記無機物の種は、前記単結晶半導体膜の１つまたは複数の成分を含む請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記テンプレート層は、ラングミュア・ブロジェット膜である請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記テンプレート層は、各々が１つまたは複数のケイ素原子を組込んだ重合化有機モノマの最密充填配列を含み、前記単結晶半導体膜は、エピタキシャルシリコン膜である請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記テンプレート層は、１つまたは複数の単層を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記堆積されたテンプレート層を前記核生成サイトによる秩序配列を露出するように処理することをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記テンプレート層は、該テンプレート層の１つまたは複数の揮発性成分を除去することによって処理される請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記テンプレート層は、加熱によって処理される請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記テンプレート層は、ラングミュア・ブロジェット堆積プロセスによって堆積される請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記テンプレート層は、蒸着ベースの堆積プロセスによって堆積される請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記単結晶半導体膜は、気相成長プロセスによって形成される請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記単結晶半導体膜は、固相結晶化プロセスによって形成される請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記単結晶半導体膜は、帯域溶融再結晶化プロセスによって形成される請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記単結晶半導体膜の上に非結晶層を形成することと、該非結晶層に、核生成サイトによる秩序配列を組込んだ第２のテンプレート層を堆積し、該第２のテンプレート層の該核生成サイトによる秩序配列から第２の単結晶半導体膜を形成することと、をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項１７】
非結晶表面に単結晶半導体膜を形成する方法であって、
前記非結晶表面に、核生成サイトによる秩序配列を定義する無機物の種を組込んだラングミュア・ブロジェット膜を含むテンプレート層を堆積させることと、
該テンプレート層を前記核生成サイトによる秩序配列を露出させるように処理することと、
前記核生成サイトによる秩序配列から、前記非結晶表面に前記単結晶半導体膜を形成することと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記テンプレート層は、ラングミュア・ブロジェット堆積プロセスにより前記非結晶表面に堆積される請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記テンプレート層は、蒸着ベースの堆積プロセスにより前記非結晶表面に堆積させる請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
集積回路であって、非結晶層の上に堆積された有機分子のアレイによって定義された核生成サイトによる秩序配列から形成された単結晶半導体層を具備する集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非結晶（たとえば、アモルファス）表面に単結晶半導体膜を形成するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶エピタキシャル半導体膜を形成するにあたり、多くの異なる方法が開発されてきた。エピタキシは、結晶表面上の結晶物質の規則的に方向付けて成長させることである。単結晶膜は、しばしば、多結晶およびアモルファス膜等の他の種類の膜と比較して優れた特性を有する。ホモエピタキシは、同じ物質の結晶表面における結晶膜の成長である。ヘテロエピタキシは、異なる物質の結晶表面において結晶膜を成長させることである。化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスと、あまり多くはないが物理気相成長プロセスとが、結晶表面に単結晶半導体層を成長させまたは堆積させるにあたり一般に使用される。単結晶エピタキシャル膜の質は、膜と物質との間の優れた格子整合と、適当な成長温度と、適当な反応体濃度と、を含む複数の異なる要因によって決まる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多くの適用に対し、多結晶またはアモルファス膜は、エピタキシャル膜より許容可能でありまたはより望ましくさえある。たとえば、多くの保護膜は多結晶膜であり、高硬度、高耐浸食性および高耐酸化性によって特徴付けることができるものである。また、アモルファス膜（たとえば、二酸化ケイ素等の酸化物、窒化物およびガラス）は、電子的不動態化、絶縁および誘電機能を含む、複数の有用な機能も提供する。しかしながら、現デバイス性能要件では、集積回路の能動デバイスの大半またはすべてが単結晶半導体領域に形成されていることが条件とされる。通常、この要件により、集積回路デバイスが基板表面の２次元構造に制限される。
【０００４】
２次元集積回路において絶縁体として使用されるアモルファス膜に上に単結晶膜を成長させることにより、半導体デバイス製作技術を３次元構造に拡張する多くの試みがなされてきた。たとえば、米国特許第４，６８６，７５８号は、局部過成長プロセスについて説明しており、そこでは、アモルファス二酸化ケイ素ゲート層上に単結晶シリコン層を成長させるために、単結晶シリコン基板からのシーディングが使用される。局部過成長プロセスには、二酸化ケイ素層の窓を単結晶シリコン基板までエッチングすることと、窓において基板からエピタキシャルシリコン膜を上方に成長させることと、を含む。選択的エピタキシャル成長が二酸化ケイ素窓の上面に達すると、単結晶ケイ素の局部過成長が発生する。米国特許第６，１０３，０１９号は、所望の格子定数で間隔が空けられた適当なチャネリング方向を有する単結晶マスクを用いた核生成種（ｓｐｅｃｉｅｓ）の高容量の埋込みにより、非結晶表面に埋込まれたシード層から単結晶膜を形成する方法について説明している。帯域溶融再結晶化プロセスでは、多結晶またはアモルファス半導体層を堆積し、レーザまたは他のエネルギー源により堆積層を溶融し、温度勾配を重ね合せることにより溶融層がランダムにまたはシードから再結晶化することができるようにすることによって、アモルファス層の上に単結晶半導体層を形成することができる。さらに他の単結晶形成プロセスが提案されてきた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、後続する単結晶半導体膜のエピタキシャル成長のためのシード層として提供するために、テンプレート層を非結晶表面上に堆積する、新規な単結晶半導体膜形成方法に関係する。
【０００６】
一態様では、本発明は、非結晶表面に単結晶半導体膜を形成する方法に関係する。この発明の方法によれば、核生成サイトによる秩序配列を組込んだテンプレート層が非結晶表面に堆積され、核生成サイトによる秩序配列から、非結晶表面に単結晶半導体膜が形成される。
【０００７】
本明細書で使用する「核生成サイトによる秩序配列（ｏｒｄｅｒｅｄ ａｒｒａｙ）から単結晶半導体膜を形成する」という句は広く、堆積中の単結晶膜に、秩序情報を核生成サイトから移すことを言う。
【０００８】
本発明の実施形態は、以下のもののうち１つまたは複数を含んでよい。
【０００９】
テンプレート層は、好ましくは、有機分子の秩序配列を含む。有機分子は、核生成サイトによる秩序配列を定義する無機物の種を組込んでいてよい。無機物の種は、単結晶半導体膜のうちの１つまたは複数の成分を含んでよい。ある実施形態においては、テンプレート層は、ラングミュア・ブロジェット（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）膜である。一実施形態では、テンプレート層は、各々１つまたは複数のケイ素原子を組込んだ重合化有機モノマの最密充填配列を含み、単結晶半導体膜は、エピタキシャルシリコン膜である。
【００１０】
テンプレート層は、非結晶表面に堆積された１つまたは複数の単層を含んでよい。堆積されたテンプレート層を、核生成サイトによる秩序配列を露出するように処理することができる。テンプレート層を、たとえば加熱することにより、テンプレート層の１つまたは複数の揮発性成分を除去するように処理することができる。
【００１１】
テンプレート層を、ラングミュア・ブロジェット堆積プロセスによるかまたは蒸着ベースの堆積プロセスによって堆積することができる。
【００１２】
単結晶半導体膜を、気相成長プロセス、固相結晶化プロセスまたは帯域溶融再結晶化プロセスによって形成することができる。
【００１３】
単結晶半導体膜の上に非結晶層を形成してよく、非結晶層に、核生成サイトによる秩序配列を組込んだ第２のテンプレート層を堆積することができる。第２のテンプレート層の核生成サイトによる秩序配列から第２の単結晶半導体膜を形成することができる。
【００１４】
他の態様では、本発明は、非結晶層の上に堆積された有機分子のアレイで定義された核生成サイトによる秩序配列から形成された単結晶半導体層を備えた集積回路に関係する。
【００１５】
本発明の利点には、以下のものがある。
【００１６】
本発明は、アモルファス層の上に、任意の所望の方位の単結晶半導体膜を形成する方法を提供する。これにより、高品質な、垂直に集積された半導体デバイス（たとえば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイス）を製作することが可能になる。これにより本発明は、高密度かつ高性能の３次元集積回路を開発する代替プロセスを提供する。さらに、本発明により、たとえば高効率太陽電池またはディスプレイのコンポーネントの製作に使用できるアモルファスガラス基板上に、広面積単結晶半導体膜を成長させることが可能になる。
【００１７】
本発明の他の特徴および利点は、図面および特許請求の範囲を含む以下の説明から明らかとなろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下の説明において、同じ参照番号を同じ要素を識別するために使用する。さらに、図面は、例示的な実施形態の主要点を概略的に例示することが意図されている。図面は、実際の実施形態のすべての点または示した要素の相対的な寸法を示すことが意図されておらず、また一定の比率で描かれていない。
【００１９】
図１および図２Ａないし図２Ｅを参照すると、以下のように非結晶表面に単結晶半導体膜を形成することができる。核生成サイト１２の秩序配列を組込んだテンプレート層１０が、非結晶表面１４上に堆積される（ステップ１６）。単結晶半導体膜１８が、非結晶表面１４上に核生成サイト１２の秩序配列から形成される（ステップ２８）。ある実施形態では、単結晶半導体膜１８が形成される前に、核生成サイト１２の秩序配列を露出するようにテンプレート層１０を処理してもよい（ステップ２４）。
【００２０】
図２Ａを参照すると、複数の異なる方法で非結晶表面１４にテンプレート層１０を堆積することができる。
【００２１】
あるテンプレート層堆積実施形態では、テンプレート層１０は、有機分子の秩序配列（またはマトリックス）から形成されたラングミュア・ブロジェット（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）膜である。テンプレート層１０を、構造支持体上に適当な配列形成材料を積層することにより形成することができる。構造支持体は、水溶液と１つまたは複数の可動バリアとを含む標準ラングミュア・ブロジェットトラフであってよい。配列形成材料を、水溶液の表面に積層し１つまたは複数の可動バリアによって圧縮することにより、配列形成材料の密充填単層を形成することができる。実施形態によっては、配列形成材料を、照射（たとえば、紫外線照射、ガンマ照射、Ｘ線照射および電子ビーム露光）によって重合させてよい。テンプレート層１０は、ラングミュア・ブロジェットトラフ内部の水溶液から非結晶表面１４上に堆積される。実施形態によっては、非結晶表面１４を支持する基板は、ラングミュア・ブロジェットトラフ内部の水溶液に垂直に浸漬される。基板がラングミュア・ブロジェットトラフから引上げられると、配列形成材料の単層が非結晶表面１４上に堆積されることにより、テンプレート層１０が形成される。適当な溶剤を加えることにより、配列形成材料を、基板の他の部分（たとえば、基板の裏側）から取除いてよい。他の実施形態では、非結晶表面１４を、ラングミュア・ブロジェットトラフに含まれる水溶液上に支持される配列形成材料に接触するように露出させて、基板をラングミュア・ブロジェットトラフ内に水平に浸漬することができる。
【００２２】
他のテンプレート層堆積実施形態では、適当な配列形成材料を非結晶表面１４上に直接堆積することができる。たとえば、配列形成材料を、蒸発させて非結晶表面１４上に凝縮させてよい。非結晶表面１４を加熱することにより、配列形成材料が非結晶表面１４上の規則的な配列形成分子の最密充填単層に自己組織化する（または重合する）ために十分流動性であり続けるようにする。
【００２３】
図２Ｂに示すように、実施形態によっては、テンプレート層１０を、核生成サイト１２の秩序配列を非結晶表面１４の上に露出させるように処理することができる。たとえば、テンプレート層１０を加熱することにより、配列形成材料の１つまたは複数の揮発性成分を取去ってよい。非結晶表面１４に残っているテンプレート層１０の成分は、核生成サイト１２の秩序配列を定義する。他の実施形態では、いかなる堆積後処理をも行うことなくテンプレート層１０上に直接単結晶半導体層を形成することができる。
【００２４】
単結晶半導体層１８を、気相成長（たとえば、化学気相成長および分子ビームエピタキシ）、液相結晶化（たとえば、液相エピタキシおよび帯域溶融再結晶化）および固相結晶化技術を含む、多くの異なる膜成長プロセスを使用して、核生成サイト１２の秩序配列から形成することができる。
【００２５】
図２Ｃおよび図２Ｄを参照すると、気相結晶化プロセスにおいて、適当に蒸着された半導体種（ｓｐｅｃｉｅｓ）３０が、非結晶表面１４の核生成サイト１２の秩序配列の上の空間に入れられる。核生成サイト１２の秩序配列は、単結晶半導体層１８の構成成分について低エネルギー（その他の好ましい）結合サイトのアレイを定め、それにより、単結晶半導体膜の成長のために適したシード層としての役割を果たす。非結晶表面１４を支持する基板を加熱することができる。加熱された基板からの熱エネルギーは、流入する種からの半導体分子が、非結晶表面１４上において、化学的に塗布されたテンプレート層１０によって形成された低エネルギー結合サイトへと移動することを可能にする。単結晶半導体相１８の堆積中、流入する半導体分子３０は、最初、非結晶表面１４上の低エネルギー結合サイトに複数の核を形成する。核生成サイト１２によって定義される低エネルギー結合サイトは、好ましくは、単結晶半導体層１８の１つまたは複数の格子定数特性に実質的に対応する距離だけ間隔が空けられている。好ましい結合サイト間隔と単結晶半導体膜の格子定数との間の実際的な不整合の範囲は、単結晶半導体膜１８における弾性ひずみのレベルと単結晶半導体膜１８における不整合転位の許容可能な密度とを含む、複数の要因に依存する。
【００２６】
図２Ｅに示すように、初期層の上部に追加のエピタキシャル半導体層を成長させてよい。結合サイト間隔が単結晶半導体膜１８の格子定数に整合する場合、膜１８を、いかなる所望の厚さまでも成長させることができる。一方、結合サイト間隔と単結晶半導体膜１８の格子定数との間に幾分かの不整合がある場合、膜１８の厚さが弾性ひずみの蓄積により制限される可能性があり、それは、結合サイト間隔の不整合に適応する膜１８の初期層の格子定数が変化することからもたらされる。概して、不整合が大きいほど、弾性ひずみがミスフィット転位形成によって軽減される前に作製される膜１８が薄くなる可能性がある。
【００２７】
（例１）
テンプレート層１０は、単結晶元素半導体膜のためのシード層としての役割を果たすことができる。たとえば、テンプレート層１０は、（１１１）結晶方位を有する単結晶シリコン膜のためのシード層としての役割を果たすことができる。単結晶シリコン膜を、非結晶表面（たとえば、アモルファス二酸化ケイ素層、アモルファス窒化ケイ素層またはアモルファスガラス基板）上に成長させることができる。テンプレート層１０は、１つまたは複数のケイ素原子を組込んだ有機分子から形成され、重合された場合は単結晶シリコン膜の格子係数に一致するシリコン原子間の間隔で六方最密充填膜を形成する、ラングミュア・ブロジェット膜を含んでよい。ラングミュア・ブロジェット膜を形成するために、ｎ−ドデカン酸（ラウリン酸）、エイコサン酸、ステアリン酸エチル、エルカ酸、ブラシジン酸、シアニンおよびヘミシアニン染料、ポルフィリンおよびフタロシアニンを含む種々の異なる分子を使用することができる。
【００２８】
図３を参照すると、この実施例によれば、テンプレート層１０は、集積回路３４のための非結晶アモルファス二酸化ケイ素パッシベーション層３２の上面１４に、単結晶シリコン膜１８が形成されるのを可能にする。単結晶シリコン膜１８は、全パッシベーション層３２の上に成長しても、パッシベーション層３２の選択された領域にのみの上に成長することができる。たとえば、単結晶シリコン膜１８は、１つまたは複数の半導体デバイスを製作するために必要な領域のみの上に延在することができる。実施形態によっては、単結晶シリコン膜１８を、第２の集積回路のための基板として使用することができる。これらの実施形態では、単結晶シリコン膜１８の上部に第２のアモルファス絶縁層を形成してよく、第２のアモルファス絶縁層の上に第２の単結晶シリコン膜を形成することができる。後続するアモルファス絶縁層の各々の上に追加の単結晶膜を成長させることにより、複数の集積回路層を形成することができる。この技術を使用して、高密度の３次元集積回路構造を形成することができる。
【００２９】
（例２）
テンプレート層１０は、化合物半導体膜のためのシード層としての役割を果たすことができる。たとえば、テンプレート層１０は、非結晶表面（たとえば、アモルファス二酸化ケイ素層、アモルファス窒化ケイ素層またはアモルファスガラス基板）に成長した単結晶ガリウム砒素膜のためのシード層としての役割を果たすことができる。テンプレート層１０は、ガリウムおよび砒素の原子を組込んだ有機分子から形成され、重合された場合は単結晶ガリウム砒素膜のガリウムと砒素との間隔に整合するガリウム原子と砒素原子との間の適当な各々の間隔で最密充填膜を形成する、ラングミュア・ブロジェット膜を含んでよい。ラングミュア・ブロジェット膜を形成するために、ｎ−ドデカン酸（ラウリン酸）、エイコサン酸、ステアリン酸エチル、エルカ酸、ブラシジン酸、シアニンおよびヘミシアニン染料、ポルフィリンおよびフタロシアニンを含む種々の異なる分子を使用することができる。
【００３０】
上述した実施例では、テンプレート層は、単結晶半導体膜に存在する原子を成長させるべく組込んでいる。他の実施形態では、テンプレート層は、単結晶半導体膜の原子とは異なる原子を組込んでよい。概して、組込まれた原子の間隔は、単結晶半導体膜の１つの格子定数（または複数の格子定数）と実質的に整合しなければならない。また、組込まれた原子は、単結晶半導体膜の堆積原子が、組込まれた原子によって定義される核生成サイトによる秩序配列との適切な関連において、配向することができるように、堆積する種と化学的に適合しなければならない。さらに、テンプレート層に組込まれた原子は、単結晶半導体膜の成長を干渉してはならず（たとえば、それらは、望まれない限り、流入する膜形成種の分解を促進してはならず）、後に形成される単結晶半導体膜の物理または電子特性に悪影響を及ぼしてもならない。
【００３１】
他の実施形態も、特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非結晶表面に単結晶半導体膜を形成する方法のフローチャート。
【図２Ａ】非結晶表面に堆積されたテンプレート層の概略的な側断面図。
【図２Ｂ】図２Ａの非結晶面上の核生成サイトによる秩序配列を露出するよう処理された後の、図２Ａのテンプレート層の概略的な側断面図。
【図２Ｃ】図２Ａの非結晶表面上に形成された核生成サイトによる秩序配列によって定義された好ましい結合サイトにおいて凝縮する流入する気相種の概略的な側断面図。
【図２Ｄ】図２Ａの非結晶表面上に形成された単結晶半導体膜の単層の概略的な側断面図。
【図２Ｅ】図２Ａの非結晶表面に形成された単結晶半導体膜の複数の単層の概略的な側断面図。
【図３】集積回路の非結晶パッシベーション層に形成された単結晶半導体膜の概略的な側断面図。
【符号の説明】
１０　テンプレート層
１２　核生成サイト
１４　非結晶表面
１８　単結晶半導体膜
３０　半導体種
３２　パッシベーション層
３４　集積回路
【図１】
2004509457.tif 000003
【図２Ａ】
2004509457.tif 000004
【図２Ｂ】
2004509457.tif 000005
【図２Ｃ】
2004509457.tif 000006
【図２Ｄ】
2004509457.tif 000007
【図２Ｅ】
2004509457.tif 000008
【図３】
2004509457.tif 000009
【国際公開パンフレット】
2004509457.tif 000010
2004509457.tif 000011
2004509457.tif 000012
2004509457.tif 000013
2004509457.tif 000014
2004509457.tif 000015
2004509457.tif 000016
2004509457.tif 000017
2004509457.tif 000018
2004509457.tif 000019
2004509457.tif 000020
2004509457.tif 000021
2004509457.tif 000022
2004509457.tif 000023
2004509457.tif 000024
2004509457.tif 000025
2004509457.tif 000026
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004509457.tif 000027
【国際調査報告】
2004509457.tif 000028
2004509457.tif 000029