(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された表面が平坦な絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された結晶化シリコン膜とを有し、
前記結晶化シリコン膜は、格子状に配列した矩形状のシリコン単結晶粒子を有するシリコン単結晶粒子群からなり、
前記シリコン単結晶粒子の内、３０％以上の数のシリコン単結晶粒子が前記絶縁膜の表面に対して〈１００〉方位を有し、
前記シリコン単結晶粒子は、中央部が凹み、周辺部が凸状の断面形状を有したもので、
前記周辺部の凸状の部分が除去されて平坦化された
ことを特徴とする半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体基板に係わり、特に、任意の大面積の絶縁膜上に結晶性及び均一性の良いシリコン薄膜を形成される半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のところ、今後のＭＯＳＬＳＩにおいては、各種の基板作成法が考えられ、低電圧化用途に対応するべくＳＯＩ(Silicon On Insulator)の開発が盛んであり、一部では実用化までに至っている。一方、ガラス上につくるＬＣＤでも高画質化の要求で走査、駆動素子の微細化、それに伴い液晶駆動、低消費電力化に対応すべくポリＳｉＴＦＴ（Tin Film Transistor ）の開発が盛んであり、一部では実用化に至っている。
【０００３】
従来のＳＯＩ基板の作製法としては、ＳＩＭＯＸ（Separationby Implanted Oxgen)法、張合せ法などが一般的であるが、いずれの方法もＳｉ膜を６００Ａ（オングストローム）以下に均一に制御することが困難であること、基板作製コストの問題をかかえており、広範な実用化の壁となっている。一方、任意の基板上にＳｉ結晶薄膜をつくるのには張合せ法によれば可能になるが、大面積になるほど膜厚の均一性を確保することが困難になってくる。
【０００４】
一方、ＬＣＤ用ＴＦＴでは、高性能化させるため、ポリＳｉの結晶性を向上させ、大粒径化するほど膜表面の平坦性が劣化してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者らは、最近、エキシマレーザーアニールにより、従来不可能であった（１００）面方位の正方形の単結晶粒を規則的に碁盤の目状に配列させたシリコン薄膜の製造方法を見出している。この正方形の一辺（側面）はいずれも〈１１０〉方位を示し、各正方形の単結晶粒間の界面は格子整合に近い状態となっており、この単結晶粒は電気的に優れた特性を示すものである。
【０００６】
しかしながら、結晶化され固化される時にシリコン薄膜の表面が平坦にならず凹凸となるため、このシリコン薄膜上に高精度につくられるトップゲート構造のＭＯＳＦＥＴ、ＴＦＴを形成するのは適さない。即ち、このシリコン薄膜上にこのＭＯＳＦＥＴを形成した場合、ＳｉＯ2／Ｓｉ界面の状態が悪いので、耐圧が低下したり、駆動電流（キャリア移動度）が低下することとなる。従って、このシリコン薄膜の表面の平坦化が求められていた。
【０００７】
この発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、任意の大面積の絶縁膜上に結晶性及び均一性の良いシリコン薄膜が形成される半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された表面が平坦な絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された結晶化シリコン膜とを有し、前記結晶化シリコン膜は、格子状に配列した矩形状のシリコン単結晶粒子を有するシリコン単結晶粒子群からなり、前記シリコン単結晶粒子の内、３０％以上の数のシリコン単結晶粒子が前記絶縁膜の表面に対して〈１００〉方位を有し、前記シリコン単結晶粒子は、中央部が凹み、周辺部が凸状の断面形状を有したもので、前記周辺部の凸状の部分が除去されて平坦化されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したようにこの発明によれば、表面が平坦な絶縁膜上に、格子状に配列した矩形状のシリコン単結晶粒子を有するシリコン単結晶粒子群からなる結晶化シリコン膜を有し、この結晶化シリコン膜のシリコン単結晶粒子は、中央部が凹み、周辺部が凸状の断面形状を有したもので、その周辺部の凸状の部分が除去されて平坦化されたものであることから、任意の大面積の絶縁膜上に結晶性及び均一性の良いシリコン薄膜を形成した半導体基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の半導体基板の一実施例について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）及び図２は、この発明の半導体基板を用いた半導体装置の製造方法を示す平面図及び断面図であり、図１（ａ）は、この発明の半導体基板を用いた半導体装置の製造方法を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す１ｂ−１ｂ線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）に次の工程を示す断面図である。図２は、図１（ｃ）の次の工程を示す断面図である。
【００１１】
先ず、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板（Ｓｉウエハ）１の表面上に厚さ５０nmの図示せぬＳｉＮ膜を成膜し、次いで、その上に厚さ１００nmの基体（ＳｉＯ2 膜）３を成膜する。これにより、シリコン基板（Ｓｉウエハ）１の表面上に基体３が形成された絶縁基板１０を形成する。
【００１２】
この後、ＥＬＡ(Excimer Laser Anneal)を用いて、この絶縁基板１０の上に例えば厚さが６０nmの碁盤の目状の単結晶粒子群からなるシリコン薄膜（又はポリＳｉ膜）５を形成する。
【００１３】
具体的には、絶縁基板１０の上に非晶質又は多結晶のシリコン層をＰＥＣＶＤ法によって成膜する。次に、このシリコン層に紫外線ビームをパルス状にて照射することにより、絶縁基板１０上にシリコン単結晶粒子群からなるシリコン薄膜５が形成される。紫外線ビームの照射条件等は以下の表１に示す。
【００１４】
（表１）
紫外線ビーム：ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）
照射量  ：４００ｍＪ／ｃｍ2
パルス幅：約２６ｎ秒
周波数  ：約２００Ｈｚ
ビーム形状  ：幅（Ｗ）４００μｍ×長さ１５０ｍｍの矩形形状
移動量Ｌ    ：４μｍ
移動量割合Ｒ：１％（＝４μｍ／４００μｍ×１００）
【００１５】
表１に示すように、移動量割合（Ｒ＝Ｌ／Ｗ）が１％であるが故に、或る位置における非晶質のシリコン層は、１００回、パルス状の紫外線レーザに曝される。また、図示せぬ紫外線ビーム源を固定し、絶縁基板１０を移動させることにより、非晶質のシリコン層に紫外線ビームをパルス状にて照射する。また、図１（ｂ）に示すシリコン薄膜５の点線は結晶粒界を示すものであり、シリコン単結晶粒子５ａのそれぞれは、中央部が凹み、周辺部が凸状の断面形状を有している。即ち、基体（ＳｉＯ2）３の表面は平坦であるが、シリコン薄膜５の表面は凹凸になっている（Roghness  １５ｎｍ；ｒｍｓ値）。この凹凸の間隔は約３００ｎｍで、ビーム方向に平行および垂直方向にほぼ等しい間隔で配列している。
【００１６】
得られたシリコン薄膜５は、図１（ａ）に示すように、結晶粒が碁盤の目状に直交して配列し各々の粒が正方形に近い多結晶シリコン膜となった。各正方形の単結晶粒は（１００）面配向となっており、正方形の側面はいずれも平面方向に結晶方位〈２２０〉をとっており、正方形の一辺の長さは０．３μｍ程度であった。尚、正方形の一辺の長さは０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
換言すれば、このシリコン薄膜５は略矩形のシリコン単結晶粒子群からなり、シリコン単結晶粒子の基体（ＳｉＯ2）の表面に対する選択方位は略〈１００〉方位であった。また、略矩形のシリコン単結晶粒子の相対する二辺は、紫外線ビーム照射位置の移動方向と略平行であった。この二辺を構成する結晶面は｛２２０｝面であった。尚、観察場所によっては、略矩形のシリコン単結晶粒子の相対する二辺は、紫外線ビーム照射位置の移動方向と略９０度の角度を成していた。また、各四角形の単結晶粒がぶつかる面は結晶学的に同一の面であり、整合（Ｓｉ−Ｓｉが結合）して粒界の存在がみえにくくなるようなＴＥＭ（電子顕微鏡）の観察結果が得られている。
【００１８】
多結晶シリコンが完全に無配向の場合、｛１１１｝面からの回折強度Ｉ111 と｛２２０｝面からの回折強度Ｉ220 の比は、Ｉ111 ：Ｉ220 ＝５：３であった。一方、本実施例にて得られたシリコン薄膜におけるＩ111 ：Ｉ220 の値は、１：４であった。この回折強度比の分析からも、シリコン単結晶粒子の基体（ＳｉＯ2 ）の表面に対する選択方位は略〈１００〉方位であることが解る。尚、シリコン薄膜全体から見ると、シリコン単結晶粒子が基体の表面に対して〈１００〉方位を有しており、残りのシリコン単結晶粒子の基体の表面に対する方位はランダムであった。また、基体の表面に垂直な方向と〈１００〉方位が厳密には平行でないシリコン単結晶粒子が存在していた。更には、数個のシリコン単結晶粒子を単位として、隣接するシリコン単結晶粒子の結晶方位が一致しているものが数多く認められた。
【００１９】
また、略矩形のシリコン単結晶粒子の一辺の長さは０．１μｍ以上であることが好ましい。上記略矩形のシリコン単結晶粒子という用語には、形状が矩形であるシリコン単結晶粒子だけでなく、角が欠けた矩形のシリコン単結晶粒子も含まれる。また、角が欠けた矩形のシリコン単結晶粒子の場合における一辺の長さとは、欠けた角を補って得られる矩形のシリコン単結晶粒子の一辺の長さを意味する。
【００２０】
また、上記略矩形のシリコン単結晶粒子の相対する二辺は、紫外線ビーム照射位置の移動方向と略平行、若しくは移動方向と略９０度の角度を成す。あるいは又、シリコン単結晶粒子群は、絶縁膜上に形成された非晶質若しくは多結晶のシリコン層に対する矩形状の紫外線ビーム照射位置を移動させながら、該シリコン層に該紫外線ビームをパルス状にて照射することによって形成され、略矩形のシリコン単結晶粒子の相対する二辺は、紫外線ビーム照射位置の移動方向と略平行、若しくは移動方向と略９０度の角度を成す。この二辺を構成する結晶面は｛２２０｝面と推定される。即ち、略矩形のシリコン単結晶粒子の一辺を構成する結晶面は｛２２０｝面と考えられる。
【００２１】
上記紫外線ビームとしては、例えば、３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌエキシマレーザや全固体紫外線レーザを例示することができる。移動方向に沿って測った矩形状の紫外線ビームの幅（Ｗ）は、２０μｍ乃至約１ｍｍであることが好ましい。矩形状の紫外線ビームの長さは任意である。紫外線ビームの縁部におけるエネルギーの立ち上がりが極めてシャープな紫外線ビームを用いることが好ましい。このような紫外線ビームを射出する紫外線ビーム源として、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置、アッテネータ、ビームを矩形状に均一化するビームホモジナイザー及び反射鏡の組み合わせを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
上記矩形状の紫外線ビームの照射完了から次の矩形状の紫外線ビームの照射開始までの間における紫外線ビーム照射位置の移動量（Ｌ）が４０μｍを超えたり、紫外線ビーム照射位置の移動方向に沿って測った紫外線ビームの幅（Ｗ）の５％を移動量の割合（Ｒ＝Ｌ／Ｗ）が超える場合、絶縁膜上に格子状に配列した略矩形のシリコン単結晶粒子群が形成されなくなる虞があり、あるいは又、シリコン単結晶粒子の絶縁膜の表面に対する選択方位が略〈１００〉方位ではなくなる虞がある。また、移動量の割合（Ｒ＝Ｌ／Ｗ）が、紫外線ビーム照射位置の移動方向に沿って測った紫外線ビームの幅（Ｗ）の０．１％未満では、スループットが低くなり過ぎる。
【００２３】
尚、シリコン単結晶粒子群を構成するシリコン単結晶粒子の内、３０％以上の数のシリコン単結晶粒子がシリコン単結晶粒子の絶縁膜の表面に対して略〈１００〉方位を有する場合に、シリコン単結晶粒子の絶縁膜の表面に対する選択方位が略〈１００〉方位であると規定する。また、略〈１００〉方位であるとは、シリコン単結晶粒子の〈１００〉方位が絶縁膜の表面に垂直な方向と厳密には平行でないシリコン単結晶粒子を包含することを意味する。尚、選択方位とは、優先方位とも呼ばれる。膜などの形状を有する多結晶体の中で結晶の方位が無秩序ではなく、或る特定の方向に多くの結晶が一定の結晶軸、結晶面等を揃えている場合、このような構造は集合組織あるいは繊維構造と呼ばれる。そして、配向している結晶軸は選択方位と呼ばれる。
【００２４】
上記矩形状の紫外線ビームの照射完了から次の矩形状の紫外線ビームの照射開始までの間における紫外線ビーム照射位置の移動量（Ｌ）を４０μm 以下とし、且つ、紫外線ビーム照射位置の移動方向に沿って測った紫外線ビームの幅（Ｗ）に対するかかる移動量の割合（Ｒ＝Ｌ／Ｗ）を０．１乃至５％とすることによって、絶縁膜上に格子状に配列した略矩形のシリコン単結晶粒子群からなり、シリコン単結晶粒子の絶縁膜の表面に対する選択方位が略〈１００〉であるシリコン薄膜が形成されるのか、不明な点が多い。しかしながら、非晶質若しくは多結晶のシリコン層の或る領域に、紫外線ビームを重ねながら且つずらしながらパルス状に照射し、しかも、紫外線ビームの形状を矩形状とすることによって（即ち、紫外線ビームの縁部におけるエネルギーの立ち上がりが極めてシャープな紫外線ビームを用いることによって）、蓄熱的に或る種のＳｉの融点に近い平衡的な温度状態と冷却（凝固）条件が成立するが故に、このようなシリコン単結晶粒子群が形成されると推定される。また、シリコン単結晶粒子の絶縁膜の表面に対する選択方位が略〈１００〉方位となる理由は、例えばＳｉＯ2 からなる絶縁膜に対するＳｉ表面のＳｉ／ＳｉＯ2 界面自由エネルギー最小の観点から、絶縁膜上に形成されるシリコン単結晶粒子の選択方位が略〈１００〉方位になると推定される。
【００２５】
上述したように図１（ｂ）に示すシリコン薄膜５の表面は凹凸形状を有しているので、このような表面状態のままでは、ゲートが上にくるトップゲート構造のＳＯＩトランジスタでは、ＳｉＯ2／Ｓｉ界面の状態が良くなく、耐圧の低下のみならず、駆動電流（キャリア移動度）の低下も起こす。このシリコン薄膜５表面の凹凸をなくすために、シリコン薄膜５の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing)法により研磨する。以下、この研磨条件等について具体的に説明する。
【００２６】
研磨パッドには、シリコン薄膜５の平坦化を向上するため、不織布基材パッドをクッション材としたポリウレタン発砲体を使用する。研磨材には、粒子径２０〜４０ｎｍ、ＰＨ１０．０〜１０．３のコロダイルＳｉＯ2を使用し、その濃度を１ｗｔ％とし、研磨の際のＳｉＯ2の添加量を、１２０ｃｃ／ｍｉｎ．とする。
【００２７】
また、平坦化を高めるために、研磨定盤およびプレッシャープレートの回転数を６０ｒｐｍとし、ダメージを考慮して研磨圧力を軽加圧の５０ｇ／ｃｍ2とする。このときの研磨レートは１０ｎｍ／ｍｉｎ．とり、３分間研磨することにより凸部分を除去できる。その結果、図１（ｃ）に示すように、厚さが約３０ｎｍで表面が平坦化された（１００）面をもつ単結晶に近いシリコン薄膜５又はポリＳｉ膜を得ることができ、ＳＯＩ基板（Ｓｉ／ＳｉＯ2／Ｓｉ ｗａｆｅｒ）を得ることができる。すなわち、シリコン基板１上に絶縁膜（基体３）を介して格子状に配列した矩形状のシリコン単結晶粒子のシリコン単結晶粒子群からなるシリコン薄膜５（単結晶シリコン膜）を備え、このシリコン薄膜５の表面の凹凸をなくすために研磨によって平坦化された半導体基板が得られる。
【００２８】
次に、図２に示すように、このＳＯＩ基板をつかって、既存の作製方法によりＳＯＩデバイス、例えばトップゲート構造のＳＯＩトランジスタを作製していく。先ず、ＬＯＣＯＳ法などを用いてＳＯＩ層（シリコン薄膜５）にＬＯＣＯＳ酸化膜１１を形成することによって素子分離をした後、シリコン薄膜５の上に厚さが５０ｎｍ程度のゲート酸化膜１３を作製し、このゲート酸化膜１３の上にゲート電極１５を形成する（n-type for n-MOS,p-type for p-MOS）。次に、シリコン薄膜５にソース・ドレイン領域の拡散層１７、１９を形成し、この後、メタル電極配線を形成し、パッシベーション絶縁膜で覆い、パッド穴をあけ、チップが完成する。
【００２９】
上記実施例によれば、ＥＬＡ法によって（１００）面方位に制御された碁盤の目状のポリＳｉ膜（又はシリコン薄膜）５を基体（絶縁膜）３上に形成し、このポリＳｉ膜５の表面の凹凸をＣＭＰ法で研磨することにより除去し、ポリＳｉ膜５の表面を平坦化するとともに薄膜化している。このような絶縁膜３上に単結晶にちかいＳｉ薄膜５を形成する方法を用いることによって、任意の大面積の基体（絶縁膜）上に結晶性のよいＳｉ膜を均一性よく形成することができる。このようなＳＯＩ基板を使うことにより、高密度、低電圧、低消費電力の高性能なＬＳＩの形成が可能となる。
【００３０】
尚、上記実施例では、シリコン基板（Ｓｉウエハ）１の表面上にＳｉＯ2膜３が設けられた絶縁基板１０を用いているが、絶縁基板はこれに限られず、例えば石英又はガラスからなる絶縁基板を用いることも可能である。
【００３１】
また、紫外線ビーム源を固定し、絶縁基板１０を移動させているが、絶縁基板１０を固定し、紫外線ビーム源を移動させることも可能であり、絶縁基板１０及び紫外線ビーム源の両方を移動させることも可能である。
【００３２】
また、ＳＯＩ基板を作製し、これにＭＯＳトランジスタを形成しているが、本発明はこれに限られず、ポリＳｉＴＦＴの基板を作製し、例えばＬＣＤ(Liquid Crystal Display)用の一般的なＥＬＡによるトップゲート型ＴＦＴ、３次元ＩＣとしてのＴＦＴスタックＳＲＡＭに本発明を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の半導体基板およびその製造方法を示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の半導体基板を用いた半導体装置を示すものであり、図１（ｃ）の次の工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…シリコン基板（Ｓｉウエハ）、３…基体（ＳｉＯ2、絶縁膜）、５…シリコン薄膜（又はポリＳｉ膜）、５ａ…シリコン単結晶粒子、１０…絶縁基板、１１…ＬＯＣＯＳ酸化膜、１３…ゲート酸化膜、１５…ゲート電極、１７…ソース領域の拡散層、１９…ドレイン領域の拡散層。
【図１】
0004120700.tif 000002
【図２】
0004120700.tif 000003