JP2008004666A - Method of manufacturing three dimensional semiconductor device - Google Patents

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勉 西橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a performance suitable for a current IC by improving crystallinity of a laser (re) crystallizing Si layer; in a method of manufacturing a three dimensional semiconductor device in which an insulating film is formed on an Si layer where a circuit of semiconductor elements is formed, a polycrystal or amorphous Si layer is stacked on the insulating film, the stacked layer is (re) crystallized by laser irradiation or scanning to form another circuit of semiconductor elements there, and these circuits are connected together. <P>SOLUTION: Insulating films 17 and 26 are flattened by CMP. Polycrystal or amorphous Si layers 22 and 32 are stacked, which are irradiated/scanned with solid continuous wave laser having energy of 10 J/cm<SP>2</SP>or higher per radiation area. A laser annealing is applied just after it. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、3次元半導体デバイス、特に,DRAM,SRAM、フラッシュメモリなどの記憶装置及びマイクロプロセッサなどのIC用として3次元に多層化する半導体デバイスの製造方法に関するものである。
以下、次の順序で従来技術を説明する。
(イ)レーザー再結晶化を利用する3次元半導体デバイス
(ロ)レーザー再結晶化を利用しない3次元半導体デバイス
(ハ)主・副ビーム方式レーザー照射
(ニ)レーザーアニール
(ホ)レーザー再結晶化を利用するディスプレーデバイス
(ヘ)大パワーレーザー
(ト)絶縁膜
The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device, particularly a semiconductor device that is three-dimensionally multilayered for use in an IC such as a storage device such as a DRAM, SRAM, or a flash memory, or a microprocessor.
Hereinafter, the prior art will be described in the following order.
(B) Three-dimensional semiconductor device using laser recrystallization (b) Three-dimensional semiconductor device not using laser recrystallization (c) Main / sub beam laser irradiation (d) Laser annealing (e) Laser recrystallization (F) Large power laser (g) Insulating film

(イ)レーザー再結晶化を利用する3次元半導体デバイス
非特許文献1(ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki)は下地Si基板に形成されたデバイスを破壊しないで、レーザー(種類は記載されていない)再結晶技術を使用してSiO2層上にて、種無し(seed less)成長条件でSiを再結晶させ、この再結晶層にトランジスタを形成することにより、Si基板に形成されたトランジスタと接合して3次元半導体デバイスを製作することを解説している。3次元半導体デバイスの例としては、三層SRAMの例が示されている。
(B) 3D semiconductor device using laser recrystallization Non-patent document 1 (ECS, Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137-142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki) Without destroying the device formed on the Si substrate, recrystallize Si under seed less growth conditions on the SiO 2 layer using a laser (type not specified) recrystallization technique, It explains that a three-dimensional semiconductor device is manufactured by forming a transistor in this recrystallized layer and bonding it to a transistor formed on a Si substrate. An example of a three-layer SRAM is shown as an example of a three-dimensional semiconductor device.

非特許文献1においては、結晶粒界がないSi層を形成するためには、レーザー照射に起因する熱流の制御が肝要であり、具体的手段としてはヒートシンク構造、間接レーザーアニール、反射防止キャップなどがあると説明されている。実際に生成した再結晶組織は結晶粒界が楔型に多数配列した組織となっているが、MOSFETの特性は結晶粒界がないSOIのものと同じであると述べられている。しかしながら、得られたSi層は、一見して、現在のICデバイスに要求される結晶性を満たしているとはいえない。   In Non-Patent Document 1, it is important to control the heat flow caused by laser irradiation in order to form a Si layer without crystal grain boundaries. Specific means include a heat sink structure, indirect laser annealing, an antireflection cap, and the like. It is explained that there is. Although the recrystallized structure actually formed is a structure in which many grain boundaries are arranged in a wedge shape, it is stated that the characteristics of MOSFETs are the same as those of SOI without grain boundaries. However, it can be said that the obtained Si layer does not satisfy the crystallinity required for current IC devices.

非特許文献1にあっては、3DCMOSを製造するマスクとして、(イ)第一層活性領域形成、(ロ)第1層多結晶Siゲートパターニング、(ハ)第2層活性領域形成、(ニ)第2層多結晶Siゲートパターンニング、(ホ)コンタクトの窓明け、(ヘ)電極用Alパターニングエッチング、(ニ)ボンドパッドの窓開けが挙げられている。上記マスク工程(イ)と(ロ)の間及び(ハ)と(ニ)の間ではそれぞれゲート絶縁膜の形成が行なわれている。
これらのマスクと関連して製造工程を説明すると、(イ)の第1層活性領域はSi基板について行われ、一方(ハ)の第2層活性領域の形成は、CVDSiO2により第1層構造を被覆した後多結晶Si層などを一旦形成し、これをレーザー再結晶化し、その後マスクを使用してパターニングすることにより3次元デバイスが作られている。
In Non-Patent Document 1, as a mask for manufacturing 3DCMOS, (a) first layer active region formation, (b) first layer polycrystalline Si gate patterning, (c) second layer active region formation, (d) (2) Polycrystalline Si gate patterning of the second layer, (e) Contact opening, (f) Al patterning etching for electrodes, and (d) Opening of bond pads. Gate insulating films are formed between the mask steps (a) and (b) and between (c) and (d).
The manufacturing process will be described with reference to these masks. (A) The first layer active region is formed on the Si substrate, while (c) the second layer active region is formed by CVDSiO 2 with the first layer structure. After coating, a polycrystalline Si layer and the like are once formed, laser recrystallized, and then patterned using a mask to make a three-dimensional device.

また、アルゴンレーザーにより種あり横方向成長を行い、3次元半導体デバイスを形成することは非特許文献2(Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33(1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al)で発表されている。下地の単結晶Siから、CWレーザー照射結晶化により再結晶したSiがSiO2膜上に20μm横方向に延びている。したがって、下地単結晶を種として利用して、種の方位を受け継いだ単結晶に近い結晶を成長させようとしているが、横方向への単結晶成長距離は高々20μmである。 Non-Patent Document 2 (Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33 (1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED” LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO 2 "N. SASAKI et al). From the underlying single crystal Si, Si recrystallized by CW laser irradiation crystallization extends 20 μm laterally on the SiO 2 film. Therefore, an attempt is made to grow a crystal close to a single crystal that has inherited the seed orientation by using the base single crystal as a seed, but the single crystal growth distance in the lateral direction is at most 20 μm.

非特許文献3(Appl. Phys. Lett 44(10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits. R. Mukai et al)によるとMOSFETが形成されたSi基板上のSi層をレーザー照射により再結晶化して2層目のMOSFETを形成している。この文献ではSiキャップ層を介してアルゴンイオンレーザー照射を行うことにより,Siキャップ層の下側のSi層を間接加熱して、再結晶化を図っている。   Non-Patent Document 3 (Appl. Phys. Lett 44 (10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits. R. Mukai According to et al), the Si layer on the Si substrate on which the MOSFET is formed is recrystallized by laser irradiation to form a second MOSFET. In this document, argon ion laser irradiation is performed through the Si cap layer, whereby the Si layer under the Si cap layer is indirectly heated to recrystallize.

非特許文献4(Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method)によると、Si基板表面の絶縁膜構造をもつSOI上にMOSFETを形成し、また、このチャネル領域の結晶から結晶粒界をなくするためにArレーザー再結晶化法を利用している。具体的には、絶縁膜は1μmのSiO2,0.1μmのSi-N膜であり、この上に<110>方位をもつ0.4μmのポリSi層を形成し、Si層を一部表出するようにキャップ層を形成し、レーザー照射を行うと、キャップ層のない窓部において中心が低く、周囲が高い温度勾配が発生するために、核発生は窓中心から窓の周辺に進むために、窓の下に位置するSi層では結晶粒界がなくなり、<100>方位のSi層が生成すると説明している。確かに、窓部の下のSi層は結晶粒界がない単結晶領域になっているが、その周辺では断面でも平面でも筋状の結晶粒界が多数観察されており、レーザーで再結晶化していない多結晶構造である。 According to Non-Patent Document 4 (Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method), SOI having an insulating film structure on the Si substrate surface An MOSFET is formed on top of this, and an Ar laser recrystallization method is used to eliminate the grain boundary from the crystal in the channel region. Specifically, the insulating film is a 1 μm SiO 2 , 0.1 μm Si—N film, and a 0.4 μm poly Si layer having a <110> orientation is formed thereon, and a part of the Si layer is exposed. When the cap layer is formed and laser irradiation is performed, the center is low in the window portion without the cap layer, and a high temperature gradient is generated around the periphery, so that nucleation proceeds from the center of the window to the periphery of the window. In the Si layer located under the window, there is no crystal grain boundary, and a <100> oriented Si layer is generated. Certainly, the Si layer under the window is a single-crystal region with no grain boundaries, but many streak-like grain boundaries have been observed in the cross-section and plane around the Si layer. It is not a polycrystalline structure.

非特許文献5(2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT’s on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al)によると、10Wの固体連続波レーザーによる再結晶化法により、幅が1.5μm、長さが20μmの単結晶Siをガラス基板上に作ったことが報告されている。この方法ではトランジスタのチャネル領域上方にSiキャップ層を形成し、これにより結晶成長を単結晶化条件としている。   According to Non-Patent Document 5 (2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT's on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al) It has been reported that single crystal Si having a width of 1.5 μm and a length of 20 μm was formed on a glass substrate by the chemical method. In this method, a Si cap layer is formed above the channel region of the transistor, thereby making crystal growth a single crystallization condition.

非特許文献6(2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT’s on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al)では Nd:YVO固体連続波レーザーによる再結晶化法により、幅が8μm、長さが20μmの単結晶Siをガラス基板上に作ったことが報告されている。この方法ではトランジスタのチャネル領域上方にSiキャップ層を形成し、これにより結晶成長を単結晶化条件としている。キャップ層の断面図を示す非特許文献6の図1(a) を図1として、平面図を示す図3(b)を図2として、ソース・ドレーン領域を示す図5を、図3としてそれぞれ引用する。レーザー走査が開始する領域Aの端では多数の結晶核が存在し、この結晶核から結晶粒界がV字形に伸び、次に合体して平行な結晶粒界が形成されている。図2のNucleusと記されている領域は基板の微細凹凸が粒界発生源となっている。キャッピングSiの間隙を偶々結晶粒界が通過する場合は、これは領域Cまで延びる。またParallel grainsと記されている粒界は走査ラインの途中で消えており、それ故粒界は非常に不安定であるといえる。トランジスタは結晶粒界がない単結晶領域に形成されている。 In Non-Patent Document 6 (2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT's on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al), the width is increased by the recrystallization method using Nd: YVO 4 solid-state continuous wave laser. It has been reported that single-crystal Si having a length of 8 μm and a length of 20 μm was made on a glass substrate. In this method, a Si cap layer is formed above the channel region of the transistor, thereby making crystal growth a single crystallization condition. FIG. 1 (a) of FIG. 1 showing a cross-sectional view of a cap layer is shown in FIG. 1, FIG. 3 (b) showing a plan view is shown in FIG. 2, and FIG. 5 showing a source / drain region is shown in FIG. Quote. A large number of crystal nuclei exist at the end of the region A where the laser scanning starts, the crystal grain boundary extends in a V shape from the crystal nucleus, and then merges to form a parallel crystal grain boundary. In the region marked Nucleus in FIG. 2, the fine irregularities of the substrate are grain boundary generation sources. If the grain boundary accidentally passes through the capping Si gap, this extends to region C. Also, the grain boundaries marked as Parallel grains disappear in the middle of the scan line, so it can be said that the grain boundaries are very unstable. The transistor is formed in a single crystal region having no crystal grain boundary.

(ロ)レーザー再結晶化を利用しない三次元半導体デバイス
上述のように、レーザー再結晶化が提案されているが、その後の3次元半導体デバイス開発の主流は、単結晶Si基板を転写又は剥離する方法に向かっている。この分野の従来技術の幾つかを以下に挙げる。
(B) Three-dimensional semiconductor devices that do not use laser recrystallization As described above, laser recrystallization has been proposed, but the mainstream of subsequent development of three-dimensional semiconductor devices is to transfer or peel off a single crystal Si substrate. Heading the way. Some of the prior art in this field are listed below.

特許文献1:特開2005−86089号公報では、薄膜デバイス層のうち少なくとも一つを他の基板から剥離及び転写する工程を有している。   Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-86089 includes a step of peeling and transferring at least one of thin film device layers from another substrate.

特許文献2:特開2001−189419号公報では、レーザーSOIは結晶性の確保が難しいために、レーザー再結晶化法によらない方法を開発したと述べられている。この特許文献では、IC回路が形成された2枚の半導体基板を、IC回路同士が対向するようにかつ電気的に接続するように接着している。   Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 2001-189419 states that laser SOI has developed a method that does not depend on laser recrystallization because it is difficult to ensure crystallinity. In this patent document, two semiconductor substrates on which IC circuits are formed are bonded so that the IC circuits face each other and are electrically connected.

非特許文献7:2005IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al では、例えば、DRAM,SRAM,フラッシュメモリ、論理LSI,パワーIC, アナロクLSI,MMIC,センサーチップなどを多層に積み上げることができるスーパースマットカット技術と称される技術が発表されている。この技術の骨子は、ウェーハ上に形成され、性能が良好であることが確認されたウェーハ例えば上記例ではDRAM,SRAM、フラッシュメモリなどのそれぞれが形成されたウェーハからチップを分離し、3次元的に積み上げるところにある。   Non-Patent Document 7: 2005 IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al, for example, DRAM, SRAM, flash memory, logic LSI, power IC, analog LSI, MMIC, sensor chip, etc. A technology called Super Smut Cut Technology has been announced. The essence of this technology is that a chip is separated from a wafer that has been formed on a wafer and has been confirmed to have good performance, such as a wafer in which DRAM, SRAM, flash memory, etc. are formed in the above example. There is a place to pile up.

(ハ)主・副ビーム方式レーザー照射
特許文献3:特許第2748377号公報(特開平1−128422号公報)は、ポリSiなどを主副2本のレーザーにより再結晶化する方法に関するものであり、特に、主ビーム照射により生じた融液が凝固する凝固端に副ビームを照射することにより融液の盛り上がりを押さえることを提案している。
(C) Main / sub beam type laser irradiation Patent Document 3: Japanese Patent No. 2748377 (Japanese Patent Laid-Open No. 1-128422) relates to a method of recrystallizing poly-Si or the like with two main and sub lasers. In particular, it has been proposed to suppress the rise of the melt by irradiating the sub-beam to the solidification end where the melt generated by the main beam irradiation solidifies.

特許文献4:特許第3289681号公報(特開2000−21776号公報)は、パルスレーザー照射により粒径が大きい多結晶Siを再結晶化する方法に関するものであり、第1のパルスレーザー光源から射出されたパルス光の照射により溶融した半導体が最高温度に達した後、固化が終了するまでの間に第2のパルスレーザーを射出することにより、加熱冷却過程の冷却速度を制御することを提案している。この提案の基礎になっている理論は良好な結晶を得るためには固化速度を低くすることが必要であるという考えである。また、生成した結晶はほぼ円形の結晶粒界を有する多結晶材料である。   Patent Document 4: Japanese Patent No. 3289681 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-21776) relates to a method of recrystallizing polycrystalline Si having a large particle diameter by pulse laser irradiation, and is emitted from a first pulse laser light source. Proposed to control the cooling rate of the heating and cooling process by emitting a second pulse laser after the semiconductor melted by irradiation of the pulsed light reaches the maximum temperature and until solidification is completed. ing. The theory underlying this proposal is the idea that a low solidification rate is necessary to obtain good crystals. The produced crystal is a polycrystalline material having a substantially circular grain boundary.

特許文献5:特開2001−126987号公報は、非晶質Siに、粒径が大きい結晶と微結晶が生成するエネルギーE1のエキシマレーザービームを照射し、次にE1よりエネルギーが低く微結晶を溶融して再結晶化できるエネルギーのエキシマレーザービームを照射することを提案している。   Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-126987 discloses that an amorphous Si is irradiated with an excimer laser beam having an energy E1 that produces crystals and crystallites having a large particle diameter, and then the crystallites having energy lower than that of E1 are applied. It has been proposed to irradiate an excimer laser beam with energy that can be melted and recrystallized.

特許文献6:特開2003−068644号公報は、パルスレーザー照射により粒径が大きい多結晶Siを再結晶化する方法に関するものであり、閉じられた結晶粒界をもつ材料が生成されている。また、この方法では、第1のパルスレーザー光によりSiを溶融させ、その後第2のパルスレーザー光によりSi結晶粒は完全には溶解させずに結晶粒を成長させている。   Patent Document 6: Japanese Patent Laid-Open No. 2003-068644 relates to a method of recrystallizing polycrystalline Si having a large particle diameter by pulse laser irradiation, and a material having a closed crystal grain boundary is generated. In this method, Si is melted by the first pulse laser beam, and then the crystal grains are grown by the second pulse laser beam without completely dissolving the Si crystal grains.

特許文献7:特開2004−207691号公報は、微細幅のパルスレーザー光をシリコン薄膜に照射し、照射された部分のシリコン薄膜をレーザー光の照射領域の厚さ方向全域にわたって溶融凝固を繰返す方法をラテラル成長法の一つとして挙げ、ラテラル成長距離を長くする方法として、第1のレーザー光の照射領域を包含する領域に第2のレーザー光を照射する照射法を提案し、液体状態にある半導体を加熱し、結晶成長速度を低下させ、かくしてラテラル成長距離を長くし、個々の結晶が長い結晶からなる多結晶材料を生成することを提案している。   Patent Document 7: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-207691 discloses a method of irradiating a thin silicon film with a pulsed laser beam having a fine width, and repeatedly melting and solidifying the irradiated silicon thin film over the entire thickness direction of the irradiation region of the laser beam. As a method of increasing the lateral growth distance, an irradiation method in which a second laser beam is irradiated to a region including the irradiation region of the first laser beam is proposed as a method for increasing the lateral growth distance. It has been proposed to heat the semiconductor and reduce the crystal growth rate, thus increasing the lateral growth distance and producing a polycrystalline material in which the individual crystals consist of long crystals.

(ニ)レーザーアニール技術
非特許文献8:「レーザーアニールによるSi薄膜溶融、結晶化過程に基づく高性能poly-Si結晶化技術」、波多野他著、レーザー研究第31巻(2003年)第1号、第57〜62頁は、エキシマレーザーにより極短時間での溶融凝固させるpoly Siの再結晶化につき次のような点を解明している:横方向結晶成長速度は7m/sである;結晶特性は粒径5μm以上、優先面方位110である;デバイス特性は、電界効果移動度460cm2/Vsである。
(D) Laser annealing technology Non-patent document 8: "Si thin film melting by laser annealing, high-performance poly-Si crystallization technology based on crystallization process", Hatano et al., Laser Research Vol. 31 (2003) No. 1 Pp. 57-62 elucidate the following points regarding the recrystallization of poly Si that is melted and solidified in an extremely short time by an excimer laser: the lateral crystal growth rate is 7 m / s; The characteristics are a grain size of 5 μm or more and the preferred plane orientation 110; the device characteristics are field-effect mobility 460 cm 2 / Vs.

非特許文献9:”NMOS-Junction Integration Study with Ultra-High Temperature Non-Diffusive Laser Annealing for the 45nm Node and Below” Ext Abs 5 th International Workshop on Junction Technology, 2005, S 1-3, Pouydebaseque et alは、不純物の拡散距離に関しレーザーアニールはフラッシュアニールと同等であると述べている。 Non-Patent Document 9: “NMOS-Junction Integration Study with Ultra-High Temperature Non-Diffusive Laser Annealing for the 45nm Node and Below” Ext Abs 5 th International Workshop on Junction Technology, 2005, S 1-3, Pouydebaseque et al states that laser annealing is equivalent to flash annealing in terms of impurity diffusion distance.

(ホ)レーザー再結晶化を利用するディスプレーデバイス
ところで、ディスプレーデバイスでは、一般に、耐熱温度が750℃以下の無アルカリガラスが使用されており、コーニング社からイーグル2000との商品名で販売されている。基板上に塗布された絶縁膜上にポリシリコン薄膜トランジスタを形成したSOIウェーハが使用されている。このSOIウェーハでは、非晶質Siをエキシマレーザー照射により結晶化(ELC)することにより、非晶質Siトランジスタよりも100倍以上の電子移動度が達成している。
(E) Display device utilizing laser recrystallization By the way , generally, alkali-free glass with a heat-resistant temperature of 750 ° C. or lower is used for the display device, and it is sold by Corning under the trade name Eagle 2000. . An SOI wafer in which a polysilicon thin film transistor is formed on an insulating film coated on a substrate is used. In this SOI wafer, by crystallization (ELC) of amorphous Si by excimer laser irradiation, an electron mobility of 100 times or more than that of an amorphous Si transistor has been achieved.

最近ディスプレーデバイス用SOIウェーハではさらに大きな進歩が達成されている(非特許文献10:月刊ディスプレー,2003年2月号、別刷、「CWラテラル結晶化(CLC)技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁)。この文献では、ガラス基板を使用したSOIデバイスにおいて、TFTの移動度をバルク単結晶MOSFETに匹敵するように高めている。 非特許文献10の記載を以下に引用する。   Recently, even greater progress has been achieved in SOI wafers for display devices (Non-Patent Document 10: Monthly Display, February 2003, Reprint, “CW Lateral Crystallization (CLC) Technology and High Mobility Low Temperature Poly on Glass Substrate) Si-TFT ”, Nobuo Sasaki, pp. 43-50. In this document, TFT mobility is increased to be comparable to bulk single crystal MOSFETs in SOI devices using glass substrates. The description of Non-Patent Document 10 is cited below.

引用1:...従来の低温ポリSiの結晶化技術であるELC法と対比させて、CLC技術を説明する。ガラス基板上にバッファSiO2を堆積させ、その上にPCVDで堆積させたアモルファスSiをレーザー照射により結晶化する点は共通である。ELCではパルスレーザー照射を溶融領域を少しずつずらして繰返し行う。前の照射と次の照射の間の溶融領域の重ねは90―99%に及び、そのため各場所は10回から100回のパルス照射を受けることになる。この多数回のパルス照射によって結晶粒をそろえることができ、TFT特性のバラツキが抑制される。各回のパルスに対しては...下地SiO2との界面から上方に向かう結晶成長と側面からの結晶成長が起こるが、溶融幅0.4mmのうち、側面からの成長は高々数μmの長さをもつのみであり、大部分は下地界面から上方に成長した結晶粒領域である。パルス照射でも得られる側面からの狭い横方向成長領域のみからなる結晶をこの狭い領域幅である数μmのステップでレーザースポットをずらしつつ繰返し照射を行えばパルスレーザーでも造り出すことができる。 Quote 1:. . . The CLC technology will be described in comparison with the ELC method, which is a conventional low-temperature poly-Si crystallization technology. The common point is that the buffer SiO 2 is deposited on the glass substrate and the amorphous Si deposited thereon by PCVD is crystallized by laser irradiation. In ELC, pulsed laser irradiation is repeated with the melting region shifted slightly. The overlap of the melted area between the previous and subsequent irradiations is 90-99%, so each location will receive 10 to 100 pulsed irradiations. The crystal grains can be aligned by this multiple times of pulse irradiation, and variations in TFT characteristics are suppressed. For each pulse. . . Crystal growth from the interface with the underlying SiO 2 and crystal growth from the side occur, but out of the melt width of 0.4 mm, the growth from the side only has a length of several μm at most, and the majority is the base It is a crystal grain region grown upward from the interface. If a crystal consisting only of a narrow lateral growth region from the side surface obtained by pulse irradiation is repeatedly irradiated while shifting the laser spot in steps of several μm, which is the narrow region width, it can also be produced by a pulse laser.

引用2:CLCでは、連続発振(CW)の固体レーザーを走査しつつ照射する。レーザースポットを当てたSi部分は溶融し、スポットが基板に対してラテラルに移動していくのに伴って結晶成長が起こる。即ち、ラテラル方向へのレーザースポットの連続走査により機械的にラテラルに成長させるのが特徴である。   Citation 2: In CLC, irradiation is performed while scanning a continuous wave (CW) solid-state laser. The Si portion irradiated with the laser spot melts and crystal growth occurs as the spot moves laterally with respect to the substrate. That is, the lateral growth is mechanically lateral by continuous scanning of the laser spot in the lateral direction.

引用3:CLCは常に溶融領域が存在し、その結果として1つの固液界面体が維持され、その固液界面のラテラルへの移動により結晶成長が行われるので、連続的かつ定常的な結晶成長プロセスである。   Citation 3: CLC always has a melting region, and as a result, one solid-liquid interface is maintained, and the crystal growth is performed by moving the solid-liquid interface to the lateral, so continuous and steady crystal growth. Is a process.

引用4:結晶粒界を顕在化するためにSeccoエッチした後の結晶表面のSEM写真である。CLCで得られた結晶は、ほぼ平行に結晶粒界のようなものが並んだ構造をもち、単結晶領域の大きさも現在広く用いられているエキシマレーザー結晶化(ELC)の0.3μm程度の結晶粒に比べ、圧倒的に大きく通常のTFTのチャネル領域の大きさを超えている。   Reference 4: A SEM photograph of the crystal surface after Secco etching to reveal the grain boundary. The crystal obtained by CLC has a structure in which crystal grain boundaries are arranged almost in parallel, and the size of the single crystal region is about 0.3 μm of excimer laser crystallization (ELC), which is widely used at present. Compared to grains, it is overwhelmingly larger than the normal TFT channel region.

引用5:ELCのポリSi-TFTでは結晶粒界にあるポテンシャルバリアをキャリアが超えなければならないため移動度低下が起こっていると考えられるが、CLCの平行な結晶粒界の走る向きにソース/ドレーン方向を形成すると、ランダムに発生する結晶粒界がTFTチャネル領域にたまたま存在したとしてもキャリアは粒界のポテンシャルバリアを超える必要がなくなり、チャネル領域に粒界が全くない場合と同等の大きなTFT移動度が得られる。   Citation 5: In ELC poly-Si-TFT, it is thought that the mobility is lowered because the carrier must exceed the potential barrier at the grain boundary, but the source / When the drain direction is formed, even if randomly generated grain boundaries happen to exist in the TFT channel region, carriers do not need to exceed the potential barrier of the grain boundary, and the TFT is as large as when there is no grain boundary in the channel region. Mobility is obtained.

引用6:結晶化のスループットは、メルト幅と走査速度の積であるエリア走査速度で決まる。ELCではパルス周波数の制限から走査速度は非常に小さいがCLCでは大きな走査速度を得ることができる。但し、同一のレーザースポット形状で同一の照射パワーを保ったまま、単純に走査速度を大きくすると、...TFT移動度が低下してELCの値に近づく。このとき、結晶粒界は1方向にそろったフロー上の粒界からエキシマ−的な粒状(polygonal)の粒界へと変化しており、そのため粒界散乱が増加して移動度低下が起こったと理解できる。   Reference 6: The throughput of crystallization is determined by the area scanning speed which is the product of the melt width and the scanning speed. In ELC, the scanning speed is very small due to the limitation of pulse frequency, but in CLC, a large scanning speed can be obtained. However, if the scanning speed is simply increased while maintaining the same irradiation power with the same laser spot shape,. . . TFT mobility decreases and approaches the ELC value. At this time, the grain boundary has changed from the grain boundary on the flow aligned in one direction to the grain boundary of the excimer granularity (polygonal), so that the grain boundary scattering increased and the mobility decreased. Understandable.

引用7:走査速度による粒界形状の変化は、...固液界面の基板面に対する角度が垂直から斜めへと傾き、その結果、ラテラル成長からELCの垂直成長へと近づくためである。...CLCレーザー照射エネルギー密度を計算すると、スキャン速度20cm/sでは12.5J/cm2、200cm/sでは1.25J/cm2である。一方、ELCでは1回のパルス当たりのエネルギー密度は0.3J/cm2程度であるが、ELCでは90〜99%の重ね照射をするため、照射エネルギー密度は3〜30J/cm2となる。 Reference 7: Change in grain boundary shape due to scanning speed is as follows. . . This is because the angle of the solid-liquid interface with respect to the substrate surface is inclined from vertical to diagonal, and as a result, the lateral growth approaches the vertical growth of ELC. . . . The CLC laser irradiation energy density is calculated to be 12.5 J / cm 2 at a scanning speed of 20 cm / s and 1.25 J / cm 2 at 200 cm / s. On the other hand, in ELC, the energy density per pulse is about 0.3 J / cm 2 , but in ELC, 90 to 99% overlap irradiation is performed, so the irradiation energy density is 3 to 30 J / cm 2 .

引用8:トランジスタの移動度はレーザーの走査速度が遅い方が高くなっており、10J/cm2以上の照射エネルギーで500cm2/V-sec以上の移動度が得られている。 Reference 8: The mobility of the transistor is higher when the laser scanning speed is slower, and a mobility of 500 cm 2 / V-sec or more is obtained with an irradiation energy of 10 J / cm 2 or more.

引用9:レーザーの波長は532nm, 出力変動は1%未満である。   Reference 9: The wavelength of the laser is 532 nm, and the output fluctuation is less than 1%.

引用10   Quote 10

CLC法で得られたSi結晶層の方位はほぼ(100)である(非特許文献11、IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al)。使用されたCWレーザーはダイオードポンプ固体連続波レーザー(10W, 532nm, Nd:YVO4)であり、スポット寸法は400×20μmである。厚さが250nmの非晶質Siをレーザー照射により結晶化している。 The orientation of the Si crystal layer obtained by the CLC method is almost (100) (Non-Patent Document 11, IEDM01-747 “High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al) The diode-pumped solid-state continuous wave laser (10W, 532nm, Nd: YVO 4 ) was used, and the spot size was 400 × 20μm. Crystallized.

非特許文献12(SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Registers, N. Sasaki et al, pp 154-156、は、非特許文献8とほぼ同じ内容であり、また、それぞれ150μmの幅及び6−7ワットの出力をもつ固体連続波レーザーを4本同時にかつ選択的に照射することにより、幅が150μmの単結晶領域を多数(図面では4列×5個=20個)形成している。各列の間は非晶質Siである。1列に各5個の単結晶Si間のSiは(100)に優先配向した多結晶であり、ここには移動度が遅くともよいピクセルデバイスが作られる。上記の20個の単結晶領域にSRAMなどのデバイスが製作される。   Non-Patent Document 12 (SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270 MHz Shift Registers, N. Sasaki et al, pp 154-156, A single crystal region having a width of 150 μm, which is substantially the same as that of Non-Patent Document 8 and is selectively irradiated with four solid continuous wave lasers each having a width of 150 μm and an output of 6-7 watts simultaneously. (4 rows x 5 = 20 in the figure) are formed.Amorphous Si is between each row.Si between 5 single crystal Si in each row takes precedence over (100) A pixel device, which is an oriented polycrystal and may be slow in mobility, is fabricated, and a device such as an SRAM is fabricated in the 20 single crystal regions.

非特許文献13(ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki)によると、CLC処理される非晶質Si層の厚さは40-250nmである。   According to Non-Patent Document 13 (ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki), the thickness of the amorphous Si layer subjected to CLC is 40-250 nm.

非特許文献14(Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al)では、非晶質絶縁層上の多結晶SiをツインCWアルゴンレーザー照射・走査により再結晶化することにより、結晶粒界も亜粒界もない幅20μm、長さ1.8mmの再結晶化領域が形成されている。   Non-Patent Document 14 (Appl. Phys, Lett. 45 (10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of reactive silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter In “heating” Nobuo Sasaki et al), polycrystalline Si on an amorphous insulating layer is recrystallized by twin CW argon laser irradiation / scanning, so there is no grain boundary or sub-grain boundary, width 20 μm, length 1.8 A recrystallized region of mm is formed.

通常、結晶粒界とは核から成長した結晶粒の境界である。一方、CLC法では引用2,3からは核発生がどこで起こっているか明らかではなく、引用4では「結晶粒界のようなもの」と記載されている。非特許文献10では結晶粒界との用語が使用されている。これらの文献からは、レーザー走査方向で線状に見える欠陥が、果たして、通常の結晶粒界であるかどうか明確ではないが、本明細書ではCLC処理されたSi層の構造に関しては引用文献10に記載されている「結晶粒界」との用語をそのまま引用する。何れにせよ、結晶粒界が少なくなる方がトランジスタの特性は良好になることは明らかである。   Usually, a grain boundary is a boundary between crystal grains grown from nuclei. On the other hand, in the CLC method, it is not clear from citations 2 and 3 where nucleation occurs, and in citation 4, it is described as “like a grain boundary”. Non-Patent Document 10 uses the term crystal grain boundary. Although it is not clear from these documents whether the defects that appear linear in the laser scanning direction are indeed normal grain boundaries, in this specification, the structure of the CLC-treated Si layer is referred to The term “grain boundary” described in the above is quoted as it is. In any case, it is clear that the characteristics of the transistor become better as the number of crystal grain boundaries decreases.

(へ)大パワーレーザー
ところで、レーザー技術は日新月歩であり、最近の情報によると412W固体グリーンレーザーが開発された(非特許文献15:2005年7月5日三菱電機株式会社の発表、インターネットで検索)。このレーザーは発振波長が532nmのパルス発振である。一般に連続(cw)発振にすると出力は1/10弱に低下すると考えられているが、この出力は上記した従来技術文献で使用されている連続発振レーザーの出力を大きく凌駕する。
(F) Large power laser By the way, the laser technology is Nisshin Shinpo, and according to recent information, a 412W solid state green laser has been developed (Non-Patent Document 15: July 5, 2005 announced by Mitsubishi Electric Corporation, Search the internet). This laser is a pulse oscillation having an oscillation wavelength of 532 nm. In general, it is considered that the output is reduced to less than 1/10 when continuous (cw) oscillation is used, but this output greatly exceeds the output of the continuous wave laser used in the above-mentioned prior art documents.

(ト)絶縁膜
特許文献8:特表2004−535062号公報は、MOS-FETのSiO2層はアモルファス的性質のためにSiの近傍の層は欠陥に充たされ、その結果スィッチング速度が低下していると述べている。この特許文献では、Si基板にSiを蒸着中にSi及びO(酸素)の単一原子層を形成するために、SiOx(0<x<2)となるように酸素を導入することにより絶縁膜の性質を改良している。
特開2005−86089号公報 特開2001−189419号公報 特許第2748377号公報 特許第3289681号公報 特開2001−126987号公報 特開2003−068648号公報 特開2004−2077691号公報 特表2004−535062号公報 ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33(1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al. Appl. Phys. Lett 44(10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits. R. Mukai et al. Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method 2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT’s on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al. 2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT’s on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al. 2005IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al 「レーザーアニールによるSi薄膜溶融、結晶化過程に基づく高性能poly-Si結晶化技術」、波多野他著、レーザー研究第31巻(2003年)第1号、第57〜62頁 ”NMOS-Junction Integration Study with Ultra-High Temperature Non-Diffusive Laser Annealing for the 45nm Node and Below” Ext Abs 5 th International Workshop on Junction Technology, 2005, S 1-3, Pouydebaseque et al 月刊ディスプレー,2003年2月号、別刷、「CWラテラル結晶化(CLC)技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁 IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al). SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156、 ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki) Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al) 従来と同等の大きさで約2倍の高出力を実現、世界最高出力412Wの「固体グリーンレーザー」を開発、2005年7月5日三菱電機株式会社、インターネット検索文献 「電子材料」2004年12月号別冊、超LSI製造・試験装置ガイドブック、CMP装置、第137〜145頁
(G) Insulating film Patent Document 8: Japanese Patent Application Publication No. 2004-535062 discloses that the SiO 2 layer of MOS-FET is amorphous, so that the layer near Si is filled with defects, resulting in a decrease in switching speed. It states that you are. In this patent document, in order to form a single atomic layer of Si and O (oxygen) during deposition of Si on a Si substrate, an insulating film is formed by introducing oxygen so that SiOx (0 <x <2) is satisfied. The properties have been improved.
JP 2005-86089 A JP 2001-189419 A Japanese Patent No. 2748377 Japanese Patent No. 3289681 JP 2001-126987 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-068648 JP 2004-207769 A JP-T-2004-535062 ECS, Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33 (1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al. Appl. Phys. Lett 44 (10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits.R. Mukai et al. Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method 2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT's on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al. 2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT's on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al. 2005 IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al "Si thin film melting by laser annealing, high-performance poly-Si crystallization technology based on crystallization process", Hatano et al., Laser Research Vol. 31 (2003) No. 1, pp. 57-62 “NMOS-Junction Integration Study with Ultra-High Temperature Non-Diffusive Laser Annealing for the 45nm Node and Below” Ext Abs 5 th International Workshop on Junction Technology, 2005, S 1-3, Pouydebaseque et al Monthly Display, February 2003, Reprint, “CW Lateral Crystallization (CLC) Technology and High Mobility Low Temperature Poly-Si-TFT on Glass Substrate” Nobuo Sasaki, pp. 43-50 IEDM01-747 ”High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al). SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156 ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki) Appl. Phys, Lett. 45 (10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of present silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al) Realizing approximately twice the high output with the same size as before, developing the world's highest output 412W "solid green laser", July 5, 2005 Mitsubishi Electric Corporation, Internet search literature "Electronic Materials" December 2004 issue, VLSI manufacturing / test equipment guidebook, CMP equipment, pp. 137-145

特許文献2で述べられているように,レーザー再結晶化による3次元デバイスは性能に問題があるとの見解が一般的であり、また非特許文献7で提案されているようにレーザーによらない3次元半導体デバイスの製造方法の開発が現在の主流である。確かに、非特許文献1で提案されているレーザー再結晶化技術により形成されたSi層の結晶性は劣っている。即ち、現在IC用半導体デバイスはますます微細化され、この結果として、高速化、小電力化、高信頼性が一層進展している。勿論、高密度化は非特許文献1の方法でも3次元構造により追求しているが、非特許文献1発表時の1990年代はパターンルールが500nm程度であり、現在は90nmである。近い将来は70nmになると予測されているという背景から、70〜90nmのパターンルールに適合するためにはSi層の結晶性を良好にする必要がある。   As described in Patent Document 2, a general view is that a three-dimensional device by laser recrystallization has a problem in performance, and it is not based on a laser as proposed in Non-Patent Document 7. Development of manufacturing methods for three-dimensional semiconductor devices is currently the mainstream. Certainly, the crystallinity of the Si layer formed by the laser recrystallization technique proposed in Non-Patent Document 1 is inferior. In other words, IC semiconductor devices are now increasingly miniaturized, and as a result, higher speeds, lower power consumption, and higher reliability are progressing further. Of course, high density is also pursued by the method of Non-Patent Document 1 by a three-dimensional structure, but in the 1990s when Non-Patent Document 1 was published, the pattern rule was about 500 nm, and now it is 90 nm. In order to meet the pattern rule of 70 to 90 nm, it is necessary to improve the crystallinity of the Si layer because it is predicted that it will be 70 nm in the near future.

本発明者らは非特許文献10で提案された、基板がガラスであるディスプレー用SOIウェーハの製造方法、即ち固体連続波レーザー結晶化法を非特許文献1で発表されている3次元半導体デバイスの製造に適用することに着眼した。後者の半導体デバイスは演算装置、記憶装置などであり、クロックパルスが前者のディスプレーデバイスより高く、またパターンルールが前者より厳しいので、CLC結晶化のみでは結晶の特性が不充分である。特に、CLC結晶化で得られたSiはセコエッチで検出される粒界に見える転位、結晶欠陥などが多い。さらに、3次元半導体デバイスの一般的素材である単結晶Si基板にはIC回路素子が形成されているから、高温処理することはこれら素子の特性を劣化するおそれがある。   The present inventors proposed a manufacturing method of an SOI wafer for a display whose substrate is glass proposed by Non-Patent Document 10, that is, a solid-state continuous wave laser crystallization method of a three-dimensional semiconductor device disclosed in Non-Patent Document 1. Focused on manufacturing application. The latter semiconductor device is an arithmetic unit, a storage device, etc., and the clock pulse is higher than that of the former display device, and the pattern rule is stricter than that of the former. Therefore, the crystal characteristics are insufficient only by CLC crystallization. In particular, Si obtained by CLC crystallization has many dislocations and crystal defects that can be seen at grain boundaries detected by Seco Etch. Furthermore, since an IC circuit element is formed on a single crystal Si substrate which is a general material of a three-dimensional semiconductor device, high temperature treatment may deteriorate the characteristics of these elements.

本発明者らは、先行する二つの段落で述べたような状況を考慮して、固体連続波レーザーを用いるCLC法により再結晶化されたSi(シリコン)層の結晶性を、現在ICに要求されている微細化及び高速化に対応できるように、改良するとともに、既存の半導体装置製造装置ラインを大幅に改造することなく3次元半導体デバイスを製造することを目的として、開発を行っている。   In consideration of the situation described in the preceding two paragraphs, the present inventors currently require the IC to have crystallinity of a Si (silicon) layer recrystallized by a CLC method using a solid-state continuous wave laser. Development is being carried out for the purpose of manufacturing three-dimensional semiconductor devices without significant modifications to existing semiconductor device manufacturing equipment lines, while improving to meet the demands for miniaturization and higher speeds.

本出願人の一名は平成18年4月5日出願の特願2006−104503号(以下「先願」という)において、半導体素子の回路が形成されているSi層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は水素含有量が1原子%以下の非晶質Si層を積層し、前記多結晶Si層又は非晶質Si層にレーザーを照射しかつ走査することにより再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する3次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を,少なくともその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Si層又は非晶質Si層を積層し、このSi層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射及び走査を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、レーザー照射され、再結晶化もしくは結晶化したSi層に1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを添加し、その後前記再結晶化もしくは結晶化したSi層が溶融しない条件でレーザー加熱処理することを特徴とする3次元半導体デバイスの製造方法を提案した。さらに、水素イオン添加後のレーザー加熱の代わりに、900℃以下の温度でRTA(Rapid Thermal Processing)処理を行うことも提案した。 One of the present applicants in Japanese Patent Application No. 2006-104503 (hereinafter referred to as “prior application”) filed on April 5, 2006 formed an insulating film on the Si layer on which the circuit of the semiconductor element is formed. A polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer having a hydrogen content of 1 atomic% or less is laminated on the insulating film, and the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is irradiated with laser and scanned. In a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device in which a circuit of another semiconductor element is formed in a recrystallized or crystallized Si layer and these circuits are connected, the insulating film is formed at least on the insulating film. After planarizing by CMP, the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is laminated, and laser irradiation and scanning for recrystallizing or crystallizing the Si layer are performed with an energy of 10 J / per irradiation area. Performed by a solid continuous wave laser of cm 2 or more, Hydrogen ions are added to the recrystallized or crystallized Si layer irradiated with laser at a dose of 10 14 / cm 2 or more, and then laser heat treatment is performed under the condition that the recrystallized or crystallized Si layer does not melt. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device is proposed. Furthermore, instead of laser heating after hydrogen ion addition, it was also proposed to perform RTA (Rapid Thermal Processing) at a temperature of 900 ° C or lower.

先願においては、CLC法について次のように考察した。即ち、CLC法によりELCよりも優れた移動度(cm2/Vs)が得られるレーザー走査速度は20〜100cm/sの範囲である(非特許文献10、図7)。この速度は固液界面移動速度(VL)と等しく、また、Si単結晶の引き上げ法における引き上げ速度(Vc)は1〜2mm/min程度であり、やはり固液界面移動速度(Vc)は引き上げ速度と等しい。これらの比を計算するとVL= 100〜1000 Vc であり、10〜103倍の相違がある。前掲図7ではレーザー走査が速くなると、移動度(cm/Vs)はELCのものと差がなくなっていることは、非常に速いレーザー走査速度に固液界面移動速度(VL)が追従できず、SiO2/Si界面などで核発生が起こる。 In the prior application, the CLC method was considered as follows. That is, the laser scanning speed at which mobility (cm 2 / Vs) superior to ELC is obtained by the CLC method is in the range of 20 to 100 cm / s (Non-Patent Document 10, FIG. 7). This speed is equal to the solid-liquid interface moving speed (V L ), and the pulling speed (V c ) in the Si single crystal pulling method is about 1 to 2 mm / min, and again the solid-liquid interface moving speed (V c ) Is equal to the lifting speed. When these ratios are calculated, V L = 100 to 1000 V c and there is a difference of 10 2 to 10 3 times. In Figure 7 above, when the laser scanning is faster, the mobility (cm / Vs) is no different from that of ELC. The solid-liquid interface movement speed (V L ) cannot follow the very fast laser scanning speed. Nucleation occurs at the SiO 2 / Si interface.

さらに、先願においては、固液界面移動速度V が速い条件(即ちVL ≫Vc)で薄膜SiがCLC法で再結晶化されると、固液界面を境にして固体側に位置するSi結晶は熱源、即ちレーザーによる溶融スポット、から急速に離れ、急速冷却になるため、結晶欠陥には至らないまでも結晶歪などが多くなると考えられると、考察した。 Further, in the prior application, when the thin film Si is recrystallized by the CLC method under the condition that the solid-liquid interface moving speed V L is high (that is, V L >> V c ), it is positioned on the solid side with the solid-liquid interface as a boundary. It is considered that the Si crystal that moves away from the heat source, that is, the melting spot by the laser, rapidly cools down, so that the crystal distortion and the like are thought to increase even if crystal defects are not reached.

本発明者らはCLC法により発生する欠陥は次のような特長をもっていることに着目した。
(イ)欠陥はほぼレーザーの走査方向にSi結晶内を伸びており、即ち、固液界面の移
動方向にほぼ沿う方向に伸びている。
(ロ)欠陥の発生状況、特に頻度は、下地のSiO2層の表面状態により影響される。即
ち、下地のSiO2膜との距離が近い位置でのSi層では、欠陥の発生状況は下地の粗
さなどにより影響される。
(ハ)ほとんどすべての欠陥がある程度伸びると消滅している。即ち、1本の線状欠陥
がレーザー走査方向の全長に伸びているのではない。このことは次のように解析
できる。欠陥は,相変化が起こる固液界面で発生しており、固液界面には欠陥の
種のようなものがある。固液界面がレーザー走査とともに移動すると、前記欠陥
の種から線状の欠陥が(再)結晶化したSi内を伸びる。欠陥が、ある程度伸びる
と、消滅し、完全なSi結晶が得られる。
(ニ)2本の欠陥が交差すると、1本に合体し、その後消滅する。
(ホ)上述の(イ)、(ロ)のように欠陥は伸び、ループは形成しない。
The present inventors paid attention to the fact that defects generated by the CLC method have the following features.
(A) Defects extend in the Si crystal in the laser scanning direction, that is, in a direction substantially along the moving direction of the solid-liquid interface.
(B) Defect generation status, particularly frequency, is affected by the surface condition of the underlying SiO 2 layer. That is, in the Si layer at a position close to the underlying SiO 2 film, the occurrence of defects is affected by the roughness of the underlying layer.
(C) Almost all defects disappear when they grow to some extent. That is, one linear defect does not extend the entire length in the laser scanning direction. This can be analyzed as follows. Defects occur at the solid-liquid interface where the phase change occurs, and there are some sorts of defects at the solid-liquid interface. As the solid-liquid interface moves with laser scanning, linear defects extend from the defect seed into the (re) crystallized Si. When the defects extend to some extent, they disappear and a complete Si crystal is obtained.
(D) When two defects intersect, they merge into one and then disappear.
(E) As described in (a) and (b) above, the defect extends and no loop is formed.

上記した欠陥の特長のうち、一旦発生した欠陥は必ず消滅しているから、欠陥のエネルギーは非常に小さいといえる。また線状欠陥を挟むSi原子はSi層がもっている熱により移動し易く、完全な結晶を形成しようとする。この際、欠陥のエネルギーは非常に小さいから完全結晶を形成しようとするSi原子は欠陥のエネルギーを超えて、欠陥を消滅させる、即ち取りも直さず完全結晶を形成する。この現象はSi自身がもっている熱によるアニールであるから、自己アニール(self annealing)ということができる。   Among the features of the defects described above, once a defect has occurred, the energy of the defect can be said to be very small. In addition, Si atoms sandwiching linear defects are easily moved by the heat of the Si layer, and try to form a complete crystal. At this time, since the energy of the defect is very small, the Si atoms that attempt to form a complete crystal exceed the energy of the defect, and the defect disappears, that is, forms a complete crystal without being repaired. Since this phenomenon is annealing due to the heat of Si itself, it can be called self-annealing.

上述のように、CLC法で生成する欠陥のエネルギーは非常に小さいが、かなりの欠陥が(再)結晶化したSi層内に残っており、このように欠陥を有する(再)結晶化Siの特性は、演算装置、記憶装置などのIC用デバイスに使用するには、不充分である。しかしながら、Si層自身は自己アニールするだけのエネルギーをもっているのであるから、CLC結晶化直後に補助的にレーザーエネルギーを付与すると、欠陥の消滅を促進することができる。   As described above, the energy of defects generated by the CLC method is very small, but considerable defects remain in the (re) crystallized Si layer, and thus the (re) crystallized Si having defects The characteristics are insufficient for use in IC devices such as arithmetic devices and storage devices. However, since the Si layer itself has sufficient energy for self-annealing, the application of laser energy auxiliary immediately after CLC crystallization can promote the disappearance of defects.

即ち、本発明は、半導体素子の回路が形成されているSi層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は非晶質Si層を積層し、前記多結晶Si層又は水素含有量が1原子%以下の非晶質Si層にレーザーを照射しかつ走査することにより再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する3次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を、少なくともその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Si層又は非晶質Si層を積層し、このSi層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射及び走査を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、前記固体連続波レーザー照射及び走査直後に前記再結晶化もしくは結晶化したSi層をレーザーアニールすることを特徴とする3次元半導体デバイスの製造方法に関するものである。続いて、本発明の特徴について説明する。 That is, the present invention forms an insulating film on a Si layer on which a circuit of a semiconductor element is formed, laminates a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer on the insulating film, and the polycrystalline Si layer or By irradiating and scanning an amorphous Si layer with a hydrogen content of 1 atom% or less, a circuit of another semiconductor element is formed in the recrystallized or crystallized Si layer, and these circuits are connected. In the method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device, the insulating film is flattened by CMP at least on a portion where a circuit element is formed, and then the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is laminated, Laser irradiation and scanning for recrystallizing or crystallizing the Si layer are performed by a solid continuous wave laser having an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area, and the recrystallization or scanning is performed immediately after the solid continuous wave laser irradiation and scanning. The crystallized Si layer is A process for producing a three-dimensional semiconductor device, characterized by Aniru. Next, features of the present invention will be described.

3次元半導体デバイス製造方法の出発材料は、半導体素子の回路が形成されているSi層であり、例えばトランジスタ、抵抗、コンデンサー、ダイオード、コンダクタンスなどの素子を電気的に接続した回路が形成されている単結晶(100)方位Si基板である。このSi基板は公知のSOI(Silicon on Insulator)基板であってもよい。また、単結晶Si基板に形成される回路は電気的特性が優れているが、高い電気的特性が要求されない、スイッチ回路、ロード(負荷)回路などの場合は、非晶質Si層もしくは多結晶Si層などを出発材料としてもよい。さらには、本出願人の一名が平成18年1月27日に出願した特願2006−18658号で提案された固体連続波レーザーにより(再)結晶化されたSi層を利用してもよい。この方法の要点は次の三つの段落0052〜0054で引用するとおりである。   The starting material of the three-dimensional semiconductor device manufacturing method is a Si layer in which a circuit of a semiconductor element is formed, for example, a circuit in which elements such as a transistor, a resistor, a capacitor, a diode, and a conductance are electrically connected is formed. Single crystal (100) oriented Si substrate. This Si substrate may be a known SOI (Silicon on Insulator) substrate. Circuits formed on single-crystal Si substrates have excellent electrical characteristics, but high electrical characteristics are not required. For switch circuits, load circuits, etc., amorphous Si layers or polycrystalline A Si layer or the like may be used as a starting material. Furthermore, an Si layer recrystallized by a solid-state continuous wave laser proposed in Japanese Patent Application No. 2006-18658 filed on Jan. 27, 2006 by one of the present applicants may be used. . The key points of this method are as quoted in the next three paragraphs 0052-0054.

第1方法:少なくも表面がSiO2からなる基板に、多結晶Si層又は水素濃度が1質量%以下の非晶質Si層(以下「Si層」とはこれらの両方を指す)を厚さ400nm以下に形成し、前記Si層に、レーザー光のスポットが照射される面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを走査することにより、前記多結晶Si層を再結晶化しもしくは前記非晶質Si層を結晶化し、次に、前記固体連続波レーザーを走査したSi層の表面を、少なくとその上に回路素子が形成される部分について、CMP(chemical mechanical polishing)処理した後,水素雰囲気で800〜1200℃の温度範囲で熱処理することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 Method 1: Thickness of a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer having a hydrogen concentration of 1% by mass or less (hereinafter referred to as “Si layer”) on a substrate having at least a surface made of SiO 2 The polycrystalline Si layer is recrystallized by scanning a solid-state continuous wave laser with an energy of 10 J / cm 2 or more per area irradiated with a laser beam spot. The amorphous Si layer is crystallized, and then the surface of the Si layer scanned by the solid-state continuous wave laser is subjected to a CMP (chemical mechanical polishing) treatment on at least a portion on which a circuit element is formed, A method for producing an SOI wafer, wherein the heat treatment is performed in a temperature range of 800 to 1200 ° C. in a hydrogen atmosphere.

第2方法:少なくとも表面がSiO2からなる基板に、水素濃度が1質量%以下でありかつ厚さが1〜10μmの非晶質Si層を形成し、前記非晶質Si層に、該層の表面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを照射しかつ走査することにより、前記非晶質Si層の表面を結晶化し、その後、前記SiO2膜と結晶化していない前記非晶質層との界面における水素濃度が0.1質量%以上である状態で、800〜1200℃で熱処理をすることにより、結晶化したSiを前記非晶質Si層の内部に成長させることを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 Second method: An amorphous Si layer having a hydrogen concentration of 1% by mass or less and a thickness of 1 to 10 μm is formed on a substrate having at least a surface made of SiO 2 , and the layer is formed on the amorphous Si layer. The surface of the amorphous Si layer is crystallized by irradiating and scanning with a solid continuous wave laser at an energy of 10 J / cm 2 or more per surface area of the amorphous silicon, and then the amorphous that is not crystallized with the SiO 2 film Crystallized Si is grown inside the amorphous Si layer by heat treatment at 800 to 1200 ° C. in a state where the hydrogen concentration at the interface with the porous layer is 0.1% by mass or more. SOI wafer manufacturing method.

第1及び第2方法におけるSOIウェーハの出発材料は、トランジスタなどのデバイスが形成されていない単結晶Siウェーハに熱酸化などの周知の方法でSiO2膜を形成したものである。この単結晶Siウェーハの代わりに、Si引き上げ法でインゴットの上部又は下部で発生する方位が乱れたSi基板を用いてもよい。このような基板はダミーウェーハなどとして使用されており、製品となることはないが、本発明においては出発材料として使用することができる。また、多結晶Si基板なども使用することができる。SiO2膜の厚さは絶縁機能を十分に果たすことが必要である。一方、SiO2層が厚くなると、CLC処理中あるいは、デバイス製造工程での上下の層との熱膨張差が問題になるので4000nm以下が好ましい。
さらに,合成石英(SiO2)基板を使用することができる。石英基板は最近シリカサンドを原料として溶融法で製造する技術開発がなされており、ICの基板として使用できる高純度のものも市販されている。また、黒鉛、SiC、サファイアなども表面にSiO2膜をCVDで被着させて、使用することができる。
The starting material of the SOI wafer in the first and second methods is obtained by forming a SiO 2 film by a known method such as thermal oxidation on a single crystal Si wafer on which no device such as a transistor is formed. Instead of this single crystal Si wafer, a Si substrate in which the orientation generated in the upper part or the lower part of the ingot is disturbed by the Si pulling method may be used. Such a substrate is used as a dummy wafer and does not become a product, but can be used as a starting material in the present invention. A polycrystalline Si substrate or the like can also be used. The thickness of the SiO 2 film needs to sufficiently fulfill the insulating function. On the other hand, when the SiO 2 layer is thick, the difference in thermal expansion between the upper and lower layers during CLC processing or in the device manufacturing process becomes a problem, and therefore it is preferably 4000 nm or less.
In addition, a synthetic quartz (SiO 2 ) substrate can be used. Quartz substrates have recently been developed by the melting method using silica sand as a raw material, and high-purity substrates that can be used as IC substrates are also commercially available. Also, graphite, SiC, sapphire, etc. can be used with a SiO 2 film deposited on the surface by CVD.

続いて、本発明にあっては、半導体素子の回路が形成されているSi層に、SiO2、SiN,Si3N4,SiONなどを公知の方法で形成する。以下の説明では、MOSFETのゲート絶縁膜として一般的に使用されているSiO2膜形成の例を具体的に説明する。SiO2膜形成方法は熱酸化法、CVD法及び高圧酸化法に大別される。熱酸化層はSi層のバルクを水分を含有する酸素ガスにより酸化させる方法である。現在ではパターンルールが90nmのデバイスを製造するためには800℃、30分の条件が採用されている。熱酸化法により形成されるSiO2膜は品質が優れている。CVD法はSiH4又はSi2H6を原料ガスとしてO2,CO2,N2O等により酸化させる方法であり、熱酸化法よりも低温で行われ、品質は劣る。高圧酸化法は500℃程度の低温でも厚さが10nm(100オングストローム)の酸化膜を形成することができる。 Subsequently, in the present invention, SiO 2 , SiN, Si 3 N 4 , SiON or the like is formed by a known method on the Si layer where the circuit of the semiconductor element is formed. In the following description, an example of forming a SiO 2 film generally used as a gate insulating film of a MOSFET will be specifically described. The SiO 2 film forming method is roughly classified into a thermal oxidation method, a CVD method and a high pressure oxidation method. The thermal oxidation layer is a method of oxidizing the bulk of the Si layer with oxygen gas containing moisture. Currently, the condition of 800 ° C for 30 minutes is used to manufacture devices with a pattern rule of 90 nm. The quality of the SiO 2 film formed by the thermal oxidation method is excellent. The CVD method is a method in which SiH 4 or Si 2 H 6 is used as a source gas and is oxidized by O 2 , CO 2 , N 2 O, etc., and is performed at a lower temperature than the thermal oxidation method, and the quality is poor. The high pressure oxidation method can form an oxide film having a thickness of 10 nm (100 Å) even at a low temperature of about 500 ° C.

絶縁膜の機能は、素子により、(イ)下層と上層を電気的に絶縁する;(ロ)MOSトランジスタのゲート酸化膜、厚さは10nm(100オングストローム)程度である;(ハ)フラッシュメモリのゲート酸化膜;(ニ)MOSFETの耐圧を高めるLDD(Light Dosed Drain)のカバー膜などである。その他には(ホ)フラッシュメモリの絶縁膜である。フラッシュメモリは10年程度の長期使用が予定されており、その間ゲート酸化膜から繰返しホットエレクトロンが注入される。またゲート酸化膜の膜厚は現在10nm(100オングストローム)程度であるが、今後の微細化により7nm(70オングストローム)まで薄くなることが予測されている。
絶縁膜の機能改善法としては、特許文献8の方法が提案されているが、絶縁膜材質の変更を伴う。ところが、2次元デバイスでも3次元デバイスでも、SiO2、SiN,Si3N4,SiONなどの公知の材料の皮膜を公知の方法で厚さを10〜500nmに形成した後、ガスレーザー、エキシマレーザー、固体レーザーなどにより融点以下の温度で加熱することにより、稠密化を図り膜質及び耐圧を改善することができる。
The function of the insulating film is to (1) electrically insulate the lower layer from the upper layer by the element; (b) the gate oxide film of the MOS transistor, the thickness is about 10 nm (100 angstroms); (c) the flash memory Gate oxide film; (d) Cover film of LDD (Light Dosed Drain) that increases the breakdown voltage of the MOSFET. Others are (e) an insulating film of flash memory. Flash memory is expected to be used for a long period of about 10 years, during which hot electrons are repeatedly injected from the gate oxide film. The thickness of the gate oxide film is currently about 10 nm (100 angstroms), but it is predicted that it will be reduced to 7 nm (70 angstroms) due to future miniaturization.
As a method for improving the function of the insulating film, the method of Patent Document 8 has been proposed, but it involves a change in the material of the insulating film. However, even in three-dimensional device in the two-dimensional device, after forming a thickness 10~500nm in SiO 2, SiN, Si 3 N 4, SiON known method a film of known materials, such as, gas lasers, excimer lasers By heating at a temperature below the melting point with a solid laser or the like, densification can be achieved and film quality and pressure resistance can be improved.

次に、前記SiO2膜上に多結晶又は非晶質Siの何れかを形成する。これらのSi層成長方法自体は公知である。これらの例を説明する。
(イ)非晶質Si
SiH4 を原料ガスとしてプラズマCVD法により250〜350℃の温度で成長させることができる。プラズマCVD法により形成される非晶質Si層中では上記温度範囲に対応して15〜10原子%と多量の水素を含有している。水素は500〜600℃の結晶化温度以下の温度に加熱することにより、0.1〜1質量%以下に低下させることができる。さらに、非晶質Siはスパッタ又は蒸着により、水素含有量が極めて低い膜を成長することができる。また、ジシランを原料ガスとして400〜500℃で、あるいはモノシランを原料ガスとして550℃〜630℃で、減圧熱CVD法により非晶質Si層を成長させることができる。
(ロ)多結晶Si
SiH4, Si2H6を原料ガスとして、540〜620℃でLP-CVD法によりSiO2膜上に多結晶Siを形成することができる。また、前項(イ)で述べたプラズマCVD法により形成され、かつ水素濃度を0.1原子%未満とした非晶質Siを例えば600℃で18〜20時間に加熱して多結晶Siとすることができる。
Next, either polycrystalline or amorphous Si is formed on the SiO 2 film. These Si layer growth methods are known per se. These examples will be described.
(B) Amorphous Si
It can be grown at a temperature of 250 to 350 ° C. by plasma CVD using SiH 4 as a source gas. The amorphous Si layer formed by the plasma CVD method contains a large amount of hydrogen of 15 to 10 atomic% corresponding to the above temperature range. Hydrogen can be reduced to 0.1-1 mass% or less by heating to a temperature below the crystallization temperature of 500-600 ° C. Furthermore, amorphous Si can grow a film having a very low hydrogen content by sputtering or vapor deposition. Further, an amorphous Si layer can be grown by a low pressure CVD method using disilane as a source gas at 400 to 500 ° C. or monosilane as a source gas at 550 ° C. to 630 ° C.
(B) Polycrystalline Si
Polycrystalline Si can be formed on the SiO 2 film by LP-CVD at 540 to 620 ° C. using SiH 4 and Si 2 H 6 as source gases. In addition, amorphous Si formed by the plasma CVD method described in the previous section (a) and having a hydrogen concentration of less than 0.1 atomic% may be heated to 600 ° C. for 18 to 20 hours to form polycrystalline Si. it can.

上述のように非特許文献10の方法において、CLC処理されたSi層はいわゆる結晶粒界をもっているから、広義では多結晶材料に属する。本発明の方法において、SiO2膜上に積層される多結晶Siは、非特許文献10における粒界がレーザー走査方向に伸び、面方向がそろった多結晶構造とは異なり、通常CVD法などにより形成される粒状の結晶粒をもっている。 As described above, in the method of Non-Patent Document 10, the CLC-treated Si layer has a so-called crystal grain boundary, and thus belongs to a polycrystalline material in a broad sense. In the method of the present invention, the polycrystalline Si laminated on the SiO 2 film is different from the polycrystalline structure in which the grain boundary in Non-Patent Document 10 extends in the laser scanning direction and the plane direction is aligned. Has granular crystal grains to be formed.

続いて、レーザー照射により非晶質Si層の結晶化もしくは多結晶Si層の再結晶化を行う。
(再)結晶化されたSi層に公知の方法により回路素子及びこれらを接続するコンダクターを形成し、また、前述した下層のSi単結晶基板中に形成された回路との接続を行う上下動通コンダクターを形成することにより3次元半導体デバイスが造られる。続いて、本発明の特徴である、CMP処理及び固体連続波レーザー照射を説明する。
Subsequently, the amorphous Si layer is crystallized or the polycrystalline Si layer is recrystallized by laser irradiation.
A circuit element and a conductor for connecting these are formed on the (re) crystallized Si layer by a known method, and the circuit is connected to the circuit formed in the lower Si single crystal substrate described above. A three-dimensional semiconductor device is fabricated by forming a conductor. Subsequently, CMP processing and solid-state continuous wave laser irradiation, which are features of the present invention, will be described.

段落番号0055,0056で説明したSiO2膜は微細凹凸を有している。本発明においては、レーザー照射を行う前にSiO2膜をCMPにより0.3〜1nm程度の粗さに平坦化することにより、Si層との界面の微視的凹凸を少なくする。この結果、レーザー照射の際の結晶粒界発生を抑える。なお、CMP処理は第2層形成の段階では第2層の回路素子、例えばトランジスタが形成される部分の下地となる第1層のSiO2について行えばよいが、実際上はウェーハ全面に行われる。但し、スクライブラインなどが設定されているウェーハではスクライブラインを除いてCMP処理を行うこともできる。CMPは非特許文献16に記載された各種方法及び装置を使用することができる。 The SiO 2 film described in paragraphs 0055 and 0056 has fine irregularities. In the present invention, before the laser irradiation, the SiO 2 film is planarized to a roughness of about 0.3 to 1 nm by CMP to reduce microscopic irregularities at the interface with the Si layer. As a result, generation of crystal grain boundaries during laser irradiation is suppressed. The CMP process may be performed on the second layer circuit element, for example, the first layer SiO 2 which is the base of the portion where the transistor is formed, at the stage of forming the second layer. . However, CMP processing can be performed on a wafer on which a scribe line or the like is set, except for the scribe line. Various methods and apparatuses described in Non-Patent Document 16 can be used for CMP.

本発明において行う固体連続波レーザーの照射と横方向走査によるSiの再結晶は非特許文献10に記載された引用1〜9の如きCLC法である。また、固体連続波レーザーとしては、出力10〜15W、波長532nmのものが現在提供されている。この出力では、固体連続波レーザーを照射する非晶質Si層の厚さが500nm(5000オングストローム)を超えると、層全体を固液界面移動により結晶化させることができなくなり、下地のSiO2膜界面での核発生が起こるので、これらの層の厚さは500nm以下とすることが必要である。なお、本明細書における説明において「結晶化」は、非晶質Siに該当し、多結晶Siの場合はレーザー照射により再結晶化が起こるが、これらを「結晶化」との用語で説明している。レーザー照射は窒素ガスまたはアルゴンガス雰囲気中で行うことが好ましい。 The recrystallization of Si by solid-state continuous wave laser irradiation and lateral scanning performed in the present invention is a CLC method as described in Citations 1 to 9 described in Non-Patent Document 10. Also, solid-state continuous wave lasers with an output of 10 to 15 W and a wavelength of 532 nm are currently provided. With this output, if the thickness of the amorphous Si layer irradiated with the solid-state continuous wave laser exceeds 500 nm (5000 angstroms), the entire layer cannot be crystallized by the solid-liquid interface movement, and the underlying SiO 2 film Since nucleation occurs at the interface, the thickness of these layers needs to be 500 nm or less. In the description of the present specification, “crystallization” corresponds to amorphous Si, and in the case of polycrystalline Si, recrystallization occurs by laser irradiation. These are described in terms of “crystallization”. ing. Laser irradiation is preferably performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas.

さらに、非晶質Si層の水素含有量が1質量%を超えると、レーザー照射時に剥離が発生するために、非晶質Si層の水素含有量は1質量%以下に抑える必要がある。次にレーザーのエネルギーを10J/cm2以上としたのはこのエネルギーを下回ると、Seccoエッチにより検出される結晶粒界が粒状となるからである。 Furthermore, if the hydrogen content of the amorphous Si layer exceeds 1% by mass, peeling occurs during laser irradiation, so that the hydrogen content of the amorphous Si layer needs to be suppressed to 1% by mass or less. Next, the laser energy was set to 10 J / cm 2 or more because below this energy, the grain boundary detected by Secco etching becomes granular.

結晶化したSi層の厚さに関係する事項を説明する。
(イ)SOI-ICの回路素子を形成するSi層の厚さは一般に20〜70nmである。現在は引き上
げ法で得られたSi結晶にデバイスを作っているから、上記の厚さのSi層を形成す
ることにはなんら問題がない。しかしながら、CLC法により調製されたSi結晶を
使用する場合は、上記の厚さの非晶質Si層を形成するか、あるいは一旦より厚い
非晶質Si又は多結晶Si層(以下、この段落及び次の段落では「非晶質Si層」と略
称する)を形成し、次に研摩により薄くするか、あるいは上部のみにデバイスを
作るかの選択を行うことになる。
(ロ)非晶質Si層の厚さが非常に薄いと、下地のSiO2膜にCMPを施さない条件で、例え
ば10nm以下であると、CLC結晶化された非晶質Si層は、下地のSiO2膜の影響を受
けて所望の(100)ではなく(111)などが多くなり、一方、厚さが200〜400nmの非晶
質Si層は、CLC結晶化後、下側約10nmを除いてほぼ(100)方位となる。したがっ
て、極く薄いSi層にデバイスを作る場合、あるいはある程度の厚さをもったSi層
に深い活性領域をもつデバイスを作る場合は、界面に存在する(100)以外の方
位の結晶を少なくすることが必要となる。
(ハ)デバイスの種類により高い移動度(mobility)が要求されるものと、例えば後述の
SRAMの負荷トランジスタのように、そうでないものがある。結晶性の要求は当
然前者については厳しくなり、後者は要求が比較的緩いので、薄い非晶質Si層を
形成し、その後水素添加などにより結晶性を改良する手法をとることができる。
The matter related to the thickness of the crystallized Si layer will be described.
(A) The thickness of the Si layer forming the SOI-IC circuit element is generally 20 to 70 nm. Currently, devices are made on the Si crystal obtained by the pull-up method, so there is no problem in forming the Si layer with the above thickness. However, when using a Si crystal prepared by the CLC method, an amorphous Si layer having the above thickness is formed, or a thicker amorphous Si or polycrystalline Si layer (hereinafter referred to as this paragraph and In the next paragraph, it is abbreviated as “Amorphous Si layer”, and then the choice is made between thinning by polishing or making the device only on top.
(B) If the thickness of the amorphous Si layer is very thin, CLC-crystallized amorphous Si layer is, for example, 10 nm or less under the condition that CMP is not applied to the underlying SiO 2 film. Under the influence of the underlying SiO 2 film, the desired (100) is increased instead of the desired (100), while the amorphous Si layer with a thickness of 200-400 nm is approximately lower on the lower side after CLC crystallization. Except for 10 nm, the orientation is almost (100). Therefore, when making a device with an extremely thin Si layer, or when making a device with a deep active region in a Si layer with a certain thickness, crystals other than (100) existing at the interface are used. It is necessary to reduce it.
(C) Some devices require high mobility depending on the type of device, while others do not, such as an SRAM load transistor described later. The requirement for crystallinity is naturally severe for the former, and the latter is relatively loose. Therefore, it is possible to form a thin amorphous Si layer and then improve the crystallinity by hydrogenation or the like.

以上の事項(イ)〜(ハ)を考慮して、本発明においては、次のような非晶質Si層の厚さ設定態様がある。
(a)100〜200nmの非晶質Si層を形成し、本発明の一連の処理を行い、その後CMPを行い、上記した20〜70nmの厚さを得る。これはSiO2膜界面のSi層は、自己アニール+レーザーアニールにより結晶性は改善されるものの、界面の影響をできるだけ少なくしようとするものである。
(b)20〜70nmの非晶質Si層を形成し、自己アニール+レーザーアニールを行う。この方法は高い移動度が要求されないデバイスを短い工程で造るという利点がある。
In consideration of the above items (a) to (c), the present invention has the following amorphous Si layer thickness setting mode.
(a) An amorphous Si layer having a thickness of 100 to 200 nm is formed, a series of treatments of the present invention are performed, and then CMP is performed to obtain the above-described thickness of 20 to 70 nm. This is to reduce the influence of the interface as much as possible, although the crystallinity of the Si layer at the SiO 2 film interface is improved by self-annealing + laser annealing.
(b) An amorphous Si layer having a thickness of 20 to 70 nm is formed, and self annealing + laser annealing is performed. This method has the advantage of producing a device that does not require high mobility in a short process.

本発明は、先願で提案された水素添加処理後のレーザー加熱に対して、水素添加を行わず、レーザー結晶化直後にレーザーアニールを行うことを最大の特徴としている。なお、レーザーアニールとは、本発明においては自己アニールを促進する処理である。
レーザーアニールのレーザーは、連続波及びパルスの何れでもよく、その波長は特に限定されず、出力も特に限定されないが、表面当り0.2〜0.5J/cm2の範囲であることが好ましい。
The greatest feature of the present invention is that laser annealing is performed immediately after laser crystallization without adding hydrogen to the laser heating after hydrogenation treatment proposed in the prior application. Laser annealing is a treatment that promotes self-annealing in the present invention.
The laser for laser annealing may be either a continuous wave or a pulse, the wavelength is not particularly limited, and the output is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.2 to 0.5 J / cm 2 per surface.

結晶化のためのレーザーが固定式であって、Siウェーハが可動ステージに載置されている場合は、アニールのレーザーも固定し、一方結晶化のためのレーザー移動式の場合はレーザーアニールのためのレーザーも移動式とする。レーザー結晶化及びレーザーアニールを図4を参照して説明する。図中、50は下地のSiO2膜、52はSi層、53は未だ結晶化していない非晶質Si層、54は結晶化した単結晶Si,55は固液界面である。 If the laser for crystallization is fixed and the Si wafer is mounted on a movable stage, the laser for annealing is also fixed, while the laser moving type for crystallization is for laser annealing. The laser is also mobile. Laser crystallization and laser annealing will be described with reference to FIG. In the figure, 50 is the underlying SiO 2 film, 52 is the Si layer, 53 is an amorphous Si layer that is not yet crystallized, 54 is crystallized single crystal Si, and 55 is a solid-liquid interface.

図4を参照して、CLC結晶化の際に発生する欠陥の発生と成長を説明する。結晶化のためのレーザービームは実際には幅をもっているが、Lとの線で示されている。レーザー走査方向は図面において左方向であるので、図4に図示された時点より前の時点(1)には固液界面は、図示の位置よりも右側に存在していた。この特定の時点で欠陥56が発生し、図4に示された時点で欠陥56aは固液界面55とは連続していない。一方,前記時点(1)よりも後で、図4に示された時点より後の時点(2)では、固液界面で欠陥56bが発生し、図4に示された現時点の固液界面55と連続している。したがって、図4に示された時点では、固液界面55には欠陥56bを発生させる種が依然として存在しており、一方欠陥56aに関しては固液界面55には欠陥を発生させる種はなくなっている。一方では、欠陥56aは、これ自身が種となって54aの領域でも欠陥が成長しようとするが、同時に単結晶Siは自己アニールされているので、後者の作用が前者の作用に打ち勝って。欠陥56aは領域54aには伸びていない、すなわち成長が停止している。CLC結晶化により発生した欠陥が消滅しているように見えるのは、上記のように欠陥成長が停止していることに起因する。 Referring to FIG. 4, the generation and growth of defects that occur during CLC crystallization will be described. The laser beam for crystallization actually has a width, but is indicated by a line with L. Since the laser scanning direction is the left direction in the drawing, the solid-liquid interface existed on the right side of the illustrated position at the time (1) before the time illustrated in FIG. A defect 56 is generated at this specific time, and the defect 56a is not continuous with the solid-liquid interface 55 at the time shown in FIG. Meanwhile, the time point (1) later than, the time point (2) after the time point shown in FIG. 4, defects 56b is generated at the solid-liquid interface, a solid-liquid interface of the current shown in Fig. 4 55 Is continuous. Therefore, at the time shown in FIG. 4, there are still seeds that generate defects 56 b at the solid-liquid interface 55, while there are no seeds that generate defects at the solid-liquid interface 55 with respect to the defects 56 a. . On the other hand, the defect 56a itself becomes a seed and the defect tries to grow even in the region 54a. At the same time, since the single crystal Si is self-annealed, the latter action overcomes the former action. The defect 56a does not extend into the region 54a, that is, the growth has stopped. The reason why the defects generated by CLC crystallization seem to disappear is due to the fact that the defect growth is stopped as described above.

以上のような欠陥の発生と成長を考慮して、本発明においては、レーザー照射により発生した固液界面55の固体側、即ち単結晶Si54内であって、固液界面55にできるだけ近い位置に、アニールのためのレーザーを照射することにより欠陥56の長さをできるだけ短くするものである。より詳しく述べると、固液界面55では、特に下地SiO2膜の影響を受けて、欠陥の種が時々刻々異なった場所で発生しているので、固液界面での欠陥発生自体を阻止することはできないが、欠陥発生の瞬間から欠陥の成長と、完全な結晶を作るSi原子の運動が競合状態となるので、結晶化直後で温度が高い領域をレーザーアニールすることにより、欠陥56がある程度成長することは避けられないが、欠陥の成長を阻止し、その長さを短くすることができる。なお、本発明の処理を行った後、先願の水素添加後のレーザー処理を行うと、欠陥が非常に少ないSi層を生成することができる。 In consideration of the generation and growth of defects as described above, in the present invention, the solid-liquid interface 55 generated by laser irradiation, that is, within the single-crystal Si 54 and as close to the solid-liquid interface 55 as possible. The length of the defect 56 is made as short as possible by irradiating a laser for annealing. More specifically, the solid-liquid interface 55 is affected by the underlying SiO 2 film, and defect seeds are generated at different places from time to time. However, since the growth of defects and the movement of Si atoms forming a complete crystal are in a competitive state from the moment when the defects are generated, defects 56 grow to some extent by laser annealing in a region where the temperature is high immediately after crystallization. Although it is unavoidable, the growth of defects can be prevented and the length thereof can be shortened. In addition, when the laser treatment after hydrogenation of the prior application is performed after the treatment of the present invention, a Si layer with very few defects can be generated.

ところで、CLC結晶化により発生した欠陥のうち、1nm以下の最表面に発生したものは、ケミカル洗浄により除去することができる。一方、Si層のうち下地SiO2膜から1〜2nm(10 〜20オングストローム)の深奥部に発生した欠陥はデバイスの特性にはほとんど影響しない。したがって、特に、レーザーアニールにより処理する対象となる欠陥は上記の際表面部と深奥部の中間にあるものである。 By the way, of the defects generated by CLC crystallization, those generated on the outermost surface of 1 nm or less can be removed by chemical cleaning. On the other hand, defects generated in the deep portion of 1 to 2 nm (10 to 20 angstroms) from the underlying SiO 2 film in the Si layer hardly affect the device characteristics. Therefore, in particular, the defect to be processed by laser annealing is in the middle between the surface portion and the deep portion.

本発明法を実施するためのレーザー結晶化・アニール装置構成例を示す図5〜9を参照して、レーザーアニールをより詳しく説明する。
3次元デバイスの素材となるSi膜付基板62はステージ61上に載置されている。結晶化を行うレーザービームの発生源となる固体CWレーザー発信器63と、レーザーアニールを行うレーザービームの発生源となるレーザー発振器64を、設けており、それぞれに、アッテネ−ター65,67及び光学系66、68を直列に接続している。レーザー発振器63、64から出射したレーザービームは、図6に示すエネルギー分布をもっており、同心円状である。これをホモジナイザーを含む光学系66,68によりビームに整形する。すなわち、ホモジナイザーはビームの断面を多数に分割し、分割したビームを拡大又は縮小投影する。これらの整形ビーム長軸は図7のように台形であり、短軸は図8のように台形又は斜め台形となる。
Laser annealing will be described in more detail with reference to FIGS. 5 to 9 showing examples of the configuration of a laser crystallization / annealing apparatus for carrying out the method of the present invention.
A substrate 62 with a Si film, which is a material for a three-dimensional device, is placed on a stage 61. A solid CW laser transmitter 63 serving as a laser beam generation source for performing crystallization and a laser oscillator 64 serving as a laser beam generation source for performing laser annealing are provided. Attenuators 65 and 67 and an optical device are provided respectively. Systems 66 and 68 are connected in series. The laser beams emitted from the laser oscillators 63 and 64 have the energy distribution shown in FIG. 6 and are concentric. This is shaped into a beam by optical systems 66 and 68 including a homogenizer. That is, the homogenizer divides the cross section of the beam into a large number and enlarges or reduces the divided beam. These shaped beam long axes are trapezoidal as shown in FIG. 7, and short axes are trapezoidal or oblique trapezoidal as shown in FIG.

図9に示すように、結晶化のためのレーザービーム70及びアニールのためのレーザービーム71は、光学系66,68により整形されている。レーザー71はCLC結晶化したSi層であって固液界面の極近傍に接近した位置にアニールのための照射されている。これら二つのレーザービーム70,71が接近すると、両方のビームの領域でSi層が溶融するために、レーザービーム71が意図するアニールを行うことができなくなる。一方、二つのレーザービーム70,71が離れすぎると、一旦発生した欠陥はSi結晶の自己アニールの効果だけで消滅するので、レーザーアニールの効果がなくなる。これらの点を考慮すると、レーザービーム70,71の間隔は0.02〜0.1μmが好ましい。なお、2本以上のレーザービーム71をレーザー走査方向に配列することができる。   As shown in FIG. 9, the laser beam 70 for crystallization and the laser beam 71 for annealing are shaped by optical systems 66 and 68. The laser 71 is a CLC crystallized Si layer and is irradiated for annealing at a position close to the vicinity of the solid-liquid interface. When these two laser beams 70 and 71 come close to each other, the Si layer is melted in both beam regions, so that the laser beam 71 cannot perform the intended annealing. On the other hand, if the two laser beams 70 and 71 are too far apart, the defect once generated disappears only by the effect of self-annealing of the Si crystal, so that the effect of laser annealing is lost. Considering these points, the distance between the laser beams 70 and 71 is preferably 0.02 to 0.1 μm. Two or more laser beams 71 can be arranged in the laser scanning direction.

上述した方法により処理されたSi層をCMP処理した後、CVD(Chemical Vapor Deposition)によるエピタキシャル成長を行うと、さらに結晶性が良好なSi層を得ることができる。エピタキシャル成長は、下地のSi層をフッ酸等で水素ターミネ−ション処理した後、公知の方法で行うことができるが、450〜800℃の温度でSiH4,Si2H6ガス及びキャリアガスを低温エピタキシャル成長で行うことが好ましい。エピタキシャル成長がこの温度範囲内で低く、かつ真空度が高いほどエピタキシャル層の結晶性が良好になり、下地のSeccoエッチで検出される粒界状の欠陥がほとんどない結晶を成長させることができる。このようにして形成されたエピタキシャル層にトランジスタなどを形成する。なお、Si単結晶層の厚さを調整するエピタキシャル層の厚さは10〜10000nmが好ましい。 When the Si layer treated by the above-described method is subjected to CMP treatment and then epitaxial growth is performed by CVD (Chemical Vapor Deposition), a Si layer with better crystallinity can be obtained. Epitaxial growth can be performed by a known method after hydrogen termination treatment of the underlying Si layer with hydrofluoric acid or the like, but at a temperature of 450 to 800 ° C., SiH 4 , Si 2 H 6 gas and carrier gas are cooled at a low temperature. It is preferable to carry out by epitaxial growth. The lower the epitaxial growth within this temperature range and the higher the degree of vacuum, the better the crystallinity of the epitaxial layer, and it is possible to grow a crystal having almost no grain boundary defects detected by the underlying Secco etch. A transistor or the like is formed in the epitaxial layer thus formed. The thickness of the epitaxial layer for adjusting the thickness of the Si single crystal layer is preferably 10 to 10,000 nm.

本発明はあらゆるIC用回路の3次元半導体デバイスを製造することができるが、図7に示す(抵抗を使用しない)6トランジスタ完全CMOS-SRAMを3次元に構成した実施例を図8及び9に示す。
図10において、Q1,Q2は駆動トランジスタ(NMOS)であり、Q3,Q4が負荷トランジスタ(PMOS)であり、これらQ1,Q2,Q3,Q4がフリップフロップを構成している。 Q5,Q6 は選択トランジスタ(NMOS)であり、これらのゲートが開いた状態でビット線(D)をHにすると、ビット線(Dバー)はL、即ちAが1、Bが0の書き込みが行われる。H、Lを逆にするとAが0、 Bが1となる。読み出しはワード線(W)をHとし、Q5、Q6のゲートを開いて行う。
Although the present invention can manufacture a three-dimensional semiconductor device of any IC circuit, an embodiment in which the 6-transistor complete CMOS-SRAM shown in FIG. Show.
In FIG. 10, Q1 and Q2 are drive transistors (NMOS), Q3 and Q4 are load transistors (PMOS), and these Q1, Q2, Q3, and Q4 constitute a flip-flop. Q5 and Q6 are selection transistors (NMOS). If the bit line (D) is set to H with these gates open, the bit line (D bar) is L, that is, A is 1 and B is 0. Done. If H and L are reversed, A becomes 0 and B becomes 1. Reading is performed by setting the word line (W) to H and opening the gates of Q5 and Q6.

通常の2次元デバイスでは6個のトランジスタがSi基板上に形成・配列されているが、
本願明では、3個トランジスタQ1、Q3、Q5又はQ2,Q4、Q6を3層配列とすることにより、SRAMの占有面積を従来よりも少なくすることができる。図8及び9に示す実施例においては、Q1を第1層レベル、Q3を第2レベル、ワード線と接続されたQ5を第3層レベルとして構成している。なお、Q2,Q4,Q6の構成も同様である。
In a normal two-dimensional device, six transistors are formed and arranged on a Si substrate.
In the present application, the three transistors Q1, Q3, Q5 or Q2, Q4, Q6 are arranged in a three-layer arrangement, so that the area occupied by the SRAM can be reduced as compared with the prior art. In the embodiment shown in FIGS. 8 and 9, Q1 is configured as the first layer level, Q3 is configured as the second level, and Q5 connected to the word line is configured as the third layer level. The configurations of Q2, Q4, and Q6 are the same.

図11及び12において、第1〜3層をそれぞれL1、L2、L3として示す。10はp型(100)Si基板であり、ソース12、ドレーン11及びこれらの中間のチャネル、熱酸化法で形成されたゲート絶縁膜(SiO2)13、Nポリシリコン電極14から構成されるMOSトランジスタ(Q1)はSiO2からなる絶縁領域15により素子分離されている。絶縁領域15はshallow touch isolation技術で形成されている。
上記したトランジスタQ1と、その上方に形成されCMOSの一方のトランジスタQ3を分離する絶縁膜はCVDによるSiO2層17として厚く形成されている。
11 and 12, the first to third layers are shown as L1, L2, and L3, respectively. Reference numeral 10 denotes a p-type (100) Si substrate, which includes a source 12, a drain 11 and a channel between them, a gate insulating film (SiO 2 ) 13 formed by a thermal oxidation method, and an N + polysilicon electrode 14. MOS transistor (Q1) is isolated by an insulating region 15 made of SiO 2. The insulating region 15 is formed by a shallow touch isolation technique.
The insulating film that separates the transistor Q1 and the one transistor Q3 of the CMOS formed above the transistor Q1 is formed thick as a SiO 2 layer 17 by CVD.

SiO2層17の上面17aはCMPにより平坦化されており、その上に非晶質もしくは多結晶Si層の成膜、固体連続波レーザーによるCLC結晶化、水素処理、及びエキシマなどのレーザーによる熱処理などの一連のプロセスを経たSi層20(以下「レーザー結晶化Si層」という)が形成されている。なお、レーザー結晶化Si層20は一旦全体に成膜され一連の処理後パターニングされている。21はチャネル領域、22はp型ソース、23はp型ドレーンである。24はゲート絶縁膜、25はp+型多結晶Siのゲート電極、26は上下層及び同一レベルの層の素子分離を行う2層目のCVD-SiO2であり、その上面26aが平坦化され、その上に3層目のレーザー結晶化Si層32が形成された状態が図示されている。 An upper surface 17a of the SiO 2 layer 17 is flattened by CMP, and an amorphous or polycrystalline Si layer is formed thereon, CLC crystallization by a solid continuous wave laser, hydrogen treatment, and heat treatment by laser such as excimer. A Si layer 20 (hereinafter referred to as “laser crystallized Si layer”) is formed through a series of processes such as the above. The laser crystallized Si layer 20 is once formed entirely and patterned after a series of treatments. 21 is a channel region, 22 is a p-type source, and 23 is a p-type drain. 24 is a gate insulating film, 25 is a gate electrode of p + type polycrystalline Si, 26 is a second-layer CVD-SiO 2 for element separation of upper and lower layers and the same level layer, and its upper surface 26a is flattened, A state in which a third laser-crystallized Si layer 32 is formed thereon is shown.

第1層及び第2層形成後に、Q1のソースとQ3のドレーンを接続するアルミニウム配線27、及びQ1とQ5(図11には図示せず)を接続するアルミニウム配線28を、SiO2層17,26の窓開け及びアルミニウム蒸着により形成する。なお、アルミニウム配線27の先端には抵抗を下げるためにN+埋め込み層30を設けている。29はQ3を電源線(VDD)に接続するアルミニウム配線である。
アルミニウム配線27〜32を形成し、3層目のSiO2に層35をCVDより形成した状態が図7に示されている。配線27〜32はデバイスが微細化するとW, W-Si, Co, Co-Siなどが必要となる。
After the formation of the first layer and the second layer, the aluminum wiring 27 for connecting the source of Q1 and the drain of Q3, and the aluminum wiring 28 for connecting Q1 and Q5 (not shown in FIG. 11) are connected to the SiO 2 layer 17, It is formed by opening 26 windows and depositing aluminum. An N + buried layer 30 is provided at the tip of the aluminum wiring 27 in order to reduce the resistance. 29 is an aluminum wiring for connecting Q3 to the power supply line (V DD ).
FIG. 7 shows a state in which the aluminum wirings 27 to 32 are formed and the layer 35 is formed by CVD on the third layer of SiO 2 . Wirings 27-32 will require W, W-Si, Co, Co-Si, etc. as devices become smaller.

図12は図11のA -A’線の断面図であり、特に第3層L3に形成されるトランジスタQ5の構造を示している。上述のようにQ5はレーザー結晶化Si層32内に造られており、ソース35、ドレーン36、チャネル37、ゲート絶縁膜(SiO2)38、ゲート電極39を有している。41はQ3のソース35に接続されるアルミニウム電極及び配線であり、ビット線と接続される。42はQ3のドレーン38と接続されるアルミニウム電極であり、Q1及びQ3と接続される。図示のSRAMは3層構造であるために、最上層のCVD−SiO2層35の上面は電極の凹凸を反映しており、平坦化されていない。45は防湿膜、43はパッド部である。半導体デバイスの高速化には配線を短かくし、浮遊容量を小さくすることが有効であるが、このためには図8、9の配線に示すように、上下層貫通方式が有効である。 FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 11, and particularly shows the structure of the transistor Q5 formed in the third layer L3. As described above, Q5 is formed in the laser-crystallized Si layer 32, and has a source 35, a drain 36, a channel 37, a gate insulating film (SiO 2 ) 38, and a gate electrode 39. Reference numeral 41 denotes an aluminum electrode and wiring connected to the source 35 of Q3, and is connected to the bit line. An aluminum electrode 42 is connected to the drain 38 of Q3 and is connected to Q1 and Q3. Since the illustrated SRAM has a three-layer structure, the upper surface of the uppermost CVD-SiO 2 layer 35 reflects the unevenness of the electrodes and is not flattened. 45 is a moisture-proof film and 43 is a pad portion. In order to increase the speed of semiconductor devices, it is effective to shorten the wiring and reduce the stray capacitance. For this purpose, as shown in the wirings of FIGS.

以上、図11〜12を参照して説明したように、本発明によると、SRAMの面積を少なくすることができるばかりでなく、第1及び第2層では平坦な層を積層しているので、各層上に連続した薄い膜を多段に配置することができる。   As described above with reference to FIGS. 11 to 12, according to the present invention, not only can the area of the SRAM be reduced, but also the first and second layers are laminated with flat layers. A continuous thin film can be arranged in multiple stages on each layer.

工程の順序としては、第1層デバイスが形成されたウェーハについて(1)SiO2膜形成(CVD及び熱酸化)、(2)非晶質もしくは多結晶Si層の形成、(3)本発明の第1第2方法によるCMP、レーザー結晶化・水素添加・熱処理、(4)不純物ドーピングによる各領域形成、(5)電極形成を行い、これら一連の段階を第2層及び第3層に関して繰返し、最後の縦方向のメタル用穴あけを行う。
実施例では3層デバイスを説明したが同様に4層以上のデバイスを製造することができるのはいうまでもない。
The order of the processes is as follows: (1) SiO 2 film formation (CVD and thermal oxidation), (2) formation of an amorphous or polycrystalline Si layer, and (3) the present invention. CMP by the first and second methods, laser crystallization / hydrogen addition / heat treatment, (4) region formation by impurity doping, and (5) electrode formation are repeated for these second and third layers. Drill the last vertical metal hole.
Although the three-layer device has been described in the embodiment, it goes without saying that a device having four or more layers can be manufactured in the same manner.

以上説明したように、本発明法により形成・調製されたレーザー結晶化Si層は、結晶性が良好であるために、現在のICデバイス用として要求される電気的特性を有している。また、本発明の3次元半導体デバイス製造では、素材には従来のSOIウェーハを使用することはあるが、それ以外には一切切断、貼り合わせ工程がないために、既存の二次元デバイス製造ラインで製造することができる。
現在のパターンルールである90nmのマスクを使用し、三層構成とすると、52nmのパターンルールに相当する微細化を達成することができる。この52nmは2〜3年先であるといわれているので、本発明法は2〜3年後の微細化を現時点で達成することができる。
As described above, the laser-crystallized Si layer formed and prepared by the method of the present invention has electrical characteristics required for current IC devices because of its good crystallinity. In the manufacturing of 3D semiconductor devices according to the present invention, a conventional SOI wafer may be used as a material, but there is no cutting or bonding process at all. Can be manufactured.
If a 90 nm mask, which is the current pattern rule, is used and a three-layer structure is used, miniaturization corresponding to the 52 nm pattern rule can be achieved. Since this 52 nm is said to be 2 to 3 years ahead, the method of the present invention can achieve miniaturization after 2 to 3 years.

非特許文献6においてキャップ層の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of a cap layer in the nonpatent literature 6. FIG. 非特許文献6においてレーザー照射を受けているSi層の平面図である。It is a top view of Si layer which has received laser irradiation in nonpatent literature 6. 非特許文献6のトランジスタのソース及びドレーンを示す図面である。6 is a diagram illustrating a source and a drain of a transistor of Non-Patent Document 6. ClC結晶化により発生する欠陥の説明図である。It is explanatory drawing of the defect which generate | occur | produces by ClC crystallization. レーザー結晶化・アニール装置構成例を示す図である。It is a figure which shows the laser crystallization and annealing apparatus structural example. レーザー発振器から出射されたビームのエネルギー分布を示す図である。It is a figure which shows energy distribution of the beam radiate | emitted from the laser oscillator. 光学系により整形されたビームの長軸方向のエネルギーを示す図である。It is a figure which shows the energy of the major axis direction of the beam shape | molded by the optical system. 光学系により整形されたビームの短軸方向のエネルギーを示す図である。It is a figure which shows the energy of the short axis direction of the beam shape | molded by the optical system. 結晶化及びアニールを行うレーザービームの説明図である。It is explanatory drawing of the laser beam which performs crystallization and annealing. 完全CMOS SRAMの回路図である。It is a circuit diagram of complete CMOS SRAM. 図4のSRAMの3次元構造図である。FIG. 5 is a three-dimensional structure diagram of the SRAM of FIG. 図7のA-A‘線断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10―単結晶Si基板
17−第1層CVD-SiO2
26−第1層CVD-SiO2
13、24、32−結晶化Si層(非晶質もしくは多結晶Si層をレーザー結晶化し、その後水素処理及びRTA等の熱処理を施したSi層)
55−固液界面
70−結晶化を行うレーザービーム
71 アニールを行うレーザービーム
10-single crystal Si substrate 17-first layer CVD-SiO 2
26-first layer CVD-SiO 2
13, 24, 32--crystallized Si layer (Si layer obtained by laser crystallization of amorphous or polycrystalline Si layer followed by heat treatment such as hydrogen treatment and RTA)
55-Solid-liquid interface 70-Laser beam for crystallization 71 Laser beam for annealing

Claims (2)

半導体素子の回路が形成されているSi層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は水素含有量が1原子%以下の非晶質Si層を積層し、前記多結晶Si層又は非晶質Si層にレーザーを照射しかつ走査することにより再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する3次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を,少なくともその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Si層又は非晶質Si層を積層し、このSi層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射及び走査を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、前記固体連続波レーザー照射及び走査直後に前記再結晶化もしくは結晶化したSi層をレーザーアニールすることを特徴とする3次元半導体デバイスの製造方法。 An insulating film is formed on a Si layer on which a circuit of a semiconductor element is formed, and a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer having a hydrogen content of 1 atomic% or less is stacked on the insulating film, A circuit of another semiconductor element is formed in a recrystallized or crystallized Si layer by irradiating and scanning a laser on an Si layer or an amorphous Si layer, and a three-dimensional semiconductor device for connecting these circuits. In the manufacturing method, at least a portion where a circuit element is formed on the insulating film is planarized by CMP, and then the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is laminated, and the Si layer is recrystallized. Laser irradiation and scanning to crystallize or crystallize are performed by a solid continuous wave laser having an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area, and the recrystallized or crystallized Si layer is immediately after the solid continuous wave laser irradiation and scanning. Laser annealing A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device, characterized in that: 前記レーザーアニール処理されたSi層の表面をCMP処理した後エピタキシャルSi層を成長することを特徴とする請求項1記載の3次元半導体デバイスの製造方法。 2. The method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device according to claim 1, wherein an epitaxial Si layer is grown after CMP processing is performed on the surface of the Si layer subjected to the laser annealing treatment.
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