JP2008288563A - Soi基板の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガラス基板などのベース基板に、単結晶半導体基板を接合するため、接合層に、例えば有機シランを原材料としてCVD法で成膜した酸化シリコン膜を用いる。ガラス基板等の耐熱温度が700℃以下の基板でであっても接合部の結合力が強固なSOI基板を形成することができる。また、単結晶半導体基板から分離された半導体層にレーザ光を照射して、その表面を平坦化し、かつ、その結晶性を回復する。
【選択図】図1
Description
このイオン注入工程は、加速されたイオン種でなるイオン流125を半導体基板101に照射することで、イオン種を構成する元素を半導体基板101に添加する工程である。よって、イオン注入層103は、イオン種を構成する元素が添加されている領域である。また、イオン注入層103は、加速されたイオン種の衝撃で結晶構造が失われ、脆くなっている層(脆化層)でもある。
イオン注入層103を浅い領域に形成するためには、イオンの加速電圧を低くする必要があるが、水素ガスを励起することで生成されたプラズマ中のH3 +イオンの割合を高くすることで、原子状水素(H)を効率よく、半導体基板101に添加することができる。それは、H3 +イオンはH+イオンの3倍の質量を持つことから、同じ深さに水素原子を1つ添加する場合、H3 +イオンの加速電圧は、H+イオンの加速電圧の3倍にすることが可能であるからである。イオンの加速電圧を高くすることができれば、イオンの照射工程のタクトタイムを短縮することが可能となり、生産性やスループットの向上を図ることができる。
レーザ光126の照射により、半導体層110が完全溶融すると、液相となった半導体の表面張力により平坦化が進行し、表面が平坦化された半導体層102が形成される。また、完全溶融された領域は、凝固する過程で、溶融された領域と隣接している固相の状態の半導体から結晶成長し、横成長が起こる。半導体基板101が単結晶半導体基板であれば、溶融されていない部分は単結晶半導体であり、結晶方位が揃っているため、結晶粒界が形成されず、レーザ照射処理後の半導体層102は、結晶粒界の無い単結晶半導体層となる。
また、レーザ光126の照射により、半導体層110が部分溶融すると、液相となった半導体の表面張力により平坦化が進行する。同時に、熱の拡散により液相部分の冷却が進み、半導体層110には深さ方向に温度勾配が生じ、ベース基板100側から、半導体層110表面へと固液界面が移動して、再結晶化する。つまり、部分溶融により、半導体層110には下層の溶融しない領域を種として再結晶化が進行して、縦成長が起こる。
主表面の面方位が(100)の単結晶シリコンウエハを半導体基板101に用いた場合、レーザ光照射前の半導体層110は主表面の面方位が(100)の単結晶シリコン層である。また、レーザ照射処理によって完全溶融また部分溶融することで再結晶化された半導体層102は、主表面の面方位が(100)の単結晶シリコン層である。つまり、単結晶半導体基板が用いられる場合、レーザ照射工程は、平坦化工程であり、かつ再単結晶化工程である。
・AFM:セイコーインスツルメンツ(株)製走査型プローブ顕微鏡(モデル:SPI3800N/SPA500)
・測定モード:ダイナミックフォースモード(DFMモード)
・カンチレバー:SI−DF40(シリコン製、バネ定数42N/m、共振周波数250〜390kHz、探針の先端の曲率R≦10nm)
・測定面積:90μm×90μm
・測定点数:256点×256点
上記のような水素プラズマ中には、H+、H2 +、H3 +といった水素イオン種が存在する。ここで、各水素イオン種の反応過程(生成過程、消滅過程)について、以下に反応式を列挙する。
e+H→e+H++e ・・・・・(1)
e+H2→e+H2 ++e ・・・・・(2)
e+H2→e+(H2)*→e+H+H ・・・・・(3)
e+H2 +→e+(H2 +)*→e+H++H ・・・・・(4)
H2 ++H2→H3 ++H ・・・・・(5)
H2 ++H2→H++H+H2 ・・・・・(6)
e+H3 +→e+H++H+H ・・・・・(7)
e+H3 +→H2+H ・・・・・(8)
e+H3 +→H+H+H ・・・・・(9)
上記のように、H3 +は、主として反応式(5)により表される反応過程により生成される。一方で、反応式(5)と競合する反応として、反応式(6)により表される反応過程が存在する。H3 +が増加するためには、少なくとも、反応式(5)の反応が、反応式(6)の反応より多く起こる必要がある(なお、H3 +が減少する反応としては他にも(7)、(8)、(9)が存在するため、(5)の反応が(6)の反応より多いからといって、必ずしもH3 +が増加するとは限らない。)。反対に、反応式(5)の反応が、反応式(6)の反応より少ない場合には、プラズマ中におけるH3 +の割合は減少する。
ここで、イオン種の割合(特にH3 +の割合)が異なる例を示す。図17は、100%水素ガス(イオン源の圧力:4.7×10−2Pa)から生成されるイオンの質量分析結果を示すグラフである。横軸はイオンの質量である。スペクトル中、質量1、2、3のピークは、それぞれ、H+、H2 +、H3 +に対応する。縦軸は、スペクトルの強度であり、イオンの数に対応する。図17では、質量が異なるイオンの数量を、質量3のイオンを100とした場合の相対比で表している。図17から、上記イオン源により生成されるイオンの割合は、H+:H2 +:H3 +=1:1:8程度となることが分かる。なお、このような割合のイオンは、プラズマを生成するプラズマソース部(イオン源)と、当該プラズマからイオンビームを引き出すための引出電極などから構成されるイオンドーピング装置によっても得ることが出来る。
図17のような複数のイオン種を含むプラズマを生成し、生成されたイオン種を質量分離しないで半導体基板に照射する場合、半導体基板の表面には、H+、H2 +、H3 +の各イオンが照射される。イオンの照射からイオン注入層の形成までのメカニズムを再現するために、次の5種類のモデル(モデル1乃至5)を考える。
1.照射されるイオン種がH+で、照射後もH+(H)である場合
2.照射されるイオン種がH2 +で、照射後もH2 +(H2)のままである場合
3.照射されるイオン種がH2 +で、照射後に2個のH(H+)に分裂する場合
4.照射されるイオン種がH3 +で、照射後もH3 +(H3)のままである場合
5.照射されるイオン種がH3 +で、照射後に3個のH(H+)に分裂する場合。
上記のモデル1乃至5を基にして、水素イオン種をSi基板に照射するシミュレーションを行った。シミュレーション用のソフトウェアとして、SRIM(the Stopping and Range of Ions in Matter)を用いた。SRIMは、モンテカルロ法によるイオン導入過程のシミュレーションソフトウェアであり、TRIM(the Transport of Ions in Matter)の改良版である。なお、SRIMは非晶質構造を対象とするソフトウェアではあるが、高エネルギー、高ドーズの条件で水素イオン種を照射する場合には、SRIMを適用することが可能である。それは、水素イオン種とSi原子の衝突により、Si基板の結晶構造が非単結晶構造に変化するためである。
[フィッティング関数]
=X/V×[モデル1のデータ]+Y/V×[モデル5のデータ]・・・(b1)
・モデル3に示される照射過程により導入される水素は、モデル5の照射過程と比較して僅かであるため、除外しても大きな影響はない(SIMSデータにモデル3に対応するピークが現れていない。図19参照。)。
・モデル3によるSi基板中の水素元素の深さ方向プロファイルは、モデル5の深さ方向プロファイルとピーク位置が近いため(図19参照。)、モデル3の寄与は、モデル5の照射過程において生じるチャネリング(結晶の格子構造に起因する元素の移動)により隠れてしまう可能性が高い。すなわち、モデル3のフィッティングパラメータを見積もるのは困難である。これは、本シミュレーションが非晶質Siを前提としており、結晶性に起因する影響を考慮していないことによるものである。
図17に示すようなH3 +の割合を高めた水素イオン種を基板に照射することで、H3 +に起因する複数のメリットを享受することができる。例えば、H3 +はH+やHなどに分離して基板内に導入されるため、主にH+やH2 +を照射する場合と比較して、イオンの導入効率を向上させることができる。これにより、SOI基板の生産性向上を図ることができる。また、同様に、H3 +が分離した後のH+やHの運動エネルギーは小さくなる傾向にあるから、薄い半導体層の作製に向いている。
101 半導体基板
102 半導体層
103 イオン注入層
104 第1接合層
105 絶縁層
106 第2接合層
110 半導体層
120 絶縁層
125 イオン流
126 レーザ光
155 窒化シリコン層
156 酸化シリコン層
157 窒化シリコン層
158 素子分離絶縁層
159 ゲート絶縁層
160 ゲート電極
161 サイドウオール絶縁層
162 第1不純物領域
163 第2不純物領域
164 絶縁層
165 チャネル形成領域
166 層間絶縁層
167 コンタクトホール
169 コンタクトプラグ
170 絶縁層
171 絶縁層
200 マイクロプロセッサ
201 演算回路
202 演算回路制御部
203 命令解析部
204 割り込み制御部
205 タイミング制御部
206 レジスタ
207 レジスタ制御部
208 バスインターフェース
209 読み出し専用メモリ
210 メモリインターフェース
211 RFCPU
212 アナログ回路部
213 デジタル回路部
214 共振回路
215 整流回路
216 定電圧回路
217 リセット回路
218 発振回路
219 復調回路
220 変調回路
221 RFインターフェース
222 制御レジスタ
223 クロックコントローラ
224 インターフェース
225 中央処理ユニット
226 ランダムアクセスメモリ
227 読み出し専用メモリ
228 アンテナ
229 容量部
230 電源管理回路
500 ガラス基板
501 単結晶シリコンウエハ
502 酸化窒化シリコン膜
503 窒化酸化シリコン膜
504 イオン注入層
505 酸化シリコン膜
506 単結晶シリコン層
507 単結晶シリコンウエハ
508 単結晶シリコン層
511 SOI基板
512 SOI基板
521 水素イオン
522 レーザ光
523 矢印
Claims (14)
- 上面に接合層が形成され、かつ前記上面から所定の深さの領域にイオン注入層が形成された半導体基板を用意し、
ベース基板を用意し、
前記イオン注入層の形成は、ソースガスを励起してイオン種を生成し、前記ソースガスから生成されたイオン種を半導体基板に注入することで行われ、
前記接合層と前記ベース基板を接合して、前記半導体基板を前記ベース基板に固定させ、
前記半導体基板を加熱して、前記イオン注入層で前記半導体基板の一部を分離させ、前記ベース基板に半導体層を形成し、
前記半導体層にレーザ光を照射し、前記半導体層を少なくとも部分的に溶融させることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 上面に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に接合層が形成され、かつ前記上面から所定の深さの領域にイオン注入層が形成された半導体基板を用意し、
ベース基板を用意し、
前記イオン注入層の形成は、半導体基板上に絶縁層を形成し、
ソースガスを励起してイオン種を生成し、前記ソースガスから生成されたイオン種を前記半導体基板に注入することで行われ、 前記接合層と前記ベース基板を接合して、前記半導体基板を前記ベース基板に固定させ、
前記半導体基板を加熱して、前記イオン注入層で前記半導体基板の一部を分離させ、前記ベース基板に半導体層を形成し、
前記半導体層にレーザ光を照射し、前記半導体層を少なくとも部分的に溶融させることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1又は2において、
前記接合層を形成するための加熱温度が350℃以下であり、前記半導体基板の加熱温度が400℃以上であることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1又は2において、
前記接合層を形成するための加熱温度が前記イオン注入層に添加した元素または分子が離脱しない温度であり、前記半導体基板の加熱温度が、前記イオン注入層に注入した元素または分子が離脱する温度であることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1又は2において、
前記接合層として、有機シランをシリコンソースガスとし、化学気相成長法により形成される酸化シリコン膜を形成することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 上面に第1接合層が形成され、かつ前記上面から所定の深さの領域にイオン注入層が形成された半導体基板を用意し、
前記イオン注入層の形成は、ソースガスを励起してイオン種を生成し、前記ソースガスから生成されたイオン種を半導体基板に注入することで行われ、
第2接合層が上面に形成されたベース基板を用意し、
前記第1接合層と前記第2接合層を接合して、前記半導体基板を前記ベース基板に固定し、
前記半導体基板を加熱して、前記イオン注入層で前記半導体基板の一部を分離させ、前記ベース基板に半導体層を形成し、
前記半導体層にレーザ光を照射し、前記半導体層を少なくとも部分的に溶融させることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 上面に第1接合層が形成され、かつ前記上面から所定の深さの領域にイオン注入層が形成された半導体基板を用意し、
前記イオン注入層の形成は、ソースガスを励起してイオン種を生成し、前記ソースガスから生成されたイオン種を半導体基板に注入することで行われ、
ベース基板を用意し、
絶縁層を前記ベース基板上に形成し、
第2接合層を前記絶縁層上に形成し、
前記第1接合層と第2接合層を接合して、前記半導体基板を前記ベース基板に固定させ、
前記半導体基板を加熱して、前記イオン注入層で前記半導体基板の一部を分離させ、半導体層を形成し、
前記半導体層にレーザ光を照射し、前記半導体層を少なくとも部分的に溶融させることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項7において、
前記第1接合層及び前記第2の接合層の少なくとも一方を、シリコンソースガスとして有機シランガスを用いて化学気相成長法により酸化シリコン膜で形成することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項2又は7において、
前記絶縁層は、窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜の一方を少なくとも含む単層膜又は2以上の膜を積層した多層膜であることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
前記ソースガスは、水素ガス、希ガス、ハロゲンガス及びハロゲン化合物ガスから選ばれた1種または複数種類のガスであることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至10のいずれか1項において、
前記イオン注入層の形成において、前記ソースガスから生成されたイオン種を質量分離して、所定の質量を有するイオン種を前記半導体基板に注入することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
前記イオン注入層の形成において、前記ソースガスに水素ガスを用い、前記水素ガスから生成されたイオン種を質量分離して、H3 +イオンを前記半導体基板に注入することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
前記ソースガスに水素ガスを用い、前記水素ガスを励起して、H+、H2 +、H3 +を含むイオン流を前記半導体基板に注入して、前記イオン注入層を形成し、
前記イオン流において、H+、H2 +、H3 +の総量に対してH3 +の割合が70%以上とすることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至9のいずれか1項において、
ハロゲンガスを前記ソースガスに用いて、前記ハロゲンガスから生成されたイオン種を前記半導体基板に注入した後、水素ガスを前記ソースガスに用い、前記水素ガスから生成されたイオン種を前記半導体基板に注入して、前記イオン注入層を形成することを特徴とするSOI基板の作製方法。
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