JP2009004739A - Soi基板の作製方法、および半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】接合層を介して半導体基板とベース基板を貼り付ける。加熱処理を行い、半導体基板を分割することで、半導体基板から分離された半導体層が固定されたベース基板を得ることができる。この半導体層にレーザ光を照射し、溶融させることで、半導体層の表面の平坦性を向上させ、かつその結晶性を回復させる。レーザ光の照射の後、半導体層をエッチングなどにより薄くする。以上の工程を経ることで、ベース基板上に厚さ100nm以下の単結晶半導体層を有するSOI基板を作製することができる。
【選択図】図1
Description
図1および図2は、SOI基板の作製方法の一例を示す断面図である。図1および図2を用いて、SOI基板の作製方法の一例を説明する。
・加速電圧 10kV以上100kV以下
(好ましくは30kV以上80kV以下)
・ドーズ量 1×1016/cm2以上4×1016/cm2以下
・ビーム電流密度 2μA/cm2以上
(好ましくは5μA/cm2以上、より好ましくは10μA/cm2以上)
イオン注入層113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111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。
よって、イオンビーム121に含まれるH3 +の割合を高くすることにより、水素の平均侵入深さのばらつきが小さくなるので、半導体基板111において、水素の深さ方向の濃度プロファイルはより急峻になり、そのプロファイルのピーク位置を浅くすることができる。
図3および図4はSOI基板の作製方法の一例を示す断面図である。以下、図3および図4を用いて、SOI基板の作製方法の一例を説明する。
図5よび図6はSOI基板の作製方法の一例を示す断面図である。図5および図6を用いて、SOIの基板の作製方法の一例を説明する。
実施の形態1乃至3において、半導体層115にレーザ光122を照射する前に、半導体層115をエッチング処理によって薄くする薄膜化工程を行うことができる。イオン注入層113の形成にイオンドーピング装置を用いた場合、半導体層115の厚さを100nm以下にすることが困難である。その一方で、半導体層115が厚すぎると、レーザ光122のエネルギーを高くする必要があるため、レーザ光122の使用できるエネルギー範囲が狭くなり、レーザ光122の照射によって、歩留まり良く半導体層115の平坦化および結晶性の回復を行うことが困難になる。
図1〜図6を用いて説明したSOI基板の作製方法では、無アルカリガラス基板などの各種のガラス基板をベース基板101に適用することが可能となる。従って、ベース基板101にガラス基板を用いることで、一辺が1メートルを超える大面積なSOI基板を製造することができる。このような大面積な半導体製造基板に複数の半導体素子を形成することで、液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス表示装置を作製することができる。また、このような表示装置だけでなく、SOI基板を用いて、太陽電池、フォトIC、半導体記憶装置など各種の半導体装置を製造することができる。
サイドウォール絶縁層155を形成した後に、ゲート電極154およびサイドウォール絶縁層155をマスクにして、半導体層151のみにn型不純物の添加を行い、半導体層151にn型の高濃度不純物領域157を形成する。この工程で、半導体層151には、サイドウォール絶縁層155と重なる領域に低濃度不純物領域158が形成され、ゲート電極154と重なる領域にはチャネル形成領域159が形成される。n型の高濃度不純物領域157はソース領域またはドレイン領域として機能する。
不純物を添加した後、加熱処理を行い、半導体層151、152に添加された不純物を活性化させる。
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
SiH4(4sccm)
N2O (800sccm)
・基板温度 400℃
・圧力 40Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 50W
・電極間距離 15mm
・電極面積 615.75cm2
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
SiH4(10sccm)
NH3(100sccm)
N2O (20sccm)
H2(400sccm)
・基板温度 300℃
・圧力 40Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 50W
・電極間距離 30mm
・電極面積 615.75cm2
・RFパワー 150W
・加速電圧 40kV
・ドーズ量 1.75×1016ions/cm2
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
TEOS(15sccm)
O2 (750sccm)
・基板温度 300℃
・圧力 100Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 300W
・電極間距離 14mm
・電極面積 615.75cm2
<レーザの仕様>
XeClエキシマレーザ
波長 308nm
パルス幅 25ナノ秒(nsec)
繰り返し周波数 30Hz
・347mJ/cm2
・387mJ/cm2
・431mJ/cm2
・477mJ/cm2
・525mJ/cm2
・572mJ/cm2
・619mJ/cm2
・664mJ/cm2
・706mJ/cm2
・743mJ/cm2
暗視野観察は試料に対して斜め方向から光を照明して、試料による散乱光・回折光を観察する方法である。よって、試料の表面が平坦な場合は、照明光の散乱、回折がないため、その観察像は、明度が低く、黒い像(暗い像)となる。
図17、図18において、レーザ光照射前のシリコン層606の暗視野像が黒くないことから、シリコン層606の表面の平坦性が小さいことが分かった。また、図17、図18に示す暗視野像から、エネルギー密度を調節することで、大気雰囲気および窒素雰囲気共に、レーザ光の照射でシリコン層606の平坦性が向上できることが分かった。
図24(A)〜(C)で示したIPFマップについて、配向比率を濃淡で表したものが図46(A)〜(C)である。この図からも分かるように、エネルギー密度が380mJ/cm2以上620mJ/cm2以下の範囲では、いずれの方位においても配向方向はレーザ光照射前後で同じであり、かつ配向比率がほとんど変化していない。このことはすなわち、レーザ光の照射前と照射後でシリコン層の方位が乱れることなく、シリコン層611表面の面方位は使用した単結晶シリコン基板600と同じ{100}面方位を維持し、結晶粒界は存在していないことを意味している。一方、エネルギー密度が743mJ/cm2では、大気雰囲気および窒素雰囲気共に、レーザ光照射前後のIPFマップを比較するとIPFマップの濃淡(配向比率)に変化が見られ、シリコン層611の結晶配向を乱していることが分かる。同時に測定時のCI(Confidence Index)値が低いことから、エネルギー密度が高い条件下では、シリコン層611が微結晶化するものと考えられる。
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
SiH4(4sccm)
N2O (800sccm)
・基板温度 400℃
・圧力 40Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 50W
・電極間距離 15mm
・電極面積 615.75cm2
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
SiH4(10sccm)
NH3(100sccm)
N2O(20sccm)
H2(400sccm)
・基板温度 300℃
・圧力 40Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 50W
・電極間距離 30mm
・電極面積 615.75cm2
・RFパワー 150W
・加速電圧 40kV
・ドーズ量 1.75×1016ions/cm2
・厚さ 50nm
・ガスの種類(流量)
TEOS(15sccm)
O2 (750sccm)
・基板温度 300℃
・圧力 100Pa
・RF周波数 27MHz
・RFパワー 300W
・電極間距離 14mm
・電極面積 615.75cm2
<レーザの仕様>
XeClエキシマレーザ
波長308nm
パルス幅25nsec
繰り返し周波数30Hz
・362mJ/cm2
・404mJ/cm2
・448mJ/cm2
・495mJ/cm2
・542mJ/cm2
・590mJ/cm2
・636mJ/cm2
・680mJ/cm2
・720mJ/cm2
・754mJ/cm2
図34(A)〜(C)で示したIPFマップについて、配向比率を濃淡で表したものが図47(A)〜(C)である。この図からも分かるように、エネルギー密度が380mJ/cm2以上620mJ/cm2以下の範囲では、いずれの方位においても配向方向はレーザ光照射前後で同じであり、かつ配向比率がほとんど変化していない。このことはすなわち、レーザ光の照射前と照射後でシリコン層の方位が乱れることなく、シリコン層641表面の面方位は使用した単結晶シリコン基板600と同じ{100}面方位を維持し、結晶粒界は存在していないことを意味している。一方、エネルギー密度が743mJ/cm2では、大気雰囲気および窒素雰囲気共に、レーザ光照射前後のIPFマップを比較するとIPFマップの濃淡(配向比率)に変化が見られ、シリコン層641の結晶配向を乱していることが分かる。同時に測定時のCI(Confidence Index)値が低いことから、エネルギー密度が高い条件下では、シリコン層641が微結晶化するものと考えられる。
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。以下に、各水素イオン種の反応過程(生成過程、消滅過程)を示す反応式を列挙する。
e+H→e+H++e ・・・・・(a1)
e+H2→e+H2 ++e ・・・・・(a2)
e+H2→e+(H2)*→e+H+H ・・・・・(a3)
e+H2 +→e+(H2 +)*→e+H++H ・・・・・(a4)
H2 ++H2→H3 ++H ・・・・・(a5)
H2 ++H2→H++H+H2 ・・・・・(a6)
e+H3 +→e+H++H+H ・・・・・(a7)
e+H3 +→H2+H ・・・・・(a8)
e+H3 +→H+H+H ・・・・・(a9)
上記のように、H3 +は、主として反応式(a5)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(a5)と競合する反応として、反応式(a6)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(a5)の反応が、反応式(a6)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(a7)、(a8)、(a9)が存在するため、(a5)の反応が(a6)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(a5)の反応が、反応式(a6)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39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39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39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できる。
図39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考察するために、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]・・・(f1)
・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41参照。)。
・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41参照。)、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原子の移動)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39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、薄い半導体層の製造に向いている。
102 絶縁層
103 窒化酸化シリコン膜
104 酸化窒化シリコン膜
105 接合層
111 半導体基板
111’ 半導体基板
112 保護膜
113 イオン注入層
114 接合層
115 半導体層
115A 半導体層
115B 半導体層
116 絶縁層
117 酸化窒化シリコン膜
118 窒化酸化シリコン膜
121 イオンビーム
122 レーザ光
131 SOI基板
131A SOI基板
131B SOI基板
132 SOI基板
132A SOI基板
132B SOI基板
133 SOI基板
133A SOI基板
133B SOI基板
151 半導体層
152 半導体層
153 ゲート絶縁層
154 ゲート電極
154−1 第1導電層
154−2 第2導電層
155 サイドウォール絶縁層
156 窒化シリコン層
157 高濃度不純物領域
158 低濃度不純物領域
159 チャネル形成領域
160 高濃度不純物領域
161 チャネル形成領域
163 絶縁層
164 層間絶縁層
165 コンタクトホール
166 コンタクトプラグ
167 配線
168 層間絶縁膜
200 マイクロプロセッサ
201 演算回路
202 演算回路用制御部
203 命令解析部
204 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(ROM)
210 ROM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 CPU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(RAM)
227 読み出し専用メモリ(ROM)
228 アンテナ
229 容量部
230 電源管理回路
301 マザーガラス
302 半導体層
310 形成領域
311 走査線駆動回路形成領域
312 信号線駆動回路形成領域
313 画素形成領域
321 半導体層
322 走査線
323 信号線
324 画素電極
325 TFT
327 層間絶縁膜
328 電極
329 柱状スペーサ
330 配向膜
332 対向基板
333 対向電極
334 配向膜
335 液晶層
401 選択用トランジスタ
402 表示制御用トランジスタ
403 半導体層
404 半導体層
405 走査線
406 信号線
407 電流供給線
408 画素電極
411 電極
412 ゲート電極
413 電極
427 層間絶縁膜
428 隔壁層
429 EL層
430 対向電極
431 対向基板
432 樹脂層
600 単結晶シリコン基板
600’ 単結晶シリコン基板
601 酸化窒化シリコン膜
602 窒化酸化シリコン膜
603 イオン注入層
604 酸化シリコン膜
605 ガラス基板
606 シリコン層
608a SOI基板
608b SOI基板
608c SOI基板
610 レーザ光
611 シリコン層
612 シリコン層
615 水素イオン
630 単結晶シリコン基板
630’ 単結晶シリコン基板
631 酸化窒化シリコン膜
632 窒化酸化シリコン膜
633 イオン注入層
634 酸化シリコン膜
635 ガラス基板
636 シリコン層
638a SOI基板
638b SOI基板
638c SOI基板
638d SOI基板
639 シリコン層
640 レーザ光
641 シリコン層
642 シリコン層
645 水素イオン
700 SOI基板
701 ガラス基板
702 酸化シリコン膜
703 窒化酸化シリコン膜
704 酸化窒化シリコン膜
705 シリコン層
711 シリコン層
712 シリコン層
713 酸化窒化シリコン膜
714 ゲート電極
715 ゲート電極
716 ソース領域
717 ドレイン領域
718 チャネル形成領域
719 ソース領域
720 ドレイン領域
721 チャネル形成領域
723 酸化窒化シリコン膜
724 窒化酸化シリコン膜
725 酸化窒化シリコン膜
726 ソース電極
727 ドレイン電極
728 ソース電極
729 ドレイン電極
901 携帯電話機
902 表示部
903 操作スイッチ
911 デジタルプレーヤー
912 表示部
913 操作部
914 イヤホン
921 電子ブック
922 表示部
923 操作スイッチ
Claims (19)
- 半導体基板から分離された半導体層と、前記半導体層が固定されているベース基板を有するSOI基板の作製方法であり、
前記半導体基板と、
前記ベース基板と、
加速されたイオン種でなるイオンビームを前記半導体基板に注入して、前記半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成されたイオン注入層と、
前記半導体基板に形成された接合層と、
を用意し、
前記イオン種の生成は、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を含むソースガスを励起することで行われ、
前記接合層と前記ベース基板を接合させることで、前記ベース基板と前記半導体基板を貼り合わせ、
前記半導体基板の加熱によって前記イオン注入層に亀裂を生じさせ、前記半導体基板を前記ベース基板から分離することにより、前記半導体基板から分離された半導体層が固定されたベース基板を形成し、
前記ベース基板に固定された前記半導体層にレーザ光を照射し、
前記レーザ光が照射された半導体層の厚さを薄くすることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 半導体基板から分離された半導体層と、前記半導体層が固定されているベース基板を有するSOI基板の作製方法であり、
前記半導体基板と、
前記ベース基板と、
加速されたイオン種でなるイオンビームを前記半導体基板に注入して、前記半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成されたイオン注入層と、
前記ベース基板に形成された接合層と、
を用意し、
前記イオン種の生成は、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を含むソースガスを励起することで行われ、
前記接合層と前記半導体基板を接合させることで、前記ベース基板と前記半導体基板を貼り合わせ、
前記半導体基板の加熱によって前記イオン注入層に亀裂を生じさせ、前記半導体基板を前記ベース基板から分離することにより、前記半導体基板から分離された半導体層が固定されたベース基板を形成し、
前記ベース基板に固定された前記半導体層にレーザ光を照射し、
前記レーザ光が照射された半導体層の厚さを薄くすることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 半導体基板から分離された半導体層と、前記半導体層が固定されているベース基板を有するSOI基板の作製方法であり、
前記半導体基板と、
前記ベース基板と、
加速されたイオン種でなるイオンビームを前記半導体基板に注入して、前記半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成されたイオン注入層と、
前記半導体基板に形成された第1の接合層と、
前記ベース基板に形成された第2の接合層と、
を用意し、
前記イオンイオン種の生成は、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を含むソースガスを励起することで行われ、
前記第1接合層と前記第2接合層とを接合させることで、前記ベース基板と前記半導体基板を貼り合わせ、
前記半導体基板の加熱によって前記イオン注入層に亀裂を生じさせ、前記半導体基板を前記ベース基板から分離することにより、前記半導体基板から分離された半導体層が固定されたベース基板を形成し、
前記ベース基板に固定された前記半導体層にレーザ光を照射し、
前記レーザ光が照射された半導体層の厚さを薄くすることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1において、
前記半導体基板に前記接合層を形成した後に、前記半導体基板に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。 - 請求項1において、
前記半導体基板に前記イオン注入層を形成した後、前記半導体基板に前記接合層を形成することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項3において、
前記半導体基板に前記第1の接合層を形成した後に、前記半導体基板に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。 - 請求項3において、
前記半導体基板に前記イオン注入層を形成した後、前記半導体基板に前記第1の接合層を形成することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記レーザ光が照射された半導体層の厚さを、100nm以下に薄くすることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記半導体層の厚さを薄くしてから、前記レーザ光を前記半導体層に照射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のいずれかにおいて、
不活性雰囲気で前記レーザ光を前記半導体層に照射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のいずれかにおいて、
窒素雰囲気で前記レーザ光を前記半導体層に照射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のいずれかにおいて、
窒素ガスを照射面に吹き付けながら、前記レーザ光を前記半導体層に照射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のいずれかにおいて、
大気雰囲気で前記レーザ光を前記半導体層に照射することを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至13のいずれか1項において、
前記レーザ光はパルス発振レーザから発振されたレーザ光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14のいずれか1項において、
前記イオン注入層の形成に、イオンドーピング装置を用いることを特徴とするSOI基板の作製方法。 - 請求項1乃至14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、前記水素ガスから生成されたイオン種を質量分離して、H3 +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14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 +及びH3 +を生成し、前記H+、H2 +及びH3 +を含むイオンビームを注入して、前記イオン注入層を形成し、
前記イオンビームは、H+、H2 +、H3 +の総量に対してH3 +の割合が70%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乃至14のいずれか1項において、
前記ベース基板はガラス基板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14のいずれか1項において、前記ベース基板は、アルミノシリケートガラス基板、アルミノホウケイ酸ガラス基板、バリウムホウケイ酸ガラス基板のいずれかであることを特徴とするSOI基板の作製方法。
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