JP2009260298A - Crystallinity evaluation method of single-crystal semiconductor film and manufacturing method of semiconductor substrate - Google Patents

Crystallinity evaluation method of single-crystal semiconductor film and manufacturing method of semiconductor substrate Download PDF

Info

Publication number
JP2009260298A
JP2009260298A JP2009062728A JP2009062728A JP2009260298A JP 2009260298 A JP2009260298 A JP 2009260298A JP 2009062728 A JP2009062728 A JP 2009062728A JP 2009062728 A JP2009062728 A JP 2009062728A JP 2009260298 A JP2009260298 A JP 2009260298A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
crystal semiconductor
semiconductor layer
layer
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2009062728A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009260298A5 (en
JP5576617B2 (en
Inventor
Akihisa Shimomura
明久 下村
Masaki Furuyama
将樹 古山
Motoi Nakajima
基 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2009062728A priority Critical patent/JP5576617B2/en
Publication of JP2009260298A publication Critical patent/JP2009260298A/en
Publication of JP2009260298A5 publication Critical patent/JP2009260298A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5576617B2 publication Critical patent/JP5576617B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor substrate capable of forming a semiconductor element having favorable crystallinity and high performance. <P>SOLUTION: A single-crystal semiconductor substrate having a brittle layer is bonded to a base substrate via an insulating layer; the single-crystal semiconductor substrate is separated with the brittle layer as a boundary by heat treatment; a single-crystal semiconductor layer is fixed on the base substrate; and laser beams are applied to the single-crystal semiconductor layer for turning the single-crystal semiconductor layer into a partially melted state for recrystallization and recovering crystal defects. In concentration distribution in the depth direction of the single-crystal semiconductor layer after the recrystallization, a carbon concentration has the local maximum. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、単結晶半導体膜の結晶性評価方法及びこれを用いた半導体基板の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating crystallinity of a single crystal semiconductor film and a method for manufacturing a semiconductor substrate using the same.

近年、バルク状のシリコンウエハに代わり、絶縁表面に薄い単結晶半導体膜が存在するSOI(Silicon on Insulator)基板を使った集積回路が開発されている。絶縁膜上に形成された薄い単結晶シリコン層の特長を活かすことで、集積回路中のトランジスタ同士を完全に分離して形成することができ、またトランジスタを完全空乏型とすることができるため、高集積、高速駆動、低消費電圧など付加価値の高い半導体集積回路が実現できる。 In recent years, integrated circuits using an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a thin single crystal semiconductor film is present on an insulating surface instead of a bulk silicon wafer have been developed. By taking advantage of the thin single crystal silicon layer formed on the insulating film, the transistors in the integrated circuit can be formed completely separated from each other, and the transistors can be made fully depleted, High-value-added semiconductor integrated circuits such as high integration, high speed driving, and low power consumption can be realized.

SOI基板を製造する方法の1つに、水素イオン注入と剥離を組み合わせた、水素イオン注入剥離法が知られている。水素イオン注入剥離法によるSOI基板の作製方法の概要を以下に説明する。まず、剥離用基板となるシリコンウエハにイオン注入法を用いて水素イオンを注入することにより表面から所定の深さにイオン注入層を形成する。次に、酸化シリコン膜を介して、水素イオンを注入したシリコンウエハを別のシリコンウエハに接合(ボンディング)させる。その後、熱処理を行うことにより、イオン注入層を劈開面として水素イオンを注入した剥離用のシリコンウエハが薄膜状に剥離し、被剥離用のシリコンウエハ上に単結晶シリコン膜を形成することができる。また、水素イオン注入剥離法はスマートカット(登録商標)法と呼ぶこともある。 As one of methods for manufacturing an SOI substrate, a hydrogen ion implantation separation method in which hydrogen ion implantation and separation are combined is known. An outline of a method for manufacturing an SOI substrate by a hydrogen ion implantation separation method will be described below. First, an ion-implanted layer is formed at a predetermined depth from the surface by implanting hydrogen ions into a silicon wafer to be a peeling substrate using an ion implantation method. Next, the silicon wafer implanted with hydrogen ions is bonded (bonded) to another silicon wafer through the silicon oxide film. After that, by performing heat treatment, the separation silicon wafer into which hydrogen ions are implanted with the ion implantation layer as a cleavage plane is separated into a thin film, and a single crystal silicon film can be formed on the separation silicon wafer. . In addition, the hydrogen ion implantation separation method may be referred to as a smart cut (registered trademark) method.

また、このような水素イオン注入剥離法を用いて単結晶シリコン膜をガラスからなるベース基板上に形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。特許文献1では、イオン注入によって形成された欠陥層や、剥離面の数nm〜数十nmの段差を除去するために、剥離面を機械研磨している。また、特許文献2では、剥離工程後、レーザ光を照射して、半導体薄膜層の結晶品質を改善するとともに、半導体薄膜層と透明な絶縁基板を強固に結合させている。 In addition, a method of forming a single crystal silicon film on a base substrate made of glass using such a hydrogen ion implantation separation method has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In Patent Document 1, in order to remove a defect layer formed by ion implantation and a step of several nm to several tens of nm on the peeling surface, the peeling surface is mechanically polished. In Patent Document 2, after the peeling process, laser light is irradiated to improve the crystal quality of the semiconductor thin film layer and to firmly bond the semiconductor thin film layer and the transparent insulating substrate.

特開平11−097379号公報JP-A-11-097379 特開2005−252244号公報JP 2005-252244 A

水素イオン注入剥離法を用いて単結晶半導体膜を形成する場合、イオンの注入により、単結晶半導体膜の欠陥が増大する。単結晶半導体膜に欠陥が多数存在する場合には、例えば、ゲート絶縁膜との界面に欠陥の準位が形成されやすくなるため、これを用いて作製した半導体素子の特性は良好なものではない。 In the case of forming a single crystal semiconductor film by a hydrogen ion implantation separation method, defects in the single crystal semiconductor film are increased by ion implantation. In the case where a single crystal semiconductor film has a large number of defects, for example, defect levels are likely to be formed at the interface with the gate insulating film, so that the characteristics of a semiconductor element manufactured using the defects are not good. .

従来、シリコンウエハに貼り付けられた半導体膜の結晶欠陥は、高温(例えば800℃以上)の温度で加熱することで除去されてきた。しかしながら、ベース基板としてガラス基板を用いると、大面積で安価なSOI基板を作製することが可能になるものの、歪み点が700℃以下と耐熱性が低いため、単結晶半導体膜の結晶欠陥の除去には、このような高温プロセスは用いることができない。 Conventionally, crystal defects in a semiconductor film attached to a silicon wafer have been removed by heating at a high temperature (for example, 800 ° C. or higher). However, when a glass substrate is used as a base substrate, a large-area and inexpensive SOI substrate can be manufactured. However, since a strain point is 700 ° C. or less and heat resistance is low, removal of crystal defects in a single crystal semiconductor film is eliminated. However, such a high temperature process cannot be used.

特許文献2には、剥離後の単結晶半導体膜にレーザを照射して、単結晶半導体膜の結晶性を改善する方法が提案されている。しかしながら、レーザ光の照射強度が小さすぎる場合には、欠陥の回復が十分でなく、また、レーザ光の照射強度が大きすぎる場合には、単結晶半導体膜が微結晶化し、結晶性が低下してしまうという問題が生じる。このため、単結晶半導体膜に照射するレーザ光の照射強度を最適化する必要があるが、最適なレーザ光の照射強度は、単結晶半導体膜の膜厚や、照射雰囲気等によって変化するため、最適なレーザ光の照射強度を一律に決定することは容易ではない。 Patent Document 2 proposes a method for improving the crystallinity of a single crystal semiconductor film by irradiating a laser to the single crystal semiconductor film after peeling. However, when the laser beam irradiation intensity is too low, defect recovery is not sufficient, and when the laser beam irradiation intensity is too high, the single crystal semiconductor film is microcrystallized and crystallinity is lowered. Problem arises. For this reason, it is necessary to optimize the irradiation intensity of the laser light applied to the single crystal semiconductor film, but the optimal irradiation intensity of the laser light varies depending on the thickness of the single crystal semiconductor film, the irradiation atmosphere, etc. It is not easy to uniformly determine the optimal laser beam irradiation intensity.

上述した問題に鑑み、本発明の一態様は、最適なレーザ光の照射条件を設定するために必要な、単結晶半導体膜の結晶性の評価方法を提供することを課題の一とする。 In view of the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to provide a method for evaluating crystallinity of a single crystal semiconductor film which is necessary for setting optimal irradiation conditions of laser light.

また、本発明の一態様は、レーザ光の照射条件を最適化することで、高性能な半導体素子を形成することを可能とする半導体基板及びその作製方法を提供することを課題の1つとする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor substrate that can form a high-performance semiconductor element and a manufacturing method thereof by optimizing irradiation conditions of laser light. .

本発明の結晶性評価方法の一は、単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布を測定し、炭素濃度が極大を有するときは、単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする。 One of the crystallinity evaluation methods of the present invention is a method in which a laser is separated from an embrittlement layer formed in a region having a predetermined depth from the surface of a single crystal semiconductor substrate and fixed on a base substrate through an insulating layer. When the carbon concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer is measured for the single crystal semiconductor layer that has been re-single-crystallized by light irradiation, and the carbon concentration has a maximum, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is It is determined to be excellent.

また、本発明の結晶性評価方法の一は、単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度及び水素濃度分布を測定し、炭素濃度が極大を有し、且つ水素濃度が炭素濃度の極大に対応するショルダーピークを有さないときは、単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする。 One of the crystallinity evaluation methods of the present invention is that after being separated from an embrittlement layer formed in a region having a predetermined depth from the surface of a single crystal semiconductor substrate and fixed on a base substrate through an insulating layer. The carbon concentration and hydrogen concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer are measured with respect to the single crystal semiconductor layer that has been re-single-crystallized by laser light irradiation. The carbon concentration has a maximum and the hydrogen concentration is When there is no shoulder peak corresponding to the maximum of the carbon concentration, it is determined that the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is excellent.

なお、本発明の一態様において、接合層は単結晶半導体基板の表面だけでなく、ベース基板の表面にも形成することができる。また、接合層は、ベース基板の表面のみに形成してもよい。 Note that in one embodiment of the present invention, the bonding layer can be formed not only on the surface of the single crystal semiconductor substrate but also on the surface of the base substrate. Further, the bonding layer may be formed only on the surface of the base substrate.

また、本明細書においてショルダーピークとは、単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布(プロファイル)において、絶縁層との界面付近で見られるショルダーを指す。 In this specification, a shoulder peak refers to a shoulder seen in the vicinity of an interface with an insulating layer in a concentration distribution (profile) in the depth direction of a single crystal semiconductor layer.

本発明の一態様を用いることにより、簡便な方法で単結晶半導体膜の結晶性を評価することができる。また、この評価方法を用いることにより、レーザ光の照射条件の最適化が容易となり、結晶性の良好な単結晶半導体層を効率よく作製することができる。 By using one embodiment of the present invention, the crystallinity of a single crystal semiconductor film can be evaluated by a simple method. Further, by using this evaluation method, it becomes easy to optimize the irradiation condition of the laser beam, and a single crystal semiconductor layer with favorable crystallinity can be efficiently manufactured.

したがって、本発明の一態様に係る半導体基板を用いて高性能な半導体素子を効率よく形成することが可能になる。 Therefore, a high-performance semiconductor element can be efficiently formed using the semiconductor substrate according to one embodiment of the present invention.

レーザ光の照射工程の一例について示す図。The figure shown about an example of the irradiation process of a laser beam. 単結晶半導体層の深さ方向の元素濃度分布を示す図。The figure which shows element concentration distribution of the depth direction of a single crystal semiconductor layer. 溶融状態または結晶状態における水素原子及び炭素原子の拡散係数を示す図。The figure which shows the diffusion coefficient of the hydrogen atom and carbon atom in a molten state or a crystalline state. 半導体基板の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor substrate. 半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の平面図及び断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of a semiconductor device. 半導体装置を用いた電子機器を示す図。FIG. 16 illustrates an electronic device using a semiconductor device. 半導体装置を用いた電子機器を示す図。FIG. 16 illustrates an electronic device using a semiconductor device. 再結晶化後の単結晶半導体層表面をEBSP法にて測定した図。The figure which measured the single crystal semiconductor layer surface after recrystallization by the EBSP method. 再結晶化後の単結晶半導体層のライフタイム評価測定結果を示すグラフ。The graph which shows the lifetime evaluation measurement result of the single crystal semiconductor layer after recrystallization. 単結晶半導体層を用いて作製したTFTのS値を測定した確率統計分布図。The probability statistical distribution map which measured the S value of TFT produced using the single crystal semiconductor layer.

以下、本発明の実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることが可能である。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and various changes can be made in form and details without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numerals may be used in common in different drawings.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の結晶性評価方法について図1乃至図3を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment mode, a crystallinity evaluation method of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、モニタ基板に設けられた単結晶半導体層112の複数の領域にレーザ光113を照射する工程を示している。図1において、絶縁層111を介してベース基板110上に、単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層112が設けられている。図1では、単結晶半導体層112の領域A乃至領域Cの3領域に対して、互いに異なるエネルギー密度条件にてレーザ光113を照射するものとする。なお、上述したように、単結晶半導体基板から分離された後の単結晶半導体層112は、平坦性及び結晶性が損なわれており、結晶欠陥が増大している。なお、単結晶半導体基板としては、例えば、単結晶のシリコン基板やゲルマニウム基板、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板を用いることができる。本実施の形態では、単結晶半導体基板として、シリコンウエハを用いるものとする。 FIG. 1 shows a step of irradiating a plurality of regions of the single crystal semiconductor layer 112 provided on the monitor substrate with laser light 113. In FIG. 1, a single crystal semiconductor layer 112 separated from a single crystal semiconductor substrate is provided over a base substrate 110 with an insulating layer 111 interposed therebetween. In FIG. 1, it is assumed that laser light 113 is irradiated on three regions A to C of the single crystal semiconductor layer 112 under different energy density conditions. Note that as described above, the single crystal semiconductor layer 112 after being separated from the single crystal semiconductor substrate has impaired flatness and crystallinity and increased crystal defects. Note that as the single crystal semiconductor substrate, for example, a single crystal silicon substrate, a germanium substrate, or a compound semiconductor substrate such as gallium arsenide or indium phosphide can be used. In this embodiment mode, a silicon wafer is used as the single crystal semiconductor substrate.

レーザ光113を照射すると、単結晶半導体層112がレーザ光113を吸収し、レーザ光113が照射された部分が温度上昇する。この部分の温度が単結晶半導体層112の融点以上の温度になると、単結晶半導体層112が溶融して欠陥を修復することができる。レーザ光113が照射されなくなると、単結晶半導体層112の溶融部分の温度は下がり、やがて、溶融部分は凝固し、再結晶化(再単結晶化)する。これによって、単結晶半導体層の結晶性を回復させることができる。また、同時に、単結晶半導体層表面の平坦性を回復させることができる。なお、単結晶半導体層112を溶融させるためのレーザ光は、単結晶半導体層112の上方から照射される。 When the laser beam 113 is irradiated, the single crystal semiconductor layer 112 absorbs the laser beam 113 and the temperature of the portion irradiated with the laser beam 113 is increased. When the temperature of this portion is equal to or higher than the melting point of the single crystal semiconductor layer 112, the single crystal semiconductor layer 112 is melted and defects can be repaired. When the laser beam 113 is no longer irradiated, the temperature of the melted portion of the single crystal semiconductor layer 112 is lowered, and the melted portion is eventually solidified and recrystallized (re-single-crystallized). Thus, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer can be recovered. At the same time, the flatness of the surface of the single crystal semiconductor layer can be recovered. Note that laser light for melting the single crystal semiconductor layer 112 is emitted from above the single crystal semiconductor layer 112.

ベース基板110としては、例えばガラス基板を用いることができる。本実施の形態においては、厚さ0.7mmのガラス基板を用いるものとする。また、絶縁層111は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の単層、又はこれらを積層させた膜を用いることができる。これらの膜は、熱酸化法、CVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、CVD法を用いて絶縁層111を形成する場合には、絶縁層111として、テトラエトキシシラン(略称;TEOS:化学式Si(OC)等の有機シランを用いて化学気相成長法により作製される酸化シリコン膜を用いることができる。また、他にもシリコンカーバイド(SiC)膜等のSiを主成分とする絶縁膜を用いてもよい。なお、絶縁層111は、ベース基板110側からナトリウムが拡散することを防止できるバリア層を含むことが好ましい。バリア層として窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を用いることができる。本実施の形態において絶縁層111は、ベース基板110側から順に、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜がそれぞれ50nm積層された構成とする。 As the base substrate 110, for example, a glass substrate can be used. In this embodiment, a glass substrate having a thickness of 0.7 mm is used. As the insulating layer 111, for example, a single layer such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, or a silicon nitride oxide film, or a film in which these layers are stacked can be used. These films can be formed using a thermal oxidation method, a CVD method, a sputtering method, or the like. In the case where the insulating layer 111 is formed by a CVD method, a chemical vapor phase is used as the insulating layer 111 using an organic silane such as tetraethoxysilane (abbreviation: TEOS: chemical formula Si (OC 2 H 5 ) 4 ). A silicon oxide film manufactured by a growth method can be used. In addition, an insulating film containing Si as a main component, such as a silicon carbide (SiC) film, may be used. Note that the insulating layer 111 preferably includes a barrier layer capable of preventing diffusion of sodium from the base substrate 110 side. As the barrier layer, a silicon nitride oxide film or a silicon nitride film can be used. In this embodiment, the insulating layer 111 has a structure in which a silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, and a silicon oxynitride film are stacked in this order from the base substrate 110 side.

なお、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)及び水素前方散乱法(HFS:Hydrogen Forward Scattering)を用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が50〜70原子%、窒素が0.5〜15原子%、Siが25〜35原子%、水素が0.1〜10原子%の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、RBS及びHFSを用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が5〜30原子%、窒素が20〜50原子%、Siが25〜35原子%、水素が15〜30原子%の範囲で含まれるものをいう。但し、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を100原子%としたとき、窒素、酸素、Si及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。 Note that the silicon oxynitride film has a higher oxygen content than nitrogen and has a Rutherford backscattering method (RBS) and a hydrogen forward scattering method (HFS). As a concentration range, oxygen is included in the range of 50 to 70 atomic%, nitrogen is 0.5 to 15 atomic%, Si is 25 to 35 atomic%, and hydrogen is 0.1 to 10 atomic%. Means what In addition, the silicon nitride oxide film has a composition containing more nitrogen than oxygen. When measured using RBS and HFS, the concentration range of oxygen is 5 to 30 atomic%, nitrogen. Is contained in the range of 20-50 atomic%, Si is 25-35 atomic%, and hydrogen is 15-30 atomic%. However, when the total number of atoms constituting silicon oxynitride or silicon nitride oxide is 100 atomic%, the content ratio of nitrogen, oxygen, Si, and hydrogen is included in the above range.

レーザ光113を発振するレーザ発振器は、連続発振レーザ、疑似連続発振レーザ及びパルス発振レーザのいずれでもよいが、パルス発振レーザを用いることが好ましい。これは瞬間的に高エネルギーのパルスレーザ光を発振することができ、溶融状態を作り出すことが容易となるためである。発振周波数は、1Hz以上10MHz以下程度とすることが好ましい。 The laser oscillator that oscillates the laser beam 113 may be any of a continuous wave laser, a pseudo continuous wave laser, and a pulsed laser, but a pulsed laser is preferably used. This is because high-energy pulsed laser light can be instantaneously oscillated, and it becomes easy to create a molten state. The oscillation frequency is preferably about 1 Hz to 10 MHz.

また、レーザ発振器としては、例えば、KrFレーザなどのエキシマレーザ、Arレーザ、Krレーザ等の気体レーザがある。その他、固体レーザとして、YAGレーザ、YVOレーザ、YLFレーザ、YAlOレーザ、GdVOレーザ、KGWレーザ、KYWレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti:サファイアレーザ、Yレーザ等がある。なお、エキシマレーザはパルス発振レーザであるが、YAGレーザなどの固体レーザには、連続発振レーザにも、疑似連続発振レーザにも、パルス発振レーザにもなるものがある。 Examples of the laser oscillator include an excimer laser such as a KrF laser, and a gas laser such as an Ar laser and a Kr laser. Other solid-state lasers include YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, GdVO 4 laser, KGW laser, KYW laser, alexandrite laser, Ti: sapphire laser, Y 2 O 3 laser, and the like. An excimer laser is a pulsed laser, but some solid-state lasers such as a YAG laser can be a continuous wave laser, a pseudo continuous wave laser, or a pulsed laser.

本実施の形態では、レーザ発振器としてXeClエキシマレーザを用い、レーザ光113の波長は、308nmとした。また、単結晶半導体層112の領域A乃至領域Cに対して、それぞれ異なるエネルギー密度にてレーザ光113を照射する。具体的には、領域Aに対しては条件Aのエネルギー密度で、領域Bに対しては条件Bのエネルギー密度で、領域Cに対しては条件Cのエネルギー密度でレーザ光113を照射する。条件A乃至条件Cは、以下の通りである。
条件A.568mJ/cm
条件B.584mJ/cm
条件C.600mJ/cm
In this embodiment, a XeCl excimer laser is used as the laser oscillator, and the wavelength of the laser beam 113 is 308 nm. In addition, the regions A to C of the single crystal semiconductor layer 112 are irradiated with laser light 113 at different energy densities. Specifically, the region A is irradiated with the laser light 113 with the energy density of the condition A, the region B with the energy density of the condition B, and the region C with the energy density of the condition C. Conditions A to C are as follows.
Condition A. 568 mJ / cm 2
Condition B. 584 mJ / cm 2
Condition C.I. 600 mJ / cm 2

照射されるレーザ光113のエネルギー密度に応じて、レーザ光を照射後のそれぞれの領域の単結晶半導体層112の元素濃度の分布が特徴的なものになる。図2に、上記条件A乃至条件Cの照射条件にてレーザ光113を照射した単結晶半導体層112のそれぞれの領域の深さ方向の濃度分布の一例を示す。図2(A)において、横軸は単結晶半導体層112の表面からの深さ(nm)を示し、縦軸は炭素濃度(任意単位)を示す。また、図2(B)において、横軸は単結晶半導体層112の表面からの深さ(nm)を示し、縦軸は水素濃度(任意単位)を示す。また、図2(A)及び(B)において、点線で示したグラフは、レーザ光113を照射する前の、炭素濃度または水素濃度の分布を示す。なお、元素の深さ方向の濃度分布の分析方法としては、2次イオン質量分析法(SIMS;Secondary Ion Mass Spectrometry)を好ましく用いることができる。 Depending on the energy density of the irradiated laser beam 113, the element concentration distribution of the single crystal semiconductor layer 112 in each region after the laser beam irradiation is characteristic. FIG. 2 shows an example of the concentration distribution in the depth direction of each region of the single crystal semiconductor layer 112 irradiated with the laser light 113 under the irradiation conditions of the above conditions A to C. In FIG. 2A, the horizontal axis indicates the depth (nm) from the surface of the single crystal semiconductor layer 112, and the vertical axis indicates the carbon concentration (arbitrary unit). In FIG. 2B, the horizontal axis indicates the depth (nm) from the surface of the single crystal semiconductor layer 112, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration (arbitrary unit). 2A and 2B, a graph indicated by a dotted line indicates a distribution of carbon concentration or hydrogen concentration before the laser beam 113 is irradiated. Note that secondary ion mass spectrometry (SIMS) can be preferably used as a method for analyzing the concentration distribution in the depth direction of the element.

図2(A)より、レーザ光を照射した単結晶半導体層は、照射時に大気中の炭素が膜中に取り込まれる等によって、未照射の単結晶半導体層と比較して炭素濃度が増加する。また、条件A及び条件Bにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層112中の炭素濃度の分布において極大を有する。すなわち、条件A及びBにて照射した単結晶半導体層には、膜中で濃度変化が見られ、表面側の炭素濃度は絶縁層との界面側の炭素濃度よりも増加している。また、当該極大は、条件Aでは絶縁層との界面から20nm付近の領域に存在し、条件Bでは絶縁層との界面から10nm付近の領域に存在している。つまり、条件Aと比較してエネルギー密度の大きい条件Bの方が、より絶縁層111との界面に近い領域において極大が出現している。一方、条件Cにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層112中の炭素濃度の分布において極大は見られない。 As shown in FIG. 2A, the single crystal semiconductor layer irradiated with the laser light has a higher carbon concentration than the non-irradiated single crystal semiconductor layer because carbon in the atmosphere is taken into the film at the time of irradiation. In addition, when laser light is irradiated under the conditions A and B, the carbon concentration distribution in the single crystal semiconductor layer 112 has a maximum. That is, the single crystal semiconductor layer irradiated under the conditions A and B has a concentration change in the film, and the carbon concentration on the surface side is higher than the carbon concentration on the interface side with the insulating layer. Further, the local maximum exists in a region near 20 nm from the interface with the insulating layer in the condition A, and exists in a region near 10 nm from the interface with the insulating layer in the condition B. That is, the maximum appears in the region closer to the interface with the insulating layer 111 under the condition B where the energy density is larger than the condition A. On the other hand, when laser light is irradiated under the condition C, the maximum in the distribution of carbon concentration in the single crystal semiconductor layer 112 is not observed.

また、図2(B)より、レーザ光を照射した単結晶半導体層112は、照射時に単結晶半導体層中に含まれる水素が大気中または絶縁層へと放出される為に、未照射の場合と比較して単結晶半導体層112表面側の水素濃度が低減する。また、条件Aにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層112における水素濃度はショルダーピークを有している。すなわち、条件Aにて照射した単結晶半導体層には、膜中で水素濃度の緩やかな濃度変化が見られる。また、当該ショルダーピークは、炭素濃度の極大の位置と概ね対応した位置に見られている。一方、条件B及びCにてレーザ光を照射した場合には、ショルダーピークは確認できない。 From FIG. 2B, the single crystal semiconductor layer 112 irradiated with laser light is not irradiated because hydrogen contained in the single crystal semiconductor layer is released into the atmosphere or an insulating layer at the time of irradiation. As compared with the above, the hydrogen concentration on the surface side of the single crystal semiconductor layer 112 is reduced. In addition, when laser light is irradiated under the condition A, the hydrogen concentration in the single crystal semiconductor layer 112 has a shoulder peak. That is, in the single crystal semiconductor layer irradiated under the condition A, a gradual change in hydrogen concentration is observed in the film. Further, the shoulder peak is seen at a position substantially corresponding to the position of the maximum carbon concentration. On the other hand, when laser light is irradiated under conditions B and C, no shoulder peak can be confirmed.

以上をまとめると、次のようになる。
条件Aにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Aでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有している。また、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有している。
条件Bにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Bでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有している。また、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークは有さない。
条件Cにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Cでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度の極大及び水素濃度のショルダーピーク共に確認できない。
The above is summarized as follows.
In the region A of the single crystal semiconductor layer irradiated with the laser light under the condition A, the carbon concentration has a maximum in the element concentration distribution of the single crystal semiconductor layer. Moreover, it has a shoulder peak of hydrogen concentration corresponding to the maximum of the carbon concentration.
In the region B of the single crystal semiconductor layer irradiated with the laser light under the condition B, the carbon concentration has a maximum in the element concentration distribution of the single crystal semiconductor layer. Moreover, there is no shoulder peak of hydrogen concentration corresponding to the maximum of the carbon concentration.
In the region C of the single crystal semiconductor layer irradiated with the laser light under the condition C, the maximum concentration of carbon and the shoulder peak of hydrogen concentration cannot be confirmed in the element concentration distribution of the single crystal semiconductor layer.

本発明者らは、レーザ光のエネルギー密度の違いで生じる再結晶化後の単結晶半導体層中の炭素原子及び水素原子の濃度差が、レーザ光照射時の単結晶半導体層の溶融状態に依存すると考察した。つまり、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層が溶融状態であるか、または結晶状態であるかによって、単結晶半導体層(本実施の形態においてはシリコン層)中の水素原子または炭素原子の挙動が変化するために、固液界面付近において濃度差が生じる。 The present inventors determined that the difference in concentration of carbon atoms and hydrogen atoms in the single crystal semiconductor layer after recrystallization caused by the difference in energy density of laser light depends on the melting state of the single crystal semiconductor layer during laser light irradiation. Then I considered it. In other words, hydrogen atoms or carbon atoms in the single crystal semiconductor layer (a silicon layer in this embodiment) depend on whether the single crystal semiconductor layer is in a molten state or a crystalline state when irradiated with laser light. Because the behavior changes, a concentration difference occurs near the solid-liquid interface.

図3に、古典分子動力学法を用いて計算した結晶状態及び溶融状態における、シリコン中での炭素原子及び水素原子の拡散係数を示す。図3において、横軸は温度(℃)を示し、縦軸は炭素原子又は水素原子の拡散係数(cm/s)を示している。また、黒塗り丸印が水素原子の拡散係数を示し、白塗りの丸印が炭素原子の拡散係数を示す。シリコンの融点は1410℃であるため、図3において1410℃未満の領域では、結晶状態での原子の拡散係数を表し、1410℃以上の領域では、溶融状態での原子の拡散係数を表している。 FIG. 3 shows diffusion coefficients of carbon atoms and hydrogen atoms in silicon in a crystalline state and a molten state calculated by using the classical molecular dynamics method. In FIG. 3, the horizontal axis indicates temperature (° C.), and the vertical axis indicates the diffusion coefficient (cm 2 / s) of carbon atoms or hydrogen atoms. A black circle indicates the diffusion coefficient of hydrogen atoms, and a white circle indicates the diffusion coefficient of carbon atoms. Since the melting point of silicon is 1410 ° C., the region below 1410 ° C. in FIG. 3 represents the atomic diffusion coefficient in the crystalline state, and the region above 1410 ° C. represents the atomic diffusion coefficient in the molten state. .

図3より、結晶シリコン中の炭素原子の拡散係数は、1×10−9cm/s以下と著しく小さく、炭素原子は結晶シリコン中で殆ど拡散しない。一方で、シリコンが溶融した状態における炭素原子の拡散係数は、結晶シリコン中と比較して10倍以上上昇している。レーザ光を照射した単結晶半導体層が、表面から下地の絶縁層との界面まで溶融され、液体状態となっている(以下、完全溶融状態)場合には、単結晶半導体層の膜厚方向全体で概略一様の拡散係数を有するため、炭素濃度も均一となる。一方、レーザ光を照射した単結晶半導体層のうち、上層が溶融して液相となり、下層は溶けずに固相の単結晶半導体のまま(以下、部分溶融状態)の場合、上層と下層では10倍以上の拡散係数の相違を有しており、この拡散係数の違いによって固液界面近傍の領域で炭素濃度の濃度差が現れる。 From FIG. 3, the diffusion coefficient of carbon atoms in crystalline silicon is remarkably small as 1 × 10 −9 cm 2 / s or less, and carbon atoms hardly diffuse in crystalline silicon. On the other hand, the diffusion coefficient of carbon atoms in the state in which the silicon is melted is increased as compared to crystalline silicon 10 4 times or more. When the single crystal semiconductor layer irradiated with the laser beam is melted from the surface to the interface with the base insulating layer and is in a liquid state (hereinafter, completely melted), the entire thickness direction of the single crystal semiconductor layer The carbon concentration is uniform because it has a substantially uniform diffusion coefficient. On the other hand, in the single crystal semiconductor layer irradiated with laser light, the upper layer melts to become a liquid phase and the lower layer does not melt but remains a solid single crystal semiconductor (hereinafter referred to as a partially molten state). It has a difference of 104 times or more of the diffusion coefficient, density difference between carbon concentration appears in the region near the solid-liquid interface due to the difference in the diffusion coefficient.

また、図3より、結晶シリコン中の水素原子の拡散係数は、最大で1×10−5cm/s程度であるから、結晶シリコン中の水素原子は表面近傍の原子の一部が大気中に放出されるのみで、膜全体の水素原子の濃度変化は小さいといえる。一方、シリコンが溶融した状態における水素原子の拡散係数は、結晶状態と比較して10倍以上であり、大気中への放出が起こりやすい。レーザ光を照射した単結晶半導体層が完全溶融状態の場合、表面付近の水素原子は大気中に放出されやすくなり、下地の絶縁層付近の水素原子は直接大気中に放出はされないが、表面付近と絶縁層付近の層の勾配を小さくし、均一化する様に移動する。そのため、単結晶半導体層全体の水素原子濃度は、レーザ光を照射する前よりも大きく減少する。一方、レーザ光を照射した単結晶半導体膜が部分溶融状態の場合、表面付近の水素原子は拡散係数が大きいため、大気中に放出され濃度が減少するが、固相部分の水素原子は拡散係数が小さいため、液相と比較して濃度変化は小さい。そのため、単結晶半導体層全体の水素原子濃度が均一化せず、濃度差が現れる。 Further, from FIG. 3, the diffusion coefficient of hydrogen atoms in crystalline silicon is about 1 × 10 −5 cm 2 / s at the maximum, so that some of the atoms in the vicinity of the surface of the hydrogen atoms in crystalline silicon are in the atmosphere. It can be said that the change in the concentration of hydrogen atoms in the entire film is small. On the other hand, the diffusion coefficient of hydrogen atoms in the molten state of silicon is 10 times or more compared to the crystalline state, and is easily released into the atmosphere. When the single crystal semiconductor layer irradiated with laser light is in a completely molten state, hydrogen atoms near the surface are easily released into the atmosphere, and hydrogen atoms near the underlying insulating layer are not released directly into the atmosphere, but near the surface. And the gradient of the layer near the insulating layer is made smaller and moved so as to be uniform. Therefore, the hydrogen atom concentration in the entire single crystal semiconductor layer is greatly reduced as compared to before irradiation with laser light. On the other hand, when the single crystal semiconductor film irradiated with laser light is in a partially melted state, hydrogen atoms near the surface have a large diffusion coefficient, so the concentration is reduced by being released into the atmosphere. Therefore, the concentration change is small compared to the liquid phase. Therefore, the concentration of hydrogen atoms in the entire single crystal semiconductor layer is not uniform, and a concentration difference appears.

したがって、再結晶化後の単結晶半導体層の水素原子及び炭素原子の濃度分布より、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層の溶融状態を判定することができる。図2に示したSIMS測定結果では、条件Aと条件Bでは炭素濃度の濃度差(極大)を有し、条件Cでは極大を有さないため、条件A及びBが部分溶融状態、条件Cが完全溶融状態であることがわかる。また、炭素原子は結晶状態では殆ど拡散しないため、炭素濃度の濃度差が現れる領域付近、すなわち、極大付近が固液界面と近似できる。 Therefore, the melting state of the single crystal semiconductor layer when irradiated with laser light can be determined from the concentration distribution of hydrogen atoms and carbon atoms in the single crystal semiconductor layer after recrystallization. In the SIMS measurement results shown in FIG. 2, the condition A and the condition B have a concentration difference (maximum) in carbon concentration, and the condition C has no maximum. Therefore, the conditions A and B are in a partially molten state, and the condition C is It can be seen that it is in a completely molten state. Further, since carbon atoms hardly diffuse in the crystalline state, the vicinity of the region where the concentration difference of the carbon concentration appears, that is, the vicinity of the maximum can be approximated to the solid-liquid interface.

また、水素原子は炭素原子よりも拡散係数が大きく、部分溶融状態では、水素原子は溶融された領域と、当該領域からの熱伝導により水素ガスが放出する温度以上に加熱された領域と、で濃度が減少する。従って、炭素原子と比較して濃度の変化は緩やかなショルダーピークとなり、また、その位置は固液界面よりも下方(絶縁層との界面方向)にずれる。なお、条件Bのように固液界面が絶縁膜との界面に近づくと、単結晶半導体層の全体で水素ガスが放出する温度以上に加熱されて、単結晶半導体層全体で水素原子が概略均一に拡散する為、濃度差が現れなくなる。単結晶半導体層の濃度分布において炭素濃度が極大を有し、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークは有さない場合、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層は、下部絶縁層との界面近傍まで溶融した部分溶融状態であるということができる。 Also, hydrogen atoms have a larger diffusion coefficient than carbon atoms, and in a partially molten state, the hydrogen atoms are in a melted region and a region heated to a temperature higher than the temperature at which hydrogen gas is released by heat conduction from the region. Concentration decreases. Therefore, the change in concentration becomes a gradual shoulder peak as compared with carbon atoms, and the position shifts downward (in the direction of the interface with the insulating layer) from the solid-liquid interface. Note that when the solid-liquid interface approaches the interface with the insulating film as in Condition B, the entire single crystal semiconductor layer is heated above the temperature at which hydrogen gas is released, and the hydrogen atoms are substantially uniform throughout the single crystal semiconductor layer. The difference in density disappears due to diffusion. When the carbon concentration has a maximum in the concentration distribution of the single crystal semiconductor layer, and there is no shoulder peak of the hydrogen concentration corresponding to the maximum of the carbon concentration, the single crystal semiconductor layer when irradiated with laser light has a lower insulation. It can be said that it is in a partially molten state melted to the vicinity of the interface with the layer.

以下、本明細書においては、再結晶化後の単結晶半導体層が、炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有する部分溶融状態を、狭義の部分溶融状態とし、再結晶化後の単結晶半導体層が、炭素濃度の極大を有し、且つ当該極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有さない部分溶融状態を準完全溶融状態として表記するものとする。準完全溶融状態の単結晶半導体層は、下部絶縁層との界面近傍まで溶融している。例えば、本実施の形態においては、条件Aにてレーザ光を照射した場合の単結晶半導体層の溶融状態が狭義の部分溶融状態であり、条件Bにてレーザ光を照射した場合の単結晶半導体層の溶融状態が準完全溶融状態である。 Hereinafter, in the present specification, the single crystal semiconductor layer after recrystallization has a partially melted state having a hydrogen concentration shoulder peak corresponding to the maximum carbon concentration as a partially melted state in a narrow sense, and after recrystallization. A partially molten state in which the single crystal semiconductor layer has a maximum of carbon concentration and does not have a shoulder peak of hydrogen concentration corresponding to the maximum is expressed as a quasi-completely molten state. The quasi-completely melted single crystal semiconductor layer is melted to the vicinity of the interface with the lower insulating layer. For example, in this embodiment, the single crystal semiconductor layer when the laser light is irradiated under the condition A is a partially melted state in a narrow sense, and the single crystal semiconductor when the laser light is irradiated under the condition B The molten state of the layer is a quasi-completely molten state.

レーザ光の照射により単結晶半導体層の欠陥を低減させる場合には、狭義の部分溶融状態、又は、準完全溶融状態とすることが好ましい。完全溶融状態とした場合には、液相となった後の無秩序な核発生により、単結晶半導体層の一部の領域が微結晶化し、結晶性が低下するためである。 In the case where defects in the single crystal semiconductor layer are reduced by laser light irradiation, it is preferable to use a partially melted state in a narrow sense or a quasi-completely melted state. This is because, in a completely molten state, a part of the single crystal semiconductor layer is microcrystallized due to disordered nucleation after becoming a liquid phase, and crystallinity is lowered.

一方で、狭義の部分溶融状態とした場合には、溶融されていない固体の領域から結晶成長が進行するため、結晶性を保ったまま欠陥を低減することができる。また、準完全溶融状態とした場合には、下部絶縁層との界面付近において、溶融していない固体が、わずかに残存しており、これを種結晶として結晶成長が進行する。このため、下部絶縁層との界面付近からの固化により、結晶性を低下させることなく欠陥を低減することができる。単結晶半導体層を準完全溶融状態とすることで、結晶欠陥が単結晶半導体層と下部絶縁層との界面付近まで存在する場合であっても、当該欠陥を修復し、単結晶半導体層の結晶性を回復させることが可能になる。 On the other hand, when a partially melted state in a narrow sense is used, crystal growth proceeds from an unmelted solid region, so that defects can be reduced while maintaining crystallinity. Further, in the case of a quasi-completely melted state, a little unmelted solid remains in the vicinity of the interface with the lower insulating layer, and crystal growth proceeds using this as a seed crystal. For this reason, defects can be reduced without lowering crystallinity due to solidification from the vicinity of the interface with the lower insulating layer. By setting the single crystal semiconductor layer to a quasi-completely melted state, even when a crystal defect exists up to the interface between the single crystal semiconductor layer and the lower insulating layer, the defect is repaired and the crystal of the single crystal semiconductor layer is recovered. It becomes possible to restore sex.

上述の半導体基板における単結晶半導体層の欠陥を低減させ、結晶性を向上させるという目的においては、レーザ光を照射した単結晶半導体層が部分溶融状態のとき、単結晶半導体層の結晶性が良好であり、準完全溶融状態のときに特に良好である。すなわち、レーザ光を照射した後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度の分布において、炭素濃度が極大を有するときは、単結晶半導体層の結晶性が優れており、炭素濃度が極大を有し、且つ、水素濃度が当該極大に対応するショルダーピークを有さないときは、単結晶半導体層の結晶性が特に優れているということができる。また、炭素濃度の極大の位置は、部分溶融状態における固液界面と近似することができるため、極大が下部絶縁層との界面から20nm以内好ましくは10nm以内の領域に存在する場合、単結晶半導体層の結晶性は良好であるということができる。 For the purpose of reducing defects and improving crystallinity of the single crystal semiconductor layer in the semiconductor substrate, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is good when the single crystal semiconductor layer irradiated with laser light is in a partially molten state. It is particularly good when in a quasi-completely melted state. That is, in the distribution of concentration in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after laser irradiation, when the carbon concentration has a maximum, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is excellent, and the carbon concentration has a maximum. In addition, when the hydrogen concentration does not have a shoulder peak corresponding to the maximum, it can be said that the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is particularly excellent. In addition, since the position of the maximum of the carbon concentration can be approximated to the solid-liquid interface in the partially molten state, when the maximum exists in the region within 20 nm, preferably within 10 nm from the interface with the lower insulating layer, the single crystal semiconductor It can be said that the crystallinity of the layer is good.

以上示したように、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布を測定し、単結晶半導体層の溶融状態を判定することで、極めて簡便な方法で再結晶化後の単結晶半導体層の結晶性を評価することができる。 As shown above, the element concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after recrystallization is measured, and the melting state of the single crystal semiconductor layer is determined, so that after recrystallization by an extremely simple method The crystallinity of the single crystal semiconductor layer can be evaluated.

また、本発明に係る評価方法を用いることで、レーザ光の照射条件の最適化が容易となるため、結晶性の良好な単結晶半導体層を効率よく作製することができる。 Further, by using the evaluation method according to the present invention, it is easy to optimize the irradiation condition of the laser light, and thus a single crystal semiconductor layer with favorable crystallinity can be efficiently manufactured.

例えば、n(n≧2)層の単結晶半導体層をレーザ処理してn(n≧2)枚の半導体基板を作製する場合、n枚のうち1枚をモニタ基板として、単結晶半導体層の複数の領域に互いに異なるエネルギー密度条件にてレーザ光を照射した後、本実施の形態で示した結晶性評価方法を用いて再結晶化後の単結晶半導体層の結晶性を評価する。そして、その評価方法を用いて検出した最適なレーザ光の照射条件を用いて(n−1)枚にレーザ光を照射する。これによって、結晶性の良好な単結晶半導体層を有する(n−1)枚の半導体基板を効率よく作製することが可能となる。 For example, in the case of manufacturing n (n ≧ 2) semiconductor substrates by laser processing of n (n ≧ 2) single crystal semiconductor layers, one of the n single crystal semiconductor layers is used as a monitor substrate. After the plurality of regions are irradiated with laser light under different energy density conditions, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer after recrystallization is evaluated using the crystallinity evaluation method described in this embodiment. Then, (n−1) sheets are irradiated with laser light using the optimum irradiation condition of laser light detected using the evaluation method. Accordingly, (n−1) semiconductor substrates having a single crystal semiconductor layer with favorable crystallinity can be efficiently manufactured.

また、最適なレーザ光の照射強度を選択することで、半導体基板の作製工程において単結晶半導体層が微結晶化した不良基板の発生を抑制することが可能となる。よって、良好な単結晶半導体層を有する半導体基板を低いコストで作製することができる。 In addition, by selecting an optimal laser light irradiation intensity, generation of a defective substrate in which a single crystal semiconductor layer is microcrystallized in a semiconductor substrate manufacturing process can be suppressed. Therefore, a semiconductor substrate having a favorable single crystal semiconductor layer can be manufactured at low cost.

なお、本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be freely combined with any of the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1の評価方法を用いた半導体基板の作製方法について、図4を参照して説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor substrate using the evaluation method of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.

はじめに、n(n≧2)枚のベース基板110を用意する(図4(A)参照)。ベース基板110には、液晶表示装置などに使用されている透光性を有するガラス基板を好ましく用いることができる。ガラス基板としては、歪み点が580℃以上680℃以下(好ましくは、600℃以上680℃以下)であるものを用いると良い。また、ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。 First, n (n ≧ 2) base substrates 110 are prepared (see FIG. 4A). As the base substrate 110, a light-transmitting glass substrate used in a liquid crystal display device or the like can be preferably used. A glass substrate having a strain point of 580 ° C. or higher and 680 ° C. or lower (preferably 600 ° C. or higher and 680 ° C. or lower) may be used. The glass substrate is preferably an alkali-free glass substrate. For the alkali-free glass substrate, glass materials such as aluminosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and barium borosilicate glass are used, for example.

なお、ベース基板110としては、ガラス基板の他、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体でなる基板、珪素などの半導体でなる基板、金属やステンレスなどの導電体でなる基板などを用いることもできる。 As the base substrate 110, a glass substrate, a substrate made of an insulator such as a ceramic substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate, a substrate made of a semiconductor such as silicon, a substrate made of a conductor such as metal or stainless steel, or the like is used. You can also

本実施の形態においては示さないが、ベース基板110の表面に絶縁層を形成しても良い。該絶縁層を設けることにより、ベース基板110に不純物(アルカリ金属やアルカリ土類金属など)が含まれている場合には、当該不純物が半導体層へ拡散することを防止できる。絶縁層は単層構造でも良いし積層構造でも良い。絶縁層を構成する材料としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを挙げることができる。 Although not shown in this embodiment mode, an insulating layer may be formed on the surface of the base substrate 110. By providing the insulating layer, when an impurity (such as an alkali metal or an alkaline earth metal) is contained in the base substrate 110, the impurity can be prevented from diffusing into the semiconductor layer. The insulating layer may have a single layer structure or a laminated structure. Examples of the material forming the insulating layer include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon nitride oxide.

次に、n(n≧2)枚の単結晶半導体基板100を用意する。単結晶半導体基板100としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコンなどの第4属元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。もちろん、ガリウムヒ素、インジウムリンなどの化合物半導体でなる基板を用いてもよい。本実施の形態においては、単結晶半導体基板100として、単結晶シリコン基板を用いることとする。単結晶半導体基板100の形状やサイズに制限は無いが、例えば、8インチ(200mm)、12インチ(300mm)、18インチ(450mm)といった円形の半導体基板を、矩形に加工して用いることができる。なお、本明細書において、単結晶とは、結晶構造が一定の規則性を持って形成されており、どの部分においても結晶軸が同じ方向を向いているものをいう。つまり、欠陥の多少については問わないものとする。 Next, n (n ≧ 2) single crystal semiconductor substrates 100 are prepared. As the single crystal semiconductor substrate 100, for example, a single crystal semiconductor substrate made of a Group 4 element such as silicon, germanium, silicon germanium, or silicon carbide can be used. Of course, a substrate made of a compound semiconductor such as gallium arsenide or indium phosphide may be used. In this embodiment, a single crystal silicon substrate is used as the single crystal semiconductor substrate 100. Although there is no restriction | limiting in the shape and size of the single crystal semiconductor substrate 100, For example, circular semiconductor substrates, such as 8 inches (200 mm), 12 inches (300 mm), and 18 inches (450 mm), can be processed into a rectangle and used. . Note that in this specification, a single crystal means that the crystal structure is formed with a certain regularity and the crystal axes are in the same direction in any part. That is, it does not matter about the number of defects.

単結晶半導体基板100を洗浄した後、単結晶半導体基板100表面に絶縁層を形成する。絶縁層を設けない構成とすることもできるが、後のイオン打ち込みの際の単結晶半導体基板100の汚染及び表面の損傷を防ぐためには、絶縁層を設けることが好ましい。 After the single crystal semiconductor substrate 100 is cleaned, an insulating layer is formed on the surface of the single crystal semiconductor substrate 100. Although an insulating layer may be omitted, it is preferable to provide an insulating layer in order to prevent contamination and surface damage of the single crystal semiconductor substrate 100 during subsequent ion implantation.

次に、上記絶縁層を介して、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを単結晶半導体基板100に照射し、単結晶半導体基板100の表面から所定の深さの領域に、脆化層102を形成する。脆化層102が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって制御することができる。ここで、脆化層102は、イオンの平均侵入深さと同程度の深さの領域に形成されることになる。 Next, the single crystal semiconductor substrate 100 is irradiated with an ion beam made of ions accelerated by an electric field through the insulating layer, and the embrittlement layer 102 is formed in a region at a predetermined depth from the surface of the single crystal semiconductor substrate 100. Form. The depth of the region where the embrittlement layer 102 is formed can be controlled by the acceleration energy of the ion beam and the incident angle of the ion beam. Here, the embrittlement layer 102 is formed in a region having a depth similar to the average penetration depth of ions.

上述の脆化層102が形成される深さにより、単結晶半導体基板100から分離される半導体層の厚さが決定される。脆化層102が形成される深さは、単結晶半導体基板100の表面から50nm以上500nm以下であり、好ましくは50nm以上200nm以下である。 The thickness of the semiconductor layer separated from the single crystal semiconductor substrate 100 is determined by the depth at which the embrittlement layer 102 is formed. The depth at which the embrittlement layer 102 is formed is 50 nm or more and 500 nm or less, preferably 50 nm or more and 200 nm or less from the surface of the single crystal semiconductor substrate 100.

イオンを単結晶半導体基板100に打ち込む際には、イオン注入装置又はイオンドーピング装置を用いることができる。イオン注入装置では、ソースガスを励起してイオン種を生成し、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被処理物に注入する。イオンドーピング装置は、プロセスガスを励起してイオン種を生成し、生成されたイオン種を質量分離せずに被処理物に打ち込む。なお、質量分離装置を備えているイオンドーピング装置では、イオン注入装置と同様に、質量分離を伴うイオンの注入を行うこともできる。本明細書において、イオン注入装置又はイオンドーピング装置のいずれか一方を特に用いる必要がある場合にのみそれを明記し、特に明記しないときは、いずれの装置を用いてイオンの打ち込みを行っても良いこととする。 When ions are implanted into the single crystal semiconductor substrate 100, an ion implantation apparatus or an ion doping apparatus can be used. In the ion implantation apparatus, a source gas is excited to generate ion species, the generated ion species are mass-separated, and an ion species having a predetermined mass is injected into a workpiece. The ion doping apparatus excites a process gas to generate ion species, and implants the generated ion species into a workpiece without mass separation. Note that an ion doping apparatus provided with a mass separator can also perform ion implantation with mass separation, as in the case of an ion implanter. In this specification, only one of the ion implantation apparatus and the ion doping apparatus is specified particularly when it is necessary to use the ion implantation apparatus, and if not particularly specified, any apparatus may be used for ion implantation. I will do it.

イオンドーピング装置を用いる場合のイオンの打ち込み工程は、例えば、以下の条件で行うことができる。
・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 1×1016ions/cm以上4×1016ions/cm以下
・ビーム電流密度 2μA/cm以上(好ましくは5μA/cm以上、より好ましくは10μA/cm以上)
The ion implantation process in the case of using an ion doping apparatus can be performed, for example, under the following conditions.
・ Acceleration voltage: 10 kV to 100 kV (preferably 30 kV to 80 kV)
・ Dose amount 1 × 10 16 ions / cm 2 or more and 4 × 10 16 ions / cm 2 or less ・ Beam current density 2 μA / cm 2 or more (preferably 5 μA / cm 2 or more, more preferably 10 μA / cm 2 or more)

イオンドーピング装置を用いる場合、イオンの打ち込み工程のソースガスには水素を含むガスを用いることができる。該ガスを用いることによりイオン種としてH、H 、H を生成することができる。該ガスをソースガスとして用いる場合には、H を多く打ち込むことが好ましい。具体的には、イオンビームに、H、H 、H の総量に対してH イオンが70%以上含まれるようにすることが好ましい。また、H イオンの割合を80%以上とすることがより好ましい。このようにH の割合を高めておくことで、脆化層102に1×1020atoms/cm以上の濃度で水素を含ませることが可能である。これにより、脆化層102からの剥離が容易になる。また、H イオンを多く打ち込むことで、H、H を打ち込むよりもイオンの打ち込み効率が向上する。つまり、打ち込みにかかる時間を短縮することができる。 In the case of using an ion doping apparatus, a gas containing hydrogen can be used as a source gas in an ion implantation process. By using the gas, H + , H 2 + , and H 3 + can be generated as ionic species. When the gas is used as a source gas, it is preferable to implant a large amount of H 3 + . Specifically, it is preferable that 70% or more of H 3 + ions are included in the ion beam with respect to the total amount of H + , H 2 + , and H 3 + . Moreover, it is more preferable that the ratio of H 3 + ions is 80% or more. By increasing the ratio of H 3 + in this manner, the embrittlement layer 102 can contain hydrogen at a concentration of 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. Thereby, peeling from the embrittlement layer 102 becomes easy. Further, by implanting a large amount of H 3 + ions, the ion implantation efficiency is improved as compared with implanting H + and H 2 + . That is, the time required for driving can be shortened.

イオン注入装置を用いる場合には、質量分離により、H イオンが注入されるようにすることが好ましい。もちろん、H を注入してもよい。ただし、イオン注入装置を用いる場合には、イオン種を選択して注入するため、イオンドーピング装置を用いる場合と比較して、イオン打ち込みの効率が低下する場合がある。 When using an ion implantation apparatus, it is preferable to implant H 3 + ions by mass separation. Of course, H 2 + may be implanted. However, when an ion implantation apparatus is used, since ion species are selected and implanted, the efficiency of ion implantation may be reduced as compared with the case where an ion doping apparatus is used.

上記の脆化層102を形成した後、絶縁層を除去し、新たに絶縁層111を形成する(図4(B)参照)。ここで、絶縁層を除去するのは、上記のイオン打ち込みの際に、絶縁層が損傷している可能性が高いためである。なお、絶縁層の損傷が問題とならない場合には絶縁層を除去する必要はない。 After the embrittlement layer 102 is formed, the insulating layer is removed and an insulating layer 111 is newly formed (see FIG. 4B). Here, the reason why the insulating layer is removed is that there is a high possibility that the insulating layer is damaged during the ion implantation. Note that it is not necessary to remove the insulating layer if damage to the insulating layer is not a problem.

絶縁層111は、貼り合わせにおけるボンディング(接合)を形成する層であるから、その表面は、高い平坦性を有していることが好ましい。このような絶縁層111としては、例えば、有機シランガスを用いて化学気相成長法により形成される酸化珪素膜を用いることができる。なお、本実施の形態においては絶縁層111を単層構造としたが、2層以上の積層構造としても良い。 Since the insulating layer 111 is a layer for forming bonding in bonding, the surface thereof preferably has high flatness. As such an insulating layer 111, for example, a silicon oxide film formed by a chemical vapor deposition method using an organosilane gas can be used. Note that although the insulating layer 111 has a single-layer structure in this embodiment, a stacked structure including two or more layers may be used.

また、絶縁層111は、単結晶半導体基板100を、酸化性雰囲気下において熱処理することにより形成してもよい。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加した酸化を行うことが好ましい。ハロゲンを添加して熱酸化を行うことにより形成された絶縁層中にはハロゲンが含まれており、ハロゲンは1×1016atoms/cm以上2×1021atoms/cm以下の濃度で含まれることにより金属等の不純物を捕獲して単結晶半導体基板100の汚染を防止する保護膜としての機能を発現させることができる。 Alternatively, the insulating layer 111 may be formed by performing heat treatment on the single crystal semiconductor substrate 100 in an oxidizing atmosphere. The thermal oxidation treatment is preferably performed by adding halogen in an oxidizing atmosphere. The insulating layer formed by adding halogen and performing thermal oxidation contains halogen, and halogen is contained at a concentration of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 21 atoms / cm 3 or less. Thus, a function as a protective film for capturing impurities such as metal and preventing contamination of the single crystal semiconductor substrate 100 can be exhibited.

その後、上記のn枚のベース基板110とn枚の単結晶半導体基板100とをそれぞれ貼り合わせる(図4(C)参照)。具体的には、ベース基板110及び絶縁層111の表面を超音波洗浄などの方法で洗浄した後、ベース基板110の表面と絶縁層111の表面とが接触するように配置し、ベース基板110の表面と絶縁層111の表面とでボンディング(接合)が形成されるように加圧処理を施す。ボンディングの形成には、ファン・デル・ワールス力や水素結合が関与しているものと考えられている。なお、1枚のベース基板上に、2枚以上の単結晶半導体基板を貼り合わせても構わない。 After that, the n base substrates 110 and the n single crystal semiconductor substrates 100 are attached to each other (see FIG. 4C). Specifically, after the surfaces of the base substrate 110 and the insulating layer 111 are cleaned by a method such as ultrasonic cleaning, the surface of the base substrate 110 and the surface of the insulating layer 111 are placed in contact with each other. Pressure treatment is performed so that bonding is formed between the surface and the surface of the insulating layer 111. The formation of bonding is thought to involve Van der Waals forces and hydrogen bonding. Note that two or more single crystal semiconductor substrates may be attached to one base substrate.

ボンディングを形成する前に、ベース基板110又は絶縁層111の表面を酸素プラズマ処理又はオゾン処理して、その表面を親水性にしても良い。この処理によって、ベース基板110又は絶縁層111の表面に水酸基が付加されるため、水素結合を効率よく形成することができる。 Before the bonding is formed, the surface of the base substrate 110 or the insulating layer 111 may be subjected to oxygen plasma treatment or ozone treatment to make the surface hydrophilic. By this treatment, a hydroxyl group is added to the surface of the base substrate 110 or the insulating layer 111, so that hydrogen bonds can be formed efficiently.

次に、貼り合わせられたベース基板110及び単結晶半導体基板100に対して加熱処理を施して、貼り合わせを強固なものとする。この際の加熱温度は、脆化層102における分離が進行しない温度とする必要がある。例えば、400℃未満、好ましくは300℃以下とすることができる。加熱処理時間については特に限定されず、処理速度と貼り合わせ強度との関係から最適な条件を適宜設定すればよい。本実施の形態においては、200℃、2時間の加熱処理を施すこととする。ここで、貼り合わせに係る領域のみにマイクロ波を照射して、局所的に加熱することも可能である。なお、貼り合わせ強度に問題がない場合は、上記加熱処理を省略しても良い。 Next, heat treatment is performed on the bonded base substrate 110 and single crystal semiconductor substrate 100 so that the bonding becomes strong. The heating temperature at this time needs to be a temperature at which separation in the embrittlement layer 102 does not proceed. For example, it can be less than 400 ° C., preferably 300 ° C. or less. The heat treatment time is not particularly limited, and optimal conditions may be set as appropriate based on the relationship between the processing speed and the bonding strength. In this embodiment mode, heat treatment is performed at 200 ° C. for 2 hours. Here, it is also possible to irradiate the microwave only to the region related to bonding and locally heat it. Note that the heat treatment may be omitted when there is no problem in the bonding strength.

次に、単結晶半導体基板100を、脆化層102にて、単結晶半導体層112と単結晶半導体基板118とに分離する(図4(D)参照)。単結晶半導体基板100の分離は、加熱処理により行う。該加熱処理の温度は、ベース基板110の耐熱温度を目安にすることができる。例えば、ベース基板110としてガラス基板を用いる場合には、加熱温度は400℃以上650℃以下とすることが好ましい。ただし、短時間であれば、400℃以上700℃以下の加熱処理を行っても良い。なお、本実施の形態においては、600℃、2時間の加熱処理を施すこととする。 Next, the single crystal semiconductor substrate 100 is separated into the single crystal semiconductor layer 112 and the single crystal semiconductor substrate 118 by the embrittlement layer 102 (see FIG. 4D). The single crystal semiconductor substrate 100 is separated by heat treatment. The heat treatment temperature can be based on the heat resistant temperature of the base substrate 110. For example, when a glass substrate is used as the base substrate 110, the heating temperature is preferably 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. Note that heat treatment may be performed at 400 ° C to 700 ° C for a short time. Note that in this embodiment, heat treatment is performed at 600 ° C. for 2 hours.

上述のような加熱処理を行うことにより、脆化層102に形成された微小な空孔の体積変化が生じ、脆化層102に亀裂が生ずる。その結果、脆化層102に沿って単結晶半導体基板100が劈開する。絶縁層111はベース基板110と貼り合わせられているので、ベース基板110上には単結晶半導体基板100から分離された単結晶半導体層112が固定される。また、この加熱処理で、ベース基板110と絶縁層111の貼り合わせに係る界面が加熱されるため、貼り合わせに係る界面に共有結合が形成され、ベース基板110と絶縁層111の結合力が一層向上する。 By performing the heat treatment as described above, a volume change of minute holes formed in the embrittlement layer 102 occurs, and the embrittlement layer 102 is cracked. As a result, the single crystal semiconductor substrate 100 is cleaved along the embrittlement layer 102. Since the insulating layer 111 is attached to the base substrate 110, the single crystal semiconductor layer 112 separated from the single crystal semiconductor substrate 100 is fixed over the base substrate 110. Further, in this heat treatment, an interface related to the bonding between the base substrate 110 and the insulating layer 111 is heated, so that a covalent bond is formed at the interface related to the bonding, and the bonding force between the base substrate 110 and the insulating layer 111 is further increased. improves.

その後、単結晶半導体層112の欠陥の低減などを目的として、単結晶半導体層112にレーザ光113を照射する(図4(E)参照)。ここで、実施の形態1で示した結晶性評価方法を用いることで、レーザ光113の照射条件を簡便に最適化することができる。すなわち、第1の単結晶半導体層が設けられた第1のベース基板をモニタ基板として用い、このモニタ基板に対して複数のエネルギー密度条件でレーザ光を照射し、レーザ光を照射後の単結晶半導体層の炭素濃度及び水素濃度深さ方向の濃度分布を測定する。次いで、モニタ基板を用いて検出した最適のエネルギー密度で、(n−1)層の単結晶半導体層にレーザ光を照射する。 After that, the single crystal semiconductor layer 112 is irradiated with laser light 113 for the purpose of reducing defects in the single crystal semiconductor layer 112 (see FIG. 4E). Here, by using the crystallinity evaluation method described in Embodiment Mode 1, the irradiation condition of the laser beam 113 can be easily optimized. That is, the first base substrate provided with the first single crystal semiconductor layer is used as a monitor substrate, the monitor substrate is irradiated with laser light under a plurality of energy density conditions, and the single crystal after the laser light is irradiated The concentration distribution in the depth direction of the carbon concentration and hydrogen concentration of the semiconductor layer is measured. Next, the (n-1) single crystal semiconductor layers are irradiated with laser light at the optimum energy density detected using the monitor substrate.

上記レーザ光113の照射には、パルス発振レーザを用いることが好ましい。これは、瞬間的に高エネルギーのパルスレーザ光を発振することができ、部分溶融状態を作り出すことが容易となるためである。発振周波数は、1Hz以上10MHz以下程度とすることが好ましい。より好ましくは、10Hz以上1MHz以下である。上述のパルス発振レーザとしては、Arレーザ、Krレーザ、エキシマ(ArF、KrF、XeCl)レーザ、COレーザ、YAGレーザ、YVOレーザ、YLFレーザ、YAlOレーザ、GdVOレーザ、Yレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti:サファイアレーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ等を用いることができる。なお、上記レーザ光113の照射にはパルス発振レーザを用いることが好ましいが、これに限定して解釈されるものではない。すなわち、連続発振レーザの使用を除外するものではない。なお、連続発振レーザとしては、Arレーザ、Krレーザ、COレーザ、YAGレーザ、YVOレーザ、YLFレーザ、YAlOレーザ、GdVOレーザ、Yレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti:サファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ等がある。 For the irradiation with the laser beam 113, a pulsed laser is preferably used. This is because a high-energy pulsed laser beam can be oscillated instantaneously and it becomes easy to create a partially molten state. The oscillation frequency is preferably about 1 Hz to 10 MHz. More preferably, it is 10 Hz or more and 1 MHz or less. As the above-mentioned pulsed laser, Ar laser, Kr laser, excimer (ArF, KrF, XeCl) laser, CO 2 laser, YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, GdVO 4 laser, Y 2 O 3 laser A laser, a ruby laser, an alexandrite laser, a Ti: sapphire laser, a copper vapor laser, a gold vapor laser, or the like can be used. Note that a pulsed laser is preferably used for irradiation with the laser light 113, but the present invention is not limited to this. That is, use of a continuous wave laser is not excluded. As the continuous wave laser, Ar laser, Kr laser, CO 2 laser, YAG laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, GdVO 4 laser, Y 2 O 3 laser, ruby laser, alexandrite laser, Ti: There are sapphire lasers, helium cadmium lasers, and the like.

レーザ光113の波長は、単結晶半導体層112に吸収される波長とする必要がある。その波長は、レーザ光の侵入長などを考慮して決定すればよい。例えば、単結晶半導体層112が単結晶シリコン層である場合には、200nm以上700nm以下の範囲とすることができる。また、レーザ光113のエネルギー密度は、レーザ光113の波長、単結晶半導体層112の材料、単結晶半導体層112の膜厚などを考慮して決定することができる。レーザ光113のエネルギー密度は、例えば、300mJ/cm以上800mJ/cm以下の範囲とすることができる。これらの条件についても、実施の形態1の評価方法を用いて最適化することができる。 The wavelength of the laser beam 113 needs to be absorbed by the single crystal semiconductor layer 112. The wavelength may be determined in consideration of the penetration length of the laser beam. For example, in the case where the single crystal semiconductor layer 112 is a single crystal silicon layer, the thickness can be in the range of 200 nm to 700 nm. Further, the energy density of the laser light 113 can be determined in consideration of the wavelength of the laser light 113, the material of the single crystal semiconductor layer 112, the thickness of the single crystal semiconductor layer 112, and the like. The energy density of the laser beam 113 can be, for example, in the range of 300 mJ / cm 2 to 800 mJ / cm 2 . These conditions can also be optimized using the evaluation method of the first embodiment.

レーザ光113の照射は、大気雰囲気のような酸素を含む雰囲気、または窒素雰囲気のような不活性雰囲気で行うことができる。不活性雰囲気中でレーザ光113を照射するには、気密性のあるチャンバー内でレーザ光113を照射し、このチャンバー内の雰囲気を制御すればよい。チャンバーを用いない場合は、レーザ光113の被照射面に窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けることで、窒素雰囲気を形成することもできる。その他、レーザ光113の照射は真空中で行っても良い。 Irradiation with the laser light 113 can be performed in an atmosphere containing oxygen such as an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere. In order to irradiate the laser beam 113 in an inert atmosphere, the laser beam 113 may be irradiated in an airtight chamber and the atmosphere in the chamber may be controlled. In the case where a chamber is not used, a nitrogen atmosphere can be formed by spraying an inert gas such as nitrogen gas on the surface to be irradiated with the laser light 113. In addition, the irradiation with the laser beam 113 may be performed in a vacuum.

上述のようにレーザ光113を照射した後には、単結晶半導体層112の膜厚を小さくする薄膜化工程を行っても良い。単結晶半導体層112の薄膜化には、ドライエッチングまたはウエットエッチングの一方、または双方を組み合わせたエッチング処理(エッチバック処理)を適用すればよい。例えば、単結晶半導体層112がシリコン材料からなる層である場合、SFと0をプロセスガスに用いたドライエッチング処理で、単結晶半導体層112を薄くすることができる。 After irradiation with the laser light 113 as described above, a thinning process for reducing the thickness of the single crystal semiconductor layer 112 may be performed. In order to reduce the thickness of the single crystal semiconductor layer 112, an etching process (etch back process) in which one of dry etching or wet etching or a combination of both is applied may be applied. For example, if the single crystal semiconductor layer 112 is a layer made of a silicon material, a dry etching process using SF 6 and 0 2 in the process gas, it is possible to thin the single crystal semiconductor layer 112.

なお、本実施の形態においては、レーザ光の照射により平坦化等した後でエッチング処理を行う例を挙げたが、本発明はこれに限定して解釈されるものではない。例えば、レーザ光の照射前にエッチング処理を行ってもよい。この場合には、エッチング処理により半導体層表面の凹凸や欠陥をある程度低減することができる。また、レーザ光の照射前及び照射後の両方に上記処理を適用しても良い。また、レーザ光の照射と上記処理を交互に繰り返しても良い。このように、レーザ光の照射とエッチング処理を組み合わせて用いることにより、半導体層表面の凹凸、欠陥等を著しく低減することができる。もちろん、上述のエッチング処理や加熱処理などを常に用いる必要はない。 Note that although an example in which etching is performed after planarization or the like by laser light irradiation is given in this embodiment mode, the present invention is not construed as being limited thereto. For example, etching treatment may be performed before laser light irradiation. In this case, the unevenness and defects on the surface of the semiconductor layer can be reduced to some extent by the etching treatment. Further, the above processing may be applied both before and after laser light irradiation. Further, the laser light irradiation and the above process may be repeated alternately. As described above, by using a combination of laser light irradiation and etching treatment, unevenness, defects, and the like on the surface of the semiconductor layer can be significantly reduced. Of course, it is not always necessary to use the above-described etching treatment or heat treatment.

以上により、表面の平坦性が向上し、欠陥が低減された単結晶半導体層120(単結晶シリコン半導体層)を有する半導体基板を作製することができる(図4(F)参照)。 Through the above steps, a semiconductor substrate including the single crystal semiconductor layer 120 (single crystal silicon semiconductor layer) with improved surface flatness and reduced defects can be manufactured (see FIG. 4F).

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、図5乃至7を参照して、上述の半導体基板を用いた半導体装置の作製方法について説明する。ここでは、半導体装置の一例として複数のトランジスタからなる半導体装置の作製方法について説明することとする。なお、以下において示すトランジスタを組み合わせて用いることで、様々な半導体装置を形成することができる。
(Embodiment 3)
In this embodiment mode, a method for manufacturing a semiconductor device using the above-described semiconductor substrate will be described with reference to FIGS. Here, a method for manufacturing a semiconductor device including a plurality of transistors is described as an example of the semiconductor device. Note that various semiconductor devices can be formed by using a combination of the transistors described below.

図5(A)は、実施の形態2により作製した半導体基板の断面図である。ただし、本実施の形態においては、実施の形態2における絶縁層111を2層構造とした場合について示すこととする。 FIG. 5A is a cross-sectional view of the semiconductor substrate manufactured according to Embodiment Mode 2. Note that in this embodiment, the case where the insulating layer 111 in Embodiment 2 has a two-layer structure is described.

単結晶半導体層120には、TFTのしきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのp型不純物、若しくはリン、砒素などのn型不純物を添加しても良い。不純物を添加する領域、および添加する不純物の種類は、適宜変更することができる。例えば、nチャネル型TFTの形成領域にはp型不純物を添加し、pチャネル型TFTの形成領域にn型不純物を添加することができる。上述の不純物を添加する際には、ドーズ量が1×1015ions/cm以上1×1017ions/cm以下程度となるように行えばよい。その後、単結晶半導体層120を島状に分離して、半導体層702、及び半導体層704を形成する(図5(B)参照)。 In order to control the threshold voltage of the TFT, a p-type impurity such as boron, aluminum, or gallium, or an n-type impurity such as phosphorus or arsenic may be added to the single crystal semiconductor layer 120. The region to which the impurity is added and the kind of the impurity to be added can be changed as appropriate. For example, a p-type impurity can be added to the formation region of the n-channel TFT, and an n-type impurity can be added to the formation region of the p-channel TFT. When the above-described impurities are added, the dose may be set to about 1 × 10 15 ions / cm 2 or more and about 1 × 10 17 ions / cm 2 or less. After that, the single crystal semiconductor layer 120 is separated into islands, so that a semiconductor layer 702 and a semiconductor layer 704 are formed (see FIG. 5B).

次に、半導体層702と半導体層704を覆うように、ゲート絶縁層706を形成する(図5(C)参照)。ここでは、プラズマCVD法を用いて、酸化珪素膜を単層で形成することとする。その他にも、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等を含む膜を、単層構造又は積層構造で形成することによりゲート絶縁層706としても良い。 Next, a gate insulating layer 706 is formed so as to cover the semiconductor layers 702 and 704 (see FIG. 5C). Here, a silicon oxide film is formed as a single layer by a plasma CVD method. In addition, a gate insulating layer 706 may be formed by forming a film containing silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, hafnium oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, or the like with a single-layer structure or a stacked structure.

プラズマCVD法以外の作製方法としては、スパッタリング法や、高密度プラズマ処理による酸化または窒化による方法が挙げられる。高密度プラズマ処理は、例えば、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などガスの混合ガスを用いて行う。この場合、プラズマの励起をマイクロ波の導入により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)や窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体層の表面を酸化または窒化することにより、1nm以上20nm以下、望ましくは2nm以上10nm以下の絶縁層を半導体層に接するように形成する。 As a manufacturing method other than the plasma CVD method, a sputtering method or a method using oxidation or nitridation by high-density plasma treatment can be given. The high-density plasma treatment is performed using a mixed gas of a rare gas such as helium, argon, krypton, or xenon and a gas such as oxygen, nitrogen oxide, ammonia, nitrogen, or hydrogen. In this case, high-density plasma can be generated at a low electron temperature by exciting the plasma by introducing a microwave. By oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor layer with oxygen radicals (which may include OH radicals) or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by such high-density plasma, 1 nm or more An insulating layer of 20 nm or less, preferably 2 nm or more and 10 nm or less is formed so as to be in contact with the semiconductor layer.

上述した高密度プラズマ処理による半導体層の酸化または窒化は固相反応であるため、ゲート絶縁層706と半導体層702及び半導体層704との界面準位密度をきわめて低くすることができる。また、高密度プラズマ処理により半導体層を直接酸化または窒化することで、形成される絶縁層の厚さのばらつきを抑えることが出来る。また、半導体層が結晶性を有するため、高密度プラズマ処理を用いて半導体層の表面を固相反応で酸化させる場合であっても、結晶粒界における不均一な酸化を抑え、均一性が良く、界面準位密度の低いゲート絶縁層を形成することができる。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁層をトランジスタのゲート絶縁層の一部または全部に用いることで、特性のばらつきを抑制することができる。 Since the oxidation or nitridation of the semiconductor layer by the high-density plasma treatment described above is a solid-phase reaction, the interface state density between the gate insulating layer 706, the semiconductor layer 702, and the semiconductor layer 704 can be extremely low. Further, by directly oxidizing or nitriding the semiconductor layer by high-density plasma treatment, variation in the thickness of the formed insulating layer can be suppressed. In addition, since the semiconductor layer has crystallinity, even when the surface of the semiconductor layer is oxidized by solid-phase reaction using high-density plasma treatment, non-uniform oxidation at the crystal grain boundary is suppressed and the uniformity is good. A gate insulating layer having a low interface state density can be formed. In this manner, by using the insulating layer formed by high-density plasma treatment for part or all of the gate insulating layer of the transistor, variation in characteristics can be suppressed.

プラズマ処理による絶縁層の作製方法のより具体的な一例について説明する。亜酸化窒素(NO)を、アルゴン(Ar)を用いて1倍以上3倍以下(流量比)に希釈し、10Pa以上30Pa以下の圧力下で3kW以上5kW以下のマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して、半導体層702と半導体層704の表面を酸化または窒化させる。この処理により1nm以上10nm以下(好ましくは2nm以上6nm以下)のゲート絶縁層706の下層を形成する。さらに、亜酸化窒素(NO)とシラン(SiH)を導入し、10Pa以上30Pa以下の圧力下で3kW以上5kW以下のマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して気相成長法により酸化窒化シリコン膜を形成し、ゲート絶縁層706の上層とする。このように、固相反応と気相成長法を組み合わせてゲート絶縁層706を形成することにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁層706を形成することができる。なお、この場合においてゲート絶縁層706は2層構造となる。 A more specific example of a method for manufacturing an insulating layer by plasma treatment will be described. Nitrous oxide (N 2 O) is diluted 1 to 3 times (flow rate ratio) with argon (Ar), and a microwave (2.45 GHz) of 3 kW to 5 kW under a pressure of 10 Pa to 30 Pa. ) Electric power is applied to oxidize or nitride the surfaces of the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704. By this treatment, a lower layer of the gate insulating layer 706 having a thickness of 1 nm to 10 nm (preferably 2 nm to 6 nm) is formed. Further, nitrous oxide (N 2 O) and silane (SiH 4 ) are introduced, and a microwave (2.45 GHz) power of 3 kW to 5 kW is applied under a pressure of 10 Pa to 30 Pa and vapor phase growth is performed. A silicon oxynitride film is formed as an upper layer of the gate insulating layer 706. In this manner, by forming the gate insulating layer 706 by combining the solid phase reaction and the vapor deposition method, the gate insulating layer 706 having a low interface state density and an excellent withstand voltage can be formed. Note that in this case, the gate insulating layer 706 has a two-layer structure.

或いは、半導体層702と半導体層704を熱酸化させることで、ゲート絶縁層706を形成するようにしても良い。このような熱酸化を用いる場合には、耐熱性の比較的高いベース基板を用いることが好ましい。 Alternatively, the gate insulating layer 706 may be formed by thermally oxidizing the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704. When such thermal oxidation is used, it is preferable to use a base substrate having relatively high heat resistance.

なお、水素を含むゲート絶縁層706を形成し、その後、350℃以上450℃以下の温度による加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層706中に含まれる水素を半導体層702及び半導体層704中に拡散させるようにしても良い。この場合、ゲート絶縁層706として、プラズマCVD法を用いた窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることができる。なお、プロセス温度は350℃以下とすると良い。このように、半導体層702及び半導体層704に水素を供給することで、半導体層702中、半導体層704中、ゲート絶縁層706と半導体層702の界面、及びゲート絶縁層706と半導体層704の界面における欠陥を効果的に低減することができる。 Note that a gate insulating layer 706 containing hydrogen is formed, and then heat treatment is performed at a temperature of 350 ° C to 450 ° C, so that hydrogen contained in the gate insulating layer 706 is added into the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704. You may make it diffuse. In this case, as the gate insulating layer 706, silicon nitride or silicon nitride oxide using a plasma CVD method can be used. The process temperature is preferably 350 ° C. or lower. In this manner, by supplying hydrogen to the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704, the interface between the gate insulating layer 706 and the semiconductor layer 702 in the semiconductor layer 702, the interface between the gate insulating layer 706 and the semiconductor layer 704, and Defects at the interface can be effectively reduced.

次に、ゲート絶縁層706上に導電層を形成した後、該導電層を所定の形状に加工(パターニング)することで、半導体層702と半導体層704の上方に電極708を形成する(図5(D)参照)。導電層の形成にはCVD法、スパッタリング法等を用いることができる。導電層は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等の材料を用いて形成することができる。また、上記金属を主成分とする合金材料を用いても良いし、上記金属を含む化合物を用いても良い。または、半導体に導電性を付与する不純物元素をドーピングした多結晶珪素など、半導体材料を用いて形成しても良い。 Next, after a conductive layer is formed over the gate insulating layer 706, the conductive layer is processed (patterned) into a predetermined shape, so that an electrode 708 is formed over the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704 (FIG. 5). (See (D)). A CVD method, a sputtering method, or the like can be used for forming the conductive layer. The conductive layer is formed using a material such as tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), or niobium (Nb). can do. Alternatively, an alloy material containing the above metal as a main component or a compound containing the above metal may be used. Alternatively, a semiconductor material such as polycrystalline silicon doped with an impurity element imparting conductivity to a semiconductor may be used.

本実施の形態では電極708を単層の導電層で形成しているが、本発明の半導体装置は該構成に限定されない。電極708は積層された複数の導電層で形成されていても良い。2層構造とする場合には、例えば、モリブデン膜、チタン膜、窒化チタン膜等を下層に用い、上層にはアルミニウム膜などを用いればよい。3層構造の場合には、モリブデン膜とアルミニウム膜とモリブデン膜の積層構造や、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜の積層構造などを採用するとよい。 In this embodiment mode, the electrode 708 is formed using a single conductive layer; however, the semiconductor device of the present invention is not limited to this structure. The electrode 708 may be formed of a plurality of stacked conductive layers. In the case of a two-layer structure, for example, a molybdenum film, a titanium film, a titanium nitride film, or the like may be used as a lower layer, and an aluminum film or the like may be used as an upper layer. In the case of a three-layer structure, a stacked structure of a molybdenum film, an aluminum film, and a molybdenum film, a stacked structure of a titanium film, an aluminum film, and a titanium film, or the like may be employed.

なお、電極708を形成する際に用いるマスクは、酸化珪素や窒化酸化珪素等の材料を用いて形成してもよい。この場合、酸化珪素膜や窒化酸化珪素膜等をパターニングしてマスクを形成する工程が加わるが、レジスト材料と比較して、エッチング時におけるマスクの膜減りが少ないため、より正確な形状の電極708を形成することができる。また、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的に電極708を形成しても良い。ここで、液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を吐出または噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。 Note that a mask used for forming the electrode 708 may be formed using a material such as silicon oxide or silicon nitride oxide. In this case, a step of forming a mask by patterning a silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, or the like is added. However, since the film thickness of the mask during etching is less than that of a resist material, a more accurate electrode 708 is formed. Can be formed. Alternatively, the electrode 708 may be selectively formed by a droplet discharge method without using a mask. Here, the droplet discharge method means a method of forming a predetermined pattern by discharging or ejecting a droplet containing a predetermined composition, and includes an ink jet method or the like in its category.

また、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用い、エッチング条件(コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節し、所望のテーパー形状を有するように導電層をエッチングすることで、電極708を形成することもできる。また、テーパー形状は、マスクの形状によって制御することもできる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素もしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガス又は酸素などを適宜用いることができる。 Further, using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method, etching conditions (amount of power applied to the coil-type electrode layer, a power amount applied to the electrode layer on the substrate side, and an electrode temperature on the substrate side) Etc.) is adjusted as appropriate, and the conductive layer is etched so as to have a desired tapered shape, whereby the electrode 708 can be formed. The taper shape can also be controlled by the shape of the mask. As an etching gas, a chlorine-based gas such as chlorine, boron chloride, silicon chloride, or carbon tetrachloride, a fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride, sulfur fluoride, or nitrogen fluoride, or oxygen may be used as appropriate. it can.

次に、電極708をマスクとして、一導電型を付与する不純物元素を半導体層702、半導体層704に添加する(図6(A)参照)。本実施の形態では、半導体層702にn型を付与する不純物元素(例えばリンまたはヒ素)を、半導体層704にp型を付与する不純物元素(例えばボロン)を添加する。なお、n型を付与する不純物元素を半導体層702に添加する際には、p型の不純物が添加される半導体層704はマスク等で覆い、n型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、p型を付与する不純物元素を半導体層704に添加する際には、n型の不純物が添加される半導体層702はマスク等で覆い、p型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。又は、半導体層702及び半導体層704に、p型を付与する不純物元素又はn型を付与する不純物元素の一方を添加した後、一方の半導体層のみに、より高い濃度でp型を付与する不純物元素又はn型を付与する不純物元素の他方を添加するようにしても良い。上記不純物の添加により、半導体層702に不純物領域710、半導体層704に不純物領域712が形成される。 Next, using the electrode 708 as a mask, an impurity element imparting one conductivity type is added to the semiconductor layers 702 and 704 (see FIG. 6A). In this embodiment, an impurity element imparting n-type conductivity (eg, phosphorus or arsenic) is added to the semiconductor layer 702, and an impurity element imparting p-type conductivity (eg, boron) is added to the semiconductor layer 704. Note that when the impurity element imparting n-type conductivity is added to the semiconductor layer 702, the semiconductor layer 704 to which the p-type impurity is added is covered with a mask or the like, and the addition of the impurity element imparting n-type is selectively performed. To be done. In addition, when an impurity element imparting p-type conductivity is added to the semiconductor layer 704, the semiconductor layer 702 to which an n-type impurity is added is covered with a mask or the like, and the impurity element imparting p-type conductivity is selectively added. To be done. Alternatively, after adding one of an impurity element imparting p-type conductivity or an impurity element imparting n-type to the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704, an impurity imparting p-type at a higher concentration only to one semiconductor layer The other of the element or the impurity element imparting n-type conductivity may be added. By the addition of the impurities, an impurity region 710 is formed in the semiconductor layer 702 and an impurity region 712 is formed in the semiconductor layer 704.

次に、電極708の側面にサイドウォール714を形成する(図6(B)参照)。サイドウォール714は、例えば、ゲート絶縁層706及び電極708を覆うように新たに絶縁層を形成し、垂直方向を主体とした異方性エッチングにより、該絶縁層を部分的にエッチングすることで形成することができる。なお、上記の異方性エッチングにより、ゲート絶縁層706を部分的にエッチングしても良い。サイドウォール714を形成するための絶縁層としては、プラズマCVD法やスパッタリング法等により、珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、有機材料などを含む膜を、単層構造又は積層構造で形成すれば良い。本実施の形態では、膜厚100nmの酸化珪素膜をプラズマCVD法によって形成する。また、エッチングガスとしては、CHFとヘリウムの混合ガスを用いることができる。なお、サイドウォール714を形成する工程は、これらに限定されるものではない。 Next, a sidewall 714 is formed on a side surface of the electrode 708 (see FIG. 6B). The sidewall 714 is formed by, for example, forming a new insulating layer so as to cover the gate insulating layer 706 and the electrode 708 and partially etching the insulating layer by anisotropic etching mainly in the vertical direction. can do. Note that the gate insulating layer 706 may be partially etched by the anisotropic etching described above. As the insulating layer for forming the sidewall 714, a film containing silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, an organic material, or the like is formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. A stacked structure may be used. In this embodiment, a silicon oxide film with a thickness of 100 nm is formed by a plasma CVD method. As the etching gas, a mixed gas of CHF 3 and helium can be used. Note that the step of forming the sidewall 714 is not limited to these steps.

次に、ゲート絶縁層706、電極708及びサイドウォール714をマスクとして、半導体層702、半導体層704に一導電型を付与する不純物元素を添加する(図6(C)参照)。なお、半導体層702、半導体層704には、それぞれ先の工程で添加した不純物元素と同じ導電型の不純物元素をより高い濃度で添加する。なお、n型を付与する不純物元素を半導体層702に添加する際には、p型の不純物が添加される半導体層704はマスク等で覆い、n型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、p型を付与する不純物元素を半導体層704に添加する際には、n型の不純物が添加される半導体層702はマスク等で覆い、p型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。 Next, an impurity element imparting one conductivity type is added to the semiconductor layers 702 and 704 using the gate insulating layer 706, the electrodes 708, and the sidewalls 714 as masks (see FIG. 6C). Note that an impurity element having the same conductivity type as the impurity element added in the previous step is added to the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704 at a higher concentration. Note that when the impurity element imparting n-type conductivity is added to the semiconductor layer 702, the semiconductor layer 704 to which the p-type impurity is added is covered with a mask or the like, and the addition of the impurity element imparting n-type is selectively performed. To be done. In addition, when an impurity element imparting p-type conductivity is added to the semiconductor layer 704, the semiconductor layer 702 to which an n-type impurity is added is covered with a mask or the like, and the impurity element imparting p-type conductivity is selectively added. To be done.

上記不純物元素の添加により、半導体層702に、一対の高濃度不純物領域716と、一対の低濃度不純物領域718と、チャネル形成領域720とが形成される。また、上記不純物元素の添加により、半導体層704に、一対の高濃度不純物領域722と、一対の低濃度不純物領域724と、チャネル形成領域726とが形成される。高濃度不純物領域716、高濃度不純物領域722はソース又はドレインとして機能し、低濃度不純物領域718、低濃度不純物領域724はLDD(Lightly Doped Drain)領域として機能する。 By the addition of the impurity element, a pair of high-concentration impurity regions 716, a pair of low-concentration impurity regions 718, and a channel formation region 720 are formed in the semiconductor layer 702. In addition, by adding the impurity element, a pair of high-concentration impurity regions 722, a pair of low-concentration impurity regions 724, and a channel formation region 726 are formed in the semiconductor layer 704. The high concentration impurity region 716 and the high concentration impurity region 722 function as a source or a drain, and the low concentration impurity region 718 and the low concentration impurity region 724 function as an LDD (Lightly Doped Drain) region.

なお、半導体層702上に形成されたサイドウォール714と、半導体層704上に形成されたサイドウォール714は、キャリアが移動する方向(いわゆるチャネル長に平行な方向)の長さが同じになるように形成しても良いが、異なるように形成しても良い。pチャネル型トランジスタとなる半導体層704上のサイドウォール714の長さは、nチャネル型トランジスタとなる半導体層702上のサイドウォール714の長さよりも大きくすると良い。なぜならば、pチャネル型トランジスタにおいてソース及びドレインを形成するために注入されるボロンは拡散しやすく、短チャネル効果を誘起しやすいためである。pチャネル型トランジスタにおいて、サイドウォール714の長さをより大きくすることで、ソース及びドレインに高濃度のボロンを添加することが可能となり、ソース及びドレインを低抵抗化することができる。 Note that the side wall 714 formed over the semiconductor layer 702 and the side wall 714 formed over the semiconductor layer 704 have the same length in the direction in which carriers move (a direction parallel to a so-called channel length). However, they may be formed differently. The length of the sidewall 714 over the semiconductor layer 704 serving as a p-channel transistor is preferably larger than the length of the sidewall 714 over the semiconductor layer 702 serving as an n-channel transistor. This is because boron implanted to form a source and a drain in a p-channel transistor easily diffuses and easily induces a short channel effect. In the p-channel transistor, by increasing the length of the sidewall 714, high-concentration boron can be added to the source and the drain, and the resistance of the source and the drain can be reduced.

ソース及びドレインをさらに低抵抗化するために、半導体層702及び半導体層704の一部をシリサイド化したシリサイド層を形成しても良い。シリサイド化は、半導体層に金属を接触させ、加熱処理(例えば、GRTA法、LRTA法等)により、半導体層中の珪素と金属とを反応させて行う。シリサイド層としては、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドを用いれば良い。半導体層702や半導体層704が薄い場合には、半導体層702、半導体層704の底部までシリサイド反応を進めても良い。シリサイド化に用いることができる金属材料としては、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、Hf(ハフニウム)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、ネオジム(Nb)、クロム(Cr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等が挙げられる。また、レーザ光の照射などによってもシリサイド層を形成することができる。 In order to further reduce the resistance of the source and the drain, a silicide layer in which part of the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704 is silicided may be formed. Silicidation is performed by bringing a metal into contact with the semiconductor layer and reacting silicon in the semiconductor layer with the metal by heat treatment (eg, GRTA method, LRTA method, etc.). As the silicide layer, cobalt silicide or nickel silicide may be used. When the semiconductor layer 702 or the semiconductor layer 704 is thin, the silicide reaction may be advanced to the bottom of the semiconductor layer 702 or the semiconductor layer 704. Metal materials that can be used for silicidation include titanium (Ti), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), zirconium (Zr), Hf (hafnium), and tantalum (Ta). ), Vanadium (V), neodymium (Nb), chromium (Cr), platinum (Pt), palladium (Pd), and the like. The silicide layer can also be formed by laser light irradiation or the like.

上述の工程により、nチャネル型トランジスタ728及びpチャネル型トランジスタ730が形成される。なお、図6(C)に示す段階では、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電層は形成されていないが、これらのソース電極又はドレイン電極として機能する導電層を含めてトランジスタと呼ぶこともある。 Through the above steps, an n-channel transistor 728 and a p-channel transistor 730 are formed. Note that although a conductive layer functioning as a source electrode or a drain electrode is not formed in the stage illustrated in FIG. 6C, the conductive layer functioning as the source electrode or the drain electrode is sometimes referred to as a transistor. .

次に、nチャネル型トランジスタ728、pチャネル型トランジスタ730を覆うように絶縁層732を形成する(図6(D)参照)。絶縁層732は必ずしも設ける必要はないが、絶縁層732を形成することで、アルカリ金属やアルカリ土類金属などの不純物がnチャネル型トランジスタ728、pチャネル型トランジスタ730に侵入することを防止できる。具体的には、絶縁層732を、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いて形成するのが望ましい。本実施の形態では、膜厚600nm程度の窒化酸化珪素膜を、絶縁層732として用いる。この場合、上述の水素化の工程は、該窒化酸化珪素膜形成後に行っても良い。なお、本実施の形態においては、絶縁層732を単層構造としているが、積層構造としても良いことはいうまでもない。例えば、2層構造とする場合には、酸化窒化珪素膜と窒化酸化珪素膜との積層構造とすることができる。 Next, an insulating layer 732 is formed so as to cover the n-channel transistor 728 and the p-channel transistor 730 (see FIG. 6D). Although the insulating layer 732 is not necessarily provided, the formation of the insulating layer 732 can prevent impurities such as an alkali metal and an alkaline earth metal from entering the n-channel transistor 728 and the p-channel transistor 730. Specifically, the insulating layer 732 is preferably formed using a material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum oxide. In this embodiment, a silicon nitride oxide film with a thickness of about 600 nm is used as the insulating layer 732. In this case, the above-described hydrogenation step may be performed after the silicon nitride oxide film is formed. Note that although the insulating layer 732 has a single-layer structure in this embodiment, it is needless to say that a stacked structure may be used. For example, in the case of a two-layer structure, a stacked structure of a silicon oxynitride film and a silicon nitride oxide film can be employed.

次に、nチャネル型トランジスタ728、pチャネル型トランジスタ730を覆うように、絶縁層732上に絶縁層734を形成する。絶縁層734は、ポリイミド、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いて形成するとよい。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)、アルミナ等を用いることもできる。ここで、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたSi−O−Si結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は、置換基に水素の他、フッ素、アルキル基、芳香族炭化水素から選ばれる一を有していても良い。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層734を形成しても良い。 Next, an insulating layer 734 is formed over the insulating layer 732 so as to cover the n-channel transistor 728 and the p-channel transistor 730. The insulating layer 734 is preferably formed using a heat-resistant organic material such as polyimide, acrylic, polyimide, benzocyclobutene, polyamide, or epoxy. In addition to the above organic materials, low dielectric constant materials (low-k materials), siloxane resins, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass) Alumina or the like can also be used. Here, the siloxane-based resin corresponds to a resin including a Si—O—Si bond formed using a siloxane-based material as a starting material. The siloxane-based resin may have one selected from fluorine, an alkyl group, and an aromatic hydrocarbon in addition to hydrogen as a substituent. Note that the insulating layer 734 may be formed by stacking a plurality of insulating layers formed using these materials.

絶縁層734の形成には、その材料に応じて、CVD法、スパッタ法、SOG法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。 For the formation of the insulating layer 734, a CVD method, a sputtering method, an SOG method, spin coating, dipping, spray coating, a droplet discharge method (ink jet method, screen printing, offset printing, etc.), a doctor knife, A roll coater, curtain coater, knife coater, or the like can be used.

次に、半導体層702と半導体層704の一部が露出するように絶縁層732及び絶縁層734にコンタクトホールを形成する。そして、該コンタクトホールを介して半導体層702と半導体層704に接する導電層736、導電層738を形成する(図7(A)参照)。導電層736及び導電層738は、トランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する。なお、本実施の形態においては、コンタクトホール開口時のエッチングに用いるガスとしてCHFとHeの混合ガスを用いたが、これに限定されるものではない。 Next, contact holes are formed in the insulating layer 732 and the insulating layer 734 so that the semiconductor layer 702 and part of the semiconductor layer 704 are exposed. Then, a conductive layer 736 and a conductive layer 738 which are in contact with the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704 through the contact holes are formed (see FIG. 7A). The conductive layer 736 and the conductive layer 738 function as a source electrode or a drain electrode of the transistor. In the present embodiment, a mixed gas of CHF 3 and He is used as a gas used for etching when the contact hole is opened. However, the present invention is not limited to this.

導電層736、導電層738は、CVD法やスパッタリング法等により形成することができる。具体的には、導電層736、導電層738として、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、ネオジム(Nd)、炭素(C)、珪素(Si)等を用いることができる。また、上記材料を主成分とする合金を用いても良いし、上記材料を含む化合物を用いても良い。また、導電層736、導電層738は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。 The conductive layers 736 and 738 can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like. Specifically, as the conductive layer 736 and the conductive layer 738, aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), nickel (Ni), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), manganese (Mn), neodymium (Nd), carbon (C), silicon (Si), or the like can be used. Alternatively, an alloy containing the above material as its main component or a compound containing the above material may be used. The conductive layer 736 and the conductive layer 738 may have a single-layer structure or a stacked structure.

アルミニウムを主成分とする合金の例としては、アルミニウムを主成分として、ニッケルを含むものを挙げることができる。また、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素または珪素の一方または両方を含むものを挙げることができる。アルミニウムやアルミニウムシリコン(Al−Si)は抵抗値が低く、安価であるため、導電層736、導電層738を形成する材料として適している。特に、アルミニウムシリコンは、パターニングの際のレジストベークによるヒロックの発生を抑制することができるため好ましい。また、珪素の代わりに、アルミニウムに0.5%程度のCuを混入させた材料を用いても良い。 As an example of an alloy containing aluminum as a main component, an alloy containing aluminum as a main component and containing nickel can be given. Further, examples include aluminum as a main component and one or both of nickel and carbon or silicon. Aluminum and aluminum silicon (Al—Si) have low resistance and are inexpensive, and thus are suitable as materials for forming the conductive layers 736 and 738. In particular, aluminum silicon is preferable because generation of hillocks due to resist baking during patterning can be suppressed. Further, instead of silicon, a material in which about 0.5% Cu is mixed in aluminum may be used.

導電層736、導電層738を積層構造とする場合には、例えば、バリア膜とアルミニウムシリコン膜とバリア膜の積層構造、バリア膜とアルミニウムシリコン膜と窒化チタン膜とバリア膜の積層構造などを採用するとよい。なお、バリア膜とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデンまたはモリブデンの窒化物などを用いて形成された膜である。バリア膜の間にアルミニウムシリコン膜を挟むように導電層を形成すると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生をより一層防止することができる。また、還元性の高い元素であるチタンを用いてバリア膜を形成すると、半導体層702と半導体層704上に薄い酸化膜が形成されていたとしても、バリア膜に含まれるチタンが該酸化膜を還元し、導電層736と半導体層702、及び導電層738と半導体層704のコンタクトを良好なものとすることができる。また、バリア膜を複数積層するようにして用いても良い。その場合、例えば、導電層736、導電層738を、下層からチタン、窒化チタン、アルミニウムシリコン、チタン、窒化チタンのように、5層構造又はそれ以上の積層構造とすることもできる。 When the conductive layer 736 and the conductive layer 738 have a stacked structure, for example, a stacked structure of a barrier film, an aluminum silicon film, and a barrier film, or a stacked structure of a barrier film, an aluminum silicon film, a titanium nitride film, and a barrier film is employed. Good. Note that a barrier film is a film formed using titanium, titanium nitride, molybdenum, molybdenum nitride, or the like. When the conductive layer is formed so that the aluminum silicon film is sandwiched between the barrier films, generation of hillocks of aluminum or aluminum silicon can be further prevented. In addition, when a barrier film is formed using titanium which is a highly reducing element, even if a thin oxide film is formed over the semiconductor layer 702 and the semiconductor layer 704, titanium contained in the barrier film forms the oxide film. By reduction, the contact between the conductive layer 736 and the semiconductor layer 702 and between the conductive layer 738 and the semiconductor layer 704 can be favorable. Alternatively, a plurality of barrier films may be stacked. In that case, for example, the conductive layer 736 and the conductive layer 738 can have a five-layer structure or a stacked structure of more layers such as titanium, titanium nitride, aluminum silicon, titanium, and titanium nitride from the lower layer.

また、導電層736、導電層738として、WFガスとSiHガスから化学気相成長法で形成したタングステンシリサイドを用いても良い。また、WFを水素還元して形成したタングステンを、導電層736、導電層738として用いても良い。 Alternatively, tungsten silicide formed by a chemical vapor deposition method using WF 6 gas and SiH 4 gas may be used for the conductive layers 736 and 738. Alternatively, tungsten formed by hydrogen reduction of WF 6 may be used for the conductive layer 736 and the conductive layer 738.

なお、導電層736はnチャネル型トランジスタ728の高濃度不純物領域716に接続されている。導電層738はpチャネル型トランジスタ730の高濃度不純物領域722に接続されている。 Note that the conductive layer 736 is connected to the high-concentration impurity region 716 of the n-channel transistor 728. The conductive layer 738 is connected to the high concentration impurity region 722 of the p-channel transistor 730.

図7(B)に、図7(A)に示したnチャネル型トランジスタ728及びpチャネル型トランジスタ730の平面図を示す。ここで、図7(B)のA−Bにおける断面が図7(A)に対応している。ただし、図7(B)においては、簡単のため、導電層736、導電層738、絶縁層732、絶縁層734等を省略している。 FIG. 7B is a plan view of the n-channel transistor 728 and the p-channel transistor 730 illustrated in FIG. Here, a cross section taken along line AB in FIG. 7B corresponds to FIG. Note that in FIG. 7B, for simplicity, the conductive layer 736, the conductive layer 738, the insulating layer 732, the insulating layer 734, and the like are omitted.

なお、本実施の形態においては、nチャネル型トランジスタ728とpチャネル型トランジスタ730が、それぞれゲート電極として機能する電極708を1つずつ有する場合を例示しているが、本実施の形態は該構成に限定されない。本実施の形態で作製されるトランジスタは、ゲート電極として機能する電極を複数有し、なおかつ該複数の電極が電気的に接続されているマルチゲート構造を有していても良い。 Note that in this embodiment, the case where each of the n-channel transistor 728 and the p-channel transistor 730 includes one electrode 708 functioning as a gate electrode is described. It is not limited to. The transistor manufactured in this embodiment may have a multi-gate structure in which a plurality of electrodes functioning as gate electrodes are provided and the plurality of electrodes are electrically connected.

本実施の形態では、機械的な研磨処理などを行う代わりに、レーザ光を照射して、単結晶半導体層の欠陥や表面凹凸を低減している。さらに、実施の形態1の評価方法を用いることにより、極めて簡便な方法によりレーザ光照射条件の最適化を実現している。これにより、欠陥が十分に低減された平坦性の高い半導体基板を提供することができ、且つ、その提供にかかるコストを抑えることができる。また、該半導体基板を用いることにより、高速動作が可能で、サブスレッショルド値が低く、電界効果移動度が高く、低電圧で駆動可能なトランジスタを低いコストで作製することができる。 In this embodiment, instead of performing mechanical polishing treatment or the like, laser light is irradiated to reduce defects and surface unevenness of the single crystal semiconductor layer. Furthermore, by using the evaluation method of Embodiment 1, the laser light irradiation conditions are optimized by a very simple method. As a result, a semiconductor substrate with high flatness in which defects are sufficiently reduced can be provided, and the cost for providing the semiconductor substrate can be suppressed. Further, by using the semiconductor substrate, a transistor that can operate at high speed, has a low subthreshold value, has high field-effect mobility, and can be driven at a low voltage can be manufactured at low cost.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
上記実施の形態で示した半導体基板を用いてトランジスタ等の半導体装置を作製し、この半導体装置を用いてさまざまな電子機器を完成することができる。実施の形態2で示した半導体基板に設けられた単結晶半導体層は結晶欠陥が低減されているため、ゲート絶縁層との界面において、局在準位密度を低減させることが可能となる。この単結晶半導体層を活性層として用いることで、リーク電流が低減し、電気的特性が向上した半導体素子を製造することができる。すなわち、実施の形態2で示した半導体基板を用いることで、電流駆動能力が高く、かつ信頼性の高い半導体素子を作製することが可能になり、結果として、最終製品としての電子機器をスループット良く、良好な品質で作製することが可能になる。本実施の形態では、図面を用いて具体的な電子機器への適用例を説明する。
(Embodiment 4)
A semiconductor device such as a transistor can be manufactured using the semiconductor substrate described in any of the above embodiments, and various electronic devices can be completed using the semiconductor device. Since the single crystal semiconductor layer provided in the semiconductor substrate described in Embodiment 2 has reduced crystal defects, it is possible to reduce the density of localized states at the interface with the gate insulating layer. By using this single crystal semiconductor layer as an active layer, a semiconductor element with reduced leakage current and improved electrical characteristics can be manufactured. In other words, by using the semiconductor substrate described in Embodiment 2, a semiconductor element with high current driving capability and high reliability can be manufactured. As a result, an electronic device as a final product can be manufactured with high throughput. It becomes possible to produce with good quality. In this embodiment, specific application examples to electronic devices are described with reference to drawings.

半導体装置(特に表示装置)を用いて作製される電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオコンポ等)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(DVD)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。 Electronic devices manufactured using semiconductor devices (particularly display devices) include video cameras, digital cameras, goggle-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (such as car audio components), computers, and game devices. , A portable information terminal (mobile computer, cellular phone, portable game machine, electronic book, etc.), an image reproducing device (specifically, a digital versatile disc (DVD)) provided with a recording medium, and the image And the like).

図8(A)はテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタである。筺体1001、支持台1002、表示部1003、スピーカー部1004、ビデオ入力端子1005等を含む。表示部1003には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタを低価格で提供することができる。 FIG. 8A illustrates a television receiver or a personal computer monitor. A housing 1001, a support base 1002, a display portion 1003, a speaker portion 1004, a video input terminal 1005, and the like are included. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1003, and a highly reliable and high-performance television receiver or personal computer monitor can be provided at a low price.

図8(B)はデジタルカメラである。本体1011の正面部分には受像部1013が設けられており、本体1011の上面部分にはシャッターボタン1016が設けられている。また、本体1011の背面部分には、表示部1012、操作キー1014、及び外部接続ポート1015が設けられている。表示部1012には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なデジタルカメラを低価格で提供することができる。 FIG. 8B illustrates a digital camera. An image receiving unit 1013 is provided on the front portion of the main body 1011, and a shutter button 1016 is provided on the upper surface portion of the main body 1011. Further, a display portion 1012, operation keys 1014, and an external connection port 1015 are provided on the back surface portion of the main body 1011. The display portion 1012 uses the semiconductor device described in any of the above embodiments, so that a highly reliable digital camera with high performance can be provided at a low price.

図8(C)はノート型パーソナルコンピュータである。本体1021には、キーボード1024、外部接続ポート1025、ポインティングデバイス1026が設けられている。また、本体1021には、表示部1023を有する筐体1022が取り付けられている。表示部1023には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なノート型パーソナルコンピュータを低価格で提供することができる。 FIG. 8C illustrates a laptop personal computer. A main body 1021 is provided with a keyboard 1024, an external connection port 1025, and a pointing device 1026. Further, a housing 1022 having a display portion 1023 is attached to the main body 1021. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1023, so that a highly reliable and high-performance notebook personal computer can be provided at a low price.

図8(D)はモバイルコンピュータであり、本体1031、表示部1032、スイッチ1033、操作キー1034、赤外線ポート1035等を含む。表示部1032にはアクティブマトリクス表示装置が設けられている。表示部1032には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なモバイルコンピュータを低価格で提供することができる。 FIG. 8D illustrates a mobile computer, which includes a main body 1031, a display portion 1032, a switch 1033, operation keys 1034, an infrared port 1035, and the like. The display portion 1032 is provided with an active matrix display device. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1032, and a highly reliable and high-performance mobile computer can be provided at a low price.

図8(E)は画像再生装置である。本体1041には、表示部B1044、記録媒体読み込み部1045及び操作キー1046が設けられている。また、本体1041には、スピーカー部1047及び表示部A1043それぞれを有する筐体1042が取り付けられている。表示部A1043及び表示部B1044それぞれには、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な画像再生装置を低価格で提供することができる。 FIG. 8E shows an image reproducing device. The main body 1041 is provided with a display portion B 1044, a recording medium reading portion 1045, and operation keys 1046. In addition, a housing 1042 including a speaker portion 1047 and a display portion A 1043 is attached to the main body 1041. Each of the display portion A 1043 and the display portion B 1044 uses the semiconductor device described in any of the above embodiments, so that a highly reliable and high-performance image reproducing device can be provided at a low price.

図8(F)は電子書籍である。本体1051には操作キー1053が設けられている。また、本体1051には複数の表示部1052が取り付けられている。表示部1052には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な電子書籍を低価格で提供することができる。 FIG. 8F illustrates an electronic book. The main body 1051 is provided with operation keys 1053. In addition, a plurality of display portions 1052 are attached to the main body 1051. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1052, so that a highly reliable electronic book with high performance can be provided at a low price.

図8(G)はビデオカメラであり、本体1061には外部接続ポート1064、リモコン受信部1065、受像部1066、バッテリー1067、音声入力部1068、操作キー1069が設けられている、また、本体1061には、表示部1062を有する筐体1063が取り付けられている。表示部1062には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なビデオカメラを低価格で提供することができる。 FIG. 8G illustrates a video camera. A main body 1061 is provided with an external connection port 1064, a remote control receiving portion 1065, an image receiving portion 1066, a battery 1067, an audio input portion 1068, and operation keys 1069. A housing 1063 having a display portion 1062 is attached to the housing. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1062, so that a highly reliable video camera with high performance can be provided at a low price.

図8(H)は携帯電話であり、本体1071、筐体1072、表示部1073、音声入力部1074、音声出力部1075、操作キー1076、外部接続ポート1077、アンテナ1078等を含む。表示部1073には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な携帯電話を低価格で提供することができる。 FIG. 8H illustrates a mobile phone, which includes a main body 1071, a housing 1072, a display portion 1073, an audio input portion 1074, an audio output portion 1075, operation keys 1076, an external connection port 1077, an antenna 1078, and the like. The semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the display portion 1073, so that a highly reliable mobile phone with high performance can be provided at a low price.

図9は、電話としての機能と、情報端末としての機能を併せ持った携帯電子機器1100の構成の一例である。ここで、図9(A)は正面図、図9(B)は背面図、図9(C)は展開図である。携帯電子機器1100は、電話と情報端末の双方の機能を備えており、音声通話以外にも様々なデータ処理が可能な、いわゆるスマートフォンと呼ばれる電子機器である。 FIG. 9 illustrates an example of a configuration of a portable electronic device 1100 that has both a telephone function and an information terminal function. Here, FIG. 9A is a front view, FIG. 9B is a rear view, and FIG. 9C is a development view. The portable electronic device 1100 is an electronic device called a smartphone that has both functions of a telephone and an information terminal and can perform various data processing in addition to voice calls.

携帯電子機器1100は、筐体1101及び筐体1102で構成されている。筐体1101は、表示部1111、スピーカー1112、マイクロフォン1113、操作キー1114、ポインティングデバイス1115、カメラ用レンズ1116、外部接続端子1117等を備え、筐体1102は、キーボード1121、外部メモリスロット1122、カメラ用レンズ1123、ライト1124、イヤフォン端子1125等を備えている。また、アンテナは筐体1101内部に内蔵されている。上記構成に加えて、非接触ICチップ、小型記録装置等を内蔵していてもよい。 A portable electronic device 1100 includes a housing 1101 and a housing 1102. A housing 1101 includes a display portion 1111, a speaker 1112, a microphone 1113, operation keys 1114, a pointing device 1115, a camera lens 1116, an external connection terminal 1117, and the like. The housing 1102 includes a keyboard 1121, an external memory slot 1122, a camera Lens 1123, light 1124, earphone terminal 1125, and the like. An antenna is incorporated in the housing 1101. In addition to the above structure, a non-contact IC chip, a small recording device, or the like may be incorporated.

表示部1111には、上記実施の形態で示した半導体装置が組み込まれている。なお、表示部1111に表示される映像(及びその表示方向)は、携帯電子機器1100の使用形態に応じて様々に変化する。また、表示部1111と同一面にカメラ用レンズ1116を備えているため、映像を伴う音声通話(いわゆるテレビ電話)が可能である。なお、スピーカー1112及びマイクロフォン1113は音声通話に限らず、録音、再生等に用いることが可能である。カメラ用レンズ1123(及び、ライト1124)を用いて静止画及び動画の撮影を行う場合には、表示部1111はファインダーとして用いられることになる。操作キー1114は、電話の発信・着信、電子メール等の簡単な情報入力、画面のスクロール、カーソル移動等に用いられる。 The semiconductor device described in any of the above embodiments is incorporated in the display portion 1111. Note that the video (and the display direction) displayed on the display unit 1111 varies depending on the usage form of the mobile electronic device 1100. In addition, since the camera lens 1116 is provided on the same surface as the display portion 1111, a voice call with video (so-called videophone) is possible. Note that the speaker 1112 and the microphone 1113 can be used for recording, reproduction, and the like without being limited to voice calls. When a still image and a moving image are taken using the camera lens 1123 (and the light 1124), the display unit 1111 is used as a viewfinder. The operation keys 1114 are used for making and receiving calls, inputting simple information such as e-mail, scrolling the screen, moving the cursor, and the like.

重なり合った筐体1101と筐体1102(図9(A))は、スライドし、図9(C)のように展開し、情報端末として使用できる。この場合には、キーボード1121、ポインティングデバイス1115を用いた円滑な操作が可能である。外部接続端子1117はACアダプタやUSBケーブル等の各種ケーブルと接続可能であり、充電やコンピュータ等とのデータ通信を可能にしている。また、外部メモリスロット1122に記録媒体を挿入し、より大容量のデータの保存及び移動に対応できる。上記機能に加えて、赤外線などの電磁波を用いた無線通信機能や、テレビ受信機能等を有していても良い。上記実施の形態で示した半導体装置を搭載することで、信頼性が高く高性能な携帯電子機器を低価格で提供することができる。 The housing 1101 and the housing 1102 (FIG. 9A) which are overlapped with each other slide and can be developed as illustrated in FIG. 9C, so that they can be used as information terminals. In this case, smooth operation using the keyboard 1121 and the pointing device 1115 is possible. The external connection terminal 1117 can be connected to various cables such as an AC adapter and a USB cable, and enables charging and data communication with a computer or the like. In addition, a recording medium can be inserted into the external memory slot 1122 to support storage and movement of a larger amount of data. In addition to the above functions, a wireless communication function using an electromagnetic wave such as infrared rays, a television reception function, or the like may be provided. By mounting the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable portable electronic device with high performance can be provided at a low price.

以上の様に、本実施の形態の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 As described above, the application range of this embodiment is extremely wide and can be used for electronic devices in various fields. Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

本実施例では、図2で示した濃度分布を有する、条件A乃至Cにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の結晶性について、EBSP(Electron BackScatter diffraction Pattern)法を用いて評価した結果を示す。 In this example, the crystallinity of a single crystal semiconductor layer irradiated with laser light under conditions A to C having the concentration distribution shown in FIG. 2 was evaluated using an EBSP (Electron Backscatter Diffraction Pattern) method. Show.

本実施例において単結晶半導体層は、実施の形態1で図1を用いて説明した単結晶半導体層112と同様に、厚さ0.7mmの無アルカリガラス基板(商品名 AN100)上に、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜がそれぞれ50nm積層された絶縁膜を介して設けられた構成である。また、単結晶半導体層の膜厚は100nmとする。 In this example, the single crystal semiconductor layer was oxidized on a non-alkali glass substrate (trade name: AN100) having a thickness of 0.7 mm, similarly to the single crystal semiconductor layer 112 described with reference to FIG. In this structure, a silicon film, a silicon nitride oxide film, and a silicon oxynitride film are provided through insulating films each having a thickness of 50 nm. The thickness of the single crystal semiconductor layer is 100 nm.

単結晶半導体層を作製するための単結晶半導体基板としては単結晶シリコンウエハが用いられている。単結晶シリコンウエハは、5インチ角の四角い基板である。その導電型はP型で、抵抗率が10Ω・cm程度である。また、結晶方位は、主表面が(100)であり、側面が<110>である。 As a single crystal semiconductor substrate for manufacturing the single crystal semiconductor layer, a single crystal silicon wafer is used. The single crystal silicon wafer is a 5-inch square substrate. Its conductivity type is P type, and its resistivity is about 10 Ω · cm. The crystal orientation is (100) on the main surface and <110> on the side surface.

また、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜及び酸化シリコン膜は、PECVD法を用いて形成した。酸化窒化シリコン膜のプロセスガスは、SiH、およびNOであり、流量比は、SiH\NO=4\800である。成膜工程の基板温度は400℃である。窒化酸化シリコン膜のプロセスガスは、SiH、NH、NO、およびHであり、流量比は、SiH\NH\NO\H=10\100\20\400ある。成膜工程の温度は350℃である。酸化シリコン膜の成膜用プロセスガスには、TEOS、およびOを用い、その流量比は、TEOS\O=15\750である。また、成膜工程の温度は300℃である。 The silicon oxynitride film, the silicon nitride oxide film, and the silicon oxide film were formed using a PECVD method. The process gas of the silicon oxynitride film is SiH 4 and N 2 O, and the flow rate ratio is SiH 4 \ N 2 O = 4 \ 800. The substrate temperature in the film forming process is 400 ° C. The process gas of the silicon nitride oxide film is SiH 4 , NH 3 , N 2 O, and H 2 , and the flow rate ratio is SiH 4 \ NH 3 \ N 2 O \ H 2 = 10 \ 100 \ 20 \ 400. . The temperature of the film forming process is 350 ° C. As a process gas for forming the silicon oxide film, TEOS and O 2 are used, and the flow ratio thereof is TEOS \ O 2 = 15 \ 750. The temperature of the film forming process is 300 ° C.

単結晶シリコンウエハに脆化層を形成するために、イオンドーピング装置を用い、水素イオンを単結晶シリコンウエハに添加している。ソースガスには100%水素ガスを用い、水素ガスを励起して生成されたプラズマ中のイオンを質量分離せずに、電界で加速して単結晶シリコンウエハ基板に照射して、脆化層を形成した。イオンドーピング装置において、水素ガスを励起することで、H、H 、H という3種類のイオン種が生成され、この全てのイオン種を加速し、単結晶シリコンウエハに照射する。水素ガスから発生された水素イオン種のうち、80%程度がH である。 In order to form an embrittlement layer in a single crystal silicon wafer, hydrogen ions are added to the single crystal silicon wafer using an ion doping apparatus. 100% hydrogen gas is used as a source gas, and ions in plasma generated by exciting the hydrogen gas are accelerated by an electric field and irradiated to a single crystal silicon wafer substrate without mass separation. Formed. In the ion doping apparatus, by exciting the hydrogen gas, three types of ion species H + , H 2 + , and H 3 + are generated, and all the ion species are accelerated and irradiated to the single crystal silicon wafer. Of the hydrogen ion species generated from hydrogen gas, about 80% is H 3 + .

本実施例において、水素イオンドーピングの条件は、電源出力100W、加速電圧40kV、ドーズ量2.2×1016ions/cmとした。 In this example, the hydrogen ion doping conditions were a power output of 100 W, an acceleration voltage of 40 kV, and a dose of 2.2 × 10 16 ions / cm 3 .

ガラス基板と、絶縁層が形成された単結晶シリコンウエハと、を純水中で超音波洗浄し、その後、オゾンを含む純水で洗浄した。次いで、ガラス基板表面と単結晶シリコンウエハ表面に形成された酸化シリコン膜を密着させて、接合させた。次に、脆化層で劈開を生じさせるため、加熱炉において、200℃、2時間の加熱処理を行い、ガラス基板と酸化シリコン膜の結合強度を向上させ、引き続き、加熱炉において、600℃、4時間の加熱を行うことで、単結晶シリコンウエハを劈開させ、単結晶シリコン層を単結晶シリコンウエハから分離している。 The glass substrate and the single crystal silicon wafer on which the insulating layer was formed were ultrasonically cleaned in pure water, and then cleaned with pure water containing ozone. Next, the silicon oxide film formed on the surface of the glass substrate and the surface of the single crystal silicon wafer was adhered and bonded. Next, in order to cause cleavage in the embrittlement layer, heat treatment is performed at 200 ° C. for 2 hours in a heating furnace to improve the bonding strength between the glass substrate and the silicon oxide film, and subsequently, 600 ° C. in the heating furnace, By heating for 4 hours, the single crystal silicon wafer is cleaved, and the single crystal silicon layer is separated from the single crystal silicon wafer.

次に、1/100に希釈されたフッ酸水溶液で単結晶シリコン層を処理して、表面に形成された自然酸化膜を除去した。次に、単結晶シリコン層にレーザ光を照射し、溶融させ、再結晶化させた。レーザ発振器には、波長308nmのビームを発振するXeClエキシマレーザを用いた。レーザビームのパルス幅25nsecであり、繰り返し周波数30Hzである。上述したように、単結晶半導体層112の3領域に対し、レーザ光のエネルギー密度が互いに異なる3つの条件(条件A乃至C)にてレーザ光照射処理を行った。条件A乃至Cは以下の通りである。
条件A.568mJ/cm
条件B.584mJ/cm
条件C.600mJ/cm
Next, the single crystal silicon layer was treated with a hydrofluoric acid solution diluted to 1/100 to remove the natural oxide film formed on the surface. Next, the single crystal silicon layer was irradiated with laser light, melted, and recrystallized. A XeCl excimer laser that oscillates a beam with a wavelength of 308 nm was used as the laser oscillator. The pulse width of the laser beam is 25 nsec, and the repetition frequency is 30 Hz. As described above, the laser light irradiation treatment was performed on the three regions of the single crystal semiconductor layer 112 under three conditions (conditions A to C) in which the energy density of the laser light was different from each other. Conditions A to C are as follows.
Condition A. 568 mJ / cm 2
Condition B. 584 mJ / cm 2
Condition C.I. 600 mJ / cm 2

図10にレーザ光113を照射した後の単結晶半導体層112の結晶性をEBSP法にて測定した結果を示す。本測定において、測定範囲は40μm×40μmとする。図10(A)は、条件Aにてレーザ光113を照射した領域の単結晶半導体層112の結晶方位の分布を示すものであり、図10(B)は条件Bにて、また、図10(C)は条件Cにてレーザ光113を照射した領域の単結晶半導体層112の結晶方位の分布を示すものである。図10(A)乃至(C)は、単結晶半導体層112に対して垂直な方向の分布を示している。また、図10(D)は、図10(A)乃至(C)における面方位を示す。 FIG. 10 shows the results of measuring the crystallinity of the single crystal semiconductor layer 112 after irradiation with the laser light 113 by the EBSP method. In this measurement, the measurement range is 40 μm × 40 μm. 10A shows the distribution of crystal orientation of the single crystal semiconductor layer 112 in the region irradiated with the laser beam 113 under the condition A. FIG. 10B shows the distribution under the condition B and FIG. (C) shows the crystal orientation distribution of the single crystal semiconductor layer 112 in the region irradiated with the laser beam 113 under the condition C. FIG. 10A to 10C illustrate distributions in the direction perpendicular to the single crystal semiconductor layer 112. FIG. FIG. 10D shows the plane orientation in FIGS. 10A to 10C.

図10より、条件A及び条件Bにてレーザ光113を照射した領域の単結晶半導体層112の結晶方位はほぼ一方向に揃い単結晶であると見なされる。前述したように、条件A及び条件Bは、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有する条件、すなわち単結晶半導体層が部分溶融状態となる条件である。一方、条件Cにてレーザ光113を照射した領域の単結晶半導体層112は、結晶欠陥が非常に多く、一部に微結晶化している領域が存在していることがわかる。これは、条件Cにて照射した場合、単結晶半導体層が完全溶融して液相となった後、無秩序な核発生が起こったためと判断できる。 From FIG. 10, it is considered that the crystal orientation of the single crystal semiconductor layer 112 in the region irradiated with the laser light 113 under the conditions A and B is substantially a single direction and is a single crystal. As described above, the conditions A and B are the conditions in which the concentration of elements in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after recrystallization has a maximum carbon concentration, that is, the single crystal semiconductor layer is in a partially molten state. It is a condition. On the other hand, it can be seen that the single crystal semiconductor layer 112 in the region irradiated with the laser light 113 under the condition C has a large number of crystal defects and a part of the crystallized region exists. This can be judged to be because, when irradiated under the condition C, disordered nucleation occurred after the single crystal semiconductor layer was completely melted and became a liquid phase.

図2に示した元素の濃度分布、及び図10より、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有するとき、単結晶半導体層の結晶性が良好であることが示された。 From the concentration distribution of the element shown in FIG. 2 and the concentration distribution of the element in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after recrystallization from FIG. 10, when the carbon concentration has a maximum, the crystallinity of the single crystal semiconductor layer Was shown to be good.

本実施例では、レーザ光のエネルギー密度が異なる4つの条件(条件A’、A、B及びC’)にてレーザ光照射処理を行った単結晶半導体層の結晶性についてライフタイム測定を用いて評価した結果、及び当該単結晶半導体層を用いて作製したTFTの特性を示す。 In this embodiment, lifetime measurement is used for crystallinity of a single crystal semiconductor layer subjected to laser light irradiation treatment under four conditions (conditions A ′, A, B, and C ′) in which the energy density of laser light is different. Results of evaluation and characteristics of a TFT manufactured using the single crystal semiconductor layer are shown.

本実施例において、レーザ光の照射条件は以下の通りである。
条件A’.547mJ/cm
条件A.568mJ/cm
条件B.584mJ/cm
条件C’.608mJ/cm
In this embodiment, the laser light irradiation conditions are as follows.
Condition A ′. 547 mJ / cm 2
Condition A. 568 mJ / cm 2
Condition B. 584 mJ / cm 2
Condition C ′. 608 mJ / cm 2

なお、本実施例において、レーザ光の照射条件以外の単結晶半導体層の構造及び作製方法は、上記実施例1にて説明したものと同様であるため説明は省略する。また、本実施例において、条件A及びBについての再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布は、図2で示した結果と同様である。条件A’及びC’についての濃度分布は図示しないが、図2に示した結果から、条件A’は、条件Aよりも固液界面が表面側に位置する狭義の部分溶融状態であると推測することができる。また、条件C’は、図2の条件Cと近似することができ、完全溶融状態であると推測することができる。 Note that in this example, the structure and manufacturing method of the single crystal semiconductor layer other than the laser light irradiation conditions are the same as those described in Example 1, and thus the description thereof is omitted. In this example, the concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after recrystallization under conditions A and B is the same as the result shown in FIG. Although the concentration distributions for conditions A ′ and C ′ are not shown, it is estimated from the results shown in FIG. 2 that condition A ′ is a narrowly-defined partially molten state in which the solid-liquid interface is located on the surface side than condition A. can do. Further, the condition C ′ can be approximated to the condition C in FIG. 2, and it can be assumed that it is in a completely molten state.

図11は、レーザ光を照射後の単結晶半導体層のライフタイム評価結果のグラフである。本実施例では、測定装置に、コベルコ科研(株)社製のマイクロ波光導電減衰(Microwave Photo Conductive Decay)法を用いたライフタイム評価装置を使用した。 FIG. 11 is a graph of lifetime evaluation results of the single crystal semiconductor layer after irradiation with laser light. In this example, a lifetime evaluation apparatus using a microwave photoconductive decay method manufactured by Kobelco Research Institute, Ltd. was used as the measurement apparatus.

マイクロ波光導電減衰法(以下、μ−PCD法という)とは、半導体の表面にレーザ光を照射して、半導体中にキャリアを発生させ、かつレーザ光が照射されている位置にマイクロ波を照射し、半導体で反射されたマイクロ波の強度の減衰状態を検出することで、ライフタイムを評価する方法である。μ−PCD法では、半導体中にキャリアが生成されると半導体の抵抗値が下がるため、キャリアが発生した領域でのマイクロ波の反射率が高くなることを利用しており、反射マイクロ波の強度を検出することで、ライフタイムを評価している。 Microwave photoconductive decay method (hereinafter referred to as μ-PCD method) is a method of irradiating a semiconductor surface with laser light, generating carriers in the semiconductor, and irradiating the position where the laser light is irradiated with microwaves. In this method, the lifetime is evaluated by detecting the attenuation state of the intensity of the microwave reflected by the semiconductor. In the μ-PCD method, when carriers are generated in the semiconductor, the resistance value of the semiconductor decreases, and therefore, the microwave reflectance in the region where the carriers are generated increases. By detecting this, the lifetime is evaluated.

単結晶シリコンに光を照射すると価電子帯で発生した電子と伝導帯に発生した正孔は、再結合し、消滅する。単結晶シリコン層に汚染や欠陥が多数あると、電荷トラップ中心の密度が高くなるため、単結晶シリコンでのキャリアの再結合の確率が増加するので、ライフタイムは短くなる。このため、ライフタイムは単結晶シリコンなど半導体の結晶構造が完全であるか否かを評価するパラメータとして利用されている。 When single crystal silicon is irradiated with light, electrons generated in the valence band and holes generated in the conduction band recombine and disappear. If the single crystal silicon layer has many contaminations and defects, the density of the charge trap centers increases, and the probability of carrier recombination in the single crystal silicon increases, so the lifetime is shortened. For this reason, the lifetime is used as a parameter for evaluating whether or not the crystal structure of a semiconductor such as single crystal silicon is complete.

図11のグラフの縦軸は、反射マイクロ波の検出信号のピーク値であり、ピーク値が大きいほどライフタイムが長いことを表している。レーザ照射時に単結晶半導体層が完全溶融状態となる条件C’では、部分溶融状態となる条件A’、条件A及び条件Bと比較してライフタイムが格段に短いことがわかる。また、条件A’、条件A及び条件Bを比較すると、レーザ光照射時に単結晶半導体層が部分溶融であって、且つその固液界面が下部絶縁層に近づくほど、ライフタイムが長くなることが分かる。 The vertical axis of the graph of FIG. 11 represents the peak value of the detection signal of the reflected microwave, and the longer the peak value, the longer the lifetime. It can be seen that the condition C ′ in which the single crystal semiconductor layer is in a completely molten state during laser irradiation has a significantly shorter lifetime than conditions A ′, A and B in which the single crystal semiconductor layer is in a partially molten state. In addition, when comparing Condition A ′, Condition A, and Condition B, the lifetime may be longer as the single crystal semiconductor layer is partially melted during laser light irradiation and the solid-liquid interface approaches the lower insulating layer. I understand.

また、図12(A)、図12(B)は、条件A’、A、B及びC’のレーザ光を照射して再結晶化させた単結晶半導体層を用いて作製したnチャネル型TFTのS値の確率統計分布図(図12(A))、およびpチャネル型TFTのS値の確率統計分布図((図12(B))である。なお、本実施例のnチャネル型TFT又はpチャネル型TFTのチャネル長(L)とチャネル幅(W)との比は、L/W=10/8μmである。 12A and 12B show an n-channel TFT manufactured using a single crystal semiconductor layer recrystallized by irradiating with laser light under conditions A ′, A, B, and C ′. 8 is a probability statistical distribution diagram of the S value (FIG. 12A), and a probability statistical distribution diagram of the S value of the p-channel TFT (FIG. 12B). Alternatively, the ratio between the channel length (L) and the channel width (W) of the p-channel TFT is L / W = 10/8 μm.

確率統計分布図の横軸はS値(V/dec.)、縦軸は累積度数を示す。また、確率統計分布図では、TFT間でのS値のばらつきが小さいほど、グラフの傾きが大きくなる。 In the probability statistical distribution diagram, the horizontal axis indicates the S value (V / dec.), And the vertical axis indicates the cumulative frequency. Also, in the probability statistical distribution diagram, the smaller the S value variation between TFTs, the larger the slope of the graph.

図12(A)及び(B)において、×印は条件A’にて照射した場合の測定結果、黒塗りの三角印は条件Aにて照射した場合の測定結果、白塗りの丸印は条件Bにて照射した場合の測定結果、白塗りの四角印は条件C’にて照射した場合の測定結果をそれぞれ示す。図12(A)に示したnチャネル型TFT、及び図12(B)に示したpチャネル型TFT共に、条件A’、条件A及び条件B単結晶半導体層の方が、完全溶融状態となると推測される条件C’のグラフと比較して、ばらつきが小さく、またS値の特性も良好であることがわかる。 12 (A) and 12 (B), the x mark indicates the measurement result when irradiated under the condition A ′, the black triangle mark indicates the measurement result when irradiated under the condition A, and the white circle mark indicates the condition. The measurement results when irradiated with B and the white squares indicate the measurement results when irradiated under condition C ′. In both the n-channel TFT shown in FIG. 12A and the p-channel TFT shown in FIG. 12B, the single crystal semiconductor layers in condition A ′, condition A, and condition B are more completely melted. Compared to the graph of the estimated condition C ′, it can be seen that the variation is small and the S value characteristic is also good.

また、レーザ光を照射した際に単結晶半導体層が部分溶融状態となる条件A’、条件A及び条件Bでは、レーザ光のエネルギー密度が増加する程、言い換えると、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布において、炭素濃度の極大の位置が数絶縁層との界面に近づく程S値が小さくなり、TFTの特性が向上している。これは部分溶融状態において固液界面が下部絶縁層との界面に近づくほど、膜厚方向全体で欠陥を修復し、単結晶半導体層の結晶性を回復させることができるためと判断できる。 Under conditions A ′, A, and B where the single crystal semiconductor layer is in a partially molten state when irradiated with laser light, the energy density of the laser light increases, in other words, the single crystal after recrystallization. In the concentration distribution in the depth direction of the semiconductor layer, the S value decreases as the position of the maximum carbon concentration approaches the interface with several insulating layers, and the characteristics of the TFT are improved. This can be determined because the closer the solid-liquid interface is to the interface with the lower insulating layer in the partially molten state, the more the defects can be repaired in the entire film thickness direction and the crystallinity of the single crystal semiconductor layer can be recovered.

図2に示した元素の濃度分布、及び図11、図12より、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有するとき、単結晶半導体層の結晶性及び当該単結晶半導体層を用いて作製したTFTの特性が良好であることが示された。また、当該極大の位置が下部絶縁層との界面に近づく程、単結晶半導体層の結晶性及び当該単結晶半導体層を用いて作製したTFTの特性が良好となることが示された。 When the carbon concentration has a maximum in the concentration distribution of the element shown in FIG. 2 and the concentration distribution of the element in the depth direction of the single crystal semiconductor layer after recrystallization from FIGS. 11 and 12, the single crystal semiconductor layer It was shown that the crystallinity of the TFT and the characteristics of a TFT manufactured using the single crystal semiconductor layer are good. It was also shown that the closer the position of the maximum is to the interface with the lower insulating layer, the better the crystallinity of the single crystal semiconductor layer and the characteristics of the TFT manufactured using the single crystal semiconductor layer.

100 単結晶半導体基板
102 脆化層
110 ベース基板
111 絶縁層
112 単結晶半導体層
113 レーザ光
118 単結晶半導体基板
120 単結晶半導体層
100 single crystal semiconductor substrate 102 embrittlement layer 110 base substrate 111 insulating layer 112 single crystal semiconductor layer 113 laser beam 118 single crystal semiconductor substrate 120 single crystal semiconductor layer

Claims (4)

単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、
前記単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布を測定し、
前記炭素濃度が極大を有するときは、前記単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする単結晶半導体層の結晶性評価方法。
The single crystal semiconductor substrate is separated from the embrittlement layer formed in a region of a predetermined depth from the surface of the single crystal semiconductor substrate, fixed on the base substrate through the insulating layer, and then re-single-crystallized by laser irradiation. For the crystalline semiconductor layer,
Measure the carbon concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer,
A method for evaluating crystallinity of a single crystal semiconductor layer, wherein the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is determined to be excellent when the carbon concentration has a maximum.
単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、
前記単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度及び水素濃度分布を測定し、
前記炭素濃度が極大を有し、且つ前記水素濃度が前記炭素濃度の極大に対応するショルダーピークを有さないときは、前記単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする単結晶半導体層の結晶性評価方法。
The single crystal semiconductor substrate is separated from the embrittlement layer formed in a region of a predetermined depth from the surface of the single crystal semiconductor substrate, fixed on the base substrate through the insulating layer, and then re-single-crystallized by laser irradiation. For the crystalline semiconductor layer,
Measure the carbon concentration and hydrogen concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer,
When the carbon concentration has a maximum and the hydrogen concentration does not have a shoulder peak corresponding to the maximum of the carbon concentration, it is determined that the single crystal semiconductor layer has excellent crystallinity. A method for evaluating crystallinity of a crystalline semiconductor layer.
単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、
前記単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布を測定し、
前記単結晶半導体層中であって前記絶縁層との界面から20nm以内の領域に、前記炭素濃度が極大を有するときは、前記単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする単結晶半導体層の結晶性評価方法。
The single crystal semiconductor substrate is separated from the embrittlement layer formed in a region of a predetermined depth from the surface of the single crystal semiconductor substrate, fixed on the base substrate through the insulating layer, and then re-single-crystallized by laser irradiation. For the crystalline semiconductor layer,
Measure the carbon concentration distribution in the depth direction of the single crystal semiconductor layer,
When the carbon concentration has a maximum in a region within 20 nm from the interface with the insulating layer in the single crystal semiconductor layer, it is determined that the crystallinity of the single crystal semiconductor layer is excellent. A method for evaluating crystallinity of a single crystal semiconductor layer.
請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の単結晶半導体層の結晶性評価方法を用いて前記レーザ光の照射条件を決定し、該決定した照射条件を用いて前記レーザ光を照射することを特徴とする半導体基板の作製方法。   The laser light irradiation condition is determined using the single crystal semiconductor layer crystallinity evaluation method according to any one of claims 1 to 3, and the laser light is irradiated using the determined irradiation condition. A method for manufacturing a semiconductor substrate.
JP2009062728A 2008-03-17 2009-03-16 Method for evaluating crystallinity of single crystal semiconductor layer Expired - Fee Related JP5576617B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009062728A JP5576617B2 (en) 2008-03-17 2009-03-16 Method for evaluating crystallinity of single crystal semiconductor layer

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008067295 2008-03-17
JP2008067295 2008-03-17
JP2009062728A JP5576617B2 (en) 2008-03-17 2009-03-16 Method for evaluating crystallinity of single crystal semiconductor layer

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2009260298A true JP2009260298A (en) 2009-11-05
JP2009260298A5 JP2009260298A5 (en) 2012-04-12
JP5576617B2 JP5576617B2 (en) 2014-08-20

Family

ID=41387267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009062728A Expired - Fee Related JP5576617B2 (en) 2008-03-17 2009-03-16 Method for evaluating crystallinity of single crystal semiconductor layer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5576617B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61244019A (en) * 1985-04-22 1986-10-30 Agency Of Ind Science & Technol Method for processing fusion-recrystallized film
JPH1055959A (en) * 1996-08-09 1998-02-24 Toshiba Corp Method and apparatus for manufacturing thin film, and thin film transistor
JP2005203596A (en) * 2004-01-16 2005-07-28 Seiko Epson Corp Production method of electro-optical device, electro-optical device and electronic apparatus
JP2005277371A (en) * 2004-02-25 2005-10-06 Seiko Epson Corp Method of manufacturing semiconductor device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61244019A (en) * 1985-04-22 1986-10-30 Agency Of Ind Science & Technol Method for processing fusion-recrystallized film
JPH1055959A (en) * 1996-08-09 1998-02-24 Toshiba Corp Method and apparatus for manufacturing thin film, and thin film transistor
JP2005203596A (en) * 2004-01-16 2005-07-28 Seiko Epson Corp Production method of electro-optical device, electro-optical device and electronic apparatus
JP2005277371A (en) * 2004-02-25 2005-10-06 Seiko Epson Corp Method of manufacturing semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP5576617B2 (en) 2014-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5553523B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5586912B2 (en) Method for manufacturing semiconductor substrate
JP5500914B2 (en) Laser irradiation device
KR101554470B1 (en) Manufacturing method of semiconductor substrate
KR20090057903A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7772089B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5583916B2 (en) Method for manufacturing semiconductor substrate and method for manufacturing semiconductor device
JP5586906B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5925440B2 (en) Method for manufacturing SOI substrate and method for manufacturing semiconductor device
JP5284669B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5279260B2 (en) Semiconductor layer evaluation method
JP5576617B2 (en) Method for evaluating crystallinity of single crystal semiconductor layer
KR101641499B1 (en) Method for manufacturing soi substrate
JP2009212387A (en) Method of manufacturing semiconductor substrate

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120224

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120224

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131022

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131024

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140225

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140227

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140624

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140704

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5576617

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees