JPH01316930A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非晶質絶縁膜上に堆積した非単結晶半導体層
を単結晶化し、その単結晶層に半導体素子を形成ｒる、
いわゆるＳＯＩ技術による半導体装置の製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

Ｓｔ単結晶基板の上に絶縁層を形成し、その上に多結晶
シリコン、非晶質シリコンのような非単結晶シリコンを
堆積させたものを単結晶化させるＳＱ■技術が盛んにな
って来ている。これは、集積度の向上や多機能素子等の
積層化という目的から開発が進められているもので、例
えば３次元ＩＣと名付けて発表されている。このような
従来いろいろな方法で開発がなされてたＳｏｌ技術のう
ち、最近では、多結晶シリコンの再結晶化にレーザ光を
用いたものが主流となって来ている。すなわち、第２図
に示したようなシリコン単結晶基板２１の上に絶縁膜２
２を形成し、さらにその上に多結晶シリコン膜２３を被
着したものに、第３図に示すようにアルゴン（Ａｒ）レ
ーザ２４からのレーザ光２５を反ｔｔａ２６等を含む光
学系を用いて多結晶シリコン膜２３に照射し、溶融させ
、凝固の際にその部分２７を単結晶化させる方法である
。このＳＯＩ技術の応用としては、例えば下層のすなわ
ち、第２図におけるシリコン単結晶基板２１にいろいろ
な半導体素子を作り込み、その後絶縁膜２２の上の多結
晶シリコン１１１２３から第３図に示したようなＳｏｌ
技術により形成したシリコン単結晶にまた素子を作ると
いうようにしてＩＣの三次元化が可能になる。

（発明が解決しようとする！ｉｉ！Ｉ）しかし、このよ
うなＳｏｌ技術による絶縁膜上の単結晶化層に素子を作
製する際の不純物の導入方法にいろいろな問題がある。

３０１技術により単結晶化される膜への不純物の導入方
法については次の三つの方法が挙げられる。

（１）多結晶シリコンに不純物を導入したドープドポリ
シリコンの堆積層を用いる （２）気相拡散を行う。

（３）イオン注入法を用いる。

このうち、第一のドープドポリシリコンを使用する方法
では、まず堆積したドープドポリシリコンが面内の不純
物の分布の十分に均一でないこと、またドープする不純
物量を多くしてゆくと、次第に多結晶結晶粒の境界すな
わち、グレイン・バウンダリーにドープした不純物が析
出してしまうこ、となどの問題点もある。そのほか、ド
ープドポリシリコンはドープしない場合に比し堆積速度
が遅く、膜厚の制御が困難となるなど、実用上あまり良
い方法とはいえない。

第二の気相拡散法は従来より用いられているもので、不
純物を含有するガスを高温拡散炉の内叫流入させ、その
内部に収容したシリコン多結晶膜の表面より所望の不純
物を熱拡散させるものである。多結晶シリコン膜の表面
が最も高不純物濃度となるため、この後のレーザを表面
より照射して単結晶化する際には遺しているが、この方
法で最大の欠点は高温処理しなければならない点である
。

ＳＯＩ技術においては、上層の素子を作製する際に、下
層の素子デバイスを作製した際と同様の高温処理過程を
用いる訳には行かない、なぜなら、上層素子作製のため
に高温処理を行うと、下層素子への不純物の拡散や、下
層素子の材料の変化を生じさせてＬ７まうからである。

このように第二の気相拡散法もあまり良い方法とはいえ
ない。

第三のイオン注入法は、現在、最も使われているもので
ある。しかしながら、このイオン注入法も次のような問
題点がある。すなわち、イオン注入法では、加速電圧に
より表面から導入した不純物濃度のピーク位置を変える
ことができるとはいえ、単結晶化のためにレーザで照射
する部分、すなわち最表面は不純物量は少ない０通常の
素子の作製工程では、イオン注入の後高温処理を行い、
導入した不純物の活性化と熱拡散を行うため問題はない
が、ＳＯＩ技術による半導体装置の上層素子作製では、
前述したように高温処理は出来ない。

また、第３図で示したＳｏｌ技術で単結晶化する多結晶
シリコンｌ！２３の厚さは０．４ｐ前後と薄い。

従って、これよりも深くイオン注入により不純物を導入
してはならない、さらに、特に高ドーズ量でイオン注入
すると、多結晶シリコン膜に衝突する際に生ずる損傷が
極めて顕著になる０通常の素子の作製では前述したよう
にそれにつづく高温処理によりこのようなダメージの回
復を行うことが可能であった。しかし、Ｓｏｌ技術によ
る素子の作製後からレーザで溶融するとはいえ、損傷は
何らかの形で残留し、４結晶性を悪くしている。

本発明の課題は、上述のようにそれぞれ問題点を含んで
いるものの、使わざるを得なかった従来の方法に代わっ
て、ｓｏｒ技術を用いて所定の不純物濃度を有する健全
な単結晶半導体層を作成し、。

その層に半導体素子を作り込むことのできる半導体装置
の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題の解決のために、本発明の方法は、基板表面
の絶縁膜上に非単結晶半導体膜を堆積し、その基板を真
空反応槽内の平行対向平板電極間に置き、その反応槽に
不純物ガスを導入すると共に電極間の直流放電によりプ
ラズマを発生させ、前記非単結晶半導体膜をそのプラズ
マにさらすことにより不純物を導入し、その後エネルギ
ービームの照射により非単結晶半導体膜をドーピングさ
れた単結晶層とし、その単結晶層を用いて半導体素子を
形成するものとする。

［作用〕 プラズマを用いて単結晶化前の半導体膜に不純物を導入
することは、表面より効率のよい不純物導入ができ、高
濃度の不純物導入が容易であり、結晶へ与える損傷が少
なく、さらにエネルギービームを照射しなくても低温で
の活性化が容易にできる。

〔実施例〕

以下図を引用して本発明の一実施例について説明する。

第２図で示したようにシリコン単結晶基板２１の上に０
．１〜１ｎ程度の厚さの熱酸化膜２２を形成し、その上
に減圧ＣＶＤ法によりＱ、４　ｔａ程度の膜厚のドープ
していない多結晶シリコン膜２３を堆積させる。このよ
うな第２図に示した試料を第１図に示す装置に装着した
。第１図に示す装置は、本発明者等が既に開示し、特開
昭５９−２１８７２７号公報に詳しく記載されているプ
ラズマドーピング装置で、真空反応槽１内に上部電極板
２と前面にヒータ４を備えた下部電極板３が対向し、直
流電源５に接続されている０反応槽１にはガスボンベ６
が流量調整器７を介して、また排気系８が排気量調整器
９を介してそれぞれ連通している。第２図に示した試料
１０を多結晶シリコン膜２３を上にして下部電極板３上
に載置した。このようにしたのち、電極板２．３の間に
プラズマを発生させる。その際の条件は次の通りである
。

（１）　　槽内圧力　　４　Ｔｏｒｒ （２）　印加電圧　　直流９００　Ｖ （３）　　試料温度　　２００℃ （４）　　ボンベ６よりの導入ガス１０００１０００ｐ
ｐ＊　＋　Ｈｚ（５）　　放電時間 このような条件の下でプラズマドーピングを行うと、第
４図に示すようなほう素の濃度プロフィルを示す、これ
は、ＩＭＡ（イオン・マイクロ・アナライザ）を用いて
分析した結果である。

次に不純物のドーピングをした試料１０を第３図に示し
たａ　Ａｒレーザ２４を用いた再結晶化装置に装着し、
以下の条件によりドーピングした多結晶シリコン膜２３
を単結晶化させた。

（１）　　使用レーザ　ＣＷＡｒレーザ（２）　　出力
　　　　１０Ｗ （３）　　ビーム径　　４０ｎ （４）　　走査速度　　１０ａａ／５ｅｃ（５）　　基
板温度　　４００℃ この結果、ドーピングされたほう素はレーザ・光により
最も濃度の高い部分である表面層より効率よく活性化す
る。このドーピングの際のエネルギーはイオン注入法に
比較すると数桁小さく、従って多結晶シリコン膜２３に
与える損傷も極めて軽微で、レーザアニールにより容易
に損傷は回復する。

また、プラズマドーピングの際に水素ベースのガスを用
いると、多結晶シリコン膜２３は水素プラズマ中にさら
されることになり、これは水素処理を施すのと同じ効果
を示す、すなわち、多結晶シリコンのダングリングボン
ドは、水素プラズマにさらされると水素と結合し、見か
け上の結晶性が向上する。このために十分に移動度の向
上も図れる。

ソノ結果、プラズマドーピングとレーザアニーリングを
組み合わせたプロセスにより、表面移動度として７００
　ｄ　／　Ｖ−ｓｅｃ以上を得るまでになった。

なお、上の実施例では単結晶シリコン基板上に酸化膜を
介して多結晶シリコン膜を堆積したが、プラズマＣＶＤ
法を用いて非晶質シリコン膜あるいは微結晶シリコン膜
を堆積しても同様にドーピングされた単結晶シリコン層
を得ることができる。

また、レーザ光以外に電子ビーム等信のエネルギービー
ムのエネルギーで単結晶化してもよい、さラニ、プラズ
マドーピング時に表面上にマスク膜を設け、適切なドー
ピングガスを用いることにより選択的に任意の導電影領
域をもつ単結晶シリコン層が形成でき、絶縁膜上に積層
された単結晶シリコン層に半導体素子が作り込まれた半
導体装置を容易に製造できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、Ｓｏｌ技術の不純物ドーピングを単結
晶化前の膜にプラズマドーピングで不純物を導入するこ
とにより、均一な不純物の導入。

高不純物濃度部分の単結晶化および損傷のない単結晶層
の作成ができ、三次元ＩＣなど半導体装置の構造の多様
化に対し極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により用いられるプラズマドーピング装
置の概略構成図、第２図は本発明に実施される多結晶シ
リコン膜を備えたシリコン単結晶基板の断面図、第３図
はレーザアニール処理を示す正面図、第４図は本発明に
よるプラズマドーピング後の多結晶シリコン膜のほう素
濃度分布図である。 １：真空反応槽、２．３：電極板、６：ガスボンベ、１
０：試料、２１：単結晶シリコン基板、２２：酸化膜、
２３：多結晶シリコン膜、２５；レーザ光、第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）基板表面の絶縁膜上に非単結晶半導体膜を堆積し、
   その基板を真空反応槽内の平行対向平板電極間に置き、
   その反応槽に不純物ガスを導入すると共に電極間の直流
   放電によりプラズマを発生させ、前記非単結晶半導体膜
   をそのプラズマにさらすことにより不純物を導入し、そ
   の後エネルギービームの照射により非単結晶半導体膜を
   ドーピングされた単結晶層とし、その単結晶層を用いて
   半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の製
   造方法。