JPWO2007116917A1 - Manufacturing method of three-dimensional semiconductor device - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体素子の回路が形成されているSi層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶もしくは非晶質Si層を積層し、これをレーザー照射及び走査により（再）結晶化して、ここに別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する３次元半導体デバイスの製造方法に関する。レーザー（再）結晶化Ｓｉ層の結晶性を改良することにより、現在のICに適した性能を与える。【解決手段】絶縁膜17,26をCMPにより平坦化する；多結晶又は非晶質Ｓｉ層22,32を積層し、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより照射・走査行う；Ｓｉ層22,32に1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを添加する；その後Si層22,32が溶融しない条件加熱処理する。【選択図】 図７PROBLEM TO BE SOLVED: To form an insulating film on a Si layer on which a circuit of a semiconductor element is formed, and to laminate a polycrystalline or amorphous Si layer on the insulating film, and to (re) crystallize this by laser irradiation and scanning. The present invention relates to a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device in which a circuit of another semiconductor element is formed here and these circuits are connected. By improving the crystallinity of the laser (re) crystallized Si layer, it provides performance suitable for current ICs. Insulating films 17 and 26 are planarized by CMP; polycrystalline or amorphous Si layers 22 and 32 are stacked, and irradiation and scanning are performed by a solid continuous wave laser having an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area. Hydrogen ions are added to the Si layers 22 and 32 at a dose of 10 14 / cm 2 or more; [Selection] Figure 7

Description

本発明は、３次元半導体デバイス、特に,DRAM,SRAM、フラッシュメモリなどの記憶装置及びマイクロプロセッサなどのIC用として３次元に多層化する半導体デバイスの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device, particularly a semiconductor device that is three-dimensionally multilayered for use in an IC such as a storage device such as a DRAM, SRAM, or a flash memory, or a microprocessor.

非特許文献１（ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki）は下地Si基板に形成されたデバイスを破壊しないで、レーザー（種類は記載されていない）再結晶技術を使用してSiO2層上にて、種無し(seed less)成長条件でSiを再結晶させ、この再結晶層にトランジスタを形成することにより、Si基板に形成されたトランジスタと接合して３次元半導体デバイスを製作することを解説している。３次元半導体デバイスの例としては、三層SRAMの例が示されている。Non-Patent Document 1 (ECS, Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137-142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki) does not destroy the device formed on the underlying Si substrate. Si substrate is recrystallized under seed less growth conditions on the SiO 2 layer using a recrystallization technique, and a transistor is formed in this recrystallized layer. It explains how to fabricate a three-dimensional semiconductor device by joining with the transistor formed in the above. An example of a three-layer SRAM is shown as an example of a three-dimensional semiconductor device.

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

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

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

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

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

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

非特許文献６（2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT’s on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al）では Nd:YVO４固体連続波レーザーによる再結晶化法により、幅が8μm、長さが20μmの単結晶Siをガラス基板上に作ったことが報告されている。この方法ではトランジスタのチャネル領域上方にSiキャップ層を形成し、これにより結晶成長を単結晶化条件としている。キャップ層の断面図を示す非特許文献６の図1(a) を図１として、平面図を示す図３(b)を図２として、ソース・ドレーン領域を示す図５を、図３としてそれぞれ引用する。レーザー走査が開始する領域Aの端では多数の結晶核が存在し、この結晶核から結晶粒界がV字形に伸び、次に合体して平行な結晶粒界が形成されている。図2のNucleusと記されている領域は基板の微細凹凸が粒界発生源となっている。キャッピングSiの間隙を偶々結晶粒界が通過する場合は、これは領域Cまで延びる。またParallel grainsと記されている粒界は走査ラインの途中で消えており、それを故粒界は非常に不安定であるといえる。トランジスタは結晶粒界がない単結晶領域に形成されている。In Non-Patent Document 6 (2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT's on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al), the width is increased by the recrystallization method using Nd: YVO 4 solid-state continuous wave laser. It has been reported that single-crystal Si having a length of 8 μm and a length of 20 μm was made on a glass substrate. In this method, a Si cap layer is formed above the channel region of the transistor, thereby making crystal growth a single crystallization condition. FIG. 1 (a) of FIG. 1 showing a cross-sectional view of a cap layer is shown in FIG. 1, FIG. 3 (b) showing a plan view is shown in FIG. 2, and FIG. 5 showing a source / drain region is shown in FIG. Quote. A large number of crystal nuclei exist at the end of the region A where the laser scanning starts, the crystal grain boundary extends in a V shape from the crystal nucleus, and then merges to form a parallel crystal grain boundary. In the region marked Nucleus in FIG. 2, the fine irregularities of the substrate are grain boundary generation sources. If the grain boundary accidentally passes through the capping Si gap, this extends to region C. The grain boundaries marked as Parallel grains have disappeared in the middle of the scanning line, and it can be said that the late grain boundaries are very unstable. The transistor is formed in a single crystal region having no crystal grain boundary.

上述のように、レーザー再結晶化が提案されているが、その後の３次元半導体デバイス開発の主流は、単結晶Si基板を転写又は剥離する方法に向かっている。この分野の従来技術の幾つかを以下に挙げる。   As described above, laser recrystallization has been proposed, but the mainstream of subsequent three-dimensional semiconductor device development is toward a method of transferring or peeling a single crystal Si substrate. Some of the prior art in this field are listed below.

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

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

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

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

最近ディスプレーデバイス用SOIウェーハではさらに大きな進歩が達成されている（非特許文献８：月刊ディスプレー，2003年2月号、別刷、「ＣＷラテラル結晶化（CLC）技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁）。この文献では、ガラス基板を使用したSOIデバイスにおいて、TFTの移動度をバルク単結晶MOSFETに匹敵するように高めている。 非特許文献８の記載を以下に引用する。   Recently, even greater progress has been achieved in SOI wafers for display devices (Non-Patent Document 8: Monthly Display, February 2003 issue, reprint, “CW Lateral Crystallization (CLC) Technology and High Mobility Low Temperature Poly on Glass Substrate) Si-TFT ”, Nobuo Sasaki, pp. 43-50. In this document, TFT mobility is increased to be comparable to bulk single crystal MOSFETs in SOI devices using glass substrates. The description of Non-Patent Document 8 is cited below.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

引用１０   Quote 10

Figure 2007116917
Figure 2007116917

CLC法で得られたSi結晶層の方位はほぼ(100)である（非特許文献９、IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al)。使用されたＣＷレーザーはダイオードポンプ固体連続波レーザー（10W, 532nm, Nd:YVO4）であり、スポット寸法は400×20μmである。厚さが250nmの非晶質Siをレーザー照射により結晶化している。The orientation of the Si crystal layer obtained by the CLC method is almost (100) (Non-Patent Document 9, IEDM01-747 “High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al) The diode-pumped solid-state continuous wave laser (10W, 532nm, Nd: YVO 4 ) was used, and the spot size was 400 × 20μm. Crystallized.

非特許文献１０（SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regisiters, N. Sasaki et al, pp 154-156、は、非特許文献８とほぼ同じ内容であり、また、それぞれ150μmの幅及び６−７ワットの出力をもつ固体連続波レーザーを4本同時にかつ選択的に照射することにより、幅が150μmの単結晶領域を多数（図面では4列×５個＝２０個）形成している。各列の間は非晶質Siである。1列に各5個の単結晶Si間のSiは(100)に優先配向した多結晶であり、ここには移動度が遅くともよいピクセルデバイスが作られる。上記の20個の単結晶領域にSRAMなどのデバイスが製作される。   Non-Patent Document 10 (SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270 MHz Shift Regisiters, N. Sasaki et al, pp 154-156 A single crystal region having a width of 150 μm, which is substantially the same as that of Non-Patent Document 8 and is selectively irradiated with four solid continuous wave lasers each having a width of 150 μm and an output of 6-7 watts simultaneously (4 rows x 5 = 20 in the figure) are formed.Amorphous Si is between each row.Si between 5 single crystal Si in each row takes precedence over (100) A pixel device, which is an oriented polycrystal and may be slow in mobility, is fabricated, and a device such as an SRAM is fabricated in the 20 single crystal regions.

非特許文献１１（ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki）によると、CLC処理される非晶質Si層の厚さは40-250nmである。   According to Non-Patent Document 11 (ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki), the thickness of the amorphous Si layer subjected to CLC is 40-250 nm.

非特許文献１２（Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al）では、非晶質絶縁層上の多結晶SiをツインＣＷアルゴンレーザー照射・走査により再結晶化することにより、結晶粒界も亜粒界もない幅20μｍ、長さ1.8mmの再結晶化領域が形成されている。   Non-Patent Document 12 (Appl. Phys, Lett. 45 (10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of reactive silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter In “heating” Nobuo Sasaki et al), polycrystalline Si on an amorphous insulating layer is recrystallized by twin CW argon laser irradiation / scanning, so there is no grain boundary or sub-grain boundary, width 20 μm, length 1.8 A recrystallized region of mm is formed.

通常、結晶粒界とは核から成長した結晶粒の境界である。一方、CLC法では引用２，３からは核発生がどこで起こっているか明らかではなく、引用４では「結晶粒界のようなもの」と記載されている。非特許文献６では結晶粒界との用語が使用されている。これらの文献からは、レーザー走査方向で線状に見える欠陥が果たして通常の結晶粒界であるかどうか明確ではないが、本明細書ではCLC処理されたＳｉ層の構造に関しては引用文献８に記載されている「結晶粒界」との用語をそのまま引用する。何れにせよ、結晶粒界が少なくなる方がトランジスタの特性は良好になることは明らかである。   Usually, a grain boundary is a boundary between crystal grains grown from nuclei. On the other hand, in the CLC method, it is not clear from citations 2 and 3 where nucleation occurs, and in citation 4, it is described as “like a grain boundary”. Non-Patent Document 6 uses the term “grain boundary”. Although it is not clear from these documents whether defects appearing linearly in the laser scanning direction are normal grain boundaries, in this specification, the structure of the CLC-treated Si layer is described in Citation 8. The term “grain boundary” is quoted as it is. In any case, it is clear that the characteristics of the transistor become better as the number of crystal grain boundaries decreases.

ところで、レーザー技術は日新月歩であり、最近の情報によると412W固体グリーンレーザーが開発された（非特許文献１３：2005年7月5日三菱電機株式会社の発表、インターネットで検索）。このレーザーは発振波長が532nmのパルス発振である。一般に連続(cw)発振にすると出力は1/10弱に低下すると考えられているが、この出力は上記した従来技術文献で使用されている連続発振レーザーの出力を大きく凌駕する。   By the way, the laser technology is Nisshin Ayumu, and according to recent information, a 412W solid state green laser has been developed (Non-patent document 13: Announcement by Mitsubishi Electric Corporation on July 5, 2005, search on the Internet). This laser is a pulse oscillation having an oscillation wavelength of 532 nm. In general, it is considered that the output is reduced to less than 1/10 when continuous (cw) oscillation is used, but this output greatly exceeds the output of the continuous wave laser used in the above-mentioned prior art documents.

特許文献３：特表２００４−５３５０６２号公報は、MOS-FETのSiO2層はアモルファス的性質のためにSiの近傍の層は欠陥に充たされ、その結果スィッチング速度が低下していると述べている。この特許文献では、Si基板にSiを蒸着中にSi及びO（酸素）の単一原子層を形成するために、SiOx(0<x<2)となるように酸素を導入することにより絶縁膜の性質を改良している。
特開２００５−８６０８９号公報 特表２００1−１８９４１９号公報 特表２００４−５３５０６２号公報 ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33(1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al. Appl. Phys. Lett 44(10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits. R. Mukai et al. Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method 2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT’s on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al. 2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT’s on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al. 2005IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al 月刊ディスプレー，2003年2月号、別刷、「ＣＷラテラル結晶化（CLC）技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁 IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al). SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156、 ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki） Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al） 従来と同等の大きさで約2倍の高出力を実現、世界最高出力412Wの「固体グリーンレーザー」を開発、2005年7月5日三菱電機株式会社、インターネット検索文献 「電子材料」2004年12月号別冊、超LSI製造・試験装置ガイドブック、CMP装置、第137〜14５頁 株式会社サイエンスフォーラム発行、超LSIプロセスデータハンドブック、第252頁 「はじめての半導体ナノプロセス」前田和夫著、工業調査会2004年2月20日発行、初版第1刷、第116〜119頁） Patent Document 3: Japanese Translation of PCT International Publication No. 2004-535062 states that because the SiO 2 layer of MOS-FET is amorphous, the layer near Si is filled with defects, and as a result, the switching speed is reduced. ing. In this patent document, in order to form a single atomic layer of Si and O (oxygen) during deposition of Si on a Si substrate, an insulating film is formed by introducing oxygen so that SiOx (0 <x <2) is satisfied. The properties have been improved.
JP 2005-86089 A Special table 2001-189419 JP-T-2004-535062 ECS, Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33 (1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al. Appl. Phys. Lett 44 (10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits.R. Mukai et al. Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method 2000-IEDM, Selective Single-Crystalline-Silicon Growth at the Predefined Active Region of TFT's on a Glass by Scanning CW Laser Irradiation. A. Hara et al. 2002-IEEE; High-Performance Single-Crystalline-Silicon TFT's on a Non-Alkali Glass Substrate. Y. Sano et al. 2005 IEEE New Three-Dimensional Integration Technology Using Self-Assembly Technique, Fukushima et al Monthly Display, February 2003, Reprint, “CW Lateral Crystallization (CLC) Technology and High Mobility Low Temperature Poly-Si-TFT on Glass Substrate” Nobuo Sasaki, pp. 43-50 IEDM01-747 ”High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al). SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156 ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki) Appl. Phys, Lett. 45 (10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width enhancement in the recrystallization of present silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al) Realizing approximately twice the high output with the same size as before, developing the world's highest output 412W "solid green laser", July 5, 2005 Mitsubishi Electric Corporation, Internet search literature "Electronic Materials" December 2004 issue, VLSI manufacturing / test equipment guidebook, CMP equipment, pp. 137-145 Published by Science Forum Inc., VLSI process data handbook, page 252 “First Semiconductor Nanoprocess” by Kazuo Maeda, published by the Industrial Research Committee on February 20, 2004, first edition, first edition, pages 116-119)

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

本発明者は非特許文献８で提案された、基板がガラスであるディスプレー用SOIウェーハの製造方法、即ち固体連続波レーザー結晶化法を非特許文献１で発表されている３次元半導体デバイスの製造に適用することに着眼した。後者のデバイスは演算装置、記憶装置などであり、クロックパルスが前者より高く、またパターンルールが前者より厳しいので、CLC結晶化のみでは結晶の特性が不充分である。特に、CLC結晶化で得られたSiはセコエッチで検出される粒界に見える転位、結晶欠陥などが多い。さらに、３次元半導体デバイスの一般的素材である単結晶Si基板にはIC回路素子が形成されているから、高温処理することはこれら素子の特性を劣化するおそがある。   The present inventor has proposed a manufacturing method of an SOI wafer for display whose substrate is glass, that is, a solid-state continuous wave laser crystallization method proposed in Non-Patent Document 8, and manufacturing a three-dimensional semiconductor device disclosed in Non-Patent Document 1. Focused on applying to. The latter device is an arithmetic unit, a storage device, etc., and the clock pulse is higher than the former, and the pattern rule is stricter than the former. Therefore, the crystal characteristics are insufficient only by CLC crystallization. In particular, Si obtained by CLC crystallization has many dislocations and crystal defects that can be seen at grain boundaries detected by Seco Etch. Furthermore, since an IC circuit element is formed on a single crystal Si substrate which is a general material of a three-dimensional semiconductor device, high-temperature treatment may deteriorate the characteristics of these elements.

本発明は、先行する二つの段落で述べたような状況を考慮して、固体連続波レーザーを用いるCLC法により再結晶化されたSi（シリコン）層の結晶性を、現在ICに要求されている微細化及び高速化に対応できるように、改良するとともに、既存の半導体装置製造装置ラインを大幅に改造することなく3次元半導体デバイスを製造することを目的とする。   In consideration of the situation described in the preceding two paragraphs, the present invention requires that the crystallinity of a Si (silicon) layer recrystallized by a CLC method using a solid-state continuous wave laser is currently required for an IC. The purpose is to manufacture a three-dimensional semiconductor device without greatly modifying the existing semiconductor device manufacturing apparatus line, while improving so that it can cope with miniaturization and high speed.

CLC法によりELCよりも優れた移動度(cm/Vs)が得られるレーザー走査速度は20〜100cm/sの範囲である（非特許文献８、図７）。この速度は固液界面移動速度(VL)と等しく、また、Si単結晶の引き上げ法における引き上げ速度(Vc)は1〜2mm/min程度であり、やはり固液界面移動速度(Vc)は引き上げ速度と等しい。これらの比を計算するとVL= 100〜1000 Vc であり、10２〜103倍の相違がある。前掲図７ではレーザー走査が速くなると、移動度(cm/Vs)はELCのものと差がなくなっていることは、非常に速いレーザー走査速度に固液界面移動速度(VL)が追従できず、SiO2/Si界面などで核発生が起こることが原因である。
なお、レーザーの出力（W=J/s）、走査速度(cm/s)及びレーザースポットの走査方向の長さ(cm)よりレーザー照射面積当りのエネルギー(J/cm2)を計算することができる。The laser scanning speed at which mobility (cm / Vs) superior to ELC is obtained by the CLC method is in the range of 20 to 100 cm / s (Non-Patent Document 8, FIG. 7). This speed is equal to the solid-liquid interface moving speed (V L ), and the pulling speed (V c ) in the Si single crystal pulling method is about 1 to 2 mm / min, and again the solid-liquid interface moving speed (V c ) Is equal to the lifting speed. When these ratios are calculated, V L = 100 to 1000 V c and there is a difference of 10 2 to 10 3 times. In Figure 7 above, when the laser scanning is faster, the mobility (cm / Vs) is no different from that of ELC. The solid-liquid interface movement speed (V L ) cannot follow the very fast laser scanning speed. This is because nucleation occurs at the SiO 2 / Si interface.
The energy per laser irradiation area (J / cm 2 ) can be calculated from the laser output (W = J / s), scanning speed (cm / s), and the length of the laser spot in the scanning direction (cm). it can.

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

本発明者は、上述のようにCLC法のレーザー走査速度を適正範囲に維持したとしても再結晶化されたSiの結晶特性は、演算装置、記憶装置などのIC用デバイスに使用するには、不充分であるとの認識に達した。   The inventor of the present invention, as described above, even if the laser scanning speed of the CLC method is maintained in an appropriate range, the crystal characteristics of the recrystallized Si are used for IC devices such as arithmetic units and storage devices. Reached recognition that it was inadequate.

本願発明は、Si層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は非晶質Si層を積層し、前記多結晶Si層又は水素含有量が１原子％以下の非晶質Si層にレーザーを照射しかつ走査することにより再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する３次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を、少なくともその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Ｓｉ層又は非晶質Ｓｉ層を積層し、この多結晶又は非晶質Si層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射及び走査を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、レーザー照射され、再結晶化もしくは結晶化したＳｉ層に1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを添加することを共通の特徴とし、第１の方法は、水素イオン添加後前記Si層が溶融しない条件でレーザー加熱処理し、第２の方法は、水素イオン添加後900℃以下でRTA処理することを特徴とする。In the present invention, an insulating film is formed on a Si layer, a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer is stacked on the insulating film, and the polycrystalline Si layer or an amorphous material having a hydrogen content of 1 atomic% or less. In the method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device, a circuit of another semiconductor element is formed in a recrystallized or crystallized Si layer by irradiating a laser to the porous Si layer and scanning, and connecting these circuits. The insulating film is flattened by CMP for at least a portion on which a circuit element is to be formed, and then the polycrystalline Si layer or amorphous Si layer is laminated, and the polycrystalline or amorphous Si layer is recycled. Laser irradiation and scanning to crystallize or crystallize is performed by a solid continuous wave laser with an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area, and laser irradiation and recrystallized or crystallized Si layer is 10 14 / cm 2 or more Add hydrogen ions at a dose of As a common feature, the first method is characterized in that after the addition of hydrogen ions, the Si layer is subjected to laser heat treatment under conditions that do not melt, and the second method is characterized in that the RTA treatment is performed at 900 ° C. or less after the addition of hydrogen ions. .

続いて、先ず本願発明の共通の特徴について説明する。
３次元半導体デバイス製造方法の出発材料は、半導体素子の回路が形成されているSi層であり、例えばトランジスタ、抵抗、コンデンサー、ダイオード、コンダクタンスなどの素子を電気的に接続した回路が形成されている単結晶(100)方位Si基板である。この場合は請求項１又は２記載の方法を１回以上行うことにより3次元半導体デバイスを製造することができる。あるいは、半導体素子が形成されていないSi単結晶基板などのＳｉ層である。この場合は、請求項１又は２記載の方法を2回以上行うことにより3次元半導体デバイスを製造することができる。
これらのSi基板は公知のSOI（Silicon on Insulator）基板、石英基板などであってもよい。SOI基板の結晶性と電気的特性に優れた単結晶Si層に駆動回路を形成することができる。また、高い電気的特性が要求されない、スイッチ回路、ロード（負荷）回路などの場合は、非晶質Si層もしくは多結晶Si層などを出発材料としてもよい。さらには、本出願人が平成１８年１月２７日に出願（特願２００６−１８６５８号）した固体連続波レーザーにより（再）結晶化されたSi層を利用してもよい。この方法の要点は次の三つの段落００４２〜００４４で引用するとおりである。Subsequently, common features of the present invention will be described first.
The starting material of the three-dimensional semiconductor device manufacturing method is a Si layer in which a circuit of a semiconductor element is formed, for example, a circuit in which elements such as a transistor, a resistor, a capacitor, a diode, and a conductance are electrically connected is formed. Single crystal (100) oriented Si substrate. In this case, a three-dimensional semiconductor device can be manufactured by performing the method of Claim 1 or 2 once or more. Alternatively, it is a Si layer such as a Si single crystal substrate on which no semiconductor element is formed. In this case, a three-dimensional semiconductor device can be manufactured by performing the method according to claim 1 or 2 twice or more.
These Si substrates may be known SOI (Silicon on Insulator) substrates, quartz substrates, and the like. A drive circuit can be formed on a single-crystal Si layer having excellent crystallinity and electrical characteristics of an SOI substrate. In the case of a switch circuit, a load circuit, or the like that does not require high electrical characteristics, an amorphous Si layer or a polycrystalline Si layer may be used as a starting material. Furthermore, a Si layer crystallized (re) by a solid-state continuous wave laser filed on January 27, 2006 by the present applicant (Japanese Patent Application No. 2006-18658) may be used. The key points of this method are as quoted in the next three paragraphs 0042-0044.

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

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

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

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

絶縁膜の機能は、素子により、（イ）下層と上層を電気的に絶縁する；（ロ）MOSトランジスタのゲート酸化膜、厚さは10nm(100オングストローム)程度である；（ハ）フラッシュメモリのゲート酸化膜；（ニ）MOSFETの耐圧を高めるLDD（Light Dosed Drain）のカバー膜などである。フラッシュメモリは10年程度の長期使用が予定されており、その間ゲート酸化膜から繰返しホットエレクトロンが注入される。またゲート酸化膜の膜厚は現在10nm(100オングストローム)程度であるが、今後の微細化により７nm(70オングストローム)まで薄くなることが予測されている。
絶縁膜の機能改善法としては、特許文献３の方法が提案されているが、絶縁膜材質の変更を伴う。ところが、ニ次元デバイスでも三次元デバイスでも、SiO2、SiN,Si3N4,SiONなどの公知の材料の皮膜を公知の方法で厚さを10〜500nmに形成した後、ガスレーザー、エキシマレーザー、固体レーザーなどにより融点以下の温度で加熱することにより、稠密化を図り膜質及び耐圧を改善することができる。The function of the insulating film is to (1) electrically insulate the lower layer from the upper layer by the element; (b) the gate oxide film of the MOS transistor, the thickness is about 10 nm (100 angstroms); (c) the flash memory Gate oxide film; (d) Cover film of LDD (Light Dosed Drain) that increases the breakdown voltage of the MOSFET. Flash memory is expected to be used for a long period of about 10 years, during which hot electrons are repeatedly injected from the gate oxide film. The thickness of the gate oxide film is currently about 10 nm (100 angstroms), but it is predicted that it will be reduced to 7 nm (70 angstroms) due to future miniaturization.
As a method for improving the function of the insulating film, the method of Patent Document 3 has been proposed, but it involves a change in the material of the insulating film. However, in both two-dimensional and three-dimensional devices, a film of a known material such as SiO 2 , SiN, Si 3 N 4 , or SiON is formed to a thickness of 10 to 500 nm by a known method, and then a gas laser or excimer laser is used. By heating at a temperature below the melting point with a solid laser or the like, densification can be achieved and film quality and pressure resistance can be improved.

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

上述のように非特許文献８の方法において、CLC処理にされたSi層はいわゆる結晶粒界をもっているから、広義では多結晶材料に属する。本発明の方法において、SiO2膜上に積層される多結晶Siは、非特許文献８における粒界がレーザー走査方向に伸び、面方向がそろった多結晶構造とは異なり、通常ＣＶＤ法などにより形成される粒状の結晶粒をもっている。As described above, in the method of Non-Patent Document 8, the Si layer subjected to CLC treatment has a so-called crystal grain boundary, and thus belongs to a polycrystalline material in a broad sense. In the method of the present invention, the polycrystalline Si laminated on the SiO 2 film is different from the polycrystalline structure in which the grain boundaries in the non-patent document 8 extend in the laser scanning direction and the plane direction is aligned, and is usually obtained by the CVD method or the like. Has granular crystal grains to be formed.

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

段落番号００４５，００４６で説明したSiO2膜は微細凹凸を有している。本発明においては、レーザー照射を行う前にSiO2膜をCMPにより0.3〜1nm程度の粗さに平坦化することにより、Si層との界面の微視的凹凸を少なくする。この結果、レーザー照射の際の結晶粒界発生を抑える。なお、ＣＭＰ処理は第２層形成の段階では第2層の回路素子、例えばトランジスタが形成される部分の下地となる第1層のSiO2について行えばよいが、実際上はウェーハ全面に行われる。但し、スクライブラインなどが設定されているウェーハではスクライブラインを除いてＣMP処理を行うこともできる。CMPは非特許文献1４に記載された各種方法及び装置を使用することができる。The SiO 2 film described in paragraphs 0045 and 0046 has fine irregularities. In the present invention, before the laser irradiation, the SiO 2 film is planarized to a roughness of about 0.3 to 1 nm by CMP to reduce microscopic irregularities at the interface with the Si layer. As a result, generation of crystal grain boundaries during laser irradiation is suppressed. The CMP process may be performed on the second layer circuit element, for example, the first layer SiO 2 which is the base of the portion where the transistor is formed, at the stage of forming the second layer. . However, CMP processing can be performed on a wafer on which a scribe line or the like is set, except for the scribe line. Various methods and apparatuses described in Non-Patent Document 14 can be used for CMP.

本発明において行う固体連続波レーザーの照射と横方向走査によるSiの再結晶は非特許文献８に記載された引用1〜9の如きCLC法である。また、固体連続波レーザー（以下「レーザー」と略記する）としては、出力10〜15W、波長532nmのものが現在提供されている。この出力では、レーザーを照射する非晶質Si層の厚さが500nm（5000オングストローム）を超えると、層全体を固液界面移動により結晶化させることができなくなり、下地のSiO2膜界面での核発生が起こるので、これらの層の厚さは500nm以下とすることが必要である。なお、本明細書における説明において「結晶化」は、非晶質Siに該当し、多結晶Siの場合はレーザー照射により再結晶化が起こるが、これらを「結晶化」との用語で説明している。レーザー照射はアルゴンガス雰囲気中で行うことが好ましい。The recrystallization of Si by solid-state continuous wave laser irradiation and lateral scanning performed in the present invention is a CLC method as described in Citations 1 to 9 described in Non-Patent Document 8. As solid-state continuous wave lasers (hereinafter abbreviated as “lasers”), those having an output of 10 to 15 W and a wavelength of 532 nm are currently provided. In this output, when the thickness of the amorphous Si layer irradiated with laser exceeds 500 nm (5000 angstroms), the entire layer cannot be crystallized due to the solid-liquid interface movement, and at the interface of the underlying SiO 2 film Since nucleation occurs, the thickness of these layers needs to be 500 nm or less. In the description of the present specification, “crystallization” corresponds to amorphous Si, and in the case of polycrystalline Si, recrystallization occurs by laser irradiation. These are described in terms of “crystallization”. ing. Laser irradiation is preferably performed in an argon gas atmosphere.

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

結晶化したSi層の厚さに関係する事項を説明する。
（イ） ICの回路素子を形成するSi層の厚さは一般に20〜70nmである。現在は引き上げ法で得られたSi結晶にデバイスを作っているから、上記の厚さのSi層を形成することにはなんら問題がない。しかしながら、CLC法により調製されたSi結晶を使用する場合は、上記の厚さの非晶質Si層を形成するか、あるいは一旦より厚い非晶質Si又は多結晶Si層（以下、この段落及び次の段落では「非晶質Si層」と略称する）を形成し、次に研摩により薄くするか、あるいは上部のみにデバイスを作るかの選択を行うことになる。
（ロ）非晶質Si層の厚さが非常に薄いと、下地のSiO2膜にCMPを施さない条件で、例えば10nm以下であると、CLC結晶化された非晶質Si層は、下地のSiO2膜の影響を受けて所望の(100)ではなく(111)などが多くなり、一方、厚さが200〜400nmの非晶質Si層は、CLC結晶化後、下側約10nmを除いてほぼ（100）方位となる。したがって、極く薄いSi層にデバイスを作る場合、あるいはある程度の厚さをもったSi層に深い活性領域をもつデバイスを作る場合は、界面に存在する（100）以外の方位の結晶を少なくすることが必要となる。
（ハ）このような結晶性改良をもたらす水素イオンの添加は、最も深い注入深さが得られるイオン注入法でも、厚さが1000nmを超えると、Si層のSiO2膜との界面まで注入することは困難になる。Si層の厚さが400nm程度では特に問題がない。
（ニ）デバイスの種類により高い移動度(mobility)が要求されるものと、例えば後述のＳRAMの負荷トランジスタのように、そうでないものがある。結晶性の要求は当然前者については厳しくなり、後者は要求が比較的緩いので、薄い非晶質Si層を形成し、その後水素添加などにより結晶性を改良する手法をとることができる。The matter related to the thickness of the crystallized Si layer will be described.
(A) The thickness of the Si layer forming the circuit element of the IC is generally 20 to 70 nm. Currently, since devices are made on Si crystals obtained by the pulling method, there is no problem in forming the Si layer with the above thickness. However, when using a Si crystal prepared by the CLC method, an amorphous Si layer having the above thickness is formed, or a thicker amorphous Si or polycrystalline Si layer (hereinafter referred to as this paragraph and The next paragraph will be referred to as an “amorphous Si layer”) and then the choice of whether to thin by polishing or to make the device only on top.
(B) When the thickness of the amorphous Si layer is very thin, the CLC-crystallized amorphous Si layer is, for example, 10 nm or less under the condition that CMP is not applied to the underlying SiO 2 film. (111), etc., more than the desired (100) due to the influence of the SiO 2 film, while the amorphous Si layer with a thickness of 200-400 nm has a lower thickness of about 10 nm after CLC crystallization. Except for almost (100) orientation. Therefore, when making a device in a very thin Si layer, or when making a device with a deep active region in a Si layer with a certain thickness, reduce the number of crystals with orientations other than (100) at the interface. It will be necessary.
(C) Addition of hydrogen ions that brings about such improvement in crystallinity, even in the ion implantation method that provides the deepest implantation depth, if the thickness exceeds 1000 nm, the Si layer is implanted to the interface with the SiO 2 film. It becomes difficult. There is no particular problem when the thickness of the Si layer is about 400 nm.
(D) Some devices require high mobility depending on the type of device, and others do not. For example, an SRAM load transistor described later. Naturally, the requirement for crystallinity becomes stricter with respect to the former, and the requirement for the latter is relatively loose. Therefore, a method of forming a thin amorphous Si layer and then improving the crystallinity by hydrogenation or the like can be taken.

以上の事項（イ）〜（ニ）を考慮して、本発明においては、次のような非晶質Si層の厚さ設定態様がある。
(a)100〜200nmの非晶質Si層を形成し、本発明の一連の処理を行い、その後CMPを行い、上記した２0〜７0nmの厚さを得る。これはSiO2膜界面のSi層は水素添加と熱処理により結晶性は改善されるものの、界面の影響をできるだけ少なくしようとするものである。
(b)後述する請求項４の方法
(c) 20〜70nmの非晶質Si層を形成し、水素添加後熱処理を行う。この方法は高い移動度が要求されないデバイスを短い工程で造るという利点がある。In consideration of the above matters (a) to (d), the present invention has the following amorphous Si layer thickness setting mode.
(a) An amorphous Si layer having a thickness of 100 to 200 nm is formed, a series of treatments of the present invention are performed, and then CMP is performed to obtain the above-described thickness of 20 to 70 nm. Although the Si layer at the SiO 2 film interface is improved in crystallinity by hydrogenation and heat treatment, it is intended to minimize the influence of the interface.
(b) The method of claim 4, which will be described later.
(c) An amorphous Si layer of 20 to 70 nm is formed, and heat treatment is performed after hydrogenation. This method has the advantage of producing a device that does not require high mobility in a short process.

本発明においては、水素イオンの添加を行うためにはイオン注入法によることができる。
図４は、SiにH+を注入した場合の、イオンエネルギー、注入深さ（単位μm）を示すデータベースである（出典非特許文献１５）。また、図５は微細化対応の極薄イオン注入を行う場合の条件（注入深さ単位オングストローム）である（出典：Zieglerのデータベース）。In the present invention, the addition of hydrogen ions can be performed by an ion implantation method.
FIG. 4 is a database showing ion energy and implantation depth (unit: μm) when H + is implanted into Si (Source Non-Patent Document 15). FIG. 5 shows conditions (implantation depth unit angstrom) when ultra-thin ion implantation corresponding to miniaturization is performed (source: Ziegler database).

さらに、本発明において、浅いSi層に水素イオンの添加を行うためには、プラズマドーピングを利用することができる。プラズマドーピングは、例えばB2H6ガスを真空槽内でプラズマ化し、ＲＦバイアス電源に接続されたＳｉウェーハにＢとＨイオンを浅く注入する技術として開発されている（非特許文献１６「はじめての半導体ナノプロセス」前田和夫著、工業調査会2004年2月20日発行、初版第1刷、第116〜119頁）。Furthermore, in the present invention, plasma doping can be used to add hydrogen ions to the shallow Si layer. For example, plasma doping is developed as a technique in which B 2 H 6 gas is turned into plasma in a vacuum chamber, and B and H ions are shallowly implanted into a Si wafer connected to an RF bias power source (Non-Patent Document 16 “Introduction” "Semiconductor nanoprocess" by Kazuo Maeda, published by the Industrial Research Committee on February 20, 2004, first edition, first edition, pages 116-119).

水素イオンの添加は、10 14/cm２以上のドーズ量でSiO2膜とSi層の界面に行うことにより、熱処理の際に、この界面から核成長が起こり、レーザー再結晶により成長した（100）方位の結晶が乱されないようにする。The addition of hydrogen ions is performed at the interface between the SiO 2 film and the Si layer at a dose of 10 14 / cm 2 or more, so that during the heat treatment, nucleus growth occurs from this interface and it is grown by laser recrystallization (100 ) Do not disturb the crystal of orientation.

厚さが100nm のSiO2膜上に成膜された 100nm の非晶質Si層に固体連続波レーザー（出力10W）を 30cm/secの走査速度で照射した。この結果結晶形態が変化した多結晶Si層に水素イオン濃度を変えて、1014/cm2, 1015/cm2, 1016/cm2 の濃度で注入し、引続きN2 雰囲気中、 1100℃の温度で 30分の条件で熱処理を行った。熱処理されたSi層の表面をSeccoエッチングした電子顕微鏡写真を、図９（水素イオン濃度1014/cm2）、図１０（水素イオン濃度 1015/cm2）、図１１（水素イオン濃度 1016/cm2）に示す。これらの電子顕微鏡写真に示されたSi結晶は非特許文献８に見られるような筋状欠陥もしくは結晶粒界がほとんどみられず、水素イオン注入とこれに続く熱処理の結果、結晶性が改善されたことが分かる。なお、水素イオン注入濃度が高い方が結晶性改善効果が大きい。また、熱処理の雰囲気については、水素雰囲気は窒素雰囲気よりもSeccoエッチング前のSi層凹凸が少なかったので、より大きな結晶性改善効果が期待できた。A 100 nm amorphous Si layer formed on a 100 nm thick SiO 2 film was irradiated with a solid continuous wave laser (output 10 W) at a scanning speed of 30 cm / sec. As a result, the hydrogen ion concentration was changed into the polycrystalline Si layer whose crystal morphology was changed, and implanted at a concentration of 10 14 / cm 2 , 10 15 / cm 2 , 10 16 / cm 2 , and subsequently in N 2 atmosphere at 1100 ° C. The heat treatment was performed at the temperature of 30 minutes under the condition of 30 minutes. Electron micrographs obtained by Secco etching of the surface of the heat-treated Si layer are shown in FIG. 9 (hydrogen ion concentration 10 14 / cm 2 ), FIG. 10 (hydrogen ion concentration 10 15 / cm 2 ), and FIG. 11 (hydrogen ion concentration 10 16 / cm 2 ). The Si crystals shown in these electron micrographs show almost no streak defects or crystal grain boundaries as seen in Non-Patent Document 8, and as a result of hydrogen ion implantation and subsequent heat treatment, crystallinity is improved. I understand that. The higher the hydrogen ion implantation concentration, the greater the crystallinity improvement effect. As for the heat treatment atmosphere, the hydrogen atmosphere had less Si layer irregularities before the Secco etching than the nitrogen atmosphere, so a greater crystallinity improvement effect could be expected.

また、本発明において、下地加熱として静電チャック付プレートヒーターにより400〜500℃に予備加熱してレーザー照射を行いあるいはレーザー照射中加熱すると、保温効果により見かけ上レーザーの照射エネルギーを増大させ、また走査幅を広くすることができる。さらに、Si層全面に下地SiO2膜と上層Si3N4膜のキャッピング層を形成し、その上からレーザーを照射すると同様に、走査幅を広くすることができる。上層Si3N4膜はレーザー照射により形成される凹凸を少なくすることに有効であり、下地のSiO2膜は容易にSi層から分離できるIn the present invention, preheating to 400 to 500 ° C. with a plate heater with an electrostatic chuck as base heating, or performing laser irradiation or heating during laser irradiation increases the laser irradiation energy apparently due to the heat retention effect, The scanning width can be increased. Furthermore, similarly to the case where a capping layer of a base SiO 2 film and an upper Si 3 N 4 film is formed on the entire surface of the Si layer and laser is irradiated from the capping layer, the scanning width can be increased. The upper Si 3 N 4 film is effective in reducing irregularities formed by laser irradiation, and the underlying SiO 2 film can be easily separated from the Si layer

水素イオン添加後に本発明の第1方法においては、ガスレーザー、エキシマレーザー、固体レーザーなどによりＳｉ層を溶融しない条件で、好ましくは1000〜1200℃で、加熱することにより、Si層の結晶性を改良する。なお、レーザー加熱では、下地に形成された回路素子をほとんど加熱しない局部加熱を実現することができる。
レーザー加熱前にイオン注入により添加された水素イオンは下層のSi結晶構造を乱しており、レーザー加熱により再結晶が起こる際は上層の(100)が種となって下側に結晶成長する。これは水素イオンが(100)以外の方位の結晶成長を阻止していることと、Ｓｉでは(100)が成長し易い優先方位であることを利用している。上述のように、Si層内部での自律的結晶成長を抑制しつつ、レーザーにより結晶化した上部Si層から結晶を発達させる優先成長を行なうと、結晶化した上部Si層内の欠陥などは、(100)Si結晶の成長速度よりも成長速度遅いために、欠陥は内部に発達しないので、結晶性が良い厚膜のSi層を形成することができる。なお、水素添加レーザー加熱を2回以上繰返すことができる。In the first method of the present invention after the addition of hydrogen ions, the Si layer is crystallized by heating at 1000 to 1200 ° C., preferably under conditions where the Si layer is not melted by a gas laser, excimer laser, solid laser or the like. Improve. In the laser heating, local heating that hardly heats the circuit element formed on the base can be realized.
Hydrogen ions added by ion implantation before laser heating disturb the Si crystal structure of the lower layer, and when recrystallization occurs by laser heating, the upper layer (100) becomes seeds and grows downward. This utilizes the fact that hydrogen ions prevent crystal growth in orientations other than (100) and that Si has a preferred orientation in which (100) is easy to grow. As described above, when performing preferential growth to develop crystals from the upper Si layer crystallized by laser while suppressing autonomous crystal growth inside the Si layer, defects in the crystallized upper Si layer, Since the growth rate is slower than the growth rate of the (100) Si crystal, the defect does not develop inside, so a thick Si layer with good crystallinity can be formed. The hydrogenation laser heating can be repeated twice or more.

さらに、加熱されたSi結晶層ではSi原子が再配列されるために、結晶粒界の両側でもSi原子が再配列される。ところで、非特許文献６で示された筋状模様はレーザー走査の途中で消失するほど非常に不安定であるから、本発明のレーザー加熱により消失することができる。これにより、トランジスタのソース及びドレーンの方向を任意に設定できるようになる。   Furthermore, since Si atoms are rearranged in the heated Si crystal layer, Si atoms are rearranged on both sides of the grain boundary. By the way, the streaky pattern shown in Non-Patent Document 6 is so unstable that it disappears in the middle of laser scanning, and can be eliminated by the laser heating of the present invention. As a result, the direction of the source and drain of the transistor can be set arbitrarily.

本発明の第2方法では、第1方法のレーザー加熱の変わりに、900℃以下の温度でRTP(Rapid Thermal Processing)処理を行う。具体的にはRTP処理の条件は、予熱温度400〜500 ℃にウェーハを保持し、あるいは保持せずに、上記熱処理温度に一挙に昇温して、熱処理温度で３〜30sec保持することにより、下地に形成された回路素子をほとんど加熱しない局部加熱を実現することができる。RTPの昇温のためにはランプ加熱を行うか、あるいはホットウォール炉内の前記熱処理温度を有する領域にウェーハを急速移動させる方法である。加熱終了後は、ランプの電源を切断するか、あるいはウェーハを炉外にあるいは予熱領域に急速移動させる。熱処理温度が900℃を超えると、既に形成されている回路素子が熱的悪影響を受ける。また、800〜900℃の温度範囲でもやはり、既に形成されている回路素子が熱的悪影響を受ける場合もあるので、スパイク処理などが必要となる。   In the second method of the present invention, RTP (Rapid Thermal Processing) is performed at a temperature of 900 ° C. or lower instead of the laser heating of the first method. Specifically, the RTP treatment condition is that the wafer is held at a preheating temperature of 400 to 500 ° C., or not held, the temperature is raised to the heat treatment temperature at once, and the heat treatment temperature is kept for 3 to 30 seconds. The local heating that hardly heats the circuit element formed on the base can be realized. In order to increase the temperature of RTP, lamp heating is performed, or the wafer is rapidly moved to a region having the heat treatment temperature in a hot wall furnace. After heating, the lamp is turned off or the wafer is rapidly moved out of the furnace or into the preheating area. When the heat treatment temperature exceeds 900 ° C., the already formed circuit elements are adversely affected by heat. Further, even in the temperature range of 800 to 900 ° C., the already formed circuit element may be adversely affected by heat, so that spike processing or the like is necessary.

なお、予備加熱により非晶質Si層中の水素濃度は拡散により低下し、予備加熱中にあるいは900℃の熱処理温度への昇温中に自律的結晶成長が起こる可能性がある。拡散による脱水素については、50〜100nmの厚さの10原子％の水素を含有する非晶質Si層からの1原子％までの脱水素については、次のデータが知られている。即ち、430℃で2時間、500℃で20〜30分、600℃で２〜４分。これらのデータから430℃以下では拡散による脱水素はかなり遅いことが分かる。なお、600℃、18 〜20時間で非晶質Siは結晶化するので、この結晶化を阻止するためには0.1原子％の水素が非晶質Si層中に残存している必要がある。   Note that the hydrogen concentration in the amorphous Si layer is reduced by diffusion due to preheating, and autonomous crystal growth may occur during the preheating or during the temperature rise to the heat treatment temperature of 900 ° C. Regarding dehydrogenation by diffusion, the following data is known for dehydrogenation up to 1 atomic% from an amorphous Si layer containing 10 atomic% of hydrogen having a thickness of 50 to 100 nm. 2 hours at 430 ° C, 20-30 minutes at 500 ° C, 2-4 minutes at 600 ° C. These data show that dehydrogenation by diffusion is considerably slow below 430 ° C. Since amorphous Si crystallizes at 600 ° C. for 18 to 20 hours, 0.1 atomic% of hydrogen needs to remain in the amorphous Si layer in order to prevent this crystallization.

また、第1方法によるとSi層に歪が発生するので、歪取りを目的として第1方法のレーザー加熱後に第2方法のＲＴＡを行うことが好ましい。   In addition, since strain is generated in the Si layer according to the first method, it is preferable to perform RTA of the second method after laser heating of the first method for the purpose of strain removal.

上述した第1もしくは第2方法あるいは第1方法に続いて第2方法により処理されたSi層をCMP処理した後、CVD（Chemical Vapor Deposition）によるエピタキシャル成長を行うと、さらに結晶性が良好なSi層を得ることができる（請求項４）。エピタキシャル成長は、下地のSi層をフッ酸等で水素ターミネ−ション処理した後、公知の方法で行うことができるが、450〜800℃の温度でSiH4,Si2H6ガス及びキャリアガスを低温エピタキシャル成長で行うことが好ましい。エピタキシャル成長がこの温度範囲内で低く、かつ真空度が高いほどエピタキシャル層の結晶性が良好になり、下地のSeccoエッチで検出される粒界状の欠陥がほとんどない結晶を成長させることができる。このようにして形成されたエピタキシャル層にトランジスタなどを形成する。なお、Si単結晶層の厚さを調整するエピタキシャル層の厚さは10〜10000nmが好ましい。Si layer with better crystallinity when epitaxial growth by CVD (Chemical Vapor Deposition) is performed after CMP treatment of the Si layer treated by the second method following the first or second method or the first method described above. (Claim 4). Epitaxial growth can be performed by a known method after hydrogen termination treatment of the underlying Si layer with hydrofluoric acid or the like, but at a temperature of 450 to 800 ° C., SiH 4 , Si 2 H 6 gas and carrier gas are cooled at a low temperature. It is preferable to carry out by epitaxial growth. The lower the epitaxial growth within this temperature range and the higher the degree of vacuum, the better the crystallinity of the epitaxial layer, and it is possible to grow a crystal having almost no grain boundary defects detected by the underlying Secco etch. A transistor or the like is formed in the epitaxial layer thus formed. The thickness of the epitaxial layer for adjusting the thickness of the Si single crystal layer is preferably 10 to 10,000 nm.

非特許文献６においてキャップ層の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of a cap layer in the nonpatent literature 6. FIG. 非特許文献６においてレーザー照射を受けているSi層の平面図である。It is a top view of Si layer which has received laser irradiation in nonpatent literature 6. 非特許文献６のトランジスタのソース及びドレーンを示す図面である。6 is a diagram illustrating a source and a drain of a transistor of Non-Patent Document 6. 水素イオン注入のデータベースである。This is a database of hydrogen ion implantation. 水素イオン注入のデータベースである。This is a database of hydrogen ion implantation. 完全CMOS SRAMの回路図である。It is a circuit diagram of complete CMOS SRAM. 図4のSRAMの３次元構造図である。FIG. 5 is a three-dimensional structure diagram of the SRAM of FIG. 図7のA-A‘線断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 水素イオンを1014/cm2の濃度で注入し, 1100℃で窒素雰囲気中で熱処理した後、Seccoエッチングを行ったSi層の電子顕微鏡（SEM）写真である。Hydrogen ions are implanted at a concentration of 10 14 / cm 2, after heat treatment in a nitrogen atmosphere at 1100 ° C., an electron microscope (SEM) photograph of Si layer subjected to Secco etching. 図9の処理において水素イオン濃度を1015/cm2とした他は同じ条件の処理を行った同様の写真である。FIG. 10 is a similar photograph obtained by performing the process under the same conditions except that the hydrogen ion concentration in the process of FIG. 9 is 10 15 / cm 2 . 図９の処理において水素イオン濃度を1016/cm2とした他は同じ条件で処理を行った同様の写真である。It is the same photograph which processed on the same conditions except hydrogen ion concentration having been 10 16 / cm 2 in the processing of FIG.

本発明はあらゆるＩＣ用回路の３次元半導体デバイスを製造することができるが、図６に示す（抵抗を使用しない）６トランジスタ完全CMOS-SRAMを三次元に構成した実施例を図７及び８に示す。
図６において、Q1,Q2は駆動トランジスタ（NMOS）であり、Q3,Q4が負荷トランジスタ(PMOS)であり、これらQ1,Q2,Q3,Q4がフリップフロップを構成している。 Q5,Q6 は選択トランジスタ(NMOS)であり、これらのゲートが開いた状態でビット線（Ｄ）をＨにすると、ビット線（Ｄバー）はＬ、即ちAが１、Ｂが０の書き込みが行われる。Ｈ、Ｌを逆にするとAが０、 Bが１となる。読み出しはワード線(W)をＨとし、Ｑ５、Ｑ６のゲートを開いて行う。Although the present invention can manufacture a three-dimensional semiconductor device of any IC circuit, an embodiment in which the six-transistor complete CMOS-SRAM shown in FIG. 6 (without using a resistor) is three-dimensionally constructed is shown in FIGS. Show.
In FIG. 6, Q1 and Q2 are drive transistors (NMOS), Q3 and Q4 are load transistors (PMOS), and these Q1, Q2, Q3, and Q4 constitute a flip-flop. Q5 and Q6 are selection transistors (NMOS). If the bit line (D) is set to H with these gates open, the bit line (D bar) is L, that is, A is 1 and B is 0. Done. If H and L are reversed, A becomes 0 and B becomes 1. Reading is performed by setting the word line (W) to H and opening the gates of Q5 and Q6.

通常の二次元デバイスでは６個のトランジスタがSi基板上に形成・配列されているが、
本発明では、3個トランジスタＱ１、Ｑ３、Ｑ５又はＱ２，Ｑ４、Ｑ６を3層配列とすることにより、SRAMの占有面積を従来よりも少なくすることができる。図７及び8に示す実施例においては、Ｑ１を第1層レベル、Ｑ３を第２レベル、ワード線と接続されたＱ５を第3層レベルとして構成している。なお、Q2,Q4,Q6の構成も同様である。In a normal two-dimensional device, six transistors are formed and arranged on a Si substrate.
In the present invention, the three transistors Q1, Q3, Q5 or Q2, Q4, Q6 are arranged in a three-layer arrangement, so that the area occupied by the SRAM can be reduced as compared with the prior art. 7 and 8, Q1 is configured as a first layer level, Q3 is configured as a second level, and Q5 connected to a word line is configured as a third layer level. The configurations of Q2, Q4, and Q6 are the same.

図７及び８において、第1〜３層をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３として示す。１０はｐ型(100)Ｓｉ基板であり、ソース１２、ドレーン１１及びこれらの中間のチャネル、熱酸化法で形成されたゲート絶縁膜（SiO2）１３、Ｎ＋ポリシリコン電極１４から構成されるMOSトランジスタ（Ｑ１）はSiO2からなる絶縁領域１５により素子分離されている。絶縁領域１５はshallow touch isolation技術で形成されている。
上記したトランジスタＱ１と、その上方に形成されCMOSの一方のトランジスタＱ３を分離する絶縁膜はCVDによるSiO2層１７として厚く形成されている。7 and 8, the first to third layers are shown as L1, L2, and L3, respectively. Reference numeral 10 denotes a p-type (100) Si substrate, which includes a source 12, a drain 11 and a channel between them, a gate insulating film (SiO 2 ) 13 formed by a thermal oxidation method, and an N + polysilicon electrode 14. MOS transistor (Q1) is isolated by an insulating region 15 made of SiO 2. The insulating region 15 is formed by a shallow touch isolation technique.
The insulating film that separates the transistor Q1 and the one transistor Q3 of the CMOS formed above the transistor Q1 is formed thick as a SiO 2 layer 17 by CVD.

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

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

図８は図７のA -A’線の断面図であり、特に第3層Ｌ３に形成されるトランジスタＱ５の構造を示している。上述のようにＱ５はレーザー結晶化Si層３２内に造られており、ソース３５、ドレーン３６、チャネル３７、ゲート絶縁膜（SiO2）３８、ゲート電極３９を有している。４１はQ3のソース３５に接続されるアルミニウム電極及び配線であり、ビット線と接続される。４２はQ3のドレーン３８と接続されるアルミニウム電極であり、Q1及びQ3と接続される。図示のSRAMは３層構造であるために、最上層のCVD−SiO2層４４の上面は電極の凹凸を反映しており、平坦化されていない。４５は防湿膜、４３はパッド部である。半導体デバイスの高速化には配線を短かくし、浮遊容量を小さくすることが有効であるが、このためには図7、８の配線に示すように、上下層貫通方式が有効である。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 7, and particularly shows the structure of the transistor Q5 formed in the third layer L3. As described above, Q5 is formed in the laser-crystallized Si layer 32, and has a source 35, a drain 36, a channel 37, a gate insulating film (SiO 2 ) 38, and a gate electrode 39. Reference numeral 41 denotes an aluminum electrode and wiring connected to the source 35 of Q3, and is connected to the bit line. An aluminum electrode 42 is connected to the drain 38 of Q3 and is connected to Q1 and Q3. Since the illustrated SRAM has a three-layer structure, the upper surface of the uppermost CVD-SiO 2 layer 44 reflects the unevenness of the electrodes and is not flattened. 45 is a moisture-proof film and 43 is a pad portion. In order to increase the speed of semiconductor devices, it is effective to shorten the wiring and reduce the stray capacitance. For this purpose, as shown in the wiring of FIGS.

以上、図７〜８を参照して説明したように、本発明によると、SRAMの面積を少なくすることができるばかりでなく、第1及び第2層では平坦な層を積層しているので、各層上に連続した薄い膜を多段に配置することができる。   As described above with reference to FIGS. 7 to 8, according to the present invention, not only the area of the SRAM can be reduced, but also the first and second layers are laminated with flat layers. A continuous thin film can be arranged in multiple stages on each layer.

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

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

Claims (6)

Si層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は水素含有量が１原子％以下の非晶質Si層を積層し、前記多結晶Si層又は非晶質Si層にレーザーを照射しかつ走査することにより再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する３次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を,少なくともその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Ｓｉ層又は非晶質Ｓｉ層を積層し、この多結晶又は非晶質Si層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射及び走査を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、レーザー照射され、再結晶化もしくは結晶化したＳｉ層に1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを添加し、その後前記再結晶化もしくは結晶化したSi層が溶融しない条件でレーザー加熱処理することを特徴とする３次元半導体デバイスの製造方法。An insulating film is formed on the Si layer, and a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer having a hydrogen content of 1 atomic% or less is stacked on the insulating film, and the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is stacked on the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer. In a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device in which a circuit of another semiconductor element is formed in a recrystallized or crystallized Si layer by irradiating a laser and scanning, and the circuit is connected to the insulating film, At least a portion on which a circuit element is to be formed is planarized by CMP, and then the polycrystalline Si layer or amorphous Si layer is laminated, and the polycrystalline or amorphous Si layer is recrystallized or crystallized. Laser irradiation and scanning are performed with a solid-state continuous wave laser with an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area, and laser irradiation is performed on the recrystallized or crystallized Si layer with a dose of 10 14 / cm 2 or more. Add hydrogen ions, then recrystallize Or the manufacturing method of the three-dimensional semiconductor device characterized by performing laser heat processing on the conditions which the crystallized Si layer does not fuse | melt. Si層上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜上に多結晶Si層又は水素含有量が１原子％以下の非晶質Si層を積層し、レーザー照射により再結晶化又は結晶化したSi層中に別の半導体素子の回路を形成し、これらの回路を接続する３次元半導体デバイスの製造方法において、前記絶縁膜を、少なくもその上に回路素子が形成される部分について、CMPにより平坦化した後、前記多結晶Ｓｉ層又は非晶質Ｓｉ層を積層し、この多結晶又は非晶質Si層を再結晶化もしくは結晶化するレーザー照射を、エネルギーが照射面積当たり10J/cm2以上の固体連続波レーザーにより行い、レーザー照射され、再結晶化もしくは結晶化したＳｉ層に1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを添加し、その後900℃以下でRTA処理することを特徴とする３次元半導体デバイスの製造方法。An Si layer formed by forming an insulating film on the Si layer, laminating a polycrystalline Si layer or an amorphous Si layer having a hydrogen content of 1 atomic% or less on the insulating film, and recrystallizing or crystallizing by laser irradiation In a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device in which a circuit of another semiconductor element is formed therein, and these circuits are connected, the insulating film is flattened by CMP at least on a part where the circuit element is formed thereon Then, the polycrystalline Si layer or the amorphous Si layer is laminated, and laser irradiation for recrystallizing or crystallizing the polycrystalline or amorphous Si layer is performed with an energy of 10 J / cm 2 or more per irradiation area. It is performed by solid-state continuous wave laser, hydrogen ions are added to the recrystallized or crystallized Si layer irradiated with laser at a dose of 10 14 / cm 2 or more, and then RTA treatment is performed at 900 ° C. or less. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device. 前記レーザー加熱処理後900℃以下でRTP (Rapid Thermal Processing)処理することを特徴とする請求項１記載の３次元半導体デバイスの製造方法。 2. The method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device according to claim 1, wherein an RTP (Rapid Thermal Processing) process is performed at 900 [deg.] C. or less after the laser heating process. 前記レーザー加熱処理されあるいは９00℃以下でRTP (Rapid Thermal Processing)処理されたSi層の表面をCMP処理した後エピタキシャルSi層を成長することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項記載の３次元半導体デバイスの製造方法。 4. The epitaxial Si layer is grown after CMP treatment is performed on the surface of the Si layer that has been subjected to laser heat treatment or RTP (Rapid Thermal Processing) treatment at 900 ° C. or less. 5. The manufacturing method of the three-dimensional semiconductor device of description. 前記Si層に半導体素子を形成し、その後請求項１又は２記載の方法を行うことを特徴とする3次元半導体デバイスの製造方法。 A method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device, comprising: forming a semiconductor element on the Si layer; and thereafter performing the method according to claim 1. 前記Si層に半導体素子を形成せず、その後請求項１又は２記載の方法を2回以上行う3次元半導体デバイスの製造方法。

A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device, wherein a semiconductor element is not formed on the Si layer, and then the method according to claim 1 or 2 is performed twice or more.

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