專利名稱：半導(dǎo)體襯底的制造方法、半導(dǎo)體裝置、及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔著緩沖層而固定著單晶半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯 底的制造方法、利用該制造方法而制造的半導(dǎo)體裝置、以及具備該半 導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，對(duì)于利用SOI (Silicon On Insulator,即絕緣體上硅)
襯底代替體狀硅片的集成電路進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。通過(guò)利用形成于絕緣層 上的薄單晶硅層的特征，可以將集成電路中的晶體管的半導(dǎo)體層形成
為彼此完全分離，并且使晶體管成為完全耗盡型。因此，可以實(shí)現(xiàn)高 集成、高速驅(qū)動(dòng)、低耗電量等附加價(jià)值高的半導(dǎo)體集成電路。
作為SOI襯底，已知SIMOX襯底、貼合襯底。例如，關(guān)于SIMOX 襯底，通過(guò)將氧離子注入單晶硅襯底并以1300。C以上進(jìn)行熱處理來(lái)形 成掩埋氧化膜(BOX; Buried Oxide)層，從而在表面上形成單晶珪 薄膜，以獲得SOI結(jié)構(gòu)。
關(guān)于貼合襯底，隔著氧化膜貼合兩個(gè)單晶硅襯底(基底襯底及鍵 合襯底)，并對(duì)一個(gè)單晶硅襯底(鍵合襯底)從其背面(不是貼合表 面的一側(cè))進(jìn)行薄膜化來(lái)形成單晶硅膜，以獲得SOI結(jié)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)利 用磨削、拋光處理時(shí)難以形成均勻且薄的單晶硅膜，所以已提出了被 稱為智能剝離(Smart-Cut,注冊(cè)商標(biāo))的利用氫離子注入的技術(shù)(例 如，參照專利文獻(xiàn)l)。
說(shuō)明該SOI襯底的制造方法的概要，即通過(guò)對(duì)硅片注入氫離子， 在離其表面有預(yù)定深度的區(qū)域中形成離子注入層。接著，通過(guò)使成為 基底襯底的另外的硅片氧化，形成氧化硅膜。然后，通過(guò)將注入有氫 離子的硅片和另外的硅片的氧化硅膜接合在 一起，來(lái)將兩個(gè)硅片貼合
5在一起。通過(guò)進(jìn)行加熱處理，以離子注入層為分離面來(lái)分離硅片，以 形成薄單晶硅層被貼附到基底襯底上的襯底。
此外，已知形成單晶硅層被貼附到玻璃襯底的SOI襯底的方法 (例如，參照專利文件2)。在專利文件2中，為了去除通過(guò)氫離子 注入而形成的缺陷層、分離面上的幾nm至幾十nm的臺(tái)階，對(duì)分離 面進(jìn)行機(jī)械拋光。
此夕卜，本申請(qǐng)人在專利文件3及專利文件4中公開(kāi)了通過(guò)利用智 能剝離(Smart-Cut，注冊(cè)商標(biāo))而使用耐熱性高的襯底作為支撐襯 底的半導(dǎo)體裝置的制造方法，并且在專利文件5中公開(kāi)了通過(guò)利用智 能剝離(Smart-Cut,注冊(cè)商標(biāo))而使用透光襯底作為支撐襯底的半 導(dǎo)體裝置的制造方法。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)平11-097379號(hào)公報(bào) [專利文件3日本專利申請(qǐng)公開(kāi)平U-l63363號(hào)公報(bào) [專利文件4日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2000-012864號(hào)公報(bào)專利文件5日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2000-150卯5號(hào)>5^才艮 與硅片相比，玻璃襯底是面積大且廉價(jià)的襯底，所以通過(guò)將玻璃 襯底用作支撐襯底，可以制造面積大且廉價(jià)的SOI襯底。然而，玻璃 襯底的應(yīng)變點(diǎn)為700。C以下，耐熱性低。因此，不能以超過(guò)玻璃襯底 的耐熱溫度的溫度進(jìn)行加熱，從而工藝溫度限于70(TC以下。就是說(shuō)， 當(dāng)去除分離面上的結(jié)晶缺陷以及表面凹凸時(shí)，也有對(duì)工藝溫度的限 制。
以往，可以通過(guò)以IOOO'C以上的溫度進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)貼附到珪 片的半導(dǎo)體層的結(jié)晶缺陷的去除，但是當(dāng)去除貼附到應(yīng)變點(diǎn)為700'C
以下的玻璃襯底的半導(dǎo)體層的結(jié)晶缺陷時(shí)，不能使用這種高溫工藝。 就是說(shuō)，以往，沒(méi)確立將貼附到應(yīng)變點(diǎn)為700。C以下的玻璃襯底的單 晶半導(dǎo)體層恢復(fù)到具有與加工之前的單晶半導(dǎo)體襯底相同程度的結(jié) 晶性的單晶半導(dǎo)體層的再晶化法。
此外，與硅片相比，玻璃襯底容易彎曲而在其表面上有起伏，特別地，對(duì)于一邊超過(guò)30cm的大面積玻璃襯底進(jìn)行利用機(jī)械拋光的處 理是很困難的。從而，從加工精度、成品率等的觀點(diǎn)來(lái)看，不推薦當(dāng) 對(duì)于貼附到支撐襯底的半導(dǎo)體層進(jìn)行平坦化處理時(shí)利用對(duì)于分離面 進(jìn)行的利用機(jī)械拋光的處理。另一方面，當(dāng)制造高性能的半導(dǎo)體元件 時(shí)，要求抑制分離面的表面上的凹凸。當(dāng)利用SOI襯底制造晶體管時(shí)， 在半導(dǎo)體層上隔著柵絕緣層形成柵電極。因此，當(dāng)半導(dǎo)體層的凹凸大 時(shí)，制造絕緣耐壓性高的柵絕緣層是很困難的。由此，為了提高絕緣 耐壓性，需要的厚柵絕緣層。因此，當(dāng)半導(dǎo)體層的表面的凹凸大時(shí)， 半導(dǎo)體元件的性能降低諸如電場(chǎng)效應(yīng)遷移率降低、閾值電壓值的大小 增加等。
如上所述，當(dāng)使用耐熱性低且容易彎曲的如玻璃村底那樣的襯底 作為支撐襯底時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下那樣的問(wèn)題改善從硅片分離而固定到 支撐襯底上的半導(dǎo)體層的表面凹凸是很困難的。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題點(diǎn)，本發(fā)明的目的之一在于提供一種半導(dǎo)體襯底的 制造方法，其中即使當(dāng)將耐熱性低的襯底用作支撐襯底時(shí)，也可以形 成高性能的半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法之一如下準(zhǔn)備單晶半導(dǎo)體襯底
及支撐襯底；激發(fā)源氣體來(lái)產(chǎn)生包含離子的等離子體；從單晶半導(dǎo)體
襯底的一個(gè)表面將等離子體所包含的離子添加到單晶半導(dǎo)體襯底，在 離單晶半導(dǎo)體襯底的表面有預(yù)定深度的區(qū)域中形成損傷層；在支撐襯
底和單晶半導(dǎo)體襯底中的至少一方的表面上形成緩沖層；隔著緩沖層
將支撐襯底和單晶半導(dǎo)體襯底貼緊，將緩沖層的表面和與該緩沖層的 接觸面接合在一起，以將支撐襯底和單晶半導(dǎo)體襯底貼合在一起；對(duì) 單晶半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱，以損傷層為分離面，從支撐襯底分離單晶
半導(dǎo)體襯底，以形成從單晶半導(dǎo)體襯底分離了的單晶半導(dǎo)體層被固定 的支撐襯底；從具有所述單晶半導(dǎo)體層的一側(cè)對(duì)所述單晶半導(dǎo)體層照 射激光束，使所述單晶半導(dǎo)體層的照射激光束的區(qū)域的從表面向深度方向的 一部分區(qū)域熔化，以使所述單晶半導(dǎo)體層的熔化部分再晶化。
在此，單晶是指當(dāng)關(guān)注某結(jié)晶軸時(shí)其結(jié)晶軸的方向在樣品的哪部 分中,也朝向相同方向的結(jié)晶，并且是指在結(jié)晶和結(jié)晶之間沒(méi)有晶界的 結(jié)晶。注意，在本說(shuō)明書(shū)中，即使包括結(jié)晶缺陷、懸空鍵，也如上那 樣結(jié)晶軸的方向相同并且沒(méi)有晶界的結(jié)晶是單晶。此外，單晶半導(dǎo)體 層的再晶化是指單晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層經(jīng)過(guò)不同于該單晶結(jié)構(gòu)的狀態(tài) (例如，液相狀態(tài))而再成為單晶結(jié)構(gòu)?；蛘撸瑔尉О雽?dǎo)體層的再晶 化是指通過(guò)使單晶半導(dǎo)體層再晶化以形成單晶半導(dǎo)體層。
通過(guò)從單晶半導(dǎo)體層一側(cè)照射激光束，可以使單晶半導(dǎo)體層的照
射激光束的區(qū)域的從表面向深度方向的一部分區(qū)域熔化。例如，可以 以留下單晶半導(dǎo)體層和緩沖層接觸的界面及界面附近的區(qū)域的方式
使單晶半導(dǎo)體層熔化。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法中，優(yōu)選在惰性氣體氣氛中對(duì) 半導(dǎo)體層照射激光束。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法中，可以將照射到單晶半導(dǎo)體 層的激光束的截面形狀成為直線狀、正方形、或者長(zhǎng)方形。通過(guò)掃描 具有這種截面形狀的激光束，可以使通過(guò)熔化而發(fā)生再晶化的地方移 動(dòng)。此外，通過(guò)對(duì)同一個(gè)表面反復(fù)進(jìn)行激光束的照射，延長(zhǎng)單晶半導(dǎo) 體層熔化的時(shí)間，因此部分地反復(fù)進(jìn)行單晶的精煉，而可以得到具有 優(yōu)良特性的單晶半導(dǎo)體層。
注意，通過(guò)對(duì)單晶半導(dǎo)體層照射激光束，使單晶半導(dǎo)體層的照射 激光束的區(qū)域的從表面向深度方向的一部分區(qū)域熔化，可以得到以下 效果。
作為本發(fā)明的半導(dǎo)體村底的制造方法所帶來(lái)的效果之一，通過(guò)從 單晶半導(dǎo)體層一側(cè)照射激光束，可以使單晶半導(dǎo)體層的表面以及向深
度方向的一部分區(qū)域熔化。由此，通過(guò)利用表面張力的作用，可以顯 著提高被照射面的單晶半導(dǎo)體層表面的平坦性。
作為本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法所帶來(lái)的效果之一，通過(guò)對(duì) 單晶半導(dǎo)體層照射激光束進(jìn)行加熱，可以降低當(dāng)在單晶半導(dǎo)體襯底形
8成損傷層時(shí)的單晶半導(dǎo)體層中的晶格缺陷，因此可以得到更優(yōu)良的單 晶半導(dǎo)體層。關(guān)于照射激光束的單晶半導(dǎo)體層的被照射區(qū)域，通過(guò)使 單晶半導(dǎo)體層的表面以及深度方向的一部分區(qū)域熔化，并且基于不熔
化而留下的單晶半導(dǎo)體層的平面取向進(jìn)行再晶化，可以得到具有優(yōu)良 特性的單晶半導(dǎo)體層。
因?yàn)樵谏鲜鰧＠募?至5中，為了實(shí)現(xiàn)平坦化，進(jìn)行機(jī)械拋光 作為主要工藝，所以完全不設(shè)想本發(fā)明的使用應(yīng)變點(diǎn)為700。C以下的 玻璃襯底的目的、延長(zhǎng)熔化時(shí)間的結(jié)構(gòu)以及效果，而非常不同。
此外，關(guān)于通過(guò)從單晶半導(dǎo)體層一側(cè)對(duì)單晶半導(dǎo)體層照射激光 束，使單晶半導(dǎo)體層的表面以及深度方向的一部分區(qū)域熔化，并且基 于不熔化而留下的單晶半導(dǎo)體層的平面取向進(jìn)行再晶化，以得到更優(yōu) 良的單晶的方法，是革新的技術(shù)。此外，這種激光束的利用方法在現(xiàn) 有的技術(shù)中完全沒(méi)有想到，而是極為新的概念。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法中，可以通過(guò)以700。C以下的 工藝溫度使從單晶半導(dǎo)體襯底分離的單晶半導(dǎo)體層的表面以及深度 方向的一部分區(qū)域熔化，基于不熔化而留下的單晶半導(dǎo)體層的平面取 向進(jìn)行再晶化，以恢復(fù)結(jié)晶性。此外，可以以700。C以下的工藝溫度 對(duì)從單晶半導(dǎo)體襯底分離的單晶半導(dǎo)體層進(jìn)行平坦化。
圖l是示出半導(dǎo)體襯底的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖； 圖2是示出單晶半導(dǎo)體襯底的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖； 圖3A至3D是示出半導(dǎo)體襯底的制造方法的圖； 圖4A至4C是示出半導(dǎo)體襯底的制造方法的圖； 圖5是示出激光束照射裝置的結(jié)構(gòu)的圖； 圖6A和6B是輸入到示波器的信號(hào)波形的圖像； 圖7是示出對(duì)應(yīng)于探針光的強(qiáng)度的信號(hào)波形的圖； 圖8是示出相對(duì)于激光的能量密度的單晶硅層的拉曼位移的變 化的圖表；圖9是示出相對(duì)于激光的能量密度的單晶硅層的拉曼光譜的半
峰全寬的變化的圖表；
圖10A至10C是利用AFM觀察的單晶硅層的上表面的DFM像； 圖11A至11C是基于DFM像計(jì)算出來(lái)的單晶硅層的表面粗糙 度的圖表；
圖12是示出激光束照射裝置的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖； 圖13是示出激光束照射裝置的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖； 圖14是示出支撐襯底的截面的圖； 圖15是示出支撐村底的截面的圖16A至16D是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖17A至17C是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖18是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖19A至19E是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖20是示出微處理器的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的框圖21是RFCPU的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的框圖22A是液晶顯示裝置的像素的平面圖，而圖22B是示出沿著
圖22A的切斷線J-K的截面的圖23A是電致發(fā)光顯示裝置的像素的平面圖，而圖23B是示出
沿著圖23A的切斷線J-K的截面的圖24A是示出移動(dòng)電話機(jī)的外觀的圖，圖24B是數(shù)字播放器的
外觀的圖，而圖24C是電子書(shū)的外觀的圖； 圖25A至25C是智能手機(jī)的外觀圖； 圖26A至26H是說(shuō)明制造SOI襯底的方法的截面圖； 圖27是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的制造方法的圖； 圖28是在大氣氣氛中被照射激光束的硅層的光學(xué)顯微鏡的暗視
野圖像；
圖29是在氮?dú)鈿夥罩斜徽丈浼す馐墓鑼拥墓鈱W(xué)顯微鏡的暗視
野圖像；
圖30A至30C是硅層的利用SEM的觀察像；圖31A至31E是利用AFM的硅層的DFM像； 圖32A至32E是利用AFM的硅層的DFM像； 圖33是硅層的拉曼位移的圖表； 圖34是硅層的拉曼光鐠的圖表；
圖35A至35D是根據(jù)EBSP的測(cè)量數(shù)據(jù)制成的IPF圖36是硅層中的氫離子濃度的圖表；
圖37A和37B是示出薄膜晶體管的電壓-電流特性的圖38A至38D是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖39A至39C是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖40A和40B是示出說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面的圖41是示出氫離子種的能量圖解的圖42是表示離子的質(zhì)量分析結(jié)果的圖43是表示離子的質(zhì)量分析結(jié)果的圖44是示出當(dāng)加速電壓為80kV時(shí)的氫元素的深度方向的輪廓 (實(shí)測(cè)值以及計(jì)算值)的圖45是示出當(dāng)加速電壓為80kV時(shí)的氫元素的深度方向的輪廓 (實(shí)測(cè)值、計(jì)算值以及擬合函數(shù))的圖46是示出當(dāng)加速電壓為60kV時(shí)的氫元素的深度方向的輪廓 (實(shí)測(cè)值、計(jì)算值以及擬合函數(shù))的圖47是示出當(dāng)加速電壓為40kV時(shí)的氫元素的深度方向的輪廓 (實(shí)測(cè)值、計(jì)算值以及擬合函數(shù))的圖48是示出符合參數(shù)的比例(氫元素比以及氫離子種比)的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明可以以多個(gè)不同方式實(shí)施，所述技術(shù) 領(lǐng)域的普通人員可以很容易地理解一個(gè)事實(shí)就是，其方式和詳細(xì)內(nèi)容 可以在不脫離本發(fā)明的宗旨及其范圍的情況下被變換為各種各樣的 形式。從而，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為僅限定在實(shí)施方式及實(shí)施例所記 載的內(nèi)容中。此外，在不同附圖中被附上相同附圖標(biāo)記的部分表示相同部分，而省略對(duì)于材料、形狀、制造方法等的反復(fù)說(shuō)明。 實(shí)施方式1
圖1是示出半導(dǎo)體襯底的結(jié)構(gòu)例子的立體圖。在半導(dǎo)體襯底10 中，單晶半導(dǎo)體層116被貼附到支撐襯底100。單晶半導(dǎo)體層116隔 著緩沖層101設(shè)置在支撐襯底100上，并且半導(dǎo)體襯底10是所謂SOI 結(jié)構(gòu)的襯底，是在絕緣層上形成有單晶半導(dǎo)體層的襯底。
緩沖層101可以是單晶結(jié)構(gòu)或者層疊兩個(gè)以上的膜的多層結(jié)構(gòu)。 在本實(shí)施方式中，緩沖層101是三層結(jié)構(gòu)，其中從支撐襯底100—側(cè) 層疊有接合層114、絕緣膜112b、絕緣膜112a。接合層114由絕緣膜 形成。此外，絕緣膜112a是用作阻擋層的絕緣膜。阻擋層是當(dāng)制造 半導(dǎo)體襯底時(shí)以及當(dāng)制造利用該半導(dǎo)體襯底的半導(dǎo)體裝置時(shí)防止堿 金屬或者堿土金屬等降低半導(dǎo)體裝置的可靠性的雜質(zhì)(典型的是鈉) 從支撐襯底100 —側(cè)侵入到單晶半導(dǎo)體層116的膜。通過(guò)形成阻擋層， 可以防止半導(dǎo)體裝置被雜質(zhì)污染，因此可以提高其可靠性。
單晶半導(dǎo)體層116是通過(guò)使單晶半導(dǎo)體襯底薄膜化來(lái)形成的層。 作為單晶半導(dǎo)體襯底，可以使用市售的半導(dǎo)體襯底，例如可以使用單 晶硅襯底、單晶鍺襯底、單晶硅鍺襯底等由第十四族元素構(gòu)成的單晶 半導(dǎo)體襯底。此外，也可以使用砷化鎵、銦磷等化合物半導(dǎo)體襯底。
作為支撐襯底100,使用具有絕緣表面的襯底。具體地，可以舉 出鋁硅酸鹽玻璃、鋁硼硅酸鹽玻璃、鋇硼硅酸鹽玻璃等用于電子工業(yè) 用的各種玻璃襯底、石英襯底、陶瓷襯底、藍(lán)寶石襯底。優(yōu)選使用玻 璃襯底作為支撐襯底100。作為玻璃襯底，優(yōu)選使用熱膨脹系數(shù)為 25xlO力。C以上且50x 10力。C以下(優(yōu)選為30xlO力'C以上且40xlO力。C 以下)且應(yīng)變點(diǎn)為580。C以上且700'C以下、優(yōu)選為650。C以上且690。C 以下的襯底。此外，為了抑制半導(dǎo)體裝置的污染，玻璃襯底優(yōu)選是無(wú) 堿玻璃襯底。作為無(wú)堿玻璃襯底的材料，例如有鋁硅酸鹽玻璃、鋁硼 硅酸鹽玻璃、鋇硼硅酸鹽玻璃等玻璃材料。例如，作為支撐襯底IOO， 優(yōu)選使用無(wú)堿玻璃襯底(商標(biāo)名AN100)、無(wú)堿玻璃襯底(商標(biāo)名 EAGLE2000 (注冊(cè)商標(biāo)))或者無(wú)堿玻璃襯底(商標(biāo)名EAGLEXG(注冊(cè)商標(biāo)))。
無(wú)堿玻璃襯底(商標(biāo)名AN100 )具有比重2.51g/cn^、泊松比0.22、 楊氏模量77GPa、 二軸彈性系數(shù)98.7GPa、熱膨脹率38xlO力。C作為 物性值。
無(wú)堿玻璃襯底(商標(biāo)名EAGLE2000 (注冊(cè)商標(biāo)))具有比重 2.37g/cm3、泊松比0.23、楊氏模量70.9GPa、 二軸彈性系數(shù)92.07GPa、 熱膨脹率31.8xlO力'C作為物性值。
以下，參照?qǐng)D2至圖4C說(shuō)明圖1所示的半導(dǎo)體襯底10的制造方法。
首先，準(zhǔn)備單晶半導(dǎo)體襯底IIO。單晶半導(dǎo)體襯底110被加工為
所希望的尺寸及形狀。圖2是示出單晶半導(dǎo)體襯底110的結(jié)構(gòu)的一個(gè)
例子的外觀圖?？紤]到貼合到矩形支撐襯底100的情況、以及縮小投
影型啄光裝置等的啄光裝置的膝光區(qū)域是矩形的情況等，如圖2所示， 單晶半導(dǎo)體襯底110的形狀優(yōu)選是矩形。注意，在本說(shuō)明書(shū)中，在沒(méi)
有特別的記述的情況下，矩形包括正方形以及長(zhǎng)方形。
當(dāng)然，單晶半導(dǎo)體襯底110不局限于圖2所示的形狀的襯底，而 可以使用各種形狀的單晶半導(dǎo)體襯底。例如，可以使用圓形、五角形、 六角形等多角形襯底。當(dāng)然，也可以將市售的圓盤狀的半導(dǎo)體晶片用
作單晶半導(dǎo)體襯底u(yù)o。
矩形單晶半導(dǎo)體襯底no可以通過(guò)截?cái)嗍惺鄣膱A形狀的體單晶 半導(dǎo)體襯底lll來(lái)形成。當(dāng)截?cái)嘁r底時(shí)，可以使用切割器或線鋸等的 切割裝置、激光切割、等離子體切割、電子束切割、其他任意的切割 裝置。此外，通過(guò)將作為襯底而薄膜化之前的半導(dǎo)體襯底制造用晶錠 加工為長(zhǎng)方體狀以使其截面成為矩形，并且將該長(zhǎng)方體狀晶錠薄片 化，也可以制造矩形狀單晶半導(dǎo)體村底110。
注意，在使用如單晶硅襯底那樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)的由第 十四族元素構(gòu)成的襯底作為單晶半導(dǎo)體襯底110的情況下，其主表面 的平面取向可以是(100) 、 (110)或者(111)。通過(guò)使用(100) 的單晶半導(dǎo)體襯底u(yù)o，可以降低單晶半導(dǎo)體層116和形成于其表面的絕緣層的界面態(tài)密度，所以適于場(chǎng)效應(yīng)型晶體管的制造。
注意，在作為單晶半導(dǎo)體襯底110使用市售的圓盤狀單晶硅襯底 的情況下，直徑為5英寸(125mm)、直徑為6英寸(150mm )、直 徑為8英寸(200mm )、直徑為12英寸(300mm )、直徑為18英寸 (450mm)的圓形硅襯底是典型的。注意，形狀不局限于圓形，而可 以使用加工為矩形狀的硅襯底。通過(guò)利用大型單晶半導(dǎo)體襯底制造， 可以實(shí)現(xiàn)富于批量生產(chǎn)性的制造方法。
接著，如圖3A所示，在單晶半導(dǎo)體襯底110上形成絕緣層112。 絕緣層112可以是單層結(jié)構(gòu)、兩層以上的多層結(jié)構(gòu)。其厚度可以是5nm 以上且400nm以下。作為構(gòu)成絕緣層112的膜，可以使用氧化硅膜、 氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鍺膜、氮化鍺膜、氧氮化 鍺膜、氮氧化鍺膜等包含硅或鍺作為成分的絕緣膜。此外，也可以使 用由氧化鋁、氧化鉭、氧化鉿等金屬的氧化物構(gòu)成的絕緣膜；由氮化 鋁等金屬的氮化物構(gòu)成的絕緣膜；由氧氮化鋁等金屬的氧氮化物構(gòu)成 的絕緣膜；由氮氧化鋁等金屬的氮氧化物構(gòu)成的絕緣膜。
注意，在本說(shuō)明書(shū)中，氧氮化物是作為其成分氧原子的數(shù)量多于 氮原子的數(shù)量的物質(zhì)，而氮氧化物是作為其成分氮原子的數(shù)量多于氧 原子的數(shù)量的物質(zhì)。例如，氧氮化硅是作為其成分氧的含量多于氮的 含量的，并且是當(dāng)利用盧瑟福背散射光譜學(xué)法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)以及氬前方散射法(HFS: Hydrogen Forward Scattering)進(jìn)行測(cè)量時(shí)作為濃度范圍以50至70原子％包 含氧，以0.5至15原子％包含氮，以25至35原子％包含硅，以0.1 至10原子％包含氫。氮氧化硅是作為其成分氮的含量多于氧的含量 的，并且是當(dāng)利用RBS以及HFS進(jìn)行測(cè)量時(shí)作為濃度范圍以5至30 原子％包含氧，以20至55原子％包含氮，以25至35原子％包含硅， 以10至30原子°/。包含氫。但是，當(dāng)將構(gòu)成氧氮化硅或者氮氧化硅的 原子的總計(jì)為100%時(shí)，氮、氧、硅以及氫的含有比例包括于上述范 圍內(nèi)。
構(gòu)成絕緣層112的絕緣膜可以通過(guò)CVD法、濺射法、使單晶半
14導(dǎo)體襯底110氧化或氮化等方法形成。
絕緣層112優(yōu)選包括用來(lái)防止鈉侵入到單晶半導(dǎo)體層116的阻擋 層。阻擋層可以是一層或者兩層以上。例如，在使用包括堿金屬或者 堿土金屬等降低半導(dǎo)體裝置的可靠性的雜質(zhì)的村底作為支撐襯底100 的情況下，當(dāng)支撐襯底100被加熱時(shí)，這種雜質(zhì)從支撐襯底IOO擴(kuò)散 到單晶半導(dǎo)體襯底116。因此，通過(guò)形成阻擋層，可以防止這種堿金 屬或者堿土金屬等降低半導(dǎo)體裝置的可靠性的雜質(zhì)移動(dòng)到單晶半導(dǎo) 體層116。作為用作阻擋層的膜，有氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化鋁 膜、或者氮氧化鋁膜等。通過(guò)包括這種膜，可以使絕緣層112用作阻
擋層o
例如，在絕緣層112是單層結(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)選利用用作阻擋層 的膜形成絕緣層112。在此情況下，可以利用厚度為5nm以上且200nm 以下的氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化鋁膜、或者氮氧化鋁膜形成單層 結(jié)構(gòu)的絕緣層112。
在絕緣層112是包括一個(gè)阻擋層的兩層結(jié)構(gòu)的膜的情況下，上層 由用來(lái)阻擋鈉等雜質(zhì)的阻擋層構(gòu)成。上層可以由厚度為5nm至200nm 的氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化鋁膜、或者氮氧化鋁膜形成。對(duì)用作 阻擋層的這些膜來(lái)說(shuō)，防止雜質(zhì)擴(kuò)散的阻擋效果高，但是內(nèi)部應(yīng)力高。 因此，優(yōu)選選擇具有緩和上層的絕緣膜的應(yīng)力的效果的膜作為接觸于 單晶半導(dǎo)體襯底110的下層的絕緣膜。作為這種絕緣膜，有氧化硅膜、 氧氮化硅膜以及通過(guò)使單晶半導(dǎo)體襯底110熱氧化而形成的熱氧化膜 等。下層的絕緣膜的厚度可以是5nm以上且300nm以下。
在本實(shí)施方式中，絕緣層112是由絕緣膜112a和絕緣膜112b 構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)。作為使絕緣層112用作阻擋層的絕緣膜112a和絕 緣膜112b的組合，例如有如下氧化硅膜和氮化硅膜;氧氮化硅膜 和氮化硅膜；氧化硅膜和氮氧化硅膜；氧氮化硅膜和氮氧化硅膜；等 等。
例如，下層的絕緣膜112a可以由氧氮化硅膜形成，該氧氮化硅 膜通過(guò)利用SiH4及N20作為工藝氣體的等離子體激發(fā)CVD法(以下，稱為"PECVD法，，)形成。此外，作為絕緣膜112a，也可以使用氧化 硅膜，該氧化硅膜通過(guò)利用有機(jī)硅烷氣體和氧作為工藝氣體的 PECVD法形成。此外，也可以使用通過(guò)使單晶半導(dǎo)體襯底110氧化 而形成的氧化膜作為絕緣膜112a。
有機(jī)硅烷是如下的化合物硅酸乙酯(TEOS:化學(xué)式Si( OC2Hs) 4)、四甲基硅烷(TMS:化學(xué)式Si (CH3) 4)、四甲基環(huán)四硅氧烷 (TMCTS)、八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、六甲基二硅氮烷 (HMDS )、三乙氧基珪烷(SiH ( OC2H5) 3)、三二曱氨基硅烷(SiH (N (CH3) 2) 3)等。
上層的絕緣膜112b可以由氮氧化硅膜或氮化硅膜形成，該氮氧 化硅膜通過(guò)利用SiH4、 N20、 NH3以及H2作為工藝氣體的PECVD法 形成，而氮化硅膜通過(guò)利用SiH4、 N2、 NH3以及H2作為工藝氣體的 PECVD法形成。
例如，在通過(guò)PECVD法形成由氧氮化硅構(gòu)成的絕緣膜112a、 由氮氧化硅構(gòu)成的絕緣膜112b的情況下，將單晶半導(dǎo)體襯底110搬 入于PECVD裝置的反應(yīng)室。將SiH4以及N20供應(yīng)到反應(yīng)室，產(chǎn)生 該工藝氣體的等離子體，以在單晶半導(dǎo)體襯底110上形成氮氧化硅膜。 接著，將引入于反應(yīng)室的氣體改變?yōu)橛脕?lái)形成絕緣膜112b的工藝氣 體。在此，使用SiH4、 NH3、 112以及]\20。通過(guò)產(chǎn)生它們的混合氣體 的等離子體，在氧氮化硅膜上連續(xù)形成氮氧化硅膜。此外，在使用具 有多個(gè)反應(yīng)室的PECVD裝置的情況下，也可以在不同反應(yīng)室內(nèi)分別 形成氧氮化硅膜和氮氧化硅膜。當(dāng)然，通過(guò)改變引入于反應(yīng)室的氣體， 可以形成氧化硅膜作為下層，可以形成氮化硅膜作為上層。
如上所述，通過(guò)形成絕緣膜112a以及絕緣膜112b,可以吞吐量 良好地在單晶半導(dǎo)體襯底110上形成絕緣層112。此外，因?yàn)榭梢砸?不接觸于大氣的方式形成絕緣膜112a以及絕緣膜112b，所以可以防 止絕緣膜112a以及絕緣膜112b的界面由大氣污染。
此外，作為絕緣膜112a，可以形成通過(guò)對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110 進(jìn)行氧化處理而得到的氧化膜。作為用來(lái)形成該氧化膜的熱氧化處
16理，也可以采用千法氧化，但是優(yōu)選對(duì)氧化氣霧添加包含囟素的氣體。
可以形成包含卣素的氧化膜作為絕緣膜112a。作為包含囟素的氣體， 可以使用選自HC1、 HF、 NF3、 HBr、 Cl、 C1F、 BC13、 F、 Br2等中 的一種或多種氣體。
例如，在相對(duì)于氧以0.5至10體積％ (優(yōu)選為3體積％ )的比 例包含HC1的氣氛中以700。C以上的溫度進(jìn)行熱處理。以950。C以上 且IIOO'C以下的加熱溫度進(jìn)行熱氧化，即可。處理時(shí)間優(yōu)選為0.1至 6小時(shí)、更優(yōu)選為0.5至1小時(shí)，即可。形成的氧化膜的厚度可以為 10nm至1000nm (優(yōu)選為50nm至200nm )、例如為100nm。
通過(guò)以這種溫度范圍進(jìn)行氧化處理，可以得到卣素元素所導(dǎo)致的 吸雜效果。吸雜特別有去除金屬雜質(zhì)的效果。就是說(shuō)，由于氯的作用， 金屬等雜質(zhì)成為易失性氯化物而脫離到氣相中，從單晶半導(dǎo)體襯底 110去除。此外，因?yàn)橛捎谘趸幚硭ǖ呢端卦?，單晶半?dǎo)體 襯底110的表面的懸空鍵終結(jié)，所以可以降低氧化膜和單晶半導(dǎo)體襯 底110的界面的局域態(tài)密度。
通過(guò)這種在包含卣素的氣氛中的熱氧化處理，可以使氧化膜包含
卣素。通過(guò)以lxl0"atoms/cm3至5xl()20atoms/cm3的濃度包含卣素元 素，可以用作在半導(dǎo)體襯底10中捕獲金屬等雜質(zhì)而防止單晶半導(dǎo)體 層116的污染的保護(hù)膜。
此外，通過(guò)在包含氟化物氣體或氟氣體的PECVD裝置的反應(yīng)室 中形成絕緣膜112a，也可以使絕緣膜112a包含卣素。通過(guò)將絕緣膜 112a形成用工藝氣體引入于這種反應(yīng)室，激發(fā)該工藝氣體產(chǎn)生等離子 體，利用該等離子體所包括的活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，以在單晶半導(dǎo)體 襯底110上形成絕緣膜112a。
通過(guò)利用氟化物氣體的等離子體氣體蝕刻清洗反應(yīng)室，可以使 PECVD裝置的反應(yīng)室包舍氟化合物氣體。當(dāng)利用PECVD裝置形成 膜時(shí)，除了襯底表面以外，還在反應(yīng)室的內(nèi)壁、電極、襯底支架等堆 積原料反應(yīng)的生成物。該堆積物成為微粒、塵埃的原因。于是，定期 進(jìn)行用來(lái)去除這種堆積物的清洗工序。作為反應(yīng)室的清洗方法的典型之一，有利用等離子體氣體蝕刻的方法。該方法是通過(guò)將NF3等氟化 物氣體引入于反應(yīng)室，激發(fā)氟化物氣體進(jìn)行等離子體化，產(chǎn)生氟自由 基，蝕刻堆積物而去除的方法。因?yàn)榕c氟自由基反應(yīng)而產(chǎn)生的氟化物 的蒸汽壓力高，所以由排氣系統(tǒng)從反應(yīng)容器去除。
通過(guò)進(jìn)行利用等離子體氣體蝕刻的清洗，用作清洗氣體的氟化物 氣體吸附到反應(yīng)室的內(nèi)壁、設(shè)置在反應(yīng)室的電極、各種夾具。就是說(shuō)， 可以使反應(yīng)室內(nèi)包含氟化物氣體。注意，作為使反應(yīng)室內(nèi)包含氟化物 氣體的方法，可以使用如下方法通過(guò)利用氟化物氣體清洗反應(yīng)室， 以在反應(yīng)室內(nèi)留下氟化物氣體。
例如，在通過(guò)利用S舊4及N20的PECVD法形成氧氮化硅膜作 為絕緣膜112a的情況下，通過(guò)將SiH4及N20供應(yīng)到反應(yīng)室，激發(fā)這 些氣體產(chǎn)生等離子體，也激發(fā)留在反應(yīng)室的氟化物氣體，以產(chǎn)生氟自 由基。由此，可以使氧氮化硅膜包含氟。此外，因?yàn)榱粼诜磻?yīng)室的氟 化物是微量的，并且當(dāng)形成氧氮化硅膜時(shí)不供應(yīng)，所以在形成氧氮化 硅膜的初期階段中包含氟。因此，在絕緣膜112a中，可以提高單晶 半導(dǎo)體襯底110和絕緣膜112a (絕緣層112 )的界面或者其附近的氟 濃度。就是說(shuō)，在圖1所示的半導(dǎo)體村底10的絕緣層112中，可以 提高與單晶半導(dǎo)體層116的界面或者其界面附近的氟濃度。
通過(guò)使這種區(qū)域包含氟，可以利用氟終結(jié)與單晶半導(dǎo)體層116 的界面的半導(dǎo)體的懸空鍵，因此可以降低單晶半導(dǎo)體層116和絕緣層 112的界面態(tài)密度。此外，因?yàn)榧词乖阝c等雜質(zhì)從支撐襯底IIO擴(kuò)散 到絕緣層112的情況下，由于存在氟，而可以利用氟捕獲金屬，所以 可以防止單晶半導(dǎo)體層116的金屬污染。
也可以使反應(yīng)室包含氟(F2)氣體而代替氟化物氣體。氟化物是 指作為組成包含氟(F2)的化合物。作為氟化物氣體，可以使用選自 OF" C1F3、 NF3、 FNO、 F3NO、 SF6、 SF5NO、 SOF2等中的氣體。
接著，如圖3B所示，通過(guò)絕緣層112，將由電場(chǎng)所加速的離子 構(gòu)成的離子束121添加到單晶半導(dǎo)體襯底110，以在離單晶半導(dǎo)體襯 底110的表面預(yù)定深度的區(qū)域中形成損傷層113。離子束121通過(guò)激發(fā)源氣體，產(chǎn)生源氣體的等離子體，利用電場(chǎng)的作用，從等離子體提 取等離子體所包含的離子來(lái)產(chǎn)生。
根據(jù)離子束121的加速能量和離子束121的入射角，可以調(diào)節(jié)形 成損傷層113的區(qū)域的深度。根據(jù)加速電壓、劑量等，可以調(diào)節(jié)加速 能量。在與離子平均侵入深度大致相同的深度的區(qū)域中形成損傷層 113。根據(jù)添加離子的深度，決定從單晶半導(dǎo)體襯底110分離的單晶 半導(dǎo)體層的厚度。調(diào)節(jié)形成損傷層113的深度，以使該單晶半導(dǎo)體層 的厚度成為20nm以上且500nm以下、優(yōu)選為20nm以上且200nm 以下。
作為對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底no添加離子的方法，可以使用帶有質(zhì)量 分離的離子注入法、或者不帶質(zhì)量分離的離子摻雜法。不帶質(zhì)量分離 的離子摻雜法在可以縮短在單晶半導(dǎo)體襯底110中形成損傷層113的 生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間(tacttime)的方面是很優(yōu)選的。注意，在本說(shuō)明書(shū)中， 有時(shí)在單晶半導(dǎo)體襯底中，將通過(guò)離子注入法而形成的損傷層使用為 離子注入層，而將通過(guò)離子摻雜法而形成的損傷層使用為離子添加 層。
將單晶半導(dǎo)體襯底no搬入于離子摻雜裝置的處理室。激發(fā)源氣
體以產(chǎn)生等離子體。通過(guò)從該等離子體提取離子種，進(jìn)行加速以產(chǎn)生 離子束121,將該離子束121照射到多個(gè)單晶半導(dǎo)體襯底110,將離 子以高濃度引入于預(yù)定深度，以形成損傷層113。
在使用氫(H2)作為源氣體的情況下，可以激發(fā)氫氣體以產(chǎn)生包 含H+、 H2+、 H3+的等離子體。通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體的激發(fā)方法、產(chǎn)生 等離子體的氣氛的壓力、源氣體的供應(yīng)量等，可以改變從源氣體產(chǎn)生 的離子種的比例。優(yōu)選使離子束121包含相對(duì)于H+、 H2+、 H/的總 量的50%以上的H3+,并且H/的比例更優(yōu)選為80%以上。
因?yàn)榕cH/其他氫離子種(H+、 H/)相比，氫原子的數(shù)量多， 結(jié)果質(zhì)量大，所以在以相同的能量加速的情況下，與H+、 H/相比， 被照射到單晶半導(dǎo)體襯底110的更淺的區(qū)域。因此，通過(guò)提高離子束 121所包含的H/的比例，降低氫離子的平均侵入深度的不均勻性，結(jié)果在單晶半導(dǎo)體襯底110中，氫的深度方向的濃度輪廓更陡峭，而 可以使該輪廓的峰值位置更淺。因此，優(yōu)選相對(duì)于離子束121所包含 的H+、 H2+、 H/的總量包含50%以上的H3+，并且H/的比例更優(yōu) 選為80%以上。
在利用氫氣體進(jìn)行利用離子摻雜法的離子照射的情況下，可以將 加速電壓^殳定為10kV以上且200kV以下，而將劑量i殳定為 lxl016ions/cm2以上且6xl016ions/cm2以下。通過(guò)在該條件下添加氫離 子，雖然根據(jù)離子束121所包含的離子種以及其比例，但是可以在單 晶半導(dǎo)體襯底no的深度為50nm以上且500nm以下的區(qū)域中形成損 傷層113。
例如，在單晶半導(dǎo)體襯底IIO是單晶硅襯底，絕緣膜112a是厚 度為50nm的氧氮化硅膜，絕緣膜112b是厚度為50nm的氮氧化硅膜 的情況下，在源氣體為氫，加速電壓為40kV,劑量為2.2xl016ions/cm2 的條件下，可以從單晶半導(dǎo)體襯底IIO分離厚度為120nm左右的單晶 半導(dǎo)體層。此外，當(dāng)以厚度為100nm的氧氮化硅膜作為絕緣膜112a, 且除此以外利用相同條件摻雜氫離子時(shí)，可以從單晶半導(dǎo)體襯底110 分離厚度為70nm左右的單晶半導(dǎo)體層。
注意，作為離子束121的源氣體，也可以使用氦(He)。因?yàn)?通過(guò)激發(fā)氦而產(chǎn)生的離子種的大部分是He+,所以即使利用不帶質(zhì)量 分離的離子摻雜法，也可以以He+為主要離子而對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底 110進(jìn)行添加。由此，可以通過(guò)利用離子摻雜法效率良好地在損傷層 113形成微小空孔。在通過(guò)利用氦的離子摻雜法進(jìn)行離子照射的情況 下，可以將加速電壓i殳定為10kV以上且200kV以下，而將劑量i殳定 為lxl0"ions/cm2以上且6xl0"ions/cm2以下。
此外，作為源氣體，也可以使用氯氣體(Cl2氣體)、氟氣體(F2
氣體)等鹵素氣體。
在形成損傷層113之后，如圖3C所示，在絕緣層112的上表面 形成接合層114。在形成接合層114的工序中，將單晶半導(dǎo)體襯底110 的加熱溫度設(shè)定為照射到損傷層113的元素或分子不析出的溫度，并且該加熱溫度優(yōu)選為350'C以下。換言之，該加熱溫度是從損傷層113 不脫出氣體的溫度。注意，接合層114也可以在進(jìn)行離子照射工序之 前形成。在此情況下，可以將當(dāng)形成接合層114時(shí)的工藝溫度設(shè)定為 35(TC以上。
接合層114是用來(lái)在單晶半導(dǎo)體襯底110的表面形成平滑且親水 性的接合面的層。因此，接合層114的平均粗糙度Ra優(yōu)選為0.7nm 以下、更優(yōu)選為0.4nm以下。此外，可以將接合層114的厚度設(shè)定為 10nm以上且200nm以下。優(yōu)選的厚度是5nm以上且500nm以下， 更優(yōu)選的厚度是10nm以上且200nm以下。
作為接合層114，優(yōu)選使用通過(guò)化學(xué)氣相反應(yīng)而形成的絕緣膜。 例如，可以形成氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜等作 為接合層114。在通過(guò)PECVD法形成氧化硅膜作為接合層114的情 況下，優(yōu)選將有機(jī)硅烷氣體以及氧(02)氣體使用于源氣體。通過(guò)將 有機(jī)硅烷使用于源氣體，可以以350。C以下的工藝溫度形成具有平滑 表面的氧化硅膜。此外，可以通過(guò)熱CVD法且利用以200。C以上且 500。C以下的加熱溫度形成的LTO (低溫氧化物low temperature oxide)進(jìn)行形成。當(dāng)形成LTO時(shí)，可以使用曱硅烷(SiH4)、乙硅 烷(Si2H6)等作為硅源氣體，而使用一氧化二氮(N20)等作為氧源 氣體。
例如，作為使用TE0S和02作為源氣體而形成由氧化硅膜構(gòu)成 的接合層114的條件例子，對(duì)反應(yīng)室以15sccm的流量引入TEOS， 并且以750sccm的流量引入02。成膜壓力為100Pa,成膜溫度為300。C ， RF輸出為300W，電源頻率為13.56MHz。
此外，也可以將圖3B所示的工序和圖3C所示的工序的順序顛 倒。就是說(shuō)，也可以對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110摻雜離子而形成損傷層113 之后，形成絕緣層112以及接合層114。在此情況下，在可以利用同 一個(gè)成膜裝置形成絕緣層112和接合層114的情況下，優(yōu)選連續(xù)形成 絕緣層112和接合層114。
此外，也可以在進(jìn)行圖3B所示的工序之后，進(jìn)行圖3A和3C所示的工序。就是說(shuō)，也可以對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110摻雜離子形成損 傷層113之后，形成絕緣層112和接合層114。在此情況下，在可以 利用同一個(gè)成膜裝置形成絕緣層112和接合層114的情況下，優(yōu)選連 續(xù)形成絕緣層112和接合層114。此外，也可以在形成損傷層113之 前，為了保護(hù)單晶半導(dǎo)體襯底110的表面，對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110進(jìn) 行氧化處理，在表面形成氧化膜，通過(guò)氧化膜對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110 摻雜離子種。在形成損傷層113之后去除該氧化膜。此外，也可以在 殘留氧化膜的情況下形成絕緣層112。
接著，對(duì)形成有絕緣層112、損傷層113以及接合層114的單晶 半導(dǎo)體襯底110以及支撐襯底100進(jìn)行清洗。該清洗工序可以通過(guò)利 用純水的超聲波清洗進(jìn)行。超聲波清洗優(yōu)選為兆赫茲超聲波清洗(兆 聲波清洗)。優(yōu)選在進(jìn)行超聲波清洗之后，對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110及 支撐襯底100中的一方或雙方進(jìn)行利用臭氧水的清洗。通過(guò)進(jìn)行利用 臭氧水的清洗，可以去除有機(jī)物，并且可以進(jìn)行提高接合層114表面 及支撐襯底100的親水性的表面活化處理。
此外，作為接合層114的表面、以及支撐襯底100的活化處理， 除了利用臭氧水的清洗以外，還可以進(jìn)行原子束或離子束的照射處 理、等離子體處理、或者自由基處理。在利用原子束或離子束的情況
下，可以使用氬等惰性氣體中性原子束或惰性氣體離子束。
圖3D是說(shuō)明接合工序的截面圖。隔著接合層114將支撐襯底100 和單晶半導(dǎo)體襯底110緊貼。對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110的端部的一個(gè)地
方施加300至15000N/cm2左右的壓力。該壓力優(yōu)選為1000至 5000N/cm2。從施加壓力的部分開(kāi)始接合層114和支撐襯底100的接 合，而接合部分到達(dá)接合層114的整個(gè)表面。結(jié)果，支撐襯底100與 單晶半導(dǎo)體襯底110貼緊。因?yàn)樵摻雍瞎ば虿粠Ъ訜崽幚砬铱梢砸猿?溫進(jìn)行，所以可以將如玻璃襯底那樣的耐熱溫度為700。C以下的低耐 熱性的襯底作為支撐襯底110。
優(yōu)選在將單晶半導(dǎo)體襯底110貼合到支撐襯底100之后，進(jìn)行為 了增加支撐襯底100和接合層114的接合界面的結(jié)合力的加熱處理。
22將該處理溫度設(shè)定為在損傷層113不發(fā)生裂縫的溫度，而可以在200°C 以上且450。C以下的溫度范圍進(jìn)行處理。此外，通過(guò)在該溫度范圍進(jìn) 行加熱，將單晶半導(dǎo)體襯底110貼合到支撐襯底100,可以使支撐襯 底100和接合層114的接合界面的結(jié)合力牢固。
接著，進(jìn)行加熱處理，在損傷層113發(fā)生分離，從單晶半導(dǎo)體襯 底110分離單晶半導(dǎo)體層115。圖4A是說(shuō)明從單晶半導(dǎo)體襯底110 分離單晶半導(dǎo)體層115的分離工序的圖。附上附圖標(biāo)記117的部分表 示單晶半導(dǎo)體層U5被分離的單晶半導(dǎo)體襯底110。
通過(guò)進(jìn)行加熱處理，在由于溫度上升而在損傷層113形成的微小 孔中析出利用離子摻雜添加的元素，而內(nèi)部壓力上升。由于壓力的上 升，在損傷層113的微小孔中發(fā)生體積變化而在損傷層113發(fā)生裂縫， 以在損傷層113發(fā)生用來(lái)分離單晶半導(dǎo)體襯底110的分離面。因?yàn)榻?合層114接合到支撐襯底100，所以在支撐襯底IOO上固定從單晶半 導(dǎo)體襯底IIO分離的單晶半導(dǎo)體層115。將用來(lái)從單晶半導(dǎo)體襯底110 分離單晶半導(dǎo)體層us的加熱處理的溫度設(shè)定為不超過(guò)支撐襯底100 的應(yīng)變點(diǎn)的溫度。
在該加熱處理中，可以使用RTA (快速熱退火)裝置、電阻加 熱爐、微波加熱裝置。作為RTA裝置，可以使用GRTA (氣體快速 熱退火)裝置、LRTA (燈快速熱退火)裝置。優(yōu)選通過(guò)進(jìn)行該加熱 處理，將貼合有單晶半導(dǎo)體層115的支撐襯底100的溫度上升得成為 550。C以上且650'C以下的范圍。
在利用GRTA裝置的情況下，可以將加熱溫度設(shè)定為550。C以上 且650。C以下，并且將處理時(shí)間設(shè)定為0.5分鐘以上且60分鐘以內(nèi)。 在利用電阻加熱裝置的情況下，可以將加熱溫度設(shè)定為200。C以上且 650。C以下，并且將處理時(shí)間設(shè)定為2小時(shí)以上且4小時(shí)以內(nèi)。在利 用微波加熱裝置的情況下，例如以900W照射頻率為2.45GHz的微波， 并且可以將處理時(shí)間設(shè)定為2分鐘以上且20分鐘以內(nèi)。
將說(shuō)明利用具有電阻加熱的縱型爐的加熱處理的具體處理方法。 將貼合有單晶半導(dǎo)體村底110的支撐襯底100裝載于縱型爐的船型容器(boat)。將船型容器搬入于縱型爐的反應(yīng)室。為了抑制單晶半導(dǎo) 體襯底110氧化，首先對(duì)反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行排氣而實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)。將真空 度設(shè)定為5xl(^Pa左右。在實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)之后，將氮供應(yīng)到反應(yīng)室內(nèi)， 以使反應(yīng)室內(nèi)成為大氣壓的氮?dú)夥?。在該工序中，將溫度上升?200°C。
在使反應(yīng)室內(nèi)成為大氣壓的氮?dú)夥罩螅?0(TC的溫度加熱2 小時(shí)。然后，花費(fèi)1小時(shí)將溫度上升為400。C。當(dāng)加熱溫度在400'C 穩(wěn)定時(shí)，花費(fèi)1小時(shí)將溫度上升為600。C。當(dāng)加熱溫度在600。C穩(wěn)定 時(shí)，以600。C進(jìn)行2小時(shí)的加熱處理。然后，花費(fèi)1小時(shí)，將加熱溫 度降低為400'C，并且10分鐘至30分鐘之后，從反應(yīng)室內(nèi)搬出船型 容器。在大氣氣氛中，對(duì)船型容器上的單晶半導(dǎo)體襯底117、以及貼 合有單晶半導(dǎo)體層115的支撐襯底100進(jìn)行冷卻。
在利用上述電阻加熱爐的加熱處理中，連續(xù)進(jìn)行用來(lái)加強(qiáng)接合層 114和支撐襯底100的結(jié)合力的加熱處理和使損傷層113發(fā)生分離的 加熱處理。在利用不同裝置進(jìn)行該兩個(gè)加熱處理的情況下，例如，在 電阻加熱爐中以200。C的處理溫度進(jìn)行2小時(shí)的加熱處理之后，從爐 搬出貼合在一起的支撐襯底100和單晶半導(dǎo)體襯底110。接著，利用 RTA裝置進(jìn)行處理溫度為600。C以上且700。C以下且處理時(shí)間為1分 鐘以上且30分鐘以下的加熱處理，在損傷層113分割單晶半導(dǎo)體襯 底110。
為了以700'C以下的低溫處理將接合層114和支撐襯底100牢固 地接合，優(yōu)選在接合層114的表面、以及支撐襯底的表面存在OH基、 水分子(H20)。這是因?yàn)槿缦戮壒式雍蠈?14和支撐襯底100的 接合通過(guò)OH基、水分子形成共價(jià)鍵(氧分子和氫分子的共價(jià)鍵)、 氫鍵而開(kāi)始。
從而，優(yōu)選通過(guò)使接合層114、支撐襯底110的表面活化而成為 親水性。此外，優(yōu)選通過(guò)利用包含氧或氫的方法，形成接合層114。 例如，通過(guò)利用處理溫度為400。C以下的PECVD法形成氧化珪膜、 氧氮化硅膜、或者氮氧化硅膜、氮化硅膜等，可以使膜包含氫。當(dāng)形成氧化硅膜或者氧氮化硅膜時(shí)，例如使用SiH4及N20作為工藝氣體， 即可。當(dāng)形成氮氧化硅膜時(shí)，例如使用SiH4、 NH3以及N20，即可。 當(dāng)形成氮化硅膜時(shí)，例如使用SiH4及NH"即可。此外，作為當(dāng)利用 PECVD法形成時(shí)的原料，優(yōu)選使用如TEOS (化學(xué)式Si ( OC2H5) 4) 那樣的具有OH基的化合物。
注意，工藝溫度為700。C以下意味著低溫處理，這是因?yàn)楣に嚋?度為玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)以下的溫度的緣故。與此對(duì)照，關(guān)于通過(guò)智能 剝離(Smart-Cut，注冊(cè)商標(biāo))而形成的SOI村底，為了貼合單晶硅 層和單晶硅片進(jìn)行800。C以上的加熱處理，需要以超過(guò)玻璃襯底的應(yīng) 變點(diǎn)的溫度進(jìn)行的加熱處理。
注意，如圖4A所示，在很多情況下，單晶半導(dǎo)體襯底110的周 邊部分不接合到支撐襯底100?？梢哉J(rèn)為，這是因?yàn)槿缦戮壒蕟尉?半導(dǎo)體襯底110的周邊部分被倒角，或者當(dāng)移動(dòng)單晶半導(dǎo)體襯底110 時(shí)接合層114的周邊部分受傷或受臟，所以在支撐襯底100和接合層 114不貼緊的單晶半導(dǎo)體襯底110的周邊部分難以分離損傷層113等 等。因此，在支撐襯底100上貼合尺寸小于單晶半導(dǎo)體襯底110的單 晶半導(dǎo)體層U5，此外，在單晶半導(dǎo)體襯底117的周圍形成凸部，并 且在該凸部上留下不貼合到支撐襯底100的絕緣膜112b、絕緣膜112a 以及接合層114。
在貼緊到支撐襯底100的單晶半導(dǎo)體層115中，由于損傷層113 的形成、以及在損傷層113進(jìn)行的分離等，而其結(jié)晶性損壞。就是說(shuō)， 在單晶半導(dǎo)體層115中形成有加工之前的單晶半導(dǎo)體襯底110所沒(méi)有 的結(jié)晶缺陷。此外，單晶半導(dǎo)體層115的表面是從單晶半導(dǎo)體襯底110 的分離面，而平坦性損壞。為了通過(guò)使從單晶半導(dǎo)體襯底分離的單晶 半導(dǎo)體層115的表面以及深度方向的一部分區(qū)域熔化來(lái)使單晶半導(dǎo)體 層115的表面平坦化，以及為了基于不熔化而留下的單晶半導(dǎo)體層的 平面取向促進(jìn)再晶化，從具有單晶半導(dǎo)體層115—側(cè)照射用來(lái)恢復(fù)單 晶半導(dǎo)體層115的結(jié)晶性的激光束。圖4B是用來(lái)說(shuō)明激光束照射處 理的圖。
25在圖4B中，在對(duì)于單晶半導(dǎo)體層115掃描激光束122的同時(shí)， 從具有單晶半導(dǎo)體層115 —側(cè)對(duì)單晶半導(dǎo)體層115的分離面的整個(gè)表 面進(jìn)行照射。作為激光束122的掃描，例如不移動(dòng)激光束122，而移 動(dòng)固定有單晶半導(dǎo)體層115的支撐襯底。箭頭123表示支撐襯底100 的移動(dòng)方向。
當(dāng)照射激光束122時(shí)，單晶半導(dǎo)體層115吸收激光束122,照射 激光束122的部分根據(jù)激光束122的能量密度而溫度上升，以從單晶 半導(dǎo)體層115的表面開(kāi)始部分熔化。通過(guò)支撐襯底100移動(dòng)，激光束 122的照射區(qū)域移動(dòng)，所以單晶半導(dǎo)體層115的熔化部分的溫度降低， 該熔化部分凝固，而實(shí)現(xiàn)再晶化。通過(guò)在照射激光束122使單晶半導(dǎo) 體層115熔化的同時(shí)，掃描激光束122，以對(duì)單晶半導(dǎo)體層115的整 個(gè)表面照射激光束122。圖4C是示出在激光束照射工序之后的半導(dǎo) 體襯底10的截面圖，并且單晶半導(dǎo)體層116是再晶化的單晶半導(dǎo)體 層115。此外，圖4C的外觀圖是圖1。
關(guān)于受到激光束照射處理的單晶半導(dǎo)體層116，通過(guò)熔化且再晶 化，其結(jié)晶性比單晶半導(dǎo)體層115提高。此外，可以通過(guò)激光束照射 處理提高平坦化?？梢愿鶕?jù)利用光學(xué)顯微鏡的觀察、以及從拉曼光譜 得到的拉曼位移、半峰全寬等，評(píng)價(jià)單晶半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。此外， 可以根據(jù)利用原子力顯微鏡的觀察等，評(píng)價(jià)單晶半導(dǎo)體層表面的平坦 性。
作為本發(fā)明的特征，可以舉出如下通過(guò)從具有單晶半導(dǎo)體層 115 —側(cè)照射激光束122，使單晶半導(dǎo)體層115的照射激光束122的 區(qū)域部分熔化。注意，使單晶半導(dǎo)體層115部分熔化意味著將單晶半 導(dǎo)體層115的熔化的深度成為比接合層114的界面(單晶半導(dǎo)體層115 的厚度)淺，換言之，其意味著使單晶半導(dǎo)體層115的表面以及深度 方向的一部分區(qū)域熔化。就是說(shuō)，在單晶半導(dǎo)體層115中，部分熔化 狀態(tài)意味著單晶半導(dǎo)體層115的上層熔化而成為液相，且下層不熔化 而維持固相單晶半導(dǎo)體的狀態(tài)。
參照?qǐng)D27，關(guān)于本發(fā)明的特征的使單晶半導(dǎo)體層115部分熔化，示出模式圖進(jìn)行說(shuō)明。圖27示出如下情況接合層114和單晶半導(dǎo) 體層115層疊而設(shè)置，并且對(duì)單晶半導(dǎo)體層115的表面照射激光束 122。激光束122的輪廓根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)平頂型，且包括能量密度 高的區(qū)域3801、以及從能量密度高的區(qū)域3801到激光束122的照射 區(qū)域中的端部位置能量密度降低的區(qū)域3802。因此，關(guān)于單晶半導(dǎo)體 層115熔化的深度，在激光束122照射的面內(nèi)，能量密度高的區(qū)域3801 的照射激光束122的面以比表面深的程度熔化，接著，從能量密度高 的區(qū)域3801到激光束122的照射區(qū)域中的端部位置能量密度降低的 區(qū)域3802的照射激光束122的面根據(jù)能量密度的大小熔化。注意， 由于激光束照射的單晶半導(dǎo)體層115的熔化是從單晶半導(dǎo)體層115的 表面向其深度方向進(jìn)行的。此外，在圖27中，包括由于激光束122 照射而單晶半導(dǎo)體層115熔化的層的區(qū)域是液相區(qū)域3803，并且液相 區(qū)域3803和接合層114之間的單晶半導(dǎo)體層115不熔化而維持固相 的層的區(qū)域是固相區(qū)域3804。
在圖27中，在對(duì)單晶半導(dǎo)體層115照射激光束122之前的狀態(tài) 下，隨著從單晶半導(dǎo)體襯底的分離，在單晶半導(dǎo)體層115的表面具有 多個(gè)凸部，而平坦性損壞。通過(guò)從具有單晶半導(dǎo)體層115—側(cè)照射激 光，根據(jù)激光的能量密度，單晶半導(dǎo)體層115熔化。通過(guò)單晶半導(dǎo)體 層115的熔化，形成包括單晶半導(dǎo)體層115熔化的層的液相區(qū)域3803、 以及單晶半導(dǎo)體層115不熔化而維持固相的固相區(qū)域3804，進(jìn)行單晶 半導(dǎo)體層115的部分熔化。單晶半導(dǎo)體層115的部分熔化在照射激光 的面內(nèi)的能量密度高的部分進(jìn)行，是直到單晶半導(dǎo)體層115熔化的深 度比接合層114的界面淺的地方液相區(qū)域3803形成的條件，即可。 換言之，單晶半導(dǎo)體層115的部分熔化在照射激光的面內(nèi)的能量密度 高的部分進(jìn)行，是在與接合層114的界面具有單晶半導(dǎo)體層115不熔 化而維持固相的固相區(qū)域3804的條件，即可。關(guān)于單晶半導(dǎo)體層115 部分熔化，如果考慮到從單晶半導(dǎo)體層115的表面進(jìn)行熔化，則至少 單晶半導(dǎo)體層115的表面成為液相。由此，根據(jù)表面張力的作用，單 晶半導(dǎo)體層115的表面的多個(gè)凸部變形為其表面積成為最小。就是說(shuō)，液相區(qū)域3803變形得沒(méi)有凹部及凸部，并該液相部分凝固，且再晶 化，所以可以得到表面平坦化的單晶半導(dǎo)體層115。
通過(guò)使單晶半導(dǎo)體層116的表面平坦化，可以將形成在單晶半導(dǎo) 體層116上的柵絕緣膜的厚度減薄到5nm至50nm左右。因此，可以 在抑制柵電壓的同時(shí)形成高導(dǎo)通電流的晶體管。
如圖27所示，在形成包括單晶半導(dǎo)體層115熔化的層的液相區(qū) 域3803、以及單晶半導(dǎo)體層115不熔化而維持固相的固相區(qū)域3804 的部分熔化狀態(tài)下，當(dāng)液相區(qū)域3803從支撐襯底100 —側(cè)進(jìn)行凝固 時(shí)，基于以固相區(qū)域3804為基礎(chǔ)的單晶半導(dǎo)體襯底的主表面的平面 取向進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。關(guān)于該結(jié)晶生長(zhǎng)，從固相區(qū)域3804中的不熔化 的結(jié)晶狀態(tài)的單晶半導(dǎo)體層進(jìn)行再晶化。關(guān)于再晶化的液相區(qū)域 3803,基于不通過(guò)激光束122照射熔化的固相區(qū)域3804的單晶半導(dǎo) 體層的平面取向，進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。因此，液相區(qū)域3803在平面取向 一致的狀態(tài)下進(jìn)行再晶化，所以不形成晶粒界面，而照射激光束后的 單晶半導(dǎo)體層116可以是沒(méi)有晶粒界面的單晶半導(dǎo)體層。因此，在將
主表面的平面取向?yàn)?100)的單晶硅片使用于單晶半導(dǎo)體襯底110 的情況下，單晶半導(dǎo)體層115的主表面的平面取向?yàn)?100),并且 通過(guò)激光束照射處理而部分熔化且進(jìn)行再晶化的單晶半導(dǎo)體層116的 主表面的平面取向?yàn)?100)。結(jié)果，與照射激光前的單晶半導(dǎo)體層 115的狀態(tài)相比，改善了表面的平坦性，并且可以得到以不產(chǎn)生晶粒 界面的方式再晶化的單晶半導(dǎo)體層。
注意，在通過(guò)激光束122照射使液相區(qū)域3803及固相區(qū)域3804 都熔化的情況下，依賴于成為液相的單晶半導(dǎo)體層115中的無(wú)秩序的 核發(fā)生，當(dāng)單晶半導(dǎo)體層115再晶化時(shí)以無(wú)秩序的晶面取向進(jìn)行結(jié)晶 生長(zhǎng)，而單晶半導(dǎo)體層115成為小結(jié)晶集合的微晶，所以是不優(yōu)選的。
如此，在本實(shí)施方式中，關(guān)于如下方法，公開(kāi)了革新技術(shù)。該方 法如下對(duì)單晶半導(dǎo)體層照射激光，使單晶半導(dǎo)體層部分熔化，基于 不熔化而留下的單晶半導(dǎo)體層的平面取向進(jìn)行再晶化，以得到更優(yōu)良 的單晶。這種激光的利用方法在現(xiàn)有的技術(shù)中完全想不到的，而是極
28為新的概念。
注意，也可以在照射激光束122時(shí)，加熱固定到支撐襯底100 的單晶半導(dǎo)體層115，以使單晶半導(dǎo)體層115的溫度上升。優(yōu)選將支 撐襯底100的加熱溫度設(shè)定為23(TC以上且支撐襯底的應(yīng)變點(diǎn)以下。 加熱溫度優(yōu)選為400。C以上，更優(yōu)選為450。C以上。具體地，加熱溫 度優(yōu)選為40(TC以上且670'C以下，更優(yōu)選為450。C以上且650'C以下。
通過(guò)加熱單晶半導(dǎo)體層，可以去除單晶半導(dǎo)體層中的結(jié)晶缺陷等 微小缺陷，以可以得到更優(yōu)越的單晶半導(dǎo)體層?？梢酝ㄟ^(guò)利用固定有 結(jié)晶缺陷少的單晶半導(dǎo)體層116的半導(dǎo)體襯底10，形成高導(dǎo)通電流、 高電場(chǎng)效應(yīng)遷移率的晶體管。
本發(fā)明人確認(rèn)了通過(guò)對(duì)單晶半導(dǎo)體層115照射激光束122，而單 晶半導(dǎo)體層115熔化。此外，本發(fā)明人確認(rèn)了通過(guò)照射激光束122， 可以將單晶半導(dǎo)體襯底115的結(jié)晶性恢復(fù)到與加工之前的單晶半導(dǎo)體 襯底110相同程度。再者，確認(rèn)了可以實(shí)現(xiàn)單晶半導(dǎo)體層115的表面 的平坦化。
首先，將說(shuō)明單晶半導(dǎo)體層115由于激光束122照射而熔化。 根據(jù)本實(shí)施方式的方法，形成貼合有從單晶硅片分離的單晶硅層 的玻璃襯底，對(duì)貼合到該玻璃襯底的單晶半導(dǎo)體層照射激光束，測(cè)量 單晶硅層的熔化時(shí)間。利用分光學(xué)的方法測(cè)量熔化時(shí)間。具體地，對(duì) 單晶硅層的照射激光束的區(qū)域照射探針光，測(cè)量其反射光的強(qiáng)度變 化。根據(jù)反射光的強(qiáng)度，可以辨別單晶硅層處于固相狀態(tài)或者液相狀 態(tài)。硅當(dāng)從固相狀態(tài)變化到液相狀態(tài)時(shí)，折射率急劇上升，對(duì)于可見(jiàn) 光的反射率急劇上升。因此，使用可見(jiàn)光區(qū)域的波長(zhǎng)的激光束作為探 針光，檢測(cè)出探針光的反射光的強(qiáng)度變化，可以檢測(cè)出單晶硅層的從 固相到液相的相變、以及從液相到固相的相變。
首先，使用圖5說(shuō)明用于測(cè)量的激光束照射裝置的結(jié)構(gòu)。圖5 是用來(lái)說(shuō)明用于測(cè)量的激光束照射裝置的結(jié)構(gòu)的圖。包括為了對(duì)被 處理物319進(jìn)行激光束照射處理而振蕩激光束320的激光振蕩器321; 振蕩探針光350的激光振蕩器351;設(shè)置有配置被處理物319的栽物臺(tái)323的反應(yīng)室324。
栽物臺(tái)323在反應(yīng)室324的內(nèi)部以可移動(dòng)的方式設(shè)置。箭頭325 是表示載物臺(tái)323的移動(dòng)方向的箭頭。在反應(yīng)室324的壁上設(shè)置有由 石英構(gòu)成的窗口 326至328。窗口 326是用來(lái)將激光束320引入到反 應(yīng)室324內(nèi)部的窗口 。窗口 327是用來(lái)將探針光350 f I入到反應(yīng)室324 內(nèi)部的窗口，而窗口 328是用來(lái)將由被處理物319反射的探針光350 引入到反應(yīng)室324外部的窗口。在圖5中，對(duì)由被處理物319反射的 探針光350附上附圖標(biāo)記350D。
為了控制反應(yīng)室324的內(nèi)部的氣氛，在反應(yīng)室324分別設(shè)置連接 到氣體供應(yīng)裝置的氣體供應(yīng)口 329、以及連接到排氣裝置的排氣口 330。
從激光振蕩器321發(fā)射的激光束320由半反射鏡332反射，由透 鏡333聚焦，經(jīng)過(guò)窗口 326，照射到載物臺(tái)323上的被處理物319。 在半反射鏡332的透過(guò)一側(cè)配置光電探測(cè)器334。利用光電探測(cè)器334 檢測(cè)出從激光振蕩器321發(fā)射的激光束320的強(qiáng)度變化。
從激光振蕩器351發(fā)射的探針光350由反射鏡352反射，經(jīng)過(guò)窗 口 327，照射到被處理物319。對(duì)照射激光束320的區(qū)域照射探針光 350。由被處理物319反射的探針光350D經(jīng)過(guò)窗口 328,經(jīng)過(guò)光導(dǎo)纖 維353，由具有準(zhǔn)直透鏡(collimator lens)的準(zhǔn)直器(collimator) 354變?yōu)槠叫泄?，入射到光電探測(cè)器355。由光電探測(cè)器355檢測(cè)出 探針光350D的強(qiáng)度變化。
光電探測(cè)器334及355的輸出連接到示波器356。輸入到示波器 356的光電探測(cè)器334及355的輸出信號(hào)的電壓值(信號(hào)的強(qiáng)度)分 別對(duì)應(yīng)于激光束320的強(qiáng)度、以及探針光350D的強(qiáng)度。
圖6A和6B是表示測(cè)量結(jié)果的示波器356的信號(hào)波形的圖像。 在圖6A和6B的圖像中，下面的信號(hào)波形是光電探測(cè)器334的輸出信 號(hào)波形，表示激光束320的強(qiáng)度變化。上面的信號(hào)波形是光電探測(cè)器 355的輸出信號(hào)波形，表示由單晶硅層反射的探針光350D的強(qiáng)度變 化。圖6A和6B中的橫軸表示時(shí)間，刻度的間隔為100納秒。圖6A是當(dāng)將玻璃襯底加熱到420'C時(shí)的信號(hào)波形，而圖6B是當(dāng)不加熱玻璃 襯底的室溫時(shí)的信號(hào)波形。
作為用于測(cè)量的激光振蕩器321，使用振蕩波長(zhǎng)為308nm的激 光束的XeCl受激準(zhǔn)分子激光器。其脈沖寬度為25nsec，重復(fù)頻率為 30Hz。另一方面，作為探針光用的激光振蕩器351，使用Nd: YV04 激光器，并且使用其激光振蕩器的二次諧波的532nm的激光束作為探 針光3S0。此外，從氣體供應(yīng)口 329供應(yīng)氮?dú)怏w，將反應(yīng)室324的氣 氛成為氮?dú)夥铡４送?，作為固定有單晶硅層的玻璃襯底的加熱，利用 設(shè)置在載物臺(tái)323的加熱裝置進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)行圖6A和6B的測(cè)量時(shí)的激 光束320的能量密度為539mJ/cm2,將單發(fā)射的激光束320照射到單 晶硅層。注意，在圖6A和6B中，在對(duì)應(yīng)激光束320的光電探測(cè)器 334的輸出信號(hào)中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)峰值，但是這是由于用于測(cè)量的激光振蕩 器321的規(guī)格的，因此照射的激光束320是單發(fā)射。
如圖6A、圖6B所示，當(dāng)照射激光束320時(shí)，探針光350D的強(qiáng) 度升高，急劇增大。就是說(shuō)，可以確認(rèn)由于激光束320的照射，而單 晶硅層熔化。探針光350D的強(qiáng)度上升到單晶硅層的熔化區(qū)域的深度 成為最大，并暫時(shí)維持強(qiáng)度高的狀態(tài)。當(dāng)激光束320的強(qiáng)度下降時(shí)， 不久，探針光350D的強(qiáng)度開(kāi)始降低。
就是說(shuō)，圖6A、圖6B示出當(dāng)通過(guò)照射激光束320時(shí)，使單 晶硅片熔化，即使在激光束320的照射之后也暫時(shí)保持熔化狀態(tài)，不 久，單晶硅片開(kāi)始凝固，回到完全固相狀態(tài)。
參照?qǐng)D7而說(shuō)明探針光350D的強(qiáng)度變化以及單晶硅層的相變。 圖7是模式性地表示圖6A、圖6B的圖像所示的光電探測(cè)器355的輸 出信號(hào)波形的圖表。在時(shí)間tl中信號(hào)強(qiáng)度急劇增大，并且時(shí)間tl是 單晶硅層的熔化開(kāi)始的時(shí)間。時(shí)間tl以后，從時(shí)間t2到時(shí)間t3的期 間成為大致固定，是保持熔化狀態(tài)的期間。此外，從時(shí)間tl到時(shí)間 t2的期間是向單晶硅層的熔化部分的深度方向深的期間，是熔化期 間。信號(hào)強(qiáng)度開(kāi)始降低的時(shí)間t3是熔化部分開(kāi)始凝固的凝固開(kāi)始時(shí) 間。
31時(shí)間t3以后，信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低，而時(shí)間t4以后成為大致固定。 在時(shí)間t4中，探針光350D被反射的表面完全凝固，但是處于在其內(nèi) 部留下熔化部分的狀態(tài)。此外，時(shí)間t4以后的信號(hào)強(qiáng)度Ib比時(shí)間tl 以前的信號(hào)強(qiáng)度Ia高，因此可以認(rèn)為，時(shí)間t4以后也照射激光束320 的區(qū)域在逐漸被冷卻的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)變等結(jié)晶缺陷的修復(fù)。
當(dāng)比較圖6A、圖6B的信號(hào)波形時(shí)，可以知道，通過(guò)加熱可以 延長(zhǎng)保持熔化狀態(tài)的熔化時(shí)間。在加熱溫度為420'C的情況下，熔化 時(shí)間為250納秒左右，而在不加熱的情況下的熔化時(shí)間為100納秒左 右。
注意，用于圖6A、圖6B所示的單晶硅層的相變的測(cè)量的樣品 是通過(guò)圖3A至圖4A的工序而制造的樣品。作為單晶半導(dǎo)體襯底110 使用單晶硅片，而作為支撐襯底IOO使用玻璃襯底。利用PECVD法， 在單晶硅片上形成由厚度為100nm的氧氮化硅膜和厚度為50nm的氮 氧化硅膜構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)的絕緣膜，作為絕緣層112。氧氮化硅膜的 工藝氣體是SiH4及N20，而氮氧化硅膜的工藝氣體是SiH4、 NH3、 N20以及112。
在形成兩層結(jié)構(gòu)的絕緣層112之后，利用離子摻雜裝置，對(duì)單晶 硅片摻雜氫離子，使用100%氫氣體作為源氣體，對(duì)離子化的氫不進(jìn) 行質(zhì)量分離，利用電場(chǎng)進(jìn)行加速而添加到單晶半導(dǎo)體襯底110，以形 成損傷層113。此外，調(diào)節(jié)形成損傷層113的深度，以使從單晶硅片 分離的單晶硅層的厚度成為120nm。
接著，在絕緣層112上利用PECVD法形成由厚度為50nm的氧 化硅膜構(gòu)成的接合層114。作為氧化硅膜的工藝氣體，使用TEOS以 及02。
在純水中對(duì)玻璃襯底、以及形成有絕緣層112、損傷層113以及 接合層114的單晶硅片進(jìn)行超聲波清洗之后，利用包含臭氧的純水進(jìn) 行清洗。接著，如圖4A所示，將玻璃襯底和單晶硅片緊貼，將接合 層114和玻璃襯底接合在一起后，在損傷層113分離單晶硅片，以形 成貼合有單晶硅層的玻璃襯底。使用該玻璃襯底作為樣品。接著，將說(shuō)明通過(guò)照射激光束122，使單晶半導(dǎo)體層115熔化， 進(jìn)行再晶化，恢復(fù)到與加工之前的單晶半導(dǎo)體襯底110相同程度的結(jié) 晶性，并且可以進(jìn)行平坦化。利用拉曼光i瞽測(cè)量評(píng)價(jià)激光束照射處理 后的單晶半導(dǎo)體層的結(jié)晶性，并且其表面的平坦性由利用原子力顯微 鏡(AFM: Atomic Force Microscope )的動(dòng)態(tài)力模式(DFM: dynamic force mode )的觀察像(以下，稱為DFM像)、或者從DFM像得到 的表示表面粗糙度的測(cè)量值評(píng)價(jià)。
用于這些測(cè)量的樣品是與圖6A和6B同樣地制造的樣品，是固 定有單晶硅層的玻璃襯底。此外，在激光束照射處理中，利用圖5所
示的裝置，并且為再晶化而使用的激光振蕩器321是振蕩波長(zhǎng)為 308nm的激光束的XeCl受激準(zhǔn)分子激光器。其脈沖寬度為25nsec， 重復(fù)頻率為30Hz。此外，從氣體供應(yīng)口 329供應(yīng)氮?dú)怏w，使反應(yīng)室 324的氣氛成為氮?dú)夥斩M(jìn)行激光束照射處理。此外，利用設(shè)置在載 物臺(tái)323的加熱裝置，對(duì)固定有單晶硅層的玻璃襯底進(jìn)行加熱。此外， 調(diào)節(jié)栽物臺(tái)323的移動(dòng)速度，以對(duì)同一個(gè)區(qū)域照射12發(fā)射激光束。
圖8是示出對(duì)于激光束的能量密度的拉曼位移的變化的圖表。示 出越接近于單晶硅的拉曼位移的波數(shù)520.6cm",結(jié)晶性越好。圖9 是示出對(duì)于激光束的能量密度的拉曼光譜的半峰全寬(FWHM: full width at half maximum )的變化的圖表。市售的單晶珪片的FWHM 是2.5citT1至3.0cm"左右，示出越接近于該值結(jié)晶性越好。
圖8及圖9示出將當(dāng)激光束照射處理時(shí)的貼合有單晶硅層的玻璃 襯底的溫度分為如下情況時(shí)的數(shù)據(jù)不進(jìn)行對(duì)于襯底的加熱的情況； 加熱到420。C的情況；以及加熱到230。C的情況。
根據(jù)圖8及圖9可以知道，在對(duì)襯底不進(jìn)行加熱的情況下，提高 激光束的能量密度而進(jìn)行激光束照射處理，可以提高到與拉曼位移的 波數(shù)520.6cnT1相同程度，并且降低FWHM，而成為2.5cm"至3.0cm_1 左右。此外，也確認(rèn)如下在以420。C、 230。C進(jìn)行加熱的同時(shí)進(jìn)行激 光束照射處理的情況下，也可以使單晶硅層再晶化，而恢復(fù)到與加工 之前的單晶硅片相同程度的結(jié)晶性。通過(guò)在進(jìn)行加熱的同時(shí)進(jìn)行激光束照射處理，可以降低伴隨激光束照射處理的激光的能量密度。但是， 當(dāng)在進(jìn)行加熱的同時(shí)進(jìn)行激光束照射處理時(shí)，必須控制激光束的能量 密度以使單晶半導(dǎo)體層部分熔化。在照射到單晶半導(dǎo)體層的激光束的 能量密度高于部分熔化所必需的能量密度的情況下，單晶半導(dǎo)體層完 全熔化。因此，當(dāng)單晶半導(dǎo)體層再晶化時(shí)以無(wú)秩序的晶面取向進(jìn)行結(jié)
晶生長(zhǎng)，所以如圖8及圖9所示，拉曼位移及FWHM都漂移到結(jié)晶 性變壞的方向。注意，如圖8及圖9所示，襯底的加熱溫度越高，越 容易造成因激光束的能量密度高導(dǎo)致的單晶半導(dǎo)體層成為完全熔化 的狀態(tài)。因此，在不加熱襯底而進(jìn)行激光束照射處理的情況下，即使 照射的激光束的能量密度有多少的不均勻性，也可以不引起單晶半導(dǎo) 體層的在無(wú)秩序的晶面取向上的結(jié)晶生長(zhǎng)而提高結(jié)晶性。
根據(jù)圖8及圖9的數(shù)據(jù)，在不加熱襯底的情況下，通過(guò)提高激光 束的能量密度，可以提高單晶半導(dǎo)體層的結(jié)晶性。此外，通過(guò)在加熱 單晶半導(dǎo)體層115的同時(shí)照射激光束122，可以降低單晶半導(dǎo)體層115 的結(jié)晶性恢復(fù)所必要的激光束的能量密度。通過(guò)在加熱單晶半導(dǎo)體層 的同時(shí)照射激光束，可以抑制振蕩激光束122的激光振蕩器的激光介 質(zhì)的退化，所以可以抑制激光振蕩器的維護(hù)費(fèi)用。此外，例如，在激 光束的截面形狀為直線狀、矩形狀(包括正方形、長(zhǎng)方形等的形狀) 的情況下，可以使其截面長(zhǎng)度變長(zhǎng)，所以可以擴(kuò)大能夠利用一次激光 束122的掃描照射激光束122的區(qū)域，結(jié)果可以提高成品率。
注意，作為通過(guò)加熱單晶半導(dǎo)體層115而降低單晶半導(dǎo)體層115 的結(jié)晶性恢復(fù)所必要的激光束122的能量密度的理由之一，可以認(rèn)為， 如圖6A和6B所示，由于加熱而單晶半導(dǎo)體層115內(nèi)的伴隨激光束照 射的溫度上升增大，而熔化時(shí)間延長(zhǎng)。此外，也可以認(rèn)為，這是因?yàn)?如下緣故從單晶半導(dǎo)體層115具有熔化部分(液相部分)的狀態(tài)到 被冷卻而完全回到固相狀態(tài)的時(shí)間由于支撐襯底預(yù)先被加熱來(lái)抑制 散熱而變長(zhǎng)。
以下，將說(shuō)明利用激光束照射的單晶半導(dǎo)體層的平坦化。圖10A 至IOC是利用AFM觀察的單晶硅層的上表面的DFM像。圖10A是當(dāng)在以420。C進(jìn)行加熱的同時(shí)照射激光束時(shí)的像，圖10B是當(dāng)在以 230。C進(jìn)行加熱的同時(shí)照射激光束時(shí)的像，而圖IOC是當(dāng)不加熱而照 射激光束時(shí)的像。觀察區(qū)域是5nm見(jiàn)方的區(qū)域。
圖ll示出基于AFM的DFM像而計(jì)算出來(lái)的單晶硅層的表面粗 糙度。圖llA示出平均面粗糙度Ra，圖11B示出平方平均面粗糙度 RMS,而圖11C示出最大高低差P-V。圖11A至11C也示出激光束 照射之前的單晶硅層的數(shù)據(jù)。
如圖11A至11C所示，通過(guò)照射激光束而熔化，不管在不加熱 襯底還是加熱襯底的情況下，都可以提高單晶硅層的平坦性。
根據(jù)圖11A至11C的數(shù)據(jù)，由于激光束122的照射，而熔化且 再晶化的單晶半導(dǎo)體層116的表面平坦化，并且其表面的凹凸形狀的 平均面粗糙度可以為lnm以上且2nm以下。此外，該凹凸形狀的均 方面粗糙度可以為lnm以上且4nm以下。此外，該凹凸形狀的最大 高低差可以為5nm以上且100nm以下。就是說(shuō)，可以說(shuō)，激光束122 的照射處理的效果之一是單晶半導(dǎo)體層115的平坦化。
作為平坦化處理， 一般知道化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,縮寫(xiě)CMP)，但是因?yàn)椴Ａбr底容易彎曲且有起伏，所 以當(dāng)將玻璃襯底使用于支撐襯底100時(shí)，難以利用CMP進(jìn)行單晶半 導(dǎo)體層115的平坦化處理。在本實(shí)施方式中，因?yàn)槔眉す馐?22的 照射處理進(jìn)行該平坦化處理，所以可以以不施加使支撐襯底100破損 的壓力的方式且以不在超過(guò)應(yīng)變點(diǎn)的溫度下加熱支撐襯底100的方 式，實(shí)現(xiàn)單晶半導(dǎo)體層115的平坦化。從而，可以使用玻璃襯底作為 支撐襯底100。就是說(shuō)，本實(shí)施方式公開(kāi)了在半導(dǎo)體襯底的制造方法 中的激光束照射處理的革新使用方法。
在此，平均面粗糙度(Ra)是指將JISB0601: 2001 (IS04287: 1997)所定義的中心線平均粗糙度擴(kuò)大為三維以可適用于測(cè)量面的。 注意，在上述的JISB0601中中心線平均粗糙度是"Ra"，但是在本說(shuō) 明書(shū)中只在表示平均面粗糙度的情況下使用"Ra"。在此，平均面粗糙 度可以表現(xiàn)為平均從基準(zhǔn)面到指定面的偏差的絕對(duì)值的值，并且由如下算式表示。 [算式l
w。4f f l乂(")-z。一
注意，測(cè)量面是指表示整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的面，并且由如下算式表示。
在此，測(cè)量數(shù)據(jù)由三個(gè)參數(shù)(X、 Y、 Z)構(gòu)成，X (及Y)的范圍是
0至X則x (及Ymax)，而Z的范圍是Z曲至Zmaxo\20的源氣體，且利 用PECVD法，形成厚度為600nm左右的氮氧化硅膜。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò) 使絕緣膜619包含氫，可以從絕緣膜619擴(kuò)散氫，而終結(jié)半導(dǎo)體膜603、 半導(dǎo)體膜604的懸空鍵的緣故。另外，通過(guò)形成絕緣膜619，可以防 止堿金屬、堿土金屬等的雜質(zhì)進(jìn)入到p溝道型晶體管617、 n溝道型 晶體管618。具體地說(shuō)，作為絕緣膜619，優(yōu)選使用氮化硅、氮氧化 硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化硅等。
接著，以覆蓋p溝道型晶體管617、 n溝道型晶體管618的方式 在絕緣膜619上形成絕緣膜620。作為絕緣膜620,可以使用具有耐 熱性的有機(jī)材料如聚酰亞胺、丙烯酸、苯并環(huán)丁烯、聚酰胺、環(huán)氧等。 另外，除了上述有機(jī)材料之外，還可以使用低介電常數(shù)材料(low-k 材料)、硅氧烷基樹(shù)脂、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、PSG (磷硅玻 璃)、BPSG (硼磷硅玻璃)、鋁土等。硅氧烷基樹(shù)脂除了氬之外也 可以具有氟、烷基和芳烴中的至少一種作為取代基。另外，也可以通 過(guò)層疊多個(gè)由這些材料形成的絕緣膜，來(lái)形成絕緣膜620。絕緣膜620
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也可以通過(guò)CMP法等使其表面平坦化。
另外，硅氧烷基樹(shù)脂相當(dāng)于以硅氧烷基材料為起始材料而形成的 包含Si-O-Si鍵的樹(shù)脂。硅氧烷基樹(shù)脂除了氫以外，還可以具有氟、 烷基和芳香烴中的至少一種作為取代基。
絕緣膜620可以根據(jù)其材料利用CVD法、濺射法、SOG法、旋 轉(zhuǎn)涂敷、浸漬、噴涂、液滴噴射法(噴墨法、絲網(wǎng)印刷、膠版印刷等)、 刮片、輥涂、幕涂、刮刀涂布等來(lái)形成。
接下來(lái)，在氮?dú)鈿夥罩校M(jìn)行400。C至450。C左右(例如410。C) 的加熱處理一個(gè)小時(shí)左右，從絕緣膜619擴(kuò)散氫，使用氫終結(jié)半導(dǎo)體 膜603及半導(dǎo)體膜604的懸空鍵。注意，由于單晶半導(dǎo)體層116與使 非晶硅膜晶化的多晶硅膜相比缺陷密度非常小，所以可以縮短該利用 氬的終結(jié)處理的時(shí)間。
接著，如圖18所示，使半導(dǎo)體膜603和半導(dǎo)體膜604的一部分 分別露出地在絕緣膜619及絕緣膜620中形成接觸孔。雖然可以通過(guò) 使用CHF3和He的混合氣體的干法蝕刻法形成接觸孔，但是不局限 于此。并且，形成通過(guò)該接觸孔與半導(dǎo)體膜603和半導(dǎo)體膜604接觸 的導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622。導(dǎo)電膜621連接到p溝道型晶體管617 的p型高濃度雜質(zhì)區(qū)域608。導(dǎo)電膜622連接到n溝道型晶體管618 的一對(duì)n型高濃度雜質(zhì)區(qū)域614。
導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622可以通過(guò)CVD法、'減射法等來(lái)形成。 具體地，作為導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622，可以使用鋁(A1)、鎢(W)、 鈦(Ti)、鉭(Ta )、鉬(Mo )、鎳(Ni)、柏(Pt)、銅(Cu )、 金(Au )、銀(Ag )、錳(Mn )、釹(Nd )、碳(C )、硅(Si) 等。另外，既可以使用以上述金屬為主要成分的合金，又可以使用包 含上述金屬的化合物。導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622可以釆用使用上述金 屬的膜的單層或?qū)盈B多個(gè)膜的疊層來(lái)形成。
作為以鋁為主要成分的合金的實(shí)例，可以舉出以鋁為主要成分且
包含鎳的合金。另外，也可以舉出以鋁為主要成分且包含鎳、以及碳 或硅中的一方或雙方的合金作為實(shí)例。由于鋁、鋁硅的電阻值很低且
50其價(jià)格低廉，所以作為形成導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622的材料最合適。 尤其，與鋁膜相比，當(dāng)通過(guò)進(jìn)行蝕刻來(lái)加工鋁硅(A1-Si)膜的形狀時(shí)， 可以防止當(dāng)形成蝕刻用掩模時(shí)由抗蝕劑焙燒產(chǎn)生的小丘。另外，也可 以在鋁膜中混入0.5%左右的Cu而代替硅(Si)。
導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622例如優(yōu)選采用阻擋膜、鋁硅(Al-Si)膜 和阻擋膜的疊層結(jié)構(gòu)；阻擋膜、鋁硅(A1-Si)膜、氮化鈦膜和阻擋膜 的疊層結(jié)構(gòu)。注意，阻擋膜是指使用鈦、鈦的氮化物、鉬、或鉬的氮 化物來(lái)形成的膜。若以隔著鋁硅(Al-Si)膜的方式形成阻擋膜，則可 以進(jìn)一步防止鋁、鋁硅的小丘的產(chǎn)生。另外，若使用具有高還原性的 元素的鈦來(lái)形成阻擋膜，即使在半導(dǎo)體膜603和半導(dǎo)體膜604上形成有 薄的氧化膜，包含在阻擋膜中的鈦還原該氧化膜，而導(dǎo)電膜621及導(dǎo) 電膜622和半導(dǎo)體膜603及半導(dǎo)體膜604分別可以良好地接觸。另外， 也可以層疊多個(gè)阻擋膜來(lái)使用。在此情況下，例如，可以使導(dǎo)電膜621 和導(dǎo)電膜622具有從下層按順序?qū)盈B鈦、氮化鈦、鋁硅、鈦、氮化鈦 的五層結(jié)構(gòu)。
另外，作為導(dǎo)電膜621和導(dǎo)電膜622，也可以采用使用WF6氣體和 SiH4氣體通過(guò)化學(xué)氣相生長(zhǎng)法形成的硅化鴒。另外，作為導(dǎo)電膜621 和導(dǎo)電膜622 ，也可以采用通過(guò)對(duì)WF6進(jìn)行氫還原來(lái)形成的鎢。
圖18示出p溝道型晶體管617及n溝道型晶體管618的俯視圖和沿 著該俯視圖的切斷線A-A，的截面圖。注意，在圖18的俯視圖中示出省 略了導(dǎo)電膜621、導(dǎo)電膜622、絕緣膜619和絕緣膜620的圖。
在本實(shí)施方式中，雖然示出p溝道型晶體管617及n溝道型晶體管 618分別具有一個(gè)用作柵極的電極607的例子，但是本發(fā)明不局限于該 結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中制造的晶體管可以具有多個(gè)用作柵極的電極，且具 有該多個(gè)電極彼此電連接的多柵結(jié)構(gòu)。此外，該晶體管也可以具有柵 平面結(jié)構(gòu)。
注意，因?yàn)楸景l(fā)明的半導(dǎo)體襯底所具有的半導(dǎo)體層是對(duì)單晶半導(dǎo) 體襯底進(jìn)行薄片化而成的層，所以沒(méi)有取向的不均勻性。因此，可以 降低利用半導(dǎo)體襯底而制造的多個(gè)晶體管的閾值電壓和遷移率等電特性的不均勻性。另外，因?yàn)閹缀鯖](méi)有晶粒界面，所以可以抑制起因 于晶粒界面的泄漏電流，且可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體裝置的低耗電化。因此， 可以制造具有高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
在利用通過(guò)激光晶化而獲得的多晶半導(dǎo)體膜來(lái)制造晶體管的情 況下，需要考慮激光束的掃描方向來(lái)決定晶體管的半導(dǎo)體膜的布圖， 以便獲得高遷移率。但是，本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底沒(méi)有該必要，所以在 半導(dǎo)體裝置的設(shè)計(jì)上的限制少。
本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式及實(shí)施例所記載的結(jié)構(gòu)組合來(lái)實(shí)施。
實(shí)施方式4
在本實(shí)施方式中，將說(shuō)明與上述實(shí)施方式3不同的晶體管的制造 方法，而作為使用半導(dǎo)體襯底10的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個(gè)例 子。以下，參照?qǐng)D38A至圖40B的截面圖，說(shuō)明晶體管的制造方法。注 意，在本實(shí)施方式中，將說(shuō)明同時(shí)制造n溝道型晶體管和p溝道型晶體 管的方法。
首先，如圖38(A)所示，通過(guò)利用蝕刻將支撐襯底100上的單 晶半導(dǎo)體層加工(構(gòu)圖)為所希望的形狀，來(lái)形成半導(dǎo)體膜651和半 導(dǎo)體膜652。使用半導(dǎo)體膜651形成p型晶體管，使用半導(dǎo)體膜652形成 n型晶體管。
為了控制閾值電壓，在半導(dǎo)體膜651和半導(dǎo)體膜652中也可以添加 有硼、鋁、鎵等的p型雜質(zhì)元素或者礴、砷等的n型雜質(zhì)元素。例如， 在作為賦予p型的雜質(zhì)元素添加硼的情況下，以5xl0"cm^以上且 lxlO"cm-s以下的濃度添加即可。用來(lái)控制閾值電壓的雜質(zhì)的添加既 可以對(duì)單晶半導(dǎo)體層116進(jìn)行，又可以對(duì)半導(dǎo)體膜651和半導(dǎo)體膜652 進(jìn)行。另外，用來(lái)控制閾值電壓的雜質(zhì)的添加也可以對(duì)單晶半導(dǎo)體襯 底110進(jìn)行?；蛘?，也可以先對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底110進(jìn)行雜質(zhì)的添加， 為了粗略調(diào)節(jié)閾值電壓，隨后對(duì)單晶半導(dǎo)體層116或半導(dǎo)體膜651及半 導(dǎo)體膜652也進(jìn)行雜質(zhì)的添加。
例如，以將弱p型的單晶硅襯底使用于單晶半導(dǎo)體襯底110的情況為實(shí)例，將說(shuō)明該雜質(zhì)元素的添加方法的一個(gè)例子。首先，在蝕刻單
晶半導(dǎo)體層116之前，對(duì)單晶半導(dǎo)體層116的整體添加硼。該硼的添加 的目的在于調(diào)節(jié)p型晶體管的閾值電壓。作為摻雜氣體使用82116，以 lxlO"/ci^至lxlO"/ci^的濃度添加硼。硼的濃度考慮激活率等而決 定。例如，硼的濃度可設(shè)定為6xl0"/cm3。其次，通過(guò)蝕刻單晶半導(dǎo) 體層116形成半導(dǎo)體膜603和半導(dǎo)體膜604。然后，僅對(duì)半導(dǎo)體膜604添 加硼。該第二次的硼的添加的目的在于調(diào)節(jié)n型晶體管的閾值電壓。 作為摻雜氣體使用82116，以lxl0"/cii^至lxl0"/cm3的濃度添加硼。例 如，硼的濃度可設(shè)定為6xl0"/cm3。
接著，如圖38B所示，在半導(dǎo)體襯膜651、半導(dǎo)體膜652上形成柵 絕緣層653、形成柵電極的導(dǎo)電層654、以及導(dǎo)電層655。
柵絕緣膜653通過(guò)CVD法、濺射法、或者ALE法等且利用氧化硅 層、氧氮化硅層、氮化硅層、或者氮氧化硅層等絕緣層以單層結(jié)構(gòu)或 者疊層結(jié)構(gòu)形成。
此外，柵絕緣層653也可以通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體膜651、半導(dǎo)體膜652進(jìn) 行等離子體處理，使其表面氧化或氮化來(lái)形成。此時(shí)的等離子體處理 也包括利用由微波(典型的頻率為2.45GHz)激發(fā)的等離子體的等離 子體處理。例如，也可以包括利用由微波激發(fā)并電子密度為lxl0"/cm3 以上且lxioU/cmS以下且電子溫度為0.5eV以上且l，5eV以下的等離子 體的處理。通過(guò)應(yīng)用這種等離子體處理對(duì)半導(dǎo)體層的表面進(jìn)行氧化處 理或氮化處理，可以形成薄且致密的膜。此外，因?yàn)槭拱雽?dǎo)體層的表 面直接氧化，所以可以取得界面特性良好的膜。此外，柵絕緣層653 也可以通過(guò)對(duì)于利用CVD法、濺射法、或者ALE法而形成的膜使用微 波的等離子體處理來(lái)形成。
注意，柵絕緣層653與半導(dǎo)體層形成界面，因此優(yōu)選以氧化硅層、 氧氮化硅層為界面來(lái)形成柵絕緣層653。這是因?yàn)槿缦戮壒嗜粜纬?氮含量多于氧含量的膜如氮化硅層或氮氧化硅膜，則會(huì)產(chǎn)生如陷阱能 級(jí)的發(fā)生的界面特性的問(wèn)題。
形成柵電極的導(dǎo)電層通過(guò)使用選自鉭、氮化鉭、鴒、鈦、鉬、鋁、銅、鉻、或鈮等中的元素、以這些元素為主要成分的合金材料或化合 物材料、摻雜有磷等的雜質(zhì)元素的多晶硅為代表的半導(dǎo)體材料，并且
使用CVD法、濺射法以單層膜或疊層膜形成。在采用疊層膜的情況下， 既可以使用不同的導(dǎo)電材料來(lái)形成，又可以使用相同的導(dǎo)電材料來(lái)形 成。在本方式中，示出形成柵電極的導(dǎo)電層由導(dǎo)電膜654及導(dǎo)電層655 的兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的例子。
在形成柵電極的導(dǎo)電層具有導(dǎo)電層654及導(dǎo)電層655的兩層的疊 層結(jié)構(gòu)的情況下，例如可以形成氮化鉭層和鴒層、氮化鵠層和鴒層、 氮化鉬層和鉬層的疊層膜。當(dāng)采用氮化鉭層和鵠層的疊層膜時(shí)，容易 獲得兩者的蝕刻選擇比，所以是優(yōu)選的。注意，在例示的兩層的疊層 膜中，先記載的膜優(yōu)選是形成在柵絕緣層653上的膜。這里，導(dǎo)電層 654以20nm至100nm的厚度形成。導(dǎo)電層655以100nm至400nm的厚度 形成。另外，柵電極可以具有三層以上的疊層結(jié)構(gòu)，在此情況下，優(yōu) 選采用鉬層、鋁層、鉬層的疊層結(jié)構(gòu)。
接下來(lái)，在導(dǎo)電層655上選擇性地形成抗蝕劑掩模656、抗蝕劑掩 模657。然后，使用抗蝕劑掩模656、抗蝕劑掩模657進(jìn)行第一蝕刻處 理及第二蝕刻處理。
首先，進(jìn)行使用抗蝕劑掩模656、抗蝕劑掩才莫657的第一蝕刻處理 來(lái)選擇性地蝕刻導(dǎo)電層654及導(dǎo)電層655，以在半導(dǎo)體膜651上形成導(dǎo) 電層658及導(dǎo)電層659，并在半導(dǎo)體膜652上形成導(dǎo)電層660及導(dǎo)電層 661 (參照?qǐng)D38C)。
接著，進(jìn)行使用抗蝕劑掩模656、抗蝕劑掩模657的第二蝕刻處理 來(lái)蝕刻導(dǎo)電層659及導(dǎo)電層661的端部，以形成導(dǎo)電層662及導(dǎo)電層663 (參照?qǐng)D38D)。注意，導(dǎo)電層662及導(dǎo)電層663形成為寬度(平行于 載流子流過(guò)溝道形成區(qū)域的方向(連接源區(qū)域和漏區(qū)域的方向)的方 向的長(zhǎng)度)小于導(dǎo)電層658及導(dǎo)電層660的寬度。如此，形成由導(dǎo)電層 658及導(dǎo)電層662構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)的柵電極665、以及由導(dǎo)電層660及導(dǎo) 電層663構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)的柵電極666。
應(yīng)用于第一蝕刻處理及第二蝕刻處理的蝕刻法可以適當(dāng)?shù)剡x擇。為了提高蝕刻速度，使用利用ECR (Electron Cyclotron Resonance, 即電子回旋共振)方式、ICP (Inductively Coupled Plasma,即感應(yīng) 耦合等離子體)方式等的高密度等離子體源的干法蝕刻裝置。通過(guò)適
當(dāng)?shù)卣{(diào)整第一蝕刻處理及第二蝕刻處理的蝕刻條件，可以將導(dǎo)電層 658、 660及導(dǎo)電層662、 663的側(cè)面形成為所希望的錐形形狀。在形成 所希望的柵電極665、 666之后去除抗蝕劑掩模656、 657即可。
接下來(lái)，以柵電極665、柵電極666為掩模，對(duì)半導(dǎo)體膜651及半 導(dǎo)體膜652添加雜質(zhì)元素668。在半導(dǎo)體膜651中，以導(dǎo)電層685及導(dǎo)電 層662為掩模以自對(duì)準(zhǔn)方式形成一對(duì)雜質(zhì)區(qū)域669。另外，在半導(dǎo)體膜 652中，以導(dǎo)電層660及導(dǎo)電層663為掩模以自對(duì)準(zhǔn)方式形成一對(duì)區(qū)域 670 (參照?qǐng)D39A)。
作為雜質(zhì)元素668，添加硼、鋁、鎵等的p型雜質(zhì)元素、或磷、砷 等的n型雜質(zhì)元素。這里，為了形成n溝道型晶體管的高電阻區(qū)域，添 加n型雜質(zhì)元素的磷作為雜質(zhì)元素668。此外，添加磷，來(lái)使雜質(zhì)區(qū)域 669以lxl0"atoms/cm3至5xl0"atoms/cm3左右的濃度包含磷。
接著，為了形成n溝道型晶體管的成為源區(qū)域以及漏區(qū)域的雜質(zhì) 區(qū)域，以部分地覆蓋半導(dǎo)體膜651的方式形成抗蝕劑掩模671，以覆蓋 半導(dǎo)體膜652的方式選擇性地形成抗蝕劑掩模672。并且，以抗蝕劑掩 模671為掩模對(duì)半導(dǎo)體膜651添加雜質(zhì)元素673，而在半導(dǎo)體膜651中形 成一對(duì)雜質(zhì)區(qū)域675 (參照?qǐng)D39B)。
作為雜質(zhì)元素673，將n型雜質(zhì)元素的磷添加到半導(dǎo)體膜651，并 且將添加濃度設(shè)定為5xl0"atoms/cm3至5xl02。atoms/cm3。雜質(zhì)區(qū)域 675用作源區(qū)域或者漏區(qū)域。雜質(zhì)區(qū)域675形成在不重疊于導(dǎo)電層658 及導(dǎo)電層662的區(qū)域中。
此外，在半導(dǎo)體膜651中，雜質(zhì)區(qū)域676是不添加雜質(zhì)元素673 的雜質(zhì)區(qū)域669。關(guān)于雜質(zhì)區(qū)域676，雜質(zhì)濃度比雜質(zhì)區(qū)域675高， 而用作高電阻區(qū)域或者LDD區(qū)域。在半導(dǎo)體膜651中，在重疊于導(dǎo) 電層658及導(dǎo)電層662的區(qū)域中形成溝道形成區(qū)域677。
注意，LDD區(qū)域是指以低濃度添加有雜質(zhì)元素的區(qū)域，該LDD區(qū)域形成在溝道形成區(qū)域和通過(guò)以高濃度添加雜質(zhì)元素而形成的源
區(qū)域或漏區(qū)域之間。通過(guò)設(shè)置LDD區(qū)域，可以緩和漏區(qū)域附近的電 場(chǎng)并防止由熱載流子注入導(dǎo)致的退化。另外，為了防止由熱載流子導(dǎo) 致的導(dǎo)通電流值的退化，也可以采用LDD區(qū)域隔著柵絕緣層與柵電 極重疊配置的結(jié)構(gòu)(也稱為GOLD (Gate-drain Overlapped LDD結(jié) 構(gòu)，即柵漏重疊LDD)結(jié)構(gòu))。
接著，去除抗蝕劑掩模671及抗蝕劑掩模672，然后覆蓋半導(dǎo)體 膜651地形成抗蝕劑掩模679，以形成p溝道型晶體管的源區(qū)域及漏 區(qū)域。然后，以抗蝕劑掩模679、導(dǎo)電層660及導(dǎo)電層663為掩模添 加雜質(zhì)元素680，以在半導(dǎo)體膜652中形成一對(duì)雜質(zhì)區(qū)域681、 一對(duì) 雜質(zhì)區(qū)域682、溝道形成區(qū)域683 (參照?qǐng)D39C)。
作為雜質(zhì)元素680,使用硼、鋁、鎵等的p型雜質(zhì)元素。這里， 進(jìn)行添加，以lxi()2。atoms/cm3至5xl02iatoms/cm3左右包含p型雜質(zhì) 元素的硼。
在半導(dǎo)體膜652中，雜質(zhì)區(qū)域681形成在不重疊于導(dǎo)電層660 及導(dǎo)電層663的區(qū)域中，而用作源區(qū)域或漏區(qū)域。這里，使雜質(zhì)區(qū)域 681以lxl()2。atoms/cm3至5xl021atoms/cm3左右包含p型雜質(zhì)元素的 硼。
雜質(zhì)區(qū)域682形成在重疊于導(dǎo)電層660且不重疊于導(dǎo)電層663 的區(qū)域中，是雜質(zhì)元素680貫穿導(dǎo)電層660而添加到雜質(zhì)區(qū)域670的 區(qū)域。因?yàn)殡s質(zhì)區(qū)域670呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性，所以添加雜質(zhì)元素673， 以使雜質(zhì)區(qū)域682具有p型導(dǎo)電性。通過(guò)調(diào)節(jié)雜質(zhì)區(qū)域283所包含的 雜質(zhì)元素673的濃度，可以使雜質(zhì)區(qū)域682用作源區(qū)域或漏區(qū)域?；?者，也可以用作LDD區(qū)域。
在半導(dǎo)體膜652中，在重疊于導(dǎo)電層660及導(dǎo)電層663的區(qū)域中 形成溝道形成區(qū)域683。
接著，形成層間絕緣層。層間絕緣層可以由單層結(jié)構(gòu)或者疊層結(jié) 構(gòu)形成，但是在此由絕緣層684及絕緣層685的兩層的疊層結(jié)構(gòu)形成 (參照?qǐng)D40A)。作為層間絕緣層，可以通過(guò)CVD法、濺射法形成氧化硅層、氧 氮化硅層、氮化硅層、或氮氧化硅層等?；蛘?，也可以使用聚酰亞胺、 聚酰胺、聚乙烯苯酚、苯并環(huán)丁烯、丙烯酸、或環(huán)氧等的有機(jī)材料、 硅氧烷樹(shù)脂等的硅氧烷材料、或惡唑樹(shù)脂等通過(guò)旋涂法等的涂敷法來(lái) 形成。注意，硅氧烷材料相當(dāng)于具有Si-O-Si鍵的材料。硅氧烷的骨 架結(jié)構(gòu)由硅(Si)和氧(O)的鍵構(gòu)成。作為取代基，使用至少包含 氫的有機(jī)基(例如烷基、芳香烴)。還可以使有機(jī)基包括氟基?；蛘?， 還可以使用至少包含氫的有機(jī)基、以及氟基作為取代基。
例如，形成100nm厚的氮氧化硅層作為絕緣層684，并形成 900nm厚的氧氮化硅層作為絕緣膜685。另外，通過(guò)應(yīng)用等離子體CVD 法連續(xù)形成絕緣層684及絕緣層685。注意，層間絕緣層也可以具有 三層以上的疊層結(jié)構(gòu)。另外，也可以采用氧化硅層、氧氮化硅層、或 氮化硅層、與通過(guò)使用聚酰亞胺、聚酰胺、聚乙烯苯酚、苯并環(huán)丁烯、 丙烯酸、環(huán)氧等的有機(jī)材料、硅氧烷樹(shù)脂等的硅氧烷材料、或者惡唑 樹(shù)脂而形成的絕緣層的疊層結(jié)構(gòu)。
接著，在層間絕緣層(在本實(shí)施方式中，絕緣層684及685 )中 形成接觸孔，在該接觸孔中形成用作源電極或漏電極的導(dǎo)電層686(參 照?qǐng)D40B )。
接觸孔以到達(dá)形成在半導(dǎo)體膜651中的雜質(zhì)區(qū)域675、及形成在 半導(dǎo)體膜652中的雜質(zhì)區(qū)域681的方式選擇性地形成在絕緣層684及 絕緣層685中。
導(dǎo)電層686可以使用從鋁、鴒、鈦、鉭、鉬、鎳及釹中選擇的一 種元素或包含多個(gè)這些元素的合金構(gòu)成的單層膜或疊層膜。例如，可 以形成包含鈦的鋁合金、包含釹的鋁合金等作為由包含多個(gè)這些元素 的合金構(gòu)成的導(dǎo)電層。此外，在采用疊層膜的情況下，例如可以采用 由鈦層夾著鋁層或上述鋁合金層的結(jié)構(gòu)。
如圖40B所示，可以利用單晶半導(dǎo)體襯底制造n溝道型晶體管 以及p溝道型晶體管。
本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式及實(shí)施例所記載的結(jié)構(gòu)組合來(lái)
57實(shí)施。
實(shí)施方式5
在本實(shí)施方式中，參照?qǐng)D19A至19E說(shuō)明制造晶體管的方法作 為使用半導(dǎo)體襯底10的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一例。通過(guò)組合多 個(gè)薄膜晶體管，形成各種半導(dǎo)體裝置。在本實(shí)施方式中，說(shuō)明同時(shí)制 造n溝道型晶體管和p溝道型晶體管的方法。
如圖19A所示，準(zhǔn)備在支撐襯底100上形成有緩沖層101、單晶 半導(dǎo)體層116的半導(dǎo)體襯底。緩沖層101具有三層結(jié)構(gòu)，它包括用作 阻擋層的絕緣膜112b。注意，示出應(yīng)用圖l所示的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底 10的例子，但是也可以應(yīng)用本說(shuō)明書(shū)所示的其他結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底。
單晶半導(dǎo)體層116具有根據(jù)n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及p溝道 型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成區(qū)域添加了硼、鋁、鎵等的p型雜質(zhì)元素或 磷、砷等的n型雜質(zhì)元素的雜質(zhì)區(qū)域(溝道摻雜區(qū)域)。
以保護(hù)層804為掩模進(jìn)行蝕刻，去除露出的單晶半導(dǎo)體層116 及其下方的緩沖層101的一部分。其次，使用有機(jī)硅烷通過(guò)PECVD 法堆積氧化硅膜。該氧化硅膜堆積得厚，以便使單晶半導(dǎo)體層116埋 入在氧化硅膜中。其次，在對(duì)重疊在單晶半導(dǎo)體層116上的氧化硅膜 進(jìn)行拋光并去除之后，去除保護(hù)層804，而使元件分離絕緣層803殘 留。單晶半導(dǎo)體層116被元件分離絕緣層803分離成元件區(qū)域805及 元件區(qū)域806 (參照?qǐng)D19B)。
其次，形成第一絕緣膜，在第一絕緣膜上形成柵電極層808a、 808b，以柵電極層808a、 808b作為掩模對(duì)第一絕緣膜進(jìn)行蝕刻并形 成柵絕緣層807a、 807b。
柵絕緣層807a、 807b由氧化硅膜、或氧化硅膜和氮化硅膜的疊 層結(jié)構(gòu)形成即可。作為柵絕緣層，也可以采用氧氮化硅膜、氮氧化硅 膜等。柵絕緣層807a、 807b既可以通過(guò)等離子體CVD法或減壓CVD 法堆積絕緣膜來(lái)形成，又可以通過(guò)利用等離子體處理的固相氧化或固 相氮化來(lái)形成。這是因?yàn)槿缦戮壒释ㄟ^(guò)等離子體處理使半導(dǎo)體層氧 化或氮化來(lái)形成的柵絕緣層是致密、絕緣耐壓優(yōu)良且可靠性高的。例如，使用Ar將一氧化二氮(N20 )稀釋為1至3倍(流量比)，在 10Pa至30Pa的壓力下施加3kW至5kW的微波(2.45GHz)電力， 使單晶半導(dǎo)體層116 (元件區(qū)域805、 806)的表面氧化或氮化。通過(guò) 該處理形成lnm至lOnm (優(yōu)選為2nm至6nm )的絕緣膜。進(jìn)而引 入一氧化二氮(N20)和硅烷(SiH4),在10Pa至30Pa的壓力下施 加3kW至5kW的微波(2.45GHz)電力，通過(guò)PECVD法形成氧氮 化硅膜而形成柵絕緣層。通過(guò)組合固相反應(yīng)和氣相生長(zhǎng)法的反應(yīng)可以 形成界面能級(jí)密度低且絕緣耐壓優(yōu)良的柵絕緣層。
此外，作為柵絕緣層807a、 807b，也可以使用二氧化鋯、氧化 鉿、二氧化鈦、五氧化鉭等的高介電常數(shù)材料。通過(guò)使用高介電常數(shù) 材料作為柵絕緣層807，可以降低柵極泄漏電流。
柵電極層808a、 808b可以通過(guò)'減射法、蒸鍍法、CVD法等的方 法形成。柵電極層808、 809由選自鉭(Ta )、鵠(W)、鈥(Ti)、 鉬(Mo)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉻(Cr)、釹(Nd)中的元素、 或者以所述元素為主要成分的合金材料或者化合物材料形成即可。此 外，作為柵電極層808a、 808b還可以使用以摻雜有磷等雜質(zhì)元素的 多晶硅膜為代表的半導(dǎo)體膜或AgPdCu合金。
其次，形成覆蓋柵電極層808a、 808b的第二絕緣膜810，然后 形成側(cè)壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁絕緣層816a、 816b、 817a、 817b。成為p溝道型 電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(pFET)的區(qū)域的側(cè)壁絕緣層816a、 816b的寬度比 成為n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(nFET)的區(qū)域的側(cè)壁絕緣層817a、 817b的寬度寬。接著，將砷(As)等添加到成為n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的區(qū)域來(lái)形成接合深度淺的第 一雜質(zhì)區(qū)域820a 、 820b ，并將硼(B) 等添加到成為p溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)域來(lái)形成接合深度淺的第 二雜質(zhì)區(qū)域815a、 815b (參照?qǐng)D19C )。
其次，部分地蝕刻第二絕緣層810使柵電極層808a、 808b的上 表面和第一雜質(zhì)區(qū)域820a、 820b以及第二雜質(zhì)區(qū)域815a、 815b露出。 接著，將As等摻雜到成為n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)域來(lái)形成接 合深度深的第三雜質(zhì)區(qū)域819a、 819b，并將B等摻雜到成為p溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)域來(lái)形成接合深度深的第四雜質(zhì)區(qū)域824a 、 824b。然后，進(jìn)行為了激活的熱處理。然后，作為形成硅化物的金屬 膜形成鈷膜。然后，進(jìn)行RTA等的熱處理(500°C， l分鐘)，使與 鈷膜接觸的部分的硅硅化物化，以形成硅化物822a、822b、823a、823b。 之后，選擇性地去除鈷膜。然后，以比硅化物化的熱處理高的溫度進(jìn) 行熱處理，而謀求實(shí)現(xiàn)硅化物的部分的低電阻化(參照?qǐng)D19D)。在 元件區(qū)域806中形成溝道形成區(qū)域826，而在元件區(qū)域805中形成溝 道形成區(qū)域821。
其次，形成層間絕緣層827，使用由抗蝕劑構(gòu)成的掩模在層間絕 緣層827中形成分別到達(dá)接合深度深的第三雜質(zhì)區(qū)域819a、 819b和 接合深度深的第四雜質(zhì)區(qū)域的824a、 824b的接觸孔(開(kāi)口 )。根據(jù) 使用的材料的選擇比，可以進(jìn)行一次或多次的蝕刻。
根據(jù)形成接觸孔的層間絕緣層827的材料，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定蝕刻方法 及條件，即可。可以適當(dāng)?shù)夭捎脻穹ㄎg刻、干法蝕刻、或其雙方。在 本實(shí)施方式中使用干法蝕刻。作為蝕刻用氣體，可以使用以Cl2、 BC13、 SiCU或CCl4等為代表的氯基氣體；以CF4、 SF6或NF3等為代表的氟 基氣體；或02。另外，也可以將惰性氣體添加到使用的蝕刻用氣體。 作為添加的惰性元素，可以使用選自He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe中的一種 或多種元素。作為濕法蝕刻的蝕刻劑，使用如包含氟化氫銨及氟化銨 的混合溶液那樣的氫氟酸基溶液。
通過(guò)覆蓋接觸孔地形成導(dǎo)電膜并蝕刻導(dǎo)電膜，形成也用作源電極 層或漏電極層的布線層，它們與各源區(qū)域或漏區(qū)域的一部分分別電連 接?？梢栽诶肞VD法、CVD法、蒸鍍法等形成導(dǎo)電膜之后，蝕刻 為所希望的形狀來(lái)形成布線層。另外，也可以利用液滴噴射法、印刷 法、電鍍法等，在預(yù)定的地方選擇性地形成導(dǎo)電層。而且，還可以利 用回流法、鑲嵌法。布線層由諸如Ag、 Au、 Cu、 Ni、 Pt、 Pd、 Ir、 Rh、 W、 Al、 Ta、 Mo、 Cd、 Zn、 Fe、 Ti、 Zr、 Ba等的金屬、Si、 Ge、或其合金、或其氮化物材料形成。另外，也可以釆用這些的疊層 結(jié)構(gòu)。
60在本實(shí)施方式中，以填上形成在層間絕緣層中的接觸孔的方式作
為埋入布線層形成布線層840a、 840b、 840c、 840d。埋入型的布線層 840a、 840b、 840c、 840d通過(guò)形成具有可以填上接觸孔的厚度的導(dǎo)電 膜，只在接觸孔部中留下導(dǎo)電膜，且去除不用的導(dǎo)電膜部分而形成。
在埋入型的布線層840a、 840b、 840c、 840d上形成絕緣層828 以及布線層841a、 841b、 841c作為引導(dǎo)布線層。
通過(guò)以上工序，使用接合到支撐襯底100的單晶半導(dǎo)體層116 的元件區(qū)域806來(lái)制造n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管832，并使用元件區(qū) 域805來(lái)制造p溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管831 (參照?qǐng)D19E)。此外， 在本實(shí)施方式中，n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管832及p溝道型電場(chǎng)效應(yīng) 晶體管831通過(guò)布線層842b電連接。
這樣互補(bǔ)組合n溝道型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管832和p溝道型電場(chǎng)效 應(yīng)晶體管831來(lái)構(gòu)成CMOS結(jié)構(gòu)。
通過(guò)在該CMOS結(jié)構(gòu)上層疊布線和元件等，可以制造微處理器 等的半導(dǎo)體裝置。另外，微處理器包括運(yùn)算電路(Arithmetic logic unit,也稱為ALU)、運(yùn)算電路控制器(ALU Controller )、指令譯 碼器(Instruction Decoder )、中斷控制器(Interrupt Controller )、 時(shí)序控制器(Timing Controller)、寄存器(Register)、寄存器控 制器(Register Controller)、總線接口 (Bus I/F)、只讀存儲(chǔ)器、 以及存儲(chǔ)器接口 (ROM I/F)。
在微處理中形成有包括CMOS結(jié)構(gòu)的集成電路，因此不僅可以 謀求實(shí)現(xiàn)處理速度的高速化，而且還可以謀求實(shí)現(xiàn)低耗電量化。
晶體管的結(jié)構(gòu)不局限于本實(shí)施方式，其結(jié)構(gòu)可以使用形成一個(gè)溝 道形成區(qū)域的單柵結(jié)構(gòu)、形成兩個(gè)溝道形成區(qū)域的雙柵結(jié)構(gòu)、或者形 成三個(gè)溝道形成區(qū)域的三柵結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式及實(shí)施例所記栽的結(jié)構(gòu)組合來(lái)實(shí)施。
實(shí)施方式6
在實(shí)施方式3至5中，說(shuō)明了晶體管的制造方法作為半導(dǎo)體裝置的制造方法的一例，但是，通過(guò)利用附有半導(dǎo)體膜的襯底，與晶體管 一起形成電容、電阻等的各種半導(dǎo)體元件，可以制造具有高附加價(jià)值 的半導(dǎo)體裝置。在本實(shí)施方式中，參照附圖而說(shuō)明半導(dǎo)體裝置的具體 方式。
首先，說(shuō)明微處理器作為半導(dǎo)體裝置的一例。圖20是示出微處 理器200的結(jié)構(gòu)例的框圖。
微處理器200包括運(yùn)算電路201 ( Arithmetic logic unit,也稱為 ALU)、運(yùn)算電路控制器202 (ALU Controller)、指令譯碼器203 (Instruction Decoder )、中斷控制器204 (Interrupt Controller )、 時(shí)序控制器205 ( Timing Controller)、寄存器206 (Register)、寄 存器控制器207 ( Register Controller)、總線接口 208 ( Bus I/F )、 只讀存儲(chǔ)器209、以及存儲(chǔ)器接口 210。
通過(guò)總線接口 208輸入到微處理器200的指令在輸入到指令譯碼 器203并被譯碼之后輸入到運(yùn)算電路控制器202、中斷控制器204、 寄存器控制器207、以及時(shí)序控制器205。運(yùn)算電路控制器202、中斷 控制器204、寄存器控制器207、以及時(shí)序控制器205根據(jù)被譯碼的 指令而進(jìn)行各種控制。
運(yùn)算電路控制器202產(chǎn)生用來(lái)控制運(yùn)算電路201的工作的信號(hào)。 此外，中斷控制器204當(dāng)在執(zhí)行微處理器200的程序時(shí)對(duì)來(lái)自外部的 輸入輸出裝置或外圍電路的中斷要求根據(jù)其優(yōu)先級(jí)或屏蔽狀態(tài)而進(jìn) 行判斷來(lái)處理。寄存器控制器207產(chǎn)生寄存器206的地址，并根據(jù)微 處理器200的狀態(tài)進(jìn)行寄存器206的讀出或?qū)懭?。時(shí)序控制器205產(chǎn) 生控制運(yùn)算電路201、運(yùn)算電路控制器202、指令解碼器203、中斷控 制器204及寄存器控制器207的工作時(shí)序的信號(hào)。例如，時(shí)序控制器 205包括根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)CLK1產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)CLK2的內(nèi)部時(shí) 鐘產(chǎn)生部。如圖20所示，內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)CLK2輸入到其他電路。
其次，將說(shuō)明具有非接觸地進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的功能以及計(jì)算功能的 半導(dǎo)體裝置的一例。圖21是示出這種半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例的框圖。 圖21示出的半導(dǎo)體裝置211用作以無(wú)線通信與外部裝置進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)而工作的計(jì)算處理裝置。
如圖21所示，半導(dǎo)體裝置211包括模擬電路部212和數(shù)字電路 部213。模擬電路部212包括具有諧振電容的諧振電路214、整流電 路215、恒壓電路216、復(fù)位電路217、振蕩電路218、解調(diào)電路219、 以及調(diào)制電路220。數(shù)字電路部213包括RF接口 221、控制寄存器 222、時(shí)鐘控制器223、接口 224、中央處理單元225、隨機(jī)存取存儲(chǔ) 器226、以及只讀存儲(chǔ)器227。
半導(dǎo)體裝置211的工作概要如下:天線228所接收的信號(hào)由諧振 電路214而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)整流電路215而充電到 電容部229。該電容部229優(yōu)選由電容器如陶瓷電容器、電雙層電容 器等形成。電容部229不需要集成在構(gòu)成半導(dǎo)體裝置211的襯底上， 而可以作為另一部件安裝到半導(dǎo)體裝置211。
復(fù)位電路217產(chǎn)生將數(shù)字電路部213復(fù)位并初始化的信號(hào)。例如， 產(chǎn)生在電源電壓升高之后延遲的上升信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)。振蕩電路 218根據(jù)由恒壓電路216產(chǎn)生的控制信號(hào)改變時(shí)鐘信號(hào)的頻率和占空 比。解調(diào)電路219是解調(diào)接收信號(hào)的電路，而調(diào)制電路220是調(diào)制發(fā)送 數(shù)據(jù)的電路。
例如，由低通濾波器形成解調(diào)電路219，將振幅調(diào)制(ASK)方 式的接收信號(hào)按其振幅變化來(lái)二值化。此外，因?yàn)檎{(diào)制電路220使振 幅調(diào)制(ASK)方式的發(fā)送信號(hào)的振幅變動(dòng)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以調(diào)制電 路220通過(guò)使諧振電路214的諧振點(diǎn)變化來(lái)改變通信信號(hào)的振幅。
時(shí)鐘控制器223根據(jù)電源電壓或中央處理單元225的消耗電流， 產(chǎn)生用來(lái)改變時(shí)鐘信號(hào)的頻率和占空比的控制信號(hào)。電源電壓的監(jiān)視 由電源管理電路230進(jìn)行。
從天線228輸入到半導(dǎo)體裝置211的信號(hào)被解調(diào)電路219解調(diào) 后，在RF接口 221中被分解為控制指令、數(shù)據(jù)等。控制指令存儲(chǔ)在 控制寄存器222中?？刂浦噶畎ù鎯?chǔ)在只讀存儲(chǔ)器227中的數(shù)據(jù)的 讀出、向隨機(jī)存取存儲(chǔ)器226的數(shù)據(jù)寫(xiě)入、向中央處理單元225的計(jì) 算指令等。中央處理單元225通過(guò)接口 224對(duì)只讀存儲(chǔ)器227、隨機(jī)存取存 儲(chǔ)器226及控制寄存器222進(jìn)行存取。接口 224具有如下功能根據(jù) 中央處理單元225所要求的地址，產(chǎn)生對(duì)于只讀存儲(chǔ)器227、隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器226及控制寄存器222中的任一個(gè)的存取信號(hào)。
作為中央處理單元225的計(jì)算方式，可以采用將OS(操作系統(tǒng)) 存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器227中并在啟動(dòng)的同時(shí)讀出并執(zhí)行程序的方式。另 外，也可以采用由專用電路構(gòu)成計(jì)算電路并以硬件方式進(jìn)行運(yùn)算處理 的方式。作為并用硬件和軟件這雙方的方式，可以采用如下方式由 專用運(yùn)算電路進(jìn)行一部分的運(yùn)算處理，使用程序由中央處理單元225 進(jìn)行其他部分的運(yùn)算。
下面，參照?qǐng)D22A至圖23B說(shuō)明顯示裝置作為半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)例。
圖22A和22B是示出液晶顯示裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。圖22A是液 晶顯示裝置的像素的平面圖，圖22B是沿著切斷線J-K的圖22A的 截面圖。在圖22A中，半導(dǎo)體層511是由單晶半導(dǎo)體層116形成的層， 構(gòu)成像素的晶體管525。像素具有半導(dǎo)體層511、與半導(dǎo)體層511交 叉的掃描線522、與掃描線522交叉的信號(hào)線523、像素電極524、使 像素電極524和半導(dǎo)體層511電連接的電極528。半導(dǎo)體層511由貼 合到SOI襯底的半導(dǎo)體層511形成的層，構(gòu)成像素的晶體管525。
如圖22B所示，在襯底510上層疊有接合層114、由絕緣膜112b 和絕緣膜112a構(gòu)成的絕緣層112、半導(dǎo)體層511。村底510是分割了 的支撐襯底100。半導(dǎo)體層511是通過(guò)將單晶半導(dǎo)體層116蝕刻而進(jìn) 行元件分離形成的層。半導(dǎo)體層511形成有溝道形成區(qū)域512、 n型 雜質(zhì)區(qū)域513。晶體管525的柵電極包括在掃描線522中，源電極和 漏電極中的一方包括在信號(hào)線523中。
在層間絕緣膜527上設(shè)置有信號(hào)線523、像素電極524以及電極 528。在層間絕緣層527上形成有柱狀間隔物529，以覆蓋信號(hào)線523、 像素電極524、電極528以及柱狀間隔物529的方式形成取向膜530。 相對(duì)襯底532形成有相對(duì)電極533、覆蓋相對(duì)電極533的取向膜534。形成柱狀間隔物529，以便維持襯底510和相對(duì)襯底532之間的空間。 在由柱狀間隔物529形成的空間形成有液晶層535。在信號(hào)線523及 電極528與雜質(zhì)區(qū)域513連接的部分上，由于形成接觸孔而在層間絕緣 層527發(fā)生臺(tái)階，因此，在該連接的部分上液晶層535的液晶的取向容 易錯(cuò)亂。由此，在該有臺(tái)階的部分形成柱狀間隔物529，以防止液晶的取 向的錯(cuò)亂。
下面，將說(shuō)明電致發(fā)光顯示裝置(以下，稱為EL顯示裝置)。 圖23A和23B是說(shuō)明EL顯示裝置的圖。圖23A是EL顯示裝置的像 素的平面圖，而圖23B是像素的截面圖。如圖23A所示，像素包括選 擇用晶體管401、顯示控制用晶體管402、掃描線405、信號(hào)線406、 以及電流供應(yīng)線407、以及像素電極408。具有如下結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件 被設(shè)置在各像素中在一對(duì)電極之間夾有包含電致發(fā)光材料而形成的 層(EL層)。發(fā)光元件的一方的電極是像素電極408。
選擇用晶體管401具有由單晶半導(dǎo)體層116構(gòu)成的半導(dǎo)體層 403。在選擇用晶體管401中，柵電極包括在掃描線405中，源電極 和漏電極中的一方包括在信號(hào)線406中，而另一方被形成為電極411。 在顯示控制用晶體管402中，柵電極412與電極411電連接，源電極 和漏電極中的一方被形成為電連接到像素電極408的電極413，而另 一方包括在電流供應(yīng)線407中。
顯示控制用晶體管402是p溝道型晶體管，具有由單晶半導(dǎo)體層 116構(gòu)成的半導(dǎo)體層404。如圖23B所示，半導(dǎo)體層404形成有溝道 形成區(qū)域451、 p型雜質(zhì)區(qū)域452。以覆蓋顯示控制用晶體管402的柵 電極412的方式形成層間絕緣層427。在層間絕緣層427上形成有信 號(hào)線406、電流供應(yīng)線407、電極411和413等。此外，在層間絕緣 膜427上形成有電連接到電極413的像素電極408。像素電極408的 周邊部分由絕緣性的隔斷層428圍繞。在像素電極408上形成有EL 層429，在EL層429上形成有對(duì)置電極430。作為加強(qiáng)板設(shè)置有對(duì)置 襯底431，對(duì)置襯底431利用樹(shù)脂層432固定在襯底400上。襯底400 是分割了支撐襯底100而成的襯底。通過(guò)使用半導(dǎo)體襯底10,可以制造各種各樣的電子設(shè)備。作為
電子設(shè)備，可以舉出攝像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)等影像拍攝裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、 音頻再現(xiàn)裝置(汽車音響、音響組件等)、計(jì)算機(jī)、游戲機(jī)、便攜式 信息終端(移動(dòng)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、便攜式游戲機(jī)或電子書(shū)等)、具 有記錄介質(zhì)的圖像再現(xiàn)裝置(具體地說(shuō)，再現(xiàn)儲(chǔ)存在記錄介質(zhì)如數(shù)字
通用光盤(DVD)等中的圖像數(shù)據(jù)且具有能夠顯示其圖像的顯示裝置 的裝置)等。
參照?qǐng)D24A至24C而說(shuō)明電子設(shè)備的具體方式。圖24A是表示 移動(dòng)電話機(jī)901的一個(gè)例子的外觀圖。該移動(dòng)電話機(jī)901包括顯示部 902、操作開(kāi)關(guān)卯3等。通過(guò)將圖22A和22B所示的液晶顯示裝置或 圖23A和23B所說(shuō)明的EL顯示裝置應(yīng)用于顯示部902，可以獲得顯 示不均勻性少且圖像質(zhì)量好的顯示部902。
此外，圖24B是表示數(shù)字播放器911的結(jié)構(gòu)例子的外觀圖。數(shù) 字播放器911包括顯示部912、操作部913、耳機(jī)914等。還可以應(yīng) 用頭戴式耳機(jī)或無(wú)線式耳機(jī)代替耳機(jī)914。通過(guò)將圖22A和22B所說(shuō) 明的液晶顯示裝置或圖23A和23B所說(shuō)明的EL顯示裝置應(yīng)用于顯示 部912，即使當(dāng)屏幕尺寸為0.3英寸至2英寸左右時(shí)，也可以顯示高 清晰圖像以及大量文字信息。
此外，圖24C是電子書(shū)921的外觀圖。該電子書(shū)921包括顯示 部922、操作開(kāi)關(guān)923。既可以在電子書(shū)921中內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器，又 可以內(nèi)置圖21所示的半導(dǎo)體裝置211，以獲得能夠以無(wú)線方式收發(fā)信 息的結(jié)構(gòu)。通過(guò)將圖22A和22B所說(shuō)明的液晶顯示裝置或者圖23A 和23B所說(shuō)明的EL顯示裝置應(yīng)用于顯示部922，可以進(jìn)行高圖像質(zhì) 量的顯示。
圖25A至25C示出與圖24A所示的移動(dòng)電話不同的例子。圖25A 至25C示出應(yīng)用本發(fā)明的智能手機(jī)的構(gòu)成的一例，圖25A是平面圖， 圖25B是背面圖，圖25C是展開(kāi)圖。該智能手機(jī)由框體1001及1002 的兩個(gè)框體構(gòu)成。智能手機(jī)1000是具有移動(dòng)電話和便攜式信息終端 的雙方的功能，內(nèi)置有計(jì)算機(jī)，除了聲音通話以外還可以進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理的所謂智能手機(jī)。
智能手才幾1000由框體1001及1002的兩個(gè)框體構(gòu)成。該智能手 機(jī)具有如下結(jié)構(gòu)在框體1001中具備顯示部1101、揚(yáng)聲器1102、麥 克風(fēng)1103、操作鍵1104、定點(diǎn)裝置1105、正面相機(jī)用鏡頭1106、外 部連接端子1107、耳機(jī)端子1108等；在框體1002中具備鍵盤1201、 外部存儲(chǔ)插槽1202、背面相機(jī)用鏡頭1203、燈1204等。另外，天線 內(nèi)置在框體1001中。
此外，除了上述結(jié)構(gòu)以外，該智能手機(jī)1000還可以內(nèi)置非接觸 IC芯片、小型存儲(chǔ)器等。
互相重疊的框體1001和框體1002 (圖25A)滑動(dòng)，如圖25C所 示那樣展開(kāi)。在顯示部1101中可以嵌入上述實(shí)施方式所示的顯示裝 置，根據(jù)使用方式而顯示的方向適當(dāng)?shù)刈兓?。因?yàn)樵谕粋€(gè)面上具備 顯示部1101及正面相機(jī)用鏡頭1106，所以可以進(jìn)行電一見(jiàn)電話。此夕卜， 將顯示部1101用作取景器，且利用背面相機(jī)用鏡頭1203及燈1204 可以拍攝靜態(tài)圖像及動(dòng)態(tài)圖像。揚(yáng)聲器1102及麥克風(fēng)1103不局限于 聲音通話，可以使用于電視電話、錄音、再現(xiàn)等的用途。操作鍵1104 可以進(jìn)行電話的發(fā)送/接收、電子郵件等的簡(jiǎn)單的信息輸入、屏幕的滾 動(dòng)(scroll)、光標(biāo)移動(dòng)等。在如文件的制作、作為便攜式信息終端的 使用等要處理的信息很多的情況下，使用鍵盤1201是很方便的。再 者，互相重疊的框體1001和框體1002 (圖25A)滑動(dòng)，如圖25C所 示那樣展開(kāi)，作為便攜式信息終端而使用的情況下，可以使用鍵盤 1201、定點(diǎn)裝置1105而進(jìn)行順利的操作。外部連接端子1107可以連 接到各種電纜如交流整流器及USB電纜等，并且可以充電以及進(jìn)行 與個(gè)人計(jì)算機(jī)等的數(shù)據(jù)通信。此外，對(duì)外部存儲(chǔ)插槽1202插入記錄 介質(zhì)，因此可以對(duì)應(yīng)于更大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及移動(dòng)。框體1002的背面 (圖25B)具備背面相機(jī)用鏡頭1203及光燈1204，將顯示部1101用 作取景器，可以拍攝靜態(tài)圖像及動(dòng)態(tài)圖像。
此外，除了上迷功能結(jié)構(gòu)以外，還可以具備紅外線通信功能、 USB端口、電視接收功能等。
67本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式及實(shí)施例所記載的結(jié)構(gòu)組合來(lái)實(shí)施。
實(shí)施例1
下面，對(duì)于本發(fā)明根據(jù)實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明。勿須置言，本發(fā)明 不局限于該實(shí)施例，而是由權(quán)利要求書(shū)限定的。在本實(shí)施例中，作為
本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底示出SOI襯底的半導(dǎo)體層的表面粗糙度以及晶
體學(xué)上的物性，而進(jìn)行說(shuō)明。
參照?qǐng)D26A至26H而說(shuō)明本實(shí)施例的SOI襯底的制造方法。圖 26A至26H所示的制造方法對(duì)應(yīng)于實(shí)施方式2所說(shuō)明的制造方法。
作為半導(dǎo)體襯底，準(zhǔn)備單晶硅襯底(以下，也稱為c-Si襯底2600 ) (參照?qǐng)D26A) 。 c-Si襯底2600是5英寸的p型硅襯底，其平面取向 是(IOO)，而其側(cè)面取向是<110> 。
通過(guò)利用純水洗滌c-Si襯底2600，然后使它干燥。接著，通過(guò) 利用平行平板型等離子體CVD裝置，在c-Si襯底2600上形成氧氮化 硅膜2601，并且在氧氮化硅膜2601上形成氮氧化硅膜2602 (參照?qǐng)D 26B)。
通過(guò)利用平行平板型等離子體CVD裝置，不使c-Si襯底2600 暴露于大氣，而連續(xù)性地形成氧氮化硅膜2601、氮氧化硅膜2602。 此時(shí)的成膜條件如下。在此，進(jìn)行如下工序在形成氧氮化硅膜2601 之前，在60秒鐘間利用氬氟酸水溶液進(jìn)行清洗，來(lái)去除c-Si襯底2600 的氧化膜。
<氧氮化硅膜2601 > 厚度 50nm .氣體的種類(流量) SiH4 ( 4sccm ) N20 (800sccm) 襯底溫度 400'C 壓力 40Pa RF頻率 27MHz，RF功率 50W
電極之間的多巨離 15mm
電極面積 615.75cm2
<氮氧化硅膜2602 >
厚度 50nm
氣體的種類(流量) SiH4 (10sccm ) NH3 (lOOsccm ) N20 ( 20sccm ) H2 ( 400sccm)
襯底溫度 300°C
壓力 40Pa
.RF頻率 27MHz
-RF功率 50W
電極之間的距離 30mm
電極面積 615.75cm2
接著，如圖26C所示，通過(guò)利用離子摻雜裝置對(duì)c-Si襯底2600 添加氫離子，來(lái)形成如圖26C所示的離子添加層2603。作為源氣體 使用100%氫氣體，不對(duì)離子化的氫進(jìn)行質(zhì)量分離，而利用電場(chǎng)加速 來(lái)對(duì)c-Si襯底2600添加。詳細(xì)條件如下。
源氣體 H2
RF功率 150W
加速電壓 40kV
劑量 1.75xl016ions/cm-2
在離子摻雜裝置中，從氫氣體產(chǎn)生H+、 H2+、 H/這些三種離子 種，并且將這些所有的離子種摻雜到c-Si襯底2600。在從氫氣體發(fā)生 的離子種中，80。/o左右是H/。
在形成離子添加層2603之后，利用純水清洗c-Si襯底2600，并 利用等離子體CVD裝置在氮氧化硅膜2602上形成厚度為50nm的氧化硅膜2604。作為氧化硅膜2604的源氣體，使用硅酸乙酯(TEOS: 化學(xué)式Si(OC2Hs)4)和氧氣體。氧化硅膜2604的成膜條件是如下。
<氧化硅膜2604 >
厚度 50nm
-氣體的種類(流量) TEOS (15sccm ) 02( 750sccm )
襯底溫度 300°C
壓力 lOOPa
-RF頻率 27MHz
RF功率 300W
電極之間的i 巨離 14mm
電極面積 615.75cm2
準(zhǔn)備玻璃襯底2605。作為玻璃襯底2605，使用旭硝子林式會(huì)社 制造的鋁硅酸鹽玻璃襯底(制品名稱為"AN100")。清洗玻璃襯底2605 以及形成有氧化硅膜2604的c-Si襯底2600。作為清洗處理，在純水 中進(jìn)行超聲波清洗，然后進(jìn)行利用包含臭氧的純水的處理。
接著，如圖26E所示，通過(guò)將玻璃襯底2605和c-Si襯底2600 貼緊，來(lái)將玻璃襯底2605和氧化硅膜2604接合在一起。通過(guò)該工序， 將玻璃襯底2605和c-Si襯底2600貼在一起。該工序是不使用加熱處 理的在常溫下進(jìn)行的處理。
接著，在擴(kuò)"ft爐中進(jìn)行加熱處理，如圖26D所示，在離子添加 層2603處發(fā)生分離。首先，在600。C下進(jìn)行20分鐘的加熱。接著， 使加熱溫度上升到650。C，再進(jìn)行6.5分鐘的加熱。通過(guò)該一系列的 加熱處理，在c-Si襯底2600的離子添加層2603中發(fā)生裂縫，而c-Si 襯底2600成為分離的狀態(tài)。通過(guò)在該工序中，以600'C以上加熱c-Si 襯底2600 ，可以使分離后的硅層的結(jié)晶性進(jìn)一步接近于單晶。
在結(jié)束加熱處理后，從擴(kuò)散爐中取出玻璃襯底2605和c-Si襯底 2600。由于加熱處理，玻璃襯底2605和c-Si襯底2600成為可以分離的狀態(tài)，所以如圖26F所示，當(dāng)去除c-Si襯底2600D時(shí)，形成有SOI 襯底2608a，其中在玻璃襯底2605上固定有從c-Si襯底2600分離了 的硅層2606。注意，c-Si村底2600D對(duì)應(yīng)于硅層2606被分離的c-Si 襯底2600。
SOI襯底2608a具有在玻璃村底2605上依次層疊有氧化硅膜 2604、氮氧化硅膜2602、氧氮化硅膜2601、硅層2606的結(jié)構(gòu)。在本 實(shí)施例中，硅層2606的厚度是120nm左右。
接著，如圖26G所示，通過(guò)對(duì)SOI襯底2608a的硅層2606照射 激光束2610,形成具有硅層2611的SOI襯底2608b。圖26H所示的 硅層2611對(duì)應(yīng)于照射激光束2610后的硅層2606。通過(guò)上述工序，形 成圖26H所示的SOI襯底2608b。 SOI襯底2608b的硅層2612對(duì)應(yīng) 于由于激光束照射而部分熔化且再晶化的硅層2611。
為了進(jìn)行圖26G所示的激光束2610照射而使用的激光器的規(guī)格如下。
<激光器的規(guī)格> XeCl受激準(zhǔn)分子激光器 波長(zhǎng) 308nm 脈沖寬度 25nsec 重復(fù)頻率 30Hz
將激光束2610設(shè)定為如下線狀射束通過(guò)包括柱面透鏡等的光 學(xué)系統(tǒng)使射束點(diǎn)的形狀形成為線狀。在對(duì)激光束2610使c-Si襯底2600 相對(duì)性地移動(dòng)的同時(shí)，照射激光束2610。此時(shí)，激光束2610的掃描 速度為1.0mm/sec，并且對(duì)相同區(qū)域照射12發(fā)射的激光束2610。
此外，將激光束2610的氣氛設(shè)定為大氣氣氛或者氮?dú)鈿夥?。?本實(shí)施例中，通過(guò)在照射大氣中的激光束2610的同時(shí)，將氮?dú)怏w噴 上在被照射面，來(lái)形成氮?dú)鈿夥铡?br>
本發(fā)明人通過(guò)在大約350mJ/cm2至750mJ/cm2的范圍內(nèi)使激光 束2610的能量密度變化，來(lái)調(diào)查由于激光束2610的照射的硅層2611 的平坦化以及結(jié)晶性的恢復(fù)的效果。能量密度的具體值是如下。
71 347mJ/cm
387mJ/cm2
431mJ/cm2
477mJ/cm2
525mJ/cm2
572mJ/cm2
619mJ/cm2
664mJ/cm2
706mJ/cm2
743mJ/cm2
當(dāng)分析硅層2611表面的平坦性及其結(jié)晶性時(shí)，采用利用光學(xué) 顯微鏡、原子力顯微鏡(AFM; Atomic Force Microscope )、掃描電 子顯微鏡(SEM; Scanning Electron Microscope)的觀察；電子背散 射圖樣(EBSP; Electron Back Scatter Diffraction Pattern )的觀察；
以及拉曼光譜測(cè)量。
可以通過(guò)根據(jù)利用AFM的在動(dòng)態(tài)力模式(DFM: dynamic force mode)下的觀察像(以下，稱為DFM像)、由DFM像獲得的表示 表面粗糙度的測(cè)量值、利用光學(xué)顯微鏡的暗場(chǎng)像的明度變化、SFM的 觀察像(以下，稱為SEM像)，來(lái)評(píng)價(jià)平坦化的效果。
可以通過(guò)根據(jù)拉曼位移(Raman Shift)、拉曼光鐠的半峰全寬 (FWHM: full width at half maximum ) 、 EBSP《象，來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)晶性 的提高的效果。
首先，說(shuō)明由于激光束照射的平坦化的效果，接著說(shuō)明結(jié)晶性提 高的效果。
圖28是在大氣氣氛中照射激光束的硅層2611的光學(xué)顯微鏡的暗 場(chǎng)像，而圖29是在氮?dú)鈿夥罩姓丈浼す馐墓鑼?611的光學(xué)顯微鏡 的暗場(chǎng)像。圖28和圖29都表示照射激光束之前的硅層2606的暗場(chǎng) 像。根據(jù)圖28和圖29所示的暗場(chǎng)像，知道如下事實(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)能量 密度，在大氣氣氛以及氮?dú)鈿夥罩?，都可以利用激光束的照射，提高平坦性?br>
圖30A至30C是SEM像。圖30A是在照射激光束之前的硅層 2606的SEM像，圖30B是在大氣氣氛中進(jìn)行處理的硅層2611的SEM 像，圖30C是在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行處理的硅層2611的SEM像。
在本實(shí)施例中，使用受激準(zhǔn)分子激光器作為激光器。 一般知道如 下事實(shí)在通過(guò)受激準(zhǔn)分子激光器使非晶硅膜晶化而形成的多晶硅膜 的表面上發(fā)生其厚度程度的皺紋(凹凸)。根據(jù)圖30B及圖30C的 SEM像，知道如下事實(shí)在硅層2611上幾乎不發(fā)生這樣大的皺紋。 換言之，知道如下事實(shí)如受激準(zhǔn)分子敢光器那樣的脈沖激光器的射 束對(duì)于硅層2606的平坦化是有效的。
圖31A至31E是通過(guò)AFM觀察的DFM像。圖31A是在照射激 光束之前的硅層2606的DFM像。圖31B至31E是在照射激光束之 后的硅層2611的DFM像，激光束的照射氣氛與能量密度不同。圖 32A至32E分別對(duì)應(yīng)于圖31A至31E的鳥(niǎo)瞰圖。
表1表示基于圖31A至31E所示的DFM像來(lái)計(jì)算出的表面粗 糙度。在表1中，Ra表示平均面粗糙度，RMS表示均方面粗糙度， P-V表示最大高低差。
表l 硅層的表面粗糙度
硅層氣氛能量密度mJ/cm2Ra畫(huà)Rms腿P-V腿
606"——7.211.5349.2
611氮4315.47.0202.8
611大氣5251.92.533.7
611氮5252.33.038.1
611氮6191.92.8145.7
激光束照射之前 6激光的能量密度
在照射激光束之前的珪層2606的Ra是7nm以上，RMS是llnm以上。該值是接近通過(guò)受激準(zhǔn)分子激光器使60nm左右厚的非晶硅晶 化而形成的多晶硅膜的值。根據(jù)本發(fā)明人的見(jiàn)解，在這種多晶硅膜中， 實(shí)用的柵絕緣層的厚度厚于多晶硅膜。從而，即使進(jìn)行硅層2606的 薄膜化，也難以在其表面上形成10nm以下厚的柵絕緣層，而非常難 以制造有效地利用薄膜化的單晶硅的特長(zhǎng)的高性能晶體管。
另一方面，在被照射激光束的硅層2611中，Ra減小到2nm左 右，RMS減小到2.5nm至3nm左右。從而，通過(guò)使這種具有平坦性 的硅層2611薄膜化，可以制造有效地利用薄膜化的單晶硅層的特長(zhǎng) 的高性能晶體管。
以下，說(shuō)明由于激光束的照射的結(jié)晶性的提高。
圖33是表示在照射激光束之前的硅層2606的拉曼位移和在照射 激光束之后的硅層2611的拉曼位移的圖表，是表示對(duì)于激光束的能 量密度的拉曼位移的變化的圖表。在圖表中表示，越接近單晶硅的拉 曼位移的波長(zhǎng)的520.6cnT1，結(jié)晶性越好。根據(jù)圖33所示的圖表，知 道如下事實(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)能量密度，在大氣氣氛和氮?dú)鈿夥罩?，都可?利用激光束的照射而提高硅層2611的結(jié)晶性。
圖34是表示在照射激光束之前的硅層2606的拉曼光語(yǔ)的半峰全 寬(FWHM)和在照射激光束之后的硅層2611的拉曼光鐠的半峰全 寬(FWHM)的圖表，是表示對(duì)于激光束2610的能量密度的FWHM 的變化的圖表。越接近單晶硅的FWHM的波長(zhǎng)的2.5cnT1至3.0cm"， 結(jié)晶性越好。根據(jù)圖34所示的圖表，知道如下事實(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)能量 密度，在大氣氣氛和氮?dú)鈿夥罩?，都可以利用激光束的照射而提高?層2611的結(jié)晶性。
圖35A至35C是從硅層表面的EBSP的測(cè)量數(shù)據(jù)獲得了的反極 圖(IPF、 inverse pole figure )。圖35D是4吏結(jié)晶的各平面取向色碼 化，而表示IPF圖的配色和晶面取向的關(guān)系的色碼圖。圖35A至35C 所示的IPF圖分別是在照射激光束之前的硅層2606的IPF圖、在大 氣氣氛中照射激光束的硅層2611的IPF圖、在氮?dú)鈿夥罩姓丈浼す?束的硅層2611的IPF圖。根據(jù)圖35A至35C所示的IPF圖，在能量密度為380mJ/cii^至 620mL/cm2的范圍下，在照射激光束之前和照射激光束之后沒(méi)有硅層 的方位錯(cuò)亂，硅層2611表面的平面取向維持與使用的c-Si襯底2600 相同的(IOO)平面取向，并且晶粒界面不存在。該事實(shí)根據(jù)如下事 實(shí)可以理解利用圖35D所示的色碼圖中的表示(100)平面取向的 顏色(在彩色附圖中是紅色)表示IPF圖的大部分。注意，能量密度 為743mJ/cn^的情況下，在大氣氣氛和氮?dú)鈿夥罩校晫?611的IPF 圖的結(jié)晶取向都錯(cuò)亂，所以可以認(rèn)為硅層2611完全熔化且以無(wú)秩序 的晶面取向進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。
根據(jù)上述表l、圖28至圖35D，可以知道如下事實(shí)通過(guò)在大 氣氣氛和氮?dú)鈿夥罩姓丈浼す馐?，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)從單晶硅襯底分離的 硅層的平坦性的提高以及結(jié)晶性的恢復(fù)。在本實(shí)施例中，可以同時(shí)實(shí) 現(xiàn)平坦性的提高以及結(jié)晶性的恢復(fù)的激光束的能量密度在大氣氣氛 中是500mJ/cm2以上且600mJ/cm2以下，而在氮?dú)鈿夥罩惺?400mJ/cm2以上且600mJ/cm2以下，可以知道在氮?dú)鈿夥罩锌梢允褂?的能量密度的范圍更廣。
此外，改變圖26G所示的激光束的照射條件，利用二次離子分 析法(SIMS)測(cè)量膜中的氫離子濃度。為了進(jìn)行圖26G所示的激光 束2610的照射而使用的激光器的規(guī)格是如下。
<激光器的規(guī)格>
XeCl受激準(zhǔn)分子激光器
波長(zhǎng) 308腿
脈沖寬度 25nsec
重復(fù)頻率 30Hz
將激光束2610設(shè)定為如下線狀射束通過(guò)包括柱面透鏡等的光 學(xué)系統(tǒng)使其射束點(diǎn)的形狀形成為線狀。在對(duì)激光束2610使c-Si襯底 2600相對(duì)性地移動(dòng)的同時(shí)，照射激光束2610。此時(shí)，激光束2610的 掃描速度為1.0mm/sec，激光束寬度為340nm,并且對(duì)相同區(qū)域照射10 發(fā)射的激光束2610。并且，此時(shí)，對(duì)相同區(qū)域反復(fù)照射的激光束2610的重疊率為90%。
此外，將激光束2610的氣氛設(shè)定為大氣氣氛或者氮?dú)鈿夥?。?本實(shí)施例中，通過(guò)在照射大氣中的激光束2610的同時(shí)，將氮?dú)怏w噴 上在被照射面，來(lái)形成氮?dú)鈿夥铡?br>
本發(fā)明人通過(guò)在大約350mJ/cm2至750mJ/cm2的范圍內(nèi)使激光 束2610的能量密度變化，利用二次離子分析法(SIMS)調(diào)查在激光 束2610的氣氛為大氣氣氛或者氮?dú)鈿夥障碌挠捎诩す馐?610的照射 的硅層2611中的氫濃度。在圖36中，縱軸表示濃度(atoms/cm3)， 而橫軸表示蝕刻樣品的深度(nm)。此外，為比較，也對(duì)不進(jìn)行激光 束照射的情況下的離子濃度，利用二次離子分析法(SIMS)調(diào)查。 此外，在圖36中，在以"定量范圍Si，，表示的深度方向的范圍下，定 量硅層2611中的氫濃度。注意，圖36所示的定量氫濃度的硅層形成 于形成在氮氧化硅層上的50nm厚的氧氮化硅層、形成在氧化硅層上 的50nm厚的氮氧化硅層、利用TEOS而形成的100nm厚的氧化硅層 上。此外，照射到硅層的激光束2610的能量密度的具體值以及照射 激光的氣氛是如下的。
沒(méi)有激光束照射，大氣氣氛(條件1)
449.0mJ/cm2，氮?dú)鈿夥?條件2 )
543.1mJ/cm2，氮?dú)鈿夥?條件3 )
543.1mJ/cm2，大氣氣氛(條件4 )
637.3mJ/cm2，氮?dú)鈿夥?條件5 )
在圖36中，沒(méi)有激光束照射且大氣氣氛的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于由粗折線 表示的條件1 ， 449.0mJ/cm2且氮?dú)鈿夥盏臄?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于由圓形折線表示 的條件2，543.1mJ/cir^且氮?dú)鈿夥盏臄?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于由三角形折線表示的 條件3， 543.1mJ/cm2且大氣氣氛的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于由方形折線表示的條件 4， 637.3mJ/cii^且氮?dú)鈿夥盏臄?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于由菱形折線表示的條件5。 根據(jù)圖36，可以知道如下事實(shí)由于激光束照射，不管能量密度大還 是小，在硅層的表面以及深度方向的一部分區(qū)域中氫濃度都降低。因 為激光束照射所帶來(lái)的氫濃度的降低在不進(jìn)行激光束照射的條件1中不能觀察，所以可以說(shuō)，這是因?yàn)橛捎诩す馐丈涠鑼尤刍鶐?lái)
的氫的氣化。此外，可以知道如下事實(shí)在硅層的定量范圍下，氫濃 度的分布在照射激光的條件下的在硅層的表面以及深度方向的一部 分降低，但是在硅層的深度方向有100nm的部分中成為固定?？梢哉f(shuō)， 在硅層的定量范圍下的氫濃度的差異是可以評(píng)價(jià)硅層由于激光束照 射而向硅層的深度方向熔化得什么程度。就是說(shuō)，可以知道如下事實(shí) 隨著激光束照射，硅層的表面以及深度方向的一部分熔化。
此外，本發(fā)明人調(diào)查由于激光束照射使硅層部分;fet化且再晶化而 制造的薄膜晶體管的對(duì)于柵電壓的漏電流的變化量。此外，為比較， 也調(diào)查利用不進(jìn)行激光束照射的硅層而制造的薄膜晶體管的對(duì)于柵 電壓的漏電流的變化量。將薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)定為正交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，將 薄膜晶體管的柵極長(zhǎng)度設(shè)定為10fun,將其柵極寬度設(shè)定為8nm，將 柵絕緣膜的厚度設(shè)定為110nm,而進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，將照射到硅層的 激光束2610的能量密度設(shè)定為500mJ/cm2，并且將照射激光束的氣 氛設(shè)定為大氣氣氛。
圖37A和37B表示薄膜晶體管的對(duì)于柵電壓的漏電流的變化量 的測(cè)量數(shù)據(jù)。圖37A是使用不進(jìn)行激光束照射的硅層而制造的薄膜晶 體管的測(cè)量數(shù)據(jù)，而圖37B是使硅層部分熔化且再晶化而制造的薄膜 晶體管的測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)圖37A和37B，可以知道如下事實(shí)通過(guò)照 射激光，改善硅層的表面的平坦性，進(jìn)行再晶化而改善結(jié)晶性的圖37B 所示的薄膜晶體管的特性優(yōu)越，諸如S值(亞閾值系數(shù))小，并且遷 移率高。
本實(shí)施例可以與上述實(shí)施方式所記栽的結(jié)構(gòu)組合來(lái)實(shí)施。 實(shí)施例2
在本實(shí)施例中，考察當(dāng)形成損傷層時(shí)的離子的照射方法。 在上述實(shí)施方式中，當(dāng)形成損傷層時(shí)，將由來(lái)于氫(H)的離子 (以下，稱為"氫離子種，，)照射到單晶半導(dǎo)體襯底。更具體地"i兌，將 氫氣體或者將氫包含于其組成中的氣體用作原材料，產(chǎn)生氫等離子 體，將該氫等離子體中的氫離子種照射到單晶半導(dǎo)體襯底。(氫等離子體中的離子)
在上述那樣的氫等離子體中存在H+離子、H/離子、H/離子這 種氫離子種。在此，以下列舉表示各氫離子種的反應(yīng)過(guò)程(生成過(guò)程、
消滅過(guò)程)的反應(yīng)式。
e + H~>e + H+ + e ...... (1)
e + H2~>e + H2+ + e ...... (2)
e + H2 ■> e + (H2)* — e + H + H ……(3 )
e + H2+ — e + (H2+)*"> e + H+ + H ……(4 )
H2+ + H2~>H3+ + H ...... (5)
H2+ + H2~^H+ + H + H2 ..... (6)
e + H3、e + H+ + H + H ……(7)
e + H3+ ~> H2 + H ……(8 )
e + H3+ — H + H + H ……(9)
圖41表示示意性地表示上述反應(yīng)的一部分的能量圖解。注意， 圖41所示的能量圖解只不過(guò)是示意圖，并且不是嚴(yán)密地規(guī)定涉及反 應(yīng)的能量的關(guān)系。
(H/離子的生成過(guò)程)
如上所述，113+主要通過(guò)反應(yīng)式(5)所示的反應(yīng)過(guò)程生成。另一 方面，作為與反應(yīng)式(5)竟?fàn)幍姆磻?yīng)，有反應(yīng)式(6)所示的反應(yīng)過(guò) 程。為了增加H3+離子，至少需要反應(yīng)式(5)所示的反應(yīng)比反應(yīng)式(6) 所示的反應(yīng)發(fā)生得多(注意，因?yàn)樽鳛闇p少H3+離子的反應(yīng)，也存在(7 )、
(8) 、 (9)，所以即使(5)所示的反應(yīng)多于(6)所示的反應(yīng)，H3+ 離子也不一定增加)。反過(guò)來(lái)，當(dāng)反應(yīng)式(5)所示的反應(yīng)比反應(yīng)式
(6)所示的反應(yīng)發(fā)生得少時(shí)，在等離子體中的H3+離子的比例減少。 在上述反應(yīng)式中，右邊(最右邊)的生成物的增加量依賴于左邊
(最左邊)所示的原料的密度、涉及其反應(yīng)的速度系數(shù)等。在此，利 用實(shí)驗(yàn)確認(rèn)到如下事實(shí)當(dāng)H2+離子的動(dòng)能小于大約lleV時(shí)，(5) 所示的反應(yīng)成為主要反應(yīng)(即，與涉及反應(yīng)式(6)的速度系數(shù)相比， 涉及反應(yīng)式(5)的速度系數(shù)成為充分大)，而當(dāng)112+離子的動(dòng)能大于大約lleV時(shí)，(6)所示的反應(yīng)成為主要反應(yīng)。
帶電粒子通過(guò)從電場(chǎng)受到力量而獲得動(dòng)能。該動(dòng)能對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)所 導(dǎo)致的勢(shì)能(potential energy)的減少量。例如，某一個(gè)帶電粒子與 其它粒子碰撞之間獲得的動(dòng)能等于在其間經(jīng)過(guò)的電位差的勢(shì)能。就是 說(shuō)，有如下趨勢(shì)當(dāng)可以在電場(chǎng)中不碰撞到其他粒子而移動(dòng)長(zhǎng)距離時(shí)， 與當(dāng)不同于此時(shí)相比，帶電粒子的動(dòng)能(的平均)大。在粒子的平均 自由路程長(zhǎng)的情況下，就是壓力低的情況下會(huì)發(fā)生這種帶電粒子的動(dòng) 能增大的趨勢(shì)。
另外，即使平均自由路程短，也在其間可以獲得大動(dòng)能的情況下， 帶電粒子的動(dòng)能變大。就是，可以說(shuō)，當(dāng)即使平均自由路程短，也電 位差大時(shí)，帶電粒子所具有的動(dòng)能變大。
將上述結(jié)果適用于H2+離子。在如用于生成等離子體的處理室內(nèi) 那樣，以電場(chǎng)的存在為前提的情況下，當(dāng)該處理室內(nèi)的壓力低時(shí)H2+ 離子的動(dòng)能變大，當(dāng)該處理室內(nèi)的壓力高時(shí)112+離子的動(dòng)能變小。就 是說(shuō)，因?yàn)樵谔幚硎覂?nèi)的壓力低的情況下反應(yīng)式(6)所示的反應(yīng)成 為主要反應(yīng)，所以發(fā)生H3+離子減少的趨勢(shì)，而因?yàn)樵谔幚硎覂?nèi)的壓 力高的情況下反應(yīng)式(5)所示的反應(yīng)成為主要反應(yīng)，所以發(fā)生H3+ 離子增加的趨勢(shì)。另夕卜，在等離子體生成區(qū)域中的電場(chǎng)較強(qiáng)的情況下， 即，在某兩點(diǎn)之間的電位差大的情況下，H2+離子的動(dòng)能變大。在與 此相反的情況下，H2+離子的動(dòng)能變小。就是說(shuō)，因?yàn)樵陔妶?chǎng)較強(qiáng)的 情況下反應(yīng)式(6)所示的反應(yīng)成為主要反應(yīng)，所以發(fā)生H3+離子減少 的趨勢(shì)，而因?yàn)樵陔妶?chǎng)較弱的情況下反應(yīng)式(5)所示的反應(yīng)成為主
要反應(yīng)，所以發(fā)生H3+離子增加的趨勢(shì)。
(根據(jù)離子源的差異)
在此，示出氫離子種的比例(尤其是H/離子的比例)不同的實(shí) 例。圖42是表示由100%氫氣體(離子源的壓力4.7xl(T2Pa)生成 的離子的質(zhì)量分析結(jié)果的圖表。注意，上述質(zhì)量分析通過(guò)測(cè)量從離子 源提取的離子而進(jìn)行。橫軸表示離子的質(zhì)量。在光譜中，質(zhì)量1、質(zhì) 量2、質(zhì)量3的峰值分別對(duì)應(yīng)于H+離子、H2+離子、H/離子。縱軸表2008
示光譜強(qiáng)度，并且對(duì)應(yīng)于離子數(shù)量。在圖42中，由以質(zhì)量是3的離 子為100的情況下的相對(duì)比表示質(zhì)量不同的離子的數(shù)量。根據(jù)圖42 可以知道由上述離子源生成的離子的比例大約為H+離子H/離子 H/離子-l :1:8。注意，也可以通過(guò)利用如下離子摻雜裝置來(lái)獲得 這種比例的離子，該離子摻雜裝置由生成等離子體的等離子體源部 (離子源)和用來(lái)從該等離子體引出離子束的引出電極等構(gòu)成。
圖43是示出在使用與圖42不同的離子源的情況下，當(dāng)離子源的 壓力大約為3xl(T3Pa時(shí)，由PH3生成的離子的質(zhì)量分析結(jié)果的圖表。 上述質(zhì)量分析結(jié)果是注目于氫離子種的。此外，質(zhì)量分析通過(guò)測(cè)量從 離子源引出的離子來(lái)進(jìn)行。與圖42同樣，圖43所示的圖表中的橫軸 表示離子的質(zhì)量，并且質(zhì)量l、質(zhì)量2、質(zhì)量3的峰值分別對(duì)應(yīng)于H" 離子、H/離子、H/離子。縱軸為對(duì)應(yīng)于離子數(shù)量的光譜的強(qiáng)度。根 據(jù)圖43可以知道在等離子體中的離子的比例大約為H+離子112+離 子113+離子=37 : 56 : 7。注意，雖然圖43是當(dāng)源氣體為PH3時(shí)的數(shù) 據(jù)，但是當(dāng)使用100%氫氣體作為源氣體時(shí)，氫離子種的比例也成為 大概相同。
在獲得圖43所示的數(shù)據(jù)的離子源的情況下，在H+離子、112+離 子、以及H3+離子中，只生成大約7%的H/離子。另一方面，在獲得 圖42所示的數(shù)據(jù)的離子源的情況下，可以將H3+離子的比例成為50% 以上(在上述條件下大約為80%)?？梢哉J(rèn)為這起因于在上述考察中 很明顯的處理室內(nèi)的壓力及電場(chǎng)。 (H/離子的照射機(jī)理)
在生成如圖42那樣的包含多種離子的等離子體且對(duì)生成了的多 種離子不進(jìn)行質(zhì)量分離而照射到單晶半導(dǎo)體襯底的情況下，H+離子、
H2+離子、H3+離子各離子被照射到單晶半導(dǎo)體襯底的表面。為了再現(xiàn)
從照射離子到形成離子引入?yún)^(qū)域的機(jī)理，考慮以下的五種模型。
1. 照射的氫離子種為H+離子，照射之后也為H+離子(或者H) 的情況。
2. 照射的氫離子種為H2+離子，照射之后也為112+離子(或者
80H2)的情況。
3. 照射的氫離子種為H2+離子，照射之后分裂為兩個(gè)H離子(或 者H+離子)的情況。
4. 照射的氫離子種為H/離子，照射之后也為H/離子(或者 H3)的情況。
5. 照射的氫離子種為H/離子，照射之后分裂為三個(gè)H (或者 H+離子)的情況。
(模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)值的比較)
根據(jù)上述模型，進(jìn)行當(dāng)將氫離子種照射到硅襯底時(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)。 作為用于模擬實(shí)驗(yàn)的軟件，使用SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter:通過(guò)蒙特卡羅法的離子引入過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)軟件)、 TRIM ( (the Transport oflons in Matter:物質(zhì)中的離子輸送)的改 良版)。注意，在計(jì)算方面上，在模型2中，將H2+離子替換質(zhì)量為 兩倍的H+離子來(lái)進(jìn)行計(jì)算。此外，在模型4中，將H3+離子替換質(zhì)量 為三倍的H+離子來(lái)進(jìn)行計(jì)算。再者，在模型3中，將H2+離子替換動(dòng) 能為1/2的H+離子來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而在模型5中，將H3+離子替換動(dòng)能 為1/3的H+離子來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
注意，雖然SRIM是以非晶結(jié)構(gòu)為對(duì)象的軟件，但是當(dāng)在高能量、 高劑量的條件下照射氫離子種時(shí)，可以應(yīng)用SRIM。這是因?yàn)槿缦戮?故由于氫離子種和Si原子的碰撞，硅襯底的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化為非單晶 結(jié)構(gòu)。
圖44示出當(dāng)利用上述模型l至模型5照射氫離子種時(shí)(當(dāng)在換 算為H的情況下照射十萬(wàn)個(gè)時(shí))的計(jì)算結(jié)果。此外，圖44也示出照 射圖42所示的氫離子種的硅襯底中的氫濃度(SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy: 二次離子質(zhì)謙儀)的數(shù)據(jù))。關(guān)于利用模型l至 模型5進(jìn)行的計(jì)算的結(jié)果，縱軸由氫原子的數(shù)量表示(右軸)，并且 關(guān)于SIMS數(shù)據(jù)，縱軸由氫原子的密度表示(左軸)橫軸是從硅襯底 表面的深度。在比較實(shí)測(cè)值的SIMS數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的情況下，模型 2及模型4顯著地從SIMS的數(shù)據(jù)的峰值離開(kāi)，此外，在SIMS數(shù)據(jù)
81中不觀察到對(duì)應(yīng)于模型3的峰值。因此，可以知道如下事實(shí)模型2 至模型4的影響相對(duì)性地小?？紤]到對(duì)于離子的動(dòng)能為keV， H-H的 鍵合能量不過(guò)為幾eV左右的事實(shí)，就模型2至模型4的影響小是因 為大部分的H2+離子、H/離子分離為H+離子、H的緣故。
根據(jù)上述考察，下面不顧及模型2至模型4。圖45至圖47示出 當(dāng)利用模型l至模型5照射氫離子種時(shí)(當(dāng)在換算為H的情況下照射 十萬(wàn)個(gè)時(shí))的計(jì)算結(jié)果。此外，還示出照射圖42所示的氫離子種的 硅襯底中的氫濃度(SIMS數(shù)據(jù))以及將上述模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合到 SIMS數(shù)據(jù)的(以下，稱為擬合函數(shù))。在此，圖45示出加速電壓為 80kV的情況，圖46示出加速電壓為60kV的情況，而圖47示出加速 電壓40kV的情況。注意，關(guān)于利用模型1至模型5進(jìn)行的計(jì)算的結(jié) 果，縱軸由氫原子的數(shù)量表示(右軸)，并且關(guān)于SIMS數(shù)據(jù)以及擬 合函數(shù)，縱軸由氫原子的密度表示(左軸)。橫軸是從硅襯底表面的 深度。
注意，考慮到模型1及模型5，通過(guò)下面的計(jì)算式算出符合函數(shù)。 注意，在計(jì)算式中，X、 Y為涉及符合的參數(shù)，而V為體積。 : [H/離子(模型5) 1=1:14至i: 15 (當(dāng)在模型i中的H+離子
的數(shù)量為1的情況下，在模型5中的H3+離子的數(shù)量大約為14以上且 15以下)?？紤]到不顧及模型3和假設(shè)為非晶硅而進(jìn)行計(jì)算的事實(shí)等， 可以說(shuō)獲得將近涉及實(shí)際上的照射的氫離子種的比例(大約為H+離 子H2+離子113+離子=1 :1:8)的值。
(使用H3+離子的效果)
通過(guò)將如圖42所示的提高H3+離子的比例的氫離子種照射到單 晶半導(dǎo)體襯底，可以接受起因于H3+離子的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，因?yàn)镠/ 離子分離為H+離子或H離子等而被導(dǎo)入于襯底內(nèi)，所以與主要照射 H+離子或H2+離子的情況相比，可以提高離子的導(dǎo)入效率。由此，可 以謀求實(shí)現(xiàn)SOI襯底的生產(chǎn)率的提高。另外，與此相同，有H3+離子 分離之后的H+離子或H的動(dòng)能變小的趨勢(shì)，所以適合較薄的半導(dǎo)體 層的制造。
注意，為了有效地照射H3+離子，優(yōu)選使用能夠照射如圖42所 示的氫離子種的離子摻雜裝置。因?yàn)殡x子摻雜裝置低廉且優(yōu)越于大面 積處理，所以通過(guò)利用這種離子摻雜裝置照射H3+離子，可以獲得大 面積化、低成本化以及生產(chǎn)率的提高等的顯著的效果。另一方面，當(dāng) 最優(yōu)先考慮H3+離子的照射時(shí)，不需要限于使用離子摻雜裝置來(lái)解釋。
本說(shuō)明書(shū)根據(jù)2007年11月1日在日本專利局受理的日本專利申 請(qǐng)編號(hào)2007-285559而制作，所述申請(qǐng)內(nèi)容包括在本說(shuō)明書(shū)中。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體襯底的制造方法，該半導(dǎo)體襯底具有支撐襯底以及所述支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體層，包括如下步驟對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底添加離子，在所述單晶半導(dǎo)體襯底中以預(yù)定深度形成損傷層；在所述單晶半導(dǎo)體襯底上形成緩沖層；隔著所述緩沖層將所述單晶半導(dǎo)體襯底和所述支撐襯底貼緊；對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱，以所述損傷層為劈開(kāi)面從所述支撐襯底分離所述單晶半導(dǎo)體襯底的一部分；以及從所述單晶半導(dǎo)體襯底一側(cè)對(duì)所述單晶半導(dǎo)體層照射激光束，使從照射激光束的所述單晶半導(dǎo)體層的表面向深度方向的區(qū)域熔化，并且使所述單晶半導(dǎo)體層再晶化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中使用氫 氣作為用來(lái)形成所述損傷層的源氣體，激發(fā)所述氫氣而產(chǎn)生包含H3 +的等離子體，加速所述等離子體所 包含的離子，對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底添加所述離子，以形成所述損傷 層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所迷支 撐襯底的應(yīng)變點(diǎn)為650。C以上且6卯'C以下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述支 撐襯底是玻璃襯底。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述激 光的截面形狀是直線狀、正方形、或者長(zhǎng)方形。
6. —種半導(dǎo)體裝置，包括利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法而制 造的半導(dǎo)體襯底來(lái)形成的薄膜晶體管。
7. —種包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
8. —種半導(dǎo)體襯底的制造方法，該半導(dǎo)體襯底具有支撐襯底以 及所述支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體層，包括如下步驟對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底添加離子，在所述單晶半導(dǎo)體襯底中以預(yù)定深度形成損傷層；在所述單晶半導(dǎo)體襯底上形成緩沖層；隔著所述緩沖層將所述單晶半導(dǎo)體襯底和所述支撐襯底貼緊； 對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱，以所述損傷層為劈開(kāi)面從所述支撐襯底分離所述單晶半導(dǎo)體襯底的一部分；以及在惰性氣氛中，從單晶半導(dǎo)體襯底一側(cè)對(duì)所述單晶半導(dǎo)體層照射激光束，使從照射激光束的所述單晶半導(dǎo)體層的表面向深度方向的區(qū)域熔化，并且使所述單晶半導(dǎo)體層再晶化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中使用氫氣體作為用來(lái)形成所述損傷層的源氣體，激發(fā)所述氫氣體而產(chǎn)生包含H/的等離子體，加速所述等離子體 所包含的離子，對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底添加所述離子，以形成所述損 傷層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述支 撐襯底的應(yīng)變點(diǎn)為650。C以上且690。C以下。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述支 撐襯底是玻璃襯底。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述激 光的截面形狀是直線狀、正方形、或者長(zhǎng)方形。
13. —種半導(dǎo)體裝置，包括利用根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法而制 造的半導(dǎo)體村底來(lái)形成的薄膜晶體管。
14. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
15. —種半導(dǎo)體襯底的制造方法，該半導(dǎo)體襯底具有支撐襯底以 及所述支撐村底上的單晶半導(dǎo)體層，包括如下步驟形成與所述支撐襯底接觸的絕緣層；對(duì)單晶半導(dǎo)體襯底添加離子，在所述單晶半導(dǎo)體襯底中以預(yù)定深 度形成損傷層；形成與所述絕緣層接觸的緩沖層；隔著所述緩沖層將所述單晶半導(dǎo)體襯底和所述支撐襯底貼緊； 對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加熱，以所述損傷層為劈開(kāi)面從所述支撐襯底分離所述單晶半導(dǎo)體襯底的一部分；以及在惰性氣氛中，從單晶半導(dǎo)體襯底一側(cè)對(duì)所述單晶半導(dǎo)體層照射激光束，使從照射激光的所述單晶半導(dǎo)體層的表面向深度方向的區(qū)域熔化，并且使所述單晶半導(dǎo)體層再晶化。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中使用 氫氣體作為用來(lái)形成所述損傷層的源氣體，并且激發(fā)所述氫氣體而產(chǎn)生包含H/的等離子體，加速所述等離 子體所包含的離子，對(duì)所述單晶半導(dǎo)體襯底添加所述離子，以形成所 述損傷層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述 支撐襯底的應(yīng)變點(diǎn)為650。C以上且690'C以下。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述 支撐襯底是玻璃襯底。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述 激光的截面形狀是直線狀、正方形、或者長(zhǎng)方形。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中所述 絕緣層包括第一和第二絕緣層。
21. —種半導(dǎo)體裝置，包括利用根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法而 制造的半導(dǎo)體襯底來(lái)形成的薄膜晶體管。
22. —種包括根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
全文摘要
制造隔著緩沖層而具有單晶半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體襯底。對(duì)半導(dǎo)體襯底摻雜氫，形成包含大量氫的損傷層。在將單晶半導(dǎo)體襯底和支撐襯底接合在一起之后，加熱半導(dǎo)體襯底，在損傷區(qū)域中分離單晶半導(dǎo)體襯底。通過(guò)從具有單晶半導(dǎo)體層的一側(cè)對(duì)單晶半導(dǎo)體層照射激光束，使單晶半導(dǎo)體層的照射激光束的區(qū)域的從表面有深度方向的一部分區(qū)域熔化，基于不熔化而留下的單晶半導(dǎo)體層的平面取向進(jìn)行再晶化，恢復(fù)結(jié)晶性，并且使單晶半導(dǎo)體層的表面平坦化。
文檔編號(hào)H01L21/762GK101425449SQ20081016988
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者下村明久, 井坂史人, 桃純平, 永野庸治 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所