(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、
前記単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布を測定し、
前記炭素濃度分布が極大を有するときは、前記単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする単結晶半導体層の結晶性評価方法。
【請求項２】
単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、
前記単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布及び水素濃度分布を測定し、
前記炭素濃度分布が極大を有し、且つ前記水素濃度分布がショルダーピークを有さないときは、前記単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする単結晶半導体層の結晶性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶半導体膜の結晶性評価方法及びこれを用いた半導体基板の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バルク状のシリコンウエハに代わり、絶縁表面に薄い単結晶半導体膜が存在するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を使った集積回路が開発されている。絶縁膜上に形成された薄い単結晶シリコン層の特長を活かすことで、集積回路中のトランジスタ同士を完全に分離して形成することができ、またトランジスタを完全空乏型とすることができるため、高集積、高速駆動、低消費電圧など付加価値の高い半導体集積回路が実現できる。
【０００３】
ＳＯＩ基板を製造する方法の１つに、水素イオン注入と剥離を組み合わせた、水素イオン注入剥離法が知られている。水素イオン注入剥離法によるＳＯＩ基板の作製方法の概要を以下に説明する。まず、剥離用基板となるシリコンウエハにイオン注入法を用いて水素イオンを注入することにより表面から所定の深さにイオン注入層を形成する。次に、酸化シリコン膜を介して、水素イオンを注入したシリコンウエハを別のシリコンウエハに接合（ボンディング）させる。その後、熱処理を行うことにより、イオン注入層を劈開面として水素イオンを注入した剥離用のシリコンウエハが薄膜状に剥離し、被剥離用のシリコンウエハ上に単結晶シリコン膜を形成することができる。また、水素イオン注入剥離法はスマートカット（登録商標）法と呼ぶこともある。
【０００４】
また、このような水素イオン注入剥離法を用いて単結晶シリコン膜をガラスからなるベース基板上に形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１では、イオン注入によって形成された欠陥層や、剥離面の数ｎｍ〜数十ｎｍの段差を除去するために、剥離面を機械研磨している。また、特許文献２では、剥離工程後、レーザ光を照射して、半導体薄膜層の結晶品質を改善するとともに、半導体薄膜層と透明な絶縁基板を強固に結合させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０９７３７９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５２２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水素イオン注入剥離法を用いて単結晶半導体膜を形成する場合、イオンの注入により、単結晶半導体膜の欠陥が増大する。単結晶半導体膜に欠陥が多数存在する場合には、例えば、ゲート絶縁膜との界面に欠陥の準位が形成されやすくなるため、これを用いて作製した半導体素子の特性は良好なものではない。
【０００７】
従来、シリコンウエハに貼り付けられた半導体膜の結晶欠陥は、高温（例えば８００℃以上）の温度で加熱することで除去されてきた。しかしながら、ベース基板としてガラス基板を用いると、大面積で安価なＳＯＩ基板を作製することが可能になるものの、歪み点が７００℃以下と耐熱性が低いため、単結晶半導体膜の結晶欠陥の除去には、このような高温プロセスは用いることができない。
【０００８】
特許文献２には、剥離後の単結晶半導体膜にレーザを照射して、単結晶半導体膜の結晶性を改善する方法が提案されている。しかしながら、レーザ光の照射強度が小さすぎる場合には、欠陥の回復が十分でなく、また、レーザ光の照射強度が大きすぎる場合には、単結晶半導体膜が微結晶化し、結晶性が低下してしまうという問題が生じる。このため、単結晶半導体膜に照射するレーザ光の照射強度を最適化する必要があるが、最適なレーザ光の照射強度は、単結晶半導体膜の膜厚や、照射雰囲気等によって変化するため、最適なレーザ光の照射強度を一律に決定することは容易ではない。
【０００９】
上述した問題に鑑み、本発明の一態様は、最適なレーザ光の照射条件を設定するために必要な、単結晶半導体膜の結晶性の評価方法を提供することを課題の一とする。
【００１０】
また、本発明の一態様は、レーザ光の照射条件を最適化することで、高性能な半導体素子を形成することを可能とする半導体基板及びその作製方法を提供することを課題の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の結晶性評価方法の一は、単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度分布を測定し、炭素濃度が極大を有するときは、単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の結晶性評価方法の一は、単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に形成された脆化層から分離され、絶縁層を介してベース基板上に固定された後、レーザ光が照射されて再単結晶化した単結晶半導体層に対し、単結晶半導体層の深さ方向の炭素濃度及び水素濃度分布を測定し、炭素濃度が極大を有し、且つ水素濃度が炭素濃度の極大に対応するショルダーピークを有さないときは、単結晶半導体層の結晶性が優れると判定することを特徴とする。
【００１３】
なお、本発明の一態様において、接合層は単結晶半導体基板の表面だけでなく、ベース基板の表面にも形成することができる。また、接合層は、ベース基板の表面のみに形成してもよい。
【００１４】
また、本明細書においてショルダーピークとは、単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布（プロファイル）において、絶縁層との界面付近で見られるショルダーを指す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様を用いることにより、簡便な方法で単結晶半導体膜の結晶性を評価することができる。また、この評価方法を用いることにより、レーザ光の照射条件の最適化が容易となり、結晶性の良好な単結晶半導体層を効率よく作製することができる。
【００１６】
したがって、本発明の一態様に係る半導体基板を用いて高性能な半導体素子を効率よく形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】レーザ光の照射工程の一例について示す図。
【図２】単結晶半導体層の深さ方向の元素濃度分布を示す図。
【図３】溶融状態または結晶状態における水素原子及び炭素原子の拡散係数を示す図。
【図４】半導体基板の作製工程を示す図。
【図５】半導体装置の作製工程を示す図。
【図６】半導体装置の作製工程を示す図。
【図７】半導体装置の平面図及び断面図。
【図８】半導体装置を用いた電子機器を示す図。
【図９】半導体装置を用いた電子機器を示す図。
【図１０】再結晶化後の単結晶半導体層表面をＥＢＳＰ法にて測定した図。
【図１１】再結晶化後の単結晶半導体層のライフタイム評価測定結果を示すグラフ。
【図１２】単結晶半導体層を用いて作製したＴＦＴのＳ値を測定した確率統計分布図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の態様について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることが可能である。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の結晶性評価方法について図１乃至図３を参照して説明する。
【００２０】
図１は、モニタ基板に設けられた単結晶半導体層１１２の複数の領域にレーザ光１１３を照射する工程を示している。図１において、絶縁層１１１を介してベース基板１１０上に、単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層１１２が設けられている。図１では、単結晶半導体層１１２の領域Ａ乃至領域Ｃの３領域に対して、互いに異なるエネルギー密度条件にてレーザ光１１３を照射するものとする。なお、上述したように、単結晶半導体基板から分離された後の単結晶半導体層１１２は、平坦性及び結晶性が損なわれており、結晶欠陥が増大している。なお、単結晶半導体基板としては、例えば、単結晶のシリコン基板やゲルマニウム基板、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板を用いることができる。本実施の形態では、単結晶半導体基板として、シリコンウエハを用いるものとする。
【００２１】
レーザ光１１３を照射すると、単結晶半導体層１１２がレーザ光１１３を吸収し、レーザ光１１３が照射された部分が温度上昇する。この部分の温度が単結晶半導体層１１２の融点以上の温度になると、単結晶半導体層１１２が溶融して欠陥を修復することができる。レーザ光１１３が照射されなくなると、単結晶半導体層１１２の溶融部分の温度は下がり、やがて、溶融部分は凝固し、再結晶化（再単結晶化）する。これによって、単結晶半導体層の結晶性を回復させることができる。また、同時に、単結晶半導体層表面の平坦性を回復させることができる。なお、単結晶半導体層１１２を溶融させるためのレーザ光は、単結晶半導体層１１２の上方から照射される。
【００２２】
ベース基板１１０としては、例えばガラス基板を用いることができる。本実施の形態においては、厚さ０．７ｍｍのガラス基板を用いるものとする。また、絶縁層１１１は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の単層、又はこれらを積層させた膜を用いることができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ＣＶＤ法を用いて絶縁層１１１を形成する場合には、絶縁層１１１として、テトラエトキシシラン（略称；ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）等の有機シランを用いて化学気相成長法により作製される酸化シリコン膜を用いることができる。また、他にもシリコンカーバイド（ＳｉＣ）膜等のＳｉを主成分とする絶縁膜を用いてもよい。なお、絶縁層１１１は、ベース基板１１０側からナトリウムが拡散することを防止できるバリア層を含むことが好ましい。バリア層として窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を用いることができる。本実施の形態において絶縁層１１１は、ベース基板１１０側から順に、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜がそれぞれ５０ｎｍ積層された構成とする。
【００２３】
なお、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５０〜７０原子％、窒素が０．５〜１５原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５〜３０原子％、窒素が２０〜５０原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が１５〜３０原子％の範囲で含まれるものをいう。但し、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、Ｓｉ及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。
【００２４】
レーザ光１１３を発振するレーザ発振器は、連続発振レーザ、疑似連続発振レーザ及びパルス発振レーザのいずれでもよいが、パルス発振レーザを用いることが好ましい。これは瞬間的に高エネルギーのパルスレーザ光を発振することができ、溶融状態を作り出すことが容易となるためである。発振周波数は、１Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下程度とすることが好ましい。
【００２５】
また、レーザ発振器としては、例えば、ＫｒＦレーザなどのエキシマレーザ、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ等の気体レーザがある。その他、固体レーザとして、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、ＫＧＷレーザ、ＫＹＷレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ等がある。なお、エキシマレーザはパルス発振レーザであるが、ＹＡＧレーザなどの固体レーザには、連続発振レーザにも、疑似連続発振レーザにも、パルス発振レーザにもなるものがある。
【００２６】
本実施の形態では、レーザ発振器としてＸｅＣｌエキシマレーザを用い、レーザ光１１３の波長は、３０８ｎｍとした。また、単結晶半導体層１１２の領域Ａ乃至領域Ｃに対して、それぞれ異なるエネルギー密度にてレーザ光１１３を照射する。具体的には、領域Ａに対しては条件Ａのエネルギー密度で、領域Ｂに対しては条件Ｂのエネルギー密度で、領域Ｃに対しては条件Ｃのエネルギー密度でレーザ光１１３を照射する。条件Ａ乃至条件Ｃは、以下の通りである。
条件Ａ．５６８ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｂ．５８４ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｃ．６００ｍＪ／ｃｍ２
【００２７】
照射されるレーザ光１１３のエネルギー密度に応じて、レーザ光を照射後のそれぞれの領域の単結晶半導体層１１２の元素濃度の分布が特徴的なものになる。図２に、上記条件Ａ乃至条件Ｃの照射条件にてレーザ光１１３を照射した単結晶半導体層１１２のそれぞれの領域の深さ方向の濃度分布の一例を示す。図２（Ａ）において、横軸は単結晶半導体層１１２の表面からの深さ（ｎｍ）を示し、縦軸は炭素濃度（任意単位）を示す。また、図２（Ｂ）において、横軸は単結晶半導体層１１２の表面からの深さ（ｎｍ）を示し、縦軸は水素濃度（任意単位）を示す。また、図２（Ａ）及び（Ｂ）において、点線で示したグラフは、レーザ光１１３を照射する前の、炭素濃度または水素濃度の分布を示す。なお、元素の深さ方向の濃度分布の分析方法としては、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を好ましく用いることができる。
【００２８】
図２（Ａ）より、レーザ光を照射した単結晶半導体層は、照射時に大気中の炭素が膜中に取り込まれる等によって、未照射の単結晶半導体層と比較して炭素濃度が増加する。また、条件Ａ及び条件Ｂにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層１１２中の炭素濃度の分布において極大を有する。すなわち、条件Ａ及びＢにて照射した単結晶半導体層には、膜中で濃度変化が見られ、表面側の炭素濃度は絶縁層との界面側の炭素濃度よりも増加している。また、当該極大は、条件Ａでは絶縁層との界面から２０ｎｍ付近の領域に存在し、条件Ｂでは絶縁層との界面から１０ｎｍ付近の領域に存在している。つまり、条件Ａと比較してエネルギー密度の大きい条件Ｂの方が、より絶縁層１１１との界面に近い領域において極大が出現している。一方、条件Ｃにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層１１２中の炭素濃度の分布において極大は見られない。
【００２９】
また、図２（Ｂ）より、レーザ光を照射した単結晶半導体層１１２は、照射時に単結晶半導体層中に含まれる水素が大気中または絶縁層へと放出される為に、未照射の場合と比較して単結晶半導体層１１２表面側の水素濃度が低減する。また、条件Ａにてレーザ光を照射した場合には、単結晶半導体層１１２における水素濃度はショルダーピークを有している。すなわち、条件Ａにて照射した単結晶半導体層には、膜中で水素濃度の緩やかな濃度変化が見られる。また、当該ショルダーピークは、炭素濃度の極大の位置と概ね対応した位置に見られている。一方、条件Ｂ及びＣにてレーザ光を照射した場合には、ショルダーピークは確認できない。
【００３０】
以上をまとめると、次のようになる。
条件Ａにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Ａでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有している。また、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有している。
条件Ｂにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Ｂでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有している。また、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークは有さない。
条件Ｃにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の領域Ｃでは、単結晶半導体層の元素の濃度分布において、炭素濃度の極大及び水素濃度のショルダーピーク共に確認できない。
【００３１】
本発明者らは、レーザ光のエネルギー密度の違いで生じる再結晶化後の単結晶半導体層中の炭素原子及び水素原子の濃度差が、レーザ光照射時の単結晶半導体層の溶融状態に依存すると考察した。つまり、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層が溶融状態であるか、または結晶状態であるかによって、単結晶半導体層（本実施の形態においてはシリコン層）中の水素原子または炭素原子の挙動が変化するために、固液界面付近において濃度差が生じる。
【００３２】
図３に、古典分子動力学法を用いて計算した結晶状態及び溶融状態における、シリコン中での炭素原子及び水素原子の拡散係数を示す。図３において、横軸は温度（℃）を示し、縦軸は炭素原子又は水素原子の拡散係数（ｃｍ２／ｓ）を示している。また、黒塗り丸印が水素原子の拡散係数を示し、白塗りの丸印が炭素原子の拡散係数を示す。シリコンの融点は１４１０℃であるため、図３において１４１０℃未満の領域では、結晶状態での原子の拡散係数を表し、１４１０℃以上の領域では、溶融状態での原子の拡散係数を表している。
【００３３】
図３より、結晶シリコン中の炭素原子の拡散係数は、１×１０−９ｃｍ２／ｓ以下と著しく小さく、炭素原子は結晶シリコン中で殆ど拡散しない。一方で、シリコンが溶融した状態における炭素原子の拡散係数は、結晶シリコン中と比較して１０４倍以上上昇している。レーザ光を照射した単結晶半導体層が、表面から下地の絶縁層との界面まで溶融され、液体状態となっている（以下、完全溶融状態）場合には、単結晶半導体層の膜厚方向全体で概略一様の拡散係数を有するため、炭素濃度も均一となる。一方、レーザ光を照射した単結晶半導体層のうち、上層が溶融して液相となり、下層は溶けずに固相の単結晶半導体のまま（以下、部分溶融状態）の場合、上層と下層では１０４倍以上の拡散係数の相違を有しており、この拡散係数の違いによって固液界面近傍の領域で炭素濃度の濃度差が現れる。
【００３４】
また、図３より、結晶シリコン中の水素原子の拡散係数は、最大で１×１０−５ｃｍ２／ｓ程度であるから、結晶シリコン中の水素原子は表面近傍の原子の一部が大気中に放出されるのみで、膜全体の水素原子の濃度変化は小さいといえる。一方、シリコンが溶融した状態における水素原子の拡散係数は、結晶状態と比較して１０倍以上であり、大気中への放出が起こりやすい。レーザ光を照射した単結晶半導体層が完全溶融状態の場合、表面付近の水素原子は大気中に放出されやすくなり、下地の絶縁層付近の水素原子は直接大気中に放出はされないが、表面付近と絶縁層付近の層の勾配を小さくし、均一化する様に移動する。そのため、単結晶半導体層全体の水素原子濃度は、レーザ光を照射する前よりも大きく減少する。一方、レーザ光を照射した単結晶半導体膜が部分溶融状態の場合、表面付近の水素原子は拡散係数が大きいため、大気中に放出され濃度が減少するが、固相部分の水素原子は拡散係数が小さいため、液相と比較して濃度変化は小さい。そのため、単結晶半導体層全体の水素原子濃度が均一化せず、濃度差が現れる。
【００３５】
したがって、再結晶化後の単結晶半導体層の水素原子及び炭素原子の濃度分布より、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層の溶融状態を判定することができる。図２に示したＳＩＭＳ測定結果では、条件Ａと条件Ｂでは炭素濃度の濃度差（極大）を有し、条件Ｃでは極大を有さないため、条件Ａ及びＢが部分溶融状態、条件Ｃが完全溶融状態であることがわかる。また、炭素原子は結晶状態では殆ど拡散しないため、炭素濃度の濃度差が現れる領域付近、すなわち、極大付近が固液界面と近似できる。
【００３６】
また、水素原子は炭素原子よりも拡散係数が大きく、部分溶融状態では、水素原子は溶融された領域と、当該領域からの熱伝導により水素ガスが放出する温度以上に加熱された領域と、で濃度が減少する。従って、炭素原子と比較して濃度の変化は緩やかなショルダーピークとなり、また、その位置は固液界面よりも下方（絶縁層との界面方向）にずれる。なお、条件Ｂのように固液界面が絶縁膜との界面に近づくと、単結晶半導体層の全体で水素ガスが放出する温度以上に加熱されて、単結晶半導体層全体で水素原子が概略均一に拡散する為、濃度差が現れなくなる。単結晶半導体層の濃度分布において炭素濃度が極大を有し、当該炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークは有さない場合、レーザ光を照射した際の単結晶半導体層は、下部絶縁層との界面近傍まで溶融した部分溶融状態であるということができる。
【００３７】
以下、本明細書においては、再結晶化後の単結晶半導体層が、炭素濃度の極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有する部分溶融状態を、狭義の部分溶融状態とし、再結晶化後の単結晶半導体層が、炭素濃度の極大を有し、且つ当該極大と対応する水素濃度のショルダーピークを有さない部分溶融状態を準完全溶融状態として表記するものとする。準完全溶融状態の単結晶半導体層は、下部絶縁層との界面近傍まで溶融している。例えば、本実施の形態においては、条件Ａにてレーザ光を照射した場合の単結晶半導体層の溶融状態が狭義の部分溶融状態であり、条件Ｂにてレーザ光を照射した場合の単結晶半導体層の溶融状態が準完全溶融状態である。
【００３８】
レーザ光の照射により単結晶半導体層の欠陥を低減させる場合には、狭義の部分溶融状態、又は、準完全溶融状態とすることが好ましい。完全溶融状態とした場合には、液相となった後の無秩序な核発生により、単結晶半導体層の一部の領域が微結晶化し、結晶性が低下するためである。
【００３９】
一方で、狭義の部分溶融状態とした場合には、溶融されていない固体の領域から結晶成長が進行するため、結晶性を保ったまま欠陥を低減することができる。また、準完全溶融状態とした場合には、下部絶縁層との界面付近において、溶融していない固体が、わずかに残存しており、これを種結晶として結晶成長が進行する。このため、下部絶縁層との界面付近からの固化により、結晶性を低下させることなく欠陥を低減することができる。単結晶半導体層を準完全溶融状態とすることで、結晶欠陥が単結晶半導体層と下部絶縁層との界面付近まで存在する場合であっても、当該欠陥を修復し、単結晶半導体層の結晶性を回復させることが可能になる。
【００４０】
上述の半導体基板における単結晶半導体層の欠陥を低減させ、結晶性を向上させるという目的においては、レーザ光を照射した単結晶半導体層が部分溶融状態のとき、単結晶半導体層の結晶性が良好であり、準完全溶融状態のときに特に良好である。すなわち、レーザ光を照射した後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度の分布において、炭素濃度が極大を有するときは、単結晶半導体層の結晶性が優れており、炭素濃度が極大を有し、且つ、水素濃度が当該極大に対応するショルダーピークを有さないときは、単結晶半導体層の結晶性が特に優れているということができる。また、炭素濃度の極大の位置は、部分溶融状態における固液界面と近似することができるため、極大が下部絶縁層との界面から２０ｎｍ以内好ましくは１０ｎｍ以内の領域に存在する場合、単結晶半導体層の結晶性は良好であるということができる。
【００４１】
以上示したように、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布を測定し、単結晶半導体層の溶融状態を判定することで、極めて簡便な方法で再結晶化後の単結晶半導体層の結晶性を評価することができる。
【００４２】
また、本発明に係る評価方法を用いることで、レーザ光の照射条件の最適化が容易となるため、結晶性の良好な単結晶半導体層を効率よく作製することができる。
【００４３】
例えば、ｎ（ｎ≧２）層の単結晶半導体層をレーザ処理してｎ（ｎ≧２）枚の半導体基板を作製する場合、ｎ枚のうち１枚をモニタ基板として、単結晶半導体層の複数の領域に互いに異なるエネルギー密度条件にてレーザ光を照射した後、本実施の形態で示した結晶性評価方法を用いて再結晶化後の単結晶半導体層の結晶性を評価する。そして、その評価方法を用いて検出した最適なレーザ光の照射条件を用いて（ｎ−１）枚にレーザ光を照射する。これによって、結晶性の良好な単結晶半導体層を有する（ｎ−１）枚の半導体基板を効率よく作製することが可能となる。
【００４４】
また、最適なレーザ光の照射強度を選択することで、半導体基板の作製工程において単結晶半導体層が微結晶化した不良基板の発生を抑制することが可能となる。よって、良好な単結晶半導体層を有する半導体基板を低いコストで作製することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態は他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１の評価方法を用いた半導体基板の作製方法について、図４を参照して説明する。
【００４７】
はじめに、ｎ（ｎ≧２）枚のベース基板１１０を用意する（図４（Ａ）参照）。ベース基板１１０には、液晶表示装置などに使用されている透光性を有するガラス基板を好ましく用いることができる。ガラス基板としては、歪み点が５８０℃以上６８０℃以下（好ましくは、６００℃以上６８０℃以下）であるものを用いると良い。また、ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられている。
【００４８】
なお、ベース基板１１０としては、ガラス基板の他、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶縁体でなる基板、珪素などの半導体でなる基板、金属やステンレスなどの導電体でなる基板などを用いることもできる。
【００４９】
本実施の形態においては示さないが、ベース基板１１０の表面に絶縁層を形成しても良い。該絶縁層を設けることにより、ベース基板１１０に不純物（アルカリ金属やアルカリ土類金属など）が含まれている場合には、当該不純物が半導体層へ拡散することを防止できる。絶縁層は単層構造でも良いし積層構造でも良い。絶縁層を構成する材料としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを挙げることができる。
【００５０】
次に、ｎ（ｎ≧２）枚の単結晶半導体基板１００を用意する。単結晶半導体基板１００としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコンなどの第４属元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。もちろん、ガリウムヒ素、インジウムリンなどの化合物半導体でなる基板を用いてもよい。本実施の形態においては、単結晶半導体基板１００として、単結晶シリコン基板を用いることとする。単結晶半導体基板１００の形状やサイズに制限は無いが、例えば、８インチ（２００ｍｍ）、１２インチ（３００ｍｍ）、１８インチ（４５０ｍｍ）といった円形の半導体基板を、矩形に加工して用いることができる。なお、本明細書において、単結晶とは、結晶構造が一定の規則性を持って形成されており、どの部分においても結晶軸が同じ方向を向いているものをいう。つまり、欠陥の多少については問わないものとする。
【００５１】
単結晶半導体基板１００を洗浄した後、単結晶半導体基板１００表面に絶縁層を形成する。絶縁層を設けない構成とすることもできるが、後のイオン打ち込みの際の単結晶半導体基板１００の汚染及び表面の損傷を防ぐためには、絶縁層を設けることが好ましい。
【００５２】
次に、上記絶縁層を介して、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを単結晶半導体基板１００に照射し、単結晶半導体基板１００の表面から所定の深さの領域に、脆化層１０２を形成する。脆化層１０２が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって制御することができる。ここで、脆化層１０２は、イオンの平均侵入深さと同程度の深さの領域に形成されることになる。
【００５３】
上述の脆化層１０２が形成される深さにより、単結晶半導体基板１００から分離される半導体層の厚さが決定される。脆化層１０２が形成される深さは、単結晶半導体基板１００の表面から５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００５４】
イオンを単結晶半導体基板１００に打ち込む際には、イオン注入装置又はイオンドーピング装置を用いることができる。イオン注入装置では、ソースガスを励起してイオン種を生成し、生成されたイオン種を質量分離して、所定の質量を有するイオン種を被処理物に注入する。イオンドーピング装置は、プロセスガスを励起してイオン種を生成し、生成されたイオン種を質量分離せずに被処理物に打ち込む。なお、質量分離装置を備えているイオンドーピング装置では、イオン注入装置と同様に、質量分離を伴うイオンの注入を行うこともできる。本明細書において、イオン注入装置又はイオンドーピング装置のいずれか一方を特に用いる必要がある場合にのみそれを明記し、特に明記しないときは、いずれの装置を用いてイオンの打ち込みを行っても良いこととする。
【００５５】
イオンドーピング装置を用いる場合のイオンの打ち込み工程は、例えば、以下の条件で行うことができる。
・加速電圧  １０ｋＶ以上１００ｋＶ以下（好ましくは３０ｋＶ以上８０ｋＶ以下）
・ドーズ量  １×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上４×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下
・ビーム電流密度  ２μＡ／ｃｍ２以上（好ましくは５μＡ／ｃｍ２以上、より好ましくは１０μＡ／ｃｍ２以上）
【００５６】
イオンドーピング装置を用いる場合、イオンの打ち込み工程のソースガスには水素を含むガスを用いることができる。該ガスを用いることによりイオン種としてＨ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋を生成することができる。該ガスをソースガスとして用いる場合には、Ｈ３＋を多く打ち込むことが好ましい。具体的には、イオンビームに、Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋の総量に対してＨ３＋イオンが７０％以上含まれるようにすることが好ましい。また、Ｈ３＋イオンの割合を８０％以上とすることがより好ましい。このようにＨ３＋の割合を高めておくことで、脆化層１０２に１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度で水素を含ませることが可能である。これにより、脆化層１０２からの剥離が容易になる。また、Ｈ３＋イオンを多く打ち込むことで、Ｈ＋、Ｈ２＋を打ち込むよりもイオンの打ち込み効率が向上する。つまり、打ち込みにかかる時間を短縮することができる。
【００５７】
イオン注入装置を用いる場合には、質量分離により、Ｈ３＋イオンが注入されるようにすることが好ましい。もちろん、Ｈ２＋を注入してもよい。ただし、イオン注入装置を用いる場合には、イオン種を選択して注入するため、イオンドーピング装置を用いる場合と比較して、イオン打ち込みの効率が低下する場合がある。
【００５８】
上記の脆化層１０２を形成した後、絶縁層を除去し、新たに絶縁層１１１を形成する（図４（Ｂ）参照）。ここで、絶縁層を除去するのは、上記のイオン打ち込みの際に、絶縁層が損傷している可能性が高いためである。なお、絶縁層の損傷が問題とならない場合には絶縁層を除去する必要はない。
【００５９】
絶縁層１１１は、貼り合わせにおけるボンディング（接合）を形成する層であるから、その表面は、高い平坦性を有していることが好ましい。このような絶縁層１１１としては、例えば、有機シランガスを用いて化学気相成長法により形成される酸化珪素膜を用いることができる。なお、本実施の形態においては絶縁層１１１を単層構造としたが、２層以上の積層構造としても良い。
【００６０】
また、絶縁層１１１は、単結晶半導体基板１００を、酸化性雰囲気下において熱処理することにより形成してもよい。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加した酸化を行うことが好ましい。ハロゲンを添加して熱酸化を行うことにより形成された絶縁層中にはハロゲンが含まれており、ハロゲンは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度で含まれることにより金属等の不純物を捕獲して単結晶半導体基板１００の汚染を防止する保護膜としての機能を発現させることができる。
【００６１】
その後、上記のｎ枚のベース基板１１０とｎ枚の単結晶半導体基板１００とをそれぞれ貼り合わせる（図４（Ｃ）参照）。具体的には、ベース基板１１０及び絶縁層１１１の表面を超音波洗浄などの方法で洗浄した後、ベース基板１１０の表面と絶縁層１１１の表面とが接触するように配置し、ベース基板１１０の表面と絶縁層１１１の表面とでボンディング（接合）が形成されるように加圧処理を施す。ボンディングの形成には、ファン・デル・ワールス力や水素結合が関与しているものと考えられている。なお、１枚のベース基板上に、２枚以上の単結晶半導体基板を貼り合わせても構わない。
【００６２】
ボンディングを形成する前に、ベース基板１１０又は絶縁層１１１の表面を酸素プラズマ処理又はオゾン処理して、その表面を親水性にしても良い。この処理によって、ベース基板１１０又は絶縁層１１１の表面に水酸基が付加されるため、水素結合を効率よく形成することができる。
【００６３】
次に、貼り合わせられたベース基板１１０及び単結晶半導体基板１００に対して加熱処理を施して、貼り合わせを強固なものとする。この際の加熱温度は、脆化層１０２における分離が進行しない温度とする必要がある。例えば、４００℃未満、好ましくは３００℃以下とすることができる。加熱処理時間については特に限定されず、処理速度と貼り合わせ強度との関係から最適な条件を適宜設定すればよい。本実施の形態においては、２００℃、２時間の加熱処理を施すこととする。ここで、貼り合わせに係る領域のみにマイクロ波を照射して、局所的に加熱することも可能である。なお、貼り合わせ強度に問題がない場合は、上記加熱処理を省略しても良い。
【００６４】
次に、単結晶半導体基板１００を、脆化層１０２にて、単結晶半導体層１１２と単結晶半導体基板１１８とに分離する（図４（Ｄ）参照）。単結晶半導体基板１００の分離は、加熱処理により行う。該加熱処理の温度は、ベース基板１１０の耐熱温度を目安にすることができる。例えば、ベース基板１１０としてガラス基板を用いる場合には、加熱温度は４００℃以上６５０℃以下とすることが好ましい。ただし、短時間であれば、４００℃以上７００℃以下の加熱処理を行っても良い。なお、本実施の形態においては、６００℃、２時間の加熱処理を施すこととする。
【００６５】
上述のような加熱処理を行うことにより、脆化層１０２に形成された微小な空孔の体積変化が生じ、脆化層１０２に亀裂が生ずる。その結果、脆化層１０２に沿って単結晶半導体基板１００が劈開する。絶縁層１１１はベース基板１１０と貼り合わせられているので、ベース基板１１０上には単結晶半導体基板１００から分離された単結晶半導体層１１２が固定される。また、この加熱処理で、ベース基板１１０と絶縁層１１１の貼り合わせに係る界面が加熱されるため、貼り合わせに係る界面に共有結合が形成され、ベース基板１１０と絶縁層１１１の結合力が一層向上する。
【００６６】
その後、単結晶半導体層１１２の欠陥の低減などを目的として、単結晶半導体層１１２にレーザ光１１３を照射する（図４（Ｅ）参照）。ここで、実施の形態１で示した結晶性評価方法を用いることで、レーザ光１１３の照射条件を簡便に最適化することができる。すなわち、第１の単結晶半導体層が設けられた第１のベース基板をモニタ基板として用い、このモニタ基板に対して複数のエネルギー密度条件でレーザ光を照射し、レーザ光を照射後の単結晶半導体層の炭素濃度及び水素濃度深さ方向の濃度分布を測定する。次いで、モニタ基板を用いて検出した最適のエネルギー密度で、（ｎ−１）層の単結晶半導体層にレーザ光を照射する。
【００６７】
上記レーザ光１１３の照射には、パルス発振レーザを用いることが好ましい。これは、瞬間的に高エネルギーのパルスレーザ光を発振することができ、部分溶融状態を作り出すことが容易となるためである。発振周波数は、１Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下程度とすることが好ましい。より好ましくは、１０Ｈｚ以上１ＭＨｚ以下である。上述のパルス発振レーザとしては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、エキシマ（ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ）レーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ等を用いることができる。なお、上記レーザ光１１３の照射にはパルス発振レーザを用いることが好ましいが、これに限定して解釈されるものではない。すなわち、連続発振レーザの使用を除外するものではない。なお、連続発振レーザとしては、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、ＧｄＶＯ４レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、ヘリウムカドミウムレーザ等がある。
【００６８】
レーザ光１１３の波長は、単結晶半導体層１１２に吸収される波長とする必要がある。その波長は、レーザ光の侵入長などを考慮して決定すればよい。例えば、単結晶半導体層１１２が単結晶シリコン層である場合には、２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲とすることができる。また、レーザ光１１３のエネルギー密度は、レーザ光１１３の波長、単結晶半導体層１１２の材料、単結晶半導体層１１２の膜厚などを考慮して決定することができる。レーザ光１１３のエネルギー密度は、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ２以上８００ｍＪ／ｃｍ２以下の範囲とすることができる。これらの条件についても、実施の形態１の評価方法を用いて最適化することができる。
【００６９】
レーザ光１１３の照射は、大気雰囲気のような酸素を含む雰囲気、または窒素雰囲気のような不活性雰囲気で行うことができる。不活性雰囲気中でレーザ光１１３を照射するには、気密性のあるチャンバー内でレーザ光１１３を照射し、このチャンバー内の雰囲気を制御すればよい。チャンバーを用いない場合は、レーザ光１１３の被照射面に窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けることで、窒素雰囲気を形成することもできる。その他、レーザ光１１３の照射は真空中で行っても良い。
【００７０】
上述のようにレーザ光１１３を照射した後には、単結晶半導体層１１２の膜厚を小さくする薄膜化工程を行っても良い。単結晶半導体層１１２の薄膜化には、ドライエッチングまたはウエットエッチングの一方、または双方を組み合わせたエッチング処理（エッチバック処理）を適用すればよい。例えば、単結晶半導体層１１２がシリコン材料からなる層である場合、ＳＦ６と０２をプロセスガスに用いたドライエッチング処理で、単結晶半導体層１１２を薄くすることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、レーザ光の照射により平坦化等した後でエッチング処理を行う例を挙げたが、本発明はこれに限定して解釈されるものではない。例えば、レーザ光の照射前にエッチング処理を行ってもよい。この場合には、エッチング処理により半導体層表面の凹凸や欠陥をある程度低減することができる。また、レーザ光の照射前及び照射後の両方に上記処理を適用しても良い。また、レーザ光の照射と上記処理を交互に繰り返しても良い。このように、レーザ光の照射とエッチング処理を組み合わせて用いることにより、半導体層表面の凹凸、欠陥等を著しく低減することができる。もちろん、上述のエッチング処理や加熱処理などを常に用いる必要はない。
【００７２】
以上により、表面の平坦性が向上し、欠陥が低減された単結晶半導体層１２０（単結晶シリコン半導体層）を有する半導体基板を作製することができる（図４（Ｆ）参照）。
【００７３】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００７４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図５乃至７を参照して、上述の半導体基板を用いた半導体装置の作製方法について説明する。ここでは、半導体装置の一例として複数のトランジスタからなる半導体装置の作製方法について説明することとする。なお、以下において示すトランジスタを組み合わせて用いることで、様々な半導体装置を形成することができる。
【００７５】
図５（Ａ）は、実施の形態２により作製した半導体基板の断面図である。ただし、本実施の形態においては、実施の形態２における絶縁層１１１を２層構造とした場合について示すこととする。
【００７６】
単結晶半導体層１２０には、ＴＦＴのしきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのｐ型不純物、若しくはリン、砒素などのｎ型不純物を添加しても良い。不純物を添加する領域、および添加する不純物の種類は、適宜変更することができる。例えば、ｎチャネル型ＴＦＴの形成領域にはｐ型不純物を添加し、ｐチャネル型ＴＦＴの形成領域にｎ型不純物を添加することができる。上述の不純物を添加する際には、ドーズ量が１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下程度となるように行えばよい。その後、単結晶半導体層１２０を島状に分離して、半導体層７０２、及び半導体層７０４を形成する（図５（Ｂ）参照）。
【００７７】
次に、半導体層７０２と半導体層７０４を覆うように、ゲート絶縁層７０６を形成する（図５（Ｃ）参照）。ここでは、プラズマＣＶＤ法を用いて、酸化珪素膜を単層で形成することとする。その他にも、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等を含む膜を、単層構造又は積層構造で形成することによりゲート絶縁層７０６としても良い。
【００７８】
プラズマＣＶＤ法以外の作製方法としては、スパッタリング法や、高密度プラズマ処理による酸化または窒化による方法が挙げられる。高密度プラズマ処理は、例えば、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などガスの混合ガスを用いて行う。この場合、プラズマの励起をマイクロ波の導入により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル（ＯＨラジカルを含む場合もある）や窒素ラジカル（ＮＨラジカルを含む場合もある）によって、半導体層の表面を酸化または窒化することにより、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、望ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁層を半導体層に接するように形成する。
【００７９】
上述した高密度プラズマ処理による半導体層の酸化または窒化は固相反応であるため、ゲート絶縁層７０６と半導体層７０２及び半導体層７０４との界面準位密度をきわめて低くすることができる。また、高密度プラズマ処理により半導体層を直接酸化または窒化することで、形成される絶縁層の厚さのばらつきを抑えることが出来る。また、半導体層が結晶性を有するため、高密度プラズマ処理を用いて半導体層の表面を固相反応で酸化させる場合であっても、結晶粒界における不均一な酸化を抑え、均一性が良く、界面準位密度の低いゲート絶縁層を形成することができる。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁層をトランジスタのゲート絶縁層の一部または全部に用いることで、特性のばらつきを抑制することができる。
【００８０】
プラズマ処理による絶縁層の作製方法のより具体的な一例について説明する。亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を、アルゴン（Ａｒ）を用いて１倍以上３倍以下（流量比）に希釈し、１０Ｐａ以上３０Ｐａ以下の圧力下で３ｋＷ以上５ｋＷ以下のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して、半導体層７０２と半導体層７０４の表面を酸化または窒化させる。この処理により１ｎｍ以上１０ｎｍ以下（好ましくは２ｎｍ以上６ｎｍ以下）のゲート絶縁層７０６の下層を形成する。さらに、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とシラン（ＳｉＨ４）を導入し、１０Ｐａ以上３０Ｐａ以下の圧力下で３ｋＷ以上５ｋＷ以下のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して気相成長法により酸化窒化シリコン膜を形成し、ゲート絶縁層７０６の上層とする。このように、固相反応と気相成長法を組み合わせてゲート絶縁層７０６を形成することにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁層７０６を形成することができる。なお、この場合においてゲート絶縁層７０６は２層構造となる。
【００８１】
或いは、半導体層７０２と半導体層７０４を熱酸化させることで、ゲート絶縁層７０６を形成するようにしても良い。このような熱酸化を用いる場合には、耐熱性の比較的高いベース基板を用いることが好ましい。
【００８２】
なお、水素を含むゲート絶縁層７０６を形成し、その後、３５０℃以上４５０℃以下の温度による加熱処理を行うことで、ゲート絶縁層７０６中に含まれる水素を半導体層７０２及び半導体層７０４中に拡散させるようにしても良い。この場合、ゲート絶縁層７０６として、プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることができる。なお、プロセス温度は３５０℃以下とすると良い。このように、半導体層７０２及び半導体層７０４に水素を供給することで、半導体層７０２中、半導体層７０４中、ゲート絶縁層７０６と半導体層７０２の界面、及びゲート絶縁層７０６と半導体層７０４の界面における欠陥を効果的に低減することができる。
【００８３】
次に、ゲート絶縁層７０６上に導電層を形成した後、該導電層を所定の形状に加工（パターニング）することで、半導体層７０２と半導体層７０４の上方に電極７０８を形成する（図５（Ｄ）参照）。導電層の形成にはＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。導電層は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）等の材料を用いて形成することができる。また、上記金属を主成分とする合金材料を用いても良いし、上記金属を含む化合物を用いても良い。または、半導体に導電性を付与する不純物元素をドーピングした多結晶珪素など、半導体材料を用いて形成しても良い。
【００８４】
本実施の形態では電極７０８を単層の導電層で形成しているが、本発明の半導体装置は該構成に限定されない。電極７０８は積層された複数の導電層で形成されていても良い。２層構造とする場合には、例えば、モリブデン膜、チタン膜、窒化チタン膜等を下層に用い、上層にはアルミニウム膜などを用いればよい。３層構造の場合には、モリブデン膜とアルミニウム膜とモリブデン膜の積層構造や、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜の積層構造などを採用するとよい。
【００８５】
なお、電極７０８を形成する際に用いるマスクは、酸化珪素や窒化酸化珪素等の材料を用いて形成してもよい。この場合、酸化珪素膜や窒化酸化珪素膜等をパターニングしてマスクを形成する工程が加わるが、レジスト材料と比較して、エッチング時におけるマスクの膜減りが少ないため、より正確な形状の電極７０８を形成することができる。また、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的に電極７０８を形成しても良い。ここで、液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を吐出または噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。
【００８６】
また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用い、エッチング条件（コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節し、所望のテーパー形状を有するように導電層をエッチングすることで、電極７０８を形成することもできる。また、テーパー形状は、マスクの形状によって制御することもできる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素もしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガス又は酸素などを適宜用いることができる。
【００８７】
次に、電極７０８をマスクとして、一導電型を付与する不純物元素を半導体層７０２、半導体層７０４に添加する（図６（Ａ）参照）。本実施の形態では、半導体層７０２にｎ型を付与する不純物元素（例えばリンまたはヒ素）を、半導体層７０４にｐ型を付与する不純物元素（例えばボロン）を添加する。なお、ｎ型を付与する不純物元素を半導体層７０２に添加する際には、ｐ型の不純物が添加される半導体層７０４はマスク等で覆い、ｎ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、ｐ型を付与する不純物元素を半導体層７０４に添加する際には、ｎ型の不純物が添加される半導体層７０２はマスク等で覆い、ｐ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。又は、半導体層７０２及び半導体層７０４に、ｐ型を付与する不純物元素又はｎ型を付与する不純物元素の一方を添加した後、一方の半導体層のみに、より高い濃度でｐ型を付与する不純物元素又はｎ型を付与する不純物元素の他方を添加するようにしても良い。上記不純物の添加により、半導体層７０２に不純物領域７１０、半導体層７０４に不純物領域７１２が形成される。
【００８８】
次に、電極７０８の側面にサイドウォール７１４を形成する（図６（Ｂ）参照）。サイドウォール７１４は、例えば、ゲート絶縁層７０６及び電極７０８を覆うように新たに絶縁層を形成し、垂直方向を主体とした異方性エッチングにより、該絶縁層を部分的にエッチングすることで形成することができる。なお、上記の異方性エッチングにより、ゲート絶縁層７０６を部分的にエッチングしても良い。サイドウォール７１４を形成するための絶縁層としては、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等により、珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、有機材料などを含む膜を、単層構造又は積層構造で形成すれば良い。本実施の形態では、膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜をプラズマＣＶＤ法によって形成する。また、エッチングガスとしては、ＣＨＦ３とヘリウムの混合ガスを用いることができる。なお、サイドウォール７１４を形成する工程は、これらに限定されるものではない。
【００８９】
次に、ゲート絶縁層７０６、電極７０８及びサイドウォール７１４をマスクとして、半導体層７０２、半導体層７０４に一導電型を付与する不純物元素を添加する（図６（Ｃ）参照）。なお、半導体層７０２、半導体層７０４には、それぞれ先の工程で添加した不純物元素と同じ導電型の不純物元素をより高い濃度で添加する。なお、ｎ型を付与する不純物元素を半導体層７０２に添加する際には、ｐ型の不純物が添加される半導体層７０４はマスク等で覆い、ｎ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。また、ｐ型を付与する不純物元素を半導体層７０４に添加する際には、ｎ型の不純物が添加される半導体層７０２はマスク等で覆い、ｐ型を付与する不純物元素の添加が選択的に行われるようにする。
【００９０】
上記不純物元素の添加により、半導体層７０２に、一対の高濃度不純物領域７１６と、一対の低濃度不純物領域７１８と、チャネル形成領域７２０とが形成される。また、上記不純物元素の添加により、半導体層７０４に、一対の高濃度不純物領域７２２と、一対の低濃度不純物領域７２４と、チャネル形成領域７２６とが形成される。高濃度不純物領域７１６、高濃度不純物領域７２２はソース又はドレインとして機能し、低濃度不純物領域７１８、低濃度不純物領域７２４はＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。
【００９１】
なお、半導体層７０２上に形成されたサイドウォール７１４と、半導体層７０４上に形成されたサイドウォール７１４は、キャリアが移動する方向（いわゆるチャネル長に平行な方向）の長さが同じになるように形成しても良いが、異なるように形成しても良い。ｐチャネル型トランジスタとなる半導体層７０４上のサイドウォール７１４の長さは、ｎチャネル型トランジスタとなる半導体層７０２上のサイドウォール７１４の長さよりも大きくすると良い。なぜならば、ｐチャネル型トランジスタにおいてソース及びドレインを形成するために注入されるボロンは拡散しやすく、短チャネル効果を誘起しやすいためである。ｐチャネル型トランジスタにおいて、サイドウォール７１４の長さをより大きくすることで、ソース及びドレインに高濃度のボロンを添加することが可能となり、ソース及びドレインを低抵抗化することができる。
【００９２】
ソース及びドレインをさらに低抵抗化するために、半導体層７０２及び半導体層７０４の一部をシリサイド化したシリサイド層を形成しても良い。シリサイド化は、半導体層に金属を接触させ、加熱処理（例えば、ＧＲＴＡ法、ＬＲＴＡ法等）により、半導体層中の珪素と金属とを反応させて行う。シリサイド層としては、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドを用いれば良い。半導体層７０２や半導体層７０４が薄い場合には、半導体層７０２、半導体層７０４の底部までシリサイド反応を進めても良い。シリサイド化に用いることができる金属材料としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、Ｈｆ（ハフニウム）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ネオジム（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられる。また、レーザ光の照射などによってもシリサイド層を形成することができる。
【００９３】
上述の工程により、ｎチャネル型トランジスタ７２８及びｐチャネル型トランジスタ７３０が形成される。なお、図６（Ｃ）に示す段階では、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電層は形成されていないが、これらのソース電極又はドレイン電極として機能する導電層を含めてトランジスタと呼ぶこともある。
【００９４】
次に、ｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０を覆うように絶縁層７３２を形成する（図６（Ｄ）参照）。絶縁層７３２は必ずしも設ける必要はないが、絶縁層７３２を形成することで、アルカリ金属やアルカリ土類金属などの不純物がｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０に侵入することを防止できる。具体的には、絶縁層７３２を、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いて形成するのが望ましい。本実施の形態では、膜厚６００ｎｍ程度の窒化酸化珪素膜を、絶縁層７３２として用いる。この場合、上述の水素化の工程は、該窒化酸化珪素膜形成後に行っても良い。なお、本実施の形態においては、絶縁層７３２を単層構造としているが、積層構造としても良いことはいうまでもない。例えば、２層構造とする場合には、酸化窒化珪素膜と窒化酸化珪素膜との積層構造とすることができる。
【００９５】
次に、ｎチャネル型トランジスタ７２８、ｐチャネル型トランジスタ７３０を覆うように、絶縁層７３２上に絶縁層７３４を形成する。絶縁層７３４は、ポリイミド、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いて形成するとよい。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）、アルミナ等を用いることもできる。ここで、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は、置換基に水素の他、フッ素、アルキル基、芳香族炭化水素から選ばれる一を有していても良い。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層７３４を形成しても良い。
【００９６】
絶縁層７３４の形成には、その材料に応じて、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【００９７】
次に、半導体層７０２と半導体層７０４の一部が露出するように絶縁層７３２及び絶縁層７３４にコンタクトホールを形成する。そして、該コンタクトホールを介して半導体層７０２と半導体層７０４に接する導電層７３６、導電層７３８を形成する（図７（Ａ）参照）。導電層７３６及び導電層７３８は、トランジスタのソース電極又はドレイン電極として機能する。なお、本実施の形態においては、コンタクトホール開口時のエッチングに用いるガスとしてＣＨＦ３とＨｅの混合ガスを用いたが、これに限定されるものではない。
【００９８】
導電層７３６、導電層７３８は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成することができる。具体的には、導電層７３６、導電層７３８として、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ネオジム（Ｎｄ）、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）等を用いることができる。また、上記材料を主成分とする合金を用いても良いし、上記材料を含む化合物を用いても良い。また、導電層７３６、導電層７３８は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【００９９】
アルミニウムを主成分とする合金の例としては、アルミニウムを主成分として、ニッケルを含むものを挙げることができる。また、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素または珪素の一方または両方を含むものを挙げることができる。アルミニウムやアルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）は抵抗値が低く、安価であるため、導電層７３６、導電層７３８を形成する材料として適している。特に、アルミニウムシリコンは、パターニングの際のレジストベークによるヒロックの発生を抑制することができるため好ましい。また、珪素の代わりに、アルミニウムに０．５％程度のＣｕを混入させた材料を用いても良い。
【０１００】
導電層７３６、導電層７３８を積層構造とする場合には、例えば、バリア膜とアルミニウムシリコン膜とバリア膜の積層構造、バリア膜とアルミニウムシリコン膜と窒化チタン膜とバリア膜の積層構造などを採用するとよい。なお、バリア膜とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデンまたはモリブデンの窒化物などを用いて形成された膜である。バリア膜の間にアルミニウムシリコン膜を挟むように導電層を形成すると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生をより一層防止することができる。また、還元性の高い元素であるチタンを用いてバリア膜を形成すると、半導体層７０２と半導体層７０４上に薄い酸化膜が形成されていたとしても、バリア膜に含まれるチタンが該酸化膜を還元し、導電層７３６と半導体層７０２、及び導電層７３８と半導体層７０４のコンタクトを良好なものとすることができる。また、バリア膜を複数積層するようにして用いても良い。その場合、例えば、導電層７３６、導電層７３８を、下層からチタン、窒化チタン、アルミニウムシリコン、チタン、窒化チタンのように、５層構造又はそれ以上の積層構造とすることもできる。
【０１０１】
また、導電層７３６、導電層７３８として、ＷＦ６ガスとＳｉＨ４ガスから化学気相成長法で形成したタングステンシリサイドを用いても良い。また、ＷＦ６を水素還元して形成したタングステンを、導電層７３６、導電層７３８として用いても良い。
【０１０２】
なお、導電層７３６はｎチャネル型トランジスタ７２８の高濃度不純物領域７１６に接続されている。導電層７３８はｐチャネル型トランジスタ７３０の高濃度不純物領域７２２に接続されている。
【０１０３】
図７（Ｂ）に、図７（Ａ）に示したｎチャネル型トランジスタ７２８及びｐチャネル型トランジスタ７３０の平面図を示す。ここで、図７（Ｂ）のＡ−Ｂにおける断面が図７（Ａ）に対応している。ただし、図７（Ｂ）においては、簡単のため、導電層７３６、導電層７３８、絶縁層７３２、絶縁層７３４等を省略している。
【０１０４】
なお、本実施の形態においては、ｎチャネル型トランジスタ７２８とｐチャネル型トランジスタ７３０が、それぞれゲート電極として機能する電極７０８を１つずつ有する場合を例示しているが、本実施の形態は該構成に限定されない。本実施の形態で作製されるトランジスタは、ゲート電極として機能する電極を複数有し、なおかつ該複数の電極が電気的に接続されているマルチゲート構造を有していても良い。
【０１０５】
本実施の形態では、機械的な研磨処理などを行う代わりに、レーザ光を照射して、単結晶半導体層の欠陥や表面凹凸を低減している。さらに、実施の形態１の評価方法を用いることにより、極めて簡便な方法によりレーザ光照射条件の最適化を実現している。これにより、欠陥が十分に低減された平坦性の高い半導体基板を提供することができ、且つ、その提供にかかるコストを抑えることができる。また、該半導体基板を用いることにより、高速動作が可能で、サブスレッショルド値が低く、電界効果移動度が高く、低電圧で駆動可能なトランジスタを低いコストで作製することができる。
【０１０６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１０７】
（実施の形態４）
上記実施の形態で示した半導体基板を用いてトランジスタ等の半導体装置を作製し、この半導体装置を用いてさまざまな電子機器を完成することができる。実施の形態２で示した半導体基板に設けられた単結晶半導体層は結晶欠陥が低減されているため、ゲート絶縁層との界面において、局在準位密度を低減させることが可能となる。この単結晶半導体層を活性層として用いることで、リーク電流が低減し、電気的特性が向上した半導体素子を製造することができる。すなわち、実施の形態２で示した半導体基板を用いることで、電流駆動能力が高く、かつ信頼性の高い半導体素子を作製することが可能になり、結果として、最終製品としての電子機器をスループット良く、良好な品質で作製することが可能になる。本実施の形態では、図面を用いて具体的な電子機器への適用例を説明する。
【０１０８】
半導体装置（特に表示装置）を用いて作製される電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオコンポ等）、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）などが挙げられる。
【０１０９】
図８（Ａ）はテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタである。筺体１００１、支持台１００２、表示部１００３、スピーカー部１００４、ビデオ入力端子１００５等を含む。表示部１００３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なテレビ受像器又はパーソナルコンピュータのモニタを低価格で提供することができる。
【０１１０】
図８（Ｂ）はデジタルカメラである。本体１０１１の正面部分には受像部１０１３が設けられており、本体１０１１の上面部分にはシャッターボタン１０１６が設けられている。また、本体１０１１の背面部分には、表示部１０１２、操作キー１０１４、及び外部接続ポート１０１５が設けられている。表示部１０１２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なデジタルカメラを低価格で提供することができる。
【０１１１】
図８（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータである。本体１０２１には、キーボード１０２４、外部接続ポート１０２５、ポインティングデバイス１０２６が設けられている。また、本体１０２１には、表示部１０２３を有する筐体１０２２が取り付けられている。表示部１０２３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なノート型パーソナルコンピュータを低価格で提供することができる。
【０１１２】
図８（Ｄ）はモバイルコンピュータであり、本体１０３１、表示部１０３２、スイッチ１０３３、操作キー１０３４、赤外線ポート１０３５等を含む。表示部１０３２にはアクティブマトリクス表示装置が設けられている。表示部１０３２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なモバイルコンピュータを低価格で提供することができる。
【０１１３】
図８（Ｅ）は画像再生装置である。本体１０４１には、表示部Ｂ１０４４、記録媒体読み込み部１０４５及び操作キー１０４６が設けられている。また、本体１０４１には、スピーカー部１０４７及び表示部Ａ１０４３それぞれを有する筐体１０４２が取り付けられている。表示部Ａ１０４３及び表示部Ｂ１０４４それぞれには、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な画像再生装置を低価格で提供することができる。
【０１１４】
図８（Ｆ）は電子書籍である。本体１０５１には操作キー１０５３が設けられている。また、本体１０５１には複数の表示部１０５２が取り付けられている。表示部１０５２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な電子書籍を低価格で提供することができる。
【０１１５】
図８（Ｇ）はビデオカメラであり、本体１０６１には外部接続ポート１０６４、リモコン受信部１０６５、受像部１０６６、バッテリー１０６７、音声入力部１０６８、操作キー１０６９が設けられている、また、本体１０６１には、表示部１０６２を有する筐体１０６３が取り付けられている。表示部１０６２には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能なビデオカメラを低価格で提供することができる。
【０１１６】
図８（Ｈ）は携帯電話であり、本体１０７１、筐体１０７２、表示部１０７３、音声入力部１０７４、音声出力部１０７５、操作キー１０７６、外部接続ポート１０７７、アンテナ１０７８等を含む。表示部１０７３には、上記実施の形態で示した半導体装置が用いられており、信頼性が高く高性能な携帯電話を低価格で提供することができる。
【０１１７】
図９は、電話としての機能と、情報端末としての機能を併せ持った携帯電子機器１１００の構成の一例である。ここで、図９（Ａ）は正面図、図９（Ｂ）は背面図、図９（Ｃ）は展開図である。携帯電子機器１１００は、電話と情報端末の双方の機能を備えており、音声通話以外にも様々なデータ処理が可能な、いわゆるスマートフォンと呼ばれる電子機器である。
【０１１８】
携帯電子機器１１００は、筐体１１０１及び筐体１１０２で構成されている。筐体１１０１は、表示部１１１１、スピーカー１１１２、マイクロフォン１１１３、操作キー１１１４、ポインティングデバイス１１１５、カメラ用レンズ１１１６、外部接続端子１１１７等を備え、筐体１１０２は、キーボード１１２１、外部メモリスロット１１２２、カメラ用レンズ１１２３、ライト１１２４、イヤフォン端子１１２５等を備えている。また、アンテナは筐体１１０１内部に内蔵されている。上記構成に加えて、非接触ＩＣチップ、小型記録装置等を内蔵していてもよい。
【０１１９】
表示部１１１１には、上記実施の形態で示した半導体装置が組み込まれている。なお、表示部１１１１に表示される映像（及びその表示方向）は、携帯電子機器１１００の使用形態に応じて様々に変化する。また、表示部１１１１と同一面にカメラ用レンズ１１１６を備えているため、映像を伴う音声通話（いわゆるテレビ電話）が可能である。なお、スピーカー１１１２及びマイクロフォン１１１３は音声通話に限らず、録音、再生等に用いることが可能である。カメラ用レンズ１１２３（及び、ライト１１２４）を用いて静止画及び動画の撮影を行う場合には、表示部１１１１はファインダーとして用いられることになる。操作キー１１１４は、電話の発信・着信、電子メール等の簡単な情報入力、画面のスクロール、カーソル移動等に用いられる。
【０１２０】
重なり合った筐体１１０１と筐体１１０２（図９（Ａ））は、スライドし、図９（Ｃ）のように展開し、情報端末として使用できる。この場合には、キーボード１１２１、ポインティングデバイス１１１５を用いた円滑な操作が可能である。外部接続端子１１１７はＡＣアダプタやＵＳＢケーブル等の各種ケーブルと接続可能であり、充電やコンピュータ等とのデータ通信を可能にしている。また、外部メモリスロット１１２２に記録媒体を挿入し、より大容量のデータの保存及び移動に対応できる。上記機能に加えて、赤外線などの電磁波を用いた無線通信機能や、テレビ受信機能等を有していても良い。上記実施の形態で示した半導体装置を搭載することで、信頼性が高く高性能な携帯電子機器を低価格で提供することができる。
【０１２１】
以上の様に、本実施の形態の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【０１２２】
本実施例では、図２で示した濃度分布を有する、条件Ａ乃至Ｃにてレーザ光を照射した単結晶半導体層の結晶性について、ＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ）法を用いて評価した結果を示す。
【０１２３】
本実施例において単結晶半導体層は、実施の形態１で図１を用いて説明した単結晶半導体層１１２と同様に、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板（商品名  ＡＮ１００）上に、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜がそれぞれ５０ｎｍ積層された絶縁膜を介して設けられた構成である。また、単結晶半導体層の膜厚は１００ｎｍとする。
【０１２４】
単結晶半導体層を作製するための単結晶半導体基板としては単結晶シリコンウエハが用いられている。単結晶シリコンウエハは、５インチ角の四角い基板である。その導電型はＰ型で、抵抗率が１０Ω・ｃｍ程度である。また、結晶方位は、主表面が（１００）であり、側面が＜１１０＞である。
【０１２５】
また、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜及び酸化シリコン膜は、ＰＥＣＶＤ法を用いて形成した。酸化窒化シリコン膜のプロセスガスは、ＳｉＨ４、およびＮ２Ｏであり、流量比は、ＳｉＨ４＼Ｎ２Ｏ＝４＼８００である。成膜工程の基板温度は４００℃である。窒化酸化シリコン膜のプロセスガスは、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、およびＨ２であり、流量比は、ＳｉＨ４＼ＮＨ３＼Ｎ２Ｏ＼Ｈ２＝１０＼１００＼２０＼４００ある。成膜工程の温度は３５０℃である。酸化シリコン膜の成膜用プロセスガスには、ＴＥＯＳ、およびＯ２を用い、その流量比は、ＴＥＯＳ＼Ｏ２＝１５＼７５０である。また、成膜工程の温度は３００℃である。
【０１２６】
単結晶シリコンウエハに脆化層を形成するために、イオンドーピング装置を用い、水素イオンを単結晶シリコンウエハに添加している。ソースガスには１００％水素ガスを用い、水素ガスを励起して生成されたプラズマ中のイオンを質量分離せずに、電界で加速して単結晶シリコンウエハ基板に照射して、脆化層を形成した。イオンドーピング装置において、水素ガスを励起することで、Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋という３種類のイオン種が生成され、この全てのイオン種を加速し、単結晶シリコンウエハに照射する。水素ガスから発生された水素イオン種のうち、８０％程度がＨ３＋である。
【０１２７】
本実施例において、水素イオンドーピングの条件は、電源出力１００Ｗ、加速電圧４０ｋＶ、ドーズ量２．２×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ３とした。
【０１２８】
ガラス基板と、絶縁層が形成された単結晶シリコンウエハと、を純水中で超音波洗浄し、その後、オゾンを含む純水で洗浄した。次いで、ガラス基板表面と単結晶シリコンウエハ表面に形成された酸化シリコン膜を密着させて、接合させた。次に、脆化層で劈開を生じさせるため、加熱炉において、２００℃、２時間の加熱処理を行い、ガラス基板と酸化シリコン膜の結合強度を向上させ、引き続き、加熱炉において、６００℃、４時間の加熱を行うことで、単結晶シリコンウエハを劈開させ、単結晶シリコン層を単結晶シリコンウエハから分離している。
【０１２９】
次に、１／１００に希釈されたフッ酸水溶液で単結晶シリコン層を処理して、表面に形成された自然酸化膜を除去した。次に、単結晶シリコン層にレーザ光を照射し、溶融させ、再結晶化させた。レーザ発振器には、波長３０８ｎｍのビームを発振するＸｅＣｌエキシマレーザを用いた。レーザビームのパルス幅２５ｎｓｅｃであり、繰り返し周波数３０Ｈｚである。上述したように、単結晶半導体層１１２の３領域に対し、レーザ光のエネルギー密度が互いに異なる３つの条件（条件Ａ乃至Ｃ）にてレーザ光照射処理を行った。条件Ａ乃至Ｃは以下の通りである。
条件Ａ．５６８ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｂ．５８４ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｃ．６００ｍＪ／ｃｍ２
【０１３０】
図１０にレーザ光１１３を照射した後の単結晶半導体層１１２の結晶性をＥＢＳＰ法にて測定した結果を示す。本測定において、測定範囲は４０μｍ×４０μｍとする。図１０（Ａ）は、条件Ａにてレーザ光１１３を照射した領域の単結晶半導体層１１２の結晶方位の分布を示すものであり、図１０（Ｂ）は条件Ｂにて、また、図１０（Ｃ）は条件Ｃにてレーザ光１１３を照射した領域の単結晶半導体層１１２の結晶方位の分布を示すものである。図１０（Ａ）乃至（Ｃ）は、単結晶半導体層１１２に対して垂直な方向の分布を示している。また、図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）乃至（Ｃ）における面方位を示す。
【０１３１】
図１０より、条件Ａ及び条件Ｂにてレーザ光１１３を照射した領域の単結晶半導体層１１２の結晶方位はほぼ一方向に揃い単結晶であると見なされる。前述したように、条件Ａ及び条件Ｂは、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有する条件、すなわち単結晶半導体層が部分溶融状態となる条件である。一方、条件Ｃにてレーザ光１１３を照射した領域の単結晶半導体層１１２は、結晶欠陥が非常に多く、一部に微結晶化している領域が存在していることがわかる。これは、条件Ｃにて照射した場合、単結晶半導体層が完全溶融して液相となった後、無秩序な核発生が起こったためと判断できる。
【０１３２】
図２に示した元素の濃度分布、及び図１０より、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有するとき、単結晶半導体層の結晶性が良好であることが示された。
【実施例２】
【０１３３】
本実施例では、レーザ光のエネルギー密度が異なる４つの条件（条件Ａ’、Ａ、Ｂ及びＣ’）にてレーザ光照射処理を行った単結晶半導体層の結晶性についてライフタイム測定を用いて評価した結果、及び当該単結晶半導体層を用いて作製したＴＦＴの特性を示す。
【０１３４】
本実施例において、レーザ光の照射条件は以下の通りである。
条件Ａ’．５４７ｍＪ／ｃｍ２
条件Ａ．５６８ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｂ．５８４ｍＪ／ｃｍ２
条件Ｃ’．６０８ｍＪ／ｃｍ２
【０１３５】
なお、本実施例において、レーザ光の照射条件以外の単結晶半導体層の構造及び作製方法は、上記実施例１にて説明したものと同様であるため説明は省略する。また、本実施例において、条件Ａ及びＢについての再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布は、図２で示した結果と同様である。条件Ａ’及びＣ’についての濃度分布は図示しないが、図２に示した結果から、条件Ａ’は、条件Ａよりも固液界面が表面側に位置する狭義の部分溶融状態であると推測することができる。また、条件Ｃ’は、図２の条件Ｃと近似することができ、完全溶融状態であると推測することができる。
【０１３６】
図１１は、レーザ光を照射後の単結晶半導体層のライフタイム評価結果のグラフである。本実施例では、測定装置に、コベルコ科研（株）社製のマイクロ波光導電減衰（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｄｅｃａｙ）法を用いたライフタイム評価装置を使用した。
【０１３７】
マイクロ波光導電減衰法（以下、μ−ＰＣＤ法という）とは、半導体の表面にレーザ光を照射して、半導体中にキャリアを発生させ、かつレーザ光が照射されている位置にマイクロ波を照射し、半導体で反射されたマイクロ波の強度の減衰状態を検出することで、ライフタイムを評価する方法である。μ−ＰＣＤ法では、半導体中にキャリアが生成されると半導体の抵抗値が下がるため、キャリアが発生した領域でのマイクロ波の反射率が高くなることを利用しており、反射マイクロ波の強度を検出することで、ライフタイムを評価している。
【０１３８】
単結晶シリコンに光を照射すると価電子帯で発生した電子と伝導帯に発生した正孔は、再結合し、消滅する。単結晶シリコン層に汚染や欠陥が多数あると、電荷トラップ中心の密度が高くなるため、単結晶シリコンでのキャリアの再結合の確率が増加するので、ライフタイムは短くなる。このため、ライフタイムは単結晶シリコンなど半導体の結晶構造が完全であるか否かを評価するパラメータとして利用されている。
【０１３９】
図１１のグラフの縦軸は、反射マイクロ波の検出信号のピーク値であり、ピーク値が大きいほどライフタイムが長いことを表している。レーザ照射時に単結晶半導体層が完全溶融状態となる条件Ｃ’では、部分溶融状態となる条件Ａ’、条件Ａ及び条件Ｂと比較してライフタイムが格段に短いことがわかる。また、条件Ａ’、条件Ａ及び条件Ｂを比較すると、レーザ光照射時に単結晶半導体層が部分溶融であって、且つその固液界面が下部絶縁層に近づくほど、ライフタイムが長くなることが分かる。
【０１４０】
また、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、条件Ａ’、Ａ、Ｂ及びＣ’のレーザ光を照射して再結晶化させた単結晶半導体層を用いて作製したｎチャネル型ＴＦＴのＳ値の確率統計分布図（図１２（Ａ））、およびｐチャネル型ＴＦＴのＳ値の確率統計分布図（（図１２（Ｂ））である。なお、本実施例のｎチャネル型ＴＦＴ又はｐチャネル型ＴＦＴのチャネル長（Ｌ）とチャネル幅（Ｗ）との比は、Ｌ／Ｗ＝１０／８μｍである。
【０１４１】
確率統計分布図の横軸はＳ値（Ｖ／ｄｅｃ．）、縦軸は累積度数を示す。また、確率統計分布図では、ＴＦＴ間でのＳ値のばらつきが小さいほど、グラフの傾きが大きくなる。
【０１４２】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）において、×印は条件Ａ’にて照射した場合の測定結果、黒塗りの三角印は条件Ａにて照射した場合の測定結果、白塗りの丸印は条件Ｂにて照射した場合の測定結果、白塗りの四角印は条件Ｃ’にて照射した場合の測定結果をそれぞれ示す。図１２（Ａ）に示したｎチャネル型ＴＦＴ、及び図１２（Ｂ）に示したｐチャネル型ＴＦＴ共に、条件Ａ’、条件Ａ及び条件Ｂ単結晶半導体層の方が、完全溶融状態となると推測される条件Ｃ’のグラフと比較して、ばらつきが小さく、またＳ値の特性も良好であることがわかる。
【０１４３】
また、レーザ光を照射した際に単結晶半導体層が部分溶融状態となる条件Ａ’、条件Ａ及び条件Ｂでは、レーザ光のエネルギー密度が増加する程、言い換えると、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の濃度分布において、炭素濃度の極大の位置が数絶縁層との界面に近づく程Ｓ値が小さくなり、ＴＦＴの特性が向上している。これは部分溶融状態において固液界面が下部絶縁層との界面に近づくほど、膜厚方向全体で欠陥を修復し、単結晶半導体層の結晶性を回復させることができるためと判断できる。
【０１４４】
図２に示した元素の濃度分布、及び図１１、図１２より、再結晶化後の単結晶半導体層の深さ方向の元素の濃度分布において、炭素濃度が極大を有するとき、単結晶半導体層の結晶性及び当該単結晶半導体層を用いて作製したＴＦＴの特性が良好であることが示された。また、当該極大の位置が下部絶縁層との界面に近づく程、単結晶半導体層の結晶性及び当該単結晶半導体層を用いて作製したＴＦＴの特性が良好となることが示された。
【符号の説明】
【０１４５】
１００    単結晶半導体基板
１０２    脆化層
１１０    ベース基板
１１１    絶縁層
１１２    単結晶半導体層
１１３    レーザ光
１１８    単結晶半導体基板
１２０    単結晶半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１０】
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