(57)【要約】【課題】貼り合わせ、イオン注入などの必要がないSOIウェーハを提供する。また、従来のレーザー結晶化技術をIC用ウェーハに適用する際にSi層の性能を改良する。【解決手段】基板１として、少なくも表面がSiO2からなる材料を使用し、この表面に、多結晶Si層または水素濃度が１質量％以下の非晶質Si層３を厚さ400nm以下に形成する。Si層３に、レーザー光のスポットが照射される面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを走査する。次に、レーザーを走査したSi層３の表面をＣＭＰ(chemical mechanical polishing)処理した後,水素雰囲気で800〜1200℃の温度範囲で熱処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくも表面がSiO2からなる基板に、多結晶Si層または水素濃度が１質量％以下の非晶質Si層（以下「Si層」とはこれらの両方を指す）を厚さ400nm以下に形成し、前記Si層に、レーザー光のスポットが照射される面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを走査することにより、前記多結晶Si層を再結晶化しもしくは前記非晶質Si層を結晶化し、次に、前記固体連続波レーザーを走査したSi層の表面をＣＭＰ(chemical mechanical polishing)処理した後,水素雰囲気で800〜1200℃の温度範囲で熱処理することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記固体連続波レーザーを走査したSi層と前記SiO2の界面へ1014/cm2以上のドーズ量で水素イオンを注入し、その後前記水素雰囲気中かつ800〜1200℃の温度範囲での熱処理を行うことを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
【請求項３】
少なくとも表面がSiO2からなる基板に、水素濃度が１質量％以下でありかつ厚さが１〜10μmの非晶質Si層を形成し、前記非晶質Si層に、該層の表面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを照射しかつ走査することにより、前記非晶質Si層の表面を結晶化し、その後、前記SiO2膜と結晶化していない前記非晶質層との界面における水素濃度が0.1質量％以上である状態で、800〜1200℃で熱処理をすることにより、結晶化したSiを前記非晶質Si層の内部に成長させることを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記800〜1200℃での熱処理がRTP（rapid thermal processing ）であることを特徴とする請求項3記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記固体連続波レーザー光のスポットを前記Si層上で順次全面に走査する請求項１から４までの何れか1項記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記固体連続波レーザーの走査開始及び終了を、前記少なくも表面がSiO2からなる基板の縁部とすることを特徴とする請求項５記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項７】
前記固体連続波レーザーを、少なくも表面がSiO2からなる基板を２分する線から縁部に向かって90°方向に走査することを特徴とする請求項５記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項８】
前記固体連続波レーザーの順次全面走査を、一旦、間隔を隔てた未走査領域を残すように行い、その後前記未走査領域につき行うことを特徴とする請求項５から７までの何れか1項記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項９】
ICチップ分離の際のスクライブライン予定領域が、前記固体連続波レーザーを基板全面に走査する際生成する重なり領域に形成されることを特徴とする請求項5から8までの何れか1項記載のSOIウェーハの製造方法。
【請求項１０】
前記水素雰囲気中かつ800〜1200℃での熱処理後にエピタキシャルSi層の成長を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のSOIウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、SOI（Silicon on Insulator）ウェーハの製造方法に関するものである。SOIウェーハは、広義では、ディスプレーデバイスに使用されているものも含むが、本発明は、マイコン、パソコンなどの演算装置（CPU）、記憶装置(DRAM, SRAMなど)などのICデバイスに使用されるSOIウェーハの製造方法に関するものである。以下、特に断らない限りSOIウェーハとはこのウェーハを指すこととする。但し、最近目覚しい進歩を遂げているディスプレーデバイス用SOIウェーハにも触れる。
【背景技術】
【０００２】
SOIウェーハは、低電圧で動作し、駆動速度が速いトランジスタを作り、コンピュータの消費電力を削減するための重要技術である。
SOIウェーハの工業的製造方法はイオン注入法と貼り合わせ法に大別される（非特許文献１：「ビギナーズハンドブック３２、はじめての半導体ナノプロセス、前田和夫著、工業調査会、2004年2月10日発行第174頁」：非特許文献２：「Focus Report 18, SOIデバイス技術―実践的基礎と応用―、吉見  信著、EDリサーチ社，2005年1月25日発行、第6〜8頁、第13〜14頁）。
【０００３】
SIMOX（Separation by Implanted Oxygen）は、イオン注入法に属し、Si基板に酸素イオンを注入し、次に1320℃程度でアニールを行い、表面の単結晶Si層と基板の単結晶Si層との間を酸化物層により分離する方法である。
また、ELTRAN(Epitaxial Layer Transfer)は、貼り合わせ法に属し、種結晶Si基板上に成長された多孔質Si層上にエピタキシャル層を形成し、その表面を酸化してSiO2膜とし、これを介して支持ウェーハを貼り合わせた多層構造を作り、その後種結晶と支持基板を多孔質Si層の内部でウォータージェットにより分離し、さらに、選択エッチングと、結晶を高品質にするための水素中熱処理を行うことにより、エピタキシャルSi層を活性層として利用する方法である。
【０００４】
さらに、水素イオン注入と貼り合わせを併用したSMART CUT 法（SOITEC社の登録商標）では、SiウェーハAの表面を酸化し、酸化面上から水素イオンを注入し、注入面を介してSiウェーハAとSiウェーハＢを貼り合わせ、ウェーハAのイオン注入層がウェーハＢの側に残るように切断を行う。その後ウェーハＢを1100℃でアニ−ルとＣＭＰを行い、SOIウェーハとする。
非特許文献３（SOITEC社の2004年7月版カタログ）には次のようなSOIウェーハ（商標名UNIBOND）が挙げられている。さらに、最近では表面Si層の厚さが10nm以下のSOIウェーハの開発が行われている。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
特許文献１（特開２００５−１７５１５１号公報）で提案されたSOIウェーハの製造方法は、貼り合わせウェーハ、SIMOXウェーハ、SH(Strip Heating)ウェーハなどの既存のSOIウェーハの活性層を酸化してマスク酸化膜を形成し、マスク酸化膜をフォトレジストを利用してエッチングしてダイシングラインを開口し、マスク酸化膜をマスクとして溝エッチングを行い、既存SOIウェーハの活性層と分離酸化膜をエッチングして支持基板に達する溝を形成する。その後さらにエピタキシャル成長を行い、支持基板と活性層を接続する接続部を設けて、これを、活性層内の重金属を支持基板内の酸素でゲッタリングする通路として利用する。したがって、特許文献１は、ゲッタリングには特徴があるが、SOIウェーハ自体は、貼り合わせなどの公知SOIウェーハに属するものである。
【０００７】
ディスプレーデバイスでは、一般に、耐熱温度が750℃以下の無アルカリガラスなどの基板上に塗布された絶縁膜上にポリシリコン薄膜トランジスタを形成したSOIウェーハが使用されている。このSOIウェーハでは、非晶質Siをエキシマレーザー照射により結晶化(ELC)することにより、非晶質Siトランジスタよりも100倍以上の電子移動度が達成している。
【０００８】
最近ディスプレーデバイス用SOIウェーハではさらに大きな進歩が達成されている（非特許文献４：月刊ディスプレー，2003年2月号、別刷、「ＣＷラテラル結晶化（CLC）技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁）。この文献では、ガラス基板を使用したSOIデバイスにおいて、TFTの移動度をバルク単結晶MOSFETに匹敵するように高めている。  非特許文献４の記載を以下に引用する。
【０００９】
引用1：．．．従来の低温ポリSiの結晶化技術であるELC法と対比させて、ＣＬＣ技術を説明する。ガラス基板上にバッファSiO2を堆積させ、その上にPCVDで堆積させたアモルファスSiをレーザー照射により結晶化する点は共通である。ELCではパルスレーザー照射を溶融領域を少しずつずらして繰返し行う。前の照射と次の照射の間の溶融領域の重ねは90―99%に及び、そのため各場所は10回から100回のパルス照射を受けることになる。この多数回のパルス照射によって結晶粒をそろえることができ、TFT特性のバラツキが抑制される。各回のパルスに対しては．．．下地SiO2との界面から上方に向かう結晶成長と側面からの結晶成長が起こるが、溶融幅0.4mmのうち、側面からの成長は高々数μmの長さを持つのみであり、大部分は下地界面から上方に成長した結晶粒領域である。パルス照射でも得られる側面からの狭い横方向成長領域のみからなる結晶をこの狭い領域幅である数μmのステップでレーザスポットをずらしつつ繰返し照射を行えばパルスレーザでも造り出すことができる。
【００１０】
引用２：CLCでは、連続発振（CW）の固体レーザを走査しつつ照射する。レーザスポットを当てたSi部分は溶融し、スポットが基板に対してラテラルに移動していくの伴って結晶成長が起こる。すなわち、ラテラル方向へのレーザスポットの連続走査により機械的にラテラルに成長させるのが特徴である。
【００１１】
引用３：CLCは常に溶融領域が存在し、その結果として1つの固液界面体が維持され、その固液界面のラテラルへの移動により結晶成長が行われるので、連続的かつ定常的な結晶成長プロセスである。
【００１２】
引用４：結晶粒界を顕在化するためにSeccoエッチした後の結晶表面のSEM写真である。CLCで得られた結晶は、ほぼ平行に結晶粒界のようなものが並んだ構造を持ち、単結晶領域の大きさも現在広く用いられているエキシマーレーザ結晶化（ELC）の0.3μm程度の結晶粒に比べ、圧倒的に大きく通常のTFTのチャネル領域の大きさを越えている。
【００１３】
引用５：ELCのポリSi-TFTでは結晶粒界にあるポテンシャルバリアをキャリアが越えなければならないため移動度低下が起こっていると考えられるが、CLCの平行な結晶粒界の走る向きにソース／ドレイン方向を形成すると、ランダムに発生する結晶粒界がTFTチャネル領域にたまたま存在したとしてもキャリアは粒界のポテンシャルバリアを越える必要がなくなり、チャネル領域に粒界が全くない場合と同等の大きなTFT移動度が得られる。
【００１４】
引用６：結晶化のスループットは、メルト幅と走査速度の積であるエリア走査速度で決まる。ELCではパルス周波数の制限から走査速度は非常に小さいがCLCでは大きな走査速度を得ることができる。ただし、同一のレーザスポット形状で同一の照射パワーを保ったまま、単純に走査速度を大きくすると、．．．TFT移動度が低下してELCの値に近づく。このとき、結晶粒界は1方向にそろったフロー上の粒界からエキシマ−的な粒状（polygonal）の粒界へと変化しており、そのため粒界散乱が増加して移動度低下が起こったと理解できる。
【００１５】
引用７：走査速度による粒界形状の変化は、．．．固液界面の基板面に対する角度が垂直から斜めへと傾き、その結果、ラテラル成長からELCの垂直成長へと近づくためである。．．．CLCレーザ照射エネルギー密度を計算すると、スキャン速度20cm/sでは12.5J/cm2、200cm/sでは1.25J/cm2である。一方、ELCでは1回のパルスあたりのエネルギー密度は0.3J/cm2程度であるが、ELCでは90〜99%の重ね照射をするため、照射エネルギー密度は3〜30J/cm2となる。
【００１６】
引用８：トランジスタの移動度はレーザーの走査速度が遅い方が高くなっており、10J/cm2以上の照射エネルギーで500cm /V-sec以上の移動度が得られている。
【００１７】
引用９：レーザーの波長は532nm, 出力変動は１％未満である。
【００１８】
CLC法で得られたSi結晶層の方位はほぼ(100)である（非特許文献５、IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al)。使用されたＣＷレーザーはダイオードポンプ固体連続波レーザー（10W, 532nm, Nd:YVO4）であり、スポット寸法は400×20μmである。厚さが250nmの非晶質Siをレーザー照射により結晶化している。
【００１９】
非特許文献６（SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156、は、非特許文献４とほぼ同じ内容であり、また、それぞれ150μmの幅及び６−７ワットの出力をもつ固体連続波レーザーを4本同時にかつ選択的に照射することにより、幅が150μmの単結晶領域を多数（図面では4列×５個＝２０個）形成している。各列の間は非晶質Siである。1列に各5個の単結晶Si間のSiは(100)に優先配向した多結晶であり、ここには移動度が遅くともよいピクセルデバイスが作られる。上記の20個の単結晶領域にSRAMなどのデバイスが製作される。
【００２０】
非特許文献7（ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki）によると、CLC処理される非晶質Si層の厚さは40-250nmであり、レーザーは非特許文献６と同じである。
【００２１】
非特許文献8（Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width  enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al）では、非晶質絶縁層上の多結晶SiをツインＣＷアルゴンレーザー照射・走査により再結晶化することにより、結晶粒界も亜粒界もない幅20μｍ、長さ1.8mmの再結晶化領域が形成されている。
【００２２】
通常、結晶粒界とは核から成長した結晶粒の境界である。一方、CLC法では引用２，３からは核発生がどこで起こっているか明らかではなく、引用４では「結晶粒界のようなもの」と記載されているので、果たして通常の結晶粒界であるかどうか明確ではない。このような点はあるが、本明細書ではCLC処理されたＳｉ層の構造に関しては引用文献４に記載されている「結晶粒界」との用語をそのまま引用する。
【００２３】
ところで、非特許文献4〜8より以前からレーザーを利用した単結晶化方法は研究されていたが、工業的に使用されたものはディスプレーデバイスに関する非特許文献４を嚆矢とすると考えられる。
【００２４】
非特許文献9（ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki）はレーザー（種類は記載されていない）を使用してSiO2層上のSiを、種無しもしくは種あり、及び保温を行うキャッピングなしという条件で、再結晶させ、この再結晶層にトランジスタを形成することにより、Si基板に形成されたトランジスタと接合して三次元デバイスを製作することが解説されている。しかしながら、再結晶組織は結晶粒界が楔型に多数配列した組織となっており、結晶性が悪い。また、Si基板にトランジスタが形成されているために、トランジスタの特性に影響を与える水素雰囲気中での高温で熱処理することはできない。
【００２５】
また、アルゴンレーザーにより種あり横方向成長を行い、三次元デバイスを形成することは非特許文献10（Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33(1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al）で発表されている。下地の単結晶Siから、レーザー照射結晶化により再結晶したSiがSiO2膜上に20μm横方向に延びたことが報告されている。したがって、下地単結晶を種として利用して、種の方位を受け継いだ単結晶に近い結晶を成長させようとしているが、横方向への単結晶成長距離は高々20μｍである。
【００２６】
非特許文献11（Extended Abstracts of the15th Conference of Solid State Devices and Materials, Tokyo,1983, pp21-36,”Laser Recrystallized SOI” , M. Tamura et al）は、連続Arレーザー、種有り結晶化を試み、結晶粒界がかなり明瞭な結晶化層を得ているが、結晶粒界がない活性層をもつSOIウェーハを作るための条件については次のように考察している。走査されるレーザービームとともに固液界面が移動し、この移動方向と直交する方向に結晶粒界は伝播する。この場合、最初の核発生は、レーザーの幅の両側（より冷えた箇所）で起こるので、核発生を抑えるようにすると、結晶粒界がなくなる。結晶粒界をなくする具体的方法としては、過去に発表された理論を引用している。
【００２７】
非特許文献12(Appl. Phys. Lett 44(10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits,)によるとMOSFETが形成されたSi基板上のSi層をレーザー照射により再結晶化して２層目のMOSFETを形成している。
【００２８】
非特許文献13(Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method)によると、次に述べるように、Si基板表面の絶縁膜構造をもつSOI上にMOSFETを形成し、また、このチャネル領域の結晶から結晶粒界をなくするためにAｒレーザー再結晶化法を利用している。具体的には、絶縁膜は１μmのSiO2,0.1μmのSi-N膜であり、この上に<１１０>方位をもつ0.4μmのポリSi層を形成し、Si層を一部表出するようにキャップ層を形成し、レーザー照射を行うと、キャップ層のない窓部において中心が低く、周囲が高い温度勾配が発生するために、核発生は窓中心から窓の周辺に進むために、窓の下に位置するSi層では結晶粒界がなくなり、<１００>方位のSi層が生成すると説明している。確かに、窓部の下のSi層は結晶粒界がない単結晶領域になっているが、その周辺では断面でも平面でも筋状の結晶粒界が多数観察されており、レーザーで再結晶化していない多結晶構造である。
【００２９】
以上のレーザーを応用した従来技術を要約するとディスプレーデバイス用SOIは、工業化されているがIC用ウェーハを造るまでには至っていない。
【００３０】
ところで、レーザー技術は日新月歩であり、最近の情報によると412W固体グリーンレーザーが開発された（非特許文献１４：2005年7月5日三菱電機株式会社の発表、インターネットで検索）。このレーザーは発振波長が532nmのパルス発振である。一般に連続(cw)発振にすると出力は1/10弱に低下すると考えられているが、この出力は上記した従来技術文献で使用されている連続発振レーザーの出力を大きく凌駕する。
【特許文献１】特開２００５−１７５１５１号公報
【非特許文献１】ビギナーズハンドブック３２、はじめての半導体ナノプロセス、前田和夫著、工業調査会、2004年2月10日発行第174頁
【非特許文献２】Focus Report 18, SOIデバイス技術―実践的基礎と応用―、吉見  信著、EDリサーチ社，2005年1月25日発行、第6〜8頁、第13〜14頁）。
【非特許文献３】SOITEC社の2004年7月版カタログ
【非特許文献４】月刊ディスプレー，2003年2月号、別刷、「ＣＷラテラル結晶化（CLC）技術とガラス基板上高移動度低温ポリSi−TFT」佐々木伸夫、第43から50頁
【非特許文献５】IEDM01-747” High Performance Poly-Si TFT on a Glass by a Stable Scanning CW Laser Lateral Crystallization” (Akito Hara et al).
【非特許文献６】SID 02 DIGEST, 12.3: High Throughput CW-Laser Lateral Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTS and Fabrication of 16 bit SRAMs and 270MHz Shift Regsiters, N. Sasaki et al, pp 154-156、
【非特許文献７】ECS, May 2005, Process Integration of Glass Substrate by CW-Laser Lateral Crystallization (CLC) Nobuo Sasaki）によると、CLC法処理される。
【非特許文献８】Appl. Phys, Lett. 45(10), pp 1098-1100, 15 November 1984, “Melt-width  enhancement in the recrystallization of polycrystalline silicon-on-insulator by twin-laser-beam-induced substrate inter heating” Nobuo Sasaki et al）
【非特許文献９】ECS,Vol1, No. 2, March-April, 1990, pp 137- 142, “Feasibility of 3D Integration”, Nobuo Sasaki
【非特許文献１０】Mat. Res. Symp. Proc. Vol. 33(1984) “3-DIMENSIONAL INTEGRATION FABRICATED BY USING SEEDED LATERAL EPITAXIAL FILM ON SiO2” N. SASAKI et al
【非特許文献１１】Extended Abstracts of the15th Conference of Solid State Devices and Materials, Tokyo,1983, pp21-36,”Laser Recrystallized SOI” , M. Tamura et al
【非特許文献１２】Appl. Phys. Lett 44(10), 15 May, 1984m pp 994-996, Single crystalline Si islands on an amorphous insulating layer recrystallized by an indirect laser heating technique for three-dimensional integrated circuits
【非特許文献１３】Journal of Electronic Materials, Vol. 15, No. 6, 1986, Laser-Recrystallized Film with a Control of Grain Boundary Location Using Surrounding Antiflection Cap Method
【非特許文献１４】従来と同等の大きさで約2倍の高出力を実現、世界最高出力412Wの「固体グリーンレーザー」を開発、2005年7月5日三菱電機株式会社、インターネット検索文献
【非特許文献１５】電子材料、2004年12月号別冊、超LSI製造・試験装置ガイドブック、CMP装置、第137〜14５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
非特許文献9で提案されたSOIウェーハは、貼り合わせなどに依らずにレーザー再結晶化で製造されており、結晶粒界がないSi層にICデバイスを造ることができると述べられている。しかしながら、非特許文献9発表当時の1990年におけるパターンルールは0.5μｍ(500nm)程度であり、現在のパターンルール0.1μｍ(100nm)以下とは大きくかけ離れているから、非特許文献9のSOIウェーハは現在のデバイスに使用することは困難が予想される。すなわち、非特許文献9からはSiの結晶性もレーザー照射方法も不明であるから、これらの面からの評価はできないが、一般にデバイスが微細化されると、欠陥に対する許容度が厳しくなるので困難性が予想される。また、非特許文献9では、Si基板に既にトランジスタが形成されているので、この特性に影響を与えるような高温での水素雰囲気中での熱処理はできない。
【００３２】
非特許文献13で提案されたSOI構造では、単結晶化のために採用されている窓開けしたキャップ構造は、生産性を大幅に低下する。さらに、窓部のみは単結晶化することはできるがウェーハ全体を単結晶化することはできない。
【００３３】
本発明者は非特許文献４及び６で提案された、基板がガラスであるディスプレー用SOIウェーハの製造方法、即ち固体連続波レーザー結晶化法をIC用SOIウェーハに適用することに着眼した。後者のSOIウェーハに製造されるデバイスは演算装置、記憶装置などであり、クロックパルスが前者より高く、またパターンルールが現在では90〜80nm程度であり、前者より厳しいので、CLC結晶化のみでは結晶の特性が不充分である。特に、CLC結晶化で得られたSiはセコエッチで検出される粒界に見える転位、結晶欠陥などが多く、非特許文献13よりも結晶性が劣っているおそれがある。
さらに、非特許文献６では、SRAMなどのデバイスが幅150μmの単結晶領域に形成されている。現在のICチップは幅が2 〜10mm,長さが2〜15mm程度である。例えば2mm
の幅を幅が150μmのレーザーで単結晶化するためには、2000/150＝13.3回走査することが必要である。この場合前後のレーザー走査において重なった照射領域では、表面の荒れが起こり、また結晶の面方位が(100)であっても、面方位以外の結晶性の乱れが起こりうる。
【００３４】
本発明は、非特許文献４，６のレーザー結晶化法を、非特許文献13に示されたSiO2皮膜を有するSi基板に応用した場合に、それぞれがもつ問題点を克服することにより、ICチップ用SOIウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明者は、CLC法によりELCよりも優れた移動度(cm/Vs)が得られるレーザー走査速度は20〜100cm/sの範囲である（非特許文献４、図７）ことに着目し、この速度は固液界面移動速度(VL)と等しいと考え,さらに次のように考察した。まず、Si単結晶の引き上げ法における引き上げ速度(Vc)は1〜2mm/min程度であり、やはり固液界面移動速度(Vc)は引き上げ速度と等しい。これらの比を計算するとVL= 100〜1000 Vc であり、10２〜103倍の相違がある。前掲図７ではレーザー走査が速くなると、移動度(cm/Vs)はELCのものと差がなくなっていることは、非常に速いレーザー走査速度に固液界面移動速度(VL)が追従できず、SiO2/Si界面などで核発生が起こることが原因である。一方、固液界面移動速度(VL)が非常に速くない条件のCLC法で再結晶化したSi層はディスプレーデバイス駆動用トランジスタとしては優れた結晶性をもっていることが非特許文献４で確かめられている。これは固液界面移動速度が極めて遅い条件で単結晶を成長させてきた引き上げ法における知見からは予測できないことである。
【００３６】
本発明者はさらに検討し、固液界面移動速度VＬ が速い条件（即ちVL  ≫Vc）で薄膜SiがＣＬＣ法で再結晶化されると、固液界面を境にして固体側に位置するSi結晶は熱源、即ちレーザーによる溶融スポット、から急速に離れ、急速冷却になるため、結晶欠陥には至らないまでも結晶歪などが多くなると考えた。これに対して、引き上げ法の場合は、熱源（即ち溶融Si）から固液界面より固体側のSiが徐々に離れて行くために、固体側のSiは熱源により徐冷されるために、CLC法とは状況が異なっている。
本発明者は、CLC法で再結晶されたSOIウェーハを演算装置、記憶装置などのIC用デバイスと使用するためには、速い固液界面移動速度VＬ に起因する影響を解消する必要があることに着目した。
【００３７】
さらに固体連続波レーザーの照射幅は現在のところICチップの幅より小さくなっている。したがって、ICチップに匹敵する幅のSi層をレーザーで再結晶化するためには、レーザーを2回以上走査するか、複数個のレーザーを同時走査する必要がある。この場合、前後の走査あるいは複数個のレーザー走査で発生する隣接領域は重なりが生じる。この重なり部では、結晶の乱れが起こる可能性があるので、この対策が必要である。
【００３８】
以上説明した考察に基づいて完成した本発明に係るSOIウェーハの製造方法（以下「第1方法」という）は、少なくも表面がSiO2からなる基板に、多結晶Si層または水素濃度が１質量％以下の非晶質Si層（以下「Si層」とはこれらの両方を指す）を厚さ400nm以下に形成し、前記Si層に、レーザー光のスポットが照射される面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを走査することにより、前記多結晶Si層を再結晶化しもしくは前記非晶質Si層を結晶化し、次に、前記固体連続波レーザーを走査したSi層の表面をＣＭＰ(chemical mechanical polishing)処理した後,水素雰囲気中で800〜1200℃の温度範囲で熱処理することを特徴とするSOIウェーハの製造方法に関する。以下本発明の第1方法を詳しく説明する。
【００３９】
先ず、本発明の第1方法におけるSOIウェーハの出発材料は、トランジスタなどのデバイスが形成されていない単結晶Siウェーハに熱酸化などの周知の方法でSiO2膜を形成したものである。この単結晶Siウェーハの代わりに、Si引き上げ法でインゴットの上部又は下部で発生する方位が乱れたSi基板を用いてもよい。このような基板はダミーウェーハなどとして使用されており、製品となることはないが、本発明においては出発材料として使用することができる。また、多結晶Si基板なども使用することができる。SiO2膜の厚さは絶縁機能を十分に果たすことが必要である。一方、SiO2層が厚くなると、CLC処理中あるいは、デバイス製造工程での上下の層との熱膨張差が問題になるので4000nm以下が好ましい。
更に，石英（SiO2）基板を使用することができる。石英基板は最近シリカサンドを原料として溶融法で製造する技術開発がなされており、ICの基板として使用できる高純度のものも市販されている。また、黒鉛、SiCなども表面にSiO2膜をCVDで被着させて、使用することができる。
【００４０】
基板表面に形成されるSi層は多結晶又は非晶質の何れでもよい。これらのSi層成長方法も公知である。これらの例を説明する。
（イ）非晶質Si
SiH4 を原料ガスとしてプラズマCVD法により250〜350℃の温度で成長させることができる。プラズマCVD法により形成される非晶質Si層中では上記温度範囲に対応して15〜10原子％と多量の水素を含有している。水素は500〜600℃の結晶化温度以下の温度に加熱することにより、0.1〜１質量％以下に低下させることができる。さらに、非晶質Ｓｉはスパッタ又は蒸着により、水素含有量が極めて低い膜を成長することができる。
（ロ）多結晶Si
SiH4, Si2H6を原料ガスとして、540〜620℃でLP-CVD法によりSiO2膜上に多結晶Siを形成することができる。また、前項（イ）で述べたプラズマCVD法により形成され、かつ水素濃度を0.1原子％未満とした非晶質Siを例えば600℃で1８〜20時間に加熱して多結晶Siとすることができる。
【００４１】
上述のように非特許文献４の方法において、CLC処理にされたSi層はいわゆる結晶粒界をもっているから、広義では多結晶材料に属する。本発明の第１方法において、SiO2膜上に積層される多結晶Siは、非特許文献４における粒界がレーザー走査方向に伸び、面方向がそろった多結晶構造とは異なり、通常ＣＶＤ法などにより形成される粒状の結晶粒をもっている。
【００４２】
本発明において行う固体連続波レーザーの照射と横方向走査によるSiの再結晶は非特許文献４に記載された引用1〜9の如きCLC法である。また、固体連続波レーザー（以下「レーザー」と略記する）としては、出力10〜15W、波長532nmのものが現在提供されている。レーザーを照射するSi層の厚さが400nm（4000オングストローム）を超えると、層全体を固液界面移動により結晶化させることができなくなり、下地のSiO2膜界面での核発生が起こるので、これらの層の厚さは400nm以下とすることが必要である。好ましい厚さは100〜150nmである。なお、本書における説明において「結晶化」は、非晶質Siに該当し、多結晶Siの場合はレーザー照射により再結晶化が起こるが、これらを「結晶化」との用語で説明している。レーザー照射はアルゴンガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００４３】
さらに、非晶質Si層の水素含有量が1質量%を超えると、レーザー照射時に剥離が発生するために、非晶質Si層の水素含有量は１質量％以下に抑える必要がある。次にレーザーのエネルギーを10J/cm2以上としたのはこのエネルギーを下回ると、Seccoエッチにより検出される結晶粒界が粒状となるからである。
【００４４】
非特許文献４ではELC、CLCの何れの処理でも再結晶化したSi層表面は0.5μmパターンルールのTFTを製作するのに問題がないと述べられている。しかしながら、IC用デバイスではパターンルールが同じであっても、表面凹凸や変質層が問題を起こすので、CMP（Chemical Mechanical Polishing）により、レーザー照射による段差、レーザー照射重なり部の凹凸をなくするまで平坦化を行うことが必要である。CMPは非特許文献1５に記載された各種方法及び装置を使用することができる。
【００４５】
最後に、水素雰囲気中での熱処理を行う。この作用は次のとおりである。（イ）CLC処理されたSi層に取り込まれた酸素を除去する。すなわち、空気、窒素又はアルゴンガス中の不純酸素からSi層に取り込まれ、固溶した酸素がデバイス製作段階で欠陥で析出することを防止する。（ロ）固溶酸素は結晶格子の歪を発生させているので、酸素を除去することにより、結晶格子歪を少なくする。（ハ）レーザー照射及び走査によりCLC処理されたSi層及び重畳的にレーザー照射されたSi層に発生した歪を取り去り、これらにより発生した結晶欠陥を除去する。（ニ）Si層、SiO2（膜）及び基板の積層構造全体を所定温度に加熱することにより、これらの歪をバランスする。すなわち、レーザー照射ではSi層のみが高温になり、下地は著しく低温に保たれるので、熱歪が発生し、これが結晶欠陥までには至らないまでも、CLC処理された結晶に歪を発生する。特に、レーザー走査により生じたSeccoエッチで現れる粒界に歪が集中するおそれがあるので、これをより目立たないようにする。（ホ）ＣＭＰ処理による歪みを除去する。上記方法により、CMP法と水素雰囲気中熱処理を行うことにより、Si層の結晶性は著しく向上する。
【００４６】
本発明においては、水素イオンの注入を好ましくは10 14/cm２以上のドーズ量でSiO2膜とSi層の界面に行うことにより、特に1100℃以上での熱処理の際に、この界面から核発生が起こり、レーザー再結晶により成長した（100）方位の結晶が乱されないようにすることが望ましい。ＣＭＰ処理を先に行い、Si層の膜厚を薄くした後イオン注入を後から行うとイオン注入に際の加速電圧を低くすることができる。
【００４７】
上記した水素雰囲気中の熱処理は800〜1200℃の範囲内で行うことが必要である。熱処理温度が800℃より低いと上記の作用が期待できず、1200℃を超えると炉体からの蒸発する金属がSi層に取りこまれる量が多くなるので、上記範囲の温度での熱処理が必要である。水素雰囲気は通常100％工業的水素で行うが、Siと反応しないアルゴンガス、ヘリウムなどと水素との混合ガスを使用してもよい。
【００４８】
固体連続波レーザーの光スポットは非特許文献6では、幅が150μm程度である。本発明においては、上記レーザー光スポットをSi層上で順次全面に走査することにより、Siウェーハ全面でSOI構造を作ることができる。この場合レーザー走査の開始及び終了位置は任意である。この結果、先に結晶化された領域に隣接して順次新たな結晶化領域が形成される。なお、レーザーの出力が増大し、かつレーザースポットの幅が増大した場合は、レーザー照射の重なり領域をICチップのスクライブラインと一致させることが好ましい。
【００４９】
続いて、レーザー走査の具体例を、Siウェーハを使用した具体例について、図面を参照して説明する。図１において、Ｓｉウェーハ１の全面にSiO2膜２が形成され、SiO2膜２の上面にSi層３が形成されている。このようなSOI素材１０にレーザーを照射し、走査方向（Ds）にレーザーを走査する。
図２に示されるSOI素材１０において、ＤはSiウェーハ１を２等分する直径線である。この直径線Dから、該線に対して縁部４に向かって90°方向にレーザーを走査する。５はレーザー照射領域であり、実際のレーザースポット幅よりは拡大図示されている。この5a,5bの間隔DLがレーザー光のスポット幅に相当する。なお、図面では２等分線Dを示したがSiウェーハを２分する線であれば等分線に限定されない。
【００５０】
図２において、レーザー照射領域の境界5a,5bは前後２回のレーザー照射を受けることにより、表面の荒れ、結晶配向の乱れなどが起こる。上記した荒れ、乱れはCMP処理や水素中熱処理により改善される。
【００５１】
図３においては、照射領域５は、レーザーの照射幅に相当する間隔をあけて、先ず５(1),(2),(3),(4),(5)の順に行い、次に間隔に相当する5(6),(7),(8),(9)の順に行う。いずれの場合でも、走査の開始と終了は縁部４である。なお、Siウェーハ１０の上半についてのみ示したが、下半についても同様な操作を行うことはいうまでもない。以上の例では領域5(6),(7),(8),(9)はレーザースポット幅と同じ間隔で示したが、この幅より狭くともよく、広くてもよい。
【００５２】
上述のレーザー結晶化したSi層をCMP処理と水素雰囲気中熱処理を行った調製したSi層上にCVD（Chemical Vapor Deposition）によるエピタキシャル成長を行うと、さらに結晶性が良好なSi層を得ることができる。エピタキシャル成長は、下地のSi層をフッ酸等で水素ターミネ−ション処理した後、公知の方法で行うことができるが、450〜800℃の温度でSiH4,Si2H6ガス及びキャリアガスを低温エピタキシャル成長で行うことが好ましい。エピタキシャル成長がこの温度範囲内で低く、かつ真空度が高いほどエピタキシャル層の結晶性が良好になり、下地のSeccoエッチで検出される粒界状の欠陥がほとんどない結晶を成長させることができる。このようにして形成されたエピタキシャル層にトランジスタなどを形成する。なお、Si単結晶層の厚さを調整するエピタキシャル層の厚さは10〜10000nmが好ましい。
【００５３】
また、本発明の第1方法において、下地加熱として静電チャック付プレートヒーターにより400〜500℃に予備加熱してレーザー照射を行ないあるいはレーザー照射中加熱すると、保温効果により見かけ上レーザーの照射エネルギーを増大させ、また走査幅を広くすることができる。さらに、Si層全面に下地SiO2膜と上層Si3N4膜のキャッピング層を形成し、その上からレーザーを照射すると同様に、走査幅を広くすることができる。上層Si3N4膜はレーザー照射により形成される凹凸を少なくすることに有効であり、下地のSiO2膜は容易にSi層から分離できる。
【００５４】
さらに、請求項３の発明においては、少なくとも表面がSiO2からなる基板は第1方法のものと同じである。この基板表面に水素濃度が１質量％以下でありかつ厚さが１〜10μmの非晶質Si層を形成し、前記非晶質Si層に、エネルギーが10J/cm2以上の固体連続波レーザーを照射しかつ走査することにより、前記非晶質Si層の表面を結晶化し、その後800〜1200℃で熱処理をすることにより、前記結晶化したSiを前記SiO2界面に向かって成長させることを特徴とするSOIウェーハの製造方法が提供される。但し、最高温度が800〜1200℃に達する熱処理前の段階において、結晶化されていない非晶質Si層とSiO2の界面において水素が0.1質量％以上残存している必要がある。この方法を、第2方法と称し、以下説明する。
【００５５】
第2方法において、少なくとも表面がSiO2からなる基板の表面に水素濃度が１原子％以下である非晶質Si層を形成し、非晶質Si層に、該層の面積当たり10J/cm2以上のエネルギーで固体連続波レーザーを照射することは第1方法と同じである。但し、非晶質Si層の厚さが１〜10μmであるから、非晶質Si層の表面のみが結晶化する。その後、熱処理を行うと、レーザーにより結晶化したSiが下側のSiを食って成長し、(100)結晶が下側に成長する。この結晶成長を以下「優先成長」と称する。また、優先成長によらず、非晶質Siが結晶化することを「自律的結晶成長」と称する。
さらに、熱処理前の状態での非晶質Si層の水素濃度が0.1原子％未満であると、非晶質Siが結晶化温度に達した際にSi結晶核発生及び成長抑制効果が期待できず、非晶質Si層内での自律的結晶成長が熱処理中に起こるので、非晶質Si層中での水素濃度はSiO2との界面で0.１原子％以上とする。
上述のように、内部での自律的結晶成長を抑制しつつ、レーザーにより結晶化した上部Si層から結晶を発達させる優先成長を行なうと、結晶化した上部Si層内の欠陥などは、(100)Si結晶の成長速度よりも成長速度遅いために、欠陥は内部に発達しないので、結晶性が良い厚膜のSi層を形成することができる。
【００５６】
本発明の第２方法において、熱処理温度が800℃より低いと(100)結晶の成長速度が遅く、1200℃よリ高いと、非晶質Si層内での核発生が起こるので、上記温度範囲で熱処理を行うことが必要である。また、第２方法において、エネルギーを10J/cm2以上とする理由は第１方法と同じである。熱処理は水素含有雰囲気中で行うことが好ましい。第２方法においても、図１〜３を引用して説明した、レーザー走査を行うことができる。
【００５７】
熱処理としては急速加熱と短時間保持を特徴とするRTP(Rapid Thermal Processing)処理が好ましい。具体的にはRTP処理の条件は、予熱温度400〜500 ℃にウェーハを保持し、あるいは保持せずに、上記熱処理温度に一挙に昇温して、熱処理温度で３〜30sec保持する方法である。RTPの昇温のためにはランプ加熱を行うか、あるいはホットウォール炉内の前記熱処理温度を有する領域にウェーハを急速移動させる方法である。加熱終了後は、ランプの電源を切断するか、あるいはウェーハを炉外に或いは予熱領域に急速移動させる。
【００５８】
なお、予備加熱により非晶質Si層中の水素濃度は拡散により低下し、予備加熱中にあるいは800〜1200℃の熱処理温度への昇温中に自律的結晶成長が起こる可能性がある。拡散による脱水素については、50〜100nmの厚さの10原子％の水素を含有する非晶質Si層からの1原子％までの脱水素については、次のデータが知られている。即ち、430℃で2時間、500℃で20〜30分、600℃で２〜４分。これらのデータから430℃以下では拡散による脱水素はかなり遅いことが分かる。なお、段落００４０で述べたように600℃、18 〜20時間で非晶質Siは結晶化するので、この結晶化を阻止するためには0.1原子％の水素が非晶質Si層中に残存している必要がある。また、上記時間より短時間でも一部結晶化が起こるので、第2方法においては、熱処理前に所定の場所に水素が0.1質量％以上存在していることが必要である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明法により製造されるSOIウェーハは、現在工業的に利用されているSOIウェーハのように貼り合わせあるいはウェーハ面の切断がないために、これらに起因する欠陥などを少なくすることができる。また、レーザー照射処理後の熱処理及びＣＭＰをしていないディスプレーデバイス用SOIよりは本発明のSOIウェーハは結晶性が格段優れており、現在の要求レベルに近づいている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の方法において、SOIウェーハ素材の断面図である。
【図２】レーザー走査パターンの図である。
【図３】別のレーザー走査パターンの図である。
【符号の説明】
【００６１】
１−Siウェーハ
２−SiO2膜
３−Si層
４−縁部
５−レーザー照射領域
【図１】
2006191125.tif 000004
【図２】
2006191125.tif 000005
【図３】
2006191125.tif 000006