(57)【要約】【課題】均一な濃度（融点、組成）を有する半導体材料を、広範囲に、且つ、高速に結晶成長させる。【解決手段】実施形態に係わる半導体装置の製造方法は、第１の単結晶半導体層１１上に絶縁層１２を形成する工程と、絶縁層１２に第１の単結晶半導体層１１が露出する開口部ＯＰを形成する工程と、開口部ＯＰ内の第１の単結晶半導体層１１上及び絶縁層１２上に非晶質半導体層１３を形成する工程と、マイクロ波を用いて非晶質半導体層１３を溶融することにより溶融半導体層Ｌ１を形成する工程と、開口部ＯＰ内の第１の単結晶半導体層１１を結晶核として溶融半導体層Ｌ１を結晶成長させることにより、絶縁層１２上に第２の単結晶半導体層Ｓ１を形成する工程とを備える。を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の単結晶半導体層上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に前記第１の単結晶半導体層が露出する開口部を形成する工程と、
前記開口部内の前記第１の単結晶半導体層上及び前記絶縁層上に非晶質半導体層を形成する工程と、
マイクロ波を用いて前記非晶質半導体層を溶融することにより溶融半導体層を形成する工程と、
前記開口部内の前記第１の単結晶半導体層を結晶核として前記溶融半導体層を結晶成長させることにより、前記絶縁層上に第２の単結晶半導体層を形成する工程と
を具備する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記マイクロ波を用いて前記溶融半導体層を形成する前に、前記マイクロ波以外の加熱方法を用いて前記非晶質半導体層の融点よりも低い温度まで前記非晶質半導体層を加熱する工程をさらに具備する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記非晶質半導体層は、一定濃度の不純物を含み、前記結晶成長は、前記溶融半導体層が固化した固相と前記溶融半導体層のままの液相との前記マイクロ波の吸収率の差に依存する温度勾配を利用した自発的駆動力により進行させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法を実施する半導体製造装置において、
前記マイクロ波を発生する第１の加熱装置と、前記マイクロ波以外の加熱方法により前記非晶質半導体層を加熱する第２の加熱装置と、前記第１及び第２の加熱装置の切り替えを制御する制御装置とを具備する半導体製造装置。
【請求項５】
前記溶融半導体層の温度をモニタする第１の温度モニタ装置をさらに具備し、
前記制御装置は、前記溶融半導体層の結晶成長時に、前記第１の温度モニタ装置からのフィードバックに基づいて、前記溶融半導体層が結晶成長し始める温度となるように前記マイクロ波のエネルギーを制御する
請求項４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記第１の単結晶半導体層の温度をモニタする第２の温度モニタ装置をさらに具備し、
前記制御装置は、前記第２の温度モニタ装置からのフィードバックに基づいて、前記第１の単結晶半導体層の温度がその融点よりも常に低くなるように前記マイクロ波のエネルギーを制御する
請求項５に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置の製造方法及び半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料は、レーザーアニール法を用いて溶融固化することにより、結晶成長することができる。半導体材料の結晶成長は、レーザーを照射した範囲に温度勾配を有する固相と液相の界面が生じることで、進行する。即ち、結晶成長の範囲は、レーザーの照射範囲（スポットサイズ）に依存する。また、レーザーの走査速度は、固相と液相の界面における結晶成長の速さに依存する。したがって、レーザーアニール法では、半導体材料を広範囲に、且つ、高速に結晶成長させることができない。この問題を解決する技術として、濃度勾配を有する半導体材料を溶融固化することで、結晶成長させる技術が提案されている。しかし、濃度勾配を有する半導体材料に、均一な特性の素子を形成することは困難である。そこで、均一な濃度（融点、組成）を有する半導体材料を、広範囲に且つ高速に結晶成長させる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０―２５８４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、均一な濃度（融点、組成）を有する半導体材料を、広範囲に且つ高速に結晶成長させる技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、第１の単結晶半導体層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に前記第１の単結晶半導体層が露出する開口部を形成する工程と、前記開口部内の前記第１の単結晶半導体層上及び前記絶縁層上に非晶質半導体層を形成する工程と、マイクロ波を用いて前記非晶質半導体層を溶融することにより溶融半導体層を形成する工程と、前記開口部内の前記第１の単結晶半導体層を結晶核として前記溶融半導体層を結晶成長させることにより、前記絶縁層上に第２の単結晶半導体層を形成する工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】結晶成長の基本思想を示す断面図。
【図２】マイクロ波の照射時間に対する、非晶質／単結晶半導体層の温度変化を示す図。
【図３】結晶成長時の自発的温度勾配を示す図。
【図４】半導体装置の加熱時間に対する、非晶質／単結晶半導体層の温度変化を示す図。
【図５】実施例の半導体製造装置を示す断面図。
【図６】実施例の製造方法を示す断面図。
【図７】実施例の製造方法を示す断面図。
【図８】実施例の製造方法を示す断面図。
【図９】適用例の半導体装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【０００８】
[基本思想]  
レーザーアニール法に代わる技術として、濃度勾配を有する半導体材料を溶融固化して結晶成長させる技術が提案されている。
【０００９】
例えば、ＳｉＧｅのような全率固溶体を用い、その結晶成長方向に濃度勾配（Ｓｉ/Ｇｅ比の滑らかな変化）を設けることで進行方向に融点の勾配を生じさせ、これを固/液界面の結晶化駆動力として結晶成長を促すという技術である。
【００１０】
半導体材料の濃度は、組成及び融点に影響を及ぼす。
【００１１】
例えば、シリコン層にゲルマニウムを添加したＳｉＧｅ層において、ＳｉＧｅ層の融点は、ゲルマニウムの濃度が１００％の時９３７℃程度である。また、ＳｉＧｅ層の融点は、ゲルマニウムの濃度の低下に伴って上昇する。
【００１２】
つまり、濃度勾配を有するＳｉＧｅ層を９７３℃で加熱する場合、ＳｉＧｅ層内において、ゲルマニウムの濃度が１００％である領域は溶融して液相になるが、ゲルマニウムの濃度が１００％以下の領域は固相である。
【００１３】
つまり、濃度勾配を有するＳｉＧｅ層を加熱する場合、加熱温度よりも低い融点の領域は液体であり、加熱温度よりも高い融点の領域は固体である。この場合、一つのＳｉＧｅ層内に固相と液相が共存するため、固相と液相の間に温度勾配を有する界面が生じる。固相と液相との界面に生じた温度勾配は、結晶成長を自発的に進行させる。さらに、結晶成長（結晶化）の速度は、濃度勾配（融点勾配、組成勾配）が大きいほど速い。
【００１４】
このように、濃度/融点/組成は互いに連動しているため、濃度勾配を有する半導体材料は、融点勾配及び組成勾配を有するといえる。
【００１５】
ただし、濃度（融点、組成）勾配を有する半導体材料上に素子を形成する場合、素子特性がばらつくという問題が生じる。また、濃度（融点、組成）勾配は、広範囲であるほど緩やかになるので、結晶成長（結晶化）の速度は、広範囲であるほど低下する。さらに、所望の領域に所望の濃度を形成することは、極めて困難である。
【００１６】
そこで、これらの問題を解決するために均一な濃度（融点、組成）を有する半導体材料を、広範囲に且つ高速に結晶成長（結晶化）させる技術を提案する。
【００１７】
この基本思想では、液相の半導体層と固相の半導体層のマイクロ波の吸収率が異なる点に着目する。即ち、液相の半導体層のマイクロ波の吸収率は、固相の半導体層のマイクロ波の吸収率よりも高い。このため、マイクロ波のエネルギーが一定の場合、液相の半導体層の温度は、固相の半導体層の温度よりも高くなる。
【００１８】
従って、マイクロ波により非晶質半導体層を溶融した後、この非晶質半導体層が結晶核から結晶成長し始めると、単結晶に成長した固相部分の温度が低下し、半導体層の融点よりも低くなり、安定化する。
【００１９】
また、結晶成長中において、固相と液相の界面には自発的温度勾配が発生するため、結晶成長の速度を一定に保つことができると共に、非晶質半導体層に不純物の濃度勾配を設ける必要もない。
【００２０】
以下、具体的に説明する。
【００２１】
図１は、結晶成長の基本思想を示している。
【００２２】
まず、第１の単結晶半導体層１１（例えば、単結晶シリコン基板）上に、開口部ＯＰを有する絶縁層１２（例えば、酸化シリコン層）を形成する。次に、開口部ＯＰ内の第１の単結晶半導体層１１上及び絶縁層１２上に、非晶質半導体層１３（例えば、ＳｉＧｅ層）を形成する。
【００２３】
ただし、非晶質半導体層１３（例えば、ＳｉＧｅ層）内の不純物濃度（例えば、Ｇｅ）は、全体を通して一定である。
【００２４】
この後、非晶質半導体層１３にマイクロ波を照射すること（マイクロ波アニール）によって、非晶質半導体層１３を溶融半導体層（液相）Ｌ１にする。また、溶融半導体層Ｌ１は、第１の単結晶半導体層１１を結晶核とすることにより、第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１として結晶成長する。
【００２５】
図２は、マイクロ波の照射時間に対する非晶質／単結晶半導体層の温度変化を示している。
【００２６】
非晶質半導体層１３にマイクロ波を照射すると、非晶質半導体層１３は、融点（Ｔ０）以上の温度（Ｔ２）で溶融半導体層（液相）Ｌ１に変化する。ここで、溶融半導体層（液相）Ｌ１は、安定化（Ｐｈａｓｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅ）する。さらに、溶融半導体層（液相）Ｌ１は、第１の単結晶半導体層１１を結晶核として絶縁層１２上に結晶成長していくことによって、第２の単結晶半導体層Ｓ１（固相）となる。第２の単結晶層Ｓ１は、マイクロ波の吸収率が低いため、温度が低下し融点（Ｔ０）以下の温度（Ｔ１）で安定化する。この時、結晶成長中において、溶融半導体層（液相）Ｌ１と第２の単結晶層（固相）Ｓ１の間に界面Ｉ１が生じる。
【００２７】
図３は、結晶成長時の自発的温度勾配を示している。
【００２８】
第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１におけるマイクロ波の吸収率は、溶融半導体層（液相）Ｌ１よりも小さい。そのため、第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１の温度Ｔ１は、溶融半導体層（液相）Ｌ１の温度Ｔ２よりも低い。したがって、第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１と溶融半導体層（液相）Ｌ１との界面において、自発的温度勾配が生じる。この温度勾配（温度差）は、結晶化の駆動力を自発的に、且つ、一定に発現させる。
【００２９】
そのため、結晶成長（結晶化）は、広範囲に且つ高速に生じる。また、結晶成長（結晶化）の駆動力は、温度勾配（温度差）が急峻であるほど大きい。
【００３０】
また、溶融半導体層（液相）Ｌ１は安定なので、溶融半導体層（液相）Ｌ１内に不要な結晶核は、形成されない。そのため、第２の単結晶半導体層Ｓ１は、良質な結晶性を有する。
【００３１】
このように、一定濃度（融点、組成）の不純物を含む非晶質半導体層１３は、マイクロ波の照射によって、非晶質半導体層１３が液化した溶融半導体層（液相）Ｌ１と、溶融半導体層Ｌ１が固化した単結晶半導体層（固相）Ｓ１を形成し、固相と液相の界面Ｉ１に、マイクロ波の吸収率の差に応じた温度勾配を形成する。
【００３２】
この温度勾配によって自発的な結晶成長（結晶化）の駆動力が発生し、結晶成長（結晶化）を進行させる。即ち、本例は、均一な濃度（融点、組成）を有する非晶質半導体層を結晶化するので、素子特性は場所によらず均一である。
【００３３】
[変形例]
図４は、半導体装置の加熱時間に対する、非晶質／単結晶半導体層の温度変化を示している。
【００３４】
非晶質半導体層が固相の場合、非晶質半導体層におけるマイクロ波の吸収率は、非晶質半導体層の温度が、例えば、３００℃に到達すると低下する。ここで、非晶質半導体層のマイクロ波の吸収率が低下する温度をＴｘとする。ただし、温度Ｔｘは、融点Ｔ０よりも低いものとする。
【００３５】
マイクロ波アニールのみを用いて、非晶質半導体層を加熱する場合、非晶質半導体層の温度上昇率は、温度Ｔｘ以上で低下する。即ち、非晶質半導体層の温度を、温度Ｔｘから温度Ｔ２まで上昇させるまでの時間的効率が悪い。
【００３６】
そこで、温度ＴＸから温度Ｔ２付近までは、マイクロ波アニール以外の加熱方法を採用するのが望ましい。
【００３７】
本例では、非晶質半導体層の温度が融点Ｔ０直前に至るまで、マイクロ波以外の加熱方法により、非晶質半導体層を加熱する例を示す。
【００３８】
具体的には、非晶質半導体層は、例えば、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌ）、Ｆ．Ａ（Ｆａｓｔ  ａｎｎｅａｌ）、ランプアニールなどにより、融点Ｔ０の直前まで加熱される。次に、非晶質半導体層は、マイクロ波アニールにより加熱され、結晶成長（結晶化）を開始する。
【００３９】
このように、マイクロ波アニール以外のアニール方法を用いて、非晶質半導体層を温度Ｔ２付近まで加熱すれば、非晶質半導体層が結晶成長（結晶化）を開始するまでに要する時間は、短縮される。
【００４０】
また、非晶質半導体層の融点は、微量な不純物（例えば、Ｇｅ、Ｐ）の添加によって低下する。したがって、このような微量な不純物の添加により融点を低くすることによって、結晶成長（結晶化）の開始までの時間をさらに短縮できる。
【００４１】
[実施例]
図５は、実施例の半導体製造装置を示している。
【００４２】
半導体製造装置は、反応室１４と、反応室１４内において、半導体装置を保持する基板ホルダー１５と、マイクロ波を発生する第１の加熱装置（マイクロ波アニール装置）１６と、マイクロ波以外の熱を発生する第２の加熱装置１７（例えば、ランプアニール装置）と、第１及び第２の加熱装置１６，１７の切り替えを制御する制御装置１８と、溶融半導体層の温度をモニタする第１の温度モニタ装置１９と、第１の単結晶半導体層の温度をモニタする第２の温度モニタ装置２０とを備える。
【００４３】
ここで、基板ホルダー１５上には、図１の半導体装置が搭載される。
【００４４】
また、制御装置１８は、溶融半導体層の結晶成長（結晶化）時に、第１の温度モニタ装置１９からのフィードバックに基づいて、非晶質半導体層を溶融させ、かつ、溶融半導体層が結晶成長し始める温度となるように、マイクロ波のエネルギーを制御する。
【００４５】
さらに、制御装置１８は、第２の温度モニタ装置２０からのフィードバックに基づいて、第１の単結晶半導体層の温度がその融点よりも常に低くなるように、マイクロ波のエネルギーを制御する。
【００４６】
即ち、マイクロ波のエネルギーは、非晶質半導体層の温度が融点以上となり、第１の単結晶半導体層の温度が融点以下となるように、制御装置１８によって制御される。
【００４７】
尚、第１と第２の加熱装置１６、１７、及び、第１の温度モニタ装置１９の位置は、同図に示す位置に限定されない。さらに、第２の加熱装置１７と第１及び第２の温度モニタ装置１９、２０は、省略することが可能である。
【００４８】
このように、実施例の半導体製造装置によれば、上述の基本思想及び変形例に係わる半導体装置の製造方法、即ち、単結晶半導体層の結晶成長を実施することが可能である。
【００４９】
[製造方法]
図６乃至図８は、実施例の製造方法を示す断面図である。
【００５０】
まず、図６に示すように、第１の単結晶半導体層１１（例えば、単結晶シリコン基板）上に絶縁層１２（例えば、酸化シリコン層）を形成する。
【００５１】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチングプロセスを用いて、絶縁層１２に開口部ＯＰを形成する。
【００５２】
次に、化学気相蒸着法やエピタキシャル成長法などを用いて、開口部ＯＰ内の第１の単結晶半導体層１１上及び絶縁層１２上に非晶質半導体層１３（例えば、ＳｉＧｅ層）を形成する。
【００５３】
次に、図８に示すように、非晶質半導体層１３に対して、マイクロ波を照射（マイクロ波アニール）することで、非晶質半導体層１３を溶融半導体層Ｌ１に変化させる。
【００５４】
この後、開口部ＯＰ内の溶融半導体層（液相）Ｌ１を、開口部ＯＰ内の第１の単結晶半導体層１１を結晶核として、結晶成長（結晶化）させる。つまり、開口部ＯＰ内の溶融半導体層（液相）Ｌ１は、第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１に変化する。
【００５５】
尚、非晶質半導体層１３の結晶成長は、第２の単結晶半導体層（固相）Ｓ１と溶融半導体層（液相）Ｌ１間の温度勾配に依存する自発的な駆動力によって、進行する。
【００５６】
また、非晶質半導体層１３の結晶成長は、非晶質半導体層１３の全体に亘って進行するため、非晶質半導体層１３の全体は、第２の単結晶半導体Ｓ１に変化する。
【００５７】
この、第２の単結晶半導体層Ｓ１は、例えば、ＬＳＩを形成するためのアクティブエリアとなる。また、このアクティブエリアは、ＳＧＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｓｕｌａｔｏｒ）構造、又は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する。従って、第２の単結晶半導体層Ｓ１上に、例えば、ＣＭＯＳ回路を形成すれば、優れた特性を有するＣＭＯＳ回路を形成することができる。
【００５８】
[適用例]
図９は、適用例の半導体装置を示す断面図である。
【００５９】
この半導体装置は、第１の単結晶半導体層１１（例えば、単結晶シリコン基板）と、第１の単結晶半導体層１１上の絶縁層１２と、絶縁層１２上の第２の単結晶半導体層Ｓ１（例えば、シリコンゲルマニウム層、単結晶シリコン層、ゲルマニウム層など、ＩＶ族元素を含む単結晶半導体層）と、第２の単結晶半導体層Ｓ１上の薄膜トランジスタＴＲと、第１の単結晶半導体層Ｓ１上、及び、薄膜トランジスタＴＲを覆う層間絶縁層２２と、層間絶縁層２２内のコンタクトプラグ２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、層間絶縁層２２上の配線層２４ａ、２４ｂ、２４ｃとを備える。
【００６０】
薄膜トランジスタＴＲは、第１のソース／ドレイン電極層２１ａと、第２のソース／ドレイン電極層２１ｂと、第１及び第２のソース／ドレイン電極層２１ａ、２１ｂの間のチャネル領域と、チャネル領域上のゲート絶縁層ＧＩと、ゲート絶縁層ＧＩ上のゲート電極層２１Ｃとを備える。
【００６１】
コンタクトプラグ２３ａは、薄膜トランジスタＴＲの第１のソース／ドレイン層２１ａに接続され、コンタクトプラグ２３ｂは、薄膜トランジスタＴＲの第２のソース／ドレイン層２１ｂに接続され、コンタクトプラグ２３Ｃは、薄膜トランジスタＴＲのゲート電極層２１Ｃに接続される。
【００６２】
配線層２４ａは、コンタクトプラグ２３ａを介して、薄膜トランジスタＴＲの第１のソース／ドレイン層２１ａに接続され、配線層２４ｂは、コンタクトプラグ２３ｂを介して、薄膜トランジスタＴＲの第２のソース／ドレイン層２１ｂに接続され、配線層２４Ｃは、コンタクトプラグ２３Ｃを介して、薄膜トランジスタＴＲのゲート電極層２１Ｃに接続される。
【００６３】
以下、図９の半導体装置の製造方法を簡単に説明する。
【００６４】
まず、実施例の製造方法を用いて第２の単結晶半導体層Ｓ１を形成する。
【００６５】
次に、第２の単結晶半導体層Ｓ１上に、ＣＶＤなどを用いて絶縁層及び導電層を形成する。
【００６６】
これら、絶縁層及び導電層をパターニングすることにより、ゲート絶縁層ＧＩ及びゲート電極層２１ｃを形成する。
【００６７】
次に、ゲート電極層２１Ｃをマスクとしてイオン注入を行うことにより、第１及び第２のソース／ドレイン電極層２１ａ、２１ｂを形成する。
【００６８】
次に、第１の単結晶半導体層１１上及び薄膜トランジスタＴＲを覆う層間絶縁層２２を形成する。また、フォトリソグラフィ、及び、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ）などを用いて、層間絶縁層２２内に、第１及び第２のソース／ドレイン電極層２１ａ、２１ｂ、及び、ゲート電極層２１ｃに達するコンタクトホールを形成する。
【００６９】
次に、これらコンタクトホール内に導電層を埋め込み、コンタクトプラグ２３ａ、２３ｂ、２３ｃを形成する。
【００７０】
最後に、コンタクトプラグ２３ａ，２３ｂ、２３ｃ上に配線層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを形成する。
【００７１】
以上の製造工程により、図９の半導体装置は完成する。
【００７２】
［むすび］  
以上、実施形態によれば、均一な濃度（融点、組成）を有する半導体材料（特に、ＳｉＧｅ層などのＩＶ族元素を含む半導体材料）は、マイクロ波アニールによって、広範囲に且つ高速に結晶成長（結晶化）することが可能である。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１１：第１の単結晶半導体層、１２：絶縁層、１３：非晶質半導体層、１４：反応室、１５：基板ホルダー、１６：第１の加熱装置、１７：第２の加熱装置、１８：制御装置、１９：第１の温度モニタ装置、２０：第２の温度モニタ装置、２１ａ：第１のソース／ドレイン電極層、２１ｂ：第２のソース／ドレイン電極層、２１ｃ：ゲート電極層、２２：層間絶縁層、２３ａ乃至２３ｃ：コンタクトプラグ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：配線層、ＯＰ：開口部、Ｓ１：第２の単結晶半導体層（固相）、Ｌ１：溶融半導体層（液相）、Ｉ１：界面。
【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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