(57)【要約】【課題】高い制御技術や長い処理時間を必要としない、低コストで高品質なシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハを提供する。安価なＳＯＩウエハにより、消費電力を低減した半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の第一は、半導体基板上に、第一の絶縁層と、当該絶縁層上に形成された単結晶半導体層と、当該単結晶半導体層上に形成された半導体ナノ結晶層と、当該半導体ナノ結晶層上に形成された第二の絶縁層を有する多層ウエハ構造体に於いて、第二の絶縁層側からレーザー照射を行い、第二の絶縁層とその他の多層ウエハ構造体を分離せしめることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第一の絶縁層と、当該絶縁層上に形成された単結晶半導体層と、当該単結晶半導体層上に形成された半導体ナノ結晶層と、当該半導体ナノ結晶層上に形成された第二の絶縁層を有する多層ウエハ構造体に於いて、第二の絶縁層側からレーザー照射を行い、第二の絶縁層とその他の多層ウエハ構造体を分離せしめることを特徴とする半導体装置製造方法。
【請求項２】
前記多層ウエハ構造体は、第二の絶縁層に単結晶或いは多結晶半導体層を形成する工程と、当該単結晶或いは多結晶半導体層を陽極化成法により半導体ナノ結晶層とする工程と、当該半導体ナノ結晶層の表面を水素雰囲気中で熱処理する工程と、当該半導体ナノ結晶層上に半導体単結晶層を形成する工程と、当該半導体単結晶層の表面一部を酸化させる工程と、当該半導体単結晶層表面上の酸化膜を別の半導体基板に貼り合わせる工程と、貼り合わせた後に熱処理工程を有することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項３】
前記分離された多層ウエハ構造体が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造となることを特徴とする半導体装置製造方法。
【請求項４】
前記第二の絶縁層は、サファイヤ或いは石英或いはその他の光透過性の絶縁基板であることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項５】
前記レーザー照射は、エキシマレーザーによるものであることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項６】
前記半導体ナノ結晶層上に半導体単結晶層を形成する工程は、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）或いは分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ法）或いは超高真空気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）の何れかであることを特徴とする半導体製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６迄に記載された半導体製造方法を用いて作製された全ての半導体装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層構造を有する半導体ウエハ製造方法と、それを用いて作製された半導体装置に関する。特に当該多層構造がシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造となる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体分野にて携帯情報端末機器の低消費電力化・長時間動作が市場より要求されている。その中で、携帯情報端末機器を構成する半導体装置の低消費電力化は重要な課題のひとつである。近年になって半導体装置の低消費電力化を行う技術としてシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術が開発されつつある。これは、導電性のあるシリコン基板ウエハ中に絶縁膜である酸化シリコン層を埋め込むことによって、半導体装置から基板へのリーク電流を減らしたり、ＭＯＳトランジスタの寄生容量を減らすことで、半導体装置の低消費電力化を行う技術である。
【０００３】
ＳＯＩウエハを提供する方法としては、大きく分けて二つの方法がある。一つは、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）と呼ばれる酸素打ち込み法によるもの、もう一つは貼り合わせ法と呼ばれる二枚のウエハを分子間力により貼り合わせる方法である。どちらの方法も、最近の研究の結果、品質上デバイス特性に影響を与えないレベルにまで向上して来ているが、依然として解決されなければならない課題もある。特に量産性を考慮した場合、酸素打ち込み法では酸素イオンを大量に、かつ長時間に渡って注入しなければならず、ウエハ一枚あたりの処理時間が長くなってしまうと言う欠点がある。一方、貼り合わせ法については、埋め込み絶縁膜を熱酸化により形成するのでウエハの処理時間としては酸素打ち込み法より短くすることが出来、優位である。しかし、貼り合わせた後に以下のような複雑な工程が必要となる。一つは水素イオン注入による分離工程及びエッチング・研磨工程が必要となる方法。或いは機械的強度を落とした多孔質層を貼り合わせウエハ中に設けて、水圧を掛けて分離する工程が必要となる方法である。
【０００４】
以下に水圧を掛けて分離する方法について、図４を用いて説明する。シリコン基板（支持基板）１１側に多孔質シリコン層１０、単結晶シリコン層３、シリコン酸化膜（埋め込み絶縁膜）２が設けられ、シリコン基板１と貼り合わされている。その多層ウエハ構造体の側面から、多孔質シリコン層１０に目掛け高圧の純水を放射すると、機械的強度が弱い多孔質シリコン層１０は破壊され、シリコン・オン・インシュレータ構造８とシリコン基板（支持基板）１１に分離される。この方法では、機械的に弱い多孔質シリコン層１０を支持基板１１と単結晶シリコン層３に制御性良く形成する方法と、薄い多孔質シリコン層１０に水圧を集中させる技術が必要となり、高度な機械装置が多数必要となる。また、水圧による分離の際には、ウエハ全面に渡って均一に応力を掛けなければならないため、ウエハをゆっくり回転させながら水圧を掛ける必要があり、一枚あたりのウエハ処理時間が長くなる。以上のように高い制御性、高度な機械、長い処理時間等は全てウエハの価格に反映されるため、ＳＯＩウエハのコストを引き上げる要因になっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、これらを鑑み、高い制御技術や長い処理時間を必要としない、低コストで高品質なＳＯＩウエハを提供するものである。さらには、本発明を用いた安価なＳＯＩウエハにより、消費電力を低減した半導体装置、引いては携帯情報機器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一は、半導体基板上に、第一の絶縁層と、当該絶縁層上に形成された単結晶半導体層と、当該単結晶半導体層上に形成された半導体ナノ結晶層と、当該半導体ナノ結晶層上に形成された第二の絶縁層を有する多層ウエハ構造体に於いて、第二の絶縁層側からレーザー照射を行い、第二の絶縁層とその他の多層ウエハ構造体を分離せしめることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第二は、前記多層ウエハ構造体が、第二の絶縁層に単結晶或いは多結晶半導体層を形成する工程と、当該単結晶或いは多結晶半導体層を陽極化成法により半導体ナノ結晶層とする工程と、当該半導体ナノ結晶層の表面を水素雰囲気中で熱処理する工程と、当該半導体ナノ結晶層上に半導体単結晶層を形成する工程と、当該半導体単結晶層の表面一部を酸化させる工程と、当該半導体単結晶層表面上の酸化膜を別の半導体基板に貼り合わせる工程と、貼り合わせた後に熱処理工程により作製されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第三は、前記分離された多層ウエハ構造体が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造となることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第四は、前記第二の絶縁層が、サファイヤ或いは石英或いはその他の光透過性の絶縁基板であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第五は、前記レーザー照射が、エキシマレーザーによるものであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第六は、前記半導体ナノ結晶層上に半導体単結晶層を形成する工程が、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）或いは分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ法）或いは超高真空気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）の何れかであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第七は、前記発明の第一から第六迄の半導体製造方法を用いて作製された全ての半導体装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の概要を、図１を用いて説明する。サファイヤ基板５にシリコン・ナノ結晶層４、単結晶シリコン層３、及びシリコン酸化膜（埋め込み絶縁膜）２が設けられ、シリコン基板１と貼り合わせられている。このサファイヤ基板側から紫外領域のレーザー光を照射すると、レーザー光はサファイヤ基板を透過し、シリコン・ナノ結晶層４に吸収される。一般にシリコン・ナノ結晶は、シリコン単結晶に比べ紫外領域の吸収係数が大きいので（図３）、レーザー光は単結晶シリコン層に到達する前にシリコン・ナノ結晶層４で吸収される。この為、シリコン・ナノ結晶層は瞬時に溶融し、ウエハが解離する要因となる。シリコン・ナノ結晶層が、吸収係数の逆数に対し少なくとも二倍以上の膜厚があれば、単結晶シリコン層に影響を与えることはない。これにより、短時間で高品質なＳＯＩウエハの提供が可能となる。
【００１４】
以下に図を用いて、本発明の実施例を説明する。図２（ａ）から（ｆ）は本発明の製造工程を示している。まず、サファイヤ基板５上に多結晶シリコン或いは単結晶シリコンを形成し、陽極化成法によりシリコン・ナノ結晶層４とする（ａ）。次に、シリコン・ナノ結晶層４の表面を水素雰囲気中にて約１０００℃の熱処理を施すことにより、単結晶化する。その単結晶層を結晶種として、ＵＨＶ−ＣＶＤ法によるエピタキシャル成長にて単結晶シリコン層３を形成した（ｂ）。本実施例では、ジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６）を用いて（流量；２０〜３０ｓｃｃｍ）、８００℃、８〜１０分処理で、約２０００Å程度の単結晶シリコン層３が得られた。ここで述べたシリコンのエピタキシャル成長は、ＵＨＶ−ＣＶＤ法の変わりに、ＭＯ−ＣＶＤ法或いはＭＢＥ法であっても良い。その後に、得られた単結晶シリコン層３の半分を１０００℃の熱酸化によりシリコン酸化膜２とする（ｃ）。そして、そのシリコン酸化膜２側をシリコン基板１に貼り付ける（ｄ）。シリコン酸化膜２とシリコン基板１表面は、分子間力により結合されるが、その結合を更に強固にする為に１０００℃以上の熱処理を行う。結合が強固となったウエハ構造体のサファイヤ基板側から、紫外領域のレーザー光を照射する（ｅ）。本実施例では波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを用いた。このときのレーザー照射は、４００〜５００ｍＪの強度の光を５回連続でウエハ全面に渡って行った。使用するレーザーは、前述したようにシリコン・ナノ結晶層の吸収係数と膜厚の関係が満たされていれば、ＡｒＦ、ＫｒＦ等の他の波長を持ったレーザーであっても良い。以上の工程を用いて、サファイヤ基板５とＳＯＩウエハを分離せしめ、高品質なＳＯＩウエハを得た（ｆ）。
【００１５】
上記のような製造方法を用いれば、従来技術のような機械的強度の弱い分離層を形成する技術や、ウエハ側面からその機械的強度の弱い分離層に水圧を集中させるような高度制御技術が不要となる。また、分離の手段がレーザー光に依るものなので、ウエハ処理時間が短時間で済む。これにより、安価なＳＯＩウエハの提供が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の半導体製造方法を用いることにより、高度な制御性を持つ機械装置が不要で、短時間に処理できる高品質なＳＯＩウエハを提供することが出来る。従って、ＳＯＩを用いた安価な半導体装置を提供することが出来、携帯情報機器の低消費電力化を強力に推し進めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念図。
【図２】本発明の第一実施例。
【図３】半導体ナノ結晶の吸収係数を示す概略図。
【図４】従来技術を示す概念図。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  シリコン酸化膜（埋め込み絶縁膜）
３  単結晶シリコン層
４  シリコン・ナノ結晶層
５  サファイヤ基板
６  シリコン・ナノ結晶の吸収係数
７  単結晶シリコンの吸収係数
８  シリコン・オン・インシュレータ構造
１０  多孔質シリコン層
１１．シリコン基板（支持基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004303766.tif 000006