JPS60240118A

JPS60240118A - Ｓｉ半導体の製造方法

Info

Publication number: JPS60240118A
Application number: JP9461884A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nakamura; 稔中村; Komei Yatsuno; 八野　耕明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-11-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の利用分野）本発明は面方位が（１００）であるＳｔ半導体の製造方
法に係り、特に電子の移動度が大きな８１半導体の製造
方法に関する０（発明の背景）絶縁基板上にＳｉ結晶を成長させて使用する技術は、耐
放射線及び耐粒子線装置を作成するための重要な技術で
あり、従来から実用化されている。

例えば、　ｓｏｓ結晶（５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐ
ｐｈｉｒｅ　１は、１０００℃の水素雰囲気中で、モノ
シラン（８１Ｈ４）の熱分解ｌこよりサファイヤの表面
をこ形成される。

しかしながら、８１の熱膨張係数は４．２　Ｘ　１０−
’／℃であり、一方、サファイヤのそれは９．５　Ｘ　
１０　／℃であるため、室温まで降温させると８１層中
に圧縮応力が生じている。

又、一般に、絶縁基板の格子定数とＳｉ結晶の格子定数
とが異なるために、８ｉ結晶の結晶性は良好ではす°＜
、Ｓｉ結晶中に欠陥が生ずる場合が多い。このような結
晶中の圧縮応力及び結晶欠陥は、８ｉ結晶中のキャリア
の移動度を低下させる原因となっている。

１．０００℃で形成した前記５ｏｓｔこおけるＳ１結晶
縮応力を受けている。このため、（１００１Ｓｉ結晶を
使用した場合、圧縮応力のピエゾ効果により、電子の移
動度（μ。）は小さくなる。

一般に（１００）ｉ９ｉ面に平向に応力が生じた場合の
移動度（μ）は次の（１）式で示される。

ルーμ。／（１＋πτ）　・・・（１）この式において
、πはピエゾ係数であり、では８１層中の応力である。

そして、圧縮状態では応力τは負であり、引張り状態で
は前記応力τは正である。なお、ピエゾ係数πは、キャ
リア密度が１０′＠ｃｒｎ−８の場合、−５，Ｏｘ　ｉ
　Ｏ−”　ｒｌ／Ｎの負値である。

従って、前従のように８　Ｘ　１０’Ｎ／−の圧縮応力
が生じているＳｉ中の電子の移動度は、無歪の８４中の
移動度に比べ約７０％となる。これに対して、逆に８　
Ｘ　１０’Ｎ／−の引張り応力を生じさせれば、Ｓｔ中
の電子の移動度は無歪のＳｔＩこ比べて、約７０％向上
する。

結晶性に関しては、多結晶Ｓｉ中でのキャリア移動度が
数ｄ／Ｖ・８程度であるのに対して、単結晶Ｓｉ中での
それが約ｔ、ｏ　ｏ　ｏ’ｃａ７　ｖ・Ｂであることか
らもわかるようｔこ、Ｓｉ結晶の結晶性は電子の移動度
に大きな影響を与える〇このため、従来より、形成したｓＳ層を高温に加熱アニ
ーリングして結晶性を向上させるなどの方策が取られて
いる。

確かに、この方法によって結晶性は向上するが、基板も
高藺に曝すことになるので、室温に冷却された後では１
べ然として圧縮応力が存在しており、電子移動度の大巾
な向上は望めない。

一方、　ＳＯＳ上のｓｔｙのみを選択的に溶解して再結
晶させる方法として、短時間パルス光照射法が知られて
おり、結晶性を向上させる手段として使用されている（
特公昭４９−６７６３０号公報など）０又、パルス光照射により、絶縁基板上のＳｉ層は部分的
に引張り応力状態に転化することが知られている（　Ｇ
、Ａ、５ａｉ−Ｈａｌａｓｚ　ｅｔ　ａｌ、、　Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、、　３６　、４１９　、１９８０年）。

従って、短時間のパルス光照射により、結晶性が向上し
、しかも引張り応力の存在により電子の移動度は向上す
ることが期待される。

ところが、パルス光照射ｌこより、　ｓｉ層中の応力を
引張り応力に転化させて電子の移動度を大きくしても、
第２図の曲線Ｌ１に示すようｌこ、例えば８０Ｓでは５
００℃、４０分間の熱処理により電子の移動度は再び低
下することが分った。

なお、第２図において、縦軸は電子のホール移動度（ｃ
ｆＩ／Ｖ’　ａ　）　であり、横軸は前記熱処理時の加
熱協度である。

Ｘ線回折及びレーザラマン分光法により調べた結果、こ
のような移動度低下の原因は、８１の結晶性の低下ζこ
よるものではなく、引張り状態の内部応力が解き放たれ
、部分的に圧縮応力状態へ転化しているためであること
が明らかとなった０以上に述べたように、パルス光照射
により、８１層を引張り応力状態としても、５００℃以
上の加熱過程を必要とする　ＭＯ８製造プロセスで、Ｍ
Ｏ８ＦＦＩＴを製造すると、Ｓｔ層中の引張り応力が元
の圧縮応力に転化してしすう。

それ故に、室温に於けるパルス光照射のみでは、Ｓｔ半
導体装置に於ける大巾な電子移動度の向上は、期待でき
ない０（発明の目的）本発明の目的は、　Ｓｉ中の電子の移動度を飛躍的に向
上させて高速応答を実現することのできる８１半導体の
製造方法を提供することにある０（発明の概要）前記の目的を達成するために、本発明は、絶縁基板上に
形成された８１半導体層を、溶融再結晶させるときに、
絶縁基板を冷却しておくようにした点に特徴がある０また、本発明の他の特徴は、絶縁基板上に形成されたＳ
ｔ半導体層を、溶融再結晶させるときに、絶縁基板のみ
ならず、前記８１層をも冷却しておき、溶融されたｓｉ
を急冷することにより、結晶性の改善をもはかった点に
特徴がある０本発明は、以下のような知見に基づいてなされたもので
ある０（１）絶縁基板上のＳｔ中の電子の移動度を向上させる
ためには、（イ）結晶性を向上させること、及び（へ））特に（１００）８ｉでは、８１層中に引張り応
力を生せしめることが必要である０（２）半導体装置製造の高温プロセスを経ても電子の移
動度の低下をもたらさないためには、上記←）の状態を
保たせることが重要であるＯ上記の諸条件を達成する方法について検討した結果、絶
縁基板上の８１層のみを選択的に溶解するパルス光照射
に際して、０）照射後のＳｉ層の冷却効果を高めること、及び ←）基板の熱膨張を利用すること、が有効であることが明らかとなった。

すなわち、表面にＳｔを形成した基板を、少なくとも前
記基板が十分に冷却されるように、冷却効−果の大きい
冷媒中ｌこ設置しておき、８１面の側からパルス光を照
射して、前記Ｓｔを溶融・再結晶させれば、Ｓｉ中の電
子の移動度が大きくて、しかも高妃に曝しても移動度が
低下しない８１半導体が得られることが明らかとなった
。なお、ここでいう冷媒は、液体状もしくはガス状物質
をさしている。

（発明の実施例）以下、実施例に従って本発明の詳細な説明する〇〔実施
例１〕まず、（１１０１面サファイヤ単結晶基板上にモノシラ
ンの熱分解によりＳｉ層を約０．５μｍの厚さに成長さ
せる。この際、同時にホスフィンを熱分解してリンを拡
散させる。リン濃度は約Ｉ　Ｘ　１０１６ｃｙｎ−’で
ある。

このようにして形成した８１層の、ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｐ
ＩＬＷ方法による電子の移動度は、約２５０ｃＩＬ／Ｖ
・Ｓ　であり、単結晶Ｓ１の値に比べて非常に小さい。

これは、先に述べたように、Ｓ１層の結晶性の悪さ及び
圧縮応力がかかっていることζこよるものである。

なお、８１層の結晶性及び内部応力は、Ｘ線回折及びレ
ーザラマン分光により測定および評価することができる
。

次に、　Ｓｔ層１６を形成した上記絶縁基板１５を、第
１図に示す如く、液体窒素１３中に浸漬する。

そして、エネルギ密度１５ｍＪ／ｍｊ　、パルス巾約２
５ｎｓのパルスレーｆｌＱスイッチルビーレ−ザ、波長
６９４ｎｍ）１０を、８１層１６の側へ３回（３パルス
）照射する。

液体窒素は、ルビーレーザ光に対して透過性であるため
、光はほとんど損失なくＳｔ面に到達する。

そして、この場合、８１層１６は、前記パルスレーザ光
１０を１回（１パルス）照射するごとに溶融・再結晶を
くり返す。なお、第１図において、１２は基板支持治具
、１４は液体窒素容器である。

このようにしてレーザ照射したＳｔ層を形成した基板を
室温にもどし、ホール移動度、結晶性及び内部応力を測
定する。

その結果、ホール移動度は約９００　ｃｉ／Ｖ−ｓ　と
なり、室温の雰囲気中で、同−工不ルギ密度のパルスレ
ーザ光を照射した場合の移動度に比べて、約１．５倍程
度に向上していることがわかった。

一方、８１層１６の結晶性は、室温照射の場合とほぼ同
等であり、レーザラマン分光法によるＳｔ層中の引張り
応力は、約１２　ｘ　１０’Ｎ／ｒｒ？となっていた０従って、室温照射の場合に比べて電子の移動度が増大し
た理由は、大きな引張り応力が８ｉ層１６中に生じたこ
とによるものと考えることができる。

この引張り応力の増大の理由としては、レーザ照射によ
り溶解した８１層１６の急激な冷却による、高温状態の
効率的なりエンチングと、サファイヤ基板の室温と液体
窒素温度に於ける格子定数の差によって作り出されたも
のと考えられる。

簡単な計算によると、液体窒素ｍ度（７８°Ｋ＞でレー
ザ照射してから室温に戻した場合、Ｓ１層１６は、少く
とも２ＸｌＯ’Ｎ／−程度の引張り応力を。

サファイヤ基板１５から受けていることになる。

液体窒素中でのパルスレーザ光の照射により、この成分
以上に引張り応力が増大した理由は、液体窒素の効率的
なりエンチング効果によると考えられる。

次に、前述のようにして、液体窒素中でレーザ照射した
試料を、窒素雰囲気中で４０分間加熱した後、電子の移
動度を測定した。この場合は、第２図の曲線Ｌ２に示す
ように、７００℃の加熱ｍ１度に対しても、前記試料の
移動度は、室幅照射の場合の、加熱前の値以下には低下
しない。

つぎに、本発明をＭＯＳＦＥＴの製造に適用した場合に
ついて説明する。

まず、絶縁基板１５上にＳｉ層１６を積層形成したＳｔ
半導体を、ＭＯＳＦＥＴのｎベースとして使用するため
に、第３図（Ａｌに示す如く、光パルス照射前に、ソー
スとドレインになる部分３１．３２に、イオン打込みに
よってボロンを打ち込む。

次に、第１図に関して前述した方法により、少なくとも
絶縁基板１５を液体窒素（図示せず）中に設定して、第
３図（Ｂ）のように、レーザパルス１０を照射する。

その後、プラズマＣＶＤ　法により、５００１１１：以
下でＳ１酸化膜５を全面に形成する。さらに、前記Ｓ１
酸化膜５の上に、７００℃以下の温度でポリシリコン層
を形成する。そして、前記のポリソリコン層は、ゲート
電極及び配線となる部分６を除いて、第３図（Ｃ）のよ
うに、エツチング除去される。

次に、第３図（Ｄ）に示すように、この上から再びｓｉ
酸化膜８を形成した後、ソースとドレインに相当する部
分に、エツチングによってコンタクト窓２１．２２を明
ける。

さらに、この上からマスク蒸着により、第３図の（Ｅ）
のように、アルミ電極７１．７２を形成し、ＭＯＳＦＥ
Ｔを製造する。

上述のようにして製造したＭＯＳＦＥＴは、ｎベース層
が大きな移動度を有していること、及び製造プロセスに
よってもそれが低下しないことのために、大きなチャン
ネル移動度を有していることがわかった。

〔実施例２〕液体窒素中でのレーザ照射の場合に比べて、さらに大き
な電子移動度を持つ８１半導体を作成するためをこ、実
施例１と同様に作成した。　８１層をその表面に有する
絶縁基板を液体ヘリウム中に設置した０なお液体ヘリウムの沸点は４．２にで、揮発しやすいの
で、液体ヘリウム容器は液体窒素容器の中に設置した。

次に、実施例１と同様のルビーパルスレーザを、８１層
側へ３回照射する。液体ヘリウムはルビーレーザ光に対
して透過性であるため、光はほとんど損失なくｓｉ面に
到達する。

このようにしてレーザ照射した試料を室温に戻して、ホ
ール移動度を測定した。ホール移動度は約１．１００１
ｉＶＶ’＋＋　であり、液体窒素中でのレーザ照射の場
合に比べて増大していることがわかった。

これは、液体ヘリウムの高効率冷却効果と、サファイヤ
基板の室温と液体ヘリウム温度に於ける格子定数の差が
有効に働いたためと考えられる０さらに、液体ヘリウム
中でレーザ照射して得られた前記試料を、窒素雰囲気中
で４０分間加熱した後、電子のホール移動度を測定した
０その結果、第２図の曲線Ｌ３に示すように、液体ヘリ
ウム中でレーザ照射して作成した試料は、８００℃の加
熱温度に対しても、その移動度は、室温照射の場合の、
加熱前の値以下には低下しないことが分った〇実施例１の場合と同様に、前記試料のソースとドレイン
となるＳｉ層の部分にボロンを打ち込んで、液体ヘリウ
ム中でレーザ照射した後、７５０℃以下の加熱温度でゲ
ート酸化膜（第３図の５に相当する）を形成した。

その後実施例１と同様にしてＭＯ８ＦＦｉＴを製造した
。この結果、バルク８１単結晶を用いて得られた半導体
装置と同程度のチャンネル移動度を有するＭＯＳＦＥＴ
が得られた。

以上に説明した各実施例では、パルスレーザをＳｉ層に
３回照射したが、照射回数−したがって、Ｓｔ層の溶融
・再結晶のくり返し回数はこれに限定されるものではな
いことは当然である。

しかし、本発明者の実験によれば、照射回数が２回まで
はホール移動度の向上が観測され、２〜４回でほぼピー
ク値に達し、５回以上では、却ってホール移動度が低下
することが観測された。

この理由は、およそつぎのように推測される。

まず、パルスレーザ光を照射すると、Ｓｉ層はその表面
から溶融し、再結晶する０この再結晶時、Ｓ１層は急冷
されるので、再結晶部分の結晶性が改善され、その部分
の光透過性も良好となる。

したがって、つぎのパルスレーザ光照射時には、８１層
内への光の浸入深さが犬となるーすなわち、溶融・再結
晶する８１層の厚みが増大する。これに□よって、結晶
性がより一層改善される。

しかし、溶融・再結晶する８１層の厚みが大きくなり、
絶縁基板の表面近くに達するようになると、一般に、こ
の部分の結晶性は悪いので、再結晶したときの８１層の
結晶性も却って劣化することになるＯ以上のことを綜合すると、溶融・再結晶するＳｔ層の厚
みがＳｉ層の厚みの杓位舎こなるように、パルスレーザ
光の照射回数を定めるのが望ましい。

以上の各実施例では、Ｓｉ層を形成する絶縁基板として
サファイヤ基板を用いる例を示したが、スピネル等の絶
縁基板でも同様の効果が測定され、どのような絶縁基板
に対しても、本発明を適用できることが確認された。

また、前記の各実施例では、パルスレーザ光を用いて８
１層を溶融する例を示したが、キセノン、水銀等のフラ
ッシュランプでも同様の効果が測定され、パルス光なら
ばいずれの光源も使用できることがわかった。

さらに、前記各実施例では、冷媒として液体窒素及び液
体ヘリウムを用いた例を示したが、入射光に対して透過
性が良く、十分な冷却効果を持つ冷媒ならばいずれも使
用できる。

より大きな電子移動度を持つＳｔ半導体を作るためには
、より低温の冷媒を使うことが望ましい。

もつとも、現状では、液体ヘリウムを使うと液体窒素に
比べて製造コストが高くつく。

また、前記の各実施例では、表面に８１層を形成された
絶縁基板を、冷媒中に浸漬して冷却する例を示したが、
絶縁基板のみを冷媒に接触または浸漬するようにしても
、はぼ同等の効果が期待できるものである。この場合は
、明らかなように、冷媒が光透過性である必要はない。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明の方法によれば
、絶縁基板を冷却した状態、あるいはＳｔ層と共に冷媒
中に浸漬した状態で、パルス光をＳｔ層ニ照射すること
により、従来の方法に比べて大きな電子移動度を持ち、
しかも高温に曝してもその移動度は低下しないＳｔ半導
体を製造することができる。

さらをこ、このようをこして製造した８ｉ半導体を用い
て、従来に比べて大きなチャンネル移動度を有するＭＯ
ＳＦＥＴを製造することができた０明らかなように、こ
のことは高速ＩＣや高速ＬＳＩの製造につながるもので
ある０また、その後の半導体装置製造プロセスに於いても、極
端な低温プロセスを採用しなくて良いため、半導体装置
の性能を低下させることなしに、その製造コストを低下
することができる０

【図面の簡単な説明】

第１図は　ＳＯＳ結晶を液体窒素中でレーザ照射する時
の状態を示す断面図、第２図は　８０Ｓ結晶を室温及び冷媒中でレーザ照射後
高温に曝したときの、８ｉ中電子のホーｌし移動度々加
熱温度との関係を示すグラフ、第３図は本発明を適用し
てＭＯＳＦＥＴを製造すル時のプロセスを示す断面図で
ある。１０・・・照射パルス光、１２・・・基板支持治具、１
３・・・液体窒素、１４・・・液体窒素容器、１５・・
・絶縁基板、１６・・・Ｓｉ層代理人　弁理士　平　木　道　大津１図０才２図（ｃｍ／′Ｖ拳ｂ）才３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁基板と、その表面に積層形成された、平均的
面方位が（１００）の８１半導体層とよりなるｓｉ半導
体の製造方法であって、少なくとも前記絶縁基板を冷却
する工程と、前記冷却状態において、Ｓｔ半導体層に短
時間パルス光を照射して、これを溶融・再結晶させる工
程とを含むことを特徴とする８１半導体の製造方法。
（２）短時間パルス光の照射゛によるＳｔ半導体層の溶
融・再結晶を複数回くり返すことを特徴とする特許法０
（３）前記絶縁基板を冷媒中に設置することを特徴とす
る前記特許請求の範囲第１項または第２項記載の８１半
導体の製造方法。
（４）前記絶縁基板を、その表面上の８１半導体層と共
に冷媒中に設置することを特徴とする前記特許請求の範
囲第１項または第２項記載の８１半導体の製造方法。
（５）冷媒が液体酸素であることを特徴とする前記特許
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のＳｔ
半導体の製造方法。
（６）冷媒が液体窒素であることを特徴とする前記特許
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の８１
半導体の製造方法。