CN101393859B - 设置有半导体膜的衬底及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
具有矩形形状的多个单晶半导体衬底被置于盘上。在该盘中设置凹部以使所述单晶半导体衬底可装入。用氢离子掺杂置于该盘上的单晶半导体衬底，以使受损区域在预期深度形成。接合层在单晶半导体衬底的表面上形成。其每一个中形成有受损区域且其上形成有接合层的多个单晶半导体衬底被置于该盘上并接合到基衬底。通过热处理，单晶半导体衬底在受损区域上分离；因此，被减薄的多个单晶半导体层在基衬底上形成。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明涉及设置有半导体膜的衬底及其制造方法。该设置有半导体膜的衬底是具有绝缘体上硅(SOI)结构的半导体衬底。
2.相关技术描述
近年来，VLSI技术的发展迅猛，并且通过其可实现速度的加快和功耗的减少的SOI技术已经引起注意。该技术通常是一种由体单晶硅衬底制成的场效应晶体管(FET)的活性区域(沟道形成区域)由单晶硅膜构成的技术。众所周知，当使用SOI结构而非常规体单晶硅衬底制造MOS场效应晶体管时，可减小寄生电容，并且这种MOS场效应晶体管在加快速度方面是有利的。
作为SOI衬底，SIMOX衬底和接合衬底是已知的。例如，具有SOI结构的SIMOX衬底用以下方式制造：氧离子被注入体单晶硅衬底且在1300℃或更高温度进行热处理以形成掩埋氧化物(BOX)层；相应地，单晶硅膜在BOX层的表面上形成。在制造SIMOX衬底时，尽管由于可精确地控制氧离子的注入，从而可将单晶膜的深度精确控制成使该单晶膜可具有均匀厚度，但由于氧离子的注入会花很长时间，因此在操作时间和成本方面会有问题。此外，另一个问题是单晶硅膜容易被氧离子注入破坏。
具有SOI结构的接合衬底用以下方式制造：两个单晶硅衬底(基衬底和接合衬底)被接合在一起，其间夹有氧化物膜；并且单晶硅衬底之一(接合衬底)从后表面(不被接合的表面)减薄以使单晶硅膜形成。作为减薄衬底的一种方法，通过研磨和抛光来形成厚薄均匀的单晶硅膜是困难的，因此已提出了称为“Smart Cut”(智能切割，商标)的使用氢离子注入的技术(参见专利文献1：日本公开专利申请H5-211128)。
发明概述
然而，常规SOI衬底的大小取决于单晶硅晶片的大小，并且对常规SOI衬底而言实现大小的增大是困难的。因此，本发明的一个目的是提一种供设置有半导体膜的衬底，其比单晶硅衬底大且接合有多个单晶硅半导体层。另一个目的是提供设置有半导体膜的衬底的制造方法，通过该方法可有效地将多个单晶硅半导体层接合到大面积的衬底上。
本发明的设置有半导体膜的衬底的一个方面包括基衬底、与该基衬底的上表面紧密接触的多个绝缘层、以及与这些绝缘层的每一个的上表面紧密接触的单晶硅半导体层。作为基衬底，较佳地是使用一边为300毫米或更长的衬底。
根据本发明的设置有半导体膜的衬底的制造方法的一方面包括以下步骤：制备基衬底和多个单晶半导体衬底，接合层形成于这些单晶半导体衬底的上表面上且在每一个单晶半导体衬底中受损区域在预期深度处形成；在盘上布置多个单晶半导体衬底；使置于盘上的多个单晶半导体衬底与基衬底紧密接触，其间夹有接合层，以接合接合层的一个表面和基衬底的一个表面，从而使基衬底和多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；并且通过加热置于盘上的多个单晶半导体衬底在受损区域中生成裂缝，从而形成与单晶半导体衬底分开的多个第一单晶半导体层与之紧密接触的基衬底。
根据本发明的设置有半导体膜的衬底的制造方法的一方面包括以下步骤：制备基衬底和多个单晶半导体衬底，接合层形成于这些单晶半导体衬底的上表面上且在每一个单晶半导体衬底中受损区域在预期深度处形成；在第一盘上布置多个单晶半导体衬底；使置于第一盘上的多个单晶半导体衬底与基衬底紧密接触，其间夹有接合层，以接合接合层的一个表面和基衬底的一个表面，从而使基衬底和多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；并且通过加热置于第一盘上的多个单晶半导体衬底在受损区域中生成裂缝，从而形成与单晶半导体衬底分开的多个第一单晶半导体层与之紧密接触的基衬底。
在绝缘层的形成步骤中，置于第二盘上的多个单晶衬底可被置入含有氟化物气体或氟气的反应室，处理气体可被导入该反应室，该处理气体可被激发以生成等离子体，该等离子体中包括的活性种类的化学反应可进行以形成具有单个层或两个或更多个层的绝缘膜。相同的盘或不同的盘可被用作第一盘和第二盘。
以使用氟化物气体或氟气通过等离子体气体蚀刻清洗反应室而使该氟化物气体或氟气留在反应室中的方式，氟化物气体或氟气可被包含在反应室内。或者，可通过将氟化物气体或氟气供入反应室，氟化物气体或氟气可被包含在反应室内。
在上述发明中，较佳地将一边为300毫米或更长的衬底用作基衬底。此外，接合层较佳地在绝缘层上形成，该绝缘层形成为与单晶半导体衬底相接触。
本发明的设置有半导体膜的衬底是具有SOI结构的衬底，其面积比诸如硅晶片的体单晶半导体衬底大。因此，通过使用本发明的设置有半导体膜的衬底，可改进比如半导体集成电路的半导体器件的生产率。注意，在本说明书中，半导体器件一般指可通过利用半导体特性起作用的器件。
根据本发明的制造方法，可制造具有SOI结构的设置有半导体膜的衬底，其面积比诸如硅晶片的体单晶半导体衬底大。
附图简述
在附图中：
图1是示出设置有半导体膜的衬底的结构的一个示例的外部视图；
图2是示出单晶半导体膜衬底的结构的一个示例的外部视图；
图3是示出盘的结构的一个示例的外部视图；
图4是示出设置在盘上的多个单晶半导体衬底的外部视图；
图5A和5B各自是示出盘的结构示例的俯视图；
图6A和6B各自是示出盘的结构示例的俯视图；
图7A-7D是示出设置有半导体膜的衬底的制造方法的横截面视图；
图8A和8B是示出设置有半导体膜的衬底的制造方法的横截面视图；
图9是示出设置有半导体膜的衬底的制造方法的横截面视图；
图10A和10B是示出设置有半导体膜的衬底的制造方法的横截面视图；
图11A-11D是说明单晶半导体衬底的再加工处理的示图；
图12A-12D是说明半导体器件的制造方法的横截面视图；
图13A-13C是说明半导体器件的制造方法的横截面视图；
图14是一半导体器件的横截面视图和俯视图；
图15是示出微处理器的结构的一个示例的框图；
图16是示出半导体器件的结构的一个示例的框图；
图17是示出设置有半导体膜的衬底的主要部分的立体图；
图18A是液晶显示设备的像素的平面视图，而图18B是沿图18A的剖面线J-K截取的横截面视图；
图19A是场致发光显示设备的像素的平面视图，而图19B是图19A的横截面视图；
图20A-20C分别是蜂窝式电话、数字播放器、以及电子书的立体图；以及
图21是示出盘的结构的一个示例的立体图。
本发明详细描述
在下文中，将描述本发明。本领域技术人员容易理解，本发明可以许多不同方式实现，且本文中所公开的方式和细节可以各种方式修改而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明不应被解释为受限于各实施方式的描述。注意，不同附图中相同附图标记所标示的组件是相同的组件；因此，略去对材料、形状、制造方法等的重复描述。
实施方式1
在实施方式1中，描述了具有SOI结构的设置有半导体膜的衬底，其是设置有多个单晶半导体层的衬底，并描述了其制造方法。
图1是示出设置有半导体膜的衬底100的结构示例的立体图。作为设置有半导体膜的衬底100，多个单晶半导体层116被接合到基衬底101。各个单晶半导体层116被设置在基衬底101上，其间夹有绝缘层102，且设置有半导体膜的衬底100是所谓具有SOI结构的半导体衬底。因此，在下文中将把设置有半导体膜的衬底100称为“半导体衬底100”。
绝缘层102可具有单层结构或叠层结构。在本实施方式中，绝缘层102具有三层结构。在基衬底101之上，接合层114、绝缘膜112b、以及绝缘膜112a按此次序堆叠。
每个单晶半导体层116都是通过减薄单晶半导体衬底形成的层。可购买的半导体衬底可被用作单晶半导体衬底。例如，可使用由第4族元素制成的单晶半导体衬底，诸如单晶硅衬底、单晶锗衬底、或单晶硅-锗衬底。或者，可使用包括砷化镓、磷化铟等的化合物半导体衬底。
作为基衬底101，使用具有绝缘表面的衬底。具体地，可举出在电子行业中使用的各种玻璃衬底，诸如使用铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、钡硼硅酸盐玻璃的衬底，也可举出石英衬底、陶瓷衬底以及蓝宝石衬底。较佳地，玻璃衬底被用作基衬底101。作为玻璃衬底，可使用热膨胀系数高于或等于25x10-7/℃且低于或等于50x10-7/℃(较佳地高于或等于30x10-7/℃且低于或等于40x10-7/℃)且畸变点高于或等于580℃且低于或等于680℃(较佳地高于或等于600℃且低于或等于680℃)的玻璃衬底。此外，为了抑制半导体器件受污染，玻璃衬底较佳的是无碱玻璃。作为无碱玻璃衬底的材料，可举出诸如铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、钡硼硅酸盐玻璃的玻璃材料。此外，作为基衬底101，可使用由绝缘体制成的绝缘衬底，诸如陶瓷衬底、石英衬底、以及蓝宝石衬底；由诸如金属或不锈钢的导体制成的导电衬底；或由诸如硅或砷化镓的半导体制成的半导体衬底等等，以替代玻璃衬底。
作为基衬底101，较佳的是使用300毫米x300毫米或更大的衬底。例如，作为这种大面积衬底，较佳地使用开发成用于制造液晶面板的母板玻璃(mother glass)衬底。已知以下尺寸的衬底是作为母板玻璃衬底的，例如：第三代(550mmx650mm)、第3.5代(600mmx720mm)、第四代(680mmx880mm或730mmx920mm)、第五代(1100mmx1300mm)、第六代(1500mmx1850mm)、第七代(1870mmx2200mm)、第八代(2200mmx2400mm)等等。通过将大面积母板玻璃衬底用作基衬底101来制造SOI衬底，可实现SOI衬底的尺寸增大。
SOI衬底的尺寸增大可通过将诸如母板玻璃衬底的大面积衬底用作基衬底101来实现。当实现SOI衬底的尺寸增大时，可由一个SOI衬底制造出大量的IC芯片、LSI芯片等。由于由一个衬底制造出的芯片的数量增多，这可大大地提高生产率。
参照图2、图3、图4、图5A和5B、图6A和6B、图7A-7D、图8A和8B、图9、以及图10A和10B，描述图1中示出的半导体衬底100(设置有半导体膜的衬底100)的制造方法。
首先，制备单晶半导体衬底111。该单晶半导体衬底111被处理成所需大小和形状。图2是示出单晶半导体衬底111的结构的一个示例的外部视图。当考虑单晶半导体衬底111与之接合的基衬底101的形状是矩形的，并且诸如微缩投影(reduced-projection)曝光装置的曝光装置的曝光区域是矩形的事实时，单晶半导体衬底111的形状优选地为矩形，如图2所示。注意，除非另有指定，正方形也可作为矩形包括在内。例如，矩形单晶半导体衬底111长边的长度优选地被处理成是微缩投影曝光装置的一个投影的曝光区域的一次发射的边的长度的n倍(n是任意正整数，且n≥1)。该矩形的单晶半导体衬底111可通过切割可购得的圆形的体单晶半导体衬底形成。为了切割该衬底，可使用诸如切块机或线状锯的切割装置、诸如激光切割机、等离子体切割机或电子束切割机等的切割装置。或者，在切成衬底之前，用于制造半导体衬底的结晶块可被处理成长方体以使其具有矩形截面，并且此长方体的结晶块可被切割以制造矩形的单晶半导体衬底111。
注意，在将由第4族元素制成的其晶体结构为金刚石结构的衬底(像单晶硅衬底)用作单晶半导体衬底111的情形中，其主表面的平面取向可以是(100)、(110)或(111)。通过使用具有主表面(100)的单晶半导体衬底111，可使单晶半导体层116与在其表面上形成的绝缘层之间的界面态密度较低，这在制造场效应晶体管时是有利的。
通过使用具有主表面(110)的单晶半导体衬底111，包括在绝缘膜112a中的元素与包括在单晶半导体层116中的第4族元素(例如，硅元素)之间的紧密键在绝缘膜112a和单晶半导体层116之间的接合表面上形成。因此，接合层114和单晶半导体层116之间的接合力得到改进。
通过使用具有主表面(110)的单晶半导体衬底111，单晶半导体层116的平面性得到改进，因为与其它平面取向的表面相比原子被密集排列在主表面上。因此，使用具有主表面(110)的单晶半导体层116制造的晶体管具有极佳的电特性，诸如小S值和高电子场效应迁移率。注意，具有主表面(110)的单晶半导体衬底的杨氏模量比具有主表面(100)的单晶半导体衬底的高，并且具有容易形成裂缝的优点。
在清洗完单晶半导体衬底111之后，将多个单晶半导体衬底111置于盘10上。图3是示出盘10的结构示例的外部视图。盘10为板状构件，且设置有多个用于容纳单晶半导体衬底111的凹部11。图3所示的盘是用于制造图1的半导体衬底100的盘，其中凹部11构成为三行三列。如图4所示，单晶半导体衬底111被置于盘10之上以使其装入凹部11。图4是示出多个单晶半导体衬底111被置于盘10之上的状态的外部视图。
盘10使用在半导体衬底100的制造过程中不会由热处理改变其质量和形状的材料来制造。具体地，优选地选择不会由热处理膨胀很多的材料。例如，盘10可使用石英玻璃、不锈钢、无碱玻璃等来制造。
盘10的厚度可等于或大于1.1mm且等于或小于2mm。凹部11的深度可等于或大于0.2mm且等于或小于0.6mm，且优选地等于或大于0.3mm且等于或小于0.5mm。盘10优选地具有与基衬底101相同的大小。凹部11可具有使单晶半导体衬底111装入凹部11的大小。如图4所示，在本实施方式的制造方法中，半导体衬底100的单晶半导体层116的大小和阵列受凹部11的大小和阵列限制。
图5A和5B与图6A和6B是示出盘10的结构示例的俯视图。图5A和5B是将大小为600mmx720mm的母板玻璃衬底用作基衬底101的情形中盘10的平面视图，其中盘10的大小为600mmx720mm。图6A和6B是将大小为730mmx920mm的第四代母板玻璃衬底用作基衬底101的情形中盘10的平面视图，其中盘10的大小为730mmx920mm。
图5A是考虑了凹部11的大小和阵列而选择成与具有大小为每一边4英寸的曝光区的微缩投影曝光装置相一致的盘10的平面视图。盘10被分成四块，且在每个块中9个凹部11构成为三行三列。凹部11各自的大小为102mmx82mm以便于装入一次发射的曝光区。在一个块中，各行各列的相邻凹部11之间的距离均为11mm，而在纵向和横向上盘10各边到凹部11的最靠近盘10各边的边的距离均为16mm。
图5B是考虑了凹部11的大小和阵列而选择成与具有大小为每一边5英寸的曝光区的微缩投影曝光装置相一致的盘10的平面视图。盘10被分成四块，且在每个块中6个凹部11构成为三行两列。凹部11各自的大小为102mmx130mm以便于装入一次发射的曝光区。在一个块中，各列中相邻凹部11之间的距离为11mm，而各行中相邻凹部11之间的距离为10mm。在纵向和横向上盘10各边到凹部11的最靠近盘10各边的边的距离均为16mm。图6A是考虑了凹部11的大小和阵列而选择成与具有大小为每一边4英寸的曝光区的微缩投影曝光装置相一致的盘10的平面视图。盘10被分成6块，且在每个块中9个凹部11构成为三行三列。凹部11各自的大小为105mmx84mm以便于装入一次发射的曝光区。在一个块中，各列中相邻凹部11之间的距离为10mm，且各行中相邻凹部11之间的距离为10mm。在纵向上盘10各边到凹部11的最靠近盘10各边的边的距离为16mm，而在横向上盘10各边到凹部11的最靠近盘10各边的边的距离为15mm。
图6B是考虑了凹部11的大小和阵列而选择成与具有大小为每一边5英寸的曝光区的微缩投影曝光装置相一致的盘10的平面视图。盘10被分成6块，且在每个块中6个凹部11构成为两行三列。凹部11各自的大小为132mmx105mm以便于装入一次发射的曝光区。在一个块中，各列中相邻凹部11之间的距离为13mm，而各行中相邻凹部11之间的距离为10mm。在纵向和横向上盘10各边到凹部11的最靠近盘10各边的边的距离均为15mm。
在下文中，将参照图7A-图10B的横截面视图描述在如图3所示将单晶半导体衬底111沉积在盘10上之后半导体衬底100的制造方法。首先，如图7A所示，绝缘层112在单晶半导体衬底111上形成。绝缘层112可具有单层结构或两层以上的多层结构。绝缘层112的厚度可大于或等于5nm且小于或等于400nm。作为绝缘层112，可使用其成分中含硅或锗的绝缘膜，诸如氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化锗膜、氮化锗膜、氧氮化锗膜、或氮氧化锗膜。或者，可使用由诸如氧化铝、氧化钽、或氧化铪的金属氧化物制成的绝缘膜；由诸如氮化铝的金属氮化物制成的绝缘膜；诸如氧氮化铝膜的由金属氧氮化物制成的绝缘膜；或诸如氮氧化铝膜的由金属氮氧化物制成的绝缘膜。
注意在本说明书中，氧氮化物是指在其组成中氧原子的数量多于氮原子的数量的物质，而氮氧化物是指在其组成中氮原子的数量多于氧原子的数量的物质。例如，氧氮化硅是氧含量在55原子％～65原子％的范围内，氮含量在0.5原子％～20原子％的范围内，Si含量在25原子％～35原子％的范围内，氢含量在0.1原子％～20原子％的范围内的物质。此外，氮氧化硅是氧含量在5原子％～30原子％的范围内，氮含量在20原子％～55原子％的范围内，Si含量在25原子％～35原子％的范围内，氢含量在10原子％～30原子％的范围内的物质。注意，氧氮化物和氮氧化物的组成可使用卢瑟福反向散射光谱测定法(RBS)和氢前向散射(HFS)来测量。注意，氧、氮、氢和硅的百分比是当氧氮化硅或氮氧化硅中所含原子的总数被定义为100at.％时的值。
形成绝缘层112的绝缘膜可通过CVD法、溅射法、氧化或氮化单晶半导体衬底111的方法等等形成。
在将含有诸如降低半导体器件的可靠性的碱金属或碱土金属之类的杂质的衬底用作基衬底101的情形中，绝缘层112优选地设置有至少一层可防止这种杂质从基衬底101扩散到SOI衬底的半导体层的膜。作为这种膜，可举出氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化铝膜、氮氧化铝膜等。通过包括这样的膜，绝缘层112可起阻挡层的作用。
例如，在将绝缘层112形成为具有单层结构的阻挡层的情形中，可形成厚度为5nm到200nm的氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化铝膜、或氮氧化铝膜。
在将绝缘层112形成为具有双层结构的阻挡层的情形中，上层由具有高阻挡功能的绝缘膜构成。作为这样的绝缘膜，可形成厚度为5nm到200nm的氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化铝膜、或氮氧化铝膜。这些膜具有防止杂质扩散的高阻挡效果，但具有高内应力。因此，作为与单晶半导体衬底111接触的下层绝缘膜，较佳地是选择具有减少上层绝缘膜应力的效果的膜。作为这种绝缘膜，可举出氧化硅膜、氮化硅膜、通过热氧化单晶半导体衬底111形成的热氧化膜等。下层绝缘膜的厚度可以是5nm到300nm。
在本实施方式中，绝缘层112具有包括绝缘膜112a和绝缘膜112b的双层结构。作为绝缘层112中用作阻挡膜的绝缘膜112a与绝缘膜112b的组合，可给出以下作为示例。氧化硅膜和氮化硅膜、氧氮化硅膜和氮化硅膜、氧化硅膜和氮氧化硅膜、氧氮化硅膜和氮氧化硅膜等等。
例如，上层的绝缘膜112a可由将SiH4和N2O用作处理气体的等离子体激发CVD法(下文中称为“PECVD法”)形成的氧氮化硅膜构成。或者，作为绝缘膜112a，氧化硅膜可通过将有机硅烷和氧气用作处理气体的PECVD法来形成。再或者，绝缘膜112a可由通过氧化单晶半导体衬底111形成的氧化膜构成。
有机硅烷是诸如以下的化合物：硅酸乙酯(四乙氧基硅烷，简称TEOS，化学式：Si(OC2H5)4)、四甲基硅烷(TMS，化学式：Si(CH3)4)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三乙氧基硅烷(SiH(OC2H5)3)、三(二甲氨基)硅烷(SiH(N(CH3)2)3)等。下层的绝缘膜112b可由通过将SiH4、N2O、NH3和H2用作处理气体的PECVD法形成的氮氧化硅膜，或通过将SiH4、N2、N3和H2用作处理气体的PECVD法形成的氮化硅膜构成。
例如，在通过PECVD法形成由氧氮化硅制成的绝缘膜112a和由氮氧化硅制成的绝缘膜112b的情形中，多个单晶半导体衬底111被载入PECVD装置的处理室。然后，SiH4和N2O被供入处理室作为处理气体用于形成绝缘膜112a，产生这些处理气体的等离子体，并在该单晶半导体衬底111之上形成氮氧化硅膜。然后，导入处理室的气体被切换成用于形成绝缘膜112b的处理的气体。在此，使用SiH4、NH3、H2和N2O。产生这些气体的混合气体的等离子体，并且在氧氮化硅膜上无间断地形成氮氧化硅膜。同样，在使用具有多个处理室的PECVD装置的情形中，可在不同的处理室中形成氧氮化硅膜和氮氧化硅膜。当然，通过切换引入处理室的气体，氧化硅膜可被形成为下层，而氮化硅膜可被形成为上层。
通过用以上方式形成绝缘膜112a和绝缘膜112b，绝缘层112能以有利生产量在多个单晶半导体衬底111上形成。此外，因为绝缘膜112a和绝缘膜112b可在不暴露于大气的情况下形成，所以可防止绝缘膜112a和绝缘膜112b之间界面被大气的污染。
或者，通过氧化单晶半导体衬底111形成的氧化膜可被用作绝缘膜112a。用于形成该氧化膜的热氧化处理可以是干氧化，但将含卤素气体加入氧气气氛是较佳的。作为含卤素气体，可使用从以下选择的一类或多类气体：HCl、HF、NF3、HBr、Cl、ClF、BCl3、F、Br2等。
例如，在700℃或更高温度、含有相对于氧的体积比为0.5％-10％(优选的体积比为3％)的HCl的气氛中执行热处理。优选地，热氧化在950℃到1100℃的加热温度下执行。处理时间可以是0.1到6小时，优选地为0.5到1小时。所形成的该氧化膜的厚度可被制成10nm到1000nm(优选地为50nm到200nm)，例如100nm。
通过在这种温度范围进行氧化处理，可获得卤族元素的吸气作用。作为吸气作用，具体地有去除金属杂质的作用。即，通过氯的作用，诸如金属等杂质转变成挥发氯化物，然后以气相排放并从单晶半导体衬底111中去除。此外，通过在氧化处理中使用卤族元素，单晶半导体衬底111的表面上的悬空键被封端，且可降低氧化膜与单晶半导体衬底111的界面上的局部能级密度。
通过在含卤素气氛中进行该热氧化处理，氧化膜可含卤素。通过含卤族元素浓度为1x1017原子/cm3到5x1020原子/cm3，在半导体衬底100中，氧化膜可显示出保护膜功能，即通过捕捉诸如金属的杂质防止污染单晶半导体层116。
作为用于通过热氧化处理形成下层绝缘膜112a和通过诸如PECVD法的的汽相沉积法形成上层绝缘膜112b的方法的一个示例，可使用以下方法：在将单晶半导体衬底111置于盘10上之前通过热氧化处理形成绝缘膜112a，将已在其上形成了氧化膜的绝缘膜112a的单晶半导体衬底111置于盘10上，然后形成绝缘膜112b。
在本实施方式中，包括在具有单层结构或叠层结构的绝缘层112中的绝缘膜的至少之一优选地是含氟的绝缘膜。具体地，与单晶半导体衬底111接触的一层绝缘层112优选地使用含氟绝缘膜形成。在本实施方式的情形中，可通过在含氟化物气体或氟气的PECVD装置的反应室中形成绝缘膜112a来使氟能被包含在绝缘膜112a中。用于形成绝缘膜112a的处理气体被引入这种反应室，该处理气体被激发以产生等离子体，且引发包括在等离子体内的活性种类的化学反应，使得绝缘膜112a在单晶半导体衬底111上形成。
通过使用氟化物气体的等离子体气体蚀刻清洗反应室，氟化合物气体可被包含在PECVD装置的反应室中。当膜通过PECVD装置形成时，通过源材料的反应所产生的产物不仅沉积在衬底的表面上而且沉积在反应室的内壁、电极、衬底支架等之上。这些沉积产物是颗粒和粉尘的成因。因此，定期地进行去除这些沉积产物的清洗步骤。作为反应室的典型清洗方法，可举出使用等离子体气体蚀刻的方法。这是这样的一种方法，其中诸如NF3的氟化物气体被引入反应室，该氟化物气体被激发以产生等离子体以使氟基产生，且沉积产物被蚀刻以便于去除。因为通过与氟基的反应产生的氟化物具有高蒸汽压，所以氟化物通过排气系统从反应室去除。
在通过等离子体气体蚀刻进行清洗时，用作清洗气体的氟化物气体被吸附在反应室的内壁以及设置在反应室中的电极和各种工具上。即，氟化物气体可被包含在反应室中。注意，作为用于使氟化物气体被包含在反应室内的方法，可使用在反应室中设置置于盘10上的单晶半导体衬底111之后氟化物气体被引入反应室的方法，以及其中用氟化物气体清洗反应室且使该氟化物气体保留在反应室内的方法。
例如，在通过使用SiH4和N2O的PECVD法形成氧氮化硅膜作为绝缘膜112a的情形中，SiH4和N2O被提供给反应室，这些气体被激发以生成等离子体，且相应地保留在反应室内的氟化物气体也被激发以形成氟基。因而，氧氮化硅膜可含氟。此外，少量的氟化物保留在反应室内，并且在形成氧氮化硅膜期间未提供该氟化物。因此，氟是在形成氧氮化硅膜的前期引入的。用此方式，在绝缘膜112a中，氟的浓度在单晶半导体衬底111与绝缘膜112a(绝缘层112)之间的界面上或在该界面附近可增大。即，在图1所示的半导体衬底100的绝缘层112中，氟的浓度可在与单晶半导体层116的界面上或在该界面的附近增大。
在与单晶半导体层116的界面上半导体中的悬空键可通过使该区含氟来用氟封端；相应地，单晶半导体层116与绝缘层112之间的界面状态密度可降低。此外，即使在诸如钠的金属从基衬底101扩散到绝缘层112的情形中，如果氟存在，则该金属可被该氟捕捉，从而防止单晶半导体层116被金属污染。
代替氟化物气体，反应室中也可含有氟气(F2)。氟化物是其成分中含氟(F)的化合物。作为氟化物气体，可使用选自OF2，ClF3，NF3，FNO，F3NO，SF6，SF5NO，SOF2等的气体。或者，其成分中含碳的任一以下氟化合物气体可被用作氟化物气体：全氟化碳(PFC)、氢氟化碳(HFC)、氟氯烃(HCFC)、氟代醚、碳酰氟和氟代酯化物。
作为全氟化碳，可使用CF4、C2F6、C3F8、C4F10、C3F8、C4F6、C4F8、C5F8等。作为氢氟化碳，可使用CF3CHF2、CHF2CHF2、CF3CHFCF3、CF3CF2CHF2、CHF2CF2CHF2等。作为氟代醚，可使用诸如CHF2OCHF2、CF3OCHFCF3的氢氟醚(HFE)；CF3OCF＝CF2、C2F5OCF＝CF2、C3F6O、C3F6O2、C4F8O、C4F8O2等。作为碳酰氟，可使用CF3COCF3等。作为氟代酯，可使用CF3COOCHF2、CF3COOC2F5等。
作为其成分中含碳的氟化合物气体，也可使用选自COF2、CF3COF、CF2(COF)2、C3F7COFCF3OF、CF3I、CF3OOCF3、CF3OOOCF3、CF3CN、CF3NO等的气体。
接着，参照图7B描述在各个单晶半导体衬底111中形成受损区113的步骤。由通过电场加速的离子构成的离子束121穿过绝缘层112被发射到单晶半导体衬底111，以在距离单晶半导体衬底111的表面预定深度的区域中形成受损区域113。该离子辐射步骤是其中用由加速离子种类构成的离子束121辐射单晶半导体衬底111、将该离子种类中包括的元素添加到单晶半导体衬底111的步骤。因此，当离子束121被发射到单晶半导体衬底111时，通过加速离子种类的撞击在各个单晶半导体衬底111中的预定深度处形成其中晶体结构脆性的脆化层。该层是受损区域113。离子束121是通过激发源气体以生成该源气体的等离子体，然后通过电场的作用提取该等离子体中所含的离子来生成的。
形成有受损区域113的区域的深度可通过控制离子束121的加速能量和入射角来调节。加速能量可通过控制加速电压、剂量等来调节。受损区113在处于与离子的平均透深相同的深度的区域中形成。取决于离子被添加的深度，设置与单晶半导体衬底111分隔开的半导体层的厚度。形成受损区113的深度在50nm到500nm，优选地在50nm到200nm的范围内。
在将离子添加到单晶半导体衬底111时，优选使用不涉及质量分离的离子掺杂法，而非涉及质量分离的离子注入法。这是因为可缩短用于在置于盘10上的多个单晶半导体衬底111中形成受损区域113的节拍时间。
装在盘10内的单晶半导体衬底111被装入离子掺杂装置。然后，源气体被激发以生成等离子体，并且从该等离子体中提取离子种类并加速以生成离子束121。该离子束121被发射到多个单晶半导体衬底111；因此，将离子以高浓度引入预定深度的区域，并且在单晶半导体衬底111中形成受损区域113。
在将氢气(H2)用作源气体的情形中，氢气可被激发以生成含H +，H2 +和H3 +的等离子体。从源气体生成的离子种类的比率可通过调节等离子体的激发方法、产生等离子体的气氛的压强、源气体的供应量等来变化。当离子束121中所含H+，H2 +和H3 +的总量被定义为100％时，优选地包括大于或等于50％的H3 +，更优选地是大于或等于80％的H3 +。
因为H3 +与其它氢离子种类(H+和H2 +)相比具有更大数目的氢原子从而具有较大质量，所以在用相同能量加速的情形中，与H+和H2 +相比H3 +被注入单晶半导体衬底111的较浅区域。因此，就离子束121中所含H3 +的高百分比而言，氢离子的平均渗透深度的变化变小；因此，单晶半导体衬底111中深度方向上氢的浓度分布变陡，并且可使该分布的峰位置为浅。因此，较佳的是当离子束121中所含H+，H2 +和H3 +的总量被定义为100％时，优选地包括大于或等于50％的H3 +，更优选地是大于或等于80％的H3 +。
在通过使用氢气的离子掺杂法进行离子添加的情形中，加速电压可以是10kV到200kV，且剂量可以是1x1016离子/cm2至6x1016离子/cm2。通过在此条件下添加氢离子，受损区域113可在单晶半导体衬底111的处于50nm到500nm深度处的区域中形成，尽管它取决于离子束121中所含的离子种类及其百分比。
例如，在源气体为氢气、加速电压为40kV、且剂量为2.2x1016离子/cm2的条件下，其中单晶半导体衬底111是单晶硅衬底，绝缘膜112a是厚度为50nm的氧氮化硅膜，绝缘膜112b是厚度为50nm的氮氧化硅膜的情形中，可从单晶半导体衬底111中剥离厚度为约120nm的单晶半导体层。或者，当在与以上相同但绝缘膜112a是厚度为100nm的氧氮化硅膜的条件下添加氢离子时，可从单晶半导体衬底111中剥离厚度为约70nm的单晶半导体层。
也可将氦(He)用作离子束121的源气体。因为甚至通过不涉及质量分离的离子掺杂法通过激发氦气生成的离子种类也几乎全是He+，所以He+可作为主要离子被添加到单晶半导体衬底111。因此，可通过离子掺杂法在受损区域113内有效率地形成微孔。在通过使用氦的离子掺杂法进行离子添加的情形中，加速电压可以是10kV到200kV，且剂量可以是1x1016离子/cm2至6x1016离子/cm2。
诸如氯气(Cl2气体)或氟气(F2气体)的卤素气体可被用作源气体。
在形成受损区113之后，在绝缘层112的上表面上形成接合层114，如图7所示。在形成接合层114的步骤中，单晶半导体衬底111的加热温度是添加到受损区113的元素或分子不被析出的温度，并且加热温度优选地是350℃或更低。换言之，该加热温度是气体不会从受损区113中释放出的温度。注意，接合层114可在形成受损区113之前形成。在此情形中，用于形成接合层114的处理温度可以是350℃或更高温度。
该接合层114是用于在单晶半导体衬底111的表面上形成光滑且亲水的接合面的层。因此，接合层114的平均表面粗糙度Ra等于或小于0.7nm，且更为优选地等于或小于0.4nm。接合层114的厚度可等于或大于10nm且等于或小于200nm。该厚度优选地等于或大于5nm，且等于或小于500nm，且更为优选地等于或大于10nm且大于或小于200nm。
接合层114优选地是通过化学汽相反应形成的绝缘膜。例如，可形成氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜等作为接合层114。在通过PECVD法形成氧化硅膜作为接合层114的情形中，有机硅烷气体和氧气(O2)优选地被用作源气体。将有机硅烷用作源气体使得具有光滑表面的氧化硅膜能在350℃或更低的处理温度下形成。或者，接合层114可使用通过热CVD法在200℃或更高且500℃或更低的加热温度下形成的低温氧化物(LTO)来形成。为了形成LTO，甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)等可被用作硅源气体，而一氧化二氮(N2O)等可被用作氧源气体。
例如，用于通过将TEOS和O2用作源气体而形成氧化硅膜的接合层114的条件示例是：将TEOS以15sccm的流速引入处理室而O2以750sccm的流速引入。该成膜压强可以是100Pa，成膜温度可以是300℃，高频功率输出可以是300W，且功率频率可以是13.56MHz。
图7B步骤和图7C步骤的顺序可颠倒。换言之，在置于盘10上的多个单晶半导体衬底111上形成绝缘层112和接合层114之后，可形成受损区113。在该情形中，如果绝缘层112和接合层114可用同一成膜装置形成，则优选的是依次形成绝缘层112和接合层114。
再或者，在图7B步骤之后，可执行图7A的步骤和图7C的步骤。换言之，在通过用离子掺杂置于盘10之上的多个单晶半导体衬底111形成受损区113之后，可形成绝缘层112和接合层114。在该情形中，如果绝缘层112和接合层114可用同一成膜装置形成，则优选的是依次形成绝缘层112和接合层114。或者，为了保护单晶半导体衬底111的表面，在形成受损区域113之前，可对该单晶半导体衬底111进行氧化处理，以在各表面上形成氧化膜，且单晶半导体衬底111可利用离子种类穿过氧化膜来掺杂。在形成受损区113之后去除该氧化膜。或者，可在保留该氧化膜的情况下形成绝缘层112。
因为单晶半导体衬底111通过离子掺杂法用从源气体生成的离子种类掺杂以供形成受损区113，所以除源气体的离子种类之外的离子种类被包括在离子束121中。这些其它离子种类是例如部分地形成离子掺杂装置的处理室的工具或电极的金属等。因为其它离子种类具有比源气体(诸如氢气或氦气)的离子种类大的质量，所以其它离子种类通过掺杂而被引入到在单晶半导体衬底111的表面上形成的膜(绝缘层112、接合层114或氧化膜)的表面。为了去除诸如金属的杂质，在单晶半导体衬底111的表面上形成的膜的表面可在离子掺杂步骤之后通过湿法蚀刻去除一薄层。
接着，各自设置有绝缘层112、受损区113、以及接合层114的单晶半导体衬底111与盘10分离，且清洗多个单晶半导体衬底111。该清洗步骤可通过利用纯水的超声波清洗进行。作为超声波清洗，兆赫的超声波清洗(兆声清洗)是优选的。在超声波清洗之后，可用臭氧水清洗单晶半导体衬底111。通过用臭氧水清洗，可去除有机物质，且可进行改进接合层114表面的亲水性的表面激活。在清洗步骤和表面激活处理之后，单晶半导体衬底111被置于盘10的凹部11，如图7D所示。
作为接合层114的表面的激活处理，可进行用原子束或离子束的辐射处理、等离子体处理、或基处理、以及用臭氧水的清洗。当使用原子束或离子束时，可使用氩气等的惰性气体中性原子束或惰性气体离子束。这些处理也可在单晶半导体衬底111置于盘10上的情况下进行。
接着，贴附置于盘10上的单晶半导体衬底111和基衬底101。在贴附之前，也对基衬底101进行清洗。此时，可使用用盐酸、过氧化氢溶液的清洗、或兆赫超声波清洗。与接合层114相似，优选地对成为基衬底101的接合面的表面进行表面激活处理。
图8A是示出接合步骤的横截面视图。基衬底101从其上置有多个单晶半导体衬底111的盘10上方放置，且使该基衬底101和多个单晶半导体衬底111彼此紧密接触，其间夹有接合层114。约300N/cm2到15000N/cm2的压强被施加于基衬底101的边缘的一部分。该压强优选地是1000N/cm2到5000N/cm2。由于加压部件，接合层114和基衬底101开始彼此接合在一起。然后，盘10上的所有单晶半导体衬底111被接合到一个基衬底101，以使该多个单晶半导体衬底111可与基衬底101紧密接触。该接合步骤可在室温下进行，而不进行热处理；因此，像玻璃衬底之类的耐热性低到容许温度限值为700℃或更低的衬底可被用作基衬底101。
因为多个单晶半导体衬底111被置于盘10上，所以存在因为单晶半导体衬底111之间厚度的差异引起的在一个单晶半导体衬底111中接合层114的表面没有与基衬底101相接触的情形。因此，优选将压力施加于不只是一部分(一个单晶半导体衬底)而是每个单晶半导体衬底111。此外，即使在处于单晶半导体衬底111被置于盘10上的状态中时接合层114的表面的高度有变化的情形中，如果接合层114的一部分因为基衬底101的变形而与之紧密接触，则也可对接合层114的整个表面进行接合。
在如图8A所示将基衬底101置于盘10之上之后，基衬底101的位置可被变成在底部，如图9所示。通过将基衬底101和盘10上下颠倒，可抵消单晶半导体衬底111之间厚度的差异，从而可容易地使接合层114的整个表面与基衬底101的表面相接触。
在将单晶半导体衬底111接合到基衬底101之后，优选进行热处理以便于在基衬底101和接合层114之间的接合界面增大接合力。该处理温度被设置成不会在受损区113内产生裂缝的温度，且可以在从200℃到450℃的温度范围内。此外，当单晶半导体衬底111在上述范围内的温度加热的同时被接合到基衬底101时，基衬底101和接合层114之间的接合界面上的接合力可变强。
在如图8A所示将基衬底101置于盘10之上的单晶半导体衬底111之后，如果接合面被粉尘等污染，则在被污染部分不进行接合。因此，为了防止接合面上的污染，放置基衬底101优选在密封处理室中进行。此外，处理室优选具有约5.0x10-3Pa的降低的压力，并且优选地使接合处理中的气氛保持清洁。
接着，进行热处理以引起受损区113处的分离，从而单晶半导体层115与单晶半导体衬底111分离。图8B示出将单晶半导体层115与单晶半导体衬底111分离的分离步骤。附图标记117标示的元件是单晶半导体层115与之分离的单晶半导体衬底111。
如图8B所示，在许多情形中单晶半导体衬底111的周边部分不与基衬底101接合。这是因为在运送单晶半导体衬底111时单晶半导体衬底111的周边部分被倒角，或者接合层114的周边部分被损坏或弄脏；因此，在周边部分，不使基衬底101与接合层114彼此紧密接触。另一个可能原因是受损区113的分离在单晶半导体衬底111的周边部分不易进行。因此，大小比单晶半导体衬底111小的单晶半导体层115被接合到基衬底101。此外，在单晶半导体衬底117的周边形成凸部，且绝缘膜112b、绝缘膜112b和接合层114的不与基衬底101接合的部分被留在凸部。
当进行热处理时，通过离子掺杂添加的元素被析出到微孔，这些微孔随着温度增加而在受损区113中形成，且微孔中的压强增大。随着压强增大，受损区113中微孔的体积改变，且在受损区113中产生裂缝；因此，单晶半导体衬底111沿受损区113分离。因为接合层114被接合到基衬底101，所以与单晶半导体衬底111分离的单晶半导体层115被固定在基衬底101之上。用于将单晶半导体层115与单晶半导体衬底111分离的热处理的温度被设置在不超过基衬底101的应变点的温度。
该热处理可用快速热退火(RTA)装置、电阻加热炉、或微波加热装置来执行。作为RTA装置，可使用气体快速热退火(GRTA)装置或灯快速热退火(LRTA)装置。优选的是，与单晶半导体层115接合的基衬底101的温度通过该热处理被增至从550℃到650℃范围的温度。
在使用GRTA装置的情形中，加热温度可在550℃到650℃的范围内，并且处理时间可在0.5分钟到60分钟的范围内。在使用电阻加热炉的情形中，加热温度可在200℃到650℃的范围内，并且处理时间可在2小时到4小时的范围内。在使用微波加热装置的情形中，例如，处理时间可在10分钟到20分钟的范围内，且微波的频率为2.45GHz。
对使用以电阻加热的竖炉的热处理的特定处理方法进行描述。与置于盘10上的单晶半导体衬底111接合的基衬底101(参见图8A)被置于竖炉的舟皿中。该舟皿被载入竖炉的室中。首先，该室被抽空以具有真空状态，以便于抑制单晶半导体衬底111的氧化。真空度约为5x10-3Pa。在形成该真空状态之后，氮气被供入该室以使该室具有处于大气压下的氮气气氛。在此期间，温度增至200℃。
在使该室具有处于大气压的氮气气氛之后，在200℃下加热2小时。然后，在1小时内温度增至400℃。在400℃加热温度的状态稳定之后，该温度在一小时内增至600℃。在600℃加热温度的状态稳定之后，在600℃下进行2小时的热处理。然后，温度在一小时内降至400℃，10分钟至30分钟之后，从该室取出舟皿。在舟皿内的置于盘10上的单晶半导体衬底117和与单晶半导体层115接合的基衬底101在气氛中冷却。
作为使用上述电阻加热炉的热处理，可依次执行用于增大接合层114与基衬底101之间的接合力的热处理和用于引起受损区113上分离的热处理。在用不同装置执行这两个热处理的情形中，例如，在电阻加热炉中进行200℃处理温度、2小时处理时间的热处理，然后从该炉中取出彼此接合的基衬底101和单晶半导体衬底111。然后，用RTA装置进行处理温度为600℃到700℃、处理时间为1分钟到30分钟的热处理，以使单晶半导体衬底111与受损区113分离。
为了使接合层114与基衬底101通过700℃或更低低温的处理而彼此牢固接合，优选的是，在接合层114的表面或基衬底的表面上存在OH基团或水分子(H2O)。这是因为接合层114与基衬底101通过由OH基团或水分子形成共价键(氧分子和氢分子之间的共价键)或氢键开始彼此接合。
因此，接合层114和基衬底101的表面优选被激活成是亲水的。此外，接合层114优选通过这种方法形成以含氧或氢。例如，当通过PECVD法在400℃或更低的处理温度下形成氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜等时，该膜可含氢。为了形成氧化硅膜或氧氮化硅膜，可例如将SiH4和N2O用作处理气体。为了形成氮氧化硅膜，可例如使用SiH4、NH3和N2O。为了形成氮化硅膜，可例如使用SiH4和NH3。此外，还优选在通过PECVD法形成时将诸如TEOS(化学式：Si(OC2H5)4)之类的包括OH基团的化合物用作源材料。
在此，700℃或更低的加热温度下的处理被称为低温处理，因为该处理在等于或低于玻璃衬底的容许温度限值的温度上执行。此外，与本实施方式相反，在通过Smart Cut(注册商标)形成SOI衬底时，进行800℃或更高温度的热处理以便于接合单晶硅层和单晶硅晶片，并且需要在比玻璃衬底的容许温度限值高的温度下的热处理。因此，700℃或更低的温度下的处理被称为低温处理。
当随着加热大大收缩的衬底被用作基衬底101时，因为温度上升引起的热收缩在某些情形中是半导体衬底100的制造工艺和使用该半导体衬底100的半导体器件的制造工艺中的问题。在这种情形中，该问题的影响可通过在接合单晶半导体衬底111之前加热基衬底101以预先引起热收缩来得到抑制。该热处理可以例如按这种方式进行：640℃的加热在电阻加热炉中进行4小时、然后进行以0.2℃/分钟的速率的冷却。或者，热处理可用GRTA装置以这种方式进行：6分钟650℃的加热重复3-5次。注意，如果基衬底101可通过图8B的热处理而热收缩以分离单晶半导体衬底111，则不必在接合之前进行热处理。
在此，由于受损区113处的分离和受损区113的形成，晶体缺陷在与基衬底101紧密接触的单晶半导体层115中形成。此外，单晶半导体层115的表面的平面性变差。为了减小晶体缺陷并改进表面的平面性，用激光束122照射单晶半导体层115，如图10A所示。
通过用来自单晶半导体层115一侧的激光束122照射，单晶半导体层115从其上表面熔化。在熔化之后，单晶半导体层115被冷却和固化；因此，形成上表面平面性得到改进的单晶半导体层116，如图10B所示。图10B的外部视图为图1。
在该激光束照射步骤中，因为基衬底101的温度上升通过使用激光束122来抑制，所以像玻璃衬底的具有低耐热性的衬底可被用作基衬底101。优选的是，单晶半导体层115通过激光束122的照射被部分熔化。如果单晶半导体层115被完全熔化，则单晶半导体层115的再结晶伴随有液相中单晶半导体层115的无序成核过程，且单晶半导体层115的结晶度降低。通过部分熔化，从未熔化的固体部分进行晶体生长的所谓纵向生长在该单晶半导体层115中进行。由于纵向生长的再结晶，单晶半导体层115的晶体缺陷被减少，且其结晶度被恢复。注意，在图10A的叠层结构的情形中，单晶半导体层115被完全熔化的状态指示：从单晶半导体层115的上表面到与接合层114的界面的部分被熔化且为液相。另一方面，单晶半导体层115被部分熔化的状态指示其上层被熔化且为液相，其下层处于固相。
作为激光束122的激光装置，选择能够振荡具有从紫外线区到可见光区的振荡波长的激光束的激光装置。激光束122具有由单晶半导体层115吸收的波长。可考虑激光束的趋肤深度等来确定该波长。例如，该波长可以在从250nm到700nm的范围内。激光装置可以是连续波激光器、伪连续波激光器、或脉冲激光器。脉冲激光器优选用于部分熔化。例如，在脉冲激光器的情形中，重复率等于或大于1MHz，而脉宽等于或大于10纳秒且等于或小于500纳秒。例如，可使用重复率为10Hz到300Hz、脉宽为25纳秒且波长为308nm的XeCl准分子激光器。
此外，激光束122的能量可考虑激光束122的波长、激光束122的趋肤深度、单晶半导体衬底111的厚度等来确定。激光束122的能量可以例如在300mJ/cm2到800mJ/cm2的范围内。例如，在单晶半导体层115的厚度约为120nm的情形中，脉冲激光器被用作激光装置，且激光束122的波长为308nm，激光束122的能量密度可以是600mJ/cm2到700mJ/cm2的范围内。用激光束122的照射优选在诸如稀有气体气氛或氮气气氛的惰性气氛中或在真空状态中进行。为了在惰性气体气氛中用激光束122进行照射，可在密封室内进行激光束1422的照射，同时控制该室内的气氛。在不使用该室的情形中，通过将诸如氮气或稀有气体的惰性气体吹到用激光束122照射的表面，可实现惰性气氛中激光束122的照射。
诸如氮气的惰性气氛和真空状态具有比空气气氛更高的改进单晶半导体层116的平面性的作用。此外，因为惰性气氛和真空状态具有比空气气氛高的抑制生成裂缝和皱纹的作用，所以激光束122的适用能量范围变宽。通过光学系统，激光束122的能量分布优选被均匀分布且激光束122的横截面被优选地制成线性。因而，可高吞吐量地进行激光束122的均匀照射。当激光束122的束长比基衬底101的一个边长时，所有接合到基衬底101的单晶半导体层115可通过扫描一次来用激光束122照射。当激光束122的束长比基衬底101的一个边短时，所有接合到基衬底101的单晶半导体层115可通过扫描若干次来用激光束122照射。
注意，在用激光束122照射单晶半导体层115之前，进行去除在该单晶半导体层115的表面上形成的诸如自然氧化膜的氧化膜的处理。该氧化膜要去除是因为在氧化膜保留在单晶半导体层115的表面上的状态下即使进行激光束122的照射，该单晶半导体层115的表面也不会被充分平面化。去除氧化膜的处理可通过用氢氟酸溶液处理该单晶半导体层115来执行。用氢氟酸的处理被合乎需要地进行，直到单晶半导体层115的表面展现出亲水性。通过亲水性的展现，可确认从单晶半导体层115去除了氧化膜。
图10A中示出的用激光束122的照射步骤可用以下方式进行。首先，用以1:100的比例(＝氢氟酸：水)稀释的氢氟酸溶液处理单晶半导体层115达110秒以使表面上的氧化膜被去除。作为激光束122的激光装置，使用XeCl准分子激光器(波长：308nm，脉宽：25纳秒，重复率：60Hz)。通过光学系统，激光束122被成形为横截面为300mmx0.34mm的线形。该单晶半导体层115用激光束122以其2.0mm/秒的扫描速度、33μm的扫描间距、以及约10的发射数来照射。用激光束122的扫描在将氮气吹到照射表面的同时进行。因为激光束122的束长为300mm，在基衬底101的大小为730mmx920mm的情形中，所以激光束122的照射区被分成三个区。以此方式，所有接合到基衬底101的单晶半导体层115都可用激光束122照射。用激光束122照射的单晶半导体层116的表面被平面化，且表面的不平齐性的平均表面粗糙度可等于或大于1nm且等于或小于7nm。此外，不平齐性的均方根粗糙度可等于或大于1nm且等于或小于10nm。此外，不平齐性的最大峰到谷高度可等于或大于5nm且等于或小于250nm。即，用激光束122的照射处理可被视为单晶半导体层115的平面化处理。当形成各自具有平坦表面的单晶半导体层116时，在单晶半导体层116上形成的栅极绝缘膜的厚度可薄至约5nm到50nm。因此，可形成在具有经抑制的栅极电压的同时具有高导通电流的晶体管。
尽管化学机械抛光(缩写CMP)是作为平面化处理公知的，但在将母板玻璃衬底用作基衬底101的情形中，通过CMP在单晶半导体层115上进行平面化处理是困难的，因为该母板玻璃衬底具有较大面积和畸变。因为用激光束122的照射处理在本实施方式中作为平面化处理来进行，所以单晶半导体层115可被平面化，而不使用将破坏母板玻璃衬底的施加力的方法、或在超过其容许温度限值的温度下加热母板玻璃衬底的方法。在用激光束122照射之后，单晶半导体层116优选在等于或高于500℃且等于或低于650℃的温度下进行热处理。通过该热处理，可消除单晶半导体层116内没有被激光束122的照射恢复的缺陷，且可减轻单晶半导体层116的没有被激光束122的照射恢复的畸变。该热处理可用快速热退火(RTA)装置、电阻加热炉、或微波加热装置执行。作为RTA装置，可使用气体快速热退火(GRTA)装置或灯快速热退火(LRTA)装置。在使用电阻加热炉的情形中，在500℃温度下的加热可进行1小时，然后可在550℃下的加热可进行4小时。
通过上述处理，可制造图1和图10B中所示的半导体衬底100。在本实施方式中，在多个单晶半导体衬底111被置于盘10之上的情况下，形成绝缘层112、受损区113、以及接合层114。因此，可集体处理多个单晶半导体衬底111；因此，可高产量地形成半导体衬底100。注意，绝缘层112、受损区113、以及接合层114的形成也可在不将单晶半导体衬底111被置于盘10之上的情况下执行。
因为在单晶半导体衬底111置于盘10上的情况下，基衬底101被接合到单晶半导体衬底111，所以可容易地高吞吐量地将多个单晶半导体衬底111接合到基衬底101的期望位置。
因为从图7A直到(并包括)图10B的步骤可在等于或低于700℃的温度上执行，所以具有容许温度限值700℃或更低的玻璃衬底可被用作基衬底101。因为可使用便宜的玻璃衬底，所以可降低半导体衬底100的材料成本。此外，因为像母板玻璃衬底的大尺寸衬底(500mmx500mm或更大、优选地600mmx700mm或更大，更为优选地700mmx900mm或更大)可被用作基衬底，所以可提供具有包括单晶半导体层的半导体膜的大尺寸衬底。
从图7A直到(并包括)图7C的步骤在不将单晶半导体衬底111移到另一盘10的情况下进行；然而，在各个步骤中，可将单晶半导体衬底111置于该步骤中所使用设备的专用盘10中。例如，可在绝缘层112的形成步骤中使用专用于PECVD装置的盘10，且在图7C的步骤中可使用专用于掺杂装置的盘10。
或者，在图7A的绝缘层112的形成步骤之后，其上形成绝缘层112的单晶半导体衬底111可与盘10分离，且可对单晶半导体衬底111进行诸如超声波清洗的清洗处理。在清洗处理之后，单晶半导体衬底111也可被置于不同的清洁盘10上。
再或者，在图7B的受损区113的形成步骤之后，其上各自形成受损区113的单晶半导体衬底111可从盘10去除，且可对单晶半导体衬底111进行诸如超声波清洗的清洗处理。在清洗处理之后，单晶半导体衬底111也可被置于不同的清洁盘10上。
实施方式2
在实施方式2中，将描述单晶半导体衬底的再处理。在此，将参照图11A到11D描述在图8B中示出的再处理单晶半导体衬底117的方法，其中单晶半导体衬底115与单晶半导体衬底117分离。
在图8B的步骤之后，如图11A所示，凸部117a在单晶半导体衬底117的周边形成，且绝缘膜112b、绝缘膜112a和接合层114的不接合到基衬底101的部分被留在凸部117a上。
首先，执行用于去除绝缘膜112b、绝缘膜112a和接合层114的蚀刻处理。在使用氧化硅、氧氮化硅、或氮氧化硅形成这些膜的清洗中，进行使用氢氟酸溶液的湿法蚀刻处理。通过该蚀刻处理获得单晶半导体衬底117，如图11B所示。图11C是沿图11B的点划线X-Y取得的横截面视图。
接着，对图11B和图11C中示出的单晶半导体衬底117进行蚀刻处理，以使与单晶半导体衬底115分离的凸部117a和分离表面117b得以去除。图11C中被点划线包围的部分指示应当被该蚀刻处理去除的区域。通过此蚀刻，去除留在单晶半导体衬底117上并包含过量氢的区域，像受损区113。作为用于单晶半导体衬底117的蚀刻处理，湿法蚀刻处理是优选的，并且作为蚀刻剂，可使用羟化四甲铵(缩写TMAH)溶液。
在通过蚀刻单晶半导体衬底117去除图11C中示出的凸部117a、分离表面117b和受损区113之后，表面被抛光；相应地，形成图11D所示的具有平坦表面的单晶半导体衬底118。该单晶半导体衬底118可被再次用作图2所示的单晶半导体衬底111。
作为抛光处理，可使用化学机械抛光(缩写CMP)。为了使单晶半导体衬底118具有光滑表面，期望执行约1μm到10μm的抛光。在抛光之后，因为抛光微粒等残留在单晶半导体衬底118的表面上，所以进行用氢氟酸的清洗或RCA清洗。
通过再利用单晶半导体衬底118，半导体衬底100的材料成本可被降低。
实施方式3
作为使用半导体衬底100的半导体器件的制造方法的一个示例，将参照图12A-12D、图13A-13C和图14在实施方式3中描述膜晶体管(TFT)的制造方法。通过组合多个膜晶体管，制造各种半导体器件。在本实施方式中，使用通过实施方式1的制造方法制造的半导体衬底100。
如图12A所示，基衬底101上的单晶半导体层116被通过蚀刻处理(或图形化)以具有预期形状，从而形成半导体膜603和半导体膜604。p沟道晶体管使用半导体膜603形成，而n沟道晶体管使用半导体膜604形成。
为了控制阈值电压，诸如硼、铝或镓的p型杂质元素或诸如磷或砷的n型杂质元素可被添加到半导体膜603和半导体膜604。例如，在添加硼作为赋予p型导电性的杂质元素的情形中，硼可以大于或等于5x1016cm-3且小于或等于1x1017cm-3的浓度被添加。用于控制阈值电压的杂质元素的添加可在单晶半导体层116或半导体膜603和半导体膜604上进行。或者，用于控制阈值电压的杂质元素的添加可在单晶半导体衬底111上进行。再或者，杂质元素的添加可在单晶半导体衬底111上进行以粗略调节阈值电压，然后杂质元素的添加可进一步在单晶半导体层116或半导体膜603和半导体膜604上进行以供微调阈值电压。
取将弱p型单晶硅衬底用作单晶半导体衬底111的情形作为示例，描述添加这种杂质元素的方法的一个示例。首先，在蚀刻单晶半导体层116之前，硼被添加到整个单晶半导体层116。此硼的添加目标在于调节p沟道晶体管的阈值电压。将B2H6用作掺杂气，硼以1x1016/cm3到1x1017/cm3的浓度添加。考虑激活率等来确定硼的浓度。例如，硼的浓度可以是6x1016/cm3。接着，单晶半导体层116被蚀刻以形成半导体膜603和半导体膜604。然后，硼仅被添加到半导体膜604。硼的第二次添加目标在于调节n沟道晶体管的阈值电压。将B2H6用作掺杂气，硼以1x1016/cm3到1x1017/cm3的浓度添加。例如，硼的浓度可以是6x1016/cm3。
注意，在具有适于p沟道晶体管或n沟道晶体管的阈值电压的传导类型或电阻的衬底可被用作单晶半导体衬底111的情形中，用于添加控制阈值电压的杂质元素的步骤的所需数目可以是1；此时，控制阈值电压的杂质元素可被添加到半导体膜603和半导体膜604之一。
如图12B所示，栅极绝缘膜606被形成以覆盖半导体膜603和半导体膜604。该栅极绝缘膜606可通过用高密度等离子体处理氧化或氮化半导体膜603和半导体膜604的表面来形成。该高密度等离子体处理使用例如诸如He、Ar、Kr或Xe的稀有气体和氧气、氧化氮、氨气、氮气、氢气等的混合气体进行。在该情形中，当等离子体的激发通过引入微波进行时，可生成具有低电子温度的高密度等离子体。半导体膜的表面由通过这种高密度等离子体产生的氧基(可包括OH基)或氮基(可包括NH基)被氧化或氮化，由此形成厚度为1nm到20nm的绝缘膜，优选地厚度为5nm到10nm，以便于与半导体膜接触。厚度为5nm到10nm的绝缘膜被用作栅极绝缘膜606。
因为通过高密度等离子体处理对半导体膜氧化或氮化是固相反应，所以可大大减小栅极绝缘膜606与半导体膜603和半导体膜604的每一个之间的界面态密度。此外，半导体膜是直接通过高密度等离子体处理被氧化或氮化的，从而可抑制要形成的绝缘膜的厚度的变化。在半导体膜具有结晶度的情形中，通过用高密度等离子体处理在固相反应下氧化半导体膜的表面，可防止仅在晶粒间界内的快速氧化；由此，可形成具有良好均匀性和低界面态密度的栅极绝缘膜。出于这些原因，其栅极绝缘膜部分或全部的包括通过高密度等离子体处理形成的绝缘膜的晶体管可抑制特性方面的变化。
或者，栅极绝缘膜606可通过热氧化半导体膜603和半导体膜604来形成。再或者，通过PECVD法、溅射法等，栅极绝缘膜606可被形成为包括氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、二氧化铪、氧化铝、或氧化钽的单层膜或多层膜的叠层。
在形成含氢的栅极绝缘膜606之后，可在等于或高于350℃且等于或低于450℃的温度下进行热处理，从而栅极绝缘膜606内所含的氢可被扩散到半导体膜603和半导体膜604。在此情形中，栅极绝缘膜606可通过用PECVD法在等于或低于350℃的处理温度下层叠氮化硅或氮氧化硅而形成。通过向半导体膜603和半导体膜604提供氢，可有效减少半导体膜603和半导体膜604中或栅极绝缘膜与半导体膜603和半导体膜604之间界面上可起俘获中心作用的缺陷。
然后，在如图12C所示的栅极绝缘膜606上形成导电膜之后，该导电膜被处理(图形化)成预定形状，由此在半导体膜603和半导体膜604的每一个上形成电极607。该导电膜可通过CVD法、溅射法等形成。对于导电膜，可使用钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)、铌(Nb)等。或者，也可使用上述金属作为其主要成分的合金或含上述金属的化合物。再或者，可使用通过将赋予传导类型的诸如磷的杂质元素添加到半导体膜形成的诸如多晶硅的半导体来形成导电膜。
作为两个导电膜的组合，氮化钽或钽(Ta)可被用作第一层，而钨(W)可被用作第二层。此外，举出以下组合：氮化钨和钨、氮化钼和钼、铝和钽、铝和钛等。因为钨和氮化钽具有高耐热性，所以在形成两个导电膜之后可进行热处理以供热激活。或者，作为两个导电膜的组合，可使用例如掺有赋予n型传导性的杂质的硅和硅化镍、掺有赋予n型传导性的杂质的硅和WSix等。
此外，尽管在本实施方式中每个电极607由单层膜构成，但本实施方式并不仅限于此。电极607可通过层叠多个导电膜形成。在层叠三个或更多个导电膜的三层结构的情形中，可采用钼膜、铝膜和钼膜的叠层结构。
作为用于形成电极607的掩模，可使用氧化硅、氮氧化硅等以替代抗蚀剂。尽管在本例中，增加了蚀刻氧化硅、氮氧化硅等的步骤，但蚀刻时掩模的膜厚和宽度的减小比使用抗蚀剂掩模的情形中少；因此，可形成各自具有预期宽度的电极607。或者，电极607可选择性地在不使用掩模的情况下通过液滴喷射法形成。
注意，液滴喷射法意指其中含预定成分的液滴从细孔中喷射或喷出以形成预定图案，并包括喷墨法等。
在形成导电膜之后，通过感应耦合等离子体(ICP)蚀刻法蚀刻该导电膜以形成电极607。通过适当控制蚀刻条件(例如，施加于线圈电极层的电功率的量、施加于衬底侧电极层的电功率的量、或者衬底侧的电极温度)，该导电膜可被蚀刻成所需的锥形。此外，该锥形的角度等也可通过掩模的形状来控制。注意，作为蚀刻气体，可按需使用诸如氯气、氯化硼、氯化硅或四氯化碳的氯基气体；诸如四氟化碳、氟化硫、氟化氮的氟基气体；或氧气。
接着，如图12D所示，在将电极607用作掩模的情况下，赋予一种传导类型的杂质元素被添加到半导体膜603和半导体膜604。在本实施方式中，赋予p型传导性的杂质元素(例如硼)被添加到半导体膜603，而赋予n型传导性的杂质元素(例如磷或砷)被添加到半导体膜604。在此步骤中，在半导体膜603中形成要成为源极区和漏极区的杂质区域，而在半导体膜604中则形成用作高电阻区的杂质区域。
注意，当赋予p型传导性的杂质元素被添加到半导体膜603时，半导体膜604被覆以掩模等以使赋予p型传导性的杂质元素不被添加到半导体膜604。另一方面，当赋予n型传导性的杂质元素被添加到半导体膜604时，半导体膜603被覆以掩模等以使赋予n型传导性的杂质元素不被添加到半导体膜603。或者，在将赋予p型和n型传导性之一的杂质元素添加到半导体膜603和半导体膜604之后，赋予另一种传导性的可选择性地以比先前添加的杂质元素高的浓度被添加到半导体膜603和半导体膜604之一。通过此杂质元素的添加步骤，p型高浓度杂质区608在半导体膜603中形成，而n型高浓度杂质区609在半导体膜604中形成。半导体膜603和半导体膜604中与电极607重叠的区域是沟道形成区610和沟道形成区611。
然后，如图13A所示，在电极607的侧面上形成侧壁612。例如，侧壁612可以这种方式形成：新形成绝缘膜以便于覆盖栅极绝缘膜606和电极607，且通过其中蚀刻主要在竖直方向上进行的各向异性蚀刻来部分地蚀刻该新形成的绝缘膜。该新形成的绝缘膜通过上述各向异性蚀刻而被部分地蚀刻，由此侧壁612在电极607的侧面上形成。注意，栅极绝缘膜606也通过此各向异性蚀刻来部分地蚀刻。通过PECVD法、溅射法等，用于形成侧壁612的绝缘膜可被形成为包括诸如有机树脂的有机材料的膜或硅、氧化硅、或氮氧化硅的膜的单层、或两层或更多层的叠层。在本实施方式中，绝缘膜通过PECVD法由厚度为100nm的氧化硅膜形成。此外，作为氧化硅膜的蚀刻气体，可使用CHF3和氦气的混合气体。要注意，用于形成侧壁612的步骤并不限于本文中给出的步骤。
如图13B所示，通过将电极607和侧壁612用作掩模，赋予n型传导性的杂质元素被添加到半导体膜604。此步骤是用于在半导体膜604中形成用作源极区和漏极区的杂质区域的步骤。在此步骤中，赋予n型传导性的杂质元素被添加到半导体膜604，同时半导体膜603被覆以掩模等。
在上述杂质元素的添加中，电极607和侧壁612用作掩模；因此，在半导体膜604中以自对齐方式形成一对n型高浓度杂质区域614。然后，覆盖半导体膜603的掩模被去除，并进行热处理以激活添加到半导体膜603的赋予p型传导性的杂质元素和添加到半导体膜604的赋予n型传导性的杂质元素。通过在图12A到13B中示出的步骤序列，形成p沟道晶体管617和n沟道晶体管618。
为了减小源极和漏极的电阻，可通过硅化半导体膜603中的高浓度杂质区域608和半导体膜604中的高浓度杂质区域614形成硅化层。该硅化通过将金属放置成与半导体膜603和半导体膜604相接触并通过热处理引起金属和半导体膜中硅之间的反应来进行；以此方式，产生硅化物化合物。作为金属，钴或镍是优选的，或者可使用以下：钛(Ti)、钨(W)、钼(Mo)、锆(Zr)、铪(Hf)、钽(Ta)、钒(V)、钕(Nd)、铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)等。在半导体膜603和半导体膜604较薄的情形中，在该区域中硅化反应可进行到半导体膜603和半导体膜604的底部。作为用于形成硅化物的热处理，可使用电阻加热炉、RTA装置、微波加热装置或激光照射装置。
接着，如图13C所示，形成绝缘膜619以覆盖晶体管617和晶体管618。作为绝缘膜619，形成含氢的绝缘膜。在此实施方式中，厚度约为600nm的氮氧化硅膜通过将甲硅烷、氨和N2O用作源气体的PECVD法形成。绝缘膜619被制成含氢，因为氢可从绝缘膜619扩散以使半导体膜603和半导体膜604中的悬空键可被封端。绝缘膜619的形成可防止诸如碱金属和碱土金属的杂质进入晶体管617和晶体管618。具体地，将氮化硅、氮氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧化硅等用作绝缘膜619是合乎需要的。
接着，在绝缘膜619上形成绝缘膜620以便于覆盖晶体管617和晶体管618。诸如聚酰亚胺、丙烯酸纤维、苯并环丁烯、聚酰胺或环氧树脂的具有耐热性的有机材料可被用作绝缘膜620。除了这种有机材料外，还可能使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷树脂、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、PSG(磷硅酸盐玻璃)、BPSG(硼磷酸盐玻璃)、氧化铝等。硅氧烷基树脂可包括氟、烷基、芳基中的至少一个作为取代基以及氢。或者，绝缘膜620可通过叠层由这些材料形成的多个绝缘膜来构成。该绝缘膜620可通过CMP法等将其表面弄平。
注意，该硅氧烷基树脂对应于将硅氧烷基材料用作原材料形成的包括Si-O-Si键的树脂。硅氧烷基树脂可包括氟、烷基、芳基中的至少一个作为取代基以及氢。
为了形成绝缘膜620，可取决于绝缘膜620的材料使用以下方法：CVD法、溅射法、SOG法、旋涂法、浸涂法、喷涂法、液滴喷射法(例如喷墨法、丝网印刷法、或胶印法)、刮刀法、辊涂法、幕帘式涂布法、刮刀涂布法等等。
接着，在氮气气氛中约400℃到450℃(例如410℃)之下进行1小时的热处理，以使氢从绝缘膜619扩散，且半导体膜603和半导体膜604中的悬空键用氢封端。因为单晶半导体层116具有比通过结晶非晶硅膜形成的多晶硅膜低得多的缺陷密度，所以此用氢的封端处理可在短时间内进行。
接着，如图14中所示，在绝缘膜619和绝缘膜620中形成接触孔以使得半导体膜603和半导体膜604被部分暴露。接触孔的形成可通过干法蚀刻使用CHF3和He的混合气体来进行；然而，本发明并不局限于此。然后，形成导电膜621和导电膜622以分别通过接触孔与半导体膜603和半导体膜604接触。导电膜621被连接到p沟道晶体管617的高浓度杂质区域608。导电膜622被连接到p沟道晶体管618的高浓度杂质区域614。
导电膜621和导电膜622可通过CVD法、溅射法等形成。具体地，以下可被用作导电膜621和导电膜622：铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、镍(Ni)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、锰(Mn)、钕(Nd)、碳(C)、硅(Si)等。或者，也可使用含上述金属作为其主要成分的合金或含上述金属的化合物。导电膜621和导电膜622可由使用上述金属形成的膜的单层或多个层构成。
作为含铝作为其主要成分的合金的示例，举出含铝作为其主要成分并且也含镍的合金。此外，也可举出含铝作为其主要成分且含镍以及碳和硅之一或两者的合金。因为铝和铝硅合金具有低电阻值并且便宜，所以铝和铝硅合金适合作为形成导电膜621和导电膜622的材料。具体地，当通过蚀刻处理铝硅(Al-Si)膜的形状时，可比使用铝膜的情形更好地防止在用于形成蚀刻掩模的抗蚀剂烘焙时生成小丘。替代硅(Si)，可将Cu以约0.5％混入铝膜。
例如，包括阻挡膜、铝硅(Al-Si)膜和阻挡膜的叠层结构或包括阻挡膜、铝硅(Al-Si)膜、氮化钛膜和阻挡膜的叠层结构可被用作导电膜621和导电膜622。注意，阻挡膜指使用钛、氮化钛、钼、或氮化钼形成的膜。当阻挡层被形成为将铝硅(Al-Si)膜夹在中间时，可更有效地防止生成铝或铝硅合金的小丘。此外，当使用作为高可还原元素的钛形成阻挡膜时，即使在半导体膜603和半导体膜604上形成了薄氧化膜，该氧化膜也可通过阻挡膜中所含的钛还原，由此可获得导电膜621和622与半导体膜603和604之间的优选接触。此外，叠层多个阻挡膜也是可能的。在该情形中，例如，从最下层起叠层钛、氮化钛、铝硅合金、钛、和氮化钛的5层结构可被用作导电膜621和622。
对于导电膜621和622，可使用通过使用WF6气体和SiH4气体的化学汽相沉积法形成的硅化钨。或者，通过WF6的氢还原形成的钨可被用作导电膜621和622。
在图14中，示出p沟道晶体管617和n沟道晶体管618的俯视图和沿该俯视图的线A-B取得的横截面视图。注意，在图14的俯视图中略去了导电膜621、导电膜622、绝缘膜619和绝缘膜620。
尽管在本实施方式中描述了n沟道晶体管617和p沟道晶体管618各自具有用作栅极的一个电极607的情况，但本发明并不限于此结构。本发明中制造的晶体管可具有多栅结构，其中包括多个用作栅极的电极并且彼此电连接。
此外，本发明中制造的半导体器件中包括的晶体管可具有栅极平面结构。
注意，因为本发明的设置有半导体膜的衬底中所包括的半导体层是单晶半导体衬底的切分层，所以取向不变化。因此，可使使用半导体衬底制造的多个晶体管的诸如阈值电压和迁移率的电特性的变化较小。此外，因为基本上不存在晶粒间界，所以可抑制因晶粒间界引起的泄漏电流，以及实现半导体器件的节能。因此，可制造高可靠性的半导体器件。
在制造由通过激光结晶获得的多晶半导体膜制造晶体管的情形中，有必要考虑激光的扫描方向来决定晶体管的半导体膜的布局，以便于获得高迁移率。然而，对于本发明的设置有半导体膜的衬底而言不存在这种需要，并且在设计半导体器件时几乎没有限制。
实施方式4
在实施方式3中，TFT的制造方法被描述为半导体器件的制造方法的一个示例。通过在设置有半导体膜的衬底上形成诸如电容器、电阻器等的各种半导体元件连同TFT，可制造高添加值的半导体器件。在本实施方式中，参照附图描述半导体器件的特定实施方式。
首先，作为半导体器件的一个示例，将描述微处理器。图15是示出微处理器200的结构示例的框图。
该微处理器200包括算术逻辑单元(ALU)201、ALU控制器202、指令解码器203、中断控制器204、定时控制器205、寄存器206、寄存器控制器207、总线接口(总线I/F)208、只读存储器(ROM)209、以及存储器接口210。
经由总线接口208向微处理器200输入的指令被输入到指令解码器203并解码，然后被输入到ALU控制器202、中断控制器204、寄存器控制器207和定时控制器205。ALU控制器202、中断控制器204、寄存器控制器207和定时控制器205基于所解码的指令执行各种控制。
ALU控制器202产生用于控制ALU201的运算的信号。中断控制器204是在微处理器200的程序执行期间处理来自外部输入/的输出设备或外围电路的中断请求的电路，并且中断控制器204确定中断请求的优先级或屏蔽状态，并处理该中断请求。寄存器控制器207产生寄存器206的地址并取决于微处理器200的状态执行对寄存器206的读写。定时控制器205产生控制ALU201、ALU控制器202、指令解码器203、中断控制器204、寄存器控制器207的运行的定时的信号。例如，定时控制器205设置有基于基准时钟信号CLK1产生内部时钟信号CLK2的内部时钟发生器。如图15所示，内部时钟信号CLK2被输入到另一电路。
接着，描述设置有在不接触的情况下执行数据的收发的功能和算术功能的半导体器件的一个示例。图16是示出这种半导体器件的结构示例的框图。图16所示的半导体器件211用作算术处理单元，它通过无线通信与外部设备收发信号来运行。
如图16所示，半导体器件211包括模拟电路部分212和数字电路部分213。该模拟电路部分212包括：具有谐振电容器的谐振电路214、整流电路215、恒压电路216、复位电路217、振荡电路218、解调电路219和调制电路220。此外，数字电路部分213包括RF接口221、控制寄存器222、时钟控制器223、接口224、中央处理单元(CPU)225、随机存取存储器(RAM)226以及只读存储器(ROM)227。
半导体器件211的运行的概要如下。感应电动势使用由天线228接收的信号在谐振电路214中产生。该感应电动势通过整流电路215并对电容器229充电。该电容器229优选是诸如陶瓷电容器或电偶层电容器的电容器。电容器229未必需要与包括在半导体器件211中的衬底集成，并且它可作为不同组件被装到半导体器件211。
复位电路217产生复位并初始化数字电路部分213的信号。例如，产生在电源电压上升后迟滞上升的信号作为复位信号。取决于在恒压电路216中产生的控制信号，振荡电路218改变时钟信号的频率和占空比。解调电路219是解调接收信号的电路，而调制电路220是调制要传送数据的电路。
例如，解调电路219使用低通滤波器形成，并基于幅值的变化二元化经调幅(ASK)的接收信号。因为调制电路220改变经调幅(ASK)传送信号的幅值并传送数据，所以该调制电路220通过改变谐振电路214的谐振点来改变通信信号的幅值。
取决于电源电压或CPU225中的电流消耗，时钟控制器223生成用于改变时钟信号的频率和占空比的控制信号。在电源管理电流230中执行电源电压的监视。
从天线228输入到半导体器件211的信号在解调电路219中解调，然后在RF接口221中被分成控制命令、数据等。该控制命令被储存在控制寄存器222中。在控制命令中，包括用于读取储存在ROM227中的数据、将数据写入RAM226、在CPU225中执行算术运算等的指令。
CPU225经由接口224访问ROM227、RAM226和控制寄存器222。接口224具有基于CPU225所请求的地址产生与ROM227、RAM226和控制寄存器222的任一个相对应的存取信号的功能。
作为CPU225的算术方法，可采用其中操作系统(OS)被储存在ROM227中且程序在开始运行时读取并执行的方法。或者，可采用其中专用电路被设置为算术电路而算术进程使用硬件来执行的方法。在使用硬件和软件两者的方法中，算术进程的一部分在专用算术电路中执行，然后该算术进程的其余部分使用CPU225中的程序来执行。
接着，参照图17、图18A和18B以及图19A和19B描述显示器件，作为半导体器件的结构示例。
图17是示出根据实施方式1中制造方法制造的半导体器件100的主要部分的示图。从单个半导体衬底100，可制造各自包括在显示器件中的多个显示面板。在图17中，示出用于从一个单晶半导体层116制造一个显示器件的电路配置的一个示例。对于每个单晶半导体层116，形成显示面板形成区300。在显示器件中，包括扫描线驱动器电路、信号线驱动器电路、以及像素部分。因此，每个显示面板形成区300具有其中形成它们的多个区域(扫描线驱动器电路形成区301、信号线驱动器电路形成区302、以及像素形成区303)。
图18A和18B是示出液晶显示设备的结构示例的示图。图18A是液晶显示设备的像素的平面视图，而图18B是沿图18A的剖面线J-K的横截面视图；在图18A中，半导体层311是从单晶半导体层116形成的层，并形成像素的TFT325。该像素包括：半导体层311、与半导体层311交叉的扫描线322、与扫描线322交叉的信号线323、像素电极324、以及电连接到像素电极324和半导体层311的电极328。
如图18B所示，在衬底310上叠层接合层114、包括绝缘膜112b和绝缘膜112a的绝缘层112、以及半导体层311。衬底310是分隔开的基衬底101。半导体层311是通过用蚀刻单元分离单晶半导体层116形成的层。在该半导体层311中，形成沟道形成区312和n型杂质区313。TFT325的栅电极被包括在扫描线322中，而源电极和漏电极之一被包括在信号线323中。
在层间绝缘膜327之上，设置有信号线323、像素电极324和电极328。在层间绝缘膜327之上形成圆柱隔片329，并且取向膜330被形成以覆盖信号线323、像素电极324、电极328以及圆柱隔片329。在相对衬底332之上，形成相对电极333和覆盖该相对电极的取向膜330。圆柱隔片329被形成为保持衬底310与相对衬底332之间的间隔。在由圆柱隔片329形成的间隔中，形成液晶层335。在信号线323与具有杂质区313的电极328的连接部分上，因为存在由于形成接触孔而在层间绝缘膜327中形成的台阶，所以这些连接部分中液晶层335的液晶的取向容易变得无序。因此，圆柱隔片329在这些台阶部分形成以防止液晶的取向无序。
接着，将描述场致发光显示设备(下文中称为“EL显示设备”)。图19A和19B是用于描述根据实施方式2的方法制造的EL显示设备的示图。图19A是EL显示设备的像素的平面视图，而图19B是像素的横截面视图。如图19A所示，像素包括由TFT制成的选择晶体管401、显示控制晶体管402、扫描线405、信号线406、电流源线407、以及像素电极408。每个像素都设置有发光元件，它具有其中所形成的包含场致发光材料的层(EL层)被夹在一对电极之间的结构。发光元件的电极之一是像素电极408。
选择晶体管401是n沟道TFT，并包括由单晶半导体层116制成的半导体层403。在选择晶体管401中，栅电极被包括在扫描线405中，源电极和漏电极之一被包括在信号线406中，而源电极和漏电极中的另一个被形成为电极411。在显示控制晶体管402中，栅电极412被电连接到电极411，且源电极和漏电极之一被形成为电连接到像素电极408的电极413，并且源电极和漏电极中的另一个被包括在电流源线407。
显示晶体管402是p沟道TFT，并包括由单晶半导体层116制成的半导体层404。如图19B所示，在半导体层404中，形成沟道形成区451和P型杂质区452。层间绝缘膜427被形成为覆盖显示控制晶体管402的栅电极412。在层间绝缘膜427上，形成信号线406、电流源线407、电极411和413等。此外，在层间绝缘膜427之上，形成电连接到电极413的像素电极408。像素电极408的周边部分被绝缘分隔层428包围。EL层4296在电极408上形成，并且相对电极430在EL层429上形成。相对衬底431被设置为加固板，并且相对衬底431用树脂层432固定于衬底400。衬底400是分隔开的基衬底101。
注意，在图17的半导体衬底100中，参照图15或图16描述的半导体器件可在显示面板形成区300中形成。即，可在显示设备中设置计算机功能。此外，可制造能无接触地输入/输出日期的显示设备。
因此，各种电气设备可使用半导体衬底100制造。电气设备包括：诸如摄像机和数码相机的相机；导航系统、声音重现系统(车载音频系统、音频组件等)、计算机、游戏机；移动信息终端(移动计算机、蜂窝电话、移动游戏机、电子书籍等)、诸如设置有记录介质的图像再现设备(具体为数字多功能盘(DVD))的显示图像数据的显示设备等。
参照图20A到20C，描述电气设备的特定实施方式。图20是示出蜂窝电话901的外部视图。该蜂窝电话901具有其中包括显示部分902、操作开关903等的结构。通过将图18A和18B中所示的液晶显示设备或图19A和19B中所示的EL显示设备应用于显示部分902，显示部分902可具有优越图像质量，且几乎没有显示不均匀度。
图20B是示出数字播放器911的结构示例的外部视图。该数字播放器911包括显示部分912、运算部分913、耳机914等。或者，可使用头戴耳机或无线耳机来代替耳机914。通过将图18A和18B中所示的液晶显示设备或图19A和19B中所示的EL显示设备应用于显示部分912，即使在屏幕大小为约0.3英寸到2英寸的情形中，都可显示高精度的图像和大量的文本信息。
图20C是电子书籍921的外部视图。该电子书籍921包括显示部分922和操作开关923。调制解调器可被结合到该电子书籍921中，或者图16中的半导体器件可被结合成使该电子书籍921具有信息可凭借它无线收发的结构。通过将图18A和18B中所示的液晶显示设备或图19A和19B中所示的EL显示设备应用于显示部分922，可进行高图像质量的显示。
实施方式5
在本实施方式中，描述用于制造设置有半导体膜的衬底的盘。图3中的盘10具有多个凹部11，每一个凹部用于存储一个单晶半导体衬底。或者，设置有半导体膜的衬底可通过将多个单晶半导体衬底置入盘的一个凹部来制造。
图21中示出了具有这种结构的盘的一个示例。盘20是由与盘10材料相似的材料形成的类似板的构件。形成用于固定单晶半导体衬底111的凹部21。该凹部21要具有其中多个单晶半导体衬底111可被排列成在它们间没有间隔的形状。在例如图21的盘20上，示出在单晶半导体衬底111的3x3排列被示为一个块的情形中的凹部11。
本申请基于2007年9月21日提交给日本专利局的序列号为2007-245898的日本专利申请，该申请的全部内容通过引用结合于此。
Claims (13)
1.一种设置有半导体膜的衬底的制造方法，包括：
制备基衬底和多个单晶半导体衬底，所述单晶半导体衬底包括在每一个所述单晶半导体衬底中的预期深度处形成的受损区域、和在每一个所述单晶半导体衬底的上表面上形成的接合层；
在盘上布置所述多个单晶半导体衬底；
使置于所述盘上的所述多个单晶半导体衬底与所述基衬底紧密接触，其间夹有所述接合层，以接合所述接合层的一个表面和所述基衬底的一个表面，从而使所述基衬底和所述多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；
在所述盘和所述基衬底互相紧密接触的状态下，使所述基衬底和所述盘上下颠倒；以及
通过加热置于所述盘上的所述多个单晶半导体衬底在所述受损区域中生成裂缝，从而与所述单晶半导体衬底分开的多个单晶半导体层与所述基衬底紧密接触，
其中通过用离子照射所述多个单晶半导体衬底来形成所述受损区域，
其中所述离子包括H+离子、H2 +离子和H3 +离子，
其中所述H+、H2 +和H3 +离子的总量中的H3 +离子的百分比大于或基本等于80％，且
其中所述盘是设置有多个凹部的板状元件。
2.如权利要求1所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，所述接合层在与所述单晶半导体衬底相接触地形成的绝缘层上形成。
3.如权利要求1所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，用激光束照射与所述基衬底紧密接触的所述多个单晶半导体层。
4.如权利要求1所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，所述基衬底是玻璃衬底。
5.一种设置有半导体膜的衬底的制造方法，包括：
制备基衬底和多个单晶半导体衬底，所述单晶半导体衬底包括在每一个所述单晶半导体衬底中的预期深度处形成的受损区域、和在每一个所述单晶半导体衬底的上表面上形成的绝缘层、以及在所述绝缘层上形成的接合层；
在第一盘上布置所述多个单晶半导体衬底；
使置于所述第一盘上的所述多个单晶半导体衬底与所述基衬底紧密接触，其间夹有所述接合层，以接合所述接合层的一个表面和所述基衬底的一个表面，从而使所述基衬底和所述多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；
在所述盘和所述基衬底互相紧密接触的状态下，使所述基衬底和所述盘上下颠倒；以及
通过加热所述多个单晶半导体衬底在受损区域中生成裂缝，从而与所述单晶半导体衬底分开的多个单晶半导体层与所述基衬底紧密接触，
其中所述绝缘层的形成步骤包括在所述单晶半导体衬底上形成单层或两个或更多个层，同时所述多个单晶半导体衬底置于第二盘上，
其中所述受损区域的形成步骤包括通过激发源气体生成等离子体和用所述等离子体中所包括的离子种类照射所述单晶半导体衬底来在所述单晶半导体衬底中形成所述受损区域，同时所述多个单晶半导体衬底置于第三盘上，
其中所述接合层的形成步骤包括在所述单晶半导体衬底上形成所述接合层，其间夹有所述绝缘层，同时所述绝缘层和其中形成有所述受损区域的每一个所述多个单晶半导体衬底置于第四盘上，
其中通过用离子照射所述多个单晶半导体衬底来形成所述受损区域，
其中所述离子包括H+离子、H2 +离子和H3 +离子，
其中所述H+、H2 +和H3 +离子的总量中的H3 +离子的百分比大于或基本等于80％，且
其中相同或不同盘被用作所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘，
其中相同或不同盘被用作所述第一盘和所述第四盘，且
其中所述第一盘、所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘中的每一个都是设置有多个凹部的板状元件。
6.如权利要求5所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，用激光束照射与所述基衬底紧密接触的所述多个单晶半导体层。
7.如权利要求5所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，所述基衬底是玻璃衬底。
8.一种设置有半导体膜的衬底的制造方法，包括：制备基衬底和多个单晶半导体衬底，所述单晶半导体衬底包括在每一个所述单晶半导体衬底中的预期深度处形成的受损区域、和在每一个所述单晶半导体衬底的上表面上形成的绝缘层、以及在所述绝缘层上形成的接合层；
在第一盘上布置所述多个单晶半导体衬底；
使置于所述第一盘上的所述多个单晶半导体衬底与所述基衬底紧密接触，其间夹有所述接合层，以接合所述接合层的一个表面和所述基衬底的一个表面，从而使所述基衬底和所述多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；
在所述盘和所述基衬底互相紧密接触的状态下，使所述基衬底和所述盘上下颠倒；以及
通过加热所述多个单晶半导体衬底在所述受损区域中生成裂缝，从而与所述单晶半导体衬底分开的多个单晶半导体层与所述基衬底紧密接触，
其中所述绝缘层的形成步骤包括在所述多个单晶半导体衬底上形成单层或两个或更多个层，同时所述多个单晶半导体衬底置于第二盘上，
其中所述接合层的形成步骤包括在所述多个单晶半导体衬底上形成所述接合层，其间夹有所述绝缘层，同时其中形成有所述绝缘层的所述多个单晶半导体衬底置于第四盘上，
其中所述受损区域的形成步骤包括通过激发源气体生成等离子体和用所述等离子体中所包括的离子种类照射所述多个单晶半导体衬底来在所述多个单晶半导体衬底中形成所述受损区域，同时其上形成有所述绝缘层和所述接合层的所述多个单晶半导体衬底置于第四盘上，
其中通过用离子照射所述多个单晶半导体衬底来形成所述受损区域，
其中所述离子包括H+离子、H2 +离子和H3 +离子，
其中所述H+、H2 +和H3 +离子的总量中的H3 +离子的百分比大于或基本等于80％，且
其中相同或不同盘被用作所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘，
其中相同或不同盘被用作所述第一盘和所述第四盘，且
其中所述第一盘、所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘中的每一个都是设置有多个凹部的板状元件。
9.如权利要求8所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，用激光束照射与所述基衬底紧密接触的所述多个单晶半导体层。
10.如权利要求8所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，所述基衬底是玻璃衬底。
11.一种设置有半导体膜的衬底的制造方法，包括：
制备基衬底和多个单晶半导体衬底，所述单晶半导体衬底包括在每一个所述单晶半导体衬底中的预期深度处形成的受损区域、和在每一个所述单晶半导体衬底的上表面上形成的绝缘层、以及在所述绝缘层上形成的接合层；
在第一盘上布置所述多个单晶半导体衬底；
使置于所述第一盘上的所述多个单晶半导体衬底与所述基衬底紧密接触，其间夹有所述接合层，以接合所述接合层的一个表面和所述基衬底的一个表面，从而使所述基衬底和所述多个单晶半导体衬底彼此接合在一起；
在所述盘和所述基衬底互相紧密接触的状态下，使所述基衬底和所述盘上下颠倒；以及
通过加热所述多个单晶半导体衬底在所述受损区域中生成裂缝，从而与所述单晶半导体衬底分开的多个单晶半导体层与所述基衬底紧密接触，
其中所述受损区域的形成步骤包括通过激发源气体生成等离子体和用所述等离子体中所包括的离子种类掺杂所述单晶半导体衬底来在所述多个单晶半导体衬底中形成所述受损区域，同时所述多个单晶半导体衬底置于第二盘上，
其中所述绝缘层的形成步骤包括在所述多个单晶半导体衬底上形成单层或两个或更多个层，同时其中形成有所述受损区域的每一个所述多个单晶半导体衬底置于第三盘上，
其中所述接合层的形成步骤包括在所述多个单晶半导体衬底上形成所述接合层，其间夹有所述绝缘层，同时其中形成有所述受损区域和所述绝缘层的每一个所述多个单晶半导体衬底置于第四盘上，
其中通过用离子照射所述多个单晶半导体衬底来形成所述受损区域，
其中所述离子包括H+离子、H2 +离子和H3 +离子，
其中所述H+、H2 +和H3 +离子的总量中的H3 +离子的百分比大于或基本等于80％，且
其中相同或不同盘被用作所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘，
其中相同或不同盘被用作所述第一盘和所述第四盘，且
其中所述第一盘、所述第二盘、所述第三盘和所述第四盘中的每一个都是设置有多个凹部的板状元件。
12.如权利要求11所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，用激光束照射与所述基衬底紧密接触的所述多个单晶半导体层。
13.如权利要求11所述的设置有半导体膜的衬底的制造方法，其特征在于，所述基衬底是玻璃衬底。
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