JP2004165600A - Single-crystal silicon substrate, semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

Single-crystal silicon substrate, semiconductor device and manufacturing method therefor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device, in which a non-single crystal Si thin film and a single crystal Si thin-film device are formed and a high-performance system is integrated, to provide a method for manufacturing it, and to provide a single-crystal Si substrate for forming the single crystal Si thin-film device of the semiconductor device. <P>SOLUTION: The semiconductor device 20 comprises an SiO<SB>2</SB>film 3; a MOS non-single crystal Si thin film transistor 1a, containing a non-single crystal Si thin film 5' of polycrystalline Si; a MOS single-crystal Si thin-film transistor 16a provided with a single-crystal Si thin-film 14a; and a metal wiring 22 on an insulation substrate 2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、TFTで駆動するアクティブマトリクス駆動液晶表示装置等において、同一基板上に周辺駆動回路やコントロール回路を一体集積化した液晶表示装置の回路性能改善を図った半導体装置およびその製造方法、該半導体装置を製造する際に用いられる単結晶Si基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ガラス基板上に非晶質Si(以下a−Siと略記する)や多結晶Si(以下P−Siと略記する)の薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、TFTと記す)を形成し、液晶表示パネルや有機ELパネル等の駆動を行う、いわゆるアクティブマトリクス駆動を行う液晶表示装置が使用されている。
【0003】
特に、移動度が高く高速で動作するp−Siを用いて、周辺ドライバを集積化したものが用いられるようになっている。しかし、さらに高い性能が要求されるイメージプロセッサやタイミングコントローラ等のシステム集積化のためには、より高性能なSiデバイスが求められている。
【0004】
これは、多結晶Siでは結晶性の不完全性に起因するギャップ内の局在準位や結晶粒界付近の欠陥やギャップ内局在準位に起因する、移動度の低下やS係数(サブスレショルド係数)の増大のため、高性能なSiのデバイスを形成するには、トランジスタの性能が充分ではないという問題があるためである。
【0005】
そこで、さらに高性能なSiのデバイスを形成するため、単結晶Si薄膜からなる薄膜トランジスタ等のデバイスを予め形成し、これを絶縁基板上に貼り付けて半導体装置を形成する技術が研究されてきている(例えば、特許文献1、非特許文献1,2参照)。
【0006】
特許文献1には、ガラス基板上に接着剤を用いて予め作成した単結晶Si薄膜トランジスタを転写した半導体装置を使用し、アクティブマトリクス型液晶表示装置の表示パネルのディスプレイが作成される。
【0007】
【特許文献1】
特表平7−503557(公表日1995年4月13日)
【0008】
【非特許文献1】
J.P.Salerno "Single Crystal Silicon AMLCDs",Conference Record of the 1994 International Display Research Conference(IDRC) P.39-44(1994)
【0009】
【非特許文献2】
Q.-Y.Tong & U.Gesele, SEMICONDUCTOR WAFER BONDING : SCIENCE AND TECHNOLOGY ,John Wiley & Sons, New York(1999)
【0010】
【非特許文献3】
K.Warner,et.Al.,2002 IEEE International SOI Conference: Oct,pp.123-125(2002)
【0011】
【非特許文献4】
L.P.Allen,et.Al.,2002 IEEE International SOI Conference: Oct,pp.192-193(2002)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置およびその製造方法では、高性能なデバイスである単結晶Si薄膜トランジスタを、ガラス基板上に貼り合わせるために接着剤を使用しているため、貼り付け作業が面倒で、生産性が悪い等の問題点を有している。また、完成した半導体装置についても、接着剤による接合であるため、耐熱性に問題があり、以降に高品質の無機絶縁膜やTFTの形成等は不可能であるため、アクティブマトリクス基板を製造する場合、TFTアレイを含むデバイスを形成した後で使用する基板に貼り付ける必要があり、サイズコスト、配線形成の点に大きな問題があった。
【0013】
さらに、上記特許文献1では、単にガラス基板上に単結晶Si薄膜デバイスを形成することが開示されているのみであり、この構成では、近年求められている高性能・高機能な半導体装置を得ることができない。
【0014】
さらに、上記非特許文献3では、赤外線によりSi基板越しに位置合わせマークを検出し位置合わせすることが開示されているが、光の波長が長く分解能があげられないため、高精度で位置合わせすることが困難であった。
【0015】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単結晶Si薄膜デバイスを、接着剤を使用することなく絶縁基板に容易に形成可能であって、非単結晶Si薄膜と単結晶Si薄膜デバイスとを形成し、高性能なシステムを集積化した半導体装置およびその製造方法、ならびに該半導体装置の単結晶Si薄膜を形成するための単結晶Si基板を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶Si基板は、上記の課題を解決するために、表面に酸化膜、ゲートパターン、不純物イオン注入部が形成された後に平坦化されており、所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部を備えていることを特徴としている。
【0017】
上記の構成によれば、絶縁基板等に対して、単結晶Si基板を酸化膜形成側において接合し、熱処理することにより基板間の接合が原子同士の結合に変わり強固な接合となるとともに、水素イオン注入部において熱処理により劈開剥離することで、接着剤を使用しなくても容易にMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができる。
【0018】
すなわち、本発明の単結晶Si基板には、表面にMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの一部を形成する酸化膜、ゲートパターン、不純物イオン注入部が形成され、かつ表面から所定の深さに水素イオン注入部を有している。
【0019】
これにより、絶縁基板等の上に、本発明の予めゲート電極やソース・ドレインの不純物ドーピング、あるいはベース、コレクタ、エミッタ等の不純物ドーピングを終え、所定の深さに所定の濃度の水素イオンを注入し、表面を平坦化・親水性にした単結晶Si基板を接合し、Siから水素イオンが離脱する温度以上まで加熱することにより、絶縁基板に対する接合強度を高めることができるとともに、水素イオン注入部を境に劈開剥離することで、接着剤を使用しなくても容易にMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することができる。
【0020】
よって、例えば、表面に多結晶Si薄膜等の非単結晶Si薄膜トランジスタを形成した絶縁基板上に、本発明の単結晶Si基板を貼り合わせ、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することで、非単結晶Siからなるトランジスタと単結晶Siからなるトランジスタを1つの基板上の異なる領域に形成した半導体装置を容易に得ることができる。
【0021】
本発明の単結晶Si基板は、上記の課題を解決するために、表面近傍に不純物イオンが注入されたpnp接合構造あるいはnpn接合構造を有する不純物イオン注入部または拡散領域と、該不純物イオン注入部または該拡散領域上に堆積された酸化膜とを有していることを特徴としている。
【0022】
上記の構成によれば、他の絶縁基板上に形成しやすい単結晶Si薄膜からなるバイポーラ型の薄膜トランジスタを得ることができる。
【0023】
よって、例えば、表面に多結晶Si薄膜等の非単結晶Si薄膜トランジスタを形成した絶縁基板上に、本発明の単結晶Si基板を接合し、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することで、非単結晶Siからなるトランジスタと単結晶Siからなるトランジスタを1つの基板上の異なる領域に形成した半導体装置を容易に得ることができる。
【0024】
上記所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部領域を備えていることがより好ましい。
【0025】
これにより、絶縁基板等に対して、単結晶Si基板を酸化膜堆積側において貼り合わせ、水素イオン注入部において劈開剥離することで、接着剤を使用することなく、容易にバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができる。
【0026】
すなわち、本発明の単結晶Si基板には、表面にバイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを形成する酸化膜、不純物イオン注入部が形成され、かつジャンクション形成側の所定の深さに水素イオン注入部を有している。
【0027】
よって、絶縁基板等の上に、本発明の単結晶Si薄膜トランジスタを貼り合わせ、Siから水素イオンが離脱する温度以上まで加熱することにより、絶縁基板に対する接合強度を高めることができるとともに、不純物イオン注入部付近に形成された水素イオン注入部を境に劈開剥離することで、接着剤を使用しなくても容易にSOI構造のバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することができる。
【0028】
そして、本発明の単結晶Si基板を、表面に多結晶Si薄膜等の非単結晶Si薄膜トランジスタを形成した絶縁基板上に貼り合わせ、単結晶Si薄膜トランジスタを形成することで、非単結晶Siからなる薄膜トランジスタと単結晶Siからなる薄膜トランジスタを1つの基板上の異なる領域に形成した半導体装置を容易に得ることができる。
【0029】
また、上記酸化膜は、膜厚が200nm以上になるように形成されていることがより好ましい。
【0030】
通常、SiO2膜等の酸化膜の膜厚は厚い程、界面電荷等の影響による特性やバラツキは減少するが、SiO2膜形成工程の効率(酸化に要する時間)や段差とのトレードオフにより、適切な値は略200nm〜400nmとなる。バラツキを重視する場合は概ね400nm以上、段差や効率を重視する場合は略200nm〜400nm、より望ましくは、250nm〜350nmが適切な値となる。これは接合した単結晶Si基板とガラス基板等の絶縁基板界面の汚染、あるいは格子の歪みや不完全性に起因する固定電荷の影響が軽減されるためである。
【0031】
そこで、本発明によれば、単結晶SiからなるMOSトランジスタでは閾値のバラツキと、単結晶Siから成るバイポーラ型TFTでは特性ばらつきが小さくオン抵抗が低く抑えられ、SiO2膜形成工程の効率や段差とのバランスに適切な単結晶Si基板を得ることができる。
【0032】
本発明の半導体装置は、上記の課題を解決するために、絶縁基板上の異なる領域に、非単結晶Si薄膜デバイスと、単結晶Si薄膜デバイスとがそれぞれ形成されていることを特徴としている。
【0033】
上記の構成によれば、例えば、タイミングコントローラ等の、より高性能な機能が要求されるデバイスには、単結晶Si薄膜トランジスタ等の単結晶Si薄膜デバイスを用い、残りのデバイスには非単結晶Si薄膜トランジスタ等の非単結晶Si薄膜デバイスを用いて、高性能・高機能な回路システムを一体集積化した半導体装置を得ることができる。
【0034】
すなわち、単結晶Si薄膜デバイスにより、単結晶Siの特性を利用して、高速性、消費電力、高速のロジック、タイミングジェネレータ、あるいはバラツキが問われる高速のDAC(電流バッファ)、等を形成することができる。一方、多結晶Si等の非単結晶Si薄膜デバイスは、単結晶Si薄膜デバイスよりも、性能・機能ともに劣るものの、安価な半導体装置を大面積に形成できる。
【0035】
よって、本発明の構成によれば、上記両Si薄膜デバイスの長所を併せ持つ半導体装置を1枚の基板上に形成することができる。
【0036】
これにより、単結晶Siによってのみ実現可能な高性能・高機能の回路システムを基板上に一体集積化できる。よって、例えば、高性能なシステムを集積化した液晶パネルあるいは有機ELパネル等の表示装置用の半導体装置を、全てのデバイスを単結晶Siにて形成する場合と比べて、非常に低コストで製造できる。
【0037】
また、本発明の半導体装置が備えている単結晶Si薄膜を形成する単結晶Si基板の形状は、LSI製造装置の一般的なウエハサイズである6、8、12インチの円板に限定される。しかし、本発明の半導体装置の絶縁基板上には非単結晶Si薄膜デバイスと、単結晶Si薄膜デバイスとが共存しているため、例えば、大型の液晶表示パネルや有機ELパネル等に対応可能な大型の半導体装置を製造することができる。
【0038】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、上記絶縁基板に対して、無機系の絶縁膜を介して接合されていることがより好ましい。
【0039】
これにより、接着剤を使用することなく、単結晶Si薄膜トランジスタ等のデバイスを絶縁基板上に形成することができるため、単結晶Siが汚染されることを防止できる。また、接合後にメタル配線、無機絶縁膜形成、あるいはエッチング等を容易に行うことができる。さらに、メタル配線等を大型基板でのTFTプロセスとともに形成し、低コストでデバイスを形成できる。
【0040】
上記非単結晶Si薄膜デバイスおよび上記単結晶Si薄膜デバイスは、ともにMOS型あるいはMIS型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0041】
これにより、例えば、CMOS構造にした場合には、消費電力の低減および電源電圧までフル出力が可能で、低消費電力のロジックに適した半導体装置を得ることができる。
【0042】
上記MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタは、上記絶縁基板側からゲート、ゲート絶縁膜、Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0043】
これにより、単結晶SiのMOS型薄膜トランジスタは、ゲートが絶縁基板の側に配置された状態で形成され、いわゆる絶縁基板上に上下逆さまのMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置を得ることができる。よって、単結晶Si基板でのソース・ドレイン形成にゲートをマスクにした自己整合プロセスが適用でき、またガラス基板表面の固定電荷の影響を軽減でき、さらに、単結晶Siとガラス基板の接合界面に生じがちな固定電荷の影響をゲートの遮蔽効果により軽減でき、また、単結晶Siでゲートをマスクにソース・ドレインの不純物イオン注入を用いる確立したプロセスを適用できるため、歩留まりを高くできるというメリットがある。
【0044】
上記MOS型の薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略600nm以下であることがより好ましい。
【0045】
これにより、上記の半導体装置は、単結晶Si薄膜の膜厚dが不純物濃度Niで定まる最大空乏長Wmに対しバラツキのマージンを含めた小さい値、すなわち不純物密度が実用的下限である1015センチ-3あってもdの上限である概ね600nm以下である。
【0046】
ここで、Wm=〔4εskTln(Ni/ni)q2Ni〕1/2であり、niは真性キャリア密度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、εsはSiの誘電率、qは電子電荷、Niは不純物密度とする。
【0047】
上記の構成によれば、単結晶Si薄膜の膜厚が略600nm以下であるので、半導体装置のS値(サブスレショルド係数)を小さくすることができ、またオフ電流を低下させることができる。
【0048】
上記MOS型の薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略100nm以下であることがより好ましい。
【0049】
これにより、一層半導体装置のS値(サブスレショルド係数)を小さくすることができ、またオフ電流についても低下させることができる。よって、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの特性を最大限に生かすことができる。
【0050】
特に、ゲート長が0.1〜0.2μm以下の短チャネルのTFTにおいて生じる量子効果によるTFT特性低下抑制には、さらに薄い約20nm以下であることが望ましい。ゲート長約200nmより短チャネル側で、単結晶Siの膜厚が約20nm付近から厚くなると閾値のばらつきが大きくなり、移動度も増加したが、デバイスとしては閾値のほうがより重要であるため、概ねこの値が実用性の高い領域となる。
【0051】
上記MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの金属配線パターンは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタのゲートパターンよりも緩い配線形成ルールによって形成された部分を含むことがより好ましい。また、大型基板上のメタル配線のデザインルールと同程度、あるいはより緩い配線形成ルールにより形成されていることがより好ましい。さらに、TFTのゲートと同等のメタル配線の配線形成ルールと同程度、あるいは異なる配線層からなる大型基板上のメタル配線の配線形成ルールと同程度、あるいはより緩い配線形成ルールにより形成されていることがより好ましい。
【0052】
これにより、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置のメタル配線もしくはメタル配線の一部をゲートと同等の微細加工に対応できかつ大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを押さえ処理能力を向上できる。あるいは、他の回路ブロックやTFTアレイに対する接続が容易になり、接続不良による製品歩留り低下を低減できる。
【0053】
なお、配線形成ルールが緩いとは、配線を形成する際のデザインルールが厳しくなく、配線形成を行う際の許容範囲が広いという意味である。
【0054】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0055】
これにより、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタに加えて、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成しているため、より多機能な半導体装置を得ることができる。
【0056】
すなわち、MOS型あるいはMIS型の薄膜トランジスタに加えて、単結晶Si薄膜からなるバイポーラ型薄膜トランジスタを形成することで、バイポーラ型薄膜トランジスタの特性である、リニア信号処理が可能、ゲートがないため構造が簡単で生産歩留りに優れている、飽和領域での線形性が優れている、アナログ系のアンプ、電流バッファや電源アンプに適する等のメリットをさらに有する半導体装置を得ることができる。
【0057】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型およびバイポーラ型の何れか一方、あるいは両方の単結晶Si薄膜トランジスタを含むことがより好ましい。
【0058】
これにより、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トラジスタおよび単結晶Si薄膜トランジスタ、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタという3種類の特性を有する半導体装置を1つの基板上に形成できる。
【0059】
よって、さらに高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。
【0060】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型単結晶Si薄膜トランジスタとショットキー型もしくはPN接合形ダイオードを含むイメージセンサあるいはCCD形イメージセンサを備えていることがより好ましい。
【0061】
これにより、個別に異なる領域に異なる設計または構造の薄膜デバイスを集積化できるため、従来の方法では、共存することが極めて困難であったイメージセンサ等のCMOSデバイスと異なる構造のデバイスを容易に集積化でき、今まで不可能であった高機能デバイスを創出できる。
【0062】
上記単結晶SiからなるMOS型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜は、バイポーラ型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜よりも膜厚が小さいことがより好ましい。
【0063】
通常、MOS型薄膜トランジスタは、膜厚が薄いほうが良好な特性が得られやすく、バイポーラ型薄膜トランジスタは膜厚が比較的厚い方が良好な特性(ばらつきが小さくオン抵抗の低い特性)が得られることが知られている。
【0064】
そこで、本発明によれば、MOS型とバイポーラ型とのSi薄膜の厚さを互いの比較によって特定することで、MOS型およびバイポーラ型双方の特性を有効に活用できる半導体装置を得ることができる。
【0065】
上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタは、ベース、コレクタおよびエミッタ領域が同一平面に形成、配置された平面構造であることがより好ましい。
【0066】
これにより、MOS型薄膜トランジスタのようにゲートを持たず、かつ平面構造の、いわゆるラテラル型トランジスタであるため、単に、Si表面に酸化膜を形成し、PとNとの不純物を所定のパターン(領域)に注入し、活性化アニールをするだけで、表面が完全に平坦なSi基板を形成できるため、CMPによる平坦化処理を行わなくても絶縁基板上に容易に単結晶Si基板を接合することができる。
【0067】
よって、MOS型や面に垂直な方向に接合を持つ通常のバイポーラトランジスタと比較して、製造工程を簡略化できる。
【0068】
上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのメタル配線、コンタクトパターンは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのベースパターンよりも緩い配線形成ルールによって形成された部分を含むことがより好ましい。さらに、大型基板上のメタル配線のデザインルールと同じかより緩いルールにより形成されていることがより好ましい。
【0069】
これにより、メタル配線もしくはメタル配線の一部を大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを抑え、かつ処理能力を向上させることができる。また、バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置を他の回路ブロックやTFTアレイに対するに対する接続が容易になり、接続不良による製品歩留り低下を防止できる。
【0070】
上記バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略800nm以下であることがより好ましい。
【0071】
これにより、特性ばらつきが小さくオン抵抗が低いバイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができる。
【0072】
上記非単結晶Si薄膜は多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることがより好ましい。
【0073】
これにより、絶縁基板から見てゲートが上に形成されるようにMOS型薄膜トランジスタを構成することで、一般的なゲートをマスクとした自己整合プロセスが摘要でき、多結晶Si薄膜あるいは連続粒界Si薄膜トランジスタを製造し易くなり、生産性を向上させることができる。
【0074】
上記非単結晶Si薄膜は多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0075】
これにより、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタが基板から見て反対の構成となるため、ガラス基板表面付近の固定電荷の影響を避けることができ、特性の安定化が可能となる。さらに、チャネル部のドーピングプロファイルの設定自由度が高くなり、ホットエレクトロン劣化の対策が容易となる、さらに高品質で薄い熱酸化SiO2を使用することが可能となり、CVD等により低温で形成した酸化膜より高品質で薄いゲート酸化膜を得ることができ、短チャネル特性の優れたTFTが得られるというメリットがあり、上記と同様の効果を得られる構成のバリエーションを増やすことができる。
【0076】
上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型もしくはMIS型の薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0077】
これにより、絶縁基板から見てゲートが下に形成される、いわゆるボトムゲート構造のMOS型あるいはMIS型薄膜トランジスタを構成することで、従来広く一般的に用いられてきたプロセスを適用でき、高歩留まりで非晶質Si薄膜を形成する工程の簡略化、低コスト化、生産性向上を図ることができる。また、アクティブマトリクスLCDにおいては、バックライトからの遮光性を高め、高輝度の表示が可能な液晶表示デバイスを形成できる。
【0078】
また、非晶質Siは、低off電流特性を有しているため、低消費電力型LCD等に適応した半導体装置を得ることができる。
【0079】
上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型あるいはMIS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることがより好ましい。
【0080】
これにより、MOS型またはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタが基板から見て反対の構成であっても、上記と同様の効果を得られる構成のバリエーションを増やすことができ、プロセス設計の自由度が高まる。
【0081】
上記単結晶Si薄膜デバイスを構成する単結晶Siと上記絶縁基板の線膨張の差は、略室温から600℃の温度範囲において約250ppm以下であることがより好ましい。
【0082】
これにより、大きな温度上昇に対する絶縁基板と単結晶Si薄膜との線膨張の差が小さくなる。従って、絶縁基板上に単結晶Si薄膜を形成するための工程において、熱膨張係数差による水素注入位置からの劈開剥離工程における破壊や接合界面剥離、あるいは結晶中の欠陥発生を確実に防止することができ、また、加熱接合強度の向上を図ることができる。
【0083】
なお、ここで線膨脹とは、温度変化に起因する長さの変化として規格化されたものである。
【0084】
上記絶縁基板は、少なくとも、上記単結晶Si薄膜デバイスが形成される領域の表面にSiO2膜が形成されたアルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラスからなる高歪点ガラスであることがより好ましい。
【0085】
これにより、単結晶Si基板との接合のために使用する組成を調節した結晶化ガラスを用いる必要が無くなるので、絶縁基板がアクティブマトリクス駆動による液晶表示パネル等に一般的に使用される高歪点ガラスからなり、低コストの半導体装置を製造できる。
【0086】
上記絶縁基板は、バリウム−硼珪酸ガラス、バリウム−アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ土類−亜鉛−鉛−アルミノ硼珪酸ガラスおよびアルカリ土類−亜鉛−アルミノ硼珪酸ガラスのうち何れかのガラスから形成されていることがより好ましい。
【0087】
これにより、絶縁基板がアクティブマトリクス駆動による液晶表示パネル等に一般的に使用される高歪点ガラスである上記記載のガラスからなるため、低コストにてアクティブマトリクス基板に好適な半導体装置を製造できる。
【0088】
上記単結晶Siの領域内における少なくとも一部のパターンの位置合わせマージンは、マザー基板全体あるいは表示領域、もしくはデバイス全体のパターンの位置合わせマージンより小さく、高精度であることがより好ましい。
【0089】
これにより、非単結晶Si領域と共通な金属配線パターン等を形成する際に、より高精度な露光システムにより、パターンの一部を単結晶Siの領域内の高精度なパターンにアライメントすることができる。
【0090】
よって、高精度なパターンを持つ単結晶Si領域と精度の低いパターンを持つ非単結晶領域とを、金属配線パターン等を用いて効率的に高い歩留まりで容易に接続することができる。
【0091】
上記単結晶Si領域内の位置合わせマークおよび透明基板上の位置合わせマークは、上記単結晶Si上に形成された位置合わせマークを透明基板側から可視光あるいは可視光より短波長の光で検出され、透明基板上に形成された位置合わせマークと位置合わせすることが可能な形状からなることがより好ましい。
【0092】
これにより、ガラス基板越しに位置合わせマークを検出することができるため、光学的な解像度を向上させることができ、従来よりも高精度なアライメントが可能になる。
【0093】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記の課題を解決するために、絶縁基板上に、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜デバイスとが形成された半導体装置の製造方法において、上記単結晶Si薄膜デバイスを含む回路を絶縁基板上に形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成することを特徴としている。
【0094】
上記の製造方法によれば、単結晶Si薄膜デバイスを、平坦性が最もよい絶縁基板上に形成し、その後で非単結晶Si薄膜を形成している。よって、接合不良による欠陥が少なく、歩留りがよい半導体装置を製造することができる。
【0095】
上記単結晶Si薄膜デバイス上に保護間絶縁膜、コンタクトホールおよびメタル配線を形成することがより好ましい。
【0096】
これにより、非単結晶Si薄膜の形成よりも先に形成される単結晶Si薄膜デバイスがメタル配線を有しているため、微細化加工が可能になり、単結晶Si薄膜に形成する回路の集積密度の大幅アップが実現できる。さらに、単結晶Si薄膜デバイスをガラス基板上に形成した後に形成される非単結晶Si薄膜にも同じ工程でメタル配線を設けることで、ダブルメタル配線構造の半導体装置を効率良く簡略な工程で製造することができる。
【0097】
上記単結晶Si薄膜デバイスを形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成する前に、層間絶縁膜を形成することがより好ましい。
【0098】
これにより、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜との間に層間絶縁膜が形成されているため、単結晶Si薄膜の単結晶Siの汚染を確実に防止できる。
【0099】
本発明の半導体装置の製造方法は、上記の課題を解決するために、絶縁基板上に、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜とが形成された半導体装置の製造方法において、上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、上記単結晶Si薄膜デバイスを形成することを特徴としている。
【0100】
上記の製造方法によれば、非単結晶Si薄膜を単結晶Si薄膜デバイス形成前に形成するため、単結晶Si薄膜デバイスを形成した後で非単結晶Si薄膜を形成する場合と比較して、単結晶Si薄膜が汚染されたり、損傷を受けたりすることを防止できる。
【0101】
また、絶縁基板上に、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜とが形成された半導体装置の製造方法においては、上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、上記単結晶Si薄膜デバイスを形成する場合に生じる非単結晶Siを除去した単結晶Siを接合すべき表面の荒れによりマイクロラフネスが増加して接合力が低下するという問題がある。
【0102】
これに対し、本発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも単結晶Siを接合すべき領域を予め低エネルギー(約3keV)のハロゲン化物(CF4等)のGCIB(Gas Cluster Ion Beam)により平坦化している。この上にTEOSあるいはTMCTS(Tetramethylcyclotetrasiloxane)を用いたPECVDにより、約10nmのSiO2膜を形成した場合には、さらに接合性が改善することからより望ましい。
【0103】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0104】
これにより、例えば、CMOS構造にした場合には、消費電力の低減および電源電圧までフル出力が可能で、低消費電力のロジックに適した半導体装置を得ることができる等のMOS型トランジスタの特性を有する半導体装置を製造することができる。
【0105】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0106】
これにより、バイポーラ型トランジスタを絶縁基板上に形成することで、単結晶Si薄膜の構成をMOS型よりも簡略化でき、平坦化処理を行うことなく絶縁基板に接合することができる。
【0107】
上記単結晶Si薄膜デバイスを形成するための単結晶Si基板に対して、所定の深さに所定の濃度の水素イオンを注入することがより好ましい。
【0108】
これにより、接着剤を使用することなく、容易に単結晶Si薄膜デバイスを絶縁基板上に形成することができる。
【0109】
すなわち、水素イオンを注入した水素イオン注入部を形成することで、絶縁基板上に単結晶Si薄膜デバイスを形成する場合には、単結晶Si薄膜デバイスを水素イオンがSiから離脱する温度まで加熱し、絶縁基板に対する接合強度を高めることができるとともに、水素イオン注入部を境に劈開剥離することで、容易にバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することができる。
【0110】
なお、上記所定の深さとは、形成する単結晶Si薄膜の目標の厚さに応じて決定すればよい。
【0111】
上記水素イオンの注入エネルギーは、該水素イオンの注入エネルギーから上記酸化膜の膜厚に相当する水素イオンのプロジェクションレンジに対応するエネルギーを差し引いたエネルギーが、上記酸化膜の膜厚に相当する、該酸化膜上に形成された層内に存在する材料の構成原子のプロジェクションレンジに対応するエネルギーよりも小さくなるように設定されていることがより好ましい。
【0112】
これにより、例えば、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタにおいて、単結晶Si基板に対して照射された水素イオンが、ゲート電極材料やメタル配線材料の構成原子に衝突することにより、はじき出されたゲート電極材料の構成原子が酸化膜を通過し、単結晶Siにまで達して、単結晶Si部分が汚染されることによる特性あるいは信頼性低下を防止することができる。
【0113】
上記水素イオン注入部を有する単結晶Si基板の厚みが概100ミクロン以下であることがより好ましい。
【0114】
これにより、単結晶Si層を元の基板の約1/10にすることができ、Si基板の曲げ剛性が小さくなるため、ガラス基板側の表面傷やパーティクル等による細かい凹凸に対して、同じ接合エネルギーの条件であっても、追随して曲がりやすくなってそれらの影響を受けにくくすることができる。
【0115】
よって、上記厚さであれば、分断した小さく薄いSi基板のハンドリング性を大きく損なうことなく、かつガラス基板側の表面傷やパーティクル等に起因する接合不良を大幅に低減できる。
【0116】
なお、上記厚さは、概70ミクロン以下、さらにより望ましくは50ミクロン以下であることが望ましい。
【0117】
上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、少なくとも上記非単結晶Siを除去した単結晶Siを接合すべき表面領域を予め約3keVのハロゲン化物のGCIB(Gas Cluster Ion Beam)により平坦化しておくことがより好ましい。
【0118】
これにより、低エネルギー(約3kev)の酸素あるいはハロゲン化物のGCIBを照射すると、SiあるいはSiO2表面が軽くエッチングされ、かつ表面のマイクロラフネスが改善される。
【0119】
よって、従来のSi基板の接合と比較して、接合の成功率を大幅に向上させることができる。
【0120】
【発明の実施の形態】
〔実施形態1〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法の一実施形態に係る半導体装置とその製造方法について、図1(a)〜図1(i)を用いて説明すれば以下のとおりである。
【0121】
なお、本実施形態で説明する半導体装置は、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタとMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタとを絶縁基板上の異なる領域に形成した高性能・高機能化に適した半導体装置であって、TFTによるアクティブマトリクス基板に形成される。
【0122】
このMOS型の薄膜トランジスタは、活性半導体層、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート両側に形成された高濃度不純物ドープ部(ソース・ドレイン電極)からなり、ゲート電極により、ゲート下の半導体層のキャリア濃度が変調され、ソース−ドレイン間を流れる電流が制御される一般的なトランジスタである。
【0123】
MOS型トランジスタの特性としては、COMS(Complementary MOS)構造にすると、消費電力が少なく、電源電圧に応じて出力をフルに振ることができることから、低消費電力型のロジックに適している。
【0124】
本実施形態の半導体装置20は、図1(i)に示すように、絶縁基板2上に、SiO2(酸化Si)膜(酸化膜)3、多結晶Siからなる非単結晶Si薄膜5’を含むMOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタ1a、単結晶Si薄膜14aを備えたMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ(単結晶Si薄膜デバイス)16a、金属配線22を備えている。
【0125】
絶縁基板2は、高歪点ガラスであるコーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)が用いられている。
【0126】
SiO2膜3は、絶縁基板2の表面全体に、膜厚約50nmで形成されている。
【0127】
非単結晶Si薄膜5’を含むMOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタ1aは、層間絶縁膜としてのSiO2膜4上に、非単結晶Si薄膜5’、ゲート絶縁膜としてのSiO2膜7、ゲート電極6を備えている。
【0128】
ゲート電極6は、多結晶SiとWシリサイドとから形成されているが、多結晶Si、他のシリサイドあるいはポリサイド等から形成されていてもよい。
【0129】
一方、単結晶Si薄膜14aを含むMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aは、ゲート電極12を有する平坦化層、ゲート絶縁膜としてのSiO2膜13、単結晶Si薄膜14aとを備えている。
【0130】
ゲート電極12の材料は、ヘビードープの多結晶Si膜とWシリサイドを用いているが、材料は多結晶Si単独であっても、また他の高融点金属やシリサイドであってもよく、必要な抵抗や耐熱性を考慮して選択される。
【0131】
また、この単結晶Si薄膜トランジスタ16aは、絶縁基板2に接合される前に単結晶Si基板上で形成され、ゲート電極12となる部分は、ゲート絶縁膜13、単結晶Si薄膜14aを含んだ状態で、絶縁基板2上に接合される。よって、単結晶Si基板10a上でゲート電極形成やソース・ドレインの不純物イオン注入を行う方が、絶縁基板2上に形成した単結晶Si薄膜を形成後、薄膜トランジスタを形成するよりも、単結晶Si薄膜への微細加工を容易に行うことができる。
【0132】
本実施形態の半導体装置20は、以上のように、1枚の絶縁基板2上に、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタ1aと、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aとを共存させることで、特性が異なる複数の回路を集積化した高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。また、1枚の絶縁基板2上に、全て単結晶Si薄膜からなるトランジスタを形成するよりも、安価に高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。
【0133】
なお、非単結晶Si薄膜5’の領域と単結晶Si薄膜14aの領域とは、少なくとも0.3μm以上、好ましくは0.5μm以上離れている。これにより、単結晶Si薄膜14aに、Ni、Pt、Sn、Pd等の金属原子が拡散するのを防止することができ、単結晶Si薄膜トランジスタ16aの特性を安定化させることができる。
【0134】
さらに、本実施形態の半導体装置20には、非単結晶Si薄膜トランジスタ1aと単結晶Si薄膜トランジスタ16aとの間の層間絶縁膜として、SiO2膜4が形成されている。これにより、単結晶Si薄膜14aが汚染されることを防止できる。
【0135】
例えば、本発明の半導体装置20を含む液晶表示装置のアクティブマトリクス基板の場合には、さらに、液晶表示用に、SiNx(窒化Si)、樹脂平坦化膜、ビアホール、透明電極が形成される。そして、非単結晶Si薄膜5’の領域には、ドライバおよび表示部用のTFTが形成され、より高性能が要求されるデバイスに適応可能な単結晶Si薄膜14aの領域には、タイミングコントローラが形成される。なお、ドライバ部は、単結晶Siであってもよく、コストと性能とを考慮して決定されればよい。
【0136】
このように、単結晶Si薄膜14a、非単結晶Si薄膜5’からなる薄膜トランジスタのそれぞれの特性に応じて、各薄膜トランジスタの機能・用途を決定することで、高性能・高機能な薄膜トランジスタを得ることができる。
【0137】
なお、従来の非単結晶Si薄膜5’の領域に形成したNチャネルTFTは、約100cm2/V・secの移動度であったのに対し、本実施形態の半導体装置を形成した液晶表示用アクティブマトリクス基板においては、単結晶Si薄膜14aの領域に形成したNチャネルTFTが約550cm2/V・secの移動度であった。このように、本実施形態の半導体装置20の構成によれば、従来に比べて高速動作が可能なTFTを得ることができる。
【0138】
また、この液晶表示用のアクティブマトリクス基板において、ドライバはもとより非単結晶Si薄膜5’の領域に形成されているデバイスが7〜8Vの信号と電源電圧を要するのに対し、単結晶Si薄膜14aの領域に形成されているデバイスであるタイミングコントローラは2.7Vにて安定に動作した。
【0139】
また、半導体装置20においては、集積回路が非単結晶Si薄膜5’の領域と単結晶Si薄膜14aの領域とに形成されることにより、必要とする構成および特性に合わせて画素アレイを含む集積回路を適した領域に形成することができる。そして、それぞれの領域に形成された集積回路において、動作速度や動作電源電圧等が異なる性能の集積回路を作ることができる。例えば、ゲート長、ゲート絶縁膜の膜厚、電源電圧、ロジックレベルのうち少なくとも1つが領域毎に異なる設計とすることができる。
【0140】
これにより、領域ごとに異なる特性を有するデバイスを形成でき、より多様な機能を備えた半導体装置を得ることができる。
【0141】
さらに、半導体装置20においては、集積回路が非単結晶Si薄膜5’の領域と単結晶Si薄膜14aの領域とに形成されるため、それぞれの領域に形成された集積回路は、領域毎に異なる加工ルールを適用することができる。例えば、短チャネル長の場合、単結晶Si薄膜領域には結晶粒界がないため、TFT特性のバラツキが殆ど増加しないのに対し、多結晶Si薄膜領域では、結晶粒界の影響でバラツキが急速に増加するため、加工ルールを各々の部分で変える必要があるからである。よって、加工ルールに合わせて集積回路を適した領域に形成することができる。
【0142】
また、本実施形態の半導体装置20では、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aにおいて、その金属配線パターンは、ゲートパターンよりも緩いデザインルールによって形成することが可能である。
【0143】
これにより、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aを形成した半導体装置のメタル配線もしくはメタル配線の一部を大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを抑え、かつ処理能力を向上させることができる。さらに、外部配線や他の回路ブロックやTFTアレイに対する接続が容易になり、外部装置等に対する接続不良による製品歩留りを低減できる。
【0144】
なお、半導体装置20上に形成される単結晶Si薄膜14aのサイズは、LSI製造装置のウエハサイズによって決まることになる。しかし、単結晶Si薄膜14aを必要とする高速性、消費電力、高速のロジック、タイミングジェネレータ、バラツキが問われる高速のDAC(電流バッファ)、あるいはプロセッサ等を形成するためには、一般的なLSI製造装置のウエハサイズで十分である。
【0145】
ここで、半導体装置20の製造方法について、図1(a)〜図1(i)を用いて説明すれば以下のとおりである。
【0146】
先ず、絶縁基板2の表面全体にTEOSとO2との混合ガスを用いて、プラズマCVDによって、膜厚約50nmのSiO2膜21を堆積する。
【0147】
本実施形態の半導体装置20の製造方法では、ここで、薄膜化すれば単結晶Si薄膜トランジスタ16aとなる部分を別途作り込んだ単結晶Si基板10aを形成し、この単結晶Si基板10aを絶縁基板2上に形成している。
【0148】
具体的には、予め一般的なIC製造ラインでCMOS工程の一部、つまりゲート電極12、ゲート絶縁膜13、ソース・ドレイン不純物イオン注入(BF3+、P+)、保護絶縁膜、平坦化膜(BPSG)を形成後、CMP(Chemical-mechanical Polishing)によって平坦化処理を行う。続いて、膜厚約10nmのSiO2膜を形成し、5×1016/cm2のドーズ量の水素イオンを所定のエネルギーにて注入した水素イオン注入部15を有する単結晶Si基板10aを作成する。そして、これを絶縁基板2上の形成領域に適合した所定のサイズに切断する。
【0149】
そして、図1(b)に示すように、透明絶縁基板2および切断した単結晶Si基板10aの両基板をSC−1洗浄し活性化した後、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15側を所定の位置にアライメントし、室温で密着させて接合する。
【0150】
アライメントは、図9に示すように、透明基板2、ここでは、コーニング社1737ガラスを通して、透明基板2側から可視光で単結晶Si上の位置合わせマーク94と透明基板2側の位置合わせマーク93とを検出して行う。図9に示す例では、落射照明で顕微鏡にセットした位置合わせ用CCDカメラ90を用いて、位置合わせステージ91上の単結晶Si上の位置合わせマーク94を検知し、最終的にこれを電気信号に変換して処理している。
【0151】
従来の赤外線を照射してSi基板を通して位置合わせを行っていた方式では、IC等が可視光やUV光に対して不透明で、吸着防止のため鏡面でない光を散乱する表面を持つSiウエハ越しにアライメントマークを検知し、アライメントを行っていたため、精度が悪くなるという問題を有していた。
【0152】
そこで、本実施形態の半導体装置では、例えば、より短波長の可視光やUV光に対して透明で、かつ表面が光を散乱しないガラス越しに位置合わせマーク93・94を検出するため、従来の方式と比較して、高精度な位置合わせを行うことが可能になる。
【0153】
また、単結晶Siとガラス製の透明基板2とは、Van der Waals力で接合されている。その後、400℃〜600℃、ここでは、約550℃の温度での処理で、Si-OH + -Si-OH → Si-O-Si + H2Oの反応を起こさせて、原子同士の強固な結合に変化させる。そしてさらに、図1(c)に示すように、水素イオン注入部15の温度を単結晶Siから水素が離脱する温度以上まで昇温することにより、水素イオン注入部15を境に劈開剥離することができる。
【0154】
ここで、単結晶Si薄膜トランジスタ16aは、絶縁基板2に対して、無機系の絶縁膜3を介して接合される。よって、従来の接着剤を用いて接合する場合と比較して、単結晶Si薄膜14aが汚染されることを確実に防止できる。
【0155】
続いて、剥離されて絶縁基板2上に残った単結晶Si薄膜14aの不要部分をエッチング除去し、単結晶Siを島状に加工した後、表面の損傷層を、等方性プラズマエッチングまたはウエットエッチング、ここでは、バッファフッ酸によるウエットエッチングにて約10nmライトエッチすることにより除去する。これにより、図1(i)に示すように、絶縁基板2上に膜厚約50nmの単結晶Si薄膜14aにMOSTFTの一部が形成される。
【0156】
その後、図1(d)に示すように、絶縁基板2の全面にSiH4とN2Oとの混合ガスを用いたプラズマCVDによって、膜厚約200nmの第2のSiO2膜4を堆積する。さらに、その全面にSiH4ガスを用いてプラズマCVDにより、膜厚約50nmの非晶質Si膜5を堆積する。
【0157】
非晶質Si膜5にエキシマレーザを照射して、加熱、結晶化し、多結晶Si層を成長させて非単結晶Si薄膜5’を形成するとともに、単結晶Si薄膜14aと絶縁膜3との接合強度向上を図る。
【0158】
次に、図1(f)に示すように、デバイスの活性領域となる部分を残すために、不要な多結晶Si膜5’をエッチングにより除去し、島状のパターンを得る。
【0159】
次に、TEOSと酸素との混合ガスを用いて、プラズマCVDにより膜厚約350nmのSiO2膜を堆積し、これを異方性エッチングであるRIEにて約400nmエッチバックする。その後、非単結晶Si薄膜トランジスタ1aのゲート絶縁膜としてSiH4とN2Oとの混合ガスを用いたプラズマCVDにより、膜厚約60nmのSiO2膜7を形成する。このとき、上記単結晶Si薄膜14aのパターンおよび非単結晶Si薄膜5’のパターンの端部にサイドウオールが形成される。
【0160】
次に、図1(g)に示すように、TEOSとO2(酸素)の混合ガスを用いP−CVDにより、層間平坦化絶縁膜として、膜厚約350nmのSiO2膜8を堆積する。
【0161】
そして、図1(h)に示すように、コンタクトホール21を開口し、図1(i)に示すように、コンタクトホール21に金属(AlSi)配線22を形成する。
【0162】
本実施形態の半導体装置の製造方法では、以上のように、単結晶Si薄膜トランジスタ16aを、非単結晶Si薄膜(多結晶Si薄膜)5’を形成する前に形成している。これにより、絶縁基板2の平坦性が保たれた状態で単結晶Si基板を接合することができるため、接合不良等の問題の発生を防止できる。
【0163】
なお、本実施形態において、水素イオンの注入エネルギーを大きくして水素原子のピーク位置を表面から深い位置になるようにし、単結晶Si薄膜14aの膜厚を厚くすると50nm〜100nmでは大きな変化はない。しかし、300nm〜600nmまで大きくなると次第にTFTのS値が大きくなり、オフ電流の増加が著しくなった。よって、単結晶Si薄膜14aの膜厚は、不純物のドーピング密度にも依存するが、概ね600nm以下、望ましくは約500nm以下、より望ましくは100nm以下であることが好ましい。
【0164】
また、絶縁基板2として、コーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)の替わりにコーニング社のcode7059(バリウム−硼珪酸ガラス)を用いた場合、同様に接合はできるものの、劈開剥離の成功率は悪化した。
【0165】
これは、図8に示すように、code1737は略室温付近から600℃まで昇温した場合のSiとの線膨張の差が約250ppmであるのに対し、code7059はSiとの線膨張の差が約800ppmと大きくなるためである。
【0166】
従って、劈開剥離の成功率を向上させる観点から、室温から600℃までの絶縁基板とSiとの線膨張の差は、約250ppm以下であることが望ましい。
【0167】
なお、この単結晶Si薄膜トランジスタ16aは、本実施形態で示した構成に限定されるものではない。例えば、ゲートボトム構造のMOS型薄膜トランジスタであっても、上記と同様の効果を得ることができる。
【0168】
〔実施形態2〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法に関する他の実施形態について、図2(a)〜図2(i)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態1の半導体装置20で説明した部材と同じ機能を有する部材については、その説明を省略する。
【0169】
本実施形態の半導体装置30は、上述した実施形態1の半導体装置20と同様に、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aと非単結晶Si薄膜トランジスタ1aとを絶縁基板2上の異なる領域に形成している。よって、本実施形態の半導体装置30についても、実施形態1の半導体装置20と同様に、高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。
【0170】
一方、半導体装置30は、単結晶Si薄膜トランジスタ16aを、非単結晶Si薄膜トランジスタ1aの形成後に形成する点で、実施形態1の半導体装置20と異なっている。
【0171】
本実施形態の半導体装置30は、絶縁基板2上に、SiO2膜3、非単結晶Si薄膜トランジスタ1a、単結晶Si薄膜トランジスタ16a、金属配線22等を備えている。
【0172】
非単結晶Si薄膜トランジスタ1aは、非単結晶Si薄膜5’、ゲート絶縁膜としてのSiO2膜7およびゲート電極6を備えている。単単結晶Si薄膜トランジスタ16aは、上述したように、非単結晶Si薄膜トランジスタ1aが形成された絶縁基板2上に、層間絶縁膜7を介して形成されている。
【0173】
また、単結晶Si薄膜トランジスタ16aを作成するための単結晶Si基板10aは、絶縁基板2上に形成される前において、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを作成するための処理が施されている。具体的には、ゲート電極、ゲート絶縁膜を形成し、ソース・ドレインの不純物イオンを注入し、P型とN型各々のチャネル部分へチャネル注入を行い、ここではP型Si基板を用いる事により、N型TFTのチャネル注入を省いた。ゲート電極上に層間平坦化膜、ここでは、CVDによるSiO2とデポ後のBPSGをメルトしてさらにCMPで平坦化したものとを所定の形状に切断する工程を行う。そして、表面にMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ14aを形成した単結晶Si基板10aをSC1洗浄液で洗浄し、パーティクル除去と表面の活性化とを行い、室温下でガラス基板を通してガラス基板側から可視光で単結晶Si上の位置合わせマークと透明基板側の位置合わせマークと検出して位置合わせを行ってから絶縁基板2上に接合した。ここでは、ゲート長が0.35μmになるように加工を行い、コンタクトおよびメタル配線部分の加工ルールは、大型ガラス基板でのフォトリソグラフィーの精度、および接合時のアライメント精度に対応するため、線幅およびスペースについて2ミクロンとした。
【0174】
本実施形態の半導体装置30においては、MOS型トランジスタが非単結晶Si薄膜5’の領域と単結晶Si薄膜14aの領域とに形成されている。そして、各領域に形成された同一導電型のトランジスタにおいて、移動度、サブスレショルド係数、閾値のうち少なくとも1つが領域毎に異なっている。よって、所望の特性に応じて、対応する単結晶Siあるいは非単結晶Si薄膜領域にトランジスタを形成することができる。
【0175】
ここで、上記半導体装置30の製造方法について、図2(a)〜図2(i)に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0176】
先ず、絶縁基板2としては、高歪点ガラスであるコーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)を用いる。そして、図2(a)に示すように、その表面にTEOS(Tetra Ethoxy Silane、すなわちSi(OC25)4)とO2(酸素)との混合ガスを用いプラズマCVDにより、プラズマ化学気相成長(Plasma Chemical Vapor Deposition、以下、P−CVDと記す。)により、膜厚約100nmのSiO2膜3を堆積する。
【0177】
さらに、その表面にSiH4ガスを用いプラズマCVDにより、膜厚約50nmの非晶質Si膜5堆積する。
【0178】
続いて、図2(b)に示すように、非晶質Si膜5にエキシマレーザを照射して、加熱、結晶化し、多結晶Si層を成長させ、非単結晶Si薄膜5’を形成する。なお、非晶質Si膜5への加熱は、エキシマレーザによる照射加熱に限らず、例えば、他のレーザによる照射加熱、あるいは炉を用いる加熱であってもよい。また、結晶の成長を促進させるために、非晶質Si膜5’に、Ni、Pt、Sn、Pdのうち、少なくとも1つを添加してもよい。
【0179】
そして、非単結晶Si薄膜5’の所定の領域を、図2(c)に示すように、エッチング除去する。
【0180】
次に、図2(c)に示すように、非単結晶Si(ここでは多結晶Siまたは連続粒界Si)のTFT用にSiH4とN2Oガスを用いたプラズマCVDにより、80〜100nmのゲート絶縁膜として、SiO2膜7を堆積した後、ゲート電極6を形成する。
【0181】
次に、図2(d)に示すように、ソース・ドレインの不純物イオンを注入し、その表面にTEOS(Tetra Ethoxy Silane、すなわちSi(OC254)とO2(酸素)との混合ガスを用いたプラズマCVDにより、層間絶縁膜として、膜厚約250nmのSiO2膜4を堆積する。
【0182】
ここで、本実施形態の半導体装置30では、上記実施形態1の半導体装置20と同様に、水素イオンを注入する等して、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aとなるトランジスタの工程の一部が完了した単結晶Si基板10aを作成する。
【0183】
そして、この単結晶Si基板10aを、非単結晶Si薄膜5’をエッチングにより除去した所定の領域と比較して、若干小さい形状にダイシング、あるいはKOH等による異方性エッチングなどによって切断する。
【0184】
結晶Siを接合するため非単結晶Si薄膜を除去した部分は予め低エネルギー(約3keV)のハロゲン化物を含むガスのGCIB(Gas Cluster Ion Beam)により平坦化しておく。この上にTEOSあるいはTMCTS(Tetramethylcyclotetrasiloxane)を用いたPECVDにより約10nmのSiO2膜を形成しておくとさらに接合性が改善する。
【0185】
非単結晶Si薄膜5’が形成された絶縁基板2と単結晶Si基板10aとを、パーティクル除去と表面の活性化のためSC−1で洗浄した後、図2(e)に示すように、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15側を、上記エッチング除去した領域に室温で実施例1と同様の方法によりアライメントし、密着させて接合する。ここで、SC−1洗浄とは、一般にRCA洗浄と呼ばれる洗浄法の一つであって、アンモニアと過酸化水素と純水からなる洗浄液を用いる。
【0186】
なお、単結晶Si基板10aの絶縁基板2上への形成は、ゲート絶縁膜としてSiO2膜7の形成後、層間絶縁膜としてのSiO2膜4の堆積前であってもよい。
【0187】
その後、300℃〜600℃、ここでは約550℃の温度で熱処理し、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15の温度を単結晶Siから水素が離脱する温度以上まで昇温する。これにより、単結晶Si基板10aを、水素イオン注入部15を境に劈開剥離することができる。なお、この熱処理は、レーザ照射または約700℃以上のピーク温度を含むランプアニールによって、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15を昇温してもよい。
【0188】
次に、剥離されて絶縁基板2上に残った単結晶Si基板10aの表面の損傷層を、等方性プラズマエッチングまたはウエットエッチング、ここではバッファフッ酸による等方性プラズマエッチングにて約20nmライトエッチすることにより除去する。これにより、図2(f)に示すように、1枚の絶縁基板2上に、それぞれ膜厚約50nmの非単結晶Si薄膜5’と単結晶Si薄膜14aとを得ることができる。なお、単結晶Si基板10aを絶縁基板2上に室温にて接合後、300〜350℃で約30分熱処理した後、約550℃にて熱処理し、劈開剥離することで劈開剥離に伴う剥がれが減少した。
【0189】
この時点では、すでに十分なSiと基板との接合強度が得られているが、さらに接合強度を向上させるために、その後、約800℃にて1分間ランプアニール処理を行う。なお、この処理は、ソース・ドレインの注入不純物の活性化と兼ねて行ってもよい。
【0190】
そして、図2(g)に示すように、層間平坦化絶縁膜としてSiO2膜8を堆積し、図2(h)に示すように、コンタクトホール21を開口し、図2(i)に示すように、金属配線22を形成する工程については、実施形態1と同様である。
【0191】
本実施形態の半導体装置の製造方法では、以上のように、先に非単結晶Si薄膜トランジスタ1aを形成した後で、単結晶Si薄膜トランジスタ16aを形成することで、先に単結晶Si薄膜トランジスタを形成する実施形態1の半導体装置20と比較して、製造工程を簡略化できるとともに、単結晶Si薄膜が汚染されることを防止できる。
【0192】
〔実施形態3〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法に関するさらに他の実施形態について、図3(a)〜図3(f)および図4に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態1・2において説明した部材と同様の機能を有する部材については、その説明を省略する。
【0193】
本実施形態の半導体装置40は、図3(f)に示すように、実施形態1と同様に、1枚の絶縁基板2上に、非単結晶Si薄膜トランジスタと単結晶Si薄膜トランジスタとを形成した半導体装置であって、非単結晶Si薄膜の形成前に単結晶Si薄膜トランジスタを形成する点で共通する。一方、単結晶Si薄膜トランジスタとして形成するトランジスタが、MOS型ではなくバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタである点で異なっている。
【0194】
このように、非単結晶Si薄膜トランジスタとしてMOS型、単結晶Si薄膜トランジスタとしてバイポーラ型のトランジスタを形成することで、実施形態1・2で説明した半導体装置20・30とは異なる特性を有する半導体装置40を得ることができる。
【0195】
ここで、バイポーラ型薄膜トランジスタは、第1の導電型の半導体コレクタとエミッタとの電流パスの中間に、狭い逆導電型層(ベース)を設け、エミッタとベース間のバイアスを順〜逆にすることで、エミッタからベースに流れ込む少数キャリアの数を制御し、ベースを拡散してコレクタに流れ込む少数キャリアによる電流を制御するトランジスタである。
【0196】
このバイポーラ型薄膜トランジスタは、MOS型のようにゲート電極が形成されないため、構造を簡素化できるとともに、製造歩留りの向上が図れる。また、飽和領域における線形性に優れ、反応速度が速いという利点を有し、リニア信号処理が可能であるため、アナログ系のアンプや電流バッファ、電源IC等に用いられる。
【0197】
なお、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタにおいて、そのコンタクトパターンは、ベースパターンよりも緩いデザインルールによって形成されている。
【0198】
これにより、バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置のメタル配線もしくはメタル配線の一部を大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを押さえ処理能力を向上できる。あるいは他の回路ブロックやTFTアレイに対するに対する接続が容易になり、外部装置等に対する接続不良による製品歩留り低下を低減できる。
【0199】
半導体装置40は、図3(f)に示すように、絶縁基板2上に、SiO2膜3、多結晶Siからなる非単結晶Si薄膜5’を含む非単結晶Si薄膜トランジスタ1a、単結晶Si薄膜14bを含むバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bおよび金属配線22により構成されている。
【0200】
このように、1枚の絶縁基板2上に、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタ1aと、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bとが形成されているため、MOS型、バイポーラ型あるいは非単結晶Si薄膜、単結晶Si薄膜それぞれの特性を活かして、より多くの用途に対応可能な備えた半導体装置40を得ることができる。
【0201】
ここで、上記半導体装置40の製造方法について、図3(a)〜図3(f)を用いて説明すれば、以下のとおりである。
【0202】
絶縁基板2には、コーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)を用い、図3(a)に示すように、その表面にTEOSおよびO2の混合ガスを用いて、プラズマCVDにより膜厚約20nmのSiO2膜3を堆積する。
【0203】
ここで、本実施形態の半導体装置40では、実施形態1・2の半導体装置20・30と同様に、絶縁基板2上に単結晶Si薄膜トランジスタ16bを形成する前に、予め単結晶Si基板10bに水素イオン注入部から劈開分離するとバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bとなる構造を作り込んでおき、この状態で絶縁基板2上に接合する。
【0204】
具体的には、先ず、バイポーラ型薄膜トランジスタのPNP接合あるいはNPN接合のジャンクション部分を形成する。次に、表面を酸化あるいは酸化膜を堆積することにより、膜厚約200nmのSiO2膜11を形成する。そして、5×1016/cm2のドーズ量の水素イオンを所定のエネルギーにて所定の深さに注入した水素イオン注入部15を有するバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成する。
【0205】
このように、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bについても、MOS型と同様に、所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部が形成されている。
【0206】
続いて、単結晶Si基板10bを、予め適切な形状に切断し、絶縁基板2に形成する。
【0207】
絶縁基板2および切断した単結晶Si基板10bをSC−1洗浄し活性化した後、図3(b)に示すように、単結晶Si薄膜トランジスタ16bの水素イオン注入部15側を、絶縁基板2上のエッチング除去した領域に室温で実施例1と同様の方法で位置合わせを行い、密着させ接合する。
【0208】
なお、本実施形態の半導体装置40では、図4に示すように、P、N、各々の領域に不純物イオンを注入し、コレクタ25、ベース26、エミッタ27が平面的に配置された平面(Lateral)構造のバイポーラ型の薄膜トランジスタを示したが、従来のバイポーラ型の薄膜トランジスタのように縦型構造であってもよい。また、不純物を拡散してジャンクションを形成してもよい。また、SIT(Static Induction Transistor)やダイオードも同様に適用できる。
【0209】
ただし、本実施形態のように、平面型のバイポーラ型薄膜トランジスタを形成することで、形成前に平面化処理を施す必要がないため、製造工程をより簡略化し、生産効率を向上させることができる。
【0210】
その後、400℃〜600℃、ここでは約550℃の温度で熱処理し、単結晶Si基板10bの水素イオン注入部15の温度をSiから水素が離脱する温度まで昇温することで、水素イオン注入部15を境に単結晶Si基板10bの不要部分11を劈開剥離し、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bを絶縁基板2上に作製することができる。
【0211】
次に、絶縁基板2上に残った単結晶Si基板10bの表面の損傷層を、等方性プラズマエッチングまたはウエットエッチング、ここではバッファフッ酸によるウエットエッチングにて約20nmライトエッチすることにより除去する。これにより、図3(c)に示すように、絶縁基板2上に膜厚約80nmのバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bを形成することができる。
【0212】
その後、図3(d)に示すように、絶縁基板2の全面にSiH4とN2Oとの混合ガスを用いたプラズマCVDにより、層間絶縁膜として膜厚約200nmのSiO2膜4を堆積する。さらに、図3(d)に示すように、その表面上にSiH4ガスを用いてプラズマCVDにより、膜厚約50nmの非晶質Si膜5を堆積する。
【0213】
次に、図3(e)に示すように、非晶質Si膜5にエキシマレーザを照射加熱して結晶化し、多結晶Si層を成長させて非単結晶Si薄膜5’を形成する。このとき、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bの絶縁基板2に対する接合強度を向上させることができる。
【0214】
次に、図3(f)に示すように、非単結晶Si薄膜5’のデバイスの活性領域となる部分を残し、不要なSi膜をエッチングにより除去し、島状のパターンを得る。そして、TEOSと酸素との混合ガスを用いたプラズマCVDにより、ゲート絶縁膜として膜厚約350nmのSiO2膜7を堆積し、さらに約350nmのフォトレジストを樹脂平坦化膜として全面に塗布後、酸素とCF4を含むガスにより異方性エッチングであるRIE(リアクティブイオンエッチング)により上記樹脂平坦化膜の全部とSiO2膜4の一部をエッチングバックし(図示せず)、平坦化後、ゲート絶縁膜としてSiH4とN2Oとの混合ガスを用いてプラズマCVDにより、膜厚約60nmのSiO2膜7を形成しする。
【0215】
そして、SiO2膜7上にゲート電極6を形成し、ゲート電極6、ゲート絶縁膜としてのSiO2膜7および非単結晶Si薄膜5’からなる非単結晶Si薄膜トランジスタ1aを得ることができる。
【0216】
これ以降の、層間平坦化絶縁膜としてのSiO2膜8の形成、コンタクトホール21の開口および金属配線22の工程については、上記実施形態1・2と同様であるので説明を省略する。
【0217】
以上のように、本実施形態の半導体装置40の製造方法は、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bを形成後、多結晶Si薄膜からなる非単結晶Si薄膜トランジスタ1aを形成するため、平坦な絶縁基板2にそのまま接合できるため、接合工程を容易化でき、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタ16bの絶縁基板2に対する接着強度を向上することができる。
【0218】
また、形成する単結晶Si薄膜トランジスタがバイポーラ型であるため、平坦化処理が不要であり、製造コストを削減できる。また、MOS型の場合と同様に、予めメタル配線の一部を形成しておき平坦化を行ってもよく、これにより集積密度を上げることができる。
【0219】
なお、本実施形態の半導体装置40では、図3(f)に示すように、トランジスタ群を素子分離していないが、リーク電流が問題となる場合、あるいは素子間のクロストークが問題となる場合には、当然素子分離を行えばよい。
【0220】
〔実施形態4〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法に関するさらに他の実施形態について、図5(a)〜図5(f)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態1〜3において説明した部材と同様の機能を有する部材については、その説明を省略する。
【0221】
本実施形態の半導体装置50は、1枚の絶縁基板2上に、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタと、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタとを形成している点で、実施形態1の半導体装置20と共通する。一方、非単結晶Si薄膜として、連続結晶粒界Si(Continuous Grain Silicon)を用いている点で、上記実施形態1の半導体装置20と異なっている。
【0222】
このように、非単結晶Si薄膜として連続粒界Siを用いることで、多結晶Siからなる非単結晶Si薄膜トランジスタよりも特性が高い非単結晶Si薄膜トランジスタ1bを得ることができる。
【0223】
本実施形態の半導体装置50は、絶縁基板2上に、SiO2膜3、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタ1b、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタ16aとを備えている。
【0224】
特に、非単結晶Si薄膜トランジスタ1bは、非単結晶Si薄膜52’として、結晶成長方向の揃った多結晶Si、いわゆる連続結晶粒界Si(Continuous Grain Silicon)を用いて形成されている。
【0225】
なお、従来の連続結晶粒界Si領域に形成したNチャネルTFTは、移動度が約200cm2/V・secであったのに対し、本実施形態の半導体装置50を形成した液晶表示用アクティブマトリクス基板における、単結晶Si薄膜14aの領域に形成したNチャネルTFTは、約550cm2/V・secの移動度が得られた。よって、従来より高速応答が可能なアクティブマトリクス基板を得ることができる。
【0226】
この液晶表示用のアクティブマトリクス基板によれば、ドライバはもとより非単結晶Si薄膜52’の領域に形成されているデバイスが7〜8Vの信号と電源電圧を要するのに対し、単結晶Si薄膜14aの領域に形成されているデバイスであるタイミングコントローラは2.7Vの信号と電源電圧とで安定して動作した。
【0227】
ここで、上記半導体装置50の製造工程について、図5(a)〜図5(f)を用いて説明すれば以下のとおりである。
【0228】
本実施形態では、上記実施形態1と同様に、先ず、絶縁基板2としてコーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)を用い、図5(a)に示すように、その表面全体にTEOSとO2混合ガスを用いたプラズマCVDにより、約100nmのSiO2膜3を堆積する。
【0229】
さらに、図5(b)に示すように、SiO2膜3の表面全体にSiH4ガスを用いてプラズマCVDにより、約50nmの非晶質Si薄膜51を堆積する。さらに、その表面上全面にSiH4とN2O混合ガスを用いてプラズマCVDにより約200nmのSiO2膜52を堆積する。
【0230】
SiO2膜52における所定の領域にエッチングにより開口部を形成した後、上記開口部における非晶質Si薄膜51の表面の親水性をコントロールするために、非晶質Si薄膜51の表面を薄く酸化して酸化膜(SiO2膜)を形成し、その上に酢酸Ni水溶液をスピンコートする。
【0231】
次に、580℃の温度にて約8時間固相成長を行い、結晶成長方向の揃った結晶成長を促進させた多結晶Si、いわゆる連続結晶粒界Si(Continuous Grain Silicon)を成長させて連続結晶粒界Si薄膜51’を形成させる。
【0232】
さらに、図5(c)に示すように、連続結晶粒界Si薄膜51’上のSiO2膜52を除去する。その後、連続結晶粒界Si薄膜51’の所定の領域をエッチングして除去する。
【0233】
ここで、実施例2の場合と同様に低エネルギー(約3keV)のハロゲン化物のガスのGCIBにより表面を平坦化することによりより接合性が改善した。本実施形態の半導体装置50においても、上記実施形態1と同様に劈開・薄膜化によりMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタとなる構造を作り込み、所定の濃度、所定のエネルギーで水素イオンを注入した単結晶Si基板10aを用意する。
【0234】
そして、図5(d)に示すように,連続結晶粒界Si薄膜51’が形成された絶縁基板2および単結晶Si基板10aをSC−1洗浄して活性化した後、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15側を上記エッチング除去した領域に室温で実施例1と同様の方法で位置合わせを行い、密着させて接合する。
【0235】
この時、連続結晶粒界Si薄膜51’と単結晶Si基板10aとの間は少なくとも0.3ミクロン、好ましくは0.5ミクロン以上離れている。これにより、後述する製造工程において用いられるNi、Pt、Sn、Pd等の金属原子が、単結晶Si薄膜14aの領域に拡散することを防止し、単結晶Si薄膜トランジスタの特性を安定化させることができる。
【0236】
その後、レーザ照射または約700℃以上のピーク温度を含むランプアニールによって、単結晶Si基板10aの水素イオン注入部15の温度を、単結晶Siから水素が離脱する温度以上に昇温することにより、図5(e)に示すように、単結晶Si基板10aの不要部分11を、水素イオン注入部15を境に劈開剥離する。
【0237】
次に、絶縁基板2上に残った単結晶Si薄膜10aの損傷層を、等方性プラズマエッチングまたはウエットエッチング、ここではバッファフッ酸によるウエットエッチングにて約10nmライトエッチすることにより除去する。
【0238】
これにより、絶縁基板2上に、それぞれ約50nmの膜厚の連続結晶粒界Si薄膜51’と単結晶Si薄膜14aとを形成することができる。
【0239】
次に、連続結晶粒界Si薄膜51’上の不要部分をエッチング除去する。
【0240】
次に、デバイスの活性領域近傍のSiO2膜に開口部を形成し、SiO2膜をマスクに結晶成長を促進するために添加したNiをゲッタリングするため、高濃度のP+イオンを注入し(15keV,5×1015/cm2)、RTAにて約800℃の温度にて1分間の熱処理を行う。
【0241】
なお、単結晶Si薄膜14a中にNi原子が拡散しないように物理的にスペースをとってはいるが、ごく微量のNi原子が、プロセス中に混入する可能性がある。そこで、単結晶Si薄膜14aの活性領域もゲッタリングを行うのが望ましいが、スペースを優先する場合は、設計上の選択肢としてゲッタリングを省略してもよい。
【0242】
次に、デバイスの活性領域となる部分を残し、不要な連続結晶粒界Si薄膜51’の不要部分と単結晶Si薄膜14aとをエッチングして除去し、島状のパターンを得る。
【0243】
次に、TEOSと酸素との混合ガスを用いてP−CVDにより膜厚約350nmのSiO2膜を堆積し、これを異方性エッチングであるRIEで約400nmエッチバックした後、SiH4とN2Oとの混合ガスを用いてプラズマCVDにより、ゲート絶縁膜としての膜厚約60nmのSiO2膜7を形成する。
【0244】
このとき、連続結晶粒界Si薄膜51’のパターンおよび単結晶Si薄膜14aのパターンの端部には、サイドウオールが形成される。
【0245】
これ以降の、層間平坦化絶縁膜としてのSiO2膜8の形成、コンタクトホール21の開口および金属配線22の工程については、上記実施形態1・2と同様であるので説明を省略する。
【0246】
以上のように、本実施形態の半導体装置50の製造方法は、非単結晶Si薄膜として多結晶Siを形成後、単結晶Si薄膜トランジスタ16aを形成し、その後、非単結晶Si薄膜トランジスタ1bのゲート絶縁膜としてのSiO2膜7を形成しているため、SiO2膜の数を減らして工程を簡略化できる。
【0247】
〔実施形態5〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法に関するさらに他の実施形態について、図6(a)〜図6(h)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態1〜4において説明した部材と同様の機能を有する部材については、その説明を省略する。
【0248】
本実施形態の半導体装置60は、1枚の絶縁基板2上に、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタと、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタとを形成している点で、実施形態3の半導体装置40と共通する。
【0249】
一方、非単結晶Si薄膜トランジスタとして、ボトムゲート構造のトランジスタを形成している点で、上記実施形態3の半導体装置40とは異なっている。
【0250】
本実施形態の半導体装置60は、図2(c)に示す単結晶Si基板の接合、劈開分離までの工程については、実施形態2の半導体装置30と同様の製造工程によるものであり、製作される半導体装置についても半導体装置30と同じ構造である。
【0251】
それ以降の工程については、図6(i)に示すように、単結晶デバイス部分の素子分離後、層間絶縁膜が全体に形成され、その上に非晶質SiのTFTおよび回路を構成するためのゲート電極6が形成されており、その上にゲート絶縁膜62、ノンドープの非晶質Si63が島状に形成され、さらにN+非晶質Si薄膜64とソース・ドレインの配線のための金属配線65が形成される。
【0252】
なお、図示していないが、液晶表示等のためには、さらにその上に保護絶縁膜、平坦化膜、表示のための透明導電膜が形成される。
【0253】
ここで、上記半導体装置60の製造方法について、図6(a)〜図6(h)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【0254】
先ず、図6(a)に示すように、絶縁基板2としてコーニング社のcode1737(アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス)を用い、その表面全体にTEOSとO2との混合ガスを用いたプラズマCVDにより、膜厚約50nmのSiO2膜3を堆積する。
【0255】
ここで、上記実施形態3の半導体装置40と同様に、予め劈開薄膜化後バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタとなる構造16bを作り込んだ単結晶Si基板10bを用意し、所定の濃度、所定のエネルギーで水素イオンを注入した後これを所定のサイズに切断する。
【0256】
絶縁基板2と切断した単結晶Si基板10bとを、SC−1洗浄して活性化した後、図6(b)に示すように、単結晶Si基板10bの水素イオン注入部15側を所定の位置に実施例1と同様の方法でアライメントし、室温で密着させ接合する。図には示していないが単結晶Si基板には予めメタル配線を形成しておいてもよく、この場合微細化による高集積化が可能となるメリットがある。
【0257】
その後、400℃〜600℃、ここでは約550℃の温度で熱処理し、単結晶Si基板10bの水素イオン注入部15の温度を単結晶Siから水素が離脱する温度まで昇温することにより、図6(c)に示すように、単結晶Si基板10bを、水素イオン注入部15を境に劈開剥離する。予めメタル配線を形成しておいた場合もこの温度範囲であればメタルがAl系の合金であっても融点以下であり、使用可能である。
【0258】
次に、絶縁基板2上に残った単結晶Si薄膜14bの一部をエッチング除去し、単結晶Si薄膜14bを島状に加工した後、表面の損傷層を、等方性プラズマエッチングまたはウエットエッチング、ここではバッファフッ酸によるウエットエッチングにて約10nmライトエッチすることにより除去する。
【0259】
これにより、絶縁基板2上に、膜厚約50nmの単結晶Si薄膜14bから成るMOS型薄膜トランジスタの一部が形成される。
【0260】
その後、図6(d)に示すように、絶縁基板2の全面に、SiH4とN2Oとの混合ガスを用いてプラズマCVDにより、膜厚約200nmのSiO2膜61を堆積する。
【0261】
さらに、その表面全体にスパッタによりTaN薄膜を堆積して、所定のパターンに加工し、ゲート電極6およびゲートバスライン等のゲート層の配線を形成する。
【0262】
なお、ゲート層の配線の材料は本材料に限られるものではなく、抵抗、耐熱性、後の製造プロセスとの適合性等に応じて、AlやAl合金等の種々の金属材料を選択できる。
【0263】
続いて、図6(e)に示すように、SiH4ガスとNH3ガスを用いたプラズマCVDにより、ゲート絶縁膜として約200nmの窒化珪素膜62を形成する。そして、その上にSiH4ガスを用いたプラズマCVDにより、膜厚約50nmの非晶質Si膜63、さらにその上にSiH4ガスとPH3混合ガスによりPをドープした膜厚約30nmのN+非晶質Si膜64を順次連続して堆積する。
【0264】
次に、図6(f)に示すように、ノンドープとPをドープした非晶質Si膜をトランジスタとなる部分を残し島状にエッチングし、さらに、図6(g)に示すように、その上にソースバス配線のための金属膜65として、スパッタによりTi薄膜を堆積し、所定のパターンに加工する。
【0265】
なお、ソースバス配線のための金属膜65についても、Tiに限定されるものではなく、抵抗、耐熱性、後のプロセスとの適合性等に応じて、AlやAl合金等の種々の金属材料を選択することができる。
【0266】
次に、図6(h)に示すように、非晶質Si63の島状パターンの所定(ソース〜ドレイン間のチャネルとなる部分)の領域のN+層を(ノンドープ層の一部も合わせてエッチングされる)エッチング除去し非晶質SiTFTを形成する。
【0267】
その後、保護絶縁膜としてSiH4ガスとNH3ガスを用いたプラズマCVDにより、約200nmの窒化珪素膜を堆積する。
【0268】
以降、通常の非晶質Siを用いたアクティブマトリクス基板の製造工程と同様に、例えば、樹脂層間膜の形成、表示用透明電極の形成により、液晶表示に用いられるアクティブマトリクス基板が完成する。
【0269】
本実施形態の半導体装置60は、以上のように、非単結晶Si薄膜トランジスタ1cとして、非晶質Siを用いているため、非単結晶Si薄膜の製造工程を簡略化し、半導体装置60の低コスト化を図れる。また、非晶質Siの特徴である低off電流特性により、半導体装置60を低消費電力型のLCD等に適用できる。
【0270】
さらに、非単結晶Si薄膜トランジスタ1cの構造が絶縁基板2側にゲート電極6が配置される、いわゆるボトムゲート構造であるため、非晶質Siの形成が容易となり、工程の簡略化から生産性を向上させることができ、半導体装置の低コスト化が可能になる。
【0271】
なお、上記実施形態1〜5で説明した各半導体装置は、図7に示すように、表示部72を有するアクティブマトリクス基板70に高機能回路部(高速DAC、高速のタイミングコントローラ、画像処理回路等)71として形成することができる。
【0272】
なお、上記実施形態1〜5の単結晶Si薄膜トランジスタ16a・16bについては、さらにゲート層の上層に高融点金属による配線層が形成されてもよい。ここでは、TiW合金を用いて微細加工の必要な回路部分の配線を形成し、さらにTEOSあるいはSiH4とN2Oガス等によるCVD、PECVDで層間絶縁膜を形成後、CMP等により平坦化して、そこに水素イオンを所定のエネルギー、所定の濃度で注入してもよい。
【0273】
このように、予めメタル配線が形成された単結晶Si薄膜トランジスタを絶縁基板上に形成し、酸化膜を形成後さらにメタル配線を形成することにより、ダブルメタル配線構造の半導体装置を得ることができ、さらに集積密度の高い機能回路を形成することができる。
【0274】
ここで、高融点金属による配線層には、単結晶Si基板の劈開剥離時の熱処理温度に対する耐熱性があればよく、多結晶Si、各種金属のシリサイド、Ti、W、Mo、TiW、TaN、Ta等の材料を用いることができる。さらに、単結晶Si基板の劈開剥離をレーザで行う場合には、耐熱性が低くてもよい。
【0275】
また、本発明は上記実施形態で説明した内容に限定されるものではなく、例えば、非単結晶Si形成法、層間絶縁膜の材料、膜厚等についても、当業者が知り得る他の手段によって実現することができる。
【0276】
また、単結晶Siで形成する半導体デバイスも、MOS型トランジスタ、バイポーラ型トランジスタに限定されるものではなく、例えば、SIT、ダイオード等であってもよい。
【0277】
そして、本発明の半導体装置は、このような特性が異なる複数種類の半導体デバイスを同一ガラス基板の上に一体集積化できることが、本発明の重要なメリットである。
【0278】
また、上記実施形態1〜5では、2種類の異なる特性を有する薄膜Siトランジスタが形成されている例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、3種類以上の特性の異なるデバイスを1枚の基板上に形成した半導体装置であってもよい。
【0279】
例えば、単結晶Si薄膜トランジスタとして、MOS型トランジスタおよびバイポーラ型トランジスタを形成し、非単結晶Si薄膜トランジスタとして、MOS型トランジスタを形成した半導体装置を構成した場合には、3種類の特性を有する半導体装置を1つの基板上に形成でき、さらに高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。
【0280】
また、このような半導体装置では、単結晶SiからなるMOS型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜が、バイポーラ型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜よりも膜厚が小さいことがより好ましい。
【0281】
これは、通常、MOS型薄膜トランジスタは膜厚が薄いほうが良好な特性が得られやすく、バイポーラ型薄膜トランジスタは膜厚が比較的厚い方が良好な特性が得られることが知られているためである。
【0282】
なお、単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタについて、そのゲート線幅は、1μm以下であることがより好ましい。また、単結晶Si薄膜からなるバイポーラ型薄膜トランジスタについても、そのベース幅が概2.5μm以下であることが好ましい。
【0283】
さらに、ベース幅が1μm以下であることがより好ましい。これはベース幅が狭いほど少数キャリアが拡散し通過する効率が良く時間が短くなるからである。
【0284】
これにより、トランジスタのスイッチング速度を速くできる。
【0285】
〔実施形態6〕
本発明の単結晶Si基板、半導体装置およびその製造方法に関するさらに他の実施形態について説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態1〜5において説明した部材と同様の機能を有する部材については、その説明を省略する。
【0286】
本発明の実施形態では、実施形態1〜5の半導体装置において、単結晶Si基板の接合前の厚さを約70μmとした。ここで、単結晶Si基板の接合前の厚さ以外はすべて同じ材料、方法を用いたがガラス基板とSi基板の接合性はいずれの場合も優れており、特に、基板の四隅の接合不良を大幅に低減できた。
【0287】
なお、本実施形態では、ICカードで使われる研磨法で水素イオン注入後に厚さを減じた。なお、単結晶Siの厚さは接合性の観点からは薄ければ薄いほどよいが、取り扱いの容易性とのトレードオフとなり50〜100μm程度がよい。
【0288】
上記実施形態1〜6においては、MOS型のトランジスタについて説明したが、本発明はMOS型のトランジスタに限定されるものではない。例えば、MIS型のトランジスタであっても、MOS型トランジスタを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【0289】
ここで、MIS型のトランジスタとは、ゲート絶縁膜として窒化Si膜等が使用されているため、誘電率の高いゲート絶縁膜により同じ膜厚であっても電界効果が強くなり、ゲートの漏れ電流が増加するが低電圧で動作させることができる等の特性を有するトランジスタをいう。
【0290】
なお、本発明による半導体装置およびその製造方法は、用途が液晶表示装置に限られるものでは無く、有機ELを始めとする他のデバイスにも有効であることは言うまでもない。さらに、表示デバイスのみならず高性能集積回路として一般に使用してもよい。
【0291】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術範囲に含まれる。
【0292】
【発明の効果】
本発明に係る単結晶Si基板は、以上のように、表面に酸化膜、ゲートパターン、不純物イオン注入部が形成された後に平坦化されており、所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部を備えている構成である。
【0293】
それゆえ、絶縁基板等に対して、単結晶Si基板を酸化膜形成側において接合し、熱処理することにより基板間の接合が原子同士の結合に変わり強固な接合となるとともに、水素イオン注入部において熱処理により劈開剥離することで、接着剤を使用しなくても容易にMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができるという効果を奏する。
【0294】
また、例えば、表面に多結晶Si薄膜等の非単結晶Si薄膜トランジスタを形成した絶縁基板上に、本発明の単結晶Si基板を接合し、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成することで、非単結晶Siからなるトランジスタと単結晶Siからなるトランジスタを1つの基板上の異なる領域に形成した半導体装置を容易に得ることができる。
【0295】
本発明の単結晶Si基板は、以上のように、表面近傍に不純物イオンが注入されたpnp接合構造あるいはnpn接合構造を有する不純物イオン注入部または拡散領域と、該不純物イオン注入部または拡散領域上に堆積された酸化膜とを有している構成である。
【0296】
それゆえ、他の絶縁基板上に形成しやすい単結晶Si薄膜からなるバイポーラ型の薄膜トランジスタを得ることができるという効果を奏する。
【0297】
上記所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部を備えているので、絶縁基板等に対して、単結晶Si基板を酸化膜堆積側において接合し、水素イオン注入側において劈開剥離することで、接着剤を使用することなく、容易にバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができるという効果を奏する。
【0298】
また、上記酸化膜は、膜厚が200nm以上になるように形成されていることがより好ましい。
【0299】
それゆえ、単結晶SiからなるMOSトランジスタでは、閾値のバラツキと、単結晶Siから成るバイポーラ型TFTでは特性ばらつきが小さくオン抵抗が低く抑えられ、SiO2膜形成工程の効率や段差とのバランスに適切な単結晶Si基板を得ることができるという効果を奏する。
【0300】
本発明の半導体装置は、以上のように、絶縁基板上の異なる領域に、非単結晶Si薄膜デバイスと、単結晶Si薄膜デバイスとがそれぞれ形成されている構成である。
【0301】
それゆえ、例えば、タイミングコントローラ等の、より高性能な機能が要求されるデバイスには、単結晶Si薄膜トランジスタ等の単結晶Si薄膜デバイスを用い、残りのデバイスには非単結晶Si薄膜トランジスタ等の非単結晶Si薄膜デバイスを用いて、低コストで高性能・高機能な回路システムを一体集積化した半導体装置を得ることができるという効果を奏する。また、例えば、大型の液晶表示パネルや有機ELパネル等に対応可能な大型の半導体装置を製造することができる。
【0302】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、上記絶縁基板に対して、無機系の絶縁膜を介して接合されていることがより好ましい。
【0303】
それゆえ、接着剤を使用することなく、単結晶Si薄膜トランジスタ等のデバイスを絶縁基板上に形成することができるため、単結晶Siが汚染されることを防止できるという効果を奏する。また、接合後にメタル配線、無機絶縁膜形成、あるいはエッチング等を容易に行うことができる。さらに、メタル配線等を大型基板でのTFTプロセスと共通に形成し低コストでデバイスを形成できるという効果を奏する。
【0304】
上記非単結晶Si薄膜デバイスおよび上記単結晶Si薄膜デバイスは、ともにMOS型あるいはMIS型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0305】
それゆえ、例えば、CMOS構造にした場合には、消費電力の低減および電源電圧までフル出力が可能で、低消費電力のロジックに適した半導体装置を得ることができるという効果を奏する。
【0306】
上記MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタは、上記絶縁基板側からゲート、ゲート絶縁膜、Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0307】
それゆえ、MOS型薄膜トランジスタは、ゲートが絶縁基板の側に配置された状態で形成され、いわゆる絶縁基板上に上下逆さまのMOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置を得ることができるので、単結晶Si基板でのソース・ドレイン形成にゲートをマスクにした自己整合プロセスが適用でき、またガラス基板表面の固定電荷の影響を軽減できるという効果を奏する。さらに、単結晶Siとガラス基板の接合界面に生じがちな固定電荷の影響をゲートの遮蔽効果により軽減でき、また、単結晶Siでゲートをマスクにソース・ドレインの不純物イオン注入を用いる確立したプロセスを適用できるため、歩留まりを高くできるというメリットがある。
【0308】
上記MOS型の薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略600nm以下であることがより好ましい。
【0309】
それゆえ、半導体装置のS値(サブスレショルド係数)を小さくすることができ、またオフ電流を低下させることができるという効果を奏する。
【0310】
上記MOS型の薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略100nm以下であることがより好ましい。
【0311】
それゆえ、一層半導体装置のS値(サブスレショルド係数)を小さくすることができ、またオフ電流についても低下させることができる。よって、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの特性を最大限に生かすことができるという効果を奏する。
【0312】
上記MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの金属配線パターンは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタのゲートパターンよりも緩い配線形成ルールによって形成された部分を含むことがより好ましい。
【0313】
それゆえ、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置のメタル配線もしくはメタル配線の少なくとも一部を大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを抑えて処理能力を向上できる。または、外部装置あるいは外部配線や他の回路ブロックやTFTアレイに対する接続が容易になり、外部装置等に対する接続不良による製品歩留りを低減できるという効果を奏する。
【0314】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0315】
それゆえ、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタに加えて、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを形成しているため、より多機能な半導体装置を得ることができるという効果を奏する。
【0316】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型およびバイポーラ型の何れか一方、あるいは両方の単結晶Si薄膜トランジスタおよびバイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタを含むであることがより好ましい。
【0317】
それゆえ、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トラジスタおよび単結晶Si薄膜トランジスタ、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタという3種類の特性を有する半導体装置を1つの基板上に形成できるという効果を奏する。よって、さらに高性能・高機能な半導体装置を得ることができる。
【0318】
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型単結晶Si薄膜トランジスタとショットキー型もしくはPN接合形ダイオードを含むイメージセンサあるいはCCD形イメージセンサを備えていることがより好ましい。
【0319】
それゆえ、個別に異なる領域に異なる設計または構造の薄膜デバイスを集積化できるため、従来の方法では、共存することが極めて困難であったイメージセンサ等のCMOSデバイスと異なる構造のデバイスを容易に集積化でき、今まで不可能であった高機能デバイスを創出できるという効果を奏する。
【0320】
上記単結晶SiからなるMOS型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜は、バイポーラ型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜よりも膜厚が小さいことがより好ましい。
【0321】
それゆえ、MOS型とバイポーラ型とのSi薄膜の厚さを互いの比較によって特定することで、MOS型およびバイポーラ型双方の特性を有効に活用できる半導体装置を得ることができるという効果を奏する。
【0322】
上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタは、ベース、コレクタおよびエミッタ領域が同一平面に形成、配置された平面構造であることがより好ましい。
【0323】
それゆえ、MOS型薄膜トランジスタのようにゲートを持たず、かつ平面構造の、いわゆるラテラル型トランジスタであるため、単に、Si表面に酸化膜を形成し、PとNとの不純物を所定のパターン(領域)に注入し、活性化アニールをするだけで、表面が完全に平坦なSi基板を形成できるため、CMPによる平坦化処理を行わなくても絶縁基板上に容易に単結晶Si基板を接合することができるという効果を奏する。
【0324】
上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのコンタクトパターンは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのベースパターンよりも緩いデザインルールによって形成されていることがより好ましい。
【0325】
半導体装置外部装置あるいは外部配線や他の回路ブロックやTFTアレイに対する接続が容易になり、外部装置等に対する接続不良による製品歩留りを低減できるという効果を奏する。
【0326】
それゆえ、バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを形成した半導体装置のメタル配線もしくはメタル配線の一部を大型基板上のメタル配線と同時に処理することができ、コストを抑えて処理能力を向上できる。または、外部装置あるいは外部配線に対する接続が容易になり、外部装置等に対する接続不良による製品歩留りを低減できるという効果を奏する。
【0327】
上記バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略800nm以下であることがより好ましい。
【0328】
それゆえ、バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の特性ばらつきに対する厚さの限界である約800nm以下に膜厚を設定することで、特性を悪化させることなく特性ばらつきを小さく抑えられたバイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタを得ることができるという効果を奏する。
【0329】
上記非単結晶Si薄膜は、多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることがより好ましい。
【0330】
それゆえ、絶縁基板から見てゲートが上に形成されるようにMOS型薄膜トランジスタを構成することで、一般的なゲートをマスクとした自己整合プロセスが摘要でき、多結晶Si薄膜あるいは連続粒界Si薄膜トランジスタを製造し易くなり、生産性を向上させることができるという効果を奏する。
【0331】
上記非単結晶Si薄膜は多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0332】
それゆえ、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタが基板から見て反対の構成となるため、ガラス基板表面付近の固定電荷の影響を避けることができ、特性の安定化が可能となる。さらに、チャネル部のドーピングプロファイルの設定自由度が高くなり、ホットエレクトロン劣化の対策が容易となり、上記と同様の効果を得られる構成のバリエーションを増やすことができるという効果を奏する。
【0333】
上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型もしくはMIS型の薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることがより好ましい。
【0334】
それゆえ、絶縁基板から見てゲートが下に形成される、いわゆるボトムゲート構造のMOS型あるいはMIS型薄膜トランジスタを構成することで、従来広く一般的に用いられてきたプロセスを適用でき、高歩留まりで非晶質Si薄膜を形成する工程の簡略化、低コスト化、生産性向上を図ることができるという効果を奏する。また、非晶質Siは、低off電流特性を有しているため、低消費電力型LCD等に適応した半導体装置を得ることができる。
【0335】
上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることがより好ましい。
【0336】
それゆえ、MOS型の非単結晶Si薄膜トランジスタが基板から見て反対の構成であっても、上記と同様の効果を得られる構成のバリエーションを増やすことができ、プロセス設計の自由度が高まるという効果を奏する。
【0337】
上記単結晶Si薄膜デバイスを構成する単結晶Siと上記絶縁基板の線膨張の差は、略室温から600℃の温度範囲において約250ppm以下であることがより好ましい。
【0338】
それゆえ、大きな温度上昇に対する絶縁基板と単結晶Si薄膜との線膨張の差が小さくなる。従って、絶縁基板上に単結晶Si薄膜を形成するための工程において、熱膨張の差による水素注入位置からの劈開剥離工程における破壊や接合界面剥離、あるいは結晶中の欠陥発生を確実に防止することができ、また、加熱接合強度の向上を図ることができるという効果を奏する。
【0339】
上記絶縁基板は、少なくとも、上記単結晶Si薄膜デバイスが形成される領域の表面にSiO2膜が形成されたアルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラスからなる高歪点ガラスであることがより好ましい。
【0340】
それゆえ、単結晶Si基板との接合のために使用する組成を調節した結晶化ガラスを用いる必要が無くなるので、絶縁基板がアクティブマトリクス駆動による液晶表示パネル等に一般的に使用される高歪点ガラスからなり、低コストの半導体装置を製造できるという効果を奏する。
【0341】
上記絶縁基板は、バリウム−硼珪酸ガラス、バリウム−アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ土類−亜鉛−鉛−アルミノ硼珪酸ガラスおよびアルカリ土類−亜鉛−アルミノ硼珪酸ガラスのうち何れかのガラスから形成されていることがより好ましい。
【0342】
それゆえ、絶縁基板がアクティブマトリクス駆動による液晶表示パネル等に一般的に使用される高歪点ガラスである上記記載のガラスからなるため、低コストにてアクティブマトリクス基板に好適な半導体装置を製造できるという効果を奏する。
【0343】
上記単結晶Siの領域内における少なくとも一部のパターンの位置合わせマージンは、マザー基板全体あるいは表示領域、もしくはデバイス全体のパターンの位置合わせマージンより小さく、高精度であることがより好ましい。
【0344】
それゆえ、非単結晶Si領域と共通な金属配線パターン等を形成する際に、より高精度な露光システムにより、パターンの一部を単結晶Siの領域内の高精度なパターンにアライメントすることができるという効果を奏する。よって、高精度なパターンを持つ単結晶Si領域と精度の低いパターンを持つ非単結晶領域とを、金属配線パターン等を用いて効率的に高い歩留まりで容易に接続することができる。
【0345】
上記単結晶Si領域内の位置合わせマークおよび透明基板上の位置合わせマークは、上記単結晶Si上に形成された位置合わせマークを透明基板側から可視光あるいは可視光より短波長の光で検出され、透明基板上に形成された位置合わせマークと位置合わせすることが可能な形状からなることがより好ましい。
【0346】
それゆえ、ガラス基板越しに位置合わせマークを検出することができるため、光学的な解像度を向上させることができ、従来よりも高精度なアライメントが可能になるという効果を奏する。
【0347】
本発明の半導体装置の製造方法は、以上のように、単結晶Si薄膜デバイスを含む回路を絶縁基板上に形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成する方法である。
【0348】
それゆえ、単結晶Si薄膜デバイスを、平坦性が最もよい絶縁基板上に形成し、その後で非単結晶Si薄膜を形成している。よって、接合不良による欠陥が少なく、歩留りがよい半導体装置を製造することができるという効果を奏する。
【0349】
上記単結晶Si薄膜デバイス上に保護間絶縁膜、コンタクトホールおよびメタル配線を形成することがより好ましい。
【0350】
それゆえ、非単結晶Si薄膜の形成よりも先に形成される単結晶Si薄膜デバイスがメタル配線を有しているため、微細化加工が可能になり、単結晶Si薄膜に形成する回路の集積密度の大幅アップが実現できる。さらに、単結晶Si薄膜デバイスをガラス基板上に形成した後に形成される非単結晶Si薄膜にも同じ工程でメタル配線を設けることで、ダブルメタル配線構造の半導体装置を効率良く簡略な工程で製造することができるという効果を奏する。
【0351】
上記単結晶Si薄膜デバイスを形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成する前に、層間絶縁膜を形成することがより好ましい。
【0352】
それゆえ、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜との間に層間絶縁膜が形成されているため、単結晶Si薄膜の単結晶Siの汚染を確実に防止できるという効果を奏する。
【0353】
本発明の半導体装置の製造方法は、以上のように、非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、上記単結晶Si薄膜デバイスを形成する方法である。
【0354】
それゆえ、非単結晶Si薄膜を単結晶Si薄膜デバイス形成前に形成するため、単結晶Si薄膜デバイスを形成した後で非単結晶Si薄膜を形成する場合と比較して、単結晶Si薄膜が汚染されたり、損傷を受けたりすることを防止できるという効果を奏する。
【0355】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0356】
それゆえ、例えば、CMOS構造にした場合には、消費電力の低減および電源電圧までフル出力が可能で、低消費電力のロジックに適した半導体装置を得ることができる等のMOS型トランジスタの特性を有する半導体装置を製造することができるという効果を奏する。
【0357】
上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることがより好ましい。
【0358】
それゆえ、バイポーラ型トランジスタを絶縁基板上に形成することで、単結晶Si薄膜の構成をMOS型よりも簡略化でき、平坦化処理を行うことなく絶縁基板に接合することができるという効果を奏する。
【0359】
上記単結晶Si薄膜デバイスを形成するための単結晶Si基板に対して、所定の深さに所定の濃度の水素イオンを注入することがより好ましい。
【0360】
それゆえ、接着剤を使用することなく、容易に単結晶Si薄膜デバイスを絶縁基板上に形成することができるという効果を奏する。
【0361】
上記水素イオンの注入エネルギーは、該水素イオンの注入エネルギーから上記酸化膜の膜厚に相当する水素イオンのプロジェクションレンジに対応するエネルギーを差し引いたエネルギーが、上記酸化膜の膜厚に相当する、該酸化膜上に形成された層内に存在する材料の構成原子のプロジェクションレンジに対応するエネルギーよりも小さくなるように設定されていることがより好ましい。
【0362】
それゆえ、例えば、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタにおいて、単結晶Si基板に対して照射された水素イオンが、ゲート電極材料やメタル配線材料の構成原子に衝突して、弾性散乱によりはじき出されたゲート電極材料の構成原子が酸化膜を通過し、単結晶Siにまで達して、単結晶Si部分が汚染されることによる特性あるいは信頼性低下を防止することができるという効果を奏する。
【0363】
上記水素イオン注入部を有する単結晶Si基板の厚みが概100ミクロン以下であることがより好ましい。
【0364】
それゆえ、単結晶Si層を元の基板の約1/10にすることができ、Si基板の曲げ剛性が小さくなるため、ガラス基板側の表面傷やパーティクル等による細かい凹凸に対して、同じ接合エネルギーの条件であっても、追随して曲がりやすくなってそれらの影響を受けにくくすることができるという効果を奏する。
【0365】
よって、上記厚さであれば、分断した小さく薄いSi基板のハンドリング性を大きく損なうことなく、かつガラス基板側の表面傷やパーティクル等に起因する接合不良を大幅に低減できる。
【0366】
上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、少なくとも上記非単結晶Siを除去した単結晶Siを接合すべき表面領域を予め約3keVのハロゲン化物のGCIB(Gas Cluster Ion Beam)により平坦化しておくことがより好ましい。
【0367】
それゆえ、低エネルギー(約3kev)の酸素あるいはハロゲン化物のGCIBを照射すると、SiあるいはSiO2表面が軽くエッチングされ、かつ表面のマイクロラフネスが改善される。よって、従来のSi基板の接合と比較して、接合の成功率を大幅に向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(i)は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】(a)〜(i)は、本発明に係る半導体装置の他の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】(a)〜(i)は、本発明に係る半導体装置のさらに他の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】図3に示すバイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタの構成を概略的に示す断面図である。
【図5】(a)〜(f)は、本発明に係る半導体装置のさらに他の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図6】(a)〜(i)は、本発明に係る半導体装置のさらに他の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図7】本発明に係る半導体装置を用いて作成したアクティブマトリクス基板を示す平面図である。
【図8】本発明に係る半導体装置における、室温から600℃の温度に対する単結晶Siとガラス基板との線膨張の違いを示すグラフである。
【図9】本発明の半導体装置の製造方法における、室温において単結晶Siとガラス基板との位置合わせを行う際の概念図である。
【符号の説明】
1a・1b・1c 非単結晶Si薄膜トランジスタ
2 絶縁基板
3 SiO2膜(酸化膜)
8 SiO2膜(層間平坦化絶縁膜)
4 SiO2膜(層間絶縁膜)
5 非晶質Si薄膜
5’ 非単結晶Si薄膜
6・12 ゲート電極
7・13・61 SiO2膜(ゲート絶縁膜)
10a・10b・10c 単結晶Si基板
11 不要部分
14a・14b 単結晶Si薄膜
15 水素イオン注入部
16a・16b 単結晶Si薄膜トランジスタ
20・30・40・50・60 半導体装置
21 コンタクトホール
22 金属配線
25 コレクタ
26 ベース
27 エミッタ
51 非晶質Si薄膜
51’ 連続結晶粒界Si薄膜
52 非単結晶Si薄膜
62 窒化珪素膜
63 非晶質Si膜
64 N+非晶質Si膜
65 金属膜
70 アクティブマトリクス基板
71 駆動回路
72 表示部
90 位置合わせ用CCDカメラ
91 位置合わせステージ
93 ガラス基板上の位置合わせマーク
94 単結晶Si上の位置合わせマーク
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a semiconductor device for improving the circuit performance of a liquid crystal display device in which a peripheral drive circuit and a control circuit are integrated on the same substrate in an active matrix drive liquid crystal display device driven by a TFT, and a method of manufacturing the same. And a single crystal Si substrate used in manufacturing the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thin film transistor (Thin Film Transistor, hereinafter abbreviated as TFT) of amorphous Si (hereinafter abbreviated as a-Si) or polycrystalline Si (abbreviated as P-Si) is formed on a glass substrate, A liquid crystal display device that drives a liquid crystal display panel, an organic EL panel, or the like, that is, performs a so-called active matrix drive, is used.
[0003]
In particular, an integrated peripheral driver using p-Si having high mobility and operating at high speed has been used. However, in order to integrate a system such as an image processor or a timing controller that requires higher performance, a Si device with higher performance is required.
[0004]
This is because, in polycrystalline Si, the mobility is reduced and the S coefficient (sub-level) is caused by localized levels in the gap due to imperfect crystallinity, defects near crystal grain boundaries and localized levels in the gap. This is because there is a problem that the performance of the transistor is not sufficient to form a high-performance Si device due to an increase in the threshold coefficient.
[0005]
Therefore, in order to form a device of higher performance Si, a technique of forming a device such as a thin film transistor made of a single crystal Si thin film in advance and attaching the device to an insulating substrate to form a semiconductor device has been studied. (For example, see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2).
[0006]
In Patent Literature 1, a display of a display panel of an active matrix type liquid crystal display device is manufactured using a semiconductor device in which a single crystal Si thin film transistor formed in advance by using an adhesive on a glass substrate is transferred.
[0007]
[Patent Document 1]
Tokiohei 7-503557 (published April 13, 1995)
[0008]
[Non-patent document 1]
JPSalerno "Single Crystal Silicon AMLCDs", Conference Record of the 1994 International Display Research Conference (IDRC) P.39-44 (1994)
[0009]
[Non-patent document 2]
Q.-Y.Tong & U. Gesele, SEMICONDUCTOR WAFER BONDING: SCIENCE AND TECHNOLOGY, John Wiley & Sons, New York (1999)
[0010]
[Non-Patent Document 3]
K. Warner, et.Al., 2002 IEEE International SOI Conference: Oct, pp. 123-125 (2002)
[0011]
[Non-patent document 4]
LPAllen, et.Al., 2002 IEEE International SOI Conference: Oct, pp.192-193 (2002)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional semiconductor device and its manufacturing method, since an adhesive is used to bond a single crystal Si thin film transistor, which is a high-performance device, onto a glass substrate, the attaching operation is troublesome, It has problems such as poor properties. In addition, the completed semiconductor device also has a problem in heat resistance because it is bonded by an adhesive, and it is impossible to form a high-quality inorganic insulating film or a TFT thereafter. Therefore, an active matrix substrate is manufactured. In such a case, it is necessary to attach the device including the TFT array to a substrate to be used after the device is formed, and there are serious problems in size cost and wiring formation.
[0013]
Further, Patent Document 1 only discloses that a single-crystal Si thin film device is formed on a glass substrate. With this configuration, a high-performance and high-performance semiconductor device recently required is obtained. I can't.
[0014]
Further, Non-Patent Document 3 discloses that alignment marks are detected and positioned over a Si substrate by infrared rays. However, since the wavelength of light is long and resolution cannot be improved, alignment is performed with high accuracy. It was difficult.
[0015]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a single crystal Si thin film device that can be easily formed on an insulating substrate without using an adhesive, A semiconductor device in which a thin film and a single-crystal Si thin-film device are formed to integrate a high-performance system, a method of manufacturing the same, and a single-crystal Si substrate for forming a single-crystal Si thin film of the semiconductor device. is there.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the single-crystal Si substrate of the present invention is planarized after an oxide film, a gate pattern, and an impurity ion implanted portion are formed on the surface, and has a predetermined concentration at a predetermined depth. It is characterized by including a hydrogen ion implantation part into which hydrogen ions are implanted.
[0017]
According to the above configuration, the single crystal Si substrate is bonded to the insulating substrate or the like on the oxide film forming side, and the heat treatment is performed, whereby the bonding between the substrates is changed into a bond between atoms, and a strong bond is formed. By performing cleavage separation by heat treatment in the ion-implanted portion, a MOS-type single-crystal Si thin film transistor can be easily obtained without using an adhesive.
[0018]
That is, on the single crystal Si substrate of the present invention, an oxide film, a gate pattern, and an impurity ion implantation portion forming a part of a MOS type single crystal Si thin film transistor are formed on the surface, and hydrogen is formed to a predetermined depth from the surface. It has an ion implantation part.
[0019]
As a result, impurity doping of the gate electrode, source / drain, or base, collector, emitter, etc. of the present invention is completed on the insulating substrate or the like, and hydrogen ions of a predetermined concentration are implanted at a predetermined depth. By bonding the single-crystal Si substrate having a flattened and hydrophilic surface to a temperature higher than the temperature at which hydrogen ions are released from Si, the bonding strength to the insulating substrate can be increased, and the hydrogen ion implanted portion can be formed. By using cleavage as a boundary, a MOS type single crystal Si thin film transistor can be easily formed without using an adhesive.
[0020]
Therefore, for example, by bonding the single-crystal Si substrate of the present invention on an insulating substrate having a non-single-crystal Si thin film transistor such as a polycrystalline Si thin film formed on the surface and forming a MOS-type single-crystal Si thin film transistor, A semiconductor device in which a single-crystal Si transistor and a single-crystal Si transistor are formed in different regions over one substrate can be easily obtained.
[0021]
In order to solve the above problems, the single crystal Si substrate of the present invention has an impurity ion implanted portion or a diffusion region having a pnp junction structure or an npn junction structure in which impurity ions are implanted in the vicinity of the surface; Or an oxide film deposited on the diffusion region.
[0022]
According to the above configuration, it is possible to obtain a bipolar thin film transistor including a single-crystal Si thin film which is easily formed on another insulating substrate.
[0023]
Therefore, for example, by bonding the single-crystal Si substrate of the present invention to an insulating substrate having a non-single-crystal Si thin film transistor such as a polycrystalline Si thin film formed on its surface, and forming a bipolar single-crystal Si thin film transistor, A semiconductor device in which a single-crystal Si transistor and a single-crystal Si transistor are formed in different regions over one substrate can be easily obtained.
[0024]
It is more preferable that a hydrogen ion implanted region in which hydrogen ions of a predetermined concentration are implanted at the predetermined depth is provided.
[0025]
Thus, the single-crystal Si substrate is easily attached to the insulating substrate or the like on the oxide film deposition side and cleaved at the hydrogen ion implanted portion without using an adhesive. A thin film transistor can be obtained.
[0026]
That is, the single crystal Si substrate of the present invention has an oxide film and an impurity ion implantation portion for forming a bipolar type single crystal Si thin film transistor on the surface, and has a hydrogen ion implantation portion at a predetermined depth on the junction formation side. are doing.
[0027]
Therefore, by bonding the single-crystal Si thin film transistor of the present invention on an insulating substrate or the like and heating it to a temperature at which hydrogen ions are released from Si or more, bonding strength to the insulating substrate can be increased and impurity ion implantation can be performed. By splitting and separating at the hydrogen ion implanted portion formed near the portion, a bipolar single crystal Si thin film transistor having an SOI structure can be easily formed without using an adhesive.
[0028]
Then, the single-crystal Si substrate of the present invention is bonded to an insulating substrate having a non-single-crystal Si thin film transistor such as a polycrystalline Si thin film formed on its surface, and a single-crystal Si thin film transistor is formed. A semiconductor device in which a thin film transistor and a thin film transistor formed of single crystal Si are formed in different regions over one substrate can be easily obtained.
[0029]
More preferably, the oxide film is formed so as to have a thickness of 200 nm or more.
[0030]
Usually SiO Two As the thickness of an oxide film such as a film increases, the characteristics and variations due to the influence of interface charge and the like decrease. Two An appropriate value is approximately 200 nm to 400 nm due to the trade-off between the efficiency (time required for oxidation) of the film forming step and the step. An appropriate value is approximately 400 nm or more when variation is important, and approximately 200 nm to 400 nm, more preferably 250 nm to 350 nm when importance is attached to steps and efficiency. This is because the influence of the fixed charge caused by the contamination of the interface between the bonded single crystal Si substrate and the insulating substrate such as a glass substrate or the lattice distortion or imperfection is reduced.
[0031]
Therefore, according to the present invention, the variation in the threshold value of the MOS transistor made of single-crystal Si and the variation in characteristics of the bipolar TFT made of single-crystal Si are small, and the on-resistance is suppressed low. Two It is possible to obtain a single crystal Si substrate that is appropriate for the balance between the efficiency of the film forming process and the step.
[0032]
In order to solve the above-mentioned problems, a semiconductor device according to the present invention is characterized in that a non-single-crystal Si thin film device and a single-crystal Si thin film device are formed in different regions on an insulating substrate.
[0033]
According to the above configuration, for example, a single crystal Si thin film device such as a single crystal Si thin film transistor is used for a device requiring higher performance, such as a timing controller, and non-single crystal Si is used for the remaining devices. By using a non-single-crystal Si thin film device such as a thin film transistor, a semiconductor device in which a high-performance and high-performance circuit system is integrated can be obtained.
[0034]
That is, using a single-crystal Si thin film device to form a high-speed, power-consuming, high-speed logic, timing generator, or high-speed DAC (current buffer) of which variation is required, utilizing the characteristics of single-crystal Si. Can be. On the other hand, a non-single-crystal Si thin film device such as polycrystalline Si can form an inexpensive semiconductor device over a large area, although it is inferior in performance and function as compared with a single-crystal Si thin film device.
[0035]
Therefore, according to the configuration of the present invention, a semiconductor device having the advantages of both the Si thin film devices can be formed on one substrate.
[0036]
Thus, a high-performance and high-performance circuit system that can be realized only by single-crystal Si can be integrated on a substrate. Therefore, for example, a semiconductor device for a display device such as a liquid crystal panel or an organic EL panel in which a high-performance system is integrated is manufactured at a very low cost as compared with a case where all devices are formed of single crystal Si. it can.
[0037]
Further, the shape of the single crystal Si substrate forming the single crystal Si thin film included in the semiconductor device of the present invention is limited to disks of 6, 8, and 12 inches, which are common wafer sizes of LSI manufacturing equipment. . However, since the non-single-crystal Si thin-film device and the single-crystal Si thin-film device coexist on the insulating substrate of the semiconductor device of the present invention, for example, it is possible to cope with a large liquid crystal display panel, an organic EL panel, and the like. A large semiconductor device can be manufactured.
[0038]
More preferably, the single crystal Si thin film device is joined to the insulating substrate via an inorganic insulating film.
[0039]
Accordingly, a device such as a single crystal Si thin film transistor can be formed on an insulating substrate without using an adhesive, so that single crystal Si can be prevented from being contaminated. Further, after the bonding, formation of a metal wiring, an inorganic insulating film, or etching can be easily performed. Furthermore, a device can be formed at low cost by forming metal wiring and the like together with the TFT process on a large substrate.
[0040]
It is more preferable that both the non-single-crystal Si thin film device and the single-crystal Si thin film device are MOS-type or MIS-type single-crystal Si thin-film transistors.
[0041]
Thus, for example, in the case of a CMOS structure, a semiconductor device suitable for logic with low power consumption, which can reduce power consumption and output a full power up to the power supply voltage, can be obtained.
[0042]
The MOS type single crystal Si thin film transistor is more preferably formed in the order of a gate, a gate insulating film, and Si from the insulating substrate side.
[0043]
As a result, the single crystal Si MOS thin film transistor is formed with the gate disposed on the insulating substrate side, and a semiconductor device in which a MOS single crystal Si thin film transistor that is turned upside down on a so-called insulating substrate is obtained. Can be. Therefore, a self-alignment process using a gate as a mask can be applied to source / drain formation on a single-crystal Si substrate, the influence of fixed charges on the glass substrate surface can be reduced, and furthermore, the bonding interface between the single-crystal Si and the glass substrate can be reduced. The effect of fixed charge, which is likely to occur, can be reduced by the shielding effect of the gate, and an established process using source / drain impurity ion implantation using the gate as a mask with single-crystal Si can be applied, thereby increasing the yield. is there.
[0044]
The thickness of the single-crystal Si thin film of the MOS thin film transistor is more preferably about 600 nm or less.
[0045]
Thus, in the above semiconductor device, the thickness d of the single-crystal Si thin film has a small value including a variation margin with respect to the maximum depletion length Wm determined by the impurity concentration Ni, that is, the impurity density is a practical lower limit. Fifteen Centimeter -3 Even if it is, it is approximately 600 nm or less, which is the upper limit of d.
[0046]
Here, Wm = [4ε s kTln (Ni / ni) q Two Ni] 1/2 Where ni is the intrinsic carrier density, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, ε s Is the dielectric constant of Si, q is the electron charge, and Ni is the impurity density.
[0047]
According to the above configuration, the single crystal Si thin film has a thickness of about 600 nm or less, so that the S value (sub-threshold coefficient) of the semiconductor device can be reduced and the off-state current can be reduced.
[0048]
The thickness of the single crystal Si thin film of the MOS thin film transistor is more preferably about 100 nm or less.
[0049]
Thus, the S value (sub-threshold coefficient) of the semiconductor device can be further reduced, and the off-state current can be reduced. Therefore, the characteristics of the MOS type single crystal Si thin film transistor can be maximized.
[0050]
In particular, in order to suppress a decrease in TFT characteristics due to a quantum effect generated in a short-channel TFT having a gate length of 0.1 to 0.2 μm or less, it is desirable that the thickness be about 20 nm or less. When the thickness of single-crystal Si increases from about 20 nm on the short channel side with a gate length of about 200 nm, the variation in threshold increases and the mobility also increases. However, since the threshold is more important as a device, it is generally This value is a highly practical area.
[0051]
More preferably, the metal wiring pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor includes a portion formed by a looser wiring formation rule than the gate pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor. Further, it is more preferable that the metal wiring is formed by the same or looser wiring forming rule as the design rule of the metal wiring on the large substrate. Further, the wiring is formed by the same or looser wiring formation rule as that of a metal wiring on a large-sized substrate having a different wiring layer. Is more preferred.
[0052]
As a result, the metal wiring or a part of the metal wiring of the semiconductor device in which the MOS type single crystal Si thin film transistor is formed can correspond to the fine processing equivalent to the gate and can be processed simultaneously with the metal wiring on the large-sized substrate. And the processing capacity can be improved. Alternatively, connection to another circuit block or a TFT array is facilitated, and reduction in product yield due to poor connection can be reduced.
[0053]
Note that a loose wiring formation rule means that the design rules for forming the wiring are not strict, and the allowable range for forming the wiring is wide.
[0054]
The non-single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal Si thin-film transistor, and the single-crystal Si thin-film device is more preferably a bipolar-type single-crystal Si thin-film transistor.
[0055]
Thus, a bipolar single-crystal Si thin film transistor is formed in addition to the MOS or MIS non-single-crystal Si thin film transistor, so that a more multifunctional semiconductor device can be obtained.
[0056]
That is, by forming a bipolar thin film transistor made of a single crystal Si thin film in addition to a MOS or MIS thin film transistor, linear signal processing, which is a characteristic of the bipolar thin film transistor, is possible. It is possible to obtain a semiconductor device having further advantages such as excellent production yield, excellent linearity in a saturation region, and suitability for an analog amplifier, a current buffer and a power amplifier.
[0057]
The non-single-crystal Si thin film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal thin-film transistor, and the single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or bipolar-type single-crystal Si thin-film transistor. More preferably, it is included.
[0058]
Thus, a semiconductor device having three types of characteristics, that is, a MOS-type or MIS-type non-single-crystal Si thin-film transistor, a single-crystal Si thin-film transistor, and a bipolar single-crystal Si thin-film transistor can be formed on one substrate.
[0059]
Therefore, a semiconductor device with higher performance and higher function can be obtained.
[0060]
The non-single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal Si thin-film transistor. The single-crystal Si thin-film device includes a MOS-type single-crystal Si thin-film transistor and a Schottky or PN junction diode. More preferably, a sensor or a CCD image sensor is provided.
[0061]
As a result, thin-film devices of different designs or structures can be integrated in different areas individually, and therefore, devices having different structures from CMOS devices such as image sensors, which have been extremely difficult to coexist with the conventional method, can be easily integrated. To create high-performance devices that were previously impossible.
[0062]
It is more preferable that the thickness of the single crystal Si thin film of the MOS thin film transistor made of the single crystal Si is smaller than that of the single crystal Si thin film of the bipolar thin film transistor.
[0063]
In general, a MOS thin film transistor can easily obtain good characteristics when the film thickness is small, while a bipolar thin film transistor can obtain good characteristics (a characteristic with small variation and low on-resistance) when the film thickness is relatively large. Are known.
[0064]
Therefore, according to the present invention, by specifying the thickness of the Si thin film of the MOS type and the bipolar type by comparison with each other, it is possible to obtain a semiconductor device capable of effectively utilizing the characteristics of both the MOS type and the bipolar type. .
[0065]
It is more preferable that the bipolar type single crystal Si thin film transistor has a planar structure in which a base, a collector, and an emitter region are formed and arranged on the same plane.
[0066]
Thus, since it is a so-called lateral transistor having no gate and having a planar structure like a MOS thin film transistor, an oxide film is simply formed on the Si surface and impurities of P and N are formed in a predetermined pattern (region). ) And activation annealing can be performed to form a completely flat Si substrate, so that a single-crystal Si substrate can be easily joined to an insulating substrate without performing a planarization process by CMP. Can be.
[0067]
Therefore, the manufacturing process can be simplified as compared with a normal bipolar transistor having a MOS type or a junction in a direction perpendicular to the plane.
[0068]
It is more preferable that the metal wiring and the contact pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor include a portion formed by a looser wiring formation rule than the base pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor. Further, it is more preferable that the metal wiring is formed according to the same or looser design rule as the metal wiring on the large substrate.
[0069]
Thereby, the metal wiring or a part of the metal wiring can be processed simultaneously with the metal wiring on the large-sized substrate, so that the cost can be suppressed and the processing capability can be improved. Further, the semiconductor device having the bipolar single crystal Si thin film transistor formed thereon can be easily connected to another circuit block or a TFT array, and a reduction in product yield due to poor connection can be prevented.
[0070]
The thickness of the single crystal Si thin film of the bipolar single crystal Si thin film transistor is more preferably about 800 nm or less.
[0071]
This makes it possible to obtain a bipolar single-crystal Si thin film transistor having small characteristic variations and low on-resistance.
[0072]
The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film, and the MOS thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed from the substrate side in the order of non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate. It is more preferred that
[0073]
Thereby, by forming the MOS type thin film transistor such that the gate is formed above the insulating substrate, a self-alignment process using a general gate as a mask can be required, and a polycrystalline Si thin film or a continuous grain boundary Si can be obtained. The thin film transistor can be easily manufactured, and productivity can be improved.
[0074]
The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film. The MOS thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. It is more preferred that
[0075]
Accordingly, since the MOS non-single-crystal Si thin film transistor has the opposite configuration when viewed from the substrate, the influence of fixed charges near the surface of the glass substrate can be avoided, and the characteristics can be stabilized. Furthermore, the degree of freedom in setting the doping profile of the channel portion is increased, and measures against hot electron degradation are facilitated. Two It is possible to obtain a thinner gate oxide film of higher quality than an oxide film formed at a low temperature by CVD or the like, and there is an advantage that a TFT having excellent short channel characteristics can be obtained. It is possible to increase the variations of the configuration that can obtain the effect.
[0076]
The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS or MIS thin-film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. Is more preferable.
[0077]
Thus, by forming a MOS-type or MIS-type thin film transistor having a so-called bottom gate structure in which the gate is formed below the insulating substrate, a process which has been widely and conventionally used can be applied, and a high yield can be obtained. The process of forming an amorphous Si thin film can be simplified, reduced in cost, and improved in productivity. Further, in the active matrix LCD, it is possible to form a liquid crystal display device capable of enhancing the light shielding property from the backlight and displaying a high luminance.
[0078]
Further, since amorphous Si has low off-current characteristics, a semiconductor device suitable for a low power consumption type LCD or the like can be obtained.
[0079]
The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS or MIS thin-film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed by forming non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate in this order from the substrate side. Is more preferable.
[0080]
Accordingly, even if the MOS or MIS type non-single-crystal Si thin film transistor has the opposite configuration as viewed from the substrate, it is possible to increase the variation of the configuration that can obtain the same effect as described above, and the degree of freedom in process design is increased. Increase.
[0081]
The difference in linear expansion between the single crystal Si constituting the single crystal Si thin film device and the insulating substrate is more preferably about 250 ppm or less in a temperature range from about room temperature to 600 ° C.
[0082]
Thereby, a difference in linear expansion between the insulating substrate and the single crystal Si thin film with respect to a large temperature rise is reduced. Therefore, in the process for forming a single-crystal Si thin film on an insulating substrate, it is necessary to surely prevent destruction, bonding interface separation, or generation of defects in the crystal in the cleavage separation process from the hydrogen implantation position due to the difference in thermal expansion coefficient. In addition, the heat bonding strength can be improved.
[0083]
Here, the linear expansion is standardized as a change in length caused by a change in temperature.
[0084]
The insulating substrate has SiO2 on at least the surface of the region where the single crystal Si thin film device is formed. Two It is more preferable that the glass is a high strain point glass composed of an alkaline earth-aluminoborosilicate glass having a film formed thereon.
[0085]
This eliminates the need to use crystallized glass having an adjusted composition used for bonding to a single-crystal Si substrate, so that the insulating substrate can be used in a high strain point generally used for a liquid crystal display panel driven by active matrix. A low-cost semiconductor device made of glass can be manufactured.
[0086]
The insulating substrate is made of barium-borosilicate glass, barium-aluminoborosilicate glass, alkaline earth-aluminoborosilicate glass, borosilicate glass, alkaline earth-zinc-lead-aluminoborosilicate glass and alkaline earth-zinc- More preferably, it is formed of any of the aluminoborosilicate glasses.
[0087]
Accordingly, since the insulating substrate is made of the glass described above, which is a high strain point glass generally used for a liquid crystal display panel or the like driven by active matrix, a semiconductor device suitable for the active matrix substrate can be manufactured at low cost. .
[0088]
The alignment margin of at least a part of the pattern in the single-crystal Si region is smaller than the alignment margin of the pattern of the entire mother substrate or the display region or the entire device, and is more preferably high precision.
[0089]
Thus, when forming a metal wiring pattern or the like common to the non-single-crystal Si region, it is possible to align a part of the pattern with a high-precision pattern in the single-crystal Si region by a more accurate exposure system. it can.
[0090]
Therefore, a single-crystal Si region having a high-precision pattern and a non-single-crystal region having a low-precision pattern can be easily and efficiently connected with a high yield using a metal wiring pattern or the like.
[0091]
The alignment mark in the single-crystal Si region and the alignment mark on the transparent substrate are obtained by detecting the alignment mark formed on the single-crystal Si with visible light or light of a shorter wavelength than visible light from the transparent substrate side. It is more preferable that the shape is such that it can be aligned with the alignment mark formed on the transparent substrate.
[0092]
Thereby, since the alignment mark can be detected through the glass substrate, the optical resolution can be improved, and the alignment can be performed with higher precision than before.
[0093]
In order to solve the above-mentioned problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is directed to a method for manufacturing a semiconductor device in which a single-crystal Si thin-film device and a non-single-crystal Si thin-film device are formed on an insulating substrate. After forming a circuit including a crystalline Si thin film device on an insulating substrate, the non-single-crystal Si thin film is formed.
[0094]
According to the above manufacturing method, a single-crystal Si thin film device is formed on an insulating substrate having the best flatness, and thereafter, a non-single-crystal Si thin film is formed. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device with few defects due to poor bonding and high yield.
[0095]
More preferably, an inter-protection insulating film, a contact hole, and a metal wiring are formed on the single crystal Si thin film device.
[0096]
Thus, since the single-crystal Si thin-film device formed before the formation of the non-single-crystal Si thin film has metal wiring, miniaturization can be performed, and the integration of the circuit formed on the single-crystal Si thin film becomes possible. Dramatic increase in density can be realized. Further, by providing metal wiring in the same process on a non-single-crystal Si thin film formed after forming a single crystal Si thin film device on a glass substrate, a semiconductor device having a double metal wiring structure can be manufactured efficiently and in a simple process. can do.
[0097]
It is more preferable to form an interlayer insulating film after forming the single-crystal Si thin film device and before forming the non-single-crystal Si thin film.
[0098]
Thus, since the interlayer insulating film is formed between the single-crystal Si thin film device and the non-single-crystal Si thin film, contamination of the single-crystal Si thin film with single-crystal Si can be reliably prevented.
[0099]
In order to solve the above-mentioned problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the method of manufacturing a semiconductor device in which a single-crystal Si thin-film device and a non-single-crystal Si thin film are formed on an insulating substrate. After forming a crystalline Si thin film on the insulating substrate, the single crystal Si thin film device is formed.
[0100]
According to the above manufacturing method, since the non-single-crystal Si thin film is formed before the formation of the single-crystal Si thin-film device, compared with the case of forming the non-single-crystal Si thin film after forming the single-crystal Si thin-film device, It is possible to prevent the single crystal Si thin film from being contaminated or damaged.
[0101]
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a single-crystal Si thin film device and a non-single-crystal Si thin film are formed on an insulating substrate, the method includes forming the non-single-crystal Si thin film on the insulating substrate, There is a problem that the roughness of the surface to be joined to the single crystal Si from which the non-single crystal Si is removed when forming a Si thin film device increases the micro roughness and lowers the joining force.
[0102]
On the other hand, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, at least a region to be bonded to single-crystal Si is formed in advance with a low energy (about 3 keV) halide (CF Four Etc.) by GCIB (Gas Cluster Ion Beam). On this, about 10 nm SiO2 was formed by PECVD using TEOS or TMCTS (Tetramethylcyclotetrasiloxane). Two When a film is formed, it is more desirable because the bonding property is further improved.
[0103]
More preferably, the single crystal Si thin film device is a MOS type single crystal Si thin film transistor.
[0104]
Thereby, for example, in the case of a CMOS structure, the characteristics of MOS transistors such as a reduction in power consumption and a full output up to the power supply voltage can be obtained, and a semiconductor device suitable for logic with low power consumption can be obtained. A semiconductor device having the same can be manufactured.
[0105]
More preferably, the single crystal Si thin film device is a bipolar type single crystal Si thin film transistor.
[0106]
Thus, by forming the bipolar transistor on the insulating substrate, the structure of the single crystal Si thin film can be simplified as compared with the MOS type, and the thin film can be bonded to the insulating substrate without performing the planarization process.
[0107]
More preferably, a predetermined concentration of hydrogen ions is implanted at a predetermined depth into a single crystal Si substrate for forming the single crystal Si thin film device.
[0108]
Thereby, a single crystal Si thin film device can be easily formed on an insulating substrate without using an adhesive.
[0109]
That is, when a single crystal Si thin film device is formed on an insulating substrate by forming a hydrogen ion implanted portion into which hydrogen ions are implanted, the single crystal Si thin film device is heated to a temperature at which hydrogen ions are separated from Si. In addition, the bonding strength to the insulating substrate can be increased, and the bipolar single crystal Si thin film transistor can be easily formed by cleavage and separation at the hydrogen ion implanted portion.
[0110]
Note that the predetermined depth may be determined according to the target thickness of the single crystal Si thin film to be formed.
[0111]
The hydrogen ion implantation energy is obtained by subtracting the energy corresponding to the projection range of hydrogen ions corresponding to the oxide film thickness from the hydrogen ion implantation energy, the energy corresponding to the oxide film thickness. It is more preferable that the energy is set to be smaller than the energy corresponding to the projection range of the constituent atoms of the material existing in the layer formed on the oxide film.
[0112]
Thus, for example, in a MOS type single crystal Si thin film transistor, the hydrogen ions irradiated to the single crystal Si substrate collide with the constituent atoms of the gate electrode material or the metal wiring material, and thus the gate electrode material released. Can be prevented from passing through the oxide film and reaching the single-crystal Si, thereby lowering the characteristics or reliability due to the contamination of the single-crystal Si portion.
[0113]
More preferably, the thickness of the single crystal Si substrate having the hydrogen ion implanted portion is approximately 100 microns or less.
[0114]
As a result, the single-crystal Si layer can be reduced to about 1/10 of the original substrate, and the bending rigidity of the Si substrate is reduced. Even under the condition of energy, it is possible to easily follow the curve and make it less susceptible to those effects.
[0115]
Therefore, with the above thickness, it is possible to greatly reduce the bonding failure due to surface scratches, particles, and the like on the glass substrate side without greatly impairing the handleability of the divided small and thin Si substrate.
[0116]
The thickness is desirably about 70 microns or less, and even more desirably 50 microns or less.
[0117]
After the non-single-crystal Si thin film is formed on the insulating substrate, at least a surface region to be joined to the single-crystal Si from which the non-single-crystal Si has been removed is previously subjected to a GCIB (Gas Cluster Ion Beam) of a halide of about 3 keV. More preferably, it is flattened.
[0118]
Thus, when low energy (about 3 keV) oxygen or halide GCIB is irradiated, the surface of Si or SiO2 is lightly etched and the micro roughness of the surface is improved.
[0119]
Therefore, the success rate of joining can be greatly improved as compared with the joining of the conventional Si substrate.
[0120]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Embodiment 1]
A single crystal Si substrate, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described below with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (i). .
[0121]
Note that the semiconductor device described in this embodiment is a semiconductor device suitable for high performance and high functionality in which a MOS non-single-crystal Si thin film transistor and a MOS single-crystal Si thin film transistor are formed in different regions on an insulating substrate. And is formed on an active matrix substrate of TFT.
[0122]
The MOS type thin film transistor includes an active semiconductor layer, a gate electrode, a gate insulating film, and a high-concentration impurity-doped portion (source / drain electrode) formed on both sides of the gate. Is a general transistor whose current flowing between the source and the drain is controlled.
[0123]
As a characteristic of a MOS transistor, a COMS (Complementary MOS) structure is suitable for low power consumption logic because power consumption is low and an output can be fully varied according to a power supply voltage.
[0124]
As shown in FIG. 1 (i), the semiconductor device 20 of the present embodiment Two (Si oxide) film (oxide film) 3, MOS type non-single-crystal Si thin film transistor 1a including non-single-crystal Si thin film 5 'made of polycrystalline Si, MOS type single-crystal Si thin film transistor provided with single-crystal Si thin film 14a (Single-crystal Si thin film device) 16 a and metal wiring 22 are provided.
[0125]
The insulating substrate 2 is made of Corning's code 1737 (alkaline earth-aluminoborosilicate glass), which is a high strain point glass.
[0126]
SiO Two The film 3 is formed on the entire surface of the insulating substrate 2 with a thickness of about 50 nm.
[0127]
A MOS type non-single-crystal Si thin film transistor 1a including a non-single-crystal Si thin film 5 'is formed of SiO as an interlayer insulating film. Two On the film 4, a non-single-crystal Si thin film 5 ', SiO as a gate insulating film Two A film 7 and a gate electrode 6 are provided.
[0128]
The gate electrode 6 is formed of polycrystalline Si and W silicide, but may be formed of polycrystalline Si, another silicide, polycide, or the like.
[0129]
On the other hand, a MOS type single crystal Si thin film transistor 16a including a single crystal Si thin film 14a has a flattening layer having a gate electrode 12, and a SiO 2 serving as a gate insulating film. Two A film 13 and a single-crystal Si thin film 14a are provided.
[0130]
As a material of the gate electrode 12, a heavy-doped polycrystalline Si film and W silicide are used, but the material may be polycrystalline Si alone or another refractory metal or silicide. And heat resistance.
[0131]
The single-crystal Si thin film transistor 16a is formed on the single-crystal Si substrate before being joined to the insulating substrate 2, and the portion serving as the gate electrode 12 includes the gate insulating film 13 and the single-crystal Si thin film 14a. Then, it is joined on the insulating substrate 2. Therefore, performing gate electrode formation and source / drain impurity ion implantation on the single-crystal Si substrate 10a is better than forming a single-crystal Si thin film formed on the insulating substrate 2 and then forming a thin-film transistor. Fine processing into a thin film can be easily performed.
[0132]
As described above, the semiconductor device 20 according to the present embodiment has the characteristics by allowing the MOS non-single-crystal Si thin film transistor 1a and the MOS single-crystal Si thin film transistor 16a to coexist on one insulating substrate 2. However, a high-performance and high-performance semiconductor device in which a plurality of circuits different from each other are integrated can be obtained. Further, a high-performance and high-performance semiconductor device can be obtained at a lower cost than forming transistors composed entirely of a single-crystal Si thin film on one insulating substrate 2.
[0133]
The region of the non-single-crystal Si thin film 5 'and the region of the single-crystal Si thin film 14a are separated by at least 0.3 μm or more, preferably 0.5 μm or more. This can prevent metal atoms such as Ni, Pt, Sn, and Pd from diffusing into the single crystal Si thin film 14a, and stabilize the characteristics of the single crystal Si thin film transistor 16a.
[0134]
Further, in the semiconductor device 20 of the present embodiment, SiO 2 is used as an interlayer insulating film between the non-single-crystal Si thin film transistor 1a and the single-crystal Si thin film transistor 16a. Two A film 4 is formed. This can prevent the single crystal Si thin film 14a from being contaminated.
[0135]
For example, in the case of an active matrix substrate of a liquid crystal display device including the semiconductor device 20 of the present invention, the liquid crystal display further includes SiN x (Si nitride), a resin flattening film, a via hole, and a transparent electrode are formed. In the region of the non-single-crystal Si thin film 5 ′, a driver and a TFT for a display portion are formed, and in the region of the single-crystal Si thin film 14 a applicable to a device requiring higher performance, a timing controller is provided. It is formed. The driver section may be made of single-crystal Si, and may be determined in consideration of cost and performance.
[0136]
Thus, by determining the function and use of each thin film transistor according to the characteristics of the thin film transistor including the single-crystal Si thin film 14a and the non-single-crystal Si thin film 5 ′, a high-performance and high-function thin film transistor can be obtained. Can be.
[0137]
Note that the conventional N-channel TFT formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 5 'has a thickness of about 100 cm. Two / V · sec, whereas the N-channel TFT formed in the region of the single-crystal Si thin film 14a has a thickness of about 550 cm Two / V · sec. As described above, according to the configuration of the semiconductor device 20 of the present embodiment, it is possible to obtain a TFT that can operate at a higher speed than in the related art.
[0138]
In the active matrix substrate for a liquid crystal display, the device formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 5 'as well as the driver requires a signal of 7 to 8 V and a power supply voltage, whereas the single-crystal Si thin film 14a The timing controller, which is a device formed in the region of, stably operated at 2.7 V.
[0139]
In the semiconductor device 20, the integrated circuit is formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 5 'and the region of the single-crystal Si thin film 14a, so that the integrated circuit including the pixel array can be adapted to the required configuration and characteristics. The circuit can be formed in a suitable region. Then, in the integrated circuits formed in the respective regions, integrated circuits having different performances such as an operation speed and an operation power supply voltage can be manufactured. For example, the design may be such that at least one of the gate length, the thickness of the gate insulating film, the power supply voltage, and the logic level is different for each region.
[0140]
Accordingly, a device having different characteristics for each region can be formed, and a semiconductor device having more various functions can be obtained.
[0141]
Furthermore, in the semiconductor device 20, since the integrated circuit is formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 5 'and the region of the single-crystal Si thin film 14a, the integrated circuit formed in each region is different for each region. Processing rules can be applied. For example, in the case of a short channel length, since there is no grain boundary in the single crystal Si thin film region, the variation in TFT characteristics hardly increases, whereas in the polycrystalline Si thin film region, the variation is rapid due to the influence of the crystal grain boundary. This is because it is necessary to change the processing rule in each part. Therefore, the integrated circuit can be formed in an appropriate region according to the processing rule.
[0142]
Further, in the semiconductor device 20 of the present embodiment, in the MOS type single crystal Si thin film transistor 16a, the metal wiring pattern can be formed according to a looser design rule than the gate pattern.
[0143]
Thereby, the metal wiring or a part of the metal wiring of the semiconductor device on which the MOS type single crystal Si thin film transistor 16a is formed can be processed simultaneously with the metal wiring on the large-sized substrate, thereby reducing the cost and improving the processing ability. be able to. Further, connection to external wiring, another circuit block, and a TFT array is facilitated, and product yield due to poor connection to an external device or the like can be reduced.
[0144]
The size of the single-crystal Si thin film 14a formed on the semiconductor device 20 depends on the wafer size of the LSI manufacturing device. However, in order to form a high-speed, power-consuming, high-speed logic, timing generator, high-speed DAC (current buffer) requiring variation, a processor, or the like, which requires the single-crystal Si thin film 14a, a general LSI is required. The wafer size of the manufacturing equipment is sufficient.
[0145]
Here, a method for manufacturing the semiconductor device 20 will be described below with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (i).
[0146]
First, TEOS and O are applied to the entire surface of the insulating substrate 2. Two Of about 50 nm in thickness by plasma CVD using a mixed gas of Two A film 21 is deposited.
[0147]
In the method of manufacturing the semiconductor device 20 according to the present embodiment, a single crystal Si substrate 10a in which a portion that becomes a single crystal Si thin film transistor 16a when thinned is separately formed is formed, and the single crystal Si substrate 10a is formed on an insulating substrate. 2 is formed.
[0148]
Specifically, a part of a CMOS process in a general IC manufacturing line, that is, a gate electrode 12, a gate insulating film 13, source / drain impurity ion implantation (BF 3+ , P + ), A protective insulating film, and a flattening film (BPSG) are formed, and then a flattening process is performed by CMP (Chemical-mechanical Polishing). Subsequently, a SiO2 film having a thickness of about 10 nm is formed. Two Form a film, 5 × 10 16 / Cm Two A single crystal Si substrate 10a having a hydrogen ion implanted portion 15 into which hydrogen ions of a dose of 5 are implanted at a predetermined energy is formed. Then, this is cut into a predetermined size suitable for the formation region on the insulating substrate 2.
[0149]
Then, as shown in FIG. 1B, both the transparent insulating substrate 2 and the cut single-crystal Si substrate 10a are SC-1 cleaned and activated, and then the single-crystal Si substrate 10a on the hydrogen ion implanted portion 15 side Are aligned at a predetermined position, and are adhered and joined at room temperature.
[0150]
As shown in FIG. 9, the alignment marks 94 on the single crystal Si and the alignment marks 93 on the side of the transparent substrate 2 are irradiated with visible light from the transparent substrate 2 side through the transparent substrate 2, here, Corning 1737 glass. Is detected and performed. In the example shown in FIG. 9, an alignment mark 94 on single-crystal Si on an alignment stage 91 is detected by using an alignment CCD camera 90 set on a microscope by epi-illumination, and finally detected by an electric signal. Is converted and processed.
[0151]
In the conventional method of aligning through a Si substrate by irradiating infrared rays, ICs and the like are opaque to visible light and UV light, and pass through a Si wafer that has a surface that scatters non-mirror light to prevent adsorption. Since the alignment mark is detected and alignment is performed, there is a problem that accuracy is deteriorated.
[0152]
Therefore, in the semiconductor device of the present embodiment, for example, the alignment marks 93 and 94 are detected through glass that is transparent to shorter wavelength visible light or UV light and does not scatter light. Compared with the method, it is possible to perform high-accuracy positioning.
[0153]
Further, the single crystal Si and the transparent substrate 2 made of glass are joined by Van der Waals force. Thereafter, by treatment at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C., here, about 550 ° C., Si—OH + —Si—OH → Si—O—Si + H Two O causes a reaction to change into a strong bond between atoms. Further, as shown in FIG. 1C, the temperature of the hydrogen ion implanted portion 15 is raised to a temperature at which hydrogen is released from the single crystal Si or higher, so that the hydrogen ion implanted portion 15 is cleaved at the boundary. Can be.
[0154]
Here, the single crystal Si thin film transistor 16 a is joined to the insulating substrate 2 via the inorganic insulating film 3. Therefore, the contamination of the single-crystal Si thin film 14a can be reliably prevented as compared with the case where bonding is performed using a conventional adhesive.
[0155]
Subsequently, an unnecessary portion of the single-crystal Si thin film 14a which has been peeled off and remains on the insulating substrate 2 is removed by etching, and the single-crystal Si is processed into an island shape, and the damaged layer on the surface is subjected to isotropic plasma etching or wet etching. Etching, here, is removed by light etching of about 10 nm by wet etching with buffered hydrofluoric acid. Thereby, as shown in FIG. 1I, a part of the MOSTFT is formed on the insulating substrate 2 on the single-crystal Si thin film 14a having a thickness of about 50 nm.
[0156]
After that, as shown in FIG. Four And N Two A second SiO film having a thickness of about 200 nm is formed by plasma CVD using a gas mixture with O. Two The film 4 is deposited. In addition, SiH Four An amorphous Si film 5 having a thickness of about 50 nm is deposited by plasma CVD using a gas.
[0157]
The amorphous Si film 5 is irradiated with an excimer laser to be heated and crystallized to grow a polycrystalline Si layer to form a non-single-crystal Si thin film 5 ′. Improve bonding strength.
[0158]
Next, as shown in FIG. 1F, unnecessary polycrystalline Si film 5 'is removed by etching to leave a portion serving as an active region of the device, thereby obtaining an island-shaped pattern.
[0159]
Next, using a mixed gas of TEOS and oxygen, a SiO 3 film having a thickness of about 350 nm is formed by plasma CVD. Two A film is deposited, and this is etched back by about 400 nm by RIE which is anisotropic etching. Thereafter, SiH is used as a gate insulating film of the non-single-crystal Si thin film transistor 1a. Four And N Two SiO 2 having a thickness of about 60 nm by plasma CVD using a mixed gas with O Two A film 7 is formed. At this time, sidewalls are formed at the ends of the pattern of the single-crystal Si thin film 14a and the pattern of the non-single-crystal Si thin film 5 '.
[0160]
Next, as shown in FIG. Two By using a mixed gas of (oxygen) by P-CVD, as an interlayer planarizing insulating film, a SiO.sub. Two A film 8 is deposited.
[0161]
Then, as shown in FIG. 1H, a contact hole 21 is opened, and a metal (AlSi) wiring 22 is formed in the contact hole 21 as shown in FIG.
[0162]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, as described above, the single-crystal Si thin film transistor 16a is formed before forming the non-single-crystal Si thin film (polycrystalline Si thin film) 5 '. Thereby, the single crystal Si substrate can be bonded while the flatness of the insulating substrate 2 is maintained, so that problems such as poor bonding can be prevented.
[0163]
In this embodiment, when the implantation energy of hydrogen ions is increased so that the peak position of hydrogen atoms is located deeper from the surface and the thickness of the single-crystal Si thin film 14a is increased, there is no significant change in the thickness from 50 nm to 100 nm. . However, as the thickness increased from 300 nm to 600 nm, the S value of the TFT gradually increased, and the off current increased remarkably. Therefore, the thickness of the single-crystal Si thin film 14a depends on the doping density of impurities, but is preferably about 600 nm or less, preferably about 500 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
[0164]
Further, when the code 7059 (barium-borosilicate glass) manufactured by Corning is used instead of the code 1737 (alkali earth-aluminoborosilicate glass) manufactured by Corning as the insulating substrate 2, the bonding can be performed in the same manner, but the cleavage and peeling are performed. Success rates have worsened.
[0165]
This is because, as shown in FIG. 8, the difference in linear expansion between Si and the code 1759 when the temperature is raised from about room temperature to 600 ° C. is about 250 ppm, while the difference in the linear expansion between the code 7059 and Si is about 70 ppm. This is because it is as large as about 800 ppm.
[0166]
Therefore, from the viewpoint of improving the success rate of cleavage delamination, the difference in linear expansion between the insulating substrate and Si from room temperature to 600 ° C. is desirably about 250 ppm or less.
[0167]
The single crystal Si thin film transistor 16a is not limited to the configuration shown in the present embodiment. For example, the same effect as described above can be obtained even with a MOS-type thin film transistor having a gate bottom structure.
[0168]
[Embodiment 2]
Another embodiment of the single crystal Si substrate, the semiconductor device and the method for manufacturing the same of the present invention will be described below with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (i). For the sake of convenience, description of members having the same functions as those described in the semiconductor device 20 of the first embodiment will be omitted.
[0169]
In the semiconductor device 30 of the present embodiment, the MOS single-crystal Si thin film transistor 16a and the non-single-crystal Si thin film transistor 1a are formed in different regions on the insulating substrate 2 similarly to the semiconductor device 20 of the first embodiment. I have. Therefore, as for the semiconductor device 30 of the present embodiment, similarly to the semiconductor device 20 of the first embodiment, a high-performance and high-function semiconductor device can be obtained.
[0170]
On the other hand, the semiconductor device 30 is different from the semiconductor device 20 of the first embodiment in that the single-crystal Si thin film transistor 16a is formed after the formation of the non-single-crystal Si thin film transistor 1a.
[0171]
The semiconductor device 30 of the present embodiment has a structure in which the SiO 2 Two It includes a film 3, a non-single-crystal Si thin-film transistor 1a, a single-crystal Si thin-film transistor 16a, a metal wiring 22, and the like.
[0172]
The non-single-crystal Si thin film transistor 1a is composed of a non-single-crystal Si thin film 5 'and SiO as a gate insulating film. Two A film 7 and a gate electrode 6 are provided. As described above, the single-crystal Si thin film transistor 16a is formed on the insulating substrate 2 on which the non-single-crystal Si thin film transistor 1a is formed via the interlayer insulating film 7.
[0173]
In addition, before the single-crystal Si substrate 10a for forming the single-crystal Si thin film transistor 16a is formed on the insulating substrate 2, a process for forming a MOS-type single-crystal Si thin film transistor is performed. Specifically, a gate electrode and a gate insulating film are formed, impurity ions of source / drain are implanted, and channel implantation is performed on each of the P-type and N-type channel portions. Here, a P-type Si substrate is used. In addition, the channel implantation of the N-type TFT is omitted. On the gate electrode, an interlayer planarization film, here, SiO by CVD Two And a step of melting the BPSG after the deposition and flattening the BPSG by CMP and cutting it into a predetermined shape. Then, the single crystal Si substrate 10a having the MOS type single crystal Si thin film transistor 14a formed on the surface is washed with an SC1 cleaning solution to remove particles and activate the surface. Then, the alignment mark on the single-crystal Si and the alignment mark on the transparent substrate side were detected, and the alignment was performed. Here, the processing is performed so that the gate length becomes 0.35 μm, and the processing rule of the contact and the metal wiring portion corresponds to the photolithography accuracy on a large glass substrate and the alignment accuracy at the time of bonding. And the space was 2 microns.
[0174]
In the semiconductor device 30 of the present embodiment, MOS transistors are formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 5 'and the region of the single-crystal Si thin film 14a. In the transistors of the same conductivity type formed in each region, at least one of the mobility, the sub-threshold coefficient, and the threshold value is different for each region. Therefore, a transistor can be formed in a corresponding single-crystal Si or non-single-crystal Si thin film region according to desired characteristics.
[0175]
Here, a method of manufacturing the semiconductor device 30 will be described below with reference to FIGS. 2A to 2I.
[0176]
First, as the insulating substrate 2, a code 1737 (alkali earth-aluminoborosilicate glass) manufactured by Corning, which is a high strain point glass, is used. Then, as shown in FIG. 2A, TEOS (Tetra Ethoxy Silane, ie, Si (OC) Two H Five 4) and O Two (Oxygen) and a plasma CVD (Plasma Chemical Vapor Deposition, hereinafter referred to as P-CVD) using a mixed gas of SiO. Two The film 3 is deposited.
[0177]
Furthermore, SiH Four An amorphous Si film 5 having a thickness of about 50 nm is deposited by plasma CVD using a gas.
[0178]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the amorphous Si film 5 is irradiated with an excimer laser, heated and crystallized, and a polycrystalline Si layer is grown to form a non-single-crystal Si thin film 5 ′. . The heating of the amorphous Si film 5 is not limited to irradiation heating by excimer laser, but may be heating by irradiation with another laser or heating using a furnace, for example. Further, in order to promote crystal growth, at least one of Ni, Pt, Sn, and Pd may be added to the amorphous Si film 5 ′.
[0179]
Then, a predetermined region of the non-single-crystal Si thin film 5 'is removed by etching as shown in FIG.
[0180]
Next, as shown in FIG. 2C, SiH is used for TFT of non-single-crystal Si (here, polycrystalline Si or continuous grain boundary Si). Four And N Two By plasma CVD using O gas, a gate insulating film of Two After depositing the film 7, the gate electrode 6 is formed.
[0181]
Next, as shown in FIG. 2D, source / drain impurity ions are implanted, and TEOS (Tetra Ethoxy Silane, ie, Si (OC) Two H Five ) Four ) And O Two About 250 nm thick SiO 2 as an interlayer insulating film by plasma CVD using a mixed gas with (oxygen). Two The film 4 is deposited.
[0182]
Here, in the semiconductor device 30 of the present embodiment, similarly to the semiconductor device 20 of the first embodiment, a part of the process of the transistor that becomes the MOS type single crystal Si thin film transistor 16a is performed by implanting hydrogen ions or the like. A completed single crystal Si substrate 10a is formed.
[0183]
Then, the single-crystal Si substrate 10a is cut by dicing or anisotropic etching with KOH or the like into a slightly smaller shape than a predetermined region where the non-single-crystal Si thin film 5 'is removed by etching.
[0184]
The portion from which the non-single-crystal Si thin film has been removed in order to join the crystal Si is previously planarized by GCIB (Gas Cluster Ion Beam) of a gas containing a low-energy (about 3 keV) halide. If a SiO2 film of about 10 nm is formed thereon by PECVD using TEOS or TMCTS (Tetramethylcyclotetrasiloxane), the bonding property is further improved.
[0185]
After the insulating substrate 2 on which the non-single-crystal Si thin film 5 'is formed and the single-crystal Si substrate 10a are washed with SC-1 to remove particles and activate the surface, as shown in FIG. The hydrogen ion-implanted portion 15 side of the single-crystal Si substrate 10a is aligned at room temperature by a method similar to that of the first embodiment at the room where the above-mentioned etching has been removed, and closely bonded. Here, SC-1 cleaning is one of the cleaning methods generally called RCA cleaning, and uses a cleaning liquid including ammonia, hydrogen peroxide, and pure water.
[0186]
The single-crystal Si substrate 10a is formed on the insulating substrate 2 by using SiO.sub.2 as a gate insulating film. Two After the formation of the film 7, SiO as an interlayer insulating film Two It may be before the deposition of the film 4.
[0187]
Thereafter, heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. to 600 ° C., here about 550 ° C., and the temperature of the hydrogen ion implanted portion 15 of the single crystal Si substrate 10a is increased to a temperature at which hydrogen is released from single crystal Si or higher. As a result, the single crystal Si substrate 10a can be cleaved off at the hydrogen ion implanted portion 15 as a boundary. In this heat treatment, the hydrogen ion implanted portion 15 of the single crystal Si substrate 10a may be heated by laser irradiation or lamp annealing including a peak temperature of about 700 ° C. or more.
[0188]
Next, the damaged layer on the surface of the single-crystal Si substrate 10a, which has been peeled off and remains on the insulating substrate 2, is subjected to isotropic plasma etching or wet etching, in this case, isotropic plasma etching using buffered hydrofluoric acid to a thickness of about 20 nm. Remove by etching. Thus, as shown in FIG. 2F, a non-single-crystal Si thin film 5 ′ and a single-crystal Si thin film 14a each having a thickness of about 50 nm can be obtained on one insulating substrate 2. After bonding the single-crystal Si substrate 10a to the insulating substrate 2 at room temperature, heat-treating it at 300 to 350 ° C. for about 30 minutes, heat-treating it at about 550 ° C., and cleaving it off. Diminished.
[0189]
At this point, sufficient bonding strength between the Si and the substrate has already been obtained, but in order to further improve the bonding strength, a lamp annealing process is performed at about 800 ° C. for 1 minute. This process may be performed simultaneously with the activation of the source / drain implanted impurities.
[0190]
Then, as shown in FIG. 2G, SiO 2 is used as an interlayer planarizing insulating film. Two The process of depositing the film 8, opening the contact hole 21 as shown in FIG. 2H, and forming the metal wiring 22 as shown in FIG. 2I is the same as in the first embodiment. .
[0191]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, as described above, the non-single-crystal Si thin film transistor 1a is formed first, and then the single-crystal Si thin film transistor 16a is formed. As compared with the semiconductor device 20 of the first embodiment, the manufacturing process can be simplified and the single crystal Si thin film can be prevented from being contaminated.
[0192]
[Embodiment 3]
Still another embodiment of the single crystal Si substrate, the semiconductor device, and the method for manufacturing the same of the present invention will be described below with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (f) and FIG. Note that, for convenience of description, description of members having functions similar to those described in Embodiments 1 and 2 will be omitted.
[0193]
As shown in FIG. 3F, the semiconductor device 40 of this embodiment has a semiconductor in which a non-single-crystal Si thin film transistor and a single-crystal Si thin film transistor are formed on one insulating substrate 2 as in the first embodiment. An apparatus is common in that a single-crystal Si thin film transistor is formed before a non-single-crystal Si thin film is formed. On the other hand, the difference is that a transistor formed as a single crystal Si thin film transistor is not a MOS type but a bipolar type single crystal Si thin film transistor.
[0194]
As described above, by forming a MOS transistor as a non-single-crystal Si thin-film transistor and a bipolar transistor as a single-crystal Si thin-film transistor, the semiconductor device 40 having characteristics different from those of the semiconductor devices 20 and 30 described in the first and second embodiments. Can be obtained.
[0195]
Here, the bipolar thin film transistor is provided with a narrow reverse conductivity type layer (base) in the middle of the current path between the semiconductor collector and the emitter of the first conductivity type, and reverses the bias between the emitter and the base. Thus, the transistor controls the number of minority carriers flowing from the emitter to the base, and controls the current due to the minority carriers flowing into the collector by diffusing the base.
[0196]
Since the bipolar thin film transistor does not have a gate electrode unlike the MOS type, the structure can be simplified and the production yield can be improved. Further, it has advantages of excellent linearity in a saturation region and a high reaction speed, and is capable of performing linear signal processing. Therefore, it is used for an analog amplifier, a current buffer, a power supply IC, and the like.
[0197]
In the bipolar single-crystal Si thin film transistor, the contact pattern is formed according to a looser design rule than the base pattern.
[0198]
Thereby, the metal wiring or a part of the metal wiring of the semiconductor device on which the bipolar type single crystal Si thin film transistor is formed can be processed simultaneously with the metal wiring on the large-sized substrate, and the processing capability can be reduced while the cost is reduced. Alternatively, connection to other circuit blocks or TFT arrays is facilitated, and a reduction in product yield due to poor connection to an external device or the like can be reduced.
[0199]
As shown in FIG. 3 (f), the semiconductor device 40 has Two The film 3 includes a non-single-crystal Si thin film transistor 1a including a non-single-crystal Si thin film 5 ′ made of polycrystalline Si, a bipolar single-crystal Si thin film transistor 16b including a single-crystal Si thin film 14b, and a metal wiring 22.
[0200]
As described above, since the MOS-type non-single-crystal Si thin film transistor 1a and the bipolar-type single-crystal Si thin-film transistor 16b are formed on one insulating substrate 2, the MOS-type, bipolar-type, or non-single-crystal Si thin-film transistor is formed. By utilizing the characteristics of the thin film and the single-crystal Si thin film, it is possible to obtain a semiconductor device 40 capable of coping with more uses.
[0201]
Here, a method for manufacturing the semiconductor device 40 will be described below with reference to FIGS. 3A to 3F.
[0202]
The insulating substrate 2 is made of Corning's code 1737 (alkaline earth-aluminoborosilicate glass), and has TEOS and O 2 on its surface as shown in FIG. Two Of about 20 nm in thickness by plasma CVD using a mixed gas of Two The film 3 is deposited.
[0203]
Here, in the semiconductor device 40 of the present embodiment, similarly to the semiconductor devices 20 and 30 of the first and second embodiments, before the single-crystal Si thin film transistor 16b is formed on the insulating substrate 2, the single-crystal Si substrate 10b is A structure that becomes a bipolar type single-crystal Si thin film transistor 16b when cleaved and separated from the hydrogen ion implanted portion is formed, and then bonded to the insulating substrate 2 in this state.
[0204]
Specifically, first, a junction portion of a PNP junction or an NPN junction of a bipolar thin film transistor is formed. Next, by oxidizing the surface or depositing an oxide film, a SiO2 film having a thickness of about 200 nm is formed. Two The film 11 is formed. And 5 × 10 16 / Cm Two A bipolar type single crystal Si thin film transistor having a hydrogen ion implanted portion 15 in which hydrogen ions of a dose of 2 are implanted to a predetermined depth with a predetermined energy is formed.
[0205]
As described above, the bipolar type single crystal Si thin film transistor 16b also has a hydrogen ion implanted portion in which a predetermined concentration of hydrogen ions is implanted at a predetermined depth, similarly to the MOS type.
[0206]
Subsequently, the single-crystal Si substrate 10b is cut into an appropriate shape in advance and formed on the insulating substrate 2.
[0207]
After the insulating substrate 2 and the cut single-crystal Si substrate 10b are cleaned by SC-1 and activated, the hydrogen ion implanted portion 15 side of the single-crystal Si thin film transistor 16b is placed on the insulating substrate 2 as shown in FIG. Are aligned at room temperature in the same manner as in Example 1, and are brought into close contact with each other and joined.
[0208]
In the semiconductor device 40 of the present embodiment, as shown in FIG. 4, impurity ions are implanted into P and N regions, and a plane (Lateral) in which the collector 25, the base 26, and the emitter 27 are planarly arranged. Although a bipolar type thin film transistor having the above structure is shown, a vertical type thin film transistor may be used like a conventional bipolar thin film transistor. Further, a junction may be formed by diffusing impurities. Further, an SIT (Static Induction Transistor) or a diode can be similarly applied.
[0209]
However, by forming a planar type bipolar thin film transistor as in the present embodiment, it is not necessary to perform a planarization process before formation, so that the manufacturing process can be further simplified and the production efficiency can be improved.
[0210]
Thereafter, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C., here, about 550 ° C., and the temperature of the hydrogen ion implanted portion 15 of the single-crystal Si substrate 10b is raised to a temperature at which hydrogen is released from Si, thereby implanting hydrogen ions. The unnecessary portion 11 of the single-crystal Si substrate 10b is cleaved off at the portion 15 to form a bipolar single-crystal Si thin film transistor 16b on the insulating substrate 2.
[0211]
Next, the damaged layer on the surface of the single crystal Si substrate 10b remaining on the insulating substrate 2 is removed by light etching of about 20 nm by isotropic plasma etching or wet etching, here, wet etching with buffered hydrofluoric acid. . As a result, as shown in FIG. 3C, a bipolar single crystal Si thin film transistor 16b having a thickness of about 80 nm can be formed on the insulating substrate 2.
[0212]
After that, as shown in FIG. Four And N Two By plasma CVD using a mixed gas with O, SiO 2 having a thickness of about 200 nm is used as an interlayer insulating film. Two The film 4 is deposited. Further, as shown in FIG. Four An amorphous Si film 5 having a thickness of about 50 nm is deposited by plasma CVD using a gas.
[0213]
Next, as shown in FIG. 3E, the amorphous Si film 5 is irradiated with an excimer laser to be heated and crystallized, and a polycrystalline Si layer is grown to form a non-single-crystal Si thin film 5 '. At this time, the bonding strength of the bipolar type single crystal Si thin film transistor 16b to the insulating substrate 2 can be improved.
[0214]
Next, as shown in FIG. 3F, unnecessary portions of the Si film are removed by etching while leaving a portion of the non-single-crystal Si thin film 5 'which becomes an active region of the device, thereby obtaining an island-shaped pattern. Then, by plasma CVD using a mixed gas of TEOS and oxygen, a SiO 3 film having a thickness of about 350 nm Two A film 7 is deposited, and a photoresist of about 350 nm is further applied on the entire surface as a resin flattening film. Four The entire resin flattening film and SiO 2 are anisotropically etched by RIE (reactive ion etching) using a gas containing Two A part of the film 4 is etched back (not shown), and after planarization, SiH is used as a gate insulating film. Four And N Two SiO 2 having a film thickness of about 60 nm by plasma CVD using a mixed gas with O Two A film 7 is formed.
[0215]
And SiO Two A gate electrode 6 is formed on the film 7, and the gate electrode 6 and SiO as a gate insulating film are formed. Two A non-single-crystal Si thin film transistor 1a comprising the film 7 and the non-single-crystal Si thin film 5 'can be obtained.
[0216]
Thereafter, SiO as an interlayer planarization insulating film Two The steps of forming the film 8, opening the contact hole 21 and forming the metal wiring 22 are the same as those in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted.
[0219]
As described above, the method of manufacturing the semiconductor device 40 according to the present embodiment includes the steps of forming the bipolar single-crystal Si thin film transistor 16b and then forming the non-single-crystal Si thin film transistor 1a made of a polycrystalline Si thin film. 2, the bonding process can be facilitated, and the bonding strength of the bipolar type single crystal Si thin film transistor 16b to the insulating substrate 2 can be improved.
[0218]
Further, since the single crystal Si thin film transistor to be formed is of a bipolar type, flattening treatment is not required, and manufacturing cost can be reduced. Further, as in the case of the MOS type, a part of the metal wiring may be formed in advance and flattened, thereby increasing the integration density.
[0219]
Note that, in the semiconductor device 40 of the present embodiment, as shown in FIG. 3F, the transistor group is not element-separated, but leakage current is a problem, or crosstalk between elements is a problem. In this case, element isolation may be performed.
[0220]
[Embodiment 4]
Still another embodiment of the single crystal Si substrate, the semiconductor device and the method for manufacturing the same of the present invention will be described below with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (f). Note that, for convenience of description, descriptions of members having functions similar to those described in Embodiments 1 to 3 are omitted.
[0221]
The semiconductor device 50 according to the first embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment in that a MOS single-crystal Si thin film transistor and a MOS non-single-crystal Si thin film transistor are formed on one insulating substrate 2. Common to 20. On the other hand, this embodiment differs from the semiconductor device 20 of the first embodiment in that a continuous grain boundary Si (Continuous Grain Silicon) is used as the non-single-crystal Si thin film.
[0222]
As described above, by using the continuous grain Si as the non-single-crystal Si thin film, it is possible to obtain the non-single-crystal Si thin film transistor 1b having higher characteristics than the non-single-crystal Si thin film transistor made of polycrystalline Si.
[0223]
The semiconductor device 50 of the present embodiment has Two It includes a film 3, a MOS-type non-single-crystal Si thin-film transistor 1b, and a MOS-type single-crystal Si thin-film transistor 16a.
[0224]
In particular, the non-single-crystal Si thin film transistor 1b is formed by using, as the non-single-crystal Si thin film 52 ′, polycrystalline Si having a uniform crystal growth direction, so-called continuous grain boundary Si (Continuous Grain Silicon).
[0225]
Note that the mobility of the conventional N-channel TFT formed in the continuous grain boundary Si region is approximately 200 cm. Two / V · sec, whereas the N-channel TFT formed in the region of the single crystal Si thin film 14a in the active matrix substrate for a liquid crystal display on which the semiconductor device 50 of the present embodiment is formed is about 550 cm. Two / V · sec mobility was obtained. Therefore, it is possible to obtain an active matrix substrate capable of responding faster than before.
[0226]
According to the active matrix substrate for liquid crystal display, the device formed in the region of the non-single-crystal Si thin film 52 'as well as the driver requires a signal of 7 to 8 V and a power supply voltage, whereas the single-crystal Si thin film 14a The timing controller, which is a device formed in the region of, operates stably with the 2.7 V signal and the power supply voltage.
[0227]
Here, the manufacturing process of the semiconductor device 50 will be described below with reference to FIGS. 5A to 5F.
[0228]
In this embodiment, as in the first embodiment, first, code 1737 (alkaline earth-aluminoborosilicate glass) manufactured by Corning Co., Ltd. is used as the insulating substrate 2, and as shown in FIG. TEOS and O Two By plasma CVD using a mixed gas, about 100 nm of SiO Two The film 3 is deposited.
[0229]
Further, as shown in FIG. Two SiH is applied to the entire surface of the film 3 Four An amorphous Si thin film 51 of about 50 nm is deposited by plasma CVD using a gas. In addition, SiH Four And N Two Approximately 200 nm SiO by plasma CVD using O mixed gas Two A film 52 is deposited.
[0230]
SiO Two After an opening is formed in a predetermined region of the film 52 by etching, the surface of the amorphous Si thin film 51 is thinly oxidized in order to control the hydrophilicity of the surface of the amorphous Si thin film 51 in the opening. Oxide film (SiO Two Film), and a Ni acetate aqueous solution is spin-coated thereon.
[0231]
Next, solid phase growth is performed at a temperature of 580 ° C. for about 8 hours to grow polycrystalline Si that promotes crystal growth in a uniform crystal growth direction, that is, a so-called continuous grain boundary Si (Continuous Grain Silicon) to continuously grow the crystal. A crystal grain boundary Si thin film 51 'is formed.
[0232]
Further, as shown in FIG. 5C, the SiO on the continuous grain boundary Si thin film 51 'is Two The film 52 is removed. Thereafter, a predetermined region of the continuous crystal grain boundary Si thin film 51 'is removed by etching.
[0233]
Here, as in the case of Example 2, the bonding property was further improved by flattening the surface with a low energy (about 3 keV) halide gas GCIB. Also in the semiconductor device 50 of the present embodiment, a structure that becomes a MOS type single crystal Si thin film transistor is formed by cleavage and thinning in the same manner as in the first embodiment, and a single ion implanted with hydrogen ions at a predetermined concentration and a predetermined energy is formed. A crystalline Si substrate 10a is prepared.
[0234]
Then, as shown in FIG. 5D, the insulating substrate 2 and the single-crystal Si substrate 10a on which the continuous crystal grain boundary Si thin film 51 'is formed are activated by SC-1 cleaning, and then the single-crystal Si substrate 10a is activated. Is positioned at room temperature in the same manner as in Example 1 to the region where the hydrogen ion implanted portion 15 has been removed by etching, and adhered and joined.
[0235]
At this time, the distance between the continuous grain boundary Si thin film 51 ′ and the single crystal Si substrate 10a is at least 0.3 μm, preferably 0.5 μm or more. This prevents metal atoms such as Ni, Pt, Sn, and Pd used in the later-described manufacturing process from diffusing into the region of the single-crystal Si thin film 14a, and stabilizes the characteristics of the single-crystal Si thin-film transistor. it can.
[0236]
Thereafter, the temperature of the hydrogen ion implanted portion 15 of the single-crystal Si substrate 10a is increased by laser irradiation or lamp annealing including a peak temperature of about 700 ° C. or more to a temperature equal to or higher than the temperature at which hydrogen is released from the single-crystal Si. As shown in FIG. 5E, the unnecessary portion 11 of the single-crystal Si substrate 10a is cleaved off at the hydrogen ion implanted portion 15.
[0237]
Next, the damaged layer of the single-crystal Si thin film 10a remaining on the insulating substrate 2 is removed by isotropic plasma etching or wet etching, here, about 10 nm lightly etched by wet etching with buffered hydrofluoric acid.
[0238]
As a result, a continuous grain boundary Si thin film 51 ′ and a single crystal Si thin film 14a each having a thickness of about 50 nm can be formed on the insulating substrate 2.
[0239]
Next, unnecessary portions on the continuous crystal grain boundary Si thin film 51 'are removed by etching.
[0240]
Next, the SiO 2 near the active region of the device Two An opening is formed in the film and SiO Two Using the film as a mask to getter Ni added to promote crystal growth, a high concentration of P + Ions are implanted (15 keV, 5 × 10 Fifteen / Cm Two ), Heat treatment at RTA at a temperature of about 800 ° C. for 1 minute.
[0241]
Although a physical space is provided to prevent Ni atoms from diffusing into the single-crystal Si thin film 14a, a very small amount of Ni atoms may be mixed during the process. Therefore, it is desirable to perform gettering also on the active region of the single-crystal Si thin film 14a. However, when space is prioritized, gettering may be omitted as a design option.
[0242]
Next, an unnecessary portion of the unnecessary continuous crystal grain boundary Si thin film 51 'and the single-crystal Si thin film 14a are removed by etching, leaving a portion serving as an active region of the device, thereby obtaining an island-like pattern.
[0243]
Next, an about 350 nm-thick SiO 2 film is formed by P-CVD using a mixed gas of TEOS and oxygen. Two After depositing a film and etching it back about 400 nm by RIE which is an anisotropic etching, Four And N Two An approximately 60 nm-thick SiO 2 film serving as a gate insulating film is formed by plasma CVD using a gas mixture with O. Two A film 7 is formed.
[0244]
At this time, sidewalls are formed at the ends of the pattern of the continuous crystal grain boundary Si thin film 51 ′ and the pattern of the single crystal Si thin film 14a.
[0245]
Thereafter, SiO as an interlayer planarization insulating film Two The steps of forming the film 8, opening the contact hole 21 and forming the metal wiring 22 are the same as those in the first and second embodiments, and a description thereof will be omitted.
[0246]
As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device 50 according to the present embodiment, after forming polycrystalline Si as a non-single-crystal Si thin film, a single-crystal Si thin-film transistor 16a is formed, and then the gate insulation of the non-single-crystal Si thin-film transistor 1b is formed. SiO as film Two Since the film 7 is formed, SiO Two The process can be simplified by reducing the number of films.
[0247]
[Embodiment 5]
Another embodiment of the single crystal Si substrate, the semiconductor device and the method for manufacturing the same of the present invention will be described below with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (h). For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the first to fourth embodiments will not be described.
[0248]
The semiconductor device 60 according to the third embodiment is different from the semiconductor device according to the third embodiment in that a bipolar single-crystal Si thin film transistor and a MOS non-single-crystal Si thin film transistor are formed on one insulating substrate 2. Common to 40.
[0249]
On the other hand, it differs from the semiconductor device 40 of Embodiment 3 in that a bottom-gate transistor is formed as a non-single-crystal Si thin film transistor.
[0250]
The semiconductor device 60 according to the present embodiment is manufactured by the same manufacturing process as the semiconductor device 30 according to the second embodiment, with respect to the steps up to the bonding and cleavage separation of the single crystal Si substrate shown in FIG. The semiconductor device has the same structure as the semiconductor device 30.
[0251]
In the subsequent steps, as shown in FIG. 6 (i), after element isolation of a single crystal device portion, an interlayer insulating film is formed entirely, and an amorphous Si TFT and a circuit are formed thereon. A gate insulating film 62 and a non-doped amorphous Si 63 are formed in an island shape on the gate electrode 6. + An amorphous Si thin film 64 and metal wiring 65 for source / drain wiring are formed.
[0252]
Although not shown, for a liquid crystal display or the like, a protective insulating film, a planarizing film, and a transparent conductive film for display are further formed thereon.
[0253]
Here, the method of manufacturing the semiconductor device 60 will be described below with reference to FIGS. 6A to 6H.
[0254]
First, as shown in FIG. 6 (a), Corning's code 1737 (alkaline earth-aluminoborosilicate glass) is used as the insulating substrate 2, and TEOS and O Two About 50 nm in thickness by plasma CVD using a mixed gas of Two The film 3 is deposited.
[0255]
Here, similarly to the semiconductor device 40 of the third embodiment, a single-crystal Si substrate 10b in which a structure 16b to be a bipolar-type single-crystal Si thin film transistor is formed in advance after cleavage into a thin film is prepared. After implanting hydrogen ions with energy, it is cut into a predetermined size.
[0256]
After the insulating substrate 2 and the cut single-crystal Si substrate 10b are activated by SC-1 cleaning, as shown in FIG. 6B, the hydrogen ion implanted portion 15 side of the single-crystal Si substrate 10b is set at a predetermined position. Alignment is performed at the position in the same manner as in Example 1, and it is brought into close contact at room temperature and joined. Although not shown in the figure, metal wiring may be formed in advance on the single crystal Si substrate, and in this case, there is an advantage that high integration by miniaturization is possible.
[0257]
Thereafter, a heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C., here about 550 ° C., and the temperature of the hydrogen ion implanted portion 15 of the single crystal Si substrate 10b is increased to a temperature at which hydrogen is released from the single crystal Si. As shown in FIG. 6C, the single-crystal Si substrate 10b is cleaved off at the hydrogen ion implanted portion 15. Even in the case where metal wiring is formed in advance, if the temperature is within this temperature range, even if the metal is an Al-based alloy, the metal is below the melting point and can be used.
[0258]
Next, a part of the single-crystal Si thin film 14b remaining on the insulating substrate 2 is removed by etching, and the single-crystal Si thin film 14b is processed into an island shape, and then the damaged layer on the surface is subjected to isotropic plasma etching or wet etching. Here, it is removed by light etching of about 10 nm by wet etching with buffered hydrofluoric acid.
[0259]
As a result, a part of the MOS thin film transistor including the single-crystal Si thin film 14b having a thickness of about 50 nm is formed on the insulating substrate 2.
[0260]
Thereafter, as shown in FIG. 6D, the entire surface of the insulating substrate 2 is covered with SiH. Four And N Two SiO 2 having a thickness of about 200 nm by plasma CVD using a mixed gas with O Two A film 61 is deposited.
[0261]
Further, a TaN thin film is deposited on the entire surface by sputtering, and processed into a predetermined pattern to form wiring of a gate layer such as a gate electrode 6 and a gate bus line.
[0262]
Note that the material of the wiring of the gate layer is not limited to this material, and various metal materials such as Al and Al alloy can be selected according to resistance, heat resistance, compatibility with a later manufacturing process, and the like.
[0263]
Subsequently, as shown in FIG. Four Gas and NH Three A silicon nitride film 62 of about 200 nm is formed as a gate insulating film by plasma CVD using a gas. And on top of that, Four An amorphous Si film 63 having a thickness of about 50 nm is formed by plasma CVD using a gas, and SiH is further formed thereon. Four Gas and PH Three About 30 nm thick N doped with P by mixed gas + An amorphous Si film 64 is sequentially and sequentially deposited.
[0264]
Next, as shown in FIG. 6 (f), the non-doped and P-doped amorphous Si film is etched into an island shape except for a portion to be a transistor, and further, as shown in FIG. 6 (g). A Ti thin film is deposited thereon as a metal film 65 for source bus wiring by sputtering, and is processed into a predetermined pattern.
[0265]
The metal film 65 for the source bus wiring is not limited to Ti, but may be made of various metal materials, such as Al and Al alloy, depending on the resistance, heat resistance, compatibility with later processes, and the like. Can be selected.
[0266]
Next, as shown in FIG. 6 (h), N in a predetermined (portion-to-drain channel) region of the island pattern of the amorphous Si63. + The layer is etched away (part of the non-doped layer is also etched) to form an amorphous SiTFT.
[0267]
Then, as a protective insulating film, SiH Four Gas and NH Three A silicon nitride film of about 200 nm is deposited by plasma CVD using a gas.
[0268]
Thereafter, in the same manner as in the process of manufacturing an active matrix substrate using ordinary amorphous Si, for example, by forming a resin interlayer film and forming a display transparent electrode, an active matrix substrate used for a liquid crystal display is completed.
[0269]
As described above, since the semiconductor device 60 of the present embodiment uses amorphous Si as the non-single-crystal Si thin film transistor 1c, the manufacturing process of the non-single-crystal Si thin film is simplified, and the cost of the semiconductor device 60 is reduced. Can be achieved. Further, the semiconductor device 60 can be applied to a low power consumption type LCD or the like due to a low off current characteristic which is a characteristic of amorphous Si.
[0270]
Further, since the structure of the non-single-crystal Si thin film transistor 1c is a so-called bottom gate structure in which the gate electrode 6 is arranged on the insulating substrate 2, the formation of amorphous Si becomes easy, and the productivity is reduced due to simplification of the process. And the cost of the semiconductor device can be reduced.
[0271]
As shown in FIG. 7, each of the semiconductor devices described in the first to fifth embodiments includes a high-function circuit unit (high-speed DAC, high-speed timing controller, image processing circuit, etc.) on an active matrix substrate 70 having a display unit 72. ) 71 can be formed.
[0272]
In the single-crystal Si thin film transistors 16a and 16b of the first to fifth embodiments, a wiring layer made of a refractory metal may be further formed on the gate layer. Here, a wiring of a circuit portion requiring fine processing is formed using a TiW alloy, and furthermore, TEOS or SiH Four And N Two After an interlayer insulating film is formed by CVD or PECVD using O gas or the like, the interlayer insulating film may be planarized by CMP or the like, and hydrogen ions may be implanted therein at a predetermined energy and a predetermined concentration.
[0273]
In this manner, a semiconductor device having a double metal wiring structure can be obtained by forming a single crystal Si thin film transistor on which a metal wiring is formed in advance on an insulating substrate, forming an oxide film, and further forming a metal wiring. Further, a functional circuit with high integration density can be formed.
[0274]
Here, the wiring layer made of the refractory metal only needs to have heat resistance to the heat treatment temperature at the time of cleavage and separation of the single crystal Si substrate. Polycrystalline Si, silicide of various metals, Ti, W, Mo, TiW, TaN, A material such as Ta can be used. Furthermore, when the single crystal Si substrate is cleaved and separated by a laser, the heat resistance may be low.
[0275]
In addition, the present invention is not limited to the contents described in the above embodiment. For example, the non-single-crystal Si forming method, the material of the interlayer insulating film, the film thickness, and the like may be determined by other means known to those skilled in the art. Can be realized.
[0276]
Further, the semiconductor device formed of single-crystal Si is not limited to a MOS transistor or a bipolar transistor, but may be, for example, an SIT or a diode.
[0277]
The semiconductor device of the present invention is an important advantage of the present invention in that a plurality of types of semiconductor devices having different characteristics can be integrated on the same glass substrate.
[0278]
In the first to fifth embodiments, an example in which two types of thin-film Si transistors having different characteristics are formed has been described. However, the present invention is not limited to this, and three or more types of characteristics may be used. Semiconductor device in which different devices are formed on one substrate.
[0279]
For example, when a MOS device and a bipolar transistor are formed as a single-crystal Si thin film transistor and a semiconductor device is formed as a non-single-crystal Si thin film transistor, a semiconductor device having three types of characteristics is formed. A semiconductor device which can be formed over one substrate and has higher performance and higher function can be obtained.
[0280]
In such a semiconductor device, it is more preferable that the thickness of the single-crystal Si thin film of the MOS thin film transistor made of single-crystal Si is smaller than that of the single crystal Si thin film of the bipolar thin film transistor.
[0281]
This is because it is known that a MOS thin film transistor generally has better characteristics when the film thickness is small, and a bipolar thin film transistor has good characteristics when the film thickness is relatively large.
[0282]
It is more preferable that the gate line width of the MOS thin film transistor made of a single crystal Si thin film is 1 μm or less. It is also preferable that the base width of a bipolar thin film transistor made of a single-crystal Si thin film be approximately 2.5 μm or less.
[0283]
Further, the base width is more preferably 1 μm or less. This is because the narrower the base width, the better the efficiency of the diffusion and passage of minority carriers and the shorter the time.
[0284]
Thus, the switching speed of the transistor can be increased.
[0285]
[Embodiment 6]
The following will describe still another embodiment of the single crystal Si substrate, the semiconductor device, and the method for manufacturing the same of the present invention. Note that, for convenience of description, descriptions of members having the same functions as the members described in Embodiments 1 to 5 are omitted.
[0286]
In the embodiment of the present invention, in the semiconductor devices of Embodiments 1 to 5, the thickness of the single crystal Si substrate before bonding is set to about 70 μm. Here, the same material and method were used except for the thickness of the single-crystal Si substrate before bonding, but the bondability between the glass substrate and the Si substrate was excellent in each case. Significantly reduced.
[0287]
In this embodiment, the thickness is reduced after the hydrogen ion implantation by the polishing method used for the IC card. Note that the thickness of the single-crystal Si is preferably as small as possible from the viewpoint of the bonding property, but it is preferably about 50 to 100 μm as a trade-off with ease of handling.
[0288]
In the first to sixth embodiments, a MOS transistor has been described, but the present invention is not limited to a MOS transistor. For example, even with a MIS transistor, the same effect as that obtained by using a MOS transistor can be obtained.
[0289]
Here, the MIS transistor uses a silicon nitride film or the like as a gate insulating film. Therefore, even if the gate insulating film has a high dielectric constant, the electric field effect becomes strong even when the gate insulating film has the same thickness. Is a transistor having such a characteristic that it can be operated at a low voltage.
[0290]
It is needless to say that the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to use in a liquid crystal display device, but are also effective for other devices such as an organic EL device. Further, it may be generally used not only as a display device but also as a high-performance integrated circuit.
[0291]
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made within the scope shown in the claims, and are obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
[0292]
【The invention's effect】
As described above, the single-crystal Si substrate according to the present invention is planarized after the oxide film, the gate pattern, and the impurity ion implanted portion are formed on the surface, and a predetermined concentration of hydrogen ions is formed at a predetermined depth. This is a configuration including an implanted hydrogen ion implantation unit.
[0293]
Therefore, a single-crystal Si substrate is bonded to an insulating substrate or the like on the oxide film forming side, and heat treatment is performed to change the bonding between the substrates into a bond between atoms to form a strong bond. By performing cleavage separation by heat treatment, there is an effect that a MOS single crystal Si thin film transistor can be easily obtained without using an adhesive.
[0294]
Also, for example, by joining the single crystal Si substrate of the present invention on an insulating substrate having a non-single crystal Si thin film transistor such as a polycrystalline Si thin film formed on the surface, and forming a MOS type single crystal Si thin film transistor, A semiconductor device in which a single-crystal Si transistor and a single-crystal Si transistor are formed in different regions over one substrate can be easily obtained.
[0295]
As described above, the single crystal Si substrate of the present invention has an impurity ion implanted portion or diffusion region having a pnp junction structure or an npn junction structure in which impurity ions are implanted in the vicinity of the surface, and a portion on the impurity ion implanted portion or the diffusion region. And an oxide film deposited on the substrate.
[0296]
Therefore, there is an effect that a bipolar thin film transistor including a single crystal Si thin film which can be easily formed on another insulating substrate can be obtained.
[0297]
Since a hydrogen ion implanted portion into which hydrogen ions of a predetermined concentration are implanted at the predetermined depth is provided, a single crystal Si substrate is bonded to an insulating substrate or the like on an oxide film deposition side, and a hydrogen ion implantation side is formed. By performing cleavage peeling in the above, there is an effect that a bipolar single crystal Si thin film transistor can be easily obtained without using an adhesive.
[0298]
More preferably, the oxide film is formed so as to have a thickness of 200 nm or more.
[0299]
Therefore, in the MOS transistor made of single-crystal Si, the variation in the threshold value, and in the bipolar type TFT made of single-crystal Si, the characteristic variation is small, and the on-resistance is suppressed low. Two This has the effect of obtaining a single-crystal Si substrate that is appropriate for the balance between the efficiency of the film forming process and the step.
[0300]
As described above, the semiconductor device of the present invention has a configuration in which a non-single-crystal Si thin-film device and a single-crystal Si thin-film device are formed in different regions on an insulating substrate.
[0301]
Therefore, for example, a single crystal Si thin film device such as a single crystal Si thin film device is used for a device requiring higher performance such as a timing controller, and a non-single crystal Si thin film transistor or the like is used for the remaining devices. Using a single crystal Si thin film device, a semiconductor device in which a low-cost, high-performance, high-performance circuit system is integrated can be obtained. Further, for example, a large-sized semiconductor device capable of supporting a large-sized liquid crystal display panel, an organic EL panel, or the like can be manufactured.
[0302]
More preferably, the single crystal Si thin film device is joined to the insulating substrate via an inorganic insulating film.
[0303]
Therefore, since a device such as a single crystal Si thin film transistor can be formed on an insulating substrate without using an adhesive, there is an effect that single crystal Si can be prevented from being contaminated. Further, after the bonding, formation of a metal wiring, an inorganic insulating film, or etching can be easily performed. Furthermore, there is an effect that a device can be formed at low cost by forming a metal wiring and the like in common with the TFT process on a large substrate.
[0304]
It is more preferable that both the non-single-crystal Si thin film device and the single-crystal Si thin film device are MOS-type or MIS-type single-crystal Si thin-film transistors.
[0305]
Therefore, for example, in the case of a CMOS structure, power consumption can be reduced and a full output up to the power supply voltage is possible, so that a semiconductor device suitable for logic with low power consumption can be obtained.
[0306]
The MOS type single crystal Si thin film transistor is more preferably formed in the order of a gate, a gate insulating film, and Si from the insulating substrate side.
[0307]
Therefore, since the MOS thin film transistor is formed in a state where the gate is arranged on the insulating substrate side, a semiconductor device in which a MOS single crystal Si thin film transistor upside down is formed on a so-called insulating substrate can be obtained. The self-alignment process using the gate as a mask can be applied to the source / drain formation on the single crystal Si substrate, and the effect of the fixed charge on the glass substrate surface can be reduced. In addition, the effect of fixed charge, which is likely to occur at the junction interface between single crystal Si and the glass substrate, can be reduced by the gate shielding effect, and an established process using single crystal Si with the gate as a mask and using source / drain impurity ion implantation. Is applicable, so that there is an advantage that the yield can be increased.
[0308]
The thickness of the single-crystal Si thin film of the MOS thin film transistor is more preferably about 600 nm or less.
[0309]
Therefore, the S value (sub-threshold coefficient) of the semiconductor device can be reduced, and the off-state current can be reduced.
[0310]
The thickness of the single crystal Si thin film of the MOS thin film transistor is more preferably about 100 nm or less.
[0311]
Therefore, the S value (sub-threshold coefficient) of the semiconductor device can be further reduced, and the off-state current can be reduced. Therefore, there is an effect that the characteristics of the MOS type single crystal Si thin film transistor can be maximized.
[0312]
More preferably, the metal wiring pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor includes a portion formed by a looser wiring formation rule than the gate pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor.
[0313]
Therefore, the metal wiring or at least a part of the metal wiring of the semiconductor device in which the MOS type single crystal Si thin film transistor is formed can be processed simultaneously with the metal wiring on the large substrate, so that the cost can be suppressed and the processing capability can be improved. Alternatively, connection to an external device, an external wiring, another circuit block, or a TFT array is facilitated, and an effect of reducing a product yield due to poor connection to an external device or the like is achieved.
[0314]
The non-single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal Si thin-film transistor, and the single-crystal Si thin-film device is more preferably a bipolar-type single-crystal Si thin-film transistor.
[0315]
Therefore, since a bipolar single-crystal Si thin film transistor is formed in addition to the MOS or MIS non-single-crystal Si thin film transistor, a multifunctional semiconductor device can be obtained.
[0316]
The non-single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal thin-film transistor, and the single-crystal Si thin-film device is either a MOS-type or a bipolar-type single-crystal silicon thin-film transistor, or both. More preferably, it includes a bipolar type single crystal Si thin film transistor.
[0317]
Therefore, there is an effect that a semiconductor device having three kinds of characteristics, that is, a MOS or MIS type non-single-crystal Si thin film transistor, a single-crystal Si thin film transistor, and a bipolar single-crystal Si thin film transistor can be formed on one substrate. Therefore, a semiconductor device with higher performance and higher function can be obtained.
[0318]
The non-single-crystal Si thin-film device is a MOS-type or MIS-type non-single-crystal Si thin-film transistor. The single-crystal Si thin-film device includes a MOS-type single-crystal Si thin-film transistor and a Schottky or PN junction diode. More preferably, a sensor or a CCD image sensor is provided.
[0319]
Therefore, a thin film device having a different design or structure can be integrated in a different region individually, and a device having a different structure from a CMOS device such as an image sensor, which has been extremely difficult to coexist with the conventional method, can be easily integrated. This makes it possible to create a high-performance device that has been impossible up to now.
[0320]
It is more preferable that the thickness of the single crystal Si thin film of the MOS thin film transistor made of the single crystal Si is smaller than that of the single crystal Si thin film of the bipolar thin film transistor.
[0321]
Therefore, by specifying the thickness of the Si thin film of the MOS type and the bipolar type by comparison with each other, it is possible to obtain a semiconductor device capable of effectively utilizing the characteristics of both the MOS type and the bipolar type.
[0322]
It is more preferable that the bipolar type single crystal Si thin film transistor has a planar structure in which a base, a collector, and an emitter region are formed and arranged on the same plane.
[0323]
Therefore, since it is a so-called lateral transistor having no gate and a planar structure like a MOS thin film transistor, an oxide film is simply formed on the Si surface, and impurities of P and N are formed in a predetermined pattern (region). ) And activation annealing can be performed to form a completely flat Si substrate, so that a single-crystal Si substrate can be easily joined to an insulating substrate without performing a planarization process by CMP. This has the effect that it can be performed.
[0324]
It is more preferable that the contact pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor is formed by a looser design rule than the base pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor.
[0325]
This facilitates connection to an external device of a semiconductor device, external wiring, another circuit block, or a TFT array, thereby reducing the product yield due to poor connection to an external device or the like.
[0326]
Therefore, the metal wiring or a part of the metal wiring of the semiconductor device in which the bipolar type single crystal Si thin film transistor is formed can be processed simultaneously with the metal wiring on the large substrate, so that the cost can be suppressed and the processing capability can be improved. Alternatively, the connection to the external device or the external wiring is facilitated, and the effect that the product yield due to poor connection to the external device or the like can be reduced.
[0327]
The thickness of the single crystal Si thin film of the bipolar single crystal Si thin film transistor is more preferably about 800 nm or less.
[0328]
Therefore, by setting the film thickness to about 800 nm or less, which is the thickness limit for the characteristic variation of the single crystal Si thin film of the bipolar type single crystal Si thin film transistor, the characteristic variation can be suppressed to a small value without deteriorating the characteristics. There is an effect that a type single crystal Si thin film transistor can be obtained.
[0329]
The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film, and the MOS type thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film has a non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate in this order from the substrate side. More preferably, it is formed.
[0330]
Therefore, by configuring the MOS type thin film transistor such that the gate is formed above the insulating substrate, a general self-alignment process using the gate as a mask can be performed, and a polycrystalline Si thin film or a continuous grain boundary Si can be used. The thin film transistor can be easily manufactured, and the productivity can be improved.
[0331]
The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film. The MOS thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. It is more preferred that
[0332]
Therefore, since the MOS type non-single-crystal Si thin film transistor has the opposite configuration when viewed from the substrate, the influence of fixed charges near the surface of the glass substrate can be avoided, and the characteristics can be stabilized. Further, the degree of freedom in setting the doping profile of the channel portion is increased, the countermeasure against hot electron deterioration is facilitated, and the effect of increasing the number of configuration variations that can achieve the same effect as above can be obtained.
[0333]
The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS or MIS thin-film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. Is more preferable.
[0334]
Therefore, by forming a MOS-type or MIS-type thin film transistor having a so-called bottom gate structure in which the gate is formed below the insulating substrate, a process which has been widely and generally used can be applied, and a high yield can be obtained. This has the effect of simplifying the process of forming an amorphous Si thin film, reducing costs, and improving productivity. Further, since amorphous Si has low off-current characteristics, a semiconductor device suitable for a low power consumption type LCD or the like can be obtained.
[0335]
The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS thin-film transistor formed of the non-single-crystal Si thin film is formed from the substrate side in the order of non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate. More preferred.
[0336]
Therefore, even if the MOS-type non-single-crystal Si thin film transistor has the opposite configuration when viewed from the substrate, it is possible to increase the variation of the configuration that can obtain the same effect as described above, and increase the degree of freedom in process design. To play.
[0337]
The difference in linear expansion between the single crystal Si constituting the single crystal Si thin film device and the insulating substrate is more preferably about 250 ppm or less in a temperature range from about room temperature to 600 ° C.
[0338]
Therefore, a difference in linear expansion between the insulating substrate and the single-crystal Si thin film with respect to a large temperature rise is reduced. Therefore, in the process for forming a single-crystal Si thin film on an insulating substrate, it is necessary to surely prevent destruction, bonding interface separation, or generation of defects in crystals in the cleavage separation process from the hydrogen implantation position due to the difference in thermal expansion. In addition, there is an effect that the heat bonding strength can be improved.
[0339]
The insulating substrate has SiO2 on at least the surface of the region where the single crystal Si thin film device is formed. Two It is more preferable that the glass is a high strain point glass composed of an alkaline earth-aluminoborosilicate glass having a film formed thereon.
[0340]
Therefore, it is not necessary to use crystallized glass whose composition is adjusted to be used for bonding with a single crystal Si substrate, so that the insulating substrate can be used in a high strain point generally used for a liquid crystal display panel driven by active matrix. This is advantageous in that a low-cost semiconductor device made of glass can be manufactured.
[0341]
The insulating substrate is made of barium-borosilicate glass, barium-aluminoborosilicate glass, alkaline earth-aluminoborosilicate glass, borosilicate glass, alkaline earth-zinc-lead-aluminoborosilicate glass and alkaline earth-zinc- More preferably, it is formed of any of the aluminoborosilicate glasses.
[0342]
Therefore, since the insulating substrate is made of the glass described above, which is a high strain point glass generally used for a liquid crystal display panel driven by active matrix, a semiconductor device suitable for the active matrix substrate can be manufactured at low cost. This has the effect.
[0343]
The alignment margin of at least a part of the pattern in the single-crystal Si region is smaller than the alignment margin of the pattern of the entire mother substrate or the display region or the entire device, and is more preferably high precision.
[0344]
Therefore, when forming a metal wiring pattern or the like common to the non-single-crystal Si region, it is possible to align a part of the pattern with a high-precision pattern in the single-crystal Si region by a more accurate exposure system. It has the effect of being able to do it. Therefore, a single-crystal Si region having a high-precision pattern and a non-single-crystal region having a low-precision pattern can be easily and efficiently connected with a high yield using a metal wiring pattern or the like.
[0345]
The alignment mark in the single-crystal Si region and the alignment mark on the transparent substrate are obtained by detecting the alignment mark formed on the single-crystal Si with visible light or light of a shorter wavelength than visible light from the transparent substrate side. It is more preferable that the shape is such that it can be aligned with the alignment mark formed on the transparent substrate.
[0346]
Therefore, since the alignment mark can be detected through the glass substrate, the optical resolution can be improved, and the alignment can be performed with higher precision than before.
[0347]
As described above, the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method of forming a non-single-crystal Si thin film after forming a circuit including a single-crystal Si thin-film device on an insulating substrate.
[0348]
Therefore, a single crystal Si thin film device is formed on an insulating substrate having the best flatness, and thereafter, a non-single crystal Si thin film is formed. Therefore, there is an effect that a semiconductor device with few defects due to poor bonding and high yield can be manufactured.
[0349]
More preferably, an inter-protection insulating film, a contact hole, and a metal wiring are formed on the single crystal Si thin film device.
[0350]
Therefore, since the single-crystal Si thin-film device formed before the formation of the non-single-crystal Si thin film has metal wiring, miniaturization can be performed, and integration of circuits formed on the single-crystal Si thin film can be achieved. Dramatic increase in density can be realized. Further, by providing metal wiring in the same process on a non-single-crystal Si thin film formed after forming a single crystal Si thin film device on a glass substrate, a semiconductor device having a double metal wiring structure can be manufactured efficiently and in a simple process. It has the effect that it can be done.
[0351]
It is more preferable to form an interlayer insulating film after forming the single-crystal Si thin film device and before forming the non-single-crystal Si thin film.
[0352]
Therefore, since the interlayer insulating film is formed between the single-crystal Si thin film device and the non-single-crystal Si thin film, there is an effect that the single-crystal Si thin film can be reliably prevented from being contaminated with single-crystal Si.
[0353]
As described above, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of forming a non-single-crystal Si thin film on the insulating substrate and then forming the single-crystal Si thin-film device.
[0354]
Therefore, since the non-single-crystal Si thin film is formed before the formation of the single-crystal Si thin-film device, the single-crystal Si thin film is formed as compared with the case where the non-single-crystal Si thin film is formed after forming the single-crystal Si thin-film device. This has the effect of preventing contamination and damage.
[0355]
More preferably, the single crystal Si thin film device is a MOS type single crystal Si thin film transistor.
[0356]
Therefore, for example, in the case of a CMOS structure, the characteristics of MOS transistors such as a reduction in power consumption and a full output up to the power supply voltage can be obtained, and a semiconductor device suitable for low power consumption logic can be obtained. This has the effect that a semiconductor device having the same can be manufactured.
[0357]
More preferably, the single crystal Si thin film device is a bipolar type single crystal Si thin film transistor.
[0358]
Therefore, by forming the bipolar transistor on the insulating substrate, the structure of the single crystal Si thin film can be simplified as compared with the MOS type, and the effect can be obtained that the single crystal Si thin film can be bonded to the insulating substrate without performing the planarization process. .
[0359]
More preferably, a predetermined concentration of hydrogen ions is implanted at a predetermined depth into a single crystal Si substrate for forming the single crystal Si thin film device.
[0360]
Therefore, there is an effect that the single crystal Si thin film device can be easily formed on the insulating substrate without using an adhesive.
[0361]
The hydrogen ion implantation energy is obtained by subtracting the energy corresponding to the projection range of hydrogen ions corresponding to the oxide film thickness from the hydrogen ion implantation energy, the energy corresponding to the oxide film thickness. It is more preferable that the energy is set to be smaller than the energy corresponding to the projection range of the constituent atoms of the material existing in the layer formed on the oxide film.
[0362]
Therefore, for example, in a MOS type single crystal Si thin film transistor, a hydrogen ion irradiated on a single crystal Si substrate collides with a constituent atom of a gate electrode material or a metal wiring material, and is repelled by elastic scattering. The constituent atoms of the electrode material pass through the oxide film, reach the single-crystal Si, and the effect of preventing deterioration in characteristics or reliability due to contamination of the single-crystal Si portion can be prevented.
[0363]
More preferably, the thickness of the single crystal Si substrate having the hydrogen ion implanted portion is approximately 100 microns or less.
[0364]
Therefore, the single-crystal Si layer can be reduced to about 1/10 of the original substrate, and the bending rigidity of the Si substrate is reduced, so that the same bonding can be performed with respect to fine irregularities due to surface scratches or particles on the glass substrate side. Even under the condition of energy, there is an effect that it is easy to bend and the influence of those can be reduced.
[0365]
Therefore, with the above thickness, it is possible to greatly reduce the bonding failure due to surface scratches, particles, and the like on the glass substrate side without greatly impairing the handleability of the divided small and thin Si substrate.
[0366]
After the non-single-crystal Si thin film is formed on the insulating substrate, at least a surface region to be joined to the single-crystal Si from which the non-single-crystal Si has been removed is previously subjected to a GCIB (Gas Cluster Ion Beam) of a halide of about 3 keV. More preferably, it is flattened.
[0367]
Therefore, when low energy (about 3 keV) oxygen or halide GCIB is irradiated, the Si or SiO2 surface is lightly etched and the micro roughness of the surface is improved. Therefore, there is an effect that the success rate of the bonding can be greatly improved as compared with the bonding of the conventional Si substrate.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1I are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device showing one embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIGS. 2A to 2I are cross-sectional views illustrating a semiconductor device manufacturing process according to another embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
FIGS. 3A to 3I are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device showing still another embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the bipolar single-crystal Si thin film transistor shown in FIG.
FIGS. 5A to 5F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device showing still another embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
FIGS. 6A to 6I are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device showing still another embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing an active matrix substrate formed using the semiconductor device according to the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a difference in linear expansion between single crystal Si and a glass substrate with respect to a temperature from room temperature to 600 ° C. in a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram when performing alignment between single crystal Si and a glass substrate at room temperature in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1a ・ 1b ・ 1c Non-single-crystal Si thin film transistor
2 Insulating substrate
3 SiO Two Film (oxide film)
8 SiO Two Film (interlayer planarization insulating film)
4 SiO Two Film (interlayer insulating film)
5 Amorphous Si thin film
5 'non-single crystal Si thin film
6.12 Gate electrode
7.13.61 SiO Two Film (gate insulating film)
10a ・ 10b ・ 10c Single crystal Si substrate
11 Unnecessary parts
14a ・ 14b Single-crystal Si thin film
15 Hydrogen ion implanter
16a ・ 16b Single crystal Si thin film transistor
20, 30, 40, 50, 60 Semiconductor Devices
21 Contact hole
22 Metal wiring
25 Collector
26 base
27 Emitter
51 Amorphous Si thin film
51 'continuous grain boundary Si thin film
52 Non-single-crystal Si thin film
62 silicon nitride film
63 Amorphous Si film
64 N + Amorphous Si film
65 metal film
70 Active matrix substrate
71 Drive Circuit
72 Display
90 CCD camera for positioning
91 Positioning Stage
93 Alignment mark on glass substrate
94 Alignment mark on single crystal Si

Claims (37)

表面に酸化膜、ゲートパターン、不純物イオン注入部が形成された後に表面が平坦化されており、所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部を備えていることを特徴とする単結晶Si基板。After the oxide film, the gate pattern, and the impurity ion implanted portion are formed on the surface, the surface is flattened, and a hydrogen ion implanted portion having a predetermined concentration of hydrogen ions implanted at a predetermined depth is provided. Characteristic single crystal Si substrate. 表面近傍に不純物イオンが注入されたpnp接合構造あるいはnpn接合構造を有する不純物イオン注入または拡散領域と、該不純物イオン注入部または該拡散領域上に堆積された酸化膜とを有していることを特徴とする単結晶Si基板。It is necessary to have an impurity ion implanted or diffused region having a pnp junction structure or an npn junction structure in which impurity ions are implanted in the vicinity of the surface, and an oxide film deposited on the impurity ion implanted portion or the diffusion region. Characteristic single crystal Si substrate. 上記所定の深さに所定の濃度の水素イオンが注入された水素イオン注入部を備えていることを特徴とする請求項2に記載の単結晶Si基板。3. The single crystal Si substrate according to claim 2, further comprising a hydrogen ion implanted portion into which hydrogen ions of a predetermined concentration are implanted at the predetermined depth. 上記酸化膜は、膜厚が200nm以上になるように形成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の単結晶Si基板。The single-crystal Si substrate according to claim 1, wherein the oxide film is formed to have a thickness of 200 nm or more. 絶縁基板上の異なる領域に、非単結晶Si薄膜デバイスと、単結晶Si薄膜デバイスとがそれぞれ形成されていることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device, wherein a non-single-crystal Si thin-film device and a single-crystal Si thin-film device are formed in different regions on an insulating substrate. 上記単結晶Si薄膜デバイスは、上記絶縁基板に対して、無機系の絶縁膜を介して接合されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 5, wherein the single crystal Si thin film device is joined to the insulating substrate via an inorganic insulating film. 上記非単結晶Si薄膜デバイスおよび上記単結晶Si薄膜デバイスは、ともにMOS型あるいはMIS型の薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 5, wherein the non-single-crystal Si thin-film device and the single-crystal Si thin-film device are both MOS type or MIS type thin film transistors. 上記MOS型の薄膜トランジスタは、上記絶縁基板側からゲート、ゲート絶縁膜、Siの順に形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the MOS thin film transistor is formed from a gate, a gate insulating film, and Si in this order from the insulating substrate side. 上記MOS型の薄膜トランジスタのSi薄膜の膜厚は、略600nm以下であることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置。9. The semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the Si thin film of the MOS thin film transistor is about 600 nm or less. 上記MOS型の薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略100nm以下であることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置。9. The semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the single-crystal Si thin film of the MOS thin film transistor is approximately 100 nm or less. 上記MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタの金属配線パターンは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタのゲートパターンよりも緩い配線形成ルールによって形成された部分を含むことを特徴とする請求項7〜10の何れか1項に記載の半導体装置。The metal wiring pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor includes a portion formed by a wiring forming rule that is looser than the gate pattern of the MOS type single crystal Si thin film transistor. 2. The semiconductor device according to claim 1. 上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、
上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
The non-single-crystal Si thin film device is a MOS or MIS type non-single-crystal Si thin film transistor,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal Si thin film device is a bipolar single crystal Si thin film transistor.
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、
上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型およびバイポーラ型の何れか一方、あるいは両方の単結晶Si薄膜トランジスタを含むことを特徴とする請求項6〜12に記載の半導体装置。
The non-single-crystal Si thin film device is a MOS or MIS type non-single-crystal Si thin film transistor,
13. The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal Si thin film device includes one of a MOS type and a bipolar type, or both of them.
上記非単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型あるいはMIS型の非単結晶Si薄膜トランジスタであって、
上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型単結晶Si薄膜トランジスタとショットキー型もしくはPN接合型のダイオードを含むイメージセンサあるいはCCD形イメージセンサを備えていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
The non-single-crystal Si thin film device is a MOS or MIS type non-single-crystal Si thin film transistor,
7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal Si thin film device includes an image sensor including a MOS type single crystal Si thin film transistor and a Schottky type or PN junction type diode or a CCD type image sensor. .
上記単結晶SiからなるMOS型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜は、バイポーラ型薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜よりも膜厚が小さいことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the single crystal Si thin film of the MOS thin film transistor made of single crystal Si has a smaller thickness than the single crystal Si thin film of the bipolar thin film transistor. 上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタは、ベース、コレクタおよびエミッタ領域が同一平面に形成、配置された平面構造であることを特徴とする請求項12〜14の何れか1項に記載の半導体装置。15. The semiconductor device according to claim 12, wherein the bipolar single-crystal Si thin film transistor has a planar structure in which a base, a collector, and an emitter region are formed and arranged on the same plane. 上記バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのメタル配線、コンタクトパターンは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタのベースパターンよりも緩い配線形成ルールによって形成された部分を含むことを特徴とする請求項12〜16の何れか1項に記載の半導体装置。17. The method according to claim 12, wherein the metal wiring and the contact pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor include a portion formed by a wiring forming rule that is looser than the base pattern of the bipolar type single crystal Si thin film transistor. The semiconductor device according to claim 1. 上記バイポーラ型単結晶Si薄膜トランジスタの単結晶Si薄膜の膜厚は、略800nm以下であることを特徴とする請求項12〜17の何れか1項に記載の半導体装置。18. The semiconductor device according to claim 12, wherein the thickness of the single crystal Si thin film of the bipolar single crystal Si thin film transistor is approximately 800 nm or less. 上記非単結晶Si薄膜は多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることを特徴とする請求項7〜11、13〜15の何れか1項に記載の半導体装置。The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film, and the MOS thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed from the substrate side in the order of non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate. The semiconductor device according to any one of claims 7 to 11, and 13 to 15, wherein: 上記非単結晶Si薄膜は多結晶Si薄膜もしくは連続粒界Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることを特徴とする請求項7〜11、13〜15および19の何れか1項に記載の半導体装置。The non-single-crystal Si thin film is a polycrystalline Si thin film or a continuous grain Si thin film. The MOS thin film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. The semiconductor device according to any one of claims 7 to 11, 13 to 15, and 19, wherein: 上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型あるいはMIS型の薄膜トランジスタは、基板側からゲート、ゲート絶縁膜、非単結晶Siの順に形成されていることを特徴とする請求項7〜11、13〜15および20の何れか1項に記載の半導体装置。The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS or MIS thin-film transistor formed of the non-single-crystal Si thin film is formed in the order of a gate, a gate insulating film, and non-single-crystal Si from the substrate side. The semiconductor device according to any one of claims 7 to 11, 13 to 15, and 20. 上記非単結晶Si薄膜は非晶質Si薄膜であって、上記非単結晶Si薄膜からなるMOS型あるいはMIS型薄膜トランジスタは、基板側から非単結晶Si、ゲート絶縁膜、ゲートの順に形成されていることを特徴とする請求項7〜11、13〜15および21の何れか1項に記載の半導体装置。The non-single-crystal Si thin film is an amorphous Si thin film, and the MOS or MIS thin-film transistor made of the non-single-crystal Si thin film is formed by forming non-single-crystal Si, a gate insulating film, and a gate in this order from the substrate side. The semiconductor device according to any one of claims 7 to 11, 13 to 15, and 21. 上記単結晶Si薄膜デバイスを構成する単結晶Siと上記絶縁基板の線膨張の差は、略室温から600℃の温度範囲において約250ppm以下であることを特徴とする請求項5〜22の何れか1項に記載の半導体装置。23. The method according to claim 5, wherein a difference in linear expansion between the single crystal Si forming the single crystal Si thin film device and the insulating substrate is about 250 ppm or less in a temperature range from about room temperature to 600 ° C. 2. The semiconductor device according to claim 1. 上記絶縁基板は、少なくとも、上記単結晶Si薄膜デバイスが形成される領域の表面にSiO2膜が形成されたアルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラスからなる高歪点ガラスであることを特徴とする請求項5〜23の何れか1項に記載の半導体装置。The insulating substrate is a high strain point glass made of an alkaline earth-aluminoborosilicate glass having an SiO 2 film formed on at least a surface of a region where the single crystal Si thin film device is formed. Item 24. The semiconductor device according to any one of Items 5 to 23. 上記絶縁基板は、バリウム−硼珪酸ガラス、バリウム−アルミノ硼珪酸ガラス、アルカリ土類−アルミノ硼珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ土類−亜鉛−鉛−アルミノ硼珪酸ガラスおよびアルカリ土類−亜鉛−アルミノ硼珪酸ガラスのうち何れかのガラスから形成されていることを特徴とする請求項5〜23の何れか1項に記載の半導体装置。The insulating substrate is made of barium-borosilicate glass, barium-aluminoborosilicate glass, alkaline earth-aluminoborosilicate glass, borosilicate glass, alkaline earth-zinc-lead-aluminoborosilicate glass and alkaline earth-zinc- The semiconductor device according to any one of claims 5 to 23, wherein the semiconductor device is formed of any one of aluminoborosilicate glass. 上記単結晶Siの領域内における少なくとも一部のパターンの位置合わせマージンは、マザー基板全体あるいは表示領域、もしくはデバイス全体のパターンの位置合わせマージンより小さく、高精度であることを特徴とする請求項5〜25の何れか1項に記載の半導体装置。6. The alignment margin of at least a part of the pattern in the single-crystal Si region is smaller than the alignment margin of the pattern of the entire mother substrate, the display region, or the entire device, and has high accuracy. 26. The semiconductor device according to any one of items 25 to 25. 上記単結晶Si領域内の位置合わせマークおよび透明基板上の位置合わせマークは、上記単結晶Si上に形成された位置合わせマークを透明基板側から可視光あるいは可視光より短波長の光で検出され、透明基板上に形成された位置合わせマークと位置合わせすることが可能な形状からなることを特徴とする請求項5〜26の何れか1項に記載の半導体装置。The alignment mark in the single-crystal Si region and the alignment mark on the transparent substrate are obtained by detecting the alignment mark formed on the single-crystal Si with visible light or light of a shorter wavelength than visible light from the transparent substrate side. 27. The semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor device has a shape capable of being aligned with an alignment mark formed on a transparent substrate. 上記単結晶Si薄膜デバイスを含む回路を絶縁基板上に形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a circuit including a single-crystal Si thin film device on an insulating substrate; and then forming the non-single-crystal Si thin film. 上記単結晶Si薄膜デバイス上に保護間絶縁膜、コンタクトホールおよびメタル配線を形成することを特徴とする請求項28に記載の半導体装置の製造方法。29. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 28, wherein an inter-protection insulating film, a contact hole, and a metal wiring are formed on the single crystal Si thin film device. 上記単結晶Si薄膜デバイスを形成した後、上記非単結晶Si薄膜を形成する前に、層間絶縁膜を形成することを特徴とする請求項28または29に記載の半導体装置の製造方法。30. The method according to claim 28, wherein an interlayer insulating film is formed after forming the single-crystal Si thin film device and before forming the non-single-crystal Si thin film. 絶縁基板上に、単結晶Si薄膜デバイスと非単結晶Si薄膜とが形成された半導体装置の製造方法において、
上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、上記単結晶Si薄膜デバイスを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a single-crystal Si thin-film device and a non-single-crystal Si thin film are formed on an insulating substrate,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming the non-single-crystal Si thin film on the insulating substrate and then forming the single-crystal Si thin-film device.
上記単結晶Si薄膜デバイスは、MOS型の単結晶Si薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項28〜31の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method according to any one of claims 28 to 31, wherein the single crystal Si thin film device is a MOS type single crystal Si thin film transistor. 上記単結晶Si薄膜デバイスは、バイポーラ型の単結晶Si薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項28〜32の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。33. The method according to claim 28, wherein the single crystal Si thin film device is a bipolar single crystal Si thin film transistor. 上記単結晶Si薄膜デバイスを形成するための単結晶Si基板に対して、所定の深さに所定の濃度の水素イオンを注入することを特徴とする請求項28〜33の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。34. A single crystal Si substrate for forming the single crystal Si thin film device, wherein a predetermined concentration of hydrogen ions is implanted at a predetermined depth. Manufacturing method of a semiconductor device. 上記水素イオンの注入エネルギーは、該水素イオンの注入エネルギーから上記酸化膜の膜厚に相当する水素イオンのプロジェクションレンジに対応するエネルギーを差し引いたエネルギーが、上記酸化膜の膜厚に相当する、該酸化膜上に形成された層内に存在する材料の構成原子のプロジェクションレンジに対応するエネルギーよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項34に記載の半導体装置の製造方法。The hydrogen ion implantation energy is obtained by subtracting the energy corresponding to the projection range of hydrogen ions corresponding to the oxide film thickness from the hydrogen ion implantation energy, the energy corresponding to the oxide film thickness. 35. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 34, wherein the energy is set to be smaller than the energy corresponding to the projection range of the constituent atoms of the material existing in the layer formed on the oxide film. 上記水素イオン注入部を有する単結晶Si基板の厚みが概100ミクロン以下であることを特徴とする請求項34または35に記載の半導体装置の製造方法。36. The method according to claim 34, wherein the thickness of the single crystal Si substrate having the hydrogen ion implanted portion is about 100 μm or less. 上記非単結晶Si薄膜を上記絶縁基板上に形成した後、少なくとも上記非単結晶Siを除去した単結晶Siを接合すべき表面領域を予め約3keVのハロゲン化物のGCIB(Gas Cluster Ion Beam)により平坦化することを特徴とする請求項31に記載の半導体装置の製造方法。After the non-single-crystal Si thin film is formed on the insulating substrate, at least a surface region to be joined to the single-crystal Si from which the non-single-crystal Si has been removed is previously subjected to a GCIB (Gas Cluster Ion Beam) of a halide of about 3 keV. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 31, wherein planarization is performed.
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