JP2006005245A - 半導体基板の製造方法、及び半導体基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置Sの製造方法は、半導体層20の表面に絶縁層であるゲート酸化膜4を形成する絶縁層形成工程と、半導体層20に対し、半導体層における上記剥離用物質の移動を抑止するためのホウ素イオンを注入し、該半導体層20に拡散抑止層35を形成する拡散抑止層形成工程と、拡散抑止層35のホウ素を加熱して活性化させる活性化工程と、半導体層20に水素イオンを注入し、半導体層20の領域のうち拡散抑止層35を介してゲート酸化膜4と反対側の領域に剥離層36を形成する剥離層形成工程と、半導体層20のゲート酸化膜4側にガラス基板18を貼り合わせる貼り合わせ工程と、半導体層20を熱処理することにより、半導体層20を剥離層36に沿って分割する分割工程とを備えている。
【選択図】図10
Description
Michel Bruel ,"Smart-Cut:A New Silicon On Insulator Material Technology Based on Hydorogen Implantation and Wafer Bonding",Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.36(1997),pp.1636-1641 G.K.Celler ,"frontiers of silicon-on-insulator",J.Appl.Phys.,Vol.93(2003),pp.4965
D≦2.7×108×E2.78
を満たす条件でイオン注入して形成されることが好ましい。
次に、本発明の作用について説明する。
図1〜図11は、本発明に係る実施形態1にかかる断面図である。本実施形態1においては、一方の基板に半導体デバイス部Tを全て形成した後、他の基板K(以下、基板Kと称する。)に貼り合せて半導体装置Sを形成する場合について説明する。また、説明の便宜上、上下左右といった位置或いは方向を示す記載については、図面を正面視した場合を基準として記載している。
次に、本実施形態の半導体基板S及び半導体デバイス部Tの製造方法について、図1〜図12を参照して説明する。
さらに具体的には、半導体デバイス部Tの製造方法は、剥離用物質である水素、あるいは水素および希ガスを単結晶シリコン層に注入して加熱することにより、単結晶シリコン基板の一部を分割除去する工程を含む製造方法であって、水素の透過拡散を抑止する拡散抑止層35を単結晶シリコン層に形成する工程と、水素を含む剥離層36を単結晶シリコン層に形成する工程と、熱処理を行うことにより剥離層36に沿って単結晶シリコン層の一部を剥離する工程とを備えている。
また、シリコンウェハ表面における拡散抑止用ホウ素元素の濃度は、イオン注入条件のドーズ量、注入エネルギー、および半導体デバイス形成プロセス中の熱処理条件の関数として与えられる。例えば、900℃10分間熱処理でのチャネル領域23のゲート電極6側の表面濃度が1×1017cm-3以下を満たすようなホウ素のドーズ量及び注入エネルギー領域は図33の実線よりも下方の領域となる。従って、900℃10分間熱処理でのシリコンウェハ1の表面濃度が1×1017cm-3以下を満たすホウ素のドーズ量D(cm-2)と注入エネルギーE(KeV)の条件は、
D≦2.7×108×E2.78・・・・・・・・・・・・(1)
となる。
1×1012cm-2≦D≦2.7×108×E2.78・・・(2)
となる。これは、図33の斜線部分に相当する。
次に、剥離工程を行う。剥離工程では、図11に示すように、例えば600℃の温度環境下で数分間程度の間、熱処理することにより、シリコン基板1の一部を剥離層36に沿って剥離する。このことにより、シリコン基板1は薄膜化され、半導体デバイス部T(NMOSトランジスタ)は、半導体層20と共にガラス基板18上に配置されることとなる。トランジスタの特性に影響を与えないように、水素の拡散を抑制するためには、上記熱処理温度をなるべく低温にすると共に、熱処理時間を短くすることが望ましい。
以上のとおりであるので、この実施形態1によると、剥離工程における熱処理時に拡散抑止層35に配置された方その作用により、剥離用物質である水素をトラップできるため、水素が拡散抑止層35を越えて半導体層20側に拡散することを防止できる。従って、剥離工程において、水素が半導体層20に拡散することに起因して半導体層20の電気特性が悪影響を受けることを抑止することが可能である。
図13〜図23は、本発明に係る半導体基板の実施形態2にかかる半導体装置、及びその製造方法を示す断面図である。尚、以降の各実施形態では、図1〜図11と同じ部分に同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
次に、本実施形態の半導体装置S、及びシリコン基板層Lを含む半導体デバイス部Tの製造方法について、図13〜図23を参照して説明する。
したがって、この実施形態によると、活性化されたホウ素により水素をトラップできるため、水素が後に半導体層20を形成する領域へ移動することを防げる。その結果、その後のデバイス形成工程において、閾値制御性が悪化せず、良好な特性のトランジスタを形成することが可能となる。
また、上記の製造方法によれば、しきい値制御性が良く、特性ばらつきの小さな薄膜単結晶シリコン基板をガラス基板上に形成できるので、ガラス基板上に形成された多結晶シリコンや非晶質シリコンとは異なり、単結晶シリコン基板上に形成するトランジスタと同等もしくはそれ以上の高性能な電気特性を有するトランジスタを形成することができる。
図24〜図32は、本発明に係る半導体基板の実施形態3にかかる半導体装置、及びその製造方法を示す断面図である。
次に、本実施形態の半導体装置Sの製造方法と、半導体層−ゲート電極部G、及びコンタクト−電極部Iにより構成される半導体デバイス部Tの製造方法とについて、図24〜図32を参照して説明する。
したがって、この実施形態によると他の実施形態と同様に、剥離用物質の悪影響が無く、しきい値制御性に優れ、しきい値ばらつきの小さな半導体シリコン薄膜を半導体層に用いることができる。
上記実施形態では、剥離用物質として水素イオンを適用したが、水素の代わりに水素と少なくとも1種類以上の不活性元素(例えばHe,Ne,Ar,Xe,Rn等)を注入するようにしてもよい。ヘリウムイオン等の不活性ガス元素は、電気的に不活性であり、不活性ガス元素の併用により水素元素濃度を減少させることができるため、水素元素によりトランジスタ等の半導体デバイス部Tに与える悪影響の度合いを軽減できる利点がある。ただし、注入工程を2回行う必要が生ずるデメリットがある。したがって、製造の容易化の観点からは、上述のように、剥離用物質には水素を適用することが好ましい。
K 基板
T 半導体デバイス部
G 半導体層−ゲート電極部
I コンタクト−電極部
1 半導体基板、シリコン基板
4 ゲート絶縁膜(絶縁層)
5 ホウ素(拡散抑止用物質)
13 水素(剥離用物質)
18 ガラス基板(基板)
20 半導体シリコン層(半導体層)
35 拡散抑止層(拡散抑止用物質含有層)
36 剥離層(剥離用物質含有層)
Claims (48)
- 基板に、拡散抑止層と、剥離層とを形成し、熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離すると共に、前記剥離層に配された剥離用物質が前記拡散抑止層を超えて拡散することを抑止することを特徴とする半導体基板の製造方法。
- 剥離用物質の透過拡散を抑止する拡散抑止層を基板に形成する工程と、
前記剥離用物質を含む剥離層を前記基板に形成する工程と、
熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する工程とを備えていることを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 基板に、拡散抑止層と、剥離層とを形成し、前記基板を他の基板に接合した後に、熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離すると共に、前記剥離層に配された剥離用物質が前記拡散抑止層を超えて拡散することを抑止することを特徴とする半導体基板の製造方法。
- 剥離用物質の透過拡散を抑止する拡散抑止層を基板に形成する工程と、
前記剥離用物質を含む剥離層を前記基板に形成する工程と、
前記基板を他の基板に接合した後に、熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する工程とを備えていることを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記他の基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法
- 前記基板は、前記剥離層に沿って一部が剥離される前に、半導体デバイス部の少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記基板は、前記剥離層に沿って一部が剥離される前に、半導体デバイス部の全体が形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記基板の一部を剥離した後に、前記剥離層及び前記拡散抑止層を前記基板から除去することを特徴とする請求項1から8のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記剥離層と前記拡散抑止層を前記基板から除去した後に、半導体デバイス部の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記剥離層は、剥離用物質の濃度分布のピークを含む層であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記剥離用物質は、水素であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記剥離用物質は、水素及び希ガスであることを特徴とする請求項1から11のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法。
- 前記拡散抑止層には、剥離用物質の拡散を抑止する拡散抑止用物質が含まれ、
前記拡散抑止用物質は、ホウ素であることを特徴とする請求項1から13のいずれ1つに記載の半導体基板の製造方法。 - 前記拡散抑止層は、ホウ素イオンの注入エネルギ−をE(KeV)、ドーズ量をD(cm-2)としたとき、
D≦2.7×108×E2.78
を満たす条件でイオン注入して形成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記拡散抑止層には、剥離用物質の拡散を抑止する拡散抑止用物質であるホウ素が含まれ、前記半導体デバイス部の半導体層における前記拡散抑止用物質の濃度は、前記半導体層の表面において1×1017cm-3以下であることを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板に保護膜を形成した後、前記半導体デバイス部の一部である半導体層をイオン注入によって形成し、その後に前記保護膜を除去して900度以上で絶縁膜を形成し、その後に前記拡散抑止層を形成する物質をイオン注入することにより、半導体層形成時のイオン注入による前記絶縁膜の特性劣化を防止することを特徴とする請求項7に記載の半導体基板の製造方法。
- 基板に、ホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、
前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、
水素イオンを含むイオンを前記基板に注入し、前記拡散抑止層のイオン注入を行なった基板面とは反対側に前記拡散抑止層に沿って剥離層を形成する剥離層形成工程と、
前記基板を熱処理することによって、前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とを含む、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 基板に、ホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、
前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、
水素イオンを含むイオンを前記基板に注入し、前記拡散抑止層のイオン注入を行なった基板面とは反対側に剥離層を形成する剥離層形成工程と、
前記基板を他の基板に貼り付ける貼付工程と、
前記基板を熱処理することによって、前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程を含む、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 基板に、半導体デバイス部の少なくとも一部を設ける半導体デバイス部形成工程と、
前記半導体デバイス部に沿ってホウ素イオンを含むイオンを前記基板に注入し、拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、
前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、
前記拡散抑止層の半導体デバイス部配置側とは反対側に、水素イオンを含むイオンを注入して剥離層を形成する剥離層形成工程と、
前記基板を熱処理することによって、前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程を含む、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 基板に、半導体デバイス部の少なくとも一部を形成する半導体デバイス部形成工程と、
前記半導体デバイス部に沿ってホウ素イオンを含むイオンを前記基板に注入し、拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、
前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、
前記拡散抑止層の半導体デバイス部の少なくとも一部を形成した側とは反対側に、水素イオンを含むイオンを注入して剥離層を形成する剥離層形成工程と、
前記基板を他の基板に貼り付ける貼付工程と、
前記基板を熱処理することによって、前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程を含む、
ことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記半導体デバイス部形成工程によって形成される半導体デバイス部は、半導体層であることを特徴とする請求項20又は21に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記他の基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項19又は21に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項18から23のいずれか1つに記載の半導体基板の製造方法
- 単結晶シリコン材料からなり、水素を含む剥離層にて一部が剥離される半導体基板であって、
半導体デバイス部の少なくとも一部を有すると共に、該半導体デバイス部に沿ってホウ素の濃度分布のピークが層状に形成されていることを特徴とする半導体基板。 - 単結晶シリコン基板に、少なくとも一部が形成された半導体デバイス部と、
前記半導体デバイス部に沿って、ホウ素の濃度分布のピークが層状に形成されると共に、前記ホウ素の濃度分布のピークから見て前記半導体デバイス部が形成されている側とは反対側に水素の濃度分布のピークが層状に形成されていることを特徴とする半導体基板。 - 半導体層が形成された単結晶シリコン材料からなる半導体基板であって、
前記半導体層に形成された水素及びホウ素の濃度分布が一面から他面に向かって傾斜していることを特徴とする半導体基板。 - 半導体層と、剥離層とを有し、熱処理することによって前記剥離層に沿って一部が剥離された単結晶シリコン基板を、ガラス基板に貼合して構成された半導体基板であって、
前記半導体層に形成された水素及びホウ素の濃度分布が一面から他面に向かって傾斜していることを特徴とする半導体基板。 - 単結晶シリコン基板に、少なくとも半導体層を含む半導体デバイス部と、
前記半導体デバイス部に沿って設けられ、熱処理によって前記単結晶シリコン基板の一部を剥離するための剥離用物質である水素を含む剥離層と、
前記剥離層と前記半導体デバイス部の間に設けられ、前記熱処理によって前記水素が前記半導体デバイス部に拡散することを抑止する拡散抑止用物質であるホウ素を含む拡散抑止層とを備えたことを特徴とする半導体基板。 - 前記半導体デバイス部は半導体層とゲート電極を含み、
前記半導体層のゲート電極側の表面における前記拡散抑止用物質の濃度は、前記半導体層の表面において1×1017cm-3以下であることを特徴とする請求項29記載の半導体基板。 - 前記半導体デバイス部は半導体層を含み、
前記半導体層における前記拡散抑止用物質の濃度は、前記半導体層の表面において1×1017cm-3以下であることを特徴とする請求項29記載の半導体基板。 - 剥離層を形成し熱処理することによって前記剥離層に沿って一部が剥離された単結晶シリコン基板が、ガラス基板に貼合されて構成された半導体基板であって、
ガラス基板に貼合わされた単結晶シリコン基板は、水素及びホウ素の濃度分布が一面から他面に向かって傾斜していることを特徴とする半導体基板。 - 前記単結晶シリコン基板に形成される半導体デバイス部と、前記ガラス基板に形成される半導体デバイス部とが、同一のプロセスで形成された層を含むことを特徴とする請求項32に記載の半導体基板。
- 単結晶シリコン材料からなり、水素の濃度ピークが層状に形成されているとともに、前記水素の濃度ピークが層状に形成された位置よりも表面側に、ホウ素の濃度分布のピークが層状に形成されていることを特徴とする半導体基板。
- 単結晶シリコン基板に、熱処理によって前記単結晶シリコン基板の一部を剥離するための剥離用物質である水素を含む剥離層と、
前記剥離層と前記単結晶シリコン基板の剥離される一部の間に設けられ、前記熱処理によって前記水素が前記単結晶シリコン基板の剥離される一部に拡散することを抑止する拡散抑止用物質であるホウ素を含む拡散抑止層とを備えたことを特徴とする半導体基板。 - 前記単結晶シリコン基板の表面における拡散抑止用物質であるホウ素の濃度は、前記単結晶シリコン基板の表面において1×1017cm-3以下であることを特徴とする請求項35記載の半導体基板。
- 基板に、拡散抑止層と、剥離層とが形成され、熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部が剥離されるときに、前記剥離層に配された剥離用物質は前記拡散抑止層を超えて拡散することが抑止されていることを特徴とする半導体基板。
- 剥離用物質の透過拡散を抑止する拡散抑止層と、前記剥離用物質を含む剥離層とが基板に形成され、
熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部が剥離されていること特徴とする半導体基板。 - 基板に、拡散抑止層と、剥離層とが形成され、前記基板を他の基板に接合した後に熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離すると共に、前記剥離層に配された剥離用物質が前記拡散抑止層を超えて拡散することを抑止されていることを特徴とする半導体基板。
- 剥離用物質の透過拡散を抑止する拡散抑止層と、前記剥離用物質を含む剥離層とが基板に形成され、
前記基板を他の基板に接合した後に、熱処理を行うことにより前記剥離層に沿って前記基板の一部が剥離されていることを特徴とする半導体基板。 - 基板と、該基板に貼合された他の基板とを備える半導体基板であって、
前記基板は、拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、前記拡散抑止層に含まれる拡散抑止用物質を活性化させる活性化工程と、前記拡散抑止層に沿って剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記基板を熱処理することによって、前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とにより形成されたものであることを特徴とする半導体基板。 - 基板に、ホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、水素イオンを含むイオンを注入し、前記拡散抑止層のイオン注入を行なう面とは反対側に前記拡散抑止層に沿って剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記基板を熱処理することにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とを行うことにより形成されたことを特徴とする半導体基板。
- 基板に、ホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、水素イオンを含むイオンを注入し、前記拡散抑止層のイオン注入を行なう面とは反対側に剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記基板を他の基板に貼り付ける貼付工程と、前記基板を熱処理することにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とを行うことにより形成されたことを特徴とする半導体基板。
- 基板に、半導体デバイス部の少なくとも一部を設ける半導体デバイス部形成工程と、前記半導体デバイス部に沿ってホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、前記拡散抑止層の半導体デバイス部配置側とは反対側に水素イオンを含むイオンを注入して剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記基板を熱処理することにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とを行うことにより形成されたことを特徴とする半導体基板。
- 基板に、半導体デバイス部の少なくとも一部を形成する半導体デバイス部形成工程と、前記半導体デバイス部に沿ってホウ素イオンを含むイオンを注入して拡散抑止層を形成する拡散抑止層形成工程と、前記拡散抑止層に含まれるホウ素を活性化させる活性化工程と、前記拡散抑止層の半導体デバイス部の少なくとも一部を形成した側とは反対側に水素イオンを含むイオンを注入して剥離層を形成する剥離層形成工程と、前記基板を他の基板に貼り付ける貼付工程と、前記基板を熱処理することにより前記剥離層に沿って前記基板の一部を剥離する剥離工程とを行うことにより形成されたことを特徴とする半導体基板。
- 前記拡散抑止層は、前記剥離層と共に除去されていることを特徴とする請求項39から45のいずれか1つに記載の半導体基板。
- 前記他の基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項41、43及び45のいずれか1つに記載の半導体基板。
- 前記基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項39から47のいずれか1つに記載の半導体基板。
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