JP2010141246A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱による不具合の発生を回避した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体装置１の製造方法は、表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部４１が形成されているＳｉ基板を用いてＳｉ薄膜トランジスタを形成しており、水素イオン注入部４１にマイクロ波Ｍ１を照射して水素イオン注入部４１を熱処理する照射工程と、照射工程の後、水素イオン注入部４１においてＳｉ基板を劈開剥離して、酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有するＳｉ薄膜を分離する剥離工程と、Ｓｉ薄膜を絶縁基板上に接合する接合工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳細には、Ｓｉ薄膜デバイスが形成される半導体装置の製造方法に関する。

従来、ガラス基板上に形成された非晶質Ｓｉまたは多結晶Ｓｉの薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、以下、ＴＦＴと記す）により、液晶表示パネルおよび有機ＥＬパネル等の駆動を行う液晶表示装置が使用されている。

とりわけ、移動度が高く高速で動作する多結晶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。しかしながら、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、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。そのため、さらに高い性能が要求されるイメージプロセッサおよび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。

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１，２および非特許文献１，２参照）。
特表平７−５０３５５７号公報（１９９５年４月１３日公表） 特開２００４−１６５６００号公報（２００４年６月１０日公開） J.P.Salerno "Single Crystal Silicon AMLCDs",Conference Record of the 1994 International Display Research Conference（IDRC）, 1994, 39-44 Q.-Y.Tong ＆ U.Gesele, SEMICONDUCTOR WAFER BONDING : SCIENCE AND TECHNOLOGY, John Wiley ＆ Sons, New York, 1999

特許文献１には、予め別に作製した単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタを、接着剤を用いてガラス基板上に転写した半導体装置を使用して、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を作製する技術が開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の半導体装置の製造方法では、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。そのため、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。

上記特許文献２に開示されている技術によれば、この問題を解決することができる。しかしながら、耐熱性の観点から、より信頼性が高く、より安全性の高いプロセスの構築が望まれている。

そこで、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、加熱による不具合の発生を回避した半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部が形成されているＳｉ基板を用いてＳｉ薄膜デバイスを形成する、半導体装置の製造方法であって、上記水素イオン注入部にマイクロ波を照射して上記水素イオン注入部を熱処理する照射工程と、上記照射工程の後、上記水素イオン注入部において上記Ｓｉ基板を劈開剥離して、上記酸化膜、上記ゲートパターンおよび上記不純物イオン注入部を有するＳｉ薄膜を分離する剥離工程と、上記Ｓｉ薄膜を絶縁基板上に接合する接合工程とを含む構成である。

上記構成によれば、表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有しており、表面から所定の深さに水素イオン注入部が形成されているＳｉ基板を用いて半導体装置を形成する場合において、まず、その水素イオン注入部においてＳｉ基板を劈開剥離する。劈開剥離されたＳｉ基板のうち、酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有しているＳｉ薄膜を絶縁基板上に接合する。これにより、Ｓｉ薄膜デバイスに含まれる構成が絶縁基板上に形成される。

ここで、水素イオン注入部においてＳｉ基板を劈開剥離するために、水素イオン注入部にマイクロ波を照射して、水素イオン注入部に熱処理を施している。マイクロ波を水素イオン注入部に照射することにより、水素イオン注入部のみを加熱する。すなわち、水素イオン注入部以外の部分が加熱されることを防止することができる。そのため、水素イオン注入部以外の部分に含まれているアルミニウムなどの配線材料が昇温により溶断するといった不具合の発生を回避することができる。したがって、信頼性および安全性により優れた、半導体装置の製造方法を提供できる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、上記マイクロ波は、集束マイクロ波であることが好ましい。

上記構成によれば、水素イオン注入部に照射されるマイクロ波は集束したマイクロ波であるため、水素イオン注入部以外の近傍部分にマイクロ波が照射されることを、より確実に防ぐことができる。そのため、水素イオン注入部以外の部分に設けられている配線材料が熱により溶断するといった不具合の発生を、より確実に抑えることができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、上記照射工程および上記剥離工程は、上記Ｓｉ基板を上記絶縁基板とは異なる支持台に固定して行うことが好ましい。

上記構成によれば、Ｓｉ薄膜デバイスを形成する絶縁基板上ではマイクロ波照射および剥離操作を行わず、Ｓｉ基板を別の支持体に固定してマイクロ波照射および剥離操作を行う。そのため、絶縁基板上の他の構成要素が汚染したり、損傷を受けたりすることを防止することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、上記接合工程では、上記Ｓｉ薄膜を上記絶縁基板上に接合するよりも前に、上記絶縁基板上における上記Ｓｉ薄膜と接合させる領域を、ハロゲン化物のガス・クラスター・イオン・ビームにより平坦化することが好ましい。

上記構成によれば、ハロゲン化物のガス・クラスター・イオン・ビーム（ＧＣＩＢ：Gas Cluster Ion Beam）を照射することにより、Ｓｉ薄膜が接合される領域に対してエッチングが行われ、表面のマイクロラフネスが改善される。そのため、接合の効率を大幅に向上させることができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部が形成されている単結晶Ｓｉ基板を用いて単結晶Ｓｉ薄膜デバイスを形成する、該単結晶Ｓｉ薄膜デバイスと非単結晶Ｓｉ薄膜デバイスとを備えている半導体装置の製造方法において、上記水素イオン注入部にマイクロ波を照射して上記水素イオン注入部を熱処理する照射工程と、上記照射工程の後、上記水素イオン注入部において上記単結晶Ｓｉ基板を劈開剥離して、上記酸化膜、上記ゲートパターンおよび上記不純物イオン注入部を有する単結晶Ｓｉ薄膜を分離する剥離工程と、上記単結晶Ｓｉ薄膜を絶縁基板上に接合する接合工程とを含む構成である。

上記構成によれば、アルミニウムなどの配線材料の溶断といった不具合の発生を回避して、単結晶Ｓｉ薄膜デバイスと非単結晶Ｓｉ薄膜デバイスとを１つの基板上の異なる領域に備えている半導体装置を製造することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記接合工程よりも前に、上記絶縁基板上に上記非単結晶Ｓｉ薄膜を形成することが好ましい。

上記構成によれば、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。

以上のように、本発明に係る半導体装置の製造方法は、表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部が形成されているＳｉ基板の水素イオン注入部にマイクロ波を照射することにより、水素イオン注入部を熱処理し、水素イオン注入部においてＳｉ基板を劈開剥離し、酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有するＳｉ薄膜を分離して、このＳｉ薄膜を絶縁基板上に接合する。そのため、Ｓｉ薄膜デバイスの製造工程において、Ｓｉ基板および絶縁基板全体が加熱されることがなく、アルミニウムなどの配線材料の溶断などによる不具合の発生を抑えることができる。

本発明に係る製造方法の一実施形態について、図１および２に基づいて説明すれば以下の通りである。

〔半導体装置〕
まず、本発明に係る半導体装置の製造方法（以下、本発明の製造方法ともいう）により製造される半導体装置の一実施形態について図２（ｅ）を参照しながら説明する。

図２（ｅ）は、本実施の形態により製造された半導体装置１の断面模式図である。半導体装置１は、非単結晶Ｓｉ薄膜デバイスとしてＭＯＳ型の非単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ２０と、単結晶Ｓｉ薄膜デバイスとしてＭＯＳ型の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０とが絶縁基板１２上の異なる領域に形成された半導体装置である。そのため、半導体装置１は、高性能化および高機能化に適しており、ＴＦＴによるアクティブマトリクス基板に形成される。

半導体装置１は、図２（ｅ）に示すように、絶縁基板１２上に、ＳｉＯ_２膜（酸化膜）１３と、連続結晶粒界Ｓｉからなる非単結晶Ｓｉ薄膜２５’を含むＭＯＳ型の非単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ２０と、単結晶Ｓｉ薄膜（Ｓｉ薄膜）３５を含むＭＯＳ型の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０と、金属配線（不図示）とを備えている。

ＭＯＳ型の両薄膜トランジスタ２０，３０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。

絶縁基板１２は、絶縁性を有していればよく、ここでは、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。

ＳｉＯ_２膜１３は、絶縁基板１２の表面全体に、膜厚約５０ｎｍで形成されている。

非単結晶Ｓｉ薄膜２５’を含むＭＯＳ型の非単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ２０は、ＳｉＯ_２膜１３上に、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’、ゲート絶縁膜としてのＳｉＯ_２膜１７およびゲート電極２６を有している。

非単結晶Ｓｉ薄膜２５’には、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（ＣＧＳ：Continuous Grain Silicon）を用いている。これにより、通常の多結晶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２０を得ることができる。

ゲート電極２６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、他のシリサイドまたはポリサイド等から形成されていてもよい。

単結晶Ｓｉ薄膜３５を含むＭＯＳ型の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０は、ゲート電極（ゲートパターン）３６を有する平坦化層、ゲート絶縁膜としてのＳｉＯ_２膜（酸化膜）３３、および単結晶Ｓｉ薄膜３５を有している。

ゲート電極３６の材料は、ヘビードープの多結晶Ｓｉ膜および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およびシリサイドであってもよく、必要な抵抗および耐熱性を考慮して選択される。

単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０を形成するゲート電極３６、ゲート絶縁膜３３および単結晶Ｓｉ薄膜３５は、後述するように、絶縁基板１２とは別の単結晶Ｓｉ基板（Ｓｉ基板）上で形成される。単結晶Ｓｉ基板の所定の位置で劈開剥離し、ゲート電極３６などの各構成を全て有する単結晶Ｓｉ薄膜３５を絶縁基板１２上に接合することにより、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０が形成される。よって、ゲート電極３６の形成、およびソース・ドレイン電極形成のための不純物イオン注入は、単結晶Ｓｉ基板上で行われる。この場合、絶縁基板１２上に単結晶Ｓｉ薄膜を形成して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。

本発明の製造方法に用いられる単結晶Ｓｉ基板は、薄膜化して単結晶Ｓｉ薄膜３５を形成する材料となるものであり、表面にゲート電極３６などが形成された後、最終的に不要部分４２と単結晶Ｓｉ薄膜３５とに分けられる。

非単結晶Ｓｉ薄膜２５’の領域と単結晶Ｓｉ薄膜３５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３５に、Ｎｉ、Ｐｔ、ＳｎおよびＰｄ等の金属原子が拡散することを防止することができ、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０の特性を安定化させることができる。

以上のように、半導体装置１は、１枚の絶縁基板１２上に、ＭＯＳ型の非単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ２０と、ＭＯＳ型の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０とが共存しているため、特性が異なる複数の回路を集積化した高性能・高機能を有する半導体装置を実現している。

液晶表示装置のアクティブマトリクス基板に半導体装置１を含む場合には、さらにＳｉＮ_Ｘ（窒化Ｓｉ）、樹脂平坦化膜、ビアホール、透明電極が形成される。また、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’の領域には、ドライバおよび表示部用のＴＦＴが形成される。さらに、より高性能が要求されるデバイスに適用可能な単結晶Ｓｉ薄膜３５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。

〔半導体装置の製造方法〕
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態について、図１および２を参照しながら説明する。

本発明の製造方法では、単結晶Ｓｉ基板上に、薄膜化すれば単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０となる部分（以下、単結晶薄膜トランジスタ形成部分）３０’を形成し、この部分を劈開剥離により分離して、絶縁基板１２上に移すことにより、絶縁基板１２上に単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０を形成している。

（単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分製造工程）
まず、単結晶Ｓｉ基板上に単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を形成する方法について説明する。

予め一般的なＩＣ製造ラインにおいて、単結晶Ｓｉ基板上に、ゲート電極３６、ゲート絶縁膜３３を形成し、ソース・ドレイン不純物イオン注入（ＢＦ^３＋、Ｐ^＋）し、Ｐ型およびＮ型各のチャネル部分へチャネル注入を行う。ゲート電極３６上に保護絶縁膜、平坦化膜（ＢＰＳＧ）を形成した後、ＣＭＰ（Chemical-mechanical Polishing）によって平坦化処理を行う。続いて、膜厚約１０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成し、５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量の水素イオンを所定のエネルギーにて注入することにより、単結晶Ｓｉ基板内に水素イオン注入部４１を形成する。水素イオン注入部４１を熱処理することにより、水素イオン注入部４１において単結晶Ｓｉ基板を劈開剥離することが可能となる。水素イオン注入部４１は、劈開剥離を行ったときにゲート電極３６およびゲート絶縁膜３３などと一体となって単結晶Ｓｉ薄膜が作り出される位置に形成される。次いで、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’が形成された単結晶Ｓｉ基板を、絶縁基板１２上の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成領域に適合した所定のサイズに切断する。

次いで、所定のサイズに切断した単結晶Ｓｉ基板をウェハ保持テーブル（支持台）６２に固定し、水素イオン注入部４１にマイクロ波Ｍ１を照射して水素イオン注入部４１を加熱する。マイクロ波照射による加熱後、水素イオン注入部４１を境に劈開剥離を行って、単結晶Ｓｉ基板を、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’と不要部分４２とに分離する。すなわち、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’は、ゲート絶縁膜３３、ゲート電極３６およびソース・ドレイン不純物イオン注入部などを有するＳｉ薄膜からなる。

ここで、まず、マイクロ波照射による加熱処理に関し、マイクロ波を用いることの利点について説明する。水素イオン注入部４１のみを昇温させる手段としては、レーザー光線照射およびマイクロ波照射が考えられる。レーザー光線は、一般的に、ある一点にエネルギーを集中させることで、その部分の温度を上げることができる。しかし、レーザー光線は、金属などのエネルギーをよく吸収する物質にのみ有効に作用し、ガラスなどＳｉ系物質に対しては、エネルギーを集中させることが難しい。そのため、レーザー光線を用いてＳｉ系物質を昇温させることは難しい。これに対してマイクロ波照射による昇温においては、レーザー光線と異なり、エネルギーの集中はさほど必要ではない。そのため、ガラスなどＳｉ系物質を昇温させる場合においても、好適に用い得る。そのため、単結晶Ｓｉ基板における水素イオン注入部４１を昇温させる場合には、マイクロ波照射を用いる場合の方がレーザー光線を用いる場合よりもプロセス的に有利となる。

次に、マイクロ波照射による加熱処理について、図１を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、まず、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を形成して所定のサイズに切断した単結晶Ｓｉ基板をウェハ保持テーブル６２に固定する。次いで、マイクロ波発生装置７０に取り付けられている位置センサ７２およびウェハ位置制御装置７１を用いて、マイクロ波発生装置７０と水素イオン注入部４１との位置合わせを行う。位置合わせは、位置センサ７２により単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’表面を検知し、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’表面から水素イオン注入部４１まで検知を行いながら、ウェハ保持テーブル６２を上下方向に動かして、所定の位置を検出することにより行う。ウェハ位置制御装置７１は、位置センサ７２からの情報に基づき、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’の水素イオン注入部４１に対してマイクロ波Ｍ１が最適な位置で照射されるように、ウェハ保持テーブル６２とマイクロ波発生装置７０との位置関係を設定する。この設定がウェハ保持テーブル駆動装置６１に伝達され、ウェハ保持テーブル駆動装置６１は、ウェハ位置制御装置７１からの情報に基づき、ウェハ保持テーブル６２を上下左右に移動させる。これにより、微妙な位置関係の設定にも逐一対応できる。

位置合わせが完了すると、マイクロ波発生装置７０からマイクロ波Ｍ１を水素イオン注入部４１に照射する。照射するマイクロ波Ｍ１の強度は、水素イオン注入部４１の大きさ、水素イオン注入部までの距離などによって適宜変更し得る。また、照射するマイクロ波Ｍ１の周波数は、特に制限はなく、一般的に使用されている周波数でよい。例えば、周波数が２．４５ＧＨｚ〜５ＧＨｚのマイクロ波を使用することができる。このマイクロ波照射により、水素イオン注入部４１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、水素イオン注入部４１を境に劈開剥離することができる。なお、マイクロ波発生装置７０は従来公知のマイクロ波発生装置を使用すればよい。

マイクロ波Ｍ１の照射方法は、水素イオン注入部４１にマイクロ波Ｍ１が照射されるものであれば特に限定されないが、本実施形態においては、マイクロ波発生装置７０からマイクロ波を照射している間、ウェハ保持テーブル６２を回転させている。これにより水素イオン注入部４１には、２次元の全方向からマイクロ波Ｍ１が照射されることになる。そのため、より効率的に、マイクロ波Ｍ１を水素イオン注入部４１に照射することができ、劈開剥離を容易かつ確実に行うことができる。

マイクロ波Ｍ１は、マイクロ波発生装置７０の照射口付近に取り付けられている集束装置７３を経由して、水素イオン注入部４１に照射される。したがって、照射されるマイクロ波Ｍ１は集束装置７３によって集束した集束マイクロ波となっている。これにより、マイクロ波Ｍ１をより確実に水素イオン注入部４１に照射し、他の部分を照射してしまうことを防ぐことができる。集束装置７３は、電磁場を制御できるものであれば、特に制限されるものではない。

水素イオン注入部４１の昇温を行った後、水素イオン注入部４１を境に、単結晶Ｓｉ基板を、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’と不要部分４２とに劈開剥離により分離する。

従来の方法では、水素イオン注入部を保持する単結晶Ｓｉ基板を絶縁基板に貼り合わせた後に、全体を高温にする必要がある。単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタを形成する部分を含む単結晶Ｓｉ基板上または絶縁基板上にはＡｌなどの材料により形成されている配線が設けられており、これらが高温に加熱されると配線が溶解するなどの不具合が発生してしまう。しかしながら上述のように、マイクロ波照射を行うことにより、ピンポイントで水素イオン注入部４１を高温に加熱することができ、水素イオン注入部４１以外の部分の昇温を防ぐことができる。すなわち、マイクロ波照射を利用することにより、Ａｌ配線における不具合を発生させることなく、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を劈開剥離により不要部分４２から分離させ、絶縁基板１３への貼り合わせることができる。

また、本実施の形態では、単結晶Ｓｉ基板についての水素イオン注入部４１へのマイクロ波照射処理および劈開剥離操作を、絶縁基板１２に密着させる前、絶縁基板１２とは別のウェハ保持テーブル６２の上で行っている。そのため、絶縁基板１２上の他の構成要素が汚染したり、損傷を受けたりすることを防止することができる。また、マイクロ波照射および劈開剥離に必要な構成のみを配置できるため、マイクロ波照射処理および劈開剥離操作が容易となる。

（半導体装置形成工程）
次に、劈開剥離によりＳｉ基板から分離させた単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を用いて半導体装置１を製造する方法について図２を参照しながら以下に説明する。

図２（ａ）に示すように、まず、ＴＥＯＳ（Tetra Ethoxy Silane）とＯ_２との混合ガスを用いたプラズマＣＶＤにより、絶縁基板１２の表面全体に約１００ｎｍのＳｉＯ_２膜１３を堆積させる。本実施の形態では、絶縁基板１２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）を用いている。

さらに、ＳｉＨ_４ガスを用いたプラズマＣＶＤにより、ＳｉＯ_２膜１３の表面全体に約５０ｎｍの非晶質Ｓｉ薄膜２５を堆積させる。さらに、ＳｉＨ_４とＮ_２Ｏとの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤにより、非晶質Ｓｉ薄膜２５上に約２００ｎｍのＳｉＯ_２膜１４を堆積させる。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜１４における所定の領域にエッチングにより開口部を形成する。この開口部における非晶質Ｓｉ薄膜２５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２５の表面を酸化して薄い酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成し、その上に酢酸ニッケル水溶液をスピンコートする。

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を成長させて連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’を形成させる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’上のＳｉＯ_２膜１４を除去する。その後、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’の所定の領域をエッチングにより除去する。

本実施の形態では、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０を絶縁基板１２上に形成前に、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’を形成している。そのため、絶縁基板１２上に単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０を形成した後で連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’を形成する場合と比較して、単結晶Ｓｉ薄膜３５が汚染されたり、損傷を受けたりすることを防止できる。

次いで、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’を除去した部分を、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）により平坦化する。これにより、ゲート電極３６などを有する単結晶Ｓｉ薄膜３５の接合性が向上する。なお、この上にＴＥＯＳまたはＴＭＣＴＳ（Tetramethylcyclotetrasiloxane）を用いたＰＥＣＶＤにより約１０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成してもよい。この場合、単結晶Ｓｉ薄膜３５の接合性がさらに向上する。

次いで、図２（ｄ）に示すように、上記単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分製造工程において製造しマイクロ波照射により劈開剥離した単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を、絶縁基板１２上の、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’をエッチングにより除去した領域に密着させて接合する。

単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’の接合では、まず、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’上にあるレジスト３７を取り除く。次いで、絶縁基板１２および単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を、パーティクル除去と表面の活性化のためＳＣ−１洗浄する。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水と純水とからなる洗浄液を用いる。ＳＣ−１洗浄後、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を所定の位置にアライメントする。アライメントは、透明基板１２を通して、ＣＣＤカメラを用いて、透明基板１２側から可視光により単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’上の位置合わせマークと透明基板１２側の位置合わせマークとを検出して行う。なお、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’の劈開剥離により形成された面とは反対側の面を、絶縁基板１２上のＳｉＯ_２膜１３に接合させる。また、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’とガラス製の絶縁基板１２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、下記化学反応式：
−Ｓｉ−ＯＨ ＋ −Ｓｉ−ＯＨ → −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ− ＋ Ｈ_２Ｏ
の反応を起こさせて、原子同士の強固な結合に変化させ、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’と透明基板１２側との接合をより強固なものにする。

単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を接合させた後に、劈開剥離によって生じた単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’の剥離面の損傷部分を、等方性プラズマエッチングまたはウェットエッチングなどのライトエッチングにより除去する。本実施の形態では、バッファフッ酸によるウェットエッチングにて約１０ｎｍを除去する。これにより、絶縁基板１２上に連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’と、単結晶Ｓｉ薄膜３５とが形成される。

次に、デバイスの活性領域近傍のＳｉＯ_２膜に開口部を形成し、結晶成長を促進させるために添加した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、５×１０^１５／ｃｍ^２）、ＲＴＡにて約８００℃の温度で１分間の熱処理を行う。なお、単結晶Ｓｉ薄膜３５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３５の活性領域についてもゲッタリングを行うことが望ましいが、スペースを優先する場合には、設計上の選択肢としてゲッタリングを省略してもよい。

次いで、デバイスの活性領域となる部分を残し、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’の不要部分と、単結晶Ｓｉ薄膜３５の不要部分とをエッチングにより除去し、島上のパターンを形成する。

次いで、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ＳｉＯ_２膜を堆積させる。その後、このＳｉＯ_２膜に対して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）によって約４００ｎｍのエッチバックを行う。次いで、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＨ_４とＮ_２Ｏ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の膜厚約６０ｎｍのＳｉＯ_２膜１７を形成する。このとき、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜２５’のパターンおよび単結晶Ｓｉ薄膜３５のパターンの端部には、サイドウォールが形成される。

さらに、ゲート電極２６を形成した後、ＴＥＯＳとＯ_２との混合ガスを用いたプラズマＣＶＤにより、層間平坦化絶縁膜として膜厚約３５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。そして、コンタクトホールを開口し、コンタクトホールに金属（ＡｌＳｉ）配線を形成する。

以上のようにして、アルミニウムなどの配線材料を高温に曝すことなく、単結晶Ｓｉトランジスタ３０と非単結晶Ｓｉトランジスタ２０とを有する半導体装置１を製造することができる。

なお、本実施の形態では、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’として連続結晶粒界Ｓｉ薄膜を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’は、連続結晶粒界Ｓｉ薄膜以外の多結晶Ｓｉ薄膜であってもよい。

また、本実施の形態では、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を接合する前に、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’を形成しているが、本発明はこの場合に限らず、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分３０’を絶縁基板１２上に接合した後に、非単結晶Ｓｉ薄膜２５’を形成してもよい。

さらに、本実施の形態では、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ３０として形成するトランジスタがＭＯＳ型であるが、これに限定されるものではなく、バイポーラ型の単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタであってもよい。

なお、特許文献２の開示内容は、全ての目的に関して、本出願にそのまま参考として援用される。

本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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的範囲に含まれる。

本発明によれば、加熱による配線の不具合を発生させることなく、単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタを絶縁基板上に形成させることができるため、高性能Ｓｉデバイスの製造において有用である。

本発明の実施形態に係る単結晶Ｓｉ基板の劈開剥離の方法を模式的に表す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態に係る製造工程の各工程を模式的に表す断面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
１２ 絶縁基板
１３、１４ ＳｉＯ_２膜
１７ ＳｉＯ_２膜（ゲート絶縁膜）
２０ 非単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ（非単結晶Ｓｉ薄膜デバイス）
２５’ 非単結晶Ｓｉ薄膜
２６ ゲート電極
３０ 単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ（Ｓｉ薄膜デバイス、単結晶Ｓｉ薄膜デバイス）
３０’ 単結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ形成部分
３３ ＳｉＯ_２膜（酸化膜、ゲート絶縁膜）
３５ 単結晶Ｓｉ薄膜（Ｓｉ薄膜、Ｓｉ基板）
３６ ゲート電極（ゲートパターン）
３７ レジスト
４１ 水素イオン注入部
４２ 不要部分（Ｓｉ基板）
６１ ウェハ保持テーブル駆動装置
６２ ウェハ保持テーブル（支持台）
７０ マイクロ波発生装置
７１ ウェハ位置制御装置
７２ 位置センサ
７３ 集束装置
Ｍ１ マイクロ波

Claims (6)

1. 表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部が形成されているＳｉ基板を用いてＳｉ薄膜デバイスを形成する、半導体装置の製造方法であって、
   上記水素イオン注入部にマイクロ波を照射して上記水素イオン注入部を熱処理する照射工程と、
   上記照射工程の後、上記水素イオン注入部において上記Ｓｉ基板を劈開剥離して、上記酸化膜、上記ゲートパターンおよび上記不純物イオン注入部を有するＳｉ薄膜を分離する剥離工程と、
   上記Ｓｉ薄膜を絶縁基板上に接合する接合工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 上記マイクロ波は、集束マイクロ波であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 上記照射工程および上記剥離工程は、上記Ｓｉ基板を上記絶縁基板とは異なる支持台に固定して行うことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 上記接合工程では、上記Ｓｉ薄膜を上記絶縁基板上に接合するよりも前に、上記絶縁基板上における上記Ｓｉ薄膜と接合させる領域を、ハロゲン化物のガス・クラスター・イオン・ビームにより平坦化することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の製造方法。
5. 表面に酸化膜、ゲートパターンおよび不純物イオン注入部を有し所定の深さに水素イオン注入部が形成されている単結晶Ｓｉ基板を用いて単結晶Ｓｉ薄膜デバイスを形成する、該単結晶Ｓｉ薄膜デバイスと非単結晶Ｓｉ薄膜デバイスとを備えている半導体装置の製造方法において、
   上記水素イオン注入部にマイクロ波を照射して上記水素イオン注入部を熱処理する照射工程と、
   上記照射工程の後、上記水素イオン注入部において上記単結晶Ｓｉ基板を劈開剥離して、上記酸化膜、上記ゲートパターンおよび上記不純物イオン注入部を有する単結晶Ｓｉ薄膜を分離する剥離工程と、
   上記単結晶Ｓｉ薄膜を絶縁基板上に接合する接合工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 上記接合工程よりも前に、上記絶縁基板上に上記非単結晶Ｓｉ薄膜を形成することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。

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