JP3948035B2 - Method for creating bonded SOI substrate - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、張り合わせSOI基板の作製方法に係わり、特に、熱酸化法以外の方法により埋め込み酸化膜を形成しても、SOI層の厚さを均一にでき、またSOI基板に様々な素子を埋め込むことにより高集積化を実現でき、さらにMOSトランジスターのショートチャネル効果を抑制することが可能な張り合わせSOI基板の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化膜のような絶縁膜上の単結晶シリコン(Silicon on Insulator : SOI)層に形成されたMOSトランジスターは、通常のMOSトランジスターに比べて優れた耐放射線特性及びラッチアップ特性を有するとともに、ショートチャネル効果の抑制にも優れている。特に、ウエハー張り合わせ技術を適用したSOI基板の作製方法は、一般に極めて欠陥の少ないSOI層が得られることから、近年最も注目される技術の一つになっている。
【0003】
上記ウエハー張り合わせ技術を用いてSOI基板を作製する方法の一つとして、最近、Smart Cut(登録商標) Technology (Smart Cut (登録商標) Process)と称するものがフランスのSOITEC社において商業化されている。
【0004】
以下、図面を参照して上記 Smart Cut(登録商標) Processについて説明する。図15(a)〜図15(d)は、従来の張り合わせSOI基板の作製方法(Smart Cut(登録商標) Process )を示す断面図である。先ず、図15(a)に示すように、第1のSiウエハー1101の上には厚さが例えば400nmの酸化膜層1102が熱酸化法により形成される。
【0005】
次に、図15(b)に示すように、第1のSiウエハー1101には酸化膜層602を通して例えば水素イオン1109が2×1016/cm2 〜5×1016/cm2 程度のドーズ量でイオン注入が行われる。この際のイオン注入エネルギーは該イオン注入のピークレンジ(Rp)1103が第1のSiウエハー1101中に存するように設定され、具体的にはRpは酸化膜層1102と第1のSiウエハー1101との境界面から250nm程度の深さに設定される。
【0006】
次に、上記酸化膜層1102の表面が洗浄された後、図15(c)に示すように、酸化膜層1102の表面と第2のSiウエハー1104の表面とが張り合わされる。この張り合わせは室温にて行われる。
【0007】
この後、上記張り合わされた第1、第2のウエハー1101、1104 は、図示せぬ拡散炉に入れられ、この拡散炉によって400℃〜500℃程度の低温でアニールされる。この際に、第1のウエハー1101は上記イオン注入のピークレンジ(Rp)1103において切断される。これにより、図15(d)に示すように、第2のウエハー1104の上には酸化膜層(絶縁膜)1102を介して厚さが250nm程度のSOI層(単結晶シリコン層)1105が形成される。この結果、張り合わせSOI基板1110が形成される。
【0008】
次に、上記SOI層1105の表面を50nm程度研磨することにより、SOI層1105の表面における切断に伴うダメージが除去される。この後、この張り合わせSOI基板1110は1100℃の高温でアニールされる。これは、張り合わせSOI基板1110の張り合わせ強度を強化するとともに、SOI層1105の表面近傍における結晶欠陥を低減するための処理である。このようにして従来の張り合わせSOI基板が作製される。この方法によれば、厚さのばらつきが±5nmという極めて均一性の高いSOI層1105をウエハーの全表面上に形成することができる。
【0009】
この後、上記張り合わせSOI基板におけるSOI層1105には図示せぬMOSトランジスターが形成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の張り合わせSOI基板及びその作製方法(Smart Cut(登録商標) Process)には、以下のような問題点がある。前述したように、SOI層に形成されたMOSトランジスターはショートチャネル効果の抑制にも優れているが、トランジスターの微細化がより進むにつれて、SOI層に形成されたMOSトランジスターであってもショートチャネル効果が生じる。つまり、MOSトランジスターのゲート長が短くなることにより、ドレインからの電気力線がチャネルが形成される部分のSOI層を通ってソースに達し、その結果、リーク電流が増大してしまうという問題が生じる。
【0011】
上記の方法により作製された張り合わせSOI基板におけるSOI層の厚さの均一性は、イオン注入時にイオンが通過するところの埋め込み酸化膜厚の均一性及びイオン注入自体のピークレンジ(Rp)の面内均一性により定まる。このため、埋め込み酸化膜の形成方法は膜厚均一性の優れたプロセスを用いる必要があり、具体的には、上記の従来の張り合わせSOI基板の作製方法で用いられているように、熱酸化法に限定されてしまう。しかし、例えば裏面ゲート電極のような埋込素子を有する張り合わせSOI基板の作製方法では、上記埋め込み酸化膜の大半を熱酸化法以外の方法であるCVD(Chemical Vapor Deposition )法により形成せざるをえず、CVD法により形成すると、この埋め込み酸化膜の膜厚が不均一になる。さらに、CVD法により形成された埋め込み酸化膜は平坦化に伴う研磨工程をも施す必要がある場合があるため、この埋め込み酸化膜の膜厚均一性は熱酸化膜に比較して5倍以上悪くなる。また、SOI基板に高集積化を実現するための様々な素子を埋め込む構造とすると、この素子が形成される材質によっては、注入されるイオンの飛程が異なる場合もあるため、このような場合はイオン注入自体のピークレンジ(Rp)の面内均一性が悪化することとなる。したがって、上記従来の張り合わせSOI基板の作製方法では、SOI基板に様々な素子を埋め込む構造としたり、また埋め込み酸化膜をCVD法により形成すると、熱酸化法により形成する場合のような膜厚均一性の優れたSOI層を形成することができない。
【0012】
この発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、MOSトランジスターのショートチャネル効果を抑制することが可能な張り合わせSOI基板の作製方法を提供することにある。
【0013】
また、この発明の目的は、熱酸化法以外の方法により埋め込み酸化膜を形成しても、SOI層の厚さを均一にできる張り合わせSOI基板の作製方法を提供することにある。
【0014】
また、この発明の目的は、SOI層の厚さの均一性を損なうことなく、SOI基板に様々な素子を埋め込むことにより高集積化を実現した張り合わせSOI基板の作製方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る張り合わせSOI基板の作製方法は、上記課題を解決するため、Siウエハーの表面上に第1の絶縁膜を形成する工程と、上記第1の絶縁膜の上に素子を形成する工程と、上記素子及び上記第1の絶縁膜の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、上記第2の絶縁膜を平坦化する工程と、上記Siウエハーに上記第1、第2の絶縁膜及び上記素子を通してにSmart Cut(登録商標)法おけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハーにおける一定の深さにイオン注入のピークレンジを形成する工程と、上記第2の絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、を具備することを特徴とする。
【0016】
また、上記第2の絶縁膜を形成する工程における該第2の絶縁膜をCVD法により形成することを特徴とする。
【0017】
また、Siウエハーの表面にSi以外の材質から構成される研磨ストッパー層を形成することにより、該Siウエハーの表面に段差を設ける工程と、上記研磨ストッパー層の相互間に素子を設ける工程と、上記素子及び上記研磨ストッパー層の上に絶縁膜を設ける工程と、上記絶縁膜を平坦化する工程と、上記Siウエハーに上記絶縁膜及び上記研磨ストッパー層を通してSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハー中に該イオン注入のピークレンジを形成する工程と、上記絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨する工程と、を具備することを特徴とする。
【0018】
また、Siウエハーの表面の一部をドライエッチング法でエッチング除去することにより、該Siウエハーの表面に段差を設ける工程と、上記段差の部分の上にSi以外の材質から構成される研磨ストッパー層を形成する工程と、上記研磨ストッパー層の相互間に素子を設ける工程と、上記素子及び上記研磨ストッパー層の上に絶縁膜を設ける工程と、上記絶縁膜を平坦化する工程と、上記Siウエハーに上記絶縁膜及び上記研磨ストッパー層を通してSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハー中に該イオン注入のピークレンジを形成する工程と、上記絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨する工程と、を具備することを特徴とする。
【0019】
また、上記平坦化する工程における平坦化の手段としてCMP法を用いることを特徴とする。
【0020】
また、上記素子が裏面ゲート電極、配線、抵抗又はキャパシタであることを特徴とする。
【0021】
また、上記化学的に研磨する工程によりMOSトランジスターの活性領域にのみ選択的にSOI層を形成することを特徴とする。
【0022】
また、上記化学的に研磨する工程における研磨選択比(但し、研磨選択比とはRsi/Rsoiであり、Rsiとは研磨面の全面がシリコン基板である場合の化学的研磨におけるシリコン基板の膜減り速度であり、Rsoiとは研磨が研磨ストッパー層にまで達した際に研磨ストッパー層間に残るSOI層の膜減り速度である。)を37とすることを特徴とする。
【0023】
上記張り合わせSOI基板の作製方法によりSOI基板に形成されたMOSトランジスターでは、ゲート電極の下方に裏面ゲート電極を設け、この裏面ゲート電極とゲート電極とによりチャネル形成領域を挟む構成としている。したがって、MOSトランジスターを駆動させた場合、ドレインからの電気力線が裏面ゲート電極に終端されるため、従来のMOSトランジスターのようにドレインからの電気力線がチャネルを通ってソースに達することを抑制できる。この結果、リーク電流を抑制することができる。このようにして、MOSトランジスターのショートチャネル効果を抑制することができ、そしてMOSトランジスターの特性ばらつきを抑制することができる。
【0024】
上記張り合わせSOI基板の作製方法では、上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨している。このため、研磨後のSOI層の厚さのばらつきを縮小することができる。つまり、研磨ストッパー層及びSiウエハーの上に平坦化された絶縁膜を形成した場合は、厳密にはこの絶縁膜に膜厚ばらつきが生じており、さらに各種イオンの酸化膜中での飛程とSi中での飛程の僅かな差により、Siウエハーの切断後のSOI層の厚さも不均一なものとなるが、上記の化学的研磨を行えば、上記切断後のSOI層の厚さのばらつきを縮小することができる。また、上記化学的に研磨する工程における研磨選択比を37とすることにより、研磨後のSOI層の厚さのばらつきを1/37に縮小することができる。
【0025】
また、上記張り合わせSOI基板の作製方法では、上記絶縁膜にキャパシタ等の素子を埋め込むことにより、張り合わせSOI基板を用いた半導体装置を製造する場合に高集積化が実現でき、この場合においてもSOI層の厚さの均一性を損なうことがない。
【0026】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下、図面を参照してこの発明を実施例により説明する。図1〜図6は、この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示す断面図である。図7(a)は、MOSトランジスターを示す平面図であって、このMOSトランジスターは上記作製方法により作製された張り合わせSOI基板に形成されたものであり、図7(b)は、図7(a)の7aー7a線に沿った断面図である。
【0027】
先ず、図1に示すように、第1のSiウエハー101の表面上には厚さが例えば50nmの第1のシリコン酸化膜102が熱酸化法により形成される。
【0028】
次に、図2に示すように、第1のシリコン酸化膜102の上には、後述するMOSトランジスターのチャネル領域の上方に位置する裏面ゲート電極103が形成される。この裏面ゲート電極103の形成は、例えばCVD(Chemical VaporDeposition )法による構造物材料のデポジション、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術によるパターニングといった一連のプロセスによって行われる。
【0029】
具体的には、第1のシリコン酸化膜102の上には例えば多結晶シリコン膜がCVD法により堆積され、この多結晶シリコン膜の上にはチャネル領域の上方に位置する図示せぬレジスト膜が形成される。このレジスト膜をマスクとして上記多結晶シリコン膜をエッチングすることにより、第1のシリコン酸化膜102の上に多結晶シリコンからなる裏面電極103 が形成される。そして、上記レジスト膜は除去される。
【0030】
この後、図3に示すように、裏面ゲート電極103及び第1のシリコン酸化膜102の上には第2のシリコン酸化膜106がCVD法により堆積される。この後、このシリコン酸化膜106の表面はCMP(Chemical Mechanical Polishing )などの手段で平坦化される。尚、このCMP平坦化法は多層ストッパーを用いる技術であるから、CMPを用いる場合は裏面ゲート電極103及び第1のシリコン酸化膜102の上に第2のシリコン酸化膜106及びBPSG膜等を積層した構造とする必要があるが、これを用いれば、平坦化後のシリコン酸化膜106の膜厚ばらつきを±30nm程度に抑制することができる。よって、膜厚均一性の高いシリコン酸化膜106 を形成することができる。
【0031】
次に、図4に示すように、第1のSiウエハー101には第1、第2のシリコン酸化膜102、106及び裏面ゲート電極103を通してSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入が行われる。この際のイオン注入は、例えば水素イオン109が2×1016/cm2 〜5×1016/cm2 程度のドーズ量(これは半導体プロセスにおけるソース/ドレイン領域形成時のドーズ量の10倍程度)で行われる。また、イオン注入エネルギーは該イオン注入のピークレンジが第1のSiウエハー101中に存するように設定され、具体的にはピークレンジは、第1のシリコン酸化膜102と第1のSiウエハー101との境界面から例えば250nm程度の深さに設定される。尚、酸化膜中及びSi中における各種イオン注入の飛程はほぼ等しいため、上記ピークレンジ(Rp2)105は場所によらずSiウエハー101中の表面からほぼ一定の深さになる。
【0032】
この後、図5に示すように、第2のSi酸化膜106の表面の粗さ及び表面に付着した塵等がCMPなどの手段を施すことにより除去される。次に、第2のSiウエハー107を準備し、第2のシリコン酸化膜106の表面と第2のSiウエハー107の表面とが張り合わされる。この張り合わせは室温にて行われる。
【0033】
この後、上記張り合わされた第1、第2のSiウエハー101、107は、図示せぬ拡散炉に入れられ、この拡散炉によって400℃〜500℃程度の低温でアニールされる。この際に、第1のSiウエハー101は上記イオン注入のピークレンジ(Rp2)105において切断される。これにより、図6に示すように、第2のSiウエハー107の上には第1、第2のシリコン酸化膜102、106を介してSOI層(単結晶シリコン層)108が形成される。このようにしてMOSトランジスターのチャネルを含む領域の下部に裏面ゲート電極103が埋め込まれたSOI基板120が得られる。
【0034】
次に、上記SOI層108の表面を50nm程度研磨することにより、SOI層108の表面における切断に伴うダメージが除去される。この後、この張り合わせSOI基板120は1100℃の高温でアニールされる。これは、張り合わせSOI基板120の張り合わせ強度を強化するとともに、SOI層108の表面近傍における結晶欠陥を低減するための処理である。
【0035】
この後、図7(a)に示すように、SOI層108の表面上におけるMOSFET活性領域701以外の部分には素子分離領域(素子分離酸化膜)702が設けられる。
【0036】
次に、上記MOSFET活性領域701において、図7(b)に示すように、裏面ゲート電極103の上方に位置するSOI層108の上には図示せぬゲート絶縁膜を介してゲート電極703が形成される。この後、このゲート電極702の両側に位置するSOI層108には図示せぬソース/ドレイン領域の拡散層が形成される。
【0037】
上記裏面ゲート電極103は図示せぬ配線層に電気的に接続される。この配線層は、裏面ゲート電極103の電位を制御するためのものであり、通常、nMOSトランジスターに対してはグランド(接地電位)に接続され、pMOSトランジスターに対しては電源に接続される。
【0038】
上記第1の実施例によれば、図7(b)に示すように、ゲート電極703の下方に裏面ゲート電極103を設け、この裏面ゲート電極103とゲート電極703とによりチャネル形成領域を挟み、この裏面ゲート電極103を図示せぬ配線層と電気的に接続して接地電位又は電源電位に固定する構成としている。したがって、MOSトランジスターを駆動させた場合、ドレインからの電気力線が固定された電位を有する裏面ゲート電極103に終端されるため、従来のMOSトランジスターのようにドレインからの電気力線がチャネルを通ってソースに達することを抑制できる。この結果、リーク電流を抑制することができる。このようにして、MOSトランジスターのショートチャネル効果を抑制することができ、そしてMOSトランジスターの特性ばらつきを抑制することができる。尚、このリーク電流の抑制という効果は、裏面ゲート電極103とSOI層108との間の酸化膜(第1のシリコン酸化膜102)の膜厚が薄いほど、あるいはMOSトランジスターのチャネルが形成される領域のSOI層108の厚さが薄いほど大きい。
【0039】
尚、上記第1の実施例では、MOSトランジスターの下部に裏面ゲート電極103を埋め込んでいるが、MOSトランジスターの下部に裏面ゲート電極103とともに又は裏面ゲート電極103の他に配線、抵抗、キャパシター等の素子を埋め込むことも可能である。これにより、張り合わせSOI基板を用いた半導体装置を製造する場合に高集積化が実現できる。
【0040】
図8〜図13は、この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示す断面図である。図13(a)、(b)は、上記作製方法におけるSOI層の化学的研磨による平坦化工程を示す断面図であり、図13(a)は、図12に示す張り合わせSOI基板の作製工程におけるSOI層の厚さの状態をより正確に表現したものである。
【0041】
先ず、図8に示すように、第1のSiウエハー(Si基板)801の表面におけるMOSFET活性領域803には、例えば窒化Si膜を含む図示せぬ熱酸化マスク層がリソグラフィー技術等を用いて選択的に形成される。この後、上記熱酸化マスク層をマスクとして酸化膜を選択的に成長させることにより、第1のSiウエハー801の表面における素子分離領域にはSi以外の材質から構成される研磨ストッパー層として例えばLOCOS酸化膜802が形成される。この際、このLOCOS酸化膜802の約45%はSi基板801の内部方向に形成されるので、LOCOS酸化膜802下部とMOSFET活性領域803表面との間には段差804が形成される。この後、上記熱酸化マスク層がウエットエッチングを含む各種エッチング技術を用いて除去される。
【0042】
また、図には示していないが、上記研磨ストッパー層(LOCOS酸化膜)802はエッチング法(例えば、ドライエッチング法)によっても形成することが可能である。エッチング法の場合は、まず、第1のSiウエハー801の表面におけるMOSトランジスター活性領域803にリソグラフィー技術によってレジスト膜が被覆される。この後、このレジスト膜をマスクとして例えばCl2 /O2 系のガスによるRIE(Reactive Ion Etching)を所定の時間行うことにうより、素子分離領域のウエハー801表面がエッチング除去される。これにより、ウエハー801表面には段差804が形成される。尚、上記所定の時間はエッチングレートから所望の段差を得るための時間を逆算すればよい。そして、段差804の部分の上には、Si以外の材質から構成される研磨ストッパー層として例えばシリコン酸化膜が形成される。
【0043】
次に、図9に示すように、第1のSiウエハー801及びLOCOS酸化膜802の上には熱酸化法により100nm程度の図示せぬ酸化膜が形成され、MOSFET活性領域803の上方に位置する該酸化膜の上にはリソグラフィー技術等を用いて例えば多結晶シリコン層からなる裏面ゲート電極805が形成される。
【0044】
この後、裏面ゲート電極805及びLOCOS酸化膜802の上には厚さが400nm程度のシリコン酸化膜806がCVD法により形成される。
【0045】
この後、上記シリコン酸化膜806の表面が平坦化される。尚、この平坦化は、任意の方法で行われるが、特殊なCMP(Chemical Mechanical Polishing )平坦化法を用いることも可能であり、これを用いればMOSFET活性領域803上における平坦化後のシリコン酸化膜806の膜厚ばらつきを±30nm程度に抑制することができる。
【0046】
次に、図10に示すように、第1のSiウエハー801には平坦化されたシリコン酸化膜806の表面からSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入809が行われる。この際のイオン注入エネルギーは、該イオン注入のピークレンジ(Rp)807が第1のSiウエハー801中に存するように設定され、具体的には、Rpはシリコン酸化膜806と第1のSiウエハー801の境界面から250nm程度の深さに設定される。尚、酸化膜中及びSi中における各種イオンの飛程はほぼ等しいため、上記ピークレンジ(Rp)206は場所によらずSiウエハー801中の表面からほぼ一定の深さになるが、CVD法により形成されたシリコン酸化膜806の膜厚は従来のような熱酸化法によるものより不均一となるため、従来の張り合わせSOI基板の作製方法の場合より大きなRpのばらつきを生ずる。
【0047】
この後、上記シリコン酸化膜806の表面が洗浄された後、第2のSiウエハー808を準備し、図11に示すように、シリコン酸化膜806の表面と第2のSiウエハー808の表面とが張り合わされる。この張り合わせは室温にて行われる。
【0048】
次に、上記張り合わされた第1、第2のSiウエハー801、808は400℃〜500℃程度の低温でアニールされる。この際に、第1のSiウエハー801は上記イオン注入のピークレンジ(Rp)807において切断される。これにより、図12に示すように、第2のSiウエハー808の上には裏面ゲート電極805、シリコン酸化膜806及びLOCOS酸化膜802を介してSOI層(単結晶シリコン層)811が形成される。この結果、SOI基板820が得られる。
【0049】
このようにして得られたSOI基板820におけるSOI層811の厚さの状態をより仔細に記述したのが図13(a)である。図13(a)によれば、第1のSiウエハー801の切断面(Rp面)は一定ではなく、SOI層811の厚さにはあるばらつき(ΔRp)1304があることがわかる。上述したプロセスの場合、ΔRpの最大の原因はシリコン酸化膜806の膜厚ばらつき(膜厚の不均一性)であり、また、厳密には各種イオンの酸化膜中での飛程とSi中での飛程の僅かな差もΔRpの原因となる。これらにより、ΔRpは場所によって±50nm程度となる。
【0050】
この後、図13(b)に示すように、上記切断後のSOI層811の表面は、研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液による化学的研磨(以下、「選択研磨」ともいう。)により研磨選択比37の条件で研磨ストッパー層(LOCOS酸化膜)802をストッパーとして研磨される。これにより、研磨面の全域に研磨ストッパー層802の表面が露出され、この研磨ストッパー層802の間にのみSOI層811が残る状態とされる。
【0051】
上記の選択研磨について以下に詳しく説明する。エチレンジアミン水溶液やアンモニア水溶液のようなアルカリ溶液からなる研磨液を用いて、上記切断後のSOI層811の表面が化学的に研磨される。そして、この化学的研磨においては研磨圧力と研磨定磐の回転数との設定が重要である。ここで、研磨圧力とは研磨面にかかる圧力であり、研磨定磐の回転数とは張り合わせSOI基板820を支持する保持定磐と対向する状態で配置される研磨定磐の回転数である。
【0052】
なお、上記研磨液には0.0005%のエチレンジアミン溶液を用い、研磨液の流量を60cm3 /minに設定し、20℃の室温雰囲気で研磨を行うこととする。また、保持定磐の回転数は研磨定磐の回転数と等しくする。
【0053】
図14は、上記の条件で第1のSiウエハー(シリコン基板)801の切断面を研磨した場合であって、研磨圧力wと研磨定磐の回転数rotとの積を横軸にして、上記SOI層の膜減り速度Rsoiに対するシリコンの膜減り速度Rsiの比を縦軸にプロットしたグラフF5 を示すものである。ただし、シリコン基板の膜減り速度Rsiとは、研磨面の全面がシリコン基板である場合の化学的研磨におけるシリコン基板の膜減り速度である。また、SOI層の膜減り速度Rsoiとは、研磨が研磨ストッパー層802にまで達した際に研磨ストッパー層802間に残るSOI層811の膜減り速度である。
【0054】
ここで、研磨圧力wと研磨定磐の回転数rotとの積に対してシリコン基板の膜減り速度Rsiの微分係数とSOI層の膜減り速度Rsoiの微分係数とがほぼ等しくなる値が選択研磨の最適値となる。したがって、この最適値は、グラフF5 において極大値を示す値となり、具体的には、w×rot=13000付近、Rsi/Rsoi=37になる。これが、上記の研磨選択比(Rsi/Rsoi)37に相当し、選択研磨によりSOI層811を平坦化する場合の最適条件である。
【0055】
この後、素子分離領域(研磨ストッパー層としてのLOCOS酸化膜)802の相互間にのみ残されたSOI層811(MOSFET活性領域803)の上には図示せぬゲート酸化膜を介して多結晶シリコンからなる図示せぬゲート電極が形成され、このゲート電極は裏面ゲート電極805の上方に位置している。そして、ゲート電極の両側面下に位置するSOI層811には図示せぬソース/ドレイン領域の拡散層が形成される。この結果、MOSFET活性領域803には図示せぬMOSトランジスターが形成される。
【0056】
上記第2の実施例によれば、素子分離領域のSi以外の材質から構成される層(LOCOS酸化膜)を研磨ストッパー層802として研磨選択比37の条件で選択研磨を行うことにより、図13(a)に示すSOI層811の厚さのばらつきΔRpを1/37に縮小できる。すなわち、図13(a)に示すSOI層811の厚さのばらつきΔRpが±50nm程度ある場合においは、研磨選択比37の条件でSOI層811を研磨すれば、図13(b)に示すように、選択研磨後のSOI層811の厚さのばらつきΔTsoi(Tsoi.1とTsoi.2の差)を約±2nmまで抑制することができる。
【0057】
つまり、図9に示す工程において、LOCOS酸化膜802及び裏面ゲート電極805の上に熱酸化法以外の方法、例えばCVD法によりシリコン酸化膜806を形成し、このシリコン酸化膜806を平坦化しても、厳密には膜厚ばらつきが生じており、さらに各種イオンの酸化膜中での飛程とSi中での飛程の僅かな差により、第1のSiウエハー801の切断後のSOI層811の厚さも不均一なものとなるが、上記研磨選択比37の条件で選択研磨を行えば、上記切断後のSOI層811の厚さのばらつきΔRpを1/37に縮小できるということである。
【0058】
尚、上記第2の実施例では、第1のSiウエハー201の表面に研磨ストッパー層(LOCOS酸化膜)202をLOCOS法により形成しているが、この研磨ストッパー層の形成方法はLOCOS法に限定されるものではなく、研磨ストッパー層を他の方法により形成することも可能である。
【0059】
また、図9に示すように、MOSFET活性領域803に裏面ゲート電極805を形成しているが、この発明は他のものに応用することも可能であり、MOSFET活性領域803に裏面ゲート電極805とともに又は裏面ゲート電極805の他に配線、抵抗、キャパシター等の素子を埋め込むことも可能である。これにより、張り合わせSOI基板を用いた半導体装置を製造する場合に高集積化が実現でき、この場合においてもSOI層811の厚さの均一性を損なうことがない。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、ゲート電極の下方に裏面ゲート電極を設け、この裏面ゲート電極とゲート電極とによりチャネル形成領域を挟む構成としている。また、上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨している。したがって、MOSトランジスターのショートチャネル効果を抑制することが可能な張り合わせSOI基板の作製方法を提供することができる。また、熱酸化法以外の方法により埋め込み酸化膜を形成しても、SOI層の厚さを均一にできる張り合わせSOI基板の作製方法を提供することができる。また、SOI層の厚さの均一性を損なうことなく、SOI基板に様々な素子を埋め込むことにより高集積化を実現した張り合わせSOI基板の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示す断面図。
【図2】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図1の次の工程を示す断面図。
【図3】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図2の次の工程を示す断面図。
【図4】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図3の次の工程を示す断面図。
【図5】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図4の次の工程を示す断面図。
【図6】 この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図5の次の工程を示す断面図。
【図7】 図7(a)は、この発明の第1の実施例による張り合わせSOI基板に形成されたMOSトランジスターを示す平面図であり、図7(b)は、図7(a)の7aー7a線に沿った断面図。
【図8】 この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示す断面図。
【図9】 この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図8の次の工程を示す断面図。
【図10】 この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図9の次の工程を示す断面図。
【図11】 この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図10の次の工程を示す断面図。
【図12】 この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであり、図11の次の工程を示す断面図。
【図13】 図13(a)は、この発明の第2の実施例による張り合わせSOI基板の作製方法を示すものであって、図12に示す張り合わせSOI基板の作製工程におけるSOI層の厚さの状態をより正確に表現した断面図であり、図13(b)は、上記作製方法におけるSOI層の化学的研磨による平坦化工程を示すものであって、図13(a)の次の工程を示す断面図。
【図14】 研磨定磐の回転数と研磨圧力との積に対するシリコン基板とSOI層との膜減り速度比を示すグラフ。
【図15】 図15(a)〜図15(d)は、従来の張り合わせSOI基板の作製方法を示す断面図。
【符号の説明】
101…第1のSiウエハー、102…第1のシリコン酸化膜、103…裏面ゲート電極、105…イオン注入のピークレンジ(Rp2)、106…第2のシリコン酸化膜、106a…平坦化された酸化膜表面、107…第2のシリコンウエハー、108…SOI層、109…水素イオン、120…SOI基板、701…MOSFET活性領域、702…素子分離領域、703…ゲート電極、801…第1のSiウエハー(Si基板)、802…研磨ストッパー層(LOCOS酸化膜、素子分離領域)、803…MOSトランジスター活性領域、804…段差、805…裏面ゲート電極、806…シリコン酸化膜、807…イオン注入のピークレンジ(Rp)、808…第2のSiウエハー、809…Smart Cut(登録商標) 法におけるイオン注入、811…SOI層(単結晶シリコン層)、1304…SOI層の厚さのばらつき(ΔRp)、820…SOI基板、1101…第1のSiウエハー、1102…酸化膜層、1103…イオン注入のピークレンジ(Rp)、1104…第2のSiウエハー、1105…SOI層(単結晶シリコン層)、1109…水素イオン。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  This invention is a laminateMethod for manufacturing SOI substrateIn particular, even if the buried oxide film is formed by a method other than the thermal oxidation method, the thickness of the SOI layer can be made uniform, and high integration can be realized by embedding various elements in the SOI substrate. Bonding that can suppress the short channel effect of MOS transistorsMethod for manufacturing SOI substrateAbout.
[0002]
[Prior art]
  A MOS transistor formed on a single crystal silicon (Silicon on Insulator: SOI) layer on an insulating film such as an oxide film has excellent radiation resistance and latch-up characteristics compared to a normal MOS transistor, and a short channel. Excellent suppression of effects. In particular, a method for manufacturing an SOI substrate to which a wafer bonding technique is applied has become one of the most noticeable techniques in recent years because an SOI layer with very few defects is generally obtained.
[0003]
  As one of the methods for manufacturing SOI substrates using the above wafer bonding technique, recently, Smart Cut(Registered trademark) Technology (Smart Cut (Registered trademark) Process) is commercialized at SOITEC, France.
[0004]
  Smart Cut(Registered trademark) Explain Process.FIG.(A) ~FIG.(D) shows a conventional method for manufacturing a bonded SOI substrate (Smart Cut(Registered trademark) FIG. First,FIG.As shown in (a), an oxide film layer 1102 having a thickness of, for example, 400 nm is formed on the first Si wafer 1101 by a thermal oxidation method.
[0005]
  next,FIG.As shown in FIG. 6B, for example, 2 × 10 hydrogen ions 1109 are passed through the oxide film layer 602 on the first Si wafer 1101.16/ Cm2 ~ 5x1016/ Cm2 Ion implantation is performed with a moderate dose. The ion implantation energy at this time is set so that the peak range (Rp) 1103 of the ion implantation is present in the first Si wafer 1101. Specifically, Rp is the oxide film layer 1102 and the first Si wafer 1101. Is set to a depth of about 250 nm from the boundary surface.
[0006]
  Next, after the surface of the oxide film layer 1102 is cleaned,FIG.As shown in (c), the surface of the oxide film layer 1102 and the surface of the second Si wafer 1104 are bonded together. This lamination is performed at room temperature.
[0007]
  Thereafter, the bonded first and second wafers 1101 and 1104 are put in a diffusion furnace (not shown) and annealed at a low temperature of about 400 ° C. to 500 ° C. in this diffusion furnace. At this time, the first wafer 1101 is cut at the peak range (Rp) 1103 of the ion implantation. ThisFIG.As shown in FIG. 4D, an SOI layer (single crystal silicon layer) 1105 having a thickness of about 250 nm is formed on the second wafer 1104 with an oxide film layer (insulating film) 1102 interposed therebetween. As a result, a bonded SOI substrate 1110 is formed.
[0008]
  Next, by polishing the surface of the SOI layer 1105 by about 50 nm, damage due to cutting on the surface of the SOI layer 1105 is removed. Thereafter, the bonded SOI substrate 1110 is annealed at a high temperature of 1100.degree. This is a process for enhancing the bonding strength of the bonded SOI substrate 1110 and reducing crystal defects in the vicinity of the surface of the SOI layer 1105. In this way, a conventional bonded SOI substrate is manufactured. According to this method, it is possible to form an SOI layer 1105 with extremely high uniformity with a thickness variation of ± 5 nm on the entire surface of the wafer.
[0009]
  Thereafter, a MOS transistor (not shown) is formed in the SOI layer 1105 in the bonded SOI substrate.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, the conventional bonded SOI substrate and its manufacturing method (Smart Cut(Registered trademark) Process) has the following problems. As described above, the MOS transistor formed in the SOI layer is excellent in suppressing the short channel effect. However, as the transistor is further miniaturized, even the MOS transistor formed in the SOI layer has a short channel effect. Occurs. That is, as the gate length of the MOS transistor is shortened, the lines of electric force from the drain reach the source through the SOI layer where the channel is formed, and as a result, there is a problem that leakage current increases. .
[0011]
  The uniformity of the thickness of the SOI layer in the bonded SOI substrate manufactured by the above method is within the plane of the buried oxide film thickness where ions pass during ion implantation and the peak range (Rp) of the ion implantation itself. Determined by uniformity. For this reason, it is necessary to use a process with excellent film thickness uniformity as a method for forming a buried oxide film. Specifically, as used in the conventional method for manufacturing a bonded SOI substrate, a thermal oxidation method is used. It will be limited to. However, in a method for manufacturing a bonded SOI substrate having an embedded element such as a backside gate electrode, most of the embedded oxide film must be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method which is a method other than the thermal oxidation method. First, when the CVD method is used, the thickness of the buried oxide film becomes non-uniform. Furthermore, since the buried oxide film formed by the CVD method may need to be subjected to a polishing process for planarization, the thickness uniformity of the buried oxide film is five times worse than that of the thermal oxide film. Become. In addition, when a structure in which various elements for realizing high integration are embedded in an SOI substrate is used, the range of implanted ions may be different depending on the material in which this element is formed. In-plane uniformity of the peak range (Rp) of ion implantation itself deteriorates. Therefore, in the conventional method for manufacturing a bonded SOI substrate, when the various elements are embedded in the SOI substrate, or when the buried oxide film is formed by the CVD method, the film thickness is uniform as in the case of the thermal oxidation method. An excellent SOI layer cannot be formed.
[0012]
  The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is a bonded SOI substrate capable of suppressing the short channel effect of a MOS transistor.How to makeIs to provide.
[0013]
  Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded SOI substrate that can make the thickness of the SOI layer uniform even if the buried oxide film is formed by a method other than the thermal oxidation method.
[0014]
  Another object of the present invention is to achieve high integration by embedding various elements in an SOI substrate without impairing the uniformity of the SOI layer thickness.Method for manufacturing SOI substrateIs to provide.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the present invention includes a step of forming a first insulating film on the surface of a Si wafer and a step of forming an element on the first insulating film. A step of forming a second insulating film on the element and the first insulating film, a step of planarizing the second insulating film, and the first and second insulating layers on the Si wafer. Smart Cut through membrane and above element(Registered trademark)Forming a peak range of ion implantation at a certain depth in the Si wafer by performing ion implantation in the method, attaching a semiconductor wafer to the surface of the second insulating film, and the Si wafer. And a step of cutting at a peak range portion of the ion implantation.
[0016]
  Further, the second insulating film in the step of forming the second insulating film is formed by a CVD method.
[0017]
  A step of providing a step on the surface of the Si wafer by forming a polishing stopper layer made of a material other than Si on the surface of the Si wafer; and a step of providing an element between the polishing stopper layers; A step of providing an insulating film on the element and the polishing stopper layer; a step of planarizing the insulating film; and a Smart Cut through the insulating film and the polishing stopper layer on the Si wafer.(Registered trademark)Forming a peak range of the ion implantation in the Si wafer by performing ion implantation in the method, attaching the semiconductor wafer to the surface of the insulating film, and a peak range of the ion implantation of the Si wafer. And a step of chemically polishing the cut surface of the Si wafer with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper. And
[0018]
  Further, a step of providing a step on the surface of the Si wafer by etching and removing a part of the surface of the Si wafer by a dry etching method, and a polishing stopper layer made of a material other than Si on the step portion Forming an element between the polishing stopper layer, providing an insulating film on the element and the polishing stopper layer, flattening the insulating film, and the Si wafer Smart Cut through the insulating film and the polishing stopper layer(Registered trademark)Forming a peak range of the ion implantation in the Si wafer by performing ion implantation in the method, attaching the semiconductor wafer to the surface of the insulating film, and a peak range of the ion implantation of the Si wafer. And a step of chemically polishing the cut surface of the Si wafer with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper. And
[0019]
  Further, a CMP method is used as a planarization means in the planarization step.
[0020]
  In addition, the element is a backside gate electrode, a wiring, a resistor, or a capacitor.
[0021]
  In addition, the SOI layer is selectively formed only in the active region of the MOS transistor by the chemical polishing step.
[0022]
  Further, the polishing selectivity in the above-described chemical polishing step (where the polishing selectivity is Rsi / Rsoi, and Rsi is the film reduction of the silicon substrate in chemical polishing when the entire polishing surface is a silicon substrate) Rsoi is a film reduction rate of the SOI layer remaining between the polishing stopper layers when polishing reaches the polishing stopper layer.
[0023]
  Above bondingIt was formed on the SOI substrate by the SOI substrate manufacturing method.In the MOS transistor, a back surface gate electrode is provided below the gate electrode, and a channel formation region is sandwiched between the back surface gate electrode and the gate electrode. Therefore, when the MOS transistor is driven, the electric lines of force from the drain are terminated at the back gate electrode, so that the electric lines of force from the drain are prevented from reaching the source through the channel as in the conventional MOS transistor. it can. As a result, leakage current can be suppressed. In this way, the short channel effect of the MOS transistor can be suppressed, and the variation in characteristics of the MOS transistor can be suppressed.
[0024]
  In the method for manufacturing the bonded SOI substrate, the surface of the Si wafer after being cut is chemically polished with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper. For this reason, variation in the thickness of the SOI layer after polishing can be reduced. That is, when a planarized insulating film is formed on the polishing stopper layer and the Si wafer, strictly speaking, this insulating film has a variation in film thickness, and the range of various ions in the oxide film Although the thickness of the SOI layer after cutting the Si wafer becomes non-uniform due to a slight difference in the range in Si, if the above chemical polishing is performed, the thickness of the SOI layer after the cutting is reduced. Variation can be reduced. Further, by setting the polishing selection ratio in the above-described chemical polishing step to 37, the variation in the thickness of the SOI layer after polishing can be reduced to 1/37.
[0025]
  Also, the bonded SOI substrateHow to makeThen, by embedding an element such as a capacitor in the insulating film, high integration can be realized when a semiconductor device using a bonded SOI substrate is manufactured, and even in this case, the uniformity of the thickness of the SOI layer is impaired. There is no.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 6 are sectional views showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to a first embodiment of the present invention. FIG. 7A is a plan view showing a MOS transistor, and this MOS transistor is formed on a bonded SOI substrate manufactured by the above-described manufacturing method. FIG. 7B is a plan view of FIG. 7) is a cross-sectional view taken along line 7a-7a.
[0027]
  First, as shown in FIG. 1, a first silicon oxide film 102 having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the surface of the first Si wafer 101 by a thermal oxidation method.
[0028]
  Next, as shown in FIG. 2, on the first silicon oxide film 102, a back surface gate electrode 103 located above a channel region of a MOS transistor described later is formed. The back gate electrode 103 is formed by a series of processes such as deposition of a structure material by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, patterning by a lithography technique and a dry etching technique, for example.
[0029]
  Specifically, for example, a polycrystalline silicon film is deposited on the first silicon oxide film 102 by a CVD method, and a resist film (not shown) located above the channel region is deposited on the polycrystalline silicon film. It is formed. By etching the polycrystalline silicon film using the resist film as a mask, a back electrode 103 made of polycrystalline silicon is formed on the first silicon oxide film 102. Then, the resist film is removed.
[0030]
  Thereafter, as shown in FIG. 3, a second silicon oxide film 106 is deposited on the back gate electrode 103 and the first silicon oxide film 102 by a CVD method. Thereafter, the surface of the silicon oxide film 106 is planarized by means such as CMP (Chemical Mechanical Polishing). Since this CMP flattening method is a technique using a multilayer stopper, when CMP is used, a second silicon oxide film 106, a BPSG film, etc. are laminated on the back gate electrode 103 and the first silicon oxide film 102. However, if this is used, the variation in film thickness of the silicon oxide film 106 after planarization can be suppressed to about ± 30 nm. Therefore, the silicon oxide film 106 with high film thickness uniformity can be formed.
[0031]
  Next, as shown in FIG. 4, the first Si wafer 101 is subjected to Smart Cut through the first and second silicon oxide films 102 and 106 and the back gate electrode 103.(Registered trademark)Ion implantation in the method is performed. In this case, for example, hydrogen ions 109 are 2 × 10 6.16/ Cm2 ~ 5x1016/ Cm2 This is performed at a moderate dose (about 10 times the dose at the time of source / drain region formation in a semiconductor process). Further, the ion implantation energy is set so that the peak range of the ion implantation exists in the first Si wafer 101. Specifically, the peak range includes the first silicon oxide film 102, the first Si wafer 101, and the first Si wafer 101. For example, the depth is set to about 250 nm from the boundary surface. Since the ranges of various ion implantations in the oxide film and Si are almost equal, the peak range (Rp2) 105 is substantially constant from the surface in the Si wafer 101 regardless of the location.
[0032]
  Thereafter, as shown in FIG. 5, the roughness of the surface of the second Si oxide film 106 and the dust adhering to the surface are removed by applying means such as CMP. Next, a second Si wafer 107 is prepared, and the surface of the second silicon oxide film 106 and the surface of the second Si wafer 107 are bonded together. This lamination is performed at room temperature.
[0033]
  Thereafter, the bonded first and second Si wafers 101 and 107 are put in a diffusion furnace (not shown) and annealed at a low temperature of about 400 ° C. to 500 ° C. in this diffusion furnace. At this time, the first Si wafer 101 is cut at the peak range (Rp2) 105 of the ion implantation. As a result, an SOI layer (single crystal silicon layer) 108 is formed on the second Si wafer 107 via the first and second silicon oxide films 102 and 106 as shown in FIG. In this way, the SOI substrate 120 in which the back gate electrode 103 is buried below the region including the channel of the MOS transistor is obtained.
[0034]
  Next, by polishing the surface of the SOI layer 108 by about 50 nm, damage caused by cutting on the surface of the SOI layer 108 is removed. Thereafter, the bonded SOI substrate 120 is annealed at a high temperature of 1100.degree. This is a process for enhancing the bonding strength of the bonded SOI substrate 120 and reducing crystal defects in the vicinity of the surface of the SOI layer 108.
[0035]
  Thereafter, as shown in FIG. 7A, an element isolation region (element isolation oxide film) 702 is provided in a portion other than the MOSFET active region 701 on the surface of the SOI layer 108.
[0036]
  Next, in the MOSFET active region 701, as shown in FIG. 7B, a gate electrode 703 is formed on the SOI layer 108 located above the back gate electrode 103 via a gate insulating film (not shown). Is done. Thereafter, diffusion layers of source / drain regions (not shown) are formed in the SOI layer 108 located on both sides of the gate electrode 702.
[0037]
  The back gate electrode 103 is electrically connected to a wiring layer (not shown). This wiring layer is for controlling the potential of the back gate electrode 103, and is usually connected to the ground (ground potential) for the nMOS transistor and connected to the power source for the pMOS transistor.
[0038]
  According to the first embodiment, as shown in FIG. 7B, the back gate electrode 103 is provided below the gate electrode 703, and the channel formation region is sandwiched between the back gate electrode 103 and the gate electrode 703. The back gate electrode 103 is electrically connected to a wiring layer (not shown) and fixed to the ground potential or the power supply potential. Therefore, when the MOS transistor is driven, the electric lines of force from the drain are terminated by the back gate electrode 103 having a fixed potential, so that the electric lines of force from the drain pass through the channel as in the conventional MOS transistor. Can be prevented from reaching the source. As a result, leakage current can be suppressed. In this way, the short channel effect of the MOS transistor can be suppressed, and the variation in characteristics of the MOS transistor can be suppressed. The effect of suppressing the leakage current is that the channel of the MOS transistor is formed as the oxide film (first silicon oxide film 102) between the back gate electrode 103 and the SOI layer 108 is thinner. The thinner the SOI layer 108 in the region, the larger the region.
[0039]
  In the first embodiment, the back gate electrode 103 is embedded in the lower part of the MOS transistor. However, in addition to the back gate electrode 103 or in addition to the back gate electrode 103, a wiring, a resistor, a capacitor, etc. It is also possible to embed an element. Thus, high integration can be realized when a semiconductor device using a bonded SOI substrate is manufactured.
[0040]
  8 to 13 are sectional views showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 13A and 13B are cross-sectional views showing a planarization process by chemical polishing of the SOI layer in the above manufacturing method, and FIG. 13A is a manufacturing process of the bonded SOI substrate shown in FIG. This is a more accurate representation of the thickness of the SOI layer.
[0041]
  First, as shown in FIG. 8, in the MOSFET active region 803 on the surface of the first Si wafer (Si substrate) 801, a thermal oxidation mask layer (not shown) including, for example, a Si nitride film is selected using a lithography technique or the like. Formed. Thereafter, an oxide film is selectively grown using the thermal oxidation mask layer as a mask, so that, for example, a LOCOS as a polishing stopper layer made of a material other than Si is formed in the element isolation region on the surface of the first Si wafer 801. An oxide film 802 is formed. At this time, about 45% of the LOCOS oxide film 802 is formed in the internal direction of the Si substrate 801, so that a step 804 is formed between the lower portion of the LOCOS oxide film 802 and the surface of the MOSFET active region 803. Thereafter, the thermal oxidation mask layer is removed using various etching techniques including wet etching.
[0042]
  Although not shown in the drawing, the polishing stopper layer (LOCOS oxide film) 802 can also be formed by an etching method (for example, a dry etching method). In the case of the etching method, first, a resist film is coated on the MOS transistor active region 803 on the surface of the first Si wafer 801 by a lithography technique. Thereafter, for example, Cl is used as a mask.2 / O2 By performing RIE (Reactive Ion Etching) with a system gas for a predetermined time, the surface of the wafer 801 in the element isolation region is removed by etching. As a result, a step 804 is formed on the surface of the wafer 801. The predetermined time may be calculated backward from the etching rate to obtain a desired level difference. A silicon oxide film, for example, is formed on the step 804 as a polishing stopper layer made of a material other than Si.
[0043]
  Next, as shown in FIG. 9, an oxide film (not shown) having a thickness of about 100 nm is formed on the first Si wafer 801 and the LOCOS oxide film 802 by thermal oxidation, and is located above the MOSFET active region 803. A backside gate electrode 805 made of, for example, a polycrystalline silicon layer is formed on the oxide film by using a lithography technique or the like.
[0044]
  Thereafter, a silicon oxide film 806 having a thickness of about 400 nm is formed on the back gate electrode 805 and the LOCOS oxide film 802 by a CVD method.
[0045]
  Thereafter, the surface of the silicon oxide film 806 is planarized. This planarization is performed by an arbitrary method, but a special CMP (Chemical Mechanical Polishing) planarization method can also be used. If this is used, silicon oxide after planarization on the MOSFET active region 803 is used. The film thickness variation of the film 806 can be suppressed to about ± 30 nm.
[0046]
  Next, as shown in FIG. 10, the first Si wafer 801 is subjected to Smart Cut from the planarized surface of the silicon oxide film 806.(Registered trademark)In this method, ion implantation 809 is performed. The ion implantation energy at this time is set so that the peak range (Rp) 807 of the ion implantation exists in the first Si wafer 801. Specifically, Rp is the silicon oxide film 806 and the first Si wafer. The depth is set to about 250 nm from the boundary surface 801. Since the ranges of various ions in the oxide film and Si are almost equal, the peak range (Rp) 206 is almost constant from the surface in the Si wafer 801 regardless of the location. Since the film thickness of the formed silicon oxide film 806 becomes more non-uniform than that by the conventional thermal oxidation method, a larger variation in Rp occurs than in the conventional method for manufacturing a bonded SOI substrate.
[0047]
  Thereafter, after the surface of the silicon oxide film 806 is cleaned, a second Si wafer 808 is prepared. As shown in FIG. 11, the surface of the silicon oxide film 806 and the surface of the second Si wafer 808 are separated. It is pasted together. This lamination is performed at room temperature.
[0048]
  Next, the bonded first and second Si wafers 801 and 808 are annealed at a low temperature of about 400 ° C. to 500 ° C. At this time, the first Si wafer 801 is cut at the peak range (Rp) 807 of the ion implantation. Thus, as shown in FIG. 12, an SOI layer (single crystal silicon layer) 811 is formed on the second Si wafer 808 via the back gate electrode 805, the silicon oxide film 806, and the LOCOS oxide film 802. . As a result, an SOI substrate 820 is obtained.
[0049]
  FIG. 13A shows the state of the thickness of the SOI layer 811 in the SOI substrate 820 obtained as described above in more detail. As can be seen from FIG. 13A, the cut surface (Rp surface) of the first Si wafer 801 is not constant, and there is a certain variation (ΔRp) 1304 in the thickness of the SOI layer 811. In the above-described process, the largest cause of ΔRp is the film thickness variation (non-uniform film thickness) of the silicon oxide film 806, and strictly speaking, the range of various ions in the oxide film and Si. A slight difference in the range of ΔRp also causes ΔRp. As a result, ΔRp is about ± 50 nm depending on the location.
[0050]
  Thereafter, as shown in FIG. 13B, the surface of the SOI layer 811 after the cutting is subjected to chemical polishing (hereinafter also referred to as “selective polishing”) with an alkaline polishing liquid that does not contain polishing abrasive grains. Polishing is performed using a polishing stopper layer (LOCOS oxide film) 802 as a stopper under a polishing selection ratio of 37. As a result, the surface of the polishing stopper layer 802 is exposed over the entire polishing surface, and the SOI layer 811 remains only between the polishing stopper layers 802.
[0051]
  The selective polishing will be described in detail below. The surface of the SOI layer 811 after the cutting is chemically polished using a polishing liquid made of an alkaline solution such as an ethylenediamine aqueous solution or an ammonia aqueous solution. In this chemical polishing, it is important to set the polishing pressure and the rotation speed of the polishing constant. Here, the polishing pressure is the pressure applied to the polishing surface, and the rotational speed of the polishing constant is the rotational speed of the polishing constant disposed in a state of facing the holding constant supporting the bonded SOI substrate 820.
[0052]
  Note that a 0.0005% ethylenediamine solution was used as the polishing liquid, and the flow rate of the polishing liquid was 60 cm.Three / Min and polishing is performed in a room temperature atmosphere of 20 ° C. The rotation speed of the holding constant is set equal to the rotation speed of the polishing constant.
[0053]
  FIG. 14 shows a case where the cut surface of the first Si wafer (silicon substrate) 801 is polished under the above-described conditions. The horizontal axis represents the product of the polishing pressure w and the rotation speed rot of the polishing constant. A graph F5 in which the ratio of the film reduction rate Rsi of silicon to the film reduction rate Rsoi of the SOI layer is plotted on the vertical axis is shown. However, the film reduction rate Rsi of the silicon substrate is the film reduction rate of the silicon substrate in chemical polishing when the entire polishing surface is a silicon substrate. The SOI layer film reduction rate Rsoi is the film reduction rate of the SOI layer 811 remaining between the polishing stopper layers 802 when the polishing reaches the polishing stopper layer 802.
[0054]
  Here, the value at which the differential coefficient of the film reduction rate Rsi of the silicon substrate and the differential coefficient of the film reduction rate Rsoi of the SOI layer are approximately equal to the product of the polishing pressure w and the rotational speed rot of the polishing constant is selective polishing. Is the optimum value. Therefore, the optimum value is a value indicating the maximum value in the graph F5, and specifically, it is around w × rot = 13000 and Rsi / Rsoi = 37. This corresponds to the above-described polishing selection ratio (Rsi / Rsoi) 37 and is an optimum condition when the SOI layer 811 is planarized by selective polishing.
[0055]
  Thereafter, polycrystalline silicon is formed on the SOI layer 811 (MOSFET active region 803) left only between the element isolation regions (LOCOS oxide film as a polishing stopper layer) 802 via a gate oxide film (not shown). A gate electrode (not shown) is formed, and this gate electrode is located above the back gate electrode 805. A diffusion layer of source / drain regions (not shown) is formed in the SOI layer 811 located below both side surfaces of the gate electrode. As a result, a MOS transistor (not shown) is formed in the MOSFET active region 803.
[0056]
  According to the second embodiment, the layer (LOCOS oxide film) made of a material other than Si in the element isolation region is used as the polishing stopper layer 802 and selective polishing is performed under the condition of the polishing selection ratio 37, so that FIG. The variation ΔRp in the thickness of the SOI layer 811 shown in (a) can be reduced to 1/37. That is, in the case where the thickness variation ΔRp of the SOI layer 811 shown in FIG. 13A is about ± 50 nm, if the SOI layer 811 is polished under the condition of the polishing selection ratio 37, as shown in FIG. In addition, the thickness variation ΔTsoi (difference between Tsoi.1 and Tsoi.2) of the SOI layer 811 after selective polishing can be suppressed to about ± 2 nm.
[0057]
  That is, in the step shown in FIG. 9, even if a silicon oxide film 806 is formed on the LOCOS oxide film 802 and the back gate electrode 805 by a method other than the thermal oxidation method, for example, a CVD method, and the silicon oxide film 806 is planarized. Strictly speaking, the film thickness varies, and the SOI layer 811 after cutting the first Si wafer 801 has a slight difference between the range of various ions in the oxide film and the range in Si. Although the thickness is also uneven, if selective polishing is performed under the condition of the polishing selection ratio 37, the thickness variation ΔRp of the SOI layer 811 after cutting can be reduced to 1/37.
[0058]
  In the second embodiment, the polishing stopper layer (LOCOS oxide film) 202 is formed on the surface of the first Si wafer 201 by the LOCOS method. However, the method of forming this polishing stopper layer is limited to the LOCOS method. However, the polishing stopper layer can be formed by other methods.
[0059]
  Further, as shown in FIG. 9, the back surface gate electrode 805 is formed in the MOSFET active region 803, but the present invention can be applied to other things, and the MOSFET active region 803 is combined with the back surface gate electrode 805. Alternatively, in addition to the back surface gate electrode 805, an element such as a wiring, a resistor, or a capacitor can be embedded. Accordingly, high integration can be realized when a semiconductor device using a bonded SOI substrate is manufactured, and even in this case, the uniformity of the thickness of the SOI layer 811 is not impaired.
[0060]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the back gate electrode is provided below the gate electrode, and the channel forming region is sandwiched between the back gate electrode and the gate electrode. Further, the surface of the Si wafer after being cut is chemically polished with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper. Therefore, it is possible to suppress the short channel effect of MOS transistors.Method for manufacturing SOI substrateCan be provided. In addition, even when the buried oxide film is formed by a method other than the thermal oxidation method, a method for manufacturing a bonded SOI substrate that can make the thickness of the SOI layer uniform can be provided. In addition, bonding that realizes high integration by embedding various elements in the SOI substrate without impairing the uniformity of the thickness of the SOI layerMethod for manufacturing SOI substrateCan be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention and illustrating the next step of FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention and illustrating the next step of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention and showing the next step of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention and showing a step subsequent to FIG. 4;
6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention and showing a step subsequent to FIG. 5. FIG.
7 (a) is a plan view showing a MOS transistor formed on a bonded SOI substrate according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 (b) is a plan view of FIG. 7 (a). Sectional drawing along line 7a.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention and showing a step subsequent to that in FIG. 8;
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention and showing a step subsequent to FIG. 9;
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention and showing the next step of FIG. 10;
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention and showing the next step of FIG. 11;
FIG. 13A shows a method for manufacturing a bonded SOI substrate according to the second embodiment of the present invention, and shows the thickness of the SOI layer in the manufacturing process of the bonded SOI substrate shown in FIG. FIG. 13B is a cross-sectional view showing the state more accurately, and FIG. 13B shows a planarization step by chemical polishing of the SOI layer in the above manufacturing method, and the next step of FIG. FIG.
FIG. 14 is a graph showing a film reduction rate ratio between the silicon substrate and the SOI layer with respect to the product of the number of rotations of the polishing constant and the polishing pressure.
FIGS. 15A to 15D are cross-sectional views illustrating a conventional method for manufacturing a bonded SOI substrate. FIGS.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... 1st Si wafer, 102 ... 1st silicon oxide film, 103 ... Back surface gate electrode, 105 ... Peak range (Rp2) of ion implantation, 106 ... 2nd silicon oxide film, 106a ... Flattened oxidation Surface of film 107 107 Second silicon wafer 108 SOI layer 109 Hydrogen ion 120 SOI substrate 701 MOSFET active region 702 Element isolation region 703 Gate electrode 801 First Si wafer (Si substrate), 802 ... polishing stopper layer (LOCOS oxide film, element isolation region), 803 ... MOS transistor active region, 804 ... step, 805 ... back gate electrode, 806 ... silicon oxide film, 807 ... peak range of ion implantation (Rp), 808 ... second Si wafer, 809 ... Smart Cut(Registered trademark) Ion implantation in the method, 811 ... SOI layer (single crystal silicon layer), 1304 ... variation in thickness of the SOI layer (ΔRp), 820 ... SOI substrate, 1101 ... first Si wafer, 1102 ... oxide film layer, 1103 ... Peak range (Rp) of ion implantation, 1104... Second Si wafer, 1105... SOI layer (single crystal silicon layer), 1109.

Claims (10)

Siウエハーの表面上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
上記第1の絶縁膜の上に素子を形成する工程と、
上記素子及び上記第1の絶縁膜の上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記第2の絶縁膜を平坦化する工程と、
上記Siウエハーに上記第1、第2の絶縁膜及び上記素子を通してSmart Cut (登録商標)法におけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハーにおける一定の深さにイオン注入のピークレンジを形成する工程と、
上記第2の絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、
上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、
を具備することを特徴とする張り合わせSOI基板の作製方法。
Forming a first insulating film on the surface of the Si wafer;
Forming an element on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the element and the first insulating film;
Planarizing the second insulating film;
The Si the first to the wafer, by ion implantation definitive in Smart Cut (registered trademark) method through the second insulating film and the element, to form a peak range of the ion implantation to a certain depth in the Si wafer Process,
Attaching a semiconductor wafer to the surface of the second insulating film;
Cutting the Si wafer at a portion of the peak range of the ion implantation;
A method for manufacturing a bonded SOI substrate, comprising:
上記第2の絶縁膜を形成する工程における該第2の絶縁膜をCVD法により形成することを特徴とする請求項1記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  2. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 1, wherein the second insulating film in the step of forming the second insulating film is formed by a CVD method. Siウエハーの表面にSi以外の材質から構成される研磨ストッパー層を形成することにより、該Siウエハーの表面に段差を設ける工程と、
上記研磨ストッパー層の相互間に素子を設ける工程と、上記素子及び上記研磨ストッパー層の上に絶縁膜を設ける工程と、
上記絶縁膜を平坦化する工程と、
上記Siウエハーに上記絶縁膜及び上記研磨ストッパー層を通してSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハー中に該イオン注入のピークレンジを形成する工程と、
上記絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、
上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、
上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨する工程と、
を具備することを特徴とする張り合わせSOI基板の作製方法。
Providing a step on the surface of the Si wafer by forming a polishing stopper layer made of a material other than Si on the surface of the Si wafer;
Providing an element between the polishing stopper layers; providing an insulating film on the element and the polishing stopper layer;
Planarizing the insulating film;
Forming a peak range of the ion implantation in the Si wafer by performing ion implantation in the Smart Cut (registered trademark) method through the insulating film and the polishing stopper layer to the Si wafer;
Attaching a semiconductor wafer to the surface of the insulating film;
Cutting the Si wafer at a portion of the peak range of the ion implantation;
Chemically polishing the surface of the Si wafer after cutting with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper;
A method for manufacturing a bonded SOI substrate, comprising:
上記段差を設ける工程において、上記研磨ストッパー層をLOCOS法により形成することを特徴とする請求項3記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  4. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 3, wherein in the step of providing the step, the polishing stopper layer is formed by a LOCOS method. Siウエハーの表面の一部をドライエッチング法でエッチング除去することにより、該Siウエハーの表面に段差を設ける工程と、
上記段差の部分の上にSi以外の材質から構成される研磨ストッパー層を形成する工程と、上記研磨ストッパー層の相互間に素子を設ける工程と、
上記素子及び上記研磨ストッパー層の上に絶縁膜を設ける工程と、
上記絶縁膜を平坦化する工程と、
上記Siウエハーに上記絶縁膜及び上記研磨ストッパー層を通してSmart Cut(登録商標)法におけるイオン注入を行うことにより、該Siウエハー中に該イオン注入のピークレンジを形成する工程と、
上記絶縁膜の表面に半導体ウエハーを張り合わせる工程と、
上記Siウエハーを上記イオン注入のピークレンジの部分で切断する工程と、
上記Siウエハーの切断後の表面を、上記研磨ストッパー層をストッパーとして研磨砥粒を含まないアルカリ系研磨液により化学的に研磨する工程と、
を具備することを特徴とする張り合わせSOI基板の作製方法。
Providing a step on the surface of the Si wafer by etching away a part of the surface of the Si wafer by dry etching;
A step of forming a polishing stopper layer made of a material other than Si on the stepped portion, a step of providing an element between the polishing stopper layers,
Providing an insulating film on the element and the polishing stopper layer;
Planarizing the insulating film;
Forming a peak range of the ion implantation in the Si wafer by performing ion implantation in the Smart Cut (registered trademark) method through the insulating film and the polishing stopper layer to the Si wafer;
Attaching a semiconductor wafer to the surface of the insulating film;
Cutting the Si wafer at a portion of the peak range of the ion implantation;
Chemically polishing the surface of the Si wafer after cutting with an alkaline polishing liquid containing no abrasive grains using the polishing stopper layer as a stopper;
A method for manufacturing a bonded SOI substrate, comprising:
上記平坦化する工程における平坦化の手段としてCMP法を用いることを特徴とする請求項1、3又は5記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  6. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 1, wherein a CMP method is used as a flattening means in the flattening step. 上記絶縁膜を設ける工程における該絶縁膜をCVD法により形成することを特徴とする請求項3又は5記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  6. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 3, wherein the insulating film in the step of providing the insulating film is formed by a CVD method. 上記素子が裏面ゲート電極、配線、抵抗又はキャパシタであることを特徴とする請求項1、3又は5記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  6. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 1, wherein the element is a back gate electrode, a wiring, a resistor, or a capacitor. 上記化学的に研磨する工程によりMOSトランジスターの活性領域にのみ選択的にSOI層を形成することを特徴とする請求項3又は5記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  6. The method for manufacturing a bonded SOI substrate according to claim 3, wherein an SOI layer is selectively formed only in an active region of the MOS transistor by the chemical polishing step. 上記化学的に研磨する工程における研磨選択比(但し、研磨選択比とはRsi/Rsoiであり、Rsiとは研磨面の全面がシリコン基板である場合の化学的研磨におけるシリコン基板の膜減り速度であり、Rsoiとは研磨が研磨ストッパー層にまで達した際に研磨ストッパー層間に残るSOI層の膜減り速度である。)を37とすることを特徴とする請求項3又は5記載の張り合わせSOI基板の作製方法。  Polishing selection ratio in the above-described chemical polishing step (where the polishing selection ratio is Rsi / Rsoi, and Rsi is the film reduction rate of the silicon substrate in chemical polishing when the entire polishing surface is a silicon substrate) 6. The bonded SOI substrate according to claim 3, wherein Rsoi is a film reduction rate of the SOI layer remaining between the polishing stopper layers when polishing reaches the polishing stopper layer. Manufacturing method.
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