JP5231772B2 - 透過型液晶表示素子基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、特に透明基板を用いた透過型液晶表示素子基板の製造方法に関するものである。

絶縁基体上にシリコン薄膜を形成し、そのシリコン薄膜に半導体デバイスを形成するＳＯＩ技術は、素子の高速化や低消費電力化、高集積化等の利点を有することから広く研究されている。このような技術については特許文献１に記載されている。背景技術としては本願と同じなので、以下引用して記載する。

このＳＯＩ技術の１つとして、単結晶シリコン基板の貼り合わせによるＳＯＩ基板の作製技術がある。一般に貼り合わせ法と呼ばれるこの手法は、単結晶シリコン基板と支持基板を水素結合力を利用して貼り合わせた後、熱処理によって貼り合わせ強度の強化がなされ、次いで単結晶シリコン基板の研削や研磨、またはエッチングによって薄膜の単結晶シリコン層を支持基板上に形成するものである。この手法では、直接単結晶のシリコン基板を薄膜化するために、シリコン薄膜の結晶性に優れ、高性能のデバイスを作成できる。

また、この貼り合わせ法を応用したものとして、単結晶シリコン基板に水素イオンを注入し、これを支持基板と貼り合わせた後、熱処理によって薄膜シリコン層を単結晶シリコン基板の水素注入領域から分離する手法（ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ５３７４５６４）や、表面を多孔質化したシリコン基板上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させ、これを支持基板と貼り合わせた後にシリコン基板を除去し、多孔質シリコン層をエッチングすることにより支持基板上にエピタキシャル単結晶シリコン薄膜を形成する手法（特開平４−３４６４１８）などが知られている。このような貼り合わせ法によるＳＯＩ基板は通常のバルク半導体基板と同様に、さまざまなデバイスの作製に用いられているが、従来のバルク基板と異なる特徴として、支持基板に様々な材料を使用することが可能な点を挙げることができる。すなわち支持基板として通常のシリコン基板はもちろんのこと、透明な石英、あるいはガラス基板などを用いることができる。透明な基板上に単結晶シリコン薄膜を形成することによって、光透過性を必要とするデバイス、例えば透過型の液晶表示デバイスなどにも結晶性に優れた単結晶シリコンを用いて高性能なトランジスタ素子を形成することが可能となる。

このように透明支持基板と単結晶シリコン薄膜を貼り合わせたＳＯＩ基板においては、単結晶シリコン層はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタ素子のチャネルやソース、ドレイン領域として用いられる。このとき基板が透明であると、基板裏面から光が照射された際に、このＭＯＳＦＥＴのチャネル領域に光照射によるリーク電流が発生し、デバイスの特性が劣化する。（なおここでは単結晶シリコン層の形成された面を基板の表面とし、反対側を裏面としている。）この点について図を用いながら具体的に説明する。図２は従来製造されている透明基板を用いた貼り合わせＳＯＩ基板の断面図である。このＳＯＩ基板では、単結晶シリコン層２は酸化膜層３を介して支持基板１と貼り合わされた構造となっている。ここで述べた酸化膜層３は一般に光を透過する性質を持つため、支持基板に石英やガラスなどの透明材料を用いた従来のＳＯＩ基板では、単結晶シリコン層２の下層には遮光性を有する層が一切設けられていないことになる。

図３は、図２で示した従来のＳＯＩ基板を用いて作製したＭＯＳＦＥＴの断面図である。支持基板１の上には酸化膜層３があり、さらに単結晶シリコン層をパターニングして形成したＭＯＳＦＥＴのソース領域２ｂ、チャネル領域２ａ、およびドレイン領域２ｃがあり、この単結晶シリコン領域はこれを表面酸化して形成したゲート絶縁膜２ｄで覆われている。ゲート絶縁膜２ｄ上にはゲート電極６があり、ＭＯＳＦＥＴの単結晶シリコン領域とゲート電極６は第１の層間膜７によって覆われている。さらにソース線９とドレイン線８が第１の層間膜７の開口部を介してそれぞれソース領域２ｂ、ドレイン領域２ｃに接続している。この上に更に第２の層間膜１０が形成され、上部遮光層１１が第２の層間膜１０上に形成されている。上部遮光層１１は黒色ポリイミド樹脂などの不透明絶縁性の材料あるいはアルミニウムなどの金属薄膜などで形成されている。基板表面側から光１２ａが直接入射する場合には、基板上に設けられたＭＯＳＦＥＴのチャネル領域２ａを上部遮光層１１によって、光１２ａによる光リークを抑えることができる。しかしＭＯＳＦＥＴのチャネル領域２ａに基板裏面から１２ｃで示す光が直接入るような場合には、光リークを防ぐことができない。また基板の裏側界面１ａで反射する１２ｂのような光があった場合、それが基板表面から入射したものであっても、その一部がＭＯＳＦＥＴのチャネル領域２ａに到達し光リークを引き起こすことになる。

すなわち図２に示した従来構造のＳＯＩ基板では、支持基板１と単結晶シリコン層２との間に遮光層が設けられていないために、このＳＯＩ基板を用いて単結晶シリコン薄膜によるＭＯＳＦＥＴを形成した場合、ＭＯＳＦＥＴチャネル領域２ａを、基板裏面からの直接的な入射光１２ｃや、基板裏面での反射光１２ｂから遮ることができなかった。このため、前記従来構造のＳＯＩ基板で作製したＭＯＳＦＥＴでは光リークが発生し、素子の特性が劣化するという根本的な問題点があった。またこれによって光を用いるデバイスに対して透明なＳＯＩ基板を用いることが難しく、汎用性が低いという問題があった。

特許文献１による発明の目的は、透明な支持基板を用いても光リークの問題の生じない半導体デバイスを作製できるＳＯＩ基板と、その製造方法を提供することにある。また別の目的は、透明基板を用いた光リークのないＳＯＩ基板を用いた高性能な半導体デバイスを提供することにある。

上記の目的を達成するため、透明な支持基板と、その上に形成される単結晶シリコン層との間に、光リークを防ぐための埋め込み型の遮光層を設けたものである。この遮光層は、支持基板の一方の表面上に形成されており、単結晶シリコン層はこの遮光層上に堆積した絶縁層の上に形成される。遮光層は、作製しようとするデバイスを構成するＭＯＳＦＥＴのチャネル領域を覆うようにパターニングされており、上記ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域以外の部分に遮光層は存在しない。このため例えば透過型液晶表示デバイスなど基板が光を透過する必要のある用途に用いることが可能である。また、この遮光層の材料として高融点金属もしくはそれらの珪素化合物（シリサイド）を用いることにより、単結晶シリコン層への不純物拡散などのＭＯＳＦＥＴ製造に不可欠な熱プロセスに対して十分安定な特性をもつＳＯＩ基板を作製することができる。

特開平１０−２９３３２０号公報

透明基板上に透明な酸化膜を介して薄くて透明化した単結晶シリコンを貼り合わせて、通常の単結晶シリコン基板を加工するＬＳＩ製造装置に投入すると、基板が透明なので、基板が認識されずに誤動作が発生するために、透明基板にＬＳＩ製造装置が認識するためのマーク等を作成しなければならない。通常は透明基板の裏面に不透明膜を形成するので、そのために１工程必要としていた。

また、透明基板には基板の履歴等を残すために個々の基板にＩＤ刻印をする必要があるが、レーザーで刻印をするには基板が透明なため高エネルギーでの刻印が必要となる。

単結晶シリコン基板と支持基板を水素結合力を利用して貼り合わせた後、熱処理によって貼り合わせ強度の強化がなされるが、熱処理としてエキシマレーザーを照射する方法が採られる場合、金属製の遮光膜の有無により貼り合わせ部分への熱処理状態が変化し、接着強度が不安定になる。

少なくとも、
透明基板上に遮光膜を形成する工程と、
前記遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程と、
前記透明基板とパターニングされた前記遮光膜上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜の平坦化処理をする工程と、
シリコン基板を平坦化処理された前記酸化シリコン膜上に接着する工程と、
前記酸化シリコン膜表面から所定の位置に水素インプランテーションで水素リッチ層を形成する工程と、
前記水素リッチ層で前記シリコン基板を透明基板側とシリコン基板側に分離する工程と、
前記透明基板側の前記水素リッチ層を研磨して除去し、単結晶シリコンを露出する工程と、
露出した前記単結晶シリコン上に集積回路を形成する工程を具備する透過型液晶表示素子基板の製造方法において、
前記シリコン基板を平坦化処理された前記酸化シリコン膜上に接着する工程では、前記透明基板側から前記酸化シリコン膜にレーザーを照射して接着し、前記遮光膜の有無により前記レーザーの照射量を変える透過型液晶表示素子基板の製造方法とする。

前記遮光膜を前記トランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程で透明基板認識マークを形成する透過型液晶表示素子基板の製造方法とする。

前記遮光膜を前記トランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程で透明基板ＩＤ刻印部を形成する透過型液晶表示素子基板の製造方法とする。

請求項１の発明によると、遮光膜がある部分はレーザーを高エネルギーで照射し、遮光膜が無い部分はレーザーを低エネルギーで照射することで接着部の熱処理が均一にできる。

請求項２の発明によると、遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターン形成する工程で透明基板認識マークを形成することで、遮光膜のパターニングと同時に透明基板認識マークを形成でき、透明基板認識マーク形成工程が不要となる。

請求項３の発明によると、遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターン形成する工程で透明基板ＩＤ刻印部を形成することで、遮光膜で形成されたＩＤ刻印部にレーザー等で容易に低エネルギーでＩＤ刻印が可能となる。

少なくとも、
透明基板上に遮光膜を形成する工程と、
遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターン形成する工程と、
透明基板と遮光膜パターン上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
酸化シリコン膜の平坦化処理をする工程と、
シリコン基板を酸化シリコン膜上に接着する工程と、
酸化シリコン膜表面から所定の位置に水素インプランテーションで水素リッチ層を形成する工程と、
水素リッチ層部で透明基板側とシリコン基板側を分離する工程と、
透明基板側の水素リッチ層を研磨して除去し、単結晶シリコンを露出する工程と、
単結晶シリコン上に集積回路を形成する工程を具備する透過型液晶表示素子基板の製造方法において、
遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターン形成する工程で、遮光膜を利用して透明基板認識マークと透明基板ＩＤ刻印部を形成し、
シリコン基板を酸化シリコン膜上に接着する工程では透明基板側から酸化シリコン膜にレーザーを照射して接着し、遮光膜の有無によりレーザーの照射量を変える透過型液晶表示素子基板の製造方法とする。

図１は本発明の透過型液晶表示素子基板の製造方法を説明するための主要工程の断面図である。（Ａ）は透明基板上に遮光膜を形成する工程、（Ｂ）は遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてのパターン化と同時に透明基板認識マークと透明基板ＩＤ刻印部を形成する工程、（Ｃ）は透明基板と遮光膜パターン上に酸化シリコン膜を形成し平坦化する工程、（Ｄ）はシリコン基板を酸化シリコン膜上に接着する工程、（Ｅ）は単結晶シリコン基板表面から所定の位置に水素インプランテーションで水素リッチ層を形成する工程、（Ｆ）は接着した酸化シリコン膜２２と単結晶シリコン基板の接着強度を高めるための加熱工程、（Ｇ）は水素リッチ層部で透明基板側とシリコン基板側を分離し、透明基板側の水素リッチ層を研磨して除去し、単結晶シリコン層を露出する工程、（Ｈ）は単結晶シリコン上に集積回路を形成する工程である。

工程（Ａ）は透明基板（例えば石英基板）２０に遮光膜２１を全面に形成する工程である。遮光膜の材料は、高融点金属、カーボン、シリコンカーバイド、金属シリサイド、シリコンなどＬＳＩ製造プロセスの最高温度に対して安定で遮光性のあるものから選べばよい。成膜手段は材料に応じてスパッタ法、ＣＶＤ法、電子ビーム加熱蒸着法などから適宜選択し、膜厚は遮光できる膜厚にすればよいが、一般には１μｍ以下で十分である。

工程（Ｂ）は遮光膜２１のパターニングであり、形成するトランジスタ配置に合わせた遮光膜の形成と、透明基板２０の外周部に透明基板認識マーク２１Ａと透明基板ＩＤ刻印部２１Ｂを形成するべく通常のエッチングプロセスでパターニングする工程である。図４は、遮光膜２１をパターニングして透明基板認識マーク２１Ａと透明基板ＩＤ刻印部２１Ｂ（その他のパターンは省略）を形成した透明基板２０の上面図である。

工程（Ｃ）はパターニングされた遮光膜２１と後工程で貼付（接着）される単結晶シリコン基板との間の絶縁を確保するための絶縁膜、例えば酸化シリコン膜２２を形成する。酸化シリコン膜はスパッタ法やプラズマＣＶＤ法等の手段で形成するが、パターニングされた遮光膜の溝部が十分被覆される厚さに形成する。その後、単結晶シリコン基板を貼付するためにＣＭＰ（化学的機械研磨）法で酸化シリコン膜２２の表面を平坦化する。

工程（Ｄ）は平坦化された酸化シリコン膜２２の表面に単結晶シリコン基板２３を接着する工程である。例えば３００μｍの単結晶シリコン基板を直接貼り合わせ、３００℃で2時間ほど熱処理をする。

工程（Ｅ）は単結晶シリコン基板２３表面から所定の位置に水素インプランテーションで水素リッチ層を形成する工程であり、水素イオンを単結晶シリコン基板２３に注入する。水素イオン（Ｈ＋）の加速電圧とドーズ量により水素イオンの高濃度層（水素リッチ層）２４が形成される位置が変わるので、適宜決定する。熱処理をすることにより、水素リッチ層２４で単結晶シリコン基板２３が分離できるようになる。

工程（Ｆ）は接着した酸化シリコン膜２２と単結晶シリコン基板２３の接着強度を高めるための加熱工程で、本実施例では透明基板２０側からエキシマレーザーで接着面を加熱して溶融して接着している。全体を加熱する方法では、金属膜と下地基板との熱膨張係数が異なるため、全体では熱膨張係数の差が大きくなる。熱膨張係数の差を無理やり接着させると応力が集中し、後工程で薄膜半導体基板の剥離が発生したり、特性が劣化した薄膜半導体基板となってしまう。エキシマレーザーを用いて、部分的に接着を進めることで熱膨張係数の差により発生する応力を小さくできる。さらに、部分的に接着することで徐々に接着する、すなわち、接着しているところの応力を、近接する接着していない領域を利用することで応力の緩和ができるため、下地基板と薄膜半導体基板との接着による歪みを低減することができる。良好な薄膜半導体基板として利用することができる。特に、金属膜をパターン形成して設ける本発明には非常に有効である。遮光膜は熱伝導性が良く遮光膜で熱が拡散し接着面が溶融できなくなるのでレーザー照射パワーをあげなければならない。図ではレーザー照射パワー（レーザーエネルギー）のグラフを付記してあるが、遮光膜の有無によりレーザー照射パワーを変化させて照射している。図では２段階の変化にしてるが、遮光膜の面積によりさらにレーザー照射パワーを調整することが好ましい。レーザーの入射角を変えることで遮光膜の影を少なくすることも可能かもしれない。前記レーザー照射パワーの調整により均一な接着力が得られる。

工程（Ｇ）は水素リッチ層２４部で透明基板２０側と単結晶シリコン基板２３側を分離し、透明基板２０側の水素リッチ層２４を研磨して除去し、単結晶シリコン層を露出する工程である。これにより透明基板２０に遮光膜パターンを形成したＳＯＩ基板が完成する。図では判り易くする為に各種膜を厚く記載しているが、例えば、遮光膜は４００ｎｍ、酸化シリコン膜は５００ｎｍ、単結晶シリコン基板（単結晶シリコン膜）は２００ｎｍ程度である。

工程（Ｈ）は単結晶シリコン基板２３にＬＳＩ製造プロセスでトランジスタ２５その他の回路素子を形成する工程で、一般的なＬＳＩ製造工程である。本工程において、工程（Ｂ）で形成したに透明基板認識マーク２１Ａと透明基板ＩＤ刻印部２１Ｂが使用されることは言うまでもない。

本発明の透過型液晶表示素子基板の製造方法を説明するための主要工程の断面図 従来製造されている透明基板を用いた貼り合わせＳＯＩ基板の断面 従来のＳＯＩ基板を用いて作製したＭＯＳＦＥＴの断面図 遮光膜をパターニングして透明基板認識マークと透明基板ＩＤ刻印部（その他のパターンは省略）を形成した透明基板の上面図

符号の説明

１ 支持基板
２ 単結晶シリコン層
２ａ チャネル領域
２ｂ ソース領域
２ｃ ドレイン領域
２ｄ ゲート絶縁膜
３ 酸化膜層
４ 遮光層
５ 絶縁層
６ ゲート電極
７ 第１の層間膜
８ ドレイン線
９ ソース線
１０ 層間膜
１１ 上部遮光層
１２ａ 基板表面側からの入射光
１２ｂ 反射光
１２ｃ 基板裏面側からの入射光
２０ 透明基板
２１ 遮光膜
２１Ａ 透明基板認識マーク
２１Ｂ ＩＤ刻印部
２２ 酸化シリコン膜
２３ 単結晶シリコン基板
２４ 水素リッチ層
２５ トランジスタ

Claims (3)

1. 少なくとも、
   透明基板上に遮光膜を形成する工程と、
   前記遮光膜をトランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程と、
   前記透明基板とパターニングされた前記遮光膜上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
   前記酸化シリコン膜の平坦化処理をする工程と、
   シリコン基板を平坦化処理された前記酸化シリコン膜上に接着する工程と、
   前記酸化シリコン膜表面から所定の位置に水素インプランテーションで水素リッチ層を形成する工程と、
   前記水素リッチ層で前記シリコン基板を透明基板側とシリコン基板側に分離する工程と、
   前記透明基板側の前記水素リッチ層を研磨して除去し、単結晶シリコンを露出する工程と、
   露出した前記単結晶シリコン上に集積回路を形成する工程を具備する透過型液晶表示素子基板の製造方法において、
   前記シリコン基板を平坦化処理された前記酸化シリコン膜上に接着する工程では、前記透明基板側から前記酸化シリコン膜にレーザーを照射して接着し、前記遮光膜の有無により前記レーザーの照射量を変えることを特徴とする透過型液晶表示素子基板の製造方法。
2. 前記遮光膜を前記トランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程で透明基板認識マークを形成することを特徴とする請求項１に記載の透過型液晶表示素子基板の製造方法。
3. 前記遮光膜を前記トランジスタ形成領域にあわせてパターニングする工程で透明基板ＩＤ刻印部を形成することを特徴とする請求項１に記載の透過型液晶表示素子基板の製造方法。
   

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