JP5252867B2

JP5252867B2 - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP5252867B2
Application number: JP2007246069A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 工稲田; 昭治宮永
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP2009076784A

Description

本発明は半導体基板に関する。例えば絶縁表面に単結晶半導体層が設けられた半導体基板に関する。

絶縁層の上に薄い単結晶半導体層を設けた、シリコン・オン・インシュレータ（ＳｉｌｉｃｏｍｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる半導体基板（ＳＯＩ基板）に集積回路を形成する技術がある。ＳＯＩ基板を使った集積回路は、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量が低減することから、集積回路の低消費電力化が期待されている。

ＳＯＩ基板を製造する方法としは、水素イオン注入剥離法が知られている（例えば、特許文献１参照）。水素イオン注入剥離法は、シリコンウエハーに水素イオンを注入することによって表面から所定の深さに微小気泡層を形成し、該微小気泡層を劈開面とすることで、別のシリコンウエハーに薄いシリコン層（ＳＯＩ層）を接合する。さらにＳＯＩ層を剥離する熱処理を行うことに加え、酸化性雰囲気下での熱処理によりＳＯＩ層に酸化膜を形成した後に該酸化膜を除去し、次に１０００乃至１３００℃の還元性雰囲気下で熱処理を行って接合強度を高める必要があるとされている。

水素イオン注入剥離法は、質量分離された不純物元素としてのイオンを電界で加速して、シリコンウエハ等の基板に衝突させ、物理的に基板表面内に不純物を埋め込む方法である。イオンを質量分離して注入するイオン注入装置において、イオンビームの断面積は基板に対して極めて小さいので、イオンをシリコンウエハ等の基板全面に注入するにはイオンビームを走査させる必要がある。そのため、シリコンウエハ等の基板に注入されるイオンの濃度や深さ等の注入分布にバラツキが生じ、単結晶シリコン層の劈開面には大きな凹凸が生じてしまうこととなる。単結晶シリコン層の劈開面はＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のトランジスタにおいてゲート絶縁膜を形成する面になるので、凹凸が大きいとゲート電極と単結晶シリコン層との間の絶縁性が損なわれ、リーク電流が増大してしまう問題がある。

そのためにシリコンウエハから単結晶シリコン層を劈開した後、該劈開面を平坦化し、所定の厚さにまで薄くするために化学的機械的研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）が行われている（例えば、特許文献２参照）。シリコンウエハから劈開された単結晶シリコン層の表面を平坦化する他の方法として、劈開した後に水素雰囲気下で１０００℃〜シリコンの融点以下の温度範囲で熱処理を行う技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
米国特許第６３７２６０９号明細書米国特許第５３７４５６４号明細書特開平１１−３０７４７２号公報

シリコンウエハ等の単結晶半導体基板から剥離された単結晶半導体層を固定する支持基板として、液晶パネル等に用いられるガラス基板を用いることで、ＳＯＩ構造を有する半導体基板の大面積化と、低廉化を図ることができる。しかしながらガラス基板は、シリコンウエハと比較して耐熱性が低いという特性がある。そのため、ガラス基板を支持基板とする場合には、剥離された単結晶半導体層の表面を平坦化するために、１０００℃を超えるような高温の熱処理ができないという問題がある。

また、従来の水素イオン注入剥離法では、シリコンウエハから単結晶シリコン層を劈開した後に、該劈開面を平坦化し、所定の厚さにまで薄くするためにＣＭＰプロセスが必要となっている。そのために従来のＳＯＩ基板は大面積化には不向きであり、生産性と製造コストの低下を阻害する要因が内在していた。

上述した問題に鑑み、単結晶シリコン基板を劈開して剥離を行う場合であっても、剥離面の平坦性を保持したまま剥離が可能である半導体基板の製造方法を提供することを目的の一とする。または、ガラス基板等耐熱温度が低い基板を用いた場合にも、実用に耐えうる半導体層を備えた半導体基板の製造方法を提供することを目的の一とする。または、そのような半導体基板を用いた信頼性の高い半導体装置を作製することを目的の一とする。

絶縁表面を有する基板上に半導体層、好ましくは単結晶半導体層を設けた所謂ＳＯＩ構造を有する半導体基板の製造方法であり、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを電界で加速して、半導体基板の一の面側から注入し、該半導体基板の表面から所定の深さに分離層を形成した後、該分離層若しくはその近傍を劈開して半導体層を形成することを要旨とする。

イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを半導体基板に注入する一手段として、水素プラズマを生成し、該プラズマ中に生成されるイオンを質量分離せず、そのまま電界で加速するイオンドーピング法を用いることができる。

他のイオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを半導体基板に注入する一手段として、水素プラズマを生成し、該プラズマ中に生成されるイオンを質量分離して電界で加速するイオン注入法を用いる。

イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを半導体基板に注入することにより、該半導体基板の表面から浅い領域に半導体層を劈開するための分離層を形成することができる。それにより、ＣＭＰプロセスのような研磨工程が不要となる。また、劈開面が頗る平坦になるので、１０００℃を超えるような高温の熱処理を行い平坦化を行う工程が不要となる。すなわち、ガラス基板等耐熱温度が低い基板を用いた場合にも、実用に耐えうる半導体層を備えた半導体基板を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いることとする。

（実施の形態１）
本形態では、単結晶シリコン基板を劈開して剥離を行う場合であっても、剥離面の平坦性を保持したまま剥離が可能とすることを目的の一とする半導体基板の製造方法について図面を参照して説明する。また本形態では、ガラス基板等耐熱温度が低い基板に単結晶半導体層を設けることを目的の一とする半導体基板の製造方法についても合わせて説明する。具体的には、半導体ウエハに線状又は矩形状のイオンビームを照射した後に、支持基板と貼り合わせて剥離する半導体基板の製造方法について説明する。

半導体ウエハ１０１の一の表面に窒素を含有する第１の絶縁層１０２を形成する（図１（Ａ）参照）。半導体ウエハ１０１は、例えば単結晶シリコン基板、ゲルマニウム基板、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体ウエハ等である。単結晶シリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、形状は円形に限られず矩形状に加工したシリコン基板を用いることも可能である。

窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、後に半導体ウエハ１０１の一部を支持基板に貼り合わせて単結晶構造を有する半導体層（以下、「単結晶半導体層」と記す）を設けた際に、支持基板側からの不純物汚染を防ぐ目的で設けておくことが好ましい。すなわち、窒素を含有する第１の絶縁層１０２は支持基板に含まれる可動イオンや水分等の不純物が単結晶半導体層に拡散することを防ぐためのバリア層として機能する。従って、不純物汚染が問題とならない場合には、窒素を含有する第１の絶縁層１０２は省略することも可能である。

窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いて窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層又は酸化窒化シリコン層を単層構造又は積層構造で形成する。窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲で設けることが好ましい。例えば、半導体ウエハ１０１側から酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層を積層させて窒素を含有する第１の絶縁層１０２とすることができる。

なお、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が５５〜６５原子％、窒素が１〜２０原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が１５〜３０原子％、窒素が２０〜３５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が１５〜２５原子％の範囲で含まれるものをいう。

半導体ウエハ１０１の表面から所定の深さにイオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを電界で加速して注入し、分離層１０３を形成する（図１（Ｂ）参照）。当該イオンのイオンビームの断面形状は半導体ウエハ１０１の全面を照射する面状として行うとイオンの注入濃度と深さを均一にすることができるので好ましい。また、当該イオンのイオンビームの断面形状を矩形若しくは線状とし、半導体ウエハ１０１の全面を走査するように注入しても同様な効果を得ることができる。

半導体ウエハ１０１として円形のシリコンウエハを用いる場合には、シリコンウエハの直径より大きくなるように線状又は矩形状のイオンビーム１０５を形成し、イオンビーム１０５の短尺方向に半導体ウエハ１０１を相対的に移動させることによって、半導体ウエハ１０１の所定の深さにイオンを導入することができる（図３（Ａ）参照）。また、半導体ウエハ１０１の形状は円上に限られない。例えば、正方形又は長方形状に加工された複数のシリコンウエハを支持体１０６上に配置させて支持基板への貼り合わせを行う場合には、複数のシリコンウエハに同時に線状のイオンビーム１０５を照射することによってイオンの導入を行ってもよい（図３（Ｂ）参照）。

線状又は矩形状のイオンビームを照射して半導体ウエハ１０１にイオンを導入することによって、大面積に一括にイオンの導入を行う場合と比較して、イオンの注入分布を均一にすることができる。これは、大面積に一括にイオンの導入を行う場合には二次元（長尺方向及び短尺方向）でのイオンの注入分布の均一性が要求されるが、線状又は矩形状のイオンビームを走査してイオンの導入を行う場合には長尺方向における均一性のみが要求されるためである。

半導体ウエハ１０１に線状又は矩形状のイオンビーム１０５を照射する場合には、イオンビーム１０５の短尺方向に半導体ウエハ１０１を相対的に移動させることに半導体ウエハ１０１の全面にイオンの導入を行うが、半導体ウエハ１０１を移動させる構成としてもよいし、イオンビームを走査させる構成としてもよい。

イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンは、水素プラズマを生成し、該プラズマ中に生成されるイオンを質量分離せず、そのまま電界で加速するこにより注入するイオンドーピング装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置を用いることにより、大面積の半導体ウエハに対しても生産性良くイオンを注入することができる。

また、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンは、水素プラズマを生成し、該プラズマ中に生成されるイオンを質量分離して、半導体ウエハに注入するイオン注入装置を用いて行うこともできる。この場合、イオン源から引き出されるイオンビームの断面形状を矩形若しくは線状とすることで大面積の半導体ウエハに対しても生産性良くイオンを注入することができる。

イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンは、代表的にはＨ_３ ^＋イオンである。例えば、イオン源に水素を導入し、フィラメントに直流電力を印加してプラズマを生成することにより、Ｈ_３ ^＋のイオンを得ることができる。フィラメントの熱電子を使って水素プラズマを生成することで、Ｈ_３ ^＋イオンの割合をイオン種（Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋）よりも高めることができるので好ましい。Ｈ_３ ^＋イオンを注入することで、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋を注入するよりもイオンの注入効率が向上し、ドーズ量が少なくても水素を高濃度に注入することができる。

イオンビーム１０５に、イオン種Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋の総量に対してＨ_３ ^＋イオンが５０％以上含まれるようにすることが好ましい。Ｈ_３ ^＋イオンの割合は８０％以上がより好ましい。このようにＨ_３ ^＋の割合を高めておくことで、分離層１０３には１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の水素を含ませることが可能である。分離層１０３には、好ましくは５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の水素を含ませることが好ましい。半導体ウエハ１０１に局所的に高濃度の水素注入領域を形成すると、結晶構造が失われ微小な空孔が形成されるため、分離層１０３は多孔質構造となっている。そのため、比較的低温（６００℃以下）の熱処理によって分離層１０３に形成された微小な空洞の体積変化が起こり、分離層１０３に沿って、半導体ウエハ１０１を劈開することができる。

イオンの注入は、後に半導体ウエハ１０１から分離されて支持基板に転置される単結晶半導体層の膜厚を考慮して行う。好ましくは、単結晶半導体層の膜厚が５ｎｍ乃至５００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍ乃至２００ｎｍの厚さとなるようにする。イオンをドープする際の加速電圧及びイオンのドーズ量は、転置する単結晶半導体層の膜厚を考慮して適宜選択する。本形態のようにＨ_３ ^＋イオンを主として注入する場合、Ｈ_３ ^＋イオンは質量がＨ^＋イオンよりも重いので、半導体ウエハ１０１の表面から浅い領域に分離層１０３を形成することができる。それにより、ＣＭＰプロセスのような研磨工程が不要となる。また、劈開面が頗る平坦になるので、１０００℃を超えるような高温の熱処理を行い平坦化を行う工程が不要となる。

次に、半導体ウエハ１０１上に窒素を含有する第１の絶縁層１０２を介して第２の絶縁層１０４を形成する（図１（Ｃ）参照）。第２の絶縁層１０４は、支持基板との接合層として機能し、半導体ウエハ１０１が支持基板と接合を形成する面に設ける。単層構造としても積層構造としてもよいが、支持基板と接合する面（以下、「接合面」とも記す）が平滑面を有し親水性表面となる絶縁層を用いることが好ましい。

平滑面を有し親水性表面を形成できる絶縁層としては、水素を含有する酸化シリコン、水素を含有する窒化シリコン、酸素と水素を含有する窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を適用することができる。

水素を含有する酸化シリコンとしいては、例えば有機シランを用いて化学気相成長法により作製される酸化シリコンは好ましい。有機シランを用いて形成された第２の絶縁層１０４、例えば酸化シリコン膜を用いることによって、支持基板と単結晶半導体層との接合を強固にすることができるためである。有機シランとしては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：化学式Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３）等のシリコン含有化合物を用いることができる。

水素を含有する窒化シリコンは、シランガスとアンモニアガスを用いてプラズマＣＶＤ法により作製することができる。前記ガスに水素が加えられていても良い。酸素と水素を含有する窒化シリコンは、シランガスとアンモニアガスと亜酸化窒素ガスを用いてプラズマＣＶＤ法で作製することができる。いずれにしても、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法等の化学気相成長法により、シランガス等を原料ガスとして用いて作製される酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンであって水素が含まれるものであれば適用することができる。化学気相成長法による成膜では、半導体ウエハ１０１に形成した分離層１０３から脱ガスが起こらない程度の温度を適用する。例えば、成膜温度を３５０℃以下とすることが好ましい。なお、半導体ウエハ１０１から単結晶半導体層を剥離する加熱処理は、化学気相成長法による成膜温度よりも高い加熱処理温度が適用される。いずれにしても第２の絶縁層１０４として、平滑面を有し、水酸基が付いた表面を有するものであれば良い。

次に、半導体ウエハ１０１と支持基板１０７とを貼り合わせる（図１（Ｄ）参照）。半導体ウエハ１０１上に形成された第２の絶縁層１０４の表面と支持基板１０７の表面とを密着させることにより接合が形成される。この接合は、水素結合やファン・デル・ワールス力が作用している。水素結合は、基板表面が親水性であること、水酸基や水分子が接着剤として働き、熱処理で水分子が拡散し、残留成分がシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）を形成して水素結合で接合を形成する。さらにこの接合部は、水素が抜けることでシロキサン結合（Ｏ−Ｓｉ−Ｏ）が形成されることで共有結合になり、半導体ウエハ１０１と支持基板１０７の接合が強固なものとなる。

支持基板１０７は、絶縁表面を有する基板を用いる。例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、サファイア基板が挙げられる。好ましくは支持基板１０７としてガラス基板を用いるのがよく、例えば第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）といわれる大面積のマザーガラス基板を用いる。大面積のマザーガラス基板を支持基板１０７として用いて半導体基板を製造することで、半導体基板の大面積化が実現できる。その結果、１枚の基板から製造できる表示パネルの数（面取り数）を増大させることが可能となり、生産性を向上させることができる。

アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板の表面は、研磨面を有しているものを用いると平坦性が頗る良好であり好ましい。ガラス基板の研磨面と半導体ウエハ、若しくは半導体ウエハに形成さえれた第２の絶縁層とを接合させることにより、接合不良を低減することができる。ガラス基板の研磨は、例えば酸化セリウム等で行えば良い。研磨処理をすることで、ガラス基板の主表面における端部領域を含む略全面に半導体ウエハを貼り合わせることができる。

また、支持基板１０７と第２の絶縁層１０４との接合を良好に行うために、接合面を活性化しておいてもよい。例えば、接合を形成する面の一方又は双方に原子ビーム若しくはイオンビームを照射する。原子ビーム若しくはイオンビームを利用する場合には、アルゴン等の不活性ガス中性原子ビーム若しくは不活性ガスイオンビームを用いることができる。その他に、プラズマ照射若しくはラジカル処理を行うことで接合面を活性化することもできる。このような表面処理により、４００℃以下の温度であっても異種材料間の接合を形成することが容易となる。

第２の絶縁層１０４を介して支持基板１０７と半導体ウエハ１０１を貼り合わせた後（図２（Ａ）参照）は、加熱処理と加圧処理の一方又は両方を行うことが好ましい。加熱処理や加圧処理を行うことにより支持基板１０７と半導体ウエハ１０１の接合強度を向上させることが可能となる。加熱処理の温度は、支持基板１０７の耐熱温度以下で行う。加圧処理は、接合面に垂直な方向に圧力が加わるように行い、支持基板１０７及び半導体ウエハ１０１の耐圧性を考慮して行う。

加熱処理を行い分離層１０３を劈開面として半導体ウエハ１０１の一部を支持基板１０７から剥離する（図２（Ｂ）参照）。加熱処理の温度は第２の絶縁層１０４の成膜温度以上、支持基板１０７の耐熱温度以下で行うことが好ましい。例えば４００℃乃至６００℃の加熱処理を行うことにより、分離層１０３に形成された微小な空洞の堆積変化が起こり、当該分離層１０３に沿って劈開する。第２の絶縁層１０４は支持基板１０７と接合しているので、支持基板１０７上には半導体ウエハ１０１と同じ結晶性の単結晶半導体層１０８が残存することとなる。

以上の工程により、支持基板１０７上に第２の絶縁層１０４を介して単結晶半導体層１０８が設けられた半導体板が得られる。

特定の質量のイオンを選択的に半導体ウエハ等に注入するイオン注入法を用いた場合には、イオンの注入分布が不均一となり、剥離して得られる単結晶半導体層１０８の劈開面は粗面化する。その表面を平坦化するために化学的機械的研磨ＣＭＰ又はガラス基板の耐熱温度以上で熱処理を行う必要がある。一方、本形態で示しように、線状又は矩形状のイオンビームを照射して形成された剥離層を用いて半導体ウエハを劈開することにより得られる単結晶半導体層１０８の劈開面は比較的平坦なものとなる。本形態では、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを半導体ウエハ１０１に注入することにより、単結晶半導体層１０８の劈開面が比較的平坦になる。従って、従来必要であった１０００℃を超えるような高温の熱処理や、ＣＭＰによる平坦化処理を省略することができる。このような場合においても、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下の不活性気体中（例えば、窒素雰囲気下、希ガス雰囲気下等）のレーザアニールにより表面を滑らかにする処理を行うことは好ましい。

従って、支持基板としてガラス基板等の耐熱温度が低い基板を用いた場合であっても、実用に耐えうる単結晶半導体層を備えた半導体基板を得ることができる。また、大面積のガラス基板に単結晶半導体層を貼り合わせた場合であっても、ＣＭＰ工程を省略することができるため、低コスト化、スループットの向上を図ることができる。また、剥離した半導体ウエハ１０１の剥離面も平坦であるため、化学的機械研磨処理の工程や高温での熱処理を行うことなく再利用することが可能となる。

また、支持基板１０７に複数の半導体ウエハ１０１を配列させて、支持基板１０７上に単結晶半導体層１０８を設けることも可能である。この場合、半導体ウエハ１０１の大きさに依存せず大型の半導体装置を作製することが可能となる。

（実施の形態２）
本形態は、実施の形態１と同様の課題を目的とし、半導体基板における単結晶半導体層の結晶面を｛１１０｝面とした場合について説明する。

図４は単結晶シリコンの単位格子、シリコン原子及び結晶面の関係を示す。ここで、図４（Ａ）は｛１１０｝面のうち代表例として（１１０）面の様子を示し、図４（Ｂ）は｛１００｝面のうち代表例として（１００）面の様子を示すが、簡単のため、それぞれの結晶面に関与しないシリコン原子については、その一部を省略している。なお、図４においてはシリコンを例に挙げて説明しているが、本形態はこれに限定して解釈されるものではない。

図４（Ａ）及び（Ｂ）より、単結晶シリコンの単位格子において、（１１０）面のシリコン原子の平面の面密度は（１００）面のシリコン原子の面密度より大きいことが分かる。（１１０）面では原子が密に配列しているため、その他の面を用いる場合と比較して、半導体ウエハから分離された単結晶半導体層の劈開面の平坦性が向上する。すなわち、（１１０）面の単結晶シリコン層を用いることで、ＣＭＰや平坦化のための熱処理工程を省略することができる。なお、（１１０）面は（１００）面と比較してヤング率が大きく、劈開しやすいというメリットも有している。

次に、結晶面が｛１１０｝面である半導体ウエハを用いた半導体基板の製造方法に関して図面を参照して説明する。本形態では、支持基板側に接合層として機能する絶縁層を設ける場合について説明する。

結晶面が｛１１０｝面である半導体ウエハ１０１上に保護層として機能する第３の絶縁層１０９を形成する。半導体ウエハ１０１として、代表的にはシリコンウエハが用いられる。第３の絶縁層１０９を介して、線状又は矩形状のイオンビーム１０５を半導体ウエハ１０１に照射することによって、半導体ウエハ１０１の表面から所定の深さにイオンを注入し、分離層１０３を形成するする（図５（Ａ）参照）。

第３の絶縁層１０９は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン等から選択された一又は複数の材料を用いて形成することができる。第３の絶縁層１０９は単層構造でも良いし積層構造でも良い。第３の絶縁層１０９の形成方法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ法）やスパッタ法、熱酸化法、熱窒化法等により形成することができる。厚さは１０ｎｍ乃至２００ｎｍ程度とすることが好ましい。第３の絶縁層１０９を設けることにより、イオンの注入による半導体ウエハ１０１の表面（後の単結晶半導体層の表面）の荒れを防止できる。

分離層１０３の形成方法の詳細については実施の形態１を参照できるため、ここでは省略する。分離層１０３の形成後には、第３の絶縁層１０９を除去しても良いが、第３の絶縁層１０９を残存させた場合には下地絶縁層として機能させることが可能である。いずれにしても、半導体ウエハ１０１の表面から所定の深さにイオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを電界で加速して注入し、分離層１０３を形成する。

次に、表面上に窒素を含有する第１の絶縁層１０２と接合層として機能する第２の絶縁層１０４が形成された支持基板１０７と、半導体ウエハ１０１とを貼り合わせる（図５（Ｂ）参照）。窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、支持基板に含まれる可動イオンや水分等の不純物が拡散することを防ぐためのバリア層として機能する。窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層又は酸化窒化シリコン層を単層構造又は積層構造で形成する。窒素を含有する第１の絶縁層１０２は、５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲で設けることが好ましい。例えば、支持基板１０７側から酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層を積層させて窒素を含有する第１の絶縁層１０２とすることができる。

第２の絶縁層１０４は、有機シランを原料ガスに用いた化学気相成長法により成膜される酸化シリコン層を用いることができる。他にも、シランを原料ガスに用いた化学気相成長法により成膜される酸化シリコン層又は酸化窒化シリコン層を適用することもできる。また、第２の絶縁層１０４を介して支持基板１０７と半導体ウエハ１０１を貼り合わせた後は、加熱処理と加圧処理の一方又は両方を行うことが好ましい。加熱処理や加圧処理を行うことにより支持基板１０７と半導体ウエハ１０１の接合強度を向上させることが可能となる。加熱処理の温度は、支持基板１０７の耐熱温度以下で行う。加圧処理は、接合面に垂直な方向に圧力が加わるように行い、支持基板１０７及び半導体ウエハ１０１の耐圧性を考慮して行う。

次に、加熱処理を行い分離層１０３を劈開面として半導体ウエハ１０１の一部を支持基板１０７から剥離する（図５（Ｃ）参照）。加熱処理の温度は第２の絶縁層１０４の成膜温度以上、支持基板１０７の耐熱温度以下で行うことが好ましい。例えば、４００℃乃至６００℃の加熱処理を行うことにより、分離層１０３に形成された微小な空洞の堆積変化が起こり、当該分離層１０３若しくはその近傍で劈開する。第２の絶縁層１０４は支持基板１０７と接合しているので、支持基板１０７上には半導体ウエハ１０１と同じ結晶性の単結晶半導体層１０８が残存することとなる。

以上により、｛１１０｝面を主表面とする単結晶半導体層１０８を有する半導体基板が得られる。｛１１０｝面における原子の面密度は、他の結晶面と比較して大きいため、絶縁層と単結晶半導体層との密着性が向上する。すなわち、単結晶半導体層の剥離を抑制することができる。

また、｛１１０｝面では上記のように原子が密に配列しているため、その他の面を用いる場合と比較して、作製した半導体基板における単結晶半導体層の平坦性が向上する。さらに、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを用い断面形状が線状又は矩形のイオンビームで形成された剥離層を利用して半導体ウエハ１０１を劈開することによって、剥離された単結晶半導体層１０８の表面をより平坦にすることができる。その結果、化学的機械研磨処理の工程や高温での熱処理を行わない場合であっても、本形態で得られる単結晶半導体層１０８を用いて作製したトランジスタは優れた特性を有することになる。

なお、本形態で示した半導体基板の作製方法は、実施の形態１で示した作製方法と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態３）
本形態では、実施の形態１及び２と同様の課題を目的とし、上記実施の形態と異なる半導体基板の作製方法に関して図面を参照して説明する。

半導体ウエハ１０１を硫酸過水（ＳＰＭ）、アンモニア過水（ＡＰＭ）、塩酸過水（ＨＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）等を適宜使って洗浄した後、半導体ウエハ１０１の熱酸化を行うことにより酸化膜１１０を形成する（図６（Ａ）参照）。

熱酸化はドライ酸化で行っても良いが、酸化雰囲気中にハロゲンを添加した酸化を行うことが好ましい。ハロゲンを含むものとしてはＨＣｌが代表例であり、その他にもＨＦ、ＮＦ_３、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＢＣｌ_３、Ｆ_２、Ｂｒ_２等から選ばれた一種又は複数種を適用することができる。このような熱酸化の例としては、酸素に対しＨＣｌを０．５〜１０体積％（好ましくは３体積％）の割合で含む雰囲気中で、９００℃〜１１５０℃の温度（代表的には１０００℃）で熱酸化を行うと良い。処理時間は０．１〜６時間、好ましくは０．５〜１時間とすれば良い。形成される酸化膜の膜厚としては、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍ）、例えば１００ｎｍの厚さとする。

このような温度範囲で熱処理を行うことで、半導体ウエハ１０１に対してハロゲン元素によるゲッタリング効果を得ることができる。ゲッタリング効果としては、特に金属不純物を除去する効果が得られる。すなわち、塩素の作用により、金属等の不純物が揮発性の塩化物となって気相中へ離脱して除去される。半導体ウエハ１０１の表面を化学的機械研磨（ＣＭＰ）処理したものに対しては有効である。また、水素は半導体ウエハ１０１と酸化膜１１０の界面の欠陥を補償して界面の局在準位密度を低減する作用を奏する。

酸化膜１１０はハロゲンが含まれることにより、外因性不純物である重金属を捕集して単結晶半導体層が汚染されることを防止する効果を奏する。代用的な重金属としてはＦｅ、Ｃｒ、ＮｉでありＭｏがさらに含まれる場合があり、これらは単結晶半導体層に対し、質量分離されないイオンをドーピングして分離層を形成する過程で導入される。すなわち酸化膜１１０は酸化雰囲気中にＨＣｌ等を添加した酸化を行うことで、膜中にハロゲンを含ませることが出来、それにより重金属等単結晶半導体層に悪影響を与える不純物がゲッタリングされるという効果を得ることができる。

酸化膜１１０を形成した後に行われる熱処理により、単結晶半導体層に含まれる不純物としての金属は酸化膜１１０に析出し、ハロゲン（例えば塩素）と反応して捕獲されることとなる。それにより酸化膜１１０中に捕集した当該不純物を固定して半導体ウエハ１０１の汚染を防ぐことができる。すなわち、酸化膜１１０は、半導体のライフタイムキラーとなる金属元素を捕獲して再拡散させないことにより、トランジスタの高性能化を図ることができる。

熱酸化により形成される酸化膜１１０中にはハロゲンが含まれる。ハロゲンは１×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^２０／ｃｍ^３の濃度で含まれることにより金属等の不純物を捕獲して半導体ウエハ１０１の汚染を防止する保護膜としての機能を発現させることができる。

次に、酸化膜１１０を介して、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンであって線状又は矩形状の断面形状を有するイオンビーム１０５を半導体ウエハ１０１に照射する。それによって、半導体ウエハ１０１の表面から所定の深さにイオンを注入し、分離層１０３を形成するする（図６（Ｂ）参照）。なお、分離層１０３の形成方法の詳細については実施の形態１を参照できるため、ここでは省略する。

イオンを注入する際に、質量分離をしないイオンドーピング装置を用いる場合には、水素イオンの他に金属イオンも同時に半導体ウエハ１０１に注入される場合がある。金属イオンは質量が大きいので、イオンが注入される側の極表面に多く分布する。本形態では半導体ウエハ１０１の表面に酸化膜１１０が形成されている。この酸化膜１１０の膜厚を金属イオンの注入深さよりも厚く形成することで、当該金属の分布を酸化膜１１０中に止めておくことができる。酸化膜１１０はＨＣｌ酸化等によって膜中にハロゲンを含ませることにより、重金属等半導体ウエハ１０１に悪影響を与える不純物をゲッタリングする作用がある。それにより酸化膜１１０中に捕集した当該不純物を固定して半導体ウエハ１０１の汚染を防ぐことができる。この場合、イオンを注入する工程の後に、酸化膜１１０の表層部をエッチングしても良い。酸化膜１１０の表層部をエッチングすることで、その領域に留まっている重金属等の不純物を除去することができる。

酸化膜１１０上に窒素を含有する第１の絶縁層１０２を形成し、当該第１の絶縁層１０２上に接合層として機能する第２の絶縁層１０４を形成する（図６（Ｃ）参照）。窒素を含有する第１の絶縁層１０２、第２の絶縁層１０４は、上記実施の形態１で示した作製方法や材料を用いて形成すればよい。

半導体ウエハ１０１と支持基板１０７とを貼り合わせる（図６（Ｄ）参照）。半導体ウエハ１０１上に形成された第２の絶縁層１０４の表面と支持基板１０７の表面とを密着させることにより接合が形成される。その後、加熱処理を行い分離層１０３を劈開面として半導体ウエハ１０１の一部を支持基板１０７から剥離することによって、半導体基板を作製することができる。

本形態によれば、イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを半導体基板に注入することにより、該半導体基板の表面から浅い領域に半導体層を劈開するための分離層を形成することができる。それにより、ＣＭＰプロセスのような研磨工程が不要となる。また、劈開面が頗る平坦になるので、１０００℃を超えるような高温の熱処理を行い平坦化を行う工程が不要となる。すなわち、ガラス基板等耐熱温度が低い基板を用いた場合にも、実用に耐えうる半導体層を備えた半導体基板を提供することが可能となる。さらに、酸化雰囲気中にハロゲンを添加した酸化を行うことにより半導体ウエハに対して汚染物質となる不純物を効果的に除去することができる。

なお、本実施の形態で示した半導体板の作製方法は、実施の形態１及び２で示した作製方法と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態４）
本形態では、実施の形態１乃至３においてイオンビーム１０５を生成するための装置の構成について例示する。

図７は、イオン源において生成された複数種のイオンを質量分離しないて半導体ウエハ１０１に注入するイオンドーピング装置の構成を説明する概略図である。イオン源１３０にはイオン源ガス供給部１３１から水素等、所定のガスが供給される。イオン源１３０にはフィラメント１３２が備えられている。フィラメント電源１３３はフィラメント１３２へアーク放電電圧を印加し、フィラメント１３２に流れる電流を調節する。

なお、図７ではイオン源１３０にフィラメント１３２が複数設けられた構成を示し、各フィラメントに対応してフィラメント電源１３３が設けられている構成を示している。このような構成は、線状又は矩形状のイオンビームを形成する場合に有利な構成となる。すなわち、線状又は矩形状のイオンビームの長手方向に沿ってフィラメント１３２をイオン源１３０に配置することにより、該イオンビームの均一性を向上させることができる。フィラメント１３２に電力を供給するフィラメント電源１３３を電源制御部１３４によって個別に制御することで、個々のフィラメント１３２に流れる電流を個別に制御すことができる。

イオン源１３０で生成されたイオンは、引き出し電極系１３６によって引き出され、イオンビーム１０５を形成する。イオンビーム１０５は試料台１３７に載置された半導体ウエハ１０１に照射される。イオンビーム１０５に含まれるイオン種の割合は試料台１３７に設けられた質量分析管１３８によって計量される。質量分析管１３８をイオンビーム１０５の長手方向に沿って備えておくことで、イオンビーム１０５のイオン強度分布を測定することができる。質量分析管１３８によって計数されたイオン密度は質量分析計１３９で信号変換され、その結果を電源制御部１３４にフィードバックさせるようにしても良い。イオンビーム１０５にイオン強度の不均一性がある場合には、電源制御部１３４がフィラメント１３２のフィラメント電源１３３を個別に制御して調節するようにすれば良い。

イオン源１３０に水素を導入し、フィラメント１３２に直流電力を印加してアーク放電を生成することにより、Ｈ_３ ^＋のイオンを得ることができる。この場合、複数のフィラメント１３２をイオン源１３０に設け、線状又は矩形状のイオンビームの長手方向に沿って配列させることで、イオンビームの均一性及び注入イオンの均一性を高めることができる。その結果、半導体ウエハ１０１に対して均一性良くイオンを注入することができる。また、イオンビーム１０５のイオン強度分布を、試料台１３７（若しくは試料台１３７の近傍）に設けた質量分析管１３８により計数し、計数値をフィラメント１３２の電源制御部１３４側にフィードバックさせることにより、イオンビーム１０５の均一性の良い状態を長時間維持することができる。

図８は、イオン源において生成された複数種のイオンを質量分離して半導体ウエハ１０１に注入するイオン注入装置の構成を説明する概略図である。イオン源１４３には、アークチャンバ１４０、引き出し電極系１３６、ソースマグネット１４１が備えられている。

アークチャンバ１４０にはイオン源ガス供給部１３１から水素等のガスが供給され、フィラメント１３２により放電が起こり、イオンが生成される。フィラメント１３２はフィラメント電源１３３により電流等が制御される。ソースマグネットは、電子の飛距離を長くして、イオン化効率を上げるために設けられている。
引き出し電極系１３６によりアークチャンバ１４０から引き出されたイオンビームは、アナライザユニット１４２に入射する。アナライザユニット１４２は、多種類のイオンの中から必要なイオンのみを取り出すされる。そのイオンが半導体ウエハ１０１に照射される。

図８はイオン注入装置の基本的な構成を示している。このような構成の装置により得られるイオンビームは、点状に半導体ウエハ１０１に照射されるので、半導体ウエハの全面にイオンを注入する場合には、イオンビームと半導体ウエハを相対的に移動させる必要がある。一方、図９に示すように、複数のイオン源１４３を配列させることで線状又は矩形状のイオンビームを生成することも可能である。

いずれにしても、イオン源１４３に水素を導入し、フィラメント１３２に直流電力を印加してアーク放電を生成することにより、水素イオンを生成することができる。その水素イオンの中からＨ_３ ^＋のイオンをアナライザユニット１４２により取り出すことで、Ｈ_３ ^＋イオンを選択的に半導体ウエハに注入することができる。それにより、他の不純物イオンの汚染を受けずに分離層を半導体ウエハに形成することができる。Ｈ_３ ^＋を注入することにより、半導体ウエハの表面より浅い領域に、高濃度に水素を含む分離層を、効率よく形成することができる。

（実施の形態５）
実施の形態１乃至４による半導体基板を用いて作製される半導体装置について図面を参照して説明する。なお本形態は、信頼性の高い半導体装置を作製することを目的の一としている。

第４の絶縁層１１１が形成された支持基板１０７に、第２の絶縁層１０４を介して単結晶半導体層１０８が設けられている（図１０（Ａ）参照）。単結晶半導体層１０８の膜厚は５ｎｍから５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍから２００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍから６０ｎｍの厚さとすることが好ましい。単結晶半導体層１０８の厚さは、半導体ウエハに対し、Ｈ_３ ^＋イオンを主としてドーピングして分離層を形成することで薄く形成することができる。単結晶半導体層１０８にはしきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウム等のｐ型不純物を添加しても良い。例えば、ｐ型不純物として硼素を１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度で添加されていても良い。

支持基板１０７に第４の絶縁層１１１を設けることで、単結晶半導体層１０８の汚染を防ぐことができる。なお、窒化シリコン層に換えて、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層を適用しても良い。

単結晶半導体層１０８をエッチングして、半導体素子の配置に合わせて島状に分離した単結晶半導体層１０８を形成する（図１０（Ｂ）参照）。単結晶半導体層１０８をエッチングすることにより、その下層にある窒素を含有する第１の絶縁層１０２、第２の絶縁層１０４もエッチングされる場合がある。そのような場合でも、第４の絶縁層１１１を残存させるようにこのエッチング処理を行うことが好ましい。窒素を含有する第１の絶縁層１０２は単結晶半導体層１０８の下地に位置することで、単結晶半導体層１０８を汚染等から保護する作用がある。第４の絶縁層１１１を支持基板１０７の表面が露出しないように残存させておくことで、前述したように汚染を防止することができる。

単結晶半導体層１０８上にが露出した後ゲート絶縁層１１２、ゲート電極１１３、サイドウオール絶縁層１１４を形成し、第１不純物領域１１５、第２不純物領域１１６を形成する（図１０（Ｃ）参照）。第５の絶縁層１１７は窒化シリコンで形成し、ゲート電極１１３をエッチングするときのハードマスクとして用いる。

ゲート電極１１３の上層に、パッシベーション層１１８を窒化シリコン、窒化酸化シリコンで形成する。そして、層間絶縁層１１９を形成する。層間絶縁層１１９はＢＰＳＧ（ＢｏｒｏｎＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｉｌｉｃｏｎＧｌａｓｓ）膜を成膜するか、ポリイミドに代表される有機樹脂を塗布して形成する（図１０（Ｄ）参照）。パッシベーション層１１８は、単結晶半導体層１０８の外側の領域で、第４の絶縁層１１１と接するように設ける。ゲート電極１１３、ゲート絶縁層１１２及び単結晶半導体層１０８は、パッシベーション層１１８と第４の絶縁層１１１で包まれることにより、トランジスタの特性に悪影響を及ぼす汚染物質としての不純物から遮断される。すなわち、窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜によりゲート電極１１３、ゲート絶縁層１１２及び単結晶半導体層１０８の上層側及び下層側を被覆することで半導体装置の信頼性を高める構成とすることができる。

層間絶縁層１１９にコンタクトホールを形成し、第１不純物領域１１５と配線１２１を接続する埋め込みプラグ１２０を形成する。埋め込みプラグ１２０はタングステン又はタングステンシリサイドによって形成すれば良い。配線１２１は、例えばアルミニウム若しくはアルミニウム合金で形成し、上層と下層にはバリアメタルとしてモリブデン、クロム、チタン等の金属膜で形成するれば良い（図１１参照）。

このように、支持基板１０７に接合された単結晶半導体層１０８を用いて電界効果トランジスタを作製することができる。本形態に係る単結晶半導体層１０８は、結晶方位が一定の単結晶半導体であるため、均一で高性能な電界効果トランジスタを得ることができる。すなわち、本形態の構成によれば、閾値電圧や移動度等トランジスタ特性として重要な特性値の不均一性を抑制し、高性能化を図ると共に高信頼性化を達成することが可能となる。

図１２は本形態に係る半導体装置の一例として、マイクロプロセッサ２００の一例を示す。このマイクロプロセッサ２００は、演算回路２０１（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｌｏｇｉｃｕｎｉｔ；ＡＬＵともいう。）、演算回路制御部２０２（ＡＬＵＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、命令解析部２０３（ＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｃｏｄｅｒ）、割り込み制御部２０４（ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、タイミング制御部２０５（ＴｉｍｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、レジスタ２０６（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、レジスタ制御部２０７（ＲｅｇｉｓｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、バスインターフェース２０８（ＢｕｓＩ／Ｆ）、読み出し専用メモリ２０９、及びメモリインターフェース２１０（ＲＯＭＩ／Ｆ）を有している。

バスインターフェース２０８を介してマイクロプロセッサ２００に入力された命令は命令解析部２０３に入力され、デコードされた後に演算回路制御部２０２、割り込み制御部２０４、レジスタ制御部２０７、タイミング制御部２０５に入力される。演算回路制御部２０２、割り込み制御部２０４、レジスタ制御部２０７、タイミング制御部２０５は、デコードされた命令に基づき各種制御を行う。具体的に演算回路制御部２０２は、演算回路２０１の動作を制御するための信号を生成する。また、割り込み制御部２０４は、マイクロプロセッサ２００のプログラム実行中に、外部の入出力装置や周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断して処理する。レジスタ制御部２０７は、レジスタ２０６のアドレスを生成し、マイクロプロセッサ２００の状態に応じてレジスタ２０６の読み出しや書き込みを行う。タイミング制御部２０５は、演算回路２０１、演算回路制御部２０２、命令解析部２０３、割り込み制御部２０４、レジスタ制御部２０７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミング制御部２０５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。なお、図１２に示すマイクロプロセッサ２００は、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際にはその用途によって多種多様な構成を備えることができる。

このようなマイクロプロセッサ２００は、絶縁表面を有する支持基板に接合された結晶方位が一定の単結晶半導体層によって集積回路が形成されているので、処理速度の高速化のみならず低消費電力化を図ることができる。

次に、非接触でデータの送受信を行うことのできる演算機能を備えた半導体装置の一例について図１３を参照して説明する。図１３は無線通信により外部装置と信号の送受信を行って動作するコンピュータ（以下、「ＲＦＣＰＵ」という）の一例を示す。ＲＦＣＰＵ２１１は、アナログ回路部２１２とデジタル回路部２１３を有している。アナログ回路部２１２として、共振容量を有する共振回路２１４、整流回路２１５、定電圧回路２１６、リセット回路２１７、発振回路２１８、復調回路２１９と、変調回路２２０を有している。デジタル回路部２１３は、ＲＦインターフェース２２１、制御レジスタ２２２、クロックコントローラ２２３、インターフェース２２４、中央処理ユニット２２５、ランダムアクセスメモリ２２６、読み出し専用メモリ２２７を有している。

このような構成のＲＦＣＰＵ２１１の動作は概略以下の通りである。アンテナ２２８が受信した信号は共振回路２１４により誘導起電力を生じる。誘導起電力は整流回路２１５を経て容量部２２９に充電される。この容量部２２９はセラミックコンデンサーや電気二重層コンデンサー等のキャパシタで形成されていることが好ましい。容量部２２９はＲＦＣＰＵ２１１と一体形成されている必要はなく、別部品としてＲＦＣＰＵ２１１を構成する絶縁表面を有する基板に取り付けられていれば良い。

リセット回路２１７は、デジタル回路部２１３をリセットし初期化する信号を生成する。例えば、電源電圧の上昇に遅延して立ち上がる信号をリセット信号として生成する。発振回路２１８は定電圧回路２１６により生成される制御信号に応じて、クロック信号の周波数とデューティー比を変更する。ローパスフィルタで形成される復調回路２１９は、例えば振幅変調（ＡＳＫ）方式の受信信号の振幅の変動を二値化する。変調回路２２０は、送信データを振幅変調（ＡＳＫ）方式の送信信号の振幅を変動させて送信する。変調回路２２０は、共振回路２１４の共振点を変化させることで通信信号の振幅を変化させている。クロックコントローラ２２３は、電源電圧又は中央処理ユニット２２５における消費電流に応じてクロック信号の周波数とデューティー比を変更するための制御信号を生成している。電源電圧の監視は電源管理回路２３０が行っている。

アンテナ２２８からＲＦＣＰＵ２１１に入力された信号は復調回路２１９で復調された後、ＲＦインターフェース２２１で制御コマンドやデータ等に分解される。制御コマンドは制御レジスタ２２２に格納される。制御コマンドには、読み出し専用メモリ２２７に記憶されているデータの読み出し、ランダムアクセスメモリ２２６へのデータの書き込み、中央処理ユニット２２５への演算命令等が含まれている。中央処理ユニット２２５は、インターフェース２２４を介して読み出し専用メモリ２２７、ランダムアクセスメモリ２２６、制御レジスタ２２２にアクセスする。インターフェース２２４は、中央処理ユニット２２５が要求するアドレスより、読み出し専用メモリ２２７、ランダムアクセスメモリ２２６、制御レジスタ２２２のいずれかに対するアクセス信号を生成する機能を有している。

中央処理ユニット２２５の演算方式は、読み出し専用メモリ２２７にＯＳ（オペレーティングシステム）を記憶させておき、起動とともにプログラムを読み出し実行する方式を採用することができる。また、専用回路で演算回路を構成して、演算処理をハードウェア的に処理する方式を採用することもできる。ハードウェアとソフトウェアを併用する方式では、専用の演算回路で一部の処理を行い、残りの演算をプログラムを使って中央処理ユニット２２５が実行する方式を適用することができる。

このようなＲＦＣＰＵ２１１は、絶縁表面を有する基板若しくは絶縁基板上に接合された結晶方位が一定の単結晶半導体層によって集積回路が形成されているので、処理速度の高速化のみならず低消費電力化を図ることができる。それにより、電力を供給する容量部２２９を小型化しても長時間の動作を保証することができる。図１３ではＲＦＣＰＵの形態について示しているが、通信機能、演算処理機能、メモリ機能を備えたものであれば、ＩＣタグのようなものであっても良い。

（実施の形態６）
本形態では、実施の形態１乃至３において、半導体ウエハに注入されるイオン、すなわちイオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンの濃度分布について説明する。

イオンドーピング装置を用いて半導体ウエハ（結晶方位が（１００）であるシリコンウエハ）に水素イオンを添加する実験を行い、その二次イオン質量分析の結果データに基づき添加されるモデルをいくつか設定し、深さ方向に対する水素イオンの数及び欠陥の数を計算した。また、モデルのサイズを（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）＝（８００ｎｍ，８００ｎｍ，１２００ｎｍ）として計算した。なお、ｘ軸及びｙ軸は、シリコンウエハ平面に対応し、ｚ軸は深さ方向に対応する。また、実験に用いたイオンドーピング装置は、イオンの添加分布を均一化するためにシリコンウエハを回転させている。

膜厚１００ｎｍの第２の絶縁層１０４が設けられている面側から半導体ウエハ１０１に対して、種々のイオンを注入した場合、イオン数と、イオンがシリコンウエハ中の原子（シリコン原子や酸素原子）と衝突することによって生じる欠陥の数を、モンテカルロ法で計算した。また、加速電圧は、８０ｋｅＶとして計算を行った。なお、第２の絶縁層１０４は、珪酸エチルの有機シランガスを用いて得られたアモルファス構造の酸化シリコン膜である。

図１４（Ａ）は、Ｈ_３ ^＋イオンが加速電圧８０ｋｅＶによって加速され、半導体ウエハ１０１の表面、即ち、第２の絶縁層１０４表面で分離されて３つのＨ^＋イオンとなる第１のモデル図を示している。第１のモデル図に基づき、計算した深さ方向に対するイオンの数及び欠陥の数を示すグラフが図１４（Ｂ）に相当する。なお、グラフの横軸である深さは、１００ｎｍの酸化シリコン膜（第２の絶縁層１０４）を含めた表面からの深さを示している。

また、図１５（Ａ）は、Ｈ_３ ^＋イオンが加速電圧８０ｋｅＶによって加速され、そのまま半導体ウエハ中に添加される第２のモデル図を示している。第２のモデル図に基づき、計算した深さ方向に対するイオンの数及び欠陥の数を示すグラフが図１５（Ｂ）に相当する。

また、図１６（Ａ）は、Ｈ^＋イオンが加速電圧８０ｋｅＶによって加速され、そのまま第１の半導体ウエハ中に添加される第３のモデル図を示している。第３のモデル図に基づき、計算した深さ方向に対するイオンの数及び欠陥の数を示すグラフが図１６（Ｂ）に相当する。

図１６（Ｂ）からＨ^＋イオンは深く添加され、水素濃度のピークが８００ｎｍ付近に位置していることが読み取れる。また、最も深い所では、表面から１１００ｎｍを超える深さまで水素が添加されており、浅い領域から深い領域にまで広い範囲で添加されていることが読み取れる。このことは、ウエハ面内で添加されるイオン注入濃度のばらつきが生じる原因となる恐れがある。

また、図１５（Ｂ）からＨ_３ ^＋イオンは浅く添加され、水素濃度のピークが１５０ｎｍ付近に位置していることが読み取れる。また、最も深い所では、表面から２００ｎｍを超える深さまでしか水素が添加されていない。また、欠陥の数のピークも水素濃度のピークとほぼ同じ１５０ｎｍ付近に位置していることから、表面付近の原子（シリコン原子や酸素原子）と衝突していると考えられる。Ｈ_３ ^＋イオンの水素イオン同士の結合エネルギーは２２．６ｅＶ程度であり、加速電圧８０ｋｅＶに比べて限りなく小さいため、実際には、ほとんどのＨ_３ ^＋イオンは衝突した段階でそれぞれ３つのＨ^＋イオンに分離されると考えられる。

従って、図１４（Ａ）に示した第１のモデル図が実際のＨ_３ ^＋イオンの添加時の挙動に近いと考えている。図１４（Ｂ）からは、Ｈ^＋イオンの結果である図１６（Ｂ）と比べて浅く添加され、水素濃度のピークが４００ｎｍ付近に位置していることが読み取れる。また、最も深い所では、表面から６００ｎｍを超える深さまでしか水素が添加されていない。第３のモデル図に基づく計算結果に比べて第１のモデル図の計算結果よりも浅い領域に添加されているのは、３つのＨ^＋イオンに分離する際に解離エネルギーとして運動エネルギーが使われたためと考えられる。

また、ここでは、加速電圧８０ｋｅＶの計算結果を示したが、加速電圧の数値を調節することで水素の濃度ピークの位置を調節できることは言うまでもない。また、第２の絶縁層を１００ｎｍの酸化シリコン膜とした計算結果を示したが、膜厚を調節することで、単結晶半導体層の膜厚を調節することができることは言うまでもない。単結晶半導体層の膜厚は、５ｎｍ乃至５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ乃至２００ｎｍの厚さとする。従来のイオン注入法を用いる半導体基板の作製方法では、剥離後に研磨やエッチングを行って膜厚を薄くする処理を行わなければ、このような膜厚にすることは困難である。半導体ウエハは高価であり、研磨やエッチングによって薄膜化することは材料のロスに繋がる。また、剥離後に研磨やエッチングを行ったとしても従来のイオン注入法を用いる半導体基板の作製工程と比べて短時間で研磨やエッチングを行うことができる。また、剥離後に研磨やエッチングを行ったとしても同様に材料のロスを低減することができる。また、剥離した第１の半導体ウエハの残りは、再利用することができるため、残りの膜厚が厚ければ厚いほど、１枚の第１の半導体ウエハからより多くの半導体基板を作製することができる。

実施の形態１に係る半導体基板の製造工程を説明する図。実施の形態１に係る半導体基板の製造工程を説明する図。実施の形態１に係る半導体基板の製造工程を説明する図。単結晶シリコンの単位格子、シリコン原子及び結晶面の関係を示す図。実施の形態２に係る半導体基板の製造工程を説明する図。実施の形態３に係る半導体基板の製造工程を説明する図。イオンドーピング装置の構成を説明する概略図。イオン注入装置の構成を説明する概略図。線状又は矩形状のイオンビームを発生させるイオン注入装置の構成を説明する概略図。実施の形態５に係る半導体装置の製造工程を説明する図。実施の形態５に係る半導体装置の製造工程を説明する図。実施の形態５に係る半導体装置の一形態を説明する図。実施の形態５に係る半導体装置の一形態を説明する図。半導体ウエハに注入されるイオンについて、（Ａ）第１のモデルを説明する図、（Ｂ）第１のモデルに基づき半導体ウエハに注入されたイオンの分布と欠陥の分布を示すグラフ。半導体ウエハに注入されるイオンについて、（Ａ）第２のモデルを説明する図、（Ｂ）第２のモデルに基づき半導体ウエハに注入されたイオンの分布と欠陥の分布を示すグラフ。半導体ウエハに注入されるイオンについて、（Ａ）第３のモデルを説明する図、（Ｂ）第３のモデルに基づき半導体ウエハに注入されたイオンの分布と欠陥の分布を示すグラフ。

符号の説明

１０１半導体ウエハ
１０２第１の絶縁層
１０３分離層
１０４第２の絶縁層
１０５イオンビーム
１０６支持体
１０７支持基板
１０８単結晶半導体層
１０９第３の絶縁層
１１０酸化膜
１１１第４の絶縁層
１１２ゲート絶縁層
１１３ゲート電極
１１４サイドウオール絶縁層
１１５第１不純物領域
１１６第２不純物領域
１１７第５の絶縁層
１１８パッシベーション層
１１９層間絶縁層
１２０埋め込みプラグ
１２１配線
１２２層間絶縁層
１３０イオン源
１３１イオン源ガス供給部
１３２フィラメント
１３３フィラメント電源
１３４電源制御部
１３６引き出し電極系
１３７試料台
１３８質量分析管
１３９質量分析計
１４０アークチャンバ
１４１ソースマグネット
１４２アナライザユニット
１４３イオン源
２００マイクロプロセッサ
２０１演算回路
２０２演算回路制御部
２０３命令解析部
２０４割り込み制御部
２０５タイミング制御部
２０６レジスタ
２０７レジスタ制御部
２０８バスインターフェース
２０９読み出し専用メモリ
２１０メモリインターフェース
２１１ＲＦＣＰＵ
２１２アナログ回路部
２１３デジタル回路部
２１４共振回路
２１５整流回路
２１６定電圧回路
２１７リセット回路
２１８発振回路
２１９復調回路
２２０変調回路
２２１ＲＦインターフェース
２２２制御レジスタ
２２３クロックコントローラ
２２４インターフェース
２２５中央処理ユニット
２２６ランダムアクセスメモリ
２２７読み出し専用メモリ
２２８アンテナ
２２９容量部
２３０電源管理回路

Claims

半導体ウエハに対して酸化雰囲気中にハロゲンを添加した熱酸化を行うことにより、前記半導体ウエハに前記ハロゲンが１×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^２０／ｃｍ^３の濃度で含まれる酸化膜を形成し、
イオン化した水素であって質量がプロトンよりも重い水素イオンを電界で加速して、前記酸化膜を介して前記半導体ウエハに注入し、該半導体ウエハの表面から所定の深さに分離層を形成し、
前記半導体ウエハの一の面側の前記酸化膜上に窒素を含有する第１の絶縁層を形成し、
前記半導体ウエハの一の面側の前記第１の絶縁層上に第２の絶縁層を形成し、
絶縁表面を有する基板の一の面側と、前記半導体ウエハの一の面側に形成された前記第２の絶縁層とを貼り合わせて熱処理及び加圧処理を行い、前記絶縁表面を有する基板と前記半導体ウエハとの接合強度を向上させ、
前記分離層若しくはその近傍を劈開面として、前記絶縁表面を有する基板の一の面に厚さが２００ｎｍ以下である半導体層を残存させた状態で、前記半導体ウエハを剥離することを特徴とする半導体基板の製造方法。
請求項１において、
前記第１の絶縁層は、窒素よりも酸素の含有量が多い酸化窒化シリコン層と、酸素よりも窒素の含有量が多い窒化酸化シリコン層との積層構造であることを特徴とする半導体基板の製造方法。