WO2011070855A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

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semiconductor device
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昌弘 三谷
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シャープ株式会社
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    • H01L2221/68381—Details of chemical or physical process used for separating the auxiliary support from a device or wafer

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for separating and transferring a single crystal thin film or a semiconductor device made of a single crystal on an insulating substrate.
  • TFT Thin Film Transistor
  • a-Si amorphous silicon
  • poly-Si polycrystalline silicon
  • FIG. 13A shows a case where circuit elements such as pixels are formed on a glass substrate having a large area by an existing large liquid crystal TFT process (a-Si process or poly-Si process).
  • a-Si process or poly-Si process it is necessary to form an a-Si film or the like on the entire surface of the glass substrate, or to crystallize the entire surface of the substrate with a laser.
  • enormous apparatus and enormous investment are required along with the enlargement of the mother glass (10th generation size: 3.1 m ⁇ 2.9 m), and it is difficult to reduce the manufacturing cost.
  • the TFT performance can be obtained only with large variations and large power consumption.
  • FIG. 13B shows a large area glass substrate obtained by dividing a silicon device or a circuit element created on a silicon substrate (hereinafter referred to as “Si substrate”) by an existing IC (Integrated Circuit) process into chips.
  • Si substrate silicon substrate
  • An example of a method of transferring (or pasting) to the above is shown.
  • a smart cut method hydrogen ion separation method
  • affixing using die bonding may be used.
  • Patent Document 1 The transfer using the smart cut method of the element is shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 invented by the inventors of the present invention.
  • This method is an effective method in the case of dividing and bonding to several tens to several hundreds of chips (several mm size) such as a panel driver.
  • chips hundreds of chips
  • it is impractical in terms of throughput and handling to divide and bond to several million elements (several tens of ⁇ m size) like pixel TFTs.
  • the smart device is used to attach a silicon device as an element formed on a Si substrate or Si substrate (Si wafer) to a large-area glass substrate or the like without dividing it into chips.
  • a silicon device as an element formed on a Si substrate or Si substrate (Si wafer) to a large-area glass substrate or the like without dividing it into chips.
  • FIG. 13B it is not necessary to divide the Si substrate into a plurality of chips.
  • the silicon device is separated by heat treatment after being bonded to the glass substrate, the entire element on the Si substrate is transferred onto the glass substrate. Therefore, it cannot be transferred at a wide interval such as a pixel pitch.
  • FIG. 13 (d) it is necessary to form the elements formed on the silicon substrate at intervals, but in this case, the utilization efficiency of the silicon substrate is very high. It gets worse.
  • a release layer 12 is formed on a first substrate (base substrate) 11, and a plurality of elements 13 are arranged on the first substrate.
  • the first substrate 11 and the intermediate substrate 15 are separated by a release layer, and the entire device is transferred (first time).
  • a lift-off method using wet etching and an etch stopper layer, or laser ablation in which laser irradiation is performed on the peeling layer from the back surface of the first substrate 11 is used.
  • the first substrate 11 When laser irradiation is performed from the back surface of the first substrate 11, the first substrate 11 needs to be a transparent substrate. Then, as shown in FIG. 14D, a transparent intermediate substrate 15 holding the element 13 shown in FIG. 14C is pasted on the final substrate (transfer destination substrate) 17 to which the adhesive 16 is adhered. Match. Thereafter, as shown in FIGS. 14E and 14F, UV light is selectively irradiated (with a certain pixel pitch interval) from the back surface of the intermediate substrate 15 to UV-releasable adhesive 14. After weakening the adhesive property, the intermediate substrate 15 and the final substrate 17 are separated and only the element 13 to be transferred is transferred to the final substrate 17 (second time). Even when the second transfer is performed by irradiating UV light from the back surface of the intermediate substrate 15, the intermediate substrate 15 needs to be a transparent substrate.
  • an element that can be actually transferred is not a single crystal silicon device, but a low-performance element made of a-Si or poly-Si that can be formed on a transparent base substrate by CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like. It is limited to elements that can be formed on a transparent base substrate, such as a TFT or an LED formed of GaN whose interface with the sapphire substrate is easily peeled off by a laser. That is, the above method cannot transfer a single crystal silicon element or the like formed on an opaque silicon substrate that does not transmit light.
  • the elements formed on the base substrate 11 cannot be directly transferred by being dispersed on the transfer destination substrate 17. That is, in order to disperse and transfer the element, the element is once bonded to the transparent intermediate substrate 15 coated with UV peeling adhesive or the like, and lift-off or laser irradiation is performed from the back surface of the first substrate 11. The element must be separated from the first substrate 11 and transferred onto the intermediate substrate 15. Furthermore, it is necessary to selectively irradiate the element formed on the intermediate substrate 15 with UV light or the like from the back surface of the intermediate substrate 15 and to disperse and transfer it onto the transfer destination substrate 17.
  • the present invention has been made in view of such conventional problems, and a transfer target such as a semiconductor thin film or a semiconductor element can be transferred from a base substrate to a transfer destination substrate in a single transfer process with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can realize cost reduction by transferring and shortening the manufacturing process, and a semiconductor device manufactured by this manufacturing method.
  • a method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming an island pattern in which a plurality of elements are arranged on a base substrate to form a first substrate, the first substrate, A step of bonding a second substrate different from the first substrate through a part of the plurality of elements, and forming a part of the plurality of elements formed on the first substrate. Irradiating a certain position with a laser having a wavelength that causes multiphoton absorption, thereby separating the part of the element from the first substrate and selectively transferring the element onto the second substrate. It is characterized by that.
  • the multi-photon absorption phenomenon can be caused by being transmitted through the surface of the base substrate and condensing inside thereof.
  • a modified region (modified layer) in which the crystal structure or the like is modified can be formed inside the base substrate by the multiphoton absorption phenomenon. In this modified region, since the crystal structure and the like are changed, cracks and cracks are generated. Therefore, the part of the element is easily peeled off from the base substrate and bonded through the part of the first element. The substrate and the second substrate can be easily separated.
  • the part of the elements to be transferred can be directly transferred to the second substrate as a transfer destination without using an intermediate substrate. Further, since the laser irradiation can be selectively performed on a predetermined position of the base substrate, only the element to be transferred can be directly transferred to the transfer destination substrate. For this reason, transfer of a semiconductor device or the like can be performed once.
  • the element to be transferred can be directly transferred from the base substrate (first substrate) to the transfer destination substrate (second substrate) in one transfer step, high-precision transfer with little positional deviation is realized, Costs can be reduced by improving yield and shortening the manufacturing process. Thereby, the processing capability (tact time) of the manufacturing process can be improved.
  • a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device formed by transferring elements on an insulating substrate, and the insulating substrate has raised portions arranged at a predetermined interval.
  • the element is formed directly on the raised portion so that its upper surface is in contact with the raised portion and its lower surface is separated from the raised portion.
  • the upper surface of the element means a surface facing upward without contacting the base substrate on the base substrate before the element is transferred to the insulating substrate.
  • the lower surface of the surface means a surface in contact with the base substrate on the base substrate before the element is transferred to the insulating substrate.
  • the semiconductor device having the above-described configuration is manufactured by the above-described manufacturing method of the present invention, high performance can be maintained even with a small element configuration.
  • an intermediate substrate is not required in the manufacturing process as described above, there is an advantage that the throughput is high and the manufacturing cost is reduced.
  • the raised portions are also called islands or island patterns.
  • the present invention forms a modified region by multiphoton absorption in the base substrate by using a laser having a multiphoton absorption wavelength that transmits through the silicon surface and condenses inside the silicon substrate.
  • An element such as a single crystal thin film or a device made of a single crystal can be selectively separated and transferred onto a large transfer destination substrate directly from the opaque base substrate.
  • direct transfer from the base substrate to be transferred to the transfer destination substrate can be realized in one transfer step, high-accuracy transfer with little positional deviation can be realized, and cost can be reduced by shortening the manufacturing process. .
  • FIG. 3 is a flowchart showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. It is sectional drawing which shows the manufacture flow of the base substrate which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the manufacture flow of the transfer destination board
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing flow of a base substrate including a semiconductor element according to the fifth embodiment of the present invention, following the manufacturing flow shown in FIG. 8. It is sectional drawing which shows the flow for transferring the thin film to the transcription
  • stealth dicing using a laser having a wavelength that causes multiphoton absorption that is transmitted through the surface of the base substrate and condensed inside the base substrate is used as an element bonding technique by the smart cut method.
  • Lasers used in stealth dicing technology (stealth dicing lasers) pass through the surface of an opaque substrate such as a Si substrate and condense inside to form a modified layer inside the substrate, so originally this stealth dicing laser is used. It is used to divide the Si substrate into small elements by scanning the Si substrate in a mesh line shape and separating it in the cross-sectional direction.
  • a predetermined element to be transferred from the back surface of the substrate is selectively irradiated with the laser in a planar manner, whereby the element is planarly separated from the Si substrate, and the element can be selectively separated.
  • the base substrate is a substrate on which a semiconductor element is first formed
  • the transfer destination substrate is a substrate onto which the semiconductor element formed on the base substrate is transferred.
  • a substrate in which a semiconductor element is formed over a base substrate is also called a first substrate
  • a transfer destination substrate is also called a second substrate.
  • the transfer destination substrate is a substrate constituting a final product, it is also called a final substrate.
  • examples of the base substrate include a Si substrate, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, and a GaAs substrate.
  • examples of the transfer destination substrate include a glass substrate, a plastic substrate, and an insulating substrate such as a film bonded to a support substrate.
  • the elements on the base substrate include a semiconductor thin film (single film) or a semiconductor device.
  • the semiconductor device include a light emitting element, a liquid crystal control element, a photoelectric exchange element, a piezoelectric element, a thin film transistor element, a thin film diode element, a resistance element, a switching element, a minute magnetic element, and a minute optical element.
  • an opaque Si substrate is used as a base substrate
  • a glass substrate is used as a transfer destination substrate
  • the element is a semiconductor device made of a single crystal Si thin film or single crystal Si.
  • FIG. 1 is a flowchart showing main steps of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing main steps of a method of forming a base substrate
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing main steps of a method for forming a substrate
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing main steps of a method for transferring a thin film to be transferred from a base substrate to a transfer destination substrate.
  • the planar Si substrate 100 ' is thermally oxidized to form a thermal oxide film 101 of about 50 to 100 nm on the surface (S11 in FIG. 1, thermal oxidation step).
  • the thermal oxidation here is to perform thermal oxidation at a temperature of 900 to 1000 ° C. for about 1 to 3 hours using a general vertical furnace or horizontal furnace.
  • an oxide film may be formed by a CVD method or the like.
  • a resist pattern 102 is formed by photolithography so that a single-film island of a predetermined size can adhere to the substrate.
  • the thermal oxide film 101 and the Si substrate 100 having a predetermined thickness are etched to form an island (bump) 100 ′′ on the Si substrate 100.
  • the Si substrate 100 ′ is formed into an island in a matrix shape, and the etching method employs dry etching using a general fluorine-based or chlorine-based gas, for example, for dry etching of Si, CF 4 , SF 6 , fluorine-based gas such as NF 3 or,, Cl 2, HCl, a chlorine-based gas such as BCl 3, and Ar, the dry etching .SiO 2 used in combination a gas such as O 2 may, CF 4, CHF 3, C 2 F 6, H 2, O 2, may be used in combination a gas such as Ar. Further, instead of dry etching, HF, BHF, Tsu nitrate, KOH, may be employed wet etching using SLA etchant.
  • a general fluorine-based or chlorine-based gas for example, for dry etching of Si, CF 4 , SF 6 , fluorine-based gas such as NF 3 or,, Cl 2, HCl, a chlorine-based gas such as
  • the island 100 ′′ made of the Si substrate material formed here becomes a single-crystal Si thin film (semiconductor element) 100a on the transfer destination substrate 200 obtained in a later process (S12 in FIG. 1, element formation process).
  • the element formation process and the element separation of the thin film can be realized at the same time by forming the Si substrate 100 'into an island (S13 in FIG. 1, element separation process). Then, as shown in FIG. 2D, when the resist pattern 102 is peeled off by performing ashing and peeling cleaning, the Si substrate 100 as the base substrate can be obtained.
  • the Si substrate 100 in order to distinguish the first flat Si substrate 100 ′ from the Si substrate obtained by performing the steps S11 to S13 in FIG.
  • the Si substrate after formation is denoted by Si substrate 100.
  • the back surface of the Si substrate 100 is polished in advance by CMP before the thermal oxide film forming step so that laser light is not scattered by unevenness on the back surface of the Si substrate 100 during a laser irradiation process described later.
  • the back surface of the Si substrate 100 after the resist pattern peeling process may be polished by CMP to make a mirror surface.
  • the back surface of the Si substrate 100 indicates a surface opposite to the surface on which the thermal oxide film 101 is formed.
  • a resist pattern 201 is formed on a flat glass substrate 200 ′ by photolithography so that islands (protrusions) are formed at predetermined intervals (resist pattern forming step).
  • the island 200 ′′ on the glass substrate 200 ′ is preferably a pattern that is slightly larger than the island 100 ′′ on the Si substrate 100 side as shown in FIG.
  • the interval between the islands 200 ′′ is previously set so as to correspond to the pixel pitch, and is desirably a pitch that is an integral multiple of the island 100 ′′ on the Si substrate 100 side. That is, it is desirable to form the resist pattern 201 so as to satisfy this condition.
  • the glass substrate 200 ′ is etched using the resist pattern 201 as a mask to form a matrix-like island 200 ′′ (S21 in FIG. 1, an island formation step).
  • etching method dry etching in which gases such as CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 , H 2 , O 2 , and Ar are combined may be employed, and wet etching using HF, BHF, or the like may be employed.
  • HF a step of about 1 to 2 ⁇ m can be formed by etching for about 10 to 20 minutes.
  • a glass substrate 200 serving as a transfer destination substrate is obtained on which the semiconductor element on the Si substrate 100 can be transferred as shown in FIG. 3C.
  • the glass substrate after the element separation is used. It describes with the glass substrate 200.
  • a surface treatment process and a bonding process are performed on the Si substrate 100 and the glass tip substrate 200 that have been performed through the steps as described above (S31 in FIG. 1).
  • a general smart cut treatment method can be used. That is, the surfaces of both substrates are subjected to plasma treatment or chemical treatment to make the surfaces hydrophilic.
  • plasma treatment Ar plasma, atmospheric pressure plasma, or the like can be used.
  • hydrophilic treatment may be performed by performing chemical treatment such as ozone water cleaning and SC-1 cleaning (mixed solution of hydrogen peroxide water and ammonia water) for several minutes.
  • the two substrates are bonded face-to-face in a surface-treated state, they are joined by intermolecular force (Van der Worth force). Thereafter, by performing pre-annealing at a temperature of 200 ° C. for about 2 hours, a dehydration reaction proceeds, a covalent bond is formed, and the bonding becomes stronger.
  • FIGS. 4A and 4B among the plurality of thermal oxide films 101 that are element-isolated on the Si substrate 100, there is a receiving island 200 ′′ on the glass substrate 200. Only the parts are joined.
  • a laser with a wavelength that causes multiphoton absorption is applied to the Si substrate 100 bonded to the glass substrate 200 from the back surface side of the Si substrate 100. 1 is selectively irradiated (S32 in FIG. 1, laser irradiation step), and the laser beam is condensed inside the Si substrate 100 to form a modified layer (modified region) 103.
  • a crack region formed by cracks formed in the substrate due to thermal strain induced by optical damage due to multiphoton absorption 2) a phase change caused by local heating by multiphoton absorption Or a melt-processed region formed by the formation of a region with a changed crystal structure (for example, in the case of single crystal silicon, a region that has changed to amorphous silicon with disordered crystal structure periodicity due to local heating is melted. 3), or 3) a refractive index change region formed by inducing a permanent structural change such as ionic valence change, crystallization or polarization orientation in the substrate. Whether to form the region can be determined depending on the type of the substrate.
  • a semiconductor substrate such as a Si substrate
  • a transparent substrate such as a glass substrate or a sapphire substrate
  • a refractive index changing region can be formed as the modified region.
  • a crack or a region in which the crystal structure is weakly changed in the Si substrate 100, or a structural change such as an ionic valence or a polarization orientation is induced. Since the region and the like are formed, when the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are separated in the opposite directions, the Si substrate 100 is easily separated at a position inside the Si substrate 100 where the modified layer 103 is formed. (S33 in FIG. 1, separation step).
  • the portion on the side bonded to the glass substrate 200 through the thermal oxide film 101 is transferred onto the glass substrate 200 as shown in FIG.
  • the glass substrate 200 to which the thin film (single crystal Si thin film, part of the base substrate) 100a is transferred can be obtained and used as a final substrate for a semiconductor device.
  • the thickness can be appropriately controlled by adjusting the laser condensing position, and if necessary, such as when exceeding the laser adjustment range, after transfer onto the glass substrate 200, the dry etching apparatus is
  • the single crystal Si thin film 100a thin film may be etched back to reduce the film thickness of the single crystal Si thin film 100a.
  • the laser irradiated from the back side of the Si substrate 100 has a wavelength of 1064 nm, and a semiconductor laser pumped Nd: YAG laser of a stealth dicing laser is used.
  • a laser that can be used as a laser light source there is an Nd: YVO4 laser, an Nd: YLF laser, or a titanium sapphire laser in addition to an Nd: YAG laser.
  • Laser irradiation is performed under the condition that the peak power density is 1 ⁇ 10 8 W / cm 2 or more and the pulse width is 1 ⁇ s or less.
  • the peak power density is 1 ⁇ 10 11 W / cm 2 to 1 ⁇ 10 12 W / cm 2 and the pulse width is 1 ns to 200 ns.
  • what kind of laser is used can be determined by the type of the modified region to be formed.
  • a laser having a peak power density of 1 ⁇ 10 8 W / cm 2 or more and a pulse width of 1 ⁇ s or less is used. It is preferable to use a YAG laser, an Nd: YVO4 laser, or an Nd: YLF laser.
  • a laser having a peak power density of 1 ⁇ 10 8 W / cm 2 or more and a pulse width of 1 ns or less (more preferably 1 ps or less) is used.
  • a titanium sapphire laser Since such a laser has a long wavelength, even a substrate that is not transparent to UV light is transmitted through the surface of the substrate and condensed inside the substrate due to the multiphoton absorption phenomenon. It is possible to form a modified layer such as a region in which the change is weak or a region in which a structural change such as ionic valence or polarization orientation is induced.
  • the laser irradiation is preferably performed at a predetermined position where an element to be transferred is formed while scanning the laser light source along the substrate surface.
  • the position of the laser light source may be fixed and the stage on which the substrate is placed may be scanned.
  • the entire surface can be irradiated with a laser at a predetermined position having a peeling area larger than the spot diameter of the laser, and a modified layer for peeling is formed on the entire surface, and separation at the modified layer is more reliably performed. It can be carried out.
  • a method for irradiating these lasers a conventional method can be used.
  • laser irradiation may be performed with the temperature of the Si substrate 100 raised from room temperature.
  • the Si band gap room temperature: 1.12 eV
  • the Si band gap decreases to 1.1 eV or less
  • a YAG laser wavelength inside the substrate
  • the band gap can be reduced to 1.1 eV or less by raising the substrate temperature to 700 ° C. or higher.
  • the element to be transferred is irradiated with the stealth dicing laser, whereby the element The element can be selectively transferred onto a large-area glass 200 to be a planar transfer substrate (second substrate) by peeling the substrate from the base substrate.
  • second substrate planar transfer substrate
  • ⁇ Second Embodiment> As described in the first embodiment, an example will be described in which a single crystal Si thin film (element) of a Si substrate is directly distributed and transferred onto a glass substrate. Compared with the first embodiment, in this embodiment, in order to make separation with the modified layer formed on the glass substrate easier, the base substrate is stronger than the other portions in the substrate in advance. An example of adding a step of forming a weak weak layer will be described.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the steps of forming the Si substrate 100 in the present embodiment.
  • the formation of the Si substrate 100 according to the present embodiment further includes a step of forming the fragile layer 104 in advance inside the Si substrate 100. Since the other steps are as described in the first embodiment, they will be described briefly.
  • a thermal oxide film 101 is formed on a flat Si substrate 100 ′, and then in FIG. As shown, a fragile layer 104 is formed inside the Si substrate 100 ′.
  • hydrogen ions are implanted into the Si substrate 100 ′ to a predetermined depth inside the Si substrate 100 ′ by hydrogen ion implantation or hydrogen ion doping.
  • hydrogen ion implantation or doping conditions for example, when H + ions are implanted, the implantation energy is about 20 to 60 keV, and the implantation amount is 5 ⁇ 10 14 / cm 2 to 5 ⁇ 10 15 / cm 2 . Perform under certain conditions.
  • ion doping including ions such as H 3+ is performed, the implantation energy is approximately 20 to 60 keV, and the implantation amount is 1 ⁇ 10 16 / cm 2 to 5 ⁇ 10 16 / cm 2 .
  • the Si substrate 100 ′ Since hydrogen ions are light, they can penetrate deep into the Si substrate by ion implantation or ion doping. At this time, the Si crystal lattice is disturbed and stays inside. Subsequently, when annealing is performed at a low temperature of about 200 ° C. to 400 ° C., the internal pressure rises in a region where hydrogen ions remain, and microbubbles (platelets) are generated to induce microcracks. Therefore, the layer into which hydrogen ions are implanted or doped forms a fragile layer 104 inside the Si substrate 100 ′ by applying a subsequent thermal annealing.
  • the predetermined depth can be appropriately adjusted by changing the implantation energy in consideration of the film thickness of the thin film 100a formed in a later step.
  • a resist pattern 102 forming step and an etching step are performed on the Si substrate 100 '. Thereafter, a Si substrate 100 having a fragile layer 104 therein is obtained as shown in FIG.
  • the glass substrate 200 may be formed according to the steps described in the first embodiment, as shown in FIG.
  • the surface treatment process, the bonding process, and the laser irradiation process for the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are also as described in the first embodiment.
  • a modified layer 103 including a melt-processed region (amorphous silicon with disordered crystal structure periodicity) is formed inside the Si substrate 100 after the laser irradiation process. From this, cracks and cracks occur.
  • the fragile layer 104 is formed in advance by hydrogen ion implantation and annealing, cracks and cracks caused by laser irradiation can run along the fragile layer 104. Therefore, the single crystal Si thin film 100a can be more easily separated from the Si substrate 100 as the base substrate.
  • the base is formed in the place of the modified layer 103 that is easily peeled along the fragile layer 104.
  • the substrate (Si substrate 100) and the transfer destination substrate (glass substrate 200) are easily separated. Thereby, the glass substrate 200 to which the thin film (single crystal Si thin film) 100a is transferred can be obtained.
  • the base body of the base substrate is preliminarily placed inside the other portions of the substrate.
  • a light absorption layer that absorbs more light is formed will be described. Processes other than the light absorption layer forming step are as described in the first and second embodiments, and will be briefly described. The description will be made with reference to the same drawings as those in the second embodiment.
  • a thermal oxide film 101 is formed on a flat Si substrate 100 ′, and then in FIG. As shown, a light absorption layer 105 is formed inside the Si substrate 100 ′.
  • ions are implanted into the Si substrate 100 'to a predetermined depth inside the Si substrate 100' by ion implantation or ion doping.
  • the implanted ions form donor or acceptor levels in the band gap and form the light absorption layer 105 on the Si substrate 100 ′.
  • the predetermined depth can be appropriately adjusted in consideration of the film thickness of the thin film 100a formed in a later step.
  • ions boron, phosphorus, arsenic, gallium, indium, titanium, palladium, carbon, silicon, antimony, zinc, tellurium, cadmium, and the like can be used.
  • ion implantation or ion doping conditions for example, when boron is ion-implanted, the implantation energy is about 40 to 150 keV, and the implantation amount is 1 ⁇ 10 15 / cm 2 or more.
  • phosphorus is ion-implanted, the implantation energy is about 100 to 250 keV, and the implantation amount is 1 ⁇ 10 15 / cm 2 or more.
  • a resist pattern 102 forming step and an etching step are performed on the Si substrate 100 '. Then, through the resist pattern 102 peeling step, as shown in FIG. 5E, the Si substrate 100 having the light absorption layer 105 therein is obtained.
  • the glass substrate 200 may be formed according to the steps described in the first embodiment, as shown in FIG.
  • a modified layer 103 including a melt-processed region (amorphous silicon with disordered crystal structure periodicity) is formed inside the Si substrate 100 after the laser irradiation process. From this, cracks and cracks occur.
  • the light absorption layer 105 is formed inside the Si substrate 100, multi-photon absorption through the acceptor level here easily occurs in the light absorption layer 105 when laser irradiation is performed. Amorphous silicon having a more disturbed crystal structure periodicity is formed, and the modified layer 103 that is easy to peel off can be formed.
  • Patent Document 6 irradiation is performed using a YAG laser having a wavelength of 1064 nm as a laser light source, and a Si substrate (thickness of 500 ⁇ m or less) having a band gap of 1.12 eV is used as a base substrate.
  • a YAG laser having a wavelength of 1064 nm as a laser light source
  • Si substrate having a band gap of 1.12 eV
  • most of the light is transmitted (internal transmittance of about 80% or more).
  • the acceptor level is formed only 0.045 eV from the bottom of the valence band, and therefore, via this acceptor level.
  • the light absorption layer 105 is formed in advance by ion implantation of boron or the like, when a laser beam having a multiphoton absorption wavelength is irradiated from the back surface of the substrate body of the base substrate 100, more of the light absorption layer 105 is formed in the substrate. Laser light can be absorbed. Therefore, it is possible to form a modified layer having amorphous silicon (melting treatment region) whose crystal structure periodicity is more disturbed by laser light irradiation.
  • the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are separated from each other in the opposite directions, the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are easily removed from the modified layer 103. Is easily separated, and the glass substrate 200 to which the thin film (single crystal Si thin film) 100a is transferred can be obtained.
  • the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are formed by any of the methods according to the first to third embodiments, and the surface treatment, the bonding process, and the laser irradiation process for the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are performed.
  • the modified layer 103 which is easily peeled is formed.
  • the two substrates are separated using a peeling method by a mechanical force or a laminate film peeling method.
  • a blade 301 having a sharp tip from the side surface of the substrate is applied to the Si substrate 100 on which the modified layer 103 is formed by the laser irradiation process.
  • the cracks and cracks formed in the modified layer 103 are expanded by mechanical force, and the thin film 100 a is peeled from the modified layer 103.
  • an adhesive sheet 302 used for dicing or the like as a laminate film is attached to the back surface of the bonded Si substrate 100, and the adhesive sheet 302 and the Si substrate 100 are peeled off simultaneously. As a result, the thin film 100 a is peeled from the modified layer 103.
  • the elements (single crystal Si thin film) on the Si substrate (base substrate) are distributed and transferred to a large-area glass substrate (transfer destination substrate) by the methods of the first to fourth embodiments described above. Can do.
  • the TFT forming step photolithography, etching, film formation, etc.
  • a normal large glass substrate such as a poly-Si process
  • a TFT backplane having high performance and low variation TFTs made of single crystal Si can be formed on the glass substrate. Since a high performance and low variation TFT backplane can be obtained, it can be suitably used not only as a liquid crystal panel but also as a backplane such as an organic EL (OLED) panel.
  • OLED organic EL
  • a part of the semiconductor device is a semi-finished semiconductor device that has not been processed. In other words, it is not a semiconductor device that has been completed up to the final process (multi-layer wiring completion process), but a semi-completed (unfinished) device in which, for example, a gate electrode or even source / drain electrodes are formed. To do.
  • the wiring formation that may be performed means that the wiring may be formed on a large area substrate (transfer destination substrate) after the transfer.
  • a semiconductor element (a minute transistor) is formed over a base substrate using a general process used for IC manufacturing.
  • a general process used for IC manufacturing a general process used for IC manufacturing.
  • this embodiment is merely an example of a general IC process, and the present invention is not limited to this.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining main steps for forming a transistor (element) on a Si substrate
  • FIG. 9 explains main steps for transferring a semiconductor device formed on the Si substrate to a glass substrate.
  • the Si substrate 100 ' is thermally oxidized to form a thermal oxide film 101 of about 50 to 100 nm on the surface (thermal oxidation step).
  • the thermal oxide film is formed by performing thermal oxidation for about 1 to 3 hours at a temperature of 900 to 1000 ° C. using a general vertical furnace or horizontal furnace.
  • an oxide film may be formed by a CVD method or the like.
  • n-well n-well
  • p-well p-well
  • n-well and p-well are separated using LOCOS oxidation used in a general IC process. Thereafter, in order to adjust the threshold voltage of each of the NMOS and PMOS, ion implantation is performed on each channel region in the n-well and p-well as necessary using a resist as a mask. For example, boron ions are implanted under an implantation condition of an implantation energy of 10 to 40 keV and an implantation amount of about 1 ⁇ 10 12 to 1 ⁇ 10 13 / cm 2 .
  • a gate electrode material is formed or sputtered, and then patterned by photolithography to form a gate electrode 108 having a thickness of about 200 to 400 nm (gate electrode formation).
  • a material for the gate electrode 108 an n + Poly gate or a p + Poly gate doped with phosphorus or boron at a high concentration may be formed by CVD, or a metal such as W, Mo, or MoW may be formed by sputtering.
  • Etching methods for forming patterning include chlorine-based gases such as CCl 4 , BCl 3 , SiCl 4 , and Cl 2 , fluorine-based gases such as SF 6 , CF 4 , and NF 3 , and Ar, O 2. For example, dry etching using a combination of such gases.
  • a resist pattern 102b is formed so as to cover the gate electrode 108 on the n-well 106, and low concentration phosphorus is implanted using the gate electrode 108 and the resist pattern 102b as a mask.
  • the LDD region 109 is formed in the NMOS (LDD region forming step). That is, phosphorus is implanted under the conditions that the implantation energy is 10 to 40 keV and the implantation amount is about 1 ⁇ 10 13 to 1 ⁇ 10 14 / cm 2 .
  • the LDD region forming step can be omitted.
  • an insulating film such as a high-temperature oxide film is formed on the entire surface of the Si substrate 100 'to a thickness of about 200 to 600 nm and then etched back.
  • the sidewall 110 is formed on the side portion of the gate electrode 108 with high accuracy in a self-aligned manner (sidewall formation step).
  • the length of the LDD region 109 is defined by the width of the sidewall 110.
  • a resist pattern 102 c is formed so as to cover the gate electrode 108 and the sidewall 109 on the n-well 106. Then, as shown in FIG. 8 (f), high concentration phosphorus is implanted using the gate electrode 108 and the side wall 109 on the p-well 107 and the resist pattern 102c on the n-well 106 as a mask.
  • a source / drain region 111 which is an n + region is formed on the well 107 (source / drain region forming step).
  • high concentration boron is implanted using the gate electrode 108 and the sidewall 109 on the n-well 106 and the resist pattern on the p-well 107 as a mask to form a p + region on the n-well 106.
  • a certain source / drain region 111 is formed.
  • phosphorus or arsenic is implanted into the n + region under the condition that the implantation energy is 20 to 100 keV and the implantation amount is about 1 ⁇ 10 15 to 5 ⁇ 10 15 / cm 2 , and n on the p-well 107.
  • a source / drain region 111 of the + region is formed.
  • boron or BF 2 is implanted into the p + region under the condition that the implantation energy is 20 to 100 keV and the implantation amount is about 1 ⁇ 10 15 to 5 ⁇ 10 15 / cm 2 , and is formed on the n-well 106.
  • a source / drain region 111 of the p + region is formed.
  • an interlayer insulating film 112 is formed on the entire surface of the thermal oxide film 101 by using the CVD method on the Si substrate 100 '(interlayer insulating film forming step).
  • a SiNO film having a thickness of about 50 to 200 nm, a TEOS film having a thickness of about 200 to 600 nm, or a laminated film thereof is used as the interlayer insulating film 112.
  • the Si substrate 100 ′ is subjected to activation annealing at a temperature of 800 to 900 ° C. for about 1 to 2 hours to activate the impurity ions implanted into the source / drain regions.
  • contact holes are formed in the interlayer insulating film 112 by performing photolithography and etching.
  • etching method for forming the contact hole dry etching using a gas such as Cl 2 or wet etching using HF or the like is employed.
  • an interlayer insulating film 114 is further formed on the entire surface of the interlayer insulating film 112 using the CVD method on the Si substrate 100 ′ (interlayer insulating film re-forming step).
  • the interlayer insulating film 114 a SiN film having a thickness of about 100 to 300 nm, a TEOS film having a thickness of about 200 to 600 nm, or a stacked film thereof can be used.
  • hydrogen sintering may be performed at a temperature of 450 degrees for about 30 to 60 minutes.
  • the surface of the interlayer insulating film 114 is polished and planarized by CMP (polishing step).
  • the back surface of the Si substrate 100 ′ may be polished by CMP at the same time so that laser light is not scattered by laser irradiation in a subsequent process.
  • a resist pattern 102d is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 114, and photolithography and etching are performed using the resist pattern 102d as a mask.
  • the process is performed until the Si substrate 100 ′ is etched to a predetermined depth, and as shown in FIG. 9D, the transistors are separated for each transistor (element isolation step).
  • etching method for element isolation dry etching of Si includes fluorine-based gas such as CF 4 , SF 6 , NF 3 , chlorine-based gas such as Cl 2 , HCl, BCl 3 , and Ar , O 2 and other gases are used in combination.
  • gases such as CF 4 , CHF 3 , C 2 F 6 , H 2 , O 2 and Ar may be used in combination.
  • wet etching using HF, BHF, hydrofluoric acid, hot phosphoric acid, or the like may be combined.
  • the entire Si substrate 100 ′ is ashed and immersed in an organic stripping solution to remove the resist pattern 102 d on the surface, and the surface of the interlayer insulating film 114 is exposed.
  • a Si base substrate 100 in which minute transistors are formed on the Si substrate 100 ′ as shown in FIG. 9E is obtained.
  • the Si substrate after element isolation is represented by the Si substrate 100.
  • the glass substrate 200 is formed by the same method as described in the first to fourth embodiments (see FIG. 3). Further, the surface treatment of the Si substrate 100 and the glass substrate 200, the bonding step, the subsequent laser irradiation step, the transfer step, and the like are the same as those described in the first embodiment (see FIG. 10). ).
  • the thin film separated from the Si substrate main body is separated in the Si substrate 100 by the portion of the modified layer 103 formed therein. (Single crystal Si thin film, part of the base substrate) is transferred to the glass substrate 200 together with the transistor. A part of the transferred base substrate may be removed by performing etch back with a dry etching apparatus.
  • a sub-micron level fine transistor that is difficult to be finely processed on a large-area insulating substrate such as a glass substrate can be formed on the large-area insulating substrate.
  • the surface of the interlayer insulating film 112 is polished and planarized by CMP.
  • the fragile layer 104 is formed by implanting or doping hydrogen ions to a predetermined depth inside the Si substrate 100 ′.
  • the implantation energy is about 150 to 250 keV, and the implantation amount is 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 17 / cm 2. do it.
  • the implantation energy is about 150 to 250 keV, and the implantation amount is 2 ⁇ 10 17 / cm 2 to 1 ⁇ 10 18 / cm 2. Ion doping may be used.
  • the implanted or doped hydrogen ion layer forms a fragile layer 104 in the Si substrate 100 by subsequent thermal annealing (fragile layer forming step).
  • the predetermined depth can be appropriately adjusted by changing the implantation energy in consideration of the thickness of the thin film transferred to the glass substrate in a later step.
  • This fragile layer forming step may be performed after the thermal oxide film 101 is formed on the Si substrate 100 ′ (FIG. 8A).
  • the steps after the fragile layer forming step are the same as those described in the first to fifth embodiments.
  • the transfer process of a minute transistor will be briefly described.
  • multiphoton absorption is performed from the back surface of the Si substrate 100 to the bonded Si substrate 100 and the glass substrate 200.
  • a modified layer 103 including a melt-processed region (amorphous silicon having a disordered crystal structure periodicity) is formed at the laser irradiation position inside the Si substrate 100, and this is the starting point. Cracks and cracks occur.
  • the fragile layer 104 is formed in advance by implantation of hydrogen ions, cracks and cracks run along the fragile layer 104, and as shown in FIG.
  • the substrate 100 is separated, and the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are separated.
  • the light absorbing layer 105 can be formed by the same process as the light absorbing layer forming process in the third embodiment, detailed description is omitted.
  • the light absorbing layer 105 may be formed after the thermal oxide film 101 is formed on the Si substrate 100 ′ (FIG. 8A).
  • the surface of the interlayer insulating film 112 may be polished and planarized by CMP.
  • the implantation energy is higher than the conditions in the third embodiment. Is preferably increased.
  • the implantation energy is about 150 to 300 keV and the implantation amount is 1 ⁇ 10 15 / cm 2 or more.
  • the steps after the formation process of the light absorption layer are the same as those described in the sixth embodiment. That is, when a laser having a multiphoton absorption wavelength is irradiated to the bonded Si substrate 100 and glass substrate 200 from the back surface of the Si substrate 100, a melt processing region (crystal structure) is formed at the laser irradiation position inside the Si substrate 100. A reformed layer 103 containing amorphous silicon having a disturbed periodicity is formed, and cracks and cracks are generated.
  • the light absorption layer 105 is formed by ion implantation of boron or the like in advance, it absorbs more laser light and has amorphous silicon (melting treatment region) whose crystal structure periodicity is more disturbed.
  • the modified layer 103 can be formed. Therefore, the Si substrate 100 and the glass substrate 200 can be more easily separated.
  • the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are formed by any of the methods according to the fifth to seventh embodiments, and the surface treatment, the bonding process, and the laser irradiation process for the Si substrate 100 and the glass substrate 200 are performed.
  • the modified layer 103 which is easily peeled is formed.
  • the two substrates are separated by using a mechanical peeling method or a laminate film peeling method.
  • a blade 301 having a sharp tip from the side surface of the substrate is applied to the Si substrate 100 on which the modified layer 103 is formed by the laser irradiation process.
  • the cracks and cracks formed in the modified layer 103 are expanded by mechanical force, and on the Si substrate 100 along with the thin film made of the Si substrate material on the Si substrate 100 at the position of the modified layer 103.
  • the formed transistor is peeled from the Si substrate 100.
  • an adhesive sheet 302 used for dicing or the like as a laminate film is attached to the back surface of the bonded Si substrate 100, and the adhesive sheet 302 and the Si substrate 100 are peeled off simultaneously.
  • the transistor formed on the Si substrate 100 together with the thin film made of the Si substrate material on the Si substrate 100 is peeled off from the Si substrate 100 at the position of the modified layer 103.
  • the semiconductor devices on the Si substrate can be distributed and transferred onto a large-area glass substrate (transfer destination substrate).
  • an adhesive when the element is transferred from the base substrate to the transfer destination substrate, an adhesive may be required depending on the transfer destination substrate.
  • plastic substrates with high warpage, undulation, and surface roughness can be bonded to glass substrates with low surface roughness (surface roughness Ra) by intermolecular force without using an adhesive.
  • bonding with an adhesive or the like is necessary because bonding is not performed by intermolecular force.
  • an adhesive in the flat transfer destination substrate, an adhesive may be applied in advance only to the position where the element is bonded, or in the transfer destination substrate on which the island pattern ridges are formed, An adhesive may be applied only on the top.
  • the present invention can also be realized by the following configuration.
  • the transferred partial elements form a matrix island pattern on the second substrate.
  • the elements to be transferred transferred onto the transfer destination substrate can be distributed and arranged in a matrix, a high-performance and low-cost semiconductor device can be manufactured.
  • a pitch of the island pattern of the second substrate is an integral multiple of a pitch of the island pattern of the first substrate.
  • the pitch of the island pattern of the second substrate of the transfer destination is an integer multiple of the island pattern of the first substrate, even if the pitch of the island pattern of the second substrate is changed by an integral multiple, (For example, even when the pitch is changed from 2 times to 4 times), the layout of the island pattern of the first substrate is kept as it is, and only the layout of the second substrate needs to be changed. It can be arranged in a distributed manner corresponding to the transfer position of the substrate.
  • the laser irradiation may be performed at a predetermined position of the base substrate while scanning a laser light source along the substrate surface or scanning a stage on which the substrate is mounted along the substrate surface. It is preferable to carry out with respect to.
  • the laser irradiation can be performed on the entire surface even at a predetermined position having a peeling area larger than the spot diameter of the laser. This can be done more reliably.
  • a fragile layer is formed inside the base substrate and the fragile layer is irradiated with the laser.
  • the fragile layer can be formed by ion implantation or ion doping of at least one of hydrogen atoms, hydrogen molecules, hydrogen ions, and rare gas ions into the base substrate.
  • the fragile layer refers to a layer whose strength is weaker than other portions in the base substrate. According to the above method, since the modified region by laser irradiation is formed along the fragile layer inside the base substrate, the separation in the modified region becomes easier.
  • a light absorption layer is formed inside the base substrate and the light absorption layer is irradiated with the laser.
  • the light absorption layer may be formed by ion implantation of boron, phosphorus, arsenic, gallium, indium, titanium, palladium, carbon, silicon, antimony, zinc, tellurium, and cadmium into the base substrate. It can be formed by ion doping.
  • the light absorption layer refers to a layer that has more levels for carrier transition and absorbs more light than other portions in the base substrate. According to the above method, when the laser irradiation is performed inside the base substrate, more light can be absorbed by the light absorption layer, and the multiphoton absorption phenomenon easily occurs. For this reason, the modification by laser irradiation becomes more intense and separation becomes easier.
  • the semiconductor device manufacturing method it is preferable to perform laser irradiation in a state where the temperature of the base substrate is raised to room temperature or higher.
  • the band gap is narrowed and more light can be absorbed. For this reason, a multiphoton absorption phenomenon easily occurs, and a modified region having a weaker structure can be formed.
  • an Nd: YAG laser In the semiconductor device manufacturing method, it is preferable to use any one of an Nd: YAG laser, an Nd: YVO4 laser, an Nd: YLF laser, and a titanium sapphire laser.
  • the laser mentioned above since the laser mentioned above has a long wavelength, the surface of the substrate is transmitted even to a substrate that is not transparent with UV light, and is condensed inside the substrate by a multiphoton absorption phenomenon. A modified region having a weak structure can be formed.
  • a part of the element to be transferred is separated from the first substrate by applying a mechanical force from the side surface of the base substrate.
  • the separation in the modified region inside the base substrate becomes easier by the external mechanical force.
  • the element is a semiconductor thin film, a semiconductor device, or a part of a semiconductor device.
  • the semiconductor device semi-finished product being formed can be selectively transferred to the transfer destination substrate, which is difficult on a large area substrate.
  • the above element a part of a semiconductor device
  • the above element can be transferred and then formed on a larger area substrate.
  • fine processing is not required, after the semiconductor thin film is transferred as an element to a large area substrate, batch processing can be performed on the large area substrate.
  • fine processing is necessary in all steps, a fine semiconductor device completed on a small area substrate as an element can be transferred onto a large area substrate.
  • Examples of the semiconductor device include a light emitting element, a liquid crystal control element, a photoelectric exchange element, a piezoelectric element, a thin film transistor element, a thin film diode element, a resistance element, a switching element, a minute magnetic element, and a minute optical element.
  • the element may be a single crystal Si thin film or a semiconductor device containing single crystal Si.
  • a single crystal Si thin film or a semiconductor device containing single crystal Si can be selectively transferred to the second substrate.
  • the semiconductor device containing the single crystal Si includes a transistor.
  • the laser is irradiated under conditions where a peak power density is 1 ⁇ 10 8 W / cm 2 or more and a pulse width is 1 ⁇ s or less. More preferably, the laser is irradiated with a peak power density of 1 ⁇ 10 11 W / cm 2 to 1 ⁇ 10 12 W / cm 2 and a pulse width of 1 ns to 200 ns.
  • a modified layer having a weak structure such as a modified layer including cracks or a modified layer including a melt processing region, inside the base substrate.
  • the modified layer including the refractive index change region can be stably formed.
  • any one of a silicon substrate, an SOI substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, and a GaAs substrate as the base substrate.
  • various semiconductor devices such as transistors, power generation elements, and light emitting elements can be dispersed and disposed on the second substrate.
  • the method for manufacturing a semiconductor device it is preferable to use any one of a glass substrate, a plastic substrate, and a film bonded to a supporting substrate as the substrate constituting the second substrate. According to the above method, elements can be dispersed and arranged on a soft substrate.
  • the element is preferably a single crystal Si thin film, a semiconductor device containing single crystal Si, or a part of a semiconductor element.
  • the present invention is applied to a manufacturing method of a semiconductor device in which minute semiconductor elements formed on a small substrate are dispersed and transferred to a large-area substrate.

Abstract

　本発明は、中間基板を利用せずに、ベース基板（１００）から、単結晶Ｓｉ薄膜または単結晶Ｓｉからなるデバイスなどの素子を、絶縁性基板に選択的に転写する方法を提供する。素子が形成されているベース基板（第１基板）（１００）に、多光子吸収波長を有するレーザを選択的に照射して、転写したい一部の素子とともに、それに対応するベース基板（１００）上の薄膜を、転写先基板（第２基板）（１００）に転写する。

Description

半導体装置の製造方法および半導体装置
　本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、絶縁性基板に単結晶薄膜あるいは単結晶からなる半導体デバイスを分離配置して転写する方法に関する。
　現在、超高性能で低コストのディスプレイを製造するためには、単結晶シリコン並みのＴＦＴ（Thin Film Transistor；薄膜トランジスタ）性能と、製造コスト低減の両立が必要となる。従来の非晶質シリコン（以下、「ａ－Ｓｉ」という）や多結晶シリコン（以下、「ｐｏｌｙ－Ｓｉ」という）等のＴＦＴプロセスでは、所望の性能を有するＴＦＴが得られないばかりでなく、巨大な真空装置、レーザ結晶化装置、露光機等が必要となり、製造コストを下げることも難しい。
　例えば、図１３の（ａ）は、既存の大型液晶用ＴＦＴプロセス（ａ－Ｓｉプロセスやｐｏｌｙ－Ｓｉプロセス）で大面積のガラス基板上に画素などの回路素子を形成する場合を示している。この方法では、ガラス基板全面に、ａ－Ｓｉ膜等を成膜したり、レーザで基板全面を結晶化したりする必要がある。そのため、マザーガラスの巨大化（第１０世代サイズ：３．１ｍ×２．９ｍ）に伴い巨大な装置と莫大な投資が必要になり、製造コストを下げることが難しい。また、ＴＦＴの性能も、ばらつきが大きく消費電力の大きいものしか得られない。
　そこで、大面積のガラス基板上に、小面積の別基板上で作製した素子をアレイ状に分散して配置することで、超高性能で低コストのディスプレイを作るという方法が考え出された。例えば、図１３の（ｂ）は、既存のＩＣ（Integrated Circuit）プロセスでシリコン基板（以下、「Ｓｉ基板」という）上に作成したシリコンデバイスや回路素子をチップに分断し、大面積のガラス基板などに転写する（あるいは貼り付ける）方法の一例を示している。ここでの転写には、スマートカット法（水素イオン分離法）を用いてもよいし、ダイボンディングを用いた貼り付けを用いてもよい。
　素子のスマートカット法を用いた転写については、本願発明の発明者らにより発明された特許文献１および特許文献２などに示されている。この方法は、パネルのドライバーなどのように、数十～数百個程度のチップ（数ｍｍサイズ）に分断して貼り合わせる場合には有効な方法である。しかしながら、画素ＴＦＴのように数百万個というような数の素子（数十μｍサイズ）に分断して貼り合わせることは、スループットの面でも、ハンドリングの面でも非現実的である。
　図１３の（ｃ）では、スマートカット法を用いて、Ｓｉ基板あるいは、Ｓｉ基板（Ｓｉウェハ）上に作成した素子となるシリコンデバイスをチップに分断せずに、大面積のガラス基板などに貼り付ける場合を示している。上記図１３の（ｂ）の場合と違って、Ｓｉ基板を複数のチップに分断する必要はない。しかしながら、シリコンデバイスを、ガラス基板に貼り合わせた後に熱処理で分離するため、Ｓｉ基板上の素子全体がガラス基板上に転写されてしまう。そのため、画素ピッチのような広い間隔で転写することができない。広い間隔で転写する時は、図１３の（ｄ）に示すように、シリコン基板上に形成する素子同士に間隔をあけて形成する必要があるが、その場合、シリコン基板の利用効率が非常に悪くなってしまう。
　また、従来技術によると、シリコン基板上に形成された高性能なシリコンデバイスや回路素子を、１回で分散転写させることは非常に困難である。例えば、単結晶シリコンデバイスの転写に使えるスマートカット法によると、基板全体が加熱されてしまうため、転写したい単結晶シリコンデバイスだけを選択的に転写することは困難である。
　一方、製造コストを下げるため、素子を選択的に分散して配置する手法として、特許文献３および特許文献４のように、小さい基板上で作成した微小な素子を分散させて、大面積の基板に転写する方法が知られている。例えば、図１４を参照して説明すると、素子の転写方法は下記の通りである。
　まず、図１４の（ａ）に示すように、第１基板（ベース基板）１１に剥離層１２を形成し、この上に複数の素子１３を配列形成する。そして、図１４の（ｂ）および（ｃ）に示すように、例えば、ＵＶ剥離性接着剤１４を付着した中間基板１５に、素子１３を貼り合わせた後、第１基板１１と中間基板１５とを剥離層で分離して素子全体を転写する（１回目）。この時の分離には、ウェットエッチングとエッチストッパー層を用いたリフトオフ法、あるいは、第１基板１１の裏面から剥離層にレーザ照射を行うレーザアブレーションなどを利用する。第１基板１１の裏面からレーザ照射を行う場合、第１基板１１は透明基板である必要がある。そして、図１４の（ｄ）のように、接着剤１６を付着した最終基板（転写先基板）１７に、図１４の（ｃ）に示す素子１３が保持されている透明な中間基板１５を貼り合わせる。その後、図１４の（ｅ）および（ｆ）に示すように、ＵＶ光を中間基板１５の裏面から、選択的に（一定の画素ピッチの間隔を空けて）照射してＵＶ剥離性接着剤１４の接着性を弱めた後に、中間基板１５と最終基板１７とを分離して転写したい素子１３だけを最終基板１７へ転写する（２回目）。中間基板１５の裏面からＵＶ光を照射して２回目の転写を行う場合も、中間基板１５を透明な基板にする必要がある。
日本国公開特許公報「特開２００６－０３２４３５号公報（２００６年２月２日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００６－０５３１７１号公報（２００６年２月２３日公開）」 日本国特許公報「特許第３４４７６１９号（２００１年１月１２日公開）」 日本国特許公報「特許第３９９４６８１号（２００２年１０月２５日公開）」 日本国特許公報「特許第３０４８２０１号（１９９３年８月２０日公開）」 日本国特許公報「特許第３４０８８０５号（２００２年７月１０日公開）」 日本国特許公報「特許第３４０６２０７号（１９９９年５月２８日公開）」 日本国特許公報「特許第３４７４１８７号（２００３年９月１９日公開）」
技術資料「ステルスダイシング技術とその応用」、TLAS9004J01、2005年3月発行 ステルスダイシング技術資料「Stealth Dicing Technical Information for Mems」、TLAS9005J02、2009年5月発行
　しかしながら、上記方法において、実際に転写できる素子は、単結晶シリコンデバイスではなく、透明なベース基板上にＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）等で成膜可能なａ－Ｓｉまたはｐｏｌｙ－Ｓｉからなる低性能のＴＦＴ、あるいはレーザでサファイア基板との界面が剥れやすいＧａＮで形成されたＬＥＤなど、透明なベース基板上に形成できる素子に限られている。つまり、上記方法は、光を通さない不透明なシリコン基板上に形成した単結晶シリコン素子などを転写させることができない。
　また、ベース基板１１上に形成した素子を転写先基板１７に分散して直接転写することができない。つまり、素子を分散して転写するためには、素子を、一旦、ＵＶ剥離接着剤などを塗布した透明な中間基板１５に貼り合わせ、リフトオフあるいは第１基板１１の裏面からレーザ照射などを行って、素子を第１基板１１から分離して中間基板１５上に転写しなければならない。さらに、中間基板１５上に形成された素子を、中間基板１５の裏面からＵＶ光などを選択的に照射して、転写先基板１７に分散して転写する必要がある。
　このように、従来技術によると分散して配置するためには、少なくとも２回の転写が必要である。そのため、転写を繰り返すうちに位置ズレが生じやすく、位置ズレにより転写精度が低下し、その後のコンタクトホール形成や配線形成において歩留まりが低下してコストが増える、あるいは製造プロセスが長くなってコストが増えるという問題がある。
　本発明は、係る従来の課題に鑑みてなされたものであり、半導体薄膜または半導体素子などの転写対象を、１回の転写工程によりベース基板から転写先基板に分散して転写でき、高精度の転写と、製造プロセスの短縮によるコスト削減が実現できる半導体装置の製造方法、およびこの製造方法により製造された半導体装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、ベース基板上に複数の素子が配列したアイランドパターンを形成して第１基板を形成する工程と、上記第１基板と、上記第１基板とは異なる第２基板とを上記複数の素子の一部を介して貼り合わせる工程と、上記第１基板上に形成された複数の素子のうちの上記一部の素子が形成されている位置に対して、多光子吸収を起こす波長を有するレーザを照射することで、上記一部の素子を上記第１基板から分離し、上記第２基板上に選択的に転写する工程とを含むことを特徴とする。
　上記の方法では、転写対象の素子をベース基板から分離するために、多光子吸収を起こす波長を有するレーザを用いてベース基板の所定位置にレーザ照射を行う。この方法によれば、ベース基板が例えばＵＶ光では非透過なＳｉ基板などであっても、ベース基板の表面を透過し、かつその内部で集光して多光子吸収現象を起こすことができる。そして、この多光子吸収現象によりベース基板の内部に、その結晶構造等が改変された改質領域（改質層）を形成することができる。この改質領域では、その結晶構造等が変化することによってクラックや割れが生じるため、上記一部の素子を容易にベース基板から剥離し、上記一部の素子を介して貼り合わされていた第１基板と第２基板とを容易に分離することができる。
　これにより、転写対象である上記一部の素子を、中間基板を使用することなく転写先の第２基板に直接転写することができる。また、レーザ照射は、ベース基板の所定位置に対して選択的に行うことができるので、転写したい素子のみを転写先基板に直接転写することができる。このため、半導体デバイスなどの転写を１回で行うことができる。
　つまり、１回の転写工程で転写対象の素子をベース基板（第１基板）から転写先基板（第２基板）に直接転写することができるので、位置ズレが少ない高精度の転写を実現し、歩留まり向上と製造プロセスの短縮によるコスト削減を図ることができる。また、これにより、製造工程の処理能力（タクトタイム）を向上させることもできる。
　また、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、絶縁基板上に素子が転写されて形成された半導体装置であって、上記絶縁基板は、所定の間隔で配列した隆起部を有しており、上記素子は、その上面が上記隆起部に接し、かつその下面が上記隆起部から離れるように上記隆起部に直接形成されていることを特徴とする。
　ここで、上記素子の上面とは、該素子が絶縁基板に転写される前のベース基板上において、該ベース基板とは接触しておらず上方を向いている面のことを意味し、上記素子の下面とは、該素子が絶縁基板に転写される前のベース基板上において、該ベース基板に接触している面のことを意味する。
　上記の構成を有する半導体装置は、上記した本発明の製造方法によって製造されたものであるため、微小な素子構成であっても、高性能を維持することができる。また、上記のように製造工程において中間基板が不要となるため、スループットが高く、製造コストが低減されるという利点を有している。なお、上記隆起部は、アイランドまたはアイランドパターンとも呼ばれる。
　本発明は、シリコン表面を透過しシリコン基板内部で集光する、多光子吸収波長を有するレーザを利用することにより、ベース基板中に多光子吸収による改質領域を形成し、従来技術では転写困難だった不透明なベース基板から、直接的に単結晶薄膜または単結晶からなるデバイスなどの素子を、大面積の転写先基板上に選択的に分離転写することができる。また、１回の転写工程で転写対象のベース基板から転写先基板への直接転写を実現できるので、位置ズレが少ない高精度の転写を実現し、製造プロセスの短縮によるコスト削減を図ることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法の主なステップを示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係るベース基板の製造フローを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る転写先基板の製造フローを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子をベース基板から転写先基板に転写するフローを示す断面図である。 本発明の第２，３の実施の形態に係るベース基板の製造フローを示す断面図である。 本発明の第２，３の実施の形態に係るベース基板から転写先基板に薄膜を転写するためのフローを示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るベース基板と転写先基板とを分離するための方法を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体素子を含むベース基板の製造フローを示す断面図である。 図８に示す製造フローに続いて、本発明の第５の実施の形態に係る半導体素子を含むベース基板の製造フローを示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るベース基板上の半導体素子を転写先基板に薄膜を転写するためのフローを示す断面図である。 本発明の第６，７の実施の形態に係るベース基板の一部の製造フローおよびベース基板上の半導体素子を転写先基板に薄膜を転写するためのフローを示す断面図である。 本発明の第８の実施の形態に係るベース基板と転写先基板とを分離するための方法を示す断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、従来技術に係る大面積のガラス基板に半導体素子を転写する様子を示す図である。また、（ｅ）は、本発明において大面積のガラス基板に半導体素子を転写する様子を示す図である。 従来技術に係るベース基板から中間基板を経由して転写先基板に薄膜を転写するフローを示す断面図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に限定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。また、本発明の各実施の形態において、同じ構成を有するものに対しては、同じ名称かつ同じ符号を付けて説明する。
　本発明の半導体装置の製造方法では、スマートカット法による素子の貼り合わせ技術に、ベース基板の表面を透過しベース基板の内部で集光する多光子吸収を起こす波長を有するレーザを用いたステルスダイシング技術を組み合わせている。ステルスダイシング技術に使用するレーザ（ステルスダイシングレーザ）は、Ｓｉ基板などの不透明な基板の表面を透過して内部で集光し基板内部に改質層を形成するので、本来はこのステルスダイシングレーザをＳｉ基板に対して網目ライン状にスキャンすることで断面方向に分離して、Ｓｉ基板を小さな素子に分断するために用いられている。本発明では、基板の裏面から転写したい所定の素子に選択的に当該レーザを平面的に照射することで、素子をＳｉ基板から平面的に剥離し、素子の選択的な剥離を可能とした。これにより、中間基板を使用することなく、ベース基板上の素子のうち、転写したい素子のみを大面積の転写先基板上に選択的に転写することができる（図１３の（ｅ）参照）。
　なお、ステルスダイシング技術については、特許文献６、非特許文献１，２などに記載されている。
　ここで、ベース基板とは、半導体素子が最初に形成される基板であり、転写先基板とは、ベース基板上に形成された半導体素子が転写される基板である。ベース基板上に半導体素子が形成された基板は、第１基板とも呼ばれ、転写先基板は、第２基板とも呼ばれる。また、転写先基板は、最終的な製品を構成する基板であるため、最終基板とも呼ばれる。
　本発明において、ベース基板として、例えば、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板などが挙げられる。また、転写先基板として、ガラス基板、プラスチック基板、支持基板に貼り合わせたフィルムなどの絶縁性基板が挙げられる。
　また、ベース基板上の素子には、半導体薄膜（単膜）または半導体デバイスなどが含まれる。ここで、半導体デバイスとして、例えば、発光素子、液晶制御素子、光電交換素子、圧電素子、薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード素子、抵抗素子、スイッチング素子、微小磁気素子、微小光学素子などが挙げられる。
　以下実施の形態の説明では、ベース基板として不透明なＳｉ基板を用い、転写先基板としてガラス基板を用い、素子が単結晶Ｓｉ薄膜または単結晶Ｓｉからなる半導体デバイスである場合を例として説明する。
　〔単結晶Ｓｉ薄膜の転写方法〕
　以下の第１～第４の実施の形態では、半導体装置の製造工程において、Ｓｉ基板（ベース基板）上の単結晶Ｓｉ薄膜を、大面積のガラス基板（転写先基板）に分散配置して転写する方法について説明する。
　＜第１の実施の形態＞
　以下図１～４を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る半導体装置の製造方法の主なステップを示すフローチャートであり、図２は、ベース基板を形成する方法の主なステップを示す断面図であり、図３は、転写先基板を形成する方法の主なステップを示す断面図であり、図４は、転写したい薄膜をベース基板から転写先基板に転写する方法の主なステップを示す断面図である。
　まず、図２に基づいて、Ｓｉ基板１００の形成における各ステップを説明する。
　図２の（ａ）のように、平板状のＳｉ基板１００’を熱酸化し、表面に５０～１００ｎｍ程度の熱酸化膜１０１を形成する（図１のＳ１１、熱酸化工程）。ここでの熱酸化は、一般的な縦型炉または横型炉を用い、温度９００～１０００℃で、１～３時間程度の熱酸化を行うことである。なお、ベース基板としてＳｉ基板以外の基板を用いる場合は、ＣＶＤ法などで酸化膜を成膜してもよい。
　続いて、図２の（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより、所定の大きさの単膜のアイランドが基板上に密着できるようにレジストパターン１０２を形成する。その後、図２の（ｃ）に示すように、熱酸化膜１０１および所定厚さのＳｉ基板１００をエッチングすることで、Ｓｉ基板１００にアイランド（隆起部）１００”を形成する。すなわち、Ｓｉ基板１００’をマトリクス状にアイランド化する。なお、エッチング方法は、一般的なフッ素系や塩素系のガスを用いたドライエッチングを採用する。例えば、Ｓｉのドライエッチングには、ＣＦ４、ＳＦ６、ＮＦ３などのフッ素系のガス、あるいは、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＢＣｌ３などの塩素系のガス、およびＡｒ，Ｏ２などのガスを組み合わせて用いる。ＳｉＯ２のドライエッチングには、ＣＦ４、ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６、Ｈ２，Ｏ２，Ａｒなどのガスを組み合わせて用いればよい。また、ドライエッチングの代わりに、ＨＦ、ＢＨＦ，フッ硝酸、ＫＯＨ、ＳＬＡエッチャントなどを用いたウェットエッチングを採用してもよい。
　ここで形成されたＳｉ基板材料からなるアイランド１００”が、後の工程で得られる転写先基板２００上の単結晶Ｓｉ薄膜（半導体素子）１００ａとなる（図１のＳ１２、素子形成工程）。
　転写したい素子が単結晶Ｓｉ薄膜である場合は、Ｓｉ基板１００’をアイランド化することにより、素子形成工程と薄膜の素子分離が同時に実現できる（図１のＳ１３、素子分離工程）。そして、図２の（ｄ）に示すように、アッシングおよび剥離洗浄を行ってレジストパターン１０２を剥離すると、ベース基板となるＳｉ基板１００を得ることができる。ここで、最初の平板状のＳｉ基板１００’と、当該Ｓｉ基板１００’に対し、図１のＳ１１～Ｓ１３などのステップを行って得たＳｉ基板とを区別するために、素子分離後（アイランド形成後）のＳｉ基板をＳｉ基板１００で表記する。
　また、図示はしないが、後述のレーザ照射工程の際に、レーザ光がＳｉ基板１００の裏面の凹凸で散乱しないように、熱酸化膜形成工程の前に予めＳｉ基板１００の裏面をＣＭＰで研磨して鏡面にするか、もしくは、レジストパターン剥離工程後のＳｉ基板１００の裏面をＣＭＰで研磨して鏡面にしておいてもよい。ここで、Ｓｉ基板１００の裏面とは、熱酸化膜１０１が形成された面の反対面を指す。
　次に、図３に基づいて、ガラス基板（絶縁基板）２００の形成ステップを説明する。
　まず、図３の（ａ）に示すように、平板状のガラス基板２００’上に、フォトリソグラフィにより所定の間隔でアイランド（隆起部）ができるようにレジストパターン２０１を形成する（レジストパターン形成工程）。ここで、ガラス基板２００’上のアイランド２００”は、図２に示すようなＳｉ基板１００側のアイランド１００”よりも一回り大きいパターンが望ましい。また、アイランド２００”の間隔は、画素ピッチに対応するように予め間隔が空けられており、Ｓｉ基板１００側のアイランド１００”の整数倍のピッチになることが望ましい。つまり、この条件を満たすようにレジストパターン２０１を形成することが望ましい。
　続いて、図３の（ｂ）に示すように、レジストパターン２０１をマスクとしてガラス基板２００’をエッチングすることで、マトリクス状のアイランド２００”を形成する（図１のＳ２１、アイランド化工程）。ここで、エッチング方法として、ＣＦ４、ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６、Ｈ２，Ｏ２，Ａｒなどのガスを組み合わせたドライエッチングを採用してもよく、ＨＦ、ＢＨＦなどを用いたウェットエッチングを採用してもよい。ＢＨＦの場合、１０～２０分程度のエッチングにより、１～２μｍ程度の段差を形成することができる。
　これにより、素子分離されて、図３の（ｃ）に示すように、図２に示すようなＳｉ基板１００上の半導体素子が転写できる、転写先基板となるガラス基板２００が得られる。ここでも、最初の平板状のガラス基板２００’と、当該ガラス基板２００’に対し、図１のＳ２などのステップを行って得たガラス基板とを区別するために、素子分離後のガラス基板をガラス基板２００で表記する。
　また次に、図４に基づいて、Ｓｉ基板１００およびガラス基板２００を用いて、薄膜（単結晶Ｓｉ薄膜）を転写するステップを説明する。
　まず、上記説明のようなステップを通してなされたＳｉ基板１００およびガラス先基板２００に対して、表面処理工程および貼り合わせ工程を行う（図１のＳ３１）。表面処理として、一般的なスマートカットの処理方法を用いることができる。即ち、両基板の表面に、プラズマ処理あるいは薬液処理を行って、表面を親水性にする。プラズマ処理はＡｒプラズマ、大気圧プラズマなどを用いることができる。また、オゾン水洗浄、ＳＣ－１洗浄（過酸化水素水とアンモニア水の混合溶液）などの薬液処理を数分程度行って親水化処理してもよい。
　表面処理した状態で、両基板を向かい合わせに貼り合わせると、分子間力（ファンデルワース力）により接合する。この後、温度２００℃で、２時間程度のプレアニールを行うことで、脱水反応が進み共有結合が形成され、接合がより強固になる。なお、図４の（ａ）および（ｂ）から明らかなように、Ｓｉ基板１００上に素子分離された複数の熱酸化膜１０１のうち、ガラス基板２００上に受けとなるアイランド２００”が存在する部分のみが接合される。
　続いて、図４の（ｂ）に示すように、ガラス基板２００と貼り合わせたＳｉ基板１００に対し、Ｓｉ基板１００の裏面側から、多光子吸収を起こすような波長のレーザを、アイランド１００”の転写したい部分のみに選択的に照射する（図１のＳ３２、レーザ照射工程）。そしてＳｉ基板１００の内部では、レーザ光が集光し、改質層（改質領域）１０３が形成される。改質領域としては、１）多光子吸収による光学的損傷により誘起された熱ひずみによって基板内部にクラックが形成されて成すクラック領域、２）多光子吸収により局所的に加熱されて、相変化や結晶構造が変化した領域が形成されて成す溶融処理領域（例えば、単結晶シリコンの場合、局所的加熱により結晶構造周期性の乱れた非晶質シリコンに変化した領域が溶融処理領域に相当する）、あるいは、３）基板内部にイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて成す屈折率変化領域が挙げられる。なお、どのような改質領域を形成するかは、基板の種類によって決めることができる。
　例えば、本実施の形態のように、Ｓｉ基板などの半導体基板を用いた場合は、改質領域として溶融処理領域を形成するのが最適である。また、ガラス基板やサファイア基板などの透明基板を用いる場合は、改質領域として屈折率変化領域を形成することができる。このようなＳｉ基板１００の内部に形成された改質層１０３は、Ｓｉ基板１００の内部にクラック、あるいは結晶構造が弱く変化した領域、あるいはイオン価数や分極配向等の構造変化が誘起された領域などが形成されているため、Ｓｉ基板１００およびガラス基板２００を、互いに反対方向に引き離すと、改質層１０３が形成されたＳｉ基板１００の内部の位置で、Ｓｉ基板１００が容易に分離される（図１のＳ３３、分離工程）。
　つまり、改質層１０３により分けられたアイランド１００”において、熱酸化膜１０１を通してガラス基板２００と接合した側の部分が、図４の（ｃ）に示すように、ガラス基板２００上に転写される。これにより、薄膜（単結晶Ｓｉ薄膜、ベース基板の一部）１００ａが転写されたガラス基板２００を得て、最終基板として半導体装置に用いることができる。ここで、単結晶Ｓｉ薄膜１００ａの膜厚は、レーザの集光位置を調整することで、適切に制御することができる。また、レーザの調整範囲を超える場合など必要に応じて、ガラス基板２００上に転写した後に、ドライエッチング装置を用いて単結晶Ｓｉ薄膜１００ａ薄膜のエッチバックを行い、単結晶Ｓｉ薄膜１００ａの膜厚をさらに薄くしても良い。
　また、Ｓｉ基板１００の裏面側から照射されるレーザは、波長が１０６４ｎｍであり、ステルスダイシング用レーザの半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いる。もちろん、レーザ光源に採用できるレーザとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの他、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、またはチタンサファイアレーザもある。レーザ照射は、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上であり、パルス幅が１μｓ以下の条件で行う。より好ましい数値としては、ピークパワー密度が１×１０１１Ｗ／ｃｍ２～１×１０１２Ｗ／ｃｍ２で、かつパルス幅が１ｎｓ～２００ｎｓの条件で照射することが好ましい。
　ここで、どのようなレーザを用いるかは、形成しようとする改質領域の種類によって決めることができる。例えば、クラック領域または溶融処理領域含む改質層１０３を形成する場合には、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上であり、パルス幅が１μｓ以下のレーザを用い、詳しくはＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、またはＮｄ：ＹＬＦレーザを用いるのが好適である。また、屈折率変化領域を含む改質層１０３を形成する場合は、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上であり、パルス幅が１ｎｓ以下（さらに望ましくは１ｐｓ以下）のレーザを用い、詳しくはチタンサファイアレーザを用いるのが好適である。このようなレーザは、波長が長いため、ＵＶ光では非透過な基板に対しても、基板の表面を透過し、多光子吸収現象により基板内部で集光して、内部にクラック、あるいは結晶構造が弱く変化した領域、あるいはイオン価数や分極配向等の構造変化が誘起された領域などの改質層を形成することができる。
　また、レーザの照射は、レーザ光源を基板面に沿って走査しながら、転写したい素子が形成されている所定の位置に対して行うことが好ましい。あるいは、レーザ光源の位置は固定して、基板を載せたステージを走査しながら行っても良い。これにより、レーザのスポット径よりも大きい剥離面積を有する所定位置に対して、全面にレーザ照射できて、剥離するための改質層を全面に形成し、改質層での分離をより確実に行うことができる。これらレーザを照射する方法としては、従来から行われている方法を用いることができる。
　また、Ｓｉ基板１００の温度を室温から上げた状態で、レーザ照射を行ってもよい。これは、ベース基板がＳｉ基板である場合、基板温度を１００℃以上に上げると、Ｓｉのバンドギャップ（室温時：１．１２ｅＶ）が１．１ｅＶ以下に低下し、基板内部でＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ、ｈν=１．１６ｅＶ）の光をより吸収することができて、多光子吸収が起こりやすくなるためである。そのため、Ｓｉ－Ｓｉ結合のより弱い改質領域が形成され、改質領域の形成位置での分離がより容易になる。
　なお、同様に、ベース基板がＧａＡｓ基板（バンドギャップ、室温時：１．４２ｅＶ）である場合は、基板温度を７００℃以上に上げることで、バンドギャップを１．１ｅＶ以下にすることができる。
　以上の方法により、本実施の形態では、ベース基板（第１基板）となるＳｉ基板１００上にマトリクス状に配列された素子のうち、転写したい素子のみにステルスダイシングレーザ照射を行うことで、素子をベース基板から平面的に剥離して転写先基板（第２基板）となる大面積のガラス２００上に選択的に素子を転写することができる。これにより、転写先基板（第２基板）に対して、ベース基板上に配置された各素子のピッチの整数倍のピッチで各素子がマトリクス状に配列したアイランドパターンを形成することができる（図１３の（ｅ）参照）。
　＜第２の実施の形態＞
　本実施の形態では、上記第１の実施の形態における説明のように、Ｓｉ基板の単結晶Ｓｉ薄膜（素子）をガラス基板に直接分散配置し転写する場合の例を説明する。第１の実施の形態に比べ、本実施の形態では、ガラス基板に形成される改質層での分離をより容易にするために、ベース基板の内部に予め基板内の他の部分よりも強度の弱い脆弱層を形成する工程を追加した場合の例を説明する。
　図５は、本実施の形態におけるＳｉ基板１００の形成ステップを示す断面図である。第１の実施の形態によるＳｉ基板１００の形成ステップと比べ、本実施の形態によるＳｉ基板１００の形成には、Ｓｉ基板１００の内部に予め脆弱層１０４を形成するステップをさらに備える。これ以外のステップは、第１の実施の形態の説明のとおりであるので、それについては簡単に説明する。
　本実施の形態によるＳｉ基板１００の形成工程において、まず、図５の（ａ）に示すように、平板状のＳｉ基板１００’に熱酸化膜１０１を形成した後、図５の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１００’の内部に脆弱層１０４を形成する。
　すなわち、Ｓｉ基板１００’に対し、水素イオン注入または水素イオンドープにより、Ｓｉ基板１００’の内部の所定の深さに、水素イオンを打ち込む。水素イオンの注入またはドーピング条件としては、例えば、Ｈ＋イオンを注入する場合は、注入エネルギーが２０～６０ｋｅＶ程度であり、注入量が５×１０１４／ｃｍ２～５×１０１５／ｃｍ２である条件で行う。Ｈ３＋のようなイオンを含むイオンドーピングを行う場合は、注入エネルギーが２０～６０ｋｅＶ程度であり、注入量が１×１０１６／ｃｍ２～５×１０１６／ｃｍ２である条件で行う。水素イオンは軽いので、イオン注入又はイオンドーピングにより、Ｓｉ基板内部深くに侵入できる。この時、Ｓｉの結晶格子を乱すと同時に内部に留まる。続いて、２００℃～４００℃程度の低い温度でアニールすると、水素イオンが留まっている領域では内圧が上昇して微小気泡（プレートレット）が発生して微小クラックを誘起する。したがって、水素イオンが注入またはドーピングされた層は、その後の熱アニールを加えることで、Ｓｉ基板１００’の内部に脆弱層１０４を形成する。上記所定の深さは、後工程で形成される薄膜１００ａの膜厚を考慮して、注入エネルギーを変えることにより適宜に調整することができる。
　そして、図５の（ｃ）および（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１００’に対してレジストパターン１０２の形成工程およびエッチング工程を行う。その後、レジストパターン１０２の剥離工程を経由して、図５の（ｅ）に示すように、内部に脆弱層１０４を備えたＳｉ基板１００を得る。
　ガラス基板２００は、図３に示すように、上記第１の実施の形態で説明したステップの通りに形成すればよい。
　次に、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とに対する表面処理工程、貼り合わせ工程およびレーザ照射工程も上記第１の実施の形態で説明の通りである。そして、図６の（ａ）に示すように、レーザ照射工程後のＳｉ基板１００の内部において、溶融処理領域（結晶構造周期性が乱れた非晶質シリコン）を含む改質層１０３が形成され、これを起点にクラックや割れが発生する。この場合、予め水素イオンの注入およびアニールにより脆弱層１０４が形成されているので、レーザ照射によるクラックや割れを脆弱層１０４に沿って走らせることができる。そのため、単結晶Ｓｉ薄膜１００ａをベース基板のＳｉ基板１００からより容易に分離させることができる。そして、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とを互いに反対方向に引き離すと、図６の（ｂ）に示すように、脆弱層１０４に沿って剥れやすく形成された改質層１０３の処で、ベース基板（Ｓｉ基板１００）と転写先基板（ガラス基板２００）とが容易に分離される。これにより、薄膜（単結晶Ｓｉ薄膜）１００ａが転写されたガラス基板２００を得ることができる。
　＜第３の実施の形態＞
　本実施の形態では、Ｓｉ基板に形成される改質層での分離をより容易にするために、脆弱層の代わりに、ベース基板の基板本体の内部に、予め基板内の他の部分よりも光をより多く吸収する光吸収層を形成しておく場合の例を説明する。光吸収層形成ステップ以外の工程は、上記第１，２の実施の形態の説明のとおりであるので、それについては簡単に説明する。なお、上記第２の実施の形態と同じ図面を参照して説明する。
　本実施の形態によるＳｉ基板１００の形成工程において、まず、図５の（ａ）に示すように、平板状のＳｉ基板１００’に熱酸化膜１０１を形成した後、図５の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１００’の内部に光吸収層１０５を形成する。
　すなわち、Ｓｉ基板１００’に対し、イオン注入又はイオンドープにより、Ｓｉ基板１００’の内部の所定の深さにイオンを打ち込む。打ち込まれたイオンは、バンドギャップ中にドナー又はアクセプター準位を形成し、Ｓｉ基板１００’に光吸収層１０５を形成する。上記所定の深さは、後工程で形成される薄膜１００ａの膜厚を考慮して、適宜に調整することができる。
　ここで、イオンの種類としては、ボロン、リン、ヒ素、ガリウム、インジウム、チタン、パラジウム、炭素、シリコン、アンチモン、亜鉛、テルル、カドミウムなどを用いることができる。また、イオンの注入またはイオンドーピング条件としては、例えばボロンをイオン注入する場合は、注入エネルギーが４０～１５０ｋｅＶ程度であり、注入量が１×１０１５／ｃｍ２以上の条件で行う。リンをイオン注入する場合は、注入エネルギーが１００～２５０ｋｅＶ程度であり、注入量が１×１０１５／ｃｍ２以上の条件で行う。
　そして、図５の（ｃ）および（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１００’に対してレジストパターン１０２の形成工程およびエッチング工程を行う。そして、レジストパターン１０２の剥離工程を経由して、図５の（ｅ）に示すように、内部に光吸収層１０５を備えたＳｉ基板１００を得る。
　ガラス基板２００は、図３に示すように、上記第１の実施の形態で説明したステップの通りに形成すればよい。
　次に、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とに対する表面処理工程、貼り合わせ工程およびレーザ（例えばＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍ）照射工程も上記第１の実施の形態で説明の通りである。そして、図６の（ａ）に示すように、レーザ照射工程後のＳｉ基板１００の内部において、溶融処理領域（結晶構造周期性が乱れた非晶質シリコン）を含む改質層１０３が形成され、これを起点にクラックや割れが発生する。ここで、Ｓｉ基板１００の内部に光吸収層１０５が形成されているため、レーザを照射する際に、光吸収層１０５においてここでのアクセプター準位を介した多光子吸収が起こりやすくなって、結晶構造周期性がより乱れた非晶質シリコンが形成され、剥れやすい改質層１０３を形成することができる。
　これについて、従来技術（例えば、特許文献６）によれば、レーザ光源に波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いて照射を行い、ベース基板にバンドギャップが１．１２ｅＶのＳｉ基板（膜厚５００μｍ以下）を使用した場合、大部分の光は透過してしまう（内部透過率約８０％以上）。これに対して、本発明のようにボロンを注入した光吸収層１０５を形成すると、アクセプター準位は価電子帯の底から０．０４５ｅＶだけ上に形成されるので、このアクセプター準位を介したレーザ光の吸収がこの層のみで起こりやすくなり（内部透過率が実効的に下がる方向に働く）、その結果、多光子吸収が起こりやすくなる。但し、ドナーやアクセプターの密度はＳｉの密度に比べて小さいため、高濃度で注入する必要がある。
　このように、予めボロンなどのイオン注入により光吸収層１０５形成しておくと、ベース基板１００の基板本体の裏面から多光子吸収波長を有するレーザ光を照射したときに、基板内においてより多くのレーザ光を吸収することができる。そのため、レーザ光の照射によって結晶構造周期性がより乱れた非晶質シリコン（溶融処理領域）を有する改質層を形成することができる。
　以上のステップにより、図６の（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とを互いに反対方向に引き離すと、剥れやすい改質層１０３の処でＳｉ基板１００とガラス基板２００とが容易に分離され、薄膜（単結晶Ｓｉ薄膜）１００ａが転写されたガラス基板２００を得ることができる。
　＜第４の実施の形態＞
　本実施の形態では、Ｓｉ基板とガラス基板とを分離する方法について説明する。
　まず、上記第１～３の実施の形態による何れかの方法により、Ｓｉ基板１００およびガラス基板２００を形成し、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とに対する表面処理、貼り合わせ工程およびレーザ照射工程を経由して、剥れやすい改質層１０３を形成する。
　そして、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００との分離による薄膜の転写工程において、図７に示すように、機械的力による剥離またはラミネート膜剥離方法を用いて、両基板を分離する。
　つまり、図７の（ａ）に示すように、レーザ照射工程により改質層１０３が形成されたＳｉ基板１００に、当該基板の側面から先端が鋭利なブレード３０１を当てる。これにより、機械的な力で改質層１０３に形成されたクラックや割れを拡大させて、改質層１０３から薄膜１００ａが剥離される。
　あるいは、図７の（ｂ）に示すように、貼り合わせたＳｉ基板１００の裏面に、ラミネート膜としてダイシングなどに用いられる接着シート３０２を貼り付け、この接着シート３０２およびＳｉ基板１００を同時に引き剥がすことによって、改質層１０３から薄膜１００ａが剥離される。
　以上の第１～第４の実施の形態の方法で、Ｓｉ基板（ベース基板）上の素子（単結晶Ｓｉ薄膜）を、大面積のガラス基板（転写先基板）に分散配置して転写することができる。これ以降の工程としては、第１～第４の実施の形態の方法とも、ｐｏｌｙ－Ｓｉプロセスのような通常の大型ガラス基板を用いたＴＦＴ形成工程（フォトリソグラフィやエッチング、成膜など）を行えばよい。これにより、ガラス基板上に単結晶Ｓｉからなる高性能で低ばらつきのＴＦＴを有するＴＦＴバックプレーンを形成することができる。高性能で低ばらつきなＴＦＴバックプレーンが得られるので、液晶パネルだけでなく、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）パネルなどのバックプレーンとしても好適に用いる事ができる。
　続いて、以下の幾つかの実施の形態を通して、ベース基板上に半導体デバイスもしくはその一部を予め形成し、それらを転写先基板に分散配置して転写する場合を説明する。ここで、半導体デバイスの一部とは、加工未完成の半導体デバイス半完成品である。つまり、最終工程（多層配線完了工程）まで完成した半導体デバイスではなく、例えば、途中のゲート電極までが、あるいはソース・ドレイン電極までが形成されているような半完成（未完成）のデバイスを意味する。詳しく言うと、ベース基板上に半導体デバイスを形成する時、大面積基板上では困難な微細加工（特にゲート電極の微細加工まで）は小面積基板（ベース基板）上で加工し、加工精度が粗くてもよい配線形成などは、転写後に大面積基板（転写先基板）上で形成してもよいということを意味する。
　〔単結晶Ｓｉからなる半導体デバイス〕
　以下の実施の形態においては、素子の一例となる微小なトランジスタの転写ステップを説明する。また、上記第１～第４の実施の形態のように、ベース基板としてＳｉ基板を用い、転写先基板としてガラス基板を用いた場合の例を説明する。
　＜第５の実施の形態＞
　本実施の形態において、ＩＣ製造に用いられる一般的なプロセス用いてベース基板に半導体素子（微小なトランジスタ）を形成する。もちろん、本実施の形態は、一般的なＩＣプロセスの一例を示すものに過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
　図８は、Ｓｉ基板にトランジスタ（素子）を形成する主なステップを説明するための断面図であり、図９は、Ｓｉ基板に形成した半導体デバイスをガラス基板に転写する主なステップを説明するための断面図である。
　本実施の形態において、図８の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００’を熱酸化し、表面に５０～１００ｎｍ程度の熱酸化膜１０１を形成する（熱酸化工程）。熱酸化膜は、一般的な縦型炉あるいは横型炉を用い、９００～１０００℃の温度で１～３時間程度の熱酸化を行って形成する。なお、ベース基板としてＳｉ基板以外の基板を用いる場合は、ＣＶＤ法などで酸化膜を成膜してもよい。
　続いて、図８の（ｂ）に示すように、熱酸化膜１０１上にフォトリソグラフィにより所定の領域上にレジストパターン１０２ａを形成し、Ｓｉ基板１００’上に、リンを注入したｎ型のウェル領域（以下、「ｎ-ｗｅｌｌ」という）１０６およびボロンを注入したｐ型のウェル領域（以下、「ｐ-ｗｅｌｌ」という）１０７を形成する（ウェル形成工程）。
　そして、図示はしないが、一般的なＩＣプロセスに用いられるＬＯＣＯＳ酸化を用いて、ｎ-ｗｅｌｌとｐ-ｗｅｌｌとの素子分離を行う。その後、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ各々の閾値電圧を調整するために、必要に応じてレジストをマスクとしてｎ-ｗｅｌｌ、ｐ-ｗｅｌｌ内の各チャネル領域にイオン注入を行う。例えば、ボロンイオンを、注入エネルギーが１０～４０ｋｅＶであり、注入量が１×１０１２～１×１０１３／ｃｍ２程度の注入条件で注入する。
　続いて、図８の（ｃ）に示すように、ゲート電極材料を成膜あるいはスパッタした後、フォトリソグラフィによりパターニングして、厚さが２００～４００ｎｍ程度のゲート電極１０８を形成する（ゲート電極形成工程）。ゲート電極１０８の材料としては、高濃度にリンやボロンをドープしたｎ＋Ｐｏｌｙゲート、ｐ＋ＰｏｌｙゲートをＣＶＤで成膜したものでもよいし、Ｗ、Ｍｏ、ＭｏＷなどの金属をスパッタで形成したものでもよい。パターニングを形成するためのエッチング方法としては、ＣＣｌ４、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２などの塩素系を用いたガスやＳＦ６、ＣＦ４、ＮＦ３などのフッ素系ガス、およびＡｒ，Ｏ２などのガスを組み合わせて用いたドライエッチングが挙げられる。
　続いて、図８の（ｄ）に示すように、ｎ－ｗｅｌｌ１０６上のゲート電極１０８を覆うようにレジストパターン１０２ｂを形成し、ゲート電極１０８およびレジストパターン１０２ｂをマスクとして、低濃度のリンを注入し、ＮＭＯＳにＬＤＤ領域１０９を形成する（ＬＤＤ領域形成工程）。つまり、リンを、注入エネルギーが１０～４０ｋｅＶであり、注入量が１×１０１３～１×１０１４／ｃｍ２程度である条件で注入する。もちろん、ＬＤＤ構造を必要としない場合、ＬＤＤ領域形成工程は省略できる。
　続いて、レジストパターン１０２ｂ剥離した後、Ｓｉ基板１００’の基板全面に、高温酸化膜などの絶縁膜を厚さ２００～６００ｎｍ程度形成してから、エッチバックを行う。これにより、図８の（ｅ）に示すように、ゲート電極１０８の側部にサイドウォール１１０を自己整合的に高精度に形成する（サイドウォール形成工程）。サイドウォール１１０の幅によりＬＤＤ領域１０９の長さが規定される。
　次に、ｎ－ｗｅｌｌ１０６上のゲート電極１０８とサイドウォール１０９とを覆うように、レジストパターン１０２ｃを形成する。そして、図８の（ｆ）に示すように、ｐ－ｗｅｌｌ１０７上のゲート電極１０８とサイドウォール１０９、およびｎ－ｗｅｌｌ１０６上のレジストパターン１０２ｃをマスクとして、高濃度のリンを注入して、ｐ－ｗｅｌｌ１０７上にｎ＋領域であるソース・ドレイン領域１１１を形成する（ソース・ドレイン領域形成工程）。また、図示はしないが、ｎ－ｗｅｌｌ１０６上のゲート電極１０８とサイドウォール１０９、およびｐ－ｗｅｌｌ１０７上のレジストパターンをマスクとして、高濃度のボロンを注入して、ｎ－ｗｅｌｌ１０６上にｐ＋領域であるソース・ドレイン領域１１１を形成する。
　すなわち、注入エネルギーが２０～１００ｋｅＶであり、注入量が１×１０１５～５×１０１５／ｃｍ２程度である条件で、リン又はヒ素をｎ＋領域に注入して、ｐ－ｗｅｌｌ１０７上にｎ＋領域のソース・ドレイン領域１１１を形成する。また、注入エネルギーが２０～１００ｋｅＶであり、注入量が１×１０１５～５×１０１５／ｃｍ２程度である条件で、ボロン又はＢＦ２をｐ＋領域に注入して、ｎ－ｗｅｌｌ１０６上にｐ＋領域のソース・ドレイン領域１１１を形成する。
　そして、図９の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００’に対し、ＣＶＤ法を用いて熱酸化膜１０１の全面に層間絶縁膜１１２を成膜する（層間絶縁膜形成工程）。層間絶縁膜１１２としては、膜厚が５０～２００ｎｍ程度のＳｉＮＯ膜、膜厚が２００～６００ｎｍ程度のＴＥＯＳ膜、あるいはそれらの積層膜を用いる。その後、Ｓｉ基板１００’を、温度８００～９００℃で１～２時間程度の活性化アニールを行って、ソース・ドレイン領域に注入した不純物イオンを活性化させる。
　続いて、フォトリソグラフィおよびエッチングを行って、層間絶縁膜１１２にコンタクトホールを形成する。ここで、コンタクトホールを形成するためのエッチング方法は、Ｃｌ２などのガスを用いたドライエッチングや、ＨＦなどを用いたウェットエッチングを採用する。
　そして、スパッタによりＡｌ、ＡｌＳｉ、Ｔｉ、あるいはこれらの積層膜などを、層間絶縁膜１１２の全面に成膜し、コンタクトホールを介して層間絶縁膜１１２上に形成された膜とソース・ドレイン領域１１１とのコンタクトをとる。その後、フォトリソグラフィを行ってパターニングすることにより、図９の（ｂ）に示すように、厚さが４００ｎｍ程度のソース・ドレイン電極１１３を形成する（ソース・ドレイン電極形成工程）。
　続いて、図９の（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１００’に対し、ＣＶＤ法を用いて層間絶縁膜１１２の全面にさらに層間絶縁膜１１４を成膜する（層間絶縁膜再形成工程）。層間絶縁膜１１４として、膜厚が１００～３００ｎｍ程度のＳｉＮ膜、膜厚が２００～６００ｎｍ程度のＴＥＯＳ膜、あるいはそれらの積層膜等を用いることができる。ＳｉＮ膜を成膜した後に温度４５０度で３０～６０分程度の水素シンターを行ってもよい。
　層間絶縁膜１１４を形成した後、ＣＭＰにより層間絶縁膜１１４の表面を研磨して平坦化を行う（研磨工程）。後工程のレーザ照射で、レーザ光が散乱しないようにＳｉ基板１００’の裏面も同時にＣＭＰで研磨してもよい。
　続いて、層間絶縁膜１１４の全面にレジストパターン１０２ｄを形成し、それをマスクとしてフォトリソグラフィとエッチングを行う。これにより、Ｓｉ基板１００’が所定深さにエッチングされるまで処理して、図９の（ｄ）に示すように、トランジスタ毎に分離する（素子分離工程）。素子分離のためのエッチング方法としては、Ｓｉのドライエッチングには、ＣＦ４、ＳＦ６、ＮＦ３などのフッ素系のガス、あるいは、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＢＣｌ３などの塩素系のガス、およびＡｒ，Ｏ２などのガスを組み合わせて用いる。ＳｉＯ２、ＳｉＮのドライエッチングには、ＣＦ４、ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６、Ｈ２，Ｏ２，Ａｒなどのガスを組み合わせて用いればよい。また、ＨＦ、ＢＨＦ，フッ硝酸、熱リン酸などを用いたウェットエッチングなどを組み合わせて行ってもよい。
　続いて、Ｓｉ基板１００’全体をアッシングし、有機剥離液に浸漬させて表面のレジストパターン１０２ｄを除去し、層間絶縁膜１１４の表面を露出させる。これにより、図９の（ｅ）に示すようなＳｉ基板１００’上に微小なトランジスタが形成されたＳｉベース基板１００を得る。ここで、Ｓｉ基板１００’と、当該Ｓｉ基板１００’上に微小なトランジスタが形成されたＳｉ基板とを区別するために、素子分離後のＳｉ基板をＳｉ基板１００で表記する。
　次に、ガラス基板２００を、上記第１～第４の実施の形態で説明したものと同様の方法で形成する（図３参照）。また、Ｓｉ基板１００およびガラス基板２００の表面処理、貼り合わせ工程、およびそれ以降のレーザ照射工程、転写工程などは、上記第１の実施の形態で説明したものと同じである（図１０を参照）。ここで、上記のように、素子として微小なトランジスタ形成した場合には、Ｓｉ基板１００において、その内部に形成された改質層１０３の部分で分離されるので、Ｓｉ基板本体から分離された薄膜（単結晶Ｓｉ薄膜、ベース基板の一部）は、トランジスタと共にガラス基板２００に転写される。この転写されたベース基板の一部は、ドライエッチング装置にてエッチバックを行うことにより除去しても良い。
　このようにして、ガラス基板などの大面積絶縁性基板上では微細加工が困難なサブミクロンレベルの微細なトランジスタを、大面積絶縁性基板上に形成することができる。
　＜第６の実施の形態＞
　本実施の形態においては、Ｓｉ基板上の微小なトランジスタをガラス基板に転写する時、レーザ照射によりＳｉ基板の内部で形成された改質層での分離をより容易にするために、Ｓｉ基板の内部に予め基板内の他の部分よりも強度の弱い脆弱層を形成する工程を追加した場合の例を説明する。
　本実施の形態では、図９の（ａ）に示すような層間絶縁膜１１２の形成工程に続いて、ＣＭＰにより、層間絶縁膜１１２の表面を研磨して平坦化を行う。次に、図１１の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００’の内部の所定の深さに水素イオンを注入、または、ドーピングして、脆弱層１０４を形成する。
　水素イオンの注入またはドーピングの条件としては、例えば、Ｈ＋イオンの場合は、注入エネルギーが１５０～２５０ｋｅＶ程度であり、注入量が１×１０１６～１×１０１７／ｃｍ２である条件で注入すればよい。また、Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋などの各種水素イオンを含む場合は、注入エネルギーが１５０～２５０ｋｅＶ程度であり、注入量が２×１０１７／ｃｍ２～１×１０１８／ｃｍ２という条件でイオンドーピングすればよい。注入またはドーピングされた水素イオン層は、その後の熱アニールにより、Ｓｉ基板１００の内部に脆弱層１０４を形成する（脆弱層形成工程）。上記所定の深さは、後工程でガラス基板に転写される薄膜の厚さを考慮して、注入エネルギーを変えることにより適宜に調整することができる。
　この脆弱層形成工程は、Ｓｉ基板１００’上に熱酸化膜１０１を形成した（図８の（ａ））後に行ってもよい。
　また、脆弱層形成工程以降のステップは、上記第１～第５の実施の形態の説明と同じである。ここで、微小なトランジスタの転写工程を簡単に説明すると、図１１の（ｂ）に示すように、貼り合わせたＳｉ基板１００とガラス基板２００に対して、Ｓｉ基板１００の裏面から多光子吸収を起こす波長を有するレーザを照射すると、Ｓｉ基板１００の内部のレーザ照射位置には溶融処理領域（結晶構造周期性が乱れた非晶質シリコン）を含む改質層１０３が形成され、これを起点としてクラックや割れが発生する。この時、予め水素イオンの注入により脆弱層１０４が形成されているので、脆弱層１０４に沿ってクラックや割れが走り、図１１の（ｃ）に示すように、脆弱層１０４の形成位置でＳｉ基板１００が分離され、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とが分離される。
　＜第７の実施の形態＞
　上記第６の実施の形態に対して、本実施の形態では、脆弱層１０４の代わりに、Ｓｉ基板１００の内部に予め光吸収層１０５を形成しておく場合の例を説明する。光吸収層１０５により、レーザを照射する際に、光吸収層１０５でこれら準位を介した多光子吸収が起こりやすくなって、結晶構造周期性がより乱れた非晶質シリコン（溶融処理領域）が形成され、剥れやすい改質層１０３を形成することができる。
　光吸収層１０５については、上記第３の実施の形態における光吸収層の形成工程と同じ工程によって形成することができるので、詳しい説明は省略する。
　また、上記第６の実施の形態に説明したように、光吸収層１０５の形成工程は、Ｓｉ基板１００’に熱酸化膜１０１を形成した（図８の（ａ））後に行ってもよいし、層間絶縁膜１１２の形成工程（図９の（ａ））後に、ＣＭＰにより層間絶縁膜１１２の表面を研磨し平坦化してから行ってもよい。
　なお、層間絶縁膜１１２の表面を研磨し平坦化してからイオンの注入またはイオンドーピングを行う場合には、イオンをより深く注入するために、上記第３の実施の形態での条件よりも注入エネルギーを高くすることが好ましい。例えばボロンを注入する場合は、注入エネルギーが１５０～３００ｋｅＶ程度で、注入量が１×１０１５／ｃｍ２以上の条件で行う。
　また、光吸収層の形成工程以降のステップは、上記第６の実施の形態の説明と同じである。つまり、貼り合わせたＳｉ基板１００とガラス基板２００に対して、Ｓｉ基板１００の裏面から多光子吸収波長を有するレーザを照射すると、Ｓｉ基板１００の内部のレーザ照射位置には溶融処理領域（結晶構造周期性が乱れた非晶質シリコン）を含む改質層１０３が形成され、クラックや割れが発生する。この時、予めボロンなどのイオン注入により光吸収層１０５が形成されているので、より多くのレーザ光を吸収して、結晶構造周期性がより乱れた非晶質シリコン（溶融処理領域）を有する改質層１０３を形成できる。そのため、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とをより容易に分離することができる。
　＜第８の実施の形態＞
　本実施の形態では、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とを分離する方法について説明する。ここで、Ｓｉ基板１００とガラス板２００とを分離するステップ以外は、上記第５～７の実施の形態と同じである。つまり、上記第５～７の実施の形態による何れかの方法により、Ｓｉ基板１００およびガラス基板２００を形成し、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００とに対する表面処理、貼り合わせ工程およびレーザ照射工程を経由して、剥れやすい改質層１０３を形成する。
　そして、Ｓｉ基板１００とガラス基板２００との分離によるトランジスタの転写工程において、図１１に示すように、機械的力による剥離またはラミネート膜剥離方法を用いて、両基板を分離する。
　つまり、図１２の（ａ）に示すように、レーザ照射工程により改質層１０３が形成されたＳｉ基板１００に、当該基板の側面から先端が鋭利なブレード３０１を当てる。これにより、機械的な力で改質層１０３に形成されたクラックや割れを拡大させて、改質層１０３の位置で、Ｓｉ基板１００上のＳｉ基板材料からなる薄膜と共に、Ｓｉ基板１００上に形成されたトランジスタをＳｉ基板１００から剥離する。
　あるいは、図１２の（ｂ）に示すように、貼り合わせたＳｉ基板１００の裏面に、ラミネート膜としてダイシングなどに用いられる接着シート３０２を貼り付け、この接着シート３０２およびＳｉ基板１００を同時に引き剥がすことによって、改質層１０３の位置で、Ｓｉ基板１００上のＳｉ基板材料からなる薄膜と共に、Ｓｉ基板１００上に形成されたトランジスタをＳｉ基板１００から剥離する。
　このように、以上の実施の形態のように、Ｓｉ基板（ベース基板）上の半導体デバイスを、大面積のガラス基板（転写先基板）に分散配置して転写することができる。
　なお、本発明において、素子をベース基板から転写先基板に転写する際、転写先基板によって接着剤が必要な場合もある。例えば、反りやうねり、表面ラフネス（面粗さＲａ）が小さいガラス基板へは接着剤を使わずに分子間力で接合可能だが、反りやうねり、表面ラフネス（面粗さＲａ）の大きいプラスチック基板などになると分子間力では接合しないため、接着剤等による接着が必要になる。その場合は平面でフラットな転写先基板において、素子が貼り合わされる位置だけに予め接着剤を塗布しておいても良いし、あるいはアイランドパターンの隆起部を形成した転写先基板において、隆起部の上だけに接着剤を塗布しておいても良い。
　また、本発明は下記のような構成によっても実現できる。
　本発明の半導体装置の製造方法において、転写された上記一部の素子が、上記第２基板にマトリクス状のアイランドパターンを形成することが好ましい。
　上記方法によれば、転写先基板上に転写された転写対象の素子を、マトリクス状に分散配置させることができるので、高性能で低コストの半導体装置を製造することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記第２基板の上記アイランドパターンのピッチが、上記第１基板の上記アイランドパターンのピッチの整数倍であることが好ましい。
　上記方法によれば、転写先の第２基板のアイランドパターンのピッチが、第１基板のアイランドパターンの整数倍であるので、第２基板のアイランドパターンのピッチが整数倍で変更になった場合でも（例えばピッチが２倍から４倍に変更になった場合でも）、第１基板のアイランドパターンのレイアウトはそのままで、第２基板のレイアウトだけを変更すればよく、転写対象を効率的に第２基板の転写位置に対応させて分散配置することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記レーザの照射は、レーザ光源を基板面に沿って走査しながら、あるいは基板が搭載されたステージを基板面に沿って走査しながら、上記ベース基板の所定の位置に対して行うことが好ましい。
　上記方法によれば、レーザのスポット径よりも大きい剥離面積を有する所定位置に対しても全面にレーザ照射できるので、剥離するための改質領域を全面に形成し、改質領域での分離をより確実に行うことができる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記ベース基板の内部に脆弱層を形成し、当該脆弱層に対して上記レーザを照射することが好ましい。また、脆弱層は、水素原子、水素分子、水素イオン、および希ガスイオンのうち、少なくとも１つを、上記ベース基板の内部にイオン注入またはイオンドーピングして形成することができる。
　ここで、上記脆弱層とは、ベース基板内の他の部分と比較して、その強度がより弱い層のことをいう。上記方法によれば、ベース基板の内部において、レーザ照射による改質領域が脆弱層に沿って形成されるので、改質領域での分離がより容易になる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記ベース基板の内部に光吸収層を形成し、当該光吸収層に対して上記レーザを照射することが好ましい。また、光吸収層は、ボロン、リン、ヒ素、ガリウム、インジウム、チタン、パラジウム、炭素、シリコン、アンチモン、亜鉛、テルル、およびカドミウムのうち、何れか１つを、ベース基板の内部にイオン注入又はイオンドーピングして形成することができる。
　ここで、上記光吸収層とは、ベース基板内の他の部分と比較して、キャリアが遷移するための準位が多く存在し光をより多く吸収する層のことをいう。上記方法によれば、ベース基板の内部において、レーザ照射する際、光吸収層でより多くの光を吸収できて、多光子吸収現象が起こりやすくなる。このため、レーザ照射による改質がより激しくなって、分離がより容易になる。
　上記半導体装置の製造方法において、ベース基板の温度を室温以上に上げた状態で、レーザ照射を行うことが好ましい。
　上記方法によれば、ベース基板の温度を室温以上に上げることによって、バンドギャップが狭くなり、より多くの光を吸収できるようになる。このため、多光子吸収現象が起こりやすくなり、より弱い構造の改質領域を形成することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、およびチタンサファイアレーザのうちの何れかを用いることが好ましい。
　上記方法によれば、上記に挙げたレーザは、波長が長いため、ＵＶ光では非透過な基板に対しても、基板の表面を透過し、多光子吸収現象により基板内部で集光して、構造の弱い改質領域を形成することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、ベース基板の側面から機械的力を加えて、転写したい上記一部の素子を、上記第１基板から分離することが好ましい。
　上記方法によれば、外部の機械的力によって、ベース基板内部の改質領域での分離がより容易になる。
　上記半導体装置の製造方法において、素子は、半導体薄膜、半導体デバイスまたは半導体デバイスの一部であることを特徴とする。
　上記方法によれば、素子として、半導体デバイスの一部を転写するので、形成途中の半導体デバイス半完成品を、転写先基板に選択的に転写することができ、大面積基板上では困難な微細加工のみを小面積基板上で加工し、加工精度の要求が高くない加工については、上記素子（半導体デバイスの一部）を転写した後に、さらに大面積基板上に形成することが可能となる。微細加工を必要としない場合は、素子として半導体薄膜を大面積基板に転写した後に、大面積基板上で一括加工を行うことができる。また、全工程において微細加工が必要な場合は、素子として小面積基板上で完成させた微細な半導体デバイスを、大面積基板上に転写することができる。これにより、半導体デバイスを加工精度に応じて加工できるので、生産コストを下げるとともに、スループットを高めることができる。
　上記半導体デバイスとして、発光素子、液晶制御素子、光電交換素子、圧電素子、薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード素子、抵抗素子、スイッチング素子、微小磁気素子、微小光学素子が挙げられる。
　また、上記素子は、単結晶Ｓｉ薄膜または単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスであってもよい。
　上記方法によれば、単結晶Ｓｉ薄膜または単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスを第２基板へ選択的に転写することができる。ここで上記単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスとしては、トランジスタが挙げられる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上で、かつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射することが好ましい。より好ましくは、上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０１１Ｗ／ｃｍ２～１×１０１２Ｗ／ｃｍ２で、かつパルス幅が１ｎｓ～２００ｎｓの条件で照射する。
　上記方法によれば、ベース基板内部にクラックを含む改質層や溶融処理領域を含む改質層など構造の弱い改質層を安定して形成することができる。
　また、上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上で、かつパルス幅が１ｎｓ以下の条件で照射することが好ましい。これにより、屈折率変化領域を含む改質層を安定して形成することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記ベース基板として、シリコン基板、ＳＯＩ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、およびＧａＡｓ基板のうちの何れかを用いることが好ましい。上記方法によれば、トランジスタ、発電素子、発光素子など様々な半導体デバイスを分散して第２基板上に配置することができる。
　上記半導体装置の製造方法において、上記第２基板を構成する基板として、ガラス基板、プラスチック基板、および支持基板に貼り合わせたフィルムのうちの何れかを用いることが好ましい。上記方法によれば、柔らかい基板上にも素子を分散して配置することができる。
　また、本発明の半導体装置において、上記素子は、単結晶Ｓｉ薄膜、単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスまたは半導体素子の一部であることが好ましい。
　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。
　本発明は、小さい基板上で作成した微小な半導体素子を分散させて、大面積の基板に転写する半導体装置の製造方法に適用される。
　１００　　Ｓｉ基板（ベース基板、第１基板）
　１００”　アイランド（隆起部）
　１０３　　改質層
　１０４　　脆弱層
　１０５　　光吸収層
　１０８　　ゲート電極
　１１３　　ソース・ドレイン電極
　２００　　ガラス基板（転写先基板、第２基板）
　２００”　アイランド（隆起部）
　３０１　　ブレード
　３０２　　接着シート

Claims (21)

  1. 　ベース基板上に複数の素子が配列したアイランドパターンを形成して第１基板を形成する工程と、
    　上記第１基板と、上記第１基板とは異なる第２基板とを上記複数の素子の一部を介して貼り合わせる工程と、
    　上記第１基板上に形成された複数の素子のうちの上記一部の素子が形成されている位置に対して、多光子吸収を起こす波長を有するレーザを照射することで、上記一部の素子を上記第１基板から分離し、上記第２基板上に選択的に転写する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　転写された上記一部の素子が、上記第２基板にマトリクス状のアイランドパターンを形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　上記第２基板の上記アイランドパターンのピッチが、上記第１基板の上記アイランドパターンのピッチの整数倍であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　上記レーザの照射は、レーザ光源を基板面に沿って走査しながら、あるいは基板が搭載されたステージを基板面に沿って走査しながら、上記ベース基板の所定の位置に対して行うことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　上記ベース基板の内部に脆弱層を形成し、当該脆弱層に対して上記レーザを照射することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　上記脆弱層は、水素原子、水素分子、水素イオン、および希ガスイオンのうち、少なくとも１つを、上記第１基板の内部にイオン注入またはイオンドーピングして形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　上記ベース基板の内部に光吸収層を形成し、当該光吸収層に対して上記レーザを照射することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　上記光吸収層は、ボロン、リン、ヒ素、ガリウム、インジウム、チタン、パラジウム、炭素、シリコン、アンチモン、亜鉛、テルル、およびカドミウムのうち、何れか１つを、上記ベース基板の内部にイオン注入又はイオンドーピングして形成されることを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　上記ベース基板の温度を室温以上に上げた状態で、上記レーザを照射することを特徴とする、請求項１～８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　上記レーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、およびチタンサファイアレーザのうちの何れかであることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　上記ベース基板の側面から機械的力を加えて、転写したい上記一部の素子を、上記第１基板から分離することを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　上記素子は、半導体薄膜、半導体デバイスまたは半導体デバイスの一部であることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 　上記半導体デバイスは、発光素子、液晶制御素子、光電交換素子、圧電素子、薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード素子、抵抗素子、スイッチング素子、微小磁気素子、微小光学素子であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 　上記素子は、単結晶Ｓｉ薄膜または単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 　上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上で、かつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射することを特徴とする、請求項１～１４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 　上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０１１Ｗ／ｃｍ２～１×１０１２Ｗ／ｃｍ２で、かつパルス幅が１ｎｓ～２００ｎｓの条件で照射することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 　上記レーザを、ピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上で、かつパルス幅が１ｎｓ以下の条件で照射することを特徴とする、請求項１～１４の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 　上記ベース基板として、シリコン基板、ＳＯＩ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、およびＧａＡｓ基板のうちの何れかを用いることを特徴とする請求項１～１７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 　上記第２基板を構成する基板として、ガラス基板、プラスチック基板、および支持基板に貼り合わせたフィルムのうちの何れかを用いることを特徴とする請求項１～１８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 　絶縁基板上に素子が転写されて形成された半導体装置であって、
    　上記絶縁基板は、所定の間隔で配列した隆起部を有しており、
    　上記素子は、その上面が上記隆起部に接し、かつその下面が上記隆起部から離れるように上記隆起部に直接形成されていることを特徴とする半導体装置。
  21. 　上記素子は、単結晶Ｓｉ薄膜、単結晶Ｓｉを含む半導体デバイスまたは半導体デバイスの一部であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置。
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