制造半导体器件的方法

专利名称：制造半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及用于制造半导体村底的方法和制造半导体器件的方 法，其中所述半导体衬底上隔着緩冲层固定有单晶半导体层。
背景技术：
近年来，已经开发了使用绝缘体上硅(SOI)衬底取代体硅晶圆的集
成电路。可利用绝缘层上形成的薄单晶硅层的特征，来形成集成电路 中的晶体管的完全电绝缘半导体层以及形成全耗尽晶体管。因此，可 实现具有例如高集成度、高速运行和低功耗等高附加值的半导体集成 电路。
通过使两个单晶硅衬底(基板和接合衬底)相互接合，将氧化膜夹 在在它们之间，并且通过在背面(与接合面相对的面)使单晶硅村底 其中之一(该接合衬底)变薄，由此形成单晶硅薄膜，来得到接合衬底 的SOI结构。由于难以通过磨削或抛光来形成既薄且均匀的单晶^f圭薄 膜，提出了一种使用氢离子注入的技术，它称作Smart-Cut(注册商 标)(参见例如参考文献1:日本已公布专利申请No.H5-211128)。
描述制造这种SOI村底的方法的概要。通过将氢离子注入硅晶圆，
在距离表面的预定深度来形成离子注入层。然后，通过氧化充当基板 的另一个硅晶圆来形成氧化硅膜。此后，将被注入氢离子的硅晶圆和 另一个硅晶圓上的氧化硅膜接合在一起，以接合这两个硅晶圓。然后， 通过热处理以离子注入层用作分裂面在硅晶圆中产生分裂，由此形成 其中将薄单晶硅层接合到基板的衬底。
此外，用于形成其中将单晶硅层接合到玻璃村底的SOI衬底的方 法是已知的(参见例如参考文献2:日本已公布专利申请No. H 11-097379)。在参考文献2中，机械抛光分离平面，以去除分离平面
上通过氢离子注入而形成的缺陷层或数纳米至数十纳米的台阶。
另外，本申请公开了一种使用Smart Cut(注册商标)来制造半导体 器件的方法，其中，具有高耐热性的衬底用作支承衬底(参考文献3和 4)，并且公开了一种使用Smart Cut(注册商标)来制造半导体器件的方 法，其中透光村底用作支承村底(参考文献5)(参考文献3:日本已公 布专利申请No.Hll-163363,参考文献4:日本已公布专利申请 No.2000-012864 ，以及参考文献5:日本已公布专利申请No. 2000-150905)
发明内容

由于玻璃衬底具有比硅晶圓更大的面积且更便宜，因此，玻璃衬 底用作支承衬底，由此可制造低成本大面积SOI衬底。但是，玻璃村 底具有700。C或更低的应变点，因而具有低耐热性。因此，无法在超 过其温度上限的温度加热玻璃衬底，并且工艺温度纟皮限制到700。C或 更低。也就是说，对于去除在分离平面的晶体缺陷的步骤以及对表面 进行平面化的步骤的工艺温度也存在限制。
已经实现了按照常规方式通过在1000。C或更高的温度进行加热 来去除接合到硅晶圓的半导体层中的晶体缺陷；但是，这样的高温工 艺无法用于去除与应变点为700。C或更低的玻璃衬底接合的半导体层 中的晶体缺陷。也就是说，尚未建立一种再单晶化方法，通过该方法 将接合到应变点为700°C或更低的玻璃衬底的单晶半导体层复原到具 有与处理之前的单晶半导体衬底相同或实质上相同结晶度的单晶半 导体层。
玻璃衬底比硅晶圓更易于弯曲，并且具有起伏表面。具体来说， 难以通过机械抛光对于一侧比30厘米更长的大面积玻璃衬底进行处 理。因此，从处理精度、产量等观点来看，不推荐将对分离平面进行
时，要求抑制分离平面的表面的不平整性，以便制造高性能半导体元 件。这是因为，在使用SOI衬底来制造晶体管时，在半导体层上隔着 栅绝缘层形成栅电极。因此，如果存在半导体层的大的不平整性，则 难以制造具有高介电强度的栅绝缘层。因此，为了4交高介电强度，需 要厚栅绝缘层。因此，半导体层的表面的大的不平整性导致半导体元 件性能的降低，例如场效应迁移率的降低、阈值电压的提高等。
这样，在具有低耐热性且易于弯曲的衬底、如玻璃衬底用作支承 衬底时出现问题，因为难以改进与硅晶圓分离并且固定到支承衬底的 半导体层的表面不平整性。
鉴于这类问题，本发明的一个目的是提供一种用于制造半导体村 底的方法，通过该方法，即使在具有低耐热性的村底用作支承衬底时， 也可形成高性能半导体元件。
一种用于制造本发明的一个方面的半导体器件的方法包括以下
在此，术语"单晶"表示一种晶体，其中当聚焦某个晶体轴时，在 样本的任何部分该晶轴的方向朝向相同方向，并且没有晶粒边界。注 意，在本说明书中，单晶包括一种晶体，其中如上所述晶轴的方向是 一致的，并且即使在它包括晶体缺陷或者悬空键时也没有晶粒边界。
此外，单晶半导体层的再单晶化意味着，具有单晶结构的半导体 层在处于与单晶结构不同的状态(例如液相状态)之后，返回到单晶结 构。此外，可以说单晶半导体层的再单晶化表示使单晶半导体层再结 晶以形成单晶半导体层。
通过激光束照射，单晶半导体层中采用激光束照射的区域从表面 在深度方向部分熔融照射。例如，表面以及表面附近^皮熔融。备选的 方式是，单晶半导体层中用激光束照射的区域在深度方向被完全熔
il虫。
在等于或高于400。C以及等于或低于支承村底的应变点的温度加 热单晶半导体层所固定到的支承衬底的同时，可进行激光束照射。加热温度的范围可从400°C至670°C。加热温度范围优选在450°C至 650°C,更优选在500。C或更高。
可采用包括单层或者两层以上层的薄膜来形成緩沖层。优选的 是，緩沖层包括阻挡层，它可防止钠从支承村底侧扩散。在釆用激光 束进行照射时加热支承衬底以及单晶半导体层，以及还通过来自被熔 融的单晶半导体层的热传导来加热支承衬底。在杂质(通常为钠)、如 碱金属或碱土金属包含在支承衬底的情况下，这类杂质可能由于支承 衬底温度的增加而从支承衬底扩散到单晶半导体层。在提供阻挡层 时，可防止杂质扩散到单晶半导体层。
优选的是，緩冲层包括绝缘膜，它与单晶半导体层接触，并且包 含卤素、如氯或氟。
在加热单晶半导体层在其上固定的支承村底的同时，用激光束来 照射单晶半导体层，由此可增加熔融单晶半导体层的时间长度。在室 温采用激光束来照射单晶半导体层时，将单晶半导体层熔融大约100 纳秒以下时间；但是，当对其吹加热气体时，可增加熔融单晶半导体 层的时间长度。优选的是，将单晶半导体层熔融200纳秒至1000纳 秒。这是因为，当熔融时间长度超过1000纳秒时，热传导可能发生， 并且可能对衬底产生例如作为支承衬底的玻璃衬底的熔融等损坏。在用于制造本发明的半导体器件的方法中，优选的是，可在惰性 气体气氛中采用激光束来照射半导体层。同样优选的是，采用激光束 来照射单晶半导体层，同时将惰性气体吹到单晶半导体层的上表面上 采用激光束进行照射的区域照射。作为惰性气体，可使用氮气或稀有 气体。惰性气体指的是分子或原子在激光束照射步骤中不照射与单晶 半导体层的表面发生反应而形成氧化膜的气体。惰性气体的示例包括 氮气(N2气体)、例如氩和氙等稀有气体等。
在用于制造本发明的半导体器件的方法中，用以照射单晶半导体 层的激光束的截面形状可以是线形、正方形或矩形。通过采用具有这 样的截面形状的激光束进行扫描，可移动发生熔融和再结晶的位置。
通过在加热的同时采用激光束进行照射，来熔融固定到支承衬底 的单晶半导体层，由此可得到下面给出的许多效果。注意，只要用于 制造本发明的半导体器件的方法可提供以下效果中的至少 一个，则可接受。
在加热单晶半导体层时，可使熔融单晶半导体层的时间长度比未
加热时更长。因此，通过表面张力的作用，极大地改进了照射表面的 平面性。
在加热单晶半导体层时，可去除单晶半导体层中的悬空接合或者 例如单晶半导体层与底膜之间的界面缺陷等微缺陷，由此可得到更好 的单晶半导体层。单晶半导体层中在加热的同时采用激光束进行照射 的区域被加热到等于或高于其熔点的温度，因而被熔融。然后，通过 凝固来使熔融的部分再结晶。由于这种方式的再单晶化，可得到具有 优良性质的单晶半导体层。通过熔融时间长度的增加，可在单晶半导体层通过用前一激光束 照射而熔融之后被凝固之前用激光束来照射单晶半导体层。因此，可 减少发射次数。发射次数的减少有助于生产率的提高。在激光束扫描 中， 一次发射与下一次发射的重叠的百分比又称作重叠百分比。通过 延长熔融时间，重叠百分比可降低到未进行加热时的大约1/10，并且 可降低到0%。
在激光束照射期间加热其上固定有单晶半导体层的支承衬底，可 减少熔融单晶半导体层所需的激光束的能量。如果可减少激光束的所 需能量，则可延长激光器的使用寿命并降低功耗。通过延长激光器的 使用寿命，可延长部件更换的时间间隔，因此可提高生产率。
通过在激光束照射期间加热单晶半导体层，可减少用于单晶半导 体层的表面的平面化的激光束的发射次数。发射次数的减少有助于生
产率的提高。
除了熔融单晶半导体层的时间长度的增加之外，还可将熔融单晶 半导体层的冷却速率降低到低于自然冷却。如果熔融单晶半导体层的 冷却速率降低到低于自然冷却，则由于熔融时间的延长，再单晶化平
滑地进行，并且可得到没有晶粒边界的单晶半导体层。
通过采用具有线形、正方形或矩形照射面积的激光束进行扫描， 可移动发生熔融和再结晶的位置，并且延长熔融时间。因此，在单晶 半导体层中进行单晶的精化，并且可得到包含更少数量的杂质的单晶 半导体层。
与单晶半导体层接触的绝缘膜中包含囟素时，囟素可从绝缘膜扩 散，并且由于绝缘膜也被激光束照射加热，所以囟素可从该绝缘膜扩散并在单晶半导体层与绝缘膜之间的界面析出。通过在单晶半导体层 与绝缘膜之间的界面上析出卣素，卣素可捕捉界面上存在的如钠等的 移动离子。因此，在玻璃衬底用作支承衬底的情况下，包含卤素的绝 缘膜的形成以及伴随加热的激光束照射工序对于防止例如钠等杂质 的污染极为有效。
在上述参考文献1至5中，用于单晶半导体层的平面化的主要工 艺是机械抛光；因此，完全没有采取本发明使用的具有700。C或更低 应变点的玻璃衬底、延长熔融时间的模式的目的以及效果。因此，上 述参考文献1至5与本发明差别很大。
本发明提供一种新颖创新技术，涉及通过用激光束照射单晶半导 体层并熔融单晶半导体层的部分或全部来进行再结晶而获得更好的 单晶的方法。此外，使用激光束的这样的方法在常规技术中根本没有 采用，是完全新颖的概念。
通过本发明的一种用于制造半导体村底的方法，可通过在700°C 或更低的工艺温度进行加热，使与单晶半导体衬底分离而得到的单晶 半导体层再结晶，并且可复原其结晶度。此外，可在700。C或更低的 工艺温度对于通过与单晶半导体衬底分离所得到的单晶半导体层进 行平面化。因此，即使将具有低耐热性的衬底用作支承衬底，也可通 过使用半导体衬底而形成高性能半导体元件。例如，通过使用具有大 面积的透光玻璃衬底，可形成高性能显示装置。



图1是示出一例半导体村底的结构的外部视图。 图2是示出一例半导体衬底的结构的外部视图。 图3是示出用于制造半导体衬底的单晶半导体衬底的外部视图。图4A至图4E示出剖视图，说明一种制造半导体衬底的方法。
图5A至图5B示出剖视图，说明一种制造半导体衬底的方法。
图6是示出一例半导体村底的结构的外部视图。
图7是示出一例半导体衬底的结构的外部视图。
图8示出剖视图，说明一种制造半导体衬底的方法。
图9A至图9E示出剖视图，说明一种制造半导体村底的方法。
图IOA和图IOB示出剖视图，说明一种制造半导体衬底的方法。
图11是示出一例激光照射设备的结构。
图12A是示出一例激光照射设备的结构的剖视图，而图12B示出 俯视图，说明大面积衬底与激光束照射区域之间的位置关系。 图13是示出一例激光照射设备的结构的透视图。 图14A至图14D示出剖视图，说明一种制造半导体器件的方法。 图15A至图15C示出剖视图，说明图14D之后的步骤。 图16是示出说明图15C之后的步骤的俯视图以及沿俯视图的截 线A-B截取的剖视图。
图17A至图17E示出剖视图，说明一种制造半导体器件的方法。 图18A至图18C示出剖视图，说明图17E之后的步骤。 图19A和图19B示出剖视图，说明图18C之后的步骤。 图20A至图20E示出剖视图，说明一种制造半导体器件的方法。 图21是示出一例微处理器的结构的框图。 图22是示出 一例RFCPU的结构的框图。 图23是示出一例有源矩阵显示装置的结构的框图。 图24是示出一例液晶显示装置的像素的结构的电路图。 图25是示出一例电致发光装置的像素的结构的电路图。 图26是示出一例半导体衬底中的电路布置的透^L图。 图27A是示出液晶显示装置的像素的平面图，而图27B是沿截线 J-K截取的图27A的剖4见图。
图28A是示出电致发光显示装置的像素的平面图，而图28B是示出该像素的剖视图。
图29A至图29C是分别示出移动电话、数字播放器和电子书阅读 器的外部视图。
图30A至图30C是分别示出移动电话的正视图、后视图和展开视图。
图31是示出半导体衬底的剖视图。
图32是示出用于测量反射探测光的强度变化的激光照射设备的 结构的简图。
图33A是示出说明激光束照射区域与探测光照射区域之间的关 系的平面图，而图33B示出沿截线Y-Z截取的图33A的剖^L图并示 出探测光的束分布。
图34A和图34B是输入到示波器的信号波形的照片。
图3 5是与探测光的强度对应的信号波形的示意曲线图。
图36A至36D是从EBSP得到的单晶硅层的IPF图，而图36E是 示出IPF图的着色与晶体取向之间的关系的彩色编码图。
图37A至图37C是半导体衬底的截面的STEM图像，它们釆用 扫描透射电子显微镜来获得。
图38是示出单晶硅层的拉曼位移的峰值波数相对于激光束的能 量强度的变化的曲线图。
图39是曲线图，示出单晶硅层的拉曼光谱相对于激光束的能量 强度的半最大值处的全宽度。
图40是示出单晶硅层表面的观测图像和表面粗糙度，它们采用 原子力显微镜来测量的表格。
图41是示出采用离子掺杂设备从H2气体所产生的离子种类的质 谱测定的结果的简图。
图42是示出采用离子注入设备从PH3气体所产生的离子种类的 质谱测定的结果的简图。
图43是氢分子和氢离子(IT、 H,和H/)的能量图。图44是加速电压为80千伏时的深度方向上的氢的分布(计算值和 测量值)的曲线图。
图45是加速电压为80千伏时的深度方向上的氢的分布(计算值、 测量值和拟合函数)的曲线图。
图46是加速电压为60千伏时的深度方向上的氢的分布(计算值、 测量值和拟合函数)的曲线图。
图47是加速电压为40千伏时的深度方向上的氢的分布(计算值、 测量值和拟合函数)的曲线图。
图48是图45至图47所示的拟合函数的拟合参数(氢元素比和氬 离子种类比)的表格。
具体实施方式

下面描述本发明。本发明可通过许多不同的模式来体现，并且本 领域的技术人员易于理解，本发明的模式和细节可通过各种方式来修 改，而没有背离本发明的精神和范围。本发明不是要解释为局限于实 施方案和实施方案中的描述。此外，在不同的简图中由相同附图标记
所表示的部件表示相同部件，并省略材料、形状、制造方法等的相应 描述。
(实施方案1)
在本实施方案中，将描述一种半导体衬底及其制造方法，其中单 晶半导体层隔着緩沖层固定在支承衬底上。
图1示出半导体衬底的结构的一个示例的透视图。在半导体村底 IO中，单晶半导体层112隔着緩沖层111固定在支承衬底100上，。 通过使单晶半导体村底变薄，来形成单晶半导体层112。通过将緩冲 层111的表面与支承衬底100的表面相互接合，从而将单晶半导体层112固定到支承衬底100。半导体衬底10是具有所谓的SOI结构的衬 底，其中在绝缘层之上形成单晶半导体层。
緩沖层111可具有单层结构或者两个以上薄膜堆叠的多层结构。 通过膜形成工艺在单晶半导体村底之上形成緩沖层111中包含的薄 膜。在本实施方案中，緩冲层111具有三层结构，其中从支承村底100 侧堆叠第二绝缘层114、第一绝缘层113b和第一绝缘层113a。
在图1的半导体衬底10中，第二绝缘层114是充当接合层的薄 膜。也就是说，将第二绝缘层114的表面和支承衬底100的表面相互 接合，由此将单晶半导体层112固定到支承衬底100。
第 一绝缘层113a是充当阻挡层的绝缘膜。阻挡层是在制造半导体 衬底期间以及在通过使用这个半导体衬底来制造半导体器件期间防 止可能降低半导体器件的可靠性的杂质、如碱金属或碱土金属(通常为 钠)从支承村底100侧进入单晶半导体层112的薄膜。通过形成阻挡层， 可防止半导体衬底和半导体器件受到杂质污染；因此，可提高其可靠 性。
单晶半导体层112是通过使单晶半导体村底变薄所形成的层。作 为单晶半导体衬底，可使用市场销售的半导体衬底。例如，可使用由 14族元素形成的单晶半导体衬底，例如单晶石圭衬底、单晶锗衬底或者 单晶硅锗衬底等。此外，可使用砷化镓、磷化铟等的化合物半导体衬底。
作为支承村底100,使用具有绝缘表面的村底。具体示例包括 用于电子产业的各种玻璃衬底，例如使用铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐 玻璃和钡硼硅酸盐玻璃的村底；石英衬底；陶瓷衬底；以及蓝宝石衬底。优选的是，玻璃衬底可用作支承衬底100。优选的是，玻璃衬底
的热膨胀系数为25xlO力。C至50xlO力。C(更优选地为30xlO力。C至 40xlO力。C),应变点为580。C至700。C(更优选地为650°C至690°C)。 同样优选的是，玻璃衬底是无碱玻璃衬底，以便抑制半导体器件的污 染。无碱玻璃衬底的材料的示例包括例如铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐 玻璃和钡硼硅酸盐玻璃等玻璃材料。例如，优选的是，无碱玻璃衬底 (产品名称ANIOO)、无44玻璃衬底(产品名称EAGLE2000(注册商 标))或者无碱玻璃衬底(产品名称EAGLE XG(注册商标))用作支承衬 底100。
无需赘言，单晶半导体村底110的形状并不局限于图3所示。例 如，可使用圆形衬底、例如五边形衬底或六边形衬底等多边形衬底。 自然，市售的圆形单晶半导体晶圓也可用作单晶半导体衬底110。
虽然对于单晶半导体衬底110的厚度没有具体限制，但优选的是, 鉴于单晶半导体衬底110的再使用，单晶半导体衬底IIO为厚的，使 得可从单件材料晶圆来形成更多数量的单晶半导体层112。市场销售
的单晶硅晶圓符合SEMI标准，例如规定，直径6英寸的晶圓为625 微米厚，直径8英寸的晶圓为725微米厚，以及直径12英寸的晶圓 为775微米厚。注意，符合SEMI标准的晶圓的厚度具有士25微米的公差。无需赘言，充当材料的单晶半导体衬底的厚度并不局限于SEMI 标准中的厚度，而是可在切割晶锭时适当地调整厚度。无需赘言，当 使用再加工单晶半导体村底110时，其厚度比SEMI标准规定的更薄。
注意，在由14族元素形成的、具有作为晶体结构的金刚石形结 构的衬底、如单晶硅衬底用作单晶半导体村底110的情况下，它的主 表面的平面取向可以是(100)、 (llO)或(lll)。通过使用具有(100)取向 的单晶半导体衬底110,可减小单晶半导体层112与其表面上形成的 绝缘层之间的界面状态密度，这对于制造场效应晶体管是优选的。
通过^f吏用具有(110)主表面的单晶半导体衬底110,形成第二绝缘 层114的元素与形成单晶半导体层112的14族元素(例如硅)在第二绝 缘层114与单晶半导体层112之间的接合表面紧密耦合，由此提高第 二绝缘层114与单晶半导体层112之间的接合强度。
首先，沖洗和清洁单晶半导体衬底110。然后，如图4A所示， 在单晶半导体衬底110之上形成第一绝缘层113。第一绝缘层113可 具有单层结构或者包括两层以上层的多层结构。可在5纳米至400纳 米的范围内设置第一绝缘层113的厚度。作为第一绝缘层113中包含 的薄膜，可使用包含硅或锗作为其成分的绝缘膜，例如氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化锗膜、氮化锗膜、氧氮化 锗膜或者氧化氮化锗膜。另外，还可使用包括例如氧化铝、氧化钽或 氧化铪等金属氧化物的绝缘膜、包括例如氮化铝等金属氮化物的绝缘 膜、包括例如氧氮化铝膜的金属氧氮化物的绝缘膜、或者包括例如氧 化氮化铝膜等金属氧化氮化物的绝缘膜。
可通过化学汽相淀积(CVD)方法、溅射方法、原子层外延(ALE) 方法或者例如氧化或氮化单晶半导体衬底110的方法来形成第一绝缘 层113中包含的绝缘膜。CVD方法包括低压CVD方法、热CVD方 法、等离子体增强CVD方法(以下称作PECVD方法)等。PECVD方 法是优选的，因为它是在350。C或更低温度的低温处理，并且具有比 其它CVD方法更高的淀积率。
注意，在本说明书中，氧氮化物指的是包含的氧原子多于氮原子 的物质，而氧化氮化物指的是包含的氮原子多于氧原子的物质。例如， 氧氮化硅的示例是包含浓度范围分别从50原子百分比至70原子百分 比、0.5原子百分比至20原子百分比、25原子百分比至35原子百分 比以及O.l原子百分比至IO原子百分比的氧、氮、硅和氢的物质。另 外，氧化氮化硅的示例是包含比氧更多的氮并且包含浓度范围分别从 5原子百分比至30原子百分比、20原子百分比至55原子百分比、25 原子百分比至35原子百分比以及10原子百分比至30原子百分比的 氧、氮、硅和氢的物质。
第一绝缘层U3优选地包括至少一个绝缘膜，它充当阻挡层，用 于防止钠进入单晶半导体层112。第一绝缘层113可包括一个阻挡层 或者两个以上阻挡层。例如，在包含可能降低半导体器件的可靠性的 例如碱金属、碱土金属等杂质的衬底(通常为玻璃衬底)用作支承村底 100的情况下，当加热支承衬底100时，这类杂质可能从支承衬底100扩散到单晶半导体层112中。因此，通过形成阻挡层，可防止可能降 低半导体器件的可靠性的例如碱金属、碱土金属等的这类杂质移动到
单晶半导体层112。充当阻挡层的薄膜的示例如下所述氮化硅膜、 氧化氮化硅膜、氮化铝膜、氧化氮化铝膜等。在包含这样的薄膜时， 第一绝缘层113可充当阻挡层。
例如，在第一绝缘层113具有单层结构的情况下，第一绝缘层113 优选地由充当阻挡层的薄膜来形成。在这种情况下，具有单层结构的 第一绝缘层113可由厚度为5纳米至200纳米的氧化氮化铝膜、氮化 硅膜、氧化氮化硅膜或者氮化铝膜来形成。
当第一绝缘层113是具有包括一个阻挡层的两层结构的薄膜时， 上层由用于阻挡例如钠等杂质的阻挡层来形成。上层可由厚度为5纳 米至200纳米的氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化铝膜或氧化氮化铝膜 来形成。充当阻挡层的这些薄膜具有用于防止杂质扩散的高阻挡作 用，但是它们的内应力很高。因此，作为与单晶半导体衬底110接触 的下绝缘膜，具有释放上绝缘膜的应力的作用的薄膜是优选的。作为 具有这样的作用的绝缘膜，给出氧化硅膜、氧氮化硅膜、通过热氧化 单晶半导体衬底no而形成的热氧化膜等。下绝缘膜可形成为从5纳 米至300纳米的厚度。
例如，作为属于下层的第一绝缘层113a，可使用SiH4和N20作 为工艺气体、通过PECVD方法来形成氧氮化硅膜。备选的方式是，作为第一绝缘层113a,可使用有机硅烷气体和氧作为工艺气体、通过 PECVD方法来形成氧化硅膜。备选的方式是，作为第一绝缘层113a， 可通过氧化单晶半导体衬底110来形成氧化膜。
有机硅烷指的是如下化合物例如四乙氧基曱硅烷(TEOS)(化学 式Si(OC2H5)4)、四曱基硅烷(化学式Si(CH3)4)、四甲基环四硅氧烷 (TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、六曱基二硅烷基胺(HMDS)、 三乙氧基曱硅烷(化学式SiH(OC2Hs)3)和三(二甲基氨基)硅烷(化学 式SiH(N(CH3)2)3)。
作为属于上层的第一绝缘层113b,氧化氮化硅膜可使用SiH4、 N20、 NH3和H2作为工艺气体、通过PECVD方法来形成，或者氮化 硅膜可使用SiH4、 N2、 NH3和H2作为工艺气体、通过PECVD方法来 形成。
例如，在通过PECVD方法来形成使用氧氮化硅的第一绝缘层 113a和使用氧化氮化硅的第一绝缘层113b的情况下，将单晶半导体 村底110放入PECVD设备的腔室。然后，将SiH4和N20提供到腔室 中作为用于形成第一绝缘层113a的工艺气体，以及产生这个工艺气体 的等离子体，由此在单晶半导体衬底110之上形成氧氮化硅膜。随后， 将引入腔室的气体改变为用于形成第一绝缘层113b的工艺气体。在 此使用SiH4、 NH3、 H2和N20。产生这些混合气体的等离子体，并且 在氧氮化硅膜之上连续形成氧化氮化硅膜。在使用具有多个腔室的 PECVD设备的情况下，可在不同腔室中形成氧氮化硅膜和氧化氮化 硅膜。无需赘言，通过改变引入腔室的气体，可形成氧化硅膜作为下 层，并且可形成氮化硅膜作为上层。
在如上所述形成第一绝缘层113a和第一绝缘层113b时，能够以高通过量在单晶半导体衬底110上形成第一绝缘层113。此外，由于 可形成第一绝缘层113a和第一绝缘层113b而没有暴露于空气，所以 可防止第一绝缘层113a与第一绝缘层113b之间的界面受到空气污染。
备选的方式是，作为第一绝缘层113a，可通过单晶半导体衬底110 的热氧化处理来形成氧化膜。形成该氧化膜的热氧化处理可以是干式 氧化，并且优选的是将包含卣素的气体加入氧化气氛。通过在包含卤 素的气氛中氧化单晶半导体衬底110，可形成包含囟素的氧化膜作为 第一绝缘层113a。作为包含面素的气体，可使用从HC1、 HF、 NF3、 HBr、 Cl2、 C1F、 BC13、 F2、 Br2等中选取的一种或多种气体。
通过在这样的温度范围中的氧化处理，可得到卣族元素的吸收作 用。吸收具体具有去除金属杂质的作用。也就是说，通过氯的作用， 例如金属等杂质变成挥发性氯化物，并且被释放到气相中，由此从单 晶半导体衬底110中被去除。此外，由于单晶半导体衬底110的表面
的悬空接合端接于氧化处理中使用的由族元素，因此，可减小氧化膜 与单晶半导体衬底iio之间的界面上的定域能级密度。
通过包含卣素的气氛中的这种热氧化处理，可使氧化膜包含由 素。在以lxlO"原子/立方厘米至5xl0加原子/立方厘米的浓度包含卣 族元素时，氧化膜可充当保护膜，它通过捕捉半导体衬底10中的例如金属等杂质，来防止单晶半导体层112受到污染。
还可通过在包含氟化物气体或氟气的PECVD设备的腔室中形 成，使第一绝缘层113a包含卤素。将用于形成第一绝缘层113a的工 艺气体引入这样的腔室；激励该工艺气体受激励而产生等离子体；以 及通过等离子体中包含的活性种类(active species)的化学反应，在 单晶半导体衬底IIO之上形成第一绝缘层113a。
通过经由等离子体气体浸蚀进行清洁，用作清洁气体的氟化物气 体^L吸收到腔室的内壁以及腔室中设置的电极和各种夹具。也就是 说，可使腔室包含氟化物气体。注意，用于使腔室包含氟化物气体的 方法包括在将设置于托盘上的单晶半导体衬底110放入腔室之后将氟 化物气体引入腔室的方法，以及采用氟化物气体来清洁腔室的方法， 使得氟化物气体保留在腔室中。
在通过PECVD方法从例如SiH4和N20来形成氧氮化^ 圭膜作为第 一绝缘层113a的情况下，将SiH4和N20提供到腔室并激励以产生等 离子体，由此，保留在腔室中的氟化物气体也被激励，使得产生氟基。因此，可使氧氮化硅膜包含氟。此外，由于保留在腔室中的氟化物的 量极小，并且在形成氧氮化硅膜期间没有提供氟化物气体，因此，在
其形成的早期阶段将氟带入氧氮化硅膜。因此，可使第一绝缘层113a 在单晶半导体衬底110与第一绝缘层113a之间的界面或其周围具有高 氟浓度。也就是说，可使图1的半导体衬底10的第一绝缘层113在 第一绝缘层113与单晶半导体层112之间的界面或其周围具有高的氟浓度。
当氟包含在这样的区域时，在与单晶半导体层112的界面处的半 导体的悬空接合可端接于氟。因此，可减小单晶半导体层112与第一 绝缘层113之间的界面状态密度。此外，即使在例如钠等杂质从支承 村底IOO扩散到第一绝缘层113时，通过氟的存在，可由氟来捕捉金 属。因此，可防止单晶半导体层112的污染。
代替氟化物气体，氟(F2)气体可包含在腔室中。氟化物是在其成 分中包含氟(F)的化合物。作为氟化物气体，可使用从0F2、 C1F3、 NF3、 FNO、 F3NO、 SF6、 SF5NO、 SOF2等中选择的气体。
也可通过除了在700°C或更高的温度的热氧化处理之外的方法在 单晶半导体衬底110上形成氧化膜。例如，可以通过采用包括氧基(O 基)或羟基(OH基)的等离子体的等离子体处理、通过高密度等离子体 处理、通过采用含臭氧水(03水)的氧化处理，在单晶半导体衬底110 上形成氧化膜。
注意，由于热氧化处理是高温工艺，可能会产生热应力；因此， 在单晶半导体衬底no中可能产生例如位错滑移等晶体缺陷。因此， 在通过单晶半导体衬底110的氧化处理来形成第一绝缘层113时，在 700°C或更低温度的低温处理、例如采用含臭氧水的氧化处理等比热氧化处理更为优选。
随后，通过采用具有动能的离子来照射单晶半导体村底110，在 单晶半导体衬底110中的预定深度形成其中晶体结构被损坏的损伤区 115。图4B示出剖视图，说明形成损伤区115的步骤。如图4B所示， 通过采用被加速的离子121、透过第一绝缘层113照射单晶半导体衬 底110，这些离子^L加到距离单晶半导体衬底110表面的预定深度的 区域，由此可形成损伤区115。离子121按照如下方式获得激励源 气体以产生源气体的等离子体，以及包含在等离子体中的离子通过电 场的作用从等离子体中抽取，然后被加速。因此，在采用离子121来 照射单晶半导体衬底110时，由于^L加速的离子121的影响，在单晶 半导体衬底110中的预定深度形成其中晶体结构是晚性的脆化层。此 层即是损伤区115。
可通过离子121的加速能量以及离子121的入射角来调整形成损 伤区115的区域深度。可通过加速电压、剂量等来调整加速能量。在 与离子121的平均穿透深度相同或基本相同的深度的区域中形成损伤 区115。因此，与单晶半导体衬底110分离的单晶半导体层117的厚 度由离子121所添加的深度来确定。损伤区115形成的深度被调整为 使得该单晶半导体层的厚度成为20纳米至200纳米，最好为50纳米 至200纳米。
可通过离子掺杂处理来形成损伤区115。可使用离子掺杂设备来 进行离子掺杂处理。 一种典型的离子掺杂设备是非质量分离设备，用 以釆用通过激励工艺气体所产生的等离子体中的所有离子种类来照 射设置在腔室中的对象。非质量分离设备是用以采用所有离子种类来 照射对象而没有分离等离子体中的离子种类的设备。相反，离子注入 设备是质量分离设备。离子注入设备是用以通过质量分离等离子体中的离子种类、以特定质量的离子种类来照射对象的设备。
离子掺杂设备的主要部件包括设置对象的腔室；用于产生预期 的离子的离子源；以及用于加速离子以及用于采用离子进行照射的加 速机构。离子源包括气体提供装置，用于提供源气体以产生预期的 离子种类；以及电极，用于激励源气体以产生等离子体，等等。作为 产生等离子体的电极，使用丝电极、电容耦合高频放电电极等。加速 机构包括例如引出电极、加速电极、减速电极和地电极等电极；电源， 用于向这些电极供电；等等。包含在加速机构中的这些电极配备了多 个开口或缝隙，通过其中加速从离子源所产生的离子。注意，离子掺 杂设备的部件并不局限于上述部件，而是可根据需要进行设置。
在本实施方案中，采用离子掺杂设备将氢加入半导体晶圓。提供 含氢气体作为等离子体源气体。例如提供H2。通过激励氢气来产生等 离子体；等离子体中包含的离子不作质量分离地被加速；并用加速离 子来照射单晶半导体村底110。
在离子掺杂设备中，H3+对产生于氢气的离子种类(Pf、 H/和H3+) 的总量的百分比设置为50%或更高。优选地，H,的百分比设置为80% 或更高。由于在离子掺杂设备中未进行质量分离，因此一种离子种类 对于产生的等离子体中的多种离子种类的百分比优选地为50%或者更 高，更优选地为80%或更高。通过采用具有相同质量的离子种类进行 照射，可集中地将离子添加到单晶半导体村底110中的相同深度。
为了在浅区中形成损伤区115，离子121的加速电压须很低。通 过增加等离子体中H3+的百分比，可高效地将原子氢(H)力口入单晶半导 体衬底110。由于H3+离子的质量是f的三倍，因此，在将一个氢原 子添加到相同深度时，H3+离子的加速电压可以是tf离子的三倍。离子的加速电压增加时，离子照射步骤的循环时间可被缩短，并且可提 高生产率和通过量。
也可釆用离子注入设备来进行采用被加速的离子121来照射单晶 半导体衬底110的步骤。离子注入设备是质量分离设备，用以釆用通 过对等离子体激励源气体所产生的多个离子种类质量分离、采用特定 离子种类来照射设置在腔室中的对象。因此，在使用离子注入设备时， 通过激励氢气所产生的H"离子和H2+离子经过质量分离，并且加速H"" 离子或H2+离子，用以照射单晶半导体衬底110。
优选的是，损伤区115包含5xl(^原子/立方厘米或更高的氢(H)。 在单晶半导体衬底lio中局部形成高浓度氢添加区域时，损害晶体结 构并形成微孔。因此，损伤区115具有多孔结构。因此，通过较低温 度(600。C或更低)的热处理，在损伤区115中形成的微孔的体积发生 变化，它允许单晶半导体村底110沿损伤区115分裂。注意，损伤区 115中包含的氢的浓度由离子121的剂量、加速电压等控制。
在采用离子掺杂设备、使用氢气将离子加入单晶半导体衬底110 的情况下，可在10千伏至200千伏的范围内设置加速电压，并且在 lx1016离子/平方厘米至6xl016离子/平方厘米的范围中设置剂量。通 过在这些条件下加入氢离子，可在单晶半导体衬底110的区域中的50 纳米至500纳米的深度来形成损伤区115，但这取决于离子121中包 含的离子种类及其百分比。
例如，在单晶半导体衬底110是单晶硅衬底、第一绝缘层113a 是50纳米厚的氧氮化硅膜以及第一绝缘层113b是50纳米厚的氧化 氮化硅膜的情况下，在下列条件下可将厚度为IOO纳米的单晶半导体 层与单晶半导体衬底110分离源气体为氢，加速电压为40千伏，以及剂量为2.2xl016离子/平方厘米。在除了第一绝缘层113a是100 纳米厚的氧氮化硅膜之外的上述条件下进行采用氢离子的掺杂时，可 将厚度约为70纳米的单晶半导体层与单晶半导体村底110分离。
备选的方式是，氦(He)可用作离子121的源气体。通过激励氦所 产生的离子种类的大部分是He+;因此，甚至可以通过不涉及质量分 离的离子掺杂方法、主要采用He+作为离子121来照射单晶半导体衬 底110。因此，可通过离子掺杂方法在损伤区115中有效地形成微孔。 在通过使用氦的掺杂方法、采用离子来照射单晶半导体衬底110的情 况下，加速电压可设置成10千伏至200千伏，并且剂量可设置成在 lx1016离子/平方厘米至6xl016离子/平方厘米。
卣素气体、如氯气(Cb气体)或氟气(F2气体)也可用作源气体。
从氢气所产生的氢离子种类lf、 H2+、 H3+的比率在离子注入设备 与离子掺杂设备之间是不相同的。图41示出采用离子掺杂设备从 100%氢气(其中离子源的压强为4.7xl(r2 Pa)所产生的离子种类的质谱 测定的结果的曲线图。垂直轴表示谱强度，它与离子的数量相对应。 水平轴表示离子种类的质量。在光谱中，质量1峰值、质量2峰值和 质量3峰值分别对应于H"、 H2+和H3+。在图41中，具有不同质量的 离子的数量表示为相对比例，其中质量为3的离子的数量定义为100。 从图41中可以看到，在等离子体中产生的氢离子种类之间的比率、 即H"、 H2+和H3+之间的比率大约为1:1:8。对用离子掺杂设备注入了 氢离子的单晶硅晶圓中的氢浓度分布的二次离子质谱分析的结果还 确认，H3+占用以照射单晶硅晶圆的氢离子种类的大约80%。
图42是示出在离子源的压强大约为3xl(T3 Pa时采用离子注入设 备从PH3所产生的离子种类的质谱测定的结果的曲线图。如图41中那样，垂直轴表示谱强度，它与离子的数量相对应。水平轴表示离子 种类的质量，并且质量l峰值、质量2峰值和质量3峰值分别对应于
Ff、 H/和H3+。从图42中可以看到，等离子体中的氬离子种类之间 的比率、即H+、 H2+和Hs+之间的比率大约为37:56:7。注意，虽然图 42示出当源气体为PH3时所获得的数据，氢离子种类之间的比率也与 100%氢气用作源气体时相同或基本相同。也就是说，从氢气所产生的 离子种类之间的比率、即Pf、 H2+和H3+之间的比率大约为37:56:7。
因此，离子注入设备以仅为大约7%的比例产生氬离子种类H"、 H/和H/中的H3+。另一方面，离子掺杂设备可以以50%或者更高、 大约为80%的比例产生H3+。下面研究所产生的H3+的比例在离子掺杂 设备与离子注入设备之间显著不同的原因。
氢等离子体包括氢离子种类，例如H"、 H2+和H3+。下面列示表示 这些氬离子种类的反应过程(形成过程、破坏过程)的反应方程式。此 外，图43是示意示出这些反应的一部分的能量图。注意，图43所示 的能量图只是示意图，而没有精确地说明反应的能量关系。
e + H — e + H+ + e(1)
e + H2 — e + H2+ + e(2)
e + H2 — e + (H2)* — e + H + H(3)
e + H2+ — e + (H2+)* — e + H+ + H(4)
H2 + H2 — H3 + H(5)
H2++ H2 — H++H + H2(6)
e + H3+ — e + H+ + H + H(7)
e + H3+ — H2 + H(8)
e + H3+ — H + H + H(9)[H3+离子形成过程]
如上所述，主要通过由反应方程式(5)所表示的反应过程来产生 H3+。另一方面，作为与反应方程式(5)竟争的反应，存在由反应方程 式(6)所表示的反应过程。为了使H3+增加，至少需要反应方程式(5)的 反应比反应方程式(6)的反应更频繁地发生(注意，由于还存在其它反 应(7)、 (8)和(9)， H3+通过这些反应减少，因此，H3+不一定增加，即使
中的H/的比例减小。在各反应方程式中，右侧(最右侧)的产物的增加 量取决于左侧(最左侧)的源材料的浓度、反应的速率系数(rate coefficient)等。实验上确认，当&+的动能低于11 eV时，反应方程 式(5)的反应是主要反应(也就是说，反应方程式(5)的速率系数足够高 于反应方程式(6)的速率系数)，以及当H/的动能高于大约11 eV时， 反应方程式(6)的反应是主要反应。
通过电场对带电粒子施加力，并且带电粒子获得动能。动能由于 电场而对应于势能的减少量。例如，给定带电粒子在与另一个粒子碰 撞之前得到的动能量等于带电粒子通过移动而失去的势能量。也就是 说，在带电粒子可在电场中行进长距离而没有与另 一粒子石並撞的情况 下，带电粒子的动能(或者其平均值)趋向于高于该带电粒子未能这样 做的情况。在粒子的平均自由程长的情况下，即，在压强低的情况下， 可见到带电粒子的动能增加的趋势。甚至在平均自由程短的情况下， 如果带电粒子可在碰撞之前获得大量动能，则带电粒子的动能也高。 即，可以说，甚至在平均自由程短的情况下，如果势能差大，则带电 粒子的动能也高。
这适用于H2+。假定如同等离子体生成室中那样存在电场，H2+的 动能在室内压强低的情况下高，而H2+离子的动能在室内压强高的情况下低。也就是说，由于反应方程式(6)的反应在室内压强低的情况下
是主要反应，所以H3+趋向于减少，而由于反应方程式(5)的反应在室
内压强高的情况下是主要反应，所以H/趋向于增加。此外，在等离
子体生成区域中的电场高的情况下，即，在给定两点之间的势能差大
的情况下，H/的动能高。在相反情况下，H/的动能低。也就是说，
由于反应方程式(6)的反应在电场高的情况下是主要反应，所以H/趋 向于减少，而由于反应方程式(5)的反应在电场低的情况下是主要反
应，所以H3+趋向于增加。
例如，在从其中得到图42所示数据的离子源的情况下，以仅为 大约7。/。的比例产生H"、 H/和H/中的H3+。另一方面，在从其中得 到图41所示数据的离子源的情况下，H3+的比例可高达50。/o或更高(根 据图41的数据大约为80%)。这可被认为是如上所述室内压强和电场
的结果。
根据上述模型1至5，模拟采用氢离子种类对硅衬底的照射。作 为模拟软件，使用SRIM即离子在物质内的阻止及范程(Stopping and Range of Ions in Matter) 。 SRIM是用于通过蒙特卡洛方法的离子引入 过程的才莫拟软件，并且是TRIM、即离子在物质内的输运(Transport of Ions in Matter )的改进版本。注意，SRIM是用于非晶结构的软件，但 是，SRIM可适用于采用具有高能量的氢离子种类以高剂量照射硅衬 底的情况。这是因为硅村底的晶体结构由于氬离子种类与Si原子的碰 撞而转变成非单晶结构。
下面描述模拟结果。注意，在本实施方案的模拟中，进行基于模 型2的计算，其中由具有两倍质量的H+代替H2+。另外，进行基于模 型3的计算，其中由具有一半动能的f代替H2+;基于模型4的计算， 其中由具有三倍质量的H^代替H3+;以及基于模型5的计算，其中采
用具有三分之一动能的f代替H3+。
使用上述^t型1至5,计算各采用氢离子种类、以80千伏加速电 压所照射(对于H采用100000个原子进行照射)的硅衬底中氢元素(H) 在深度方向的分布。图44示出计算结果。图44还示出硅衬底中的氬 元素(H)在深度方向的分布的测量值。测量值是由二次离子质谱 (SIMS)所测量的数据(该数据在下文中称作SIMS数据)。SIMS所测量 的样本是采用在获得图41的数据的条件下所产生的氢离子种类(ET、 H/和H/)进行照射的Si衬底。
在图44中，基于模型1至5的计算值的曲线图的垂直轴的每个是右垂直轴，它表示氢原子的数量。SIMS数据的曲线图的垂直轴是 左垂直轴，它表示氢原子的浓度。计算值和SIMS数据的曲线图的水 平轴的每个表示距离各Si衬底的表面的深度。在将作为测量值的 SIMS数据与计算值进行比较时，模型2和4明显不匹配SIMS数据的 曲线图，并且在SIMS数据中无法观察到对应于模型3的峰值。这说 明，模型2至4的每个的贡献比模型1和5的每个相对更小。考虑离 子的动能的单位是keV，而H-H接合能仅为大约若干电子伏特，认为 模型2和4的每个的贡献小，因为H/和H/通过与Si原子进行碰撞 而主要分为f或H。因此，在以下研究中将不考虑模型2至4。然后， 使用模型1和5，描述以80千伏、60千伏和40千伏的加速电压、采 用氢离子种类(对于H为100000个原子)对Si衬底的照射的;f莫拟结果。
图45至图47各示出Si村底中深度方向的氢(H)的分布的计算结 果。图45、图46和图47分别示出加速电压为80千伏、60千伏和40 千伏时的计算结果。此外，图45至图47各示出作为测量值的SIMS 数据以及与SIMS数据拟合的曲线(下文中称作拟合函数)。SIMS所测 量的样本是采用在获得图41的数据的条件下所产生并且以80千伏、 60千伏或40千伏的加速电压进行加速的氢离子种类(H+、 H/和H3+) 进行照射的Si衬底。注意，基于模型1和5的计算值的曲线图的垂直 轴的每个在右垂直轴上表示氢原子的数量，而SIMS数据和拟合函数 的曲线图的垂直轴的每个在左垂直轴上表示氬原子的浓度。曲线图的 水平轴的每个表示距离各Si村底的表面的深度。
在这里，考虑模型l和5，使用下面给出的计算公式(fl)来得到拟 合函数。在计算公式(fl)中，X和Y表示拟合参数，以及V表示体积。 (拟合函数^X/Vx(模型1的数据)+Y/Vx(模型5的数据)(fl)
考虑到用于实际照射的离子种类之间的比率(H^H^H/大约为 1:1:8，参见图41)，在确定拟合函数时还应当考虑H2+(即模型3)的贡献；但是由于下列原因而排除H2+的贡献
-由于通过才莫型3表示的照射过程所引入的氢量与通过沖莫型5的 照射过程所引入的氢量相比小，因此，即使排除H2+的贡献，也不存 在显著影响(在SIMS数据中没有出现与模型3对应的峰值，参见图 44)。
-由于基于模型3、深度方向的Si衬底中的氢元素的分布的峰值 位置接近基于模型5、深度方向的分布的峰值位置(参见图44)，因此， 在模型5的照射过程中发生的隧穿(原子由于晶格结构的运动)可能使 模型3的贡献不明显。也就是说，难以估计模型3的拟合参数。其原 因在于，这种模拟假定了非晶硅，并且没有考虑结晶度的影响。
图48示出计算公式(fl)的拟合参数。以加速电压的任一个，按照 模型1引入Si衬底的H的量与按照模型5引入的H的量的比率大约 为1:42至l:45(当模型1中的H的量定义为1时，模型5中的H的量 大约为42至45),以及用于照射的离子量PT(模型l)与H3+ (模型5) 的离子量的比率大约为1:14至1:15(当模型1中的H"的量定义为1时， 模型5中的H3+的量大约为14至15)。考虑到不考虑模型3并且计算 假定非晶硅，可以说，得到与用于实际照射的氢离子种类之间的比率 (H^:H2+:H3+大约为1:1:8，参见图41)接近的值。
通过如图41所示采用具有较高比例的H3+的氢离子种类对衬底的 照射，可获得产生于H3+的多个有益效果。例如，由于H/分裂为待引 入衬底的rf"、 H等，因此，与主要采用H""或H2+的照射的情况相比， 离子引入效率得到提高。这产生SOI衬底生产效率的提高。此外，由 于H"或H的动能在H3+分裂之后往往变低，所以H3+适合于制造薄半 导体层。注意，这里描述了使用能够采用如图41所示氢离子种类进 行照射的离子掺杂设备以便有效进行采用H/的照射的方法。由于离子掺杂设备在大面积处理中的使用成本低并且优良，因此，通过经由 使用这样一种离子掺杂设备、采用H3+进行照射，可获得例如半导体 特性的改进、SOI村底的面积的增加、成本降低以及生产效率的提高 等显著效果。
从上述考虑因素可以看到，对于用来将更多H3+注入单晶半导体 村底110,离子掺杂设备比离子注入设备更为优选。此外，离子摻杂 设备没有涉及所产生离子种类的质量分离，因此它具有高的源气体使 用效率。另外，它实现采用加速离子的平面或线形照射，因此可易于 缩短循环时间。相反，离子注入设备的特征在于，可根据质量来分离 所产生离子，并且仅可将特定离子种类注入村底。但是，通过质量分 离，离子注入设备对于从源气体所产生的离子比离子掺杂设备具有更 低的使用效率。另外，在离子注入设备中，通过采用具有点状光束形 状的离子束进行扫描来注入离子，因此在大面积处理的通过量方面存 在问题。因此，鉴于源气体使用效率和大面积处理，优选的是，离子 掺杂设备可用于通过采用离子121进行照射在单晶半导体村底110中 形成损伤区115。
在形成损伤区115之后，在第一绝缘层113的上表面形成第二绝 缘层114，如图4C所示。在形成第二绝缘层114的步骤中，在加入损 伤区115的元素或分子没有沉淀的温度、优选地在350。C或更低的温 度加热单晶半导体衬底110。换言之，在没有对损伤区115脱气的温 度加热单晶半导体衬底110。注意，可在形成损伤区115之前形成第 二绝缘层114。在这种情况下，形成第二绝缘层114时的工艺温度可 设置为350。C或更高。
第二绝缘层114是用于在单晶半导体村底110上形成平滑亲水接 合表面的层。因此，第二绝缘层114优选地具有0.7纳米或更小、更 优选为0.4纳米或更小的平均表面粗糙度Ra。第二绝缘层114可具有范围从10纳米至200纳米的厚度。第二绝缘层114优选地具有范围 从5纳米至500纳米、更优选为10纳米至200纳米的厚度。
第二绝缘层114优选地是通过化学汽相反应形成的绝缘膜。例如， 可形成氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化硅膜等作为第二 绝缘层114。在通过PECVD方法来形成氧化硅膜作为第二绝缘层114 的情况下，优选地使用有机硅烷气体和氧气(02)作为源气体。通过将 有机硅烷用作源气体，能够在350。C或更低的工艺温度形成具有平滑 表面的氧化硅膜。备选的方式是，可使用在从200。C至500。C的加热 温度通过热CVD方法所形成的低温氧化物(LTO)来形成第二绝缘层 114。可通过使用甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)等作为硅源气体，并使 用N20等作为氧源气体来形成LTO。
用于通过使用TEOS和02作为源气体来形成氧化硅膜的第二绝 缘层114的条件的示例是以15 sccm的流速将TEOS引入腔室并以 750 sccm的流速将02引入腔室，以及膜形成压力为100 Pa，膜形成 温度为300°C， RF输出为300W，电源频率为13.56 MHz。
图4B的步骤和图4C的步骤的顺序可以倒转。也就是说，在单晶 半导体衬底110之上形成第一绝缘层113和第二绝缘层114之后，可 形成损伤区115。在这种情况下，优选的是，在可采用相同的膜形成 设备来形成第一绝缘层113和第二绝缘层114时，连续形成第一绝缘 层113和第二绝缘层114。
备选的方式是，在进行图4B的步骤之后，可进行图4A的步骤和 图4C的步骤。也就是说，在采用离子121来照射单晶半导体衬底110 以形成损伤区115之后，可形成第一绝缘层113和第二绝缘层114。 在这种情况下，在可采用相同的膜形成设备来形成第一绝缘层113和 第二绝缘层114时，优选的是连续形成第一绝缘层113和第二绝缘层114。此外，为了在形成损伤区115之前保护单晶半导体衬底110的 表面，单晶半导体衬底110可经过氧化处理以便在表面形成氧化膜， 然后可用离子穿过氧化膜来照射单晶半导体衬底110。在形成损伤区 115之后，去除该氧化膜。备选的方式是，可在保留氧化膜的状态下
形成第一绝缘层113。
随后，清洁设有第一绝缘层113、损伤区115和第二绝缘层114 的支承衬底100和单晶半导体衬底110。可在纯水中通过超声清洁来 进行这个清洁步骤。超声清洁优选地是兆赫超声清洁(兆声清洁)。在 超声清洁之后，优选的是采用包含臭氧的水来清洁单晶半导体村底 110和支承衬底100的一个或两个。通过采用包含臭氧的水进行清洁， 可进行有机物质的去除和表面活化处理以改进第二绝缘层114和支承 村底100的表面的亲水性。除了包含臭氧的水之外，还可采用含氧的 水、含氢的水、纯水等来进行清洁处理。通过这种清洁处理，可使接 合表面亲水，并且可增加接合表面的OH基团的数量。因此，可得到 通过氪键结合的更强的接合。
可通过采用原子束或离子束进行照射、等离子体处理或自由基处 理以及采用包含臭氧的水进行清洁，来进行第二绝缘层114和支承村 底100的表面的活化处理。当使用原子束或离子束时，可使用氩等的 惰性气体中性原子束或惰性气体离子束。这种表面处理有助于甚至在 400°C或更低的温度的不同种类的材料之间的接合。
图4D示出说明接合步骤的剖视图。支承衬底100和单晶半导体 衬底110设置成相互接触，且第二绝缘层114夹在它们之间。在本实 施方案中，支承衬底100的表面和第二绝缘层114的表面设置成相互 接触，并且使相互接触的部分彼此接合。作为支承衬底100的表面与 第二绝缘层114的表面之间接合的接合力，可以考虑范德瓦尔斯力在 初始阶段起作用。在将压力施加到第二绝缘层114的表面和支承衬底100的表面时，在相互接触的部分形成氢键结合，并且可使第二绝缘
层114的表面和支承村底100的表面更坚固地相互接合。
将大约300 N/cn^至15000 N/cm2的压力施加到单晶半导体村底 110的边缘的一个部分。这个压力优选为1000 N/cn^至5000 N/cm2。 第二绝缘层114和支承衬底100从受压部分开始相互接合，并且相互 接合的部分遍布第二绝缘层114的整个表面。因此，将单晶半导体村 底110固定到支承衬底100。可在室温下没有进行加热处理来进行这 个接合步骤；因此，具有低耐热性并且具有700。C或更低的可容许温 度极限的衬底、如玻璃村底可用作支承衬底100。
在将单晶半导体村底no接合到支承衬底100之后，优选地进行 热处理或加压处理，以便增加支承衬底100与第二绝缘层114之间的 接合力。这种处理在损伤区115中没有产生裂紋的温度进行，并且可 在范围从室温至400。C的范围内的温度进行。此外，通过在这个温度 范围之内进行加热的同时将单晶半导体衬底110接合到支承衬底100 ， 可增加支承衬底100与笫二绝缘层114之间的接合界面的接合力。优 选地进行加压处理，使得与接合表面垂直地施压。对于这种热处理， 可使用扩散炉、例如电阻加热炉等加热炉、快速热退火(RTA)设备、 微波加热设备等。
随后，进行热处理以便在损伤区115产生分离，由此将单晶半导 体层117与单晶半导体衬底110分离。图4E是简图，示出分离步骤， 其中将单晶半导体层in与单晶半导体衬底110分离。附图标记118 表示单晶半导体层117已经与其分离的单晶半导体衬底110。
当进行热处理时，通过离子掺杂所添加的元素由于温度的增加而 在损伤区115中所形成的微孔中脱溶，由此增加内部压力。由于压力 的增加，损伤区115中的微孔的体积发生变化，从而在损伤区115中产生裂紋。因此，沿损伤区115单晶半导体衬底110分裂。由于将第 二绝缘层114接合到支承衬底100，因此，与单晶半导体衬底110分 离的单晶半导体层117固定在支承衬底100之上。在不超过支承衬底 100的应变点的温度，进行用于将单晶半导体层117与单晶半导体衬 底110分离的热处理。
对于这种热处理，可使用扩散炉、例如电阻加热炉等加热炉、快 速热退火(RTA)设备、微波加热设备等。
加热炉是用于主要通过来自采用电阻加热器等所加热的炉的辐 射来加热对象的设备。
RTA设备是使用灯光的加热设备。RTA设备的示例包括灯快速 热退火(LRTA)设备和气体快速热退火(GRTA)设备。LRTA设备是用 于通过从例如卣素灯、金属囟化物灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯或 高压水银灯等的灯所发出的光线的辐射来加热对象的设备。GRTA设 备是用于通过采用从上述灯的任一个所发出的光的热辐射以及通过 来自采用从上述灯的任一个所发出的光(电磁波)所加热的气体的热传 导来加热对象的设备。作为气体，使用例如氮等惰性气体或者例如氩 等稀有气体，它们没有通过热处理与对象发生反应。LRTA设备或 GRTA设备不仅具有灯，而且还具有用于通过来自例如电阻加热器等 加热器的热传导或热照射来加热对象的装置。
微波加热设备是用于通过微波的辐射来加热对象的设备。微波加 热设备可具有用于通过来自例如电阻加热器等加热器的热传导或热 辐射来加热对象的装置。
描述了通过使用采用电阻加热的竖炉进行热处理的具体处理方 法。将单晶半导体衬底110接合到的支承衬底100装载到竖炉的小舟 中。将小舟带入竖炉的腔室。为了抑制单晶半导体衬底110的氧化， 首先将腔室抽气到真空状态。真空度大约为5xl(T3Pa。在获得真空状 态之后，将氮提供到腔室，使得腔室具有大气压下的氮气氛。同时， 将温度增加到200。C。
在使用电阻加热炉的上述热处理中，连续进行增加第二绝缘层 114与支承衬底IOO之间的接合力的热处理以及在损伤区115产生分 离的热处理。在不同设备中进行这两种热处理的情况下，例如，在电 阻加热炉中在200°C的温度进行热处理两小时，然后从炉中带出相互 接合的支承衬底100和单晶半导体衬底110。随后，在从600。C至700°C 的范围内的温度采用RTA设备进行热处理1分钟至30分钟，使得在 损伤区115分开单晶半导体衬底110。
为了通过700°C或更低的低温处理来使第二绝缘层114和支承衬底100坚固地相互接合，优选的是，在第二绝缘层114的表面和支承 衬底的表面存在OH基团或水分子(H20)。这是因为第二绝缘层114 与支承衬底100之间的接合从形成共价键(氧分子和氢分子的共价键) 或者OH基团或水分子的氢键开始。
因此，优选的是，可将第二绝缘层114的表面和支承衬底100的 表面活化为亲水。还优选的是，通过一种方法来形成第二绝缘层114， 使得包含氧或氢。例如，在400。C或更低的工艺温度通过PECVD方 法来形成氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化硅膜等，由此 可在薄膜中包含氢。为了形成氧化硅膜或氧氮化硅膜，例如SiH4和 N20用作工艺气体。为了形成氧化氮化硅膜，例如SiH4、 NH3和N20 用作工艺气体。为了形成氮化硅膜，例如SiH4和NH3用作工艺气体。 此外，优选的是，例如TEOS(化学式Si(OC2Hs)4)等具有OH基团的 化合物用作通过PECVD方法进行形成的材料。
注意，低温处理指的是在700。C或更低的工艺温度的处理。这是 因为工艺温度低于或等于玻璃衬底的应变点。相反，对于通过Smart Cut(注册商标)来形成的SOI衬底，进行在800°C或更高温度的热处理， 以便将单晶硅层和单晶硅晶圓相互接合，并且需要在超过玻璃衬底的 应变点的温度的热处理。
注意，如图4E所示，通常的情况是，单晶半导体衬底110的周 边部分没有接合到支承衬底100。原因包括在支承衬底100和第二 绝缘层114没有设置成相互紧密接触的单晶半导体衬底110的周边部 分不易分离损伤区115，因为在移动单晶半导体衬底110时，单晶半 导体衬底110的周边部分祐_倒角或者第二绝缘层114的周边部分^皮损 伤或污染。因此，在一些情况下，具有比单晶半导体村底110更小的 尺寸的单晶半导体层117接合到支承衬底100，在单晶半导体衬底118 的周边形成凸出部分，并且没有接合到支承衬底100的第一绝缘层113b、第一绝缘层113a和第二绝缘层114的部分保留在凸出部分之上。
通过形成损伤区115、沿损伤区115的分裂等，破坏与支承衬底 100紧密接触的单晶半导体层117的结晶度。换言之，在单晶半导体 层117中产生了在处理之前单晶半导体衬底110中尚未看到的例如位 错等晶体微缺陷或者例如悬空键等晶体微缺陷。此外，单晶半导体层 117的表面是与单晶半导体衬底110的分离面，因而它的平面性^皮破 坏。为了复原单晶半导体层117的结晶度，通过采用激光束进行照射， 使单晶半导体层117熔融和再结晶。此外，为了使其表面平面化，采 用激光束来照射单晶半导体层117。图5A示出激光照射工艺步骤。
如图5A所示，采用激光束122来扫描单晶半导体层117，使得 采用激光束122来照射单晶半导体层117的整个分离面。例如通过移 动单晶半导体层in在其上固定的支承衬底100而不是移动激光束 122，来进行采用激光束122的扫描。箭头123表示支承衬底100的 运动方向。
当采用激光束122进行照射时，单晶半导体层117吸收激光束 122,并且采用激光束122所照射的部分的温度增加。当这个部分的 温度变为等于或高于单晶半导体村底110的熔点时，该部分被熔化熔 融。在停止采用激光束122的照射之后，单晶半导体层117的熔融部 分的温度减小，并且熔融部分随时间而凝固和再结晶。通过采用激光 束122进行扫描，采用激光束122来照射单晶半导体层117的整个表 面。备选的方式是，可以采用激光束122选择性地照射单晶半导体层 117中需要再单晶化的区域。
图5B示出激光照射步骤之后的半导体村底10的剖视图。单晶半 导体层112是经过了再单晶化的单晶半导体层117。图5B的外部视图 如图1所示。
经过了激光照射工序的单晶半导体层112具有比单晶半导体层 117更高的结晶度。此外，可通过激光照射工序来改进平面性。可通 过测量电子反向散射衍射图(电子反向散射图(EBSP))、测量X射线衍 射图、使用光学显微镜或电子显微镜进行观察、测量拉曼分光型光谱 等，来评估单晶半导体层的结晶度。例如可通过使用原子力显微镜进 行观察来评估单晶半导体层的表面的平面性。
通过采用激光束122进行照射，部分或完全熔融单晶半导体层117 中采用激光束122进行照射的区域。注意，单晶半导体层117的完全 熔融状态表示熔融从上表面到下表面的整个层。在图5A的堆叠结构 中，完全熔融状态表示将单晶半导体层117从其上表面到与第一绝缘 层113的界面熔融成液态。同时，部分熔融单晶半导体层117表示熔 融单晶半导体层117使得熔融部分的深度比与第一绝缘层113的界面 的深度(单晶半导体层117的厚度)更浅。换言之，单晶半导体层117 的部分熔融状态表示一种状态，其中将上部熔融成液相而下部未被熔
融并保持为固相单晶半导体。
当通过采用激光束122进行照射来部分熔融单晶半导体层117 时，由于改变成液相的半导体的表面张力而进行平面化。同时，由于 向支承衬底100的热扩散而进行单晶半导体层117的冷却。在单晶半 导体层U7中，在深度方向产生温度梯度。使固-液界面从支承衬底 100侧向单晶半导体层117的表面移动，并且发生再结晶。发生所谓 的纵向生长。使用未^皮熔融下部区域作为籽晶来进行再结晶。
下部的固相部分是单晶，并且具有一致的晶体取向；因此，在其 中没有晶粒边界，并且激光照射工序之后的单晶半导体层112可以是 没有任何晶粒边界的单晶半导体层。通过凝固将上部的熔融部分再结 晶，并且形成具有与保持为固相的下部中的单晶半导体相同的晶体取向的单晶半导体。因此，在其主表面沿(100)面取向的单晶硅晶圆用作 单晶半导体衬底110的情况下，单晶半导体层117的主表面沿(100) 面来取向，并且通过激光照射工序^皮部分熔融并且纟皮再结晶的单晶半 导体层112的主表面沿(100)面来取向。
另外，当通过采用激光束122进行照射来完全熔融单晶半导体层 117时，由于改变成液相的半导体的表面张力而进行平面化。在完全 熔融区中，在凝固过程中从与熔融区相邻的单晶半导体发生晶体生 长，以及发生横向生长。未被熔融的部分是单晶，并且具有一致的晶 体取向；因此，在其中没有晶粒边界，并且激光照射工序之后的单晶 半导体层112可以是没有任何晶粒边界的单晶半导体层。也就是说， 通过凝固将完全熔融区再结晶，并且形成具有与相邻的且未^f皮熔融的 部分中的单晶半导体相同的晶体取向的单晶半导体。因此，在其主表 面沿(100)面取向的单晶硅晶圆用作单晶半导体衬底110的情况下，单 晶半导体层in的主表面沿(100)面来取向，并且通过激光照射工序被 完全熔融并且被再结晶的单晶半导体层112的主表面沿(100)面来取 向。
通过经由采用激光束122进行照射来完全熔融或部分熔融单晶半 导体层117，可形成具有平坦表面的单晶半导体层112。原因如下。 单晶半导体层117的熔融部分是液体，因而通过表面张力的作用而改 变其形状，以便使它的表面积为最小。也就是说，液体部分改变其形 状以便没有凹陷和凸出部分，然后使这个液体部分凝固和再结晶。因 此，可形成具有平面化表面的单晶半导体层112。
通过使单晶半导体层112的表面平面化，在单晶半导体层112之 上的栅绝缘膜的厚度可以形成得小，大约5纳米至50纳米。因此，
可形成具有高导通电流的晶体管，同时使栅电压保持为很低。
如上所述，本实施方案公开一种用于通过采用激光束来照射单晶 半导体层并且熔融单晶半导体层的一部分或全部以进行再结晶、来获 得更好的单晶半导体层的方法的新颖创新技术。使用激光束的这样一 种方法在常规技术中没有被采用，并且是完全新颖的概念。
作为平面化工序，化学机械抛光(缩写为CMP)是已知的。但是， 当玻璃衬底用作支承衬底100时，难以将CMP用于单晶半导体层117 的平面化工序，因为玻璃衬底易于弯曲并且具有起伏。在本实施方案 中，通过采用激光束122的照射过程来进行此平面化工序。因此，可 使单晶半导体层117平面化，而无需施加可能损伤支承衬底100的任 何力，并且无需在超过其应变点的温度加热支承衬底100。因此，在 本实施方案中，玻璃村底可用作支承衬底100。也就是说，本实施方 案公开一种在用于制造半导体衬底的方法中使用激光束照射工序的 创新方法。
通过在激光照射工序期间加热单晶半导体层117，可去除单晶半 导体层117中的悬空键或者例如单晶半导体层117与底膜(这里为第一 绝缘层113)之间的界面上的缺陷等微缺陷，由此可得到具有更好特性的单晶半导体层112。通过使用其中固定的具有少量的例如位错等晶
体缺陷或者例如悬空键等晶体微缺陷的单晶半导体层112在其上固定 的半导体衬底10，可形成具有高导通电流和高场效应迁移率的晶体 管。为了获得这类效果，优选地将单晶半导体层117加热到400。C或 更高，更优选为500。C或更高。
在玻璃衬底用作支承村底100的情况下，将单晶半导体层117在 其上固定的支承衬底100加热到500。C或更高、优选为550。C或更高， 由此可使支承衬底100收缩。因此，在使用单晶半导体层112在其上 固定的玻璃衬底来形成晶体管的情况下，如果在制造半导体村底的过 程中预先使玻璃衬底收缩，则可抑制制造晶体管的过程中的收缩量。 因此，可抑制曝光步骤中的摘3莫未对准。
形成与单晶半导体层in接触并且包含卣素的第一绝缘层113a 以及形成与第一绝缘层113a接触并且充当具有高杂质阻挡作用的阻 挡层的第一绝缘层113b,对于增加单晶半导体层112与第一绝缘层 113a之间的界面上析出的卤素的浓度是有效的。原因在于，使更大量 的卣素扩散到单晶半导体层112侧，因为卤素不易扩散而进入充当阻 挡层的第一绝缘层113b。上述第一绝缘层113b的示例包括氮化硅膜和氧化氮化硅膜。
上述第一绝缘层113a和第一绝缘层113b可通过一种方法来形成， 其中在采用例如NF3进行等离子体清洁之后的PECVD设备的腔室中， 第一绝缘层113a和第一绝缘层113b分别由氧氮化硅或氧化硅以及氧 化氮化硅或氮化硅连续形成。可通过改变提供到腔室的用于膜形成的 工艺气体，来实现第一绝缘层113a和第一绝缘层113b的连续形成。
激光器按照其发射;t莫式可分类为脉冲激光器、连续波激光器和准 连续波激光器。推荐使用脉沖激光器来进行单晶半导体层117的熔融 部分的再单晶化。当使用脉冲激光器时，采用激光束的一个脉冲(一次 发射)进行照射的区域到采用下一个脉沖来照射时被熔融、凝固和再结 晶。换言之，通过采用一个脉冲进行照射而被熔融的区域被再结晶， 并且到采用下一个脉沖进行照射时返回到固相状态。因此，在采用从 脉沖激光器所发出的激光束进行熔融的区域被凝固时的最稳定状态 是通过从未被熔融的单晶的晶体生长所得到的单晶结构。
另一方面，在连续波激光器的情况下，激光束照射不是间断而是 持续的。因此，通过釆用激光束进行扫描，在那个方向移动熔融区(液 相区域)与固相区域之间的界面。因此，当熔融区凝固时， 一致的晶体 生长不太可能发生；晶轴的取向没有变为一致；以及晶粒边界可能产 生。同样的情况适用于准连续波激光器。
因此，在激光照射步骤中，当使用脉沖激光器时，可以以更高复 制性来进行单晶半导体层117的再单晶化。作为脉沖激光器，可使用 小于10兆赫兹、优选为10千赫兹或以下的重复频率的激光器。当重 复频率小于10兆赫兹时，区域可在采用下一次发射进行照射之前随 激光束的每一次发射而被熔融和凝固。此外，从脉冲激光器发出的激 光束的脉冲宽度范围可从10纳秒(nsec)至500纳秒。
用于图5A的激光照射步骤的脉冲激光器的示例包括例如XeCl 激光器和KrF激光器等准分子激光器以及例如Ar激光器和Kr激光器 等气体激光器。可使用的其它示例是固态激光器，例如YAG激光器、 YVCM敫光器、YLF激光器、YAI03激光器、GdVCM敫光器、KGW激 光器、KYW激光器和Y2CM敫光器。作为激光束，可使用基波、这些 激光器中任一谐波(例如二次谐波、三次谐波或四次谐波)。甚至在使 用相同的激光介质时，这些固态激光器的一部分也可以是连续波激光 器或者准连续波激光器。
作为发出激光束122的激光器，选择其发射波长的范围从紫外线 区至可见光区的激光器。激光束122的波长是由单晶半导体层117吸 收的波长。可考虑激光的趋肤深度等来确定波长。例如，波长的范围 可以是250納米至700纳米。
可以在空气气氛中没有任何控制地或者在惰性气体气氛中进行 采用激光束122的照射。已经证实，空气气氛和惰性气体气氛各自对 于复原单晶半导体层117的结晶度和平面化是有效的。还证实，惰性 气体气氛比空气气氛更为优选。在改进单晶半导体层117的平面性方 面，例如氮等惰性气体气氛比空气气氛更为有效。此外，在惰性气体 气氛中比在空气气氛中更不可能产生例如裂紋等畸变，并且在惰性气 体气氛中比在空气气氛中可从更大的范围来选择减少晶体缺陷和实 现平面化的激光束122的能量。
为了在惰性气体气氛中采用激光束122来进行照射，可在气密室中进行采用激光束122的照射。通过将惰性气体提供到这个腔室中， 可在惰性气体气氛中进行采用激光束122的照射。在没有使用腔室时， 在将惰性气体吹到^l照射表面的同时，采用激光束122来照射单晶半 导体层117的表面。因此，可实现在惰性气体气氛中采用激光束122 的照射。
惰性气体指的是分子或原子没有通过在激光束照射步骤中与单 晶半导体层的表面发生反应而形成氧化膜的气体。惰性气体的示例包
括氮气(N2气体)、例如氩和氙等稀有气体等。惰性气体中的氧的浓度 优选为30ppm或更小，更优选为10ppm或更小。
在气密室中进行激光照射工序时，室内的压力减少到真空。因此， 可得到与通过在惰性气体气氛中进行激光照射工序所产生的相似效 果。优选的是，室内的压力为12 Pa或更小。更优选的是，腔室内的 压力为4Pa或更小。
优选的是，使激光束122经过光学系统，使得激光束122具有线 形或矩形光束形状。因此，能够以高通过量进行采用激光束122的照射。
在用激光束122照射单晶半导体层117之前，去除在单晶半导体 层117的表面形成的氧化膜、如自然氧化膜。这是因为存在这样的情 况在单晶半导体层117的表面存在氧化膜、采用激光束122来照射 单晶半导体层117时，得不到足够的平面化效果。可用氢氟酸处理单 晶半导体层117来去除氧化膜。按照需要进行采用氢氟酸的处理，直 到单晶半导体层in的表面成为疏水。当单晶半导体层117具有疏水 性时，可以确认氧化膜已从单晶半导体层117去除。
可按照如下方式来进行采用图5A的激光束122的照射步骤。首先，采用100倍稀释氢氟酸将单晶半导体层117处理IIO秒，以去除 表面的氧化膜。随后，将单晶半导体层117在其上接合的支承衬底100 放置于激光照射设备的工件台上。采用在工件台中提供的如电阻加热 装置的加热单元，将单晶半导体117加热到200。C至650°C的温度。 例如，将单晶半导体层117加热到500。C。
作为发出激光束122的激光器，使用XeCl准分子激光器(波长为 308纳米、脉冲宽度为25纳秒以及重复频率为60赫兹)。通过光学系 统，将激光束122的截面形成为300毫米x0.34毫米的线形。在采用 激光束122来扫描单晶半导体层117的同时，采用激光束122来照射 单晶半导体层117。可通过移动激光照射设备的工件台来进行采用激 光束122的扫描，并且工件台的运动速率对应于激光束的扫描速率。 激光束122的扫描速率经过调整，使得采用激光束122的1至20次 发射来照射单晶半导体层117的同一个照射区域。激光束122的发射 次数优选地大于或等于1且小于或等于11。通过采用激光束122的一 次发射进行照射，可熔融单晶半导体层117,由此可将它再结晶并且
将其表面平面化。
在采用激光束122来照射单晶半导体层117之前，可蚀刻单晶半 导体层117。优选的是，通过蚀刻去除保留在单晶半导体层117的分 离面上的损伤区115。通过去除损伤区115,用激光束122照射所产 生的表面平面化效果和结晶度复原效果可得到增强。在进行这种蚀刻的情况下，还优选的是，釆用激光束122来照射 单晶半导体层117之前，去除蚀刻之后在单晶半导体层117的表面所 形成的氧化膜、如自然氧化膜。可用氢氟酸处理单晶半导体层117来 去除氧化膜。
在用激光束122照射单晶半导体层117之后，可通过蚀刻使单晶 半导体层112变薄。可按照采用单晶半导体层112形成的元件的特性 来确定单晶半导体层112的厚度。为了在接合到支承衬底100的单晶 半导体层112的表面上形成具有优良台阶覆盖(step coverage)的薄 栅绝缘层，单晶半导体层116的厚度优选为50纳米或更小，并且可 以是5纳米以上和5 0纳米以下。
可通过使用干式蚀刻方法或湿式蚀刻方法来进行使单晶半导体 层112变薄的蚀刻。在干式蚀刻方法中可使用的蚀刻气体例如包括 氯化物气体，例如氯化硼、氯化硅、四氯化碳；氯气；氟化物气体， 例如氟化硫、氟化氮；氧气；等等。在湿式蚀刻方法中可使用的蚀刻 溶液例如是TMAH溶液。
由于可在700。C或更低的温度进行从图4A至图5B的步骤，因此， 具有700。C或更低的允许温度极限的玻璃村底可用作支承衬底100。 因此，可使用便宜的玻璃村底，由此可降低半导体衬底10的材料成 本。
为了制造半导体衬底20，优选的是，将300毫米x300毫米或更 大的玻璃衬底用作支承衬底100。作为大面积玻璃衬底，优选为生产 液晶面板而开发的母玻璃衬底。已知母玻璃村底的大小的示例如下 第3代(550毫米x650毫米)；第3.5代(600毫米x720毫米)；第4代(680 毫米x880毫米或730毫米x920毫米)；第5代(IIOO毫米xl300毫米)； 第6代(1500毫米xl850毫米)；第7代(1870毫米x2200毫米)；第8 代(2200毫米x2400毫米)；等等。
通过使用大面积村底、如母玻璃村底作为支承衬底100,可得到 具有更大面积的SOI衬底。如果可得到具有较大面积的SOI衬底，可 从一片SOI村底制造许多如IC或LSI等的芯片，并且可从一片衬底 制造较大数量的芯片。因此，可显著提高生产率。
在图2的半导体村底20的支承村底100是易弯曲并且易碎的衬 底、如玻璃村底的情况下，很难将抛光工艺用于接合到一个支承衬底 的多个单晶半导体层117的平面化。在本实施方案中，通过采用激光 束122的照射过程来进行此平面化工序。因此，可使固定到支承衬底 100的多个单晶半导体层117平面化，而无需施加可能损坏支承衬底 100的任何力，并且无需在超过其应变点的温度加热支承衬底100。 也就是说，在如图2所示、多个单晶半导体层112在其上固定的半导 体衬底20的制造工序中，激光束照射工序是极为重要的工序。也就 是说，本实施方案公开一种使用激光束照射的创新方法。
(实施方案2)
在本实施方案中，将描述一种半导体衬底及其制造方法，其中单 晶半导体层隔着緩沖层固定在支承衬底上。在本实施方案中，将描述一种用于制造半导体村底的方法，其中在支承村底之上形成緩冲层。
图6示出一例半导体衬底的结构的透视图。在半导体衬底30中， 将单晶半导体层112接合到支承衬底100。单晶半导体层112通过使 单晶半导体衬底变薄来形成，并且隔着緩沖层111和緩沖层101固定 到支承衬底100上。半导体衬底30是具有所谓的SOI结构的村底， 其中在绝缘层之上形成单晶半导体层。通过将支承衬底100之上所形 成的緩沖层101的表面与单晶半导体层112之上形成的緩冲层111的 表面相互接合，将单晶半导体层112固定到支承衬底100上。
緩冲层101是具有单层结构的膜或者具有堆叠了两层以上层的多 层结构的膜。通过膜形成工艺在支承衬底100的表面形成緩沖层101 中包含的膜。在本实施方案中，緩沖层101是具有两层结构的膜，其 中从支承衬底100侧堆叠绝缘层103和绝缘层104。在本实施方案中， 与支承衬底100接触形成的绝缘层103充当阻挡层。緩沖层111是具 有单层结构的膜或者具有堆叠了两层以上层的多层结构的膜。通过膜 形成工艺在单晶半导体衬底的表面形成緩沖层111中包含的膜。在本 实施方案中，緩沖层111具有单层结构，并且由绝缘层119来形成。
下面参照图8、图9A至图9E、图IOA和图IOB来描述一种用于 制造图6所示半导体衬底30的方法。
首先描述在支承衬底100之上形成緩沖层101的步骤。图8示出 剖视图，说明形成緩冲层101的步骤。作为緩冲层101中包含的膜， 可使用包含硅或锗作为其成分的绝缘膜，例如氧化硅膜、氮化硅膜、 氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化锗膜、氮化锗膜、氧氮化锗膜或者 氧化氮化锗膜。另外，还可使用包括例如氧化铝、氧化钽或氧化铪等 金属氧化物的绝缘膜、包括例如氮化铝等金属氮化物的绝缘膜、包括 例如氧氮化铝膜的金属氧氮化物的绝缘膜、或者包括例如氧化氮化铝 膜等金属氧化氮化物的绝缘膜。可通过CVD方法、溅射方法、氧化 或氮化单晶半导体衬底110的方法等，来形成緩沖层101中包含的绝缘膜。
緩沖层101优选地包括用于防止钠进入单晶半导体层112的阻挡 层。阻挡层可以是单层或两层以上层。例如，在包含可能降低半导体 器件的可靠性的例如碱金属、碱土金属等杂质的村底用作支承衬底 100的情况下，例如当加热支承衬底100时，这类杂质可能从支承衬 底100扩散到单晶半导体层112中。因此，通过在緩冲层101中形成 阻挡层，可防止会降低半导体器件的可靠性的例如碱金属、碱土金属 等的这类杂质被迁移到单晶半导体层112。充当阻挡层的膜的示例如 下所述氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化铝膜、氧化氮化铝膜等。在 包含这种膜时，緩沖层101可充当阻挡层。
当緩冲层101是具有包括阻挡层的两层结构的膜时，与支承衬底 100接触的膜由用于阻挡例如钠等杂质的阻挡层来形成。在本实施方 案中，绝缘层103由作为阻挡层形成的绝缘膜来形成。绝缘层103可 由厚度为5纳米至200纳米的氧化氮化铝膜、氮化硅膜、氧化氮化硅
膜或者氮化铝膜来形成。
充当阻挡层的这些膜具有用于防止杂质扩散的高阻挡作用，但是 它们的内应力也高。因此，作为与绝缘层103接触的绝缘层104，优 选具有释放緩沖层IOI的应力的作用的膜。作为具有这种作用的绝缘 膜，给出氧化硅膜、氧氮化硅膜等。绝缘层104可形成为从5纳米至 300纳米的厚度。由于绝缘层104的上表面充当接合表面，所以绝缘 层104优选具有0.7纳米或更小、更优选为0.4纳米或更小的平均表面粗糙度Ra。绝缘层104可具有从10纳米至200纳米的厚度。绝缘
层104优选具有从5纳米至500纳米、更优选为10纳米至200纳米
的厚度。
例如，可用SiH4和N20作为工艺气体、通过PECVD方法、由氧 氮化硅膜来形成绝缘层103。另外，可使用有机硅烷气体和氧作为工 艺气体、通过PECVD方法、由氧化硅膜来形成绝缘层104。
例如，在通过PECVD方法来形成使用氧化氮化硅的绝缘层113 和使用氧氮化硅的绝缘层104的情况下，将支承村底IOO放入PECVD 设备的腔室。然后，将SitLt、 N20、 NH3、 H2和N20提供到腔室中作 为用于形成绝缘层103的工艺气体，然后产生该工艺气体的等离子体， 由此在单晶半导体衬底110之上形成氧化氮化硅膜。随后，将引入腔 室的气体改变为用于形成绝缘层104的工艺气体。这里使用SiH4和 N20。产生这些混合气体的等离子体，并在氧氮化硅膜之上连续形成 氧化氮化硅膜。在使用具有多个腔室的PECVD设备的情况下，可在 不同腔室中形成氧氮化硅膜和氧化氮化硅膜。无需赘言，通过改变引 入腔室的气体，可形成氧化硅膜作为下层，并形成氮化硅膜作为上层。
在如上所述连续形成绝缘层103和绝缘层104时，能够以高的通 过量在多个支承衬底IOO之上形成緩沖层101。此外，由于可形成绝 缘层103和绝缘层104而没有暴露于大气，所以可防止绝缘层103与 绝缘层104之间的界面受到大气污染。
接着，参照图9A至图9E来描述一种用于处理单晶半导体衬底 110的方法。首先，与实施方案l相似，冲洗和清洁单晶半导体衬底 110。然后，在单晶半导体村底110的表面上形成保护膜131。为了防 止单晶半导体村底no受到例如金属等杂质污染、防止单晶半导体衬 底110的表面受到照射该表面的离子的撞击损伤等，形成保护膜131。可通过CVD方法等来淀积例如氧化硅膜、氮化硅膜、氧化氮化硅膜、 氧氮化硅膜等绝缘材料，来形成这个保护膜131。备选的方式是，通 过氧化或氮化单晶半导体衬底110来形成保护膜131。例如，为了通 过氧化单晶半导体衬底110来形成氧化膜的保护膜131，可进行热氧 化处理(干式氧化处理、流氧化处理)或者用含臭氧水的氧化处理。在 干式氧化处理的情况下，优选的是将含面素气体加入氧化气氛。作为 含卣素气体，可使用从HC1、 HF、 NF3、 HBr、 Cl2、 C1F、 BC13、 F2、 Br2等中选取的一种或多种气体。
随后，如图9B所示，透过保护膜131，釆用通过电场加速的离子 121来照射单晶半导体衬底110,由此在距离单晶半导体衬底110表 面的预定深度的区域形成损伤区115。可与实施方案1中的损伤区115 的形成步骤相似地进行此步骤。
绝缘层119是用于在单晶半导体衬底IIO上形成平滑亲水接合表 面的层。因此，绝缘层119优选0.7纳米或更小、更优选为0.4纳米 或更小的平均粗糙度Ra。绝缘层119可具有从10纳米至200纳米的 厚度。绝缘层119优选从5纳米至500纳米、更优选为10纳米至200
纳米的厚度。
可通过化学汽相反应由绝缘膜形成绝缘层119。例如，可形成氧 化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化硅膜等作为绝缘层119。 在通过PECVD方法来形成氧化硅膜作为绝缘层119的情况下，优选 使用有机硅烷气体和氧气(02)作为源气体。通过将有机硅烷用作源气 体，能够在350。C或更低的工艺温度形成具有平滑表面的氧化硅膜。 备选的方式是，可使用在从200°C至500°C的加热温度通过热CVD 方法所形成的低温氧化物(LTO)来形成绝缘层119。可通过使用曱硅烷
(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)等作为硅源气体，并使用N20等作为氧源气体，
来形成LTO。
用于通过使用TEOS和02作为源气体来形成氧化硅膜的绝缘层 119的条件例如是以15 sccm的流速将TEOS引入腔室并以750 sccm 的流速将02引入腔室，并且膜形成压力为100 Pa，膜形成温度为 300°C, RF输出为300 W,电源频率为13.56 MHz。
随后，清洁设有损伤区115和緩冲层111的单晶半导体衬底110 以及设有緩沖层101的支承衬底100。可通过用纯水的超声清洁来进 行此清洁步骤。超声清洁优选地是兆赫超声清洁(兆声清洁)。在超声 清洁之后，最好用含臭氧水来清洁单晶半导体衬底110和支承衬底100 这二者或其一。通过采用含臭氧水进行清洁，可进行有机物质的去除 和表面活化处理以改进緩沖层101和111的亲水性。
可通过采用原子束或离子束进行照射、等离子体处理或自由基处 理以及釆用含臭氧水进行清洁，进行緩沖层101和111的表面活化处
理。当进行采用原子束或离子束的照射时，可使用氩等的稀有气体中 性原子束或稀有气体离子束。
图9D示出说明接合步骤的剖视图。可与图4D的接合步骤相似地 进行这个接合步骤。支承衬底100和单晶半导体衬底110设置成隔着緩冲层101和111相互接触。因此，将緩冲层101的表面和緩沖层111
的表面相互接合，并且将单晶半导体衬底no固定到支承衬底ioo。
在将单晶半导体衬底no接合到支承村底100之后，最好进行热 处理以增加緩冲层101与111之间的接合界面上的接合力。这种处理 在损伤区115中不产生裂紋的温度进行，并且可在从200°C至450°C 的温度进行。
当进行热处理时，损伤区115中的微孔的体积发生变化，从而在 损伤区115中产生裂纹。因此，单晶半导体衬底110沿损伤区115分 裂，并且如图9E所示，与单晶半导体衬底110分离的单晶半导体层 117固定在支承衬底100上。
随后，如图IOA所示，用激光束122照射与支承衬底100紧密接 触的单晶半导体层117。可与图5A的激光照射步骤相似地进行此激 光照射步骤。当加热并采用激光束122来扫描单晶半导体层117时， 用激光束122照射单晶半导体层117的整个分离面。
用激光束122进行照射时，单晶半导体层117吸收激光束122， 用激光束122照射的部分的温度增加，并且该部分被熔融。在支承衬 底100移动时，用激光束122照射的区i或-故移动。因此，单晶半导体 层117的熔融部分的温度减小，熔融部分凝固，并进行其再单晶化。 因此，形成通过再单晶化得到的单晶半导体层112。当进行采用激光束122的照射时，加热固定到支承衬底100的单 晶半导体层117，由此增加单晶半导体层117的温度。加热温度可高 于或等于250°C并且低于或等于支承衬底100的应变点。加热温度优 选为400。C或更高，更优选为450。C或更高。具体来说，加热温度优 选为400°C或更高以及670°C或更低，更优选为450°C或更高以及 650。C或更低。
通过加热单晶半导体层，可去除单晶半导体层中的悬空键或者例 如单晶半导体层与底膜之间的界面上的缺陷等微缺陷，并且可得到更 好的单晶半导体层。通过使用具有少量的例如位错等晶体缺陷或者例 如悬空键等晶体微缺陷的单晶半导体层112在其上固定的半导体衬底 30,可形成具有高导通电流和高场效应迁移率的晶体管。
在使与单晶半导体层117接触的绝缘层119包含卤素时，由于绝 缘膜也^f皮激光束照射所加热因此由素可从绝缘膜扩散，并且可在通过 再单晶化所得到的单晶半导体层112与绝缘层119之间的界面上析出 卤素。通过在单晶半导体层112与绝缘层119之间的界面上析出卤素， 卣素可捕捉界面上存在的钠等的迁移离子。因此，在玻璃村底用作支 承村底100的情况下，在防止例如钠等杂质对单晶半导体层112的污 染方面，包含卣素的绝缘层119的形成以及在进行加热时的激光照射 工序极为有效。
在将緩沖层111形成为具有两层结构时，在增加单晶半导体层112 与緩冲层111之间的界面上析出的卣素的浓度方面，形成包含卣素、 与单晶半导体层in接触的绝缘层以及形成充当具有高杂质阻挡作
用、与包含囟素的绝缘层接触的阻挡层是有效的。原因在于，使更大 量的卣素扩散到单晶半导体层112侧，因为囟素不易扩散入阻挡层。 充当阻挡层的上述绝缘层的示例包括氮化硅膜和氧化氮化硅膜。
具有两层结构的上述緩冲层111可通过这样一种方法来形成，其
中在采用例如NF3进行等离子体清洁之后的PECVD设备的腔室中， 在单晶半导体衬底110之上形成氧氮化硅层或氧化硅层之后，连续形 成氧化氮化硅层或氮化硅层。两种绝缘层的连续形成，可通过改变提 供到腔室的用于膜形成的工艺气体来实现。
注意，在用激光束122来照射单晶半导体层117之前，可蚀刻单 晶半导体层117。优选的是，通过蚀刻去除保留在单晶半导体层117 的分离面上的损伤区115。通过去除损伤区115，用激光束122进行 照射所产生的表面平面化效果和结晶度复原效果可得到增强。
可用干式蚀刻方法或湿式蚀刻方法来进行这种蚀刻。在干式蚀刻 方法中可使用的蚀刻气体例如包括氯化物气体，例如氯化硼、氯化 硅、四氯化碳；氯气；氟化物气体，如氟化石克、氟化氮；氧气；等等。 在湿式蚀刻方法中可使用的蚀刻溶液例如是TMAH溶液。
在采用激光束122来照射单晶半导体层117之后，可通过蚀刻来 使单晶半导体层112变薄。可按照用单晶半导体层112形成的元件的 特性来确定单晶半导体层112的厚度。为了在接合到支承衬底100的 单晶半导体层112的表面之上形成具有优良台阶覆盖的薄栅绝缘层， 单晶半导体层112的厚度优选为50纳米或更小，并且可以是5纳米 以上和50纳米以下。
可用干式蚀刻方法或湿式蚀刻方法来进行使单晶半导体层112变 薄的蚀刻。在干式蚀刻方法中可使用的蚀刻气体例如包括氯化物气 体，例如氯化硼、氯化硅、四氯化碳；氯气；氟化物气体，如氟化硫、 氟化氮；氧气；等等。在湿式蚀刻方法中可使用的蚀刻溶液例如是 TMAH溶液。由于可在700°C或更低的温度进行从图9A至图10B的步骤，因 此，可将具有700。C或更低的允许温度极限的玻璃衬底用作支承衬底 100。因此，可使用便宜的玻璃村底，由此可降低半导体衬底30的材
料成本。
与实施方案1的半导体衬底IO(参见图l)不同，在本实施方案的 半导体衬底30中，采用緩冲层101来覆盖支承村底100的表面。因 此，当半导体村底30的緩冲层101设有阻挡层时，可比半导体衬底 10中更有效地防止单晶半导体层112的污染。
注意，通过使用本实施方案的方法，还可将多个单晶半导体层112 接合到一片支承衬底100。如图8所示，制备设有緩沖层101的支承 衬底100。緩冲层101优选地包括充当阻挡层的层。此外，重复进行 图9A至图9C的步骤，由此制备各设有緩冲层111和损伤区115的多 个单晶半导体衬底110。然后，将各具有图9C的结构的多个单晶半导 体衬底IIO接合到支承村底100。此后，通过图9E至图10B的步骤， 能够制造半导体衬底40，半导体衬底40包括有多个单晶半导体层112 在其上接合的支承衬底100，如图7所示。
为了制造半导体衬底40，优选将300毫米x300毫米或更大的玻 璃衬底用作支承衬底100。作为大面积玻璃衬底，优选为了制造液晶 面板而开发的母玻璃村底。已知母玻璃衬底的大小的示例如下所述 第3代(550毫米x650毫米)；第3.5代(600毫米x720毫米)；第4代(680 毫米x880毫米或730毫米x920毫米)；第5代(IIOO毫米xl300毫米)； 第6代(1500毫米xl850毫米)；第7代(1870毫米x2200毫米)；第8 代(2200毫米x2400毫米)；等等。
通过使用大面积衬底、如母玻璃衬底作为支承衬底100,可得到 具有更大面积的SOI衬底。如果可得到具有较大面积的SOI衬底，可从一片SOI衬底制造许多如IC或LSI等的芯片，并且可从一片衬底
制造较大数量的芯片。因此，可显著提高生产率。
在图7的半导体衬底40的支承衬底100是易弯曲且易碎的支承 衬底如玻璃村底的情况下，很难将抛光工艺用于接合到支承村底上的 多个单晶半导体层117的平面化。在本实施方案中，通过采用激光束 122的照射过程来进行此平面化工序。因此，可使固定到支承衬底100 的单晶半导体层in平面化，而无需施加可能损伤支承村底100的任 何力，并且无需在超过其应变点的温度加热支承衬底100。也就是说， 在如图7所示、多个单晶半导体层112在其上固定的半导体衬底40
的制造工序中，激光束照射工序是极为重要的工序。
(实施方案3)
在本实施方案中，描述在加热的同时用以采用激光束来照射单晶 半导体层的激光照射设备。图11示出一例激光照射设备的结构。
如图11所示，激光照射设备包括发出激光束300的激光器301 以及放置对象302的工件台303。激光器301与控制器304连接。通 过控制器304的控制，可改变从激光器301发出的激光束300的能量、 重复频率等。工件台303设有用以加热对象302的加热装置如电阻加
热装置等。
工件台303设置成可在腔室306内部移动。箭头307指示工件台 303的运动方向。
在腔室306的壁上设有窗口 308,通过它将激光束300导入腔室 306。使用对于激光束300具有高透射率的材料如石英来形成窗口 308。 为了控制腔室306内的气氛，腔室306设有与气体供应装置连接的供 气端口 309以及与排气系统联接的排气端口 310。
包括透镜、反射镜等的光学系统311设置在激光器301与工件台 303之间。光学系统311设置在腔室306的外部。通过光学系统311， 使从激光器301所发出的激光束300的能量分布均匀化，并且使激光 束300的截面形成为线形或矩形。从离开光学系统311的激光束300 通过窗口 308进入腔室306，并传送到工件台303之上的对象302。 当釆用工件台303的加热器来加热对象302并移动工件台303时，将 激光束300传送到对象302。此外，通过从供气端口 309提供惰性气 体如氮气，可在惰性气体气氛中用激光束300进行照射。
在大尺寸衬底用作支承衬底100的情况下，为了缩短激光束照射 的处理时间，优选的是，将用激光束的一次发射所照射区域的长度L 设置得长，通过在一个方向移动大尺寸衬底来完成激光束照射。图12A 示出 一例用于以上述方式来处理大尺寸衬底的激光照射设备的结构。 图12A示出激光照射设备的主要部分的剖视图。该激光照射设备在腔 室中具有多个工件台以及用以通过从设置在工件台中的气体吹送孔
吹送已加热氮气来使衬底浮起并^皮传送的装置。注意，图12A中未示 出腔室。图13示出图12A的激光照射设备的主要部分的透视图。
通过调整光学系统3U等，还可采用一次发射来照射较大面积。 如果可采用一次发射来照射较大面积，则可缩短进行各衬底的激光照 射工序所需的时间。这里使用的激光器301的最大输出能量，使得用
激光束进行照射的区域的长度L可设置得长。
图12B示出俯视图，说明在激光照射期间大尺寸衬底1405、激光 束照射区域1411和单晶半导体层1406之间的位置关系。如图12B所 示，用激光束300照射的区域的长度L大于排列成行的六个单晶半导 体层1406的边的总长。大尺寸村底1405的宽度由W来表示。激光束 照射的区域沿垂直于大尺寸衬底的宽度W的方向的边称作激光束的宽度。这里给出一例，其中，大尺寸村底1405的大小为600毫米x720 毫米，并且24个单晶半导体层1406排列在一个村底上。各单晶半导 体层1406从硅晶圓分离而获得。
氧气的浓度以及水气的浓度各为30 ppm或更小，优选为30 ppb 或更小。因此，为了使腔室(反应容器)中的残留气体、如氧气和H20 为最少，在最终压力下降到lxl(T Torr至lxl(T1Q Torr(大约lxl(T5Pa 至lxl(T8 Pa)的超高真空(UHV)区域后，用极低氧气分压的N2气体生 成设备来提供高纯度氮气，由此在腔室中获得氮气氛。此外，激光照 射设备可具有用以从腔室中抽取高纯度氮气、然后再次循环到腔室中 的装置。
在进行超高抽真空以在腔室中获得低于10-5Pa的真空的情况下， 优选地使用涡轮式分子泵和低温泵。采用涡轮式分子泵来进行抽气， 并用低温泵来进行抽真空。
腔室的内壁可具有镜面光洁度，并且可提供用于烘烤的加热器以 减少气体从内壁排放。优选的是，(在200°C至300。C)烘烤腔室，以 去除腔室内部存在的主要含水分的残留气体。
两个工件台1401和1402彼此分开^t置以不与激光照射区域重 叠，并且经过设置以不纟皮激光束照射而加热。工件台1402也类似地设有多个吹气孔1412。通过设置在管子1419中的阀门将气体存储设 备1420中存储的氮气提供到极低氧气分压的N2气体生成设备1418。 然后，由极低氧气分压的N2气体生成设备1418来降低氮气中的氧气 的浓度。通过管子1417、气体加热设备1416和管子1415将极低氧气 分压的N2气体生成设备1418所处理的氮气提供给工件台1402中的多 个吹气孔1412。
为了使腔室中的氧气的浓度和水气的浓度各为30 ppm以下、优 选为30 ppb以下，最好将高纯度气体用作从多个吹气孔1412吹送的 氮气。注意，虽然气体加热设备、气体存储设备等在图12A中表示为 在工件台之下，但是，该结构只是用于进行说明的一个示例，并不构 成对本发明的特定限制。无需赘言，通过增加各管的长度，可将这些 设备等设在其它位置。
通过在工件台1401和1402中设置多个吹气孔1412，可使大尺寸 衬底1405浮起并向着箭头307所示方向传送。
注意，激光照射设备的其它部件与图11的其他部件相似，因而 在此省略对它们的描述。
如图13所示，工件台1402设有抽气孔1404，并且提供流速控制 器(未示出)来控制通过抽气孔1404抽气的气体的流速。在工件台的端 部比在中心部分设置了更多的吹气孔，从而防止衬底弯曲。
图13所示的激光照射装置具有激光器301、带均化器的光学装置 1407、反射镜1408、双合透镜1409a和双合透镜1409b。注意，使激 光束的能量分布均匀 一般称作"均匀化"，而均匀化光学系统称作均化 器。从激光器301发出的激光束由球面透镜扩大。注意，当从激光器 301发出的光束的光束形状充分大时，就不需要球面透镜。然后，由柱面透镜阵列在线形斑的长边(长轴)方向分离激光束。此后，由设置
在柱面透镜阵列后面的柱面透镜将激光束合成为大尺寸衬底145上的
单射束。因此，采用具有线形光束形状的激光束来照射大尺寸衬底
1405。此外，在大尺寸衬底1405的表面使沿光束形状的长边方向的
能量分布均勻化(长轴均匀化)，并且确定沿长边方向的长度。
通过使用图12A和图13所示的制造设备，可在更短时间内进行 激光照射工序。
(实施方案4)
从中分离出了单晶半导体层的单晶半导体衬底可经再处理，然后 作为单晶半导体村底110重复使用。在本实施方案中，描述再处理方 法。在本实施方案中，使用实施方案1中所用的单晶半导体衬底118 作为示例来描述再处理方法。
首先，进行蚀刻处理，以去除第一绝缘层113a、第一绝缘层113a 和第二绝缘层114。例如，当这些膜由氧化硅、氧氮化硅或氧化氮化 硅来形成时，可通过使用氟化氬水溶液(氢氟酸)的湿式蚀刻处理去除 第一绝缘层113b、第一绝缘层113a和笫二绝缘层114。在单晶半导体衬底118经过蚀刻处理之后，其表面^皮抛光并平面
化。对于抛光处理，可使用机械抛光、化学机械抛光(缩写为CMP)等。 为了使单晶半导体衬底的表面平滑，最好将表面抛光约1微米至10
微米。在抛光之后，进行氢氟酸清洁或RCA清洁，因为在单晶半导 体村底上会留下磨粒等。
通过上述工序，单晶半导体衬底118可作为图3所示的单晶半导 体衬底110再用。通过再用单晶半导体衬底118,可降低半导体村底 10的材料成本。
还可通过相同方式再处理用于制造半导体衬底30和半导体衬底 40的单晶半导体村底118。
(实施方案5)
在本实施方案中，将描述使用根据本发明的半导体衬底的半导体 器件及其制造方法。作为使用根据本发明的半导体衬底的半导体器件 的一个示例，在本实施方案中将描述晶体管。通过组合多个晶体管， 形成各种类型的半导体器件。将参照图14A至图14D、图15A至图 15C和图16的剖视图来描述一种用于制造晶体管的方法。注意，在本 实施方案中，将描述一种用于同时制造n沟道和p沟道晶体管的方法。
制备半导体衬底。在本实施方案中，使用图1的半导体衬底10。 也就是说，使用一种半导体衬底，其中将单晶半导体层112隔着緩沖 层lll固定在具有绝缘表面的支承衬底100。注意，形成晶体管的半 导体衬底并不局限于图1的结构，而是可使用根据本发明的半导体衬 底。
如图14A所示，通过蚀刻将支承衬底100之上的单晶半导体层 112加工(形成图案)成预期形状，使得形成单晶半导体层603和单晶半导体层604。使用单晶半导体层603来形成p沟道晶体管，而使用单 晶半导体层604来形成n沟道晶体管。
为了控制阈值电压，可将例如硼、铝或镓等p型杂质元素或者例 如磷或砷等n型杂质元素加入单晶半导体层603和单晶半导体层604。 例如，在添加硼作为赋予p型导电的杂质元素的情况下，可按照5x 1016 cm^至lxlO卩cn^的浓度来添加硼。可对单晶半导体层112或者对单 晶半导体层603和单晶半导体层604来进行用于控制阈值电压的杂质 的添加。备选的方式是，可对单晶半导体村底IIO添加用于控制阈值 电压的杂质元素的。另一备选的方式是，可对单晶半导体衬底110添 加杂质元素，然后还可对单晶半导体层112添加杂质元素，以微调阔 值电压。又一备选的方式是，可在从单晶半导体层112形成单晶半导 体层603和单晶半导体层604之后，对单晶半导体层603和单晶半导 体层604添加杂质元素。
例如，以使用弱p型单晶硅衬底作为单晶半导体村底110的情况 为例，描述用于添加这样的杂质元素的方法的一个示例。首先，在蚀 刻单晶半导体层112之前，将硼加入整个单晶半导体层112。硼的这
种添加的目的在于调整p沟道晶体管的阈值电压。使用B2H6作为掺杂
剂气体，以lxlO,cn^至lxlO力cn^的浓度来添加硼。考虑激活速率 等来确定硼的浓度。硼的浓度可以是6xl016/cm3。随后，蚀刻单晶半 导体层112,以形成单晶半导体层603和604。然后，仅将硼加入单 晶半导体层604。硼的第二次添加的目的在于调整n沟道晶体管的阈 值电压。使用B2H6作为掺杂剂气体，以lxlO,cmS至lxlO"/cn^的浓 度来添加硼。例如，硼的浓度可以是6xlO"/cm3。
注意，在具有适合于p沟道晶体管或n沟道晶体管的阈值电压的 导电类型和电阻的衬底可用作单晶半导体衬底110的情况下，添加用 于控制阈值电压的杂质元素的步骤的所需数量可以为一；可将用于控制阚值电压的杂质元素加入单晶半导体层603和单晶半导体层604这
二者之一。
如图14B所示，形成栅绝缘层606，以覆盖单晶半导体层603和 604。可在350。C或更低的工艺温度、通过PECVD、采用氧化硅膜、 氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜和/或氮化硅膜的单层或者两层以上层的堆 叠层来形成栅绝缘层606。此外，可用通过高密度等离子体处理氧化 或氮化单晶半导体层603、 604的表面得到的氧化膜或氮化膜来形成 栅绝缘层606。使用例如He、 Ar、 Kr或Xe等稀有气体与氧、氧化氮、 氨、氮、氢等的混合气体来进行高密度等离子体处理。在这种情况下， 当通过引入微波来进行等离子体激发时，可产生具有低电子温度的高 密度等离子体。通过由这类高密度等离子体所产生的氧基(它可包括 OH基)或氮基(它可包括NH基)来氧化或氮化单晶半导体层的表面， 由此使绝缘膜形成为厚度1纳米至20纳米、优选地为5纳米至10纳 米，以便与单晶半导体层接触。因此，厚度为5納米至10納米的薄 绝缘膜可用作栅绝缘层606。
然后，在栅绝缘层606之上形成导电膜之后，将导电膜加工(形成 图案)成预定形状，由此在单晶半导体层603和604中每个之上形成电 极607,如图14C所示。通过CVD方法、溅射方法等来形成导电膜。 导电膜可由钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(A1)、铜(Cu)、铬(Cr)、 铌(Nb)等来形成。备选的方式是，导电膜可使用包含上述金属作为其 主要成分的合金或者包含上述金属的化合物来形成。还备选的方式 是，导电膜可由采用赋予导电类型的杂质元素、如磷进行掺杂的多晶
硅等的半导体膜来形成。
虽然在本实施方案中，电极607的每个由单层导电膜来形成，但 是本实施方案并不局限于这种结构。可通过堆叠多个导电膜来形成电 极607。在将电极607形成为具有两层结构时，作为两个导电膜的组合的一个示例，氮化钽膜或钽(Ta)膜可用于第一层，而钨(W)膜可用于 第二层。其它实例如下氮化鵠膜和鵠膜；氮化钼膜和钼膜；铝膜和 钽膜；铝膜和钛膜；包含赋予n型导电的杂质的硅膜和硅化镍膜；包 含赋予n型导电的杂质的硅膜和硅化钨膜；等等。由于钨膜和氮化钽 膜具有高耐热性，因此，可在形成两个导电膜之后进行热活化的热处理。
在将电极607形成为具有三层结构时，可采用钼膜、铝膜和钼膜
的叠层膜。
注意，在通过蚀刻导电膜来形成电极607时，氧化硅膜、氧化氮 化硅膜等可用作用于蚀刻的掩模来代替抗蚀剂。在这种情况下，需要 蚀刻氧化硅膜、氧化氮化硅膜等的一个附加步骤；但是，蚀刻时掩模 的膜厚度的减小比使用抗蚀剂摘4莫的情况要小。因此，易于形成各具 有预期宽度的电极607。备选的方式是，可通过微滴排放(dr叩let discharge)法有选择地形成电极607,而无需使用掩^f莫。
注意，微滴排放法表示一种方法，其中，从小孔隙中排放或喷出 包含预定成分的微滴以形成预定图案，并且包括喷墨法等。
作为导电膜的蚀刻方法，优选的是使用电感耦合等离子体(ICP) 蚀刻方法。这是因为通过控制蚀刻条件(例如，施加到线圈电极层的电 功率、施加到村底侧的电极层的电功率或者衬底侧的电极温度)，可将 导电膜蚀刻成预期锥形之外，还可根据掩才莫的形状来控制锥形的角度 等。注意，作为蚀刻气体，可适当地使用例如氯、氯化硼、氯化硅或 四氯化碳等氯基气体、例如四氟化碳、氟化硫或氟化氮等氟基气体或者氧。
随后，如图14D所示，通过使用电极607作为掩才莫，将赋予一种导电类型的杂质元素加入单晶半导体层603、 604。在本实施方案中， 将赋予p导电型的杂质元素(如硼)加入单晶半导体层603，并将赋予n 导电型的杂质元素(如磷或砷)加入单晶半导体层604。这个步骤是用于 在单晶半导体层603中形成充当源区和漏区的杂质区、以及在单晶半 导体层604中形成充当高阻区的杂质区的步骤。
注意，在将赋予p导电型的杂质元素加入单晶半导体层603时， 采用掩;漠等覆盖单晶半导体层604，使得没有将赋予p型导电的杂质 元素加入单晶半导体层604。另一方面，在将赋予n导电型的杂质元 素加入单晶半导体层604时，釆用掩模等覆盖单晶半导体层603，使 得没有将赋予n型导电的杂质元素加入单晶半导体层603。备选的方 式是，在将赋予p型和n导电型其中之一的杂质元素加入单晶半导体 层603、 604之后，可按照比先前添加的杂质元素更高的浓度有选择 地将赋予其它导电的杂质元素加入单晶半导体层603和604其中之 一。通过添加杂质元素的此步骤，在单晶半导体层603中形成p型高 浓度杂质区608,并在单晶半导体层604中形成n型低浓度杂质区609。 在单晶半导体层603和单晶半导体层604中与电极607重叠的区域分 别是沟道形成区610和沟道形成区611。
随后，如图15A所示，在电极607的侧面形成侧壁612。例如， 可通过以下方式来形成侧壁612:重新形成绝缘膜，以覆盖栅绝缘层 606和电极607，并且通过各向异性蚀刻部分蚀刻新形成的绝缘膜， 其中蚀刻主要在垂直方向进行。通过上述各向异性蚀刻部分蚀刻新形 成的绝缘膜，由此在电极607的侧面形成侧壁612。注意，还通过这 种各向异性蚀刻部分蚀刻栅绝缘层606。采用通过PECVD方法、賊 射方法等的氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜或者包括例如有机 树脂等有机材料的膜的单层或者两层以上层的堆叠来形成用于形成 侧壁612的绝缘膜。在本实施方案中，通过PECVD方法将氧化^5圭膜形成到100纳米的厚度。作为氧化硅膜的蚀刻气体，可使用CHF3和 氦的混合气体。要注意，用于形成侧壁612的步骤并不局限于这里给 出的步骤。
然后，如图15B所示，通过使用电极607和侧壁612作为掩才莫， 将赋予n导电型的杂质元素加入单晶半导体层604。这个步骤是用于 形成在单晶半导体层604中充当源区和漏区的杂质区的步骤。在这个 步骤中，在采用掩模等覆盖单晶半导体层603的同时，将赋予n导电 型的杂质元素加入单晶半导体层604。
为了减小源区和漏区的电阻，可通过硅化单晶半导体层603中的 高浓度杂质区608以及单晶半导体层604中的高浓度杂质区614，来 形成硅化物层。可通过将金属放置成接触单晶半导体层603、 604,并 通过热处理引起金属与单晶半导体层中的硅之间的反应，来进行硅 化；这样，产生硅化化合物。作为金属，钴或镍是优选的，或者可使 用下列的项钛(Ti)、鵠(W)、钼(Mo)、锆(Zr)、铪(Ht)、钽(Ta)、钒(V)、 钕(Nd)、铬(Cr)、柏(Pt)、 4巴(Pd)等。在单晶半导体层603和604薄的 情况下，硅化反应可在这些区域中进行到单晶半导体层603、 604的 底部。作为硅化的热处理，可使用电阻加热炉、RTA设备、微波加热 设备或者激光照射设备。然后，如图15C所示，形成绝缘层619以便覆盖p沟道晶体管617 和n沟道晶体管618。作为绝缘层619，形成包含氢的绝缘膜。在本 实施方案中，通过PECVD方法、使用包括甲硅烷、氨和N20的源气 体来形成厚度大约为600纳米的氧化氮化硅膜。使绝缘层619包含氢 的原因在于，氢可从绝缘层619扩散，使得可端接单晶半导体层603 和604中的悬空键。形成绝缘层619可防止例如碱金属和碱土金属等 杂质进入p沟道晶体管617和n沟道晶体管618。具体而言，优选地 将氮化硅、氧化氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化硅等用于绝缘层619。
然后，在绝缘层619之上形成绝缘层620，以便覆盖p沟道晶体 管617和n沟道晶体管618。可使用例如聚酰亚胺、丙烯酸、苯并环 丁烯、聚酰胺或环氧树脂等具有耐热性的有机材料来形成绝缘层620。 除了这类有机材料之外，还能够使用低介电常数材料(低k材料)、硅 氧烷树脂、氧化硅、氮化硅、氧化氮化硅、PSG(磷硅酸盐玻璃)、BPSG(硼 磷硅酸盐玻璃)、氧化铝等。硅氧烷树脂可包括氟、烷基团和芳基团以 及氢的至少一个作为取代基。注意，可通过堆叠由这些材料所形成的 多个绝缘膜，来形成绝缘层620。绝缘层620可通过CMP方法等使其 表面平面j匕。
注意，硅氧烷树脂对应于包括使用硅氧烷基材料作为起始材料所 形成的Si-O-Si键的树脂。硅氧烷树脂可包括氟、烷基团和芳基团以 及氢的至少 一个作为取代基。
可根据绝缘层620的材料、通过下列方法和部件的任一个来形成 绝缘层620: CVD方法、溅射方法、SOG方法、旋涂方法、浸涂方法、 喷涂方法、微滴排放法(例如喷墨法、丝网印刷或胶印)、刮刀、辊涂 机、幕涂机、刮刀式涂层机等。
随后，在氮气氛中进行大约400。C至450。C(例如410。C)的热处理大约一小时，使得氢从绝缘层619扩散，并且单晶半导体层603、 604 中的悬空键与氢端接。注意，由于单晶半导体层112具有比通过将非 晶硅膜晶化形成的多晶硅膜更低的缺陷密度，可在更短时间进行这种 与氬的端接处理。
随后，如图16所示，在绝缘层619和绝缘层620中形成接触孑L， 使得单晶半导体层603和604的每个部分外露。可通过干式蚀刻方法、 使用CHF3和He的混合气体来形成接触孔；但是，本发明不限于此。 然后，将导电层621和622形成为通过接触孔与单晶半导体层603和 604接触。导电层621与p沟道晶体管617的高浓度杂质区608连接。 导电层622与n沟道晶体管618的高浓度杂质区614连接。
可通过CVD方法、賊射方法等，形成导电层621和622。具体而 言，可使用铝(A1)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、镍(Ni)、柏(Pt)、 铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、锰(Mn)、钕(Nd)、碳(C)、硅(Si)等来形成导 电层621和622。备选的方式是，可使用包含上述金属作为其主要成 分的合金或者包含上述金属的化合物。可采用由上述金属所形成的膜 的单层或多层来形成导电层621和622。
包含铝作为其主要成分的合金的一个示例是包含铝作为其主要 成分并且还包含镍的合金。另一个示例是包含铝作为其主要成分、并 且包含镍以及碳和硅之一或两者的合金。作为用于形成导电层621和 622的材料，铝和铝硅是适当的，因为铝和铝硅具有低电阻且便宜。 具体而言，在通过蚀刻来加工铝硅(A1-Si)的形状时，可比在铝膜中更 多地防止在形成蚀刻掩模中的抗蚀剂烘烤期间在铝硅(A1-Si)膜中产生 小丘。代替硅(Si)，可按照大约0.5。/。将Cu混合到铝膜中。
例如，包括阻挡膜、铝硅(A1-Si)膜和阻挡膜的堆叠结构或者包括 阻挡膜、铝硅(A1-Si)膜、氮化钛膜和阻挡膜的堆叠结构可用于导电层621和622。注意，阻挡膜指的是使用钬、钛的氮化物、钼或钼的氮 化物所形成的膜。在将阻挡膜形成为在其之间夹入铝硅(A1-Si)膜时， 可更有效地防止产生铝或铝硅的小丘。另外，在使用作为高还原性的 元素钛来形成阻挡膜时，即使在单晶半导体层603和604之上形成薄 氧化膜，氧化膜也被阻挡膜中包含的钛还原，由此可获得导电层621、 622和单晶半导体层603、 604之间合乎需要的接触。另外，还能够堆 叠多个阻挡膜。在那种情况下，例如，导电层621和622均可具有五 层结构，其中钛、氮化钛、铝硅、钛和氮化钛从最低层起按照该顺序堆叠。
图16示出p沟道晶体管617和n沟道晶体管618的俯^f见图以及 沿俯视图的线条A-B所截取的剖视图。注意，在图16的俯视图中省 略了导电层621和622、绝缘层619以及绝缘层620。
虽然在本实施方案中描述了 p沟道晶体管617和n沟道晶体管618 的每个具有充当栅极的电极607的情况，但是，本发明并不局限于这 个结构。按照本发明所制造的晶体管具有多栅结构，其中提供了多个 充当栅极的电极并且相互电连接。另外，晶体管可具有栅平面结构。
在从通过激光结晶所得到的多晶硅半导体膜制造晶体管的情况 下，需要考虑激光束扫描方向来确定晶体管的半导体膜的布局，以便 获得高迁移率。但是，在使用本发明的半导体衬底的情况下，无需这 种布局确定，并且在设计半导体器件时存在更少限制。
(实施方案6)
在本实施方案中，将描迷使用根据本发明的半导体衬底的半导体 器件及其制造方法。作为使用根据本发明的半导体衬底的半导体器件 的一个示例，在本实施方案中将描述晶体管。通过组合多个晶体管， 形成各种类型的半导体器件。将参照图17A至图17E、图18A至图 18C、图19A和图19B的剖视图来描述一种用于制造晶体管的方法。 注意，在本实施方案中，将描述一种用于同时制造n沟道和p沟道晶 体管。
首先，如图17A所示，制备半导体村底。在本实施方案中，使用 图1的半导体衬底IO。也就是说，使用一种半导体衬底，其中，将单 晶半导体层112隔着緩冲层111固定到具有绝缘表面的支承衬底100。 注意，形成晶体管的半导体衬底并不局限于图1的结构，而是可使用 根据本发明的半导体村底。
然后，如图17B所示，蚀刻单晶半导体层112以形成单晶半导体 层651和652,它们以岛状相互分离，以便对应于半导体元件的布置。 在本实施方案中，采用单晶半导体层651来形成n沟道晶体管，而采 用单晶半导体层652来形成p沟道晶体管。
通过CVD方法、贼射方法、ALE方法等用例如氧化石圭层、氧氮 化硅层、氮化硅层或氧化氮化硅层等绝缘层，形成作为单层结构或叠 层结构的栅绝缘层653。
备选的方式是，可按照以下方式来形成栅绝缘层653:对单晶半 导体层651和652进行等离子体处理，以便氧化或氮化其表面。这种 情况下的等离子体处理还包括使用微波(典型频率为2.45 GHz)所激发 的等离子体的处理。例如，等离子体处理包括采用通过微波来激发并 且电子密度为lxl0"/cm3至lxl013/cm3、电子温度为0.5 eV至1.5 eV 的等离子体进行的处理。采用这种等离子体处理对单晶半导体层651 和652的表面进行氧化处理或氮化处理使得能够形成既薄且密的膜。 此外，直接氧化单晶半导体层651和652的表面；因此可获得具有良 好界面特性的薄膜。还备选的方式是，可通过对于通过CVD方法、 賊射方法或ALE方法所形成的薄膜使用微波进行等离子体处理，来形 成栅绝缘层653。
注意，栅绝缘层653形成与单晶半导体层651和652的界面；因 此，优选地形成栅绝缘层653，使得氧化硅层或氧氮化硅层位于界面 上。这是因为，如果形成其中氮量高于氧量的薄膜、如氮化硅层或氧 化氮化硅层，则由于陷阱能级(trap level)的产生而会在界面特性上出问题。
如果用于构成栅电极的导电层具有导电层654和导电层655的两 层结构，则可采用例如氮化钽层和鴒层、氮化鴒层和鵠层或者氮化钼 层和钼层的叠层膜来形成导电层。注意，氮化钽层和鵠层的叠层膜是 优选的，因为可获得两层之间的蚀刻的高选择性。注意，优选的是， 在栅绝缘层653之上形成举例说明的两层膜的第一所述膜。在本实施 方案中，形成厚度从20纳米至100纳米的导电层654。形成厚度为 100纳米至400纳米的导电层655。栅电极还可具有三层以上层的堆 叠结构；在那种情况下，优选地采用钼层、铝层和钼层的堆叠结构。
首先，通过使用抗蚀剂掩才莫656和657的第一蚀刻处理，有选择 地蚀刻导电层654和655，因此，在单晶半导体层651之上形成导电 层658和导电层659，并且在单晶半导体层652之上形成导电层660 和导电层661(参见图17D)。随后，通过使用抗蚀剂掩沖莫656和657的第二蚀刻处理，蚀刻导 电层659和661的尾部，因此形成导电层662和导电层663(参见图 17E)。注意，形成导电层662和663，以便具有比导电层658和660 更小的宽度(沿与载流子在沟道形成区中沿其流动的方向(连接源区和 漏区的方向)平行的方向的长度)。这样，形成具有导电层658和662 的两层结构的栅电极665以及具有导电层660和663的两层结构的栅 电极666。
用于第一蚀刻处理和第二蚀刻处理的蚀刻方法可适当地选择。为 了增加蚀刻速率，可使用采用例如电子回旋共振(ECR)源或电感耦合 等离子体(ICP)源等高密度等离子体源的干式蚀刻设备。通过适当控制 第一蚀刻处理和第二蚀刻处理的蚀刻条件，可将导电层658、 660和 导电层662、 663的侧面各形成为预期锥形形状。在根据需要构成栅 电极665和666之后，可去除抗蚀剂掩才莫656和657。
随后，通过使用电极665和666作为掩才莫，将杂质元素668加入 单晶半导体层651和652。导电层658和662充当摘r冲莫；因此，以自 对准方式在单晶半导体层651中形成成对的杂质区669。导电层660 和663也充当掩模；因此，以自对准方式在单晶半导体层652中形成 成对的杂质区670(参见图18A)。
作为杂质元素668,添加例如硼、铝或纟家等p型杂质元素或者例 如磷或砷等n型杂质元素。在这里，为了形成n沟道晶体管的高阻区， 添加属于n型杂质元素的磷作为杂质元素668。此外，添加磷，使得 它以大约为1><1017原子/立方厘米至5xlO"原子/立方厘米的浓度包含 在杂质区669中。
然后，为了形成充当n沟道晶体管的源区和漏区的杂质区，形成 抗蚀剂掩模671以便部分覆盖单晶半导体层651，并且形成抗蚀剂掩模672以覆盖单晶半导体层652。然后，通过使用抗蚀剂掩模671作 为掩才莫，将杂质元素673加入单晶半导体层651，由此在单晶半导体 层651中形成成对的杂质区675(参见图18B)。
在单晶半导体层652中，杂质区681各在没有与导电层660和663 重叠的区域中形成，并且各充当源区或漏区。杂质区670具有n导电 型，因此，将杂质元素673加入单晶半导体层652,使得杂质区681 具有p导电型。在这里，将作为p型杂质元素的硼加入杂质区681， 以包含大约lxlO^原子/立方厘米至5xlO"原子/立方厘米的浓度的硼。
在与导电层660重叠但没有与导电层663重叠的区域中形成杂质 区682,并且通过经由导电层660将杂质元素680加入单晶半导体层 652来形成杂质区682。另外，通过控制杂质区682中包含的杂质元 素673的浓度，可使各杂质区682充当源区或漏区或者充当LDD区。
在单晶半导体层652的与导电层660和663重叠的区域中，形成 沟道形成区683。
随后形成层间绝缘层。层间绝缘层可作为单层结构或叠层结构来 形成；在本实施方案中，层间绝缘层由绝缘层684和绝缘层685的两 层堆叠膜来形成(参见图19A)。
作为层间绝缘层，可通过CVD方法或溅射方法来形成氧化硅膜、 氧氮化硅膜、氮化硅层、氧化氮化硅膜等。另外，还可通过例如旋涂 方法等应用方法，使用例如聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯苯酚、苯并环 丁烯、丙烯酸树脂或环氧树脂等有机材料、例如硅氧烷树脂、噁唑树 脂等硅氧烷材料等，来形成层间绝缘膜。大家要注意，硅氧烷材料是 包括Si-O-Si键的材料。硅氧烷具有通过接合硅(Si)和氧(0)所形成的骨 架结构。作为取代基，使用至少包括氢的有机基团(例如烷基或芳基)。 此外，氟基可包含在有机基中。至少包含氢的有机基和氟基也可用作 取代基。噁唑树脂例如是光敏聚苯并噁唑等。光敏聚苯并噁唑是一种材料，它具有低介电常数(室温下在1 MHz处介电常数为2.9)、高耐 热性(按照热重差热分析(TG-DTA)，以5。C/分钟的温度增加速率，热 分解温度为550。C)以及低吸水百分比(室温下，24小时为0.3%)。噁唑 树脂具有比聚酰亚胺等(大约为3.2至3.4)更低的比介电常数(大约为 2.9);因此，在使用噁唑树脂时，可抑制寄生电容的产生，并且半导
体器件的高速运行是可行的。
例如，将氧化氮化硅层形成到100纳米的厚度作为绝缘层684， 并将氧氮化硅层形成到900纳米的厚度作为绝缘层685。通过等离子 体CVD方法连续形成绝缘层684和685。注意，层间绝缘层还可具有 包括三层以上层的堆叠结构。备选的方式是，层间绝缘层可具有氧化 硅层、氧氮化硅层或氮化硅层以及使用例如聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙 烯苯酚、苯并环丁烯、丙烯酸树脂或环氧树脂等有机材料、例如硅氧
烷树脂、噁唑树脂等硅氧烷材料所形成的绝缘层的堆叠结构。
在绝缘层684和685中有选择地形成接触孔，以便延伸到在单晶 半导体层651中形成的杂质区675以及在单晶半导体层652中形成的 杂质区681。
可使用从铝、钨、钛、钽、钼、镍和钕中选取的一个元素或者包 含多个上述元素的合金的单层膜或叠层膜，来形成导电层686。例如， 可使用包含钬的铝合金、包含钕的铝合金等，来形成使用包含多个上 述元素的合金所形成的导电层。如果导电层686各使用叠层膜来形成， 则可采用例如将上述铝层或铝合金层夹入钬层之间的结构。如图19B所示，可使用半导体衬底10来制造n沟道晶体管和p 沟道晶体管。
随后，在单晶半导体层112之上形成第一绝缘膜，并且在第一绝 缘膜之上构成栅电极层808a和808b。然后，使用栅电极层808a和808b 作为掩冲莫来蚀刻第一绝缘膜，以便形成栅绝缘层807a和807b。
对于栅绝缘层807a和807b,可使用例如二氧化锆、氧化铪、二 氧化钛或五氧化二钽等高介电常数材料。通过将高介电常数材料用于 栅绝缘层807a和807b，可减小栅泄漏电流。
可通过溅射方法、汽化方法、CVD方法等，来构成栅电极层808a 和808b。可使用从钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(A1)、铜(Cu)、 铬(Cr)和钕(Nd)中选取的金属或者包含该金属作为其主要成分的合金 材料或化合材料的薄膜来构成栅电极层808a和808b。另外，可使用 由采用例如磷等杂质元素进行掺杂的多晶硅膜所代表的半导体膜或 者使用AgPdCu合金来构成栅电极层808a和808b。在这里，使用包 含杂质元素的多晶硅膜来构成栅电极层808a和808b。
随后，形成第二绝缘膜810以覆盖栅电极层808a和808b。然后， 构成栅电极层808a的侧壁的侧壁绝缘层816a、 816b以及构成栅电极 层808b的侧壁的侧壁绝缘层817a、 817b被形成。pFET中包含的侧 壁绝缘层816a和816b的宽度大于nFET中包含的侧壁绝缘层817a和 817b。然后，将砷(As)等加入待形成nFET的区域，由此形成各具有 浅结深度的第一杂质区820a和820b。另一方面，将硼(B)等加入待形 成pFET的区域，由此形成各具有浅结深度的第二杂质区815a和 815b(参见图20C)。
随后，部分蚀刻第二绝缘膜810，以便露出第一杂质区820a和 820b、第二杂质区815a和815b、栅电极层808a和808b的顶面。此 后，采用As等来掺杂待形成nFET的区域，以便形成各具有深结深度 的第三杂质区819a和819b,并且采用B等来掺杂待形成pFET的区 域，以便形成各具有深结深度的第四杂质区域824a和824b。随后， 进行用于活化的热处理。然后，形成钴膜作为用于形成硅化物的金属 膜。然后，对于与钴膜接触的部分中的硅化物硅(silicide silicon)来 进行例如RTA等热处理(500。C， 1分钟)，由此形成硅化物822a、 822b、 823a和823b。此外，通过钴膜和形成这些层的多晶硅膜的反应，在栅 电极层808a和808b之上形成硅化物818a和818b。此后，有选择地 去除钴膜。随后，在比用于硅化的热处理更高的温度进行热处理，以便减小硅化物部分的电阻(参见图20D)。在元件区805和806，分别形 成沟道形成区826和821。
随后形成层间绝缘层827,并且通过使用抗蚀剂摘r沖莫，在层间绝 缘层827中形成延伸到具有深结深度的第三杂质区819a、819b以及具 有深结深度的第四杂质区824a、 824b的接触孔(开口)。根据待使用材 料之间的蚀刻的选择性，可一次或多个进行蚀刻。
可根据层间绝缘层827的材料，适当地设置蚀刻方法及其条件。 可适当地使用湿式蚀刻或干式蚀刻或者它们两者。在本实施方案中， 使用干式蚀刻。可从Cb、 BC13、 SiCl4或CCU所代表的氯基气体、由 CF4、 SF6或NF3所代表的氟基气体以及02中适当地选择蚀刻气体。 此外，可将稀有气体加入待使用的蚀刻气体。作为待添加的稀有气体 元素，可使用从H3、 Ne、 Ar、 Kr和Xe中选取的一个或多个元素。 氬氟酸基溶液、例如氟化氬铵和氟化铵的混合溶液可用作湿式蚀刻的 蚀刻剂。
形成导电膜以覆盖接触孔，并且蚀刻导电膜，以便形成与源区和 漏区的部分连接的布线层840a、840b、840c和840d。这些布线层840a、 840b、 840c和840d的每个还充当源电极层或漏电极层。可按照以下 方式来形成布线层840a、 840b、 840c和840d:导电膜通过PVD方法、 CVD方法、汽化方法等来形成，然后通过使用掩模被蚀刻成预期形状。 备选的方式是，可通过使用微滴排放法、印刷法、电镀方法等，在预 定位置中将导电层选择性地形成预期形状来形成它们。还可使用回流 法或镶嵌法。可使用例如Ag、 Au、 Cu、 Ni、 Pt、 Pd、 Ir、 Rh、 W、 Al、 Ta、 Mo、 Cd、 Zn、 Fe、 Ti、 Zr或Ba等金属或者其合金或氮化物 来形成布线层。布线层均可具有单层结构或叠层结构。
在本实施方案中，布线层840a、 840b、 840c和840d作为嵌入布线层来形成，以便填充层间绝缘层827中形成的接触孔。通过形成具 有足够厚度以填充接触孔的导电膜，并且通过去除导电膜的不必要部 分，使得留下导电膜仅保留在接触孔部分，来形成作为嵌入布线层的 布线层840a、 840b、 840c和840d。
通过上述步骤，可使用接合到支承村底100的单晶半导体层112 的元件区806来形成n沟道场效应晶体管832，并且可类似地使用元 件区805来形成p沟道场效应晶体管831(参见图20E)。注意，在本实 施方案中，n沟道场效应晶体管832和p沟道场效应晶体管831通过 布线层841b相互电连接。
虽然在实施方案5至7中描述了 p沟道晶体管和n沟道晶体管的 每个具有充当栅极的单个电极的情况，但是，本发明并不局限于这些 结构。按照本发明所制造的晶体管具有多栅结构，其中提供了充当栅 极的多个电极并且相互电连接。例如，晶体管可具有其中形成两个沟 道形成区的双栅结构或者其中形成三个沟道形成区的三栅结构。另 外，晶体管可具有栅平面结构。
注意，通过切割单晶半导体衬底来获得本发明的半导体衬底中包
含的半导体层；因此它的取向没有改变。因此，如实施方案5至7中
所述，可以使采用本发明的半导体衬底所制造的多个之间的例如阈值 电压和迁移率等电气特性的变化很小。另外，几乎不存在晶粒边界， 可抑制因晶粒边界引起的晶体管的泄漏电流，并且可实现半导体器件 的功率节省。因此可制造极可靠的半导体器件。
在从通过激光晶化所得到的多晶硅半导体膜制造晶体管的情况下，需要考虑激光束扫描方向来确定晶体管的半导体膜的布局，以便 获得高迁移率。但是，在使用本发明的半导体衬底的情况下，无需这 种布局确定，并且在设计实施方案5至7等半导体器件时存在更少限制。
如实施方案5至7中所述，可在半导体衬底中同时形成n沟道和 p沟道晶体管。因此，可使用这些晶体管来形成各种电路。例如，可 通过n沟道晶体管和p沟道晶体管的补充组合，来形成具有CMOS结 构的电，各。
在具有CMOS结构的这个电路之上进一步堆叠布线、元件时，可 制造各种半导体器件、如微处理器。注意，微处理器具有算术逻辑单 元(又称作ALU)、 ALU控制器、指令解码器、中断控制器、时序控制 器、寄存器、寄存器控制器、总线接口(总线I/F)、只读存储器和存储 器接口(ROMI/F)。
当采用包括CMOS结构的集成电路来形成微处理器时，不仅可实 现处理速度的提高，而且可实现功耗的降低。
通过组合使用根据本发明的半导体村底来制造的多个晶体管，可 制造各种半导体器件。下面在实施方案8至11中，将描述具有包括 晶体管、电容器等的电路的半导体器件。
(实施方案8)
在本实施方案中，将微处理器作为半导体器件的一个示例来描 述。图21是示出微处理器2000的结构的一个示例的框图。
微处理器2000具有算术逻辑单元(又称作ALU)2001 、 ALU控制 器20Q2、指令解码器2003、中断控制器2004、时序控制器2005、寄存器2006、寄存器控制器2007、总线接口(总线I/F)2008、只读存储 器2009和ROM接口 2010。
通过总线接口 2008输入到微处理器2000的指令被输入到指令解 码器2003，在其中被解码，然后被输入到ALU控制器2002、中断控 制器2004、寄存器控制器2007和时序控制器2005。ALU控制器2002、 中断控制器2004、寄存器控制器2007和时序控制器2005根据解码指 令来进行各种控制。
ALU控制器2002产生用于控制ALU 2001的操作的信号。中断 控制器2004是在微处理器2000正执行程序时处理来自外部输/v/输出 装置或外围电路的中断请求的电路，并且中断控制器2004根据其优 先级或屏蔽状态来处理中断请求。寄存器控制器2007产生寄存器2006 的地址，以及按照微处理器2000的状态从寄存器2006中读取数据并 向寄存器2006写入数据。时序控制器2005产生用于控制ALU 2001 、 ALU控制器2002、指令解码器2003、中断控制器2004和寄存器控制 器2007的操作的时序的信号。例如，时序控制器2005配备了用于根 据参考时钟信号CLK1来产生内部时钟信号(CLK2)的内部时钟发生 器。如图21所示，将内部时钟信号CLK2输入到其它电路。
(实施方案9)
在本实施方案中，描述具有计算功能以及用于无接触数据传输和 接收的功能的半导体器件的一个示例。图22是示出这样一种半导体 器件的结构的一个示例的框图。图22所示的半导体器件2020充当算 术处理单元，它进行运行以便通过无线通信向外部装置发送信号并从 外部装置接收信号。
复位电路2036产生用于重置和初始化数字电路部分2022的信 号。例如，复位电路2036产生在电源电压上升之后以延迟上升的信 号，作为复位信号。振荡器电路2037响应恒压电路2032所产生的控 制信号而改变时钟信号的频率和占空比。解调器电路2034是对接收 信号进行解调的电路，而调制器电路2035是调制待发送数据的电路。
时钟控制器2043按照电源电压或者中央处理器2045的消耗电流 来产生用于改变时钟信号的频率和占空比的控制信号。电源电压由电 源控制电路2038进行管理。
从天线2023到半导体器件2020的信号输入由解调器电路2034进行解调，然后由RF接口 2041分解为控制命令、数据等。控制命令 存储在控制寄存器2042中。控制命令包括读取只读存储器2047中存 储的数据、将数据写入随机存取存储器2046、将算术指令写入中央处 理器2045等。
首先，参照图23至图25来描述本实施方案的显示装置的结构。 在本实施方案中，将有源矩阵显示装置描述为显示装置。
图23是示出本实施方案的有源矩阵显示装置的结构的一个示例 的框图。本实施方案的有源矩阵显示装置具有像素部分2100、信号线 驱动器电路2101 、扫描线驱动器电路2102、与信号线驱动器电路2101 连接的多个信号线2103以及与扫描线驱动器电路2102连接的多个扫 描线2104。
多个信号线2103以列方向来设置，而多个扫描线2104以行方向 来设置，以与信号线2103相交叉。在像素部分2100中，多个像素2105 以与信号线2103和扫描线2104所形成的网格对应的网格来设置。像 素2105与信号线2103和扫描线2104连接。像素2105各包括开关元 件和显示元件。开关元件根据输入到扫描线2104的信号来控制是否 选择该像素。根据从信号线2103输入的视频信号来控制显示元件的
灰度级。
参照图24和图25来描述像素2105的结构的示例。图24示出当 本发明应用于有源矩阵液晶显示装置时的像素2105的结构的一个示 例。像素2105具有作为开关元件的开关晶体管2111,并且具有作为 显示元件的液晶元件2112。开关晶体管2111的栅极与扫描线2104连 接；晶体管的源极和漏极之一与信号线2103连接；而其中的另一个 与液晶元件2112连接。
液晶元件2112包括像素电极、对电极和液晶。釆用施加在像素 电极与对电极之间的电场来控制液晶的取向。液晶封装在有源矩阵液 晶显示装置的两个衬底之间。存储电容器2113是用于保持液晶元件 2112的像素电极的电势的元件，并且与液晶元件2112的像素电极连 接。
图25示出当本发明应用于有源矩阵电致发光显示装置时的像素 2105的结构的一个示例。像素2105具有作为开关元件的选择晶体管 2121，并且具有作为显示元件的发光元件2122。此外，像素2105具 有显示控制晶体管2123,它的栅极与选择晶体管2121连接。发光元 件2122具有电极对以及插在该电极对之间的发光材料。
随后，描述使用本发明的半导体衬底来制造显示装置的电路布局方法。图26是简图，示出通过实施方案l(参见图2)的制造方法来制 造的半导体衬底20的主要部分。各包含在显示装置吉的多个衬底可 由半导体衬底20来制造。图26示出用于由一个单晶半导体层112来 制造一个显示装置的电路布局示例。在每个单晶半导体层112中，形 成一个显示面板形成区域2129。显示装置具有像素部分2100、信号 线驱动器电路2101和扫描线驱动器电路2102。因此，各显示面板形 成区域2129具有形成它们(像素形成区域2130、信号线驱动器电路形 成区域2131和扫描线驱动器电路形成区域2132)的区域。
注意， 一个单晶半导体层112可提供有多个显示面板形成区域 2129。此外，用于制造显示装置的半导体村底并不局限于半导体衬底 20，而是还可使用本发明的另外的半导体衬底。
图27A和图27B是示出液晶显示装置的结构的一个示例的简图。 图27A示出液晶显示装置的像素的平面图，而图27B示出沿截线J-K 的图27A的简图的截面视图。如图27A所示，像素包括半导体层 2201;穿过半导体层2201的扫描线2202;穿过扫描线2202的信号线 2203;像素电极2204;以及电连接像素电极2204和半导体层2201的 电极2205。半导体层2201是由接合到SOI衬底的半导体层2201所形 成的层，并且形成像素的晶体管2206。
如图27B所示，第二绝缘层114、包括第一绝缘层113b和第一绝 缘层113a的第一绝缘层113以及半导体层2201堆叠在衬底2200之上。 通过划分支承村底100来获得衬底2200。半导体层2201是通过经由 蚀刻的单晶半导体层112的元件隔离所形成的层。在半导体层2201 中，形成沟道形成区域2210和n型高浓度杂质区2211。晶体管2206 的栅电极2212包含在扫描线2202中。晶体管2206的源电极和漏电 极其中之一包含在信号线2203中，而另一个由电极2205来形成。在 半导体层2201与栅电极2212之间，形成栅绝缘层2213。
形成层间绝缘膜2214以覆盖半导体层2201、栅绝缘层2213和扫 描线2202。在层间绝缘膜2214之上，提供信号线2203、像素电极2204 和电极2205。此外，在层间绝缘膜2214之上，形成柱形隔离件2215。 形成取向膜2216以覆盖信号线2203、像素电极2204、电极2205和 柱形隔离件2215。在对置衬底2220之上，形成对电极2221以及覆盖 对电极2221的取向膜2222。形成柱形隔离件2215,以保持衬底2200 与对置村底2220之间的空间。在柱形隔离件2215所形成的空间中， 形成液晶层2223。在信号线2203和电极2205与高浓度杂质区2211 的连接部分，由于因形成接触孔而在层间绝缘膜2214中形成的台阶， 这些连接部分的液晶层2223中的液晶的取向容易变得无序。因此， 在这些连接部分形成的柱形隔离件2215可防止液晶取向的无序。
接着，描述电致发光显示装置(以下称作"EL显示装置")。图28A 和图28B是用于说明通过实施方案3的方法来制造的EL显示装置的 筒图。图28A示出EL显示装置的像素的平面图，而图28B示出该像 素的截面视图。如图28A所示，像素包括在衬底2400之上形成的选 择晶体管2401、显示控制晶体管2402、扫描线2403、信号线2404、 电流馈给线2405和像素电极2406。各像素提供有发光元件，它具有 在电极对之间插入了包含电致发光材料的层(EL层)的结构。发光元件 的电极之一是像素电极2406。
选择晶体管2401包括从单晶半导体层112所形成的半导体层 2408。在选择晶体管2401中，栅电极包含在扫描线2403中，两个电 极中充当源电极和漏电极的电极包含在信号线2404中，而另一电极 则作为电极2409来形成。在显示控制晶体管2402中，栅电极2410 与电极2409电连接，以及充当源电极和漏电极的两个电极之一作为 与像素电极2406电连接的电极2411来形成，而另一个包含在电流馈 给线2405中。
显示控制晶体管2402是p沟道晶体管，并且包括从单晶半导体 层112所形成的半导体层2412。如图28B所示，在半导体层2412中， 形成沟道形成区域2413和p型高浓度杂质区2414。半导体层2412与 栅电极2410之间的绝缘层2415形成选择晶体管2401和显示控制晶 体管2402的栅绝缘层。
形成层间绝缘膜2417，以便覆盖半导体层2408和2411、扫描线 2403以及显示控制晶体管2402的栅电极2410。在层间绝缘膜2417 之上，形成信号线2404、电流馈给线2405、电极2409和2411等。 此外，在层间绝缘膜2417之上，形成与电极2411电连接的像素电极 2406。像素电极2406的周围部分由绝缘分割层2418围绕。在像素电 极2406之上形成EL层2419,并且在EL层2419之上形成对电极2420 。 对置村底2421作为加固板来提供，并用树脂层2422将对置衬底2421 固定于衬底2400。衬底2400对应于支承衬底100。
像素电极2406、 EL层2419和对电极2420构成发光元件2122的 一部分(参见图25)。像素电极2406和对电极2420其中之一充当阳极， 而另一个则充当阴极。按照如何提取发光元件的发光，将EL显示装 置分为三种结构(1)通过村底2400来提取来自发光元件的光线的结 构(又称作底部发射结构)，(2)从与支承衬底IOO侧相对的一侧发出光 的结构(又称作顶部发射结构)，以及(3)通过衬底2400发出光以及从 与衬底2400相对的一侧发出光(又称作双发射结构)。本实施方案的 EL显示装置可具有这三种结构的任一种。
在底部发射结构的情况下，优选的是，像素电极2406是透光电 极，而对电极2420是反射电极。另一方面，在顶部发射结构的情况 下，优选的是，像素电极2406是反射电极，而对电极2420是透光电 极。在双发射结构的情况下，优选的是，像素电极2406和对电极2420的每个是透光电极。
作为导电高分子化合物，可使用所谓的71电子共轭导电高分子化
合物。实例包括聚苯胺及其衍生物；聚吡咯及其衍生物；聚噻吩及 其衍生物；两种以上种那些材料的共聚物；等等。
共轭导电高分子化合物的具体示例如下所示共轭导电高分子化 合物的具体示例如下所示聚吡咯；聚(3-甲基吡咯)；聚(3-丁基吡咯); 聚(3-辛基吡咯)；聚(3-癸基吡咯)；聚(3- 二曱基吡 咯)(poly(3-dimethylpyrrole));聚(3，4-二丁基吡咯)；聚(3-羟基吡咯)；聚 (3-曱基-4-羟基吡咯)；聚(3-甲氧基吡咯)；聚(3-乙氧基吡咯)；聚(3-辛 氧基吡咯)；聚(3-羧基吡咯)；聚(3-甲基-4-羧基吡咯)；聚(N-曱基吡咯);聚噻吩；聚(3-曱基噻吩)；聚(3-丁基噻吩)；聚(3-辛基漆吩)；聚(3-癸基 噻吩)；聚(3-十二烷基噻。分)；聚(3-曱氧基噻吟)；聚(3-乙氧基噻哈)；聚 (3-辛氧基噻吩)；聚(3-羧基噻吩)；聚(3-甲基-4-錄噱吩)；聚(3,4-亚乙 二氧基噻吩)；聚苯胺；聚(2-曱基苯胺)；聚(2-辛基苯胺)；聚(2-异丁基 苯胺)；聚(3-异丁基苯胺)；聚(2-苯胺磺酸)；聚(3-苯胺磺酸)；等等。
施体掺杂剂的示例包括碱金属、碱土金属、四胺化合物等。
备选的方式是，可通过湿式方法、使用溶解于水或有机溶剂(例如 乙醇基溶剂、酮基溶剂、酯基溶剂、烃基溶剂或者芳基溶剂)的导电合 成物来形成充当透光电极的薄膜。
导电合成物溶解于以上所述的溶剂，然后通过例如涂敷法、涂层 法、微滴排放法(又称作喷墨法)或印刷法等湿式方法在层间绝缘膜 2417之上形成其薄膜，由此可得到像素电极2406。溶剂可通过热处 理进行干燥，或者可通过降压进行干燥。另外，当有机树脂是热固树 脂时，可执行热处理，而当有机树脂是可光致固化树脂，则可执行光 辐射处理。
可按照以下方式来形成分割层2418:通过CVD方法、賊射方法、涂敷法等，在村底的整个表面之上形成绝缘层，然后有选择地蚀刻该 绝缘层。备选的方式是，可通过微滴排放法、印刷法等，有选择地形
成分割膜2418。还备选的方式是，可按照以下方式将分割层2418形 成为预期形状绝缘层使用正光敏树脂在整个表面上形成，然后^f皮曝 光和显影。
作为EL层2419,至少形成发光层，并且除了发光层之外，还可 适当地形成空穴注入层、空穴传输层、电子传输层或电子注入层。可 通过例如喷墨法等涂敷法或者汽化方法来形成EL层。
然后，将对置衬底2421设置成面对置衬底2400(参见图28B)。对 置衬底2421与对电极2420之间的空间可提供有树脂层2422或者可 采用惰性气体来填充。注意，可形成保护层以覆盖对电极2420。
通过上述步骤，完成本实施方案的EL显示装置。
通过使用本发明的半导体村底来制造包括晶体管的显示装置，可 采用单晶半导体层112来形成沟道形成区域。因此，与包括其沟道形
成区域由多晶硅所形成的晶体管的显示装置相比，可减小像素之间的 晶体管的电气特性(例如阈值电压值)的变化。因此，可抑制显示装置 的显示不匀性。
注意，对于本实施方案的显示装置中使用的晶体管的结构不存在 具体限制。例如，可使用具有实施方案5至7所述结构的晶体管的任一个。
本实施方案可与本说明书中所述的其它实施方案的任一个适当 地组合。
(实施方案11)
可使用半导体衬底10来制造大量电子装置。电子装置的示例包 括相机，例如摄像机和数码相机；导航系统；声音再现系统(汽车音 响系统、音频组件等)；计算机；游戏机；移动信息终端(移动计算机、 移动电话、移动游戏机、电子书籍阅读器等)；显示图像数据的显示装 置，例如配备了记录介质的图像再现装置(具体来说是数字多功能光盘 (DVD》；等等。
在本实施方案中，参照图29A至图29C和图30A至图30C来描 述电子装置的具体^^莫式。图29A示出移动电话1901的一个示例的外 部视图。移动电话1901具有包括显示部分1902、梯:作开关1903等的 结构。通过将采用图27A和图27B所述的液晶显示装置或者采用图 28A和图28B所述的EL显示装置应用于显示部分1902，显示部分 1902可以以极小的显示不匀性来显示高质量图像。
图29B示出数字播放器1911的结构的一个示例的外部视图。数 字播放器1911包括显示部分1912、操作部分1913、耳塞1914等。 取代耳塞，也可使用耳机或无线耳塞。通过将采用图27A和图27B所 述的液晶显示装置或者采用图28A和图28B所述的EL显示装置应用 于显示部分1912，甚至在屏幕尺寸大约为0.3英寸至2英寸的情况下， 也可显示高清晰图像和大量文本信息。
图29C示出电子书籍阅读器1921的外部视图。电子书籍阅读器 1921包括显示部分1922和操作开关1923。可将调制解调器结合在电 子书籍阅读器1921中，或者可结合图21中的半导体器件，使得电子 书籍阅读器1921具有可无线发送和接收信息的结构。通过将采用图 27A和图27B所述的液晶显示装置或者图28A和图28B中所述的EL 显示装置应用于显示部分1922，可显示高质量图像。
图30A至图30C示出应用了本发明的移动电话1800的结构的一 个示例。图30A示出正视图；图30B示出后视图；以及图30C示出 展开视图。移动电话1800是所谓的智能电话，它具有作为移动电话 的功能以及作为便携信息终端的功能，并且结合被提供以便进行除语 音呼叫之外的各种数据处理的计算机。移动电话1800具有内置相机，
用以拍摄静止图像和运动图像。
显示部分1805根据使用^t式适当地改变显示的方向。由于相机 镜头1810设置在与显示部分1805相同的平面，所述移动电话可用作 可视电话。可采用相机镜头1817和灯1818、通过使用显示部分1805 作为取景器来拍摄静止图像和运动图像。喇"八1806和话筒1807可用 于使用视频呼叫、记录、回放等，而并不局限于语音呼叫。通过使用 操作按键1808,入局和出局呼叫的操作、电子邮件等的简单信息输入、 屏幕的巻动、光标运动等是可能的。另外，通过滑动使装配成相互重 叠的壳体1801和1802(图30A)展开，如图30C所示。在展开状态中，移动电话1800可用作便携信息终端。在这种状态中，可通过使用键 盘1815或指针装置1809来进行平滑操作。外部连接端子1811可与 AC适配器以及例如USB缆线等各种类型的缆线连接，并且充电以及 与个人计算机的数据通信等是可能的。另外，可将存储介质插入外部 存储器插槽1816，使得大量数据可^皮存储并且可^f皮移动。
另外，除了上述功能之外，移动电话还可具有红外通信功能、电 视接收功能等。 [实施例1]
本发明人已经证实，通过采用激光束122进行照射，来熔融单晶 半导体层117。本发明人还证实，通过采用激光束进行照射，可将单 晶半导体层的结晶度复原到与该工艺之前的单晶半导体衬底相同的 程度。另外，本发明人已经证实，单晶半导体层117的表面的平面化 可以是可能的。
在此实施例中，描述了 一种用于制造包括单晶半导体硅层所固定 到的玻璃衬底的半导体衬底的方法。
首先描述一种用于制造本实施方案的半导体村底的方法。图31 示出在此实施例中制造的半导体衬底11的叠层结构的截面视图。通 过图4A至图4E的步骤来制造半导体衬底11。将单晶硅层201隔着 包括薄膜202至204的緩冲层111固定到玻璃衬底200。
为了制造半导体衬底11，单晶硅晶圓用作单晶半导体村底110。 单晶硅晶圆是在各边具有5英寸大小的正方形衬底。导电类型是p型， 并且电阻率大约为10欧姆'厘米。此外，其主表面上的晶体取向为 (100),而其侧表面上的晶体取向为<110〉。作为支撑衬底100的玻璃衬底200是厚度为0.7毫米的无碱玻璃村底(产品名称ANIOO)。
作为第一绝缘层113，通过PECVD方法来形成具有包括厚度为 50纳米的氧氮化硅膜202以及厚度为50纳米的氧化氮化硅膜203的 两层结构的绝缘膜。用于氧氮化硅膜202的工艺气体是SiH4和N20, 并且流量比是SiKAN2O4W00。薄膜形成步骤中的衬底温度为400°C。 用于氧化氮化硅膜203的工艺气体是SiH4、 NH3、 N20和H2，并且流 量比是SiH4\NH3\N2O\H2=10\100\20\400。薄膜形成步骤中的衬底温度 为350。C。
为了在单晶硅晶圆中形成损伤区，通过使用离子掺杂设备，将氢 离子加入单晶硅晶圆。100%氢气用作源气体，并且采用通过激发氢气
所产生并通过电场被加速的且没有任何质量分离的等离子体中的离
子来照射单晶硅晶圆。因此，形成损伤区115。在下列条件下进行这 种掺杂电源输出为100瓦；加速电压为40千伏；以及剂量为2.0><1016 离子/平方厘米或者2.2x1016离子/平方厘米。
在离子掺杂设备中，当激发氢气时，产生三种离子种类pt、 h2+ 和H3+，并且所有离子种类被加速，用以照射单晶硅晶圓。从氢气中 产生的离子种类的大约80%是&+。在这些掺杂条件下，从单晶硅晶 圓分离出厚度大约为100纳米至120纳米的单晶硅层。
在玻璃衬底200以及提供有薄膜202至204的单晶硅晶圆经过在 纯水中超声清洁、然后釆用包含臭氧的純水进行清洁之后，进行接合 步骤。为了在损伤区115中产生分裂，在扩散炉中进行加热到600。C。 因此，单晶硅晶圓被分裂，并且单晶硅层201与单晶硅晶圆分离。
在形成损伤区115之后，通过PECVD方法在单晶硅晶圆之上形成氧化硅膜204作为第二绝缘层114。用于形成氧化硅膜204的工艺 气体是TEOS和02，并且流量比是TEOS\O2=15\750。薄膜形成步骤 中的衬底温度为300°C。
半导体衬底11的緩冲层的厚度如下所述。
-氧氮化硅膜202: 50纳米
画氧化氮化硅膜203: 50纳米
画氧化硅膜204: 50纳米
在玻璃村底200以及提供有薄膜202至204的单晶硅晶圓经过在 纯水中超声清洁、然后采用包含臭氧的纯水进行清洁之后，使玻璃衬 底200的表面以及在单晶硅晶圆的表面之上形成的氧化硅膜204设置 成相互接触并且相互接合(参见图4D)。随后，为了沿损伤区115产生 分裂，热处理在加热炉中以200。C进行2个小时，以便增加玻璃衬底 200与氧化硅膜204之间的接合强度。在加热炉中以600°C连续进行 加热4个小时。因此，单晶硅晶圓被分裂，并且单晶硅层201与单晶 硅晶圓分离。
随后，在为进行激光照射工序而用纯水清洁了单晶硅层201在其 上固定的玻璃村底200之后，采用IOO倍稀释氢氟酸来处理单晶硅层 201，以便去除表面上所形成的自然氧化膜。然后，采用激光束来照 射单晶硅层201 。作为激光器，使用以308纳米的波长发出射束的XeCl 准分子激光器。激光束的脉冲宽度为25纳秒，并且重复率为30赫兹。
通过光学系统，采集激光束，使得它在照射表面上具有线形光束 形状，并且在宽度方向(光束形状的短轴方向)进行采用激光束的扫描。 半导体衬底11设置在激光照射设备的工件台上，并通过移动工件台、 采用射束来扫描。例如，束宽为350微米，并且扫描速率为1.0毫米/秒。
在激光扫描步骤中，加热单晶硅层201。通过采用设置在工件台 中的加热器加热激光照射设备的工件台，来进行这种加热。工件台温 度为250°C和500。C。此外，还进行激光照射工序而没有采用工件台 进行加热。注意，当工件台温度为250°C时，单晶硅层201的温度增 加到230。C，而在500。C时，单晶硅层201的温度增加到420°C。此 外，工件台温度和单晶硅层201的温度在没有进行采用工件台进行加 热时各称作室温。
在此实施例中，描述了通过采用激光束进行照射来熔融固定到支 撑衬底的单晶半导体层。
采用激光束来照射半导体衬底11的单晶硅层201，并且通过光谱 法来测量单晶硅层201的熔融时间。具体来说，釆用探测光来照射单 晶硅层201中釆用激光束所照射的区域，并且测量其反射光的强度的 变化。从反射光的强度可以确定单晶硅层201是处于固相状态还是处 于液相状态。在硅从固相状态变成液相状态时，它的折射率急剧增加， 并且它对于可见光的反射率急剧增加。因此，具有可见光范围的波长 的激光束用作探测光，并且测量探测光的反射光的强度的变化。因此， 可检测单晶硅层从固相到液相的相变以及从液相到固相的相变。
首先，参照图32来描述用于测量的激光照射设备的结构。图32 是说明用于测量的激光照射设备的结构的附图。激光照射设备包括 激光器321，发出用于半导体衬底319的激光照射工序的激光束320; 激光器351,发出探测光350;以及腔室324,配备了放置半导体衬底 319的工件台323。
提供工件台323，使得工件台323可在腔室324内部移动。箭头 325是示出工件台323的运动方向的箭头。工件台323配备了加热器。 通过加热工件台，来加热放置在工件台上的半导体村底319。
由石英形成的窗口 326至328设置在腔室324的壁上。窗口 326 是通过其中将激光束320导入腔室324的窗口。窗口 327是通过其中 将探测光350导入腔室324的窗口，而窗口 328是通过其中将半导体 村底319所反射的探测光350导向腔室324的外部的窗口。在图32 中，半导体衬底319所反射的探测光350由附图标记360表示。
为了控制腔室324内部的气氛，腔室324配备了与气体供应装置 连接的气体供应端口 329以及与排气系统耦合的排气端口 330。
从激光器321所发出的激光束320由半反射镜332反射，并由包 括透镜等的光学系统333会聚成线形形状。离开光学系统333的激光 束320通过窗口 326,并被传送到工件台323之上的半导体衬底319。 光电检测器334设置在半反射镜332的传输侧。从激光器所发出的激 光束320的强度的变化由光电检测器334来检测。
从激光器351所发出的探测光350由反射镜352反射，并且通过 窗口 327传送到半导体衬底319。采用探测光350来照射用激光束320 照射的区域。由半导体衬底319所反射的探测光360通过窗口 328和 光纤353,并由包括准直仪透镜的准直仪354转换成准直光束，然后 进入光电检测器355。探测光360的强度的变化由光电检测器355来 检测。换言之，可检测单晶硅层201中采用激光束320来照射的区域 所反射的探测光360的强度；因此，可检测用激光束320照射的区域 对于探测光350的反射随时间的变化。
光电检测器334和355的输出与示波器356连接。输入到示波器 356的光电检测器334的输出信号的电压值(信号的强度)对应于激光 束320的强度，而输入到示波器356的光电检测器355的输出信号的 电压值(信号的强度)对应于探测光360的强度。
图33A示出平面图，说明在单晶硅层201的表面上、用激光束 320照射的区域与釆用探测光350所照射的区域之间的关系。图33B 示出沿图33A的线条Y-Z所截取的截面视图。
在图33B中，附图标记210表示用激光束320照射的面积，它是 在激光束320的宽度方向(短轴方向)的照射面积。下文中，这个面积 称作激光束照射面积210。附图标记211表示采用探测光350所照射 的面积。下文中，这个面积称作探测光照射面积211。附图标记212 表示激光束320沿宽度方向(短轴方向)的光束分布。下文中，这个分 布称作光束分布212。
图34A和图34B是示波器356的信号波形的照片，它们示出测量 结果。在图34A和图34B中，下信号波形是光电检测器334的输出信 号波形，并且示出激光束320的强度的变化。图34A示出工件台温度 为500。C时的波形，而图34B示出工件台温度为室温时的波形。
在图34A和图34B中，上信号波形是光电检测器355的输出信号 波形，并且示出单晶硅层所反射的探测光360的强度的变化。垂直轴 表示信号强度，而水平轴表示时间，水平轴上的每个标记间隔为100 纳秒。
在此实施例中，为了确保激光照射工序所产生的效果，在激光照射工序之前，对单晶硅层201测量以获得图34A和图34B的数据，并 且单晶硅层201厚度为100纳米。
用于测量的激光器是以308纳米的波长发出射束的XeCl准分子 激光器。脉冲宽度为25纳秒，并且重复率为30赫兹。通过光学系统 333来采集激光束320,使得它在照射表面上具有350微米宽以及126 毫米长的线形光束形状。
当工件台温度为室温或者在500°C时，激光束320的能量密度为 539 mJ/cm2,并且采用激光束320的一次发射来照射单晶硅层201。 注意，在图34A和图34B中，可在所检测输出信号中观察到两个与激 光束320对应的峰值。这取决于用于测量的激光器321的规格。
作为用于发出探测光的激光器351，使用Nd:YV04激光器，并且 作为激光器的二次谐波的532纳米的光束用作探测光350。
此外，从气体供应端口 329提供氮气，以便将腔室324的气氛改
变为氮气氛。
参照图35来描述探测光360的强度的变化以及单晶硅层的相的 变化。图35是曲线图，示意示出图34A和图34B的照片所示的光电 检测器355的输出信号波形。垂直轴表示信号强度，水平轴表示时间。
信号强度在时间tl迅速增加，并且可以认为，在时间tl，单晶硅 层201开始熔融。从时间t2到时间t3的时间段是保持熔融状态的时 间段，因为信号强度保持为高。此外，从时间tl到时间t2的时间段 是单晶硅层的熔融部分的深度增加的时间段，并且可看作是熔融时间段。
在时间t3之后，信号强度迅速减小，并且在时间t4以及之后， 信号强度低。因此，可以认为，熔融区域完全凝固，并且在时间t4以 及之后处于固相状态。注意，在时间t4以及以后的信号强度Ib高于在 时间tl以及之前的信号强度Ia,这意味着，在时间t4以及以后的温度 高于进行采用激光束320的照射之前的温度。因此，可以认为，例如 位错等晶体缺陷复原甚至在时间t4后、在用激光束1320照射的区域 中也继续进行，因为该区域逐渐冷却。
作为比较图34A和图34B的信号波形的结果，可以看到，保持熔 融状态的熔融时间可通过加热来延长。当工件台温度为500°C时，熔 融时间大约为250纳秒，在室温时，大约为100纳秒。
如上所述，通过检测激光束照射部分的反射光的强度的变化，证实了通过采用激光照射工序来熔融固定到支撑衬底的单晶半导体层。
注意，虽然在从时间t2到时间t3的时间段中，信号强度保持为 高，但是，显示图34A和图34B的信号波形各在该时间段内以两个阶 段衰减。原因不是很清楚；但是，可以认为， 一种可能的原因在于， 检测到经过不同相变的多个区域所反射的探测光360,因为用探测光 350来照射比用激光束320照射的面积更宽的面积，如图33A所示。 以下，参照图33B来描述这种情况。
如图33B所示，探测光照射面积211包括三个区域，采用具有不 同量的能量的激光束320来对它们进行照射。
首先是激光束照射面积210外部的并且没有采用激光束来照射的 区域。这个区域以下称作区域211a。其次是激光束照射面积210内部 的并且采用激光束320在光束分布212的尾部的部分来照射的区域。 这个区域以下称作区域211b。第三是采用激光束320在光束分布212 的平坦顶部的部分来照射的区域。这个区域以下称作区域211c。因此， 光电检测器355接收探测光360,其中由区域211a、区域211b和区域 211c反射的光线相互重叠。
可以认为，区域211a没有经过相变并不改变它对探测光350的反 射，因为没有采用激光束320对它进行照射。因此，区域211a充当光 电检测器355的检测信号的背景；因而区域211a对于检测信号的强度 的变化几乎不具有作用。
另一方面，区域211b^L激光束320的具有比区域211c更低的能 量密度的部分照射，并且具有能量密度的不均匀分布。因此，可认为 区域211b的温度的增加小于区域211c，并且区域211b的熔融时间比区域211c更短。也就是说，被熔融的区域211b开始凝固的时刻是在 区域211 c开始凝固的时刻之前。
在此实施例中，测量没有经过激光照射工序的单晶硅层201以及 经过激光照射工序的单晶硅层201的表面的电子反散射衍射图 (EBSP)。图36A至图3GD是从测量数据得到的反极图(IPF)。
图36A示出激光照射工序之前的单晶硅层的数据。图36B和图 36C分别示出激光照射工序之后的单晶硅层的数据，它们是分别在 500。C和250。C的工件台温度下进行加热的同时、在氮气氛中釆用激 光束进行照射之后的单晶硅层201的数据。图36D示出在室温下没有 被加热地在氮气氛中采用激光束进行照射之后的单晶硅层201的数 据。
图36E是彩色编码图，示出IPF图的颜色与晶体取向之间的关系， 其中各晶体平面的取向经过彩色编码。
根据图36A至图36D的IPF图，单晶硅层201的晶体取向在激光 束照射之前或者之后均未无序，并且单晶硅层201的表面的面取向为(100),它与单晶硅晶圆的面取向相同。此外，可以看到，在激光束照
射之前或者之后，在单晶硅层201中都不存在晶粒边界。这可以根据 以下事实得到证实图36A至图36D的IPF图是表示图36E的彩色 编码图中的(100)平面的颜色(彩色图像中为红色)的单色方图像 (monochromatic square images )。
因此，通过EBSP测量得到证实，从其主表面沿(100)面取向的单 晶硅晶圆来形成其主表面沿(100)面取向的单晶硅层，并且通过经由激 光束照射来熔融上述单晶硅层所得到的单晶硅层也具有沿(100)面取 向的主表面。
注意，图36A至图36D的IPF图中存在的点示出具有低CI值的 部分。CI值是指数值，表明用以确定晶体取向的数据的可靠性和精度。 当存在晶粒边界、晶体缺陷等时，CI值减小。换言之，当具有低CI 值的部分的数量变得较小时，可将晶体结构评估为具有较高完整性， 并且可将结晶度评估为较高。具有低CI值的部分的数量在已经采用 激光束所照射的单晶硅层201的IPF图中比在没有采用激光束所照射 的单晶硅层201的IPF图中更小。因此，从EBSP测量可以看到，单 晶硅层201中的晶体缺陷以及例如悬空键等微缺陷通过激光束照射来复原。
注意，图36B至图36D的单晶硅层201的激光照射工序的条件如 下所述激光束在照射表面上具有350微米宽以及126毫米长的线形 光束形状，并且激光束的扫描速率为1.0毫米/秒。通过根据射束宽度 和扫描速率的计算，用以照射单晶硅层201的相同区域的激光束的发 射次数为10.5。当工件台温度为500。C时，激光束的能量密度为513 mJ/cm2;在250°C时为567 mJ/cm2;以及在室温时为648 mJ/cm2。在此实施例中，采用扫描透射电子显微镜(STEM)来观察激光照射 工序之后的半导体衬底11以及激光照射工序之后的半导体衬底11的
才黄截面。
如图37A所示，在激光束照射之前，在单晶硅层201中没有观察 到晶粒边界。此外，如图37B和图37C所示，在激光束照射之后，在 单晶硅层201中也不存在晶粒边界。因此，可以证实，由激光束通过 激光照射工序所熔融的部分凝固成单晶结构。
如上所述，通过测量电子反散射衍射图以及釆用扫描透射电子显微镜来观察截面结构，证实了通过激光照射工序所熔融的单晶硅层经 过再单晶化。
在实施例2中，描述了通过采用激光照射工序来熔融单晶硅层 201。在此实施例中，描述了改进熔融的单晶半导体层的结晶度。在 本实施方案中，进行拉曼光谱法以评估激光照射工序之后的单晶硅层 的结晶度。
图38是示出相对于能量密度的激光束的拉曼位移的变化。图39 是曲线图，示出拉曼光谱的半最大值处的全宽度(F WHM)相对于激光 束的能量强度的变化。示出当激光照射期间工件台温度为500°C、 250°C和室温时得到的数据。进行激光照射工序，使得光束的扫描速 率为1.0毫米/秒，并且采用10次光束发射来照射相同区域。重叠百 分比大约为90%。条件如下所述。注意，单晶硅层201的厚度为100 纳米。
图38所示的拉曼位移的峰值波数(又称作峰值)是通过晶格中发生 的振动才莫式所确定的值，并且是取决于晶体种类的特定值。没有任何 内应力的单晶硅的拉曼位移为520.6 cm —]。如果拉曼位移更接近这个 波数，则可以确定，晶体结构更接近单晶，并且结晶度较高。注意， 在将压应力施加到单晶时，晶格间距缩短；因此，峰值波数与压应力 量成比例地移动到较高波数侧。同时，在施加拉应力时，峰值波数与 拉应力量成比例地移动到较低波数侧。
因此，只根据拉曼位移的峰值波数为520.6 cm^的事实并不足以 确定硅层是否为单晶。单晶表示一种晶体，在其中在聚焦某个晶轴时， 在样本的任何部分该晶轴取向为相同方向，并且在晶体之间没有晶粒边界。因此，需要晶轴取向和晶粒边界的存在的测量，以便确定它是 否具有单晶结构。但是，晶体取向的识别和晶粒边界的检测无法通过
拉曼光谱法来进行。例如，电子反散射衍射方法可用于识别晶体取向
和检测晶粒边界。通过如图36A至图36D所示从EBSP获得IPF图， 可以证实，晶轴(晶体取向)是一致的，并且不存在晶粒边界。
图39所示的较小FWHM指明，晶体状态更一致，其中具有较小 变化。市场销售的单晶硅晶圆的FWHM大约为2.5 cnT1至3.0 cm_1, 它可用作结晶度的指示。FWHM越接近这个值，则结晶度像单晶硅晶 圆那样越均匀。
在图38和图39中，从通过拉曼光谱法进行测量的结果可以看到， 可通过激光照射工序将结晶度复原到与处理之前的单晶硅晶圓相同 或实质上相同的程度。
通过减小照射能量密度，可扩大激光束的光束形状。因此，可增 加激光束的宽度(扫描方向的长度或者短轴方向的长度)，并且因而可 增加激光束的扫描速率。此外，可减小激光束的重叠百分比，并且因 而可增加激光束的扫描速率。因此，可增加扫描速率，并且因而可缩 短激光照射工序所需的循环时间。因此，通过在加热单晶硅层的同时 激光加工单晶硅层，来提高激光照射工序的产量。当进行采用激光束 的扫描时，移动采用激光束所照射的区域。术语"重叠百分比"指的是采用激光束所照射的区域的重叠的百分比。
通过加热单晶硅层来减小复原单晶半导体层的结晶度所需的激 光束的能量密度的一个原因在于，通过加热来增加单晶硅层的熔融时 间，如图34A和图34B中的测量结果所示。另一个原因在于，使具有 熔融部分(液相部分)的单晶硅层^f皮冷却并且完全返回到固相状态需要 更长的时间。
因此，优选的是，加热单晶硅层，使得熔融时间的范围从200納 秒至1000纳秒。因此，优选的是，在范围从400。C至支撑衬底的应 变点的温度下加热单晶硅层。注意，在使熔融状态保持多于1000納 秒的时间段时，支撑村底100的温度可能增加到其应变点或更高，并 且可能熔融支撑村底100。因此，优选的是，熔融时间为1000纳秒或更短。
为了复原已经与单晶半导体衬底分离的单晶半导体层的结晶度，
重要的是熔融单晶硅层。
由于通过以与实施例2相似的方式使用图32的激光照射设备、 在工件台温度为室温并且激光束的能量密度为498 mJ/cn^的条件下， 观察探测光360的反射的强度，在探测光360的反射的强度中没有看 到急剧增加。也就是说，可以i人为，通过在498mJ/cm2、室温下的激 光照射工序，单晶硅层没有被熔融。另一方面，根据图38和图39的 拉曼光谱法的数据，可以认为，通过498 mJ/cm2、室温的条件下的激 光照射工序，单晶硅层201的结晶度没有来复原。 根据以上描迷，重要的是通过激光照射工序来熔融单晶硅层，以 便复原单晶硅层的结晶度。同样重要的是通过激光照射工序来熔融单晶硅层，以便增加平面性。
在实施例2中，描述了通过采用激光照射工序来熔融单晶硅层 201。在此实施例中，描述了使熔融的单晶半导体层的表面平面化。
注意，DFM指的是一种测量模式，其中，在控制探头与样本之间 的距离的同时以给定频率(悬臂特定的频率)共振、使得悬臂的振动幅 度保持恒定的状态中，测量样本的表面形状。在DFM中，样本和悬 臂的表面没有相互接触；因此，测量是可能的，而无需改变样本表面的原始形状，并且无需损伤表面。
图40的测量结果表明以下情况。使通过激光束照射被熔融和再 晶化的单晶硅层201的表面平面化。可使具有不均匀形状的表面的平 均表面粗糙度Ra为3纳米或更小，并且可使均方根平均表面粗糙度 RMS为1纳米至5納米。此外，可使不均匀形状的最大高度差P-V 为130纳米或更小。换言之，激光照射工序的一个有利效果是使单晶 半导体层平面化。
另外，可以看到，在进行加热的同时采用激光束来照射单晶半导 体层时，平面化所需的能量密度可减小。此外，激光束发射的次数(重 叠百分比)以及能量密度可减小。发射次数的减小引起采用激光束的扫 描速率(衬底的移动速度)的增加；因而缩短了处理各衬底的循环时间。 因此，提高了激光照射步骤的生产量。通过延长熔融单晶半导体层的 时间，百分比可减小到大约1/10,并且进一步减小到0%。优选的是， 在采用激光束进行照射时加热单晶半导体层。加热温度的范围优选地 为250°C至650°C。此实施例清楚表明，可使单晶硅层平面化，而无需施加可能损伤 玻璃衬底的任何力，并且无需在超过其应变点的温度下加热玻璃衬 底。因此，此实施例公开一种在用于制造半导体衬底的方法中使用激 光照射工序的创新方法。
下面描述在本说明书中用作表面平面性的指数的平均表面粗糙 度Ra、均方根表面粗糙度RMS和最大峰谷高度(P-V)。
通过扩大为JIS B 0601:2001(ISO 4287:1997)所定义的三维中心线
平均粗糙度Ra以能够将Ra应用于测量表面，来得到平均表面粗糙度 (Ra)。
Ra可表示为从参考表面到比表面的偏差的绝对值的平均值，并
且可由公式(al)给出。
注意，测量表面是由所有测量数据表示的表面，并且由公式(a2) 表示。
比表面是作为粗糙度测量的对象的表面，并且是通过坐标 (XhY0,(XhY2),(X2,Y)和(X2,Y2)表示的四个点所定义的矩形区域。比 表面的面积在比表面是理论上平坦时由So表示。So则根据公式(a3)获得。
So。(X2-j^).(y2-Ji) …(fl3)
参考表面是由Z二Zo所表示的平面表面，其中Zo是比表面的高度的平均值。参考平面与XY平面平行。注意，Zo根据公式(a4)获得。
均方根表面粗糙度(RMS)通过将截面曲线扩大到三维RMS而得 到，以能够以与Ra相似的方式将截面曲线的RMS用于测量表面。RMS 可表示为从参考表面到比表面的偏差的平方的平均值的平方根，并且 可由公式(a5)给出。
<formula>formula see original document page 124</formula>
最大峰谷高度(P-V)可表示为比表面中的最高峰值Zmax的高度与 最低谷值Zmin的高度之间的差，并且可由公式(a6)给出。
这里的峰值和谷值通过将JIS B 0601:2001(ISO 4287:1997)所定义 的"峰值，，和"谷值，，扩大到三维而获得。该峰值可表示为比表面中的最 高点，而该谷值可表示为比表面中的最低点。
本申请基于分别于2007年10月10日、2007年10月12日和2007 年11月1日向日本专利局提交的日本专利申请序号2007-264912、 2007-267265和2007-285598,通过引用将它们的全部内容结合于此。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤用由离子掺杂设备加速的离子照射单晶半导体衬底，以在距离所述单晶半导体衬底的表面的预定深度的区域中形成损伤区；在支承衬底和所述单晶半导体衬底这二者的至少其一之上形成缓冲层；将所述支承衬底和所述单晶半导体衬底设置成所述缓冲层夹在所述支承衬底与所述单晶半导体衬底之间而相互接触，以使所述支承衬底和所述单晶半导体衬底相互接合；通过加热所述单晶半导体衬底在所述损伤区中产生裂纹，以使所述单晶半导体衬底与所述支承衬底分离，从而形成与所述单晶半导体衬底分离的单晶半导体层在其上固定的支承衬底；以及在加热所述单晶半导体层的同时用激光束来照射固定在所述支承衬底上的所述单晶半导体层，以熔融所述单晶半导体层，从而进行所述单晶半导体层的再单晶化。
2. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，通过在加 热所述单晶半导体层的同时用所述激光束照射所述单晶半导体层，使 所述单晶半导体层中由所述激光束照射的区域的表面及所述表面附 近炫融。
3. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，通过在加 热所述单晶半导体层的同时用所述激光束照射所述单晶半导体层，所 述单晶半导体层中由所述激光束照射的区域在深度方向部分^f皮熔融。
4. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，通过在加 热所述单晶半导体层的同时用所述激光束照射所述单晶半导体层，所 述单晶半导体层中由所述激光束照射的区域在深度方向全部^皮熔融。
5. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，当用所述 激光束照射所述单晶半导体层时，在400。C以上和所述支承村底的应变点以下的温度加热所述单晶半导体层。
6. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，当用所述 激光束照射所述单晶半导体层时，在400°C以上和650。C以下的温度 加热所述单晶半导体层。
7. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，通过用所 述激光束进行照射，将所述单晶半导体层熔融200纳秒至1000纳秒。
8. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，在400。C 以上和所述支承衬底的应变点以下的温度加热所述单晶半导体层在 其上固定的所述支承衬底，同时用所述激光束照射固定在所述支承衬 底上的所述单晶半导体层。
9. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，在450。C 以上和650。C以下的温度加热所述单晶半导体层在其上固定的所述支 承衬底，同时用所述激光束照射固定在所述支承衬底上的所述单晶半 导体层。
10. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，在惰性 气体气氛中用所述激光束照射所述单晶半导体层。
11. 如权利要求IO所述的制造半导体器件的方法，其中，所述惰 性气体是氮气或稀有气体。
12. 如权利要求IO所述的制造半导体器件的方法，其中，所述惰 性气体具有30 ppm以下的氧气浓度。
13. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，通过激 励氬气而产生含H3+的等离子体，并用包含于等离子体中并被加速的 离子照射所述单晶半导体村底，从而形成所述损伤区。
14. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述支 承村底的应变点为650°C至690°C。
15. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述支 承衬底是玻璃村底。
16. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述支承村底是下列村底之一产品名为AN100的无碱玻璃衬底、产品名及 注册商标为EAGLE2000的无碱玻璃村底和产品名及注册商标为 EAGLE XG的无;威玻璃衬底。
17. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述激 光束在照射表面上具有线形、正方形和矩形这三者之一的截面形状。
18. 如权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包含与所述单晶半导体层接触的绝缘膜，且所 述绝缘膜包含由素。
19. 一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤 将单晶半导体层隔着緩沖层固定在玻璃衬底上；以及在所述玻璃衬底的应变点以下的温度加热固定在所述玻璃村底 上的所述单晶半导体层，同时用激光束照射所述单晶半导体层的一部 分，以熔融上部而保留下部的单晶区域，从而进行将所述上部再单晶 化成具有与所述下部的单晶区域相同的晶体取向的单晶态。
20. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中， 所述激光束具有正方形、矩形和线形这三者之一的截面形状，以及移动所述单晶半导体层在其上固定的所述玻璃衬底，同时用所述 激光束照射所述单晶半导体层的所述部分。
21. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，通过用 所述激光束照射所述单晶半导体层，进行所述熔融部分的再单晶化并 复原所述熔融部分中的缺陷。
22. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述玻 璃衬底是下列衬底之一产品名为AN100的无碱玻璃衬底、产品名及 注册商标为EAGLE2000的无碱玻璃衬底和产品名及注册商标为 EAGLE XG的无碱玻璃衬底。
23. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 冲层具有多层结构，并包括能够防止钠进入所述单晶半导体层的阻挡层。
24. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括氮化硅膜或氧化氮化硅膜。
25. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 冲层具有多层结构，并包括接合于所述玻璃衬底或所述单晶半导体层 的接合层。
26. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括通过氧化所述单晶半导体层而得到的氧化膜。
27. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括接合于所述玻璃衬底或所述单晶半导体层 的接合层以及能够防止钠进入所述单晶半导体层的阻挡层。
28. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述缓 冲层具有多层结构，并包括接合于所述玻璃衬底的接合层、与所述单 晶半导体层接触的绝缘膜以及能够防止钠进入所述单晶半导体层的 阻挡层，所述阻挡层形成在所述接合层与所述绝缘膜之间。
29. 如权利要求28所述的制造半导体器件的方法，其中，与所述 单晶半导体层接触的所述绝缘膜是氧化硅膜或氧氮化硅膜。
30. 如权利要求28所述的制造半导体器件的方法，其中，与所述 单晶半导体层接触的所述绝缘膜是通过氧化所述单晶半导体层而得到的氧化膜。
31. 如权利要求28所述的制造半导体器件的方法，其中，所述阻 挡层是氮化硅膜或氧化氮化硅膜。
32. 如权利要求19所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括与所述单晶半导体层4妄触的绝缘膜，所述 绝缘膜包含卤素。
33. —种制造半导体器件的方法，包括以下步骤 将单晶半导体层隔着緩冲层固定在玻璃衬底上；以及在所述玻璃衬底的应变点以下的温度加热固定在所述玻璃衬底 上的所述单晶半导体层，同时用激光束照射所述单晶半导体层的 一部 分，以熔融所述单晶半导体层中用所述激光束照射的区域，从而进行 使之成为具有与由所述激光束照射的所述区域相邻的区域中的单晶 态相同的晶体取向的单晶态的再单晶化。
34. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中， 所述激光束在照射表面上具有正方形、矩形和线形这三者之一的截面形状，以及移动所述单晶半导体层在其上固定的所述玻璃衬底，同时用所述 激光束照射所述单晶半导体层的所述部分。
35. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，通过用 所述激光束照射所述单晶半导体层，进行所述熔融部分的再单晶化并 复原所述熔融部分中的缺陷。
36. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述玻 璃衬底是下列衬底之一产品名为AN100的无碱玻璃衬底、产品名及 注册商标为EAGLE2000的无^U皮璃衬底和产品名及注册商标为 EAGLE XG的无石威玻璃衬底。
37. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括能够防止钠进入所述单晶半导体层的阻挡 层。
38. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 冲层具有多层结构，并包括氮化硅膜或氧化氮化硅膜。
39. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 冲层具有多层结构，并包括接合于所述玻璃衬底或所迷单晶半导体层 的接合层。
40. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括通过氧化所述单晶半导体层而得到的氧化膜。
41. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构,并包括接合于所述玻璃衬底或所述单晶半导体层 的接合层以及能够防止钠进入所述单晶半导体层的阻挡层。
42. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 冲层具有多层结构，并包括接合于所述玻璃衬底的接合层、与所述单 晶半导体层接触的绝缘膜以及能够防止钠进入所述单晶半导体层的 阻挡层，所述阻挡层形成在所述接合层与所述绝缘膜之间。
43. 如权利要求42所述的制造半导体器件的方法，其中，与所述 单晶半导体层接触的所述绝缘膜是氧化硅膜或氧氮化硅膜。
44. 如权利要求42所述的制造半导体器件的方法，其中，与所述 单晶半导体层接触的所述绝缘膜是通过氧化所述单晶半导体层而得 到的氧化膜。
45. 如权利要求42所述的制造半导体器件的方法，其中，所述阻 挡层是氮化硅膜或氧化氮化硅膜。
46. 如权利要求33所述的制造半导体器件的方法，其中，所述緩 沖层具有多层结构，并包括与所述单晶半导体层接触的绝缘膜，所述 绝缘膜包含卤素。
全文摘要
本发明涉及一种制造半导体器件的方法。用通过激励氢气而产生并用离子掺杂设备加速的离子来照射单晶半导体衬底，从而形成包含大量氢的损伤区。在接合单晶半导体衬底和支承衬底之后，加热单晶半导体衬底，以沿损伤区分离。在加热与单晶半导体衬底分离的单晶半导体层的同时，采用激光束来照射该单晶半导体层。通过经由激光束照射熔融，单晶半导体层经过再单晶化，从而复原其结晶度，并对单晶半导体层的表面进行平面化。
文档编号H01L21/00GK101409221SQ200810169390
公开日2009年4月15日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月10日
发明者下村明久, 井坂史人, 古山将树, 山崎舜平, 桃纯平, 比嘉荣二 申请人:株式会社半导体能源研究所