半导体装置以及半导体装置的制造方法

专利名称：半导体装置以及半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置和半导体装置的制造方法，更详细地说，涉及将形成在半 导体基板上的被转移层转移到玻璃基板等目标基板上的半导体装置以及半导体装置的制 造方法。
背景技术：
近年来，正在研究在玻璃基板等目标基板上形成包括单晶半导体膜的薄膜晶体管 (TFT =Thin Film Transistor)等器件的技术。其中之一，存在如下所谓的转移技术将被转移层转移(transfer)到玻璃基 板等被称为所谓的主基板的目标基板上，所述被转移层包括形成在SOI (Silicon on Insulator 绝缘体上硅)晶片或者单晶硅晶片等半导体基板上的单晶半导体膜或者包括 这种单晶半导体膜的器件等。转移技术所涉及的转移按以下方式进行在上述半导体基板中注入规定浓度的氢 离子或者稀有气体离子，一般通过热处理在该注入部产生微小气泡，将该微小气泡面作为 劈开面从被转移层劈开剥离该半导体基板(例如，参照专利文献1 4)。根据上述转移技术，可以在玻璃基板等目标基板上，在各个不同的区域分别形成 例如多晶半导体膜和单晶半导体膜。因此，可以形成要求更高性能的器件，例如在单晶半导 体膜形成区域形成定时控制器、微处理器等，在多晶半导体膜形成区域形成剩余的器件。另外，如果在单晶硅晶片上进行包括例如单晶硅薄膜的晶体管(单晶硅晶体管) 等器件的形成，则可以容易地对单晶硅进行微细加工。专利文献1 日本公开专利公报「特开2004-119636号公报(
公开日2004年4月 15日)」(对应美国专利申请公开第2003/183876号(
公开日2003年10月02日)，对应 美国专利申请公开第2007/063281号(
公开日2007年03月22日))专利文献2 日本公开专利公报「特开2004-134675号公报(
公开日2004年4月 30日)」(对应美国专利申请公开第2004/061176号(
公开日2004年04月01日))专利文献3 日本公开专利公报「特开2004-288780号公报(
公开日2004年10 月14日)」(对应美国专利申请公开第2004/183133号(
公开日2004年09月23日)，对 应美国专利申请公开第2007/235734号(
公开日2007年10月11日)专利文献4 日本公开专利公报「特开2006-100831号公报(
公开日2006年4月 13日)」(对应美国专利申请公开第2006/068565号(
公开日2006年03月30日)，对应美 国专利申请公开第2006/073678号(
公开日2006年04月06日)，对应美国专利申请公开 第2007/066035号(
公开日2007年03月22日)，对应美国专利申请公开第2007/122998 号(
公开日2007年05月31日)

发明内容
但是，上述方法具有以下问题当转移被转移层时或者由于上述转移后所进行的热处理等，成为气泡产生原因的物质从上述被转移层侧扩散到上述半导体基板和目标基板 的接合界面，在该接合界面中产生气泡，由此引起器件的特性恶化。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于防止成为气泡产生原因的物质扩散 造成在半导体基板和目标基板的接合界面中产生气泡。
用于解决上述问题的半导体装置具有以下结构在形成有被转移层的半导体基板 中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述半导体基板接合到目标基板，在上述氢离子或 者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导体基板来将上述被转移层转移到上述目标基 板上的半导体装置中，在上述半导体基板和目标基板的接合界面与上述被转移层之间，设 有隔断物质扩散的隔断层。另外，用于解决上述问题的半导体装置的制造方法是如下半导体装置的制造方 法在形成有被转移层的半导体基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述半导体基 板接合到目标基板，在上述氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导体基板来 将上述被转移层转移到上述目标基板上，在上述半导体基板和目标基板的接合界面与上述 被转移层之间，设置隔断物质扩散的隔断层。优选上述隔断层是隔断成为气泡产生原因的物质从上述被转移层侧扩散的隔断 层，优选上述隔断层由如下材料构成其晶体内细孔或者晶体间空隙小于成为上述气泡产 生原因的物质的大小。作为成为上述气泡产生原因的物质，可以举出例如从包括水、氢以及碳化氢的群 中所选择的至少一种离子或者分子。即，作为上述隔断层，可以举出隔断例如从包括水、氢 以及碳化氢的群中所选择的至少一种离子或者分子的扩散的隔断层。如上所述，在上述接合界面与被转移层之间设置上述隔断层，由此可以防止由于 伴随着上述转移的热处理等而使成为气泡产生原因的物质从上述被转移层扩散到上述半 导体基板与目标基板的接合界面。因此，根据上述各结构，可以防止在上述接合界面中产生 气泡。


图1是示出本发明的一种实施方式所涉及的半导体装置的制造工序的一部分的 流程图。图2是示意性地示出被接合到目标基板的半导体基板的主要部分的概要结构的 一个例子的截面图。图3是示出半导体基板被接合到目标基板、被剥离层的剥离结束的状态下的半导 体装置的主要部分的概要结构的截面图。图4是示出在被剥离层的剥离后使活性层薄膜化、形成保护绝缘膜的阶段中的半 导体装置的主要部分的概要结构的截面图。图5是示出形成有第2配线层的半导体装置的主要部分的概要结构的截面图。图6的(a) (C)是示出贴合半导体基板和目标基板，将被转移层从半导体基板 转移到目标基板上为止的工序的截面图。图7是示出被接合到目标基板的半导体基板的其它的例子的截面图。图8是示出在本发明的一种实施方式中制造的半导体装置的概要结构的截面图。
附图标记说明1 晶片基板；2 氧化膜；3 活性层；4 =LOCOS膜；5 栅极绝缘膜；6 栅极电极；7 层间绝缘膜；8 接触孔；9 第1配线层；10 平坦化层；11 隔断层；12 接合层；13 接合 面；14 剥离面；15 被剥离层；16 被转移层；20 器件基板(半导体基板)；30 载体基板 (目标基板)；31 光透射性基板；41 保护绝缘膜；42 接触孔；43 第2配线层；120 多晶 硅薄膜晶体管；121 层间绝缘膜；130 单晶硅薄膜晶体管；140 金属配线。
具体实施例方式如下根据图1 图8说明本发明所涉及的一种实施方式。本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法是使用将形成在半导体基板上的被 转移 层转移到被称为主基板的目标基板上的所谓的转移技术来制造半导体装置的方法。所谓形成在半导体基板上的被转移层，是形成在半导体基板上的半导体膜或者包 括这种半导体膜的器件，作为代表可以举出形成在SOI或者单晶硅晶片上的单晶硅膜等 单晶膜，或者包括这种单晶膜的器件。在下面的说明中，，以硅形成电路作为上述被转移层的例子，举例说明使用转移技 术将该硅形成电路转移到最终形成器件的、被称为所谓的主基板的目标基板(下面，记为 「载体基板」)的情况。图1是简略地示出使用转移技术将硅形成电路转移到载体基板的工序流程的一 个例子的流程图。此外，下面的流程图终究是上面工序流程的一个例子，也可以省略或者同 时进行下面工序中的若干工序，也可以改变顺序。首先，如步骤(下面，简写为「S」)101所示，准备具有硅活性层作为活性层的硅基 板(晶片基板)。然后，在上述硅活性层中形成电路(S102)。作为上述电路，可以举出例如TFT(thin film transistor 薄膜晶体管)、CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补 金属氧化物半导体)电路或者VL SI (Very Large Scale Integrated circuit 超大规模 集成电路)等。接着，在上述硅基板中，注入例如氢离子(H+)，形成氢离子注入层作为用于劈开剥 离上述硅基板的劈开分离层(引起劈开的区域)(S103)。此外，为了形成上述劈开分离层， 也可以使用稀有气体离子作为被注入到上述硅基板的离子。其后，在上述电路上，形成连接到上述电路的第1配线层(S104)。接着，在上述隔断层上，形成用于将形成有电路的上述硅基板(器件基板)接合到 载体基板的接合层(S106)。该接合层通过例如CMP(Chemical Mechanical Polishing 化 学机械研磨)等被平坦化。接着，使上述器件基板接合到载体基板(S107)，在形成于上述器件基板上的劈开 分离层中，从上述器件基板剥离(劈开剥离)被剥离层(S108)。其后，除去上述劈开剥离所残留的多余的硅(S109)，形成保护绝缘膜(SllO)。下面，参照图1 图8具体地说明本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法以 及在本实施方式中制造的半导体装置的结构。〈半导体装置的结构〉
在本实施方式中制造的半导体装置是在被称为所谓的主基板的目标基板(下面， 记为「载体基板」)上不同的区域中，集成例如多晶硅薄膜晶体管(非单晶硅薄膜晶体管； 非单晶硅薄膜器件)和MOS (Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体)型的单晶 硅薄膜晶体管(单晶硅薄膜器件)的半导体装置。另外，上述半导体装置可以作为驱动电 路集成在例如具有显示部的有源矩阵基板中。上述有源矩阵基板具备目标基板、氧化硅膜、多晶硅薄膜、单晶硅薄膜、栅极氧化 膜、栅极电极、层间绝缘膜以及金属配线。另外，有源矩阵基板具备作为开关元件的TFT。有 源矩阵基板被用于例如液晶显示装置等。 图8示出在本实施方式中被制造的半导体装置的一个例子。如图8所示，在本实施方式中被制造的半导体装置在载体基板30上具备包括多 晶硅薄膜的MOS型多晶硅薄膜晶体管120、包括单晶硅薄膜的MOS型单晶硅薄膜晶体管130 以及金属配线140。上述载体基板30具备有光透射性的目标基板(下面，记为「光透射性基板」)31，在 光透射性基板31的表面上，在大致整个面上形成氧化膜32。上述氧化膜32例如由SiO2 (氧 化硅)构成，其膜厚约是lOOnm。上述MOS型多晶硅薄膜晶体管120形成在形成于上述氧化膜32上的层间绝缘膜 121上。多晶硅薄膜在上述层间绝缘膜121上形成为岛状图案，其膜厚约为200nm。另外，MOS型单晶硅薄膜晶体管130在与在上述氧化膜32上形成有上述多晶硅薄 膜晶体管120的区域不同的区域中形成为岛状图案。单晶硅薄膜的膜厚约为50nm。此外，优选相邻的多晶硅薄膜的形成区域和单晶硅薄膜的形成区域至少隔开 0. 3 μ m，更优选隔开0. 5 μ m以上。另外，在多晶硅薄膜晶体管120和单晶硅薄膜晶体管130上，在载体基板30的上 方整个面上形成有层间绝缘膜，通过设置在该层间绝缘膜中的接触孔形成有金属配线140。 上述金属配线140从在多晶硅薄膜和单晶硅薄膜中的各岛状区域的上面形成。特别说明的是在本实施方式中被制造的半导体装置中，在上述MOS型单晶硅薄 膜晶体管130和上述氧化膜32之间，S卩，在与上述MOS型单晶硅薄膜晶体管130和上述载 体基板30的接合界面之间，设有隔断物质扩散的隔断层11。下面，按顺序说明本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法。(制造器件基板)首先，参照图1和图2如下说明被接合到载体基板的半导体基板的制造例子。图2是示意性地示出被接合到载体基板的半导体基板的主要部分的概要结构的 一个例子的截面图。通过下面的制造例子被制造的半导体基板是在包括硅晶片的晶片基板中，根据通 常的VLSI工艺(CMOS、硅等)技术形成有包括单晶硅薄膜的电路的器件基板(活性硅装 置)，具有硅活性层作为图2示出的活性层3。上述电路形成在上述活性层3上。另外，在下面的制造例子中，作为电路形成具备栅极、源极/漏极以及与源极/漏 极相邻的沟道区域的TFT(单晶硅薄膜晶体管、MOS型单晶硅薄膜晶体管130(参照图8))。 此外，设置在上述活性层3上的电路既可以是被组装在CMOS电路或者VLSI中的TFT，也可 以是CMOS电路或者VLSI。
图2示出的器件基板20例如如下这样制造。此外，在下面的工序中，尽管图1示 出的S105和S106以外的工序根据需要存在一些设计变更，也与以往的一样。因此，虽然省 略说明这些工序的详细的制造方法以及制造条件等，本领域技术人员也能充分地实施。首先，使例如包括单晶硅的晶片基板1 (单晶硅晶片)的表面热氧化，形成SiO2 ( 二 氧化硅)膜作为氧化膜2。然后，在形成上述硅形成电路的区域以外的区域中形成抗蚀剂图案，通过上述氧 化膜2注入杂质(掺杂剂)，形成成为活性层3的半导体区域(阱)(SlOl)。此时，例如如果注入硼⑶离子作为杂质，则形成P阱，如果注入磷⑵离子或者砷(As)离子，则形成η阱。接着，使上述氧化膜2热氧化，在活性层3的周围形成热氧化膜(区域氧化膜)，由 此形成LOCOS (Local Oxidation of Silicon 硅的局部氧化)膜4的元件分离区域。其后，通过热氧化使活性层3上的氧化膜2生长来形成栅极绝缘膜5，在栅极绝缘 膜5上，图案化形成栅极电极6。在栅极电极6中适当地使用多晶硅膜。然后，在上述活性层3中注入杂质，进行活性化退火(Annealing)来使该杂质(源 极/漏极注入物)活性化，由此形成源极区域和漏极区域。此时，在ρ阱中注入As离子或者P离子来形成源极区域和漏极区域，由此可以形 成N型M0S(Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体)晶体管作为上述硅形成电 路。另一方面，在η阱中注入氟化硼(BF2)离子来形成源极区域和漏极区域，由此可以形成 P型MOS晶体管。此外，在图2中，仅图示了一个MOS晶体管，但是，N型MOS晶体管和P型MOS晶体 管可以同时形成。由此，完成后，可以得到CMOS晶体管(S102)。然后，在这样操作而得到的电路(硅形成电路)上，通过NSG(Non-doped Silicate Grass 无掺杂硅酸盐玻璃)、TEOS(正硅酸乙酯；Si (OC2H5)4)等来形成层间绝缘膜7，通过 CMP使层间绝缘膜7的表面平坦化，以使通过注入氢离子(或者稀有气体离子)而形成的劈 开分离层(剥离面14)变得平坦。这样，为了从在活性层3中形成电路的器件基板20去除多余的晶片基板1 (硅) 来实现薄膜化，可以使用如下方法对晶片基板1注入用于劈开晶片基板1的离子，例如进 行热处理(剥离退火)，由此将晶片基板1中的离子注入部(离子注入面)作为分界进行劈 开剥离。因此，下面从上述层间绝缘膜7的上方，对上述晶片基板1的剥离位置注入用于劈 开上述晶片基板1的离子。此外，在本制造例子中，注入例如氢离子作为上述离子。由此， 在上述晶片基板1内部形成上述劈开分离层(S103)。上述晶片基板1的劈开分离层通常具有20nm 1，OOOnm的厚度。但是，上述劈开 分离层的厚度根据上述晶片基板1的厚度、离子注入量、注入离子的种类以及注入时间等 各种要素而发生变化。在图2所示的晶片基板1的剥离位置，即，从上述晶片基板1被剥离的被剥离层15 与被转移层16的界面即劈开分离面(剥离面14)中，含有峰值浓度(Rp)的氢原子。上述 晶片基板1的剥离面14中的氢原子的峰值浓度是在5X 1015atom/Cm2 5 X 1017atOm/cm2的 范围内。
此外，作为用于使晶片基板1劈开的离子，不限于上述氢离子，也可以使用如上所述的稀有气体。另外，例如在上述离子注入工序(S103)中，也可以包括以与注入氢离子时相同的 深度注入硼(B)离子的工序。通过附加地注入硼离子，可以以通常为200°C 300°C这种非 常低的温度产生劈开分离。因此，可以较大地扩大基板和金属的选择范围。另外，为了提高劈开分离能，也可以并用其它的物质(离子)。作为其它的物质，可 以举出例如从包括稀有气体离子(例如氦离子、氖离子、氩离子等)和硅离子的群中所选择 的至少一种。在这种情况下，在上述劈开分离层(剥离面14)中包括峰值浓度的附加元素。作 为上述附加元素可以举出稀有气体离子等。此外，通常在S103中的氢离子注入和直到后续的S106的工序为止的过程中，上述 晶片基板1被保持为低于该劈开分离(劈开剥离)所需的温度。然后，在上述层间绝缘膜7中形成接触孔8。其后，通过上述接触孔8进行金属配 线。由此，作为第1配线层9，形成分别被连接到上述活性层3中的源极区域和漏极区域的 源极电极和漏极电极(S104)。作为用于上述金属配线的配线材料，使用可以耐受剥离退火和其后的恢复退火的 高温处理的高熔点材料。然后，在上述第1配线层9的表面上，再次堆积(层叠)NSG.TE0S等氧化膜作为平 坦化层10 (台阶补偿膜、层间绝缘膜)，通过CMP法使其表面平坦化。由此，作为被转移层16而要转移的器件形成为形成在晶片基板1上的器件基板 20。然后，在上述平坦化层10上形成隔断物质扩散的隔断层11(S105)。所谓被上述隔断层11隔断的物质，是例如成为气泡产生原因的物质。作为这种物 质，可以举出例如从包括水、氢以及碳化氢的群中所选择的至少一种离子或者分子。另外， 为了使晶片基板1劈开所用的原子或者来自该原子的物质也可能成为气泡的产生原因。当 这些物质(可以是分子也可以是原子)随着被转移层16转移时的热处理、上述转移后所进 行的热处理等而扩散到上述器件基板20和载体基板的接合界面时，在该接合界面中产生 气泡，由此引起器件的特性恶化。上述隔断层11隔断成为这种气泡产生原因的物质的扩 散。上述隔断层11包括例如晶体内细孔或者晶体间空隙小于成为气泡产生原因的物 质(可以是分子，也可以是原子)的大小的材料，防止这种物质透过，由此隔断上述物质向 上述接合界面扩散。作为上述隔断层11的材质，可以适当地使用例如氮化硅(SiNx)。氮化硅的晶体结 构细密，防止水、碳化氢、氢等杂质的透过。因此，用碳化硅形成上述隔断层11，由此可以有 效地防止成为气泡产生原因的物质扩散到上述接合界面。另外，在使用了转移技术的转移中，除了成为上述气泡产生原因的物质扩散所造 成的问题以外，存在以下问题将被转移层转移到载体基板后，可动离子从载体基板扩散到 被转移层侧，使得器件的工作能力(器件性能)降低。特别是钠离子等可动离子对存在于 被转移层侧的器件的工作带来影响。此外，不仅在制造工序中，在产品化后也可能因为例如环境的改变等而引起这种可动离子的移动。但是，在上述器件基板20与载体基板被接合的状态(在上述载体基板上被转移层 16被搭载的状态)下，在上述器件基板20和载体基板的接合界面与被转移层16之间，即， 在上述载体基板与被转移层16之间设有隔断层11，所述隔断层11由如氮化硅那样具有防 止杂质透过的细密的晶体结构的材料构成，由此通过该隔断层11可以隔断可动离子的扩 散。因此，根据上述方法，将被转移层16转移到上述载体基板后，可以防止可动离子从载体 基板扩散到被转移层16侧，因此，可以防止起因于上述可动离子的器件性能的降低。此外，除了氮化硅膜以外，也可以使用不具有柱状结构的金属膜作为上述隔断层 11。作为不具有柱状结构的金属膜，可以举出例如使用蒸镀法等形成的金属膜。使用 蒸镀法来形成金属膜，由此可以防止柱状结构化。作为具体的金属，可以举出例如钽、钨、钛等。上述隔断层11可以通过例如等离子体CVD (Chemical VaporDeposition ；化学气 相沉积法)等众所周知的堆积法等来层叠。为了防止膜厚或者膜质的不均勻，优选上述隔断层11的层厚是5nm以上，更优选 是IOnm以上。另外，为了避免膜应力的增大，优选上述隔断层11的层厚是200nm以下，更 优选是50nm以下。然后，在上述隔断层11上形成成为接合层12(器件侧接合层)的氧化膜(S106)， 所述接合层12形成上述器件基板20与载体基板的接合面13。作为上述氧化膜，可以举出 氧化硅(SiO2)膜。在由氮化硅构成上述隔断层11的情况下，上述隔断层11的表面在其原来的状态 下濡湿性(亲水性)是不足的。在这种情况下，从贴紧性的观点出发，不优选将上述隔断层 11直接接合到目标基板(光透射性基板)上。因此，在上述隔断层11和目标基板之间，如 上所述设置例如氧化硅膜作为接合层12，由此可以改善具有上述被转移层的器件基板20 的濡湿性，即上述隔断层11的濡湿性。其结果是可以提高具有被转移层20的器件基板和 目标基板的贴紧性。为了使接合平面变得平滑，上述氧化膜通过使用了 CMP或者SOG(旋涂玻璃Spin On Glass)方法中的任一个而被平坦化。该平坦化的氧化膜被形成在与构成活性层3的电 路的氧化膜相反的一侧。这样，根据本实施方式，在形成接合层12之前，在要转移的器件(被转移层16) 上，形成上述隔断层11，由此能在要转移的器件和接合层12之间、即在上述器件基板20和 载体基板的接合界面与被转移层16之间设置上述隔断层11。在这种情况下，上述隔断层11与器件基板20和载体基板的接合界面之间的距离 取决于上述接合层12的厚度(氧化膜厚)。因此，当器件基板20与载体基板接合时，优选 位于上述接合界面与隔断层11之间的上述接合层12的厚度尽可能地薄，另外，优选其被平 坦化。另外，与上述隔断层11平坦的情况相比，在上述隔断层11具有台阶部的情况下， 形成于上述接合界面与隔断层11之间的上述接合层12的体积变得较大。另外，成为气泡产 生原因的物质的产生、扩散随着上述接合层12 (SiO2膜)的体积增大而变多。因此，在上述隔断层11具有台阶部的情况下，存在成为气泡产生原因的物质的产生、扩散变多的倾向。 因此，优选上述接合层12采用均勻的厚度，为此，优选上述隔断层11的表面是平坦的。并且，成为气泡发生原因的物质在氧化硅膜中也会产生、扩散。因此，优选上述氧 化硅膜的膜厚较薄。但是，当膜厚太薄时，有可能难以得到均勻的膜厚和均勻的膜质的氧化硅膜。从这些理由出发，优选上述接合层12的膜厚，特别是氧化硅膜的膜厚是在5nm IOOnm的范围内，更优选厚度在该范围内越小越好。<准备载体基板>在本实施方式中，如上所述，作为上述载体基板(主基板、目标基板、非硅基版) ， 使用在光透射性基板的表面的大致整个面上，例如形成有SiO2膜作为氧化膜的目标基板。 上述氧化膜(SiO2膜)的膜厚约是lOOnm。上述氧化膜发挥当向载体基板接合上述器件基板20时作为载体基板侧的接合层 的功能。此外，作为载体基板，也可以使用作为目标基板的光透射性基板本身。作为上述光透射性基板的材料，可以使用例如玻璃、塑料、石英、金属箔等物质。更 具体地说，可以使用例如高变形点玻璃，可以适当地使用例如光透射性非晶高变形点无碱 玻璃基板。作为这种的光透射性基板，可以使用例如二一二 >公司生产的「1737玻璃」 那样的碱土类-铝硼硅酸玻璃。另外，光透射性基板也可以是例如硼硅酸玻璃、碱土 类-锌-铅-铝硼硅酸玻璃、碱土类-锌-铝硼硅酸玻璃等。S卩，作为上述目标基板，可以使用例如玻璃基板或者在表面(最表面)具有绝缘膜 的玻璃基板。另外，作为替代性结构，上述光透射性基板也可以是各种半导体片或者是对在 S102中的所有单晶活性电路形成(高温)工序敏感的物质。<向载体基板转移被转移层>如上所述，本实施方式所涉及的半导体装置是通过使用转移技术，将被转移层从 器件基板转移到载体基板上而被制造的。图6的(a) (C)示出了贴合器件基板和载体基板，使用采用了离子注入剥离法 的转移技术，将被转移层从器件基板转移到载体基板上的工序。此外，在图6的(a) (c) 中，简化示出上述器件基板20。首先，如图6的(a)所示，在光透射性基板31上，形成成为接合层(载体基板侧接 合层)的氧化膜32，由此准备载体基板30。作为上述氧化膜，可以举出SiO2膜。下面，如图6的(b)所示，如上所述将另行形成了单晶硅薄膜晶体管作为电路的器 件基板20接合到上述载体基板30上(S107)。此时，上述器件基板20如图6的(b)所示，也可以切断(芯片化、模切)为适合于 载体基板30上的接合区域的规定的大小，由此作为具有规定大小的接合晶片(芯片、切片) 进行接合。此时，上述器件基板20和载体基板30通过使上述接合层12和氧化膜32相互接 触，仅用很小的力按压而自动地接合。通过范德华力的作用、电偶极子的作用、氢键的作用 等，可以实现不隔着接合层而接合两个基板。
由此，在通过接合面13所形成的、上述器件基板20和载体基板20的接合界面，与 应该转移的器件和接合层12之间(即，与被转移层16之间)，设有隔断层11。其后，如图6的(C)所示，作为一个例子，对接合的上述两个基板进行加热(剥离 退火)，由此将被接合到上述载体基板30上的器件基板20中多余的部分(被剥离层15、多 余的晶片基板1)以剥离面14为分界进行劈开剥离(S108)。 图3是示出在上述器件基板20被接合到载体基板30，被剥离层15的剥离(劈开 剥离)结束的状态下的半导体装置的主要部分的概要结构的截面图。如上所述，例如通过热来引发晶片基板1的劈开。即，例如当对被注入了氢离子的 晶片基板1实施加热处理时，晶片基板1如图6的(c)所示，沿着剥离面14(劈开分离面) 自然地劈开而分离。更具体地说，在通过注入氢离子而使氢原子的浓度成为最大的位置(Rp 位置)中产生多个晶格缺陷。并且，在该剥离面14(劈开分离层)中存在大量的氢原子。 因此，当对上述晶片基板1实施热处理时，产生血小板(Platelet)状的微小气泡，因为其压 力，上述晶片基板1在包括峰值浓度的氢原子的上述剥离面14(Rp位置)中劈开分离。通过例如将劈开分离层即氢离子注入部的温度升温到使氢原子从上述晶片基板 1(具体地说是硅)脱离的温度以上来引发上述晶片基板1的劈开。此外，在本制造例子中， 例如以600°C加热上述两个基板(接合对)。如上所述，在上述晶片基板1的劈开分离层(特别是上述剥离层14)中，大量地存 在用于在该劈开分离层中产生微小气泡的、使上述晶片基板1劈开的原子(例如氢、稀有气 体等)。另外，在层间绝缘膜7和平坦化层10中，大量地存在水、碳化氢等成为产生气泡原 因的物质(气泡产生原因物质)。因此，当转移被转移层16时，或者通过在上述转移后所进行的热处理等，上述气 泡产生原因物质发生扩散。但是，根据本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法，如上所述，在器件基板20 和载体基板30的接合界面(接合面13)与应该转移的器件(被转移层16)之间设有隔断 层11。如图3所示，可以防止上述气泡产生原因物质扩散到上述接合界面。因此，根据上述 方法，可以防止在上述接合界面中产生气泡。另外，如上所述，在上述接合界面和被转移层16之间，即在上述载体基板30和被 转移层16之间设有隔断层11，所述隔断层11由如氮化硅那样的具有防止杂质透过的细密 的晶体结构的材料构成，由此能通过该隔断层11来隔断可动离子的扩散。因此，根据上述 方法，将被转移层16转移到上述载体基板后，可以防止可动离子从载体基板扩散到被转移 层16侧，因此可以防止起因于上述可动离子的器件性能的降低。此外，有时在剥离了被剥离层15的器件基板20的表面存在多余的硅。因此，下面如图4所示，根据需要，除去(薄膜化)通过上述劈开剥离所残留的多 余的硅(S109)，在除去了该多余的硅后的被转移层16上，例如形成氧化膜作为保护绝缘膜 41 (SllO)。例如可以通过标准的反应性离子蚀刻、干蚀刻等除去多余的硅。图4示出了在剥离被剥离层15后使活性层3薄膜化，形成有保护绝缘膜41的阶 段中的半导体装置的截面的概要结构。此外，被用作上述保护绝缘膜41的氧化膜也可以用作在其后所进行的混合电路的多晶硅处理中的基底物质。接着，如图5所示，在上述保护绝缘膜41和LOCOS膜4以及层间绝缘膜7中，形成 接触孔42，通过上述接触孔42形成被分别连接到第1配线层9的第2配线层43作为上述 金属配线140。图5示出了形成有上述第2配线层43的半导体装置的截面的概要 结构。上述第 2配线层43与在上述载体基板30中未图示的配线层连接。之后，通过通常众所周知的多晶硅薄膜晶体管的形成工艺，在上述载体基板30上 形成多晶硅薄膜晶体管，由此如上所述，可以在上述载体基板30上的不同的区域中集成多 晶硅薄膜晶体管和单晶硅薄膜晶体管。此外，在上述制造例子中，举例说明了通过热处理劈开剥离晶片基板1的方法，但 是本实施方式不限于此。例如，在被接合的基板彼此的接合力大于劈开分离所需的力的情 况下，也可以通过机械方法(机械处理)进行劈开分离。此外，所谓「机械处理」具体地说 表示如下处理例如用力地固定被接合的基板，且对剥离面14施加平行的剪应力。 此外，上述机械劈开分离处理也可以包括附加的退火工序。另外，为了易于进行上述劈开分离，在劈开分离的层中也可以使用例如多孔性的 硅层。另外，在上述制造例子中，如图2所示，举例说明了在上述第1配线层9的表面隔 着平坦化层10设置隔断层11的情况，但是，上述隔断层11如图7所示，也可以被设置在上 述第1配线层9上。但是，从前述理由出发，优选上述隔断层11是平坦的，为此，优选上述 隔断层11如图2所示被设置在平坦化层10上。另外，在上述制造例子中，举例说明了在被转移层中事先形成有硅形成电路的情 况，但是本实施方式在上述被转移层16是单晶硅单膜的情况下也是有效的。在这种情况 下，例如在单晶硅膜上形成上述隔断层11，形成成为与载体基板30的接合层12的氧化膜 后，将该单晶硅膜隔着上述接合层12和隔断层11接合到载体基板30上即可。另外，在上述制造例子中，是通过单晶硅(a-Si)形成活性层3，但是上述活性层3 既可以包括单晶硅，也可以包括多晶硅(P-Si)。另外，在上述制造例子中，举例说明了将转移层16转移到载体基板30后在载体基 板30中形成薄膜晶体管的情况，当然也可以将被转移层16转移到事先形成有薄膜晶体管 的载体基板30。即，也可以在本实施方式中所用的目标基板中形成薄膜晶体管。在事先形 成薄膜晶体管的情况下，也可以仅在接合区域中通过蚀刻除去构成薄膜晶体管的层间绝缘 膜，使玻璃基板露出作为接合界面。或者，也可以在构成薄膜晶体管的层间绝缘膜上，与上 述器件基板的制造例子一样，形成隔断层和氧化硅膜作为接合界面。当然也可以将构成上 述薄膜晶体管的层间绝缘膜本身作为接合界面。本实施方式所涉及的半导体装置是如下的结构如上所述，在形成有被转移层的 半导体基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述半导体基板接合到目标基板，在上 述氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导体基板来将上述被转移层转移到 上述目标基板上的半导体装置中，在上述半导体基板和目标基板的接合界面与上述被转移 层之间，设有隔断物质的扩散的隔断层。另外，本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法是如下半导体装置的制造方法如上所述，在形成有被转移层的半导体基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述 半导体基板接合到目标基板，在上述氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导 体基板来将上述被转移层转移到上述目标基板上的半导体装置的制造方法中，在上述半导 体基板和目标基板的接合界面与上述被转移层之间，设置隔断物质的扩散的隔断层。
根据上述各结构，可以防止例如成为气泡产生原因的物质从上述被转移层扩散到 上述半导体基板和目标基板的接合界面，因此，可以防止在上述接合界面中产生气泡。另外，根据上述各结构，在接合界面和被转移层之间，S卩，在上述目标基板和被转 移层之间，设有上述隔断层，由此能通过该隔断层隔断可动离子的扩散。因此，根据上述各 结构，可以防止将被转移层转移到上述目标基板后，可动离子从目标基板扩散到被转移层 侧，因此，可以防止起因于上述可动离子的器件性能的降低。另外，优选上述隔断层是隔断可动离子从上述目标基板侧扩散的隔断层。如上所述，在上述接合界面和被转移层之间，S卩，在上述目标基板和被转移层之间 设有上述隔断层，由此通过该隔断层可以隔断可动离子的扩散。因此，根据上述结构以及方 法，可以防止将被转移层转移到上述目标基板后，可动离子从目标基板扩散到被转移层侧， 因此，可以防止起因于上述可动离子的器件性能的降低。优选上述隔断层由氮化硅构成。氮化硅的晶体结构细密，防止水、碳化氢、氢等杂 质透过。因此，用氮化硅形成上述隔断层，由此可以有效地防止成为气泡产生原因的物质扩 散到上述接合界面。另外，在使用了转移技术的转移中，除上述问题以外，存在如下问题将被转移 层转移到上述目标基板后，可动离子从目标基板扩散到被转移层侧，由此器件的工作能力 (器件性能)降低。特别是钠离子等可动离子对存在于被转移层侧的器件的工作带来影响。因此，如上所述，在上述接合界面和被转移层之间，即，在上述目标基板和被转移 层之间，如上所述，设有防止杂质透过的、具有细密晶体结构的隔断层，由此能通过该隔断 层来隔断可动离子的扩散。因此，根据上述的结构，将被转移层转移到上述目标基板后，可 以防止可动离子从目标基板扩散到被转移层侧，因此，可以防止起因于上述可动离子的器 件性能的降低。另外，优选在上述隔断层和目标基板之间设置均勻厚度的氧化硅膜。如上述隔断层包括例如氮化硅或者金属的情况那样，根据隔断层的种类，有时在 其原样的情况下隔断层表面的濡湿性(亲水性)不足。因此，从贴紧性的观点出发，不优选 将这种隔断层直接接合到目标基板上。因此，在上述隔断层和目标基板之间设置氧化硅膜， 由此可以改善上述隔断层表面(例如氮化硅膜表面)的濡湿性，提高上述被转移层与目标 基板的贴紧性。另一方面，在上述隔断层(例如氮化硅膜)具有台阶部的情况下，在该隔断 层与目标基板的接合界面之间所形成的氧化硅膜的体积与隔断层是平坦的情况相比变得 较大。另外，成为气泡产生原因的物质的产生、扩散随着氧化硅膜的体积增大而变多。因 此，在上述隔断层具有台阶部的情况下，存在成为气泡产生原因的物质的产生、扩散变多的 倾向。因此，优选上述氧化硅膜采用均勻的厚度。另外，在这种情况下，优选上述氧化硅膜的膜厚在5nm IOOnm的范围内。上述隔断层和目标基板之间的距离取决于上述氧化硅膜的厚度。另外，成为气泡 产生原因的物质也会在氧化硅膜中产生、扩散。因此，优选上述氧化硅膜的膜厚尽可能地薄。但是，当膜厚太薄时，有可能难以得到均勻的膜厚以及均勻的膜质的氧化硅膜。因此， 优选上述氧化硅膜的膜厚处在上述范围内。此外，本发明不限于上述各实施方式，在权利要求示出的范围内可以进行各种改 变，适当地组合在不同的实施方式中被分别公开的技术方案而得到的实施方式也被包括在 本发明的技术范围内。工业上的可利用件根据本发明的半导体基板的制造方法，可以防止成为气泡产生原因的物质的扩散导致在半导体基板和目标基板的接合界面中产生的泡沫状气泡所造成的器件特性的降低。
权利要求
一种半导体装置，在形成有被转移层的半导体基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述半导体基板接合到目标基板，在上述氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导体基板来将上述被转移层转移到上述目标基板上，其特征在于在上述半导体基板和目标基板的接合界面与上述被转移层之间，设有隔断物质扩散的隔断层。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于上述隔断层是隔断成为气泡产生原因的物质从上述被转移层侧扩散的隔断层。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于上述隔断层由如下材料构成其晶体内细孔或者晶体间间隙小于成为上述气泡产生原 因的物质的大小。
4.根据权利要求2或者3所述的半导体装置，其特征在于上述成为气泡产生原因的物质是从包括水、氢以及碳化氢的群中所选的至少一种离子 或者分子。
5.根据权利要求1 4中的任一项所述的半导体装置，其特征在于上述隔断层由氮化硅构成。
6.根据权利要求1 5中的任一项所述的半导体装置，其特征在于在上述隔断层和目标基板之间，设置有均勻厚度的氧化硅膜。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于上述氧化硅膜的膜厚是在5nm IOOnm的范围内。
8.根据权利要求1 7中的任一项所述的半导体装置，其特征在于上述隔断层是隔断可动离子从上述目标基板侧扩散的隔断层。
9.一种半导体装置的制造方法，是如下半导体装置的制造方法在形成有被转移层的 半导体基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将上述半导体基板接合到目标基板，在上 述氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离上述半导体基板来将上述被转移层转移到 上述目标基板上，所述半导体装置的制造方法的特征在于在上述半导体基板和目标基板的接合界面与上述被转移层之间，设置隔断物质扩散的 隔断层。
全文摘要
在形成有被转移层(16)的器件基板中注入氢离子或者稀有气体离子后，将器件基板接合到载体目标基板，通过氢离子或者稀有气体离子的注入部劈开剥离器件基板而将被转移层(16)转移到载体基板(30)上的半导体装置的制造方法中，在成为器件基板和载体基板的接合界面的接合面(13)与被转移层(16)之间，设置隔断层(11)，其隔断成为气泡产生原因的物质的扩散。其结果是可以防止成为气泡产生原因的物质扩散所造成的、在半导体基板和目标基板的接合界面中的气泡的产生。
文档编号H01L21/02GK101884090SQ20088011893
公开日2010年11月10日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年12月27日
发明者中川和男, 多田宪史, 富安一秀, 松本晋, 福岛康守, 竹井美智子, 高藤裕 申请人:夏普株式会社