半導体基板の作製方法及び半導体装置の作製方法
【課題】平坦性の高い表面を有する単結晶半導体層を備えた半導体基板の作製方法を提供することを目的の一とする。平坦性の高い単結晶半導体層を備えた半導体基板を用いて信頼性の高い半導体装置を作製することを目的の一とする。
【解決手段】半導体基板の作製工程において、単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成し、剥離加熱工程を行うことで脆化領域より表面側の単結晶半導体層をベース基板に転載する。
【解決手段】半導体基板の作製工程において、単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成し、剥離加熱工程を行うことで脆化領域より表面側の単結晶半導体層をベース基板に転載する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶縁表面に単結晶半導体層が設けられた半導体基板の作製方法及び半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶半導体のインゴットを薄くスライスして作製されるシリコンウエハーに代わり、絶縁表面に薄い単結晶半導体層を設けたシリコン・オン・インシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、以下、「ＳＯＩ」ともいう）と呼ばれる半導体基板を使った集積回路が開発されている。ＳＯＩ基板を使った集積回路は、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量を低減し、半導体集積回路の性能を向上させるものとして注目を集めている。
【０００３】
ＳＯＩ基板を作製する方法としては、水素イオン注入剥離法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。水素イオン注入剥離法は、シリコンウエハー表面より水素イオンを添加することによって表面から所定の深さに微小気泡領域を形成した後にシリコンウエハー表面を別のシリコンウエハーに接合する。さらに熱処理を行うことにより、シリコンウエハー中に分布する水素イオンが微小気泡領域に集中して、微小気泡領域が劈開面となり劈開面より表面側のシリコン層が剥離されることで、接合された別のシリコンウエハーに剥離された薄いシリコン層を転載することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２４０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単結晶半導体層を備えた半導体基板を使用して高機能な半導体集積回路を形成するためには、備えられた単結晶半導体層表面に高い平坦性が求められる。
【０００６】
このような問題点に鑑み、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる平坦性の高い表面を有する単結晶半導体層を備えた半導体基板の作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００７】
平坦性の高い単結晶半導体層を備えた半導体基板を用いて信頼性の高い半導体装置を作製することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成し、剥離加熱工程を行うことで脆化領域より表面側の単結晶半導体層をベース基板に転載する。
【０００９】
なお、本明細書における損傷領域とは、希ガスイオン照射により結晶構造に欠陥が生じた領域のことであり、本明細書における脆化領域とは、剥離加熱工程において、体積膨張により劈開面で剥離現象が発生するだけの水素イオンを含有した損傷領域のことである。
【００１０】
まず、単結晶半導体基板内に損傷領域を形成するために、単結晶半導体基板表面より希ガスイオン照射工程を行う。希ガスイオンは単結晶半導体基板内に照射した際に結晶構造に与える損傷が大きいため、大きな結晶欠陥を効率よく形成することができる。
【００１１】
また、希ガスは不活性であるため、作業時の気体雰囲気や温度を制御する必要が無いため、安全性が高い点も長所として上げられる。
【００１２】
損傷領域を形成するために行う希ガスイオン照射工程において、単結晶半導体基板内には入射エネルギーに応じた深さまで到達した希ガスが濃度分布を有して含まれる。この希ガス分布は高濃度な状態でブロードに分布する。よって、損傷領域は、含まれる希ガスの濃度分布に依存するため、単結晶半導体中において損傷領域は、所定の深さ近傍に厚く形成されてしまう。
【００１３】
単結晶半導体基板から単結晶半導体層を剥離する工程を、損傷領域において行おうとすると、損傷領域は深さ（膜厚）方向に広く（厚く）分布しており、広い範囲で剥離が生じるため、単結晶半導体層を別のベース基板に転載する際に劈開面が平面とならずに大きな凹凸が発生してしまう。
【００１４】
よって、単結晶半導体基板内の損傷領域を膜厚方向に薄くするために、単結晶半導体基板表面よりレーザー照射工程を行う。レーザー照射を行うことにより、希ガスイオン照射によって生じた結晶欠陥を回復し、且つ、損傷領域を膜厚方向に薄くすることができる。
【００１５】
レーザーは高精度にエネルギー調整を行えるため、単結晶半導体基板表面から劈開面となる所定の深さまでの範囲のみを選択的に加熱することができる。この加熱により、単結晶半導体基板表面から劈開面となる所定深さまでの範囲が溶融し、再単結晶化が行われる。
【００１６】
これにより、所定の深さにおける損傷領域の結晶欠陥状態を維持したまま、所定の深さより浅い損傷領域の結晶欠陥状態を回復し、損傷領域を膜厚方向に薄くすることができる。
【００１７】
なお、レーザーは高精度にエネルギー調整を行えるため、損傷領域の膜厚方向に対する厚さを高精度に制御することができる。
【００１８】
次に、単結晶半導体基板内に脆化領域を形成するために、単結晶半導体基板表面より水素イオン照射工程を行う。希ガスイオン照射工程にて既に損傷領域が形成されているため、照射する水素イオンは損傷領域に集中しやすく、少ないイオン濃度で効率よく脆化領域を形成することができる。このため、高濃度での水素イオン照射を行う必要がないため、単結晶半導体基板内に形成される結晶欠陥を抑制することができる。
【００１９】
また、水素イオンを照射することによって単結晶半導体基板内にはプレートレット欠陥が形成できるため、低温で剥離することができる。
【００２０】
次に、劈開面より表面側の単結晶半導体層を接合するベース基板を貼り合わせる。ベース基板と単結晶半導体基板の貼り合わせ強度を強くするため、ベース基板の表面状態は平坦性が高いことが好ましい。
【００２１】
最後に、劈開面より表面側の単結晶半導体層を剥離するための剥離加熱工程を行う。
【００２２】
このように、希ガスイオン照射工程とレーザー照射工程を行うことにより大きな結晶欠陥を含有した薄い膜厚の損傷領域を形成した後に、損傷領域に水素イオン照射工程を行って脆化領域を形成することで、大きな結晶欠陥を含有した薄い膜厚の脆化領域を形成することができる。よって、剥離加熱工程後に得られる劈開面は、凹凸の小さな平坦性の高いものとなる。
【００２３】
本発明の半導体基板の作製方法の一形態は、単結晶半導体基板の一面から希ガスイオンを照射して第一の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面からレーザー光を照射して第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二の損傷領域に水素イオンを照射して単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、脆化領域を劈開面として、単結晶半導体基板を脆化領域で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より単結晶半導体層をベース基板上に形成することを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２４】
本発明の半導体基板の作製方法の他の一形態は、単結晶半導体基板の一面から希ガスイオンを照射して第一の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第一のレーザー光を照射して第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二の損傷領域に水素イオンを照射して単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二のレーザー光を照射することにより単結晶半導体基板の一面から脆化領域までの領域を溶融し、単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、脆化領域を劈開面として、単結晶半導体基板を脆化領域で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より単結晶半導体層をベース基板上に形成することを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２５】
本発明の半導体基板の作製方法の他の一形態は、希ガスとしてヘリウムを用いることを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２６】
本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、前述の半導体基板の作製方法により形成された単結晶半導体層を用いて半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００２７】
単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程，レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成することにより、剥離加熱工程後に得られる劈開面を、凹凸の小さな平坦性の高いものにできる。
【００２８】
水素イオン照射前に、希ガスイオン照射およびレーザー照射により薄い損傷領域を予め形成することにより、少ない水素イオン照射で効率よく脆化領域を形成することができるため、水素イオン照射により形成される単結晶半導体基板内の結晶欠陥を抑制することができる。
【００２９】
そのような単結晶半導体基板から分離された平坦性の高い単結晶半導体層を用いることにより、高性能及び高信頼性な半導体素子、記憶素子、集積回路などを含む様々な半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図２】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図３】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図４】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図５】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図６】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体基板の作製おいて、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる、平坦性の高い劈開面を有する単結晶半導体層を備えた半導体基板の作製方法について説明する。
【００３３】
まず、単結晶半導体基板１００を準備する（図１（Ａ）参照）。なお、ここでは単結晶の半導体基板を用いるが、単結晶層を有する基板が用いてもよい。
【００３４】
単結晶半導体基板１００としては、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板など、第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板を用いることもできる。市販のシリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）、直径１６インチ（４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、単結晶半導体基板１００の形状は円形に限らず、例えば、矩形等に加工したものであっても良い。また、単結晶半導体基板１００は、ＣＺ（チョクラルスキー）法やＦＺ（フローティングゾーン）法を用いて作製することができる。
【００３５】
次に、単結晶半導体基板１００の表面には絶縁層１０２を形成する（図１（Ｂ）参照）。なお、汚染物除去の観点から、絶縁層１０２の形成前に、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）、ＦＰＭ（フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液）等を用いて単結晶半導体基板１００の表面を洗浄しておくことが好ましい。希フッ酸とオゾン水を交互に吐出して洗浄してもよい。
【００３６】
絶縁層１０２は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を単層で、または積層させて形成することができる。上記絶縁層１０２の作製方法としては、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などがある。また、ＣＶＤ法を用いて絶縁層１０２を形成する場合、良好な貼り合わせを実現するためには、テトラエトキシシラン（略称；ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）等の有機シランを用いて酸化シリコン膜を形成することが好ましい。
【００３７】
本実施の形態では、単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより絶縁層１０２（ここでは、酸化膜（ＳｉＯｘ膜））を形成する。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。
【００３８】
例えば、塩素（Ｃｌ）が添加された酸化性雰囲気中で単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された絶縁層１０２を形成することができる。この場合、絶縁層１０２は、塩素原子を含有する膜となる。このような塩素酸化により、外因性の不純物である重金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等）を捕集して金属の塩化物を形成し、これを外方に除去して単結晶半導体基板１００の汚染を低減させることができる。また、ベース基板２００と貼り合わせた後に、ベース基板からのＮａ等の不純物を固定して、単結晶半導体基板１００の汚染を防止できる。
【００３９】
なお、絶縁層１０２に含有させるハロゲン原子は塩素原子に限られない。絶縁層１０２にはフッ素原子を含有させてもよい。単結晶半導体基板１００表面をフッ素酸化する方法としては、ＨＦ溶液に浸漬させた後に酸化性雰囲気中で熱酸化処理を行う方法や、ＮＦ３を酸化性雰囲気に添加して熱酸化処理を行う方法などがある。
【００４０】
次に、単結晶半導体基板１００の一面に対して希ガスイオン照射１０３を行う。希ガスイオンを電界で加速して単結晶半導体基板１００に照射することで、単結晶半導体基板１００の所定の深さに結晶構造が損傷した第一の損傷領域１０４を形成する（図１（Ｃ）参照）。
【００４１】
第一の損傷領域１０４が形成される領域の深さは、イオンの運動エネルギー、イオンの質量と電荷、イオンの入射角などによって調節することができる。また、第一の損傷領域１０４は、イオンの平均侵入深さとほぼ同じ深さの領域に形成される。このため、イオンを照射する深さで、単結晶半導体基板１００から分離される単結晶半導体層の厚さを調節することができる。例えば、単結晶半導体層の厚さが、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度となるように平均侵入深さを調節すれば良い。
【００４２】
当該イオンの照射処理は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。
【００４３】
本実施の形態では、希ガスイオン照射として、イオンドーピング装置を用いてヘリウム（Ｈｅ）ガスを単結晶半導体基板１００に照射する例について説明する。
【００４４】
ヘリウムを原料ガスにする場合、加速電圧を１０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲で、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で照射し損傷領域を形成することができる。ヘリウムを原料ガスにすると、質量分離を行わなくてもＨｅ＋イオンを主なイオンとして照射することができる。
【００４５】
単結晶半導体基板にヘリウムイオンのような希ガスイオンを照射した場合、添加されたヘリウムが、シリコン結晶格子内のシリコン原子をノックアウトする（追い出す）ことによって結晶欠陥を含有する第一の損傷領域を作り出す。希ガスイオンはサイズが大きく重量も重いため、大きな欠陥を形成しやすく、よって損傷領域の膜厚を薄くしても剥離がしやすくなる。
【００４６】
また、ヘリウムは不活性ガスであるため、イオン照射時の気体雰囲気制御や温度制御が容易であり、作業効率や安全性を向上させることができる。
【００４７】
なお、照射する希ガスイオンはヘリウムイオンに限定されない。アルゴンイオンなどを照射しても良い。また、照射する希ガスイオンは一種類に限定されず、複数種類のイオンを添加しても良い。
【００４８】
なお、イオンドーピング装置を用いて第一の損傷領域１０４を形成する場合には、重金属も同時に添加されるおそれがあるが、ハロゲン原子を含有する絶縁層１０２を介してイオンの照射を行うことによって、これら重金属による単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。
【００４９】
なお、ヘリウム照射の後に第一の損傷領域にヘリウムを集中させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、ヘリウムが単結晶半導体基板内から放出されることによるボイドが生じない温度（例えば、２００℃以上６００℃未満）とする。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００５０】
次に、単結晶半導体基板の一面に対してレーザー光１０５を照射し、単結晶半導体基板の深さ方向も含む照射領域を選択的に溶融させて再単結晶化させることにより、第一の損傷領域の単結晶半導体基板表面側に近い一部において結晶欠陥が回復する。これにより、厚さを薄くした第二の損傷領域１０６が形成される（図１（Ｄ）参照）。
【００５１】
次に、単結晶半導体基板の一面に対して水素イオン照射１０７を行う。水素イオンを電界で加速して単結晶半導体基板１００に照射することで、第二の損傷領域１０６近傍に水素イオンを高濃度に分布させ、剥離加熱処理の際に水素ガス集中による剥離現象が発生する脆化領域１０８を形成する（図１（Ｅ）参照）。
【００５２】
当該イオンの照射処理は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。
【００５３】
本実施の形態では、イオンドーピング装置を用いて、水素イオンを単結晶半導体基板１００に照射する例について説明する。ソースガスとしては水素を含むガスを用いる。照射するイオンについては、Ｈ３＋の比率を高くすると良い。具体的には、Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋の総量に対してＨ３＋の割合が５０％以上（より好ましくは８０％以上）となるようにする。Ｈ３＋の割合を高めることで、イオン照射の効率を向上させることができる。
【００５４】
ヘリウム照射にて結晶欠陥を含有する第二の損傷領域１０６が既に形成されているため、照射する水素イオンは第二の損傷領域１０６に集まりやすく、少ないイオン濃度で効率よく脆化領域１０８を形成することができるため、水素イオン照射により形成される単結晶半導体基板内の結晶欠陥を抑制することができる。
【００５５】
なお、水素イオンを照射することによって単結晶半導体基板内にはプレートレット欠陥が形成できるため、低温で剥離することができる。
【００５６】
含まれる水素の濃度分布については、第二の損傷領域１０６の膜厚方向に対する中央付近に水素濃度ピークが形成されるように照射を行うことが好ましいが、水素イオンは第二の損傷領域１０６に集まりやすいので、この限りではない。
【００５７】
なお、イオンドーピング装置を用いて高濃度イオン分布領域を形成する場合には、重金属も同時に添加されるおそれがあるが、ハロゲン原子を含有する絶縁層１０２を介してイオンの照射を行うことによって、これら重金属による単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。
【００５８】
また、水素イオン照射の後に結晶欠陥を回復させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、脆化領域１０８において水素集中により剥離が生じない温度（例えば、２００℃以上４００℃未満）とする。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００５９】
次に、ベース基板２００を準備する。ベース基板２００としては、絶縁体でなる基板を用いることができる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板が挙げられる。
【００６０】
本実施の形態では、ベース基板２００としてガラス基板を用いる場合について説明する。ベース基板２００として大面積化が可能で安価なガラス基板を用いることにより、低コスト化を図ることができる。
【００６１】
上記ベース基板２００に関しては、その表面をあらかじめ洗浄しておくことが好ましい。具体的には、ベース基板２００に対して、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）、ＦＰＭ（フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液）等を用いて超音波洗浄を行う。このような洗浄処理を行うことによって、ベース基板２００表面の平坦性向上や、ベース基板２００表面に残存する研磨粒子の除去などが実現される。
【００６２】
なお、ベース基板２００の表面に、ベース基板に含まれるナトリウム（Ｎａ）等の不純物が単結晶半導体層に拡散することを防ぐためのバリア層を形成してもよい。
【００６３】
次に、単結晶半導体基板１００と、ベース基板２００を対向させ、絶縁層１０２とベース基板２００の表面とを密着させる。これにより、単結晶半導体基板１００と、ベース基板２００とが貼り合わされる（図２（Ａ）参照）。
【００６４】
貼り合わせの際には、ベース基板２００または単結晶半導体基板１００の一箇所に、０．００１Ｎ／ｃｍ２以上１００Ｎ／ｃｍ２以下、例えば、１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下の圧力を加えることが望ましい。圧力を加えて、貼り合わせ面を接近、密着させると、密着させた部分においてベース基板２００と絶縁層１０２の接合が生じ、当該部分を始点として自発的な接合がほぼ全面におよぶ。この接合には、ファンデルワールス力や水素結合が作用しており、常温で行うことができる。
【００６５】
なお、単結晶半導体基板１００とベース基板２００とを貼り合わせる前には、貼り合わせに係る表面について、表面処理を行うことが好ましい。表面処理を行うことで、単結晶半導体基板１００とベース基板２００との界面での接合強度を向上させることができる。
【００６６】
表面処理としては、ウェット処理、ドライ処理、またはウェット処理とドライ処理の組み合わせ、を用いることができる。また、異なるウェット処理どうしを組み合わせて用いても良いし、異なるドライ処理どうしを組み合わせて用いても良い。
【００６７】
なお、貼り合わせの後には、接合強度を増加させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、脆化領域１０８において分離が生じない温度（例えば、２００℃以上４００℃未満）とする。また、この温度範囲で加熱しながら、絶縁層１０２とベース基板２００とを接合させてもよい。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００６８】
次に、剥離加熱処理を行うことにより、単結晶半導体基板１００を脆化領域において分離して、ベース基板２００上に、絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１１０を分離する（図２（Ｂ）参照）。図２（Ｂ）の分離例は一例であり、脆化領域１０８に沿って絶縁層１０２が分離される場合もある。
【００６９】
以上の工程により、平坦性が高くかつ結晶欠陥の少ない良好な特性を有する単結晶半導体層１１０が単結晶半導体基板１００からベース基板２００に転載され、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる単結晶半導体層を備えた半導体基板を得ることができる（図２（Ｃ）参照）。
【００７０】
なお、上記分離の際の熱処理温度は、できる限り低いものであることが望ましい。分離の際の温度が低いほど、単結晶半導体層１１０の表面荒れを抑制できるためである。具体的には、例えば、上記分離の際の熱処理御温度は、３００℃以上６００℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下とすると、より効果的である。
【００７１】
なお、単結晶半導体基板１００を分離した後には、単結晶半導体層１１０に対して、１００℃以上の温度で熱処理を行い、単結晶半導体層１１０中に残存する水素の濃度を低減させてもよい。
【００７２】
ベース基板に設けられた単結晶半導体層１１０からトランジスタなどの半導体素子を作製することで、ゲート絶縁層の薄膜化およびゲート絶縁層の局在界面準位密度を低減することができる。また単結晶半導体層１１０の膜厚を薄くすることで、ベース基板上に、単結晶半導体層で完全空乏型のトランジスタを作製することができる。
【００７３】
また、本実施の形態において、単結晶半導体基板１００として単結晶シリコン基板を適用した場合は、単結晶半導体層１１０として単結晶シリコン層を得ることができる。また、本実施の形態に係る半導体基板の製造方法は、プロセス温度を７００℃以下とすることができるため、ベース基板２００としてガラス基板を適用することができる。すなわち、従来の薄膜トランジスタと同様にガラス基板上に形成することができ、かつ単結晶シリコン層を単結晶半導体層に適用することができる。これらのことにより、高速動作が可能で、サブスレッショルド値が低く、電界効果移動度が高く、低消費電圧で駆動可能など高性能、高信頼性のトランジスタをガラス基板等のベース基板上に作製することができる。
【００７４】
なお、本明細書に開示する発明において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置を指す。本発明を用いて半導体素子（トランジスタ、メモリ素子やダイオードなど）を含む回路を有する装置や、プロセッサ回路を有するチップなどの半導体装置を作製することができる。
【００７５】
本明細書に開示する発明は表示機能を有する装置である半導体装置（表示装置ともいう）にも用いることができ、半導体装置としては、エレクトロルミネセンス（以下「ＥＬ」ともいう。）と呼ばれる発光を発現する有機物、無機物、若しくは有機物と無機物の混合物を含む層を、電極間に介在させた発光素子とトランジスタとが接続された半導体装置（発光表示装置）や、液晶材料を有する液晶素子（液晶表示素子）を表示素子として用いる半導体装置（液晶表示装置）などがあげられる。本明細書において、表示装置とは表示素子を有する装置のことを指し、表示装置は、基板上に表示素子を含む複数の画素やそれらの画素を駆動させる周辺駆動回路が形成された表示パネル本体のことも含む。さらに、フレキシブルプリントサーキット（ＦＰＣ）やプリント配線基盤（ＰＷＢ）が取り付けられたもの（ＩＣや抵抗素子や容量素子やインダクタやトランジスタなど）も含んでもよい。さらに、偏光板や位相差板などの光学シートを含んでいても良い。さらに、バックライト（導光板やプリズムシートや拡散シートや反射シートや光源（ＬＥＤや冷陰極管など）を含んでいても良い）を含んでいても良い。
【００７６】
なお、表示素子や半導体装置は、様々な形態及び様々な素子を用いることができる。例えば、ＥＬ素子（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子又は有機物及び無機物を含むＥＬ素子）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブ、など、電気磁気的作用によりコントラストが変化する表示媒体を適用することができる。なお、ＥＬ素子を用いた半導体装置としてはＥＬディスプレイ、電子放出素子を用いた半導体装置としてはフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌｙ）など、液晶素子を用いた半導体装置としては液晶ディスプレイ、透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、電子インクを用いた半導体装置としては電子ペーパーがある。
【００７７】
本明細書に開示された方法により作製された半導体基板を用いることにより、高性能及び高信頼性な半導体基板及び半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【００７８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において、単結晶半導体基板よりベース基板へ単結晶半導体層を接合する工程の異なる例を示す。従って、実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
【００７９】
本実施の形態は、実施の形態１と同様に単結晶半導体基板１００に絶縁層１０２を形成し、希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行い膜厚の薄い脆化領域１０８を形成した後に、結晶欠陥を回復するための第二のレーザー照射工程を行うものであり、図３（Ａ）は図１（Ｅ）に対応している。
【００８０】
脆化領域１０８が形成された単結晶半導体基板１００の一面に対してレーザー光１０９を照射する（図３（Ｂ）参照）。これにより、脆化領域１０８における結晶の欠陥はそのままの状態に維持しながら、脆化領域１０８より浅い領域における結晶の欠陥のみを回復することができる。このため、本実施の形態により作製された単結晶半導体層１１０を使用することにより、劈開面近傍の結晶欠陥が極めて少ない単結晶半導体層を備えた半導体基板を作製することができる。
【００８１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、薄型で高性能な半導体素子を有する半導体集積回路を実装し、歩留まりよく作製することを目的とした半導体装置の作製方法の一例としてＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）に関して図４及び図５を用いて説明する。なお、実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
【００８３】
図４（Ａ）は、ベース基板２００上に絶縁層１０２、単結晶半導体層１１０が形成されている。図４（Ａ）は、図２（Ｃ）と対応している。なお、ここでは実施の形態１で図２（Ｃ）に示す構成の半導体基板を適用する例を示すが、本明細書で示すその他の構成の半導体基板も適用できる。
【００８４】
単結晶半導体層１１０には、分離した単結晶半導体基板の導電型（含まれる一導電型を付与する不純物元素）によって、しきい値電圧を制御するためにｎチャネル型電界効果トランジスタ及びｐチャネル型電界効果トランジスタの形成領域に合わせて、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのｐ型を付与する不純物元素、若しくはリン、砒素などのｎ型を付与する不純物元素を添加してもよい。不純物元素のドーズ量は１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２から１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度で行えば良い。
【００８５】
単結晶半導体層１１０をエッチングして、半導体素子の配置に合わせて島状に分離した単結晶半導体層１２０５、１２０６を形成する（図４（Ｂ）参照。）。
【００８６】
単結晶半導体層上の酸化膜を除去し、単結晶半導体層１２０５、１２０６を覆うゲート絶縁層１２０７を形成する。本実施の形態における単結晶半導体層１２０５、１２０６は平坦性が高いため、単結晶半導体層１２０５、１２０６上に形成されるゲート絶縁層が薄膜のゲート絶縁層であっても被覆性よく覆うことができる。従ってゲート絶縁層の被覆不良による特性不良を防ぐことができ、高信頼性の半導体装置を歩留まりよく作製することができる。ゲート絶縁層１２０７の薄膜化は、トランジスタを低電圧で高速に動作させる効果がある。
【００８７】
ゲート絶縁層１２０７は酸化珪素、若しくは酸化珪素と窒化珪素の積層構造で形成すればよい。ゲート絶縁層１２０７は、プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法により絶縁膜を堆積することで形成しても良いし、プラズマ処理による固相酸化若しくは固相窒化で形成すると良い。単結晶半導体層を、プラズマ処理により酸化又は窒化することにより形成するゲート絶縁層は、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているためである。例えば、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）をＡｒで１〜３倍（流量比）に希釈して、１０〜３０Ｐａの圧力にて３〜５ｋＷのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して単結晶半導体層１２０５、１２０６の表面を酸化若しくは窒化させる。この処理により１ｎｍ〜１０ｎｍ（好ましくは２ｎｍ〜６ｎｍ）の絶縁膜を形成する。さらに亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とシラン（ＳｉＨ４）を導入し、１０〜３０Ｐａの圧力にて３〜５ｋＷのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して気相成長法により酸化窒化シリコン膜を形成してゲート絶縁層を形成する。固相反応と気相成長法による反応を組み合わせることにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁層を形成することができる。
【００８８】
また、ゲート絶縁層１２０７として、二酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、二酸化チタン、五酸化タンタルなどの高誘電率材料を用いても良い。ゲート絶縁層１２０７に高誘電率材料を用いることにより、ゲートリーク電流を低減することができる。
【００８９】
ゲート絶縁層１２０７上にゲート電極層１２０８及びゲート電極層１２０９を形成する（図４（Ｃ）参照。）。ゲート電極層１２０８、１２０９は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の手法により形成することができる。ゲート電極層１２０８、１２０９はタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）から選ばれた元素、又は前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成すればよい。また、ゲート電極層１２０８、１２０９としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜や、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。
【００９０】
単結晶半導体層１２０６を覆うマスク１２１１を形成する。マスク１２１１及びゲート電極層１２０８をマスクとして、ｎ型を付与する不純物元素１２１０を添加し、第一のｎ型不純物領域１２１２ａ、１２１２ｂを形成する（図４（Ｄ）参照。）。本実施の形態では、不純物元素を含むドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ３）を用いる。ここでは、第一のｎ型不純物領域１２１２ａ、１２１２ｂに、ｎ型を付与する不純物元素が１×１０１７〜５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。本実施の形態では、ｎ型を付与する不純物元素としてリン（Ｐ）を用いる。
【００９１】
次に、マスク１２１１を除去した後に、単結晶半導体層１２０５を覆うマスク１２１４を形成する。マスク１２１４、ゲート電極層１２０９をマスクとしてｐ型を付与する不純物元素１２１３を添加し、第一のｐ型不純物領域１２１５ａ、１２１５ｂを形成する（図４（Ｅ）参照。）。本実施の形態では、不純物元素としてボロン（Ｂ）を用いるため、不純物元素を含むドーピングガスとしてはジボラン（Ｂ２Ｈ６）などを用いる。
【００９２】
マスク１２１４を除去し、ゲート電極層１２０８及び１２０９の側面にサイドウォール構造の側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄ、ゲート絶縁層１２３３ａ及び１２３３ｂを形成する（図５（Ａ）参照。）。側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄは、ゲート電極層１２０８、１２０９を覆う絶縁層を形成した後、これをＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法による異方性のエッチングによって絶縁層を加工し、ゲート電極層１２０８、１２０９の側壁に自己整合的にサイドウォール構造の側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄを形成すればよい。ここで、絶縁層について特に限定はないが、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化珪素であることが好ましい。絶縁層は熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ、バイアスＥＣＲＣＶＤ、スパッタリング等の方法によって形成することができる。ゲート絶縁層１２３３ａ、１２３３ｂはゲート電極層１２０８、１２０９、及び側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄをマスクとしてゲート絶縁層１２０７をエッチングして形成することができる。
【００９３】
また、本実施の形態では、絶縁層をエッチングする際、ゲート電極層上の絶縁層を除去し、ゲート電極層を露出させるが、絶縁層をゲート電極層上に残すような形状に側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄを形成してもよい。また、後工程でゲート電極層上に保護膜を形成してもよい。このようにゲート電極層を保護することによって、エッチング加工する際、ゲート電極層の膜減りを防ぐことができる。また、ソース領域及びドレイン領域にシリサイドを形成する場合、シリサイド形成時に成膜する金属膜とゲート電極層とが接しないので、金属膜の材料とゲート電極層の材料とが反応しやすい材料であっても、化学反応や拡散などの不良を防止することができる。エッチング方法は、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、種々のエッチング方法を用いることができる。本実施の形態では、ドライエッチング法を用いる。エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。
【００９４】
次に単結晶半導体層１２０６を覆うマスク１２１８を形成する。マスク１２１８、ゲート電極層１２０８、側壁絶縁層１２１６ａ、１２１６ｂをマスクとしてｎ型を付与する不純物元素１２１７を添加し、第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂ、第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂが形成される。本実施の形態では、不純物元素を含むドーピングガスとしてＰＨ３を用いる。ここでは、第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂにｎ型を付与する不純物元素が５×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。また、単結晶半導体層１２０５にチャネル形成領域１２２１が形成される（図５（Ｂ）参照。）。
【００９５】
第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂは高濃度ｎ型不純物領域であり、ソース、ドレインとして機能する。一方、第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂは低濃度不純物領域であり、ＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域となる。第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂはゲート電極層１２０８に覆われていないＬｏｆｆ領域に形成されるため、オフ電流を低減する効果がある。この結果、さらに信頼性の高く、低消費電力の半導体装置を作製することができる。
【００９６】
次に、マスク１２１８を除去し、単結晶半導体層１２０５を覆うマスク１２２３を形成する。マスク１２２３、ゲート電極層１２０９、側壁絶縁層１２１６ｃ、１２１６ｄをマスクとして、ｐ型を付与する不純物元素１２２２を添加し、第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂ、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂを形成する。
【００９７】
第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂにｐ型を付与する不純物元素が１×１０２０〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。本実施の形態では、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂは、側壁絶縁層１２１６ｃ、１２１６ｄにより、自己整合的に第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂより低濃度となるように形成する。また、単結晶半導体層１２０６にチャネル形成領域１２２６が形成される（図５（Ｃ）参照。）。
【００９８】
第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂは高濃度ｐ型不純物領域であり、ソース、ドレインとして機能する。一方、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂは低濃度不純物領域であり、ＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域となる。第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂはゲート電極層１２０９に覆われていないＬｏｆｆ領域に形成されるため、オフ電流を低減する効果がある。この結果、さらに信頼性の高く、低消費電力の半導体装置を作製することができる。
【００９９】
マスク１２２３を除去し、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、又はレーザー光の照射を行ってもよい。活性化と同時にゲート絶縁層へのプラズマダメージやゲート絶縁層と単結晶半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。
【０１００】
次に、基板上に層間絶縁層を形成する。本実施の形態では、層間絶縁層を保護膜となる水素を含む絶縁膜１２２７と、絶縁層１２２８との積層構造とする。絶縁膜１２２７と絶縁層１２２８は、スパッタ法、またはプラズマＣＶＤを用いた窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、酸化珪素膜でもよく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または３層以上の積層構造として用いても良い。
【０１０１】
さらに、窒素雰囲気中で、３００〜５５０℃で１〜１２時間の熱処理を行い、単結晶半導体層を水素化する工程を行う。好ましくは、４００〜５００℃で行う。この工程は層間絶縁層である絶縁膜１２２７に含まれる水素により単結晶半導体層のダングリングボンドを終端する工程である。本実施の形態では、４１０℃で１時間加熱処理を行う。
【０１０２】
絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８としては他に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、窒素含有量が酸素含有量よりも多い窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）または酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒素含有炭素（ＣＮ）、ポリシラザン、その他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。また、シロキサン樹脂を用いてもよい。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基（例えばアルキル基、アリール基）やフルオロ基を用いてもよい。有機基は、フルオロ基を有していてもよい。また、有機絶縁性材料を用いてもよく、有機材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト又はベンゾシクロブテンを用いることができる。平坦性のよい塗布法によって形成される塗布膜を用いてもよい。
【０１０３】
絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８は、ディップ、スプレー塗布、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター、ＣＶＤ法、蒸着法等を採用することができる。液滴吐出法により絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８を形成してもよい。液滴吐出法を用いた場合には材料液を節約することができる。また、液滴吐出法のようにパターンが転写、または描写できる方法、例えば印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法）なども用いることができる。
【０１０４】
次に、レジストからなるマスクを用いて絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８に単結晶半導体層に達するコンタクトホール（開口）を形成する。エッチングは、用いる材料の選択比によって、一回で行っても複数回行っても良い。エッチングによって、絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８を除去し、ソース領域又はドレイン領域である第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂ、第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂに達する開口を形成する。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよく、両方用いてもよい。ウェットエッチングのエッチャントは、フッ素水素アンモニウム及びフッ化アンモニウムを含む混合溶液のようなフッ酸系の溶液を用いるとよい。エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。また用いるエッチング用ガスに不活性気体を添加してもよい。添加する不活性元素としては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅから選ばれた一種または複数種の元素を用いることができる。
【０１０５】
開口を覆うように導電膜を形成し、導電膜をエッチングして各ソース領域又はドレイン領域の一部とそれぞれ電気的に接続するソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層１２２９ａ及び１２２９ｂ、並びに１２３０ａ及び１２３０ｂを形成する。配線層は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電膜を成膜した後、所望の形状にエッチングして形成することができる。また、液滴吐出法、印刷法、電解メッキ法等により、所定の場所に選択的に導電層を形成することができる。更にはリフロー法、ダマシン法を用いても良い。配線層の材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂａ等の金属、及びＳｉ、Ｇｅ、又はその合金、若しくはその窒化物を用いて形成する。また、これらの積層構造としても良い。
【０１０６】
以上の工程でＣＭＯＳ構造のｎチャネル型薄膜トランジスタであるトランジスタ１２３１及びｐチャネル型薄膜トランジスタであるトランジスタ１２３２を含む半導体装置を作製することができる（図５（Ｄ）参照。）。図示しないが、本実施の形態はＣＭＯＳ構造であるため、トランジスタ１２３１とトランジスタ１２３２とは電気的に接続している。
【０１０７】
本実施の形態に限定されず、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【０１０８】
以上のように、単結晶半導体層は単結晶半導体基板より分離された層を用いるため、結晶性が極めて高い。
【０１０９】
従って、薄型の高性能な半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【０１１０】
本実施の形態は、実施の形態１乃至２のいずれか一と適宜組み合わせることができる。
【０１１１】
（実施の形態４）
実施の形態３で作製された半導体装置を適用することで、様々な電子機器に本発明を実施できる。
【０１１２】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ等のカメラ、ヘッドマウントディスプレイ（ゴーグル型ディスプレイ）、カーナビゲーション、プロジェクタ、カーステレオ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等）などが挙げられる。それらの一例を図６に示す。
【０１１３】
また、マイクロプロセッサ、ＲＦＩＤタグ、ＩＤタグ、ＩＣタグ、ＩＣチップ、ＲＦタグ、無線タグ、電子タグまたは無線チップとも呼ばれる非接触でデータの送受信を行うことのできる演算機能を備えた半導体装置などにも本発明を適用することができる。
【０１１４】
図６（Ａ）に示す携帯情報端末機器は、本体９２０１、表示部９２０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯情報端末機器を提供することができる。
【０１１５】
図６（Ｂ）に示すデジタルビデオカメラは、表示部９７０１、表示部９７０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高いデジタルビデオカメラを提供することができる。
【０１１６】
図６（Ｃ）に示す携帯電話機は、本体９１０１、表示部９１０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯電話機を提供することができる。
【０１１７】
図６（Ｄ）に示す携帯型のテレビジョン装置は、本体９３０１、表示部９３０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯型のテレビジョン装置を提供することができる。またテレビジョン装置としては、携帯電話機などの携帯端末に搭載する小型のものから、持ち運びをすることができる中型のもの、また、大型のもの（例えば４０インチ以上）まで、幅広いものに、本発明の半導体装置を適用することができる。
【０１１８】
図６（Ｅ）に示す携帯型のコンピュータは、本体９４０１、表示部９４０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯型のコンピュータを提供することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１００ 単結晶半導体基板
１０２ 絶縁層
１０３ 希ガスイオン照射
１０４ 第一の損傷領域
１０５ レーザー光
１０６ 第二の損傷領域
１０７ 水素イオン照射
１０８ 脆化領域
１０９ レーザー光
１１０ 単結晶半導体層
２００ ベース基板
１２０５ 単結晶半導体層
１２０６ 単結晶半導体層
１２０７ ゲート絶縁層
１２０８ ゲート電極層
１２０９ ゲート電極層
１２１０ ｎ型を付与する不純物元素
１２１１ マスク
１２１２ａ 第一のｎ型不純物領域
１２１２ｂ 第一のｎ型不純物領域
１２１３ ｐ型を付与する不純物元素
１２１４ マスク
１２１５ａ 第一のｐ型不純物領域
１２１５ｂ 第一のｐ型不純物領域
１２１６ａ 側壁絶縁層
１２１６ｂ 側壁絶縁層
１２１６ｃ 側壁絶縁層
１２１６ｄ 側壁絶縁層
１２１７ ｎ型を付与する不純物元素
１２１８ マスク
１２１９ａ 第二のｎ型不純物領域
１２１９ｂ 第二のｎ型不純物領域
１２２０ａ 第三のｎ型不純物領域
１２２０ｂ 第三のｎ型不純物領域
１２２１ チャネル形成領域
１２２２ ｐ型を付与する不純物元素
１２２３ マスク
１２２４ａ 第二のｐ型不純物領域
１２２４ｂ 第二のｐ型不純物領域
１２２５ａ 第三のｐ型不純物領域
１２２５ｂ 第三のｐ型不純物領域
１２２６ チャネル形成領域
１２２７ 絶縁膜
１２２８ 絶縁層
１２２９ａ 配線層
１２２９ｂ 配線層
１２３０ａ 配線層
１２３０ｂ 配線層
１２３１ トランジスタ
１２３２ トランジスタ
１２３３ａ ゲート絶縁層
１２３３ｂ ゲート絶縁層
９１０１ 本体
９１０２ 表示部
９２０１ 本体
９２０２ 表示部
９３０１ 本体
９３０２ 表示部
９４０１ 本体
９４０２ 表示部
９７０１ 表示部
９７０２ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶縁表面に単結晶半導体層が設けられた半導体基板の作製方法及び半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶半導体のインゴットを薄くスライスして作製されるシリコンウエハーに代わり、絶縁表面に薄い単結晶半導体層を設けたシリコン・オン・インシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、以下、「ＳＯＩ」ともいう）と呼ばれる半導体基板を使った集積回路が開発されている。ＳＯＩ基板を使った集積回路は、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量を低減し、半導体集積回路の性能を向上させるものとして注目を集めている。
【０００３】
ＳＯＩ基板を作製する方法としては、水素イオン注入剥離法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。水素イオン注入剥離法は、シリコンウエハー表面より水素イオンを添加することによって表面から所定の深さに微小気泡領域を形成した後にシリコンウエハー表面を別のシリコンウエハーに接合する。さらに熱処理を行うことにより、シリコンウエハー中に分布する水素イオンが微小気泡領域に集中して、微小気泡領域が劈開面となり劈開面より表面側のシリコン層が剥離されることで、接合された別のシリコンウエハーに剥離された薄いシリコン層を転載することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２４０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単結晶半導体層を備えた半導体基板を使用して高機能な半導体集積回路を形成するためには、備えられた単結晶半導体層表面に高い平坦性が求められる。
【０００６】
このような問題点に鑑み、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる平坦性の高い表面を有する単結晶半導体層を備えた半導体基板の作製方法を提供することを目的の一とする。
【０００７】
平坦性の高い単結晶半導体層を備えた半導体基板を用いて信頼性の高い半導体装置を作製することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成し、剥離加熱工程を行うことで脆化領域より表面側の単結晶半導体層をベース基板に転載する。
【０００９】
なお、本明細書における損傷領域とは、希ガスイオン照射により結晶構造に欠陥が生じた領域のことであり、本明細書における脆化領域とは、剥離加熱工程において、体積膨張により劈開面で剥離現象が発生するだけの水素イオンを含有した損傷領域のことである。
【００１０】
まず、単結晶半導体基板内に損傷領域を形成するために、単結晶半導体基板表面より希ガスイオン照射工程を行う。希ガスイオンは単結晶半導体基板内に照射した際に結晶構造に与える損傷が大きいため、大きな結晶欠陥を効率よく形成することができる。
【００１１】
また、希ガスは不活性であるため、作業時の気体雰囲気や温度を制御する必要が無いため、安全性が高い点も長所として上げられる。
【００１２】
損傷領域を形成するために行う希ガスイオン照射工程において、単結晶半導体基板内には入射エネルギーに応じた深さまで到達した希ガスが濃度分布を有して含まれる。この希ガス分布は高濃度な状態でブロードに分布する。よって、損傷領域は、含まれる希ガスの濃度分布に依存するため、単結晶半導体中において損傷領域は、所定の深さ近傍に厚く形成されてしまう。
【００１３】
単結晶半導体基板から単結晶半導体層を剥離する工程を、損傷領域において行おうとすると、損傷領域は深さ（膜厚）方向に広く（厚く）分布しており、広い範囲で剥離が生じるため、単結晶半導体層を別のベース基板に転載する際に劈開面が平面とならずに大きな凹凸が発生してしまう。
【００１４】
よって、単結晶半導体基板内の損傷領域を膜厚方向に薄くするために、単結晶半導体基板表面よりレーザー照射工程を行う。レーザー照射を行うことにより、希ガスイオン照射によって生じた結晶欠陥を回復し、且つ、損傷領域を膜厚方向に薄くすることができる。
【００１５】
レーザーは高精度にエネルギー調整を行えるため、単結晶半導体基板表面から劈開面となる所定の深さまでの範囲のみを選択的に加熱することができる。この加熱により、単結晶半導体基板表面から劈開面となる所定深さまでの範囲が溶融し、再単結晶化が行われる。
【００１６】
これにより、所定の深さにおける損傷領域の結晶欠陥状態を維持したまま、所定の深さより浅い損傷領域の結晶欠陥状態を回復し、損傷領域を膜厚方向に薄くすることができる。
【００１７】
なお、レーザーは高精度にエネルギー調整を行えるため、損傷領域の膜厚方向に対する厚さを高精度に制御することができる。
【００１８】
次に、単結晶半導体基板内に脆化領域を形成するために、単結晶半導体基板表面より水素イオン照射工程を行う。希ガスイオン照射工程にて既に損傷領域が形成されているため、照射する水素イオンは損傷領域に集中しやすく、少ないイオン濃度で効率よく脆化領域を形成することができる。このため、高濃度での水素イオン照射を行う必要がないため、単結晶半導体基板内に形成される結晶欠陥を抑制することができる。
【００１９】
また、水素イオンを照射することによって単結晶半導体基板内にはプレートレット欠陥が形成できるため、低温で剥離することができる。
【００２０】
次に、劈開面より表面側の単結晶半導体層を接合するベース基板を貼り合わせる。ベース基板と単結晶半導体基板の貼り合わせ強度を強くするため、ベース基板の表面状態は平坦性が高いことが好ましい。
【００２１】
最後に、劈開面より表面側の単結晶半導体層を剥離するための剥離加熱工程を行う。
【００２２】
このように、希ガスイオン照射工程とレーザー照射工程を行うことにより大きな結晶欠陥を含有した薄い膜厚の損傷領域を形成した後に、損傷領域に水素イオン照射工程を行って脆化領域を形成することで、大きな結晶欠陥を含有した薄い膜厚の脆化領域を形成することができる。よって、剥離加熱工程後に得られる劈開面は、凹凸の小さな平坦性の高いものとなる。
【００２３】
本発明の半導体基板の作製方法の一形態は、単結晶半導体基板の一面から希ガスイオンを照射して第一の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面からレーザー光を照射して第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二の損傷領域に水素イオンを照射して単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、脆化領域を劈開面として、単結晶半導体基板を脆化領域で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より単結晶半導体層をベース基板上に形成することを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２４】
本発明の半導体基板の作製方法の他の一形態は、単結晶半導体基板の一面から希ガスイオンを照射して第一の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第一のレーザー光を照射して第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二の損傷領域に水素イオンを照射して単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、単結晶半導体基板の一面から第二のレーザー光を照射することにより単結晶半導体基板の一面から脆化領域までの領域を溶融し、単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、脆化領域を劈開面として、単結晶半導体基板を脆化領域で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より単結晶半導体層をベース基板上に形成することを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２５】
本発明の半導体基板の作製方法の他の一形態は、希ガスとしてヘリウムを用いることを特徴とする、半導体基板の作製方法である。
【００２６】
本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、前述の半導体基板の作製方法により形成された単結晶半導体層を用いて半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００２７】
単結晶半導体基板に希ガスイオン照射工程，レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行うことで、単結晶半導体基板の所定の深さに大きな結晶欠陥を含有した薄い脆化領域を形成することにより、剥離加熱工程後に得られる劈開面を、凹凸の小さな平坦性の高いものにできる。
【００２８】
水素イオン照射前に、希ガスイオン照射およびレーザー照射により薄い損傷領域を予め形成することにより、少ない水素イオン照射で効率よく脆化領域を形成することができるため、水素イオン照射により形成される単結晶半導体基板内の結晶欠陥を抑制することができる。
【００２９】
そのような単結晶半導体基板から分離された平坦性の高い単結晶半導体層を用いることにより、高性能及び高信頼性な半導体素子、記憶素子、集積回路などを含む様々な半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図２】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図３】半導体基板の作製方法を説明する図。
【図４】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図５】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図６】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体基板の作製おいて、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる、平坦性の高い劈開面を有する単結晶半導体層を備えた半導体基板の作製方法について説明する。
【００３３】
まず、単結晶半導体基板１００を準備する（図１（Ａ）参照）。なお、ここでは単結晶の半導体基板を用いるが、単結晶層を有する基板が用いてもよい。
【００３４】
単結晶半導体基板１００としては、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板など、第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板を用いることもできる。市販のシリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）、直径１６インチ（４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、単結晶半導体基板１００の形状は円形に限らず、例えば、矩形等に加工したものであっても良い。また、単結晶半導体基板１００は、ＣＺ（チョクラルスキー）法やＦＺ（フローティングゾーン）法を用いて作製することができる。
【００３５】
次に、単結晶半導体基板１００の表面には絶縁層１０２を形成する（図１（Ｂ）参照）。なお、汚染物除去の観点から、絶縁層１０２の形成前に、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）、ＦＰＭ（フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液）等を用いて単結晶半導体基板１００の表面を洗浄しておくことが好ましい。希フッ酸とオゾン水を交互に吐出して洗浄してもよい。
【００３６】
絶縁層１０２は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を単層で、または積層させて形成することができる。上記絶縁層１０２の作製方法としては、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などがある。また、ＣＶＤ法を用いて絶縁層１０２を形成する場合、良好な貼り合わせを実現するためには、テトラエトキシシラン（略称；ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）等の有機シランを用いて酸化シリコン膜を形成することが好ましい。
【００３７】
本実施の形態では、単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより絶縁層１０２（ここでは、酸化膜（ＳｉＯｘ膜））を形成する。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。
【００３８】
例えば、塩素（Ｃｌ）が添加された酸化性雰囲気中で単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された絶縁層１０２を形成することができる。この場合、絶縁層１０２は、塩素原子を含有する膜となる。このような塩素酸化により、外因性の不純物である重金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等）を捕集して金属の塩化物を形成し、これを外方に除去して単結晶半導体基板１００の汚染を低減させることができる。また、ベース基板２００と貼り合わせた後に、ベース基板からのＮａ等の不純物を固定して、単結晶半導体基板１００の汚染を防止できる。
【００３９】
なお、絶縁層１０２に含有させるハロゲン原子は塩素原子に限られない。絶縁層１０２にはフッ素原子を含有させてもよい。単結晶半導体基板１００表面をフッ素酸化する方法としては、ＨＦ溶液に浸漬させた後に酸化性雰囲気中で熱酸化処理を行う方法や、ＮＦ３を酸化性雰囲気に添加して熱酸化処理を行う方法などがある。
【００４０】
次に、単結晶半導体基板１００の一面に対して希ガスイオン照射１０３を行う。希ガスイオンを電界で加速して単結晶半導体基板１００に照射することで、単結晶半導体基板１００の所定の深さに結晶構造が損傷した第一の損傷領域１０４を形成する（図１（Ｃ）参照）。
【００４１】
第一の損傷領域１０４が形成される領域の深さは、イオンの運動エネルギー、イオンの質量と電荷、イオンの入射角などによって調節することができる。また、第一の損傷領域１０４は、イオンの平均侵入深さとほぼ同じ深さの領域に形成される。このため、イオンを照射する深さで、単結晶半導体基板１００から分離される単結晶半導体層の厚さを調節することができる。例えば、単結晶半導体層の厚さが、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度となるように平均侵入深さを調節すれば良い。
【００４２】
当該イオンの照射処理は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。
【００４３】
本実施の形態では、希ガスイオン照射として、イオンドーピング装置を用いてヘリウム（Ｈｅ）ガスを単結晶半導体基板１００に照射する例について説明する。
【００４４】
ヘリウムを原料ガスにする場合、加速電圧を１０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲で、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２〜５×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で照射し損傷領域を形成することができる。ヘリウムを原料ガスにすると、質量分離を行わなくてもＨｅ＋イオンを主なイオンとして照射することができる。
【００４５】
単結晶半導体基板にヘリウムイオンのような希ガスイオンを照射した場合、添加されたヘリウムが、シリコン結晶格子内のシリコン原子をノックアウトする（追い出す）ことによって結晶欠陥を含有する第一の損傷領域を作り出す。希ガスイオンはサイズが大きく重量も重いため、大きな欠陥を形成しやすく、よって損傷領域の膜厚を薄くしても剥離がしやすくなる。
【００４６】
また、ヘリウムは不活性ガスであるため、イオン照射時の気体雰囲気制御や温度制御が容易であり、作業効率や安全性を向上させることができる。
【００４７】
なお、照射する希ガスイオンはヘリウムイオンに限定されない。アルゴンイオンなどを照射しても良い。また、照射する希ガスイオンは一種類に限定されず、複数種類のイオンを添加しても良い。
【００４８】
なお、イオンドーピング装置を用いて第一の損傷領域１０４を形成する場合には、重金属も同時に添加されるおそれがあるが、ハロゲン原子を含有する絶縁層１０２を介してイオンの照射を行うことによって、これら重金属による単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。
【００４９】
なお、ヘリウム照射の後に第一の損傷領域にヘリウムを集中させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、ヘリウムが単結晶半導体基板内から放出されることによるボイドが生じない温度（例えば、２００℃以上６００℃未満）とする。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００５０】
次に、単結晶半導体基板の一面に対してレーザー光１０５を照射し、単結晶半導体基板の深さ方向も含む照射領域を選択的に溶融させて再単結晶化させることにより、第一の損傷領域の単結晶半導体基板表面側に近い一部において結晶欠陥が回復する。これにより、厚さを薄くした第二の損傷領域１０６が形成される（図１（Ｄ）参照）。
【００５１】
次に、単結晶半導体基板の一面に対して水素イオン照射１０７を行う。水素イオンを電界で加速して単結晶半導体基板１００に照射することで、第二の損傷領域１０６近傍に水素イオンを高濃度に分布させ、剥離加熱処理の際に水素ガス集中による剥離現象が発生する脆化領域１０８を形成する（図１（Ｅ）参照）。
【００５２】
当該イオンの照射処理は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。
【００５３】
本実施の形態では、イオンドーピング装置を用いて、水素イオンを単結晶半導体基板１００に照射する例について説明する。ソースガスとしては水素を含むガスを用いる。照射するイオンについては、Ｈ３＋の比率を高くすると良い。具体的には、Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ３＋の総量に対してＨ３＋の割合が５０％以上（より好ましくは８０％以上）となるようにする。Ｈ３＋の割合を高めることで、イオン照射の効率を向上させることができる。
【００５４】
ヘリウム照射にて結晶欠陥を含有する第二の損傷領域１０６が既に形成されているため、照射する水素イオンは第二の損傷領域１０６に集まりやすく、少ないイオン濃度で効率よく脆化領域１０８を形成することができるため、水素イオン照射により形成される単結晶半導体基板内の結晶欠陥を抑制することができる。
【００５５】
なお、水素イオンを照射することによって単結晶半導体基板内にはプレートレット欠陥が形成できるため、低温で剥離することができる。
【００５６】
含まれる水素の濃度分布については、第二の損傷領域１０６の膜厚方向に対する中央付近に水素濃度ピークが形成されるように照射を行うことが好ましいが、水素イオンは第二の損傷領域１０６に集まりやすいので、この限りではない。
【００５７】
なお、イオンドーピング装置を用いて高濃度イオン分布領域を形成する場合には、重金属も同時に添加されるおそれがあるが、ハロゲン原子を含有する絶縁層１０２を介してイオンの照射を行うことによって、これら重金属による単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。
【００５８】
また、水素イオン照射の後に結晶欠陥を回復させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、脆化領域１０８において水素集中により剥離が生じない温度（例えば、２００℃以上４００℃未満）とする。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００５９】
次に、ベース基板２００を準備する。ベース基板２００としては、絶縁体でなる基板を用いることができる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板が挙げられる。
【００６０】
本実施の形態では、ベース基板２００としてガラス基板を用いる場合について説明する。ベース基板２００として大面積化が可能で安価なガラス基板を用いることにより、低コスト化を図ることができる。
【００６１】
上記ベース基板２００に関しては、その表面をあらかじめ洗浄しておくことが好ましい。具体的には、ベース基板２００に対して、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）、ＦＰＭ（フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液）等を用いて超音波洗浄を行う。このような洗浄処理を行うことによって、ベース基板２００表面の平坦性向上や、ベース基板２００表面に残存する研磨粒子の除去などが実現される。
【００６２】
なお、ベース基板２００の表面に、ベース基板に含まれるナトリウム（Ｎａ）等の不純物が単結晶半導体層に拡散することを防ぐためのバリア層を形成してもよい。
【００６３】
次に、単結晶半導体基板１００と、ベース基板２００を対向させ、絶縁層１０２とベース基板２００の表面とを密着させる。これにより、単結晶半導体基板１００と、ベース基板２００とが貼り合わされる（図２（Ａ）参照）。
【００６４】
貼り合わせの際には、ベース基板２００または単結晶半導体基板１００の一箇所に、０．００１Ｎ／ｃｍ２以上１００Ｎ／ｃｍ２以下、例えば、１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下の圧力を加えることが望ましい。圧力を加えて、貼り合わせ面を接近、密着させると、密着させた部分においてベース基板２００と絶縁層１０２の接合が生じ、当該部分を始点として自発的な接合がほぼ全面におよぶ。この接合には、ファンデルワールス力や水素結合が作用しており、常温で行うことができる。
【００６５】
なお、単結晶半導体基板１００とベース基板２００とを貼り合わせる前には、貼り合わせに係る表面について、表面処理を行うことが好ましい。表面処理を行うことで、単結晶半導体基板１００とベース基板２００との界面での接合強度を向上させることができる。
【００６６】
表面処理としては、ウェット処理、ドライ処理、またはウェット処理とドライ処理の組み合わせ、を用いることができる。また、異なるウェット処理どうしを組み合わせて用いても良いし、異なるドライ処理どうしを組み合わせて用いても良い。
【００６７】
なお、貼り合わせの後には、接合強度を増加させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、脆化領域１０８において分離が生じない温度（例えば、２００℃以上４００℃未満）とする。また、この温度範囲で加熱しながら、絶縁層１０２とベース基板２００とを接合させてもよい。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。
【００６８】
次に、剥離加熱処理を行うことにより、単結晶半導体基板１００を脆化領域において分離して、ベース基板２００上に、絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１１０を分離する（図２（Ｂ）参照）。図２（Ｂ）の分離例は一例であり、脆化領域１０８に沿って絶縁層１０２が分離される場合もある。
【００６９】
以上の工程により、平坦性が高くかつ結晶欠陥の少ない良好な特性を有する単結晶半導体層１１０が単結晶半導体基板１００からベース基板２００に転載され、高機能な半導体集積回路を形成する半導体基板としての実用に耐えうる単結晶半導体層を備えた半導体基板を得ることができる（図２（Ｃ）参照）。
【００７０】
なお、上記分離の際の熱処理温度は、できる限り低いものであることが望ましい。分離の際の温度が低いほど、単結晶半導体層１１０の表面荒れを抑制できるためである。具体的には、例えば、上記分離の際の熱処理御温度は、３００℃以上６００℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下とすると、より効果的である。
【００７１】
なお、単結晶半導体基板１００を分離した後には、単結晶半導体層１１０に対して、１００℃以上の温度で熱処理を行い、単結晶半導体層１１０中に残存する水素の濃度を低減させてもよい。
【００７２】
ベース基板に設けられた単結晶半導体層１１０からトランジスタなどの半導体素子を作製することで、ゲート絶縁層の薄膜化およびゲート絶縁層の局在界面準位密度を低減することができる。また単結晶半導体層１１０の膜厚を薄くすることで、ベース基板上に、単結晶半導体層で完全空乏型のトランジスタを作製することができる。
【００７３】
また、本実施の形態において、単結晶半導体基板１００として単結晶シリコン基板を適用した場合は、単結晶半導体層１１０として単結晶シリコン層を得ることができる。また、本実施の形態に係る半導体基板の製造方法は、プロセス温度を７００℃以下とすることができるため、ベース基板２００としてガラス基板を適用することができる。すなわち、従来の薄膜トランジスタと同様にガラス基板上に形成することができ、かつ単結晶シリコン層を単結晶半導体層に適用することができる。これらのことにより、高速動作が可能で、サブスレッショルド値が低く、電界効果移動度が高く、低消費電圧で駆動可能など高性能、高信頼性のトランジスタをガラス基板等のベース基板上に作製することができる。
【００７４】
なお、本明細書に開示する発明において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置を指す。本発明を用いて半導体素子（トランジスタ、メモリ素子やダイオードなど）を含む回路を有する装置や、プロセッサ回路を有するチップなどの半導体装置を作製することができる。
【００７５】
本明細書に開示する発明は表示機能を有する装置である半導体装置（表示装置ともいう）にも用いることができ、半導体装置としては、エレクトロルミネセンス（以下「ＥＬ」ともいう。）と呼ばれる発光を発現する有機物、無機物、若しくは有機物と無機物の混合物を含む層を、電極間に介在させた発光素子とトランジスタとが接続された半導体装置（発光表示装置）や、液晶材料を有する液晶素子（液晶表示素子）を表示素子として用いる半導体装置（液晶表示装置）などがあげられる。本明細書において、表示装置とは表示素子を有する装置のことを指し、表示装置は、基板上に表示素子を含む複数の画素やそれらの画素を駆動させる周辺駆動回路が形成された表示パネル本体のことも含む。さらに、フレキシブルプリントサーキット（ＦＰＣ）やプリント配線基盤（ＰＷＢ）が取り付けられたもの（ＩＣや抵抗素子や容量素子やインダクタやトランジスタなど）も含んでもよい。さらに、偏光板や位相差板などの光学シートを含んでいても良い。さらに、バックライト（導光板やプリズムシートや拡散シートや反射シートや光源（ＬＥＤや冷陰極管など）を含んでいても良い）を含んでいても良い。
【００７６】
なお、表示素子や半導体装置は、様々な形態及び様々な素子を用いることができる。例えば、ＥＬ素子（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子又は有機物及び無機物を含むＥＬ素子）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブ、など、電気磁気的作用によりコントラストが変化する表示媒体を適用することができる。なお、ＥＬ素子を用いた半導体装置としてはＥＬディスプレイ、電子放出素子を用いた半導体装置としてはフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌｙ）など、液晶素子を用いた半導体装置としては液晶ディスプレイ、透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、電子インクを用いた半導体装置としては電子ペーパーがある。
【００７７】
本明細書に開示された方法により作製された半導体基板を用いることにより、高性能及び高信頼性な半導体基板及び半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【００７８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において、単結晶半導体基板よりベース基板へ単結晶半導体層を接合する工程の異なる例を示す。従って、実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
【００７９】
本実施の形態は、実施の形態１と同様に単結晶半導体基板１００に絶縁層１０２を形成し、希ガスイオン照射工程、レーザー照射工程および水素イオン照射工程を行い膜厚の薄い脆化領域１０８を形成した後に、結晶欠陥を回復するための第二のレーザー照射工程を行うものであり、図３（Ａ）は図１（Ｅ）に対応している。
【００８０】
脆化領域１０８が形成された単結晶半導体基板１００の一面に対してレーザー光１０９を照射する（図３（Ｂ）参照）。これにより、脆化領域１０８における結晶の欠陥はそのままの状態に維持しながら、脆化領域１０８より浅い領域における結晶の欠陥のみを回復することができる。このため、本実施の形態により作製された単結晶半導体層１１０を使用することにより、劈開面近傍の結晶欠陥が極めて少ない単結晶半導体層を備えた半導体基板を作製することができる。
【００８１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、薄型で高性能な半導体素子を有する半導体集積回路を実装し、歩留まりよく作製することを目的とした半導体装置の作製方法の一例としてＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）に関して図４及び図５を用いて説明する。なお、実施の形態１と同一部分又は同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
【００８３】
図４（Ａ）は、ベース基板２００上に絶縁層１０２、単結晶半導体層１１０が形成されている。図４（Ａ）は、図２（Ｃ）と対応している。なお、ここでは実施の形態１で図２（Ｃ）に示す構成の半導体基板を適用する例を示すが、本明細書で示すその他の構成の半導体基板も適用できる。
【００８４】
単結晶半導体層１１０には、分離した単結晶半導体基板の導電型（含まれる一導電型を付与する不純物元素）によって、しきい値電圧を制御するためにｎチャネル型電界効果トランジスタ及びｐチャネル型電界効果トランジスタの形成領域に合わせて、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのｐ型を付与する不純物元素、若しくはリン、砒素などのｎ型を付与する不純物元素を添加してもよい。不純物元素のドーズ量は１×１０１２ｉｏｎｓ／ｃｍ２から１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度で行えば良い。
【００８５】
単結晶半導体層１１０をエッチングして、半導体素子の配置に合わせて島状に分離した単結晶半導体層１２０５、１２０６を形成する（図４（Ｂ）参照。）。
【００８６】
単結晶半導体層上の酸化膜を除去し、単結晶半導体層１２０５、１２０６を覆うゲート絶縁層１２０７を形成する。本実施の形態における単結晶半導体層１２０５、１２０６は平坦性が高いため、単結晶半導体層１２０５、１２０６上に形成されるゲート絶縁層が薄膜のゲート絶縁層であっても被覆性よく覆うことができる。従ってゲート絶縁層の被覆不良による特性不良を防ぐことができ、高信頼性の半導体装置を歩留まりよく作製することができる。ゲート絶縁層１２０７の薄膜化は、トランジスタを低電圧で高速に動作させる効果がある。
【００８７】
ゲート絶縁層１２０７は酸化珪素、若しくは酸化珪素と窒化珪素の積層構造で形成すればよい。ゲート絶縁層１２０７は、プラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法により絶縁膜を堆積することで形成しても良いし、プラズマ処理による固相酸化若しくは固相窒化で形成すると良い。単結晶半導体層を、プラズマ処理により酸化又は窒化することにより形成するゲート絶縁層は、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているためである。例えば、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）をＡｒで１〜３倍（流量比）に希釈して、１０〜３０Ｐａの圧力にて３〜５ｋＷのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して単結晶半導体層１２０５、１２０６の表面を酸化若しくは窒化させる。この処理により１ｎｍ〜１０ｎｍ（好ましくは２ｎｍ〜６ｎｍ）の絶縁膜を形成する。さらに亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とシラン（ＳｉＨ４）を導入し、１０〜３０Ｐａの圧力にて３〜５ｋＷのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）電力を印加して気相成長法により酸化窒化シリコン膜を形成してゲート絶縁層を形成する。固相反応と気相成長法による反応を組み合わせることにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁層を形成することができる。
【００８８】
また、ゲート絶縁層１２０７として、二酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、二酸化チタン、五酸化タンタルなどの高誘電率材料を用いても良い。ゲート絶縁層１２０７に高誘電率材料を用いることにより、ゲートリーク電流を低減することができる。
【００８９】
ゲート絶縁層１２０７上にゲート電極層１２０８及びゲート電極層１２０９を形成する（図４（Ｃ）参照。）。ゲート電極層１２０８、１２０９は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の手法により形成することができる。ゲート電極層１２０８、１２０９はタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ）から選ばれた元素、又は前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料で形成すればよい。また、ゲート電極層１２０８、１２０９としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜や、ＡｇＰｄＣｕ合金を用いてもよい。
【００９０】
単結晶半導体層１２０６を覆うマスク１２１１を形成する。マスク１２１１及びゲート電極層１２０８をマスクとして、ｎ型を付与する不純物元素１２１０を添加し、第一のｎ型不純物領域１２１２ａ、１２１２ｂを形成する（図４（Ｄ）参照。）。本実施の形態では、不純物元素を含むドーピングガスとしてホスフィン（ＰＨ３）を用いる。ここでは、第一のｎ型不純物領域１２１２ａ、１２１２ｂに、ｎ型を付与する不純物元素が１×１０１７〜５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。本実施の形態では、ｎ型を付与する不純物元素としてリン（Ｐ）を用いる。
【００９１】
次に、マスク１２１１を除去した後に、単結晶半導体層１２０５を覆うマスク１２１４を形成する。マスク１２１４、ゲート電極層１２０９をマスクとしてｐ型を付与する不純物元素１２１３を添加し、第一のｐ型不純物領域１２１５ａ、１２１５ｂを形成する（図４（Ｅ）参照。）。本実施の形態では、不純物元素としてボロン（Ｂ）を用いるため、不純物元素を含むドーピングガスとしてはジボラン（Ｂ２Ｈ６）などを用いる。
【００９２】
マスク１２１４を除去し、ゲート電極層１２０８及び１２０９の側面にサイドウォール構造の側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄ、ゲート絶縁層１２３３ａ及び１２３３ｂを形成する（図５（Ａ）参照。）。側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄは、ゲート電極層１２０８、１２０９を覆う絶縁層を形成した後、これをＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法による異方性のエッチングによって絶縁層を加工し、ゲート電極層１２０８、１２０９の側壁に自己整合的にサイドウォール構造の側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄを形成すればよい。ここで、絶縁層について特に限定はないが、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化珪素であることが好ましい。絶縁層は熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ、バイアスＥＣＲＣＶＤ、スパッタリング等の方法によって形成することができる。ゲート絶縁層１２３３ａ、１２３３ｂはゲート電極層１２０８、１２０９、及び側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄをマスクとしてゲート絶縁層１２０７をエッチングして形成することができる。
【００９３】
また、本実施の形態では、絶縁層をエッチングする際、ゲート電極層上の絶縁層を除去し、ゲート電極層を露出させるが、絶縁層をゲート電極層上に残すような形状に側壁絶縁層１２１６ａ乃至１２１６ｄを形成してもよい。また、後工程でゲート電極層上に保護膜を形成してもよい。このようにゲート電極層を保護することによって、エッチング加工する際、ゲート電極層の膜減りを防ぐことができる。また、ソース領域及びドレイン領域にシリサイドを形成する場合、シリサイド形成時に成膜する金属膜とゲート電極層とが接しないので、金属膜の材料とゲート電極層の材料とが反応しやすい材料であっても、化学反応や拡散などの不良を防止することができる。エッチング方法は、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、種々のエッチング方法を用いることができる。本実施の形態では、ドライエッチング法を用いる。エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。
【００９４】
次に単結晶半導体層１２０６を覆うマスク１２１８を形成する。マスク１２１８、ゲート電極層１２０８、側壁絶縁層１２１６ａ、１２１６ｂをマスクとしてｎ型を付与する不純物元素１２１７を添加し、第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂ、第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂが形成される。本実施の形態では、不純物元素を含むドーピングガスとしてＰＨ３を用いる。ここでは、第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂにｎ型を付与する不純物元素が５×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。また、単結晶半導体層１２０５にチャネル形成領域１２２１が形成される（図５（Ｂ）参照。）。
【００９５】
第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂは高濃度ｎ型不純物領域であり、ソース、ドレインとして機能する。一方、第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂは低濃度不純物領域であり、ＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域となる。第三のｎ型不純物領域１２２０ａ、１２２０ｂはゲート電極層１２０８に覆われていないＬｏｆｆ領域に形成されるため、オフ電流を低減する効果がある。この結果、さらに信頼性の高く、低消費電力の半導体装置を作製することができる。
【００９６】
次に、マスク１２１８を除去し、単結晶半導体層１２０５を覆うマスク１２２３を形成する。マスク１２２３、ゲート電極層１２０９、側壁絶縁層１２１６ｃ、１２１６ｄをマスクとして、ｐ型を付与する不純物元素１２２２を添加し、第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂ、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂを形成する。
【００９７】
第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂにｐ型を付与する不純物元素が１×１０２０〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度で含まれるように添加する。本実施の形態では、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂは、側壁絶縁層１２１６ｃ、１２１６ｄにより、自己整合的に第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂより低濃度となるように形成する。また、単結晶半導体層１２０６にチャネル形成領域１２２６が形成される（図５（Ｃ）参照。）。
【００９８】
第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂは高濃度ｐ型不純物領域であり、ソース、ドレインとして機能する。一方、第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂは低濃度不純物領域であり、ＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域となる。第三のｐ型不純物領域１２２５ａ、１２２５ｂはゲート電極層１２０９に覆われていないＬｏｆｆ領域に形成されるため、オフ電流を低減する効果がある。この結果、さらに信頼性の高く、低消費電力の半導体装置を作製することができる。
【００９９】
マスク１２２３を除去し、不純物元素を活性化するために加熱処理、強光の照射、又はレーザー光の照射を行ってもよい。活性化と同時にゲート絶縁層へのプラズマダメージやゲート絶縁層と単結晶半導体層との界面へのプラズマダメージを回復することができる。
【０１００】
次に、基板上に層間絶縁層を形成する。本実施の形態では、層間絶縁層を保護膜となる水素を含む絶縁膜１２２７と、絶縁層１２２８との積層構造とする。絶縁膜１２２７と絶縁層１２２８は、スパッタ法、またはプラズマＣＶＤを用いた窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、酸化珪素膜でもよく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または３層以上の積層構造として用いても良い。
【０１０１】
さらに、窒素雰囲気中で、３００〜５５０℃で１〜１２時間の熱処理を行い、単結晶半導体層を水素化する工程を行う。好ましくは、４００〜５００℃で行う。この工程は層間絶縁層である絶縁膜１２２７に含まれる水素により単結晶半導体層のダングリングボンドを終端する工程である。本実施の形態では、４１０℃で１時間加熱処理を行う。
【０１０２】
絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８としては他に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、窒素含有量が酸素含有量よりも多い窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）または酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒素含有炭素（ＣＮ）、ポリシラザン、その他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。また、シロキサン樹脂を用いてもよい。なお、シロキサン樹脂とは、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基（例えばアルキル基、アリール基）やフルオロ基を用いてもよい。有機基は、フルオロ基を有していてもよい。また、有機絶縁性材料を用いてもよく、有機材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト又はベンゾシクロブテンを用いることができる。平坦性のよい塗布法によって形成される塗布膜を用いてもよい。
【０１０３】
絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８は、ディップ、スプレー塗布、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター、ＣＶＤ法、蒸着法等を採用することができる。液滴吐出法により絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８を形成してもよい。液滴吐出法を用いた場合には材料液を節約することができる。また、液滴吐出法のようにパターンが転写、または描写できる方法、例えば印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法）なども用いることができる。
【０１０４】
次に、レジストからなるマスクを用いて絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８に単結晶半導体層に達するコンタクトホール（開口）を形成する。エッチングは、用いる材料の選択比によって、一回で行っても複数回行っても良い。エッチングによって、絶縁膜１２２７、絶縁層１２２８を除去し、ソース領域又はドレイン領域である第二のｎ型不純物領域１２１９ａ、１２１９ｂ、第二のｐ型不純物領域１２２４ａ、１２２４ｂに達する開口を形成する。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよく、両方用いてもよい。ウェットエッチングのエッチャントは、フッ素水素アンモニウム及びフッ化アンモニウムを含む混合溶液のようなフッ酸系の溶液を用いるとよい。エッチング用ガスとしては、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４もしくはＣＣｌ４などを代表とする塩素系ガス、ＣＦ４、ＳＦ６もしくはＮＦ３などを代表とするフッ素系ガス又はＯ２を適宜用いることができる。また用いるエッチング用ガスに不活性気体を添加してもよい。添加する不活性元素としては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅから選ばれた一種または複数種の元素を用いることができる。
【０１０５】
開口を覆うように導電膜を形成し、導電膜をエッチングして各ソース領域又はドレイン領域の一部とそれぞれ電気的に接続するソース電極層又はドレイン電極層として機能する配線層１２２９ａ及び１２２９ｂ、並びに１２３０ａ及び１２３０ｂを形成する。配線層は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電膜を成膜した後、所望の形状にエッチングして形成することができる。また、液滴吐出法、印刷法、電解メッキ法等により、所定の場所に選択的に導電層を形成することができる。更にはリフロー法、ダマシン法を用いても良い。配線層の材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂａ等の金属、及びＳｉ、Ｇｅ、又はその合金、若しくはその窒化物を用いて形成する。また、これらの積層構造としても良い。
【０１０６】
以上の工程でＣＭＯＳ構造のｎチャネル型薄膜トランジスタであるトランジスタ１２３１及びｐチャネル型薄膜トランジスタであるトランジスタ１２３２を含む半導体装置を作製することができる（図５（Ｄ）参照。）。図示しないが、本実施の形態はＣＭＯＳ構造であるため、トランジスタ１２３１とトランジスタ１２３２とは電気的に接続している。
【０１０７】
本実施の形態に限定されず、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。
【０１０８】
以上のように、単結晶半導体層は単結晶半導体基板より分離された層を用いるため、結晶性が極めて高い。
【０１０９】
従って、薄型の高性能な半導体装置を歩留まり良く作製することができる。
【０１１０】
本実施の形態は、実施の形態１乃至２のいずれか一と適宜組み合わせることができる。
【０１１１】
（実施の形態４）
実施の形態３で作製された半導体装置を適用することで、様々な電子機器に本発明を実施できる。
【０１１２】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ等のカメラ、ヘッドマウントディスプレイ（ゴーグル型ディスプレイ）、カーナビゲーション、プロジェクタ、カーステレオ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等）などが挙げられる。それらの一例を図６に示す。
【０１１３】
また、マイクロプロセッサ、ＲＦＩＤタグ、ＩＤタグ、ＩＣタグ、ＩＣチップ、ＲＦタグ、無線タグ、電子タグまたは無線チップとも呼ばれる非接触でデータの送受信を行うことのできる演算機能を備えた半導体装置などにも本発明を適用することができる。
【０１１４】
図６（Ａ）に示す携帯情報端末機器は、本体９２０１、表示部９２０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯情報端末機器を提供することができる。
【０１１５】
図６（Ｂ）に示すデジタルビデオカメラは、表示部９７０１、表示部９７０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高いデジタルビデオカメラを提供することができる。
【０１１６】
図６（Ｃ）に示す携帯電話機は、本体９１０１、表示部９１０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯電話機を提供することができる。
【０１１７】
図６（Ｄ）に示す携帯型のテレビジョン装置は、本体９３０１、表示部９３０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯型のテレビジョン装置を提供することができる。またテレビジョン装置としては、携帯電話機などの携帯端末に搭載する小型のものから、持ち運びをすることができる中型のもの、また、大型のもの（例えば４０インチ以上）まで、幅広いものに、本発明の半導体装置を適用することができる。
【０１１８】
図６（Ｅ）に示す携帯型のコンピュータは、本体９４０１、表示部９４０２等を含んでいる。実施の形態３の半導体装置を適用することによって、高性能でかつ信頼性の高い携帯型のコンピュータを提供することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１００ 単結晶半導体基板
１０２ 絶縁層
１０３ 希ガスイオン照射
１０４ 第一の損傷領域
１０５ レーザー光
１０６ 第二の損傷領域
１０７ 水素イオン照射
１０８ 脆化領域
１０９ レーザー光
１１０ 単結晶半導体層
２００ ベース基板
１２０５ 単結晶半導体層
１２０６ 単結晶半導体層
１２０７ ゲート絶縁層
１２０８ ゲート電極層
１２０９ ゲート電極層
１２１０ ｎ型を付与する不純物元素
１２１１ マスク
１２１２ａ 第一のｎ型不純物領域
１２１２ｂ 第一のｎ型不純物領域
１２１３ ｐ型を付与する不純物元素
１２１４ マスク
１２１５ａ 第一のｐ型不純物領域
１２１５ｂ 第一のｐ型不純物領域
１２１６ａ 側壁絶縁層
１２１６ｂ 側壁絶縁層
１２１６ｃ 側壁絶縁層
１２１６ｄ 側壁絶縁層
１２１７ ｎ型を付与する不純物元素
１２１８ マスク
１２１９ａ 第二のｎ型不純物領域
１２１９ｂ 第二のｎ型不純物領域
１２２０ａ 第三のｎ型不純物領域
１２２０ｂ 第三のｎ型不純物領域
１２２１ チャネル形成領域
１２２２ ｐ型を付与する不純物元素
１２２３ マスク
１２２４ａ 第二のｐ型不純物領域
１２２４ｂ 第二のｐ型不純物領域
１２２５ａ 第三のｐ型不純物領域
１２２５ｂ 第三のｐ型不純物領域
１２２６ チャネル形成領域
１２２７ 絶縁膜
１２２８ 絶縁層
１２２９ａ 配線層
１２２９ｂ 配線層
１２３０ａ 配線層
１２３０ｂ 配線層
１２３１ トランジスタ
１２３２ トランジスタ
１２３３ａ ゲート絶縁層
１２３３ｂ ゲート絶縁層
９１０１ 本体
９１０２ 表示部
９２０１ 本体
９２０２ 表示部
９３０１ 本体
９３０２ 表示部
９４０１ 本体
９４０２ 表示部
９７０１ 表示部
９７０２ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体基板の一面に対して希ガスイオンを照射して前記単結晶半導体基板内に第一の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面に対してレーザー光を照射して前記第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面を介して前記第二の損傷領域に水素イオンを照射して前記単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、
前記単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、前記脆化領域を劈開面として、前記単結晶半導体基板を前記脆化領域で分離する熱処理を行い、前記単結晶半導体基板より単結晶半導体層を前記ベース基板上に形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項２】
単結晶半導体基板の一面に対して希ガスイオンを照射して前記単結晶半導体基板内に第一の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面に対して第一のレーザー光を照射して前記第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面を介して前記第二の損傷領域に水素イオンを照射して前記単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面から第二のレーザー光を照射して前記単結晶半導体基板の一面と前記脆化領域間の領域を溶融し、
前記単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、前記脆化領域を劈開面として、前記単結晶半導体基板を前記脆化領域で分離する熱処理を行い、前記単結晶半導体基板より単結晶半導体層を前記ベース基板上に形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれか一項において、前記希ガスイオンとしてヘリウムイオンが用いられることを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体基板の作製方法において形成する前記単結晶半導体層を用いて半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
単結晶半導体基板の一面に対して希ガスイオンを照射して前記単結晶半導体基板内に第一の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面に対してレーザー光を照射して前記第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面を介して前記第二の損傷領域に水素イオンを照射して前記単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、
前記単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、前記脆化領域を劈開面として、前記単結晶半導体基板を前記脆化領域で分離する熱処理を行い、前記単結晶半導体基板より単結晶半導体層を前記ベース基板上に形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項２】
単結晶半導体基板の一面に対して希ガスイオンを照射して前記単結晶半導体基板内に第一の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面に対して第一のレーザー光を照射して前記第一の損傷領域の一部を溶融し第二の損傷領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面を介して前記第二の損傷領域に水素イオンを照射して前記単結晶半導体基板の一面から一定の深さに脆化領域を形成し、
前記単結晶半導体基板の一面から第二のレーザー光を照射して前記単結晶半導体基板の一面と前記脆化領域間の領域を溶融し、
前記単結晶半導体基板とベース基板とを、重ね合わせた状態で、前記脆化領域を劈開面として、前記単結晶半導体基板を前記脆化領域で分離する熱処理を行い、前記単結晶半導体基板より単結晶半導体層を前記ベース基板上に形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれか一項において、前記希ガスイオンとしてヘリウムイオンが用いられることを特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体基板の作製方法において形成する前記単結晶半導体層を用いて半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２８６８１（Ｐ２０１１−２２８６８１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４５０７（Ｐ２０１１−７４５０７）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]