(57)【要約】単結晶シリコン又は多結晶シリコンの平坦化された粒子のアレイの形態の装置又は装置を製造する方法であって、粒子の平坦な面は、電子装置のアレイを製造するために用いられる。これは、特に、単結晶の高速デバイスが要求される大型ディスプレイの製造に有益である。装置のアレイの平坦な面は、アレイが平坦な面上に製造されるときに、同一平面上にある。【選択図】図５ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
基板と、
前記基板上に固定され、その最も長い部分が１５ｍｍよりも小さい平坦な面を有する半導体粒子であって、前記平坦な面の直下又は前記平坦な面上の前記半導体粒子の少なくとも一部分が、第１の型の第１のドーパントでドープされ、他の部分が、第２の型の第２のドーパントでドープされる、半導体粒子と、
前記第１のドーパントに前記平坦な面において又は前記平坦な面上において接触する第１のコンタクトと、
前記第２のドーパントに前記平坦な面において又は前記平坦な面上において接触する第２のコンタクトと、を備え、
前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの一方は、ｎ型である、半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置は、前記平坦な面にゲート形成した半導体装置である請求項１に記載の半導体粒子。
【請求項３】
前記ゲート形成した半導体装置は、コンタクトを有するゲートを形成し、前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトとは電気的に絶縁される、前記平坦な面に酸化層を有する請求項２に記載の半導体粒子。
【請求項４】
請求項１に記載の複数の前記半導体粒子を含む半導体装置であって、前記半導体粒子は、同一基板上にランダムな方向に固定され、前記半導体粒子は、前記平坦な面に最も長い部分が少なくとも１μｍの垂直な深さを有する、半導体装置。
【請求項５】
前記半導体粒子は、切断された球状粒子である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体粒子は、単結晶粒子である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体粒子は、前記平坦な面の最も大きな部分の直径が１μｍよりも大きく、かつ１０ｍｍよりも小さい請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体粒子は、多結晶質である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体粒子にコンフォーマルなコーティングを適用した請求項４に記載の半導体装置。
【請求項１０】
基板上に複数の電子装置を形成する方法であって、
前記基板上の所定の位置に半導体粒子を配置するステップと、
前記所定の位置における位置に前記半導体粒子を動かないように固定するステップと、
前記半導体粒子の断面を露出するように前記半導体粒子のそれぞれの部分を除去するステップであって、前記断面が、最も長い部分が１５ｍｍよりも小さく、１μｍよりも大きい、ステップと、
各平坦な面上又は直下に制御可能なゲート形成した電子部品を提供し、前記平坦な面により支持される前記電子部品に少なくとも２つの電気的なコンタクトを提供するステップと、を備える方法。
【請求項１１】
前記半導体粒子のそれぞれは、少なくとも２つの異なるドープされた領域を有し、前記異なるドープされた領域は、ｐ型及びｎ型である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体粒子を動かないように固定するステップの後、前記半導体粒子にコンフォーマルなコーティングを適用する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体粒子は、平坦化された球状粒子であり、前記コンフォーマルなコーティングの後に平坦化される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御可能なゲート形成した電子部品を提供した後に、前記基板をより小さなデバイスに切断するステップをさらに備える請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的な、平坦化された表面の領域上又は領域下での平坦な電子装置の製造に適したローカライズされた領域を形成するために、複数の平坦化された半導体粒子が、基板上の所定の位置に配置される、装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単結晶シリコンは、多くの電子用途に用いられる。ディスプレイ又は撮像装置のピクセルを動作するために、アモルファスシリコンがガラス基板に適用されるディスプレイ及びいくつかの撮像装置のような例外が存在する。多くの用途では、ディスプレイ又は撮像装置は、シリコン電子装置の上に製造される。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）への用途について、アモルファスシリコンは、十分な性能を提供している。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のような次世代ディスプレイ装置にとって、アモルファスシリコンから製造されるアクティブマトリクス（ＡＭ）駆動トランジスタは、課題があることが分かっている。根本的に、ＬＣＤは、電圧デバイスを使用し、ＡＭ−ＯＬＥＤは、電流デバイスを必要とする。従来のアプローチに拡張する試みは、従来のガラス上へのアモルファスシリコンを変更することを含む。アモルファスシリコンは、基板パネル全体、典型的には、一辺が２メートル以上であり、その後、エキシマレーザを用い、パネルに亘って線状焦点をスキャンすることで再結晶化される。レーザは、Ｓｉ表面のみが溶け、ガラス表面が溶けないようにパルスされる。この技術は、単結晶シリコンではなく多結晶シリコンの形成をもたらす。
【０００３】
非シリコン及び有機デバイスを含む任意のタイプのアモルファス又は多結晶トランジスタの移動度は、単結晶シリコントランジスタの移動度よりも小さい。アモルファスシリコンの電子移動度は、〜１ｃｍ２／Ｖ・ｓであるのに比して、ポリシリコンは１００ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、高品質な単結晶シリコンは１５００ｃｍ２／Ｖ・ｓである。したがって、このようなデバイスにおいてアモルファスシリコンに代えて単結晶シリコンを使用することが有利である。本発明の好ましい実施形態では、電子デバイスの製造を目的として、非シリコン基板の所定の位置における複数の平坦なシリコン単結晶領域が製造される。例えば、単結晶シリコンのウェーハは、大型ディスプレイ用には非常にコストが掛かり、サイズが小さすぎる。シリコンウェーハは、通常、直径が３００ｍｍであるのに比して、現在のＬＣＤパネルは一辺が２メートル以上ある。比較として、単結晶シリコンのほぼ球状の粒子、球体又は回転楕円体粒子は、２ｍｍ以下の大きさで製造され、これは、個々のピクセルサイズよりも大きい。Ｗｉｔｔｅｒらにより１９８５年４月３０日に提出されたＰｒｏｃｅｓｓ  Ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｓｐｈｅｒｅｓという発明の名称の米国特許４，６３７，８５５号は、結晶球体の製造について記載されており、これは、参照により本明細書に援用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまで、ダイオードをシリコン球体の湾曲面に配置することが試みられてきたが、これは、困難であることが分かっている。従来では、球状の表面上に構造をリソグラフィで規定することがなされていたが、この技術は、標準的でない光学系を必要とし、成功を制限していた。平坦でない面に電気的なコンタクトを形成することも標準的でない技術を必要とする。製造に包含される複雑さは、実際の進歩を妨げていた。
【０００５】
Ｓｉ球体の湾曲面は、球体の表面の大部分を含むｐ型Ｓｉ領域を取り囲むｎ型Ｓｉを形成するためにｎ型ドーパントでドープされる。本発明の実施形態は、光起電力デバイスの分野に関する。平坦な面及び直下の領域が、例えば、ｎ型ドーパントでドープされ、ｐ型ドーパントで直下の領域がドープされ、太陽電池を形成する。シリコン球体太陽電池は、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ４５，  Ｎｏ．  ５Ａ，  ２００６，  ｐｐ．  ３９３３−３９３７  ＃２００６  Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  ＰｈｙｓｉｃｓでＳａｔｏｓｈｉ  ＯＭＡＥ，  Ｔａｋａｓｈｉ  ΜＩΝΕΜΟΤΟ，  Ｍｉｋｉｏ  ＭＵＲＯＺＯＮＯ，  Ｈｉｄｅｙｕｋｉ  ＴＡＫＡＫＵＲＡ及びＹｏｓｈｉｈｉｒｏ  ＨＡＭＡＫＡＷＡによるＣｒｙｓｔａｌ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  ｂｙ  Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎで説明されている。
【０００６】
しかし、本発明は、従来の表面領域及び平坦化された粒子状の平坦な面の周りの領域を使用することにより電子デバイスを製造する上記の従来技術の制限を解消する。形成された構造を有する平坦な領域は、デバイスの異なる部分への電気的なコンタクトを提供する有利な信頼できる手法を提供する。
【０００７】
本発明の別の非常に重要な態様は、回路が、ＬＣＤ技術を使用する類似の回路よりも少ない電力消費を構築することを可能にすることにより、小さなカーボンフットプリントを有する技術を可能にすることである。
【０００８】
以前の世代のＬＣＤ技術によるディスプレイでは、白色光は、ディスプレイのパネルのリアに提供され、各ＬＣＤピクセルは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）色光を選択するためにフィルタを用いている。この手法のフィルタリングは、バックライトの３分の２のエネルギーを無駄にしていた。また、ＬＣＤピクセルの動作は、偏光される光に依存するため、偏光器による損失を受ける。また、各ピクセルの一部は、アモルファスシリコントランジスタによって占められ、これは、パネルを通じて到来する光をブロックする。
【０００９】
本発明は、ＬＣＤパネルよりも効率の良い大型のＯＬＥＤパネルの製造を可能にする。ＯＬＥＤピクセルは、所望のＲ、Ｇ、Ｂの色のみを放出するため、フィルタし、熱の形態での浪費を生じる他の色を生成する無駄なエネルギーがない。また、ＯＬＥＤエミッタは、バックプレーンエレクトロニクスの上面に製造されうるため、放出面積は、ピクセルの発光面積をブロックせずに最大化されうる。バックプレーンエレクトロニクスを光路外に配置することにより、光路を必要とするために損なわれるのとは反対に、設計は、速度を最適化し、かつ低い電力消失となりうる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、基板と、前記基板上に固定され、その最も長い部分が１５ｍｍよりも小さい平坦な面を有する半導体粒子であって、前記平坦な面の直下又は前記平坦な面上の前記半導体粒子の少なくとも一部分が、第１の型の第１のドーパントでドープされ、他の部分が、第２の型の第２のドーパントでドープされる、半導体粒子と、前記第１のドーパントに前記平坦な面において又は前記平坦な面上において接触する第１のコンタクトと、前記第２のドーパントに前記平坦な面において又は前記平坦な面上において接触する第２のコンタクトと、を備え、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの一方は、ｎ型である、半導体粒子が提供される。
【００１１】
本発明によれば、電流を生成する、又は入力電流又は入力電圧に応答する電子装置であって、基板に固定された複数の半導体粒子を備え、各粒子は、ａ）前記粒子の少なくとも一部が第１のドーパントでドープされる、平坦な面を有し、ｂ）電気的なコンタクトは、前記第１のドーパントを含む球状半導体粒子の領域に接続され、ｃ）前記粒子の前記平坦な面の直下又は前記平坦な面上の前記粒子の一又はそれ以上の領域は、第２のドーパントでドープされ、ｄ）一又はそれ以上のコンタクトは、前記第２のドーパントでドープされる一又はそれ以上の領域に接触する前記平坦な面又は前記平坦な面の上に形成され、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの一方は、ｐ型であり、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの他方は、ｎ型である、電子装置を提供する。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、電流を生成する、又は入力電流又は入力電圧に応答する一又はそれ以上の電子回路であって、複数の切断された球状半導体粒子を備え、各粒子は、前記粒子の少なくとも一部が第１のドーパントでドープされる、平坦な面を有し、電気的なコンタクトは、前記第１のドーパントを含む球状半導体粒子の領域に接続され、前記粒子の前記平坦な面の直下又は前記平坦な面上の前記粒子の一又はそれ以上の領域は、第２のドーパントでドープされ、一又はそれ以上のコンタクトは、前記第２のドーパントでドープされる一又はそれ以上の領域に接触する前記平坦な面又は前記平坦な面の上に形成され、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの一方は、ｐ型であり、前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの他方は、ｎ型である、電子回路を提供する。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、互いに離間した所定の位置に配置される複数の半導体球状粒子を有する基板であって、前記球状粒子は、平坦な面を形成するために平坦化され、前記平坦な面は、その面上又はその直下に電子回路と、平坦な面のそれぞれ又は平坦な面により支持される少なくとも２つのコンタクトとを有する、基板を提供する。
【００１４】
本発明によれば、形状がほぼ球体又は回転楕円体であり、異なる材料の基板上の所定の位置に堆積される複数の単結晶シリコン粒子を備える装置が提供され、前記単結晶シリコン粒子は、各平坦化された面上又は各平坦化された面の下に製造される電子装置をそれぞれ有する平坦化された面についての局所的な領域を形成するために、コンフォーマルにコーティングされ、かつ平坦化される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、基板上に複数の電子装置を形成する方法であって、前記基板上の所定の位置に半導体粒子を配置するステップと、前記所定の位置における位置に前記半導体粒子を動かないように固定するステップと、前記粒子の断面を露出するように前記半導体粒子のそれぞれの部分を除去するステップであって、前記断面が、最も長い部分が１５ｍｍよりも小さく、１μｍよりも大きい、ステップと、各平坦な面上又は直下に制御可能なゲート形成した電子部品を提供し、前記平坦な面により支持される前記電子部品に少なくとも２つの電気的なコンタクトを提供するステップと、を備える方法。
【００１６】
これらの平坦化された面上又は平坦化された面の直下に形成される電子装置は、平坦化された球体をドープすることにより形成される、又は平坦化された面に後に重ねられるＬＥＤ又はフォトディテクタのようなトランジスタ、ダイオード、キャパシタ、非線形抵抗を含むがこれに制限されない。
【００１７】
別の実施形態では、太陽電池又はセルのアレイが提供され、粒子は、第１のドーピング型でドープされ、次に、別のドーパント型でドープされ、半導体粒子の表面の近傍でジャンクション又はダイオードを形成する。本明細書に記載される平坦化技術は、非平坦技術を用いて半導体粒子を接触することと関連する複雑さ及び信頼性を解消する平坦な面から粒子の表面に接触することのアプローチを示す。
【００１８】
本発明は、単一球体の平坦な面に形成されるトランジスタのような機能的な電子デバイスを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明の例示的な実施形態は、図面に基づいて説明される。
【図１】図１は、所定の位置において球体を恒常的に固定するように基板上に接着配置された半導体性の球体のアレイの断面図である。
【図２】図２は、非シリコン基板上に配置された単結晶Ｓｉ球体のアレイの写真である。
【図３】図３ａは、球体粒子の上に堆積されたコンフォーマルなコーティングを有するグリッド形成された基板上に堆積された半導電性の球体粒子の断面図である。図３ｂは、平坦化された後の図３ａに示された半導電性の球体粒子の断面図である。
【図４】図４ａから図４ｆは、例えば、太陽電池のアレイを提供するために、平坦な面上及び球体の外側表面にコンタクトを形成する方法を示す。
【図５ａ】図５ａは、粒子を形成する際に、ｐ型材料でドープされた平坦化半導電性粒子上に形成される相補型ＮＭＯＳ及びＭＭＯＳ回路の部分断面図である。
【図５ｂ】図５ｂは、単一の平坦化された球体内に製造される単一のトランジスタ装置の断面図である。
【図５ｃ】図５ｃは、平坦化された球体粒子に示されるゲート形成したトランジスタの象徴的な表現の等角図である。単一セルは、また、スタンドアローン回路を形成し、パッケージ化され、スタンドアローン装置として機能し、シリコンウェーハ上に製造される同様の装置を置き換える。
【図５ｄ】図５ｄは、トランジスタを有するようには示されないこのような粒子のアレイが、隣接する粒子に製造されうることを示す図５ｂの球体粒子を示す。
【図６】図６ａから６ｄは、最大深さが平坦化された面に垂直に示される粒子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を参照すると、基板１０は、プラスチック、ガラス、半導体材料又は電子回路をサポートするために任意の適切な安定な材料であるものが示される。接着層１２は、直径が１５ｍｍよりも小さく、好ましくは２ｍｍよりも小さい半導電性の球体１６を含むために適切なサイズのグリッド素子間に所定のギャップを有するグリッド１４を有する基板１０の上面に適用される。以下で用いられる用語「半導電性の球体（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｓｐｈｅｒｅ）」は、球体を形成する際の欠陥による欠陥を有してもよい球体、回転楕円体、及び半導電性の球状物体を含むものである。図１に示される構成は、従来、回路設計者が、球状半導電性材料がどこに配置されるか決定することの制御の大部分を有することができ、その結果、球体１６の平坦な面上にある半導体装置は、球体が平坦化された後に製造される。グリッドが、グリッド開口間の同一間隔で示されるが、非均一な間隔を有するグリッドは、任意の所望のパターンの球体を位置付けるために使用されることができる。電子装置が、基板上の球体に配置される前に平坦な面に製造された場合、球体の方向付けは非常に困難になる。したがって、半導電性の球体１６は、初めに、基板１０に固定され、次に、シリコンエレクトロニクスの製造に適した球体の内部の高品質な半導電性材料の領域を露出するように平坦な面、実施例により、ＣＭＯＳ装置は、平坦な層及び平坦な層の下に球体の材料をドーピングすることにより平坦な層に形成されることができる。球状粒子は、詳細に説明され、特に位置及び平坦化に有益であるが、多くの他の粒子形状は、粒子が、基板に都合良く位置及び固定され、かつ粒子が、電子デバイスを製造するための表面を提供するように平坦化される限り、使用されることができる。
【００２１】
典型的には、多くのチップベースの電子機器にとって、未使用のチップ領域は、最小に低減され、そのため、デバイス密度が高くなる。密度が高いため、アクティブデバイスを有さないことにより無駄になる未使用の基板面積が小さくなる。ディスプレイ及びイメージャでは、デバイス領域は、電子回路ではない要求により特定される。その結果、ディスプレイが大きくなると、デバイス密度は、低くなる。いくつかの点で、いくつかの、又はＰＣのＣＰＵの数億（１００ｓ  ｏｆ  ｍｉｌｌｉｏｎｓ）に比して数百万のデバイスを製造するための低品質Ｓｉを有する数平方メートルのコーティングはもはや望まれていない。本発明によれば、高品質なＳｉは、必要とされる場所にのみ配置され、それにより、大型ディスプレイの全体ディスプレイ領域の低い一部をカバーする。この技術的な変曲点は、高速なＯＬＥＤデバイスに近い将来交差する結果を生じる。ＯＬＥＤは、電流デバイスであり、ガラス上のアモルファスシリコンは、必要とされる電流及び速度を供給することができない。
【００２２】
シリコン球体は、参照により本明細書に援用される、１９８３年１２月３０日に提出されたＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｏｌａｒ  Ａｒｒａｙｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓという発明の名称の米国特許第４，６１４，８３５号に記載されるような、大面積の光起電力パネルを製造するために以前に用いられている。光起電力用途の球体の表面は、アクティブ領域を形成する。シリコン球体は、低コストの粉状シリコンから製造されることができ、得られる二酸化シリコンの再結晶化表面層は、非常に多くの不純物を有する。繰り返し溶融サイクルは、材料純度全体を向上させることができる。多結晶性粒子の場合であっても、電子移動度は、アモルファスシリコンの何倍もある。
【００２３】
本発明によれば、電子デバイスにとって、湾曲した外面ではなく球体のような半導体粒子の断面の平坦な面を用いてデバイスを製造することが好ましいことが分かった。平坦な面は、標準的なフォトリソグラフィの使用を可能にし、トランジスタ、インターコネクト等の製造を可能にする。例えば、直径が２０ミクロンのシリコン球体は、デバイス製造のために、Ａ＝π×ｒ２＝〜３１４μｍ２の最大面積を提供する。１ミクロンオーダーのゲート長を有する多くのトランジスタは、このような領域に製造されうる。大面積ディスプレイにとって、いくつかのトランジスタのみが各ピクセルで必要とされ、ピクセルサイズは、ディスプレイサイズと釣り合わず、ハイディフィニション（ＨＤ）は、標準的な解像度である（例えば、１９２０×１０８０ピクセル）。また、高品質、単結晶シリコンの１つの平坦な領域は、１ピクセル以上のサービスを提供できると共に、セルフテスト及びディスプレイ性能のモニター及び補正のような追加の機能を提供することができる。
【００２４】
頂部が平面で切断された平坦化された球体のような平坦化された粒子の平坦な断面の使用は、標準的なフォトリソグラフィの製造技術の使用を可能にする。さらに、平坦化による球体又は回転楕円体の表面上に生じる欠陥は、内部領域を露出するために球体又は回転楕円体がエッチング又は研磨されるときに、除去される。球体が別のプロセスで汚れを取り除かれるため、高純度の単結晶材料は、ガラス基板が、標準的なシリコン処理温度よりも低い温度で溶融するため、ガラス基板上のアモルファスシリコンでは使用できない高温度プロセスを用いて実現されることができる。これは、プラスチックのような低い融点温度にとってより重要である。切断された球体又は他の形状の平坦化された粒子は、断面が露出されるとき、ｎ型及びｐ型材料のリング又は“ウェル（ｗｅｌｌｓ）”を形成するために、それらの平坦な面の直下又は直上にドープ又は複数回ドープされることができる。ドーピングは、また、処理の後に行われる。これは、図５に示されるようなＣＭＯＳデバイスの製造を可能にする。イオン注入により領域にドープすることが好ましい手法であるが、ドーピングは、また、平坦化された表面にドーパントをスピンコーティングすることによっても実現されることができる。外面は、高度にドープされる、又は上面のエッジから又は球状表面の任意の位置から接触されうる基板コンタクトを形成するためにメタライズされることができ、これは、実効背面である。本明細書で使用される用語「コンタクト」は、物理的なワイヤー又は導電性コンタクトパッドのようなメタライズされたコンタクト領域であることができ、ここでリード又はワイヤー又は装置は、電気的に接触することができる。
【００２５】
本発明は、非シリコン基板であることが好ましい基板上の既知の位置に球状シリコン粒子を提供する。基板上にシリコン粒子を配置することは、いくつかの技術のいずれかにより行われうる。多くのものは、球体が配置される複数の位置を有する基板をパターンニングすることを含む。金属又は誘電体グリッドは、基板に恒久的又は一時的に適用されることができ、又は標準的なフォトリソグラフィ技術は、使用することができる。それに替えて、接着材のドット、ディンプル又は他のパターンは、球体を配置するために適用されることができる。後続の電気的な処理とほぼ一致する室温での融点又は接着を有する接着材料は選択されるべきである。グリッドの堆積又は適用に代えて、基板は、半導体球体を固定する接着材を堆積するための基板に穴を形成するために、標準的なフォトリソグラフィ技術用いて直接パターンニングされることができる。
【００２６】
別の実施形態では、シリコン粒子は、参照により本明細書に援用される２００１年８月２９日に提出されたＫｎａｐｐｅｎｂｅｒｇｅｒらによる米国特許第６，４６４，８９０，号及び第６，６７９，９９８号に記載されるマスクを形成するために使用される非半導電性球体を置き換える基板表面上の単一の層を形成するための用いることができる。粒子が予め決定されたサイズであるかぎり、後続の処理は、要求される位置の球状粒子のような平坦化されたシリコン粒子を提供することができる。
【００２７】
図１では、例示的な技術が示され、金属グリッドは、接着性の下部層１２で使用される。次に、球体１６は、グリッドの周囲の球体を動かすための機械的な振動の使用が、グリッド開口の完全な占有をもたらすように、十分な品質の表面に配置される。機械的な振動は、シリコン球体１６を、基板、壁及びカバーにより規定される体積の周りに動かす。非常に短い時間では、球体１６は、球体が利用可能な限り、利用可能なグリッド位置に遭遇する確率が一定となるような度合いで周囲を移動する。図２は、グリッドを有するガラス基板に製造されたこのようなデバイスの顕微鏡写真を示す。この例では、ガラス球体が使用され、直径が２０ミクロンである。機械的な振動は、グリッドの周囲のガラス球体を移動するために用いられる。グリッドの上面から球体を除去することを補助するために、高電圧（Ｖ≦１２ｋＶ）がグリッドに印加される。いくつかの余剰の球体及び汚れが見られるが、これれは、クリーンルーム環境では低減又は排除される、及び／又は後続の処理ステップで除去される。
【００２８】
大きな領域に対して、球体は、一方向の面に亘る密集したラインに適用されることができ、その後、波で基板の面に亘って振動される。
【００２９】
それに替えて、“Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ｏｆ  ａ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｔｏ  ａｓｓｅｍｂｌｅ  ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ  ｏｎ  ａ  ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，”  Ｔｉｎｇ  Ｚｈｕａ，  Ｚｈｉｇａｎｇ  Ｓｕｏｂ，  Ａｄａｍ  Ｗｉｎｋｌｅｍａｎ  ａｎｄ  Ｇｅｏｒｇｅ  Ｍ．  Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ８８，  １４４１０１  （２００６）（以下文献１と呼ぶ）に説明されるような基板上の粒子を移動させるために、電場は、外部電極を用いて印加されることができる。このアプローチでは、電位は、誘電体基板の下に配置される下部電極を用いて生成され、導電性グリッドは、対電極として使用される。グリッドの穴は、球体が落ちることができるポテンシャル井戸を生成する。穴の周りの電場勾配は、粒子に作用する合力を生成するために十分である。十分大きく印加される電場（ｋＶ）に対して、粒子は、穴へ移動することができる。球体の周りを移動するために、振動は、初めに必要とされ、それらは、ポテンシャル井戸に遭遇する。
【００３０】
別のアプローチでは、レーザ印刷で使用される同様の処理が使用されうる。レーザプリンタでは、摩擦電気で生成された電荷がトナー粒子に印加される。帯電したトナー粒子は、その後、静電気的に帯電した（ドラム）基板に印加される。レーザ印刷では、トナー粒子は、静電気的に帯電した基板、通常、紙に移動される。レーザ印刷では、レーザは、帯電したドラム上のパターンを描くために用いられるが、パターンが、製造環境で変化しないため、レーザは、グリッドにより置き換えられうる。第１世代のレーザプリンタでは、約１６ミクロンのトナー粒子サイズは、図２の球体と同等の大きさである。帯電した球体及びグリッドとの反対極性を引きつけるために、誘電体基板の下の電極に電圧を印加することにより、球体は、穴に選択的に引きつけられる。このアプローチは、文献１に説明されるアプローチの改善として見なされうる。
【００３１】
本発明の別の実施形態では、球体のアレイは、レーザプリンタドラムと同様に機能する第１の基板から、帯電した紙と同様に機能する別のパターン形成されない基板へ移動され、説明されたレーザ印刷と完全に類似する。それに替えて、第１の基板から第２の基板へのアレイの移動は、また、実現されうる。第２の、パターンニングされない基板上の接着材又は球体に適用される接着材は、例えば、より高い融点、より大きな接着又は静電吸着を有する。図１の例示的な装置が、接着層を使用するが、層の下の基板又はグリッドは、上昇した温度での熱可塑性層のような熱で軟化する層であることができ、そのため、球体は、コンタクトに接着し、基板が大気温度で冷却されたときに、その位置を維持する。接着材は、基板に適用される薄い層でありうる。球体の相対的に小さいサイズは、接着材の小さな層の厚さに対して、かなりの接触面積が実現されることを意味する。
【００３２】
シリコンは、ガラスよりも融点が高いため、ガラスを軟化させるために十分加熱し、二酸化珪素でコーティングされた又は酸素を奪われた球体が、ガラスに直接接着することができる場合、ガラス基板は、直接使用されることができ、高い後処理温度を対象とするアセンブリを提供する。これは、レーザ印刷のような静電引力を用いて、アレイ化した粒子をパターン化した基板からパターン化されていないガラスに転写することにより実現されることができる。ガラスに粒子を直接固定することにより、高い温度処理のウィンドウは、半導電性の球体の断面の内部が露出される点まで拡張されうる。同様の印刷処理は、他の基板にも使用されうる。
【００３３】
球体１６が配置されると、コンフォーマルなコーティング１８が適用され、次に、ＳｉＯ２のコーティング層１８が、球状粒子１６及びグリッド１４を覆うことが示される図３ａに示されるような化学機械研磨のような標準的な平坦化技術の改良を用いて平坦化される。図３ｂは、平滑化の後であり、デバイスが半球の形態の切断された球体に製造される前の図３ａの同一アレイを示す。集積回路製造で使用される標準的な平坦化技術は、用いられうる。平坦化は、処理において複数回行われうる。これは、複数の層が連続的に堆積され、トポグラフィがプロセスによるサポートを超えうるためであり、したがって、コンフォーマルな誘電体コーティングが適用された後に、平坦化される、及び導電性コーティングが適用されたときに、平坦化される。層と層との接続は、リソグラフィで規定された位置での穴又はビアの開口、及び導電性接続又は層間のプラグの堆積によってなされる。これは、特に有利である。平坦化された金属層の場合、層は、必要な内部接続を形成するようにパターン化される。本発明では、平坦化のプロセスは、１９８３年１２月１５日に提出されたＰｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍという発明の名称の米国特許第４，４７０，８７４号に記載されるような、根本的な素子の全てを露出せずに表面を平坦化する従来技術とは反対に、半導体粒子の内部断面を露出するために行われ、参照により本明細書に援用される。
【００３４】
シリコン球体は、ランダムな方向に配置されるが、Ｓｉの移動度の非等方性が小さくなるため、製造されるデバイスは、アモルファス又はポリシリコンを用いてなされるものよりも高いパフォーマンスとなる。しかし、アプリケーションの需要が低く、例えば、高速デバイスを必要としない場合、ポリシリコン又は非球体粒子が使用されうる。
【００３５】
球状粒子が好ましいが、特定用途のパフォーマンス要求に適合する場合、単結晶又はポリシリコンの粉状シリコンが使用されることができる。また、複数の配置サイクルは異なるサイズ、又は、例えば、ドーピング、結晶品質、又は例えばＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族、又は光学的なソースとして用いる四元合金のような原子種のような異なる材料特性の粒子を配置するために用いることができ、最終デバイスの異なる機能を実現する。
【００３６】
標準的なフォトリソグラフィ技術は、露出されたシリコン表面上のデバイスを製造するために用いられると共に、内部接続及びデバイスの機能に必要とされる他の素子の製造のために用いられる。本発明は、ほぼ従来のＣＭＯＳデバイスを製造することを可能にし、他のプロセスを使用するために有利となりうる。本発明は、使用されうるプロセスのタイプを本質的に制限するものではない。例えば、ｎ及びｐ型シリコンの粒子は、別のシリコン粒子を用いてｎ及びｐウェルを実現するために、別のステップで堆積されることができる。従来のＣＭＯＳでは、図５ａに示されるｎウェルは、広範囲なｐ型基板内で製造されなければならない。ここで、図５ｂに移ると、図５ａと同様のデバイスは、ｐ型球体の形成のためにｐ型材料でドープされた球状粒子内に製造されることが示される。この図では、半球状の半導体装置５０が示され、平坦化された球体５６は、図示されるように、デバイスがドープされたウェル内にあるように基板バイアスを形成するコンタクトＢと共に、ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）及びゲート（Ｇ）を有するゲート形成した半導体トランジスタ装置を形成する。この例では、単一のデバイスは、平坦化された半導電性の球体内に形成される。デバイスからＢ、Ｓ、Ｄ及びＧへ延びる各ラインは、電気的なコンタクトである。単結晶粒子内／上に製造されうる複数の別のデバイスは、平坦化された領域の大きさに大きく依存する。例えば、デバイスが１μｍのゲート長及び１μｍのビアホールを有する場合、デバイスの全体は、５μｍ×５μｍのデバイスとなる。しかし、２０μｍの直径を有する球体は、いくつかのデバイスを収容する３００μｍ２以上の表面積を有する。例えば、ライフタイムコントロールのための追加回路を有する２×２ピクセルアレイ又は単一のピクセルの例により、内蔵されうる。球体サイズの考慮は、コスト、信頼性及び歩留りである。図５ａに示されるデバイスは、例えば、図３ｂに示される平坦な球体の任意の又は全てに製造されうる。
【００３７】
トランジスタ５５ａ及び５５ｂの代表的な例は、図５ｃ及び５ｄに示される。同一球体にＮＭＯＳ及びＰＭＯＳデバイスを実現するためにさらなるドーピングを生じる。図５ｃでは、トランジスタのような制御可能な機能的デバイスのアレイが製造されうる。平坦化された球体５８のアレイに示されていないが、デバイスのアレイは、同一プロセス内で製造される。すなわち、ドーピングは、全てのトランジスタに対して同時に行われる。パッシベーション層５９は、デバイスが作製された後に平坦化された球体の上面にわたって直接適用される。層５９は、アクティブデバイスに亘って規定される前に示される。本発明の利点は、アレイの任意のサイズが製造されることができる点であり、所望の位置に配置されうる小さな機能的ユニットにアレイを切断することが望まれる。シリコンウェーハを切断する現行の手段は、この例で用いられうる。
【００３８】
得られた電子アセンブリは、ディスプレイ又は撮像装置のような種々のデバイスのための素地として使用されうる。
【００３９】
本発明の一態様によれば、プラスチック、マイラー、ポリイミドのような非ガラス基板又は他の用途に適切な材料を使用することができ、製造コストを低減するだけでなく、フレキシブルかつ成形可能なデバイスを実現することができる。半導体粒子の直径が減少すると、最小曲げ半径もまた減少する。基板の厚さよりも小さいシリコン粒子にとって、機械的な特性は、デバイスの非シリコン素子によって大きく決定され、そのため、フレキシブル又は成形可能又はその組み合わせのいずれかとなりうる。装置は、また、機械特性が、装置全体にわたって変化し、機械的な剛性が、デバイス内の位置の関数として特定されて製造されることができる。
【００４０】
本発明のさらなる態様では、大型の基板は、小型のデバイスを形成するために切断されることができ、同様の手法でシリコンウェーハは、好ましい大きさのデバイスに切断され、デバイスは、基板よりも相対的に小さくなる。本技術は、コスト及び性能が、非シリコン基板を使用できるように適用可能である。多くのシリコンデバイスでは、例えば、コンタクトパッド及びインターコネクトによって占められる面積は、デバイス面積と同等となりうる。他のアプリケーションでは、デバイス性能は、高い熱伝導性を有する基板を用いることにより向上されうる。ここで、粒子の球状背面は、熱が除去されうる大きな表面を提供する。
【００４１】
本明細書に記載されるように、本発明は、同様の製造方法を用いて太陽電池の製造も可能にする。ここで図４ａから４ｆを参照すると、太陽電池を製造するプロセスが示され、図４ａで示されるｐ型材料でドープされた球体は、グリッド１４を有する開口に位置付けられ、それらを支持する光透過性基板１０に取り付けられる。図４ｂでは、球体及びグリッドは、ＳｉＯ２の層４３で被覆され、図４ｃでは、金属化層４５が適用される。図４ｄでは、構造は、平坦化され、球体は、平坦な上面を有する。図４ｅでは、ビア及び導通プラグ形成が提供される。図４ｅでは示されていないが、平坦な表面の直下の平坦な領域は、ｎ型材料でドープされ、図４ｆの後続のステップでは、インターコネクトは、全てのインターコネクトが、ｐ及びｎ材料に接触する平坦な上面にあるように形成される。この上側平坦面は、実際には、太陽電池の背面を形成する。
【００４２】
用語「平坦化された粒子又は平坦な表面を有する粒子」は、１５ｍｍの平坦な面に亘る最長の長さを有し、平坦な面に垂直な少なくとも１μｍの深さ（ｄ）を有する好ましい実施形態における粒子をいう。好ましくは、これらの粒子は、球体、回転楕円体又は完全な球体又は回転楕円体である。しかし、他の粒子形状は、本発明の範囲内である。図６ａから６ｄは、様々な粒子形状６０を図示し、粒子の平坦な面に垂直な深さ（ｄ）を示す。
【図１】
2014535166.tif 000003
【図２】
2014535166.tif 000004
【図３ａ】
2014535166.tif 000005
【図３ｂ】
2014535166.tif 000006
【図４ａ】
2014535166.tif 000007
【図４ｂ】
2014535166.tif 000008
【図４ｃ】
2014535166.tif 000009
【図４ｄ】
2014535166.tif 000010
【図４ｅ】
2014535166.tif 000011
【図４ｆ】
2014535166.tif 000012
【図５ａ】
2014535166.tif 000013
【図５ｂ】
2014535166.tif 000014
【図５ｃ】
2014535166.tif 000015
【図５ｄ】
2014535166.tif 000016
【図６ａ】
2014535166.tif 000017
【図６ｂ】
2014535166.tif 000018
【図６ｃ】
2014535166.tif 000019
【図６ｄ】
2014535166.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月14日(2013.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
基板（１０）と、
前記基板（１０）上に固定され、その最も長い部分が１５ｍｍよりも小さい平坦な面（５６）を有する半導体粒子（１６）であって、前記平坦な面（５６）の直下又は前記平坦な面上の前記半導体粒子の少なくとも一部分が、第１の型の第１のドーパントでドープされ、他の部分が、第２の型の第２のドーパントでドープされる、半導体粒子（１６）と、
前記第１のドーパントに前記平坦な面（５６）において又は前記平坦な面上において接触する第１のコンタクトと、
前記第２のドーパントに前記平坦な面（５６）において又は前記平坦な面上において接触する第２のコンタクトと、を備え、
前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントの一方は、ｎ型である、半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置（１６）は、前記平坦な面（５６）にゲート形成した半導体装置である請求項１に記載の半導体装置（１６）。
【請求項３】
前記ゲート形成した半導体装置は、コンタクトを有するゲートを形成し、前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトとは電気的に絶縁される、前記平坦な面（５６）に酸化層を有する請求項２に記載の半導体装置（１６）。
【請求項４】
請求項１に記載の複数の前記半導体粒子（１６）を含む半導体装置であって、前記半導体粒子は、前記基板（１０）上にランダムな方向に固定され、前記半導体粒子は、前記平坦な面（５６）に最も長い部分が少なくとも１μｍの垂直な深さを有する、半導体装置。
【請求項５】
前記半導体粒子（１６）は、切断された球状粒子（６０）である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体粒子（１６）は、単結晶粒子である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体粒子（１６）は、前記平坦な面の最も大きな部分の直径が１μｍよりも大きく、かつ１０ｍｍよりも小さい請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体粒子は、多結晶質である請求項４に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体粒子にコンフォーマルなコーティング（１８）を適用した請求項４に記載の半導体装置。
【請求項１０】
基板（１０）上に複数の電子装置を形成する方法であって、
前記基板（１０）上の所定の位置に半導体粒子（１６）を配置するステップと、
前記所定の位置における位置に前記半導体粒子（１６）を動かないように固定するステップと、
前記半導体粒子の断面を露出するように前記半導体粒子のそれぞれの部分を除去するステップであって、前記断面が、最も長い部分が１５ｍｍよりも小さく、１μｍよりも大きい、ステップと、
各平坦な面（５６）上又は直下に制御可能なゲート形成した電子部品を提供し、前記平坦な面により支持される前記電子部品に少なくとも２つの電気的なコンタクトを提供するステップと、を備える方法。
【請求項１１】
前記半導体粒子のそれぞれは、少なくとも２つの異なるドープされた領域を有し、前記異なるドープされた領域は、ｐ型及びｎ型である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体粒子を動かないように固定するステップの後、前記半導体粒子（１６）にコンフォーマルなコーティング（１８）を適用する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体粒子は、平坦化された球状粒子（５６）であり、前記コンフォーマルなコーティング（１８）の後に平坦化される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御可能なゲート形成した電子部品（５６）を提供した後に、前記基板（１０）をより小さなデバイスに切断するステップをさらに備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板は、プラスチックである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１６】
第１の基板を静電気的に帯電させるステップと、
帯電された前記第１の基板上に前記第１の基板とは反対の極性で帯電された半導電性粒子を堆積するステップと、
前記半導電性粒子が第２の基板に固定されるように、帯電された前記半導電性粒子を前記第２の基板へ転写するステップと、
前記第２の基板の表面と同一平面上に固定された前記半導電性粒子を平坦化するステップと、を備える方法。
【請求項１７】
前記第１の基板は、ドラムを備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記半導電性粒子は、前記第１の基板と関連付けられたパターンに基づいて、帯電された前記第１の基板に堆積される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記パターンは、前記第１の基板に固定されたグリッド又は前記第１の基板に接続された電極の少なくとも１つである請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
帯電された前記半導電性粒子を前記第２の基板へ転写するステップは、
前記第２の基板及び前記半導電性粒子の少なくとも１つへ接着材を適用するステップと、
前記第２の基板を前記半導電性粒子と接触させるステップと、を備える請求項１６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図１では、例示的な技術が示され、金属グリッド１４は、接着性の下部層１２で使用される。次に、球体１６は、グリッドの周囲の球体を動かすための機械的な振動の使用が、グリッド開口の完全な占有をもたらすように、十分な品質の表面に配置される。機械的な振動は、シリコン球体１６を、基板、壁及びカバーにより規定される体積の周りに動かす。非常に短い時間では、球体１６は、球体が利用可能な限り、利用可能なグリッド位置に遭遇する確率が一定となるような度合いで周囲を移動する。図２は、グリッドを有するガラス基板に製造されたこのようなデバイスの顕微鏡写真を示す。この例では、ガラス球体が使用され、直径が２０ミクロンである。機械的な振動は、グリッドの周囲のガラス球体を移動するために用いられる。グリッドの上面から球体を除去することを補助するために、高電圧（Ｖ≦５１２ｋＶ）がグリッドに印加される。いくつかの余剰の球体及び汚れが見られるが、これれは、クリーンルーム環境では低減又は排除される、及び／又は後続の処理ステップで除去される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
トランジスタ５５ａ及び５５ｂの代表的な例は、図５ｃ及び５ｄに示される。同一球体にＮＭＯＳ及びＰＭＯＳデバイスを実現するためにさらなるドーピングを生じる。図５ｃでは、トランジスタのような制御可能な機能的デバイスのアレイが製造されうる。平坦化された球体５７のアレイ５８に示されていないが、デバイスのアレイは、同一プロセス内で製造される。すなわち、ドーピングは、全てのトランジスタに対して同時に行われる。パッシベーション層５９は、デバイスが作製された後に平坦化された球体の上面にわたって直接適用される。層５９は、アクティブデバイスに亘って規定される前に示される。本発明の利点は、アレイの任意のサイズが製造されることができる点であり、所望の位置に配置されうる小さな機能的ユニットにアレイを切断することが望まれる。シリコンウェーハを切断する現行の手段は、この例で用いられうる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
本明細書に記載されるように、本発明は、同様の製造方法を用いて太陽電池の製造も可能にする。ここで図４ａから４ｆを参照すると、太陽電池を製造するプロセスが示され、図４ａで示されるｐ型材料でドープされた球体は、グリッド１４を有する開口に位置付けられ、それらを支持する光透過性基板１０に取り付けられる。図４ｂでは、球体及びグリッドは、ＳｉＯ２の層４３で被覆され、図４ｃでは、金属化層４５が適用される。図４ｄでは、構造は、平坦化され、球体は、平坦な上面を有する。図４ｅでは、ビア及び導通プラグ形成が提供される。図４ｅでは示されていないが、平坦な表面の直下の平坦な領域は、ｎ型材料でドープされ、図４ｆの後続のステップでは、インターコネクト４６及び４９は、全てのインターコネクトが、ｐ及びｎ材料に接触する平坦な上面にあるように形成される。この上側平坦面は、実際には、太陽電池の背面を形成する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014535166.tif 000021
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５ｃ】
2014535166.tif 000022
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５ｄ】
2014535166.tif 000023
【国際調査報告】
2014535166.tif 000024
2014535166.tif 000025