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JP2002502119A - 半導体オン絶縁体特にSiCOI構造を製造する方法 - Google Patents

半導体オン絶縁体特にSiCOI構造を製造する方法

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JP2002502119A
JP2002502119A JP2000529740A JP2000529740A JP2002502119A JP 2002502119 A JP2002502119 A JP 2002502119A JP 2000529740 A JP2000529740 A JP 2000529740A JP 2000529740 A JP2000529740 A JP 2000529740A JP 2002502119 A JP2002502119 A JP 2002502119A
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material layer
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とをを備えた構造を形成する方法を提供することである。 【解決手段】 a)第一基板(10)の一方の面上に半導体材料層(12)を形成する段階と、b)第一基板の面の下の、半導体材料層(12)の近傍にイオンを注入し、第一基板(10)に表面層(18)を規定する、半導体材料層に接触する劈開ゾーンと呼ばれるゾーン(16)を形成する段階と、c)半導体材料層(12)を用いて、第一基板(10)をキャリヤ基板(20)上に移す段階であって、半導体材料層がキャリヤ基板(20)と一体に形成されている段階と、d)劈開ゾーン(16)に沿って第一基板の劈開を行うためのエネルギーを供給する段階であって、第一基板の表面層(18)はこの劈開の間半導体層(12)とキャリヤ基板(20)とに一体のままである段階と、e)表面層(18)を除去して半導体材料層(12)を露出する段階と、を備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリヤ基板とそのキャリヤ基板の一方の面上の半導体材料の層と
を備えた構造を形成するための特別な方法に関するものである。
【0002】 さらに詳細には、例えば、シリコン炭化物−酸化物−半導体型の構造のような
半導体オン絶縁体構造の形成に関するものである。
【0003】 本発明はGaN層を含む基板のような基板の製造に対するマイクロエレクトニ
クス及びオプトエレクトロニクスに分野における応用が見つけられる。材料は広
い禁止帯を有する半導体であり、紫外あるいは青色のスペクトルにおいて作動す
るエレクトロルミネセンスあるいはダイオードのような電子光学デバイスの製造
を可能にするものである。
【0004】 本発明はまた、高温度環境あるいは腐食性の環境のような過酷な環境において
作動可能なマイクロシステムの製造の応用がある。この場合、本発明の製造を用
いると、例えば、過酷な環境の圧力に耐えることが可能なシリコン炭化物の薄膜
を提供することが可能である。
【0005】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より示されているように、ガリウム窒化物(GaN)は電子光学デバイスの製
造のための広い禁止帯のために特に興味のある材料である。しかしながら、この
ような応用に対しては、十分な単結晶GaNを得ることが重要であることが分かっ ている。
【0006】 従って、現在では、サファイア上或いはシリコン炭化物(SiC)基板上でヘテ ロエピタキシャル成長し易い一層のGaNを備えた基板が作られている。
【0007】 エピタキシャル基板としてのサファイアの使用によって、結晶欠陥の高密度を
有するGaN層を得ることが可能となる。エピタキシャル基板としてシリコン炭化 物(SiC)を使用することによって、より結晶性の高い品質を得ることが可能と なる−というのも、GaNとSiCとの間で格子のパラメータがかなりよく一致するか
らである。
【0008】 しかしながら、単結晶SiC基板の非常に高いコストは、エピタキシャル成長に 対して使用するには欠点である。
【0009】 単結晶SiC基板の高コストのため、シリコンから成る基礎基板の面上に薄い表 面層だけを有するより経済的な基板に頼ることも可能である。
【0010】 しかしながら、連続して形成されるシリコン、シリコン炭化物、及びガリウム
窒化物は、かなり異なる熱膨張係数を有する。従ってかなりの応力と高欠陥密度
がこのタイプの基板上にガリウム窒化物を形成する間に生ずる。
【0011】 この問題はシリコンとシリコン炭化物との間に酸化層を供給することによって
少なくとも部分的には解決することができる。この層は、異なる膨張率による応
力の減少をもたらし、かつ、いわゆる“素直な(compliant)”基板を得ることに
つながる。
【0012】 周知の方法では、例えば、シリコンオン絶縁体(絶縁体上に形成したシリコン
)型(silicon-on-insulator:SOI)の基板上へのエピタキシーを通してSiC膜を
形成することによって、シリコン炭化物オン絶縁体型(SiCOI)の構造を製造す ることが可能である。
【0013】 しかしながら、このような場合、シリコンの薄膜はSOIの表面シリコン層からS
iCと酸化物との間に残っている。このシリコン膜はSOI構造の酸化物層を用いて 得られた“素直な”特性をいくらか低下させる。さらに、SiCのエピタキシーの 間、酸化物層に空洞を形成し、SiC層に欠陥が発生する。
【0014】 シリコンオン絶縁体(SOI)型の基板の表面シリコン層の炭化(carburization )を行い、その層全体をSiCにし、それによって中間シリコンを有さないSiC/酸 化物界面を得ることも可能である。
【0015】 しかしながら、この解決策は、一般のSOI構造の表面シリコン層が数100Åの厚
さを有する限り、行うことが困難であることが分かっている。シリコンの炭化だ
けがSiC層が数100ナノメータのオーダーである厚さを以上にすることが可能であ
る。
【0016】 明細書の最後に掲載した文献(1)は、酸化物上にシリコン炭化物を備えた“
素直な”基板を得るための他の方法を記載している。
【0017】 この文献によれば、酸化物層は固体SiC基板の表面上に形成し、イオンを基板 に注入して弱いゾーンを形成する。この弱くなったゾーンは、基板に酸化物層に
接触したSiC表面層を規定する。
【0018】 次に、酸化物を形成したSiC基板をターゲット基板に移動して、酸化物層をタ ーゲット基板に接触させる。
【0019】 最後に、熱処理を行って弱いゾーンに沿って、SiC基板を劈開して表面SiC層を
除去する。この層は絶縁層を介してターゲット基板に一体のまま残っている。
【0020】 熱処理を用いた弱いゾーンに沿った基板の劈開は、文献(2)にも記載されて
いる。この文献もこの明細書の最後に参考として掲載している。
【0021】 従って、最後に得られる構造は、以下の順で、シリコン基板、酸化物層、そし
てシリコン炭化物層を有する。
【0022】 上記の方法を用いて、単結晶SiCから成る基板より廉価なSiC層を有するキャリ
ヤを得ることが可能である。しかしながら、この方法はある数の制限を有する。
【0023】 比較的高い熱スケジュール(処理時間−処理温度)がシリコン炭化物の劈開に
対して要求される。この熱スケジュールは、例えば、850°Cで1時間である。 比較のため、シリコンの劈開は500°Cで30秒だけのスケジュールによって行っ てもよい。
【0024】 さらに、劈開シリコン炭化物は表面ラフネスを有することがわかった。従って
、SiCは、GaNのような他の材料をこの面上に形成することができる前に、研磨に
よって処理しなければならない。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、例えば、シリコンオン絶縁体型、特に上述した困難或いは制
限が生じないようなシリコン炭化物オン絶縁体構造のような、キャリヤ基板とこ
のキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とをを備えた構造を形成する方
法を提供することである。
【0026】 特に目的の一つは、劈開操作の間、高加熱スケジュールを必要としないシリコ
ン炭化物−酸化物−シリコン型の構造を製造する経済的な方法を提供することで
ある。
【0027】 他の目的は、優れた表面状態を有するSiC層を得ることが可能な方法を提案す ることである。
【0028】 他の目的は、GaNに対してキャリヤを製造する方法を提供することである。
【0029】 さらに他の目的は、(特にSiCあるいはGaN層を用いて)大きなサイズの構造を
得ることを可能にすることである。
【0030】 これらの目的を達成するために、本発明は特に、キャリヤ基板とこのキャリヤ
基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造を製造する方法を特に提案
するものであって、この方法は以下のような連続した段階: a)第一基板の一方の面上に半導体材料層を形成する段階と、 b)前記第一基板のその面の下の、前記半導体材料層の近傍にイオンを注入し
、前記第一基板に表面層を規定するものであって、前記半導体材料層に接触する
劈開ゾーンと呼ばれるゾーンを形成する段階と、 c)半導体層を用いて、第一基板をキャリヤ基板上に移す段階であって、半導
体材料層が前記キャリヤと一体に形成された段階と、 d)前記劈開ゾーンに沿って第一基板の劈開を行うためのエネルギーを供給す
る段階であって、第一基板の表面層は劈開の間半導体層とキャリヤ基板とに一体
のままである段階と、 e)前記表面層を除去して半導体材料層を露出する段階と、を備えている。
【0031】 一好適な実施形態では、段階e)におけるエネルギーの供給は、熱エネルギー
、力学的エネルギーあるいはそれらの組合せの供給の中から選択する。
【0032】 熱エネルギーの供給によって、熱処理の適用を意味している。
【0033】 この熱処理は、方法全体にわたって用いる異なる熱スケジュールに関連して、
決定する加熱スケジュールを用いて行われてもよい。特に、この熱処理は、イオ
ン注入段階の結果として得られるような非熱力学的定常型の熱処理によって、あ
るいは、例えば注入に対してあるいは支持体に結合するときの結合力の可能な補
強に対してのような、基板加熱あるいは基板冷却を用いた熱処理によって誘起さ
れる過熱を考慮してもよい。
【0034】 この熱処理は力学的な力の付与のようなエネルギーの他の供給の使用を考えて
もよい。
【0035】 従って、段階e)では熱処理はなくても良く、この場合エネルギーの供給は力
学的なものだけでも可能である。
【0036】 本発明の一好適な実施形態によれば、除去段階e)はウェットあるいはドライ
化学的エッチング、研磨、エッチングによる酸化、あるいはこれらの組合せの中
から選択した除去法によって行う。
【0037】 本発明の一特別な態様では、段階a)と段階b)との間、あるいは段階b)と
段階c)との間に半導体材料層を、特にアクティブ及び/又はパッシブ構成要素
を形成するような処理のような処理を受けやすくてもよい。その構成要素を段階
b)の前に形成するならば、これらの処理は次にイオン注入の条件を決定するた
めに考慮される。
【0038】 本発明の一実施形態によれば、第一基板はシリコン基板であってもよく、半導
体材料層はシリコン炭化物の層であってもよい。
【0039】 この場合には、段階d)で実施される劈開がシリコン炭化物層内では生じない
で、第一基板内で生ずることがわかる。それから、劈開は、シリコン炭化物の層
に手を付けないでそのまま残す低めの熱処理を用いて行ってもよい。
【0040】 さらに、本発明の方法は、半導体材料SiCの層、特に非常に大きな表面積を有 するものによって、構造を形成するために適用するものである。
【0041】 方法の段階c)の間、半導体材料層は熱処理によって基板と一体に形成しても
よい。
【0042】 同じ熱処理を拡張し、方法の段階d)で劈開を利用してもよい。
【0043】 異なる熱膨張係数の相異だけがほとんど効果を有さない、とても“素直な”特
性を有する最終的な構造を得るために、酸化層をその酸化層とキャリヤ基板との
間備えてもよい。これは特に、半導体材料層がシリコン炭化物から成り、かつ基
板がシリコンから成るならば備えてもよい。
【0044】 この目的のため、表面絶縁体層を有するキャリヤ基板(ターゲット)を使用し
ても良く、かつ第一基板を半導体材料層を用いてキャリヤ基板の絶縁層上に移し
てもよい。
【0045】 代替法あるいは補助的方法では、イオン注入段階b)の前に、半導体材料層上
に絶縁層を形成することも可能である。
【0046】 キャリヤ基板の絶縁層及び/又は半導体材料層上に形成した絶縁層とは例えば
酸化層であってもよい。
【0047】 この方法の終わりに、すなわち、段階e)の後に、ホモエピタキシーによって
半導体材料層の厚さを増加することも可能である。
【0048】 本方法の一特別な実施形態では、オプトエレクトロニクスに対する基板の形成
に対して、シリコン炭化物から成る表面層をその上にガリウム窒化物の層を形成
して作ることができる。
【0049】 ガリウム窒化物層をヘテロエピタキシーによって形成してもよい。
【0050】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特性及び利点を添付の図面を参照して以下の記載でより明白にな
るだろう。この記載は本発明の一実施形態に関するものであり、かる非制限的か
る例示的な目的で行われているにすぎない。 図面における構造の異なる層は、簡単のためにスケール通りには描いておらず
;部分的にサイズをかなり誇張している。
【0051】 図1は、上にシリコン炭化物12が形成されたシリコンの第一基板10を示し
ている。
【0052】 シリコン炭化物の層は、例えば、炭化水素とシリコン炭化物との反応によって
、シリコン基板10を炭化することによって、表面だけに形成する。この反応は
1350°C近傍の温度で生じ、この反応によってシリコン炭化物(SiC)の層を薄い
厚さだけ形成することが可能である。シリコン炭化物のそうの厚さは5〜10nm のオーダーである。
【0053】 ここで示した方法は、第一基板を形成する大きな直径のウェーハを使ってもよ
いことを理解されたい。
【0054】 図2は、シリコン酸化物層14をSiC層12上に蒸着する最適な段階を示して いる。厚さが500nmのオーダーのシリコン酸化物層によって、シリコン炭化物 とその層を移すシリコンのキャリヤ基板との間の異なる熱膨張率の影響を低下す
ることが可能となる。
【0055】 酸化物層の厚さは決定的なものでなく、広い範囲の値から選択してよい。
【0056】 図3は、第一基板上での劈開ゾーン16の形成を示している。例えば、水素イ
オンを用いてイオン注入によって形成する。注入量(implantation dose)とエ ネルギーとは、好ましくは表面層12の下であって基板10に、表面にできる限
り接近するように、すなわち、Si/SiC界面にできる限り接近するように、劈開ゾ
ーンが形成されるように、SiC層12及び酸化物層14の膜厚の関係により選択 する。
【0057】 劈開ゾーンの形成のさらに詳細な説明については、すでに引用した文献(2)
が参考になる。
【0058】 劈開ゾーン16は、シリコン基板10に、シリコン表面層18を規定する。
【0059】 図4に示したように、シリコン炭化物12及び酸化物層14を備えた第一基板
10を第二のキャリヤ基板10に近づける。この第二基板はシリコンから成り、
一方の面にシリコン酸化物層を有する。キャリヤ基板20はターゲット基板とも
呼ばれる。
【0060】 基板10及び20は、結合が可能となるように予め清浄化した酸化物層14及
び24が互いに向き合うように方向付けられている。
【0061】 この点では、第二基板の面上に形成された酸化物層24及び第一基板16の酸
化物層14が最適になるように注意しなければならない。
【0062】 図5は、酸化物層がそれぞれ形成された、これらの基板の自由面を接近して、
第二基板20上に第一基板を移動する。
【0063】 酸化物層は分子吸着によって互いに結合する。結合は適切な熱処理によって強
化してもよい。
【0064】 劈開ゾーン16に沿って図5に示した構造の劈開を生ずるための十分な加熱ス
ケジュールによって、熱処理を続けるか、あるいは他の熱処理を行う。劈開を矢
印で示した。
【0065】 劈開の後で、第一基板の残っている固体部の除去の後、図6に示した構造を得
る。図6の第二基板の方向は、図5の比較して180°ひっくり返っている。
【0066】 図6の構造は、この順で、キャリヤ基板20、その上に形成した酸化物層24
と、第一基板から供給された酸化物層14と、シリコン炭化物層12と第一基板
から供給された表面シリコンの薄層18とを備えている。
【0067】 それから、表面層18を、例えばTMAH溶液を用いたウェット化学的浸食によっ
て、基板から除去する。
【0068】 センサーあるいはマイクロ機械部をシリコン炭化物の膜に取り付けるため、シ
リコン炭化物層12の膜厚をこの層の上にシリコン炭化物エピタキシーによって
増加する。
【0069】 SiC層12の膜厚を増加するこの操作を図7に示す。
【0070】 エピタキシーによって、例えば、500nmから1μmの厚さまでシリコン炭化物
層の膜厚を増加することが可能である。
【0071】 SiC膜を延長した構造は、下の産物層24,14の部分的エッチングによって 容易に得ることができる。
【0072】 基板の他の応用では、例えば、オプトエレクトロニクスの分野では、シリコン
の表面層の除去後に、SiC層12上にヘテロエピタキシーによって半導体材料を 形成してもよい。
【0073】 図8は、GaN30の層を被覆していないシリコン炭化物層12上に形成する応 用を示している。
【0074】 前の例は、本発明の実施形態の特別な例を示したものに過ぎない。選択された
材料と層の厚さは、目的の応用に関連して、広い範囲にわたって変化する。
【0075】 本発明の方法は、SiC以外の材料、例えば、AsGa、GaN、あるいは強誘電体材料
に適用してもよい。
【0076】 次に、熱膨張率にあまり敏感でなく、かつ、例えばエピタキシーによってこの
プロセスの終わりに膜厚を調整してもよいことによって、高品質の材料層を得る
ことができる。
【0077】 さらに、第一基板及び第二基板で使用される材料はシリコン以外でもよい。例
えば、サファイアを使用してもよい。
【0078】 引用文献 (1)シリコンウェーハ上にSiC構造を形成する“スマート切断”、Brian Dan
ce、58/semiconductor International、May、1997 (2)欧州特許第第0 533 551号公開公報
【図面の簡単な説明】
【図1】 キャリヤ基板あるいはターゲット基板上に第一基板を移す前の 準備段階の間の、第一基板の断面図である。
【図2】 キャリヤ基板あるいはターゲット基板上に第一基板を移す前の 準備段階の間の、第一基板の断面図である。
【図3】 キャリヤ基板あるいはターゲット基板上に第一基板を移す前の 準備段階の間の、第一基板の断面図である。
【図4】 第一基板をキャリヤ基板上に移す操作を図示する断面図である 。
【図5】 第一基板をキャリヤ基板上に移す操作を図示する断面図である 。
【図6】 第一基板の劈開後に得られるキャリヤ基板の断面図である。
【図7】 表面処理の後に得られる図6に示した基板の上に、半導体材料 の表面層を厚めにして形成した断面図である。
【図8】 表面処理の後に得られる図6に示した基板の上に、半導体材料 層を成長させた断面図である。
【符号の説明】
10 第一基板 12 シリコン炭化物層 14、24 シリコン酸化物層 16 劈開ゾーン 18 シリコン表面層 20 キャリヤ基板

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 キャリヤ基板(20)とこのキャリヤ基板の一面上に形成 した半導体材料層(12)とを備えた構造を製造する方法であって、 a)第一基板(10)の一方の面上に半導体材料層(12)を形成する段階と
    、 b)前記第一基板の前記面の下の、前記半導体材料層(12)の近傍にイオン
    を注入し、前記第一基板(10)に表面層(18)を規定する、前記半導体材料
    層に接触する劈開ゾーンと呼ばれるゾーン(16)を形成する段階と、 c)半導体材料層(12)を用いて、第一基板(10)をキャリヤ基板(20
    )上に移す段階であって、半導体材料層が前記キャリヤ基板(20)と一体に形
    成されている段階と、 d)前記劈開ゾーン(16)に沿って第一基板の劈開を行うためのエネルギー
    を供給する段階であって、第一基板の表面層(18)はこの劈開の間半導体層(
    12)とキャリヤ基板(20)とに一体のままである段階と、 e)前記表面層(18)を除去して半導体材料層(12)を露出する段階と、
    を備えたキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを
    備えた構造の製造方法。
  2. 【請求項2】 段階e)の間におけるエネルギーの供給は、熱エネルギー の供給、力学的エネルギーの供給あるいはそれらの組合せの供給の中から選択し
    た形で行われる請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形
    成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  3. 【請求項3】 段階e)が、ウェットあるいはドライ化学的エッチング、 研磨、エッチングによる酸化、あるいはこれらのモードの組合せの中から選択し
    た除去モードに従って行われる請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基
    板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  4. 【請求項4】 第一基板(10)がシリコン基板であり、かつ半導体材料 層(12)がシリコン炭化物層である請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャ
    リヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  5. 【請求項5】 シリコン炭化物から成る半導体材料層(12)は、第一基 板(10)を炭化水素と反応させることによって得られる請求項4に記載のキャ
    リヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の
    製造方法。
  6. 【請求項6】 絶縁層(14)を、イオン注入段階b)の前に、半導体材 料層(12)上に形成する請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の
    一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  7. 【請求項7】 表面絶縁層(24)を有するキャリヤ基板(20)を用い 、段階c)の間に、第一基板(10)を半導体材料層(12)を用いてキャリヤ
    基板の絶縁層層(24)上に移す請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ
    基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  8. 【請求項8】 絶縁層が酸化物である請求項2または請求項3のいずれか に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを
    備えた構造の製造方法。
  9. 【請求項9】 段階e)の後に、半導体材料層(12)の層の厚さを増加 するために、同じ材料のエピタキシャル成長を行う請求項1に記載のキャリヤ基
    板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方
    法。
  10. 【請求項10】 段階e)の後に、シリコン炭化物層(12)上に、GaN層
    (30)を形成する請求項4に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上
    に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  11. 【請求項11】 熱処理によって、半導体材料層(12)をキャリヤ基板 (20)と一体に形成する請求項1に記載のキャリヤ基板とこのキャリヤ基板の
    一面上に形成した半導体材料層とを備えた構造の製造方法。
  12. 【請求項12】 半導体材料層をキャリヤ基板に一体に形成するために、 前記熱処理を段階d)の劈開をさらに生ずるように拡張する請求項11に記載の
    キャリヤ基板とこのキャリヤ基板の一面上に形成した半導体材料層とを備えた構
    造の製造方法。
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