JP4860036B2 - キャリヤ基板と該キャリヤ基板の一面上に形成したシリコン炭化物層とを備えたＳｉＣＯＩ構造の製造方法 - Google Patents

Description

【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SiC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】
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。シリコン炭化物の層の厚さは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２０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と比較して180°反転されている。
【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、下の酸化物層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、GaN層３０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 Dance、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 (11)

1. キャリヤ基板（２０）と該キャリヤ基板の一面上に形成したシリコン炭化物層（１２）とを備えたＳｉＣＯＩ構造を製造する方法であって、以下の連続的な段階：
   ａ）シリコン基板である第一基板（１０）の一方の面上に、前記第一基板（１０）を炭化水素と反応させることによって得られるシリコン炭化物層（１２）を形成する段階と、
   ｂ）前記第一基板の前記面の下の、前記シリコン炭化物層（１２）の近傍に気体種のイオンを注入して劈開ゾーン（１６）を形成することにより、前記第一基板（１０）に表面層（１８）を規定するイオン注入段階と、
   ｃ）前記シリコン炭化物層（１２）及び前記劈開ゾーン（１６）が形成された前記第一基板（１０）と前記キャリヤ基板（２０）とを結合し、前記シリコン炭化物層（１２）を、絶縁層を介して前記キャリヤ基板（２０）と一体化させる段階と、
   ｄ）前記劈開ゾーン（１６）に沿って前記第一基板（１０）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、前記表面層（１８）を、この劈開の間、前記シリコン炭化物層（１２）と前記キャリヤ基板（２０）とに一体のまま維持する段階と、
   ｅ）前記表面層（１８）を除去して前記シリコン炭化物層（１２）を露出する段階と、
   を備えた方法。
2. 前記段階ｄ）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に記載の方法。
3. 前記段階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に記載の方法。
4. 絶縁層（１４）を、前記段階ｂ）の前に、前記シリコン炭化物層（１２）上に形成する請求項１に記載の方法。
5. 前記絶縁層（１４）が酸化物である請求項４に記載の方法。
6. 表面絶縁層（２４）を有するキャリヤ基板（２０）を用い、前記段階ｃ）の間に、前記第一基板（１０）と前記キャリヤ基板（２０）とを結合する、請求項１に記載の方法。
7. 前記表面絶縁層（２４）が酸化物である請求項６に記載の方法。
8. 前記段階ｅ）の後に、前記シリコン炭化物層（１２）の厚さを増加するために、前記シリコン炭化物層（１２）上に、同じ材料のエピタキシャル成長を行う請求項１に記載の方法。
9. 前記段階ｅ）の後に、前記シリコン炭化物層（１２）上に、ＧａＮ層（３０）を形成する請求項１に記載の方法。
10. 熱処理によって、前記シリコン炭化物層（１２）を前記キャリヤ基板（２０）と一体に形成する請求項１に記載の方法。
11. 前記シリコン炭化物層（１２）を前記キャリヤ基板（２０）に一体に形成するために、前記熱処理を、前記段階ｄ）の劈開がさらに生ずるように延長する請求項１０に記載の方法。

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