DE69133359T2

DE69133359T2 - Verfahren zur Herstellung eines SOI-Substrats

Info

Publication number: DE69133359T2
Application number: DE69133359T
Authority: DE
Inventors: Takao Ohta-ku Yonehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2011-08-03
Also published as: ATE217447T1; DE69133359D1; US5371037A; EP0469630B1; EP0469630A3; EP0747935A3; MY141499A; CN1056940C; EP0469630A2; KR950014609B1; TW334578B; DE69133004T2; SG59963A1; CA2048339C; EP0747935A2; EP0688048A2; CN1061871A; EP0747935B1; DE69133004D1; EP0688048A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, insbesondere zur Herstellung eines Halbleiters, der zur Trennung von dielektrischen Materialien oder elektronischen Vorrichtungen, integrierten Schaltungen, die auf einer einkristallinen Halbleiterschicht auf einem isolierenden Material hergestellt wurden, geeignet ist.
Verwandter Stand der Technik
Die Bildung einer einkristallinen Si-Halbleiterschicht auf einem isolierenden Material ist als Silicium-auf-Isolator-(SOI-) Technologie weit bekannt, und damit eine große Anzahl von Vorteilen, die durch Si-Substrate in der Masse zum Herstellen herkömmlicher Si-integrierten Schaltungen nicht erreicht werden können, durch die Vorrichtung unter Einsatz der SOI-Struktur bewerkstelligt werden kann, sind sehr viele Forschungen vorgenommen worden. Speziell können durch Einsatz der SOI-Struktur die folgenden Vorteile erhalten werden:

1. Eine dielektrische Isolierung kann zum Erreichen eines hohen Integrationsausmaßes leicht gebildet werden;
2. Die Strahlenhärte ist ausgezeichnet;
3. Das Streuvermögen ist vermindert zum Erzielen einer hohen Geschwindigkeit;
4. Der Schritt zum Erzeugen von Töpfen (Well) kann entfallen;
5. Ein Verriegeln kann verhindert werden;
6. Vollständig geleerte Feldeffekttransistoren können durch Dünnfilmerzeugung gefertigt werden.

Um die wie oben bezeichneten, vielen Vorteile der Vorrichtungsmerkmale zu realisieren, sind seit über zehn Jahren diesbezüglich Studien gemacht worden über das Verfahren zum Bilden der SOI-Struktur. Die Inhalte sind zum Beispiel in der nachfolgend bezeichneten Literatur zusammengefasst: Spezielle Ausgabe: "Single-crystal silicon on non-single-crystal insulators"; herausgegeben durch G.W. Cullen, Journal of Crystal Growth, Bd. 63, Nr. 3, S. 429–590 (1983).
Es ist ebenso seit langem bekannt gewesen, die SOS- (Silicium-auf-Saphir-) Struktur durch Heteroepitaxie von Si auf einem einkristallinen Saphir-Substrat durch die CVD- (chemische Dampfabscheidungs-) Methode zu bilden. Diese war bis zu einem gewissen Ausmaß wie die am meisten ausgereifte SOI-Technik erfolgreich, jedoch wurde eine breite Anwendung gehemmt durch solche Gründe wie einer großen Menge an Kristalldefekten aufgrund von Gitterverschiebungen bei der Grenzfläche zwischen der Si-Schicht und dem Saphir-Substrat, dem Einschluss von Aluminium aus dem Saphir-Substrat in die Si-Schicht, und vor allem den hohen Kosten des Substrats und der Verzögerung bei der Vergrößerung der Größe des Substratwafers. In den vergleichsweise kurz zurückliegenden Jahren sind Versuche unternommen worden, die SOI-Struktur ohne Verwendung eines Saphir-Substrats zu verwirklichen. Solche Versuche können grob in die drei unten gezeigten unterteilt werden.

(1) Nach der Oberflächenoxidation eines einkristallinen Si-Substrats wird ein Fenster gebildet, damit das Si-Substrat teilweise exponiert ist, und ein epitaxiales Wachstum wird in Längsrichtung mit dem exponierten Bereich als Keim ausgeführt, um eine einkristalline Si-Schicht auf SiO₂ zu bilden. (Dieser Fall ist von einer Abscheidung einer Si-Schicht auf SiO₂ begleitet).
(2) Durch Verwendung eines einkristallinen Si-Substrats als aktiver Schicht selbst wird SiO₂ darunter gebildet. (Dieses Verfahren ist mit keiner Abscheidung einer Si-Schicht begleitet).
(3) Nach dem epitaxialen Wachstum von Si auf einem einkristallinen Si-Substrat wird eine Isoliertrennung bewirkt. (Dieses Verfahren ist mit einer Abscheidung einer Si-Schicht begleitet).

Als Maßnahmen zur Verwirklichung des obigen Weges (1) sind das Verfahren, bei dem eine einkristalline Si-Schicht direkt gebildet wird zum lateralen epitaxialen Wachstum durch CVD, das Verfahren, bei dem amorphes Si abgeschieden wird und einem Festphasen-Lateralepitaxiewachstum durch Hitzebehandlung unterzogen wird, das Verfahren, bei dem eine amorphe oder polykristalline Si-Schicht konvergent bestrahlt wird mit einem Energiestrahl wie einem Elektronenstrahl, Laserstrahl etc., und eine einkristalline Schicht auf SiO₂ durch Schmelzen und Rekristallisation wachsen gelassen wird, sowie das Verfahren, bei dem ein Schmelzbereich zonenweise abgefahren wird durch ein stabförmiges Heizelement (Zonenschmelz- Rekristallisation), bekannt gewesen. Diese Verfahren haben sowohl Vor- als auch Nachteile, wobei sie weiterhin viele Probleme in Hinblick auf die Steuerbarkeit, die Produktivität, die Gleichförmigkeit und die Qualität aufweisen, und keines von diesen sind bis heute industriell angewandt worden. Das CVD-Verfahren erfordert zum Beispiel eine Opfer-Oxidation bei einer flachen Dünnfilmbildung, während die Kristallinität bezüglich des Festphasenwachstumsverfahrens schlecht ist. Auf der anderen Seite sind mit dem Strahlerhitzungsverfahren Probleme im Hinblick auf die Steuerbarkeit der Behandlungsdauer durch das konvergierte Strahlenabtasten, der Art der Überlappung von Strahlen, der Einstellung des Brennpunkts etc. verbunden. Unter diesen ist das Zonenschmelz-Rekristallisationsverfahren das am meisten ausgereifteste, und eine integrierte Schaltung relativ großen Ausmaßes ist versuchsweise gemacht worden, jedoch verbleibt noch eine große Zahl von Kristalldefekten wie Punktdefekten, Liniendefekten, Ebenendefekten (untergrenzflächig) etc., und es wurde keine Vorrichtung hergestellt, die durch Minoritäts-Ladungsträger angetrieben wird.
Bezüglich des Verfahrens, welches kein Si-Substrat als Keimung zum epitaxialen Wachstum verwendet, welches das obige Verfahren (2) darstellt, können zum Beispiel die nachfolgenden Verfahren genannt werden.

1. Ein Oxidfilm wird auf einem einkristallinen Si-Substrat mit auf der Oberfläche anisotrop geätzten V-Rillen gebildet, eine polykristalline Si-Schicht wird auf dem Oxidfilm dick abgeschieden im gleichen Ausmaß wie das Si-Substrat, und danach werden durch Polieren von der Rückoberfläche des Si-Substrats einkristalline Si-Bereiche, die durch die Umgebung mit den V-Rillen auf der dicken polykristallinen Si-Schicht dielektrisch getrennt sind, gebildet. Bei diesem Verfahren gibt es, obgleich die Kristallinität gut ist, Probleme im Hinblick auf die Steuerbarkeit und die Produktivität im Schritt des Abscheidens des einige hundert Mikrometer dicken polykristallinen Si sowie in dem Schritt, bei dem das einkristalline Si-Substrat von der Rückseite poliert wird, damit nur die aktive Si-Schicht in getrennter Form zurückgelassen wird.
2. Dieses Verfahren wird als SIMOX (Trennung durch ionenimplantierten Sauerstoff) bezeichnet, bei welchem eine SiO₂-Schicht durch Ionenimplantierung von Sauerstoff in das einkristalline Si-Substrat gebildet wird, wobei es eines der am weitesten entwickelten Verfahren darstellt aufgrund guter Übereinstimmung mit dem Si-IC- (integrierte Schaltungs-) Prozess. Zum Bilden der SiO₂-Schicht sind jedoch 10¹⁸ Ionen/cm² oder mehr Sauerstoffionen zum Implantieren erforderlich, und die Implantierungsdauer ist unter gleichzeitigem Verlust der Produktivität sehr lang, und die Kosten des Wafers sind ebenso hoch. Ferner verbleiben viele Kristalldefekte, und aus der Sicht des industriellen Standpunkts ist kein ausreichender Qualitätsstandart erreicht worden, der in der Lage wäre, eine Vorrichtung herzustellen, die durch Minoritäts-Ladungsträger angetrieben wird.
3. Es gibt das Verfahren zum Bilden einer SOI-Struktur durch dielektrische Isolierung auf der Basis einer Oxidation von porösem Si. Dies ist ein Verfahren, bei dem eine Si-Schicht vom N-Typ auf der Oberfläche eines einkristallinen Si-Substrats von P-Typ in Form von Inseln mittels Protonen-Ionenimplantierung gebildet wird (Imai et al. J. Crystal Growth, Bd. 63, S. 547 (1983)), oder durch epitaxiales Wachstum und Musterbildung: Nur das Si- Substrat vom P-Typ wird durch Anodisierung in HF-Lösung porös gemacht, damit die Si-Inseln von der Oberfläche umgeben werden; und dann werden die Si-Inseln vom N-Typ durch beschleunigte Oxidation dielektrisch isoliert. In diesem Verfahren wird der isolierte Si-Bereich vor den Vorrichtungsschritten begrenzt, wodurch das Problem entsteht, dass das Ausmaß der Freiheit bei der Gestaltung der Vorrichtung und der Schaltung in einigen Fällen begrenzt ist.

Als das oben beschriebene Verfahren (3) besitzt das in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 56-16464 beschriebene Verfahren die Schritte des Bildens einer einkristallinen Si-Schicht vom N-Typ auf einem Si-Wafer vom P-Typ, des Bereitstellens einer Glasschicht darauf, die ein Oxid einer Vorunreinigung vom N-Typ enthält, und den Schritt des Verbindens, durch Hitzebehandlung, der Glasschicht mit einer auf einem anderen Siliciumwafer ausgestalteten Glasschicht, die das Oxid einer N-Typ-Verunreinigung enthält. Im Anschluss an den Verbindungsschritt wird der Si-Wafer vom P-Typ porös gemacht, und dann wird die poröse Schicht oxidiert, gefolgt von einem Ätzen zum Entfernen der porösen Schicht, wodurch eine SOI-Struktur gebildet wird. Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 53-45675 offenbart ebenso ein Verfahren, bei dem ein einkristalliner Siliciumwafer porös gemacht und dann, damit die poröse Schicht bezüglich des Widerstandes größer gemacht wird, oxidiert wird; eine einkristalline Si-Schicht auf der porösen Siliciumschicht gebildet wird; und ein Teil der einkristallinen Si-Schicht porös und bezüglich des Widerstandes größer gemacht wird, um den einkristallinen Si-Bereich zu umgeben, wodurch der einkristalline Si-Bereich getrennt wird.
Die in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Verfahren schließen alle den Schritt des Oxidierens einer porösen Schicht ein, und weil das Volumen der porösen Schicht durch die Oxidation erhöht wird, kann manchmal ein Einfluss der Fehlbildung auf die einkristalline Si-Schicht ausgeübt werden, und deshalb konnte durch diese Verfahren nicht notwendigerweise eine einkristalline Si-Schicht mit konstant guter Qualität auf dem Isolator gebildet werden.
Die US-A-3 997 381 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements, umfassend: Ausgehen von einem einkristallinen Silicium-Muttersubstrat; Bilden einer epitaxialen, einkristallinen Siliciumschicht auf dem Muttersubstrat, wobei die epitaxiale Schicht substantiell unterschiedliche Dotierkonzentrationen aufweist im Vergleich zum Muttersubstrat; Bilden einer Isolierschicht auf dem Muttersubstrat mit der epitaxialen Schicht sowie auf einem Silicium-Trägersubstrat; Verbinden der Mutter- und Trägersubstrate, wodurch die Isolierschichten der Mutter- und Trägersubstrate sich in physikalischem Kontakt befinden und wodurch die epitaxiale Schicht zwischen dem Mutter- und dem Trägersubstrat positioniert ist; Überlappen eines Bereichs des Muttersubstrats; Ätzen des Muttersubstrats durch ein bevorzugtes chemisches Ätzmittel; Messen einer elektrischen Kraft zwischen einem Elektrodenpaar, das in dem chemischen Ätzmittel eingetaucht ist; und Zugeben eines Oxidationsmittels zu dem Ätzmittel als Antwort auf das Messen der elektrischen Kraft zum Einstellen der Ätzeigenschaften des Ätzmittels und zum Beenden des Ätzens, wenn das Entfernen im wesentlichen abgeschlossen ist.
In den Materials Letters Bd. 7, Nr. 3 (1988), S. 94–98, wird ein Niederdruck-Dampfphasen-Epitaxiebildungsprozess von Silicium auf porösem Silicium beschrieben. In diesem Verfahren wird eine viel niedrigere Temperatur als bei der herkömmlichen CVD-Epitaxie angewandt. Nach der Voroxidation zum Stabilisieren der porösen Struktur wurden kurz vor dem Epitaxieschritt die Oberflächen des voroxidierten, porösen Siliciums chemisch gereinigt und schließlich thermisch gereinigt bei Temperaturen von unter 860°C. Die vollständige Oxidation der eingebetteten, porösen Siliciumschicht war danach möglich.
Im Journal of Applied Physics, Bd. 64, Nr. 10 (1988), S. 4943–4950, wird das Verbinden von oxidierten Siliciumwafern zum Herstellen von SOI beschrieben. Das Verbinden wurde erreicht durch Erhitzen eines Waferpaars in einer inerten Atmosphäre, wobei die hydrophilen Oberflächen aufeinander gerichtet kontaktiert waren.
In den Applied Physics Letters Bd. 43, Nr. 3 (1983), S. 263–265, wird ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Si-Einkristallfilms auf einem isolierenden Substrat beschrieben. Ein erstes Substrat wurde durch epitaxiales Wachstum von Si auf einem Si-Substrat, dann durch Oxidation des epitaxialen Si-Films und dann durch Abscheidung von Siliciumnitrid- und Siliciumdioxid-Filmen auf der oxidierten Oberfläche des epitaxialen Si-Films durch CVD hergestellt. Ein zweites Substrat wurde thermisch oxidiert, und dann wurde ein Glas speziellen Typs zum Verbinden der beiden Substrate verwendet. Der Si-Wafer des ersten Substrats wurde durch aufeinanderfolgende Polier- und Ätzschritte entfernt, um den epitaxialen Si-Film auf einem isolierenden Substrat zu erhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, welches zum Lösen der oben beschriebenen Probleme fähig ist und die oben beschriebenen Bedürfnisse erfüllt, und ein Verfahren zur Herstellung des Elements bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters mit einer einkristallinen Schicht, die bezüglich der Kristallinität wie bei einem einkristallinen SOI-Wafer ausgezeichnet ist, und ein Verfahren zum Herstellen des Elements, welches ebenso im Hinblick auf Produktivität, Gleichförmigkeit, Steuerbarkeit und Ökonomie ausgezeichnet ist, bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements mit ausgezeichneten Eigenschaften, welches eine ausreichende Alternative zu dem teuren SOS oder SIMOX selbst bei der Herstellung von integrierten Schaltungen gemäß der SOI-Struktur in großem Maßstab darstellt, und ein Verfahren zum ökonomischen Herstellen des Elements bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß Anspruch 1 zur Verfügung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1–6 sind schematische Darstellungen von Beispielen der Schritte des Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterelements gemäß der Erfindung oder der Bezugsausführungsformen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Halbleiter, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erhalten werden, werden nachfolgend beschrieben.
Ein Halbleiterelement der Erfindung umfasst:
Ein erstes Element mit einer nicht-porösen einkristallinen Halbleiterschicht, die auf einer porösen, einkristallinen Halbleiterschicht ausgestaltet ist, und ein zweites lichtdurchlässiges Element, das ein isolierendes Material ist, das an die Oberfläche der nicht-porösen einkristallinen Halbleiterschicht gebunden ist.
Ein anderes Halbleiterelement umfasst:
Ein erstes Element mit einer nicht-porösen einkristallinen Halbleiterschicht und einer aus einem isolierenden Material aufgebauten Schicht, die in dieser Reihenfolge auf einer porösen, einkristallinen Halbleiterschicht angeordnet sind, und ein zweites lichtdurchlässiges Element, das ein isolierendes Material und an die Oberfläche der aus dem isolierenden Material aufgebauten Schicht gebunden ist.
In dem erhaltenen Halbleiterelement beträgt die Dichte der Versetzungsdefekte in der nicht-porösen, einkristallinen Silicium-Halbleiterschicht 2,0 × 10⁴/cm² oder weniger und die Lebensdauer der Ladungsträger 5,0 × 10^–4 s oder länger.
Zudem beträgt der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Silicium-Halbleiterschicht 10% oder weniger in Bezug auf den Maximalwert.
Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements umfassend die Schritte: Herstellen eines ersten Elements mit einer porösen einkristallinen Halbleiterschicht und einer nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht, Binden des ersten Elements an ein lichtdurchlässiges zweites Element, das ein isolierendes Material ist, auf solch eine Weise, dass die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht innerhalb der zu erhaltenden Vielschichtstruktur angeordnet wird, und dann selektives Ätzen der porösen einkristallinen Halbleiterschicht.
Das Halbleiterelement, welches durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, besitzt eine einkristalline Halbleiterschicht, wobei die Lebensdauer von Ladungsträgern lang ist und Defekte außerordentlich gering sind, auf einem isolierenden Material mit einer ausgezeichneten Gleichförmigkeit der Dicke, und wobei es auf unterschiedliche Halbleitervorrichtungen anwendbar ist. Das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Halbleiterelement ist ebenso fähig zum Ansprechen unter hoher Geschwindigkeit und ist unter hoher Zuverlässigkeit auf Halbleitervorrichtungen anwendbar. Das erhaltene Halbleiterelement kann ebenso eine Alternative für teure SOS oder SIMOX darstellen.
Das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren, welches hinsichtlich der Produktivität, der Gleichförmigkeit, der Steuerbarkeit und der Ökonomie ausgezeichnet ist zum Erhalt einer Si-Kristallschicht mit einer Kristallinität, die gleich ist zu einkristallinen Wafern auf einem isolierenden Material.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, Halbleiterelemente zu liefern, bei denen die Vorteile der SOI-Vorrichtung des Stands der Technik realisiert und angewandt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenso eine Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements geliefert werden, welches eine Alternative für teures SOS oder SIMOX darstellt auch bei der Herstellung von integrierten Schaltungen mit SOI-Struktur im großen Maßstab.
Das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements der vorliegenden Erfindung, wie es in den Beispielen näher beschrieben wird, macht es möglich, die Behandlung effizient in kurzer Zeit auszuführen, und es ist hinsichtlich der Produktivität und der Ökonomie ausgezeichnet.
Unter Bezugnahme auf Silicium als einem Beispiel des Halbleitermaterials wird nun die Erfindung im Detail beschrieben, wobei jedoch das Halbleitermaterial der vorliegenden Erfindung überhaupt nicht auf Silicium beschränkt ist.
In einer porösen Si-Schicht werden gemäß einer Beobachtung durch die Transmissionselektronenmikroskopie Poren mit Durchmessern von 600 Ångstrom (10 Å = 1 nm) im Durchschnitt gebildet, und trotz der Tatsache, dass ihre Dichte im Vergleich zu einkristallinem Silicium nur die Hälfte oder weniger beträgt, bleibt die Einkristallinität erhalten. Der Ausdruck Einkristall bezieht sich auf einen kristallinen Feststoff derart, dass bei Beachtung einer optionalen Kristallachse deren Ausrichtung bei jedem Teil der Probe dieselbe ist, und dass bei der in der vorliegenden Erfindung verwendeten porösen Schicht, obgleich diese mit Poren durchsetzt ist, die Kristallachse in dem kristallinen Bereich an jeder Stelle dieselbe Richtung ist, was einkristallin bedeutet. Außerdem ist epitaxiales Wachstum einer einkristallinen Si-Schicht auf der porösen Schicht möglich. Bei einer Temperatur von 1000°C oder höher tritt jedoch eine Umordnung der Atome, die um die inneren Poren herum vorliegen, auf, wodurch die Möglichkeiten eines beschleunigten chemischen Ätzens manchmal beeinträchtigt sein können. Aus diesem Grund kann zum epitaxialen Wachstum der Si-Schicht in der vorliegenden Erfindung geeigneter Weise das Kristallwachstumsverfahren verwendet werden, welches zum Wachstum bei niedriger Temperatur in der Lage ist, wie das Molekularstrahl-Epitaxiewachstum, die Plasma-CVD, das Niederdruck-CVD-Verfahren, die Photo-CVD, das Vorspannungs-Sputterverfahren, das Flüssigphasen-Wachstumsverfahren etc.
Da die poröse Schicht eine große Anzahl von darin gebildeten Hohlräumen aufweist, kann ihre Dichte auf die Hälfte oder weniger reduziert werden. Als Ergebnis kann die Oberfläche pro Volumeneinheit (spezifische Oberfläche) beachtlich erhöht werden, und deshalb ist die Geschwindigkeit des chemischen Ätzens im Vergleich zu derjenigen der Ätzgeschwindigkeit gegenüber einer herkömmlichen, nicht-porösen, einkristallinen Schicht merklich beschleunigt. Die vorliegende Erfindung nutzt die beiden oben bezeichneten Eigenschaften eines porös gemachten Halbleiters aus, nämlich die Tatsache, dass die Einkristallinität erhalten bleibt und ein nicht-poröser Halbleiter-Einkristall deshalb epitaxial auf dem porös gemachten Halbleitersubstrat wachsen gelassen werden kann, sowie die Tatsache, dass die Ätzgeschwindigkeit beachtlich schneller ist im Vergleich zu einem nichtporösen Einkristall, wodurch eine nicht-poröse, einkristalline Halbleiterschicht hoher Qualität in kurzer Zeit gebildet werden kann auf einem Substrat, welches eine Oberfläche aus isolierendem Material aufweist.
Die poröse Schicht kann aus folgendem Grund leichter auf einer Si-Schicht vom P-Typ als einer Si-Schicht vom N-Typ gebildet werden. Poröses Si wurde zuerst entdeckt durch Uhlir et al. beim wissenschaftlichen Entwickeln eines elektrolytischen Polierens gegenüber Halbleitern 1956 (A. Uhlir, Bell Syst. Tech. J., vol. 35, S. 333 (1956)).
Unagami et al. studierten die Auflösungsreaktion von Si bei der Anodisierung und berichteten, dass Positivlöcher für die anodischen Reaktionen von Si in einer HF-Lösung notwendig sind, und die Reaktion läuft wie folgt ab (T. Unagami, J. Electrochem. Soc., vol. 127, S. 476 (1980)) Si + 2HF + (2–n) e+ → SiF2 + 2H+ + ne– SiF2 + 2HF → SiF4 + H2 SiF4 + 2HF → H2SiF6 oder Si + 4HF + (4–λ) e+ → SiF4 + 4H+ + λe– SiF4 + 2HF → H2SiF6
e⁺ und e^– geben hier jeweils ein Positivloch und ein Elektron wieder. N und λ sind jeweils die Anzahl von Positivlöchern, die zum Auflösen eines Siliciumatoms notwendig sind, und es ist postuliert worden, dass poröses Silicium gebildet wird, wenn die Bedingung n > 2 oder λ > 4 erfüllt ist.
Aus den oben genannten Gründen wird Silicium von P-Typ, in welchem Positivlöcher vorliegen, leichter porös gemacht als Silicium vom N-Typ der entgegengesetzten Charakteristik. Die Selektivität in einer solchen Porenstrukturbildung wurde durch Nagano et al. (Nagano, Nakajima, Yasuno, Ohnaka, Kajiwara; Denshi Tsushin Gakkai Gijutsu Kenkyu Hokoku, vol. 79, SSD 79-9549 (1979)) und Imai, (K. Imai; Solid-State Electronics vol. 24 S. 159 (1981)) verifiziert. In Abhängigkeit von den Bedingungen kann jedoch Silicium vom N-Typ ebenso porös gemacht werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird die Erfindung nunmehr detaillierter beschrieben.
Bezugsausführungsform 1
Es erfolgt eine Beschreibung über das Verfahren zum Erhalten eines Halbleitersubstrats, in dem ein Substrat vom P-Typ vollständig porös gemacht wird und eine einkristalline Schicht epitaxial wachsen gelassen wird.
Wie in 1A gezeigt wird ein erstes einkristallines Si-Substrat vom P-Typ bereitgestellt, und alles davon wird porös gemacht. Gemäß dem Kristallwachstumsverfahren, das wie oben angegeben zum Niedrigtemperaturwachstum in der Lage ist, wird epitaxiales Wachstum auf der Substratoberfläche, die porös gemacht wurde, bewirkt, um eine einkristalline Dünnfilm-Schicht 22 zu bilden. Das obige Si-Substrat vom P-Typ wird durch die Anodisierungsmethode unter Verwendung einer HF-Lösung porös gemacht. Die poröse Si-Schicht 21 kann in ihrer Dichte variieren in einem Bereich von 1,1 bis 0,6 g/cm³, indem die Konzentration der HF-Lösung von 50 bis 20% variiert wird, verglichen mit der Dichte von 2,33 g/cm³ des einkristallinen Si.
Wie in 1B gezeigt, wird durch Bereitstellen eines anderen Si-Substrats 23 und nach dem Erzeugen einer oxidierten Schicht 24 auf dessen Oberfläche das Si-Substrat 23 mit der oxidierten Schicht 24 auf der Oberfläche mit der Oberfläche der einkristallinen Schicht 22 auf dem porösen Si-Substrat 21 verbunden. Wie in 1C gezeigt wird das poröse Si-Substrat 21 vollständig weggeätzt, um eine dünnfilmartige, einkristalline Siliciumschicht 22 zu bilden, die auf der SiO₂-Schicht 24 verbleibt. Da die poröse Halbleiterschicht ohne Anwendung einer Oxidationsbehandlung gegenüber der porösen Halbleiterschicht weggeätzt wird, kann das Oxidationsschwellen der porösen Halbleiterschicht verhindert werden, wodurch der Einfluss der Fehlbildung beziehungsweise des Versetzens der epitaxial gewachsenen, einkristallinen Schicht verhindert werden. Gemäß diesem Verfahren wird die einkristalline Si-Schicht 22, hinsichtlich der Kristallinität gleich wie der Siliciumwafer flach und dennoch gleichförmig dünn über dem gesamten Waferbereich mit einer großen Fläche auf der oxidierten Si-Schicht 14, welche ein isolierendes Material darstellt, gebildet. Das so erhaltene Halbleitersubstrat kann geeigneter Weise ebenso zur Herstellung einer isolierend getrennten elektronischen Vorrichtung verwendet werden.
Die Dicke der nicht-porösen, kristallinen Halbleiterschicht, die auf dem porösen Halbleitersubstrat zu bilden ist, kann hier nach Wunsch vorzugsweise 50 μm oder weniger, weiter bevorzugt 20 μm oder weniger gemacht werden, um eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung auf der obigen einkristallinen Halbleiterschicht zu bilden.
Das Verbinden des obigen nicht-porösen Halbleiter-Einkristalls mit dem isolierende Materialoberflächen aufweisenden Substrat sollte vorzugsweise in einer Atmosphäre aus Stickstoff, einem Inertgas oder einer Gasmischung davon oder in einer Atmosphäre, die ein Inertgas oder Stickstoff enthält, und weiterhin bevorzugt unter erhitztem Zustand ausgeführt werden.
Als Ätzmittel zum selektiven Ätzen des obigen, porös gemachten Halbleitersubstrats mit der obigen nichtporösen, einkristallinen Halbleiterschicht, wie sie mit dem Substrat, welches die Oberfläche aus isolierendem Material verbleibend aufweist, verbunden ist, können zum Beispiel Ätzmittel wie wässrige Natriumhydoxid-Lösung, wässrige Kaliumhydroxid-Lösung, gemischte Lösungen aus Fluorwasserstoffsäuren/Salpetersäure/Essigsäure etc. angewandt werden.
Das Substrat mit dem isolierenden Material, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, kann eines sein, welches wenigstens an dessen Oberfläche aus einem isolierenden Material aufgebaut ist, oder eines, bei dem das gesamte Substrat aus einem isolierenden Material aufgebaut ist. Beispiele des Substrats mit der aus einem isolierenden Material aufgebauten Oberfläche können einkristalline oder polykristalline Siliciumsubstrate mit oxidierter Oberfläche, elektroleitfähige oder halbleitende Substrate, die eine Schicht aus einem isolierenden Material wie einem Oxid, einem Nitrid, einem Borid etc. auf der Oberfläche gebildet aufweisen, etc. einschließen. Spezielle Beispiele der Substrate, die vollständig aus einem isolierendem Material aufgebaut sind, können Substrate, die isolierende Materialien wie Quarzglas, gesintertes Aluminiumoxid etc. umfassen, einschließen.
Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Bezugsausführungsform 1 ein Beispiel zum Erzeugen einer nicht-porösen, einkristallinen Halbleiterschicht auf einem porösen Halbleitersubstrat gezeigt wurde, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Form der Bezugsausführungsform 1 wie oben beschrieben beschränkt, sondern ein poröses Halbleitersubstrat mit einer nichtporösen, einkristallinen Halbleiterschicht kann ebenso gebildet werden durch Anwenden einer Porenerzeugungsbehandlung gegenüber einem Substrat, welches eine einkristalline Schicht, die ein Material umfasst, das nur schwierig porös gemacht werden kann (z.B. Silicium vom N-Typ), sowie eine Schicht, die ein Material umfasst, das leicht porös gemacht werden kann (z.B. Silicium vom P-Typ), aufweist.
Im Schritt der Entfernung des porösen Halbleitersubstrats durch Ätzen kann das Substrat ebenso mit einem Ätzverhinderungsmaterial, mit Ausnahme des porösen Halbleitersubstrats, während des Ätzens beschichtet sein, so dass die nicht-poröse, einkristalline Halbleiterschicht und das Substrat mit der Oberfläche aus isolierendem Material nicht durch das Ätzmittel nachteilig beeinflusst wird.
Die so auf dem isolierenden Material gebildete, nicht-poröse, einkristalline Schicht kann eine solche sein, die in Bezug auf die Lebensdauer von Ladungsträgern durch 5,0 × 10^–4 s oder länger definiert ist, merklich weniger Kristalldefekte wie durch Versetzung etc. aufweist und ebenso extrem gering hinsichtlich der Verteilung der Schichtdicke der einkristallinen Halbleiterschicht ist. Speziell wird die Versetzungsdefektdichte 2 × 10⁴/cm² oder weniger, und im Hinblick auf die Schichtdicke der einkristallinen Halbleiterschicht kann in einem Flächenbereich der einkristallinen Halbleiterschicht von 20 cm² bis 500 cm² (2 Inch-Wafer bis 10 Inch-Wafer) der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Halbleiterschicht auf unter 10% oder weniger, bezogen auf den Maximalwert, gedrückt werden.
Andere Bezugsausführungsformen und Bezugsbeispiele werden durch die Beschreibung der Ausführungsformen 2 bis 8 und der Beispiele 1 bis 32 und 48 im Zusammenhang mit den Zeichnungen 1 bis 8 der veröffentlichten Anmeldung EP-A-747 935 veranschaulicht.
Ausführungsform 1
Wie in 2A gezeigt wird zuerst ein einkristallines Si-Substrat vom P-Typ hergestellt und vollständig porös gemacht. Gemäß unterschiedlicher Wachstumsverfahren wird epitaxiales Wachstum auf der Oberfläche des porös gemachten Substrats 51 zum Erzeugen einer mikrokristallinen Dünnfilmschicht 52 bewegt.
Wie in 2B gezeigt wird ein lichtdurchlässiges Substrat 53, welches durch Glas repräsentiert ist, hergestellt, und das lichtdurchlässige Substrat 53 wird mit der Oberfläche der einkristallinen Si-Schicht 52 auf dem porösen Si-Substrat 51 verbunden.
Wie in 2B gezeigt wird hier eine Si₃N₄-Schicht 54 als Anti-Ätzfilm 54 abgeschieden, damit die verbundenen zwei Substrate insgesamt beschichtet sind. Anschließend wird, wie in 2C gezeigt, die Si₃N₄-Schicht 54 auf der Oberfläche des porösen Siliciumsubstrats entfernt. Das poröse Si-Substrat 51 wird dann vollständig weggeätzt, damit eine einkristalline Siliciumschicht 52, in einen Dünnfilm gebracht, auf dem lichtdurchlässigen Substrat 53 verbleibt, wodurch ein Halbleitersubstrat gebildet wird. 2C zeigt das in der vorliegenden Erfindung erhaltene Halbleitersubstrat.
Das so erhaltene Halbleitersubstrat kann ebenso geeigneter Weise aus der Sicht der Herstellung einer elektronischen Vorrichtung, die mit einem lichtdurchlässigen isolierenden Material isolierend getrennt ist, verwendet werden. Der in der vorliegenden Ausführungsform erhaltene Halbleiter besitzt dieselben Leistungsmerkmale wie der in der Bezugsausführungsform 1 Erhaltene.
Ausführungsform 2
Nun auf 3A bis 3D bezugnehmend wird die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung nachstehend im Detail beschrieben.
Zuerst wird wie in 3A gezeigt, eine Schicht niedriger Verunreinigungskonzentration 152 durch epitaxiales Wachstum gemäß unterschiedlicher Dünnfilmwachstumsverfahren gebildet. Alternativ wird die Oberfläche des einkristallinen Si-Substrats vom P-Typ 151 einer Ionenimplantierung von Protonen zum Erzeugen einer einkristallinen Schicht vom N-Typ 152 unterworfen.
Wie in 3B gezeigt wird als nächstes das einkristalline Si-Substrat 151 von der Rückoberfläche eines porösen Si-Substrats 151 durch die Anodisierungsmethode mit einer HF-Lösung denaturiert. Die poröse Si-Schicht 153 kann in ihrer Dichte im Bereich von 1,1 bis 0,6 g/cm³ durch Variieren der Konzentration der HF-Lösung auf 50 bis 20% variiert werden, verglichen mit der Dichte von einkristallinem Si von 2,33 g/cm³. Die poröse Schicht 153 wird, wie oben beschrieben, auf dem Substrat vom P-Typ 151 gebildet.
Wie in 3C gezeigt, wird, nachdem ein lichtdurchlässiges Substrat 154 hergestellt wurde, die Oberfläche der einkristallinen Si-Schicht 152 auf dem porösen Si-Substrat 153 mit dem lichtdurchlässigen Substrat 154 verbunden. Dann wird, wie in 3C gezeigt, eine Si₃N₄-Schicht etc. als Anti-Ätzfilm 155 abgeschieden, damit die verbundenen zwei Substrate insgesamt beschichtet werden. Anschließend wird, wie in 3D gezeigt, die Si₃N₄-Schicht 155 auf der Oberfläche des porösen Siliciumsubstrats 153 entfernt. Dann wird das poröse Si-Substrat 153 vollständig weggeätzt, damit die einkristalline Siliciumschicht 152, zu einem Dünnfilm gemacht, auf dem lichtdurchlässigen Substrat 154 verbleibt, wodurch ein Halbleitersubstrat gebildet wird.
3D zeigt das in der vorliegenden Erfindung erhaltene Halbleitersubstrat. Die einkristalline Si-Schicht 152, die in der Kristallinität Siliciumwafern gleich ist, wird auf dem lichtdurchlässigen Substrat 154 flach und gleichfalls gleichförmig zu einer dünnen Schicht gemacht über dem gesamten Waferbereich mit einer großen Fläche.
Das so erhaltene Halbleitersubstrat kann ebenso für die Herstellung einer isolationsgetrennten elektronischen Vorrichtung mit einem lichtdurchlässigen isolierenden Material geeigneter Weise verwendet werden. Das in der vorliegenden Ausführungsform erhaltene Halbleitersubstrat bildet ebenso dieselben Leistungsmerkmale wie das in der Bezugsausführungsform 1 Erhaltene.
Ausführungsform 3
Wie in 4A gezeigt wird zuerst ein einkristallines Si-Substrat vom P-Typ hergestellt und vollständig porös gemacht. Gemäß unterschiedlicher Wachstumsverfahren wird epitaxiales Wachstum auf der Oberfläche des porös gemachten Substrats 61 zum Bilden einer einkristallinen Dünnfilm-Schicht 62 bewirkt.
Wie in 4B gezeigt wird ein lichtdurchlässiges Substrat 63, welches durch Glas repräsentiert ist, hergestellt, und das lichtdurchlässige Substrat 63 wird mit der Oberfläche der einkristallinen Si-Schicht 62 auf dem porösen Si-Substrat 61 verbunden.
Dann wird das poröse Si-Substrat 61 vollständig geätzt, damit die einkristalline Siliciumschicht 62, zu einen Dünnfilm gefertigt, auf dem lichtdurchlässigen Substrat 63 verbleibt, wodurch ein Halbleitersubstrat gebildet wird.
4C zeigt das in der vorliegenden Erfindung erhaltene Halbleitersubstrat. Dabei wird die einkristalline Si-Schicht 62, die in der Kristallinität mit Siliciumwafern gleich ist, auf dem lichtdurchlässigen Substrat 63 flach und gleichfalls gleichförmig über dem gesamten Waferbereich mit einer großen Fläche zu einer dünnen Schicht gebildet.
Der so erhaltene Halbleiter kann, auch aus der Sicht der Herstellung einer elektronischen Vorrichtung, die mit einem lichtdurchlässigen isolierenden Material isolierend getrennt ist, ebenso in geeigneter Weise verwendet werden.
Ausführungsform 4
Nun auf 5A bis 5D bezugnehmend wird die Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung nachstehend im Detail beschrieben.
Zuerst wird, wie in 5A gezeigt, eine Schicht niedriger Verunreinigungskonzentration 162 durch epitaxiales Wachstum gemäß unterschiedlicher Dünnfilmwachstumsverfahren gebildet. Alternativ wird die Oberfläche des einkristallinen Si-Substrats vom P-Typ 161 einer Ionenimplantierung von Protonen zum Erzeugen einer einkristallinen Schicht vom N-Typ 162 unterworfen.
Wie in 5B gezeigt wird als nächstes das einkristalline Si-Substrat 161 von der Rückoberfläche eines porösen Si-Substrats 161 durch die Anodisierungsmethode mit einer HF-Lösung denaturiert. Die poröse Si-Schicht 163 kann in ihrer Dichte im Bereich von 1,1 bis 0,6 g/cm³ durch Variieren der Konzentration der HF-Lösung auf 50 bis 20% variiert werden, verglichen mit der Dichte von einkristallinem Si von 2,33 g/cm³. Die poröse Schicht 163 wird, wie oben beschrieben, auf dem Substrat vom P-Typ 161 gebildet.
Wie in 5C gezeigt, wird, nachdem ein lichtdurchlässiges Substrat 164 hergestellt wurde, die Oberfläche der einkristallinen Si-Schicht 152 auf dem porösen Si-Substrat 163 mit dem lichtdurchlässigen Substrat 164 verbunden. Wie in 5C gezeigt wird das poröse Si-Substrat 163 vollständig weggeätzt, damit die einkristalline Siliciumschicht 162, zu einem Dünnfilm gemacht, auf dem lichtdurchlässigen Substrat 164 verbleibt, wodurch ein Halbleitersubstrat gebildet wird.
5D zeigt das in der vorliegenden Erfindung erhaltene Halbleitersubstrat. Die einkristalline Si-Schicht 162, die in der Kristallinität Siliciumwafern gleich ist, wird auf dem lichtdurchlässigen Substrat 164 flach und gleichfalls gleichförmig zu einer dünnen Schicht gemacht über dem gesamten Waferbereich mit einer großen Fläche.
Das so erhaltene Halbleitersubstrat kann ebenso für die Herstellung einer isolationsgetrennten elektronischen Vorrichtung mit einem lichtdurchlässigen isolierenden Material geeigneter Weise verwendet werden. Das in der vorliegenden Ausführungsform erhaltene Halbleitersubstrat bildet ebenso dieselben Leistungsmerkmale wie das in der Bezugsausführungsform 1 Erhaltene.
Bezugsausführungsform 2
Diese Bezugsausführungsform wird unter Bezugnahme auf 6A bis 6F beschrieben. Wie in 6A gezeigt wird zuerst ein poröser Bereich 1301 auf einem Teil eines einkristallinen Si-Substrats 1300 gebildet. Anschließend wird eine einkristalline Si-Dünnfilm-Schicht 1302 gemäß unterschiedlicher Kristallwachstumsverfahren auf dem porösen Bereich 1301 gebildet (6B). Auf der einkristallinen Dünnfilm-Schicht 1302 wird ein oxidierter Film 1303 gebildet (6C).
Der oxidierte Film 1305, der auf der Oberfläche eines anderen Si-Substrats 1304 gebildet ist, wird mit dem obigen oxidierten Film 1303 verbunden (6D).
Anschließend wird das einkristalline Si-Substrat 1300, welches verbleibt, ohne porös gemacht worden zu sein, durch mechanisches Polieren oder Ätzen entfernt, damit der poröse Bereich 1301 exponiert ist (6E).
Der poröse Bereich 1301 wird weggeätzt, um ein Halbleitersubstrat mit einer einkristallinen Si-Dünnfilmschicht auf einem isolierenden Material zu bilden (6F).
Wenn ein solcher Schritt angewandt wird, kann die zum Porösmachen des Substrats erforderliche Zeit verkürzt werden, und ebenso kann die Zeit zum Wegätzen des porösen Si-Substrats verkürzt werden, wodurch die Substratbildung hochwirksam bewirkt werden kann.
Es ist ebenso möglich, die einkristalline Si-Dünnfilmschicht 1302 direkt mit dem oxidierten Film 1305 ohne Bilden des in 6 gezeigten oxidierten Films 1303 zu verbinden. Für die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es ebenso möglich, ein isolierendes Substrat wie Glas etc. anstelle des auf dem Si-Substrat 1304 gebildeten oxidierten Films 1305 zu verbinden.
Die jeweiligen Schritte der vorstehenden Ausführungsformen können ebenso in der vorliegenden Ausführungsform eingeschlossen sein.
Das so erhaltene Halbleitersubstrat besitzt dieselben ausgezeichneten Leistungsmerkmale wie jene des Halbleitersubstrats, welches in den vorstehenden Ausführungsformen erhalten wurde.
Beispiel 1
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch (1 Inch = 25,4 mm) und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 51 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 52 auf eine Dicke von 0,5 μm durch das MBE-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Temperatur: 700°C
Druck: 1 × 10^–9 Torr (1 Torr = 133 Pa)
Wachstumsgeschwindigkeit: 0,1 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 52 von einem Quarzsubstrat, auf welches ein optisches Polieren angewandt wurde, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet. Anschließend wurde lediglich der Nitridfilm 54 auf dem porösen Substrat 51 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat 51 durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 51 mit der Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 54 konnte ein Substrat mit einer einkristallinen Si-Schicht 52 mit einer Dicke von 0,5 μm auf dem Quarzglas 54 gebildet werden.
Als Ergebnis einer Querschnittsbeurteilung durch die Transmissions-Elektronenmikroskopie wurde bestätigt, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.
Beispiel 2
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 51 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 52 auf eine Dicke von 5 μm gemäß dem Plasma-CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Gas: SiH₄
Radiofrequenz-Leistung: 100 W
Temperatur: 800°C
Druck: 1 × 10^–2 Torr
Wachstumsgeschwindigkeit: 2,5 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 52 mit einem Glassubstrat, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 500°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet.
Anschließend wurde nur der Nitridfilm 54 auf dem porösen Substrat 51 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Anwendung einer 6M KOH-Lösung chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht konnte die einkristalline Schicht 52 mit einer Dicke von 5 μm auf dem niedererweichenden Glassubstrat 53 erhalten werden.
Beispiel 3
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 51 wurde eine epitaxiale Si-Schicht auf eine Dicke von 1 μm durch das Vorspannungs-Sputterverfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
RF-Frequenz: 100 MHz
Radiofrequenz-Leistung: 600 W
Temperatur: 300°C
Ar-Gas-Druck: 8 × 10^–3 Torr
Wachstumsdauer: 120 min
Target-Gleichstrom-Vorspannung: –200 V
Substrat-Gleichstrom-Vorspannung: +5 V.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 52 mit einem Glassubstrat, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 500°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet. Anschließend wurde nur der Nitridfilm 54 auf dem porösen Substrat 51 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 51 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 54 konnte die einkristalline Schicht 52 mit einer Dicke von 1 μm auf dem niedererweichenden Glassubstrat 53 erhalten werden. Dieselbe Wirkung konnte ebenso erhalten werden, wenn Apiezon-Wachs anstelle von Si₃N₄ geschichtet war, und die porös gemachte Si-Schicht alleine konnte vollständig entfernt werden.
Die Dicke der erhaltenen einkristallinen Si-Schicht wurde ebenso durch Anwenden eines Abtast-Ellipsometers beurteilt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass innerhalb der Ebene des 3-Inch-Wafers der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Si-Schicht, verglichen mit dem Maximalwert der Dicke, auf 5% oder weniger gedrückt wurde. Als Ergebnis einer Draufsichtbeobachtung der einkristallinen Si-Schicht durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop wurde gefunden, dass die Versetzungsdefektdichte auf 1 × 10³/cm² oder weniger gedrückt wurde, wodurch bestätigt werden konnte, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt bei dem Bildungsprozess der einkristallinen Si-Schicht eingeführt wurde. Als die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger bezüglich der einkristallinen Si-Schicht durch Anwenden der MOS C-t-Methode gemessen wurde, zeigte sich ein hoher Wert von 2,0 × 10^–3 s.
Beispiel 4
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 51 wurde eine epitaxiale Si-Schicht auf eine Dicke von 10 μm gemäß dem Flüssigphasen-Wachstumsverfahren wachsen gelassen. Die Wachstumsbedingungen sind wie folgt:
Lösungsmittel: Sn
Wachstumstemperatur: 900°C
Wachstumsatmosphäre: H₂
Wachstumsdauer: 20 min.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 52 mit einem Glassubstrat, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 800°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 750°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet. Anschließend wurde nur der Nitridfilm 54 auf dem porösen Substrat 51 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 51 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 54 konnte die einkristalline Schicht 52 mit einer Dicke von 10 μm auf dem Glas 53 erhalten werden. Dieselbe Wirkung konnte ebenso erhalten werden, wenn Apiezon-Wachs anstelle von Si₃N₄ geschichtet war, und die porös gemachte Si-Schicht alleine konnte vollständig entfernt werden.
Beispiel 5
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf dem porösen (100)-Si-Substrat vom P-Typ 51 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 52 auf eine Dicke von 1 μm durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Quellgas: SiH₄ 800 Standard-cm³
Trägergas: H₂ 150 l/min
Temperatur: 850°C
Druck: 1 × 10^–2 Torr
Wachstumsgeschwindigkeit: 3,3 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 52 mit einem Quarzglassubstrat 53, auf welches ein optisches Polieren angewandt war, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Si-Substrate fest miteinander verbunden.
Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet. Anschließend wurde nur der Nitridfilm 54 auf dem porösen Substrat 51 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat 51 durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 51 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht konnte die einkristalline Schicht 52 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Quarzglassubstrat 53 gebildet werden.
Als SiH₂Cl₂ als Quellgas angewandt wurde, konnten die dem porösen Substrat innewohnenden Charakteristika zum beschleunigten chemischen Ätzen erhalten bleiben, obgleich es erforderlich war, dass die Wachstumstemperatur um einige zehn Grade erhöht wurde.
Beispiel 6
Auf einem (100)-Si-Substrat vom P-Typ 151 mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 300 μm wurde eine epitaxiale Si-Schicht 152 mit einer Dicke von 1 μm durch das CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Reaktivgas-Flussrate:
SiH₂Cl₂ 1000 Standard-cm³
H₂ 230 l/min.
Temperatur: 1080°C
Druck: 80 Torr
Dauer: 2 min.
Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 151 mit einer Gesamtdicke von 300 μm wurde in 36 Minuten porös gemacht. Wie oben beschrieben wurde bei dieser Anodisierung nur das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 151 porös gemacht, und bezüglich der epitaxialen Si-Schicht 152 gab es keine Veränderung. Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 152 von einem Quarzglassubstrat 154, auf welches ein optisches Polieren angewandt war, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die zwei Substrate fest miteinander verbunden. Anschließend wurde Si₃N₄ auf das verbundene Substrat durch das Niederdruck-CVD-Verfahren auf eine Dicke von 0,1 μm geschichtet. Anschließend wurde der Nitridfilm 155 auf dem porösen Substrat 153 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 153 mit der Dicke von 300 μm in 4 Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 155 konnte ein Substrat mit der einkristallinen Si-Schicht 152 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Quarzglassubstrat 154 gebildet werden.
Als Ergebnis einer Querschnittsbeobachtung mittels Transmissions-Elektronenmikroskop wurde bestätigt, dass unter Erhalt guter Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.
Beispiel 7
Auf einem (100)-Si-Substrat vom P-Typ 151 mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde eine epitaxiale Si-Schicht 152 mit einer Dicke von 0,5 μm durch das CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Reaktivgas-Flussrate:
SiH₂Cl₂ 1000 Standard-cm³
H₂ 230 l/min.
Temperatur: 1080°C
Druck: 80 Torr
Dauer: 1 min.
Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 151 mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht. Bei dieser Anodisierung wurde nur das (100)-Si-Substrat vom P-Typ porös gemacht, und bei der epitaxialen Si-Schicht 152 gab es keine Veränderung.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 152 von einem Quarzglassubstrat 154, auf welches ein optisches Polieren angewandt war, überlagert, und durch Erhitzen bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die zwei Substrate fest miteinander verbunden. Si₃N₄ wurde durch das Niederdruck-CVD-Verfahren auf eine Dicke von 0,1 μm auf das verbundene Substrat geschichtet. Anschließend wurde der Nitridfilm 155 auf dem porösen Substrat 153 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 153 mit der Dicke von 200 μm in 2 Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 155 konnte ein Substrat mit der einkristallinen Si-Schicht 152 mit einer Dicke von 0,5 μm auf dem Quarzsiliciumdioxid 154 gebildet werden. Als Ergebnis einer Querschnittsbeobachtung mittels Transmissions-Elektronenmikroskop wurde bestätigt, dass unter Erhalt guter Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.
Beispiel 8
Auf einer Oberfläche eines (100)-Si-Substrats vom P-Typ 151 mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 300 μm wurde eine Si-Schicht vom N-Typ 152 auf eine Dicke von 1 μm durch das Ionenimplantieren von Protonen in die Oberfläche gebildet. Die Menge an implantiertem H⁺ betrug 5 × 10¹⁵ (Ionen/cm²). Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100) Si-Substrat vom P-Typ 151 mit einer Gesamtdicke von 300 μm wurde in 37 Minuten porös gemacht. Bei dieser Anodisierung wurde nur das (100) Si-Substrat vom P-Typ porös gemacht, und bezüglich der epitaxialen Si-Schicht vom N-Typ 152 gab es keine Veränderung. Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht vom N-Typ 152 mit einem optisch polierten Quarzglassubstrat 154 überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wurde Si₃N₄ auf die verbundenen Substrate mit einer Dicke von 0,1 μm aufgeschichtet. Anschließend wurde nur der Nitridfilm 155 auf dem porösen Substrat 153 durch reaktives Ionenätzen entfernt. Dann wurde das poröse Si-Substrat durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 151 mit einer Dicke von 300 μm in 4 Minuten entfernt. Nach dem Entfernen der Si₃N₄-Schicht 155 konnte ein Substrat mit der einkristallinen Si-Schicht 152 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Quarzglas 154 gebildet werden.
Die Dicke der erhaltenen einkristallinen Si-Schicht wurde ebenso durch Anwenden eines Abtast-Ellipsometers beurteilt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass innerhalb der Ebene des 4-Inch-Wafers der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Si-Schicht, verglichen mit dem Maximalwert der Dicke, auf 6% oder weniger gedrückt wurde. Als Ergebnis einer Draufsichtbeobachtung der einkristallinen Si-Schicht durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop wurde gefunden, dass die Versetzungsdefektdichte auf 1 × 10³/cm² oder weniger gedrückt wurde, wodurch bestätigt werden konnte, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt bei dem Bildungsprozess der einkristallinen Si-Schicht eingeführt wurde. Als die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger bezüglich der einkristallinen Si-Schicht durch Anwenden der MOS C-t-Methode gemessen wurde, zeigte sich ein hoher Wert von 2,0 × 10^–3 s.
Kurz gesagt kann gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer kristallinen Si-Schicht, die gleich einem einkristallinen Si-Wafer in der Kristallinität ausgezeichnet ist, ebenso auf einem durch Glas repräsentierten, lichttransparenten Substrat aus isolierendem Material ein Verfahren zum Bilden eines Halbleitersubstrats bereitgestellt werden, welches im Hinblick auf Produktivität, Gleichförmigkeit, Steuerbarkeit und Ökonomie ausgezeichnet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats bereitgestellt werden, welches im Umfang der Anwendung breit ist und die Vorteile der SOI-Vorrichtung des Stands der Technik verfügbar macht.
Beispiel 9
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100) Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 61 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 62 auf eine Dicke von 0,5 μm durch das MBE-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Temperatur: 700°C
Druck: 1 × 10^–9 Torr
Wachstumsgeschwindigkeit: 0,1 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 62 von einem Quarzsubstrat 63, auf welches ein optisches Polieren angewandt wurde, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 61 durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 61 mit der Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Ein Substrat mit einer einkristallinen Si-Schicht 62 mit einer Dicke von 0,5 μm auf dem Quarzglas 63 konnte erhalten werden. Als Ergebnis einer Querschnittsbeurteilung durch die Transmissions-Elektronenmikroskopie wurde bestätigt, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.
Beispiel 10
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 61 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 62 auf eine Dicke von 5 μm gemäß dem Plasma-CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Gas: SiH₄
Radiofrequenz-Leistung: 100 W
Temperatur: 800°C
Druck: 1 × 10^–2 Torr
Wachstumsgeschwindigkeit: 2,5 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 62 mit einem Glassubstrat, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 500°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 61 durch Anwendung einer 6M KOH-Lösung chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 61 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Ein Substrat mit der einkristalline Schicht 62 mit einer Dicke von 5 μm auf dem niedererweichenden Glas 63 konnte erhalten werden.
Beispiel 11
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 61 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 62 auf eine Dicke von 1 μm durch das Vorspannungs-Sputterverfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
RF-Frequenz: 100 MHz
Radiofrequenz-Leistung: 600 W
Temperatur: 300°C
Ar-Gas-Druck: 8 × 10^–3 Torr
Wachstumsdauer: 120 min
Target-Gleichstrom-Vorspannung: –200 V
Substrat-Gleichstrom-Vorspannung: +5 V.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 62 mit einem Glassubstrat 63, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 500°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 450°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 61 durch Anwendung einer 7M NaOH-Lösung chemisch weggeätzt.
Wie oben beschrieben ist die chemische Ätzgeschwindigkeit von gewöhnlichem Si-Einkristall in Bezug auf die 7M NaOH-Lösung etwas weniger als 1 μm pro Minute, wohingegen die chemische Ätzgeschwindigkeit der porösen Schicht auf das etwa 100-fache davon beschleunigt ist. Das heißt, das porös gemachte Si-Substrat 61 mit einer Dicke von 200 μm wurde in zwei Minuten entfernt. Ein Substrat mit der einkristallinen Si-Schicht 62 mit einer Dicke von 1,0 μm auf dem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt 63 konnte gebildet werden.
Die Dicke der erhaltenen einkristallinen Si-Schicht wurde ebenso durch Anwenden eines Abtast-Ellipsometers beurteilt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass innerhalb der Ebene des 3-Inch-Wafers der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Si-Schicht, verglichen, mit dem Maximalwert der Dicke, auf 5% oder weniger gedrückt wurde. Als Ergebnis einer Draufsichtbeobachtung der einkristallinen Si-Schicht durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop wurde gefunden, dass die Versetzungsdefektdichte auf 1 × 10³/cm² oder weniger gedrückt wurde, wodurch bestätigt werden konnte, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt bei dem Bildungsprozess der einkristallinen Si-Schicht eingeführt wurde. Als die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger bezüglich der einkristallinen Si-Schicht durch Anwenden der MOS C-t-Methode gemessen wurde, zeigte sich ein hoher Wert von 2,0 × 10^–3 s.
Beispiel 12
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf das poröse (100)-Si-Substrat vom P-Typ 61 wurde eine epitaxiale Si-Schicht 62 auf eine Dicke von 10 μm gemäß dem Flüssigphasen-Wachstumsverfahren wachsen gelassen. Die Wachstumsbedingungen sind wie folgt:
Lösungsmittel: Sn
Wachstumstemperatur: 900°C
Wachstumsatmosphäre: H₂
Wachstumsdauer: 20 min.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 62 mit einem Glassubstrat 63, welches, mit einem optischen Polieren versehen, einen Erweichungspunkt um 800°C aufwies, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 750°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 61 durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 61 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Ein Substrat mit der einkristallinen Schicht 62 mit einer Dicke von 10 μm auf dem Glas 63 konnte erhalten werden.
Beispiel 13
Ein einkristallines (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte zu diesem Zeitpunkt betrug 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit der Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht.
Auf dem porösen (100)-Si-Substrat vom P-Typ 61 wurde eine epitaxiale Si-Schicht auf eine Dicke von 1 μm durch das Niederdruck-CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Quellgas: SiH₄ 800 Standard-cm³
Trägergas: H₂ 150 l/min
Temperatur: 850°C
Druck: 1 × 10^–2 Torr
Wachstumsgeschwindigkeit: 3,3 nm/s.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 62 mit einem Quarzglassubstrat 63, auf welches ein optisches Polieren angewandt war, überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Si-Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 61 durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure-Salpetersäure-Essigsäure-Lösung chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 61 mit einer Dicke von 200 μm in zwei Minuten entfernt. Ein Substrat mit der einkristallinen Schicht 62 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Quarzglas 63 konnte gebildet werden. Als SiH₂Cl₂ als Quellgas angewandt wurde, konnten die dem porösen Substrat innewohnenden Charakteristika zum beschleunigten chemischen Ätzen erhalten bleiben, obgleich es erforderlich war, dass die Wachstumstemperatur um einige zehn Grade erhöht wurde.
Beispiel 14
Auf einem (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 300 μm wurde eine epitaxiale Si-Schicht 162 mit einer Dicke von 1 μm durch das CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Reaktivgas-Flussrate:
SiH₂Cl₂ 1000 Standard-cm³
H₂ 230 l/min.
Temperatur: 1080°C
Druck: 80 Torr
Dauer: 2 min.
Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100) Si-Substrat vom P-Typ 161 mit einer Gesamtdicke von 300 μm wurde in 37 Minuten porös gemacht. Bei dieser Anodisierung wurde nur das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 porös gemacht, und bezüglich der epitaxialen Si-Schicht 162 gab es keine Veränderung. Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht von einem optisch polierten Quarzglassubstrat 164 überlagert, und durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die zwei Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 163 durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 163 mit der Dicke von 300 μm in 4 Minuten entfernt. Ein Substrat mit der einkristallinen Si-Schicht 162 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Quarzglassubstrat 164 konnte gebildet werden.
Die Dicke der erhaltenen einkristallinen Si-Schicht wurde ebenso durch Anwenden eines Abtast-Ellipsometers beurteilt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass innerhalb der Ebene des 4-Inch-Wafers der Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Dicke der einkristallinen Si-Schicht, verglichen mit dem Maximalwert der Dicke, auf 7% oder weniger gedrückt wurde. Als Ergebnis einer Draufsichtbeobachtung der einkristallinen Si-Schicht durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop wurde gefunden, dass die Versetzungsdefektdichte auf 1 × 10³/cm² oder weniger gedrückt wurde, wodurch bestätigt werden konnte, dass unter Erhalt einer guten Kristallinität kein neuer Kristalldefekt bei dem Bildungsprozess der einkristallinen Si-Schicht eingeführt wurde. Als die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger bezüglich der einkristallinen Si-Schicht durch Anwenden der MOS C-t-Methode gemessen wurde, zeigte sich ein hoher Wert von 2,0 × 10^–3 s.
Beispiel 15
Auf einem (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde eine epitaxiale Si-Schicht 162 mit einer Dicke von 0,5 μm durch das CVD-Verfahren wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen sind wie folgt:
Reaktivgas-Flussrate:
SiH₂Cl₂ 1000 Standard-cm³
H₂ 230 l/min.
Temperatur: 1080°C
Druck: 80 Torr
Dauer: 1 min.
Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht. Bei dieser Anodisierung wurde nur das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 porös gemacht, und bei der epitaxialen Si-Schicht 162 gab es keine Veränderung.
Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht 162 von einem optisch polierten Quarzglassubstrat 164 überlagert, und durch Erhitzen bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die zwei Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 163 durch Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat mit der Dicke von 200 μm in 2 Minuten entfernt. Eine einkristalline Si-Schicht mit einer Dicke von 0,5 μm auf dem Glassubstrat konnte gebildet werden. Als Ergebnis einer Querschnittsbeobachtung mittels Transmissions-Elektronenmikroskop wurde bestätigt, dass unter Erhalt guter Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.
Beispiel 16
Auf einer Oberfläche eines (100)-Si-Substrats vom P-Typ 161 mit einem Durchmesser von 3 Inch und einer Dicke von 200 μm wurde eine Si-Schicht vom N-Typ 162 auf eine Dicke von 1 μm durch das Ionenimplantieren von Protonen in die Oberfläche gebildet. Die Menge an implantiertem H⁺ betrug 5 × 10¹⁵ (Ionen/cm²). Das Substrat wurde in einer 50%igen HF-Lösung anodisiert. Die Stromdichte betrug zu diesem Zeitpunkt 100 mA/cm². Die Geschwindigkeit zur Bildung der porösen Struktur betrug zu diesem Zeitpunkt 8,4 μm/min, und das (100) Si-Substrat vom P-Typ 161 mit einer Gesamtdicke von 200 μm wurde in 24 Minuten porös gemacht. Bei dieser Anodisierung wurde nur das (100)-Si-Substrat vom P-Typ 161 porös gemacht, und bezüglich der epitaxialen Si-Schicht vom N-Typ 162 gab es keine Veränderung. Als nächstes wurde die Oberfläche der epitaxialen Schicht vom N-Typ 162 von einem optisch polierten Quarzglassubstrat 164 überlagert, und durch Erhitzen bei 800°C für 0,5 Stunden wurden die beiden Substrate fest miteinander verbunden. Dann wurde das poröse Si-Substrat 163 durch Anwendung einer Fluorwasserstoffsäure/Salpetersäure/Essigsäure-Lösung (1:3:8) chemisch weggeätzt. Als Ergebnis wurde das porös gemachte Si-Substrat 163 mit einer Dicke von 200 μm in 4 Minuten entfernt. Eine einkristalline Si-Schicht 162 mit einer Dicke von 1 μm auf dem Glassubstrat 164 konnte gebildet werden. Als Ergebnis einer Querschnittsbeobachtung mittels Transmissions-Elektronenmikroskop wurde bestätigt, dass unter Erhalt guter Kristallinität kein neuer Kristalldefekt in die Si-Schicht eingeführt wurde.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements umfassend die Schritte: Herstellen eines ersten Elements mit einer porösen einkristallinen Halbleiterschicht (51, 153, 61, 163, 1301) und einer nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300), Binden des ersten Elements an ein lichtdurchlässiges zweites Element (53, 154, 63, 164, 1304), das ein isolierendes Material ist, auf solch eine Weise, dass die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300) innerhalb der zu erhaltenden Vielschichtstruktur angeordnet wird, und dann selektives Ätzen der porösen einkristallinen Halbleiterschicht (51, 153, 61, 163, 1301).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei der einkristalline Halbleiter Silicium umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die poröse einkristalline Halbleiterschicht (51, 153, 61, 163, 1301) vom P-Typ ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300) eine Dicke von 50 μm oder weniger aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei der Bindungsschritt in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei der Bindungsschritt eine Hitzebehandlung einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300) durch epitaxiales Wachstum gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300) gemäß einem Verfahren ausgewählt aus dem Molekularstrahl-Epitaxieverfahren, dem Plasma-CVD-Verfahren, dem Niederdruck-CVD-Verfahren, dem Photo-CVD-Verfahren, dem Flüssigphasen-Wachstumsverfahren oder dem Vorspannungs-Sputterverfahren gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die poröse einkristalline Halbleiterschicht (51, 153, 61, 163, 1301) erhalten wird, indem eine nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht durch anodische Behandlung porös ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 9, wobei die anodische Behandlung in einer HF-Lösung durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 152, 62, 162, 1300) intrinsisch oder vom N-Typ ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 11, wobei das Silicium vom N-Typ durch Protonenimplantation oder epitaxiales Wachstum gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei das lichtdurchlässige zweite Element ein Glas umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 13, wobei das Glas ein Quarzglas ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, wobei das selektive Ätzen der porösen einkristallinen Halbleiterschicht (51, 153, 61, 163, 1301) in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das erste und zweite Element, die miteinander verbunden sind, mit einem Anti-Ätzmaterial (54, 155) bedeckt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 15, wobei das Anti-Ätzmaterial (54, 155) Siliciumnitrid ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach Anspruch 15, wobei das Anti-Ätzmaterial (54, 155) Apiezonwachs ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das erste Element mit einer porösen einkristallinen Halbleiterschicht (51, 61) und einer nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht (52, 62) gebildet wird, indem eine nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht porös ausgebildet wird, um die poröse einkristalline Halbleiterschicht (51, 61) zu bilden, und die nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (52, 62) auf der porösen einkristallinen Halbleiterschicht (51, 61) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das erste Element mit einer porösen einkristallinen Halbleiterschicht (153, 163) und einer nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht (152, 162) durch die Schritte gebildet wird: Bilden einer zweiten einkristallinen Halbleiterschicht (152, 162) eines zweiten elektrisch leitfähigen Typs auf einer ersten einkristallinen Halbleiterschicht (151, 161) eines ersten elektrisch leitfähigen Typs, und Porösmachen der ersten einkristallinen Halbleiterschicht (151, 161), um die poröse einkristalline Halbleiterschicht (153, 163) zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das erste Element hergestellt wird, indem ein nicht poröses einkristallines Halbleitersubstrat teilweise porös gemacht wird, um eine poröse einkristalline Halbleiterschicht (1301) auf einer ersten nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht (1300) zu bilden, und indem eine zweite nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (1302) auf der porösen einkristallinen Halbleiterschicht (1301) gebildet wird, wobei der Bindungsschritt durchgeführt wird, indem die Oberfläche der zweiten nicht porösen einkristallinen Halbleiterschicht (1302) auf eine isolierende Schicht (1305) des zweiten Elements (1304) gebunden und die erste nicht poröse einkristalline Halbleiterschicht (1300) entfernt wird, bevor die poröse einkristalline Halbleiterschicht (1301) durch Ätzen entfernt wird.