JP2005047792A - 微細構造、特にヘテロエピタキシャル微細構造およびそのための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高い結晶の品質と高い表面平滑性とを有する微細構造、特にヘテロエピタキシャル微細構造の、より効率の良い製造方法を提供すること、及び効率良く製造できる平坦表面を有する高品質微細構造を提供することである。
【解決手段】本発明は、微細構造、特にエピタキシャル層が保持構造の面上に形成されるヘテロエピタキシャル微細構造の製造方法であって、前記保持構造の面が、エピタキシャル層を形成する前に該保持構造を分割することにより生じせしめられるものであることを特徴とするヘテロエピタキシャル微細構造の製造方法、及び微細構造、特にエピタキシャル層がその上に形成されるところの面を有する保持構造を含むヘテロエピタキシャル微細構造であって、前記保持面が分割によって形成された面であることを特徴とする微細構造に関する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、微細構造、特にエピタキシャル層が保持構造（ｃａｒｒｉｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の面上に形成されるヘテロエピタキシャル微細構造を製造する方法に関する。さらに本発明は、微細構造、特にエピタキシャル層がその上に形成される面を有する保持構造を含むヘテロエピタキシャル微細構造に関する。

α−Ａｌ_２Ｏ_３基板上にエピタキシャル窒化ガリウム層を有する結晶性微細構造を製造することが、従来技術から知られており、そこでは、窒化アルミニウム・バッファ層が、窒化ガリウムとα−Ａｌ_２Ｏ_３との間で、これらの材料間での格子定数の不一致を緩和するために用いられている。さらに、炭化ケイ素、シリコン、または窒化ガリウム・エピタキシーと相性の良いその他の材料のベース基板上に、バッファ層の有無によらず窒化ガリウム層を設けることもできる。

また、平坦表面上にエピタキシャル成長によってＳｉＧｅ層を形成することも知られている。

このような微細構造を形成するためには、良好な結晶の品質の堆積層を得るためにベース基板の平滑に仕上げられた表面が必要である。従って、非常に低い表面粗さを得るために、長く効率の低い研磨工程で、相当するベース基板表面を準備する必要があった。そのような研磨工程は、ＳｉＣのような硬い材料を研磨する必要がある場合に特に困難である。

炭化ケイ素のような、薄く、非常に硬い材料は、非常に低い効率でしか研磨することができない。それらには通常、大きな表面粗さと表面の引っかき傷のような欠陥とがあり、このことが、高品質のヘテロエピタキシャル構造（窒化ガリウム層を有する構造等）を製造するのにＳｉＣ基板は適していないという見方につながっていた。

従って、本発明の目的は、高い結晶の品質と高い表面平滑性とを有する微細構造、特にヘテロエピタキシャル微細構造の、より効率の良い製造方法を提供すること、および効率良く製造できる平坦表面を有する高品質微細構造を提供することにある。

この目的は、上記の種類の方法であって、保持構造の面が、エピタキシャル層を形成する前に該保持構造を分割することにより生じせしめられるものにより解決される。驚くべきことに、前記分割面（通常大きな表面粗さを有する）は、高い結晶品質および良好な平滑性を有するエピタキシャル層を形成するのに特に好適である。発明の方法は、分割しただけの保持構造だけでなく、処理がなされた分割保持構造も、微細構造を製造するために必要とされる時間と労力を減らす、エピタキシャル層を用意するための基礎構造として使用できるという利点を有している。

本発明の好適な実施形態においては、分割保持面が、種（ｓｐｅｃｉｅｓ）の保持構造への注入と、該注入がなされた構造の熱アニーリングとを含む分割工程により生じせしめられる。この方法によれば、分割保持面の特性は、用いられる注入線量、選択される種、用いられるバッキング方法、またはアニールのパラメータ等の、分割工程のパラメータであり前記面の一定の形態につながるものを調節することにより制御できる。最終的な分割は、機械的な工程を伴ってもよい。

本発明の好ましい実施例においては、エピタキシャル層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウム、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩｎＧａＮおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含む。これらの層は、分割保持面上に特に良く成長することが判明した。

さらに有利であるのは、保持構造が、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、没食子酸リチウム、リン化インジウム、ゲルマニウム、アルミン酸リチウム、ＺｎＯ、窒化アルミニウムおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含む場合である。これらの材料は、容易に分割でき、しかもその上に結晶層をエピタキシャルに形成するのに適している。

好ましくは、エピタキシャル層を、第２エピタキシャル層がその上に形成されるところのバッファ層として用いる。バッファ層によって、保持基板と第２エピタキシャル層との間の格子定数の不一致を軽減でき、第２エピタキシャル層を高い品質で形成できるようになる。

本発明の有益な変形においては、第２エピタキシャル層が、窒化ガリウムを含む。この方法は、多くの電子的および光電子的装置に対して非常に魅力的になりうる高品質微細構造をもたらす。本発明の方法により形成し得るほぼ完全な窒化ガリウムの広い直接バンドギャップによって、その微細構造は、例えば短波長の発光体や検出器に適したものになる。また、その良好な熱的安定性は、高温、高出力電子装置のために有利である。窒化ガリウムは、合金としてＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＧａＮと組み合わせるか、または、共に第２エピタキシャル層を形成する材料の層と組み合わせることができる。

本発明のより有益な変形においては、第２エピタキシャル層が、緩和されたシリコンゲルマニウムを含む。ＧｅＳｉは、共に第２エピタキシャル層を形成する歪んだシリコンやゲルマニウム等の他の材料層と組み合わせることができる。

本発明の目的はさらに、微細構造、特に上記の種類のヘテロエピタキシャル微細構造であって、保持面が分割によって形成されたものによっても解決される。

どんな分割面でも通常は大きな表面粗さを有しているが、特にこの面は、エピタキシャル層をその上に高品質で生じさせるのに驚くほど非常に好適である。このエピタキシャル層は、分割保持面上に非常に簡単に、かつ結果的に薄く形成することができ、微細構造を高い効率で製造できる。

本発明の好ましい実施例においては、保持構造が、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、ZnO、窒化アルミニウム、ゲルマニウム、リン化インジウムおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含む。これらの材料は良好な分割特性を呈し得て、エピタキシャル層をその上に高品質で形成できるところの分割保持面をもたらす。この特定の材料のいくつかはさらに、窒化ガリウム・エピタキシーに対して相性の良い材料であるという利点を有し、これらは良好な結晶性でエピタキシャル窒化ガリウムを形成するのに効果的となりうる。

本発明の更なる有利な実施形態においては、エピタキシャル層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウム、ＩｎＧａＮおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含む。これらの材料は、分割保持面上で非常に良い成長特性を示す。

本発明の好ましい変形によれば、分割面は、ＲＭＳ値が約５〜１５０オングストローム、特には２０〜１００オングストロームあるいは２０〜６０オングストロームである表面粗さを有する。この粗さにより、非常に良好な核形成がなされ、この面上でのエピタキシャル層の高品質な成長を提供できる。

特に好ましいのは、保持構造が複合構造であり、少なくともベース・ウェーハと、前記分割面を有する単結晶最上層とを含む場合である。この微細構造において、結晶最上層は、ベース・ウェーハとエピタキシャル層との間の格子定数の不一致に起因する歪みを非常によく吸収できる。

本発明のさらなる有利な実施形態においては、エピタキシャル層が、第２エピタキシャル層がその上に形成されるところのバッファ層である。そのようなバッファ層は、保持構造と第２エピタキシャル層との間の格子定数の不一致を補償するために特に好ましい。

好ましくは、エピタキシャル層は窒化ガリウムを含む。この材料は非常に良い電子的特性を有し、得られる微細構造を、多くの電子的および光電子的装置において容易に利用できるようになる。

本発明は、添付の図面を参照してなされる以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。

図１から図１０は、本発明による微細構造の一実施形態を作製するための代表的な工程を概略的に示している。

図１は、本発明において適用される保持構造を形成するのに用いられる基板を示している。図１の基板は、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウムまたは窒化ガリウムのウェーハ６を含む。示される実施形態において、酸化物層８’は、ウェーハ６上に形成される。他の実施形態（図示せず）においては、この酸化物層８’は、省略できるかまたは他の絶縁材料からなるものとすることができる。

図２は、本発明において適用される保持構造を形成するのに用いられる別の基板を示している。図２の基板は、表面に酸化物層８を有するウェーハ７からなる。他の実施形態（図示せず）において、この酸化物層８は、省略できるかまたは他の絶縁材料からなるものとすることができる。

酸化物層８を通して、種４、例えば水素イオンおよび／または希ガスがウェーハ７に注入される。注入された種の線量およびエネルギーは、注入された種４の濃度ピークがウェーハ７の特定の深さｄに形成されるように調節され、この深さｄまたはその近くでイオン注入１１によりもたらされる脆弱化層を形成する。

図３は、図１および図２に示す基板からなる接着ウェーハ対を示している。該ウェーハ対は、本発明において適用される保持構造を形成するための基礎構造１４として用いられる。基礎構造１４は、間の絶縁体層８，８’を用いて接着された２枚のウェーハ６，７からなる。本発明の他の実施形態（図示せず）においては、ウェーハ６、７は直接接着され、絶縁体層８、８’は省略できる。

図４は、アニール工程中の図３の構造体を示しており、該アニール工程では、急速熱アニーリングに用いるあらゆる設備や加熱炉等の加熱環境１０内で基礎構造１４がアニールされる。温度やアニール時間の影響によって、分割の原因となる可能性のある原子注入によってもたらされた欠陥層１１で、注入がなされた基礎構造１４が脆弱化することになる。この領域１１に沿って分割することにより、保持構造１と残りのウェーハ部分９（本発明のための保持構造としても使用可能）とが形成される。

図５は、ウェーハ６と絶縁体層８，８’と前のウェーハ７の残留部分７’とからなる、分割保持構造１を示している。保持構造１は、比較的粗いが一様である分割面３を有している。その粗さの代表的なＲＭＳ値は約５〜１５０オングストロームであり、特には２０〜１００オングストロームあるいは２０〜６０オングストロームである。

図６は、図４の分割工程によって形成された別の保持構造９を示している。保持構造９は、前のウェーハ７の残りの部分からなり、大きいながら一様である表面粗さを持つ面３’を有している。

本発明の更なる実施形態（図示せず）において、分割面３の粗さは、分割の後や、面３上に結晶層を成長させる前の付加的な工程によって減らすことができる。この付加的な工程は、酸化および脱酸、化学的機械的研磨、ガスクラスタによるエッチング、イオンビーム若しくは反応性イオンエッチング、ＨＣＬスムージング、またはこれらの工程の少なくとも２つの組合せでよい。例えば、面３は、その後に酸化物が除去される熱酸化によって処理してもよく、該面は、最後の化学的機械的研磨で一定程度まで仕上げられる。このようにして、面３の粗さは、広い範囲の粗さ値に渡って調節できる。

該粗さのパワースペクトル分布は、分割のパラメータおよび／または分割に続く処理工程によって形作られる。

分割面３の粗さは、分割直後においても、比較的一様である。分割面３が少なくとも１つの上記付加的な工程で処理された場合、その表面粗さは、分割しただけの面の高い粗さ値から低い粗さ値（面３の全体的な粗さの均一性は保たれている）に調節される。

熱処理、イオン処理、または化学的機械的研磨の後、保持面３は、最高で分割直後の分割面３の粗さ値までで、ＲＭＳ値が約５オングストロームの粗さを有する。

図７は、保持構造１の粗い保持面３上に層２をエピタキシャル成長させることで形成された微細構造１２を示している。エピタキシャル層２は、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウムまたは窒化ガリウムからなる。エピタキシャル層２は、約２０ｎｍから５００ｎｍまでの厚みを有し、バッファ層となりうる。

図８は、図６の保持構造９を示しており、保持構造上には多結晶層２’が粗い保持面３’上に形成されている。エピタキシャル層２’は、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウムまたは窒化ガリウムからなる。エピタキシャル層２’は、２０ｎｍから５００ｎｍまでの厚みを有する。

必要に応じて、エピタキシャル層２の成長とエピタキシャル層５の成長との間に、化学的機械的研磨工程を加えることができる。

図９は、図７の微細構造１２のエピタキシャル層２上に単結晶第２エピタキシャル層５を成長させることによって形成される更なる微細構造１３を示している。第２エピタキシャル層５は、窒化ガリウムからなる。この第２エピタキシャル層５は、非常に良い結晶性および非常に低い粗さの表面１５を有する。第２エピタキシャル層５の二乗平均値平方根（ＲＭＳ）値は、代表的には０．５ないし４オングストロームである。

図１０は、図８の微細構造１２’のエピタキシャル層２’上に単結晶第２エピタキシャル層５’を成長させることによって形成される更なる微細構造１３’を示している。第２エピタキシャル層５’は、窒化ガリウムからなり、非常に良い結晶性および非常に低い度合いの粗さの表面１５’を有する。第２エピタキシャル層５’の二乗平均値平方根（ＲＭＳ）値は、代表的には０．５ないし４オングストロームである。

本発明の一実施形態による方法の例を、図５、図７および図９を参照して以下に説明する。

図５は、それから本方法が始まるところの、分割しただけの保持構造１を示している。従来技術においてエピタキシャル成長に使用される基板の非常に滑らかな表面と比較して、保持構造１の面３は、分割した後に処理されていないままである。これは、この面３が研磨されない、そうでなければ面３の表面粗さを減らすための処理がなされないことを意味している。しかしこれは、分割後の、その面３の洗浄等のさらなる工程のいかなるものも除外するものではない。

本発明の他の実施形態（図示せず）においては、面３は表面粗さを減らすために、分割後に処理がなされる。表面の処理は、熱酸化および酸化物除去、化学的機械的研磨、ガスクラスタによるエッチング、イオンビーム若しくは反応性イオンエッチング、またはこれらの工程の組合せを用いて行う。

図７に示すように、エピタキシャル層２（例えば窒化アルミニウム層）は、面３の大きい表面粗さに関わらず、粗いが均一な面３上に特によく成長する。該分割面３の特性は、単結晶第２エピタキシャル層５をその上に成長させるための非常に良い基礎を形成する多結晶バッファ層２を成長させるのに有効である。

図９を参照して、図７に示した微細構造１２の第２エピタキシャル層は、該エピタキシャル層２上に単結晶第２エピタキシャル層５を形成するためのバッファ層として働く。エピタキシャル・バッファ層２は、保持構造１の残留部分７’と成長させられる第２エピタキシャル層５との間の格子定数の不一致を吸収する。この方法によって、第２エピタキシャル層５の非常に高い結晶の品質および非常に滑らかな表面１５が得られる。

具体的には、結果として生じる微細構造１３は、好ましくは、α−Ａｌ_２Ｏ_３またはＳｉＣベースのウェーハ６、その上の二酸化シリコン絶縁体層８，８’、および更なるα−Ａｌ_２Ｏ_３ウェーハ７の残留部分７’からなる。該層７’の分割面３上に、薄い窒化アルミニウム層２が形成され、その上の層は単結晶窒化ガリウム層５である。

本発明において適用される保持構造を形成するのに用いられる基板の一つを示している。 本発明において適用される保持構造を形成するのに用いられる別の基板を示しており、基板は注入がなされている。 本発明において適用される保持構造を形成するのに用いられる、図１および図２に示した基板からなる接着ウェーハ対を示している。 本発明において適用される分割保持構造を形成するのに用いられるアニール工程中の、図３の接着ウェーハ対を示している。 本発明のための保持構造として用いられる、図４の接着ウェーハ対の一分割部分を示している。 本発明のための別の保持構造として用いられる、図４の接着ウェーハ対の他方の分割部分を示している。 微細構造を形成するために保持構造上にエピタキシャル・バッファ層を形成した後の、図５の保持構造を示している。 他の微細構造を形成するために保持構造上にエピタキシャル・バッファ層を形成した後の、図６の保持構造を示している。 微細構造上に単結晶第２エピタキシャル層を形成した後の、図７の微細構造を示している。 微細構造上に単結晶第２エピタキシャル層を形成した後の、図８の微細構造を示している。

符号の説明

１…保持構造、２…エピタキシャル・バッファ層、３…面、４…種、５…エピタキシャル層、６，７…ウェーハ、７…残留部分、８，８’…絶縁体層、９…保持構造、１１…領域、１２，１３…微細構造、１４…基礎構造、１５…表面

Claims (15)

1. 微細構造、特にエピタキシャル層（２）が保持構造（１）の面（３）上に形成されるヘテロエピタキシャル微細構造の製造方法であって、
   前記保持構造（１）の前記面（３）が、前記エピタキシャル層（２）を形成する前に前記保持構造（１）を分割することにより生じせしめられるものであることを特徴とする製造方法。
2. 前記分割保持面（３）が、種（４）の前記保持構造（１）への注入と、該注入がなされた構造の熱アニーリングとを含む分割工程により生じせしめられることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記エピタキシャル層（２）が、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウム、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩｎＧａＮおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記保持構造（１）が、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、没食子酸リチウム、リン化インジウム、ゲルマニウム、アルミン酸リチウム、ＺｎＯ、窒化アルミニウムおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記エピタキシャル層（２）を、第２エピタキシャル層（５）がその上に形成されるところのバッファ層として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記第２エピタキシャル層（５）を形成する前に化学的機械的研磨工程を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記第２エピタキシャル層（５）が、窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
8. 前記第２エピタキシャル層が、緩和されたＧｅＳｉを含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
9. 微細構造、特にエピタキシャル層（２）がその上に形成されるところの面（３）を有する保持構造（１）を含むヘテロエピタキシャル微細構造であって、
   前記保持面（３）が分割によって形成された面であることを特徴とする微細構造。
10. 前記保持構造（１）が、サファイヤ、炭化ケイ素、シリコン、ヒ化ガリウム、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、ZnO、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、リン化インジウムおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の微細構造。
11. 前記エピタキシャル層（２）が、窒化アルミニウム、窒化ガリウムアルミニウム、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムおよび窒化ガリウムからなる群の少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の微細構造。
12. 前記分割保持面（３）が、ＲＭＳ値が約５〜１５０オングストローム、特には２０〜１００オングストロームあるいは２０〜６０オングストロームである表面粗さを有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の微細構造。
13. 前記保持構造（１）が、少なくともベース・ウェーハ（６）と、前記分割面（３）を有する単結晶最上層（７’）とを含む複合構造であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の微細構造。
14. 前記エピタキシャル層（２）が、第２エピタキシャル層（５）がその上に形成されるところのバッファ層であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の微細構造。
15. 前記第２エピタキシャル層（５）が、窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項１４に記載の微細構造。

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