JP2006512754A - 複合基板の製造方法およびこのようにして得られる構造 - Google Patents

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Abstract

複合基板を製造するために、互いに結合されるそれぞれの面を備えた2個の基板10、12を調製し、この基板が主に、前記面では結晶部分から、また、これらの面の少なくとも一方に対しては、結晶部分の構成材料とは異なる材料の領域からなり、これらの面を向かい合わせにして分子接合により境界面で結合することによって、対向面が主に結晶であるバルク領域と、対向面の少なくとも一方が異なる材料から主に構成される積層領域とを形成し、分子接合を強化する熱処理を実施する。基板10、12の調製時または面の結合時、前記境界面に不純物トラップ11A(例えば絶縁領域としてもよい)を形成して、バルク領域の一部をなすこの境界面の全ての部分が、前記トラップから最大でも所定の距離のところにあるようにする一方で、面は、2個の基板の結晶部分の間で所定の閾値未満の不整合差を伴って向かい合わせにされる。

Description

本発明は、複合基板(substrate mixtes)の製造方法、すなわち、埋め込み層を備えたマイクロエレクトロニクス部品と、埋め込み層のない部品とを同時に製造可能な基板の製造方法に関する。埋め込み層は、絶縁体であってもよく、また、バルク(massive)部分と埋め込み層を備えた部分とを同時に有する基板上に(例えばMOEMSタイプの)光学素子またはマイクロシステムを構成することに関する(バルク部分とは、連続性を有する結晶部分および/または電気部分を意味する)。
電子部品は、一般に、例えばシリコン等の半導体材料のプレート上に製造される。
例えばパワー部品や、論理部品もしくは制御部品といった、複数の用途に対応する複数のタイプの電子部品が存在する。これらの部品は、例えばバルク状のプレートや、埋め込み絶縁層を備えたプレートなどの、異なるプレート上に製造可能である。埋め込み絶縁層を備えたプレートは、「SOI」(Silion On Isorator、構成材料がシリコンであるとき)と呼ばれることもある。
「バルク」(「bulk」)プレートは、特にいわゆる垂直部品、すなわちプレートの前面と背面とを導通可能にする部品を、製造可能であるという利点がある。それに対して、SOIタイプのプレートは、互いに完全に絶縁され、かつ基板からも絶縁された部品を製造可能にする。このタイプのプレートは、また、MEMSまたはMOEMS部品の製造にもよく用いられている。
以下の一例では、プレートの構成材料をシリコンとし、埋め込み層を、考慮される酸化物(従って絶縁層)としているが、他の材料、実際には半導体材料、特に、InP、AsGa、Ge、SiGe1−x、LiNbO、III−V化合物、II−VI化合物、Sic、ダイヤモンド、サファイヤ、ならびに圧電材料やピロ電気材料を使ってもよいし、また他の埋め込み層を使ってもよい。
さらに、バルクプレートという用語、すなわち「bulk」タイプは、以下の例では、単一材料からなるプレートを意味し、より一般的には、例えばゲルマニウム層の下のシリコン基板等の、埋め込み層のない(ましてや絶縁埋め込み層のない)1つまたは複数の材料からなるプレートを意味できるものとして理解すべきである。
埋め込み層が絶縁体である必要がない場合でも、適切に製造制御されたSOI基板を用いることが有利に働く場合もあることに留意されたい。
さらに進んだ機能を得るために、異なる部品を小さな容積内に集積することが重要になる。多数の用途に対して、SOIタイプの材料で製造される部品と、バルクタイプの材料で製造される部品とを組み合わせると、特に論理回路またはセンサ等を備えたパワー部品を製造できるので、多数の利点がある。
こうした各種の部品を組み合わせる手段の1つは、同一プレートに製造することであり、これは、一部がバルクタイプであり、かつ一部がSOIタイプの領域から構成されるプレートを用いることにより可能になる。
このような複合プレートまたは複合基板は、次のような多数の長所を有する。
・ 互いに完全に絶縁された部品と、垂直方向作用部品、すなわちプレートの幾つかの領域の容積を横切って導通可能な部品とを、同時に製造できる。
・ 同一プレートで、電気および/または機械および/または光学の各種機能を独立して果たすことができる。
こうした複合基板の様々な製造方法は、特に以下の文献に開示されている。
・ 米国特許第6096433号明細書(NEC Corp)は、従来の解決方法の欠点をなくすことをめざしており、それによれば、互いに固定した2個の半導体プレートから積層構造の(すなわち層を堆積させた)基板を製造し、プレートの一方が、絶縁領域(酸化物)を表面のところどころに有する。2つの面の境界面に(Si領域とSiO領域との間の表面状態の差と、2つの材料の段差とによる)空隙ができないようにするために、この文献では、酸化物の自由面を、周囲のSiの自由面から引っ込めて配置することを提案しており、その結果、2つのプレートが(Si領域とSi領域で)非常によく接着する。
・ K.TERADA、T.ISHIJIMA、T.KUBOTA、およびM.SAKAOによる文献「A new DRAM cell with a transistor on a lateral epitaxial silicon layer(TOLE cell)」(IEEE−Transactions−on−Electron−Device第37巻第9号、1990年9月、2052−7ページ)は、シリコンの側面エピタキシーによる複合SOIの製造を提案している。
・ H.YAMAGUCHI、H.HIMI、S.FUJINO、およびT.HATTORIにより日本で発行された文献「Intelligent Power IC with partial SOI Structure」(J.Appl.Phys、第34巻(1995年)864−868ページは、将来のアセンブリを形成するプレート面の1つをエッチングし、2つの面を接合してから、このように境界面に形成された空洞に酸化物を充填することを提案している。
上記の全ての方法は、Si/Si接合領域による分子接合(collage moleculaire)を用いている。
実際には、これらのSi/Si境界面は、理想としては、こうした接合を用いる将来の部品に如何なる妨害ももたらしてはならない。とりわけ「バルク」領域では、特に2個のプレート間の適切な導通を妨げうる電荷トラップといった、特に酸化物の析出物等の不純物と、特に垂直導通を妨げる2個のシリコン結晶間の不整合による転位率とを、最小化可能にすることが重要であると思われる。しかしこれらの文献は、この境界面の良好な品質を確実にする方法を全く教示していない。
この方法の別のタイプは、D.M.GARNER、G.ENSELL、J.BONAR、A.BLACKBURN、F.UDREA、H.T.LIM、A.POPESCU、P.L.F.HEMMENT、およびW.I.MILNEの論文「The Fabrication of a Partial SOI Substrate」(Proceedings of the 9th International Symposium on Silicon On Isolator Technology and Devices、1999年、第99巻、第54章、73−78ページ)に記載されており、シリコンを充填した開口部を備えた、所定のパターンを有する埋め込み絶縁層を形成することを提案している。しかし、これは、分子接合により得られる複合基板に関与しない。何故なら、シリコンを介して絶縁酸化物層を通るまで局部的にエッチングされるSIMOXタイプのプレート(好適には互いに接合された2個のプレート)を起点とすることが勧められているからである。その後、このように形成された開口部にエピタキシーによりシリコンを成長させる。分子接合により形成される境界面は全くない。そのため、この文献は、高品質の境界面を形成するという上述の問題に何ら解決方法をもたらしていない。
本発明は、マイクロエレクトロニクス部品の場合は少なくとも電気的に、特にSi/Siタイプのバルク(「bulk」)領域で、高品質の境界面を獲得できる上述の複合基板の製造方法を目的とする。
本発明は、また、このような高品質の境界面を備えた複合基板、すなわち構造体を目的とする。
このため、本発明は、複合基板の製造方法を提案し、
互いに結合されるそれぞれの面を備えた2個の基板を調製し、この基板が、主に前記面では結晶部分から、また、この2つの面の少なくとも一方に対しては、結晶部分の構成材料とは異なる材料で形成される領域からなり、
これらの面を向かい合わせにして分子接合により境界面で結合することによって、対向面が主に結晶であるバルク領域と、対向面の少なくとも一方が異なる材料から主に構成される積層領域とを形成し、
分子接合を強化する熱処理を実施し、
基板の調製時または2つの面の結合時、前記境界面に不純物トラップを形成して、バルク領域の一部をなすこの境界面の全ての部分が、前記不純物トラップから最大でも所定の距離のところにあるようにする一方で、面が、2個の基板の結晶部分の間で所定の閾値未満の不整合差を伴って向かい合わせにされることを特徴とする。
これは、例えば、有利には元の同一結晶から得られる半導体材料からそれぞれが構成された2個の結晶に関与しうる(以下の説明参照)。
好適には、トラップが、局部的な酸化物層等の埋め込み層であり、異なる材料からなる領域が、電気絶縁領域かまたは局部的な酸化物層である。
結晶部分は、面に接するか、または少なくともごく近くにあることに留意されたい(実際、自然酸化物層が、約20オングストロームに達することもある)。
積層領域は、しばしば絶縁領域である。
説明を簡単にするために、特にたとえ結晶がまだ接していなくても、将来のバルク領域が配置される領域をさす場合に、バルク領域と呼ぶことに留意されたい。
このようにして、本発明は、結合された2個の結晶部分の間で結晶の配向を適切に整合し、「バルク」領域の内部(または付近)にトラップを配置して、この「バルク」領域における部品形成と相容れるSi/Si境界面を得るようにすることを提案する(2個の基板またはプレートがシリコンである場合)。これらのトラップは、特に分子接合プロセスの際に発生する酸化物析出物のような、結合面の表面に存在する様々な不純物を吸収する役割を果たす。
このため、本発明の別の目的は、結晶部分を含む2個の基板の組立からなる複合基板を、分子接合、または適切な結晶学的連続性を利用可能な他のあらゆる結合モードにより、組立時にこれらの結晶部分をきわめて良好に結晶学的に整合させるように製造する方法を目的とする。
実際、米国特許第5661316号明細書(HEWLETT−PACKARD Company)によれば、適切な抵抗境界面を実現するために、疎水性タイプの接合により結合される2個の結晶間の結晶の配向の狂いを最小限にしようとしていることが知られているが、結晶に絶縁領域またはトラップを形成することは全く記載されていない(これらは、必然的にこの境界面の欠陥となる)。A.LAPORTE、G.SARRABAYROUSE、M.BENAMARA、A.CLAVERIE、A.ROCHER、およびA.PEYRE−LAVIGNEによる論文「Charged Defects at the Interface between Directly Bonded Silicon Wafers」にも同様のコメントを行うことができる。これらの文献は、特に、疎水性タイプのSi/Si接合に関与する。
また、親水性の接合時に、2つのシリコン基板を、それらの表面でごく薄い自然酸化物層(<2nm)とともに接合する場合、結晶が十分に適切に整合されると(回転(rotation)で<1°、撓み(flexion)で<1°)、接合を安定化させる熱処理中に酸化物膜がなくなることがある(K.Y.AHN、R.STENGL、T.Y.TAN、U.GOSELE、およびP.SMITHによる「Growth,Shrinkage,and Stability of Interfacial Oxide Layers between Directly Bonded Silicon Wafers」、Applied Physics A、50、1990年、85−94ページ参照)。しかしながら、この文献には、2つの自然酸化物層の親水性の接合によって、どのように酸化シリコンの析出物のない境界面を得られるのか開示されていない。いずれにしても、この文献は、一定領域には所定の方法で酸化物層を含み、他の領域には酸化物層を全く含まない境界面を備えた複合基板を開示していない。
さらに、熱処理の際、熱収支に応じる一定の臨界半径未満では、小さい酸化物析出物が、バルク状シリコンの内部の大きい析出物のために溶解することが知られている(T.Y.TAN、C.Y.KUNGによる「On Oxygen Precipitation Retardation/Recovery Phenomena, Nucleation Incubation Phenomena,and the Exigent−Accomodation−Volume factor of precipitation」、Proceedings of the Fifth International Symposium on Silicon Materials Science and Technology; Semiconductor Silicon 198 Electrochem、Soc、Pennington、NJ、USA;1986年、864−73ページ参照)。しかし、上記の文献からは、特に酸化物の埋め込み層を所定の仕方で一定領域だけに含むような境界面の形成について如何なる示唆も得られない。
本発明が推奨するトラップは、複合基板を製造する際の分子接合の時に封入される酸化物領域とすることができる。
有利には、トラップは、例えばSOIタイプの絶縁領域を画定する酸化物領域などの、異なる材料の領域とすることができ、そのとき、これらの領域を、バルク領域の様々な部分の近くにくるようにプレートに配分することによって(これは、バルク領域または絶縁領域に対して選択された構成に応じる)、トラップの役割を果たせるようにするとともに、接合の境界面に析出物または不純物のないSi/Siの接合を得られるようにする。
バルク領域の任意の部分とトラップとの所定の最大距離、従って、トラップ間の最大間隔は、各面の表面の調製タイプと、分子接合を安定化させる熱処理温度と、2個の結晶部分間の結晶の不整合性とによって決定される。
例えば、二つの結晶部分が、1°の回転よりも良好に整合され、撓み時の不整合(「miscut」)が1°を超えない親水性の接合の場合、「SOI」領域と、意図的に配置された酸化物領域とが、互いに十分に近ければ、表面の1つにおける自然酸化物膜の消滅時に形成される酸化物の析出物が、熱収支(温度と時間)に応じて、隣接する酸化物層の領域の方に移動可能であり、この隣接する酸化物層の領域は、ここでは、その付近にある最も小さい析出物を引きつけようとする非常に大きい析出物とみなすことができる。こうした引きつけの範囲は、熱収支に応じるだけでなく、結晶の転位である酸化物の自然トラップの密度にも応じ、その密度は不整合性に応じる。このメカニズムは、接合境界面に固着により形成されるトラップと析出物との位置決定により強まる。
疎水性の接合の場合、2個の結晶間で(任意またはそうでない)配向の狂いの実質的な角度が許可されるとしても、すなわち、埋め込み酸化物層のない2個のシリコンプレートの接合のために、上述の文献で許可されている最大角度より大きい角度が許可されるとしても、バルク(「bulk」)領域の表面を適合させることによって、析出物のない境界面を得ることが可能である。これによって、疎水性の接合の時に、結晶の配向の狂いの角度を制御しなくともよくなり、あるいは少なくとも低い精度で制御が可能になるので、製造方法が簡素化されるという長所となる。
さらに、例えばナノ構造の成長のために転位格子を形成することが有利な場合がある。従って、「バルク」領域の製造時には、2個の結晶部分を不整合にすることが有利である。例えば、約6°の回転および約1°の撓みの不整合性を課すことができる。前述の論文「Growth、Shrinkage...」によれば、6°の角度では、酸化物の析出物のない境界面を得られない。しかし、本発明によれば、トラップの存在により、このような不整合性でも、析出物のない境界面を得ることができる。
接合境界面の存在自体が、境界面として、「バルク」領域の不純物をトラップ側に容易に拡散可能にするので、ここでは有利である。
こうした引きつけは、酸素の析出物に制限されるものではなく、接合の際に接触させたときの表面またはその付近に存在する炭素または他の不純物といった、他の汚染要素にも関わる可能性があることに注目することが重要である。
数量的な観点から、バルク領域のすべての部分とトラップとの最大距離は、約数ミリメートルである。
シリコンを含む大部分の材料では、ミリメートルオーダーの距離が適切であるように思われる。
先に述べたように、本発明が設置を示唆するトラップは、SOI領域の一部をなす、「バルク」領域の付近に配置される酸化物層の領域から構成される。バルク領域のすべての部分が、絶縁領域から最大でも所定の距離のところにあるように、バルク領域と絶縁領域とが配分されている場合、他の如何なるトラップも不要とすることができる。複合基板の製造が提案されて以来、バルク領域が、一般に非常に広範であって、たいていはプレートの中央部分にあることを考慮すれば、これは、実際には、プレートの特別な構成に相当する。換言すれば、バルク領域の境界面の内部にトラップを付加しない選択をした場合、本発明は、バルク領域と絶縁領域との配分を、複合基板で知られている配分に対して変えようとするものである。
バルク領域と絶縁領域との構成が、上記の条件を満たさない場合、本発明は、バルク領域の境界面にトラップを付加することを示唆する。その場合、品質の最適化が望まれる境界面に欠陥を設けるよう示唆することは逆説的であるように思われるかもしれない。しかし、バルク領域の境界面の内部に存在する酸化物層が十分に小さい場合、この酸化物層は、導通を妨げることなく有効にトラップの役割を果たすように思われる。十分に小さい寸法とは、ここでは、数ナノメートル平方を意味する。
トラップの位置決定は知られており、正確であるので、あらゆる問題を回避するためにバルク領域内で部品の構造を適合させる。
従って、組み合わせることが有利である好適な特徴によれば、
・ 異なる材料からなる領域と、トラップとが、局部的な酸化物層である。
・ トラップと、異なる材料からなる領域とは、異なる厚さとすることができ、また、並置してもしなくてもよい。
・ 局部的な酸化物層の厚さが、数ナノメートルから数ミリメートルであり、例えば、約0.01ミクロンから3ミクロンである。
・ 局部的な酸化物層が、例えば矩形の形状をしており、その寸法が、(トラップを形成するか否かに応じて)10分の数ミクロンまたは100分の数ミクロンから数ミリメートルである。
・ マスクを介した熱酸化により局部的な酸化物層を調製し、変形実施形態では、マスクを介した蒸着により、あるいは、酸化物層のエッチングを用いて局部的な酸化物層を調製する。
・ 調製は、疎水性にするための面の処理ステップを含む。この場合、好適には、不整合の所定の閾値が、±6°の回転と、±1°の撓みである。有利には、所定の距離以上には離隔されないパターンを持つマスクで面の一方をエッチングし、その後、この面に酸化物層を形成し(熱酸化物層を堆積するか、または自然の酸化物層を形成する)、エッチングされない領域を露出する(または少なくともこの領域に非常に接近する)まで面を平坦化し、この面を洗浄して疎水性にする。
・ 調製が、親水性にするための面の処理ステップを含む。この場合、好適には、不整合の所定の閾値が、±1°の回転と撓みである。有利には、所定の距離以上は離隔されないパターンを持つマスクを用いることにより酸化物層を有する面の一方をエッチングし、この面に酸化物(熱酸化物または自然酸化物)層を形成し、結晶部分の構成材料の非エッチング領域を露出する(または少なくともこの領域に近接する)まで面を平坦化し、この面を洗浄して親水性にする。
・ 各結晶部分が、Si、InP、AsGa、Ge、シリコン−ゲルマニウムを含むシリコン化合物、LiNbO、III−V化合物、SiC、ダイヤモンド、サファイヤ、圧電材料、およびピロ電気材料を含む群の中から選択される材料からなる。好適には、各結晶部分がシリコンであり、これは、知られている技術が利用されるという長所を有する。
・ 熱処理が、温度800℃から1400℃で数時間続き、所定の距離がミリメートルのオーダーである。
・ 境界面を形成するための面を、HF還元処理および/または熱処理および/または化学機械研磨および/またはプラズマ処理および/または化学処理により処理する。
・ 基板の一方に薄層化処理を施し、例えば、化学機械研磨処理により基板の一方を薄層化する。変形実施形態では、脆弱(fragile)層を形成し、この脆弱層に沿って破砕する(fracture)ことにより基板の一方を薄層化する(脆弱層は、特に、所定の深さでのイオン注入、例えば水素イオン注入により実施可能である)。別の変形実施形態は、分解可能な境界面により、(機械的な強度を制御して、前記分解を可能にするように十分に強度を小さくした位置で)基板の一方を分解できるように調製することからなる。
有利には、元の同一結晶から例えば切削して取り除くことによって、2個の基板、すなわち少なくとも2個の結晶部分を調製する。切削前に、切削面の両側に位置決め目印を付ける。その後、切削時に形成されたつの面を、本発明による境界面を調整するとともに目印によって前記面を位置決め制御しながら接合する。
特に有利には、こうした2つの結晶の取り除きが、元の結晶に脆弱層を形成することによって行われる。位置決め目印は、この脆弱層の両側に形成される。その後、2つの自由面を形成するようにこの脆弱層に沿って破砕し、前記目印を向かい合わせて面を接触させることにより、電気絶縁領域(異なる材料からなる領域をこのように形成する必要がある場合)とトラップとを形成後、境界面を形成する。
脆弱層は、好適には(例えば水素の)イオン注入により形成され、有利には、目印が、脆弱層の両側で元の結晶の厚み内に形成される。
別の特徴によれば、本発明は、2つの面の分子接合により得られる境界面を備えた2個の基板を含む複合基板(または構造体)を提案し、これらの基板が、前記境界面の両側に±6°の回転および±1°の撓みより小さい不整合差を有する結晶部分を含み、この境界面に積層領域を含み、前記積層領域が、結晶部分の構成材料とは異なる材料と、場合によっては不純物トラップとから主に構成される少なくとも1つの局部的な領域を含んで、積層領域の離隔時に境界面のあらゆる部分が、積層領域またはトラップから最大でも所定の距離のところにあるようにしている。
組み合わせることが有利である好適な構成によれば、所定の距離がミリメートルのオーダーであり、結晶がシリコンであり、トラップが、局部的な酸化物層などの埋め込み層であり、異なる材料からなる領域が、局部的な酸化物層または電気絶縁領域である。
本発明の目的、特徴、および長所は、添付図面に関して限定的ではなく例として挙げられた以下の説明から明らかになるであろう。
図1から図34は、バルク領域で、バルクタイプの部品の製造と適合する境界面を有するように、不純物トラップが配分される複合基板の複数の変形実施形態を示す。
この方法は、以下のステップを含む。
・ 第一のステップは、ここではバルクシリコンである少なくとも2個の出発プレートの一方に、ここでは、例えばシリコン酸化物等の絶縁された埋め込み領域を形成することからなる。そのためには、酸化物の製造に対しても、酸化物の高精度の配置に対しても、複数のアプローチが考えられる。酸化物に関しては、「自然」としてもよいし(プレートの自由面の自然酸化によるもの)、これらの面の全部または一部の酸化により得てもよいし、あるいは適切なあらゆる知られている手段により堆積してもよい。きわめて正確に領域に酸化物を配置するには、特にマイクロエレクトロニクスでよく使われる幾つかの技術が知られている。一般に、これらの技術は、酸化物の製造ステップ時のマスクの使用、または、こうした酸化物の形成とは別に行われる境界画定手段の使用に基づいている。プレート間の将来の境界面の片面(または両面)の表面に酸化物領域を配分する場合、これらの表面が、将来の境界面の内部で互いにあまり離れないように選択される(この距離は、プレートが受ける熱収支と、境界面の製造時に許容される不整合とに応じて選択される)。
・ 第二のステップは、後で適切な分子接合を得るために物理的(粗度など)および/または化学的(表面での結合の性質など)に、プレートの表面を調製することからなる。特に、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)と、各プレートの材料間に境界面を設けるか酸化物を伴うかに応じて異なる、親水性(疎水性)レベルを得られる化学的な洗浄方法とによって、複数のアプローチが可能である。このステップについては後で詳しく説明する。このステップは、また、オゾンおよび/またはプラズマによるUV処理を含むことができる。
・ 第三のステップは、調製面を密着させて2個のプレートの分子接着を引き起こすようにすることからなる。こうした密着は、2個のプレート間で結晶に不整合性を課すか、または許容することにより実施される。
・ 第四のステップは、接合を強化(または安定化)させる熱処理を実施することからなり、熱処理はまた、トラップのメカニズムに有利に作用する。
・ 第五のステップは、実際に良く行われており、1枚の膜だけを残すようにプレートの一方を薄層化することからなる。
このようにして、バルク(「bulk」)領域と、絶縁領域(プレートがシリコンの場合はSOI)と、必要に応じてトラップ領域との繰り返しからなる複合基板が得られ、この繰り返しは、用途の必要性と、遵守すべきトラップ距離とに応じて選択される。知られているように、薄層化後に残る部分は、埋め込み層に沿った破砕により得られる場合、複合基板または非複合基板の新しい製造サイクルに対して出発基板の役割を果たすことができる。
分子接合のための表面調製法の中では、以下が挙げられる。
・HF表面処理。酸化物領域と未加工材料領域とが交互に配置された1つ(または複数)の表面では、HFによる化学エッチング効果が、酸化物と未加工シリコンとで同じではないことが認められる。その結果、接合のために接触させると、酸化領域(対向領域は、酸化物のないむき出し材料からなる)の接合エネルギーは、むき出し材料の領域とは異なるが、全体として、接合エネルギーは、構造体の適正な密着には十分である。
・熱処理。例えば水素雰囲気下でのアニ−ルは、シリコンの表面と酸化物の表面とを疎水性にする。同様に他の気体を使用してもよい。
・化学機械研磨。これは、選択的に疎水性の状態または親水性の状態にすることができる。実際、シリコンの表面は研磨後「濡れない」が、酸化物の表面は、同種の研磨後「濡れる」。このようにして、同じプレートに親水性の領域と疎水性の領域とが得られる。その後、このプレートを同じ親水性/疎水性の領域と向かい合わせると、酸化物部分に対しては親水性の領域の良好な接合エネルギー、およびむき出しの部分に対しては疎水性の接合の良好な接合エネルギーが得られ、析出物を除去しやすくなるので、2個の結晶間でトラップのないもっと大型の表面を使用可能になり、あるいは、許容もしくは課される不整合性をもっと大きくすることができる。変形実施形態では、対向プレートを完全に親水性か、または完全に疎水性とすることができるが、その場合、一定の領域で受け入れる接合エネルギーをもっと少なくするか、または、Si/Si境界面に自然酸化物層を得るようにする。この酸化物層は、十分な熱収支および/または十分に小さい不整合性および/または十分に近接したトラップの存在により除去される。化学機械研磨後、各種領域の親水性の特徴を修正するために、様々な洗浄手段を使用することもできる。
・プラズマ処理。この処理の雰囲気(例えば酸素を除くまたは酸化剤がない)の選択により、表面結合を制御可能であり、それによって、2つのバルク状シリコン領域間で酸化物の形成原因となりうる結合が回避される。例えばフルオロカーボンを多く含むプラズマを用いる。
・化学処理。HSO/H/...および/またはNHOH/H...を主成分とする化学溶液での処理により、シリコン領域の表面に自然酸化物を残しながら、シリコンの表面と酸化物の表面とを親水性にすることができる。この調製は、また、一定濃度の水を含む酸化物を使用してもよく、その後の表面処理により、考慮されたプレートの表面全体を疎水性にする。例えば、HFを用いた化学処理および/または低温の熱処理(例えば150℃)により、好適にはむき出し領域における酸化物部分で親水性が回復される。
図1から図7は、本発明の第一の実施形態を示す。
抵抗率14〜22オーム/cm、直径100mmのCZタイプのシリコンプレート10を、リソグラフィマスクを用いてエッチングする。マスクは、例えば矩形のパターンを備えており、このパターンは、互いに1cm以上離れていない。深さは、約0.4ミクロンである。これらの領域の寸法は、例えば1cm×1cmである。
エッチング領域をZ1で示し、非エッチング領域をZ2で示した。
次に、0.9ミクロンの熱酸化物11を全面に形成した(図2)。CMP(chemical mechanical polishing、前述の説明参照)により、層11よりも薄い厚さ、例えば0.7ミクロンにこの層を非常に平らに研磨する(図3)。厚さを制御しながら正確な後退を行って、領域Z2の上にある酸化物の厚さ全体(あるいはほぼ全体)を後退させる(実際には、アニ−ル時にトラップされる薄い酸化物層が残る)。酸化物層11A(図4)が残る。この後退は、例えばHFによるウェット処理または補完的なCMP処理、および/または水素によるアニ−ル、および/またはRIE(リアクティブイオンエッチング)処理により実施可能である。その後、表面全体を熱処理により洗浄して疎水性にする。
次いで、このプレートを、表面が同様に疎水性で自然酸化物のない別のシリコンプレート12に分子接着により接合する(図5)。
接合時、例えば、プレートが1°未満の「miscut」を有する場合、±1°(市販の100mmのシリコンプレートにおける平面部の精度)の配向の狂いを許容する。
次に、1300℃で3時間、安定化のためのアニ−ルを行う。
その後、化学機械研磨により第二のプレートを薄層化してから研磨して、領域Z1により画定される絶縁領域SOIと、領域Z2により画定されるシリコン/シリコンの接触バルク領域とを含む複合基板を得る(図6)。これらの様々な領域は、その場合、区間14により互いに完全に絶縁することができる(図7)。
この複合基板は、絶縁領域が十分に近接し(酸化物領域の各々が1つの絶縁領域を画定する)、これらの絶縁領域間の境界領域の全ての部分が、一定の距離(ここでは1cm)のところにあって、酸化物領域間の境界面における不純物がトラップされるようにしているという意味において、本発明に適合する。変形実施形態では、一定の酸化物領域だけが絶縁領域を画定し、一方で、他の酸化物領域は、バルク領域の境界面に配置される(絶縁領域を画定しないこのような酸化物領域は、例えば、複数区間により縁取られないことで見分けがつく。また、この酸化物領域の寸法は、酸化物領域を画定する役割をする酸化物領域の寸法よりもずっと小さいことを特徴とする)。
図8から図14は、本発明の第二の実施形態を示している。
起点となるプレート20は、図1から図7のプレートと同じであるが、但し、その表面に1ミクロンの厚さの酸化物層で覆われている。プレート20は、矩形のパターンを備えたリソグラフィマスクを用いることにより、マスクされていない場所でこの酸化物層を完全に除去するまでエッチングされる。こうしたエッチング領域は、Z1’と記され、一方で非エッチング領域はZ2’と記されている(図8)。熱酸化物は、領域Z1’のシリコンに形成されるが、領域Z2’では酸化物のブロック(plot)により妨げられることに注目できる。
これらのエッチング領域は、1cm以上は分離されない。
その後、0.8ミクロンの熱酸化物層21を全面に形成し(図9)、1ミクロンだけ厚さを除去するCMPにより表面を平坦化する(図10)。
厚さを制御しながら正確な後退を行って、領域Z2’の上にある酸化物の厚さ全体(またはほぼ全体)を後退させる(図11)。この後退は、HFによる湿式処理、または追加CMP処理、および/または水素によるアニ−ル、および/またはRIE処理により実施可能である。局部的な層21Aが残る。
その後、化学処理により全面を洗浄して親水性にする。
次いで、このプレートを、表面が同様に親水性で自然酸化物を備えた(図示せず)別のシリコンプレート22に分子接着により接合する。この第二の接合は、例えばX線を向けながら、2個の結晶間の不整合を最小化することにより行われる。
第二のプレート22は、ここでは、エネルギー76KeV、分量5×1016at/cmで、400nmの酸化物層を介して水素イオンにより注入され、その後、これを後退させて脆弱層22Aを得る(図12)。
次に、注入領域22Aの位置で、破砕を引き起こすためのアニ−ルを行い、さらに、1300℃で3時間、接合を安定化させるアニ−ルを行う。
その後、領域Z1’により画定されるSOI領域と、領域Z2’により画定されるシリコン/シリコン接触の「バルク」領域とを含む複合基板を得る(図13)。
これらの領域は、その場合、区間24により互いに完全に絶縁することができる(図14)。
図15から図24は、第一の実施形態と類似した第三の実施形態を示す。
プレート10、20と同じ組成で同じ寸法のプレート30を起点とする。これを酸化させて厚さ400nmの酸化物層31を形成し、エネルギー76KeV、分量5×1016at/cmで、水素イオンを注入して、脆弱層30Aを形成する。
次に、このプレートで、直径90mmの円に配置される20°の2個の円弧で1/100°ごとに反復される、10ミクロン×2ミクロンの矩形からなる目盛32をエッチングにより形成する(図15)。
上述のプレートと同じ組成で同じ寸法の第二のシリコンプレート33を、親水性タイプの分子接着により第一のプレートに接合する(図16)。
知られているあらゆる適切なタイプの機械処理および/または熱処理により、注入された領域で破砕を行う。2個のプレート40、42が得られ、以下、その一方であるSOIタイプのプレートを「P型」プレート、他方を「N型」プレートと呼ぶ(図17)。
プレート40は、プレート10と同じ処理ステップを行われ(図18から図21は、図1から図4に対応する)、局部的な酸化物領域41Aを含む疎水性の表面を得るまで、堆積または熱酸化により酸化物層41を生成する(図21)。
その後、このプレートは、表面が同様に疎水性で自然酸化物のない、P型プレート42に分子接着により接合される(図22)。
例えば、こうした接合の際に、2個のプレートの目盛を揃えて、接合された2個の結晶間の回転および撓みによる配向の狂いを完全になくすことができる。
同じ起点プレートで将来の境界面を形成する2個のプレートを(少なくともこの境界面付近の厚さで)取り除きし、取り除き/分離前に形成された目印に従ってこれを整合させることにより、あらゆる基準に従って優れた整合性が確保されるので、良質の境界面を得るための最低距離が著しく長くなる。
安定化するためのアニ−ル後(1300℃で3時間)、停止層として「P型」プレートの埋め込み酸化物層を用いることにより、化学機械研磨によって「P型」プレートを薄層化する。その後、この停止層を除去し、領域Z1”により画定されるSOI領域と、領域Z2”により画定されるシリコン/シリコン接触領域とを含む複合基板が得られる(図23)。これらの様々な領域は、区間44により互いに絶縁可能である(図24)。
挿入されたトラップの領域は、境界面の封入スペースを「吸収する(pomper)」役割を果たすので、それによってバルク領域を再構成可能である。そのため、この実施形態では、疎水性の接合において、シリコン基板へのシリコンフィルムの移転に固有の問題が回避される(いわゆる「smart cut」方法(登録商標)を参照)。
図25から図34は、第二の実施形態と類似した第四の実施形態を示している。
前述の各プレートと同じ特性で同じ寸法のプレート50を、酸化して400nmの酸化物層51を形成してから、第三の実施形態と同じ条件で水素イオン注入を行い、脆弱層50Aを得る。
その後、目盛52を形成するために第三の実施形態と同じタイプのエッチングを行う(図25)。
前述の各プレートと同じ特性で同じ寸法の第二のプレート53を、親水性タイプの分子接着により第一のプレートに接合し(図26)、第三の実施形態と同様に注入領域で破砕を行って、いわゆる「N型」プレート60と、いわゆる「P型」プレート62とを得る(図27)。
次いで、第二の実施形態のプレート20と同様に「N型」プレートをその全面で酸化して、厚さ1ミクロンの酸化物層を形成する。次に、プレート20と同様にこのプレートをエッチングし(図28)、0.8ミクロンの熱酸化物の層61を堆積する(図29)。表面を親水性にするまでプレート20と同じ処理を施して(図28から図34は、図8から図14に対応する)、局部的な酸化物領域61Aを残す。 その後、このプレートを、表面が同様に親水性で、自然酸化物を備えた「P型」の別のプレート62に接合する。
この第二の接合は、第三の実施形態と同様に、目盛を揃えて2個の結晶間の不整合性を最小化することによって行われる(図32)。
次に、第三の実施形態と同様に、注入領域の位置で破砕を引き起こすアニ−ルと、安定化のためのアニ−ルとを行う。
その後、「P型」プレートを薄層化する。
停止層を除去後、Z1”’領域により画定されるSOI領域と、Z2”’領域により画定される「バルク」領域とを含む複合基板が得られ、その後、区間64によりこれらの領域を互いに絶縁することができる。
MEMS部品またはMOEMS部品を製造する場合、非バルク領域の埋め込み層を絶縁層にせずに、単にバルク領域の構成材料とは異なる材料から構成してもよい。実際には、しばしばシリコン/シリコン酸化物の組み合わせが考慮されるが、酸化物は、ここでは、その絶縁性のために使用されるわけではない。また、上記の各実施形態と同様に、境界面の位置にトラップを設けて、バルク領域の位置で(不純物の数を制限した)良質な境界面を得るように構成されている。
複合基板を製造するために調製中のプレートを示す断面図である。 複合基板を製造するために調製中のプレートを示す断面図である。 複合基板を製造するために調製中のプレートを示す断面図である。 複合基板を製造するために調製中のプレートを示す断面図である。 図1から図4のプレートを起点として製造中の複合基板を示す断面図である。 図1から図4のプレートを起点として製造中の複合基板を示す断面図である。 図1から図4のプレートを起点として製造中の複合基板を示す断面図である。 第二の複合基板を製造するために調製中の別のプレートを示す断面図である。 第二の複合基板を製造するために調製中の別のプレートを示す断面図である。 第二の複合基板を製造するために調製中の別のプレートを示す断面図である。 第二の複合基板を製造するために調製中の別のプレートを示す断面図である。 図8から図11のプレートを起点として製造中の第二の複合基板を示す断面図である。 図8から図11のプレートを起点として製造中の第二の複合基板を示す断面図である。 図8から図11のプレートを起点として製造中の第二の複合基板を示す断面図である。 図5から図7と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図5から図7と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図5から図7と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図17の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図1から図7と同様の断面図である。 図12から図14と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図12から図14と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図12から図14と同じタイプの複合基板を製造するための2個のプレートの製造を示す断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。 図27の基板の調製と、これらの基板からの複合基板の製造とを示す、図8から図14と同様の断面図である。

Claims (38)

  1. 複合基板の製造方法であり、
    互いに結合されるそれぞれの面を備えた2個の基板を調製し、該基板が、主に前記面では結晶部分から、また、2つの面の少なくとも一方に対しては、結晶部分の構成材料とは異なる材料の領域からなり、
    2つの面を向かい合わせにして分子接合により境界面で結合することによって、対向面が主に結晶であるバルク領域と、対向面の少なくとも一方が異なる材料から主に構成される積層領域とを形成し、
    分子接合を強化する熱処理を実施する、複合基板の製造方法であって、
    基板(10、12、20、22、40、42、60、62)の調製時または2つの面の結合時、前記境界面に不純物トラップ(11A、21A、41A、61A)を形成して、バルク領域の一部をなす境界面の全ての部分が、前記不純物トラップから最大でも所定の距離のところにあるようにする一方で、面は、2個の基板の結晶部分の間で所定の閾値未満の不整合差を伴って向かい合わせにされることを特徴とする、方法。
  2. 異なる材料からなる領域が、電気絶縁層であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 異なる材料からなる領域が、局部的な酸化物層であることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 不純物トラップが、局部的な埋め込み層であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 不純物トラップが、局部的な酸化物層であることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 層の厚さが、約0.01ミクロンから3ミクロンであることを特徴とする、請求項3から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. マスクを介した熱酸化により局部的な酸化物層を調製することを特徴とする、請求項3、5または6のいずれか一項に記載の方法。
  8. マスクを介した堆積により局部的な酸化物層を調製することを特徴とする、請求項3、5または6のいずれか一項に記載の方法。
  9. 調製が、疎水性にするための面の処理ステップを含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 不整合の所定の閾値が、±6°の回転と、±1°の撓みであることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  11. 所定の距離以上には離隔されないパターンを持つマスクで面の一方をエッチングし、その後、前記面に酸化物層(11、41)を形成し、エッチングされない領域(Z2、Z2”)を露出するまで面を平坦化し、前記面を洗浄して疎水性にすることを特徴とする、請求項9または10に記載の方法。
  12. 調製が、親水性にするための面の処理ステップを含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  13. 不整合の所定の閾値が、±1°の回転と撓みであることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
  14. 所定の距離以上には離隔されないパターンを持つマスクを用いることにより酸化物層を有する面の一方をエッチングし、前記面に熱酸化物層(21、61)を形成し、エッチングされない領域(Z2’、Z2”’)を露出するまで面を平坦化し、前記面を洗浄して親水性にすることを特徴とする、請求項12または13に記載の方法。
  15. 各結晶部分が、Si、InP、AsGa、Ge、シリコン化合物、シリコンゲルマニウム、LiNbO、III−V化合物、Sic、ダイヤモンド、サファイヤ、圧電材料、およびピロ電気材料を含む群の中から選択される材料からなることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 各結晶部分が、シリコンであることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  17. 熱処理が、温度800℃から1400℃で数時間続き、所定の距離がミリメートルのオーダーであることを特徴とする、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 境界面を形成するための面を、HF(フッ化水素)還元処理することを特徴とする、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 境界面を形成するための面を、熱処理により処理することを特徴とする、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 境界面を形成するための面を、化学機械研磨により処理することを特徴とする、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 境界面を形成するための面を、プラズマ処理により処理することを特徴とする、請求項1から20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 境界面を形成するための面を、化学処理により処理することを特徴とする、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 基板の一方に薄層化処理を施すことを特徴とする、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 化学機械研磨処理により基板の一方を薄層化することを特徴とする、請求項23に記載の方法。
  25. 基板の一方が分解可能に調製されており、後のステップが、前記基板を分解することからなることを特徴とする、請求項23に記載の方法。
  26. 脆弱層(22A)を形成し、前記脆弱層に沿って破砕することにより基板の一方を薄層化することを特徴とする、請求項23に記載の方法。
  27. 同一の結晶から2個の基板の結晶部分を調製することを特徴とする、請求項1から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. 脆弱層(30A、50A)と、該脆弱層の両側に配置される位置決め目印(32、52)とを、元の同一結晶(30、50)に形成し、前記脆弱層に沿って破砕して2つの自由面を形成することによって2個の基板を調製し、積層領域とトラップとを備える境界面を、前記目印を向かい合わせて前記面を接触させることにより形成することを特徴とする、請求項27に記載の方法。
  29. 前記脆弱層(30A、50A)が、イオン注入により形成されることを特徴とする、請求項28に記載の方法。
  30. 前記脆弱層が、水素イオン注入により形成されることを特徴とする、請求項29に記載の方法。
  31. 前記目印が、脆弱層の両側で元の結晶の厚み内に形成されることを特徴とする、請求項28から30のいずれか一項に記載の方法。
  32. 2つの面の分子接合により得られる境界面を備えた2個の基板を含む構造体であって、前記基板が、前記境界面の両側に±6°の回転および±1°の撓みより小さい不整合差を有する結晶部分を含み、前記境界面に積層領域を含み、前記積層領域が主に、結晶部分の構成材料とは異なる材料と、場合によっては不純物トラップとからなる少なくとも1つの局部的な領域を含み、積層領域の離隔時に境界面のあらゆる部分が、積層領域または不純物トラップから最大でも所定の距離のところにあるようにすることを特徴とする、構造体。
  33. 所定の距離がミリメートルのオーダーであることを特徴とする、請求項32に記載の構造体。
  34. 結晶がシリコンであることを特徴とする、請求項32または33に記載の構造体。
  35. 不純物トラップが、局部的な埋め込み層であることを特徴とする、請求項32から34のいずれか一項に記載の構造体。
  36. 不純物トラップが、局部的な酸化物層であることを特徴とする、請求項35に記載の構造体。
  37. 異なる材料から主に構成される領域が、電気的な絶縁領域であることを特徴とする、請求項32から36のいずれか一項に記載の構造体。
  38. 異なる材料から主に構成される領域が、局部的な酸化物層であることを特徴とする、請求項32から37のいずれか一項に記載の構造体。
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