JP2012501071A - 歪み層緩和のための硬化層 - Google Patents

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Abstract

【課題】 歪み材料層を緩和する方法を提供する。
【解決手段】 歪み材料層と、歪み材料層の第1の面上に形成された低粘度層とを準備するステップと、該第1の面と反対側の該歪み材料層の第2の面の少なくとも一部分上に硬化層を形成し、それによって多層スタックを形成するステップと、該多層スタックを加熱処理し、それによって該歪み材料層を少なくとも部分的に緩和させるステップと、を含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電子工学、光電子工学、太陽光発電分野に有益な半導体デバイスの製造において適用する歪み層およびコンプライアント基板の分野、特に、コンプライアント基板の使用による歪み膜の緩和に関する。
天然バルク基板を入手することができない、あるいはあまりに高価であるとき、しばしば、有益な材料が、ヘテロエピタキシーによってシード基板上に形成されるので、ヘテロエピタキシーによる基板上の薄膜成長は、半導体技術において重要な製造ステップとなる。例えば、発光半導体デバイスあるいは太陽電池の分野では、サファイアあるいはSiCの基板上にヘテロエピタキシャル膜を成長させて、その後、最終半導体デバイスを形成する必要がある。ヘテロエピタキシャル膜を他の基板に移した後、これらの膜は、例えば、電子用途および光電子用途に用いられるエピタキシャル成長層のために用いられる。しかしながら、膜がヘテロエピタキシャルによって、膜の1つと比べて異なる格子定数および異なる熱膨張係数で基板上に形成されるとき、不整合による圧縮あるいは引っ張り歪み、および対応する転位およびクラックの発生によって、膜上の成長層の材料の品質に有害な影響が生じる。従って、当該技術では、不整合歪みを解放するために、ガラス層を含むコンプライアント基板が、基板とヘテロエピタキシャル膜の間に設けられている。
しかしながら、歪みへテロエピタキシャル膜の緩和に現在用いられている方法は、しばしば、バックリングの抑制およびクラックの形成等に関して満足な結果を示さない。従って、本発明の基礎にある課題は、上述の欠陥を無くし、あるいは少なくとも軽減する、基板上に形成された歪み層の完全なあるいは殆ど完全な横方向緩和のための方法を提供することである。
上述の課題は、請求項1による歪み材料層を緩和する方法によって解決される。方法は、
歪み材料層と、コンプライアント材料を含み且つ歪み材料層の第1の面上に形成された低粘度層と、を準備するステップと、
歪み材料層を完全に覆うことなしに、(第1の面と反対側の)歪み材料層の第2の面の少なくとも一部分上に硬化層を形成し、それによって多層スタックを形成するステップと、
(コンプライアント材料層のリフローが生じるように)多層スタックを加熱処理し、それによって歪み材料層を少なくとも部分的に緩和させるステップと、
を含む。
用語“低粘度”は、加熱処理中、そのように特定された層の変形能力を示すために用いられる(以下の説明も参照のこと)。特に、ガラス転移点より高い温度での加熱処理(熱的処理、アニーリング)は、コンプライアント材料のいくらかのリフロー(例えば、いくらかのガラス転移による塑性変形)が生じ、それによって隣接する歪み材料層の弾性緩和を引き起こす。低粘度層は、例えば、加熱処理下でリフローするボロホスホシリケートガラスを含む埋め込み層であり得る。埋め込み層は、例えば、酸化物層であってもよい。多層スタックは、また、低粘度層が形成される支持基板を含んでもよい(以下の詳細な説明を参照)。
従来の技術と異なり、硬化層は、歪み材料層の頂上に部分的に設けられる。加熱処理中、露出された(硬化層によって覆われていない)圧縮歪み材料層の部分は、横方向に自由に膨張することができ、それによって、著しいバックリングなしに歪みが緩和される。硬化層によって覆われる歪み材料層の領域のサイズを適当に選択することによって、加熱処理中の歪み材料層の緩和率を容易に制御することができる。引っ張り歪み材料の場合、露出された材料は、クラックあるいは表面粗さが形成されることなしに、その平坦性を保持しつつ、自由に縮むことができる。
硬化層の形成のステップは、連続層として硬化層を歪み材料層の全面に堆積させるステップと、続いて、硬化層が歪み材料層から部分的に取り除かれるように、堆積した硬化層をパターニングするステップとを含むのがよい。パターニングは、硬化層が歪み材料層を部分的に覆い、歪み材料層が縁部で露出されるように行われてもよい。パターニングは、ドライエッチングとフォトリソグラフィによって達成することができ、歪み材料層の頂上に硬化層の島(硬化島)を生じる。従って、この種類のパターニングは、信頼できる且つ比較的時間を節約する方法で達成することができる。硬化島の寸法は、フォトリソグラフィの利用によって正確に制御することができる。硬化島の下の歪み材料層の部分は、加熱処理中、全くあるいは殆ど緩和しないと考えられる。
本明細書に開示された歪み材料層を緩和する方法の実施形態によれば、続いて行われる硬化層をパターニングするステップと、多層スタックを加熱処理するステップとが、この順番で、少なくとも1回繰り返される。換言すれば、最初の連続硬化層は、所定のサイズで上述の硬化島を得るためにパターニングされ、次いで、硬化島によって覆われていない歪み材料層の部分を緩和するために、第1の加熱処理が行われる。続いて、硬化島のサイズが減じられ、第2の加熱処理が行われて、それによって、第1の加熱処理プロセス中に硬化島によって覆われていた歪み材料層の部分を緩和する。
歪み材料層の所望の緩和の程度(割合)が達成されるまで、あるいは、特に、硬化島が残らなくなるまでおよび/または歪み材料層の完全な緩和が達成されるまで、パターニングと加熱処理とが繰り返される(これは、この一連のプロセスによって非常に正確に制御することができる)。従来の技術と異なり、歪み材料層の著しいバックリングあるいは他の欠陥が生じることなしに、異なるサイズの硬化島とともに繰り返し加熱処理することによって、完全な緩和を達成することができる。
歪み材料層は、また、特に、1つ以上のトレンチをエッチングすることによってパターニングされ、それによって、緩和を容易にするために歪み材料島を形成してもよい。更に、歪み材料層に従って、低粘度層をパターニングしてもよい。特に、1つ以上のトレンチを、歪み材料層と低粘度層とを、低粘度層が堆積された支持基板まで、あるいは低粘度層がその前に結合されたところまで貫通してエッチングしてもよい。溝は、また、支持基板に達することなしに低粘度層内で行われてもよい。更に、歪み材料島の部分的な緩和の正確な制御のために、硬化層の島が歪み材料層の島の中央に形成される方法で、硬化層がパターニングされ得る。原理的には、硬化層および歪み材料層から作られた島は、矩形、円形、あるいは更なるプロセスのために適当と考えられるいかなる他の形態であってもよい。
以下において、用語“歪み材料”は、適当な場合は、島を呈するパターニングされた層の連続層を意味する。
二元合金、三元合金あるいは四元合金から選択されるIII/N材料を、歪み層に用いることができるが、本発明は、特に、歪み材料がInGaNを含み、あるいはそれからなるときに有利であることが分かった。InGaN中のインジウム含量は、35%までであってもよく、好ましくは、インジウム含量は、10%より少なくてもよく、より好ましくは、4〜7%であってもよい。低粘度層は、ボロホスホシリケートガラス(BPSG)あるいはホウ素あるいは燐を含むSiO化合物を含み、あるいはそれからなってもよい。例えば、ボロシリケートガラス(BSG)あるいはホスホシリケートガラス(PSG)を用いてもよい。リフロー特性は、ホウ素および燐原子の含量によって制御することができる。4−5質量%のホウ素、2質量%の燐は、適当な選択の1つである。
硬化層の材料は、硬化層(島)によって覆われた歪み材料層の部分の歪み緩和を抑制する機械的能力により選択される。更に、加熱処理中、歪み材料層の所望の部分的な硬化を得るために、より硬い材料は、より薄い硬化層を可能にするが、硬度がより低い材料は、より厚い層が必要となる。例えば、硬化層は、50nmから歪み層の厚さの5倍までの厚さを有し得る。
実施形態によれば、硬化層は、III−N材料、SiN(SiあるいはSiN:H)SiONあるいはSiOを含み、あるいはそれからなり、特に、ボロホスホシリケートガラスあるいはホウ素あるいは燐を含むSiO化合物を含む埋め込み層の上に形成されたInGaN歪み層の場合に、確実性のある硬化手段であることが分かっている。硬化層、特にSi硬化層は、緩和加熱処理中、約100nm厚の歪み材料層のバックリングを確実に抑制するために、100nm〜300nmの厚さで堆積され得る。硬化層は、また、歪み材料層の厚さの5倍までの厚さで堆積されてもよい。
既に上述したように、硬化層をパターニングするステップと、歪み材料層と硬化層の両方を含む多層スタックの加熱処理を行うステップとは、1回あるいは数回繰り返され得る。各続く加熱処理は、歪み材料層のより広い面積が露出されて(硬化島によって覆われず)行われる。緩和する露出面積の大きさは、例えば、リフローする低粘度層の能力、用いられる温度、およびまた、歪み材料のヤング係数等に依存して調節され得る。実施形態によれば、各硬化層のパターニングステップで、1つの横方向寸法で約100μm〜400μmの硬化層が取り除かれる。これは、先に加熱処理された歪み材料層、特に、歪みInGaN層におけるよりも1つの横方向寸法で100μm〜400μm多い層が、パターニングされた特にSiからなる硬化層の島の間に露出されることを意味する。
従って、歪み材料層の全面は、少しずつ露出され、一連の加熱処理プロセス中、緩和することができる。最後の加熱処理は、歪み材料層上に硬化層が残されていない状態で行われ得る。各加熱処理プロセスの前に、硬化島のサイズを減じることによって、個々の加熱処理プロセスによって得られる緩和を正確に制御することができる。
上述の、且つ従来の技術と異なる本発明方法の実施形態では、低粘度層の厚さは、加熱処理中、膜がバックリングあるいはクラックを引き起こさないで、歪み材料層が膨張する長さ、あるいは収縮する長さよりも小さく選択され得ることが留意されなければならない。膨張/収縮長さは、加熱処理によって引き起こされる歪み材料の弾性緩和および低粘度層の塑性変形中の横方向膨張/収縮の長さである。
更に、本発明の他の実施形態によれば、上述の方法は更に、
硬化層のいかなる残部を取り除いて、歪み材料の全面を露出させ、加熱処理するステップと、
緩和した歪み材料を他の基板上に堆積した層に結合することによって、(完全にあるいは部分的に)緩和した歪み材料を他の基板に移すステップと、
低粘度層を緩和した歪み材料層から取り外すステップと、を含む。
低粘度層が、ある支持基板上に堆積されあるいは結合されるとき、この支持基板は、また、低粘度層と一緒に取り外される。この緩和した歪み材料の移動によって、硬化層が堆積された緩和した歪み材料層の表面と反対側の面は、更なるプロセス、特に、材料層のエピタキシーに利用することができるようになる。
この方法によれば、歪み材料がc面III/N材料のように極性を有するとき、いかなるその後の層のエピタキシャル成長に適当であるシード基板上の成長面と反対側の緩和した歪み材料の面の極性が、露出され得る。従って、光電子あるいは太陽光発電分野での用途のために、活性層を、緩和した歪み材料の表面上に形成することができる。
上述の実施形態の歪み材料層は、ヘテロエピタキシャル成長によって準備することができる。特に、歪み材料層、特に、歪みInGaN層は、シード基板あるいはシード層、特に、GaN層上に直接成長することができ、該シード基板あるいはシード層は、シード支持基板、特に、サファイア支持基板上に堆積されあるいは取付けられ、その後、コンプライアント材料層、特に、ボロホスホシリケートガラスを含む低粘度層を歪み材料層上に堆積させ、歪み材料層は、シード基板(層)から取り外され、低粘度層によって支持基板に結合され、その後、特にSiを含む硬化層が歪み材料層上に堆積され得る。
本明細書に開示された歪み材料層を緩和する方法は、半導体デバイス、特に、光電子デバイスあるいは太陽光発電デバイスの製造に有益である。従って、本明細書に、前記請求項のいずれか1項に記載の歪み材料を緩和するステップを含み、硬化層のいかなる残部を取り除いて、歪み材料の全面を露出させ、加熱処理するステップと、形成された少なくとも部分的に緩和した歪み材料上に材料層をエピタキシャル成長させるステップ、特に、少なくとも部分的に緩和した歪み材料島上に活性層を成長させるステップとを更に含む、半導体デバイスの製造方法が提供される。
更に、支持基板と、支持基板上の低粘度層と、低粘度層上の、特にInGaN材料からなる連続歪み材料層あるいは歪み材料島と、特に、歪み材料層あるいは歪み材料島の露出幅が100〜400マイクロメートルとなるように連続歪み材料層あるいは歪み材料島を部分的に覆う硬化層とを含む半導体構造が提供される。
図1は、歪み材料層の頂上にパターニングされた硬化層を形成するステップを含む、歪み材料層を緩和する本発明の方法の一例を示す図である。 図2は、歪み材料島の頂上に硬化島が形成される、歪み材料層を緩和する本発明の方法の他の例を示す図である。 図3は、パターニングされたコンプライアント基板上に形成された歪み材料島の頂上に硬化島が形成される、歪み材料層を緩和する本発明の方法の他の例を示す図である。
本発明の付加的な特徴及び利点は、図面を参照して記載される。記載中、本発明の好ましい実施形態を例示するための添付図面が参照される。そのような実施形態は、本発明の全範囲を表わしていると理解されるべきではない。
図1は、本発明により形成された多層スタックの実施形態を示す。多層スタックは、支持基板1と、低粘度層2と、歪み材料層3と、パターニングされた硬化層4とを備える。歪み材料層3は、あるシード基板上にヘテロエピタキシャル成長され、当該技術で知られているいかなるウエハ移動プロセス、例えば、グラインド/エッチバック、レーザー剥離、電磁放射吸収あるいはSMART Cut(登録商標)プロセス内でのイオン注入等によって、移動される。本実施形態では、低粘度層2は、異なる個々の層から構成されてもよく、且つ少なくとも1つのコンプライアント層(緩和層)を有する埋め込み層、例えば、酸化物埋め込み層である。コンプライアント層は、ボロホスホシリケートガラス(BPSG)あるいはホウ素あるいは燐を含むSiO化合物を含むがこれに限定されない。加熱処理中のリフロー速度は、ホウ素および燐の含量によって容易に調整することができる。
パターニングされた硬化層4は、硬化層の堆積によって得られ、フォトリソグラフィーによってエッチングされる。それによって、歪み材料層3が、側縁部で露出される。緩和層のガラス転移温度、すなわち、BPSGの場合約800℃〜850℃で、加熱(熱的)処理をすると、例えば、InGaNからなる歪み材料層3の部分的な弾性緩和が生じる。(公称格子定数と比べて)約0.7%の格子不整合のためには、約300マイクロメートルの横方向幅dを有するトレンチを形成することによる硬化層のパターニングが適当であることが分かった。理論に縛られることなしに、パターニングされた硬化層4は、硬化島4の下の歪み材料層3の緩和を部分的に妨げるようである。加熱処理後、硬化島のサイズは、歪み材料層3を横方向寸法で約300マイクロメートル付加的に露出するために減じられ、深刻なバックリングなしに、部分的に緩和された歪み材料層3を更に緩和するために第2の加熱処理が行われる。この硬化島4のサイズを減じるステップ及び加熱処理を行うステップの繰り返されるプロセスは、歪み材料層3が完全に緩和するまで行われ得る。
硬化材料の存在しうる残部は取り除かれ、従って、損なわれていない完全な緩和された歪み材料層が達成され、電子あるいは光電子用途に有益な特定の半導体デバイスの製造または太陽電池の製造に用いることができるようになっている続く結晶層、例えば、InGaN層の(ホモ)エピタキシーに用いることができる。ホモエピタキシャル成長結晶層のため、完全に緩和した歪み材料層3の材料極性に依存して、完全に緩和した歪み材料層3は、支持基板1から他の基板に、例えば、他の基板上に堆積された他の埋め込み層によって、移動され得る。例えば、緩和した歪みC面InGaN材料のGa面は、結晶層のエピタキシャル成長に好ましい。
他の実施形態によれば、図2に示される多層スタックが、少し詳細な以下のように形成された。歪み材料層は、第1の支持基板上に堆積されたあるいは結合されたシード層上にヘテロエピタキシャル成長された。例えば、歪み材料層は、InGaN層であり、シード層は、GaN層であり、第1の支持基板は、サファイア基板である。しかしながら、InGaNは、歪み材料層の材料の一例を示すに過ぎないことに留意すべきである。実際には、歪み材料層は、III/V材料のような半導体材料であってもよく、例えば、二次合金、三次合金、あるいは四次合金から選択されるIII/V材料を含むかあるいはそれからなってもよい。
歪みInGaN層の厚さは、約100nmであり、約4%のインジウムを含む。ヘテロエピタキシャル成長した歪みInGaN層3の格子不整合は、約0.4%である。コンプライアント(緩和)材料層としてボロホスホシリケートガラス層を含む埋め込み層は、歪みInGaN層3上に約500nmの厚さで堆積される。選択的に、c面InGaN層のガリウム面と埋め込み層との間の接着を増強するために、埋め込み層の堆積の前に、約50nmの厚さのSiO層を歪みInGaN層上に堆積してもよい。
次いで、埋め込み層の中にイオン種が注入されて、InGaN/GaN材料に約400nmの脆弱層が形成される。脆弱層は、シード層及びシード基板の取り外しを容易にするために設けられる。図2に示されるように、第2の埋め込み層が支持基板上に堆積される。第2の埋め込み層の厚さは約4マイクロメートルである。支持基板1および歪みInGaN層は、第1の埋め込み層および第2の埋め込み層によって結合され、第1の埋め込み層および第2の埋め込み層は、一緒に図2の低粘度層2を形成している。第1の埋め込み層と第2の埋め込み層を結合する前の平坦化および研磨の後、低粘度層2の厚さは、約7マイクロメートルである。結合の後、シード基板は、脆弱層で取り外され、残存GaN材料がドライエッチングによって取り除かれる。
次に、歪みInGaN層は、図2に示されるように約1mm×1mmの矩形の歪みInGaN島3を形成するためにリソグラフィプロセスによってパターニングされる。パターニング後、化学量論のSiの約200nmが、歪みInGaN島3上及び歪みInGaN島3相互間に堆積される。後の加熱処理中、硬化層として機能するSi層の堆積は、例えば、プラズマ増強化学気相堆積(PECVD)によって達成することができる。硬化層は、フォトリソグラフィによるドライエッチングによってパターニングされて、約300マイクロメートル×300マイクロメートル〜約400マイクロメートル×400マイクロメートルに寸法決めされ、歪み材料島3上の中央に配置された矩形の島4を形成する。
続いて、歪み材料島3を部分的に緩和するために800℃での加熱処理を4時間行う。その後、硬化島4は、ドライエッチングによって完全に取り除かれ、歪み材料島3を完全に緩和するために第2の加熱処理を行う。それによって、殆どバックリングなしで、歪みInGaN島3の完全な緩和を得ることができる。あるいはまた、硬化材料の島は、例えば、800マイクロメートル×800マイクロメートルで形成され、第1の加熱処理後、硬化島4のサイズは、600マイクロメートル×600マイクロメートルまで減じられ、第2の加熱処理が行われると、硬化島4のサイズは、400マイクロメートル×400マイクロメートルまで減じられ、例えば、硬化材料が残らなくなるまで第3の加熱処理が行われる。そのような緩和プロセスの繰り返しによって、いかなる著しいバックリングなしに歪み材料の完全な緩和が達成される。
約1mm×1mmのサイズ且つ0.7%の格子不整合を有する歪みInGaN島は、緩和中約7マイクロメートル膨張する。それにもかかわらず、低粘度層2は、緩和品質に影響を与えることのない、約4マイクロメートルの厚さ、すなわち、歪みInGaN島3の膨張長さよりも小さい厚さを有し得る。
図3は、図2を参照して記載したものと同様の実施形態を示すが、低粘度層と歪み材料層の両方が、1つ以上のトレンチによって分離された低粘度材料2の島および歪み材料島3を形成するようにパターニングされている点で異なる。再び、硬化島4は、歪み材料島3の中央に配置されている。上述したように、加熱処理および硬化島4の更なるサイズ減少が、バックリングなしに歪み材料島3の完全な緩和を達成するために繰り返し行われ得る。
全ての前述した実施形態は、本発明の特徴および利点を限定するものではなく、本発明の特徴および利点を示す例のためのものである。前述した特徴のいくつかあるいは全ては、また、異なる方法で組み合わせることができることが理解されるべきである。

Claims (15)

  1. 歪み材料層を緩和する方法であって、
    歪み材料層と、該歪み材料層の第1の面上に形成された低粘度層と、を準備するステップと、
    該歪み材料層の該第1の面と反対側の第2の面の少なくとも一部分上に硬化層を形成し、それによって多層スタックを形成するステップと、
    該多層スタックを加熱処理し、それによって該歪み材料層を少なくとも部分的に緩和させるステップと、
    を含む、前記方法。
  2. 該硬化層を形成するステップが、前記硬化層を連続層として該歪み材料層上に堆積させるステップと、続いて、該硬化層が該歪み材料層から部分的に取り除かれるように、該堆積された硬化層をパターニングするステップとを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 続いて行われる該硬化層をパターニングするステップと前記多層スタックを加熱処理するステップは、この順番で少なくとも1回繰り返される、請求項2に記載の方法。
  4. 該加熱処理の前に、該歪み材料層をパターニングし、それによって歪み材料島を形成するステップを更に含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 該低粘度層をパターニングするステップを更に含む、請求項4に記載の方法。
  6. 該硬化層が、該硬化層の島が該歪み材料層の島の中央に形成されるようにパターニングされる、請求項4又は5に記載の方法。
  7. 該硬化層が、SiN、SiON、SiO、あるいはIII−N材料を含む、またはそれらからなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 該歪み材料層が、InGaNを含む、またはそれからなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 該低粘度層が、ボロホスホシリケートガラス(BPSG)またはホウ素あるいは燐を含むSiO化合物を含む、またはそれからなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 該硬化層が、50nmから該歪み材料層の厚さの5倍までの厚さで堆積される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 該硬化層をパターニングする各繰り返しステップにおいて、該歪み材料の先の加熱処理におけるよりも1つの横方向寸法で約100μm〜400μmだけ多く、該パターニングされた硬化材料間が露出される、請求項8に記載の方法。
  12. 該硬化層の全ての残部を取り除いて、該歪み材料の全面を露出させて加熱処理するステップと、
    緩和した該歪み材料をターゲット基板に結合することによって、緩和した該歪み材料の少なくとも一部分を、該ターゲット基板に移動させるステップと、
    該低粘度層を緩和した該歪み材料から取り外すステップと、
    を更に含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 該歪み材料層、特にInGaN歪み層が、シード基板、特にGaN層上で成長し、該シード基板が、該低粘度層、特にボロホスホシリケートガラスを該歪み材料層上に堆積するステップの前に第1の支持基板上に堆積されあるいは取付けられ、
    該歪み材料層が、該シード基板から取り外され、該低粘度層によって第2の支持基板に結合され、その後、特にSiを含む該硬化層を該歪み材料層に堆積する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 半導体デバイスを製造する方法であって、
    請求項1〜13のいずれか一項に記載の歪み材料を緩和するステップと、
    該硬化層の全ての残部を取り除いて、該歪み材料の全面を露出させて、加熱処理するステップと、
    形成された少なくとも部分的に緩和した該歪み材料上に材料層をエピタキシャル成長、特に、少なくとも部分的に緩和した該歪み材料島上に活性層を成長させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  15. 支持基板と、該基板上の低粘度層と、該低粘度層上の、特にInGaN材料からなる連続歪み材料層または歪み材料島と、該連続歪み材料層または歪み材料島を、特に該歪み材料層または歪み材料島の露出幅が100〜400マイクロメートルとなるように、部分的に覆う硬化層と、を含む半導体構造。
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