JP2013207212A - 複合基板の製造方法および複合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能な半導体基板を有する複合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】 単結晶からなる半導体基板２０の一主面に、この半導体基板２０を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第１高融点材料からなる第１中間層３０ｘを形成する工程と、絶縁性を有する単結晶からなる支持基板１０上に、半導体基板２０を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第２高融点材料からなる第２中間層３０ｙを形成する工程と、半導体基板２０の第１中間層３０ｘと、支持基板１０の第２中間層３０ｙとを接合する工程と、を含むものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板を有する複合基板の製造方法およびその製造方法により製造した複合基板に関する。

近年、半導体素子の性能向上を図るべく、寄生容量を減らす技術の開発が進められている。この寄生容量を減らす技術として、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）構造がある。こ
のＳＯＳ構造は異種材料からなる基板を接合する必要がある。このような異種材料からなる基板を接合する方法として、例えば特許文献１に記載された技術がある。

特開２００４−３４３３６９号公報

しかし、特許文献１に記載された技術では、接合面を活性化させるためにイオンビームや中性子ビームを照射した際に、接合装置のチャンバー内に浮遊する金属が接合界面に混入する恐れがある。このため、ＳＯＳ構造を形成する際に特許文献１に記載された技術を適用したとしても、金属が半導体素子の機能層となるシリコン側に拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす恐れがあった。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、半導体基板への金属の混入を抑制した複合基板の製造方法および複合基板を提供することを目的とする。

本発明の複合基板の製造方法に係る実施形態では、単結晶からなる半導体基板の一主面に、この半導体基板を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第１高融点材料からなる第１中間層を形成する工程と、絶縁性を有する単結晶からなる支持基板上に、前記半導体基板を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第２高融点材料からなる第２中間層を形成する工程と、前記半導体基板の前記第１中間層と、前記支持基板の前記第２中間層とを接合する工程と、を含むものである。

本発明の複合基板に係る実施形態では、絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、前記支持基板を構成する元素を主成分とし、該支持基板に比べて結晶性の低い中間層とを備え、該中間層は、前記支持基板および前記半導体層を構成する元素以外の金属元素を含み、該金属元素の濃度が、厚み方向において中程から前記支持基板側および前記半導体層側の双方に向けて減少しているものである。

本発明によれば、金属拡散を抑制した半導体基板を有する複合基板の製造方法を提供することができる。

（ａ）〜（ｄ）は本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法の製造工程の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は図１の後の製造工程を示す断面図である。 図２の後の製造工程の一例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法により製造した複合基板の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は複合基板を斜視した部分断面図である。

本発明の複合基板の製造方法の実施形態の一例について、図面を参照しつつ、説明する。

（複合基板の製造方法）
＜第１中間層形成工程＞
まず、図１（ａ）に示したように、単結晶の半導体基板２０を用意する。ここで、半導体基板２０を構成する材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）を用いることができる。この例では、Ｓｉで形成された半導体基板２０を準備する。

この半導体基板２０は単結晶シリコン基板２０ａの上面（図のＤ２方向）にＳｉをエピタキシャル成長させたＳｉ膜２０ｂを形成して成る。このＳｉ膜２０ｂは単結晶となっている。エピタキシャル成長の方法としては、単結晶シリコン基板２０ａを加熱しながら、当該単結晶シリコン基板２０ａの表面に気体状のシリコン化合物を通過させて熱分解させて成長させる熱化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）などの種々の方法を採用できる。このＳｉ膜２０ｂは、シリコン基板の上にエピタキシャル成長させているので、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた場合に比べて格子欠陥を少なくすることができる。また、真空中においてエピタキシャル成長させるため、その膜中の酸素含有量をＣＺ法で形成したシリコン基板に比べて極めて低く抑えることができる。

ここで、Ｓｉ膜２０ｂのドーパント濃度は、特に限定はされないが、例えば、相対的に低濃度のｐ⁻およびｎ⁻のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。ｐ⁻のドーパント濃度としては、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ⁻のドーパント濃度としては、５×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。そして、Ｓｉ膜２０ｂ中の酸素濃度は、特に限定されないが、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満であることが好ましい。理由については後述する。

また、Ｓｉ膜２０ｂの厚みは、特に限定されないが、例えば２μｍ程度とすればよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ膜２０ｂのＤ２方向の上面に、第１中間層３０ｘを形成する。第１中間層３０ｘは、半導体基板２０を構成する元素と鉄（Ｆｅ）との共晶温度以上の融点を有する第１高融点材料からなる。この例では第１高融点材料として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を選択している。そして、このような第１中間層３０ｘは、例えば、原子層堆積（Atomic Layer Deposition ：ＡＬＤ）法やＣＶＤ法、スパッタ法等により形成すればよい。第１中間層３０ｘの主面（Ｄ２方向の上面）の算術平均粗さは小さい方が好ましく、具体的には５ｎｍ以下となるように形成する。理由については後述する。

なお、第１中間層３０ｘの結晶性は特に限定されない。多結晶やアモルファスとしてもよい。この例では、半導体基板２０よりも結晶性が低くなるように形成している。

このような第１中間層３０ｘの必要な厚みは、プロセスにより混入する恐れのある金属
量により変化するが、例えば５ｎｍ程度とすればよい。

＜第２中間層形成工程＞
次に、図１（ｃ）に示すように、支持基板１０を準備する。支持基板１０は、後述の工程でその上部に位置することとなる半導体基板２０を支持するものである。そして、支持基板１は、半導体基板２０を支持できる強度、平坦度を有するものであれば、自由に選択することができる。支持基板１０を構成する材料としては、酸化アルミニウム単結晶（サファイア）、炭化ケイ素基板などの絶縁性を有する単結晶基板を用いることができる。本実施形態では、支持基板１０としてサファイアを採用する。

この支持基板１０の厚みとしては、例えば、４００〜８００〔μｍ〕の範囲が挙げられる。

次に、図１（ｄ）に示すように、支持基板１０のＤ１方向の上面に、第２中間層３０ｙを形成する。

第２中間層３０ｙは、半導体基板２０を構成する元素と鉄（Ｆｅ）との共晶温度以上の融点を有する第２高融点材料からなる。そして、第２高融点材料は第１高融点材料と同一の材料でも異なる材料でもよいが、この例では第１高融点材料と同じアルミナを選択している。そして、このような第２中間層３０ｙは、例えば、原子層堆積（Atomic Layer Deposition ：ＡＬＤ）法やＣＶＤ法、スパッタ法等により形成すればよい。第２中間層３０ｙの主面（Ｄ１方向の上面）の算術平均粗さは小さい方が好ましく、具体的には５ｎｍ以下となるように形成する。理由は後述する。

なお、第２中間層３０ｙの結晶性は特に限定されない。多結晶やアモルファスとしてもよい。この例では、支持基板１０よりも結晶性が低くなるように形成している。

このような第２中間層３０ｙの必要な厚みは、プロセスにより混入する恐れのある金属量により変化するが、例えば５ｎｍ程度とすればよい。

＜接合工程＞
次に、支持基板１０の第２中間層３０ｙと、半導体基板２０のＤ２方向の主面（単結晶シリコン基板２０ａと反対側に位置する主面）とを貼り合わせる。すなわち、第２中間層３０ｙの主面と第１中間層３０ｘの主面とを貼り合わせる。貼り合わせの方法としては、図２（ａ）に示したように、貼り合わせる面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法が挙げられる。表面を活性化する方法としては、例えば真空中でイオンビームや中性子ビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法、化学溶液で表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。

そして、図２（ｂ）に示すように、この活性化した状態で両者を貼り合わせる。この接合を常温下で行ってもよい。なお、この接合は、樹脂系などの接着剤を使用しない方法によるものである。

この接合方法によって接合する場合、第１および第２中間層３０ｘ、３０ｙは、接合する面の面粗さが小さいことが好ましい。この面荒さは、例えば算術平均粗さＲａで表される。この算術平均粗さＲａの範囲としては、１０ｎｍ未満が挙げられる。算術平均粗さを小さくすることによって、互いに接合する際に加える圧力を小さくすることができる。

ここまでの工程を経ることによって、支持基板１０と単結晶シリコン基板２０ａとの間に、第２中間層３０ｙ、第１中間層３０ｘ、Ｓｉ膜２０ｂを有する複合基板１ができる。
第１中間層３０ｘ、第２中間層３０ｙを合わせて中間層３０とすることができる。

上述のような工程を経ることにより、半導体基板２０に不純物が拡散したり、析出したりすることを抑制することができる。その理由について以下に詳述する。

複合基板１は、支持基板１０と半導体基板２０とを接合するときに接合界面に金属の不純物が混入したり、支持基板１０側に微量添加されている金属などの不純物が半導体基板２０側に拡散・析出したりする恐れがある。このような金属の存在は、半導体基板２０に半導体素子として機能する素子機能部を構成するときに、誤動作を発生させる恐れがある。そこで、例え金属の不純物が存在する場合であっても、半導体基板２０に拡散・析出させないことが重要である。このような金属として、特にＦｅの存在がデバイス特性の悪化に大きな影響を及ぼす。

そこで、複合基板１では、第１中間層３０ｘと第２中間層３０ｙと（以後、併せて単に中間層３０ということもある。）を設けている。この中間層３０は、Ｆｅと半導体基板２０を構成する元素との共晶温度を超える融点を有する材料から成る。この例ではアルミナから成っている。ここで、アルミナの融点は約１８００℃〜２０２０℃と、ＳｉとＦｅとの共晶温度６６０℃に比べて高く、金属が存在したとしても金属と結合して金属の拡散を助長させることがない。このため、支持基板１０と中間層３０との界面に金属が存在したとしても、支持基板１０と中間層３０との間に金属を保持することができ、その結果、半導体基板２０への金属の拡散を抑制することができる。

また、本実施形態では、支持基板１０上に第２中間層３０ｙを成膜している。一般に、支持基板１０は金属等の添加剤（不純物）を含有している。これに対して、成膜した第２中間層３０ｙには金属が含有されていない。特に、第２中間層３０ｙをＡＬＤ法、ＣＶＤ法、スパッタ法の気層法で形成する際には、真空中にて行なうので不純物が混入する恐れが少ない。このように、金属を含む支持基板１０上に金属を含まない第２中間層３０ｙを形成することにより、支持基板１０側から半導体基板２０側への金属の拡散を抑制することができる。

また、上述の工程を経ることにより、接合時に金属が混入する恐れのある領域を、第１中間層３０ｘと第２中間層３０ｙとの界面に限定することができる。すなわち、第１中間層３０ｘと第２中間層３０ｙとの接合時に、接合面を活性化した状態で接合界面に混入する恐れのある金属に限定することができる。このため、第１中間層３０ｘと第２中間層３０ｙとの接合時に混入する金属を両者の間（界面）に閉じ込めることができる。ここで中間層３０は、高融点材料であるため金属の界面からの移動を抑制することができる。

また、この例では、中間層３０の結晶性は、単結晶の半導体基板２０、支持基板１０に比べ低くなっている。このため、仮に金属が存在する場合であっても、半導体基板２０側に拡散されず、粒界等を介して中間層３０中に拡散・固溶される。

また、この例では、第１中間層３０ｘと接する半導体基板２０は、エピタキシャル成長して形成したＳｉ膜２０ｂで構成される。このようなＳｉ膜２０ｂは、真空中で形成されるため、ＣＺ法で形成されたシリコン単結晶基板よりも酸素濃度が低い。具体的には、Ｓｉ膜２０ｂの酸素濃度は１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満としている。このような構成により、金属と結合しやすい酸素原子が少ないため、半導体層基板２０中に金属が拡散・固溶・析出することを抑制することができる。特に、金属がＦｅである場合には、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。

さらに、この例では、中間層３０を構成する材料として、支持基板１０を構成する元素
と同じ材料を選択している。同一の材料を選択することにより、不純物と成り得る支持基板１０および半導体基板１０を構成する元素以外の元素の混入を防ぐことができる。

特に、この例では、第１中間層３０ｘと第２中間層３０ｙとを同一材料で構成している。このような材料で複合基板１を製造することにより、両者の接合が容易となるため好ましい。

（複合基板の製造方法の変形例：第１中間層３０ｘ，第２中間層３０ｙの結晶性）
上述の例では、第１中間層３０ｘおよび第２中間層３０ｙの結晶性は支持基板１０および半導体基板２０に比べ低いものとしたが、同様に単結晶としてもよい。

その場合には、支持基板１０上および半導体基板２０上に第２中間層３０ｙおよび第１中間層３０ｘを形成する工程において、気層成長法によるエピタキシャル成長させたり、ＡＬＤ法で膜形成を行ったりすればよい。

このように、第１中間層３０ｘおよび第２中間層３０ｙを単結晶となるように形成する場合には、両者の界面に金属が混入した場合であっても、粒界や欠陥の少ない両中間層３０には金属が拡散せずに接合界面にとどめることができる。これにより、より確実に半導体基板２０への金属の拡散を防止することができる。さらに、金属の拡散を抑制することができるので、プロセスにより混入する恐れのある金属量に依存せず中間層３０の厚みを薄くすることができる。例えば、第１中間層３０ｘおよび第２中間層３０ｙを併せて３〜５ｎｍ程度とすることもできる。

また、このように接合界面に金属が存在する場合には、金属が両中間層３０と結合し接合強度を増大させることができる。

（複合基板の製造方法の変形例：第１中間層３０ｘ，第２中間層３０ｙの結晶性）
上述の例では、第１中間層３０ｘ，第２中間層３０ｙの結晶性を互いに異ならせたり、厚み方向で異ならせたりしていない場合について説明したが、異ならせてもよい。

例えば、第１中間層３０ｘを形成する工程において、αアルミナの結晶構造をとるように第１中間層３０ｘを形成し、第２中間層３０ｙを形成する工程において、γアルミナの結晶構想をとるように第２中間層３０ｙを形成してもよい。

第２中間層３０ｙの結晶性をγアルミナとするためには、例えば、支持基板１０として、Ｃ面のサファイア基板を準備することにより、Ｃ面に露出する結晶構造に倣って第２中間層３０ｙの結晶構造を制御することができる。

このように第１中間層３０ｘ，第２中間層３０ｙが２種類の結晶構造をとることにより、中間層３０の厚みの途中で２種類の結晶構造が混在し、厚みの途中が最も結晶構造が乱れた状態とすることができる。これにより、仮に金属が存在したときに、中間層３０の厚みの途中を中心として金属を保持することができる。

また、半導体基板２０側において高温性のαアルミナの割合を高くしていることにより、半導体基板２０側でより効果的に金属の拡散を抑制することができる。

（複合基板の製造方法の変形例：半導体基板厚み調整）
前述の製造方法により製造した複合基板１の半導体基板２０を薄層化してもよい。半導体素子の小型化・低背化の要求より、複合基板１の半導体基板２０を薄層化し半導体層２０Ｘとしてもよい。

具体的には、図２（ｂ）の工程に続き、図３に示すように、矢印Ｄ２方向側（単結晶シリコン基板２０ａ側）から加工して、単結晶シリコン基板２０ａを除去してＳｉ膜２０ｂを露出させる。この単結晶シリコン基板２０ａを除去する加工方法としては、例えば砥粒研磨、化学エッチング、イオンビームエッチングなど種々のものが採用でき、複数の方法を組み合わせてもよい。このとき、単結晶シリコン基板２０ａとともに、厚み方向においてＳｉ膜２０ｂの一部が除去されてもよい。

そして、Ｓｉ膜２０ｂのＤ１方向の上面を精密研磨して、厚みの均一性を向上させることができる。この精密エッチングに用いるエッチング手段としては、例えばドライエッチングが挙げられる。このドライエッチングには、化学的な反応によるものと、物理的な衝突によるものとが含まれる。化学的な反応を利用するものとしては、反応性の気体（ガス）、イオンおよびイオンビーム、ならびにラジカルを利用するものなどが挙げられる。この反応性イオンに使われるエッチングガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）などが挙げられる。また、物理的な衝突によるものとしては、イオンビームを利用するものが挙げられる。このイオンビームを利用するものには、ガス・クラスタ・イオンビーム（Gas Cluster Ion Beam；ＧＣＩＢ）を用いた方法が含まれている。これらのエッチング手段を用いて狭い領域をエッチングしながら、可動ステージで基板を走査することで、大面積の素材基板であっても良好に精密エッチングをすることができる。

このような工程を経てＳｉ膜２０ｂの残った部分を半導体層２０Ｘとする。このような工程を経ることにより、支持基板１０上に中間層３０、半導体層２０が順に積層された複合基板１Ｘを得ることができる。

上述の工程では、基板等を洗浄する工程を明記していないが、必要に応じて基板の洗浄をしてもよい。基板の洗浄方法としては、超音波を用いた洗浄、有機溶媒を用いた洗浄、化学薬品を用いた洗浄、およびＯ_２アッシングを用いた洗浄などの種々の方法が挙げられる。これらの洗浄方法は、組み合わせて採用してもよい。

図４（ａ）は本発明の実施形態の一つに係る製造方法により製造した複合基板１Ｘの例を示す模式的な平面図であり、（ｂ）は複合基板１Ｘを斜視した部分断面図である。

複合基板１Ｘは、支持基板１０と半導体層２０Ｘと中間層３０とを含んで構成される。

半導体層２０Ｘは、上面（一主面）２０ｂを支持基板１０の一主面１０ａ上に重ね合わせている。 半導体層２０Ｘの厚みとしては、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が挙げられる。また、半導体層２０Ｘのドーパント濃度としては、例えば、相対的に低濃度のｐ⁻およびｎ⁻のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。ｐ⁻のドーパント濃度としては、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ⁻のドーパント濃度としては、５×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。そして、半導体層２０中の酸素濃度は、特に限定されないが、詳しくは後述するが、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満であることが好ましい。

中間層３０は、支持基板１０と半導体層２０との間に位置する。言い換えると、中間層３０の一方主面は支持基板１０に直接接合され、他方主面は半導体層２０に直接接合されている。そして、この中間層３０は、支持基板１０を構成する元素を主成分とする。この例ではアルミナを主成分とする。そして中間層３０の結晶性は支持基板１０の結晶性に比べ低く、多結晶やアモルファスとなっている。

そして中間層３０の厚みは、特に限定されないが、その最大値は後述する支持基板１０と半導体層２０との接合により混入する恐れのある金属の量を固溶させることができるように設定される。ただし、アルミナの融点は約１８００〜２０２０度であり、中間層３０と支持基板１０との界面に例え後述の金属が存在したとしても、中間層３０を構成する元素と金属が反応したり拡散を助長させたりすることはない。このため、上記最大値の厚みが必ずしも必要ではない。例えば、１０ｎｍ程度でよい。

中間層３０は支持基板１０および半導体層２０Ｘを構成する元素以外の金属元素を含み、金属元素の濃度が、厚み方向において中程から支持基板１０側および半導体層２０Ｘ側の双方に向けて減少している。

金属元素としては、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ等を例示することができる。含有量としては、例えば、１×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満とすればよい。

中間層３０は、金属元素の濃度が、厚み方向の中程から支持基板１０側および半導体層２０側の双方に向かうにつれて減少している。

複合基板１Ｘは、前述の製造工程により製造されているため、支持基板１０と半導体層２０Ｘを含む半導体基板２０との接合界面である中間層３０の厚みの途中に金属が付着する恐れがある。この金属が、中間層３０に固溶・拡散することにより、中間層３０に前述の金属の濃度分布が生じる。また、このように中間層３０の厚みの途中に金属濃度が最も高い領域が存在するため、そこから離れた半導体層２０Ｘには金属が拡散したり、析出したりすることを抑制することができる。

１０・・・支持基板
２０・・・半導体基板
２０Ｘ・・半導体層
３０・・・中間層
３０ｘ・・第１中間層
３０ｙ・・第２中間層

Claims (5)

1. 単結晶からなる半導体基板の一主面に、この半導体基板を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第１高融点材料からなる第１中間層を形成する工程と、
   絶縁性を有する単結晶からなる支持基板上に、前記半導体基板を構成する元素とＦｅとの共晶温度よりも高い融点を有する第２高融点材料からなる第２中間層を形成する工程と、
   前記半導体基板の前記第１中間層と、前記支持基板の前記第２中間層とを接合する工程と、
   を含む複合基板の製造方法。
2. 前記第２中間層を形成する工程において、前記第２高融点材料を前記第１高融点材料と同一とする、請求項１記載の複合基板の製造方法。
3. 前記第１中間層を形成する工程において、前記第１中間層を単結晶となるように形成し、
   前記第２中間層を形成する工程において、前記第２中間層を単結晶となるように形成する、請求項１記載の複合基板の製造方法。
4. 前記第２中間層を形成する工程において、前記支持基板としてｒ面のサファイア基板を用い、前記第２中間層をγアルミナで構成されるように形成する、請求項１記載の複合基板の製造方法。
5. 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
   該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、
   前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、前記支持基板を構成する元素を主成分とし、該支持基板に比べて結晶性の低い中間層とを備え、
   該中間層は、前記支持基板および前記半導体層を構成する元素以外の金属元素を含み、該金属元素の濃度が、厚み方向において中程から前記支持基板側および前記半導体層側の双方に向けて減少している、複合基板。
   

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