JP2013516767A - 多層結晶構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、概して、多層構造体の製造プロセスに関する。プロセスは、イオンをドナー構造体に注入し、注入されたドナー構造体を第２構造体に結合して、結合構造体を形成し、結合構造体を離層し、およびドナー構造体の全ての残留部分を、最終的な多層結晶構造体から除去することを含む。

Description

本発明は、概して、多層結晶構造体の製造プロセスに関する。

多層構造体は、シリコンゲルマニウムまたはサファイア層のような、デバイス質表面を有するデバイス層と、多くの異なる目的に有益でありデバイス層材料とは異なる結晶格子構造を有するシリコン基板とを含む。これらの多層構造体は、典型的には、異なる熱膨張係数を有する材料の多層を含む。しかしながら、このような構造体を製造する間にそれらを加熱すると、異なる熱膨張率は、多層構造体内に非常に大きな応力を生じさせる可能性があり、該応力は、デバイス層または基板を破断する可能性がある。このことは、製造中にこれらの異なる対が暴露され得る最大温度に対する厳しい制限を設ける。

基板に結合されるデバイス質層を含む多層構造体を、多くの方法で作製または製造できる。例えば、１つの提案では、多層構造体を、直接層移動（direct layer transfer）により形成できる。このプロセスにおいて、注入されたウエハを、直接的に基板に結合して、低温熱アニールを行って、熱的および／または機械的に離層して、薄いが凹凸のある層を基板の表面上に形成する。次いで、凹凸のある層を平滑にする必要がある。いくらかの程度の平滑化を、比較的低温における化学機械研磨工程を用いて行ってよい。しかしながら、化学機械研磨は、最先端の多層構造体に要求される均一性を達成するのに概して適しておらず、従って望ましくない。熱的方法を、ウエハ表面を薄くかつ平滑にするのに用いてもよい；しかしながら、熱的方法は、膜の目標厚さ、均一性、および平滑度を容易に達成する一方で、それらは、ウエハを高温まで加熱することを必要とし、該高温は、上述した応力に起因して膜の結晶性を損傷する。

平滑化問題を解決しながらこのような多層構造体を作製または製造できる別の方法は、絶縁体上シリコン（silicon on insulator）ウエハを異なる基板に結合し、および両方に低温の結合強化アニールを行うことを含む（例えば、Ｄ．Ｖ． Ｓｉｎｇｈ， Ｌ． Ｓ ｈｉ， Ｋ． Ｗ． Ｇｕａｒｎｉ，Ｐ．Ｍ． Ｍｏｏｎｅｙ， Ｓ ．Ｊ． Ｋｏｅｓｔｅｒ， ａｎｄ Ａ． Ｇｒｉｌｌ， ”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ” Ｖｏｌ． ３２， ｎｏ． １ １ ｐｇ．１ ３３９，２００３を参照されたい）。次いで、ハンドルウエハを、ＢＯＸ層に至るまで研削または腐食でき、およびＢＯＸ層を、フッ化水素のエッチングにより除去する。従って、露出されたシリコン層表面は、出発する絶縁体上シリコンウエハと同じ厚さを有し、および最終的に露出された表面は、化学機械研磨または熱的工程を必要とせずに、研磨された表面と同様の凹凸を有する。しかしながら、このようにして多層構造体を製造することは、問題がないわけではない。例えば、全体のハンドルウエハを研削または腐食して除去する必要がある場合に、プロセスは、時間浪費および高コストの両方になり得る。

簡潔に言うと、従って、本発明は、多層結晶構造体の製造方法に関する。当該方法は、水素、ヘリウムおよびそれらの組合せから成る群から選択したイオンを、ドナー構造体内に注入することを含む。ドナー構造体は、中央軸と、中央軸に対してほぼ垂直である注入表面およびデバイス表面を有するデバイス層であって、デバイス層の注入表面からデバイス表面まで軸方向に延在している平均厚さ（ｔ）を有するデバイス層とを含む。ドナー構造体は、ハンドル層（または取扱層、handle layer）および中間層を更に含んでおり、デバイス表面とハンドル層との間においてドナー構造体の中央軸に沿って配置されている。イオンを、デバイス層の厚さ（ｔ）よりも大きい注入深さＤ１まで注入表面を通過してドナー構造体内に注入して、注入したドナー構造体に損傷層を形成し、該損傷層は、軸に対してほぼ垂直であり、および中間層および／またはハンドル層に位置している。当該方法は、注入したドナー構造体を第２構造体に結合して、結合構造体を形成し、損傷層に沿ってドナー構造体を離層して、第２構造体とデバイス層と残留材料とを含む多層結晶構造体を形成し、該残留材料が、中間層の少なくとも一部分と必要に応じてハンドル層の一部分とを含み、および残留材料を多層結晶構造体から除去することを更に含む。

別の態様では、本発明は、多層超小型デバイスの製造方法に関する。当該方法は、超小型デバイスを準備することおよび超小型デバイスを、上述したプロセスにより形成されている多層結晶構造体に結合することを含む。

本発明の他の目的および特徴は、部分的に明らかになり、および以下、部分的に要約される。

図１Ａは、デバイス層１４とハンドル層２０と中間層２２とを含むドナー構造体１０の概略的な断面図である。ハンドル層２０の点線２４は、そこに存在している損傷層２４を表す。 図１Ｂは、１Ａのドナー構造体と結合する前の第２構造体２６の概略的な断面図である。 図２は、ドナー構造体（図１Ａに図示される）のデバイス層１４の表面を第２構造体２６（図１Ｂに図示される）の表面に接触させる結合構造体３０を概略的な断面図である。 図３は、結合構造体３０を、ハンドル層２０内における損傷層２４に沿って分離しおよび従って、デバイス層１４と、中間層２２と、必要に応じてその上に存在し得るハンドル層２０の残留部分４０とを、第２構造体２６に移動することを図示した概略的な断面図である。 図４は、本発明４２の多層結晶構造体の概略的な断面図である。

対応する参照符号は、図面全体を通して対応する部分を示す。

本発明によれば、多層結晶構造体を製造するための改善されたプロセスが発見されている。

更に詳細には、層移動および化学的エッチング技術の使用が、多層結晶構造体を更に効率的に製造するための改善された方法をもたらすことが発見されている。

本発明によれば、ドナー構造体は、少なくともデバイス層と、ハンドルウエハと、その間に配置されている中間層とを概して含む任意の構造体であってよい。

好都合的に、ドナー構造体のハンドルウエハは、複数回リサイクルできる。

本明細書における例示的な目的のために、ドナー構造体は、絶縁体上シリコン構造体である。

本発明の例示的な実施形態におけるドナー構造体に用いる絶縁体上シリコン構造体を、既知のプロセスにより形成できることに留意されたい。このようなプロセスは、例えば、酸素注入による絶縁体上シリコンの形成（Ｓｉｍｏｘ）、半導体ウエハを、酸化したハンドルに結合して半導体ウエハの一部分を研削／腐食して除去すること（ＢＥ絶縁体上シリコン）、または米国特許出願第２００７／００４１５６６号および第２００７／０１１７３５０号に記載されている結合および層移動技術を含む（その全体の内容が全ての目的のために参照によって本明細書に組み込まれる）。好ましくは、本発明のプロセスは、ウエハの結合および層移動技術を用いてドナー構造体を製造する。従って、本発明は、これらの技術に関して、以下に、更に詳細に示される。しかしながら、これは、説明のためであり、および制限する意味としてみなされるべきではないことを理解されたい。本発明の実施において、これらの技術は、当技術分野で周知の様々な装置およびプロセス条件を用いて、適切に行われてよく、場合によっては、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずに、省略されてよくまたは他の技術および条件と組合されてよいことを更に理解されたい。

１．多層結晶構造体の形成
イオンを、デバイス層とハンドル層（または取扱層、handle layer）と中間層とを含むドナー構造体内に注入し、ドナー構造体を第２構造体に結合して、結合構造体を形成し、ハンドル層の一部分または全ておよび必要に応じて中間層の一部分を、第２構造体に結合したままのデバイス層から離層し、および必要に応じて残っているハンドル層および ／または中間層の一部分または全てを、デバイス層からエッチングし、従ってデバイス層を露出させることによって、本発明の多層結晶構造体を製造してよい。１つの実施形態では、第１構造体（以下、「ドナー構造体」と言う）は、絶縁体上シリコン構造であり、および第２構造体は、サファイアウエハである。

ドナー構造体は、最終的な多層結晶構造体のためのデバイス層を備える。他の基板を以下、「第２構造体」と言う。第２構造体は、サファイア、石英結晶、シリコンカーバイド、シリコン、またはガラスから成ってよい。１つの代替的な実施形態において、或る量の結合層を、ドナー構造体を第２構造体に結合する前に、ドナー構造体または第２構造体の少なくとも一方に配置する。

Ａ．ドナー構造体
図１Ａを参照すると、ドナー構造体１０は、中央軸１２およびデバイス層１４を含み、デバイス層１４は、注入表面１６およびデバイス表面１８を含む。注入表面１６およびデバイス表面１８は、中央軸１２に対してほぼ垂直である。平均圧さ（ｔ）は、デバイス層１４の注入表面１６からデバイス表面１８まで軸方向に延在している。ドナー構造体１０は、ハンドル層２０および中間層２２を更に含み、中間層２２は、デバイス表面１８とハンドル層２０の間においてドナー構造体１０の中央軸１２に沿って位置する。

デバイス層は、超小型電子または光発電装置の製造に用いるのに適した任意の材料を含む。デバイス層は、典型的には、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、またはそれらの任意の組合せから成る群から選択した材料を含む。１つの好ましい実施形態において、デバイス層は、シリコンを含む。

概して、デバイス層は、超小型電子または光発電装置の製造に用いるのに適した平均厚さ（ｔ）を有する；しかしながら、デバイス層は、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲内から逸脱せずに典型的に用いられるそれらよりも大きい厚さを有してよい。概して、デバイス層は、少なくとも約２０ｎｍ、典型的には少なくとも約９０ｎｍの平均厚さ（ｔ）を有し、および約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの厚さ（ｔ）を有してよい。

中間層は、デバイス層とハンドル層との両方に付着できる任意の材料であってよく、イオン注入により浸透され得る。典型的には、中間層は、誘電層であり、二酸化シリコンおよびシリコン窒化物から成る群から選択した材料を含む。概して、中間層は、少なくとも約１０ｎｍ、典型的には、少なくとも約５００ｎｍの平均厚さを有する。

ハンドル層は、中間層をその上に堆積できる任意の材料であってよい。本発明のいくつかの実施形態において、イオンをハンドル層内に注入する。このような実施形態において、ハンドル層は、イオン注入に適した材料を含んでおり、および当技術分野で既知のイオン注入および離層技術により離層できる。典型的には、ハンドル層は、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、ゲルマニウムヒ素、インジウムゲルマニウムヒ素またはそれらの任意の組合せから成る群から選択した材料を含む。

概して、ハンドル層は、充分な構造上の一体化をもたらし得る任意の厚さを有しており、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずに、デバイス層と、中間層の少なくとも一部分と、必要に応じてハンドル層の一部分との離層を可能にしている。概して、ハンドル層は、少なくとも約１００ミクロン、典型的には、少なくとも約２００ミクロンの平均厚さを有してよく、および約１００ミクロン〜約９００ミクロンの厚さ、またはさらに約５００ミクロン〜約８００ミクロンの厚さを有してよい。

いくつかの実施形態において、ドナー構造体１０は、例えば、酸化物層、堆積した酸化物、ＴＥＯＳ、ＣＶＤナイトライドまたは有機接着剤のような結合層（イオンをドナー構造体１０に注入する前後および/またはドナー構造体１０を第２構造体２６に結合する前において注入表面１６上に形成されている）を更に含んでよい。代替的にまたは追加的に、結合層を、結合前に第２構造体上に形成してよい。結合層の適用は、ドナー構造体１０と第２構造体２６との間に結合界面をもたらし、ドナー構造体１０と第２構造体２６との直接的な結合の間に生じ得る界面の隙間の形成を防ぐ。必要ではないが、存在する場合に、結合層は、少なくとも１０ｎｍの平均厚さを有してよく、および少なくとも約１ミクロン、少なくとも約３ミクロンまたはより大きい平均厚さを有してよい。

当技術分野で概して既知である任意の技術を、ドナー構造体を形成するのに用いてよいことに留意されたい。例えば、ドナー構造体を、層移動プロセス、後側腐食プロセス、またはＳＩＭＯＸプロセスを用いて形成してよい。

任意の上述したプロセスによって、厚さが、デバイス層の第２構造体への移動を行うのに充分である限り、上述した範囲および最小厚さの値は、厳密に、本発明に欠かせないものではないことに更に留意されたい。

図１Ａを再び参照すると、水素および／またはヘリウムイオンのようなイオンを、実質的に均一な深さにおいて注入表面１６内に注入する。例示的な実施形態において、イオンを、注入深さＤ_１まで注入表面１６を通過しておよびハンドル層２０内に注入し、Ｄ_１は、デバイス層と中間層を組合せた厚さよりも大きい。しかしながら、別の実施形態において、イオンがハンドル層に到達しないように、イオンを、注入表面１６を通過しておよび中間層２２内に注入してよい。実施形態において、結合層を、注入を行う前に注入表面に堆積し、注入深さＤ_１が、結合層の追加された厚さを占めるように増加してよいことに留意されたい。イオン注入は、イオンが注入されている層内の損傷層２４を規定する。例示的な実施形態において、図１Ａに示すように、イオン注入は、ハンドル層２０内における損傷層２４を規定する。

一般に、イオンは、所定の平均厚さまで注入され、該平均深さは、次の結合および離層プロセスの際にデバイス層１４の満足な移動を確実にするのに充分である。好ましくは、注入深さは、デバイス層とともに移動されるハンドル層２０および／または中間層の量を減少するように最小限にされる。概して、イオンを、少なくとも約２００オングストロームまたはさらに少なくとも約１ミクロンの深さまで、デバイス層および中間層の厚さに依存して、注入表面の下に注入する。いくつかの実施形態において、イオンを、少なくとも約２０ｎｍ、典型的には、少なくとも約９０ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍまたはさらに少なくとも約５００ｎｍの深さまで注入する。しかしながら、より大きな注入深さは、中間層および／またはハンドル層の量（デバイス層を露出するように、離層した後に除去する必要がある）を単に増加させるので、より大きな注入深さは、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずに用いられ得ることに留意されたい。そのため、イオンを、約２００オングストローム〜約１ミクロンまたはさらに約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの深さまで注入することは好まれることがある。

イオン注入は、当技術分野で既知の手段を用いて達成できる。例えば、注入は、米国特許第６，７９０，７４７号のプロセスに従う様式で達成できる（当該特許の全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる）。いくつかの実施形態において、水素を、少なくとも約１×１０^１６イオン／ｃｍ^２、少なくとも約２×１０^１６イオン／ｃｍ^２、少なくとも約１×１０^１７イオン／ｃｍ^２、またはさらに少なくとも約２×１０^１７イオン／ｃｍ^２の添加量において注入するのに、例えば、少なくとも約１０ｋｅＶ、少なくとも約２０ｋｅＶ、少なくとも約８０ｋｅＶ、または少なくとも約１２０ｋｅＶのエネルギーを用いてよい。典型的には、注入される水素の濃度は、約２×１０^１６イオン／ｃｍ^２〜約６×１０^１６イオン／ｃｍ^２であってよい。水素を、本発明の特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずに、Ｈ_２ ⁺としてまたは代替的には、Ｈ⁺として注入できることに留意されたい。

他の実施形態において、ヘリウムを、少なくとも約５×１０^１５イオン／ｃｍ^２、少なくとも約１×１０^１６イオン／ｃｍ^２、少なくとも約５×１０^１６イオン／ｃｍ^２、またはさらに少なくとも約１×１０^１７イオン／ｃｍ^２の添加量において注入するのに、例えば、少なくとも約１０ｋｅＶ、少なくとも約２０ｋｅＶ、または少なくとも約３０ｋｅＶ、少なくとも約５０ｋｅＶ、少なくとも約８０ｋｅＶまたはさらに少なくとも約１２０ｋｅＶのエネルギーを用いてよい。典型的には、注入されるヘリウムの濃度は、約１×１０^１６イオン／ｃｍ^２〜約３×１０^１６イオン／ｃｍ^２であってよい。

他の実施形態において、水素とヘリウムイオンの両方を注入する。水素とヘリウムの両方の組合せの注入を、同時に、またはヘリウムの前に水素を注入することにより、または代替的に水素の前にヘリウムを注入することにより連続して行ってよいことに留意されたい。まず、ヘリウムを、少なくとも約５×１０^１５イオン／ｃｍ^２、少なくとも約１×１０^１６イオン／ｃｍ^２、少なくとも約５×１０^１６イオン／ｃｍ^２、またはさらに少なくとも約１×１０^１７イオン／ｃｍ^２の添加量において注入するように、少なくとも約１０ｋｅＶ、少なくとも約２０ｋｅＶ、または少なくとも約３０ｋｅＶ、少なくとも約５０ｋｅＶ、少なくとも約８０ｋｅＶ、またはさらに少なくとも約１２０ｋｅＶを用いてヘリウムを注入することにより、および次いで、少なくとも約１０ｋｅＶ、少なくとも約２０ｋｅＶ、または少なくとも約３０ｋｅＶ、少なくとも約５０ｋｅＶ、少なくとも約８０ｋｅＶ、またはさらに少なくとも約１２０ｋｅＶを用いて、水素を、少なくとも約５×１０^１５イオン／ｃｍ^２、少なくとも約１×１０^１６イオン／ｃｍ^２、少なくとも約５×１０^１６イオン／ｃｍ^２、またはさらに少なくとも約１×１０^１７イオン／ｃｍ^２の添加量で注入して、水素を、ヘリウムと実質的に同じ深さまで注入することにより、好ましくは、水素およびヘリウムを連続して注入する。１つの実施形態において、例えば、約１×１０^１６のＨｅ⁺イオン／ｃｍ^２を、約３６ｋｅＶを用いてドナー構造体内に注入し、その後に、約４８ｋｅＶで注入される約０．５×１０^１６のＨ_２ ⁺イオン／ｃｍ^２または代替的に、約２４ｋｅＶで注入される約１×１０^１６のＨ⁺イオン／ｃｍ^２を、ドナー構造体内に注入する。後のイオンのドナー構造体内への注入を行うのに必要なエネルギーの特定量は、選択されるイオンの種類と形態、材料の結晶構造（イオンを、そこを通過しおよびその中に注入する）および所望の注入深さに依存する。注入を、このような注入に適した任意の温度において行ってよいことに留意されたい。しかしながら、典型的には、注入を室温で行ってよい。これに関して、言及された注入温度は地球温度であることおよび局所的な温度の急上昇は、イオン注入の性質に起因して、イオンビームの行われる場所で生じ得ることに更に留意されたい。

注入を行った後、ドナー構造体１０を熱処理して、損傷層２４における離層面の形成を開始してよい。例えば、ドナー構造体を約１５０℃〜約３７５℃の温度で約１時間〜約１００時間に亘って熱処理してよい。代替的な実施形態において、以下に示すように、この熱処理を、ドナー構造体１０を第２構造体２６に結合した後に行う熱処理と組合せてよく、同時に、ドナー構造体１０と第２構造体２６との間の結合を強化し、および損傷層２４における離層面を形成し始める。

Ｂ．ハンドルウエハ構造体
図１Ｂを参照すると、第２構造体２６は、結合表面２８を有する単一のウエハまたは多層ウエハを含む。例示的な実施形態において、図１Ｂに示すように、第２構造体２６は単一のウエハである。第２構造体２６は、サファイア、石英結晶、ガラス、シリコンカーバイド、シリコン、ゲルマニウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、ガリウムアルミニウムナイトライド、またはそれらの任意の組合せから成る群から選択した材料から成ってよい。１つの実施形態において、第２構造体２６は、サファイアウエハを含む。

Ｃ．ウエハの結合およびデバイス層への移動
一旦、ドナー構造体１０と第２構造体２６が、製造または選択されると、最終的な多層結晶構造体の形成は、ドナー構造体１０のデバイス層１４を第２構造体２６上に移動することを含む。一般的に言えば、デバイス層１４の注入表面１６を第２構造体２６の結合表面２８に接触させて、２つの表面間に結合界面３２を有する単一の結合構造体３０を形成することおよび次いで、結合構造体を、損傷層２４に沿って形成されている離層面に沿って離層または分離することによって、この移動は達成される。

結合前に、注入表面１６および／または結合表面２８は、当技術分野で既知の技術を用いて、必要に応じて洗浄され、簡素にエッチングされ、および／または平坦化され、これらの結合用表面を形成する。特定の理論に縛られずに、結合前の両表面の質は、得られる結合界面の質または強度に対する直接的な影響を有するということが概して考えられる。

注入表面１６および／または結合表面２８を更に調整することに代えてまたは加えて、ドナー構造体を第２構造体に結合する前に、結合層を注入表面および／または結合表面上に形成してよい。結合層をドナー構造体上に形成する際に、このような形成を、注入工程の前後で行ってよいことに留意されたい。結合層は、ドナー構造体を、例えば、二酸化シリコンのような酸化物層、シリコンナイトライド、ＴＥＯＳのような堆積された酸化物、および結合接着剤を含む第２構造体に結合するのに適した任意の材料を含んでよい。特定の理論に縛られずに、結合層を含むことは、ドナー構造体１０と第２構造体２６の間の結合界面をもたらして、ドナー構造体１０と第２構造体２６との直接結合の間に生じ得る界面の隙間の形成を防ぐ。熱的な酸化物の成長温度は、少なくとも約８００℃〜約１１００℃である範囲であってよく、および結合層の厚さは、典型的には、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲である。結合層が成長する雰囲気は、典型的には、酸素、窒素、アルゴン、および／または乾式酸化のためのそれらの混合体および湿式酸化のための水蒸気を含む。ＣＶＤ堆積酸化物を、典型的には、低温（すなわち、約４００℃〜約６００℃）において堆積する。更に、いくらかの結合接着剤を、室温またはわずかにより高温で少なくとも１ミクロンの厚さにおいて適用し、および次いで約２００℃までの温度において、焼きまたは硬化してよい。

表面粗さは、より低い表面粗さの値がより高い質の表面に対応することにより、表面の質を定量的に測定する１つの方法である。従って、デバイス層１４の注入表面１６および／または第２構造体２６の結合表面２８に、表面粗さを減少するプロセスが行われてよい。例えば、１つの実施形態において、表面粗さ（または凹凸、roughness）は、約５オングストロームより小さい。この低下したＲＭＳ値は、洗浄および／または平坦化によって、結合する前に達成できる。親水性表面作製プロセスのような、湿式化学洗浄方法に従って洗浄を行ってよい。１つの一般的な親水性表面作製プロセスは、ＲＣＡ ＳＣ１洗浄プロセスであり、表面を、アンモニア水素化物と水素過酸化物と水とを含む溶液に、例えば、１：４：２０等の所定比率において約６０℃で約１０分に亘って接触させ、次いで、脱イオン化水の洗い流しおよびにスピンドライを行う。平坦化を、化学機械研磨（ＣＭＰ）技術を用いて行ってよい。更に、湿式洗浄プロセスの前後またはその代わりに、１つまたは両方の表面に、プラズマ活性化を行って、得られる結合強度を増加できる。プラズマ環境は、例えば、酸素、アンモニア、アルゴン、窒素、ジボラン、またはホスフェートを含んでよい。１つの好ましい実施形態において、プラズマ活性化環境は、窒素、酸素、およびそれらの組合せから成る群から選択される。

図２を参照すると、デバイス層１４の注入表面１６と第２構造体２６の結合表面２８とを結合して、結合界面３２を形成することにより、ドナー構造体１０を、第２構造体２６に結合する。一般的に言えば、結合界面の形成を達成するのに用いるエネルギーが、離層または分離による層移動のような後の処理の間に結合界面の一体化が維持されることを確実にするのに充分である場合に、ウエハの結合は、任意の基本的な従来技術を用いて達成できる。しかしながら、典型的には、デバイス層と第２構造体との表面を室温で接触させ、次いで、約５００ｍＪ／ｍ^２、約７５０ｍＪ／ｍ^２、約１０００ｍＪ／ｍ^２以上またはそれより大きい結合強度を有する結合界面を形成するのに充分な時間に亘って低温熱アニールすることによって、ウエハの結合を達成する。このような結合強度の値を達成するように、典型的には、加熱を、少なくとも約２００℃、約３００℃、約４００℃、またはさらに約５００℃の温度で少なくとも約５分、約３０分、約６０分、またはさらに約３００分の所定時間に亘って行う。上述したように、１つの実施形態において、この低温熱アニールを、結合前のドナー構造体１０の前記熱処理に加えてまたは代わりに行ってよい。１つの実施形態において、ドナー構造体１０は、結合前に熱アニールされず、結合構造体３０の低温熱アニールは、結合界面の強化と、損傷層２４に沿って位置した離層面の形成との両方を容易にする。

図３を参照すると、結合界面３２を形成した後において、得られた結合構造体３０は、ハンドル層２０内において損傷層２４に沿って破断を生じさせるのに充分な条件に暴露される。一般的に言えば、この破断は、例えば、機械的または熱的離層により従来技術を用いて達成できる。しかしながら、典型的には、破断を生じさせるように結合構造体を高温で所定時間に亘ってアニールすることにより、破断は達成される。例えば、アニール温度は、少なくとも約２００℃、少なくとも約２５０℃またはそれより高い温度であってよい。いくつかの実施形態において、アニールは、さらに、少なくとも約３５０℃、約４５０℃、約５５０℃、約６５０℃、またはさらに約７５０℃、典型的には、約２００〜約７５０℃の温度、および更に典型的には約２００℃〜約４００℃の温度で行ってよい。しかしながら、（例えば、シリコンおよびサファイアを含む）様々な材料の異なる熱膨張係数に起因して、ドナー構造体とハンドルとの間の熱的ミスマッチのために、より低温において上述したアニールを行うことはしばしば好まれることに留意されたい。そして、アニールは、好ましくは、約２００℃〜約３００℃のアニール温度を用いて行ってよい。アニールは、少なくとも約５分、約３０分、約６０分、またはさらに約３００分の所定時間に亘って行われる。より高いアニール温度は、より短いアニール時間を必要とし、および逆の場合も同じである。アニール工程を、外気中または例えば、アルゴンもしくは窒素のような不活性雰囲気下で行ってよい。

１つの好ましい実施形態において、分離（すなわち、ハンドル層２０内において損傷層２４に沿って構造体を破断させること）は、単独で、またはアニールプロセスに加えて、機械的な力の適用を含む。このような機械的な力を適用する実際の手段は、本発明に不可欠ではない；すなわち、デバイス層に対する実質的な損傷を回避する限り、機械的な力を適用して半導体構造の分離を生じさせる任意の既知の方法を使用できる。

図３を再度参照すると、２つの構造体（３４と３６）は、分離する際に形成される。結合構造体３０の分離がハンドル層２０において損傷層２４に沿って生じおよび離層面が、結合界面３２と一致するのではなくハンドル層２０内に存在する場合に、ハンドル層の一部分は、両構造体の一部である（すなわち、ハンドル層の一部分を、中間層２２およびデバイス層１４とともに移動する）。例示的な実施形態において、構造体３４は、ハンドル層２０のいくらかの部分３８を含む。構造体３６は、第２構造体２６と、デバイス層１４と、中間層２２と、その表面上のハンドル層２０の残留部分４０とを含む。代替的な実施形態において、イオンを所定深さまで注入して、完全に中間層内に損傷層を形成し、構造体３４は、全体のハンドル層と必要に応じて中間層の一部分とを含み、および構造体３６は、第２構造体２６と、デバイス層１４と、中間層２２の全てまたは一部分とを含む。

存在する場合に、ハンドル層２０の残留部分４０は、イオンをハンドル層２０内に注入する深さに概ね等しい厚さ（Ｔ）を有する。従って、この厚さ（Ｔ）は、典型的には、１０ｎｍよりも大きい。例えば、場合によっては、残留層は、必要に応じて、少なくとも約２０ｎｍ、約５０ｎｍ、約７５ｎｍ、約１００ｎｍ、２００ｎｍまたはそれより大きい厚さであってよい。好ましくは、厚さ（Ｔ）は、分離する際のデバイス層１４に対する損傷を回避するのに充分である；例えば、１つの好ましい実施形態において、残留部分は、約２０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚さの間である。

２．層移動後の多層結晶構造体の完成
Ａ．残りのハンドル層の除去
本発明に従い、および図３、４を参照すると、デバイス層１４と、中間層２２の少なくとも一部分と、必要に応じてハンドル層２０の残留部分４０とを第２構造体２６に移動して結合構造体３０を形成した後に、結合構造体３０に付加的なプロセスを行い、その上へのデバイス作製のための所望の特徴を有する多層結晶構造体を製造する。例えば、ハンドル層２０の残留部分４０が存在する場合に、１以上のプロセス工程を結合構造体３０に行い、この残留部分および中間層２２を除去できる。本質的に任意の従来技術を使用できるけれども、残留部分４０および中間層２２は、好ましくはエッチングにより除去される。エッチング組成物は、ハンドル層２０の残留部分４０の組成物、中間層２２の組成物、および腐食液の選択を含む様々な要因に従って選択できる。１つの実施形態において、ハンドル層２０の全体の残留部分４０と実質的に全体の中間層２２は、ＮＨ_４ＯＨ、Ｈ_２Ｏ_２およびＨ_２Ｏを含む腐食液を用いた湿式エッチングプロセスにより除去される。この腐食液は、概して当業者に既知であり、および一般的に「ＳＣｌ」溶液と言う。除去される層の厚さと、ＳＣｌ組成物の正確な組成と、腐食が行われる温度とに依存するこのような腐食時間に亘って、約５０℃〜約８０℃の温度で、典型的には、このような腐食プロセスを行う。別の実施形態において、ＫＯＨ溶液は、ハンドル層を除去するのに使用でき、およびＨＦ溶液は、中間層を除去するのに使用できる。好都合的に、ＨＦ溶液は、デバイス層表面を粗面化せずに中間層を除去する。更に別の実施形態において、ＳＣｌ溶液は、ハンドル層を除去するのに使用され、およびＨＦ溶液は、中間層を除去するのに使用される。

図４に示すように、最終的な多層結晶構造体４２は、第２構造体２６とデバイス層１４とを含む。１つの好ましい実施形態において、最終的な多層結晶構造体４２は、そこに結合されたシリコン層を有するサファイア層を含む。

３．多層結晶構造体
本発明に従って製造された多層結晶構造体は、約３００μｍ〜約８００μｍの厚さの範囲である実質的に均一な厚さを有することができる。好ましくは、これらまたは他の実施形態において、デバイス層は、約２０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚さを有し、および第２構造体は、約３００μｍ〜約８００μｍの厚さを有する。

本発明に従って製造された多層結晶構造体は、様々な技術に使用できる。例えば、本発明の多層結晶構造体は、超小型装置と本発明の多層結晶構造体とを含む多層超小型装置の製造に用いるのに適している。適切な超小型装置は、限定されるものではないが、トランジスタおよびアンテナ構造を含む。

Claims (26)

1. 多層結晶構造体の製造方法であって、該方法が：
   水素、ヘリウムおよびそれらの組合せから成る群から選択したイオンをドナー構造体内に注入し、
   該ドナー構造体が、中央軸と、中央軸に対してほぼ垂直である注入表面およびデバイス表面を有するデバイス層であって、デバイス層の注入表面からデバイス表面まで軸方向に延在している平均厚さ（ｔ）を有するデバイス層と、ハンドル層と、デバイス層とハンドル層との間においてドナー構造体の中央軸に沿って配置した中間層と、を含んでおり、
   イオンを、注入表面内を通過してデバイス層の厚さ（ｔ）よりも大きい注入深さＤ１まで、ドナー構造体内に注入して、注入したドナー構造体内に損傷層を形成し、該損傷層が、軸に対してほぼ垂直であり、および中間層および/またはハンドル層に位置しており；
   注入したドナー構造体を第２構造体に結合して、結合構造体を形成し；
   損傷層に沿ってドナー構造体を離層して、第２構造体とデバイス層と残留材料とを含む多層結晶構造体を形成し、該残留材料が、中間層の少なくとも一部分と必要に応じてハンドル層の一部分とを含み；および
   残留材料を多層結晶構造体から除去する、
   多層結晶構造体の製造方法。
2. 少なくとも約１０ｋｅＶの注入エネルギーを用いて、イオンを注入する、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも約８０ｋｅＶの注入エネルギーを用いて、イオンを注入する、請求項１に記載の方法。
4. １２０ｋｅＶ以下の注入エネルギーを用いて、イオンを注入する、請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも約１×１０^１６イオン/ｃｍ^２をドナー構造体内に注入する、請求項１に記載の方法。
6. 少なくとも約２×１０^１６イオン/ｃｍ^２をドナー構造体内に注入する、請求項１に記載の方法。
7. 少なくとも約１×１０^１７イオン/ｃｍ^２をドナー構造体内に注入する、請求項１に記載の方法。
8. 少なくとも約２×１０^１７イオン/ｃｍ^２をドナー構造体内に注入する、請求項１に記載の方法。
9. 離層面の形成を開始するのに、注入したドナー構造体を熱処理することを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 注入したドナー構造体を熱処理することが、約１５０℃〜約３００℃の温度で約１時間〜約１００時間に亘って注入したドナー構造体を加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 注入したドナー構造体を第２構造体に結合することが、ドナー構造体と第２構造体との間の結合を強化しおよび損傷層を形成するように、結合構造体を熱処理することを含む、請求項１に記載の方法。
12. 結合構造体を熱処理することが、結合構造体に低温熱アニールを行うことを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 低温熱アニールが、約１５０℃〜約６００℃の温度で約１分〜約１００時間に亘って多層構造体を加熱することを含む、請求項１１に記載の方法。
14. デバイス層が、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、ガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素またはそれらの任意の組合せから成る群から選択した材料を含む、請求項１に記載の方法。
15. 中間層が、誘電層である、請求項１に記載の方法。
16. 中間層が、二酸化シリコンとシリコンナイトライドとから成る群から選択した材料を含む、請求項１５に記載の方法。
17. ハンドル層が、分離可能な材料を含む、請求項１に記載の方法。
18. ハンドル層が、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、ガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素またはそれらの任意の組合せから成る群から選択した材料を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 第２構造体を、サファイア、石英結晶、ガラス、シリコンカーバイド、シリコン、ゲルマニウムナイトライド、アルミニウムナイトライド、ガリウムアルミニウムナイトライド、ガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素またはそれらの任意の組合せから成る群から選択する、請求項１に記載の方法。
20. ドナー構造体を注入することが、ドナー構造体のデバイス層内を通過して中間層内に、ヘリウムと水素とから成る群から選択した原子を注入することを含む、請求項１に記載の方法。
21. イオンを、少なくとも約２００オングストロームの深さＤ１まで注入する、請求項１に記載の方法。
22. イオンを、注入表面の下に約２００オングストローム〜約１ミクロンの深さＤ１まで注入する、請求項１に記載の方法。
23. イオンを、デバイス層の下に約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの深さＤ１まで注入する、請求項１に記載の方法。
24. 第２構造体が、サファイアから成る群から選択した材料を含む、請求項１に記載の方法。
25. 第２構造体が、多層基板を含む、請求項１に記載の方法。
26. 当該方法が、ドナー構造体を第２構造体に結合する前に、結合層を、第２構造体およびデバイス層の少なくとも１つの上に堆積または成長させることを更に含む、請求項１に記載の方法。

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