JP2014049581A - Composite substrate and manufacturing method of composite substrate - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板を有する複合基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a composite substrate having a semiconductor substrate and a method for manufacturing the same.
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。
In recent years, in order to improve the performance of semiconductor devices, development of techniques for reducing parasitic capacitance has been promoted. As a technique for reducing this parasitic capacitance, there is an SOS (Silicon On Sapphire) structure. In this SOS structure, it is necessary to bond substrates made of different materials. As a method for bonding substrates made of such different materials, there is a technique described in Patent Document 1, for example.
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。 However, in the technique described in Patent Document 1, when an ion beam or a neutron beam is irradiated to activate the bonding surface, there is a possibility that a metal floating in the chamber of the bonding apparatus is mixed into the bonding interface. For this reason, even when the technique described in Patent Document 1 is applied when forming the SOS structure, the metal may diffuse to the silicon side, which is the functional layer of the semiconductor element, and may adversely affect the operation of the semiconductor element. It was.
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、半導体層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。 The present invention has been conceived under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a composite substrate and a composite substrate in which metal is prevented from being mixed into a semiconductor layer.
本発明の複合基板に係る実施形態では、絶縁材料からなる支持基板と、前記支持基板上に配置された、Al,Ti,WおよびZrのいずれかの化合物である絶縁材料を主成分とする第1中間層と、前記第1中間層上に配置された、前記支持基板および前記第1中間層とは異なる金属元素の化合物である絶縁性材料を主成分とする第2中間層と、前記第2中間層上に配置された単結晶の半導体層とを有し、前記第1中間層には、前記支持基板を構成する主成分の元素と、前記半導体層を構成する主成分の元素と、Al,Ti,WおよびZrとを除く金属原子が、厚み方向において前記支持基板と接する側から離れるにつれて濃度が低くなるように分布しているものである。 In the embodiment according to the composite substrate of the present invention, the first component is mainly composed of a support substrate made of an insulating material and an insulating material that is a compound of any one of Al, Ti, W, and Zr disposed on the support substrate. A first intermediate layer, a second intermediate layer that is disposed on the first intermediate layer, and includes an insulating material that is a compound of a metal element different from the support substrate and the first intermediate layer; 2 having a single-crystal semiconductor layer disposed on the intermediate layer, and the first intermediate layer includes a main component element constituting the support substrate, a main component element constituting the semiconductor layer, and Metal atoms other than Al, Ti, W, and Zr are distributed so that the concentration decreases as they move away from the side in contact with the support substrate in the thickness direction.
本発明の複合基板の製造方法に係る実施形態では、絶縁材料からなる支持基板を準備する工程と、低抵抗の単結晶半導体基板上に、厚み方向に前記単結晶半導体基板と接する側から離れるにつれてドーパントの濃度が低下するようなドーパント濃度変化領域を有するエピタキシャル膜を形成する工程と、前記エピタキシャル膜の表面に、前記単結晶半導体基板を構成する主成分との化合物である絶縁性材料を主成分とする第2中間層を形成する工程と、前記第2中間層の表面に、Al,Ti,WおよびZrのいずれかの化合物からなる絶縁材料を主成分とする第1中間層を形成する工程と、前記第1中間層の表面および前記支持基板の一主面を常温で活性化する工程と、活性化した前記第1中間層の前記表面および前記支持基板の前記一主面を、前記支持基板を構成する主成分の元素と、前記エピタキシャル膜を構成する主成分の元素と、Al,Ti,WおよびZrとは異なる金属材料を挟持して接触させることによって両者を接合する工程と、前記エピタキシャル膜のうち、前記第2中間層側の面から続く一部を半導体層として残すように、前記単結晶半導体基板および前記エピタキシャル膜の前記ドーパント濃度変化領域の少なくとも一部を、ドーパ
ント濃度によってエッチングレートが変わるエッチャントを用いて選択エッチングして除去する工程と、前記金属材料を構成する金属元素と前記第1中間層を構成する主成分の元素とが凝集開始する温度に比べて高い温度で加熱することにより、前記金属材料を構成する金属原子を、前記第1中間層中において前記支持基板に接する側の面から離れるにつれてその濃度が低下するように移動・固定化させる工程とを有し、前記第1中間層を形成する工程および前記第2中間層を形成する工程は、それぞれ前記エピタキシャル層の前記ドーパントが飽和しない温度で前記第1中間層または前記第2中間層を形成するものである。
In the embodiment according to the method for manufacturing a composite substrate of the present invention, a step of preparing a support substrate made of an insulating material, and on a low-resistance single crystal semiconductor substrate, as the distance from the side in contact with the single crystal semiconductor substrate increases in the thickness direction. The main component is an insulating material that is a compound of a step of forming an epitaxial film having a dopant concentration change region that lowers the dopant concentration and a main component constituting the single crystal semiconductor substrate on the surface of the epitaxial film. And a step of forming a first intermediate layer mainly composed of an insulating material made of any one of Al, Ti, W and Zr on the surface of the second intermediate layer. And a step of activating the surface of the first intermediate layer and one main surface of the support substrate at room temperature, and the surface of the activated first intermediate layer and the one main surface of the support substrate The step of joining the main substrate element constituting the support substrate and the main component element constituting the epitaxial film by sandwiching and contacting a metal material different from Al, Ti, W and Zr. And at least a part of the dopant concentration changing region of the single crystal semiconductor substrate and the epitaxial film so as to leave a part of the epitaxial film continuing from the surface on the second intermediate layer side as a semiconductor layer. Higher than the temperature at which selective etching is performed using an etchant whose etching rate changes depending on the concentration, and the temperature at which the metal element constituting the metal material and the main component element constituting the first intermediate layer start to aggregate By heating at a temperature, metal atoms constituting the metal material are brought into contact with the support substrate in the first intermediate layer. And the step of forming the first intermediate layer and the step of forming the second intermediate layer are respectively performed by the epitaxial layer. The first intermediate layer or the second intermediate layer is formed at a temperature at which the dopant is not saturated.
本発明によれば、金属拡散を抑制した半導体層を有する複合基板およびその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite substrate which has a semiconductor layer which suppressed metal diffusion, and its manufacturing method can be provided.
本発明の複合基板の実施形態の一例について、その製造方法とともに、図面を参照しつつ説明する。 An example of an embodiment of a composite substrate according to the present invention will be described together with a manufacturing method thereof with reference to the drawings.
<支持基板準備工程>
まず、図1(a)に示すように、支持基板10を用意する。支持基板10は絶縁材料からなる。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後の半導体層22を含む構造体を支持するものである。そして、支持基板10は、半導体層22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。サファイアの結晶面は特に限定されないが、R面を用いることが好ましい。R面を用いることにより、後述のエピタキシャル膜21を構成するSiとの格子定数を近付けることができる。
<Support substrate preparation process>
First, as shown in FIG. 1A, a
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。
Examples of the thickness of the
支持基板10のD1方向の上面、すなわち一方主面10aは、その算術平均粗さが小さいことが好ましく、具体的には5nm以下とすることが好ましい。
The upper surface of the
<エピタキシャル膜形成工程>
次に、図1(b)に示すように、単結晶半導体基板20(単に半導体基板20ということもある)を用意する。ここで、半導体基板20を構成する材料として、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。半導体基板20は、p型またはn型のいずれでもよく、その抵抗値も適宜選択できるが、低抵抗な電気特性を有するように、ドーパント濃度として、相対的に高濃度のp++およびn++、ならびに中濃度のp+およびn+のものを採用する。p++のドーパント濃度としては、1×1018以上1×1021〔atoms/c
m3〕以下の範囲が挙げられる。p+のドーパント濃度としては、1×1016以上1×1018〔atoms/cm3〕未満の範囲が挙げられる。n++のドーパント濃度としては、5×1017以上1×1021〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。n+のドーパント濃度としては、5×1015以上5×1017〔atoms/cm3〕未満の範囲が挙げられる。本実施形態では、p型でドーパント濃度がp++のものを採用する。なお、「p」および「n」の右上に記載している「++」および「+」の記載は、シリコンの抵抗値を基準とするものである。
<Epitaxial film formation process>
Next, as shown in FIG. 1B, a single crystal semiconductor substrate 20 (sometimes simply referred to as a semiconductor substrate 20) is prepared. Here, as a material constituting the
m 3 ] The following ranges may be mentioned. Examples of the p + dopant concentration include a range of 1 × 10 16 or more and less than 1 × 10 18 [atoms / cm 3 ]. Examples of the n ++ dopant concentration include a range of 5 × 10 17 to 1 × 10 21 [atoms / cm 3 ]. Examples of the n + dopant concentration include a range of 5 × 10 15 or more and less than 5 × 10 17 [atoms / cm 3 ]. In this embodiment, a p-type dopant having a p ++ concentration is employed. Note that “++” and “+” written in the upper right of “p” and “n” are based on the resistance value of silicon.
この半導体基板20の上面(図のD2方向)にエピタキシャル膜21を成長させる。エピタキシャル膜21も単結晶Siで形成されている。エピタキシャル成長の方法としては、単結晶半導体基板20を加熱しながら、当該単結晶半導体基板20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。このエピタキシャル膜21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(所謂ヘテロエピ成長の場合)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。具体的にはCZ法で形成したシリコン基板では酸素が、1018〔atoms/cm3〕以上存在するのに対して、エピタキシャル膜21では2×1017〔atoms/cm3〕以下とすることができる。
An
ここで、エピタキシャル膜21のドーパント濃度は、単結晶半導体基板20よりもドーパントが少ないものを採用できる。この例では、エピタキシャル膜21は、単結晶半導体基板20と接する面から上面側に向かって、すなわちD1方向からD2方向に向かって、ドーパント濃度が徐々に低くなるように形成されるドーパント濃度変化領域21xを有する。エピタキシャル膜21のうちドーパント濃度変化領域21x以外の領域では、ドーパント濃度変化領域21x中の最も低いドーパント濃度よりも低い濃度であればよく、ドーパント濃度傾斜はなくてもよいし、ドーパント濃度変化領域21xから続いて上面部まで連続的に減少するようなドーパント濃度傾斜を有していてもよい。
Here, the dopant concentration of the
このエピタキシャル膜21のD2方向における上面部は、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、1×1016〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。n−のドーパント濃度としては、5×1015〔atoms/cm3〕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。この例ではドーパントとしてボロン(B)を用いている。
The upper surface portion in the D2 direction of the
このようなドーパントの濃度分布は、成膜時にドーパント供給量を調整することにより形成してもよいし、半導体基板20のドーパントを拡散させながら形成してもよい。
Such a dopant concentration distribution may be formed by adjusting the dopant supply amount during film formation, or may be formed while diffusing the dopant of the
また、エピタキシャル膜21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。
The thickness of the
<第2中間層形成工程>
次に、図1(c)に示すように、エピタキシャル膜21のD2方向の上面に、第2中間層30yを形成する。第2中間層30yは、絶縁体であり、支持基板10を構成する主成分の金属元素を含まず、かつ、後の半導体層22を含むエピタキシャル膜21を構成する主成分の元素を主成分として含むものとすることが好ましい。このような構成とすることにより、半導体層22への不要の不純物の混入を抑制することができる。
<Second intermediate layer forming step>
Next, as shown in FIG. 1C, a second
このような第2中間層30yとしては、例えば、酸化シリコン(SiOx)を用いることができる。成膜方法としては、原子層堆積(Atomic Layer Deposition :ALD)法、スパッタ法等、成膜時に基板を高温で加熱する必要のないものを用いる。具体的な成膜温度の上限値としては、エピタキシャル膜21におけるドーパント濃度分布を変化させないような温度が好ましく、500℃以下とする。ALD法やスパッタ法により成膜する場合には、基板温度は200℃〜400℃程度であるため、エピタキシャル膜21中のドーパント濃度分布を変化させることがない。特に、ドーパントとしてBを用いている場合には、他の元素をドーパントとして用いる場合に比べて拡散しにくいため、より確実に成膜によるドーパント濃度分布変化を抑制することができる。
For example, silicon oxide (SiOx) can be used as the second
この例ではALD法により成膜している。具体的には、シリコンを原料として含むテトラエチルオシロシリケートや四塩化珪素,六塩化珪素,TEOS,アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシラン等の金属原料ガスと、酸素を原料として含む水蒸気やオゾンガス等の酸素供給ガスとを交互に基板表面に流し、各ガスの間には、Ar等の不活性ガスでパージすることで第2中間層30yを形成する。
In this example, the film is formed by the ALD method. Specifically, tetraethyl oscillosilicate containing silicon as a raw material, silicon tetrachloride, silicon hexachloride, TEOS, alkylsilane, alkoxysilane, aminosilane, fluorinated alkoxysilane, halogen silane and other metal raw material gases, and oxygen as a raw material A second
なお、第2中間層30yの結晶性は特に限定されず、多結晶体やアモルファスとして、後の半導体層22を含むエピタキシャル層21よりも低い結晶性を有するものとしてもよい。
Note that the crystallinity of the second
このような、第2中間層30yの厚みとしては特に限定されず、100nm以下の範囲を例示できるが、例えば30nmとすればよい。
The thickness of the second
<第1中間層形成工程>
次に、図1(d)に示すように、第2中間層30yのD2方向の上面(第2中間層30yのうちエピタキシャル膜21と接する側と反対側の面)に、第1中間層30xを形成する。第1中間層30xは、Al,Ti,W,Zrのいずれかを主成分の1つとする絶縁体からなる。例えば、Al,Ti,W,Zrの酸化物、窒化物等が挙げられる。特に、支持基板10を構成する主成分を構成する金属元素を含むことが好ましい。このため、酸化アルミニウム(AlOx)とすることが好ましい。
<First intermediate layer forming step>
Next, as shown in FIG. 1D, the first intermediate layer 30x is formed on the upper surface in the D2 direction of the second
このような第1中間層30xは、ALD法、スパッタ法等、成膜時に基板を高温で加熱する必要のない方法により成膜する。具体的な成膜温度の上限値としては、エピタキシャル膜21におけるドーパント濃度分布を変化させないような温度が好ましく、500℃以下とする。ALD法やスパッタ法により成膜する場合には、基板温度は200℃〜400℃程度であるため、エピタキシャル膜21中のドーパント濃度分布を変化させることがない。理由については後述するが、特にALD法により成膜することが好ましい。
The first intermediate layer 30x is formed by a method that does not require heating the substrate at a high temperature during film formation, such as ALD or sputtering. As a specific upper limit of the film formation temperature, a temperature that does not change the dopant concentration distribution in the
より具体的には、アルミニウムを原料としたトリメチルアルミニウム(TMA)と、H2Oガスまたは酸素ガスから発生させたラジカル酸素とを交互に基板表面に流し、各ガスの間には、Ar等の不活性ガスでパージすることで第1中間層30xを形成する。この成膜は約0.1nm/一原子層形成サイクルで形成し、1サイクルにかかる時間は数秒程度である。第1中間層30xの厚みは約50nmとすればよいが、タクトタイムの関係から、100nm以下で形成するとよい。 More specifically, trimethylaluminum (TMA) using aluminum as a raw material and radical oxygen generated from H 2 O gas or oxygen gas are alternately flowed on the substrate surface, and between each gas, Ar or the like The first intermediate layer 30x is formed by purging with an inert gas. This film is formed at a cycle of about 0.1 nm / one atomic layer, and the time required for one cycle is about several seconds. The thickness of the first intermediate layer 30x may be about 50 nm, but it is preferable to form the first intermediate layer 30x with a thickness of 100 nm or less because of the takt time.
ここで、ALD法において第1中間層30xの成膜温度は、通常のALD窓と言われる温度範囲内で決定される。ここでALD窓(ALD window)とは、均一な膜厚を得ることのできる、ALD法で用いられる前駆体(この例であればTMAとH2O)に特有の温度範囲を示す。TMAとH2Oを用いる場合には、この温度範囲として200℃〜300℃を例
示することができる。このように、第1中間層30xを通常の成膜方法に比べて低温で形成することができるので、エピタキシャル膜20中のドーパント分布状態を変化させることなく成膜することができる。
Here, in the ALD method, the film formation temperature of the first intermediate layer 30x is determined within a temperature range called a normal ALD window. Here, the ALD window (ALD window) indicates a temperature range peculiar to a precursor (TMA and H 2 O in this example) used in the ALD method capable of obtaining a uniform film thickness. In the case of using TMA and H 2 O, examples of this temperature range include 200 ° C. to 300 ° C. Thus, since the first intermediate layer 30x can be formed at a lower temperature than in a normal film formation method, the first intermediate layer 30x can be formed without changing the dopant distribution state in the
このようにして形成した第1中間層30の結晶性は特に限定されず、多結晶体やアモルファスとして、後の半導体層22を含むエピタキシャル層21よりも低い結晶性を有するものとしてもよい。
The crystallinity of the first
第1中間層30xの厚みとしては特に限定されず、100nm以下の範囲を例示できるが、例えば50nmとすればよい。 The thickness of the first intermediate layer 30x is not particularly limited, and a range of 100 nm or less can be exemplified, but may be 50 nm, for example.
また、第1中間層30x及び第2中間層30yを併せた中間層は、後の半導体層22から発生する熱を効率よく放熱するために、また、不要の寄生容量を形成しないためにも薄いことが好ましい。この厚みは、後の工程で第2中間層30y内に分布させる金属材料40の絶対量に応じて決定するが、例えば中間層全体で40nm以下とし、特に5nm以下とすることが好ましい。また、第1中間層30xと第2中間層30yとの膜厚は異なっていてもよい。
Further, the intermediate layer including the first intermediate layer 30x and the second
<接合工程>
次に、図2(a)に示すように、支持基板10の一方主面10aと、第1中間層30xの上面とを活性化し、この活性化した両表面を対向させるようにして、支持基板10と、単結晶半導体基板20上にエピタキシャル膜21、第2中間層30y、第1中間層30xを順に積層した積層体とを配置する。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。
<Joint process>
Next, as shown in FIG. 2 (a), the one main surface 10a of the
この活性化した両表面に、金属材料40を供給する。具体的には、金属材料40は、支持基板10を構成する主成分の元素と、後の半導体層22を含むエピタキシャル膜21を構成する主成分の元素と、第1中間層30xを構成する主成分の元素とを除く金属元素からなる。このような金属元素の材料を、支持基板10の一方主面10aと、第1中間層30xの上面とを活性化する際に同時に活性化し、原子を放出させ、対向配置された持基板10の一方主面10aと、第1中間層30xの上面との間に供給する。
A
このような金属材料40を構成す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。金属材料40は層状に存在させてもよいし、点在させてもよい。
Examples of the metal element constituting such a
なお、図面においては、金属材料40の存在を誇張して表示しているが、実際にはごく微量であり、例えば、1×1016〔atoms/cm3〕未満としている。
In the drawing, the presence of the
次に、図2(b)に示すように、活性化した支持基板10の一方主面10aと、第1中間層30xの上面とを接触させることにより、間に金属材料40を挟持させた状態で、両者を接合する。この接合を常温下で行ってもよい。常温下で接合することにより、エピタキシャル膜20中のドーパント分布を変化させることなく接合することができる。ここで、「常温」とは、室温程度が好ましいが、一般的な異種材料の基板接合技術において用いられる接合温度よりも低い温度範囲も含むものとする。例えば、300℃未満を例示できる。
Next, as shown in FIG. 2B, the
なお、この接合に際しては、樹脂系などの接着剤を使用しない方法が採用され、原子間力などを利用した固相接合(Solid State Bonding)によって、第1中間層30xと支持
基板10とが直接的に接合される。この固相接合によって接合する場合には、第1中間層30xおよび支持基板10は、接合する面の面粗さが小さいことが好ましい。この面粗さは、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。
In this connection, a method that does not use an adhesive such as a resin is adopted for this bonding, and the first intermediate layer 30x and the
ここで、金属材料40は、島状に点在していてもよいし、層を構成していてもよい。層を構成する場合であってもその厚みは5nm以下とする。この金属材料40は、支持基板10の一方主面10aと、第1中間層30xの上面とを接合する際に、接合強度を高める働きがある。
Here, the
ここまでの工程を経ることによって、支持基板10と単結晶半導体基板20との間に、第1中間層30x,第2中間層30yおよびエピタキシャル膜21を有する中間構造体ができる。
Through the steps so far, an intermediate structure having the first intermediate layer 30x, the second
なお、理由は明らかではないが、第1中間層30xをALD法以外の他の薄膜形成方法(スパッタリング法等)で作製したときには、表面を活性化して常温で接触させても、第1中間層30xと支持基板10とを接合することができない。
Although the reason is not clear, when the first intermediate layer 30x is produced by a thin film forming method other than the ALD method (sputtering method or the like), even if the surface is activated and contacted at room temperature, the first intermediate layer 30x 30x and the
<エッチング工程>
次に図2(c)に示すように、単結晶半導体基板20及びエピタキシャル膜21で構成される半導体部分の一部を除去し、所望の厚みに調整する。
<Etching process>
Next, as shown in FIG. 2C, a part of the semiconductor portion composed of the single
具体的には、矢印D1方向側(単結晶半導体基板20のうちエピタキシャル膜21に接していない側の面)から加工して、単結晶半導体基板20およびエピタキシャル膜21のドーパント濃度変化領域21xの少なくとも厚み方向の一部を除去する。ここで、単結晶半導体基板20およびエピタキシャル膜21の厚み方向の一部を除去する方法としては、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。この例では、ドーパント濃度によりエッチングレートが変わるエッチャントを用いて選択エッチングを行なう。
Specifically, processing is performed from the arrow D1 direction side (the surface of the single
この選択エッチングでは、ドーパント濃度の違いによってエッチングの速度が大きく変化する、選択性のエッチング液を採用することで可能となる。この選択性のエッチング液としては、例えばフッ酸、硝酸、および酢酸の混合液、ならびにフッ酸、硝酸、および水の混合液などが挙げられる。本実施形態では、フッ酸、硝酸、および酢酸の混合液をエッチング液として採用する。このエッチング液は、p型シリコンを採用している本変形例において、ドーパント濃度の減少とともにエッチングレートが低下し、ドーパント濃度が7×1017〜2×1018[atoms/cm3]を境にしてエッチング速度が著しく低下するように調整されている。このような急激にエッチングレートが変化するドーパント濃度を閾値とする。なお、選択性のエッチングをする他の方法としては、5%程度のフッ化水素溶液内での電界エッチング法、KOH溶液でのパルス電極陽極酸化法などが挙げられる。 This selective etching can be performed by employing a selective etching solution in which the etching rate varies greatly depending on the difference in dopant concentration. Examples of the selective etching solution include a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid, and a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and water. In the present embodiment, a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid is employed as an etching solution. In this modified example in which p-type silicon is used for this etching solution, the etching rate decreases as the dopant concentration decreases, and the dopant concentration is 7 × 10 17 to 2 × 10 18 [ atoms / cm 3 ] as a boundary. Thus, the etching rate is adjusted so as to be remarkably reduced. The dopant concentration at which the etching rate changes abruptly is set as a threshold value. Other methods for selective etching include an electric field etching method in about 5% hydrogen fluoride solution, a pulse electrode anodizing method in KOH solution, and the like.
ここで、半導体基板20はドーパント濃度が高く、エピタキシャル膜21は、単結晶半導体基板20と接する面から離れるに従いドーパント濃度が低下していくドーパント濃度変化領域21xを有する構成となっている。さらに、このドーパント濃度変化領域21xの厚み方向の途中において、ドーパント濃度が閾値となるように設定している。言い換えると、半導体基板20及びエピタキシャル膜21のドーパント濃度変化領域21xの内半導体基板20に接する側の面のドーパント濃度は閾値よりも大きく、エピタキシャル膜21のドーパント濃度変化領域21xのうち、半導体基板20と反対側の面のドーパント濃
度は閾値よりも小さくなっている。
Here, the
このため、単結晶半導体基板20側から、エピタキシャル膜21のドーパント濃度変化領域21xの厚み方向の途中まで、選択エッチング液を用いて一工程で除去し、かつ、所望の厚さを残してエッチングを停止することができる。
Therefore, the etching is performed in one process using the selective etching solution from the single
エピタキシャル膜21の残存部の上面を精密研磨して、厚みの均一性を向上させてもよい。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(SF6)、四フッ化炭素(CF4)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。
The upper surface of the remaining portion of the
このような工程を経て、エピタキシャル膜21のうち残った部分を、機能層として機能する半導体層22とする。
Through these steps, the remaining portion of the
<移動・固定化工程>
次に、図2(d)に示すように、支持基板10上に第1中間層30x、第2中間層30y、半導体層22が積層されたものを加熱する。加熱温度としては、金属材料40を構成する金属元素と第1中間層30xを構成する元素とが凝集開始する温度以上の温度とする。第1中間層30xが薄膜であるため、バルク体の物性値とは異なるが、例えば、AlとFeとの組み合わせの場合には550℃程度と考えられる。このような熱処理を行なうことにより、金属材料40を構成する金属原子が半導体層22側へと移動を開始する。ここで、第1中間層30xはAl,Ti,WおよびZrのいずれかを含有しており、金属原子のゲッタリング能力が高い。このため、第1中間層30x中において、金属材料40を構成する金属原子と第1中間層30xを構成するAl,Ti,WおよびZrのいずれかの原子とが反応し、金属原子が固定化される。このようにして、金属材料40を、第1中間層30xにおいて、支持基板10と接する側の面から離れるにつれて濃度が低くなるように分布させることができる。
<Transfer / Immobilization process>
Next, as illustrated in FIG. 2D, the stack of the first intermediate layer 30 x, the second
このような工程を経て、図3に示すような、支持基板10と半導体層22との間に第1中間層30x、第2中間層30yを有し、且つ、第1中間層30x中にのみ、金属元素40が存在し、その濃度は、厚み方向において支持基板10から離れるにつれて減少するように分布している、複合基板100を得ることができる。
Through such steps, the first intermediate layer 30x and the second
なお、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O2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。 In the above-described process, the process of cleaning the substrate or the like is not specified, but the substrate may be cleaned as necessary. Examples of the substrate cleaning method include various methods such as cleaning using ultrasonic waves, cleaning using an organic solvent, cleaning using chemicals, and cleaning using O 2 ashing. These cleaning methods may be employed in combination.
複合基板100は、支持基板10と半導体層22との間に2種類の中間層30x、30yを有する。半導体層22を含む構造体と支持基板10とを接合するときに、その接合界面に存在し接合強度を確保する金属材料40は、熱処理により移動・拡散可能である。このような金属材料40を、金属のゲッタリング効果の高い第1中間層30xにより、固定化し、第1中間層30x内に留めることができる。そして、半導体層22に比べ金属材料
40が凝集・移動・拡散しにくい第2中間層30yにより、確実に半導体層22への金属元素の拡散を防止するとともに、半導体層22と構成元素の異なる第1中間層30xの影響を低減することができる。
The
すなわち、中間層として、中間層の全てを第2中間層30yのみとすると、金属材料40の拡散を十分に抑制することができなかった。特に、支持基板10と半導体層22との間に介在する中間層の厚みは熱伝導性、寄生容量等を考慮すると50nm以下であることが望ましい。これに対して、中間層の全てを第2中間層30yで構成し、その厚みを薄くしていくと、金属材料40の半導体層22への拡散・凝集を抑制することが困難になってくる。このため、第2中間層30yに比べ金属原子へのゲッタリング効果の高い元素を含む第1中間層30xを追加することにより、薄い膜厚であっても半導体層22への金属材料40の拡散・凝集を抑制することができる。特に、第1中間層30xとしてAlを主成分の1つとするときには、支持基板10を構成するサファイアのAl原子との同一金属間の接合となるため、接合強度を確保することができる。
That is, if all the intermediate layers are only the second
一方、中間層の全てを第1中間層30xのみで構成する場合には、Al元素等の影響が半導体層22に及ぶ可能性があるため、中間層を2層に分けることが重要である。 On the other hand, when all of the intermediate layers are configured by only the first intermediate layer 30x, it is important to divide the intermediate layer into two layers because the influence of Al element or the like may reach the semiconductor layer 22.
上述より、第2中間層30yの膜厚は、第1中間層30xよりも薄くてもよく、例えば1/5以下とすることができる。これは、第2中間層30yは、第1中間層30x側から半導体層22側への金属材料40を構成する金属原子、及び第1中間層30xを構成する金属原子の影響を抑制するキャップ層としての機能を有するものであるのに対して、第1中間層30xは金属材料40を固定化するために金属原料40の量に応じた膜厚が必要であることに起因する。これより、第1中間層30xは金属原料40の量により厚みが規定され、第2中間層30yは第1中間層30xの厚みに応じて厚みが規定される。なお、本実施形態のような製造工程を経れば、第1中間層30xの厚みは20nmあれば必要十分以上に機能を奏することを確認している。
From the above, the film thickness of the second
このようなメカニズムにより、半導体層22を含む構造体と支持基板10とを接合するときにその接合界面に存在し接合強度を確保する金属材料40の半導体層22側への拡散を抑制できるものとなる。このため、複合基板100の半導体層22に半導体素子を作りこんだときに動作が安定した、信頼性の高いものとすることができる。
By such a mechanism, when the structure including the semiconductor layer 22 and the
また、複合基板100によれば、半導体層22はホモエピタキシャル成長させたものであることから、格子欠陥を少なくすることができる。
Further, according to the
また、上述の工程を経ることにより、接合時に金属材料40が混入する恐れのある領域を、第1中間層30xと支持基板10との界面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2段回で確実に金属元素の拡散を抑制することができる。
Further, through the above-described steps, a region where the
また、この例では、第1中間層30xと接する半導体層22は、エピタキシャル成長して形成した膜で構成される。このような半導体層22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及び不純物濃度が低い。具体的には、半導体層22の酸素濃度は2×1017〔atoms/cm3〕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。
In this example, the semiconductor layer 22 in contact with the first intermediate layer 30x is formed of a film formed by epitaxial growth. Since such a semiconductor layer 22 is formed in a vacuum, its oxygen concentration and impurity concentration are lower than that of a silicon single crystal substrate formed by the CZ method. Specifically, the oxygen concentration of the semiconductor layer 22 is less than 2 × 10 17 [atoms / cm 3 ]. With such a configuration, since there are few oxygen atoms that are easily bonded to the metal, it is possible to suppress the diffusion, solid solution, and precipitation of the metal in the
さらに、この例では、中間層を構成する材料として、支持基板10を構成する元素また
は半導体層22を構成する元素と同じ材料を選択している。このような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および半導体層22を構成する元素以外の元素の混入を防ぐことができる。
Further, in this example, the same material as the element constituting the
そして、中間層30x、30yの結晶性を低くすることにより、粒界や欠陥部に金属材料40をトラップすることができるので好ましい。この観点から、特に第1中間層30xの結晶性を低くすることが好ましい。
Further, it is preferable to lower the crystallinity of the
(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の結晶性は共に支持基板10および半導体層22に比べ低いものとしたが、同様に単結晶としてもよいし、第1中間層30xと第2中間層30yとで結晶性を変えてもよい。
(Modification: Crystallinity of the first intermediate layer 30x and the second
In the example described above, the crystallinity of the first intermediate layer 30x and the second
第1中間層30xに比べ、第2中間層30yの結晶性をよくする場合には、第1中間層30xの金属材料40に対するトラップ(捕捉)効果を高めると共に、金属の移動拡散が困難な第2中間層30yを金属拡散に対する蓋のように機能させることができる。
In the case where the crystallinity of the second
上述のような製造方法を経て複合基板100を形成した。具体的には、支持基板10としてサファイア単結晶基板を用い、第1中間層30xとしてALD法で形成したAlOx膜を用い、第2中間層としてALD法で形成したSiOx膜を用い、半導体層22としてエピタキシャル成長により形成されたSi単結晶膜を用い、金属材料40としてはFe,Ni,Cuを用いた。第1中間層30x,第2中間層30yの膜厚は共に20nmとした。接合後の移動・固定化工程における熱処理は、半導体層22に半導体素子を作りこむときの熱酸化工程で兼ねた。具体的には、1000℃で酸素雰囲気下で所望の厚みの熱酸化膜が表面に形成できるまで熱処理を行ない、金属材料40を構成する金属原子を移動・固定化した。
The
このようにして形成した複合基板100について、SIMS(二次イオン質量分析計;CAMECA製 IMS−7f)により深さ方向の濃度分布を測定した。具体的には、半導体層22表面側から、一次イオン種としてO2 +を用い、一時加速電圧を10kVと設定し、直径30μmの領域についてデプスプロファイルを測定した。
Concentration distribution in the depth direction of the
その結果、半導体層22へ、金属材料40を構成するFe,Ni,Cu、及び第1中間層x,半導体基板10を構成するAlの検出量は検出下限以下となっており、第1中間層30xおよび金属材料40の拡散を抑制できたことを確認した。
As a result, the detected amount of Fe, Ni, Cu constituting the
10・・・支持基板
22・・・半導体層
30x・・第1中間層
30y・・第2中間層
40・・・金属材料
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記支持基板上に配置された、Al,Ti,WおよびZrのいずれかの化合物である絶縁材料を主成分とする第1中間層と、
前記第1中間層上に配置された、前記支持基板および前記第1中間層とは異なる金属元素の化合物である絶縁性材料を主成分とする第2中間層と、
前記第2中間層上に配置された単結晶の半導体層とを有し、
前記第1中間層には、前記支持基板を構成する主成分の元素と、前記半導体層を構成する主成分の元素と、Al,Ti,WおよびZrとを除く金属原子が、厚み方向において前記支持基板と接する側から離れるにつれて濃度が低くなるように分布している複合基板。 A support substrate made of an insulating material;
A first intermediate layer mainly composed of an insulating material, which is a compound of any one of Al, Ti, W and Zr, disposed on the support substrate;
A second intermediate layer mainly composed of an insulating material, which is a compound of a metal element different from the support substrate and the first intermediate layer, disposed on the first intermediate layer;
A single crystal semiconductor layer disposed on the second intermediate layer,
In the first intermediate layer, metal elements other than the main component elements constituting the support substrate, the main component elements constituting the semiconductor layer, and Al, Ti, W, and Zr are formed in the thickness direction in the thickness direction. A composite substrate distributed such that the concentration decreases as the distance from the side in contact with the support substrate increases.
低抵抗の単結晶半導体基板上に、厚み方向に前記単結晶半導体基板と接する側から離れるにつれてドーパントの濃度が低下するようなドーパント濃度変化領域を有するエピタキシャル膜を形成する工程と、
前記エピタキシャル膜の表面に、前記単結晶半導体基板を構成する主成分との化合物である絶縁性材料を主成分とする第2中間層を形成する工程と、
前記第2中間層の表面に、Al,Ti,WおよびZrのいずれかの化合物からなる絶縁材料を主成分とする第1中間層を形成する工程と、
前記第1中間層の表面および前記支持基板の一主面を常温で活性化する工程と、
活性化した前記第1中間層の前記表面および前記支持基板の前記一主面を、前記支持基板を構成する主成分の元素と、前記エピタキシャル膜を構成する主成分の元素と、Al,Ti,WおよびZrとは異なる金属材料を挟持して接触させることによって両者を接合する工程と、
前記エピタキシャル膜のうち、前記第2中間層側の面から続く一部を半導体層として残すように、前記単結晶半導体基板および前記エピタキシャル膜の前記ドーパント濃度変化領域の少なくとも一部を、ドーパント濃度によってエッチングレートが変わるエッチャントを用いて選択エッチングして除去する工程と、
前記金属材料を構成する金属元素と前記第1中間層を構成する主成分の元素とが凝集開始する温度に比べて高い温度で加熱することにより、前記金属材料を構成する金属原子を、前記第1中間層中において前記支持基板に接する側の面から離れるにつれてその濃度が低下するように移動・固定化させる工程とを有し、
前記第1中間層を形成する工程および前記第2中間層を形成する工程は、それぞれ前記エピタキシャル層の前記ドーパントが飽和しない温度で前記第1中間層または前記第2中間層を形成する、複合基板の製造方法。 Preparing a support substrate made of an insulating material;
On the low-resistance single crystal semiconductor substrate, a step of forming an epitaxial film having a dopant concentration change region in which the dopant concentration decreases as the distance from the side in contact with the single crystal semiconductor substrate in the thickness direction decreases.
Forming a second intermediate layer mainly composed of an insulating material which is a compound with a main component constituting the single crystal semiconductor substrate on the surface of the epitaxial film;
Forming a first intermediate layer mainly composed of an insulating material made of a compound of any one of Al, Ti, W and Zr on the surface of the second intermediate layer;
Activating the surface of the first intermediate layer and one main surface of the support substrate at room temperature;
The activated first surface of the first intermediate layer and the one principal surface of the support substrate are formed of a main component element constituting the support substrate, a main component element constituting the epitaxial film, Al, Ti, Joining both of them by sandwiching and contacting a metal material different from W and Zr;
Of the epitaxial film, at least a part of the dopant concentration changing region of the single crystal semiconductor substrate and the epitaxial film is changed depending on a dopant concentration so that a part continuing from the surface on the second intermediate layer side remains as a semiconductor layer. Selective etching using an etchant that changes the etching rate and removing,
By heating at a temperature higher than the temperature at which the metal element constituting the metal material and the main component element constituting the first intermediate layer start to aggregate, the metal atoms constituting the metal material are A step of moving and immobilizing the intermediate layer so that its concentration decreases as the distance from the surface in contact with the support substrate in the intermediate layer is increased.
The step of forming the first intermediate layer and the step of forming the second intermediate layer form the first intermediate layer or the second intermediate layer at a temperature at which the dopant of the epitaxial layer is not saturated, respectively. Manufacturing method.
前記第2中間層を形成する工程において、前記第2中間層をスパッタリング法またはALD法で形成する、請求項5記載の複合基板の製造方法。 In the step of forming the first intermediate layer, the first intermediate layer is formed by an ALD method,
The method of manufacturing a composite substrate according to claim 5, wherein in the step of forming the second intermediate layer, the second intermediate layer is formed by a sputtering method or an ALD method.
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