JP2015005772A - 混合マイクロテクノロジー構造を製造する方法、およびそれによって得られる構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】混合マイクロテクノロジー構造を製造する方法を提供すること。
【解決手段】この方法は、犠牲層に隣接する混合層15が上に形成された犠牲層2を含み、第1の材料の第1のパターン1A、1B、1C、および第1の材料とは異なる第2の材料、例えば電気絶縁材料の第2のパターン5を含む仮の基板が生成されるステップと、この犠牲層は前記混合層の混合表面を曝すように取り除かれ、この混合表面は第1のパターンの一部および第2のパターンの一部を含むステップと、直接結合によって、この混合表面上に第3の材料の連続カバー層が生成されるステップとを含んでいる。
【選択図】図6

Description

本発明は、混合マイクロテクノロジー構造、すなわち、従来マイクロエレクトロニクスで使用され、特にマイクロエレクトロニクスおよび/または光学および/または機械構成部品を備えることが可能である手段によって作製される基板(または、1式の基板および/または層)の製造に関する。
単純な電子回路ではない集積回路内の大規模な成長が、過去10年ほどにわたって観察され、既に開発中であるこれらの新規の集積回路は、光学機能、高周波機能、およびさらに分子およびバイオエレクトロニクス機能(SOC(システムオンチップ)という用語がしばしば使用される)を含むことが予測される。しかし、単一の列の技術ステップによって同じ均質マイクロテクノロジー基板上にこれらの様々な機能を提供する全ての回路または構成部品を生成することが難しい、または可能でさえある多くの応用例がある。
単純な解決法は、別個の基板上に構成部品を製造し、その後追加の材料、例えば金属またはエポキシ材料を使用して、また「フリップチップ」として知られるオーバーターン技術などを使用して、結合によって支持体を形成する同じ基板の上に一つ一つ組み付けることからなっていた。この解決法は、ある数の応用例には十分であるが、特に、大規模集積回路の小型化が可能ではない。
別の解決法は、異なる構成部品の製造を可能にする異なる性状を有する均質ではないが特徴領域である基板を提供することにあった。
これは、なぜ特定の応用例において、またより詳細には、全体的に絶縁された構成部品と共同していわゆる「垂直」構成部品の構造内への一体化において、混合基板(または、「パターン化した」基板、すなわち異なる材料のパターンを特徴付ける埋め込まれた混合層を有する基板)、すなわち、(「垂直」構成部品に対する)基板の面の間のバルク材料の性状を有する領域、およびSOI(シリコンオンインシュレータ)タイプの領域、すなわち酸化物などの絶縁体の上部にシリコンを含む領域の2つのタイプの領域が共存する基板を生成することが提案されてきたのかを説明している。
バルク材料は、(基板の前面と後面の間に)より優れた導電性を与え、また明らかな断熱がないと仮定すると、SOIタイプの領域または基板より優れた熱伝導性(それによって、より優れた熱分散)を与える。これらはしたがって、特に「垂直」構成部品(より詳細には、パワー構成部品)の製造に対して全体的に適当である。
一方SOI領域は、例えば、全体的に絶縁された構成部品(完全に消耗されたMOSトランジスタなど)、および他のマイクロエレクトロニクス構成部品(より詳細には、論理回路)の製造を可能にする利点を有する。
これらの混合基板は理論的には、多くの応用例に対して多くの利点を有する。中でも特に、SOI領域を含む基板上のDRAMメモリの一体化(SOI基板上でのDRAMメモリの動的動作は、そのSOI基板の浮動電位によって妨げられ、したがってSOI領域のそばでバルク領域内にこれらのメモリを生成することが好ましい)と、SOI上でのパワー構成部品に一体化(特にSOI基板の絶縁体の層が、構成部品のコアで発生される熱の十分な分散を防ぐ断熱バリアである場合、これらの構成部品のアーキテクチャ(これは、特にVDMOS(垂直二重拡散金属酸化物半導体)構成部品の場合である)によりSOI基板上での構成部品に一体化が可能ではない)と、センサ、オプトエレクトロニクス回路などの製造のためのMEMSおよび新規構成部品アーキテクチャの一体化とに言及することができる。
実際、これらの混合基板は埋め込んだ層の酸化によって、または別の基板がその後に結合される基板の表面上へ酸化物パターンの形成によって作り出すことができる。
直接結合(しばしば、分子結合と呼ぶ)は特にこの目的で適切である。というのは、このタイプの結合は理論的に、極めて高い機械的強度、高い熱伝導性、結合インターフェイスの均一な厚さなどを提供することが可能だからである。このタイプの結合は、追加の材料なしで(したがって、接着剤なしで)行なわれる。単純な表面準備は理論的には、室温でさえもこのような結合を達成するのに十分である可能性がある(それにも関わらず、難しい可能性がある)。表面を接触して結合させるのは普通、補強(または、強化)熱処理が続いて行われる。
より正確には、直接結合により薄い層を基板上に転写することが可能であることが知られている。このような基板上への薄い層の転写中の重要なステップの1つは実際、(表面を接触させる)+(結合インターフェイスを補強するための熱処理)からなる組合せである。実際に、この熱処理中、結合欠点が結合していない領域の形で現れる可能性がある。これらの欠点は、例えば、シリコン(または、別の材料)でできている可能性がある2つのウェーハ(すなわち、層および基板)を接触させる際に捕捉される天然の酸化物沈殿物および/または気体分子の出現で反映される可能性がある。
混合構造の製造に関するWO−2004/059711(Fournel他)によると、結合インターフェイスでの酸化物領域の存在は、不純物を捕捉し、結合を強化するように熱処理中にこれらを吸収するように働くことができることに留意すべきである。
またここでは、特定の応用例では、シリコン層を直接ではなく薄い酸化物層を介してシリコン基板上に転写する必要がある可能性があることに留意すべきである。上で引用した国際特許出願公開第WO−2004/059711号によると、熱処理中、ウェーハを接触させるときに捕捉された不純物は酸化物層によって吸着することができる。それにも関わらず、その層が極めて薄い場合、様々な不純物全てを吸着することができず、結合欠点が結合しなかった領域の形でとにかく生じる。一方、異なる酸化物厚さを有するSOIタイプの領域の基板における共存は、構成部品に対する問題ではない場合に酸化物層の厚さを増大させることによって、不純物を抜く問題を解消することができることが明らかである。これは、別のタイプの混合構造に対応する。
したがって、特に、2つのタイプの「パターン化」または混合構造(または、基板)、すなわち、部分的なSOI基板(SOI領域およびバルク領域の共存)、および混合SOI基板(異なる埋め込まれた酸化物厚さを有する2つのタイプのSOI領域の共存)を生成する方法を知ることが有利である可能性があることが明らかである。
実際、これらの2つのタイプは、構造の上部と下部の間の連続酸化物層の有無において異なる。
さらに、上に記載した混合基板の他の特徴、すなわち、埋め込まれた絶縁体として異なる材料(熱および/または蒸着SiO2、Si3N4、Al2O3、AlNおよび他の絶縁材料)を利用する可能性と、特に運ばれた層、およびその層が結合された基板(構造が直接結合によって得られる場合)に対して、連続または非連続埋め込み絶縁層のいずれか側で他の材料(Siだけではなく、SiGe、GaAs、GaN、InPおよび他の材料)を使用する可能性とを変更することができる点において有利である可能性があることが明らかである。
より一般的には、混合構造、すなわち構造の電気および/または熱および/または機械および/または光学および/または化学性状の局所的変更を可能にする異なる材料の領域でできている埋め込み層を有するものを得ることが有利である可能性がある。
最新技術
上に示すように、特に、表面下での基板の酸化によって、または複数の層または基板の結合(実際は、直接結合)によって、混合または部分的SOIを生成するための異なる技術が存在する。
局所的注入SIMOX技術
SIMOX(酸素埋め込みによる分離)処理は、SOI基板の製造においてその容易性で知られている。SOI基板を得るため、極めて高い分量の酸素がシリコンウェーハ(または基板)の「上側」表面の下に注入され、その後、組合せは高温で焼鈍されて、酸素が埋め込まれた領域を二酸化シリコンSiO2に転換させる。
この技術は、混合基板の製造を可能にし、マスキングおよびリソグラフィの知られている技術を使用して、実際、酸素イオンを局所化して注入、その後、局所化した下にある酸化物層を生成することが可能である(US2006/0040476、US6846727、または論文「Fabrication of High Quality Patterned SOI Materials by Optimized Low−Dose SIMOX」、Dong他、60〜61頁、「2004 IEEE International SOI Conference 2004」参照)。
SIMOX処理を使用したパターン化した基板(または構造)の製造はしたがって、ハードマスクを基板上に蒸着させるステップと、注入ウィンドウをそのマスク内に(リソグラフィ手段によって)開くステップと、これらのウィンドウを通して酸素イオンを注入するステップと、局所化埋め込み酸化物領域を形成するために酸化焼鈍を行うステップと、マスクを取り除くステップとからなる。
この処理はそれにも関わらず、材料の選択の点で制限があり、ハイブリッド構造(シリコン上のゲルマニウム、シリコン上のGaN、ガラス上のシリコンなど)を生成することができず、または結晶構造(例えば、アモルファス層)の点で制限がある。実際、二酸化シリコンの形成だけを徹底的に調査したが、窒素の注入での検査により窒化珪素の形成が立証された。
この方法はまた、多くの他の材料も望ましい可能性があるが、酸化物、すなわち酸素の注入によるSiO2、および窒素の埋め込みによるSiNの限られた選択肢と、絶縁パターンが形成される構造の全体に対する材料の限られた選択肢(実際は、シリコン)と、注入後および酸化焼鈍後の表面変形(酸化は、酸素が珪素と組み合わされる領域の量の局所的増加、したがって「表面膨張」を意味する)と、高密度の欠陥を特徴付けるSOI領域とバルク領域の間の移行の存在と、調節した方法で混合SOIタイプの構造(すなわち、その厚さが一方の領域から別の領域に変わる酸化物層を備えたSOIタイプの基板)を得る際の大きな問題などの様々な欠点または問題を有する。
別のより調査的な方法が、Terada他によって提案された(「A New DRAM Cell with a Transistor on a Lateral Epitaxial Silicon Layer(TOLE Cell)」、2052〜2057頁、IEEE Transactions on Electron Devices第37巻、第7号、1990年9月参照)。この文献によると、熱酸化物層がシリコン基板上に形成され、リソグラフィ処理ステップが酸化物層を局所的にエッチングするために行なわれ、横エピタキシャル再成長がその後行なわれ、最終研磨によりシリコンが取り除かれ、表面が平坦化される。しかし、この構造を製造する材料の選択は(エピタキシャル再成長に必要な互換性を可能にするために)限られている。利用される厚さも、特に、構造が異質である場合に限られている。
直接結合によって得られる混合または部分SOI基板
直接結合によって混合構造を製造する原理は、特に、上記WO−2004/059711だけでなく、そのプレアンブルが様々な知られている解決法を記載しているUS5691231、またはMuvavi、BevottiおよびVignolaによる「Smart Power ICs」内のY. Sugawaraによる「Dielectric Isolation Technologies and Power ICs」の章に記載されている。
第1のステップは、シリコン基板内にキャビティを作り出し、その後表面全体を酸化することである。化学機械研磨(CMP)により酸化物の一部が取り除かれ、Si領域およびSiO2領域の両方が曝されて、混合表面が得られる。化学洗浄後、別のシリコン基板がこの混合表面に結合され、その後薄くされて、所要の混合基板が生じる。その後、局所絶縁層に沿って基板の領域の絶縁を完成させるように溝を形成することができる。
Sugawaraの文献(上を参照)によって言及されている変更形態では、酸化によって充填する前にキャビティの底部にドーピング領域を(注入によって)形成することができる。
これらの方法は、混合Si/SiO2領域によって形成された混合表面の研磨に関連する重要な問題にぶつかり、表面上に共存するSiおよびSiO2の共同の存在により、優れた直接結合を可能にする表面の平坦化が難しくなるが、直接結合が必要である全ての場合において、平面度は重要であり、研磨の品質は重要であることが明らかである。
次に現時点では、優れた質の直接結合で互換性表面(より詳細には、平面度、粗面度、および均質疎水性特徴の点で)を得ることを可能にするシリコン領域および酸化シリコン領域の両方を有する混合表面を研磨する方法はない。
普通、酸化シリコンを研磨する速度はシリコンを研磨する速度よりも遅い。シリコン領域内の(ディッシュを示唆)レベルの負の差の形成に対応する、「ディッシング」として知られる現象が起こる。レベルの正の差はまた、例えば、不完全研磨に関連する、表面上に残る(小さな隆起が得られる)可能性がある。このレベルの負または正の差は、特に研磨状態および酸化物および/またはシリコン領域の寸法に応じて、数十ナノメートルに到達する可能性がある。両方の場合とも、表面凹凸は非常に優れた品質の直接結合を防ぐ可能性があり、このような結合アセンブリの製造歩留まりは極めて低い可能性がある。
Moriceau他は、論文「Transfer of patterned Si and SiO2 layers for the fabrication of Patterned and Mixed SOI」、203〜204頁、2004 IEEE International SOI Conference、2004年10月において、この研磨の問題に関して意見を述べ、サブミクロン寸法に関して比較的あまり重要ではないが、各混合基板構成に対して研磨処理(領域によって形成されたパターン、領域の寸法、酸化物の厚さなどの分配)を最適化することによって、約1ミクロンまたは1ミリメートルもの寸法を有するパターンの場合に通常観察される、レベルの差の問題を解決することは可能であると述べている。しかし、これは上記の様々なパラメータを変更することができない場合に、これらの研磨の問題を避けることが常にできるわけではないことを意味している。
垂直構成要素およびその制御回路を含む混合構造の製造のために、Hiromasa他は、特開平08−330554号において、シリコン表面に対してキャビティ内に酸化シリコン層を戻すことを教示しており、このようにして、垂直構成要素の領域内に結合欠陥がないことを記している。しかし、この方法では、結合インターフェイスは連続しておらず、それによって気体分子を2つのウェーハを接触させた後に捕捉することができることが明らかである。これは、これらの分子は運ばれた層の部分的なおよび意図しない分離につながる可能性があるという欠点を有する。連続性の欠如はまた、アセンブリの低い熱伝導性につながる。
混合構造の結合の品質において研磨の際に作り出されるレベルの差の影響を避けるため、上で引用したUS5691231は、酸化物の形成後に多結晶シリコン層を使用することを提案している。最初に、酸化物で満たされたキャビティが、シリコン基板の表面に形成される。その後、全体が研磨される。ポリシリコン層がその後、平坦化された混合表面上に蒸着され、研磨される。別の基板はそれに結合され、その後、元の基板は所要の最終厚さ(普通は、数ミクロン)まで薄くされる。
この解決法では、(例えば、ドーピングに関して)異なる性状を有するシリコン基板を使用することが可能である。これらの層はそれにも関わらず、ポリシリコン層によって分離されたままであり、特定の応用例では問題となる可能性がある。
直接結合に関する別の解決法はまた、(Tech of IEEE Costume IC Conference、443頁(1986年)においてOhata他によって提案された)Sugawaraによる上で引用された文献で言及されている。この解決法では、リソグラフィマスクは、直接結合ステップ後にSOIタイプ基板に蒸着され、シリコンの上側層、酸化物および中実シリコン基板(部分的に)はその後エッチングされて、キャビティを形成する。シリコンのエピタキシャル再成長はその後、キャビティの厚さより大きな厚さで行なわれる。また、エピタキシャル再成長がシリコンの上側層上に生じたならば、SOI領域上に形成されたこの過剰な厚さを取り除くためにCMP研磨が行なわれる。それにも関わらず、この技術は複雑であり、限られた応用例のものであることが明らかである。
国際公開第2004/059711号 米国特許出願公開第2006/0040476号明細書 米国特許第6846727号明細書 米国特許第5691231号明細書 特開平08−330554号公報
「Fabrication of High Quality Patterned SOI Materials by Optimized Low−Dose SIMOX」、Dong他、60〜61頁、「2004 IEEE International SOI Conference 2004」 「A New DRAM Cell with a Transistor on a Lateral Epitaxial Silicon Layer(TOLE Cell)」、Terada他、2052〜2057頁、IEEE Transactions on Electron Devices第37巻、第7号、1990年9月 Muvavi、BevottiおよびVignolaによる「Smart Power ICs」内のY. Sugawaraによる「Dielectric Isolation Technologies and Power ICs」の章 「Transfer of patterned Si and SiO2 layers for the fabrication of Patterned and Mixed SOI」、Moriceau他、203〜204頁、2004 IEEE International SOI Conference、2004年10月 「Tech of IEEE Costume IC Conference」、Ohata他、443頁(1986年)
上に記載した最新技術を考慮して、以下のパフォーマンスを提供する、混合または「パターン化」基板、すなわち特には少なくとも1つが結晶材料である異なる材料のパターンを備えた埋め込まれた混合層を有する基板を製造する「普遍的な」解決法はないことが明らかである。
−この混合層と同じレベル、上、下に異なる材料を配置することが可能であること
−異なる厚さを管理することが可能であること(より詳細には、薄い層を得ることが可能であること)
−同じ基板上で同時にマイクロおよびミリメータパターンを生成することが可能であること。
この目的のため、本発明は混合マイクロテクノロジー構造を製造する方法であって、犠牲層および犠牲層に隣接する混合層を含み、少なくとも第1の材料の第1のパターン、および第1のパターンとは異なる第2の材料の第2のパターンを含む仮の基板が生成され、この犠牲層は前記混合層の混合表面を曝すように取り除かれ、この混合表面は第1のパターンの一部および第2のパターンの一部を含み、直接結合によって、この混合表面上に第3の材料の連続カバー層が生成される方法を提案する。
したがって、本発明はパターン化した基板の製造中に(例えば、Si3N4または他の材料の)エッチングストップ犠牲層を使用することを提案している。この層により、研磨ステップがなくなる、または少なくともレベルの差の影響がなくなり、それによって犠牲層が取り除かれた場合に曝される混合表面での極めて優れた結合が可能になる。
本発明の好ましい特性によると、組み合わせて適用可能である場合、第1および第2の材料の少なくとも一方が単結晶であり、第1の材料が電気的に非絶縁性であり、第2の材料が電気的に絶縁性であり、第3の材料が電気的に非絶縁性であり、第1のパターン、および連続カバー層が特に単純である同じ元素を含んでいるが、代わりにこれらの材料は必要に応じて異なっていてもよく、したがってシリコンまたは他の元素(例えば、ゲルマニウム、SiGe合金、AsGaなどの(III−V)合金、およびマイクロテクノロジーの分野で有用な他の元素)の問題である可能性があり、連続カバー層および第1のパターンが同一のまたは異なる材料において、異なるドーピングを含んでおり(上を参照)、第2のパターンが製造過程が十分証明された絶縁タイプの酸化物でできており、第2のパターンは有利には、特に優れた化学適合性を保証する、第1のパターンに含まれた元素の酸化物を含んでおり、この酸化物は有利には例えばシリコンの酸化物であり、犠牲層は、製造過程が十分証明された化合物である窒化物であり、犠牲層および第2のパターンはそれぞれ、混合層の第1のパターンが含んでいる同じ元素の窒化物および酸化物を含んでいることが好ましく、カバー層が第1のパターンと同じ材料でできており、(マイクロテクノロジーで有用な多くの他の元素を使用することもできるが)第1のパターンがシリコンでできており、混合表面上に連続カバー層を生成する前に、その混合表面またはその連続カバー層上に絶縁インターフェイス層が形成されており、これにより混合SOIタイプの混合マイクロテクノロジー構造が生成され、絶縁インターフェイス層が有利には、連続カバー層の表面酸化によって形成され、絶縁インターフェイス層および第2のパターンが、同じ元素の酸化物でできている場合さらに好ましく、例えば、第1のパターンがシリコンおよび絶縁インターフェイス層の酸化物でできており、第2のパターンがシリコンの酸化物でできている場合に特に有益である。
前記仮の基板は有利には、犠牲層と、
キャビティが、犠牲層の反対側にある予備層の面からこの予備層内でリソグラフィ的に中空化されるステップであって、これらのキャビティは犠牲層まで延びているステップと、
これらのキャビティは第2のパターンを形成し、混合表面を得るように第2の材料で充填されるステップであって、この予備層は前記混合層になっているステップと、
この混合表面上に、平坦化材料の層が形成されるステップと、この平坦化材料の層が連続平面を有するように研磨されるステップと、
第4の材料の支持基板がこの予備層に組み付けされ、前記平坦化層で覆われたステップであって、その支持基板は平坦化層の連続平面に直接結合された表面を有するステップ
によって、第1の材料で形成された連続予備層とを含む出発基板から生成されている。
本発明のこの特定の態様の好ましい特性によると、組合せで適用可能である場合、出発基板がさらに、操作を容易にする中間支持基板を含んでおり、出発基板は有利には、中間支持基板と犠牲層の間にこの犠牲層をその後に取り除くことを容易にすることができる絶縁層をさらに備えており、例えば、この絶縁層は中間支持基板層の元素の酸化物、例えばSiO2であることが好ましく、この中間支持基板内に、犠牲層と平行な層に沿って弱い層を形成することを鑑みて、気体種またはイオンをこの中間支持基板に注入するステップがあり、この場合、直接結合によって最終支持基板を予備層に組み付けた後、有利には中間支持基板は弱い層に沿って分離され、連続予備層が、犠牲層に予備基板を結合することによって得られ、その分離は弱い層に沿って生じ、キャビティが例えば蒸着によって充填され、混合表面は、キャビティ間にこの予備層の一部を曝すようにこの第2の材料を研磨することによって得られ、平坦化層は例えば第1のパターンが含んでいる材料の多結晶層であり、好ましくは、この多結晶層が蒸気の形で被着され、別の方法では、平坦化層が、有利には蒸着またはスパッタリングまたは気相蒸着技術によって被着される金属層であり、最終支持基板は第1のパターンが含む材料でできている。
本発明はさらに、上記方法によって得られる混合構造を提案しており、混合層がリソグラフィー的に得られたキャビティを充填することによって形成され、平坦化層により支持体に組み付けられる特定の場合、この構造は認識可能である。というのは、支持基板と、その支持基板に隣接し、それに直接結合された平坦化層と、この平坦化層と平行し、第1の材料の第1のパターン、および第1の材料と異なる第2の材料の第2のパターンを含む混合層と、直接結合によってこの混合層に少なくとも間接的に組み付けられたカバー層とを含む混合マイクロテクノロジー構造だからである。
上で記載したものに起因する好ましい特性によると、第1の材料が電気的に非絶縁性であり、第2の材料が電気的に絶縁性であり、カバー層が絶縁インターフェイス層を介して混合層に連結されており、絶縁パターンが酸化物でできており、混合層の第2のパターンと連続カバー層の間にドーピング差があると言うことができる。
本発明の目的、特徴および利点は、例示的、非排他的な例として、図面を参照して与えられる以下の説明により明らかになる。
例えば、シリコンの出発基板を利用する、本発明による構造の製造の第1のステップの断面図である。 エッチングを利用する、第2の製造ステップの図である。 例えば、酸化物の蒸着を利用する、第3の製造ステップの図である。 研磨を利用する、第4の製造ステップの図である。 例えば、多結晶シリコンの平坦化層の蒸着を利用する、第5の製造ステップの図である。 直接結合を利用する、第6の製造ステップの図である。 選択攻撃を利用する、第7の製造ステップの図である。 混合構造を生じさせる、第8の製造ステップの図である。 直接結合、および注入による脆弱化を利用する、第8の製造ステップのオプションのサブステップの図である。 別の混合構造の図である。 別の混合構造の図である。
図1から8の特定の場合、本発明の方法は、材料の特定の(非限定的な)例で示す、
a)例えば、(有利には、単結晶材料、例えばシリコンで形成された)予備層1と(これ自体が、犠牲層と同じ側に、絶縁層3を含むことができる、例えば酸化物でできている)出発基板の間に配置された窒化物でできている犠牲層2を含む将来の要件に適応された基板の製造ステップであって、犠牲層2は有利には、予備層1とのインターフェイスに、その層に対するエッチング選択性を有することができ、同様に有利には出発基板とのインターフェイスに、その基板に対するエッチング選択性を有することができるステップと、
b)所定の領域1A、1B、1Cとして知られる予備層の領域を離れる、犠牲層2までの予備層1のリソグラフィおよび選択エッチングステップと、
c)有利には絶縁材料、例えば酸化シリコンで、少なくともこれらの領域の表面のレベルまで所定の領域1A、1B、1Cの間に配置された表面領域を充填剤層5で充填するステップと、
d)犠牲層2上の混合層15から離れる、少なくとも所定の領域1A、1B、1Cまで充填剤層5の表面を研磨するステップと、
e)混合層15上への、例えば多結晶シリコンまたは金属でできている有利には非絶縁性である薄い平坦化層6の被着、およびその層6の平坦化(CMP)ステップと、
f)支持基板と呼ばれる(例えば、シリコンでできている)第2のウェーハ7を平坦化層6に結合させるステップと、
g)出発基板と犠牲層2を取り除き、混合層15の一面を曝すステップと、
h)混合層15の曝した面上に(例えば、シリコンでできている)カバー層と呼ばれる薄い層9Bを転写するステップと
を含んでいる。
別の方法では、特に、予備層が有利には薄い窒化物層で覆われたシリコンでできている場合、ステップb)で、この予備シリコン層の厚さの一部のみを局所的にエッチングすることが可能であり、残りの厚さはその後熱酸化によって消費される。この場合、ステップc)は、熱酸化が所定の領域の間に配置された表面領域を充填するのに十分である場合に任意となる可能性がある。予備層の薄い窒化物層は必要に応じて、例えば、熱酸化ステップ後に選択的に取り除くことができる。
別の変更形態では、ステップc)で、所定の領域1A、1B、1Cの間に配置された表面領域を充填する充填剤層5はこれらの領域の表面に到達する必要はない。この場合、研磨ステップd)は実用性がない。
材料は有利には、犠牲層を取り除くために高度選択化学攻撃を利用するこの処理に使用される。
平坦化層6は、混合層15の表面性状を「吸収」する。この性状は、エッチングステップb)、充填ステップc)、研磨ステップd)、またはこの平坦化層を蒸着させる前に混合層の全体または一部で行なわれる他の技術ステップ、特に、その後埋め込まれる構成要素を製造することを目的としたステップによるものである。
図1から8に示し、上記に概略を記載した処理を、部分的SOIの製造に対して非限定的な例で詳細に説明する。
a)犠牲層を含む基板の製造(図1)
この詳細な例では、このステップは、埋め込まれた酸化物層と薄いシリコンフィルムの間に窒化物層(犠牲層)を含むSOIタイプの基板を生成することを目的としている。窒化シリコン(Si)の堆積物2が、有利には単結晶シリコンでできている、バルクシリコン予備基板上に生成される(ここでは、上部に配置されており、その一部1が見える)。この窒化物層は、残りの処理で犠牲層として働く。いくつかの蒸着技術が、この目的で知られている(LPCVD、CVDなど)。本応用例に関する場合、LPCVD(低圧化学蒸着)が最も適切であるとして好まれる。予備基板はその後、気体種またはイオンによる注入が行なわれて、このウェーハ内に薄い予備層1を画定する埋め込まれた弱い領域を生成する。注入状態は、窒化物層の厚さに応じて、およびシリコンの所要の厚さに応じて変化し、注入量は数1016から数1017原子/cmまで、例えば30keVから200keVまでのエネルギーで変化する。別の方法では、犠牲層の蒸着前に注入ステップまで進むことが可能である。
さらに、ここでは酸化物(熱酸化物または蒸着酸化物)でできている絶縁層3が、出発支持基板と呼ばれる基板4上に(ここでは底部に)形成されて、出発基板を形成する。別の方法では、第1のウェーハの窒化物層上に全体的にまたは部分的にこの酸化物層を形成することが可能であろう。層2および3の組み付けられる表面はその後、(特に、適当な化学洗浄によって)結合のために準備される。これらはその後、密接させることによって結合される。高温焼鈍が、層2と3の間の結合を強化し、その埋め込まれた弱い領域に沿って予備基板を破損させて、予備層1をこの予備基板の残りから隔離させる。このようにして得られるSOI構造の表面は、破損後は粗い(図1の上側表面参照)。普通の仕上げ処理(様々な環境においてのCMP研磨、および熱処理を含む(例えば、シリコンを円滑にするための水素内での焼鈍))は、所要の最終粗さ、普通は数十ナノメートルrmsを生成する。
b)予備層のリソグラフィおよび選択エッチング(図2)
それ自体よく知られているこのステップの間、感光樹脂(図示せず)が基板上(図1で得られた上側表面上)に広がっている。この樹脂はその後、適当な機器を使用して、所望のパターンまたは設計を含むマスクを通して露光される。樹脂の展開後、化学および/またはドライエッチング(例えば、プラズマ補助エッチング)が、予備層1の材料、この例ではシリコンを、犠牲層2の窒化シリコンに対して選択的にエッチングする。例えばTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド)溶液中のエッチングを使用することもできる。実際、TMAH溶液中のエッチング速度は、窒化シリコンに対して2nm/分であり、(結晶方位<1 0 0>で)シリコンに対して0.4から0.5μm/分まで変化する。シリコン、有利には単結晶シリコンの所定の領域1A、1B、1Cは、このようにして得られる。
この段階で、例えばドーピングに関して、シリコン層の性状を変更することも可能である(図11参照)。
c)所定の領域間の表面領域の充填(図3)
全ての知られている蒸着技術をここで検討することができる。
この充填は、有利には絶縁材料、例えば酸化シリコンである材料を蒸着することによって行うことができる。この材料は有利には、特に、犠牲層2がエッチングによってステップg)で取り除かれる場合に、犠牲層に対してその層とのインターフェイスで十分なエッチング選択性を有する。この蒸着ステップ5は、領域1Aから1Cの間の空間が充填されるまで続く。
d)研磨(図4)
予め蒸着させる材料に応じて、適当な研磨条件を適用することができる。研磨は、少なくとも領域1A、1Bおよび1Cが曝されるまで行なわれる。
上に記載したように、この研磨によりレベルの差が生じる。これらは、図4で誇張されているが、後に明らかになるように、これらのレベルの差は最終構造の製造では問題ではない。研磨後、領域1A、1Bおよび1Cは実際、この例では絶縁性がある、層5の残りによって形成される第2のパターン(したがって、パターン5と呼ばれる)と合わせて、15で示す混合層を画定する、この例では非絶縁性である第1のパターンを形成する。
e)薄い平坦化層の混合層上の蒸着(図5)
レベルの差を有する、図4によって示されたステップの終わりに得られる研磨表面は、あらゆる適当な知られている技術によって平坦化層6で覆われている。これは有利には、例えば、CVDまたはLPCVDによって得ることができる多結晶シリコンの層、または蒸着またはスパッタリング技術によって得られる金属層であってもよい。標準的な研磨処理はその後、結合(次のステップ)に適合可能にするように、この均質ポリシリコン(多結晶シリコン)層、または金属層に適用される。
f)支持基板の平坦化層上への結合(図6)
支持基板と呼ばれる追加のウェーハ7、例えばシリコンウェーハの図5からのアセンブリへの組み付けは、組み付けられる表面を準備する任意の予備ステップ(CMP研磨ステップ、および特に表面を化学的に活性化させるための、適当な知られている化学溶液内での洗浄ステップを含む可能性がある)の後に、直接結合によって得ることができる。
直接結合を強化するための熱処理は有利には、行うことができる。
g)出発基板と犠牲層の除去(図7)
以下の技術を含む、この目的に対するいくつかの解決法が可能である。
最初に、出発支持基板4は(薄い予備層1を生じさせたウェーハと同様に)前もって注入することができ、それによって破損焼鈍がシリコン基板4のほとんどを取り外すことができる(図1の段階ほど早く、但し、その後図2から6またはその後にアセンブリを操作することが可能である)。この場合、薄い残余シリコン層および酸化物層3は、例えばそれぞれTMAH溶液およびHF溶液中で選択的にエッチングすることができる。窒化物層はその後、例えば、リン酸(H3PO4)溶液中で120℃でエッチングすることができる。
ウェーハが注入されていない場合、出発基板は機械的シニング(研磨)および/または化学攻撃によって取り除くことができる。現在、シニング機器は、200mm直径のシリコンウェーハに対して数マイクロメートルの除去精度を達成している。窒化物層を損傷しないようにするため、機械的シニングは有利には、窒化物とのインターフェイスの数マイクロメートル上で止めることができる。第1の場合と同様に、TMAH中の化学エッチングおよびHFエッチングにより、シリコンおよび残余酸化物が取り除かれる。窒化物層はその後、H3PO4の溶液中でエッチングされる。
別の変更形態では、図1による適切な基板が、例えば機械的力を加えることによって、より詳細には、ブレードを取外し領域内に挿入することによって、エッチングステップに関連していてもいなくても、出発基板および犠牲層の取り外しを可能にする取外し領域を含むことが可能である。取外し領域は、例えば犠牲層と出発基板の間、および/または犠牲層と予備層の間の比較的弱い結合インターフェイスの意図および調整した製造によって得ることができる。
犠牲層の除去後に解放された混合表面は平らである。これは、レベルの差、すなわち逃げがないことを特徴としている。これは、直接結合と平坦度の意味で適合可能である。この段階で、必要に応じて、混合層の一部をエッチングすることが可能であるが、使用するエッチング法は直接結合と適合可能である表面平坦度を保持するものとする。
h)混合層の曝された面上へのカバー層の転写(図8)
例えばシリコンでできているカバー層9Bはその後、曝された混合表面の上に転写することができる。
また、このステップを行うためにいくつかの技術が可能である。
例えば、カバーウェーハと呼ばれる新しいシリコンウェーハ9は、組み付ける面を適当に準備した後に、解放された混合表面上に直接結合させることができる。このウェーハ9はその後、混合層上にカバー層9Bのみを残すようにシニングすることができる。
このシニングは、例えばCMP研磨によって、または図9に示すように、例えば気体種(特に、水素)の注入によってウェーハ9内に予め形成された埋め込まれた弱い領域9Aに沿った破損によって生じさせることができる。これにより、ウェーハ9の層9Bが保持され、カバー層を形成し、その厚さは極めて十分調整されている。
シリコンカバー層9Bを転写することによって、部分的SOIが絶縁体(例えば、SiO2)のパターンを含む領域、および有利には、単結晶材料、例えばシリコン(垂直構成部品の形成に全体的に適している)でできている絶縁体を含まない領域で得られる。
シリコンカバー層9Bが混合層とのインターフェイスに、例えば酸化物、有利には熱酸化物でできている絶縁インターフェイス層を含んでいる場合、混合SOIは異なる厚さの埋め込んだ絶縁材料で得られる。図10は、このような混合SOI構造を示しており、絶縁インターフェイス層は参照番号10’を有する(この図10では、図8のものと同様の要素を示す参照番号は、「1次の」インデックスを加えることによってその図8の参照番号から派生している)。
以前の解決法を凌ぐ利点
カバー層9Bと接触した反対側の混合層の面で行なわれる、混合領域、例えばSi/SiO2領域の研磨は、絶縁パターン5とカバー層9Bの間の結合の質に影響を与えない。したがって、研磨条件は、酸化物領域5の厚さおよび寸法の全範囲にわたって同じままである可能性がある。
高いSi/SiO2選択性につながる研磨条件(研磨剤および研磨布)を選択することさえでき、酸化物層を研磨終了層として使用することができる。
本発明は、単結晶領域を特徴とする混合層を生成する。例えば、カバー層9B内に生成された浮遊構造用のピラーを製造するための(例えば、MEMS応用例)、機械的および/または物理的および/または化学的性状を考えると、有利にはこれらの領域を使用することができる。
埋め込まれた薄い酸化物を有するSOI基板の結合による製造は難しいことが知られている。というのは、結合インターフェイスに存在する不純物の全てを薄い酸化物層で吸着することはできないからである。混合SOI構造では(上記図10参照)、2つの異なる酸化物を使用することが可能である。第1の熱酸化物10’は、電気的性状を提供し、酸化物領域5’はより低い密度で蒸着された酸化物でできていてもよい。結合インターフェイスに存在する不純物はその後、上記WO−2004/059711に示すように、酸化物領域によって吸着されることを期待することができる。
例えばシリコンでできているカバー層9B”は、絶縁パターン5間に配置されたシリコン領域1A、1Bなどのものと異なる結晶方位またはドーピングを有することができる。結合インターフェイスは、表面に近い。したがって、n+ドーピングシリコン層をn−シリコン領域の上に直接一体化させる(または、逆も同様である)ことが可能である(図11参照、図8と同様の要素は、「2次の」インデックスを加えることによってその図8の参照番号から派生した参照番号によって示されている)。この構造では、製造中にドーピングを変更することなく特定の構成要素を製造することができる(特に、ダイオード製造応用例)。
シリコン領域は、結晶品質のものであり、構成要素(図示せず)はシリコンのこの部分に直接製造することができる。さらに、シリコンカバー層は、酸化物領域のものとは異なる結晶方位を有することができる(ハイブリッド配向技術(HOT))。
全体的に、異なる材料を利用し、処理パラメータを明らかに変更することなく異なる構成(領域の厚さおよび寸法)を作り出すことが可能である。
ポリシリコン層6は、特定の応用例(より詳細には、優れた熱拡散で)金属層に代えることができる。SOI領域(Si/SiO2)上に生成された回路または構成要素では、金属層が基板内への力線の貫通の影響を制限する(接地面)。接地面の原理は、埋め込まれた酸化物の下に等位を配置することである。
支持基板7が表面に少なくともシリコンでできた層を有する場合、平坦化層6の材料は有利には、適当な熱処理(ケイ化処理として知られる)後に、表面シリコンの一部または全てと合金を形成するように選択して、それによって特に、平坦化層と支持基板の間の接着を助けることができる。
全ての層転写は、Smart Cut(登録商標)処理と適合可能である。したがって、各シリコンウェーハを再利用することができ、層ごとに次第に消費することができる。
全ての直接結合は、同じ機器で行うことができる。
本発明によると、研磨欠陥は、上記US5691231と同様に、研磨後に基板に直接結合される層で覆われていることに留意すべきである。それにも関わらず、この結合の質、および酸化物パターンの縁部がここで不完全に同一平面上である可能性がある事実は、図10の結合インターフェイス1C+5/10に対するよりはるかに重要ではないことを理解すべきである。というのは、結合インターフェイスは、得られる混合構造アセンブリの自由表面にはるかに密接しているからである。
上記の場合は、大部分に均質層(平坦化層、支持基板、充填剤層、カバー層など)を利用するが、これらの層は全て積層の異なる材料(合成物および/またはドーピングおよび/または結晶方位などに関して)からなる、またはさらに同じ表面の領域により局所化され異なっている可能性があることが明らかである。
上記の場合は、様々な層またはパターンの大部分に(場合によっては、酸化物または窒化物の形態の)シリコンを使用しているが、本発明の利点は混合層を生成するのに異なる材料、特に熱および/または蒸着SiO2、Si3N4、Al2O3、AlN、SiC、およびドーピングされたシリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、(III−V)材料(InP、GaAs、GaNなど)などの有利には単結晶材料である非絶縁材料に関連する他の絶縁材料から選択された絶縁材料を利用することができる。
例えばシリコンで、平坦化層に様々な材料、特にNi、Pd、Co、Pt、Wおよび/またはこれらの金属の合金から選択した金属を使用することも同様に可能である。
本発明は有利には、得られる構造の混合電気性状の利点を得るために利用することができる。同様に、混合層内で得られる化学および/または機械および/または光学および/または熱性状の混合の利点を得るために使用することができる。
混合層の両側での幅広い材料の使用を可能にする。例えば、シリコンだけではなく、SiGe、GaAs、GaN、InP、および(III−V)または(II−VI)族からの他の材料、またはSiO2、Si3N4、Al2O3、AlNなどの絶縁材料などの言及した半導体材料がある可能性がある。既に記載したように、これらの層は合成物層である可能性がある。例えば、フォトニクスの応用例では、鏡を形成する混合層スタックの両側に、例えば2層鏡(SiO2、Si3N4)または(SiO2、Si)を配置することができる。
1 予備層
1A、1B、1C 領域
2 犠牲層
3 絶縁層
5 充填剤層
6 平坦化層
7 ウェーハ
9 シリコンウェーハ
9A 領域
9B 層
15 混合層

Claims (39)

  1. 混合マイクロテクノロジー構造を製造する方法であって、
    少なくとも第1の材料(1A、1B、1C)の第1のパターン、および第1の材料とは異なる第2の材料(5)の第2のパターンを含む混合層(15,15’、15”)が上に形成された犠牲層(2)を含む仮の基板が生成され、これらの第1および第2のパターンは犠牲層に隣接しており、
    この犠牲層が、前記混合層の混合表面を露出させるように取り除かれ、その混合表面は第1のパターンの一部および第2のパターンの一部を含み、
    直接結合によってこの混合表面上に、第3の材料の連続カバー層(9B、9B’、9B”)が生成される、方法。
  2. 第1および第2の材料の少なくとも一方が、単結晶であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 第1の材料が電気的に非絶縁性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. 第2の材料が電気的に絶縁性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. 第3の材料が電気的に非絶縁性であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 非絶縁性の第1のパターン、および連続カバー層が同じ元素を含んでいることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 同じ材料がシリコンであることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 連続カバー層および第1のパターンが、異なるドーピングを含んでいることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 第2のパターンが酸化物でできていることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 第2のパターンが、第1のパターンに含まれた元素の酸化物を含んでいることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  11. この酸化物がシリコンの酸化物であることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  12. 犠牲層が窒化物であることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 犠牲層および第2のパターンはそれぞれ、混合層の第1のパターンが含む同じ元素の窒化物および酸化物を含んでいることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  14. カバー層が、第1のパターンと同じ材料でできていることを特徴とする、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 第1のパターンがシリコンでできてい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. 混合表面上に連続カバー層を生成する前に、その混合表面またはその連続カバー層上に絶縁インターフェイス層が形成されていることを特徴とする、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 絶縁インターフェイス層が、連続カバー層の表面酸化によって形成されることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
  18. 絶縁インターフェイス層および第2のパターンが、同じ元素の酸化物でできていることを特徴とする、請求項16または17に記載の方法。
  19. 第1のパターンがシリコンおよび絶縁インターフェイス層の酸化物でできており、第2のパターンがシリコンの酸化物であることを特徴とする、請求項18に記載の方法。
  20. 仮の基板が、犠牲層(2)と、キャビティが、犠牲層(2)の反対側にある予備層の面からこの予備層内でリソグラフィ的に中空化されるステップであって、これらのキャビティは犠牲層まで延びているステップと、これらのキャビティは第2のパターン(5)を形成し、混合表面を得るように第2の材料で充填されるステップであって、この予備層は前記混合層になっているステップと、この混合表面上に、平坦化材料の層(6)が形成されるステップと、この平坦化材料の層(6)が連続平面を有するように研磨されるステップと、第4の材料の支持基板(7、7’、7”)がこの予備層に組み付けされ、前記平坦化層で覆われたステップであって、その支持基板は平坦化層の連続平面に直接結合された表面を有するステップによって、第1の材料で形成された連続予備層(1)とを含む出発基板から生成されたことを特徴とする、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 出発基板がさらに、中間支持基板(4)を備えていることを特徴とする、請求項20に記載の方法。
  22. 出発基板がさらに、中間支持基板層と犠牲層の間に絶縁層を備えていることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
  23. この絶縁層が、中間支持基板層の元素の酸化物であることを特徴とする、請求項22に記載の方法。
  24. この中間支持基板内に、犠牲層と平行な層に沿って弱い層(9A)を形成することを鑑みて、気体種またはイオンをこの中間支持基板に注入するステップを特徴とする、請求項21から23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 直接結合によって最終支持基板(7、7’、7”)を予備層に組み付けた後、中間支持基板は弱い層に沿って分離されることを特徴とする、請求項24に記載の方法。
  26. 連続予備層(1)が、犠牲層に予備基板を結合することによって得られ、その分離は弱い層に沿って生じることを特徴とする、請求項20から25のいずれか一項に記載の方法。
  27. キャビティが、蒸着によって充填されることを特徴とする、請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. 混合表面は、キャビティ間にこの予備層の一部を曝すようにこの第2の材料を研磨することによって得られることを特徴とする、請求項20から27のいずれか一項に記載の方法。
  29. 平坦化層6は、第1のパターンが含んでいる材料の多結晶層であることを特徴とする、請求項20から28のいずれか一項に記載の方法。
  30. この多結晶層が蒸気の形で被着されることを特徴とする、請求項29に記載の方法。
  31. 平坦化層6が金属層であることを特徴とする、請求項20から28のいずれか一項に記載の方法。
  32. 金属層が、蒸着またはスパッタリングまたは気相蒸着技術によって被着されることを特徴とする、請求項31に記載の方法。
  33. 最終支持基板は、第1のパターンが含む材料でできていることを特徴とする、請求項20から32のいずれか一項に記載の方法。
  34. 支持基板(7、7’、7”)と、
    その支持基板に隣接し、それに直接結合された第1の層(6、6’、6”)と、
    第1の材料の第1のパターン(1A、1B、1C)、および第1の層と平行した第1の材料と異なる第2の材料の第2のパターン(5’、5”、5’’’)を含む混合層(15、15’、15”)と、
    直接結合によってこの混合層に少なくとも間接的に組み付けされ、この混合層の第1のパターンおよび第2のパターンに面するカバー層(9B、9B’、9B”)とを備えた、混合マイクロテクノロジー構造。
  35. 第1の材料が電気的に非絶縁性であることを特徴とする、請求項34に記載のマイクロテクノロジー構造。
  36. 第2の材料が電気的に絶縁性であることを特徴とする、請求項34または35に記載のマイクロテクノロジー構造。
  37. カバー層が、絶縁インターフェイス層(10)を介して混合に連結されていることを特徴とする、請求項34から36のいずれか一項に記載のマイクロテクノロジー構造。
  38. 第2のパターンが酸化物でできていることを特徴とする、請求項34から37のいずれか一項に記載のマイクロテクノロジー構造。
  39. 混合層の第2のパターンと連続カバー層の間にドーピング差があることを特徴とする、請求項34から38のいずれか一項に記載のマイクロテクノロジー構造。
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