JP4465306B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は支持体ウェハと該支持体ウェハの一方の面に設けられた単結晶半導体材料から成る途切れのない層を有する半導体基板の製造方法に関する。
従来技術において、電子素子を製造するための一次製品としてのウェハが知られており、これは電気的に絶縁性の基板上に半導体材料から成る薄い層を有している。択一的に、薄い半導体層を電気的に絶縁性の層を介してやはり半導体材料から成る基板と分離することができる。半導体材料が薄い層のシリコンである場合には、SOIウェハ("silicon on insulator")と呼ばれる。
さらに、この種のウェハを製造するための様々な方法も知られている。公知のたいていの方法によれば、半導体ウェハ(いわゆるドナーウェハ)表面の下方に密接して分離層たとえば中空室を伴う層が生成される。このようにして準備処理されたドナーウェハは、第2のウェハである支持体ウェハと結合される。ついでドナーウェハが分離層に沿って分割される。これによりドナーウェハの層が支持体層に転写され、つまりは移される。
WO03/003430A2に記載されている方法によれば、半導体材料から成る薄い層がドナーウェハから支持体ウェハに移される。このような転写のために用いられるドナーウェハの面上には最初に、所定の幾何学的形状をもつ周期的に繰り返される凹部の設けられた構造が形成される。ついでこれらの凹部は熱処理により表面で封止され、その結果、閉じられた層の下で周期的に繰り返し中空室の設けられた層が材料の表面に形成される。このようにして準備処理されたドナーウェハは、支持体ウェハと結合される。その後、たとえばさらに熱処理を施すことで、中空室を含む層に沿ってドナーウェハが分割される。
上述の方法には多数のステップが含まれており、それゆえかなり煩雑である。しかも従来技術による方法によっても任意に薄い層を転写させることはできない。それというのも、層の厚さは凹部の形成に用いられるリソグラフィによって制約されてしまうからである。たとえば10nmよりも僅かな厚さをもつ著しく薄い層を得るためには、WO03/003430Aに記載されているように、たとえば50nmの厚さをもつようなそれよりも厚い層を支持体に転写させ、ついでこのような層の厚さを適切な措置によって減らさなければならない。たとえば平均層厚100nm、平均層厚に対する標準偏差5%の層を転写させる可能性がある。つまりこのことは、平均層厚に対し面積の32%までは5%(すなわち5nm)あるいはそれ以上の偏差が生じるし、それどころか面積の0.3%までは15%(すなわち15nm)あるいはそれ以上の偏差が平均層厚に対して生じることを意味する。ついで、転写された層の厚さを15nmまで低減させる場合、転写および分離後に生じる5%の標準偏差の結果として、統計的に面積の約0.15%まで、転写された層が半導体材料から完全に取り除かれる。したがって直径300mm、面積707cmのウェハであれば、半導体材料から成る層はほぼ1cmの面積まで完全に取り除かれる。この領域はHF欠陥として検出可能である。転写された半導体層の厚さをこれまで述べてきたようにして大幅に低減する場合、転写および分離後に生じる層厚の均一性が層厚低減後のHF欠陥密度にそのまま影響を及ぼす。しかも慣用の厚さ低減方法によれば、絶対的な層厚均質性がいっそう劣化する傾向にあるので、最終的な厚さがきわめて僅かであるときにはHF欠陥密度がさらに上昇してしまう。
WO03/003430A2
したがって本発明の課題は、きわめて薄い半導体層をもち同時にHF欠陥密度も著しく僅かな層構造を提供することにある。
本発明によればこの課題は、a)凹部を含む層を、前記単結晶半導体材料から成るドナーウェハの表面に形成するステップと、b)前記凹部を含むドナーウェハの層を前記支持体ウェハと接合するステップと、c)前記支持体ウェハと前記ドナーウェハとの界面のところで前記凹部を封止するために熱処理を加えて、前記ドナーウェハ内に中空室の設けられた層を形成し、該中空室の設けられた層と前記支持体ウェハとの間に途切れのない層を形成するステップと、d)該中空室の設けられた層に沿ってドナーウェハを分割して、前記支持体ウェハ上に前記単結晶半導体材料から成る途切れのない層を残すステップを設けることにより解決される。
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。
図1〜図5には、半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明に従って転写する様子が描かれている。図6〜図10には、半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明に従って転写する様子が略示されており、この場合、支持体ウェハは1つの面の上に付加的な層を担持しており、凹部を含むドナーウェハの層とこの層とが接合される。
本発明によれば最初にステップa)(図1および図6)において、望ましい半導体材料から成るドナーウェハ1が準備処理され、その際、ドナーウェハの一方の面に凹部3を含む層が形成される。これらの凹部3は規則的に形成してもよいし、不規則に形成してもよい。それらはたとえばリソグラフィとトレンチエッチング(たとえばWO03/003430A2参照)により、あるいはアノードエッチング(たとえばEP553852B1参照)により形成することができる。
ついでステップb)(図2および図7)においてドナーウェハ1は、凹部3を備えた層が接合される両方のウェハの間に位置するよう接合される。したがって本発明による方法の場合には従来技術とは異なり、凹部3を含む層が支持体ウェハ2とじかに接合される。図6〜図10に描かれているように支持体ウェハ2が付加的な層9を担持している場合、ドナーウェハ1は付加的な層9と接合される。支持体ウェハ2が半導体ウェハであるならば、この付加的な層9をたとえば半導体材料の酸化物などのような絶縁層とすることができる。このケースでは、ドナーウェハ1としてシリコンウェハを使用した場合に本発明による方法によってSOIウェハを製造することができる。
ステップc)(図3、図4および図8、図9)において、接合されたウェハが適切な温度で熱処理される。この温度は、ドナーウェハ1を構成する材料に依存する。また、界面4においてドナーウェハ1の原子の十分な移動度が確保される程度に、この温度を高くする必要がある。ドナーウェハ1がシリコンから成る場合、この熱処理を500℃〜シリコンの融点の範囲内で行うのが有利である。殊に有利であるのは、900℃〜1100℃の範囲で熱処理を行うことである。そしてこの熱処理を、たとえば水素を含有する雰囲気において行うことができる。必要であればこの熱処理によって、接合されるウェハの界面4における結合力が強められる。ただしまず第1には、ドナーウェハ1と支持体ウェハ2の界面4において、半導体材料の原子の表面拡散により凹部3が封止され、その結果、閉じられた中空室6が形成されて、それらの凹部は完全にドナーウェハ1の内部に位置するようになり、もはや支持体ウェハ2あるいは支持体ウェハ2の付加的な層9にじかには隣接しなくなる。熱処理によって励起される表面拡散に従い、凹部3の幅が界面4の領域で狭くなり始め、ついで完全に封止されて中空室6が形成される。この場合、凹部3つまりは中空室6の形状はほぼ等しいままである。したがって熱処理の間に、ドナーウェハ1の半導体材料から成る途切れのない層7が界面4のところに形成される。
熱処理後、接合されたウェハは以下の構造を有する:支持体ウェハ2(または付加的な層9)に、半導体材料から成る途切れのない薄い単結晶の層7がつながっている。この層には中空室6を伴って残されている層が続き、さらにその上にドナーウェハの残留部5が配置される。
ついでこの構造体はステップd)(図5および図10)において、中空室6を伴って残されている層に沿って分割され、その結果、支持体ウェハ2の上には半導体材料から成る薄い層8だけが残されることになる。この分割は機械的な力の作用を与えることによって行うことができ、たとえばガスビーム、液体ビーム、くさび、曲げ応力、あるいはこれらを組み合わせて使用することも可能な他の適切な手段によって行うことができる。
ただし有利であるのは、分割を別の熱処理によって実現することである。この場合、ステップC)において表面が封止された直後、つまり僅かな原子層の厚さをもつ薄く途切れのない層7が形成されるとただちに、中空室6はエネルギーを最小化させようとしてそれらの内側表面を小さくし始め、つまりは球状になろうとし始める。中空室6の幅が広がることでそれらは互いにつながり、最後には薄い単結晶層7,8がドナーウェハの残留部5から分離する。これら別の熱処理の条件をステップc)の条件と一致させるのが有利であり、なぜならばそのようにすれば表面拡散と同じメカニズムが利用されるからである。
本発明はさらに、支持体ウェハ2および単結晶半導体材料から成るドナーウェハ1を有する半導体基板にも関する。本発明による半導体基板の特徴によれば、ドナーウェハ1は凹部3を含む層を介してその表面で支持体基板2と接合されている。
この半導体基板は、本発明による方法のステップb)において、すなわち凹部3を含むドナーウェハ1の層を支持体ウェハ2と接合することにより、中間製品として形成される。この半導体基板は複数の層の列から成り、その特徴によれば、有利には平坦な内側の界面4が設けられ、この界面4に沿って、封止された中空室を伴う層が存在している。これらの中空室は、一方の側で内側の界面4と接触するように配置されており、それによって中空室の壁が両方の材料から構成されるようにし、界面4により分離される。
本発明はさらに、支持体ウェハ2と単結晶半導体材料から成る層8を有する半導体基板にも関する。この半導体基板の特徴によれば、層8の厚さは100nmまたはそれ以下であり、層厚均一性は5%またはそれ以下であり、HF欠陥密度は0.02/cmまたはそれ以下である。
たとえば本発明は、以下の構成を有する半導体基板に関する。すなわちこの半導体基板は、僅かな厚さの、精確には80nmまたはそれ以下有利には50nmまたはそれ以下殊に有利には20nmまたはそれ以下の厚さの単結晶半導体材料から成る層8と、上述の特性とを有している。ここで「層厚均一性」という表現は、6σ値すなわち標準偏差の6倍の値と同等である。
本発明による方法によって製造可能な本発明による半導体基板の特徴によれば、半導体材料から成り良好な層均一性と著しく僅かなHF欠陥密度をもつきわめて薄い層8が設けられている。本発明による半導体基板の最大HF欠陥密度は、WO03/003430A2において達成される0.1/cmという値の20%にすぎない。欠陥密度が著しく僅かであることから、素子製造時の歩留まりが高くなり、層厚均一性が良好であることから、カットオフ電圧など均質で良好なトランジスタ特性が得られるようになる。したがって本発明による半導体基板は、要求の高い電子素子の製造にきわめて適している。
表面拡散ならびに表面エネルギーひいては表面自体を最小化しようとする動作の実用化と組み合わせて、凹部を含む表面と支持体ウェハとを接合するのは、まったく新しいアプローチである。公知のSOIウェハ製造方法とは異なり本発明による技術の場合、まえもって定義された一定の厚さの単結晶層は支持体ウェハとは接合されない。
本発明による方法の場合には支持体との接合が行われてからはじめて、閉じられた層が形成される。
本発明による方法によれば、WO03/003430A2よりもプロセスステップ数の少ない著しく簡単な方法が提供される。プロセスシーケンスが簡単になったことにより、本発明による方法はいっそう経済的かついっそう簡単にコントロールすることができ、それゆえ障害発生源が僅かになる。
WO03/003430A2に記載されている方法によっても、実質的に50nmよりも僅かな厚さの層を転写することはできない。その理由は、転写される層の厚さはリソグラフィによって制約されてしまうからである。本発明による方法を用いることにより、きわめて薄い層を転写することができる。なぜならば、支持体とじかに接合される凹部の設けられた表面の領域における原子は支持体との結合により個々の位置で固定され、それらの原子は表面拡散のためには使われないからである。これに対し、凹部の側壁と底における原子はそれら凹部の表面に沿って、支持体ウェハの方向に拡散することができる。その結果、かつての凹部開口部は界面のところで支持体ウェハにじかにつながる。さらに熱処理を施すことにより、新たに形成された縦長の中空室は最小エネルギー状態になろうとし、つまり球状になろうとする。それらの凹部の幅は大きくなり、深さは縮まる。縦長の凹部の配置と大きさとによって、分離後に数ナノメータ〜数マイクロメータまでの層厚をそのまま生じさせることができる。凹部の直径が小さくかつそれらの間隔が僅かであれば、転写される層の厚さが僅かになる一方、サイズが大きくかつ間隔が広がれば、いっそう大きい層厚が生じることになる。
これに対しWO03/003430A2に記載されている方法の場合、複数の凹部の開口部間の領域における原子すなわち本発明によれば支持体ウェハとじかに接合される表面における原子も自由に移動し、それゆえ表面拡散に用いられることになる。したがってWO03/003430A2の場合には凹部と表面との間のエッジも丸くなってしまい、その結果、中空室はきちんと表面で閉鎖されるのではなく、いくらか深いところで閉鎖される。したがって凹部の閉鎖にあたりそれにより生じる中空室の上に浅い「くぼみ」が形成され、その場合、これらの「くぼみ」はプロセスのその後のシーケンスにおいて再び材料で充填され、その結果、層厚が大きくなってしまう。
このように本発明による方法によればきわめて薄い層の転写が可能であるため、層厚を小さくするために用いられる後処理ステップを部分的にまたは完全に省略することができる。このため層厚の均一性(すなわち層厚の標準偏差の6倍の値)が実質的に凹部直径の均一性にのみ依存することになり、それゆえ5%またはそれ以下の範囲内に位置するようになる。
また、たとえば厚さ10nmまたはそれ以下のようにきわめて薄い層の場合には殊に、HF欠陥密度は層厚均一性により著しく強い影響を受ける。つまりこのことは上述のように、いっそう薄い層が移されついで層厚が低減される場合にあてはまる。本発明によれば著しく薄い層を移すことができるので、続いて層厚を低減する処理を一般的には省くことができる。しかも移された層は著しく良好な層厚均一性を有しているので、本発明による基板の場合にはHF欠陥密度は0.02/cmまたはそれ以下で著しく僅かである。
半導体材料においてかなりの表面拡散が達成できるのであれば、本発明による方法は単結晶半導体層を任意の支持体ウェハに転写するのに適している。このような転写は、両方のウェハを接合する前にステップb)において、ごく僅かな原子の層の厚さの多結晶層または非晶質層を支持体ウェハ2に取り付けることによって支援することができる。この層は、転写すべき半導体材料と同一であるかまたは転写すべき材料の少なくとも1つの構成部分を含む材料によって構成されている。多結晶層または非晶質の層の取り付けは、たとえば化学的気相デポジション(CVD、英語では"chemical vapour deposition")によって行われる。
本発明による方法は数多くの製品を製造するのに適している;
A)SOI基板は、ドナーウェハ1として単結晶シリコンウェハを、支持体ウェハ2としてガラスまたはサファイアのように電気的に絶縁性の材料から成るウェハを使用することによって製造される。支持体ウェハ2として半導体ウェハたとえば多結晶または有利には単結晶のシリコンウェハなどの半導体ウェハを使用することもでき、このウェハの表面に電気的に絶縁性の層9(図6〜図10を参照)たとえば酸化シリコン層が担持されている。
B)GeOI基板("Germanium on Insulator")もSOI基板(項目A)と同じように製造されるが、この場合にはドナーウェハ1として単結晶ゲルマニウムウェハが使用される。
C)任意の基板上のシリコンカーバイド層は、ドナーウェハ1としてシリコンカーバイドから成る単結晶ウェハを用いることで製造される。
C)SGOI基板("Silicon-Germanium on Insulator")は、少なくとも一方の面の上に組成SiGe1−x(0<x<1)のシリコン・ゲルマニウム層を担持するシリコンウェハをドナーウェハ1として使用することにより製造される。支持体ウェハ2として電気的に絶縁性の材料から成るウェハを使用することができるし、あるいはたとえば多結晶または有利には単結晶のシリコンウェハを使用することができ、このウェハの表面に電気的に絶縁性の層9(図6〜図10)たとえば酸化シリコン層が担持されている。本発明による方法のステップa)〜d)の実施後、SGOI基板の上に付加的に、薄い歪みシリコン層をデポジットすることができる。
D)sSOI基板("Strained Silicon on Insulator")を製造する目的で最初に、SiGe1−x(0<x<1)という組成をもつ応力のない単結晶のシリコン・ゲルマニウム層がシリコンウェハの上にデポジットされる。この上にやはり、薄い歪みシリコン層(英語では"strained silicon layer")がデポジットされ、次にこの層にステップa)において、リソグラフィおよびトレンチエッチングまたはアノードエッチングにより凹部3が形成される。このようにして準備処理されたドナーウェハ1はステップb)において、支持体2の電気的に絶縁性の層9(たとえばシリコンウェハの酸化された表面)と接合される。接合されたウェハに対し次に、本発明による方法のステップc)およびステップd)が実施される。
実施例1
この実施例は図6〜図10に係わる。従来技術に従いシリコンウェハ1の表面にリソグラフィおよびイオンビームエッチングを用いて、丸い横断面をもつ凹部3が周期的に規則的に形成される。これらの凹部の深さは3.5μm、直径は0.4μmであり、各凹部の中心から中心までの間隔は0.8μmとなっている。さらに別のステップにおいてこれら凹部のシリコン表面が、酸化シリコン層9を担持するシリコンウェハ2と接合される(ボンディングされる)。このためには市販のボンダが用いられる。互いに接合されたウェハに対し全体で10時間、最高温度1100℃で熱処理が加えられる。この処理は、0.1MPaの圧力においてアルゴン雰囲気中で実施される。この熱処理によって、両方のウェハ間の接合強度が高まる一方、凹部3が界面4のすぐ近くでシリコンウェハ2の上の酸化シリコン層9に対し封止され、薄い単結晶シリコン層7が形成される。熱処理をさらに続けると、新たに生じた中空室6が溶融し、その結果、新たに生じたシリコン層8とかつて凹部があったシリコンウェハの残留部5の間に、途切れのない中空室が形成される。このとき薄い単結晶シリコン層8は、依然として酸化物層9とのみ結合されている。
実施例2
シリコン・ゲルマニウムで被層されているシリコンウェハの表面(シリコン・ゲルマニウム層の厚さは約4μm)に、従来技術に従いリソグラフィおよびイオンビームエッチングにより丸い横断面の凹部が周期的に規則的に形成される。これらの凹部の深さは3.5μm、直径は0.4μmであり、各凹部の中心から中心までの間隔は0.8μmとなっている。さらに別のステップにおいて、凹部に設けられているシリコン・ゲルマニウム表面が酸化された表面をもつシリコンウェハと接合される(ボンディングされる)。このためには市販のボンダが用いられる。ついで、互いに接合されたウェハペアに対し全体で10時間、最大温度1100℃で熱処理が加えられる。圧力は0.1MPaであり、雰囲気ガスとしてArが選ばれる。この熱処理によって、両方のウェハ間の接合強度が高められる一方、界面のすぐ近くで凹部が酸化されたシリコンウェハに対し封止され、薄い単結晶シリコン・ゲルマニウム層が形成される。熱処理をさらに続けると、新たに生じた中空室が溶融し、その結果、新たに生じたシリコン・ゲルマニウム層とかつて凹部があったシリコンウェハとの間に、途切れのない中空室が形成される。このとき薄い単結晶シリコン層は、依然として酸化物層とのみ結合されており、そのようにしてSGOI基板が形成されることになる。
実施例3
最初に、緩和されたシリコン・ゲルマニウム層の被層されたシリコンウェハの上に歪みシリコン層がデポジットされる。歪みシリコン層の表面に従来技術に従いリソグラフィおよびイオンビームエッチングを用いて、丸い横断面をもつ凹部が周期的に規則的に形成される。これらの凹部の深さは3.5μm、直径は0.4μmであり、各凹部の中心から中心までの間隔は0.8μmとなっている。さらに別のステップにおいて、凹部に設けられている歪みシリコン表面が酸化された表面をもつシリコンウェハと接合される(ボンディングされる)。このためには市販のボンダが用いられる。ついで、互いに接合されたウェハペアに対し全体で10時間、最大温度1100℃で熱処理が加えられる。圧力は0.1MPaであり、雰囲気ガスとしてArが選ばれる。この熱処理によって、両方のウェハ間の接合強度が高められる一方、界面のすぐ近くで凹部が酸化されたシリコンウェハに対し封止され、薄い単結晶の歪みシリコン層が形成される。熱処理をさらに続けると、凹部から形成された中空室が溶融し、その結果、新たに形成されたシリコン層とかつて凹部があった歪みシリコン層との間に、途切れのない中空室が形成される。このとき薄い単結晶の歪みシリコン層は、依然として酸化物層とのみ結合され、そのようにしてsSGOI基板が形成されることになる。
半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の1つの実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の1つの実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の1つの実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の1つの実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の1つの実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の別の実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の別の実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の別の実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の別の実施例に従って転写する様子を示す図 半導体材料から成る薄い層をドナーウェハから支持体ウェハへ本発明の別の実施例に従って転写する様子を示す図
符号の説明
1 ドナーウェハ
2 支持体ウェハ
3 凹部
4 界面
5 ドナーウェハの残留部
6 中空室
7,8 薄い単結晶シリコン層
9 付加的な酸化シリコン層

Claims (6)

  1. 支持体ウェハ(2)と、該支持体ウェハ(2)の一方の面に設けられた単結晶半導体材料から成る途切れのない層(8)を有する半導体基板の製造方法において、
    a)凹部(3)を含む層を、前記単結晶半導体材料から成るドナーウェハ(1)の表面に形成するステップと、
    b)前記凹部(3)を含むドナーウェハ(1)の層を前記支持体ウェハ(2)と接合するステップと、
    c)前記支持体ウェハ(2)と前記ドナーウェハ(1)との界面(4)のところで前記凹部(3)を封止するために熱処理を加えて、前記ドナーウェハ(1)内に中空室(6)の設けられた層を形成し、該中空室(6)の設けられた層と前記支持体ウェハ(2)との間に途切れのない層(7)を形成するステップと、
    d)該中空室(6)の設けられた層に沿ってドナーウェハ(1)を分割して、前記支持体ウェハ(2)上に前記単結晶半導体材料から成る途切れのない層(8)を残すステップ、
    を有することを特徴とする、半導体基板の製造方法。
  2. 請求項1記載の方法において、
    前記ステップd)におけるドナーウェハ(1)の分割を熱処理により行い、該熱処理中に前記中空室(6)が互いにつながり、単結晶半導体材料から成る前記途切れのない層(8)が前記ドナーウェハ(1)の残留部(5)から切り離されることを特徴とする方法。
  3. 請求項2記載の方法において、
    前記のステップc)とステップd)を連続した熱処理としてまとめて実施することを特徴とする方法。
  4. 請求項3記載の方法において、
    前記のステップc)とステップd)における熱処理の条件を等しくすることを特徴とする方法。
  5. 請求項1から4のいずれか1項記載の方法において、
    ステップb)の前に前記支持体ウェハ(2)の少なくとも1つの面に非晶質層または多結晶層を被着し、該層は前記ドナーウェハ(1)の構成要素と同一の構成要素を少なくとも有することを特徴とする方法。
  6. 請求項5記載の方法において、
    前記の非晶質層または多結晶層の組成は前記ドナーウェハ(1)の組成と同一であることを特徴とする方法
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