JP4954853B2 - ２つの固体材料の分子接着界面における結晶欠陥および／または応力場の顕在化プロセス - Google Patents
２つの固体材料の分子接着界面における結晶欠陥および／または応力場の顕在化プロセス Download PDFInfo
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Description
本発明は、特にナノ構造やマイクロ構造の生成に関連して、構造内の欠陥または応力の顕在化を可能とするプロセスに関するものであり、このプロセスにおいては、分子接着による２つの結晶素子の固定を使用する。
２つの結晶材料を分子接着した場合、接着界面に、応力場および／または格子欠陥からなるナノメートル程度のまたはマイクロメートル程度の格子が発生することが、公知である。
国際特許公開明細書第９９／０５７１１号には、２つの結晶材料ウェハを分子接着することにより、応力場および／または格子欠陥からなるナノメートル程度のまたはマイクロメートル程度の格子を得るというプロセスが開示されている。厚さを化学的にまたは機械的に減少させることにより、これらウェハのうちの一方のウェハの厚さを十分に減少させて、応力場および／または格子欠陥からなる格子を顕在化させることができる。その後、薄肉化されたウェハによって形成されたフィルム上に材料を成膜した場合には、この材料は、接着界面に誘起されかつ薄いフィルムによって顕在化された応力場および／または格子欠陥からなる格子に対して直接的に依存した格子を形成する。
さらに、結晶材料内に存在する転位が、より高濃度の不純物すなわちドーピング材の析出をもたらすことが公知である。これに関しては、以下の文献を参照することができる。
−Ｄ．Ｍ． Ｌｅｓｓ 氏他による Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ６５， Ｎｏ． ３， Ｊｕｌｙ１８， １９９４， ｐａｇｅｓ ３５０−３５２ における“Ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｃｅｉｒｏｎ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ ｂｙ ｍｉｓｆｉｔ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｉ／Ｓｉ （Ｇｅ） ｅｐｉｔａｘｙ”
−Ｊ． ＷＯＮＧ−ＬＥＵＮＧ 氏他による Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ６７， Ｎｏ． ３，Ｊｕｌｙ １７， １９９５， ｐａｇｅｓ ４１６−４１８ における“Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ａｕ ｔｏ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓａｎｄ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ”
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−Ｊ． ＷＯＮＧ−ＬＥＵＮＧ 氏他による Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ６７， Ｎｏ． ３，Ｊｕｌｙ １７， １９９５， ｐａｇｅｓ ４１６−４１８ における“Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ａｕ ｔｏ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓａｎｄ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ”
これら文献によれば、析出にとっては好ましい場所をなす転位は、体積全体にわたってランダムに広がり、唯一にまたは完全に制御することができない。
本発明の目的は、応力場および／または格子欠陥からなるナノメートル程度のまたはマイクロメートル程度の格子を使用することにより、現在の方法よりも多様な態様で、そのような格子を利用可能とすることである。
したがって、本発明の主題は、構造内の欠陥または応力の顕在化を可能とするプロセスであって、このプロセスにおいては、
−分子接着によって、結晶材料を含有した第１部材の面を、結晶材料を含有した第２部材の面に対して、面どうしが結晶格子に関してオフセットを有するようにして、固定し、これにより、固定界面に隣接した結晶領域に、結晶欠陥および／または応力場からなる格子を形成し；
−両部材のうちの一方の部材の厚さを減少させることにより、固定界面に沿って格子構造が形成されるようにして他方の部材に対して接着された薄膜を形成し、この薄膜の厚さを、この薄膜の自由表面が結晶欠陥格子および／または応力場を顕在化しないようなものとし、薄膜の厚さを、さらに、その後のステップを行い得るものとし；
−結晶欠陥格子および／または応力場の顕在化を薄膜の自由表面にもたらすような処理を、薄膜に対して行う。
−分子接着によって、結晶材料を含有した第１部材の面を、結晶材料を含有した第２部材の面に対して、面どうしが結晶格子に関してオフセットを有するようにして、固定し、これにより、固定界面に隣接した結晶領域に、結晶欠陥および／または応力場からなる格子を形成し；
−両部材のうちの一方の部材の厚さを減少させることにより、固定界面に沿って格子構造が形成されるようにして他方の部材に対して接着された薄膜を形成し、この薄膜の厚さを、この薄膜の自由表面が結晶欠陥格子および／または応力場を顕在化しないようなものとし、薄膜の厚さを、さらに、その後のステップを行い得るものとし；
−結晶欠陥格子および／または応力場の顕在化を薄膜の自由表面にもたらすような処理を、薄膜に対して行う。
薄膜に対する処理は、熱供給の印加とすることができる。熱供給は、処理と同時に行うことができ、その目的は、薄膜の自由表面に存在する材料の少なくとも１つの特性を変更することとされる。このような特性は、薄膜の性質、薄膜の表面トポロジー、および、薄膜の内部応力場のいずれかとすることができる。また、熱供給は、処理と同時に行うことができ、その目的を、薄膜の自由表面上に堆積を行うこととすることができる。
薄膜に対する処理は、薄膜内への化学種の導入とすることができる。この導入は、イオン打込または拡散を使用して行うことができる。導入される化学種は、応力場の影響によって結晶欠陥上に凝結する種とすることができる。
薄膜に対する処理は、化学的エッチング、および／または、電気化学的エッチング、および／または、機械的エッチング、および／または、イオンエッチング、および／または、光化学的エッチングとすることができる。
薄膜に対する処理は、局所的に行うことができ、これにより、結晶欠陥格子および／または応力場格子からなる１つまたは複数のゾーンを顕在化させることができる。
厚さを減少させるステップにおいて、複数の接着性薄膜が形成される場合には、処理ステップは、複数の薄膜の中の１つまたは複数の薄膜に対して行うことができる。
添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての以下の説明を読むことにより、本発明が、より明瞭に理解され、本発明の他の利点や格別の特徴点が、明瞭となるであろう。
図１は、シリコンウェハ（２）に対して固定されたＳＯＩ基板（１）を示す断面図である。ＳＯＩ基板（１）は、例えば、直径が１０．１６ｃｍ（４インチ）のディスクであって、シリコンウェハ（１１）と、厚さが４００ｎｍのＳｉＯ２層（１２）と、厚さが２００ｎｍのシリコン層（１３）と、からなる積層によって構成されている。シリコン層（１３）は、固定面（１４）を有している。シリコンウェハ（１１）とシリコン層（１３）との各々は、Ｐタイプであって、原子数で１０１５〜１０１６個／ｃｍ３の程度にドーピングされている。シリコン層（１３）は、＜１００＞方向に配向した表面を有している。ウェハ（２）も、また、原子数で１０１５〜１０１６個／ｃｍ３の程度にドーピングされたＰタイプシリコンから形成され、＜１００＞方向に配向した表面を有している。ウェハ（２）は、固定面（２１）を有している。
図１は、ＳＯＩ基板（１）の面（１４）上にウェハ（２）の面（２１）を分子接着することによって固定を行った後に得られた構造を示している。接着に先立って、面（２１，１４）は、分子接着を得るための当該技術分野において公知の手法を使用して処理される。基板（１）とウェハ（２）とは、国際特許公開明細書第９９／０５７１１号に記載されているようにして面（１４，２１）間に結晶構造のオフセットが存在するようにして、固定される。構造に対して熱処理を施すことによって、面（１４，２１）間の接着を補強することができる。
分子接着による固定は、図１において符号（３）によって模式的に示すような格子欠陥および／または応力場からなる格子の形成を引き起こす。
本発明によるプロセスの次なるステップにおいては、基板（１）の厚さを減少させる。これを行うために、当該技術分野において公知の機械的手法によって、は周知なように、ＳＯＩ基板（１）の厚さを、ＳＯＩ基板（１）の背面側において減少させる。このような厚さの機械的低減は、例えば固定界面（１４／２１）から１０μｍよりも離れたところにおいて、したがって、シリコンウェハ（１１）内において、停止させる。シリコンウェハ（１１）の残部は、例えば８０℃においてＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムハイドロオキサイド）を使用した化学的エッチングによって、除去される。厚さを減少させるための他の技術を使用することもできる。この化学的エッチングは、酸化物層（１２）の背面において停止する。その後、酸化物層（１２）は、フッ酸溶液（１０％ＨＦ：Ｈ２Ｏ）を使用したエッチングによって、除去される。
その後、接着強度を増強する目的と、露出された層（１３）をなすシリコンの一部を消費することによる酸化物層の形成という目的と、の双方の目的において、熱処理を行う。形成される酸化物層の厚さをチェックすることにより、残存層（１３）上のシリコンの厚さが、約１０ｎｍとされ、薄膜（１６）を形成する。形成された犠牲酸化物は、その後、ＨＦエッチング（１０％ＨＦ：Ｈ２Ｏ）によって除去される。これにより、図２に示す構造が得られる。薄いフィルム（すなわち、薄膜）（１６）の自由表面（１５）は、格子欠陥または応力場からなる格子を顕在化させていない。そのような格子は、固定界面（１４／２１）の隣接領域に限定されたままである。
厚さの減少後においては、初期基板に応じて、複数の薄膜を、ウェハ上に成膜することができる。
本発明によるプロセスの次なるステップにおいては、薄膜（１６）の自由表面（１５）において、固定界面（１４／２１）に隣接した格子欠陥または応力場からなる格子を顕在化させるように、薄膜（１６）を処理する。
格子欠陥または応力場からなる格子は、熱供給の印加によって、顕在化させることができる。この熱供給は、様々な雰囲気（窒素、酸素、アルゴン、あるいは、他の任意のガス）内におけるアニール時に、あるいは、真空中でのアニール時に、あるいは、酸化時に、あるいは、これら技術の組合せによって、印加することができる。この熱供給の目的は、応力ゾーンおよび／または格子欠陥の体積を変化させることである。このような体積変化は、フィルム（１６）の自由表面（１５）のトポロジーを変化させる。つまり、固定界面のところにおいてまたは固定界面の近傍において体積が変化した応力場格子および／または結晶欠陥格子に全体的にまたは部分的に依存して、表面に応力場格子が現れるすなわち表面のトポロジーが周期的に変化する。さらに、トポロジー変化のピッチは、応力場格子および／または結晶欠陥格子のピッチの複数倍とすることができる。
図３は、８００℃という温度で真空中においてアニールを行った後における、フィルム（１６）の表面トポロジーの変化の一例を、符号（１８）によって示している。この表面変化は、周期的であり、変化周期は、固定界面（１４／２１）に存在する転位格子の周期に依存する。すなわち、フィルム（１６）の自由表面から約１０ｎｍ下方に存在する転位格子の周期に依存する。
結晶欠陥格子または応力場は、また、薄膜内に化学種を導入することによっても、顕在化させることができる。このような化学種は、金属粒子または磁性粒子に由来するものとすることができる。そのような化学種は、例えば水素および／またはヘリウムといったような気体とすることができ、また、例えばＥｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｃｕといったような、薄膜（１６）またはウェハ（２）内へと導入し得る他の元素とすることができる。化学種は、例えば、拡散やイオン打込によって導入することができる。１つまたは複数のステップにおいて複数の化学種を導入することができる。
化学種の導入の後に、あるいは、化学種の導入の前に、あるいは、化学種の導入と同時に、熱供給の印加を行うことができる。この熱供給は、複数のフェーズにおいて実行することができる。この熱供給の印加は、上述した様々な効果に加えて、結晶欠陥に対して導入された様々な種の拡散を容易とすることができる。これにより、応力場格子の体積を増大させたりあるいは減少させたりすることができ、および／または、格子の結晶欠陥部分の性質を変更することができる。有利には、応力および／または結晶欠陥に関しての、このような体積変更および／または性質変更は、表面上において効果をもたらすことができる。
導入された種は、また、結晶欠陥上において凝結することができ、および／または、応力場の影響に追従することができる。これにより、応力場格子および／または結晶欠陥格子に全体的にまたは部分的に依存して、導入された種からなる埋設格子が得られる。さらに、埋設種格子のピッチは、応力場格子および／または結晶欠陥格子のピッチの複数倍とすることができる。例えば、銅が導入される場合には、ナノメートルワイヤからなる格子を、Ｓｉ／Ｓｉ界面のところにおいて、ナノメートルピッチでもって、得ることができ、このナノメートルワイヤからなる格子は、表面に出現させることができる。
また、磁性材料が導入された場合には、磁性ピンまたは磁性ワイヤからなる格子を、得ることができる。このような格子は、磁場格子の効果によって、その後、例えば表面において磁性材料を組織化するように機能することができる。このようなピンまたはワイヤからなる格子は、また、フィルムまたは基板内に埋設されているかどうかにかかわらず、直接的に使用することもできる。
結晶欠陥格子または応力場は、また、少なくとも１つの、化学的エッチングおよび／または電気化学的エッチングおよび／またはイオンエッチングおよび／または光化学的エッチングおよび／または機械的エッチングによって、顕在化させることができる。例えば、この処理は、ＲＩＥエッチングまたはイオン衝撃とすることができる。この処理は、熱供給の印加の前におよび／または熱供給の印加の後におよび／または熱供給の印加と同時に、行うことができる。これにより、応力格子および／または結晶欠陥格子が変化する。実際、応力場および／または結晶欠陥の延在体積が変更されるという観点において、応力および／または結晶欠陥が変化する。このエッチングの位置は、全体的にまたは部分的に、応力場格子および／または結晶欠陥格子に依存する。さらに、この局所的エッチングのピッチは、応力場格子および／または結晶欠陥格子のピッチの複数倍とすることができる。例えば、ＨＦを使用した電気化学的エッチングによる多孔質シリコンの形成は、応力場格子および／または結晶欠陥格子に全体的にまたは部分的に依存した多孔性または粗さを顕在化させることとなる。さらに、この粗さのピッチは、応力場格子および／または結晶欠陥格子のピッチの複数倍とすることができる。
このような体積変化は、表面に堆積させた材料を組織化するために使用することができる。この堆積は、例えば気相技術（例えば、エピタキシャル成長、ＣＶＤ、分子ジェット技術、噴霧法）や液相技術（例えば、溶液内における材料堆積、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）、溶融ポリマーの堆積）や固相技術（例えば、固体凝集物の堆積）の中から選択された堆積技術を使用して行うことができる。堆積材料は、アモルファス（例えば、窒素酸化物）や、金属（例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｃｕ、あるいは、他の金属）や、半導体（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮやＩｎＰやＡｓＦａやＩｎＧａＡｓ等といったようなＩＩ−ＩＶまたはＩＩＩ−Ｖ組成物）や、超伝導体や、有機物や、絶縁体（例えば、ダイヤモンド、グラファイト、あるいは、他の絶縁性材料）、とすることができる。
１ ＳＯＩ基板（第１部材）
２ シリコンウェハ（第２部材）
３ 結晶欠陥および／または応力場からなる格子
１４ 固定面（面）
１５ 自由表面
１６ 薄膜
２１ 固定面（面）
２ シリコンウェハ（第２部材）
３ 結晶欠陥および／または応力場からなる格子
１４ 固定面（面）
１５ 自由表面
１６ 薄膜
２１ 固定面（面）
Claims (4)
- 構造内の欠陥または応力の顕在化を可能とするプロセスであって、
−分子接着によって、結晶材料を含有した第１部材（１）の面（１４）を、結晶材料を含有した第２部材（２）の面（２１）に対して、前記面どうしが結晶格子に関してオフセットを有するようにして、固定し、これにより、固定界面に隣接した結晶領域に、結晶欠陥および／または応力場からなる格子（３）を形成し；
−前記両部材のうちの一方の部材（１）の厚さを減少させることにより、前記固定界面（１４／２１）に沿って前記格子構造が形成されるようにして他方の部材（２）に対して接着された薄膜（１６）を形成し、この薄膜（１６）の厚さを、この薄膜（１６）の自由表面（１５）が結晶欠陥格子および／または応力場を顕在化しないようなものとし；
−イオン打込または拡散を使用した前記薄膜内への化学種の導入によって、前記結晶欠陥格子（１８）および／または前記応力場の顕在化を前記薄膜の前記自由表面にもたらし、前記自由表面の表面トポロジーの変更を生じさせる処理を、前記薄膜（１６）に対して行う；
ことを特徴とするプロセス。 - 請求項１記載のプロセスにおいて、
導入される前記化学種を、応力場の影響によって結晶欠陥上に凝結する種とすることを特徴とするプロセス。 - 請求項１記載のプロセスにおいて、
前記薄膜に対する前記処理を、局所的に行うことにより、結晶欠陥格子および／または応力場格子からなる１つまたは複数のゾーンを顕在化させることを特徴とするプロセス。 - 請求項１記載のプロセスにおいて、
−複数の接着性薄膜を形成し、
−それら複数の薄膜の中の１つまたは複数の薄膜に対して厚さを減少させる処理を行う、
ことを特徴とするプロセス。
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