JP5271279B2 - 高熱消散基板を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子デバイスやコンポーネントを受け入れるよう意図された単結晶層の結晶成長としての基板やそのような単結晶層を含む基板に供される、高熱消散特性を有する複合構造の製造方法に関する。

これらの構造は、動作中の上記のコンポーネントによって発生する熱を消散するために特に有用であろう。

上記コンポーネントは、高電力周波数コンポーネント（典型的には９００ＭＨｚ以上）などの多くの熱エネルギーを発生する場合に特に有用である。実際に、単結晶層の温度が閾値温度より高ければ、コンポーネントは妨害され、又は損傷さえも受け得る。

この障害を克服するために、単結晶層は典型的には、ＡｓＧａなどの材料よりも良好な電荷移送特性（高電圧で電荷の高い飽和率、高い絶縁破壊電圧など）を有する窒化物半導体材料で作られている。これは、ＨＥＭＴ（高電子移動度の半導体）タイプのコンポーネントについて特に当てはまる。

このタイプの窒化物半導体層を形成するために、バルクＳｉＣ単結晶、バルク＜１１１＞シリコン又はバルクサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）で作られた成長基板が使用される。

しかしながら、放出された熱がより多く消散することを要する高電力周波数へのいくらかの適用に対しては、＜１１１＞Ｓｉおよびサファイアの熱インピーダンスは高すぎる。コンポーネントは、なおも、妨害され、又は損傷を受け得る。

そして、単結晶バルクＳｉＣは、コストがかかる材料である、しかし熱消散という観点で参照となる材料である。

かくして、熱エネルギーをローコストで十分に消散する基板が必要とされている。

この目的のために、特許文献１および特許文献２には、以下のウェハ結合技術を使用して複合構造を作成することが開示されている。すなわち、
・基板およびウェハを上部の単結晶層に設けること、
・基板および／又は上部の層上に酸化層を形成すること、
・酸化層および上部層が結合境界面に存在するように基板およびウェハを結合すること、
・上記酸化層を介して上記基板に結合された上部層を取り去るようにウェハを縮小（ｒｅｄｕｃｅ：削減，減少）し、上記構造を形成すること、
・上記結合を強化するために、この構造を熱処理すること、が開示されている。

現在では、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）（一般的記述は、非特許文献１に記載されている。）などのウェハを縮小するための異なる技術が開発されている。

最終的に得られる構造は、基板上の酸化層上に上層を備えている。

上層は、サファイア、Ｓｉ＜１１１＞、ＳｉＣ、又は例えばＧａＮなどの高周波数コンポーネントの材料から構成される、有用層（ｕｓｅｆｕｌ ｌａｙｅｒ）の成長の質を保証する他のいずれかの半導体材料から構成されてもよい。

追加的に、基板は、コンポーネントによって産み出された熱を消散するために、−例えば高熱伝導性−高熱消散特性を持つように選択される。

複合層上に成長する間、有用層の結晶の質は上部層によって保証されているので、高い結晶の質の基板を提供することが必要ではない。例えば多結晶のＳｉＣ（ポリＳｉＣ）などの多結晶材料から構成される基板を提供することが可能である。

それゆえ、これらの種類の複合構造は、単結晶ＳｉＣの複合構造に比べてあまりコストがかからず、後に有用な層の成長に適した構造であり、良好な熱消散特性を有する。

米国特許第６３２８７９６号明細書 米国出願公開特許第２００３／００６４７３５号明細書

SILICON-ON-INSULATOR TECHNOLOGY: Materials to VLSI,2nd Edition(Jean-Pierre COLINGE) or BESOI(Bond Etch Silicon On Insulator) "Semiconductor Wafer Bonding Science and Technology" by Q.-Y. Tong and U.Gosele - a Wiley Interscience publication, Johnson Wiley & Sons, Inc

しかし、いくらかの設計されたコンポーネントは、良好な熱消散を必要とする。本発明の目的は、低コストで構造を製造する一方で熱消散をさらに増大することである。

上記目的を達成するとともに従来技術の欠点を克服するために、本発明は、第１の観点によれば、高い熱消散特性を有する複合構造を製造する方法であって、上記構造は支持基板と、支持基板および上部層の間の上部層および酸化層を備え、上記方法は、
ａ）結晶材料からなる上部層を提供すること、
ｂ）上記構造を得るために、酸化層が結合境界面に形成されるように、同じ寸法を有するバルクの単結晶シリコン基板よりも大きい熱消散特性を有し、多結晶材料から作成される支持基板を備えた上部層を結合すること、
所定温度で不活性ガス雰囲気又は還元雰囲気における構造の熱処理と酸化層の少なくとも一部を分解することによって熱消散特性を増大するための所定継続期間をさらに含むことを特徴とし、
上記方法の他の光学的特性は、
−ステップｂ）基板上および／又は上部層上に酸化層を形成することと、酸化層が境界面となるように基板に上部層を接触させることとを含む、
−ステップａ）上部層を備えたドナー基板を提供することを含み、方法はさらに、ステップｂ）と熱処理の間に支持基板に結合された上部層を保持するためだけのドナー基板の厚みの減少を含む、
−ステップａ）の前に、上部層の下に弱いゾーンを形成するためにドナー基板への原子粒の埋め込みステップであって、上記ドナー基板の減少は、弱いゾーンにおいて、ドナーから上部層を検出するエネルギーを供給することを含み、
−支持基板の厚みは、熱処理および／又は化学的処理および／又は結合前における機械的力（ＣＭＰ．．．）の適用によって減少され、
−所定の温度は１１００℃および１３００℃の間、好ましくは１２００℃および１３００℃の間であって、
−所定の継続期間は約２時間であり、
−結合後の酸化層は、１０ｎｍおよび１０００ｎｍの間の厚み、より好ましくは２５ｎｍおよび５０ｎｍの間の厚みを有し、
−転移後の上部層は、２５ｎｍおよび１０００ｎｍの間の厚み、好ましくは約１００ｎｍの厚みを有し、
−基板は、多結晶シリコンカーバイドからなり、
−熱処理は、例えば水素又はアルゴンなどの非酸化雰囲気下である。

第２の観点によれば、本発明は、高い熱消散特性を有する構造を提案し、以下を含む、
・上部層、結晶材料から構成される
・同じ寸法を有する単結晶シリコン基板の熱伝導性よりも大きい熱伝導性を有する多結晶材料からなる支持基板

この構造の選択的特徴は以下に示される、すなわち、
−支持基板および上部層は直接接触される、
−支持基板はシリコンカーバイドからなる、
−上部層は単結晶シリコン＜１１１＞又はＳｉＣからなる。

第３の観点によれば、本発明は高周波数適用のための材料からなる少なくとも１つの層の結晶成長のための基板として上記の構造を使用することを提案する。

以下の図面に図示された他の特徴、目的、発明の利点は、以下の記載において明確になるだろう。

従来技術に従った構造の断面図である。 本発明の構造を製造する過程のあるプロセスを示す図である。 本発明の構造を製造する過程の他のプロセスを示す図である。 本発明の構造を製造する過程の他のプロセスを示す図である。 本発明の構造を製造するプロセスのステップを例示的に示す図である。

図１を参照して、本発明による処理が実行がされる構造５０が示されている。

構造５０は、高い熱消散のために配置された複合構造であり、例えば、同じ寸法を有するバルクの単結晶構造よりもより多くの熱を消散することができる。

構造５０は、支持基板２０、酸化層３０、および半導体上部層１０を備えている。

支持基板２０は、全体の構造５０を補強する。この目的のために、十分な厚みを有し、典型的には１００マイクロメータの厚みを有する。

支持基板２０は、良好な熱消散特性を有する材料から作成され、例えば、同じ寸法を有するバルクの単結晶構造よりも多くの熱を消散できる。この材料は、低い質の結晶材料などの低コスト材料からさらに構成される。多結晶ＳｉＣ、多結晶ダイヤモンド、又はこれらの材料のうちの少なくとも２つの一方の材料に他方の材料を積層して形成され得る。上部層１０は少なくとも１つの結晶材料からなる。

上部層１０は、ＳｉＣ、Ｓｉ＜１１１＞、又は他の結晶材料からなり得る。Ｓｉ＜１１１＞材料の利点は、ＧａＮ格子と適合して、さらなるＧａＮ成長に使用され得る。

上部層１０は、交互に、これらの材料の少なくとも２つの組み合わせ又は重ね合わせ、および／又はいくらかのサブレイヤ（副層）の重ね合わせからなり得る。

上部層１０は、電子又は光電子のコンポーネントを受け入れ、又は高周波数に適用するための有用層などの有用層の２次成長（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ）についての基板であることに適しているだろう。

本発明によれば、上部層１０は、有利には、薄い。その厚みは有利には、約１０００ｎｍ以下である。例えば、上部層１０は、約２５ｎｍおよび１０００ｎｍの間の厚み、好ましくは約１００ｎｍの厚みを有する。

絶縁層３０は酸化層であり、構造５０内に埋められており、支持基板２０および上部層１０の間に位置する。

酸化層３０は、上部層１０の結晶材料および／又は支持基板２０の上部分についての酸化物から構成される。

例えば、上部層１０がシリコンからなる場合、酸化層３０はＳｉＯ₂からなる。

その厚みは５０ｎｍ以下の間であり、さらに詳細には約１０ｎｍから１００ｎｍの間であり得る。

図２Ａから２Ｃを参照すると、この構造５０を製造することはウェハ結合技術によってなされ得る。

特に、図２Ａを参照すると、上記上部層１０を中に有するウェハ７０を設けることによって、最初に実施され得る。ウェハ７０の表面にある上部層１０は、ウェハ７０の後方部分（ｒｅａｒ ｐｏｒｔｉｏｎ）６０上の表面層（ｆｒｏｎｔ ｌａｙｅｒ）を画定する。

第２のステップは、上部層１０が結合境界面に隣接するように、ウェハ７０を支持基板２０に結合することからなる。

有利な点として、結合は最初に、周知の結合技術（例えば、詳細には非特許文献２参照）によって実現される。かくして、例えば、親水性表面又は親水性に関与する表面の分子結合がなされるだろう。

周知のクリーニングステップは、結合の直前に実施され得る。

選択的に、２つの表面の一方および／又は他方のプラズマ処理は結合され、続いてアニーリング又はＲＴＡ処理（高速熱アニーリング）が実施される。

結合する前に、酸化層３０は上部層１０上および／又は基板２０上に形成され、結合された後に結合界面で埋められる。

酸化層３０は、上部層１０のおよび／又は基板２０の酸化によって形成され得る。

例えば、上部層１０はＳｉ（１１１）又はＳｉＧｅ（１１１）である場合、ＳｉＯ₂層３０は堆積又は熱酸化によって表面に形成され得る。

例えば、ＳｉＯ₂集合物は堆積され得る。

代替的に、上部層１０および基板２０の表面は両方とも堆積によってか又は酸化によって形成される酸化層をまた備える。

酸化物の構成のパラメータは、上部層１０および基板２０の間の熱バリヤとなるために酸化層３０が所定の厚みを有するように調整される。

図２Ｂに関連して、前述したように、酸化層３０が境界面に位置するように基板２０およびウェハ７０が結合される。

選択的に、熱処理の少なくとも１つのステップが、境界面における結合を強化するために追加的に実施される。

図２Ｃを参照すると、ウェハ７０は全てのリア部分６０が取り除かれるように削減される。上部層１０のみが保たれる。

何れのウェハ縮小技術でも採用でき、化学エッチング技術、ラッピングしてポリッシングすること、当業者に周知の（例えば非特許文献１の５０、５１頁参照）Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）技術が単独に又は組み合わせて採用される。

特に、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）を採用する場合、（水素、ヘリウム、これら２つの組み合わせ、および／又は原子類などの）原子類が、エネルギーおよび量において、上部層１０の厚みに近い深さにおいて弱いゾーンを形成するように選択された状態で、ウェハ７０は結合する前に埋め込まれる。埋め込みは、薄い酸化層３０を形成する前か後に実行され得る。結局、一旦結合が実行されると、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）技術は、弱いゾーンにおいて結合を破壊するために適切なエネルギー（熱および／又は機械的エネルギー）を供給することおよびその後上部層１０から後部分６０を分離することを含んでいる。

滑らかで均質の上部層１０を有するためだけでなく、埋め込みステップのためのポテンシャル不足を解決するために（ＣＭＰのポリッシング、ＲＴＡのクリーニングなどによって）終了する追加的なステップは、縮小ステップの後に実行され得る。

本発明によれば、他のステップも限定なしに提供され得る。

得られた構造５０は、上部層１０と酸化層３０と支持基板２０とを連続的に備えている。

熱処理は、アルゴン又は水素雰囲気やこれらの混合などの不活性ガス雰囲気又は還元雰囲気で実施される。

熱処理は、酸化層３０の厚みが減少するように、上部層１０を通しての酸素放散によって処理される。温度および熱処理の継続期間は、バルク基板２０におけるよりも上部層１０を通じての、酸化層３０の酸素総量の放散を刺激するように選択される。

追加的に、上部層１０の厚みは、形成する際に、上記放散を刺激するように選択され得る。実際に、上部層１０が薄ければ薄いほど、放散が早くなる。

この放散は、境界条件から推定されるように、雰囲気が不活性ガスから選択されたものであるという事実によっても、加速され得る。

特に、不活性雰囲気はアルゴンを含みかつ上部層１０がシリコンからなる場合、以下の反応が半導体層１０の表面において発生する。
Ｓｉ＋Ｏｉ→ＳｉＯ↑

この消散の性能を増加するため、半導体層１０の表面の上述の脱酸素が実行され得る。

しかし、消散時間に影響する主なパラメータは、アニール温度および半導体層１０の厚みである。

例えば、Ａｒ又はＨ₂雰囲気において、上部Ｓｉ＜１１１＞層１０の１００ｎｍに対して、ＳｉＯ₂境界面の２ｎｍを分解するための最低限のアニール条件は、
− １１００℃で２時間、又は
− １２００℃で１０分、又は
− １２５０℃で４分

熱処理の温度および継続期間は、酸化層３０の酸素総量が上部層１０を通じて消散するよう刺激するために選択される。

そして、酸化層３０の厚みは、所定の値ごとに減少する。

追加的に、上部層１０の厚みは、形成する際に、上記消散を刺激するように選択され得る。

特に、上部層１０の厚みおよび熱処理温度は、酸化層３０のわずかな縮小率（mean reduction rate）を決定する。厚みが増せば増すほど、率が低くなる。温度が高くなればなるほど、率が高くなる。

例えば、上記の厚みと温度は、酸化層３０のわずかな縮小率１分あたり少なくとも約０．５オングストロームに到達するように予め決定され得る。この目的のため、約１２００℃について、Ｓｉ単結晶層１０の厚みは２５００オングストロームよりも低いように選択される。

熱処理の継続期間が酸化層３０の厚みを所定値ごとに正確に減少させるように制御することだけが必要である。

代替として、上部層１０の厚みは、所定の継続期間および所定温度の熱処理を実行することによって、酸化層３０を所定値ごとに減少させるように選択される。

所定温度は、約１０００℃から１３００℃で選択され、特に１２００℃および／又は１３００℃近傍で選択される。

上部層１０の厚みは約２５および約１０００ナノメータの間であり、所定温度は約１２００℃であり、所定の継続期間は約５分および５時間の間である。

熱処理は、酸化層３０全体又はその一部を除去するように処理される。

熱処理後の最終構造５０は、上部層１０および基板２０の間に、もはや一部の酸化層２０しか含まず、又は薄い酸化層２０しか備えない。酸化物材料は低い熱消散であるので、酸化層３０の少なくとも一部を除去させた後に構造５０全体の熱消散は改善される。

水素雰囲気下での酸素の消散の他の利点は、結合境界においてテーパー状のボロン原子などの、堆積粒子の放散である。実際は、水素雰囲気下での熱処理は、上部層１０および上部層１０の表面における蒸発を介してボロン原子の消散を導くだろう。
２Ｂ＋３Ｈ₂→Ｂ₂Ｈ₆↑
ボロンはＨＲシリコンの抵抗力を減少させるので、最終構造５０は、電子特性が改善されたより良質な境界面を備えている。

さらに、支持基板２０を構成する多結晶材料の結晶の質が低いことと、その熱伝導性に起因して、熱処理の最終的な温度は、最終温度が１３００℃までになり得るスリップライン構成（slip line formation）を導くことなく、温度上昇（又は温度降下）の急傾斜に到達することができる。製造時間の減少およびバルク構造の選択のおかげで、最終構造５０の熱消散特性が増大する一方で、製造コストは結果的に削減される。

最終的に、（高抵抗率の）シリコンＨＲは必要ない。基板において電子伝導性を必要とする適用もあり得、それゆえ他の材料の使用を含んでいる。

特別な実施形態の詳細
図３を参照すると、ポリＳｉＣ基板２０は、Ｓｉ（１１１）ウェハ７０に結合される。

酸化層３０は、シリコンウェハ７０および／又はポリＳｉＣ基板２０上に形成される。ウェハ７０上の酸化層３０は、熱的に又は堆積により形成され、一方でポリＳｉＣ上の酸化層３０はＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって堆積されて形成される。グローバル酸化物レイヤ、ここではＳｉＯ₂、の厚みは、約２５ｎｍおよび５０ｎｍの間である。

Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）、結合の前の基板２０のドナーの埋め込みは、弱いゾーン１５の形成に至る。そして、薄いＳｉ（１１１）層１０から基板２０への転移（transfer:放出）は、機械的な力の採用の後および／又は弱いゾーン１５における機械的結合を破壊するための熱によって獲得される。

ポリＳｉＣは、結合が粗いかもしれないので、ＬＰＣＶＤ酸化物３０は好ましくはポリッシュされて、Ｓｉ（１１１）ウェハ７０に結合される前にその粗さを低減させることが好ましい。

結合は分子結合によって獲得され、境界面は熱処理によって補強される。この熱処理は、酸素の拡散によって、絶縁層３０を分解する。この熱処理は、１１５０℃と１２５０℃の間を含む温度、さらに正確には１２００℃で、約５分から５時間（好ましくは２時間）水素又はアルゴンを含む雰囲気下又は両者を含む雰囲気下において引き起こされる。

結果として、酸化層３０は、完全に分解される。

Claims (13)

1. 複合構造の高い熱消散特性を向上させる方法であって、該構造は、
   同一の大きさのバルク単結晶シリコン基板よりも高い熱消散特性を有する支持基板と、
   結晶材料からなる上部層と、
   支持基板および上部層の間に酸化層を備え、前記方法は、
   所定の温度および所定の継続期間において、前記構造を還元雰囲気下で内部熱処理することにより、酸化層の少なくとも一部を分解するステップを含む
   ことを特徴とする方法。
2. 前記分解するステップの前に、基板上および／又は上部層上に酸化層が形成され、酸化層が境界面に存在するように上部層を基板に結合されることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記上部層を有するドナー基板を設けることと、支持基板に結合された上部層を保持するためだけのドナー基板の厚みを減少させることとをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記上部層の下方に弱いゾーンを形成するためにドナー基板内に原子粒を埋め込むステップとを含み、ドナー基板の前記減少することは、弱いゾーンにおいてドナーから上部層を分離するためのエネルギーを供給することを含む、ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 所定の温度が１１００℃および１３００℃の間であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 所定の温度が１２００℃および１３００℃の間であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 所定の継続期間は、２時間であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 結合後の酸化層は、１０ｎｍおよび１００ｎｍの間の厚みを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
9. 結合後の酸化層は、２５ｎｍおよび５０ｎｍの間の厚みを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 転移後の上部層は、２５ｎｍおよび１０００ｎｍの間の厚みを有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 転移後の上部層は、１００ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記上部層は、シリコンカーバイドおよび／またはシリコン＜１１１＞から構成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記熱処理は、水素雰囲気下、または水素およびアルゴンの混合雰囲気下であることを特徴する請求項１から１２のいずれかに記載の方法。

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