JP5452590B2 - 薄膜製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜製造方法に関し、特に、基板上の合成薄膜の製造方法に関する。それは、実質性及び進歩性を有する新設計となり、産業界の幅広い応用に適する。
シリコン絶縁体(Silicon On Insulator, SOI)は、主にシリコンウエハ下に絶縁層を設置し、電気反応を回避することに用い、消費電量を低減させ、電流の損失を減少することができ、また、シリコン絶縁体は、集積回路(Integrated Circuit, IC)の処理速度を加速することもできる。シリコン絶縁体は、低消費電量の装置に応用でき、例えば、携帯電話、腕時計等であり、シリコン絶縁体の高速動作の利点を十分に発揮させる為、現在も高周波集積回路への応用を積極的に発展させている。
シリコン絶縁体は、各種異なる製造方法を有し、それぞれ後に記載する。１９８８年米国のＭａｓｚａｒａ(Dr. W. Maszara)は、エッチング停止層(Etch Stop Layer)を利用し、ミリメートルオーダーの薄膜厚度を具えるボンディングエッチバック式シリコン絶縁体(Bonding Etch-Back Silicon on Insulator, BESOI)を製造する。しかしながら、エッチング停止層のウエハ上の各点におけるエッチングを停止する作業時間が一定でないので、ボンディングエッチバック式シリコン絶縁体上の薄膜の膜厚均一度(Total Thickness Variation, TTV)に影響を及ぼす。また、ボンディングエッチバック式シリコン絶縁体の製造プロセスは、時間を要し、発生する廃棄溶液も環境汚染問題を招き、製造コストが高くなる。
同一時期に、ＩＢＭ社は、酸素イオン直接注入法(Separation by Implantation Oxygen, SIMOX)をシリコン絶縁体の製造に応用し、酸素イオン直接注入法により製造されるシリコン絶縁体が良好な薄膜の膜厚均一度を有することによって、ボンディングエッチバック式シリコン絶縁体は、高度集積回路製造分野の応用において、ほぼ淘汰されている。
１９９２年、フランスのＢｒｕｅｌ(Dr. M. Bruel)は、薄膜製造方法、即ち、スマートカット法(Smart CutR Process)を発明している。スマートカット法は、基板からサブミクロンオーダーの薄膜厚度の薄膜を切り落とし、薄膜を他の基板上に転移することに成功している。スマートカット法は、ボンディングエッチバック式シリコン絶縁体上の薄膜の薄膜厚度に酸素イオン直接注入法を利用し製造した薄膜と同様に良好な膜厚均一度を持たせることができる。
米国特許第5,374,564号(特許文献１)が開示する半導体材料薄膜を製造する方法は、そのオリジナル中に高用量イオン、例えば、水素又は不活性ガス等の気体イオンを注入(implantation)し、イオン層を発生し、その後、更にオリジナル基板を目標基板と一体にボンディングした後、加熱処理によりイオンをイオン層中で重合させ、多くのマイクロバブル (microbubbles) を発生させる。マイクロバブルは、徐々に１片に連なり、オリジナル基板の一部を上下に分離させ、分離されたオリジナル基板は、目標基板上に転移され、これにより、目標基板上に薄膜を形成する。スマートカット法により得られる薄膜の膜圧均一度は、十分に良好であり、薄膜の欠陥密度が小さく、製造過程においても、腐蝕液を発生せず、逸脱する気体も無害であるので、環境汚染の問題を有さず、オリジナル基板は、リサイクル使用することもできる。
スマートカット法又は酸素イオン直接注入法は、何れもイオン注入するエネルギー量によりイオン注入の深度を制御し、シリコン絶縁体上の薄膜の膜厚を制御する。しかしながら、スマートカット法が使用する水素イオンの品質が低過ぎるので、イオン注入するエネルギー量を低減しても、イオン注入の深度が依然としてナノメートルオーダーまで縮減させることが困難であり、従って、良好なイオン分布の浅層注入を発生し、厚さが均一な薄膜を製造することが困難である。また、スマートカット法を利用し、薄膜を目標基板に転移した後、依然として、化学研磨方式又は酸化エッチング方式で薄膜の厚さをナノメートルオーダーまで薄くしなければならない。但し、このように、大面積ウエハ中の薄膜の転移後の薄膜厚度の精度及び均一度の歩留まりが何れも大幅に低下する。
酸素イオン直接注入法は、比較的良好な品質の酸素イオン注入を有し、良好なイオン分布の浅層注入を発生し、超薄のシリコン絶縁体薄膜を製造することができる。但し、半導体製造プロセスがナノメートルオーダーの要求に入っている状況において、酸素イオン直接注入法が発生する欠陥、特に、酸素イオン注入により発生する酸素沈殿物は、部材の歩留まりに影響を及ぼす。
スマートカット法に良好なナノメートルオーダーの厚度を達成させる為、例えば、米国特許第5,882,987号(特許文献２)が開示するスマートカット法で半導体材料薄膜を製造する方法は、目標シリコン基板上にエッチング停止層(Etch Stop Layer)を生長させ、その後、更に、超薄単結晶シリコン層をエッチング停止層上に生長させ、スマートカット法を利用し、エッチング停止層下の余計なシリコンを目標シリコン基板上から切り落とし、目標基板まで転移する。
その後、目標基板表面をエッチングし、エッチング停止層上の余計なシリコンを除去し、目標基板上に超薄単結晶シリコン層およびエッチング停止層を残し、更に、ボンディングエッチバック式シリコン絶縁体を製造する方法を利用し、超薄のシリコン絶縁体ウエハ片を製造するが、依然として、膜厚不均一の欠陥を生じる。
上記を総合し、スマートカット法でシリコン絶縁体を製造することは、水素イオン品質が低いことにより、良好なイオン分布の浅層注入を作り出すことが困難であり、転移後の薄膜厚度がナノメートルオーダーの要求を満たすことが困難である。また、転移後の薄膜の薄膜厚度は、更に薄くするステップを必要として始めてナノメートルオーダーの薄膜厚度を達成可能となるので、薄膜厚度の精度及び均一度が何れも大幅に低下する。また、エッチング停止層及び薄膜間の結晶体の結晶格子の適合度が薄膜の品質に影響を及ぼすので、製品の歩留まりが低下する問題を招く。
このことから分かるように、上記現有の薄膜製造方法は、製造方法及び使用において、依然として不便及び欠陥が存在し、改良が必要である。上記の存在する問題を解決する為、関連業者は、解決の道を追求しているが、未だ適した設計が完成されておらず、一般の製造方法は、上記問題を解決することができておらず、これは、関連業者が早急に解決を欲する問題となっている。従って、新たな薄膜製造方法を如何に創設し、現在研究開発する課題の１つであり、当業界の改良を必要とする目標となっている。
上記既存の薄膜製造方法に存在する欠陥に鑑み、本発明者は、この種の製品設計の製造に長年従事した豊富な実務経験及び専門知識に基づき、合理的な運用を組み合わせ、積極的に研究を行い、一般の現有の薄膜製造方法を改良し、実用性を具えた新たな薄膜製造方法を創設する。絶え間ない研究、設計、及び試作及び改良の繰り返しを経て実用価値を確かに具えた本発明を創設している。
本発明の目的は、現有の薄膜製造方法の欠陥を克服し、新たな薄膜製造方法を提供することであり、解決しようとする技術的問題は、犠牲層をエッチング停止薄膜層上に設置することにより、犠牲層の厚度及びイオン注入するエネルギー量を制御し、注入されるイオンが極薄の有効転移薄膜層を定義できるようにし、ナノメートルオーダーの膜厚を達成し、非常に実用に適するようにすることである。
本発明のもう１つの目的は、新たな薄膜製造方法を提供することであり、解決しようとする技術問題は、犠牲層が濾過の機能を有し、注入されたイオン中の不純物イオンを濾過し、これにより、比較的簡易なイオン注入装置を使用することができ、ナノメートルオーダーであり、且つ厚度が均一な薄膜を製造し、実用に適するようにすることである。
本発明の目的及びその技術的問題の解決は、以下の技術試案を採用し、実現される。本発明が提出する薄膜製造方法は、以下のステップを含む：オリジナル基板を提供する；エッチング停止薄膜層を該オリジナル基板上に形成する；少なくとも１つの犠牲層を該エッチング停止薄膜層上に形成する；気体イオンを注入し、それは、イオン注入技術を利用し、該犠牲層から気体イオンを注入し、該エッチング停止薄膜層を貫通し、該オリジナル基板内にイオン分布濃度ピーク層を形成し、有効転移薄膜層及び残留層を定義する；該有効転移薄膜層及び該残留層を分離し、それは、エネルギー量入力処理により注入したイオンを重合化し、それを分離する。
本発明の目的及びその技術的問題の解決は、更に以下の技術措置を採用し実現される。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のオリジナル基板の材質が第４族材料、３-５族材料又は２-６属材料である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のオリジナル基板がシリコン基板、ゲルマニウム基板、炭化珪素基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＰ基板、窒化アルミニウム基板、ＧａＮ基板又は硫化物基板である。
前記の薄膜製造方法において、更に、犠牲層を除去するステップを含み、それは、エッチング処理、化学溶液エッチング処理又はイオンエッチング処理により該犠牲層を除去することである。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のエッチング停止薄膜層が絶縁層である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のエッチング停止薄膜層材質が酸化物材質、窒化物材質又はカーボンベースダイヤモンド材質である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の犠牲層は、化学蒸着技術、物理蒸着技術、分子線エピタキシー技術、液相エピタキシャル成長技術又は気相エピタキシャル成長技術により形成される。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の犠牲層がアモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン、シリコン酸化膜又は二酸化シリコン層である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の犠牲層が２層以上である時、各該犠牲層構成元素が同一又は異なる。
前記の薄膜製造方法において、更に、ウエハボンディングステップを含み、それは、該犠牲層を目標基板とボンディングすることである。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のウエハボンディングステップは、更に、表面イオン化処理を含む。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のウエハボンディングステップは、更に、予熱ステップを含む。
前記の薄膜製造方法において、更に、ウエハボンディングステップを含み、該エッチング停止薄膜層を目標基板とボンディングする。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のウエハボンディングステップは、更に、表面イオン化処理を含む。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のウエハボンディングステップは、更に、予熱ステップを含む。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のイオン注入技術がプラズマ浸漬イオン注入技術又はイオンシャワードーピング技術である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のイオン注入技術が注入するイオンが水素イオン又は分子イオンである。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の分子イオンが水素分子イオンである。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のエネルギー量入力処理が高周波交替電界処理又は磁界照射処理である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の高周波交換電界処理又は該磁界照射処理が使用する装置は、マイクロ波発生装置、無線周波数発生装置又は誘導結合フィールド発生装置である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の高周波交替電界処理又は該磁界処理装置が使用するマイクロ波発声装置は、固定周波数マイクロ波発生装置又は、可変周波数マイクロ波発生装置であり、該固定周波数マイクロ波発生装置は、2.45 GHz又は900 MHz周波数のマイクロ波を使用する。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のマイクロ波発生装置のマイクロ波照射時間は、１分間より大きい。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記のエネルギー量入力処理が熱処理である。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の熱処理の温度が室温より高く、１２５０℃より低い。
前記の薄膜製造方法において、更に、アニーリングを含み、それは、該有効転移薄膜層及び該残留層を分離した後、該犠牲層を再結晶することである。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の犠牲層は、該イオン注入技術が注入する気体イオン中の不純物イオンを濾過することに用いる。
前記の薄膜製造方法において、そのうち、前記の犠牲層は、該イオン注入技術が気体イオンを注入する時のチャネル効果を除去する。
本発明は、現有技術と比較し、明らかな利点及び有益効果を有する。上記の技術試案により、本発明の薄膜製造方法は、相当な技術進歩性及び実用性を達成し、産業上の幅広い利用価値を有することができ、少なくとも以下の利点を有する：
一、ナノメートルオーダー厚度の薄膜をできる。
二、有効転移薄膜層を円滑に剥離し、且つ響有効転移薄膜層の膜厚均一度に影響を及ぼさない。
三、犠牲層が濾過の特性を有することにより、注入するイオン中の不純物イオンを濾過し、これにより、簡易なイオン注入装置を利用し、薄膜を製造することができる。
一、ナノメートルオーダー厚度の薄膜をできる。
二、有効転移薄膜層を円滑に剥離し、且つ響有効転移薄膜層の膜厚均一度に影響を及ぼさない。
三、犠牲層が濾過の特性を有することにより、注入するイオン中の不純物イオンを濾過し、これにより、簡易なイオン注入装置を利用し、薄膜を製造することができる。
上記のように、本発明の新規的な薄膜製造方法は、多くの利点及び実用価値を有し、製造方法又は機能上において、何れも比較的大きな改良を有し、技術上において顕著な進歩を有し、用い易く、実用的な効果を発生し、且つ現有的薄膜製造方法と比較し、突出する複数の効果を有し、実用に適し、産業の幅広い利用価値を有し、新規、進歩、実用的な新設計となっている。
上記説明は、本発明の技術試案の概要を説明するだけであり、本発明の技術手段をより明確に理解し、明細書の内容に基づき実施可能にする為、また、本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点を分かり易くするため、以下に好適実施例を挙げ、図面に合わせて、詳細に説明を行う。
本発明が発明の目的を達成するために採用する技術手段及び効果について、以下に図面及び実施例を合わせて、本発明が提示する薄膜製造方法に基づくその具体的実施方式、製造方法、ステップ、特徴及びその効果について、詳細に説明する。
本発明の前記及びその他の技術内容、特徴及び効果について、以下に図面に合わせた実施例の詳細な説明で明確に表すことができる。
具体的な実施方式の説明を介し、本発明が目的を達成するために採用する技術手段及び効果に対し、更に深く、且つ具体的に理解可能となるが、図面は、参考及び説明に用いるだけであり、本発明に制限を加えるものではない。
図１は、本発明の薄膜製造方法Ｓ１０のフロー実施例図１である。図２〜図７は、図１の薄膜製造方法Ｓ１０の製造プロセスの状態実施例図である。図８は、本発明の薄膜製造方法Ｓ１０’のフロー実施例図２である。図９〜図１１は、図８の薄膜製造方法Ｓ１０’の製造プロセスの状態実施例図である。図１２薄膜製造方法Ｓ１０’’のフロー実施例図３である。図１３〜図１５は、図１２の薄膜製造方法Ｓ１０’’の製造プロセス状態実施例図である。図１６は、イオン注入エネルギー量及びイオン注入深度の関係図である。図１７は、電界放出走査型電子顕微鏡を利用し撮影した単結晶シリコン薄膜層の断面図である。図１８は、透過型電子顕微鏡を利用し撮影した単結晶シリコン薄膜層の断面図である。図１９は、単結晶シリコン薄膜層のＸ線（X-ray）エネルギー散布スペクトラムである。
図１に示すように、本実施例は、薄膜製造方法Ｓ１０であり、それは、以下のステップを含む：オリジナル基板を提供するＳ２０；エッチング停止薄膜層をオリジナル基板上に形成するＳ３０；少なくとも１つの犠牲層をエッチング停止薄膜層上に形成するＳ４０；気体イオンを注入するＳ５０；有効転移薄膜層及び残留層を分離するＳ６０。
オリジナル基板を提供するＳ２０：図２に示すように、使用の要求に応じて異なる材質のオリジナル基板１０を選択し、例えば、オリジナル基板１０の材質は、第４族材料(Group IV)であることができ、例えば、オリジナル基板１０は、シリコン(Si)基板又はゲルマニウム(Ge)基板等であることができる。また、オリジナル基板１０の材質は、３-５族材料(Group III-V)であることもでき、オリジナル基板１０は、ＧａＰ基板、窒化アルミニウム基板又はＧａＮ基板等である。また、オリジナル基板１０の材質は、２−６族材料(Group II-VI)であることができ、又は、オリジナル基板１０は、硫化物基板であることができ、例えば、ＳｅＳ基板又はＣｄＳ基板等であり、または、オリジナル基板１０は、ＳｉＣ基板であることができる。
エッチング停止薄膜層をオリジナル基板上に形成するＳ３０：図３に示すように、薄膜生長技術によりオリジナル基板１０上にエッチング停止薄膜層２０を形成し、エッチング停止薄膜層２０は、絶縁層であることができ、エッチング停止薄膜層２０の材料は、酸化物材料、窒化物材料、又はカーボンベースダイヤモンド材料等であることができる。アルカリ性溶液又は有機溶液を使用し、犠牲層を除去する時、エッチング停止薄膜層２０は、アルカリ性溶液又は有機溶液によりエッチングされ難いので、オリジナル基板１０がエッチングされることを回避することができる。
少なくとも１つの犠牲層をエッチング停止薄膜層上に形成するＳ４０：図４に示すように、化学蒸着(CVD)技術、物理蒸着(PVD)技術、分子線エピタキシー(MBE)成長技術、液相エピタキシャル(LPE)成長技術又は気相エピタキシャル(VPE)成長技術により形成される等の技術で犠牲層３０をエッチング停止薄膜層２０上に形成する。また、犠牲層３０は、非結晶シリコン、多結晶シリコン又は単結晶シリコンであることができ、又は、犠牲層３０は、酸化シリコン層又は二酸化シリコン層であることもできる。犠牲層３０が二層以上である時、各犠牲層３０の構成元素は、異なるものであることができる。
気体イオンを注入するＳ５０：図５に示すように、イオン注入(Ion Implantation)技術、例えば、プラズマ浸漬イオン注入技術(PIII, plasma immersion ion implantation technology)又はイオンシャワードーピング技術等により気体イオンを注入する。注入するイオンは、水素イオン(H+)または分子イオン(Molecular Ions)であることができ、分子イオンは、更に、水素分子イオン(H2 +)を含むことができる。気体イオンを注入する過程において、注入する温度は、温度が異なる段階で、それぞれ気体イオンを注入するように設計することができる。
図６に示すように、イオン注入技術を利用し注入したイオンは、犠牲層３０及びエッチング停止薄膜層２０を通過し、オリジナル基板１０内に進入し、注入した気体イオンの注入イオン濃度分布により、イオン分布濃度ピーク層４０を形成し、オリジナル基板１０内に有効転移薄膜層５０及び残留層６０を定義する。犠牲層３０の設置により、厚度を増加し、イオン分布濃度ピーク層４０がオリジナル基板１０の比較的浅い位置に配置され、比較的薄い有効転移薄膜層５０を定義することができる。
イオン注入するエネルギー量を制御することにより、イオン注入の深度を精確に制御でき、これにより、有効転移薄膜層５０の厚度をナノメートルオーダーまで精確に制御することができる。また、犠牲層３０の厚度も、エピタキシャル薄膜生長技術によりナノメートルオーダーまで精確に制御することができる。従って、犠牲層３０の厚度及び注入気体イオンのエネルギー量を制御し、有効転移薄膜層５０の厚度に良好な制御を獲得させることができる。例えば、80KeVのイオン注入エネルギー量、注入ドーズが1017/cm2である水素イオン(H+)をオリジナル基板１０に注入する場合、注入するイオンは、オリジナル基板１０表面下の約700ナノメートル箇所に水素イオン注入濃度ピーク層を形成し、即ち、有効転移薄膜層５０の厚度を約700ナノメートルに制御することができる。
また、イオンが犠牲層３０を通過する時、犠牲層３０が非結晶シリコン又は多結晶シリコンであることができるので、イオンが犠牲層３０を通過する時、犠牲層３０は、濾過の機能を有することもでき、イオン注入するエネルギー量を均一にし、有効転移薄膜層５０の粗度を低減することができる。また、犠牲層３０は、イオン注入技術が気体イオンを注入する時のチャネル効果(Channeling Effect)を除去することができ、注入するイオン濃度を均一にし、同一平面に均一に注入し、分離後の有効転移薄膜層が相当均一な平坦度及び平滑な粗度を有することができる。
また、犠牲層３０は、注入するイオンの不純物イオンを濾過することができ、これにより、比較的簡易なイオン注入装置を使用することができ、精密且つ高価なイオン注入装置を必要とせず、極薄の有効転移薄膜層５０を製造でき、製造コストを低減することができる。
有効転移薄膜層及び残留層を分離するＳ６０：図７に示すように、エネルギー量入力処理によりイオン分布濃度ピーク層４０中のイオン及び周囲に散布されたイオンを重合化する。注入するイオンは、気体イオンであり、これにより、重合化した後のイオンは、気体核を形成することができ、更に、その他の気体イオンの注入により発生する気体を結集し、気体分子により生じる気体核中に充填し、周囲の固体構造の断片化を膨張させ、これにより有効転移薄膜層５０を平滑に残留層６０と分離する。
エネルギー量入力処理は、高周波交替電界処理又は磁界照射処理であることができる。そのうち、高周波交替電界処理又は磁界照射処理が使用する装置は、マイクロ波(Microwave)発生装置、無線周波数(Radio Frequency)発生装置又は誘導結合(Inductive Coupled)フィールド発生装置である。また、エネルギー量入力処理は、熱処理(Thermal treatment)であることもでき、熱処理の温度は、室温より高く、1250℃より低いものであることできる。
また、高周波交替電界処理又は磁界照射処理が使用するマイクロ波発生装置は、固定周波数マイクロ波発生装置又は可変周波数マイクロ波発生装置であることができ、固定周波数マイクロ波発生装置は、2.45 GHz又は900 MHzの周波数のマイクロ波を使用でき、且つマイクロ波発生装置のマイクロ波照射時間は、１分間より長いことができる。
図８に示すように、薄膜製造方法Ｓ１０’は、更に、犠牲層を除去するステップＳ７０及びウエハボンディング(Wafer Bonding)ステップＳ８０を含むことができ、それは、気体イオンステップＳ５０及び有効転移薄膜層及び残留層を分離するステップＳ６０の間で実行される。
犠牲層を除去するＳ７０：図９に示すように、エッチング処理、化学溶液エッチング処理又はプラズマイオンエッチング処理等により、図６中の犠牲層３０を除去する。例えば、アルカリ性溶液又は有機溶液を使用し、犠牲層３０を除去し、アルカリ性溶液又は有機溶液は、例えば、水酸化カリウム(potassium hydroxide, KOH)、ＴＭＡＨ及び (EthyleneDamine Pyrocatochol, EDP)、ＴＭＡＨ(TetraMethy Ammonium Hydroxide, TMAH)標準エッチング溶液等である。
ウエハボンディングＳ８０：図１０に示すように、ウエハボンディング技術により、例えば、直接ボンディング技術、陽極ボンディング技術、低温ボンディング技術、真空ボンディング技術、又はプラズマイオン強化ボンディング技術等の技術により、エッチング停止薄膜層２０を目標基板７０と一体にボンディングする。また、ウエハボンディングステップＳ８０は、更に、表面イオン化処理を含み、エッチング停止薄膜層２０と目標基板７０のボンディング強度を強化することができる。
図１１に示すように、有効転移薄膜層及び残留層を分離するステップＳ６０により、有効転移薄膜層５０を平滑に残留層６０と分離し、エッチング停止薄膜層２０及び有効転移薄膜層５０を円滑に目標基板７０上に転移する。
また、ウエハボンディングステップＳ８０は、更に、予熱ステップを含むことができ、これにより、エッチング停止薄膜層２０、有効転移薄膜層５０、イオン分布濃度ピーク層４０及び残留層６０の温度を上昇し、有効転移薄膜層５０及び残留層６０を分離するのに要する時間を短縮する。例えば、エネルギー量入力処理は、熱処理であり、且つ熱処理の温度は、500℃より大きい時、30分以上必要として始めて有効転移薄膜層５０及び残留層６０を分離することができ、先に300℃の温度で予熱ステップを１時間行い、エッチング停止薄膜層２０及び目標基板７０をボンディングする場合、500℃の条件では、１０分間のみを要し、有効転移薄膜層５０及び残留層６０を分離することができる。
図１２に示すように、薄膜製造方法Ｓ１０”は、更にウエハボンディングステップＳ８０’及びアニーリングステップＳ９０を含むことができ、そのうち、ウエハボンディングステップＳ８０’は、気体イオンを注入するステップＳ５０及び有効転移薄膜層及び残留層を分離するステップＳ６０の間で行い、アニーリングステップＳ９０は、有効転移薄膜層及び残留層を分離するステップＳ６０の後で行う。
ウエハボンディングステップＳ８０’：図１３に示すように、ウエハボンディング技術、例えば、直接ボンディング技術、陽極ボンディング技術、低温ボンディング技術、真空ボンディング技術、又はプラズマイオン強化ボンディング技術等の技術により、犠牲層３０及び目標基板７０を一体にボンディングする。また、ウエハボンディングステップＳ８０’は、更に、表面イオン化処理を含むことができ、ウエハボンディングの強度を強化する。また、同様にウエハボンディングステップＳ８０’は、更に、予熱ステップを含むことができ、これにより、犠牲層３０、エッチング停止薄膜層２０、有効転移薄膜層５０、イオン分布濃度ピーク層４０及び残留層６０の温度を上昇させ、有効転移薄膜層５０及び残留層６０の分離に要する時間を短縮することができる。
図１４に示すように、有効転移薄膜層及び残留層を分離するステップＳ６０を分離し、有効転移薄膜層５０を平滑に残留層６０と分離し、犠牲層３０、エッチング停止薄膜層２０及び有効転移薄膜層５０を円滑に目標基板７０上まで転移させる。
アニーリングＳ９０：図１５に示すように、犠牲層３０の結晶体構造を改善する為、犠牲層３０の結晶体構造を目標基板７０の結晶体構造と近づけ、従って、アニーリングステップＳ９０により、犠牲層３０を再結晶させる。アニーリングステップＳ９０の後、目標基板７０まで転移された犠牲層３０は、再結晶することができ、比較的良好な結晶体構造を有する犠牲層３０’を形成し、犠牲層３０’及び目標基板７０の間の結晶体構造の結晶格子適合度に近づける。
本実施例の方法は、薄膜生長技術により犠牲層３０の厚度をナノメートルオーダーまで精確に制御し、犠牲層３０の厚度に合わせて、イオン注入のエネルギー量を制御し、イオン分布濃度ピーク層４０を比較的浅い層の位置に配置させ、有効転移薄膜層５０の厚度をナノメートルオーダーにする。犠牲層３０は、ウエハボンディングステップＳ８０を実行する前、化学エッチング方式で除去するか、又は犠牲層３０を除去しないことができ、犠牲層３０、エッチング停止薄膜層２０及び有効転移薄膜層５０を目標基板７０まで転移した後、更に、アニーリングステップＳ９０により犠牲層３０’の結晶格子適合度を目標基板７０に近づける。
本実施例の効果を分かり易くする為、以下に好適な具体的実施例を提供し、更に本実施方式の構築製造方法及び利点を説明する。
<第１具体的応用例>
オリジナルシリコンウエハをオリジナル基板１０とし、二酸化シリコン層をエッチング停止薄膜層２０とし、多結晶シリコン犠牲層を犠牲層３０とし、水素イオン注入を例とし、更に以下に詳細に説明する。図１６は、SRIMTMプログラムで一定注入エネルギー量及び相対するイオン注入深度分布を計算した関係図であり、これによりオリジナルシリコンウエハ上から転移した単結晶シリコン薄膜層の厚度を見積もることができる。
オリジナルシリコンウエハをオリジナル基板１０とし、二酸化シリコン層をエッチング停止薄膜層２０とし、多結晶シリコン犠牲層を犠牲層３０とし、水素イオン注入を例とし、更に以下に詳細に説明する。図１６は、SRIMTMプログラムで一定注入エネルギー量及び相対するイオン注入深度分布を計算した関係図であり、これによりオリジナルシリコンウエハ上から転移した単結晶シリコン薄膜層の厚度を見積もることができる。
図１６に示すように、水素イオン注入エネルギー量を160keVに設定し、注入傾斜角を7°とし、二酸化シリコン層の厚度が300ナノメートルであり、多結晶シリコン犠牲層の厚度が400ナノメートルであるので、図１６から分かるように、水素イオン濃度分布ピーク値730-810ナノメートルの深度に位置し、従って、イオン分布濃度ピーク層４０が定義する有効転移薄膜層５０が30-110ナノメートルの厚度を有する。
水素イオンを注入した後、アルカリ性溶液又は有機溶液により多結晶シリコン犠牲層を除去することができ、アルカリ性溶液又は有機溶液は、例えば、水酸化カリウム(potassium hydroxide, KOH)、ＴＭＡＨ及びＥＤＰ (EthyleneDamine Pyrocatochol, EDP)等の良く見られる非等向性シリコンエッチング溶液等である。一般的に、ＴＭＡＨを、多結晶シリコン犠牲層を除去するエッチング液として選択するが、なぜならば、ＴＭＡＨは、無色無毒な有機溶剤であるからである。また、ＴＭＡＨは、ＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)製造プロセスと高度な相容性を有し、且つ二酸化シリコン及び窒化シリコンに対し、低エッチング率の利点を有する。
ＴＭＡＨ溶液により多結晶シリコン犠牲層を除去した後、原子力顕微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)で測量することによってその表面粗度が0.586ナノメートルであり、この結果、エッチング後、ウエハボンディングの品質に深刻な影響を及ぼさないことが実証される。また、エリプソメーター(ellipsometer)の測量により単結晶シリコン薄膜層の転移後の厚度が約97ナノメートルであり、そのうち、二酸化シリコン層の厚度が約313ナノメートルである。
図１７に示すように、上層の単結晶シリコン薄膜層の厚度が約100.6nmであり、二酸化シリコン層が283.8nmである。図１８に示すように、ボンディングの境界面が相当平らで、均一であり、如何なるボンディングされていない領域もないことが分かる。図１７及び図１８から分かるように、ＳＲＩＭTMがシミュレーションした結果と近く、水素イオン濃度の最大箇所が薄膜の分離箇所であることを示している。
図１９は、図１７中の二酸化シリコン層上層に位置するシリコンが<100>の単結晶シリコンであることを説明することに用いる。多結晶シリコン犠牲層を犠牲層３０とする時、多結晶シリコン犠牲層は、有効なイオン注入遮蔽層とすることができ、イオン注入過程において、結晶格子配列により生じるイオン注入深度の差異を回避することができ、従って、より平滑で、低粗度(Ra約為1.3ナノメートル)の分割面を得ることができる。
また、プラズマ浸漬イオン注入技術により気体イオンを注入する過程において、多結晶シリコン犠牲層は、注入する不純物イオンを効率的に多結晶シリコン犠牲層内に隔絶することができ、更に、多結晶シリコン犠牲層を除去することにより、不純物イオンを併せて濾過することができ、不純物イオンをオリジナル基板１０内に進入させないので、比較的簡易なイオン注入設備を使用することができる。
<第２具体応用例>
第２具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値15-20ohm-cmのシリコンウエハを提供し、そのうち、１片のシリコンウエハをオリジナル基板１０とする。イオン注入の前、先ず、シリコンウエハ上に熱酸化法で１層の300ナノメートル厚度の酸化層をエッチング停止薄膜層２０として生長し、酸化層上に液相エピタキシャル成長技術により400ナノメートル厚度の多結晶シリコンを堆積し、犠牲層３０として用い、その後、イオン注入エネルギー量160keV、注入剤量が4×1016 ions/cm2気体分子イオン（H2 +）であるイオン注入製造プロセスを行う。ウエハボンディングの前、多結晶シリコンをＴＭＡＨ化学エッチングの方式で除去し、300ナノメートル厚度の酸化層を水素分子イオン注入したシリコンウエハ上に残す。
第２具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値15-20ohm-cmのシリコンウエハを提供し、そのうち、１片のシリコンウエハをオリジナル基板１０とする。イオン注入の前、先ず、シリコンウエハ上に熱酸化法で１層の300ナノメートル厚度の酸化層をエッチング停止薄膜層２０として生長し、酸化層上に液相エピタキシャル成長技術により400ナノメートル厚度の多結晶シリコンを堆積し、犠牲層３０として用い、その後、イオン注入エネルギー量160keV、注入剤量が4×1016 ions/cm2気体分子イオン（H2 +）であるイオン注入製造プロセスを行う。ウエハボンディングの前、多結晶シリコンをＴＭＡＨ化学エッチングの方式で除去し、300ナノメートル厚度の酸化層を水素分子イオン注入したシリコンウエハ上に残す。
ウエハボンディングを経た後、低温アニーリングを行い、ボンディングを強化することに用い、900ワットのマイクロ波を10分間照射し、約100ナノメートル厚度の単結晶シリコン及び300ナノメートル厚度の二酸化シリコン層をもう１つのシリコンウエハ上に転移する。
<第３具体応用例>
第３具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値が15-20ohm-cmであるシリコンウエハを提供し、そのうち、１片シリコンウエハをオリジナル基板１０とする。シリコンウエハ上に湿式酸化方式で１層の厚度が300ナノメートルである二酸化シリコン層を成長させ、エッチング停止薄膜層２０とし、その後、更に、低圧化学蒸着技術により１層のドープしない多結晶シリコンを堆積し、犠牲層３０として用い、その厚度を400ナノメートルとする。このシリコンウエハに水素気体イオンを注入し、そのイオン注入エネルギー量が160keVであり、注入剤量が4×1016 ions/cm2である。イオン注入後、ＴＭＡＨ溶液により多結晶シリコンを除去し、その後、ＲＣＡ溶液で表面を洗浄し、更に、ウエハボンディング技術でシリコンウエハを直接もう１つのシリコンウエハと直接ボンディングする。マイクロ波を10分間照射し、約100ナノメートル厚度の単結晶シリコン及び300nm厚度の二酸化シリコン層をもう１つのシリコンウエハ上に転移させることができる。
第３具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値が15-20ohm-cmであるシリコンウエハを提供し、そのうち、１片シリコンウエハをオリジナル基板１０とする。シリコンウエハ上に湿式酸化方式で１層の厚度が300ナノメートルである二酸化シリコン層を成長させ、エッチング停止薄膜層２０とし、その後、更に、低圧化学蒸着技術により１層のドープしない多結晶シリコンを堆積し、犠牲層３０として用い、その厚度を400ナノメートルとする。このシリコンウエハに水素気体イオンを注入し、そのイオン注入エネルギー量が160keVであり、注入剤量が4×1016 ions/cm2である。イオン注入後、ＴＭＡＨ溶液により多結晶シリコンを除去し、その後、ＲＣＡ溶液で表面を洗浄し、更に、ウエハボンディング技術でシリコンウエハを直接もう１つのシリコンウエハと直接ボンディングする。マイクロ波を10分間照射し、約100ナノメートル厚度の単結晶シリコン及び300nm厚度の二酸化シリコン層をもう１つのシリコンウエハ上に転移させることができる。
<第４具体応用例>
第４具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値15-20ohm-cmのシリコンウエハを提供し、そのうち、１片シリコンウエハをオリジナル基板１０とする。イオン注入する前、先ず、シリコンウエハ上に熱酸化法で１層の300ナノメートル厚度の酸化層を成長し、続いて、液相エピタキシャル成長技術により在酸化層上に400ナノメートル厚度の多結晶シリコンを犠牲層３０として堆積する。その後、このシリコンウエハにイオン注入エネルギー量が160keVであり、注入剤量が4×1016 ions/cm2である水素分子イオン（H2 +）注入製造プロセスを行う。
第４具体応用例は、２片のP型<100>結晶方位、抵抗値15-20ohm-cmのシリコンウエハを提供し、そのうち、１片シリコンウエハをオリジナル基板１０とする。イオン注入する前、先ず、シリコンウエハ上に熱酸化法で１層の300ナノメートル厚度の酸化層を成長し、続いて、液相エピタキシャル成長技術により在酸化層上に400ナノメートル厚度の多結晶シリコンを犠牲層３０として堆積する。その後、このシリコンウエハにイオン注入エネルギー量が160keVであり、注入剤量が4×1016 ions/cm2である水素分子イオン（H2 +）注入製造プロセスを行う。
ウエハボンディングの前、多結晶シリコンを保留し、除去しない。ウエハボンディング後、低温アニーリングでボンディングを強化し、900ワットのマイクロ波を10分間照射し、約100ナノメートル厚度の単結晶シリコン、300ナノメートル厚度の二酸化シリコン層、及び400ナノメートル厚度の多結晶シリコンをもう１つのシリコンウエハ上に転移する。もう１つのシリコンウエハが適当な高温アニーリングを経て、多結晶シリコンに再結晶現象を発生し、良好な単結晶体構造を発生し、多結晶シリコン層ともう１つのシリコンウエハの結晶格子適合度を近づける。
上記する方法及び構造が構成する本発明の薄膜製造方法の技術革新は、現在当業者にとって何れも多く採用できる箇所を有し、確実に技術進歩性を有する。
但し、当業者は、本発明の技術分野において、基本的知識を備えていれば、本発明の他の操作可能な実施例に対し改良を行うことができる。本発明において、実質的技術試案に対し特許保護の請求を提出し、その保護範囲は、上記技術特長の一切の変化方式を含むものである。
なお、本発明では好ましい実施例を前記の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。
産業上利用性について
本発明が提供する薄膜製造方法は、犠牲層の厚度を制御し、有効転移薄膜層の厚度を効率的に制御する。また、有効転移薄膜層厚度を均一にし、ナノメートルオーダーの厚度の制御を達成する。それは、以下の利点を有する
１．ナノメートルオーダー厚度の薄膜をできる。
２．有効転移薄膜層を円滑に剥離し、且つ響有効転移薄膜層の膜厚均一度に影響を及ぼさない。
３．犠牲層が濾過の特性を有することにより、注入するイオン中の不純物イオンを濾過し、これにより、簡易なイオン注入装置を利用し、薄膜を製造することができる。
本発明が提供する薄膜製造方法は、犠牲層の厚度を制御し、有効転移薄膜層の厚度を効率的に制御する。また、有効転移薄膜層厚度を均一にし、ナノメートルオーダーの厚度の制御を達成する。それは、以下の利点を有する
１．ナノメートルオーダー厚度の薄膜をできる。
２．有効転移薄膜層を円滑に剥離し、且つ響有効転移薄膜層の膜厚均一度に影響を及ぼさない。
３．犠牲層が濾過の特性を有することにより、注入するイオン中の不純物イオンを濾過し、これにより、簡易なイオン注入装置を利用し、薄膜を製造することができる。
Ｓ１０，Ｓ１０’，Ｓ１０’’ 薄膜製造方法
Ｓ２０ オリジナル基板を提供する
Ｓ３０ エッチング停止薄膜層をオリジナル基板上に形成する
Ｓ４０ 少なくとも１つの犠牲層をエッチング停止薄膜層上に形成する
Ｓ５０ 気体イオンを注入する
Ｓ６０ 有効転移薄膜層及び残留層を分離する
Ｓ７０ 犠牲層を除去する
Ｓ８０，Ｓ８０’ ウエハボンディングする
Ｓ９０ アニーリングする
１０ オリジナル基板
２０ エッチング停止薄膜層
３０，３０’ 犠牲層
４０ イオン分布濃度ピーク層
５０ 有効転移薄膜層
６０ 残留層
７０ 目標基板
Ｓ２０ オリジナル基板を提供する
Ｓ３０ エッチング停止薄膜層をオリジナル基板上に形成する
Ｓ４０ 少なくとも１つの犠牲層をエッチング停止薄膜層上に形成する
Ｓ５０ 気体イオンを注入する
Ｓ６０ 有効転移薄膜層及び残留層を分離する
Ｓ７０ 犠牲層を除去する
Ｓ８０，Ｓ８０’ ウエハボンディングする
Ｓ９０ アニーリングする
１０ オリジナル基板
２０ エッチング停止薄膜層
３０，３０’ 犠牲層
４０ イオン分布濃度ピーク層
５０ 有効転移薄膜層
６０ 残留層
７０ 目標基板
Claims (21)
- 下記のステップ：
オリジナル基板を提供する；
エッチング停止薄膜層を該オリジナル基板上に形成する；
少なくとも１つの犠牲層を該エッチング停止薄膜層上に形成する；
気体イオンを注入し、イオン注入技術を利用し、該犠牲層から気体イオンを注入し、該エッチング停止薄膜層を貫通し、該オリジナル基板内にイオン分布濃度ピーク層を形成し、有効転移薄膜層及び残留層を定義し、そのうち、該有効転移薄膜層の厚度は、犠牲層の厚度及びイオン注入のエネルギー量を制御することにより制御することができ；
ウエハボンディングステップを行い、該犠牲層と別の目標基板とボンディングする；
該有効転移薄膜層及び該残留層を分離し、エネルギー量入力処理により注入したイオンを重合化し、分離する；
アニーリングを行い、それは該有効転移薄膜層及び該残留層を分離した後、前記目標基板とボンディングした該犠牲層を再結晶させることを含むことを特徴とする薄膜製造方法。 - 前記オリジナル基板の材質が第４族材料、３−５族材料又は２−６族材料であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記オリジナル基板がシリコン基板、ゲルマニウム基板、炭化珪素基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＰ基板、窒化アルミニウム基板、ＧａＮ基板又は硫化物基板であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記エッチング停止薄膜層が絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記エッチング停止薄膜層が酸化物材質、窒化物材質又はカーボンベースダイヤモンド材質であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記犠牲層が化学蒸着技術、物理蒸着技術、分子線エピタキシー技術、液相エピタキシャル成長技術又は気相エピタキシャル成長技術により形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記犠牲層がアモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン、シリコン酸化膜又は二酸化シリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記犠牲層が２層以上である時、各該犠牲層構成元素が異なるものであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記ウエハボンディングステップは、更に、表面イオン化処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記ウエハボンディングステップは、更に、予熱ステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記イオン注入技術がプラズマ浸漬イオン注入技術又はイオンシャワードーピング技術であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記イオン注入技術が注入するイオンが水素イオン又は分子イオンであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記分子イオンが水素分子イオンであることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜製造方法。
- 前記エネルギー量入力処理が高周波交替電界処理又は磁界照射処理であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記高周波交換電界処理又は該磁界照射処理が使用する装置は、マイクロ波発生装置、無線周波数発生装置又は誘導結合フィールド発生装置であることを特徴とする請求項１４に記載の薄膜製造方法。
- 前記高周波交替電界処理又は該磁界処理装置が使用するマイクロ波発生装置は、固定周波数マイクロ波発生装置又は、可変周波数マイクロ波発生装置であり、該固定周波数マイクロ波発生装置は、2.45 GHz又は900 MHz周波数のマイクロ波を使用することを特徴とする請求項１５に記載の薄膜製造方法。
- 前記のマイクロ波発生装置のマイクロ波照射時間は、１分間より大きいことを特徴とする請求項１６に記載の薄膜製造方法。
- 前記エネルギー量入力処理が熱処理であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記熱処理の温度が室温より高く、１２５０℃より低いことを特徴とする請求項１８に記載の薄膜製造方法。
- 前記犠牲層は、該イオン注入技術が注入する気体イオン中の不純物イオンを濾過することに用いることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
- 前記犠牲層は、該イオン注入技術が気体イオンを注入する時のチャネル効果を除去することを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造方法。
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