JP6099308B2 - 埋め込み接地板を備えた半導体構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体部品用の新規な構造体の製造方法に係り、特に、SOI(シリコンオンインシュレータ)、又はさらに一般的には絶縁構造体上の半導体の製造方法に関する。
図5Aに図示されているように、SOI構造体(及びさらに一般的には絶縁構造体上の半導体)が、単結晶シリコンから形成された表面膜20(各々、半導体材料)、一般的には酸化シリコンである誘電体層3、及び例えばシリコンである支持基板2から構成された積層体である。これらのSOI構造体が、例えば、表面酸化シリコン板を、他のシリコン板と分子接着(molecular adhesion)させ、次に、第1基板を薄くすることによる組立によって得られる。
さらに正確には、この組立が、2つの板の表面を準備するステップと、接触ステップと、熱処理ステップとを含む。従来から、この熱処理が、典型的には、900°から1250℃の間の温度で、2時間の間、実施される。
次に、2つの板の少なくとも一方が、薄くされ、薄い半導体層20を、誘電体層3上に残すことが可能となる。
異なる機械的、又は化学的手段によって、又は例えば、ガス種(例えば、水素)を注入することによって脆化された埋め込み層で分離することにより、この薄くするステップが行われる。
ある用途においては、導電性接地板4上に回路を得ることが興味深いものとなる(図5B)。
このためには、表面半導体層20及び導電性層又は接地板上に配置された埋め込み誘電体層3によって形成された組立体を得ることが求められる(図5B)。このようにして、埋め込み導電層と半導体層とに電位差を印加することにより、界面付近の半導体層中のキャリアの濃度を制御することが可能である。
しかしながら、例えば、150nm未満である小さな厚さを有する誘電体層3と接地板とを備えたSOI板を得ることは困難である。
SOI基板の使用者に使用されている方法の一つが、誘電体層と最終基板との間の界面に位置する導電層を得るための、膜20及び電気絶縁層3を介した最終SOI基板のイオン注入であり、基板の半導体材料をドープする。
理想的には、1019at.cm−3を超える、好ましくは、1020at.cm−3を超える、例えば、1021at.cm−3のドーピングを有するように、接地板を備えるためには、表面膜20及び絶縁層3を介して基板に注入する必要がある。しかしながら、この最適な物を得ることには課題があり、酸化物層3下のドーピング等を得るための、かなりの量のイオン注入(およそ、1016at.cm−2又は1015at.cm−2)の使用が、挿入される、すなわちドーピングされる層の劣化、及び表面半導体層20及び電気絶縁層3の劣化、を引き起こす。これにより、表面層の性能に影響が生じ、ここで、例えば、トランジスタである部品が製造されなければならない(この層が、特に、トランジスタにおけるチャネルとして機能することが出来る)。この現象を補うために、注入ドーズを減少させることが一般的であり、最適な条件下において、1018at.cm−3に近いドーピングを最終的に得る。この少ない−ドーズの注入が、層20の劣化を制限する(しかしながら除外するものではない)。
B.Aspar及びA.J.Auberton−Herve"Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications",S.S.Iyer及びA.J.Auberton−Herve編,2002,INSPEC,London,Chapter 3,35−52頁
従って、誘電体層と最終基板との間の接地板、2つの上部層、前記接地板の形成によって劣化されることのない誘電体材料及び半導体材料の表面層、を備えたSOI半導体構造体を製造することによる課題が生じている。
また、接地板を形成するための最適なドーピングを実現することによる課題が生じている。
第一に、本発明は、絶縁構造体上に半導体を形成する方法に関するものであり、:
a)最終基板と称される半導体基板の表面上に、接地板を形成するように周期表の第IIIカラム又は第Vカラムの元素でドープされた半導体層を形成するステップと、
b)次に、少なくとも表面上に半導体膜を含むか、又は半導体材料の、ソース基板と称される半導体基板を、最終基板上に又は最終基板と共に組み合わせるステップであって、接地板層が、最終基板とソース基板との間にあり、組み合わせる前に、少なくとも一つの誘電体層が、最終基板上、接地板上、及び/又はソース基板上に形成されるステップと、
c)次に、ソース基板を部分的に薄くするステップであって、半導体構造体の表面上に、ソース基板の表面上に存在する半導体膜の少なくとも一部を残すステップと、
を、含む。
接地板層を形成するために機能するドーピング元素が、ホウ素(B)、ヒ素(As)、リン(P)、窒素(N)、アンチモン(Sb)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)の中から選択される。
本発明による一つの方法において、ソース基板と最終基板とを組み合わせる前に、接地板が、周期表の第IIIカラム又は第Vカラムの元素でドープされた半導体材料内に形成され、前記層のドーピングが、好ましくは、5.1018at.cm−3よりも大きく、好ましくは、1019at.cm−3よりも大きく、有利には、1020at.cm−3よりも大きく、例えば、1021at.cm−3である。
次に、少なくとも一つの電気絶縁層が、2つの基板の一方上に形成される。
次に、2つの基板が、分子接着により、組み合わされ、この結果、接地板層及び誘電体層が、2つの基板の間にある。
次に、誘電体層、接地板及び最終基板上に半導体材料から形成された膜を得るために、ソース基板が、部分的に薄くされる。
組み合わせステップ、及び半導体材料の表面膜の形成の前に実施される(例えば、ここでは、トランジスタの全部又は一部を形成するために使用されることを目的とする)、接地板を形成するためのドーピングステップが、前記表面膜を傷つける危険がない。
接地板内のドーピングが、“p”又は“n”型のものであることが可能であり、有利には、1019at.cm−3よりも大きく、場合によっては、1020at.cm−3よりも大きい。
接地板が、最終基板の表面のイオン注入によって形成されることが可能である。このイオン注入が、注入前に堆積されかつ注入後に除去されることが可能である、例えば、酸化物から形成された表面層を介して実施されることが可能である。
一つの代替形態において、エピタキシー又はCVD又はMBE又はドープされた半導体層を堆積する他の方法を使用して、接地板が堆積によって形成されることが可能である。
誘電体層が、例えば、酸化若しくは窒化によるソース基板の表面の反応によって、又はソース基板若しくは接地板上の堆積によって、形成されることが可能である。
一つの代替形態において、組み合わせるステップの前に、組み合わされる面の少なくとも一方が、例えば、プラズマ処理によって、表面窒化される。
本発明による方法の一つの代替形態において、接地板の形成前に、拡散に対するバリアとして機能する層が、最終基板上に堆積されることが可能であり、この結果、バリア層が、最終基板と、接地板と、の間に位置する。
ソース基板が、好ましくは水素であるガス種のその深さにおける局所的な注入を受けることが可能であり、脆化された埋め込み層を形成する。その場合、以下において説明する“Smart−Cut(登録商標)”型の基板を破壊する方法を使用して、場合によっては、次に研磨を行うことによって、ソース基板が部分的に薄くされることが可能である。
本発明による方法の他の実施形態によると、ミリング、及び/又は化学的若しくは機械的若しくは機械的−化学的研磨、及び/又は化学エッチングによって、ソース基板を部分的に薄くすることが可能である。その場合、ソース基板内の事前の注入は存在しない。
また、本発明は、重畳半導体層を備えたデバイスに関するものであり、順に、:
a)最終基板と称される基板と、
b)周期表の第IIIカラム又は第Vカラムの元素でドープされた半導体層であって、接地板を形成し、基板上に位置し、1018at.cm−3よりも大きな、又は1019at.cm−3又はさらには1020at.cm−3よりも大きなドーパント濃度を有する半導体層と、
c)誘電体材料の少なくとも一つの層であって、接地板が、誘電体層と最終基板との間に備えられ、誘電体層が、表面半導体膜と接地板との間に存在する、層と、
d)誘電体層、接地板及び最終基板上の、半導体材料から形成された膜と、
を含む。
本発明によるデバイス又は方法において、接地板層の堆積前に、例えば、シリコンカーバイド又は窒化半導体材料から形成された拡散に対するバリアとして機能する材料の層で、最終基板が被覆されることが可能である。組み合わせた後、この層が、最終基板と接地板との間に存在する。
本発明によるデバイス又は方法において、最終基板及び/又はソース基板が、シリコン、又はSiC、又はSiGe、又はGe、又はGaN等で形成されることが可能である。
本発明による方法の好ましい実施形態を示す。 本発明による方法の好ましい実施形態を示す。 本発明によるデバイスの実施形態を示す。 本発明によるデバイスの実施形態を示す。 接地板を備えないSOI型のデバイスを示す。 接地板を備えたSOI型のデバイスを示す。
本発明のいくつかの実施形態が、以下に詳述され、図1及び2によって図示され、ここで、異なる素子の参照符号が、様々な図で共通である。
本発明による第1の方法が、図1Aから1Eとともに説明される。
第一に、表面体積部4を、周期表の第IIIカラム又は第V属の元素でドープし、接地板を形成するように、すなわち、前記ドープ層4を、少なくとも部分的に導電性にするために、半導体材料から形成された基板2の表面12、又は、例えばシリコン若しくはシリコンカーバイトである半導体材料から形成された層を少なくとも表面上に有する基板2の表面12が、イオン注入に曝される(図1A)。例えば、プラズマドーピング又はCVDドーピングである注入以外の方法で、ドーパントが半導体基板内に導入されることが可能である。
前記層4内のドーピングが、1018at.cm−3よりも大きく、又は5.1018at.cm−3よりも大きく、好ましくは、1019at.cm−3よりも大きく、有利には、1020at.cm−3よりも大きく、これにより、“n”−ドープ半導体、又は“p”−ドープ半導体を形成することが可能である。
従って、基板2、及び接地板が、例えば、シリコンベースである。有利には、シリコン又はSi99%(C)1%から形成される、又は、前記材料の1つから形成された少なくとも1つの表面層を含む半導体層に対して、ドーパントが、ホウ素(B)、ヒ素(As)、リン(P)、アンチモン(Sb)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)の中から選択される。SiCから形成された半導体層に対しては、窒素(N)又はアルミニウム(Al)が好ましい。このドーピングステップが、その後、電子部品の全部又は一部を形成するために使用されることが必要とされるいずれの層を通過しない。従って、このような層を傷つけない。
注入によるドーピングが、例えば酸化物マスクである表面層を介して実施されることが可能である。従って、このマスクが、注入ステップの直前に堆積され、好ましくは、前記ステップの直後に除去される。
あるいは、CVD、又はエピタキシー、又は分子ジェット成長法(molecular jet growth)等を使用して、基板2上に堆積することにより、接地板4が形成されることが可能である。この場合にも、将来的な半導体材料の薄層20の損傷はない。
ソース基板と称される第2基板10上に、誘電体層3が、形成されうる(図1B)。この層が、例えば、酸化物(例えば、SiO)、及び/又は窒化物(SixNy)及び/又はHigh−K材料(HfO、Al、HfSiON等)から形成される。この層3が、ソース基板10の表面の窒化若しくは酸化、又は堆積により形成されることが可能である。あるいは、この層3が、基板2上における、接地板層4上に堆積されることも可能である。
次に、誘電体層3下の(又は、誘電体層が存在しない若しくは前記層が注入後に形成される場合は、ソース基板10の表面11下の)深さe+εにおける、ガス種の局所的注入21が、基板の破壊により薄くされることを見込んで、実施されることが可能である。以下において、“Smart Cut(登録商標)”法について言及する。この方法が、例えば、非特許文献1に説明されている。有利には、注入される種が、水素である。あるいは、ヘリウム又は希ガス又は前記種の組み合わせであることが可能である。
あるいは、最終基板2上に形成される代わりに、上述の技術に従い、接地板層4が、ソース基板10上にそれ自体が形成される酸化物層3上に、堆積によって形成されることが可能であり、この結果、層3が、ソース基板と接地板との間にある。
次に、2つの基板2及び10が、自由表面による分子接着によって組み合わされる(図1C)。これらの自由表面は、薄層の積層体を得ることを可能にする自由表面であり、この薄層の積層体が、ソース基板10と、該基板10と接触する誘電体層3と、絶縁層3と最終基板2との間に接地板を形成する半導体材料の基部を備えた導電層4と、を含む。図1Bと1Cの場合、自由表面は、接地板4と誘電体層3の自由表面である。
この分子接着が、例えば、親水性表面間で行われることが可能である。そのために、表面が、接触させる前に、当業者には周知の技術に従って予め準備される(化学洗浄、CMP、プラズマ活性化、UVオゾン処理等)。
ある代替形態において、誘電体層が、基板10上に形成され、接地板4が、基板2上に形成され、酸化物(例えば、SiO)及び/又は窒化物(SixNy)及び/又はHigh−K材料(HfO、Al、HfSiON等)から形成された誘電体層の接着前に、接地板4が被覆されることが可能である。
組み合わせる前に、例えばプラズマ処理によって、組み合わされる2つの表面の少なくとも一方を窒化することも可能である。
次に、ソース基板10の後面が、半導体材料から形成された厚さeの膜20のみを残すように、薄くされる(図1D)。例えば、深さe+εに予め形成された脆化領域において、ソース基板10を破壊することにより、この薄くするステップが実施され、次に、SOI半導体構造体の表面上において厚さeの膜20を得るように、形成された表面21’が研磨される(図1E)。
あるいは、ソース基板10を部分的に薄くするステップが、ミリング及び/又は研磨及び/又は化学エッチングによって実施されることが可能である。この場合、ドナー基板10中の脆化領域21を予め形成することはない。
本発明による方法の第2実施例が、図2A0及び図2Aから2Eに関連して説明される。
実施されるステップが、図2Aのステップの前のステップを図示する図2A0を除き、図1Aから1Eと関連して説明されたそれらと同一である。
従って、先の説明が参照され、以下において、図2A0の説明が追加される。
接地板4が、同じ基板上に形成される前に、バリア層5が、基板2上に堆積される(図2A0)。接地板の導電性の質を保つために、前記層が、拡散に対するバリアとして機能し、最終基板2内のドーピング種の拡散を制限し、有利には、これを防ぐ。例えば、ホウ素拡散を制限することを含む場合、このバリア層が、有利には、例えば、Si99%(C)1%であるシリコンカーバイドから形成される。組み合わされた後、従って、このバリア層5が、接地板4と最終基板2との間に位置する。
例えば、上述のように、半導体層を堆積し、次に、前記層の注入によりドーピングすることにより、又は、第1実施形態において説明された手段を使用してドープされた半導体層を堆積することにより、このバリア層上に、接地板層4が、形成される(図2A)。
ここで再び、第1実施例において説明したように前記基板内に形成された脆化領域に沿って破壊することにより、又は、ミリング及び/若しくは研磨及び/若しくは化学エッチングにより、ソース基板10を部分的に薄くするステップが、実施されることが可能である。
本発明は、上述の2つの実施形態の全ての組み合わせ、特に、接地板の形成、及び薄化方法に関するバリエーションの結果として生じるものを包含する。これらの代替形態が、接地板下のバリア層の形成、及び/又は基板の組み合わせ前の組み合わされる表面の少なくとも一方上の誘電体層の形成若しくは非−形成、に関する形態と組み合わされることが可能である。
上述の方法により、
−基板、
−半導体材料の表面層、
−表面膜と最終基板との間の誘電体材料の少なくとも一つの埋め込み層、及び、
−前記誘電体層と基板との間の少なくとも一つの接地板、
を備えた半導体デバイスを得ることが可能となる。
拡散バリア層が、接地板と最終基板との間に存在してもよい。
全ての場合において、表面層が損傷を受けておらず、接地板を形成するために、それが、元素を注入するためのビームによって貫通されないが、これは、それが、組み合わせるステップの前に形成されるためである。
また、本発明は、図3及び4の一方に図示された構造を有する重畳層を備えた半導体デバイスに関する。
このようなデバイスが、基板2を備える。
この基板2上に、周期表の第IIIカラム又は第Vカラムの元素でドープされた半導体層4が存在し、接地板を形成し、この層内のドーピングが、1018at.cm−3よりも大きく、好ましくは、1019at.cm−3よりも大きく、有利には、1021at.cm−3よりも大きい。
また、このデバイスが、半導体材料から形成された少なくとも一つの膜20、及び、誘電体材料層3を備え、接地板4が、層3と最終基板2との間にあり、層3が、接地板4と表面層20との間にある。
一つの代替形態によると、このデバイスが、例えば、Si99%(C)1%である拡散バリアを形成する材料の層5も備え、接地板4と基板2との間に位置することが可能である(図4)。このバリア層の厚さが、2nmから50nmの間であり、例えば、10nmである。
本発明によるデバイス又は方法において、:
−いわゆる最終基板2及びドナー基板10が、例えば、シリコン若しくはSiC、又は複合材料である半導体材料を多く含むことが可能であり、表面上に、例えば、シリコン又はシリコンカーバイド又はSiGe又はゲルマニウム又はGaN等である、少なくとも一つの薄い半導体層を含むことが可能である。この方法の終了時点で得られた半導体膜が、好ましくは、2nmから100nmの間の厚さeを有し、完全空乏化型(FD)半導体材料から形成された表面膜20を必要とする用途に対しては、有利には、2nmから20nmの間の厚さeを有する。
−誘電体層が、例えば、酸化物(例えば、SiO)、窒化物(例えば、SixNy)、High−K材料(HfO、Al、HfSiON等)の中から選択された一つ又は複数の材料で構成される。この誘電体層の全体の厚さが、好ましくは、2nmから150nmの間であり、有利には、2nmから25nmの間である。
−接地板が、好ましくは、5nmから100nmの間の厚さを有し、有利には、5nmから10nmの間の厚さを有する。実際には、寄生容量現象(parasitic capacity phenomena)を制限するために十分に細かく、良好な横方向電導を確保しかつ前記層の外側のドーパントの拡散現象を制限するために十分な厚さとなるように、この層の厚さが選択される。
上述の重畳層の半導体デバイス、及び本発明による方法を使用して得られたデバイスが、任意の製造ラインに導入されることが可能である。従って、このデバイス上に、集積回路、及び/又はMEMSセンサー、及び/又は光学部品(MOEMS)及び/又は生体構成部品(biocomponent)及び/又はスイッチ等のマイクロ電子部品を形成することが可能である。例えば、本発明による方法の後で、上部膜20が、全体的な又は局所的な注入の混合型(miscellaneous type)を受け入れることが可能であり、これをドープし、例えば、トランジスタである電子部品の製造を可能にする。この製造方法の場合、この膜20が、損傷を受けておらず、いずれの劣化を受けない。
2 基板
3 誘電体層
4 接地板
10 ソース基板
11 表面
20 表面膜
21 脆化領域
21’ 表面

Claims (13)

  1. 絶縁構造体上に半導体を形成する方法であって、
    a)半導体基板(2)上に拡散に対するバリアとして機能する層(5)であって、シリコンカーバイドから形成される前記層(5)を堆積するステップと、
    b)前記層(5)上に半導体層を堆積するステップと、
    c)前記半導体層内に周期表の第IIIカラム又は第Vカラムの元素でドープされた接地板を形成するステップであって、前記接地板が、前記半導体層内にドーパントを導入して前記半導体層をドープすることにより形成されるステップと、
    d)誘電体層(3)を形成するステップであって、
    前記誘電体層(3)を、
    −半導体材料から形成された、若しくは半導体材料から形成された表面層を含む、ソース基板と称される第2基板(10)の半導体材料から形成された表面上に、又は
    −前記接地板と接触して前記半導体層上に、形成するステップと、
    e)次に、前記半導体基板(2)と前記ソース基板とを組み合わせるステップであって、前記接地板が、前記層(5)と前記誘電体層(3)との間にあり、前記誘電体層が、前記ソース基板と前記接地板との間にあるステップと、
    f)次に、半導体構造体の表面上に、半導体材料から形成される膜(20)を残すように、前記ソース基板を薄くするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 拡散に対するバリアとして機能する前記層が、Si 99% 1% のシリコンカーバイドから形成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記誘電体層(3)が、酸化物及び/又は窒化物及び/又はHigh K材料から形成されることを特徴とする請求項1又は2のいずれか一項に記載の方法。
  4. 前記誘電体層(3)が、組み合わされる面の少なくとも一方上における堆積及び/又は反応によって形成されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記半導体基板及び/又は前記ソース基板が、シリコン又はシリコンカーバイドSi 1−x から形成されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記接地板(4)が、前記半導体層内へのプラズマドーピング又はイオン注入により形成されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記接地板(4)が、注入前に堆積されかつ注入後に除去される表面層を介して、前記半導体層内にドーパントをイオン注入により導入することにより形成されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記接地板内のドーピングが、10 19 at.cm −3 超えることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  9. 組み合わされる面の少なくとも一方が、接着前に窒化されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ソース基板(10)が、表面下の局所的なガス種の注入を受け、そこに埋め込み脆化領域(21)を形成し、この操作が、前記誘電体層(3)の形成前又は後に行われることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記ソース基板(10)内に注入される前記ガス種が、水素であることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 前記埋め込み脆化領域(21)において、基板を破壊する方法により、前記ソース基板(10)を薄くするステップが行われることを特徴とする請求項10又は11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記基板を薄くするステップが、ミリング、及び/又は機械的薄化、及び/又は機械的−化学的薄化、及び/又は化学エッチングによって行われることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
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