JP6110095B2 - 複合基板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体層を有する複合基板に関する。

近年、半導体素子の性能向上を図るべく、寄生容量を減らす技術の開発が進められている。この寄生容量を減らす技術として、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）構造がある。こ
のＳＯＳ構造を形成する方法として、例えば特許文献１に記載された技術がある。また、異種材料からなる基板を接合する方法として、例えば特許文献２に記載された技術がある。

特開２００３−３１７８１号公報 特開２００４−３４３３６９号公報

しかし、特許文献１に記載された技術では、サファイア中に含有される微量の金属が半導体素子の機能層となるシリコン側に拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす恐れがあった。また、特許文献２に記載された技術では、接合面を活性化させるためにイオンビームや中性子ビームを照射した際に、接合装置のチャンバー内に浮遊する金属が接合界面に混入する恐れがある。このため、ＳＯＳ構造を形成する際に特許文献２に記載された技術を適用したとしても、金属が半導体素子の機能層となるシリコン側に拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす恐れがあった。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、半導体層への金属の混入を抑制した複合基板を提供することを目的とする。

本発明の複合基板の実施形態では、絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備えるものである。

本発明によれば、金属拡散を抑制した半導体層を有する複合基板を提供することができる。

（ａ）は本発明の１つの実施形態に係る複合基板の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は複合基板を斜視した部分断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示す複合基板の製造方法の製造工程の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図２の後の製造工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は製造工程の変形例を示す断面図である。 図１に示す複合基板の変形例を示す要部断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ図３に続く、電子部品の製造工程を示す断面図である。

本発明の複合基板の実施形態の一例について、図面を参照しつつ、説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態の一つに係る複合基板１の例を示す模式的な平面図であり、（ｂ）は複合基板１を斜視した部分断面図である。

複合基板１は、支持基板１０と半導体層２０と中間層３０とを含んで構成される。

支持基板１０は、その上部に位置する半導体層２０を支持するものであり、強度、平坦度を有する単結晶であれば、自由に選択することができる。支持基板１０を構成する材料としては、酸化アルミニウム単結晶（サファイア）、炭化ケイ素基板などを用いることができる。本実施形態では、支持基板１０としてサファイアを採用する。

この支持基板１０の厚みとしては、例えば、４００〜８００〔μｍ〕の範囲が挙げられる。また、支持基板１０の半導体層２０側に位置する主面１０ａの算術平均粗さＲａは１ｎｍ以下とすることが好ましい。

半導体層２０は、一主面２０ｂを支持基板１０の一主面１０ａ上に重ね合わせている。そして、半導体層２０の材料としては、単結晶の半導体材料であればよく、例えば、ＳｉやＧｅなどを用いることができる。本実施形態では、半導体層２０としてＳｉ単結晶を用いている。

半導体層２０の厚みとしては、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が挙げられる。また、半導体層２０のドーパント濃度としては、例えば、相対的に低濃度のｐ⁻およびｎ⁻のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。ｐ⁻のドーパント濃度としては、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ⁻のドーパント濃度としては、５×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。そして、半導体層２０中の酸素濃度は、特に限定されないが、詳しくは後述するが、１×１０^１８〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満であることが好ましい。

中間層３０は、支持基板１０と半導体層２０との間に位置する。中間層３０の一方主面は支持基板１０に直接接合され、他方主面は半導体層２０に直接接合されている。そして、この中間層３０は、半導体層２０を構成する元素を含む酸化物を主成分とする。この例では、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする。そして、中間層３０は、半導体層２０の結晶性に比べ低くなっている。

中間層３０は、多結晶またはアモルファスとする。そして中間層３０の厚みは、特に限定されないが、その最大値は後述する支持基板１０と半導体層２０との接合により混入する恐れのある金属の量を固溶させることができるように設定される。ただし、酸化シリコンの融点は約１７００度であり、中間層３０と支持基板１０との界面に例え後述の金属が存在したとしても、中間層３０を構成する元素と金属が反応したり拡散を助長させたりすることはない。このため、上記最大値の厚みが必ずしも必要ではない。また、中間層３０の厚みが２００ｎｍ以上となると、中間層３０の存在により放熱特性が悪化する恐れが生じる。このため、中間層３０の厚みとしては、例えば、１０ｎｍ程度でよい。より好ましくは５ｎｍ以下とする。

また、中間層３０の単位体積あたりの酸素量を、支持基板１０の酸素量に比べて少なく
することが好ましい。

複合基板１をこのような構成とすることにより、半導体層２０に不純物が拡散したり、析出したりすることを抑制することができる。その理由について以下に詳述する。

複合基板１は、支持基板１０と半導体層２０とを接合するときに接合界面に金属などの不純物が混入したり、支持基板１０側に微量添加されている金属などの不純物が半導体層２０側に拡散・析出したりする恐れがある。このような金属の存在は、半導体層２０に半導体素子として機能する素子機能部を形成するときに、誤動作を発生させる恐れがある。そこで、例え金属などの不純物が存在する場合であっても、半導体層２０に拡散・析出させないことが重要である。

複合基板１では、中間層３０を設けている。この中間層３０は半導体層２０を構成する元素と同じ材料系で構成されている。すなわち酸化シリコン層となっている。酸化シリコンの融点は高く、金属が存在したとしても金属と結合して金属の拡散を助長させることがない。このため、支持基板１０と中間層３０との界面に金属が存在したとしても、支持基板１０と中間層３０との間に金属を保持することができ、その結果、半導体層２０への金属の拡散を抑制することができる。

また、中間層３０の結晶性は、単結晶の半導体層２０、支持基板１０に比べ低くなっている。このため、仮に金属が存在する場合であっても、半導体層２０側に拡散されず、粒界等を介して中間層３０中に拡散・固溶される。

ここで、中間層３０の結晶性評価は、例えば、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により断面加工した後に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、観察したり、電子線回折を行なったりして確認すればよい。また、ラザーフォード後方散乱（ＲＢＳ）により測定してもよい。

さらに、半導体層２０の酸素濃度は１×１０^１８〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満としている。このような構成により、半導体層２０中に金属が拡散・固溶・析出することを抑制している。特に、金属がＦｅである場合には、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。

また中間層３０の単位体積あたりの酸素量は支持基板１０に比べて少なくなっていることにより、金属と酸素との結合を抑制し、金属の拡散に伴う移動を抑制することができる。

以上のように、複合基板１によれば、半導体層２０に金属等の不純物が拡散することを抑制した、高品質の半導体層２０を有するものを提供することができる。

（複合基板の変形例：中間層）
上述の中間層３０に代えて、厚み方向に酸素濃度分布を有する中間層３０Ａとしてもよい。

中間層３０Ａは、厚み方向において酸素濃度が支持基板１０から半導体層２０側にかけて減少するものとなっている。金属は半導体層２０を構成する元素との結合エネルギーに比べ、酸素と結合する結合エネルギーの方が小さい。例えば、半導体層２０を構成するＳｉとＦｅとを例にすると、Ｓｉ−Ｆｅの共晶温度は６６０度であり、これらの結合には加熱が必要であるのに対して、Ｆｅ−Ｏの結合は常温下でも進行する。ここで、中間層３０Ａにおいて、金属は、半導体層２０側に拡散することなく中間層３０Ａの酸素と結合し、中間層３０Ａの内部に保持されることとなる。さらに、この中間層３０Ａも酸素濃度が半
導体層２０側に近づくに連れて減少することから、半導体層２０と中間層３０Ａとの界面に金属が残存することなく、中間層３０の厚み方向において支持基板１０側において金属を保持することができる。

（複合基板の変形例：中間層）
上述の中間層３０に代えて、金属元素を更に含有する中間層３０Ｂとしてもよい。

金属元素としては、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ等を例示することができる。ここで、金属元素としては、支持基板１０及び半導体層２０を構成する主成分の元素は除くものとする。含有量としては、例えば、１×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２〕未満とすればよい。

中間層３０Ｂは、金属元素の濃度が、厚み方向において支持基板１０側から半導体層２０側に向かうにつれて減少している。このような構成とすることにより、半導体層２０側への金属元素の拡散を確実に防止させることができる。

（複合基板の製造方法）
次に、図１に示す複合基板１の製造方法について図面を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示したように、シリコン（Ｓｉ）で形成された第１基板２０Ｘを準備する。この第１基板２０Ｘは単結晶シリコン基板２０Ｘａの上面（図のＤ２方向）にＳｉをエピタキシャル成長させたＳｉ膜２０Ｘｂを形成して成る。このＳｉ膜２０Ｘｂの一部が後の半導体層２０となる。このエピタキシャル成長の方法としては、単結晶シリコン基板２０Ｘａを加熱しながら、当該単結晶シリコン基板２０Ｘａの表面に気体状のシリコン化合物を通過させて熱分解させて成長させる熱化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）などの種々の方法を採用できる。このＳｉ膜２０Ｘｂは、シリコン基板の上にエピタキシャル成長させているので、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた場合に比べて格子欠陥を少なくすることができる。また、真空中においてエピタキシャル成長させるため、その膜中の酸素含有量をＣｚ法で形成したシリコン基板に比べて極めて低く抑えることができる。具体的には、酸素濃度を１０^１８〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満とすることができる。この酸素濃度は、ＣＺ法で形成したシリコン基板に比べて１／１０以下の値となっている。実際には、酸素濃度を３×１０^１７〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満とすることを確認している。

ここで、Ｓｉ膜２０Ｘｂのドーパント濃度は、特に限定はされないが、例えば、相対的に低濃度のｐ⁻およびｎ⁻のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。ｐ⁻のドーパント濃度としては、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ⁻のドーパント濃度としては、５×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。Ｓｉ膜２０Ｘｂのドーパント濃度は単結晶シリコン基板２０Ｘａから離れるにつれて減少し、単結晶シリコン基板２０Ｘａと接する側と反対側の表面においては、完全空乏層となるようなドーパント濃度となっている。

また、Ｓｉ膜２０Ｘｂの厚みは、特に限定されないが、例えば２μｍ程度とすればよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ膜２０ＸｂのＤ２方向の上面に、酸化シリコンからなる中間層３０を形成する。中間層３０は、例えば、原子層堆積（Atomic Layer Deposition ：ＡＬＤ）法、スパッタ法等、成膜時に基板を高温で加熱する必要のないものを用いる。具体的な成膜温度の上限値としては、Ｓｉ膜２０Ｘｂにおけるドーパント濃度分布
を変化させないような温度が好ましく、５００℃以下とする。ＡＬＤ法やスパッタ法により成膜する場合には、基板温度は２００℃〜４００℃程度であるため、Ｓｉ膜２０Ｘｂ中のドーパント濃度分布を変化させることがない。特に、ドーパントとしてＢを用いている場合には、他の元素をドーパントとして用いる場合に比べて拡散しにくいため、より確実に成膜によるドーパント濃度分布変化を抑制することができる。

この例ではＡＬＤ法により成膜している。具体的には、シリコンを原料として含むテトラエチルオシロシリケートや四塩化珪素，六塩化珪素，ＴＥＯＳ，アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシラン等の金属原料ガスと、酸素を原料として含む水蒸気やオゾンガス等の酸素供給ガスとを交互に基板表面に流し、各ガスの間には、Ａｒ等の不活性ガスでパージすることで中間層３０を形成する。

なお、中間層３０の結晶性は特に限定されず、多結晶体やアモルファスとして、後の半導体層２０となるＳｉ膜２０Ｘｂよりも低い結晶性を有するものとしてもよい。

このような、中間層３０の厚みとしては特に限定されず、１００ｎｍ以下の範囲を例示できるが、例えば３０ｎｍとすればよい。より好ましくは５ｎｍ以下とする。

次に、図２（ｃ）に示すように、酸化アルミニウム単結晶（サファイア）からなる絶縁性の支持基板１０を準備する。

次に、支持基板１０と、第１基板２０ＸのＤ２方向の主面（単結晶シリコン基板２０Ｘａと反対側に位置する主面）とを貼り合わせる。すなわち、支持基板１０と中間層３０の主面とを貼り合わせる。貼り合わせの方法としては、図３（ａ）に示したように、貼り合わせる面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法が挙げられる。表面の活性化する方法としては、例えば真空中でイオンビームや中性子ビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法、化学溶液で表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。

そして、図３（ｂ）に示すように、この活性化した状態で両者を貼り合わせる。この接合を常温下で行ってもよい。なお、この接合は、樹脂系などの接着剤を使用しない方法によるものである。

この接合方法によって接合する場合には、中間層３０および支持基板１０は、接合する面の面粗さが小さいことが好ましい。この面荒さは、例えば算術平均粗さＲａで表される。この算術平均粗さＲａの範囲としては、１０ｎｍ未満が挙げられる。より好ましく、１ｎｍ以下とする。算術平均粗さを小さくすることによって、互いに接合する際に加える圧力を小さくすることができる。

このように、接合表面を活性化させた後に互いを接触させて、特に常温下で結合させたときには、例え接合表面に金属が存在していた場合であっても、金属の拡散・固溶を促進することがない。また、表面を活性化させることにより接合させるため、いわゆるＳＯＩ基板のように脱水反応により支持基板１０と中間層３０とを接合するものではない。このため、脱水反応に起因する接合界面のボイドが発生しない。また、脱水反応により生じる水を吸収させる構成を必要としない。以上より、半導体層２０への金属の拡散を防ぐとともに、半導体層２０と支持基板１０との接合の信頼性が高いものとすることができる。

ここまでの工程を経ることによって、支持基板１０と単結晶シリコン基板２０Ｘａとの間に、中間層３０、Ｓｉ膜２０Ｘｂを有する中間製造物ができる。

次に、中間製造物を矢印Ｄ１方向側（単結晶シリコン基板２０Ｘａ側）から加工して、図３（ｃ）に示したように単結晶シリコン基板２０Ｘａを除去してＳｉ膜２０Ｘｂを露出させる。この単結晶シリコン基板２０Ｘａを除去する加工方法としては、例えば砥粒研磨、化学エッチング、イオンビームエッチングなど種々のものが採用でき、複数の方法を組み合わせてもよい。このとき、単結晶シリコン基板２０Ｘａとともに、厚み方向においてＳｉ膜２０Ｘｂの一部が除去されてもよい。

ここで、シリコン単結晶基板２０Ｘａとして、ドーパント濃度の高いものを用い、シリコン単結晶基板２０Ｘａのドーパント濃度におけるエッチングレートと、Ｓｉ膜２０Ｘｂのドーパント濃度におけるエッチングレートとが大きく異なるようなエッチャントを用いてシリコン単結晶基板２０Ｘａを除去することが好ましい。この場合には、生産性が高くなるとともに、例え、支持基板１０のうねりが大きい場合であっても、支持基板１０の主面１０ａの面内において均一に厚みを残すことができるからである。

シリコン単結晶基板２０Ｘａを除去した後、Ｓｉ膜２０ＸｂのＤ１方向の上面を精密研磨して、厚みの均一性を向上させることができる。この精密エッチングに用いるエッチング手段としては、例えばドライエッチングが挙げられる。このドライエッチングには、化学的な反応によるものと、物理的な衝突によるものとが含まれる。化学的な反応を利用するものとしては、反応性の気体（ガス）、イオンおよびイオンビーム、ならびにラジカルを利用するものなどが挙げられる。この反応性イオンに使われるエッチングガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）などが挙げられる。また、物理的な衝突によるものとしては、イオンビームを利用するものが挙げられる。このイオンビームを利用するものには、ガス・クラスタ・イオンビーム（Gas Cluster Ion Beam；ＧＣＩＢ）を用いた方法が含まれている。これらのエッチング手段を用いて狭い領域をエッチングしながら、可動ステージで基板を走査することで、大面積の素材基板であっても良好に精密エッチングをすることができる。

このような工程を経てＳｉ膜２０Ｘｂの残った部分を半導体層２０とする。前述の全工程を経ることにより、支持基板１０上に中間層３０、半導体層２０が順に積層された複合基板１を得ることができる。

このような工程を経ることにより、エピタキシャル成長で形成した半導体層２０の支持基板１０側の面はノンドープの空乏層となっており、かつ、酸素濃度も低いものとなっている。つまり、半導体層２０の支持基板１０側の面は、歪が極めて小さくなっている。このような構成とすることにより、支持基板１０との接合側の面において意図せぬ歪による応力等が付加されることがないので好ましい。

さらに、上述のような工程を経て形成された複合基板１は、支持基板１０と半導体層２０との間のうち、特に半導体層２０側には従来のＳＯＩ基板のような、半導体層２０の一部を熱酸化して形成したＳｉＯｘ層（酸化物層）が存在しない。このことからも、半導体層２０には、ＳｉＯｘ層を形成するために必要な意図せぬ応力の発生や、格子間Ｓｉ等の発生を抑制することができ、半導体層２０の品質を高めることができる。

上述の工程では、基板等を洗浄する工程を明記していないが、必要に応じて基板の洗浄をしてもよい。基板の洗浄方法としては、超音波を用いた洗浄、有機溶媒を用いた洗浄、化学薬品を用いた洗浄、およびＯ_２アッシングを用いた洗浄などの種々の方法が挙げられる。これらの洗浄方法は、組み合わせて採用してもよい。

このような工程とすることにより、金属が混入する恐れのある領域を、支持基板１０と中間層３０との界面に限定することができる。すなわち、支持基板１０と中間層３０との
接合時に、接合面を活性化した状態で接合界面に混入する恐れのある金属に限定することができる。このため、中間層３０の存在により、半導体層２０への金属の拡散を抑制することができる。

（変形例：中間層３０Ｂ）
中間層３０Ｂにおいて、支持基板１０側の面の近傍領域における金属元素の単位表面積辺りの金属原子密度を１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。より具体的には、中間層３０のうち、最も金属原子濃度が低い支持基板１０側の面において金属原子密度を１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。このような存在密度とすることにより、金属元素は、支持基板１０の一主面，半導体層２０の一主面を覆わず、支持基板１０の一主面，半導体層２０の一主面を構成する元素の原子配列が露出するものとなる。

ここで、金属元素の密度は、単位表面積当たりの原子数をさす。実際には、ＩＣＰ−ＭＳ（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry；誘導結合プラズマ質量分析装置）により、支持基板１０上の中間層３０Ｂ，半導体層２０の一部を一定体積エッチング液に溶解させ、金属原子の量を測定し、その全量が界面から厚み５ｎｍ以内に存在するものと仮定し、面方向における密度を求める。このような仮定は、本実施形態により得た複合基板の複数について厚み方向における金属元素の分布状態を観察・測定した結果、最も金属量が多い場合でも、支持基板１０と中間層３０Ｂとの間の５ｎｍ以内の領域に存在し、それよりも半導体層２０側には殆ど拡散していないことを確認したことによる。

このように、中間層３０Ｂの近傍領域は、支持基板１０側の面から厚み方向に５ｎｍ以内の領域をさすものとする。なお、以下の記載において、金属元素を構成する金属原子の密度について、単に金属元素の密度または金属原子の密度と記載することがある。

そして、金属元素の存在密度を１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることにより、初めて、接合を維持しつつ、界面に金属元素の析出部が発生することを抑制することができる。このメカニズムについて詳述する。金属元素の存在密度を低く制御するためには、活性化する工程において中性子ビーム（ＦＡＢガン）を用いたり、接合する際の雰囲気を高真空にしたり、真空中に配置された構成物を絶縁物で被覆したりすることで調整することができる。

支持基板１０と半導体層２０との間に金属元素が凝集している場合には、半導体層２０に半導体素子を作りこむときに、半導体素子の動作に悪影響を生じる恐れがあった。このような金属元素の凝集は、界面において金属元素が層状または島状に設けられる場合には（例えば、界面における金属元素の密度が約３．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上）、当然に想定される問題であるが、約３．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満であっても１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を超える場合には、接合時には接合面内に分散していてその存在を確認できなくても、半導体素子を作りこむための熱処理を加えていく過程で金属原子が凝集してしまう。しかしながら、１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることにより、複合基板１に熱処理を加えても金属原子が凝集することを防止できる。

これは、メカニズムは明らかではないが、金属原子の半導体層２０を構成する元素に対する固溶度が関係するものと考えられる。すなわち、金属原子の存在密度を１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることで、互いに接触し凝集体を形成するような密度ではなく、かつ常温では移動度も低いため、接合時において凝集体を形成することはない。それに加え、熱処理を加え移動度が高まったとしても、このような存在密度とした場合には金属原子は固溶度の１０倍程度しか存在しないこととなり、この状態においても凝集体を形成することはないものと考えられる。

さらに、金属元素を構成する金属原子のうち大多数は中間層３０Ｂを構成する元素に固溶されており、残る金属原子も半導体層２０において拡散を促進するような量が存在しない。

また、半導体層２０がＳｉからなり、金属元素としてＦｅを含む場合には、その密度が１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２よりも多くなると、この値を境としてＯＳＦ欠陥が急激に増加する。ＯＳＦ欠陥の一因として格子欠陥があり、この欠陥を足掛かりとしてＦｅとＯとの化合物が表面に移動・析出してＯＳＦ欠陥となる可能性がある。このＯＳＦ欠陥が生じるＦｅの存在量の閾値と、本実施形態における金属元素の密度の上限値とが一致している。

ＯＳＦ欠陥と金属の凝集とは直接的な関係はないが、金属原子が半導体層内を移動・凝集・析出するという現象に着目すると両者の間には共通項がある。そこで、ＯＳＦ欠陥の発生要因である、欠陥の存在及び金属（Ｆｅ）と酸素との結合という要素について検討すると、本実施形態の複合基板１は、中間層３０Ｂと支持基板１０とを、互いの接合面を活性化し、ダングリングボンドを形成して直接接合していることから、接合界面にはダングリングボンドが欠陥として残存している可能性がある。また、接合後に半導体素子を形成するために熱処理を行なうことに起因して、接合界面に金属元素と半導体層２０または支持基板１０を構成する元素とが金属間化合物を形成する可能性がある。この２つの仮定、すなわち、界面における欠陥と金属間化合物を形成した金属元素とが界面に同時に存在することは、ＯＳＦ欠陥の発生要因を二つとも具備していることとなる。このことから、本実施形態の複合基板１は、欠陥を足掛かりにＦｅが移動・析出することにより発生するＯＳＦ欠陥の場合と同様に、金属元素が界面の欠陥を足掛かりとして移動・析出する可能性を示唆している。以上より、金属元素の密度を、ＯＳＦ欠陥が生じる閾値以下とすることにより、金属元素の拡散・凝集を抑制できるものと推察される。

このような金属元素の存在密度を、最も濃度が高い支持基板１０側の面で実現しているため、確実に金属元素の拡散を防止し、半導体層２０へ影響が及ぶことを防ぐことができる。

特に、中間層３０Ｂ中の酸素濃度が、中間層３０Ａのように半導体層２０に近づくにつれて減少し半導体層２０の酸素濃度である１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満まで低下していることが好ましい。このような構成の場合には、拡散・移動を促進させるために酸素と結合することが困難となり、より確実に半導体層２０側への金属の拡散を抑制することができる。これにより、複合基板１に半導体素子を作りこんだときに、ＯＳＦの欠陥がなく、信頼性の高い半導体層を有する複合基板を提供することができる。

なお、金属元素の密度の下限値は、特に限定されないが、支持基板１０と半導体層２０とを常温接合するために必要な量とする。具体的には接合時に金属元素の密度が１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上のときには特許第４１６２０９４号公報に倣って金属量の多い状態で接合した場合と同等の接合強度を確保できていることを確認している。

以上より、本変形例によれば、金属拡散を抑制した半導体層２０を有し、かつ十分な支持基板１０と半導体層２０との接合強度を有する複合基板１を提供することができる。

（変形例：支持基板）
支持基板１０としてサファイア基板のＲ面を用いることが好ましい。Ｒ面を用いることにより、中間層３０，３０Ａ，３０Ｂ側に金属原子であるＡｌを多く露出させることができる。これにより、中間層３０，３０Ａ，３０Ｂに意図せぬ酸素の供給を抑制すると共に
、後の加熱工程等により、金属原子であるＡｌとＳｉとの結合の割合を高めることができ、より強固な接合を実現することができる。

（変形例：中間層３０Ｂの金属元素）
中間層３０Ｂにおいて、金属元素は、金属シリサイドや金属オキサイドを形成していることが好ましい。たとえば、ＳｉＦｅＯｘ、ＡｌＦｅＯｘ等を例示できる。

金属元素を構成する金属原子を金属シリサイドや金属オキサイドなどの金属間化合物として存在させるためには、接合工程の後に、５００℃以上の熱処理を０．５時間以上行なうことにより、半導体層２０を構成する元素または支持基板１０を構成する元素と結合することにより生成される。

ここで、複合基板１は、中間層３０Ｂと支持基板１０との接合界面に存在する金属量（中間層３０Ｂの近傍領域における金属量）を１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下としていることより、金属原子の拡散・凝集を抑制できる。このため、金属元素が金属間化合物として存在しても、中間層３０Ｂと支持基板１０との接合界面に留まる。そして、金属元素が金属間化合物を形成するときに、その周囲には半導体層２０を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔、支持基板１０を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔が生じる。この空孔が欠陥となり、新たな不純物が界面に存在するときに、その不純物をゲッタリングし、半導体層２０への拡散を抑制することができる。

（変形例：酸化膜）
図５に示すように、上記実施形態において、半導体層２０の上面に酸化膜４０を形成してもよい。言い換えると、半導体層２０の主面のうち、中間層３０，３０Ａ，３０Ｂと接する側の面と反対側の面に酸化膜４０を形成してもよい。

このような酸化膜４０は、半導体層２０を熱酸化させることで形成すればよい。このように、半導体層２０の一部が酸化され酸化膜４０となる場合には、体積変化に伴い、酸化膜４０側から半導体層２０として残る部分にＳｉが押し出され半導体層２０の酸化膜４０側の面の近傍領域は格子間Ｓｉが増加し、単位体積当たりのＳｉ原子密度が高まる。

これに対して、半導体層２０と支持基板１０との間の中間層３０，３０Ａ，３０Ｂは、半導体層２０の主面に新たに成膜して形成されたものであるため、半導体層２０の中間層３０，３０Ａ，３０Ｂ側の近傍領域でＳｉ原子の増加はない。ここで、格子間Ｓｉの存在はＯＳＦ欠陥の発生を促進させる要因となることが知られている。複合基板１において、ＯＳＦ欠陥の原因となる金属元素が混入部分は、支持基板１０と中間層３０，３０Ａ，３０Ｂとの間を中心とする、支持基板１０と半導体層２０との間であるが、この付近において格子間Ｓｉ濃度を示す単位体積当たりのＳｉ原子密度を、酸化膜４０側の面に比べて小さくすることで、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。

さらに、半導体層２０の酸化層４０側の面の近傍領域よりも半導体層２０の他の部位の格子間Ｓｉが少ないことにより、半導体層２０に結晶構造に引っ張り歪みが生じることを抑制し、半導体素子のキャリア移動度への影響を抑えることができる。

このような、格子間Ｓｉ等による歪量は、半導体層２０に半導体素子を形成しキャリア移動度等を測定することにより推定することができる。

なお、半導体層２０の酸化膜４０に接する側の面の近傍領域は、酸化膜４０側から下側に続く厚み５ｎｍ程度の領域をさし、半導体層２０の中間層３０と接する側の面の近傍領
域は、中間層３０から上側に続く厚み５ｎｍ程度の領域をさす。

（電子部品）
なお、上述の実施形態及びその変形例の複合基板１に、複数の素子部を形成し、少なくとも１つの素子部を含むように複合基板１を分割して電子部品を形成してもよい。

具体的には、図６（ａ）に示すように、得られた複合基板１の半導体層２０の上面側から素子部２３を形成する。この素子部２３としては、種々の半導体素子構造が挙げられる。

次に、図６（ｂ）に示すように、素子部２３が形成された複合基板１を分けて、電子部品２を製造する。この複合基板１を電子部品２に分けるのに際して、少なくとも１つの素子部２３が１つの電子部品２に含まれるようにする。言い換えると、１つの電子部品２に複数の素子部２３が含まれていてもよい。

以上のようにして、素子部２３を有する電子部品２を製造することができる。

（製造方法の変形例）
また、上述の製造方法において、以下のような工程により複合基板１を製造してもよい。なお、変更する工程のみについて説明し、変更のない工程については説明を省略する。

上述の工程においては、図２（ｂ）において、中間層３０を半導体層２０（Ｓｉ膜２０Ｘｂ）に比べて結晶性が低くなるように形成した例について説明したが、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ膜２０Ｘｂ上にＭＢＥ法等を用いて単結晶の酸化シリコン膜３０Ｘを形成する。

そして、図４（ｂ）に示すように、支持基板１０および酸化シリコン膜３０Ｘの表面を活性化させた後に、活性化した支持基板１０および酸化シリコン膜３０Ｘの表面を常温下で接触させ圧力を加えることで、単結晶の酸化シリコン膜３０Ｘの結晶構造を崩し、結晶性の低い中間層３０としてもよい。

このようにして製造することにより、金属が混入したとしても、酸化シリコン膜３０Ｘに拡散することを抑制し、支持基板１０と酸化シリコン膜３０Ｘの界面に金属を固定化して閉じ込めることができる。

１０・・・支持基板
２０・・・半導体層
３０・・・中間層

Claims (7)

1. 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
   該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、
   前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備え、
   前記中間層は、前記支持基板および前記半導体層を構成する主成分の元素以外の金属元素を含み、該金属元素の濃度が、厚み方向において前記支持基板側から前記半導体層側に向かうにつれて減少している複合基板。
2. 前記中間層において、前記金属元素は、前記支持基板側の面の近傍領域における存在密度が１×１０^１２／ｃｍ^２以下となるように分布している、請求項１に記載の複合基板。
3. 前記中間層において、前記金属元素は、前記半導体層を構成する元素または前記支持基板を構成する元素と結合して金属間化合物を形成している、請求項１または２に記載の複合基板。
4. 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
   該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、
   前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備え、
   前記中間層は、酸素濃度が、厚み方向において前記支持基板側から前記半導体層側に向かうにつれて減少している複合基板。
5. 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
   該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、
   前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備え、
   前記中間層は、前記支持基板側の面の近傍における酸素濃度が、前記支持基板に比べて多くなっている、複合基板。
6. 前記支持基板はサファイアからなり、前記半導体層はシリコンからなる、請求項１乃至５のいずれかに記載の複合基板。
7. 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、
   該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶のシリコンからなる、半導体層と、
   前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層と、
   前記半導体層の前記中間層と接する側の面と反対側の面に位置する、前記半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とする酸化膜と、を備え、
   前記半導体層は、前記半導体層を構成する元素の密度が、前記酸化膜に接する面の近傍領域に比べ前記中間層に接する面の近傍領域において少なくなっている、複合基板。

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