JP6114063B2

JP6114063B2 - Composite board

Info

Publication number: JP6114063B2
Application number: JP2013038730A
Authority: JP
Inventors: 勝信北田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014067987A

Description

本発明は、半導体層を有する複合基板に関する。 The present invention relates to a composite substrate having a semiconductor layer.

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。 In recent years, in order to improve the performance of semiconductor devices, development of techniques for reducing parasitic capacitance has been promoted. As a technique for reducing this parasitic capacitance, there is an SOS (Silicon On Sapphire) structure. As a method of forming this SOS structure, for example, there is a technique described in Patent Document 1. Moreover, as a method for bonding substrates made of different materials, there is a technique described in Patent Document 2, for example.

特開２００３−３１７８１号公報JP 2003-31781 A 特開２００４−３４３３６９号公報JP 2004-343369 A

しかし、特許文献１に記載された技術では、サファイアが含有す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おそれがあった。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は中性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金属が混入するおそれがある。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、半導体素子の機能層となるシリコン側に金属が拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼすおそれがあった。 However, in the technique described in Patent Document 1, a small amount of metal contained in sapphire diffuses to the silicon side serving as the functional layer of the semiconductor element, which may adversely affect the operation of the semiconductor element. Further, in the technique described in Patent Document 2, when the ion beam is irradiated with a neutral beam to activate the bonding surface, the metal floating in the chamber of the bonding apparatus may be mixed into the bonding interface. There is. For this reason, even when the technique described in Patent Document 2 is applied when forming the SOS structure, the metal may diffuse to the silicon side that will be the functional layer of the semiconductor element, which may adversely affect the operation of the semiconductor element. It was.

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。 The present invention has been conceived under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a composite substrate in which mixing of metals into a semiconductor layer is suppressed.

本発明の複合基板の実施形態では、絶縁性の酸化物からなる支持基板と、一主面が前記支持基板上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、前記支持基板を構成する元素と前記半導体層を構成する元素とが互いに単独で存在し、酸素濃度が厚み方向において前記半導体層側に向かうにつれて減少している、酸素混入層と、を有するものである。 In an embodiment of the composite substrate of the present invention, a support substrate made of an insulating oxide, a semiconductor layer made of a single crystal having one main surface superimposed on the support substrate, and the support substrate and the semiconductor layer An oxygen-mixed layer, wherein the element constituting the support substrate and the element constituting the semiconductor layer are present independently from each other, and the oxygen concentration decreases in the thickness direction toward the semiconductor layer side, , Has.

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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite substrate which has a semiconductor layer which suppressed metal diffusion can be provided.

（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) is a top view which shows schematic structure of the composite substrate which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is the fragmentary sectional view which looked at the composite substrate. （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) is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process of the manufacturing method of the composite substrate shown in FIG. （ａ），（ｂ）は図２の後の製造工程を示す断面図である。(A), (b) is sectional drawing which shows the manufacturing process after FIG. （ａ），（ｂ）は図３の後の製造工程を示す断面図である。(A), (b) is sectional drawing which shows the manufacturing process after FIG. 複合基板１の深さ方向と元素存在量との相関を示す線図である。It is a diagram which shows the correlation with the depth direction of a composite substrate 1, and element abundance. 図５に示す各深さ位置における化学結合状態を測定した図である。It is the figure which measured the chemical bonding state in each depth position shown in FIG. （ａ），（ｂ）はそれぞれ、酸素混入層３０Ａを含む基板の深さ方向と元素存在量との相関を示す線図および、深さ位置３におけるＦｅの化学結合状態を測定した図である。(A), (b) is the diagram which shows the correlation with the depth direction of a board | substrate containing oxygen mixing layer 30A, and element abundance, and the figure which measured the chemical bonding state of Fe in the depth position 3, respectively. .

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。 An example of an embodiment of a composite substrate of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。 FIG. 1A is a schematic plan view showing an example of a composite substrate 1 according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a partial sectional view of the composite substrate 1 in perspective.

複合基板１は、支持基板１０と半導体層２０と酸素混入層３０とを含んで構成される。 The composite substrate 1 includes a support substrate 10, a semiconductor layer 20, and an oxygen mixed layer 30.

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、平坦度を有し、酸素を含有するものであれば、結晶性等は限定されず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），石英，ニオブ酸リチウム単結晶，樹脂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。 The support substrate 10 supports the semiconductor layer 20 located on the support substrate 10, and has crystallinity and the like as long as it has strength and flatness and contains oxygen, and can be freely selected. it can. As a material constituting the support substrate 10, aluminum oxide single crystal (sapphire), quartz, lithium niobate single crystal, resin substrate, or the like can be used. In the present embodiment, sapphire is employed as the support substrate 10.

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。 Examples of the thickness of the support substrate 10 include a range of 400 to 800 [μm].

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，ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ，ＧａＮ，有機物半導体単結晶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。 The semiconductor layer 20 has one main surface 20 b superimposed on one main surface 10 a of the support substrate 10. The semiconductor layer 20 may be made of a single crystal semiconductor material such as Si, Ge, GaAs, ZnTe, GaN, or organic semiconductor single crystal. In the present embodiment, Si single crystal is used as the semiconductor layer 20.

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、後述する酸素混入層３０の半導体層２０側の界面の酸素濃度以下であることが好ましく、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。 As thickness of the semiconductor layer 20, the range of 30 nm-200 nm is mentioned, for example. Further, the dopant concentration of the semiconductor layer 20 is, for example, one of a relatively low concentration of p ⁻ and n ⁻ dopant, and non-doped. Examples of the p ⁻ dopant concentration include a range of 1 × 10 ¹⁶ [atoms / cm ³ ] or less. Examples of the n ⁻ dopant concentration include a range of 5 × 10 ¹⁵ [atoms / cm ³ ] or less. What is referred to as “non-doped silicon” herein is silicon that is simply not doped with the intention of impurities, and is not limited to intrinsic silicon that does not contain impurities. The oxygen concentration in the semiconductor layer 20 is preferably equal to or lower than the oxygen concentration at the interface on the semiconductor layer 20 side of the oxygen-mixed layer 30 described later, which will be described in detail later, but is 1 × 10 ¹⁸ [atoms / cm ³ ]. It is preferable that it is less than.

酸素混入層３０は、支持基板１０と半導体層２０との間に位置する。酸素混入層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、この酸素混入層３０は、支持基板１０と半導体層２０との互いの結晶構造が乱れた状態となっている。言い換えると、支持基板１０を構成する主成分の元素、すなわちアルミナ（Ａｌ，Ｏ）と、半導体層２０を構成する元素、すなわちＳｉと、が互いに単独で存在している。すなわち、支持基板１０を構成する元素と半導体層２０を構成する元素とは化学的に結合していない。 The oxygen-containing layer 30 is located between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20. One main surface of the oxygen-containing layer 30 is directly bonded to the support substrate 10, and the other main surface is directly bonded to the semiconductor layer 20. The oxygen-containing layer 30 is in a state where the crystal structures of the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are disturbed. In other words, the main component element that constitutes the support substrate 10, that is, alumina (Al, O), and the element that constitutes the semiconductor layer 20, that is, Si, exist independently of each other. That is, the element constituting the support substrate 10 and the element constituting the semiconductor layer 20 are not chemically bonded.

酸素混入層３０と支持基板１０との境界は、結晶構造の違いにより判断できる。すなわち、単結晶となっている領域までが支持基板１０であり、結晶構造が乱れる領域からが酸素混入層３０となる。酸素混入層３０と半導体層２０との境界も同様に判断できる。 The boundary between the oxygen-containing layer 30 and the support substrate 10 can be determined by the difference in crystal structure. That is, the region up to the single crystal is the support substrate 10, and the region where the crystal structure is disturbed is the oxygen mixed layer 30. The boundary between the oxygen-mixed layer 30 and the semiconductor layer 20 can be similarly determined.

すなわち、酸素混入層３０は、その結晶性が支持基板１０，半導体層２０に比べ低くなっている。この例では、単結晶とは異なり、支持基板１０を構成する結晶構造と半導体層２０を構成する結晶構造とが入り混じった、いわば、二種類の結晶構造からなる擬似的な多結晶体となっている。このような結晶性の違い，結晶構造の違いは、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。単位体積当たりの格子欠陥数により評価してもよい。 That is, the oxygen-containing layer 30 has a lower crystallinity than the support substrate 10 and the semiconductor layer 20. In this example, unlike the single crystal, the crystal structure constituting the support substrate 10 and the crystal structure constituting the semiconductor layer 20 are mixed, so to speak, a pseudo-polycrystal composed of two kinds of crystal structures. ing. Such differences in crystallinity and crystal structure can be observed, for example, by using a transmission electron microscope (TEM) after cross-section processing by focused ion beam (FIB) processing or electron beam diffraction. To confirm. Moreover, you may measure by Rutherford backscattering (RBS). You may evaluate by the number of lattice defects per unit volume.

このような構成とすることにより、支持基板１０を構成する元素と半導体層２０を構成する元素とは化学的に結合していない場合であっても、支持基板１０と半導体層２０とを接合することができる。なお、支持基板１０を構成する元素および半導体層２０を構成する元素は、いずれも支持基板１０を構成する元素および半導体層２０を構成する元素以外の元素とも結合していない。このことからも、一般的な中間層を介して両者を接合する手法とも異なるものとなる。 With such a configuration, the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are bonded to each other even when the elements forming the support substrate 10 and the elements forming the semiconductor layer 20 are not chemically bonded. be able to. Note that neither the element constituting the support substrate 10 nor the element constituting the semiconductor layer 20 is bonded to an element other than the element constituting the support substrate 10 or the semiconductor layer 20. This is also different from the method of joining the two through a general intermediate layer.

そして、この酸素混入層３０は、厚み方向において、半導体層２０に近づくにつれ酸素濃度が減少するような酸素濃度分布を有している。酸素混入層３０における酸素濃度分布の状態は特に限定されないが、半導体層２０との界面において、半導体層２０の酸素濃度と同等となるように傾斜させればよい。また、酸素混入層３０の厚みは５０ｎｍ以下が好ましい。酸素混入層３０の厚みは、より好ましくは、５〜１０ｎｍとする。このような厚みとすることにより、たとえ酸素を含有する、単結晶以外の層であっても、寄生容量や熱伝導の面で悪影響を及ぼすことがないからである。 The oxygen-containing layer 30 has an oxygen concentration distribution in which the oxygen concentration decreases in the thickness direction as it approaches the semiconductor layer 20. The state of the oxygen concentration distribution in the oxygen-containing layer 30 is not particularly limited, but may be inclined so as to be equal to the oxygen concentration of the semiconductor layer 20 at the interface with the semiconductor layer 20. The thickness of the oxygen-containing layer 30 is preferably 50 nm or less. The thickness of the oxygen-containing layer 30 is more preferably 5 to 10 nm. This is because such a thickness does not adversely affect the parasitic capacitance and the heat conduction even in a layer other than a single crystal containing oxygen.

なお、このような酸素混入層３０において、支持基板１０を構成する元素および半導体層２０を構成する元素を除く、その他の副成分の割合は１質量％以下であるものとする。言い換えると、酸素混入層３０の純度は非常に高く、いわゆるガラス材料とは異なるものである。 In the oxygen-containing layer 30, the ratio of other subcomponents excluding the elements constituting the support substrate 10 and the elements constituting the semiconductor layer 20 is 1% by mass or less. In other words, the purity of the oxygen-containing layer 30 is very high and is different from a so-called glass material.

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。 By setting the composite substrate 1 to such a configuration, it is possible to prevent impurities from diffusing or precipitating in the semiconductor layer 20. The reason will be described in detail below.

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・析出したりするおそれがある。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構成するときに、誤動作を発生させるおそれがある。そこで、たと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に金属を拡散・析出させないことが重要である。 In the composite substrate 1, impurities such as metal are mixed in the bonding interface when the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are bonded, or impurities such as metal added in a small amount to the support substrate 10 diffuse to the semiconductor layer 20 side.・ There is a risk of precipitation. The presence of such a metal may cause a malfunction when an element function unit that functions as a semiconductor element is formed in the semiconductor layer 20. Therefore, it is important that the metal is not diffused and deposited in the semiconductor layer 20 even when impurities such as metal are present.

これに対して、複合基板１では、酸素混入層３０を設けている。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と金属の一例である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。このため、金属は、半導体層２０側に拡散することなく、酸素混入層３０の酸素と結合し、酸素混入層３０の内部に保持されることとなる。さらに、この酸素混入層３０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と酸素混入層３０との界面に金属が残存することなく、酸素混入層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。 On the other hand, the composite substrate 1 is provided with an oxygen mixed layer 30. Metals have a lower binding energy for binding to oxygen than that for the elements constituting the semiconductor layer 20. For example, when Si constituting the semiconductor layer 20 and Fe which is an example of a metal are taken as an example, the eutectic temperature of Si—Fe is 660 degrees, and these bonds need to be heated. The Fe—O bond proceeds even at room temperature. For this reason, the metal does not diffuse to the semiconductor layer 20 side, but is combined with oxygen in the oxygen-containing layer 30 and is held inside the oxygen-containing layer 30. Furthermore, since the oxygen concentration of the oxygen-mixed layer 30 also decreases as it approaches the semiconductor layer 20 side, no metal remains at the interface between the semiconductor layer 20 and the oxygen-mixed layer 30, and the oxygen-mixed layer 30 A metal can be held on the support substrate 10 side in the thickness direction.

また、酸素混入層３０の結晶構造は乱れているのに対して、半導体層２０は単結晶であ
り、この点からも金属を、拡散・固溶しやすい酸素混入層３０に取り込むことができる。 Further, the crystal structure of the oxygen-mixed layer 30 is disturbed, whereas the semiconductor layer 20 is a single crystal, and from this point, metal can be taken into the oxygen-mixed layer 30 that is easy to diffuse and dissolve.

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。 Furthermore, the oxygen concentration of the semiconductor layer 20 is less than 1 × 10 ¹⁸ [atoms / cm ³ ]. With such a configuration, the diffusion, solid solution, and precipitation of metal in the semiconductor layer 20 is suppressed. In particular, when the metal is Fe, generation of OSF defects can be suppressed.

そして、酸素混入層３０は、支持基板１０に接する側から半導体層２０に近づくにつれて酸素濃度が低下し、半導体層２０と接する側の面では、半導体層２０と同程度の酸素濃度となっていることが好ましい。このような構成からも、酸素混入層３０側から半導体層２０側へ酸素が供給されることもなく、確実にＯＳＦ欠陥を抑制することができる。 The oxygen-containing layer 30 has an oxygen concentration that decreases as it approaches the semiconductor layer 20 from the side in contact with the support substrate 10, and has an oxygen concentration on the side in contact with the semiconductor layer 20 that is comparable to that of the semiconductor layer 20. It is preferable. Even with such a configuration, oxygen is not supplied from the oxygen-containing layer 30 side to the semiconductor layer 20 side, and OSF defects can be reliably suppressed.

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。 As described above, according to the composite substrate 1, it is possible to provide a substrate having the high-quality semiconductor layer 20 in which impurities such as metals are prevented from diffusing into the semiconductor layer 20.

（複合基板の変形例）
上述の酸素混入層３０に代えて、単体で存在する金属元素を更に含有する酸素混入層３０Ａとしてもよい。 (Modified example of composite substrate)
Instead of the oxygen-mixed layer 30 described above, an oxygen-mixed layer 30A further containing a metal element present alone may be used.

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。ただし、支持基板１０，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。このような金属を単体で含有させることが重要である。すなわち、金属元素は支持基板１０および半導体層２０を構成する元素と結合することなく、金属元素は支持基板１０および半導体層２０を構成する元素の結晶が乱れた領域に保持されていることが重要である。 Examples of metal elements include Fe, Cr, Ni, Cu, and Zn. However, the main component elements constituting the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are excluded. The content may be, for example, less than 1 × 10 ¹⁵ [atoms / cm ² ]. It is important to contain such a metal alone. That is, it is important that the metal element is held in a region where the crystals of the elements constituting the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are disordered without bonding with the elements constituting the support substrate 10 and the semiconductor layer 20. It is.

このような構成とすることにより、金属元素が結合に直接関与していないため、半導体層２０側の界面に層状に存在することなく、その結果、半導体層２０への拡散を抑制することができる。また、半導体素子を形成するための熱処理等により金属原子が新たな反応や拡散等をおこしたとしても、結合強度に影響がでず、半導体層２０の剥離を抑制でき、信頼性の高いものとすることができる。さらに、金属元素を単体で、かつ酸素混入層３０Ａの内部に存在させることにより、半導体素子を形成するための熱処理等を行なっても新たな反応および拡散等の現象を酸素混入層３０Ａの内部に留めることができる。つまり、酸素混入層３０Ａの厚み方向における酸素濃度が支持基板１０側にかけて増大する構成となっているため、後の熱処理等により金属元素は支持基板１０側に移動させることができる。また、酸素混入層３０Ａ中においては、厚み方向に金属元素の濃度分布があってもよく、支持基板１０から離れるにつれて濃度が低くなることが好ましい。 By adopting such a configuration, since the metal element is not directly involved in the bonding, it does not exist in the form of a layer at the interface on the semiconductor layer 20 side, and as a result, diffusion to the semiconductor layer 20 can be suppressed. . In addition, even when metal atoms undergo a new reaction or diffusion due to heat treatment or the like for forming a semiconductor element, the bond strength is not affected, and peeling of the semiconductor layer 20 can be suppressed, and the reliability is high. can do. Further, by allowing the metal element to be present alone and within the oxygen-containing layer 30A, even if heat treatment or the like for forming a semiconductor element is performed, new reactions and diffusion phenomena can be introduced into the oxygen-containing layer 30A. Can be fastened. That is, since the oxygen concentration in the thickness direction of the oxygen-containing layer 30A increases toward the support substrate 10 side, the metal element can be moved to the support substrate 10 side by a subsequent heat treatment or the like. Further, in the oxygen mixed layer 30 </ b> A, there may be a metal element concentration distribution in the thickness direction, and it is preferable that the concentration decreases as the distance from the support substrate 10 increases.

このように、複合基板１によれば、後の熱処理に対しても半導体層２０の特性が劣化しない、信頼性の優れたものとすることができる。 As described above, according to the composite substrate 1, the reliability of the semiconductor layer 20 does not deteriorate even after the subsequent heat treatment, and excellent reliability can be achieved.

また、金属元素が支持基板１０及び半導体層２０と結合していないことから、仮に複合基板１に加えられる熱履歴等により歪が発生したとしても、金属元素がそれを緩和させるように移動することができる。 In addition, since the metal element is not bonded to the support substrate 10 and the semiconductor layer 20, even if distortion occurs due to a thermal history applied to the composite substrate 1, the metal element moves so as to relax it. Can do.

（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。 (Production method of composite substrate)
Next, a method for manufacturing the composite substrate 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings.

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〕未満とすることができることを確認している。 First, as shown in FIG. 2A, a first substrate 20X made of silicon (Si) is prepared. The first substrate 20X is formed by forming a Si film 20Xb obtained by epitaxially growing Si on the upper surface (in the direction D2 in the figure) of the single crystal silicon substrate 20Xa. A part of the Si film 20Xb becomes a later semiconductor layer 20. As this epitaxial growth method, while the single crystal silicon substrate 20Xa is heated, a gaseous silicon compound is passed through the surface of the single crystal silicon substrate 20Xa to thermally decompose and grow (thermal CVD). Various methods such as (method) can be adopted. Since this Si film 20Xb is epitaxially grown on the silicon substrate, lattice defects can be reduced as compared with the case where it is epitaxially grown on the sapphire substrate. In addition, since the epitaxial growth is performed in a vacuum, the oxygen content in the film can be kept extremely low compared to a silicon substrate formed by the CZ method. Specifically, the oxygen concentration can be less than 10 ¹⁸ [atoms / cm ³ ]. This oxygen concentration is 1/10 or less compared to a silicon substrate formed by the CZ method. In practice, it has been confirmed that the oxygen concentration can be less than 3 × 10 ¹⁷ [atoms / cm ³ ].

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。 Here, the dopant concentration of the Si film 20Xb is not particularly limited. For example, the Si film 20Xb is formed to have any one of a relatively low concentration of p ⁻ and n ⁻ dopant and non-doped. Examples of the p ⁻ dopant concentration include a range of 1 × 10 ¹⁶ [atoms / cm ³ ] or less. Examples of the n ⁻ dopant concentration include a range of 5 × 10 ¹⁵ [atoms / cm ³ ] or less. The dopant concentration of the Si film 20Xb decreases as the distance from the single crystal silicon substrate 20Xa decreases, and the dopant concentration is such that the surface opposite to the side in contact with the single crystal silicon substrate 20Xa becomes a fully depleted layer.

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。 The thickness of the Si film 20Xb is not particularly limited, but may be about 2 μm, for example.

次に、図２（ｂ）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。 Next, as shown in FIG. 2B, an insulating support substrate 10 made of an aluminum oxide single crystal (sapphire) is prepared.

次に、支持基板１０と、第１基板２０ＸのＤ１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Ｓｉ膜２０Ｘｂの主面とを貼り合わせる。貼り合わせの方法としては、図２（ｃ）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が挙げられる。表面の活性化する方法としては、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
方法が挙げられる。 Next, the support substrate 10 and the main surface in the D1 direction of the first substrate 20X (the main surface located on the side opposite to the single crystal silicon substrate 20Xa) are bonded together. That is, the support substrate 10 and the main surface of the Si film 20Xb are bonded together. The bonding method, as shown in FIG. 2 (c), include how to bond by activating the surface of the face bonded. As a method of surface activation, <br/> how the like to activate by etching the surface by irradiating an ion beam or neutron beam true air.

そして、図３（ａ）に示すように、この活性化した状態で加圧することにより、支持基板１とＳｉ膜２０Ｘｂとの界面の一部の結晶を乱した状態で酸素混入層３０を形成することができる。イオンビームや中性子ビームの出力による表面の活性化の程度と加重を調整することにより、酸素混入層３０の厚みや支持基板１０を構成する元素の割合とＳｉ膜２０Ｘｂを構成する元素の割合とを制御することができる。ここで、接合面に接合層として金属を介在させないよう、接合装置内に金属が浮遊しないようにする。例えば、金属発生源をセラミックスからなるカバー部材で覆ったり、接合装置内をクリーニングにしたり、真空度を確保したりする。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。 Then, as shown in FIG. 3A, by applying pressure in this activated state, the oxygen-mixed layer 30 is formed in a state where a part of the crystal at the interface between the support substrate 1 and the Si film 20Xb is disturbed. be able to. By adjusting the degree and weight of activation of the surface by the output of the ion beam or neutron beam, the thickness of the oxygen-containing layer 30, the ratio of the elements constituting the support substrate 10, and the ratio of the elements constituting the Si film 20 </ b> Xb are adjusted. Can be controlled. Here, the metal is prevented from floating in the bonding apparatus so that the metal is not interposed as a bonding layer on the bonding surface. For example, the metal generation source is covered with a cover member made of ceramics, the inside of the bonding apparatus is cleaned, or the degree of vacuum is ensured. You may perform this joining under normal temperature. This joining is based on a method that does not use an adhesive such as a resin.

接合時に加熱することなく、かつ、接合層を形成するだけの金属も存在しないことから、意図せぬ各元素間の結合形成を抑制できる。 Since there is no metal that forms a bonding layer without heating at the time of bonding, unintentional bond formation between elements can be suppressed.

この接合方法によって接合する場合、Ｓｉ膜２０Ｘｂ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。この面粗さは、例えば算術平均粗さＲａ，二乗平均平方根Ｒｑ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。二乗平均平方根Ｒｑの範囲としては３ｎｍ未満が挙げられる。算術平均粗さおよび二乗平均平方根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。 When joining by this joining method, it is preferable that the Si film 20Xb and the support substrate 10 have a small surface roughness to be joined. This surface roughness is expressed by, for example, arithmetic average roughness Ra and root mean square Rq. Examples of the range of the arithmetic average roughness Ra include less than 10 nm. The range of root mean square Rq is less than 3 nm. By reducing the arithmetic average roughness and the root mean square, the pressure applied when joining each other can be reduced.

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、酸素混入層３０、Ｓｉ膜２０Ｘｂを有する中間製造物ができる。 Through the steps so far, an intermediate product having the oxygen-mixed layer 30 and the Si film 20Xb between the support substrate 10 and the single crystal silicon substrate 20Xa can be obtained.

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（ｂ）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。単結晶シリコン基板２０Ｘａとして高濃度でドーパントを有するものとして、ドーパント濃度が高いときにエッチングレートが高くなる選択エッチングを行なってもよい。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。 Next, the intermediate product is processed from the arrow D1 direction side (single crystal silicon substrate 20Xa side), and as shown in FIG. 3B, the single crystal silicon substrate 20Xa is removed to expose the Si film 20Xb. As a processing method for removing the single crystal silicon substrate 20Xa, for example, various methods such as abrasive polishing, chemical etching, and ion beam etching can be adopted, and a plurality of methods may be combined. As the single crystal silicon substrate 20Xa having a dopant at a high concentration, selective etching that increases the etching rate when the dopant concentration is high may be performed. At this time, together with the single crystal silicon substrate 20Xa, a part of the Si film 20Xb may be removed in the thickness direction.

そして、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。 Then, the upper surface of the Si film 20Xb in the D1 direction can be precisely polished to improve the thickness uniformity. Examples of the etching means used for this precise etching include dry etching. This dry etching includes a chemical reaction and a physical collision. Examples of utilizing chemical reactions include reactive gases (gas), ions and ion beams, and those utilizing radicals. Examples of the etching gas used for the reactive ions include sulfur hexafluoride (SF ₆ ) and carbon tetrafluoride (CF ₄ ). Moreover, what uses an ion beam is mentioned as a thing by physical collision. One using this ion beam includes a method using a gas cluster ion beam (GCIB). By scanning the substrate with a movable stage while etching a narrow region using these etching means, precise etching can be performed satisfactorily even for a large-area material substrate.

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。上述の全工程を経ることにより、支持基板１０上に酸素混入層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。 The portion of the Si film 20Xb remaining after such a process is used as the semiconductor layer 20. By passing through all the above-mentioned processes, the composite substrate 1 in which the oxygen-containing layer 30 and the semiconductor layer 20 are sequentially laminated on the support substrate 10 can be obtained.

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。 Through these steps, the surface of the semiconductor layer 20 formed by epitaxial growth on the support substrate 10 side is a non-doped depletion layer and has a low oxygen concentration. That is, the strain on the surface of the semiconductor layer 20 on the support substrate 10 side is extremely small. Such a configuration is preferable because stress or the like due to unintentional strain is not added to the surface on the bonding side with the support substrate 10.

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ＳｉＯｘ層（酸化物層）が存在しない。すなわち、酸素を主成分とする層と半導体層２０とが接することなく、支持基板１０との接合を実現することができる。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。 Further, the composite substrate 1 formed through the above-described steps is formed between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20, and particularly on the semiconductor layer 20 side, an SiOx layer (oxide layer) like a conventional SOI substrate. ) Does not exist. That is, the bonding with the support substrate 10 can be realized without the layer containing oxygen as a main component and the semiconductor layer 20 being in contact with each other. Also from this, the semiconductor layer 20 can suppress the generation of unintentional stress necessary for forming the SiOx layer, the generation of interstitial Si, and the like, thereby improving the quality of the semiconductor layer 20. it can.

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。 In the above-described steps, the step of cleaning the substrate or the like is not specified, but the substrate may be cleaned as necessary. Examples of the substrate cleaning method include various methods such as cleaning using ultrasonic waves, cleaning using an organic solvent, cleaning using chemicals, and cleaning using O ₂ ashing. These cleaning methods may be employed in combination.

（変形例１：酸素混入層３０Ａ）
酸素混入層３０Ａにおいて、金属元素の支持基板１０側の面の近傍領域における単位表面積辺りの密度を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。 (Modification 1: Oxygen mixed layer 30A)
In the oxygen-containing layer 30A, it is preferable that the density per unit surface area in the vicinity of the surface of the metal element on the support substrate 10 side is 10 ¹² atoms / cm ² or less. With such a density, the metal element does not cover one main surface of the support substrate 10 and one main surface of the semiconductor layer 20, and constitutes one main surface of the support substrate 10 and one main surface of the semiconductor layer 20. The atomic arrangement of the elements to be exposed is exposed.

ここで、金属原子の密度は、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上の酸素混入層３０Ａ，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原子の分布状態を観察・測定した結果、最も金属量が多い場合でも、酸素混入層３０Ａのうち、支持基板１０側の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。 Here, the density of metal atoms refers to the number of atoms per unit surface area. Actually, by means of ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), a part of the oxygen-mixed layer 30A and the semiconductor layer 20 on the support substrate 10 is dissolved in a constant volume etching solution to form metal atoms. Assuming that the total amount is within 5 nm from the interface, the density in the plane direction is obtained. Such an assumption is that, as a result of observing and measuring the distribution state of metal atoms in the thickness direction for a plurality of composite substrates obtained according to the present embodiment, the support substrate 10 in the oxygen-mixed layer 30A even when the amount of metal is the largest. This is because it has been confirmed that it exists in a region within 5 nm on the side and hardly diffuses on the semiconductor layer 20 side.

このように酸素混入層３０Ａにおける近傍領域とは、支持基板１０に接する側の面から５ｎｍ程度の厚みの領域をさす。 As described above, the vicinity region in the oxygen-containing layer 30A refers to a region having a thickness of about 5 nm from the surface in contact with the support substrate 10.

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、真空中の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。 Then, by setting the abundance density of the metal element to 10 ¹² atoms / cm ² or less, it is possible to suppress the occurrence of a metal element precipitate at the interface while maintaining the bonding for the first time. This mechanism will be described in detail. In order to control the density of metal elements to be low, a neutron beam (FAB) gun is used in the activation process, the atmosphere during bonding is made high vacuum, or the components in the vacuum are covered with an insulator. You can adjust it.

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おそれがあった。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元素が凝集してしまう。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元素が凝集することを防止できる。 When metal elements are aggregated between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20, when the semiconductor element is formed in the semiconductor layer 20, the operation of the semiconductor element may be adversely affected. Such agglomeration of the metal element is naturally performed when the metal element is provided in the form of a layer or an island at the interface (for example, the density of the metal element at the interface is about 3.0 × 10 ¹⁶ atoms / cm ² or more). is a problem that is assumed when more than about 3.0 × be less than ¹⁰ ^{^{16 atoms / cm 2 10 12 atoms}} / cm 2 , the confirm its existence be dispersed in the bonding surface during joining Even if it is not possible, the metal elements will aggregate in the process of applying heat treatment for forming the semiconductor element. However, by setting it to 10 ¹² atoms / cm ² or less, it is possible to prevent the metal elements from aggregating even if the composite substrate 1 is subjected to heat treatment.

これは、メカニズムは明らかではないが、金属元素の半導体層２０または支持基板１０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、金属元素の存在密度を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元素は固溶度の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。 Although the mechanism is not clear, it is considered that the solid solubility of the metal element with respect to the element constituting the semiconductor layer 20 or the support substrate 10 is related. That is, by making the existence density of the metal element 10 ¹⁰ atoms / cm ² or more and 10 ¹² atoms / cm ² or less, the density is not such that they contact each other to form an aggregate, and the mobility is low at room temperature, Aggregates are not formed during bonding. In addition, even if mobility is increased by heat treatment, the metal element is present only about 10 times the solid solubility in such a density, and even in this state, aggregates are formed. It is thought that there is no.

さらに、金属元素のうち大多数は半導体層２０または支持基板１０を構成する元素に固溶されており、残る金属元素も半導体層２０における拡散を促進するような量が存在しない。 Further, the majority of the metal elements are dissolved in the semiconductor layer 20 or the elements constituting the support substrate 10, and the remaining metal elements do not exist in an amount that promotes diffusion in the semiconductor layer 20.

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。 Further, in the case where the semiconductor layer 20 is made of Si and contains Fe as a metal element, OSF defects rapidly increase with this value as a boundary when the density exceeds 10 ¹² atoms / cm ² . There is a lattice defect as a cause of the OSF defect, and using this defect as a foothold, a compound of Fe and O may move and precipitate on the surface to become an OSF defect. The threshold value of the amount of Fe that causes the OSF defect coincides with the upper limit value of the density of the metal element in the present embodiment.

ＯＳＦ欠陥と金属元素の凝集とは直接的な関係はないが、金属元素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、半導体層２０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。 Although there is no direct relationship between the OSF defect and the aggregation of the metal element, there is a common term between the two when focusing on the phenomenon that the metal element moves, aggregates, and precipitates in the semiconductor layer. Therefore, when the factors of the presence of defects and the bonding between metal (Fe) and oxygen, which are the causes of OSF defects, are examined, the composite substrate 1 of the present embodiment allows the semiconductor layer 20 and the support substrate 10 to be connected to each other. Since the bonding surface is activated and a dangling bond is formed to perform direct bonding, the dangling bond may remain as a defect at the bonding interface. Further, due to heat treatment for forming a semiconductor element after bonding, the metal element and the element constituting the semiconductor layer 20 or the support substrate 10 may form an intermetallic compound at the bonding interface. These two assumptions, that is, the presence of a defect at the interface and a metal element forming an intermetallic compound at the same time, have both the causes of OSF defects. From this, in the composite substrate 1 of the present embodiment, the metal element may move and precipitate based on the interface defect as in the case of the OSF defect generated when Fe moves and precipitate based on the defect. It suggests. From the above, it is presumed that the diffusion / aggregation of the metal element can be suppressed by setting the density of the metal element to be equal to or lower than the threshold value at which the OSF defect occurs.

特に、酸化物層３０Ａ中の酸素濃度は半導体層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く。このため、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２０を有する複合基板１を提供することができる。 In particular, the oxygen concentration in the oxide layer 30 </ b> A decreases as it approaches the semiconductor layer 20 and decreases to less than 10 ¹⁸ atoms / cm ^3, which is the oxygen concentration of the semiconductor layer 20. For this reason, it becomes difficult to combine with oxygen in order to promote diffusion and movement, and the diffusion of metal to the semiconductor layer 20 side can be suppressed more reliably. Thereby, when a semiconductor element is formed on the composite substrate 1, it is possible to provide the composite substrate 1 having a highly reliable semiconductor layer 20 free from OSF defects.

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。 The lower limit value of the density of the metal element is not particularly limited, but is an amount necessary for bonding the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 at room temperature. Specifically, when the density of the metal element at the time of bonding is 10 ¹⁰ atoms / cm ² or more, it is confirmed that the bonding strength equivalent to that in the case of bonding with a large amount of metal according to Japanese Patent No. 4162094 can be secured. doing.

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。 As described above, according to the present modification, it is possible to provide the composite substrate 1 having the semiconductor layer 20 in which metal diffusion is suppressed and having sufficient bonding strength between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20.

（変形例２：酸素混入層３０Ｂ）
酸素混入層３０Ａは、金属元素が、支持基板１０を構成する元素及び半導体層２０を構成する元素と結合することなく単独で存在する場合について説明したが、このような酸素混入層３０Ａを含む複合基板１に対して熱処理を加えることにより、単独で存在していた金属元素を、金属シリサイドや金属オキサイドを形成させ、酸素混入層３０Ｂとしてもよい。たとえば、ＳｉＦｅＯｘ、ＡｌＦｅＯｘ等を例示できる。 (Modification 2: Oxygen mixed layer 30B)
In the oxygen mixed layer 30A, the case where the metal element exists alone without being bonded to the element constituting the support substrate 10 and the element constituting the semiconductor layer 20 has been described. By subjecting the substrate 1 to heat treatment, the metal element present alone may be formed into a metal silicide or metal oxide to form the oxygen-containing layer 30B. For example, SiFeOx, AlFeOx, etc. can be illustrated.

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、接合工程および半導体層２０の薄層化の後に、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。 In order for the metal atoms constituting the metal element to exist as intermetallic compounds such as metal silicide and metal oxide, a heat treatment at 500 ° C. or higher is performed for 0.5 hour or longer after the bonding step and the thinning of the semiconductor layer 20. Thus, the semiconductor layer 20 is generated by bonding with an element constituting the semiconductor layer 20 or an element constituting the support substrate 10.

ここで、複合基板１は、酸素混入層３０Ａと支持基板１０との接合界面に存在する金属量（酸素混入層３０Ａの近傍領域における金属量）を１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下としているときには、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、酸素混入層３０Ｂとなっても、酸素混入層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。そして、このような効果は、酸素混入層３０Ａにおいて、金属元素が結合に寄与していないからこそ初めて成り立つものである。 Here, when the composite substrate 1 has a metal amount (metal amount in a region near the oxygen-mixed layer 30A) existing at the bonding interface between the oxygen-mixed layer 30A and the support substrate 10 of 10 ¹² atoms / cm ² or less, Atom diffusion and aggregation can be suppressed. For this reason, even if the metal element exists as an intermetallic compound or becomes the oxygen-containing layer 30B, the oxygen-containing layer 30B and the support substrate 10
Stays at the joint interface. Then, when the metal element forms an intermetallic compound, there are vacancies due to the element constituting the semiconductor layer 20 being supplied to the bond with the metal element, and the element constituting the support substrate 10 is the metal element. As a result of being supplied to the coupling, voids are generated. When this hole becomes a defect and a new impurity is present at the interface, the impurity can be gettered and diffusion into the semiconductor layer 20 can be suppressed. Such an effect is first realized because the metal element does not contribute to bonding in the oxygen-containing layer 30A.

（変形例３：支持基板１０）
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、酸素混入層３０,３０Ａ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、酸素混入層３０，３０Ａに意図せず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。 (Modification 3: Supporting substrate 10)
It is preferable to use the R surface of the sapphire substrate as the support substrate 10. By using the R plane, a large amount of Al, which is a metal atom, can be exposed on the oxygen mixed layers 30 and 30A side. Thereby, while suppressing supply of oxygen unintentionally to the oxygen-mixed layers 30 and 30A, the ratio of the bond between Al and Si, which are metal atoms, can be increased by a subsequent heating process, etc. Can be realized.

（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。 (Electronic parts)
Note that a plurality of element portions may be formed on the composite substrate 1 of the above-described embodiment and its modification, and the composite substrate 1 may be divided so as to include at least one element portion to form an electronic component.

具体的には、図４（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。 Specifically, as shown in FIG. 4A, the element portion 23 is formed from the upper surface side of the semiconductor layer 20 of the obtained composite substrate 1. Examples of the element portion 23 include various semiconductor element structures.

次に、図４（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。 Next, as shown in FIG. 4B, the electronic component 2 is manufactured by separating the composite substrate 1 on which the element portion 23 is formed. When the composite substrate 1 is divided into electronic components 2, at least one element portion 23 is included in one electronic component 2. In other words, one electronic component 2 may include a plurality of element units 23.

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。 As described above, the electronic component 2 having the element portion 23 can be manufactured.

上述の製造方法により支持基板１０と半導体層２０との間に５ｎｍの厚みの酸素混入層を形成した複合基板１を製造した。この複合基板１について、酸素混入層３０を含む断面を収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により形成し、半導体層２０側から、酸素混入層３０、支持基板１０までの組成をＥＤＳで分析した。さらに、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）で、半導体層２０側から、酸素混入層３０、支持基板１０までのライン分析を行なった。その結果を図５に示す。図５は、深さ方向に対する酸素、アルミニウム、シリコンの存在量の変化の様子を表す線図である。縦軸は規格化した各元素の測定強度を示し、横軸は半導体層２０側からの深さ〔ｎｍ〕を示す。図中で線が太い側から順に、酸素強度、アルミニウム強度、シリコン強度を示す。 The composite substrate 1 in which an oxygen-mixed layer having a thickness of 5 nm was formed between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 by the above-described manufacturing method was manufactured. For this composite substrate 1, a cross section including the oxygen-containing layer 30 was formed by focused ion beam (FIB) processing, and the composition from the semiconductor layer 20 side to the oxygen-containing layer 30 and the support substrate 10 was analyzed by EDS. Further, line analysis from the semiconductor layer 20 side to the oxygen-containing layer 30 and the support substrate 10 was performed by electron energy loss spectroscopy (EELS). The result is shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a change in the abundance of oxygen, aluminum, and silicon with respect to the depth direction. The vertical axis represents the measured intensity of each normalized element, and the horizontal axis represents the depth [nm] from the semiconductor layer 20 side. In the figure, the oxygen strength, aluminum strength, and silicon strength are shown in order from the thicker side.

図５に示すように、酸素混入層３０において酸素強度が支持基板１０から半導体層２０側に向かうにつれて減少していく様子を確認することができた。これにより、酸素混入層３０において酸素濃度が支持基板１０から半導体層２０側に向かうにつれて減少していることが確認できた。 As shown in FIG. 5, it was confirmed that the oxygen intensity in the oxygen-containing layer 30 decreased as it moved from the support substrate 10 toward the semiconductor layer 20 side. Thereby, it was confirmed that the oxygen concentration in the oxygen-containing layer 30 was decreased from the support substrate 10 toward the semiconductor layer 20 side.

同様にＦＩＢ加工により作成した断面を、ＴＥＭ観察した結果、酸素混入層３０の結晶性が支持基板１０、半導体層２０に比べて低いことが確認できた。 Similarly, as a result of TEM observation of a cross section created by FIB processing, it was confirmed that the crystallinity of the oxygen-containing layer 30 was lower than that of the support substrate 10 and the semiconductor layer 20.

同様にＦＩＢ加工により作成した断面の図５中に示す１〜６の深さ位置において、ＥＥＬＳで測定した。その結果を図６に示す。測定結合エネルギーから結合状態を確認した結
果、Ｓｉ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｏ以外の結合は確認できなかった。以上より、酸素混入層３０において、支持基板１０を構成する元素および半導体層２０を構成する元素は、互いに単独で存在していることを確認できた。 Similarly, it was measured by EELS at a depth position of 1 to 6 shown in FIG. 5 of a cross section created by FIB processing. The result is shown in FIG. As a result of confirming the bonding state from the measured binding energy, bonds other than Si—Si and Al—O could not be confirmed. From the above, it was confirmed that in the oxygen-containing layer 30, the elements constituting the support substrate 10 and the elements constituting the semiconductor layer 20 exist independently from each other.

さらに、複合基板１の引張り試験をＱＵＡＤＧＲＯＵＰ社製のロミュラスを用いて行なった。その結果、複合基板１の接合強度は１４．７ＭＰａ以上となっており、酸素混入層３０を介する構成の複合基板が良好に接合されていることを確認できた。なお、このような複合基板１は、その後の研磨、加熱・切断等を伴う半導体素子加工等の種々のプロセスを経ても接合状態を保持しており、十分な接合強度を持っている事が確認された。 Further, a tensile test of the composite substrate 1 was performed using a ROM made by QUADGROUP. As a result, the bonding strength of the composite substrate 1 was 14.7 MPa or more, and it was confirmed that the composite substrate having the configuration via the oxygen-mixed layer 30 was bonded well. It is confirmed that such a composite substrate 1 maintains a bonding state even after various processes such as semiconductor element processing including subsequent polishing, heating and cutting, and has sufficient bonding strength. It was done.

また、酸素混入層３０に代えて、Ｆｅを含む酸素混入層３０Ａを備える複合基板も製造し、同様に測定を行った。その結果を図７に示す。図７（ａ）は、ＥＥＬＳで半導体層２０側から、酸素混入層３０Ａ、支持基板１０までの組成につきライン分析を行なった結果を示す線図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）中に図示する深さ位置のうち３の深さ位置において、Ｆｅの結合状態をＥＥＬＳにて詳細に確認した線図である。その結果、接合界面に若干のＦｅを主とする金属が存在していたが、これらの金属はＡｌ，Ｓｉ，Ｏのいずれとも結合しておらず、かつ、半導体層２０への拡散も確認されなかった。また、ＦｅはＳｉやＡｌ，Ｏと結合していることは確認できず、単独で存在していることが確認できた。なお、図示は省略するが、図７（ａ）の各深さ位置においてＥＥＬＳにてＳｉ，Ａｌ，Ｏについて状態分析を行なった結果、Ｓｉ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｏ以外の結合は確認できなかった。 Moreover, it replaced with the oxygen mixing layer 30, the composite substrate provided with 30 A of oxygen mixing layers containing Fe was also manufactured, and measured similarly. The result is shown in FIG. FIG. 7A is a diagram showing the result of performing line analysis on the composition from the semiconductor layer 20 side to the oxygen-mixed layer 30A and the support substrate 10 by EELS. FIG. 7B is a diagram in which the binding state of Fe is confirmed in detail by EELS at three depth positions among the depth positions illustrated in FIG. As a result, some metals mainly containing Fe existed at the bonding interface, but these metals were not bonded to any of Al, Si, and O, and diffusion into the semiconductor layer 20 was also confirmed. There wasn't. Further, it was not possible to confirm that Fe was bonded to Si, Al, or O, and it was confirmed that it was present alone. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, as a result of conducting a state analysis about Si, Al, and O in EELS in each depth position of Fig.7 (a), bonds other than Si-Si and Al-O were not able to be confirmed. .

１０・・・支持基板
２０・・・半導体層
３０・・・酸素混入層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate 20 ... Semiconductor layer 30 ... Oxygen mixed layer

Claims

A support substrate made of sapphire ,
A semiconductor layer made of a silicon single crystal having one principal surface superimposed on the support substrate;
Wherein located between the supporting substrate and the semiconductor layer, anda composed oxygen contamination layer in a state of mutual crystal structure mingled with disturbance of the supporting substrate and the semiconductor layer,
In the oxygen-containing layer,
The element constituting the support substrate and the element constituting the semiconductor layer are not chemically bonded ,
The oxygen concentration decreases as it goes to the semiconductor layer side in the thickness direction,
Composite board.

The composite substrate according to claim 1, wherein the semiconductor layer has an oxygen concentration of less than 10 ¹⁸ atoms / cm ³ .

The composite substrate according to claim 1, wherein the oxygen-mixed layer further contains a metal element excluding an element constituting the support substrate and an element constituting the semiconductor layer, which are present alone.

4. The composite substrate according to claim 3, wherein in the oxygen-containing layer, the metal element has a density of 1 × 10 ¹² atoms / cm ² or less in a region near the surface on the support substrate side.

The oxygen-containing layer includes a metal element excluding an element constituting the support substrate and an element constituting the semiconductor layer, and the metal element is bonded to an element constituting the support substrate or an element constituting the semiconductor layer. The composite substrate according to claim 1, wherein an intermetallic compound is formed.