JP6264675B2 - シリコン・オン・インシュレータ(soi)基板製造方法及びsoi基板 - Google Patents

シリコン・オン・インシュレータ(soi)基板製造方法及びsoi基板 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は半導体デバイス技術に係り、特にSOI基板製造方法及びSOI基板に関する。
半導体集積回路の小型化及び多様化に伴い、デバイスのフィーチャサイズが減少し、デバイスの集積が改善されている一方で、信号遅延や相互接続クロストーク等の問題が生じている。電気的相互接続誘電体の共通使用によって生じる高電力消費及びエネルギーの無駄のため、デバイスに対する高性能且つ低コストという半導体業界の要求は既に満たすことができないものになっている。他方、光学的相互接続は上記問題を効果的に解決して、従来の集積回路に多数の新たな機能をもたらすことができるので、光電デバイスが、半導体デバイスの高集積開発のための主な指針となっている。
現状で一般的に使われているシリコン・オン・インシュレータ(Silicon On Insulator,SOI)基板は、頂部層シリコン基板と底部層シリコン基板との間に埋め込まれた酸化層を導入することによって、得られる。具体的には、半導体薄膜が絶縁体上に形成されて、SOI基板は、バルクシリコン基板とは比較にならない利点を有する。例えば、SOI基板は、集積回路の部品間に誘電体分離を実現して、バルクシリコンの相補型金属酸化膜半導体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)回路における寄生ラッチアップ効果を排除することができる。SOI基板を用いて製造された集積回路は、低寄生キャパシタンス、高集積密度、高速性、簡易技術、低短絡効果等の利点を更に有し、特に、低電圧及び低電力消費回路に適用可能である。従って、SOI基板は、ディープサブミクロン、低電圧及び低電力消費集積回路の主流技術となる可能性がある。しかしながら、SOI基板を用いた光電デバイスや光導波デバイスの製造プロセスにおいては、ヘテロ接合をエピタキシャル成長させる必要がある。例えば、III‐V族化合物を、SOI基板のシリコン層上にエピタキシャル成長させると、良好な光電性能を有する基板物質が得られ、光電デバイスの基板物質とするのに適している。
従来技術では、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間で格子不整合及び熱的不整合が生じるので、高密度の貫通転位の問題が基板に生じて、光電デバイスの使用性能及び信頼性を低下させる。
本発明の実施形態は、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間で格子不整合及び熱的不整合が生じて、高密度の貫通転位をもたらすという従来技術の問題を解決するために、SOI基板製造方法及びSOI基板を提供する。
第一の態様によると、本発明の一実施形態は、
第一のシリコン基板の酸化層内にパターン化エッチストップ層を形成するステップと、
パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板の表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化シリコン・オン・インシュレータSOI基板を形成するステップと、を含むSOI基板製造方法を提供する。
第一の態様の第一の可能な実施方式では、第一のシリコン基板の酸化層内にパターン化エッチストップ層を形成するステップは、
第一のシリコン基板上に第一の酸化層を形成するステップと、
第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップと、を含む。
第一の態様の第一の可能な実施方式に従う第二の可能な実施方式では、第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップは、
第一のシリコン基板の第一の酸化層上にエッチストップ層を形成するステップと、
エッチストップ層上にパターン化マスクを形成して、エッチングによってパターン化エッチストップ層を得るステップと、を含み、パターン化マスクは、極紫外線(Extreme UltraViolet,EUV)リソグラフィ法を用いて得られるパターン化フォトレジストを含む。
第一の態様の第一の可能な実施方式に従う第三の可能な実施方式では、第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップは、
第一のシリコン基板の第一の酸化層上にエッチストップ層を形成するステップと、
エッチストップ層上にパターン化マスクを形成して、エッチングによってパターン化エッチストップ層を得るステップと、を含み、パターン化マスクは多孔質アルミナフィルムを含む。
第一の態様の第一から第三の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第四の可能な実施方式では、第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップの後に、本方法は、
パターン化エッチストップ層上に第二の酸化層を成長させて、第二の酸化層に対して平坦化処理及び化学的表面処理を行うステップを更に含む。
第一の態様の第一から第四の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第五の可能な実施方式では、第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップの前に、本方法は、
第一のシリコン基板に対してイオン注入を行い、第一のシリコン基板のシリコン層内に欠陥層を形成するステップを更に含み、第一のシリコン基板の一部を剥離させることが、第一のシリコン基板内の欠陥層と、欠陥層上のシリコン層とを剥離させることを含み、
パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板の表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化シリコン・オン・インシュレータSOI基板を形成するステップの後に、本方法は、
低温アニーリング処理を行い、第一のシリコン基板及び第二のシリコン基板の隣接した表面を強固に結合させるステップと、
パターン化SOI基板に対して表面研磨処理を行うステップを更に含む。
第一の態様及びその第一の態様の第一から第五の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第六の可能な実施方式では、パターン化エッチストップ層の物質は、酸化層に対してエッチング選択性を有する物質である。
第一の態様及びその第一の態様の第一から第六の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第七の可能な実施方式では、パターン化エッチストップ層のパターンサイズは20nm未満であり、パターン化エッチストップ層の厚さは50nm未満である。
第一の態様及びその第一の態様の第一から第七の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第八の可能な実施方式では、本方法は、
パターン化SOI基板上にパターン化マスクを形成して、デバイス形成領域を露出させるステップと、
パターン化SOI基板上のデバイス形成領域をエッチングして、第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップと、
デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップと、を更に含む。
第一の態様の第八の可能な実施方式に従う第九の可能な実施方式では、パターン化SOI基板上のデバイス形成領域をエッチングして、第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップは、
パターン化SOI基板上のデバイス形成領域内の第一のシリコン基板のシリコン層と、第一の酸化層と、第二の酸化層の一部とをエッチングして、第二のシリコン基板上のパターン化酸化層及びパターン化エッチストップ層を得るステップであって、パターン化酸化層がパターン化エッチストップ層の下に存在する、ステップと、
パターン化SOI基板上のデバイス形成領域内のパターン化エッチストップ層を除去して、第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップと、を含む。
第一の態様の第八又は第九の可能な実施方式に従う第十の可能な実施方式では、デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップは、
パターン化酸化層が既に得られている第二のシリコン基板上に第三の酸化層を成長させるステップであって、第三の酸化層が前記デバイス形成領域外に成長する、ステップと、
第三の酸化層が既に成長している第二のシリコン基板のパターン化酸化層上にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップと、を含み、エピタキシャル成長させたIII‐V族化合物は、第二のシリコン基板のパターン化酸化層のパターン内において第二のシリコン基板に接続される。
第一の態様の第八から第十の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第十一の可能な実施方式では、III‐V族化合物は、リン化アルミニウム(aluminium phosphide,AlP)、リン化ガリウム(gallium phosphide,GaP)、リン化インジウム(indium phosphide,InP)、ヒ化アルミニウム(aluminium arsenide,AlAs)、ヒ化ガリウム(gallium arsenide,GaAs)、ヒ化インジウム(indium arsenide,InAs)、アンチモン化アルミニウム(aluminium antimonide,AlSb)、アンチモン化ガリウム(gallium antimonide,GaSb)、アンチモン化インジウム(indium antimonide,InSb)、窒化アルミニウム(aluminium nitride,AlN)、窒化ガリウム(gallium nitride,GaN)、窒化インジウム(indium nitride,InN)、又は、これらの三元化合物及び四元化合物を含む。
第一の態様の第八から第十一の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第十二の可能な実施方式では、デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップは、
分子線エピタキシ(molecular beam epitaxy,MBE)法、化学気相堆積(chemical vapor deposition,CVD)法、原子層堆積ALD法、又はこれらの変形法を用いて、デバイス形成領域内にIII‐V族化合物を成長させて、デバイス構造を形成するステップを含む。
第一の態様の第八から第十二の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第十三の可能な実施方式では、本方法は、
デバイス構造が既に形成されているパターン化SOI基板に対してアニーリング処理を行い、デバイス形成領域内におけるIII‐V族化合物のエピタキシャル・ラテラル・オーバーグロースELOによって生じる欠陥を減らすステップを更に含む。
第一の態様の第八から第十三の可能な実施方式のうちいずれか一つに従う第十四の可能な実施方式では、本方法は、
デバイス構造内に光電デバイス構造を形成するステップを更に含み、光電デバイス構造が多層構造を有する。
第二の態様によると、本発明の一実施形態は、上記本発明の実施形態において提供されるSOI基板製造方法を用いて製造されたSOI基板を提供する。
本実施形態において提供されるSOI基板製造方法及びSOI基板によると、パターン化エッチストップ層を第一のシリコン基板の酸化層内に形成し、パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板のシリコン表面に結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、処理後にパターン化SOI基板を形成するが、これは、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間に格子不整合及び熱的不整合が生じて、高密度の貫通転位をもたらすという従来技術の問題を解決する。本実施形態において提供されるパターン化SOI基板では、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をシリコン基板上に形成することができ、光電デバイスの使用性能及び信頼性が改善される。
以下、本実施形態又は従来技術を説明するのに必要な添付図面について簡単に説明する
本発明の実施形態1に係るSOI基板製造方法のフローチャートである。 従来技術に係るSOI基板の概略構造図である。 図1に示される実施形態1に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図1に示される実施形態1に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 本発明の実施形態2に係るSOI基板製造方法のフローチャートである。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 本発明の実施形態3に係るパターン化SOI基板を用いてヘテロエピタキシャルIII‐V族構造を成長させる方法のフローチャートである。 図6に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図6に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図6に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図6に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。 図6に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。
以下、本発明の実施形態の添付図面を参照して、本発明の実施形態の技術的解決策を説明する
[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態1に係るSOI基板製造方法のフローチャートである。本実施形態の方法は、半導体デバイス構造の製造の場合に適用可能である。本実施形態の方法は以下のステップを含む。
S110:第一のシリコン基板の酸化層内にパターン化エッチストップ層を形成するステップ
現状で一般的に用いられているSOI基板の構造では、酸化層は頂部層シリコン基板と底部層シリコン基板との間に導入される。図2に示されるように、図2は、従来技術に係るSOI基板の概略構造図である。従来技術におけるSOI基板の製造は、一般的に、二つのウェーハ基板、具体的にはシリコン基板A及びシリコン基板Bを要する。酸化層をシリコン基板A上に形成して、酸化層を有するシリコン基板Aを反転させて、シリコン基板Bのシリコン表面と結合させる。具体的には、シリコン基板Aの酸化層をシリコン基板Bの表面上のシリコン層と結合させて、酸化層が頂部層シリコン基板と底部層シリコン基板との間に存在している基板構造を形成する。既存のSOI基板は一般的なシリコン基板よりも優れた性能を有するが、ヘテロ接合を既存のSOI基板のシリコン層上にエピタキシャル成長させる際には、エピタキシャル層になおも転移が生じる。従来技術とは異なり、本実施形態では、二つのシリコン基板の間の酸化層内にパターン化されたフィルムが存在している。図3Aに示されるように、図3Aは、図1に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。特定の製造プロセスにおいて、パターン化エッチストップ層130を第一のシリコン基板110の酸化層120内に形成し得て、パターン化エッチストップ層130は酸化層120の中部及び上部に形成される。
本実施形態では、パターン化エッチストップ層130のパターンサイズは20nm未満となり得て、パターン化エッチストップ層130の厚さは50nm未満となり得る点に留意されたい。同様に、パターン化エッチストップ層130の上方の酸化層の厚さも50nm未満となり得て、パターン化エッチストップ層130の上方及び下方の酸化層は全体として接続される。
Luryi及びSuhirによって提案されている理論によると、以下の式(1)で示されるように、基板上のエピタキシャル層に垂直な応力場σは、成長方向zにおいて指数関数的に減衰する:
σ ∝ e−πz/(2l) (1)
上記式(1)において、2lはパターンの横寸法であり、パターンサイズが減少するにつれて、応力場σが指数関数的に減衰することが分かる。従って、パターンが十分小さい限り、転移が生じるエピタキシャル層の臨界厚さは無限と見なされ、これは、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をシリコン基板上に形成できることと同義である。
本実施形態で提供されるSOI基板製造方法によると、パターンサイズが極めて小さいパターン化エッチストップ層130を、第一のシリコン基板110の酸化層120内に形成する。本方法を用いて製造されたSOI基板は、シリコンに対して格子不整合を有する物質を成長させるのに適用可能であり、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をシリコン基板上に形成することができる。
S120:パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板のシリコン表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成するステップ
本実施形態では、パターン化エッチストップ層130は、第一のシリコン基板110の酸化層120内に既に形成されていて、第二のシリコン基板210の表面上に薄い酸化層が存在し得て、第二のシリコン基板210の表面上の酸化層は、自然酸化層であるか、又は、熱酸化法を用いて形成され得る。第一のシリコン基板110及び第二のシリコン基板210に対して結合処理を行う際には、第一のシリコン基板110を反転させて、パターン化エッチストップ層130を有する第一のシリコン基板110の表面を第二のシリコン基板210の表面と結合させて、その後、第一のシリコン基板110の一部を剥離させて、酸化層120が第一のシリコン基板110と第二のシリコン基板210との間に存在している基板構造、つまりパターン化SOI基板300を得る。図3Bに示されるように、図3Bは、図1に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。また、パターン化エッチストップ層130は、本実施形態で提供されるパターン化SOI基板300の酸化層120内に存在している。
本実施形態で提供されるSOI基板製造方法によると、パターン化エッチストップ層を第一のシリコン基板の酸化層内に形成して、パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板のシリコン表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成する。本構造は、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間に生じる格子不整合及び熱的不整合によって、多量の貫通転位がエピタキシャル層に生じるという従来技術の問題を解決することができる。本実施形態で提供されるパターン化SOI基板によると、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をシリコン基板上に形成することができ、光電デバイスの使用性能及び信頼性を改善する。
[実施形態2]
図4は、本発明の実施形態2に係るSOI基板製造方法のフローチャートである。図5Aから図5Gは、図4に示される実施形態に係るSOI基板製造方法における基板構造の概略図である。本実施形態で提供されるSOI基板製造方法は以下のステップを含む。
S200:第一のシリコン基板上に第一の酸化層を形成するステップ
図5Aを参照すると、本実施形態では、まず、二つのシリコン基板、具体的には第一のシリコン基板110及び第二のシリコン基板210(図5Aに示さず)を提供し得る。SOI基板の基本構造において、酸化層は二つのシリコン基板の間に加えられるものであるので、本実施形態の特定の実施では、第一の酸化層121を第一のシリコン基板110上に形成し得て、一般的には、第一のシリコン基板110に対して熱酸化処理を行って、シリコン表面上に第一の酸化層121を形成し得る。
S210:第一のシリコン基板に対してイオン注入を行い、第一のシリコン基板のシリコン層内に欠陥層を形成するステップ
図5Bを参照すると、本実施形態では、第一の酸化層121が既に成長している第一のシリコン基板110に対してイオン注入を行い、一般的には、高エネルギーイオン注入を行い得て、イオンビーム140aを或る量のエネルギーを用いて第一のシリコン基板110内に誘導して、イオンビームが、第一の酸化層121と、第一のシリコン基板110の一部とを貫通することができ、そして、更に第一のシリコン基板110内の或る深さにおいてシリコンと反応して、その深さに欠陥層140を形成する。欠陥層140の深さは、イオンビーム140aの入射エネルギーに依存する。
S220:第一のシリコン基板の第一の酸化層上にパターン化エッチストップ層を形成するステップ
特に、S220の具体的な実施については、実施形態1のS110を参照されたい。
任意で、本実施形態のS220は、第一のシリコン基板110の第一の酸化層121上にエッチストップ層130を形成するステップと、エッチストップ層130上にパターン化マスクを形成するステップと、エッチング法を用いてパターン化エッチストップ層130を得るステップと、を含み得る。パターン化マスクは、極紫外線(EUV)リソグラフィ(Extreme Ultraviolet,略してEUV)法を用いて得られるパターン化フォトレジストを含み、フィーチャサイズが20nm未満であるパターンをEUVフォトリソグラフィ法を用いて生成され得る。
図5Cを参照すると、本実施形態では、フォトリソグラフィ技術を用いてパターン化エッチストップ層130を形成し、成長させたエッチストップ層130上にパターン化マスクを形成する。具体的には、パターンサイズが極めて小さいフォトレジストパターン150が、EUVへの露光及び現像の後で、エッチストップ層130上に形成され得る。図5Dを参照すると、フォトレジストパターン150をマスクとして用いて第一のシリコン基板110をエッチングし、フォトレジストパターン150によって覆われていないエッチストップ層130の一部をエッチングして、パターン化エッチストップ層130を形成する。
パターン化エッチストップ層130の物質は、第一の酸化層121に対してエッチング選択性を有する物質であり、一般的には、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、シリコンの豊富な酸化シリコン、水素の豊富な窒化シリコン等の物質が挙げられ、これらの物質は第一の酸化層121に対して高いエッチング選択比を有し得る点に留意されたい。
本実施形態の他の可能な実施方式では、パターン化マスクは多孔質アルミナフィルムでもあり得る。この実施方式では、フォトリソグラフィ技術は必要とされず、パターン化処理のために、多孔質アルミナフィルムをエッチストップ層130上に直接積層させる。これまでの実施形態と同様に、本実施形態においても、パターン化マスクのパターンサイズは20nm未満であり得て、パターン化エッチストップ層130のパターンサイズも20nm未満であり得る。
S230:パターン化エッチストップ層上に第二の酸化層を成長させて、第二の酸化層に対して平坦化処理及び化学的表面処理を行うステップ
図5Eを参照すると、本実施形態では、第一のシリコン基板110の第一の酸化層121上に形成されたパターン化エッチストップ層130は、表面が突出している小型パターンであり、パターン化エッチストップ層130の表面と第二のシリコン基板210との間の結合プロセスを直接行うことができない。従って、第二の酸化層122をパターン化エッチストップ層130上に更に成長させ得て、更に成長させた第二の酸化層122に対して平坦化処理及び化学的表面処理を行って、第一のシリコン基板110が平滑な表面を有するようにし得る。
第一の酸化層121及び第二の酸化層122は酸化シリコン物質製であり得て、第二の酸化層122の厚さは50nm未満であり得て、第二の酸化層122及び第一の酸化層121のフィルム物質は一般的に同じであり、第二の酸化層122は、パターン化エッチストップ層130の窓領域130a内において第一の酸化層121に接続されて、一体構造を有する酸化層を形成する。
S240:パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板の表面に結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成するステップ
特に、S240の結合処理の具体的な実施については、実施形態1のS120を参照されたい。
図5Fを参照すると、本実施形態では、第一のシリコン基板110のシリコン層の或る深さに欠陥層140が存在していて、本実施形態で形成される半導体構造は、第一のシリコン層110と第二のシリコン層210との間に酸化層が存在している基板構造である。具体的には、第一の酸化層121と第二の酸化層122との間にパターン化エッチストップ層130が存在している。
図5Gを参照すると、本実施形態では、第一の酸化層121が既に成長している第一のシリコン基板110に対してイオン注入を行って、第一のシリコン層110のシリコン層内に欠陥層140を形成する。欠陥層140が既に形成されている第一のシリコン基板110内においては、欠陥層140とシリコン層110aとの間の分子結合が弱まっていて、シリコン層110aを欠陥層140から剥離させることができ、つまり、上部シリコン層110aを剥離させることができ、欠陥層140も剥離させて、欠陥層140の下の第一のシリコン基板110の一部のみを残す。図5F及び図5Gに示されるように、剥離後には、第一のシリコン基板110のシリコン層110bが残されて、パターン化SOI基板300が得られる。更に、第一のシリコン基板110から剥離されたシリコン層110aを用いて、シリコン基板を研磨法で再び製造し得て、シリコン基板を再利用して、生産コストを削減して、生産利益を改善する。
S250:低温アニーリング処理を行い、第一のシリコン基板及び第二のシリコン基板の隣接する表面を強固に結合させるステップ
S260:パターン化SOI基板に対して表面研磨処理を行うステップ
本実施形態では、既に形成されたパターン化SOI基板300に対してアニーリング処理を更に行って、二つのシリコン基板の隣接する表面、つまり、第一のシリコン基板110の第二の酸化層122の表面及び第二のシリコン基板210の表面を強固に結合させる。更に、パターン化SOI基板300の第一のシリコン基板110のシリコン層110aを剥離させるので、シリコン層110aを剥離させた後に、パターン化SOI基板300に対して多様な表面研磨処理を行い得て、平滑な表面構造が、デバイスを形成する際に多様な処理を行うことを容易にする。
本実施形態で提供されるSOI基板製造方法によると、パターン化エッチストップ層を第一のシリコン基板の酸化層内に形成して、パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板のシリコン表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成するが、これは、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間に生じる格子不整合及び熱的不整合によって多量の貫通転位が生じるという従来技術の問題を解決する。本実施形態で提供されるパターン化SOI基板によると、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をシリコン基板上に形成することができ、光電デバイスの使用性能及び信頼性を改善する。
[実施形態3]
図6は、本発明の実施形態3に係るパターン化SOI基板を用いてヘテロエピタキシャルIII‐V族構造を成長させる方法のフローチャートである。図7Aから図7Eは、図6に示される実施形態に係る技術的工程の概略図である。本実施形態で提供される方法は、これまでの実施形態で提供されたパターン化SOI基板上にヘテロエピタキシャル層を形成する場合に適用可能である。図6に示されるように、本実施形態で提供される方法は以下のステップを含み得る。
S310:パターン化SOI基板上にパターン化マスクを形成して、デバイス形成領域を露出させるステップ
図7Aを参照すると、これまでの実施形態に基づき本実施形態で提供される方法に従って、パターン化SOI基板300をヘテロエピタキシャル成長させて、光電デバイスを製造するのに適用可能な構造を得る。通常は、多数の独立したデバイスが互いに分離されてこのウェーハ上に製造される。従って、まずは、製造されるデバイスのパターンに従ったデバイス形成領域400をパターン化SOI基板300に設け、製造される光電デバイスをデバイス形成領域400を基板として用いて製造し、パターン化SOI基板300のデバイス形成領域400外の部分は、デバイスを分離するのに用いられ、つまり、デバイス分離領域410である。パターン化SOI基板300をフォトリソグラフィ法を用いてパターン化マスクで処理して、デバイス形成領域400をパターン化マスクの窓部分、つまり、フォトレジスト160によって覆われていない部分内に形成する。
S320:パターン化SOI基板上のデバイス形成領域をエッチングして、第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップ
図7Bを参照すると、本実施形態では、パターン化SOI基板300のデバイス形成領域400はフォトレジスト160によって覆われておらず、パターン化SOI基板300をエッチングする際に、デバイス形成領域内400の第一のシリコン基板110のシリコン層110bと、第一の酸化層121と、第二の酸化層122の一部とをまずエッチングして、第二のシリコン基板210上のパターン化酸化層123及びパターン化エッチストップ層130を得て、パターン化酸化層123はパターン化エッチストップ層130の下方に存在している。図7Cを参照すると、パターン化SOI基板300のデバイス形成領域400内のパターン化エッチストップ層130を更に除去して、第二のシリコン基板210上にパターン化酸化層123を得る。
デバイス形成領域400内の第一のシリコン基板110のエッチングされたシリコン層110bと、第一の酸化層121と、第二の酸化層122の一部との物質は酸化シリコンであり、パターン化エッチストップ層130の物質はエッチング選択性を有する物質であり得て、一般的に、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、シリコンの豊富な酸化シリコン、水素の豊富な窒化シリコン等の物質が挙げられる。特定の実施では、酸化シリコンに対して高い選択比を有するエッチングガスを選択することによって、パターン化エッチストップ層130をほとんどエッチングせずに酸化シリコンをエッチングすることを実現し得る。エッチングガスは、一般的に、高炭素含有量のフッ素系ガス(CやCHF等)が添加され得て、又は、エッチングガス中の水素含有量を増大させ得る。従って、酸化シリコンをエッチングした後に、第二のシリコン基板210上のパターン化酸化層123及びパターン化エッチストップ層130を形成することができ、パターン化酸化層123は、第二の酸化層122の一部であり、具体的には、パターン化エッチストップ層130によって覆われている第二の酸化層122の一部である。パターン化エッチストップ層130の物質が窒化シリコンである例について説明すると、同様に、窒化シリコンに対して高い選択比を有するエッチングガスを選択して、パターン化酸化層123をほとんどエッチングせずにパターン化エッチストップ層130をエッチングすることを実現する。従って、最終的には、小型パターンを有するパターン化酸化層123が、パターン化SOI基板300のデバイス形成領域400内に得られ、そのパターンは、これまでの実施形態のパターン化エッチストップ層130のパターンサイズと同じサイズを有し、一般的には20nm未満である。エッチングによって形成されるパターン化酸化層123の窓の下部開口は、窓の上部開口よりも一般的に小さいか又は等しく、つまり、窓は垂直な又は傾斜した側壁を有する点に更に留意されたい。
S330:デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップ
図7Dを参照すると、本実施形態では、パターン化SOI基板300のデバイス形成領域400内において第二のシリコン基板210上に極めて小さなパターンを有するパターン化酸化層123が存在しているので、ヘテロエピタキシャル層をデバイス形成領域400内に成長し得る。本実施形態では、III‐V族化合物をエピタキシャル成長させる例を用いて説明する。特定の実施では、パターン化酸化層123が既に得られている第二のシリコン基板210上に、第三の酸化層124を成長させ得る。第三の酸化層124をデバイス形成領域400外に成長させて、第三の酸化層124は、III‐V族化合物をエピタキシャル成長させる際にデバイス分離領域410用のマスク機能を提供するのに用いられ、つまり、III‐V族化合物をデバイス形成領域400外の領域に成長させない。図7Eを参照すると、第三の酸化層124が既に成長している第二のシリコン基板210上のパターン化酸化層123上に、III‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造170を形成し、第二のシリコン基板210上のパターン化酸化層123のパターン内において、エピタキシャル成長させたIII‐V化合物が第二のシリコン基板210に接続される。具体的には、パターン化酸化層123が第二のシリコン基板210上に存在しているので、貫通転位を有さないIII‐V族化合物エピタキシャル層をデバイス形成領域400内に形成することができる。
本実施形態のIII‐V族化合物として、例えば、AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlN、GaN、InN、これらの三元化合物及び四元化合物が挙げられる点に留意されたい。デバイス形成領域400内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させる方法として、例えば、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy,MBE)法、化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition,CVD)法、原子層堆積(Atomic Layer Deposition,ALD)法、又はこれらの変形法が挙げられる。例えば、CVDの変形法として、有機金属化学気相堆積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、プラズマ増強化学気相堆積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)、低圧化学気相堆積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)、超高真空化学気相堆積(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition,UHVCVD)、減圧化学気相堆積(Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition,RPCVD)が挙げられる。
本実施形態で提供される方法によると、パターン化エッチストップ層を第一のシリコン基板の酸化層内に形成して、パターン化エッチストップ層を有する第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板の表面と結合させて、第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成し、更に、第二のシリコン基板上に小型パターンを有する酸化層を、パターン化エッチストップ層のエッチストップ機能によってパターン化SOI基板上のデバイス形成領域内に形成し、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層を、第二のシリコン基板上のパターン化酸化層を用いてデバイス形成領域内に成長させることができるが、これは、ヘテロエピタキシャル層をSOI基板のシリコン層上に成長させる際に、シリコン層とヘテロエピタキシャル層との間に生じる格子不整合及び熱的不整合によって多量の貫通転位が生じるという従来技術の問題を解決し、光電デバイスの使用性能及び信頼性を改善する。更に、本実施形態で提供される方法によると、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層を、デバイス形成領域内でフォトリソグラフィを一回行うだけで成長させることができ、CMOS技術との相性を改善する。
更に、本実施形態では、デバイス構造170が既に形成されているパターン化SOI基板300に対してアニーリングプロセスを更に行い得て、デバイス形成領域400内のIII‐V族化合物のエピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース(Epitaxial Lateral Overgrowth,略してELO)プロセスにおいて生じる欠陥を減らす。
本実施形態では、貫通転位を有さないヘテロエピタキシャル層をパターン化SOI基板300のデバイス形成領域400内に形成するので、光電デバイス構造をデバイス形成領域400内、つまりはデバイス構造170上に形成することができ、光電デバイス構造は一般的に多層構造を有する。
図3Bを参照すると、図3Bは本発明の一実施形態に係るSOI基板の概略構造図でもある。そのSOI基板は、図1に示される実施形態で提供されるSOI基板製造方法を用いて製造され得るものであり、実施プロセス及び利点は同じであるので、ここでは再び説明しない。
図5Gを参照すると、図5Gは本発明の一実施形態に係る他のSOI基板の概略構造図である。そのSOI基板は、図4に示される実施形態で提供されるSOI基板製造方法を用いて製造され得るものであり、実施プロセス及び利点は同じであるので、ここでは再び説明しない。
図7Eを参照すると、図7Eは本発明の一実施形態に係る更に他のSOI基板の概略構造図である。そのSOI基板は、図6に示される実施形態で提供されるSOI基板製造方法を用いて製造され得るものであり、実施プロセス及び利点は同じであるので、ここでは再び説明しない。
最後に、以上の実施形態は単に本発明の技術的解決策を説明するためだけのものであり、本発明を限定するものではない点に留意されたい。以上の実施形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本発明の実施形態の技術的解決策の範囲から逸脱せずに、以上の実施形態で説明された技術的解決策を更に修正し得て、また、その技術的特徴の一部又は全部を均等物に置換し得るものである。

Claims (16)

  1. シリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板製造方法であって、
    第一のシリコン基板の酸化層内にパターン化エッチストップ層を形成するステップであって、前記パターン化エッチストップ層の物質が、前記第一のシリコン基板の酸化層に対してエッチング選択性を有する物質である、ステップと、
    前記第一のシリコン基板の酸化層の表面を第二のシリコン基板の表面と結合させるステップと、
    前記第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成するステップと、
    前記パターン化SOI基板上にパターン化マスクを形成して、デバイス形成領域を露出させるステップと、
    前記パターン化SOI基板上の前記デバイス形成領域をエッチングして、前記第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップと、
    前記デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップと、を備える方法。
  2. 前記第一のシリコン基板の酸化層内にパターン化エッチストップ層を形成するステップが、
    前記第一のシリコン基板上に第一の酸化層を形成するステップと、
    前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上に前記パターン化エッチストップ層を形成するステップと、を備える、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上に前記パターン化エッチストップ層を形成するステップが、
    前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上にエッチストップ層を形成するステップと、
    前記エッチストップ層上にパターン化マスクを形成し、前記パターン化マスクに従って前記エッチストップ層をエッチングすることによって前記パターン化エッチストップ層を得るステップと、を備え、前記パターン化マスクが、極紫外線(EUV)リソグラフィ法を用いて得られるパターン化フォトレジスト、又は多孔質アルミナフィルムを備える、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上に前記パターン化エッチストップ層を形成するステップの後に、
    前記パターン化エッチストップ層上に第二の酸化層を成長させ、前記第二の酸化層に対して平坦化処理及び化学的表面処理を行うステップを更に備える請求項2又は3に記載の方法。
  5. 前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上に前記パターン化エッチストップ層を形成するステップの前に、
    前記第一のシリコン基板に対してイオン注入を行い、前記第一のシリコン基板のシリコン層内に欠陥層を形成するステップを更に備え、前記第一のシリコン基板の剥離される一部分が前記第一のシリコン基板内の前記欠陥層と、前記欠陥層上のシリコン層とを備える、請求項2から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記パターン化エッチストップ層を有する前記第一のシリコン基板の表面を第二のシリコン基板のシリコン表面と結合させて、前記第一のシリコン基板の一部を剥離させて、パターン化SOI基板を形成するステップの後に、
    アニーリング処理を行い、前記第一のシリコン基板及び前記第二のシリコン基板の隣接した表面を強固に結合させるステップと、
    前記パターン化SOI基板に対して表面研磨処理を行うステップと、を更に備える請求項2から4のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記パターン化エッチストップ層のパターンサイズが20nm未満であり、前記パターン化エッチストップ層の厚さが50nm未満である、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記パターン化SOI基板上の前記デバイス形成領域をエッチングして、前記第二のシリコン基板上にパターン化酸化層を得るステップが、
    前記パターン化SOI基板上の前記デバイス形成領域内の前記第一のシリコン基板のシリコン層と、前記第一の酸化層と、前記第二の酸化層の一部とをエッチングして、前記第二のシリコン基板上の前記パターン化酸化層及び前記パターン化エッチストップ層を得るステップであって、前記パターン化酸化層が前記パターン化エッチストップ層の下に存在する、ステップと、
    前記パターン化SOI基板上の前記デバイス形成領域内の前記パターン化エッチストップ層を除去して、前記第二のシリコン基板上に前記パターン化酸化層を得るステップと、を備える、請求項4から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップが、
    前記パターン化酸化層が既に得られている前記第二のシリコン基板上に第三の酸化層を成長させるステップであって、前記第三の酸化層が前記デバイス形成領域外に成長する、ステップと、
    前記第三の酸化層が既に成長している前記第二のシリコン基板の前記パターン化酸化層上に前記III‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、前記デバイス構造を形成するステップと、を備え、エピタキシャル成長させた前記III‐V族化合物が前記第二のシリコン基板の前記パターン化酸化層のパターン内において前記第二のシリコン基板に接続される、請求項4から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記III‐V族化合物が、リン化アルミニウム(AlP)、リン化ガリウム(GaP)、リン化インジウム(InP)、ヒ化アルミニウム(AlAs)、ヒ化ガリウム(GaAs)、ヒ化インジウム(InAs)、アンチモン化アルミニウム(AlSb)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジウム(InSb)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、又は、これらの三元化合物及び四元化合物を備える、請求項からのいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記デバイス形成領域内にIII‐V族化合物をエピタキシャル成長させて、デバイス構造を形成するステップが、
    分子線エピタキシ(MBE)法、化学気相堆積(CVD)法、原子層堆積(ALD)法、又はこれらの変形法を用いて、前記デバイス形成領域内に前記III‐V族化合物を成長させて、前記デバイス構造を形成するステップを備える、請求項から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記デバイス構造が既に形成されている前記パターン化SOI基板に対してアニーリング処理を行い、前記デバイス形成領域内における前記III‐V族化合物のエピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース(ELO)によって生じる欠陥を減らすステップを更に備える請求項から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記デバイス構造内に光電デバイス構造を形成するステップを更に備え、前記光電デバイス構造が多層構造を有する、請求項から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 第一のシリコン基板と、
    前記第一のシリコン基板の一方の表面上に形成された前記第一のシリコン基板の酸化層と、
    前記第一のシリコン基板の前記酸化層内に形成されたパターン化エッチストップ層であって、前記パターン化エッチストップ層の物質が、前記第一のシリコン基板の前記酸化層に対してエッチング選択性を有する物質である、パターン化エッチストップ層と、
    前記第一のシリコン基板の前記酸化層上に形成された第二のシリコン基板と、
    前記第二のシリコン基板の一方の表面上に形成されたパターン化酸化層と、
    前記パターン化酸化層上に形成されたIII‐V族化合物製のデバイス構造と、を備えるSOI基板。
  15. 前記第一のシリコン基板の前記酸化層が第一の酸化層及び第二の酸化層を備え、
    前記第一の酸化層が、前記第一のシリコン基板上に形成され、
    前記パターン化エッチストップ層が、前記第一のシリコン基板の前記第一の酸化層上に形成され、前記エッチストップ層上のパターン化マスクに従ってエッチストップ層をエッチングすることによって得られ、
    前記第二の酸化層が、前記パターン化エッチストップ層上に成長した、請求項14に記載のSOI基板。
  16. 前記パターン化エッチストップ層のパターンサイズが20nm未満であり、前記パターン化エッチストップ層の厚さが50nm未満である、請求項14又は15に記載のSOI基板。
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