JP6657516B2 - Rf用途のための半導体オンインシュレータ基板 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン支持基板の上に半導体上部層、埋込み酸化物層及び不動態化層を含む、RF用途で使用するための半導体オンインシュレータ基板、特にシリコンオンインシュレータ基板、並びに対応する方法に関する。本発明は、RFデバイスにも関する。
高周波(RF)用途のための公知の基板は、多結晶Si層上の二酸化シリコンSi02上のシリコンSiの3層構造を含む。この3層構造は、低格子間酸素含有量(「低Oi」)を有するバルク高抵抗率支持基板上に設けられている。そのような基板に対しては、格子間酸素含有量は、標準Oi基板に対する20〜25ppma又は高Oi基板に対する25〜30ppmaの代わりに5〜10ppmaの範囲にある。本文脈における高抵抗率は、典型的には3000Ωm以上の抵抗率値を指す。この高いバルク抵抗率は、能動デバイスの下のすべての材料から生じる基板損失とも呼ばれる寄生信号を制限又は抑制するために、RFデバイスにおいて必要である。
多結晶Si層は、電界の影響下で支持基板と二酸化シリコン層との間の界面に存在する表面電荷に起因して発生する可能性があるさらなる寄生損失を抑制するために必要である。この多結晶Si層は、不動態化層として働き、したがって、信号損失を低減させることができる。
格子間酸素は、熱処理後にサーマルドナーを生成することが知られており、したがって支持基板のバルク抵抗率を減少させ、以て基板損失を増加させ、したがって低Oi基板が必要となる。しかしながら、低Oiの使用は、欠点がないわけではない。
低Oi含有量は、シリコンを転位移動に対してより敏感にする。酸素格子間原子は、シリコン原子に結合して、転位が結晶格子中に移動するのを妨げるSi0の小さな析出物に凝集する傾向がある。低Oi含有量では、材料中に存在するSi0析出物が少なくなり、半導体オンインシュレータ基板及び/又はRFデバイスの製造中の熱処理時に転位移動が増大し、結晶構造の望ましくない改変及びいわゆるスリップラインの出現を招く。また、転位移動は、基板の塑性変形を引き起こす可能性があり、この塑性変形によってCMOS処理中にリソグラフィ中のオーバーレイ問題が引き起こされる可能性がある。
したがって、本発明の目的は、以前に特定された問題を克服する、又は少なくとも低減させるRF用途に適した改善された半導体オンインシュレータ基板を提供することである。
本目的は、シリコン支持基板の上に半導体上部層、埋込み酸化物層及び不動態化層を含む本発明による半導体オンインシュレータ基板、特に、シリコンオンインシュレータ基板において、侵入層が不動態化層とシリコン支持基板との間に設けられていることを特徴とし、侵入層がシリコン支持基板よりも低い格子間酸素含有量を有する高抵抗シリコン層である、半導体オンインシュレータ基板よって達成される。
本発明は、半導体上部層に限定されることなく、例えば圧電材料、特にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムのような他のタイプの材料の上部層に適用することができる。
本発明によると、転位が支持基板内部で移動する能力を低下させることによってスリップライン及びオーバーレイの問題を低減させることができる支持基板を使用することができるように、特有の層である、低Oi含有量を有する侵入層が導入される。実際は、低Oi含有量は、基板上に準備されるRFデバイスのRF信号が半導体オンインシュレータ基板内にどれくらい深く侵入するかに応じて、シリコン層から開始して、ある深さまで必要なだけである。
一実施形態によると、不動態化層及び侵入層は、同じ材料とすることができる。この場合、界面における格子不整合の悪影響を低減させることができ、又は抑制することさえできる。
一実施形態によると、不動態化層は、多結晶層とすることができ、侵入層は、単結晶材料とすることができる。多結晶層は、電荷に対するトラップとして働き、寄生損失の低下を可能にするが、単結晶層は、低い表面粗さを有する層を層の厚さと無関係に得ることができるという利点を有する。
一変形形態によると、侵入層は、多結晶層とすることができる。この場合、多結晶層は、表面関連の寄生損失及び基板損失の低減という両方の役割を果たすのに十分な厚さを有する。
本発明の一実施形態によると、低格子間酸素含有量は、15ppma未満、特に5〜10ppmaの濃度を指すことができる。この濃度範囲において、所望の抵抗率レベルを不動態化層内で達成し、基板損失を低減させることができる。高抵抗という用語は、450℃よりも高い温度で少なくとも1時間の熱処理持続時間の後でさえ、2000Ωm以上、特に3000Ωm以上の抵抗率を指すことができる。ドナー及びアクセプタとしても知られている、シリコンの電気的な挙動に通常影響を及ぼす他の不純物は、格子間酸素含有量と抵抗率レベルとの間の関係を得るために、1×1012cm−3未満の濃度を有すると理解されたい。
一実施形態によると、不動態化層及び侵入層は、約3μm〜30μm、特に4μm〜10μm、さらには特に約5μmの合計の厚さを有する。典型的には725μmの厚さを有する低Oiシリコン支持基板を有する従来技術の半導体オンインシュレータ基板と比較すると、半導体オンインシュレータ基板の薄い部分のみが、低Oi領域での転位移動の影響下にある。したがって、後続のデバイス製造のリソグラフィステップを簡略化することができる。
また、本発明の目的は、高周波(RF)デバイスによって達成される。本発明のRFデバイスは、電気的に絶縁されたデバイス構造を備え、特に、デバイス内部の導電性線路が相互に電気的に絶縁され、上述したような半導体オンインシュレータ基板上及び/又は半導体オンインシュレータ基板内に設けられた相互間の最小距離dを有してもよく、埋込み酸化物層、不動態化層及び侵入層の合計の厚さが、RF信号が最大でも侵入層にしか侵入しないようなものであることを特徴とする。したがって、侵入層の厚さをRF設計の特定の寸法dに調整することによって、基板損失を低減させることができ、一方で、特にリソグラフィ中のオーバーレイに関して製造性を高く保つことができる。
本発明の一実施形態によると、埋込み酸化物層、不動態化層及び侵入層の合計の厚さは、距離dの10倍、特に5倍を超えないようにすることができる。
また、本発明の目的は、上述したような半導体オンインシュレータ基板を作製する方法によって達成され、侵入層を支持基板上にエピタキシャル成長させ、半導体上部層及び埋込み酸化物層が、特に接合方法を含む層転写プロセスによって不動態化層上に転写される。不動態化層及び侵入層の両方をエピタキシャル成長させるのが好ましい。
本目的は、上述したような半導体オンインシュレータ基板を作製する代替の方法によってさらに達成され、侵入層が層転写法、特に接合法によって支持基板上に転写される。本目的は、支持基板上の侵入層を得るために、例えば、支持基板と低OI基板を接合し、次いで、Oi基板を所望の厚さまでエッチバックすることによって、又はOI基板内部に所定の分割領域を形成するステップと、OI基板を支持基板に接合するステップと、OI基板の残りの部分を、例えば、熱処理によって剥離するステップと、を含むスマートカット(Smart Cut)(商標)タイプのプロセスを適用することによって達成されてもよい。
上述の方法によって、有利な基板を得ることができる。
また、本発明の目的は、上述されたような高周波デバイスを作製するための方法によって達成され、本方法は、異なる厚さの侵入層を有する複数の半導体オンインシュレータ基板を用意するステップと、半導体インシュレータ基板上に又は半導体インシュレータ基板内に高周波デバイスを形成するステップと、複数の半導体オンインシュレータ基板内のRF信号の侵入深さを決定するステップと、RF信号が最大でも侵入層にしか侵入しない侵入層の厚さを有する半導体オンインシュレータ基板を選択するステップと、を含む。このようにして、最適化された侵入層の厚さを、RFデバイスの機能を維持しながら製造性が最適化されるように決定することができる。
開示された実施形態のさらなる恩恵及び利点は、本明細書及び図面から明らかになるであろう。恩恵及び/又は利点は、そのような恩恵及び/又は利点の1つ又は複数を得るためにすべてが提供される必要はない本明細書及び図面の様々な実施形態並びに特徴によって個別に得られてもよい。
本発明の上記の及び他の目的並びに特徴は、添付図面と併せて提供される以下の説明及び好ましい実施形態からより明らかになるであろう。
本発明による半導体オンインシュレータ基板の第1の実施形態である。 本発明による半導体オンインシュレータ基板の第2の実施形態である。 本発明の第3の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板上のRFデバイスである。 本発明の第4の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板を作製する方法である。 本発明の第5の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板を作製する代替方法である。 本発明の第6の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板の侵入層の厚さを選択する方法である。
図1は、本発明の第1の実施形態による半導体オンインシュレータ基板(SoI基板)1を概略的に示す。本実施形態によるSoI基板1は、例えば、モバイルフォン、スマートフォン、タブレット又はパーソナルコンピュータのような通信装置で使用される高周波(RF)デバイスの製造の出発材料として使われる。
既に上述したように、本発明は、半導体上部層に限定されることなく、例えば、圧電材料、特にタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムのような他のタイプの材料の上部層に適用することができる。そのような一般化は、一般的に半導体材料又は圧電材料を含む上部層であってもよい半導体上部層に関して以下に記載されるようなすべての実施形態について当てはまる。したがって、圧電性上部層を含むSoIタイプの基板も本発明の範囲内にある。
SoI基板1は、シリコン支持基板3、侵入層5、不動態化層7、埋込み酸化物層9及び半導体上部層11を含む。
シリコン支持基板3は、15Ωmの標準抵抗率、約20〜25ppmaの格子間酸素含有量、及び700〜750μmのオーダの厚さを有する標準シリコン(Si)基板又はSiウェーハである。ボックス層とも呼ばれる埋込み酸化物層7は、本実施形態では、100〜1000nmの典型的な厚さを有する二酸化シリコン(SiO2)層である。本実施形態における半導体層は、約50nm〜200nmの厚さを有するシリコン層である。
侵入層5及び不動態化層7は、Si基板3と埋込み酸化物層9との間に挟まれている。
本実施形態では、本実施形態の侵入層5は、2000Ωm以上の抵抗率値を有する高抵抗率層、特に3000Ωm以上の層を有するシリコン層であり、低格子間酸素含有量は、15ppma未満、特に5〜10ppmaの格子間酸素の濃度を指す。既に上述したように、そのような抵抗率値は、450℃よりも高い温度で少なくとも1時間の熱処理の後でさえ維持される。したがって、本発明によると、侵入層5は、シリコン支持基板3よりも高い抵抗率及びより低い格子間酸素含有量を有する。本実施形態における侵入層5は、単結晶層である。
本実施形態における不動態化層7は、約200〜2500nmの典型的な厚さを有する多結晶Si層である。
SoI基板は、RF用途にとって特に重要である。RFデバイスに関連する1つの問題は、信号損失の発生である。損失を低減させるために、不動態化層7及び侵入層5がSoI基板構造に導入されている。寄生損失は、信号が、Si層内又はSi層上に存在するRFデバイスの信号線を通過するときに発生する。寄生信号は、埋込み酸化物層を介してSi基板内に流入し、RFデバイスの他の信号線に到達することができる。対応する損失は、基板損失と呼ばれる。
損失を低減させるために、侵入層5は、低Oi含有量の高抵抗層であり、したがって標準の通常OiSi基板よりもはるかに高い抵抗を有する。高抵抗のために、損失を低減させることができる。
さらに、侵入層5の表面に蓄積する表面電荷に起因して発生する可能性がある損失は、そのような表面電荷の電気伝導への寄与を妨げる、したがって表面電荷関連の信号損失を低減させる多結晶不動態化層7の存在によって低減する。
従来技術と同様の低OiSi基板のみを使用する代わりに、低Oi侵入層5を通常のOi濃度を有する標準のSi基板3と組み合わせることによって、生産歩留まりに悪影響を有する望ましくないスリップライン及び転位移動の発生を低減させることが可能になる。
したがって、埋込み酸化物層9、不動態化層7及び侵入層5の厚さは、RF設計を通過する信号から生じる寄生信号が、最大でも侵入層5にしか到達せず、したがって標準のSi支持基板3のより低い抵抗を「認識(see)」しないように選択される。結果として、これらの層は、少なくとも3μm、最大でも30μm、特に最大でも10μm、さらに特に最大でも5μmの合計の厚さを有する。
同時に、RFデバイス製品が標準のCMOS作製方法を使用することを可能にする標準のSi基板3を使用することができる。
図2は、本発明の第2の実施形態による半導体オンインシュレータ基板(SoI基板)13を概略的に示す。第1の実施形態と同じ第2の実施形態の特徴は、同じ参照番号を有し、上記のこれらの説明が参照される。
第2の実施形態と第1の実施形態の差異は、第2の実施形態のSoI基板14では、不動態化層及び侵入層が同じ材料、すなわちシリコンで作られ、同じ結晶構造、すなわち多結晶であることである。したがって、これらの層は、従来技術の不動態化層の厚さをはるかに超える厚さを有する1つの改変された不動態化層15を形成している。
図3は、本発明の第3の実施形態による高周波(RF)デバイス17を概略的に示す。RFデバイス17は、図1に示されるようなSoI基板1上に又はSoI基板1内に、特にSi層11内に配置されている。第1及び第2の実施形態と同じ第3の実施形態の特徴は、同じ参照番号を有し、上記のこれらの説明が参照される。代替として、図2に示されるようなSoI基板13が使用されてもよい。
RFデバイス17は、2つの構造間、ここでは19aと19b間の最小距離dを有する複数の電気的に絶縁されたデバイス構造19a、19b、19cを備える。RF信号がデバイス構造19bを通過するとき、寄生信号21がSoI基板を通過する。本発明によると、寄生信号21の影響は、第1及び第2の実施形態に関して上で詳細に説明されたように侵入層5及び不動態化層7によって低減する。
本発明の本実施形態によると、厚さd’は、RFデバイス17の距離dの10倍、特に5倍を超えないように選択される。この場合、RF寄生信号21は、より高い抵抗率を有する侵入層5に達することができるのみであり、導電性のより良好なSi支持基板3を通過しない。
図4は、本発明の第4の実施形態、すなわち本発明の第1又は第2の実施形態による半導体オンインシュレータ基板を作製する第1の方法を示す。再び、第1〜第3の実施形態と同じ第4の実施形態の特徴は、同じ参照番号を有し、上記のこれらの説明が参照される。
ステップa)は、約20〜25ppmaの通常の格子間酸素含有量(Oi)を有する標準のSi基板3を用意するステップからなる。このタイプの基板は、半導体産業において一般に使用されている。
ステップb)の間に、最初に単結晶Si層である侵入層5をSi支持基板3上にホモエピタキシャル成長させる。成長条件は、5〜ppmaの酸素濃度のより低いOi含有量が達成されるように選択される。したがって、エピタキシャル層内に得られるSi支持基板3と比較して、少なくとも2000Ωm以上、特に3000Ωmの高抵抗率を得ることができる。
次いで、エピタキシャル成長の後に、成長条件を変更して不動態化層7に対応する多結晶層を得る。
2つの層5及び7の厚さd’’は、層5、7及び9の厚さd’を達成するために、実施形態1〜3に関して上述されたパラメータに従って決定される。
代替形態によると、ステップb)は、侵入層5及び不動態化層7の両方の役割を同時に果たす改変された不動態化層15をSi支持基板3上に多結晶層として直接成長させるステップb’)と置き換えられてもよい。
ステップc)は、二酸化シリコン層27を有するSiドナー基板25と、例えば、当技術分野で知られているようなイオン注入によって達成される、Siドナー基板25内の所定の分割領域29と、を含むドナー基板23を準備するステップからなる。
ステップd)の間に、ドナー基板23を、例えば接合によって、二酸化シリコン層27の表面を介して、第1の代替形態では不動態化層7の表面に、又は第2の代替形態では改変された不動態化層15に付着させることができる。
ステップe)の間に、剥離処理、例えば熱処理が行われて、所定の分割領域29で剥離を達成し、以て第1の代替形態では不動態化層7上に又は第2の代替形態では改変された不動態化層15にSiドナー基板23のSi層31及び二酸化シリコン層27を転写する。したがって、層27が埋込み酸化物層9に、並びに層31が第1及び第2の実施形態の半導体上部層に対応する。
本方法を使用して、第1の実施形態によるSoI基板1又は第2の実施形態によるSoI基板13を得ることができる。次いで、この基板を、例えば、CMOSプロセスステップを使用して、RFデバイスの作製に使用することができる。
図5は、本発明の第5の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板を作製する代替の方法を示す。図5に示される方法は、第1の実施形態によるSoI基板1を作製するのに適している。第1の実施形態、及び第4の実施形態による方法と同じ第5の実施形態の特徴は、同じ参照番号を有し、上記のこれらの説明が参照される。
ステップa)は、標準のSi支持基板3、したがって、通常の格子間酸素含有量及び通常の抵抗率を有する、例えばSiウェーハを用意するステップ、並びに5〜10ppmaのOi含有量及び2000Ωmよりも大きい、特に3000Ωmよりも大きい抵抗率を有する低格子間酸素含有量のSi基板33、例えば低OiSiウェーハを用意するステップからなる。
ステップb)は、例えば接合によって、Si支持基板3を低OiSi基板33に付着させるステップからなる。
ステップc)の間に、低OiSi基板33をエッチバックして、上述したような所望の厚さの侵入層5を得る。
次いで、ステップd)は、侵入層5の上に典型的には200〜2500nmの厚さを有する多結晶Si不動態化層7を成長させるステップからなる。
代替形態によると、低格子間酸素含有量Si基板33が多結晶質である場合は、ステップc)のエッチバックを使用して、不動態化層7及び侵入層5の役割を同時に果たす改変された不動態化層を得ることができる。本代替形態では、したがって、ステップd)は、実現されない。
ステップe)は、二酸化シリコン層27を有するSiドナー基板25と、例えば、当技術分野で知られているようなイオン注入によって達成される、Siドナー基板25内の所定の分割領域29と、を含むドナー基板23を準備するステップからなる。
ステップf)の間に、ドナー基板23を、例えば接合によって、二酸化シリコン層27の表面を介して、不動態化層7の表面に付着させる。
ステップg)の間に、剥離処理、例えば熱処理が行われて、所定の分割領域29で剥離を達成し、以てSiドナー基板23のSi層31及び二酸化シリコン層27を不動態化層7上に転写する。したがって、層27が埋込み酸化物層9に対応し、層31が第1の形態の半導体上部層11に対応する。したがって、第1の実施形態によるSoI基板1が得られる。
図6は、本発明の第6の実施形態、すなわち本発明による半導体オンインシュレータ基板の侵入層の厚さを選択する方法を示す。選択は、本発明によるSoI基板1、13上に又はSoI基板1、13内に作製されるRFデバイスに依存する。以下で使用される参照番号は、既に上述したような、同じ参照番号を有する特徴を指す。
第1のステップa)は、異なる厚さの侵入層5を有する複数の半導体オンインシュレータ基板1を用意するステップからなる。厚さは、埋込み酸化物層9、不動態化層7及び侵入層5の全体の合計の厚さが、約3μm〜最大約30μmの範囲に留まるように選択される。同じことが、第2の実施形態によるSoI基板13及び改変された不動態化層15に当てはまる。
次のステップb)では、RFデバイス17のような高周波デバイスが、半導体インシュレータ基板1、13上に又は半導体インシュレータ基板1、13内に形成される。異なる侵入層5厚さを有する異なるSoI基板のそれぞれに対して、同じ製造プロセスを使用して同じRFデバイス17が製造される。
続いて、ステップc)の間に、隣り合うRFデバイス構造、例えば、基準信号が構造19bを通過する場合は、19a又は19cにおける寄生信号を決定することによって、寄生RF信号の侵入深さが決定される。或は、寄生信号の減衰も決定することができる。
最後に、ステップd)によると、寄生RF信号が最大でも侵入層5(又は改変された不動態化層15)にしか侵入しない侵入層5(又は改変された不動態化層15)の厚さを有する半導体オンインシュレータ基板1又は13が選択される。この条件を満たすSoI基板1又は13の中で、最も薄い侵入層5(又は最も薄い改変された不動態化層15)を有するものが、最適化された厚さパラメータを有するものである。
次いで、このフィードバックループの後に、最適化された厚さの侵入層5又は改変された不動態化層15を有するSoI基板1又は13の大量生産を開始することができる。
上記の実施形態では、半導体層11は、シリコン、及びSiO2の埋込み酸化物層で作られた。さらなる変形形態によると、SiGe又はGaAsのような他の適切な材料も使用することができる。多結晶Siの代わりに、他の電荷トラッピング層を不動態化層7に使用することもできる。

Claims (12)

  1. シリコン支持基板(3)の上に半導体上部層(11)、埋込み酸化物層(9)及び不動態化層(7)を含む半導体オンインシュレータ基板において、侵入層(5)が前記不動態化層(7)と前記シリコン支持基板(3)との間に設けられており、前記侵入層(5)が前記シリコン支持基板(3)よりも低い格子間酸素含有量を有するより高抵抗のシリコン層であることを特徴とする、半導体オンインシュレータ基板。
  2. 前記不動態化層()及び前記侵入層()が同じ材料である、請求項1に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  3. 前記不動態化層(7)が多結晶層であり、前記侵入層(5)が単結晶材料である、請求項1又は2に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  4. 前記侵入層()が多結晶層である、請求項1又は2に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  5. 低格子間酸素含有量が15ppma未満の濃度を指す、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  6. 前記高抵抗という用語が、2000Ωm以上の抵抗率を指す、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  7. 前記埋込み酸化物層(9)、前記不動態化層(7)及び前記侵入層(5)が3μm〜30μmの合計の厚さを有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板。
  8. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板上に及び/又はそのような半導体オンインシュレータ基板内に設けられた相互間の最小距離dを有する電気的に絶縁されたデバイス構造(19a、19b、19c)を有する高周波デバイスにおいて、前記不動態化層(7)及び前記侵入層(5)の合計の厚さ(d’)が、高周波信号が最大でも前記侵入層(5)にしか侵入しないようなものであることを特徴とする、高周波デバイス。
  9. 前記埋込み酸化物層(9)、前記不動態化層(7)及び前記侵入層(5)の合計の前記厚さが、前記距離dの10倍を超えないようなものである、請求項8に記載の高周波デバイス。
  10. 前記侵入層を前記支持基板上にエピタキシャル成長させ、前記半導体上部層及び前記埋込み酸化物層が、層転写プロセスによって、前記不動態化層上に転写される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板を作製するための方法。
  11. 前記侵入層が層転写法によって、前記支持基板上に転写される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体オンインシュレータ基板を作製するための方法。
  12. 異なる厚さの前記侵入層を有する複数の半導体オンインシュレータ基板を用意するステップと、
    前記半導体オンインシュレータ基板上に又は前記半導体オンインシュレータ基板内に高周波デバイスを形成するステップと、
    前記複数の半導体オンインシュレータ基板における高周波信号の侵入深さを決定するステップと、
    前記高周波信号が最大でも前記侵入層にしか侵入しない前記厚さの前記侵入層を有する前記半導体オンインシュレータ基板を選択するステップと、
    を含む、請求項8又は9に記載の高周波デバイスを作製するための方法。
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