JP6831911B2 - 向上した電荷捕獲効率を有する高抵抗率シリコンオンインシュレータ基板 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年10月26日に出願された米国仮特許出願62/412,937の優先権を主張し、その開示を本明細書で援用する。
本発明で用いられる基板は、例えば、単結晶半導体ハドルウェハなどの半導体ハンドル基板及び例えば単結晶半導体ドナーウェハなどの半導体ドナー基板を含む。セミコンダクタオンインシュレータ複合構造の半導体装置層は、単結晶半導体ドナーウェハから得る。半導体装置層は、例えば半導体ドナー基板をエッチングなどのウェハ薄化技術または損傷面を備える半導体ドナー基板を劈開することによって、半導体ハンドル基板上に転置されることができる。
本発明の方法によると、図3A及び3Bを参照して、エピタキシャル層200は、開始単結晶半導体ハンドル基板100の前面102上にエピタキシャル法によって堆積される。
本発明の方法により、図3Bと図3Cを参照して、電荷捕獲層300は、エピタキシャル層200上に堆積される。いくつかの実施形態において、電荷捕獲層300は多結晶シリコンを含む。そのような材料は、多結晶半導体材料とアモルファス半導体材料を含む。多結晶またはアモルファスである材料は、シリコン(Si)、シリコンゲルマニウム(SiGe)、炭素がドープされたシリコン(SiC)、及びゲルマニウム(Ge)を含む。例えば多結晶シリコンなどの多結晶半導体は、ランダムな結晶配向を有する小さいシリコン結晶を備える材料を意味する。多結晶材料は、ランダムな結晶配向を有する小さい結晶を備える材料を意味する。多結晶粒は、約20nmの小さい大きさであり、粒の大きさは、一般に約20nmから約1μm、例えば約0.3μmから約1μmに及ぶ。本発明の方法によると、多結晶材料の結晶粒の大きさが小さいほど、電荷捕獲層の欠陥性が高く堆積した。多結晶シリコン電荷捕獲層の抵抗率は、少なくとも100Ωcm、少なくとも約500Ωcm、少なくとも約1000Ωcm、少なくとも約3000Ωcm、またはさらに少なくとも約7000Ωcmであり、例えば、約100Ωcmから約100000Ωcmまたは約500Ωcmから約100000Ωcm、または約1000Ωcmから約100000Ωcm、または約500Ωcmから約100000Ωcm、または約750Ωcmから約100000Ωcmである。いくつかの好ましい実施形態において、多結晶シリコン層の抵抗率は、約3000Ωcmから約100000Ωcm、例えば約3000Ωcmから約10000Ωcmまたはさらに約7000Ωcmから約100000Ωcm、例えば約7000Ωcmから約10000Ωcmである。
いくつかの実施形態において、エピタキシャル層200と多結晶シリコン電荷捕獲層300を備える単結晶半導体ハンドル基板100は、酸素プラズマ及び/または窒素プラズマ表面活性化を受ける。いくつかの実施形態において、酸素プラズマ及び/または窒素プラズマ表面活性化装置は、例えばEVG(登録商標)810LT Low Temp Plasma Activation SystemなどのEV Groupから入手可能な、市販の装置である。エピタキシャル層200と多結晶シリコン電荷捕獲層300を備える単結晶半導体ハンドル基板100は、チャンバに積み込まれる。チャンバは、真空にされ、大気よりも低い圧力へ、例えばアルゴンなど、キャリアガスに、酸素ガス源及び/または窒素ガス源で、埋め戻され、それによってプラズマを作り出す。酸素及び/または水は、プラズマ酸化物処理のための適切なソースガスである。アンモニア及び/または窒素及び/または一酸化窒素(NO)及び/または亜酸化窒素(N2O)ガスは、プラズマ窒化物処理のための適切なソースガスである。酸窒化物プラズマ膜は、酸素と窒素ガス源 を含むことによって堆積される。さらに、一酸化窒素または亜酸化窒素の使用は、追加的に絶縁層に酸素を取り込み、それによって酸窒化物膜を堆積する。窒化ケイ素または酸化シリコンプラズマ膜を堆積するために、適切なシリコン前駆体は、とりわけメチルシラン、四水素化ケイ素(シラン)、ジシラン、ペンタシラン、ネオペンタシラン、テトラシラン、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)、四塩化ケイ素(SiCl4)を含む。適切にArは、キャリアガスとして加えられる。
図3Dを参照すると、エピタキシャル層200及び多結晶シリコン電荷捕獲層300を備える、本明細書に記載された方法によって準備された、例えば単結晶シリコンハンドルウェハ、単結晶半導体ハンドルウェハなど、高抵抗率単結晶半導体ハンドル基板100は、次に従来の層転置方法によって準備される、例えば単結晶半導体ドナー基板などの半導体ドナー基板400に接合される。単結晶半導体ドナー基板400は、単結晶半導体ウェハである。好ましい実施形態において、半導体ウェハは、シリコン、炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムガリウム、ゲルマニウム、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料を含む。完成した集積回路装置の所望の特性により、単結晶半導体(例えばシリコン)ドナーウェハ400は、ボロン(p型)、ガリウム(p型)、アルミニウム(p型)、インジウム(p型)、リン(n型)、アンチモン(n型)、及びヒ素(n型)の中から選択されたドーパントを含む。単結晶半導体(例えばシリコン)ドナーウェハの抵抗率は、1から50Ωcm、典型的には5から25Ωcmに及ぶ。単結晶半導体ドナーウェハ400は、酸化、注入、注入後洗浄を含む標準プロセスステップを受ける。したがって、エッチングされ、研磨され、任意に酸化された、例えば単結晶シリコンドナーウェハといった多層半導体構造の準備に従来用いられる材料の単結晶半導体ウェハなど、半導体ドナー基板400は、ドナー基板に損傷層を形成するためにイオン注入を受ける。
Claims (55)
- 多層基板を準備する方法であって、方法は、
エピタキシャルに、単結晶半導体ハンドル基板の前面上に直接エピタキシャル層を堆積するステップであって、前記単結晶半導体ハンドル基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面であり、他方は、前記単結晶半導体ハンドル基板の裏面である表面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間の中央平面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間のバルク領域とを備え、前記単結晶半導体ハンドル基板は、少なくとも約500Ωcmの最小バルク領域抵抗率を有し、さらに単結晶半導体ハンドル基板は、ハンドル結晶配向を有し、前記エピタキシャル層は、約100Ωcmから約5000Ωcmの間の抵抗率を有し、さらに前記エピタキシャル層は、前記ハンドル結晶配向と同じ結晶配向を有する、エピタキシャル層を堆積するステップと、
前記エピタキシャル層上に直接電荷捕獲層を堆積するステップであって、電荷捕獲層は、少なくとも約3000Ωcmの抵抗率を有する多結晶シリコンを備える、電荷捕獲層を堆積するステップと、
単結晶半導体ドナー基板の前面直上の誘電体層を前記電荷捕獲層と接合し、それにより接合構造を形成するステップであって、前記単結晶半導体ドナー基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記半導体ドナー基板の前面であり、他方は、前記半導体ドナー基板の裏面である表面と、前記半導体ドナー基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記半導体ドナー基板の前面と裏面の間の中央平面とを備え、前記単結晶半導体ドナー基板は、劈開面を備える、接合構造を形成するステップと、
を備える方法。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、単結晶シリコンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ドナー基板は、単結晶シリコンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1000Ωcmから約100000Ωcmのバルク抵抗率を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1000Ωcmから6000Ωcmのバルク抵抗率を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された電気活性ドーパントを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約200Ωcmから約2000Ωcmの抵抗率を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約400Ωcmから約1000Ωcmの抵抗率を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、シリコンと、ヒ素、リン、アンチモン、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された電気活性ドーパントと、を含む請求項1に記載の方法。
- シリコンを含む前記エピタキシャル層は、約0.2μmから約20μmの厚さである、請求項9に記載の方法。
- シリコンを含む前記エピタキシャル層は、約0.5μmから約10μmの厚さである、請求項9に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約0.1モル%から約5モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約0.5モル%から約2モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項12に記載の方法。
- 炭素がドープされたシリコンを含む前記エピタキシャル層は、約0.1μmから約10μmの厚さである、請求項12に記載の方法。
- 前記電荷捕獲層は、少なくとも約7000Ωcmの抵抗率を有する、請求項1に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の前面の前記誘電体層に接合する前に、前記電荷捕獲層上に絶縁層を形成するステップであって、前記絶縁層は、半導体酸化物または半導体酸窒化物を含む、絶縁層を形成するステップを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記誘電体層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化バリウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された材料を含む、請求項1に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の前記誘電体層と前記単結晶半導体ハンドル基板の前面の前記電荷捕獲層との間の接合を強化するために、十分な温度と期間で接合構造を加熱するステップを備える、請求項1に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の劈開面において接合構造を機械的に劈開し、それにより前記単結晶半導体ハンドル基板、前記エピタキシャル層、前記電荷捕獲層、前記誘電体層、及び単結晶半導体装置層を備える劈開構造を準備するステップを備える、請求項1に記載の方法。
- 多層基板を準備する方法であって、方法は、
エピタキシャルに、単結晶半導体ハンドル基板の前面上に直接エピタキシャル層を堆積するステップであって、前記単結晶半導体ハンドル基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面であり、他方は、前記単結晶半導体ハンドル基板の裏面である表面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間の中央平面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間のバルク領域とを備え、前記単結晶半導体ハンドル基板は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された電気活性p型ドーパントを含み、前記単結晶半導体ハンドル基板は、約2×10 13 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含み、前記単結晶半導体ハンドル基板は、ハンドル結晶配向を有し、前記エピタキシャル層は、ヒ素、リン、アンチモン、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択される電気活性n型ドーパントを含み、前記電気活性n型ドーパントの濃度は、1×1014atoms/cm3未満であり、さらに前記エピタキシャル層は、前記ハンドル結晶配向と同じ結晶配向を有する、エピタキシャル層を堆積するステップと、
前記エピタキシャル層上に直接電荷捕獲層を堆積するステップであって、前記電荷捕獲層は、多結晶シリコンを含む、電荷捕獲層を堆積するステップと、
単結晶半導体ドナー基板の前面直上の誘電体層を前記電荷捕獲層に接合し、それによって接合構造を形成するステップであって、前記単結晶半導体ドナー基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記半導体ドナー基板の前面であり、他方は、前記半導体ドナー基板の裏面である表面と、前記半導体ドナー基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記半導体ドナー基板の前面と裏面の間の中央平面とを備え、前記単結晶半導体ドナー基板は劈開面を備える、接合構造を形成するステップと、を備える方法。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、単結晶シリコンを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ドナー基板は、単結晶シリコンを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1×10 13 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約5×10 12 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層の前記電気活性n型ドーパントの濃度は、約1×10 13 atoms/cm 3 未満である、請求項20に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層の前記電気活性n型ドーパントの濃度は、約5×10 12 atoms/cm 3 未満である、請求項20に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、シリコンを含む、請求項20に記載の方法。
- シリコンを含む前記エピタキシャル層は、約0.2μmから約20μmの厚さである、請求項27に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約0.1モル%から約5モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記エピタキシャル層は、約0.5モル%から約2モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記電荷捕獲層は、少なくとも約3000Ωcmの抵抗率を有する、請求項20に記載の方法。
- 前記電荷捕獲層は、少なくとも約7000Ωcmの抵抗率を有する、請求項20に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の前面の前記誘電体層に接合する前に、前記電荷捕獲層上に絶縁層を形成するステップであって、前記絶縁層は、半導体酸化物または半導体酸窒化物を含む、絶縁層を形成するステップを備える、請求項20に記載の方法。
- 前記誘電体層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化バリウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された材料を含む、請求項20に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の前記誘電体層と前記単結晶半導体ハンドル基板の前面の前記電荷捕獲層との接合を強化するために、十分な温度と期間で接合構造を加熱するステップを備える、請求項20に記載の方法。
- さらに、前記単結晶半導体ドナー基板の劈開面において接合構造を機械的に劈開し、それにより前記単結晶半導体ハンドル基板、前記エピタキシャル層、前記電荷捕獲層、前記誘電体層、及び単結晶半導体装置層を備える劈開構造を準備するステップを備える、請求項20に記載の方法。
- 単結晶半導体ハンドル基板であって、前記単結晶半導体ハンドル基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面であり、他方は、前記単結晶半導体ハンドル基板の裏面である表面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間の中央平面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間のバルク領域とを備え、前記単結晶半導体ハンドル基板は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された電気活性p型ドーパントを含み、前記単結晶半導体ハンドル基板は、約2×10 13 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含み、さらに前記単結晶半導体ハンドル基板は、ハンドル結晶配向を有する、単結晶半導体ハンドル基板と、
前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と界面接触するエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層は、ヒ素、リン、アンチモン、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択される電気活性n型ドーパントを含み、前記電気活性n型ドーパントの濃度は、1×10 14 atoms/cm 3 未満であり、前記エピタキシャル層は、前記ハンドル結晶配向と同じ結晶配向を有する、エピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層と界面接触する電荷捕獲層であって、前記電荷捕獲層は、多結晶シリコンを含み、少なくとも約3000Ωcmの抵抗率を有する、電荷捕獲層と、
前記電荷捕獲層と界面接触する誘電体層と、
前記誘電体層と界面接触する単結晶半導体装置層と、を備える多層構造。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、単結晶シリコンを含み、
前記単結晶半導体装置層は、単結晶シリコンを含む、請求項37に記載の多層構造。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1×10 13 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含む、請求項37に記載の多層構造。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約5×10 12 atoms/cm 3 未満の濃度の前記電気活性p型ドーパントを含む、請求項37に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層の前記電気活性n型ドーパントの濃度は、約1×10 13 atoms/cm 3 未満である、請求項37に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層の前記電気活性n型ドーパントの濃度は、約5×10 12 atoms/cm 3 未満である、請求項37に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、シリコンを含む、請求項37に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、約0.1モル%から約5モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項37に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、約0.5モル%から約2モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項37に記載の多層構造。
- 前記電荷捕獲層は、少なくとも約7000Ωcmの抵抗率を有する、請求項37に記載の多層構造。
- 単結晶半導体ハンドル基板であって、前記単結晶半導体ハンドル基板は、2つの主要なおおよそ平行な表面であって、その1つは、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面であり、他方は、前記単結晶半導体ハンドル基板の裏面である表面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面を接合する周縁エッジと、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間の中央平面と、前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と裏面の間のバルク領域とを備え、前記単結晶半導体ハンドル基板は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された電気活性p型ドーパントを含み、少なくとも約500Ωcmの最小バルク領域抵抗率を有し、さらに前記単結晶半導体ハンドル基板は、ハンドル結晶配向を有する、単結晶半導体ハンドル基板と、
前記単結晶半導体ハンドル基板の前面と界面接触するエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層は、ヒ素、リン、アンチモン、及びそれらの任意の組み合わせからなるグループから選択される電気活性n型ドーパントを含み、前記エピタキシャル層は、約100Ωcmから5000Ωcmの抵抗率を有し、さらに前記エピタキシャル層は、前記ハンドル結晶配向と同じ結晶配向を有する、エピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層と界面接触する電荷捕獲層であって、前記電荷捕獲層は、多結晶シリコンを含み、少なくとも約3000Ωcmの抵抗率を有する、電荷捕獲層と、
前記電荷捕獲層と界面接触する誘電体層と、
前記誘電体層と界面接触する単結晶半導体装置層と、を備える多層構造。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、単結晶シリコンを含み、
前記単結晶半導体装置層は、単結晶シリコンを含む、請求項47に記載の多層構造。 - 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1000Ωcmから約100000Ωcmのバルク抵抗率を有する、請求項47に記載の多層構造。
- 前記単結晶半導体ハンドル基板は、約1000Ωcmから約6000Ωcmのバルク抵抗率を有する、請求項47に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、約200Ωcmから約2000Ωcmの抵抗率を有する、請求項47に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、約400Ωcmから約1000Ωcmの抵抗率を有する、請求項47に記載の多層構造。
- 前記電荷捕獲層は、少なくとも約7000Ωcmの抵抗率を有する、請求項47に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、シリコンを含む、請求項47に記載の多層構造。
- 前記エピタキシャル層は、約0.1モル%から約5モル%の炭素濃度の炭素がドープされたシリコンを含む、請求項47に記載の多層構造。
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