JPH07263713A - シリコン単結晶自己支持薄膜の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膜厚の均一性、膜厚の制御性、薄膜の結晶
性、不純物濃度等の膜質の任意性を保有するシリコン単
結晶自己支持薄膜の製造法を提供する。 【構成】 シリコン単結晶基板中に注入ボロンイオンに
より高濃度不純物層を形成すると共に熱処理により表面
に酸化膜を形成して難腐食層とし、さらに高速マスクエ
ッチング、選択エッチング、及び酸化物層の除去エッチ
ングを施すようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン半導体を用い
た電子デバイスや各種センサー或いはマイクロマシンな
どを製造する工程に際して適用される、０．５〜１０μ
ｍ程度の均一な厚みを有するシリコン単結晶自己支持薄
膜の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン半導体を用いた電子デバイスや
各種センサー或いはマイクロマシンなどを製造する工程
に際し、０．５〜１０μｍ程度の均一な厚みを有するシ
リコン単結晶自己支持薄膜を形成させるには、従来より
予め過剰な厚みの膜を形成させた後、機械研磨或いは
化学研磨によって所定の膜の厚みまで研磨する方法、
エピタキシャル成長の技術を用いて、ある種のエッチン
グ液に対してエッチング速度の異なる薄い層を成長さ
せ、このエッチング速度の違いを利用して自己支持薄膜
を形成する方法、ボロン等の不純物を表面から熱拡散
し、不純物濃度に対してエッチング速度が敏感なエッチ
ング液を用いて、拡散層を残す方法、などが採られてい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の機械研磨或いは化学研磨による方法においては、
機械研磨では数十μｍが限度であり、また加工損傷層が
残ってしまう。化学研磨では上記加工損傷層を消失させ
たり或いはさらに薄膜化することができるが、形成され
る膜の厚みが極めて不均一なものとなってしまう。ま
た、前記従来のエピタキシャル成長法及び選択エッチ
ングを利用する方法では、エピタキシャルプロセスが極
めて複雑になり、そのため膜の厚みの制御性に難点があ
るという欠点がある。さらに、前記従来のボロンの熱
拡散及び選択エッチングを利用する方法は１μｍ以下の
極めて薄い膜の生成には好適な方法であるが、薄膜中に
１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ² 前後の高濃度の不純物を含
み、このため拡散層を増大させて厚肉の試料を得ようと
しても転移等の格子不整が増大し、良質の単結晶が得ら
れないという欠点がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑み提案
されたもので、膜厚の均一性、膜厚の制御性、薄膜の結
晶性、不純物濃度等の膜質の任意性を保有するシリコン
単結晶自己支持薄膜の製造法を提供することを目的とす
る。そして、本発明者等はシリコン単結晶基板中へのボ
ロンイオン注入、熱処理、エッチング技術等に関する調
査及び実験的研究を進めた結果、シリコン単結晶基板中
に注入ボロンイオンにより高濃度不純物層を形成すると
共に熱処理により表面に酸化物膜を形成して難腐食層と
し、さらに高速マスクエッチング、選択エッチング、及
び酸化物層の除去エッチングを施すことによって、上記
の条件を満たすシリコン単結晶自己支持薄膜の効果的な
製造法を見出した。

【０００５】本発明は、イオン注入、熱処理、３
種類のエッチング、を一連の工程として、シリコン単結
晶自己支持薄膜を作成することをそのプロセス構成とし
ている。以下に各プロセスを詳細に説明する。

【０００６】まず、イオン注入においては、数百〜数
千ｋｅＶのボロンイオンをシリコン単結晶基板の表面に
注入し、表面から数μｍの深さに高濃度不純物層を形成
させる。このようなイオン注入を行った場合のボロン原
子濃度の深さプロファイルを図１に示す。ボロン原子は
注入エネルギーによって定まる深さ（平均投影飛程）を
中心としたガウス分布状に分布し、表面側にはボロンが
存在しない層（部分）ができる。この層は注入イオンの
通過によって照射損傷を生じるが、後述する熱処理によ
り比較的容易にその結晶性を回復することができる。ま
た、表面から高濃度不純物層までの距離は、図２の相関
図より明らかなように注入ボロンイオンのエネルギーに
よって高精度で制御することができる。

【０００７】次に、熱処理においては、上記注入ボロ
ンイオンによって形成された高濃度不純物層を後述する
選択エッチングでの難腐食層として安定化させると共
に、照射損傷を回復させ、加えてシリコン単結晶基板の
表面に０．１μｍ程度の酸化物層を形成させる。この熱
処理では、処理温度が高過ぎたり或いは処理時間が長過
ぎると注入ボロンイオンが拡散し、高濃度不純物層の最
大ボロン濃度の減少を招き、逆の場合には不純物の安定
化や損傷の回復が充分ではなくなる。そのため、この熱
処理での処理条件は９５０〜１０００℃、３０分〜２時
間程度が適当である。また、シリコン単結晶基板の表面
に酸化物層を形成させるために、上記熱処理を酸素中乃
至大気中で行う必要がある。

【０００８】さらに、３種類のエッチングを行うので
あるが、具体的にはフッ化水素酸−硝酸系のエッチング
液による高速マスクエッチング、エチレンジアミン−ピ
ロカテコール系による選択エッチング、及びフッ化水素
酸水溶液による酸化物層の除去エッチングを行うのであ
る。

【０００９】フッ化水素酸−硝酸系のエッチングではシ
リコン単結晶基板のイオン注入面の反対側の面に一部分
を残すようにマスクを施し、１０〜１５μｍ程度の厚み
まで高速でのエッチングを行う。

【００１０】次に行うエチレンジアミン−ピロカテコー
ル系のエッチングはシリコン単結晶基板の全体に施す
が、前記高速マスクエッチングの際にマスクされていた
部分は酸化物層で覆われているためにエッチングが進行
しない。したがって、上記高速マスクエッチングにより
エッチングされた部分のみがさらに選択的にエッチング
される。そして、そのエッチング面が前記注入ボロンイ
オンによる高濃度不純物層に至るとエッチング速度が急
激に減少するため、高濃度不純物層が露出する凹部が残
される。

【００１１】最後にフッ化水素酸水溶液によるエッチン
グで、表面の酸化物層が除去され、シリコン単結晶基板
の一部に、０．５〜１０μｍ程度の均一な薄層である自
己支持薄膜が形成される。尚、エッチングの工程と処理
前後のシリコン単結晶基板とを模式的に示した断面図を
図３に示す。図中、１はシリコン単結晶基板、２は注入
ボロン層、３はイオン注入面、４は酸化物層、５はマス
クエッチング、６は選択エッチング、７は最終的に得ら
れる単結晶自己支持薄膜である。

【００１２】以上の工程により、数百μｍの厚みのシリ
コン単結晶基板の一部に、数μｍ程度の均一な厚みの単
結晶自己支持薄膜が形成される。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。

【００１４】シリコン単結晶基板として、厚み０．２ｍ
ｍ、直径１０ｍｍの略円板状で、表面が（１００）面に
平行にカットされたものを用いた。上記シリコン単結晶
基板の片面は鏡面研磨を施した。そして、まず、上記シ
リコン単結晶基板の鏡面側より０．５ＭｅＶのボロンイ
オンを一様に１×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² の注入量で注
入し、高濃度不純物層を形成させた。

【００１５】その後、上記シリコン単結晶基板に、大気
中で、９５０℃×１時間の処理条件での熱処理（アニー
リング）を行い、表面に酸化物層を形成させた。

【００１６】アニーリング後、テフロン粘着テープを用
いてシリコン単結晶基板を、鏡面側を下にして石英円板
上に固定した。また、シリコン単結晶基板の裏面側（鏡
面側の反対面）の中心から直径６ｍｍの部分だけが露出
するように粘着テープに円形の穴を開けて貼着した。そ
して、上記シリコン単結晶基板を石英円板ごとエッチン
グ液（フッ化水素酸、硝酸、氷酢酸、３：５：３）に浸
し、露出部分のみをエッチングして厚みを薄くさせる。
エッチング液は操作中、充分な撹拌を行った。また、露
出部分のエッチングが進行してその厚みが１０μｍ程度
になったことを感知するために、エッチング容器（ポリ
エチレン製）の下面より強力な光を当てて透過光を観察
した。十数分後エッチング面に赤色の透過光を認めたら
直ちにシリコン単結晶基板を引き上げ、水洗した後にマ
スク（粘着テープ）を除去し、有機溶媒で充分な洗浄を
行った。

【００１７】選択エッチング液は、ガラスビーカー内に
エチレンジアミン１７ｍｌ、ピロカテコール５ｇ、水８
ｍｌの割合で混合し、ホットプレート上で１００〜１１
０℃に加熱して調製した。この液中に上記シリコン単結
晶基板を投入すると、数分〜十数分後にシリコン単結晶
基板のエッチング面が高濃度不純物層に到達したことが
透過光の観察から認められた。さらに観察を継続し、均
一な厚みの層が充分な面積に広がったところでシリコン
単結晶基板を引き上げ、７８℃程度の高温のエタノール
中で充分な洗浄を行った。

【００１８】さらに、表面の酸化物層は、シリコン単結
晶基板をフッ化水素酸１０％水溶液からなる除去エッチ
ング液中に５〜２０分程度浸すことによって除去した。

【００１９】得られた、一部に均一な厚みの薄層（自己
支持薄膜）が形成されたシリコン単結晶基板は、自己支
持薄膜が極めて薄く、均一であった。このシリコン単結
晶基板を、２．７ＭｅＶのヘリウムビームを用いたラザ
フォード後方散乱分光分析法（ＲＢＳ法）によって測定
した結果を図４に示す。ＲＢＳスペクトルの解析から、
自己支持薄膜の厚みが約１．２８μｍであることがわか
る。また、同図では同じ工程で作成した異なるシリコン
単結晶基板によるスペクトルを比較したが、両者の膜厚
は数％以内の範囲で一致していることがわかる。自己支
持薄膜の厚みは０．５ＭｅＶのボロンイオンのシリコン
中での平均投影飛程（約１．１８μｍ、図２参照）に対
応している。さらに、シリコン単結晶基板を用いて１．
８ＭｅＶのヘリウムビームによるＲＢＳ−チャネリング
の測定結果を図５に示す。同図には、シリコン単結晶基
板の結晶軸（〈１００〉軸）に平行にヘリウムイオンを
入射した場合（アライン）と結晶軸から５°ずらして入
射した場合（ランダム）のＲＢＳスペクトルを比較して
示している。前者は後者に比して充分低いカウント数を
示し、厚い単結晶を用いた測定との比較から、形成され
た自己支持薄膜はほぼ完全に近い単結晶の構造を保って
いることが認められた。

【００２０】以上本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明は前記した実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りど
のようにでも実施することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、積層デバ
イスの作成、薄膜構成を必要とするセンサー、ＳＯＲ等
からのＸ線の高分解能の分離等多種の用途に利用できる
高品質のシリコン単結晶自己支持薄膜を製造するもので
ある。そして、例えば薄膜の両面を利用することにより
機能が著しく向上する多機能デバイスの基板、高エネル
ギーイオンのイオン種を弁別するための透過型検出器、
赤外線や温度センサー等薄膜化によって著しく性能が向
上するセンサー類、ＳＯＲ等のＸ線を高度に利用するた
めに用いられるフィルター、スプリッター等、マイクロ
マシンの部品製造工程におけるマシンニングの一環（薄
膜化工程）、など種々の応用分野に適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】０．５ＭｅＶでシリコン単結晶基板に注入され
たボロン濃度の深さ分布を示すグラフである。

【図２】注入ボロンの深さと注入エネルギーの関係を示
すグラフである。

【図３】単結晶自己支持薄膜の作成手順を模式的に示す
概略断面図である。

【図４】２．７ＭｅＶのヘリウムビームによる単結晶自
己支持薄膜のＲＢＳスペクトルである。

【図５】１．８ＭｅＶのヘリウムビームによる単結晶自
己支持薄膜のＲＢＳ−チャネリング測定結果を示すグラ
フである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/265 21/306

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶基板中に注入ボロンイオ
   ンにより高濃度不純物層を形成すると共に熱処理により
   表面に酸化膜を形成して難腐食層とし、さらに高速マス
   クエッチング、選択エッチング、及び酸化物層の除去エ
   ッチングを施すようにしたことを特徴とするシリコン単
   結晶自己支持薄膜の製造法。
2. 【請求項２】 注入ボロンイオンのエネルギーにより膜
   の厚みを制御せしめるようにしたことを特徴とする請求
   項１記載のシリコン単結晶自己支持薄膜の製造法。