DE69332231T2 - Halbleitersubstrat und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Halbleitersubstrat und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats und Kompositelements, das zum Erhalten eines Halbleitersubstrats geeignet ist. Im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das für dielektrische Isolierung, und elektronische Vorrichtungen und integrierte Schaltungen, die in einer monokristallinen Halbleiterschicht auf einem Isolator gebildet sind, geeignet sind.
    • Verwandter Stand der Technik
  • Die Bildung einer monokristallinen Si-Halbleiterschicht auf einem Isolator ist als eine Silicium auf Isolatortechnik (SOI) wohlbekannt. Viele Untersuchungen sind diesbezüglich unternommen worden, da die Vorrichtungen, die durch die SOI-Technik gemacht worden sind, viele Vorteile besitzen, welche mit einem Bulk-Si- Substrat zum Herstellen gewöhnlicher integrierter Si- Schaltungen nicht erreichbar sind. Die Vorteile, die durch die SOI-Technik ermöglicht werden, sind wie folgt:
  • 1. Erleichterung der dielektrischen Separierung, und Praktikabilität einer hohen Integration,
  • 2. Hohe Widerstand gegen radioaktive Strahlen,
  • 3. geringe Flusskapazität, und Praktikabilität von hoher Verfahrensgeschwindigkeit,
  • 4. Praktikabilität des Weglassens eines Quellschrittes,
  • 5. Praktikabilität der Verhinderung eines Durchbrennens [latching up],
  • 6. Praktikabilität von Dünnfilmbildung für einen Feldeffekttransistor vom vollständigen Verarmungstyp, usw.
  • Um die zuvor erwähnten Vorteile in Vorrichtungseigenschaften zu realisieren, sind Untersuchungen in Bezug auf Verfahren zum Bilden der SOI- Struktur in den letzten Dekaden gemacht worden. Die Ergebnisse der Untersuchungen können aus der Literatur ersehen werden, z. B.: Spezialausgabe: "Einkristallsilicium auf Nichteinkristallisolatoren"; herausgegeben von G. W. Cullen, Journal of Crystal Growth, Band 63, Nr. 3, Seiten 429 bis 590 (1983).
  • Früher ist die SOS-Technik (Silicium-auf-Saphir) bekannt gewesen, welche heteroepitaxiales Si auf monokristallinem Saphirsubstrat durch CVD (chemische Dampfabscheidung) bildet. Obwohl diese Technik als vollständig entwickelte SOI-Technik erfolgreich ist, ist diese auf Grund von vielen Kristalldefekten, die durch unzureichendes Zusammenpassen des Gitters an der Grenzfläche zwischen der Si-Schicht und dem darunterliegenden Saphirsubstrat, Wanderung von Aluminium aus dem Saphirsubstrat in die Si- Schicht verursacht wird, und darüberhinaus die hohen Kosten des Substrats und die Schwierigkeit beim Vergrößern von dessen Fläche nicht weit verbreitet.
  • In den letzten Jahren ist man dabei, die SOI-Struktur ohne Verwendung des SOI-Substrats zu realisieren.
  • Dieser Versuch ist mit zwei Verfahren gemacht worden:
  • (1) Verfahren, die Schritte des Oxidierens einer Oberfläche eines monokristallinen Si-Substrats, Bilden einer Öffnung in der oxidierten Schicht, um das SOI- Substrat teilweise abzudecken, epitaxiales Wachsenlassen von Si in einer lateralen Richtung unter Verwendung des abgedeckten Si als der Keim, um eine monokristalline Si- Schicht auf dem SiO&sub2; bilden (Abscheidung von Si auf SiO&sub2;), und
  • (2) Verfahren zum Bilden von SiO&sub2; unter einem monokristallinem Si-Substrat durch Verwendung des monokristallinen Si-Substrats selbst als die aktive Schicht (keine Abscheidung der Si-Schicht).
  • Die Mittel zum Ausführen des vorstehenden Verfahrens (1) beinhalten: direktes Epitaxialwachstum einer monokristallinen Si-Schicht in einer lateralen Richtung durch CVD; Abscheidung von Si und anschließendes Epitaxialwachstum im Festkörper in einer lateralen Richtung durch Wärmebehandlung; Wachstum von amorphen oder polykristallinen Si in die monokristalline Schicht durch Schmelzrekristallisation, indem darauf ein Energiestrahl, wie etwa Elektronenstrahl und Laserlicht, fokussiert wird; und Zonenschmelzrekristallisation durch ein langes Heizgerät. Diese Verfahren besitzen sowohl Vorteile als auch Nachteile, wobei noch Probleme in Bezug auf die Steuerbarkeit, Produktivität, Gleichförmigkeit und Qualität der Produkte bestehen. Daher ist keine dieser Verfahren industriell angewendet worden.
  • Zum Beispiel benötigt das CVD-Verfahren eine aufwendige Oxidation. Das Festkörperwachstum führt zu geringer Kristallinität. Das Strahlhärtungsverfahren wirft Probleme in Bezug auf die Behandlungszeit, Steuerung von Überlagerung des Strahls und der Fokuseinstellung auf. Unter den vorstehenden Verfahren ist die Zonenschmelzrekristallisation am weitesten entwickelt, und ist für die experimentelle Herstellung von relativ großen integrierten Schaltungen angewendet worden. Dieses Verfahren verursacht jedoch noch Kristalldefekte, wie etwa Subkorngrenzen, etc., und ergibt keine Minoritätsträgervorrichtung.
  • Die vorstehenden Verfahren (2) welche nicht das Si- Substrat als die Keime für Epitaxialwachstum verwenden, werden auf drei nachstehende Wege angewendet:
  • 1. Eine Oberfläche eines monokristallinen Si-Substrats wird anisotrop geätzt, um V-förmige Gruben auf der Oberfläche zu bilden. Ein Oxidfilm wird darauf gebildet. Auf dem Oxidfilm wird eine polykristalline Si-Schicht in eine Dicke abgeschieden, die nahezu gleich wie das Si- Substrat ist. Dann wird das Si-Substrat an der Rückseite abgeschliffen, um dielektrisch separierte monokristalline Si-Bereiche zu bilden, die von den V-förmigen Gruben auf der dicken polykristallinen Si-Schicht umgeben sind. Obwohl diese Technik eine ausreichende Kristallinität ergibt, wirft diese Technik Probleme in Bezug auf die Steuerung und Produktivität in dem Verfahren der Abscheidung von polykristallinem Si in einer Dicke von mehr als einige hundert um und in dem Verfahren zum Abschleifen des monokristallinen Si-Substrats von der Rückseite, um nur die separierte aktive Si-Schicht zurückzulassen, auf.
  • 2. Eine SiO&sub2;-Schicht wird auf einer monokristallinen Si- Schicht durch Sauerstoffionenimplantation gebildet. Dieses Verfahren wird SIMOX (Separierung durch ionenimplantiertem Sauerstoff) genannt. Dieses Verfahren zeigt eine herausragende Kohärenz mit dem Si-Verfahren, und ist die am weitesten entwickelte Technik zur Zeit. Jedoch benötigt das Verfahren eine Implantierung von Sauerstoffionen in einer Menge von 10¹&sup8; Ionen/cm², um die SiO&sub2;-Schicht zu bilden, und die Implantation benötigt eine lange Zeit, so dass die Produktivität nicht hoch ist, und die Waferkosten hoch sind. Darüberhinaus besitzt das Produkt viele verbleibende Kristalldefekte, und weist keine ausreichende Qualität zur industriellen Herstellung von Minoritäts-Trägervorrichtungen auf.
  • 3. Die SOI-Struktur wird durch dielektrische Separierung durch Oxidation von porösem Si gebildet. In diesem Verfahren wird auf einer Oberfläche eines monokristallinen Si-Substrat vom P-Typ eine Si-Schicht vom N-Typ in einer Inselform durch Protonenionenimplantation (Imai, et al.: J. Crystal Growth, Band 63, 547, (1983)) gebildet, oder durch Epitaxialwachstum und Mustern, dann wird das Si-Substrat vom P-Typ allein durch anodische Oxidation in einer HF- Lösung porös gemacht, um so die inselförmigen Si-Bereiche zu umgeben, und die Si-Insel vom N-Typ werden dielektrisch durch beschleunigte Oxidation separiert. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass die Freiheit im Vorrichtungsdesign häufig beschränkt ist, da der Si-Bereich, der separiert wird, vor dem Vorrichtungsherstellungsverfahren bestimmt werden muss.
  • Zum Beispiel offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 53-45675 ein Verfahren zum Bilden von SOI, in welchem man eine monokristalline Siliciumschicht auf einer porösen Schicht oder einer porösen isolierenden Schicht wachsen lässt. In diesem Verfahren wird eine poröse Schicht in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt, um die Schicht von hohem Widerstand zu ergeben, wodurch eine SOI-Struktur erhalten wird. Obwohl dieses Verfahren mehr als 10 Jahre zuvor vorgeschlagen worden ist, ist es praktisch nicht verwendet worden. Dies beruht darauf, dass das poröse Material thermisch instabil ist und eine ungleichförmige Struktur aufweist. In dem porösen Material werden extrem feine Poren in monokristallinem Silicium gebildet. Die Dicke der monokristallinen Siliciumschicht, die zwischen den Poren verbleibt, kann in dem Bereich von so wenig wie von einigen nm bis einigen 10 nm hergestellt werden. Ein derartiges poröses Silicium ist mit einer viel größeren Reaktionsgeschwindigkeit als normales monokristallines Silicium oxidierbar. Indem dieses Phänomen verwendet wird, kann das SOI durch selektives Oxidieren des porösen unteren Teils der monokristallinen Schicht hergestellt werden. Dieses Verfahren beinhaltet jedoch den Nachteil, dass eine ausreichende isolierende Schicht auf Grund des verbleibenden Siliciums in der isolierenden Schicht nicht leicht gebildet werden kann und eine Variation der Dicke der Oxidschicht, welche durch die Ungleichförmigkeit der Größe der Siliciumbereiche, die in der porösen Schicht verbleiben, verursacht werden. Dieses Verfahren beinhaltet einen weiteren Nachteil, dass das poröse Material eine gröbere Struktur während der Wärmebehandlung bei der hohen Temperatur, die für die Oxidation benötigt wird, annimmt, wobei die Rate der Oxidation fällt. Wenn das poröse Silicium oder ein poröses Material mit hohem Widerstand auf dem Substrat verbleibt, induziert dieses darüberhinaus eine Denaturierung, wie etwa Strukturänderung oder Vergröberung der porösen Struktur, bei der Wärmebehandlung zur Bildung eines Elements auf dem Substrat, welche dazu tendiert, eine Wölbung oder Verwindung des Substrats zu verursachen.
  • Andererseits ermöglicht ein lichtdurchlässiges Substrat, das durch Glas typifiziert wird, dass Si nur in einer amorphen oder polykristallinen Schicht unter dem Einfluss der Umlagerung von dessen Kristallstruktur wächst, und ist zur Herstellung von Vorrichtungen mit hoher Leistung ungeeignet. Einfache Abscheidung von Si auf einem derartigen Substrat wird keine herausragende Monokristallschicht wegen der amorphen Struktur des Substrats ergeben. Das lichtdurchlässige Substrat ist beim Konstruieren eines Kontaktsensors als Lichtempfangselement, als ein Flüssigkristallbildanzeigegerät vom Projektionstyp und dergleichen wichtig. Um einen Sensor oder ein Anzeigegerät mit Bildelementen (Bildelementen) in höherer Dichte bereitzustellen, wird eine höhere Auflösung und höhere Feinheit, extrem hohe Leistung des Antriebselements benötigt. Daher muss das Element auf einem lichtdurchlässigen Substrat aus einer monokristallinen Schicht mit herausragender Kristallinität hergestellt werden.
  • Mit anderen Worten, es wird aufgrund vieler Defekte in der Kristallstruktur im allgemeinen nicht möglich sein, mit armophen Si oder polykristallinen Si ein Antriebselement herzustellen, welches aktuell oder in der Zukunft benötigte ausreichende Leistung aufweist.
  • Auf einem lichtdurchlässigen Substrat ist jedoch keines der vorstehenden Verfahren für ein monokristallines Si- Substrat zum Bilden einer herausragenden monokristallinen Schicht geeignet.
  • "Niedrig-Druckdampfphasenepitaxie von Silicium auf porösem Silicium" von L. Vescan et al. in Material Letters, Band 7, Nr. 3 (September 1988), Seiten 94 bis 98 offenbart Epitaxialabscheidung von Silicium auf porösem monokristallinem. Silicium. Die Siliciummikrostruktur wird durch einen Präoxidationsschritt porös gemacht, um eine sehr dünne Oxid-Schicht entlang den porösen Wänden zu bilden, welche eine Oberflächensiliciumwanderung und Restrukturierung der porösen Siliciummikrostruktur während der anschließenden Hochtemperaturbehandlung verhindert. Auf diesem porösen Silicium kann monokristallines Silicium durch Niedrigdruckdampfphasenepitaxie bei viel niedrigeren Temperaturen als bei der herkömmlichen CVD-Epitaxie wachsen. Folglich können Epitaxialschichten von sehr guter kristalliner Qualität erhalten werden.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleitersubstrat bereitzustellen, welches frei von den vorstehenden Problemen ist und die vorstehenden Erfordernisse erfüllt, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats mit SOI-Struktur herzustellen, welche das starke Vergröbern der porösen Struktur bei hohen Temperaturen bei dem Epitaxialwachstum und dem Substratbindungsverfahren verhindert.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleitersubstrat bereitzustellen, welches den Vorteil der herkömmlichen SOI-Struktur besitzt und auf verschiedene elektrische Vorrichtungen mit hoher Leistung anwendbar ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleitersubstrat bereitzustellen, welches anstelle von teueren SOS und SIMOX bei der Herstellung von integrierten Schaltungen in industriellem Maßstab nützlich ist, und ein Verfahren zur deren Herstellung bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das auf einer isolierenden Schicht eine Si-Schicht mit einer Kristallinität, die so hoch wie ein mikrokristalliner Wafer ist, mit einem Vorsprung bei der Produktivität, Gleichförmigkeit, Steuerbarkeit und Kosten bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats bereitzustellen, das auf einer transparenten (lichtdurchlässigen) Basisplatte, eine Si-Schicht mit einer Kristallinität, die so hoch wie ein monokristalliner Wafer ist, mit einem Vorsprung bei der Produktivität, Gleichförmigkeit, Steuerbarkeit und den Kosten herzustellen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1A bis 1E sind schematische Ansichten zum Erläutern eines Beispiels dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine Zeichnung; die die Ätzeigenschaften von porösem Silicium und nichtporösem Silicium zeigt.
  • Fig. 3A bis 3E sind schematische Ansichten zum Erläutern eines anderen Beispiels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 4A bis 4E sind schematische Ansichten zum Erläutern eines anderen Beispiels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 definiert, bereit. Bevorzugte Ausführungsformen werden in Ansprüchen 5 bis 35 bekannt gemacht, und alternative Ausführungsformen der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden in Anspruch 36 definiert. Die vorliegende stellt auch ein Kompositelement gemäß Ansprüch 37 bereit.
  • In der vorliegenden Erfindung verhindert das Bilden eines Schutzfilm auf der Seitenwand der Poren der porösen Siliciumschicht die Bildung einer groben Struktur in der porösen Siliciumschicht, und behält die Selektivität des Ätzens bei. Daher ist die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur praktikabel, um nicht poröses monokristallines Silicium mit hoher Kristallinität zu bilden oder eine starke Bindung auszubilden. Dabei ist eine monokristalline Si-Schicht mit extrem wenigen Defekten oder schwachen Bindungspunkten auf einem Basiselement erhältlich, welches eine isolierende Schicht auf der Oberfläche oder auf einem lichtdurchlässigen Basiselement aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung wird in größerem Detail anhand der Ausführungsbeispiele ersichtlich.
    • Ausführungsform 1
  • Es wird ein Verfahren erläutert, in welchem ein Si- Substrat porös gemacht wird und es darauf einer monokristallinen Schicht ermöglicht wird, epitaxial zu wachsen.
  • Ein monokristallines Si-Substrat 11 wird bereitgestellt und wie in Fig. 1A gezeigt, ganz porös gemacht oder teilweise, wie in Fig. 4A gezeigt, wodurch eine poröse Schicht 15 gebildet wird.
  • Das Si-Substrat wird durch anodische Oxidation in einer HF-Lösung porös gemacht. Während die Dichte des monokristallinen Si 2,33 g/cm³ beträgt, kann die Dichte der porösen monokristallinen Si-Schicht 15 von 0,6 bis 1,1 g/cm³ variiert werden, indem die Konzentration der HF-Lösung in dem Bereich von 20 bis 50% variiert wird. Die poröse monokristalline Si-Schicht 15 tendiert dazu, leicht in ein Substrat vom P-Typ auf Grund der folgenden Gründe gebildet zu werden. Die Poren, die gebildet werden, besitzen einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 5 nm (50 Å) bis ungefähr 60 nm (600 Å) gemäß der Beobachtung durch Transmiäsionselektronenmikroskopie.
  • Das poröse monokristalline Si wurde im Verlauf des Studiums des Elektropolierens von Halbleitern im Jahr 1956 durch A. Uhlir et al. (A. Uhlir et al.: Beil Syst. Tech. J., Band 35, Seite 333 (1956)) gefunden. Die Auflösungsreaktion von Si bei der anodischen Oxidation wurde durch Unagami studiert, der berichtete, dass positive Löcher für die anodische Reaktion von Si in einer HF-Lösung benötigt werden und die Reaktion gemäß den nachstehenden Formeln voranschreitet (T. Unagami: J. Electrochem. Soc., Band 127, Seite 476 (1980)):
  • Si + 2HF + (2-n)e&spplus; → SiF&sub2; + 2H&spplus; + ne&supmin;
  • SiF&sub2; + 2HF → SiF&sub4; + H&sub2;
  • SiF&sub4; + 2HF → H&sub2;SiF&sub6;
  • oder anders:
  • Si + 4HF + (4-λ)e&spplus; → SiF&sub4; + 4H&spplus; + λe&supmin;
  • SiF&sub4; + 2HF → H&sub2;SiF&sub6;
  • wobei e&spplus; und e&supmin; jeweils ein positives Loch und ein Elektron darstellen; n und λ jeweils die Zahl der positiven Löcher darstellen, die zum Auflösen eines Atoms von monokristallinem Si benötigt werden und es wurde auch berichtet, dass poröses Silicium gebildet wird, wenn n > 2, oder λ > 4.
  • Demgemäß wird Si vom P-Typ mit positiven Löchern leicht porös gemacht. Diese Selektivität bei der Bildung einer porösen Struktur ist tatsächlich durch Nagano et al. bewiesen wurden (Nagano, Nakajima, Yasuno, Ohnaka und Kajihara: Densi Tsushin Gakkai Gijutsu Kenkyu Hokoku (Technical Bulletin of Electronic Communication Society) Band 79, SSD 79-9549 (1979)) und K. Imai: Solid State Electronics, Band 24, Seite 159 (1981)). Folglich kann das Silicium vom P-Typ mit positiven Löchern selektiv porös gemacht werden.
  • Andererseits wird auch berichtet, dass Hochkonzentrationssilicium vom N-Typ auch porös gemacht werden kann (R. P. Holmstorm, I. J. Y. Chi: Appl. Phys. Lett. Band 42, Seite 386 (1983)). Deshalb ist es wichtig, das Substrat auszuwählen, das porös gemacht werden kann, unabhängig davon, ob die Struktur vom P-Typ oder vom N- Typ ist.
  • Nachdem das monokristalline Siliciumsubstrat porös gemacht worden ist, wird ein Schutzfilm auf der Seitenwand der Poren der porösen Schicht, wie in Fig. 1B oder Fig. 4B gezeigt, gebildet.
  • Der Schutzfilm wird aus einem Material hergestellt, das Siliciumoxid, Siliciumnitrid, etc. einschließt. Der Schutzfilm wird durch Abscheidung oder Adhäsion eines anderen Films, oder durch Denaturierung des Si selbst, durch chemische Reaktion gebildet. Im einzelnen wird der Schutzfilm z. B. gebildet durch: (1) Oxidationsbehandlung, wie etwa thermische Oxidation, Oxidation durch Sauerstoffplasma, und Eintauchen in eine oxidierende Lösung; (2) Nitridierungsbehandlung, wie etwa Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre oder einer Ammoniakatmosphäre, und Nitridierung durch Ammoniakplasma; und ähnliche Verfahren. Jedoch ist der Schutzfilm nicht hierauf begrenzt, sondern ein beliebiger Schutzfilm kann verwendet werden, welcher das Epitaxialwachstum und das Binden in den nachfolgenden Schritten ermöglicht.
  • Die Oxidation und die Nitridierung schreitet von der Wand der Poren zu dem Inneren davon in dem porösen Material voran. Es ist wichtig, dass die Oxidation gestoppt wird, bevor alles der porösen Schicht oxidiert wird und der Si- Bereich verlorengeht, und dass die Monokristallinität des Si erhalten wird. Die Monokristallinität vom Si wird durch Röntgenstrahldiffraktion, Rutherford backscattering-Spektoskopie, etc. bestätigt. Die Dicke des Schutzfilms wird abhängig von der porösen Substanz entschieden, und ist vorzugsweise in dem Bereich von 1 nm bis 40 nm, weiter bevorzugt 2 nm bis 30 nm. Die Bildung des Schutzfilms wird vorzugsweise bei geringer Temperatur ausgeführt, wobei eine Strukturänderung oder Verbreiterung der porösen Substanz nicht auftritt. Die Temperatur ist vorzugsweise in dem Bereich von 100ºC bis 900ºC, weiter bevorzugt von 200ºC bis 700ºC. Insbesondere ist bei der thermischen Oxidation die Temperatur vorzugsweise nicht geringer als 400ºC.
  • In der zuvor erwähnten Oxidation in einer oxidierenden Lösung beinhaltet die oxidierende Lösung eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung, Schwefelsäurelösung, und Salpetersäurelösung, und Mischungen von wässrigen Wasserstoffperoxid mit einer Säure, wie etwa Schwefelsäure, Salpetersäure und Salzsäure, aber ist nicht hierauf begrenzt.
  • Anschließend wird auf der porösen Oberfläche des Substrats eine dünne monokristalline Schicht 12, wie in Fig. 1C oder Fig. 4C gezeigt, durch ein beliebiges Epitaxialwachstumsverfahren gebildet. Sofern notwendig wird vor dem Epitaxialwachstum die Oxidschicht auf der porös gemachten Substratoberfläche der Oxidschichten, die durch die Oxidationsbehandlung gebildet wurde, durch Ätzen mit wässriger Flusssäure oder einem anderen Verfahren entfernt.
  • In der porösen Si-Schicht werden Poren von ungefähr 60 nm (600 Å) durchschnittlichen Durchmessers gemäß Beobachtung mit Transmissionselektronenmikroskopie gebildet. Obwohl die Dichte davon die Hälfte oder weniger als die Dichte von monokristallinem Si beträgt, wird die Monokristallinität erhalten, und Epitaxialwachstum von monokristallinem Si ist auf der Oberfläche praktikabel. Jedoch tritt eine Umlagerung der internen Poren beim Epitaxialwachstum bei einer Temperatur oberhalb 1000ºC auf, welches die Eigenschaften von verstärktem Ätzen verschlechtert. Daher wird das Epitaxialwachstum einer Si-Schicht vorzugsweise durch ein Niedrigtemperaturwachstumsverfahren, wie etwa Molekularstrahlepitaxialwachstum, Plasma-CVD, thermische CVD, fotoassistierte CVD, Bias sputtering, Flüssigphasenwachstum, etc. ausgeführt.
  • Bei dem Epitaxialwachst um auf porösem Si, kann die Spannung, die bei dem Epitaxialwachstum verursacht wird, entspannt werden, und die Entwicklung von Defekten kann durch Struktureigenschaften des porösen Si verhindert werden.
  • Die poröse Schicht besitzt eine Dichte, die die Hälfte oder weniger als die Dichte der nichtporösen Schicht auf Grund der großen Menge an Hohlräumen in dessen Inneren beträgt, und besitzt einen größeren Oberflächenbereich bezögen auf das Volumen. Folglich ist die Rate des chemischen Ätzens wesentlich vergrößert verglichen mit derjenigen einer normalen monokristallinen Schicht.
  • Die bekannten Verfahren für das Ätzen von porösem Si beinhalten:
  • (1) Ätzen von porösem Si mit wässriger NaCH-Lösung (G. Bonchil, R. Herino, K. Barla und J. C. Pfister: J. Electrochem. Soc., Band 130, Nr. 7, Seite 1611 (1983)), und
  • (2) Ätzen von porösem 31 mit einer Ätzlösung, die monokristallines 31 ätzen kann.
  • In dem vorstehenden Verfahren (2) wird eine Ätzlösung von Flusssäuresalpetersäuretyp normalerweise verwendet. Mit dieser Ätzlösung schreitet das Ätzen voran, wobei durch Oxidation von 31 durch Salpetersäure SiO&sub2; gebildet wird und anschließend das resultierende SiO&sub2; durch Flusssäure, wie nachstehend gezeigt, geätzt wird:
  • Si + 2O → SiO&sub2;
  • SiO&sub2; + 4HF → SiF&sub4; + 2H&sub2;O
  • Die bekannten Verfahren zum Ätzen von kristallinem Si beinhalten Ätzen mit einer Ätzlösung vom Ethylendiamintyp, KOH-Typ, Hydrazintyp oder dergleichen genauso wie die vorstehende Ätzlösung vom Flusssäure- Salpetersäuretyp.
  • Das selektive Ätzen von porösem Si, welches insbesondere effektiv und wichtig in der vorliegenden Erfindung ist, verwendet Flusssäure oder eine gepufferte Flusssäure, welche keine Ätzwirkung für kristallines Si besitzt. Bei diesem Ätzen kann eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung zusätzlich zu einem oxidierenden Mittel verwendet werden. Die Reaktionsrate kann gesteuert werden, indem das Verhältnis der Zugabe des Wasserstoffperoxids geändert wird. Ein Alkohol kann zugegeben werden, welcher als ein oberflächenaktives Mittel dient, um sofort die Bläschen des gasförmigen Reaktionsproduktes aus der Ätzoberfläche zu entfernen, und es ermöglicht, das poröse Si gleichförmig und effizient zu ätzen.
  • Eine vorläufige Oxidation des porösen Siliciums beschleunigt das Ätzen der porösen Siliciumschicht durch Flusssäure. Da die Siliciumwand der porösen Schicht dünn gemacht wird, ist ferner die Ätzrate praktisch um 20% erhöht, wodurch die Selektivität des Ätzens der porösen monokristallinen Siliciumschicht relativ zu der nichtporösen monokristallinen Siliciumschicht erhöht wird. Fig. 2 zeigt die Ätzeigenschaften des porösen Siliciums und des hichtporösen Siliciums. In Fig. 2 zeigt die durchgezogene Linie das Voranschreiten des Ätzens des oxidierten porösen Siliciums, und die gestrichelte Linie zeigt diejenige des nichtoxidierten porösen Siliciums.
  • Bei einer thermischen Behandlung mit hoher Temperatur wird das poröse Si einer Umlagerung und insbesondere Vergröberung der Poren unterzogen, was zu einer Abnahme der Ätzrate führt. Jedoch unterdrückt die Oxidation des porösen Si die Vergröberung der Poren in der porösen Schicht und verhindert die Abnahme der Ätzrate der porösen Schicht, sogar, wenn eine Behandlung später mit hoher Temperatur für Hochtemperaturwachstum durchgeführt wird, um eine nichtporöse monokristalline Siliciumschicht mit hoher Kristallinität zu bilden und die Bindung an das Substrat zum verstärken. Insbesondere, wenn eine Lösung vom Flusssäuretyp verwendet wird, beschleunigt die Oxidation des porösen Siliciums das Ätzen der porösen Schicht um 20% im Vergleich mit dem nichtoxidierten porösen Silicium sogar nach der Hitzebehandlung.
  • Anschließend wird, wie in Fig. 1D und Fig. 4D gezeigt, die Oberfläche der monokristallinen Si-Schicht 12 auf dem porösen Si-Substrat 14 an die Oberfläche eines zweiten Substrats 13, das aus einem Basismaterial, wie etwa einer Siliciumbasis und einer darauf gebildeten Isolierungsschicht, gebildet ist, oder an ein lichtdurchlässiges Substrat 13 gebunden.
  • Vor dem Binden kann eine Oxidschicht auf der Oberfläche der monokristallinen Schicht 12 auf dem porösen Si gebildet werden, um zuvor eine Grenzfläche zwischen der monokristallinen Siliciumschicht und der isolierenden Schicht zu bilden. Die Oxidschicht spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung einer Vorrichtung. D. h., bezüglich dem Grenzflächenniveau, das durch eine Grenzfläche mit einer darunterliegenden Basis einer aktiven Si-Schicht verursacht wird, kann das Niveau der Grenzfläche mit einer darunterliegenden Basis, die durch Oxidation einer monokristallinen Siliciumschicht gebildet wird, kleiner gemacht werden als diejenige einer Bindungsfläche insbesondere mit Glas. Mit anderen Worten, indem eine Bindungsgrenzfläche von einer aktiven Schicht weg gehalten wird, wird das Energieniveau, welches in der gebundenen Grenzfläche verursacht werden kann, weggehalten, wobei die Leistung der elektronischen Vorrichtung bemerkenswert verbessert wird. Die monokristalline Si-Schicht auf porösem Si, auf der Oberfläche von welcher eine Oxidschicht gebildet wird, kann an ein gewünschtes Substrat, wie etwa ein Si- Substrat gebunden werden.
  • Danach wird das poröse Si-Substrat 14 gänzlich durch chemisches Ätzen entfernt, um ein Substrat zu erhalten, welches aus einer Basisplatte mit einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche davon oder einer lichtdurchlässigen Basisplatte und einer dünnen geschichteten monokristallinen Siliciumschicht, die darauf verbleibt, zusammengesetzt ist. Vor dem Ätzen kann ein Ätzverhinderungsfilm auf dem Teil, das von dem porösen Siliciumteil verschieden ist, gebildet werden. Zum Beispiel werden die beiden aneinander gebundenen Substrate durch Abscheidung von Si&sub3;N&sub4; gänzlich beschichtet, und der Teil des Si&sub3;N&sub4; auf der porösen Siliciumoberfläche wird vor dem Ätzen entfernt. Als der Ätzverhinderungsfilm kann Apiezonwachs anstelle des Si&sub3;N&sub4; verwendet werden.
  • Wenn das Si-Substrat teilweise porös gemacht wird, wie in Fig. 4D gezeigt, wird der nichtporöse Teil des Substrats entfernt, um die poröse Schicht durch Schleifen oder Abrasion abzudecken, oder Ätzen mit einer Mischung aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure, oder einer anderen Ätzlösung, wie sie bei der Si-Waferherstellung gewöhnlich verwendet wird.
  • Fig. 1E und Fig. 4E veranschaulichen jeweils ein Halbleitersubstrat, das gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, in welchem eine monokristalline Si-Schicht 12 mit einer Kristallinität, die ähnlich einem Siliciumwafer ist, in einer Gestalt einer gleichförmig flachen dünnen Schicht in einer großen Fläche auf dem Substrat 12 mit einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche oder ein lichtdurchlässiges Substrat 13 über den gesamten Wafer gebildet wird.
  • Das resultierende Halbleitersubstrat kann in geeigneter Weise zur Herstellung von dielektrisch isolierten elektronischen Elementen verwendet werden.
    • Ausführungsform 2
  • Ein anderes Beispiel der Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Substrats der vorliegenden Erfindung wird im Detail anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 3A bis 3E veranschaulichen schematisch die Schritte der Herstellung eines Halbleitersubstrats der vorliegenden Erfindung durch Querschnittsansichten.
  • Zunächst wird, wie in Fig. 3A gezeigt, auf der Oberfläche eines monokristallinen Si-Substrats vom P-Typ 31 eine Schicht mit niedriger Verunreinigungsdichte 32 durch ein Dünnfilmwachstumsverfahren epitaxial gebildet, oder es wird auf andere Weise eine monokristalline Schicht vom N- Typ 32 durch Protonenionimplantation gebildet.
  • Dann wird, wie in Fig. 3B gezeigt, das monokristalline Si-Substrat vom P-Typ 31 von der Rückseite durch anodische Oxidation durch Verwendung einer HF-Lösung porös gemacht, um eine poröse Si-Schicht 33 (33') zu bilden. Während die Dichte des monokristallinen Si 2,33 g/cm³ beträgt, kann die Dichte der porösen monokristallinen Si-Schicht 33 (33') von 1,1 bis 0,6 g/cm³ variiert werden, indem die Konzentration der HF- Lösung in dem Bereich von 50 bis 20% variiert wird. Die poröse Schicht wird in einem Substrat vom P-Typ, wie zuvor beschrieben, gebildet. Nach der Bildung der porösen Struktur in dem monokristallinem Siliciumsubstrat wird ein Schutzfilm auf der Seitenwand der Poren der porösen Schicht, wie in Fig. 3C gezeigt, gebildet. Beim Bilden der Schutzschicht wird auch das Verfahren, wie in Ausführungsform 1 beschrieben, verwendet.
  • Dann wird, wie in Fig. 3D gezeigt, ein Substrat 34 mit einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche an die Oberfläche der monokristallinen Si-Schicht 32 (32') auf dem porösen Si-Substrat 35 oder an die oxidierte Oberfläche der monokristallinen Si-Schicht 32 (32') gebunden. Eine Oxidschicht kann auf der monokristallinen Si-Schicht auf der porösen Si-Schicht gebildet werden und kann an ein gewünschtes Substrat, wie etwa ein Si- Substrat, gebunden werden.
  • Die poröse Schicht 35 des porösen Si-Substrats wird gänzlich durch Ätzen entfernt, um ein Substrat mit einer isolierenden Schicht darauf und eine dünne monokristalline Siliciumschicht, die darauf verbleibt, wie in Fig. 3E gezeigt, zu erhalten.
  • Fig. 3E veranschaulicht ein Halbleitersubstrat, das gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird, in welchem eine monokristalline Si-Schicht 32 (32') mit einer zu einem Siliciumwafer ähnlichen Kristallinität in der Gestalt einer gleichförmig flachen dünnen Schicht in einer großen Fläche auf einem Substrat 34 mit einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche oder ein lichtdurchlässiges Substrat 34 über den gesamten Wafer gebildet wird.
  • Das resultierende Halbleitersubstrat kann in geeigneter Weise zur Herstellung von dielektrisch isolierten elektronischen Elementen verwendet werden.
  • In der vorstehenden Ausführungsform wird eine Schicht vom N-Typ vor der Bildung der porösen Struktur gebildet, und anschließend wird der Teil vom P-Typ des Substrat allein selektiv porös gemacht.
  • Die vorliegende Erfindung wird in größerem Detail anhand von spezifischen Beispielen beschrieben.
    • Beispiel 1
  • Ein monokristallines Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Das gesamte Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht.
  • Das poröse Substrat wurde für 10 min in eine 5%-ige wässrige Wasserstoffperoxidlösung, die auf 80ºC erhitzt wurde, eingetaucht. Auf dem resultierenden porösen Si- Substrat (100) vom P-Typ ließ man eine Si- Epitaxialschicht bei einer geringen Temperatur durch ein MBE (Molekularstrahlepitaxie) Verfahren bis auf eine Dicke von 0,52 um wachsen. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
  • Temperatur: 700ºC
  • Druck: 1,33 · 10&supmin;&sup7; Pa (1 · 10&supmin;&sup9; Torr)
  • Wachstumsrate: 0,1 nm/s
  • Die Oberfläche dieser Epitaxialschicht wurde thermisch in einer Dicke von 50 nm oxidiert. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein monokristallines Siliciumsubstrat mit einer Siliciumoxidschicht von 1 um Dicke auf der Oberfläche gebildet. Die kombinierten Substrate wurden bei 950ºC für 2 h in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate fest zu binden.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen durch Verwendung einer Mischung einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min war das poröse Si-Substrat selektiv geätzt und vollständig entfernt, wobei die monokristalline Si- Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt verblieb.
  • Die Rate des Ätzens des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung ist so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Diese Selektivität des Ätzens der porösen zu der nichtporösen Schicht betrug 105 oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der nichtporösen Schicht (einige 10 Å [1 Å entspricht 10&supmin;¹&sup0; m]) praktisch vernachlässigbar ist. Nach der Entfernung von 200 um dicken porösen Substrats und der Si&sub3;N&sub4;-Schicht wurde eine monokristalline Si-Schicht, die in einer Dicke von 0,5 um auf der Oberfläche der Siliciumoberfläche auf dem Siliciumsubstrat gebildet wurde, erhalten.
  • Es wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt, dass die Si-Schicht eine ausreichende Kristallinität ohne Einführung von neuen Kristalldefekten besaß.
    • Beispiel 2
  • Ein monokristallines Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Das gesamte Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht.
  • Das poröse Substrat wurde einer Hitzebehandlung bei 300ºC für 2 h in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Auf dem resultierenden porösen Si-Substrat (100) vom P-Typ ließ man eine Si-Epitaxialschicht bei einer niedrigen Temperatur durch ein Plasma-CVD-Verfahren in einer Dicke von 5 um wachsen. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
  • Gas: SiH&sub4;
  • Hochfrequenzleistung: 100 W
  • Temperatur: 800ºC
  • Druck: 1,33 Pa (1 · 10&supmin;² Torr)
  • Wachstumsrate: 2,5 nm/s
  • Die Oberfläche dieser Epitaxialschicht wurde thermisch in einer Dicke von 50 nm oxidiert. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein optisch poliertes geschmolzenes Quarzsubstrat überlagert. Die kombinierten Substrate wurden bei 1000ºC für 2 h in einer Sauerstoffatmosphäre kombiniert, um die 2 Substrate fest zu binden.
  • Die gebundenen zwei Substrate wurden mit 0,2 um dicken Si&sub3;N&sub4; durch Plasma-CVD beschichtet. Dann wurde der Nitridfilm auf dem porösen Substrat allein durch reaktives Ionenätzen entfernt.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen unter Verwendung einer Mischung aus einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxid-Lösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min wurde das poröse Substrat selektiv geätzt und vollständig entfernt, wobei die monokristalline Si- Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt verblieb.
  • Die Rate des Ätzens des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung war so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Diese Selektivität des Ätzens der porösen Schicht oder nichtporösen Schicht betrug 105 oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der nichtporösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar ist. Nach Entfernung des 200 um dicken porösen Si-Substrats und der Si&sub3;N&sub4;-Schicht wurde eine monokristalline Si- Schicht von 5 um Dicke auf dem geschmolzenen Quarzglassubstrat erhalten.
    • Beispiel 3
  • Ein monokristallines Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Die gesamte Si-Platte (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht.
  • Das poröse Substrat wurde einer Hitzebehandlung bei 400ºC für 1 h in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Dann wurde auf dem resultierenden porösen Si-Substrat (100) vom P-Typ eine Si-Epitaxialschicht durch ein CVD Verfahren in einer Dicke von 1 um wachsen gelassen. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
  • Gas: SiH&sub2;Cl&sub2; (0,6 l/min) H&sub2; (100 l/min)
  • Temperatur: 950ºC
  • Druck: 10640 Pa (80 Torr)
  • Wachstumsrate: 0,3 um/min
  • Die Oberfläche dieser Epitaxialschicht wurde bis auf eine Dicke von 50 nm thermisch oxidiert. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein optisch poliertes Glassubstrat mit einem Aufweichungspunkt von ungefähr 500ºC überlagert. Die kombinierten Substrate wurden bei 450ºC für 0,5 h in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate festzubinden.
  • Die gebundenen zwei Substrate wurden mit 0,1 um dicken Si&sub3;N&sub4; durch Plasma-CVD beschichtet. Dann wurde der Nitridfilm auf dem porösen Substrat allein durch reaktives Ionenätzen entfernt.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen durch Verwendung einer Mischung aus einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min war das poröse Si-Substrat selektiv geätzt und vollständig entfernt, wobei die monokristalline Si- Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt verblieb.
  • Die Rate des Ätzens des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung war so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Die Selektivität des Ätzens der porösen zu der nichtporösen Schicht betrug 105 oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der nichtporösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar ist. Nach Entfernung des 200 um dicken porösen Si-Substrats und der Si&sub3;N&sub4;-Schicht wurde eine monokristalline Si-Schicht von 1 um Dicke auf dem Glassubstrat mit einem niedrigen Aufweichungspunkt erhalten.
  • Wenn die Si&sub3;N&sub4;-Schicht durch eine Apiezon- Wachsbeschichtung oder eine Electronwachsbeschichtung ersetzt wurde, war der Effekt der gleiche, und das poröse Si-Substrat allein wurde vollständig entfernt.
    • Beispiel 4
  • Ein monokristallines Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Die gesamte Si-Platte (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht.
  • Das poröse Substrat wurde einer Hitzebehandlung bei 500ºC für 1 h in einer ammoniakhaltigen Atmosphäre unterzogen. Auf dem resultierenden porösen Si-Substrat (100) vom P- Typ ließ man eine Si-Epitaxialschicht durch ein Bias sputtering Verfahren in einer Dicke 1,0 um wachsen. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
  • RF-Frequenz: 100 MHz
  • Hochfrequenzleistung: 600 W
  • Temperatur: 300ºC
  • Ar-Gasdruck: 1,064 Pa (8 · 10&supmin;³ Torr)
  • Wachstumszeit: 120 min
  • Target DC Bias: -200 V
  • Substrat DC Bias: + 5 V
  • Auf der Oberfläche dieser Epitaxialschicht wurde eine 500 nm dicke Siliciumoxidschicht durch thermische Oxidation gebildet. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein Si-Substrat überlagert. Die kombinierten Substrate wurden bei 1000ºC für 2 h in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate fest zu binden.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen unter Verwendung einer Mischung aus einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min wurde das poröse Si-Substrat selektiv geätzt und vollständig entfernt, wobei die mikrokristalline Si- Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt zurückblieb.
  • Die Ätzrate des nichtporösen monokristallinen Siliciums durch die Ätzlösung ist so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Die Selektivität des Ätzens der porösen Schicht zu der nichtporösen Schicht war 10&sup5; oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der porösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar war.
  • Durch das Ätzen wurde das poröse Si-Substrat von 200 um Dicke entfernt, und eine monokristalline Si-Schicht von 0,75 um Dicke wurde auf dem Si-Substrat mit Interposition der Oxidschicht von 500 nm Dicke gebildet.
    • Beispiel 5
  • Ein monokristallines Si-Substrat (100) vom P-Typ von 600 um Dicke wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte von 5 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Schicht betrug 1 um/min. Auf der Oberfläche des Si-Substrats (100) vom P-Typ von 600 um Dicke wurde eine poröse Schicht in einer Dicke von 20 um gebildet.
  • Das porös gemachte Substrat wurde einer Hitzebehandlung bei 300ºC für 2 h in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Es wurde durch ein RHEED-Verfahren festgestellt, dass das hitzebehandelte Substrat monokristallin war. Auf dem porösen Si-Substrat (100) vom P-Typ ließ man eine Si-Epitaxialschicht bei einer niedrigen Temperatur durch ein Flüssigphasenwachstumsverfahren in einer Dicke von 10 um wachsen. Die Wachstumsbedingungen waren wie folgt:
  • Lösungsmittel: Sn
  • Wachstumstemperatur: 900ºC
  • Wachstumsatmosphäre: H&sub2;
  • Wachstumszeit: 20 min
  • Auf der Oberfläche dieser Si-Epitaxialschicht wurde ein monokristallines Si-Substrat überlagert, welches eine Siliciumoxidschicht von 1 um Dicke, die auf der Oberfläche gebildet war, besaß. Die kombinierten Substrate wurden bei 900ºC für 5 h in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate fest zu binden.
  • Dann wurde der nichtporöse Teil des Substrats mit der porösen Schicht der beiden gebundenen Substrate durch Schleifen entfernt, um die poröse Schicht abzudecken.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen unter Verwendung einer Mischung aus einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 20 min wurde das poröse Si-Substrat selektiv vollständig weggeätzt, wobei die monokristalline Si-Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt zurückblieb.
  • Die Ätzrate des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung ist so gering wie 1 nm (10 Å) oder weniger für 20 min. Die Selektivität des Ätzens der porösen Schicht zu der nichtporösen Schicht betrug 10&sup5; oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der porösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar ist.
  • Durch das Ätzen wurde das 600 um dicke Si-Substrat mit der porösen Schicht entfernt, und die monokristalline Si- Schicht von 10 um Dicke wurde auf dem Siliciumsubstrat mit einer Oxidoberflächenschicht gebildet.
    • Beispiel 6
  • Auf einem Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke ließ man eine Si-Epitaxialschicht bis zu einer Dicke von 0,5 um durch ein CVD-Verfahren wachsen. Die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
  • Reaktivgasstromrate: SiH&sub2;Cl&sub2;, 1000 SCCM H&sub2; 230 l/min
  • Temperatur: 1080ºC
  • Druck: 10640 Pa (80 Torr)
  • Zeit: 1 min
  • Dieses Substrat wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Das ganze Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht. Bei der anodischen Oxidation wurde das Si-Substrat (100) vom P-Typ allein porös gemacht, und die Si-Epitaxialschicht verblieb unverändert, wie vorstehend beschrieben.
  • Das Substrat, welches porös gemacht wurde, wurde in einer Mischung aus 36%-iger Salzsäure, 30%-iger wässriger Wasserstoffperoxidlösung und Wasser im Verhältnis von 1 : 1 : 3 bei 80ºC für 10 min eingetaucht und mit Wasser abgewaschen.
  • Die Oberfläche der Epitaxialschicht wurde bis zu einer Dicke von 50 nm thermisch oxidiert. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein optisch poliertes geschmolzenes Quarzsubstrat überlagert. Die überlagerten beiden Substrate wurden bei 1000ºC für 0,5 h in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate fest zu binden.
  • Die gebundenen beiden Substrate wurden mit Si&sub3;N&sub4; in einer Dicke von 0,1 um durch Niedrigdruck-CVD beschichtet. Dann wurde der Nitridfilm auf dem porösen Substrat allein durch reaktives Ionenätzen entfernt.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen unter Verwendung einer Mischung aus einer gepufferten Flusssäure, Alkohol und Wasserstoffperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min wurde das poröse Si-Substrat selektiv vollständig weggeätzt, wobei die monokristalline Si-Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt zurückblieb.
  • Die Rate des Ätzens des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung ist so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Die Selektivität der Ätzrate der porösen Schicht zu derjenigen der nichtporösen Schicht betrug 105 oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der nichtporösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar ist. Nach Entfernung des 200 um dicken porösen Si-Substrats und der Si&sub3;N&sub4;-Schicht wurde die monokristalline Si-Schicht von 0,5 um Dicke auf dem geschmolzenen Quarzglassubstrat erhalten.
  • Wenn die Si&sub3;N&sub4;-Schicht durch Apiezonwachsbeschichturig oder Electronwachsbeschichtung ersetzt wurde, war der Effekt der gleiche, und das poröse Si-Substrat allein wurde vollständig entfernt.
  • Es wurde durch Abschnittsbeobachtung mit Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt, dass die Si-Schicht eine ausreichende Kristallinität ohne Einführung von neuen Kristalldefekten besaß.
    • Beispiel 7
  • Auf der Oberfläche eines 200 um dicken Si-Substrats (100) vom P-Typ wurde eine Si-Schicht vom N-Typ in einer Dicke von 1 um durch Protonionenimplantation gebildet. Die Menge von implantiertem H&spplus; betrugt 5 · 10¹&sup5; (Ionen/cm²).
  • Dieses Substrat wurde in einer 50%-igen HF-Lösung bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² anodisch oxidiert. Die Bildungsrate der porösen Struktur betrug 8,4 um/min. Das gesamte Si-Substrat (100) vom P-Typ von 200 um Dicke wurde in 24 min porös gemacht. Bei der anodischen Oxidation wurde das Si-Substrat (100) vom P-Typ allein porös gemacht, und die Si-Schicht vom N-Typ unverändert zurückgelassen, wie vorstehend beschrieben.
  • Das porös gemachte Substrat wurde bei 300ºC für 2 h in einer Sauerstoffatmosphäre hitzebehandelt.
  • Die Oberfläche der monokristallinen Schicht vom N-Typ wurde bis auf eine Dicke von 50 nm thermisch oxidiert. Auf der thermisch oxidierten Schicht wurde ein optisch poliertes geschmolzenes Quarzsubstrat überlagert. Die kombinierten Substrate wurden bei 800ºC für 0,5 h in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um die beiden Substrate fest zu binden.
  • Die gebundenen beiden Substrate wurden mit Si&sub3;N&sub4; in einer Dicke von 0,1 um durch Niedrigdruck-CVD beschichtet. Dann wurde der Nitridfilm auf dem porösen Substrat allein durch reaktives Ionenätzen entfernt.
  • Die gebundenen Substrate wurden einem selektiven Ätzen unter Verwendung einer Mischung aus gepufferter Flusssäure, Alkohol und Wasserperoxidlösung (10 : 6 : 50) als die Ätzlösung ohne Rühren unterzogen. In 175 min wurde das poröse Si-Substrat vollständig selektiv weggeätzt, wobei die monokristalline Si-Schicht als das Ätzstoppmaterial ungeätzt zurückblieb. Die Rate des Ätzens des nichtporösen monokristallinen Si durch die Ätzlösung ist so gering wie 4 nm (40 Å) oder weniger für 175 min. Die Selektivität der Ätzrate der porösen Schicht zu derjenigen der nichtporösen Schicht betrug 10&sup5; oder mehr, sodass die Menge des Ätzens der nichtporösen Schicht (einige 10 Å) praktisch vernachlässigbar ist. Nach Entfernung des 200 um dicken porösen Si-Substrats und der Si&sub3;N&sub4;-Schicht wurde die monokristalline Si-Schicht von 0,5 um Dicke auf dem Glassubstrat erhalten.
  • Wenn die Si&sub3;N&sub4;-Schicht durch Apiezonwachsbeschichtung oder Electronwachsbeschichtung ersetzt wurde, war der Effekt der gleiche, und das poröse Si-Substrat allein wurde vollständig entfernt.
  • Es wurde durch Abschnittsbeobachtung mit Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt, dass die Si-Schicht eine ausreichende Kristallinität ohne Einführung von neuen Kristalldefekten besaß.
  • Wie vorstehend beschrieben stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats und eines Komposithalbleitersubstratelements bereit, welche ohne die Nachteile des Stands der Technik sind und die Erfordernisse für den Stand der Technik erfüllen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats mit einer kristallinen Si-Schicht von einer Kristallinität, die so hoch wie diejenige eines monokristallinen Wafers ist, auf einem Substrat mit einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche oder ein lichtdurchlässiges isolierendes Substrat, typifiziert durch Glas, mit herausragender Produktivität, Gleichförmigkeit, Steuerbarkeit und Kosten bereit.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats bereit, welches den Vorteil der herkömmlichen SOI-Struktur besitzt und für verschiedene elektronische Hochleistungsvorrichtungen verwendbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats bereit, welches anstelle der teueren SOS und SIMOX bei der Herstellung von integrierten Schaltungen mit SOI-Struktur im industriellen Maßstab nützlich ist.
  • In der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines monokristallinen Siliciumsubstrats mit einer original hohen Qualität als ein Ausgangsmaterial eine monokristalline Oberflächenschicht auf ein lichtdurchlässiges isolierendes Substrat übertragen, und der Rest des Substrats wird chemisch entfernt, wobei eine Zahl von Behandlungen in einer kurzen Zeit anwendbar sind und große Verbesserungen in der Produktivität und Kosten, wie vorstehend beschrieben, mit sich bringen.

Claims (37)

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das folgende Schritte umfasst:
Vollständig porös machen eines ersten Substrats (11), das monokristallines Silicium (15) umfasst;
Ausbilden eines Schutzfilms auf der internen Oberfläche der Poren des porösen Substrats (14);
Ausbilden einer nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) auf dem porösen Substrat;
Binden des ersten Substrats (14) und eines zweiten Substrats (13) aneinander mit einer isolierenden Schicht dazwischen, so dass die nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12) zwischen den bindenden Substraten positioniert ist; und
Entfernen des porösen Substrats (14) durch Ätzen.
2. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das folgende Schritte umfasst:
Herstellen einer porösen Schicht (15) in einem ersten Substrat (11), das monokristallines Silicium umfasst;
Ausbilden eines Schutzfilms auf der internen Oberfläche der Poren der porösen Schicht (14);
Ausbilden einer nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) auf der porösen Schicht;
Binden des ersten Substrats (11) und eines zweiten Substrats (13) aneinander mit einer isolierenden Schicht dazwischen, so dass die nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12) zwischen den gebundenden Substraten positioniert ist;
Aussetzen der porösen Schicht (14); und
Entfernen der porösen Schicht (14) durch Ätzen.
3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das folgende Schritte umfasst:
Ausbilden einer nicht porösen Siliciumepitaxialschicht. (32) auf einem monokristallinen Silicium umfassenden ersten Substrat (31);
Vollständig porös machen des ersten Substrats (31), das monokristallines Silicium (33) umfasst;
Ausbilden eines Schutzfilms auf der internen Oberfläche der Poren des porösen Substrats (35);
Binden des ersten Substrats (35) und eines zweiten Substrats (34) aneinander mit einer isolierenden Schicht dazwischen, so dass die nicht-poröse monokristalline Siliciumepitaxialschicht (32) zwischen den gebundenen Substraten positioniert ist; und
Entfernen des porösen Substrats (35) durch Ätzen.
4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, das folgende Schritte umfasst:
Ausbilden einer monokristallinen Schicht vom N-Typ (32') in einem ersten Substrat (31), das monokristallines Silicium umfasst, durch Protonen-Ionen-Implantation;
Porös machen des nicht implantierten Teils des ersten Substrats (11), wobei der Teil eine poröse Schicht (33') zusammensetzt;
Ausbilden eines Schutzfilms auf der internen Oberfläche der Poren der porösen Schicht (35');
Binden des ersten Substrats und eines zweiten Substrats (34) aneinander mit einer isolierenden Schicht dazwischen, so dass die monokristalline Siliciumschicht (32') zwischen den gebundenen Substraten positioniert ist; und
Entfernen dar porösen Schicht (35') durch Ätzen.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das poröse erste Substrat (15; 33) oder die poröse Schicht in dem ersten Substrat (15; 33') durch anodische Oxidation eines monokristallinen Siliciumsubstrats gebildet wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schutzfilm ein Siliciumoxidfilm oder ein Siliciumnitridfilm ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das poröse erste Substrat (15; 33) oder die poröse Schicht in dem ersten Substrat (15; 33') nach der Behandlung des Schutzfilms Monokristallinität beibehält.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schutzfilm durch Oxidation gebildet wird, so dass das poröse erste Substrat (15; 33) oder die poröse Schicht in dem ersten Substrat (15; 33') nicht ganz oxidiert wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schutzfilm durch einen Schritt der thermischen Oxidation oder Sauerstoffplasmaoxidation des porösen Substrats der porösen Schicht (15; 33; 33') gebildet wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schutzfilm bei einer Temperatur in dem Bereich von 100ºC bis 900ºC gebildet wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Schutzfilm bei einer Temperatur in dem Bereich von 200ºC bis 700ºC gebildet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Oxidationsschritt thermische Oxidation bei einer Temperatur von 400ºC bis 700ºC umfasst.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schutzfilm durch einen Schritt des Eintauchens des porösen Substrats oder der porösen Schicht (15; 33; 33') in eine oxidierende Lösung gebildet wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die oxidierende Lösung eine Lösung umfasst, die Wasserstoffperoxid enthält.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke des Schutzfilms 1 bis 40 nm beträgt.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke des Schutzfilms 2 bis 30 nm beträgt.
17. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Schritt des Entfernens des Schutzfilms umfasst, welcher auf der Oberfläche des ersten Substrats (15) oder auf der Oberfläche der porösen Schicht (15) in dem ersten Substrat gebildet sein kann, vor dem Ausbilden der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) auf dem porösen Substrat (14) oder der porösen Schicht (14).
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt des Entfernens des Schutzfilms, der auf der Oberfläche des porösen Substrats oder der porösen Schicht (15) gebildet wird, Ätzen mit einer Fluorwasserstoffsäure umfassenden Lösung umfasst.
19. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12) durch Expitaxialwachstum gebildet wird.
20. Verfähren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12) durch ein Verfahren gebildet wird, das aus der aus Molekularstrahlepitxie, Plasma-CVD, thermische CVD, Photo-CVD, Flüssigphasenwachstum und Bias-Sputtern bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Substrat (13; 34) ein Siliciumsubstrat ist.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Substrat (13; 34) eine isolierende Schicht umfasst.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Substrat (13; 34) aus einem lichtdurchlässigen Material ist.
24. Verfähren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Substrat (13; 34) ein Siliciumsubstrat mit einer isolierenden Schicht auf deren Oberfläche ist.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Bindens über die isolierende Schicht das Binden des ersten Substrats (14; 11) und des zweiten Substrats (13; 34) mit einer isolierenden Schicht auf deren Oberfläche aneinander umfasst.
26. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, wobei der Schritt des Bindens das Binden einer Oxid-Schicht, die auf einem Slliciumsubstrat als das zweite Substrat (13; 34) gebildet ist, und der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) aneinander umfasst.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Bindens das Binden einer auf der nicht- porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) gebildeten Siliciumoxidschicht und eines Siliciumsubstrats als das zweite Substrat (13; 34) aneinander umfasst.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Bindens das Binden einer auf der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) gebildeten Siliciumoxidschicht und einer auf einer Oberfläche eines Siliciumsubstrats (13; 34) gebildeten Isolierungsschicht als das zweite Substrat aneinander umfasst.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Schicht eine auf einer Oberfläche der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) gebildeten Oxidschicht umfasst.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die isolierende Schicht eine auf einer Oberfläche der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht (12) gebildeten Oxidschicht und eine Oxidschicht auf einem Siliciumsubstrat als das zweite Substrat (13; 34) umfasst.
31. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt des Aussetzens der porösen Schicht (14) durch Schleifen oder Polieren ausgeführt wird.
32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Entfernung des porösen Substrats oder der porösen Schicht (14; 35; 35') mit einer chemischen Ätzlösung ausgeführt wird.
33. Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei die chemische Ätzlösung eine Lösung umfasst, die Fluorwasserstoffsäure, eine Fluorwasserstoffsäure umfassende Wasserstoffperoxid haltige Lösung, oder eine Fluorwasserstoff umfassende Wasserstoffperoxid und Alkohol enthaltende Lösung umfasst.
34. Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei die chemische Ätzlösung eine Lösung umfasst, die gepufferte Fluorwasserstoffsäure, eine gepufferte Wasserstoffsäure umfassende Wasserstoffperoxid haltige Lösung, oder eine gepufferte Fluorwasserstoffsäure umfassende Wasserstoffperoxid und Alkohol enthaltende Lösung umfasst.
35. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt des Aussetzens der porösen Schicht (14) Entfernen eines nicht porösen Teils des ersten Substrats (11) umfasst, um die poröse Schicht (14) aufzudecken.
36. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei anstelle des Bindens der ersten und zweiten Substrate (11/14, 13), wobei eine isolierende Schicht dazwischen liegt, Binden des ersten Substrats (14/11) an ein Licht durchlässiges zweites Substrat (13), wobei die nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12) zwischen den gebundenen Substraten positioniert ist, erfolgt.
37. Kompositelement, das ein erstes Substrat (11; 31) und ein, zweites Substrat (13; 34) umfasst, die aneinander gebunden sind; wobei das erste Substrat porös ist oder eine poröse Siliciumschicht (15; 33; 33') aufweist, die auf dessen zweiten Substratseite vorgesehen ist, wobei das Siliciumsubstrat porös ist oder eine poröse Siliciumschicht (15, 33, 33'), die auf dessen zweiten Substratseite vorgesehen ist, aufweist, das poröse Siliciumsubstrat oder die Siliciumschicht einen Schutzfilm auf der internen Oberfläche der Poren (14; 35; 35') aufweist, eine nicht poröse monokristalline Siliciumschicht (12; 32; 32') zwischen dem porösen Siliciumsubstrat oder der Siliciumschicht und dem zweiten Substrat vorgesehen ist, und eine Isolierungsschicht zwischen der nicht porösen monokristallinen Siliciumschicht und dem zweiten Substrat angeordnet ist.
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