JP2007250676A - 異種材料の積層基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】異種材料の積層基板の製造方法が、非晶質相構造をとることが可能な材料で形成された単結晶の種基板の一の面に親水化処理により第1の水酸基膜を形成する工程と、種基板とは異なる材料で形成された単結晶の支持基板の一の面に種基板と同一の材料で非晶質層を形成する工程と、この非晶質層上に親水化処理により第2の水酸基膜を形成する工程と、親水化処理をした前記非晶質層を形成した前記支持基板と、親水化処理をした前記種基板とを押圧して接合する工程と、固相エピタキシャル成長法により単結晶層を形成する工程と、種基板を接合界面を含めて除去し、単結晶層を露出させる工程とを備える。
【選択図】 図1
Description
SOS構造の積層基板は、サファイア基板に単結晶シリコン層を積層して形成され、そのサファイア基板が非常に優れた絶縁性を有しているため、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)素子等の半導体素子を形成した場合に、SOI(Silicon On Insulator)構造の積層基板に形成された半導体素子に比べて電流リークを抑制することが可能になり、半導体装置の電気特性を改善する積層基板として注目されている。
このため、サファイア基板と単結晶シリコンからなるシリコン基板とにそれぞれ2酸化珪素(SiO2)からなるシリコン酸化膜を形成し、これらのシリコン酸化膜同士を合わせ、シリコン酸化膜の比較的低い融点を利用してサファイア基板とシリコン基板とをシリコン酸化膜を介して接合し、シリコン酸化膜をバッファ層として格子定数や熱膨張係数の相違に起因する応力により誘発される結晶欠陥を軽減しているものがある(例えば、特許文献1参照。)。
この深さ方向の非晶質化率のムラを改善するために、上記非特許文献1等と同様にして第3ステップの非晶質層の固相エピタキシャル成長法を行った後に、新たに形成された単結晶シリコン層に第2ステップより比較的低いエネルギでおもて面側を狙ったイオン注入を行い、単結晶シリコン層のおもて面領域を非晶質化し、この非晶質層を基板界面近傍の単結晶シリコンを種にして固相エピタキシャル成長法により単結晶化し、サファイア基板に直接形成した単結晶シリコン層の結晶欠陥を低減させているものもある(例えば、非特許文献2参照。)。
また、非特許文献1、2および特許文献1の技術においては、いずれの場合も第2ステップにおけるイオン注入は、基板界面近傍を非晶質化するために高いエネルギで行われているため、イオン注入時の相互拡散によりサファイア基板からのアルミニウム(Al)原子が単結晶シリコン層中に拡散し、リーク電流の増加等による電気特性の悪化が懸念されるという問題がある。
また、種基板を単結晶層との接合界面を含めて除去するので、接合界面における不純物による界面準位をも除去することができるという効果が得られる。
本実施例の積層基板は、サファイア基板に異種材料である単結晶シリコン層を直接形成したSOS構造の積層基板(エピタキシャル成長基板)である。
図1において、1は支持基板としてのサファイア基板であり、単結晶の酸化アルミニウム(Al2O3)からなる円盤状の薄板であって、優れた絶縁性を有している。
2は種基板としてのシリコン基板であり、サファイア基板1とは異種の材料である単結晶シリコンであって、固相エピタキシャル成長における種として機能する。
本実施例のシリコン基板2は、面方位が(100)結晶面を有し、50μm程度の厚さに加工されている。
P1、シリコン基板2を、酸系溶液(硫酸、または塩酸(HCl)と過酸化水素と水の混合液)に室温で浸漬する親水化処理を行い、シリコン基板2のおもて面に水酸基(OH−)を吸着させて、最表面を水酸基で終端させた第1の水酸基膜3aを形成する。
次いで、熱クリーニング後のサファイア基板1のおもて面上にCVD法により所定の厚さ(例えば3000Å程度)の非晶質シリコン層4を成膜する。
P3、上記工程P1と同様にして、サファイア基板1上に形成された非晶質シリコン層4のおもて面に、親水化処理により非晶質シリコン層4の最表面を水酸基で終端させた第2の水酸基膜3bを形成する。
この第1の水酸基膜3aと第2の水酸基膜3bとの接触により、これらの水酸基間で水素結合が生じて接触面同士が密着し、非晶質シリコン層4とシリコン基板2とが比較的弱い強度で接合される。
P5、この非晶質シリコン層4とシリコン基板2とを接合した状態のまま、水素中で、例えば、水素の流量5SLM、温度550℃で30分間のアニール処理を行い、続いて温度1000℃のアニール処理を行う。
また、比較的高い温度領域(本実施例では1000℃)での水素雰囲気下のアニール処理のときに、脱水縮合により結合強度が更に増加すると共に、高温水素による還元作用によりシリコン基板2と単結晶シリコン層5との図1に破線で示す界面(接合界面6という。)に残留する酸化物が還元され、単結晶シリコン中のシリコン同士の結合と同様の無欠陥の良好な接合界面6が形成される。
P6、単結晶シリコン層5を形成した後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等による研磨、またはフッ酸系もしくは硝酸系のエッチング液によるエッチングにより、種としたシリコン基板2および接合界面6、並びに形成された単結晶シリコン層5のシリコン基板2側の一部を除去してサファイア基板1上に規定の厚さ(例えば、1000Å)の単結晶シリコン層5を形成する。
上記のようにして形成された本実施例のSOS構造の積層基板は、サファイア基板1上に、CVD法により最初から直接非晶質シリコン層4を形成するので、形成された非晶質シリコン層4に非晶質化率のムラが生じることはなく、その後に行われる固相エピタキシャル成長において、良好な一様の単結晶シリコン層5を形成することができる。
また、単結晶シリコン層5の形成後に、種としたシリコン基板2を接合界面6を含めて除去するので、シリコン基板2を貼り合わせた時の接合界面6に存在することが懸念される極少数の炭素や窒素等の不純物原子により形成される界面準位等をも取り除くことができ、極めて良好な単結晶シリコン層5を有するSOS構造の積層基板を得ることができる。
また、本実施例では、最初にシリコン基板2上に第1の水酸基膜3aを形成(工程P1)し、次いで工程P2でサファイア基板1上に形成した非晶質シリコン層4上に第2の水酸基膜3bを形成(工程P3)するとして説明したが、工程の順を、工程P2、P3、P1の順にしてもよく、工程P2を最初に行い、次工程において、シリコン基板2とサファイア基板1上の非晶質シリコン層4とに、同時に親水化処理を行ってそれぞれの水酸基膜を形成するようにしてもよい。
なお、本実施例においては、支持基板としての(1−102)R面のサファイア基板上に形成した非晶質シリコン層に種基板としての(100)シリコン基板を貼り付け、非晶質シリコン層を固相エピタキシャル成長法により単結晶シリコン層を形成するとして説明したが、支持基板および種基板は前記に限らず、支持基板を面方位がC面((0001)結晶面をいう。(0001)C面と記す。)のサファイア基板とし、種基板を(0001)結晶面を有する窒化ガリウム(GaN)の基板として、上記と同様の工程により(0001)C面のサファイア基板上に形成した非晶質窒化ガリウム層に親水化処理を施し、これに親水化処理を施した窒化ガリウム基板を貼り付け、非晶質窒化ガリウム層を固相エピタキシャル成長法により単結晶窒化ガリウム層を形成するようにしてもよい。これによってもサファイア基板上に無欠陥の単結晶窒化ガリウム層が直接形成された良好な積層基板を得ることができる。
つまり、種基板を非晶質相構造をとることが可能な材料(上記シリコンや窒化ガリウム以外の材料としては、例えばガリウム砒素やリン化インジウム、金属材料等がある。)で形成された単結晶の基板とし、支持基板を種基板とは異なる材料で形成された単結晶の基板とし、支持基板上に種基板と同一の材料で形成された非晶質層に種基板を貼り付け、これを種にして非晶質層を固相エピタキシャル成長法により単結晶化させて、支持基板上に単結晶層を形成するようにすれば、上記と同様の効果を得ることができる。
2 シリコン基板
3a 第1の水酸基膜
3b 第2の水酸基膜
4 非晶質シリコン層
5 単結晶シリコン層
6 接合界面
Claims (6)
- 非晶質相構造をとることが可能な材料で形成された単結晶の種基板の一の面に、親水化処理により第1の水酸基膜を形成する工程と、
前記種基板とは異なる材料で形成された単結晶の支持基板の一の面に、前記種基板と同一の材料で非晶質層を形成する工程と、
該非晶質層上に、親水化処理により第2の水酸基膜を形成する工程と、
親水化処理をした前記非晶質層を形成した前記支持基板と、親水化処理をした前記種基板とを押圧して接合する工程と、
前記種基板を種にし、固相エピタキシャル成長法により、前記非晶質層を単結晶化させて単結晶層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。 - 請求項1において、
前記非晶質層を単結晶化させて単結晶層を形成した後の前記種基板を、前記単結晶層との接合界面を含めて除去し、前記形成した単結晶層を露出させる工程を備えることを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。 - 請求項2において、
前記接合界面を含めた種基板の除去を、CMP法により行うことを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記支持基板と前記種基板とを押圧して接合する工程を、室温の水素雰囲気中で、30g/cm2の圧力で押圧して行うことを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
前記支持基板を、(1−102)R面のサファイア基板とし、前記種基板をシリコンからなる(100)シリコン基板としたことを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
前記支持基板を、(0001)C面のサファイア基板とし、前記種基板を窒化ガリウムからなる(0001)窒化ガリウム基板としたことを特徴とする異種材料の積層基板の製造方法。
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