JP4762547B2 - 多層構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料製の多層構造の製造方法に関する。この構造は、第１半導体で作製された基板と、第２半導体で作製された表面薄層とを含み、これら２つの材料は実質的に異なる格子定数を有する。

このタイプの方法は既に知られている。

従って、シリコンなどの材料製の基板と、シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）さらにはゲルマニウム（Ｇｅ）などの材料製の表面薄層とを含む構造を製造することは周知である。

本出願人の名前でなされたフランス国特許出願第０２０８６００号は、半導体材料の薄層を含む構造を、第１格子定数を有する半導体材料製の上層を備える格子定数適合層を含むウェハから製造するための方法に関する。この方法は、（ａ）第１格子定数と実質的に異なる第２公称格子定数を有し、下地の適合層の上層の第１格子定数を維持するのに十分な最小限の厚を有し、それ故歪んだ半導体材料被膜の適合層の上層での成長段階と、（ｂ）実質的に第１格子定数と同じ公称格子定数を有する半導体材料の緩和層のこの被膜上での成長段階と、（ｃ）適合層の緩和層に対する側でのウェハの少なくとも一部分の除去段階であって、適合層の緩和層に対する側での脆化ゾーン形成、及び緩和層を含む構造をウェハから分離するための脆化ゾーンでのパワー供給操作を含む段階とを含むことを特徴とする。

従って、この特許出願の方法では、層移転技法（具体的には、スマートカット（登録商標）タイプ、又はエルトラン（登録商標）タイプ）を用いて所望のウェハを構築する。

この方法の出発要素は、転位などの多数の構造欠陥を伴わずにほぼ緩和した材料の層が存在する自体の表面の領域に対応する格子定数適合層を備えるウェハである。

緩和層は、歪みのない結晶構造を有する半導体材料の任意の層、すなわち、その層を形成する材料の公称格子定数にほぼ等しい格子定数を有する層を意味すると理解されていることを明記しておく。

逆に言えば、歪み層とは、その結晶構造がエピタキシなどの結晶成長の際に、引っ張り歪み又は圧縮歪みを受け、少なくとも格子定数がこの材料の公称格子定数と実質的に異なるようにされる半導体材料の任意の層を指す。

フランス国特許出願第０２０８６００号のこの方法は、本明細書の冒頭に述べたような構造を構築するための有利な解決法を構成する。

本発明の目的は、本特許出願の教示に対してある補完的役割を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、半導体材料製の多層構造の製造方法を提案する。この構造は、第１半導体材料製の基板と第２半導体材料製の表面薄層を備え、これらの２つの半導体材料は実質的に異なる格子定数を有する。この方法は、支持基板上に表面薄層を備える層を作製するステップと、前記支持基板と堆積層によって形成される集合体中に脆化ゾーンを作製するステップと、前記集合体を対象基板でボンディングするステップと、前記脆化ゾーンのレベルで分離するステップと、得られる構造の表面を処理するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の他の態様、目的、及び利点は、図１ａ乃至１ｅに本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す添付の諸図を参照すれば、以下の本発明の説明からより明確になるであろう。

先ず、図１ａを参照すると、この図は層１０５（網掛けで示す）がその上に堆積された支持基板１００を示す。

この支持基板１００は、第１格子定数を有する半導体材料で作製する。たとえば、それをシリコンで作製する。

層１０５は、上記で述べた第１格子定数と異なる第２格子定数を有する材料製の層である。

従って、層１０５をＳｉＧｅで作製することができ、さらにはＧｅで作製することができる。

この層１０５は、その格子定数が被堆積支持基板の格子定数と実質的に異なる材料の所望の厚さでの堆積、及び一方で、転移型の欠陥を実質的に伴わないこのような堆積の表面層の構築を可能にする技法によって堆積されると言われている。

たとえば、国際特許出願第００／１５８８５号には、シリコン上にＳｉＧｅ又はＧｅを堆積させる方法が教示されている。

従って、このような堆積法は、たとえば、４００℃〜５００℃、好ましくは４３０℃〜４６０℃の第１設定安定化温度での単結晶シリコン基板の温度安定化ステップと、支持基板上に最終所望厚未満の設定厚のＧｅのベース層が得られるまでの、第１設定温度での気相化学成長（ＣＶＤ）ステップと、Ｇｅの気相化学成長温度の、第１設定温度から、７５０℃〜８５０℃、好ましくは、８００℃〜８５０℃の範囲で変わる第２設定温度までへの昇温ステップと、単結晶Ｇｅ層の最終所望厚が得られるまで第２設定温度でＧｅの気相化学成長を継続するステップとを実施することによって単結晶Ｇｅを単結晶シリコンの支持基板に堆積させる第１のモードに従ってなされる。

このような堆積法を、たとえば、国際特許出願第００／１５８８５号によって開示されるような変形形態に従って実施することもできる。

シリコンで作製することができる支持基板上に緩和ＳｉＧｅ又は緩和Ｇｅの薄層を直接得るための他の方法も可能である。

本明細書の開示の一部として組み込まれる、ビー、ホランダー（Ｂ．Ｈｏｌｌａｎｄｅｒ）らの文献、「仮想基板製造のための水素又はヘリウム・イオン注入後の、擬似格子整合Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｓｉ（１００）ヘテロ構造の歪み緩和」、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（物理学研究における核施設及び方法）、Ｂ１７５〜１７７、２００１年、３５７〜３６７頁、を参照することもできる。

このような方法では、歪み層を作製しこの層を緩和させることによって、層１１０を作製する。

緩和ＳｉＧｅの薄層を文献「カーボン含有層組込みに基づく新しいタイプのＳｉＧｅの薄い歪み緩和バッファの開発（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ＳｉＧｅ ｔｈｉｎ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｒｅｌａｘｅｄ ｂｕｆｆｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）」、第一回ＳｉＧｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ（ＳｉＧｅテクノロジ及びデバイス会合）（ＩＳＴＤＭ）、２００３年、名古屋、日本、１５〜１７頁、「ｎ−ＭＯＳＦＥＴ用の高濃度Ｇｅ含有の薄いＳｉＧｅバッファ（Ｔｈｉｎ ＳｉＧｅ Ｂｕｆｆｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｆｏｒ ｎ−Ｍｏｓｆｅｔｓ）」（リュートビッチ（Ｌｙｕｔｏｖｉｃｈ）ら、Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（材料化学及びエンジニアリング）、Ｂ８９、２００２年、３４１〜３４５頁）、及び、「０．１μｍ未満の厚さの緩和ＳｉＧｅバッファ」（バウア（Ｂａｕｅｒ）ら、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ（薄い固体被膜）、３６９、２０００年、１５２〜１５６頁）に開示される技法によって得ることもできる。これらは、本発明で実施することができるような層を得るための方法を開示しており、本発明の開示の一部として組み込まれる。

本発明の方法に戻ると、全ての場合において、構造の作製すべき表面薄層を備える層１１０を支持基板１００上に作製する。

すなわち、支持基板１００上に（所望のＳｉ／Ｇｅ比の）ＳｉＧｅ又はＧｅの層１１０を備える中間ウェハ１０を作製してきた。

この中間ウェハ１０の、プロセス中で続くべきボンディングを可能にするために、この層１００の自由表面を研磨することができる。

この中間ウェハ１０の表面粗さは、このようなボンディングの場合、数オングストロームの実効値でなければならない。

従って、界面１０５が層１１０と支持体１００の間に画定される。

このタイプの堆積法を用いることによって、転位型の欠陥が、層１１０の、界面１０５に隣接する領域に閉じ込められることを明記しておく。

閉込めとは、転位型の欠陥の大部分が上記領域中に存在することを意味すると考えられる。層１１０の残りの部分に欠陥が完全に無い訳ではないが、その濃度はマイクロエレクトロニクスの用途に適合している。

従って、層１１０の転位型の欠陥が閉じ込められるこの領域は、シリコンで作製された支持基板１００と層１１０の表面領域の間に、格子定数適合層を形成し、これはそれ自体の中にＧｅ又は緩和ＳｉＧｅで作製されたウェハ１０の層を形成する。

このＧｅ又は緩和ＳｉＧｅの層は、プロセスの初期になされた堆積の結果、所望の厚さを有する。この所望の厚さは、具体的には、０．５〜１ミクロン程度になり得る。

次に、図１ｂを参照すると、脆化ゾーン１２０が、ウェハ１０の厚さ中に作製される。

この脆化ゾーンは、具体的には、層１１０を貫通して化学物質を注入することによって作製することができる。

この注入される化学物質は１又は数原子の、あるいは１又は数分子の化学物質、たとえば、水素又はヘリウム・イオン、あるいは水素又はヘリウム分子である。

この注入は、異なる化学物質、たとえば、水素及びヘリウムの同時注入でもよい。本明細書では、「注入」は少なくとも２つの化学物質のこのような同時注入も同様に対象として含むことを明記しておく。

この脆化ゾーンが注入によって作製されるとき、この脆化ゾーンが図１ｂに示すように支持基板１００中に位置するように注入パラメータを決めることができる。

この脆化ゾーンが層１１０自体中（好ましくは、この層の、界面１０５に隣接する領域中）に位置するようにこれらの注入パラメータを決めることもできる。

層１１０を堆積させる前に、支持基板１００中に多孔質領域を形成することによって、この脆化ゾーンを作製することもできることを明記しておく。

次に、脆化ゾーンを備えるウェハに移るが、このウェハは、対象基板２０にボンディングされている。

この対象基板２０は、シリコンで作製することができる。

ウェハ１０の、対象基板上に張り付いた面は、層１１０の緩和表面に対応する面である。

このボンディングを実施するために、これらの表面を接触させる前、及びこれらの表面間に任意選択でボンディング層を挿入する前に、これらの表面を洗浄する。

電気絶縁層、たとえば、酸化膜をウェハと対象基板の間に挿入することもできる。

このような酸化膜は、対象基板２０の表面の酸化によってもたらすことができる。

それは、層１１０がＳｉＧｅで作製されている場合、その表面の酸化によって同様にもたらすことができる。

層１１０がＧｅ又はＳｉＧｅで作製されている場合は、ボンディングの前に、酸化膜の堆積によって、やはり酸化膜層を層１１０に結合させることができる。

従って、ボンディングの前に、これらのウェハ及び／又は対象基板を絶縁層に結合することができる。

必要なら、これらの基板の表面粗さをボンディングに適する（すなわち、数オングストロームの実効値を超えない）値まで低下させるために、ボンディングされる基板の一方又は両方の表面を処理することができる。

このような表面処理は研磨ステップでよい。

ボンディング後に、ボンディング界面の強化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）のために古典的な熱処理を続行することができる。

次に、熱及び／又は機械的なパワーの供給による脆化界面のレベルでの分離に移る。

その結果、図１ｄに示すように、対象基板２０と、層１１０と、任意選択で支持基板１００の残部とを備える構造が得られる。

この構造では、層１１０自体が、格子定数適合層（層１１０の、支持基板１００の残部に隣接する部分）と、所望の厚さの緩和層とを備える。

この脆化ゾーンが、層１１０の「格子定数適合層」の層中への注入によって構築される事象においては、得られる構造３０は支持基板の残部を含まず、分離の際に、この格子定数適合層の一部分がこの構造３０から分離される。

この場合、得られる構造の表面を処理して（図１ｅ）層１１０の表面状態を改善する。

この表面処理には、研磨ならびに他のタイプの処理を含むことができる。

層１１０の、緩和した部分に脆化ゾーンを得るように注入を実施することもできる。

このような場合、移転された層は、転位などの欠陥を含まず（あるいはほんの僅かしか含まず）、分離後に得られる構造はどんな追加の処理も必要としない（層１１０の緩和部分から生じる）表面層をもたらすことができる。

支持基板１００の層中に（注入によって、又は多孔質領域を予め形成することによって）脆化ゾーンを作製する場合、次のステップはこの支持基板の残部を選択的に腐食するステップである。

この選択的な腐食は、支持基板の材料のみを腐食する選択的化学エッチングでよい。

このようなエッチングは、（適切なエッチング溶液を選択する）湿式法、あるいは（エネルギー・プラズマ、又は粉砕によって選択的にエッチングする）乾式法によって行なうことができる。

このようなエッチングの前に研磨を行なうことができる。

この選択的腐食の初期に層１１０の自由表面を処理して、この層１１０の、転移型の欠陥が閉じ込められる部分に対応する格子定数適合層を除去する。

上記に記載したのは、本発明（支持基板中及び層１１０中それぞれへの脆化ゾーンの形成）を実施するための２つの主な変形形態である。

これらの２つの場合では、最終構造の活性層が層１１０の緩和部分に対応する。

第３の主な変形形態によれば、層１１０が実際には、異なるレベル（すなわち階層）に構成され、この層１１０は、以下の、
・緩和薄層を製造するために、たとえば、国際特許出願第００／１５８８５号、又は上記で述べたビー、ホランダー（Ｂ．Ｈｏｌｌａｎｄｅｒ）らの参照文献によって開示されるような技法、あるいは任意の他の周知の技法による第１レベルの堆積、薬品腐食用のストップ層を構成する第２レベルの堆積、及び最終構造の活性層を構築するための緩和層に対応する第３レベルの堆積によって形成する。このような堆積を活性層に対する所望の厚さで行なう。

この第１レベルは格子定数適合層に対応する。これは、ＳｉＧｅ又はＧｅで作製することができる。

第２レベルは、同時に、第３レベルに対する良好な選択性を有し、自体に対する薬品腐食性を有さねばならず（この点で、レベル２及びレベル３の場合と異なる材料を使用しなければならない。）、自体を囲む２つのレベルと格子定数に関して大きすぎる差異を導入してはいけない（この点で、レベル１、２、及び３は異なり過ぎてはいけない）。

たとえば、以下の組合せを形成することができる。
材料レベル１ 材料レベル２ 材料レベル３
Ｇｅ ＳｉＧｅ（５０／５０） ＳｉＧｅ又はＧｅ
ＳｉＧｅ 歪みＳｉ ＳｉＧｅ又はＧｅ
レベル１及びレベル３の層が同じ性質の材料から作製されて、これらの２層間に挿入されたレベル２の層がそれ自体の両面で均一な束縛を受けるようにすることが好ましい。

この場合、以下の材料を使用することが好ましい。
材料レベル１ 材料レベル２ 材料レベル３
Ｇｅ ＳｉＧｅ（５０／５０） Ｇｅ
ＳｉＧｅ 歪みＳｉ ＳｉＧｅ
この第３の主な変形形態では、脆化ゾーンを形成し、構造３０をボンディングし、かつ分離させるために同一のステップが続く。

従って、この脆化ゾーンは再度層１１０中に位置することができる。この場合、これは、第１レベルの層（その中に脆化ゾーンが注入によって形成される）中に位置することが好ましい。

最終構造を得るために、第１レベルの残部をなくすための第１の選択的な腐食（この腐食は、具体的には、薬品腐食であり、従って、ストップ層に対応するレベルの挿入を必要とする。）、及びこのストップ層自体をなくすための第２の選択的な腐食の２つの選択的な腐食を実施する。

層１１０を２つのレベルのみで構成することもできる。その第１レベルは上記で記載したようなものであり、第２レベルは上記で述べたレベル２及び３に類似している。

この場合、第２レベルを、たとえば、歪みシリコンで作製し、他方、第１レベルをＳｉＧｅ又はＧｅで作製する。

すなわち、第２レベルが最終構造の活性層を作製し、一方、第１レベルは依然として格子定数適合層を構成している。

この場合、依然として、以下の材料を使用することができる（この表は、前表と同じく限定しない例として与える）。
材料レベル１ 材料レベル２
Ｇｅ ＳｉＧｅ（５０／５０）
ＳｉＧｅ 歪みＳｉ
全ての場合において、図１ｅの構造を作製した後で従来の表面処理の方法を続けることができる。

従って、本発明は、たとえば、Ｇｅ又はＳｉＧｅの層をシリコン基板上に備える多層構造を作製可能にする。

本発明の場合、層１１０の適合層はその層中で濃度勾配（たとえば、適合層が、Ｓｉ支持基板と所与のＧｅ濃度のＧｅ又はＳｉＧｅ中の緩和層との間にある場合はゲルマニウムの濃度勾配）が存在しないことに留意しなければならない。

従来の適合層には、しばしば、このような濃度勾配が存在し、それはこの適合層中での格子定数の勾配に対応する。

しかし、このような、濃度勾配を有する適合層は、必然的に、比較的厚くなる（適合層の両側の格子定数の差が重要になるほど、適合層が厚くなる）。

国際特許出願第０２／１５２４４号には、このような従来の濃度勾配付きの適合層の例が開示されている。

対照的に本発明の場合では、適合層が極めて薄くなることができる。

実際、欠陥（たとえば、転位）が、層１１０の、支持基板１００との界面１０５に隣接する領域に閉じ込められることを思い出されたい。

本発明のこの特殊な態様は（たとえば、国際特許出願第０２／１５２４４号に開示されたような周知の技法に比べて）有利である。

この態様に関連する利点の例には、このような薄い適合層が、支持基板１００内への注入により、注入化学物質がこの適合層を横切ることによって脆化ゾーンを形成することができるということがある。

これによって、支持基板１００の残存する材料（Ｓｉ他）の分離及び除去の後で、適合層自体内に位置する脆化ゾーンでの分離によって得られるような分割された表面を処理するための面倒な処理（これは、勾配付き適合層の場合であり、注入によって横切るには厚過ぎる）を必要とせずに、最終構造が極めて良好な品質の表面を得ることが可能になる。

本発明によって得られる構造は、埋め込み領域中でさえ、転位型の欠陥の例であることにも留意しなければならない。

次いで、得られる構造を用いて、追加の層、たとえば、ＳｉＧｅ又はＧｅの層上へのエピタキシによって成長した歪みシリコンを有することができる。

レベル２の層が歪みＳｉで作製される場合、シリコン基板上の、歪みシリコン−ＳｉＧｅの２層からなる最終構造を保つために、一回のみの選択的な腐食をすることが有利なことがある。

この場合、最終構造はストップ層を保存する。

最後に、シリコン基板上に歪みシリコンの層を備える構造を最終的に作製するように、この構造を対象基板上にボンディングする段階の前で、レベル３の層に歪みシリコン層を堆積させることも可能である。

本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す図である。 本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す図である。 本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す図である。 本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す図である。 本発明の実施形態を実施するための主なステップを示す図である。

Claims (19)

1. 半導体材料製の多層構造の製造方法において、前記多層構造が第１半導体材料製の対象基板（２０）と第２半導体材料から成る緩和表面薄層を備え、前記２つの半導体材料が異なる格子定数を有する方法であって、
   第１の格子定数を有する第１の半導体材料から成る支持基板（１００）を用意するステージと、
   前記支持基板（１００）上に層（１１０）を堆積して、前記層（１１０）と前記支持基板（１００）との間に界面（１０５）を有する中間ウェハ（１０）を形成するステップであって、前記層（１１０）は、前記支持基板（１００）の前記第１の格子定数と異なる第２の格子定数を有する第２の半導体材料から成り、前記堆積は、前記界面（１０５）に隣接した領域内に位置した格子定数適合層を形成するように行われ、転位型の欠陥の大部分が、前記緩和表面薄層を形成するように閉じこめられている前記格子定数適合層を形成するステップと、
   前記中間ウェハ（１０）内に脆化ゾーンを形成するステップと、
   前記中間ウェハ（１０）の前記層（１１０）に対象基板（２０）をボンディングするステップと、
   前記脆化ゾーンのレベルで分離して構造（３０）を得るステップと、
   前記得られた構造の自由表面を処理して前記格子定数適合層を除去するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記層（１１０）を前記支持基板（１００）上に堆積するステップがエピタキシによってなされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記エピタキシが、
   第１設定安定化温度での前記支持基板（１００）の温度安定化ステップと、
   前記緩和表面薄層を備える前記層の最終的な所望厚未満の設定厚のベース層が前記支持基板（１００）上に得られるまでの前記第１設定安定化温度での気相中の化学成長ステップと、
   前記気相中の化学成長の前記第１設定安定化温度から第２設定温度までへの昇温ステップと、
   前記層（１１０）の最終所望厚が得られるまで前記第２設定温度で前記気相中の化学成長を継続させるステップとを用いて行なわれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１設定温度が４００℃〜５００℃の範囲であり、前記第２設定温度が７５０℃〜８５０℃の範囲であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１設定温度が４３０℃〜４６０℃の範囲であり、前記第２設定温度が８００℃〜８５０℃の範囲であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の半導体材料から成る前記層（１１０）が、歪み層を形成しこの層を緩和させることによって作製されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記脆化ゾーンの前記形成が注入によって実施されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記注入が、少なくとも２つの化学物質の同時注入であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記注入が、前記脆化ゾーンの形成段階から前記ボンディング段階までの間で実施されることを特徴とする、請求項７又は８いずれかに記載の方法。
10. 注入が、前記支持基板（１００）の厚さ中に前記脆化ゾーンを画定するように実施されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 注入が、前記格子定数適合層中に前記脆化ゾーンを画定するように実施される、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 注入が、前記緩和表面薄層中に前記脆化ゾーンを画定するように実施されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. ボンディングの前に、前記中間ウェハ（１０）と前記対象基板（２０）の間に電気絶縁層が挿入されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ボンディングの前に、前記中間ウェハ（１０）の表面に電気絶縁層が形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. ボンディングの前に、前記対象基板（２０）上に電気絶縁層が形成されることを特徴とする、請求項１３乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記電気絶縁層が酸化膜の層であることを特徴とする、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記多層構造の前記対象基板（２０）がシリコンで作製されることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記支持基板（１００）がシリコンで作製されることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記層（１１０）がＳｉＧｅ又はＧｅで作製されることを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の方法。

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