JPH05217823A

JPH05217823A - 半導体基材の作製方法

Info

Publication number: JPH05217823A
Application number: JP3846092A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Sato; 信彦佐藤; Kiyobumi Sakaguchi; 清文坂口; Takao Yonehara; 隆夫米原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1993-08-27
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JP2910001B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光透過性基板上に結晶性が単結晶ウエハー並
に優れたＳｉ結晶層を作製する。【構成】シリコン基板を多孔質化する工程と、多孔質
化したシリコン基板１を融点以下の温度で熱処理して、
その表面層を非多孔質シリコン単結晶層２にする工程
と、非多孔質シリコン単結晶層２を光透過性基板３に貼
り合わせる工程と、多孔質化したシリコン基板１部分を
化学エッチングにより除去する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基材の作製方法
に関し、特に、誘電体分離あるいは、絶縁物上の単結晶
半導体層に作成された電子デバイス、集積回路に適する
光透過性半導体基材の作製方法に好適に用いられるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】絶縁物上の単結晶Ｓｉ半導体層の形成
は、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）技術
として広く知られ、通常のＳｉ集積回路を作製するバル
クＳｉ基板では到達しえない数々の優位点をＳＯＩ技術
を利用したデバイスが有することから多くの研究が成さ
れてきた。すなわち、ＳＯＩ技術を利用することで、
．誘電体分離が容易で高集積化が可能、．対放射線
耐性に優れている、．浮遊容量が低減され高速化が可
能、．ウエル工程が省略できる、．ラッチアップを
防止できる、．薄膜化による完全空乏型電界効果トラ
ンジスタが可能、等の優位点が得られる。

【０００３】上記したようなデバイス特性上の多くの利
点を実現するために、ここ数十年に渡り、ＳＯＩ構造の
形成方法について研究されてきている。この内容は、例
えば、ＳｐｅｃｉａｌＩｓｓｕｅ：“Ｓｉｎｇｌｅ−
ｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｏｎｎｏｎ−ｓｉ
ｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ”；
ｅｄｉｔｅｄｂｙＧ．Ｗ．Ｃｕｌｌｅｎ，Ｊｏｕｒ
ｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ
ｕｍｅ６３，ｎｏ３，ｐｐ４２９〜５９０（１９８
３）にまとめられている。

【０００４】また、古くは、単結晶サファイア基板上
に、ＳｉをＣＶＤ法（化学気相法）で、ヘテロエピタキ
シーさせて形成するＳＯＳ（シリコンオンサファイ
ア）が知られており、最も成熟したＳＯＩ技術として一
応の成功を収めはしたが、Ｓｉ層と下地サファイア基板
界面の格子不整合により大量の結晶欠陥、サファイア基
板からのアルミニュームのＳｉ層への混入、そして何よ
りも基板の高価格と大面積化への遅れにより、その応用
の広がりが妨げられている。比較的近年には、サファイ
ア基板を使用せずにＳＯＩ構造を実現しようという試み
が行われている。この試みは、次の二つに大別される。（１）Ｓｉ単結晶基板を表面酸化後に、窓を開けてＳｉ
基板を部分的に表出させ、その部分をシードとして横方
向へエピタキシャル成長させ、ＳｉＯ₂上へＳｉ単結晶
層を形成する（この場合には、ＳｉＯ₂上にＳｉ層の堆
積をともなう。）。（２）Ｓｉ単結晶基板そのものを活性層として使用し、
その下部にＳｉＯ₂を形成する（この方法は、Ｓｉ層の
堆積をともなわない。）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記（１）を実現する
手段として、ＣＶＤ法により、直接、単結晶層Ｓｉを横
方向エピタキシャル成長させる方法、非晶質Ｓｉを堆積
して、熱処理により固相横方向エピタキシャル成長させ
る方法、非晶質あるいは、多結晶Ｓｉ層に電子線、レー
ザー光等のエネルギービームを収束して照射し、溶融再
結晶により単結晶層をＳｉＯ₂上に成長させる方法、そ
して、棒状ヒーターにより帯状に溶融領域を走査する方
法（Ｚｏｎｅｍｅｌｔｉｎｇｒｅｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｚａｔｉｏｎ）が知られている。これらの方法にはそ
れぞれ一長一短があるが、その制御性、生産性、均一
性、品質に多大の問題を残しており、いまだに、工業的
に実用化したものはない。たとえば、ＣＶＤ法は平坦薄
膜化するには、犠牲酸化が必要となり、固相成長法では
その結晶性が悪い。また、ビームアニール法では、収束
ビーム走査による処理時間と、ビームの重なり具合、焦
点調整などの制御性に問題がある。このうち、Ｚｏｎｅ
ＭｅｌｔｉｎｇＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏ
ｎ法がもっとも成熟しており、比較的大規模な集積回路
も試作されてはいるが、依然として、亜粒界等の結晶欠
陥は多数残留しており、少数キャリヤーデバイスを作成
するにいたってない。

【０００６】上記（２）の方法であるＳｉ基板をエピタ
キシャル成長の種子として用いない方法に於ては、次の
３種類の方法が挙げられる。

【０００７】．Ｖ型の溝が表面に異方性エッチングさ
れたＳｉ単結晶基板に酸化膜を形成し、該酸化膜上に多
結晶Ｓｉ層をＳｉ基板と同じ程厚く堆積した後、Ｓｉ基
板の裏面から研磨によって、厚い多結晶Ｓｉ層上にＶ溝
に囲まれて誘電分離されたＳｉ単結晶領域を形成する方
法である。この方法に於ては、結晶性は、良好である
が、多結晶Ｓｉを数百ミクロンも厚く堆積する工程と、
単結晶Ｓｉ基板を裏面より研磨して分離したＳｉ活性層
のみを残す工程とを要するために、制御性、及び生産性
の点から問題がある。

【０００８】．サイモックス（ＳＩＭＯＸ：Ｓｅｐｅ
ｒａｔｉｏｎｂｙｉｏｎｉｍｐｌａｎｔｅｄｏ
ｘｙｇｅｎ）と称されるＳｉ単結晶基板中に酸素のイオ
ン注入によりＳｉＯ₂層を形成する方法であり、Ｓｉプ
ロセスと整合性が良いため現在もっとも成熟した方法で
ある。しかしながら、ＳｉＯ₂層形成をするためには、
酸素イオンを１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上も注入する必
要があり、その注入時間は長大であり、生産性は高いと
はいえず、また、ウエハーコストは高い。更に、結晶欠
陥は多く残存し、工業的に見て少数キャリヤーデバイス
を作製できる充分な品質に至っていない。

【０００９】．多孔質Ｓｉの酸化による誘電体分離に
よりＳＯＩ構造を形成する方法である。この方法は、Ｐ
型Ｓｉ単結晶基板表面にＮ型Ｓｉ層をプロトンイオン注
入、（イマイ他、Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，
ｖｏｌ６３，５４７（１９８３）参照）、もしくは、
エピタキシャル成長とパターニングによって島状に形成
し、表面よりＳｉ島を囲むようにＨＦ溶液中の陽極化成
法によりＰ型Ｓｉ基板のみを多孔質化したのち、増速酸
化によりＮ型Ｓｉ島を誘電体分離する方法である。本方
法では、分離されているＳｉ領域は、デバイス工程のま
えに決定されており、デバイス設計の自由度を制限する
場合があるという問題点がある。

【００１０】ところで、光透過性基板上に半導体素子を
形成することは、光受光素子であるコンタクトセンサ
ー、投影型液晶画像表示装置を構成するうえにおいて重
要である。そして、センサーや表示装置の画素（絵素）
をより一層、高密度化、高解像度化、高精細化するため
には、極めて高性能な駆動素子が必要となる。その結
果、光透過性基板上に設けられる半導体素子は、優れた
結晶性を有する単結晶層上に作製することが求められ
る。しかしながら、ガラスに代表される光透過性基板上
には一般には、その結晶構造の無秩序性を反映して、非
晶質か、良くて、多結晶層にしか形成されず、その欠陥
の多い結晶構造故に、要求されるあるいは今後要求され
るに十分な性能を持った駆動素子を作成することは困難
であった。それは、基板の結晶構造が非晶質であること
によっており、単に、Ｓｉ層を堆積しても、良質な単結
晶層は得られない。光透過性基板上に半導体素子を形成
する場合には、Ｓｉ単結晶基板を用いる上記のいずれの
方法を用いても光透過性基板上に良質な単結晶層を得る
という目的には不適当である。

【００１１】本発明は、上記したような問題点及び上記
したような要求に応える半導体基材の作製方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】また、本発明は、透明基板（光透過性基
板）上に結晶性が単結晶ウエハー並に優れたＳｉを得る
うえで、生産性、均一性、制御性、コストの面において
卓越した半導体基材の作製方法を提供することを目的と
する。

【００１３】更に本発明は、従来のＳＯＩ構造の利点を
実現し、応用可能な半導体基材の作製方法を提供するこ
とも目的とする。

【００１４】また、本発明は、ＳＯＩ構造の大規模集積
回路を作製する際にも、高価なＳＯＳや、ＳＩＭＯＸの
代替足り得る半導体基材の作製方法を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基材の作
製方法は、シリコン基板を多孔質化する工程と、該多孔
質化したシリコン基板を融点以下の温度で熱処理して該
多孔質化したシリコン基板の表面層を非多孔質シリコン
単結晶層にする工程と、該非多孔質シリコン単結晶層を
光透過性基板に貼り合わせる工程と、該多孔質化したシ
リコン基板部分を化学エッチングにより除去する工程
と、を有することを特徴とする。

【００１６】なお、本願において、半導体基材とは光透
過性基板上にシリコン単結晶層が形成された基板をい
い、光透過性基板上に透明電極等が形成されたものも含
まれる。

【００１７】

【作用】本発明は、シリコン基板を多孔質化させてか
ら、融点以下の温度により熱処理して、多孔質化したシ
リコン基板の表面層を非多孔質シリコン単結晶層にする
ことで、シラン等のソースガスを用いることなく、結晶
性の良好なシリコン単結晶層を多孔質化したシリコン基
板上の表面に形成し、さらに、形成したシリコン単結晶
層を光透過性基板に貼り合わせ、シリコン基板の多孔質
化した部分の表面以外を耐化学エッチング耐性に優れた
他材料により被覆したのち、多孔質化により著しくエッ
チング速度が増速された多孔質化シリコン基板部分を化
学エッチングして除去することで、光透過性基板上に良
質な単結晶構造を有する、大面積に渡り均一平坦な、欠
陥の著しく少ない単結晶シリコン層を形成するものであ
る。

【００１８】

【実施態様例】以下、本発明の実施態様例について図を
参照して説明する。

【００１９】図１は、本発明の半導体基材の作製方法の
一実施態様例の工程を説明する模式的断面図である。

【００２０】図１（ａ）に示すように、先ず、Ｓｉ単結
晶基板を用意して、多孔質化する。多孔質化は、全部で
もよいし、表面側のみ、あるいは、表面と裏面の両方で
もよい。続いて、融点以下の温度において、非酸化性雰
囲気、ないし真空中の熱処理を行ない、多孔質化したＳ
ｉ単結晶基板１の表面層を薄膜非多孔質単結晶層２にす
る。

【００２１】Ｓｉ単結晶基板は、ＨＦ溶液を用いた陽極
化成法によって、多孔質化させる。この多孔質Ｓｉ層
は、単結晶Ｓｉの密度２．３３ｇ／ｃｍ³に比べて、そ
の密度をＨＦ溶液濃度を５０〜２０％に変化させること
で密度１．１〜０．６ｇ／ｃｍ³の範囲に変化させるこ
とができる。この多孔質層は、下記の理由により、Ｐ型
Ｓｉ基板に形成されやすい。この多孔質Ｓｉ層は、透過
電子顕微鏡による観察によれば、平均約６００オングス
トローム程度の径の孔が形成される。

【００２２】多孔質Ｓｉは、Ｕｈｌｉｒ等によって１９
５６年に半導体の電解研磨の研究過程に於て発見された
（Ａ．Ｕｈｌｉｒ，ＢｅｌｌＳｙｓｔ．Ｔｅｃｈ．
Ｊ．，ｖｏｌ３５，ｐ．３３３（１９５６））。ま
た、ウナガミ等は、陽極化成におけるＳｉの溶解反応を
研究し、ＨＦ溶液中のＳｉの陽極反応には正孔が必要で
あり、その反応は、次のようであると報告している
（Ｔ．ウナガミ：Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏ
ｃ．，ｖｏｌ．１２７，ｐ．４７６（１９８０））。

【００２３】Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｅ⁺ → Ｓｉ
Ｆ₂＋２Ｈ⁺＋ｎｅ^- ＳｉＦ₂＋２ＨＦ → ＳｉＦ₄＋Ｈ₂ ＳｉＦ₄＋２ＨＦ → Ｈ₂ＳｉＦ₆ 又は、Ｓｉ＋４ＨＦ＋（４−λ）ｅ⁺ → ＳｉＦ₄＋４Ｈ⁺
＋λｅ^- ＳｉＦ₄＋２ＨＦ → Ｈ₂ＳｉＦ₆ ここでｅ⁺及び、ｅ^-はそれぞれ、正孔と電子を表して
いる。また、ｎ及びλは夫々シリコン１原子が溶解する
ために必要な正孔の数であり、ｎ＞２又は、λ＞４なる
条件が満たされた場合に多孔質シリコンが形成されると
している。

【００２４】以上のことから、正孔の存在するＰ型シリ
コンは、多孔質化されやすい。この多孔質化に於ける、
選択性は長野ら及び、イマイによって実証されている
（長野、中島、安野、大中、梶原；電子通信学会技術研
究報告、ｖｏｌ７９，ＳＳＤ７９−９５４９（１９７
９）、Ｋ．イマイ；Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＥｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓｖｏｌ２４，１５９（１９８
１））。このように正孔の存在するＰ型シリコンは多孔
質化されやすく、選択的にＰ型シリコンを多孔質するこ
とができる。

【００２５】一方、高濃度Ｎ型シリコンも多孔質化する
という報告（Ｒ．Ｐ．Ｈｏｌｍｓｔｏｒｍ，Ｉ．Ｊ．
Ｙ．ＣｈｉＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．
４２，３８６（１９８３））もあり、Ｐ、Ｎにこだわら
ず、多孔質化を実現できる基板を選ぶことが重要であ
る。

【００２６】多孔質Ｓｉ層には、透過電子顕微鏡による
観察によれば、平均約６００オングストローム程度の径
の孔が形成されており、その密度は単結晶Ｓｉに比べる
と、半分以下になるにもかかわらず、単結晶性は維持さ
れている。

【００２７】また、多孔質層はその内部に大量の空隙が
形成されている為に、密度が半分以下に減少する。その
結果、体積に比べて表面積が飛躍的に増大するため、そ
の化学エッチング速度は、通常の単結晶層のエッチング
速度に比べて、著しく増速される。

【００２８】各多孔質Ｓｉをエッチングする方法として
は、．ＮａＯＨ水溶液で多孔質Ｓｉをエッチングする
（Ｇ．Ｂｏｎｃｈｉｌ，Ｒ．Ｈｅｒｉｎｏ，Ｋ．Ｂａｒ
ｌａ，ａｎｄＪ．Ｃ．Ｐｆｉｓｔｅｒ，Ｊ．Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１３０，ｎｏ．
７，１６１１（１９８３））。

【００２９】．単結晶Ｓｉをエッチングすることが可
能なエッチング液で多孔質Ｓｉをエッチングする。が知られている。

【００３０】上記の方法は、通常、フッ硝酸系のエッ
チング液が用いられるが、このときのＳｉのエッチング
過程は、Ｓｉ＋２Ｏ → ＳｉＯ₂ ＳｉＯ₂＋４ＨＦ → ＳｉＦ₄＋Ｈ₂Ｏに示される様に、Ｓｉが硝酸で酸化され、ＳｉＯ₂に変
質し、そのＳｉＯ₂をフッ酸でエッチングすることによ
りＳｉのエッチングが進む。

【００３１】同様に結晶Ｓｉをエッチングする方法とし
ては、上記フッ硝酸系エッチング液の他に、エチレンジアミン系ＫＯＨ系ヒドラジン系などがある。

【００３２】その他の重要な多孔質Ｓｉの選択エッチン
グ方法は、結晶Ｓｉに対してはエッチング作用を持たな
い弗酸、あるいはバッファード弗酸を用いるものであ
る。このエッチングにおいては、さらに酸化剤として作
用する過酸化水素を添加しても良い。過酸化水素は、酸
化剤として作用し、過酸化水素の比率を変えることによ
り反応速度を制御することが可能である。また、表面活
性剤として作用するアルコールを添加してもよい。アル
コールは、表面活性剤として作用し、エッチングによる
反応生成気体の気泡を瞬時にエッチング表面から除去
し、均一に、かつ効率良く多孔質Ｓｉの選択エッチング
が可能となる。

【００３３】図２に、多孔質Ｓｉと非多孔質である単結
晶Ｓｉを弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液に
攪はんすることなしに浸潤したときのエッチングされた
多孔質Ｓｉと単結晶Ｓｉの厚みのエッチング時間依存性
を示す。

【００３４】具体的に多孔質化及びエッチング工程につ
いて説明する。

【００３５】多孔質Ｓｉは単結晶Ｓｉを陽極化成によっ
て作成し、その条件を以下にしめす。陽極化成によって
形成する多孔質Ｓｉの出発材料は、単結晶Ｓｉに限定さ
れるものではなく、他の結晶構造のＳｉでも可能であ
る。

【００３６】印加電圧：２．６（Ｖ）電流密度：３０（ｍＡ・ｃｍ^-2）陽極化成溶液：ＨＦ：Ｈ₂Ｏ：Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＝１：
１：１時間：２．４（時間）多孔質Ｓｉの厚み：３００（μｍ）Ｐｏｒｏｓｉｔｙ：５６（％）上記条件により作成した多孔質Ｓｉを室温において４９
％弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）（白丸）に攪はんすることなしに浸潤した。
のちに、該多孔質Ｓｉの厚みの減少を測定した。多孔質
Ｓｉは急速にエッチングされ、４０分ほどで１０７μ
ｍ、更に、８０分経過させると２４４μｍも、高度の表
面性を有して、均一にエッチングされた。エッチング速
度は溶液濃度及び、温度に依存する。

【００３７】既に述べたように、特に、アルコールを添
加することによって、エッチングによる反応生成気体の
気泡を、瞬時にエッチング表面から、攪はんすることな
く、除去でき、均一にかつ効率よく多孔質Ｓｉをエッチ
ングすることができる。また特に、過酸化水素水を添加
することによって、Ｓｉの酸化を増速し、反応速度を無
添加にくらべて増速することが可能となり、更に過酸化
水素水の比率を変えることにより、その反応速度を制御
することができる。

【００３８】また、５００μｍ厚の非多孔質Ｓｉを室温
において４９％弗酸とアルコールと過酸化水素水との混
合液（１０：６：５０）（黒丸）に攪はんすることなし
に浸潤した。のちに、非多孔質Ｓｉの厚みの減少を測定
した。非多孔質Ｓｉは、１２０分経過した後にも、１０
０オングストローム以下しかエッチングされなかった。

【００３９】以上説明したエッチング液によるエッチン
グ後の多孔質Ｓｉと非多孔質Ｓｉを水洗し、その表面を
二次イオンにより微量分析したところ何等不純物は検出
されなかった。

【００４０】本発明に用いられるアルコールはエチルア
ルコールのほか、イソプロピルアルコールなど製造工程
等に実用上差し支えなく、さらに上記アルコール添加効
果を望むことのできるアルコールを用いることができ
る。

【００４１】本発明者は多孔質層の熱処理による構造の
変化を雰囲気等をかえて詳細に高分解能走査型電子顕微
鏡等を用いて、観察したところ、非酸化性雰囲気、ない
しは、真空中での熱処理により多孔質の表面の孔の数
が、条件によりその進行に差異はあるが、例えば、図３
に示すように、時間とともに減少し、ついには消失して
いまい、その結果、平滑な表面を有する単結晶薄層が形
成されることを知見するに至った。これは、陽極化成処
理より形成された多孔質化したＳｉ基板の表面、及び、
その近傍部分が、熱処理される結果、その表面エネルギ
ーを下げるべく、孔を消失し、表面を平滑化するために
非多孔質単結晶薄層が形成されるものである。

【００４２】この表面の平滑な非多孔質単結晶層は、基
板の方位を継承した単結晶層であることが、ＲＨＥＥＤ
や電子線チャネリングパターンにより確認された。

【００４３】本現象は、温度が上昇、圧力の低下に伴
い、促進される。ここでいう非酸化性の雰囲気とは、熱
処理中に多孔質層表面に酸化層が形成されない雰囲気を
いい、より好ましくは、還元性の雰囲気がよく、例えば
水素を含む雰囲気、ないしは、水素雰囲気が挙げられ
る。熱処理の温度は、雰囲気の組成、圧力により異なる
が、概ね、３００℃以上、より好ましくは５００℃以
上、融点以下である。また、圧力は、還元性が強いほど
高い圧力でも平滑化が促進されるが、概ね大気圧以下、
より好ましくは、２００Ｔｏｒｒ以下で、下限は特にな
い。又超高真空は特に必要としない。また、本発明でい
う、真空中とは、反応槽に漏れがない状態で雰囲気ガス
を導入せず、１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下、より好ましく
は、１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の圧力に保ったものをい
う。

【００４４】また、本現象は多孔質表面が清浄な状態で
熱処理することでその進行が開始するのであって、多孔
質化したＳｉ基板表面に自然酸化膜が形成されている場
合には、熱処理に先立って、これを希弗酸により除去し
ておくことにより、表面の平滑化がより促進される。

【００４５】図１（ｂ）に示すように、光透過性ガラス
基板３を用意して、多孔質Ｓｉ基板上１の単結晶Ｓｉ層
２の表面に貼りつける。この貼り付け工程は、洗浄した
表面同士を密着させ、その後酸素雰囲気あるいは、窒素
雰囲気中で加熱する。

【００４６】前記貼り合わせ工程に先立って、非多孔質
単結晶シリコン層２表面に酸化層６を形成してもよい。
酸化層６は、最終的な活性層である単結晶シリコン層２
の界面準位を低減させるために形成する。

【００４７】図１（ｃ）に示すように、必要に応じて、
エッチング防止膜として、Ｓｉ₃Ｎ₄層５を堆積して、
貼り合せた２枚の基板全体を被覆して、多孔質シリコン
基板の多孔質表面上のＳｉ₃Ｎ₄層を除去する。他のエ
ッチング防止膜としてＳｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエ
ゾンワックスを用いても良い。この後に、多孔質Ｓｉ基
板１を全部エッチングして光透過性ガラス３に薄膜化し
た単結晶シリコン層２を残存させ形成する。

【００４８】また、前記エッチングに先立って、多孔質
Ｓｉ基板１を裏面側から、研削、ないしは、研磨等の機
械加工によりあらかじめ薄層化しておいてもよい。特に
Ｓｉ基板を全部多孔質化しない場合には、多孔質層が露
出するまで、機械加工により薄層化することが好まし
い。

【００４９】図１（ｃ）には本発明で得られる半導体基
材が示される。すなわち、図１（ｂ）に於けるエッチン
グ防止膜としてのＳｉ₃Ｎ₄層５を除去することによっ
て、光透過性ガラス基板３上に結晶性がシリコンウエハ
ーと同等な単結晶Ｓｉ層２が平坦に、しかも均一に薄層
化されて、光透過性ガラス基板全域に、大面積に形成さ
れる。この後、必要に応じて、単結晶Ｓｉ層より、エピ
タキシャル成長を行なって、単結晶薄層の厚さをまして
もよい。この成長法は、ＣＶＤ法、スパッタ法、液相成
長法、固相成長法等いづれの方法でも構わない。

【００５０】こうして得られた半導体基材は、絶縁分離
された電子素子作製という点から見ても好適に使用する
ことができる。

【００５１】

【実施例】以下、具体的な実施例によって本発明を説明
する。（実施例１）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ²で
あった。この時の多孔質化速度は、０．９μｍ／ｍｉ
ｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２２３分で多孔質化された。

【００５２】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。

【００５３】温度：９５０℃ 圧力：８０Ｔｏｒｒ時間：２５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００５４】次に、この単結晶薄層の表面に、光学研磨
を施した溶融石英ガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気
中で８００℃、０．５時間加熱することにより、両基板
は、強固に接合された。

【００５５】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００５６】その後、該貼り合わせた基板を４９％弗酸
とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：６：５
０）で攪はんすることなく選択エッチングする。６５分
後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされずに残り、
単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、多孔質Ｓ
ｉ基板は選択エッチングされ、完全に除去された。Ｓｉ
₃Ｎ₄層を除去した後には、石英ガラス基板上に薄膜単
結晶Ｓｉ層が形成できた。透過電子顕微鏡による断面観
察の結果、Ｓｉ層には新たな結晶欠陥は導入されておら
ず、良好な結晶性が維持されていることが確認された。（実施例２）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ
²であった。この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。該多孔
質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中で熱処理して、表面
に平滑な層を得た。熱処理条件は以下のとおりとした。

【００５７】温度：９５０℃ 圧力：５０Ｔｏｒｒ時間：４５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ５０
ｎｍの非多孔質単結晶薄層が形成されていた。

【００５８】次に、このエピタキシャル層を１０ｎｍ酸
化した表面に、光学研磨を施した５００℃近辺に軟化点
のあるガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気中で４５０
℃、０．５時間加熱することにより、両基板は、強固に
接合された。

【００５９】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００６０】前述したように通常のＳｉ単結晶のＫＯＨ
６Ｍ溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミクロ
ン弱程度であるが、多孔質層のエッチング速度はその百
倍ほど増速される。すなわち、２００ミクロンの厚みを
もった多孔質化されＳｉ基板は、２分で除去された。Ｓ
ｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、低軟化点ガラス基板上に
良好な結晶性を有する単結晶Ｓｉ層が形成できた。（実施例３）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ
²であった。

【００６１】この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。

【００６２】該多孔質化されたＳｉ基板を１．５％希弗
酸で洗浄した後、ただちにアルゴン雰囲気中で熱処理し
て、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以下のとおり
とした。

【００６３】温度：９５０℃ 圧力：１Ｔｏｒｒ時間：６０分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００６４】該単結晶薄層表面に、光学研磨を施した５
００℃近辺に軟化点のあるガラス基板を重ねあわせ、酸
素雰囲気中で４５０℃、０．５時間加熱することによ
り、両基板は、強固に接合された。

【００６５】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００６６】前述したように通常のＳｉ単結晶のフッ硝
酸酢酸溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミクロ
ン弱程度（フッ硝酸酢酸溶液１：３：８）であるが、多
孔質層のエッチング速度はその百倍ほど増速される。す
なわち、２００ミクロンの厚みをもった多孔質化された
Ｓｉ基板は、２分で除去された。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去し
た後には、低軟化点ガラス基板上に単結晶Ｓｉ層が形成
できた。

【００６７】また、Ｓｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエゾ
ンワックスを被覆した場合にも同様の効果があり、多孔
質化されたＳｉ基板のみを完全に除去し得た。（実施例４）３００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ²で
あった。この時の多孔質化速度は、０．９μｍ／ｍｉ
ｎ．であり３００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板の表面を３０μｍ多孔質化した。

【００６８】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。

【００６９】温度：９５０℃ 圧力：６０Ｔｏｒｒ時間：２５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ３０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。この単結晶薄層を
１００オングストローム酸化した表面に、溶融石英ガラ
ス基板を密着させ、７００℃、０．５時間加熱すること
により、両基板は、強固に接合された。

【００７０】この多孔質基板を裏面より、通常のウエハ
のラッピング工程により、１７０μｍ削り、多孔質シリ
コンを露出させた。

【００７１】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００７２】その後、該貼り合わせた基板をバッファー
ド弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）で攪はんすることなく選択エッチングする。
３０分後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされずに
残り、単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、多
孔質Ｓｉは選択エッチングされ、完全に除去された。Ｓ
ｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、溶融石英ガラス基板上に
単結晶Ｓｉ層が形成できた。

【００７３】また、Ｓｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエゾ
ンワックスを被覆した場合にも同様の効果があり、多孔
質化されたＳｉ基板のみを完全に除去し得た。（実施例５）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ
²であった。この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。

【００７４】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。

【００７５】温度：９５０℃ 圧力：７６０Ｔｏｒｒ時間：８０分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。この単結晶薄層の
表面に、光学研磨を施した８００℃近辺に軟化点のある
ガラス基板を密着させ、７００℃、０．５時間加熱する
ことにより、両基板は、強固に接合された。

【００７６】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００７７】前述したように通常のＳｉ単結晶のフッ硝
酸酢酸溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミクロ
ン弱程度（フッ硝酸酢酸溶液１：３：８）であるが、多
孔質層のエッチング速度はその百倍ほど増速される。す
なわち、２００ミクロンの厚みをもった多孔質化された
Ｓｉ基板は、２分で除去された。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去し
た後には、ガラス基板上に単結晶Ｓｉ層が形成できた。

【００７８】次に通常用いるＣＶＤ法を用いて、この単
結晶薄層からエピタキシャル成長させて、単結晶シリコ
ン層の厚さを２μｍにした。成長条件は以下のとおりと
した。

【００７９】ガス：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ ／Ｈ₂；１／１８
０（１／ｍｉｎ．）温度：１０８０℃ 圧力：８０Ｔｏｒｒその結果、ガラス基板上に厚さ２μｍの単結晶Ｓｉ層が
形成できた。（実施例６）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）単結晶Ｓｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極
化成を行った。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ
²であった。

【００８０】この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。

【００８１】該多孔質化されたＳｉ基板を１．５％希弗
酸で洗浄した後、ただちに真空槽中で熱処理して、表面
に平滑な層を得た。熱処理条件は以下のとおりとした。

【００８２】温度：９５０℃ 圧力：１×１０^-8Ｔｏｒｒ時間：１００分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ１５
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００８３】該単結晶薄層表面に、光学研磨を施した溶
融石英ガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気中で８００
℃、０．５時間加熱することにより、両基板は、強固に
接合された。

【００８４】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００８５】その後、該貼り合わせた基板をバッファー
ド弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）で攪はんすることなく選択エッチングする。
２０５分後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされず
に残り、単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、
多孔質Ｓｉ基板は選択エッチングされ、完全に除去され
た。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、石英ガラス基板上
に薄膜単結晶Ｓｉ層が形成できた。

【００８６】透過電子顕微鏡による断面観察の結果、Ｓ
ｉ層には新たな結晶欠陥は導入されておらず、良好な結
晶性が維持されていることが確認された。

【００８７】また、Ｓｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエゾ
ンワックスを被覆した場合にも同様の効果があり、多孔
質化されたＳｉ基板のみを完全に除去し得た。

【００８８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ガラスに代表される光透過性基板上に結晶性が単結晶ウ
エハー並に優れたＳｉ結晶層を得るうえで、生産性、均
一性、制御性、経済性の面において卓越した方法を提供
することができる。

【００８９】更に本発明によれば、従来のＳＯＩデバイ
スの利点を実現し、応用可能な半導体基板の作製方法を
提供することができる。

【００９０】また、本発明によれば、ＳＯＩ構造の大規
模集積回路を作製する際にも、高価なＳＯＳや、ＳＩＭ
ＯＸの代替足り得る半導体基板の作製方法を提供するこ
とができる。

【００９１】本発明によれば、元々良質な単結晶Ｓｉ基
板を出発材料として、陽極化成により多孔質化した後、
非酸化性雰囲気、ないし、真空中で熱処理することによ
り、多孔質層表面を非多孔質単結晶層に変質せしめた
後、下部のＳｉ基板を化学的に除去して光透過性基板上
に移設させるものであり、シラン等のソースガスを用い
ることなく多孔質上に非多孔質単結晶層を形成できるの
で、経済性に優れる。また、実施例にも詳細に記述した
ように、多数処理を短時間に行うことが可能であり、そ
の生産性と経済性に多大の進歩がある。

【００９２】さらに本発明によれば、極薄の単結晶層を
酸化層上に形成できるので薄膜を用いるＳＯＩ回路など
にも好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体基材の作製方法の工程を説明す
るための模式的断面図である。

【図２】多孔質Ｓｉと非多孔質Ｓｉを弗酸とアルコール
と過酸化水素水の混合液に浸潤した時のエッチング特性
図である。

【図３】多孔質Ｓｉの熱処理における表面の孔の数密度
の時間変化を示す図である。

【符号の説明】１多孔質Ｓｉ基板２非多孔質Ｓｉ単結晶層３光透過性ガラス基板５Ｓｉ₃Ｎ₄エッチング防止膜６表面酸化層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板を多孔質化する工程と、該
多孔質化したシリコン基板を融点以下の温度で熱処理し
て該多孔質化したシリコン基板の表面層を非多孔質シリ
コン単結晶層にする工程と、該非多孔質シリコン単結晶
層を光透過性基板に貼り合わせる工程と、該多孔質化し
たシリコン基板部分を化学エッチングにより除去する工
程と、を有することを特徴とする半導体基材の作製方
法。
【請求項２】前記熱処理は非酸化性雰囲気又は真空中
で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体基材の作
製方法。
【請求項３】前記エッチング工程の後、前記非多孔質
シリコン単結晶層よりエピタキシャル成長により単結晶
シリコン層を成長することを特徴とする請求項１記載の
半導体基材の作製方法。
【請求項４】前記多孔質化するシリコン基板はＰ型で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体基材の作製
方法。
【請求項５】前記貼り合わせ工程後、前記エッチング
工程に先立ち、前記多孔質化したシリコン基板の多孔質
表面以外の部分を耐化学エッチング耐性に優れた材料に
より被覆しておくことを特徴とする請求項１記載の半導
体基材の作製方法。
【請求項６】前記貼り合わせ工程が酸素を含む雰囲気
中で行われる工程を含むことを特徴とする請求項１記載
の半導体基材の作製方法。
【請求項７】前記貼り合わせ工程が窒素を含む雰囲気
中で行われる工程を含むことを特徴とする請求項１記載
の半導体基材の作製方法。
【請求項８】前記シリコン基板を多孔質化する工程は
陽極化成であることを特徴とする請求項１記載の半導体
基材の作製方法。
【請求項９】前記エッチング工程に先立って、前記多
孔質化したシリコン基板部分を機械的加工により薄層化
することを特徴とする請求項１記載の半導体基材の作製
方法。
【請求項１０】前記非酸化性雰囲気又は真空中での熱
処理の後、貼り合わせ工程に先立って、形成された非多
孔質単結晶層の表面に酸化層を形成することを特徴とす
る請求項２記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１１】前記非酸化性雰囲気は、還元性雰囲気
であることを特徴とする請求項２記載の半導体基材の作
製方法。
【請求項１２】前記非酸化性雰囲気、又は真空中での
熱処理に先立って、前記多孔質化したシリコン基板を弗
酸で洗浄することを特徴とする請求項２記載の半導体基
材の作製方法。
【請求項１３】前記陽極化成はＨＦ溶液中で行われる
ことを特徴とする請求項８記載の半導体基材の作製方
法。
【請求項１４】前記還元性雰囲気は、水素を含む雰囲
気であることを特徴とする請求項１１記載の半導体基材
の作製方法。