JP2010232568A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract
【課題】絶縁層を介して基板同士を貼り合わせることで、一方の基板上に形成された半導体層を他方の基板に形成できると共に、半導体層の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できる半導体デバイス及びその製造方法を提案する。
【解決手段】ECRプラズマを用いてIII−V族化合物半導体層7及びSi基板4上に酸化膜6a,6bを形成するようにしたことで、当該III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6a,6bへのダメージが低減され、酸化膜6a,6bを平坦に形成できると共に、III−V族化合物半導体層7の結晶構造も損傷させることなく高品質に維持できる。これにより酸化膜6a,6bを介しSi基板4及びInP基板12同士を貼り合わせることで、一方のInP基板12上に形成されたIII−V族化合物半導体層7を他方のSi基板4に形成できると共に、III−V族化合物半導体層7の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できた半導体デバイス1を提案できる。
【選択図】図5By bonding substrates together via an insulating layer, a semiconductor layer formed on one substrate can be formed on the other substrate, and high quality can be maintained without damaging the crystal structure of the semiconductor layer. A semiconductor device and a manufacturing method thereof are proposed.
The oxide films 6a and 6b are formed on the III-V compound semiconductor layer 7 and the Si substrate 4 using ECR plasma, so that the III-V compound semiconductor layer 7 and the oxide film 6a are formed. , 6b is reduced, the oxide films 6a, 6b can be formed flat, and the crystal structure of the III-V compound semiconductor layer 7 can be maintained at a high quality without being damaged. Thereby, the III-V group compound semiconductor layer 7 formed on one InP substrate 12 can be formed on the other Si substrate 4 by bonding the Si substrate 4 and the InP substrate 12 to each other via the oxide films 6a and 6b. At the same time, it is possible to propose the semiconductor device 1 that can maintain high quality without damaging the crystal structure of the III-V compound semiconductor layer 7.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、半導体デバイス及びその製造方法に関し、例えばIII−V族化合物半導体層がSi基板上に設けられた半導体デバイスを製造する際に適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and is suitable for application in manufacturing a semiconductor device in which a III-V group compound semiconductor layer is provided on a Si substrate, for example.
従来、III−V族化合物半導体層は、キャリア移動度が高いことから、SiCMOSと置き換わる有望な候補となっている。実際上、Si基板上のIII−V族化合物半導体層をチャネル層として用いたMOSFETは、その高いキャリア移動度と低いキャリアの有効質量から、小型化されたSiCMOSの特性をさらに向上する回路素子として期待されてきた(例えば、非特許文献1〜13参照)。 Conventionally, the III-V compound semiconductor layer has been a promising candidate to replace SiCMOS because of its high carrier mobility. In practice, a MOSFET using a III-V compound semiconductor layer on a Si substrate as a channel layer is a circuit element that further improves the characteristics of a miniaturized SiCMOS because of its high carrier mobility and low effective carrier mass. It has been expected (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 13).
しかしながら、このようなIII−V族化合物半導体層を用いた半導体デバイスを製造しようとした場合には、Si基板や絶縁膜上に結晶性を維持しつつ高品質のままIII−V族化合物半導体層を形成することが困難である。ところで、近年、光デバイスへの集積する技術として直接基板貼り合わせ製造法(direct wafer bonding (DWB))が知られているが、この直接基板貼り合わせ製造法を用いても、III−V族化合物半導体層が貼り合わせのダメージに対してより鋭敏であるため、光デバイスへの集積に比較して困難である。特に、貼り合わせの際に生じるダメージは、極薄膜構造でなるIII−V族化合物半導体層を用いた半導体デバイスにおいて致命的な問題となる。 However, when an attempt is made to manufacture a semiconductor device using such a III-V compound semiconductor layer, the III-V compound semiconductor layer remains high quality while maintaining crystallinity on the Si substrate or insulating film. Is difficult to form. By the way, in recent years, a direct wafer bonding (DWB) method is known as a technique for integration in an optical device, but even if this direct substrate bonding manufacturing method is used, a III-V group compound is used. Since the semiconductor layer is more sensitive to bonding damage, it is difficult compared to integration in an optical device. In particular, damage that occurs during bonding becomes a fatal problem in a semiconductor device using a III-V group compound semiconductor layer having an extremely thin film structure.
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、絶縁膜を介して基板同士を貼り合わせることで、一方の基板上に形成された半導体層を他方の基板に形成できると共に、当該半導体層の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できる半導体デバイス及びその製造方法を提案することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and by bonding substrates together via an insulating film, a semiconductor layer formed on one substrate can be formed on the other substrate, and the semiconductor layer An object of the present invention is to propose a semiconductor device capable of maintaining high quality without damaging its crystal structure and a method for manufacturing the same.
かかる課題を解決するため本発明の請求項1は、第1の基板の表面に結晶成長により形成された半導体層と、第2の基板との少なくともいずれか一方に対して、その一方の該半導体層又は該第2の基板に低ダメージなプラズマが照射されることにより酸化膜が成膜され、前記酸化膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とが貼り合わされた後、該半導体層から前記第1の基板が剥離されて前記第2の基板に対し前記半導体層が形成されることを特徴とするものである。 In order to solve this problem, claim 1 of the present invention is directed to at least one of a semiconductor layer formed by crystal growth on a surface of a first substrate and a second substrate, and one of the semiconductors. After the layer or the second substrate is irradiated with low-damage plasma, an oxide film is formed, and after the first substrate and the second substrate are bonded together by the oxide film, the semiconductor layer The first substrate is peeled off, and the semiconductor layer is formed on the second substrate.
また、本発明の請求項2は、前記酸化膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とが貼り合わされる前に、前記酸化膜に対して前記プラズマが照射されることにより、前記酸化膜の表面が活性化されていることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, the oxide film is irradiated with the plasma before the first substrate and the second substrate are bonded to each other by the oxide film. The surface of the film is activated.
また、本発明の請求項3は、前記半導体層及び前記第2の基板に対して前記プラズマが照射されることにより、前記半導体層及び前記第2の基板の表面の汚染物質が除去されていることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, contaminants on the surfaces of the semiconductor layer and the second substrate are removed by irradiating the semiconductor layer and the second substrate with the plasma. It is characterized by this.
また、本発明の請求項4は、前記プラズマがECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマであることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the plasma is ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma.
また、本発明の請求項5は、前記酸化膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とが貼り合わされる前に、貼り合わせ面に対し加熱処理が施されていることを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, the bonded surface is subjected to heat treatment before the first substrate and the second substrate are bonded by the oxide film. Is.
また、本発明の請求項6は、前記半導体層がIII−V族化合物半導体層であることを特徴とするものである。 According to a sixth aspect of the present invention, the semiconductor layer is a group III-V compound semiconductor layer.
また、本発明の請求項7は、前記酸化膜が、SiO2、Al2O3、AlN、Si、SiN、SiON、Ta2O5、TaN、ZrO2、ZrN、HfO2、HfN、ITO、ZnOのうちいずれか1種、或いはこれらを混合した絶縁膜であることを特徴とするものである。 Moreover, claim 7 of the present invention, the oxide film, SiO 2, Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5, TaN, ZrO 2, ZrN, HfO 2, HfN, ITO, It is one of ZnO or an insulating film in which these are mixed.
また、本発明の請求項8は、前記絶縁膜は少なくとも前記半導体層の表面に形成されていることを特徴とするものである。 According to an eighth aspect of the present invention, the insulating film is formed at least on the surface of the semiconductor layer.
また、本発明の請求項9は、金属部材からなるソース及びドレインが設けられ、前記ソール及び前記ドレイン間にチャネル層として前記半導体層が配置されていることを特徴とするものである。 According to a ninth aspect of the present invention, a source and a drain made of a metal member are provided, and the semiconductor layer is disposed as a channel layer between the sole and the drain.
また、本発明の請求項10は、第1の基板の表面に結晶成長により形成された半導体層と、第2の基板との少なくともいずれか一方に対して、その一方の該半導体層又は該第2の基板に低ダメージなプラズマを照射することにより酸化膜を成膜する成膜ステップと、前記酸化膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わす貼合ステップと、前記半導体層から前記第1の基板を剥離して前記第2の基板に対し前記半導体層を形成する形成ステップとを備えることを特徴とするものである。 According to a tenth aspect of the present invention, at least one of the semiconductor layer formed by crystal growth on the surface of the first substrate and the second substrate, the one semiconductor layer or the first substrate. A film forming step in which an oxide film is formed by irradiating a low-damage plasma to the second substrate; a bonding step in which the first substrate and the second substrate are bonded together by the oxide film; and the semiconductor Forming a semiconductor layer on the second substrate by peeling the first substrate from the layer.
また、本発明の請求項11は、前記貼合ステップの前に、前記酸化膜に対して前記プラズマが照射されることにより、前記酸化膜の表面が活性化されることを特徴とするものである。 The eleventh aspect of the present invention is characterized in that the surface of the oxide film is activated by irradiating the oxide film with the plasma before the bonding step. is there.
また、本発明の請求項12は、前記成膜ステップの前に、前記半導体層及び前記第2の基板に対して前記プラズマを照射することにより、前記半導体層及び前記第2の基板の表面の汚染物質を除去する除去ステップを備えることを特徴とするものである。 According to a twelfth aspect of the present invention, the surface of the semiconductor layer and the second substrate is irradiated by irradiating the plasma to the semiconductor layer and the second substrate before the film forming step. It is characterized by comprising a removal step for removing contaminants.
また、本発明の請求項13は、前記プラズマがECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマであることを特徴とするものである。 The thirteenth aspect of the present invention is characterized in that the plasma is ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma.
また、本発明の請求項14は、前記酸化膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わす前に、貼り合わせ面に対し加熱処理を施すことを特徴とするものである。 According to a fourteenth aspect of the present invention, the bonded surface is subjected to heat treatment before the first substrate and the second substrate are bonded to each other by the oxide film.
また、本発明の請求項15は、前記半導体層がIII−V族化合物半導体層であることを特徴とするものである。 The fifteenth aspect of the present invention is characterized in that the semiconductor layer is a III-V group compound semiconductor layer.
また、本発明の請求項16は、前記酸化膜が、SiO2、Al2O3、AlN、Si、SiN、SiON、Ta2O5、TaN、ZrO2、ZrN、HfO2、HfN、ITO、ZnOのうちいずれか1種、或いはこれらを混合した絶縁膜であることを特徴とするものである。 Further, Claim 16 of the present invention, the oxide film, SiO 2, Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5, TaN, ZrO 2, ZrN, HfO 2, HfN, ITO, It is one of ZnO or an insulating film in which these are mixed.
また、本発明の請求項17は、前記成膜ステップでは、少なくとも前記半導体層の表面に前記絶縁膜を形成することを特徴とするものである。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the film forming step, the insulating film is formed at least on the surface of the semiconductor layer.
また、本発明の請求項18は、前記形成ステップの後に、前記前記半導体層の所定領域を除去して金属部材からなるソース及びドレインを設け、前記ソース及び前記ドレイン間にチャネル層として前記半導体層を配置させることを特徴とするものである。 According to an eighteenth aspect of the present invention, after the forming step, a predetermined region of the semiconductor layer is removed to provide a source and a drain made of a metal member, and the semiconductor layer is used as a channel layer between the source and the drain. It is characterized by arranging.
本発明の請求項1の半導体デバイス、請求項10の製造方法によれば、半導体層又は第2の基板に低ダメージなプラズマを用いて半導体層又は第2の基板上に絶縁膜を形成するようにしたことで、当該半導体層又は絶縁膜へのダメージが低減され、当該絶縁膜を平坦に形成できると共に、半導体層の結晶構造も損傷させることなく高品質に維持できる。これにより、絶縁膜を介して基板同士を貼り合わせることで、一方の基板上に形成された半導体層を他方の基板に形成できると共に、半導体層の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できる半導体デバイス及びその製造方法を提案できる。 According to the semiconductor device of claim 1 and the manufacturing method of claim 10 of the present invention, an insulating film is formed on the semiconductor layer or the second substrate by using low damage plasma on the semiconductor layer or the second substrate. By doing so, damage to the semiconductor layer or the insulating film is reduced, the insulating film can be formed flat, and the crystal structure of the semiconductor layer can be maintained at high quality without being damaged. Thus, by bonding substrates together via an insulating film, a semiconductor layer formed on one substrate can be formed on the other substrate, and high quality can be maintained without damaging the crystal structure of the semiconductor layer. A semiconductor device and a manufacturing method thereof can be proposed.
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
(1)半導体デバイスの構成
図1において、1は半導体デバイスを示し、複数のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)2が形成された構成を有する。図1及び図2に示しように、MOSFET2は、厚さ280μmのSi基板4の裏面に対し、Al(アルミニウム)からなり厚さ280μmのバックゲート3が配置され、これらバックゲート3及びSi基板4によりゲート5が形成されている。このMOSFET2には、Si基板4上にSiO2(酸化シリコン)からなる厚さ10〜13nmの酸化膜6が配置されており、この酸化膜6上で結晶成長し得ない例えばInGaAs(インジウムガリウム砒素)でなるIII−V族化合物半導体層7が酸化膜6上に設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1) Configuration of Semiconductor Device In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semiconductor device having a configuration in which a plurality of MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) 2 are formed. As shown in FIGS. 1 and 2, the MOSFET 2 includes a back gate 3 made of Al (aluminum) and having a thickness of 280 μm on the back surface of the Si substrate 4 having a thickness of 280 μm. Thus, the gate 5 is formed. In this MOSFET 2, an oxide film 6 made of SiO 2 (silicon oxide) having a thickness of 10 to 13 nm is disposed on a Si substrate 4. For example, InGaAs (indium gallium arsenide) that cannot grow crystals on this oxide film 6. The group III-V compound semiconductor layer 7 is provided on the oxide film 6.
また、酸化膜6には、その表面にAu−Ge(金−ゲルマニウム)合金からなるソース9及びドレイン10が形成されており、これらソース9及びドレイン10間の領域にIII−V族化合物半導体層7がチャネル層として配置されている。かくして、MOSFET2は、ゲート5にゲート電圧が印加されることによりソース9からドレイン10へ電流が流れるように構成されている。 Further, a source 9 and a drain 10 made of an Au—Ge (gold-germanium) alloy are formed on the surface of the oxide film 6, and a III-V group compound semiconductor layer is formed in a region between the source 9 and the drain 10. 7 is arranged as a channel layer. Thus, the MOSFET 2 is configured such that a current flows from the source 9 to the drain 10 when a gate voltage is applied to the gate 5.
因みに、この実施の形態の場合、半導体デバイス1では、フロントゲート構造よりも作製が容易で、かつMOSFET2の動作実証をし易いことからバックゲート構造を適用している。また、この半導体デバイス1では、バックゲート構造を適用することで、後述するECRプラズマ装置を利用して成膜した酸化膜6とIII−V族化合物半導体層7との境界面が良好であることを示すことができると共に、後述する貼り合わせ手法が良好であることを示すことができる。
(2)半導体デバイスの製造方法
このような半導体デバイス1は、以下のような製造方法により製造される。図3(A)に示すように、有機金属気相成長法(以下、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法、或いはMOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法ともいう)によって、InP(インジウムリン)からなるInP基板12の表面にInGaAsの結晶をエピタキシャル成長させることによりIII−V族化合物半導体層7を成膜する。この場合、InP基板12を載置した反応チャンバ(図示せず)内に、III族元素であるGa(ガリウム)とIn(インジウム)の原料となる反応ガスTMGa(トリメチルガリウム)、TMIn(トリメチルインジウム)と、V族元素であるAs(砒素)の原料となる反応ガスTBAs(ターシャリーブチルヒ素)とが供給され、所定温度に加熱されたInP基板12の表面にInGaAsの結晶をエピタキシャル成長させ得る。
Incidentally, in the case of this embodiment, in the semiconductor device 1, the back gate structure is applied because it is easier to manufacture than the front gate structure and the operation of the MOSFET 2 can be easily verified. Further, in this semiconductor device 1, by using the back gate structure, the boundary surface between the oxide film 6 and the III-V group compound semiconductor layer 7 formed using the ECR plasma apparatus described later is good. It can show that the pasting method mentioned below is good.
(2) Manufacturing Method of Semiconductor Device Such a semiconductor device 1 is manufactured by the following manufacturing method. As shown in FIG. 3A, InP (indium phosphide) is obtained by metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter also referred to as MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) method or MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method). The III-V compound semiconductor layer 7 is formed by epitaxially growing InGaAs crystals on the surface of the InP substrate 12 made of In this case, reaction gases TMGa (trimethylgallium) and TMIn (trimethylindium), which are raw materials for group III elements Ga (gallium) and In (indium), are placed in a reaction chamber (not shown) on which the InP substrate 12 is placed. ) And a reactive gas TBAs (tertiary butyl arsenide) which is a raw material for As (arsenic) which is a group V element, an InGaAs crystal can be epitaxially grown on the surface of the InP substrate 12 heated to a predetermined temperature.
次いで、本発明では、図示しないECR((Electron Cyclotron Resonance)プラズマ装置によって、例えば250〜330℃、真空度10-5(<1×10-4)Pa台(実際にはアニールの状態にもよるが、5×10-5〜1×10-4Pa)で15min、III−V族化合物半導体層7を真空アニールすることにより、III−V族化合物半導体層7の表面の自然酸化膜や表面に付着した炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)を除去し、III−V族化合物半導体層7の表面をクリーニング処理する。因みに、上述した実施の形態の場合には、真空アニールすることにより、III−V族化合物半導体層7の表面をクリーニング処理する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、後述するECRプラズマを照射することにより、III−V族化合物半導体層7の表面をクリーニング処理してもよい。 Next, in the present invention, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma apparatus (not shown) is used, for example, at a temperature of 250 to 330 ° C. and a degree of vacuum of 10 −5 (<1 × 10 −4 ) Pa (which actually depends on the annealing state) However, by vacuum annealing the III-V compound semiconductor layer 7 for 15 min at 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa), the surface of the III-V compound semiconductor layer 7 is exposed to the natural oxide film or the surface. Contaminants such as adhering hydrocarbons (contamination) are removed, and the surface of the III-V compound semiconductor layer 7 is cleaned. Although the case where the surface of the −V group compound semiconductor layer 7 is cleaned is described, the present invention is not limited to this, and the surface of the III-V group compound semiconductor layer 7 is cleaned by irradiating ECR plasma described later. May be.
これに加えて、本発明では、ECRプラズマ装置を用いて、図3(B)に示すように、III−V族化合物半導体層7の表面に酸化膜(SiO2)6aを成膜するようになされており、ECRスパッタリング法を適用することでIII−V族化合物半導体層7の表面や酸化膜6aに対して与えられるダメージを極力軽減しつつ、表面が平坦な酸化膜6aを成膜し得るようになされている。ここで、ECRスパッタリング法におけるECRプラズマは、10〜30 eVの低エネルギーイオン流によって酸化膜を成膜できるものであり、例えば50〜1000 eVの照射エネルギーが必要な他のプラズマや、10〜15 ke(〜500 keV)の照射エネルギーのイオン注入とは異なるものである。 In addition, in the present invention, as shown in FIG. 3B, an oxide film (SiO 2 ) 6a is formed on the surface of the III-V compound semiconductor layer 7 using an ECR plasma apparatus. By applying the ECR sputtering method, an oxide film 6a having a flat surface can be formed while reducing damage to the surface of the III-V compound semiconductor layer 7 and the oxide film 6a as much as possible. It is made like that. Here, the ECR plasma in the ECR sputtering method can form an oxide film with a low energy ion flow of 10 to 30 eV. For example, other plasmas requiring irradiation energy of 50 to 1000 eV, 10 to 15 This is different from ion implantation with an irradiation energy of ke (˜500 keV).
この場合、ECRプラズマ装置は、例えば250〜330 ℃、真空度1.3×10-1 Paで45 sec〜2 min 30 sec、Ar/O2混合ガスの流量15/6.6〜15/8.1 sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSiターゲットをスパッタし、III−V族化合物半導体層7の表面に酸化膜6aを成膜する。このとき同時に、酸化膜6aは、表面に対してECRプラズマが照射されることにより、酸化膜6aの表面の自然酸化膜や表面に付着した炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)が除去されると共に、当該酸化膜6aの表面を活性化させ得るようになされている。次いで、図3(C)に示すように、例えば真空度10-5(<1×10-4)Pa台(実際にはアニールの状態にもよるが、5×10-5〜1×10-4Pa)で、15min、250〜330℃で酸化膜6aを熱処理することにより脱ガス処理を行う。 In this case, the ECR plasma apparatus is under conditions of, for example, 250 to 330 ° C., vacuum degree 1.3 × 10 −1 Pa, 45 sec to 2 min 30 sec, Ar / O 2 mixed gas flow rate 15 / 6.6 to 15 / 8.1 sccm. Then, a Si target is sputtered in an Ar / O 2 mixed gas to form an oxide film 6 a on the surface of the III-V compound semiconductor layer 7. At the same time, the oxide film 6a is irradiated with ECR plasma on its surface, thereby removing contaminants (contamination) such as a natural oxide film on the surface of the oxide film 6a and hydrocarbons attached to the surface. At the same time, the surface of the oxide film 6a can be activated. Next, as shown in FIG. 3C, for example, a degree of vacuum of 10 −5 (<1 × 10 −4 ) Pa (actually depending on the annealing state, 5 × 10 −5 to 1 × 10 − 4 Pa), the degassing treatment is performed by heat-treating the oxide film 6a at 250 to 330 ° C. for 15 minutes.
また、これとは別に、図4(A)に示すように、InP基板12とほぼ同一径からなるSi基板4を用意し、例えば250〜330℃、真空度10-5(<1×10-4)Pa台(実際にはアニールの状態にもよるが、5×10-5〜1×10-4Pa)で15min、Si基板4の表面を真空アニールすることにより、Si基板4の表面の自然酸化膜や表面に付着した炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)を除去し、Si基板4の表面をクリーニング処理する。因みに、上述した実施の形態の場合には、真空アニールすることにより、Si基板4の表面をクリーニング処理する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ECRプラズマを照射することにより、Si基板4の表面をクリーニング処理してもよい。 Separately, as shown in FIG. 4A, a Si substrate 4 having substantially the same diameter as that of the InP substrate 12 is prepared. For example, a temperature of 250 to 330 ° C. and a degree of vacuum of 10 −5 (<1 × 10 − 4 ) By vacuum annealing the surface of the Si substrate 4 for 15 minutes on the Pa base (5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa depending on the annealing state in practice), the surface of the Si substrate 4 is The natural oxide film and contaminants (contamination) such as hydrocarbons adhering to the surface are removed, and the surface of the Si substrate 4 is cleaned. Incidentally, in the case of the above-described embodiment, the case where the surface of the Si substrate 4 is cleaned by vacuum annealing has been described. However, the present invention is not limited to this, and the SiCR 4 is irradiated with ECR plasma. The surface of the substrate 4 may be cleaned.
これに加えて、本発明では、ECRプラズマ装置を用いて、図4(B)に示すように、Si基板4の表面を酸化させ、酸化膜6bを形成するようになされており、ECRプラズマを用いることでSi基板4の表面や酸化膜6bに対して与えられるダメージを極力軽減しつつ、表面が平坦な酸化膜6bを成膜し得るようになされている。 In addition, in the present invention, as shown in FIG. 4B, an ECR plasma apparatus is used to oxidize the surface of the Si substrate 4 to form an oxide film 6b. By using it, it is possible to form an oxide film 6b having a flat surface while reducing damage to the surface of the Si substrate 4 and the oxide film 6b as much as possible.
この場合、ECRプラズマ装置は、例えば250〜330 ℃、真空度1.1-1.3×10-1 Paで1min、Ar/O2混合ガスの流量15/6.6〜15/8.1 sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSi基板4をプラズマ酸化させ、Si基板4の表面に酸化膜(SiO2膜)6bを形成する。このとき同時に、酸化膜6bは、表面にECRプラズマが照射されることにより、酸化膜6bの表面の自然酸化膜や表面に付着した炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)が除去されると共に、当該酸化膜6bの表面を活性化させ得るようになされている。次いで、図4(C)に示すように、例えば真空度10-5(<1×10-4)Pa台(実際にはアニールの状態にもよるが、5×10-5〜1×10-4Pa)で、1min、250〜330℃で酸化膜6bを熱処理することにより脱ガス処理を行う。 In this case, the ECR plasma apparatus is, for example, Ar / O under the conditions of 250 to 330 ° C., 1 min at a vacuum degree of 1.1 to 1.3 × 10 −1 Pa, and Ar / O 2 mixed gas flow rate of 15 / 6.6 to 15 / 8.1 sccm. 2) The Si substrate 4 is plasma oxidized in a mixed gas to form an oxide film (SiO 2 film) 6b on the surface of the Si substrate 4. At the same time, the surface of the oxide film 6b is irradiated with ECR plasma, so that the natural oxide film on the surface of the oxide film 6b and contaminants such as hydrocarbons adhering to the surface are removed. The surface of the oxide film 6b can be activated. Next, as shown in FIG. 4C, for example, a degree of vacuum of 10 −5 (<1 × 10 −4 ) Pa (actually depending on the annealing state, 5 × 10 −5 to 1 × 10 − 4 Pa), the degassing process is performed by heat-treating the oxide film 6b at 250 to 330 ° C. for 1 min.
次いで、図5(A)に示しように、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを対向させ、図5(B)に示すように、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを密着させた状態のまま押圧することにより貼り合せる。ここで、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bは、それぞれ表面が活性化されていることにより、室温で作業者の手によって加える外力により容易に接合させることができる。次いで、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを接合した状態のまま、例えば真空度10-5(<1×10-4)Pa台(実際にはアニールの状態にもよるが、5×10-5〜1×10-4Pa)で、15min、250〜330 ℃で加熱することにより接合強度を向上させ、図5(C)に示しように、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを一体化させた酸化膜6を形成する。 Next, as shown in FIG. 5A, the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are opposed to each other, and as shown in FIG. 5B, the oxide film 6a of the InP substrate 12 Bonding is performed by pressing the Si substrate 4 while being in close contact with the oxide film 6b. Here, since the surfaces of the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are activated, they can be easily joined by an external force applied by an operator's hand at room temperature. Next, in a state where the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are joined, for example, a degree of vacuum of 10 −5 (<1 × 10 −4 ) Pa (actually in an annealed state) However, the bonding strength is improved by heating at 250 to 330 ° C. for 15 minutes at 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa), and the oxidation of the InP substrate 12 is performed as shown in FIG. An oxide film 6 in which the film 6a and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are integrated is formed.
次いで、HCl(塩酸)からなる溶液や、或いはHCl:H3PO4(リン酸)が1:4(〜1:1等)の割合で含有した溶液を用いて、図5(D)に示すように、III−V族化合物半導体層7の表面からInP基板12を選択的に除去することにより、貼合基板15を形成できる。その後、図6(A)に示すように、露出したIII−V族化合物半導体層7内にAu-Ge合金(88-12wt.%)によるソース9及びドレイン10を形成する。なお、N型のMOSFETではソース及びドレインをAu-Ge合金により形成するが、P型のMOSFETではソース及びドレインをAu-Zn合金(95-5wt.%)により形成する。 Next, using a solution composed of HCl (hydrochloric acid) or a solution containing HCl: H 3 PO 4 (phosphoric acid) at a ratio of 1: 4 (˜1: 1 etc.), it is shown in FIG. Thus, the bonded substrate 15 can be formed by selectively removing the InP substrate 12 from the surface of the III-V compound semiconductor layer 7. Thereafter, as shown in FIG. 6A, a source 9 and a drain 10 made of an Au—Ge alloy (88-12 wt.%) Are formed in the exposed group III-V compound semiconductor layer 7. In the N-type MOSFET, the source and drain are formed of an Au—Ge alloy, whereas in the P-type MOSFET, the source and drain are formed of an Au—Zn alloy (95-5 wt.%).
このような金属部材からなるソース及びドレインの形成は、次のプロセスで行う。III−V族化合物半導体層7上にレジストを塗布し、所定のマスクを用いて当該レジストを露光することで、ソース形成部及びドレイン形成部のみレジストを除去するようレジストをパターニングする。続いて、抵抗加熱方式の蒸着装置を用いて、低温(〜24℃)でAu-Ge合金(または、Au-Zn合金)を形成した後、レジスト毎にソース形成部及びドレイン形成部以外のAu-Ge合金(または、Au-Zn合金)をリフトオフし、ソース9及びドレイン10を形成する。因みに、ソース及びドレインの形成は、通常のエッチングバックプロセスでもよく、またこの他種々の蒸着方法でもよい。 The source and drain made of such a metal member are formed by the following process. A resist is applied onto the III-V compound semiconductor layer 7, and the resist is exposed by using a predetermined mask, so that the resist is patterned so that only the source forming portion and the drain forming portion are removed. Subsequently, after forming an Au—Ge alloy (or Au—Zn alloy) at a low temperature (˜24 ° C.) using a resistance heating type vapor deposition apparatus, Au other than the source formation portion and the drain formation portion is formed for each resist. The -Ge alloy (or Au-Zn alloy) is lifted off, and the source 9 and the drain 10 are formed. Incidentally, the formation of the source and drain may be performed by a normal etching back process, or by various other deposition methods.
次いで、ソース9及びドレイン10を形成したIII−V族化合物半導体層7上にレジストを塗布し、所定のマスクを用いて当該レジストを露光することによりレジストをパターニングし、H3PO4:H2O2:H2Oが1:1:7の割合からなる溶液を用いてIII−V族化合物半導体層をエッチングし、図6(B)に示すように、所定の形状にIII−V族化合物半導体層7を形成する。最後に、Si基板4の裏面にAlからなるバックゲート3を、抵抗加熱を利用して蒸着させることにより、図1に示すような半導体デバイス1を製造できる。 Next, a resist is applied on the group III-V compound semiconductor layer 7 on which the source 9 and the drain 10 are formed, and the resist is patterned by using a predetermined mask to pattern the resist, and H 3 PO 4 : H 2. The group III-V compound semiconductor layer is etched using a solution having a ratio of O 2 : H 2 O of 1: 1: 7, and the group III-V compound is formed into a predetermined shape as shown in FIG. A semiconductor layer 7 is formed. Finally, by depositing a back gate 3 made of Al on the back surface of the Si substrate 4 by using resistance heating, the semiconductor device 1 as shown in FIG. 1 can be manufactured.
(3)動作及び効果
以上の構成において、半導体デバイスでは、InP基板12の表面にInGaAsの結晶をエピタキシャル成長させることによりIII−V族化合物半導体層7を成膜し、このIII−V族化合物半導体層7の表面に対して、ECRプラズマを用いたスパッタリングにより酸化膜6aを成膜する。このとき同時に酸化膜6aでは、ECRプラズマによって表面の自然酸化膜や炭化水素等の汚染物質が除去されてクリーニング処理されると共に、表面が活性化される。
(3) Operation and Effect In the above configuration, in the semiconductor device, the III-V compound semiconductor layer 7 is formed by epitaxially growing an InGaAs crystal on the surface of the InP substrate 12, and this III-V compound semiconductor layer is formed. An oxide film 6a is formed on the surface of 7 by sputtering using ECR plasma. At the same time, in the oxide film 6a, the surface natural oxide film and contaminants such as hydrocarbons are removed and cleaned by ECR plasma, and the surface is activated.
このようにInP基板12には、III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6aに低ダメージなECRプラズマを用いたスパッタリングにより酸化膜6aを成膜することから、III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6aへのダメージを従来よりも低減できる。また、酸化膜6aの表面は、ECRプラズマが照射されることによりクリーニングされることから、従来の貼り合わせ工程で必要であったクリーニングのための溶液処理を省くことができ、製造工程を簡略化できる。また、溶液を用いないことにより、後の熱処理工程での膜中に浸透した溶液の気化に起因するボイドの発生を抑制できる。 Thus, since the oxide film 6a is formed on the InP substrate 12 by sputtering using low-damage ECR plasma on the III-V group compound semiconductor layer 7 and the oxide film 6a, the III-V group compound semiconductor layer 7 is formed. In addition, damage to the oxide film 6a can be reduced as compared with the prior art. Further, since the surface of the oxide film 6a is cleaned by irradiating with ECR plasma, it is possible to omit the solution processing for cleaning, which is necessary in the conventional bonding process, and simplify the manufacturing process. it can. Moreover, by not using a solution, generation | occurrence | production of the void resulting from the vaporization of the solution which osmose | permeated the film | membrane in the subsequent heat processing process can be suppressed.
これに加えてInP基板12の酸化膜6aには、別途、所定温度で熱処理されることにより脱ガス処理が施され、貼り合わせ後の熱処理の際に酸化膜6a内のガスによってボイドが発生することを一段と確実に抑制できる。 In addition, the oxide film 6a of the InP substrate 12 is separately degassed by heat treatment at a predetermined temperature, and voids are generated by the gas in the oxide film 6a during the heat treatment after bonding. This can be suppressed more reliably.
また、これとは別にInP基板12と貼り合わされるSi基板4には、ECRプラズマが照射されることにより、その表面に酸化膜6bが形成されると共に、当該酸化膜6bの表面の自然酸化膜や炭化水素等の汚染物質が除去されてクリーニング処理され、さらに酸化膜6bの表面が活性化される。 In addition to this, the Si substrate 4 bonded to the InP substrate 12 is irradiated with ECR plasma, whereby an oxide film 6b is formed on its surface, and a natural oxide film on the surface of the oxide film 6b. And contaminants such as hydrocarbons are removed and cleaned, and the surface of the oxide film 6b is activated.
このようにSi基板4でも、酸化膜6bに低ダメージなECRプラズマを用いて酸化膜6aを形成することから、酸化膜6bへのダメージを従来よりも低減できと共に、ECRプラズマにより酸化膜6bの表面がクリーニングされることから、従来の貼り合わせ工程で必要であった溶液処理を省くことができ、製造工程を簡略化や、ボイド発生の抑制を図ることができる。 Thus, even in the Si substrate 4, since the oxide film 6a is formed on the oxide film 6b using low-damage ECR plasma, damage to the oxide film 6b can be reduced as compared with the prior art, and the oxide film 6b is formed by the ECR plasma. Since the surface is cleaned, the solution processing that is necessary in the conventional bonding process can be omitted, the manufacturing process can be simplified, and generation of voids can be suppressed.
因みに、この実施の形態の場合、酸化膜6a,6bを形成する前にも、InP基板12におけるIII−V族化合物半導体層7の表面と、Si基板4の表面とに対して真空アニールすることにより、III−V族化合物半導体層7やSi基板4の表面の自然酸化膜や、表面に付着した炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)を除去し、貼り合わせ後の熱処理の際にボイドが発生することを一段と確実に抑制できる。 Incidentally, in the case of this embodiment, vacuum annealing is performed on the surface of the III-V group compound semiconductor layer 7 and the surface of the Si substrate 4 in the InP substrate 12 before forming the oxide films 6a and 6b. By removing the natural oxide film on the surface of the III-V compound semiconductor layer 7 and the Si substrate 4 and contaminants (contamination) such as hydrocarbons adhering to the surface, voids are formed during the heat treatment after bonding. Occurrence can be more reliably suppressed.
また、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bは、ECRプラズマによって貼り合わせ面たる表面が活性化されていることから、作業者の手による把持力により簡単に接合させることもでき、簡単に位置決めすることができる。そして、半導体デバイス1の製造する際には、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを接合させた状態で熱処理を施すことにより酸化膜6a,6bを一体化させ、InP基板12及びSi基板4を強固に接合させることができる。 In addition, since the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are activated by the ECR plasma, the bonding surface can be easily joined by the gripping force of the operator's hand. Can be positioned easily. Then, when the semiconductor device 1 is manufactured, the oxide films 6a and 6b are integrated by performing a heat treatment in a state where the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the oxide film 6b of the Si substrate 4 are joined, and the InP The substrate 12 and the Si substrate 4 can be firmly bonded.
また、この実施の形態の場合、酸化膜6a,6bの形成前後におけるアニール処理と、酸化膜6a,6bを形成する際のECRプラズマ照射処理と、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとを接合させた状態でのアニール処理とを行うことにより、製造工程の一連の過程で常に自然酸化膜や炭化水素等の汚染物質(コンタミネーション)を除去し続けることができ、かくして汚染物質によってボイドが発生することを一段と確実に抑制できる。 In this embodiment, the annealing process before and after the formation of the oxide films 6a and 6b, the ECR plasma irradiation process when forming the oxide films 6a and 6b, the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the Si substrate 4 are performed. By performing the annealing process in a state where the oxide film 6b is joined, it is possible to always remove contaminants (contamination) such as natural oxide films and hydrocarbons in a series of manufacturing processes. Generation of voids due to contaminants can be further reliably suppressed.
そして、この半導体デバイス1の製造方法では、所定の溶液を用いた選択エッチングにより、III−V族化合物半導体層7からInP基板12のみを除去できることから、選択エッチングによりIII−V族化合物半導体層7からInP基板12のみを剥離することで、Si基板4に対しIII−V族化合物半導体層7を形成することができる。 In this method of manufacturing the semiconductor device 1, only the InP substrate 12 can be removed from the III-V compound semiconductor layer 7 by selective etching using a predetermined solution. Therefore, the III-V group compound semiconductor layer 7 is selectively etched. The III-V compound semiconductor layer 7 can be formed on the Si substrate 4 by peeling only the InP substrate 12 from the Si substrate 4.
ところで、製造過程においてECRプラズマと異なる例えばICPプラズマや、平行平板プラズマ等を用いた場合には、InP基板12のIII−V族化合物半導体層7や成膜される酸化膜、Si基板4に形成される酸化膜へのダメージが大きいことから、III−V族化合物半導体層7をチャネルに用いたCMOSを形成した場合に、特性が劣化する。 By the way, when, for example, ICP plasma, parallel plate plasma, or the like different from ECR plasma is used in the manufacturing process, the III-V group compound semiconductor layer 7 of the InP substrate 12, the oxide film to be formed, or the Si substrate 4 is formed. Since the damage to the oxide film is large, the characteristics deteriorate when the CMOS using the III-V compound semiconductor layer 7 as a channel is formed.
これに対して本発明による半導体デバイス1は、製造過程において、III−V族化合物半導体層7や酸化膜6a,6bに低ダメージのECRプラズマを用いることで、III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6a,6bに対するダメージの影響が少なく、III−V族化合物半導体層7をチャネルに用いたCMOSを形成した場合に、特性が劣化することがなく、結果として、III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6を共に100nm以下の膜厚に形成でき、全体として従来よりも薄型化を図ることができる。 On the other hand, in the semiconductor device 1 according to the present invention, the III-V compound semiconductor layer 7 and the oxide films 6a and 6b are used in the manufacturing process by using low-damage ECR plasma. When the CMOS using the III-V compound semiconductor layer 7 as a channel is formed with little influence of damage to the oxide films 6a and 6b, the characteristics are not deteriorated. As a result, the III-V compound semiconductor layer is obtained. 7 and the oxide film 6 can be formed to a film thickness of 100 nm or less, and the overall thickness can be reduced as compared with the prior art.
このように半導体デバイス1では、酸化膜6を薄型化できることから、バックゲート3及びSi基板4によりゲート5を構成したバックゲート構造であっても、小さなゲート電圧で良好なトランジスタ特性を得ることができ、消費電力を低減させることができる。 Thus, in the semiconductor device 1, since the oxide film 6 can be thinned, even with a back gate structure in which the gate 5 is constituted by the back gate 3 and the Si substrate 4, good transistor characteristics can be obtained with a small gate voltage. Power consumption can be reduced.
因みに、イオン注入により形成されたソース及びドレインは、低抵抗化が困難であるが、本発明による半導体デバイスで用いたソース9及びドレイン10は、イオン注入による形成手法を用いずに単なる金属部材によることから低温プロセスで形成でき低抵抗化することができ、さらにイオン注入により生じるダメージ及びイオン注入後の活性化アニールによるダメージも回避できる。 Incidentally, although it is difficult to reduce the resistance of the source and drain formed by ion implantation, the source 9 and the drain 10 used in the semiconductor device according to the present invention are formed by a simple metal member without using the formation method by ion implantation. Therefore, it can be formed by a low temperature process and the resistance can be reduced, and damage caused by ion implantation and damage caused by activation annealing after ion implantation can be avoided.
この実施の形態の場合、III−V族化合物半導体層7の表面にも酸化膜6bを形成したことにより、当該III−V族化合物半導体層7で形成されるチャネル層の表面から酸化膜6a,6bの整合境界面を遠ざけることができ、貼り合わせの際のチャネル層へのダメージを一段と低減することができる。 In the case of this embodiment, the oxide film 6b is also formed on the surface of the III-V compound semiconductor layer 7, so that the oxide film 6a, The alignment boundary surface of 6b can be moved away, and the damage to the channel layer at the time of bonding can be further reduced.
また、この半導体デバイス1では、製造過程において、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4の酸化膜6bとに対し真空状態において約330℃程度の温度でアニールしたので、その後の製造工程において脱ガスが発生することが無く、400℃程度の熱処理にも十分耐えることができる。すなわち、この半導体デバイス1は、一般的な半導体製造プロセスへの適用可能な耐熱性が得ることができる。 In the semiconductor device 1, the oxide film 6 a of the InP substrate 12 and the oxide film 6 b of the Si substrate 4 are annealed at a temperature of about 330 ° C. in a vacuum state during the manufacturing process. There is no gas generation and it can withstand heat treatment at about 400 ° C. That is, the semiconductor device 1 can obtain heat resistance applicable to a general semiconductor manufacturing process.
以上の構成によれば、半導体デバイス1では、ECRプラズマを用いて、酸化膜6a,6bをIII−V族化合物半導体層7及びSi基板4上に形成するようにしたことで、当該III−V族化合物半導体層7及び酸化膜6a,6bへのダメージが低減され、当該酸化膜6a,6bの表面を平坦に形成できると共に、III−V族化合物半導体層7の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できる。これにより、酸化膜6a,6bを介してSi基板4及びInP基板12同士を貼り合わせることで、一方のInP基板12上に形成されたIII−V族化合物半導体層7を他方のSi基板4に形成できると共に、III−V族化合物半導体層7の結晶構造を損傷させることなく高品質に維持できた半導体デバイス1及びその製造方法を提案できる。
(4)実施例
(4−1)貼合基板について
次に上述した製造方法に従って半導体デバイスを製造し、当該半導体デバイスについて種々の検証を行った。先ず始めに、III−V族化合物半導体層7として、InP基板12の表面にIn0.53Ga0.47AsからなるInGaAs膜を成膜し、エム・イー・エス・アフティ株式会社製のECRプラズマ装置(型名EC-2300:固体ソースECRプラズマ成膜装置)によって、330℃、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、InGaAs膜を真空アニールすることにより、InGaAs膜の表面をクリーニング処理した。
According to the above configuration, in the semiconductor device 1, the oxide films 6a and 6b are formed on the III-V group compound semiconductor layer 7 and the Si substrate 4 using ECR plasma, so that the III-V The damage to the group compound semiconductor layer 7 and the oxide films 6a and 6b is reduced, the surfaces of the oxide films 6a and 6b can be formed flat, and high without damaging the crystal structure of the group III-V compound semiconductor layer 7. Quality can be maintained. Thus, the Si substrate 4 and the InP substrate 12 are bonded to each other through the oxide films 6a and 6b, so that the III-V group compound semiconductor layer 7 formed on one InP substrate 12 is attached to the other Si substrate 4. The semiconductor device 1 that can be formed and maintained at high quality without damaging the crystal structure of the III-V compound semiconductor layer 7 and a method for manufacturing the semiconductor device 1 can be proposed.
(4) Example (4-1) Bonded substrate Next, a semiconductor device was manufactured according to the manufacturing method described above, and various verifications were performed on the semiconductor device. First, an InGaAs film made of In 0.53 Ga 0.47 As is formed on the surface of the InP substrate 12 as the III-V group compound semiconductor layer 7, and an ECR plasma apparatus (type The surface of the InGaAs film is cleaned by vacuum annealing the InGaAs film at 330 ° C. and a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa for 15 min using a solid source ECR plasma deposition system) Processed.
次いで、ECRプラズマ装置を用いて、330 ℃、真空度1.3×10-1 Paで2 min 30 sec、Ar/O2混合ガスの流量15/8.1 sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSiターゲットをスパッタし、InGaAs膜の表面に酸化膜6aを成膜した。次いで、真空度5×10-5〜1×10-4Paで、330 ℃で15 min、酸化膜6aを熱処理することにより脱ガス処理を行った。 Then, by using the ECR plasma apparatus, 330 ℃, 2 min 30 sec at a vacuum degree 1.3 × 10 -1 Pa, under the conditions of a flow rate 15 / 8.1 sccm of Ar / O 2 mixed gas, with Ar / O 2 mixed gas A Si target was sputtered to form an oxide film 6a on the surface of the InGaAs film. Next, degassing was performed by heat-treating the oxide film 6a at 330 ° C. for 15 min at a degree of vacuum of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa.
一方、これとは別に、InP基板12とほぼ同一径からなるSi基板4を用意し、上述したECRプラズマ装置を用いて、330℃、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、Si基板4の表面を真空アニールすることにより、Si基板4の表面をクリーニング処理した。 On the other hand, a Si substrate 4 having the same diameter as that of the InP substrate 12 is prepared separately, and using the above-described ECR plasma apparatus at 330 ° C. and a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa. The surface of the Si substrate 4 was subjected to cleaning treatment by vacuum annealing the surface of the Si substrate 4 for 15 minutes.
次いで、ECRプラズマ装置を用いて、330℃、真空度1.1×10-1Paで1min、Ar/O2混合ガスの流量15/8.1 sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSi基板4を酸化させ、Si基板4の表面に酸化膜6bを形成した。次いで、真空度5×10-5〜1×10-4Paで、1min、330℃で酸化膜6bを熱処理することにより脱ガス処理を行った。 Next, using an ECR plasma apparatus, the Si substrate 4 in an Ar / O 2 mixed gas under conditions of 330 ° C., a vacuum of 1.1 × 10 −1 Pa for 1 min and an Ar / O 2 mixed gas flow rate of 15 / 8.1 sccm. Then, an oxide film 6b was formed on the surface of the Si substrate 4. Next, degassing was performed by heat-treating the oxide film 6b at 330 ° C. for 1 min at a degree of vacuum of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa.
このようにして製造したSi基板4上の酸化膜6bについて、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)により観察を行った。これにより図7に示すような結果が得られた。図7に示すように、酸化膜6bは、接合面となる表面の凹凸(マイクロラフネス)が微小であることが確認でき、貼り合わせに十分なマイクロラフネスであり、自発的な貼り合わせの誘引が可能であることが確認できた。 The oxide film 6b on the Si substrate 4 manufactured as described above was observed with an atomic force microscope (AFM). As a result, a result as shown in FIG. 7 was obtained. As shown in FIG. 7, the oxide film 6b can be confirmed to have minute surface roughness (microroughness) to be a bonding surface, and has sufficient microroughness for bonding. It was confirmed that it was possible.
次に、これら製造したInP基板12とSi基板4とは酸化膜6a,6bによって貼り合わせられるが、その前に、この貼り合わせの際に発生する虞のあるボイドについて検証を行った。ここでは、貼り合わせの前に酸化膜に対する熱処理の有無によりボイドの発生状況が変化するか否かについて検証した。先ず始めに、成膜した酸化膜に熱処理を行わずに、酸化膜同士を貼り合わせた場合には、図8(A)に示すように、複数のボイドBが発生してしまうことが確認できた。これに対して、成膜した酸化膜に対して熱処理を行い脱ガス処理した後に、酸化膜同士を貼り合わせた場合には、図8(B)に示すように、殆んどボイドが発生していないことが確認できた。このことから、貼り合わせ前に酸化膜に対して熱処理を行うことでボイド(このようなボイドを貼り合わせ時にできるボイドと区別してマイクロボイドとも呼ぶ)の発生を抑制できることが確認できた。 Next, the manufactured InP substrate 12 and the Si substrate 4 are bonded together by the oxide films 6a and 6b, but before that, a void that may be generated at the time of the bonding was verified. Here, it was verified whether or not the state of void generation changes depending on the presence or absence of heat treatment on the oxide film before bonding. First, it can be confirmed that a plurality of voids B are generated as shown in FIG. 8A when the oxide films are bonded together without performing heat treatment on the formed oxide films. It was. On the other hand, when the oxide films are bonded together after heat treatment and degassing treatment on the formed oxide film, almost voids are generated as shown in FIG. It was confirmed that it was not. From this, it was confirmed that by performing a heat treatment on the oxide film before bonding, the generation of voids (also referred to as microvoids as distinguished from voids formed during bonding) can be suppressed.
次に、InP基板12に成膜した酸化膜6aと、Si基板4に形成した酸化膜6bとを作業者が手によって合わせ密着させることにより貼り合わせた。次いで、InP基板12とSi基板4とを酸化膜6a,6bによって貼り合わせた状態で、接合強度を向上させるために、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、330℃で加熱した。次いで、HClの溶液を用いてInP基板12を除去してゆき、当該InP基板12が薄くなったら、次にHCl:H3PO4が1:4の割合で含有した溶液を用いて、残りのInP基板12を選択的に除去した。 Next, the oxide film 6a formed on the InP substrate 12 and the oxide film 6b formed on the Si substrate 4 were bonded together by the operator by hand. Next, in order to improve the bonding strength in a state where the InP substrate 12 and the Si substrate 4 are bonded to each other with the oxide films 6a and 6b, the vacuum degree is 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa for 15 minutes at 330 ° C. And heated. Then, Yuki by removing the InP substrate 12 by using a solution of HCl, When the InP substrate 12 is thinned, then HCl: H 3 PO 4 is 1: with a solution containing at a ratio of 4, the remaining The InP substrate 12 was selectively removed.
これにより、Si基板4上に酸化膜6を介しInGaAs膜が形成された貼合基板15を製造した。このようにして製造した貼合基板15について、図9(A)に示すようなIR分析結果を得られた。ここでは直径が約50mmの貼合基板15を製造したが、従来よりもボイドの発生が抑制され、かつその全面で均一性良く貼り付けられていることが確認できた。また、図9(B)は、製造した貼合基板15の写真であり、鏡面状の表面全体が平坦に形成されていることが確認できた。 Thus, a bonded substrate 15 in which an InGaAs film was formed on the Si substrate 4 via the oxide film 6 was manufactured. With respect to the bonded substrate board 15 thus manufactured, an IR analysis result as shown in FIG. 9A was obtained. Here, a bonded substrate 15 having a diameter of about 50 mm was manufactured, but it was confirmed that the generation of voids was suppressed as compared to the conventional case, and the entire surface was bonded with good uniformity. Moreover, FIG. 9 (B) is a photograph of the produced bonded substrate 15, and it was confirmed that the entire mirror-like surface was formed flat.
図10は、この貼合基板15における断面のTEM(Transmission Electron Microscope)写真を示し、各界面ともに平坦であり、ECRプラズマの深刻なダメージを受けていないことが確認できた。また、図11は、この貼合基板15のXRDスペクトルを示し、63.1oと69.1oにそれぞれピークが現れている。この63.1oと69.1oの各ピークは、In0.53Ga0.47As(004))面と、Si(004)面を示している。この結果から、ECRプラズマにより形成した酸化膜6a,6bによって、InP基板12とSi基板4とを貼り合わせた後、InP基板12を除去することでSi基板4に形成されたInGaAs膜について、その優れた結晶性と、構造的特性が良好に維持されていることが確認できた。 FIG. 10 shows a TEM (Transmission Electron Microscope) photograph of the cross section of the bonded substrate 15. It was confirmed that each interface was flat and not seriously damaged by ECR plasma. Moreover, FIG. 11 shows the XRD spectrum of this bonding board | substrate 15, and the peak has appeared in 63.1o and 69.1o, respectively. Each peak of 63.1o and 69.1o indicates an In 0.53 Ga 0.47 As (004) plane and an Si (004) plane. From this result, after the InP substrate 12 and the Si substrate 4 are bonded together by the oxide films 6a and 6b formed by ECR plasma, the InP substrate 12 is removed, and the InGaAs film formed on the Si substrate 4 It was confirmed that excellent crystallinity and structural characteristics were maintained well.
(4−2)半導体デバイスについて
(4−2−1)第1実施例
次に、III−V族化合物半導体層7として、InP基板12の表面にIn0.53Ga0.47AsからなるInGaAs膜を成膜した。なお、このときのInGaAs膜のキャリア濃度は、1×1017 cm-3であった。次いで、エム・イー・エス・アフティ株式会社製のECRプラズマ装置(型名EC-2300:固体ソースECRプラズマ成膜装置)によって、250℃、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、InGaAs膜の表面を真空アニールすることで、InGaAs膜の表面をクリーニング処理した。
(4-2) Semiconductor Device (4-2-1) First Example Next, an InGaAs film made of In 0.53 Ga 0.47 As is formed on the surface of the InP substrate 12 as the III-V group compound semiconductor layer 7. did. At this time, the carrier concentration of the InGaAs film was 1 × 10 17 cm −3 . Next, using an ECR plasma apparatus (model name EC-2300: solid source ECR plasma film-forming apparatus) manufactured by MSF Corporation, the vacuum degree is 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa. The surface of the InGaAs film was subjected to cleaning treatment by vacuum annealing the surface of the InGaAs film for 15 minutes.
次いで、ECRプラズマ装置を用いて、250℃、真空度1.3×10-1Paで2min30sec、Ar/O2混合ガスの流量15/8.1sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSiターゲットをスパッタし、InGaAs膜の表面に酸化膜6aを成膜した。次いで、真空度5×10-5〜1×10-4Pa、250℃で15min、酸化膜6aを熱処理することにより脱ガス処理を行った。 Next, using an ECR plasma apparatus, a Si target was placed in an Ar / O 2 mixed gas under the conditions of 250 ° C., a vacuum of 1.3 × 10 −1 Pa for 2 min 30 sec, and an Ar / O 2 mixed gas flow rate of 15 / 8.1 sccm. Sputtering was performed to form an oxide film 6a on the surface of the InGaAs film. Next, degassing was performed by heat-treating the oxide film 6a at a degree of vacuum of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa and 250 ° C. for 15 minutes.
次いで、これとは別に用意したSi基板4と、InP基板12に成膜した酸化膜6aとを作業者が手によって合わせ密着させることにより貼り合わせた。次いで、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4とを貼り合わせた状態で、接合強度を向上させるために、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、250℃で加熱した。次いで、HClの溶液を用いてInP基板12を選択的に除去し、これによりSi基板4上に酸化膜6を介しInGaAs膜が形成された貼合基板15を製造した。 Subsequently, the Si substrate 4 prepared separately and the oxide film 6a formed on the InP substrate 12 were bonded together by the operator by hand. Next, in a state where the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the Si substrate 4 are bonded, in order to improve the bonding strength, heating is performed at 250 ° C. for 15 minutes at a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa. did. Next, the InP substrate 12 was selectively removed using a solution of HCl, whereby a bonded substrate 15 in which an InGaAs film was formed on the Si substrate 4 via the oxide film 6 was manufactured.
このような貼合基板15のInGaAs膜上にレジストを塗布し、所定のマスクを用いて当該レジストを露光することで、ソース形成部及びドレイン形成部のみレジストを除去するようレジストをパターニングした。続いて、抵抗加熱方式の蒸着装置を用いて、低温(〜24 ℃)でAu-Ge合金を形成した後、レジスト毎にソース形成部及びドレイン形成部以外のAu-Ge合金をリフトオフし、ソース9及びドレイン10を形成した。 A resist was applied onto the InGaAs film of the bonded substrate 15 and exposed to light using a predetermined mask, so that the resist was patterned so that only the source forming portion and the drain forming portion were removed. Subsequently, an Au—Ge alloy is formed at a low temperature (˜24 ° C.) using a resistance heating type vapor deposition apparatus, and then the Au—Ge alloy other than the source formation portion and the drain formation portion is lifted off for each resist. 9 and the drain 10 were formed.
次いで、ソース9及びドレイン10を形成したInGaAs膜上にレジストを塗布し、所定のマスクを用いて当該レジストを露光することによりレジストをパターニングし、H3PO4:H2O2:H2Oが1:1:7の割合からなる溶液を用いてInGaAs膜をエッチングし、最後に、Si基板4の裏面にAlからなるバックゲート3を、抵抗加熱を利用して蒸着させて半導体デバイス1を製造した。なお、ソース9及びドレイン10間のInGaAs膜のチャネル長Lは500μmとした。 Next, a resist is applied on the InGaAs film on which the source 9 and the drain 10 are formed, and the resist is patterned by exposing the resist using a predetermined mask, and H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O. The InGaAs film is etched using a solution having a ratio of 1: 1: 7, and finally, a back gate 3 made of Al is vapor-deposited on the back surface of the Si substrate 4 by using resistance heating to form the semiconductor device 1. Manufactured. The channel length L of the InGaAs film between the source 9 and the drain 10 was 500 μm.
このようにして製造した半導体デバイス1について、ドレイン電圧とドレイン電流の関係を調べた結果、図12に示すような結果が得られた。この結果からドレイン電流電圧の特性として、良好な飽和特性とピンチオフ特性を示した。また、この半導体デバイス1では、リーク電流が存在するものの、リーク電流を減じた後は標準的なドレイン電流電圧特性を示した。 As a result of examining the relationship between the drain voltage and the drain current for the semiconductor device 1 manufactured as described above, a result as shown in FIG. 12 was obtained. From this result, as the drain current voltage characteristics, good saturation characteristics and pinch-off characteristics were shown. In addition, although the semiconductor device 1 has a leakage current, it exhibits a standard drain current-voltage characteristic after the leakage current is reduced.
また、図13は、この半導体デバイス1のゲート電圧とドレイン電流との関係を示しており、この結果から動作時と動作停止時の電流オンオフ比Ion/Ioffが104、傾斜値Sが120mV/decade、閾値VTが−0.22V、界面順位密度が1×1012cm-2eV-1であることが確認できた。 FIG. 13 shows the relationship between the gate voltage and the drain current of the semiconductor device 1. From this result, the current on / off ratio Ion / Ioff during operation and when the operation is stopped is 10 4 , and the slope value S is 120 mV / decade, the threshold value V T is -0.22V, the interface state density was confirmed to be 1 × 10 12 cm -2 eV -1 .
さらに、図14は、この半導体デバイス1の実効電子移動度と表面キャリア濃度との関係を示しており、この結果から実効電子移動度が1,000cm2V-1s-1であることが確認でき、Siで製造したチャネル層を用いた場合に比して1.6倍も高い値が得られることが確認できた。 Further, FIG. 14 shows the relationship between the effective electron mobility and the surface carrier concentration of the semiconductor device 1, and it is confirmed from this result that the effective electron mobility is 1,000 cm 2 V −1 s −1. It was confirmed that a value 1.6 times higher than that obtained when a channel layer made of Si was used.
(4−2−2)第2実施例
次に、上述した第1実施例とは別の第2実施例として、III−V族化合物半導体層7として、InP基板12の表面にIn0.53Ga0.47AsからなるInGaAs膜を成膜した。なお、このときのInGaAs膜のキャリア濃度は、1×1015 cm-3であった。次いで、エム・イー・エス・アフティ株式会社製のECRプラズマ装置(型名EC-2300:固体ソースECRプラズマ成膜装置)によって、330℃、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、InGaAs膜の表面を真空アニールすることで、InGaAs膜の表面をクリーニング処理した。
(4-2-2) Second Example Next, as a second example different from the first example described above, a group III-V compound semiconductor layer 7 is formed as In 0.53 Ga 0.47 on the surface of the InP substrate 12. An InGaAs film made of As was formed. At this time, the carrier concentration of the InGaAs film was 1 × 10 15 cm −3 . Next, using an ECR plasma apparatus (model name EC-2300: solid source ECR plasma film-forming apparatus) manufactured by MAS AFty Co., Ltd., 330 ° C., vacuum degree 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa The surface of the InGaAs film was subjected to cleaning treatment by vacuum annealing the surface of the InGaAs film for 15 minutes.
次いで、ECRプラズマ装置を用いて、330℃、真空度1.3×10-1Paで2min30sec、Ar/O2混合ガスの流量15/8.1sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSiターゲットをスパッタし、InGaAs膜の表面に酸化膜6aを成膜した。次いで、真空度5×10-5〜1×10-4Pa、330℃で15min、酸化膜6aを熱処理することにより脱ガス処理を行った。 Next, using an ECR plasma apparatus, a Si target was placed in an Ar / O 2 mixed gas under conditions of 330 ° C., a vacuum of 1.3 × 10 −1 Pa for 2 min 30 sec, and an Ar / O 2 mixed gas flow rate of 15 / 8.1 sccm. Sputtering was performed to form an oxide film 6a on the surface of the InGaAs film. Next, degassing was performed by heat-treating the oxide film 6a at a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa and 330 ° C. for 15 minutes.
次いで、これとは別にSi基板4を用意し、上述したECRプラズマ装置を用いて、330℃、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、Si基板4の表面を真空アニールすることで、Si基板4の表面をクリーニング処理した。 Next, separately from this, a Si substrate 4 was prepared, and the surface of the Si substrate 4 was vacuum annealed at 330 ° C. and a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa for 15 minutes using the above-described ECR plasma apparatus. As a result, the surface of the Si substrate 4 was cleaned.
次いで、ECRプラズマ装置を用いて、330℃、真空度1.3×10-1Paで1min、Ar/O2混合ガスの流量15/8.1sccmの条件下、Ar/O2混合ガス中でSi基板4をプラズマ酸化させ、Si基板4の表面に酸化膜6bを形成した。次いで、真空度5×10-5〜1×10-4Pa、330℃で15min、酸化膜6bを熱処理することにより脱ガス処理を行った。 Next, using an ECR plasma apparatus, the Si substrate 4 in an Ar / O 2 mixed gas under conditions of 330 ° C., a vacuum of 1.3 × 10 −1 Pa for 1 min and an Ar / O 2 mixed gas flow rate of 15 / 8.1 sccm. Was oxidized by plasma to form an oxide film 6 b on the surface of the Si substrate 4. Next, degassing was performed by heat-treating the oxide film 6b at a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa and 330 ° C. for 15 minutes.
次いで、Si基板4の酸化膜6bと、InP基板12の酸化膜6aとを作業者が手によって合わせ密着させることにより貼り合わせた。次いで、InP基板12の酸化膜6aとSi基板4とを貼り合わせた状態で、接合強度を向上させるために、真空度5×10-5〜1×10-4Paで15min、330℃で加熱した。次いで、HClの溶液を用いてInP基板12を選択的に除去してゆき、薄くなってきたら、次にHCl:H3PO4が1:4の割合で含有した溶液を用いて、残りのInP基板12を選択的に除去した。これによりSi基板4上に酸化膜6を介しInGaAs膜が形成された貼合基板15を製造した。 Next, the oxide film 6b of the Si substrate 4 and the oxide film 6a of the InP substrate 12 were bonded together by an operator by hand. Next, in a state where the oxide film 6a of the InP substrate 12 and the Si substrate 4 are bonded together, heating is performed at 330 ° C. for 15 minutes at a vacuum degree of 5 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Pa in order to improve the bonding strength. did. Then, Yuki and selectively removing the InP substrate 12 by using a solution of HCl, After becoming thinner, then HCl: H 3 PO 4 is 1 - using a solution containing at a ratio of 4, the remaining InP The substrate 12 was selectively removed. Thus, a bonded substrate 15 in which an InGaAs film was formed on the Si substrate 4 via the oxide film 6 was manufactured.
次に、このようにして製造した貼合基板15に上述した第1実施例と同様にしてAu-Ge合金からなるソース9及びドレイン10を形成し、最後に、Si基板4の裏面にAlからなるバックゲート3を、抵抗加熱を利用して蒸着させて半導体デバイス1を製造した。なお、ソース9及びドレイン10間のInGaAs膜のチャネル長Lは500μmとした。 Next, the source 9 and the drain 10 made of an Au—Ge alloy are formed on the bonded substrate 15 manufactured as described above in the same manner as in the first embodiment, and finally, the back surface of the Si substrate 4 is made of Al. The back gate 3 to be formed was vapor-deposited using resistance heating to manufacture the semiconductor device 1. The channel length L of the InGaAs film between the source 9 and the drain 10 was 500 μm.
このようにして製造した半導体デバイス1では、n−MOSFETに対しては、標準的な電流電圧特性を示し、p−MOSFETに対しては、リーク電流が存在するものの、リーク電流を減じた後は標準的なドレイン電流電圧特性を示した。かくして、本願発明による製造方法により製造された半導体デバイス1について、n−MOSFET及びp−MOSFETの動作が確認できたことで、当該半導体デバイス1を利用してCMOSを作製できることが証明できた。 In the semiconductor device 1 manufactured as described above, a standard current-voltage characteristic is shown for the n-MOSFET, and a leakage current exists for the p-MOSFET, but after the leakage current is reduced. Standard drain current voltage characteristics are shown. Thus, with respect to the semiconductor device 1 manufactured by the manufacturing method according to the present invention, the operation of the n-MOSFET and the p-MOSFET was confirmed, and it was proved that a CMOS could be manufactured using the semiconductor device 1.
また、図15は、この半導体デバイス1のゲート電圧とドレイン電流との関係を示しており、この結果から動作時と動作停止時の電流オンオフ比Ion/Ioffが105、傾斜値Sが98mV/decade、閾値VTが0.10V、界面順位密度が1×1012cm-2eV-1であることが確認できた。すなわち、半導体デバイス1では、III−V族化合物半導体を用いた種々のMOSFETのなかでも、比較的高い電流オンオフ比が得られ、また比較的低いS値及び界面準位密度が得られることが確認できた。 FIG. 15 shows the relationship between the gate voltage and the drain current of the semiconductor device 1. From this result, the current on / off ratio Ion / Ioff during operation and when the operation is stopped is 10 5 , and the slope value S is 98 mV / decade, the threshold value V T is 0.10 V, the interface state density was confirmed to be 1 × 10 12 cm -2 eV -1 . That is, in the semiconductor device 1, it is confirmed that a relatively high current on / off ratio can be obtained and a relatively low S value and interface state density can be obtained among various MOSFETs using III-V group compound semiconductors. did it.
さらに、図16は、この半導体デバイス1の実効電子移動度と表面キャリア濃度との関係を示しており、この結果から実効電子移動度が1,200cm2V-1s-1であることが確認でき、Siで製造したチャネル層を用いた場合に比して1.9倍も高い値が得られることが確認できた。 Further, FIG. 16 shows the relationship between the effective electron mobility and the surface carrier concentration of the semiconductor device 1, and it is confirmed from this result that the effective electron mobility is 1,200 cm 2 V −1 s −1. It was confirmed that a value 1.9 times higher than that obtained when a channel layer made of Si was used.
(5)他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態においては、ECRプラズマ装置によって、InP基板及びSi基板の両方にSiO2からなる酸化膜を形成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ECRプラズマ装置によって、InP基板及びSi基板のいずれか一方にだけ酸化膜を形成するようにしてもよい。
(5) Other Embodiments The present invention is not limited to the present embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the case where the oxide film made of SiO 2 is formed on both the InP substrate and the Si substrate by the ECR plasma apparatus has been described. However, the present invention is not limited to this, and the ECR is not limited thereto. An oxide film may be formed only on either the InP substrate or the Si substrate by a plasma apparatus.
また、上述した実施の形態においては、半導体層として、InGaAsからなるIII−V族化合物半導体層を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、InP等この他種々のIII−V族化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層を適用してもよい。なお、III−V族化合物半導体層をチャネル層として形成する場合にはIII−V族化合物半導体層に応じてエッチング材料を選択する。例えばこの場合、図17(A)に示すように、例えばInP基板41の表面にInGaAs層42を成膜すると共に、当該InGaAs層42の表面にInP層43を成膜する。 In the above-described embodiment, the case where the III-V group compound semiconductor layer made of InGaAs is applied as the semiconductor layer has been described. However, the present invention is not limited to this, and various other III-V such as InP. A III-V compound semiconductor layer made of a group compound semiconductor may be applied. In the case where the III-V compound semiconductor layer is formed as a channel layer, an etching material is selected according to the III-V compound semiconductor layer. For example, in this case, as shown in FIG. 17A, for example, an InGaAs layer 42 is formed on the surface of the InP substrate 41 and an InP layer 43 is formed on the surface of the InGaAs layer 42.
次いで、図17(B)に示すように、これとは別に製造されたSi基板44の表面と、InP基板41のInP層43の表面とに、ECRプラズマ装置を用いてそれぞれ成膜された酸化膜45を貼り合わせた後、HClの溶液や、HClとH3PO4を含有した溶液によりInP基板41を除去する。続いて、H3PO4とH2O2とH2Oを含有した溶液、又はH2SO4とH2O2とH2Oを含有した溶液を用いて、図17(C)に示すように、InGaAs層42を除去することにより貼合基板46を形成できる。 Next, as shown in FIG. 17B, an oxide film formed on the surface of the Si substrate 44 manufactured separately and the surface of the InP layer 43 of the InP substrate 41 by using an ECR plasma apparatus, respectively. After the film 45 is bonded, the InP substrate 41 is removed with a solution of HCl or a solution containing HCl and H 3 PO 4 . Subsequently, a solution containing H 3 PO 4 , H 2 O 2, and H 2 O or a solution containing H 2 SO 4 , H 2 O 2, and H 2 O is shown in FIG. Thus, the bonded substrate 46 can be formed by removing the InGaAs layer 42.
また、他の実施の形態としては、III−V族化合物半導体層として、InP層、InGaAs層及びInP層が積層されたIII−V族化合物半導体層を適用してもよい。この場合、図18(A)に示すように、例えばInP基板51の表面にInGaAs層52、InP層53、InGaAs層54及びInP層55の順に成膜する。これにより、歪量子井戸等の積層構造の貼り合わせによるチャネル層形成も可能となる。 In another embodiment, a group III-V compound semiconductor layer in which an InP layer, an InGaAs layer, and an InP layer are stacked may be applied as the group III-V compound semiconductor layer. In this case, as shown in FIG. 18A, for example, an InGaAs layer 52, an InP layer 53, an InGaAs layer 54, and an InP layer 55 are formed in this order on the surface of the InP substrate 51. As a result, a channel layer can be formed by bonding laminated structures such as strain quantum wells.
次いで、図18(B)に示すように、これとは別に製造されたSi基板56の表面と、InP基板51のInP層55の表面とに、ECRプラズマ装置を用いてそれぞれ形成された酸化膜57を貼り合わせた後、HClの溶液や、HClとH3PO4を含有した溶液によりInP基板51を除去する。続いて、H3PO4とH2O2とH2Oを含有した溶液、又はH2SO4とH2O2とH2Oを含有した溶液を用いて、図18(C)に示すように、InGaAs層52を除去することにより貼合基板58を形成できる。 Next, as shown in FIG. 18B, oxide films respectively formed on the surface of the Si substrate 56 manufactured separately and the surface of the InP layer 55 of the InP substrate 51 using an ECR plasma apparatus. After bonding 57, the InP substrate 51 is removed with a solution of HCl or a solution containing HCl and H 3 PO 4 . Subsequently, a solution containing H 3 PO 4 , H 2 O 2 and H 2 O, or a solution containing H 2 SO 4 , H 2 O 2 and H 2 O is shown in FIG. 18C. Thus, the bonded substrate 58 can be formed by removing the InGaAs layer 52.
さらに、他の実施の形態としては、III−V族化合物半導体層として、GaAs層を適用してもよい。この場合、図19(A)に示すように、例えばGaAs基板61の表面にAlAs層62を成膜し、当該AlAs層62の表面にGaAs層63を順に成膜する。 Furthermore, as another embodiment, a GaAs layer may be applied as the III-V compound semiconductor layer. In this case, as shown in FIG. 19A, for example, an AlAs layer 62 is formed on the surface of the GaAs substrate 61, and a GaAs layer 63 is sequentially formed on the surface of the AlAs layer 62.
次いで、図19(B)に示すように、別個に製造されたSi基板64の表面と、GaAs基板61のGaAs層63の表面とに、ECRプラズマ装置を用いてそれぞれ形成された酸化膜65を貼り合わせた後、HClの溶液や、HClとH3PO4を含有した溶液によりGaAs基板61を除去する。続いて、H3PO4とH2O2とH2Oを含有した溶液、又はH2SO4とH2O2とH2Oを含有した溶液を用いて、図19(C)に示すように、AlAs層62を除去することにより貼合基板66を形成できる。 Next, as shown in FIG. 19B, oxide films 65 respectively formed on the surface of the separately manufactured Si substrate 64 and the surface of the GaAs layer 63 of the GaAs substrate 61 using an ECR plasma apparatus. After the bonding, the GaAs substrate 61 is removed with a HCl solution or a solution containing HCl and H 3 PO 4 . Subsequently, a solution containing H 3 PO 4 , H 2 O 2 and H 2 O or a solution containing H 2 SO 4 , H 2 O 2 and H 2 O is shown in FIG. 19C. Thus, the bonded substrate 66 can be formed by removing the AlAs layer 62.
さらに、他の実施の形態としては、半導体層として、Si層を適用してもよい。この場合、図20(A)に示すように、例えばSi基板71とBOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)(SiO2層)層72とSi層73とからなるSOI(silicon on insulator)基板を用意する。 Furthermore, as another embodiment, a Si layer may be applied as the semiconductor layer. In this case, as shown in FIG. 20A, for example, an SOI (silicon on insulator) substrate composed of an Si substrate 71, a BOX (Buried Oxide) (SiO 2 layer) layer 72, and an Si layer 73 is prepared. To do.
次いで、図20(B)に示すように、これとは別に製造されたSi基板74の表面と、上述したSOI基板のSi層73の表面とに、ECRプラズマ装置を用いてそれぞれ成膜されたHfON(ハフニウム酸化窒化物)等からなる酸化膜75を貼り合わせる。続いて、所定の溶液を用いて、図20(C)に示すように、Si基板71及びBOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)72を除去することにより貼合基板76を形成できる。 Next, as shown in FIG. 20B, films were formed on the surface of the separately manufactured Si substrate 74 and the surface of the Si layer 73 of the SOI substrate using an ECR plasma apparatus. An oxide film 75 made of HfON (hafnium oxynitride) or the like is bonded. Subsequently, the bonded substrate 76 can be formed by removing the Si substrate 71 and the BOX (Buried Oxide) 72 using a predetermined solution, as shown in FIG.
さらに、他の実施の形態としては、半導体層として、Ge層を適用してもよい。この場合、図21(A)に示すように、例えばSi基板81とBOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)(SiO2層)82とGe層83とからなるGOI(Ge on Insulator)基板を用意する。 Furthermore, as another embodiment, a Ge layer may be applied as the semiconductor layer. In this case, as shown in FIG. 21A, for example, a GOI (Ge on Insulator) substrate comprising a Si substrate 81, a BOX (Buried Oxide) (SiO 2 layer) 82, and a Ge layer 83 is prepared. .
次いで、図21(B)に示すように、これとは別に製造されたSi基板84の表面と、上述したGOI基板のGe層83の表面とに、ECRプラズマ装置を用いてそれぞれ成膜されたHfON等からなる酸化膜85を貼り合わせる。続いて、所定の溶液を用いて、図21(C)に示すように、Si基板81及びBOX82を除去することにより貼合基板86を形成できる。 Next, as shown in FIG. 21B, films were formed on the surface of the Si substrate 84 manufactured separately and the surface of the Ge layer 83 of the GOI substrate using an ECR plasma apparatus, respectively. An oxide film 85 made of HfON or the like is bonded. Subsequently, as shown in FIG. 21C, a bonded substrate 86 can be formed by removing the Si substrate 81 and the BOX 82 using a predetermined solution.
さらに、図24に示すような半導体デバイス100についても上述した製造方法により製造することができる。この場合、図22(A)に示すように、例えばInP基板91の表面にInGeAs層92を成膜する。これとは別にBOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)(SiO2層)94とGe層95とSi基板93とからなるGOI基板を用意し、GOI基板のGe層95の表面と、InP基板91のInGeAs層92の表面とに、ECRプラズマ装置を用いて酸化膜を形成する。 Furthermore, the semiconductor device 100 as shown in FIG. 24 can also be manufactured by the manufacturing method described above. In this case, as shown in FIG. 22A, for example, an InGeAs layer 92 is formed on the surface of the InP substrate 91. Separately, a GOI substrate comprising a BOX (Buried Oxide) (SiO 2 layer) 94, a Ge layer 95, and a Si substrate 93 is prepared, and the surface of the Ge layer 95 of the GOI substrate and the InP substrate 91 are prepared. An oxide film is formed on the surface of the InGeAs layer 92 using an ECR plasma apparatus.
次いで、図22(B)に示すように、GOI基板のGe層95上の酸化膜と、InP基板91のInGeAs層92上の酸化膜とを貼り合わせ、一体化した酸化膜96を形成してInGeAs層92とGe層95とを酸化膜96を介して接合する。続いて、所定の溶液を用いて、InP基板91を除去する。次いで、図22(C)に示すように、InGeAs層92と酸化膜96との所定領域を除去することにより貼合基板97を形成できる。因みに、このSi基板93の所定位置には図示しないnウェル102やpウェル103が設けられている。 Next, as shown in FIG. 22B, the oxide film on the Ge layer 95 of the GOI substrate and the oxide film on the InGeAs layer 92 of the InP substrate 91 are bonded together to form an integrated oxide film 96. The InGeAs layer 92 and the Ge layer 95 are joined via the oxide film 96. Subsequently, the InP substrate 91 is removed using a predetermined solution. Next, as shown in FIG. 22C, a bonded substrate 97 can be formed by removing predetermined regions of the InGeAs layer 92 and the oxide film 96. Incidentally, an n well 102 and a p well 103 (not shown) are provided at predetermined positions of the Si substrate 93.
または、これとは別に、図23(A)及び(B)に示すように、BOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)(SiO2層)層94とGe層95とSi基板93とからなるGOI基板の所定領域に対し、エッチング処理することにより所定領域のGe層95を除去する。次いで、GOI基板の露出したBOX層94の表面に、ECRプラズマ装置を用いてECRプラズマを照射することにより表面を活性化させ、図23(C)に示すように、当該BOX(埋め込み酸化膜:Buried Oxide)層94とInP基板97のInGeAs層98とを貼り合わせることにより貼合基板99を形成する。 Alternatively, as shown in FIGS. 23A and 23B, a GOI substrate including a BOX (Buried Oxide) (SiO 2 layer) layer 94, a Ge layer 95, and a Si substrate 93 is used. The Ge layer 95 in the predetermined region is removed by etching the predetermined region. Next, the surface of the exposed BOX layer 94 of the GOI substrate is activated by irradiating ECR plasma using an ECR plasma apparatus, and as shown in FIG. 23C, the BOX (buried oxide film: A bonded substrate 99 is formed by bonding the Buried Oxide) layer 94 and the InGeAs layer 98 of the InP substrate 97.
かくして、GOI基板に対して所定領域にそれぞれ貼合基板97及び貼合基板99を形成し、金属部材からなるソース9及びドレイン10を所定位置に配置させることにより、高い電子移動度を有するInGeAsチャネルのn−MOSFETと、高い正孔移動度を有するGeチャネルのp−MOSFETをSi上に同時に形成した高性能CMOS半導体デバイスを製造できる。これにより、Si CMOSを凌駕するデバイスの作製が可能となる。さらに、結晶性の高い貼り合わせ層上に別の結晶を再成長することで、別の半導体デバイスを集積化することが可能となる。 Thus, an InGeAs channel having a high electron mobility is obtained by forming a bonding substrate 97 and a bonding substrate 99 in predetermined regions with respect to the GOI substrate, and disposing the source 9 and the drain 10 made of metal members at predetermined positions. A high-performance CMOS semiconductor device in which a n-MOSFET and a Ge channel p-MOSFET having a high hole mobility are simultaneously formed on Si can be manufactured. This makes it possible to produce a device that surpasses Si CMOS. Furthermore, another semiconductor device can be integrated by re-growing another crystal on the bonding layer having high crystallinity.
また、本発明は、上述した実施の形態に限られることなく、チャネル層となる半導体層と、酸化層とを何層にも積層させるようにしてもよい。さらに、上述した実施の形態においては、ECRプラズマ装置によって形成される絶縁膜として、ECRプラズマ装置によって形成される酸化膜(SiO2膜)を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ECRプラズマ装置によって例えばSiO2、Al2O3、AlN、Si、SiN、SiON、Ta2O5、TaN、ZrO2、ZrN、HfO2、HfN、ITO、ZnO、或いはこれらを混合した絶縁膜を形成するようにしてもよい。この場合、ECRプラズマ装置によって、SiO2、Al2O3、AlN、Si、SiN、SiON、Ta2O5、TaN、ZrO2、ZrN、HfO2、HfN、ITO、ZnOを形成する場合には、下記の表1に示すような固体ソース(ターゲット)とガスソースを用いればよい。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and a semiconductor layer serving as a channel layer and an oxide layer may be stacked in any number of layers. Further, in the above-described embodiment, the case where the oxide film (SiO 2 film) formed by the ECR plasma apparatus is applied as the insulating film formed by the ECR plasma apparatus has been described, but the present invention is not limited to this. First, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5 , TaN, ZrO 2 , ZrN, HfO 2 , HfN, ITO, ZnO, or a mixture of these by an ECR plasma apparatus. A film may be formed. In this case, when SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5 , TaN, ZrO 2 , ZrN, HfO 2 , HfN, ITO, ZnO are formed by the ECR plasma apparatus. A solid source (target) and a gas source as shown in Table 1 below may be used.
1 半導体デバイス
4 Si基板(第2の基板)
6a,6b 酸化膜(絶縁膜)
7 III−V族化合物半導体層(半導体層)
9 ソース
10 ドレイン
12 InP基板(第1の基板)
1 Semiconductor device 4 Si substrate (second substrate)
6a, 6b Oxide film (insulating film)
7 III-V compound semiconductor layer (semiconductor layer)
9 Source
10 Drain
12 InP substrate (first substrate)
Claims (18)
ことを特徴とする半導体デバイス。 At least one of the semiconductor layer formed by crystal growth on the surface of the first substrate and the second substrate is irradiated with low-damage plasma on the one semiconductor layer or the second substrate. As a result, an insulating film is formed, and after the first substrate and the second substrate are bonded together by the insulating film, the first substrate is peeled off from the semiconductor layer, and the second substrate A semiconductor device, wherein the semiconductor layer is formed on a substrate.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。 The surface of the insulating film is activated by irradiating the insulating film with the plasma before the first substrate and the second substrate are bonded to each other by the insulating film. The semiconductor device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体デバイス。 The contaminants on the surface of the semiconductor layer and the second substrate are removed by irradiating the plasma to the semiconductor layer and the second substrate. The semiconductor device described.
ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the plasma is ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma.
ことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 5. The heat treatment is performed on the bonding surface before the first substrate and the second substrate are bonded to each other by the insulating film. A semiconductor device according to item.
ことを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a III-V group compound semiconductor layer.
ことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 The insulating film is SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5 , TaN, ZrO 2 , ZrN, HfO 2 , HfN, ITO, ZnO, or these The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a mixed insulating film.
ことを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is formed at least on a surface of the semiconductor layer.
ことを特徴とする請求項1〜8のうちいずれか1項記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a source and a drain made of a metal member are provided, and the semiconductor layer is disposed as a channel layer between the sole and the drain.
前記絶縁膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わす貼合ステップと、
前記半導体層から前記第1の基板を剥離して前記第2の基板に対し前記半導体層を形成する形成ステップと
を備えることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 At least one of the semiconductor layer formed by crystal growth on the surface of the first substrate and the second substrate is irradiated with low-damage plasma on the one semiconductor layer or the second substrate. A film forming step of forming an insulating film by
A bonding step of bonding the first substrate and the second substrate with the insulating film;
And a forming step of peeling the first substrate from the semiconductor layer to form the semiconductor layer on the second substrate.
前記絶縁膜に対して前記プラズマが照射されることにより、前記絶縁膜の表面が活性化される
ことを特徴とする請求項10記載の半導体デバイスの製造方法。 Before the pasting step,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the surface of the insulating film is activated by irradiating the insulating film with the plasma.
前記半導体層及び前記第2の基板に対して前記プラズマを照射することにより、前記半導体層及び前記第2の基板の表面の汚染物質を除去する除去ステップを備える
ことを特徴とする請求項10又は11記載の半導体デバイスの製造方法。 Before the film forming step,
The removal step of removing contaminants on the surface of the semiconductor layer and the second substrate by irradiating the plasma to the semiconductor layer and the second substrate is provided. 11. A method for producing a semiconductor device according to 11.
ことを特徴とする請求項10〜12のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the plasma is ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma.
前記絶縁膜によって前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わす前に、貼り合わせ面に対し加熱処理を施す
ことを特徴とする請求項10〜13のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 In the pasting step,
14. The semiconductor according to claim 10, wherein a heat treatment is performed on a bonding surface before the first substrate and the second substrate are bonded to each other by the insulating film. Device manufacturing method.
ことを特徴とする請求項10〜14のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 The said semiconductor layer is a III-V group compound semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Claims 10-14 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項10〜15のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 The insulating film is SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, Si, SiN, SiON, Ta 2 O 5 , TaN, ZrO 2 , ZrN, HfO 2 , HfN, ITO, ZnO, or these The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 15, wherein the insulating film is a mixture of the above.
ことを特徴とする請求項10〜16のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein, in the film forming step, the insulating film is formed at least on a surface of the semiconductor layer.
前記前記半導体層の所定領域を除去して金属部材からなるソース及びドレインを設け、前記ソース及び前記ドレイン間にチャネル層として前記半導体層を配置させる
ことを特徴とする請求項10〜17記載のうちいずれか1項記載の半導体デバイスの製造方法。 After the forming step,
The semiconductor layer is disposed as a channel layer between the source and the drain by removing a predetermined region of the semiconductor layer to provide a source and a drain made of a metal member. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120605 |