JP2013229544A - Composite substrate - Google Patents
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Abstract
【課題】 高性能な半導体層を有する複合基板を提供する。
【解決手段】 絶縁性を有する単結晶からなる支持基板10と、該支持基板10の上面10aに重ね合わされた単結晶からなる半導体層20と、前記支持基板10と前記半導体層20との間に位置した、該半導体層20を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層20に比べて結晶性の低い中間層30とを備える複合基板1である。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite substrate having a high-performance semiconductor layer.
A support substrate 10 made of an insulating single crystal, a semiconductor layer 20 made of a single crystal overlaid on an upper surface 10a of the support substrate 10, and a space between the support substrate 10 and the semiconductor layer 20 are provided. The composite substrate 1 includes an intermediate layer 30 which is mainly composed of an oxide containing an element constituting the semiconductor layer 20 and has lower crystallinity than the semiconductor layer 20.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体層を有する複合基板に関する。 The present invention relates to a composite substrate having a semiconductor layer.
近年、半導体素子の性能向上を図るべく、寄生容量を減らす技術の開発が進められている。この寄生容量を減らす技術として、SOS(Silicon On Sapphire)構造がある。こ
のSOS構造を形成する方法として、例えば特許文献1に記載された技術がある。また、異種材料からなる基板を接合する方法として、例えば特許文献2に記載された技術がある。
In recent years, in order to improve the performance of semiconductor devices, development of techniques for reducing parasitic capacitance has been promoted. As a technique for reducing this parasitic capacitance, there is an SOS (Silicon On Sapphire) structure. As a method of forming this SOS structure, for example, there is a technique described in Patent Document 1. Moreover, as a method for bonding substrates made of different materials, there is a technique described in Patent Document 2, for example.
しかし、特許文献1に記載された技術では、サファイア中に含有される微量の金属が半導体素子の機能層となるシリコン側に拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす恐れがあった。また、特許文献2に記載された技術では、接合面を活性化させるためにイオンビームや中性子ビームを照射した際に、接合装置のチャンバー内に浮遊する金属が接合界面に混入する恐れがある。このため、SOS構造を形成する際に特許文献2に記載された技術を適用したとしても、金属が半導体素子の機能層となるシリコン側に拡散し、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす恐れがあった。 However, in the technique described in Patent Document 1, a trace amount of metal contained in sapphire diffuses to the silicon side which is a functional layer of the semiconductor element, and there is a risk of adversely affecting the operation of the semiconductor element. Further, in the technique described in Patent Document 2, when an ion beam or a neutron beam is irradiated to activate the bonding surface, there is a possibility that a metal floating in the chamber of the bonding apparatus is mixed into the bonding interface. For this reason, even when the technique described in Patent Document 2 is applied when forming the SOS structure, the metal may diffuse to the silicon side that is the functional layer of the semiconductor element, and may adversely affect the operation of the semiconductor element. It was.
本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、半導体層への金属の混入を抑制した複合基板を提供することを目的とする。 The present invention has been conceived under the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a composite substrate in which mixing of metals into a semiconductor layer is suppressed.
本発明の複合基板の実施形態では、絶縁性を有する単結晶からなる支持基板と、該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備えるものである。 In an embodiment of the composite substrate of the present invention, a support substrate made of an insulating single crystal, a semiconductor layer made of a single crystal overlaid on the upper surface of the support substrate, and between the support substrate and the semiconductor layer The main component is a positioned oxide containing an element constituting the semiconductor layer, and an intermediate layer having lower crystallinity than the semiconductor layer.
本発明によれば、金属拡散を抑制した半導体層を有する複合基板を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite substrate which has a semiconductor layer which suppressed metal diffusion can be provided.
本発明の複合基板の実施形態の一例について、図面を参照しつつ、説明する。図1(a)は本発明の実施形態の一つに係る複合基板1の例を示す模式的な平面図であり、(b)は複合基板1を斜視した部分断面図である。 An example of an embodiment of a composite substrate of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic plan view showing an example of a composite substrate 1 according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a partial sectional view of the composite substrate 1 in perspective.
複合基板1は、支持基板10と半導体層20と中間層30とを含んで構成される。
The composite substrate 1 includes a
支持基板10は、その上部に位置する半導体層20を支持するものであり、強度、平坦度を有する単結晶であれば、自由に選択することができる。支持基板10を構成する材料としては、酸化アルミニウム単結晶(サファイア)、炭化ケイ素基板などを用いることができる。本実施形態では、支持基板10としてサファイアを採用する。
The
この支持基板10の厚みとしては、例えば、400〜800〔μm〕の範囲が挙げられる。また、支持基板10の半導体層20側に位置する主面10aの算術平均粗さRaは1nm以下とすることが好ましい。
Examples of the thickness of the
半導体層20は、一主面20bを支持基板10の一主面10a上に重ね合わせている。そして、半導体層20の材料としては、単結晶の半導体材料であればよく、例えば、SiやGeなどを用いることができる。本実施形態では、半導体層20としてSi単結晶を用いている。
The
半導体層20の厚みとしては、例えば30nm〜200nmの範囲が挙げられる。また、半導体層20のドーパント濃度としては、例えば、相対的に低濃度のp−およびn−のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか1つとなるように形成される。p−のドーパント濃度としては、1×1016〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。n−のドーパント濃度としては、5×1015〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。そして、半導体層20中の酸素濃度は、特に限定されないが、詳しくは後述するが、1×1018〔atoms/cm3〕未満であることが好ましい。
As thickness of the
中間層30は、支持基板10と半導体層20との間に位置する。中間層30の一方主面は支持基板10に直接接合され、他方主面は半導体層20に直接接合されている。そして、この中間層30は、半導体層20を構成する元素を含む酸化物を主成分とする。この例では、酸化シリコン(SiO2)を主成分とする。そして、中間層30は、半導体層20の結晶性に比べ低くなっている。
The
中間層30は、多結晶またはアモルファスとする。そして中間層30の厚みは、特に限定されないが、その最大値は後述する支持基板10と半導体層20との接合により混入する恐れのある金属の量を固溶させることができるように設定される。ただし、酸化シリコンの融点は約1700度であり、中間層30と支持基板10との界面に例え後述の金属が存在したとしても、中間層30を構成する元素と金属が反応したり拡散を助長させたりすることはない。このため、上記最大値の厚みが必ずしも必要ではない。また、中間層30の厚みが200nm以上となると、中間層30の存在により放熱特性が悪化する恐れが生じる。このため、中間層30の厚みとしては、例えば、10nm程度でよい。より好ましくは5nm以下とする。
The
また、中間層30の単位体積あたりの酸素量を、支持基板10の酸素量に比べて少なく
することが好ましい。
Further, it is preferable that the amount of oxygen per unit volume of the
複合基板1をこのような構成とすることにより、半導体層20に不純物が拡散したり、析出したりすることを抑制することができる。その理由について以下に詳述する。
By setting the composite substrate 1 to such a configuration, it is possible to prevent impurities from diffusing or precipitating in the
複合基板1は、支持基板10と半導体層20とを接合するときに接合界面に金属などの不純物が混入したり、支持基板10側に微量添加されている金属などの不純物が半導体層20側に拡散・析出したりする恐れがある。このような金属の存在は、半導体層20に半導体素子として機能する素子機能部を形成するときに、誤動作を発生させる恐れがある。そこで、例え金属などの不純物が存在する場合であっても、半導体層20に拡散・析出させないことが重要である。
In the composite substrate 1, when the
複合基板1では、中間層30を設けている。この中間層30は半導体層20を構成する元素と同じ材料系で構成されている。すなわち酸化シリコン層となっている。酸化シリコンの融点は高く、金属が存在したとしても金属と結合して金属の拡散を助長させることがない。このため、支持基板10と中間層30との界面に金属が存在したとしても、支持基板10と中間層30との間に金属を保持することができ、その結果、半導体層20への金属の拡散を抑制することができる。
In the composite substrate 1, an
また、中間層30の結晶性は、単結晶の半導体層20、支持基板10に比べ低くなっている。このため、仮に金属が存在する場合であっても、半導体層20側に拡散されず、粒界等を介して中間層30中に拡散・固溶される。
The crystallinity of the
ここで、中間層30の結晶性評価は、例えば、収束イオンビーム(FIB)加工により断面加工した後に透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、観察したり、電子線回折を行なったりして確認すればよい。また、ラザーフォード後方散乱(RBS)により測定してもよい。
Here, the crystallinity evaluation of the
さらに、半導体層20の酸素濃度は1×1018〔atoms/cm3〕未満としている。このような構成により、半導体層20中に金属が拡散・固溶・析出することを抑制している。特に、金属がFeである場合には、OSF欠陥の発生を抑制することができる。
Furthermore, the oxygen concentration of the
また中間層30の単位体積あたりの酸素量は支持基板10に比べて少なくなっていることにより、金属と酸素との結合を抑制し、金属の拡散に伴う移動を抑制することができる。
Further, since the amount of oxygen per unit volume of the
以上のように、複合基板1によれば、半導体層20に金属等の不純物が拡散することを抑制した、高品質の半導体層20を有するものを提供することができる。
As described above, according to the composite substrate 1, it is possible to provide a substrate having the high-
(複合基板の変形例:中間層)
上述の中間層30に代えて、厚み方向に酸素濃度分布を有する中間層30Aとしてもよい。
(Modified example of composite substrate: intermediate layer)
Instead of the
中間層30Aは、厚み方向において酸素濃度が支持基板10から半導体層20側にかけて減少するものとなっている。金属は半導体層20を構成する元素との結合エネルギーに比べ、酸素と結合する結合エネルギーの方が小さい。例えば、半導体層20を構成するSiとFeとを例にすると、Si−Feの共晶温度は660度であり、これらの結合には加熱が必要であるのに対して、Fe−Oの結合は常温下でも進行する。ここで、中間層30Aにおいて、金属は、半導体層20側に拡散することなく中間層30Aの酸素と結合し、中間層30Aの内部に保持されることとなる。さらに、この中間層30Aも酸素濃度が半
導体層20側に近づくに連れて減少することから、半導体層20と中間層30Aとの界面に金属が残存することなく、中間層30の厚み方向において支持基板10側において金属を保持することができる。
The intermediate layer 30A has an oxygen concentration that decreases in the thickness direction from the
(複合基板の変形例:中間層)
上述の中間層30に代えて、金属元素を更に含有する中間層30Bとしてもよい。
(Modified example of composite substrate: intermediate layer)
Instead of the
金属元素としては、Fe,Cr,Ni,Cu,Zn等を例示することができる。ここで、金属元素としては、支持基板10及び半導体層20を構成する主成分の元素は除くものとする。含有量としては、例えば、1×1015〔atoms/cm2〕未満とすればよい。
Examples of metal elements include Fe, Cr, Ni, Cu, and Zn. Here, as the metal element, the main component elements constituting the
中間層30Bは、金属元素の濃度が、厚み方向において支持基板10側から半導体層20側に向かうにつれて減少している。このような構成とすることにより、半導体層20側への金属元素の拡散を確実に防止させることができる。
In the
(複合基板の製造方法)
次に、図1に示す複合基板1の製造方法について図面を用いて説明する。
(Production method of composite substrate)
Next, a method for manufacturing the composite substrate 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings.
まず、図2(a)に示したように、シリコン(Si)で形成された第1基板20Xを準備する。この第1基板20Xは単結晶シリコン基板20Xaの上面(図のD2方向)にSiをエピタキシャル成長させたSi膜20Xbを形成して成る。このSi膜20Xbの一部が後の半導体層20となる。このエピタキシャル成長の方法としては、単結晶シリコン基板20Xaを加熱しながら、当該単結晶シリコン基板20Xaの表面に気体状のシリコン化合物を通過させて熱分解させて成長させる熱化学気相成長法(熱CVD法)などの種々の方法を採用できる。このSi膜20Xbは、シリコン基板の上にエピタキシャル成長させているので、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた場合に比べて格子欠陥を少なくすることができる。また、真空中においてエピタキシャル成長させるため、その膜中の酸素含有量をCz法で形成したシリコン基板に比べて極めて低く抑えることができる。具体的には、酸素濃度を1018〔atoms/cm3〕未満とすることができる。この酸素濃度は、CZ法で形成したシリコン基板に比べて1/10以下の値となっている。実際には、酸素濃度を3×1017〔atoms/cm3〕未満とすることを確認している。
First, as shown in FIG. 2A, a first substrate 20X made of silicon (Si) is prepared. The first substrate 20X is formed by forming a Si film 20Xb obtained by epitaxially growing Si on the upper surface (in the direction D2 in the figure) of the single crystal silicon substrate 20Xa. A part of the Si film 20Xb becomes a
ここで、Si膜20Xbのドーパント濃度は、特に限定はされないが、例えば、相対的に低濃度のp−およびn−のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか1つとなるように形成される。p−のドーパント濃度としては、1×1016〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。n−のドーパント濃度としては、5×1015〔atoms/cm3〕以下の範囲が挙げられる。Si膜20Xbのドーパント濃度は単結晶シリコン基板20Xaから離れるにつれて減少し、単結晶シリコン基板20Xaと接する側と反対側の表面においては、完全空乏層となるようなドーパント濃度となっている。 Here, the dopant concentration of the Si film 20Xb is not particularly limited. For example, the Si film 20Xb is formed to have any one of a relatively low concentration of p − and n − dopant and non-doped. Examples of the p − dopant concentration include a range of 1 × 10 16 [atoms / cm 3 ] or less. Examples of the n − dopant concentration include a range of 5 × 10 15 [atoms / cm 3 ] or less. The dopant concentration of the Si film 20Xb decreases as the distance from the single crystal silicon substrate 20Xa decreases, and the dopant concentration is such that the surface opposite to the side in contact with the single crystal silicon substrate 20Xa becomes a fully depleted layer.
また、Si膜20Xbの厚みは、特に限定されないが、例えば2μm程度とすればよい。 The thickness of the Si film 20Xb is not particularly limited, but may be about 2 μm, for example.
次に、図2(b)に示すように、Si膜20XbのD2方向の上面に、酸化シリコンからなる中間層30を形成する。中間層30は、例えば、原子層堆積(Atomic Layer Deposition :ALD)法、スパッタ法等、成膜時に基板を高温で加熱する必要のないものを用いる。具体的な成膜温度の上限値としては、Si膜20Xbにおけるドーパント濃度分布
を変化させないような温度が好ましく、500℃以下とする。ALD法やスパッタ法により成膜する場合には、基板温度は200℃〜400℃程度であるため、Si膜20Xb中のドーパント濃度分布を変化させることがない。特に、ドーパントとしてBを用いている場合には、他の元素をドーパントとして用いる場合に比べて拡散しにくいため、より確実に成膜によるドーパント濃度分布変化を抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 2B, an
この例ではALD法により成膜している。具体的には、シリコンを原料として含むテトラエチルオシロシリケートや四塩化珪素,六塩化珪素,TEOS,アルキルシラン、アルコキシシラン、アミノシラン、フッ化アルコキシシラン、ハロゲンシラン等の金属原料ガスと、酸素を原料として含む水蒸気やオゾンガス等の酸素供給ガスとを交互に基板表面に流し、各ガスの間には、Ar等の不活性ガスでパージすることで中間層30を形成する。
In this example, the film is formed by the ALD method. Specifically, tetraethyl oscillosilicate containing silicon as a raw material, silicon tetrachloride, silicon hexachloride, TEOS, alkylsilane, alkoxysilane, aminosilane, fluorinated alkoxysilane, halogen silane and other metal raw material gases, and oxygen as a raw material The
なお、中間層30の結晶性は特に限定されず、多結晶体やアモルファスとして、後の半導体層20となるSi膜20Xbよりも低い結晶性を有するものとしてもよい。
Note that the crystallinity of the
このような、中間層30の厚みとしては特に限定されず、100nm以下の範囲を例示できるが、例えば30nmとすればよい。より好ましくは5nm以下とする。
The thickness of the
次に、図2(c)に示すように、酸化アルミニウム単結晶(サファイア)からなる絶縁性の支持基板10を準備する。
Next, as shown in FIG. 2C, an insulating
次に、支持基板10と、第1基板20XのD2方向の主面(単結晶シリコン基板20Xaと反対側に位置する主面)とを貼り合わせる。すなわち、支持基板10と中間層30の主面とを貼り合わせる。貼り合わせの方法としては、図3(a)に示したように、貼り合わせる面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法が挙げられる。表面の活性化する方法としては、例えば真空中でイオンビームや中性子ビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法、化学溶液で表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。
Next, the
そして、図3(b)に示すように、この活性化した状態で両者を貼り合わせる。この接合を常温下で行ってもよい。なお、この接合は、樹脂系などの接着剤を使用しない方法によるものである。 And as shown in FIG.3 (b), both are bonded together in this activated state. You may perform this joining under normal temperature. This joining is based on a method that does not use an adhesive such as a resin.
この接合方法によって接合する場合には、中間層30および支持基板10は、接合する面の面粗さが小さいことが好ましい。この面荒さは、例えば算術平均粗さRaで表される。この算術平均粗さRaの範囲としては、10nm未満が挙げられる。より好ましく、1nm以下とする。算術平均粗さを小さくすることによって、互いに接合する際に加える圧力を小さくすることができる。
When joining by this joining method, it is preferable that the
このように、接合表面を活性化させた後に互いを接触させて、特に常温下で結合させたときには、例え接合表面に金属が存在していた場合であっても、金属の拡散・固溶を促進することがない。また、表面を活性化させることにより接合させるため、いわゆるSOI基板のように脱水反応により支持基板10と中間層30とを接合するものではない。このため、脱水反応に起因する接合界面のボイドが発生しない。また、脱水反応により生じる水を吸収させる構成を必要としない。以上より、半導体層20への金属の拡散を防ぐとともに、半導体層20と支持基板10との接合の信頼性が高いものとすることができる。
In this way, when the bonding surfaces are activated and then brought into contact with each other and bonded at room temperature in particular, even if metal is present on the bonding surface, diffusion and solid solution of the metal is prevented. There is no promotion. Further, since the surfaces are joined by activating them, the
ここまでの工程を経ることによって、支持基板10と単結晶シリコン基板20Xaとの間に、中間層30、Si膜20Xbを有する中間製造物ができる。
Through the steps so far, an intermediate product having the
次に、中間製造物を矢印D1方向側(単結晶シリコン基板20Xa側)から加工して、図3(c)に示したように単結晶シリコン基板20Xaを除去してSi膜20Xbを露出させる。この単結晶シリコン基板20Xaを除去する加工方法としては、例えば砥粒研磨、化学エッチング、イオンビームエッチングなど種々のものが採用でき、複数の方法を組み合わせてもよい。このとき、単結晶シリコン基板20Xaとともに、厚み方向においてSi膜20Xbの一部が除去されてもよい。 Next, the intermediate product is processed from the arrow D1 direction side (single crystal silicon substrate 20Xa side), and as shown in FIG. 3C, the single crystal silicon substrate 20Xa is removed to expose the Si film 20Xb. As a processing method for removing the single crystal silicon substrate 20Xa, for example, various methods such as abrasive polishing, chemical etching, and ion beam etching can be adopted, and a plurality of methods may be combined. At this time, together with the single crystal silicon substrate 20Xa, a part of the Si film 20Xb may be removed in the thickness direction.
ここで、シリコン単結晶基板20Xaとして、ドーパント濃度の高いものを用い、シリコン単結晶基板20Xaのドーパント濃度におけるエッチングレートと、Si膜20Xbのドーパント濃度におけるエッチングレートとが大きく異なるようなエッチャントを用いてシリコン単結晶基板20Xaを除去することが好ましい。この場合には、生産性が高くなるとともに、例え、支持基板10のうねりが大きい場合であっても、支持基板10の主面10aの面内において均一に厚みを残すことができるからである。
Here, as the silicon single crystal substrate 20Xa, one having a high dopant concentration is used, and an etchant in which the etching rate at the dopant concentration of the silicon single crystal substrate 20Xa is significantly different from the etching rate at the dopant concentration of the Si film 20Xb is used. It is preferable to remove the silicon single crystal substrate 20Xa. In this case, the productivity is increased, and even if the waviness of the
シリコン単結晶基板20Xaを除去した後、Si膜20XbのD1方向の上面を精密研磨して、厚みの均一性を向上させることができる。この精密エッチングに用いるエッチング手段としては、例えばドライエッチングが挙げられる。このドライエッチングには、化学的な反応によるものと、物理的な衝突によるものとが含まれる。化学的な反応を利用するものとしては、反応性の気体(ガス)、イオンおよびイオンビーム、ならびにラジカルを利用するものなどが挙げられる。この反応性イオンに使われるエッチングガスとしては、六フッ化硫黄(SF6)、四フッ化炭素(CF4)などが挙げられる。また、物理的な衝突によるものとしては、イオンビームを利用するものが挙げられる。このイオンビームを利用するものには、ガス・クラスタ・イオンビーム(Gas Cluster Ion Beam;GCIB)を用いた方法が含まれている。これらのエッチング手段を用いて狭い領域をエッチングしながら、可動ステージで基板を走査することで、大面積の素材基板であっても良好に精密エッチングをすることができる。 After removing the silicon single crystal substrate 20Xa, the upper surface in the D1 direction of the Si film 20Xb can be precisely polished to improve the thickness uniformity. Examples of the etching means used for this precise etching include dry etching. This dry etching includes a chemical reaction and a physical collision. Examples of utilizing chemical reactions include reactive gases (gas), ions and ion beams, and those utilizing radicals. Examples of the etching gas used for the reactive ions include sulfur hexafluoride (SF 6 ) and carbon tetrafluoride (CF 4 ). Moreover, what uses an ion beam is mentioned as a thing by physical collision. One using this ion beam includes a method using a gas cluster ion beam (GCIB). By scanning the substrate with a movable stage while etching a narrow region using these etching means, precise etching can be performed satisfactorily even for a large-area material substrate.
このような工程を経てSi膜20Xbの残った部分を半導体層20とする。前述の全工程を経ることにより、支持基板10上に中間層30、半導体層20が順に積層された複合基板1を得ることができる。
The portion of the Si film 20Xb remaining after such a process is used as the
このような工程を経ることにより、エピタキシャル成長で形成した半導体層20の支持基板10側の面はノンドープの空乏層となっており、かつ、酸素濃度も低いものとなっている。つまり、半導体層20の支持基板10側の面は、歪が極めて小さくなっている。このような構成とすることにより、支持基板10との接合側の面において意図せぬ歪による応力等が付加されることがないので好ましい。
Through these steps, the surface of the
さらに、上述のような工程を経て形成された複合基板1は、支持基板10と半導体層20との間のうち、特に半導体層20側には従来のSOI基板のような、半導体層20の一部を熱酸化して形成したSiOx層(酸化物層)が存在しない。このことからも、半導体層20には、SiOx層を形成するために必要な意図せぬ応力の発生や、格子間Si等の発生を抑制することができ、半導体層20の品質を高めることができる。
Further, the composite substrate 1 formed through the above-described steps is a part of the
上述の工程では、基板等を洗浄する工程を明記していないが、必要に応じて基板の洗浄をしてもよい。基板の洗浄方法としては、超音波を用いた洗浄、有機溶媒を用いた洗浄、化学薬品を用いた洗浄、およびO2アッシングを用いた洗浄などの種々の方法が挙げられる。これらの洗浄方法は、組み合わせて採用してもよい。 In the above-described steps, the step of cleaning the substrate or the like is not specified, but the substrate may be cleaned as necessary. Examples of the substrate cleaning method include various methods such as cleaning using ultrasonic waves, cleaning using an organic solvent, cleaning using chemicals, and cleaning using O 2 ashing. These cleaning methods may be employed in combination.
このような工程とすることにより、金属が混入する恐れのある領域を、支持基板10と中間層30との界面に限定することができる。すなわち、支持基板10と中間層30との
接合時に、接合面を活性化した状態で接合界面に混入する恐れのある金属に限定することができる。このため、中間層30の存在により、半導体層20への金属の拡散を抑制することができる。
By setting it as such a process, the area | region with a possibility that a metal may mix can be limited to the interface of the
(変形例:中間層30B)
中間層30Bにおいて、支持基板10側の面の近傍領域における金属元素の単位表面積辺りの金属原子密度を1012atoms/cm2以下とすることが好ましい。より具体的には、中間層30のうち、最も金属原子濃度が低い支持基板10側の面において金属原子密度を1012atoms/cm2以下とすることが好ましい。このような存在密度とすることにより、金属元素は、支持基板10の一主面,半導体層20の一主面を覆わず、支持基板10の一主面,半導体層20の一主面を構成する元素の原子配列が露出するものとなる。
(Modification:
In the
ここで、金属元素の密度は、単位表面積当たりの原子数をさす。実際には、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry;誘導結合プラズマ質量分析装置)により、支持基板10上の中間層30B,半導体層20の一部を一定体積エッチング液に溶解させ、金属原子の量を測定し、その全量が界面から厚み5nm以内に存在するものと仮定し、面方向における密度を求める。このような仮定は、本実施形態により得た複合基板の複数について厚み方向における金属元素の分布状態を観察・測定した結果、最も金属量が多い場合でも、支持基板10と中間層30Bとの間の5nm以内の領域に存在し、それよりも半導体層20側には殆ど拡散していないことを確認したことによる。
Here, the density of the metal element refers to the number of atoms per unit surface area. Actually, a part of the
このように、中間層30Bの近傍領域は、支持基板10側の面から厚み方向に5nm以内の領域をさすものとする。なお、以下の記載において、金属元素を構成する金属原子の密度について、単に金属元素の密度または金属原子の密度と記載することがある。
As described above, the region near the
そして、金属元素の存在密度を1012atoms/cm2以下とすることにより、初めて、接合を維持しつつ、界面に金属元素の析出部が発生することを抑制することができる。このメカニズムについて詳述する。金属元素の存在密度を低く制御するためには、活性化する工程において中性子ビーム(FABガン)を用いたり、接合する際の雰囲気を高真空にしたり、真空中に配置された構成物を絶縁物で被覆したりすることで調整することができる。 Then, by setting the abundance density of the metal element to 10 12 atoms / cm 2 or less, it is possible to suppress the occurrence of a metal element precipitate at the interface while maintaining the bonding for the first time. This mechanism will be described in detail. In order to control the density of metal elements to be low, a neutron beam (FAB gun) is used in the activation process, the atmosphere at the time of bonding is set to a high vacuum, or the components disposed in the vacuum are insulated. It can be adjusted by covering with.
支持基板10と半導体層20との間に金属元素が凝集している場合には、半導体層20に半導体素子を作りこむときに、半導体素子の動作に悪影響を生じる恐れがあった。このような金属元素の凝集は、界面において金属元素が層状または島状に設けられる場合には(例えば、界面における金属元素の密度が約3.0×1016atoms/cm2以上)、当然に想定される問題であるが、約3.0×1016atoms/cm2未満であっても1012atoms/cm2を超える場合には、接合時には接合面内に分散していてその存在を確認できなくても、半導体素子を作りこむための熱処理を加えていく過程で金属原子が凝集してしまう。しかしながら、1012atoms/cm2以下とすることにより、複合基板1に熱処理を加えても金属原子が凝集することを防止できる。
When metal elements are aggregated between the
これは、メカニズムは明らかではないが、金属原子の半導体層20を構成する元素に対する固溶度が関係するものと考えられる。すなわち、金属原子の存在密度を1010atoms/cm2以上1012atoms/cm2以下とすることで、互いに接触し凝集体を形成するような密度ではなく、かつ常温では移動度も低いため、接合時において凝集体を形成することはない。それに加え、熱処理を加え移動度が高まったとしても、このような存在密度とした場合には金属原子は固溶度の10倍程度しか存在しないこととなり、この状態においても凝集体を形成することはないものと考えられる。
Although the mechanism is not clear, it is considered that the solid solubility of the metal atoms with respect to the elements constituting the
さらに、金属元素を構成する金属原子のうち大多数は中間層30Bを構成する元素に固溶されており、残る金属原子も半導体層20において拡散を促進するような量が存在しない。
Furthermore, the majority of the metal atoms constituting the metal element are dissolved in the element constituting the
また、半導体層20がSiからなり、金属元素としてFeを含む場合には、その密度が1012atoms/cm2よりも多くなると、この値を境としてOSF欠陥が急激に増加する。OSF欠陥の一因として格子欠陥があり、この欠陥を足掛かりとしてFeとOとの化合物が表面に移動・析出してOSF欠陥となる可能性がある。このOSF欠陥が生じるFeの存在量の閾値と、本実施形態における金属元素の密度の上限値とが一致している。
Further, in the case where the
OSF欠陥と金属の凝集とは直接的な関係はないが、金属原子が半導体層内を移動・凝集・析出するという現象に着目すると両者の間には共通項がある。そこで、OSF欠陥の発生要因である、欠陥の存在及び金属(Fe)と酸素との結合という要素について検討すると、本実施形態の複合基板1は、中間層30Bと支持基板10とを、互いの接合面を活性化し、ダングリングボンドを形成して直接接合していることから、接合界面にはダングリングボンドが欠陥として残存している可能性がある。また、接合後に半導体素子を形成するために熱処理を行なうことに起因して、接合界面に金属元素と半導体層20または支持基板10を構成する元素とが金属間化合物を形成する可能性がある。この2つの仮定、すなわち、界面における欠陥と金属間化合物を形成した金属元素とが界面に同時に存在することは、OSF欠陥の発生要因を二つとも具備していることとなる。このことから、本実施形態の複合基板1は、欠陥を足掛かりにFeが移動・析出することにより発生するOSF欠陥の場合と同様に、金属元素が界面の欠陥を足掛かりとして移動・析出する可能性を示唆している。以上より、金属元素の密度を、OSF欠陥が生じる閾値以下とすることにより、金属元素の拡散・凝集を抑制できるものと推察される。
Although there is no direct relationship between OSF defects and metal agglomeration, there is a common term between them when focusing on the phenomenon that metal atoms move, agglomerate and precipitate in the semiconductor layer. Therefore, when the factors of the presence of defects and the bonding between metal (Fe) and oxygen, which are the causes of OSF defects, are examined, the composite substrate 1 of the present embodiment is configured such that the
このような金属元素の存在密度を、最も濃度が高い支持基板10側の面で実現しているため、確実に金属元素の拡散を防止し、半導体層20へ影響が及ぶことを防ぐことができる。
Since the existence density of such a metal element is realized on the surface on the side of the
特に、中間層30B中の酸素濃度が、中間層30Aのように半導体層20に近づくにつれて減少し半導体層20の酸素濃度である1018atoms/cm3未満まで低下していることが好ましい。このような構成の場合には、拡散・移動を促進させるために酸素と結合することが困難となり、より確実に半導体層20側への金属の拡散を抑制することができる。これにより、複合基板1に半導体素子を作りこんだときに、OSFの欠陥がなく、信頼性の高い半導体層を有する複合基板を提供することができる。
In particular, it is preferable that the oxygen concentration in the
なお、金属元素の密度の下限値は、特に限定されないが、支持基板10と半導体層20とを常温接合するために必要な量とする。具体的には接合時に金属元素の密度が1010atoms/cm2以上のときには特許第4162094号公報に倣って金属量の多い状態で接合した場合と同等の接合強度を確保できていることを確認している。
The lower limit value of the density of the metal element is not particularly limited, but is an amount necessary for bonding the
以上より、本変形例によれば、金属拡散を抑制した半導体層20を有し、かつ十分な支持基板10と半導体層20との接合強度を有する複合基板1を提供することができる。
As described above, according to the present modification, it is possible to provide the composite substrate 1 having the
(変形例:支持基板)
支持基板10としてサファイア基板のR面を用いることが好ましい。R面を用いることにより、中間層30,30A,30B側に金属原子であるAlを多く露出させることができる。これにより、中間層30,30A,30Bに意図せぬ酸素の供給を抑制すると共に
、後の加熱工程等により、金属原子であるAlとSiとの結合の割合を高めることができ、より強固な接合を実現することができる。
(Modification: Support substrate)
It is preferable to use the R surface of the sapphire substrate as the
(変形例:中間層30Bの金属元素)
中間層30Bにおいて、金属元素は、金属シリサイドや金属オキサイドを形成していることが好ましい。たとえば、SiFeOx、AlFeOx等を例示できる。
(Modification: Metal element of
In the
金属元素を構成する金属原子を金属シリサイドや金属オキサイドなどの金属間化合物として存在させるためには、接合工程の後に、500℃以上の熱処理を0.5時間以上行なうことにより、半導体層20を構成する元素または支持基板10を構成する元素と結合することにより生成される。
In order for the metal atoms constituting the metal element to exist as intermetallic compounds such as metal silicide and metal oxide, the
ここで、複合基板1は、中間層30Bと支持基板10との接合界面に存在する金属量(中間層30Bの近傍領域における金属量)を1012atoms/cm2以下としていることより、金属原子の拡散・凝集を抑制できる。このため、金属元素が金属間化合物として存在しても、中間層30Bと支持基板10との接合界面に留まる。そして、金属元素が金属間化合物を形成するときに、その周囲には半導体層20を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔、支持基板10を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔が生じる。この空孔が欠陥となり、新たな不純物が界面に存在するときに、その不純物をゲッタリングし、半導体層20への拡散を抑制することができる。
Here, since the composite substrate 1 has a metal amount (metal amount in a region in the vicinity of the
(変形例:酸化膜)
図5に示すように、上記実施形態において、半導体層20の上面に酸化膜40を形成してもよい。言い換えると、半導体層20の主面のうち、中間層30,30A,30Bと接する側の面と反対側の面に酸化膜40を形成してもよい。
(Modification: oxide film)
As shown in FIG. 5, in the above embodiment, an oxide film 40 may be formed on the upper surface of the
このような酸化膜40は、半導体層20を熱酸化させることで形成すればよい。このように、半導体層20の一部が酸化され酸化膜40となる場合には、体積変化に伴い、酸化膜40側から半導体層20として残る部分にSiが押し出され半導体層20の酸化膜40側の面の近傍領域は格子間Siが増加し、単位体積当たりのSi原子密度が高まる。
Such an oxide film 40 may be formed by thermally oxidizing the
これに対して、半導体層20と支持基板10との間の中間層30,30A,30Bは、半導体層20の主面に新たに成膜して形成されたものであるため、半導体層20の中間層30,30A,30B側の近傍領域でSi原子の増加はない。ここで、格子間Siの存在はOSF欠陥の発生を促進させる要因となることが知られている。複合基板1において、OSF欠陥の原因となる金属元素が混入部分は、支持基板10と中間層30,30A,30Bとの間を中心とする、支持基板10と半導体層20との間であるが、この付近において格子間Si濃度を示す単位体積当たりのSi原子密度を、酸化膜40側の面に比べて小さくすることで、OSF欠陥の発生を抑制することができる。
On the other hand, since the
さらに、半導体層20の酸化層40側の面の近傍領域よりも半導体層20の他の部位の格子間Siが少ないことにより、半導体層20に結晶構造に引っ張り歪みが生じることを抑制し、半導体素子のキャリア移動度への影響を抑えることができる。
Further, since the interstitial Si in other parts of the
このような、格子間Si等による歪量は、半導体層20に半導体素子を形成しキャリア移動度等を測定することにより推定することができる。
Such strain due to interstitial Si or the like can be estimated by forming a semiconductor element in the
なお、半導体層20の酸化膜40に接する側の面の近傍領域は、酸化膜40側から下側に続く厚み5nm程度の領域をさし、半導体層20の中間層30と接する側の面の近傍領
域は、中間層30から上側に続く厚み5nm程度の領域をさす。
The region near the surface in contact with the oxide film 40 of the
(電子部品)
なお、上述の実施形態及びその変形例の複合基板1に、複数の素子部を形成し、少なくとも1つの素子部を含むように複合基板1を分割して電子部品を形成してもよい。
(Electronic parts)
Note that a plurality of element portions may be formed on the composite substrate 1 of the above-described embodiment and its modification, and the composite substrate 1 may be divided so as to include at least one element portion to form an electronic component.
具体的には、図6(a)に示すように、得られた複合基板1の半導体層20の上面側から素子部23を形成する。この素子部23としては、種々の半導体素子構造が挙げられる。
Specifically, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、素子部23が形成された複合基板1を分けて、電子部品2を製造する。この複合基板1を電子部品2に分けるのに際して、少なくとも1つの素子部23が1つの電子部品2に含まれるようにする。言い換えると、1つの電子部品2に複数の素子部23が含まれていてもよい。
Next, as illustrated in FIG. 6B, the electronic component 2 is manufactured by separating the composite substrate 1 on which the
以上のようにして、素子部23を有する電子部品2を製造することができる。
As described above, the electronic component 2 having the
(製造方法の変形例)
また、上述の製造方法において、以下のような工程により複合基板1を製造してもよい。なお、変更する工程のみについて説明し、変更のない工程については説明を省略する。
(Modification of manufacturing method)
In the above manufacturing method, the composite substrate 1 may be manufactured by the following steps. In addition, only the process to change is demonstrated and description is abbreviate | omitted about the process without a change.
上述の工程においては、図2(b)において、中間層30を半導体層20(Si膜20Xb)に比べて結晶性が低くなるように形成した例について説明したが、図4(a)に示すように、Si膜20Xb上にMBE法等を用いて単結晶の酸化シリコン膜30Xを形成する。
In the above-described steps, the example in which the
そして、図4(b)に示すように、支持基板10および酸化シリコン膜30Xの表面を活性化させた後に、活性化した支持基板10および酸化シリコン膜30Xの表面を常温下で接触させ圧力を加えることで、単結晶の酸化シリコン膜30Xの結晶構造を崩し、結晶性の低い中間層30としてもよい。
Then, as shown in FIG. 4B, after activating the surfaces of the
このようにして製造することにより、金属が混入したとしても、酸化シリコン膜30Xに拡散することを抑制し、支持基板10と酸化シリコン膜30Xの界面に金属を固定化して閉じ込めることができる。
By manufacturing in this way, even if a metal is mixed, it can be prevented from diffusing into the silicon oxide film 30X, and the metal can be fixed and confined at the interface between the
10・・・支持基板
20・・・半導体層
30・・・中間層
10 ...
Claims (8)
該支持基板の上面に重ね合わされた単結晶からなる半導体層と、
前記支持基板と前記半導体層との間に位置した、該半導体層を構成する元素を含む酸化物を主成分とし、該半導体層に比べて結晶性の低い中間層とを備える複合基板。 A support substrate made of an insulating single crystal;
A semiconductor layer made of a single crystal superimposed on the upper surface of the support substrate;
A composite substrate comprising an intermediate layer, which is located between the supporting substrate and the semiconductor layer and contains as a main component an oxide containing an element constituting the semiconductor layer and has lower crystallinity than the semiconductor layer.
前記半導体層は、前記半導体層を構成する元素の密度が、前記酸化膜に接する面の近傍領域に比べ前記中間層に接する面の近傍領域において少なくなっている、請求項3のいずれかに記載の複合基板。
An oxide film mainly comprising an oxide containing an element constituting the semiconductor layer on the upper surface of the semiconductor layer;
4. The semiconductor layer according to claim 3, wherein a density of an element constituting the semiconductor layer is smaller in a region near the surface in contact with the intermediate layer than in a region near the surface in contact with the oxide film. Composite board.
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