JP2021518324A

JP2021518324A - ＡｌＮ材料の単結晶膜を生成するための方法、及びＡｌＮ材料の単結晶膜をエピタキシャル成長させるための基板

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Publication number: JP2021518324A
Application number: JP2020549815A
Authority: JP
Inventors: ブルーノギスレン，
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2021-08-02
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: US12071706B2; WO2019186266A3; WO2019186266A2; SG11202009411SA; FR3079532B1; JP7451846B2; US20240384432A1; KR102640296B1; EP3775333A2; US20210032772A1; FR3079532A1; CN111902571A; KR20200138284A

Abstract

【課題】ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための新規な方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層をシリコン材料のキャリア基板に転写し、続いてＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させることを含む、ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法。【選択図】図２

Description

本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料の単結晶層を生成するための方法、及びこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板に関する。

ある特定の材料は、現在、大口径ウエハの形態の単結晶基板としては、入手することができない。さらに、ある特定の材料は、大口径で入手可能ではあるが、特に欠陥の密度又は要求される電気的若しくは光学的特性に関して、品質の点からある特定の特性又は仕様を有していない場合がある。

本発明は、ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及びこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板を提供することによって、従来技術のこれらの制限を克服することを目的とする。このようにして、現在入手可能なＡｌＮ材料の単結晶基板のサイズの問題に対処することが可能である。

本発明は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層をシリコン材料のキャリア基板に転写し、続いてＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させることを含む、ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法に関する。

有利な実施形態では、単結晶シード層は、１０μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、より好ましくは０．２μｍ未満の厚さを有する。

有利な実施形態では、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層のシリコン材料のキャリア基板への転写は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板をキャリア基板に接合するステップと、それに続くＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶基板を薄化するステップとを含む。

有利な実施形態では、薄化するステップは、シリコン材料のキャリア基板に転写されるＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板の一部の範囲を定める脆弱化ゾーンの形成を含む。

有利な実施形態では、脆弱化ゾーンの形成は、原子及び／又はイオン種を注入することによって得られる。

有利な実施形態では、薄化するステップは、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板の前記一部をシリコン材料のキャリア基板に転写するように、脆弱化ゾーンで剥離するステップを含み、特に、剥離するステップが熱応力及び機械的応力の印加を含む。

有利な実施形態では、接合ステップは、分子接着ステップである。

有利な実施形態では、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層は、それぞれがシリコン材料のキャリア基板に転写される複数のタイルの形態である。

有利な実施形態では、シリコン材料のキャリア基板は、レーザデボンディング技法及び／又は化学的侵襲によって及び／又は機械的応力によって剥離されるように構成された剥離可能な界面を含む。

本発明は、シリコン材料のキャリア基板上に、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層を含むことを特徴とする、ＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板にも関する。

有利な実施形態では、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層は、複数のタイルの形態である。

本発明は、ＳｒＴｉＯ_３材料の単結晶シード層をシリコン材料のキャリア基板に転写し、続いてＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させることを含む、ＡｌＮ材料の格子定数に近い格子定数を有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎ材料の単結晶層を生成するための方法にも関する。

本発明は、ＹＳＺ又はＣｅＯ_２又はＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３材料の単結晶シード層をシリコン材料のキャリア基板に転写し、続いてＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させることを含む、ＡｌＮ材料の格子定数に近い格子定数を有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎ材料の単結晶層を生成するための方法にも関する。

本発明は、シリコン材料のキャリア基板上に、ＳｒＴｉＯ_３又はＹＳＺ又はＣｅＯ_２又はＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３材料の単結晶シード層を含むことを特徴とする、ＡｌＮ材料の格子定数に近い格子定数を有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板にも関する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによってよりよく理解されるであろう。
本発明の一実施形態によるＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及び本発明のこの実施形態によるこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板である。本発明の別の実施形態によるＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及び本発明のこの別の実施形態によるこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板である。本発明のさらに別の実施形態によるＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及び本発明のこの別の実施形態によるこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板である。本発明のさらに別の実施形態によるＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及び本発明のこの別の実施形態によるこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板である。本発明のさらに別の実施形態によるＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法、及び本発明のこの別の実施形態によるこのようなＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板である。

図の読みやすさを向上させるために、様々な層は、必ずしも縮尺通りには示されていない。

図１は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層２００が転写されるシリコン材料のキャリア基板１００を示す。シリコン材料のキャリア基板１００は、サファイア材料のキャリア基板１００に置き換えることもできる。シリコンの使用により、３００ｍｍタイプの大型の装置にのみＡｌＮ材料の膜の適用分野が開放されるだけでなく、シリコン以外の異種材料、特にＡｌＮに対する生産ラインでの受け入れに関する要件が高いマイクロエレクトロニクス産業にもＡｌＮ材料を適合させることができるという利点を有する。ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層２００をシリコン材料のキャリア基板１００に接合するステップ１’は、好ましくは分子接着ステップによって行われる。この分子接着ステップは、好ましくは周囲温度での結合ステップを含み、それに続いて結合界面を圧密化するためのアニールが行われ、このアニールは、通常、最大９００℃、又はさらには１１００℃の高温で数分〜数時間の持続時間行われる。サファイア材料のキャリア基板に関しても、単結晶シード層をキャリア基板に接合するステップ１’は、上述したような同程度の典型的な条件を用いて分子接着ステップによって行われることが好ましい。

図１は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板２０をシリコン材料のキャリア基板１００に接合するステップ１’を概略的に示す。本ステップは、シリコン材料のキャリア基板１００に接合された後、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板２０を薄化するステップ２’に続く。図１は、例えば化学エッチング又は機械的エッチング（研磨、研削、フライス加工など）によって実施することができる薄化するステップ２’を概略的に示す。このようにして、図１に概略的に示されるＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０上にＡｌＮ材料の単結晶層３００をエピタキシャル成長させるステップ３’のための単結晶シードとして機能するＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層２００を得ることができる。当業者は、本発明のＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０上にＡｌＮ材料の単結晶層３００をエピタキシャル成長させるステップ３’を最適化するために、バルク単結晶基板上のホモエピタキシ又はヘテロエピタキシで通常使用されるＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるために使用されるパラメータを調整することができるであろう。したがって、ＡｌＮ材料のエピタキシは、当業者に知られているＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ又はＨＶＰＥによって行われる。ちなみに、本発明は、ＡｌＮ材料のエピタキシに限定されず、ＡｌＮ材料の格子定数に近い格子定数を有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＡｓ_ｌＰ_ｍＮ_ｎタイプのある特定の複合材料にも拡張される。

キャリア基板１００の熱膨張係数は、ＡｌＮ材料の単結晶層３００をエピタキシャル成長させるステップ３’中に、ＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０の熱挙動を支配することに留意されたい。これは、ＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０の全厚さが数１０μｍ〜数１００μｍのオーダであるのに対して、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層２００の厚さが小さく、好ましくは１μｍ未満であることに起因する。ちなみに、ＳｉＣ−６Ｈ材料は、ＡｌＮ材料の単結晶層３００の欠陥が可能な限り少なくなるエピタキシャル成長を可能にするために、ＡｌＮ材料の単結晶層３００用に選択された格子定数、好ましくは緩和状態の格子定数に可能な限り近い格子定数を有する単結晶シード層を提供するように選択される。ちなみに、キャリア基板１００の材料は、エピタキシによって得られる単結晶層３００の欠陥を減少させるという同じ理由から、特にＡｌＮ材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するのが有利である。したがって、サファイア材料のキャリア基板１００が、本発明のために使用されるのが好ましい。

図２は、ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法の一実施形態を概略的に示し、本実施形態は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板２０’が、シリコン材料のキャリア基板１００’に転写されることが意図されたＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板２０’の一部２００’の範囲を定める脆弱化ゾーンを形成するために、原子及び／又はイオン種を注入するステップ０’’を受けるという点と、薄化するステップ２’’が、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板２０’の前記一部２００’をシリコン材料のキャリア基板１００’に転写するように、この脆弱化ゾーンで剥離するステップを含み、特に、この剥離するステップが熱応力及び／又は機械的応力の印加を含むという点と、で図１に関連して説明した実施形態とは異なる。したがって、本実施形態の利点は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の出発単結晶基板２０’の残りの部分２０１を回収することができ、したがって、この残りの部分２０１を再度使用して、同じプロセスにかけることができるためコストを削減することができることである。図２に示したＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０’は、図１に関連して説明した方法で既に説明したように、ＡｌＮ材料の単結晶層３００’を成長させるステップ３’’に使用される。一般に、注入ステップ０’’は、水素イオンを用いて行われる。当業者によく知られている１つの有利な代替手段は、水素イオンのすべて又は一部をヘリウムイオンに置き換えることである。水素注入ドーズ量は、典型的には、６×１０^１６ｃｍ^−２〜１×１０^１７ｃｍ^−２である。注入エネルギーは、典型的には、５０〜１７０ｋｅＶである。したがって、剥離は、典型的には、５５０〜７５０℃の温度で行われる。したがって、２００ｎｍ〜１．５μｍのオーダの単結晶シード層の厚さが得られる。剥離操作の直後に、結合界面の強化若しくは良好なレベルの粗さの回復のいずれか、又は注入ステップで生成された可能性のある任意の欠陥の補正、さもなければエピタキシの再開のためにシード層の表面を調製すること目的として、追加の技術的ステップが追加されるのが有利である。これらのステップは、例えば、研磨、（湿式又は乾式）化学エッチング、アニール、化学洗浄である。これらは、単独で、又は当業者が調整可能な組合せで使用されてもよい。

図３は、ＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板（１０、１０’）が、剥離されるように構成された剥離可能な界面４０’を含む点で、図１及び図２に関連して説明した実施形態とは異なる。シリコン材料のキャリア基板１００の場合、この界面４０’は、接合ステップ中に単結晶シード層と接合される、例えばシリコン材料の粗界面であってもよい。さもなければ、シリコン材料のキャリア基板１００内に粗界面が存在してもよく、この粗界面は、例えば、２つのシリコンウエハを接合することによって得られる。別の実施形態は、例えば、当業者に知られているウエハの縁部にブレードを挿入することによって又はアニールを施すことによって機械的応力及び／又は熱応力の印加中に分裂しやすい多孔質シリコン層を単結晶シード層と接合される面に導入することである。この界面は、本発明のプロセス（例えば、剥離、エピタキシャル成長など）中に遭遇する他の機械的応力及び／又は熱応力に耐えるように選択されるのは明らかである。サファイア材料のキャリア基板の場合、この界面は、単結晶シード層と接合されるサファイアの面上に生成される酸化ケイ素と、窒化ケイ素と、酸化ケイ素のスタック（いわゆるＯＮＯタイプ構造）であってもよい。このようなスタックは、サファイアキャリア基板を通過するレーザを印加（「レーザリフトオフ」タイプの剥離又はデボンディング）すると、窒化ケイ素層で剥離を受けやすい。当業者は、この剥離可能な界面を生成するための他の方法を特定することが可能である。したがって、これらの様々な剥離構成により、エピタキシャル層を成長パラメータに適合しない最終キャリアに転写すること、又は自立型のＡｌＮ材料の厚膜を調製することのいずれかが可能になる。

図４は、ＡｌＮ材料の単結晶層を生成するための方法の一実施形態を概略的に示し、本実施形態は、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層２０００’が、それぞれがシリコン材料のキャリア基板１００’’に転写される複数のタイル（２００１’、２００２’、２００３’）の形態である、という点で、図１、図２、及び図３に関連して説明した実施形態とは異なる。様々なタイルは、任意の形状（正方形、六角形、短冊など）を取ることができ、数ｍｍ^２〜数ｃｍ^２にわたる異なるサイズを有することができる。チップ間の間隔も、求められているものが最大カバレッジ密度であるのか（この場合、０．２ｍｍ未満の間隔が選択されることが好ましい）、又は逆に基板内のタイルの最大広がりであるのか（この場合、間隔は、数ミリメートル、さらには数センチメートルであってもよい）に応じて大きく変わってもよい。各タイルに対して、当業者は、所望の転写を適用することが可能であり、特定のプロセスに限定されない。したがって、図１に概略的に示される方法に関連して説明された技術的教示、又は図２に概略的に示される方法に関連して説明された技術的教示、さらにはこれらの２つの組合せを適用することを想定することが可能である。したがって、キャリア基板１００’’上で薄化すること２’’’によって、ＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０’’の各タイル上に、ＡｌＮ材料の単結晶層（３００１、３００２、３００３）をエピタキシャル成長３’’’させるための単結晶シード層（２００１’、２００２’、２００３’）を生成するために、キャリア基板１００’’のサイズよりも小さいサイズを有するＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板（２００１、２００２、２００３）を接合すること１’’’が可能である。

したがって、図１〜図４に関連して説明した様々な実施形態により、ＡｌＮ材料の単結晶層に作られた構成要素と、シリコン材料のキャリア基板に作られた構成要素との共集積の可能性が開ける。このキャリア基板は、単にシリコン基板であってもよいが、このキャリア基板はまた、シリコン基板を薄いシリコン層から分離する酸化ケイ素層を含むＳＯＩタイプの基板であってもよい。図１〜図４に関連して説明した実施形態の場合、キャリア基板へのアクセスは、当業者に知られているリソグラフィ及びエッチングによって簡単に達成することができる。図４に関連して説明した実施形態の場合、タイルの位置及びそれらの間隔を単に選択することも可能である。

図５は、一実施形態を概略的に示し、本実施形態は、キャリア基板１００’、及びそれに続くＡｌＮ材料の単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板１０’’が、例えば、レーザデボンディング（レーザリフトオフ）技法及び／又は化学的侵襲によって並びに／又は機械的応力によって剥離されるように構成された剥離可能な界面４０を含むという点で、図４に関連して説明した実施形態とは異なる。この界面４０により、図３に関連して既に述べたように、キャリア基板１００’’の一部を除去することができる。一例は、シリコン基板を薄いシリコン層から分離する酸化ケイ素層を含むＳＯＩタイプのキャリア基板１００の使用である。この酸化物層は、この酸化物層を選択的にエッチングすることによって、例えばフッ化水素（ＨＦ）酸浴に浸漬することによって、剥離可能な界面４０として使用することができる。化学エッチングによって埋め込み層を剥離するというこの選択肢は、複数の小さな基板を処理することと組み合わせた場合に特に有利である。具体的には、アンダーエッチングの範囲は、工業的に合理的な処理条件及び時間を維持することが望まれる場合、一般的に数センチメートル、又はさらには数ミリメートルに制限される。複数の小さな基板を処理することにより、直径が最大で３００ｍｍの場合がある基板の最縁部だけではなく、各タイル間の埋め込み層へのアクセスが可能になるため、いくつかの化学エッチングフロントの開始が可能になる。ＳＯＩタイプのキャリア基板の場合、いくつかのエッチングフロントの開始を可能にするために、タイル間のシリコンの薄い層を部分的に除去することがこうして可能である。

シリコンの薄層は、所定の厚さ（５ｎｍ〜６００ｎｍの間で変わってもよく、又は意図された用途に応じてさらに厚くてもよい）を有するため、したがって、この薄層を使用して、マイクロエレクトロニクス部品を形成することができ、単一の基板にＡｌＮ材料をベースとした部品を共集積することが可能になる。

したがって、エピタキシによって単結晶層（３００１、３００２、３００３）を形成した後に、この構造を最終基板に接合し、剥離可能な界面４０で、キャリア基板１００’’の一部を剥離することを考えることも可能である。したがって、最終的な基板は、例えば、以前に行われた成長のパラメータに適合しない追加の機能性（例えば、可撓性プラスチックタイプの最終基板又は金属線を含む最終基板）を提供することができる。加えて、一般に、剥離可能な界面は、必ずしもキャリア基板の内部に位置しているとは限らず、図３に関連して既に説明したように、このキャリア基板に接合されたＳｉＣ−６Ｈ材料のシード層との界面に位置することもできる（例えば、酸化ケイ素の２つの層間の窒化ケイ素層のスタックにより、特にサファイアタイプのキャリア基板に適したレーザデボンディングが可能になる）。

Claims

ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）をシリコン材料のキャリア基板（１００、１００’、１００’’）に転写し、続いてＡｌＮ材料の単結晶層（３００、３００’、３００１、３００２、３００３）をエピタキシャル成長させることを含む、ＡｌＮ材料の単結晶層（３００、３００’、３００１、３００２、３００３）を生成するための方法。
前記単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）が、１０μｍ未満、好ましくは２μｍ未満、より好ましくは０．２μｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
シリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）へのＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）の前記転写が、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶基板（２０、２０’、２００１、２００２、２００３）を前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）に接合するステップ（１’、１’’、１’’’）と、それに続くＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶基板（２０、２０’、２００１、２００２、２００３）を薄化するステップ（２’、２’’、２’’’）と、を含む、請求項１又は２に記載の方法。
前記薄化するステップ（２’’）が、シリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）に転写されることが意図されたＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶基板（２０’）の一部（２００’）の範囲を定める脆弱化ゾーンの形成を含む、請求項３に記載の方法。
前記脆弱化ゾーンの前記形成が、原子及び／又はイオン種を注入すること（０’’）によって得られる、請求項４に記載の方法。
前記薄化するステップ（２’’）が、ＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶基板（２０’）の前記一部（２００’）をシリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）に転写するように、前記脆弱化ゾーンで剥離するステップを含み、特に前記剥離するステップが熱応力及び／又は機械的応力の印加を含む、請求項４又は５に記載の方法。
前記接合するステップ（１’、１’’、１’’’）が、分子接着ステップである、請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
ＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）が、それぞれがシリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）に転写される複数のタイル（２００１’、２００２’、２００３’）の形態である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
シリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）が、レーザデボンディング技法及び／又は化学的侵襲によって及び／又は機械的応力によって剥離されるように構成された剥離可能な界面（４０、４０’）を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
シリコン材料のキャリア基板（１００、１００’、１００’’）上に、ＳｉＣ−６Ｈ材料の単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）を含むことを特徴とする、ＡｌＮ材料の単結晶層（３００、３００’、３００１、３００２、３００３）をエピタキシャル成長させるための基板。
ＳｉＣ−６Ｈ材料の前記単結晶シード層（２００、２００’、２０００’）が複数のタイル（２００１’、２００２’、２００３’）の形態で存在する、請求項１０に記載のＡｌＮ材料の単結晶層（３００、３００’、３００１、３００２、３００３）をエピタキシャル成長させるための基板。
シリコン材料の前記キャリア基板（１００、１００’、１００’’）が、レーザデボンディング技法及び／又は化学的侵襲によって及び／又は機械的応力によって剥離されるように構成された剥離可能な界面（４０、４０’）を含む、請求項１０又は１１に記載のＡｌＮ材料の単結晶層（３００、３００’、３００１、３００２、３００３）をエピタキシャル成長させるための基板。