(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ構造（２００）を生成する方法であって、
第１の熱膨張係数を有する少なくとも１つの第１の基板（１１０）を第２の熱膨張係数を有する第２の基板（１２０）上に接合するステップを含み、前記第１の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数とは異なり、
トレンチ（１１１）は、接合前に、前記２つの基板の少なくとも１つに前記少なくとも１つの基板（１１０）の接合面（１１０ａ）から形成され、前記第１の熱膨張係数と前記第２の熱膨張係数の間にある第３の熱膨張係数を有する材料（１３０）で充填され、前記第１の基板（１１０）および前記第２の基板（１２０）の両方にそれらの接合面から生成されることを特徴とするヘテロ構造（２００）を形成する方法。
【請求項２】
前記第１の基板（１１０）は、少なくともシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素および窒化ガリウムから選ばれる材料から形成され、前記第２の基板（１２０）は、少なくともサファイア、ほうけい酸ガラスおよびシリコンから選ばれる材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の基板（１１０）に形成される前記トレンチ（１１１）は、前記２つの基板が接合されるとき、前記第２の基板（１２０）に形成される前記トレンチと整列されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
構成部品（１１４）は、前記第１の基板（１１０）および前記第２の基板（１２０）の少なくとも１つの上に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
基板接合構造（２００）であって、
第２の熱膨張係数を有する第２の基板（１２０）に接合される第１の熱膨張係数を有する少なくとも１つの第１の基板（１１０）を備え、前記第１の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数とは異なり、
前記２つの基板の少なくとも１つ（１１０）は、他方の基板（１２０）との接合面（１１０ａ）にトレンチを含み、前記トレンチ（１１１）は、前記第１の熱膨張係数と前記第２の熱膨張係数の間にある第３の熱膨張係数を有する材料（１３０）を含み、前記第１の基板（１１０）および前記第２の基板（１２０）は両方ともそれらの接合面にそれぞれのトレンチを含むことを特徴とする基板接合構造（２００）。
【請求項６】
前記第１の基板（１１０）は、少なくともシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素および窒化ガリウムから選ばれる材料から形成され、前記第２の基板（１２０）は、少なくともサファイア、ほうけい酸ガラスおよびシリコンから選ばれる材料から形成されることを特徴とする請求項５に記載の基板接合構造。
【請求項７】
前記第１の基板（１１０）の前記トレンチ（１１１）は、前記第２の基板（１２０）の前記トレンチと整列されることを特徴とする請求項５または６に記載の基板接合構造。
【請求項８】
前記第１の基板（１１０）および前記第２の基板（１２０）の少なくとも１つは、構成部品（１１４）を含むことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の基板接合構造。
【請求項９】
前記構成部品（１１４）は、前記トレンチによって画成される域内に配置されることを特徴とする請求項８に記載の基板接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の熱膨張係数を有する少なくとも１つの第１の基板を、第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有する第２の基板に接合することによって形成される不均質構造の生成に関する。前記ヘテロ構造は、超小型電子工学、具体的には光電子工学で使用される。
【背景技術】
【０００２】
例えば周囲温度（２０℃）で少なくとも１０％または２０％の違いがある、熱膨張係数が異なる２つの基板をアセンブリするとき、または２つのアセンブリ済みの基板の任意の次の処理の間、例えば接合界面を補強するために温度の上昇工程が行われることがある。
【０００３】
温度が上昇する間、２つの基板のうちの一方の他方に対する挙動の変化によって、ヘテロ構造内に応力および／または変形が生じ、それによってヘテロ構造の欠陥が増大し、基板間の接合の質が低下する。さらに、そうした応力は、温度が数百度（例えば２００℃から６００℃の範囲の温度）に達した後、応力緩和現象によって２つの基板のうちの少なくとも一方の破壊をもたらすことがある。
【０００４】
一般的に、熱膨張係数が違うが故に、例えば２００℃以上からの温度の変化は、歪みを引き起こす恐れがあるだけでなく、そこにある基板または層のデラミネーションまたは分裂（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）、ならびに／あるいはそこにある１つもしくは複数の基板または層の塑性変形および／または割れおよび／または破損も引き起こす恐れがある。
【０００５】
結果として、温度の上昇の間、そうしたヘテロ構造におけるそのような影響を回避することができる方法を見つけ出すという課題が出てくる。
【０００６】
熱膨張係数がそれぞれ異なる第１の基板と第２の基板をアセンブリしてヘテロ構造を生成する方法が説明されている（例えば、特許文献１参照。）。第１の基板と第２の基板間で熱膨張係数が異なることにより生じる変形および歪みを低減するために、２つの基板のうちの１つの上に、２つの基板のうちの一方と同一の材料またはそれに近い熱膨張係数を有する材料から形成される第３の基板を接合することが教示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
さらに、熱膨張係数が異なる２つの基板をアセンブリすることによって形成される不均質構造の生成が説明され、そこでは、温度の上昇の間、アセンブリ内の熱弾性歪みを吸収するために、基板のアセンブリの面に弾力性を有するモチーフが２つの基板のうちの１つの上に生成される（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６８５８５１７号明細書
【特許文献２】米国特許第７０６７３９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的の１つは、熱処理の間のヘテロ構造内部の歪みおよび／または変形を低減するために設計されているヘテロ構造が生成され得ることになる解決策を提案することによって、上述の欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のため、本発明は、第１の熱膨張係数を有する少なくとも１つの第１の基板を第２の熱膨張係数を有する第２の基板上に接合することを含む、ヘテロ構造を生成する方法を提案する。第１の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数とは異なる。本方法では、接合前に、トレンチが、２つの基板の少なくとも１つに基板の接合面から形成される。トレンチは、第１の熱膨張係数と第２の熱膨張係数の間にある第３の熱膨張係数を有する材料で充填される。
【００１１】
本発明の方法に従って生成されるヘテロ構造は、次いで、具体的には２つの基板間における均一な接合エネルギを増大かつ供給することができる高温の熱処理にかけられ得る。トレンチは、欠陥の原因である要素を捕えることによってヘテロ構造内の欠陥を低減することもできる。具体的には、トレンチは、２つの基板の間の接合界面にある泡を捕えることができる。
【００１２】
第１の基板は、具体的には、少なくともシリコン、ゲルマニウム（熱膨張係数約５．８×１０-6．Ｋ-1）、ガリウムヒ素（ＡｓＧａ、熱膨張係数約５．８×１０-6．Ｋ-1）および窒化ガリウム（ＧａＮ）から選ばれる材料から形成され、一方、第２の基板は、具体的には、少なくともサファイア、ほうけい酸ガラス（熱膨張係数約３．３×１０-6．Ｋ-1）およびシリコンから選ばれる材料から形成され得る。
【００１３】
本発明の方法の特定の実施によれば、トレンチは、第１の基板と第２の基板の両方にそれらの接合面から生成され、前記第３の熱膨張係数を有する材料で充填される。この構成では、２つの基板が接合されるとき、第１の基板に形成されるトレンチは、好ましくは、その基板の面に垂直な方向に、第２の基板に形成されるトレンチと整列される。
【００１４】
本発明の一態様によれば、構成部品は、第１の基板および第２の基板の少なくとも１つの上に形成される。そうした状況では、トレンチは、好ましくは、構成部品の位置決めの関数である予め定めた域、具体的には例えば切断ラインに対応する域のような前記構成部品を隔てるように作られる域内に生成される。
【００１５】
本発明は、さらに、第２の熱膨張係数を有する第２の基板に接合される第１の熱膨張係数を有する少なくとも１つの第１の基板を備えるヘテロ構造を提供する。第１の熱膨張係数は、第２の熱膨張係数とは異なる。ヘテロ構造は、２つの基板の少なくとも１つが、他方の基板との接合面にトレンチを含み、トレンチが、第１の熱膨張係数と第２の熱膨張係数の間にある第３の熱膨張係数を有する材料を含むことを特徴とする。
【００１６】
第１の基板は、具体的には、少なくともシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素および窒化ガリウム（ＧａＮ）から選ばれる材料から形成され、一方、第２の基板は、具体的には、少なくともサファイア、ほうけい酸ガラスおよりシリコンから選ばれる材料から形成され得る。
【００１７】
特定の一実施形態では、第１の基板および第２の基板が両方ともそれらの接合面にそれぞれのトレンチを含む。トレンチは、前記第３の熱膨張係数を有する材料を含む。第１の基板のトレンチは、好ましくは、第２の基板のトレンチと整列される。
【００１８】
さらに特定の一実施形態では、第１の基板および第２の基板の少なくとも１つが構成部品を含む。構成部品は、トレンチによって画成される域内に配置され得る。
【発明の効果】
【００１９】
したがって、トレンチ内には第１の接合される基板の熱膨張係数と第２の接合される基板の熱膨張係数の間にある熱膨張係数を有する材料があるので、その構造における熱膨張係数は、２つの基板の間の接合界面で少なくとも局所的に適合する。この領域内では、その接合面にそうした材料を含む各基板は、他方の基板の熱膨張係数により近い中間の熱膨張係数を有し、結果的にいっそう良く適合する。それによって、熱処理中に２つの接合された基板間で通常見られる変形および／または歪みが著しく低減される。
【００２０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として挙げられる本発明の特定の実施についての以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図１Ｃ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図１Ｄ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図１Ｅ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図１Ｆ】本発明の方法を用いた、ヘテロ構造の生成を示す図である。
【図２】図１Ａから図１Ｆに示されるヘテロ構造の生成の間に実施されるステップの流れ図である。
【図３】本発明の一実施形態における基板の接合面にあるトレンチの他の構成の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の方法は、熱膨張係数が異なる少なくとも１つの第１の基板を第２の基板にアセンブリすることによって形成されるヘテロ構造の生成に一般的に適用される方法である。
【００２３】
本発明の方法は、一緒にアセンブリされるべき２つの基板のうちの少なくとも１つにトレンチを生成することを提案する。トレンチは、基板の接合面に生成され、熱膨張係数が２つの基板の熱膨張係数の間にある材料で充填される。
【００２４】
各基板は、モチーフおよび／もしくは構成部品を含むことができる単一層構造（単一材料）、または多層構造（異なる材料からなる層の積層体）から構成され得る。多層構造の場合、トレンチに充填される材料の熱膨張係数の選択には、接合界面に最も近い層の材料の熱膨張係数を考慮に入れる。
【００２５】
非限定的な一例として、本発明の方法は、例えばサファイアとシリコンまたは窒化ガリウムとシリコンからそれぞれ構成される２つの基板を一緒にアセンブリすることによって形成されるヘテロ構造の生成に特に適用される方法である。
【００２６】
一般的に、本発明の方法は、有利には、（より低い熱膨張係数に対して）１０％またはそれより大きい熱膨張係数の違いがある２つの基板を一緒にアセンブリするのに適用可能である。
【００２７】
図１Ａから図１Ｆおよび図２を参照して、シリコンの初期基板１１０（トップ）とサファイア（Ａｌ2Ｏ3）の支持基板１２０（ベース）からなるＳＯＳ（シリコンオンサファイア）タイプのヘテロ構造を生成する方法を説明する。基板は、具体的には、直径が１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍであってよいウェハである。
【００２８】
本発明によれば、トレンチすなわち溝１１１は、基板１１０の、アセンブリの間に支持基板と接触するように作られる表面１１０ａから形成される（図１ＡのステップＳ１）。トレンチ１１１は、ケミカルドライエッチング、フォトリソグラフィ、または任意の他の適当な技術によって形成され得る。
【００２９】
本明細書で説明する例では、初期基板１１０は、シリコン単一層構造である。しかし、基板１１０は、支持体上のシリコン層、さらにシリコン層、層とシリコン支持体の間に配置される例えばＳｉＯ2から形成される埋め込み酸化膜を含む、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）タイプの構造のような多層構造から構成されてもよい。
【００３０】
トレンチ１１１は、生成された後、熱膨張係数がシリコンとサファイアの熱膨張係数の間にある材料１３０が充填され（図１Ｂ、ステップＳ２）、それによって熱膨張係数適合材料が構成される。より明確には、（サファイアの熱膨張係数である）５×１０-6／℃未満でかつ（シリコンの熱膨張係数である）３．６×１０-6／℃より大きい熱膨張係数の材料１３０が選ばれる。材料１３０は、具体的には、シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）などの窒化物、およびＢＰＳＧ（ボロホスホシリケートガラス）などの酸化物から選ばれてよい。
【００３１】
具体的には、トレンチは、例えばプラズマ励起化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）である、基板表面全体にわたる堆積によって充填され得る。そうした状況のもとでは、材料は、トレンチ内に堆積するだけでなく、基板のトレンチの間に配置される部分の上にも過剰に堆積され、表面トポロジ（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を作り出す。次いで、トポロジを除去し、接合のために基板表面を準備するために、基板の表面上で平坦化（研磨）が行われる。前記の平坦化は、選択的であってよく、すなわち材料の除去は、過剰に堆積した材料が完全に取り去られ、平坦化パッドがトレンチの間に配置される基板の材料のすぐ下の部分と接触したら止めてよい。
【００３２】
トレンチは、材料１３０で充填される前に酸化されてよい。
【００３３】
次いで、初期基板１１０は、直接ウェハを接合することによって、または他の技術を使用（例えば接着剤を使用）して支持基板１２０とアセンブリされる（図１Ｃ、ステップＳ３）。
【００３４】
直接ウェハを接合する場合、基板１１０、１２０の表面１１０ａ、１２０ａがそれぞれ密着され、接触している表面の間における接合の波の密な伝搬のために２つの基板のうちの一方に圧力が加えられる。
【００３５】
それ自体が周知であるように、直接ウェハを接合する原理は、ダイレクトボンディング（ｄｉｒｅｃｔ  ｂｏｎｄｉｎｇ）としても既知であり、すなわち特定の材料（接着剤、ワックス、はんだなど）を使用しないで２つの表面を直接接触の状態にすることが基になっている。そうした作業には、接合されるべき表面が、十分に滑らであり、微粒子または汚染物がなく、接合が開始され得るように一般的には数ナノメータ未満の距離まで十分に接近することが必要である。したがって、２つの表面間の引力は、（接合されるべき２つの表面の原子間または分子間の電子的相互作用による引力（ファンデルワールス力）の集まりによって引き起こされる接合である）分子付着を引き起こすのに十分なほど高い。
【００３６】
支持基板１２０への初期基板１１０の接合を実行する前に、一般的にＣＭＰ研磨によって研磨されたサファイア支持基板の接合面１２０ａが準備され得る。この準備は、具体的には、特に、例えばＲＣＡ洗浄、カロ（Ｃａｒｏ’ｓ）タイプの洗浄、またはピランハ洗浄（Ｐｉｒａｎｈａｃｌｅａｎ）タイプの洗浄（Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2）による化学洗浄であってよい。洗浄に続いてスクラビング（ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）され得る。
【００３７】
接合エネルギをさらに増大させるために、基板１２０の表面１２０ａは、プラズマ処理を使用して活性化され得る。
【００３８】
初期基板１１０の表面１１０ａは、例えば、基板の表面を酸化することによって形成される熱酸化物の層で覆われ得る。
【００３９】
任意選択で酸化物の層によって覆われ得る初期基板１１０の表面１１０ａもプラズマ処理によって活性化されてよい。基板１１０と基板１２０の接合面は、それらを酸素、窒素、アルゴンまたは他の物を基にしたプラズマに曝すことによって活性化され得る。プラズマ処理による接合面の活性化は、当業者にはよく知られており、簡素化のために本明細書ではさらに詳しくは説明しない。
【００４０】
基板１１０および基板１２０が互いにアセンブリされると、材料１３０で充填された網目のような埋め込みトレンチ１１１を含むヘテロ構造２００を得ることができる（図１Ｄ）。初期基板１１０の、接合界面に近い支持基板１２０との接合面に材料１３０があるので、初期基板１１０は、シリコンの熱膨張係数よりも高く、結果的に支持基板１２０を構成するサファイアの熱膨張係数より近い、局所的な中間の熱膨張係数を有する。この熱膨張係数の局所的な適合によって、温度の上昇の間、熱膨張係数が異なる２つの材料の間で通常発生する熱弾性応力および膨張差が減少され得ることになる。
【００４１】
本明細書で説明される例では、ヘテロ構造の生成は、初期基板の一部に相当する移行層１１２を形成するために、初期基板１１０を薄くすることで続行される（図１Ｅ、ステップＳ４）。基板は、プラズマエッチングとも呼ばれるドライエッチング（反応性イオンエッチング）、および／またはウェットエッチング（例えばシリコンに対してＴＭＡＨ溶液を使用する化学エッチング）、機械研磨（研削）、（研磨溶液と連係したパッドを使用する周知の研磨技術である）化学機械研磨（ＣＭＰ）、または（基板にイオンを埋め込み基板がそれにそって破損する脆弱域を形成する）周知のＳｍａｒｔ  Ｃｕｔ（登録商標）技術などの任意の既知の技術を使用して薄くされてよい。
【００４２】
初期基板１１０を薄くする前に、接合部、より具体的には接合エネルギが、接合を安定化する焼なましによって強化され得る。上述のように熱膨張径数が局所的に適合するので、この焼なましは高温で実施可能であり、それによって基板間での高い接合エネルギが得られ得ることになる。
【００４３】
本発明の一態様によれば、ヘテロ構造２００は構成部品の生成に使用され得る。そうした状況では、（電子、光電子などの構成部品の全てもしくは一部、または回路、接点もしくは活性層などの複数の超小型電子構成部品を形成する）超小型構成部品１１４が移行層１１２上に形成される（図１Ｆ、ステップＳ５）。超小型構成部品１１４は、生成される超小型構成部品に対応するモチーフの形成域を画成することができるマスクを使用するフォトリソグラフィによって形成される。
【００４４】
構成部品または他の要素（モチーフ、材料など）が本発明のヘテロ構造上に形成されるようなとき、トレンチは、好ましくは、構成部品（フォトリソグラフィの全パターン）の所期の位置決めの関数として決定される、層１２０の犠牲部分内に生成される。これらの犠牲部分は、具体的には、層の有用域すなわち構成部品または回路がそこに形成されるように作られる域を画成する働きをする。犠牲部分は、具体的には、構成部品もしくは回路を隔てる領域および／または切断線に相当する。図１Ｅに見えるように、トレンチ１１１は、超小型構成部品１１４がそこに生成されるように作られる域１１３を画成するように生成されている。したがって、構成部品は、層１２０の（層１２０の厚みの方向に）シリコンだけを含む部分内に形成される。各超小型構成部品１１４は、例えば、トレンチ１１１に沿って切断することで取り外され得る。
【００４５】
トレンチは、欠陥の原因となる要素を捕えることによってヘテロ構造の欠陥を低減することもできる。具体的には、トレンチは、２つの基板の間の接合界面のところにある泡を捕えることができる。上述のように、トレンチが基板の犠牲部分内に生成されるとき、泡は、基板の有用域すなわち超小型構成部品がそこに生成されるように作られる域を越えた域で捕えられる。
【００４６】
トレンチの形状、幅、深さおよび数は可変であり、それらは、具体的には接合界面付近で得られるべき中間の熱膨張係数の関数として決められる。図３は、異なる熱膨張係数を有する他の基板とのアセンブリ用の基板３００が同心のトレンチ３０１を含む変形形態を示す。これらのトレンチは、熱膨張係数が２つの基板の熱膨張係数の間にある材料３０２で充填される。
【００４７】
トレンチは、一方または両方の基板の接合面に形成かつ充填されてよい。トレンチが両方の基板にある場合、それらは、好ましくは、２つの基板が一緒になるようにアセンブリされるとき、第１の基板に形成されるトレンチが第２の基板に形成されるトレンチと整列されるように生成される。トレンチが両方の基板にある場合、第１の基板に形成されるトレンチは、第１の材料で充填され、第２の基板に形成されるトレンチは、第１の材料とは異なる第２の材料で充填されてよい。第１の充填材料および第２の充填材料のそれぞれの熱膨張係数は、２つの基板の熱膨張係数の間にある。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３】
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