(57)【要約】接合基盤構造体の製造方法は、第１シリコン基板と第２シリコン基板の結合工程を含む。界面領域形成に際する１次特性は、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板との間に酸化ケイ素材料を有する。この製造方法には、界面領域が１次特性から２次特性に遷移するよう、熱処理を加える工程も含まれる。特定の実施例においては、２次特性は酸化ケイ素材料を含まず、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板との間では、エピタキシャル形成されたシリコン材料である。この製造方法には、単結晶シリコン材料層を第２シリコン基板と電気的に結合してエピタキシャル形成されたシリコン材料を形成するための熱処理中に、界面領域における複数のボイドの発生を抑制する方法が含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２シリコン基板に結合された第１シリコン基板から転写された単結晶シリコン材料層を形成し、該第２シリコン基板は、前記単結晶シリコン材料層の第１表面領域に結合される第２表面領域を有し、該第２シリコン基板との間に酸化シリコン材料を含む第１特性を有する界面領域を形成し、
界面領域が前記第１特性から第２特性に遷移するよう前記界面領域に熱処理を施し、該第２特性は、酸化シリコン材料を含まず、前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板との間でエピタキシャル形成したシリコン材料であって、
前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板を電気的に結合して、エピタキシャル形成したシリコン材料を形成するため、前記熱処理中に界面領域に複数のボイドを生じるのを抑制する、
ことを特徴とする接合基板構造体の製造方法。
【請求項２】
第１シリコン基板は第１シリコンウェーハで、第２シリコン基板は第２シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１つ以上のボイドが複数の水素種から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１のレート特性を有する拡散処理により１つ以上のボイドが生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５】
１つ以上のボイドは、複数の水分種から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
１つ以上のボイドは、複数の水酸化物種から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２特性は、実質的に酸素を含まないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２特性は、エピタキシャル形成した実質的に単結晶のシリコン材料を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記熱処理は、前記単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００℃以上の温度でアルゴン雰囲気に曝露する処理を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱処理は、前記単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００℃以上の温度で不活性ガス雰囲気に曝露する処理を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の特性を有する界面領域は、１０ナノメートル未満の酸化膜から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記熱処理により、酸化シリコンから生成した１つ以上の酸素種が界面領域から拡散されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱処理により、酸化シリコンから生成した１つ以上の酸素種が界面領域から単結晶シリコン材料層及び第２シリコン基板の外側の領域に拡散されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱処理により、酸化ケイ素から生成した実質的に全ての酸素種が前記界面領域から拡散され、シリコンエピタキシャル材料を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記熱処理は、前記単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００度Ｃ以上の温度で水素ガス雰囲気に曝露する処理を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記単結晶シリコン層の切削面に非接触平滑化処理を施すことを、更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記非接触平滑化処理は、前記熱処理の前に、アルゴンアニール処理及び／又は化学機械研磨処理を行うことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記非接触平滑化処理は、ＨＣｌガス及びＨ２ガスを用いたエピタキシャル平滑化処理を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記平滑化処理は、チャンバクラスタ装置内で行われることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記平滑化処理は、チャンバクラスタ装置内での、その場（in-situ）アニーリングを施すことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
シリコン材料層の切削面を被膜し、エピタキシャル形成したシリコン支持材料からなる第２層を形成することを、更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２層の形成は、クラスタ装置のチャンバ内で行われることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記シリコン材料層は、シリコンゲルマニウム材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記シリコン材料層は、第１方向に、前記第２シリコン基板が第２方向に沿っていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記シリコン材料層が第１方向に、前記第２シリコン基板が第２方向に沿っており、
前記シリコン材料層は、１つ以上の歪み領域を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２シリコン基板は、シリコン・オン・インシュレーター基板であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
第１表面領域を有する第１シリコン基板と、
所定の厚さを有し、かつ前記第１シリコン基板の前記第１表面領域に接触する第２表面領域を備え、第１表面領域を被膜するよう転写される単結晶半導体材料層と、
前記第１表面領域と前記第２表面領域との間に設けられ、エピタキシャル形成された界面領域と、
前記第１シリコン基板と前記単結晶半導体材料層とを電気的に結合する、エピタキシャル形成された前記界面領域の１層から５層の単分子層と、
を備えることを特徴とするシリコン・オン・シリコン基板構造。
【請求項２８】
エピタキシャル形成した前記界面領域は、原則的に単結晶シリコン材料から成ることを特徴とする請求項２７に記載の構造。
【請求項２９】
前記単結晶半導体材料は、実質的に単結晶シリコンから成ることを特徴とする請求項２７に記載の構造。
【請求項３０】
前記単結晶半導体材料が実質的に第１方向に沿った単結晶シリコンから成ることを特徴とする請求項２７に記載の構造。
【請求項３１】
前記単結晶半導体材料は、実質的に第１方向に沿った単結晶シリコンから成り、
この第１方向は（１００）、（１１０）又は（１１１）から選択されることを特徴とする請求項２７に記載の構造。
【請求項３２】
第１シリコン基板から転写され、第２シリコン基板に結合された単結晶シリコン材料層を形成し、該第２シリコン基板は、前記単結晶シリコン材料層の第１表面領域に接合される第２表面領域を有し、前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板との間に酸化シリコン材料を含む第１特性を有する界面領域を形成し、
前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板を電気的に結合して、前記界面領域が第１特性から第２特性に遷移するよう、前記界面領域に熱処理を施し、
該第２特性は、酸化シリコン材料を含まず、前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板との間はエピタキシャル形成されたシリコン材料である、
ことを特徴とする接合基板構造体の製造方法。
【請求項３３】
前記第１シリコン基板は第１シリコンウェーハであり、前記第２シリコン基板は第２シリコン基板であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第２特性は、実質的に酸素を有しないことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記第２特性は、エピタキシャル形成された実質的に単結晶のシリコン材料を有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記熱処理は、単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００℃以上の温度でアルゴン雰囲気に曝露する処理を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記熱処理は、前記単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００℃以上の温度で不活性ガス雰囲気に曝露する処理を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１特性は、前記界面領域が１０ナノメートル未満の酸化膜から成ることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
前記熱処理により、酸化シリコンから生成された１つ以上の酸素種が前記界面領域から拡散することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４０】
前記熱処理により、酸化シリコンから生成した１つ以上の酸素種が前記界面領域から前記単結晶シリコン材料層及び前記第２シリコン基板の外側の領域に拡散する
ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４１】
前記熱処理により、酸化シリコンから生成した実質的に全ての酸素種が前記界面領域から拡散し、シリコンエピタキシャル材料が形成されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４２】
前記説処理は、前記単結晶シリコン材料層と前記第２基板の接合層を約１０００℃以上の温度で水素ガス雰囲気に曝露する処理を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４３】
単結晶シリコン層の切削面に非接触平滑化処理を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４４】
前記非接触平滑化処理は、前記熱処理の前に、アルゴンアニール処理及び／又は化学的機械研磨処理を行うことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記非接触平滑化処理は、ＨＣｌガス及びＨ２ガスを用いたエピタキシャル平滑化処理を含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記平滑化処理は、クラスタ装置のチャンバ内で行われることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記平滑化処理は、クラスタ装置のチャンバ内でその場（in-situ）アニーリング処理を含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
前記シリコン材料層の切削面を被膜する、エピタキシャル形成したシリコン含有材料からなる第２層を形成することを、更に含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４９】
前記第２層は、クラスタ装置のチャンバ内で形成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記シリコン材料層は、シリコンゲルマニウム材料から成ることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５１】
前記シリコン材料層は第１方向に、前記第２シリコン基板は第２方向に沿っていることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５２】
前記シリコン材料層は第１方向に、前記第２シリコン基板が第２方向に沿っており、
前記シリコン材料層は１つ以上の歪み領域を有する、
ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５３】
前記第２シリコン基板は、シリコン・オン・インシュレーター基板であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５４】
第１シリコン基板から転写され、第２シリコン基板に結合された単結晶シリコン材料層を形成し、該第２シリコン基板は、前記単結晶シリコン材料層の第１表面領域に接合されている第２表面領域を有し、前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板との間に酸化シリコン材料を含む第１特性を有する界面領域を形成し、
前記単結晶シリコン層は複数のトラッピングサイトを有する界面領域を含み、
単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板を電気的に結合して、界面領域が第１特性から第２特性に遷移するよう界面領域に熱処理を施し、該第２特性は、酸化シリコン材料を含まず、前記単結晶シリコン材料層と前記第２シリコン基板との間でエピタキシャル形成されたシリコン材料であり、酸化シリコン材料部が、表面領域上の１つ以上のトラッピングサイトに転写されるように界面領域に熱処理を施す、
ことを特徴とする接合基板構造体の製造方法。
【請求項５５】
少なくとも選択的エッチング処理及び／又は化学研磨処理により表面領域上に形成された酸化シリコン材料の一部を除去する工程を更に含むことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、半導体集積回路デバイス製造のための接合技術を用いた複層基板構造形成のための方法及び構造を含む。特定の実施例においては、この接合技術に、不完全性、欠陥、及び／又は他の望ましくない特徴を実質的に有しない接合界面形成を目的とする熱処理の適用が含まれる。好適な実施例においては、熱処理により除去対象である接合対の間の界面領域から外部領域へと酸素種が移動する。しかし、本発明の適用範囲は広く、他の種類の３次元のパッケージング対象の基板に対しても使用することが可能である。例をあげると、半導体集積デバイス、光学デバイス、圧電デバイス、フラットパネル・ディスプレー、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造体、センサー、アクチュエータ、太陽電池、生物学的・生物医学的デバイス等である。
【背景技術】
【０００２】
太古の昔より長い間、人類は有用な品物、道具、デバイスをより有用性の低い原料を用いて製造してきた。より小さな要素やブロックを用いて品物を組み立てることもある。また、実用性を高めるため、有用性の低い品物を小さな部品に分解することもある。基板構造を有する分解された品物の一般的な例としては、ガラス板、ダイアモンド、半導体基板、フラットパネル・ディスプレー、その他が挙げられる。このような基板構造は、通常様々な技術を用いて切削されたり、分解されたりする。のこぎり操作を用いて基板を分解することもある。のこぎり操作を用いる際は、回転刃や、基板材料を２枚に分ける機能を有し、基板を分断するツールが主として使用される。しかし、このような技術は通常、非常に「粗く」、精密工具や精密部品の製造のための基板を精密分解する用途では一般的に使用できない。さらに、のこぎりを使用した場合、ダイアモンドやガラスといった非常に固い材料、及び／又は脆弱な材料の分割や切断は困難である。また、集積回路といった超小型電子デバイスの製造に際しては、のこぎりの使用は適切ではない。
【０００３】
したがって、超小型電子デバイス、通称半導体集積回路の製造のための様々な技術が開発されてきた。このような集積回路は、通常「平面プロセス」と呼ばれる。半導体製造の初期に開発された技術を用いて製造される。初期の半導体技術の一例としては米国特許公報第２９８１８７７号が挙げられ、本発明の発明者はＲｏｂｅｒｔ  Ｎｏｙｃｅで、集積回路の父の一人として知られている。このような集積回路は、少数の電子素子から加工された、シリコン材料の小さなスライス上に製造されている数百万から時には数十億に達する部品から構成されている。このような集積回路は、コンピュータ、携帯電話、おもちゃ、自動車、あらゆる種類の医療機器といった今日の装置に組み込まれ、またこれらを制御している。
【０００４】
標準的な集積回路は、当初の想定よりもはるかに高い性能及び複雑性を有する。複雑性及び回路密度（すなわち、所定のチップ領域上に搭載し得るデバイス数）を改善するため、デバイスの「ジオメトリー」として知られている最小素子寸法は、集積回路の世代を追って小さくなってきている。回路密度の増大により、集積回路の複雑性と性能が向上しただけでなく、消費者に対しより低価格の部品を提供することが可能となった。
【０００５】
集積回路製造の各工程には加工限界があるため、デバイスの微小化は非常に困難である。つまり、ある工程は、通常、デバイスのサイズを所定のレベルまでしか下げることができず、工程もしくはデバイスのレイアウトを変更する必要性が生じる。さらに、デバイスにはより高速に設計するよう求められているため、標準的な工程及び素材は加工限界を有する。このような工程の一例としては、基板上に集積回路デバイスを製造した後に基板を薄くする工程が挙げられる。このようなデバイス層を薄くするために使用される標準的な工程は「裏面研削」と呼ばれ、通常煩雑で、デバイスの故障を招きがちであり、デバイス層の厚さをある程度低減できるに過ぎない。大幅な改良をもたらすものの、このような裏面研削は、なおお多くの制限を伴う。
【０００６】
したがって、より大きなドナー基板部から結晶性材料の薄いフィルムを切削する技術が開発されてきた。このような技術は一般的には「層転写」法として公知である。このような層転写工程は、絶縁体上のシリコン又は表示基板といった、特定の基板構造の製造において有用である。単なる例であるが、材料のフィルムの切削方法がについてＦｒａｎｃｏｉｓ  Ｊ．ＨｅｎｌｅｙとＮａｔｈａｎ  Ｃｈｕｎｇにより先駆的な技術が開発されている。このような技術は、米国特許公報第６０１３５６３号に制御された切削処理（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｌｅａｖｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）として、カリフォルニア州Ｓａｎ  ＪｏｓｅにあるＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが特許を取得しており、本明細書に参照することにより取り込む。このような技術は成功を収めたが、多層構造の製造においてはさらなる改良が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上より、コストパフォーマンスが良く、効率性が高い大規模基板の製造技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板の製造方法に関する技術に関する。より詳細には、半導体集積回路デバイスの製造を目的とする、接合技術を適用した多層基板構造を形成するための方法及び構造を含む技術を提供する。特定の実施例においては、このような接合技術には、不完全性、欠陥及び／又は他の望ましくない特徴を実質的に有しない接合界面の構築のための熱処理の使用も含まれる。好適な実施例では、熱処理により除去対象である接合対の間の界面領域から外部領域へと酸素種が移動する。しかし、本発明の適用範囲は広く、他の種類の３次元のパッケージング対象の基板に対しても使用することが可能である。例をあげると、半導体集積デバイス、光学デバイス、圧電デバイス、フラットパネル・ディスプレー、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造体、センサー、アクチュエータ、太陽電池、生物学的・生物医学的デバイス等である。
【０００９】
特定の実施例においては、本発明は、例えば２層のシリコン（例えばシリコン・オン・シリコン）のような接合された基板構造の製造方法を提供する。特定の実施例では、第２シリコン基板と結合された第１シリコン基板から転写した単結晶シリコン材料の層を形成する工程を含む。特定の実施例においては、第２シリコン基板は、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板の間で酸化シリコン材料を含む１次特性を有する界面領域を形成する、単結晶シリコン材料層の第１表面領域に接触する第２表面領域を有する。この方法には、界面領域を１次特性から２次特性に遷移させるための界面領域に対する熱処理が含まれる。特定の実施例においては、２次特性は酸化ケイ素材料を含まず、単結晶シリコン材料と第２シリコン基板の２層間でエピタキシャル形成したシリコン材料が形成される。他の選択肢としては、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板との間において、電気的結合及び／又は電気的結合の改善及び／又は最適化を目的とするシリコンエピタキシャル材料の形成のための熱処理中に界面領域に複数のボイドが生成されることを防ぐ工程が含まれる。「界面」又は「界面領域」という用語の解釈は限定されないが、当業者により使用されてきた意味を有す。単なる例であるが、特定の実施例において、界面という語は任意の２領域間の領域として定義される。
【００１０】
代替的な特定の実施例においては、本発明は、例えば直接シリコン接合構造のように、シリコン・オン・シリコン基板構造を提供する。この構造には、第１表面領域を有する第１シリコン基板（例：シリコンウェーハ）が含まれる。単結晶半導体材料層は第１表面領域を覆うように転写される。好適な実施例においては、単結晶半導体材料層の厚さは約１ミクロン以下で、第１シリコン基板の第１表面領域に面する第２表面領域を有する。第１表面領域と第２表面領域間において、この構造はエピタキシャル形成した界面領域を含む。また、この構造は、単結晶半導体材料と第１シリコン基板を電気的結合するためのエピタキシャル形成した界面領域を特徴付ける１層から５層の単分子層を有する。
【００１１】
さらに代替的な実施例においては、本発明は、例えばシリコン・オン・シリコンのような接合基板構造の製造方法に関する。第２シリコン基板と接合された第１シリコン基板から転写された単結晶シリコン材料層を形成する工程を含む。第２シリコン基板は、単結晶シリコン材料層と、第２シリコン基板間の酸化ケイ素材料を含む１次特性を有する界面領域を形成するために単結晶シリコン材料層から第１表面領域に接合する第２表面領域を有する。好適な実施例においては、単結晶シリコン層は複数のトラッピングサイト、例えば表面粗さ、を有する表面領域を含む。この方法においては、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板材料とが電気的に結合し、界面領域を１次特性から２次特性に遷移させるよう、界面領域（及び／又は全基板構造体）に熱処理を加える工程を含む。２次特性は酸化シリコンケイ素材料を含まず、単結晶シリコン材料層と第２シリコン基板間におけるエピタキシャル形成したシリコン材料である。熱処理により、酸化シリコン材料部は表面領域上の１つ以上のトラッピングサイトに移動する。他の選択肢としては、１つ以上のトラッピングサイト上の酸化ケイ素材料は、選択エッチング液（例：ＨＦ、ＢＯＥ）及び／又は化学機械研磨処理を使用して選択的に除去される。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００１２】
本発明の使用により、既存の技術と比べ多くの利点が得られる。とりわけ、本発明は、選択的に切削し、過剰なエネルギー放射及び／又は熱エネルギーにより損傷を与えることがないような材料からなる薄膜に、制御されたエネルギーと選択された条件が適用される。フィルムや基板の残りの部分の損傷を防止しつつ、この切削工程においては、基板から薄膜を選択的に除去する。さらに、特定の実施例においては、本発明の方法及び構造により、高温になる可能性を有する半導体処理を通じて、基板内に設置された切削層を用いたより効率的な加工が可能になる。特定の実施例においては、切削されたフィルムと基板の間の界面領域の近傍で欠陥が生じないよう、処理基板に切削されたフィルムを固着させるため、処理基板に付着した切削されたフィルムに対し高速熱処理を加える。特定の実施例においては、２００１年９月１１日付、Ｋａｎｇ、Ｓｉｅｎ  Ｇ．、Ｍａｌｉｋ及びＩｇｏｒ  Ｊ．名義の米国特許公報第６２８７９４１号、又は清浄で、欠陥のない表面を形成し、酸素を溶解させるため枚葉式反応器又はファーニスアニール処理を実施する工程を、ここに参照することにより取り込んだ（’９４１特許）。米国特許公報第６８８４６９６号及び第６９６２８５８号に記載の通り、切削された部品に平滑化処理を施すことが可能である。例えば、’９４１特許におけるエピタキシャル平滑化処理の場合、エピタキシャル平滑化処理に先立ち、追加処理としてその場（in-situ）アニール処理を組み合わせることにより、さらなる費用対効果を得ることができる。実施例によっては、上記の利点が複数得られる場合もある。上記及びその他の利点は、本明細書において、後により詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、公知の加工技術に照らして上記の利点等を実現する。例えば、シリコン−シリコン間接合構造は、結晶の方向が異なる１つ以上の層に対して適用が可能である。さらに例を挙げると、ベース基板はシリコン（１００）方向を、最上面の転写膜はシリコン（１１０）方向を取ることが可能である。あるいは、ベース基板が（１１０）方向を、転写膜が（１００）方向を取ることもある。本発明の実施例においては、上記の層と（１１１）方向を含むような他の方向を組み合わせることもできる。特定の実施例では、上面の２枚のフィルムが異なる方向で、酸化被膜ベース基板上に配置されているシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）構造上に多層構造を形成することも可能である。また、１つ以上の層に全体歪や局所歪、又は双方の組み合わせ等を有することもある。しかし、本発明の性質及び利点の更なる理解のため、本明細書の後述部分及び添付の図面を参照されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、基板の製造技術に関する。とりわけ、半導体集積回路デバイスの製造時に適用される接合技術を用いた多層基板構造形成を目的とする方法及び構造も本発明は提供する。この接合技術には、特定の実施例において、不完全性、欠陥、及び／又は他の望ましくない特徴を実質的に有しない接合界面を形成する熱処理の使用が含まれる。好適な実施例においては、熱処理により除去対象である接合対の間の界面領域から外部領域へと酸素種が移動する。しかし、本発明の適用範囲は広く、他の種類の３次元のパッケージング対象の基板に対しても使用することが可能である。例をあげると、半導体集積デバイス、光学デバイス、圧電デバイス、フラットパネル・ディスプレー、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造体、センサー、アクチュエータ、太陽電池、生物学的・生物医学的デバイス等である。
【００１５】
本発明の実施例における、シリコン・オン・シリコン基板製造時に基板を接合する手順１００を図１に示した。手順は以下の通りである。
１．  処理を開始する（ステップ１０１）。
２．  第１表面領域、切削領域、及び第１表面領域と切削領域との間に位置する除去対象の材料層を有する第１シリコン基板を準備する（ステップ１０３）。
３．  第２表面領域を有する第２シリコン基板を準備する（ステップ１０５）。
４．  第１シリコン基板の第１表面領域と第２シリコン基板の第２表面領域を接合する（ステップ１０７）。
５．  第１シリコン基板と第２シリコン基板の間に酸素種を含む１次特性を有する界面領域を形成する（ステップ１０９）（実施例によっては、界面の形成と接合処理を同時、並行、又は続けて行うことが可能である（ステップ１０７））。
６．  第１シリコン基板から材料層を切除する（ステップ１０８）。第２シリコン基板は、材料層に接着されたままである。
７．  界面領域（特定の実施例における第１及び第２シリコン基板を含む）に熱処理を加える（ステップ１１１）。界面領域に２次特性を形成するため、少なくとも第１温度幅内の第１温度から第２温度幅内の第２温度に温度を上昇させる（ステップ１１３）。
８．  界面領域に、大きさ約１０ミクロン以上の１つ以上のボイドの実質的な生成を防ぐ（ステップ１１５）。
９．  界面領域で実質的な結晶シリコン材料を形成するため、界面領域から外部領域へ酸素種を移動させる（ステップ１１６）。
１０．  １つの基板部上に対し少なくとも１つの集積回路デバイスの形成を目的とする、１つ以上の工程を適用し、少なくとも１つの基板部を処理する（ステップ１１７）。
１１．  必要に応じて、他のステップを実行する（ステップ１１８）。
１２．  「停止」で処理を終了する（ステップ１１９）。
【００１６】
本発明の実施例においては、この方法は上記の一連の手順を取る。本発明の実施例においては、図のように、シリコン・オン・シリコン接合構造を形成する手法を含む手順を組み合わせる方法を取る。好適な実施例では、この方法では界面領域に１つ以上のボイドの生成を防ぎつつ、接合を強固にする目的で熱処理が実施される。好適な実施例においては、界面領域で結晶性シリコン構造を形成するため、接合部対の間の界面領域から酸素種が移動及び／又は拡散するよう、この方法では熱処理が用いられる。請求項の記載から逸脱することのない限り、ステップを追加したり、１つ以上のステップを削除したり、１つ以上のステップを異なる順序で実施する選択肢もある。本方法については、本明細書において、後により詳細に説明する。
【００１７】
図２から図１０にかけては、本発明の実施例における、層転写基板上に集積回路を製造する方法を簡略化して示した。これらの図は単なる概略であり、本発明の請求項の範囲を制限するものではない。当業者は、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢を考案しうる。図のように、この方法を適用すると、半導体基板２００、例えばシリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム合金、ガリウムヒ素、任意のIII族又はＶ族の材料、その他の生成が可能である。特定の実施例によっては、半導体基板を単独の一様な材料から生成することも、複数の層を組み合わせて形成することも可能である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００１８】
好適な実施例においては、基板２００は半導体材料層２０５及び表面領域２０７を有する。特定の実施例では、半導体材料層を規定する基板内に、基板はまた切削面２０３（複数個の分子、沈着した金属、又はこれらの組み合わせ等）を有する。特定の実施例においては、半導体材料層は結晶性シリコン（例：単結晶シリコン）で、被膜エピタキシャルシリコン層を含む。特定の実施例では、シリコン表面領域２０７は、二酸化ケイ素といった酸化薄層を有する。特定の実施例によれば、二酸化ケイ素は５ｎｍ以下の厚みを有する。実施例に応じて、酸化ケイ素は二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シリコン過剰酸化物、ケイ酸、（ＳｉＯｘ）種のいずれか、又はこれらの組み合わせ物といった形態を取る。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００１９】
実施例に応じて、切削領域の形成には様々な技術が適用される。つまり、注入粒子、沈殿層、拡散材料、パターン領域、又はその他の技術を適切に組み合わせて切削領域を形成する。特定の実施例においては、この方法では、半導体基板の最上面から、所定深さまで注入処理によりドナー基板と呼ぶことも可能な所定のエネルギー粒子を導入する。この深さは、材料の「薄膜」と呼ばれる半導体材料領域層の厚みの決定要因となる。特定の実施例においては、単結晶シリコンウェーハに高エネルギー粒子を注入する際は、様々な技術を用いることができる。これらの技術には、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．他製造のビームラインイオン注入装置を使用したイオン注入が含まれる。あるいは、特定の実施例においては、プラズマ浸漬イオン注入（ＰＩＩＩ）技術、イオンシャワー法その他の非量産特殊技術（例：完全質量分離、不完全質量分離）を使用して注入が実施され、比較的大きな表面領域に対してとりわけ有効である。こうした技術を組み合わせて適用することも可能である。当然、使用される技術は用途に依存する。
【００２０】
用途により、好適な実施例においては、材料領域が損傷する可能性を低減させるため、一般的に小質量粒子が選ばれる。つまり、小質量粒子は容易に半導体材料の所定深さまで到達する。粒子の通過により、材料領域が実質的に損傷することはない。たとえば、小質量粒子（又はエネルギー粒子）は、（例えば、正もしくは負に）ほぼ帯電していても、又は中性原子もしくは粒子、又は電子その他でありうる。特定の実施例においては、粒子は中性でも、水素イオン及びその同位体、ヘリウム及びその同位体、ネオンその他といった希ガスイオンのようなイオンを含む帯電粒子でも構わない。水素ガス、水蒸気、メタン、水素化合物、その他の原子番号が小さい原子の粒子といった化合物から小質量粒子を生成する。あるいは、小質量粒子は上記の粒子、イオン、分子種、原子種の混合物とすることも可能である。小質量粒子は、一般に表面を通過して所定深さに達するのに十分な運動エネルギーを有する。
【００２１】
たとえば、水素をシリコンウェーハへの注入種として使用する場合、注入処理は特定の条件下で実施される。注入ドーズ量は約１Ｅ１５〜約１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であるが、約１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上であることが望ましい。注入エネルギーは約１ＫｅＶ〜約１ＭｅＶで、一般的には約５０ＫｅＶである。注入温度は約−２０度Ｃ〜約６００度Ｃで、注入対象のシリコンウェーハから相当量の水素イオンが拡散したり、アニールされて損傷や応力が生じないよう、約４００度Ｃ未満とするのが望ましい。水素イオンは、約＋／−０．０３〜＋／−０．０５ミクロンの精度でシリコンウェーハの所定深さまで選択的に導入される。当然、用途に応じて使用されるイオン及び処理条件は異なる。
【００２２】
効果的に、注入粒子が応力を加えるか、又は所定深さで、基板の最上面に平行な面に沿って破壊エネルギーを軽減する。このエネルギーの一部は、注入種及び注入条件に依存する。これらの粒子は、所定深さにおける基板の破壊エネルギーレベルを低下させる。これにより、所定深さで注入面に沿って切削が制御される。基板内部全体のエネルギー状態が基板材料内で不可逆的な破壊（すなわち、分離又は切削）を開始するには不十分な条件下で注入が実施される可能性もある。しかし、一般的に、注入は基板内に一定量の欠陥（例：微小欠陥）を引き起こすが、この欠陥の少なくとも一部は通常、続く熱処理、例えばアニーリング又は高速熱アニーリングにより修復可能である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００２３】
実施例に応じて、切削領域及び／又は切削層形成には他の技術を適用することもできる。単なる例であるが、カリフォルニア州Ｓａｎｔａ  ＣｌａｒａのＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが開発したシリコンゲルマニウム切削面を用いた処理、フランス国Ｓｏｉｔｅｃ  ＳＡ社によるＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）処理、及び日本国東京のキヤノン株式会社によるＥｌｔｒａｎ（商標）処理、その他同様の処理を用いて切削領域を形成することが可能である。実施例によっては、切削領域に歪み領域もしくは応力領域が含まれることも、実質的に歪みや応力がかからないこともある。また、切削領域に含まれる沈着領域が、注入領域を有することも、有しないこともある。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００２４】
図３に示した通り、この方法には、半導体基板の表面領域と、第１処理基板３０１との接合工程３００が含まれる。特定の実施例においては、処理基板もまた、単結晶シリコンのような、実質的に結晶性を示す好適な材料で形成される。つまり、特定の実施例では、処理基板をシリコンウェーハ、エピタキシャルシリコンウェーハ、無欠陥ウェーハ（例：被水素中高温処理、被アルゴン中高温処理、ＭＥＭＣ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．製のＭＤＺＴＭ製品）又はその他結晶性材料（絶縁体基板上の層転写シリコンを含む）から製造することも可能である。実施例によっては、窒素ドープ基板その他を含む場合、処理基板がドープされることも（例：Ｐ型、Ｎ型）、ドープされないこともある。当然、他の処理基板材料を使用することも可能である。好適な実施例においては、シリコンウェーハはシリコン表面領域３０１を有する。特定の実施例において、シリコン表面領域は二酸化シリコンのような酸化薄膜を有し得る。好適な実施例では、二酸化ケイ素の厚さは５ｎｍ以下である。実施例に応じて、酸化ケイ素は二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シリコン過剰酸化物、ケイ酸、又はこれらの化合物といった形態を取る。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００２５】
好適な実施例においては、第１処理基板は表面領域３０５を有し、基板２００上の表面領域２０７と結合又は接合される。この図における参照番号は他の図においても使用されているが、本発明の請求項の範囲を制限するものではない。結合処理の詳細については、この明細書において、後により詳細に説明する。
【００２６】
特定の実施例においては、結合前に、基板の表面領域を洗浄する目的で、半導体基板及び第１処理基板の表面はそれぞれ基板表面処理のため洗浄剤に接触させる。基板及びハンドルの表面の洗浄に使用される洗浄剤の例としては、過酸化水素、硫酸、その他の液剤の混合液が挙げられる。乾燥機により半導体基板と処理面を乾燥させ、残留液及び／又は基板表面からの粒子を除去する。使用される層転写処理によっては、選択的プラズマ励起処理後、洗浄された基板の表面（例：半導体基板表面及び処理基板表面）を接触させておくことにより、自己接合が起こる。必要に応じて、このようなプラズマ励起処理により基板の表面を洗浄及び／又は励起する。例えば、プラズマ励起処理には、２０度Ｃ〜４０度Ｃの酸素又は窒素含有プラズマが使用される。プラズマ励起処理は、カリフォルニア州Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる２周波数プラズマ励起システムで実施されるのが望ましい。当然、この明細書又はその他の資料に記載されている、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００２７】
したがって、特定の実施例においては、各基板が互いに接合されている。図のように、処理基板はドナー基板表面領域に接合されている。Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｇｒｏｕｐ社製のＥＶＧ８５０接合ツール、又は直径２００ｎｍ〜３００ｎｍのウエハのような小さいサイズの基板向けのその他の類似処理を用いて基板の接合を行うことが望ましい。Ｋａｒｌ  Ｓｕｓｓ製といった他の型のツールを使用することも可能である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。処理基板とドナーとの接合は実質的に永続的で、高い信頼性を有することが望ましい。
【００２８】
したがって、特定の実施例においては、接合後は、接合基板構造に焼成処理を施す。焼成処理は、所定の温度及び所定の時間、継続して接合基板に施される。好適な実施例においては、温度範囲は約２００又は２５０℃〜約４００℃が望ましいが、シリコンドナー基板と第１処理基板を永続的に接合するには、約３５０℃で約１時間が好適である。特定の実施例においては、焼成処理は、焼成炉、高速熱処理、加熱板又はこれらを組み合わせたものにおいて行われる。実施例によっては、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００２９】
特定の実施例においては、基板は低温熱処理を用いて結合又は融合させる。一般的に、低温熱処理により注入粒子が材料領域上に、非制御な切削作用を起こしうる余剰な応力を確実に生じさせない。特定の実施例においては、自己接合処理により低温度接合処理される場合もある。
【００３０】
あるいは、基板同士を接合させる接着剤を基板の片側もしくは両側の表面に塗布することもある。特定の実施例においては、接着剤にはエポキシ樹脂、ポリイミド材料等が含まれる。塗布ガラス層を、一つの基板表面と他の基板表面とを接合する目的で使用することができる。こうした塗布ガラス（ＳＯＧ）素材は、とりわけ、通常アルコール系の溶剤等に混合されるシロキサン又はケイ酸塩を含有する。ウェーハ表面に塗布された後、ＳＯＧの養生に際しては通常低温度（例：１５０度Ｃ〜２５０度Ｃ）に曝露する必要があるため、ＳＯＧは好適な材料である。
【００３１】
あるいは、ドナー基板の表面領域を処理基板に結合させるために、様々な他の低温技術を適用することが可能である。例えば、２つの基板の接合に静電接合技術を使用することができる。とりわけ、一方又は双方の基板表面を帯電させて他の基板表面に引きつけることもある。さらに、他の様々な公知の技術を用いてドナー基板の表面を処理ウェーハに融合させることができる。当然、用途に応じて使用される技術は異なる。
【００３２】
図４に示した通り、この方法には、半導体材料層が第１処理基板に結合されたままで、基板から半導体材料層を分離するために切削面の所定部分に与えられたエネルギー４０１を使用して、制御された切削動作を開始する処理が含まれる。実施例によっては、複数のヴァリエーションがあり得る。例えば、処理基板に接着したドナー基板から材料層を選択的に除去するため、伝導切削面を使用した制御下にある切削処理を施すこともある。切削処理の代替技術を用いることもできる。このような技術には、カリフォルニア州Ｓａｎｔａ  ＣｌａｒａにあるＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社のＮａｎｏｃｌｅａｖｅ（商標）、フランス国Ｓｏｉｔｅｃ  ＳＡ社のＳｍａｒｔＣｕｔ（商標）、日本国東京のキヤノン株式会社のＥｌｔｒａｎ（商標）その他が含まれるが、これに限定されない。特定の実施例によれば、この方法の後、処理基板に材料層を設けた半導体ドナー基板の残りの部分を取り除く。
【００３３】
図５に示した通り、この方法では、好適な実施例においては、被覆材料層２０５を含む処理後の処理基板５００が生成される。特定時の実施例においては、材料層は、２つの構造間で電気結合させるシリコン・オン・シリコン接合を用いて処理基板上に形成される。図のように、材料層には切削表面領域５０１が含まれる。接合基板構造体は互いに接合されているが、集積回路処理には好適ではない。つまり、接合基板構造体を恒久的に接合するのに、少なくとも、高速熱処理技術及び／又はファーニスアニーリングを施す必要がある。これらの処理については、この明細書において、後により詳細に説明する。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００３４】
図６に示した通り、この方法には界面領域６０１に熱処理を加える手法も含まれる。この熱処理は、少なくとも約１００℃から２００℃の第１温度幅内の第１温度から、少なくとも約８００℃以上の第２の温度幅内の第２温度まで上昇させるようにする。好適な実施例においては、界面領域で第２特性を形成するよう、熱処理においては所要時間約２秒以下で第１温度から少なくとも第２温度に温度を上昇させる。特定の実施例においては、所要時間が１秒未満の場合もある。実施例によっては、熱処理は好適な高速熱処理、高速熱アニーリング、レーザー照射による高速熱処理、その他の形態を取り得る。特定の実施例では、熱処理において単色光源を用いて材料層及びシリコン処理基板を照射することもある。照射技術については、この明細書において、後により詳細に説明する。
【００３５】
特定の実施例においては、照射は好適な処理ツール内で実施される。処理ツールには、チャンバクラスタ装置、又は好適な独立型のツール等が含まれる。実施例によっては、クラスタ装置に、注入、制御された切削、接合及びその他の処理技術を実施するための別個のチャンバが設置されることがある。特定の実施例では、初期温度から最終温度まで好適な温度上昇により照射が実施されることもある。実施例によって、１分に約１０００℃以上の上昇率とすることも、又は段階的に上昇させることも、他の形態を取ることもある。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００３６】
好適な実施例においては、この方法では界面領域に実質上約１０ミクロン以上のボイドが１つ以上生じないようにする。特定の実施例においては、信頼性限界及び／又は処理限界をもたらすどのようなボイドも界面領域に発生させないことが望ましい。特定の実施例では、前段階の処理で切削領域に導入した複数の水素種によりこれらのボイドが生成される可能性がある。実施例によっては、熱処理により材料層間の接合を形成し、拡散により水素種が集積するのを防ぐ。この拡散処理は、材料層の水素拡散特性により特徴付けられる。特定の実施例における拡散処理時に界面に集積する可能性のある他の不純物としては、水、水酸化物種、炭素含有種その他が挙げられる。
【００３７】
好適な実施例においては、界面領域は高温熱処理され、界面領域からは酸化物種が実質的に除去される。実施例によっては、この処理には、より高速な熱処理及び／又はファーニスアニーリング技術を使用することができる。つまり、特定の実施例においては、シリコン材料層とシリコン基板との間の接合部には二酸化ケイ素又はその他の酸化物は存在しない。特定の実施例によれば、界面は材料層とシリコン基板とを電気結合するのが望ましい。実施例によっては、界面は非常に薄い酸化被膜を有し、その厚さは約１０ｎｍ以下である。特定の実施例では、この薄い酸化被膜は、シリコン材料層とシリコン基板との間で一定の抵抗を有する。特定の実施例においては、抵抗率は周囲のバルク基板（例：結晶性シリコン）の約１０倍未満とする。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００３８】
より好適な実施例においては、シリコン・オン・シリコン基板部材上で不活性ガス又は還元ガスを使用して熱処理が行われる。特定の実施例においては、このガスは酸化物種を実質的に含まない。この熱処理には、界面領域が第１特性から第２特性に遷移するよう、界面領域に熱処理を施す過程も含まれる。第２特性においては、酸化シリコン材料を含まず、単結晶シリコン材料層と処理シリコン基板との間でエピタキシャル再成長によりシリコンエピタキシャル材料が形成される。好適な実施例においては、単結晶シリコン材料層を処理シリコン基板に電気的に結合させるため、エピタキシャルシリコン材料を生成させる熱処理の間に界面領域に複数のボイドが生じないようにする。特定の実施例においては、特性においてエピタキシャル成長の大部分が、又は実質的に単結晶である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００３９】
特定の実施例において、熱処理は、単結晶シリコン材料層と処理基板の結合層をアルゴン、水素、又はアルゴン・水素含有ガス雰囲気に約１０００℃より高温（実施例によってはこれより若干低い場合もある）で曝露する過程から成る。本発明の特定の実施例においては、アルゴン、水素、窒素その他の化合物を使用することも可能である。特定の実施例では、熱処理により、界面領域内の酸素種が基板部材の一つ以上の部位を経て界面領域の外に拡散される。好適な実施例においては、酸素は接合基板部材の外側に拡散される。界面領域は特性において、酸化物材料から結晶性シリコン材料に変化し、シリコン材料層と処理基板とを電気的に結合する際により力を発揮する。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４０】
図７に、シリコン基板３０１とシリコン材料の被膜層２０５を示す。この図は単なる例であり、本発明の請求範囲を制限するものではない。当業者は、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢を考案しうる。シリコン材料層とシリコン基板との間には、前述の通り、薄い酸化膜７０１が存在する。特定の実施例においては、薄い酸化膜は折れ線７５０で示した濃度を有する。図では、縦軸が酸素種の濃度を、横軸は空間位置を示す。図のように、空間位置は、材料層の表面領域からシリコン基板の裏側方向への厚みに沿って示される。図のように、シリコン材料層とシリコン基板との間の界面領域で酸化物材料は高濃度を示している。高酸素界面層は熱処理により消失し、シリコンはエピタキシャル成長するため、界面は高結晶品質かつ高導電率となる。
【００４１】
先行する研究には、Ｇｏｅｓｅｌｅ等による”Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ，  ａｎｄ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｌａｙｅｒｓ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｄｉｒｅｃｔｌｙ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、  Ａ５０（１９９０）、ｐｐ．８５−９４、”Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｌａｙｅｒｓ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、６５（２）、１９８９年１月１５日、ｐｐ．５６１−５６３、Ｌｉｎｇ等による”Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｉｎｅｒｆａｃｉａｌ  Ｎａｔｉｖｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ａｎｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｂｏｎｄｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒ  Ｐａｉｒｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７１（３）、１９９２年２月１日、ｐｐ．１２３７−１２４１があり、概して、接合シリコンウェーハの熱アニーリングによりフロート・ゾーン・シリコンへの溶解挙動を示す一方、ＣＺシリコンは正味の界面酸化膜成長が起きることが示されている。欠陥の生成及び酸化溶解（oxygen dissolution）からの球状化（不均等な酸化薄膜）を避けるには、同方向に回転させたフィルム又は異なる結晶方位の使用が必要である。先行する研究においては、酸化溶解の概念が形成されているが、切削された薄膜の界面除去における使用方法については記述されていない。
【００４２】
特定の実施例では、図８に示した通り、この方法においては界面領域を含むシリコン材料層及びシリコン基板に熱処理を施す。この図は単なる例であり、本発明の請求項の範囲を制限するものではない。当業者は、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢を考案しうる。図のように、特定の実施例においては、折れ線８５０で示したように、一般にアルゴン及び／又は水素環境下で行われる高温アニーリングにより、基板から酸化物材料を除去する。図に示したように、特定の実施例では、界面領域８０１はこの段階で結晶性シリコン材料であり、材料層をシリコン基板に結合させている。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４３】
例として、図８Ａにこの例に係る処理の詳細の算出結果を示す。この例においては、アルゴン熱処理が用いられ、接合界面に存在していた酸素は拡散により表面から除去される。拡散率は、１２００度Ｃにおける結晶性酸化ケイ素の拡散率及び固溶度からＦｉｃｋの拡散の法則により算出する。読者のために、Ｆｉｃｋの法則を以下に示す。
Ｆｌｕｘ（ｉｎ  ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  ｓｅｃｏｎｄ）＝Ｄｏ（Ｔ）（ｄＣ／ｄｚ）
Ｃ：酸素濃度
Ｄｏ（Ｔ）：シリコン内の酸素拡散係数
勾配を算出するため、拡散を目的とする酸素濃縮作用は界面境界で固体溶解限界Ｃｓ（Ｔ）と一致し、結晶表面ではゼロとなる。したがって、微分係数は
Ｃｓ（Ｔ）／膜の厚さ
に単純化される。図に示したように、算出された酸素のフラックスは７．２４Ｅ＋１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２／ｓで、１３分間に２００ｎｍのシリコン膜から５．５Ｅ＋１５ａｔｏｍ／ｃｍ２の酸素原子を含む５ｎｍのＳｉＯｘ層（ｘ＝０．５）を除去することができる。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４４】
図８Ｂに示したように、エピタキシャル形成界面領域であり、単結晶特性を有する基板３０１は処理基板である。特定の実施例においては、処理基板は無欠陥のシリコン基板で、酸化沈殿物、ボイド、集合体であるボイド状欠陥（ＣＯＰ）、その他の欠陥を実質的に有しない。特定の実施例においては、無欠陥基板の酸素濃度は約０．５から約３Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。処理基板の被膜は単結晶材料層２０５で、処理基板に層転写される。特定の実施例では、単結晶材料層（シリコンを使用可能）と処理基板との間には第１酸化物含有界面領域８５３が存在する。特定の実施例においては、第１酸化物含有界面は、接合のため、処理基板の片面もしくは両面、又は材料層上に酸化物材料から生成される。特定の実施例では、第１界面領域は約５ｎｍ以下とすることが可能な第１層を有する。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４５】
特定の実施例においては、この熱処理を施すと、酸化物材料が単結晶シリコンに変化する。特定の実施例では、この変化は２つの界面領域（矢印参照）の各々から中央領域に向かって起こる。２つの領域が変化すると、結果的に異なる結晶方位を有し得る結晶化シリコンで界面８５１が生成される。特定の実施例においては、生成された界面は、材料層と処理基板を電気的に結合させているシリコン材料の約１〜５層の単分子層を有する。実施例によっては、上側の界面領域８５５は下側の界面領域８５７よりも高速で移動する。これは、特定の実施例においては、上側の界面領域の固体領域８５５は下側よりも薄く、この固体領域により、材料層を通過して外側の領域（固体領域外）へと、界面領域８５３から酸素種が拡散されるためである。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４６】
特定の実施例においては、結果的に形成された処理基板は、さらに１つ以上の処理過程を経過するのに適した特性を有する。つまり、処理基板に標準的な半導体処理技術（フォトリソグラフィー、エッチング、注入、熱アニーリング、化学的機械研磨、拡散、蒸着、その他当業者にとって公知である技術を含むがこれに限定されるものではない）を施すことが可能である。特定の実施例では、材料の薄膜を他の基板構造に転写する際に、処理基板を選択的に除去することもできる。
【００４７】
図９に示したように、本発明の特定の実施例においては、処理基板に接着している材料領域層の一部に他の処理を施している。この方法では、処理基板表面を被膜する材料の薄膜の１つ以上の箇所に１つ以上のデバイス９００を形成する。このデバイスには、半導体集積デバイス、光学的及び／又は光電子デバイス（例：ライトバルブ）、圧電デバイス、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造体、センサー、アクチュエータ、太陽電池、フラットパネル・ディスプレー（例：ＬＣＤ、ＡＭＬＣＤ）、生物学的及び生物医学デバイス等が含まれる。これらのデバイスは、蒸着、エッチング、注入、フォトマスキング処理及びこれらの組み合わせ等により製造することが可能である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。さらに、必要に応じて、他の処理を実施することもできる。
【００４８】
好適な実施例においては、この処理は標準的な集積回路を製造するための高温半導体処理技術を含む。この方法では、半導体材料層を被覆する平滑化された表面領域が形成される。特定の実施例においては、１つ以上の好適な技術を用いて平滑化された表面領域を形成し得る。これらの技術には、後の工程で熱処理によりリフローで接合する誘電体層の蒸着が含まれる。平滑化された表面領域は、特定の実施例では、好適なスラリー、パッド及び、処理を含む化学機械研磨工程を適用して形成され得る。また、特定の実施例においては、平滑化された表面領域を、上述の技術及びその他の技術を組み合わせて形成することもできる。平滑化された表面領域においては、両端間で約０．１％〜０．５％の均一性を有し、原子間力顕微鏡で２×２ミクロンの精度で測定した場合に粗度係数が約１５オングストロームＲＭＳ以内である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００４９】
特定の実施例においては、任意に、形成処理済みの処理基板の平滑化された表面領域を第２処理基板の表面を結合させることもできる。特定の実施例では、結合前に、処理された材料層と第２処理基板の表面を、基板の表面領域を洗浄するため、基板の表面を処理する洗浄剤に各々曝露する。基板及びハンドルの表面の洗浄に使用する洗浄剤の例としては、過酸化水素、硫酸、その他の混合液剤が挙げられる。乾燥機により半導体基板と処理面を乾燥させ、残留液と基板表面からの粒子を除去する。使用される層転写処理によっては、選択的プラズマ励起処理後、洗浄された基板の表面（例：平坦化された領域及び処理基板表面）を接触させておくことにより、自己接合が起こる。必要に応じて、このようなプラズマ励起処理により処理対象の基板の表面を洗浄及び／又は励起する。例えば、プラズマ励起処理には、２０℃〜４０℃の酸素又は窒素含有プラズマが使用される。プラズマ励起処理は、カリフォルニア州Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製造の２周波数プラズマ励起システムで実施されるのが望ましい。当然、この明細書又はその他の資料に記載されている、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００５０】
その後、特定の実施例においては、これらの各基板（及び処理済みのデバイス）は相互に接合される。図のように、処理基板は平坦化された表面領域に接合されている。Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｇｒｏｕｐ社製のＥＶＧ８５０接合ツール、又は直径２００ｍｍ〜３００ｍｍのウエハのような小さいサイズの基板向けのその他の類似処理を用いて基板の接合を行うことが望ましい。Ｋａｒｌ  Ｓｕｓｓ製といった他の型のツールを使用することも可能である。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。処理基板と平坦化された表面との接合は実質的に永続的で、高い信頼性を有することが望ましい。
【００５１】
特定の実施例においては、接合後は、接合基板構造に焼成処理を施す。焼成処理は、所定の温度及び所定の時間、継続して接合基板に施される。好適な実施例においては、温度範囲は約２００又は２５０℃〜約４００℃が望ましいが、平坦化された表面領域と第２処理基板を永続的に接合するには、約３５０℃で約１時間が好適である。用途に応じて、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００５２】
特定の実施例においては、基板は低温熱処理を用いて結合又は融合させる。一般的に、低温熱処理により注入粒子が材料領域上に、非制御な切削作用を起こしうる余剰な応力を確実に生じさせない。特定の実施例においては、自己結合処理により低温度接合処理される場合もある。
【００５３】
あるいは、基板間を接合させる接着剤を基板の片方の表面、もしくは両方の表面に塗布することもある。特定の実施例においては、接着剤にはエポキシ樹脂、ポリイミド材料等が含まれる。塗布ガラス層を、基板表面を接合する目的で使用することができる。こうした塗布ガラス（ＳＯＧ）材料は、とりわけ、通常アルコール系の溶剤等に混合されるシロキサン又はケイ酸塩を含有する。ウェーハ表面に塗布された後、ＳＯＧの養生に際しては通常低温度（例：１５０℃〜２５０℃）に曝露する必要があるため、ＳＯＧは好適な材料である。
【００５４】
あるいは、基板の表面領域を処理基板に結合させるために、様々な他の低温技術を適用することが可能である。例えば、２つの基板の接合に静電接合技術を使用することができる。とりわけ、一方又は双方の基板表面を帯電させて他の基板に引きつけることもある。さらに、他の様々な公知の技術を用いてドナー基板の表面を処理ウェーハに融合させることができる。当然、用途に応じて使用される技術は異なる。
【００５５】
上記は特定の実施例に関して詳述したもので、種々の修正、他の製造方法及び相当物の使用が可能である。したがって、上記の説明及び図は、請求項において定義した本発明の範囲を狭めるものではない。本発明を用いて実施した実験の詳細については、この明細書において、後により詳細に説明する。
【００５６】
（実験）
本発明の趣旨及び効果を証明するため、我々は実験を行った。この実験は単なる例であり、本発明の請求範囲を制限するものではない。当業者は、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢を考案しうる。この例は、本発明の効果及び方法を示すため実施されたものである。この例の詳細は、この明細書において、後により詳細に説明する。
【００５７】
我々は、面方位が（１００）で、アルゴンアニーリングされた無欠陥の処理ウェーハのサンプルを準備した。シリコン材料の薄層は、制御された切削処理を適用して処理基板に層転写された。シリコンの薄層は、面方位が（１００）の単結晶シリコンで、アルゴンアニーリングにより無欠陥となり、続く熱処理において球状化が起こらないよう４５度回転された形で接合された。２つの材料間の結合には、プラズマ励起による接合方法を用いた。接合された基板の各表面領域には、酸化薄層を施した。材料の薄層は、水素が注入されたシリコン基板を用いて形成した。切削後は、酸素種が入り込む可能性があるゲッタリングサイトその他の欠陥を除去するために、切削面を平滑化した。接合及び切削された基板を約１２００℃で約１時間、水素種を用いてアニーリングした。後に示すが、本発明の実施例においては、シリコン・オン・シリコン接合構造を形成するため、界面領域の酸素種を除去した。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００５８】
図１０は、プラズマ接合されたシリコン（１００）基板と、４５度で接合した切削（１００）膜との界面層のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。切削膜の厚さは約２００ｎｍであった。ＳｉＯｘ層は、２つのシリコン内面にわたり約５．６ｎｍの厚さの連続層として明瞭に見える。この実験では、接合基板領域間の界面に存在する酸素種を低減及び／又は除去するために、我々は切削基板をアニーリングした。詳細については、この例において、後により詳細に説明する。
【００５９】
図１１は、本発明の実施例において、高温アニーリング処理した同様の切削膜の顕微鏡像である。図のように、１時間１２００℃でその場（in-situ）水素アニーリングを行った後、シリコン膜を約９０ｎｍ除去して平滑化処理後、約５．５ｎｍの界面酸素が消失している。平滑化処理により、表面において酸素の拡散を妨げるゲッタリングサイト又はトラッピングサイトが表面に生成しない。切削及び平滑化された膜は、原子間力顕微鏡で２μｍ×２μｍの精度で測定した場合に面粗さが約１．５オングストローム以内である。図１１の透過電子顕微鏡像からは、界面酸素が完全に除去され、結晶性構造においては界面シリコンが固体相でエピタキシャル再成長していることを示している。
【００６０】
界面から酸素種をさらに除去するため、我々は通常ＳＩＭＳと呼ばれる二次イオン質量分析用のサンプルを準備した。図１２及び図１３（それぞれ図１０及び図１１に対応）に示したように、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて酸素濃度を測定した。縦軸の酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に対して深さの関数が、横軸に沿って折れ線で示されている。図１２の切削サンプルでは、２．１Ｅ１５ｃｍ−２の酸素濃度は、ｘ＝０．１７の化学量論組成ＳｉＯｘと一致する。一方、図１３からは、界面酸素が完全に除去されていることが読み取れる。この実験結果は、特定の実施例におけるこの方法の効果を証明している。
【００６１】
別の実験で、特定の実施例においては、平滑化又はキャノン株式会社のＥｌｔｒａｎ法による処理を実施せずに、切削後に”切削したまま”又はＳｏｉｔｅｃ，ＳＡ社のＳｍａｒｔＣｕｔ技術による層転写処理のみを行い、切開面を粗い状態で放置した場合、酸素種は基板内に及び界面領域に残留することを我々は証明した。また、界面領域には酸素種を完全になくし得るものの、切開面及び／又は粗表面に酸素種が蓄積され、ゲッタリングサイトが形成されることもあった。図１４に示した通り、切削面（２００ｎｍの（１００）無欠陥基板上に２００ｎｍの（１００）面内で４５度回転したＣＺ薄膜を配置）に１２００度Ｃで１時間アルゴンアニーリング処理を実施したところ、５．３ｎｍの界面層が生成された。透過電子顕微鏡像により、表面近くの欠陥層でのゲッタリング作用により界面酸素の拡散処理が停止したことがわかる。このサンプルの表面近くの酸素濃度を二次イオン質量分析法により測定したところ、７．１Ｅ１５ｃｍ−２であったが、一方切開サンプル（アニーリング処理未実施）は２．３Ｅ１３ｃｍ−２で、酸素は拡散されたものの、酸素のゲッタリング及び切削面近くのパイルアップにより拡散が停止され、拡散量が不十分であったことを示す具体的事例となっている。特定の実施例においては、酸素種を表面に蓄積し、機械的除去又は酸素エッチング液を使用した選択的エッチング処理により後工程で処理及び除去する際にこの方法が適用される。この酸素エッチング液は選択的に蓄積された酸素種を除去し、処理後のシリコンは清浄な単結晶シリコンの表面領域となる。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００６２】
特定の実施例における追加的処理として、最終的に複層基板構造を形成するための層転写処理を行うことも可能である。この構造にはバルク基板が含まれる。バルク基板は層転写層となり得る被覆層を有する。被覆層にはこのデバイス構造を処理及び完成させる層転写層が含まれる。特定の実施例においては、被覆層は１つ以上の層から形成され、被覆層に対し後工程で転写、蒸着、又はこれらの組み合わせの処理を実施することもできる。また、熱処理には単独及び／又は複数の熱処理が含まれ、実施例によっては同一または異なる処理を行う。当然、他のヴァリエーション、修正、代替選択肢もあり得る。
【００６３】
上記は特定の実施例に関して詳述したもので、種々の修正、他の製造方法及び相当物の使用が可能である。したがって、上記の説明及び図は、請求項において定義した本発明の範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明の実施例におけるシリコン・オン・シリコン基板の形成方法の全手順を簡略化して示した図である。
【図２】図２は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図３】図３は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図４】図４は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図５】図５は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図６】図６は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図７】図７は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図８】図８は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図９】図９は、本発明の実施例における層転写基板を用いた接合基板構造体の製造方法を簡略化して示した図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例の実験結果を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例の実験結果を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例の実験結果を示した図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例の実験結果を示した図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例の実験結果を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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