(57)【要約】高抵抗支持体上に半導体有用層を有する基板の製造法であり、連続工程として、(ａ)予め調整された量の格子間酸素を含有する半導体材料でベース基板を準備する工程、(ｂ)ベース基板の格子間酸素を少なくとも部分的に析出させるように定められた熱処理を行う工程、(ｃ)有用層を受け取るべき面側のベース基板表面において予め調整された深さに亘って表面層を除去する工程、及び(ｄ)表面層を除去した後のベース基板表面上に有用層を形成する工程を備えている。特に高周波電子回路用の高抵抗ＳＯＩ基板向けである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電子回路の製造に適した高抵抗支持体上に半導体有用層を有するＳＯＩタイプの基板を製造する方法であって、以下の連続工程、即ち、
ａ) 予め調整された量の格子間酸素を含有する半導体材料からなるベース基板を準備する工程、
ｂ)ベース基板の格子間酸素の少なくとも部分的な析出を生起するように定められた熱処理を行う工程、
ｃ) 有用層を受け取るべき面側のベース基板表面において、酸素からの不所望なドーピングをもたらす電気的ドナーの生成又は外方拡散により引き起こされる酸素空乏現象の発生部位となる表面層を除去する工程、及び
ｄ) ベース基板の前記表面層を除去した後の表面上に、ベース基板を支持体として有用層を形成する工程、
を備えたことを特徴とする基板の製造方法。
【請求項２】
工程(ａ)が、
a1) ＭＣＺ法を用いたシリコンインゴットの製造工程、及び
a2) このインゴットからベース基板を切り出す工程、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ベース基板中の格子間酸素の濃度をほぼ15×1017/cm3以上とすることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
工程(ｄ)を、ドナーウエハからの薄層の移載によって行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
工程(ｄ)が以下の副工程、即ち、
d1) ドナーウエハの内部に前記有用層の境界を画定するため気体核種の打込みによって該ウエハの一方の表面下に位置する脆化領域を形成する工程、
d2) 該表面でドナーウエハをベース基板上にボンディングする工程、及び
d3) 前記脆化領域に応力を作用させることにより有用層をドナーウエハの残余の部分から分離する工程、
を備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程(ｂ)を、酸素析出物の安定化を付加的に達成するように実行することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
工程(ｂ)が、少なくとも２回、好ましくは３回の異なる温度での熱処理工程を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
これらの熱処理工程を、漸次高温となる温度範囲に亘って実行することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
工程(ｃ）を、ベース基板の前記表面に対する少なくとも１回の研磨操作と共通に行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
工程(ｃ)が、機械−化学的研磨、ドライ若しくはウェットエッチング、及び犠牲酸化処理からなる群から選択されたひとつの処理操作を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
工程(ｃ)で除去する材料の厚さをほぼ０．５μｍ〜１０μｍの範囲内とすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
ドナーウエハが、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、ガリウム砒素、リン化インジウム、シリコンカーバイド及び窒化ガリウムからなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
工程(ｄ)よりも先行して有用層及び／又はベース基板の上に絶縁層を形成する工程を更に備え、工程(ｄ)以降では前記絶縁層を有用層とベース基板との間に位置させることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にはＳＯＩ（Silicon On Insulator）タイプの基板及びバルクシリコン基板のようなシリコンを主体とする複合基板の製造技術に関するものである。
【０００２】
更に具体的には、本発明は、典型的には１ｋΩ・ｃｍを超える高い抵抗率の固体支持体上に適正な品質の単結晶シリコン又はその他の半導体の薄層（この薄層は任意の抵抗率でよい）を積層してなる「半絶縁性基板」と称される基板を製造することを目的とするものである。
【０００３】
このような基板は、同一基板上に能動素子と受動素子（特にインダクタンス素子）を集積する必要のあるマイクロ波応用分野に利用される。
【背景技術】
【０００４】
高周波又は超高周波領域で動作する回路（典型的にはギガヘルツ領域で動作する所謂ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）回路）を製作するための半絶縁性基板では、支持体内のフーコー電流による高周波損失の抑制が求められる。これこそが従来の支持体が良好な固有特性と高抵抗率（典型的には１０ＭΩ・ｃｍのオーダー）で知られるガリウム砒素（AsGa）で製作されていたことの理由である。
【０００５】
このような回路に高抵抗基板を用いるもう一つの理由はこれら回路の一部となる集積受動素子の製作に関連しており、その選択度Ｑの値は与えられた周波数において可能な限り高くする必要がある。ここで、超高周波数領域では集積されたインダクタンス素子周囲の導電性又は半導電性のエレメントの存在によってＱ値は低下する。
【０００６】
このような問題が存在するため、古典的なＳＯＩ基板においては基板の有用部分と残余の部分との間に極めて薄い絶縁層を設けている。しかしながら実際上、数百μｍ若しくはそれ以上の間隔で導電性部分を可能な限り遠ざけて支持体の厚さ全体に亘って高抵抗率を得るという趣旨からは、この対策は疑問である。
【０００７】
絶縁性の支持体を有する基板という面では、支持体が所要の高抵抗率を有するＳＯＱ（Silicon On Quarts）基板は同様に広く知られており、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）（Al2O3）もまた然りである。しかしながら、これらの基板は金属不純物によって汚染されることが多く、良品質のものを得ることは困難である。またシリコン薄層についても、いずれの製造技術（主に分子結合によるボンディングで薄層を形成するヘテロエピタキシー）を用いたとしても良品質のものを得ることは困難である。
【０００８】
これらの基板においては付随的な問題も発生し、とりわけ或る特定の集積回路製造業者は、なにがしかの汚染を理由にして、或いはこれらの基板が自身の透光性のために工業プロセス、特に計測プロセスに用いられる或る種の光学センサと適合しないからとか、更にはこれらの基板を損傷なく曝すことのできる最高温度が或る種のプロセスと適合しないなどの理由でこれらの基板を製造ラインに導入しようとしないことがある。
【０００９】
良品質のＳＯＱ又はＳＯＳ基板は大径のものが入手できないという事情もある。
【００１０】
別のアプローチとして、通常の抵抗率のシリコン支持層を有する基板（固体シリコン又はＳＯＩ基板のいずれか）に高周波集積回路を形成し、形成した回路を絶縁性支持体へ移載する方法がある。このような技法は、第１には二回の回路反転が必要となるため煩雑であり、第２には工業プロセスには不適である（特に当初の支持層の損失若しくはこれを除去する必要性から高コストであり、歩留まりが悪い）。
【００１１】
更に別のアプローチとして、固体ＦＺ（フロートゾーン）シリコン基板を用いる方法がある。この種の基板の主な問題点は、現在のところ１５０ｍｍを超える大径基板を入手することができないことにある。また、別の問題点として残留酸素濃度が低いことが指摘され、このことにより第１には機械的に脆く、第２は析出酸素の生成が制限されることにより金属不純物を捕獲（ゲッタリング）する能力が制限される欠点がある。
【００１２】
加えて、高抵抗率の固体ＣＺシリコンによる高抵抗基板の製造には、ＭＣＺ（Magnetic Field Applied CZ：磁界を印加して行うＣＺ法）として知られるＣＺ法の一形態を使用するとされているが、この方法は基板の結晶品質を犠牲にしなければならず、基板中に素子を作り込むには適していない。特に、平凡な方法で製造された基板の結晶品質は、特に過剰な酸素析出物、即ちＣＯＰ（Crystal Originated Particle）として知られている多数の孔の存在により、許容可能な歩留まりでの高品質回路の製造を阻害してしまう。
【００１３】
また、ＦＺ又はＣＺシリコンの固体基板においては、有用層と、この有用層の支持体となる基板ブロックとが同一のシリコンインゴット又は切片から製作されるが、このことが設計者にとって相当の制約を課すこととなる。特に、インゴット中の欠陥の存在は一般には克服し難い問題とはならないが、そのようなインゴットから切り出された基板の有用部分の表面近傍における欠陥の存在は高周波用途という目的に適合せず、従って材料基板の棄却率が高くなる。
【００１４】
また、有用層と支持層との間のデカップリングを同一とするため、支持層がＦＺシリコンであるＳＯＩ基板や、有用層がＦＺシリコン支持層上に貼り合わされて形成されている基板の上に、上記のような高周波回路を形成する方法もある。しかしながらこの方法にも幾つかの問題点があり、特に現状においては直径１５０ｍｍの制限という問題がある。
【００１５】
加えて、特許文献１には、或る特定の格子間酸素Ｏｉ含量のＣＺシリコンインゴットから出発して、熱析出法を利用して格子間酸素含量を減少させることにより、酸素析出物粒子（金属性不純物を捕獲する目的に好適）を生じさせ、且つ好適な機械強度を与えると共に、高抵抗率を維持した基板を得るシリコン基板製造プロセスが記載されている。
【特許文献１】国際公開第００／０５５３９７号パンフレット
【００１６】
この特許文献１には、このような高抵抗基板上に有用層をボンディングで貼り合わせることによるＳＯＩタイプの基板の製造方法も記載されている。この方法においては、ボンディング後に熱析出法を実施し、ボンディング界面の結合強度を補強することも好ましいとされている。
【００１７】
しかしながら、この方法には幾つかの問題がある。まず、有用層を過度の高温に曝すことが望ましくない場合があり（特に有用層がガリウム砒素（AsGa）やリン化インジウム（Inp）であったり、有用層が高温暴露への制限を受けるような前処理済みのシリコンであったりする場合）、そのような材料はこの公知のプロセスには適合しないことになる。
【００１８】
第２には、析出に必要な熱処理もボンディング界面の接合強度を強化する見地から設計しなければならず、ボンディング界面の強化に効果を奏する充分な処理と、酸素析出及び安定化に充分な処理との間で満足の行く調和をもたらすことが困難となることから、結果として明らかに融通性に欠けることとなる。従ってこのことから、電気的ドナーの生成と酸素析出及び析出粒子成長の場における酸素の挙動は、特に種々の熱処理段階における条件（時間と温度）の関数として変化する。
【００１９】
また最も重要なことは、ＳＯＩの場合は有用層の基部を分離している酸化物絶縁層の近傍における格子間酸素含量Ｏｉとその挙動が制御困難であり、特に酸化物絶縁層内に向かう酸素の外方拡散の過程については制御が困難である。即ち、このような現象を制御できるものでなければ、満足な析出物の生成を得るには局所的に低すぎるＯｉ含量となるか、抵抗率の大幅な低下及び／又はこの抵抗率において安定性の欠如（例えば素子形成工程など、後続の高温への暴露時に特に低下する）をもたらすような局所的に高すぎるＯｉ含量となるリスクが伴う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、以上に述べた対処のアプローチ手法によらずに従来技術における制限に対する解決策を提供し、支持体上に有用層を形成するための操作を実行する基板実現の観点から、以下に挙げる利点の少なくとも一つ、即ち、
・支持体として用いた材料の自然抵抗率が有用層近傍でも安定に維持されること、
・有用層の満足できる被着又は貼り合わせを可能にする表面品質が保証されること、
・有用層近傍で特に不純物の捕獲に関して支持体の品質が安定に保証されること、
・良好な機械的特性を有する基板が得られること、
を達成することのできる高抵抗率のベース層を有する基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
従って本発明は、高周波電子回路の製造に適した高抵抗支持体上に半導体有用層を有するＳＯＩタイプの基板を製造する方法を提案するものであり、この方法は、以下の連続工程、即ち、
ａ) 予め調整された量の格子間酸素を含有する半導体材料からなるベース基板を準備する工程、
ｂ) ベース基板の格子間酸素の少なくとも部分的な析出を生起するように定められた熱処理を行う工程、
ｃ) 有用層を受け取るためのベース基板の表面において予め定められた深さまで表面層を除去する工程、及び
ｄ) ベース基板の前記表面層を除去した後の表面上に、ベース基板を支持体として有用層を形成する工程、
を備えたことを特徴としている。
【００２２】
本発明による方法の限定を意図しない好適な実施形態を挙げれば以下の通りである。
【００２３】
工程(ａ)が、
a1) ＭＣＺ法を用いたシリコンインゴットの製造工程、及び
a2) このインゴットからベース基板を切り出す工程、
を備えた上記方法。
【００２４】
ベース基板中の格子間酸素の濃度をほぼ15×1017/cm3以上とする上記方法。
【００２５】
工程(ｄ)を、ドナーウエハからの薄層の移載によって行う上記方法。
【００２６】
工程(ｄ)が以下の副工程、即ち、
d1) ドナーウエハの内部に前記有用層の境界を画定するため気体核種の打込みによって該ウエハの一方の表面下に位置する脆化領域を形成する工程、
d2) 該表面でドナーウエハをベース基板上にボンディングする工程、及び
d3) 前記脆化領域に応力、典型的には熱及び又は機械的応力を作用させることにより有用層をドナーウエハの残余の部分から分離する工程、
を備えた上記方法。
【００２７】
工程(ｂ)を、酸素析出物の安定化を付加的に達成するように実行する上記方法。
【００２８】
工程(ｂ)が、少なくとも２回、好ましくは３回の異なる温度での熱処理工程を備えた上記方法。
【００２９】
これらの熱処理工程を、漸次高温となる複数の温度範囲に亘って実行する上記方法。
【００３０】
工程(ｃ）を、ベース基板の前記表面に対する少なくとも１回の研磨操作と共通に行う上記方法。
【００３１】
工程(ｃ)が、機械−化学的研磨、ドライ若しくはウェットエッチング、及び犠牲酸化処理からなる群から選択されたひとつの処理操作を含む上記方法。
【００３２】
工程(ｃ)で除去する材料の厚さをほぼ０．５μｍ〜１０μｍの範囲内とする上記方法。
【００３３】
ドナーウエハが、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、ガリウム砒素、リン化インジウム、シリコンカーバイド及び窒化ガリウムからなる群から選択された材料からなる上記方法。
【００３４】
工程(ｄ)よりも先行して有用層及び／又はベース基板の上に絶縁層を形成する工程を更に備え、工程(ｄ)以降では前記絶縁層を有用層とベース基板との間に位置させて行う上記方法。
【００３５】
本発明のその他の特徴と目的及び利点を一層明らかにするため、限定を意図しない例示としての好適な実施形態を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１及び図２を参照して、まず始めに無線周波又はマイクロ波回路用ＳＯＩ基板を用いて高抵抗率、典型的には１，０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率を有する支持層を形成するためにベース基板１０（図２のＢ）を準備する。
【００３７】
この目的のためには、旧来の手法でＭＣＺシリコンインゴット１（図２のＡ）を成長させ（工程１００）、次いで工程１１０でこのインゴットを鋸断して所定厚さの複数のスライス片１０とする（図２のＢ）。個々のスライス片は例えば直径２００ｍｍ、厚さ７２５μｍのものである。このようなスライス片の夫々が以下に述べるベース基板を構成する。ここで注意すべきことは、係るインゴットの結晶中には典型的には15×1017/cm3以上のレベルで比較的多量の格子間酸素が含有されていることである。
【００３８】
次いでこのベース基板１０を格子間酸素の析出と析出物の安定化のために熱処理（工程１２０）に付すが、この熱処理は、ベース基板に所望の高抵抗特性を与え、核生成段階（析出核の生成）及び核成長を確実にする目的で行われるものであり、夫々予め定められた時間にわたって漸次高温となる一連の複数段階の熱処理工程からなる。
【００３９】
この一連の複数段階の熱処理条件の一例を示せば、例えば以下の通りである。
・６５０℃で２時間
・８００℃で２時間
・１０００℃で４時間
【００４０】
但し、この条件は広範囲に変更することができ、その場合は以下の規則に従うことが好ましい。即ち、
・処理温度の漸増が確実であること。
・この処理温度の漸増は予め設定された複数のステップ又は段階からなり、その間の温度上昇は極めて緩慢であること。
・処理開始時の温度はほぼ４００〜６５０℃の範囲内にあること。
・処理終了時の温度はほぼ１０００〜１１００℃の範囲内にあること。この場合、ある温度を超えて典型的には１１００〜１２００℃の間の温度になると、生成した析出物が突然溶解する虞がある。
【００４１】
この析出熱処理操作が終了したら、ベース基板１０の一方の表面、即ち、後述するように薄い有用層を受け取る側の表面を研磨工程１３０に付し、通常のウエハ研磨手法によって表面粗さを充分小さくすることにより、後工程で行われる分子付着によるボンディング品質が良好となるようにする。
【００４２】
但し、本発明の特徴のひとつによれば、そのような研磨によって従来のウエハ研磨で除去される通常の量よりも大量の材料を除去すると、別の顕著な利点をもたらすことが確認されている。
【００４３】
より正確には、そのような研磨の結果、或る厚さの材料が取り除かれることは薄い有用層を受け取る側の表面近傍におけるベース基板の品質を著しく向上させる一因となる。
【００４４】
実際に、析出熱処理操作終了時において有用層を受け取る側のベース基板の露出表面近傍領域における酸素の挙動は制御が困難であるとされていた。
【００４５】
正確に言うと、この領域においては、熱処理との関連で以下に列挙する制御困難な現象が観察される。即ち、
・酸素が欠乏した領域、従って不純物捕獲に寄与する析出酸素空乏領域（一般に無欠陥領域として知られる）の生成に至る酸素の外方拡散現象
・Ｏｉ原子が他の原子と再結合し、早すぎるドーピングによって支持層の抵抗率を顕著に低下させる虞のある電気的ドナーを形成可能な格子間酸素の不安定性現象
【００４６】
従って、ベース基板のこの領域の材料を研磨によって除去することによりこれらの問題を解消することができ、これは、前記現象に全く影響を受けないか、或いは最小限の影響しか受けないような領域を支持体材料の有用層受け取り面側の領域に得ることができるためである。このようにして得られる構造は以下のような優れた品質を有する。即ち、
・基本的に残留格子間酸素の安定性に優れ、従って電気抵抗率を安定に維持することができる。
・第２には捕獲作用に寄与する析出酸素含量に優れている。
・第３には構造の均一性及び機械的耐久性に優れている。
【００４７】
このような材料の除去は、市販の種々な方法のひとつ若しくはそれらの組み合わせを使用して一工程又は複数工程で行われる。利用可能な方法としては、機械−化学的研磨法、ドライ化学エッチング法（プラズマによる）、ウエット化学エッチング法（エッチング浴による）、あるいは犠牲酸化法（所定の深さまで材料を酸化した後、酸化物の選択的化学エッチングを行う）と他の方法との組み合わせを挙げることができる。
【００４８】
好適な一実施形態においては、機械−化学的研磨工程に続いて化学エッチング若しくは犠牲酸化による仕上げ工程を行い、あるいは化学エッチング工程の後に機械−化学的研磨工程を伴う仕上げ工程を行う。
【００４９】
研磨は、０．５〜１０μｍ程度の厚さ分の材料を全体的に除去するように行うが、この除去厚さの値は前述の制御困難な現象が生じる範囲の関数として実験に基づいて選択される。
【００５０】
その後、必要があれば研磨された表面を従来から公知の方法（図１には示されていない方法）で処理して表面上に絶縁層（図２のＢ、層３０’）を形成する。
【００５１】
例えば「スマート・カット（Smart-Cut）」（本出願人の登録商標）のような薄層移載法によって最終的なＳＯＩ構造の有用層を作成する場合、典型的には単結晶シリコンからなるドナー基板２０（図２のＣ）を公知の方法で熱酸化処理（工程２００）又は酸化物被着処理に付して酸化物層３０”を形成し、その後、酸化物層の下の所定の深さ位置に好ましくは気体核種の打ち込み（工程２１０）によって脆化領域２１（図２のＤ）を形成し、この脆化領域によってドナー基板２０の残余部分２３に対して酸化物層側に薄層２２の境界を画定する。この薄層が最終的には有用層を構成する。
【００５２】
次いでベース基板１０の酸化物層３０’とドナー基板２０の酸化物層３０"とを重ねて界面とし、この界面で分子付着によるボンディングを実行（図２のＥ、工程１４０）して最終的にＳＯＩ基板の埋め込み酸化物３０（図２のＦ）を形成する。
【００５３】
その後、１回又は複数段階の工程による熱処理を行う（全体として工程１５０として示す）。この熱処理は、基本的に以下の事項を目的とする。
・脆化領域２１における基板の層分離に寄与する応力の発生
・ボンディング界面の接合の強化
・形成されるＳＯＩ基板の結晶構造の向上と安定化
・必要に応じて犠牲酸化による仕上げ工程の酸化段階の実行
【００５４】
これに関連して、図２のＦは脆化領域２１に沿って層分離が完了した後の状態を示している。図の下部側に示すように、支持体を形成するベース基板１０に由来する高抵抗の層と、その表面に積層された有用層を形成する薄層２２とからなる所望の高抵抗ＳＯＩ基板が得られ、ベース基板とドナー基板の各表面に形成した酸化物層は絶縁体層３０としてボンディング界面に位置している。
【００５５】
要すれば、これらの工程は析出熱処理操作に際して析出されずに支持体１０内に残存する格子間酸素の析出に寄与させることもでき、あるいは析出熱処理操作で形成された析出物を専ら又は補助的に安定化することに寄与させることもできる。
【００５６】
本発明は図示及び上述の実施形態に限定されるものではないことは述べるまでもない。即ち、本発明は種々のＳＯＩ基板の製造に適用可能であり、ＳＯＩ基板の支持層を形成する半導体材料には種々の種類を選ぶことができ、またその目標抵抗率も種々変更可能である。
【００５７】
そのようなＳＯＩ基板としては、高抵抗シリコン支持体上にシリコン−ゲルマニウム、ガリウム砒素、又はリン化インジウムの有用層を備えたＳＯＩ基板を挙げることができ、これらの基板は特に高周波回路の製造に使用される。また有用層も、窒化ガリウム、シリコンカーバイド等から製造することができる。
【００５８】
尚、ここでガリウム砒素又はリン化インジウムからなる有用層を実現するには、酸素の析出とＳｉ支持体内での析出酸素の安定化に不可欠な熱処理工程はボンディング以前に実行することが特に重要であり、これは、この種の材料は高温に曝すことができないためである。この場合の熱処理温度としては、材料が何ら保護されていない場合は３００〜４００℃以下とすべきであり、材料が保護層（例えばSiO2）により被覆されているか、或いは熱処理を特別な雰囲気中（アルシン、ホスフィン等）で行う場合は７００〜８００℃以下とすべきである。
【００５９】
更に、本発明は支持体への有用層の適用を種々の薄層被着法（典型的にはボンディングとエッチ・バックによる薄層被着法、即ち登録商標"Eltran"の商品名で一般に知られているタイプの手法）によって行う場合や、更には有用層をエピタキシなどにより同様に準備された支持体上に直接形成する場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る基板製造プロセスの一例における主要工程の流れを示す模式図である。
【図２】図１のプロセスを実行した場合の一具体例における材料の種々の状態を断面で示す説明図である。
【図１】
2005524228.tif 000003
【図２】
2005524228.tif 000004
【国際調査報告】
2005524228.tif 000005
2005524228.tif 000006
2005524228.tif 000007