(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(i)実質的に単結晶の半導体材料層及び(ii)酸素含有量が高められた単結晶半導体材料層を含む半導体材料コンポーネントであって、アンドープシリコン、ｎ‐ドープシリコン、ｐ‐ドープシリコン、ゲルマニウムドープシリコン（ＳｉＧｅ）及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなる群から選ばれる半導体材料コンポーネント、
酸化物ガラス材料層、及び
ガラス-セラミック層、
を有してなる絶縁体上半導体構造。
【請求項２】
前記ガラス-セラミック層が、(i)前記酸化物ガラス材料層からの少なくとも１つのアルカリ土類修飾元素イオンを含む、高められた修飾元素陽イオン濃度を有する第１の層及び(ii)バルクガラス-セラミックを含む第２の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項３】
前記酸化物ガラス層及び前記ガラス-セラミック層が１つ以上のタイプの陽イオンを含有し、酸化物ベースでの前記酸化物ガラス層または前記ガラス-セラミック層内のリチウムイオン、ナトリウムイオン及びカリウムイオンの和が５重量％より少ないことを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項４】
前記酸化物ガラス層内及び前記ガラス-セラミック層内にアルカリイオンが存在しないことを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項５】
前記ガラス-セラミック層がスピネル結晶相またはムライト結晶相を含むことを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項６】
前記酸化物ガラス層及び前記ガラス-セラミック層が２５〜３００℃の温度範囲にわたり２２〜４２×１０−７/℃の範囲内の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項７】
前記酸化物ガラス層及び前記ガラス-セラミック層が２５〜３００℃の温度範囲にわたり３５〜４０×１０−７/℃の範囲内の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項８】
前記ガラス-セラミック層が主結晶相としてスピネル結晶相を有し、酸化物ベースの重量％で、５５〜６５％のＳｉＯ２，１５〜２５％のＡｌ２Ｏ３，６〜１５％のＺｎＯ，０〜６％のＭｇＯ，０〜１０％のＴｉＯ２，０〜１０％のＺｒＯ２，０〜１５％のＣｓ２Ｏ，０〜５％のＢａＯ，合わせて８％以上のＺｎＯ＋ＭｇＯ，及び合わせて４％より多いＴｉＯ２＋ＺｒＯ２を含む組成を有するケイ酸ベース透明ガラス-セラミックからなることを特徴とする請求項６に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項９】
前記半導体材料と前記酸化物ガラス材料の間の接合強度が少なくとも８Ｊ/ｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１０】
２層の実質的に単結晶の半導体材料層、陽イオン濃度が低められた酸化物ガラス材料バリア層、及び、２層の酸化物ガラス‐セラミック基板を有してなる絶縁体上半導体層状構造であって、
前記２層の実質的に単結晶の半導体材料層が、(i)単結晶半導体材料層及び(ii)酸素含有量が高められた単結晶半導体材料を含む層を含み、
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板が、(i) 前記陽イオン濃度が低められた酸化物ガラス材料バリア層の前記陽イオン濃度が低められる前の酸化物ガラス材料バリア層由来の少なくとも１つのアルカリ土類修飾元素イオンを含む、修飾元素陽イオンの濃度が高められたガラス‐セラミックを含む層、及び、(ii)バルクガラス-セラミックを含む層を含む、
ことを特徴とする絶縁体上半導体構造。
【請求項１１】
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板が１つないしさらに多くのタイプの陽イオンを含有し、酸化物ベースでの前記ガラス内または前記ガラス-セラミック内のリチウムイオン、ナトリウムイオン及びカリウムイオンの和が２重量％より少ないことを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１２】
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板内にアルカリイオンが存在しないことを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１３】
前記２層の酸化物ガラス-セラミック基板がスピネル結晶相またはムライト結晶相を含むことを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１４】
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板が２５〜３００℃の温度範囲にわたり２２〜４２×１０−７/℃の範囲内の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１５】
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板が２５〜３００℃の温度範囲にわたり３５〜４０×１０−７/℃の範囲内の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１６】
前記２層の半導体材料層がシリコンベース半導体材料からなり、アンドープシリコン、ｎ-ドープシリコン、ｐ-ドープシリコン、ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)及びシリコンカーバイド(ＳｉＣ)からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１７】
前記２層の半導体材料層が、Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ及びＩｎＰベース材料からなる群から選ばれる材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１８】
前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板が、酸化物ベースの重量％で、５５〜６５％のＳｉＯ２，１５〜２５％のＡｌ２Ｏ３，６〜１５％のＺｎＯ，０〜６％のＭｇＯ，０〜１０％のＴｉＯ２，０〜１０％のＺｒＯ２，０〜１５％のＣｓ２Ｏ，０〜５％のＢａＯ，合わせて８％以上のＺｎＯ＋ＭｇＯ，及び合わせて４％より多いＴｉＯ２＋ＺｒＯ２を含む組成を有することを特徴とする請求項１４に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項１９】
前記２層の半導体材料層と前記２層の酸化物ガラス‐セラミック基板の間の接合強度が少なくとも８Ｊ/ｍ２であることを特徴とする請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
【請求項２０】
ガラス-セラミック上半導体構造を形成する方法において、
(ａ)ドナー半導体ウエハの剥離層を形成するために前記ドナー半導体ウエハの注入表面にイオン注入プロセスを施す工程、
(ｂ)電解を用いて前記剥離層の前記注入表面の前駆体ガラス基板との接合を形成する工程、
(ｃ)前記ドナー半導体ウエハから前記剥離層を分離し、よって中間前駆体ガラス上半導体構造を形成する工程、及び
(ｄ)前記中間前駆体ガラス上半導体構造に熱処理工程を施して前記前駆体ガラスを結晶化させ、よってガラス-セラミック上半導体構造を形成する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記接合を形成する工程が、
前記ガラス基板及び前記ドナー半導体ウエハの少なくとも一方を加熱する工程、
前記前駆体ガラス基板を前記剥離層を間にして直接または間接に前記ドナー半導体ウエハに接触させる工程、及び
前記接合を誘起するために前記前駆体ガラス基板及び前記ドナー半導体ウエハにかけて電圧を印加する工程、
を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記前駆体ガラス基板及び前記半導体ウエハの温度が前記ガラス基板の歪点から１５０℃の範囲内まで高められることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記前駆体ガラス基板の温度と前記半導体ウエハの温度が異なるレベルに高められることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記前駆体ガラス基板及び前記ドナー半導体ウエハにかかる前記電圧が、１００〜２０００ボルトの範囲内にあることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ドナー半導体ウエハが、シリコン(Ｓｉ)，ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)，シリコンカーバイド(ＳｉＣ)，ゲルマニウム(Ｇｅ)，ヒ化ガリウム(ＧａＡｓ)，ＧａＰ及びＩｎＰからなる群から選ばれることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記前駆体ガラス及び前記ガラス-セラミックが２５〜３００℃の温度範囲にわたり２２〜４２×１０−７/℃の範囲内の熱膨張係数を有し、前記ガラス-セラミックがスピネル結晶相またはムライト結晶相を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００８年９月２６日に出願された、名称を「ガラス-セラミックベース絶縁体上半導体構造及びその作成方法(Glass-Ceramic-Based Semiconductor-On-Insulator Structures And Methods For Making The Same)」とする米国仮特許出願第６１/１００３７９号の優先権を主張する。
【０００２】
本出願は２００７年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６０/９２０９８６号の優先権の恩典を米国特許法第１１９条ｅ項の下に主張し、本出願は米国を指定して２００８年３月２５日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ/ＵＳ０８/０３８５９号の優先権の恩典を米国特許法第１２０条の下に主張する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は全般的には半導体構造に関し、さらに詳しくはガラス-セラミックを含む絶縁体上半導体構造及びガラス-セラミックベース絶縁体上半導体構造を作成するための方法に関する。
【０００４】
今日まで、絶縁体上半導体構造に最も普通に用いられる半導体材料はシリコンである。そのような構造は文献で絶縁体上シリコン構造と称され、略称「ＳＯＩ」がそのような構造に適用されている。本発明は全般に、絶縁体上シリコン構造を含む、絶縁体上半導体構造に関する。
【０００５】
提示を容易にするため、以下の議論は時に絶縁体上シリコン構造に関することになろう。この特定のタイプの絶縁体上半導体構造への言及は本発明の説明を容易にするためになされ、いかなる態様においても本発明の範囲を限定する目的はなく、またそのように解されるべきではない。
【０００６】
本明細書において略称ＳＯＩは全般に、絶縁体上シリコン構造を含むがこれには限定されない、絶縁体上半導体構造を指して用いられる。同様に、略称ＳＯＧは全般に、ガラス上シリコン構造を含むがこれには限定されない、ガラス上半導体構造を指して用いられる。呼称ＳＯＧは、ガラス-セラミック上シリコン構造を含むがこれには限定されない、ガラス-セラミック上半導体構造も含むとされる。略称ＳＯＩはＳＯＧを包含する。
【背景技術】
【０００７】
絶縁体上シリコン技術は、高性能の、薄膜トランジスタ、太陽電池及び、アクティブマトリックスディスプレイのような、ディスプレイにとって益々重要になっている。絶縁体上シリコンウエハは絶縁材料上の実質的に単結晶のシリコンの薄層(厚さは一般に０.１〜０.３μｍであるが、いくつかの場合には５μｍにもなる)からなる。
【０００８】
そのようなウエハを得る様々な方法には、格子整合基板上のＳｉのエピタキシャル成長、酸化物のＳｉＯ２層が形成されている別のシリコンウエハへの単結晶シリコンウエハの接合及びこれに続く、例えば単結晶シリコンの０.１〜０.３μｍ層までの、上面ウエハの研磨またはエッチング、あるいは、水素イオンまたは酸素イオンを注入して、酸素イオン注入の場合にはシリコンウエハ内にＳｉで覆われた埋込酸化物層を形成し、水素イオン注入の場合には薄いＳｉ層を分離(剥離)させて酸化物層をもつ別のＳｉウエハに接合させる、イオン注入法がある。これら３つの手法のなかでは、イオン注入に基づく手法が商工業上一層実用的であることがわかっている。特に、水素イオン注入法は、必要な注入エネルギーが酸素イオン注入の５０％より低く、必要なドーズ量が２桁低いという点において、酸素注入プロセスに優る利点を有する。
【０００９】
水素イオン注入法による剥離は初め、例えば非特許文献１に教示され、さらに、マイケル・ブルーエル(Michel Bruel)によって実際に示された。ブルーエルの特許文献１及び非特許文献２，また非特許文献３を見よ。
【００１０】
方法は一般に以下の工程を含む。単結晶シリコンウエハ上に熱酸化物層を成長させる。次いで、このウエハに水素イオンを注入して表面下きずを発生させる。きずが生成される深さは注入エネルギーで決定され、きず密度はドーズ量で決定される。次いでこのウエハを別のシリコンウエハ(支持基板)と室温で接触させて仮接合を形成する。次いでウエハを約６００℃に加熱処理して、Ｓｉウエハからのシリコン薄層の分離に用いるために、表面下きずを成長させる。次いで得られた集成体を約１０００℃の温度に加熱してＳｉ膜を支持基板、すなわち無注入Ｓｉウエハに、ＳｉＯ２下層をもつ、Ｓｉ膜を完全に接合させる。すなわち、このプロセスでは、シリコン薄層が酸化物絶縁体層を間に入れて別のシリコンウエハに接合された、絶縁体上シリコン構造が形成される。
【００１１】
商工業でのＳＯＩ構造の適用にはコストが重要な問題になる。今日まで、そのような構造のコストの大半は、Ｓｉ薄層で覆われた酸化物層を支持するシリコンウエハのコストであった。すなわち、コストの大半は支持基板であった。支持基板を論じる上で、上記文献のいくつかは、石英ガラス、ガラス及びガラス-セラミックに言及している。これらの文献に挙げられるその他の支持基板材料には、ダイアモンド、サファイア、シリコンカーバイド、窒化シリコン、セラミック、金属及びプラスチックがある。
【００１２】
ガラス及びガラス-セラミックは基板ウエハとしてのシリコンの代替として従来技術で開示されているが、ガラスまたはガラス-セラミックを支持基板として用いてＳＯＩ構造を形成するための実用的方法は開発されていない。
【００１３】
特許文献２及び３のＳＯＩ構造は、酸化物ガラスまたは酸化物ガラス-セラミックからなる支持基板に張り付けられた実質的に単結晶の半導体(例えばドープトシリコン)の層を含む１つないしさらに多くの領域を有する。酸化物ガラスまたは酸化物ガラス-セラミックは透明であることが好ましく、１０００℃より低い歪点及び２５０℃において１０１６Ω-ｃｍ以下の比抵抗を有し、高温(例えば３００〜１０００℃)において電場に応答してガラスまたはガラス-セラミック内を移動できる陽イオン(例えば、アルカリイオンまたはアルカリ土類イオン)を含有することが好ましい。
【００１４】
これらの酸化物ガラスベースまたは酸化物ガラス-セラミックベースのＳＯＩ構造は上述した従来技術のＳＯＩ構造に優る改善であったが、この酸化物ガラスベースまたは酸化物ガラス-セラミックベースのＳＯＩ構造は、基板の変形を生じさせずに高性能ディスプレイまたは高性能エレクトロニクス用途に用いられる高温プロセス、例えばシリコン膜上の高性能ＴＦＴ(薄膜トランジスタ)の作成を可能にするために用いられるゲート酸化膜の高温成長に耐えることができない。
【００１５】
本出願特許の譲受人に同じく譲渡された出願特許の特許文献４に、この問題が扱われている。特許文献４はガラスまたはガラス-セラミックを含む第２の層に張り付けられた、半導体材料を含む第１の層を有し、ガラスまたはガラス-セラミックの歪点は約８００℃以上である、絶縁体上半導体構造を開示している。この構造は高性能ディスプレイまたは高性能エレクトロニクス用途に用いることができ、しかも従来技術のシリカ／石英ベースＳＯＩ構造よりも製造コストがかなり低くなり、したがって、高性能ディスプレイまたは高性能エレクトロニクス分野における、より低コストのＳＯＩ構造及び得られるデバイスへの要求を満たす。
【００１６】
これらの酸化物ガラスベースまたは酸化物ガラス-セラミックベースのＳＯＩ構造は上述した従来技術のＳＯＩ構造に優る改善であったが、ガラス-セラミックベース絶縁体上半導体構造は作成が困難であり、ある程度は、シリコンへのガラス-セラミック基板の接合に先立ってセラミック化／結晶化されているガラス-セラミック内には可動イオンが不足しているため、十分大きなその場バリア層を有する強固に接合された構造が得られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５３７４５６４号明細書
【特許文献２】米国特許第７１７６５２８号明細書
【特許文献３】米国特許第７１９２８４４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６/００３８２２８号明細書
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】ビスター(Bister)等，「Ｓｉ及びＧｅ内の０.３〜２Ｍｅ Ｈ＋イオン及び０.７〜２ＭｅＶ Ｈ２＋イオンの飛程(Ranges of the 0.3-2 MeV H+ and 0.7-2 MeV H2+ Ions in Si and Ge)」，Radiation Effects，１９８２年，第５９巻，ｐｐ.１９９〜２０２
【非特許文献２】エム・ブルーエル(M. Bruel)，Electronic Lett.，１９９５年，第３１巻，ｐｐ.１２０１〜１２０２
【非特許文献３】エル・ディチオッチオ(L. Dicioccio)，ワイ・レティーク(Y. Letiec)，エフ・レタートル(F. Letertre)，シー・ジョウサッド(C. Jaussad)及びエム・ブルーエル，Electronic Lett.，１９９６年，第３２巻，ｐｐ.１１４４〜１１４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の課題は、従来技術のガラス-セラミックベースＳＯＩ構造を改善し、強固に接合され、十分に大きなバリア層を有する、新規なガラス-セラミックベースＳＯＩ構造を提供することである。そのようなガラス-セラミックベースＳＯＩ構造は上述した高性能ディスプレイまたは高性能エレクトロニクス用途に用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の一実施形態は実質的に単結晶の半導体材料層及び酸素含有量が高められた単結晶半導体材料層を有する半導体コンポーネント、酸化物ガラス材料層、及びガラス-セラミック層を含む絶縁体上半導体構造に関する。
【００２１】
別の実施形態は実質的に単結晶の半導体材料及び酸化物含有材料を含む絶縁体上半導体層状構造に関する。単結晶半導体材料は、単結晶半導体材料からなる層及び酸素含有量が高められた単結晶半導体材料からなる層の、２つの層を含む。酸化物含有材料は、(１)陽イオン濃度が低められ、修飾元素陽イオンを実質的に有していない、酸化物ガラス材料からなる層、(２)陽イオン濃度が低められた酸化物ガラス材料からの少なくとも１つのアルカリ土類修飾元素イオンを含む、修飾元素陽イオンの陽イオン濃度が高められたガラス-セラミック材料からなる層、及び(３)バルクガラス-セラミック材料からなる層を含む。
【００２２】
上述した絶縁体上半導体構造実施形態のいずれにおいても、ガラス-セラミックはスピネル結晶相またはムライト結晶相を含み、スピネルガラス-セラミックまたはムライトガラス-セラミックは２５〜３００℃の温度範囲にかけて約２２〜４２×１０−７/℃の範囲の熱膨張係数を有する。別の実施形態において、スピネルガラス-セラミックまたはムライトガラス-セラミックは２５〜３００℃の温度範囲にかけて約３５〜４０×１０−７/℃の範囲の熱膨張係数を有する。
【００２３】
本発明の１つないしさらに多くの態様にしたがえば、上述したガラス-セラミック／絶縁体上半導体構造を形成するためのプロセスは、ドナー半導体ウエハの剥離層を形成するためにドナー半導体ウエハの注入表面にイオン注入を施す工程、電解を用いて剥離層の注入表面をガラス基板に接合させる工程、ドナー半導体ウエハから剥離層を分離させ、よって中間前駆体ガラス上半導体構造を形成する工程、中間前駆体ガラス上半導体構造に熱処理工程を施して前駆体ガラスを結晶化させ、この結果、ガラス-セラミック上半導体構造を形成する工程を含む。
【００２４】
本発明の絶縁体上半導体構造及び絶縁体上半導体構造を作成するための方法の結果、従来技術に優る利点が数多く得られる。本発明は高性能ディスプレイ及び高性能エレクトロニクス用途において使用するための、石英ガラスベースまたは石英ベースのＳＯＩ構造に比較して低コストの基板への長年の要求を満たす。さらに詳しくは、ガラス-セラミックの導入により、従来技術の低温歪点ガラスで予想されていたであろう変形をおこさずに、高温ゲート酸化のような高温プロセスをＳＯＩウエハに施すことが可能になる。さらに、ＳＯＩ構造のための基板材料としてそのような高歪点ガラスまたはガラス-セラミックを用いる結果、ＴＦＴ作成プロセス中に低歪点基板材料では一般におこる基板圧密(すなわち寸法変化)が最小限に抑えられる。
【００２５】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、記述及び添付される特許請求の範囲に説明され、添付図面にも示されるように、本発明を実施することで認められるであろう。
【００２６】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも本発明の例示に過ぎず、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
【００２７】
添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は必ずしも比例拡縮されて描かれてはおらず、様々な要素の寸法は明解さのために歪められていることがある。図面は本発明の１つないしさらに多くの実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明の一実施形態にしたがうガラス-セラミック上半導体構造の簡略な断面図である。
【図２】図２は本発明の別の実施形態にしたがうガラス-セラミック上半導体構造の簡略な断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にしたがう、絶縁体上半導体構造を作成するための方法の一工程の簡略な断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態にしたがう、絶縁体上半導体構造を作成するための方法の一工程の簡略な断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態にしたがう、絶縁体上半導体構造を作成するための方法の一工程の簡略な断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態にしたがう、絶縁体上半導体構造を作成するための方法の一工程の簡略な断面図である。
【図７】図７は、本明細書に説明される、実施例に詳述されるタイプの、本発明にしたがって作成されたガラス上半導体構造のＴＯＦ-ＳＩＭＳ深さプロファイルである。
【図８】図８は、本明細書に説明される、実施例に詳述されるタイプの、本発明にしたがって作成されたガラス上半導体構造のＴＥＭ写真である。
【図９】図９は、本明細書に説明される、実施例に詳述されるタイプの、本発明にしたがって作成されたガラス上半導体構造のＸ線回折パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
同様の参照数字が同様の要素を示す図面を参照すれば、本発明の１つないしさらに多くの実施形態にしたがうＳＯＧ層状構造１００が図１に示されている。ＳＯＧ構造１００は、実質的に単結晶の半導体材料層１０４及び酸素含有量が高められた単結晶半導体材料層１０６を含む半導体コンポーネント１０２を有することが好ましい。ＳＯＧ層状構造はさらに、酸化物ガラス材料からなる第３の層１０８及びガラス-セラミック材料からなる第４の層１１０を有する。
【００３０】
本発明の別の実施形態のＳＯＧ層状構造２００を示す図２を次に参照する。ＳＯＧ構造２００は、２層半導体コンポーネント１０２，酸化物ガラス層１０８及び、陽イオンを含む、２層酸化物ガラス-セラミック基板１１０からなる、５層構造を有する。詳しくは、ＳＯＧ層状構造２００は、(１)実質的に単結晶の半導体材料層１０４，(２)酸素含有量が高められた半導体バリア層１０６，(３)酸化物ガラス材料バリア層１０８，(４)陽イオン濃度が低められた酸化物ガラス材料層１０８からの少なくとも１つのアルカリ土類修飾元素イオンを含む、修飾元素陽イオンの陽イオン濃度が高められた酸化物ガラス-セラミック層２０４，及び(５)バルク濃度を有するガラス-セラミックからなる酸化物ガラス-セラミック層２０６を有する。
【００３１】
本発明のガラス-セラミック上半導体構造は１０００℃をこえる高い温度で用いることができ、よって、従来技術のガラス上シリコン製品では可能にならない、ＲＦ／高性能エレクトロニクス、光電変換、デジタル撮像、等における適用が可能になる。
【００３２】
本発明のガラス-セラミック上半導体構造は、事実上、所望のいかなる半導体、ガラス及びガラス-セラミックの層厚に対しても作成することができる。例えば、それぞれの層の厚さは約１ｍｍより薄いことが望ましい。半導体層の厚さは１μｍより薄いことがさらに望ましい。本発明のいくつかの望ましい実施形態において、第１の半導体コンポーネントの厚さは約１０ｎｍと５００ｎｍの間である。ガラス層及びガラス-セラミック層のそれぞれの厚さは約０.１ｍｍと約１０ｍｍの間であることが望ましい。ガラス-セラミック層の厚さは約０.５ｍｍと約１ｍｍの間であることがさらに望ましい。ガラス-セラミック上半導体構造のいくつかの用途に対し、例えば、シリコン/ＳｉＯ２/シリコン構成を有する標準的な絶縁体上半導体構造を高周波で動作させたときに生じる寄生容量効果を避けるためには、ガラス-セラミック層の厚さが１μｍ以上であることが望ましい。これまで、そのような厚さは達成が困難であった。
【００３３】
概括的に言って、ガラス-セラミック層は、本発明のプロセス工程を通して、また以降のガラス-セラミック上半導体構造に施される処理も通して、半導体コンポーネントを支持するに十分に厚いことが必要である。ガラス-セラミック基板の厚さに関する理論的上限はないが、支持機能に必要とされるかまたは最終的なガラス-セラミック上半導体構造に望まれる厚さをこえる厚さは一般に、前駆体ガラス及びそのようにして形成されるガラス-セラミック基板が厚くなるほど、本明細書で以下に、また特許文献３に、説明される方法の、後述の接合形成工程(Ｂ，詳しくはＢ３の電圧印加)中の同じ印加電圧差に対する基板内の電場強度が低くなるから、好ましくはない。
【００３４】
半導体層／コンポーネントの半導体材料はシリコンベース半導体材料とすることができ、あるいは、III-Ｖ族半導体、II-IV族半導体、II-IV-Ｖ族半導体またはIV族半導体のような、その他いずれかの適するタイプの半導体材料とすることができる。第１の層の半導体材料としての使用に適するシリコンベース半導体材料の例には、シリコン(例えば、アンドープシリコン、ｎ-ドープシリコン、ｐ-ドープシリコン)、ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)及びシリコンカーバイド(ＳｉＣ)がある。第１の層に用いることができる他の半導体材料の例には、Ｇｅベース、ＧａＡｓベース、ＧａＰベース及びＩｎＰベースの材料がある。半導体層材料は、材料に依存する、広い範囲のＣＴＥ(熱膨張係数)を有することができる。例えば、第１の層の半導体材料は約２０×１０-７/℃と約７０×１０-７/℃の間のＣＴＥ(２５℃)を有することができる。
【００３５】
半導体材料層は実質的に単結晶の材料の形態にある。語句「実質的に」は、半導体材料は通常、少なくともいくつかの、格子欠陥または僅かな結晶粒界のような、本来的であるかまたは意図的に加えられた、内部欠陥または表面欠陥を含むという事実を考慮するために第１の層の説明に用いられる。語句「実質的に」は、いくつかのドーパントはバルク半導体材料の結晶構造を歪ませるか、そうではなくとも影響を与えることができるという事実も反映している。
【００３６】
ガラス前駆体及びそのように形成されるガラス質バリア層１０８及びガラス-セラミック基板１１０は酸化物ベースガラスで形成される。必要ではないが、本明細書に説明される実施形態は９００℃より高い歪点を有する酸化物ガラスまたは酸化物ガラス-セラミックを含むことが好ましい。ガラス製造技術では普通であるように、歪点は、ガラスまたはガラス-セラミックの粘度が１０１４.６ポアズ(１０１３.６Ｐａ秒)になる温度である。
【００３７】
酸化物ガラスバリア層及びガラス-セラミック層はシリカベースガラス前駆体から形成されることが望ましい。一実施形態において、前駆体ガラス及びそのように形成されたガラス-セラミックにはＳｉＯ２が少なくとも約５０重量％の濃度で存在する。また別の実施形態において、ＳｉＯ２は少なくとも約５５重量％の濃度で存在する。本発明における使用に適するガラス-セラミックにはムライト及びスピネルの結晶相を有するガラス-セラミックがある。
【００３８】
いくつかの用途、例えばディスプレイ用途に対し、ガラス-セラミックは、可視光、近ＵＶ(紫外)及び/または近ＩＲ(赤外)の波長範囲において実質的に透明であることが望ましい。例えば、ガラス-セラミックは３５０ｎｍ〜２μｍの波長範囲において実質的に透明であることが望ましい、
(以降のガラス-セラミック層及び酸化物ガラスバリア層を形成するための)前駆体ガラスは、当業者には周知の様々な手法を用いて通常の原材料から作成でき、本明細書で以下に、また名称を「ガラスベースＳＯＩ構造(GLASS-BASED SOI STRUCTURES)」とする特許文献３に、説明される方法を用いて半導体層/コンポーネントに張り付けることができる。特許文献３はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態において、前駆体ガラスは、本明細書で以下に、また特許文献３に、説明される方法の接合形成工程(工程Ｂ，特に工程Ｂ３の電圧印加)中に印加電場の方向に、すなわち接合される第１の(半導体)層と第２の(前駆体ガラス)層の間の界面から離れて第２の層の後面に向かう方向に移動する、陽イオンを少なくともいくらか含むことが望ましい。アルカリイオン、例えばＬｉ＋イオン，Ｎａ＋イオン及び／またはＫ＋イオンが、ガラス及びガラス-セラミックに一般に導入される他のタイプの陽イオンより高い易動度を一般に有するから、この目的に適する陽イオンである。本発明に用いるには無アルカリイオン前駆体ガラスが好ましいが、いくつかの用途に対し小量のアルカリイオンは許容できる。例えば、アルカリ土類イオン(例：Ｃａ２＋，Ｍｇ２＋，Ｂａ２＋，Ｓｒ２＋)またはＡｇ＋，Ｃｕ＋，Ｚｎ２＋及び様々な遷移金属イオンのようなその他の陽イオンのような、その他の可動イオンを有するガラスが、本発明の絶縁体上半導体構造の第２の層に好ましい。
【００４０】
前駆体ガラスがアルカリイオンまたはアルカリ土類イオンを含有する本発明の実施形態において、アルカリイオン及びアルカリ土類イオンの濃度は広い範囲にわたって変わることができ、代表的な濃度は酸化物ベースで０.１重量％と４０重量％の間である。望ましいアルカリイオン濃度及びアルカリ土類イオン濃度はアルカリイオンの場合に酸化物ベースで０.１〜５重量％である。公称無アルカリガラスの多くは、本明細書で以下に説明される方法の工程Ｂ３中に移動し得る、アルカリ汚染物を数１０〜数１００ｐｐｍ有する。
【００４１】
本発明のＳＯＩ構造に用いるための(以降のガラス-セラミック層１１０及び酸化物ガラス質バリア層１０８を形成するための)前駆体ガラスは、酸化物ベースの重量％で計算して、５０〜６５％のＳｉＯ２，１５〜２５％のＡｌ２Ｏ３，６〜１５％のＺｎＯ、０〜６％のＭｇＯ，０〜１０％のＴｉＯ２，０〜１０％のＺｒＯ２，０〜１５％のＣｓ２Ｏ，０〜５％のＢａＯ，合わせて約８％以上のＺｎＯ＋ＭｇＯ，及び合わせて約４％以上のＴｉＯ２＋ＺｒＯ２，の組成範囲内の透明ガラスファミリーを含む。本発明に用いるための代表的な組成の詳細を表Ｉに示す。
【００４２】
そのように形成されたガラス-セラミック材料１１０は主結晶相としてスピネルを含む。主結晶相は、その結晶相が、存在する総結晶相の少なくとも約７５体積％、さらに好ましくは少なくとも８５体積％、最も好ましくは少なくとも９５体積％になっていることを意味する。本発明のガラス-セラミックでは、少なくとも約２０重量％の結晶相がガラスマトリックス内に分散されている。
【００４３】
酸化物ガラスバリア層１０８及びガラス-セラミック基板１１０は、２５〜３００℃の温度範囲にわたり、シリコンとの熱膨張の密な整合を提供する。好ましくは約２２〜４２×１０-７/℃の範囲、さらに好ましくは約３０〜４２×１０-７/℃の範囲、最も好ましくは約３５〜４０×１０-７/℃の範囲の熱膨張係数を有する。透明であるとは、本発明のガラス-セラミックの１.１ｍｍ厚のシートがスペクトルの可視領域(４００ｎｍ〜７００ｎｍ)にわたり８５％より大きい透過率を有することを意味する。好ましくは、いくつかの用途に対し、そのようなシートが近紫外領域においてもある程度の、例えば、３５０〜４００ｎｍの領域にわたり５０％より大きい、透過率を有することが望ましい。
【００４４】
主結晶相としてスピネルを含む透明ガラス-セラミック材料は、名称を「ガラス-セラミック(Glass-Ceramics)」とする米国特許第５９６８８５７号の明細書にさらに詳細に説明されている。上記明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【表１】
0005649579.tif 000002
【００４５】
当業者には当然であろうように、単結晶半導体材料と酸化物含有材料の間の結合の強さが絶縁体上半導体構造の肝要な特性である。絶縁体上半導体構造内またはその上での薄膜トランジスタ及びその他のデバイスの作成にともなう処理に絶縁体上半導体構造が耐え得ることを保証するためには、高い接合強度及び耐久性が非常に重要である。半導体コンポーネントと前駆体基板の間(及び、最終的には、最終ガラス-セラミック上半導体の半導体層と酸化物ガラス層の間)の接合強度は少なくとも８Ｊ/ｍ２であることが望ましい。接合された層間の接合強度は少なくとも１０Ｊ/ｍ２であることがさらに望ましい。本発明のいくつかの特に望ましい実施形態において、接合強度は少なくとも１５Ｊ/ｍ２である。接合エネルギーは、バーコビッチ(Berkovich)ダイアモンド圧子を装着した(米国ミネソタ州イーデンプレイリー(Eden Prairie)のMTS Systems Corporationの)ナノインデンターIIを用いて実施することができる、押込測定を用いて決定することができる。当業者には当然であろうように、押込測定を行うために別の装置を用いることができる。押込みはある範囲の荷重にわたってなされるべきであり、押込みの直近周囲領域は離層の形跡について精査されるべきである。接合エネルギーの計算は、ディー・ビー・マーシャル(D. B. Marshall)及びエイ・ジー・エバンス(A. G. Evans)，「残留応力のある膜の密着性の押込みによる測定Ｉ．界面離層の力学(Measurement of Adherence of Residually stressed Films by Indentation, I. Mechanics of Interface Delamination)」，J. Appl. Phys., １９８４年、第５６巻[第１０号]，ｐｐ.２６３２〜２６３８，にしたがってなされる。上記文献の該当部分は参照として本明細書に含まれる。接合エネルギー決定のさらなる詳細は米国特許出願第１０/７７９５８２号明細書に見ることができる。
【００４６】
本明細書で以下に、またその開示全体が本明細書に参照として含まれる特許文献２に、説明される方法によって、当業者によるガラス-セラミック上半導体構造の作成が可能になる。図３を参照すれば、ドナー半導体にイオン注入が施され、その後、前駆体ガラス基板と注入済ドナー半導体ウエハに電解形成接合プロセスが施され、続いてドナー半導体ウエハの一部が分離されて、薄い半導体層をその上に有する前駆体ガラス基板からなる中間構造が形成される。この電解の部分は以下に論じられるが、基本プロセスは前駆体ガラス基板１０２とドナー半導体ウエハ１２０にある時間にわたり、温度、電圧及び圧力をかける工程を含む。
【００４７】
図３は、図１及び２のそれぞれのガラス-セラミック上半導体構造１００及び２００の作成に関係する中間構造を作成するために実行することができる、プロセス工程を示す。第１の工程(工程Ａ)はドナー半導体ウエハ３０４内に剥離層３０２を形成する工程を含む。議論の目的のため、ドナー半導体ウエハ３０４は実質的に単結晶のＳｉウエハであることが好ましい。
【００４８】
剥離層３０２は、接合形成工程及び分離工程(本明細書で後に論じられる工程Ｂ及びＤ)に続いてＳｉ半導体ドナーウエハ３０６の残余部分から分離され得る、比較的薄いシリコン層であることが好ましい。本発明の実施形態は剥離層のいかなる特定の形成方法にも限定されないが、適する一方法はシリコンウエハ３０４の表面３１０の下に弱化領域３０８を形成するためのイオン注入の使用を含む。例として水素イオン注入を用いることができるが、ホウ素＋水素、ヘリウム＋水素のような、その他のイオンと水素との組合せを用いることができ、あるいは剥離について文献で知られている他のイオンを用いることができる。また、剥離層３０２の形成に適するその他いずれかの既知の手法または今後開発される手法を、本発明の精神及び範囲を逸脱せずに用いることができる。
【００４９】
一実施形態において、１ステップ水素イオン注入だけが用いられ、１×１０１６〜１×１０１７イオン/ｃｍ２のＨイオンがＳｉウエハに注入される。別の、低ドーズ量実施形態においては、Ｇｅウエハに複数のイオンの低ドーズ量注入工程が施される。詳しくは、ＨとＨｅの組合せの低ドーズ量注入が用いられ、Ｇｅウエハに、初めに１×１０１５〜５×１０１６イオン/ｃｍ２のドーズ量範囲のＨイオン注入が施され、続いてやはり１×１０１５〜５×１０１６イオン/ｃｍ２の範囲の低ドーズレベルでＨｅイオンが注入される。
【００５０】
剥離層３０２の形成にどのような手法が用いられようとも、表面３１０の(例えば水素の)イオン濃度を低めるための処理がＳｉドナーウエハ３０４になされることが好ましい。例えば、ドナー半導体ウエハ３０４は洗浄及びクリーニングされることが好ましく、剥離層表面３１０は軽く酸化されることが好ましい。軽酸化処理には、酸素プラズマ内処理、オゾン処理、過酸化水素処理、過酸化水素＋アンモニア処理、過酸化水素＋酸処理またはこれらのプロセスの組合せを含めることができる。これらの処理中に水素終端表面基が酸化されて水酸基になり、続いて水酸基はシリコンウエハ表面を疎水性にする。処理は、酸素プラズマ及びオゾン水については室温で、アンモニアまたは酸処理については２５〜１５０℃の範囲の温度で、行われることが好ましい。
【００５１】
前駆体ガラスウエハ３１２に関しては、洗剤、続いて蒸留水で洗浄され、その後さらに硝酸で洗浄され、続いて再度蒸留水で洗浄される。
【００５２】
これらの処理は最適条件であることに注意すべきである。水素イオン濃度が低められていなければ、シリコンとガラスの間に、高圧の印加による接合形成プロセス中に印加圧力を上回り得る、反発力が生じる。
【００５３】
イオン注入に続き、電解接合形成プロセス(工程Ｂ)を用いてそれぞれの構造が接合させられることが好ましい。好ましい電解接合形成プロセスは特許文献３に説明されており、このプロセスの部分は以下に論じられる。
【００５４】
初めに、ドナーウエハ表面３１０及び前駆体ガラス基板表面３１４のそれぞれの適切な表面クリーニングが行われることが好ましい。その後、ドナーウエハ表面３１０及び前駆体ガラス基板表面３１４が直接または間接に接触させられて(工程Ｂ１)、図４に簡略に示される構成が得られる。
【００５５】
次に図５を参照すれば、接触の前または後に、Ｓｉドナーウエハ３０４と剥離層３０２及び前駆体ガラス基板３１２は、それぞれＴ１及びＴ２の、異なる温度勾配の下で加熱される(工程Ｂ２)。前駆体ガラス基板３１２がＳｉドナー半導体ウエハ３０４と剥離層３０２(Ｔ１)より高温(Ｔ２)に加熱されることが好ましい。例として、前駆体ガラス基板３１２とＳｉドナーＳｉ半導体ウエハ３０４の間の温度差は少なくとも１℃であるが、温度差は約１００℃〜約１５０℃と大きくすることができる。この温度差は熱膨張係数(ＣＴＥ)がシリコンのＣＴＥに整合させられたガラスについて、後の残余ドナー半導体ウエハ３０６からの剥離層３０２の熱応力による分離を容易にするから、望ましい。
【００５６】
前駆体ガラス基板３１２とＳｉドナー半導体ウエハ３０４の間の温度差が安定すると、集成接合体に機械的圧力が印加される。一実施形態において、圧力範囲は約１ｐｓｉ(６.９×１０３Ｐａ)〜約５０(３.４×１０４Ｐａ)ｐｓｉである。さらに高い、例えば約１００ｐｓｉ(６.９×１０５Ｐａ)をこえる、圧力の印加はガラスウエハを破壊させ得る。
【００５７】
前駆体ガラス基板３１２及びＳｉドナー半導体ウエハ３０４には、理想的には、前駆体ガラス基板３１２の歪点の±約１５０℃の範囲内の温度がかけられる。
【００５８】
次に工程Ｂ３で、前駆体ガラス/ドナーウエハ中間集成体にかけて電圧(Ｖ１/Ｖ２)が、正電極(Ｖ１)にＳｉドナー半導体ウエハ３０４をおき、負電極(Ｖ２)にガラス基板３１をおいて、印加される。電圧の印加は、ガラス基板３１２内のアルカリ土類イオン(またはアルカリイオン)の、Ｓｉ半導体／前駆体ガラス界面３１０/３１４から離れてガラス基板３１２内深くに向かう移動をおこさせる。さらに詳しくは、ガラス基板３１２の修飾元素陽イオンの実質的に全てがＳｉドナー半導体ウエハ３０４の高電位から離れる方向に移動する。これにより、(ｉ)無アルカリ土類イオン(または無アルカリイオン)界面３１０/３１４が形成される、及び(ii)前駆体ガラス基板３１２の反応性が非常に高くなり、比較的低温の熱の印加によってＳｉ基板層３０４と強く結合する、の２つの機能が達成される。
【００５９】
次に図６を参照すれば、中間(前駆体)ガラス基板上半導体構造が上記条件下にある時間(例えば、ほぼ１時間ないしさらに短い時間)保持された後、電圧が取り去られ、中間構造が室温まで冷却される。剥離層３０２から残余Ｓｉ半導体ウエハ３０６が分離され、剥離層３０２が前駆体ガラス基板３１２に接合されたまま残される(工程Ｃ)。残余Ｓｉ半導体ウエハ３０６がまだ完全には自由になっていなければ、若干の引剥し作業が含まれ得る。分離は、温度を徐々に上げているときに、保持温度において、または温度を徐々に下げているときに、おこり得る。分離後に得られるのは、基本的に、図６に示されるようにガラス基板３１２に接合された薄いＳｉ半導体／剥離層３０２の、中間(前駆体)ガラス基板上半導体構造３２０である。ここでも、Ｓｉ半導体層に接合された前駆体ガラス基板は、陽イオン濃度低減層３１２Ａ，陽イオン濃度低減層３１２Ａに隣接する陽イオン濃度増強層３１２Ｂ，及びバルクガラス層３１２Ｃを有することに注意すべきである。
【００６０】
分離は熱応力による剥離層３０２の破断で達成されることが好ましい。あるいはまたはさらに、分離を容易にするために、噴射水切断のような機械的応力または化学エッチングを用いることができる。
【００６１】
接合形成(加熱及び電圧印加)プロセス中の雰囲気は、窒素及び／またはアルゴンのような不活性雰囲気、あるいは単に周囲空気雰囲気とすることができる。
【００６２】
次いで、アルゴンのような不活性雰囲気内の加熱処理によって中間ガラス基板上半導体構造３２０の前駆体ガラス基板３１２がセラミック化される(工程Ｄ：図示せず)。セラミック化すなわち熱処理工程は一般に、ウエハが結晶の核形成のためにある温度に保持され、続いて結晶成長のためにさらに高い温度で保持される、熱処理サイクルにしたがう。別の実施形態において、核形成保持温度を含まない熱処理を用いることができ、この実施形態においては、結晶成長保持温度までの徐加熱スケジュールが必要な結晶核成長を達成するに十分に緩やかであり、５０℃/時間以下の加熱レートで、この無核形成保持結晶成長を達成することができる。
【００６３】
一実施形態において、スピネルガラス-セラミックベースのガラス-セラミック上半導体構造のためのセラミック化すなわち熱処理スケジュールは、核形成保持が８００℃，２時間であり、続く結晶成長保持が１０００℃，４時間である。
【００６４】
熱処理の結果、前駆体ガラス基板の一領域はガラスのまま残り、一領域がガラス-セラミック構造に転換される。このことが図６にさらに示される。詳しくは、酸化物ガラスのまま残る領域は、半導体に最も近接しているガラス領域であり、上述した陽イオン濃度低下層３１２Ａである。これは、接合形成プロセスの結果全ての修飾元素陽イオンが界面から離れる方向に移動してしまっているという事実により、前駆体ガラス３１２のこの領域内ではスピネル形成陽イオンＺｎ，Ｍｇが欠乏しているという事実による。(詳しくは、前駆体ガラス材料の陽イオン濃度増強層３１２Ｂを含む領域である)前駆体ガラス内のいくらかの深さにおいては、増強された陽イオン濃度によって、そのガラス領域の結晶化を可能にするに十分なイオンがあって、ガラス-セラミック層３１２Ｂが形成される。当然の結果、残余前駆体ガラス領域(バルクガラス領域３１２Ｃ)も結晶化を達成するに十分なスピネル形成陽イオンを有することになる。したがって、得られるガラス-セラミック構造は、陽イオン濃度が増強された層３１２Ｂとバルクガラス-セラミック層３１２Ｃからなる２層ガラス-セラミック領域であり、層３１２Ｂは残余酸化物ガラス層３１２Ａに隣接する。
【００６５】
シリコン膜を上にもつ結晶化ガラス-セラミックは、ガラス-セラミックベースウエハはデバイス作成またはその他のプロセス中にかなりの高温に耐えることができるという点において、ガラスベースの構成に勝る利点を有する。さらに、高温に耐え得ることからからガラス-セラミック上半導体ウエハへのシリコンまたはその他の半導体のエピタキシャル成長が可能になる。
【実施例】
【００６６】
以下の非限定的実施例によって本発明をさらに説明する。
【００６７】
１００ｍｍ径／１００μｍ厚シリコンウエハに、市販の室温イオン注入装置を用いて、８×１０１６イオン/ｃｍ２のドーズ量及び１００ｋｅＶの注入エネルギーで水素イオンを注入した。次いで、注入したウエハを酸素プラズマで処理して表面基を酸化した。
【００６８】
表Ｉに詳記した実施例１の組成、詳しくは、重量％で−６０.３％のＳｉＯ２，１９％のＡｌ２Ｏ３，２.１％のＭｇＯ，２.１％のＢａＯ，１.０％のＡｓ２Ｏ５，７.５％のＺｒＯ２及び９.０％のＺｎＯ−を有する、１００ｍｍ径前駆体ガラスウエハを作成した。次いで、前駆体ガラスウエハを、Fischer Scientific Contrad 70装置を用いて、洗剤中で１５分間、超音波洗浄した。その後、前駆体ガラスウエハを、蒸留水超音波浴内で１５分間リンスにかけ、１０％硝酸に１時間浸し、最後に蒸留水で再びリンスした。
【００６９】
シリコンウエハ及び前駆体ガラスウエハをともに、蒸留水を用いてスピンウォッシャー／ドライヤーで最終的にクリーニングし、その後、クリーンルーム内で乾燥させた。２枚のウエハを接触させて室温予備接合を形成し、次いでSuss Microtechボンダー内においた。前駆体ガラスウエハを「負」電極上におき、シリコンウエハを「正」電極上においた。
【００７０】
次いで、２枚のウエハを真空雰囲気(１０−３ミリバール(０.１Ｐａ))内で、シリコンウエハは５４５℃、前駆体ガラスウエハは５９５℃の、別々の温度に加熱した。その後、ウエハに１７５０Ｖの電圧をかけた。電圧はそれぞれのウエハ表面に印加した。これらの条件の下にウエハを２０分間保持した、印加電圧維持後、電圧をゼロにし、ウエハを室温まで冷却した。
【００７１】
冷却後、ウエハを容易に分離でき、前駆体ガラスウエハの接合されたシリコン薄層が得られることがわかった。詳しくは、このプロセスにより、薄い(５００ｎｍ)シリコン膜がガラスウエハ表面上に強固に密着した、高品質試料が得られることがわかった。
【００７２】
次いで、そのようにして作成された中間ガラス上シリコン試料にアルゴン雰囲気中８００℃で２時間の熱処理を施し、続いて１０００℃で４時間の処理をさらに施して、ガラス上シリコン構造のガラスウエハ部分を結晶化させ、ガラス-セラミック上シリコン構造を作成した。そのようにした作成したガラス-セラミック上シリコン構造のシリコン膜層はもとのままであり、離層または亀裂は生じなかったことに注意すべきである。
【００７３】
上記手法によってそのように作成されたガラス-セラミック上シリコン構造を、以下のように、ＴＯＦ-ＳＩＭＳ分析にかけた。一方は断続的にスパッタするため、他方は新しくつくられた表面を分析するための、二ビーム方式にしたがって、２本のイオンビームを用いた。米国ミネソタ州イーデンプレイリーのPhysical Electronicsで製造されたTRIFT II装置を用いて分析を行った。スパッタするための低エネルギーＣｓビームを分析のためのパルスＧａビームと同期させて用いた。小試料片を劈開してＴＯＦ-ＳＩＭＳ試料ホルダ(〜１ｃｍ２)に嵌め込んだ。スパッタするための５ｋＶ１３３Ｃｓ＋ビームを分析のための１５ｋＶ，６００ｐＡ６９Ｇａ＋ビームとともに用いた。試料の５００μｍ×５００μｍの領域にかけてＣｓビームをラスタースキャンさせ、Ｃｓスパッタ領域の中央の５０μｍ×５０μｍのウインドウをＧａビームで分析した。
【００７４】
このＴＯＦ-ＳＩＭＳ分析の結果を図７に示す。図７を精査すれば、(１)(ＡＡと表示される)深さ０.１５ｎｍに始まり、(ＢＢと表示される)深さ約０.１７５ｎｍに終わる、酸化物ガラス層、(２)酸化物ガラス層からの少なくとも１つのアルカリ土類修飾元素イオンを含む、修飾元素陽イオンの増強された陽イオン濃度を有する、(ＢＢと表示される)深さ０.１７５ｎｍに始まり、(ＣＣと表示される)深さ０.３ｎｍに終わる、第１のガラス-セラミック層、及び(３)バルクガラス濃度を有する、深さ約０.３ｎｍに始まる、第２のガラス-セラミック層を見ることができる。
【００７５】
図８を参照すれば、上述した手法によってそのように作成されたガラス-セラミック上シリコン構造を、JEOL計測器モデルJEM-2000Fを、倍率が１０万の、２００ｋＶで用いて、ＴＥＭ分析にかけた。ＴＥＭ写真に示されるシリコン／ガラス-セラミック界面を精査すると、当業者には明らかなように、シリコン層と結晶化ガラス-セラミック層の間のガラス質バリア層の存在がわかる。
【００７６】
最後に、上述した手法によってそのように作成されたガラス-セラミック上シリコン構造を、当業者には理解される周知の手法にしたがって、Ｘ線回折分析にかけた。得られた図９のＸ線回折パターンを精査すれば、微細なスピネル亜鉛尖晶石相及び酸化ジルコニウム相の結晶の存在がわかる。実際、(２θが３０°に近い)２.９５ÅにおけるピークはＺｒＯ２の主ピークである。
【００７７】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００７８】
１００，２００    ＳＯＧ構造
１０２    半導体コンポーネント
１０４    単結晶半導体材料層
１０６    酸素含有量が高められた単結晶半導体材料層
１０８    酸化物ガラス材料層
１１０    ガラス-セラミック材料層(基板)
２０４    高陽イオン濃度酸化物ガラス-セラミック層
２０６    バルク陽イオン濃度酸化物ガラス-セラミック層
３０２    剥離層
３０４    ドナー半導体ウエハ
３０６    残余ドナー半導体ウエハ
３０８    弱化領域
３１０    ドナー半導体ウエハ表面
３１２    前駆体ガラス基板
３１４    前駆体ガラス基板表面
【図１】
0005649579.tif 000003
【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９】
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