(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスが形成されるひずみ結晶層を形成する方法であって、
（ａ）結晶テンプレート層の一方の側に材料の層を成長させて多層構造体を形成し、前記結晶テンプレート層はその他方の側でハンドル層を有する基板の犠牲層によって支持され、前記材料の層及び前記結晶テンプレート層は、前記材料の層が成長するときにひずむような格子不一致を有し、
（ｂ）前記犠牲層の一方の側に隣接した材料をパターニングし且つエッチングして前記犠牲層の領域を露出させ、
（ｃ）前記犠牲層の露出した領域で前記犠牲層を選択的にエッチングして、前記材料の層のひずみが緩和し、さらに前記材料の層が緩和するときに前記結晶テンプレート層がひずむように多層構造体を剥離する方法。
【請求項２】
デバイスが形成されるひずみ結晶シリコン層を形成する方法であって、
（ａ）シリコンオンインシュレータ基板のシリコンテンプレート層の一方の側にシリコン−ゲルマニウム合金の層を成長させて多層構造体を形成し、前記シリコンオンインシュレータ基板は、前記シリコン−ゲルマニウム合金の層が、成長するとき圧縮ひずみ状態にあるように、他方の側で、シリコンハンドル層の上に形成される二酸化シリコンの犠牲層上で支持された前記シリコンテンプレートの層を含み、
（ｂ）前記犠牲層の一方の側に隣接した材料をパターニングし且つエッチングして前記二酸化シリコンの犠牲層の領域を露出させ、
（ｃ）前記シリコン−ゲルマニウム合金の層のひずみが緩和され且つ前記シリコン−ゲルマニウム合金の層が緩和するとき、前記シリコンテンプレートの層がひずまされるように前記二酸化シリコンの犠牲層を選択的にエッチングして多層構造体を剥離する方法。
【請求項３】
ひずみ多層半導体構造体であって、
（ａ）引っ張りひずみ結晶シリコンの最下層と、
（ｂ）前記結晶シリコンの最下層の上にあり、構造体内で転位を発生させる塑性緩和が生じる厚さよりも薄い部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の層と、
（ｃ）前記部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の層の上の引っ張りひずみ結晶シリコンの最上層と、を備え、
前記多層半導体構造のひずみ状態は、層の間の弾性ひずみの分配によって得られ、前記多層半導体構造は、さらに、前記多層半導体構造がエピタキシャル成長された下部基板から完全に剥離されている、ひずみ多層半導体構造体。
【請求項４】
ひずみ多層半導体構造体であって、
（ａ）引っ張りひずみ結晶シリコンの最下層と、
（ｂ）前記結晶シリコンの最下層の上にあり、構造体内で転位を発生させる塑性緩和が生じる厚さよりも薄い部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第１の層と、
（ｃ）前記部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第１の層の上の引っ張りひずみ結晶シリコンの第２の層と、
（ｄ）引っ張りひずみ結晶シリコンの前記第２の層の上の部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第２の層であって、前記部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第２の層のＧｅ含有量は、前記部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第１の層のＧｅ含有量と同じ或いはそれよりも高い第２の層と、
（ｅ）前記部分的圧縮ひずみ緩和シリコン−ゲルマニウム合金の第２の層の上の引っ張りひずみ結晶シリコンの層を含み、
前記多層半導体構造のひずみ状態は、層の間の弾性ひずみの分配によって得られ、前記多層半導体構造は、さらに、前記多層半導体構造がエピタキシャル成長された下部基板から完全に剥離されている、ひずみ多層半導体構造体。
【請求項５】
デバイスが形成されるひずみ結晶層を形成する方法であって、
（ａ）結晶テンプレート層の一方の側にエピタキシャル法で第１の材料層を、前記第１の材料層が可塑的に緩和し且つ転位を発生し始める有効臨界膜厚以下の厚さまで成長させ、
前記結晶テンプレート層は、その他方の側でハンドル層を有する基板の犠牲層によって支持され、前記第１の材料層及び前記結晶テンプレート層は、前記第１の材料層が成長するときに圧縮的にひずむような格子不一致を有し、
（ｂ）前記第１の材料層の上にエピタキシャル法で最上部の材料層を、前記最上部の材料層が可塑的に緩和し且つ転位を発生し始める有効膜厚以下の厚さまで成長させ、前記第１の材料層及び最上部の材料層は、テンプレート層を有する多層構造体を形成し、
（ｃ）前記犠牲層の一方の側に隣接する材料をパターニングし且つエッチングして前記犠牲層の領域を露出させ、
（ｄ）前記犠牲層の露出した領域で前記犠牲層を選択的にエッチングさせて、前記第１の材料層のひずみが緩和され且つ前記第１の材料層が緩和するときに前記結晶テンプレート層及び前記最上部の材料層がひずむように前記多層構造を剥離する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、半導体加工の技術、特にひずみへテロ接合半導体構造体の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロエピタキシャル半導体構造体のひずみと欠陥の数及び種類とを制御することは、高性能デバイスを形成するための好ましい特性を有する高品質半導体材料を得るために極めて重要である。シリコン／シリコン−ゲルマニウムへテロシステムでは、半導体層のひずみの適切な制御は、バンドオフセット及びキャリア移動度に対する制御を提供する。代表的には、薄いひずみＳｉ膜が形成される、ひずみ緩和ＳｉＧｅ仮想基板を得ることができるのが望ましい。高品質ひずみシリコンを得ることの主な障害は、最初に、完全ひずみ緩和ＳｉＧｅ膜を得ることにある。ＳｉＧｅ膜を緩和させるための代表的な方法は、厚いひずみグレーデッドＳｉＧｅをバルクシリコン基板に成長させることである。係る構造体では、緩和は、ＳｉＧｅ膜の中の転位の移動によって起る。層間のインターフェイスにおけるミスフィット転位は、ひずみ層のひずみを緩和する。転位駆動型緩和の難しさは、全てのミスフィット転位が、転位と関連した二つのスレッディングアームを有することである。スレッディングアームは、ひずみＳｉ層を含む、膜システム全体を通して延びていて、キャリア移動度を劣化する。注意深く工作されたグレーデッドＳｉＧｅ基板の転位の密度は、ひずみＳｉデバイスを生成するために十分に低いが、それにもかかわらず、転位が全くないか或いは転位がほとんどないＳｉＧｅ基板を提供することができるのが好ましい。グレーデッドＳｉＧｅ基板の使用の更なる制限は、Ｓｉ層で少ない転位を達成するために、かなり厚いグレーデッドＳｉＧｅ膜を成長させることが必要である、ということである。しかしながら、比較的厚い膜は、異なるひずみ状態にある隣接デバイスを有することを難しくする。緩和バッファ層を成長させることの別の重要性は、緩和加工が表面上に転位ループの開口を通してステップを起すということである。これらのステップは、一緒になってこぶ（バンチ）になる傾向を有し、粗い成長界面を引き起す。シリコン層を成長させる前に研磨及び洗浄ステップを行わなければならないので、加工に対して費用が加わる。また、グレーデッド層の熱伝導率も悪くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
転位に基づく緩和の制限を克服するための一つの方法では、転位なくひずみ制御を達成する方法としてコンプライアント基板が提案されている。コンプライアント基板は、厚い硬質基板によって支持された非常に薄いひずみ層システムで構成される。ひずみシステムは、コンプライアント基板上を滑ることによって異なる層の厚さに基づいてひずみを分配するものである。コンプライアントシステムでは、層の全ては、同じ面内格子定数を有するが異なるひずみ状態にある。コンプライアント基板方法による問題は、真のコンプライアント基板を達成することがかなり難しいということである。なぜならば、そのようにするには、ひずみシステムとコンプライアント層の間で大規模な滑りを必要とするからである。
【０００４】
高コンプライアント基板の効果を得るための別の方法は、各メサを中央台座によって支持させておくようにアンダーカットされるパターン化されたメサを形成することにある。すると、メサは、ＳｉＧｅ成長のための自立基板として作用することができる。P.N. Mooney, 等による「自立ＳｉＧｅ構造体の弾性ひずみ緩和」, Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 7, 16 February 2004, pp. 1093-1095.この方法で形成された支持メサは、位置が固定され且つデバイス形成に利用可能な表面積が制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、多層膜の成長は、成長層のひずみの厳密な制御及び成長膜の完全な剥離を可能にして選択された基板に剥離された多層構造体の取付けを可能にする方法で行なわれる。剥離された多層構造体は、永久基板の好ましい位置に配置することができる離散的個別区分として形成することができ、或いは、構造体は、非平坦面を有する基板を含む、大面積基板の上に取付けることができる大きな、軟質膜として剥離することができる。本発明は、隣接層の一つ或いは両方がキャリア移動度をかなり増すようにひずまされる、ヘテロ接合を利用する、改良された特性を有する電子デバイスの製造を可能にする。本発明を利用して形成されるデバイスの例は、最終ひずみ状態が膜間で分配する弾性ひずみによって達成されるシリコン−ゲルマニウム合金を有するキャリアチャネルクラッドとしてひずみシリコン層を利用する、高移動度変調ドープ電界効果トランジスタ、及びキャリア移動度の増大によりより速いスピードを有する画像形成及び計算装置を含む。
【０００６】
本発明によるひずみ結晶層を形成する方法では、半導体のような材料の層を、結晶テンプレート層の一方の側で成長させて多層構造体を形成し、テンプレート層は、その他方の側で基板の犠牲層によって支持され、成長層及びテンプレート層は、成長層が形成されるときに成長層がひずまされるように格子不一致を有する。結晶材料の最上層を、成長層に形成して成長層及びテンプレート層を有する多層構造体の一部を形成する。次いで、犠牲層の側の一つに隣接した材料を、リソグラフによってパターニングし且つエッチングして犠牲層のエリアを露出させる。次いで、犠牲層を、その露出された領域（エリア）で選択的にエッチングして多層構造体を剥離し、その結果、成長層（及びいかなる結晶最上層）のひずみが緩和され且つ成長層が緩和するときに結晶テンプレート層がひずまされる。
【０００７】
本発明の例として、選択されたシリコン対ゲルマニウム比のシリコン−ゲルマニウムの層を、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板のシリコンテンプレート層の上に成長させる。ＳＯＩ基板は、結晶シリコンハンドル層、ハンドル層の上の二酸化シリコン（ＳｉＯ2）絶縁体の薄い層、及び二酸化シリコン層の上部側に形成された結晶シリコンの上部テンプレート層を含む。シリコン−ゲルマニウム層は、ゲルマニウムがシリコンよりも大きな格子定数を有するのでそれが成長するときに圧縮的にひずまされる。次いで、初期的にはひずまされていないシリコンの層をシリコン−ゲルマニウム層の上に形成するのがよい。再び圧縮的にひずまされる、シリコン−ゲルマニウムの追加の層を、上部シリコン層の上に成長させるのがよい。更に、シリコンとシリコン−ゲルマニウム或いは他の材料が交互に重なった層を必要に応じて堆積させるのがよい。次いで、二酸化シリコン犠牲層を、選択的にエッチングして多層構造体を剥離するのがよい。次いで、エッチングを可能にすべくＳｉＯ2犠牲層に接近するために、ＳｉＯ2犠牲層の上の多層ヘテロ構造体の材料を、リソグラフィックパターニング及びエッチングを利用してＳｉＯ2犠牲層までパターニングし且つエッチングするのがよい。多層構造体のパターニングは、多層構造体の分離した離散アイランド、或いはパターンに形成され、多層構造体を通ってＳｉＯ2犠牲層まで延びている連続相互接続構造体を画成するために行なわれるのがよい。変形例として、ハンドル層の材料を、犠牲層を通してエッチングすることを可能にするＳｉＯ2犠牲層を露出させる窓を形成するためにリソグラフ的にパターニングするのがよい。多層構造体をハンドル層から剥離するためにＳｉＯ2犠牲層を選択的にエッチングする（且つエッチング液にさらされた他の層の材料をほとんどエッチングしない）エッチング液を適用して、圧縮的にひずまされたシリコン−ゲルマニウム下部層（及びいかなる追加のシリコン−ゲルマニウム層）を部分的に緩和し且つシリコン−ゲルマニウム下部層に連結されるシリコンテンプレート層（及びいかなる追加のシリコン層）をひずませる。次いで、剥離された多層構造体を、結晶シリコン、二酸化シリコン、サファイア、ＧａＮ、等のような選択された基板の表面に転移して取付け、引き続いて、ひずみ層にデバイスを形成するように加工する。二酸化シリコン絶縁層のエッチングは、フッ化水素酸（ＨＦ）のような、液体エッチング液、或いは気相のＨＦのような、蒸気ベースのエッチング液を用いて行なわれるのがよい。
【０００８】
シリコンオンインシュレータに加えて、ＳｉＧｅ膜システムのために、ひずみシリコンオンインシュレータ、シリコンオンサファイア、高濃度ドープ中間層或いは注入層を有するシリコン、シリコン／ゲルマニウムオンインシュレータ、ゲルマニウムオンインシュレータ、等のような、埋込犠牲層を提供するその他の基板を利用することができる。また、本発明は、適当な犠牲層及びエッチング液を利用して、シリコン及びシリコン−ゲルマニウムに加えて他の半導体（例えば、種々のIII−Ｖ半導体）、及び種々の強誘電材料、磁性金属、及び酸化物のような、望ましいひずみを有し且つ十分に欠陥のない基板が商業的に入手できない他の材料で利用されてもよい。
【０００９】
加工の単一段で得られるひずみレベルよりも大きい最終膜のひずみレベルを達成するために、例えば、シリコン−ゲルマニウム及びシリコン、等の材料の追加層を加えるために加工を繰り返してもよい。
【００１０】
本発明の更なる目的、特徴及び効果は、添付図面を一緒に参照して以下の詳細な説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、ヘテロ構造体のひずみを制御するための新しい方法を提供する。本発明を例示する目的で、以下は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の上に形成されそして剥離されるシリコン／シリコン−ゲルマニウムヘテロ構造体の製品を説明するが、本発明は、ここに説明されるようにひずみ制御を必要とするいかなる半導体システム或いはその他の材料システムで実施されてもよい。
【００１２】
初期ＳＯＩウェーハが図１に２０で一般的に断面図で示されおり、初期ＳＯＩウェーハは、結晶シリコンハンドルウェーハ２１、ＳｉＯ2の絶縁（犠牲）層２２、及び典型的には厚さ１０〜１００ｎｍである結晶シリコンのテンプレート層２４を含む。図２に示すように、ＳｉＧｅの初期層２５を、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタ堆積法、等のような、いかなる適当な加工によって、シリコンテンプレート層２４の上にエピタキシャル成長させ、シリコンテンプレート層２４との格子不一致のために成長するとＳｉＧｅ層２５が内部圧縮ひずみの状態になる。図３に示すように、結晶シリコンの更なる層２７をＳｉＧｅ層２５の上に成長させ、次いでＳｉＧｅの任意の最上層２８を上部シリコン層２７の上に成長させてもよい。図示したように、二つのシリコン−ゲルマニウム層２５及び２８の組成は、同じでなくてもよい。例えば、第２のＳｉＧｅ層２８のゲルマニウム含有量は、第１のＳｉＧｅ層２５のゲルマニウム含有量よりも高くてもよい。次いで、層２４、２５、好ましくは２７（及び任意で２８、並びに任意の追加層）を含む多層構造体を、図４に示すようにＳｉＯ2絶縁層２２を露出させる領域３０でリソグラフィ的にパターニングし且つエッチングする。次いで、図５に示すように、ＳｉＯ2を選択的にエッチングするエッチング液を、露出領域３０を介して供給して多層構造体３２の下の（犠牲層として機能する）ＳｉＯ2層をエッチングして離し、それにより多層構造体３２を犠牲層２２及びハンドル層２１から剥離する。多層構造体が絶縁層２２から離されたとき、ＳｉＧｅ層が緩和すると、ひずみがシリコン層２４及び２７に転移される。
【００１３】
次いで、フリーパターニングされた多層構造体３２は、図６に示すように永久基板３４に転移されて取付けられるのがよい。最初のシリコンハンドル層２１及び様々の他の種類の基板を含む、様々の永久基板を利用してもよい。様々の他の種類の基板の例としては、ガラス、水素を末端基とするシリコン、熱酸化物を有するシリコン、サファイア、ＧａＮ、プラスチック及びグリッドを含む。離した構造体３２を、ひずみシリコン層２７或いは多層構造体の他の層にデバイスを形成する更なる加工の前に適切な基板に適用してもよい。図６に示すように、多層構造体３２を、デバイスが形成される露出層が、シリコン層２７、シリコンテンプレート層２４、或いはひずみ緩和ＳｉＧｅ層（２５又は２８）であるように基板３４の上に取付けてもよい。また、離した構造体を、犠牲層を有するハンドルウェーハに取付けてもよく、上述した加工を繰り返して、より大きなひずみレベルで第２の（或いは第３の、等）ＳｉＧｅ層の上に成長されたＳｉを伴って、先に堆積させたＳｉＧｅ層よりも高いＧｅ含有量を有する追加ＳｉＧｅ層を加える。
【００１４】
図７に示すように、多層構造体３２を、個々の構造体部分３２を永久基板３４に転移してその上に取付けるために剥離される様々な形状（例えば、正方形、矩形、円板、等）の別々のアイランドとして形成してもよい。変形例として、図８に示すように、多層構造体３２を、単一の大面積膜として離されるその中に形成された分離した開口３０を形成した連続膜として形成してもよい。次いで、可撓性膜３２を、永久基板３４の表面に適用してその上に取付けてもよい。
【００１５】
以下の例は、本発明の特定の実施を示すが、本発明が例に示した特定の材料及び条件に限定されないということは、言うまでもない。
【００１６】
超薄Ｓｉテンプレート層を有するＳＯＩを、厚さ１００ｎｍのＳｉテンプレート層及び厚さ１．３ミクロンの酸化物層を有する市販されている結合ＳＯＩを薄くすることによって準備する。初期の１００ｎｍテンプレート層から２０ｎｍテンプレート層までＳＯＩを薄くするために、Ｓｉテンプレート層の乾燥熱酸化を、１０５０℃で３．５時間行った。次いで、熱成長した酸化物を、ＨＦディップによって除去して、２０ｎｍのＳｉテンプレート層を残す。以下の特定の例では、ＸＲＤ測定を行うのに都合のよいシリコン層の厚さをもたらすために追加の８０ｎｍのシリコンをシランガスからテンプレート層の上に成長させるが、係る追加の成長が一般には必要でないことは言うまでもない。
【００１７】
Ｓｉ0.90Ｇｅ0.10膜を、コールドウォール式超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶ−ＣＶＤ）リアクタで化学蒸着法によりＳＯＩ基板のＳｉテンプレート（層）の上にエピタキシャル成長させた。次いで、Ｓｉ層をＳｉＧｅ層の上に成長させた。Ｘ線回折測定に適する層の厚さの最終膜構造体は、１００ｎｍのＳｉ、該Ｓｉの上の２００ｎｍのＳｉ0.90Ｇｅ0.10、該Ｓｉ0.90Ｇｅ0.10の上の１００ｎｍのＳｉで構成される。成長温度を、ストリップを５８０℃まで抵抗加熱することによって制御し且つ背側の光学高温測定によって較正した。リアクタベース圧力は、１３ｍＴｏｒｒ（ミリトル）の成長圧力のために５×１０-10ｍＴｏｒｒであった。
【００１８】
成長に続いて、サンプルを、光学リソグラフィを用いてパターニングし、サンプルを、大きさが７ｍｍ×７ｍｍないし０．１ｍｍ×０．１ｍｍの範囲であるメッシュスクウェアとして且つ１４μｍピッチで７μｍ程度の小さな（開口３０に相当）穴をもって形成する。メッシュの穴３０のピッチは、好ましいＨＦエッッチング時間に依存する。粗いピッチは、細かいピッチよりも長いエッチング時間を必要とする。
【００１９】
パターニングの後、メッシュ膜を、化学エッチング手順を用いて剥離した。剥離の前に、サンプルを、アセトン及びメタノールで洗浄して残っているフォトレジストを除去し、次いで、１０秒間ＨＦディップで洗浄し、これに続いて１０分間過酸化水素及び硫酸ピラニア洗浄を行なった。洗浄後、サンプルを、１０％ＨＦ溶液の中に２０分間置いた。次いで、サンプルを、ＨＦビーカーから丁重に取り出してＤＩ（脱イオン）水ビーカーに転移した。サンプルが水ビーカーの中へ落とされたとき、メッシュ膜は、水の表面に転移された。次いで、メッシュ膜を新しい基板の上に滑らせることによってメッシュ膜を水面から取り出した。この種類の膜は、スライドガラス、酸化Ｓｉウェーハ、バルク水素を末端基とするＳｉウェーハ、及びいかなる種類のグリッド、或いは水に溶けない他の望ましい基板に転移することができる。
【００２０】
構造体の剥離前後の両方で実験源Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折（ＸＲＤ）逆格子空間マップを作って多層システムのひずみ、厚さ及び組成を決定した。ＸＲＤ測定のために、メッシュを、Ｓｉ（００１）基板に転移してＳｉピークの零ひずみ位置を決定した。
【００２１】
成長に続いて、（００４）Ｘ線回折シータ（θ）／２シータ（２θ）走査をオメガ（ω）を増分させながら行って成長中状態のひずみ及び配向に関する情報を含むマップを得た。成長の直後に、システムは基板と密着した。θ／２θライン走査をフィットさせて組成及び層の厚さを決定した。
【００２２】
２００ｎｍのＳｉ総計厚さ及び２００ｎｍのＳｉＧｅ総計厚さを有する剥離したＳｉ／ＳｉＧｅ／Ｓｉ構造体の２ｍｍ×２ｍｍメッシュ膜をＳｉ基板に転移した。剥離したメッシュの光学顕微鏡的図を図９に示す。メッシュを、膜の２ｍｍ×２ｍｍの領域にわたってわずかな可視しわ或いは割れ目を有する新しい基板に転移した。メッシュ膜は、非常に柔軟であり、水が蒸発してしまうまで新しい基板上で調整することができる。大きいメッシュ膜に加えて、５〜２０ミクロンの正方形片のラフトが新しい基板に転移された。Ｓｉ及びＳｉＧｅの厚さが等しく且つ対称的なので、準拠二層モデルに基づきＳｉとＳｉＧｅの間にひずみを均等に分けた平坦メンブレーンが期待される。しかしながら、膜厚が等しいことは必要ではなく、当初湾曲した膜が更なる加工の前に平坦にされるのがよい。
【００２３】
図１０でわかるように、ＸＲＤ逆格子空間マップを、剥離及び新しいＳｉ基板への転移に続いてメッシュ上で測定する。剥離後のマップは、準拠基板によって予測されたひずみ分布に一致するひずみ分布を伴って、部分的緩和ＳｉＧｅ、及び部分的ひずみＳｉを示す。θ／２θ走査におけるＳｉハンドルピークとＳｉメッシュピークの間の分離（θ）は、０．０６３０度であり且つθ／２θ走査におけるＳｉ基板（新たなハンドル）とＳｉＧｅピークの間の分離（θ）は、０．２００度である。これは、０．０５６０度Ｓｉハンドルの２００ｎｍのＳｉ及び２００ｎｍのＳｉ0.90Ｇｅ0.10を有する完全準拠二層と比較し、ひずまされたＳｉ分離及び０．２００度Ｓｉハンドルと比較し、ＳｉＧｅピーク分離と比較する。Ｓｉ層がひずまされたことを示すことに加えて、ＸＲＤマップは、回折ピークが局所的に小さいモザイクの傾斜だけを示唆するのに十分狭いことを示す。ピークの幅は、グレーデッドＳｉＧｅ基板の上で成長させたひずみＳｉで典型的に観測されたものよりも実際には狭い。
【００２４】
これらの例は、二つの材料の好ましいひずみ状態を達成するために、ひずみＳｉＧｅ膜をひずみのないＳＯＩ基板の上に成長させ、次いでＳｉハンドルウェーハからうまく剥離することができるということを示す。ＸＲＤ測定は、剥離に先立って、Ｓｉ膜がひずみのないこと、そしてＳｉＧｅ膜が基板に合致するようにコヒーレント的にひずまされることを示す。剥離されたメッシュ膜の大きさは、実験Ｘ線源を用いて剥離された材料の単一片上でＸＲＤを行うのに十分大きい。メッシュの剥離に続いて、ＸＲＤ測定は、Ｓｉがひずまされ且つＳｉＧｅ膜が部分的に緩和されることを示す。Ｓｉ及びＳｉＧｅ層の測定されたひずみは、一方の層としてＳｉ膜厚と他方の層としてＳｉＧｅ膜厚の合計を用いて簡単な二層モデルによって予測されたものと一致する。
【００２５】
ひずみＳｉＧｅ膜を標準ＳＯＩ基板の上で成長させ、次いで犠牲層を取り除くことによってＳｉ／ＳｉＧｅシステムを剥離することによって薄いＳｉ層に転移することができるひずみの量は、累積的Ｓｉ層の厚さ、累積的ＳｉＧｅ層の厚さ、及びＳｉＧｅ層中のＧｅ組成による。
【００２６】
最大ひずみをＳｉに転移するために、高品質の層構造体を依然として生成する最も薄い累積的Ｓｉ厚さを有することが望ましい。Ｓｉテンプレート層の出発厚さは、典型的にほぼ２０ｎｍである。２０ｎｍ未満の初期Ｓｉテンプレート層厚さは、薄くする加工中に膜に導入される欠陥のために、膜品質を減じてしまう。より高品質の商用的に薄くしたＳＯＩが入手可能になるとき将来この厚さを減じることが可能であるかもしれない。
【００２７】
Ｓｉに転移されたひずみの量を制御するその他の変数は、厚さ及びＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度である。Ｓｉへのひずみの転移を最大にするために、ＳｉＧｅ厚さは、Ｓｉ層の厚さよりもさらに厚くすべきであり、さらに高いＧｅ濃度は、Ｓｉ：ＳｉＧｅ厚さの所定割合に対して両方の層にさらに多くのひずみをもたらす。最大ＳｉＧｅ厚さは、転位形成のオンセットによって制限される。ＳｉＧｅ組成のための臨界厚さを超えるならば、構造体は、塑性的に緩和し始めて、転位を発生させ転移に利用可能なひずみを減じる。転位の存在とひずみの減少の両方が問題である。最大Ｇｅ濃度は、Ｇｅ濃度が平坦合金成長に何をもたらすかに基づいて制限される。実際には、１５０ｎｍから２００ｎｍまでの厚さ及び１８％から２０％までのＧｅ濃度を有する準安定ＳｉＧｅ膜を、かなりの粗化或いは転位形成なしで、ひずまされていないＳｉの上に成長させることができる。好ましいが、それに限定しない、ＳｉＧｅ層に対する下限は、約５％Ｇｅである。一般的に、Ｓｉ層厚さが約２００ｎｍ未満であり且つＳｉＧｅ層が少なくとも約５０ｎｍであることが好ましいが、それに限定されない。
【００２８】
転位なしの円滑な成長に対して達成可能なＳｉ：ＳｉＧｅ層の厚さの比率及びＳｉＧｅのＧｅ配合は、約０．５６％の上限を初期的にひずみが生じていないＳｉの膜へ転移することが適度に期待できるひずみの量に置く。このひずみ転移の量は、電子移動度を向上させるには有利であるが、ホール移動度を向上させるためには、Ｓｉのより多くのひずみが望ましい。Ｓｉのひずみの量を増すために、複数の成長及び剥離段階を用いることができる。更に、初期的引張−ひずみシリコンテンプレート層（ｓＳＯＩ）を有するＳＯＩ基板を基板として利用してもよい。この場合には、高いＧｅ濃度、例えば、２０％〜３５％のＧｅ範囲のＧｅ濃度を、ＳｉＧｅ層に利用することができ、シリコン層へのより大きなひずみ転移を可能にする。
【００２９】
以下は、複数の成長及び剥離段階アプローチのための手順の例であるが、本発明が、本発明を例示する目的のために記述された特定の条件及び材料に限定されないということは言うまでもない。例えば、１８％Ｇｅの１５０ｎｍＳｉＧｅ膜を、ＣＶＤを用いて成長させた１０ｎｍのＳｉで覆われた、厚さ２５ｎｍのＳｉテンプレート層及び厚さ１．３ミクロンの埋め込み酸化物を有する薄いＳＯＩ基板の上に成長させるのがよい。次いでＳｉ／ＳｉＧｅ／Ｓｉ構造体をメッシュパターンで光学リソグラフィを用いてパターニングし、次いで、該構造体を、プラズマエッチングして後続のＨＦエッチングのために酸化物を露出させる穴を膜に開ける。犠牲的な埋め込み酸化物を１０％ＨＦ溶液でエッチングすることによってサンプルを剥離し且つこれをリンスビーカーの水の表面に転移する。次いで、メッシュ膜を、表面に１ミクロンの酸化物を有する新しく清潔なＳｉ水に転移することができる。酸化物層は、第２の剥離段階で犠牲層として作用する。追加のＳＯＩウェーハが複数の成長及び剥離段階のために不要である。厚い酸化物層を有するＳｉウェーハは、薄いＳＯＩウェーハよりもかなり低いコストのものであり、且つ追加のＳｉ層の欠如は、合計Ｓｉ厚さを減じて、Ｓｉ層へ転移されるひずみを増す。剥離及び転移に続いて、酸化Ｓｉウェーハに取付けられた多層構造体は、成長チャンバの中へ装填することができ、且つ新しくさらに高いＧｅ濃度の、ＳｉＧｅ膜を堆積させることができる。この成長に続いて、膜のパターニング、エッチング、及びＨＦ剥離を繰り返すことができる。Ｓｉ層のひずみは、今、以前よりも大きくなる。次いで、膜は、Ｓｉ層のひずみを増すために追加の成長及び剥離段階に対して別の酸化Ｓｉウェーハへ転移することができ、或いは、所望の最終基板に転移することができる。
【００３０】
剥離されたメッシュ膜は、可撓性基板アプリケーションで用いるのにかなり有利でありうる。現在、ポリシリコン膜を、可撓性基板を必要とするアプリケーションのために可撓性材料の上に直接成長させる。ポリシリコン基板の上に形成される装置の速さは、かなり遅い。可撓性装置の現状は、可撓性基板として単結晶Ｓｉを用いることができることが著しい改善であり、ひずみ層によってもたらされる移動度向上の必要性が現在未解決である。ひずみのない剥離単結晶Ｓｉ片を可撓性基板に転移するいくつかの方法がE Menard, K.J. Lee, D.-Y. Khang, R. G. Nuzzo, J. A. Rogersによる“プラスチック基板上の高性能薄膜トランジスタのためのシリコンの印刷可能な形態（A printable form of silicon for high performance thin film transistors on plastic substrates）”Appl. Phy. Lett., 84, 5398 (2004)に述べられている。この論文は、ＳｉをＳＯＩから可撓性基板に転移することを記述する。方法は、ＳＯＩ上で小さな構造をパターニングし且つ化学的にエッチングし、それからＨＦにより埋め込み酸化物を取り除くことによって構造体を剥離することである。重要な点は、金のパッドを有する可撓性プラスチック基板に次いで配列される長細いストリップにある。
【００３１】
ＨＦ蒸気エッチングかＨＦ液体エッチングのいずれかを剥離加工に利用してもよい。二つの方法は、その両方が利点及び欠点を有する。蒸気及び液体エッチング加工の例を説明だけの目的で以下に記述するが、本発明は、例示に対して記述されるそのような加工或いは条件に限定されないことは、言うまでもない。
【００３２】
ＨＦ蒸気エッチングでは、例えば、１０分間のピラニア、１０秒間の１０％ＨＦ、１０分間のピラニア、１０秒間の１０％ＨＦ浸漬、及び１０分間のピラニアからなる、例えば、典型的な成長前洗浄を用いて、サンプルを成長のために準備する。次いで、少量の４９％ＨＦをテフロン（登録商標）ビーカーに入れる。このビーカーを、多くの穴を含む蓋で覆い且つストリップを、穴の上に面を上にして配置する。次いでシステムを覆い、ＨＦ蒸気を上部カバーとストリップとの間に蓄積させる。ランプがセットアップの上に位置決めされて、サンプルの温度をサンプルとランプの距離を調整することによって制御する。サンプルの温度は、サンプルの表面の上に凝縮された水の量を制御することによってエッチング速度を制御する。低温は、更なる水凝縮及び高いエッチング速度を意味する。さらに高温でのエッチングは、酸化物表面上での水凝縮を減らし且つエッチング速度を下げる。
【００３３】
ＨＦ液体でエッチングすることとは対照的にＨＦ蒸気でエッチングすることに利点及び欠点の両方が在る。主な利点は、静止摩擦を排除することである。静止摩擦は、装置をアンダーカットし且つ剥離する場合にＭＥＭＳ（微小電子機械システム）装置の一般的な問題である。水がサンプルから蒸発するときに、毛管力は、装置を基板に引き降ろす。ドライの間に剥離構造をエッチングすれば、毛管力によってもたらされる静止摩擦を除去することができる。
【００３４】
蒸気エッチングの主な欠点は、エッチング加工を制御することの難しさである。エッチング速度は、小さな温度変化、湿度変化、表面の上の炭素汚染、及びその他の局部変化にかなり敏感である。また、高いエッチング速度でシリコンの表面に残された残留物が存在しうる。これは、きれいな最終構造体をもたらすためにエッチング速度及び温度がよく制御されることを要求する。
【００３５】
蒸気エッチングを用いて２０〜３０ミクロン程度の横方向距離に構造体を日常的にアンダーカットすることは、一般的に単に実用的である。更にアンダーカットすることは可能であるが、相応的に長いエッチング時間を必要とする。横方向に２０〜３０ミクロンエッチングするのに、約１時間の蒸気エッチング時間が一般的にかかる。剥離することができる構造体の領域は、大きな構造体がある大きさのデッドエリアを有していなければならない範囲に限定される。図９に示すように、メッシュ膜の場合のデッドエリアは、ＨＦを酸化物に浸透させるためにＳｉテンプレート層にエッチングされた小さな穴３０からなる。
【００３６】
また、ＨＦ液体で酸化物をエッチングすることによって構造体を剥離することも利点及び欠点を有する。主な利点は、エッチング加工を制御することがずっと容易であることである。蒸気エッチングの場合には、表面の上に凝縮した液体がエッチング速度を決定するが、液体エッチングでは、速度は、ＨＦ濃度によって制御される。更に、ＨＦ液体がエッチング加工によって消費されるように、ｐＨを低く維持することによりエッチング速度をより一貫して維持するために、ＨＦ液体をフッ化アンモニウムで緩衝させることができる。更に、水がいかなる過剰反応物を除去することができるので、高いエッチング速度で残留物が取り残されない。
【００３７】
基板にある位置で取付けられたままにすることが必要な装置に対するＨＦ液体エッチングによる主な問題は、乾燥加工中に遭遇される。サンプルをＨＦエッチ溶液から取り除いた後、サンプルは湿ったままである。水が蒸発すると、毛管力は、剥離された構造体をＳｉ基板に向けて引っ張る。剥離された構造体の大きさ、構造体からＳｉ基板までの距離、及び剥離された構造体の厚さにより、剥離された構造体は、Ｓｉ基板に達して貼り付きうる。この事象は、静止摩擦と呼ばれＭＥＭ装置の一般的な問題である。静止摩擦による問題を克服するために、ＭＥＭは、典型的には臨界点乾燥を用いて乾燥される。臨界点乾燥では、剥離された構造体は、蒸気及び液体粒子が識別不能であるような高い温度及び圧力で、溶媒で乾燥される。しかしながら、臨界点乾燥は、良好な後続の成長を妨げうる炭素汚染を表面の上に残すことがある溶媒を必要とする。
【００３８】
しかしながら、水／ＨＦ溶液が膜と基板の間でバリアとして作用するので、液体エッチングは、膜の完全な除去のために有利である。剥離後、サンプルを、ＨＦ溶液から取り出して直ぐに水のビーカーの中に落し込む。サンプルが水に入ると、膜を、水の表面張力により基板の表面から取り出す。次いで膜は、水の表面に浮き新しい基板に転移することができる。
【００３９】
上述の例は、犠牲酸化物層に接近するために上部多層構造体のパターニングを示し、犠牲層のエッチングを可能にする。変形例として、多層構造体をパターニングせずに多層構造体をハンドル層から剥離すべく犠牲層に接近するためにハンドル層を通してエッチングを利用することができる。これは、シリコンをエッチングしてＳｉＯ2絶縁層で停止されるエッチング液を利用してハンドル層２１に一連のウィンドウをＳｉＯ2層２２までエッチングすることによって行なわれる。ハンドル層２１の典型的な大きな厚さのために、犠牲層２２までハンドル層を通してエッチングするには犠牲層の上の多層構造体を通してエッチングするよりも多くのエッチング時間を必要とするかもしれない。
【００４０】
犠牲層２１に接近するためにＳＯＩウェーハのハンドル層２１を通してエッチングするのに様々な加工を利用することができる。例示的加工を以下に記述し且つ図１１〜図１７に関して説明するが、本発明は、そこに示した方法で加工を行うことに限定されないということを再び指摘しておく。多層構造体を剥離すべく犠牲層を選択的にエッチングするために犠牲層に接近を可能にするどんな加工をも利用してもよい。
【００４１】
図１１を参照して、第１の段階は、シリコン層２４の上及び、ハンドル層２１の底面及び層２１、２２及び２４の縁を含む、ＳＯＩウェーハの他の全ての表面の上にも、上述したような、成長されたＳｉＧｅの層２５の適用である。膜をウェーハの全ての表面の上に堆積させる方法でＳＯＩウェーハを吊り下げて、ＣＶＤを利用して層２５を成長させるのがよい。次いで、温度ＳｉＯ2層４０を、図１２に示すように、ＳｉＧｅ層２５の全ての表面の上に成長させて更なる加工中ＳｉＧｅ層の表面を保護する。酸化物層４０は、例えば、１００ｎｍの厚さに成長されるのがよい。次いで、図１３に示すように、ＣＶＤ成長窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）の薄い層（例えば、１００ｎｍ）をＳｉＯ2層４０の上に成長させて基板の化学エッチング中膜システムを保護する。次いで、図１４に示すように、一つ以上の開口或いは窓４３を、層４２、４０及び２５を通してウェーハの裏側へエッチングし、領域４４のハンドル層２１の裏側を露出させる。一つの窓４３が示されているが、一般的には窓のパターンは、ウェーハの裏面に形成されてハンドル層２１への複数の接近領域４４を可能にする。フォトレジストのパターニング及び現像は、標準リソグラフィック加工技法を用いて行われるのがよい。リソグラフィクパターニング後にフォトレジストによって保護されない領域では、窒化シリコン層４２を、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用して、まずエッチングし、ＨＦエッチングが続いて酸化物層４０を除去し、ＲＩＥエッチングが続いてＳｉＧｅ層２５（或いは複数の層）を除去する。次いで図１５に示すように、ＫＯＨのような、ＳｉＯ2と比較してＳｉを選択的にエッチングするエッチング液をウェーハに適用して、ＳｉＯ2層２２を露出する領域４６で終るエッチピット４５を形成するのがよい。次いで、図１６に示すように、例えば、湿式リン酸エッチを用いて保護窒化シリコン層４２を除去し、そして、次いで図１７に示すように、ウェーハ全体を、上述したように、ＨＦエッチングにさらして、シリコン層２４の下に空隙４８にして層２４及び２５で構成された多層構造体をハンドル層２１から離す。多層構造体２４及び２５をウェーハの縁４９でハンドル層２１に接続するＳｉＧｅ材料は、一般的に多層構造体の剥離を可能にすべく容易に壊される。変形例として、縁４９の材料は、取外しを容易にするためにパターニングすることができる。また、ハンドル層２１のエッチングされた開口４５は、ＳｉＧｅ膜２５が堆積される前に形成されるのがよい。また、ハンドル層２１が予めパターニングされ、次いで多層構造体がＭＢＥによって成長されて、成長を上部面だけに限定するのがよい。
【００４２】
また、図１１〜図１７に示す層の全てがエピタキシャル的に堆積されるということも重要ではない。材料は、テンプレート層２４或いはテンプレー層上の追加層の上に成長されるのがよく、追加層は、粒状物或いは欠陥を有してもよいし、或いは、アモルファスであってもよいが、それが剥離されるときに結晶層２４をそれでもひずませるであろう。追加結晶層を非結晶層の上に成長させることは、一般的に可能ではないが、追加のひずみを多層膜構造体に追加するストレーナー層（例えば、窒素）を成長させてもよい。
【００４３】
本発明は、実例としてここに示された特定の実施形態に限定されないが、添付した特許請求の範囲内に付属しているその全ての係る形を含むことは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明用のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの簡略断面図である。
【図２】ＳｉＧｅ層を追加させた図１に示すウェーハの図である。
【図３】多層構造体を形成するためにＳｉＧｅ層上に上部Ｓｉ層の形成後の図２に示すウェーハの図であって、任意のＳｉＧｅ上部層を示す図である。
【図４】ＳｉＯ2犠牲層に多層構造体をパターン化しかつエッチングした後の図３のウェーハの図である。
【図５】多層構造体を剥離するためにＳｉＯ2犠牲層のエッチングの後の図４のウェーハの図である。
【図６】永久基板上に取付けた後の本発明の多層構造体を示す断面図である。
【図７】本発明の多層構造体の離散的セクションの剥離、及び永久基板への剥離された構造体の転移及び取付けを示す説明図である。
【図８】本発明の多層構造体の大面積膜の剥離、及び永久基板への膜の転移及び取付けを示す説明図である。
【図９】永久基板への膜の取付け後の本発明の大規模多層膜の図である。
【図１０】構造体のＳｉ膜部分の（ひっぱり）ひずみを記述するＳｉ膜ピークとＳｉ基板取扱い層ピークとの間で（ｘ軸に沿って）θ／２θの分離を有し、ＳｉＧｅ層の（圧縮）ひずみを記述するＳｉ取扱い層ピークからのＳｉＧｅピークの分離を有する、Ｓｉ基板への転移及び取付け後の剥離されたＳｉ／ＳｉＧｅ／Ｓｉ多層構造体のＸ線回折（ＸＲＤ）逆空間マップを示す図である。
【図１１】本発明による初期加工段階でＳｉＧｅ層を成長させたＳＯＩウェーハの簡略断面図である。
【図１２】ＳｉＧｅ層に酸化層を追加した図１１に示すウェーハの図である。
【図１３】酸化層に堆積されたＳｉＮ層の形成後の図１２に示すウェーハの図である。
【図１４】ウェーハの裏側に堆積された層をパターン化しかつエッチングした後の図１３に示すウェーハの図である。
【図１５】ＳＯＩウェーハの露出シリコンハンドル層を通して好適なエッチの後の図１４に示すウェーハの図である。
【図１６】上部ＳｉＮ層をエッチングして取り除いた後の図１５に示すウェーハの図である。
【図１７】シリコンハンドル層から上部多層構造体を取り除くためのＳＯＩウェーハのＳｉＯ2絶縁層の好適なエッチングの後の図１６に示すウェーハの図である。
【符号の説明】
【００４５】
２０ 初期ＳＯＩウェーハ
２１ 結晶シリコンハンドルウェーハ
２２ 絶縁（犠牲）層
２４ シリコンテンプレート層
【図１】
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【図２】
0005342143.tif 000003
【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】
0005342143.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005342143.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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