(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス上半導体(ＳＯＧ)構造を作成するための改良された方法を提供する。【解決手段】ｎ型半導体ウエハに表面剥離層を形成するための複数のイオン注入プロセスをｎ型半導体ウエハの注入表面に施す工程であり、複数のイオン注入プロセスの内の少なくとも２つの、(ｉ)イオンの種類、(ii)ドーズ量及び／または(iii)注入エネルギーの内の少なくとも１つは互いに異なるイオン注入プロセスを施す工程２０４、２０６、前記注入表面をガラス基板に接合する工程２１０、ガラス基板及び前記ｎ型半導体ウエハの内の少なくとも１つを加熱する工程、および前記表面剥離層に破断がおこるような、応力が誘起される工程２１２とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス上半導体構造を形成する方法において、
ｎ型半導体ウエハの注入表面に、前記ｎ型半導体ウエハにおける表面剥離層の形成を開始するための第１のイオン注入プロセスを施す工程、
前記ｎ型半導体ウエハの前記注入表面に、(ｉ)イオンの種類、(ii)ドーズ量及び(iii)注入エネルギーの内の少なくとも１つが前記第１のイオン注入プロセスとは異なる、少なくとも１つの第２のイオン注入プロセスを施す工程、及び
電解を用いて前記表面剥離層の前記注入表面をガラス基板に接合する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１及び第２のイオン注入プロセスの内の一方が前記ｎ型半導体ウエハの前記注入表面の下に弱化された領域を形成するための水素イオン注入を前記注入表面に施す工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水素イオン注入が、約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲のドーズ量で行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水素イオン注入が、約２５〜１５０ｋｅＶの範囲の注入エネルギーで行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２のイオン注入プロセスの内の他方が前記注入表面の下にさらに弱化された領域を形成するためのヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つを前記注入表面に施す工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記ヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つが、約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲のドーズ量で行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つが、約２５〜１５０ｋｅＶの範囲の注入エネルギーで行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のイオン注入プロセスと前記少なくとも１つの第２のイオン注入プロセスの総ドーズ量が、約１０〜２０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記接合する工程が、
前記ガラス基板及び前記ｎ型半導体ウエハの内の少なくとも１つを加熱する工程、
前記ガラス基板を、前記表面剥離層を介して前記ｎ型半導体ウエハに直接または間接に接触させる工程、及び
前記接合を誘起するために前記ガラス基板及び前記ｎ型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１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガラス基板及び前記ｎ型半導体ウエハの温度が前記ガラス基板のひずみ点の±約１５０℃の範囲内まで高められることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガラス基板及び前記ｎ型半導体ウエハのそれぞれの温度が相異なるレベルまで高められることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガラス基板及び前記ｎ型半導体ウエハにかかる前記電圧が約１００Ｖ〜２０００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記接合されたガラス基板、表面剥離層及びｎ型半導体ウエハを冷却することによって、実質的に前記表面剥離層に破断がおこるような、応力が誘起されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記ｎ型半導体ウエハが、シリコン(Ｓｉ)、ゲルマニウムドープシリコン(ＧｅＳｉ)、炭化シリコン(ＳｉＣ)、ゲルマニウム(Ｇｅ)、ガリウムヒ素(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１に記載の方法。
【請求項１５】
ガラス上半導体構造を形成する方法において、
ｎ型半導体ウエハの注入表面に、前記ｎ型半導体ウエハに表面剥離層を形成するための複数のイオン注入プロセスを施す工程、
を含み、
前記複数のイオン注入プロセスの内の少なくとも２つについて、(ｉ)イオンの種類、(ii)ドーズ量及び(iii)注入エネルギーの内の少なくとも１つが互いに異なる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記イオン注入プロセスの数が２であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオン注入プロセスの総ドーズ量が約１０〜２０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１のイオン注入プロセスが、ドーズ量が約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲の水素イオン注入工程を含み、
第２のイオン注入プロセスが、ドーズ量が約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲のヘリウムイオン注入工程を含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記水素イオン注入が約５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行われ、
前記ヘリウムイオン注入が約７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行われる、
ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改善されたイオン注入プロセスを用いる絶縁体上半導体(ＳＯＩ)構造の作成に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで絶縁体上半導体構造に最も一般的に用いられる半導体材料はシリコンであった。そのような構造は文献で絶縁体上シリコンと称され、略語“ＳＯＩ”がそのような構造に用いられてきた。ＳＯＩ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型ディスプレイなどの、ディスプレイに対して益々重要になっている。ＳＯＩ構造は、絶縁材料上の(一般には厚さが０.１〜０.３μｍであるが、５μｍもの厚さの場合もある)実質的に単結晶シリコンの薄層を有することができる。
【０００３】
説明を容易にするために、以下の議論は時折ＳＯＩ構造に関してなされることになろう。この特定のタイプのＳＯＩ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、本発明をいかなる形にせよ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。本明細書において略語ＳＯＩは全体として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すために用いられる。術語ＳＯＩ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する。
【０００４】
ＳＯＩ構造ウエハを得る様々な方法の１つには、格子整合基板上へのシリコン(Ｓｉ)のエピタキシャル成長がある。別のプロセスには、単結晶シリコンウエハを酸化物のＳｉＯ２層が形成されている別のシリコンウエハに接合し、続いて上部ウエハを研磨またはエッチングして、例えば０.１〜０．３μｍ厚の単結晶シリコン層を得るプロセスがある。また別の方法には、水素イオンまたは酸素イオンをイオン注入して、酸素イオン注入の場合には表面はＳｉのままでシリコンウエハ内に埋込酸化物層を形成し、水素イオン注入の場合には酸化物層をもつ別のＳｉウエハに接合するための薄いＳｉ層を分離(表面剥離)する、イオン注入法がある。
【０００５】
前者の２つの方法ではコスト及び／または接合強度及び耐久性に関して満足できる構造が得られていない。水素イオン注入をともなう後者の方法は、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桁小さいことから、ある程度注目され、前者の方法に優る利点があると考えられている。
【０００６】
特許文献１には、熱プロセスを用いる、基板上に単結晶シリコン膜を得るためのプロセスが開示されている。プレーナ面を有する半導体材料ウエハに、(ｉ)基板本体を構成する下部領域及び薄膜を構成する上部領域を定めるマイクロバブルガス層を形成するイオンを用いるウエハ面ボンバードによる注入工程、(ii)ウエハのプレーナ面を少なくとも１つの硬質材料層で構成される補剛材と接触させる工程及び(iii)第３段階の、イオンボンバードが実行され、マイクロバブルにおける圧力効果及び薄膜と基板本体の間の分離を生じさせるのに十分な温度より高い温度における、ウエハ／補剛材集成体の熱処理工程、が施される。高温工程のため、このプロセスは低コストのガラス基板またはガラス−セラミック基板には適用できない。
【０００７】
ＳＯＩ構造の商業ベースの実用化にとってコストは重要な要件である。上述した方法及び構造のコストのかなりの部分は、酸化物層を支持する、表面にＳｉ薄膜があるシリコンウエハのコストであった。すなわち、コストの大部分は支持基板のコストであった。支持基板としての石英の使用が様々な特許文献に述べられているが(特許文献２，３，４，５，６及び７を参照のこと)、石英自体が比較的高価な材料である。支持基板の議論において、上記文献のいくつかに、石英ガラス、ガラス及びガラス−セラミックが述べられている。これらの文献に挙げられているその他の支持基板材料には、ダイアモンド、サファイア、炭化シリコン、窒化シリコン、セラミック、金属及びプラスチックがある。
【０００８】
特許文献８はＳＯＧ構造を作成するプロセスを開示している。工程には、(ｉ)接合表面を形成するためにシリコンウエハ表面を水素イオン注入にさらす工程、(ii)ウエハの接合表面をガラス基板と接触させる工程、(iii)ウエハとガラス基板の間の接合を容易にするためにウエハ及びガラス基板に圧力、温度及び電圧を印加する工程、及び(iv)シリコンウエハからのガラス基板及びシリコン薄層の分離を容易にするために構造を共通の温度まで冷却する工程がある。
【０００９】
特許文献８に開示されているＳＯＧ構造作成におけるかなりのコスト(そしておそらくは最大コスト要素)はイオン注入工程中にかかる。特許文献８に開示されているイオン注入ドーズ量は約５〜８×１０１６イオン/ｃｍ２の範囲にある。この注入ドーズ量は高品質ＳＯＧ構造をもたらすと考えられるが、本発明の様々な実施形態にしたがってイオン注入プロセスを操作することにより、ＳＯＧ構造を作成するためのコストをかなり(おそらくは７５〜８０％も)低減できることが見いだされた。さらに、イオン注入プロセスを調整することによって処理スループットにかなりの改善を達成できると考えられる。
【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６１４０２０９号明細書
【特許文献３】米国特許第６２１１０４１号明細書
【特許文献４】米国特許第６３０９９５０号明細書
【特許文献５】米国特許第６３２３１０８号明細書
【特許文献６】米国特許第６３３５２３１号明細書
【特許文献７】米国特許第６３９１７４０号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／０２２９４４４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがえば、ガラス上半導体構造を形成する方法及び装置は、ｎ型(donor)半導体ウエハに表面剥離層を形成するための複数のイオン注入プロセスをｎ型半導体ウエハの注入表面に施す工程を含み、複数のイオン注入プロセスの内の少なくとも２つの、イオンの種類、ドーズ量及び／または注入エネルギーの内の少なくとも１つが互いに異なる。
【００１１】
本発明の別の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがえば、ガラス上半導体構造を形成する方法及び装置は、ｎ型半導体ウエハ内の表面剥離層の形成を開始するための第１のイオン注入プロセスをｎ型半導体ウエハの注入表面に施す工程、少なくとも１つの第２のイオン注入プロセスをｎ型半導体ウエハの注入表面に施す工程及び電解を用いて表面剥離層の注入表面をガラス基板に接合する工程を含み、第２のイオン注入プロセスの、イオンの種類、ドーズ量及び／または注入エネルギーの内の少なくとも１つが第１のイオン注入プロセスと異なる。
【００１２】
ｎ型半導体ウエハは、シリコン(Ｓｉ)，ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)，炭化シリコン(ＳｉＣ)，ゲルマニウム(Ｇｅ)，ガリウムヒ素(ＧａＡｓ)，ＧａＰ及びＩｎＰからなる群から選ぶことができる。
【００１３】
第１及び第２のイオン注入プロセスの一方には、ｎ型半導体のウエハ注入表面の下に弱化された領域を形成するための水素イオン注入を注入表面に施す工程を含めることができる。水素イオン注入は約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲のドーズ量で行うことができる。例えば水素イオン注入は約５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行うことができる。水素イオン注入は約２５〜１５０ｋｅＶの範囲の注入エネルギーで行うことができる。例えば水素イオン注入は約１００ｋｅＶまたは約７０ｋｅＶの注入エネルギーで行うことができる。
【００１４】
第１及び第２のイオン注入プロセスの他方には、注入表面の下にさらに弱化された領域を形成するためのヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つを注入表面に施す工程を含めることができる。
【００１５】
ヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つは約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲のドーズ量で行うことができる。例えばヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つは約７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行うことができる。ヘリウムイオン注入及びホウ素イオン注入の内の少なくとも１つは約２５〜１５０ｋｅＶの範囲の注入エネルギーで行うことができる。例えば注入エネルギーは約６５ｋｅＶまたは約４０ｋｅＶとすることができる。
【００１６】
第１のイオン注入プロセスと少なくとも１つの第２のイオン注入プロセスの総ドーズ量は約１０〜２０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲とすることができ、約１２.５×１０１５イオン/ｃｍ２とすることができる。
【００１７】
一実施形態において、接合する工程は、ガラス基板及びｎ型半導体ウエハの内の少なくとも１つを加熱する工程、表面剥離層を介してｎ型半導体ウエハにガラス基板を直接または間接に接触させる工程、及び接合を誘起するためにガラス基板及びｎ型半導体ウエハにかけて電圧を印加する工程を含むことができる。ガラス基板及びｎ型半導体ウエハの温度はガラス基板のひずみ点の±約１５０℃の範囲内まで高めることができる。ガラス基板及び半導体ウエハの温度は相異なるレベルまで高めることができる。ガラス基板及びｎ型半導体ウエハにかかる電圧は約１００〜２０００Ｖの範囲とすることができる。実質的に表面剥離層で破断がおこるように、接合されたガラス基板、表面剥離層及びｎ型半導体ウエハを冷却することによって応力を誘起することができる。
【００１８】
当業者には、本明細書の発明の説明を添付図面とともに読めば、その他の態様、特徴、利点等が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の様々な態様の説明の目的のため、現在好ましい形態が図面に示されるが、図示される精確な構成及び手段に本発明が限定されないことは当然である。
【００２０】
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つまたはそれより多くの実施形態にしたがうＳＯＧ構造１００が図１に示されている。ＳＯＧ構造１００はガラス基板１００及び半導体層１０４を有することができる。ＳＯＧ構造１００には、例えば、有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)ディスプレイ及び液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)を含むディスプレイ用途、集積回路、光電素子等のための、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)の作成に関連する、適する用途がある。
【００２１】
層１０４の半導体材料は、実質的に単結晶の材料の形態とすることができる。「実質的に」という用語は、半導体材料が通常は、格子欠陥またはいくつかの結晶粒界のような、固有のまたは故意に与えられた少なくともいくつかの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層１０４の説明に用いられる。「実質的に」という用語は、いくつかのドーパントがバルク半導体の結晶構造を歪ませるかまたは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。
【００２２】
議論の目的のため、半導体層１０４はシリコンで形成されると想定する。しかし、半導体材料を、シリコンベース半導体または、III-Ｖ族，II-IV族，II-IV-Ｖ族等の半導体などの、その他のタイプの半導体とし得ることは当然である。これらの材料の例には、シリコン(Ｓｉ)，ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)，炭化シリコン(ＳｉＣ)，ゲルマニウム(Ｇｅ)，ガリウムヒ素(ＧａＡｓ)，ＧａＰ及びＩｎＰがある。
【００２３】
ガラス基板１０２は酸化物ガラスまたは酸化物ガラス−セラミックで形成することができる。必要ではないが、本明細書で説明される実施形態は約１０００℃より低いひずみ点を示す酸化物ガラスまたはガラス−セラミックを有することができる。ガラス作成技術では通常であるように、ひずみ点はガラスまたはガラス−セラミックが１０１４.６ポアズ(１０１３.６Ｐａ・秒)の粘度を有する温度である。酸化物ガラスと酸化物ガラス−セラミックの間では、ガラスのほうが製造が簡単であるという利点を有し得るので、ガラスがより広く利用され、より低コストになる。
【００２４】
例として、ガラス基板１０２は、コーニング社ガラス組成 No. 1737またはコーニング社ガラス組成 No. EAGLE 2000(商標)で作成された基板などの、アルカリ土類イオンを含有するガラス基板で形成することができる。これらのガラスは特に、例えば、液晶ディスプレイの製造に用いられる。
【００２５】
ガラス基板の厚さは約０.１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲、例えば約０.５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲とすることができる。いくつかのＳＯＩ構造に対しては、厚さが約１μｍ以上の絶縁層が、例えば、シリコン/二酸化シリコン/シリコン構造を有する標準的ＳＯＩ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回避するために、望ましい。以前は、そのような厚さを達成することが困難であった。本発明にしたがえば、約１μｍより厚い絶縁層を有するＳＯＩ構造が、単に厚さが約１μｍ以上のガラス基板１０２を用いることによって、容易に達成される。ガラス基板１０２の厚さの下限は約１μｍとすることができる。
【００２６】
一般に、ガラス基板１０２は、本発明のプロセス工程を通じ、またＳＯＧ構造１００に実施される以降の処理も通じて、半導体層１０４を支持するに十分な厚さとするべきである。ガラス基板１０２の厚さに関する理論的上限はないが、支持機能に必要であるかまたは最終のＳＯＧ構造１００の望ましい厚さをこえる厚さは、ガラス基板１０２が厚くなるほどＳＯＧ構造１００の形成におけるプロセス工程の少なくともいくつかを達成することが一層困難になるから、有利にははたらかないであろう。
【００２７】
酸化物ガラスまたは酸化物ガラス−セラミックの基板１０２はシリカベース基板とすることができる。すなわち、酸化物ガラスまたは酸化物ガラス−セラミック内のＳｉＯ２のモルパーセントは３０モル％より大きくすることができ、４０モル％より大きくすることができる。ガラス−セラミックの場合、結晶相は、ムライト、コージェライト、アノーサイト、スピネル、またはガラス−セラミックについて技術上既知のその他の結晶相であり得る。非シリカベースのガラス及びガラス−セラミックは本発明の１つまたはそれより多くの実施形態の実用化に用いることができるが、コストが高く、及び／または性能特性が劣ることから、一般にそれほど有利ではない。同様に、いくつかの応用、例えばシリコンベースではない半導体材料を用いるＳＯＩ構造については、酸化物ベースではないガラス基板、例えば非酸化物ガラスが望ましいことがあり得るが、コストが高くなることから、一般には有利ではない。以下でさらに詳細に論じるように、１つまたはそれより多くの実施形態において、ガラスまたはガラス−セラミックの基板１０２は、それに接合される層１０４の１つまたはそれより多くの半導体材料(例えば、シリコン、ゲルマニウム等)と熱膨張係数(ＣＴＥ)が一致するように選ばれる。ＣＴＥの一致により被着プロセスの加熱サイクル中に望ましい機械的特性が保証される。
【００２８】
いくつかの用途、例えばディスプレイ用途に対して、ガラスまたはガラスセラミックの基板１０２は、可視、近ＵＶ(紫外)及び／またはＩＲ(赤外)波長範囲において透明とすることができる。例えば、ガラスまたはガラス−セラミックの基板１０２は３５０ｎｍ〜２μｍの波長範囲で透明とすることができる。
【００２９】
ガラス基板１０２は単一のガラスまたはガラス−セラミックからなることができるが、望ましければ積層構造を用いることができる。積層構造が用いられる場合、積層の半導体層１０４に密接する層は単一のガラスまたはガラス−セラミックからなるガラス基板１０２について本明細書で論じる特性を有することができる。半導体層１０４に接することはない層もそのような特性を有することができるが、そのような層は半導体層１０４と直接相互作用することはないから、緩和された特性を有することができる。後者の場合、ガラス基板１０２について指定される特性がもはや満たされなくなったときに、ガラス基板１０２は終端したと見なされる。
【００３０】
次に図２〜７を参照する。図２は図１のＳＯＧ構造１００(及び／または本明細書に開示されるその他の実施形態)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し、図３〜７は図２のプロセスの実行時に形成され得る中間構造を示す。初めに図２及び３を見ると、工程２０２において、ガラスまたはガラス−セラミックの基板１０２への接合に適する比較的平坦で一様な注入表面１２１を形成するために、例えば、研磨、洗浄等によって、ｎ型半導体ウエハ１２０の注入表面１２１が作成される。議論の目的のため、半導体ウエハ１２０は実質的に単結晶のＳｉウエハとすることができるが、上で論じたように、その他のいずれか適する半導体材料を用いることができる。
【００３１】
工程２０４〜２０６において、ｎ型半導体ウエハ１２０の注入表面１２１の下に弱化された領域を形成するための複数のイオン注入プロセスを注入表面１２１に施すことによって表面剥離層１２２が形成される。工程２０４において、ｎ型半導体ウエハ１２０における表面剥離層１２２の形成を開始するための第１のイオン注入プロセスがｎ型半導体ウエハ１２０の注入表面１２１に施される。工程２０６において、表面剥離層１２２の形成を完了するための少なくとも１つの第２のイオン注入プロセスが注入表面１２１に施される。第２のイオン注入プロセスの、(ｉ)イオンの種類、(ii)ドーズ量及び(iii)注入エネルギーの内の少なくとも１つを第１のイオン注入プロセスと異ならせることができる。
【００３２】
１つまたはそれより多くの実施形態において、初めに工程２０４において注入表面１２１に水素イオン注入を施すことができる(図３)。初めの水素イオン注入工程のドーズ量は約２〜５×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲とすることができ、約５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量が可能である。このドーズ量は、例えば特許文献８に開示されているイオン注入ドーズ量よりかなり少ないことに注目されたい。初めの水素イオン注入工程の注入エネルギーは約２５〜１５０ｋｅＶの範囲とすることができ、例えば約１００ｋｅＶの注入エネルギーとすることができる。次いで工程２０６において、注入表面１２１にヘリウムイオン注入を施すことができる(図４)。例えば、ヘリウムイオン注入工程のドーズ量は約２〜１０×１０１５イオン/ｃｍ２の範囲とすることができ、約７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量も可能である。ここでも、このドーズ量は、例えば特許文献８に開示されているイオン注入ドーズ量よりかなり少ない。後続ヘリウムイオン注入工程の注入エネルギーも約２５〜１５０ｋｅＶの範囲とすることができ、例えば約６５ｋｅＶの注入エネルギーとすることができる。
【００３３】
議論のために、表面剥離層１２２の作成に２つのイオン注入プロセスだけが行われると想定すれば、総ドーズ量は第１及び第２のイオン注入プロセスのそれぞれのドーズ量の和である。したがって、例えば、第１の水素イオンのイオン注入が約５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行われ、続いて第２のヘリウムイオンのイオン注入が約７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量で行われれば、総ドーズ量は約１２.５×１０１５イオン/ｃｍ２になるであろう。約１２.５×１０１５イオン/ｃｍ２の総ドーズ量は特許文献８に開示されているイオン注入ドーズ量の約１/４であることに注目されたい。
【００３４】
水素イオン注入工程とヘリウムイオン注入工程の順序を逆にすることによって本発明の別の実施形態を達成できると考えられる。さらに、それぞれの注入工程中に、ホウ素、水素、ヘリウム等などの、既知の種類のイオンのいずれを用いてもよいと考えられる。したがって、対をなすイオン注入工程には、ヘリウム＋水素、ホウ素＋水素、ホウ素＋ヘリウム、あるいは本発明の精神及び範囲を逸脱することのないその他のイオンの組合せを含めることができる。さらにまた、２つのイオン注入工程で可能であるが、３つまたはそれより多くのイオン注入工程を用いて表面剥離層１２２の形成を完了させることができる。
【００３５】
工程２０８において、ｎ型半導体基板１２０に、例えば、注入表面１２１上の水素イオン濃度を下げるための処理を行うことができる。例えば、ｎ型半導体基板１２０を洗浄し、表面剥離層１２２の注入表面１２１を軽く酸化することができる。軽い酸化処理には、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、及び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は酸化されて水酸基になり、水酸基はまたシリコンウエハ表面を親水性にする。酸素プラズマ処理は室温で行うことができ、アンモニア処理または酸処理は２５〜１５０℃の範囲の温度で行うことができる。
【００３６】
図２及び５を参照すれば、工程２１０においてガラス基板１０２を、電解プロセスを用いて表面剥離層１２２に接合することができる。適する電解接合プロセスは特許文献８に説明されており、特許文献８の全開示は本明細書に参照として含まれる。以下でこのプロセスの一部を論じる。接合プロセスにおいて、ガラス基板１０２(及び、既に行われていなければ、表面剥離層１２２)の適切な表面洗浄を行うことができる。その後、図５に簡略に示されている構成を達成するために中間構造をガラス基板１０２に直接または間接に接触させる。接触前または接触後に、ｎ型半導体ウエハ１２０，表面剥離層１２２及びガラス基板１０２からなる構造を差別的温度勾配の下で加熱する。ガラス基板１０２はｎ型半導体ウエハ１２０及び表面剥離層１２２より高い温度まで加熱することができる。例として、ガラス基板１０２とｎ型半導体ウエハ１２０(及び表面剥離層１２２)の間の温度差は少なくとも１℃とされるが、この差は約１００℃〜約１５０℃と高くすることができる。この温度差は、後の熱応力による半導体ウエハ１２０からの表面剥離層１２２の分離が容易になることから、ｎ型半導体ウエハ１２０の熱膨張係数(ＣＴＥ)に一致する(シリコンのＣＴＥに一致するような)ＣＴＥを有するガラスについて望ましい。
【００３７】
ガラス基板１０２とｎ型半導体ウエハ１２０の間の温度差が安定すると、中間集成体に機械的圧力が印加される。圧力範囲は約１〜約５０ｐｓｉ(約６.８９×１０３〜約３.４５×１０５Ｐａ)とすることができる。より高い圧力、例えば１００ｐｓｉ(約６.８９×１０５Ｐａ)より高い圧力の印加はガラス基板１０２の破壊を引きおこしかねない。
【００３８】
ガラス基板１０２及びｎ型半導体ウエハ１２０にはガラス基板１０２のひずみ点の約±１５０℃の範囲内の温度をかけることができる。
【００３９】
次いで、中間集成体にかけて、例えば、ｎ型半導体ウエハ１２０を正極とし、ガラス基板１０２を負極として、電圧を印加する。電圧の印加により、ガラス基板１０２内のアルカリイオンまたはアルカリ土類イオンが半導体/ガラス界面から離れてガラス基板１０２内に移動する。これにより２つの機能、(ｉ)アルカリイオンまたはアルカリ土類イオンが存在しない界面の形成、及び(ii)ガラス基板１０２の反応性の強化及び比較的低い温度における熱の印加によるｎ型半導体ウエハ１２０の表面剥離層１２２への強い接合が達成される。
【００４０】
図２及び６を参照すれば、中間集成体を上記条件の下にある時間(例えばほぼ１時間ないしそれ以下)保持した後の工程２１２において、電圧を取り去り、中間集成体を室温まで冷却させる。次いでｎ型半導体ウエハ１２０とガラス基板１０２を分離させる。分離には、既に完全に離れていなければ、ガラス基板１０２に接合されたｎ型半導体ウエハ１２０の半導体材料で形成された比較的薄い表面剥離層１２２をもつガラス基板１０２を得るための、若干の剥がし作業が含まれ得る。分離は、熱応力による表面剥離層１２２の破断によって達成することができる。あるいはまたはさらに、分離を容易にするために、ウオータージェット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。
【００４１】
図６に示されるように、分離後、得られた構造はガラス基板１０２及びガラス基板１０２に接合された半導体材料の表面剥離層１２２を有することができる。工程２１４において、いかなる不要なまたは粗い半導体材料も、図７に示されるようなガラス基板１０２上の半導体層１０４を得るための技術上既知の薄化及び／または研磨手法、例えばＣＭＰ(化学的／機械的研磨)またはその他の手法によって、表面１２３から除去することができる。上で論じたように、得られる半導体層１０４は単結晶シリコン材料の層とすることができる。
【００４２】
ｎ型半導体ウエハ１２０は続けて別のＳＯＧ構造１００を作成するために再使用できることに注意されたい。
【００４３】
表面剥離層１２２の形成中の総イオン注入ドーズ量の低減により、ＳＯＧ１００の作成コストを低減することができ、作成プロセスのスループットを高めることもできる点が有利である。
【実施例１】
【００４４】
直径１００ｍｍ及び厚さ１００μｍのｎ型シリコンウエハに５×１０１５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、ｎ型シリコンウエハに７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量及び６５ｋｅＶの注入エネルギーでヘリウムイオンを注入した。次いで、ｎ型シリコンウエハを酸素プラズマで処理して表面基を酸化した。次いで、直径１００ｍｍのEAGLEガラスウエハを超音波浴内で(Fischer Scientific Contrad 70洗剤を用いて)１５分間洗浄し、蒸留水超音波浴で１５分間洗浄し、１０％硝酸で洗浄し、最後に蒸留水超音波浴で洗浄した。次いで、ｎ型シリコンウエハ及びガラスウエハの両者を蒸留水を用いてスピン洗浄／乾燥機で洗浄した。次いで、ｎ型シリコンウエハ及びガラスウエハを、Suess MicroTec SB6のような、適するボンダーに挿入した。ガラスウエハを負電極上におき、ｎ型シリコンウエハを正電極上においた。２枚のウエハを接触させ、次いで(ｎ型シリコンウエハにおいて)５２５℃及び(ガラスウエハにおいて)５７５℃に真空中で加熱した。１５７０Ｖの電圧をウエハ表面にかけて２０分間印加し、２０分経過後に電圧をゼロにしてウエハを室温まで冷却した。ｎ型シリコンウエハとガラスウエハは容易に分離できた。このプロセスにより、ガラスウエハ上の強固に密着した薄い(５００ｎｍ)シリコン層をもつ、優れた品質の試料が得られた。目視検査及び接合面での構造の引離し試験で接合の品質を決定した。
【００４５】
図８は上記実施例によって作成したＳＯＧ構造のＴＯＦ-ＳＩＭＳ(飛行時間−二次イオン質量スペクトル)分析のグラフ表示である。
【実施例２】
【００４６】
ｎ型シリコンウエハに５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量及び７０ｋｅＶの注入エネルギーで水素イオンを注入したことを除き、実施例１の実験を繰り返した。次いで、ｎ型シリコンウエハに７.５×１０１５イオン/ｃｍ２のドーズ量及び４０ｋｅＶの注入エネルギーでヘリウムイオンを注入した。残りのプロセス工程は実質的に実施例１と同じとした。得られたＳＯＧ構造では、３９０ｎｍのシリコン層がガラス基板に接合されていた。目視検査及び接合面での構造の引離し試験で接合の品質を決定した。
【００４７】
本明細書では本発明を特定の実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態が本発明の原理及び応用の例示に過ぎないことは当然である。したがって、例示実施形態に数多くの改変がなされ得ること及び添付される特許請求の範囲で定められるような本発明の精神及び範囲を逸脱することなくその他の構成が案出され得ることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがうＳＯＧデバイスの構造を示すブロック図である
【図２】図１のＳＯＧ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フローチャートである
【図３】図２のプロセスを用いて形成される中間構造を示すブロック図である
【図４】図２のプロセスを用いて形成される中間構造を示すブロック図である
【図５】図２のプロセスを用いて形成される中間構造を示すブロック図である
【図６】図２のプロセスを用いて形成される中間構造を示すブロック図である
【図７】図２のプロセスを用いて形成される最終構造を示すブロック図である
【図８】図２のプロセスにしたがって作成された例示的ＳＯＧ構造のＴＯＦ−ＳＩＭＳ分析のグラフ表示である
【符号の説明】
【００４９】
１００    ＳＯＧ構造
１０２    ガラス基板
１０４    半導体層
１２０    ｎ型半導体ウエハ
１２１    注入表面
１２２    表面剥離層
【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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【外国語明細書】
2007184581000001.pdf