JP5284576B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低融点物質からなる基板上にシリコン薄膜を有する半導体基板の製造方法に関する。

シリコン薄膜、特に、単結晶シリコン薄膜を他の材料の基板上に形成（転写）する技術は、いわゆる「貼り合わせ技術」として知られている。例えば、低融点の有機物薄膜（フィルム）上にシリコン薄膜を形成すれば、曲面にも応用が可能な「フレキシブルデバイス」への応用が可能であるために近年注目を浴びている技術である。その他にも、低融点物質（例えば、低融点ガラス等）の基板上に単結晶シリコン薄膜を複合化する技術も、石英ガラスなどを用いる場合に比較して材料のコスト低減が可能であるために、注目されている技術のひとつである。

従来より、半導体基板を貼り合わせ法で製造するための方法として、SmartCut法（SOITEC法）が知られている。このうち、SmartCut法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入して「水素ブリスタ」と呼ばれる「気泡」を高密度で発生させたシリコン基板と、支持基板とを貼り合わせ、５００℃以上の比較的高温の熱処理を施して「水素ブリスタ」を「成長」させ、この「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を熱剥離することで半導体基板を得る方法である（例えば、特許文献１や非特許文献１）。

特許第３０４８２０１号公報 A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106).

しかし、これらの低融点物質への単結晶シリコン薄膜（この単結晶シリコン薄膜はデバイス形成されたものであってもよい）を他の基板上に複合化することは、通常は非常に困難である。その理由は、SmartCut法などの従来の手法では、シリコン薄膜の転写には高温プロセス（５００℃以上）が必須であり、この温度領域では低融点物質は融解してしまうためである。有機材料フィルムや低融点ガラス等の低融点物質の支持基板にシリコン薄膜を転写するためには、支持基板の融解を回避するために、転写に伴うプロセスの最高温度を２５０℃程度にまで下げる必要がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、プラスチックや低融点ガラスなどの低融点物質上に高品質なシリコン薄膜を備えたフレキシブルデバイス用基板やＳＯＩ基板などの半導体基板を、簡便で且つ低コストで製造可能とする手法を提供することにある。

本発明は、このような課題を解決するために、本発明の半導体基板の製造方法は、シリコン基板の主面側に１．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上のドーズ量で水素イオンを注入する第１のステップと、前記シリコン基板の主面と低融点物質の支持基板の主面を貼り合わせる第２のステップと、前記貼り合わせた基板を１２０℃以上であって前記支持基板の融点を超えない２５０℃以下の温度で熱処理する第３のステップと、前記熱処理後の貼り合せ基板の前記シリコン基板の水素イオン注入界面に沿ってシリコン結晶膜を剥離して前記支持基板の表面上にシリコン薄膜を形成する第４のステップとを備えている（請求項１）。

前記支持基板が無機材料からなる場合には、前記第２のステップの貼り合わせは、前記シリコン基板の主面及び前記支持基板の主面の少なくとも一方にプラズマ処理又はオゾン処理による表面活性化処理を施して実行されることが好ましい（請求項２）。前記支持基板は、例えば、融点５００℃以下の低融点ガラスである（請求項３）。

また、前記支持基板が有機材料からなる場合には、前記第２のステップの貼り合わせは、前記シリコン基板の主面と前記支持基板の主面同士を接着剤の塗布により実行されることが好ましい（請求項４）。前記支持基板は、例えば、プラスチックである（請求項５）。

前記貼り合わせを接着剤で行う場合には、前記接着剤としてシリコーンオイルを用いることが好ましい（請求項６）。

前記第４のステップは、例えば、前記シリコン基板端部の水素イオン注入領域に機械的衝撃を付与することにより実行される（請求項７）。

本発明によれば、水素イオン注入量と熱処理温度の適正化を図ることにより、２５０℃以下という低温プロセスでのシリコン薄膜の剥離を可能としたので、低融点物質の基板上にも高品質なシリコン薄膜を転写可能となり、石英ガラス上にシリコン薄膜を転写させたＳＯＩ基板に比較して、安価なＳＯＩ基板を提供することが可能となる。

また、このような低融点基板としてプラスチックフィルムなどのフレキシブル基板を用いることとしたので、フレキシブルデバイス用基板の提供も可能となる。

以下に、実施例により、本発明の実施の形態について説明する。

本実施例では、低融点物質からなる無機材料基板として、低融点ガラスを用いている。ここで、「低融点物質」とは、その融点が概ね５００℃程度以下の物質を意味する。

図１は、本実施例の半導体基板の製造方法のプロセス例を説明するための図で、図１（Ａ）に図示されたシリコン基板１０は単結晶Ｓｉ基板である。ここで、単結晶Ｓｉ基板１０は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキ法）により育成された一般に市販されているＳｉ基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造される半導体基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。また、この単結晶Ｓｉ基板１０はその表面（貼り合せ面）に予め酸化膜が形成された状態のものであってもよい。

先ず、単結晶Ｓｉ基１０の表面（主面）に水素イオンを注入し、水素イオン注入層（イオン注入ダメージ層）１１を形成する。この水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に「水素イオン注入界面」１２が形成され、当該領域には、局在する「微小気泡層」が形成される（図１（Ａ））。この水素イオン注入界面１２が後の「接合面（貼り合せ面）」となる。

本発明においては、水素のイオン注入量（ドーズ量）を従来法であるSmartCut法で採用されている値に比較して高く設定し、ドーズ量１．５×１０１⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上とする。このようなドーズ量選択をなした理由は、低温プロセスでシリコン薄膜剥離を行うために、貼り合わせ界面近傍（剥離界面）における注入水素イオン濃度を高くするためである。

なお、従来、SmartCut法で半導体基板を作製する場合には、水素イオンのドーズ量が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²を越えるとその後に得られるＳＯＩ層の表面荒れが生じるとされ、７×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²程度のドーズ量に設定するのが一般的であった。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、従来法において生じる上記イオン注入条件で生じるＳＯＩ層の表面荒れの原因は、水素イオンのドーズ量そのものではなく、シリコン薄膜を剥離してＳＯＩ層を得るために採用されている比較的高温（例えば５００℃）の熱処理工程にあることが明らかとなった。

上述したように、SmartCut法でＳＯＩ基板を作製する際には、シリコン基板の貼り合せ面側に水素イオンを注入して「水素ブリスタ」と呼ばれる「気泡」を高密度で発生させ、比較的高温の熱処理により生じる「水素ブリスタ」の「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を熱剥離している。ここで、「気泡成長」は水素原子の拡散現象に他ならないから、高ドーズ条件で形成されることとなる極めて高密度の「気泡」が「成長」する過程においては水素原子の拡散が顕著に生じていることとなる。そして、このような原子拡散現象がＳＯＩ層の表面荒れを生じさせることとなるとの解釈が可能である。

したがって、シリコン薄膜の低温での剥離を可能とすれば、当該剥離処理工程中での水素原子の拡散は著しく抑制されることとなり、高いドーズ量の水素イオン注入を施したとしても剥離されて得られるシリコン膜の表面荒れを生じさせることはないはずである。

本発明者らはこのような仮設に立ち、種々のドーズ量で水素イオン注入を施して剥離シリコン膜の表面荒れへの影響を調査したが、後述する低温剥離工程を採用する限り、少なくとも４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²までのドーズ量での表面荒れは認められなかった。

イオン注入層１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）はイオン注入時の加速電圧により制御され、どの程度の厚さのシリコン膜を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば、平均イオン注入深さＬを０．５μｍ以下とし、加速電圧５０〜１００ｋｅＶなどとする。なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。

このようにして水素イオンによる注入ダメージ層１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０と低融点ガラス基板２０を貼り合わせる（図１（Ｂ））。なお、これらの基板直径は概ね同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、低融点ガラス基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。

この貼り合わせは、シリコーンオイルなどの接着剤を用いて行うこととしてもよいが、本実施例では、単結晶Ｓｉ基板１０と低融点ガラス基板２０のそれぞれの接合面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施すことで行っている。この表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものであり、単結晶Ｓｉ基板１０と低融点ガラス基板２０の双方の接合面に処理を施す必要は必ずしもなく、何れか一方の接合面にのみ施すこととしてもよい。

この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または低融点ガラス基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、単結晶Ｓｉ基板の表面処理用として、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがあり、単結晶Ｓｉ基板の表面状態や目的などにより適宜変更され得る。

また、当該表面処理が単結晶Ｓｉ表面を酸化させることをも目的とするような場合には、少なくとも酸素ガスを含有するものをプラズマ用ガスとして用いる。なお、低融点ガラス基板はその表面が酸化状態にあるため、このようなプラズマ用ガス種の選定に特別な制限はない。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または低融点ガラス基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。

表面処理をオゾン処理で実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または低融点ガラス基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または低融点ガラス基板の表面に所定の時間の処理が施される。

このような表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と低融点ガラス基板２０の表面を接合面として密着させて貼り合わせると、両基板の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。

これに続いて、貼り合わせた状態の基板を１２０℃以上２５０℃以下（但し、支持基板の融点を超えない温度）の比較的低い温度で加熱する。この処理温度の上限を２５０℃としたのは支持基板の融解を避けるためであり、下限を１２０℃としたのは、これ以下の温度では、注入された水素の凝集等によるＳｉ−Ｓｉ結合の乖離等が充分に促進されず、イオン注入界面１２の機械的強度が充分に弱まらないためである。

これに続いて、外部衝撃を付与することで、熱処理後の貼り合せ基板の単結晶Ｓｉ基板１０の水素イオン注入界面１２に沿ってＳｉ結晶膜を剥離する（図１（Ｃ））。この熱処理は、注入ダメージ層１１内のＳｉ原子の化学結合を弱化させて機械的強度を低下させることを目的とするものである。そして、得られたシリコン薄膜１３の表面を研磨等してダメージを除去して半導体基板が得られる（図１（Ｄ））。

ここで、シリコン薄膜の剥離のための外部からの衝撃付与の手法としては種々のものがあり得るが、例えば、単結晶Ｓｉ基板端部の水素イオン注入領域（水素イオン注入界面近傍）に機械的衝撃を付与するなどがある。１２０〜２５０℃の上記熱処理により注入ダメージ層１１内のＳｉ原子の化学結合は既に弱化しているため、何れの手法を採用するにしてもその衝撃レベルは従来法に比較して著しく低いもので十分である。したがって、シリコン薄膜の機械的剥離によるダメージの導入は回避されることとなる。

本実施例では、低融点物質からなる有機材料基板として、比較的薄いプラスチックの基板（フレキシブル基板）を用いている。

図２は、本実施例の半導体基板の製造方法のプロセス例を説明するための図で、図２（Ａ）に図示されたシリコン基板１０（単結晶シリコン基板）に、実施例１同様の水素イオン注入を施す。

このようにして水素イオンによる注入ダメージ層１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０とプラスチック基板３０を貼り合わせる（図２（Ｂ））。なお、本実施例では、この貼り合わせを、単結晶Ｓｉ基板１０とプラスチック基板３０の貼り合わせ面に接着剤を塗布することにより実行している。また、これらの基板直径は概ね同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、プラスチック基板３０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。

これに続いて、貼り合わせた状態の基板を１２０℃以上２５０℃以下（但し、支持基板の融点を超えない温度）の比較的低い温度で加熱し、さらに、外部衝撃を付与することで、熱処理後の貼り合せ基板の単結晶Ｓｉ基板１０の水素イオン注入界面１２に沿ってＳｉ結晶膜を剥離する（図２（Ｃ））。そして、得られたシリコン薄膜１３の表面を研磨等してダメージを除去して半導体基板が得られる（図２（Ｄ））。

なお、図２（Ｃ）に示した符号４０は、真空チャックステージであり、剥離時にプラスチック基板３０が湾曲することを防止するためのものである。

本発明によれば、低融点の基板上にシリコン薄膜を転写することが可能となる。その結果、安価なＳＯＩ基板やフレキシブルデバイス用基板の提供が可能となる。

本発明の半導体基板の製造プロセスの第１例を説明するための図である。 本発明の半導体基板の製造プロセスの第２例を説明するための図である。

符号の説明

１０ Ｓｉ基板
１１ 注入ダメージ層
１２ イオン注入界面
１３ シリコン薄膜
２０ 低融点ガラス基板
３０ プラスチック基板
４０ 真空チャックステージ

Claims (4)

1. 半導体基板の製造方法であって、シリコン基板の主面側に１．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上で４×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下のドーズ量で水素イオンを注入する第１のステップと、前記シリコン基板の主面と融点５００℃以下の低融点ガラスからなる支持基板の主面を貼り合わせる第２のステップと、前記貼り合わせた基板を１２０℃以上であって前記支持基板の融点を超えない２５０℃以下の温度で熱処理して前記水素イオンの注入により形成されたダメージ層内のシリコン原子同士の結合を弱化させる第３のステップと、前記熱処理後の貼り合せ基板の前記シリコン基板の水素イオン注入界面に沿ってシリコン結晶膜を剥離して前記支持基板の表面上にシリコン薄膜を形成する第４のステップとを備え、
   前記第２のステップの貼り合わせは、前記シリコン基板の主面及び前記支持基板の主面の少なくとも一方にプラズマ処理又はオゾン処理による表面活性化処理を施して実行され、
   前記第４のステップは、前記シリコン基板端部の水素イオン注入領域に機械的衝撃を付与することにより実行される、半導体基板の製造方法。
2. 半導体基板の製造方法であって、シリコン基板の主面側に１．５×１０ ¹⁷ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以上で４×１０ ¹⁷ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以下のドーズ量で水素イオンを注入する第１のステップと、前記シリコン基板の主面と有機材料からなる支持基板の主面を貼り合わせる第２のステップと、前記貼り合わせた基板を１２０℃以上であって前記支持基板の融点を超えない２５０℃以下の温度で熱処理して前記水素イオンの注入により形成されたダメージ層内のシリコン原子同士の結合を弱化させる第３のステップと、前記熱処理後の貼り合せ基板の前記シリコン基板の水素イオン注入界面に沿ってシリコン結晶膜を剥離して前記支持基板の表面上にシリコン薄膜を形成する第４のステップとを備え、
   前記第２のステップの貼り合わせは、前記シリコン基板の主面と前記支持基板の主面同士を接着剤の塗布により実行され、
   前記第４のステップは、前記シリコン基板端部の水素イオン注入領域に機械的衝撃を付与することにより実行される、半導体基板の製造方法。
3. 前記支持基板がプラスチックであることを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
4. 前記接着剤が、シリコーンオイルである請求項２又は３に記載の半導体基板の製造方法。

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