JP2910001B2

JP2910001B2 - 半導体基材及びその作製方法

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Publication number: JP2910001B2
Application number: JP3846092A
Authority: JP
Inventors: 信彦佐藤; 清文坂口; 隆夫米原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH05217823A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基材及びその作
製方法に関し、特に、誘電体分離あるいは、絶縁物上の
単結晶半導体層に作成された電子デバイス、集積回路に
適する光透過性半導体基材及びその作製方法に好適に用
いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】絶縁物上の単結晶Ｓｉ半導体層の形成
は、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）技術
として広く知られ、通常のＳｉ集積回路を作製するバル
クＳｉ基板では到達しえない数々の優位点をＳＯＩ技術
を利用したデバイスが有することから多くの研究が成さ
れてきた。すなわち、ＳＯＩ技術を利用することで、．誘電体分離が容易で高集積化が可能、．対放射線耐性に優れている、．浮遊容量が低減され高速化が可能、．ウエル工程が省略できる、．ラッチアップを防止できる、．薄膜化による完全空乏型電界効果トランジスタが可
能、等の優位点が得られる。

【０００３】上記したようなデバイス特性上の多くの利
点を実現するために、ここ数十年に渡り、ＳＯＩ構造の
形成方法について研究されてきている。この内容は、例
えば、ＳｐｅｃｉａｌＩｓｓｕｅ：“Ｓｉｎｇｌｅ−
ｃｒｙｓｔａｌｓｉｌｉｃｏｎｏｎｎｏｎ−ｓｉ
ｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ”；
ｅｄｉｔｅｄｂｙＧ．Ｗ．Ｃｕｌｌｅｎ，Ｊｏｕｒ
ｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ
ｕｍｅ６３，ｎｏ３，ｐｐ４２９〜５９０（１９８
３）にまとめられている。

【０００４】また、古くは、単結晶サファイア基板上
に、ＳｉをＣＶＤ法（化学気相法）で、ヘテロエピタキ
シーさせて形成するＳＯＳ（シリコンオンサファイ
ア）が知られており、最も成熟したＳＯＩ技術として一
応の成功を収めはしたが、Ｓｉ層と下地サファイア基板
界面の格子不整合により大量の結晶欠陥、サファイア基
板からのアルミニュームのＳｉ層への混入、そして何よ
りも基板の高価格と大面積化への遅れにより、その応用
の広がりが妨げられている。比較的近年には、サファイ
ア基板を使用せずにＳＯＩ構造を実現しようという試み
が行われている。この試みは、次の二つに大別される。（１）Ｓｉ単結晶基板を表面酸化後に、窓を開けてＳｉ
基板を部分的に表出させ、その部分をシードとして横方
向へエピタキシャル成長させ、ＳｉＯ₂上へＳｉ単結晶
層を形成する（この場合には、ＳｉＯ₂上にＳｉ層の堆
積をともなう。）。（２）Ｓｉ単結晶基板そのものを活性層として使用し、
その下部にＳｉＯ₂を形成する（この方法は、Ｓｉ層の
堆積をともなわない。）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記（１）を実現する
手段として、ＣＶＤ法により、直接、単結晶層Ｓｉを横
方向エピタキシャル成長させる方法、非晶質Ｓｉを堆積
して、熱処理により固相横方向エピタキシャル成長させ
る方法、非晶質あるいは、多結晶Ｓｉ層に電子線、レー
ザー光等のエネルギービームを収束して照射し、溶融再
結晶により単結晶層をＳｉＯ₂上に成長させる方法、そ
して、棒状ヒーターにより帯状に溶融領域を走査する方
法（Ｚｏｎｅｍｅｌｔｉｎｇｒｅｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｚａｔｉｏｎ）が知られている。これらの方法にはそ
れぞれ一長一短があるが、その制御性、生産性、均一
性、品質に多大の問題を残しており、いまだに、工業的
に実用化したものはない。たとえば、ＣＶＤ法は平坦薄
膜化するには、犠牲酸化が必要となり、固相成長法では
その結晶性が悪い。また、ビームアニール法では、収束
ビーム走査による処理時間と、ビームの重なり具合、焦
点調整などの制御性に問題がある。このうち、Ｚｏｎｅ
ＭｅｌｔｉｎｇＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏ
ｎ法がもっとも成熟しており、比較的大規模な集積回路
も試作されてはいるが、依然として、亜粒界等の結晶欠
陥は多数残留しており、少数キャリヤーデバイスを作成
するにいたってない。

【０００６】上記（２）の方法であるＳｉ基板をエピタ
キシャル成長の種子として用いない方法に於ては、次の
３種類の方法が挙げられる。．Ｖ型の溝が表面に異方性エッチングされたＳｉ単結
晶基板に酸化膜を形成し、該酸化膜上に多結晶Ｓｉ層を
Ｓｉ基板と同じ程厚く堆積した後、Ｓｉ基板の裏面から
研磨によって、厚い多結晶Ｓｉ層上にＶ溝に囲まれて誘
電分離されたＳｉ単結晶領域を形成する方法である。こ
の方法に於ては、結晶性は、良好であるが、多結晶Ｓｉ
を数百ミクロンも厚く堆積する工程と、単結晶Ｓｉ基板
を裏面より研磨して分離したＳｉ活性層のみを残す工程
とを要するために、制御性、及び生産性の点から問題が
ある。．サイモックス（ＳＩＭＯＸ：Ｓｅｐｅｒａｔｉｏｎ
ｂｙｉｏｎｉｍｐｌａｎｔｅｄｏｘｙｇｅｎ）
と称されるＳｉ単結晶基板中に酸素のイオン注入により
ＳｉＯ₂層を形成する方法であり、Ｓｉプロセスと整合
性が良いため現在もっとも成熟した方法である。しかし
ながら、ＳｉＯ₂層形成をするためには、酸素イオンを
１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上も注入する必要があり、そ
の注入時間は長大であり、生産性は高いとはいえず、ま
た、ウエハーコストは高い。更に、結晶欠陥は多く残存
し、工業的に見て少数キャリヤーデバイスを作製できる
充分な品質に至っていない。．多孔質Ｓｉの酸化による誘電体分離によりＳＯＩ構
造を形成する方法である。この方法は、Ｐ型Ｓｉ単結晶
基板表面にＮ型Ｓｉ層をプロトンイオン注入、（イマイ
他、Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ６
３，５４７（１９８３）参照）、もしくは、エピタキシ
ャル成長とパターニングによって島状に形成し、表面よ
りＳｉ島を囲むようにＨＦ溶液中の陽極化成法によりＰ
型Ｓｉ基板のみを多孔質化したのち、増速酸化によりＮ
型Ｓｉ島を誘電体分離する方法である。本方法では、分
離されているＳｉ領域は、デバイス工程のまえに決定さ
れており、デバイス設計の自由度を制限する場合がある
という問題点がある。

【０００７】ところで、光透過性基板上に半導体素子を
形成することは、光受光素子であるコンタクトセンサ
ー、投影型液晶画像表示装置を構成するうえにおいて重
要である。そして、センサーや表示装置の画素（絵素）
をより一層、高密度化、高解像度化、高精細化するため
には、極めて高性能な駆動素子が必要となる。その結
果、光透過性基板上に設けられる半導体素子は、優れた
結晶性を有する単結晶層上に作製することが求められ
る。しかしながら、ガラスに代表される光透過性基板上
には一般には、その結晶構造の無秩序性を反映して、非
晶質か、良くて、多結晶層にしか形成されず、その欠陥
の多い結晶構造故に、要求されるあるいは今後要求され
るに十分な性能を持った駆動素子を作成することは困難
であった。それは、基板の結晶構造が非晶質であること
によっており、単に、Ｓｉ層を堆積しても、良質な単結
晶層は得られない。光透過性基板上に半導体素子を形成
する場合には、Ｓｉ単結晶基板を用いる上記のいずれの
方法を用いても光透過性基板上に良質な単結晶層を得る
という目的には不適当である。

【０００８】本発明は、上記したような問題点及び上記
したような要求に応える半導体基材及びその作製方法を
提供することを目的とする。また、本発明は、透明基板
（光透過性基板）上に結晶性が単結晶ウエハー並に優れ
たＳｉを得るうえで、生産性、均一性、制御性、コスト
の面において卓越した半導体基材及びその作製方法を提
供することを目的とする。

【０００９】更に本発明は、従来のＳＯＩ構造の利点を
実現し、応用可能な半導体基材及びその作製方法を提供
することも目的とする。また、本発明は、ＳＯＩ構造の
大規模集積回路を作製する際にも、高価なＳＯＳや、Ｓ
ＩＭＯＸの代替足り得る半導体基材及びその作製方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基材の作
製方法は、多孔質単結晶シリコン層を有する第１の基材
を、非酸化性雰囲気又は真空中で、前記多孔質単結晶シ
リコン層の融点以下の温度で熱処理することにより、前
記多孔質単結晶シリコン層の表面に、非多孔質単結晶シ
リコン層を形成する工程、前記非多孔質単結晶シリコン
層が形成された第１の基材と光透過性の第２の基材と
を、前記非多孔質単結晶シリコン層が内側に位置する多
層構造体が得られるように貼り合わせる工程、及び前記
多層構造体から前記多孔質単結晶シリコン層を除去する
工程、とを有することを特徴とする。

【００１１】また本発明の半導体基材は、上記の本発明
の半導体基材の作製方法をにより作製されたものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明は、多孔質単結晶シリコン層を有する第
１の基材を、非酸化性雰囲気又は真空中で、前記多孔質
単結晶シリコン層の融点以下の温度で熱処理することに
より、前記多孔質単結晶シリコン層の表面に、非多孔質
単結晶シリコン層を形成することで、シリコン層を形成
するためのソースガス（シラン等）を用いることなく、
結晶性の良好な非多孔質単結晶シリコン層を基材の多孔
質単結晶シリコン層の表面に形成し、さらに、非多孔質
単結晶シリコン層が形成された第１の基材と光透過性の
第２の基材とを、前記非多孔質単結晶シリコン層が内側
に位置する多層構造体が得られるように貼り合わせ、前
記多層構造体から前記多孔質単結晶シリコン層を除去す
ることで、光透過性の第２の基材上に良質な単結晶構造
を有する、大面積に渡り均一平坦な、欠陥の著しく少な
い単結晶シリコン層を形成するものである。

【００１３】

【実施態様例】以下、本発明の実施態様例について図を
参照して説明する。図１は、本発明の半導体基材の作製
方法の一実施態様例の工程を説明する模式的断面図であ
る。

【００１４】図１（ａ）に示すように、先ず、Ｓｉ単結
晶基板を用意して、多孔質化する。多孔質化は、全部で
もよいし、表面側のみ、あるいは、表面と裏面の両方で
もよい。続いて、融点以下の温度において、非酸化性雰
囲気、ないし真空中の熱処理を行ない、多孔質化したＳ
ｉ単結晶基板１の表面層を薄膜非多孔質単結晶層２にす
る。

【００１５】Ｓｉ単結晶基板は、ＨＦ溶液を用いた陽極
化成法によって、多孔質化させる。この多孔質Ｓｉ層
は、単結晶Ｓｉの密度２．３３ｇ／ｃｍ³に比べて、そ
の密度をＨＦ溶液濃度を５０〜２０％に変化させること
で密度１．１〜０．６ｇ／ｃｍ³の範囲に変化させるこ
とができる。この多孔質層は、下記の理由により、Ｐ型
Ｓｉ基板に形成されやすい。この多孔質Ｓｉ層は、透過
電子顕微鏡による観察によれば、平均約６００オングス
トローム程度の径の孔が形成される。

【００１６】多孔質Ｓｉは、Ｕｈｌｉｒ等によって１９
５６年に半導体の電解研磨の研究過程に於て発見された
（Ａ．Ｕｈｌｉｒ，ＢｅｌｌＳｙｓｔ．Ｔｅｃｈ．
Ｊ．，ｖｏｌ３５，ｐ．３３３（１９５６））。ま
た、ウナガミ等は、陽極化成におけるＳｉの溶解反応を
研究し、ＨＦ溶液中のＳｉの陽極反応には正孔が必要で
あり、その反応は、次のようであると報告している
（Ｔ．ウナガミ：Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏ
ｃ．，ｖｏｌ．１２７，ｐ．４７６（１９８０））。

【００１７】Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｅ⁺ → ＳｉＦ₂＋２Ｈ⁺＋ｎｅ^- ＳｉＦ₂＋２ＨＦ → ＳｉＦ₄＋Ｈ₂ ＳｉＦ₄＋２ＨＦ → Ｈ₂ＳｉＦ₆ 又は、Ｓｉ＋４ＨＦ＋（４−λ）ｅ⁺ → ＳｉＦ₄＋４Ｈ⁺＋λｅ^- ＳｉＦ₄＋２ＨＦ → Ｈ₂ＳｉＦ₆ ここでｅ⁺及び、ｅ^-はそれぞれ、正孔と電子を表して
いる。また、ｎ及びλは夫々シリコン１原子が溶解する
ために必要な正孔の数であり、ｎ＞２又は、λ＞４なる
条件が満たされた場合に多孔質シリコンが形成されると
している。

【００１８】以上のことから、正孔の存在するＰ型シリ
コンは、多孔質化されやすい。この多孔質化に於ける、
選択性は長野ら及び、イマイによって実証されている
（長野、中島、安野、大中、梶原；電子通信学会技術研
究報告、ｖｏｌ７９，ＳＳＤ７９−９５４９（１９７
９）、Ｋ．イマイ；Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＥｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓｖｏｌ２４，１５９（１９８
１））。このように正孔の存在するＰ型シリコンは多孔
質化されやすく、選択的にＰ型シリコンを多孔質するこ
とができる。

【００１９】一方、高濃度Ｎ型シリコンも多孔質化する
という報告（Ｒ．Ｐ．Ｈｏｌｍｓｔｏｒｍ，Ｉ．Ｊ．
Ｙ．ＣｈｉＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．
４２，３８６（１９８３））もあり、Ｐ、Ｎにこだわら
ず、多孔質化を実現できる基板を選ぶことが重要であ
る。

【００２０】多孔質Ｓｉ層には、透過電子顕微鏡による
観察によれば、平均約６００オングストローム程度の径
の孔が形成されており、その密度は単結晶Ｓｉに比べる
と、半分以下になるにもかかわらず、単結晶性は維持さ
れている。また、多孔質層はその内部に大量の空隙が形
成されている為に、密度が半分以下に減少する。その結
果、体積に比べて表面積が飛躍的に増大するため、その
化学エッチング速度は、通常の単結晶層のエッチング速
度に比べて、著しく増速される。

【００２１】各多孔質Ｓｉをエッチングする方法として
は、．ＮａＯＨ水溶液で多孔質Ｓｉをエッチングする
（Ｇ．Ｂｏｎｃｈｉｌ，Ｒ．Ｈｅｒｉｎｏ，Ｋ．Ｂａｒ
ｌａ，ａｎｄＪ．Ｃ．Ｐｆｉｓｔｅｒ，Ｊ．Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｖｏｌ．１３０，ｎｏ．
７，１６１１（１９８３））。．単結晶Ｓｉをエッチングすることが可能なエッチン
グ液で多孔質Ｓｉをエッチングする。が知られている。

【００２２】上記の方法は、通常、フッ硝酸系のエッ
チング液が用いられるが、このときのＳｉのエッチング
過程は、Ｓｉ＋２Ｏ → ＳｉＯ₂ ＳｉＯ₂＋４ＨＦ → ＳｉＦ₄＋Ｈ₂Ｏに示される様に、Ｓｉが硝酸で酸化され、ＳｉＯ₂に変
質し、そのＳｉＯ₂をフッ酸でエッチングすることによ
りＳｉのエッチングが進む。

【００２３】同様に結晶Ｓｉをエッチングする方法とし
ては、上記フッ硝酸系エッチング液の他に、エチレンジアミン系ＫＯＨ系ヒドラジン系などがある。

【００２４】その他の重要な多孔質Ｓｉの選択エッチン
グ方法は、結晶Ｓｉに対してはエッチング作用を持たな
い弗酸、あるいはバッファード弗酸を用いるものであ
る。このエッチングにおいては、さらに酸化剤として作
用する過酸化水素を添加しても良い。過酸化水素は、酸
化剤として作用し、過酸化水素の比率を変えることによ
り反応速度を制御することが可能である。また、表面活
性剤として作用するアルコールを添加してもよい。アル
コールは、表面活性剤として作用し、エッチングによる
反応生成気体の気泡を瞬時にエッチング表面から除去
し、均一に、かつ効率良く多孔質Ｓｉの選択エッチング
が可能となる。

【００２５】図２に、多孔質Ｓｉと非多孔質である単結
晶Ｓｉを弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液に
撹はんすることなしに浸潤したときのエッチングされた
多孔質Ｓｉと単結晶Ｓｉの厚みのエッチング時間依存性
を示す。具体的に多孔質化及びエッチング工程について
説明する。

【００２６】多孔質Ｓｉは単結晶Ｓｉを陽極化成によっ
て作成し、その条件を以下にしめす。陽極化成によって
形成する多孔質Ｓｉの出発材料は、単結晶Ｓｉに限定さ
れるものではなく、他の結晶構造のＳｉでも可能であ
る。印加電圧：２．６（Ｖ）電流密度：３０（ｍＡ・ｃｍ^-2）陽極化成溶液：ＨＦ：Ｈ₂Ｏ：Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＝１：
１：１時間：２．４（時間）多孔質Ｓｉの厚み：３００（μｍ）Ｐｏｒｏｓｉｔｙ：５６（％）上記条件により作成した多孔質Ｓｉを室温において４９
％弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）（白丸）に撹はんすることなしに浸潤した。
のちに、該多孔質Ｓｉの厚みの減少を測定した。多孔質
Ｓｉは急速にエッチングされ、４０分ほどで１０７μ
ｍ、更に、８０分経過させると２４４μｍも、高度の表
面性を有して、均一にエッチングされた。エッチング速
度は溶液濃度及び、温度に依存する。

【００２７】既に述べたように、特に、アルコールを添
加することによって、エッチングによる反応生成気体の
気泡を、瞬時にエッチング表面から、撹はんすることな
く、除去でき、均一にかつ効率よく多孔質Ｓｉをエッチ
ングすることができる。また特に、過酸化水素水を添加
することによって、Ｓｉの酸化を増速し、反応速度を無
添加にくらべて増速することが可能となり、更に過酸化
水素水の比率を変えることにより、その反応速度を制御
することができる。

【００２８】また、５００μｍ厚の非多孔質Ｓｉを室温
において４９％弗酸とアルコールと過酸化水素水との混
合液（１０：６：５０）（黒丸）に撹はんすることなし
に浸潤した。のちに、非多孔質Ｓｉの厚みの減少を測定
した。非多孔質Ｓｉは、１２０分経過した後にも、１０
０オングストローム以下しかエッチングされなかった。

【００２９】以上説明したエッチング液によるエッチン
グ後の多孔質Ｓｉと非多孔質Ｓｉを水洗し、その表面を
二次イオンにより微量分析したところ何等不純物は検出
されなかった。本発明に用いられるアルコールはエチル
アルコールのほか、イソプロピルアルコールなど製造工
程等に実用上差し支えなく、さらに上記アルコール添加
効果を望むことのできるアルコールを用いることができ
る。

【００３０】本発明者は多孔質層の熱処理による構造の
変化を雰囲気等をかえて詳細に高分解能走査型電子顕微
鏡等を用いて、観察したところ、非酸化性雰囲気、ない
しは、真空中での熱処理により多孔質の表面の孔の数
が、条件によりその進行に差異はあるが、例えば、図３
に示すように、時間とともに減少し、ついには消失して
いまい、その結果、平滑な表面を有する単結晶薄層が形
成されることを知見するに至った。これは、陽極化成処
理より形成された多孔質化したＳｉ基板の表面、及び、
その近傍部分が、熱処理される結果、その表面エネルギ
ーを下げるべく、孔を消失し、表面を平滑化するために
非多孔質単結晶薄層が形成されるものである。

【００３１】この表面の平滑な非多孔質単結晶層は、基
板の方位を継承した単結晶層であることが、ＲＨＥＥＤ
や電子線チャネリングパターンにより確認された。本現
象は、温度が上昇、圧力の低下に伴い、促進される。こ
こでいう非酸化性の雰囲気とは、熱処理中に多孔質層表
面に酸化層が形成されない雰囲気をいい、より好ましく
は、還元性の雰囲気がよく、例えば水素を含む雰囲気、
ないしは、水素雰囲気が挙げられる。熱処理の温度は、
雰囲気の組成、圧力により異なるが、概ね、３００℃以
上、より好ましくは５００℃以上、融点以下である。ま
た、圧力は、還元性が強いほど高い圧力でも平滑化が促
進されるが、概ね大気圧以下、より好ましくは、２００
Ｔｏｒｒ以下で、下限は特にない。又超高真空は特に必
要としない。また、本発明でいう、真空中とは、反応槽
に漏れがない状態で雰囲気ガスを導入せず、１×１０^-3
Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは、１×１０^-5Ｔｏｒｒ以
下の圧力に保ったものをいう。

【００３２】また、本現象は多孔質表面が清浄な状態で
熱処理することでその進行が開始するのであって、多孔
質化したＳｉ基板表面に自然酸化膜が形成されている場
合には、熱処理に先立って、これを希弗酸により除去し
ておくことにより、表面の平滑化がより促進される。

【００３３】図１（ｂ）に示すように、光透過性ガラス
基板３を用意して、多孔質Ｓｉ基板上１の単結晶Ｓｉ層
２の表面に貼りつける。この貼り付け工程は、洗浄した
表面同士を密着させ、その後酸素雰囲気あるいは、窒素
雰囲気中で加熱する。前記貼り合わせ工程に先立って、
非多孔質単結晶シリコン層２表面に酸化層６を形成して
もよい。酸化層６は、最終的な活性層である単結晶シリ
コン層２の界面準位を低減させるために形成する。

【００３４】図１（ｃ）に示すように、必要に応じて、
エッチング防止膜として、Ｓｉ₃Ｎ₄層５を堆積して、
貼り合せた２枚の基板全体を被覆して、多孔質シリコン
基板の多孔質表面上のＳｉ₃Ｎ₄層を除去する。他のエ
ッチング防止膜としてＳｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエ
ゾンワックスを用いても良い。この後に、多孔質Ｓｉ基
板１を全部エッチングして光透過性ガラス３に薄膜化し
た単結晶シリコン層２を残存させ形成する。

【００３５】また、前記エッチングに先立って、多孔質
Ｓｉ基板１を裏面側から、研削、ないしは、研磨等の機
械加工によりあらかじめ薄層化しておいてもよい。特に
Ｓｉ基板を全部多孔質化しない場合には、多孔質層が露
出するまで、機械加工により薄層化することが好まし
い。

【００３６】図１（ｃ）には本発明で得られる半導体基
材が示される。すなわち、図１（ｂ）に於けるエッチン
グ防止膜としてのＳｉ₃Ｎ₄層５を除去することによっ
て、光透過性ガラス基板３上に結晶性がシリコンウエハ
ーと同等な単結晶Ｓｉ層２が平坦に、しかも均一に薄層
化されて、光透過性ガラス基板全域に、大面積に形成さ
れる。この後、必要に応じて、単結晶Ｓｉ層より、エピ
タキシャル成長を行なって、単結晶薄層の厚さをまして
もよい。この成長法は、ＣＶＤ法、スパッタ法、液相成
長法、固相成長法等いづれの方法でも構わない。

【００３７】こうして得られた半導体基材は、絶縁分離
された電子素子作製という点から見ても好適に使用する
ことができる。

【００３８】

【実施例】以下、具体的な実施例によって本発明を説明
する。（実施例１）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ²であった。こ
の時の多孔質化速度は、０．９μｍ／ｍｉｎ．であり２
００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）Ｓｉ基板全
体は、２２３分で多孔質化された。

【００３９】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。温度：９５０℃ 圧力：８０Ｔｏｒｒ時間：２５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００４０】次に、この単結晶薄層の表面に、光学研磨
を施した溶融石英ガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気
中で８００℃、０．５時間加熱することにより、両基板
は、強固に接合された。減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ
₄を０．１μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被
覆して、多孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッ
チングによって除去する。

【００４１】その後、該貼り合わせた基板を４９％弗酸
とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：６：５
０）で撹はんすることなく選択エッチングする。６５分
後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされずに残り、
単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、多孔質Ｓ
ｉ基板は選択エッチングされ、完全に除去された。Ｓｉ
₃Ｎ₄層を除去した後には、石英ガラス基板上に薄膜単
結晶Ｓｉ層が形成できた。透過電子顕微鏡による断面観
察の結果、Ｓｉ層には新たな結晶欠陥は導入されておら
ず、良好な結晶性が維持されていることが確認された。（実施例２）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ²であっ
た。この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍｉｎ．で
あり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）Ｓｉ
基板全体は、２４分で多孔質化された。

【００４２】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。温度：９５０℃ 圧力：５０Ｔｏｒｒ時間：４５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ５０
ｎｍの非多孔質単結晶薄層が形成されていた。

【００４３】次に、このエピタキシャル層を１０ｎｍ酸
化した表面に、光学研磨を施した５００℃近辺に軟化点
のあるガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気中で４５０
℃、０．５時間加熱することにより、両基板は、強固に
接合された。減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００４４】前述したように通常のＳｉ単結晶のＫＯＨ
６Ｍ溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミクロ
ン弱程度であるが、多孔質層のエッチング速度はその百
倍ほど増速される。すなわち、２００ミクロンの厚みを
もった多孔質化されＳｉ基板は、２分で除去された。Ｓ
ｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、低軟化点ガラス基板上に
良好な結晶性を有する単結晶Ｓｉ層が形成できた。（実施例３）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ²であっ
た。

【００４５】この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。該多孔
質化されたＳｉ基板を１．５％希弗酸で洗浄した後、た
だちにアルゴン雰囲気中で熱処理して、表面に平滑な層
を得た。熱処理条件は以下のとおりとした。

【００４６】温度：９５０℃ 圧力：１Ｔｏｒｒ時間：６０分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００４７】該単結晶薄層表面に、光学研磨を施した５
００℃近辺に軟化点のあるガラス基板を重ねあわせ、酸
素雰囲気中で４５０℃、０．５時間加熱することによ
り、両基板は、強固に接合された。減圧ＣＶＤ法によっ
てＳｉ₃Ｎ₄を０．１μｍ堆積して、貼りあわせた２枚
の基板を被覆して、多孔質基板上の窒化膜のみを反応性
イオンエッチングによって除去する。

【００４８】前述したように通常のＳｉ単結晶のフッ硝
酸酢酸溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミクロ
ン弱程度（フッ硝酸酢酸溶液１：３：８）であるが、多
孔質層のエッチング速度はその百倍ほど増速される。す
なわち、２００ミクロンの厚みをもった多孔質化された
Ｓｉ基板は、２分で除去された。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去し
た後には、低軟化点ガラス基板上に単結晶Ｓｉ層が形成
できた。

【００４９】また、Ｓｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエゾ
ンワックスを被覆した場合にも同様の効果があり、多孔
質化されたＳｉ基板のみを完全に除去し得た。（実施例４）３００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ²であった。こ
の時の多孔質化速度は、０．９μｍ／ｍｉｎ．であり３
００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）Ｓｉ基板の
表面を３０μｍ多孔質化した。

【００５０】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。温度：９５０℃ 圧力：６０Ｔｏｒｒ時間：２５分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ３０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。この単結晶薄層を
１００オングストローム酸化した表面に、溶融石英ガラ
ス基板を密着させ、７００℃、０．５時間加熱すること
により、両基板は、強固に接合された。

【００５１】この多孔質基板を裏面より、通常のウエハ
のラッピング工程により、１７０μｍ削り、多孔質シリ
コンを露出させた。減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を
０．１μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆し
て、多孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチン
グによって除去する。

【００５２】その後、該貼り合わせた基板をバッファー
ド弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）で撹はんすることなく選択エッチングする。
３０分後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされずに
残り、単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、多
孔質Ｓｉは選択エッチングされ、完全に除去された。Ｓ
ｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、溶融石英ガラス基板上に
単結晶Ｓｉ層が形成できた。

【００５３】また、Ｓｉ₃Ｎ₄層の代わりに、アピエゾ
ンワックスを被覆した場合にも同様の効果があり、多孔
質化されたＳｉ基板のみを完全に除去し得た。（実施例５）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ²であっ
た。この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍｉｎ．で
あり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）Ｓｉ
基板全体は、２４分で多孔質化された。

【００５４】該多孔質化されたＳｉ基板を水素雰囲気中
で熱処理して、表面に平滑な層を得た。熱処理条件は以
下のとおりとした。温度：９５０℃ 圧力：７６０Ｔｏｒｒ時間：８０分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ２０
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。この単結晶薄層の
表面に、光学研磨を施した８００℃近辺に軟化点のある
ガラス基板を密着させ、７００℃、０．５時間加熱する
ことにより、両基板は、強固に接合された。

【００５５】減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。前述したように通常のＳｉ単結晶のフッ
硝酸酢酸溶液に対するエッチング速度は、約毎分１ミク
ロン弱程度（フッ硝酸酢酸溶液１：３：８）であるが、
多孔質層のエッチング速度はその百倍ほど増速される。
すなわち、２００ミクロンの厚みをもった多孔質化され
たＳｉ基板は、２分で除去された。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去
した後には、ガラス基板上に単結晶Ｓｉ層が形成でき
た。

【００５６】次に通常用いるＣＶＤ法を用いて、この単
結晶薄層からエピタキシャル成長させて、単結晶シリコ
ン層の厚さを２μｍにした。成長条件は以下のとおりと
した。ガス：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂／Ｈ₂；１／１８０（１／ｍｉ
ｎ．）温度：１０８０℃ 圧力：８０Ｔｏｒｒその結果、ガラス基板上に厚さ２μｍの単結晶Ｓｉ層が
形成できた。（実施例６）２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１００）単結晶Ｓ
ｉ基板を５０％のＨＦ溶液中において陽極化成を行っ
た。この時の電流密度は、１００ｍＡ／ｃｍ²であっ
た。

【００５７】この時の多孔質化速度は、８．４μｍ／ｍ
ｉｎ．であり２００ミクロンの厚みを持ったＰ型（１０
０）Ｓｉ基板全体は、２４分で多孔質化された。該多孔
質化されたＳｉ基板を１．５％希弗酸で洗浄した後、た
だちに真空槽中で熱処理して、表面に平滑な層を得た。
熱処理条件は以下のとおりとした。

【００５８】温度：９５０℃ 圧力：１×１０^-8Ｔｏｒｒ時間：１００分この表面の平滑な層を高分解能走査型電子顕微鏡、ＲＨ
ＥＥＤにより観察したところ、基板と同方位の厚さ１５
ｎｍの単結晶薄層が形成されていた。

【００５９】該単結晶薄層表面に、光学研磨を施した溶
融石英ガラス基板を重ねあわせ、酸素雰囲気中で８００
℃、０．５時間加熱することにより、両基板は、強固に
接合された。減圧ＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄を０．１
μｍ堆積して、貼りあわせた２枚の基板を被覆して、多
孔質基板上の窒化膜のみを反応性イオンエッチングによ
って除去する。

【００６０】その後、該貼り合わせた基板をバッファー
ド弗酸とアルコールと過酸化水素水との混合液（１０：
６：５０）で撹はんすることなく選択エッチングする。
２０５分後には、単結晶Ｓｉ層だけがエッチングされず
に残り、単結晶Ｓｉをエッチ・ストップの材料として、
多孔質Ｓｉ基板は選択エッチングされ、完全に除去され
た。Ｓｉ₃Ｎ₄層を除去した後には、石英ガラス基板上
に薄膜単結晶Ｓｉ層が形成できた。

【００６１】透過電子顕微鏡による断面観察の結果、Ｓ
ｉ層には新たな結晶欠陥は導入されておらず、良好な結
晶性が維持されていることが確認された。また、Ｓｉ₃
Ｎ₄層の代わりに、アピエゾンワックスを被覆した場合
にも同様の効果があり、多孔質化されたＳｉ基板のみを
完全に除去し得た。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ガラスに代表される光透過性の基材上に結晶性が単結晶
ウエハー並に優れた単結晶シリコン層を得るうえで、生
産性、均一性、制御性、経済性の面において卓越した方
法を提供することができる。

【００６３】更に本発明によれば、従来のＳＯＩデバイ
スの利点を実現し、応用可能な半導体基材の作製方法を
提供することができる。また、本発明によれば、ＳＯＩ
構造の大規模集積回路を作製する際にも、高価なＳＯＳ
や、ＳＩＭＯＸの代替足り得る半導体基材の作製方法を
提供することができる。

【００６４】本発明によれば、元々良質な単結晶シリコ
ン基板を出発材料として、陽極化成により多孔質化した
後、非酸化性雰囲気、ないし、真空中で熱処理すること
により、多孔質層表面を非多孔質単結晶層に変質せしめ
た後、下部の多孔質シリコン層を除去して光透過性の基
材上に移設させるものであり、シラン等のソースガスを
用いることなく多孔質上に非多孔質単結晶層を形成でき
るので、経済性に優れる。また、実施例にも詳細に記述
したように、多数処理を短時間に行うことが可能であ
り、その生産性と経済性に多大の進歩がある。

【００６５】さらに本発明によれば、極薄の単結晶層を
酸化層上に形成できるので薄膜を用いるＳＯＩ回路など
にも好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体基材の作製方法の工程を説明す
るための模式的断面図である。

【図２】多孔質Ｓｉと非多孔質Ｓｉを弗酸とアルコール
と過酸化水素水の混合液に浸潤した時のエッチング特性
図である。

【図３】多孔質Ｓｉの熱処理における表面の孔の数密度
の時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１多孔質Ｓｉ基板２非多孔質Ｓｉ単結晶層３光透過性ガラス基板５Ｓｉ₃Ｎ₄エッチング防止膜６表面酸化層

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/02 H01L 21/20 H01L 21/762 H01L 27/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質単結晶シリコン層を有する第１の
基材を、非酸化性雰囲気又は真空中で、前記多孔質単結
晶シリコン層の融点以下の温度で熱処理することによ
り、前記多孔質単結晶シリコン層の表面に、非多孔質単
結晶シリコン層を形成する工程、前記非多孔質単結晶シ
リコン層が形成された第１の基材と光透過性の第２の基
材とを、前記非多孔質単結晶シリコン層が内側に位置す
る多層構造体が得られるように貼り合わせる工程、及び
前記多層構造体から前記多孔質単結晶シリコン層を除去
する工程、とを有することを特徴とする半導体基材の作
製方法。
【請求項２】前記第１の基材の熱処理は、還元性雰囲
気中で行われる請求項１に記載の半導体基材の作製方
法。
【請求項３】前記第１の基材の熱処理は、水素を含む
雰囲気又は水素雰囲気中で行われる請求項２に記載の半
導体基材の作製方法。
【請求項４】前記第１の基材の熱処理は、大気圧以下
の圧力の下で行われる請求項１〜３のいずれかに記載の
半導体基材の作製方法。
【請求項５】前記第１の基材の熱処理は、２００Ｔｏ
ｒｒ以下の圧力の下で行われる請求項４に記載の半導体
基材の作製方法。
【請求項６】前記第１の基材の熱処理は、雰囲気ガス
を導入せず、１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下の圧力の下で行わ
れる請求項１に記載の半導体基材の作製方法。
【請求項７】前記第１の基材の熱処理は、雰囲気ガス
を導入せず、１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の圧力の下で行わ
れる請求項６に記載の半導体基材の作製方法。
【請求項８】前記第１の基材の熱処理は、３００℃以
上の温度で行われる請求項１〜７のいずれかに記載の半
導体基材の作製方法。
【請求項９】前記第１の基材の熱処理は、５００℃以
上の温度で行われる請求項８に記載の半導体基材の作製
方法。
【請求項１０】前記多孔質単結晶シリコン層は、Ｐ型
シリコンから成る請求項１〜９のいずれかに記載の半導
体基材の作製方法。
【請求項１１】前記多孔質単結晶シリコン層は、非多
孔質単結晶シリコンから成る第１の基材の少なくとも一
部を多孔質化することによって形成される請求項１〜１
０のいずれかに記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１２】前記多孔質単結晶シリコン層は、非多
孔質単結晶シリコンから成る第１の基材を部分的に多孔
質化することによって形成され、前記貼り合わせ工程の
後、多孔質単結晶シリコン層を除去する前に、前記第１
の基材の多孔質化されずに残っている領域を除去する工
程を有する請求項１１に記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１３】前記第１の基材の多孔質化されずに残
っている領域は、研磨又は研削によって除去される請求
項１２に記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１４】前記多孔質化は、陽極化成によって行
われる請求項１１〜１３のいずれかに記載の半導体基材
の作製方法。
【請求項１５】前記第１の基材の熱処理に先立って、
前記多孔質単結晶シリコン層の表面を弗酸によって洗浄
する請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体基材の作
製方法。
【請求項１６】更に前記多孔質単結晶シリコン層を除
去した後の、多層構造体の非多孔質単結晶シリコン層か
ら単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる請求項
１〜１５のいずれかに記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１７】前記第２の基材は、ガラス基板から成
る請求項１〜１６のいずれかに記載の半導体基材の作製
方法。
【請求項１８】前記第２の基材は、石英ガラス基板か
ら成る請求項１７に記載の半導体基材の作製方法。
【請求項１９】前記貼り合わせ工程の前に、前記非多
孔質単結晶シリコン層の表面を酸化することによって酸
化層を形成する請求項１〜１８のいずれかに記載の半導
体基材の作製方法。
【請求項２０】前記多孔質単結晶シリコン層の除去
は、エッチングを用いてなされる請求項１〜１９のいず
れかに記載の半導体基材の作製方法。
【請求項２１】前記エッチングには、エッチャントと
して弗酸を含有する水溶液が用いられる請求項２０に記
載の半導体基材の作製方法。
【請求項２２】前記貼り合わせの工程は、酸素雰囲気
又は窒素雰囲気中で加熱する処理を含む請求項１〜２１
のいずれかに記載の半導体基材の作製方法。
【請求項２３】前記請求項１〜２２のいずれかに記載
の方法により作製された半導体基材。