專利名稱：用于提高半導(dǎo)體表面條件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及材料的表面處理，更為具體地涉及用于微電子和/或光電子應(yīng)用中元件制造的襯底的處理。
更為準(zhǔn)確地，本發(fā)明涉及提高半導(dǎo)體材料中晶片空表面(freesurface)的條件，所述方法包括快速熱退火步(thermal annealing)驟以平滑所述空表面。
“空表面”意為暴露于外部氣氛的晶片表面(和與另一晶片或另一元件的表面接觸的分界表面相對)。
“快速熱退火”意為在受控的氣氛中快速退火，所述方法即為公知的RTA方法，即Rapid Thermal Annealing的縮寫詞。
在該說明書的余下部分，該方法一般應(yīng)該稱為快速熱退火或RTA。
為獲得材料晶片的RTA退火，可能在1100℃至1300℃的高溫下將晶片退火1至60秒。
在受控氣氛中進(jìn)行RTA退火。在本發(fā)明的優(yōu)選使用中，例如，該氣氛可以是包含氫和氬的混合物的氣氛或純氬的氣氛。
在本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用中，以特別有利的方式結(jié)合用于制造在專利FR2881472中描述的該類型半導(dǎo)體材料薄膜或?qū)觼韴?zhí)行本發(fā)明。
一種再現(xiàn)上述文獻(xiàn)的教導(dǎo)的方法被稱之為SMARTCUT方法。其主要步驟大致如下—原子植入步驟，以將原子植入在襯底植入?yún)^(qū)中的半導(dǎo)體材料(尤其是硅)中的襯底的表面下；—接觸步驟，用于被植入的襯底與剛性元件(stiffener)的緊密接觸；—在植入?yún)^(qū)的被植入襯底的分裂(splitting)步驟，以將位于受植入的表面與植入?yún)^(qū)之間的那部分襯底轉(zhuǎn)移到剛性元件上，由此在剛性元件之上形成半導(dǎo)體薄膜或?qū)印?br> 用原子植入特別意味著任何原子或離子核素的轟擊，其能夠以最大的植入核素濃度將這些核素以位于相對于被轟擊表面的晶片確定深度插入進(jìn)晶片材料中，以便于限定衰減(weakening)區(qū)。
衰減區(qū)的深度取決于被植入核素的類型、以及它們的植入能量。
按照規(guī)定，在本說明書中使用的通用術(shù)語“晶片”表示由所述SMARTCUT型方法轉(zhuǎn)移的膜或?qū)印?br> 因此晶片(其在半導(dǎo)體材料中)可以與剛性元件相連接并選擇地與其它中間層相連接。
在該說明書中，術(shù)語“晶片”還涵蓋任意晶片、半導(dǎo)體材料，例如硅的層或膜，無論是否通過SMARTCUT型方法已經(jīng)制造出晶片，在所有情況中的目的是提高晶片空表面的條件。
對于在該說明書開始提及的應(yīng)用，與晶片空表面相關(guān)的粗糙規(guī)格非常嚴(yán)厲，且晶片空表面的粗糙度是在一定程度上決定將要在該晶片上制造元件的質(zhì)量的參數(shù)。
因此，頻繁地發(fā)現(xiàn)rms值不超過5埃的粗糙規(guī)格(rms標(biāo)準(zhǔn)為均方根)。
規(guī)定一般利用原子力顯微鏡(AFM)來進(jìn)行粗糙度測量。
使用該類型設(shè)備，在通過AFM顯微鏡的頂端(tip)掃描的表面上測量粗糙度，粗糙度的范圍從1×1μm2至10×10μm2，且更為顯著地為50×50μm2，且甚至有時(shí)為100×100μm2。
特別根據(jù)兩種形態(tài)(modalities)來表征粗糙度。
根據(jù)第一，所述粗糙度將為高頻且涉及在1×1μm2數(shù)量級的掃描表面。
根據(jù)第二形態(tài)，所述粗糙度將為低頻且涉及在10×10μm2或更大數(shù)量級的掃描表面。因此上面通過指示的方法給出的5埃規(guī)格是相應(yīng)于10×10μm2的掃描表面。
且在對晶片表面沒有任何特殊處理如拋光的情況下，利用公知方法(SMARTCUT或其它方法)制造的晶片具有大于上述那些粗糙度的表面粗糙度值。
減小晶片表面粗糙度的第一種類型的公知方法由使晶片受“常規(guī)”熱處理(例如犧牲氧化)組成。
但是該類型的處理不能夠?qū)⒕拇植诙冉抵辽鲜鲆?guī)格的水平。
且雖然其的確能夠考慮增加所述常規(guī)熱處理的步驟和/或?qū)⑺鼈兣c其它類型公知方法結(jié)合，以進(jìn)一步減小表面粗糙度，這將需要長而復(fù)雜的工藝。
用于減小表面粗糙度的第二類公知方法由對晶片空表面進(jìn)行化學(xué)—機(jī)械拋光組成。
采用該類型方法，能夠有效地減小晶片空表面的粗糙度。
如果缺陷濃度在晶片空表面方向具有增加的斜率，采用第二類公知方法還能夠?qū)⑺鼍p到具有可接受的缺陷濃度區(qū)。
然而，該第二類公知方法具有晶片有效層一致的缺點(diǎn)，也就是說有效層是將用于生成元件的層。
且如果在為了獲得諸如上面提及的那些粗糙度值的情況中執(zhí)行晶片表面的主拋光，該缺點(diǎn)還會增強(qiáng)。
根據(jù)第三類方法，晶片在受控氣氛下經(jīng)受RTA退火。
采用第三類方法，通常能夠以滿意的方式減小晶片表面粗糙度(特別不會惡化有效層的厚度的均勻性)且因此提供有力地解決方法。
然而，雖然的確能夠采用第三類方法來獲得綜合滿意的高頻和低頻粗糙度值，但申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使晶片受RTA退火可能導(dǎo)致缺點(diǎn)。
在已經(jīng)經(jīng)歷了這種處理的晶片(特別是硅晶片)表面條件的精細(xì)分析中，申請人發(fā)現(xiàn)在總體粗糙度不那么滿意的表面上附有非常小尺寸的孔。
通過原子力顯微鏡觀察可以進(jìn)行這種分析。
這些小孔通常具有幾納米深度和幾十納米的直徑數(shù)量級。
這些孔與有時(shí)可以在諸如硅的材料表面上觀察到的且被歸因于所謂的“孔蝕(pitting)”現(xiàn)象的孔相類似。
需要說明的是，雖然為了實(shí)用在該說明書中使用術(shù)語“孔蝕”，但這些孔的深度/直徑比小于通常在孔蝕的常規(guī)情況中遇到的比。
更為準(zhǔn)確地，這里我們關(guān)心的“孔蝕”并不具有與通常現(xiàn)有技術(shù)的情形中描述的“孔蝕”現(xiàn)象相同的原因。
現(xiàn)有技術(shù)情形中的孔蝕通常是由于埋入在晶片材料厚度中的缺陷。
這些缺陷會受熱處理影響(例如為改善晶片表面條件的熱處理)。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)的情形中，孔蝕現(xiàn)象涉及由埋入缺陷的影響產(chǎn)生的孔。
在這方面，可以參考專利申請EP1158581，該申請?jiān)斒鲞@些埋入缺陷的特征，尤其是“COP”型缺陷，COP表示結(jié)晶產(chǎn)生(CrystalOriginated Particle)的粒子。例如，可以參考該專利申請的第1頁第48行至第54行的段落。
同樣值得注意的是，該申請僅陳述改善粗糙度的“長周期”部分，其涉及低頻粗糙度(在10×10μm2數(shù)量級的掃描表面)，然而沒有處理粗糙度的高頻部分，(具體參見該申請的第10頁第54-55行)。但是在該說明書中指定為“孔蝕”的現(xiàn)象還涉及高頻粗糙度。
在其它文獻(xiàn)中，如EP1045448或FR2797713，還發(fā)現(xiàn)用于由現(xiàn)有技術(shù)的情形限定的“孔蝕”的該相同處理。
且在這些文獻(xiàn)中，所涉及的“孔蝕”并非本發(fā)明所關(guān)心的“孔蝕”。
例如，EP1045448指出目標(biāo)缺陷為“COP”型，如我們所見，這些缺陷是其侵蝕可能會產(chǎn)生相當(dāng)深的孔的埋入缺陷。
因此，EP1045448(第2欄第55行等)指出COPS會向下延伸到SOI型結(jié)構(gòu)的埋入氧化層(也就是說，這些缺陷會延伸到材料的厚度為直到該埋入氧化層，埋入氧化層位于硅有效層下面，通常硅的厚度會達(dá)到幾千埃)。
因此，在EP1045488情形中的相應(yīng)的“孔蝕”孔具有可能達(dá)到幾千埃值的深度。
因此如在現(xiàn)有技術(shù)情形中理解的“孔蝕”標(biāo)明孔為—由埋入在晶片層厚度中的缺陷侵蝕產(chǎn)生的；—這些孔可能具有幾千埃數(shù)量級的深度。
另一方面，本發(fā)明所關(guān)心的“孔蝕”并非由預(yù)先存在的缺陷侵蝕所導(dǎo)致的。
該孔蝕僅涉及在其上通過RTA退火并未完全獲得再現(xiàn)平滑的晶片表面上的位置，引起上述小孔的出現(xiàn)。
因此本發(fā)明關(guān)心的“孔蝕”為純粹的表面現(xiàn)象。
在這方面，可以參考示出硅晶片10的剖面圖的單一圖，由分離的轉(zhuǎn)移工藝初始確定的該硅晶片10的表面100然后受RTA退火。
該圖示出具有小于100nm厚度的表面區(qū)101，其中硅結(jié)構(gòu)不再為結(jié)晶體。
在該說明書的考慮下，該非常窄厚度的區(qū)101產(chǎn)生孔蝕。
該圖分別示出現(xiàn)有技術(shù)情形的“孔蝕”和本發(fā)明的“孔蝕”的不同特性。
且在該說明書的剩余部分，術(shù)語“孔蝕”將被理解為上述具體限定的而并不理解為現(xiàn)有技術(shù)中的(除非另外說明)。
因此申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)RTA退火應(yīng)用到晶片(特別是硅晶片)促進(jìn)該孔蝕現(xiàn)象發(fā)生。
特別利用由SMARTCUT型方法得到的SOI晶片(絕緣體上硅晶片)或SOA(任意體上硅)晶片進(jìn)行該觀察。
到RTA退火形成晶片處理中的最終步驟以改善其表面條件的的程度，在RTA退火后晶片表面的孔蝕出現(xiàn)問題，因?yàn)橛蒖TA產(chǎn)生的“孔蝕”表面會存在于最后的產(chǎn)品中。
當(dāng)然可以設(shè)想再處理由RTA退火得到的晶片以修正該現(xiàn)象并盡力通過將被孔蝕晶片拋光足夠厚度除去孔蝕。
但是這將再次引起上述拋光缺點(diǎn)(如文獻(xiàn)FR2797713的教導(dǎo))且在這種情況中損失了與RTA退火相關(guān)的益處。
本發(fā)明的一個(gè)目的是改善用于通過RTA退火提高半導(dǎo)體材料中的晶片空表面條件的方法。
更為具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的是免受涉及上述孔蝕缺點(diǎn)影響的這種方法。
且如前所述，本發(fā)明更具體地應(yīng)用于由分離的轉(zhuǎn)移方法(例如SMARTCUT型方法)得到的SOI(或SOA)型晶片的表面。
本發(fā)明的另一目的是對包括拋光步驟的方法提出選擇性。
為獲得上述目的，本發(fā)明提出一種用于提高半導(dǎo)體材料中晶片空表面條件的方法，所述方法包括快速熱退火步驟以平滑所述空表面，其特征在于在快速熱退火之前，該方法包括晶片表面區(qū)的預(yù)先處理以防止在快速熱退火期間孔蝕的發(fā)生，且快速熱退火可以在非還原氣氛下進(jìn)行。
本發(fā)明方法的一些優(yōu)選但非限制性的方案如下—所述預(yù)先處理是為了重建表面區(qū)的高溫退火；
—在中性氣氛中進(jìn)行所述高溫退火；—所述高溫退火的溫度在600℃與1300℃之間；—所述高溫退火的溫度在800℃與1100℃之間；—使用所述預(yù)先處理能夠除去表面區(qū)的受擾部分；—所述預(yù)先處理是化學(xué)侵蝕；—所述預(yù)先處理是濕法蝕刻或干法蝕刻型；—所述預(yù)先處理是犧牲氧化；—犧牲氧化在快速熱退火之后。
且本發(fā)明還提出利用根據(jù)在先權(quán)利要求之一的方法獲得的SOI或SOA結(jié)構(gòu)。
另一方面，通過閱讀本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下述說明，將更清晰地理解本發(fā)明的其它方案、目的和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用作出該說明書，其涉及由SMARTCUT方法得到的SOI或SOA晶片的表面條件的提高。然而，晶片可以是不同類型的。
本發(fā)明不同實(shí)施例的一個(gè)共同特征是在為了減小晶片的表面粗糙度的RTA退火步驟之前預(yù)備晶片的表面。
具體地，可以在氫/氬混合物、或純氬氣氛中進(jìn)行RTA退火。
因此可以在非還原氣氛中進(jìn)行該RTA退火。
將會注意到，與文獻(xiàn)EP1045448和EP954014的教導(dǎo)(引用僅如技術(shù)規(guī)定限定的“孔蝕”所涉及的而非入該說明書限定的“孔蝕”所涉及的這些文件的紀(jì)錄)相比較，這形成了另一差別。
還指出，EP1045488無論如何沒有教導(dǎo)為了防止孔蝕發(fā)生的處理，但有為了治愈存在的缺陷的治療性處理。
還指出，EP954014沒有教導(dǎo)特別為了防止任何孔蝕發(fā)生在RTA退火之前的處理晶片的應(yīng)用。上述文獻(xiàn)將它們的教導(dǎo)限定在RTA退火的應(yīng)用。這還適用于文獻(xiàn)FR2761526的教導(dǎo)。
如果已經(jīng)通過利用SMARTCUT方法分裂來制造晶片，晶片的表面為“如分裂”的表面，該表面具有用于通過RTA退火來減小的不規(guī)則性。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在RTA退火之前，通過在中性氣氛中高溫退火來進(jìn)行該晶片表面的預(yù)備。
該預(yù)先退火的氣氛可以為氬或氮?dú)夥铡?br> 該預(yù)先退火應(yīng)用于晶片，該晶片將要處理的表面布置成以便于其暴露于退火。
在該預(yù)先退火期間，溫度可以在600℃與1300℃之間。
優(yōu)選地，該溫度在800℃與1100℃之間。
該預(yù)先退火還可以在真空中進(jìn)行。壓強(qiáng)可以具有高至1個(gè)大氣壓的任意值。
使用所述預(yù)先退火，能夠再建晶片表面的受擾區(qū)并除去在RTA退火期間會導(dǎo)致孔蝕的缺陷。
通過申請人利用電子透射顯微鏡觀察特別在分裂期間產(chǎn)生的這些缺陷，使用電子透射顯微鏡能夠顯現(xiàn)由SMARTCUT方法得到的晶片表面上晶片表面區(qū)中腔形式的一個(gè)原子的大小數(shù)量級的細(xì)節(jié)。
這些腔聚集在具有幾十納米數(shù)量級厚度的晶片表面區(qū)中。
由于這些腔的存在，所考慮的區(qū)是相對于結(jié)晶結(jié)構(gòu)未受擾的晶片的下區(qū)的受擾區(qū)。
這些腔可以具有10至20納米數(shù)量級的直徑。
預(yù)先退火可以在常規(guī)爐中(隨后將在特定的爐中進(jìn)行用于表面平滑的RTA退火)或與RTA退火相同的爐中進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，晶片的預(yù)先處理由對晶片表面進(jìn)行化學(xué)侵蝕組成。
該化學(xué)侵蝕可以是濕法或干法蝕刻型。在這種情況中，預(yù)先處理的作用是除去包含上述腔且在RTA退火下導(dǎo)致孔蝕現(xiàn)象的晶片表面區(qū)。
在本發(fā)明的所有實(shí)施例中，優(yōu)先于RTA退火的處理的目的是處理其結(jié)構(gòu)受腔體存在而擾亂的表面區(qū)。
該區(qū)的處理可以由還原或除去區(qū)腔體(這種情況在第一實(shí)施例中)或直接侵蝕該區(qū)以還原/除去該區(qū)本身(第二實(shí)施例以及后面將見到的第三實(shí)施例)組成。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，在RTA退火之前，晶片受犧牲氧化。
在該第三實(shí)施例中，優(yōu)先處理的作用不僅再次還原或除去含有腔體的受擾區(qū)的腔體，還還原或除去該受擾區(qū)本身。
因此，通過在RTA退火之前使晶片受犧牲氧化，這有助于受擾區(qū)的還原或除去(指出該犧牲氧化還能夠有助于還原或除去該區(qū)的腔體)。
在該第三實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選的變形中，將犧牲氧化步驟劃分成氧化步驟和還原步驟，熱處理插入在氧化步驟和還原步驟之間。
優(yōu)選地在700℃與1100℃之間的溫度下進(jìn)行氧化步驟。
氧化步驟可以通過干法或濕法進(jìn)行。
使用干法，例如通過在氣態(tài)氧下加熱晶片來進(jìn)行氧化步驟。
使用濕法，例如可以通過在含有水蒸氣的氣氛中加熱晶片來進(jìn)行氧化步驟。
無論干法或濕法，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)方法，氧化氣氛還可以含有鹽酸。
氧化步驟導(dǎo)致在晶片表面上形成氧化物。
采用任意加熱操作進(jìn)行熱處理，旨在改善形成晶片表面區(qū)的材料的質(zhì)量。
可以在固定或變化的溫度下進(jìn)行該熱處理。
在后面的情況中，以在兩值之間的溫度逐漸上升或在兩值之間循環(huán)擺動等方式進(jìn)行熱處理。
優(yōu)選地，在至少部分大于1000℃的溫度下進(jìn)行熱處理步驟，更為具體地在大約1100-1200℃。
優(yōu)選地，在非氧化氣氛中進(jìn)行熱處理步驟。
熱處理的氣氛可以含有氬、氮、氫等，或其還可以含有這些氣體的混合物。熱處理還可以在真空下進(jìn)行。
在本發(fā)明第三實(shí)施例的這一優(yōu)選變形中，在熱處理步驟之前進(jìn)行氧化步驟。
值得注意的是，雖然已經(jīng)考慮到使尤其歸因于該犧牲氧化的熱處理步驟的孔蝕減少，還沒有處理本發(fā)明著手解決的以防止歸因于隨后的RTA退火步驟的孔蝕的問題。
此外，在這方面再次聲明，由犧牲氧化引起的“孔蝕”為“真”孔蝕(其中孔深度大于其寬度)，而所考慮的孔寬度通常大于其深度，尋求防止止在RTA退火之后該孔的出現(xiàn)。
根據(jù)一個(gè)有利的變形，氧化步驟開始于用于熱處理的溫度上升的開始并在后者結(jié)束之前結(jié)束。
采用熱處理，能夠至少部分治愈在制造工藝和晶片處理的在先步驟期間產(chǎn)生的缺陷。
更為具體地，可以在能治愈在氧化步驟期間產(chǎn)生在晶片表面層中的結(jié)晶缺陷的溫度下，例如堆垛層錯(cuò)、“HF”缺陷等，執(zhí)行熱處理一段時(shí)間。
“HF”缺陷是指在鹽酸浴器中處理晶片之后通過諸如埋入在晶片厚度中的氧化層的層中的裝飾彩暈(decorative halo)暴露其存在的缺陷。
在溶液中優(yōu)先進(jìn)行還原步驟。
例如，該溶液為10％或20％的鹽酸溶液。通過將晶片浸入在該溶液中，幾分鐘足夠除去一千至幾千埃的氧化物。
指出在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，RTA退火步驟之后可以為犧牲氧化，如上所述(在該情況中，如果采用本發(fā)明的第三實(shí)施例，將可以進(jìn)行兩次犧牲氧化操作)。
在RTA退火之后的附加的該犧牲氧化能夠使薄晶片的有效層變薄以將其減小至期望的厚度。
且通過對氧化時(shí)間作用，主要能夠確定要從晶片有效層除去的厚度。
因此會理解，采用本發(fā)明，在其不同實(shí)施例的每一個(gè)中，能夠處理申請人強(qiáng)調(diào)的表面區(qū)(特別在由SMARTCUT方法得到的SOI或SOA結(jié)構(gòu)的情況中)以便于防止隨后在RTA退火期間孔蝕的發(fā)生。
且在這些實(shí)施例的每一個(gè)中，本發(fā)明在已經(jīng)受RTA退火的晶片的表面形態(tài)方面帶來較大的改善；該退火提高了晶片的粗糙度，且在精確刻度上，本發(fā)明帶來防止孔蝕發(fā)生的附加優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.用于提高半導(dǎo)體材料晶片的表面條件的方法，所述方法包括快速熱退火步驟以平滑所述空表面，其特征在于在快速熱退火方法之前，該方法包括晶片表面區(qū)的預(yù)先處理以防止在快速熱退火期間孔蝕的發(fā)生，且快速熱退火可以在非還原氣氛中進(jìn)行。
2.根據(jù)在先權(quán)利要求的方法，其特征在于所述預(yù)先處理是為了重建表面區(qū)的高溫退火。
3.根據(jù)在先權(quán)利要求的方法，其特征在于所述高溫退火在中性氣氛下進(jìn)行。
4.根據(jù)兩個(gè)在先權(quán)利要求的任意一個(gè)的方法，其特征在于所述高溫退火的溫度在600℃與1300℃之間。
5.根據(jù)在先權(quán)利要求的方法，其特征在于；所述高溫退火的溫度在800℃與1100℃之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于采用所述預(yù)先處理能夠除去表面區(qū)的受擾部分。
7.根據(jù)在先權(quán)利要求的方法，其特征在于所述預(yù)先處理為化學(xué)侵蝕。
8.根據(jù)在先權(quán)利要求的方法，其特征在于所述預(yù)先處理是濕法蝕刻或干法蝕刻型。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述預(yù)先處理是犧牲氧化。
10.根據(jù)在先權(quán)利要求的任意一個(gè)的方法，其特征在于快速熱退火步驟之后為犧牲氧化。
11.利用根據(jù)在先權(quán)利要求的任意一個(gè)的方法獲得的絕緣體上硅或任意體上硅結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高半導(dǎo)體材料晶片空表面條件的方法。所述方法包括存在于快速熱退火的步驟以便于平滑所述空表面。本發(fā)明特征在于所述方法包括在快速熱退火之前處理晶片的表面區(qū)以便于防止在快速熱退火期間孔蝕的發(fā)生。且快速熱退火工藝可以在非還原氣氛下進(jìn)行。本發(fā)明還涉及由所述方法制造的結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/70GK1552095SQ02815864
公開日2004年12月1日 申請日期2002年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者C·馬勒維爾, E·內(nèi)雷, C 馬勒維爾 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術(shù)公司