專(zhuān)利名稱：Soi晶片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SOI晶片以及通過(guò)將一個(gè)硅層從一個(gè)供體晶片轉(zhuǎn)移至一個(gè)載體晶片以制造該SOI晶片的方法。
背景技術(shù)：
SOI晶片(“絕緣體硅”)通常是將一個(gè)硅層從一個(gè)所謂的供體晶片轉(zhuǎn)移至一個(gè)載體晶片(“操作晶片”或“基底晶片”)上而制得的。通過(guò)轉(zhuǎn)移硅層制造SOI晶片的方法，例如商標(biāo)名為Smart Cut(EP 533551 A1)或Genesis Process是已知的。WO 03/003430 A2中描述了另一種方法。這些SOI晶片包括一個(gè)載體晶片和一個(gè)與其相連的硅覆蓋層(“頂層”或“器件層”)，該層為預(yù)計(jì)用于制造電子元件的所謂活性層。全部載體晶片是由諸如玻璃或藍(lán)寶石的電絕緣材料組成，或者該硅覆蓋層是通過(guò)一個(gè)電絕緣中間層與載體晶片相連，例如該中間層由氧化硅組成(在此種情況下，該中間層稱作“埋氧層”BOX)。在后者情況下，該載體晶片不必為絕緣體，例如，可為半導(dǎo)體晶片，優(yōu)選為硅晶片。
一般對(duì)硅覆蓋層的要求非常高。例如，覆蓋層不應(yīng)具有所謂的HF缺陷。此外，覆蓋層內(nèi)的“小洞”是由于從供體晶片轉(zhuǎn)移的層含有超過(guò)臨界尺寸的COP(“晶體原生顆粒”；空位聚集體)所產(chǎn)生的。在使用氫氟酸水溶液(HF)處理該覆蓋層時(shí)，氫氟酸會(huì)穿透這些小洞而深入至氧化硅層，并局部溶解氧化硅層。氫氟酸缺陷的出現(xiàn)減弱覆蓋層上所制元件的功能(A.J.Auberton-Hervé，T.Barge，F(xiàn).Metral，M.Bruel，B.Aspar，H.Moriceau，The Electrochem.Soc.PV98-1(1998)1341)。
通常由于出現(xiàn)點(diǎn)缺陷，即空位或間隙硅原子，而在硅晶片中形成以下的缺陷類(lèi)型
根據(jù)制備或檢測(cè)方法，空位的聚集體是指“流動(dòng)圖形缺陷”(FPD)、“柵極氧化物完整性(GOI)缺陷”或“晶體原生顆粒”(COP)(D.Grf，M.Suhren，U.Lambert，R.Schmolke，A.Ehlert，W.v.Ammon，P.Wagner，J.Electrochem.Soc.145(1998)275)。
在空位富集區(qū)域內(nèi)，這些空位不聚集，由于未聚集的空位促進(jìn)氧化作用，額外地形成氧化誘生層錯(cuò)(OSF)(G.Kissinger，J.Vanhellemont，U.Lambert，D.Grf，E.Dornberger，H.Richter；J.Electrochem.Soc.145(1998)L75)。OSF核的形成及OSF的尺寸隨硅晶片的氧含量而增加。所以，在使用空位富集的完整硅晶片時(shí)，額外地需要低氧含量，以避免這些對(duì)SOI晶片有害的缺陷。為達(dá)到此目的，必須采用一種復(fù)雜的拉晶方法，例如使用磁場(chǎng)。對(duì)于完整硅晶片，理解為整個(gè)表面由一個(gè)所謂的中性區(qū)域組成的晶片，在該區(qū)域內(nèi)具有點(diǎn)缺陷(空位和/或間隙硅原子)卻未出現(xiàn)這些點(diǎn)缺陷的聚集體。
空位聚集體和OSF缺陷導(dǎo)致SOI晶片的硅覆蓋層內(nèi)產(chǎn)生小洞或?qū)е掠行雍穸鹊臏p小，因而導(dǎo)致這些位置上相應(yīng)元件的失效。
間隙硅原子的聚集體在硅晶體內(nèi)導(dǎo)致數(shù)微米范圍的位錯(cuò)環(huán)(R.Schmolke，W.Angelberger，W.von Ammon，H.Bender，Solid StatePhenomena Vols.82-84(2002)231)，同樣對(duì)在此處制造的元件的功能造成負(fù)面影響。
為減少在SOI晶片的硅覆蓋層上制造電子元件時(shí)產(chǎn)生的所述不同缺陷的問(wèn)題，通常使用外延涂覆硅晶片(R.Schmolke，D.Grf TheElectrochem.Soc.PV99-1(1999)386)或所謂的“完整硅晶片”(參閱US6342725B2)作為供體晶片。特別地，由外延涂覆晶片得知，這些晶片具有低缺陷密度的優(yōu)越材料特性。所以，外延涂覆晶片用于特別高要求的元件(S.S.Kim，W.Wijaranakula，J.Electrochem.Soc.141(1994)1872)。
用外延涂覆硅晶片作為供體晶片導(dǎo)致以下列缺點(diǎn)硅層轉(zhuǎn)移至載體晶片上之后，為使制造SOI晶片的成本盡可能低，該供體晶片通常重復(fù)使用多次。若使用外延涂覆硅晶片作為供體晶片，在第一次使用前必須沉積一個(gè)非常厚的外延層，或每次作為供體晶片使用之后必須再實(shí)供一次新的外延沉積。兩種可能性均耗費(fèi)高，因此是不經(jīng)濟(jì)的。此外，外延涂覆硅晶片具有結(jié)構(gòu)的缺陷，如小丘、尖峰和外延層錯(cuò)(F.Passek，R.Schmolke，U.Lambert，G.Puppe，P.Wagner，The Electrochem.Soc.PV97-22(1997)40)，這些缺陷在供體晶片與載體晶片粘合時(shí)導(dǎo)致問(wèn)題。
EP 1170405 A1和US 6342725 B2描述了源自利用Czochralski坩堝拉晶法(以下稱為CZ法)所制單晶的供體晶片的用途。CZ法的參數(shù)應(yīng)使得所形成的單晶具有一個(gè)所謂的中性區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)雖然存在點(diǎn)缺陷(空位或間隙硅原子)，但這些點(diǎn)缺陷不發(fā)生聚集。然而，即使完整硅晶片也可能具有小的空位聚集體。為制造不具有聚集點(diǎn)缺陷的完整硅單晶，在實(shí)施CZ法過(guò)程中必須滿足以下條件v/G＝(v/G)臨界(1)其中v是拉晶速度，而G是在結(jié)晶鋒面處的軸向溫度梯度。(v/G)臨界＝1.3×10-3平方厘米/(絕對(duì)溫度×分鐘)是由模擬計(jì)算推導(dǎo)(T.Mori，T.Sinno，R.Brown，The Electrochem.Soc.PV99-1(1999)425)并由經(jīng)驗(yàn)證實(shí)的比值，若遵照該值則不會(huì)產(chǎn)生聚集的點(diǎn)缺陷，從而可制得所謂的“完整”材料。因此，在拉晶期間僅有一個(gè)極窄的加工窗口可供使用。該狹窄的加工窗口致使CZ法中的產(chǎn)率低，并且為保證晶體質(zhì)量符合必需的要求，需要使用復(fù)雜的測(cè)試方法。在此情況下，還有一個(gè)強(qiáng)烈傾向至少?gòu)较蛉毕莸男阅苁遣痪鶆虻?。這意謂著在一個(gè)硅晶片中既產(chǎn)生空位富集區(qū)域(具有潛在的OSF缺陷)，還產(chǎn)生具有間隙硅原子的區(qū)域。
保持供體晶片內(nèi)的缺陷盡可能小并降低缺陷密度的另一個(gè)方法是使用以氮作為共摻雜質(zhì)的空位富集晶體(D.Grf，M.Suhren，U.Lambert，R.Schmolke，Al Ehlert，W.v.Ammon，P.Wagner，The Electrochem.Soc.Proc.Vol.96-13(1996)117)。通過(guò)與氮共摻雜，可抑制空位富集晶體中存在的空位聚集體(空洞)尺寸的生長(zhǎng)，從而降低對(duì)SOI結(jié)構(gòu)的有害影響(EP969505 A2)。然而，即使小的空位聚集體也導(dǎo)致對(duì)SOI結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響，尤其當(dāng)硅覆蓋層的厚度為100納米或更薄時(shí)。首先對(duì)于用以制造所謂“部分耗盡型”以及尤其是“全部耗盡型”SOI結(jié)構(gòu)的SOI晶片是該情況。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種合適的供體晶片，其可以高產(chǎn)率制造，且在所制SOI晶片上制作元件時(shí)保證低缺陷率。
利用SOI晶片可達(dá)成該目的，該SOI晶片包括一個(gè)載體晶片和一個(gè)厚度小于500納米的單晶硅層，其中該硅層的整個(gè)體積內(nèi)具有過(guò)量的間隙硅原子。
與現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)相反，本發(fā)明不使用完整硅晶片(如上所述)作為供體晶片，而是具有過(guò)量間隙硅原子的硅晶片硅。供體晶片以及因此由其所制SOI晶片的硅覆蓋層，至少在部分區(qū)域內(nèi)優(yōu)選具有過(guò)量的聚集間隙硅原子。該供體晶片可依照元件應(yīng)用的要求而具有任意的晶體取向，例如<100>、<110>、<111>或<113>。
眾所周知，在以間隙硅原子為主要缺陷類(lèi)型的硅晶片內(nèi)形成大位錯(cuò)環(huán)，而位錯(cuò)環(huán)使這些晶片不能用于電子元件的制造(R.Winkler，M.Sano；J.Electrochem.Soc.141(1994)1398)。US 6342725 B2也描述了兩種類(lèi)型的聚集點(diǎn)缺陷(空位和間隙硅原子)對(duì)元件的效能具有負(fù)面影響。因?yàn)榭梢灶A(yù)計(jì)這些缺陷也以同樣的方式對(duì)SOI晶片的硅覆蓋層內(nèi)具有負(fù)面影響，使用這些晶片作為供體晶片以制造SOI晶片并非顯而易見(jiàn)。如以上所述，更確切地說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)常使用外延涂覆硅晶片、具有中性區(qū)域的硅晶片或完整硅晶片作為供體晶片。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的研究工作表明，聚集間隙硅原子僅在大塊硅中具有負(fù)面影響，其中在硅晶格內(nèi)由聚集作用所引起的應(yīng)力通過(guò)形成大體積位錯(cuò)環(huán)而得到補(bǔ)償。若層的厚度小于500納米，如本發(fā)明的情況，則不適宜通過(guò)直接位于表面下方的絕緣體(電絕緣載體晶片或電絕緣層，BOX)使這些位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)限制在小于500納米的范圍。
本發(fā)明還涉及一種制造本發(fā)明SOI晶片的方法，其包括以下步驟-通過(guò)Czochralski坩堝拉晶法制造一種硅單晶，其中整個(gè)晶體橫截面的結(jié)晶鋒面處滿足條件v/G＜(v/G)臨界＝1.3×10-3平方厘米/(絕對(duì)溫度×分鐘)，因而在產(chǎn)生的硅單晶內(nèi)具有過(guò)量的間隙硅原子，-從該硅單晶切割出至少一個(gè)供體晶片，-將該供體晶片與一個(gè)載體晶片粘合，以及-使該供體晶片的厚度減薄，從而留下一個(gè)與載體晶片粘合的厚度小于500納米的硅層。
為制造具有間隙硅原子在整個(gè)體積內(nèi)作為主要缺陷類(lèi)型的硅單晶(且其中過(guò)量聚集間隙硅原子優(yōu)選為主要分布在一部分區(qū)域內(nèi))，在實(shí)施CZ法的過(guò)程中必須滿足以下條件v/G＜(v/G)臨界(2)其中這些參數(shù)的定義與方程式(1)相同(E.Dornberger，W.von Ammon，J.Electrochem.Soc.143(1996)1648)。對(duì)于制造完整單晶，該條件基本上比方程式(1)更容易滿足。
然后以傳統(tǒng)的方式方法，例如利用內(nèi)孔鋸或鋼絲鋸將單晶切割成晶片。然后對(duì)這些晶片實(shí)施許多通常的機(jī)械和/或化學(xué)去除步驟，例如選自研磨、磨削、圓邊、蝕刻和拋光，并以適當(dāng)?shù)姆绞椒椒ㄒ来螌?shí)施。
通過(guò)供體晶片與載體晶片之間產(chǎn)生一個(gè)牢固的連接，使制得的供體晶片與載體晶片粘合。在本發(fā)明方法的最后一步中，利用傳統(tǒng)方法使該供體晶片僅留下一個(gè)與載體晶片牢固粘合的厚度低于500納米的硅層，從而減少供體晶片的厚度。
厚度減薄可利用適當(dāng)?shù)囊阎獪p薄法，例如通過(guò)磨削、蝕刻、拋光或其組合實(shí)施。但在與載體晶片粘合之前，優(yōu)選在該供體晶片中制成一個(gè)分離層。在此情況下，與載體晶片粘合之后，優(yōu)選通過(guò)沿分離層的切割實(shí)施供體晶片厚度的減薄。該分離層優(yōu)選通過(guò)注入諸如氫離子或氦離子的離子而制成。此外，也可通過(guò)注入氬離子或硅離子制成一個(gè)吸氣層，然后使氫擴(kuò)散入吸氣層內(nèi)并由此界定分離層?？赏ㄟ^(guò)熱處理或機(jī)械力作用或其組合而實(shí)現(xiàn)沿分離層的切割。EP 533 551 A1描述了制造分離層和沿該分離層切割的優(yōu)選的方法。
與現(xiàn)有技術(shù)的供體晶片，即與外延涂覆硅晶片或完整硅晶片相比，具有間隙硅原子作為主要缺陷類(lèi)型的供體晶片具有以下不同優(yōu)點(diǎn)因?yàn)槿∠送庋油扛驳募庸げ襟E，本發(fā)明的供體晶片與外延涂覆硅晶片相比基本上可以成本更低地制造。此外，本發(fā)明的供體晶片不具有對(duì)于外延涂覆硅晶片典型的結(jié)構(gòu)缺陷，在與載體晶片粘合時(shí)這些缺陷會(huì)引起一些問(wèn)題。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明的供體晶片基本上可以較容易地重復(fù)使用。所述硅層轉(zhuǎn)移至載體晶片上之后，在這些供體晶片可以作為供體晶片重復(fù)使用之前，必須實(shí)施專(zhuān)門(mén)的再加工過(guò)程。該加工過(guò)程還包括諸如拋光的損耗材料的表面平整處理。若將外延涂覆硅晶片作為供體晶片使用，通常將外延層的殘留物去除。因此對(duì)于作為供體晶片重復(fù)使用，需要重新實(shí)施耗費(fèi)的外延涂覆。使用本發(fā)明的供體晶片則省去該步驟。
與完整硅晶片或具有中性區(qū)域的硅晶片相反，本發(fā)明供體晶片在檢測(cè)極限范圍內(nèi)(約1×103/立方厘米；參見(jiàn)圖5)的突出特點(diǎn)是完全不含有害的空位聚集體和OSF缺陷。借助于SC1處理測(cè)定CPS，其中根據(jù)處理時(shí)間甚至可以檢測(cè)出非常小的缺陷(D.Grf，M.Suhren，U.Lambert，R.Schmolke，A.Ehlert，W.Von Ammon，P.Wagner；J.Electrochem.Soc.145(1998)275)。在此情況下，利用SC1處理不僅可以檢測(cè)空位聚集體，而且可檢測(cè)具有氧化物的缺陷，與COP(凹陷)相反，SC1處理之后這些具有氧化物的缺陷呈現(xiàn)凸起狀(M.Hourai，H.Nishikawa，T.Tanaka，S.Umeno，E.Asayama，T.Nomachi，G.Kelly；The Electrochem.Soc.PV98-1(1998)453)。OSF缺陷僅在空位富集的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，而不在間隙硅原子占主導(dǎo)地位的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生(D.Zemke，P.Gerlach，W.Zulehner，K.Jacobs，Journal of Crystal Growth；Volume 139，Issues 1-2(1994)，37)。
間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅晶片也具有不易產(chǎn)生氧沉淀而保持預(yù)定氧含量的優(yōu)點(diǎn)(圖1至3)。因此抑制供體晶片內(nèi)形成氧沉淀物，所述氧沉淀物例如在供體晶片與載體晶片粘合后，為加強(qiáng)粘合力而實(shí)施熱處理(“粘合退火”)的過(guò)程中產(chǎn)生。此外，與既具有空位占主導(dǎo)地位的區(qū)域又具有間隙硅原子占主導(dǎo)地位區(qū)域的完整硅晶片相比，使用本發(fā)明的供體晶片使得BMD密度和氧沉淀徑向更均勻。尤其在多次重復(fù)使用供體晶片時(shí)，氧沉淀物會(huì)導(dǎo)致表面附近的缺陷，總體上這與大量的材料損耗有關(guān)。這會(huì)在SOI晶片的硅覆蓋層內(nèi)損害在其上制造的元件的功能。即使在氧含量較高時(shí)，使用間隙硅原子占主導(dǎo)地位的供體晶片有效地抑制BMD的形成。因?yàn)槔缭诶r(shí)可省去復(fù)雜的磁場(chǎng)裝置，在制造該種晶片時(shí)具有額外的優(yōu)點(diǎn)。因此，例如可使用由氧含量為3×1017/立方厘米至7×1017/立方厘米，優(yōu)選為5×1017/立方厘米至7×1017/立方厘米，特別優(yōu)選為5×1017/立方厘米至6×1017/立方厘米的單晶制造的供體晶片。所述氧含量依照標(biāo)準(zhǔn)ASTM F 121-83測(cè)量。
間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅在氧化作用中的氧化物生長(zhǎng)速度小于空位富集的硅。所以具有兩種徑向區(qū)域的完整硅晶片以非均勻的方式實(shí)施氧化作用，其中氧化物層在空位富集的區(qū)域生長(zhǎng)較快，因此得到的厚度大于間隙硅原子占主導(dǎo)地位的區(qū)域。因?yàn)楸景l(fā)明供體晶片在其總體積內(nèi)具有間隙硅原子，所以這些晶片的氧化作用明顯比完整硅晶片更均勻。因此，氧化過(guò)程中在硅晶片的整個(gè)表面上形成均勻的氧化物層。
若使供體晶片表面氧化且隨后將供體晶片與例如由硅組成的載體晶片粘合，該特性則特別地具有正面效果。在此情況下，硅氧化物層(BOX)為絕緣體。一個(gè)層厚度盡可能均勻的硅氧化物層是值得期待的。本發(fā)明可制造一種SOI晶片，其中在硅層與載體晶片之間有一個(gè)硅氧化物層，在該硅氧化物層中厚度在3納米至30納米范圍內(nèi)的層厚度均勻性少于1％，或厚度在1納米至小于3納米范圍內(nèi)的層厚度均勻性少于2％。層厚度均勻性是指每個(gè)晶片基于平均層厚度的最大與最小層厚度之差。氧化作用優(yōu)選在700至900℃的溫度范圍內(nèi)及在純氧氣氛中或在氧和水蒸汽的混合物中實(shí)施5至60分鐘。通過(guò)選擇溫度、時(shí)間和氧氣氛中水蒸汽含量這些重要參數(shù)控制目標(biāo)厚度。
總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明供體晶片中所測(cè)缺陷密度(＝由聚集間隙硅原子導(dǎo)致的缺陷密度)小于104/立方厘米，因此其尺寸的量級(jí)低于典型空位缺陷密度或由所謂SIMOX法所制SOI晶片的典型空位缺陷密度。對(duì)于間隙硅原子聚集體的缺陷密度，文獻(xiàn)中給出的值為1×103/立方厘米至8×103/立方厘米(R.Winkler，M.Sano；J.Electrochem.Soc.141(1994)1398)或3.6×103/立方厘米(R.Schmolke，W.Angelberger，W.vonAmmon，H.Bender，Gadest(2001))。低于104/立方厘米的缺陷密度相當(dāng)于厚度為100納米且缺陷面密度低于0.1/平方厘米的硅覆蓋層。本發(fā)明供體晶片的缺陷密度可與外延層或硅晶片中的缺陷密度相比較，所述硅晶片由依照“浮區(qū)”法(FZ法)所制硅單晶制成(D.Grf，M.Suhren，U.Lambert，R.Schmolke，A.Ehlert，W.v.Ammon，P.Wagner；J.Electrochem.Soc.145(1998)275；R.Schmolke，D.Grf，The Electrochem.Soc.PV 99-1(1999)386)。尤其由外延涂覆硅晶片得知其缺陷密度對(duì)大規(guī)模集成元件的制造和使用無(wú)損害。
而且，本發(fā)明的供體晶片與完整硅晶片相比，可以基本上更高的產(chǎn)率從而更經(jīng)濟(jì)地制造。制造完整硅單晶需精確符合方程式(1)，但對(duì)于該晶片的整個(gè)長(zhǎng)度和/或整個(gè)橫截面，這是不可能的。所以，完整硅晶片僅可以相對(duì)較低的產(chǎn)率制得。相反地，制造本發(fā)明的供體晶片僅需滿足不等式(2)?？墒姑黠@更大的加工窗口，因此穩(wěn)定的CZ法使得預(yù)期產(chǎn)品的產(chǎn)率高。
其整個(gè)體積內(nèi)出現(xiàn)間隙硅原子的本發(fā)明供體晶片可在用以制造SOI晶片的所有方法的范圍內(nèi)使用，其中將一個(gè)硅層從一個(gè)供體晶片轉(zhuǎn)移至一個(gè)載體晶片上。


圖1所示為直徑200毫米、具有一個(gè)空位占主導(dǎo)地位的區(qū)域和一個(gè)間隙硅原子占主導(dǎo)地位區(qū)域的硅單晶的各縱截面。
圖2所示為直徑200毫米、具有一個(gè)空位占主導(dǎo)地位的區(qū)域和一個(gè)間隙硅原子占主導(dǎo)地位區(qū)域的硅晶片橫截面，在BMD測(cè)試之后。
圖3所示為對(duì)空位富集硅晶片1和間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅晶片3實(shí)施BMD測(cè)試之后初始氧含量O與沉淀氧含量dO之間的關(guān)系。
圖4所示為其整個(gè)體積內(nèi)聚集間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅晶片上尺寸超過(guò)90納米的光散射中心的數(shù)目作為SC1溶液處理時(shí)間的函數(shù)。
圖5所示為其整個(gè)體積內(nèi)聚集間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅晶片的缺陷密度DD與外延涂覆硅晶片的比較。
圖6所示為每個(gè)SOI晶片缺陷數(shù)目ND作為硅覆蓋層厚度d的函數(shù)。
圖7所示為在一個(gè)外延涂覆硅晶片和一個(gè)聚集間隙硅原子占主導(dǎo)地位的硅晶片上均實(shí)施柵極氧化物測(cè)試的結(jié)果。
圖8所示為對(duì)空位富集硅晶片和具有聚集間隙硅原子硅晶片的氧化物層厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1直徑為200毫米的硅單晶是依照預(yù)定的v/G變化制造，為以預(yù)定方式沿軸向設(shè)定從一個(gè)完全空位富集區(qū)域1(圖1)至一個(gè)具有徑向分離且具有過(guò)量的空位或間隙硅原子區(qū)域的環(huán)晶片2以及至一個(gè)僅出現(xiàn)間隙硅原子的區(qū)域3的過(guò)渡作用。在間隙硅原子占主導(dǎo)地位的區(qū)域內(nèi)，所選擇的拉晶速度小于0.4毫米/分鐘。以此拉晶速度，所用拉晶方法和結(jié)晶鋒面處的溫度梯度滿足條件v/G＜(v/G)臨界＝1.3×10-3平方厘米/(絕對(duì)溫度×分鐘)(E.Dornberger and W.v.Ammon，J.Electrochem.Soc.143(1996)1648)。
對(duì)這些晶體的縱截面實(shí)施兩步熱處理，從而可以預(yù)定的方式制造BMD(在780℃下3小時(shí)，然后在1000℃下16小時(shí)；“東芝BMD測(cè)試法”)。為制備BMD，隨后對(duì)這些縱截面實(shí)施光亮蝕刻，去除200微米的材料，然后實(shí)施Secco處理8分鐘。在圖1的對(duì)比中可清晰地看出，空位富集區(qū)域的沉淀較高，環(huán)區(qū)域內(nèi)沉淀的徑向不均勻性以及間隙硅原子占主導(dǎo)地位的區(qū)域內(nèi)BMD的均勻的低數(shù)目。實(shí)施Secco蝕刻之后，間隙硅原子占主導(dǎo)地位區(qū)域的缺陷密度約為3×103/立方厘米至4×103/立方厘米。
在這些晶體中的一個(gè)晶體不同位置的晶片上，測(cè)定氧濃度(Oi間隙氧)并依照東芝BMD測(cè)試法(3小時(shí)/780℃+16小時(shí)/1000℃)測(cè)定平均BMD密度(表1)。
表1

以桿位置8厘米所制硅晶片是出自圖1內(nèi)標(biāo)記2所示區(qū)域的所謂環(huán)晶片。出自35和65厘米位置硅晶片的突出特征為間隙硅原子占主導(dǎo)地位(圖1，區(qū)域3)。雖然所有晶片具有相似的氧含量Oi，出自區(qū)域3晶片的平均BMD密度明顯低于出自區(qū)域2的晶片。比較平均BMD密度時(shí)可考慮所研究的環(huán)晶片的OSF環(huán)位置約在二分之一半徑處，因此間隙硅原子占主導(dǎo)地位的較低程度發(fā)生沉淀的外部區(qū)域與強(qiáng)烈發(fā)生沉淀的空位富集的內(nèi)部區(qū)域的面積比約為3∶1。
實(shí)施例2BMD測(cè)試(3小時(shí)/780℃+16小時(shí)/1000℃)后，出自環(huán)區(qū)域2的硅晶片(參見(jiàn)圖1)被破壞，并用Secco蝕刻處理，以初步蝕刻BMD。圖2所示為從空位富集區(qū)域1至間隙硅原子占主導(dǎo)地位的區(qū)域3的過(guò)渡部分沉淀作用的明顯變化區(qū)域3內(nèi)的BMD密度明顯低于區(qū)域1內(nèi)。
實(shí)施例3依據(jù)BMD測(cè)試(3小時(shí)/780℃+16小時(shí)/1000℃)處理出自區(qū)域1或3、具有不同氧含量O的硅晶片(參見(jiàn)圖1)，并檢測(cè)其沉淀。圖3所示為該檢測(cè)結(jié)果。將間隙氧含量的變化dO用作沉淀的量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。間隙氧含量dO減幅愈大，相關(guān)硅晶片的沉淀和BMD密度愈高。在間隙氧濃度明顯較高的情況下，間隙富集晶片3內(nèi)所形成的沉淀可與氧含量明顯較低的空位富集晶片1相比較。所示S曲線描述了出自區(qū)域1硅晶片的變化dO，W.v.Ammon，A.Ehlert，W.Hensel，The Electrochem.Soc.Proc.Vol.93-15(1993)36中進(jìn)行了更詳細(xì)的敘述。
實(shí)施例4在85℃下，用SC1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)以不同長(zhǎng)度的時(shí)間處理直徑200毫米的間隙富集的硅晶片。然后，用一個(gè)表面檢測(cè)裝置(SP1-TBI；DWO通道；LLS＞90納米)檢測(cè)這些晶片。作為結(jié)果，圖4中每個(gè)硅晶片的缺陷數(shù)目N作為硅去除量的函數(shù)。點(diǎn)4被設(shè)置在未經(jīng)SC1溶液處理的硅晶片上。點(diǎn)5和6所示為硅晶片的缺陷密度，在這些硅晶片中，用所述SC1溶液從表面去除360納米或1000納米的材料。量測(cè)結(jié)果為該硅晶片的缺陷數(shù)目低，該缺陷數(shù)目隨去除材料的厚度呈線性增加。由此所測(cè)得的缺陷密度為7.5×103/立方厘米。
實(shí)施例5在85℃下用實(shí)施例4中所用SC1溶液處理直徑為300毫米的間隙富集硅晶片，其中被去除的材料為720納米。然后以與實(shí)施例4類(lèi)似的方法檢測(cè)這些晶片并測(cè)定其缺陷密度。其結(jié)果為圖5中的點(diǎn)8。測(cè)量結(jié)果為缺陷數(shù)目低，由其測(cè)定的缺陷密度DD為7.8×103/立方厘米。該值可與實(shí)施例4的直徑為200毫米的間隙富集晶片(圖5中的點(diǎn)7)相比較，并可與文獻(xiàn)(R.S chmolke，D.Grf，The Electrochem.Soc.PV99-1(1999)386)所公開(kāi)的直徑為200毫米的外延涂覆硅晶片的缺陷密度相比較(圖5中的點(diǎn)9)。
實(shí)施例6測(cè)得直徑為200毫米或300毫米的硅晶片的缺陷密度約為8×103/立方厘米(參見(jiàn)實(shí)施例4和5)，導(dǎo)致為制造具有厚度d為100納米硅覆蓋層(圖6)的SOI晶片而作為供體晶片使用時(shí)的缺陷密度為0.08/平方厘米。層厚度為20納米時(shí)缺陷密度小于0.02/平方厘米，該值相當(dāng)于晶片直徑為200毫米(曲線10)時(shí)數(shù)目ND少于每個(gè)晶片10個(gè)缺陷以及晶片直徑為300毫米(曲線11)時(shí)數(shù)目ND少于每個(gè)晶片15個(gè)缺陷。
實(shí)施例7對(duì)直徑均為約200毫米的一個(gè)間隙富集硅晶片12(圖7)和一個(gè)外延涂覆硅晶片13實(shí)施柵極氧化物測(cè)試。為此在表面上使這些晶片氧化，制得厚度為25納米的氧化物層。隨著8平方毫米接觸面上的電荷密度J×t暫時(shí)地逐漸提高而進(jìn)行量測(cè)。兩種晶片類(lèi)型顯示出可比較的擊穿特性和缺陷特性。兩種晶片類(lèi)型可測(cè)得小于0.1/平方厘米的非常低的缺陷密度。在圖7中，F(xiàn)代表在給定的電荷密度下出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的電容器的比例。
實(shí)施例8使直徑為200毫米的間隙富集硅晶片14和空位富集硅晶片15(圖8)氧化至約50(＝5納米)的預(yù)定厚度。該氧化作用是在含15％水蒸汽含量的純氧中在800℃下實(shí)施9分鐘。所得氧化物的厚度是利用一個(gè)商購(gòu)橢圓儀在每個(gè)晶片49個(gè)量測(cè)點(diǎn)且邊緣磨耗為2毫米的情況下測(cè)得。
間隙富集材料和空位富集材料的性能不同?？驁D及細(xì)線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明兩組材料所得氧化物的厚度具有顯著差異。因此，點(diǎn)缺陷徑向不均勻的材料產(chǎn)生徑向不同的氧化物厚度。
權(quán)利要求
1.一種SOI晶片，其包括一個(gè)載體晶片和一個(gè)厚度小于500納米的單晶硅層，其中所述硅層的整個(gè)體積內(nèi)具有過(guò)量的間隙硅原子。
2.如權(quán)利要求1的SOI晶片，其特征在于至少在所述硅層的部分區(qū)域內(nèi)具有過(guò)量的聚集間隙硅原子。
3.如權(quán)利要求1或2的SOI晶片，其硅層的氧含量為3×1017/立方厘米至7×1017/立方厘米。
4.如權(quán)利要求3的SOI晶片，其硅層的氧含量為5×1017/立方厘米至7×1017/立方厘米。
5.如權(quán)利要求4的SOI晶片，其硅層的氧含量為5×1017/立方厘米至6×1017/立方厘米。
6.如權(quán)利要求1至5之一的SOI晶片，其特征在于，在所述硅層與載體晶片之間有一個(gè)硅氧化物層，在該硅氧化物層中厚度在3納米至30納米范圍內(nèi)的層厚度均勻性小于1％，或厚度在1納米至小于3納米范圍內(nèi)的層厚度均勻性小于2％。
7.一種用以制造如權(quán)利要求1至6之一的SOI晶片的方法，其包括以下步驟-通過(guò)Czochralski坩堝拉晶法制造一種硅單晶，其中整個(gè)晶體橫截面的結(jié)晶鋒面處滿足條件v/G＜(v/G)臨界＝1.3×10-3平方厘米/(絕對(duì)溫度×分鐘)，因而在產(chǎn)生的硅單晶內(nèi)具有過(guò)量的間隙硅原子，-從該硅單晶切割出至少一個(gè)供體晶片，-將該供體晶片與一個(gè)載體晶片粘合，以及-使該供體晶片的厚度減薄，因而留下一個(gè)與載體晶片粘合的厚度小于500納米的硅層。
8.如權(quán)利要求7的方法，其特征在于，在供體晶片與載體晶片粘合之前，在供體晶片中制造一個(gè)分離層，并在供體晶片與載體晶片粘合之后，通過(guò)沿該分離層的切割以減薄供體晶片的厚度。
9.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述分離層的制造包括離子注入。
10.如權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于所述沿分離層的切割是通過(guò)熱處理或機(jī)械力作用或其組合實(shí)現(xiàn)的。
11.如權(quán)利要求7至10之一的方法，其特征在于，將供體晶片中未與載體晶片粘合的切除部分在表面磨光之后作為供體晶片重復(fù)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種SOI晶片，其包括一個(gè)載體晶片和一個(gè)厚度小于500納米的單晶硅層，其中該硅層的整個(gè)體積內(nèi)具有過(guò)量的間隙硅原子。本發(fā)明還涉及一種制造本發(fā)明SOI晶片的方法，其包括以下步驟通過(guò)Czochralski坩堝拉晶法制造一種硅單晶，其中整個(gè)晶體橫截面的結(jié)晶鋒面處滿足條件v/G＜(v/G)
文檔編號(hào)H01L21/322GK1694258SQ20051006686
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者迪特爾·格雷夫, 馬庫(kù)斯·布利茨, 賴因霍爾德·瓦利希, 阿爾弗雷德·米勒, 迪爾克·策姆克 申請(qǐng)人:硅電子股份公司