專利名稱：Semiconductor substrate surface preparation method的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備半導(dǎo)體基板的表面的方法，更特別是涉及一種提供無氧化物 (oxide-free)的半導(dǎo)體基板表面的方法。
背景技術(shù)：
對于某些應(yīng)用而言，必須提供已去除了自然氧化物層的半導(dǎo)體基板。例如，一種這 樣的情況出現(xiàn)在所謂的直接硅鍵合(Direct Silicon Bonding，DSB)技術(shù)中，在這種技術(shù) 中，通常將第一基板的(100)硅表面直接鍵合到第二基板的(110)硅表面上，而不會(huì)介入氧 化物層。為了能夠成功鍵合這兩個(gè)基板，重要的是在鍵合界面處去除所有可能的氧或氧化 物的源，以防止產(chǎn)生會(huì)限制所獲得的DSB基板的質(zhì)量的氧化物或氧沉淀物。例如，鍵合表面 存在這樣的氧沉淀物或氧化物將造成低鍵合能，導(dǎo)致兩個(gè)鍵合基板之間的粘接力不足。相同類型的問題也出現(xiàn)在形成應(yīng)變硅層的工藝中。為了產(chǎn)生應(yīng)變硅層，人們通常 開始于單晶硅支撐基板，在該基板上經(jīng)由緩沖層產(chǎn)生弛豫的硅鍺(SiGe)層。該緩沖層是具 有不同晶格參數(shù)的兩種結(jié)晶結(jié)構(gòu)之間的中間層，在一個(gè)界面的區(qū)域中具有與第一結(jié)構(gòu)(硅 基板)大致相同的晶格參數(shù)而在其他界面的區(qū)域中具有與第二結(jié)構(gòu)(弛豫的SiGe層)大 致相同的晶格參數(shù)。通常，緩沖層是SiGe層，在SiGe層中鍺含量逐漸地或階躍式地隨著厚 度而增加。然后，在弛豫的緩沖層上生長薄的第二層(通常厚度大約200 A )，這使其晶格 常數(shù)適應(yīng)于下面的弛豫SiGe層的晶格常數(shù)，并成為應(yīng)變硅層(sSi)。與前面的情況一樣，應(yīng) 變硅層的結(jié)晶質(zhì)量受到在弛豫SiGe層的表面上存在氧或氧化物的消極影響。在現(xiàn)有技術(shù)中，上述問題的解決方案在于HF處理，該HF處理導(dǎo)致疏水表面狀態(tài)， 這避免了自然氧化物層的生長。但是，可以看到，即使利用HF處理，在DSB應(yīng)用中也僅獲得 了較低的鍵合能，并且應(yīng)變硅層應(yīng)用仍然存在缺陷，例如所謂的“水印”。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的半導(dǎo)體基板表面制備方法，利用該方法可 以在DSB應(yīng)用中增加鍵合能，并且利用該方法可以按照提高的結(jié)晶質(zhì)量來獲得應(yīng)變硅結(jié)晶層。利用根據(jù)權(quán)利要求1的方法來實(shí)現(xiàn)該目的。根據(jù)該方法，在從半導(dǎo)體基板的表面 上去除氧化物(步驟b)之前，預(yù)先執(zhí)行將自然氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸锏念~外步驟(步驟
a) ο令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，通過將自然氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸镫S后去除人工氧化物，獲 得了超疏水表面，從而與使用直接應(yīng)用于自然氧化物的HF處理的表面制備方法相比可以 更好地抑制自然氧化物層的生長。優(yōu)選地，步驟b)可以是還原步驟，特別是為液體處理，更特別是為HF處理。因而， 可以使用與現(xiàn)有技術(shù)相同的化學(xué)還原處理來去除氧化物，并且可以獲得有關(guān)表面制備的上 述改善。
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另選或另外地，步驟b)可以包括氣體處理，特別是為還原等離子體或還原氣氛中 的熱處理，以除去人工氧化物。利用干式處理，基板表面上的氧量也可以被還原，與液體處 理相比已觀察到改善的鍵合結(jié)果。有利地，還原等離子體可以包括還原氣體等離子體和惰性氣體等離子體。惰性氣 體的添加得到了與沒有惰性氣體相比改善了的表面粗糙度質(zhì)量，由此處理基板的鍵合能力 得到了進(jìn)一步提高。因此，例如包括氫和氬的還原等離子體適合于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，半導(dǎo)體基板可以是(110)硅或(100)硅基板或具有SiGe緩沖 層以及SiGe弛豫層或應(yīng)變硅層的硅基板。對于這種半導(dǎo)體基板，本發(fā)明的方法得到了改善 的疏水表面。有利地，可以執(zhí)行步驟a)，從而將自然氧化物變成化學(xué)計(jì)量的(stoechiometric) 二氧化硅。因而，不是對自然氧化物(其成分是不穩(wěn)定的)進(jìn)行處理，現(xiàn)在通過將自然氧化 物變成化學(xué)成分已知的人工氧化物，即二氧化硅，可以應(yīng)用最優(yōu)化的氧化物去除處理，從而 可以獲得上述改善的疏水表面。優(yōu)選地，本發(fā)明的方法還包括步驟C)，在無氧化物基板表面上提供應(yīng)變硅(sSi) 層。得益于改善的疏水表面，特別是應(yīng)變硅層下面的上述弛豫SiGe層，可以改善應(yīng)變硅層 的表面質(zhì)量。根據(jù)又一有利的變體，本發(fā)明可以包括步驟d)，將該半導(dǎo)體基板以其無氧化物 基板表面?zhèn)?，特別是通過鍵合而附接到第二半導(dǎo)體基板上。與上面已提到的一樣，由于去除 人工氧化物之后改善了疏水表面質(zhì)量，所以可以優(yōu)化鍵合能。優(yōu)選地，第二半導(dǎo)體基板也可以根據(jù)本發(fā)明方法來處理。因而，由于兩個(gè)表面都被 優(yōu)化，鍵合能可進(jìn)一步提高。


圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，下面將詳細(xì)地解釋。圖Ia-Ic例示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式。圖2a和2b例示了應(yīng)對直接硅鍵合的第二實(shí)施方式。圖3a_3i例示了在絕緣體基板上制備應(yīng)變硅的本發(fā)明的第三實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖Ia-Ic例示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式，該實(shí)施方式針對的是制備半導(dǎo)體基 板1的表面的方法。處理后的基板隨后可以在后續(xù)制造方法中使用。首先提供半導(dǎo)體基板1。該半導(dǎo)體基板1例如可以是具有(110)或(100)基板的 硅晶片，其上還設(shè)置有或沒有設(shè)置其他層，例如可以具有硅鍺緩沖層和/或硅鍺弛豫層(通 常為用于生長應(yīng)變硅層的初始基板)的硅基板。半導(dǎo)體基板1具有半導(dǎo)體基部3，且其表面覆蓋有自然氧化物層5。圖Ib例示了改造的半導(dǎo)體基板1’，作為根據(jù)權(quán)利要求1的步驟a)的結(jié)果，半導(dǎo)體 基板被放置在氧化環(huán)境8中，以將自然氧化物層5變?yōu)槿斯ぱ趸飳?，從而半導(dǎo)體基部3 被人工氧化物層7覆蓋，而不是被自然氧化物覆蓋。執(zhí)行步驟a)，使得至少在晶片正面(在 圖Ib中，基板1’的上面的主面)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸铩?br> 該氧化步驟可以通過液體氧化(例如使用臭氧O3)或通過氣體氧化(例如使用氧 等離子體)或熱氧化步驟而實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行氧化步驟，使得自然氧化物(其化學(xué)計(jì)量通常未知) 變?yōu)榛瘜W(xué)計(jì)量已知的氧化物。在氧化硅的情況下，自然氧化物SiOx變成Si02。經(jīng)過氧化步 驟之后，人工氧化物層7的厚度小于150 A，特別是小于100 A。從自然氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸锟梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的分析技術(shù)(例如XPS (X射線光譜 測定法))來驗(yàn)證。改造的半導(dǎo)體基板1’隨后被放置到還原氣氛9中(參見例示了下一工藝步驟的 最終結(jié)果的圖Ic)。該還原步驟使得人工氧化物層7被化學(xué)去除，從而最終獲得經(jīng)過進(jìn)一步 改造的半導(dǎo)體基板1”，該半導(dǎo)體基板1”呈現(xiàn)出無氧化物的表面，因而基本不存在Si-O或 Si-OH 鍵。去除人工氧化物的還原步驟可以使用以下處理中的一個(gè)或其組合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)一個(gè)另選方案，執(zhí)行液體處理特別是使用HF處理以去除人工氧化物層7。根 據(jù)第二另選方案，應(yīng)用氣體處理，特別是化學(xué)還原等離子體或還原氣氛中的熱處理。當(dāng)使用 化學(xué)還原等離子體時(shí)，優(yōu)選地將在等離子體中具有還原功能的氣體和保護(hù)基板表面不受不 必要材料去除的影響的惰性氣體等離子體組合起來。結(jié)果，進(jìn)一步改造的半導(dǎo)體基板1”的 表面保持光滑。對于硅基板，氬/H2等離子體處理得到了最優(yōu)化結(jié)果。在等離子體處理的情況下從主表面上去除人工層。實(shí)際上，來自等離子體的離子 轟擊(ion bombardment)作用在晶片的正面上，如上面所限定的。背面通常被保護(hù)而不受 到離子轟擊。在液體處理的情況下，去除可以發(fā)生在兩個(gè)面上，如圖Ic)所例示的。與去除了自然氧化物的半導(dǎo)體基板相比，在半導(dǎo)體基板1”上獲得的無氧化物表面 具有優(yōu)越的疏水特性，因而表面防止了氧化物的生長。結(jié)果，使用這種優(yōu)越的基板1”可以 獲得改善的初始基板，以用于后續(xù)的制造工藝。圖2a和2b例示了使用改善的半導(dǎo)體基板1”的一個(gè)本發(fā)明的應(yīng)用，S卩，具有(100) 表面的硅基板21與具有(110)基板的硅基板23的直接鍵合。在該實(shí)施方式中，基板21和 23都已按照針對圖Ia-Ic描述的那樣被處理過，因此呈現(xiàn)了疏水表面25和27 (它們基本無 氧化物)。作為下一步驟，使兩個(gè)基板21和23接觸并施加輕微的壓力，從而生成鍵合波，該 波在這兩個(gè)基板之間的整個(gè)界面上擴(kuò)展，由此將兩個(gè)基板21和23彼此附接，從而形成了直 接鍵合的新基板29。可以看到，鍵合能(進(jìn)而表征兩個(gè)基板21和23之間的附接強(qiáng)度的能量)與根據(jù) 已去除自然氧化物層而沒有人工氧化物層的基板所獲得的直接鍵合基板的鍵合能相比大 約高了至少10倍。表1例示了這些結(jié)果樣本等離子體處理鍵合能 室溫(mJ/m2)示例1氫氦 250W IOs 50% 氦18±3示例2氫氦 250W IOs 68%氦15±2示例3氫氦 250W IOs9±2示例4氫氬 250W IOs 50% 氬4± 1發(fā)明實(shí)施例5氧 535W 10s H/Ar 250W 60s 18% 氬240 士 46發(fā)明實(shí)施例6氧 535W 10s H/Ar 250W 120s 18%氬185 士 35在該表中，針對不同還原等離子體處理給出了鍵合能。用于確定鍵合能 的方法是所謂的裂紋張開法(crack-opening method)，在 Q. -Y. Tong &U. Gosele 的〃 Semiconductor wafer bonding :science and technology" , page :25,1999 中詳細(xì) 地描述了這種方法。實(shí)際上針對各種等離子體處理執(zhí)行這些測試達(dá)多個(gè)不同的時(shí)間段。但 是，表1僅提供了獲得最佳鍵合能結(jié)果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從示例1-4(未根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行處理)可以看到，觀察到了 4-18mJ/m2范圍的鍵合 能。對于根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了處理的實(shí)施例5和6，首先執(zhí)行氧處理10秒，以將自然氧化物轉(zhuǎn) 變?yōu)槿斯ぱ趸?，接著?yīng)用氫氬等離子體來去除人工氧化物，而鍵合能在185-240mJ/m2之 間?？傊?，使用提供無氧化物半導(dǎo)體基板表面的本發(fā)明方法，可以獲得具有較高鍵合 能的優(yōu)良的直接硅鍵合的鍵合基板(如同DSB基板29)。圖3a_3i例示了要在絕緣體半導(dǎo)體基板上制備應(yīng)變硅(sSi)的本發(fā)明的第三實(shí)施 方式，使用了在圖Ia-Ic中例示的方法來獲得無氧化物表面。第一步驟是提供硅基板31 (圖3a)，該硅基板31上已去除了氧化物層，這可以利用 根據(jù)本發(fā)明的將自然氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸锝又コ?參見圖la-lc)的方法來實(shí)現(xiàn)， 或者利用簡單去除自然氧化物的現(xiàn)有技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)。接著，在半導(dǎo)體基板31上設(shè)置硅鍺緩沖層33(圖3b)。在緩沖層33中鍺含量(線 性或階躍式)增加以越來越多地改變緩沖層33中的晶格常數(shù)。隨后，一旦達(dá)到了希望的、對應(yīng)于緩沖層33表面處的預(yù)定晶格常數(shù)的鍺含量，就 生長弛豫硅鍺層35，該弛豫硅鍺層35具有在朝向弛豫層34的緩沖層界面36處的緩沖層 33的鍺含量(圖3c)。接著，在弛豫層35上沉積應(yīng)變硅層37 (圖3d)。應(yīng)變硅層37使其晶格常數(shù)適應(yīng)于 下面的弛豫層35中的晶格常數(shù)。因而，層37的晶格常數(shù)不同于自然硅中的晶格常數(shù)，這使 其處于應(yīng)變狀態(tài)。應(yīng)變硅層37通常生長到大約200 A的厚度。如圖3e中例示的，接著在弛豫硅鍺層35內(nèi)部建立預(yù)定的分離區(qū)域39。這是通過 植入離子(如，氫和/或氦離子)進(jìn)入應(yīng)變硅層37而實(shí)現(xiàn)的。隨后，經(jīng)由應(yīng)變硅層37的表面38將獲得的結(jié)構(gòu)41附接、特別是鍵合到承載基板 43上(見圖3f)，由此形成施主處理基板45。承載基板可以是任何類型的基板，特別是硅晶 片。這里，承載基板43包括位于其表面上的氧化物層47。隨后，使用例如熱或化學(xué)處理或其組合來執(zhí)行分開步驟(detachment step)，以獲 得在預(yù)定分離區(qū)域39處的分開。這導(dǎo)致應(yīng)變硅層37連同弛豫硅鍺層35的一部分49的位
6移(transfer)，以獲得仍承載弛豫硅鍺層35的該部分49的絕緣體基板51 (圖3g)上的應(yīng) 變硅。該部分49接著被去除(圖3h)以獲得絕緣體基板51上的應(yīng)變硅。對于某些應(yīng)用，厚度大約200 A的應(yīng)變硅層37是不夠的，必須在應(yīng)變硅層37上提 供另外的應(yīng)變硅層，以獲得更大厚度的應(yīng)變層。為了獲得具有足夠結(jié)晶質(zhì)量的更厚的應(yīng)變硅層53，必須從應(yīng)變硅層37的表面上 去除任何氧化硅。為此，執(zhí)行如參照圖Ia-Ic描述的本發(fā)明方法，通過引證而并入該方法且 不再重復(fù)描述。首先將存在于結(jié)構(gòu)51上的自然氧化物變?yōu)槿斯ぱ趸?，接著將其去除。?過這樣，在層37上產(chǎn)生了改善的疏水表面，該層37接著可以用作使應(yīng)變硅層變厚的初始層 級(jí)，以獲得具有更厚的應(yīng)變硅層53的最終基板51’。
權(quán)利要求
一種用于制備半導(dǎo)體基板的表面的方法，該方法包括以下步驟a)對所述半導(dǎo)體基板(1)的所述表面進(jìn)行氧化，由此將自然氧化物(5)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぱ趸?7)，b)去除所述人工氧化物(7)，特別是利用包括還原氣體等離子體和惰性氣體等離子體的還原性等離子體，來獲得無氧化物基板表面(11)，以及c)將所述半導(dǎo)體基板(21)以其無氧化物基板表面(25)側(cè)附接到第二半導(dǎo)體基板(23)上，特別是通過鍵合來進(jìn)行附接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體基板(1)是(110)硅 或(100)硅基板或者具有SiGe緩沖層和/或具有SiGe弛豫層或應(yīng)變硅層的硅基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，執(zhí)行步驟a)，以使得所述人工氧化物(7)是化學(xué) 計(jì)量的SiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，第二半導(dǎo)體基板(23)同樣按照步驟a)和步驟 b)進(jìn)行了處理。
全文摘要
文檔編號(hào)H01L21/02GK101952934SQ20098010505
公開日2011年1月19日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月13日
發(fā)明者Khalid Radouane 申請人:Soitec Silicon On Insulator