專利名稱：貼合晶片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用智能剝離法(Smart Cut (注冊(cè)商標(biāo)))來(lái)制造貼合晶片的方法，典型地涉及一種在將注入有氫離子等的硅晶片與作為支持基板的其他晶片密接后加以剝離來(lái)制造絕緣硅(Silicon-On-Insulator ;S0I)晶片或直接接合晶片的方法。
背景技術(shù)：
隨著元件一代代的發(fā)展，為了滿足趨向于高性能化這一目標(biāo)，僅靠現(xiàn)有的利用塊硅晶片而實(shí)現(xiàn)的尺度效應(yīng)(Scaling Effect)已無(wú)法應(yīng)對(duì)，必須要采用新的元件結(jié)構(gòu)，作為所述元件結(jié)構(gòu)的原材料，SOI晶片正引人關(guān)注。SOI晶片有貼合法(通過(guò)磨削研磨進(jìn)行薄膜化)、SIM0X法(注氧隔離法；S^aration by Implantation Oxygen)、智能剝離法(注冊(cè)商標(biāo)通過(guò)離子注入剝離進(jìn)行薄膜化)，但在制作較薄的SOI層時(shí)，考慮可在廣泛的膜厚范圍內(nèi)制作S0I，采用智能剝離法(注冊(cè)商標(biāo))制作的SOI晶片正成為主流。在智能剝離法中，從包括單晶硅的結(jié)合晶片的表面，離子注入氫離子及稀有氣體離子中的至少一種氣體離子，而在晶片內(nèi)部形成離子注入層。然后，直接或經(jīng)由氧化硅膜使結(jié)合晶片的注入有離子的表面與基體晶片的表面密接。通過(guò)對(duì)該密接的晶片施加剝離熱處理，以離子注入層為界來(lái)使結(jié)合晶片剝離，從而制作貼合晶片。之后，通過(guò)對(duì)該貼合晶片施加結(jié)合熱處理，將從結(jié)合晶片剝離的SOI層與基體晶片牢固地結(jié)合，形成SOI晶片(參照專利文獻(xiàn)1)。此處，剝離熱處理的溫度(通常為500°C以上)通常比之后進(jìn)行的用于充分提高貼合強(qiáng)度的結(jié)合熱處理溫度低，因此，在充分提高貼合強(qiáng)度前，會(huì)由于剝離熱處理而出現(xiàn)結(jié)合晶片剝離。剝離后，由于硅的厚度較薄，因此在其物理耐受性低、貼合強(qiáng)度弱的情況下，會(huì)產(chǎn)生剝落等，容易造成損傷，成為SOI層的缺陷。然而，如果能以直到產(chǎn)生剝離時(shí)不發(fā)生剝落等的程度來(lái)預(yù)先提高貼合強(qiáng)度，則在后續(xù)進(jìn)行的結(jié)合熱處理中可獲得充分的貼合強(qiáng)度，因此可制造缺陷少的高品質(zhì)SOI晶片。以往，為了提高貼合強(qiáng)度或減少缺陷，在專利文獻(xiàn)2中記載有在200 4000C (10 360分鐘)下進(jìn)行預(yù)退火，然后在500°C下進(jìn)行熱處理而加以剝離。并且，在專利文獻(xiàn)3中記載有在350°C下投入，然后進(jìn)行升溫，在500°C下進(jìn)行熱處理而加以剝離。在專利文獻(xiàn)4中記載有在300°C下投入，然后進(jìn)行升溫，在500°C下進(jìn)行熱處理而加以剝離。然而，即使這樣在剝離熱處理前進(jìn)行預(yù)退火，也會(huì)存在無(wú)法充分降低稱為氣泡 (S0I層與基體晶片未結(jié)合的部分)或空隙(發(fā)生SOI層脫落的部分)的SOI層缺陷的產(chǎn)生率的情況。[先行技術(shù)文獻(xiàn)](專利文獻(xiàn))專利文獻(xiàn)1 日本專利特開(kāi)平5-2111 號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)2 日本專利特開(kāi)2006-74034號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)3 日本專利特開(kāi)2003-347176號(hào)公報(bào)；
專利文獻(xiàn)4 :W02005/024916。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述情況而完成，其目的在于采用智能剝離法(注冊(cè)商標(biāo))制作貼合晶片時(shí)，在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下，形成貼合強(qiáng)度高的狀態(tài)，減少剝離缺陷的產(chǎn)生， 從而制造高品質(zhì)貼合晶片。為了解決所述課題，本發(fā)明提供一種貼合晶片的制造方法，至少包括從由單晶硅所構(gòu)成的結(jié)合晶片的表面，離子注入氫離子和稀有氣體離子中的至少一種氣體離子而在晶片內(nèi)部形成離子注入層的步驟；直接或經(jīng)由氧化硅膜使所述結(jié)合晶片的注入有離子的表面與基體晶片的表面密接的步驟；以及以所述離子注入層為界來(lái)使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟；其特征在于通過(guò)在小于500°C的溫度下進(jìn)行預(yù)退火，然后在500°C以上的溫度下進(jìn)行剝離熱處理，來(lái)進(jìn)行所述使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟，通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行所述預(yù)退火。這樣，在小于500°C的溫度下，實(shí)施下述預(yù)退火，該預(yù)退火通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行，然后在500°C以上的溫度下進(jìn)行剝離熱處理，從而可在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下提高貼合強(qiáng)度，因此，可減少氣泡或空隙，制作缺陷少的貼合晶片。另外，所述預(yù)退火中的第1溫度下的熱處理，優(yōu)選在200士20°C下進(jìn)行熱處理。這樣，通過(guò)將預(yù)退火中的第1溫度設(shè)為200°C左右，吸附于貼合界面上的水分可以充分地慢慢脫離，因此可抑制氣泡或空隙的產(chǎn)生。另外，所述預(yù)退火中的第2溫度下的熱處理，優(yōu)選在350士20°C下進(jìn)行熱處理。這樣，通過(guò)將預(yù)退火中的第2溫度設(shè)為350°C左右，可抑制進(jìn)行了離子注入的氫原子擴(kuò)散，于之后的剝離熱處理中，可充分地產(chǎn)生剝離。如果使用本發(fā)明的貼合晶片的制造方法，則在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下，可形成貼合強(qiáng)度高的狀態(tài)，減少剝離時(shí)產(chǎn)生的稱為氣泡或空隙的缺陷產(chǎn)生，從而制造高品質(zhì)貼合晶片(包括SOI晶片和直接結(jié)合晶片)。


圖1是根據(jù)TDS而得的貼合界面的脫離氣體分析結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下，更為具體地說(shuō)明本發(fā)明。如上所述，以往，剝離熱處理的溫度比用于充分提高貼合強(qiáng)度的結(jié)合熱處理的溫度低，因此出現(xiàn)了如下問(wèn)題由于在貼合強(qiáng)度充分提高前會(huì)產(chǎn)生剝離，剝離后硅的厚度較小，因此在其物理耐受性弱、貼合強(qiáng)度低的情況下會(huì)產(chǎn)生剝落等，容易造成損傷，成為SOI 層的缺陷。關(guān)于這一點(diǎn)，在由相同的智能剝離法制作且未經(jīng)由氧化膜而直接接合的直接接合晶片中情況也相同。以下，以貼合晶片為SOI晶片的情況為例進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明當(dāng)然也適用于直接接合晶片。對(duì)于所述問(wèn)題，本發(fā)明者們進(jìn)行了如下研究。首先，在剝離熱處理中，考察了在比剝離產(chǎn)生溫度(剝離溫度)低的溫度下進(jìn)行的熱處理中所發(fā)生的現(xiàn)象。在剝離熱處理開(kāi)始前，在貼合界面上存在水分(H2O)。界面的水分因熱處理而脫離，并沿著貼合界面向外面擴(kuò)散。雖然難以實(shí)測(cè)脫離速度與擴(kuò)散速度，但大體上來(lái)講，在擴(kuò)散速度比脫離速度快時(shí)，因脫離而產(chǎn)生的氣體不會(huì)停留在界面上而進(jìn)行擴(kuò)散，并維持結(jié)合； 在脫離速度比擴(kuò)散速度快時(shí)，因脫離而產(chǎn)生的氣體會(huì)停留在界面上并聚集。也就是說(shuō)，如果在會(huì)促使所吸附的水分(H2O)脫離的溫度下進(jìn)行熱處理，則成為貼合不會(huì)形成稱為氣泡或空隙的部分。因此，本發(fā)明者們想到，如果著眼于水分的脫離，則預(yù)退火優(yōu)選在能夠充分地慢慢進(jìn)行水分脫離的較低溫度下進(jìn)行。另外，如果貼合界面的水分脫離，則在貼合界面上各硅(Si)的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生變化，形成一種在貼合界面的結(jié)合。結(jié)合狀態(tài)，具有溫度越高則越能促進(jìn)結(jié)合從而貼合強(qiáng)度提高的傾向，因此，如果著眼于各Si的結(jié)合狀態(tài)，則預(yù)退火優(yōu)選在盡可能高的溫度下進(jìn)行。然而，在溫度上升使得注入的氫開(kāi)始移動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)生所注入的氫濃度因擴(kuò)散而降低，即使之后上升至剝離溫度也無(wú)法產(chǎn)生剝離的現(xiàn)象。因此，本發(fā)明者們想到，如果著眼于所注入的氫的擴(kuò)散，則預(yù)退火優(yōu)選在注入的氫不會(huì)急劇擴(kuò)散的范圍內(nèi)在較高的溫度下進(jìn)行。因此，本發(fā)明者們進(jìn)行了努力研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果實(shí)施下述預(yù)退火，S卩，至少在可充分地慢慢除去(脫離)貼合界面水分的溫度范圍內(nèi)的盡可能高的第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度且為水分脫離充分結(jié)束的溫度，并在注入的氫原子擴(kuò)散較少的溫度范圍內(nèi)的盡可能高的第2溫度下，進(jìn)行熱處理，則在實(shí)施該預(yù)退火后，如果在剝離溫度下進(jìn)行熱處理，則至達(dá)到剝離溫度為止，可預(yù)先提高貼合強(qiáng)度。將根據(jù)TDS (升溫脫離氣體分析；Thermal Desorption Spectroscopy)而得的貼合界面的脫離氣體分析結(jié)果示于附圖1中。在200°C 350°C之間，可確認(rèn)水分(H2O)的脫離峰值。在相同溫度下也可觀察到氫氣(H2)的脫離峰值，這可解釋為因水分的脫離而形成的峰值。而且，在350°C 450°C之間可確認(rèn)氫氣(H2)的脫離峰值。這可解釋為因注入的氫原子擴(kuò)散而形成的峰值。本發(fā)明者們從所述TDS脫離氣體分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，至少具有第1溫度下的熱處理與第2溫度下的熱處理的預(yù)退火中的第1溫度，也就是用于充分地慢慢除去(脫離)貼合界面水分的較低溫度，優(yōu)選比圖1的200°C 350°C的水分脫離峰值低的溫度中的盡可能高的溫度，即200°C左右士 20°C左右)。并且發(fā)現(xiàn)，如果第2溫度也就是水分脫離充分結(jié)束的溫度且為注入的氫原子擴(kuò)散較少的溫度中的盡可能高的溫度，比圖1的200°C 350°C 的水分脫離峰值高，且比350°C 450°C的氫氣脫離峰值低，即為350°C左右(350°C 士20°C 左右)，則在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下，可提高貼合強(qiáng)度，因此，可減少空隙或氣泡的形成，從而制作缺陷少的SOI晶片。以下，更為詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于此。此處，作為較好的形態(tài)說(shuō)明了由2片硅晶片制造SOI晶片的情況，當(dāng)然本發(fā)明也適用于貼合絕緣基板與硅晶片的情況。本發(fā)明的特征在于在貼合晶片的制造中，通過(guò)在小于500°C的溫度下進(jìn)行預(yù)退火，然后在500°C以上的溫度下進(jìn)行剝離熱處理來(lái)進(jìn)行使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟，通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行預(yù)退火。 在此，按順序從準(zhǔn)備晶片至完成SOI晶片進(jìn)行說(shuō)明。
首先準(zhǔn)備基體晶片，其包含作為符合元件規(guī)格的支持基板的單晶硅晶片；及結(jié)合晶片，其包含一部分作為SOI層的單晶硅晶片。然后，在基體晶片及結(jié)合晶片中的至少一者上形成作為絕緣膜的氧化膜。氧化膜的厚度等應(yīng)該根據(jù)規(guī)格來(lái)決定，因此并無(wú)特別限定，只要通過(guò)熱氧化形成厚度為約0.01 2.0μπι左右的氧化膜即可。然后，從結(jié)合晶片的表面離子注入氫離子及稀有氣體離子中的至少1種氣體離子，而在晶片內(nèi)部形成離子注入層。然后，經(jīng)由所述形成的氧化硅膜使結(jié)合晶片的注入有離子的表面與基體晶片的表面密接。然后，在小于500°C的溫度下進(jìn)行預(yù)退火。預(yù)退火是在小于500°C的溫度范圍內(nèi)， 通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理而進(jìn)行的。第1溫度優(yōu)選200°C左右士20°C)，該溫度為可充分地慢慢除去貼合界面水分的100°C以上的較低溫度，且為即使在此較低溫度中也可促進(jìn)貼合界面的結(jié)合狀態(tài)的盡可能高的溫度。然后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理，第2溫度優(yōu)選350°C左右 (3500C 士20°C )，該溫度為可充分完成水分脫離的溫度，且為注入的氫原子擴(kuò)散較少的溫度中的盡可能高的溫度。另外，本發(fā)明中的預(yù)退火如果為小于500°C的溫度范圍內(nèi)，則并不僅限于所述第 1溫度、第2溫度下的熱處理，也可以是下述熱處理步驟，即，通過(guò)包含在第3或第4等其他溫度下進(jìn)行的熱處理步驟的3級(jí)以上的多個(gè)階段使溫度上升，或者也可為傾斜升溫退火 (Ramp Up Anneal)。在所述預(yù)退火后，升溫至可在離子注入層進(jìn)行剝離的500°C以上的溫度，進(jìn)行剝離熱處理，通過(guò)以離子注入層為界來(lái)使結(jié)合晶片剝離，由此獲得SOI晶片。這樣，作為使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟，通過(guò)在小于500°C的溫度下進(jìn)行多個(gè)階段的預(yù)退火，然后在500°C以上的溫度下進(jìn)行熱剝離處理，可在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下提高貼合強(qiáng)度，因此，可減少空隙或氣泡，從而制作缺陷少的SOI晶片。[實(shí)施例]以下，示出實(shí)施例與比較例來(lái)對(duì)本發(fā)明加以具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限定于此。(實(shí)施例1)準(zhǔn)備300片直徑為300mm的單晶硅晶片，并分為結(jié)合晶片與基體晶片，在結(jié)合晶片的表面形成150nm的熱氧化膜，通過(guò)該氧化膜將氫離子注入至結(jié)合晶片內(nèi)部(注入能量為 46keV，劑量為 5E16/cm2)。然后，在室溫下將結(jié)合晶片與基體晶片貼合，進(jìn)行熱處理以使結(jié)合晶片剝離。此時(shí)，關(guān)于熱處理，熱處理?xiàng)l件為包含具有第1溫度和第2溫度下的熱處理步驟的預(yù)退火，并且，將預(yù)退火中的第1溫度下的熱處理設(shè)為在200°C下保持4小時(shí)，將第2溫度下的熱處理設(shè)為在350°C下保持2小時(shí)，然后，升溫至500°C并保持30分鐘，從而將結(jié)合晶片剝離。目視觀察剝離后的貼合晶片(S0I晶片)的表面，求出氣泡產(chǎn)生率和空隙產(chǎn)生率， 結(jié)果分別為15.3%、1.3%。另外，氣泡產(chǎn)生率和空隙產(chǎn)生率的定義如下所示。氣泡產(chǎn)生率(存在氣泡的晶片數(shù))/ (全部晶片數(shù))X 100 )空隙產(chǎn)生率(存在空隙的晶片數(shù))/ (全部晶片數(shù))X 100 )(比較例1)
除了將熱處理步驟的預(yù)退火設(shè)為于350°C下保持2小時(shí)的1個(gè)步驟之外，在與實(shí)施例1相同的條件下制作貼合晶片(SOI晶片)，求出氣泡產(chǎn)生率和空隙產(chǎn)生率，結(jié)果分別為 24. 0%,76. 0%。(實(shí)施例2)準(zhǔn)備300片直徑為300mm的單晶硅晶片，并分為結(jié)合晶片與基體晶片，在結(jié)合晶片的表面形成20nm的熱氧化膜，通過(guò)該氧化膜將氫離子注入至結(jié)合晶片內(nèi)部(注入能量為 !35keV，劑量為 5E16/cm2)。然后，對(duì)結(jié)合晶片的貼合界面進(jìn)行氮等離子體處理以提高室溫下的貼合強(qiáng)度后， 在室溫下貼合基體晶片，并進(jìn)行熱處理以剝離結(jié)合晶片。此時(shí)，關(guān)于熱處理，熱處理?xiàng)l件為包含具有第1溫度及第2溫度下的熱處理步驟的預(yù)退火，并且，將預(yù)退火中的第1溫度下的熱處理設(shè)為在200°C下保持4小時(shí)，將第2溫度下的熱處理設(shè)為在350°C下保持2小時(shí)，然后，升溫至500°C并保持30分鐘，從而將結(jié)合晶片剝離。對(duì)剝離后的貼合晶片(S0I晶片)在1200°C的高溫下進(jìn)行SOI表面的平坦化熱處理，從而完成作為制品的SOI晶片。用光學(xué)表面檢查裝置(SP2 =KLA-Tencor公司制造)測(cè)定完成后的SOI晶片，求出尺寸為0. 25 μ m以上的缺陷數(shù)，結(jié)果為平均1. 2個(gè)/晶片。并且，對(duì)在成品SOI晶片表面檢測(cè)出的尺寸為0. 25 μ m以上的缺陷，另外進(jìn)行SEM 觀察后發(fā)現(xiàn)，這些缺陷幾乎都是由氣泡引起的缺陷。(比較例2)除了將熱處理的預(yù)退火設(shè)為于200°C下保持4小時(shí)的1個(gè)步驟之外，在與實(shí)施例2 相同的條件下制作貼合晶片(S0I晶片)，同樣求出尺寸為0. 25 μ m以上的缺陷數(shù)，結(jié)果為平均2.3個(gè)/晶片。(比較例3)除了將熱處理中的預(yù)退火設(shè)為于350°C下保持2小時(shí)的1個(gè)步驟之外，在與實(shí)施例 2相同的條件下制作貼合晶片(S0I晶片)，同樣求出尺寸為0. 25 μ m以上的缺陷數(shù)，結(jié)果為平均3.4個(gè)/晶片。如上所述，如果根據(jù)本發(fā)明的貼合晶片的制造方法，可在進(jìn)一步可靠地除去水分等而提高貼合強(qiáng)度后進(jìn)行剝離，可減少空隙或氣泡的形成，制作缺陷少的SOI晶片。另外，本發(fā)明并不限定于所述實(shí)施方式。所述實(shí)施方式僅為示例，具有與本發(fā)明的權(quán)利申請(qǐng)范圍所記載的技術(shù)思想實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成，并發(fā)揮相同作用效果的所有發(fā)明均包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種貼合晶片的制造方法，至少包括從由單晶硅所構(gòu)成的結(jié)合晶片的表面，離子注入氫離子和稀有氣體離子中的至少一種氣體離子而在晶片內(nèi)部形成離子注入層的步驟； 直接或經(jīng)由氧化硅膜使所述結(jié)合晶片的注入有離子的表面與基體晶片的表面密接的步驟； 以及以所述離子注入層為界來(lái)使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟；其特征在于通過(guò)在小于500°c的溫度下進(jìn)行預(yù)退火，然后在500°C以上的溫度下進(jìn)行剝離熱處理， 來(lái)進(jìn)行所述使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟，通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行所述預(yù)退火。
2.如權(quán)利要求1所述的貼合晶片的制造方法，其中所述預(yù)退火中的第1溫度下的熱處理是在200士20°C下進(jìn)行熱處理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的貼合晶片的制造方法，其中所述預(yù)退火中的第2溫度下的熱處理是在350士20°C下進(jìn)行熱處理。
全文摘要
本發(fā)明是一種貼合晶片的制造方法，包括在結(jié)合晶片內(nèi)部形成離子注入層的步驟；直接或經(jīng)由氧化膜使結(jié)合晶片的注入有離子的表面與基體晶片的表面密接的步驟；以離子注入層為界來(lái)使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟；其特征在于通過(guò)在小于500℃的溫度下進(jìn)行預(yù)退火，然后在500℃以上的溫度下進(jìn)行剝離熱處理，來(lái)進(jìn)行使結(jié)合晶片剝離的熱處理步驟，通過(guò)至少在第1溫度下進(jìn)行熱處理后，在高于第1溫度的第2溫度下進(jìn)行熱處理來(lái)進(jìn)行預(yù)退火。由此，提供一種高品質(zhì)貼合晶片的制造方法，在采用智能剝離法(注冊(cè)商標(biāo))制作貼合晶片時(shí)，在比剝離產(chǎn)生溫度低的溫度下，形成貼合強(qiáng)度高的狀態(tài)，而制造出以減少缺陷為中心的高品質(zhì)貼合晶片。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102224568SQ20098014723
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者小林德弘, 石塚徹, 能登宣彥 申請(qǐng)人:信越半導(dǎo)體股份有限公司