專利名稱：制造絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣體上硅結(jié)構(gòu)并且涉及一種制造這種結(jié)構(gòu)的工藝，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)包括硅層、厚度為25nm或更薄的掩埋氧化物層和支撐襯底。
背景技術(shù)：
絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于CMOS應(yīng)用中。
這類結(jié)構(gòu)從其有用表面至其底側(cè)包括薄硅層；掩埋層，其由通常為氧化物(例如，SiO2)的介電材料制成，所述氧化物通常用掩埋氧化物的首字母縮寫(xiě)B(tài)OX來(lái)表示；和支撐襯底。
薄硅層和氧化物層的厚度可能根據(jù)所需應(yīng)用而變化。
具體地，為了能得到所謂FDSOI (全耗盡SOI)結(jié)構(gòu)，薄硅層的厚度減小至50nm或更薄的厚度，甚至20nm或更薄的厚度，特別是大約12nm的厚度，所述FDSOI結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，相對(duì)于其中薄硅層的厚度為大約70nm至90nm的所謂TOSOI (部分耗盡SOI)結(jié)構(gòu)，其顯著降低了操作的不穩(wěn)定性并且極大改進(jìn)了性能，即低動(dòng)態(tài)功率、低漏電流、高晶體管密度。
在這些結(jié)構(gòu)之中，具有超薄掩埋氧化物層的UTBOX (UTBOX代表超薄掩埋氧化物) 結(jié)構(gòu)大有前途，因?yàn)檫@個(gè)電絕緣層的厚度極薄使得有可能向UTBOX結(jié)構(gòu)的背側(cè)(即，向與薄硅層相對(duì)的那側(cè))施加電壓，因此可以精確控制器件的操作。
術(shù)語(yǔ)“超薄”被理解成表示具有50nm或更薄的厚度。
具有厚度介于25nm到50nm之間的掩埋氧化物層的結(jié)構(gòu)的制造工藝目前表現(xiàn)出色，并且可以制備這類結(jié)構(gòu)，使其缺陷(defectivity)水平與隨后的組件制造相兼容。
然而，目前，只可以制造具有厚度為25nm或更薄(尤其是15nm或更薄)的掩埋氧化物層的UTBOX結(jié)構(gòu)，其缺陷水平不容易與組件制造商的要求相兼容。
更精確地，在使用Smart Cut 工藝制造的SOI襯底的情況下，這種缺陷是由于位于薄硅層和機(jī)械支撐件之間的粘結(jié)(bonding)界面處觀察到的起泡或發(fā)泡效應(yīng)導(dǎo)致的。
圖1示出缺陷根據(jù)BOX層的厚度(用nm表示)的變化。
這個(gè)曲線圖中示出的缺陷是在已轉(zhuǎn)移(transfer)薄硅層之后立刻對(duì)SOI結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行計(jì)數(shù)得到的氣泡數(shù)。
在其中BOX層的厚度低于15nm (陰影區(qū))的結(jié)構(gòu)的情況下，起泡分布的范圍太廣， 以致不可能對(duì)氣泡進(jìn)行計(jì)數(shù)。
圖2A至圖2D示出采用Smart Cut 工藝制造這種結(jié)構(gòu)的第一已知工藝的主要步驟。
參照?qǐng)D2A，在供體襯底31的表面上形成氧化物層2，薄硅層將從該供體襯底31轉(zhuǎn)移。
例如，通過(guò)注入原子物質(zhì)(圖2B中用箭頭表示)，以與將轉(zhuǎn)移的薄層3的厚度對(duì)應(yīng)的深度，穿過(guò)氧化物層2形成弱區(qū)32。
參照?qǐng)D2C，供體襯底31 (經(jīng)過(guò)氧化物層2)和接收襯底I通過(guò)分子粘附而親水性地粘結(jié)。
在這個(gè)粘結(jié)步驟之后是進(jìn)行意圖增大粘結(jié)強(qiáng)度的粘結(jié)增強(qiáng)退火。
接著，諸如熱能的能量的供應(yīng)使得供體襯底31在弱區(qū)32劈裂(cleave)。
通常，粘結(jié)增強(qiáng)退火是在低溫下(B卩，在200°C到550°C之間的溫度下)執(zhí)行，并且允許在同一步驟中增強(qiáng)粘結(jié)界面并且開(kāi)始劈裂供體襯底。
在供體襯底的非轉(zhuǎn)移部分已分離之后，得到絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(圖2D)，對(duì)該絕緣體上硅結(jié)構(gòu)應(yīng)用傳統(tǒng)的修整(finishing)處理(快速熱退火(RTA)、犧牲氧化等)，這些處理尤其意圖平滑薄半導(dǎo)體層的表面并且修復(fù)與注入相關(guān)的缺陷。
通常在超過(guò)900°C的溫度下執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)RTA處理。
在粘結(jié)這兩個(gè)襯底的步驟中，界面處存在的水分子有助于表面的粘結(jié)。
然而，在粘結(jié)增強(qiáng)退火的期間，水分子擴(kuò)散通過(guò)氧化物層2，尤其是通過(guò)接收襯底 I的表面上的薄本征氧化物層，并且與半導(dǎo)體層3的硅反應(yīng)，尤其是與接收襯底I的硅反應(yīng)， 所述反應(yīng)是以下的氧化反應(yīng)
2H20+Si — Si02+2H2
這個(gè)反應(yīng)因此產(chǎn)生在掩埋氧化物層中捕獲的氫氣分子，掩埋氧化物層因而用作氫氣忙存器。
然而，在超薄氧化物層的情況下，所述超薄氧化物層不夠厚，不足以存儲(chǔ)所有的氫氣分子。
掩埋氧化物層因此變飽和，并且不再能夠吸收氫氣分子。多余的氫氣分子積聚在粘結(jié)界面處，多余的氫氣分子在粘結(jié)界面處產(chǎn)生缺陷。
這是因?yàn)?，粘結(jié)結(jié)構(gòu)的溫度一超過(guò)大約300°C，氫氣就使粘結(jié)界面處存在的缺陷承受壓力，從而形成氣泡。
在以下文章中描述了這種效應(yīng)“A model of interface defect formation in silicon wafer bonding”，S.Vincent et al·，Applied Physics Letters,94,101914, (2009)；以及“Study of the formation,evolution, and dissolution of interfacial defects in silicon wafer bonding，，，S.Vincent et al. , Journal of Applied Physics,107, 093513, (2010)。
通過(guò)在300°C到400°C之間的溫度下執(zhí)行退火，氫氣的產(chǎn)生受到限制，從而防止了起泡效應(yīng)。
因此，在劈裂之后，得到具有非常低缺陷的結(jié)構(gòu)。
然而，在使得在修整步驟中不出現(xiàn)氣泡的情況下，粘結(jié)界面仍然需要被充分增強(qiáng)， 并且SOI結(jié)構(gòu)仍然需要被修整。
在900°C和更高的溫度下，氫氣可溶解于硅中。
在劈裂之后，目標(biāo)因此在于將溫度快速升高至900°C (超過(guò)氫氣從硅脫氣的溫度)， 升溫速度足以使所述結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(set)，從而防止在粘結(jié)界面處產(chǎn)生缺陷。
.然而，在傳統(tǒng)的RTA處理之后，觀察到在結(jié)構(gòu)中形成微小氣泡，并且盡管這些氣泡比參照?qǐng)D2A至圖2D描述的已知工藝之后觀察到的氣泡小得多，但這些氣泡使得所述結(jié)構(gòu)不可能用于所需應(yīng)用。
這是由于如下事實(shí)導(dǎo)致的在RTA期間，溫度快速升高的速度不足以使所述結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且不足以防止起泡效應(yīng)。
因此，仍然必須開(kāi)發(fā)一種在BOX層的厚度為15nm或更薄(尤其是厚度為IOnm或更薄)的結(jié)構(gòu)的情況下防止形成氣泡的工藝。
為了防止形成H2，文獻(xiàn)WO 2010/049496描述了第二工藝，在圖3A至圖3E中呈現(xiàn)了第二工藝的步驟。
參照?qǐng)D3A，在供體襯底31的表面上形成氧化物層21。
例如，通過(guò)注入原子物質(zhì)(圖3B中用箭頭表示)，以與將轉(zhuǎn)移的薄層3的厚度對(duì)應(yīng)的深度，穿過(guò)氧化物層21形成弱區(qū)32。
參照?qǐng)D3C，在接收襯底I的表面上形成氧化物層22。
接著，使用分子粘附(氧化物/氧化物)粘結(jié)，將供體襯底31粘結(jié)于接收襯底1，氧化物層21、22位于界面處并且一起形成SOI襯底的掩埋氧化物層2。
在這個(gè)粘結(jié)步驟之后，供體襯底劈裂。
這個(gè)工藝在缺陷方面實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)果，使得產(chǎn)生H2的反應(yīng)由于存在兩個(gè)面對(duì)的掩埋氧化物層而受到限制，所述兩個(gè)面對(duì)的掩埋氧化物層形成針對(duì)水分子擴(kuò)散的屏障。
具體地講，這些分子不能到達(dá)氧化物/硅界面，硅氧化反應(yīng)不能發(fā)生，從而防止產(chǎn)生H2分子。
然而，粘結(jié)襯底由于它們各自的氧化物層21、22而具有的缺陷是粘結(jié)界面沒(méi)有完全封閉，即，當(dāng)在修整退火(在1200°C下進(jìn)行RTA 30秒)之后用透射電子顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)時(shí)，仍然會(huì)看見(jiàn)這兩個(gè)層之間的界面(圖3E中用點(diǎn)劃線23表示)。
這個(gè)沒(méi)有完全封閉的界面很可能出現(xiàn)電學(xué)上的問(wèn)題，S卩，可能干擾所述結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或上面形成的電子器件的操作。
為了產(chǎn)生具有封閉界面的粘結(jié)，申請(qǐng)人已開(kāi)發(fā)出一種氧化物-硅粘結(jié)工藝，S卩，其中只在兩個(gè)襯底中的一個(gè)上形成意圖形成BOX層的氧化物層而在另一個(gè)襯底的空閑表面上留下硅的工藝。
為了產(chǎn)生這種粘結(jié)，并且為了封閉粘結(jié)界面，已知的是用等離子體激活氧化物的表面，用等離子體進(jìn)行激活是意圖增大粘結(jié)強(qiáng)度。
然而，這種激活使界面處存在的水量增加，因此造成進(jìn)一步放大期望被防止的起泡效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于限定一種制造絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的工藝，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)具有厚度為25nm或更薄(尤其是IOnm或更薄)的掩埋氧化物層，從而能防止或者至少最小化由于氫氣而形成氣泡或發(fā)泡。
更精確地，所述工藝必須包括氧化物-硅粘結(jié)，以在不需要對(duì)結(jié)構(gòu)過(guò)度加熱的情況下得到完全封閉的粘結(jié)界面。
此外，所述工藝必須能在現(xiàn)有的SOI結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)包括厚度為25nm或更薄(尤其是IOnm或更薄)的掩埋氧化物層并且具有非常低的“氣泡”缺陷。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的工藝，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)包括硅層、厚度小于或等于25nm的掩埋氧化物層和支撐襯底，所述工藝的特征在于，所述工藝包括以下步驟
(a)設(shè)置包括所述硅層的供體襯底和所述支撐襯底，所述襯底中只有一個(gè)被所述氧化物層覆蓋；
(b)在所述供體襯底中形成與所述硅層接界(bound)的弱區(qū)；
(c)等離子體激活所述氧化物層；
(d)將所述供體襯底粘結(jié)于所述支撐襯底，所述氧化物層位于粘結(jié)界面處，在部分真空中執(zhí)行所述粘結(jié)；
(e)在350°C或更低的溫度下進(jìn)行粘結(jié)增強(qiáng)退火，所述退火造成所述供體襯底沿著所述弱區(qū)劈裂；以及
(f)在超過(guò)900°C的溫度下，向所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)應(yīng)用用于修復(fù)缺陷的熱處理-以超過(guò)10°c /s的升溫速率實(shí)現(xiàn)從步驟(e)的劈裂溫度到步驟(f)的缺陷修復(fù)溫度的轉(zhuǎn)變。
在本文本中，術(shù)語(yǔ)“氧化物”被理解成表示二氧化硅(SiO2)。
措辭“部分真空”被理解成表示在壓力低于大氣壓的室中、在無(wú)水分的氣氛(B卩，含水少于IOOppm的氣氛)中執(zhí)行粘結(jié)步驟。
根據(jù)本發(fā)明，所述粘結(jié)步驟采用介于O.1mbar到IOOmbar之間、優(yōu)選地介于 O. 5mbar到IOmbar之間并且甚至更優(yōu)選地為Imbar的部分真空。
尤其有利的是，所述粘結(jié)增強(qiáng)步驟中的退火是在5小時(shí)到15小時(shí)之間的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)、 在介于300°C到350°C之間的恒溫下進(jìn)行的退火。
可選地，在粘結(jié)退火期間或者在粘結(jié)退火之后，可以施加額外的機(jī)械能來(lái)劈裂所述供體襯底。
在激活所述氧化物層的步驟(C)中優(yōu)選采用氧等離子體。
此外，緊接在通過(guò)Smart Cut 工藝轉(zhuǎn)移薄層之后的所述硅層的厚度有利地為 600nm或更薄并且優(yōu)選地介于270nm到510nm之間,優(yōu)選地等于330nm。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，所述氧化物層的厚度為15nm或更薄。
形成所述弱區(qū)的步驟優(yōu)選地包括將原子物質(zhì)注入所述供體襯底中。
本發(fā)明的另一個(gè)主 題涉及一種絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)包括硅層、 厚度為25nm或更薄的掩埋氧化物層和支撐襯底，所述結(jié)構(gòu)的特征在于，所述結(jié)構(gòu)的缺陷就缺陷叢方面而言是60或更少。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述結(jié)構(gòu)是300mm直徑的晶圓。
在已完成SOI襯底之后，所述娃層的厚度有利地為50nm或更薄，并且優(yōu)選地為 20nm或更薄并甚至更優(yōu)選地為12nm。


從參照附圖給出的以下詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，在附圖中
圖1是示出絕緣體上硅結(jié)構(gòu)中缺陷根據(jù)BOX層厚度的變化的曲線圖2A至圖2D示出用于制造SOI結(jié)構(gòu)的第一已知工藝中的各個(gè)步驟；
圖3A至圖3E示出用于制造SOI結(jié)構(gòu)的第二已知工藝中的各個(gè)步驟；
圖4A至圖4E示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造SOI結(jié)構(gòu)的工藝中的各個(gè)步驟；
圖5A是示出在粘結(jié)襯底期間粘結(jié)強(qiáng)度根據(jù)壓力的柱狀圖；以及
圖5B是示出部分真空中進(jìn)行粘結(jié)的壓力相對(duì)于劈裂后缺陷(post-cleaving defectivity)的最優(yōu)化的曲線圖。
為了使附圖更易于理解，已放大某些非常薄的層并且因此不按比例繪制附圖中的各個(gè)層。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在，將描述具有厚度為25nm或更薄的掩埋氧化物層的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的制造。
為了形成這種結(jié)構(gòu)，設(shè)置供體襯底，其中必須從所述供體襯底轉(zhuǎn)移意圖形成SOI 晶圓的超薄層的硅層。
至于由劈裂之后轉(zhuǎn)移的層變薄而得到的最終超薄層，從供體襯底轉(zhuǎn)移的硅層的厚度基本大于SOI襯底的最終硅層的厚度。
因此，為了形成SOI襯底的硅的超薄層(即，具有50nm或更薄的厚度)，從供體襯底轉(zhuǎn)移厚度為600nm或更薄的娃層。
供體襯底可以是單晶體(bulk)硅襯底。
另選地，供體襯底可以是復(fù)合襯底，S卩，它可以由各種材料的多層組成，所述多層的表面層包括將被轉(zhuǎn)移的單晶硅層。
參照?qǐng)D4A，在供體襯底31的表面上形成氧化物層2。
所述氧化物層2意圖形成SOI結(jié)構(gòu)的掩埋氧化物層。
因此，所述氧化物層具有25nm或更薄的厚度并且優(yōu)選地具有15nm或更薄的厚度。
具體地，可以對(duì)供體襯底31的表面進(jìn)行熱氧化。
另選地，例如，可以通過(guò)化學(xué)汽相沉積(CVD)沉積氧化物。
另選地，可以通過(guò)將硅暴露于供體襯底的表面，在接收襯底上形成所述氧化物層 2。
然而，尤其當(dāng)通過(guò)注入原子物質(zhì)形成弱區(qū)時(shí)，氧化物層2優(yōu)選地形成在供體襯底 31的表面上。這是因?yàn)殡S后的注入是通過(guò)氧化物層2實(shí)現(xiàn)的。
在供體襯底中形成弱區(qū)，這個(gè)弱區(qū)限定將被轉(zhuǎn)移的硅層。
圖4B示出通過(guò)注入原子物質(zhì)(例如，氫和/或氦)而在供體襯底31中形成的弱區(qū) 32。
選擇注入能量，使得以與將被轉(zhuǎn)移的層3所期望的厚度(即，600nm或更薄的厚度， 優(yōu)選地210nm到570nm之間的厚度，甚至更優(yōu)選地大約330nm的厚度)基本對(duì)應(yīng)的深度形成弱區(qū)32。
然而，弱區(qū)的形成不限于注入工藝。
還可以通過(guò)可將原子物質(zhì)以所期望的深度引入供體襯底的任何技術(shù)(例如，可使用擴(kuò)散技術(shù))形成弱區(qū)。
參照?qǐng)D4C，供體襯底31通過(guò)分子粘附粘結(jié)于接收襯底1，氧化物層2位于界面處。
接收襯底I通常是硅襯底，其可選地被本征(native)氧化物覆蓋。
因此，得到氧化物-硅(供體襯底-接收襯底)粘結(jié)。
另選地，如上所示，如果供體襯底沒(méi)有被氧化物層2覆蓋而是將其硅表面暴露，則氧化物層將會(huì)形成在接收襯底I上并且將會(huì)得到氧化物-硅(接收襯底-供體襯底)。
通過(guò)采用這種粘結(jié)步驟，與在介紹內(nèi)容中提到的氧化物-氧化物粘結(jié)的情況相反，不存在得到?jīng)]有完全封閉的界面的風(fēng)險(xiǎn)。
在使襯底接觸之前，位于供體襯底31表面上的氧化物層2經(jīng)受等離子體處理。
優(yōu)選地，所述等離子體是O2等離子體，但是還可以采用基于氧、氬、氮和/或氦的等離子體。
所述等離子體處理激活氧化物層的表面并且增大粘結(jié)強(qiáng)度。
通常，在室溫下在部分真空中執(zhí)行為了粘結(jié)襯底而使襯底接觸的步驟。
具體地，把將被粘結(jié)的襯底放置在室100內(nèi)，室100的內(nèi)部可以被減壓。
事實(shí)上，申請(qǐng)人已觀察到，在部分真空中而非在大氣壓下執(zhí)行粘結(jié)步驟使得氣泡的形成大量減少。
優(yōu)選地，所述部分真空的絕對(duì)壓力介于O.1mbar到IOOmbar之間，優(yōu)選地介于 O. 5mbar 到 IOmbar 之間。
甚至更有利地，申請(qǐng)人已證實(shí)，絕對(duì)壓力為Imbar的部分真空使粘結(jié)界面處存在的水被最小化，而沒(méi)有不利地影響粘結(jié)質(zhì)量，即，保持足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，以使得能夠完全轉(zhuǎn)移娃層，從而避免在SOI結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生未轉(zhuǎn)移區(qū)。
在SOI結(jié)構(gòu)中，未轉(zhuǎn)移區(qū)(NTZ)是其中硅沒(méi)有轉(zhuǎn)移到接收襯底的薄硅層中的孔。通常，這些缺陷是由于轉(zhuǎn)移層和接收襯底之間的粘結(jié)不足夠強(qiáng)導(dǎo)致的。
因此，當(dāng)減少界面處的水量時(shí)，應(yīng)該注意要確保襯底之間的粘結(jié)足夠強(qiáng)。
此外，室100的氣氛是無(wú)水分的，即，含水少于IOOppm的氣氛。
這種非常低的含水量和部分真空補(bǔ)償了等離子體處理貢獻(xiàn)的額外水分子。
因此，粘結(jié)界面處的水量可被最小化(然而，因?yàn)樵跊](méi)有水時(shí)不會(huì)發(fā)生粘結(jié)，所以水分子的數(shù)量沒(méi)有減至0)，同時(shí)依靠等離子體處理，得到強(qiáng)度足以防止非轉(zhuǎn)移區(qū)的粘結(jié)。
圖5A示出針對(duì)在粘結(jié)期間在室100中施加的各種壓力值P的粘結(jié)強(qiáng)度E (用mj/ Hl2表示)。
這個(gè)柱狀圖示出試驗(yàn)結(jié)果，在這些試驗(yàn)中，在各種壓力下，將具有IOnm厚的氧化物層的供體襯底粘結(jié)于硅接收襯底，所述氧化物層經(jīng)受了或沒(méi)有經(jīng)受O2等離子體激活。
至于每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，左手的柱對(duì)應(yīng)于在之前沒(méi)有對(duì)襯底進(jìn)行等離子體處理的情況下執(zhí)行粘結(jié)的情況，而右手的柱對(duì)應(yīng)于在進(jìn)行粘結(jié)之前對(duì)覆蓋供體襯底的氧化物層進(jìn)行O2等離子體處理的情況。
可以看到，當(dāng)在部分真空中執(zhí)行粘結(jié)時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度比在大氣壓(1013mbar)下執(zhí)行粘結(jié)時(shí)低。
然而,粘結(jié)強(qiáng)度在Imbar到IOOmbar之間變化小，并且當(dāng)向供體襯底應(yīng)用等離子體處理時(shí)得到令人滿意的值。在這些條件下，在部分真空中進(jìn)行粘結(jié)不會(huì)導(dǎo)致NTZ。
然而，在不進(jìn)行等離子體處理時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度太低并且非轉(zhuǎn)移區(qū)的數(shù)量顯著增加。
圖5B示出在粘結(jié)襯底期間劈裂后缺陷D (就氣泡和非轉(zhuǎn)移區(qū)的數(shù)量而言)根據(jù)施加在室100中的壓力P的變化。
這個(gè)曲線圖示出試驗(yàn)結(jié)果，在這些試驗(yàn)中，在各種壓力下，將具有IOnm厚的氧化物層的供體襯底粘結(jié)于硅接收襯底，所述氧化物層經(jīng)受了 O2等離子體激活。
在劈裂供體襯底之后，使用可視檢測(cè)方法，對(duì)氣泡和非轉(zhuǎn)移區(qū)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
在這個(gè)曲線圖中可以看到，最有利的壓力范圍(就劈裂后缺陷而言)介于O.1mbar 和IOOmbar之間。
大約Imbar的壓力是使水的存在最小化同時(shí)還使缺陷最小化的最佳壓力。此外， 圖5A確認(rèn)低至Imbar的壓力在粘結(jié)強(qiáng)度方面并因此在NTZ缺陷方面并非是不利的。
因此，可以從以上內(nèi)容得出結(jié)論，為了在一方面的氣泡缺陷和另一方面的NTZ缺陷之間得到令人滿意的折衷，必須既在O.1mbar到IOOmbar之間(優(yōu)選大約Imbar)的部分真空下執(zhí)行粘結(jié)，以及通過(guò)等離子體處理預(yù)先激活供體襯底的表面。
在已經(jīng)使襯底I和31接觸之后，執(zhí)行粘結(jié)增強(qiáng)熱處理，所述粘結(jié)增強(qiáng)熱處理還具有開(kāi)始在弱區(qū)32劈裂供體襯底31的效果。
為此目的，使用除了粘結(jié)工具之外的工具(爐子)。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)熱處理由在大氣壓下、在350°C或更低的溫度下執(zhí)行的退火組成。
在介于300°C到350°C之間的恒溫下開(kāi)始劈裂是尤其有利的。
退火的溫度必須不能太低(例如，低于250°C)，因?yàn)檫@將會(huì)沒(méi)有足夠增強(qiáng)粘結(jié)并且因此將會(huì)導(dǎo)致形成非轉(zhuǎn)移區(qū)。
所述退火持續(xù)數(shù)小時(shí)，優(yōu)選地，持續(xù)5小時(shí)至15小時(shí)。
在這個(gè)退火的過(guò)程中，開(kāi)始在弱區(qū)32劈裂供體襯底31。
如果需要，可以通過(guò)應(yīng)用另一個(gè)能源(例如，額外的機(jī)械能源)幫助或觸發(fā)劈裂。
因此，例如，可以將刀片插入弱區(qū)32中。
如以下將更詳細(xì)看到的，通過(guò)應(yīng)用這種低溫粘結(jié)增強(qiáng)退火并結(jié)合在部分真空中進(jìn)行粘結(jié)，意外地使最終SOI結(jié)構(gòu)中觀察到的氣泡效應(yīng)降低。
參照?qǐng)D4D，在劈裂通過(guò)接收襯底I形成的結(jié)構(gòu)之后，得到氧化物層2和轉(zhuǎn)移層3。
為了形成最終SOI結(jié)構(gòu)(圖4E所示)，對(duì)薄硅層執(zhí)行各種修整處理。
在已執(zhí)行這些處理之后，最終的層3'比被轉(zhuǎn)移的層3薄得多。
此外，執(zhí)行RTA處理，以修復(fù)層3 ^中的缺陷。
通常，在超過(guò)900°C的溫度下(例如，在大約1200°C下)執(zhí)行所述處理。
為了防止在最終SOI襯底中形成氣泡，重要的是非?？焖俚剡_(dá)到RTA處理的溫度。
因此，必須以每秒至少10°C的升溫速率，從粘結(jié)增強(qiáng)和劈裂退火的溫度變?yōu)镽TA 處理的溫度。
這是因?yàn)?，這種快速的升溫使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且防止形成氣泡。
這種處理可以 在裝配有紅外燈的室中執(zhí)行，從而能在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到處理溫度穩(wěn)定狀態(tài)。例如，可以在爐子或外延反應(yīng)器中執(zhí)行這種處理。
一旦達(dá)到大約900°C的溫度，就不存在出現(xiàn)起泡的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)槌^(guò)這個(gè)溫度， 出現(xiàn)氫氣的脫氣。
RTA處理通常持續(xù)大約數(shù)秒至數(shù)分鐘(例如，30秒到15分鐘之間)。
在這個(gè)處理之后，使用怎樣的升溫速率來(lái)返回室溫并不重要，這是因?yàn)闅鋽U(kuò)散超出粘結(jié)界面，因此不能夠產(chǎn)生氣泡。
申請(qǐng)人還已證實(shí)了轉(zhuǎn)移層3的影響。
用32nm至275nm、330nm和510nm的弱區(qū)執(zhí)行比較試驗(yàn)。
弱區(qū)的深度越大，在劈裂之后觀察到的氣泡數(shù)量越少。
然而，弱區(qū)的深度越接近這些限制，在RTA處理之后觀察到的微小氣泡的數(shù)量越多。
弱區(qū)的最佳厚度似乎處于大約330nm。
此外，重要的是注意到，在部分真空中進(jìn)行的粘結(jié)和低溫粘結(jié)增強(qiáng)退火的組合導(dǎo)致在起泡方面有意想不到的改進(jìn)。
具體地，申請(qǐng)人已觀察到，在已知的Smart Cut 工藝中，在部分真空中進(jìn)行粘結(jié)還是進(jìn)行低溫粘結(jié)增強(qiáng)退火都沒(méi)有充分減少起泡。
以下的表證實(shí)相對(duì)于已知的Smart Cut 工藝和其中只執(zhí)行這兩個(gè)處理中的一個(gè)的Smart Cut 工藝,這兩個(gè)處理的協(xié)作效果。
該表示出在制造SOI襯底的工藝中的各個(gè)點(diǎn)處使用可視檢測(cè)方法和/或使用 KLA-Tencor SP2檢測(cè)工具所計(jì)數(shù)的氣泡數(shù)量。
在任一種情況下，SOI結(jié)構(gòu)由娃供體襯底和娃接收襯底制成,娃供體襯底被25nm 厚的氧化物層覆蓋并且被注入從而以330nm的深度形成弱區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種制造絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的工藝，所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)包括硅層(3)、厚度小于或等于25nm的掩埋氧化物層(2 )和支撐襯底(I)，所述工藝的特征在于，所述工藝包括以下步驟(a)設(shè)置包括所述硅層(3)的供體襯底(31)和所述支撐襯底(1)，所述襯底(31、1)中只有一個(gè)被所述氧化物層(2)覆蓋；(b )在所述供體襯底(31)中形成與所述硅層(3 )接界的弱區(qū)(32 );(c)等離子體激活所述氧化物層(2)；(d)將所述供體襯底(31)粘結(jié)于所述支撐襯底(1)，所述氧化物層(2)位于粘結(jié)界面處，在部分真空中執(zhí)行所述粘結(jié)；Ce)在350°C或更低的溫度下實(shí)現(xiàn)粘結(jié)增強(qiáng)退火，所述退火造成所述供體襯底(31)沿著所述弱區(qū)(32)劈裂；以及Cf)在超過(guò)900°C的溫度下，向所述絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(3、2、I)應(yīng)用用于修復(fù)缺陷的熱處理-以超過(guò)10°C /s的升溫速率實(shí)現(xiàn)從步驟(e)的劈裂溫度到步驟(f)的缺陷修復(fù)溫度的轉(zhuǎn)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述粘結(jié)的步驟采用介于O.1mbar到 IOOmbar之間、優(yōu)選地介于O. 5mbar到IOmbar之間并且甚至更優(yōu)選地為Imbar的部分真空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述粘結(jié)增強(qiáng)的步驟中的退火是在5小時(shí)到15小時(shí)之間的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)、在介于300°C到350°C之間的恒溫下進(jìn)行的退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，施加額外的機(jī)械能來(lái)劈裂所述供體襯底(31)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，在激活所述氧化物層(2)的步驟(C)中采用氧等離子體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述硅層(3)的厚度為 600nm或更薄并且優(yōu)選地介于270nm到510nm之間,優(yōu)選地等于330nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述氧化物層(2)的厚度為 15nm或更薄。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，形成所述弱區(qū)(32)的步驟包括將原子物質(zhì)注入所述供體襯底(31)中。
9.一種絕緣體上娃結(jié)構(gòu),所述絕緣體上娃結(jié)構(gòu)包括娃層(3')、厚度為25nm或更薄的掩埋氧化物層(2)和支撐襯底(1 )，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)的缺陷就缺陷叢方面而言是60或更少。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)是300mm直徑的晶圓。
11.根據(jù)權(quán)利要求9和10中的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述硅層(3')的厚度為50nm或更薄,優(yōu)選地為20nm或更薄,并且甚至更優(yōu)選地為12nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的工藝，所述工藝包括以下步驟(a)設(shè)置供體襯底(31)和支撐襯底(1)，所述襯底中只有一個(gè)被所述氧化物層(2)覆蓋；(b)在所述供體襯底(31)中形成弱區(qū)(32)；(c)等離子體激活所述氧化物層(2)；(d)在部分真空中，將所述供體襯底(31)粘結(jié)于所述支撐襯底(1)；(e)在350℃或更低的溫度下，實(shí)現(xiàn)粘結(jié)增強(qiáng)退火，從而造成所述供體襯底(31)沿著所述弱區(qū)(32)劈裂；以及(f)在超過(guò)900℃的溫度下執(zhí)行熱處理-以超過(guò)10℃/s的升溫速率實(shí)現(xiàn)從步驟(e)的溫度到步驟(f)的溫度的轉(zhuǎn)變。
文檔編號(hào)H01L27/12GK103035562SQ201210322180
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月3日
發(fā)明者C·大衛(wèi), 塞巴斯蒂安·凱爾迪勒 申請(qǐng)人:索泰克公司