專利名稱：半導(dǎo)體襯底及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被稱作SOI襯底之類(lèi)的半導(dǎo)體襯底及其制備方法。
已公知制備以下述方式具有單晶半導(dǎo)體薄膜的SOI襯底的方法即，使作為第一基板的Si晶片與作為第二基板的另一Si晶片通過(guò)置于兩者之間的絕緣層鍵合，去除底面?zhèn)壬系牟糠值谝换?，從而使單晶半?dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)移到第二基板上。
特別是，日本專利公開(kāi)No.2608351和美國(guó)專利No.5371037所描述的利用多孔層的方法，是得到良好質(zhì)量的SOI襯底的優(yōu)良方法。
而且，美國(guó)專利No.5374564也公開(kāi)了利用氫離子的離子注入和熱處理形成的帶有微氣泡(microbubble)的層(多孔層)來(lái)制備SOI襯底方法。
本發(fā)明人根據(jù)上述專利的描述制備了SOI襯底，然后本發(fā)明人利用這些SOI襯底制造MOS晶體管并發(fā)現(xiàn)將該晶體管應(yīng)用于高頻電路中時(shí)，在晶體管和電路的高頻性能方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明的目的是提供一半導(dǎo)體襯底，它是適合以高生產(chǎn)率制造高頻晶體管的SOI襯底。
本發(fā)明的另一目的是提供具有半導(dǎo)體層區(qū)的半導(dǎo)體襯底，并提供其制備方法，該半導(dǎo)體層區(qū)包括通過(guò)絕緣層形成在由半導(dǎo)體組成的支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體，其中支撐襯底的成分使緊靠絕緣層之下的半導(dǎo)體表面部分是電阻率不小于100Ωcm的半導(dǎo)體，和/或使支撐襯底具有朝絕緣層沿其厚度方向電阻率增加的區(qū)域。
本發(fā)明的再一目的是提供制備半導(dǎo)體襯底的方法，包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟以及去除第一基板并將半導(dǎo)體層區(qū)留在第二基板上的步驟，其中根據(jù)第二基板的成分，確定在進(jìn)行鍵合步驟的氣氛中n-型雜質(zhì)的濃度和p-型雜質(zhì)的濃度之間的數(shù)量關(guān)系。
本發(fā)明的另一目的是提供形成在半導(dǎo)體襯底中的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體襯底具有通過(guò)絕緣層形成在由半導(dǎo)體組成的支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，其中支撐襯底的成分使緊靠絕緣層之下的半導(dǎo)體表面部分是電阻率不小于100Ωcm的半導(dǎo)體，和/或使支撐襯底具有朝絕緣層沿其厚度方向電阻率增加的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的制備半導(dǎo)體襯底的方法包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟以及去除第一基板并將半導(dǎo)體層區(qū)留在第二基板上的步驟，其中鍵合步驟在n-型雜質(zhì)的濃度小于p-型雜質(zhì)濃度的氣氛中進(jìn)行，且第二基板在鍵合表面?zhèn)染哂须娮杪什恍∮?00Ωcm的n-型半導(dǎo)體構(gòu)成的部分。
根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的制備半導(dǎo)體襯底的方法包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟以及去除第一基板并將半導(dǎo)體層區(qū)留在第二基板的步驟，其中鍵合步驟在p-型雜質(zhì)的濃度小于n-型雜質(zhì)濃度的氣氛中進(jìn)行，且第二基板在鍵合表面?zhèn)染哂杏蓀-型半導(dǎo)體構(gòu)成的部分，p-型半導(dǎo)體的電阻率不小于100Ωcm。
根據(jù)本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施例的制備半導(dǎo)體襯底的方法包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板并將半導(dǎo)體層區(qū)留在第二基板上的步驟，其中鍵合步驟在p-型雜質(zhì)的濃度小于n-型雜質(zhì)濃度的氣氛下完成，且第二基板具有由n-型半導(dǎo)體構(gòu)成的部分，n-型半導(dǎo)體的電阻率不小于300Ωcm并且具有形成在鍵合表面?zhèn)鹊慕^緣層。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底是具有半導(dǎo)體層區(qū)的半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體層區(qū)包括通過(guò)絕緣層形成在由半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體，其中支撐襯底具有在絕緣層附近朝著絕緣層沿其厚度方向上電阻率增大的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的另一半導(dǎo)體襯底是具有半導(dǎo)體層區(qū)的半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體層區(qū)包括通過(guò)絕緣層形成在由n-型半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體，其中支撐襯底具有朝著絕緣層沿其厚度方向上電阻率減小的區(qū)域，且緊靠絕緣層之下的部分的電阻率不小于100Ωcm。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，在制備SOI襯底中，電阻率的下降限制在緊靠絕緣層之下的支撐襯底的表面附近。


圖1A、1B和1C是表示本發(fā)明實(shí)旋例1的各步驟的示意截面圖；圖2是表示用于本發(fā)明的清潔室中的鍵合空間的示意截面圖；圖3是表示電阻率與各種支撐襯底深度之間的關(guān)系圖；圖4A、4B、4C和4D是表示本發(fā)明實(shí)施例2的各步驟的示意截面圖；圖5A、5B、5C和5D是表示本發(fā)明實(shí)施例3的各步驟的示意截面圖6A、6B和6C是表示本發(fā)明實(shí)施例4的各步驟的示意截面圖；圖7是表示用于本發(fā)明的清潔室中提供的鍵合空間的示意截面圖；圖8是表示電阻率與各種支撐襯底深度之間的關(guān)系圖；圖9A、9B、9C和9D是表示本發(fā)明實(shí)施例5的各步驟的示意截面圖；圖10A、10B、10C和10D是表示本發(fā)明實(shí)施例6的各步驟的示意截面圖；圖11A、11B、11C和11D是表示本發(fā)明實(shí)施例7的各步驟的示意截面圖；圖12是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例7的電阻率與支撐襯底深度的關(guān)系圖；圖13A、13B、13C和13D是表示本發(fā)明實(shí)施例8的各步驟的示意截面圖；圖14A、14B、14C和14D是表示本發(fā)明實(shí)施例9的各步驟的示意截面圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的示意截面圖；圖16是表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的示意截面圖；圖17是表示根據(jù)本發(fā)明例子1的電阻率與SOI襯底的深度的關(guān)系圖；圖18是表示根據(jù)本發(fā)明例子4的電阻率與SOI襯底的深度的關(guān)系圖；和圖19A、19B、19C和19D是表示SOI襯底的制備各步驟的示意截面圖。
為更容易了解本發(fā)明，在描述本發(fā)明實(shí)施例之前描述導(dǎo)致本發(fā)明完成的技術(shù)發(fā)現(xiàn)。
(實(shí)驗(yàn)1)參考圖19A-19D描述由本發(fā)明人完成的制備SOI襯底方法的第一實(shí)驗(yàn)。
制備的第一基板1是Si晶片，具有多孔層11、由單晶半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層區(qū)12和由氧化硅制成的絕緣層2(圖19A)。
具體而言，Si晶片的表面通過(guò)陽(yáng)極化處理變成多孔表面，此后半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)，半導(dǎo)體層區(qū)12的表面進(jìn)行熱氧化，從而得到如圖19A所示的Si晶片。
另一方面，多孔層也可通過(guò)熱氧化Si晶片表面和此后進(jìn)行氫離子離子注入以在晶片中形成微氣泡來(lái)制備。
接著，如圖19B所示，例如，制備另一Si晶片作為第二基板10，在約900℃-1200℃溫度下進(jìn)行熱處理，同時(shí)上述第一基板的絕緣層2的鍵合表面與第二Si晶片的Si鍵合表面保持接觸。該熱處理使第一和第二基板1、10鍵合，從而得到多層結(jié)構(gòu)。標(biāo)號(hào)4表示鍵合界面。
然后，如圖19C所示，在其底面?zhèn)鹊亩嗫讓?1和第一基板1通過(guò)研磨、拋光、濕蝕刻或干蝕刻被去除。另一方面，通過(guò)在多孔層11的界面分離鍵合結(jié)構(gòu)去除第一基板1。
以該方式得到的半導(dǎo)體層區(qū)12的表面(暴露表面)由于多孔層11的影響是粗糙表面19。
粗糙表面19通過(guò)拋光或含氫的還原氣氛下熱處理可變光滑。以該方式得到的是SOI襯底，它具有作為支撐襯底的Si晶片的第二基板10和其上的單晶Si的半導(dǎo)體層區(qū)12，絕緣層(掩埋絕緣層)2在其間。
具體而言，該實(shí)驗(yàn)1所用的第一和第二基板是最容易得到的電阻率10Ωcm的摻硼(B)p-型單晶Si的CZ晶片。然后根據(jù)如上所述的步驟制備SOI襯底。
CZ晶片是從通過(guò)Czochralski方法形成的單晶錠得到的晶片。
然后利用該SOI襯底制備晶體管電路。
然而，該晶體管電路的高頻性能差。原因是SOI襯底的支撐襯底(p-型CZ晶片)部分的電阻低。
高頻性能由于SOI層結(jié)構(gòu)、掩埋絕緣膜、和SOI襯底的支撐襯底的寄生電容的增大以及泄漏電流的升高而退化。
如支撐襯底是像石英玻璃的絕緣體，能保持支撐襯底的電阻高。然而采用絕緣體并不能解決所有問(wèn)題。
為了處理如CZ晶片等的批量Si晶片，制造了制備半導(dǎo)體器件的許多系統(tǒng)。石英玻璃在如熱導(dǎo)性、熱膨脹系數(shù)、光傳輸性等的性能與Si不同。因此，在處理其支撐襯底由像石英玻璃的絕緣體制成的SOI襯底的情況下，用于生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的設(shè)備工藝參數(shù)在相當(dāng)大的程度上必須再調(diào)節(jié)。由于相同的原因，存在許多對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體器件的電路設(shè)計(jì)等需要相當(dāng)大的改變的情況。
從這些方面，對(duì)支撐襯底使用如Si的半導(dǎo)體更適合通常目的應(yīng)用。
(實(shí)驗(yàn)2)使用更高電阻率的晶片如電阻率1000Ωcm的p-型FZ晶片代替p-型CZ晶片，根據(jù)上述方法制備SOI襯底，利用該襯底制造晶體管電路，但未取得所希望的高頻性能。
(實(shí)驗(yàn)3)對(duì)上面實(shí)驗(yàn)2所得到的SOI襯底的雜質(zhì)分布進(jìn)行分析。結(jié)果證實(shí)在緊靠掩埋絕緣層之下的p-型FZ晶片表面附近檢測(cè)到更高濃度的硼，而有價(jià)值的區(qū)域具有p-型的高雜質(zhì)濃度并具有約1Ωcm-10Ωcm的低電阻。
(實(shí)驗(yàn)4)在清潔室內(nèi)部的空間測(cè)量硼濃度和磷濃度，而實(shí)驗(yàn)2的鍵合和熱處理也是在該清潔室的空間中完成的。
硼濃度是0.08納克/升，而磷濃度小于0.002納克/升。
隨便提及，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為由含硼玻璃纖維組成的HEPA(高效粒子空氣)過(guò)濾器用于上面清潔室內(nèi)部的空間中，且清潔空氣經(jīng)HEPA過(guò)濾器供給。
(實(shí)驗(yàn)5)在清潔室測(cè)量硼和磷濃度，清潔空氣在清潔室經(jīng)由無(wú)硼PTFE(聚四氟乙烯)構(gòu)成的ULPA(超低透氣)過(guò)濾器并經(jīng)吸附硼的化學(xué)過(guò)濾器供給。
硼濃度小于0.0003納克/升而磷濃度小于0.001納克/升。
砷和銻的濃度小于測(cè)量極限，因此相對(duì)上面硼濃度可忽略不計(jì)。
HEPA過(guò)濾器、ULPA過(guò)濾器和化學(xué)過(guò)濾器已公知，如在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)Nos.10-165730、8-24551等中已公開(kāi)。
從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，根據(jù)作為鍵合的半導(dǎo)體襯底的支撐襯底的基板成分，保持支撐襯底的半導(dǎo)體表面部分的高電阻是能夠通過(guò)確定在完成鍵合步驟的氣氛中p-型雜質(zhì)濃度和n-型雜質(zhì)濃度之間的大小關(guān)系來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)的。
下面根據(jù)本發(fā)明的三種典型實(shí)施例來(lái)描述半導(dǎo)體襯底的生產(chǎn)方法。
實(shí)施例1-3是成為支撐襯底的基板為p-型高電阻半導(dǎo)體，且選擇的氣氛為p-型雜質(zhì)濃度小于n-型雜質(zhì)濃度的例子。
(實(shí)施例1)圖1A-1C表示根據(jù)本發(fā)明制備半導(dǎo)體襯底的方法。
如圖1A所示，例如，制備Si晶片作為第一基板1，絕緣層2形成在其表面上。
制備的與第一基板相分離的基板是電阻率不小于100Ωcm的高電阻p-型半導(dǎo)體。
如上所述制備的具有絕緣層2的第一基板1和第二基板3在鍵合氣氛20N中相互鍵合，如圖2所示。標(biāo)號(hào)4表示鍵合界面。
圖2表示設(shè)在清潔室23中的鍵合空間，清潔室23中的21N是低硼釋放的過(guò)濾器，如PTFE過(guò)濾器等，和/或硼吸附的化學(xué)過(guò)濾器、22是隔板、24是底板、30是鍵合裝置。當(dāng)需要時(shí)清潔該空間的氣氛20N以達(dá)到U.S.A.聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)高清潔度或更高清潔度。
除第一基板的絕緣層2側(cè)附近的半導(dǎo)體層區(qū)12之外，通過(guò)從研磨、拋光、蝕刻等所選擇的至少一種去除方法，從通過(guò)第一基板1和第二基板3鍵合而得到的多層結(jié)構(gòu)中去除第一基板。
而且，如需要的話，所得的襯底在含氫的還原氣氛下進(jìn)行熱處理，從而得到如圖1C所示的SOI襯底。
圖3表示各種支撐襯底的深度與電阻率的關(guān)系。
該圖表示鍵合是在不同氣氛下完成且使用電阻率300Ωcm的p-型Si晶片作為第二基板的支撐襯底的電阻率分布(P11、P12、P13)以及使用n-型Si晶片作為第二基板的支撐襯底的電阻率分布(C11)。
P11表示電阻率分布，從鍵合氣氛滲入到第二基板的n-型雜質(zhì)濃度Cn是第二基板中所含p-型雜質(zhì)濃度Cp的兩倍，P12的電阻率分布是Cn等于Cp，而P13的電阻率分布是Cn為Cp的0.1倍。
P11-P13都表示電阻率朝支撐襯底的表面即朝著與絕緣層的界面而變高的分布，因此，圖3中絕緣層的附近(至少離界面2μm的范圍)電阻率分布向左升高。
特別是，P13沒(méi)有電阻率分布左邊下降的區(qū)域，而界面附近具有比體內(nèi)要高的電阻率。因此，P13更優(yōu)選。
在電阻率300Ωcm的n-型晶片用作第二基板的情況下，如C11所示的，n-型雜質(zhì)從鍵合氣氛擴(kuò)散到晶片，使界面附近的電阻率下降相當(dāng)大。
本發(fā)明所用的鍵合氣氛并不只表示實(shí)際完成鍵合的地點(diǎn)的氣氛，而且還表示確定雜質(zhì)在實(shí)際鍵合表面上的淀積狀態(tài)的氣氛。即實(shí)際鍵合氣氛中p-型或n-型雜質(zhì)濃度很低而不使電阻率下降，這取決于第二基板剛放置在該氣氛前的氣氛。在那種情況下，剛放置在該氣氛前的氣氛也認(rèn)為是鍵合氣氛。
優(yōu)選鍵合氣氛的n-型雜質(zhì)濃度(Nn)不大于0.1納克/升，而更優(yōu)選不大于0.01納克/升，優(yōu)選鍵合氣氛的p-型雜質(zhì)濃度(Np)不大于0.01納克/升，而更優(yōu)選不大于0.001納克/升。此外，必須滿足Nn＞Np的關(guān)系。
只要滿足Nn＞Np的關(guān)系，Nn、Np的下限不需限定；然而，為容易控制氣氛并限制生產(chǎn)和運(yùn)行成本，優(yōu)選Nn和Np都不小于0.0001納克/升。
上面氣氛可以是形成在清潔室中或在放置在另一清潔室的高清潔度的局部清潔室中的氣氛或在封閉腔中形成的氣氛。
在前者情況下，氣氛的主要組分是如上所述的一級(jí)水平的高清潔度的清潔空氣，而在后者情況下，氣氛的主要組分是如氮、氬、氦、氖或氙或氧的不活潑氣體。
例如，在使用釋放硼的HEPA過(guò)濾器而不使用PTFE過(guò)濾器的清潔室的情況下，在構(gòu)成過(guò)濾器的玻璃中含的B2O3在清潔室與氫氟酸(HF)反應(yīng)，產(chǎn)生氟化硼(BF3)()。
在清潔室的鍵合氣氛中，硼濃度遠(yuǎn)大于0.01納克/升并且相尖地高于相同氣氛下的磷濃度。因此，當(dāng)在該氣氛完成鍵合時(shí)，盡管高電阻p-型晶片用作第二基板，如實(shí)驗(yàn)2和3那樣，電阻率分布類(lèi)似圖3的C11。
用于本發(fā)明的第二基板含有至少一個(gè)下述區(qū)域的基板材料，該區(qū)域包括在鍵合表面?zhèn)入娮杪什恍∮?00Ωcm，更優(yōu)選不小于500Ωcm，而最佳是不小于1000Ωcm的p-型半導(dǎo)體。
特別是，優(yōu)選懸浮區(qū)處理(FZ晶片)制得的具有上面電阻率的Si晶片用作第二基板，但第二基板可以是CZ晶片。
而且，也優(yōu)選在上面第二基板的表面形成絕緣層，此后將第一基板與作為鍵合表面的絕緣層表面鍵合。
在此情況下，由于該絕緣層充當(dāng)防p-型雜質(zhì)滲透的阻擋層，緊靠掩埋絕緣層之下的區(qū)域更能阻止電阻率的下降。優(yōu)選氧化硅作為該絕緣層，足以起阻擋層作用的絕緣層厚度優(yōu)選不小于100nm，更優(yōu)選不小于200nm、不大于10μm。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙逡I合的鍵合表面的一個(gè)是Si半導(dǎo)體的表面，而另一表面是如氧化硅等的絕緣體表面時(shí)，不會(huì)在鍵合界面形成空隙等就能更容易地相互鍵合兩個(gè)基板。
在均由絕緣體組成的兩個(gè)表面相互鍵合的情況下，希望通過(guò)等離子體注入等把如氧、氮、硅等的元素引入至少一個(gè)鍵合表面之后鍵合它們。
(實(shí)施例2)下面描述實(shí)施例2，它由如上所述實(shí)施例1的部分改型而成。參考“J.Electrochem.Soc.，Vol.142，No.9，September 1995，pp.3116-3122”，可詳細(xì)了解使用多孔層制備SOI襯底的方法。
陽(yáng)極化處理作為第一基板1的p-型Si晶片的表面，使表面多孔。然后非多孔單晶Si的半導(dǎo)體層區(qū)通過(guò)外延生長(zhǎng)形成在多孔表面上。
如需要的話，氧化半導(dǎo)體層區(qū)12的表面以形成絕緣層2。
由此，得到第一基板，如圖4A所示。
在p-型雜質(zhì)濃度低(Np＜Nn)的鍵合氣氛下，制備像實(shí)施例1所述的高電阻率p-型FZ Si晶片的第二基板3，并同第一基板結(jié)合在一起。在該氣氛下放置它們，從而使絕緣層2的表面與p-型FZ Si晶片的表面緊密接觸。如需要的話，此時(shí)進(jìn)行900℃-1200℃的熱處理。由此得到如圖4B所示的多層結(jié)構(gòu)。
之后，通過(guò)研磨、拋光或蝕刻去除第一基板1的表面?zhèn)壬系姆嵌嗫撞糠植⒂煤袣浞岷瓦^(guò)氧化氫的蝕刻劑通過(guò)選擇性濕蝕刻去除多孔層11，從而得到如圖4C所示的SOI襯底。
另一方面，將流體或楔子壓入多層結(jié)構(gòu)的側(cè)面，或在各個(gè)方向施加力使第一基板和第二基板相互分離，從而兩個(gè)元件在多孔層的界面用較低的機(jī)械力就相互分離，從而得到半導(dǎo)體層區(qū)12留在第二基板上的SOI襯底。
而且，在100％氫的還原氣氛或用惰性氣體稀釋氫的氣氛下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，從而半導(dǎo)體層區(qū)的粗糙表面19變得光滑，SOI襯底的表面粗糙度變得足夠光滑使得Rrms不大于5nm。
以此得到如圖4D所示的SOI襯底。
由于在該SOI襯底中掩埋絕緣層2之下的支撐襯底3具有不小于100Ωcm的足夠高電阻率，用該SOI襯底制備的晶體管具有較低的泄漏電流并可高速工作。
(實(shí)施例3)實(shí)施例3也是實(shí)施例1的部分改型的例子。
如圖5A所示，絕緣層2形成在如Si晶片的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一基板1的表面上。
如圖5B所示，通過(guò)離子注入，在絕緣層2下表面之下的第一基板的約100nm-2μm的區(qū)域。注入氫離子或稀有氣體離子，形成用于產(chǎn)生微氣泡的離子注入層15。之后，如需要，在100℃-400℃溫度下進(jìn)行熱處理，在離子注入層15中產(chǎn)生微氣泡。
如圖5C所示，在如圖2所示的氣氛20N下，制備由像實(shí)施例1所述的高電阻p-型Si晶片等的半導(dǎo)體組成的第二基板3，并與絕緣層2緊密接觸。然后在500℃-1200℃溫度下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理，以在此聚集離子注入層15中產(chǎn)生的微氣泡或新產(chǎn)生并聚集其中的微粒。之后，離子注入層變得易碎，在離子注入層15的界面處分離多層結(jié)構(gòu)的第一基板1，而保留半導(dǎo)體層區(qū)12。
然后通過(guò)拋光或在含氫的還原氣氛下熱處理將半導(dǎo)體區(qū)域12的暴露表面變得光滑，盡管比實(shí)施例1要差一些，但仍得到相對(duì)良好質(zhì)量的SOI襯底。如圖5D所示。
所得的SOI襯底是具有如圖3的P11-P13中的任一種所表示的電阻率分布的支撐襯底的襯底，電阻率分布取決于雜質(zhì)滲入量或其分布狀態(tài)。
下面所述的實(shí)施例4-6是使用n-型高電阻半導(dǎo)體作為支撐襯底并且選擇的氣氛是n-型雜質(zhì)濃度小于p-型雜質(zhì)濃度的例子。
(實(shí)施例4)圖6A-6C表示根據(jù)本發(fā)明制備半導(dǎo)體襯底的另一方法。
例如，如圖6A所示，制備Si晶片作為第一基板1，且絕緣層2形成在其表面上。
制備的作為與第一基板分離的基板是電阻率不小于100Ωcm的高電阻n-型半導(dǎo)體的第二基板13。
具有絕緣層2的第一基板1和如上所述制備的第二基板13在如圖7所示的鍵合氣氛20P中相互鍵合。標(biāo)號(hào)4表示鍵合界面。
圖7表示設(shè)在清潔室23中的鍵合空間，清潔室23中的21P是低硼釋放過(guò)濾器如HEPA過(guò)濾器等、22是隔板、24是底板、30是鍵合裝置。當(dāng)需要時(shí)清潔該空間的氣氛20P以達(dá)到U.S.A.聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209D的1-100級(jí)清潔度。
除第一基板的絕緣層2側(cè)附近的半導(dǎo)體層區(qū)12以外，通過(guò)上面實(shí)施例1所討論的去除方法之一，從鍵合第一基板1和第二基板3所得的多層結(jié)構(gòu)去除第一基板。
而且，如需要的話，所得的襯底在含氫的還原氣氛下進(jìn)行熱處理，從而得到如圖6C所示的SOI襯底。
圖8表示各支撐襯底的深度與電阻率的關(guān)系。
圖8表示使用電阻率150Ωcm的n-型Si晶片作為第二基板的支撐襯底的電阻率分布(P21、P22)，以及使用p-型Si晶片作為第二基板的支撐襯底的電阻率分布(C21)。
P21表示從鍵合氣氛滲入到第二基板的p-型雜質(zhì)濃度Cp等于第二基板所含n-型雜質(zhì)濃度Cn的電阻率分布，而P22表示在鍵合之前絕緣層形成在第二基板的表面時(shí)的電阻率分布。
P21和P22表示電阻率朝支撐襯底的表面即朝與絕緣層的界面而變高的分布，因此，圖8中掩埋絕緣層附近(至少距界面3μm的范圍內(nèi))的電阻率分布向左升高。
特別是，P22沒(méi)有電阻率分布向左邊下降的區(qū)域，而界面附近具有比體內(nèi)要高的電阻率。因此，P22更優(yōu)選。
在電阻率150Ωcm的p-型晶片用作C21所示的第二基板的情況下，p-型雜質(zhì)從鍵合氣氛擴(kuò)散到晶片，使界面附近的電阻率極大降低。
本發(fā)明所用的鍵合氣氛并不只表示實(shí)際完成鍵合的地點(diǎn)的氣氛，也表示產(chǎn)生實(shí)際鍵合表面的氣氛。即實(shí)際鍵合氣氛中p-型或n-型雜質(zhì)濃度很低而不使電阻率下降，這取決第二基板剛放置在該氣氛前的氣氛。在那種情況下，剛放置之前的氣氛也認(rèn)為是鍵合氣氛。
優(yōu)選鍵合氣氛的p-型雜質(zhì)濃度(Np)不大于0.05納克/升，更優(yōu)選不大于0.004納克/升，優(yōu)選鍵合氣氛的n-型雜質(zhì)濃度(Nn)不大于0.01納克/升，更優(yōu)選不大于0.002納克/升。此外，必須滿足Nn＜Np的關(guān)系。
只要滿足Nn＜Np的關(guān)系，Nn、Np的下限不需限定；然而，為容易控制氣氛并限制生產(chǎn)和運(yùn)行成本，優(yōu)選Nn和Np都不小于0.001納克/升，不必使用昂貴和高性能的過(guò)濾器。
上面氣氛可以是形成在清潔室中或在放置在另一清潔室的高清潔度局部清潔室中的氣氛或在封閉腔中形成的氣氛。
在前者情況下，氣氛的主要組分是如上所述的1-1000級(jí)水平的清潔度的清潔空氣，而在后者情況下，氣氛的主要組分是不活潑氣體如氮、氬、氦、氖或氙或氧。
例如，當(dāng)在實(shí)施例4使用釋放硼的HEPA過(guò)濾器時(shí)，圖7的鍵合氣氛20P中的硼濃度變得比同一氣氛20P中的磷濃度高。因此，當(dāng)p-型高電阻晶片正如實(shí)施例2、3用作該氣氛鍵合中的第二基板時(shí)，其電阻率分布如圖8的C21所示。
用于本發(fā)明的第二基板是含有至少一個(gè)襯底材料的區(qū)域，區(qū)域包括在鍵合表面?zhèn)入娮杪什恍∮?00Ωcm，更優(yōu)選不小于500Ωcm，而最佳是不小于1000Ωcm的n-型半導(dǎo)體。
當(dāng)未形成作為阻擋層的絕緣層時(shí)，有許多優(yōu)選使用電阻率不小于100Ωcm且不大于500Ωcm的n-型半導(dǎo)體作為第二基板的情況。特別是，優(yōu)選使用具有上面電阻率的FZ晶片，但也可采用CZ晶片。
而且，也優(yōu)選在上述第二基板的鍵合表面?zhèn)刃纬山^緣層，從而將第一基板與作為鍵合表面的絕緣層表面鍵合。
在此情況下，由于該絕緣層充當(dāng)防p-型雜質(zhì)滲入的阻擋層，緊靠掩埋絕緣層之下的區(qū)域更能阻止電阻率的下降。優(yōu)選氧化硅作為該絕緣層，足以起阻擋層作用的絕緣層厚度優(yōu)選不小于100nm，更優(yōu)選不小于200nm且不大于10μm。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙逡I合的鍵合表面的一個(gè)是由Si半導(dǎo)體構(gòu)成的表面，另一表面是由如氧化硅等的絕緣體組成的表面時(shí)，不會(huì)在鍵合界面形成空隙等就能更容易地相互鍵合兩個(gè)基板。
在絕緣體表面相互鍵合的情況下，希望在如氧、氮、硅等的元素通過(guò)等離子體注入等引入至少一個(gè)鍵合表面之后鍵合它們。
(實(shí)施例5)下面描述實(shí)施例5，它由如上所述實(shí)施例4的部分改型而成。
陽(yáng)極化處理作為第一基板1的p-型Si晶片的表面，使表面多孔。然后非多孔單晶Si的半導(dǎo)體層區(qū)通過(guò)外延生長(zhǎng)形成在多孔表面上。
如需要的話，氧化半導(dǎo)體層區(qū)12的表面，形成絕緣層2。
由此，得到第一基板，如圖9A所示。
在n-型雜質(zhì)濃度低(Np＞Nn)的鍵合氣氛下，制備并同第一基板一起放置像實(shí)施例4所述的高電阻率n-型FZ Si晶片的第二基板13。在該氣氛下其被放置為使絕緣層2的表面與n-型FZ Si晶片的表面緊密接觸。如需要的話，此時(shí)進(jìn)行900℃-1200℃的熱處理。以此得到如圖9B所示的多層結(jié)構(gòu)。
之后，通過(guò)研磨、拋光或蝕刻去除第一基板1的表面?zhèn)壬系姆嵌嗫撞糠植⒂煤袣浞岷瓦^(guò)氧化氫的蝕刻劑通過(guò)選擇性濕蝕刻去除多孔層11，從而得到如圖9C所示的SOI襯底。
另一方面，將流體或楔子壓入多層結(jié)構(gòu)的側(cè)面，或各個(gè)方向施加力使第一基板和第二基板相互分離，從而兩個(gè)元件在多孔層的界面用較低的機(jī)械力就相互分離，從而得到半導(dǎo)體層區(qū)12留在第二基板13上的SOI襯底。
而且，在100％氫的還原氣氛或用惰性氣體稀釋氫的氣氛下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，從而半導(dǎo)體層區(qū)的粗糙表面19變得光滑，SOI襯底的表面粗糙度變得足夠光滑使得Rrms不大于5nm。
以此得到如圖9D所示的SOI襯底。
由于在該SOI襯底中掩埋絕緣層2之下的支撐襯底13具有不小于100Ωcm的足夠高電阻率，用該SOI襯底制備的晶體管具有較低的泄漏電流并可高速工作。
(實(shí)施例6)實(shí)施例6也是實(shí)施例4的部分改型的例子。
如圖10A所示，絕緣層2形成在如Si晶片的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一基板1的表面上。
如圖10B所示，通過(guò)離子注入在絕緣層2下表面之下的第一基板的約100nm-2μm的區(qū)域注入氫離子或稀有氣體離子，形成用于產(chǎn)生微氣泡的離子注入層15。之后，如需要，100℃-400℃溫度下進(jìn)行熱處理，在離子注入層15中產(chǎn)生微氣泡。
如圖10C所示，在如圖7所示的氣氛20P下，制備由像實(shí)施例4所述的高電阻率的p-型Si晶片等的半導(dǎo)體組成的第二基板13，并與絕緣層2緊密接觸。然后在500℃-1200℃溫度下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理，以在此聚集離子注入層15中產(chǎn)生的微氣泡或新產(chǎn)生并聚集其中的微粒。之后離子注入層變得易碎，在離子注入層15的界面分離多層結(jié)構(gòu)的第一基板1，保留半導(dǎo)體層區(qū)12。
然后通過(guò)拋光或在含氫的還原氣氛下熱處理將半導(dǎo)體區(qū)域12的暴露表面變得光滑，盡管比實(shí)施例4要差一些，但仍得到相對(duì)良好質(zhì)量的SOI襯底，如圖10D所示。
所得的SOI襯底是具有如由圖8的P21或P22中的任一種所表示的電阻率分布的支撐襯底的襯底，電阻率分布取決于雜質(zhì)滲入量或其分布狀態(tài)。
下面所述的實(shí)施例7-9是變成支撐襯底的基板是具有絕緣膜的高電阻n-型半導(dǎo)體并且選擇的氣氛是p-型雜質(zhì)濃度小于n-型雜質(zhì)濃度的例子。
(實(shí)施例7)圖11A-11D表示根據(jù)本發(fā)明制備半導(dǎo)體襯底的另一方法。
如圖11A所示，制備的第二基板16是電阻率不小于300Ωcm的高電阻n-型半導(dǎo)體，而絕緣層5至少形成在其上表面上。
例如，如圖11B所示，制備Si晶片作為第一基板1。
在鍵合表面?zhèn)壬暇哂薪^緣層5的第二基板16和以此方式制備的第一基板1在如圖2所示的鍵合氣氛20N中相互鍵合。標(biāo)號(hào)4表示鍵合界面。
圖2表示設(shè)在清潔室23中的鍵合空間，清潔室23中的21N是低硼釋放的過(guò)濾器如HEPA過(guò)濾器等、22是隔板、24是底板、30是鍵合裝置。當(dāng)需要時(shí)清潔該空間的氣氛20達(dá)到如上所述的一級(jí)高清潔度或更高清潔度。
除第一基板的絕緣層5側(cè)附近的半導(dǎo)體層區(qū)12以外，通過(guò)實(shí)施例1所討論的去除方法之一，從鍵合第一基板1和第二基板16所得的多層結(jié)構(gòu)去除第一基板。
而且，如需要的話，所得的襯底在含氫的還原氣氛下進(jìn)行熱處理，從而得到如圖11D所示的SOI襯底。
圖12表示根據(jù)本實(shí)施例的支撐襯底的深度與電阻率的關(guān)系。
圖12表示使用電阻率6000Ωcm的n-型Si晶片作為第二基板(其表面上形成有絕緣層)，在含有相對(duì)大量n-型雜質(zhì)的氣氛下基板相互鍵合的情況下支撐襯底的電阻率分布(P31)以及作為比較例的支撐襯底的電阻率分布(C31)。
P31表示根據(jù)本發(fā)明的支撐襯底的電阻率分布。
P31表示電阻率朝著絕緣層的界面逐漸變低的分布，即圖12中在緊靠掩埋絕緣層下面部分的附近(至少距界面0.3μm的范圍內(nèi))電阻率分布向左下降。
特別是，在P31的情況下，由于絕緣層在鍵合之前形成在第二基板上，該絕緣層起阻止雜質(zhì)滲透的作用，從而在界面附近電阻率幾乎沒(méi)下降。
如C31所示的，在電阻率6000Ωcm的n-型晶片用作第二基板，并且基板相互鍵合時(shí)未在第二基板的鍵合表面上形成作為阻擋層的絕緣層的情況下，盡管n-型雜質(zhì)的吸收量極小(~1×1011原子/cm2)，因?yàn)榈诙遄陨硎堑碗s質(zhì)濃度的半導(dǎo)體，更多的n-型雜質(zhì)從鍵合氣氛擴(kuò)散到n-型晶片，在界面附近形成相對(duì)強(qiáng)的n-型區(qū)域所使電阻率極大下降。
本發(fā)明所用的鍵合氣氛并不僅指實(shí)際完成鍵合的地點(diǎn)的氣氛，而且也指產(chǎn)生實(shí)際鍵合表面的氣氛，即實(shí)際鍵合氣氛的p-型或n-型雜質(zhì)濃度很低而不使電阻率下降，這取決于第二基板剛放置在該氣氛前的氣氛，在那種情況下，剛放置之前的氣氛也認(rèn)為是鍵合氣氛。
鍵合氣氛的n-型雜質(zhì)濃度(Nn)優(yōu)選不大于0.1納克/升，更優(yōu)選不大于0.01納克/升，鍵合氣氛的p-型雜質(zhì)濃度(Np)優(yōu)選不大于0.01納克/升，而更優(yōu)選不大于0.001納克/升。此外，必須滿足Nn＞Np的關(guān)系。
只要滿足Nn＞Np的關(guān)系，Nn、Np的下限不需限定；然而，為了容易控制氣氛并限制生產(chǎn)和運(yùn)行成本，優(yōu)選Nn和Np都不小于0.0001納克/升，例如，通過(guò)降低過(guò)濾器的交換頻率實(shí)現(xiàn)。
上述氣氛可以是形成在清潔室中或在放置在另一清潔室的高清潔度局部清潔室中的氣氛或在封閉腔中形成的氣氛。
在前者情況下，氣氛的主要組分是如上所述的1級(jí)水平的高清潔度的清潔空氣，而在后者情況下，氣氛的主要組分是不活潑氣體如氮、氬、氦、氖或氙或氧。
例如，在使用釋放硼的HEPA過(guò)濾器而不使用PTFE過(guò)濾器的情況下，清潔室的鍵合氣氛的硼濃度遠(yuǎn)高于0.01納克/升并且比相同氣氛下的磷濃度高。因此，當(dāng)在該氣氛下完成鍵合時(shí)，難于使用高電阻p-型晶片作為第二基板。原因是鍵合表面?zhèn)壬系谋砻孚呌谧兂筛鼜?qiáng)p-型。在該情況下其電阻率分布具有圖12的C31所表示的低電阻的表面分布。
用于本發(fā)明的第二基板是具有至少一個(gè)覆蓋有絕緣層的鍵合表面并具有至少一個(gè)包括緊靠絕緣層之下的n-型半導(dǎo)體的區(qū)域的基板，n-型半導(dǎo)體的電阻率不小于300Ωcm，更優(yōu)選不小于500Ωcm，而最佳是電阻率不小于1000Ωcm。特別是，優(yōu)選使用覆蓋有絕緣層的表面具有上述電阻率的FZ Si晶片，但也可采用覆蓋有絕緣層的CZ晶片。
而且，也優(yōu)選在上述第一基板的表面上形成絕緣層，并在此后將其與第二基板的絕緣層表面鍵合，第一基板的絕緣層表面用作鍵合表面。
由于覆蓋第二基板表面的該絕緣層充當(dāng)防p-型雜質(zhì)滲透的阻擋層，緊靠掩埋絕緣層之下的區(qū)域更能阻止電阻率的下降。優(yōu)選氧化硅化為該絕緣層，足以起阻擋層作用的絕緣層厚度優(yōu)選不小于100nm，更優(yōu)選不小于200nm且不大于10μm。
當(dāng)?shù)谝换宓逆I合表面的一個(gè)是由Si半導(dǎo)體構(gòu)成的表面，而另一表面是由如氧化硅等的絕緣體組成的表面時(shí)，能更容易地將要鍵合的第一和第二基板的鍵合表面相互鍵合，且不會(huì)在鍵合界面形成空隙等。
在絕緣體表面相互鍵合的情況下，更重要的是把如氧、氮、硅等的元素，通過(guò)等離子體注入等引入至少一個(gè)鍵合表面之后將表面鍵合。
(實(shí)施例8)下面描述實(shí)施例8，它由如上所述的實(shí)施例7部分改型而成。
陽(yáng)極化處理作為第一基板1的p-型Si晶片的表面，使表面多孔。然后非多孔單晶Si的半導(dǎo)體層區(qū)12通過(guò)外延生長(zhǎng)形成在多孔表面上。
如需要的話，氧化半導(dǎo)體層區(qū)12的表面，形成絕緣層2。
由此，得到第一基板，如圖13A所示。
制備像如實(shí)施例7所述的高電阻率的n-型FZ Si晶片的第二基板16，并通過(guò)至少對(duì)其上表面進(jìn)行熱氧化等形成作為阻擋層的絕緣層5。然后，如需要的話，對(duì)絕緣層2和絕緣層5的至少一個(gè)的表面進(jìn)行等離子體處理。將第一基板與第二基板一起放置在低p-型雜質(zhì)濃度(Np＜Nn)的鍵合氣氛中，并使它們相互緊密接觸。此時(shí)如需要的話，進(jìn)行900℃-1200℃的熱處理。以此得到如圖13B所示的多層結(jié)構(gòu)。
之后，通過(guò)研磨、拋光或蝕刻去除第一基板1的表面?zhèn)壬系姆嵌嗫撞糠植⒂煤袣浞岷瓦^(guò)氧化氫的蝕刻劑通過(guò)選擇性濕蝕刻去除多孔層11，從而得到如圖13C所示的SOI襯底。
另一方面，將流體或楔子壓入多層結(jié)構(gòu)的側(cè)面，或各個(gè)方向施加力使第一基板和第二基板相互分離，從而兩個(gè)元件在多孔層的界面用較低的機(jī)械力就相互分離，從而得到半導(dǎo)體層區(qū)12留在第二基板上的SOI襯底。
而且，在100％氫的還原氣氛或用惰性氣體稀釋氫的氣氛下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理1小時(shí)或更長(zhǎng)，從而半導(dǎo)體層區(qū)的粗糙表面19變得光滑，SOI襯底的表面粗糙度變得足夠光滑使得Rrms不大于5nm。
以此得到如圖13D所示的SOI襯底。
由于在該SOI襯底中掩埋絕緣層2之下的支撐襯底16具有不小于100Ωcm，更優(yōu)選不小于1000Ωcm的足夠高電阻率，用該SOI襯底制備的晶體管具有較低的寄生電容并可高速工作。
(實(shí)施例9)實(shí)施例9也是實(shí)施7的部分改型的例子。
如圖14A所示，絕緣層2形成在由如Si晶片的半導(dǎo)體組成的第一基板1的表面。
如圖14B所示，通過(guò)離子注入在第一基板1的絕緣層2下表面之下的約100nm-2μm的區(qū)域注入氫離子或稀有氣體離子，形成用于產(chǎn)生微氣泡的離子注入層15。之后，如需要，100℃-400℃溫度下進(jìn)行熱處理，在離子注入層15中產(chǎn)生微氣泡。
如圖14C所示，制備由實(shí)施例7所述的如高電阻率n-型Si晶片等的半導(dǎo)體組成的第二基板16，在其表面形成作為阻擋層的絕緣層5。然后在如圖2所示的氣氛20N下使第二基板與絕緣層2緊密接觸。之后在500℃-1200℃溫度下對(duì)襯底進(jìn)行熱處理，以聚集離子注入層15中產(chǎn)生的的微氣泡或新產(chǎn)生并聚集微氣泡。之后離子注入層變得易碎，并且在離子注入層15的界面使多層結(jié)構(gòu)的第一基板1分離而剩下半導(dǎo)體層區(qū)12。
然后通過(guò)拋光或在含氫的還原氣氛下熱處理將半導(dǎo)體區(qū)域12的暴露表面變得光滑，盡管比實(shí)施例7要差一些，但仍得到相對(duì)良好質(zhì)量的SOI襯底，如圖14D所示。
所得的SOI襯底是具有如由圖10的P31所表示的電阻率分布的支撐襯底的襯底。
(實(shí)施例10)圖15是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底的示意截面圖。
該半導(dǎo)體襯底具有通過(guò)絕緣層42置于半導(dǎo)體的支撐襯底43之上的單晶半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層區(qū)41，緊靠絕緣層42之下的半導(dǎo)體表面部分44s的電阻率不小于100Ωcm，更優(yōu)選不小于500Ωcm，最佳是不小于1000Ωcm。
由于半導(dǎo)體表面部分44s的電阻如上所述較高，在由半導(dǎo)體層區(qū)41、絕緣層42和支撐襯底43組成的結(jié)構(gòu)中電容低。
(實(shí)施例11)圖16是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的示意截面圖。
通過(guò)對(duì)如圖15所示的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行各種處理制備該半導(dǎo)體器件，并以該半導(dǎo)體襯底制備晶體管。
為完成LDD(輕摻雜漏)結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體層區(qū)41中形成雜質(zhì)濃度各不相同的源和漏區(qū)46、47。
標(biāo)號(hào)45表示隔離元件的絕緣體，48表示多晶硅、硅化物、金屬等的柵電極，49表示氧化硅等柵絕緣膜，50表示溝道區(qū)，51表示絕緣膜，52表示由掩埋在絕緣膜51的接觸孔中如鋁、銅等的金屬構(gòu)成的源極和漏極，以及53表示由高熔點(diǎn)金屬(耐熔金屬)、硅化物、導(dǎo)電氮化物等構(gòu)成的阻擋層金屬。
使用根據(jù)本發(fā)明的上述晶體管制備的集成電路具有良好高頻性能，低泄漏電流和高截止頻率，這是由于緊靠掩埋絕緣層42之下的半導(dǎo)體表面附近的區(qū)域44具有高電阻。
而且，晶體管也可以是除LDD結(jié)構(gòu)的MOS晶體管之外的任何其它晶體管，例如，雙極晶體管等。
(實(shí)施例12)實(shí)施例12是一個(gè)為增大如圖15所示的支撐襯底43半導(dǎo)體表面部分44s的電阻而具有朝半導(dǎo)體表面附近44的外形頂端電阻率增大的區(qū)域的例子。通過(guò)在半導(dǎo)體表面附近44形成pn結(jié)或通過(guò)將相反導(dǎo)電類(lèi)型的少量雜質(zhì)引入半導(dǎo)體表面附近44的表面?zhèn)?，形成電阻率逐漸增大的該區(qū)域。
本實(shí)施例可使支撐襯底43的半導(dǎo)體表面部分44s的電阻率容易地保持在不小于100Ωcm的范圍，更優(yōu)選在不小于500Ωcm的范圍，最佳在不小于1000Ωcm的范圍。
(例子1)在50％的HF溶液中陽(yáng)極化處理直徑6英寸、厚度600μm的p-型(100)單晶Si的CZ晶片。此時(shí)電流密度是10mA/cm2。10分鐘后在表面形成厚度20μm的多孔層。然后通過(guò)低壓CVD工藝在該p-型多孔Si層生長(zhǎng)0.5μm厚度的Si外延層。淀積條件如下。
氣體SiH2Cl2(0.6升/分鐘)，H2(100升/分鐘)溫度850℃壓力50乇生長(zhǎng)速率0.1微米/分鐘接著，該外延層的表面熱氧化50nm厚度。在硼濃度0.0003納克/升而磷濃度0.001納克/升的清潔空氣氣氛下，通過(guò)使用如圖2所示的系統(tǒng)，電阻率5000Ωcm的p-型FZ Si晶片覆蓋在所得的CZ晶片的熱氧化膜上，通過(guò)900℃下加熱一個(gè)半小時(shí)兩個(gè)晶片牢固鍵合起來(lái)。
砷和銻的濃度低于硼濃度，可以忽略不計(jì)。
之后，所得的襯底從CZ晶片的底表面?zhèn)冗M(jìn)行研磨580μm，然后進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻，使多孔層暴露。
之后，暴露的多孔層用氫氟酸和過(guò)氧化氫的混合溶液進(jìn)行選擇性蝕刻。15分鐘后只有外延生長(zhǎng)的單晶Si層未被蝕刻而留下，多孔Si層則完全選擇去除。
蝕刻劑作用非多孔Si單晶的蝕刻速率極低，甚至15分鐘后才大約40埃，這樣多孔Si層的蝕刻速率的蝕刻選擇性極大；因此，非多孔Si層的蝕刻量實(shí)際上幾乎忽略不計(jì)。
由此形成的SOI襯底放入熱處理爐，在1150℃、100％氫氣氛下熱處理4小時(shí)，從而得到光滑的SOI襯底。表面粗糙度Rrms＝2nm或更小。
通過(guò)SIMS分析來(lái)分析該襯底的掩埋絕緣層之下的支撐襯底，證實(shí)滲透到離表面約1μm的區(qū)域的磷可提高在其中的磷濃底。
襯底的電阻率分布是由圖17的P14所表示的那種。因此可看出在支撐襯底表面附近可形成朝表面電阻率升高的層區(qū)(區(qū)域0.5μm-1μm深)。
(例子2)在例子1的鍵合之前，熱氧化電阻率5000Ωcm的p-型Si FZ晶片表面，形成厚度300nm的氧化硅絕緣層。
然后將絕緣層的鍵合表面暴露于氮等離子體，之后如在例子1的低硼濃度氣氛下襯底相互鍵合。
除上面之外，以例子1的類(lèi)似方法得到SOI襯底。
該SOI襯底的支撐襯底表面的電阻率分布是由圖17的P15所表示的那種。因此，可看出在支撐襯底表面附近形成朝表面電阻率逐漸升高層區(qū)(區(qū)域0-0.5μm深)。
(例子3)在50％的HF溶液中陽(yáng)極化處理直徑6英寸、厚度600μm的p-型(100)單晶Si的CZ晶片。此時(shí)電流密度是10mA/cm2。10分鐘后在表面形成厚度20μm的多孔層。然后通過(guò)低壓CVD工藝在該p-型多孔Si層生長(zhǎng)0.5μm厚度Si外延層。淀積條件如下。
氣體SiH2Cl2(0.6升/分鐘)，H2(100升/分鐘)溫度850℃壓力50乇生長(zhǎng)速率0.1微米/分鐘接著，該外延層的表面熱氧化50nm厚度。在硼濃度0.004納克/升而磷濃度0.002納克/升的清潔空氣氣氛下，通過(guò)使用如圖7所示的系統(tǒng)，電阻率150Ωcm的p-型FZ Si晶片覆蓋在所得的熱氧化膜上，通過(guò)900℃下加熱一個(gè)半小時(shí)兩個(gè)晶片牢固地鍵合起來(lái)。
之后，從CZ晶片的背表面?zhèn)冗M(jìn)行研磨和反應(yīng)離子蝕刻580μm，使多孔層暴露。
之后，暴露的多孔層用氫氟酸和過(guò)氧化氫的混合溶液進(jìn)行選擇性蝕刻。15分鐘后只有外延生長(zhǎng)的單晶Si層未被蝕刻而留下，多孔Si層則完全選擇去除。
以此形成的SOI襯底放入熱處理爐，在1150℃、100％氫氣氛下熱處理4小時(shí)，從而得到光滑的SOI襯底。表面粗糙度Rrms＝2nm或更小。
通過(guò)SIMS分析來(lái)分析該襯底的掩埋絕緣層之下的支撐襯底，證實(shí)滲透到離表面約1μm的區(qū)域的硼可提高在其中的硼濃度。
而且，電阻率分布類(lèi)似由圖8的P21所表示的那種。因此證實(shí)出在支撐襯底表面附近的層區(qū)(區(qū)域0μm-3μm深)中可形成pn結(jié)。
(例子4)在例子3的鍵合之前，熱氧化電阻率700Ωcm的n-型Si FZ晶片表面，形成厚度300nm的氧化硅絕緣層。
然后將絕緣層的鍵合表面暴露于氮等離子體，之后如在例子3的低硼濃度氣氛下襯底相互鍵合。
除上面之外，以例子3的類(lèi)似方法得到SOI襯底。
該SOI襯底的支撐襯底表面的電阻率分布是由圖18的P23所表示的那種。因此，可看出在支撐襯底表面附近的層區(qū)(區(qū)域0μm-2μm深)中可形成pn結(jié)。
(例子5)在50％的HF溶液中陽(yáng)極化處理直徑6英寸、厚度600μm的p-型(100)單晶Si的CZ晶片。此時(shí)電流密度是10mA/cm2。10分鐘后在表面形成厚度20μm的多孔層。然后通過(guò)低壓CVD工藝在該p-型多孔Si層生長(zhǎng)0.5μm厚度Si外延層。淀積條件如下。
氣體SiH2Cl2(0.6升/分鐘)，H2(100升/分鐘)溫度850℃
壓力50乇生長(zhǎng)速率0.1微米/分鐘除此之外，制備電阻率6000Ωcm的n-型FZ晶片并通過(guò)熱氧化形成厚度300nm的成為阻擋層的絕緣層。在硼濃度0.0003納克/升而磷濃度0.001納克/升的清潔空氣氣氛下，通過(guò)使用如圖2所示的系統(tǒng)，電阻率6000Ωcm并帶有絕緣層的n-型FZ Si晶片覆蓋在外延層表面上，通過(guò)900℃下加熱一個(gè)半小時(shí)兩個(gè)晶片牢固地鍵合起來(lái)。砷和銻的濃度小于硼濃度，可以忽略不計(jì)。
之后，從CZ晶片的背表面?zhèn)冗M(jìn)行研磨和反應(yīng)離子蝕刻580μm，使多孔層暴露。
之后，暴露的多孔層用氫氟酸和過(guò)氧化氫的混合溶液進(jìn)行選擇性蝕刻。15分鐘后只有外延生長(zhǎng)的單晶Si層未被蝕刻而留下，多孔Si層則完全選擇去除。
以此形成的SOI襯底放入熱處理爐，在1150℃、100％氫氣氛下熱處理4小時(shí)，從而得到光滑的SOI襯底。表面粗糙度Rrms＝2nm或更小。
通過(guò)SIMS分析來(lái)分析該襯底的掩埋絕緣層之下的支撐襯底，證實(shí)滲透到離表面約0.3μm的區(qū)域的磷可輕微提高其中的磷濃度。
而且，襯底的電阻率分布類(lèi)似由圖12的P31所表示的那種。
(例子6)例子6不同于例子5在于在例子5的鍵合之前，通過(guò)在作為第一基板的CZ晶片上熱氧化外延層的表面形成厚50nm的氧化硅絕緣層。
然后將絕緣層的鍵合表面暴露于氮等離子體，之后如在例子5的低硼濃度氣氛下鍵合表面相互鍵合。
除上面之外，以例子5的類(lèi)似方法得到SOI襯底。
該SOI襯底的支撐襯底表面的電阻率分布是由圖12的P31所表示的那種。
根據(jù)本發(fā)明，在制備SOI襯底時(shí)，可以抑制支撐襯底表面附近電阻率在緊靠絕緣層之下的支撐襯底表面附近的下降，從而提供適合制備高頻晶體管的SOI襯底的半導(dǎo)體襯底。
權(quán)利要求
1.一種制備半導(dǎo)體襯底的方法，包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板而在第二基板上留下該半導(dǎo)體層區(qū)的步驟，其中根據(jù)第二基板的成分，確定進(jìn)行鍵合步驟時(shí)的氣氛中的n-型雜質(zhì)濃度和p-型雜質(zhì)濃度之間的數(shù)量關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中當(dāng)鍵合表面?zhèn)壬系牡诙宓闹辽僖徊糠质请娮杪什恍∮?00Ωcm的n-型半導(dǎo)體時(shí)，在鍵合步驟的氣氛中n-型雜質(zhì)濃度低于p-型雜質(zhì)濃度；當(dāng)鍵合表面?zhèn)壬系牡诙宓闹辽僖徊糠质请娮杪什恍∮?00Ωcm的n-型半導(dǎo)體并覆蓋有絕緣層時(shí)，在鍵合步驟的氣氛中p-型雜質(zhì)濃度低于n-型雜質(zhì)濃度；且當(dāng)鍵合表面?zhèn)壬系牡诙宓闹辽僖徊糠质请娮杪什恍∮?00Ωcm的p-型半導(dǎo)體，在鍵合步驟的氣氛中p-型雜質(zhì)濃度低于n-型雜質(zhì)濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中p-型雜質(zhì)濃度是硼濃度并且n-型雜質(zhì)濃度是磷濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中p-型雜質(zhì)濃度是硼濃度且不大于0.05納克/升，且n-型雜質(zhì)濃度是磷濃度且不大于0.1納克/升。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板是FZ硅晶片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在鍵合步驟中或在鍵合步驟之后，在不小于900℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中形成半導(dǎo)體襯底的第二基板的半導(dǎo)體表面部分的電阻率不小于100Ωcm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在形成半導(dǎo)體襯底的第二基板的半導(dǎo)體表面附近形成朝著第二基板表面電阻率升高的區(qū)域。
9.一種具有SOI結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，該襯底是通過(guò)權(quán)利要求1或2所述的制備半導(dǎo)體襯底的方法制備的。
10.一種半導(dǎo)體襯底，該襯底具有通過(guò)絕緣層形成在半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底之上的單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，其中支撐襯底的成分使緊靠絕緣層之下的半導(dǎo)體表面部分是電阻率不小于100Ωcm的半導(dǎo)體，和/或使支撐襯底具有沿其厚度方向朝著絕緣層電阻率升高的區(qū)域。
11.一種制備半導(dǎo)體襯底的方法，包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板而在第二基板上留下該半導(dǎo)體層區(qū)的步驟，其中在n-型雜質(zhì)濃度低于p-型雜質(zhì)濃度的氣氛中進(jìn)行鍵合步驟，且第二基板在鍵合表面?zhèn)壬暇哂须娮杪什恍∮?00Ωcm的n-型半導(dǎo)體組成的部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在半導(dǎo)體層區(qū)的表面上形成絕緣層之后，第一基板與第二基板鍵合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板在其鍵合表面?zhèn)染哂薪^緣層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中從氣氛滲透到第二基板的p-型雜質(zhì)濃度不小于第二基板中n-型雜質(zhì)濃度的0.1倍，不大于第二基板中n-型雜質(zhì)濃度的2倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板是FZ Si晶片。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中氣氛包括經(jīng)釋放硼的過(guò)濾器供給的清潔空氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中n-型雜質(zhì)是磷。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中p-型雜質(zhì)是硼，且氣氛中的硼濃度不大于0.05納克/升。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中n-型雜質(zhì)是磷，且氣氛中的磷濃度不大于0.01納克/升。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第一基板包括多孔層和/或離子注入層。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中半導(dǎo)體層區(qū)包括在多孔單晶層上外延生長(zhǎng)的單晶半導(dǎo)體。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在鍵合步驟中進(jìn)行900℃或更高溫度下的熱處理。
23.根據(jù)權(quán)利要求11的制備半導(dǎo)體襯底的方法，還包括進(jìn)行熱處理以將留在第二基板的半導(dǎo)體層區(qū)在900℃或更高溫度下加熱的步驟。
24.一種半導(dǎo)體襯底，具有經(jīng)絕緣層在半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上的單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，其中支撐襯底在絕緣層附近具有沿其厚度方向朝著絕緣層電阻率升高的區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體襯底。其中支撐襯底在絕緣層附近具有p-型層區(qū)以形成pn結(jié)。
26.一種制備半導(dǎo)體襯底的方法，包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板而在第二基板上留下該半導(dǎo)體層區(qū)的步驟，其中在p-型雜質(zhì)濃度低于n-型雜質(zhì)濃度的氣氛中進(jìn)行鍵合步驟，且第二基板在其鍵合表面?zhèn)染哂须娮杪什恍∮?00Ωcm的p-型半導(dǎo)體組成的部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在半導(dǎo)體層區(qū)的表面上形成絕緣層之后，將第一基板與第二基板鍵合。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板在鍵合表面?zhèn)染哂薪^緣層。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中從氣氛滲透到第二基板的n-型雜質(zhì)濃度不小于第二基板的p-型雜質(zhì)濃度的0.1倍，不大于第二基板的p-型雜質(zhì)濃度的2倍。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板是FZ Si晶片。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中氣氛包括經(jīng)釋放硼的過(guò)濾器供給的清潔空氣。
32.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中p-型雜質(zhì)是硼。
33.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中氣氛中的硼濃度不大于0.01納克/升。
34.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中n-型雜質(zhì)是磷，且氣氛中的磷濃度不大于0.1納克/升。
35.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第一基板包括多孔層和/或離子注入層。
36.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中半導(dǎo)體層區(qū)包括在多孔單晶層上外延生長(zhǎng)的單晶半導(dǎo)體。
37.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在鍵合步驟中進(jìn)行900℃或更高溫度下的熱處理。
38.根據(jù)權(quán)利要求26的制備半導(dǎo)體襯底的方法，還包括進(jìn)行熱處理以將留在第二基板的半導(dǎo)體層區(qū)在900℃或更高溫度下加熱的步驟。
39.一種半導(dǎo)體襯底，該襯底具有單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，該單晶半導(dǎo)體通過(guò)絕緣層形成在半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上，其中支撐襯底在絕緣層附近具有沿其厚度方向朝絕緣層電阻率升高的區(qū)域。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的半導(dǎo)體襯底。其中支撐襯底在絕緣層附近具有p-型層區(qū)并形成pn結(jié)。
41.一種制備半導(dǎo)體襯底的方法，包括將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板而在第二基板上留下該半導(dǎo)體層區(qū)的步驟，其中在p-型雜質(zhì)濃度低于n-型雜質(zhì)濃度的氣氛下完成鍵合步驟，以及其中第二基板是含有由電阻率不小于300Ωcm的n-型半導(dǎo)體組成的部分的基板，n-型半導(dǎo)體具有形成在鍵合表面?zhèn)鹊慕^緣層。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在半導(dǎo)體層區(qū)的表面上形成絕緣層之后，將第一基板與第二基板鍵合。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中絕緣層是形成在鍵合表面?zhèn)鹊难趸飳印?br> 44.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板的電阻率不小于500Ωcm。
45.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第二基板是FZ Si晶片。
46.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中氣氛包括經(jīng)低硼釋放過(guò)濾器供給的清潔空氣。
47.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中p-型雜質(zhì)是硼。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中氣氛中的硼濃度不大于0.01納克/升。
49.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中n-型雜質(zhì)是磷，且氣氛中的磷濃度不大于0.1納克/升。
50.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中第一基板包括多孔層和/或離子注入層。
51.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中半導(dǎo)體層區(qū)包括在多孔單晶層上外延生長(zhǎng)的單晶半導(dǎo)體。
52.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，其中在鍵合步驟中進(jìn)行900℃或更高溫度下的熱處理。
53.根據(jù)權(quán)利要求41的制備半導(dǎo)體襯底的方法，還包括進(jìn)行熱處理以將留在第二基板的半導(dǎo)體層區(qū)在900℃或更高溫度下加熱的步驟。
54.一種半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底具有單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，該單晶半導(dǎo)體通過(guò)絕緣層形成在半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上，其中支撐襯底具有在其厚度方向朝著絕緣層電阻率下降的區(qū)域。且緊靠絕緣層之下的部分的電阻率不小于100Ωcm。
55.根據(jù)權(quán)利要求54的半導(dǎo)體襯底，其中支撐襯底是FZ Si晶片。
56.一種形成在半導(dǎo)體襯底中的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體襯底具有單晶半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體層區(qū)，該單晶半導(dǎo)體通過(guò)絕緣層形成在半導(dǎo)體構(gòu)成的支撐襯底上，其中，支撐襯底的成分使緊靠絕緣層之下的半導(dǎo)體表面部分是電阻率不小于100Ωcm的半導(dǎo)體，和/或使支撐襯底具有沿其厚度方向朝絕緣層電阻率升高的區(qū)域。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的半導(dǎo)體器件，其中該器件是晶體管。
全文摘要
為了提供可用作適合制備高頻晶體管的SOI襯底的半導(dǎo)體襯底,采用如下制備半導(dǎo)體襯底的方法,該方法具有將含有半導(dǎo)體層區(qū)的第一基板與第二基板鍵合的步驟和去除第一基板而在第二基板留下半導(dǎo)體層區(qū)的步驟,其中根據(jù)第二基板的成分,確定在鍵合氣氛中p－型雜質(zhì)濃度和n－型雜質(zhì)濃度之間的數(shù)量關(guān)系。
文檔編號(hào)H01L21/762GK1245971SQ9911956
公開(kāi)日2000年3月1日 申請(qǐng)日期1999年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月23日
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