專利名稱：制造二氧化硅層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基底上沉積的低粗糙度的二氧化硅層的制造方法，和尤其在光學(xué)、光電子或電子學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的包括這種二氧化硅層作為埋層的復(fù)合基底或晶片的制造方法。


圖1A-1E示出了制造這種復(fù)合基底所使用的現(xiàn)有技術(shù)的方法的不同步驟。
根據(jù)圖1A可看出，二氧化硅層2首先沉積在被稱為“源基底”的本體基底1上，這是因為它用于提供隨后構(gòu)成復(fù)合基底頂層的材料。鑒于旨在獲得的復(fù)合基底的種類，這種源基底可以是例如硅、鍺化硅、應(yīng)變硅或鍺。
在實現(xiàn)沉積二氧化硅層2所使用的不同技術(shù)當(dāng)中，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的一種簡稱為“LPCVD TEOS”，它是指使用“原硅酸四乙酯”作為源材料，“低壓化學(xué)氣相沉積”二氧化硅膜。
通過在LPCVD反應(yīng)器內(nèi)引入一個基底或者一批基底1，并將反應(yīng)器內(nèi)的基底暴露于作為二氧化硅(SiO2)用源材料的原硅酸四乙酯(其化學(xué)式為Si(OC2H5)4)下，從而進(jìn)行這種沉積。
與其它氧化物沉積方法，例如低溫或者高溫沉積方法相比，這一方法在所得氧化物層的均勻度或者密度方面提供一些優(yōu)點。
然后，對如此獲得的二氧化物層2進(jìn)行熱退火，以便改進(jìn)其結(jié)構(gòu)和電性能。
然而，與熱生長的層相比，用TEOS沉積的層具有顯著較高的表面粗糙度。因此，要求額外的化學(xué)機械拋光(CMP)步驟，使二氧化硅層2的自由面光滑，之后將其與另一基底粘結(jié)。
為了進(jìn)行這一步驟，人們使用具有研磨膏或者液體的拋光頭4(在圖1B上可看出)。
然后，根據(jù)圖1C可看出，通過注入原子物質(zhì)，在源基底1內(nèi)部產(chǎn)生弱化區(qū)(zone of weakness)10。
術(shù)語“原子物質(zhì)注入”是指能將所述物質(zhì)引入到源基底1的材料內(nèi)的分子或者離子、原子物質(zhì)的任何轟擊，且所述物質(zhì)的最大濃度在距離被轟擊表面的特定深度處，在本發(fā)明的情況下，其深度優(yōu)選大于二氧化硅層2的厚度。采用同樣大約在最大值處分布的能量，將分子、離子或原子物質(zhì)引入到該材料內(nèi)。
可例如使用離子束注入機或者等離子體注入機，將原子物質(zhì)注入到所述源基底1內(nèi)。
優(yōu)選地，通過離子轟擊進(jìn)行所述注入。更優(yōu)選，所注入的離子物質(zhì)是氫?？捎欣貑为毣蛘呓Y(jié)合氫使用其它離子物質(zhì)，如稀有氣體(例如，氦)的離子。
弱化區(qū)10在兩部分，亦即基底的薄頂層11和其余部分12之間的界面處標(biāo)記。
作為例舉，可參考涉及以商品名“Smart Cut”公知的方法的文獻(xiàn)。
然后通過分子粘結(jié)到二氧化硅層2的自由面上，從而粘結(jié)支持基底3(參見圖1D)。
最后，根據(jù)圖1E可看出，將其余部分12從源基底1上沿著弱化區(qū)10分離(detach)，以保持僅僅頂層11在二氧化硅層2和支持基底3上。
關(guān)于分離，可單獨或者結(jié)合使用下述技術(shù)之一施加機械或者電來源的應(yīng)力，化學(xué)蝕刻或者供應(yīng)能量(激光、微波，其中包括熱和爐處理)。所述分離技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，且此處將不會更詳細(xì)地描述。
如此獲得的復(fù)合基底標(biāo)記為4。
在以上提及的方法中，圖1B的拋光步驟具有許多缺點，例如所得層2缺少均勻度，該方法的重現(xiàn)性差且該方法的生產(chǎn)量低。
此外，這一額外的步驟增加每一基底或晶片的制造成本。
本發(fā)明的目的是克服以上提及的缺點，尤其省去化學(xué)和機械拋光步驟。
因此，本發(fā)明的目的是改進(jìn)LPCVD TEOS沉積方法，以便獲得高質(zhì)量的二氧化硅層2，就表面粗糙度、均勻度和顆粒密度來說，所述二氧化硅層2滿足基底直接粘結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)且可用作氧化物埋層。
最后，本發(fā)明的目的還在于提供具有優(yōu)異電特征的界面。
為此，本發(fā)明提供制造低粗糙度的二氧化硅層的方法。
該方法的特征在于，它包括由下述組成的下述步驟-通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法，在基底上沉積二氧化硅層，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應(yīng)性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；-在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續(xù)時間。
優(yōu)選地，稀釋劑氣體選自氮氣、氬氣(Ar)、氦氣(He)及其混合物。
優(yōu)選地，退火在介于700℃至900℃的溫度下進(jìn)行1至4小時的持續(xù)時間。
有利地，其在含氮氣、氬氣或氦氣或其任何混合物的惰性環(huán)境下進(jìn)行。
可單獨或者結(jié)合本發(fā)明的下述其它有利的但非限制性的特征-在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比優(yōu)選介于2至10，更優(yōu)選約3.6；-沉積溫度優(yōu)選介于625℃至725℃，更優(yōu)選介于650℃至700℃，最優(yōu)選約675℃；-沉積壓力優(yōu)選介于10至1000Pa，更優(yōu)選介于50至150Pa，最優(yōu)選約100Pa；-TEOS流量優(yōu)選介于10至200sccm，更優(yōu)選50至90sccm，最優(yōu)選約70sccm，和氮氣流量優(yōu)選介于10至2000sccm，更優(yōu)選100至500sccm，和最優(yōu)選約250sccm。
有利地，添加氧氣流體到氮氣/TEOS混合物中，其中氧氣流量介于5至100sccm，優(yōu)選10至40sccm，和更優(yōu)選約25sccm。
優(yōu)選地，所述二氧化硅層的厚度介于10至400nm。
本發(fā)明還提供尤其在光學(xué)、光電子或電子學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的具有二氧化硅埋層的復(fù)合基底的制造方法。
該方法包括由下述組成的下述步驟a)通過任何前述權(quán)利要求的方法，在被稱為“源基底”的第一基底上沉積二氧化硅層；b)在所述源基底內(nèi)注入原子物質(zhì)，在其內(nèi)確定弱化區(qū)，所述弱化區(qū)分開薄的頂層與所述基底的其余部分，所述薄的頂層與所述二氧化硅層接觸；c)通過分子粘合，對著二氧化硅層直接粘結(jié)被稱為“支持基底”的第二基底；d)將源基底的其余部分沿著所述弱化區(qū)分離，以便獲得所述復(fù)合基底。
有利地，由選自硅、鍺、鍺化硅(SiGe)或應(yīng)變硅的材料制造源基底。
根據(jù)本發(fā)明的下述說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
參考附圖，數(shù)本發(fā)明，其中-圖1A-1E是在具有二氧化硅埋層的復(fù)合基底的現(xiàn)有技術(shù)的制造方法中所使用的不同步驟的示意圖，-圖2是顯示作為二氧化硅層的平均厚度值(MT)的函數(shù)，二氧化硅層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SDT)的圖表，其中根據(jù)各種“LPCVD TEOS”方法沉積二氧化硅層，它們中的一些對應(yīng)于本發(fā)明，和其它對應(yīng)于對比方法。
-圖3是顯示作為二氧化硅層的平均厚度值(MT)的函數(shù)，二氧化硅層的粗糙度(R)的圖表，其中根據(jù)各種“LPCVD TEOS”方法沉積二氧化硅層，它們中的一些對應(yīng)于本發(fā)明，和其它對應(yīng)于對比方法。
根據(jù)本發(fā)明，如下所述改進(jìn)圖1A中二氧化硅的沉積步驟。
發(fā)明人現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在沉積方法過程中，通過同時使用稀釋劑氣體流體，和TEOS流體，可降低通過“LPCVD TEOS”沉積方法獲得的二氧化硅層的粗糙度。稀釋劑氣體優(yōu)選氮氣，但它可以是對TEOS不具有反應(yīng)性的任何其它氣體，其中氬氣(Ar)和氦氣(He)是非限制性實例?；蛘撸墒褂眠@種非反應(yīng)性氣體的任何混合物。
現(xiàn)描述測定最佳操作條件的試驗。
通過低壓蒸氣化學(xué)沉積(LPVCD)方法，進(jìn)行二氧化硅的沉積，其中包括-在LPCVD反應(yīng)器的工藝腔室內(nèi)引入一批源基底；-在升高的溫度下，在低壓下，引入不同化學(xué)反應(yīng)物的氣體流體，以便作為在氣體反應(yīng)物之間化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，形成二氧化硅層。
在這些試驗中所使用的反應(yīng)器是垂直間歇反應(yīng)器(由ASM公司銷售，商品名稱為“A400”)。
氣體反應(yīng)物是原硅酸四乙酯(TEOS)、氧氣，在一些情況下的氮氣。
TEOS是相對惰性的材料，在室溫下為液體。TEOS蒸氣可從鼓泡器中使用載體氣體，例如氮氣或者氬氣，或者由液體直接注射體系供應(yīng)到反應(yīng)器的工藝腔室內(nèi)。
1)對比方法a)方法A使用在下表1提及的操作條件，在三個硅基底上分別制造三層二氧化硅層。
表1
“atm”是指“大氣壓”“sccm”是指“標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘”750mTorr等于100Pa。
通過下述反應(yīng)形成二氧化硅層Si(OC2H5)4(液體)→SiO2(固體)+4C2H4(氣體)+2H2O(氣體)在這一情況下，氮氣僅僅用于吹掃工藝腔室，但在沉積步驟過程中不存在。
重復(fù)沉積工藝，以便獲得不同厚度的二氧化硅層。
這一方法被稱為方法A。
b)方法B使用表1中提及的操作條件，重復(fù)方法A，所不同的是沉積壓力為1200mTorr(160Pa)，而不是750mTorr(100Pa)。
這一方法被稱為方法B。
c)方法C使用表1中提及的操作條件，重復(fù)方法A，所不同的是沉積溫度為635℃，而不是675℃，和TEOS流量為50sccm，而不是70sccm。
這一方法被稱為方法C。
2)根據(jù)本發(fā)明的方法a)方法D重復(fù)以上提及的方法，但采用表2中提及的操作條件。
表2
“atm”是指“大氣壓”“sccm”是指“標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘”750mTorr等于100Pa。
這一方法被稱為方法D。
b)方法E重復(fù)方法D，但使用250sccm的氮氣流量，而不是500sccm。
這一方法被稱為方法E。
下表3中概述了五種以上提及的方法的主要沉積參數(shù)。
表3TEOS沉積步驟的對比
然后，在氮氣或者氬氣中，在大氣壓下，在介于700至900℃的溫度下，使不同的二氧化硅層進(jìn)行退火步驟1-4小時。
在使通過退火步驟獲得的二氧化硅(SiO2)層致密化之后，通過ADEACUMAP反射儀測量這一SiO2層的厚度。
在圖2中示出了結(jié)果。
圖2的圖表代表在致密化之后，以埃(0.1nm)為單位的SiO2層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SDT)，與以埃(0.1nm)為單位的通過方法A-E獲得的SiO2層在沉積之后的平均厚度(MT)的對比。
在所述附圖中可看出，采用方法D獲得了厚度均勻的良好結(jié)果，和尤其低于200nm的厚度來說，采用方法E，獲得了更好的結(jié)果。
此外，通過AFM技術(shù)，在不同的致密化氧化物層的中心處，對1×1μm2進(jìn)行粗糙度測量。
圖3中示出了結(jié)果。
圖3的圖表代表對于通過方法A-E獲得的SiO2層來說，以埃(0.1nm)為單位的粗糙度RMS值(R)，與以埃(0.1nm)為單位的在沉積之后的平均厚度(MT)的對比。
這種粗糙度測量的目的顯然是表征氧化物層直接粘結(jié)到支持基底上的能力。
典型地低于0.55nm的粗糙度允許粘結(jié)。
根據(jù)圖3中可看出，沉積越厚，粗糙度越大，在給定的厚度處，方法E得到最好的結(jié)果，即低的粗糙度。
另外，可實現(xiàn)待粘結(jié)的一個或兩個表面的等離子體活化的處理，以便進(jìn)一步提高粘結(jié)能。
最后，如下概述了根據(jù)本發(fā)明方法的最佳操作條件TEOS優(yōu)選10至200sccm，更優(yōu)選介于50至90sccm，最優(yōu)選約70sccm。
氧氣流量優(yōu)選5至100sccm，更優(yōu)選10至40sccm，最優(yōu)選約25sccm。
氮氣流量優(yōu)選10至2000sccm，更優(yōu)選100至500sccm，最優(yōu)選約250sccm。
氮氣原硅酸四乙酯之比優(yōu)選0.5至100，更優(yōu)選2至10，最優(yōu)選約3.6。
沉積溫度優(yōu)選625℃至725℃，更優(yōu)選650℃至700℃，最優(yōu)選約675℃。
沉積壓力優(yōu)選10至1000Pa，更優(yōu)選50至150Pa，最優(yōu)選約100Pa。
退火條件優(yōu)選溫度為600℃至1200℃，經(jīng)10分鐘至6小時的持續(xù)時間，更優(yōu)選溫度為700至900℃經(jīng)1至4小時的持續(xù)時間。
盡管最簡單地在大氣壓下操作的退火爐內(nèi)進(jìn)行退火，但也可在較低或較高的壓力下進(jìn)行退火。在以上定義的范圍內(nèi)的操作條件取決于特定的沉積反應(yīng)器條件，例如反應(yīng)器的幾何形狀和尺寸。
此外，退火環(huán)境看起來不是非常關(guān)鍵的。盡管惰性的退火環(huán)境，例如氮氣、氬氣或氦氣的優(yōu)點是，在沉積的氧化物層下的基底沒有被氧化，但在惰性環(huán)境內(nèi)退火，以及在氧化環(huán)境，例如空氣，或者氮氣/空氣混合物中退火將降低膜的表面粗糙度。
顯然，由于在退火過程中底下基底的氧化是非所需的，因此在制造方法中，優(yōu)選惰性的退火環(huán)境。
本發(fā)明還提供參考圖1A-1E，如前所述的復(fù)合基底4的制造方法，但根據(jù)以上所述的方法，實現(xiàn)LPCVD步驟。
此外，省去圖1B中現(xiàn)有技術(shù)的CMP步驟。
作為例舉，可通過分別使用硅、鍺化硅、應(yīng)變硅和鍺作為源基底1，可獲得簡稱為“SOI”、“SGOI”、“sSOI”和“GOI”的基底(它們分別是指“在絕緣體上的硅”、“在絕緣體上的鍺化硅”、“在絕緣體上的應(yīng)變硅”和“在絕緣體上的鍺”)。
權(quán)利要求
1.制造低粗糙度的二氧化硅層(2)的方法，該方法包括下述步驟-通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法，在基底(1)上沉積二氧化硅層(2)，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應(yīng)性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；-在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續(xù)時間。
2.權(quán)利要求1的方法，其中稀釋劑氣體選自氮氣、氬氣(Ar)、氦氣(He)及其混合物。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中在介于700℃至900℃的溫度下進(jìn)行退火1至4小時的持續(xù)時間。
4.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中在含氮氣、氬氣或氦氣或其任何混合物的惰性環(huán)境下進(jìn)行退火。
5.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比介于2至10。
6.權(quán)利要求5的方法，其中在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比為約3.6。
7.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中沉積溫度介于625℃至725℃。
8.權(quán)利要求7的方法，其中沉積溫度介于650℃至700℃。
9.權(quán)利要求8的方法，其中沉積溫度為約675℃。
10.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中沉積壓力介于10至1000Pa。
11.權(quán)利要求10的方法，其中沉積壓力介于50至150Pa。
12.權(quán)利要求11的方法，其中沉積壓力為約100Pa。
13.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中TEOS流量介于10至200sccm，和氮氣流量介于10至2000sccm。
14.權(quán)利要求13的方法，其中TEOS流量介于50至90sccm，和氮氣流量介于100至500sccm。
15.權(quán)利要求14的方法，其中TEOS流量為約70sccm，和氮氣流量為約250sccm。
16.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中添加氧氣流體到氮氣/TEOS混合物中，其中氧氣流量介于5至100sccm。
17.權(quán)利要求16的方法，其中氧氣流量介于10至40sccm。
18.權(quán)利要求17的方法，其中氧氣流量為約25sccm。
19.前述權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述二氧化硅層(2)的厚度介于10至400nm。
20.特別在光學(xué)、光電子或電子學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的具有二氧化硅埋層(2)的復(fù)合基底(4)的制造方法，特征在于，該方法包括由下述組成的步驟-a)通過任何前述權(quán)利要求的方法，在被稱為“源基底”的第一基底(1)上沉積二氧化硅層(2)；-b)在所述源基底(1)內(nèi)注入原子物質(zhì)，在其內(nèi)確定弱化區(qū)(10)，所述弱化區(qū)(10)分開薄的頂層(11)與所述基底的其余部分(12)，所述薄的頂層(11)與所述二氧化硅層(2)接觸；-c)通過分子粘合，對著二氧化硅層(2)直接粘結(jié)被稱為“支持基底”的第二基底(3)；-d)將源基底(1)的其余部分(12)沿著所述弱化區(qū)(10)分離，以便獲得所述復(fù)合基底(4)。
21.權(quán)利要求20的方法，其中源基底(1)包括選自硅、鍺、鍺化硅(SiGe)或應(yīng)變硅的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造低粗糙度的二氧化硅層(2)的方法，該方法包括下述步驟通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法，在基底(1)上沉積二氧化硅層(2)，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應(yīng)性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續(xù)時間。
文檔編號H01L21/762GK101023517SQ200480044013
公開日2007年8月22日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者K·布德爾, N·達(dá)瓦爾, I·凱爾富爾克, S·R·A·范阿爾德, M·J·德布蘭克, C·A·范德尤德 申請人:S.O.I.泰克絕緣體硅技術(shù)公司