專利名稱：Soi基板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在絕緣性基板上具有硅薄膜的SOI基板的制造方法。
背景技術(shù)：
作為在絕緣性基板上具有硅薄膜的SOI(silicon on insulator)基板的制造 方法，以往，已知有SmartCut法和SiGen法等；SmartCut法，是將在其貼合 面?zhèn)纫炎⑷霘潆x子的硅基板和支持基板貼合后，施行大約50(TC以上的熱處 理，而從注入氫離子濃度最高的區(qū)域，將硅薄膜熱剝離的方法(例如專利文獻(xiàn) 1、或非專利文獻(xiàn)2); SiGen法，是在貼合其貼合面?zhèn)纫炎⑷霘潆x子的硅基板 和硅基板或是其它材料的基板之前，將這些基板的貼合面施行等離子體處理 使其表面活化，在此狀態(tài)下將兩基板貼合，然后以低溫(例如100 30(TC)施 行熱處理來提高接合強(qiáng)度后，于常溫下機(jī)械性地進(jìn)行剝離，來得到SOI基板 (例如專利文獻(xiàn)2 4)。
此種方法之外，近年來，有作為用來使貼合SOI基板的硅層薄膜化的技 術(shù)，提出一種"回蝕法"(參照非專利文獻(xiàn)2等)。此方法，是對成為活性層 的硅晶片(接合晶片)的表層，離子注入或擴(kuò)散硼(B)，例如形成其硼濃度為 1019/cm3以上(電阻率大約為0.01 Q cm以下)的高濃度p層(p—層)，與支持基 板(基底晶片)貼合后，從背面化學(xué)性地蝕刻接合晶片來實行薄膜化。
此回蝕法，其用以化學(xué)性地蝕刻硅結(jié)晶的堿溶液，對于未添加硼的硅結(jié) 晶或普通的硼濃度的硅結(jié)晶，具有比較高的蝕刻速度，另一方面，對于高濃 度地添加硼后的硅結(jié)晶，則具有極低蝕刻速度，也即此方法是利用所謂的"蝕 刻選擇性"。另外，此"蝕刻選擇性"(選擇比)，系取決于結(jié)晶中的硼濃度 比，通常是在1 1000的范圍內(nèi)，硼濃度比越高則選擇比越大。日本特許第3048201號公報美國專利第6263941號說明書美國專利第6513564號說明書美國專利第6582999號說明書[非專利文獻(xiàn)1] A丄Auberton-Herve et al.，"SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTERIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS，，(Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106)。 Q,Y.Tong ， U. Goesele et al. ， "Semiconductor Wafer Bonding" Wiley (1998) Chapter 6.
發(fā)明內(nèi)容
但是，以上述回蝕法薄膜化后的硅層，由于電阻值極低(電阻率大約為 0.01 Qcm以下)，所以大幅地偏離一般半導(dǎo)體器件所適用的電阻率(電阻率大 約為0.1 100Qcm)，而使得其應(yīng)用范圍狹窄。又，為了使薄膜化后的硅層 的電阻率，作成適用于一般半導(dǎo)體器件的電阻率，則若要以電阻率成為0.1 100Qcm程度的方式，來摻雜p層的硼濃度，則上述「蝕刻選擇性」(選擇比) 并不充分，難以在基板面內(nèi)均勻地得到所期望的厚度。
本發(fā)明是鑒于如此的問題而開發(fā)出來的，其目的在于提供一種SOI基板 的制造方法，在以回蝕法薄膜化后的硅層(SOI層)的基板面內(nèi)，其膜厚均勻 性和電阻率均勻性優(yōu)異。
為了解決此種問題，本發(fā)明的SOI基板的制造方法，具備工序A， 是貼合硅基板和絕緣性基板的表面彼此之間，該硅基板在其最表面具有深度 L的高濃度硼添加p層；工序B，是通過至少包含化學(xué)性蝕刻的工序的薄板 化手段，從背面將上述貼合后的硅基板薄板化，使該硅基板的厚度為L以下； 以及工序C，是對上述厚度L以下的硅層，在含氫氣氛中施行熱處理。
上述高濃度硼添加p層的電阻率為0.01 Qcm以下；高濃度硼添加p層， 其從硅基板的最表面算起的深度L，例如為lOum以下。
又，上述化學(xué)性蝕刻中所使用的蝕刻劑，例如是含有氫氧化鉀(KOH)、 氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化銫(CsOH)、氫氧化銨(NH4OH)、乙二胺-鄰苯二酚 (EDP; Ethylenediamine-pyrocatechol)或氫氧化四甲銨(TMAH; Tetramethyl ammonium hydroxide)的堿性水溶液；在上述含氫氣氛中的熱處理溫度，例如 是700。C至1250°C。
在本發(fā)明中，上述工序A，優(yōu)選為，具備對絕緣性基板和硅基板的至少其中一方的表面，施行活化處理的表面處理工序；及在室溫下貼合絕緣性
基板和硅基板的表面彼此之間的工序。
又，上述活化處理，優(yōu)選是等離子體處理或臭氧處理的至少一種。 在本發(fā)明中所使用的絕緣性基板，例如是石英基板、藍(lán)寶石基板、硼硅
酸玻璃基板、結(jié)晶化玻璃基板或是碳化硅基板等。
本發(fā)明，由于將已利用回蝕法薄膜化后的SOI層，在含氫氣氛中進(jìn)行熱
處理，所以在該熱處理中，硅結(jié)晶內(nèi)部的硼，氫有促進(jìn)SOI層內(nèi)的硼往外方
擴(kuò)散的效果，而可將最終的SOI層的電阻率，作成為在適合用于一般的半導(dǎo)
體器件中的電阻率的范圍內(nèi)。又，該SOI層，在基板面內(nèi)，其膜厚均勻性和
電阻率均勻性優(yōu)異，可以得到高質(zhì)量的SOI基板。
圖1是用來說明本發(fā)明的SOI基板的制造方法的工序的例子的圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下
10單晶硅基板
11高濃度硼添加p層
12硼添加p層 20石英基板
具體實施例方式
以下，根據(jù)實施例，說明有關(guān)本發(fā)明的SOI基板的制造方法。在本實施
例中，是以石英基板作為絕緣性基板，來進(jìn)行說明，但是也可以是藍(lán)寶石基 板、硼硅酸玻璃基板、結(jié)晶化玻璃基板或是碳化硅基板等。
實施例
圖1是用來說明本發(fā)明的SOI基板的制造方法的工序的例子的圖。另外，
在本實施例中，并沒有在硅基板的表面設(shè)置氧化膜，但是也可以使用已在表 面預(yù)先形成有氧化膜的硅基板。
圖l(A)所示的硅基板10是接合晶片，石英基板20是支持晶片(基底晶 片)。硅基板IO,是通過CZ法(切克勞斯基法)育成的一般市面上銷售的摻雜硼的單晶硅基板，其電阻率大約為10Qcm(硼濃度為1015/咖3程度)。另外， 硅基板10的導(dǎo)電型、電阻率等的電特性、結(jié)晶方位、結(jié)晶直徑等，可以依 據(jù)器件(device)的設(shè)計值、工序或是要被制造的裝置的表示面積等(提供給要 以本發(fā)明的方法進(jìn)行制造的SOI基板)，加以適當(dāng)?shù)剡x擇。
這些單晶硅基板10和石英基板20的直徑是相同的，為了之后的器件形 成工序的方便，在石英基板20上，也預(yù)先設(shè)置與設(shè)在單晶硅基板10上的定 向平面(orientation flat(OF))同樣的OF，最好是使這些OF彼此互相一致來進(jìn) 行貼合。
首先，從單晶硅基板10的表面，注入硼離子(圖l(B))。此離子注入面將 成為之后的接合面(貼合面)。通過此硼離子注入，在單晶硅基板10的最表面， 形成深度L的高濃度硼添加p層ll(圖l(C))。
硼離子注入時的摻雜量，是使上述"蝕刻選擇性"(選擇比)可以成為充 分高的值的方式，來加以選擇。在本實施例中，該層的硼濃度設(shè)成大約為 1019cm3，使得高濃度硼添加p層11的電阻率成為0.01 Qcm程度。
高濃度硼添加p層11的從單晶硅基板10的最表面算起的深度L，是根 據(jù)離子注入時的加速電壓來控制；雖然最后是取決于想要得到何種程度的厚 度的SOI層來決定，在本實施例中，作成大約3um。另外，在本發(fā)明的方 法中，雖然也可以作成5um以上深度(厚度)的高濃度硼添加p層11，但是 若L的值過大，則離子注入損傷也會變成太大，所以優(yōu)選是作成10um以下 的深度。
另外，在將離子注入Si結(jié)晶中的工序中，通常為了要抑制注入離子的隧 道效應(yīng)(channeling)，也可以在單晶硅基板10的離子注入面，預(yù)先形成氧化 膜等的絕緣膜，通過此絕緣膜來施行離子注入。 一般而言，在注入硼之后， 要實施用來回復(fù)損傷的熱處理，但是當(dāng)后述的氫氣氛中的熱處理溫度充份高 的情況，該氫氣氛中的熱處理也兼作為損傷回復(fù)處理，所以也可以省略在此 階段中的損傷回復(fù)處理。又，此高濃度硼添加p層11的形成，也可以不依 據(jù)離子注入法，而是依據(jù)擴(kuò)散法來形成。
在硼注入后，并實施損傷回復(fù)處理后，在單晶硅基板10的主面，實施 以表面潔凈化、表面活化等作為目的的等離子體處理、臭氧處理等(圖l(D))。 進(jìn)行此表面處理的目的，是為了要除去表面(接合面)的有機(jī)物、或是增加表面上的OH基來謀求表面活化等。另外，如此的表面處理，只要對單晶硅基 板10和石英基板20的至少其中一方的主面施行即可。
在通過等離子體處理來實行此表面處理的情況，將已經(jīng)預(yù)先施行RCA 洗凈等的表面潔凈的單晶硅基板及/或石英基板，放置在真空室內(nèi)的試樣臺 上，并以成為規(guī)定的真空度的方式，將等離子體用氣體導(dǎo)入該真空室內(nèi)。另 外，作為在此所使用的等離子體用氣體種類，有氧氣、氫氣、氬氣或是這些 氣體的混合氣體，或是氫氣和氦氣的混合氣體等。導(dǎo)入等離子體用氣體后， 使其產(chǎn)生100W程度的電力的高頻等離子體，而對要被等離子體處理的單晶 硅基板及/或石英基板的表面，施行5 10秒程度的處理，然后結(jié)束。
在以臭氧處理來實行表面處理的情況，將表面潔凈的單晶硅基板及/或石 英基板，放置在含氧氣氛的室(chamber)內(nèi)的試樣臺上，并將氮?dú)饣驓鍤獾鹊?等離子體用氣體導(dǎo)入該室內(nèi)后，使其產(chǎn)生規(guī)定電力的高頻等離子體，并通過 該等離子體將環(huán)境中的氧變換成臭氧，而對要被處理的單晶硅基板及/或石英 基板的表面，施行規(guī)定時間的處理。
施行上述表面處理后的單晶硅基板10和石英基板20的表面，于室溫下 使其彼此之間密接而貼合(圖l(E))。如上述，單晶硅基板10和石英基板20 的至少一方的表面(接合面)，由于通過等離子體處理或臭氧處理等，被施行 表面處理而活化，所以即使是在室溫下密接(貼合)的狀態(tài)，也能夠得到充分 的接合強(qiáng)度，可耐住在后工序中的化學(xué)蝕刻時的處理(handling)或機(jī)械研磨 等。
并且，接著圖l(E)的貼合工序，也可以在貼合單晶硅基板10和石英基 板20的狀態(tài)，設(shè)置以比較低的溫度(100 30(TC)，來進(jìn)行熱處理的工序。此 熱處理工序，其主要目的是為了提高單晶硅基板10和石英基板20的接合強(qiáng) 度這樣的效果。
另外，將上述熱處理溫度設(shè)為30(TC以下的主要理由，是考慮以下的因 素來決定單晶硅和石英的熱膨脹系數(shù)差異、起因于該熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo) 致的應(yīng)變量、以及此應(yīng)變量和單晶硅基板10與石英基板20的厚度。
單晶硅基板10和石英基板20的厚度是大致相同程度的情況，單晶硅的 熱膨脹系數(shù)(2.33 X 10"/K)和石英的熱膨脹系數(shù)(0.6X 1(^/K)之間有大的差 異。因而，若以超過30(TC的溫度實施熱處理時，起因于兩基板之間的剛性差異，因熱應(yīng)變會產(chǎn)生裂縫或在接合面剝離等，極端的情況時，單晶硅基板
或石英基板也有可能產(chǎn)生破裂。由此觀點(diǎn)，將熱處理上限選擇為30(TC。
接著此種處理，從背面，對貼合狀態(tài)的硅基板，實施至少包含化學(xué)性蝕 刻的工序，來將該單晶硅基板10的厚度作成L以下。在本實施例中，是利 用機(jī)械研磨將厚度減少至大約30um程度以后，進(jìn)而通過化學(xué)性蝕刻，進(jìn)行 精加工的薄板化。后階段的化學(xué)性蝕刻，是將貼合基板浸漬在10%氫氧化鉀 (KOH)的堿性水溶液(液溫80。C)中來實行。在此種蝕刻條件下，單晶硅基板 10的蝕刻速度為0.6 0.7u m/分鐘，石英的蝕刻速度則幾乎能夠忽視。
化學(xué)性蝕刻中所使用的蝕刻劑，除了氫氧化鉀(KOH)以外，尚有含氫氧 化鈉(NaOH)、氫氧化銫(CsOH)、氫氧化銨(NH4OH)、乙二胺-鄰苯二酚(EDP; Ethylenediamine-pyrocatechol)或氫氧化四甲銨(TMAH ; Tetramethyl ammoniumhydroxide)的堿性水溶液等。另外，實施機(jī)械研磨時，優(yōu)選是根據(jù) CMP(化學(xué)機(jī)械研磨處理)來實行。通過此種薄板化處理，在石英基板20上， 僅高濃度硼添加p層11殘留而作為SOI層(圖l(F))。
以此種方式得到的SOI層，在石英基板面內(nèi)，具有均勻的厚度，并且， 以原子力顯微鏡(AFM)測量表面的10umX10um的區(qū)域，所得到的均方根 (RMS)的平均值為5nm(納米)以下的良好的值。
接著，對所得到的SOI基板，在含氫氣氛中施行熱處理，使硼從高濃度 硼添加p層11往外方擴(kuò)散，而得到所期望電阻值的硼添加p層12(圖l(G))。 在此熱處理中，硅結(jié)晶內(nèi)部的硼，以與熱處理氣氛中的氫結(jié)合的狀態(tài)(BH3、 B2H6等)，擴(kuò)散至結(jié)晶外，于是高濃度硼添加p層ll內(nèi)的硼濃度，隨著處理 時間的經(jīng)過而逐漸降低。在本實施例中的熱處理，是將氣氛設(shè)為氮?dú)夂蜌錃?的混合氣體，并以IOO(TC進(jìn)行8小時的處理。
另外，熱處理溫度與時間，由于是取決于往外方擴(kuò)散的硼的擴(kuò)散長度， 所以是對應(yīng)高濃度硼添加p層11的厚度、該層內(nèi)的硼濃度、及SOI層內(nèi)的 硼濃度最后要作成何種程度，來選擇適當(dāng)?shù)臈l件；在本發(fā)明中，根據(jù)所使用 的絕緣性基板的軟化點(diǎn)的觀點(diǎn)，熱處理溫度的上限設(shè)為1250°C，而選擇700 °C來作為能使硼擴(kuò)散的溫度的下限。
另夕卜，單晶硅(也即高濃度硼添加p層ll)，由于已經(jīng)被薄膜化至微米(li m)等級，所以即使以此種高溫來施行熱處理，與石英基板20之間，也不會發(fā)生由于熱應(yīng)變而導(dǎo)致的裂紋或在接合面的剝離等。
如此地得到的SOI基板的硼添加p層12的電阻率，當(dāng)以四探針法來進(jìn) 行測量時，得到0.5Qcm程度(以硼濃度換算為3X10"/cn^程度)的值，基板 面內(nèi)的電阻率均勻性也優(yōu)異。
如此，若根據(jù)本發(fā)明的手段，為了提高回蝕法中的"蝕刻選擇性"(選擇 比)，可以增大高濃度硼添加p層11和單晶硅基板10的硼濃度差異，另一方 面，在SOI層形成后，可以將該SOI層的電阻值控制成所期望的值。
又，在本發(fā)明中，由于將支持基板設(shè)為由硅以外的材料所構(gòu)成的絕緣性 基板，所以也具有當(dāng)浸漬在堿性溶液中來進(jìn)行回蝕處理時，事實上不用考慮 對支持基板的蝕刻這樣的優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)而，將硅基板設(shè)為支持基板的情況，在含氫氣氛中所進(jìn)行的熱處理中， 已擴(kuò)散至外方的硼會再度擴(kuò)散至硅基板，在之后的熱工序中，會成為SOI層 的電阻率變動的原因，而在如本發(fā)明般地將支持基板設(shè)為絕緣性基板的儈 況，則可以避免此種問題。尤其是，將合成石英玻璃作為基板的情況，由于 硼濃度為lppb以下，所以完全不用擔(dān)心其會成為往SOI層的硼擴(kuò)散源。
工業(yè)實用性
本發(fā)明可以提供一種SOI基板的制造方法，在以回蝕法薄膜化后的硅層 (SOI層)的基板面內(nèi)，其膜厚均勻性和電阻率均勻性優(yōu)異。
權(quán)利要求
1. 一種SOI基板的制造方法，其特征在于，包括工序A，是貼合硅基板和絕緣性基板的表面彼此之間，該硅基板在最表面具有深度L的高濃度硼添加p層；工序B，是通過至少包含化學(xué)性蝕刻的工序的薄板化方法，從背面將上述貼合后的硅基板薄板化，使該硅基板的厚度為L以下；以及工序C，是對上述厚度L以下的硅層，在含氫氣氛中施行熱處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的SOI基板的制造方法，其中，上述高濃度硼添 加p層的電阻率為0.01 Qcm以下。
3. 如權(quán)利要求1所述的SOI基板的制造方法，其中，上述高濃度硼添 加p層的從硅基板的最表面算起的深度L為10 u m以下。
4. 如權(quán)利要求2所述的SOI基板的制造方法，其中，上述高濃度硼添 加p層的從硅基板的最表面算起的深度L為10 P m以下。
5. 如權(quán)利要求1所述的SOI基板的制造方法，其中，上述化學(xué)性蝕刻 中所使用的蝕刻劑，是含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銫、氫氧化銨、乙 二胺-鄰苯二酚或氫氧化四甲銨的堿性水溶液。
6. 如權(quán)利要求2所述的SOI基板的制造方法，其中，上述化學(xué)性蝕刻 中所使用的蝕刻劑，是含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銫、氫氧化銨、乙 二胺-鄰苯二酚或氫氧化四甲銨的堿性水溶液。
7. 如權(quán)利要求3所述的SOI基板的制造方法，其中，上述化學(xué)性蝕刻 中所使用的蝕刻劑，是含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銫、氫氧化銨、乙 二胺-鄰苯二酚或氫氧化四甲銨的堿性水溶液。
8. 如權(quán)利要求4所述的SOI基板的制造方法，其中，上述化學(xué)性蝕刻 中所使用的蝕刻劑，是含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銫、氫氧化銨、乙 二胺-鄰苯二酚或氫氧化四甲銨的堿性水溶液。
9. 如權(quán)利要求1所述的SOI基板的制造方法，其中，在上述含氫氣氛 中的熱處理溫度，是70(TC 1250。C。
10. 如權(quán)利要求2所述的SOI基板的制造方法，其中，在上述含氫氣氛 中的熱處理溫度，是70(TC 125(TC。
11. 如權(quán)利要求3所述的SOI基板的制造方法，其中，在上述含氫氣氛中的熱處理溫度，是70(TC 1250。C。
12. 如權(quán)利要求4所述的SOI基板的制造方法，其中，在上述含氫氣氛 中的熱處理溫度，是70(TC 1250。C。
13. 如權(quán)利要求l所述的SOI基板的制造方法，其中，上述工序A,包 括對上述絕緣性基板和上述硅基板的至少一方的表面，施行活化處理的表 面處理工序；及在室溫下貼合上述絕緣性基板和上述硅基板的表面彼此之間 的工序。
14. 如權(quán)利要求2所述的SOI基板的制造方法，其中，上述工序A，包 括對上述絕緣性基板和上述硅基板的至少一方的表面，施行活化處理的表 面處理工序；及在室溫下貼合上述絕緣性基板和上述硅基板的表面彼此之間 的工序。
15. 如權(quán)利要求3所述的SOI基板的制造方法，其中，上述工序A，包 括對上述絕緣性基板和上述硅基板的至少一方的表面，施行活化處理的表 面處理工序；及在室溫下貼合上述絕緣性基板和上述硅基板的表面彼此之間 的工序。
16. 如權(quán)利要求4所述的SOI基板的制造方法，其中，上述工序A，包 括對上述絕緣性基板和上述硅基板的至少一方的表面，施行活化處理的表 面處理工序；及在室溫下貼合上述絕緣性基板和上述硅基板的表面彼此之間 的工序。
17. 如權(quán)利要求13 16中任一項所述的SOI基板的制造方法，其中，上 述活化處理，是等離子體處理或臭氧處理的至少一種。
18. 如權(quán)利要求l 16中任一項所述的SOI基板的制造方法，其中，上 述絕緣性基板，是石英基板、藍(lán)寶石基板、硼硅酸玻璃基板、結(jié)晶玻璃基板 或是碳化硅基板的任一種。
19. 如權(quán)利要求17所述的SOI基板的制造方法，其中，上述絕緣性基板， 是石英基板、藍(lán)寶石基板、硼硅酸玻璃基板、結(jié)晶玻璃基板或是碳化硅基板 的任一種。
全文摘要
提供一種回蝕法薄膜化后的硅層的基板面內(nèi)的膜厚均勻性和電阻率均勻性優(yōu)異的SOI基板的制造方法。從單晶硅基板(10)的表面，注入硼離子，在最表面形成深度L的高濃度硼添加p層(11)，使單晶硅基板(10)和石英基板(20)在室溫下密接而貼合。從單晶硅基板(10)的背面，施行化學(xué)蝕刻，使其厚度為L以下。對所得到的SOI基板，在含氫氣氛中施行熱處理，使硼從高濃度硼添加p層(11)向外方擴(kuò)散，得到期望電阻值的硼添加p層(12)。在此熱處理中，硅結(jié)晶內(nèi)部的硼，以與環(huán)境中的氫結(jié)合的狀態(tài)，擴(kuò)散至結(jié)晶外，高濃度硼添加p層(11)內(nèi)的硼濃度，逐漸降低。此時的熱處理溫度，由絕緣性基板的軟化點(diǎn)，設(shè)為700～1250℃。
文檔編號H01L21/02GK101286442SQ20081008866
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者久保田芳宏, 伊藤厚雄, 川合信, 田中好一, 秋山昌次, 飛坂優(yōu)二 申請人:信越化學(xué)工業(yè)株式會社