專利名稱：制造半導(dǎo)體薄膜的堆疊的方法
背景技術(shù)：
在制造包括位于半導(dǎo)體材料薄膜和最終襯底之間的埋入氧化物薄膜(小于1 μ m) 的SOI型結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域中，在氧化物層尺寸減小過程中，氧化物層所出現(xiàn)的一個主要的問題在于鍵合界面處形成缺陷。
這些缺陷的存在對于最終的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)而言可能是致命的。這些缺陷中有一些是在溫度退火過程中出現(xiàn)的氫鼓泡(S. Mack等人，Journal of Electrochemical Society. Vol. 144，p.1106，1997)。
在分子鍵合過程中被帶到鍵合界面的水分子與兩個襯底中的任一個的半導(dǎo)體材料接觸時將會與襯底的材料反應(yīng)并產(chǎn)生氫或與半導(dǎo)體材料有關(guān)的任何其他反應(yīng)殘余物種類。在高于400°C的溫度的退火過程中，成鍵氫(bonded hydrogen)解吸(desorb)并變成氣體。隨著溫度的上升，壓強(qiáng)增大并且會形成鼓泡。在下文中，水與可能形成鼓泡的襯底之一之間的反應(yīng)殘余物被統(tǒng)稱為“氫”，但也可能涉及其他的氣體。
當(dāng)埋入氧化物層和位于埋入氧化物層的任一側(cè)的襯底具有較大的厚度時，鼓泡的形成對于SOI型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量而言不是非常危險的。另一方面，這些缺陷的形成對于具有例如薄于50nm或25nm或 15nm的超薄埋入氧化物(BOX)的UTBOX(Ultra Thin Buried Oxide, 超薄埋入氧化物)型結(jié)構(gòu)的形成是真正危險的。
圖4中圖解了這一問題，其中顯示了三組樣品的SOI型結(jié)構(gòu)的缺陷測量(Y軸)作為被稱為“BOX”的氧化物層厚度(X軸)的函數(shù)。曲線A中的測量群體涉及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，另外兩個群體(曲線B和曲線C)涉及根據(jù)本發(fā)明的方法。將在下文中參考本發(fā)明的描述來解釋曲線B和曲線C。
參考曲線A的數(shù)據(jù)，“BOX”氧化物厚度為50nm的樣品比埋入氧化物厚度接近140nm 的樣品的缺陷稍稍多一些。當(dāng)該厚度進(jìn)一步減小時，在接近15nm時，缺陷密度變得非常高。 這表明對于30nm或更低數(shù)量級的氧化物厚度而言，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的已知方法來制造UTBOX 結(jié)構(gòu)是非常困難的。
—種用來解決該問題的方案是在嚴(yán)格高于400°C的溫度T下不進(jìn)行任何處理。
但該方案阻礙了必須發(fā)生在高于400°C、一般為大約700°C到1300°C的溫度的鍵合界面的固結(jié)。此外，該方法限制了所獲得的器件的工業(yè)使用過程中所允許的處理類型，因此也限制了這種UTBOX器件的應(yīng)用。
因此要尋求一種用于克服該問題的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述問題，即改善UTBOX型結(jié)構(gòu)組裝之后的缺陷，特別是與鼓泡型缺陷的形成有關(guān)的缺陷。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提出從與水反應(yīng)形成諸如氫的氣體反應(yīng)產(chǎn)物的襯底材料上移除鍵合界面處出現(xiàn)的水的層。這是通過下面的方式實(shí)現(xiàn)的鍵合之前在每個鍵合襯底上形成具有阻擋水?dāng)U散或者限制該擴(kuò)散的特性的絕緣體材料層，這些絕緣體層位于鍵合界面處，然后形成埋入絕緣體層。在具有基于SiO2W埋入氧化物的UTBOX結(jié)構(gòu)的情況下，該埋入絕緣體層就相當(dāng)于埋入氧化物層。
更具體而言，本發(fā)明首先涉及一種用于制造堆疊的UTBOX型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法， 所述方法包括 a)在施主襯底上形成對水的擴(kuò)散形成阻擋或者能夠限制該擴(kuò)散的被稱為施主氧化物的第一電絕緣體層， b)在形成所述施主氧化物層之前或之后，向所述施主襯底中引入元素，形成弱化層， c)在被稱為最終襯底的第二襯底上形成對水的擴(kuò)散形成阻擋或者能夠限制該擴(kuò)散的被稱為鍵合氧化物的第二電絕緣體層； d)鍵合兩個襯底，使兩個電絕緣體層相接觸并且一起形成兩個襯底之間的被稱為埋入氧化物層的埋入絕緣體層，所述絕緣體層使得在鍵合過程中，所述施主氧化物層的厚度至少等于所述鍵合氧化物層的厚度， 鍵合之后，所述埋入絕緣體層的厚度(et)小于50nm，有利地小于20nm，優(yōu)選地小于 15nm 或 12nm。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，所述絕緣體層是由對水的擴(kuò)散形成阻擋或者限制該擴(kuò)散的材料制成的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這種命名方式(denomination)表示除了離子注入步驟給所述施主氧化物層帶來的劣化之外，不存在可能會使對這些絕緣體層的水的擴(kuò)散的阻擋性能變差的處理。
絕緣體優(yōu)選地是電介質(zhì)或者是類似電介質(zhì)的絕緣體，其可以是氮化物層或者可以有利地是氧化物層，例如二氧化硅。在接下來的描述中將采用氧化物層的示例。
這樣執(zhí)行的絕緣體-絕緣體鍵合可以減小氫產(chǎn)生的反應(yīng)動力，因此限制鼓泡的形成。實(shí)際上，兩個絕緣體層之間包括組裝過程中在鍵合界面處引入的H2O的分子；在與襯底之一的材料反應(yīng)以形成氫基團(tuán)(hydrogen radical)之前，水分子必須穿過這些絕緣體層。 因此具有對H2O的擴(kuò)散的阻擋特性或者限制該擴(kuò)散的特性的氧化物層減緩氫的形成，進(jìn)而減緩鼓泡的形成，提高了由此形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可靠性。
可以通過沉積絕緣體或者通過與襯底的至少其中之一的表面反應(yīng)來形成絕緣體層的至少其中之一(施主氧化物和/或鍵合氧化物)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以通過施主氧化物層向施主襯底引入元素，于是，鍵合氧化物層有利地嚴(yán)格薄于施主氧化物層。
實(shí)際上，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，最終氧化物或埋入氧化物層由相接觸的兩個氧化物層組成。在鍵合步驟中，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，待組裝的氧化物層的厚度比可以使得源自施主氧化物層的氧化物層的相對厚度嚴(yán)格大于待組裝的氧化物層的累積厚度的50% 并且小于或等于待組裝的氧化物層的累積厚度的70%或80%或85%或95%。
有利地，待組裝的施主氧化物層的相對厚度介于待組裝的氧化物層的累積厚度的 60 %和85 %之間。優(yōu)選地，該相對厚度介于最終氧化物厚度的70 %至80 %之間，例如75 %。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在使氧化物層接觸并且組裝襯底之前，可以執(zhí)行清洗襯底的至少其中之一(優(yōu)選地，可以清洗全部兩個襯底)的步驟。然后可以進(jìn)行氧化物的蝕刻，導(dǎo)致被處理的氧化物層的厚度減小。為了補(bǔ)償這種氧化物層厚度的減小，氧化物層的初始厚度被選擇為在清洗之后得到根據(jù)本發(fā)明，特別是根據(jù)上文所指出的比例的氧化物厚度。于是最初形成的兩個氧化物層的累積厚度大于最終器件的埋入氧化物的厚度。在這種清洗之后，絕緣體材料的結(jié)構(gòu)沒有改變，氧化物一直是由對水的擴(kuò)散形成阻擋的材料制成的。換言之，鍵合氧化物層和施主氧化物層的總厚度優(yōu)選地大于埋入氧化物層的厚度，清洗步驟使得位于被清洗的襯底上出現(xiàn)的絕緣體層的厚度減小。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，施主襯底和/或最終襯底可以由半導(dǎo)體材料制成，例如由硅制成。兩個襯底的至少其中之一，以及可能全部兩個襯底可以由石英、藍(lán)寶石或者聚合物制成。最終襯底可以由與施主襯底的材料不同的諸如半導(dǎo)體材料的材料制成。最終襯底可以由具有不同于施主襯底之一的熱膨脹系數(shù)(TEC)的材料制成，或者由其他的材料X制成，其中材料X可以發(fā)生H2CHX — Χ02+Η2型反應(yīng)或者形成其他的氣體反應(yīng)產(chǎn)物。
然后，通過襯底的斷裂，例如通過被命名為Smart-Cut 類型的襯底斷裂，可以減薄施主襯底。"ST&i^iJ$[]B.AsparfPA.J.Auberton-Herv6W“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications，，(S. S. Iyer 禾口 A. J. Auberton-Herve 編訂， 2002，INSPEC，倫敦，第3章，第35-52頁)一文中描述的條件下執(zhí)行該方法。
可以在低于350°C或400°C的溫度下的熱處理過程中進(jìn)行減薄。
有利地，可以在諸如低于400°C的溫度下的低溫?zé)崽幚磉^程中執(zhí)行襯底的斷裂； 更多的細(xì)節(jié)將在下文給出。
在減薄之后，可以應(yīng)用被稱為退火的熱處理，其溫度介于700°C和1300°C之間，優(yōu)選地介于900°C和1200°C之間，溫升斜坡大于10°C /s或者有利地大于20°C /s,以便固結(jié)鍵合界面并且使器件在400°C和700°C之間、有利地在400°C和900°C之間的溫度(這對應(yīng)于鼓泡形成反應(yīng)動力很高并且最不利于最終半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的溫度范圍)中的暴露時間盡可能的短。
高于700°C或者優(yōu)選高于900°C的溫度下的退火可以使存在于鍵合界面處或襯底和氧化物層之間的界面處的俘獲的氫通過半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散而消散。
對于硅而言，在400°C _900°C的溫度區(qū)間中會由于釋放氣態(tài)氫而形成鼓泡。因而產(chǎn)生的壓強(qiáng)使兩個鍵合襯底的材料變形并形成鼓泡，并且可能導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)在后續(xù)的處理過程中或者襯底的斷裂熱處理或固結(jié)熱處理過程中裂開。上文所提到的高的溫度斜坡(至少10°C /s)使得可以盡快通過該臨界溫度區(qū)間，因此可以在鼓泡中的壓強(qiáng)以不可挽回的方式使器件弱化之前達(dá)到氫在半導(dǎo)體材料中擴(kuò)散的溫度(接近900°C )。
應(yīng)注意的是，所述臨界溫度區(qū)間主要取決于表面層的厚度以及材料的類型。例如， 對于小于IOnm的硅表面層厚度而言，該臨界區(qū)間可以介于350°C和700°C之間，而不是對于具有IOnm和20nm之間的氧化物層的器件而言的400°C -900°C的區(qū)間。如果所使用的襯底是基于SiGe或Asfe或者另外的半導(dǎo)體材料，則該區(qū)間還會變化。但是此處，其目的還在于 -使對氧化物擴(kuò)散形成阻擋或者限制該擴(kuò)散的絕緣體層的厚度分布最優(yōu)化， -使臨界溫度區(qū)間內(nèi)所包括的熱處理時間最小化。
如果應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的方法，則通過試驗(yàn)?zāi)軌蚋_地確定臨界溫度區(qū)間。


圖IA至圖IF表示根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例。
圖2A至圖2G表示根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施例，其中形成的氧化物的厚度高于最終器件所需的厚度。
圖3顯示了發(fā)明人在Si02和硅襯底的情況下得到的作為氧化物層的厚度與氧化物的最終厚度之比的函數(shù)的缺陷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
圖4顯示了發(fā)明人得到的作為最終氧化物層的厚度的函數(shù)的缺陷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，表明根據(jù)本發(fā)明的方法建立具有低氧化物厚度的UTBOX結(jié)構(gòu)的效果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種用于制造堆疊SOI型半導(dǎo)體層的系統(tǒng)的方法，更具體而言，該系統(tǒng)是UTBOX型的，換言之，其具有超薄厚度的埋入絕緣體層。
根據(jù)圖IA至圖IF以及圖2A至圖2G中的兩個實(shí)施例來說明該方法，任何附圖標(biāo)記在不同圖中對應(yīng)于相同的元件。
第一實(shí)施例(圖IA至圖1F)涉及用于制造具有薄于50nm的薄埋入絕緣體層的SOI 結(jié)構(gòu)的方法；該絕緣體層有利地小于20nm，優(yōu)選地小于15nm，其還可以小于IOnm或7nm。
絕緣體優(yōu)選為電絕緣體，其可以是氮化物層，或者可以有利地是氧化物層，例如二氧化硅。在說明書的其余部分中，采用了氧化物層的示例，但這并不是限制性的。如上文所述，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在鍵合過程中，絕緣體層是由能夠形成對水的擴(kuò)散的阻擋或者限制該擴(kuò)散的材料制成的。
根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例，在被稱為施主襯底2的襯底的表面處形成薄氧化物層4(圖1A)，施主襯底2例如是由半導(dǎo)體材料制成的，有利地是由硅制成的。被稱為施主氧化物層的該氧化物層具有厚度el，并且可以通過例如施主襯底2的熱氧化來形成，或者如必要，通過氧化物沉積來形成。
在形成施主氧化物層4之前或之后，向施主襯底中引入摻雜元素以形成弱化層 21，有利地，這是通過原子或離子元素的注入來實(shí)現(xiàn)的，例如，例如通過施主氧化物層4進(jìn)行氦和氫的共注入(圖1B)。
為了通過襯底斷裂來減薄，可以有利地引入該弱化層21。對于本發(fā)明的該實(shí)施例以及對于接下來的實(shí)施例，這種襯底斷裂的方法可以是“Smart Cut ”襯底斷裂方法類型的。例如在 B. Aspar 禾口 A. J. Auberton-Herve 的文章“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications”(S. S. Iyer 和 A. J. Auberton_Herv6編訂，2002，INSPEC， 倫敦，第3章，第35-52頁)中描述了該方法。
所引入的每種摻雜元素的密度可以有利地介于1. 10+16at. cm_3和1. 10+19at. cm_3之間。于是使用1. 10+14at. cm-2到1. 10+16at. cm_2數(shù)量級的注入劑量適合于施主氧化物層的厚度el，適合于每種摻雜元素的預(yù)計密度，以及適合于斷裂之后的半導(dǎo)體材料20所需的厚度。
然后或者并行地，或者在上文所述的操作之前，例如通過最終襯底3的熱氧化，或者如必要通過氧化物的沉積，在被稱為最終襯底3的第二襯底上形成被稱為鍵合氧化物層的薄氧化物層5。該氧化物層的厚度e2具小于或等于施主氧化物層的厚度。該襯底有利地由半導(dǎo)體材料制成，但也可以由其他材料制成，例如由石英制成，或者由材料X制成的任意類型的襯底，其中鍵合反應(yīng)導(dǎo)致如下類型的氧化=H2O+材料X — Χ02+Η2，或者任何其他的氣體反應(yīng)產(chǎn)物。
然后組裝兩個襯底2和3，使施主氧化物層4與鍵合氧化物層5相接觸(圖1D)。 然后發(fā)生氧化物-氧化物型鍵合，產(chǎn)生被稱為最終氧化物或埋入氧化物層的氧化物層，其位于兩個襯底2和3之間，由施主氧化物層4和鍵合氧化物層5組成(在圖IF中，用埋入氧化物層45來表示該復(fù)合層)。
這樣獲得的埋入氧化物層的厚度et因此小于或等于50nm，有利地小于或等于 20nm，優(yōu)選地小于或等于15nm，例如11. 7nm。待組裝的氧化物層的厚度分布使得埋入氧化物層45源自施主氧化物層4的部分的相對厚度可以等于50 %，或者在通過施主氧化物層弓I 入摻雜元素的情況下，嚴(yán)格大于待組裝的氧化物層的累積厚度的50%，并且小于或等于待組裝的氧化物層的累積厚度的95%。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，“施主氧化物層與埋入氧化物層相比的相對厚度”指的是施主氧化物層的厚度與埋入氧化物層的厚度之比。在未給出細(xì)節(jié)的情況下，層A的相對厚度是層A與埋入氧化物層相比的相對厚度。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，要么通過受控氧化的步驟(例如通過在高溫下將襯底暴露到富氧環(huán)境中)來形成氧化物層，要么通過氧化物的沉積(例如通過CVD或通過ALD)來形成氧化物層。相反，單單通過將襯底暴露于周圍空氣中而形成的天然氧化物層不是同樣適合的。實(shí)際上，這種氧化物是相對多孔的，無法形成有效的擴(kuò)散阻擋層。不過，可以考慮通過執(zhí)行被稱為致密化退火(densification annealing)的退火(例如在200°C和800°C 之間，中性氣氛下，時間可從幾分鐘到幾小時)對該天然氧化物層賦予這種“擴(kuò)散阻擋”的特性。一般而言，優(yōu)選的是對天然氧化物以及對可能具有使其無法形成有效的水?dāng)U散阻擋的多孔程度的某些沉積氧化物執(zhí)行該致密化退火。
在通過施主氧化物層引入摻雜元素的情況下，埋入氧化物層45源自施主氧化物層4的部分的該相對厚度有利地介于鍵合過程中組裝的氧化物層的累積厚度(換言之，埋入氧化物層的厚度)的60%和95%之間，優(yōu)選地介于鍵合過程中組裝的氧化物層的累積厚度的70%和80%之間。例如，如果待組裝的鍵合氧化物5的厚度e2是3. 3nm,則待組裝的施主氧化物4的厚度el可以是8. 4nm。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，埋入氧化物層的厚度也可以小于IOnm或者小于7nm。
然后，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，由組裝的襯底2和3以及它們的不同表面層所組成的器件可以經(jīng)受退火，以便使施主襯底在弱化層21的水平處斷裂(圖1E)。例如可以調(diào)整裂開方法，使得退火溫度不超過400°C，有利地不超過350°C。
之后，如必要可以對斷裂面進(jìn)行拋光(圖1F)。
在拋光之前或者之后，可以通過退火來固結(jié)鍵合界面。
有利地，在施主襯底裂開之后，但在鍵合界面的任何固結(jié)退火之前或者作為替代，所得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以在700°C和1300°C之間的溫度、優(yōu)選地在900°C和1200°C之間的溫度經(jīng)受界面的穩(wěn)定化退火，溫度以大于10°C /秒、優(yōu)選大于20°C /秒的溫度斜坡 (temperature ramp)增加。該穩(wěn)定化退火步驟可以在拋光步驟之后進(jìn)行。有利地，該退火發(fā)生在拋光步驟之前，襯底斷裂步驟之后。
如上文所述，介于700°C和1300°C之間、優(yōu)選地介于900°C和1200°C之間的該退火使得氣態(tài)氫可以通過襯底擴(kuò)散。如上文所述的較高的溫度斜坡(至少10°C /s)可以使溫度增加過程中的400°C _700°C、有利地介于400°C和900°C之間的臨界溫度區(qū)間中的通過時間最小化，因此可以在鼓泡中的壓強(qiáng)以不可挽回的方式使最終的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)弱化之前達(dá)到上述氫擴(kuò)散溫度區(qū)間。因此，控制退火的參數(shù)，以將400°C _700°C范圍內(nèi)、有利地400°C -900°C 范圍內(nèi)的暴露時間限制在小于120秒，例如優(yōu)選地在大約30秒或者小于30秒。根據(jù)本發(fā)明在溫度范圍內(nèi)的允許臨界時間是最終結(jié)構(gòu)的埋入氧化物層45的厚度的函數(shù)埋入氧化物層45的厚度越薄，要對暴露時間的限制越多。對于IOnm的厚度，根據(jù)本發(fā)明的方法，在臨界溫度區(qū)間中的最大暴露時間介于20和30秒之間；對于15nm的厚度，該時間小于30秒， 對于25nm的氧化物厚度，臨界時間接近2分鐘或甚至更高。
圖2A至圖2G中描述了本發(fā)明的第二實(shí)施例。除了氧化物層4’、5’的沉積厚度 el’和e2’之外，該實(shí)施例的原理與第一實(shí)施例相同。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，沉積氧化物的總厚度(el’ +e2’)高于最終結(jié)構(gòu)的埋入氧化物層45預(yù)期的氧化物的最終厚度(et)。僅描述與本發(fā)明的第一實(shí)施例不同的步驟，圖2G 的層45由圖2D至圖2F中所表示的氧化物層4’和5’減薄之后所得到的施主氧化物層4 和鍵合氧化物層5所組成。
在鍵合步驟之前，如圖2E所示，分別包括厚度el’的氧化物層4’以及厚度為e2’ 的氧化物層5’的襯底2和襯底3中的一個襯底和/或另一襯底經(jīng)歷如圖2D所述的清洗步驟，清洗除了其他作用以外具有蝕刻、進(jìn)而減薄存在于通過清洗進(jìn)行處理的襯底表面的氧化物層4’和/或5’的作用。
但是，對于該清洗或者對于該方法的任何其他步驟而言，不對絕緣體層進(jìn)行任何促進(jìn)全部或部分絕緣體層中的水?dāng)U散的處理。特別地，在根據(jù)本發(fā)明的方法中不包括在鍵合之前為了提高鍵合過程中的粘附力而執(zhí)行的等離子體，這些步驟可能會促進(jìn)水通過絕緣體層的擴(kuò)散。
優(yōu)選地，在施主氧化物層4’和鍵合氧化物層5’的形成過程中，初始厚度(el’和 /或e2’)考慮了清洗步驟(如果存在的話)中所產(chǎn)生的減薄以及施主氧化物層4和鍵合氧化物層5所需的最終厚度el和e2。如同第一實(shí)施例，埋入氧化物層45的氧化物的最終厚度et小于或等于50nm，有利地小于或等于20nm，優(yōu)選地小于或等于15nm，或者例如小于 IOnm或7nm。另外，在初始氧化物層的清洗和減薄之后，鍵合過程中將要組裝的氧化物層4 的厚度el和氧化物層5的厚度e2使得源自施主氧化物層4’的氧化物層4與鍵合過程中兩個氧化物層的累積厚度相比的相對厚度為50%，和/或特別是在通過施主氧化物層引入摻雜元素的情況下，嚴(yán)格地大于待組裝的氧化物層4、5的累積厚度et的50%并且小于或等于待組裝的氧化物層4、5的累積厚度et的95%。待組裝的施主氧化物層的該相對厚度有利地介于待組裝的氧化物層的累積厚度et的60%和80%之間，優(yōu)選地介于待組裝的氧化物層的累積厚度et的70%和80%之間，例如75%。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在襯底的組裝過程中使用施主氧化物的厚度至少大于或等于鍵合氧化物的厚度的氧化物-氧化物鍵合可以限制水分子與存在于氧化物層下方的材料相接觸。只有當(dāng)氧化物保持其水?dāng)U散阻擋特性，也就是說氧化物未經(jīng)過降低水?dāng)U散阻擋特性的處理，或者施主氧化物層或全部兩個氧化物層已經(jīng)歷劑量小于6 1016at/cm2、甚至小于3 1016at/cm2的離子注入步驟時才是如此。因此，防止了通過與半導(dǎo)體材料反應(yīng)直接形成氫基團(tuán)，氫基團(tuán)的形成是由于水分子可能通過氧化物層擴(kuò)散。在根據(jù)本發(fā)明的方法的有利實(shí)施例中，氧化物層4’、5’與埋入氧化物層45的厚度et相比的相對厚度使得在鍵合過程中，施主氧化物層4的相對厚度嚴(yán)格大于50%并且小于或等于95%，有利地介于60% 和85%之間，優(yōu)選地介于70%和80%之間。
組成施主襯底2和接收襯底3之間的埋入氧化物層的氧化物的厚度的這種分布可以在施主氧化物4的一側(cè)具有更高的氧化物厚度。這可以補(bǔ)償施主氧化物4的不足；該氧化物在引入摻雜元素的過程中劣化(圖IB和2B)，降低了其阻擋H2O擴(kuò)散的特性。鍵合氧化物層具有未變差的阻擋特性，其不必具有更高的厚度以形成與施主氧化物層所形成的擴(kuò)散阻擋等效的擴(kuò)散阻擋。0. 5nm至5nm或者lOnm、例如Inm的鍵合氧化物層的厚度足以形成有效的擴(kuò)散阻擋。在這種情況下，限制在通過施主氧化物層4注入的步驟中所引入的全局摻雜元素劑量可能是有利的。因此可以將該全局劑量限制在小于3 1016at/cm2。
根據(jù)本發(fā)明建立比鍵合氧化物層5更厚的施主氧化物層4，無需改變埋入氧化物層45的最終厚度et，即可提高埋入氧化物層源自施主氧化物層4的部分的阻擋作用。因此， 厚度被選擇為，無需改變埋入氧化物層45的最終厚度，就可以使施主氧化物層4與最終襯底3側(cè)的鍵合氧化物5獲得相當(dāng)?shù)淖钃踝饔?。除了在注入步驟(如果存在的話)中，任何氧化物層在其制造過程中或者任何其他的處理步驟中均不會劣化。特別是在鍵合之前，氧化物層均不承受任何活化等離子體。
在例如清洗步驟(如果存在的話)所造成的任何減薄之后，待組裝的層的厚度之間的分布被選擇為下列兩者之間的水?dāng)U散阻擋特性差異的函數(shù) -最終襯底3上所沉積的完好的鍵合氧化物層5，以及 -可能會由于施主襯底2中引入摻雜元素而劣化的施主氧化物層4。
相對厚度的選擇因此取決于所使用的注入劑量以及所使用的組成氧化物的材料。
圖3中給出了發(fā)明人得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在基于硅和二氧化硅的UTBOX型SOI結(jié)構(gòu)的情況下給出了鍵合和退火之后的最終缺陷率(Y軸)作為組成最終氧化物層(也被稱為埋入氧化物層)的施主氧化物層和/或鍵合氧化物層的相對厚度(X軸)的函數(shù)。
鍵合氧化物層的厚度與最終氧化物層的厚度之比(該曲線圖中的下方X軸)等于 “O”對應(yīng)于最終氧化物層單單源自在襯底鍵合和組裝之前形成在施主襯底上的施主氧化物的情況。
以同樣的方式，鍵合氧化物層的厚度與最終氧化物層的厚度之比等于“ 1，，對應(yīng)于最終氧化物層完全源自鍵合氧化物層的情況。
在這兩個極值之間，鍵合氧化物層與最終氧化物層的厚度相比的相對厚度增加。
曲線圖的頂部還表示施主氧化物層的厚度與最終氧化物層的厚度之比。該比值隨著鍵合厚度層的厚度與最終氧化物層的厚度之比反向變化。
根據(jù)鍵合氧化物層的厚度與最終氧化物層的厚度之比，I區(qū)和II區(qū)之間的界限位于大約20%，II區(qū)和III區(qū)之間的界限位于大約55%。
作為氧化物的厚度比的函數(shù)的鍵合后的缺陷可以分布于三部分。在部分I中，最終氧化物層主要由形成在施主襯底上的施主氧化物構(gòu)成；H20分子容易擴(kuò)散到最終襯底的表面并且在退火過程中在最終襯底與也被稱為埋入氧化物層的最終氧化物層之間的交界處形成大量的嚴(yán)重缺陷。
在部分III中，鍵合氧化物層的厚度大于施主氧化物層的厚度，其作為阻擋的效果已經(jīng)由于例如離子注入步驟中的元素引入步驟而劣化。觀察到很高的缺陷，施主氧化物層4的阻擋特性比鍵合氧化物層5差很多，這樣會允許過多的H2O分子擴(kuò)散到施主襯底2 中，這在退火過程中會形成許多“鼓泡”型缺陷。
在圖3的部分I和部分III所顯示的兩種情況下，最終氧化物層對水的擴(kuò)散的阻擋作用是不夠的。
在部分II中，鍵合之前待組裝的氧化物層的厚度的分布(此處鍵合氧化物層的相對厚度介于15%和50%之間，也就是說施主氧化物層的相對厚度介于95%和50%之間) 使得施主氧化物層4的阻擋特性由于較高的相對厚度而得到改善。該部分II中的鍵合氧化物層5的厚度足以在最終襯底3那一側(cè)對H2O的擴(kuò)散形成效果可與在施主襯底那一側(cè)所形成的阻擋相比的阻擋。
因此，厚度比對退火之后的缺陷、進(jìn)而對絕緣體-絕緣體鍵合的效果具有重要的影響，特別是在氧化物-氧化物鍵合的情況下，在組裝過程中阻止或者至少限制埋入氧化物層中俘獲的H2O分子的擴(kuò)散。
該圖中的數(shù)據(jù)清楚顯示，氧化物-氧化物鍵合(例如氧化物的厚度相等)，或者更具體而言，具有優(yōu)化的氧化物厚度比的氧化物-氧化物鍵合可以解決與H2O的擴(kuò)散有關(guān)的問題，特別是“鼓泡”型缺陷的形成。根據(jù)本發(fā)明的這種方法因此可以形成具有可接受的缺陷的UTBOX型器件，其缺陷低于通過根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法所獲得的結(jié)構(gòu)，其中組成埋入最終氧化物層的全部氧化物源自施主氧化物層。在用于獲得這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的條件下，對介于 60 %和85 %之間的施主氧化物的相對厚度確定了有利的區(qū)間。
這種圖的關(guān)系曲線使得對于最終氧化物45的給定厚度et、給定材料和給定離子注入，可以在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)找出最優(yōu)的氧化物相對厚度。此處最優(yōu)的是介于施主氧化物的70%和80%之間，更具體而言接近施主氧化物的75%。
此外還表示了鍵合氧化物厚度/最終氧化物厚度比為大約33%和大約53%的情況下，當(dāng)在鍵合之前對兩個待鍵合的氧化物層都應(yīng)用等離子體處理時所獲得的缺陷率水平?？梢钥闯觯瑢τ谙嗤逆I合氧化物厚度/最終氧化物厚度比，等離子體處理對最終結(jié)構(gòu)造成非常明顯的劣化，缺陷數(shù)量高了接近100倍。
通過對基于硅和二氧化硅的SOI或UTBOX型結(jié)構(gòu)獲得的缺陷分析顯示了本發(fā)明的效果(圖4)，其顯示了通過氧化物-氧化物鍵合的結(jié)合方法，特別是在氧化物具有相同的厚度時(曲線B)，可以提高可靠性，因此與使用已知方法相比可以開發(fā)出更薄的UTBOX結(jié)構(gòu)。 如果所使用的結(jié)合方法是根據(jù)本發(fā)明的方法(曲線C)，包括在上文所述的區(qū)間內(nèi)分布的不對稱的待組裝氧化物層的厚度，那么還可以降低埋入氧化物層的尺寸和/或獲得較低的缺陷。
特別地，與已知方法相比，所獲得的效果對于小于15nm的埋入氧化物層的厚度et 而言是很重要的，對于小于IOnm的埋入氧化物的厚度是相當(dāng)可觀的。
因此，埋入氧化物的最終厚度越低，根據(jù)本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比所具有的效果越強(qiáng)。
可以進(jìn)一步改進(jìn)上文所述的根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，以獲得厚度例如小于IOnm或5nm 的非常薄的優(yōu)質(zhì)絕緣體層，例如具有指定厚度的氧化物層的SOI。
為此目的，制造根據(jù)本發(fā)明的方法的結(jié)構(gòu)，絕緣體是氧化物層，其厚度例如小于 IOnm或介于15nm和20nm之間。
然后執(zhí)行該氧化物的部分分解以使其厚度達(dá)到最終所需的值，達(dá)到小于lOnm。
從 0. Kononchuk 等人的文件“Internal dissolution of Buried Oxide in SOI wafers", Solid State Phenomena, Vol. 131-133，p.113-118，2008 或 US2005/00118789，已知一種分解技術(shù)。
例如，在包括例如氬和/或氫還原氣氛的具有非常低的氧濃度(< Ippm)的中性氣氛中以及基本上介于1100°c和1200°C之間的溫度下處理該結(jié)構(gòu)，處理的持續(xù)時間介于幾分鐘(例如2分鐘、5分鐘、10分鐘、20分鐘或30分鐘)和幾小時(例如1小時、2小時、 5小時或10小時)之間。在該熱處理過程中，埋入氧化物層中存在的氧通過半導(dǎo)體材料的薄膜溶解到處理氣氛中。其例如由硅制成，然后溶解的氧化物層S^2轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的Si。
在根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的其中之一獲得的具有20nm的埋入氧化物的SOI的情況下， 可以將氧化物減薄到選定的最終厚度，例如5nm。
有利地，繼續(xù)這種中性氣氛下和非常低的氧濃度下的熱處理，至少到施主襯底一側(cè)上形成的氧化物層的整個厚度都被溶解為止。這種特殊處理實(shí)際上可以促使形成高均勻度、優(yōu)質(zhì)的鍵合結(jié)構(gòu)(就缺陷密度而言)，其具有大約幾納米的極薄的埋入氧化物層。此外埋入氧化物層中的鍵合界面消失，來自施主氧化物層的所有氧化物被溶解，可以確保埋入氧化物層具有高的電學(xué)性能。剩余的氧化物層由來自鍵合氧化物層的氧化物構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種用于制造堆疊的UTBOX型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括a)在施主襯底( 上形成對水的擴(kuò)散形成阻擋或者能夠限制該擴(kuò)散的被稱為施主氧化物層的第一電絕緣體層G)，b)在形成所述施主氧化物層(4)之后向所述施主襯底中引入元素，形成弱化層01)，c)在被稱為最終襯底的第二襯底C3)上形成對水的擴(kuò)散形成阻擋或者能夠限制該擴(kuò)散的被稱為鍵合氧化物層的第二電絕緣體層(5)，所述鍵合氧化物層嚴(yán)格薄于所述施主氧化物層⑷；d)鍵合兩個襯底，所述兩個襯底都沒有經(jīng)過等離子體處理，使兩個電絕緣體層相接觸并且一起形成埋入兩個襯底之間的被稱為埋入氧化物層的絕緣體層(45)，所述絕緣體層使得在鍵合過程中，所述施主氧化物層的厚度至少等于所述鍵合氧化物層的厚度，所述埋入氧化物層的厚度(et)小于50nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述施主氧化物層(4)在鍵合過程中與所述埋入氧化物層相比的相對厚度嚴(yán)格大于所述埋入氧化物層G5)的厚度(et)的50%并且小于或等于所述埋入氧化物層0 的厚度(et)的95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述施主氧化物層(4)在鍵合過程中的相對厚度介于所述埋入氧化物層0 的厚度(et)的60%和85%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述施主氧化物層(4)在鍵合過程中的相對厚度介于所述埋入氧化物層0 的厚度(et)的70%和80%之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，所述埋入氧化物層的厚度(et)小于 20nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述埋入氧化物層的厚度(et)小于15nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，所述施主襯底(2)是由諸如硅的半導(dǎo)體材料制成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，所述最終襯底C3)是由諸如硅的半導(dǎo)體材料制成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，包括在鍵合之后根據(jù)如下方法減薄所述施主襯底(2)最大溫度為400°C且包括所述施主襯底在所述弱化層的至少一處斷裂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，在鍵合之后以及如果存在減薄的話在減薄之后，施加溫度介于900°C和1200°C之間、溫升斜坡大于10°C /s的熱處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其中通過沉積或反應(yīng)或者通過形成天然氧化物來形成絕緣體層的至少其中之一包括在鍵合之前賦予其水?dāng)U散阻擋特性或使其能夠限制該擴(kuò)散的致密化退火。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，除了引入摻雜元素和/或清洗和/或致密化退火以外，在其形成和鍵合之間不包括能夠改變絕緣體層的處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括在鍵合之后和/或任何致密化退火之后通過在基本上介于1100°C和1200°C之間的溫度下以及氧化物濃度小于Ippm 的氣氛中進(jìn)行處理來減薄埋入氧化物層的步驟。
全文摘要
一種用于制造堆疊的UTBOX型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括a)在施主襯底上形成電絕緣體層，b)通過絕緣體層向施主襯底中引入元素，c)在被稱為最終襯底的第二襯底上形成電絕緣體層，d)鍵合兩個襯底，兩個絕緣體層限制水的擴(kuò)散并且形成埋入兩個襯底之間的厚度小于50nm的絕緣體層，在鍵合過程中，施主氧化物層的厚度至少等于鍵合氧化物層的厚度。
文檔編號H01L21/762GK102187451SQ200980141442
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者D·朗德呂 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術(shù)公司