專利名稱：制造薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造半導體材料薄膜的方法，包括Smart CutTM技術。
背景技術：
使用Smart CutTM技術的實例已經(jīng)在美國專利文獻US-A-5 374564或者由A.J.Auberton-Hervé等人撰寫、標題為“Why can SmartCut change the future of microelectronics？”的文章中進行了描述，所述論文刊登于Int.Journal of High Speed Electronics and Systems，2000年，第10卷，第1期，131-146頁中。該技術使用下列步驟a)利用氫氣或稀有氣體型輕離子(例如氦)轟擊基板(例如由硅制成)的一個表面，以將足夠濃度的所述離子注入基板并產(chǎn)生弱化微腔層；b)使所述基板表面與剛性體或接收基板形成緊密接觸；和c)通過應用熱處理和/或機械分離應力，例如將刀片插在微腔層平面上和/或施加拉伸應力和/或彎曲應力和/或剪切應力，和/或應用適當功率和頻率的超聲波或微波而在微腔層處發(fā)生破裂/剝離。
通過分離一部分已注入基板，該方法可以產(chǎn)生具有均勻厚度的薄膜，所述厚度大體上等于被轟擊基板表面和通過注入形成的微腔層之間的距離。與制造薄膜的其他已知方法，例如稱作“SIMOX”的方法(描述于文獻“SIMOX SOI for integrated circuit fabrication”，Hon WaiLam，IEEE Circuits and Devices Magazine，1987年7月)或通過化學或任何其他化學-機械磨蝕使晶片變薄的方法相比，該方法既不需要極高的注入量，也不需要蝕刻停止阻擋層。
但是，利用該方法，轉移薄膜主體包括純金屬(Al)，過渡金屬(Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等)、堿金屬(Li、Na、K等)、堿土金屬(Mg、Ca、Ba等)、鹵素(F、Br、Cl)、非金屬(As)或有機污染物(C、N、O)，作為污染雜質(zhì)。這些雜質(zhì)對應于在起始基板中存在的雜質(zhì)和/或由所用方法引入的雜質(zhì)。舉例來說，過渡金屬型雜質(zhì)的存在可能導致轉移薄膜的電氣性質(zhì)發(fā)生很大改變。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，并且提出通過一方法制造薄膜的解決方案，所述方法包括注入輕離子以產(chǎn)生相當于弱化區(qū)的微腔層的步驟，所述基板可以在該弱化區(qū)處被剝離(Smart CutTM方法)，同時降低存在于分離薄膜中的雜質(zhì)的體積濃度。
該目的通過制造薄膜的方法實現(xiàn)，包括a)至少一個注入步驟，其利用氫或氦型輕離子單獨或與其他物質(zhì)一起(例如通過硼-氫共同注入)轟擊由半導體材料制成的基板的一個表面，從而在基板內(nèi)的預定深度處形成一層，所述注入離子聚集在該層中，并且所述聚集層限定了位于基板上部中的薄膜；b)使基板的所述表面與一剛性體形成緊密接觸的步驟；c)通過離子聚集層處的剝離將與所述剛性體接觸的薄膜分離的步驟；在該方法中，在注入步驟a)之后以及分離步驟c)之前，執(zhí)行一熱處理步驟以在注入離子聚集層中捕獲污染物，所述處理不會導致注入離子聚集層處的基板剝離。在步驟c)之后，通過捕獲污染物和通過分離步驟紊亂的區(qū)域被去除。
在注入之后執(zhí)行的熱處理步驟首先在注入離子聚集層處產(chǎn)生/形成微腔，所述微腔形成捕獲腔室，其次，允許污染物擴散和捕獲在所述腔室中。除了表面處以外，位于捕獲微腔上方的基板部分因此具有減少的污染物濃度，該基板部分對應于要轉移的薄膜?；瘜W-機械拋光和/或適當選擇的化學侵蝕可以去除所述表面區(qū)域，污染物捕獲和分離步驟使該區(qū)域變得紊亂和受到污染。因此，本發(fā)明的方法允許制造具有減少的污染物濃度的薄膜。
所述基板可以為由硅、鍺、硅-鍺、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅制成的基板。
在本發(fā)明的一個方面，所述方法還包括附加的注入步驟，該步驟由在不同于注入步驟a)的注入條件下轟擊基板表面構成，所述附加的注入步驟在高于步驟a)中的注入能量的條件下進行，從而在比步驟a)期間產(chǎn)生的離子聚集層更深處產(chǎn)生附加離子聚集層。
在該情況下，所述捕獲腔室在附加的離子聚集層中產(chǎn)生/形成，該層位于用以形成薄弱面的離子聚集層下面，所述薄膜將沿著所述薄弱面分離。所述污染物隨后被捕獲在位于薄膜分離區(qū)域下面的區(qū)域內(nèi)，并且限制在不成為要轉移薄膜的一部分的基板主體內(nèi)。
所述附加的注入步驟可以利用氦氣離子進行。
在步驟c)中，薄膜分離(基板破裂)可以由施加在注入離子聚集層處的分離應力導致。所述分離應力可以由施加熱處理(在溫度高于捕獲熱處理溫度的情況下進行的退火處理)和/或施加分離機械應力(例如將刀片插入在注入離子聚集層處)，和/或施加拉伸應力和/或施加具有適當功率和頻率的超聲波或微波組成。
圖1A-1E為示意性剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方案制造Si薄膜；圖2是流程圖，示出了在圖1A-1E中執(zhí)行的步驟；圖3A-3F為示意性剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個方案制造Si薄膜；圖4是流程圖，示出了在圖3A-3F中執(zhí)行的步驟；圖5顯示了與本發(fā)明的污染物捕獲熱處理持續(xù)時間相關的Si基板內(nèi)的氟濃度；圖6顯示了與本發(fā)明的污染物捕獲熱處理的持續(xù)時間相關的Si基板內(nèi)的氟濃度；和圖7顯示了本發(fā)明的捕獲熱處理對具有不同性質(zhì)的污染物的影響。
具體實施例方式
本發(fā)明的方法通常適用于由與Smart CutTM方法相適應的任何類型的基板制造半導體材料薄膜。這種基板特別是由硅(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)等制成的基板。
本發(fā)明提出，在使用Smart CutTM方法制造薄膜期間，應用附加的熱處理步驟，在注入步驟之后和分離步驟之前，該附加步驟用于在注入層中形成微腔，其中存在于起始基板和/或在注入和結合步驟中引入的污染物被捕獲。所述微腔在其內(nèi)壁上具有不完全的化學鍵，其可以捕獲污染物質(zhì)的原子。
該附加的熱處理必須在足夠高的溫度下進行以允許污染物擴散到捕獲微腔中，但不超過極限溫度，所述極限溫度通過基板內(nèi)的晶體重排作用和微腔中的壓力而造成注入層處的基板破裂。捕獲微腔可以產(chǎn)生和/或直接形成在引起基板剝離的注入層中(Smart CutTM方法)或形成在所述層下面的分離開的注入層中。
由M.Zhang等人撰寫，刊登于1999年1月1日的Journal ofApplied Physics，第85卷，第1期的文獻“Comparison of Cu getteringto H+ and He+ implantation-induced cavities inseparation-by-implantation-of-oxygen wafers”和由A.Kinomura等人撰寫，刊登于Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B127/128(1997)，297-300的文獻“Gettering of platinum and silver tocavities formed by hydrogen implantation in silicon”中公開了通過H+或He注入，其后進行熱處理而形成捕獲腔室。但是，該捕獲腔室不用于破裂/剝離基板。相反，在這兩篇文獻中，污染物通過離子注入而有意引入并保存在基板中。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造薄膜的方法將參照圖1A-1E和2描述如下。
在該實施方案中，起始基板或施主基板1由覆蓋有二氧化硅(SiO2)層2的單晶硅晶片構成，所述二氧化硅層通過加熱氧化獲得并且具有大約1450(Angstroms)的厚度。
在第一注入步驟(S1)中，基板1經(jīng)受穿過包括(SiO2)層2在內(nèi)的基板平面7的氫離子H+的離子轟擊10。H+離子注入在大約37keV(千電子伏特)的注入能量和大約5.75×1016atoms/cm2(原子/平方厘米)的注入劑量的情況下進行。這些注入條件允許在基板1中的預定深度處平行于基板表面7形成離子聚集層3，從而限定了位于基板1的上部區(qū)域中的薄膜4和位于基板的下部區(qū)域中的部分5，該部分5對應于基板1的剩余部分(圖1A)。
選擇注入劑量，使得層3中的H+離子濃度足以在注入之后或者隨后的熱處理步驟期間產(chǎn)生微腔層。但是，人們應當注意到，微腔可能已經(jīng)在注入期間形成。H+離子進入基板的穿透深度主要由注入能級決定。在此描述的實施例中，注入在大約37keV的注入能量下進行，其允許H+離子聚集層3在被轟擊基板1的表面7下面大約300nm(納米)處形成。
被注入的起始基板1隨后例如通過分子焊接結合到剛性體6，例如硅晶片上(步驟S2，圖1B)。起始基板1包括殘余雜質(zhì)(例如氟F，碳C等)。此外，氧化(形成SiO2層)、離子注入和結合步驟可能增大由起始基板1中的雜質(zhì)產(chǎn)生的污染物量。
根據(jù)本發(fā)明，執(zhí)行適當?shù)臒崽幚聿襟E，其使微腔在H+離子聚集層3中產(chǎn)生和/或形成并且使各種污染物擴散到微腔中，所述污染物捕獲于所述微腔中(步驟S3，圖1C)。在該實施方案中，微腔不但構成被擴散污染物質(zhì)的陷阱，而且構成通過施加機械應力而使基板隨后破裂的薄弱面。
該熱處理步驟例如可以為在350℃下進行18h(小時)的退火處理。該退火處理可以以1/50(a factor of 50)局部增大層3中的氟離子量，從而減少基板剩余部分中，特別是對應于要分離的薄膜4的那部分中的氟離子濃度。350℃下18h的退火處理使薄膜4中的碳雜質(zhì)濃度減半。最后，所述(350℃-18h)退火處理導致微腔形成，所述微腔局部削弱基板并且使該區(qū)域(即層3)具有與破裂相適應的密度、尺寸、分布、形態(tài)(morphological)等方面的特征。
在此處描述的實例中，熱處理步驟在結合到剛性體上的步驟(步驟S2)之后進行。但是，該熱處理步驟可以在結合到剛性體6上的步驟之前進行。
在熱處理步驟之后，薄膜4通過剝離從基板1上分離(步驟S4，圖1D)。該步驟例如通過施加機械應力，例如通過將刀片插到微腔區(qū)域上而進行，導致破裂沿所述區(qū)域的擴散。
轉移到剛性體6上的薄膜4除了在其斷裂面8處之外，在其主體內(nèi)幾乎不含有污染物，所述斷裂面8在熱處理步驟之后使已經(jīng)擴散和捕獲在微腔中的污染物質(zhì)聚集。
隨后進行傳統(tǒng)的拋光步驟(化學-機械拋光)以去除表面8的紊亂污染區(qū)域并降低其粗糙程度(步驟S5，圖1E)。通過拋光去除的厚度約為1500。污染/紊亂區(qū)域也可以通過可選擇的化學侵蝕(蝕刻)去除，其后選擇拋光以提高表面粗糙度。
隨后可以進行最終的高溫熱處理(1100℃)以加固結構并修復存在于轉移薄膜中的任何缺陷(步驟S6)。
圖3A-3F和4顯示了根據(jù)本發(fā)明的薄膜制造方法的變形。該實施方案不同于上文所述方案的地方在于，在基板中的不同深度處形成兩層微腔層，一層用于捕獲污染物，另一層用于使薄膜分離。
起始基板10由覆蓋有二氧化硅(SiO2)層11的單晶硅晶片構成，所述二氧化硅層通過加熱氧化獲得并且具有大約1450的厚度。
在第一注入步驟(S10)中，基板1首先經(jīng)受穿過包括(SiO2)層11在內(nèi)的基板平面13的氦離子He的離子轟擊20。He離子注入在大約60keV的注入能量和大約1.5×1016atoms/cm2的注入劑量下進行。這些注入條件使He離子聚集層12在基板10中大約300nm的深度處產(chǎn)生(圖3A)。
在第二注入步驟(S11)中，所述步驟可以在第一He離子注入步驟之前或之后進行，基板1經(jīng)受穿過平面13的氫離子H+的離子轟擊21。H+離子注入在大約32keV的注入能量和大約1.5×1016atoms/cm2的注入劑量下進行。這些注入條件允許在基板10中大約230nm的深度處形成H+離子聚集層14，從而限定了位于基板10的上部區(qū)域中的薄膜層15和位于基板的下部區(qū)域中的部分16，該部分16對應于基板10的剩余部分(圖3B)。
在第一注入步驟(步驟S10)中，所述注入能量高于第二注入步驟(步驟S11)中的注入能量。與第二注入期間產(chǎn)生的H+離子聚集層14相比，該能量可以在距離基板表面更深的位置處產(chǎn)生He離子聚集層12。
被注入的起始基板10隨后例如通過分子焊接結合到剛性體17，例如硅晶片上(步驟12，圖3C)。起始基板1包括殘余雜質(zhì)(例如氟F，碳C等)。此外，氧化(形成SiO2層)、離子注入和結合步驟可能增大由起始基板10中的雜質(zhì)產(chǎn)生的污染物量。
根據(jù)本發(fā)明，執(zhí)行一熱處理步驟，其允許在He離子聚集層12(即，基板10的表面之下300nm)中產(chǎn)生和/或形成微腔并且使各種污染物質(zhì)擴散并捕獲于所述微腔中(步驟S13，圖3D)。在該實施方案中，層12的微腔只能構成擴散污染物質(zhì)的陷阱。
該熱處理步驟例如可以為在400℃下進行1h的退火處理，以局部增大層12中的氟離子和碳雜質(zhì)量，從而減少基板剩余部分中，特別是對應于要分離的薄膜15的那部分中的氟離子和碳雜質(zhì)濃度。一部分雜質(zhì)還捕獲在H+離子聚集層14中，但是與參照圖1A-1E和2所描述方案中的H+離子聚集層3中的雜質(zhì)量相比數(shù)量較少。
該熱處理步驟在結合剛性體的步驟之前或之后進行是相同的。
隨后在一溫度下進行退火處理，該溫度高于捕獲污染物的熱處理溫度，并且通過基板內(nèi)的晶體重排作用和H+離子聚集層14的微腔中的壓力足以使薄膜15和基板10的剩余部分中的部分16之間產(chǎn)生剝離(步驟S14，圖3E)。500℃下30min(分鐘)的退火處理可以導致基板10在H+離子聚集層14處發(fā)生破裂，所述H+離子聚集層位于基板10的表面之下大約230nm。
轉移到剛性體17上的薄膜15的厚度大約為230nm，并且在其主體內(nèi)和表面上幾乎不包含污染物，這是因為一部分污染物已經(jīng)限制在非轉移層12的捕獲微腔中，所述非轉移層存在于基板剩余部分的部分16中。
隨后進行傳統(tǒng)的拋光步驟(化學-機械拋光)以去除薄膜15的表面的紊亂區(qū)域并降低其粗糙程度(步驟S15，圖3F)。通過拋光去除的厚度為1500。紊亂區(qū)域也可以通過可選擇的化學侵蝕(蝕刻)去除，其后選擇拋光以提高表面粗糙度。
可以進行最終的高溫(1100℃)熱處理步驟(S16)以提高轉移薄膜的質(zhì)量。
進行測量(圖5-7)以證明，對于與隨后的注入?yún)^(qū)域處的破裂步驟相適應的注入條件而言，后注入熱處理可以將存在于注入基板中的污染物捕獲。
圖5-7顯示了在單晶硅基板中獲得的污染物濃度的測量結果，所述單晶硅基板在參照圖1A、1B以及圖2的步驟S1、S2所描述的條件(即，以大約37keV的注入能量和大約5.75×1016atoms/cm2的注入劑量將H+離子注入到Si基板中)下注入。圖5-7顯示了與根據(jù)本發(fā)明的熱處理步驟(步驟S3，圖1C)的條件(持續(xù)時間和/或溫度)相關的所獲結果。通過次級離子質(zhì)譜法(SIMS)進行濃度測量。
圖5顯示了本發(fā)明的熱處理持續(xù)時間對在氟情況下捕獲的污染物的影響。圖5的四條曲線，P350℃-50h、P350℃-30h、P350℃-18h和P350℃-6h對應于在注入有氫離子的Si基板厚度方向上觀察的氟濃度，其中在350℃下分別進行時間為50h、30h、18h和6h的熱處理。人們應當觀察到，氟濃度在基板中大約300nm的深度處顯著增大，所述深度對應于污染物被捕獲的注入?yún)^(qū)域。
捕獲區(qū)域(即，在基板中大約300nm的深度處)中氟濃度的增大在350℃下進行50h的熱處理時較大。
圖6顯示了本發(fā)明的熱處理溫度對氟污染物捕獲的影響。圖6的三條曲線，P350℃-51h、P400℃-2h和P450℃-8min對應于在Si基板厚度方向上觀察的氟濃度，所述Si基板利用氫離子注入，并且分別在350℃下進行51h、在400℃下進行2h和在450℃下進行8min的熱處理。人們應當觀察到，氟濃度在基板中大約300nm的深度處顯著增大，所述深度對應于污染物被捕獲的注入?yún)^(qū)域。捕獲區(qū)域(即，在基板中大約300nm的深度處)中氟濃度的增大在進行350℃下51h的熱處理時較大。但是，人們應當觀察到，在高溫(400℃和450℃)但時間遠小于51h，即，400℃下2h和450℃下8min的情況下進行的熱處理也可以有效地捕獲氟。
圖7顯示了與污染物性質(zhì)有關的后注入熱處理的影響，在該情況下污染物為有機氧(O)和碳(C)類型。圖7中的四條曲線，PO-注入、PO-400℃-1h、PC-注入和PC-400℃-1h分別對應于在不進行熱處理的情況下，在注入有氫離子的Si基板厚度方向上觀察的氧雜質(zhì)濃度；在經(jīng)受400℃下1h熱處理的情況下，在注入有氫離子的Si基板的厚度方向上觀察的氧雜質(zhì)濃度；在不進行熱處理的情況下，在注入有氫離子的Si基板厚度方向上觀察的碳雜質(zhì)濃度；在經(jīng)受400℃下1h熱處理的情況下，在注入有氫離子的Si基板的厚度方向上觀察的碳雜質(zhì)濃度；在對應于要轉移的薄膜的整個注入基板(整個分析深度)范圍內(nèi)，特別是基板的整個厚度(0-300nm之間)范圍內(nèi)觀察到雜質(zhì)濃度減少。這樣，碳雜質(zhì)濃度在要轉移的未來薄膜中以十的冪減少。
權利要求
1.一種制造薄膜的方法，包括a)至少一個注入步驟，其通過利用離子轟擊由半導體材料制成的基板的一個表面，從而在基板內(nèi)的預定深度處形成一層，所述注入離子聚集在該層中，所述聚集層限定了位于基板上部中的薄膜；b)使基板的所述表面與一剛性體形成緊密接觸的步驟；c)通過離子聚集層處的剝離將與所述剛性體接觸的薄膜分離的步驟；其中，在注入步驟a)之后以及分離步驟c)之前，所述方法還包括熱處理步驟以捕獲污染物，該步驟不會導致離子聚集層處的基板剝離，并在步驟c)之后，包括將通過捕獲污染物和通過分離步驟c)紊亂的區(qū)域去除的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟a)中，所述離子為氫氣離子。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述基板為由硅、鍺、硅-鍺、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅制成的基板。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述基板為單晶硅基板，并且其中所述污染物捕獲熱處理在350℃-450℃的溫度范圍內(nèi)進行。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述污染物捕獲熱處理在大約350℃的溫度下進行大約18h到30h。
6.如權利要求1所述的方法，還包括附加的注入步驟，所述步驟由利用離子在不同于注入步驟a)采用的條件下轟擊基板表面組成，所述附加的注入步驟至少在高于步驟a)的注入能量下進行，從而在比步驟a)期間產(chǎn)生的離子聚集層更深處產(chǎn)生離子聚集層。
7.如權利要求6所述的方法，其中，在所述附加的注入步驟中，所述離子為氦氣離子。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述基板為單晶硅基板，并且其中所述污染物捕獲熱處理步驟在大約400℃的溫度下進行大約1h。
9.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟c)中，分離應力作用在注入離子的聚集層上。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述分離應力由施加熱處理和/或機械分離應力和/或拉伸應力和/或彎曲應力和/或切應力和/或超聲波或微波組成。
11.如權利要求1所述的方法，其中，在步驟c)中，在高于污染物捕獲熱處理溫度的溫度下進行退火處理，從而導致在步驟a)期間形成的離子聚集層處產(chǎn)生剝離。
12.如權利要求1所述的方法，其中，所述去除紊亂區(qū)域的步驟通過化學-機械拋光或通過選擇性的化學侵蝕進行。
13.如權利要求1所述的方法，還包括在步驟c)之后，在大約1000℃下進行使轉移到剛性體上的薄膜退火的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造薄膜的方法，包括a)注入步驟，其利用離子轟擊由半導體材料制成的基板的一個表面，從而在基板內(nèi)的預定深度處形成所述注入離子聚集層，所述聚集層限定了位于基板上部中的薄膜；b)使基板的表面與一剛性體形成緊密接觸的步驟；c)通過離子聚集層處的剝離將與剛性體接觸的薄膜分離的步驟；其中，在注入步驟a)之后以及分離步驟c)之前，所述方法還包括熱處理步驟以捕獲污染物，該步驟不會導致離子聚集層處的基板剝離，并在步驟c)之后，包括將通過捕獲污染物和通過分離步驟c)紊亂的區(qū)域去除的步驟。
文檔編號H01L21/70GK101038865SQ20071008559
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權日2006年3月13日
發(fā)明者A·托贊, S·佩索尼克, F·洛吉耶 申請人:S.O.I.泰克絕緣體硅技術公司