CN100361307C - 绝缘层覆硅(soi)晶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SOI晶片，该SOI晶片为至少具备SOI层的SOI晶片，其特征为：该SOI层的面方位的偏角是由{110}只往<100>方法，而且，偏角角度在5分以上2度以下；及提供一种SOI晶片的制造方法，至少贴合基底晶片和由硅单结晶所构成的结合晶片，将该结合晶片予以薄膜化以形成SOI层而成，其特征为：前述结合晶片是使用面方位由{110}只往<100>方向偏角，而且，偏角角度在5分以上2度以下的晶片。因此，可以提供具有高的膜厚均匀性和良好的微观粗糙度，适合于高速元件的制作的SOI晶片及其制造方法。

Description

绝缘层覆硅(SOI)晶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及在贴合两片的晶片的贴SOI(Silicon OnInsulator：绝缘层覆硅)晶片中，至少形成元件的有源层(SOI层)的面方位由{110}赋与偏角而成的SOI晶片及其制造方法。

背景技术

已知SOI晶片的制造方法，有以通过硅氧化膜来贴合成为基板的基底晶片，和形成有SOI层的结合晶片的两片的硅单结晶晶片，以制作贴合SOI晶片的方法。此种贴合晶片制作的步骤例如已知有在两片的晶片中的至少其中一片晶片的表面形成氧化膜，于接合面未有异物介于其间而相互密接后，以大约200～1200℃的温度予以热处理，以提高结合强度的方法(参考日本专利特公平5-46086号公报)。

因为通过进行此种热处理而结合强度被提高的贴合晶片可以进行之后的研磨及抛光步骤，通过研磨及抛光结合晶片，以使其薄膜化为希望的厚度，可以形成形成有半导体元件的SOI层。但是，对于研磨后的表面，在进行通过抛光的薄膜化时，如设定其的抛光量多时，虽具有抛光表面的微小的微观粗糙度得到改善的优点，另一方面，却有晶片整体的SOI层的膜厚均匀性劣化的问题，所以可以设定的抛光量有其上限。

因此，有在非氧化性环境中的1000℃以上的高温热处理，作为不会使膜厚均匀性劣化而可改善微观粗糙度的方法，此成为微观粗糙度改善的有效手段。

另外，最近，为了制造膜厚均匀性良好的SOI层的厚度在0.1μm以下的超薄膜SOI晶片的技术，以离子注入剥离法(亦称为smart cut(注册商标)法)受到瞩目(特许第3048201号公报)。

离子注入剥离法为一种例如在两片硅晶片中的至少其中一片形成氧化膜的同时，由结合晶片的表面注入氢离子或者稀有气体离子的至少一者，在结合晶片内部，例如表面附近形成微小气泡层(封入层)后，在离子注入面侧通过氧化膜而使结合晶片和基底晶片密接，之后，施加热处理(剥离热处理)，以微小气泡层为劈开面(剥离面)，将结合晶片剥离为薄膜状，进而，施加热处理(结合热处理)，坚固地结合两片的硅晶片，以作为SOI晶片的技术。

如此所制作的SOI晶片的表面(剥离面)虽成为比较好的镜面，但是，为了做成具有与通常的镜面研磨晶片同等的表面粗度的SOI晶片，进而进行称为接触抛光的研磨量为100nm以下的极少的研磨。

另外，代替或并用此接触抛光，已知通过在氢或Ar环境下进行高温热处理，在维持剥离后的SOI层的膜厚均匀性下，可降低SOI层的表面粗度(表面粗糙度)或结晶缺陷的技术(日本专利特开平11-307472号公报)。

如使用前述的离子注入剥离法，因为除了可以比较容易地获得SOI层的膜厚均匀极高的SOI晶片以外，且可以再利用剥离的一方的晶片，也有能有效地使用材料的优点。另外，此方法也可以在贴合晶片制作时，不通过氧化膜可直接结合硅晶片彼此的情形下使用，不单在结合硅晶片彼此的情形，在硅晶片进行离子注入，使与热膨胀系数不同的石英、碳化硅、铝、钻石等的绝缘性基底晶片结合，以制作SOI晶片时也可以使用。

形成在如此所制作的SOI晶片的SOI层的元件的一种，有MIS(金属：Metal/绝缘膜：Insulator/硅：Silicon)型晶体管。其的栅极绝缘膜被要求：低泄漏电流特性、低界面电平密度、高载流子注入耐性等的高性能电气特性、高可靠性。形成满足这些要求的栅极绝缘体(主要，硅氧化膜)的技术是，利用使用氧分子或水分子，在800℃以上进行热处理的热氧化技术。

使用公知的具有{100}面方位的硅晶片，或者具有由{100}倾斜4度左右的面方位的硅晶片时，使用此热氧化技术，可以得到具有良好氧化膜/硅界面特性、氧化膜的耐压特性、低泄漏电流特性的硅氧化膜。此是由于形成在{100}面的栅极氧化膜的界面电平密度与形成在其他结晶面的情形相比，比较低的关系。即在具有{100}以外的面方位之的硅晶片使用热氧化技术所形成的硅氧化膜的氧化/硅界面的界面电平密度高，而且，氧化膜的耐压特性，低泄漏电流特性不好，电气特性差。

因此，以往是使用具有{100}的面方位的晶片，或者具有由{100}倾斜4度左右的面方位的晶片，形成有以所谓MOS(金属：Metal/硅氧化膜：Oxide/硅：Silicon)型晶体管为代表的MIS型半导体元件的硅晶片。

但是，近年来，通过使用Kr/O₂电浆，与硅晶片的表面的面方位无关，可形成良好的氧化绝缘膜的方法被开发出来(例如，参考Saito et al.，“Advantage of Radical Oxidation for Improving Reliability of Ultra-Thin GateOxide”，2000 Symposium on VLSI Technology，Honolulu，Hawaii，June13^th-15^th，2000)，即如使用形成与此种面半导体元件的硅晶片的面方位限定在{110}，可以按照目的而使用具有保持最佳特性的面方位的硅晶片。

例如，MOSFET(MOS电场效应晶体管：MOS Field Effect Transistor)的通道方向的载流子迁移率，在面方位为{110}的晶片的特定方向中，有变成2倍以上时，其结果为，很清楚可使源极-漏极间电流值增加。

因此，制作MOS型元件的晶片而使用面方位为{110}面的硅单结晶晶片，通过如前述的与面方位无关的良好绝缘膜形成方法，以形成栅极绝缘膜时，例如，可以制作使用高载流子迁移率的高速元件等的具有公知没有的优异特性的MOS元件。

另外，此种载流子迁移率高速等{110}面所具有的优异性，在SOI晶片中亦相同，本来SOI晶片由于具有最适合于形成高速且高性能元件的特性，近年来，为了形成更高速元件，SOI层的面方位为{110}的SOI晶片的需要逐渐增加。

发明内容

但是，SOI晶片的SOI层的面方位为正确的{110}，亦即，正{110}时，为了进行SOI层的表面粗糙度或缺陷去除而在非氧化性环境中施加高温热处理时，则在SOI层表面产生由异方向性蚀刻导致的凹凸，微观粗糙度反而变差。因此，SOI层的面方位为正{110}时，无法应用通过前述高温热处理的粗糙度改善处理或缺陷去除处理。

因此，作为形成有SOI层的结合晶片，在使用具有正{110}的面方位的硅单结晶晶片以制作SOI晶片时，最终不得不进行通过研磨处理以达成SOI层的膜厚或表面粗糙度处理。但是，如前所述，因为如充分地改善微观粗糙度而进行研磨时，膜厚均匀性劣化，关于膜厚均匀性，只能得到品质低的SOI晶片。

膜厚均匀性是提高形成在SOI晶片的装置元件特性均匀性，以及提高制造生产力的重要的因素的一。

因此，在因应对于近年来的高速元件的要求，需要性逐渐增加的具有面方位{110}的SOI层的SOI晶片中，希望有一种能够得到SOI层的膜厚均匀性高、能够改善微观粗糙度的方法。

本发明的目的在于解决前述问题，提供一种SOI晶片及SOI晶片的制造方法，该SOI晶片具有高的膜厚均匀性和良好的微观粗糙度的同时，可形成更高速的元件。

为了达成前述目的，在本发明中，提供一种SOI晶片，为至少具备SOI层的SOI晶片，其特征为：该SOI层的面方位是由{110}只往<100>方向偏角，而且，偏角角度在5分以上2度以下。

如此，通过使SOI层的面方位之的偏角只是由{110}往<100>方向，而且，设偏角角度在5分以上2度以下，通过在非氧化性环境下的热处理，可以制成微观粗糙度不会变差，甚而提升，具有高的膜厚均匀性和良好的微观粗糙度的SOI晶片。

最好是，前述偏角角度在30分以上1度30分以下。

如此，如偏角角度在30分以上1度30分以下时，则可制成具有高度的膜厚均匀性，且具有良好的微观粗糙度的SOI晶片。

另外，在本发明中，是提供一种至少贴合基底晶片和由硅单结晶所构成的结合晶片，将该结合晶片予以薄膜化，

以形成SOI层的SOI晶片的制造方法，其特征为：前述结合晶片是使用面方位由{110}只往<100>方偏角，而且，偏角角度在5分以上2度以下的晶片。

如此，在通过贴合法以制造SOI晶片的方法中，通过使用由面方位由{110}只往<100>方向偏角，而且，偏角角度在5分以上2度以下的硅所构成的结合晶片，可以制造具有高的膜厚均匀性和良好微观粗糙度的两者的SOI晶片。

而且，最好对前述所得到的SOI晶片，在非氧化性环境下，以1000℃以上1350℃以下的温度施加热处理。

如此，本发明的SOI层，通过施加非氧化性环境下的热处理，不会产生由于异方向性蚀刻导致的凹凸，能够制造粗糙度得到相当地改善和充分地降低结晶缺陷的SOI晶片。

另外，前述结合晶片是由表面注入氢离子或稀有气体离子的至少其中一种，在表面附近形成有离子注入层的晶片，可以以表面贴合该结合晶片和前述基底晶片后，通过在前述离子注入层予以剥离，以进行前述结合晶片的薄膜化。

如此，作为结合晶片，是使用由表面注入氢离子或稀有气体离子的至少一种，在表面附近形成有离子注入层的晶片，通过在离子注入层予以剥离而进行贴合后的薄膜化，通过此种所谓的离子注入剥离法来进行，可以制造SOI层的厚度为0.1μm以下的超薄膜SOI晶片，且可形成膜厚均匀性高的高速元件的SOI晶片。

此外，最好使绝缘膜介于中间以贴合前述结合晶片和前述基底晶片。

如此，例如使绝缘膜介于中间以贴合由硅所构成的结合晶片和基底晶片，由于基底晶片和结合晶片是相同材质，可以制造结合强度也高的SOI晶片。但是，本发明并不限定于此，例如，也可直接将结合晶片贴合于绝缘性的基底晶片。

另外，在前述的制造方法中，最好使用偏角角度在30分以上1度30分以下的结合晶片。

如此，通过使用偏角角度在30分以上1度30分以下的结合晶片，可以制造具有高的膜厚均匀性，且微小粗糙度良好的SOI晶片。

如上所述，SOI层的面方位由{110}只往<100>方向偏角，而且，偏角角度做成为5分以上2度以下，可以做成不单是微观粗糙度，SOI层的膜厚均匀性也优异的SOI晶片，可以制作适合于利用载流子迁移率高的高速元件等的形成的SOI晶片。

特别是，偏角角度如果是30分以上1度30分以下，则微观粗糙度会变得更好。

另外，通过将如此偏角的SOI层以离子注入剥离法形成，则可膜厚均匀性良好地制造SOI层的厚度在0.1μm以下的超薄膜SOI晶片。

特别是，将前述得到的SOI晶片进而在非氧化性环境下，以1000℃以上1350℃以下的温度施加热处理，则可以制造能够降低表面的微观粗糙度或结晶缺陷的SOI晶片。

附图说明

图1为表示本发明的实施例及比较例的偏角角度和高温热处理后的表面粗糙度的P-V值的关系曲线图。

图2为表示本发明的实施例及比较例的偏角角度和高温热处理后的表面粗糙度的RMS值的关系曲线图。

图3为表示本发明的实施例及比较例的偏角的方向和高温热处理后的表面粗糙度的P-V值的关系曲线图。

图4为表示本发明的实施例及比较例的偏角的方向和高温热处理后的表面粗糙度的RMS值的关系曲线图。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施方式，但是，本发明并不限定于此。

此处，在本发明中，使用晶向指数来表示结晶面及结晶方位。例如，{100}系表示(100)、(010)、(001)等的结晶面的总称，<100>系表示[100]、[010]、[001]等的结晶方位的总称。

以往，在制造具有面方位为{110}的SOI层的SOI晶片时，首先拉制结晶方位为<110>的硅单结晶锭，接着，使用X射线方位测量元件(角度分解能1分左右)以正确测量该硅单结晶锭的结晶方位，使面方位成为正{100}而进行硅单结晶锭的切片，以制作形成SOI层的结合晶片。

如此，在以量产等级制作面方位成为正{110}而进行切片的结合晶片的情形，即使成为正好地进行切片，实际上，通常是包含有低于±5分的角度偏差。另外，在另一方面，所要求产品晶片的规格，也有容许至±30分左右的角度偏差的情形，在那种情形下，因为角度偏差只要是±30分以内的晶片，便符合要求规格，那种晶片也当成具有正{110}的面方位者来加以处理。

但是，因为在±30分以上的角度偏差，几乎没有被当成正{110}而容许的产品规格，具该角度偏差的晶片可以是有意地由{110}倾斜而切片的晶片。如此，将由某特性的方位有意地倾斜切片方向而制作的晶片称为含偏角晶片，将倾斜角度称为偏角角度。

本发明人等通过离子注入剥离法来制作SOI层的面方位为正{110}的SOI晶片，以接触抛光后的SOI表面的粗糙度改善，及缺陷去除的目的，在惰性气体(氩气)中进行高温热处理，确认可以见到SOI晶片表面的粗糙度会有变差的倾向，进而，重复检测的结果，发现此热处理后的粗糙度与结合晶片的偏角有关，进而完成本发明。

具体上，为了作为SOI晶片的SOI层使用，在将面方位由{110}赋与偏角而成的硅晶片由硅单结晶锭切片时，只在<100>方向赋与偏角，且如设偏角角度在5分以上2度以下的范围时，至少通过前述的高温热处理，可以得到表面粗糙度的改善效果，另外，也可达成缺陷去除的目的。

偏角角度以在30分以上1度30分以下为适当，约1度(±5分内)更为理想。

前述的SOI晶片可以以下说明的步骤加以制作。首先，通过柴可拉斯基法(CZ法)，使用结晶方位<110>的种晶以生长具有结晶方位<110>的硅单结晶锭。接着，在由前述生长的硅单结晶锭切片形成SOI层的结合晶片时，只于<100>方向赋与偏角，且，偏角角度设为5分以上2度以下的范围。此时，可以将预先所使用的种晶设为具有希望的偏角者，将所生长的CZ硅单结晶锭与生长轴方向成为垂直予以切片。通过如此，可以提升由硅单结晶锭的切片产率。

接着，由此结合晶片的表面直接或在其表面形成硅氧化膜等绝缘膜后，透过该绝缘膜，以希望的加速能量及剂量注入氢离子或稀有气体离子的至少其中一种。通过如此所被注入的离子，在结合晶片表面附近形成微小气泡层。将此结合晶片在离子注入面侧通过硅氧化膜等与基底晶片密接。之后，以500℃左右或其以上的比较低的温度施以热处理(剥离热处理)，则由于微小气泡的压力和结晶的再排列的作用，在微小气泡层剥离。接着，在氧化性环境下，施加1000～1200℃左右的热处理，提高晶片彼此的结合力。另外，作为基底晶片在使用硅单结晶晶片的情形，如使用与{110}不同面方位的晶片(例如，{100}等)，则可以抑制由于高温热处理所容易产生的弯曲，较为适合。

另外，结合晶片的薄膜化并不限定于前述氢离子注入剥离法，也可以使用磨削、研磨、蚀刻等公知所使用的方法。

接着，对所得到的SOI晶片进行接触抛光，进而，在Ar环境下进行1000℃～1350℃左右的高温热处理，可以制造晶片内的膜厚均匀性高，微观粗糙度也良好，结晶缺陷也得以降低的SOI晶片。在此情形，本发明中，因为SOI层的面方位硅由{110}往<100>方向偏角5分以上2度以下，通过非氧化性环境下的热处理，微观粗糙度不会恶化，甚而提升。另外，在前述高温热处理前所进行的接触抛光，可使研磨量比平常的情形少，也可省略接触抛光只进行高温热处理。

如此所得到的SOI晶片如前述，极薄、膜厚均匀性高，微观粗糙度良好，同时，因为SOI层的面方位由{110}少许偏角，载流子迁移率非常高，极适合形成高速元件。

以下，虽然举出本发明的实施例及比较例来具体说明本发明，但是，本发明并不限定于此。

(实施例及比较例)

通过柴可拉斯基法拉制结晶方位为<110>的硅单结晶锭，通过切片此锭，制作直径200mm，面方位由(110)只往[001]方向偏角1度的含偏角结合晶片以作为本发明的实施例。另外，作为比较例，制作面方位与本发明不同而切片的9种的结合晶片。

使用这些结合晶片，注入氢离子，形成离子注入层，在离子注入层予以剥离，通过此种离子注入剥离法进行薄膜化，制作膜厚均匀性高的SOI晶片后，对于这些SOI晶片，为了降低结晶缺陷，在氩100％环境下，进行1200℃、1小时的热处理。热处理后，以AFM(原子力显微镜：Atomic ForceMicroscope)进行SOI层表面的微观粗糙度测量。通过此AFM的微观粗糙度测量对于SOI晶片中心部的1×1μm的范围进行。

另外，SOI晶片制作条件如下述：

基底晶片：(100)系单结晶晶片

填埋氧化膜：在结合晶片表面形成200mm

离子注入条件：H⁺离子、50keV、6×10¹⁶atoms/cm²

剥离热处理：Ar环境下，500℃、30分钟

结合热处理：氧化性环境、1100℃、2小时

接触抛光：约100nm抛光

如前述般，将测量的表面粗糙度的P-V(Peak toValley：尖峰至谷底)值及RMS(Root Mean Square：均方根)值汇总于表1。

另外，比较例1及2为偏角只在[110]方向为1度或3度，比较例3及4为偏角只在[112]方向为1度或3度，比较例5及6偏角方向只在[111]方向为1度或3度的SOI晶片。这些晶片为与本发明为偏角方向不同的晶片。

另一方面，比较例7及8为偏角方向与本发明的实施例相同为[001]方向，但是，偏角角度设为3度或4度的晶片。另外，比较例9为面方位成为正(110)所制作的试样。

比较例9的情形，为其角度偏差在±2分之内。

(表1)

试样种类	偏角设定		粗糙度测量结果
					方向	角度	P-V值[nm]	RMS值[nm]
	比较例1	只是[110]	1°	3.7					0.51
比较例2					只是[110]	3°	3.0	0.44
	比较例3	只是[112]	1°	3.1					0.53
比较例4					只是[112]	3°	4.8	0.98
	比较例5	只是[111]	1°	3.1					0.57
比较例6					只是[111]	3°	4.0	0.74
	实施例	只是[001]	1°	0.99					0.11
比较例7					只是[001]	3°	5.7	0.93
	比较例8	只是[001]	4°	8.0					0.97
比较例9					正好	±2°以内	2.3	0.37

如表1所示，依据本实施例的偏角只在[001]方向为1度的SOI晶片的粗糙度，其P-V值为0.99nm，RMS值为0.11nm，与比较例相比，可以得到良好的值。在以下，为了更详细比较实施例和比较例，将表1所示的资料予以曲线化而做说明。

图1、图2为显示P-V值或者RMS值与只往[001]方向的偏角角度的关系曲线图。例如，一比较RMS值，则在偏角角度为1度时，RMS值为0.11nm，与比较例9的正(110)的RMS值0.37nm比较，为1/3以下，对于比较例7的偏角角度为3度的RMS值0.93nm，为接近1/9的值。由这些图，可以确认，P-V值以及RMS值皆是在高温热处理后，SOI表面的粗糙度不比正(110)变差，而显示同等以上的良好值的，是偏角角度在2度以下时，特别是在30分以上1度30分以下，可以成为最小值。

图3、图4为就偏角角度为1度和3度的情形所显示的P-V值或者RMS值与偏角方向的关系曲线图。例如，比较偏角角度为1度时的RMS值时，偏角角度只往[001]方向时的RMS值为0.11nm，与比较例1、3、5的偏角方向分别只在[110]、只在[112]、只在[111]时的RMS值0.51nm、0.53nm、0.57nm比较时，为1/5左右。由这些图，可以确认在高温热处理后，SOI表面的粗略度显示与正(110)时同等以上的良好值的，是只在[001]方向形成偏角时。

因此，由图1一图4的结果，可以确认在高温热处理后，SOI表面的粗糙度不比正(110)变差，显示依据本发明，是只在[001]方向形成偏角，而且，其角度设为约2度以下时，可以显示良好的值。

另外，本发明并不限定于前述实施方式。前述实施方式不过是举例显示而已，具有与本发明的权利要求书所记载的技术构思实质上相同构造，达成同样的作用和效果的，不管为何种构造，皆包含在本发明的技术范围内。

例如，在实施例中，作为基底晶片虽使用面方位具有(100)的单结晶晶片，但是，面方位并不限定为(100)。另外，基底晶片的材质并不限定于硅，也可以使用石英、碳化氮、氧化铝、钻石等的绝缘体。

另外，在形成氧化膜时，也可以形成在基底晶片，也可以形成在结合晶片和基底晶片的两方。

另外，各晶片的直径并不限定为200mm，也可以在其以下，只是200mm以上的大口径，可使元件的生产力更为提升。

另外，硅单结晶锭的拉制方法虽通过CZ法进行，但是，也可以是施加磁场CZ法。

Claims (9)

1.一种SOI晶片，为至少具备SOI层的SOI晶片，其特征为：

该SOI层的面方位由{110}只往<100>方向偏角，而且，偏角角度在5分以上2度以下。

2.如权利要求1所述的SOI晶片，其中，

所述偏角角度在30分以上1度30分以下。

3.一种SOI晶片的制造方法，该方法至少贴合基底晶片和由硅单结晶所构成的结合晶片，将该结合晶片予以薄膜化，以形成SOI层而得到所述SOI晶片，其特征为：

所述结合晶片是使用面方位由{110}只往<100>方向偏角、而且偏角角度在5分以上2度以下的晶片。

4.如权利要求3所述的SOI晶片的制造方法，其中，还在非氧化性环境下，以1000℃以上1350℃以下的温度，对所述所得到的SOI晶片施加热处理。

5.如权利要求3所述的SOI晶片的制造方法，其中，所述结合晶片是由表面注入氢离子或稀有气体离子的至少其中一种，在表面附近形成有离子注入层的晶片，在贴合该结合晶片和所述基底晶片后，通过在所述离子注入层予以剥离，以进行所述结合晶片的薄膜化。

6.如权利要求4所述的SOI晶片的制造方法，其中，所述结合晶片是由表面注入氢离子或稀有气体离子的至少其中一种，在表面附近形成有离子注入层的晶片，在贴合该结合晶片和所述基底晶片后，通过在所述离子注入层予以剥离，以进行所述结合晶片的薄膜化。

7.如权利要求3至6中任一所述的SOI晶片的制造方法，其中，使绝缘膜介于中间以贴合所述结合晶片和所述基底晶片。

8.如权利要求3至6中任一所述的SOI晶片的制造方法，其中，使用所述偏角角度在30分以上1度30分以下的晶片。

9.如权利要求7所述的SOI晶片的制造方法，其中，使用所述偏角角度在30分以上1度30分以下的晶片。

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