CN110291626A - 在离子注入步骤期间掩蔽供体衬底的边缘处的区 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在供体衬底(1)内部形成预定分离区(19)的工艺，该供体衬底特别地将用在将层转移到载体衬底上的工艺中。此工艺包括注入步骤(17)，该注入步骤(17)被执行，使得所述供体衬底(1)的边缘区(5)中的注入剂量(25)低于所述供体衬底(1)的中央区(9)中的注入剂量(27)以在热退火期间限制颗粒的形成。本发明还涉及一种借助于上述工艺产生的、用于将薄层转移到载体衬底上的工艺的供体衬底(1)。本发明还涉及一种用于将注入区域限制到供体衬底(1)的边缘区(5)的设备。
Description
本发明涉及制造绝缘体上半导体(SeOI)衬底的领域，更具体地，涉及在供体衬底上执行以在所述供体衬底内部产生预定分离区的离子注入步骤。
可以借助于SmartCut工艺获得绝缘体上半导体(SeOI)衬底。在这种类型的工艺中，通过在热退火期间沿着供体衬底中的界面传播破裂波而将层从供体衬底转移到载体衬底上，该界面预先通过离子注入被弱化。在破裂期间，特别地在SeOI衬底的边缘处产生微米大小的颗粒。
因此，随后有必要使用RCA清洁工艺来清洁SeOI衬底和/或供体衬底的剩余部分。这因此意味着时间和资源的损失。
因此，本发明的目的是通过提供一种工艺来克服上述缺点，该工艺使得可以制造具有预定分离区的供体衬底，以将层从所述供体衬底转移到载体衬底上，从而使得可以降低在使具有转移层的所述载体衬底与所述供体衬底的剩余部分分离的步骤期间产生的颗粒的级别。
本发明的目的借助于用于在供体衬底内部形成预定分离区的工艺来实现，该供体衬底特别地用在将层转移到载体衬底上的工艺中，其特征在于，所述工艺包括离子注入步骤，该离子注入步骤被执行，使得所述供体衬底的边缘区中的注入剂量低于所述供体衬底的中央区中的注入剂量。因此，所述供体衬底的边缘区(其中可能不存在与所述载体衬底的结合)与所述供体衬底的中央区相比不太受到所述注入步骤损坏。
因此，在此区中，不可能有任何由于所述载体衬底的存在而造成的变硬效果，并且较低剂量下的注入减少了热剥离处理期间的气泡和剥离的形成，并且最终减少了颗粒的产生。
根据本发明的一个变型，可以执行所述注入步骤，使得所述注入限于所述供体衬底的中央区。因此，所述离子未被注入到所述衬底的边缘区中，并且此区因此无注入离子，从而进一步减少退火期间的颗粒的产生。
根据本发明的另一变型，所述供体衬底的边缘区可以包括或者可以限于所述供体衬底的边缘上的倒角区。衬底的倒角区对应于衬底的边缘上的、所述边缘已倾斜使得所述边缘的锐角已被破坏的区。衬底的倒角区的宽度通常为0.5至3mm的量级。当将所述供体衬底结合到所述载体衬底时，所述倒角区保持未结合，并且热退火期间的气泡的形成可以因此被限制或者不存在于此区中。
根据本发明的一个变型，所述衬底的边缘区的宽度可以在1mm到5mm之间，特别地，在1mm到2mm之间。因此，所述衬底的边缘区可以被选取为略大于所述倒角区。
根据本发明的一个变型，可以使用所述衬底的边缘区上或上方的掩模来执行离子的注入。根据本发明的一个另选方案，可以通过用离子束扫描衬底来执行离子的注入，使得所述供体衬底的边缘处的区中的注入剂量低于所述供体衬底的中央区中的注入剂量，特别地，使得所述注入限于所述供体衬底的中央区。可以以直接方式执行这两种工艺变型。
根据本发明的一个变型，离子的注入可以包括氢离子(H)的注入或氦离子和氢离子(He-H)的共同注入。
根据本发明的另一变型，所述工艺可以包括第二离子注入步骤，特别地，按比在所述第一注入步骤中低的注入剂量在所述衬底的整个表面上执行第二离子注入步骤。由于所述共同注入的较低浓度，因此可以避免或者至少减少热退火期间的颗粒的产生。
根据本发明的一个变型，所述第一注入步骤可以是氦离子的注入并且所述第二注入步骤可以是氢离子的注入。
根据本发明的一个变型，所述供体衬底的边缘区中的注入剂量可以低于1e16at/cm2，特别地，在0.5e16at/cm2到7e16at/cm2之间。对于所述供体衬底的边缘区中的这种注入剂量，可以避免或者至少减少热退火期间的颗粒的产生。
本发明的目的还借助于用于将薄层转移到载体衬底上的工艺的供体衬底来实现，该供体衬底包括预定分离区，其中，所述供体衬底的边缘区中的注入剂量低于所述供体衬底的中央区中的注入剂量，特别地，所述预定分离区借助于上述工艺来产生。优点是，利用这样的衬底，获得了在所述层转移工艺的分离步骤中产生的颗粒的级别的降低。
本发明的目的还可以借助于将薄层从供体衬底转移到载体衬底上的工艺来实现，该工艺包括以下步骤：a)将上述的供体衬底附接到载体衬底，以及b)在所述预定分离区的部位处执行分离，以使所述供体衬底的剩余部分与转移到所述载体衬底的层分离。利用使用本发明的供体衬底的此工艺，可以在产生较少颗粒的同时转移层。
根据所述工艺的一个变型，步骤b)可以包括热退火。
本发明的目的还可以借助于用于将注入区域限制到供体衬底(特别是如上所述的供体衬底)的边缘区的设备来实现，其特征在于，该设备包括适合于执行注入使得朝向所述供体衬底的边缘区的注入剂量低于所述供体衬底的中央区中的注入剂量的装置。因此，可以控制所述注入区在衬底上的位置，特别地，可以将注入区定界到所述衬底的中央区，以能够减少如上所述的层转移工艺中的颗粒的产生。
根据本发明的一个变型，用于将注入区域限制到供体衬底的中央区的装置可以包括掩模。根据本发明的另一另选方案，所述掩模可以是位于所述供体衬底上或上方的环。根据本发明的一个另选方案，所述掩模可以被配置为在1mm到5mm之间(特别地在1mm到2mm之间)的宽度上掩蔽供体衬底的边缘区。因此，可以以直接方式修改和预先确定衬底中的注入分布，以在同一个衬底中获得具有变化剂量的注入区。
根据一个另选方案，本发明的目的还可以借助于用于将离子注入到供体衬底中的离子注入机来实现，该离子注入机包括如上所述的设备。因此，离子注入机可以提供关于控制注入区在衬底上的位置的较大可能性，特别是将注入区定界到所述衬底的中央区的较大可能性。
可以通过参照以下描述和附图来理解本发明，在附图中附图标记标识本发明的要素。
图1a至图1f示意性地示出了根据本发明的将薄层从供体衬底转移到载体衬底上的工艺的各种步骤。
图2a示出了根据本发明的一个变型的用于在注入步骤中掩蔽衬底的边缘的图。
图2b示出了根据本发明的一个变型的用于在注入期间掩蔽衬底的边缘区的掩模的俯视示意图。
图2c示意性地示出了根据本发明的一个变型的在注入步骤期间用注入离子束扫描的操作。
图3a和图3b示意性地示出了本发明的另一实施方式，其中供体衬底经受两个连续的注入步骤。
图4a和图4b分别示出了供体衬底的俯视图和轮廓图，所述供体衬底包括根据本发明的一个变型制造的预定分离区。图4c示出了根据本发明示例的供体衬底中的注入分布。
通过图1a至图1f来详细地描述根据本发明的将薄层从供体衬底转移到载体衬底上的工艺。该工艺包括以下步骤：在供体衬底中形成预定分离区(图1a至图1c)；将供体衬底附接到载体衬底(图1d)；以及使薄层与供体衬底分离并且将薄层从供体衬底转移到载体衬底上(图1e和图1f)。
图1a示出了具有或没有其它层(诸如表面氧化物)的供体衬底1，例如硅衬底或任何其它半导体衬底。供体衬底1在其主表面3上具有包括倒角部分7的衬底的边缘区5。通常，倒角区的宽度范围从0.5mm到3mm。供体衬底1还包括定界在边缘区5内的中央区9。
图1b示出了具有主表面13的载体衬底11。载体衬底11例如是具有或没有其它层(诸如表面氧化物)的硅衬底或任何其它衬底。像供体衬底1一样，载体衬底11可以在其边界上具有倒角区15。
接下来，诸如图1c所例示的，供体衬底1经受离子或原子核素17的注入的步骤。此注入工艺将核素17引入到供体衬底1中，在供体衬底1相对于轰击表面3的预定深度d处具有最大浓度，以在供体衬底1中形成弱化区19。
离子或原子核素17的注入可以是单一注入，即，单一原子核素的注入，例如氢、氦或任何其它惰性气体的注入。注入还可以是离子或原子核素17的共同注入，即，至少两种不同的核素的注入，例如氦(95keV、2.5e16at/cm2)和氢(65keV、1.5e16at/cm2)的共同注入。
弱化区19形成供体衬底1的层21与剩余部分23之间的边界。弱化区19在下文中还被称为预定分离区。
根据本发明，这样执行注入17：供体衬底1的边缘区5的部位处的注入剂量25低于供体衬底1的中央区9中的注入剂量27，这被示出在图1c的示意放大图中。
根据本发明的一个变型，供体衬底1的边缘区5中的注入离子的剂量小于1e16at/cm2或者甚至无注入离子。
图1d示出了载体衬底11经由其主面13中的一个与供体衬底1的主面3接触以便将两个衬底接合在一起的步骤。通过结合界面29处的分子粘附形成两个衬底1和11之间的结合以形成堆叠31。分别在供体衬底1的倒角区7和载体衬底11的倒角区15的部位处，可以观察到未结合区33。
图1e示出了沿着弱化区19将层21与供体衬底1的剩余部分23分离以便将层21转移到载体衬底11上以便产生半导体衬底35的步骤。
作为示例，可以通过使图1d所例示的多层堆叠31经受热退火来借助于热处理执行分离，在热退火期间，沿着预定分离区19发生从供体衬底1的剩余部分23的自发分离。通常在烘箱中在100℃到700℃之间的温度下(优选地在约500℃下)执行此热分离。作为另选方案，热分离可以伴随机械处理，例如，通过在预定分离区19上使用刀片。
图1f示出了最终的半导体衬底35，其中转移层21位于载体衬底11上。与现有技术的层转移工艺相比较，相对于供体衬底1中的中央区9将更少的离子注入到边缘区5中具有这样的效果：在分离期间，既在半导体衬底35的表面37上也在供体衬底1的剩余部分23的表面上产生更少的颗粒。
具体地，由于在图1d所例示的多层堆叠31中的未结合区29，因此在此区中没有变硬效果，而根据现有技术中已知的工艺将离子大量注入到边缘区5中导致在层转移工艺中的分离步骤的热处理期间形成气泡和剥离。
减少颗粒的产生的效果对于没有表面氧化物的半导体层的转移是特别显著的。
图2a示出了根据本发明的当在图1c所示的注入步骤中使用掩模时掩蔽供体衬底1的边缘区5的操作的一个实施方式。图2b示出了根据本发明的此变型的用于在注入期间掩蔽供体衬底1的边缘区5的掩模。
如上所述的供体衬底1被放置在注入机41中并且经受如上所述的原子或离子核素的注入17。此注入工艺因此按照在预定深度d处具有最大浓度的方式将所注入的核素17引入到供体衬底1中，以在其中产生弱化区19。
掩模43被放置在供体衬底1上以掩蔽边缘区5使其免于注入17，以避免离子注入到此区5中。根据本发明的此变型，掩模43至少掩蔽供体衬底1的倒角区7。特别地，掩模43在宽度I上掩蔽供体衬底1的边缘区5，所述宽度I在1mm到5mm之间，特别地在1mm到2mm之间。
根据本发明的另一变型，掩模43还可以被放置在供体衬底1上方，而不直接接触，但仍然在离子束17的路径中。
图2b示意性地示出了从上方看到的掩模43。以非限制性方式，掩模43呈环形。因此，离子不能到达供体衬底1的边缘区5(如图2a所例示)。具体地，离子在掩模43中停止。
掩模43可以由特氟龙(Teflon)、铝或任何其它适合的材料制成。根据一个变型，掩模43还可以是由供体衬底1上的抗蚀剂、硬氧化物或氮化物制成的牺牲(sacrificial)掩模，该牺牲掩模将在将供体衬底附接到载体衬底的步骤之前被去除。
相对于供体衬底1的半径R，掩模43具有R减去1至5mm的内半径rmin以能够至少覆盖供体衬底1的倒角区7、以及至少R的外半径rmax。
代替使用掩模43，还可以通过在供体衬底1的表面3上方扫描离子束45来使供体衬底1被注入，如通过图2c中的箭头所例示的。离子束45的运动被控制为使得供体衬底1的边缘处的区5被排除在离子注入之外或者包含低于供体衬底1的中央区9的注入剂量。
图3a和图3b例示了本发明的另一实施方式。这里，供体衬底1经受两个连续的注入步骤，使得朝向供体衬底的边缘处的区的注入剂量低于供体衬底的中央区中的注入剂量。将不再详细地描述与以上各图共享附图标记的那些要素或特征，但是将对其进行参照。
图3a示出了使用掩模43将He离子(95keV、2.5e16at/cm2)注入到供体衬底1的中央区9中以在其中产生分离区53的离子注入51。
图3b例示了在不使用掩模的情况下使用H离子的第二离子注入步骤55。氢注入剂量必须低于2e16at/cm2，优选地在0.5e16at/cm2到1.5e16at/cm2之间。因此，所注入的H离子57既存在于中央区9中也存在于供体衬底1的边缘区5中，基本上处于供体衬底1内部与He离子53相同的深度。
图4a和图4b分别示出了如上所述的根据本发明制造的供体衬底的轮廓图和俯视图。图4c示出了根据本发明的供体衬底的各种示例的离子注入分布。将不再详细地描述与以上各图共享附图标记的那些要素或特征，但是将对其进行参照。
供体衬底1(例如硅晶片)包括与供体衬底1的主表面3相距距离d的预定分离区19。供体衬底1的边缘区5包括倒角区7，该倒角区7的宽度通常在0.5mm到3mm之间。
图4a和图4b还示出了从作为原点O的主表面3的中心起的供体衬底1的半径R。图4a和图4b中的标号r1表示从中心O起的距离，在该距离处，从供体衬底1的边缘设置倒角区7的起点。图4a和图4b中的标号r2例示了给供体衬底1的边缘区5划定界限的半径，因此例示了注入剂量相对于供体衬底1的中央区9开始降低的区域。
预定分离区19的定界可以与根据图4c的示例的供体衬底的注入分布相关联。
在图4c中，供体衬底中的注入剂量c被示出在(对数)Y轴上，原点0位于供体衬底1的中心处的径向方向r被示出在X轴上。
示例1
线81表示根据本发明的第一示例的供体衬底1中的注入分布。通过使用如图2d所示的掩模43掩蔽供体衬底1的边缘区5来按注入剂量c1(95keV、2.5e16at/cm2)注入He离子，该边缘区5对应于供体衬底1的倒角区7。
在这种情况下，r1＝r2并且按注入剂量c1注入的供体衬底1的中央区9从中心O延伸直到r1。从距离r1起，考虑到掩模43已从此距离r1起掩蔽了边缘区5，注入剂量快速地变为零。
示例2
根据根据本发明的第二示例，可以这样选取掩模43：供体衬底1的边缘区5(在该边缘区5中He离子的注入剂量低于中央区9的注入剂量)比供体衬底1的倒角区7宽。因此r2<r1。
因此，要用于第二示例的掩模43具有小于r1并且因此小于第一示例的内半径rmin的内半径rmin。图4c用虚线83表示此示例的注入分布。直到r<r2，注入剂量如在第一示例中一样为c1。对于r>r2，注入离子的剂量变为零。
供体衬底1的边缘区5的被掩蔽以免于注入的宽度(即，R-r2)在1mm到5mm之间，特别地在1mm到2mm之间，以至少覆盖倒角区7(如在示例1中一样)，因此，存在于供体衬底1中的预定分离区19无离子注入到此边缘区5中。
考虑到在两个示例中供体衬底1具有无注入离子的区，则可以在如图1a)至图1f)所描述的层转移工艺中观察到颗粒的减少。具体地，在热处理期间在图1d)所示的未结合部分29中未形成剥离气泡，这些剥离气泡可能在分离步骤的热处理期间产生颗粒。
示例3
根据如参照图3a和图3b所描述的本发明的另一示例，在第一注入之后对供体衬底执行第二注入步骤，并且通过图3c中的点划线85示出对应的注入分布。
通过使用掩模43掩蔽衬底的边缘区5来执行第一注入步骤，其对应于示例2，在供体衬底的整个表面3上按氢离子的注入剂量c3执行第二注入步骤，该注入剂量c3低于第一注入步骤中的注入计量。例如，对于氢离子的注入，注入剂量c3低于1e16at/cm2，通常在0.5e16at/cm2到1e16at/cm2之间。在此示例中，在整个预定分离区19中直到衬底的边缘存在注入离子。
考虑到已在供体衬底1的边缘区5(其对应于衬底的倒角区7)中以低剂量执行了第二注入，则也降低了在如图1a)至图1f)所示的层转移工艺中的热分离处理期间形成剥离气泡的风险。
已经描述了本发明的一定数量的实施方式。然而，应领会的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种修改和改进。
Claims (18)
1.一种用于在供体衬底(1)内部形成预定分离区(19)的工艺，该供体衬底(1)特别地将用在将层转移到载体衬底(11)上的工艺中，其特征在于，
所述工艺包括原子和/或离子注入步骤(17)，该原子和/或离子注入步骤(17)被执行，使得所述供体衬底(1)的边缘区(5)中的注入剂量(25)低于所述供体衬底(1)的中央区(9)中的注入剂量(27)。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述注入步骤(17)被执行，使得所述注入(17)限于所述供体衬底(1)的中央区(9)。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中，所述供体衬底(1)的边缘区(5)包括或者限于所述供体衬底(1)的边缘上的倒角区(7)。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的工艺，其中，所述衬底(1)的边缘区(5)的宽度在1mm到5mm之间，特别地，在1mm到2mm之间。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的工艺，其中，所述注入(17)是使用所述供体衬底(1)的边缘区(5)上或上方的掩模(43)来执行的。
6.根据权利要求1至5中的至少一项所述的工艺，其中，所述注入(17)是通过用离子束扫描所述供体衬底来执行的，使得朝向所述供体衬底(1)的边缘区(5)的注入剂量低于所述供体衬底(1)的中央区(9)中的注入剂量，特别地，使得所述注入(17)限于所述供体衬底(1)的中央区(9)。
7.根据权利要求1至6中的至少一项所述的工艺，其特征在于，所述注入(17)包括氦离子(He)的注入或氦离子和氢离子(He-H)的共同注入。
8.根据权利要求1至7中的至少一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺包括第二原子和/或离子注入步骤(17)，特别地，该第二原子和/或离子注入步骤(17)按比在所述第一注入步骤中低的注入剂量在所述供体衬底(1)的整个表面上执行。
9.根据权利要求8所述的工艺，其中，所述第一注入步骤(17)是氦离子的注入并且所述第二注入步骤(17)是氢离子的注入。
10.根据权利要求1至9中的至少一项所述的工艺，其中，所述供体衬底的边缘区(5)中的注入剂量(25)低于1e16at/cm2，特别地，在0.5e16at/cm2到1e16at/cm2之间。
11.一种用于将层转移到载体衬底上的工艺的供体衬底，该供体衬底包括预定分离区(19)，其中，所述供体衬底的边缘区(5)中的注入剂量(25)低于所述供体衬底的中央区(9)中的注入剂量(27)，特别地，所述预定分离区(19)是借助于根据权利要求1至10中的至少一项所述的工艺产生的。
12.一种将供体衬底的层转移到载体衬底上的工艺，该工艺包括以下步骤：
a)将根据权利要求11所述的供体衬底(1)附接到载体衬底(11)；
b)在所述预定分离区(19)的部位处执行分离操作，以使所述供体衬底的剩余部分(23)与转移到所述载体衬底(11)的层(21)分离。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中，步骤b)包括热退火。
14.一种用于将注入区域限制到供体衬底(1)的边缘区(5)的设备，特别是，将注入区域限制到根据权利要求11所述的供体衬底的边缘区(5)的设备，其特征在于，该设备包括适合于执行注入(17)使得朝向所述供体衬底(1)的边缘区(5)的注入剂量(25)低于所述供体衬底(1)的中央区(9)中的注入剂量(27)的装置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，用于将所述注入区域限制到所述供体衬底(1)的中央区(9)的所述装置可以包括掩模(43)。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述掩模(43)是位于所述供体衬底(1)上或上方的环。
17.根据权利要求14至16中的至少一项所述的设备，其特征在于，所述掩模(43)被配置为在1mm到5mm之间的宽度上掩蔽供体衬底(1)的边缘区(5)，特别地，在1mm到2mm之间的宽度上掩蔽供体衬底(1)的边缘区(5)。
18.一种用于将离子注入到供体衬底(1)中的离子注入机，该离子注入机包括根据权利要求14至17中的至少一项所述的设备。
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