CN117438293B - 一种注入剥离方法以及其中氢离子注入的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种注入剥离方法以及其中氢离子注入的方法，所述氢离子注入的方法包括：注入氢离子，所述氢离子包括质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团。所述注入剥离方法包括：（1）在施给衬底的下部进行所述注入氢离子，形成氢离子聚集区；（2）将所述施给衬底与受主衬底进行键合，得到键合组合体；（3）步骤（2）所述键合组合体经退火，实现注入剥离。本发明能够缩短氢离子注入的时间、减少氢离子注入时源气以及其他耗材的消耗，从而达到提高作业效率并降低制造成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及注入剥离技术领域，尤其涉及一种注入剥离方法以及其中氢离子注入的方法。
背景技术
注入剥离技术中一般将氢离子、氦离子或氢离子与氦离子联合注入薄膜供体材料，然后将薄膜供体材料注入面与支撑片键合后，通过低温退火处理使注入的离子聚集形成发泡层，通过发泡层气泡的压力使薄膜供体材料从发泡层处裂开，以达到薄膜转移的目的，这种技术的优势在于可以得到质量较高且膜厚更薄的薄膜材料，在后续制作半导体器件时产生更好的电性参数，同时还可以将薄膜供体材料进行加工处理后重复使用，以降低成本。
注入剥离技术中需要注入的离子剂量通常比较大（5E16~1E17），即便使用大束流离子注入机也需要数个小时才能完成足够剂量的离子注入，而离子注入时，晶圆的温度上升与注入能量（影响离子注入深度）和束流（影响离子注入效率）强相关，在离子注入机晶圆冷却能力一定的情况下，为了使晶圆在离子注入时尽可能保持在较低的温度，避免晶圆在离子注入时便已经发泡甚至直接碎片，离子注入过程中的束流不能无限制增大，这就导致离子注入的效率无法得到有效提升。
氢离子与氦离子联合注入的方式一定程度上可以有效降低离子注入总剂量，但是由于氢离子与氦离子的产生需要不同种类的源气，所以在注入时需要切换源气或者多台离子注入机配合注入来实现，而相对于同种源气不同注入条件的切换，异种源气注入条件的切换需要离子注入机花费更长的时间来完成，所以在量产线中，这种注入方式虽然降低了注入总剂量，但是注入效率并没有明显提高。
一般的，由于氢气的原子量小，氢离子的产生需要提供氢气的同时，还需要通入一定比例的氩气，使氢离子更容易产生，这就需要离子注入机有两个管路同时给产生离子的装置供气；由于注入机设计的局限性，大部分离子注入机无法做到同时使用两个管路供气，甚至缺少氢离子注入条件调试功能。
因此，需要开发新的氢离子注入方法来解决现有注入效率低的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种注入剥离方法以及其中氢离子注入的方法，通过注入质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团，显著提高了氢离子的注入效率，且能够同时保障裂片后得到的薄膜材料面内膜厚的均匀性和极差在可控范围内。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种注入剥离中氢离子注入的方法，所述方法包括：注入氢离子，所述氢离子包括质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团。
在注入剥离工艺中，单独使用携带2个氢原子的氢离子团进行离子注入，只需要注入质量为1的氢离子注入剂量的一半即可达到使晶圆裂开的目的，相对于使用质量数为1的氢离子注入工艺，注入时间以及源气等耗材的消耗可以减小一半。具体如下：以注入氢原子总剂量为6E16为例，所用离子注入机对1H+和2H+两种带电粒子进行束流调试，最大均可调至1mA左右，其中单独使用1H+进行注入时所需时间为6h，其中单独使用2H+进行注入时所需时间为3h；如果将两种带电粒子注入的氢原子数量按照1：1的比例进行注入，即注入1.5E16的2H+，注入3E16的1H+，所需总时间为4.5h，相比单独使用1H+进行注入节省1.5h。这个时间的节省在量产化过程中将大大缩短生产总时长，即工作效率提升达25%。
但是根据实际验证，单独使用携带2个氢原子的氢离子团进行离子注入，裂片后得到的薄膜材料面内膜厚的均匀性和极差都相对较差一些。因此本发明选择混合通入质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团，同时兼顾氢离子注入效率和薄膜材料膜厚的均匀性。
优选地，所述第二氢离子团占所述氢离子质量的20~80wt%，例如可以是20wt%、21wt%、22wt%、23wt%、25wt%、30wt%、35wt%、40wt%、45wt%、50wt%、55wt%、60wt%、65wt%、70wt%、75wt%或80wt%等。
如前所述，由于单独使用携带2个氢原子的氢离子团进行离子注入，裂片后得到的薄膜材料面内膜厚的均匀性将较差且极差将会较高，为了兼顾效率和产品质量，本发明将第二氢离子团占所述氢离子的质量控制在20~80wt%。
优选地，所述注入氢离子的顺序为：先注入质量数为2的第二氢离子团，再注入质量数为1的第一氢离子。
值得说明的是，离子注入至施给衬底时，从注入面至一定深度之间，注入的离子浓度分布呈高斯分布的形式，浓度最高处为氢离子聚集区，受注入衬底材料晶体结构影响，离子注入至施给衬底时会不同程度受到隧穿效应的影响，导致注入的氢离子不够集中，并且氢离子直径越小隧穿效应越明显，因此，为了使注入后氢原子在施给衬底中的分布更加集中，我们选择2H+先注入，1H+后注入的方式。当氢离子分布更加集中时，达到剥离所需的氢离子的总剂量将降低，即本发明通过优选选择先通入第二氢离子团，再通入第一氢离子，能够降低所需氢离子的总剂量，这一定程度上也缩短了氢离子注入的时长。
为了使1H+和2H+在施给衬底中的注入深度相同，需要以不同的注入能量对1H+和2H+进行注入，对应的实际注入所需的能量可以通过仿真软件进行仿真、通过SIMS测试或其他测试手段测量的方式进行确定。
优选地，所述第二氢离子团的注入能量大于所述第一氢离子的注入能量。
由于第二氢离子团的质量和直径大于第一氢离子，电场对带电离子进行加速使带电离子产生速度，带电离子注入衬底的射程取决于带电离子的动能、直径和衬底的密度，其中带电离子的动能取决于带电离子所带电荷、电场强度以及带电离子的质量，1H+与2H+均带1个单位正电荷，质量数分别为1和2，电场由高压产生，如：携带1个单位正电荷的离子经过100KV电压的加速，其能量为100KeV，因此第二氢离子团的注入能量大于所述第一氢离子的注入能量，这样才能使二者达到相同的深度。
所述第二氢离子团的注入能量与所述第一氢离子的注入能量的比例关系为1.8~2.2:1，例如可以是1.8:1、1.82:1、1.83:1、1.85:1、1.90:1、1.92:1、1.95:1或2.0:1等。
优选地，所述第二氢离子团的注入能量不低于50KeV，例如可以是50KeV、80KeV、100KeV或150KeV等。
所述第一氢离子的注入能量不低于30KeV，例如可以是30KeV、40KeV、50KeV、60KeV、70KeV、80KeV、100KeV、120KeV或150KeV等。
优选地，所述质量数为1的氢离子和质量数为2的氢离子团的气源为磷烷。
磷烷由于其分子中存在氢原子，所以也可以作为氢离子注入的源气使用，相对于使用氢气，使用磷烷作为源气产生氢离子并不需要通入其他气体进行混合，而且使用磷烷不仅可以产生质量数为1的氢离子，还可以产生与质量数为1的氢离子数量相当的质量数为2的氢离子团，这种氢离子团携带2个氢原子，即采用磷烷可以同时产生第一氢离子和第二氢离子团。
其技术原理为：1H+和2H+由磷烷产生，磷烷通过特气管路通入离子注入机的离子源弧室中，离子源弧室中的灯丝或阴极（阴极通过灯丝加热）加热后会发射电子，发射出的电子与通入的磷烷分子发生碰撞，将磷烷分子中原子间的共价键打断，由于这种碰撞是无序的，且碰撞产生的离子获得动能后也会参与碰撞，所以这个过程中会将磷烷从气体分子电离成为不同的带正电荷的离子或离子团。
离子源弧室通过电离产生上述带电粒子后，通过施加高压形成电场将带正电粒子从弧室中引出并产生一定的初速度形成带电离子束，由于不同粒子的质量数不同，所以通过电场加速后的动能即速度也不相同；带电粒子产生初速度后会经过偏转磁场，由于洛伦兹力的影响，磁场强度一定的情况下，不同速度和电荷的带电粒子在该磁场中的偏转半径不同，同时由于粒子束通道尺寸固定不变，因此通过控制磁场强度，即可使目标带电粒子通过束道，而其他带电粒子由于质量或电荷差异打在束道侧壁上，达到带电粒子筛选的目的。
带电粒子筛选完成后再通过对其施加电场进行加速或减速，使其达到目标能量后注入至靶晶圆。
一个磷烷（PH3）分子中含有3个氢原子和一个磷原子，通过质谱分析，磷烷电离后产生的带正电荷的粒子主要有：带1个正电荷质量数为1的氢离子（1H+）、带1个正电荷质量数为2的氢离子团（2H+）、带1个正电荷质量数为31的磷离子（31P+）、带2个正电荷质量数为31的磷离子（31P++）、带3个正电荷质量数为31的磷离子（31P+++）；其中1H+和2H+的数量基本一致，即会同时产生数量相当的两种粒子，相当于注入相同剂量的1H+和2H+，消耗是一样的，但是氢原子的数量却增加了一倍，大大节约了气源。
优选地，所述氢离子的总剂量≥5E16个，例如可以是5E16、6E16、7E16、8E16、9E16或1E17等。
值得说明的是，1个1H+只有1个氢原子，1个2H+包含2个氢原子；例如分别注入剂量为2E16的1H+和2H+，相当于注入了6E16的氢原子至施给衬底，将6E16看作是注入至施给衬底的氢原子的总剂量。
第二方面，本发明提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法包括第一方面所述的注入剥离中氢离子注入的方法。
本发明第二方面提供的注入剥离方法由于含有第一方面的氢离子注入的方法，其所需要的注入时间短，后续退火所需的温度低，时间短，良好地解决了现有增大束流强度来提高氢离子注入效率导致的晶圆碎片或直接产生废品的同时，能够制得膜厚均匀性合格的产品且同时生产效率显著提高。
优选地，所述注入剥离方法包括：
（1）在施给衬底的下部进行所述注入氢离子，形成氢离子聚集区；
（2）将所述施给衬底与受主衬底进行键合，得到键合组合体；
（3）步骤（2）所述键合组合体经退火，实现注入剥离。
优选地，所述施给衬底可以整体为一种材料，施给衬底即为薄膜供体材料。
优选地，所述施给衬底的材质可以是硅、碳化硅、钽酸锂或铌酸锂中的任意一种或至少两种的组合。所述施给衬底的材质包括但不限于上述半导体材料，也可以是其他可以使用注入剥离技术进行薄膜转移的材料。
优选地，所述施给衬底可以同时包含支撑衬底和薄膜供体材料，施给衬底的注入面为薄膜供体材料的自由面。
优选地，所述支撑衬底的材质包括但不限于硅、碳化硅、石英或蓝宝石中的任意一种或至少两种的组合等。
优选地，所述受主衬底的材料可以是单一材质的硅、碳化硅、石英或蓝宝石等材料中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述受主衬底的材料可以是复合衬底结构，所述复合衬底结构包括支撑衬底和膜层，所述支撑衬底包括硅、碳化硅、石英或蓝宝石等材料中的任意一种或至少两种的组合，所述膜层包含氧化硅、氮化硅或多晶硅等中的任意一种或至少两种的组合。
本发明对键合没有限制，可采用本领域技术人员熟知的任何可用于键合的步骤、流程或参数。
优选地，步骤（3）中所述退火的温度为150~250℃，例如可以是150℃、155℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃或250℃等；所述退火的时间为0.1~0.5h，例如可以是0.1h、0.12h、0.13h、0.15h、0.2h、0.25h、0.3h、0.35h、0.4h、0.45h或0.5h等。
本发明中退火的温度相较于原来的200~300℃的退火温度较低，且退火时间相较于原来的0.2~2h的退火时间较短。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
（1）本发明提供的注入剥离中氢离子注入的方法混合注入质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团，提高了氢离子注入的效率，且能保障膜厚均匀性控制在5.8nm以内；
（2）本发明提供的注入剥离中氢离子注入的方法优选以磷烷作为产生1H+和2H+的源气，相较于使用氢气混合氩气作为产生1H+的方法，使用磷烷更容易产生1H+的同时可以产生数量与1H+数量相当的2H+，并且只需使用注入机中1条源气管路和1个MFC（气体质量流量计）对源气流量进行控制；
（3）本发明提供的注入剥离方法在键合后的退火处理过程中，更容易形成气泡，可以用更低的热处理温度和更少的热处理时间完成裂片。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的离子注入示意图。
图2是本发明实施例3提供的离子注入示意图。
图中：10-施给衬底；11-注入面；12-氢离子聚集区；20-受主衬底；30-薄膜供体材料；40-第一支撑衬底；50-膜层；60-第二支撑衬底。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法包括：
（1）如图1所示，在施给衬底10（以钽酸锂为例）的下部的注入面11进行注入氢离子，形成氢离子聚集区12；
所述注入氢离子包括：以磷烷为气源，先用1.5h注入1.5E16个质量数为2的第二氢离子团，再用2h注入2E16个质量数为1的第一氢离子；所述第二氢离子团的注入能量范围为100KeV，所述第一氢离子的注入能量范围为50KeV；
（2）将所述施给衬底与受主衬底20（蓝宝石）进行键合，得到键合组合体；
（3）步骤（2）所述键合组合体经250℃退火6min，实现注入剥离。
实施例2
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法包括：
（1）在施给衬底（以铌酸锂为例）的下部进行所述注入氢离子，形成氢离子聚集区；
所述注入氢离子包括：以磷烷为气源，先用2h注入2E16个质量数为2的第二氢离子团，再用3h注入3E16个质量数为1的第一氢离子；所述第二氢离子团的注入能量范围为80KeV，所述第一氢离子的注入能量范围为45KeV；
（2）将所述施给衬底与受主衬底（碳化硅）进行键合，得到键合组合体；
（3）步骤（2）所述键合组合体经200℃退火10min，实现注入剥离。
实施例3
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法包括：
（1）如图2所示，在施给衬底20的下部的注入面11进行所述注入氢离子，形成氢离子聚集区12；
所述施给衬底包括第一支撑衬底40和薄膜供体材料30，所述第一支撑衬底40的材质为蓝宝石，所述薄膜供体材料30为铌酸锂；
所述注入氢离子包括：以磷烷为气源，先用2h注入2E16个质量数为2的第二氢离子团，再用2h注入2E16个质量数为1的第一氢离子；所述第二氢离子团的注入能量范围为60KeV，所述第一氢离子的注入能量范围为30KeV；
（2）将所述施给衬底10与受主衬底20（所述受主衬底20包括第二支撑衬底60和膜层50，所述第二支撑衬底60为石英，所述膜层50为氮化硅）进行键合，得到键合组合体；
（3）步骤（2）所述键合组合体经150℃退火30min，实现注入剥离。
实施例4
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除先用2.3h注入2.3E16个质量数为2的第二氢离子团，再用0.4h注入0.4E16个质量数为1的第一氢离子外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例5
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除先用0.25h注入0.25E16个质量数为2的第二氢离子团，再用4.5h注入4.5E16个质量数为1的第一氢离子外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例6
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除第二氢离子团的注入能量范围和第一氢离子的注入能量对换外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例7
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除气源为磷烷替换为砷烷外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例8
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除先用2h注入2E16个质量数为1的第一氢离子，再用1.5h注入1.5E16个质量数为2的第二氢离子团外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例9
本实施例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除先用2.5h注入2.5E16个质量数为1的第一氢离子，再用1.5h注入1.5E16个质量数为2的第二氢离子团外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例1
本对比例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除气源为磷烷替换为氢气，且仅用5h注入5E16个质量数为1的氢离子外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例2
本对比例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除气源为磷烷替换为氢气，且仅用5.5h注入5.5E16个质量数为1的氢离子外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例3
本对比例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除退火的温度提高50℃外，其余均与对比例1相同，在此不再赘述。
对比例4
本对比例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除退火的温度提高50℃外，其余均与对比例2相同，在此不再赘述。
对比例5
本对比例提供一种注入剥离方法，所述注入剥离方法除以磷烷为气源，用2.5h注入2.5E16个质量数为2的第二氢离子团，不注入质量数为1的第一氢离子，并保持氢离子的总剂量不变外，其余均与实施例1相同，在此不再赘述。
测试方法：采用膜厚测试仪测试膜厚的均匀性，以厚度的极差表示，并统计总耗时，以及是否能够实现剥离。
以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。
表1
从表1可以看出如下几点：
（1）综合实施例1~3可以看出，本发明提供的注入剥离中氢离子注入的方法，能够缩短氢离子注入的时间、减少氢离子注入时源气以及其他耗材的消耗，而且后续能够实现较好地剥离；
（2）综合实施例1和实施例4~5可以看出，不同离子团的注入时长的配置将影响总耗时和膜厚的均匀性，本发明通过选择特定注入时长的第一氢离子和第二氢离子团进行复配，能够保障膜厚的均匀性的同时缩短总耗时，提高注入效率；
（3）综合实施例1和实施例6可以看出，当二者的注入能量对换后将导致第一氢离子和第二氢离子团的注入深度不一致，注入区分层最终导致不能剥离；
（4）综合实施例1和实施例7可以看出，实施例1中采用磷烷制作氢离子，相较于实施例7中采用砷烷而言，实施例1中得到的膜厚更均匀；
（5）综合实施例1和实施例8~9可以看出，先注入第一氢离子，需要更长的注入时长才能实现膜层的剥离；如果先注入第一氢离子，在相同注入时长下，实施例8中表现出来较难剥离的情况。（6）综合实施例1和对比例1~4可以看出，氢离子的注入顺序和注入量以及退火的温度相组合才能更好地实现膜层的剥离，本发明通过注入第二氢离子团再注入第一氢离子，不仅缩短了注入时间，而且在相同注入量的情况下，退火的温度更低。
（7）综合实施例1和对比例5可以看出，对比例5中仅采用第二氢离子团进行注入，导致膜厚的均匀性极低，极差达到12nm，由此表明，本发明选择第一氢离子和第二氢离子团组合注入，能够兼顾注入效率和膜厚的均匀性。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种注入剥离中氢离子注入的方法，其特征在于，所述方法包括：注入氢离子，所述氢离子包括质量数为1的第一氢离子和质量数为2的第二氢离子团；
所述第二氢离子团占所述氢离子质量的20~80wt%；
所述注入氢离子的顺序为：先注入质量数为2的第二氢离子团，再注入质量数为1的第一氢离子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二氢离子团的注入能量大于所述第一氢离子的注入能量；
所述第二氢离子团的注入能量与所述第一氢离子的注入能量的比例关系为1.8~2.2:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二氢离子团的注入能量不低于50KeV；
所述第一氢离子的注入能量不低于30KeV。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量数为1的氢离子和质量数为2的氢离子团的气源为磷烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢离子的总剂量≥5E16个。
6.一种注入剥离方法，其特征在于，所述注入剥离方法包括权利要求1~5任一项中所述的注入剥离中氢离子注入的方法。
7.根据权利要求6所述的注入剥离方法，其特征在于，所述注入剥离方法包括：
（1）在施给衬底的下部进行所述注入氢离子，形成氢离子聚集区；
（2）将所述施给衬底与受主衬底进行键合，得到键合组合体；
（3）步骤（2）所述键合组合体经退火，实现注入剥离。
8.根据权利要求7所述的注入剥离方法，其特征在于，步骤（3）中所述退火的温度为150~250℃；所述退火的时间为0.1~0.5h。
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