CN1225501A - 热处理设备、热处理工艺及半导体工件的制造工艺 - Google Patents

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Abstract

提供一种新的热处理设备,该设备包括第一筒,位于其内的第2筒,以及加热器,并且在环境气体中在第2筒内对半导体工件热处理,其中至少第2筒的内工作面是由非氧化硅构成,并且第1筒是由琉态硅石构成。由此,氢气送入到晶片而不需要从被加热到高温的氧化硅构成的工作面上通过。该设备防止熔化石英筒作为污染源的对晶片的金属污染,还防止氧化硅和硅的反应造成的硅腐蚀。

Description

热处理设备、热处理工艺及 半导体工件的制造工艺
本发明涉及在集成电路的半导体器件的制造中对半导体工件进行作热处理的热处理设备和热处理方法；本发明还涉及半导体工件的制造工艺。
在半导体器件的制造中，热处理设备用于氧化膜的形成、或作为施主或受主的杂质扩散工艺，以及在含氢还原气氛中对半导体工件如体Si晶片的退火工艺中。
图9示出现有技术中热处理设备的第1个例子。该热处理设备具有内筒1和外筒2。含氢还原气体GH从入口5引进，经出口6排放。含氧气体GO通过入口7引进内筒1和外筒2之间的空间，从出口8排放，防止铜(Cu)从外部渗入内筒1。标号W表示Si晶片。标号4表示舟皿。这样的设备在日本专利特开平5-152309中已公开。
图10示出现有技术中热处理设备的第2个例子。该热处理设备包括：用碳化硅(SiC)制成的内筒1、加热器3、和其间由用氢氧混合气体火焰熔化方法制造并含200ppm的OH根(groups)的熔化石英制作的开放式外筒2。该外管避免金属杂质扩散。这样的设备在日本专利特开平7-193074中已公开。
图11示出现有技术中热处理设备的第3个例子。该热处理设备包括：用碳化硅(SiC)制成的内筒1，和用熔化石英制成的外筒2。通过入口管7含氧净化气体被引进内筒1和外筒2之间的空间，并且经出口管8被排放。冷却气体经入口管10引进，经出口管11被排放。标号9表示用作热屏障的工作台。这样的设备在日本专利特开平8-31761中已公开。
图12示出现有技术热处理设备的第4个例子。该热处理设备包括：内筒1和外筒2，皆用熔化石英制成，外筒2和加热器3之间的均热筒20。含氧气体从底部气体进口管12引进，达到内筒1和外筒2之间的空间，再通过多个气体进入孔5引进内筒1的内侧，并从出口管6排放。标号13表示绝热材料。这样的设备在日本专利特开平7-161655中已公开。
图13示出现有技术中热处理设备的第5个例子。该热处理设备包括：用碳化硅(SiC)制成的内筒1，和用熔化石英制成的外筒2。诸如氧化性气体之类的处理气体被从位于底部的入口5引进内筒1，再经交换孔13引进内筒1和外筒2之间的空间，并从出口6排放。这样的设备在日本专利特开平7-302767中已公开。
但是，现有技术设备存在污染、处理气体泄漏、反应筒变形、反应筒破裂等没有解决的问题。
另一方面，本发明者们发现，在含氢还原气氛的热处理中，半导体工件受到不希望的腐蚀。
本发明目的在于提供热处理设备、热处理方法、和半导体工件的制造工艺，其中减少了由反应筒的金属引起的金属污染。
本发明的另一个目的在于提供热处理设备、热处理方法、和半导体工件的制造工艺，其中避免因反应筒变形引起的气体泄漏。
本发明的再一个目的在于提供热处理设备、热处理方法、和半导体工件的制造工艺，其中避免不希望的腐蚀。
根据本发明的一个方案，提供一种热处理设备，其包括：第1筒；位于其内的第2筒和加热器；其中第1筒被紧紧地封闭，用具有冲击强度高于第2筒的琉态硅石(vitreous silica)制成；第2筒至少具有由非氧化硅组成的内表面，并构成气体流程，将气体引进第2筒内的处理空间，而无须经过由加热器加热到高温的氧化硅组成的表面。
根据本发明的又一个方案，提供一种热处理设备，其包括：第1筒；位于其内的第2筒；和加热器；其中在加热器底部设置把气体引进第2筒的气体入口，在第2筒顶部设置使第1筒与第2筒连通的孔，在第1筒底部设置出口，以通过第1筒内侧排放气体，第1筒用熔化石英构成并可封闭，第2筒具有非氧化硅表面并可封闭，在高于位于第2筒内的热隔离物的水平面上设置加热器。
根据本发明的又一个方案，提供一种热处理工艺，用上面提出的热处理设备对半导体工件进行热处理。
根据本发明的又一个方案，提供一种制造半导体工件的工艺，该工艺包括：粘接第1基片和第2基片，从第2衬底中除去第1衬底的不需要部分，并且，用上面提出的上述处理设备在含氢还原气氛中对第2衬底上的硅体(silicon body)进行热处理。
图1是本发明热处理设备实施例的剖视图；
图2是热处理设备的剖视图；
图3是本发明第2实施例的热处理设备剖视图；
图4是本发明第3实施例的热处理设备剖视图；
图5是本发明第4实施例的热处理设备剖视图；
图6是本发明第5实施例的热处理设备剖视图；
图7是根据本发明的半导体工件制造工艺的流程图；
图8A、8B、8C、8D、8E、8F是示意性表示根据本发明的半导体工件制造工艺实施例的图；
图9是传统热处理设备第1个例子的剖视图；
图10是传统热处理设备第2个例子的剖视图；
图11是传统热处理设备第3个例子的剖视图；
图12是传统热处理设备第4个例子的剖视图；
图13是传统热处理设备第5个例子的剖视图；
图1示出本发明热处理设备的实施例。该热处理设备具有：内筒(第2筒)31、炉筒(第1筒)32、和含氢气体引进管33。内筒31至少具有由非氧化硅(即氧化硅之外的物质)例如碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铝等组成的内侧壁。炉筒32由抗冲击的琉态硅石如熔化石英制成。气体引进管33具有由类似于内筒31的非氧化硅组成的内表面。以水平面51为顶端，水平面52为底端放置加热器3，以加热区域50，达到规定温度。
含氢气体被从入口5引进设备，从排气口34排放到处理区域(处理空间)54，并且经在设备底部的出口6被排放到外部。即使从加热器3或炉筒32发出金属杂质，也能由具有非氧化硅侧壁的内筒31阻挡杂质，使之不接触半导体工件W。气体引进管33还有非氧化硅的内侧壁，避免金属杂质发散到气体引进管内的含氢气体中。金属杂质可渗透到区域53，但从出口6能将其排出。
用熔化石英制成的炉筒32具有高于内筒31的冲击强度，变形较少，并难于产生断裂。冲击强度可以是热冲击强度和/或机械冲击强度。处理区域54由用绝热熔化石英制成的内筒31围住。
含氢气体被引进处理空间54，而不通过被加热器3加热到高温的氧化硅表面(例如区域53)。
标号22表示内筒31的底板，标号24和25表示密封件，比如O形圈，标号27表示内筒31的出口，标号26表示炉盖。
在含氢气氛(氢退火)半导体工件的热处理工艺中，本发明的发明人发现有腐蚀存在。下面描述这种腐蚀。
比如在日本专利申请公开5-218053和5-217821以及N.Sato和T.Yonehara:App.Phys.Lett.65(1994)p.1924中示出了氢退火的细节。
首先，发明人在氢气氛中用图2示出的设备对SOI(在绝缘体上的半导体)衬底做了退火。
在图2，用耐热性高和可加工性好的熔化石英制成炉筒32。在炉筒32内，设置有待热处理的SOI晶片W、固定晶片W的舟皿4、和支撑舟皿4的热隔离物9。舟皿4由耐热材料例如在材料表面具有用CVD(化学汽相淀积)形成的非常纯净的SiC覆盖层的碳化硅制成。热隔离层9用比如泡沫石英绝热材料作成。炉盖26用O形圈25密封炉筒32的开口使之不漏气，并且可在箭头A所示的方向由舟皿提升机构(图中未示)移动。加热器3通过电流加热晶片W。
在该设备中，处理气体从气体入口5经气体引进管33到达炉筒32的顶部和内部。引进的气体在炉筒32内部向下流动，并经出口6排放。气体入口5、气体引进管33和出口6通常用熔化石英制成。使炉盖26向下到达舟皿4被取出熔炉32的位置，然后，将晶片W放置在舟皿4上。放置晶片之后，使炉盖提升把舟皿4插入炉筒32，并且关闭炉筒口，用如图2所示的O形圈25作气密封。这样可安全地使用氢气。
通过气体入口5引进作为处理气体的氢气，替换炉筒32中内部空气，以获得含氢还原性气氛，并且给加热器3的加热电阻器提供电流，把舟皿4上的晶片W加热到规定温度(如1200℃)，这样实施氢退火。在规定时间(如1小时)后，停止加热电阻器的电流，利用热幅射使晶片冷却到规定温度，同时从气体入口5引进不活泼气体如氮气替换炉筒32内的氢气。然后炉盖26下降，从炉筒32取出舟皿4上的晶片W。用这样的方法，在含氢还原性气体的气氛中，对SOI衬底作热处理，使衬底上的半导体主体(semicoductorbody)表面平整光滑。
在退火中，发现在SOI衬底上的Si主体的厚度减少。这是下述反应所致。在氢退火期间，氢气和熔化石英反应产生水：
当形成的水接触晶片W时，与晶片W的硅反应产生硅腐蚀，
在SOI衬底的处理中，该腐蚀减少在绝缘体上的单晶硅层(SOI层)厚度，并且同时发生层厚度的变化。SOI层厚度的变化降低形成的电子器件的性能，尤其是完全耗尽型FET(场效应晶体管)的性能。
为了避免硅的腐蚀，用在温度高于900℃时不与氢气反应的碳化硅替代用于炉筒32的熔化石英是有效的。然而，碳化硅不耐机械冲击和/或热冲击，而且，碳化硅炉筒会发生断裂。因此，要研究气体引进路径的构成、材料以及加热器。
用于构成炉筒32的熔化石英含有金属杂质(如铁)，其含量范围约从10ppm到100ppm。在1000℃或更高温度的氢退火中，该杂质被从熔化石英中释放到氢气中，并淀积在晶片W的表面上，使之受到污染。该金属污染物会减少晶片W的少数载流子的持续时间，并会降低在晶片W上提供的电子器件的性能。
在避免金属污染物的一种可能的方法中，用碳化硅石替代用于炉筒32的熔化石英，所述碳化硅在表面上有用CVD形成的非常纯净的碳化硅覆盖层。然而，抗机械冲击和/或热冲击脆弱的碳化硅会发生断裂而导致氢气泄漏。
在另一种方法中，用以直接方法形成的人造熔化硅石代用于炉筒32的熔化石英。与用天然矿物资源制造的熔化石英相反，人造熔化硅石由SiCl4通过利用氢氧混合气火焰水解直接淀积玻璃状物化学地合成，且有含量为1ppm或更少的极低含量的金属杂质。然而，用直接方法合成的人造熔化硅石其耐热性比熔化石英差。因此，用人造熔化硅石制成的炉筒32在高温会因变形引起气体泄漏。
如上所述，图2示出的热处理设备具有在氢退火中晶片W被金属污染的缺点。并且，图2的设备和方法的缺点还在于由于氢气和熔化硅石反应形成的水气对硅产生腐蚀。
同样，在图9所示的例子中，因缺少非氧化硅内衬而产生腐蚀。在图10所示的例子中，由于用SiC单筒封闭处理空间，所以容易发生气体泄漏。在图11所示的例子中，由于琉态硅石(vitreous silica)制成的工作台9顶部被加热器3加热，所以从工作台9产生水分。在图12所示的例子中，氢退火时同样发生腐蚀。在图13所示的例子中，也是在由琉态硅石构成的工作台9顶部形成水，并且气体吸收水气并供给晶片W从而在氢退火中引起腐蚀。
本发明解决传统设备中涉及的问题。
(实施例1)
参照附图1描述第1实施例。
在该例中，在一个主体上用熔化石英制成炉筒32、气体入口5、出口6。用碳化硅制成支撑晶片W的舟皿4，并且，在其上用CVD形成非常纯净的SiC覆盖层。用绝热泡沫硅石(多孔氧化硅)制成热隔离物9，并且不加热到1000℃和更高的温度。
可被称为第2炉筒或内衬的内筒31是一个圆柱件，具有开口顶端和开口底端，并具有与在底部出口6相通的孔27。内筒31用碳化硅材料制成，且其内侧表面覆盖有CVD形成的SiC覆盖层。内筒底板22支撑内筒31，且当内筒上升或下降时可通过内筒升降机(图中未示)沿箭头B(垂直方向)所示方向移动。O型圈24确保炉盖26和内筒底板22之间的气密封。O型圈25确保内筒底板22和炉筒32之间的气密封。管子28从内筒31引进气体，并使气体流经孔27到出口6。
在这种构造中，在某温度例如1000℃或更高下对晶片W作氢退火处理。在氢退火中，氢气通过气体入口5和气体引进管33被引进炉筒32。引进气体的一部分经过内筒31的内部，并经管子28和出口6被排放到外部，引进氢气的其余部分经过炉筒32和内筒31之间的空间(区域53)从出口6排放。
因此，内筒31用来保护晶片W不受从炉筒32内壁的熔化石英释放的金属杂质损害，以及免受通过炉筒32内壁的熔化石英和氢气之间反应产生的水汽的影响，其效果在于避免晶片W的金属污染物和由此产生的硅腐蚀。
在本实施例中，即便内筒31破裂或损坏，利用包围内筒31的炉筒32，也能避免高温氢气泄漏到外部。因此，可用如SiC之类的耐冲击和耐高温较差的材料制成内筒31，不会出现问题。
本实施例具有用炉筒32和内筒31组成的双筒结构。此外，可提供套筒(外衬)作为在炉筒32外部的第3筒，用于阻断由炉筒32外部的加热器3形成的金属杂质。套筒最好用有效阻断金属杂质和较少发射来自套筒本身杂质的材料。材料的一种例子是具有用CVD在其上形成的SiC覆盖层的碳化硅。
在本发明中，具有通过CVD产生的SiC覆盖的碳化硅适合用作位于高温区域50的内筒31和气体引进管33的材料。然而，并不限于该材料。任何这样的非氧化硅材料，即高纯净度、高耐热和不在环境气体中发射金属，都是可用的。可用的非氧化硅材料(非SiO)包括陶瓷，例如，氮化硼(BN)、氮化硅(SiN)和氧化铝(Al2O3)以及硅。这样的结构材料不把腐蚀半导体材料表面的腐蚀物质发射到处理气体中，或不通过与处理气体反应而产生腐蚀物质。
上述“腐蚀半导体材料表面的物质”通过其本身或与环境气体协同和半导体材料反应腐蚀半导体材料。上述“结构材料”本身不自动发出前述腐蚀物质，更不通过与环境气体反应形成腐蚀物质。该结构材料包括：用通过CVD产生的SiC膜覆盖的碳化硅材料，和其他具有高纯度和对环境气体化学活性低以及不与环境气体反应产生水汽的材料。
内筒31使晶片W与如石英材料与炉筒32内的氢反应形成的水汽之类的腐蚀物质分隔，并且其本身不发出或只是发出少量的腐蚀物质。因此，内筒31有效地起到减少不希望的硅腐蚀。
利用由光透射率高的琉态硅石制成的炉筒32，把加热器3发出的红外光有效地传输到晶片W，对其进行加热。
在图1中，用SiC制造内筒31的主体和气体引进管33。然而，它们可用至少在高温区域50的内筒31内壁上和在高温区域50的气体引进管33的内侧表面上用SiC覆盖的其他材料制成。
本发明的可关闭或排放的炉筒不仅限于用由公知的电熔化或火焰熔化工艺生产的熔化石英制作，但也可用由等离子体工艺、烟灰(soot)工艺、或溶胶(sol-gel)工艺生产的合成熔化硅石制作，它们包括300ppm或更低含量的氢氧根，在1200℃时的粘度系数不小于1011，可在高温热处理中抵抗变形。
本发明中使用的第3筒、套筒可以是开放型或封闭型的任一种。如果需要，允许纯净气体流过炉筒32和套筒之间的空间。必须把套筒放置在高温区域50。
本发明的加热器3包括具有用如FeCrAl合金、Ta合金、陶瓷和碳等材料制成的加热元件，或卤素灯，此外如果需要，可提供均匀导热板。
(实施例2)
下面参照图3，描述本发明的第2实施例。在该实施例中，在用熔化石英制成的一个主体中形成炉筒32、在炉筒32顶部的气体入口5、和出口6。第2炉筒(内筒)31是圆柱形，并被加了盖，在其低端部分的侧壁上有孔27用于气体排放，并在其顶部有气体引进管33。由CVD制成的SiC覆盖第2炉筒的内壁。
晶片W在高温如1000℃或更高的温床下进行氢退火处理中，作为环境气体的氢气被从气体入口5经气体引进管33引进内筒31，并从孔27经出口6排放到外面。
在该实施例中，可获得与实施例1同样的效果。进而，除了与气体引进管33、孔27和炉盖26接触的部分外，利用内筒31使放置晶片W的空间与外面隔离。然而，在实施例1中，气流的非正常调节会发生氢气与炉筒32接触，释放金属杂质，并且产生的水汽进入氢气流中，这样使包括上述成分的气体进入内筒31内部，接触晶片W。而在本实施例中，不发生这样的现象。
该实施例具有的结构使得在高温区域50的晶片W的空间内不会使氢气与琉态硅石接触。因此，放置晶片W的空间内的氢气中不含从琉态硅石发生的金属杂质或水汽。
热隔离物9和炉盖26在放置晶片W的空间内偶尔与氢气接触。但是，接触部分是由加热器3加热的高温区域50的外部，而不是在高温区，因此，这里不产生金属杂质，也不产生水汽。另外，在该实施例中，由于氢气从气体引进管33被引进，所以，在相对晶片W氢气流动的上游区域不会引起氢气与琉态硅石的接触。
对该实施例作如下总结。
(1)内筒的封闭空间结构：
除了气体引进部分(气体引进管33)、气体排放部分(孔27)和被炉盖26盖住的敞口外，通过内筒31使包围晶片W的空间与外部隔离。所说的“围住晶片W的空间”的指由晶片W占据的空间及其周围。空气引进部分和空气排放部分的数量和配置可适当地选择，并不限于在本实施例中的说明。
由于使包围晶片W的空间与外部隔开，所以因炉筒32与氢气接触而释放的金属杂质和水汽纵使被释放到氢气中也不会透到内筒31的内侧，借此可进一步减少金属污染物和硅的腐蚀。
(2)防止封闭空间中的金属污染物和水汽：
在包围晶片W空间的高温区域54中不会引起空气与炉筒32的接触。所说的“包围晶片W空间的高温区域54”指由加热器3加热到接近区域50中热处理温度的高温区域。由于具有用于避免氢气与琉态硅石接触的结构，所以，可防止或有效地减少硅腐蚀。
(3)防止金属污染物和环境气体上游部分的水汽：
在晶片W的上游侧的高温区域中氢气与炉筒32不接触。所说的“在晶片W的上游侧的高温区域”指相对于晶片W的氢气上游的部分，并且加热器3加热到高温。该区域在图3的设备中未出现。该区域出现在图1的实施例中，其包括区域50中的气体引进管33部分。在图3，由于不用加热器3对其加热，所以在该高温区域不包括气体引进管33，即使将其放置在上游部分，温度也较少升高。
在该实施例中，在气流上游部分的高温区域中不会引起氢气与琉态硅石的接触。因此，在晶片W所在处可避免放出的金属杂质和琉态硅石形成的水进入氢气，从而避免或大大减少金属污染物和由氢气产生的硅腐蚀。
(实施例3)
下面参照图4说明本发明的第3实施例。在该实施例中，在内筒31的底端部分设置气体入口5，并形成在带有内筒底板22的一个主体上。标号35表示用于内筒31顶端的气体出口的孔。
在比如1000℃或更高温度下的晶片W的氢退火中，氢气从内筒31底端的气体入口5引进，在内筒31中向上游动，然后，通过内筒31顶部的孔35被引进到炉筒32。接着，氢气通过炉筒32和内筒31之间空间向下流动，并从炉筒32底端的出口6排放。
在该实施例中，得到与实施例2同样的效果。图4所示的氢引进部分和氢排出部分的配置消除氢气流的滞留，能快速地气体替换。
还有，在该实施例中，氢气引进和排放如上描述。因此，可在设备的较低部分设置气体入口5和气体出口6，使与外部管路连接和检查容易。
热隔离物9由透明玻璃如泡沫石英组成。通过与热隔离物9接触的气流途径41向晶片W供应氢气。由于热隔离物在高温区域50的外部，所以此处不产生水汽，可防止腐蚀。
(实施例4)
下面参照图5描述本发明的第4实施例。
在气体出口孔35处设置止回阀，它包括：在孔35周围形成的凸缘36，和盖住出口孔35的帽37。在内筒31上用SiC制成凸缘36。帽37也由SiC制成。内筒31中的气压顶起帽37在气体出口孔35给出缝隙，以允许氢气从内筒31通过该缝隙到达炉筒32和内筒31之间的空间42。气体回流由止回阀阻止。凸缘36防止帽37从出口孔35上脱掉。
止回阀阻止炉筒32的熔化石英发生的金属杂质和因氢气与炉筒32的熔化石英接触产生的水汽回流而进入内筒31，避免或显著减少金属污染物和硅的腐蚀。
在该实施例中，如上所述，提供回流阻止装置，该装置阻止回流氢气从炉筒32和内筒31之间的空间进入内筒31。回流阻止装置可以是上述的止回阀，但不仅仅限于此。例如该装置可以是在气流途径中的简单隔片或节流孔(orifice)。
(实施例5)
图6示出本发明该实施例的热处理设备。该热处理设备包括具有SiC之类的非氧化硅制成内侧表面的内筒31、由熔化石英之类的琉态硅石制成的炉筒32、和具有用SiC之类的非氧化硅制成的套筒45。标号24、25和47分别表示O型环，标号48表示凸缘。
含氢还原性气体从底部气体入口5通过气流途径41进入包围晶片W的空间。然后气体流经孔35和止回阀(36、37)到达炉筒32和内筒31之间的气流途径42，并从出口6被排放。炉筒32和关闭的套筒45之间的空间用不活泼气体如He、Ar、Ne、N2、Kr和Xe等清洗，这些气体从底部纯净气体入口46引进，并从顶部的纯净气体出口44排放。
在气体被引进包围晶片W空间之前，不会使氢气与在温度为1000℃或更高条件下加热的氧化硅接触。尤其是由于用泡沫石英制成的热隔离物9被设置在用加热器3加热的高温加热区域50的外部，流过气流途径41的氢气不产生水汽，因此，氢气中的水汽少得可忽略。
内筒31中和高温加热区域50中的空间，即用完全由SiC之类的非氧化硅材料制成的内侧表面围绕的封闭晶片W的空间，其中不产生水汽。通过从在筒顶部中心的孔35排放气体，使气流在内筒31中保持均匀。并且，用象熔化石英之类的氧化硅制成的封闭筒的炉筒32显示出高的绝热效果，使高温加热区域50中的温度均匀。即使氢气泻漏出内筒31之外，也不会漏出炉筒32。夹持晶片W的舟皿4也有用象SiC之类的非氧化硅制成的表面，不产生水汽。
封闭的套筒45和纯净气体防止金属杂质从加热器3渗透到筒内侧。
(热处理)
下面描述在本发明实施例1到5中进行的热处理。
把象Si晶片之类的半导体工件放置在图1、3到6的任一图中示出的设备的内筒32中。把含氢气体引进内筒32，使半导体工件保持在还原性气氛中。在开始引进含氢气体之前或之后，把半导体工件加热到规定温度。热处理温度最好不低于900℃但是要低于硅的熔点，最好在1000-1200℃范围。热处理时间取决于预定的退火效果，并且通常在3分到5小时范围内适当选择。这样，结束半导体工件的热处理。
本发明使用的半导体工件包括：CZ型Si晶片、SOI的Si晶片和在琉态硅石上具有Si膜或Si岛状物的晶片。晶片可以是半导体制造工艺前、后、中取得的任何状态。尤其是本发明对具有未抛光粗糙表面的SOI晶片的氢退火处理有效。
本发明使用的处理气体是100％氢或1-99％氢和不活泼气体的混合物。
含氢还原性气氛的压力可以是较高压力、通常压力、或低的压力。较好的压力范围是1.02×105Pa至1.33Pa，更好是1.02×105Pa至1.33×103Pa。
(半导体工件的制造工艺)
下面描述用本发明的热处理方法制造半导体工件的工艺。
图7是以氢注入剥离法(hydrogen injection peeling method)、PACE法、和外延生长层转移法为代表的粘结SOI衬底的制造流程图。
在步骤S1中，提供第1衬底。提供第1衬底的例子是，通过把氢离子或稀土气体(rare earth gas)离子注入Si晶片，所述晶片至少在一个表面上具有以规定的深度通过氧化形成的绝缘层作为分离层(潜在层)；其中另一个例子是，通过制作Si晶片的多孔表面，并在其上外延生长无孔Si层形成的。在PACE方法中，第1衬底是没有氧化物膜或具有氧化表面的Si晶片。
在步骤S2，提供第2衬底。第2衬底的例子包括：通常的Si晶片，具有氧化表面的Si晶片，具有除去的自然氧化物膜的Si晶片，石英晶片和金属基片。
在步骤S3，直接或把粘结层放在当中间接地来粘合上述提供的第1衬底和第2衬底。在该步骤中，第1衬底和第2衬底的至少一个粘结面应当具有绝缘层。在具有除SOI以外结构的衬底的制造中，并不总是需要绝缘层。粘结面可以通过用氢、氧、氮或稀土气离子照射活化。
在步骤S4，从粘结的第1和第2衬底的组件中除去第1衬底的一部分(不需要的部分)。去除方法大致分为两种。在第1种方法中，通过研磨、腐蚀或类似技术从背面除去第1衬底的一部分。在第2种方法中，在第1衬底中预先形成的分离层处分离第1衬底的表面部分和里面部分。通过第2种方法，分离的不需要部分保持晶片的形状，使得其可作为第1衬底或第2衬底重新被使用。用热处理，或使用包括液体或气体的流体对着组件的旁侧吹流体，或利用机械剥离的剥落可实施分离。
具有待除去的不需要部分的组件(SOI衬底)具有粗糙表面，所述表面是离子注入形成的孔隙，多孔层的细孔，或由研磨或腐蚀产生的凹凸。因此，在步骤S5中，通过利用上述热处理设备实施氢退火使硅层的粗糙上层变得光滑。由此，使腐蚀的硅层表面光滑到表面粗糙度不大于0.2nm(1μm平方)。通过使光滑状态最佳化，粗糙度可降低到不大于0.15nm，或甚至不大于0.1nm。
接着，下面参照图8A至8F，对根据外延生长层转移法制造半导体衬底的工艺作详细说明。
在图8A的步骤S31，提供由单晶硅组成的基片131作为第1衬底，在其上至少在主表面侧形成多孔结构层133。在HF溶液中通过Si基片的阳极氧化可形成多孔Si。多孔层具有象海绵那样的结构，其中以约10-1至10nm的间距形成直径约为10-1至10nm的微孔。通过在50％至20％范围内改变HF溶液的浓度，改变酒精添加比率，或改变电流密度，与单晶硅的密度2.33g/cm3相比较，可把其密度控制在2.1至0.6g/cm3范围内。预先调节电阻率和电传导形式可改变多孔部分的孔隙率。在p-型中，在同样阳极氧化状态下与简并的基片(p+)比较，非简并基片(p-)形成小直径微孔和高一位数的微孔密度，并且孔隙率较高。这样，通过不限制控制方法的情况下控制微孔形成条件，可控制孔隙率。多孔层133可以是单层或不同孔隙率的层叠加。通过到达多孔层的离子注入能提高孔隙率，由此在接近注入的多孔层微孔壁上形成气泡。离子注入可在用阳极氧化形成多孔层前或后或在多孔层133上形成单晶半导体层结构之后进行。
在图8B的步骤S32，在多孔层133上至少形成一个无孔单晶硅半导体层123。从外延生长单晶硅层和通过使多孔层133的表面层无孔等措施形成的层中可适当选择无孔单晶半导体层123，在单晶硅层123上，利用热氧化形成氧化硅层122。由此降低单晶硅层和埋入的氧化层之间的界面水平。
在图8C的步骤S33，使具有无孔单晶硅层123的上述半导体基片的主工作面(粘结面)与第2基片121的表面(粘结面)紧密接触。在接触之前，粘结物和杂质最好经清洗除去。第2基片可从其上具有氧化硅膜的硅片、石英片之类的的透光片、蓝宝石片等中选择，但不局限于此。可利用具有平坦和光滑粘结表面的任何材料作为第2基片。在图8C，粘结第1和第2基片时把绝缘层122夹入其间。然而，绝缘层122不是不可缺少的。在粘结中，可把绝缘薄片放置在第1和第2基片之间。
在下一个步骤中，除去不需要的第1基片131的背面部分和多孔层133，以暴露无孔单晶硅层123。用两个可选择的方法可实施这种去除，但不仅限于此。
用第1种方法，从背侧除去第1基片131，以暴露多孔层133(图8D步骤S34)。然后除去多孔层133，以暴露无孔硅层123(图8E的步骤S35)。最好用选择性腐蚀实施多孔层的去除。使用至少含氢氟酸和含过氧化氢水的腐蚀溶液，根据选择性因子105可相对无孔单晶硅选择性地腐蚀多孔硅。可把表面活化剂加到腐蚀溶液中，以免气泡附着。适当地在其中加入醇类如乙醇。如果多孔层薄，则可省去选择性腐蚀。
在第2方法中，在作为分离层的多孔层133处分离基片，以获得如在图8D的步骤S34中显示的基片状态。分离的方法包括：应用外部机械力如压、拉、剪切和楔劈；应用超声波；加热；使多孔硅从周围膨胀的氧化作用，对内侧多孔硅施加内压力；应用热脉冲以产生热应力或软化；和流体的喷射如水射流和气射流。但不仅限于此。
在下一个步骤S35，通过类似腐蚀多孔层的方法从第2基片121的表面除掉未除去的多孔层133剩余部分。如果在第2基片121上的多孔硅133剩余部分很薄并且厚度均匀，则可省去用氢氟酸和过氧化氢作多孔层的湿法腐蚀。
在图8F的步骤S36，在含氢还原性气氛中，利用图1、3至6所示的任何设备，对单晶硅层123实施热处理，以使粗糙表面光滑。
根据本发明制备的半导体基片具有在第2基片121上以平坦均匀薄膜形式形成的单晶硅膜123，并在整个基片面的大面积上夹有绝缘层122。这样的半导体基片适合制造绝缘电子元件。
在除去基片分离面上剩余多孔层之后，如果表面过分粗糙，则接着进行表面光整，分离的第1单晶硅基片131可作为第1单晶硅基片131或第2基片121重新使用。
(实例1)
在1100℃热处理温度条件下，对直径为5英寸硅晶片作氢退火处理，热处理时间为4小时，并且，氢气流速为10L/分钟。为了比较，利用图2所示的设备和利用图1所示的设备实施氢处理，以确认本发明减少金属污染物的效果。用具有CVD形成的SiC覆盖层的碳化硅制成所用内筒31。热处理后，测量晶片载体寿命时间，比较各设备金属污染物。表1示出其结果。在根据本发明的热处理中，如表1所示，与传统热处理比较，载体寿命提高约2倍，显示了氢退火中晶片金属污染物减少的效果。
表1
热处理设备(附图号)     1     2
载体寿命时间(μsec)     15     28
(实例2)
用49％HF和乙醇的2∶1的混合物对具有电阻率为0.017Ωcm的8英寸掺硼(100)硅晶片表面作阳极氧化，在晶片表面形成10μm厚的多孔硅层。在氧气气氛中温度为400℃，对该硅晶片作1小时的热处理，在微孔表面形成薄氧化膜。然后，浸入1.25％HF水溶液中30秒，从多孔层外表面及其附近除去形成的氧化膜。用水充分清洗晶片并干燥。在外延生长设备中引进微量硅烷气在温度为1100℃的含氢气氛中对该硅晶片实施热处理，几乎封闭多孔硅外表面上的所有孔。然后，在氢气中增加二氯甲硅烷或硅烷，以310nm±5nm的平均厚度在多孔硅上形成单晶硅膜。该硅晶片被从外延生长设备转移到氧化熔炉，并且由氢氧燃烧气体使单晶硅膜的表面被氧化，形成200nm厚度的硅氧化膜。作为氧化结果，单晶硅膜的厚度减至210nm。用硅器件所用的常规湿式清洗工艺清洗这硅晶片和分别提供的第2硅晶片，以清洁表面，并把2个晶片粘结在一起。把获得的硅晶片组件放在1100℃含氢气氛中热处理1小时，以增强晶片的粘结。在这热处理中，在含氮氧混合物气氛中升温，在含氧气氛中1100℃保持1小时，并在氮气氛中降温。研磨第1晶片的非粘结面，露出多孔硅。然后，浸在氢氟酸和含过氧化氢水混合溶液中经腐蚀除去多孔硅。清洗后，用湿洗充分清洗该晶片。从而，把单晶硅膜与氧化硅一起转移到第2硅晶片，以制造SOI晶片。
以平面10mm网点测量转移的单晶硅厚度。平均厚度为210±7nm。在1μm见方的和50μm见方的区域以256×256点用原子力显微镜测量表面的粗糙度。以均方差粗糙度Rrms为单位，表面粗糙度分别为10.1nm和9.8nm。通过二次离子质谱分析(SIMS)，单晶硅膜中的硼浓度为1.2×1018/cm3。
将上述制造的多个SOI晶片用氢氟酸腐蚀除去背面的硅氧化膜之后，放在如图1所示的热处理设备中。在由SiC制造的舟皿上水平放置晶片一个SOI晶片的背面和相邻SOI晶片的表面SOI层的间距为6mm，且晶片的中心位于炉筒的中心线上。在最上面SOI晶片之上，以同样间距放置工业用硅晶片。用氢替代炉内的空气。炉内的温度升至1100℃，保温4小时，然后降温。再次测量SOI层的厚度。
为了比较，以同样方式制备的SOI晶片在如图2所示的设备中进行氢退火处理。
如表2所示，本发明最大腐蚀量是传统方法的1/8，相应地大大减少腐蚀偏差。显然，本发明可提供腐蚀减少和厚度均匀的SOI基片。
表2
热处理设备(附图号) 2 1
最大腐蚀(nm) 8 1
最小腐蚀(nm) 1 0
如上所述，本发明提供一种热处理设备，作为污染物源的炉筒的氧化硅不会造成晶片的金属污染，该设备中因氧化硅与氢气反应形成的水汽硅晶片的腐蚀。本发明还提供使用上述热处理设备的热处理工艺。根据本发明的工艺可制造具有优异性能的半导体工件。

Claims (47)

1．一种热处理设备，包括：第1筒；位于其内的第2筒；以及加热器；其中第1筒被紧密地封闭，并用冲击强度高于第2筒的琉态硅石制成；第2筒至少具有包含非氧化硅的内表面，并且构成气流路径使得无须经过被加热器加热到高温的包含氧化硅的表面，就把气体引进第2筒内的处理空间。
2．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述琉态硅石是熔化硅石，且所述非氧化硅是碳化硅。
3．根据权利要求1的热处理设备，其中，从包括硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝和氮化硼的组中选择所述非氧化硅。
4．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述第2筒具有用碳化硅膜覆盖的表面。
5．根据权利要求1的热处理设备，其中，在900℃或更高的温度下加热所述包含氧化硅的表面。
6．根据权利要求1的热处理设备，其中，在1000℃或更高的温度下加热所述包含氧化硅的表面。
7．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述气体是氢气，并且与不活泼气体一起或单独被引进第2筒。
8．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述第2筒延伸到处理空间的上游部分。
9．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述气体是氢气，在处理空间外部设置使氢气进入第2筒的入口，并在处理空间外部且与入口相反的位置设置氢气从第2筒排出的出口。
10．根据权利要求9的设备，其中，气体出口开在第1筒的内侧，并在第1筒上提供出口使得氢气通过内侧空间被排放。
11．根据权利要求9的设备，其中，在排放部分设置阻流装置以阻止气体从第1筒流到第2筒。
12．根据权利要求1的热处理设备，其中，在第1筒和加热器之间提供第3筒。
13．根据权利要求12的设备，其中，第3筒可被紧密地封闭。
14．根据权利要求12的设备，其中，至少第3筒表面包含非氧化硅。
15．根据权利要求12的设备，其中，第3筒由碳化硅制成。
16．根据权利要求12的设备，其中，把净化气体引入第3和第1筒之间的空间。
17．根据权利要求12的设备，其中，第2和第3筒都可被紧密地关闭。
18．根据权利要求1的热处理设备，其中，在第2筒内放置具有非氧化硅表面的托板和具有氧化硅表面的热隔离物。
19．根据权利要求1的热处理设备，其中，在置于第2筒内的热隔离物上面设置加热器。
20．根据权利要求1的热处理设备，其中，所述气体是氢气，且氢气从第2筒的下部引进，从第1筒的下部排放。
21．根据权利要求1的热处理设备，其中，纯净气体通过第1筒的底部从外部引入，并通过第1筒的顶部排放到外部。
22．一种热处理设备，其包括：第1筒；位于其内的第2筒；以及加热器；其中：在加热器底部设置把气体引进第2筒的气体入口，在第2筒顶部设置使第1筒与第2筒连通的孔，在第1筒底部设置出口以从第1筒内侧排放气体，第1筒由熔化石英构成且可封闭，第2筒具有非氧化硅表面且也可封闭，在比第2筒内的热隔离物高的位置上设置加热器。
23．根据权利要求22的设备，其中，在第1筒外部设置具有非氧化硅表面的可关闭的第3筒，在第3筒的底部设置纯净气体入口，在第3筒顶部设置纯净气体出口。
24．根据权利要求22的设备，其中，热隔离物包括泡沫石英。
25．根据权利要求22的设备，其中，不把热隔离物加热到1000℃或更高的温度。
26．一种用如权利要求1所述的热处理设备对半导体工件进行热处理的热处理工艺。
27．根据权利要求26的工艺，其中，所述半导体工件具有硅体(siliconbody)。
28．根据权利要求26的工艺，其中，在含氢还原性气氛中不低于900℃的温度下，对半导体工件进行热处理。
29．根据权利要求28的工艺，其中，在不低于1000℃的温度下，对半导体工件进行热处理。
30．根据权利要求27的工艺，其中，所述半导体工件是SOI衬底。
31．根据权利要求30的工艺，其中，所述半导体工件是粘结SOI衬底。
32．一种用如权利要求22所述的热处理设备对半导体工件进行热处理的热处理工艺。
33．根据权利要求32的工艺，其中，所述半导体工件具有硅体。
34．根据权利要求32的工艺，其中，在含氢还原性气氛中不低于900℃的温度下，对半导体工件进行热处理。
35．根据权利要求34的工艺，其中，在不低于1000℃的温度下，对半导体工件进行热处理。
36．根据权利要求33的工艺，其中，所述半导体工件是SOI衬底。
37．根据权利要求36的工艺，其中，所述半导体工件是粘结SOI衬底。
38．一种制造半导体工件的工艺，包括以下步骤：粘结第1基片和第2基片；从第2基片除去第1基片的不需要部分；以及用根据权利要求1的热处理设备，在含氢还原性气氛中热处理第2基片上的硅体。
39．根据权利要求38的工艺，其中，在第1基片中形成分离层，并在分离层处通过分离去除不需要的部分。
40．根据权利要求38的工艺，其中，利用抛光、研磨和腐蚀中的任一种方法去除第1基片的不需要部分。
41．根据权利要求38的工艺，其中，所述硅体是外延层。
42．根据权利要求38的工艺，其中包括以下步骤：在第1单晶硅基片的主面上形成多孔层；在多孔层上形成单晶硅层；把单晶硅基片的主面粘结到第2基片表面；以及除去多孔层以露出单晶硅层。
43．一种制造半导体工件的工艺，其中包括以下步骤：粘结第1基片和第2基片；从第2基片除去第1基片的不需要部分；以及用根据权利要求22的热处理设备，在含氢气还原性气氛中热处理第2基片上的硅体。
44．根据权利要求43的工艺，其中，在第1基片中形成分离层，并在分离层处通过分离去除不需要的部分。
45．根据权利要求43的工艺，其中，利用抛光、研磨和腐蚀中的任一种方法去除第1基片的不需要部分。
46．根据权利要求43的工艺，其中，所述硅体是外延层。
47．根据权利要求43的工艺，其中包括以下步骤：在第1单晶硅基片主面上形成多孔层；在多孔层上形成单晶硅层；把单晶硅基片的主面粘结到第2基片表面上；以及除去多孔层以露出单晶硅层。
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