DE112008000226T5

DE112008000226T5 - Verfahren zum Herstellen eines Substrats vom Typ Silizium auf Isolator (SOI)

Info

Publication number: DE112008000226T5
Application number: DE112008000226T
Authority: DE
Inventors: Eric Neyret
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: FR2912258A1; WO2008093187A1; US7666758B2; FR2912258B1; US20080188060A1; DE112008000226B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Substrats vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator), das ein Siliziumsubstrat umfasst, welches mit einer Schicht aus Siliziumdioxid bedeckt ist, die selbst mit einer „ultradünn” genannten Siliziumschicht bedeckt ist, die Dicke der Siliziumschicht 150 nm oder weniger beträgt und dieses Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– Ausbilden einer geschwächten Zone innerhalb eines „Spendersubstrat” genannten Siliziumsubstrats, wobei diese geschwächte Zone darin die Grenze zwischen einer „dicke Schicht” genannten Schicht, deren Dicke größer als 150 nm ist, und dem Rest des Substrats bildet,
– Verbinden dieses Spendersubstrats mit einem „Empfängersubstrat” genannten Substrat, wobei zwischen den beiden eine Siliziumdioxidschicht liegt,
– Abtrennen von dem Rest des Spendersubstrats entlang der geschwächten Zone, sodass ein vorgearbeitetes SOI-Substrat entsteht, welches das Empfängersubstrat aus Silizium umfasst, das mit der Siliziumdioxidschicht bedeckt ist, die selbst mit der dicken Schicht bedeckt ist, und
– Ausführen von Veredelungsschritten,...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verfahren zum Herstellen dessen, was als SOI-Substrate (silicon on insulator – Silizium auf Isolator) bezeichnet wird.
Ein derartiges SOI-Substrat umfasst eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), die zwischen einem Siliziumhauptteil-Trägermaterial und einer aktiven Siliziumschicht verdeckt liegt.
Diese Substrate sind zur Anwendung in den Gebieten der Elektronik, Optik und Opto-Elektronik gedacht.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Veredelungsschritte eines Verfahrens zum Herstellen von SOI-Substraten, bei denen die Dicke der aktiven Siliziumschicht unter 150 Nanometer (150 nm) liegt.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines SOI-Substrats ist schon aus der Veröffentlichung US 2003/0 181 001 bekannt.
Dieses Verfahren betrifft das einfache Implantieren von Wasserstoffionen oder Ionen eines anderen Edelgases in ein Substrat mit oxidierter Oberfläche, sodass in diesem eine geschwächte Ebene ausgebildet wird, die die Grenze zwischen einer Oberflächenschicht und dem Rest des Substrats bildet. Dieses Substrat wird dann auf einem Träger verklebt und es wird dann bei Temperaturen zwischen 400°C und 600°C ein Glühvorgang so ausgeführt, dass die oberflächenaktive Schicht von dem implantierten Substrat abgetrennt und auf den Träger übertragen wird.
Um die Rauigkeit dieser aktiven Schicht zu verringern, wird dann bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1350°C ein veredelnder Glühvorgang in einer Atmosphäre durchgeführt, die Wasserstoff, ein inertes Gas oder einer Mischung der beiden Gase enthält.
Die obige Veröffentlichung gibt an, dass die vorgenannte Wärmebehandlung durch eine Technik ausgeführt werden kann, die „langes Glühen” („long annealing”) genannt wird und zwischen 10 Minuten und acht Stunden dauert, oder durch eine Technik, welche unter Fachleuten als RTA (rapid thermal annealing – schnelles thermisches Glühen) bekannt ist. Im letzten Fall wird dieser Vorgang in einer RTA-Glühvorrichtung ausgeführt, die Werte beim Temperaturanstieg von über 10°C/s gestattet und verhältnismäßig kurze Glühzeiten von etwa 30 Sekunden bis 1 Minute erreicht.
Diesem Schritt des Glühens folgt ein Schritt der Opferoxidation.
Das in dieser Veröffentlichung beschriebene Verfahren weist jedoch mehrere Nachteile auf, die unten erläutert werden.
Das Glühen über mehrere Stunden in den vorgeschlagenen Temperaturbereichen, die bis zu 1350°C reichen können, führt durch Diffusion des das Siliziumdioxid bildenden Sauerstoffs und Verdampfen dieses Sauerstoffs an der Oberfläche der aktiven Siliziumschicht zumindest teilweise zu Ablösungen der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂). Bei hohen Glühtemperaturen über etwa 1200°C ist das Ablösephänomen mit dem Ansteigen der Löslichkeit des Sauerstoffs im Silizium und folglich mit dessen Ablösung in dem Hauptträgermaterial und der aktiven Siliziumschicht verbunden.
Diese Wirkungsweise tritt bei verdeckten aktiven Siliziumschichten mit einer Dicke von 150 Nanometer und geringer noch ausgeprägter auf.
Des Weiteren ist die Verdampfung des Sauerstoffs über die aktive Schicht nicht homogen. Demzufolge besitzt das entstandene SOI-Substrat eine verdeckte Oxidschicht von schwer steuerbarer Dicke. Das heißt, die Dicke ist sowohl geringer, als sie bei Abwesenheit des vorgenannten Verdampfungsphänomens gewöhnlich erwartet wird, als auch ungleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Substrats.
Zum Messen dieser Nachteile wurden Versuche durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in der beigefügten 1 grafisch dargestellt, in der auf der Y-Achse die Dicke E_SiO2 der verdeckten Siliziumdioxidschicht eines SOI-Substrats nach thermischem Glühen und auf der X-Achse die durchschnittliche Dicke E_Si der aktiven Siliziumschicht vor dem Glühen gezeigt werden. Die Dicken sind in Nanometer ausgedrückt.
Die Kurven a, b und c stellen jeweils die nach dem Glühen bei Temperaturen von 1100°C, 1150°C und 1200°C erzielten Ergebnisse dar.
Andere ergänzende Ergebnisse sind in der beigefügten 2 grafisch dargestellt, in der auf der Y-Achse die Veränderung der Regelgleichmäßigkeit Δ_SiO2 als ein Ergebnis des Glühens dieser verdeckten Siliziumdioxidschicht und auf der X-Achse die Dicke E_Si der aktiven Siliziumschicht vor dem Glühen in Nanometer dargestellt sind.
Die Kurven d, e und f bilden jeweils die Ergebnisse nach dem Glühen bei Temperaturen von 1100°C, 1150°C und 1200°C ab.
Ein Glühvorgang bei 1200°C ist z. B. ein Vorgang, während dessen die Temperatur über mehrere Stunden allmählich ansteigt und 5 Minuten lang bei 1200°C gehalten wird.
Wie in 1 zu sehen ist, wird bei einer vorgegebenen Dicke der aktiven Siliziumschicht die Dicke des SiO₂ um so geringer, je höher die Glühtemperatur ist. Darüber hinaus wird diese Wirkung um so größer, je geringer die Dicke der aktiven Siliziumschicht ist, insbesondere beim Glühen über 1100°C.
Demzufolge wird nach einem Glühen bei 1200°C (siehe Kurve c) und für Dicken der aktiven Siliziumschicht über 200 Nanometer eine Verringerung der Dicke des SiO₂ von rund 6 Nanometer (verglichen mit Kurve a) beobachtet, ohne dass sich die Gleichmäßigkeit der Dicke dieser Schicht im Wesentlichen verschlechtert (siehe 2).
Der Begriff „Gleichmäßigkeit der Dicke” bezeichnet die maximale Abweichung der Dicke der verdeckten Schicht aus SiO₂ innerhalb des SOI-Wafers. Eine Gleichmäßigkeit von 1 bis 1,5 nm für eine SiO₂-Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von 145 nm ist annehmbar und alltäglich. Ferner entspricht die „Veränderung der Gleichmäßigkeit der Dicke” am fertigen Produkt der Abweichung zwischen den jeweiligen Werten der Dickengleichmäßigkeit, die vor und nach dem Glühen gemessen werden.
Der Wert 0% in der Veränderung der Gleichmäßigkeit von 2 entspricht dem Fall, in dem keine Veränderung in der Dickengleichmäßigkeit auftritt. Die Gleichmäßigkeit bleibt dieselbe wie diejenige der SiO₂-Schicht vor dem Glühen, das heißt etwa 1 bis 1,5 nm für eine SiO₂-Schicht, deren Dicke vor dem Glühen 145 nm betrug.
Bei einer aktiven Siliziumschicht mit einer Dicke von 100 Nanometer oder weniger überschreitet jedoch die Abnahme der Dicke der SiO₂-Schicht 10 Nanometer (siehe 1) und die Veränderung der Gleichmäßigkeit kann, wie in Kurve f zu sehen ist, bis zu 500% des anfänglichen Werts der als annehmbar angesehenen Gleichmäßigkeit von 1 bis 1,5 nm betragen, d. h. diese Änderung kann 5 bis 7,5 nm erreichen.
2 zeigt auch, dass dieses Phänomen, nämlich der Verlust von Gleichmäßigkeit der verdeckten Oxidschichtdicke bei SOI-Substraten noch höher ist, in denen die aktive Oberflächenschicht aus Silizium unter 60 nm liegt.
Ferner ist leicht zu erkennen, dass das Ablösephänomen des verdeckten Oxids desto problematischer ist, je dünner die Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist.
Schließlich hat der Anmelder herausgefunden, dass diese Art des Glättungsglühens, das auf einer Oberfläche ausgeführt wird, direkt nachdem sie abgetrennt wurde, viel weniger wirksam ist, als wenn das Glühen nach einem vorhergehenden Schritt des Dünnermachens vorgenommen wird. Dies stellt einen zweiten Nachteil des vorgenannten Verfahrens dar.
Aus der Veröffentlichung US 6 372 609 ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines SOI-Substrats bekannt, das Schritte des Abtrennens und Übertragens einer Siliziumschicht umfasst, welche durch die Implantation von Wasserstoffionen ausgebildet worden ist.
Nach dem obigen Verfahren bestehen die Veredelungsschritte für dieses Substrat darin, dass nacheinander eine Opferoxidation, eine Desoxidation der Opferschicht aus Silizium und dann eine Wärmebehandlung in einer Reduktionsatmosphäre durchgeführt werden.
Nach dieser Veröffentlichung ist die Wärmebehandlung in einer Reduktionsatmosphäre eine Behandlung vom Typ RTA (rapid thermal annealing – schnelles thermisches Glühen), das in einem Temperaturbereich von 1000°C bis 1300°C über eine sehr kurze Dauer von 1 bis 60 Sekunden ausgeführt wird.
Im Fall des schnellen Glühens ist das Problem der Dioxidablösung jedoch nicht wahrnehmbar, weil die Zeit, in der das Substrat einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, zu kurz ist.
Nach dem, was in dieser Veröffentlichung offen gelegt wurde, wird ferner die schnelle Glühbehandlung bei SOI-Substraten angewandt, in denen die Oberflächenschicht aus Silizium eine Dicke von mindestens 230 Nanometer aufweist. Bei einer solch relativ großen Dicke, besonders bei über 200 Nanometer, tritt das Problem der Oxidablösung nicht auf.
Übersicht über die Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Insbesondere ist es Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines SOI-Substrats zur Verfügung zu stellen, bei dem die Oberflächenschicht aus Silizium eine Dicke unter 150 Nanometer besitzt und dessen verdeckte Oxidschicht die höchstmögliche Dickengleichmäßigkeit aufweist und darüber hinaus diese verdeckte Oxidschicht bevorzugt dünn ist.
Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator), welches ein Siliziumsubstrat umfasst, das mit einer Siliziumdioxidschicht bedeckt ist, die selbst von einer sogenannten ”ultradünnen” Siliziumschicht bedeckt ist, deren Dicke 150 nm oder weniger beträgt, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfasst

– Ausbilden einer geschwächten Zone innerhalb eines sogenannten „Spendersubstrats” aus Silizium, welche in diesem die Grenze zwischen einer sogenannten „dicken” Schicht mit einer Dicke von über 150 nm und dem Rest des Substrats bildet;
– Verkleben des Spendersubstrats mit einem sogenannten „Empfängersubstrat”, wobei zwischen den beiden eine Schicht aus Siliziumdioxid liegt.
– Abtrennen vom Rest des Spendersubstrats entlang der geschwächten Zone, sodass ein vorgearbeitetes SOI-Substrat entsteht, welches das Empfängersubstrat aus Silizium umfasst, das mit der Siliziumdioxidschicht bedeckt ist, die ihrerseits mit der dicken Schicht bedeckt ist, und
– Ausführen von Veredelungsschritten;

Nach der Erfindung umfassen die Veredelungsschritte die folgenden nacheinander auszuführenden Schritte:

a) Dünnermachen der dicken Siliziumschicht, sodass eine sogenannte „dünne” Siliziumschicht entsteht, deren Dicke geringer als die der dicken Schicht ist, jedoch größer als 150 nm bleibt;
b) langes Glühen des in Schritt a) gewonnenen vorgearbeiteten SOI-Substrats in einer gasförmigen Atmosphäre mit Wasserstoff und/oder Argon und
c) Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht, sodass die ultradünne Siliziumschicht entsteht, deren Dicke gleich 150 nm oder weniger ist, und des veredelten Substrats vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator).

Gemäß anderen vorteilhaften, aber nicht einschränkenden Merkmalen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination auftreten können, gilt:

– das lange Glühen wird in einem Temperaturbereich von 950°C bis 1350°C, bevorzugt von 1100°C bis 1250°C ausgeführt;
– das lange Glühen wird über eine Dauer von mindestens 10 Minuten durchgeführt;
– das Dünnermachen der dicken Siliziumschicht wird durch Opferoxidation und anschließende Desoxidation ausgeführt;
– das Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht von Schritt c) wird durch chemisch-mechanisches Polieren vorgenommen;
– das Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht von Schritt c) wird durch Opferoxidation und anschließender Desoxidation erreicht;
– die Opferoxidation wird unter trockenen oder feuchten Bedingungen bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1100°C ausgeführt;
– die geschwächte Zone wird durch Implantation von Atom- oder Ionen-Spezies in das Spendersubstrat ausgebildet;
– das Verfahren besteht im Ausbilden der Schicht aus Siliziumdioxid durch thermische Oxidation des Spendersubstrats und/oder des Empfängersubstrats und im miteinander Verkleben der beiden Substrate, sodass die Siliziumdioxidschicht auf der Grenzfläche liegt;
– die ultradünne Siliziumschicht besitzt über ihre gesamte Ausdehnung eine RMS-Oberflächenrauigkeit von weniger als 3 Ångström über einen Abtastbereich von 30 μm × 30 μm;
– die Dicke der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) beträgt 50 Nanometer oder weniger;
– die Gleichmäßigkeit der Dicke der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist gleich 1,8 nm oder besser; und
– die Differenz der Dickengleichmäßigkeit der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) vor und nach dem langen Glättungsglühen liegt unter 20%, bevorzugt unter 10%.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung erschließen sich mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen aus der folgenden Beschreibung, die beispielhaft und ohne einschränkend zu wirken eine mögliche Ausführungsform davon darstellt.
In diesen Zeichnungen gilt:
1 ist ein Schaubild, das die Dicke E_SiO2 der Siliziumdioxidschicht eines SOI-Substrats nach dem Glühen als Funktion der Dicke E_Si der aktiven Siliziumschicht vor dem Glühen für Wärmebehandlungen bei verschiedenen Temperaturen und gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 ist ein Schaubild, das die Änderung der Gleichmäßigkeit der Dicke Δ_Sio2 als ein Ergebnis des Glühens der Siliziumdioxidschicht eines SOI-Substrats als eine Funktion der Dicke E_Si der aktiven Siliziumschicht vor dem Glühen darstellt, für Wärmebehandlungen bei verschiedenen Temperaturen und gemäß dem Stand der Technik;
3A bis 3H sind grafische Darstellungen, welche die verschiedenen Arbeitsschritte des Verfahrens nach der Erfindung zeigen;
4 ist ein Schaubild, das die Werte der Oberflächenrauigkeit R von zwei Chargen SOI-Substraten darstellt, die jeweils durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik (A) bzw. durch das Verfahren nach der Erfindung (B) gewonnen wurden.
5 ist ein Schaubild, das einen Parameter mit dem Namen „Haze”, der das „Grundrauschen” auf der Oberfläche der beiden Chargen von SOI-Substraten bezeichnet, die jeweils durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik (A) und durch ein Verfahren nach der Erfindung (B) gewonnen wurden, und
6 ist ein Schaubild, das die Änderung der Dickengleichmäßigkeit Δ_SiO2 für die beiden Chargen der SOI-Substrate zeigt, die jeweils durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik (A) und durch das Verfahren nach der Erfindung (B) gewonnen wurden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Dieses Verfahren wird nun im Detail beschrieben.
Es umfasst eine erste Schrittfolge für die Ausbildung, die Abtrennung und die Übertragung einer dünnen Schicht auf ein Spendersubstrat, was in 3A bis 3D veranschaulicht wird, und eine zweite Schrittfolge zur Veredelung, die in 3E bis 3H dargestellt ist.
3A zeigt ein Spendersubstrat 1, das bevorzugt aus einem Einkristallsilizium (Si) hergestellt wird und mit einer Schicht 2 aus Siliziumdioxid (SiO₂) bedeckt ist, deren freie Oberfläche das Bezugszeichen 20 trägt.
Die Oxidschicht 2 kann durch thermische Oxidation des Spendersubstrats 1 erzielt oder durch Abscheidung ausgebildet werden, herkömmlicherweise durch eine der Techniken zur chemischen Dampfabscheidung, die Kennern der Technik unter den Kürzeln ”CVD” (Chemical Vapor Deposition) und ”LPCVD” (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) bekannt sind.
3A zeigt auch ein Empfängersubstrat 3, das aus Einkristall- oder Mehrkristall-Silizium hergestellt wird.
3B zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der in dem Spendersubstrat 1 eine geschwächte Zone 10 vorhanden ist.
In diesem Fall wird das Spendersubstrat 1 durch die Oxidschicht 2 einer Implantation von Atom- oder Ionen-Spezies unterzogen.
Mit dem Begriff „Implantation von Atom- oder Ionen-Spezies” ist ein Beschuss durch diese Spezies gemeint, welcher diese bezüglich der Beschussfläche 20 mit einer maximalen Konzentration in einer vorgegebenen Tiefe des Substrats zu dem Zweck in das Spendersubstrat einführen kann, in diesem die geschwächte Zone 10 herzustellen. Diese Art der Implantation kann z. B. unter Verwendung des unter dem Namen Smart-Cut^® bekannten Verfahrens durchgeführt werden.
Weitere Details zu diesem Verfahren können in der Veröffentlichung ”Silicon on insulator technology: materials to VLSI” zweite Ausgabe, Jean-Pierre Colinge, Kluwer Academic Publishers, Seite 50 und 51 gefunden werden.
Die geschwächte Zone 10 bildet die Grenze zwischen einer Schicht 11 und dem Rest 12 des Spendersubstrats 1.
Die Implantation von Atom- oder Ionen-Spezies kann eine Monoimplantation sein, d. h. eine Implantation eines einzelnen Atom-Spezies wie z. B. bei einer Implantation von Wasserstoff, Helium oder eines anderen inerten Gases.
Die Implantation kann aber auch eine gemeinsame Implantation (co-implantation) von Atom- oder Ionen-Spezies sein, d. h. eine aufeinanderfolgende Implantation von mindestens zwei verschiedenen Spezies wie z. B. eine Co-Implantation von Wasserstoff und Helium.
Folgende Implantationsbedingungen können als Beispiel dienen:

– Implantation von Wasserstoff alleine: die Implantationsdosis beträgt bevorzugt 4 × 10¹⁶ H⁺/cm² bis 7 × 10¹⁶ H⁺/cm² und die Implantationsenergie liegt zwischen 20 keV und 100 keV;
– Co-Implantation von Helium und Wasserstoff: vorzugsweise beträgt die Implantationsdosis für Helium zwischen 0,5 × 10¹⁶ He⁺/cm² und 2 × 10¹⁶ He⁺/cm² und die Implantationsenergie liegt zwischen 20 keV und 100 keV und für Wasserstoff ist die Implantationsdosis 0,5 × 10¹⁶ H⁺/cm² bis 2 × 10¹⁶ H⁺/cm² und die Implantationsenergie liegt zwischen 20 keV und 100 keV.

Im Fall der gemeinsamen Implantation von Wasserstoff und Helium wird das Helium vorzugsweise vor dem Wasserstoff implantiert.
Diese Implantation oder Co-Implantation wird so durchgeführt, dass die Dicke der gebildeten Schicht 11 mindestens 150 nm beträgt.
In der weiteren Beschreibung und den Ansprüchen wird – zum Zweck der Vereinfachung – diese Schicht 11, im Gegensatz zu ihrem Zustand nach dem anschließenden Dünnermachen, mit der Bezeichnung „dicke Schicht” versehen, obwohl sie lediglich eine Dicke über 150 nm aufweist.
Die geschwächte Zone 10 kann auch in Form einer porösen Zone hergestellt werden, die durch das Verfahren gewonnen wird, dass Kennern der Technik als ELTRAN-Verfahren geläufig ist.
3C zeigt den Schritt, bei welchem das Empfängersubstrat 3 an einer seiner mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichneten Flächen in engen Kontakt mit der Fläche 20 der SiO₂-Schicht 2 des Spendersubstrats 1 gebracht wird.
Das Verbinden zwischen den beiden Substraten findet bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, durch Molekularadhäsion statt und die Klebegrenzfläche trägt das Bezugszeichen 4.
Obwohl es nicht in den Zeichnungen gezeigt wird, wäre es auch vorstellbar, die SiO₂-Schicht 2 auf dem Empfängersubstrat 3 auszubilden oder abzuscheiden und dann die Baugruppe mit einem Spendersubstrat 1 zu verkleben, das der Implantation zur Ausbildung der geschwächten Zone 10 bereits unterzogen worden ist. In diesem Fall jedoch wäre es zu bevorzugen, vor der Durchführung der Implantation auf dem Spendersubstrat 1 eine schützende Isolierschicht auszubilden oder abzuscheiden, wobei diese Schutzschicht vor dem Verkleben optional entfernt werden kann.
3D zeigt, dass das Verfahren dann mit der Abtrennung des Rests 12 des Spendersubstrats entlang der geschwächten Zone 10 so fortgeführt wird, dass die dicke Schicht 11 auf das Trägermaterial 3, genauer gesagt auf die Oxidschicht 2 übertragen wird.
Die Abtrennung kann durch jede geeignete, den Fachleuten bekannte Technik, erzielt werden, z. B. durch Anwendung von Spannungen aus thermischem, mechanischem oder chemischem Ursprung.
Dadurch entsteht ein Substrat vom Typ SOI „Halbleiter auf Isolator” im vorbearbeiteten Zustand mit Bezugszeichen 5.
Nun werden die Schritte zur Veredelung beschrieben.
Nach der Erfindung umfassen diese Schritte wenigstens:

– Dünnermachen der dicken Schicht 11 (z. B. durch Opferoxidation mit anschließender Desoxidation), dann
– langes Glühen in gasförmiger Atmosphäre mit Wasserstoff und/oder Argon und
– Dünnermachen der geglühten, dünner gemachten Schicht.

An der Oberfläche der dicken Schicht 11 wird ein Arbeitsgang zur Opferoxidation vorgenommen. Dieser Vorgang besteht aus einem in 3E dargestellten Schritt der Oxidation, einer optionalen Wärmebehandlung und dann ein in 3F dargestellter Desoxidationsschritt.
Der eine Oxidation enthaltende erste Schritt wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1100°C ausgeführt.
Er kann in trockener Umgebung, z. B. durch Erwärmen des SOI-Substrats in einer gasförmigen Atmosphäre, oder in feuchter Umgebung ablaufen, z. B. durch Erwärmen in einer Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre.
Sowohl bei der Oxidation unter trockenen als auch unter feuchten Bedingungen kann die Oxidationsatmosphäre mit Salzsäure angereichert werden.
Der Schritt der Oxidation bewirkt die Ausbildung einer Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) 111 an der Oberfläche der dicken Siliziumschicht 11.
Der nachfolgende zweite Schritt mit der optionalen Wärmebehandlung kann in nicht oxidierender Gasatmosphäre durch Steigern der Temperatur mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit ausgeführt werden, bis eine Temperatur von über etwa 1000°C und bevorzugt zwischen 1100°C und 1200°C erreicht wird. Die Gasatmosphäre enthält z. B. Argon, Stickstoff oder andere nicht oxidierende Gase oder eine Mischung dieser Gase. Die Wärmebehandlung kann auch unter Vakuum erfolgen.
Die Dauer dieser Wärmebehandlung beträgt typischerweise etwa 2 Stunden.
Es ist zu betonen, dass diese Wärmebehandlung bis hinauf zu einer Temperatur von 1200°C durchgeführt werden kann, ohne ein Risiko der Ablösung der verdeckten SiO₂-Schicht 2, weil die obere Schicht 110 der Siliziumschicht 11 oxidiert ist (Bezugszeichen 111), wodurch das Phänomen des Transports an die Oberfläche und der Verdampfung daselbst verhindert wird.
Durch den in 3F dargestellten Schritt der vollständigen Desoxidation kann die während des Oxidationsschritts ausgebildete Oxidschicht 111 schließlich entfernt werden. Dieser Schritt wird z. B. ausgeführt, indem das SOI-Substrat für einige Minuten in eine Lösung von Flusssäure (HF) getaucht wird, die mit Wasser z. B. auf 10 oder 20 Volumen-% verdünnt ist.
Ein Eintauchen des Substrats in diese Lösung von wenigen Minuten recht aus, um die zuvor gebildete Schicht aus Siliziumoxid 111 zu entfernen, deren Dicke üblicherweise zwischen etwa einhundert bis einigen Hundert Nanometer beträgt. Auf diese Weise wird die Siliziumdicke der dicken Schicht 11, die während der Abtrennung beschädigt wurde, entfernt.
So entsteht das vorgearbeitete Substrat 5'. Die verbleibende Siliziumschicht mit dem Bezugszeichen 112 wird nachfolgend „dünne Schicht” genannt, da sie dünner als die dicke Schicht 11 ist.
Andere Techniken zum Dünnermachen der dicken Schicht 11 sind ebenso vorstellbar, wie z. B. Trockenätzen oder Nassätzen.
Nach der Erfindung wird das Dünnermachen der dicken Schicht 11 so durchgeführt, dass die dünne Schicht 112 immer noch eine Dicke von über 150 nm aufweist, bevor der nächste Schritt, das thermische Glühen, vorgenommen wird. Das wird in 3G dargestellt.
Dieses thermische Glühen zum Glätten des SOI-Substrats wird in einer gasförmigen Atmosphäre mit Wasserstoff und/oder Argon, unter Ausschluss von Sauerstoff und bei einer Temperatur zwischen 950°C und 1350°C, bevorzugt zwischen 1000°C und 1250°C, ausgeführt.
Dieses Glühen wird langes Glühen genannt, d. h. das SOI-Substrat wird für mindestens etwa 10 Minuten und maximal einigen Stunden, möglicherweise sogar bis zu 8 Stunden im zuvor genannten Temperaturbereich gehalten. Bei einer Dauer von weniger als 10 Minuten ist die Behandlung unwirksam, während sie bei über 8 Stunden im Hinblick auf die Herstellungskosten unwirtschaftlich ist.
Das Glühen findet in einem geeigneten Ofen statt.
Das gewonnene veredelte SOI-Substrat erhält das Bezugszeichen 6.
Wie in 3H gezeigt wird, ist der letzte Schritt des Verfahrens ein zusätzliches Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht 112, die danach „ultradünne Schicht” genannt wird und das Bezugszeichen 113 erhält.
Das Dünnermachen wird so durchgeführt, dass die Dicke der ultradünnen Schicht 113 geringer als 150 nm ist.
Der Anmelder hat Messungen durchgeführt und beobachtet, dass es durch das Ausführen der Veredelungsschritte nach der Erfindung überraschenderweise möglich ist, die Rauigkeit der gewonnenen ultradünnen Schicht 113 zu begrenzen und vor allem die Ablösung der verdeckten Oxidschicht 2 (SiO₂) beträchtlich zu verringern.
Die Ergebnisse sind in 4 grafisch dargestellt, wo auf der Y-Achse die RMS-Rauigkeit R der ultradünnen Siliziumschicht 113 verschiedener SOI-Substrate über einen Abtastbereich von 30 μm × 30 μm gezeigt und in Ångström ausgedrückt wird.
Die oben genannte Rauigkeit wird durch einen RMS-Wert (Root Mean Square) ausgedrückt. Er wird durch ein AFM-Gerät (Atomic Force Microscopy – Rasterkraftmikroskopie) gemessen, dessen Spitze eine in Quadrat-Mikrometer ausgedrückte Fläche abtastet.
Die Messungen wurden einerseits an einer ersten Charge A von SOI-Substraten vorgenommen, die durch ein Verfahren gewonnen wurde, bei dem die Veredelungsschritte nur einen langen Glühvorgang umfassen, der unmittelbar nach dem Schritt des Abtrennens und Übertragens der dicken Schicht ausgeführt wurde, und andererseits an einer zweiten Charge B von SOI-Substraten, die durch ein Verfahren gewonnen wurde, bei dem die Veredelungsschritte der Erfindung entsprachen und einen Oxidationsschritt enthielten, dem ein Schritt der Opfer-Desoxidation vor dem Abtrennen folgte, und dann ein Schritt des langen Glühens.
Eine Prüfung der Ergebnisse macht offenbar, dass durch das Verfahren nach der Erfindung die Rauigkeit der ultradünnen Schicht 113 spürbar verringert werden kann. Des Weiteren sind die erzielten RMS-Werte der Rauigkeit klein, kleiner als 5 oder sogar 4 Ångström über eine Abtastfläche von 30 μm × 30 μm und sie sind reproduzierbar, wie durch die geringe Streuung der für B erzielten Werte angezeigt wird.
5 stellt den mittleren Haze-Wert dar, der zum Kennzeichnen der Gleichmäßigkeit der Rauigkeit über eine gesamte Fläche benutzt wird.
Die Messungen wurden mit den wie oben beschrieben vorbereiteten Chargen A und B durchgeführt.
Dieser in ppm gemessene Haze-Wert wird durch ein Verfahren erhalten, das die optischen Reflexionseigenschaften der zu kennzeichnenden Oberfläche benutzt, und entspricht einem optischen „Grundrauschen”, das durch die Oberfläche aufgrund ihrer Mikrorauigkeit ausgestreut wird.
Der Haze-Wert korreliert insbesondere mit der Rauigkeit und den Fehlstellen einer Oberfläche. Ein geringer Haze-Wert H entspricht einer hohen Oberflächengüte.
Zur Haze-Messung wird bevorzugt ein Instrument vom Typ Surfscan SP2 (eingetragenes Warenzeichen) verwendet, wie es von der Firma KLATENCOR vertrieben wird.
In 5 ist zu erkennen, dass die Substrate der Charge B eine wesentliche Verringerung des durchschnittlichen Haze-Wertes H aufweisen.
Es wurden, wie in 3G gezeigt, auch Messungen der Differenz der Dickengleichmäßigkeit der verdeckten SiO₂-Schicht vor und nach dem langen Glühen vorgenommen.
Die Messungen wurden wie oben festgelegt an den Chargen A und B der Substrate durchgeführt und ihre Ergebnisse sind in 6 grafisch dargestellt. Der Änderungswert von 0% entspricht einer Gleichmäßigkeit der SiO₂-Dicke, die annehmbar und alltäglich ist (äquivalent zu der Gleichmäßigkeit des Substrats vor dem langen Glühen), von etwa 1 bis 1,5 nm für eine SiO₂-Schicht mit einer anfänglichen Dicke von etwa 145 nm.
Die für Charge B erzielten Ergebnisse zeigen, dass im Unterschied zu Charge A die Gleichmäßigkeit der SiO₂-Dicke des Produkts nach dem Glühen nahe beim Wert dieser Gleichmäßigkeit vor dem Glühen liegt. Des Weiteren sind diese guten Ergebnisse reproduzierbar.
Ein veranschaulichendes Beispiel der Erfindung und ein Gegenbeispiel werden unten gegeben.
Beispiel:
Ein Spendersubstrat aus Silizium, das mit einer 50 Nanometer dicken Siliziumdioxidschicht bedeckt war, wurde einer aufeinanderfolgenden Co-Implantation von Helium und dann Wasserstoff mit den unten aufgeführten Parametern unterzogen:

– Helium: Dosis = 1 × 10¹⁶ He⁺/cm²; Energie = 50 keV

– Wasserstoff: Dosis = 1 × 10¹⁶ H⁺/cm²; Energie = 30 keV.
Nachdem die SiO₂-Schicht auf einem Empfängersubstrat aus Silizium verklebt war, wurde der Arbeitsgang des Abtrennens und Übertragens der SiO₂-Schicht durchgeführt, was eine dicke Siliziumschicht mit einer Dicke von etwa 200 Nanometer ergab.
Dieser Abtrennungsschritt erfolgte durch Glühen bei einer Temperatur von etwa 500°C.
Die dicke Siliziumschicht wurde dann einem Schritt der Opferoxidation unterzogen, d. h. der Dioxidation folge eine Desoxidation derart, dass oben auf der verdeckten Siliziumdioxidschicht eine dünne Siliziumschicht mit einer Dicke von über 150 Nanometer entstand.
Als Nächstes wurde über die Dauer von 4 Stunden ein thermischer Glühvorgang bei einer Temperatur von 1200°C in einer Gasatmosphäre mit ausschließlich Wasserstoff und Argon durchgeführt.
Die erzielte RMS-Rauigkeit auf der Oberfläche der dünnen Siliziumschicht betrug für eine AFM-Abtastfläche von 30 μm × 30 μm zwischen 2 und 3 Ångström.
Schließlich wurde ein zusätzlicher Schritt des Dünnermachens ausgeführt.
Die Dicke der verdeckten Oxidschicht (SiO₂) war etwa 50 nm und blieb praktisch gleichmäßig über die gesamte Fläche. Die gemessene Dickengleichmäßigkeit des Endprodukts bei einer anfänglichen Dicke des SiO₂ von 50 nm war besser als 1,8 nm, d. h. knapp 20% höher als die annehmbare und gewöhnliche Dickengleichmäßigkeit, die in der Einleitung der Anmeldung erwähnt wird.
Gegenbeispiel:
Ein Spendersubstrat aus Silizium, das mit einer 50 Nanometer dicken Siliziumdioxidschicht bedeckt war, wurde einer aufeinanderfolgenden Co-Implantation von Helium und Wasserstoff mit den unten aufgeführten Parametern unterzogen:

– Helium: Dosis = 1 × 10¹¹ He⁺/cm²; Energie = 50 keV

– Wasserstoff: Dosis = 1 × 10¹⁶ H⁺/cm²; Energie = 30 keV.
Nachdem die SiO₂-Schicht auf einem Empfängersubstrat aus Silizium verklebt war, wurde der Arbeitsgang des Abtrennens und Übertragens der SiO₂-Schicht durchgeführt, was eine dicke Siliziumschicht mit einer Dicke von etwa 200 Nanometer ergab.
Dieser Abtrennungsschritt erfolgte durch Glühen bei einer Temperatur von etwa 500°C.
Als Nächstes wurde ein Schritt der Opferoxidation ausgeführt, jedoch bei einer größeren Dicke, sodass eine dünne Siliziumschicht mit einer Dicke von 100 Nanometer entstand.
Schließlich wurde derselbe thermische Glühvorgang wie im vorigen Beispiel vorgenommen.
Dieses Mal hat sich gezeigt, dass die verdeckte Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) keine gleichmäßige Dicke mehr aufwies. Die gemessenen Dickenabweichungen (d. h. die Gleichmäßigkeit) erreichten 2,2, was bedeutet, dass sie mehr als 50% über der zuvor genannten annehmbaren und alltäglichen Dickengleichmäßigkeit lagen.
Zusammenfassung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats (6) vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator), das Arbeitsschritte des Verbindens und Übertragens von Schichten zum Gewinnen eines vorgearbeiteten SOI-Substrats umfasst, welches ein Siliziumträgermaterial (3) umfasst, das mit einer Schicht aus Siliziumdioxid (2) und mit einer dicken Siliziumschicht bedeckt ist, die eine Dicke von über 150 nm aufweist.
Dieses Verfahren ist insoweit bemerkenswert, als es die folgenden Veredelungsschritte umfasst:

a) Dünnermachen der dicken Siliziumschicht, sodass eine dünne Siliziumschicht (112) entsteht, deren Dicke geringer als die der dicken Schicht, aber größer als 150 nm ist;
b) langes Glühen in einer gasförmigen Atmosphäre mit Wasserstoff und/oder Argon;
c) Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht (112), sodass das SOI-Substrat (6) entsteht, welches das Trägermaterial aus Silizium (3) umfasst, das mit der Dioxidschicht aus Silizium (2) und mit einer ultradünnen Siliziumschicht bedeckt ist, die eine Dicke von 150 nm oder weniger aufweist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0181001 [0005]
- US 6372609 [0028]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Substrats vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator), das ein Siliziumsubstrat umfasst, welches mit einer Schicht aus Siliziumdioxid bedeckt ist, die selbst mit einer „ultradünn” genannten Siliziumschicht bedeckt ist, die Dicke der Siliziumschicht 150 nm oder weniger beträgt und dieses Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Ausbilden einer geschwächten Zone innerhalb eines „Spendersubstrat” genannten Siliziumsubstrats, wobei diese geschwächte Zone darin die Grenze zwischen einer „dicke Schicht” genannten Schicht, deren Dicke größer als 150 nm ist, und dem Rest des Substrats bildet, – Verbinden dieses Spendersubstrats mit einem „Empfängersubstrat” genannten Substrat, wobei zwischen den beiden eine Siliziumdioxidschicht liegt, – Abtrennen von dem Rest des Spendersubstrats entlang der geschwächten Zone, sodass ein vorgearbeitetes SOI-Substrat entsteht, welches das Empfängersubstrat aus Silizium umfasst, das mit der Siliziumdioxidschicht bedeckt ist, die selbst mit der dicken Schicht bedeckt ist, und – Ausführen von Veredelungsschritten, wobei in diesem Verfahren die Veredelungsschritte die folgenden fortlaufenden Arbeitsschritte umfassen: a) Dünnermachen der dicken Siliziumschicht, sodass eine „dünn” genannte Siliziumschicht entsteht, deren Dicke geringer ist als diejenige der dicken Schicht, jedoch über 150 nm bleibt, b) langes Glühen des in Schritt a) entstandenen vorgearbeiteten SOI-Substrats in einer gasförmigen Atmosphäre, die Wasserstoff und/oder Argon enthält, und c) Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht, sodass die ultradünne Siliziumschicht mit einer Dicke von 150 nm oder weniger und das veredelte Substrat vom Typ SOI (silicon on insulator – Silizium auf Isolator) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das lange Glühen in einem Temperaturbereich von 950°C bis 1350°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das lange Glühen in einem Temperaturbereich von 1100°C bis 1250°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lange Glühen über eine Dauer von mindestens 10 Minuten ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnermachen der dicken Siliziumschicht durch Opferoxidation und nachfolgender Desoxidation ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht aus Schritt c) durch chemisch-mechanisches Polieren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnermachen der dünnen Siliziumschicht aus Schritt c) durch Opferoxidation und nachfolgender Desoxidation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferoxidation bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1100°C unter trockenen oder feuchten Bedingungen stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geschwächte Zone durch Implantation von Atom- oder Ionen-Spezies in das Spendersubstrat ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das im Ausbilden der Dioxidschicht aus Silizium durch thermische Oxidation des Spendersubstrats und/oder des Empfängersubstrats und im Verbinden (Sondieren) der beiden Substrate miteinander besteht, sodass die Siliziumdioxidschicht auf der Grenzfläche liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ultradünne Siliziumschicht über ihre gesamte Ausdehnung eine RMS-Oberflächenrauigkeit von weniger als 3 Ångström über einer Abtastfläche von 30 μm × 30 μm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) 50 Nanometer oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichmäßigkeit der Dicke der verdeckten Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) 1,8 nm oder besser ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Gleichmäßigkeit der Dicke der verdeckten Siliziumdioxidschicht vor und nach dem langen Glättungsglühen weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10% beträgt.