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ERFINDUNGSFELD
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer Struktur des Halbleiter-auf-Isolator-Typs durch das Übertragen einer Schicht von einem als „Donorsubstrat“ bezeichneten Substrat auf ein anderes als „Empfängersubstrat“ bezeichnetes Substrat.
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STAND DER TECHNIK
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Die Herstellung einer Struktur des Halbleiter-auf-Isolator (Semiconductoron Insulator bzw. SeOI)-Typs und insbesondere einer Silicon-on-Insulator bzw. SOI-Struktur, wenn das Halbleitermaterial Silizium ist, erfolgt allgemein gemäß einem Verfahren zum Übertragen einer Schicht von einem Donorsubstrat auf ein Empfängersubstrat.
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Gemäß einem derartigen Verfahren wird in dem Donorsubstrat eine sogenannte Versprödungszone, die eine zu übertragende Schicht begrenzt erzeugt, wird die Donorzone an das Empfängersubstrat gebondet und wird dann das Donorsubstrat entlang der Versprödungszone abgelöst, um die Schicht auf das Empfängersubstrat zu übertragen.
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Ein wohlbekanntes Schichtübertragungsverfahren ist das Smart Cut™-Verfahren, in dem die Versprödungszone durch das Implantieren von Wasserstoff- und/oder Heliumatomen in das Donorsubstrat zu einer vorbestimmten Tiefe, die im Wesentlichen der Dicke der zu übertragenden Schicht entspricht, erzeugt wird.
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Ein Beispiel für das Smart Cut™-Verfahren ist in 1 gezeigt. Das Donorsubstrat A und/oder das Empfängersubstrat B, die zu Beginn vorgesehen werden (Schritt 1) und allgemein aus Silizium bestehen, werden zuerst über eine Dicke hinweg oxidiert (Schritt 2), um eine Oxidschicht 10 zu erhalten. Dann wird eine Versprödungszone in dem Donorsubstrat A, die die zu übertragende Schicht begrenzt, durch eine Atomimplantation ausgebildet (Schritt 3).
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Die Substrate A und B werden anschließend einer Oberflächenbehandlung, die ein hydrophiles Molekularbonding ermöglicht, unterzogen und dann miteinander an den behandelten Oberflächen, die die Bondinggrenzfläche bilden, gebondet (Schritt 4). Die Oxidschicht 10 an der Grenzfläche wird als „vergrabene Oxidschicht (Buried Oxide Layer bzw. BOX)“ bezeichnet.
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Durch eine Ablösung des Donorsubstrats entlang der Versprödungszone (Schritt 5) kann die Schicht 11 auf das Empfängersubstrat B übertragen werden. Dieser Schritt wird auch als Brech- oder Teilungsschritt bezeichnet und kann zum Beispiel während einer Wärmebehandlung der erhaltenen mehrschichtigen Struktur durchgeführt werden.
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Die Ablösung wird thermisch durch das Wachsen von Mikrorissen auf der Ebene der Versprödungszone eingeleitet. Diese in der Tiefe der Struktur verteilten Mikrorisse verbinden sich nach und nach und bilden eine Bruchlinie, die sich über die gesamte Fläche der Versprödungszone fortpflanzt und somit eine Trennung der SOI-Struktur von dem Rest des Substrats B herbeiführt.
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Am Ende dieser Übertragung weist die freie Fläche der übertragenen Schicht 11, die der mit dem Empfängersubstrat B gebondeten Fläche des Donorsubstrats A gegenüberliegt, eine beträchtliche Mikrorauheit auf. Diese Rauheit wird durch die allmähliche Fortpflanzung des Bruchs zwischen den Mikrofasern verursacht. 2 ist ein durch eine Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) aufgenommenes Foto eines Schnitts durch eine Siliziumschicht 12 des Donorsubstrats nach der Implantation von Wasserstoffatomen und der darauf folgenden Wärmebehandlung. Das Foto zeigt eine Bruchlinie 13, die durch die Fortpflanzung des Bruchs zwischen den Mikrorissen verursacht wird. Die Ablösung der SOI-Struktur und des restlichen Donorsubstrats folgt dieser Bruchlinie und resultiert in einer Oberfläche mit einer beträchtlichen Mikrorauheit.
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Die Rauheit hat einen großen Einfluss auf die Performanz der in oder auf der übertragenen Schicht ausgebildeten elektronischen Bauelemente. Zum Beispiel bringt eine beträchtliche Rauheit eine große Variabilität in den Schwellwertspannungen der in oder auf dieser Schicht hergestellten Transistoren mit sich.
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Außerdem stört die Rauheit eine Prüfung auf Defekte, die durch eine Laserbeugung an der endgültigen SOI-Struktur durchgeführt wird. Tatsächlich stören die Rauheit und das Vorhandensein von kleinen Oberflächenlöchern die Messung oder verhindern sogar eine Kontrolle auf Defekte der SOI-Struktur am unteren Prüfungsschwellwert.
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Um die Oberfläche zu reparieren und die Rauheit zu reduzieren, wird die SOI-Struktur gewöhnlich einer Endbearbeitung durch ein thermisches, mechanisches und/oder chemisches Glätten unterworfen. Diese Behandlungen zielen insbesondere darauf, eine gewünschte Dicke der SOI mit einer glatten Oberfläche und einer konsolidierten Verbindungsgrenzfläche zu erhalten.
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Durch diese Behandlungen können Oberflächendefekte zwar teilweise abgeschwächt werden, aber es kann allgemein kein optimaler Oberflächenzustand für Anwendungen der endgültigen SOI-Struktur erhalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schichtübertragungsverfahren für die Herstellung einer Struktur des Halbleitertyps vorzusehen, mit dem die Rauheit der freien Fläche der übertragenen Schicht beträchtlich reduziert werden kann.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere ein derartiges Schichtübertragungsverfahren vorzusehen, mit dem die Rauheit der freien Fläche der übertragenen Schicht durch das Steuern der Bildung und Entwicklung der Bruchlinie während eines entsprechenden Ablösungs- oder Teilungsschritts reduziert werden kann.
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Dazu schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur des Halbleiter-auf-Isolator-Typs durch das Übertragen einer Schicht von einem Donorsubstrat auf ein Empfängersubstrat vor, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Zuführen des Donorsubstrats und des Empfängersubstrats,
- b) Ausbilden, in dem Donorsubstrat, einer Versprödungszone, die die zu übertragende Schicht begrenzt,
- c) Bonden des Donorsubstrats mit dem Empfängersubstrat, wobei die Oberfläche des Donorsubstrats, die der Versprödungszone in Bezug auf die zu übertragende Schicht gegenüberliegt, an der Bondinggrenzfläche angeordnet ist,
- d) Ablösen des Donorsubstrats entlang der Versprödungszone, um eine Übertragung der zu übertragenden Schicht auf das Empfängersubstrat zu ermöglichen,
wobei das Übertragungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es vor dem Bondingschritt einen Schritt zum gesteuerten Modifizieren der Krümmung des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats umfasst, um die Substrate in wenigstens einem Bereich ihres Umfangs voneinander weg zu bewegen, wobei die Fläche oder die zwei Flächen, die die Bondinggrenzfläche des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats bilden, verformt werden, sodass sie eine Krümmungsamplitude (Bw) größer oder gleich 136 µm aufweisen.
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Das globale Modifizieren der Krümmung der Substrate vor dem Bonding durch das Ausüben einer vorbestimmten mechanischen Spannung auf diese ermöglicht es, während des Bondings in der erhaltenen mehrschichtigen Struktur eine zusätzliche mechanische Energie in Entsprechung zu der Spannung im Vergleich zu einem ohne eine vorausgehende Verformung der Substrate durchgeführten Bonding zu speichern.
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Diese zusätzliche Energie wird während der Ablösung des Donorsubstrats freigegeben, was durch ein beliebiges bekanntes Verfahren wie etwa das Ausüben einer mechanischen Spannung oder eine thermische Behandlung eingeleitet werden kann, und unterstützt die Reifung der Mikrorisse und damit die Bildung der Bruchlinie. Das Einleiten und Durchführen des Ablösungsschrittes haben eine Reduktion der Rauheit der freien Fläche der übertragenen Schicht am Ende des Verfahrens zur Folge.
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Gemäß anderen Aspekten weist das vorgeschlagene Verfahren die folgenden Eigenschaften alleine oder gemäß allen technisch möglichen Kombinationen auf:
- - Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die Krümmung des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats global modifiziert.
- - Der Schritt zum gesteuerten Modifizieren umfasst das Abscheiden einer zusätzlichen Schicht auf wenigstens einer der Flächen des betreffenden Substrats, wobei die zusätzliche Schicht aus einem Material ausgebildet ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient verschieden von demjenigen des Materials des Substrats ist, wobei das Material der zusätzlichen Schicht ausgewählt wird, um für das Substrat eine gesteuerte mechanische Spannung vorzusehen, die dieses verformen kann.
- - Das Abscheiden der zusätzlichen Schicht wird an den zwei Flächen des Substrats durchgeführt, wobei die zusätzlichen Schichten der ersten und zweiten Flächen aus Materialien ausgebildet sind, die voneinander verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Materialien der zusätzlichen Schichten ausgewählt werden, um für das Substrat eine gesteuerte mechanische Spannung vorzusehen, die dieses verformen kann.
- - Das Abscheiden der zusätzlichen Schicht wird auf den zwei Flächen des Substrats durchgeführt, wobei die auf der ersten und der zweiten Fläche abgeschiedenen zusätzlichen Schichten verschiedene Dicken aufweisen und wobei die Differenz in der Dicke ausgewählt wird, um für das Substrat eine gesteuerte mechanische Spannung vorzusehen, die dieses verformen kann.
- - Auf das Abscheiden der zusätzlichen Schichten folgt die Entfernung wenigstens eines Teils wenigstens einer der zusätzlichen Schichten.
- - Das Verfahren umfasst vor dem Bonden das Abscheiden einer Ladungsfallenschicht aus polykristallinem Silizium auf dem Empfängersubstrat.
- - Der Schritt zum gesteuerten Verformen umfasst die Oxidation wenigstens eines oberflächlichen Bereichs des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats, um für das Substrat eine gesteuerte mechanische Spannung vorzusehen, die dieses verformen kann.
- - Das Empfängersubstrat umfasst eine Ladungsfallenschicht aus polykristallinem Silizium, und die Oxidation des Substrats umfasst die Oxidation der Ladungsfallenschicht.
- - Das Abscheiden der zusätzlichen Schicht wird durch eine chemische Dampfabscheidung in einem Reaktor durchgeführt.
- - Das Donorsubstrat und das Empfängersubstrat werden beide konvex verformt.
- - Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die Krümmung des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats lokal modifiziert.
- - Der Schritt zum gesteuerten Verformen des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats umfasst die folgenden Schritte:
- - Positionieren des Empfängersubstrats auf der Fläche einer mit Rillen versehenen Halterung, wobei die Fläche des Empfängersubstrats, die als die Bondinggrenzfläche bestimmt ist, gegenüber der Fläche der Halterung angeordnet ist;
- - Ausüben, in den Rillen, eines ersten Drucks, der kleiner ist als ein zweiter Druck, der auf die als die Bondinggrenzfläche bestimmten Fläche des Empfängersubstrats ausgeübt wird;
wobei das Bonden des Donorsubstrats mit dem Empfängersubstrat und auch das Ablösen des Donorsubstrats entlang der Versprödungszone durchgeführt werden, während die ersten und zweiten Drücke aufrechterhalten werden.
- - Die Fläche oder die zwei Flächen, die als die Bondinggrenzfläche des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats bestimmt sind, werden derart verformt, dass sie eine Krümmungsamplitude aufweisen, die größer oder gleich 180 µm und vorzugsweise größer oder gleich 250 µm ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Reduzieren der Rauheit der freigelegten Fläche einer Struktur des Halbleiter-auf-Isolator-Typs, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es das Ausbilden der Struktur durch das oben beschriebene Verfahren umfasst, wobei die freigelegte Fläche nach dem Ablösen des Donorsubstrats entlang der Versprödungszone erhalten wird.
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Figurenliste
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Andere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden durch die Beschreibung eines nicht-einschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- - 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren des Smart Cut™-Typs zum Herstellen einer Struktur des Halbleiter-auf-Isolator-Typs durch das Übertragen einer Schicht von einem Donorsubstrat auf ein Empfängersubstrat zeigt.
- - 2 ist ein durch eine Transmissionselektronenmikroskopie aufgenommenes Foto eines Schnitts einer Siliziumschicht des Donorsubstrats nach einer Implantation von Wasserstoffatomen und einer darauf folgenden Wärmebehandlung.
- - 3A und 3B sind Schnittansichten eines Donor- oder Empfängersubstrats mit einer gesteuerten globalen Krümmung, die jeweils konkav und konvex ist.
- - 4A, 4B, 4C und 4D sind schematische Ansichten von verschiedenen Konfigurationen des Donorsubstrats und des Empfängersubstrats an der Bondinggrenzfläche.
- - 5 ist eine Schnittansicht einer Struktur des SOI-Typs gemäß einer Ausführungsform und umfasst eine Polysiliziumschicht zwischen einer Oxidschicht und einer übertragenen Siliziumschicht.
- - 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Halterung oder eines „Futters“.
- - 7 ist ein Rauheitsdiagramm, das als Trübungsdiagramm bezeichnet wird und durch die Beugung eines Lasers an der Oberfläche von zwei SOI-Strukturen nach einer Ablösung und thermischen Glättung durch eine Wärmebehandlung erhalten wird.
- - 8 ist ein Defektdiagramm, das durch eine Beugung eines Lasers an der Oberfläche der zwei SOI-Strukturen von 7 erhalten wird.
- - 9 ist ein Trübungsdiagramm, das durch eine Beugung eines Lasers an der Oberfläche einer SOI-Struktur nach einer Ablösung und thermischen Glättung durch eine Wärmebehandlung für verschiedene Krümmungswerte (Bw) erhalten wird.
- - 10 ist ein Kurvendiagramm, das die Entwicklung der Rauheit der freigelegten Fläche in Abhängigkeit von der Krümmung in Entsprechung zu dem Trübungsdiagramm von 9 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung von mehrschichtigen Strukturen des SOI-Typs durch eine Übertragung einer Schicht von Interesse, wobei die freie Fläche der übertragenen Schicht von Interesse eine reduzierte Rauheit im Vergleich zum Stand der Technik aufweist. Das Verfahren basiert auf der Steuerung der Modifikation, vor dem Bonden, der Krümmung der Donor- und/oder Empfängersubstrate.
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Ein Schichtübertragungsverfahren umfasst herkömmlicherweise das Ausbilden einer Versprödungszone, die die zu übertragende Schicht begrenzt, in dem Donorsubstrat. Gemäß dem Smart Cut™-Verfahren wird die Versprödungszone durch die Implantation von Wasserstoff- und/oder Heliumionen zu einer vorbestimmten Tiefe des Donorsubstrats ausgebildet. Die gewählte Tiefe bestimmt die Dicke der zu übertragenden Schicht.
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Die zu bondenden Flächen der Donor- und Empfängersubstrate werden einer geeigneten Behandlung unterworfen, um ein späteres hydrophiles Molekularbonding dieser Flächen zu ermöglichen.
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Nach dem Bonden wird die mehrschichtige Struktur einer Wärmebehandlung unterworfen und wird das Donorsubstrat von dem Empfängersubstrat entlang der Versprödungszone abgelöst, um die Übertragung der zu übertragenden Schicht auf das Empfängersubstrat zu ermöglichen.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird vor dem Bonden der Substrate eine gesteuerte mechanische Spannung auf wenigstens eines der zwei Substrate ausgeübt, um die Krümmung des Substrats zu modifizieren und dadurch die Substrate in wenigstens einem Bereich ihres Umfangs voneinander weg zu bewegen. Mit anderen Worten ist die Distanz zwischen einer Zone des Umfangs des Substrats und der Zone des Umfangs des anderen Substrats, die während des Bondingsschritts in Kontakt miteinander sein sollen, nach der Modifikation der Krümmung des bzw. der betreffenden Substrate größer.
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Die Krümmung kann global in einem konkaven und konvexen Sinn, aber auch lokal modifiziert werden.
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Unter einer „global modifizierten Krümmung“ ist zu verstehen, dass die Krümmung des Substrats insgesamt modifiziert wird, sodass es eine konkave oder konvexe Form annimmt. Wenn das Substrat eine Scheibenform aufweist, weist es nach der Verformung eine allgemein parabolische Form auf.
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Die Angaben „konvex“ und „konkav“ sind in Bezug auf die Krümmung der Fläche des Substrats, die die Bondinggrenzfläche bilden soll und als „Vorderfläche“ bezeichnet wird, zu verstehen. Das Substrat wird also als „konvex“ bezeichnet, wenn die Krümmung der Vorderfläche konvex ist, und wird als „konkav“ bezeichnet, wenn die Krümmung der Vorderfläche konkav ist.
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Unter einer „lokal modifizierten Krümmung“ ist zu verstehen, dass nur ein Bereich (einschließlich wenigstens einer Zone des Umfangs) des Substrats verformt wird.
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Die globale oder lokale Modifikation der Krümmung hat keine Modifikation der Dicke des Substrats zur Folge.
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Beispiele für ein Substrat mit einer globalen konkaven oder konvexen Krümmung sind in 3A und 3B gezeigt.
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Das Substrat 20 von 3A ruht frei auf einer flachen Referenzhalterung P, die gewöhnlich perfekt flach ist, und wurde konkav verformt. Die Vorderfläche 21 (die als die Bondinggrenzfläche bestimmt ist) ist die obere Fläche. Die Rückfläche 22 gegenüber der Vorderfläche 21 ist parallel zu der Vorderfläche, weil das Substrat 20 eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweist.
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Das Substrat 20 von 3B wurde konvex verformt. Die Vorderfläche 21 ist die obere Fläche. Die Rückfläche 22 ist parallel zu der Vorderfläche 21.
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Die Krümmung des Substrats wird gewöhnlich durch einen Amplituden- bzw. Verbiegungsparameter, der als Bow bezeichnet und durch Bw angegeben wird, und/oder durch einen Verwölbungsparameter, der als Warp bezeichnet und durch Wp angegeben wird, quantifiziert.
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Bw entspricht der Distanz zwischen dem Mittelpunkt C der Medianebene Pm (durch Strichlinien angegeben) des Substrats und einer Referenzebene P in Entsprechung zu einer Referenzhalterung, auf der das Substrat ruht. In 3A wird die Berechnung durch das Verwenden des Vorsprungs P1 der Referenzhalterung P an der Vorderfläche des Substrats durchgeführt. Bw ist negativ bei einer konkaven Krümmung wie in 3A und positiv bei einer konvexen Krümmung wie in 3B.
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Das Substrat wird derart verformt, dass es einen Krümmungsamplitudenparameter Bw größer oder gleich 136 µm aufweist. Dadurch wird eine deutliche Verminderung der Rauheit der freiliegenden Fläche der nach dem Ablösen des Donorsubstrats und dem Übertragen der zu übertragenden Schicht auf das Empfängersubstrat erhaltenen SOI-Struktur erzielt. Die freiliegende Fläche ist diejenige der übertragenen Schicht.
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Die Reduktion der Rauheit ist größer als durch den Anmelder erwartet und ist besonders ausgeprägt, wenn das Substrat derart verformt wird, dass es einen Krümmungsamplitudenparameter Bw größer oder gleich 180 µm oder sogar größer oder gleich 250 µm aufweist.
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In 3A und 3B ist Wp gleich null, weil das Substrat ohne eine Verwölbung verformt wird.
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Die Substrate können in ihrem anfänglichen Zustand bereits eine spezifische Krümmung in Entsprechung zu den Parametern Bw und Wp aufweisen. In diesem Fall wird wenigstens eines der Substrate wie weiter oben beschrieben verformt. Vorzugsweise wird das Substrat in der Richtung seiner anfänglichen Krümmung verformt, um das Risiko eines Brechens zu reduzieren. Wenn also das Substrat eine spezifische konkave Krümmung aufweist, wird es konkav verformt. Und wenn das Substrat eine spezifische konvexe Krümmung aufweist, wird es konvex verformt.
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Für die Implementierung des Verfahrens reicht es aus, dass die Krümmung des Donorsubstrats und/oder des Empfängersubstrats während des Bondingschritts global und gesteuert modifiziert wird, sodass sie sich in wenigstens einer Umfangszone der Substrate voneinander weg bewegen. Die während der Verformung in einem oder dem anderen der Substrate akkumulierte Energie wird dabei in optimaler Weise von der Umfangszone während der Ablösung des Donorsubstrats freigegeben.
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Weiterhin werden die Donor- und Empfängersubstrate vorzugsweise durch ein freies Bonding gebondet, sodass also die Substrate nach dem Bonden ihre räumliche Konformation frei ändern können, um sich aneinander anzupassen. Diese Änderung der Konformation kann zum Beispiel in einer Änderung des Amplitudenparameters Bw oder des Verwölbungsparameters Wp bestehen.
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Zum Beispiel kann ein konvex gekrümmtes Donorsubstrat mit einem Amplitudenparameter Bw von 30 µm vor dem Bonden nach dem Bonden auf ein Empfängersubstrat, das in seinem anfänglichen Zustand im Wesentlichen flach ist, einen Amplitudenparameter Bw von 15 µm weiterhin in einer konvexen Konformation aufweisen.
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Bevorzugte Kombinationen für eine globale Verformung werden nachfolgend mit Bezug auf 4A, 4B, 4C und 4D beschrieben, wobei die Substrate jeweils an ihrer Position vor dem Platzieren in einem Kontakt für ein Bonding gezeigt sind.
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In 4A wird eine konvexe Krümmung für das Donorsubstrat und das Empfängersubstrat vorgesehen. In dieser ersten Konfiguration werden die zwei Substrate 23, 24 derart verformt, dass sie sich voneinander weg in der Richtung ihres Umfangs und nach oben zu ihrem Umfang bewegen. Die Distanz E2 zwischen den Substraten an ihrem Umfang ist dann viel größer als die Distanz E1 an ihrem mittleren Teil. Diese Konfiguration ist zu bevorzugen, weil sie eine endgültige Struktur mit einer zusätzlichen akkumulierten Energie im Vergleich zu den anderen Konfigurationen vorsieht und dennoch die Rauheit der übertragenen Schicht weiter reduziert.
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In 4B wird eine konvexe Krümmung für das Donorsubstrat vorgesehen und befindet sich das Empfängersubstrat in seinem anfänglichen Zustand, der flach sein kann oder eine spezifische Krümmung aufweisen kann. In dieser zweiten Konfiguration wird das Donorsubstrat verformt, um sich weg von dem Empfängersubstrat zu seinem Umfang und nach oben zu seinem Umfang zu bewegen. Die Distanz E3 zwischen den Substraten an ihrem Umfang ist dann größer als die Distanz E1 an ihrem mittleren Teil, wenn auch kleiner als die Distanz E2 der ersten Konfiguration für einen gleichen Amplitudenparameter Bw des Donorsubstrats.
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In 4C werden eine konvexe Krümmung für das Donorsubstrat und eine konkave Krümmung für das Empfängersubstrat vorgesehen, wobei der Amplitudenparameter Bw des Donorsubstrats größer ist als derjenige des Empfängersubstrats. In dieser dritten Konfiguration werden das Donorsubstrat und das Empfängersubstrat beide in der gleichen Richtung verformt. Weil der Amplitudenparameter Bw des Donorsubstrats größer ist als derjenige des Empfängersubstrats, ist die Distanz E4 zwischen den Substraten an ihrem Umfang größer als die Distanz E1 an ihrem mittleren Teil, wenn auch kleiner als die Distanz E2 der ersten Konfiguration und die Distanz E3 der zweiten Konfiguration.
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In 4D wird eine konvexe Krümmung für das Empfängersubstrat vorgesehen und befindet sich das Donorosubstrat in seinem anfänglichen Zustand, der flach sein oder eine spezifische Krümmung aufweisen kann. In dieser vierten Konfiguration wird das Empfängersubstrat derart verformt, dass es sich weg von dem Donorsubstrat zu seinem Umfang und nach oben zu seinem Umfang bewegt. Die Distanz E5 zwischen den Substraten an ihrem Umfang wird dann größer als die Distanz E1 an ihrem zentralen Teil, wenn auch kleiner als die Distanz E2 der ersten Konfiguration für einen gleichen Amplitudenparameter Bw des Empfängersubstrats.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die gesteuerte Verformung des Substrats einen Schritt zum Abscheiden, bei einer hohen Temperatur, einer zusätzlichen Schicht auf wenigstens einer der Flächen des Substrats. Unter einer „hohen Temperatur“ ist eine Temperatur, die deutlich über der Raumtemperatur liegt, vorzugsweise größer als 200°C ist, noch besser größer als 500 °C ist und am besten größer als 800°C ist, zu verstehen.
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Die zusätzliche Schicht ist aus einem Material ausgebildet, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der verschieden von demjenigen des Materials des Substrats ist. Wenn also nach der Abscheidung die Temperatur sinkt, kontrahieren sich die zusätzliche Schicht und das Substrat unterschiedlich. Bei der Kontraktion übt die zusätzliche Schicht eine mechanische Spannung auf das Substrat von seiner Abscheidungsfläche aus, wodurch eine Modifikation der Krümmung des Substrats entlang einer bevorzugten Richtung, d.h. in der konkaven Richtung oder in der konvexen Richtung in Entsprechung zu der Fläche, auf der die Abscheidung durchgeführt wurde, veranlasst wird. Die Intensität der mechanischen Spannung hängt von den Eigenschaften der zusätzlichen Schicht und insbesondre von deren Dicke und Material ab.
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Der Fachmann kann das Material und die Dicke der zusätzlichen Schicht in Bezug auf diejenigen des Substrats für das Steuern der Richtung der Modifikation der Krümmung, d.h. konkav oder konvex, und für das Ausüben eines bestimmten Werts des Parameters Bw auf das Substrat auswählen.
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In der Praxis wird das Substrat zuerst in einer für diesen Zweck vorgesehenen Reaktionskammer platziert und wird dann die Reaktionskammer zu einer in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Substrats und der abzuscheidenden zusätzlichen Schicht bestimmten Temperatur erhitzt. Die zusätzliche Schicht wird dann auf dem Substrat abgeschieden. Dann werden das Substrat und die zusätzliche Schicht während des gesamten Abscheidungsschritts oder eines Teils desselben erhitzt. Dabei kann die gleiche Temperatur während der Abscheidung erhalten werden oder kann die Temperatur während der Abscheidung variiert werden.
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Durch das Einstellen der Temperatur der Reaktionskammer kann die Temperaturdifferenz für das Substrat während des Abkühlens zu der Raumtemperatur von ungefähr 20°C eingestellt werden.
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Das Abscheiden der zusätzlichen Schicht wird vorzugsweise durch eine chemische Dampfabscheidung (Chemical Vapor Deposition bzw. CVD) in der Reaktionskammer durchgeführt. Eine CVD ist besonders geeignet für das Abscheiden einer zusätzlichen Schicht mit einer kleinen Dicke im Vergleich zu derjenigen des Substrats.
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Eine zusätzliche Schicht kann in dieser ersten Ausführungsform auf den zwei gegenüberliegenden Flächen des Substrats abgeschieden werden. In diesem Fall ist jede der zusätzlichen Schichten aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der verschieden von demjenigen des Materials des Substrats ist, ausgebildet.
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Außerdem können die zusätzlichen Schichten aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein.
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Wenn die zusätzlichen Schichten aus dem gleichen Material ausgebildet sind, weisen sie den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Deshalb muss sichergestellt werden, dass sie gleiche Dicken aufweisen, um eine mechanische Spannung für das Modifizieren der Krümmung des Substrats auszuüben. Dies kann durch das asymmetrische Abscheiden einer größeren Dicke von Material auf einer Fläche des Substrats als auf der anderen oder durch das Entfernen, nach der Abscheidung, eines Teils wenigstens einer der zusätzlichen Schichten von der entsprechenden Fläche bewerkstelligt werden.
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Wenn die zusätzlichen Schichten aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind, weisen sie allgemein verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Es können deshalb zwei zusätzliche Schichten der gleichen Dicke oder auch zwei zusätzliche Schichten mit verschiedenen Dicken vorgesehen werden, um die Krümmung des Substrats präziser einzustellen. Analog dazu kann eine Differenz der Dicke eine asymmetrische Abscheidung oder eine Entfernung eines Teils wenigstens einer zusätzlichen Schicht nach der Abscheidung nach sich ziehen.
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In einer zweiten Ausführungsform wird eine gesteuerte Verformung des Substrats durch eine oberflächliche thermische Oxidation des Substrats erhalten. Die Oxidation des Materials an der Oberfläche des Substrats veranlasst einen Verbrauch des Materials und die Bildung eines oder mehrerer entsprechender Oxide. Die Bildung eines Oxids führt zu einer mechanischen Spannung in dem Substrat und resultiert in einer Modifikation der Krümmung desselben.
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Der Oxidationsschritt wird auf einer oder beiden Flächen des Substrats durchgeführt. Vorzugsweise entspricht dies der Ausbildung der vergrabenen Oxidschicht.
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Eine Fläche des Substrats oder eine Fläche einer wie für die erste Ausführungsform beschrieben zuvor auf dem Substrat abgeschiedenen zusätzlichen Schicht wird oxidiert.
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Die Oxidation einer Fläche des Substrats hängt hauptsächlich von dem Material ab. Tatsächlich können zwei Schichten aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Raten oxidiert werden, was die Ausbildung von verschiedenen Oxiden und verschiedenen Dicken zur Folge hat. Dies führt zu der Ausübung von verschiedenen mechanischen Spannungen auf die zwei Flächen des Substrats und resultiert in einer Verformung des Substrats, wenn das Substrat nach der Oxidation gekühlt wird.
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Die Dicke der oxidierten Schicht auf jeder Fläche hängt auch von der Oxidationszeit ab. Eine verlängerte Oxidation ermöglicht eine Oxidation einer größeren Dicke der Schicht im Vergleich zu einer kürzeren Oxidation.
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Eine in 5 gezeigte beispielhafte Ausführungsform betrifft SOI-Strukturen, die auf einem Substrat aus Silizium mit einem hohen Widerstand hergestellt werden, wobei eine Fallenschicht 31 aus Polysilizium (einem polykristallinen Silizium) zwischen der Oxidschicht 32 und dem anfänglichen Substrat 30 angeordnet ist. Die Fallenschicht 31 aus Polysilizium wurde auf einem Siliziumsubstrat 30 abgeschieden und dann oxidiert, was eine beträchtliche Modifikation der Krümmung des Substrats zur Folge hatte. Tatsächlich ist die Oxidation bei einer hohen Temperatur, hier zwischen 800 °C und 1100 °C, schneller an der Polysiliziumschicht als an der gegenüberliegenden Fläche des Substrats, was zu einer großen Differenz in der Dicke des Oxids zwischen den zwei Flächen des Substrats führt. Dies hat die Ausübung von verschiedenen mechanischen Spannungen an den zwei Flächen des Substrats und eine beträchtliche Verformung des Substrats zur Folge, wenn das Substrat nach einer Oxidation zur Raumtemperatur geführt wird. Zum Beispiel wurden Krümmungen von ungefähr 130 µm bis 140 µm an Siliziumsubstraten mit einem Durchmesser von 300 nm bei einer Oxidation von 0,25 µm der Polysiliziumschicht erhalten und wurden Krümmungen von ungefähr 240 µm bis 250 µm an Siliziumsubstraten mit einem Durchmesser von 300 mm für eine Oxidation von 0,5 µm der Polysiliziumschicht erhalten.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform wird das Substrat durch die Ausübung von mechanischen Spannungen mittels einer Halterung oder eines „Futters“ verformt.
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Eine Halterung ist in 6 gezeigt. Diese Halterung 40 ist konfiguriert zum Aufnehmen eines Substrats, dessen eine Fläche in Kontakt mit der Kontaktfläche 41 der Halterung kommt. Die Halterung ist an ihrer Kontaktfläche mit Rillen 42 versehen, die gewöhnlich regelmäßig über die Fläche verteilt sind. In der Ausführungsform der Halterung von 6 erstrecken sich die Rillen entlang von zwei Reihen von parallelen Rillen, wobei die Reihen von Rillen senkrecht zueinander sind und ein Gittermuster bilden, das sich über die gesamte Kontaktfläche der Halterung erstreckt. Die Rillen sind mit Vakuumsaugeinrichtungen ausgestattet, die vorzugsweise die Form von Öffnungen 43 aufweisen, die in den Rillen angeordnet sind und eine Fluidverbindung mit einer Vakuumpumpe aufweisen.
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Die Halterung 40 ist in einer für diesen Zweck vorgesehenen Kammer angeordnet, und ein Substrat wird auf der Halterung positioniert. Dann wird mittels der Vakuumsaugeinrichtungen ein Vakuum in den Rillen erzeugt. Der Druck P1 der Zone zwischen dem Substrat und der Halterung wird kleiner, wodurch eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck P1 und dem Druck P2 der Kammer erzeugt wird, sodass ΔP = P1 - P2 < 0. Diese an den verschiedenen Zonen des Substrats angelegte Druckdifferenz erzeugt eine mechanische Spannung an der Kontaktfläche des Substrats. Unter der Wirkung dieser mechanischen Spannung verformen sich Teile des Substrats, die gegen die Halterung 40 anliegen, lokal. Natürlich kann eine Druckdifferenz auf einen einzelnen Teil oder mehrere Teile des Substrats angelegt werden, um eine oder mehrere Umfangszonen des Substrats lokal zu verformen.
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Der Fachmann kann die Halterung 40 und die Anwendung des Vakuums für eine lokale Verformung des Substrats in den gewünschten Zonen konfigurieren.
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Dabei können die Drücke P1 und P2 eingestellt werden, um eine hohe ΔP, die größer als eine minimale ΔP ist zu erhalten. Wenn ΔP > minimale ΔP ist, wird das Substrat gegen die Halterung gedrückt und an dieser fixiert, was einem „Klemmen“ des Substrats entspricht.
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Alle Parameter dieses Verfahrens zum Verformen des Substrats unter Verwendung der Halterung werden derart eingestellt, dass die auf das Substrat wirkenden lokalen mechanischen Spannungen gemeinsam eine globale mechanische Spannung bilden, die die Krümmung des Substrats global modifiziert. Die experimentellen Parameter werden auch eingestellt, um den Wert des Parameters Bw des Substrats zu steuern.
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Dazu kann zum Beispiel die Dichte von Öffnungen 43 oder Rillen 42 an der Fläche der Halterung derart angepasst werden, dass diese im mittleren Teil der Halterung zahlreicher als an ihrem Umfangsteil sind. Außerdem kann die Breite der Rillen oder Öffnungen angepasst werden oder kann die Ausrichtung derselben relativ zu dem Substrat angepasst werden. Der Wert von ΔP selbst kann eingestellt werden, wobei zu beachten ist, dass bei einer größeren ΔP die Modifikation der Krümmung des Substrats größer ist.
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Wenn bei dieser dritten Ausführungsform die gewünschte Krümmung erhalten wird, werden die Drücke P1 und P2 aufrechterhalten und wird das Bonden des zweiten Substrats, das möglicherweise zuvor verformt wurde, an dem ersten verformten Substrat durchgeführt. Das Bonden wird also durchgeführt, während die Druckdifferenz ΔP aufrechterhalten wird. Während der Fortpflanzung der Bondingwelle passt sich das zweite Substrat wenigstens teilweise an die durch das erste Substrat vorgesehene Krümmung an.
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In einer vierten Ausführungsform kann eine mechanische Spannung auf ein Substrat für das Erzeugen einer gesteuerten globalen Krümmung ausgeübt werden, indem eine Atomimplantation implementiert wird oder indem ein mechanisches Polieren (Schleifen) implementiert wird. Der Fachmann kann die Betriebsbedingungen für eine Implantation oder ein Polieren für das Erhalten einer bestimmten Krümmung definieren.
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BEISPIELE
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Beispiel 1: Vergleich der Defekte und der Rauheit der freigelegten Fläche von zwei SOI-Strukturen
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Zwei ähnliche SOI-Strukturen, hier als a) und b) bezeichnet, werden gemäß einem Verfahren zum Übertragen einer Schicht von einem Donorsubstrat zu einem Empfängersubstrat wie weiter oben beschrieben hergestellt.
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Die Strukturen a) und b) unterscheiden sich nur durch die Krümmung der Donor- und Empfängersubstrate.
- - Für die Struktur a) wird keine gesteuerte Verformung auf die Donor- und Empfängersubstrate vor dem Bonding ausgeübt, wobei die Substrate eine spezifische Krümmung von weniger als 100 µm aufweisen.
- - Für die Struktur b) wird eine gesteuerte Verformung auf das Empfängersubstrat vor dem Bonden ausgeübt, um für das Substrat eine konvexe Krümmung von mehr als 50 µm vorzusehen.
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Wie weiter oben angegeben, erfolgt das Bonden frei.
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7 ist ein Trübungsdiagramm, das durch eine Beugung eines Lasers an der Oberfläche jeweils der SOI-Strukturen a) und b) nach einer Ablösung und thermischen Glättung durch eine schnelle Wärmebehandlung (Rapid Thermal Annealing bzw. RTA) erhalten wird. Die verwendete Laservorrichtung ist vom Typ „SURFSCAN SP2“ von der KLA TENCOR Company.
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Das Trübungsdiagramm zeigt die Intensität des durch die Oberfläche der Struktur gebeugten Lasersignals, die die Rauheit der Oberfläche wiedergibt.
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Die an der Oberfläche der Struktur a) gemessene Trübung ist sehr heterogen und reicht von einem Minimum von 5,67 ppm in einem zentralen Teil 50 und unter der Oberfläche bis zu einem Maximum von 14,80 ppm an einem kleinen bogenförmigen Teil 51 des oberen Umfangs der Fläche und weist also eine Amplitude von 14,80 - 5,67 = 9,13 ppm auf.
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Die an der Oberfläche der Struktur b) gemessene Trübung ist deutlich homogener und reicht von einem Minimum von 6,63 ppm an einem kleinen unteren Teil 52 bis zu einem Maximum von 10,80 ppm an einem bogenförmigen Teil 54 des oberen Umfangs der Oberfläche und weist also eine Amplitude von 10,80 ppm - 6,63 ppm = 4,17 ppm auf. Die maximale Trübung und die Amplitude der an der Oberfläche der Struktur b) gemessenen Trübung sind also deutlich kleiner als diejenigen der Oberfläche der Struktur a).
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Die Oberfläche der Struktur a) weist also eine reduzierte Rauheit und eine homogenere Verteilung im Vergleich zu der Oberfläche der Struktur a) auf.
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8 zeigt ein Defektdiagramm, das durch eine Beugung eines Lasers an den gleichen Oberflächen wie in 7 erhalten wird. Die Oberflächendefekte werden erfasst, wenn das gebeugte Lasersignal eine vorbestimmte Schwellwertintensität überschreitet. Die verwendete Laservorrichtung ist gleich derjenigen, die für das Trübungsdiagramm von 7 verwendet wird.
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Die Verteilung der Defekte von 8 entspricht im Wesentlichen derjenigen des Trübungsdiagramms 7.
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Bei der Struktur a) sind die Defekte zahlreich und vor allem an einem bogenförmigen Teil 55 des oberen Umfangs der Oberfläche angeordnet, was auf eine sehr heterogene Verteilung der Defekte hinweist.
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Bei der Struktur b) sind die Defekte nicht sehr zahlreich im Vergleich zu der Struktur a). Außerdem sind die Defekte relativ homogen über die gesamte Fläche verteilt.
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Folglich können durch das globale und gesteuerte Modifizieren der Krümmung wenigstens eines der Donor- und Empfängersubstrate vor dem Bonden die Defekte reduziert werden und kann die Rauheit der nach der Ablösung erhaltenen freigelegten Fläche der SOI-Struktur reduziert werden. Außerdem können die Defekte und die Rauheit homogener über die gesamte freigelegte Fläche verteilt werden.
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Beispiel 2: Entwicklung der Rauheit der freigelegten Fläche einer SOI-Struktur in Abhängigkeit von der Krümmung (BOW)
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Eine SOI-Struktur wird gemäß einem Verfahren zum Übertragen einer Schicht von einem Donorsubstrat auf ein Empfängersubstrat wie weiter oben beschrieben hergestellt.
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Eine gesteuerte Verformung wird auf das Empfängersubstrat der Struktur vor dem Bonden ausgeübt, um für das Substrat eine konvexe Krümmung in Entsprechung zu verschiedenen Werten der Krümmung vorzusehen. Das Bonden erfolgt frei. Das Empfängersubstrat kann durch das Abscheiden einer zusätzlichen Schicht, durch eine Oxidation eines Flächenbereichs des Empfängersubstrats oder durch das Ausüben von mechanischen Spannungen mittels einer Halterung (Futter) verformt werden.
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9 zeigt ein Trübungsdiagramm, das durch eine Beugung eines Lasers auf der Oberfläche der SOI-Struktur nach einer Ablösung und einer thermischen Glättung durch eine Wärmebehandlung (RTA) erhalten wird. Die verwendete Laservorrichtung ist „SURFSCAN SP2“ von KLA TENCOR Company.
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Die an der Oberfläche der SOI-Struktur gemessene Trübung vermindert sich mit der Vergrößerung der Krümmung. Tatsächlich vergrößert sich die Zone 56, die eine Trübung von ungefähr 5 ppm aufweist, wenn sich die Krümmung vergrößert, und nimmt dann den Großteil der Fläche ein. Die Zone 57, die eine höhere Trübung von ungefähr 10 ppm aufweist, entspricht einer Substrathandhabungszone während des Prozesses und behält deshalb im Wesentlichen die gleiche Flächengröße.
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Wenn also die Krümmung größer wird, wird die Rauheit der freigelegten Fläche der SOI-Struktur kleiner. Die Rauheit wird kleiner, wenn die Krümmung 49 µm und dann 89 µm erreicht, und wird deutlich kleiner, wenn die Krümmung ungefähr 136 µm und dann 181 µm erreicht.
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10 ist ein Kurvendiagramm, das die Entwicklung der Rauheit der freigelegten Fläche in Abhängigkeit von der Krümmung und in Entsprechung zu 9 zeigt. Die Rauheit Rq wird auf der Ordinate in Angström (Å) angegeben.
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Dieses Diagramm betätigt die Ergebnisse von 9 und zeigt ebenfalls, dass die Rauheit mit einer größeren Krümmung kleiner wird. Tatsächlich liegt der durchschnittliche Wert M der Rauheit ohne eine Verformung bei ungefähr 10,6 Å, verkleinert sich dann zu 10,2 Å und 9,9 Å für jeweils eine Krümmung von 49 µm und 89 µm und fällt schließlich zu ungefähr 9,4 Å und 8,8 Å für jeweils eine Krümmung von 136 µm und 181 µm ab.
