TW200901450A - Method for manufacturing semiconductor substrates - Google Patents
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Description
200901450 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及半導體基板之製法。更詳言之,本發明涉 及使用基板電阻1 ~ 1 0 0 m Ω c m之晶圓作爲活性層側晶圓,而 可改善Si〇2/Si界面粗度之氧離子注入-蝕刻/硏磨停止貼合 基板之製法。本發明之製法可適用於 S〇I(Silicon On Insulator)基板及 DSB(Direct Silicon Bonding)基板。 【先前技術】 SOI晶圓與習知矽晶圓比,具有元件間之分離、於元 件與基板間寄生電容之降低、可爲三維構造等優點。因而, 已使用於高速•低耗電LSI。SOI晶圓之製法已知有,結合 形成有氧化膜之2片矽晶圓,然後磨削、硏磨形成SOI層(活 性層)之貼合法。而此貼合法包含Smart Cut法(註冊商標)。 (專利文獻1〜2) SOI晶圓有SOI層(活性層)之薄膜化及膜厚之均勻化等 要求。因而有新方法之開發。此方法係,貼合具有氧離子 注入層之活性層用晶圓與支持層用晶圓後,進行熱處理使 氧離子注入層成爲S i ◦ 2層,更由活性層用晶圓側磨削及硏 磨至Si〇2層,然後去除Si〇2層,可得SOI層(活性層)之薄 膜化及膜厚之均勻化(專利文獻3)。氧離子注入層具有硏磨 停止層之功能。 近年來’因裝置之微細化、低耗電化,成爲BOX之氧 化膜變薄,並有例如無BOX(氧化膜)直接貼合之DSB(DireCt Silicon Bonding)基板的開發。不介著氧化膜直接貼合者即 200901450 係,通常之洗淨(SCI)後將晶圓互相貼合。 專利文獻1:日本專利特開平9-116125號公報 專利文獻2 :特開2000- 1 24092號公報 專利文獻 3 : WO 2005/074033 A1 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 可是,使用上述專利文獻3所述之上述硏磨停止層之 f 1 貼合法有以下課題。 (1) 含Si〇2相粒子之層或連續SiCh層(硏磨停止層)與矽基 板之界面粗度大,結果,最終製品貼合晶圓之表面粗度大。 (2) 因而,製成S ΟI構造後,爲改善表面粗度必須作硏磨 處理或1 1 00°C 1 hr的高溫熱處理之追加加工。此高溫熱處 理乃成本上升之主因。 (3) 並由於此追加加工,有Top(活性層)層之面內均勻性劣 化之涉及品質之課題。 (而至於(丨),不只s 01基板,D S B基板亦有如同使用硏 磨停止層的貼合法之問題。 故本發明之目的在提供,使用蝕刻/硏磨停止層之貼合 法,其抑制蝕刻/硏磨停止層S i 0 2層與矽基板之界面粗度, 乃表面粗度低的最終製品貼合基板之製法。貼合基板包含 SOI基板及DSB基板。 〔用以解決課題之手段〕 習知見解係經離子注入之氧離子與周圍之矽反應,成 爲可作爲嗣後步驟中之停止層的Si〇2,該Si〇2反應若經促 200901450 進,則Si〇2/Si之界面粗度可獲改善。爲促進反應’目前必 須長久保持1 3 0 0 X:以上之超高溫’而即使貼合後作超高溫 熱處理,與未貼合狀態下之超高溫熱處理( = SIM〇X)比較得 知,並無S i 0 2反應之進行,無粗度之改善。相對於此’本 發明人等再作探討結果發現,使用基板電阻l~100m〇cm 之基板,例如P +基板’與通常之P -基板(1 Ω c m以上)比較’ Si〇2形成受到促進且粗度改善’基於此見解而完成本發明。 本發明如下。 貼合晶圓之製法,其包括: 於基板電阻1 ~ 1 〇〇m Ω cm之活性層用晶圓注入氧離 子,於上述活性層用晶圓形成氧離子注入層之步驟, 將上述活性層用晶圓及支持用晶圓介著或不介著絕緣 層貼合,形成貼合晶圓之步驟, 熱處理上述貼合晶圓使貼合強化,並使上述氧離子注 入層成爲含Si〇2相粒子之層或連續SiCh層(下稱停止層)之 步驟, 上述貼合經強化之貼合晶圓由活性層用晶圓表面側磨 削、硏磨及/或触刻,使上述停止層露出表面之步驟, 去除上述停止層之步驟,以及 停止層經去除之貼合晶圓於還原氛圍下作熱處理,使 活性層用晶圓所含之導電性成分擴散之步驟。 [發明效果] 依本發明,使用硏磨停止層之貼合法,即可製造表面 粗度低之基板(例如S ΟI及D S B基板)。 200901450 【實施方式】 〔實施發明之最佳形態〕 本發明的貼合晶圓之製法包括以下步驟。 (1) 於基板電阻1 ~ 1 0 0 m Ω c m之活性層用晶圓注人氧離子, 於上述活性層用晶圓形成氧離子注入層之步驟, (2) 將上述活性層用晶圓及支持用晶圓介著或不介_著:帛色,緣 層貼合,形成貼合晶圓之步驟, (s' (3)熱處理上述貼合晶圓使貼合強化,並使上述氧離子注 入層成爲含Si〇2相粒子之層或連續Si〇2層(停止層)之步 驟, (4) 上述貼合經強化之貼合晶圓由活性層用晶圓表面側磨 削、硏磨及/或蝕刻,使上述停止層露出表面之步驟, (5) 去除上述停止層之步驟,以及 (6) 停止層經去除之貼合晶圓於還原氛圍下作熱處理,使 活性層用晶圓含之導電性成分擴散之步驟。 I (1)氧離子注入層形成步驟 活性層用晶圓是使用基板電阻1 ~ 1 00m Ω cm之矽晶 圓。基板電阻l~l〇〇mQcm之砂晶圓,爲可例如p型晶圓, 更具體言之,爲可含硼作爲導電性成分之晶圓。基板電阻 未達1 m Ω cm之晶圓因難以提高結晶,本發明中係用基板 電阻lmQcm以上之晶圓。基板電阻超過lOOmDcm則幾不 見有Si〇2反應之促進所致的表面粗度改善效果,故基板電 阻係以1 00m Ω cm爲上限。活性層用晶圓之基板電阻,從表 面粗度改善效果之觀點,係以1〜20m Ω cm的範圍較佳。 200901450 活性層用晶圓之氧離子注入可依一般方法爲之。 子注入之條件係適當選擇以能形成氧離子注入層於距 活性層用晶圓之貼合用表面的2〇〇~i〇〇〇nm深處。 (2)貼合晶圓形成步驟 將上述活性層用晶圓及支持用晶圓介著或不介著 層貼合,形成貼合晶圓。具體而言’支持用晶圓具有 層(例如S i 0 2層)’介著此絕緣層貼合上述活性層用晶 支持用晶圓。藉此’得最終製品SOI基板。而支持用
C 無絕緣層亦可,直接貼合上述活性層用晶圓及支持 圓。藉此,得最終製品D S B基板。 (3 )貼合強化+ S i 0 2層形成步驟 熱處理上述貼合晶圓使貼合強化’並使上述氧離 入層成爲Si〇2層。使貼合強化’並使氧離子注入層成 止層之步驟中’熱處理可於1 000~1300°C爲之。此熱處 氛圍無特殊限制,於含氧之氧化氛圍或氬等惰性氣體 1./ 氛圍下進行,且時間爲1〜1 0小時之範圍即適當。 爲防止使停止層露出表面之步驟中’貼合晶圓背 到損傷或因蝕刻而表面粗糙,以於氧氛圍下進行處理 成Si〇2膜作爲保護膜爲佳。膜厚以200nm爲佳。爲促 止層之形成,亦可於貼合前以1 000~ 1 200°C熱處理1小 上。經上述熱處理,隨氧離子注入量而異’可形成 100〜3000nm範圍之含SiCh相粒子之層或連續Si〇2層 (4)使停止層露出表面之步驟 貼合經強化,並形成有含S i 0 2相粒子之層或連續 氧離 上述 絕緣 絕緣 圓及 晶圓 用晶 子注 爲停 理之 等之 面受 ,形 進停 時以 厚度 〇 Si〇2 -10- 200901450 層(停止層)的貼合晶圓’由活性層用晶圓表面側磨 磨及/或餓刻’使上述停止層露出表面。此使停止層 面之步驟,可包含例如將上述貼合晶圓由活性層用 面側磨削,其次更將磨削面硏磨及/或蝕刻。此步驟 止層具有磨削停止層之功能。Si與Si〇2之硏磨率差 硏磨可使用不含硏磨粒之鹼性溶液進行。硏磨率差 硏磨率比1 0以上者爲較佳,1 0 0以上更佳。蝕刻可 能蝕刻S i之Κ Ο Η溶液爲之。唯,S1 ◦ 2相粒子不連續 S i中之停止層者,因蝕刻液滲入S 1 ◦ 2粒子間’故若 刻,停止層以連續Si〇2層爲佳。 (5) 去除上述停止層之步驟 使停止層露出表面後,去除露出之停止層。停 去除可藉例如H F處理爲之。H F處理係例如於稀釋I: H F溶液中(批次式洗淨機)浸泡5分鐘而可完全去除 相粒子不連續存在於Si中之停止層者,可於氧化氛 理轉化爲連續Si〇2層後,以HF處理去除。 (6) 導電性成分擴散步驟 去除停止層後,貼合晶圓於還原氛圍下作熱處 活性層用晶圓含之導電性成分擴散。如上,活性層 係用基板電阻1~1〇〇ηιΩ cm之矽晶圓,此晶圓可係 圓,更具體言之,係含硼作爲導電性成分之晶圓。 中係例如使導電性成分硼擴散。使活性層用晶圓所 電性成分擴散之步驟的熱處理,可於1 0 0 0〜1 2 0 0 °C的 圍進行。熱處理時間若係能使活性層用晶圚含之導 削、硏 露出表 晶圓表 中,停 異大, 異大, 使用僅 存在於 採用蝕 止層之 矣1 %之 :。Si〇2 圍熱處 理,使 用晶圓 P型晶 此步驟 含之導 溫度範 電性成 -11- 200901450 分充分擴散之時間即佳,可係例如1 〇分鐘〜1 〇小時之範圍。 形成裝置之活性層用晶圓(Τ ο ρ )層一般多係使用ρ -,爲 其對應,製作SOI或DSB基板後,於氬或氫等還原氛圍中 作熱處理’使存在於活性層用晶圓層之硼往外擴散而減少。 本發明方法中’活性層用晶圓(Τ ο ρ)層之厚度取決於氧 離子注入機的加速電壓。一般市售之氧離子注入機的加速 電壓係max_200keV’ Top層厚度max係約500nm。爲使如 此深度之硼往外擴散’以於105CTC以上保持lhr以上爲適 當。 實施例 以下舉實施例更詳細說明本發明。 實施例1 依以下順序製作S 01構造之貼合晶圓。 (1) 準備300mm支持用晶圓。300mm支持用晶圓係基板電 阻10〜20Qcm之ρ型晶圓(1〇〇),具有i〇〇〇°C之氧氛圍中5hr I ; 的熱處理形成之BOX層(1500A)。 (2) 準備3 00mm活性層用晶圓(Top基板)。3 00mm活性層用 晶圓係基板電阻〇.〇〇!〜!〇〇 cm(詳如表1)之ρ型晶圓 (100) ’具有氧離子注入層。氧離子注入層係以加速電壓 1 80keV ’劑量2el7cm·2,基板溫度100~ 5 00〇C之條件形成。 (3) 於SCI洗淨後貼合上述支持用晶圓及活性層用晶圓。 (4) 貼合後’以12〇〇°C,lhr(氧氛圍)進行貼合強化熱處理。 (5) 由活性層用晶圓表面進行基板磨削硏磨至餘留厚度約 1 0 /z m。 -12- 200901450 (6) 磨削硏磨,更以不含硏磨粒之鹼性硏磨液硏磨至爲s i 〇 2 層所停止。而此硏磨亦可由鹼溶液蝕刻取代。 (7) 其次,以HF溶液(濃度25%)去除Si〇2層。 (8) 其次於1000〜1200°C保持貼合晶圓lhr(氬氛圍)進行往 外擴散之處理。 (9) 得到之貼合晶圓係如下評估。 利用AFM之粗度評估(於(7)後評估)結果如表1。 利用SIMS之活性層用晶圓(Top層)中之硼濃度(於(8) 後評估(部分))評估結果如表2。 實施例2 依以下順序製作DSB構造之貼合晶圓。 (1) 準備300mm支持用晶圓。300mm支持用晶圓係基板電 阻10~20Qcm之p型晶圓(100)。 (2) 準備3 00mm活性層用晶圓(Top基板)。300mm活性層用 晶圓係基板電阻 0.001~10Qcm(詳如表 1)之 P型晶圓 (110),具有氧離子注入層。氧離子注入層係以加速電壓 1 8 0 k e V,劑量2 e 1 7 c m -2,基板溫度1 0 0 ~ 5 0 0 °C之條件形成。 (3 )〜(9)如同實施例1。 評估結果如表1。 -13- 200901450 y 1, 粗度之關係 構造 Top基板電阻[Ω cm] 表面粗度RMS [A] (10^mxl0//m) 1 比較例 fcl 10 11.0 2 比較例 t 1 12.2 3 比較例 t 0.2 12.7 4 發明例 个 0.1 7.3 5 發明例 个 0.02 4.3 6 發明例1 个 0.01 3.1 7 發明例 t 0.001 3.2 8 比較例叫 DSB 10 15.5 9 比較例 个 1 16.9 10 比較例 个 0.2 13.0 11 發明例 个 0.02 7.2 12 發明例 个 0.01 6.8 13 發明例 个 0.001 6.5 表2 還原氛圍處理條件及Top層之硼濃度 Τοp基板電阻lmQcm~硼濃度= lel8/cm3 構造 熱處理溫度Tape] 熱處理時間[hr] Top基板電阻 硼濃度[1/cm3] 1 比較例 SOI 1000 1 8el7 2 比較例 个 1050 0.5 3el7 3 比較例 个 1050 1 <lel7 4 發明例 t 1100 1 <lel7 5 發明例 t 1150 1 <lel7 6 發明例 个 1200 1 <lel7 [產業上之利用可能性] 本發明之製法可利用於SOI(Silicon On Insulator)基板 或 DSB(Direct Silicon Bonding)基板。 【圖式簡單說明】 第1圖氧離子注入-蝕刻停止貼合-SOI程序。 第2圖氧離子注入-蝕刻停止說明圖。 第3圖AFM觀察結果。 【主要元件符號說明】 10 0 晶圓 110 晶圓 -14-
Claims (1)
- 200901450 . 十、申請專利範圍: ι_一種貼合晶圓之製法,其特徵爲包括: 於基板電阻1〜l〇〇mQcm之活性層用晶圓注入氧離 子’於上述活性層用晶圓形成氧離子注入層之步驟, 將上述活性層用晶圓及支持用晶圓介著或不介著絕緣 層貼合,形成貼合晶圓之步驟, 熱處理上述貼合晶圓使貼合強化,並使上述氧離子注 入層成爲含SiCh相粒子之層或連續Si〇2層(下稱停止層) f之步驟, 上述貼合經強化之貼合晶圓由活性層用晶圓表面側磨 削、硏磨及/或蝕刻’使上述停止層露出表面之步驟, 去除上述停止層之步驟,以及 停止層經去除之貼合晶圓於還原氛圍下作熱處理,使 活性層用晶圓所含之導電性成分擴散之步驟。 2.如申請專利範圍第1項之貼合晶圓之製法,其中上述活 性層用晶圓係P型晶圓。 , 3.如申請專利範圍第2項之貼合晶圓之製法,其中上述p 型晶圓含硼作爲導電性成分。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之貼合晶圓之製法 ,其中氧離子注入層係形成於距上述活性層用晶圓之貼 合用表面的200~ 1 000nm深處。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之貼合晶圓之製法 ,其中上述支持用晶圓有絕緣層,介著此絕緣層貼合上 述活性層用晶圓及支持用晶圓。 6 ·如申請專利範圍第1至4項中任一項之貼合晶圚之製法 -15- 200901450 · ,其中上述支持用晶圓無絕緣層,直接貼合上述活性層 用晶圓及支持用晶圓。 7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之貼合晶圓之製法 ,其中使貼合強化,並使氧離子注入層成爲含SiCh相粒 子之層或連續SiCh層(停止層)之步驟中,熱處理係於 1000~1300°C之範圍的溫度進行。 8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之貼合晶圓之製法 ,其中使上述停止層露出表面之步驟,包括上述貼合經 強化之貼合晶圓由活性層用晶圓表面側磨削,其次更將 磨削面硏磨及/或蝕刻。 9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之貼合晶圓之製法 ,其中使上述活性層用晶圓所含之導電性成分擴散之步 驟中,熱處理係於1000~1200°C之溫度範圍進行。 V -16-
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