TWI293185B - Soi wafer and process for producing it - Google Patents

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Description

1293185 五、發明說明(1) 一、【發明所屬之技術領域】 矽絕緣體(SOI )晶圓通常包括三層:在矽晶圓之正面 (該正面形成^一底層)上,首先有一電絕緣層’例如· 一氧 化矽層。其次,在該電絕緣層上有一薄單晶矽層’隨後在 該薄單晶矽層上製作電機元件。但,僅具有兩層之矽絕緣 體晶圓亦經公開。該等晶圓包括一電絕緣基片(例如··玻 璃或藍寶石)及一薄矽層。為了製造具有未來預期線寬度 ,元件,尤其為實施完全耗乏(盡)技術(其中半導體三極 管之耗乏區等於單晶矽層之厚度),單晶矽層將需要非常 薄 亦即厚度為0 · 1微米或更薄。 常用之二氧化矽絕緣層之缺點是··導熱度(熱導率)低 ,僅=1· 40瓦/(絕對溫度公尺)。所以元件開關時所產生 不能散逸低至足夠程度,以致形成局部高溫區(稱 =)頻率因及而 Γ手長期生效的穩定度或可靠度。 梦絕::技:多3!:許=度較,之電絕緣材料用於 ^ ^ ^ ^ # ;( ,^s〇S) t } Al2〇3) ^ ^ ^ 3〇瓦/(絕對溫度公 =sos)。化鋁之導熱度( 是:除製造方法ΐΐΛ 者。該結構之缺點 相差約10%而且埶膾 ’矽與藍寶石兩者結晶格子常數 度,A“03 :9.2x 1〇_8 lfH3.8x 10-V 絕對〉: 果而且έ士曰風t 導 不僅來自銘之污举芬去l/v —學上之缺陷(位錯、雙晶、疊:缺及二”雜效 層缺陷),·在隨後 1293185 五、發明說明(2) 之熱退火步驟内該等缺陷僅能部分予以消除。氧化矽-鋁 界面處之垂直薄膜不勻性及側面應力則導致電載體遷移率 降低。所以,藍寶石矽不用於超速微電子裝置,而係用於 抗輻射之場合。另一缺點是:矽層不能承受來自下方之電 學影響,蓋因基片之整個厚度係由電絕緣氧化鋁所組成。 具有三層之矽絕緣體晶圓包括:由半導體材料形成之 基片、一電絕緣層及電絕緣層上方之半導體材料層,並無 後者缺點。 二、【先前技術】 日本專利JP01 -31 5 129中曾述及一此類矽絕緣體晶圓 ,該晶圓包括:一矽基片、一氧化鋁絕緣層及一薄石夕層。 日本專利JP 03 - 069144及JPO 3 - 0691 45中曾述及:於一石夕基 片上製造一氧化鎂鋁(尖晶石,MgAlJ4)絕緣層。曰本專利 JP09-162088中曾揭示··氧化α -及鋁(A 12 03 )、氧化鎮銘 (MgAlz〇4)、氧化鈽(CeO)及氟化鈣(CaF)可用作一石夕基片與 一薄矽層間之絕緣層。該絕緣層係藉低壓化學蒎 (LPCVD)或分子束外延法(MBE)製在一石夕基片上積= 外延方式將一矽層沉積在絕緣層上。另一變通方法是,將 另一矽晶圓連接在絕緣層上,之後藉研磨及拋光以預 期之層厚度而製得該矽層。 但,依照上述文獻, I作右干電子元件(例如 元件或通訊器材之晶片) 等晶圓會降低產率。 該等矽絕緣體晶圓僅局限於適合 •微處理器、筆記型電腦之記憶 ,蓋因在電牛元件製作過程中該 1293185 五、發明說明(3) 絕-種矽絕緣體晶圓’該矽 元件製作過程中提高^率:電絕緣層且確保在隨後電子 石夕製:=(絕在缘可達成此目的,該晶圓包括 方Gii少面上方沿至少一個空間 電絕緣層)及-位Λ絕缘至ΛΥ·6瓦/(絕對溫度公尺)之 米、盘半始爲“電緣層方、厚度為ι〇奈米至w微 HF缺陷/平V公分\之二偏層差至多為5%及密度至多為。.5 =邑緣層所用之材料可以是:沿至少一個空間 =電,緣作用及導熱度至少為16 所=物。等向性材料沿所有空間方向之導熱度均尺相 二各向同性材料沿不同空間方向之導熱度可以不同。依昭、 本發明,足以達到或超過所示沿某一空間方向之最小值。 適,材料之實例包含:矽酸鍅(Zr[s〇4])、鈦酸鋇(BaTi〇3) 及氧化鍅(Zr0)。其中以導熱度至少為9瓦八絕對溫度公 尺)之材料(例如:氧化鋁(Al2〇3)、氧化鎂(Mg〇)、氧化鎂 鋁(MgAl204 )、氧化钍(Th〇2)、氮化硼(bn)、碳化硼(BCX) 及欽酸錄(SrTi〇3)較佳。尤以導熱度至少為丨〇〇瓦/(絕對 溫度公尺)之材料(例如:金剛石、氧化鋁(A1N )及氧化鈹 (BeO))更佳。亦可使用具有化學通式AxBy〇n之其他二元及 三元氧化物,其中A及B可以是金屬、半金屬及非金屬,〇 代表氧,X、y及η係正整數,也許X及y包含零。電絕緣層 之導熱度愈高,對元件之影響愈有利,蓋因熱點可以減
第8頁 1293185
L’卜必;;!??!關電絕緣性能之條件 少 々此外,導熱度高之電絕緣裝置必須滿足、。 等電絕緣裝置必須能耐受電子元件製作的條件是··該 而不遭損壞。該等電絕緣裝置必須在.:,需加工溫度 ::對熱安定而不分解。改變其晶體結= 導體或電絕緣體之性能。舉例言之, f丧失其作為熱 料均可滿足該箄你杜 ^ V , 特別述及之諸材 卞J J /兩疋泛寺條件。所以,本發明之 用於_(互補金屬氧化物半導體) 達1 0 0 0 °c。 /友尸斤而之溫度回
上述絕緣層所用之材料對上述矽層之電 影響。該等材料對矽還 會P…、ί大不良 合带杰切各人仏用無衫響,亦即該等材料不 曰形成夕化σ物而不會經還原成純金屬。 電絕緣層之厚度為1奈米至1微米,但層厚度以〗夺米 至m奈米較佳,尤以層厚度為2奈来至8〇奈=佳, 袖上述石夕#層缺陷之特徵通常係藉助於缺陷蝕刻。為測定 所衲之HF(氟化氫)缺陷,將晶圓接觸一HF/H20混合物(1 : 1 ),歷時1 5分鐘。為測定所謂之赛寇缺陷,將晶圓接觸一
KgCr'O'/HF/HgO混合物(44公克八公斤/5公斤),歷時久暫以 將75/°薄石夕層移除為準。赛寇蝕刻之蝕刻速率業經公開係2 至2· 5奈米/秒,因此蝕刻時間可容易地配合矽層之厚度。 實f餘刻操作之後,於一諾瑪斯基顯微鏡下將該等缺陷加 以分析及計數。該本發明矽絕緣體晶圓之缺陷密度至多為 0^5個HF缺陷/平方公分。同時缺陷密度為至多1 X 1 〇4個賽 尬缺卩曰/平方公分之矽絕緣體晶圓亦合適。
1293185
在電絕緣層之上方,本發明之矽絕緣體晶圓具右一 ^ 口口 η ^ 〉専· 早曰曰矽層,其厚度為10奈米至10微米及其與平均層厚度 標準偏差至多為5%。 在元件製作過程中,矽晶圓之低缺陷密度導致功能性 元件之高產率。層厚度之標準偏差低顯然造成半導體三極 管特性之緊密分佈,進而改良可用元件之產率及該等元件 之功能。因此,本發明之矽絕緣體晶圓顯然甚至適於最先 進世代電子元件之製作。 二、【發明内容】 本發明之内容係一種矽絕緣體晶圓(該矽絕緣體晶圓 匕括· 秒基片一導熱性面之電絕緣層及一缺陷密度低 且層厚均勻度高之矽層)及製造該矽絕緣體晶圓之方法。 本發明之另一内容係製造該矽絕緣體晶圓之方法,該方法 包含下列諸步驟: -提供由矽製造之基片晶圓, -提供一具有單晶矽表面施體(主)層之施體(主)晶圓 ’該晶圓之厚度至少對應於由其所製矽層之最終厚度,而 且該晶圓之空位濃度至多為1〇12個/立方公分及空位聚塊濃 度至多為1 〇5個/立方公分。 一-對基片晶圓之一個面及/或具有施體層之施體晶圓 之個面、沿至少一個空間方向施加一導熱度至少為1 · 6 瓦/(絕對溫度公尺)之電絕緣材料層,之後 以適當方式連接基片晶圓及施體晶圓,俾旦有施體 層之施體晶圓面係經由電絕緣層與基片晶圓相連Ϊ及之後
第10頁 1293185 五、發明說明(7) 加工過程中沉積速率低,該外延層無任何空位或空位聚塊 。舉例言之’如歐洲專利Ep 829 559 A1中所述,施體晶圓 亦可使用一石夕晶圓,藉助於熱處理作用,可將該矽晶圓表 面上或整個體内之空.位或空位聚塊移除。所用施體晶圓亦 可疋一由無空位單晶體製成之石夕晶圓。舉例言之,如德國 專利DE 4414 947 A1及歐洲專利EP 8 66 1 50 A1中所述,此 類矽單晶體可利用左科拉斯基坩堝拉晶法製得,在該情況 拉晶過程中必須保持精確界定之條件。製造無空位矽 單晶體之主要條件是必須滿足不等sV/G>134x 1〇—3平方 公分/(分鐘絕對溫度)(其中V係生長速率及G係在液/固相 界處之軸向溫度梯度)。 所有任何預期 、1 2吋或更大,直 圓具有一無空位及 施體晶圓。舉例言 。但’其本身亦可 係由單晶形式之石夕 層可摻以一種或更 銻,而且亦可認作 ,例如:鍺'氮或 格子匹配。 徑隶好與基片晶圓者相同)之晶圓(該晶 無空位聚塊之單晶石夕施體層)均可用作 之,該施體晶圓可以是一單晶體矽晶圓 具有許多層,在該情況下,至少施體層 所組成。舉例言之,矽晶圓或至少施^ 多種電活性元素硼、鋁、鎵、磷、坤或 包括高度摻雜之矽。亦可摻以另外元素 碳’俾製造施體層與電絕緣層間之結晶 依照本發明, (例如)既有技術習 之施體晶圓表面上 例如:利用習稱之遠 知之蒸發塗覆技術, 或在基片之至少 距聚焦搶、藉助於 首先在具有施體層 面上製造一電絕緣
第12頁 1293185 五、發明說明(8) 材料層。有關裝置及程序之說明係載於”薄膜及 技術手冊"班夏著,喏官浙公刮屮肱,紅! π / 9 ^ -版,笛184笑百斯 出 澤西(1 994),第 二f 4等頁。1絕緣材料之層厚度為1 不水至1被未’但以層厚度為1奈米至1〇〇奈米 層厚度為2奈米至80奈米更佳。 1主兀以 但,亦可採用所有其他習知沉積方法,例如:apcvd (大氣壓化學蒸氣沉積)、lpcvd(低壓仆與亨友 支、
,八2“、上 LrLViH低麼化學蒸氣沉積)、MBE (刀子束外延)或ALD(原子層沉積)。最佳沉積法視電絕緣 材料之性能而定且已拍屮决。卜、十、"尨描=祝、,色緣 巳找出來上述薄膜及塗層沉積技術 手冊9說明何種物質可用何種合適方法。舉例古之, LPCVD法或PECVD法(電聚增強化學蒸氣沉積)可用^in。 。本發明之方法亦可以適當方式加以修改,俾首先在矽 ::之個或兩個面上,藉熱氧化作用製造一厚度低於5 不:、非常薄之二氧化矽層。電絕緣材料係施加在二氧化 矽層上或未具有二氧化矽層之晶圓上。其他變體係由許多 層之組合而形成’但該等層中至少一層必須具有電絕 用0 =後,以適當之方式使基片晶圓與施體晶圓黏合,俾 經由電絕緣層、藉助於無空位及空位聚塊(c〇Ps)之面將施
基片晶圓連接在-起。#基片晶圓僅有-個面具 、'、*邑、’層’此面即係與施體無空位及空位聚塊(c〇Ps)面 相十接之面若兩個曰曰圓均具有一電絕緣層,則該兩個晶 圓係經由該等電絕緣層相互連接在一起。該兩個晶圓之連 接敢好採用可商購之黏合劑。
1293185 五、發明說明(9) ------ 在最後步驟内,施體晶圓之厚度係以適當方式予以減 低,俾自該施體晶圓形成一矽晶圓,該矽晶圓之最終厚度 為10奈米至10微米、其與平均層厚度之標準偏差至多為5% 及缺陷密度至多為〇.5 HF缺陷/平方公分。舉例言之,歐 洲專利EP 905767 A1中曾述及:所實施之最終步驟最好係 一拋光步驟。
,基片晶圓與施體晶圓黏合之後,最好在1 〇 〇 〇 I至 1 2 Oj C溫度下將晶圓施以熱處理(黏合退火),以改良連接 兩晶圓間界面之性能。此高溫處理亦引發電絕緣層之部分 k、、vo作用’其性能則獲得改良。該黏合退火可在施體晶圓 厚度減至石夕層預期最終厚度之步驟之前或之後實施。 沿施體晶圓先前所製分離層實施分離作用以減低施體 晶圓之厚度則特別合適。 ★舉例言之,如歐洲專利Ep 5335 51 A1中所述,分離層 可藉離子(例如··氫離子)植入而製得。電絕緣層可在植入 作用之前或之後施加於施體晶圓或(獨立於此之外地)施加 於基片晶圓。沿分離層之分離作用係在兩晶圓業經(例如) 藉助於3 00至500 °c溫度下之熱處理(習稱分離退火)而黏合 之後實施。
但’如德國專利DE 10131249 A1中所述,藉將表面具 有適當凹槽之矽晶圓施以熱處理(該熱處理可使表面緊靠 並在表面下方形成孔洞)亦可形成分離層。在此情況下, 該分離層係由一孔洞層所界定。就本發明之意義而言,在 此方法中,該施體晶圓必須無空位及空位聚塊(COPs)。在
第14頁 1293185 五、發明說明(10) 此=法中,電絕緣層最好係沉積在基片晶圓上。舉例言之 u兩晶圓連接在一起之後,藉加#、機械或化學方法 等,圓於孔洞所界定之分離層心離。*當之方法曾 在德國專利DE 10131249 A1中述及。 :照本發明方法實施時’完整地、驚奇地及出乎意料 :若所用施體晶圓至少由單晶矽所組成之 亦無空位聚塊’及若該施體晶圓係經由 絕緣層與一基片晶圓連接起來,藉拋光作用或 =千坦化加卫’隨後可將連接之晶圓減至非常均句之層 層之溫度補償效果、·同石夕層内之不含空位, =地導致-種構形,纟分離退火過程中及拋光過程中, ::緣:::拋ί ί程:之材料移除非常均勻。戶斤製得之石夕 絕緣體晶圓,纟電絕、緣層之導熱度極佳,同時其薄石夕層之 二陷度ί均句度高。其HF缺陷之缺陷密度低 =0 5個/平方u及賽寇缺陷之缺陷密度低於ΐχ 1〇4個/平 方公分。與平均層厚度之標準偏差至多為5%。 :以氧化鍵作電絕緣材料為例(適用方法並非以氧化 鈹為限),冑本發明之一個合適具體實施例加以說明如下 所用施體晶圓係-由無空位單晶體製得之石夕晶圓。該 …、:位早晶體係由左科拉斯基坩堝拉晶法製得 ;:、可滿足不等式V/G〉平方公分/(分鐘絕對、 溫度)。 一氧化鈹(BeO)層係藉蒸發塗覆沉積在施體晶圓上。
第15頁 1293185
藉助於遠距聚焦搶實施蒸發 為2400 t:至2700 °C。所用坩 及融體均具抗拒作用,所產 作用之過程中所選之蒸發溫度 堝材料係鎢、鎢,對一氧化鈹 生一氧化鈹層之厚度為50奈米 如歐洲專利EP 5335 51 A1中所述,將氫植入該晶圓, 。之後使其與第二個矽晶圓(基片晶圓)相黏合。繼之在45〇 Cm·度下η施熱處理(分離退火)^在此熱處理過程中,施 體晶圓在由氫之植入所界定之分離層處分離,俾基片晶圓 具有一導熱、電絕緣材料層及(其上方)一矽層。施體^圓 之其餘部分則藉分離退火作用而分離。 之後,在1100 C溫度下將該晶圓施以另一熱處理(黏 合退火),俾改良矽層與電絕緣層間之界面性能。該高溫 處理亦導致一氧化鈹層之部分燒結,俾其性能獲得改良m。 之後,如歐洲專利ΕΡ 905767 Α1中所述,將載有薄石夕芦之 晶圓面加以搬光。 如此所製矽絕緣體晶圓,其HF缺陷密度為〇· 3個/平方 公分及賽寇缺陷密度為0 · 7 X 1 04個/平方公分及與平均層$ 度之標準偏差為4%。
第16頁 1293185 圖式簡單說明 本申請案無圖式 III·

Claims (1)

  1. Ml 中
    利申請案 替換本(96年8月) 7¾修(庚)正替換頁 六 專 請 V 至 片有 基具 之向 製方 矽間 由空 一個 :一 括少 包至 圓沿 晶方 該上 , 面 圓表 晶個 體一 緣少 絕至 圍矽片 m種基 該 在 丨上 • 層 為緣 少絕 至電 度於 熱位 導一 個及 一) 少層 瓦 方 與 緣、 絕米 電微 之10 } 至 尺米 公奈 度10 溫為 對度 絕厚 度 厚 層 均/ 平陷 方 平 ο 為 多 至 度 密 及 % 5 為 多 至 差 偏 準 標 之 層 矽 晶 單 之 分 為 多 至 度 密 陷 缺 其 圓 晶 體 緣 絕^ 之 11 項 求 請 如 2 缺 熱 導 之 層 緣 絕 ^VH 中 其 圓 晶 體 緣 絕 矽 Ο 之 分2 公或 方1 陷請 缺如 寇 赛3· / 項 / 項 瓦 •瓦‘ 9 / ο / 為請10請 少如為如 至 少 度4.至5 度 熱 導 之 層 緣 絕 電 中 其 ο \)/ 圓 尺3 > 晶 公 體 度纟 i緣 溫 、浥 對 絕 矽 之 括 包 層 緣 絕 ^¾ 該 中 其 〇 一 P1IJ \)y 晶 尺體 公緣 度絕 溫矽 對之 絕 2 纟或 步 諸 列 下 含 包 法 方 該 法 方 之 οΓΡΊ1Ι1 料晶 材體 緣緣 絕絕 電砍 同造 不製 層種 兩一 少 至6 驟 rgllgj 晶 該 圓 晶 體 施 之 層 ,體 圓施 晶面 片表 基砍 之晶 造單 製有 碎具 由一 供供 提提 圓為 晶多 該至 且度 而濃 ,塊 度聚 厚位 終空 •最及 •之分 層公 矽方 製立 / 所個 其2 *10] 於為 應多 對至 少度 至濃 度位 厚空 之之 分 公 方 立 / 個 之 圓 晶 體 施 之 層 體 施 有 具 或 / 及 面 個1 之 圓 晶 片 基 對 瓦 6 11 為 少 至 度 熱 導後 一之 加, 施層 向料 方材 間緣 空絕 個電 一) 少尺 至公 沿度 、溫 面對 個絕
    第18頁 1293185
    /1
    c£j正替換κΙ 六、申請專利範圍 -以適當方式連接基片晶圓及施體晶圓,俾具有施體 層之施體晶圓面係經由電絕緣層與基片晶圓相連,及之後 -減低施體晶圓之厚度,俾自該施體層形成一最終厚 度為1 0奈米至1 0微米、與平均層厚度之標準偏差至多為 5 °/〇、缺陷密度至多為0 . 5 HF缺陷/平方公分之單晶矽層, 此單晶矽層係經由電絕緣材料與基片晶圓相連。 7. 如請求項6之方法,其中減低施體晶圓厚度之步驟包 含一拋光步驟。 8. 如請求項6或7之方法,其中在施體晶圓與基片晶圓黏 合之前,於該施體晶圓内製造一分離層,且於減低施體晶 圓厚度之步驟包含一施體晶圓沿分離層分離之步驟。 9. 如請求項8之方法,其中該分離層係以將氫植入該施 體晶圓之方式而製成。 10. 如請求項8之方法,其中分離作用之實施係藉3 0 0至 5 0 0°C溫度下之熱處理。
    第19頁
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