TWI463564B - 製造半導體薄膜之堆疊的方法 - Google Patents

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TWI463564B
TWI463564B TW098136763A TW98136763A TWI463564B TW I463564 B TWI463564 B TW I463564B TW 098136763 A TW098136763 A TW 098136763A TW 98136763 A TW98136763 A TW 98136763A TW I463564 B TWI463564 B TW I463564B
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朗德呂 迪迪爾
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Description

製造半導體薄膜之堆疊的方法
本發明係關於一種製造半導體薄膜之堆疊的方法。
在製造如絕緣層矽晶(SOI)結構之領域中，其中該結構包含一埋入式氧化物之薄膜(小於1微米)，該薄膜包含於一半導體材料薄膜與一最終基板之間。於降低氧化層尺寸期間，所出現眾多主要問題之其中一者為在接合介面處所形成的缺陷。
這些缺陷的存在對於該最終半導體結構來說是嚴重的。這些缺陷之若干「氫氣泡」出現在退火期間之各溫度(請參閱1997年S.Mack等人發表於Electrochemical Society期刊之第144冊第1106頁)。
在與二基板之任一者的半導體材料相接觸時，在該分子黏合期間，被帶至該黏合介面的水分子將與基板反應而產生氫氣，或者任何其它有關半導體材料之反應類型進行反應。在以高於400℃之溫度進行退火的期間，已鍵結之氫即被釋出而成為氫氣。而增加溫度則會增加壓力且會形成氣泡。此後，水與兩基板其中之一所產生的會形成氣泡反應生成物，將聚合在一起而形成氫氣(hydrogen)，但也有可能包含其它氣體。
當設在埋入氧化層之一側上的埋入氧化層與基板具有高的或明顯 的厚度時，氣泡的形成對於SOI類型結構之品質來說並非關鍵。另一方面，這些缺陷的形成對於超薄埋入式氧化物(UTBOX)類型的結構來說，例如比50nm、25nm或15nm還薄的超薄埋入式氧化物(BOX)，就顯得十分地重要。
如第4圖所示，其係顯示三個總數樣本，像是SOI結構所得出之缺陷測量(在Y軸)作為該氧化層之厚度函數，如習知超薄埋入式氧化物(在X軸)。曲線A所聚集之測量總數係關於依照先前技術之方法，以及其它兩個總數(曲線B與C)係關於依照本發明之方法。此後將參照本發明之說明，說明曲線B與C。
針對參照曲線A之資料，具有50nm之”BOX”氧化厚度的樣本具有稍微多於140nm的埋入式氧化物測量之缺陷。當此厚度被進一步降低(接近15nm)時，該缺陷密度變得十分關鍵。此顯示出，依照先前技術之習知方法，製造30nm或更薄等級之氧化物厚度的UTBOX結構是非常困難的。
用以解決此問題之其中一解決方式係為嚴格限制不得於超過400°C以上之溫度T實行任何處理。
然而，此解決方式便無法對鍵結介面進行強化，因為強化鍵結介面必須在高於400℃之溫度進行，一般約700℃至1300℃，其阻礙該接合介面之強化。此外，此方法會限制在由此所獲得之該裝置的工業使用期間所許可之處理類型，因此限制了超薄埋入式氧化物裝置之應用。
綜上所述，本人便試圖尋找用以克服此問題之方法。
本發明之目標係用以克服上述問題，亦即改善在裝配超薄埋入式 氧化物類型結構之後的缺陷，特別是關於氣泡類型之缺陷的形成。
為了達到此目標，本發明提出自基板材料(其中晶圓係因反應而形成氣態反應產物，如氫氣)移除出現在接合介面處之水分子層。其係在接合前，於各基板上形成具有障壁或限制水分子擴散特性之絕緣層，這些絕緣層係位在接合介面處，並接著形成一埋入式絕緣層。在根基於二氧化矽(SiO2)而具有埋入式氧化物之超薄埋入式氧化物結構的情況時，此埋入式絕緣層即對應於埋入式氧化層。
更具體言之，本發明首先係關於一種製造類超薄埋入式氧化物(UTBOX)之堆疊半導體結構之方法，本方法包含下列步驟：形成一第一電絕緣層(施體氧化物)於一施體基板上，第一電絕緣層係障壁或限制水之擴散；於形成施體氧化物層之前或之後，將元素導入施體基板中，形成一弱化層；形成一第二電絕緣層(接合氧化層)於一第二基板(最終基板)上，第二電絕緣層係障壁或限制水之擴散；接合上述二基板，二電絕緣層係相接觸並一起於二基板間形成一埋入式絕緣體層(埋入式氧化層)，此二絕緣層於接合期間，係使施體氧化層之厚度至少等於接合氧化層之厚度。
埋入式絕緣體層之厚度(et)在接合後係小於50nm，較佳地為小於20nm，以及最好小於15nm或12nm。
在依照本發明之方法中，絕緣層係由可障壁或限制水擴散的材料所構成。在本發明之範圍內，絕緣層除了藉由離子植入步驟所造成對施體氧化層之劣化(degradation)外，並無其他的處理程 序會有可能降低這些絕緣體層障壁水擴散的能力。
絕緣體最好為一介電質或一類介電質之絕緣體，其可為一氮化物層或者其較佳地為一氧化物層，例如氧化矽。在下列說明中，將以氧化物層為範例。
因此，實行絕緣體-絕緣體接合係可降低氫的產生動力，並因此限制氣泡的形成。當然，在裝配期間，於接合介面處所導入之水分子係包含於二絕緣層之間；在與該些基板其中之一者的材料反應以形成氫自由基前，水分子必須通過這些絕緣體層。因此，具有障壁或限制水擴散特性之氧化層，係可減緩形成氫以及氣泡，進而改善所形成之半導體結構的可靠度。
絕緣層(施體氧化物及/或黏接氧化物)之至少一者可藉由沈積絕緣物，或藉由與該些基板至少其中之一者產生表面反應而形成。
在依照本發明之方法中，將元素導入施體基板中係穿透施體氧化層來進行，故接合氧化層薄於施體氧化層是有助益地。
更確切地，在依照本發明之方法中，最終氧化物，或者埋入式氧化層，係由二層相接觸之氧化層所構成。在接合步驟的期間，依照本發明之方法，將被裝配之該些氧化層的厚度比，使得取自施體氧化層之氧化層的相對厚度大於將被裝配之等氧化層之堆積厚度的50%並小於或等於70%、80%、85%或95%。
有助益地，將被裝配之施體氧化層之相對厚度係介於將被裝配之氧化層的堆積厚度的60%至85%之間。較佳地，此相對厚度係介於最終氧化層厚度之70%至80%之間，例如75%。
在依照本發明之方法中，清洗該些基板至少其中之一者(最好為二基板)的步驟可在與等氧化層相接觸以及等基板之裝配前。可 接著蝕刻氧化物，造成經處理之氧化層的厚度降低。為了補償在此等氧化層厚度的降低，選擇氧化層之初始厚度，以便在清洗後依照本發明(且特別地，依照上述比例)獲得氧化物之厚度。一開始形成之二層氧化層之堆積厚度則大於最終裝置之埋入式氧化物的厚度。在此一清洗步驟後，未改變絕緣層材料之結構，氧化物總是由形成障壁(針對水之擴散)之材料來構成。換言之，接合氧化物與施體氧化層最好所形成之總厚度大於埋入氧化層之厚度，清洗步驟造成絕緣體層之厚度中的降低出現於經清洗之基板上。
在依照本發明之方法中，施體基板及/或受體基板可由半導體材料製成，例如矽。二基板至少其中之一者，並且也許二者，可由石英或藍寶石或聚合物所製成。受體基板可由一不同於施體基板之材料來製成，例如一半導體材料。其可以一熱膨脹係數(TEC)不同於施體基板之其中一者的材料來構成，或者以另一材料X(其具有一種反應類型H2O+X→XO2+H2)或者形成另一氣體反應產物來構成。
施體基板可接著藉由基板之斷裂(fracture)來薄化，例如藉由習知名為「智慧斷裂」(Smart-Cut)之技術。此方法可在例如在B.Aspar與A.J.Auberton-Hervé所發表之文章“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications”(於2002年由S.S.Iyer與A.J.Auberton-Hervé在倫敦之INSPEC資料庫所編輯，第3章第35~52頁)中所述之情況下進行。薄化可在熱處理期間以低於350℃或400℃之溫度下進行。
有助益地是，基板之斷裂可在一低溫熱處理期間進行，例如，以一低於400℃之溫度；更詳而言之，由下列給定。
其中熱處理退火係以介於700℃至1300℃之間的溫度，最好介於900℃至1200℃之間，並在薄化處理後，以大於每秒10℃之線性升溫坡度加熱，或者較佳地大於每秒20℃，以便強化接合介面，並使裝置於暴露在介於400℃與700℃之間的溫度的時間最小化(較佳地係介於400℃與900℃之間的溫度)，該溫度範圍係為高氣泡形成動力且最終半導體結構之品質最差的溫度範圍。
在高於700℃(或者最好高於900℃)之溫度的退火處理，係可排除該些位於接合介面處或者陷入基板與氧化層之間的介面處並藉由擴散而進入半導體材料中的氫氣。
在400℃~900℃之溫度區間中，針對矽來說，因氣體狀態之氫氣的釋出，故有氣泡形成。所產生之壓力將使已接合之二結構材料變形，並且形成氣泡以及在隨後處理期間或者在基板之斷裂熱處理或強化熱處理期間，會使最終結構破裂。如上所述，至少每秒10℃之線性升溫坡度，將最小化於此臨界溫度區間內之通行期間，進而可在氣泡內的壓力以不可逆的方式弱化裝置前，使其達到半導體材料中氫擴散的溫度(接近900℃)。
應注意的是，上述之臨界溫度區間主要取決於表層之厚度以及材料的種類。例如，針對小於10nm的矽表層來說，對於具有10nm至20nm之間的氧化層的裝置，此臨界區間可在350℃至700℃之間以代替400℃~900℃之間隔。若所用之結構係依照SiGe或AsGa或另一半導體材料，則此間隔也將改變。但在此，其也致力於：最佳化絕緣體層之厚度分佈，其中絕緣層係針對氧化物的擴散形成一障壁或限制此擴散；以及使溫度處理時間(包含於臨界溫度間隔)最小化。
若施加本發明之方法，則測試可更準確地識別臨界溫度間隔。
2‧‧‧施體基板
3‧‧‧受體基板
20‧‧‧半導體材料
21‧‧‧弱化層
4‧‧‧施體氧化層
4、5‧‧‧埋入氧化層
5‧‧‧接合氧化層
et、e1、e2‧‧‧厚度
4’、5’‧‧‧氧化層
第1A圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第1B圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第1C圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第1D圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第1E圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第1F圖代表依照本發明之方法之第一實施例；第2A圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2B圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2C圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2D圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2E圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2F圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第2G圖代表依照本發明之方法之第二實施例，其中形成大於最終裝置所需厚度之氧化物厚度；第3圖係說明在SiO2與矽基板之情況下由發明人所得出之缺陷實驗結果作為氧化層之厚度比上氧化物最終厚度之比例的函數；以及第4圖係說明由發明人所得出缺陷實驗結果作為最終氧化層厚度 的函數以及顯示依照本發明產生具有低氧化物厚度之UTBOX結構之方法的效率。
本發明係關於一種製造經堆疊SOI類型半導體層之系統的方法，以及更具體言之，為製造UTBOX類型，換言之，具有埋入式絕緣體層之超薄厚度。
方法係依照第1A至1F圖以及第2A至2G圖中之二個實施例來說明，於不同圖式中任何參照係對應相同元件。
第一實施例(第1A至1F圖)係關於一種製造具有薄埋入式絕緣體層(比50nm還薄)之SOI結構之方法；有助益地是，此絕緣體層係小於20nm，以及最好小於15nm，其也可小於10nm或7nm。
絕緣體優先為一電絕緣體，其可為一氮化層或較佳地可為一氧化層，例如一矽氧化物。在其它說明中，採用氧化層之範例但本發明不限於此。如前述說明，在依照本發明之方法中，於接合期間，絕緣體層係由針對水之擴散可形成障壁或限制此擴散之材料來製成。
依照本發明之方法之第一實施例，施體氧化層4係在一施體基板2之表面上形成(第1A圖)，其為例如由半導體材料(較佳地為矽)製成。此如習知施體氧化層4之氧化層具有一厚度e1以及可例如藉由施體基板2之熱氧化作用，或者若需要，藉由氧化沈積來形成。
形成施體氧化層4之前或之後，將摻雜元素導入施體基板2，以形成一弱化層21，此可較佳地透過原子或離子元素的植入來完成，例如透過施體氧化層4之例如氦及氫之共同植入(第1B圖)。
此弱化層21可較佳地預期藉由基板斷裂之薄化而被導入。針對本發明之此實施例以及之後實施例，此基板斷裂之方法可為(Smart Cut)基板斷裂方法類型之方法。此方法例如說明於2002年在倫敦之INSPEC資料庫第3章第35~52頁由B.Aspar與A.J.Auberton-Herv é所著論文“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications”中(由S.S.Iyer與A.J.Auberton-Hervé編輯)。
所導入之摻雜元素之每一者的密度可較佳地介於1.10+16at.cm-3至1.10+19at.cm-3之間。接著以1.10+14at.cm-2至1.10+16at.cm-2之等級(適用於施體氧化層4之厚度e1)將植入劑量用在每一摻雜元素所設計之密度，以及在斷裂後用於半導體材料20之必需厚度。
接著，或者平行地，或者在之前所述操作前，例如藉由受體基板3之熱氧化作用，或者若必要，藉由此氧化之沈積，將接合氧化層5形成於一第二結構(如習知受體基板3)上。此氧化層具有小於或等於施體氧化層4之厚度的厚度e2。此基板有助益地是由半導體材料來構成，然而也可由另一種材料來構成，例如石英或任何類型由材料X所構成之基板(其中黏接反應導致類型之氧化作用：H2O+材料X→XO2+H2)或者任何其它氣態反應產物。
施體基板2與受體基板3接著被裝配，施體氧化層4以及接合氧化層5係互相接觸(第1D圖)。接著發生一氧化物-氧化物類型黏接，產生處於二基板施體基板2與受體基板3之間且由施體氧化層4與接合氧化層5所構成的氧化層(如習知最終氧化物或埋入氧化層)，在第1F圖中，此合成層由埋入氧化層45來表示。
因此所獲得之埋入氧化層45具有一小於或等於50nm之厚度et，有 助益地是，小於或等於20nm，最佳地小於或等於15nm，例如11.7nm。將被裝配之氧化層之厚度分佈係使得取自施體氧化層4之埋入氧化層45之部分的相對厚度可等於將被裝配之氧化層之堆積厚度的50%，或者在經由施體氧化層4發生導入摻雜元素之情況下，大於50%以及小於或等於95%。
在本發明之範圍內，「相較於埋入氧化層45之施體氧化層4之相對厚度」係指定介於施體氧化層4之厚度與埋入氧化層45之厚度之間的比例。在沒給定詳細說明之情況下，A層之相對厚度為A層相較於埋入氧化層45之相對厚度。
在依照本發明之方法中，等氧化層係藉由任一控制氧化步驟來形成，例如藉由基板對一富含氧環境以及高溫的曝光，或者藉由氧化物的沈積，例如藉由CVD或藉由ALD。相反地，取自基板對周圍環境之簡單曝光的原生氧化層不適用於此。當然，此氧化物相對透氣以及無法形成一有效擴散障壁層。然而，可想像於此原生氧化層上藉由實行一如習知緻密實化(densification)退火之退火，例如在一段可延長的時間(自數分鐘至數小時)於200℃至800℃之間的中性大氣下，賦予「擴散障壁」之特性。一般來說，較佳的對原生氧化物以及特定已沈積氧化物(可具有一多孔層，用以無法形成一有效水之擴散障壁)實行此層緻密化退火。
在摻雜元素之導入係經由施體氧化層4而發生的情況下，取自施體氧化層4之埋入氧化層45之部分的相對厚度，換言之為埋入氧化層45之厚度，係較佳的介於黏合期間經裝配之氧化層的堆積厚度的60%至95%，以及最好介於70%至80%之間。例如，若將被裝配之接合氧化層5之厚度e2為3.3nm，則將被裝配之施體氧化層4之厚度e1可為8.4nm。在依照本發明之方法中，埋入氧化層45之厚 度也可為小於10nm或小於7nm。
在依照本發明之方法中，由經裝配之施體基板2與受體基板3所構成之裝置以及其不同表面層可接著接受一退火，以便使施體基板2在弱化層21之階段時斷裂(第1E圖)。可例如適用破裂方法以致使退火溫度不會超過400℃，並且較佳地不會超過350℃。
接著，若需要，可研磨經斷裂表面(第1F圖)。
較佳地，在施體基板2斷裂後，但在接合介面之任何強化退火前或代替強化退火時，所得到之半導體結構可用介於700℃至1300°C之間的溫度(最好介於900℃至1200℃之間)接受介面之穩定退火，以一大於每秒10℃(最好大於每秒20℃)之溫度坡度使溫度增加。此穩定退火步驟可在研磨步驟後發生。有助益地，此退火在研磨前及基板斷裂步驟後發生。
如上所述，此介於700℃至1300℃之間(最好介於900℃至1200℃之間)的退火使經由等基板之氣態氫的擴散成為可能。如上所述，一高溫坡度(至少每秒10℃)使得在400℃~700℃(以及較佳地介於400℃至900℃之間)之臨界溫度間隔於溫升期間可最小化通行時間，以及因此得以用一種無法補救的方式，在等氣泡中的壓力使最終半導體結構弱化前，使其獲得上述氫擴散溫度間隔。因此，在400℃~700℃之範圍內，以及較佳地在400℃~900℃之範圍內，可控制退火之參數以限制曝光時間至小於120秒，例如最好約30秒或者小於30秒。依照本發明於溫度範圍中所容許之臨界時間為最終結構之埋入氧化層45之厚度的函數：其愈薄，愈可限制曝光時間。依照本發明之方法，對於10nm的厚度來說，臨界溫度間隔的最大曝光時間係介於20至30秒之間；對於15nm的厚度來說，此時間係小於30秒以及對於25nm之氧化物厚度來說，臨界時 間係接近2分或甚至更久。
本發明之第二實施例係說明於第2A至2G圖中。除了氧化層4’、5’之沈積厚度e1’與e2’外，本實施例之原則與第一實施例相同。
在本發明之此實施例中，所沈積之氧化物的總厚度(e1’+e2’)係高於最終結構之埋入氧化層45之目標氧化物的最終厚度(et)。將說明僅不同於本發明之第一實施例之等步驟，第2G圖之埋入氧化層45係由施體氧化物4以及第2D至2F圖中所表示且在將氧化層4’與5’薄化後所獲得之接合氧化物5之層所構成。
如第2E圖中所示，在接合步驟前，施體基板2及受體基板3之其中一者及/或另一者(均包含一層分別以4’及5’表示之氧化層，其厚度分別為e1’及e2’)係接受一清洗步驟，如第2D圖中所示，清洗步驟尤其具有蝕刻功效，以及因此使被清洗步驟所處理而出現在等基板的表面處之氧化層4’及/或5’變薄。
然而，針對此清洗或者針對方法之任何其它步驟，等絕緣體層在等絕緣體層之所有或者部分中，沒有接受任何有助於水之擴散之處理。特別地，在以改善依照本發明之方法中所排除之接合期間的黏著為目的之接合前，實行等電漿，這些步驟似乎有利於透過絕緣體層的水之擴散。
較佳地，在等氧化層4’或氧化層5’之形成期間，若有的話，初始厚度(e1’及/或e2’)考量到在清洗步驟期間所導致之薄化以及等施體氧化層4與接合氧化層5所必需之最終厚度e1與e2。在第一實施例中，埋入氧化層45之氧化物的最終厚度et係小於或等於50nm，較佳地小於或等於20nm，更佳地係小於或等於15nm，或者例如小於10nm或7nm。此外，在等初始氧化層之清洗及薄化步驟 後，在接合期間，將被裝配之施體氧化層4與接合氧化層5之厚度e1與e2係使得取自氧化層4’之施體氧化層4的相對厚度，為接合期間等二層氧化層之堆積厚度的50%及/或，特別在摻雜元素之導入係透過施體氧化層4而發生的情況下，其大於將被裝配之施體氧化層4及接合氧化層5之堆積厚度et的50%以及小於或等於95%。將被裝配之施體氧化層4的相對厚度較佳地係介於將被裝配之等氧化層之堆積厚度et的60%至80%之間，以及最佳地介於70%至80%之間，例如75%。
在依照本發明之方法中，在等基板之裝配使其可限制出現在相接觸之等氧化層下方之水分子及材料期間，具有施體氧化物4之厚度(至少大於或等於接合氧化物5之厚度)接合氧化物-氧化物。僅在若等氧化物已保持其水之擴散障壁特性時，亦即，其沒有接受降低水之擴散障壁特性之處理，或者施體氧化層4或等二層氧化層已接受一離子植入步驟(以小於每平方公分6*1016at，或者甚至小於每平方公分3*1016at之劑量)為真實的。因此，由於水分子的擴散可經由等氧化層，故氫根的形成阻止了由氫根與半導體材料相互反應之即時形成。依照本發明之方法的較佳實施例，相較於埋入氧化層45之厚度et來說，等氧化層4’、5’具有相對厚度，使得在接合期間，施體氧化層4之相對厚度大於或等於厚度et之50%及小於或等於95%，較佳者為介於60%至85%之間，以及更佳者為介於70%至80%之間。
由施體基板2與受體基板3之間的埋入氧化層45所構成之氧化物厚度的分佈使其在施體氧化物4之側面上具有一較高的氧化物厚度。此使得補償施體氧化物4中的預設條件為可行的；此氧化物係在導入摻雜元素期間而被剝蝕(第1B及2B圖)，其降低對於H2O 擴散之障壁特性。具有不使障壁特性劣化之接合氧化層5，其對於形成一擴散障壁等效物(由施體氧化層4所形成)，不必具有高厚度。0.5nm至5nm或者10nm之接合氧化層5厚度，例如1nm，對於形成一有效的擴散障壁是足夠的。在此情況下，經由施體氧化層4限制植入步驟期間所導入之整體摻雜元素劑量會有所助益的。因此，可限制此整體劑量至小於每平方公分3*1016at。
依照本發明，藉由產生一層比接合氧化層5還厚的施體氧化層4，可不用改變埋入氧化層45之最終厚度et而增加取自施體氧化層4之埋入氧化層45之部分的障壁功效是可行的。因此，選擇厚度以便獲得等同於受體基板3之側面上施體氧化層4與接合氧化層5之障壁功效，而不用改變埋入氧化層45之最終厚度。等氧化層之任一者在其製造或者於任何其它製程步驟期間均不被劣化，若有的話，可節省植入步驟。特別地，在接合前，等氧化層均沒有接受任何活化電漿。
在任何薄化程序後，若有的話，選擇由例如一清洗步驟所造成之將被裝配之等層之厚度間的分佈作為水之擴散障壁特性中的差異函數，其中：接合氧化層5原封不動的被沈積於最終基板3上，以及施體氧化層4，可能因施體基板2中之摻雜元素的導入而被剝蝕。
因此，相對厚度的選擇係取決於所用劑量的植入以及由所用氧化物所構成之材料。
由發明人所得出實驗結果係顯示於第3圖中，其顯示在接合及退火後，在UTBOX類型之SOI結構(基於矽及矽氧化物)的情況中，最終缺陷(在Y軸中)作為組成埋入氧化層45之施體氧化物4及/或接合氧化物5之等層之相對厚度(在X軸中)的函數。
在等基板之接合與裝配前，接合氧化層5之厚度與最終氧化層之厚度(在此曲線圖中之下面X軸)之間的比值等於”0”，其對應於均勻取自於施體基板2上所形成之施體氧化物4的最終氧化層之情況。
以相同方式，接合氧化層之厚度與最終氧化層之厚度之間的比值等於”1”，其對應於完全取自接合氧化層5之最終氧化層的情況。
在這二個最大值之間，相較於最終氧化層之厚度來說，增加接合氧化層5之相對厚度。
在曲線圖之頂部處也表示施體氧化層4之厚度與最終氧化層之厚度之間的比值。此比值反比於接合氧化層5之厚度與最終氧化層之厚度之間的比值。
就接合氧化層5之厚度與最終氧化層之厚度間的比值來說，等區域I與II之間的界線係位在約20%，並且區域II與III之間的界線係位在約55%。
在接合後，作為等氧化物之厚度比值的函數的缺陷會被分配至三個部位中。在部位I中，最終氧化層主要由形成於施體基板2上之施體氧化物4所構成；H2O分子輕易地擴散至受體基板3之表面，以及在退火期間在受體基板3與埋入氧化層45之間的介面處形成大量臨界缺陷。
在部位III中，接合氧化層5之厚度係大於施體氧化層4之厚度，其作為障壁之功效已藉由元素導入步驟(例如離子植入步驟期間)而劣化。觀察到較高缺陷，施體氧化層4之障壁特性係低於接合氧化層5之障壁特性，並且因容許太多H2O分子而無法擴散至施體基板2(其在退火期間形成許多『氣泡』類型之缺陷)。
對於最終氧化層之水之擴散的障壁功效在由第3圖之部位I及III所示之二種情況下是不充分的。
在部位II中，在接合前，將被裝配之等氧化層之厚度分佈，在此接合氧化層5之相對厚度係介於15%至50%之間，亦即，施體氧化層4之相對厚度介於95%至50%之間，使得施體氧化層4之障壁特性因一較高的相對厚度而獲得改善。在此部位II中，黏接氧化層5具有一充分厚度，以於受體基板3之側面上針對H2O之擴散形成一障壁，其功效比得上於施體基板2之側面上所形成者。
因此，在退火後於缺陷上的厚度與因此絕緣體-絕緣體黏接之效率的比值有一重要功效，特別地，在氧化物-氧化物黏接之情況下，用以阻止或者至少限制於裝配期間埋入氧化層45中所捕獲的H2O分子之擴散。
此圖式之資料明確說明氧化物-氧化物黏接，例如在氧化物之相同厚度處，或者更具體地說明以一最佳氧化物厚度比例接合氧化物-氧化物，使得連結至H2O之擴散問題，特別是”氣泡”類型之缺陷的形成可獲解決。因此，此依照本發明之方法致使形成如UTBOX裝置(具有比由先前技術之方法所獲得之結構缺陷還少且可接受之缺陷)，其中由埋入式最終氧化層所構成之所有氧化物係取自施體氧化層4。在用以獲得這些實驗結果的條件下，對施體氧化物4之相對厚度確認一有助益的間隔，其介於60%至85%之間。
在依照本發明之方法的範圍內，此圖式之平面圖可找到氧化物之相對厚度對於埋入氧化層45所給定之厚度et的最佳條件(已知材料以及已知離子植入)。在此，此最佳條件介於施體氧化物4之70%至80%之間，以及更具體地說係接近75%。
也表示當在黏接至將被黏接之二個氧化層上前，施加一電漿處理時所獲得之缺陷程度，其中接合氧化物5厚度/最終氧化物厚度比約為33%以及約53%。可看出，對於相同的接合氧化物5厚度/最終氧化物厚度比來說，電漿處理造成最終結構一非常明顯的剝蝕(degradation)，其藉由除上一接近100的因子而具有更多缺陷。本發明之功效係基於矽及矽氧化物而藉由SOI或像是UTBOX結構所得出之缺陷分析(第4圖)來說明，其係顯示由一氧化物-氧化物接合之整合方法(特別地，具有相同氧化物厚度曲線B)，其可得出一經改善之可靠度以及因此形成比利用習知方法所得之結構還薄之UTBOX結構。若依照本發明使用整合方法(包含將以分佈於前述間隔內之被裝配氧化層的不對稱厚度)，其仍可降低埋入氧化層45之尺寸及/或得到一較低的缺陷(曲線C)。
特別地，相較於習知方法來說，所得到的功效是重要的，其中埋入氧化層45之厚度et小於15nm以及埋入氧化物45之厚度小於10nm。
因此，埋入氧化物45之最終厚度愈低，則依照本發明之方法相對於先前技術之方法來說愈有功效。
依照上述本發明之技術可進一步被改善以獲得一具有非常良好品質之非常薄的絕緣體層，其厚度例如小於10nm或5nm，例如一具有所表示厚度之氧化層的SOI。
為此，依照本發明方法製造一結構，絕緣體為例如厚度小於10nm或者介於15nm至20nm之間的氧化層。
接著實行此氧化物之部分溶解以使其厚度達到最終所值(小於10nm)。
一溶解技術可於2008年Solid State Phenomena期刊中第131~133 冊、第113~118頁由O.Kononchuk等人所著之“Internal dissolution of Buried Oxide in SOI wafers”或者US2005/00118789而被知悉。
例如，在一具有非常低的氧濃度(小於1ppm)的中性大氣(包含例如氬、及/或氫還原大氣，以及在大體上介於1100℃與1200℃之間的溫度，並執行一段介於若干分鐘(例如2分或5分或10分或20分30分)至若干小時(例如1小時或2小時或5小時或10小時)之間)的時間，處理結構。在此熱處理期間，將埋入氧化層45中所出現的氧氣透過半導體材料之薄膜而溶解於處理大氣中。上述半導體材料例如由矽所構成，所被溶解之氧化層SiO2接著被轉換成高品質的Si。
在具有一20nm之埋入式氧化物45的SOI(依照本發明之技術之其中一者所獲得)的情況中，可獲得一薄化至最終厚度之氧化物，例如選擇5nm。
有助益地，在中性大氣以及非常低的氧濃度下，此熱處理持續至至少直到形成於施體基板2之側面上之氧化層的整個厚度被溶解。特別處理可導致非常均勻、高品質黏接結構(關於缺陷密度)的形成，其中結構具有非常薄的埋入氧化層45(約數奈米)。此外，於埋入氧化層45中黏合介面的消失(使所有來自施體氧化層4之氧化物被溶解)可確保一高電氣品質之埋入氧化層45。剩餘的氧化層係來自接合氧化層5之氧化物所構成。
2‧‧‧施體基板
3‧‧‧受體基板
4‧‧‧施體氧化層
5‧‧‧接合氧化層

Claims (10)

  1. 一種製造類超薄埋入式氧化物(UTBOX)之堆疊半導體結構之方法，包含：形成一施體氧化層於一施體基板上，以對水之擴散形成一障壁或可限制此擴散；在形成該施體氧化層後，將元素導入該施體基板，形成一弱化層；形成一接合氧化層於一最終基板上，以對水之擴散形成一障壁或可限制此擴散，該接合氧化層係薄於該施體氧化層；以及接合該二基板，其均沒有接受一電漿處理，該二氧化層係相接觸，以及一起於該二基板之間形成一埋入氧化層，在接合期間，該氧化層係使得該施體氧化層具有至少等於該接合氧化層之厚度的一厚度，該埋入氧化層之厚度係小於50nm；其中在該施體氧化層之接合期間，該相對厚度係介於該埋入氧化層之厚度的60%至85%之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該施體氧化層之接合期間，該相對厚度係介於該埋入氧化層之厚度的70%至80%之間。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該埋入氧化層之厚度係小於20nm。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該埋入氧化層之厚度係小於15nm。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該施體基板係由半導 體材料製成，例如矽。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該受體基板係由半導體材料製成，例如矽。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中包含：在接合後，依照一最大溫度為400℃之方法薄化該施體基板，以及包含在該弱化層處將該施體基板進行至少一斷裂處理。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中在該接合之後則以大於每秒10℃之線性升溫坡度施加具有介於900℃至1200℃之間溫度的一熱處理。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中藉由沈積、藉由反應或者藉由原生氧化物形成該二氧化層至少其中之一者，係包含在接合以前實行層緻密化退火，使其具有障壁水擴散的特性或者使其可限制此擴散。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中在黏合後及/或在任何層緻密化退火之後，更包含藉由在具有小於1ppm之氧氣濃度之環境，以及在實質上介於1100℃至1200℃之間之溫度的處理下，薄化該埋入氧化層的步驟。
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