使半导体表面平整的制造方法技术

提供一种用于制备包括具有平整表面的装置层的半导体结构例如绝缘体上半导体结构的方法。所述所提供方法涉及通过在高温下使用应力增强表面扩散而使半导体衬底表面平整。此方法的目的是达到原子级表面平整度(例如，如根据在30um X 30um AFM测量内的均方根测量的1.0与1.5埃之间的范围中的平整度)，其在先进(亚28nm)CMOS装置制造中是所需的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使半导体表面平整的制造方法相关申请案的交叉参考本申请案主张2015年11月20日申请的第62/257,764号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的全部揭示内容以引用方式全部并入本文中。
本专利技术大体上涉及半导体晶片制造的领域。更具体来说，本专利技术涉及一种用于生产绝缘体上半导体(例如，绝缘体上硅)结构的方法，且更特定来说，涉及一种用于生产具有平整经暴露装置层表面的绝缘体上半导体(例如，绝缘体上硅)结构的方法。
技术介绍
通常，由单晶锭(例如，硅锭)制备半导体晶片，所述单晶锭经修整及研磨以具有用于后续程序中晶片的适当定向的一或多个平面或凹口。接着将所述锭切割成个别晶片。虽然本文中将参考由硅构造的半导体晶片，但可使用其它材料来制备半导体晶片，例如锗、碳化硅、硅锗、砷化镓以及III族及V族元素的其它合金(例如氮化镓或磷化铟)或II族及IV族元素的合金(例如硫化镉或氧化锌)。可在复合层结构的制备中利用半导体晶片(例如，硅晶片)。复合层结构(例如，绝缘体上半导体，且更具体来说，绝缘体上硅(SOI)结构)通常包括处置晶片或层、装置层及处置层与装置层之间的绝缘(即，电介质)膜(通常氧化层)。通常，装置层的厚度在0.01与20微米之间，例如在0.05与20微米厚之间。厚膜装置层可具有约1.5微米与约20微米之间的装置层厚度。薄膜装置层可具有约0.01微米与约0.20微米之间的厚度。一般来说，通过下列步骤产生复合层结构(例如绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)及石英上硅)：将两个晶片放置成紧密接触，借此起始通过范德华力的结合，接着进行热处理以强化结合。退火可将硅烷醇端基转换成两个界面之间的硅氧键，借此强化结合。在热退火之后，经结合结构经历进一步处理以移除大部分供体晶片以实现层转移。例如，可使用通常称为回蚀SOI(即，BESOI)的晶片薄化技术(例如，蚀刻或研磨)，其中硅晶片经绑定到处置晶片且接着经缓慢蚀除直到处置晶片上仅保留薄硅层。参见例如第5,189,500号美国专利，所述专利的揭示内容以宛如全文阐述引用的方式并入本文中。此方法是耗时且昂贵的，浪费衬底中的一者且通常不具有适于不到几微米厚的层的厚度均匀性。实现层转移的另一常见方法利用氢植入，接着进行热致层裂。将粒子(原子或离子化原子，例如，氢原子或氢原子及氦原子的组合)植入于供体晶片的前表面下面的指定深度处。所述植入粒子在所述供体晶片中于其所植入的所述特定深度处形成分割平面。供体晶片的表面经清洗以移除在植入过程期间沉积于晶片上的有机化合物或其它污染物，例如硼化合物。接着，通过亲水结合过程将供体晶片的前表面结合到处置晶片以形成经结合晶片。在结合之前，通过将晶片表面暴露于含有例如氧或氮的等离子体而活化供体晶片及/或处置晶片。在通常称为表面活化的过程中暴露于等离子体使表面的结构改质，所述活化过程使供体晶片及处置晶片中的一者或两者的表面亲水。另外，可通过湿处理(例如SC1清洗或氢氟酸)以化学方式活化晶片的表面。湿处理及等离子体活化可以任一次序发生，或晶片可经历仅一个处理。接着，将晶片按压在一起，且在晶片之间形成结合。此结合归因于范德华力而相对较弱，且必须在可发生进一步处理之前强化。在一些过程中，通过加热或退火经结合晶片对来强化供体晶片与处置晶片(即，结合晶片)之间的亲水结合。在一些过程中，可在例如在近似300℃与500℃之间的低温下发生晶片结合。高温引起在供体晶片与处置晶片的邻接表面之间形成共价键，因此固化供体晶片与处置晶片之间的结合。在经结合晶片的加热或退火的同时，早期植入于供体晶片中的粒子使分割平面弱化。接着，供体晶片的部分沿分割平面从经结合晶片分离(即，分割)以形成SOI晶片。可通过将经结合晶片放置于夹具中来实行分割，其中垂直于经结合晶片的相对侧施加机械力以便将供体晶片的部分拉离经结合晶片。根据一些方法，利用吸盘来施加机械力。通过在经结合晶片的边缘于分割平面处应用机械楔以便起始裂缝沿分割平面的传播来起始供体晶片的部分的分离。由吸盘施加的机械力接着将供体晶片的部分拉离经结合晶片，因此形成SOI晶片。根据其它方法，经结合对可代替性地在某一时间段内经历高温以使供体晶片的部分与经结合晶片分离。暴露于高温引起裂缝沿分割平面的起始及传播，因此使供体晶片的部分分离。裂缝归因于由经植入离子形成空隙而形成，其通过奥斯特瓦尔德熟化而生长。使用氧及氦填充空隙。空隙变为薄片。薄片中的经加压气体传播微腔及微裂缝，此使植入平面上的硅弱化。如果在适当时间停止退火，那么可通过机械过程使弱化结合晶片分割。然而，如果在较长持续时间内及/或在更高温度下继续进行热处理，那么微裂缝传播达到其中所有裂缝沿分割平面合并的水平，因此使供体晶片的部分分离。此方法允许经转移层的更好均匀性且允许供体晶片的回收，但通常需要将经植入且经结合对加热到接近500℃的温度。经结合结构此后可经历整饰工艺步骤(通常外延平整步骤)以实现目标装置层厚度及目标装置层表面粗糙度目标。用来制备绝缘体上半导体结构(例如，绝缘体上硅结构)的分割过程可在外延平整之前引起装置层的经暴露表面上的高表面粗糙度。归因于外延平整工艺的有限热预算，可将表面粗糙度减小到低到约>1.7埃(使用在30umX30um表面区域内的均方根计算)。实现进一步减小的表面粗糙度已被证明是具挑战性的。表面粗糙度减小的根本障碍是由埋入式电介质层(例如，埋入式氧化物，例如SiO2)与装置层(例如，单晶硅装置层)之间的热失配引起的装置层中的压缩应力。促成装置层中的压缩应力的另一因素是离子植入(通常，氢及/或氦)诱发的应力。压缩应力导致装置层的经暴露表面的波纹，从而导致长波长(微米级)表面粗糙度。
技术实现思路
在本专利技术的布建当中，可提及一种制备多层结构的方法，所述方法包括：在单晶半导体处置晶片的后表面上沉积二氧化硅层，其中所述单晶半导体处置晶片包括两个主要平行表面(所述两个主要平行表面中的一者是所述单晶半导体处置晶片的所述后表面且所述两个主要平行表面中的另一者是所述单晶半导体处置晶片的前表面)、圆周边缘(其接合所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面)、中心轴(其垂直于所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面)及块体区域(其在所述半导体处置衬底的所述前表面与所述后表面之间)；将所述单晶半导体处置晶片的所述前表面结合到单晶半导体供体晶片的前表面以借此形成经结合结构，其中所述单晶半导体供体晶片包括两个主要大致平行表面(所述两个主要大致平行表面中的一者是所述单晶半导体供体晶片的所述前表面且所述两个主要大致平行表面中的另一者是所述单晶半导体供体晶片的后表面)、圆周边缘(其接合所述单晶半导体供体晶片的所述前表面及所述后表面)及块体区域(其在所述单晶半导体供体晶片的所述前表面与所述后表面之间)，且此外其中所述单晶半导体供体晶片的所述前表面包括电介质层且所述块体区域包括分割平面；在所述单晶半导体供体晶片的所述分割平面处机械地分割所述经结合结构以借此制备经分割结构，所述经分割结构包括与所述单晶半导体处置晶片的所述后表面接触的二氧化硅层、所述单晶半导体处置晶片、与所述单晶半导体处置晶片的所述前表面接触的所述电介质层及单晶半导体装置层，其中所述单晶半导体装置层包括经暴露本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备多层结构的方法，所述方法包括：在单晶半导体处置晶片的后表面上沉积二氧化硅层，其中所述单晶半导体处置晶片包括：两个主要平行表面，所述两个主要平行表面中的一者是所述单晶半导体处置晶片的所述后表面且所述两个主要平行表面中的另一者是所述单晶半导体处置晶片的前表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；中心轴，其垂直于所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述半导体处置衬底的所述前表面与所述后表面之间；将所述单晶半导体处置晶片的所述前表面结合到单晶半导体供体晶片的前表面以借此形成经结合结构，其中所述单晶半导体供体晶片包括：两个主要大致平行表面，所述两个主要大致平行表面中的一者是所述单晶半导体供体晶片的所述前表面且所述两个主要大致平行表面中的另一者是所述单晶半导体供体晶片的后表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体供体晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述单晶半导体供体晶片的所述前表面与所述后表面之间，且进一步其中所述单晶半导体供体晶片的所述前表面包括电介质层且所述块体区域包括分割平面；在所述单晶半导体供体晶片的所述分割平面处机械地分割所述经结合结构以借此制备经分割结构，所述经分割结构包括与所述单晶半导体处置晶片的所述后表面接触的所述二氧化硅层、所述单晶半导体处置晶片、与所述单晶半导体处置晶片的所述前表面接触的所述电介质层及单晶半导体装置层，其中所述单晶半导体装置层包括经暴露表面；及使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内小于约2埃的均方根表面粗糙度以借此制备所述多层结构。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.20 US 62/257,7641.一种制备多层结构的方法，所述方法包括：在单晶半导体处置晶片的后表面上沉积二氧化硅层，其中所述单晶半导体处置晶片包括：两个主要平行表面，所述两个主要平行表面中的一者是所述单晶半导体处置晶片的所述后表面且所述两个主要平行表面中的另一者是所述单晶半导体处置晶片的前表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；中心轴，其垂直于所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述半导体处置衬底的所述前表面与所述后表面之间；将所述单晶半导体处置晶片的所述前表面结合到单晶半导体供体晶片的前表面以借此形成经结合结构，其中所述单晶半导体供体晶片包括：两个主要大致平行表面，所述两个主要大致平行表面中的一者是所述单晶半导体供体晶片的所述前表面且所述两个主要大致平行表面中的另一者是所述单晶半导体供体晶片的后表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体供体晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述单晶半导体供体晶片的所述前表面与所述后表面之间，且进一步其中所述单晶半导体供体晶片的所述前表面包括电介质层且所述块体区域包括分割平面；在所述单晶半导体供体晶片的所述分割平面处机械地分割所述经结合结构以借此制备经分割结构，所述经分割结构包括与所述单晶半导体处置晶片的所述后表面接触的所述二氧化硅层、所述单晶半导体处置晶片、与所述单晶半导体处置晶片的所述前表面接触的所述电介质层及单晶半导体装置层，其中所述单晶半导体装置层包括经暴露表面；及使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内小于约2埃的均方根表面粗糙度以借此制备所述多层结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述单晶半导体处置晶片包括从通过丘克拉斯基方法或浮动区方法生长的单晶硅锭切割的单晶硅晶片。3.根据权利要求1所述的方法，其中沉积于所述单晶半导体处置晶片的所述后表面上的所述二氧化硅层具有如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约1000埃与约20,000埃之间的厚度。4.根据权利要求1所述的方法，其中沉积于所述单晶半导体处置晶片的所述后表面上的所述二氧化硅层具有如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约1000埃与约5000埃之间的厚度。5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述单晶半导体处置晶片的所述后表面上沉积二氧化硅层的同时在所述单晶半导体处置晶片的所述前表面上沉积所述二氧化硅层，且所述方法进一步包括在所述结合步骤之前移除沉积于所述单晶半导体处置晶片的所述前表面上的所述二氧化硅层。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述单晶半导体装置层在如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约40埃厚与约1000埃厚之间。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述单晶半导体装置层包括单晶硅。8.根据权利要求1所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内小于约1.5埃的均方根表面粗糙度。9.根据权利要求1所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内小于约1.0埃的均方根表面粗糙度。10.根据权利要求1所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内约0.8埃与约1.2埃之间的均方根表面粗糙度。11.根据权利要求1所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内约0.8埃与约1.0埃之间的均方根表面粗糙度。12.根据权利要求1所述的方法，其中通过外延平整使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整。13.一种制备多层结构的方法，所述方法包括：在单晶半导体处置晶片的后表面上沉积氮化硅层，其中所述单晶半导体处置晶片包括：两个主要平行表面，所述两个主要平行表面中的一者是所述单晶半导体处置晶片的所述后表面且所述两个主要平行表面中的另一者是所述单晶半导体处置晶片的前表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；中心轴，其垂直于所述单晶半导体处置晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述半导体处置衬底的所述前表面与所述后表面之间；将所述单晶半导体处置晶片的所述前表面结合到单晶半导体供体晶片的前表面以借此形成经结合结构，其中所述单晶半导体供体晶片包括：两个主要大致平行表面，所述两个主要大致平行表面中的一者是所述单晶半导体供体晶片的所述前表面且所述两个主要大致平行表面中的另一者是所述单晶半导体供体晶片的后表面；圆周边缘，其接合所述单晶半导体供体晶片的所述前表面及所述后表面；及块体区域，其在所述单晶半导体供体晶片的所述前表面与所述后表面之间，且进一步其中所述单晶半导体供体晶片的所述前表面包括电介质层且所述块体区域包括分割平面；在所述单晶半导体供体晶片的所述分割平面处机械地分割所述经结合结构以借此制备经分割结构，所述经分割结构包括与所述单晶半导体处置晶片的所述后表面接触的所述氮化硅层、所述单晶半导体处置晶片、与所述单晶半导体处置晶片的所述前表面接触的所述电介质层及单晶半导体装置层，其中所述单晶半导体装置层包括经暴露表面；及使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内小于约2埃的均方根表面粗糙度以借此制备所述多层结构。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述单晶半导体处置晶片包括从通过丘克拉斯基方法或浮动区方法生长的单晶硅锭切割的单晶硅晶片。15.根据权利要求13所述的方法，其中沉积于所述单晶半导体处置晶片的所述后表面上的所述氮化硅层具有如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约500埃与约20,000埃之间的厚度。16.根据权利要求13所述的方法，其中沉积于所述单晶半导体处置晶片的所述后表面上的所述氮化硅层具有如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约1000埃与约5000埃之间的厚度。17.根据权利要求13所述的方法，其中所述单晶半导体装置层的厚度是在如沿所述单晶半导体处置晶片的所述中心轴测量的约40埃与约1000埃之间。18.根据权利要求13所述的方法，其中所述单晶半导体装置层包括单晶硅。19.根据权利要求13所述的方法，其中所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面到在30微米×30微米表面区域内小于约1.5埃的均方根表面粗糙度。20.根据权利要求13所述的方法，其中所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面到在30微米×30微米表面区域内小于约1.0埃的均方根表面粗糙度。21.根据权利要求13所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内约0.8埃与约1.2埃之间的均方根表面粗糙度。22.根据权利要求13所述的方法，其中使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整到在30微米×30微米表面区域内约0.8埃与约1.0埃之间的均方根表面粗糙度。23.根据权利要求13所述的方法，其中通过外延平整使所述单晶半导体装置层的所述经暴露表面平整。24.一种制备多层结构的方法，所述方法包括：在单晶半导体处置晶片的后表面上沉积多晶碳化硅层，其中所述单晶半导体处置晶片包括：两个主要平行表面，所述两个主要平行表面中的一者是所述单晶半导体处置晶片的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，C·R·洛泰斯，S·奎斯金，
申请(专利权)人：环球晶圆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71