热处理SOI衬底的方法和设备及利用其制备SOI衬底的方法技术

利用本发明专利技术的方法，在含氢还原气氛中热处理其表面上具有在绝缘体上形成的单晶硅膜的ＳＯＩ衬底，以便平滑该表面，降低硼浓度，而不会损伤单晶片和不同晶片间的膜厚均匀性。该方法的特征在于，热处理时单晶硅膜设置成与非氧化硅部件相对。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热处理SOI衬底的方法和设备，及利用其制备SOI衬底的方法。特别是，本专利技术涉及热处理具有硅膜的SOI衬底的方法和设备，及利用其制备SOI衬底的方法。硅型半导体器和集成电路领域中，已对具有绝缘体上的半导体(SOI)结构的器件进行了大量研究，这种结构是利用形成于绝缘膜上的单晶半导体膜制成的，因为这种器件具有减小了的寄生电容，提高了的抗辐射能力及容易器件隔离，这些能使晶体管具有高工作速度/低工作电压、低功耗率、提高的对集成的适应性，及减少了制造步骤数量，包括消除了已有生产步骤。已知具有SOI结构的衬底(SOI衬底)包括SOS(兰宝石上的硅)衬底，通过氧化单晶硅衬底的表面，形成暴露部分Si衬底的窗口，并利用作为在SiO2表面上形成单晶硅膜(层)的籽晶的区域实现横向外延生长制备的衬底，通过利用Si单晶衬底自身作为有源层，并在其下形成氧化硅膜制备的衬底，通过利用厚多晶Si层上具有介质隔离并被V形槽包围的Si单晶区的衬底制备的衬底，以及利用包括称为FIPOS(利用多孔硅的全隔离)的多孔Si的氧化的介质隔离制备的SOI衬底。近来，SIMOX(注氧隔离)技术和晶片粘接技术似乎已成为制造SOI结构领域的主流。1978年第一次有关于SIMOX技术的报道(K.Izumi,M.Dokenand H.Ariyoshi,Electron.Lett.14(1978)p.593)。其提供了一种通过在硅衬底中注入氧离子并随后在高温下进行热处理形成掩埋氧化硅膜的方法。另一方面，晶片粘接技术提供了在制造SOI结构的过程中将粘接的晶片之一减薄的不同技术。(BPSOI)这是一种利用抛光的最基本工艺。在一对晶片中的一个或两个的表面上形成氧化硅膜，并将它们粘接在一起。然后，通过研磨和抛光减薄一个晶片。(PACE)进行等离子辅助化学汽相腐蚀(PACE)工艺，提高通过抛光得到的SOI层的膜厚的均匀性。利用该技术，测量晶片上数千个高密度分布的测量点的膜厚。然后，驱动直径为几毫米的等离子体源，以对应于膜厚的扫描速率扫描该膜，以改变作为膜厚分布函数的腐蚀速率，由此减少膜厚的差异。(利用氢离子注入的劈裂工艺)近来，M.Bruel在Electronics Letter,31(1995)P.1201中报道了制造粘接SOI衬底的新技术，日本专利申请公开5-211128及美国专利5374564也公开了这种技术。利用该工艺，已在其整个表面上注入了如氢或惰性气体元素等轻元素离子的氧化的晶片粘接到另一晶片上，然后进行热处理。然后，在热处理期间，在已注入离子的深度劈裂晶片。于是位于注入离子的入射范围之上的层被转移到另一晶片上，形成SOI衬底。(外延层转移)日本专利2608351和美国专利5371037记载了一种通过将多孔层上的单晶层转移到另一衬底上制备SOI衬底的技术。该技术也称为“ELTRAN(注册商标名)”(T.Yonehara,K.Sakakguchi,N.Sato,Appl.Phys.Lett.64(1994),p.2108)。如上所述，在SOI衬底领域，为提高栅氧化膜的耐压和MOSFET的载流子迁移率，进而改善硅半导体器件的性能，某种程度上不得不解决的主要问题是，使因腐蚀、离子注入和随后的热处理而产生的粗糙表面平滑、及通过部分去掉扩散进单晶层的硼原子而形成硼浓度低的SOI层。所以已提出了各种解决上述所列制备SOI衬底的方法中的这些问题的技术。关于利用氢离子注入的劈裂工艺，沿离子入射范围分离的晶片其表面的表面粗糙度的均方根(Rrms)为10nm，表面层上具有由离子注入引起的损伤。通过利用称为“接触抛光”的技术(M.Bruel等人，Proc.1995 IEEEInt.SOI Conf.(1995)p.178)抛光并去掉少量表面层，使这种晶片平滑，从而去掉因离子注入损伤的层。在PACE技术的情况下，利用原子力显微镜在等离子腐蚀工艺后探测得到表面粗糙度高达10.66nm(峰到谷)。然后，通过只去掉少量表面的接触抛光(T.Feng,M.Matloubian,G.J.Gardolpee,and D.P.Mathur,Procc.1994 IEEEInt.SOI Conf.(1994) p.77)将这种粗糙的表面平滑到0.62nm，或等效于原始表面粗糙度的水平。在使用BPSOI技术时，通过只以该表面粗糙度的三到五倍的量或20-30nm的量去掉表面层，而去掉腐蚀工艺结束时得到的约5-7nm的峰到谷的表面粗糙度。这种抛光工艺的结果是，膜厚的均匀性平均下降0.005微米(=5nm)。所以，在使用通称的接触抛光只少量抛光表面时，可以去掉表面粗糙度，但同时，膜厚将减小，因而膜厚的均匀性下降。在通过控制操作的持续时间结束抛光时，众所周知，在抛光时间为常数时，根据抛光液的不同、抛光操作期间表面工作台的温度变化、金刚砂布磨损的程度不同，抛光程度在晶片的同一表面上，在不同晶片表面中，以及从批到批各不相同，因此很难保持抛光度为一常数。具体说，已知一般情况下，抛光度在晶片的外围较大。此外，在硼扩散到SOI层整个深度时，要降低硼浓度是不可能的，表现出高浓度水平。利用氧离子注入的SIMOX技术制造的晶片的SOI层的表面粗糙度一般比体硅大一个数量极。S.Nakashima and K.Izumi(J.Mater.Res.(1990)Vol.5,No.9,p.19 28)报道了可以通过在1260℃(氮气氛中)热处理2小时或在1300℃(在含0.5％氧的氩气氛中)热处理4小时，去除具有直径在几十纳米的无数凹坑的表面粗糙度。他们还报道了在1150℃下的热处理不会改变表面粗糙度。然而，实际上从耐热性来看，利用石英管在高于1200℃的温度下进行热处理是不可能的。此外，利用这种高温的处理会随着晶片尺寸的增大引入滑移线。利用氧离子注入技术，存在着净化室中的硼原子附着到衬底表面，并在注入氧离子的操作中注入到晶片中(共注入)的问题，并且在进行高温热处理工艺使由于离子注入存在于晶片中的氧变成氧化硅层前，已附着到晶片上的硼原子会通过热处理，扩散到整个硅层中。在粘接晶片中会因净化室中的硼原子产生同样的问题。本专利技术的专利技术人在日本专利申请公开5-218053和5-217821中公开了一种技术，通过在含氢气氛中热处理SOI衬底使其表面变平滑。对于在腐蚀工艺后起伏且因此比市售的硅晶片的抛光表面更粗糙的SOI衬底的表面，可以通过氢退火，使之平滑到可与市售硅晶片的抛光表面相比的平滑程度。同时，可以通过在氢气氛中将具有形成于绝缘体上的单晶硅膜的衬底退火，使硼外扩散到气相中，由此降低单晶硅膜的硼浓度。尽管硼在硅中的扩散速率较高，但其在一般在氧或惰性气体气氛中进行的热处理过程中形成于衬底表面上的自然氧化的氧化硅层中的扩散速率较低，所以硼将留下，并被限制在硅层中。然而，可以去掉形成于SOI层的表面上且作为扩散阻挡层的氧化硅膜，并且通过在一般含氢的还原气氛中退火衬底，可以有效地抑制工艺过程中随后形成氧化膜，所以，结果是促进了硼的外扩散，并且如果整个SOI层中都含有很高浓度的硼，则整个SOI层的杂质浓度可降低到因硼的外扩散使器件的制造切实可行的程度(N.Sato and T.Yonehara,Appl.Phys.Lett本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热处理具有硅表面的ＳＯＩ衬底的方法，包括以下步骤：在含氢还原气氛中热处理所说ＳＯＩ衬底，保持所说ＳＯＩ衬底处于与包括由非氧化硅作主要成分的材料的平面相对，并与它们间隔开预定距离。

【技术特征摘要】
JP 1997-12-26 361571/971．一种热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，包括以下步骤在含氢还原气氛中热处理所说SOI衬底，保持所说SOI衬底处于与包括由非氧化硅作主要成分的材料的平面相对，并与它们间隔开预定距离。2．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说材料选自硅、碳化硅和氮化硅。3．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说硅表面是未抛光的表面。4．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说所说硅表面具有归因于多孔硅层的表面粗糙度。5．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说硅表面具有归因于微腔的表面粗糙度。6．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底具有氧离子注入和热处理得到的掩埋绝缘膜。7．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说所说平面是通过去掉自然氧化膜得到的。8．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说设置多个所说SOI衬底，使它们的所说各硅表面彼此平行设置。9．如权利要求8的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说各SOI设置成面对相邻SOI衬底的背面，该背面上去掉了任何氧化膜。10．如权利要求8的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说任何相邻SOI衬底设置成它们的硅表面彼此面对。11．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于多个SOI衬底以预定的间隔同轴设置，并指向同一方向；及具有所说平面的假工件设置成面对所说第一SOI衬底的所说硅表面。12．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底放置于具有非氧化硅内壁表面的容器中。13．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底放置于包括由氧化硅构成的外管和具有非氧化硅构成的内表面的内管的容器中。14．如权利要求13的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于向所说内管供应氢气，并通过内管和外管间的气流通道从所说内管排出气体。15．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于多个所说SOI衬底由具有包括非氧化硅的表面的支撑部件支撑，以便彼此平行设置于具有也包括非氧化硅内壁表面的容器中。16．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于热处理后，使得所说硅表面的1平方微米面积中表面粗糙度的均方根不大于0.4nm。17．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于每一个都具有硅表面的多个所说SOI衬底以预定间隔彼此平行同轴设置，以便面对同一方向，至少具有一个非氧化硅表面的假工件设置在最前面，以便面对第一SOI衬底的硅表面。18．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底具有外延生长形成的硅层。19．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底的所说SOI层具有不大于450nm的厚度。20．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于在所说SOI衬底主表面附近并与之平行流动的气体的流量小于SOI衬底的外围区中相对于主表面垂直流动的气体流量。21．如权利要求20的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于在所说SOI衬底的主表面附近流动的气体的流量实际上等于零。22．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于去掉所说SOI衬底的背面的氧化硅膜，暴露背面的非氧化硅。23．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于多个所说SOI衬底设置成使每个SOI衬底位于一料盘上，该料盘具有一个非氧化硅背面，SOI层面向上，并面对直接位于其上的料盘的背面。24．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于含碳化硅作主要成分的相对表面构件设置成与SOI衬底相对，热处理用的氢气夹于其间。25．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说含氢还原气氛实质上含有氢或氢及惰性气体。26．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说含氢还原气氛具有不高于-92℃的露点。27．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底由至少表面上含Si、SiC或SiN作主要成分的部件支撑。28．如权利要求1的热处理具有硅表面的SOI衬底的方法，其特征在于所说SOI衬底这样设置在容器中，使它的主表面相对于引入到容器中的主气流垂直而立。29．实施权利要求1的热处理方法的腐蚀设备。30．如权利要求29的腐蚀设备，包括具有非氧化硅内表面的炉，其适于容纳SOI衬底，并降低内压。31．一种制备SOI衬底的方法，包括以下步骤利用权利要求1的热处理方法平滑SOI衬底的表面。32．一种制备SOI衬底的方法，包括以下步骤利用权利要求1的热处理方法降低SOI衬底的SOI层的杂质浓度。33．一种制备具有硅膜的SOI衬底的方法，包括以下步骤粘接第二工件和含有用于限定分离位置的分离层的第一工件；通过在限定所说分离位置的层分离粘接的第一和第二工件，将所说硅膜转移到所说第二工件上；将非氧化硅平设置成与所说转移到所说第二工件上的所说硅膜相对，在含氢还原气氛中热处理所说硅膜。34．一种制...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤信彦，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]