Soi晶片的製造方法
2023-06-27 00:59:56 1
專利名稱：Soi晶片的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種製造具有在絕緣體上形成有單晶矽層的絕緣層上覆矽 (Silicon-On-Insulator =SOI)結構的 SOI 晶片的方法。
背景技術：
隨著元件一代代地發展，為了滿足趨向於高性能化這一目標，僅靠現有的利用塊矽晶片而實現的尺度效應(Scaling Effect)已無法應對，必須要採用新的元件結構，作為所述元件結構的原材料，SOI晶片正引人關注。而且，由於使用了 SOI晶片的元件的種類擴展，所以與SOI層的厚度一樣，對埋入式氧化膜的厚度也要求廣闊的範圍。作為該SOI晶片的代表性的製造方法，具有在將氧離子高濃度地注入至矽晶片中後於高溫下進行熱處理從而在晶片內形成氧化膜的稱為SIMOX法(注氧隔離法 Separation by Implantation Oxygen)或貼合法等方法。貼合法，是在形成SOI層的結合晶片與作為支持基板的基體晶片中的至少一方上形成氧化膜，並經由該氧化膜將結合晶片與基體晶片貼合後將結合晶片薄膜化，由此製造出在作為絕緣體的埋入式氧化膜上形成有 SOI層的SOI晶片的方法。在採用了該貼合法的SOI晶片的製造方法中，在較薄SOI層的製作中，從可在均勻且廣泛的膜厚範圍內進行SOI製作這一方面考慮，採用貼合法之一的離子注入剝離法(也稱為智能剝離(Smart Cut)(註冊商標)法)而製作的SOI晶片正成為主流。通常在離子注入剝離法中，埋入式氧化膜是通過在進行貼合前的階段中在晶片上使氧化膜成長而形成，通過在該貼合前的氧化膜成長時控制氧化膜的厚度，可控制SOI晶片的埋入式氧化膜的厚度，可將該控制範圍廣泛實施。然而，在埋入式氧化膜較薄的情況下，存在貼合難以實施的傾向，出現了 SOI晶片上容易產生稱為空隙或氣泡的缺陷，進一步造成無法實施貼合從而無法形成SOI層的問題。並且，在以離子注入層為界進行剝離形成SOI層後，也存在為了調整SOI層的厚度或表面狀態而實施各種熱處理的情況，已知此時不僅僅是表面的SOI層的厚度，埋入式氧化膜的厚度也會發生變化，在埋入式氧化膜厚度控制中，也必須要控制SOI晶片製作時的熱處理步驟。也就是說，通過進一步控制SOI晶片製作時的熱處理步驟，可積極地調整埋入式氧化膜的厚度。如上所述，作為在製作SOI晶片時進行用於減少埋入式氧化膜厚度的熱處理來調整埋入式氧化膜厚度的方法，已知有專利文獻1、專利文獻2的方法。如專利文獻1及專利文獻2所述，開發了如下方法採用進行貼合併在之後的SOI 晶片製作時的熱處理步驟中進行減薄化以使埋入式氧化膜成為比最終目標厚度厚的狀態這一方法，來製作缺陷較少的SOI晶片。然而，在該方法中，由於熱處理中使用的氣體或熱處理溫度等的不均勻性，導致埋入式氧化膜的減薄部分的面內均勻性變差，結果出現了埋入式氧化膜的面內分布惡化的問題。[現有技術文獻]
(專利文獻)專利文獻1 日本特開2004-221198號公報；專利文獻2 日本特開2006-156770號公報。
發明內容
本發明是鑑於所述情況而完成，其目的在於提供一種SOI晶片的方法，其在對埋入式氧化膜上形成有SOI層的SOI晶片材料進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理來製造 SOI晶片的製造方法中，將因進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理時的熱處理溫度等的不均勻性而產生的埋入式氧化膜面內分布惡化，控制在規定範圍內，從而製造出一種埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的SOI晶片。為了解決所述課題，本發明提供一種SOI晶片的製造方法，對下述SOI晶片材料， 即，通過在結合晶片與基體晶片的至少一者的表面形成氧化膜，並經由所述形成的氧化膜將所述結合晶片與基體晶片貼合，然後將結合晶片薄膜化而獲得的埋入式氧化膜上形成有 SOI層的SOI晶片材料，進行減少所述埋入式氧化膜厚度的熱處理，由此製造具有規定的埋入式氧化膜厚的SOI晶片，其特徵在於根據通過所述熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因所述熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值之比，計算出進行減少所述埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI晶片材料的SOI層厚度，並對將所述結合晶片進行薄膜化而獲得的SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，以使SOI層的厚度成為所述計算出的厚度。這樣，根據通過熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍(從埋入式氧化膜的最大膜厚中減去最小膜厚而得的值)變化量的容許值之比，計算出進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI晶片材料的SOI層厚度，並對將所述結合晶片薄膜化而獲得的SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，以使SOI層的厚度成為所述計算出的厚度，由此，可將通過熱處理而減薄為所希望的厚度的埋入式氧化膜的面內範圍控制在所希望的範圍內，最終可製造埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的SOI
曰t±" 曰曰/T °並且，優選使通過所述熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度為40nm以下來計算出所述SOI晶片材料的SOI層厚度。如果要減少超過40nm的厚度，則必須要於高溫下進行長時間的熱處理，或者必須要使熱處理時的SOI層厚度變得極薄，因此並不現實，因此，要減少的埋入式氧化膜的厚度優選40nm以下。另外，可使所述規定的埋入式氧化膜的厚度為30nm以下。如上所述，本發明的SOI晶片的製造方法適用於製造具有30nm以下的埋入式氧化膜的SOI晶片的情況，可製造埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的SOI晶片。另外，優選在氫氣、氬氣或它們的混合氣體環境下，在1000°C以上的溫度下進行減少所述埋入式氧化膜厚度的熱處理。這樣，可在氫氣、氬氣或它們的混合氣體環境下，在1000°C以上的溫度下進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理。另外，所述SOI晶片材料可通過離子注入剝離法來製作。這樣，通過採用離子注入剝離法進行結合晶片的薄膜化從而製作SOI晶片材料，可形成膜厚均勻性優異的SOI層。如果使用本發明的SOI晶片的製造方法，則可將通過熱處理而減薄為規定厚度的埋入式氧化膜的面內範圍控制在所希望的範圍內，最終可提供埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的SOI晶片。
圖1是表示SOI層的厚度與ds/N[dB]的相關關係的圖。
具體實施例方式以下，更為具體地說明本發明。如上所述，以往，進行下述SOI晶片的製作方法以使埋入式氧化膜比最終目標厚度厚的方式，對下述SOI晶片材料，即，通過將至少一方的表面上形成有氧化膜的結合晶片與基體晶片貼合，然後將結合晶片薄膜化而獲得SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，由此製造出一種空隙或氣泡的缺陷較少的SOI晶片。然而，在此方法中，由於減少埋入式氧化膜厚度的熱處理中的熱處理溫度等在面內的不均勻性，而最終導致埋入式氧化膜的面內分布惡化的問題出現。根據日本特開2004-221198號公報可知，在進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理時通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度程度，依賴於表面的SOI層。並且，本發明的發明人通過努力研究發現，埋入式氧化膜面內分布惡化，也根據表面的SOI層的厚度而變化。於是，根據通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因該熱處理而發生變化(惡化)的埋入式氧化膜膜厚面內範圍變化量的容許值之比，計算出SOI 晶片材料的SOI層厚度，並對將結合晶片進行薄膜化而獲得的SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，以使SOI層的厚度成為所述計算出的厚度，由此，可將因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍的變化(惡化)量調整至所希望的範圍內，從而完成了本發明。另外，SOI層最終厚度，本應根據對應SOI晶片用戶方的目的的要求規格來決定， 但SOI晶片製作步驟中的減少埋入式氧化膜步驟之中的SOI層厚度(S0I晶片材料的SOI 層厚度)本身，就存在製作者在設定SOI晶片製造步驟各條件時斟酌決定的餘地，在之後的步驟中，可最終根據要求規格調整SOI層的厚度，因此，不會對決定用戶方的最終要求膜厚方面的自由度造成任何影響。以下，詳細說明本發明的SOI晶片的製造方法，但本發明並不限定於此。首先，為了決定進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI晶片材料的SOI層厚度，算出通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量之比和SOI層厚度的關係。以下，示出用於求出通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量之比和SOI層厚度的關係的一例。使用包含直徑為30mm的單晶矽的鏡面研磨晶片(晶體取向)，採用離子注入剝離法(注入離子氫離子8X IOlfVcm2)在各種條件下製作SOI晶片材料(用於進行通過熱處理來減薄埋入式氧化膜(BOX)的處理的材料)，在100%氬環境下，進行1200°C的熱處理來減少Β0Χ(埋入式氧化膜)厚度，由此製作11片SOI晶片。將各樣本的SOI膜厚、要減少埋入式氧化膜厚度的熱處理前後的BOX厚度、BOX厚度範圍、BOX厚度的減少量(S)、BOX厚度範圍變化量(N)的測定值示於表1中。並且，SOI膜厚及BOX厚度為面內的平均值，BOX厚度範圍表示面內膜厚的最大值與最小值的差。另外，將按照下述式1根據BOX厚度減少量(S)與BOX厚度範圍變化量(N)之比 (S/N)算出ds/N[dB]而得的結果示於表1中，將ds/N[dB]與SOI膜厚之間的關係記載於圖1 中。ds/N [dB] = 20 X log (S/N)(式 1)[表 1]
SOI層膜厚 (nm)Ar熱女t理前Ar熱女t理後BOX厚度減少量 S(nm)範圍変化量 N(nm)S/NdS/N[dB]BOX厚度 (nm)範圍 (nm)BOX厚度 (nm)範圍 (nm)樣本1353.921.30.2416.00.415.30.1730.529.7樣本2336.831.40.1326.00.475.30.3415.824.0樣本3221.433.00.1021.81.7111.21.616.916.8樣本4224.931.40.1720.21.3511.21.189.519.5樣本5221.033.10.0821.81.7911.31.716.616.4樣本6220.531.60.1220.11.3011.51.199.719.7樣本7221.831.60.2319.91.4411.71.229.619.7樣本8223.928.00.1616.21.2711.81.1110.620.5樣本991.3143.51.45126.27.9417.36.492.668.50樣本1057.8147.11.52123.710.6523.59.132.578.20樣本1164.3143.51.71119.315.5224.213.801.754.87根據圖1可知ds/N[dB]與SOI膜厚⑴之間存在比例關係。(直線的近似式為ds/ N[dB] = 0. 0728T+2. 27。)本發明利用了要進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI材料的SOI層厚度 (S0I膜厚T)與下述ds/N[dB]之間具有所述相關關係這一情況，所述ds/N[dB]是根據通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度(BOX厚度的減少量幻與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量(N)之比而計算出的。以下，更詳細地說明如所述那樣獲得ds/N[dB]與SOI層厚度(T)的相關關係後的本發明的製造方法。作為本發明的製造方法的較好形態，說明了採用離子注入剝離法製造SOI晶片的情況。首先，準備包含單晶矽的2片鏡面研磨晶片。在這2片矽晶片中，一片是作為符合元件規格的支持基板的基體晶片，另一片是作為SOI層的結合晶片。然後，在它們中的至少一方的表面上形成氧化膜。然後，在結合晶片的表層部注入氫離子，在離子的平均進入深度處形成與晶片表面平行的離子注入層。此時，注入至結合晶片的離子也可為稀有氣體離子。在結合晶片上形成離子注入層後，經由氧化膜使結合晶片的注入有氫離子的面與基體晶片密接。此時，例如通過在常溫清潔環境下使2片晶片的表面相互接觸，而無須使用粘接劑等即可將晶片之間貼合。並且，在將晶片之間貼合後，將結合晶片進行薄膜化，形成SOI層。作為結合晶片的薄膜化，例如在惰性氣體環境下，在約500°C的溫度下施加剝離熱處理，將通過所述氫離子注入而在結合晶片上形成的離子注入層剝離為界面，由此，可以容易地進行SOI晶片材料的製作。在製作該SOI晶片材料時，以使SOI層的厚度成為根據通過後續進行的熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值之比而算出的SOI層厚度的方式，進行結合晶片的薄膜化。另外，在結合晶片的薄膜化中， 為了除去剝離面的損壞層以及提高貼合強度，可進行犧牲氧化處理。並且，結合晶片的薄膜化也可通過磨削研磨或蝕刻等進行。然後，在具有所設定的SOI層厚度的SOI晶片材料上進行減少埋入式氧化膜的熱處理。然後，為了達到符合要求規格的SOI層厚度，進行犧牲氧化處理、氣相蝕刻等來調製 SOI層膜厚。這樣，通過設定SOI晶片材料的SOI層厚度，可將減薄為希望厚度的埋入式氧化膜的面內範圍控制在所希望的範圍內，最終可製造出一種埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的 SOI晶片。以下，記載了更具體的SOI晶片材料的SOI層厚度的設定方法。本發明的SOI晶片的製造方法，主要適用於製造作為最終製品的埋入式氧化膜厚度為IOOnm以下的製品的情況。如日本特開2004-221198號公報所記載，如果要採用對貼合前的氧化膜厚度進行控制的方法來製造埋入式氧化膜厚度為IOOnm以下的SOI晶片，則會多發稱為空隙或氣泡的貼合不良，製造成品率極端下降。如果對貼合面進行等離子體處理， 則在室溫下的貼合強度會提高，因此，即使埋入式氧化膜的厚度為IOOnm以下，也能夠不產生空隙或氣泡地進行貼合，但是，儘管如此，由於30nm左右為最小厚度限度，因此在高成品率地製作埋入式氧化膜的厚度在最小厚度限度以下的SOI晶片時，像本發明這樣對SOI晶片材料實施高溫熱處理來減薄埋入式氧化膜的方法較為有效。因此，以作為最終製品的SOI晶片的埋入式氧化膜厚度為IOnm的情況為例進行說明。如果當埋入式氧化膜的厚度為IOnm時所要求的面內均勻性為士5%，則其允許的面內範圍為lnm，但如果也考慮到製品晶片之間的偏差，則面內範圍優選控制為Inm的一半，即 0. 5nm。另一方面，通過對貼合面進行等離子體處理可將SOI晶片材料的埋入式氧化膜厚度減少至30nm左右，這種情況下，要在至少一片晶片上形成30nm的氧化膜而進行貼合，所形成的氧化膜的面內範圍現狀為最低0. 15nm左右，因此，在對埋入式氧化膜厚度為30nm 的SOI晶片材料進行熱處理得以減薄20nm時所允許的面內範圍的變化量N為0. 35nm(=0. 5nm-0. 15nm)。也就是說，由5= 20歷力=0.；3511111可算出(1_[(18] = 20 X log (20/0. 35) = 35dB。 如果將該值應用於圖1的近似線，則可算出SOI膜厚為約450nm。據此，只要以SOI晶片材料的SOI膜厚(進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理時的SOI層厚度)為450nm的方式來製造SOI晶片材料即可。這樣，利用預先求出的SOI層厚度與ds/N[dB]的相關關係，可設定SOI晶片材料的 SOI層厚度，優選通過熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度S為40nm以下。如果要減少超過 40nm的厚度，則必須要於高溫下進行長時間的熱處理，或者必須要使熱處理時的SOI層厚度變得極薄，因此並不現實。這樣，如果根據通過熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值之比，算出進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI 晶片材料的SOI層厚度，並對將結合晶片進行薄膜化而獲得的SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，以使SOI層的厚度成為所述計算出的厚度，則可將埋入式氧化膜的面內範圍控制在所希望的範圍內，最終可製造出一種埋入式氧化膜膜厚均勻性優異的 SOI晶片。[實施例]以下，示出實施例與比較例來對本發明加以具體說明，但本發明並不限定於此。(實施例)SOI層為50nm、BOX厚度為25nm的SOI晶片的製造(設定條件)如下所示，決定通過熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度(S)和因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值(N)，算出ds/N[dB]。通過熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度(S) =IOnm因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值(N) 0. Snmds/N[dB] = 20 X log (10/0. 8) = 22dB根據圖1的近似線將SOI晶片材料的SOI膜厚設定為270nm。(SOI晶片材料的製作)在一片單晶矽晶片(結合晶片)上形成35nm(面內範圍為0. 02nm)的熱氧化膜， 通過所述氧化膜注入氫離子，並在室溫下貼合至施加了氮等離子體處理(處理條件室溫、 氣體流量llkccm、壓力0. 4Torr(53. 3Pa)、輸出100WU5秒)的另一片單晶矽晶片(基體晶片)上，在500°C下施加30分鐘的熱處理，以離子注入層為界進行剝離。剝離後的晶片的SOI膜厚為300nm，埋入式氧化膜的厚度為35nm。然後，為了除去剝離面的損壞層以及提高貼合強度，在氧化性環境下進行900°C的熱處理從而在SOI層表面形成熱氧化膜，並進行用HF水溶液除去所形成的熱氧化膜的處理 (犧牲氧化處理)，由此製作SOI膜厚為270nm、埋入式氧化膜厚為35nm的SOI晶片材料。(埋入式氧化膜的減薄處理)對所述製造的SOI晶片材料在100%氬環境下，在1200°C下進行2小時的減薄熱處理。熱處理後的埋入式氧化膜的厚度為25. 2nm，面內範圍為0. 95nm。(SOI膜厚的調製)通過1000°C的氣相氧化在SOI表面形成490nm的熱氧化膜後，用HF水溶液除去氧化膜，由此將SOI膜厚調整為50nm。(比較例)SOI層為50nm、BOX厚度為25nm的SOI晶片的製造(S0I晶片材料的製作)在一片單晶矽晶片(結合晶片)上形成35nm(面內範圍為0.2nm)的熱氧化膜，通過該氧化膜注入氫離子，並在室溫下貼合至施加了氮等離子體處理(處理條件室溫、氣體流量115sCCm、壓力0·4Τοπ·(53· 3Pa)、輸出100W、15秒)的另一片單晶矽晶片(基體晶片) 上，在500°C下施加30分鐘的熱處理，以離子注入層為界進行剝離。剝離後的晶片的SOI膜厚為140nm，埋入式氧化膜的厚度為35nm。然後，為了除去剝離面的損壞層以及提高貼合強度，在氧化性環境下進行900°C的熱處理從而在SOI層表面形成熱氧化膜，並進行用HF水溶液除去所述熱氧化膜的處理(犧牲氧化處理)，由此製作 SOI膜厚為lOOnm、埋入式氧化膜厚為35nm的SOI晶片材料。(埋入式氧化膜的減薄處理)對所述製造的SOI晶片材料在100%氬環境下，在1200°C下進行1小時的減薄熱處理。熱處理後的埋入式氧化膜的厚度為24. 6nm，面內範圍為3. 5nm。(SOI膜厚的調整)通過1000°C的氣相氧化在SOI表面形成IlOnm的熱氧化膜後，用HF水溶液除去氧化膜，由此將SOI膜厚調整為50nm。如上所述，在應用了本發明的實施例中，當進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理來製作作為最終製品的SOI晶片時，也可將埋入式氧化膜的面內範圍抑制在目標值(製品的規格值)1. Onm以內。另一方面，在比較例中，進行埋入式氧化膜減薄時的SOI層厚度設定中並未應用本發明，為了使作為後續步驟的通過犧牲氧化處理來調整SOI膜厚較為容易，而將SOI膜厚設定為比較薄的SOI層厚度，但是，結果，熱處理後的埋入式氧化膜的面內範圍極端惡化， 無法滿足製品的規格值。另外，本發明並不限定於所述實施方式。所述實施方式僅為示例，具有與本發明的專利申請範圍所記載的技術思想實質上相同的構成，並發揮相同作用效果的所有發明均包含在本發明的技術範圍內。
權利要求
1.一種SOI晶片的製造方法，對下述SOI晶片材料，即，通過在結合晶片與基體晶片的至少一方的表面形成氧化膜，並經由所述形成的氧化膜將所述結合晶片與基體晶片貼合， 然後將結合晶片薄膜化而獲得的埋入式氧化膜上形成有SOI層的SOI晶片材料，進行減少所述埋入式氧化膜厚度的熱處理，由此製造具有規定的埋入式氧化膜厚的SOI晶片，其特徵在於，根據通過所述熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因所述熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值之比，計算出進行減少所述埋入式氧化膜厚度的熱處理的 SOI晶片材料的SOI層厚度，並對將所述結合晶片進行薄膜化而獲得的SOI晶片材料，進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，以使SOI層的厚度成為所述計算出的厚度。
2.如權利要求1所述的SOI晶片的製造方法，其特徵在於，使通過所述熱處理而減少的埋入式氧化膜厚度為40nm以下來計算出所述SOI晶片材料的SOI層厚度。
3.如權利要求1或2所述的SOI晶片的製造方法，其特徵在於，使所述規定的埋入式氧化膜厚為30nm以下。
4.如權利要求1至3中任一項所述的SOI晶片的製造方法，其特徵在於，在氫氣、氬氣或它們的混合氣體環境下，在1000°C以上的溫度下進行所述減少埋入式氧化膜厚度的熱處理。
5.如權利要求1至4中任一項所述的SOI晶片的製造方法，其特徵在於，所述SOI晶片材料採用離子注入剝離法來製作。
全文摘要
本發明是對埋入式氧化膜上形成有SOI層的SOI晶片材料進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，來製造具有規定的埋入式氧化膜厚的SOI晶片的方法，根據通過熱處理而減少的埋入式氧化膜的厚度與因熱處理而產生的埋入式氧化膜面內範圍變化量的容許值之比，算出進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理的SOI晶片材料的SOI層厚度，對將結合晶片薄膜化而獲得的SOI晶片材料進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理，使SOI層的厚度成為算出的厚度。由此，提供SOI晶片的方法，將因進行減少埋入式氧化膜厚度的熱處理時的熱處理溫度等的不均勻性而產生的埋入式氧化膜面內分布惡化控制在規定的範圍內，製造埋入式氧化膜的膜厚均勻性好的SOI晶片。
文檔編號H01L27/12GK102246264SQ20098014926
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月11日 優先權日2008年12月11日
發明者小林德弘, 石塚徹, 能登宣彥, 阿賀浩司 申請人:信越半導體股份有限公司