专利名称：绝缘体上的硅(soi)衬底的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在膜厚的均匀性和消除膜的空位(或空洞)及界面态方面性能良好的SOI衬底的制造工艺，更具体地说，涉及一种适用于在玻璃等的透明绝缘衬底上或在其上带有氧化膜的硅衬底上的单晶半导体层内制造的高功能度和高性能电子器件，高集成度的集成电路等的SOI衬底的制造工艺。
众所周知，在绝缘体上形成单晶硅半导体层的技术是绝缘体上的硅技术(SOI)，因为这种衬底具有许多由用于制造普通的硅集成电路的体硅衬底不能得到的优点，故对它进行了许多研究。〔SOS和SIMOX〕一种常规的SOI技术是所谓的SOS(兰宝石上的硅)，它是在蓝宝石晶体上以异质外延方式生长硅层的技术，但以异质外延方式生长的硅晶体的质量较差。同样，SIMOX(利用注入氧的分离)作为一种SOI形成技术被实际应用，该技术是将许多氧离子注入到硅中并在其后对生成物进行退火，由此用被埋在自硅表面至约0.2微米位置范围内的注入氧形成SiO2层。但是，注入许多氧离子和退火需要许多时间，这在生产率和成本方面是不利的，而且离子注入在SOI硅层中引起许多晶体缺陷。而减少氧离子注入在目前要保持氧化层的膜质量是困难的，并且也认为改变注入的SiO2膜层的厚度是困难的。〔键合SOI〕在近来报道的SOI形成技术中，有一种一般称为“键合SOI”的技术，在质量方面特别好。在该技术中，将两个晶片的镜状表面互相紧密地粘合在一起，其中至少一个晶片具有用氧化等方法形成的绝缘膜，对其进行退火以增强粘合界面的连接，其后从任一侧对该衬底进行抛光或刻蚀以便在绝缘膜上留下具有任意厚度的硅单晶薄膜。本技术中最重要一点是一个将硅衬底减薄为薄膜的步骤。详细地说，通常要将厚达几百微米左右的硅衬底均匀地抛光或刻蚀到几微米或甚至1微米或更小，这从技术上讲在可控性和均匀性方面是非常团难的。大体上有两种将硅减薄成薄膜的途径。其中之一是只通过抛光来进行减薄的方法(BPSOI键合和抛光SOI)，另一方法是紧接在要留下的薄膜的上面(实际上，在制造单一衬底的过程中是紧接在薄膜下)设置刻蚀中止层以及完成衬底刻蚀和刻蚀中止层的刻蚀的两个阶段的方法(BESOI键合和内刻蚀SOI)。由于在BESOI中经常在预先形成的刻蚀中止层上外延生长硅有源层，故为了保证膜厚的均匀性，这种BESOI迄今被认为是有利的。但是，由于该刻蚀中止层经常含有高浓度的杂质，故它将引起晶格的畸变，这将导致晶体缺陷传播到外延层的问题。在外延层氧化时或键合后的退火时也存在杂质扩散并由此改变刻蚀特性的可能性。
在这些键合SOI中，如在键合表面中有污染物或因为键合表面的较差的平整度而存在凹凸不平，则许多称为“空洞”的孔隙将在键合界面处出现。从这一点来考虑，上面讨论的BESOI在许多情况下是不利的。其理由如下。通常例如通过异质外延生长、通过CVD或通过带有高浓度杂质掺杂的外延生长来形成刻蚀中止层。在CVD的情况下，特别是在异质外延生长的情况下，所得到的平整度往往不如通过抛光得到的平面的平整度，有时通过离子注入来形成刻蚀中止层，但在这种情况下其平整度也下降。〔新的BESOI技术〕一种可得到键合表面的良好的平整度、如在BESOI中那样的有源层的均匀膜厚以及比常规的BESOI高几个数量级的内刻蚀选择性的技术的例子是用阳极氧化使硅衬底的表面成为多孔和在其上外延生长硅有源层的技术(日本专利申请公开第5-21338号)。在这种情况下，该多孔层对应于BESOI中的刻蚀中止层。但是，由于在用一种基于氢氟酸的刻蚀剂的情况下与单晶硅相比多孔硅的刻蚀速率非常高，故认为高选择性刻蚀特性比刻蚀中止层更重要。由于该技术不是通过CVD而是通过平的单晶硅衬底表面的阳极氧化来形成多孔硅层，故外延生长的有源层的平整度变得比通过CVD等方法形成刻蚀中止层的BESOI中的有源层的平整度好。在该表面上生长的外延层具有可得到接近等于在非多孔的单晶衬底上生长的外延层的结晶性能的特性。这一点可使我们能使用与具有高可靠性的在单晶硅衬底上面的外延层等效的单晶薄膜作为有源层，由此来提供具有良好的结晶性和具有良好的膜厚的均匀性的SOI衬底。
K.Sakaguchi等报道了将通过阳极氧化硅单晶衬底的表面使其变成多孔和在其上进行外延生长而得到的衬底键合到具有氧化表面的硅衬底上面，通过研磨机研磨非多孔单晶硅衬底部分来露出多孔层，并且用HF/H2O2的混合液有选择地只刻蚀多孔层，这样来得到507nm±15nm(±3％)或96.8±4.5nm(±4.7％)作为对于5英寸晶片的SOI硅层的膜厚分布。已描述了在这种情况下在用HF/H2O2混合液的刻蚀中多孔硅层的刻蚀速率是非多孔硅层的刻蚀速率的105倍，因此多孔硅层在BESOI中很好地起到了作为刻蚀中止层的作用。
除了将具有热氧化表面的单晶硅衬底或透明的石英玻璃衬底键合到在该多孔硅上生长的外延硅膜的方法外，也可将两个衬底的SiO2表面互相键合在一起。在作为有源层的的外延硅膜与SiO2(外延层的热氧化膜)间的界面的界面态密度足够低，并且SiO2层的厚度可任意地控制。因此，可充分地利用SOI的特性来制造该衬底。然后通过等离子工艺来激活在键合界面处的SiO2的表面，由此可充分地增强键合强度，可消除空洞的产生。
上述的新的BESOI技术使我们能得到高质量的SOI衬底，其中通过多孔硅层的高选择性刻蚀使该膜厚分布保持在外延生长时的平整度和膜厚分布。但是，上述新的BESOI技术具有下述的在除去没有形成为多孔的非多孔单晶硅区时的问题。
1.因使用湿法的基于氢氟酸的刻蚀剂而产生的问题本技术涉及在处理许多衬底时的液体交换和液体浓度处理的困难的可控性，因此在生产率方面非常差。
该SiO2层和SiO2玻璃衬底用基于氢氟酸的刻蚀剂进行刻蚀，这是由于其大的刻蚀速率之故。特别在键合到透明SiO2玻璃衬底的情况下，玻璃衬底的背面也被刻蚀，这使透明衬底的透明度下降。在用诸如一种基于氢氟酸/硝酸或碱性溶液的湿法刻蚀剂露出多孔硅部分作为除去非多孔单晶硅区的方法的情况下，不管使用什么刻蚀剂低密度的多孔硅层的刻蚀速率大于非多孔硅层的刻蚀速率。因为这一点，在除去所有的非多孔硅部分前，在露出多孔硅的部分内刻蚀进行得较快，使得剩下的多孔硅膜厚的变动将非常大，几个微米或更大。当多孔硅厚变成薄到几个微米或更小时，刻蚀进一步甚至到达在多孔硅下面的外延硅层，这使最终的SOI层的膜厚的均匀性下降。因而，要求多孔硅层厚为10微米或更厚，多孔硅层的厚度不能比这更薄。
2.关于多孔硅层的膜厚的问题在使用研磨机的研磨作为除去非多孔单晶硅区的方法的情况下，不低于10微米的厚度作为研磨机的研磨容差来中止在下面的多孔硅层处的研磨以及作为因研磨引起的损伤层是必要的，因而不能使多孔硅层的厚度低于这个值。
因此，多孔硅的形成和刻蚀需要许多时间。
因而，本发明的一个目的是实现一种解决所有问题的SOI衬底的制造工艺，这里所说的问题是在利用湿法基于氢氟酸的刻蚀剂来除去非多孔单晶硅区的情况下生产率的降低和透明衬底的透明度的下降的问题和因为不能使用研磨机来减薄多孔硅层而需要很多时间来形成和刻蚀多孔硅的问题。
为了达到上述目的，本发明者已尽了最大努力以致实现了下述发明。即，按照本发明的SOI衬底的制造工艺是一种包括下述步骤的SOI衬底的制造工艺使得单晶硅衬底的表面层成为多孔以在第一非多孔单晶硅区上形成多孔单晶硅区的步骤；在上述多孔单晶硅区的表面上形成第二非多孔单晶硅区的步骤；制备至少其一个表面层是绝缘区的支撑衬底的步骤；将上述绝缘区键合到上述第二非多孔单晶硅区的步骤；除去上述第一非多孔单晶硅区的步骤；以及除去上述多孔单晶硅区的步骤，其中上述除去上述第一非多孔单晶硅区的步骤包括进行干法刻蚀的步骤，其中非多孔单晶硅区的刻蚀速率大于多孔单晶硅区的刻蚀速率。
这里，除去上述第一非多孔单晶硅区的步骤最好有一个在进行干法刻蚀之前用研磨机部分地研磨该区的步骤。该干法刻蚀最好以下述方法来进行通过用电或光能离化产生被激活的离子类，该激活离子类在垂直于衬底表面的方向上被加速，并且反应在衬底表面处发生。最好通过在衬底上设置平行板电极和观察在该平行板电极与该衬底之间的自偏压的变化来进行由干法刻蚀在整个表面上露出多孔单晶硅区的刻蚀终点的确定。
这里，除去多孔单晶硅区的步骤可通过多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率的湿法刻蚀来进行，或通过多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率的干法刻蚀来进行。多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率的干法刻蚀最好以下述方法来进行至少通过电或光能分解产生的原子团侵入到多孔区的孔隙内以便从内部刻蚀该区。
在多孔单晶硅区的表面上形成第二非多孔单晶硅区的步骤最好是一个在多孔单晶硅区的表面上外延生长第二非多孔单晶硅区的步骤。另外，该步骤可以是一个进行退火将多孔单晶硅区的表面内的孔隙封闭的步骤。再有，该支撑衬底可以是硅片、带有绝缘表面的硅片、或诸如石英玻璃的绝缘衬底。在支撑衬底是硅片的情况下，将第二非多孔单晶硅区的表面作成绝缘性的。
本发明者发现了具有与湿法刻蚀相反的选择性的刻蚀条件，在某些条件下进行干法刻蚀时多孔硅的刻蚀速率比非多孔硅的刻蚀速率慢几倍或更多。本发明是利用这种条件的干法刻蚀来除去非多孔单晶区的发明。非多孔硅的刻蚀速率快于多孔硅的刻蚀速率的刻蚀机理还没有完全搞清楚，但可按下述来考虑。
关键在于，对这里的非多孔硅区的选择性刻蚀来说，表面的刻蚀速率等于或大于原子团等的侵入率。表面的刻蚀可通过使用诸如RIE(反应离子刻蚀)的在电场方向上具有各向异性的反应离子刻蚀模式来加快。此外，因为多孔硅的表面被氧化或因为其密度低，在该离子刻蚀模式中多孔硅的直流电场分量不同于非多孔硅的直流电场分量，由此可降低多孔硅的刻蚀速率。为了在该离子刻蚀模式中加快表面刻蚀，除了在射频等离子放电中通过适当地选择压力、功率、刻蚀气体等来增加自偏压外，从外部加一个直流偏压的方法是有效的。外加一百至几百伏使得多孔硅的刻蚀速率比非多孔硅的刻蚀速率慢几倍至几十倍。在键合之后除去非多孔晶片部分时，因为晶片的厚度分布和刻蚀厚度分布，会导致部分地露出下面的多孔硅。但因为这部分的刻蚀速率较慢，使剩下的多孔硅的厚度分布变缓，由此改善了均匀性。
由于刻蚀速率的选择性和刻蚀速率的面内分布的均匀性是足够高的，故对刻蚀非多孔硅衬底部分从而在整个表面上露出多孔硅部分时确定刻蚀终点的时间控制是充分的。但是，可准备一种装置来监测自偏压以便确定该终点，该装置的设计更多地考虑生产率。即，因为在多孔硅露出的时刻自偏压降低，故可确实可靠地确定该终点。
由于本发明涉及用常规的湿法基于氢氟酸的刻蚀剂或基于碱的刻蚀剂除去非多孔单晶硅区，故它已解决了在处理许多衬底之后因液体交换引起的非常差的生产率和液体浓度处理的困难的可控性的问题。此外，在干法刻蚀中不产生由基于氢氟酸的刻蚀剂对透明SiO2玻璃衬底的刻蚀，故它特别解决了透明衬底的透明度降低的问题。
在迄今为止已使用的作为除去非多孔硅晶片部分的方法的用研磨机进行研磨或用基于氢氟酸的刻蚀剂进行刻蚀的情况下，多孔硅的膜厚度厚达10微米或更多以保持一个容差，在多孔硅部分中止刻蚀是困难的。但是，非多孔硅晶片部分的刻蚀速率大于多孔硅层的刻蚀速率的选择性刻蚀排除了保持该容差的需要，使得多孔硅的膜厚可作成薄至5到10微米。这将用于形成多孔硅的阳极氧化时间和刻蚀多孔硅的刻蚀时间两者减少到迄今为止的一半，由此可改善生产率。
图1A、1B、1C、1D和1E是用于说明本发明的一个实施方案和第一及第二实例中的步骤的示意截面图；图2A、2B、2C、2D、2E和2F是用于说明本发明的第三实例中的步骤的示意截面图；图3A、3B、3C、3D、3E和3F是用于说明本发明的第四实例中的步骤的示意截面图；图4A、4B、4C、4D、4E和4F是用于说明本发明的第五实例中的步骤的示意截面图；图5A和5B是使硅衬底成为多孔的装置的示意截面图。
下面将参照图1A至1E说明本发明的一个实施方案。
(图1A)对单晶硅衬底100进行阳极氧化以形成多孔硅101。此时衬底的单侧表面层的多孔层厚度可在几微米到几十微米之间。形成多孔硅的方法将参照图5A和5B进行说明。首先，制备一个p型单晶硅衬底500作为衬底。N型不是不可以的，但限于低阻衬底或必须在下述的状态下进行阳极氧化通过用光照射衬底表面加速空穴的产生。将衬底500放置在图5A中示出的装置内。即，表面的一侧与基于氢氟酸的溶液504接触，将负电极506设置在溶液一侧，将衬底的另一侧与正金属电极505接触。如图5B中示出的，正电极侧505’也可通过溶液504’配备某一电位。
在任一种情况下，多孔层的形成从与基于氢氟酸的溶液接触的负电极侧开始。基于氢氟酸的溶液504是通常浓缩的氢氟酸(49％HF)。当氢氟酸溶液用纯水(H2O)进行稀释时，尽管依赖于流过的电流的值，刻蚀仍从某一浓度开始，这不是较佳的。在一些情况下在阳极氧化期间从衬底500的表面处产生气泡，因此加入醇作为表面活化剂以便有效地除去气泡。可使用的醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇等。如使用搅拌器代替表面活化剂，则阳极氧化可通过对溶液进行搅拌来进行。
负电极506由一种不为氢氟酸溶液所腐蚀的材料，例如金(Au)、铂(Pt)等，制成。用于正电极505的材料可从通常使用的金属材料中选择，但因为基于氢氟酸的溶液504在整个衬底500的阳极氧化完成后将到达正电极505，故正电极505的表面应覆盖一层抗氢氟酸的金属膜。用于阳极氧化的电流值可在最大为几百mA/cm2至最小为大于零的范围内选择。在多孔硅的表面上能得到高质量的外延生长的范围内确定该值。通常，随电流值的增加，阳极氧化的速率增加，多孔硅层的密度减少。即，由孔隙占据的体积增加。这改变了外延生长的条件。
(图1B)在如上述形成的多孔层101上面外延生长非多孔单晶硅层102。该外延生长是通过普通的热CVD、低压CVD、等离子CVD、分子束外延、溅射等来进行的。这样生长的层的膜厚可被确定为与SOI层的设计值相同，但是膜厚最好不超过2微米。其理由如下述。如在主要包含SiO2的绝缘衬底上存在2微米或更厚的单晶硅膜2，则因为两种材料间的热膨胀系数的差别在器件工艺中的退火时在键合界面处产生大的应力，这将引起硅膜的击穿、衬底的弯曲、界面处的剥离等。由于对不大于2微米的膜厚应力较小，故在这种情况下不大可能发生膜击穿、剥离、弯曲等。更佳的是膜厚不大于0.5微米。这是因为对于不小于0.5微米的膜厚，尽管在其后的工艺中的退火时将不产生剥离、击穿等，但在微小的区域内的晶体上却可能产生滑移线(slip lines)。
非多孔单晶硅层102可通过用退火封闭多孔硅层101表面中的孔隙来形成。
(图1C)对外延层102的表面进行氧化(103)。这一点之所以必要是因为在下一步骤中将外延层直接键合到支撑衬底上的情况下，杂质将容易地在键合界面处分凝(segregate)，在界面处的原子的非耦合键(悬挂键)将增加，这将成为使薄膜器件的特性不稳定的因素。
氧化膜的足够的厚度可以在下述的范围内确定在该范围内不受从空气进入键合界面的污染物的影响。
(图1D)制备上述的具有带氧化表面的外延表面衬底100和支撑衬底110。支撑衬底110的特定的例子包括其表面被氧化的硅衬底、石英玻璃、晶体化的玻璃、在任意衬底上淀积的SiO2等。
当待互相键合的两个表面都是SiO2时，将这两个衬底或其中的一个暴露于等离子气氛中以便激活表面处的SiO2。此时所使用的气体最好是氧，但是除此以外可使用的气体是空气(氧和氮的混合物)、氮、氢、诸如氩或氦的惰性气体、氨分子等的气体等。
当将由硅构成的表面键合到由SiO2构成的表面上时，上述的那种处理不是必要的。
对在上述步骤中制备的两个衬底进行清洗，其后互相键合在一起。一个较佳的清洗方法是只用纯水来冲洗，其他可使用的溶液的例子包括用纯水稀释的过氧化氢溶液以及用足够的纯水稀释的盐酸或硫酸溶液。
对键合后的衬底整个表面进行加压具有增强结合强度的效果。
然后对键合衬底进行退火。退火温度最好尽可能高，但是太高的温度会引起多孔层101的结构变化或包含于衬底内的杂质扩散进入外延层。因此，有必要选择不引起这些问题的温度和时间。具体的说，较佳的温度不超过1200℃。再有，一些衬底不能承受高温下的退火。例如，在支撑衬底110是石英玻璃的情况下，因为硅与石英间的热膨胀系数的差别，退火必须在不高于约200℃的温度下进行。在高于该温度的温度下，键合衬底将因应力而被剥离或破裂。但是要注意到，只要在下一步骤中界面能承受体硅100的研磨和刻蚀时的应力，退火就是充分的。因而，通过优化对于激活的表面处理条件，即使在不超过200℃的温度下也可进行该工艺。
(图1E)以下，有选择地除去硅衬底部分100和多孔部分101而留下外延层102。
首先，用表面研磨机等部分地研磨非多孔硅衬底部分100并且在其后用RIE进行刻蚀，或者在不使用研磨的情况下通过RIE除去整个的硅衬底部分100。当用研磨法部分地除去硅衬底部分100时，在多孔硅区101上剩下的硅衬底部分的较佳的厚度范围是2到300微米，更佳的是5到100微米。
至于这里的非多孔硅衬底部分的刻蚀，本发明的要点是表面的刻蚀速率等于或大于原子团等的侵入率。因而，如是使用诸如RIE的在电场方向上具有各向异性的反应离子刻蚀模式，可进一步加快表面的刻蚀。再有，因为多孔硅表面被氧化或因为其密度低，在离子刻蚀模式中的直流电场分量在非多孔和多孔硅之间变化，由此可能会降低多孔硅的刻蚀速率。
为了加快在该离子刻蚀模式中的表面刻蚀，有必要适当地选择个射频等离子放电中的压力、功率、刻蚀气体等。反应离子刻蚀是以下述方式来进行的将诸如H2气体或包含F原子的CF4或SF6的刻蚀气体与诸如O2或N2气体的运载气体或诸如He或Ar的惰性气体混合，通过用射频或微波功率或用光能得到的等离子体将其分解，激活离子在电场方向上被加速而到达被刻蚀衬底的表面，这样来刻蚀表面。
在设置放电条件时，重要的是有利于达到激活能量，特别是通过将放电压力设置得较低来保证气体分子的长的平均自由程。较大的射频功率将增加电极间的直流偏压分量以加快离子刻蚀，但另一方面它也加快原子团分解反应，使得原子团刻蚀模式也混入进来。因而，在这种情况下要加以注意。除了通过射频功率来增加自偏压外，从外部加直流偏压的方法也是有效的。外加一百到几百伏将增加非多孔硅的刻蚀速率，即使几百微米的刻蚀也将在几小时内完成。此时多孔硅的刻蚀速率慢了几倍到几十倍。因而，在键合后除去非多孔硅晶片部分时，因为晶片的厚度分布和刻蚀厚度分布之故，会部分地露出下面的多孔硅，但是因为该部分的刻蚀速率慢，剩下的多孔硅的厚度分布变缓，因而会改善均匀性。一种利用磁控管的等离子体或ECR等离子体对于进一步加快离子刻蚀也是有效的。
如上所述，当在刻蚀非多孔硅衬底部分100之后露出多孔部分101时，刻蚀一度被中止。此时由于刻蚀速率的充分的选择性和刻蚀速率的充分的面内的分布均匀性，可通过时间控制很好地进行刻蚀终点的确定，但是也可以通过监测自偏压来进行。即，因为在多孔硅露出时自偏压下降，故可确实可靠地进行终点的确定。
其次，通过湿法刻蚀除去下面的多孔区101。用对硅的普通的刻蚀剂或用对多孔硅的选择性的刻蚀剂进行多孔硅单晶区的除去以露出非多孔区102。选择性刻蚀剂的特定的例子包括氢氟酸、氢氟酸与醇和过氧化氢的至少一种的混合液、缓冲氢氟酸、以及缓冲氢氟酸与醇和过氧化氢的至少一种的混合液。普通的对于硅的刻蚀剂由于多孔硅的很大的表面面积也能够有选择地只刻蚀多孔硅。
由于低浓度的氢氟酸的刻蚀剂可用于多孔区101的湿法刻蚀，故溶解SiO2的现象表现得不明显以致可忽略。
也可通过原子团干法刻蚀来除去下面的多孔部分101。在多孔硅内从表面到内部以高密度存在几十到上百埃孔隙，侵入到该孔隙内并且在刻蚀中所涉及的原子团粘附在孔隙的壁上以便从侧壁开始刻蚀并粘附在柱状结构的薄柱上，由此该多孔硅部分最终分裂而被除去。另一方面，非多孔硅没有孔隙，因此只产生对其表面的刻蚀。例如，假定在刻蚀中所涉及的原子团侵入到几十微米的深度，并在非多孔表面的几十埃的刻蚀期间附着到多孔硅的孔隙上，则该孔隙的壁也以与表面相同的量被刻蚀，使得原子团通过孔隙侵入的部分内的柱状物分裂，这样来实现多孔硅的几十微米的刻蚀。
这里的重要之点是在刻蚀中所涉及的原子团侵入和附着到多孔硅的孔隙的速率比表面的刻蚀速率大很多。因此，本发明的在这里的要点在于除去多孔硅的刻蚀是处于化学的、原子团的刻蚀模式，其中刻蚀只由在刻蚀中所涉及的原子团进入孔隙的扩散来完成，并且刻蚀是以各向同性的方式进行。由于诸如普通的RIE的在电场的方向上具有各向异性的反应离子刻蚀进一步加快表面的刻蚀，故这里不将其用于刻蚀。但要注意，通过对气体、流率、压力等选择适当的条件即使在RIE的刻蚀装置中也能实现这里所述的刻蚀。尤其需要对放电条件进行设置，以便将放电压力保持得较高以使气体分子的平均自由程变短从而促进离子的二次反应，以及将衬底的自偏压保持得较低以使由激活的离子对表面的刻蚀几乎不发生。使用一种从外部在与自偏压相反的方向上加直流偏压的方法或一种将被刻蚀的衬底放在电极的阳极侧的方法也是有效的，但要完全消除离子的到达是困难的。最好将产生原子团的部位与刻蚀部位在空间上互相分离开，并在它们之间提供运送原子团的行程。
同样，将诸如H2气体或包含F原子的CF4或SF6的刻蚀气体与诸如O2或N2气体的运载气体混合，通过用射频或微波功率或用光能形成的等离子体将其分解为原子团，在运送过程中在汽相内产生与运载气体等的二次反应，由此得到更稳定的和寿命更长的刻蚀原子团。这是因为刻蚀气体到达非刻蚀衬底上。再有，当衬底在刻蚀时被加热或振动时，它加快原子团到达更稳定的部位的各向同性的扩散，以便加快其侵入到多孔硅的孔隙，由此在比非多孔硅大105到106倍的选择性处得到多孔硅的刻蚀速率。此时，由于下面的外延部分102是非多孔的，故其刻蚀速率比多孔硅的刻蚀速率小五到六个数量级，几乎不发生刻蚀，由此外延层102处于保持在外延生长时得到的膜厚均匀性的薄膜的状态。再有，在一些情况下可将下述步骤加到上面描述的步骤中。
(1)在多孔层中的孔内壁氧化(预氧化)在多孔硅层内的邻近孔隙之间的壁厚是很小的，几纳米到几十纳米。在多孔层的高温过程期间，例如，在形成外延硅层时，在键合后的退火时等，有时这将引起孔隙壁互相粘附在一起，并且孔隙壁变大和变粗，以致关闭了孔，由此降低了刻蚀速率。如在形成多孔层后在孔隙壁上形成薄的氧化膜，则孔隙壁将不会变大和变粗。但由于非多孔单晶硅层需要外延生长在多孔层上，故有必要只氧化孔隙的内壁表面以便在多孔层的孔隙壁内留下单晶体。这里形成的氧化膜希望具有几埃到几十埃的膜厚。这种膜厚的氧化膜是通过在氧气氛中在200℃到700℃的范围内的一个温度下，更佳的是在250℃到500℃的范围内的一个温度下，进行退火而形成的。
(2)氢烘焙工艺EP553852A2示出在氢气氛下的退火可除去硅表面的微小的凹凸不平，以得到非常平滑的硅表面。在氢气氛下的烘焙也可适用于本发明。例如，可在形成多孔硅层之后和形成外延硅层之后进行氢烘焙。除此之外，可在刻蚀除去多孔硅层后得到的SOI衬底上进行氢烘焙。在形成外延硅层之前进行氢烘焙工艺引起下述现象孔隙的最外的表面被构成多孔硅表面的硅原子的迁移所阻塞。当形成为孔隙的最外的表面的外延硅层被阻塞时，得到具有较少晶体缺陷的外延硅层。另一方面，在刻蚀多孔硅层之后进行的氢烘焙具有一种使因刻蚀多少变粗糙的外延硅表面变得平滑的作用和一种有利于硼的外扩散的作用，这里所说的硼是在键合时从清洁的房间内的空气不可避免地取得并进入键合界面而且已扩散进入外延硅层，还有一些硼已从多孔硅层热扩散进入外延硅层，因此可驱使这些硼排出。
进行上述步骤可使我们得到具有良好的膜厚分布的SOI衬底或具有在其中形成的单晶硅层的透明绝缘衬底。
在上述的SOI衬底的制造工艺的一种可能的变例中，将外延生长的非多孔单晶硅区102的表面就键合到具有氧化膜的硅晶片110上，其中在102区的表面上不形成氧化膜103。在另一种可能的变例中，在非多孔单晶硅区102的表面上形成氧化膜，将其键合到没有氧化膜的硅晶片110上。〔实例1〕下面参照图1A到图1E和图5A及5B详细地说明本发明的第一实例。
(图1A)制备一个约300微米厚的6英寸p型(100)单晶硅衬底(0.1到0.2Ωcm)，将其放置在如图5A中示出的装置内，进行阳极氧化以便只将硅衬底100的表面的10微米转换成多孔硅101。此时，溶液504是49％HF溶液，电流密度是100mA/cm2。此时，多孔层形成速率是5微米/分钟，在两分钟后得到10微米厚的多孔层。
(图1B)通过CVD在多孔硅101上外延生长厚度为0.30微米的单晶硅层102。淀积条件如下述。
所用气体SiH4/H2气体流率0.62/140(升/min)温度750℃压力80Torr生长速率0.12微米/分钟(图1C)将由上述方法制备的衬底在水蒸汽气氛中在900℃的条件下进行处理以得到0.20微米的氧化膜103。
(图1D)对上述具有氧化膜的衬底100和预先制备的支撑衬底(没有二氧化硅膜的裸硅片)110进行清洗，然后进行旋转干燥，其后互相键合。在这种情况下，尽管因为在硅表面与二氧化硅表面之间进行键合，粘附强度本来就高，但在键合之后，在1150℃再进行5分钟的退火，由此进一步增强粘附强度。
(图1E)在退火后，在一个平行板等离子刻蚀系统内有选择地刻蚀非多孔单晶衬底100，由此露出多孔硅101。此时，被键合的晶片具有厚度变动，多孔硅层也具有阳极氧化时引起的厚度变动，由此非多孔单晶衬底部分100最大厚度变动约为300±5微米。此时的刻蚀条件如下述。
射频频率13.56MHz射频功率1kWSF6气体的流率1000sccm氧流率300sccm压力20Pa
衬底偏压500V处理时间63分钟在上述条件下的非多孔硅的刻蚀速率是5微米/分钟，而多孔硅的刻蚀速率是1微米/分钟。如果在最坏的情况下非多孔单晶衬底部分100薄到约295微米，对它过刻蚀3分钟；如果它厚到305微米，则对它过刻蚀1分钟。此时，下面的多孔硅101刻蚀厚度分别是4微米和2微米，这样，在最坏的情况下刻蚀可在多孔硅101内10微米处中止。此时不进行专门的终点的确定，但对于放置在刻蚀系统中的六个衬底，在所设置的处理时间内将所有的衬底的多孔硅层的整个表面露出来，并且其剩下的厚度的晶片面内分布在±10％范围内。
然后用常规的HF/H2O2溶液刻蚀该衬底以通过湿法刻蚀除去多孔部分。
其结果是形成具有良好的超薄单晶硅膜的SOI衬底，在0.2微米的二氧化硅膜上的膜厚分布约为180纳米±5.4纳米(±3％)。
〔实例2〕实例2到除去非多孔单晶硅区100的步骤为止具有与实例1相同的步骤(图1A到1E)。
然后将该衬底放置在一个微波激励的化学干法刻蚀系统中，只是有选择地刻蚀多孔部分101。该系统在空间上分成由微波功率产生等离子体的部位和进行刻蚀的部位，由此离子类将不到达非刻蚀的部位。此时的刻蚀条件如下述。
微波频率1GHz微波功率100WSF6气体的流率100sccm氧流率500sccm氮流率500sccm压力100Pa处理时间30分钟在上述条件下的非多孔硅的刻蚀速率约达5×10-4微米/分钟。但是，由于刻蚀首先在多孔硅的孔隙内进行，故未观察到表面的刻蚀。约在开始刻蚀后20分钟多孔硅层开始突然分裂，从开始算起30分钟后该多孔硅层完全被刻蚀。在最坏的情况下，多孔硅的剩下的厚度变动约为6到8微米。即使假定下面的外延单晶硅层102的过刻蚀在30分钟的刻蚀内约为10分钟，单晶硅的过刻蚀也将不超过50埃，这将不影响外延生长时得到的均匀性。刻蚀终点可利用一种监测来自被刻蚀表面的荧光的方法来确定，但因很高的选择性之故刻蚀时间的控制是充分的。
其结果是得到具有良好的超薄单晶硅膜的SOI衬底，在0.6微米的二氧化硅膜上的膜厚分布约为180纳米±5.4纳米(±3％)。
〔实例3〕下面参照图2A到图2F详细地说明本发明的第三实例。
(图2A)制备一个300微米厚的6英寸p型(100)硅衬底200，其电阻率是0.01Ω·cm，以与第一实例相同的方式只将其10微米的表面层转换为多孔硅201。
(图2B)在所得到的多孔硅表面上以与实例1相同的方式形成厚度为0.15微米的外延层202。
(图2C)在1000℃的水蒸汽中将由上述方法制备的衬底氧化0.1微米(203)。
(图2D)对上述衬底和预先制备的6英寸人造石英衬底210的表面进行等离子处理，其中将具有氧化膜203的上述衬底200和预先制备的支撑衬底(人造石英衬底)210放置在一个平行板等离子处理系统中，通过一种氧等离子体对各个衬底的表面进行激活处理。其工艺条件如下述。
射频频率13.56MHz射频功率400W氧流率30sccm压力20Pa处理时间1分钟在等离子体和衬底之间不进行特别的对偏压的控制，只用等离子的偏压来处理表面。
(图2E)将上述硅衬底200和石英衬底210浸在纯水中5分钟，其后对其进行旋转干燥，然后将其处理过的表面互相键合。之后，在300℃退火10小时。
(图2F)首先，在与实例1相同的条件下通过RIE对厚度为290微米的硅衬底部分200进行刻蚀。在将多孔硅层201露出到表面之后，以与实例1相同的方式用湿法刻蚀来有选择地刻蚀多孔层201。此时石英衬底210根本没有被刻蚀。刻蚀终点可利用监测来自被刻蚀表面的荧光的方法来确定，但因很高的选择性之故刻蚀时间的控制是充分的。
其结果是得到具有在石英衬底上的膜厚分布为98.2纳米±3.4纳米(±3.5％)的硅单晶薄膜的SOI衬底，。
〔实例4〕下面参照图3A到图3F详细地说明本发明的第四实例。
(图3A)制备一个300微米厚的5英寸p型(100)硅衬底300，其电阻率是0.01Ωcm，只在其从表面层起的5微米厚度内形成多孔层301。
(图3B)在所得到的衬底的多孔硅表面上以与实例1相同的方式形成厚度为0.15微米的外延层302。
(图3C)在水蒸汽气氛中在900℃条件下对由上述方法制备的衬底进行处理，由此得到0.05微米的氧化膜303。
(图3D)将上述具有氧化膜的衬底300和预先制备的具有0.2微米厚的二氧化硅膜的支撑衬底(硅晶片)310放置在平行板等离子处理系统内，在类似于实例3的氧等离子体条件下激活各个衬底的表面。
(图3E)将两个进行了这种表面处理的衬底浸在纯水中5分钟，其后对其进行旋转干燥，然后将其处理过的表面互相键合。之后，在400℃退火6小时。
(图3F)在退火之后，与上述类似，在平行板等离子刻蚀系统中在下述条件下有选择地刻蚀硅衬底300一侧，由此露出多孔硅301。
射频频率13.56MHz射频功率1kW
CF4气体流率800sccmAr气体流率200sccm压力5Pa衬底偏压500V处理时间99分钟到102分钟在上述条件下非多孔硅的刻蚀速率是3.1微米/分钟，而多孔硅的刻蚀速率是0.43微米/分钟。与实例1类似，在最坏的情况下对非多孔单晶衬底部分300来说有300到305微米的变动，例如在100分钟刻蚀的情况下，多孔硅将过刻蚀1.6到4.8分钟。此时下面的多孔硅301的刻蚀厚度分别是0.69微米和2.1微米，即使在最坏的情况下，可在留下2.9到4.3微米的厚度的状态下中止5微米的多孔硅301的刻蚀。通过监测自偏压进行该终点的确定，作为多孔硅刻蚀的终点，放电在自偏压变成900伏到700伏时中止。对于放置在刻蚀系统中的六个衬底，将所有的衬底的多孔硅的整个表面露出来，并且其剩下的厚度的晶片的面内分布在±10％范围内。
然后将该衬底放置在一个微波激励的化学干法刻蚀系统中，只是有选择地刻蚀多孔部分301。此时的刻蚀条件几乎与实例1相同，但对衬底进行加热和也用超声波使其振动。
微波频率1GHz微波功率100WSF6气体的流率100sccm氧流率500sccm氮流率500sccm压力100Pa衬底温度300℃超声波1kW处理时间10分钟在上述条件下的非多孔硅的刻蚀速率也约达5×10-4微米/分钟。
衬底的加热和超声波振动的效果首先是加快进入多孔硅的孔隙的扩散，也加快因孔隙壁的刻蚀引起的物理的分裂，由此从开始到7至8分钟之后几乎露出所有下面的外延层，在10分钟之后完全刻蚀掉多孔部分。即使对该下面的外延单晶硅层302过刻蚀10分钟，过刻蚀厚度将不超过50埃，这将不影响外延生长时得到的均匀性。刻蚀终点可利用一种监测来自被刻蚀表面的荧光的方法来确定，但因很高的选择性之故刻蚀时间的控制是充分的。
其结果是得到具有在0.25微米的二氧化硅膜上的膜厚分布约为100.8纳米±3.4纳米(±3.4％)的良好的超薄单晶硅膜的SOI衬底。〔实例5〕下面参照图4A到图4F详细地说明本发明的第五实例。
(图4A)制备一个300微米厚的5英寸p型(100)硅衬底400，其电阻率是0.01Ωcm，只在其从表面层起的5微米厚度内形成多孔层401。
(图4B)在所得到的衬底的多孔表面上以与实例1相同的方式形成厚度为0.15微米的外延层402。
(图4C)在水蒸汽气氛中在900℃下对由上述方法制备的衬底进行处理，由此得到0.05微米的氧化膜403。
(图4D)将上述具有氧化膜的衬底400和预先制备的具有0.2微米厚的二氧化硅膜的支撑衬底(硅晶片)410放置在平行板等离子处理系统内，在类似于实例3的氧等离子体条件下激活各个衬底的表面。
(图4E)将两个进行了这种表面处理的衬底浸在纯水中5分钟，其后对其进行旋转干燥，然后将其处理过的表面互相键合。之后，在400℃退火6小时。
(图4F)在退火之后，与上述类似，在平行板等离子刻蚀系统中在实例3的条件下有选择地刻蚀硅衬底400一侧，由此露出多孔硅401。在这种条件下非多孔硅的刻蚀速率是3.1微米/分钟，而多孔硅的刻蚀速率是0.43微米/分钟。与实例1类似，在最坏的情况下对非多孔单晶衬底部分400来说有300到305微米的变动，例如在100分钟的刻蚀的情况下，多孔硅将过刻蚀1.6到4.8分钟。此时，与实例3类似，即使在最坏的情况下，也可在留下2.9到4.3微米的厚度的状态下中止5微米的多孔硅401的刻蚀。通过监测自偏压进行该终点的确定，作为多孔硅刻蚀的终点，放电在自偏压变成900伏到700伏时中止。
将该衬底放置在光激励H2原子团产生系统中有选择地只刻蚀多孔部分401。由于产生H2原子团的部位与进行刻蚀的部位在空间上分离开和由于在光激励的情况下不使用等离子体，故离子类不到达衬底。此时的刻蚀条件如下。
激励光源低压水银灯(253.7eV)H2气体流率100sccm压力10Pa衬底温度300℃超声波1kW处理时间30分钟在上述条件下的光分解H2原子团刻蚀中，非多孔硅的刻蚀速率也约达2×10-4微米/分钟。
衬底的加热和超声波振动的效果首先是加快进入多孔硅的孔隙的扩散，也加快因孔隙壁的刻蚀引起的物理的分裂，由此在从开始算起的20分钟之后几乎露出所有下面的外延层，在30分钟之后完全刻蚀掉多孔部分。即使对下面的外延单晶硅层402过刻蚀10分钟，过刻蚀厚度将不超过50埃，这将不影响外延生长时得到的均匀性。刻蚀终点可利用一种监测来自被刻蚀表面的荧光的方法来确定，但因很高的选择性之故刻蚀时间的控制是充分的。
其结果是得到具有在0.25微米的二氧化硅膜上的膜厚分布约为99.8纳米±3.6纳米(±3.6％)的良好的超薄单晶硅膜的SOI衬底。〔实例6〕下面参照图1A到图1E和图5A及5B详细地说明本发明的第六实例。
(图1A)制备一个约600微米厚的6英寸p型(100)单晶硅衬底(0.1到0.2Ωcm)，将其放置在如图5A中示出的装置内，进行阳极氧化以便只将硅衬底100的表面的10微米转换成多孔硅101。此时，溶液504是49％HF溶液，电流密度是100mA/cm2。再有，多孔层形成速率是5微米/分钟，在两分钟后得到10微米厚的多孔层。
(图1B)通过CVD在多孔硅101上外延生长厚度为0.30微米的单晶硅层102。其淀积条件与实例1相同。
(图1C)将由上述方法制备的衬底在水蒸汽气氛中在900℃的条件下进行处理以得到0.20微米的氧化膜103。
(图1D)对上述具有氧化膜的衬底100和预先制备的支撑衬底(没有二氧化硅膜的裸硅片)110进行清洗，然后进行旋转干燥，其后互相键合。在这种情况下，尽管因为在硅表面与二氧化硅表面之间进行键合，粘附强度本来就高，但在键合之后，在1150℃再进行5分钟的退火，由此进一步增强粘附强度。
(图1E)在退火后，通过研磨机对硅衬底100一侧进行机械研磨约550微米。在类似于上述实例的平行板等离子刻蚀系统中有选择地刻蚀剩下的约40微米的非多孔单晶衬底部分，由此露出多孔硅101。此时，该晶片具有厚度的变动，也存在因研磨装置引起的研磨厚度的变动，还存在阳极氧化时多孔硅厚度的变动。因而，非多孔单晶衬底部分100厚度的最大变动是约40±5微米。刻蚀条件如下述。
射频频率13.56MHz射频功率1kWSF6气体的流率1000sccm氧流率300sccm压力20Pa衬底偏压500V处理时间11分钟在上述条件下的非多孔硅的刻蚀速率是5微米/分钟，而多孔硅的刻蚀速率是1微米/分钟。如果在最坏的情况下非多孔单晶衬底部分100薄到约35微米，对它过刻蚀4分钟。如果非多孔单晶衬底部分100厚到45微米，则对它过刻蚀2分钟。此时，下面的多孔硅101刻蚀厚度是分别是4微米和2微米，这样，在最坏的情况下刻蚀可在10微米的多孔硅101内中止。此时不进行专门的终点的确定，但对于放置在刻蚀系统中的六个衬底，在所设置的处理时间内将多孔硅的整个表面露出来，并且多孔硅剩下的厚度的晶片的面内分布在±10％范围内。
然后用常规的HF/H2O2溶液湿法刻蚀该衬底以除去多孔部分。
其结果是形成具有良好的在0.2微米的二氧化硅膜上的膜厚分布约为108纳米±3.2纳米(±3％)的超薄单晶硅膜的SOI衬底。
权利要求
1.一种SOI衬底的制造工艺，包括下述步骤使单晶硅衬底的表面层成为多孔从而在第一非多孔单晶硅区上形成多孔单晶硅区的步骤；在所述多孔单晶硅区上形成第二非多孔单晶硅区的步骤；通过一个绝缘区将支撑衬底键合到所述第二非多孔单晶硅区表面的步骤；除去所述第一非多孔单晶硅区的步骤；以及除去所述多孔单晶硅区的步骤；其中所述除去所述第一非多孔单晶硅区的步骤包括进行干法刻蚀的步骤，在该干法刻蚀中，非多孔单晶硅区的刻蚀速率大于多孔单晶硅区的刻蚀速率。
2.按照权利要求1的SOI衬底的制造工艺，其中所述除去所述第一非多孔单晶硅区的步骤包括在所述的进行干法刻蚀的步骤之前用研磨机部分地研磨所述第一非多孔单晶硅区的步骤。
3.按照权利要求1的SOI衬底的制造工艺，其中所述干法刻蚀以下述方式进行刻蚀通过用电或光能的离化产生被激活的离子类，该激活离子类在垂直于衬底表面的方向上被加速，并且在所述衬底表面处发生反应。
4.按照权利要求3的SOI衬底的制造工艺，其中通过在所述衬底上设置平行板电极和观察在所述平行板电极与所述衬底之间的自偏压中的变化来进行由所述干法刻蚀在整个表面上露出多孔单晶硅区的刻蚀终点的确定。
5.按照权利要求1的SOI衬底的制造工艺，其中所述除去所述多孔单晶硅区的步骤由湿法刻蚀来实现，在该湿法刻蚀中，多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率。
6.按照权利要求1的SOI衬底的制造工艺，其中所述除去所述多孔单晶硅区的步骤由干法刻蚀来实现，在该干法刻蚀中，多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率。
7.按照权利要求6的SOI衬底的制造工艺，其中所述多孔单晶硅区的刻蚀速率大于非多孔单晶硅区的刻蚀速率的干法刻蚀以下述方式来进行通过至少电或光能分解产生的激活的原子团侵入到多孔区的孔隙内以便从内部刻蚀该区。
全文摘要
一种SOI衬底的制造工艺有效地除去在多孔硅区上的非多孔硅区，并解决了玻璃衬底刻蚀时不可避免的问题和需要较厚的多孔硅区的问题。该工艺包括使单晶硅衬底的表面层成为多孔以形成多孔单晶硅区；在多孔单晶硅区的表面上形成第二非多孔单晶硅区；将支撑衬底通过绝缘区键合到第二非多孔单晶硅区的表面；除去第一非多孔单晶硅区；以及除去多孔单晶硅区，其中除去第一非多孔单晶硅区包括进行干法刻蚀的步骤，在该干法刻蚀中非多孔单晶硅区的刻蚀速率大于多孔单晶硅区的刻蚀速率。
文档编号H01L21/02GK1155755SQ96121530
公开日1997年7月30日 申请日期1996年12月12日 优先权日1995年12月12日
发明者阿闭忠司 申请人:佳能株式会社