专利名称：分解绝缘体上半导体型结构的外周环中的氧化物层的方法
技术领域：
本发明涉及一种处理连续包括载体衬底(carrier substrate)、氧化物层和半导体材料薄层的绝缘体上半导体型(SOI)结构的方法，更特别地，涉及一种可以避免半导体层在分解氧化物的热处理过程中分层的处理方法。
背景技术：
在绝缘体上半导体型(SOI)结构的区域中，已知可以应用热处理来使至少一部分氧从埋入氧化物层通过薄半导体层扩散，以便减小或消除该氧化物层的厚度。可以对整个结构应用这种分解步骤，或者也可以局部地应用这种分解步骤，即在与所需图案相对应的SOI结构的确定区域中完全或部分地分解氧化物层，同时保留其他区域中的原始氧化物层。这被称为氧化物层的“局部分解”。这种分解热处理或者诸如表面平滑步骤或外延步骤的任何其他类型的热处理的应用可能引起文件WO 2007/0489 中所提到脱湿(de-wetting)现象。本发明的发明人观察到，引发这种现象的位置特别地是在结构的外周，更一般地是在结构中露出埋入氧化物的每一点处，即结构中与外界相接触的每一点处，或者是在薄层过薄(几十纳米或更薄)以至于在结构达到高温时在形态上变得不稳定、从而露出埋入氧化物的每一点处。薄层的厚度越薄(例如小于IOOnm)，这种脱湿现象越严重。如果埋入氧化物暴露在处理气氛中并与例如由Si制成的薄层相接触，则这种脱湿现象还伴随有按照如下反应腐蚀该氧化物的现象Si02+Si-> (气体)2Si0在Si/Si02/处理气氛的“三点”接触处，埋入氧化物(Sit)》与薄层的硅反应，形成被携带到处理气氛中的挥发性SiO复合物。回顾一下，在通过键合获得的绝缘体上半导体型(SOI)衬底中，由于接触面上存在外周倒角，在组装衬底的边缘不存在键合。因此在转移例如由硅制成的薄层之后，最终衬底具有未发生转移且露出埋入氧化物的外周环。当这种衬底暴露在诸如分解热处理之类的热处理当中时，在薄层热处理过程中可能会发生脱湿和腐蚀现象，在衬底外周高达Icm的距离上导致大范围的缺陷区域。这种缺陷也可能发生在埋入氧化物直接暴露或者位于厚度较小的薄层下方的起始衬底的任意其他点。缺陷可能是薄层中的洞穿缺陷(through defect)(也被称为“HF缺陷”)，因此将埋入氧化物暴露到处理气氛中。该缺陷可能涉及到薄层的厚度比该层的平均厚度小很多的衬底区域，如果在处理过程中应该减小薄层的厚度，则可能使埋入氧化物暴露到处理气氛中。这些现象使得衬底不适合用于这些衬底通常的应用领域，例如不适合于在出现这种缺陷的区域中制造电子元件(例如“存储器”和“逻辑”元件)。
发明内容
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因此，本发明的目的之一是提出一种具有简单设计和低成本的方法，以获得至少在其整个或部分外周上不包括任何脱湿或腐蚀现象的绝缘体上半导体型(SOI)结构，从而克服这种缺点。为此目的，根据本发明，提出一种处理连续包括载体衬底、氧化物层和半导体材料的薄层的绝缘体上半导体型结构的方法，所述结构具有露出所述氧化物层的外周环，所述方法包括在中性或受控还原气氛中应用主要热处理，值得注意的是，所述方法在所述主要热处理之前包括至少一个覆盖至少所述氧化物层的暴露外周部分的步骤，所述主要热处理是在受控的时间和温度条件下进行的，以便促进所述氧化物层的至少一部分氧通过薄半导体层扩散，导致所述氧化物层的厚度的受控降低。表述“至少所述氧化物层的暴露外周部分”意为埋入氧化物的暴露部分附近的区域也被覆盖，在该区域中薄层具有非常小的厚度。该厚度在热处理过程中将会被降低，这意味着在处理过程中，下方氧化物层可能会暴露或者在形态上变得不稳定。因此，使用1100°C 的退火时，有利地必须在氧化物上提供至少IOnm的层，使用1200°C的退火时，必须有利地在外周附近的氧化物上提供至少50nm的层。根据该方法的有利的非限制性特征-所述主要热处理为平滑热处理；-在所述主要热处理之前直接应用另外的热处理，即所谓的蠕变处理，以在所述氧化物层的暴露外周部分上导致半导体层的蠕变；-所述蠕变热处理是通过在大约1200°C的最终温度下非常快速地应用热处理来进行的；-所述蠕变热处理在所述最终温度下执行小于3分钟的时间；-所述蠕变热处理是以大于20°C/秒、优选地大约50°C /秒的温升进行的；-所述氧化物层具有大约IOnm的厚度，而所述薄层的厚度比所述氧化物层的厚度至少大十倍；-所述蠕变热处理是在氢和/或氩气氛中进行的；-在所述主要热处理之前和/或在所述蠕变热处理之后，在埋入氧化物的暴露外周部分上形成掩模(mask)；-所述掩模是在所述半导体层上局部形成的，以允许所述热处理步骤中的局部分解；-所述半导体材料层是由硅制成的；-所述氧化物层是由二氧化硅制成的。
接下来参考附图描述作为根据本发明的方法的非限制性示例给出的实施例的几个变形，从而更好地显现本发明的其他优点和特征，其中图1显示了根据本发明的氧化物分解处理之前的绝缘体上半导体型结构，图2是图1所显示的绝缘体上半导体型结构的环的细节图，图3显示了根据本发明的结构的处理方法中的一个步骤，图4和图5显示了根据本发明的处理方法的实施例的变形的步骤，
图6至图8显示了根据本发明的处理方法的实施例的另一变形的步骤。
具体实施例方式参考图1，对绝缘体上半导体(SOI)型结构应用下文详细描述的分解处理，所述绝缘体上半导体型结构从其底部到其表面连续包括载体衬底1、氧化物层2和半导体层3。载体衬底实质上充当用于SOI结构的加强构件。为此目的，载体衬底典型地具有大约几百微米的厚度。载体衬底1可以是体衬底(bulk substrate)或者是复合衬底，即由至少两层不同材料的堆叠组成的衬底。载体衬底1例如可以包括下列材料之一 Si、Ge、SiGe、GaN、蓝宝石。半导体层包括至少一种半导体材料，例如Si、Ge或SiGe。可选地，半导体层3可以是复合的，即由半导体材料层的堆叠组成。半导体层3的材料可以是单晶的、多晶的或者无定形的。其可以是多孔的，也可以不是多孔的，可以是掺杂的，也可以不是掺杂的。在一种特别有利的方式中，半导体层3适合于容纳电子元件。薄半导体层3的厚度小于5000 A，优选地小于2500 A，以使氧能够充分快速地扩散。半导体层3越厚，氧的扩散速度越慢。氧通过厚度大于5000 A的半导体层3的扩散是非常缓慢的，因此在工业层面上来讲，几乎是不利的。氧化物层2在结构中埋入在载体衬底1和半导体层3之间；因此在行业中通常用 Buried Oxide Layer (埋入氧化物层)的缩写BOX来表示。使用本领域技术人员已知的包括键合在内的任意的成层(layering)技术来制造 SOI结构。在这些技术当中，特别要提到的是Smart-Cut方法(注册商标)，其主要包括下列步骤i)在载体衬底1上或者在包含半导体层3的施主衬底上形成氧化物层2，ii)在施主衬底中形成弱化区域，该弱化区域限定了将要被转移的薄半导体层3，iii)将施主衬底键合到载体衬底上，使氧化物层2位于键合界面处，iv)沿弱化区域分割施主衬底以将薄半导体层3转移到载体衬底1上。这种技术是本领域技术人员已知的，因此在此不再详加描述。可以参考例如 Kluwer Academic Publisher 出版、Jean-Pierre Colinge 所著的“Silicon-On-Insulator Technology =Materials to VLSI, 2nd Ed. ”第 50-51 页。还可以使用这样的技术在载体衬底1上键合包括半导体层3的施主衬底，衬底中的一个和/或另一个涂覆有氧化物层2，然后通过施主衬底的后表面来减小施主衬底的厚度，以便在载体衬底1上只留下薄半导体层3。然后可以使所获得的SOI衬底经受常规的修整处理(finishing treatment)(抛光、平整、清洗等等)。在这些用于形成SOI结构的方法中，通过热氧化(在这种情况下，氧化物是经过氧化的衬底材料的氧化物)或者通过例如二氧化硅(SiO2)的沉积，在施主衬底上或者在载体
5衬底1上形成氧化物层2。氧化物层2也可以是与大气相接触的施主衬底和/或载体衬底1的自然氧化所得到的自然氧化物层。另一方面，对使用SIMOX方法获得的SOI结构执行的测试不能观察到任何的氧化物分解，这归因于用来获得它的方法所造成的低劣的氧化物质量。关于这一点，可以参考 L. Zhong 等人在 Applied Physics Letters 67,3951(1995)中的文章。应指出，可以在键合步骤开始之前对相接触的表面中的一个和/或另一个执行本领域技术人员已知的清洗或等离子活化步骤，以便增强键合能量。为了限制分解处理的持续时间以及为了促进覆盖步骤，SOI结构的氧化物层2的厚度通常是薄的或者是超薄的，即介于50 A和1000 A之间，优选地介于100 A和250 A 之间。此外，参考图2，使用上述技术其中之一所获得的SOI结构在其外周具有所谓的环形区域4，在该环形区域4中，氧化物层2，特别是其侧面(flank)是暴露的，即氧化物层的一部分与大气相接触。环4可以在SOI结构的全部或部分外周上延伸。参考图3，本发明的方法包括在热分解处理之前在环4上沉积掩模5，使得氧化物层2，特别是其侧面不与大气接触。优选地，掩模5不仅覆盖暴露的氧化物，而且还覆盖半导体层3被减薄的外周部分。该层的厚度实际上倾向于在分解处理过程中被降低。因此，半导体层的外周上(在几微米的宽度上)的掩模的存在可以防止位于该较薄层下方的氧化物在分解过程中通过减薄作用和/或高温下的形态不稳定而暴露。该掩模5是使用能够在分解热处理过程中对氧的扩散形成阻挡并且能够忍受热分解处理的条件的材料来获得的。所述掩模5可以仅仅覆盖环4，以允许后续所谓的“全晶片”分解，即整个结构上的氧化物层的分解。根据一种变形，为了进行局部分解，还可以在半导体层的确定区域上沉积掩模。在一种特别有利的方式中，在一个相同步骤中，在环上和不希望分解其下方的氧化物的半导体层区域上形成掩模。可以使用常规的光刻技术来实现该掩模5的形成。典型地，掩模形成方法包括下列连续步骤-通过沉积，在半导体层的整个表面上形成用于形成掩模的材料层；-在前述层的整个表面上沉积光刻胶层；-通过光刻掩模(photolithographicmask)局部隔绝(insulation)树脂；-例如通过用溶剂稀释(dilution)来选择性地去除隔绝的区域；-然后，通过在树脂中形成的开口来蚀刻掩膜层的暴露区域。蚀刻典型地是树脂能够抵抗的干法蚀刻(等离子)。另一方面，掩模的材料被该等离子蚀刻。该示例显然是非限制性的，任何能够用于在SOI的所需区域上形成掩模的技术都可以被使用。例如，氮化硅(通式为SiN，包括不同的可能的化学计算系数)是用来形成掩模的优选材料，因为其易于使用(即易于沉积以及在分解处理后易于去除)并且不会污染硅。
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但是，对氧的扩散形成阻挡并且耐受处理条件的任意的其他材料也可以被用于掩
模。 掩模5的典型厚度为1至50nm，优选地为大约20nm。因此，在沉积掩模5之后，方法包括热分解处理步骤，其包括在中性或受控的还原气氛中以及在受控的时间和温度条件下应用热处理，以便促使氧化物层2的至少一部分氧通过薄半导体层3扩散，导致氧化物厚度的受控降低。应注意的是，由于环上的掩模5的存在，可以避免在SOI结构的外周环处及其附近引发脱湿和/或腐蚀现象。优选地，初始结构被选择为不具有或者具有很少的可能会使下方氧化物(即埋入层)暴露的穿透上方薄层的缺陷(在这种情况下使用术语“HF缺陷”)。这就避免或限制了分解处理的气氛可能会引发氧化物的脱湿或腐蚀现象的点的数量。因此，对于SOI (Si薄层)而言，可以选择没有“HF缺陷”或者每300mm晶体具有小于五个“HF缺陷”的衬底，这是普遍能够获得的缺陷水平。在下文中，所采用的示例是分解处理应用于薄半导体层为硅的结构，即“绝缘体上硅，，(SOI)结构。0. Kononchuk 等人的文章“Internal Dissolution of Buried Oxide in SOI Wafers", Solid State Phenomena Vols. 131-133 (2008) pp 113-118 中详细描述了 SOI 结构中的氧化物分解的机制，可以参考该文。在处理过程中，SOI结构被置于炉内，炉内产生气流以形成中性或还原气氛。因此，气流可以包含氩气、氢气和/或其混合物。重要的是应该注意，只有当气氛中的氧浓度与氧化物层的表面上的氧浓度之间存在足够的梯度时才发生分解现象。因此认为，炉内气氛的氧含量必须低于lOppm，将泄漏考虑在内，要求气流中的氧含量小于lppb。关于这一点，可以参考Ludsteck 等人的文章 “Growth model for thin oxides and oxide optimization，，，Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 5, Mars 2004。常规的炉产生过多的泄露，无法达到这样的低含量，因此在常规炉中无法获得这些条件；炉需要特殊设计，以获得最佳密封(更少的部件数量以避免垫圈的数量、固体部件的使用等等)。相反，气氛中大于IOppm的氧浓度会使分解停止，并且促进暴露的硅氧化。对于SOI而言，应用分解处理的温度介于1100°C和1300°C之间，优选地为大约 1200°C。对于超薄SOI结构(200埃或更薄的薄硅层)而言，可以考虑介于1050°C和1100°C 之间的分解温度。这些超薄的SOI结构对脱湿现象特别的敏感，要试图降低处理温度。应当注意的是，如果上方硅层实际上是超薄的，则在这些低温下也可能观察到分解现象。温度越高，氧化物分解速度越快。但是，处理温度必须保持低于硅的熔点。例如，为了分解1()()() A的薄硅层下方的20 A的氧化物厚度，热处理条件为 1100°C持续2小时，1200°C持续10分钟，或者1250°C持续4分钟。但是，需指出的是，这些值特别依赖于分解炉内的剩余氧浓度。因此，还观察到更大的分解厚度。
在该热分解处理之后，可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻来去除掩模5。显然，可以通过本领域技术人员已知的任何适当的方式来去除掩模5，而不会脱离本发明的范围。根据本发明的方法的实施例的一种变形，参考图4，在诸如上文所述的分解处理之前，对绝缘体上半导体型(SOI)结构应用所谓的蠕变热处理(ere印thermal treatment), 其中所述结构从其底部到其表面接连包括载体衬底1、氧化物层2和半导体层3，所述结构还包括露出氧化物层2的环4。该蠕变热处理对结构快速施加大约1200°C的温度，持续时间小于3分钟，优选地在氢和/或氩气氛中执行所述蠕变热处理。参考图5，该蠕变热处理导致半导体层3的蠕变，直到其覆盖埋入氧化物的暴露的外周部分为止，即直到所述层3的半导体完全覆盖起初与气氛相接触的氧化物为止。该蠕变热处理还引起对晶片表面上所存在的洞穿缺陷处的埋入氧化物的遮蔽。覆盖氧化物的半导体材料的厚度与将要分解的氧化物的厚度相比必须足够大，以防止氧化物在分解处理过程中由于半导体层在该处理过程中的上述减薄而暴露或者变得在形态上不稳定。已知在氧化物厚度e的分解过程中，表面层的大约e/2的厚度被腐蚀。因此必须准备厚度为将要分解的氧化物层的至少两倍的表面层，以避免在该分解过程中露出氧化物层并且导致三点接触的开始氧化物/表面层/处理环境。优选地，在将要分解的氧化物和表面层之间选择大于二的厚度比，例如六或七。因此，优选的是，绝缘体层与半导体材料的上方层相比具有相对较小的厚度(例如，对于70nm的薄层而言，埋入氧化物为lOnm)。该配置有助于埋入层被半导体层的蠕变封闭。因此，在蠕变之后，埋入氧化物先前暴露的外周部分及其附近的半导体层的厚度可能大于10nm，甚至为50nm或更多。此外，绝缘体层相对较小的厚度可以缩短所需要的分解时间。因此，可以选择介于 5nm和50nm之间、典型地介于IOnm和25nm之间的绝缘体厚度。然后，如上文所述来应用热分解处理，以实现氧化物的分解，而不导致结构的外周退化。必须避免或者限制蠕变步骤和分解步骤之间的中间步骤，以免露出埋入氧化物(通过例如牺牲氧化或其它平滑热处理等等减薄)。不过，如果不会导致被处理的层过多减薄的话，可以容许一些清洗或牺牲氧化处理。在电子显微镜下，不同的处理之后的SOI边缘的剖面显示下列特点-热处理之前的清洗露出“侧面的(lateral)”氧化物；-该热处理之后蠕变现象的有效性得到证明；-通过上述结构的氧化/还原使薄半导体层的厚度达到所需的最终厚度的减薄步骤之后，观察到埋入氧化物没有暴露。因此，结构可以经受分解处理，而没有导致脱湿现象的风险。根据本发明的方法的实施例的最后一种变形，参考图6至图8，在分解处理之前， 以上文所述的同样的方式对绝缘体上半导体型(SOI)结构应用所谓的蠕变热处理，其中所述结构从其底部到其表面接连包括载体衬底1、氧化物层2和半导体层3，所述结构还包括露出氧化物层2的环4。该蠕变热处理包括对结构施加大约1200°C的温度，持续时间小于3分钟，优选地
8在诸如氢和/或氩的中性或还原气氛中执行所述蠕变热处理。参考图7，所述蠕变热处理导致半导体层3的蠕变，直到其覆盖近乎整个环4为止， 即直到所述层3的半导体覆盖起初与气氛相接触的绝大部分氧化物为止。在该特殊实施例中，在蠕变热处理之后，半导体层3覆盖氧化物层2的侧面；但所述氧化物层2的上边缘仍然与气氛相接触。之后，参考图8，该方法包括在环4上形成掩模5的步骤，以便完全覆盖氧化物层 2，即覆盖氧化物层2在蠕变热处理之后与气氛相接触的所有部分。所述掩模5是由对氧扩散形成阻挡并且耐受分解热处理的条件的任意材料获得的。另外，所述掩模5是使用诸如上文所述的任意合适的方法形成的。然后，诸如上文所述来应用分解热处理，以获得氧化物的分解，而不会在结构的外周导致缺陷，之后可以通过蚀刻或者本领域技术人员已知的任何其它的适当方式来去除掩模5。最后，上述示例显然只是根据本发明的方法的特殊实例，它们不会对本发明的应用领域构成限制。特别地，当SOI型结构的上层的厚度相对较薄，并且在热处理过程中，处理温度和半导体层的厚度可能会导致薄层的脱湿现象时，本发明应用于对所述SOI型结构所进行的任意热处理。示例1 H有4nm的jl终埋入氧,化物层的SOI衬底的制诰首先，制造具有IOnm的氧化物层和3000nm的薄层的S0I。这是通过如下方式实现的-在施主衬底中注入离子，通过IOnm的氧化物层键合到受主衬底上，并且沿注入区域分割(标准Smart Cut方法，注册商标)；-进行“RTA”(快速热处理)，以使表面平滑并且“封闭”外周区域上(以及晶片的表面上的洞穿缺陷处)的埋入氧化物；-对层进行牺牲氧化，以使表面层达到2000A的最终厚度。已证实，该步骤不会导致外周区域的埋入氧化物暴露；-在1200°C进行大约3小时的分解热处理，以达到4nm的埋入氧化物厚度。在分解处理之前和之后，最终的产品无论是在晶片的中心处还是在其外周上都不会看到缺陷数量的恶化。示例 2提供包括300nm的薄层和IOnm的埋入氧化物的SOI衬底。(使用常规光刻步骤)形成分解掩模(dissolutionmask)，以遮蔽将要保留其中的氧化物层的区域。掩模还在晶片的外周部分延伸(在氧化物侧面每一侧延伸几微米)。然后，在1150°C执行1小时的分解热处理，以使掩模开口处的埋入氧化物完全消失。然后去除掩模，确定最终缺陷没有恶化。
权利要求
1.一种处理绝缘体上半导体型结构的方法，所述结构连续包括载体衬底(1)、氧化物层( 和半导体材料的薄层(3)，所述结构具有露出所述氧化物层O)的外周环，所述方法包括在中性或受控还原气氛中应用主要热处理，其特征在于，所述方法在所述主要热处理之前包括覆盖至少所述氧化物层O)的暴露外周部分的步骤，所述主要热处理是在受控的时间和温度条件下进行的，以便促进所述氧化物层O)的至少一部分氧通过薄半导体层 (3)扩散，从而导致所述氧化物层O)的厚度的受控降低。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主要热处理为平滑热处理。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述主要热处理之前直接应用另外的所谓的蠕变热处理，以在所述氧化物层O)的暴露外周部分上导致半导体层的蠕变。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述蠕变热处理是通过在大约1200°C的最终温度下非常快速地应用热处理来进行的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述蠕变热处理是以大于20°C/秒、优选地大约50°C /秒的温升进行的。
6.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，所述蠕变热处理在所述最终温度下执行小于3分钟的时间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化物层( 具有大约 IOnm的厚度，而所述薄层(3)的厚度比所述氧化物层O)的厚度至少大十倍。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述蠕变热处理是在氢和/ 或氩气氛中进行的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述主要热处理之前和/ 或在所述蠕变热处理之后，在埋入氧化物的暴露外周部分上形成掩模。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述掩模是在所述半导体层C3)上局部形成的，以允许所述热处理步骤中的局部分解。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体材料层C3)是由硅制成的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化物层( 是由二氧化硅制成的。
全文摘要
本发明涉及一种处理绝缘体上半导体型结构的方法，所述结构接连包括载体衬底、氧化物层(2)和半导体材料的薄层(3)，所述结构具有露出所述氧化物层(2)的外周环，所述方法包括在中性或受控还原气氛中应用主要热处理。所述方法在所述主要热处理之前包括覆盖至少所述氧化物层(2)的暴露外周部分的步骤，所述主要热处理是在受控的时间和温度条件下进行的，以便促进所述氧化物层(2)的至少一部分氧通过薄半导体层(3)扩散，导致所述氧化物层(2)的厚度的受控降低。
文档编号H01L21/762GK102292809SQ200980155187
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年1月22日
发明者C·韦蒂祖, D·朗德吕, E·吉奥特, F·格里蒂, O·科农丘克 申请人:S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司