用于确定供体基板中的合适注入能量的方法和用于制造绝缘体上半导体结构的工艺与流程

本发明涉及用于经由层转移来制造结构的工艺。更具体地说，该工艺被实现用于利用SmartCut^TM类型的技术来制造“绝缘体上半导体”(SeOI)类型的结构。

背景技术：

Smart Cut^TM工艺允许将薄半导体层从供体基板转移至受体基板，并应用以下步骤：

a)在供体基板中注入原子物质以生成弱化区，其深度对应于希望转移的薄层的厚度。

b)使基板接触并经由分子键合进行结合。

除在周边之外，在基板的整个表面上发生结合，因为晶圆具有边缘滚落(Edge Roll Off(ERO))并因此在其周边不接触，如图1中可见。

c)沿着供体基板的弱化区分离，并将该薄层转移到受体基板上。

基板通常采用圆形晶圆的形式；例如，通常使用300mm的晶圆。

不发生薄层转移的周边区域称为冠部。参考图2，例示了SeOI晶圆的四个周边区域的俯视图，冠部CP在外侧由受体基板的边缘100界定，并且在内侧由转移层的边缘200界定。图2中的晶圆具有规则的冠部CP，换句话说，SeOI的边缘是规则的。

然而，在某些情况下，在最终产品(即，在分离后获得的SeOI)上获得锯齿状(jagged)边缘。在分离之后，它可能出现冠部也包括小的隔离转移区。

因此，使冠部的宽度经由转移区域朝着受体基板的边缘的局部不受控制的延伸超过几百微米成锯齿状。在图3中的照片中可以看到转移区域的延伸，其中，最亮区域对应于转移层，最暗层是冠部。

观察到锯齿状冠部的一种情况是在分子键合之前活化至少一个基板的表面，例如，通过等离子体活化。这种活化可以显着增强结合能量。结合能量的增强也可以通过在结合之前进行适当的清洁来获得，例如，一序列的O3/SC1/SC2类型，其中SC1在低于50℃的温度下进行。

本申请人的专利申请WO 2009/034113提出通过控制基板表面的活化，以使供体基板与受体基板之间的结合能量的增加在这些基板的周边区域中低于所述基板中心区域中的结合能量的增加来克服该缺点。

然而，即使应用上述控制，也继续存在仍然观察到锯齿状边缘现象的情况。特别是存在其中转移半导体层具有大的厚度(即，通常大于或等于370nm)的情况，和其中弱化区通过共同注入两种不同物质(通常是氢和氦)来形成的情况。

然而，这种不希望的向冠部的转移产生了更弱的区域，其中转移半导体层很可能经由其与受体基板的界面经历化学侵蚀(称为“欠蚀刻(under etching)”的现象)并且将分层。

克服这类缺陷的一个解决方案是经由机械或化学作用去除转移到冠部中的区域。

然而，执行这种校正操作在工业规模上实施起来很复杂并且将影响SeOI结构的制造成本。

技术实现要素：

因此，本发明的目的之一是，改进用于经由层转移来制造结构的工艺，以保证转移层的规则边缘而没有任何局部延伸。

为此，本发明涉及一种用于确定供体基板中的至少两种原子物质的合适注入能量以形成限定待转移到受体基板上的单晶半导体层的弱化区的方法，该方法包括以下步骤：

(i)在所述供体基板和所述受体基板中的至少一个上形成介电层；

(ii)利用所确定的能量将所述物质共同注入所述供体基板中以形成所述弱化区；

(iii)将所述供体基板结合在所述受体基板上，以使所述介电层位于所述结合界面处；

(iv)沿着所述弱化区分离所述供体基板，以转移所述单晶半导体层并且回收所述供体基板的剩余部分；

(v)检查所述供体基板的所述剩余部分的周边冠部或者在步骤(iv)转移了所述单晶半导体层的所述受体基板的周边冠部；

(vi)如果所述冠部展示转移到所述受体基板上的区域，则判定为步骤(ii)的所述注入能量太高；

(vii)如果所述冠部未展示转移到所述受体基板上的区域，则判定为步骤(ii)的所述注入能量合适。

有利的是，对于具有不同的相应注入能量的多个供体基板实施步骤(ii)，并且在检查所述供体基板的所述剩余部分或者已经转移了所述单晶半导体层的所述受体基板时，针对每个所述注入能量确定注入能量的合适范围。

由此可以确定所述注入能量的合适范围内的最大注入能量，并且根据其推导出待转移到所述受体基板上的所述单晶半导体层的最大厚度。

本发明的另一目的涉及，一种通过从供体基板向受体基板转移单晶半导体层来制造绝缘体上半导体类型的结构的工艺，该工艺包括以下步骤：

(a)利用上述方法确定合适的注入能量；

(b)在所述受体基板和所述供体基板中的至少一个上形成介电层；

(c)利用在步骤(a)确定的所述注入能量，共同注入诸如氢和氦的原子物质，以在所述供体基板中形成弱化区，从而限定待转移的单晶半导体层；

(d)将所述供体基板以分子方式键合在所述受体基板上，所述介电层位于所述结合界面处；

(e)沿着所述弱化区分离所述供体基板，以将所述单晶半导体层转移到所述受体基板上。

根据本发明的一个实施方式，在步骤(a)确定的所述合适注入能量对应于在步骤(e)转移的层的厚度，该厚度比所述绝缘体上半导体结构的所述单晶半导体层的希望厚度薄，所述工艺还包括外延步骤(f)，在步骤(e)之后，在转移到所述受体基板上的所述层上进行外延生长直到获得所述希望厚度为止。

附图说明

根据下面参照附图给出的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得更显见，其中：

-图1是两个结合晶圆的横截面照片，示出了晶圆的导致SeOI冠部的边缘滚落；

-图2是具有规则冠部的SeOI晶圆的边缘俯视照片；

-图3是展示锯齿状边缘现象的晶圆冠部的照片；

-图4是在将供体基板结合到用于制造SeOI的受体基板之后的结构的横截面图；

-图5是在分离和转移单晶半导体层之后的前述结构的横截面图；

-图6是在转移层上外延生长之后图5中结构的横截面图；

-图7A至7C是剩余供体基板的周边冠部的检查图像，其具有对应于转移层的不同厚度(分别为350nm、420nm以及600nm)的不同注入能量。

具体实施方式

图4例示了在将供体基板30结合到受体基板10上之后获得的结构。

当实施Smart Cut^TM工艺时，供体基板30(和/或受体基板)例如可以涂覆有介电层20，具体为氧化物层。如本领域技术人员已知的，氧化物可以通过供体基板的热氧化来淀积或形成。

然后，供体基板30经历至少两种原子物质(例如，氢和氦)的共同注入，其剂量和能量适于在与希望转移的供体基板层的厚度对应的深度处获得注入峰值。其中注入原子物质的区域31被称作弱化区。借助于这种共同注入，氦原子有助于限制氢原子，允许改善沿着弱化区的后续分离的质量。这两种物质的注入在时间上错开。而且，这两种物质的注入能量(其取决于相应物质的重量)不一定相同。本领域技术人员有能力根据要形成的弱化区的深度来限定针对这两种物质的剂量和能量参数。

在经由供体基板30和/或受体基板10的表面的可选等离子体活化之后，基板接触并以分子方式键合。等离子体活化的效果是增加这两个基板之间的结合能量。结合能量的这种增强也可以通过在结合O3/RCA清洁类型之前进行清洁来获得，其中SC1在低于50℃的温度下进行。这种清洁对于技术人员来说是公知的，因此不再详细描述。简单地回顾一下，RCA包括一序列所谓的SC1和SC2浴。SC1是H2O、H2O2以及NH4OH的混合物。SC2是H2O、H2O2和HCl的混合物。在这些SC1浴与SC2浴之间执行H2O冲洗。O3清洁对应于第一H2O浴，其中溶解有臭氧气体。

如可以在图4中看出，这两个基板的晶圆没有垂直于表面的边缘，而是具有由箭头C指示的边缘滚落。因此，基板10和30没有结合得远到它们的边缘，而是远到边缘滚落。

然后沿弱化区31分离供体基板30。为此，可以利用机械力或温度升高来启动分离；分离以分离波的形式在整个表面上传播。由此获得的SeOI结构如图5所示。由于晶圆边缘滚落存在，因而，供体基板30的转移部分通常不在受体基板10的整个表面上延伸，而是仅延伸得远到周边冠部CP的极限。

对于300mm晶圆来说，周边冠部CP通常相对于晶圆边缘具有1mm的宽度。

在引言中描述的锯齿状边缘现象转化为在周边冠部CP内存在转移区(即，存在氧化物20和薄层32)。

锯齿状边缘现象似乎是由于氢和氦注入能量太高的事实。

然而，为了转移足够厚的半导体层，可能需要这样的能量来形成足够深的弱化区。

本发明人已经观察到，当氧化物层较厚(大约0.7μm至3μm)时，通过注入和结合工艺转移的硅的表面具有更大的粗糙度。结果，旨在使所转移薄层表面平滑并去除注入缺陷的处理将导致大量材料的去除，因此，需要尽可能深地执行注入以转移足够厚的层，从而在抛光后获得希望厚度。

另外，本发明人已经认识到存在待转移层的临界厚度，在该层之上，用于切割的分离波趋于将供体基板的周边冠部压靠受体基板的周边冠部(最初没有与其结合)，从而发生将供体基板材料转移到受体基板的周边冠部中。该临界厚度取决于执行分离的结构，特别是取决于待转移层的厚度。

一般来说，利用本发明，可以通过以下步骤来防止或至少减少锯齿状边缘现象：首先为每种物质确定注入能量范围(或者至少确定能量注入值)，其不会导致存在转移到受体基板的周边冠部中的区域(这种合适的能量通过在分离后检查剩余供体基板的周边冠部来确定)，并且通过利用在所述范围内的注入能量(或者等于或低于确定的值)，将单晶半导体层从供体基板转移到受体基板上。可选地，如果所使用的注入能量对应于转移层的厚度，该厚度比最终SeOI结构的薄半导体层的希望厚度薄，则在转移层上执行外延生长直到获得希望厚度为止。

利用本发明，由此可以针对要制造的特定SeOI结构，为要被注入以形成弱化区的这两种物质初始地确定合适的注入能量。

该确定方法意味着，考虑到确定用于注入工艺的窗口，制造几个测试SeOI结构，其中每个结构都对应于不同的共同注入能量，所述窗口将限制甚至防止锯齿状边缘的形成。

更具体地说，制造测试SeOI结构包括以下步骤(参见图5)：

(i)在供体基板30和受体基板10中的至少一个上形成介电层(通常为氧化物)；

(ii)利用所确定能量将物质共同注入供体基板30中以形成弱化区31；

(iii)将供体基板30结合到受体基板10上，以使所述介电层位于结合界面处；

(iv)沿着弱化区31分离供体基板30，以转移单晶半导体层32并且回收供体基板的剩余部分34。

基板的剩余部分34被用于确定在步骤(ii)的共同注入条件是否导致锯齿状边缘现象。

为此，利用Edgescan^TM设备检查供体基板的剩余部分34的周边冠部CP，其允许观察基板周边上的缺陷。所述设备被广泛用于SeOI结构的生产线，在此不再详述。

该检查允许得出以下结论：

-如果供体基板的剩余部分的冠部展示已经转移到受体基板上的区域(露出锯齿状边缘)，则步骤(ii)的注入能量太高；

-如果所述冠部没有转移到受体基板上的区域(意味着没有生成锯齿状边缘)，则步骤(ii)的注入能量是合适的。

可选地，该检查可以在SeOI结构上进行，该结构对应于供体基板的剩余部分的负印记。然而，对剩余部分的检查具有的优点在于，其可以与SeOI结构的连续制造工艺并行进行。

通过针对不同的注入能量进行该测试，确定注入能量的范围，该范围允许防止形成锯齿状边缘。

因此，为了随后制造SeOI结构，将使用处于所述范围内的注入能量。

这些SeOI结构的制造根据Smart Cut^TM工艺执行，并且允许获得如图5所示的基本上没有锯齿状边缘的SeOI结构。供体基板的剩余部分可以丢弃或者再循环用于另一用途。

如可以在图5中看出，受体基板上的转移层32的厚度指示为E1。

如果SeOI结构的薄层需要厚度E2大于厚度E1，那么通过在转移层32上进行外延步骤直到获得希望厚度E2(图6中所示的最终层33)来获得该附加厚度。

合适注入能量的范围可以根据埋置氧化物层的厚度而变化。因此，可以针对具有不同特性(就材料、氧化层厚度等而言)的SeOI结构来实施上述确定方法。

尽管氦和氢通常不会以相同的能量注入，但针对氦的注入能量被定义为针对氢的注入能量的函数：确定针对氢的注入能量以获得弱化区的确定深度，然后确定氦的注入能量，以使氦的注入峰值接近氢的注入峰值。结果，在本发明中，确定针对氢的合适注入能量就足够了，然后本领域技术人员就能够确定要使用的氦注入能量。

图7A至7C是针对32keV与68keV之间的不同氢注入能量，对具有1μm厚氧化物层的SeOI结构中的供体硅基板的剩余部分的周边冠部CP进行Edgescan^TM检查的视图。图7A对应于350nm的注入深度，图7B对应于420nm的注入深度，而图7C对应于600nm的注入深度。尽管供体基板是圆形的，但利用Edgescan^TM获得的图像将基板的轮廓显示为直线。

在图7A中，周边冠部CP(对应于受体基板上的硅的未转移厚度)大致规则，其相对于基板的中心部分的边界用粗箭头指示)。应注意到，该冠部因注入而具有起泡外观。

在图7B中，可以看出，周边冠部不太规则。具体来说，由粗箭头指示的区域对应于硅从供体基板转移到受体基板上。

在图7C中，可以看出，除了粗箭头所示的几个区域外，周边冠部的硅已经转移到受体基板上(周边冠部的外观类似于基板中心部分的外观)。这似乎是由于这样的事实，即，待转移层相当坚硬并且分离相当剧烈以致供体基板(其最初在边缘滚落区域未结合至受体基板)已被压靠受体基板远到其边缘，从而导致几乎整个供体基板转移到受体基板上。

从这些图中可以推断出，导致注入深度为420nm和600nm的注入能量会引起锯齿状边缘现象，因此太高了。另一方面，导致注入深度为350nm的注入能量是合适的。

结果，对于制造具有1μm厚度的氧化物层的SOI来说，有利地执行氢和氦的共同注入以达到不超过370nm的注入深度。可选地，如果SOI的硅层必须具有比转移层的厚度更大的厚度，那么使用外延来获得所需厚度。

参考文献

WO 2009/034113