用于转移有用层的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于转移有用层的方法，用于将有用层转移至承载体的方法包括下列步骤：通过将轻粒子注入到第一衬底中，形成脆化平面，从而在该平面与第一衬底的表面之间限定有用层的边界；将承载体安装到第一衬底的表面上，从而形成待断裂组件；沿着脆化平面对第一衬底进行热断裂处理，从而将有用层转移至支撑体上。根据本发明，该方法包括，在热断裂处理步骤期间的用于降低在承载体与第一衬底之间的界面处的外围附着度的加工步骤。
【专利说明】
用于转移有用层的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于将有用层转移至承载衬底上的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中已知用于将有用层3转移至承载衬底4上的方法，如图1所示，该方法包括下列主要步骤:
[0003]-在步骤a)中，通过将轻粒子注入到第一衬底I中，形成脆化平面(embrittlementplane)2，从而在该平面与第一衬底的表面之间限定有用层3的边界；
[0004]-在步骤b)中，将承载体4施放到第一衬底I的表面上，以便形成待断裂组件5;
[0005]-在步骤c)中，对待断裂组件5进行热脆化处理；
[0006]-在步骤d)中，在第一衬底I中，沿脆化平面2发起并传播断裂波。
[0007]在该工艺中，注入的粒子导致微型空腔的生成。热脆化处理的效果有促进生长、合并以及向这些微型空腔施加压力。仅在该热处理的影响下，或者通过额外的外力，断裂波的发起与自持(self-sustaining)传播使得有用层3能够通过脆化层2的分离而转移。
[0008]该方法(其尤其被描述于W02005043615和W02005043616，并且其表示为术语“Smart Cut?”)对于制造绝缘体上硅衬底尤其有用。在该情况中，第一衬底I和承载体4由硅晶圆构成，对第一衬底I和承载体4中的一个和/或另一个进行表面氧化。
[0009]这些绝缘体上硅衬底必须符合非常精确的规格。对于有用层3的平均厚度和厚度均匀性尤其如此。符合这些规格是将在该有用层3之中和之上形成的半导体器件的正确工作所需要的。
[0010]在一些情况下，这些半导体器件的架构需要使用具有平均厚度非常小的有用层3(例如，厚度小于50nm或甚至小于1nm的有用层)以及在衬底表面上的非常一致的厚度均勾性的绝缘体上硅衬底。因此，所期望的厚度均匀性可以大约为最多1%，这对应于在衬底的整个表面上的变化最大值一般为从+/-0.1nm到+/-lnm。
[0011 ]根据“Smart Cut”方法，一般会施加补充步骤以精加工有用层3，例如用于表面平整化的刻蚀或热处理，以便试图达到所希望的规格水平。
[0012]在断裂步骤之后，有用层4的厚度不是完全均匀的。这些厚度变化会例如为周期性图案(per1dic pattern)的形式，该周期性图案的幅度的量级为nm或半nm，波长的量级为mm或上至cm。周期性图案可以在整个有用层上都很明显，或仅在部分上很明显。厚度的变化也可以出现在有用层4的给定区域中(一般称为密集(dense)区域)，该区域对应于断裂波的发起区域。厚度的变化也可以以其他方式呈现，并且显示出其他特性。
[0013]在有用层4的厚度不均匀性较高时，为了能够获得所需的均匀性水平，通过常见的精加工技术(刻蚀、牺牲氧化、热平整化处理、抛光)来充分地修正有用层4的厚度不均匀性可能是尤其困难的。
[0014]通过尝试降低断裂波的发起和传播进行时的温度，能够降低有用层3的厚度不均匀性。在第一方案中，这可以通过降低热脆化处理步骤的温度来实现。
[0015]然而，该方案的缺点为过度延长了热脆化处理的持续时间，而这对于该方法的工业利用是不利的。在一些情况下，发现为当热处理的温度低于阈值温度时，即使对于非常长的处理时间，也不能引起断裂的发起。对于非常薄的SOI衬底(例如上面所提到的那些)的制造尤其如此。
[0016]另一方案的目标在于降低断裂波的发起和传播进行时的温度，该方案包括，在热处理步骤之后，通过在处于环境温度(ambient tempreture)下或中等温度下的待断裂组件5上施加外力(例如机械力)来引发该发起，而不在热处理步骤中引发该断裂。
[0017]然而，该方案也具有限制。其需要研发专用于该机械断裂步骤的设备，这些设备可能很复杂且昂贵，尤其是在需要将待断裂组件维持在一定温度的情况下。
[0018]此外，该断裂操作易于在有用层3或承载体4外围周围引发缺陷，该缺陷与在待断裂组件5的安装界面处机械元件的插入有关。
[0019]最后，该方案需要精确控制热脆化处理步骤的参数，以便使得脆化平面进入足够弱化的状态从而使在机械发起之后断裂能够自持地传播，而不超过阈值(在阈值之上，该发起会在热处理自身的过程中自然出现)。在批量加工衬底时这种控制尤为棘手，这是因为批量中的每个待断裂组件5对于热脆化处理的敏感度可能稍有不同。
【发明内容】
[0020]因此，本发明的一个目标为，提供用于将有用层转移至承载体上的方法，该有用层具有得到了良好控制的厚度均匀性，其中，该方法不存在上述的缺点。
[0021 ]本发明的目标尤其在于，提供有用层的平均厚度小于50nm的绝缘体上硅衬底，该有用层显示出幅度小于Inm的厚度变化。
[0022]本发明的另一目标在于，提供易于进行工业控制的用于将有用层转移至承载体上的方法。
[0023]为了实现这些目标中的至少一个，本发明的主题为用于将有用层转移至承载体上的方法，该方法包括下列步骤:
[0024]-通过将轻粒子注入到第一衬底中，形成脆化平面，从而在该平面与第一衬底的表面之间限定有用层的边界；
[0025]-将承载体安装到第一衬底的表面上，从而形成待断裂组件；
[0026]-沿着脆化平面对第一衬底进行热断裂处理，从而将有用层转移至承载体上。
[0027]根据本发明，该方法包括，在热断裂处理步骤期间的用于降低在承载体与第一衬底之间的界面处的外围附着度的加工步骤。令人意外的是，本申请的发明人已经观察到，该在组件界面处的弱化允许使用降低了量的热能而获得断裂波沿着脆化平面的发起和传播。
[0028]根据本发明的其它有益且非限制性的特征，单独使用或结合使用:
[0029].热处理步骤包括，将待断裂组件暴露于炉中的气氛。
[0030].第一衬底和承载体包括硅，炉中的气氛的温度高于350°C。
[0031].用于降低外围附着度的加工包括，将水引入到炉中的气氛中。
[0032].注入的轻粒子选自氢离子和氦离子。
[0033].在从待断裂组件的边缘出发的大于I微米的径向距离上，优选在100微米至500微米之间的范围内的径向距离上，在承载体与第一衬底之间的界面处对界面应用降低外围附着度的加工。
[0034].热断裂处理步骤包括:
[0035]-在第一温度下的第一阶段，该第一阶段不会导致断裂的发起，以及；
[0036]-在第二温度下的第二阶段。
[0037].在第二阶段期间应用降低外围附着度的加工。
[0038].用于降低外围附着度的加工在第一阶段与第二阶段之间在环境温度下应用。
[0039].第二温度低于第一温度。
[0040].用于降低外围附着度的加工包括，将待断裂组件暴露于湿度水平高于给定水平的环境并持续比给定时间段更长的时间段。
[0041].用于降低外围附着度的加工包括，将待断裂组件暴露于刻蚀环境。
【附图说明】
[0042]通过下面的参考所附附图的对本发明的具体且非限制性的实施方案的描述，本发明将得到更好的理解，在附图中:
[0043]-图1显示了根据现有技术的用于将有用层转移至承载衬底上的方法；
[0044]-图2显示了根据本发明的方法；
[0045]-图3a至图3c显示了在第一衬底和承载体的组件表面的视图上所展示的应用根据本发明的加工的各种条件；
[0046]-图4至图6显示了对于本发明的各个实施方案的热断裂处理的温度随时间的变化。
【具体实施方式】
[0047]出于简化下文描述的目的，在展示根据本发明的方法的各种实施方案中，或在根据现有技术的方法中，对于相同的元件或提供相同功能的元件使用了相同的附图标记。
[0048]参考图2而展示根据本发明的方法的具体描述。该方法将来自第一衬底I的有用层3转移至承载体4上。
[0049]第一衬底I和承载体4可以由任何给定材料组成。其可以是半导体材料(例如，硅、SiGe、锗或氮化镓)、绝缘体(例如，蓝宝石或玻璃)或压电材料(例如，钽酸锂或铌酸锂)。
[0050]第一衬底I和/或承载体4可以包括绝缘体层，该绝缘体层例如包括硅或铝的氧化物或者硅或铝的氮化物，或者由硅或铝的氧化物或者硅或铝的氮化物构成。根据情况，其可以相应地通过沉积、氧化或氮化来形成。
[0051]在本发明的一个具体的示例性实施方案中，第一衬底I和承载体4是碟形的硅晶圆，其直径一般为200mm、300mm或者甚至450mm。这些晶圆中的至少一个在其表面上具有绝缘体层，使得相应地在工艺结束时获得绝缘体上硅晶圆。然而，本发明不仅限于这些材料、仅限于该形状或仅限于这些尺寸。
[0052]根据本发明的方法包括第一步骤2a:通过将轻粒子注入到第一衬底I中形成脆化平面2，从而在该平面与第一衬底I的注入表面之间形成有用层3。
[0053]脆化平面2—般通过氢和/或惰性气体的注入而形成。从而，轻粒子可以选自氢离子和氦离子，其剂量在5el5至lel7at/cm2之间的范围内。对于注入能量，其一般在1keV到200keV之间的范围内，并且限定了离子注入的深度。
[0054]在第一步骤之后，在第二步骤2b中，将承载体4安装到第一衬底I的注入表面上，从而形成待断裂组件5。
[0055]该组装优选通过分子附着(换言之，通过在不添加粘合材料(除了水)的情况下表面彼此直接粘合)和施加附着力(主要为范德华力的类型或共价键力)而实现。
[0056]作为示例，当第一衬底I和承载体4由硅组成，并且它们中的一个或另一个在其表面上具有(有意或无意地设置的)氧化硅层时，附着力是通过吸附在表面上的水分子之间的范德华力而产生的。
[0057]在该组装步骤之前可以进行任何给定的对衬底I和承载体4的表面的前处理，例如清洗、等离子体活化等。
[0058]在接下来的步骤2c中，对待断裂组件5进行热断裂处理步骤。该步骤的目标为，生成微型空腔、薄片和/或其他类型的脆化平面2内的断裂的缺陷前体。这导致断裂波沿着脆化平面2发起和传播(在本申请中，该发起和该传播也称为“断裂”或“断裂的发起”)，以便将有用层3转移至承载体4上。换言之，在本发明中，断裂是在该热处理的过程中获得的，并且因此不需要额外施加外力。
[0059]该热断裂处理还可以有助于加强第一衬底I与承载体4之间的附着度。
[0060]在该热断裂处理步骤之后，如图2d所示，一方面由此获得了转移至承载体4上的有用层3，另一方面由此获得了有用层3从其移除的第一衬底I的剩余部分I’。可以对该剩余部分I’进行再处理，以便在新的层转移循环中用作新的第一衬底或承载体，或用于任何其他用途。
[0061]根据本发明，该方法还包括，在热断裂处理步骤2c期间并且在该断裂的发起之前，用于降低承载体4与第一衬底I之间的外围附着度的处理步骤，这在图2中由箭头6示意性地表不。
[0062]该操作的目标为，至少在外围区域的部分，换言之在其接触的表面的边缘，弱化承载体4与第一衬底I之间存在的附着的强度。
[0063]图3a至图3c在第一衬底I和承载体4的组件表面的视图上再现了在组装表面为圆形的情况下的用于应用本发明的加工的各种配置。在这些附图中，阴影区域表示外围区域的应用了该加工的部分。
[0064]该加工从而可以应用在整个外围区域上，换言之在待断裂组件5的整个轮廓线周围，如图3a所示，或者仅在该轮廓线的部分，换言之在外围区域的一部分(图3b)或多个部分(图3c)上。
[0065]无论该加工应用在整个外围区域或仅应用在外围区域的部分上，优选在从待断裂组件的边缘出发的大于I微米的径向长度d上弱化附着的强度。一般将该径向长度d选为在100微米至500微米之间。
[0066]令人意外的是，本申请的发明人已经观察到，该弱化使得能够利用降低了量的热能而获得断裂波沿着脆化平面的发起和传播。换言之，发起断裂波所需的“阈值”热能相比于不包括根据本发明的加工但其他方面的特性完全一致的方法而言降低了。
[0067]该观察的结果是多重性的。
[0068]首先，根据本发明，当应用了该用于降低外围附着度的加工时，能够在比已知的热方法的断裂温度更低的断裂温度下获得波的发起和传播。
[0069]另外，因为断裂是热发起的，所以不会遇到上述关联于断裂的机械触发的缺点。
[0070]此外，当在较低的温度下获得断裂波的发起和传播时，转移至承载体4上的有用层3显示出减小了的非均匀性。
[0071]最后，本发明的加工引起了断裂波的发起，该事实有助于该工艺的工业控制。
[0072]用于降低外围附着度的加工可以通过使待断裂组件5暴露于化学试剂而获得，该化学试剂能够影响在组装步骤期间在承载体4与第一衬底I的表面外围周围建立的键的质量或数量。
[0073]其可以是这样的刻蚀试剂，其(在外边缘的至少部分)应用至组件界面且能够刻蚀形成这些接触的表面的一种或多种材料。
[0074]其还可以是沿着组件界面扩散且能够将在接触的表面之间建立的键断开的腐蚀性试剂。
[0075]通过限制待断裂组件暴露于刻蚀和/或腐蚀性试剂的时间，确保降低附着度的效果确实被限制到接触的表面的外围区域的至少部分。
[0076]其还可以是这样的步骤:在组件界面机械冲击待断裂组件5，从而至少在外围区域的部分弱化在承载体4与第一衬底I之间存在的附着的强度。
[0077]根据几个实施方案，本发明得以实施，而刚刚作出的观察可以用以获利。
[0078]根据第一实施方案，通过在炉中将待断裂组件5暴露于已加热至断裂温度的气氛而执行热断裂处理步骤。然后，在该第一实施方案中，通过将化学试剂引入到炉的气氛中而执行用于降低外围附着度的加工。
[0079]该化学试剂将扩散进入炉的气氛中，并且在承载体4与第一衬底I之间的组件界面的受限长度上扩散，从而例如刻蚀暴露的表面和/或使在该处形成的键断开，并且在承载体4与第一衬底I之间的外围区域上降低附着度。
[0080]如同之前见到的，该加工有利于断裂波的发起和传播。
[0081]作为示例，图4显示了热断裂处理的温度随时间的变化。该图中以箭头显示了在该示例中化学试剂被引入到炉的气氛中的时刻。
[0082]该时刻可以对应于热断裂处理的开始。
[0083]然而，化学试剂的引入到炉的气氛中可以发生在热断裂处理中的更迟的时间，在暴露至炉中的气氛的一个待断裂组件5或多个待断裂组件5的脆化的初始阶段之后。
[0084]化学试剂的引入导致断裂所需热能的“阈值”水平的下降，从而以受控的方式引起该断裂。
[0085]断裂波的发起和传播可以在相对低的温度下获得，因而有用层会具有改善了的厚度均匀性。
[0086]另一方面，如果炉中的气氛的温度保持为与已知的热工艺相同，则，根据本发明，能够减少热断裂处理的持续时间。
[0087]在本发明的该第一实施方案的一个优选变化形式中，如图5所示，热断裂处理包括在第一温度下的第一阶段和第二温度下(第二温度小于第一温度)的第二阶段，该第一阶段不导致断裂的发起，用于降低外围附着度的加工在第二阶段期间应用(该图5中以箭头指示)。
[0088]术语“阶段的温度”指的是在所述阶段期间应用的平均温度，不包括初始时段和最终时段的温度上升和下降(如果平均温度很大的话)。
[0089]第一和/或第二阶段可以如前所述地各自在炉的气氛中执行，而在该情况下，阶段温度对应于炉中气氛的温度。
[0090]以此方式，本发明使得待断裂组件5能够在处于相对高温(相比于第二温度)下的第一阶段期间快速脆化。用于降低附着度的加工仅在之后的第二阶段期间应用，这导致有用层3在较低的温度下断裂，这有利于该层的均匀性。
[0091]根据本发明的第二实施方案，如图6所示，用于降低外围附着度的步骤在热处理的第一阶段(期间不发生断裂)与热处理的第二阶段之间在环境温度下执行。
[0092]从而，通过在环境温度下执行用于降低附着度的加工，能够使用更多种类的技术。
[0093]根据这样的第一技术，类似于在第一实施方案中已经展示的，在承载体4与第一衬底I之间的外围区域的至少部分的附着度的弱化通过将待断裂组件5放置在潮湿环境中持续给定的时间段而获得。“潮湿环境”应理解为湿度水平高于10%、50%或者甚至60%的环境。依据所希望的弱化程度，暴露的持续时间可以是例如10分钟、30分钟、I小时、5小时或者甚至一天或更多。该环境可以由气氛或液体构成。组件界面向该富含水的环境暴露导致一些在组装步骤期间形成的在外围的键断开，并且因此附着度降低。
[0094]根据另一技术，弱化通过将待断裂组件5放置在刻蚀环境中持续给定的时间段而获得。该环境可以由气氛或溶液构成。该溶液可以由水和10%HF构成，或者可以包括水和1 % HF。组件界面向该环境的暴露导致在承载体4和第一衬底I的接触表面的外围的刻蚀，从而导致外围附着度降低。
[0095]最后，可以设想通过在组件界面机械冲击待断裂组件5来执行用于降低附着度的步骤。
[0096]比较示例I
[0097]对由300mm直径的单晶娃晶圆构成的第一衬底进行氧化，从而在表面上形成25nm
厚度的氧化物的薄层。
[0098]分别以lel6at/cm2和lel6at/cm2的剂量、30keV和20keV的能量下将氢和氦注入该第一衬底I，以便限定有用层3的界限。
[0099]该第一衬底I和同样由300mm直径的单晶硅晶圆构成的承载体4以常规方式通过分子附着而组装在一起，从而形成待断裂组件5。
[0100]将待断裂组件5放置在炉中，并且在氮气氛下退火3小时。氮气氛处于350°的温度下。
[0101]在退火期间，断裂在炉中自发发起，并且200nm厚度的硅的有用层3被转移至承载体4上，从而形成绝缘体上硅衬底。
[0102]对该衬底的表面进行分析，其显示出最大幅度为0.4nm的厚度变化。
[0103]比较示例2
[0104]在炉中放置由25个待断裂组件5(全部与示例I中的待断裂组件相同)构成的批量。
[0105]通过仅改变炉中气氛的温度(加热至3000C)，再现比较示例I的热处理。在退火4小时后，观察到对于任何待断裂组件，断裂都没有发起。
[0106]示例I
[0107]在具有350°C的温度的氮气气氛下，将由25个待断裂组件5(全部与比较示例I中的待断裂组件相同)构成的批量放置在炉中持续2小时。
[0108]在退火之后，断裂没有发起，将批量从炉移除，并且放置在环境温度下的潮湿气氛(45%湿度)中持续I小时。
[0109]接下来，将批量放置在250°下的炉中持续2小时。在该退火之后，观察到全部晶圆已经自发断裂。
[0110]此外，对有用层的表面状态进行了分析，其显示出在晶圆上的最大幅度小于0.2nm的厚度变化。
[0111]示例2
[0112]再现示例I中的实验，但是在两个退火步骤之间，将待断裂组件5暴露于由水和稀释到10%的HF构成的溶液对晶圆边缘的化学侵蚀，以替代在潮湿气氛下进行的加工。
[0113]在有用层3上进行的测量与示例I中的测量相同。
[0114]示例3
[0115]以类似前面两个示例的方式准备待断裂衬底5的批量，并将该批量在处于350°的惰性气氛下放置在炉中持续2小时。
[0116]在不中断该退火工艺的情况下，接下来将温度降低至250°，并且在该温度下继续退火两小时。在该250°的阶段开始时，将蒸汽形式的水喷入炉的气氛中。
[0117]在退火之后，观察到全部晶圆已经断裂。在有用层上进行的平均厚度和非均匀性的测量与示例I或2中的测量相同。
[0118]显然，本发明不限于所述实施方案，并且可以在不偏离如权利要求所限定的本发明的范围的情况下设计变化的实施方案。
【主权项】
1.一种用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其包括下列步骤: -通过将轻粒子注入到第一衬底(I)中形成脆化平面(2)，从而在该平面与第一衬底(I)的表面之间限定有用层(3)的边界； -将承载体(4)安装到第一衬底(I)的表面上，从而形成待断裂组件(5); -沿着脆化平面(2)对第一衬底(I)进行热断裂处理，以便将有用层(3)转移至承载体⑷上； 该方法的特征在于，其包括，在热断裂处理步骤期间的用于降低在承载体(4)与第一衬底(I)之间的界面处的外围附着度的加工步骤。2.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，热处理步骤包括将待断裂组件(5)暴露于炉中的气氛。3.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，第一衬底(I)和承载体(4)包括硅，并且其中，炉的气氛的温度高于350°C。4.根据权利要求1或2所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，热断裂处理步骤包括: -在第一温度下的第一阶段，该第一阶段不会导致断裂的发起，以及； -在第二温度下的第二阶段，第二温度低于第一温度； 在第二阶段应用降低外围附着度的加工。5.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，第一衬底(I)和承载体(4)包括硅，并且其中，第二温度低于350°C。6.根据权利要求2至5中的任一项所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，用于降低外围附着度的加工包括将水引入到炉的气氛中。7.根据权利要求1或2所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，热断裂处理步骤包括: -在第一温度下的第一阶段，该第一阶段不会导致断裂的发起，以及； -在第二温度下的第二阶段； 用于降低外围附着度的加工在第一阶段与第二阶段之间在环境温度下应用。8.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，第二温度低于第一温度。9.根据权利要求7或8所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，用于降低外围附着度的加工包括，将待断裂组件(5)暴露于湿度水平高于给定水平的环境并持续比给定时间段更长的时间段。10.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，第一衬底(I)和承载体(4)包括硅，其中，所述环境是气氛，所述给定水平是10%，并且所述给定时间段是15分钟。11.根据权利要求7或8所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，用于降低外围附着度的加工包括将待断裂组件(5)暴露于刻蚀环境。12.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，刻蚀环境包括水和HF的溶液。13.根据前述权利要求中的任一项所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，注入的轻粒子选自氢离子和氦离子。14.根据前述权利要求中的任一项所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，在从待断裂组件的边缘出发的大于I微米的径向距离上，在承载体(4)与第一衬底(I)之间的界面处对界面应用降低外围附着度的加工。15.根据前一权利要求所述的用于将有用层(3)转移至承载体(4)的方法，其中，所述径向距离在100微米到500微米之间的范围内。
【文档编号】H01L21/762GK105870048SQ201610076558
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】D·朗德吕, O·科农丘克, N·本穆罕默德
【申请人】Soitec公司