專利名稱：制造二氧化硅層的方法
技術領域：
本發明涉及在基底上沉積的低粗糙度的二氧化硅層的制造方法，和尤其在光學、光電子或電子學領域中應用的包括這種二氧化硅層作為埋層的復合基底或晶片的制造方法。
圖1A-1E示出了制造這種復合基底所使用的現有技術的方法的不同步驟。
根據圖1A可看出，二氧化硅層2首先沉積在被稱為“源基底”的本體基底1上，這是因為它用于提供隨后構成復合基底頂層的材料。鑒于旨在獲得的復合基底的種類，這種源基底可以是例如硅、鍺化硅、應變硅或鍺。
在實現沉積二氧化硅層2所使用的不同技術當中，本領域技術人員已知的一種簡稱為“LPCVD TEOS”，它是指使用“原硅酸四乙酯”作為源材料，“低壓化學氣相沉積”二氧化硅膜。
通過在LPCVD反應器內引入一個基底或者一批基底1，并將反應器內的基底暴露于作為二氧化硅(SiO2)用源材料的原硅酸四乙酯(其化學式為Si(OC2H5)4)下，從而進行這種沉積。
與其它氧化物沉積方法，例如低溫或者高溫沉積方法相比，這一方法在所得氧化物層的均勻度或者密度方面提供一些優點。
然后，對如此獲得的二氧化物層2進行熱退火，以便改進其結構和電性能。
然而，與熱生長的層相比，用TEOS沉積的層具有顯著較高的表面粗糙度。因此，要求額外的化學機械拋光(CMP)步驟，使二氧化硅層2的自由面光滑，之后將其與另一基底粘結。
為了進行這一步驟，人們使用具有研磨膏或者液體的拋光頭4(在圖1B上可看出)。
然后，根據圖1C可看出，通過注入原子物質，在源基底1內部產生弱化區(zone of weakness)10。
術語“原子物質注入”是指能將所述物質引入到源基底1的材料內的分子或者離子、原子物質的任何轟擊，且所述物質的最大濃度在距離被轟擊表面的特定深度處，在本發明的情況下，其深度優選大于二氧化硅層2的厚度。采用同樣大約在最大值處分布的能量，將分子、離子或原子物質引入到該材料內。
可例如使用離子束注入機或者等離子體注入機，將原子物質注入到所述源基底1內。
優選地，通過離子轟擊進行所述注入。更優選，所注入的離子物質是氫。可有利地單獨或者結合氫使用其它離子物質，如稀有氣體(例如，氦)的離子。
弱化區10在兩部分，亦即基底的薄頂層11和其余部分12之間的界面處標記。
作為例舉，可參考涉及以商品名“Smart Cut”公知的方法的文獻。
然后通過分子粘結到二氧化硅層2的自由面上，從而粘結支持基底3(參見圖1D)。
最后，根據圖1E可看出，將其余部分12從源基底1上沿著弱化區10分離(detach)，以保持僅僅頂層11在二氧化硅層2和支持基底3上。
關于分離，可單獨或者結合使用下述技術之一施加機械或者電來源的應力，化學蝕刻或者供應能量(激光、微波，其中包括熱和爐處理)。所述分離技術是本領域技術人員已知的，且此處將不會更詳細地描述。
如此獲得的復合基底標記為4。
在以上提及的方法中，圖1B的拋光步驟具有許多缺點，例如所得層2缺少均勻度，該方法的重現性差且該方法的生產量低。
此外，這一額外的步驟增加每一基底或晶片的制造成本。
本發明的目的是克服以上提及的缺點，尤其省去化學和機械拋光步驟。
因此，本發明的目的是改進LPCVD TEOS沉積方法，以便獲得高質量的二氧化硅層2，就表面粗糙度、均勻度和顆粒密度來說，所述二氧化硅層2滿足基底直接粘結的標準且可用作氧化物埋層。
最后，本發明的目的還在于提供具有優異電特征的界面。
為此，本發明提供制造低粗糙度的二氧化硅層的方法。
該方法的特征在于，它包括由下述組成的下述步驟-通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)方法，在基底上沉積二氧化硅層，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；-在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續時間。
優選地，稀釋劑氣體選自氮氣、氬氣(Ar)、氦氣(He)及其混合物。
優選地，退火在介于700℃至900℃的溫度下進行1至4小時的持續時間。
有利地，其在含氮氣、氬氣或氦氣或其任何混合物的惰性環境下進行。
可單獨或者結合本發明的下述其它有利的但非限制性的特征-在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比優選介于2至10，更優選約3.6；-沉積溫度優選介于625℃至725℃，更優選介于650℃至700℃，最優選約675℃；-沉積壓力優選介于10至1000Pa，更優選介于50至150Pa，最優選約100Pa；-TEOS流量優選介于10至200sccm，更優選50至90sccm，最優選約70sccm，和氮氣流量優選介于10至2000sccm，更優選100至500sccm，和最優選約250sccm。
有利地，添加氧氣流體到氮氣/TEOS混合物中，其中氧氣流量介于5至100sccm，優選10至40sccm，和更優選約25sccm。
優選地，所述二氧化硅層的厚度介于10至400nm。
本發明還提供尤其在光學、光電子或電子學領域中應用的具有二氧化硅埋層的復合基底的制造方法。
該方法包括由下述組成的下述步驟a)通過任何前述權利要求的方法，在被稱為“源基底”的第一基底上沉積二氧化硅層；b)在所述源基底內注入原子物質，在其內確定弱化區，所述弱化區分開薄的頂層與所述基底的其余部分，所述薄的頂層與所述二氧化硅層接觸；c)通過分子粘合，對著二氧化硅層直接粘結被稱為“支持基底”的第二基底；d)將源基底的其余部分沿著所述弱化區分離，以便獲得所述復合基底。
有利地，由選自硅、鍺、鍺化硅(SiGe)或應變硅的材料制造源基底。
根據本發明的下述說明，本發明的其它特征和優點將變得顯而易見。
參考附圖，數本發明，其中-圖1A-1E是在具有二氧化硅埋層的復合基底的現有技術的制造方法中所使用的不同步驟的示意圖，-圖2是顯示作為二氧化硅層的平均厚度值(MT)的函數，二氧化硅層厚度的標準偏差(SDT)的圖表，其中根據各種“LPCVD TEOS”方法沉積二氧化硅層，它們中的一些對應于本發明，和其它對應于對比方法。
-圖3是顯示作為二氧化硅層的平均厚度值(MT)的函數，二氧化硅層的粗糙度(R)的圖表，其中根據各種“LPCVD TEOS”方法沉積二氧化硅層，它們中的一些對應于本發明，和其它對應于對比方法。
根據本發明，如下所述改進圖1A中二氧化硅的沉積步驟。
發明人現已發現，在沉積方法過程中，通過同時使用稀釋劑氣體流體，和TEOS流體，可降低通過“LPCVD TEOS”沉積方法獲得的二氧化硅層的粗糙度。稀釋劑氣體優選氮氣，但它可以是對TEOS不具有反應性的任何其它氣體，其中氬氣(Ar)和氦氣(He)是非限制性實例。或者，可使用這種非反應性氣體的任何混合物。
現描述測定最佳操作條件的試驗。
通過低壓蒸氣化學沉積(LPVCD)方法，進行二氧化硅的沉積，其中包括-在LPCVD反應器的工藝腔室內引入一批源基底；-在升高的溫度下，在低壓下，引入不同化學反應物的氣體流體，以便作為在氣體反應物之間化學反應的結果，形成二氧化硅層。
在這些試驗中所使用的反應器是垂直間歇反應器(由ASM公司銷售，商品名稱為“A400”)。
氣體反應物是原硅酸四乙酯(TEOS)、氧氣，在一些情況下的氮氣。
TEOS是相對惰性的材料，在室溫下為液體。TEOS蒸氣可從鼓泡器中使用載體氣體，例如氮氣或者氬氣，或者由液體直接注射體系供應到反應器的工藝腔室內。
1)對比方法a)方法A使用在下表1提及的操作條件，在三個硅基底上分別制造三層二氧化硅層。
表1
“atm”是指“大氣壓”“sccm”是指“標準立方厘米/分鐘”750mTorr等于100Pa。
通過下述反應形成二氧化硅層Si(OC2H5)4(液體)→SiO2(固體)+4C2H4(氣體)+2H2O(氣體)在這一情況下，氮氣僅僅用于吹掃工藝腔室，但在沉積步驟過程中不存在。
重復沉積工藝，以便獲得不同厚度的二氧化硅層。
這一方法被稱為方法A。
b)方法B使用表1中提及的操作條件，重復方法A，所不同的是沉積壓力為1200mTorr(160Pa)，而不是750mTorr(100Pa)。
這一方法被稱為方法B。
c)方法C使用表1中提及的操作條件，重復方法A，所不同的是沉積溫度為635℃，而不是675℃，和TEOS流量為50sccm，而不是70sccm。
這一方法被稱為方法C。
2)根據本發明的方法a)方法D重復以上提及的方法，但采用表2中提及的操作條件。
表2
“atm”是指“大氣壓”“sccm”是指“標準立方厘米/分鐘”750mTorr等于100Pa。
這一方法被稱為方法D。
b)方法E重復方法D，但使用250sccm的氮氣流量，而不是500sccm。
這一方法被稱為方法E。
下表3中概述了五種以上提及的方法的主要沉積參數。
表3TEOS沉積步驟的對比
然后，在氮氣或者氬氣中，在大氣壓下，在介于700至900℃的溫度下，使不同的二氧化硅層進行退火步驟1-4小時。
在使通過退火步驟獲得的二氧化硅(SiO2)層致密化之后，通過ADEACUMAP反射儀測量這一SiO2層的厚度。
在圖2中示出了結果。
圖2的圖表代表在致密化之后，以埃(0.1nm)為單位的SiO2層厚度的標準偏差(SDT)，與以埃(0.1nm)為單位的通過方法A-E獲得的SiO2層在沉積之后的平均厚度(MT)的對比。
在所述附圖中可看出，采用方法D獲得了厚度均勻的良好結果，和尤其低于200nm的厚度來說，采用方法E，獲得了更好的結果。
此外，通過AFM技術，在不同的致密化氧化物層的中心處，對1×1μm2進行粗糙度測量。
圖3中示出了結果。
圖3的圖表代表對于通過方法A-E獲得的SiO2層來說，以埃(0.1nm)為單位的粗糙度RMS值(R)，與以埃(0.1nm)為單位的在沉積之后的平均厚度(MT)的對比。
這種粗糙度測量的目的顯然是表征氧化物層直接粘結到支持基底上的能力。
典型地低于0.55nm的粗糙度允許粘結。
根據圖3中可看出，沉積越厚，粗糙度越大，在給定的厚度處，方法E得到最好的結果，即低的粗糙度。
另外，可實現待粘結的一個或兩個表面的等離子體活化的處理，以便進一步提高粘結能。
最后，如下概述了根據本發明方法的最佳操作條件TEOS優選10至200sccm，更優選介于50至90sccm，最優選約70sccm。
氧氣流量優選5至100sccm，更優選10至40sccm，最優選約25sccm。
氮氣流量優選10至2000sccm，更優選100至500sccm，最優選約250sccm。
氮氣原硅酸四乙酯之比優選0.5至100，更優選2至10，最優選約3.6。
沉積溫度優選625℃至725℃，更優選650℃至700℃，最優選約675℃。
沉積壓力優選10至1000Pa，更優選50至150Pa，最優選約100Pa。
退火條件優選溫度為600℃至1200℃，經10分鐘至6小時的持續時間，更優選溫度為700至900℃經1至4小時的持續時間。
盡管最簡單地在大氣壓下操作的退火爐內進行退火，但也可在較低或較高的壓力下進行退火。在以上定義的范圍內的操作條件取決于特定的沉積反應器條件，例如反應器的幾何形狀和尺寸。
此外，退火環境看起來不是非常關鍵的。盡管惰性的退火環境，例如氮氣、氬氣或氦氣的優點是，在沉積的氧化物層下的基底沒有被氧化，但在惰性環境內退火，以及在氧化環境，例如空氣，或者氮氣/空氣混合物中退火將降低膜的表面粗糙度。
顯然，由于在退火過程中底下基底的氧化是非所需的，因此在制造方法中，優選惰性的退火環境。
本發明還提供參考圖1A-1E，如前所述的復合基底4的制造方法，但根據以上所述的方法，實現LPCVD步驟。
此外，省去圖1B中現有技術的CMP步驟。
作為例舉，可通過分別使用硅、鍺化硅、應變硅和鍺作為源基底1，可獲得簡稱為“SOI”、“SGOI”、“sSOI”和“GOI”的基底(它們分別是指“在絕緣體上的硅”、“在絕緣體上的鍺化硅”、“在絕緣體上的應變硅”和“在絕緣體上的鍺”)。
權利要求
1.制造低粗糙度的二氧化硅層(2)的方法，該方法包括下述步驟-通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)方法，在基底(1)上沉積二氧化硅層(2)，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；-在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續時間。
2.權利要求1的方法，其中稀釋劑氣體選自氮氣、氬氣(Ar)、氦氣(He)及其混合物。
3.權利要求1或2的方法，其中在介于700℃至900℃的溫度下進行退火1至4小時的持續時間。
4.前述權利要求中任何一項的方法，其中在含氮氣、氬氣或氦氣或其任何混合物的惰性環境下進行退火。
5.前述權利要求中任何一項的方法，其中在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比介于2至10。
6.權利要求5的方法，其中在沉積方法過程中，氮氣/TEOS之比為約3.6。
7.前述權利要求中任何一項的方法，其中沉積溫度介于625℃至725℃。
8.權利要求7的方法，其中沉積溫度介于650℃至700℃。
9.權利要求8的方法，其中沉積溫度為約675℃。
10.前述權利要求中任何一項的方法，其中沉積壓力介于10至1000Pa。
11.權利要求10的方法，其中沉積壓力介于50至150Pa。
12.權利要求11的方法，其中沉積壓力為約100Pa。
13.前述權利要求中任何一項的方法，其中TEOS流量介于10至200sccm，和氮氣流量介于10至2000sccm。
14.權利要求13的方法，其中TEOS流量介于50至90sccm，和氮氣流量介于100至500sccm。
15.權利要求14的方法，其中TEOS流量為約70sccm，和氮氣流量為約250sccm。
16.前述權利要求中任何一項的方法，其中添加氧氣流體到氮氣/TEOS混合物中，其中氧氣流量介于5至100sccm。
17.權利要求16的方法，其中氧氣流量介于10至40sccm。
18.權利要求17的方法，其中氧氣流量為約25sccm。
19.前述權利要求中任何一項的方法，其中所述二氧化硅層(2)的厚度介于10至400nm。
20.特別在光學、光電子或電子學領域中應用的具有二氧化硅埋層(2)的復合基底(4)的制造方法，特征在于，該方法包括由下述組成的步驟-a)通過任何前述權利要求的方法，在被稱為“源基底”的第一基底(1)上沉積二氧化硅層(2)；-b)在所述源基底(1)內注入原子物質，在其內確定弱化區(10)，所述弱化區(10)分開薄的頂層(11)與所述基底的其余部分(12)，所述薄的頂層(11)與所述二氧化硅層(2)接觸；-c)通過分子粘合，對著二氧化硅層(2)直接粘結被稱為“支持基底”的第二基底(3)；-d)將源基底(1)的其余部分(12)沿著所述弱化區(10)分離，以便獲得所述復合基底(4)。
21.權利要求20的方法，其中源基底(1)包括選自硅、鍺、鍺化硅(SiGe)或應變硅的材料。
全文摘要
本發明涉及制造低粗糙度的二氧化硅層(2)的方法，該方法包括下述步驟通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)方法，在基底(1)上沉積二氧化硅層(2)，該沉積方法同時使用原硅酸四乙酯(TEOS)流體作為膜沉積用源材料和對TEOS不具有反應性的稀釋劑氣體流體，以便稀釋劑氣體/TEOS之比介于0.5至100；在介于600℃至1200℃的溫度下使所述二氧化硅層退火10分鐘至6小時的持續時間。
文檔編號H01L21/762GK101023517SQ200480044013
公開日2007年8月22日 申請日期2004年9月16日 優先權日2004年9月16日
發明者K·布德爾, N·達瓦爾, I·凱爾富爾克, S·R·A·范阿爾德, M·J·德布蘭克, C·A·范德尤德 申請人:S.O.I.泰克絕緣體硅技術公司