[发明专利]衬底及其制造方法

说明书

本发明涉及一种粘合的衬底叠层、粘合衬底叠层的制造方法和使用粘合的衬底叠层制造衬底如SOI衬底的方法。

众所周知，具有SOI(绝缘体上的硅)结构的衬底(SOI衬底)是在绝缘层上具有单晶硅层的衬底。使用这种SOI衬底的装置有许多优点，使用普通的硅衬底不能获得这些优点。优点的例子如下：

(1)因为介质隔离容易，所以可以增加集成度。

(2)可以增加耐辐射。

(3)因为杂散电容小，所以可以增加装置的运转速度。

(4)不需要阱步骤。

(5)可以防止闩锁。

(6)通过薄膜形成法可以形成完全耗尽型场效应晶体管。

因为SOI结构具有上述各种优点，对其形成方法进行研究已经几十年了。

象SOI技术一样，通过CVD(化学汽相淀积法)在单晶兰宝石衬底上异向外延生长硅的SOS(在兰宝石上的硅)技术已经知道了很长时间。随着最成熟的SOI技术，这种SOS技术曾经获得了声誉。然而，SOS技术至今还没有进入实际使用，因为例如在硅层与硅层下面的兰宝石衬底之间界面上由于晶格失配产生了大量的晶体缺陷，形成兰宝石衬底的铝混杂在硅层中，衬底是昂贵的，且它难以大面积获得。

最近已经尝试不使用任何兰宝石衬底来实现SOI结构。该尝试粗分成两种方法。

在第一方法中，单晶硅衬底的表面被氧化，和在氧化物膜(SiO₂层)上形成窗口使硅衬底部分暴露。使用暴露的部分作为籽晶，单晶硅在一侧外延地生长，由此在SiO₂上形成单晶硅层(在此方法中，在SiO₂层上淀积硅层)。

在第二方法中，单晶硅衬底本身被用作有源层，和在衬底的底面上形成SiO₂层(在此方法中，没有硅层淀积)。

作为实现第一方法的方法，已知有通过CVD(化学汽相淀积)从单晶硅层的水平方向直接外延地生长单晶硅的方法，通过退火在固相中淀积非晶硅和从一侧外延地生长单晶硅的方法(固相外延生长)，通过熔融再结晶法用聚焦的高能射线束如电子束或激光束照射非晶硅层或多晶硅层使SiO₂层上的单晶硅层生长的方法(光束退火)，或者通过棒状加热器扫描带状的熔融区的方法(区熔再结晶)。

所有这些方法都有优点和缺点，以及可控制性、生产率、均匀性和质量的许多问题，所以在工业应用方面还没有投入实际使用。例如，CVD需要牺牲氧化作用形成平坦的薄膜，在结晶度方面固相外延生长较差。在光束退火法中，扫描聚焦光束需要的处理时间和光束叠加或焦点调节的可控制性都成问题。区熔再结晶是最成熟的技术，在试验的基础上已经制造了相对大规模的集成电路。然而，因为仍然保留了许多不希望有的晶体缺陷如亚晶界，所以不能形成少数载流子器件。

如上第二方法所述，例如对于外延生长来说不需要使用硅衬底作为籽晶的方法，可以使用下列四种技术。

作为第一技术，在具有V形槽的单晶硅衬底上形成氧化物膜，该槽是通过各向异性的蚀刻在表面上形成的。与单晶硅衬底的厚度几乎相同的多晶硅层淀积在氧化物膜上。之后，从底表面对单晶硅衬底抛光，由此在厚多晶硅层上形成具有由V形槽包围和介质隔离的单晶硅区域的衬底。借助于这项技术，可以形成具有满意结晶度的衬底。然而，存在可控制性和生产率的问题，其与淀积厚达几百微米的多晶硅的方法或者从底表面抛光单晶硅衬底剩下隔离的硅活性层的方法有关。

第二技术是SIMOX(由离子嵌入的氧气来分离)。在此技术中，将氧离子嵌入单晶硅衬底中形成SiO₂层。在此技术中，为了在衬底上形成SiO₂层，必须以10¹⁸(离子/cm²)或更多的剂量嵌入氧离子。这种嵌入花费时间很长，导致生产率低和制造成本高。另外，因为产生许多晶体缺陷，所以质量太差而不能制造少数载体器件。

作为第三种技术，通过介质隔离氧化多孔硅层形成SOI结构。在此技术中，通过质子离子嵌入(Imai等人，《晶体生长》杂志，第63卷，547(1983))或外延生长和形成图案在p型单晶硅衬底的表面上形成n型硅岛。在HF溶液中使此衬底阳极化仅将n型硅岛周围的p型硅衬底转化成多孔结构。之后，由于加速的氧化作用电介质地隔离了n型硅岛。在此技术中，因为在器件装配之前必须确定要隔离的硅区域，设计器件的自由度受到了限制。