[发明专利]绝缘体上的硅衬底的制造方法

说明书

本发明涉及一种制造绝缘体上的硅衬底的方法及设备，能使膜厚均匀性极佳，并可很好地抑制膜的空位(或空隙)及界面态，特别涉及一种制造绝缘体上的硅(以下称为SOI)衬底的方法及制造设备，适用于在玻璃之类的透明绝缘衬底或有氧化膜的硅衬底上的单晶半导体层上制造功能强、性能佳的电子器件及大规模集成电路等等。

众所周知，在绝缘体上形成单晶硅半导体层是在绝缘体上的硅(SOI)技术，因为该衬底有许多制造一般硅集成电路的体硅衬底所不具有的优点，所以，已对此作了大量研究。

[SOS和SIMOX]

一种常规的SOI技术被称之为SOS(兰宝石上的硅)，这是一种在兰宝石上异质外延生长硅层的技术，但异质外延生长的硅单晶质量很差。而且，这种SIMOX(注入氧隔离)技术已实际用作SOI形成技术，用于在硅中离子注入大量氧离子，然后，把所得制品退火，由此由离子注入的氧形成埋于硅表面下约0.2μm处的SiO₂层。然而，这样离子注入大量氧和进行退火需要很多时间，于是便产生了生产率低和成本高的问题，而且离子注入在SOI硅层中产生了大量晶体缺陷。目前减少氧离子的注入以保持氧化层的膜质量还很难，而且一般认为很难改变离子注入的SiO₂膜层的厚度。

[键合SOI]

最近报道的SOI形成技术中，有一种一般被称之为“键合SOI”的技术，其质量特别好。这是一种这样的技术，即，使在至少一个晶片上通过氧化等形成有绝缘膜的两晶片的镜面相互紧密键合，并对它们进行热处理，以加强键合界面的耦合，然后，从两侧抛光或刻蚀衬底，在绝缘膜上留下任意厚的硅单晶薄膜。此技术最重要的一点是将硅衬底减薄成薄膜的步骤。更具体地，约几百微米厚的硅衬底一般需要均匀地抛光或刻蚀到几微米或甚至1微米或更薄，在技术上很难保证其可控制性和均匀性。大致有两种把硅衬底减薄成薄膜的方法。一是通过抛光进行减薄的方法(BPSOI：键合和抛光SOI)，另一种方法是直接在要保留的薄膜上提供刻蚀停止层(实际上在制造单晶衬底期间直接在薄膜下)，并进行衬底刻蚀和刻蚀停止层的刻蚀这两步工艺(BESOI：键合和背面刻蚀SOI)。由于在BESOI中，经常是在预先形成的刻蚀停止层上外延生长硅有源层，所以，到目前为止，一般认为BESOI的优点是为了保证膜厚的均匀性。然而，由于刻蚀停止层经常含有高浓度的杂质，这会引起晶格畸变，从而引起晶体缺陷延伸至外延层的问题。而且，很可能由于键合后外延层的氧化或退火引起杂质扩散，从而改变刻蚀特性。

在这些键合的SOI中，若键合表面存在沾污或粗糙不平，由于键合表面的平整度很差，键合界面会出现大量被称之为“空位”的空隙。由此看来上面讨论的BESOI还有许多缺点。原因如下：通常，例如由CVD异质外延生长或掺杂高浓度的杂质的外延生长来形成刻蚀停止层。利用CVD时，特别是异质外延生长时，所得的平整度经常比抛光所得平面的平整度差。有时离子注入形成刻蚀停止层，但这种情况下的平整度也很差。

[新BESOI技术]

获得优良平整度的键合表面、象BESOI中一样膜厚均匀的有源层及比常规BESOI大几个数量级的背面刻蚀选择性的技术的一个实例是，通过在硅衬底表面上阳极氧化和外延生长硅有源层使硅衬底表面多孔(日本特许公开5-21338)的技术。在这种情况下，多孔层相当于BESOI中的刻蚀停止层。然而，由于用氢氟酸为基的刻蚀剂刻蚀多孔硅的速率比单晶硅的刻蚀速度高，所以，认为其高刻蚀选择性比刻蚀停止层更重要。因此不用CVD技术形成多孔硅层，而是用平整的单晶硅衬底表面的阳极氧化，所以外延生长有源层的平整度变得比利用CVD等形成腐停止层的BESOI的好。在此表面上生长的外延层具有的结晶度几乎等于在无孔单晶衬底上生长的外延层的结晶度。这使我们可以用具有高可靠性、等效于单晶硅衬底上的外延层的单晶薄膜作有源层，从而提供具有极佳结晶度和极佳膜厚均匀性的SOI衬底。