特開 2017-157811 ＳＯＩ基板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-157811(P2017-157811A)

(43)【公開日】2017年9月7日

(54)【発明の名称】ＳＯＩ基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20170810BHJP

   H01L 27/12 20060101ALI20170810BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20170810BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/12 B

   H01L21/265 Q

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2016-139399(P2016-139399)

(22)【出願日】2016年7月14日

(31)【優先権主張番号】201610120843.4

(32)【優先日】2016年3月3日

(33)【優先権主張国】CN

(71)【出願人】

【識別番号】516145552

【氏名又は名称】上海新昇半導體科技有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100082418

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 朔生

(72)【発明者】

【氏名】肖徳元

(72)【発明者】

【氏名】張汝京

(57)【要約】      （修正有）

【課題】重水素ドープ層を備えるＳＯＩ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】第１半導体基板を用意し、第１ウェハを形成するために第１半導体基板の上面で第１絶縁層を成長させ、第１絶縁層の上面から既定の深さまでドープ層を形成するために第１半導体基板にイオンビームを照射し、第２基板を用意し、第２ウェハを形成するために第２半導体基板の上面で第２絶縁層を成長させ、第１ウェハを第２ウェハに接合し、第１ウェハ及び第２ウェハを重水素雰囲気中でアニールし、第１ウェハの一部を第２ウェハから分離し、重水素ドープ層を第２ウェハ上に形成することを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１半導体基板を用意するステップと、
第１ウェハを形成するために前記第１半導体基板の上面に第１絶縁層を形成するステップと、
前記第１絶縁層の上面から既定の深さまでドープ層を形成するために前記第１半導体基板にイオンビームを照射するステップと、
第２半導体基板を用意するステップと、
第２ウェハを形成するために前記第２半導体基板の上面で第２絶縁層を成長させるステップと、
前記第１ウェハを前記第２ウェハに向い合わせで接合するステップと、
前記第１ウェハ及び前記第２ウェハを重水素雰囲気中でアニールするステップと、
前記第１ウェハの一部を前記第２ウェハから分離するステップと、
重水素ドープ層を前記第２ウェハ上に形成するステップと、を含む、
ＳＯＩ基板の製造方法。

【請求項2】

前記イオンビームは水素イオンビームであり、前記水素イオンビームの加速電圧は１〜２００ｋｅｖであり、前記水素イオンビームのドープ量は１０^１６イオン／ｃｍ^２〜２ｘ１０^１７イオン／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１ウェハを前記第２ウェハに向い合わせで２００〜４００℃で接合することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１ウェハを第２ウェハに接合するステップはさらに、前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層を湿潤させ、前記第１絶縁層を前記第２絶縁層と接触させ、前記第１絶縁層を前記第２絶縁層上に接合するために前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層に加圧することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記重水素雰囲気の圧力は１０〜１０００トールであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記重水素ドープ層のドープ濃度は１０^１０原子／ｃｍ^３〜８ｘ１０^１８原子／ｃｍ^３であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第１ウェハ及び前記第２ウェハをアニールするステップはさらに、前記第１ウェハ及び前記第２ウェハを６００〜１２００℃まで加熱し、前記第１ウェハ及び前記第２ウェハを４００〜６００℃まで冷却することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記第１ウェハの一部を前記第２ウェハから分離した後に、前記第２ウェハを６００〜１２００℃まで再度加熱するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記第１ウェハ及び前記第２ウェハを再度加熱する時間は３０分〜８時間であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

半導体基板と、
前記半導体基板の上面で成長させた絶縁層と、
前記絶縁層の上面で成長させた重水素ドープ層と、を備える、
ＳＯＩ基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体基板及び半導体基板の製造方法、特にＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板及びＳＯＩ基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、多くの業界でシリコンウェハ片の代わりにＳＯＩ基板を使用して半導体集積回路が製造されている。ＳＯＩ基板の使用には、ドレイン領域と基板との間の寄生容量が低下するという利点があるため、半導体集積回路の性能を改善できる。

【0003】

半導体デバイスの製造方法に関し、例えば、特許文献１は、水素イオンをシリコンウェハにドープし、イオンドープ層をシリコンウェハの既定の深さに形成する方法を提供している。次に、この水素イオンをドープしたシリコンウェハを別のシリコンウェハに結合させ、酸化ケイ素膜を２枚のシリコンウェハ間に形成する。次に、これら２枚のシリコンウェハを熱処理によりイオンドープ層で分離すると、単結晶シリコン膜をイオンドープ層上に形成できる。

【0004】

例えば、特許文献２は、基板成長物であるゲート酸化物を重水素雰囲気中でアニールする方法を提供しており、これによりゲート酸化物と基板との間のダングリングボンドを除去できる。しかしながら、この方法は極めて高い重水素圧力下で進めなくてはならないため、半導体デバイスの製造コストが上昇する。

【0005】

上記の従来技術に鑑みて、少なくとも上記の欠点を解決できる改善されたＳＯＩ基板製造方法が必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第５３７４５６４号明細書

【特許文献2】米国特許第５８７２３８７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本願の目的はＳＯＩ基板及びその製造方法を提供することであり、このＳＯＩ基板は、ドレイン領域と基板との間の寄生容量を低下させるという利点を有し、またＳＯＩ基板の製造コストを削減できる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の問題を解決するために、本願は、ＳＯＩ基板の製造方法を提供する。
本方法は、第１半導体基板を用意し、第１ウェハを形成するために第１半導体基板の上面で第１絶縁層を成長させ、第１絶縁層の上面から既定の深さまでドープ層を形成するために第１半導体基板にイオンビームを照射し、第２半導体基板を用意し、第２ウェハを形成するために第２半導体基板の上面で第２絶縁層を成長させ、第１ウェハを第２ウェハに接合し、第１ウェハ及び第２ウェハを重水素雰囲気中でアニールし、第１ウェハの一部を第２ウェハから分離し、重水素ドープ層を第２ウェハ上に形成することを含む。

【0009】

本願はさらにＳＯＩ基板を提供し、ＳＯＩ基板は、半導体基板と、この半導体基板の上面で成長させた絶縁層と、この絶縁層上で成長させた重水素ドープ層とを備える。

【0010】

以下の詳細な説明を添付の図面と併せて読むことで、実施形態例がより容易に理解できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態によるＳＯＩ基板の製造方法のフローチャートである。

【図2A】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2B】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2C】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2D】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2E】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2F】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2G】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【図2H】ＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示及びその利点をより完全に理解するために、ここで添付の図面を参照しながら以下の説明に入るが、同様の参照番号は同様の特徴を示す。当業者ならば、本明細書に記載のものを含めて、実施形態例を実行するための他の変化形があることがわかる。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＩ基板の製造方法及びこの製造方法のステップを示したものであり、以下の各ステップを含む。
ステップ１０１（Ｓ１０１）：第１半導体基板を用意する。
ステップ１０２（Ｓ１０２）：第１ウェハを形成するために第１半導体基板の上面に第１絶縁層を形成する。
ステップＳ１０３（Ｓ１０３）：水素をソースガスとして使用し、第１絶縁層の上面から既定の深さまでドープ層を形成するために、第１半導体基板に水素イオンビームを照射する。
ステップ１０４（Ｓ１０４）：第２半導体基板を用意する。
ステップ１０５（Ｓ１０５）：第２ウェハを形成するために第２半導体基板の上面に第２絶縁層を形成する。
ステップ１０６（Ｓ１０６）：第１ウェハを第２ウェハに向い合わせで接合する。
ステップ１０７（Ｓ１０７）：第１ウェハ及び第２ウェハを重水素雰囲気中でアニールする。
ステップ１０８（Ｓ１０８）：第１ウェハの一部を第２ウェハから分離する。
ステップ１０９（Ｓ１０９）：重水素ドープ層を第２ウェハ上に形成する。
ステップ１１０（Ｓ１１０）：第１ウェハの分離部を再使用する。

【0014】

ＳＯＩ基板の製造方法をより具体的に説明するために、図２Ａ〜２ＧにＳＯＩ基板の製造プロセスの断面図を示す。

【0015】

第１ステップについて図２Ａを参照する。第１半導体基板１００を用意し、第１半導体基板１００の材料はＩＶ族、ＳｉＧｅ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩＩ族−窒素化合物又はＩＩ−ＶＩ族化合物になり得る。一実施形態において、第１半導体基板１００の材料は単結晶シリコンである。別の実施形態において、第１半導体基板１００の材料はＳｉＧｅであり、ゲルマニウムの重量パーセントは５〜９０％である。

【0016】

次のプロセスについて図２Ｂを参照する。第１ウェハ１０６用に第１絶縁層１０４を第１半導体基板１００の上面１０２に形成し、第１絶縁層１０４の材料は二酸化ケイ素、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含み得る。一実施形態において、第１絶縁層の材料は二酸化ケイ素であり、第１絶縁層１０４の厚さは０．１〜５００ｎｍである。

【0017】

次のプロセスについて図２Ｃを参照する。水素又は重水素をソースガスに使用し得て、また電界効果によりソースガスのプラズマを発生させることができる。ソースガスのイオンビームは、プラズマのイオンの使用により発生させ得る。

【0018】

一実施形態において、水素をソースガスに使用し、第１絶縁層１０４の上面１１０から既定の深さＨまで水素ドープ層１１２を形成するために、第１ウェハ１０６に水素イオンビーム１０８を照射する。既定の深さＨは、水素イオンビーム１０８の加速エネルギー及び水素イオンビーム１０８の入射角により制御し得て、水素イオンビーム１０８の加速エネルギーは加速電圧及びドープ濃度により制御し得る。一実施形態において、既定の深さＨは０．０１〜５μｍであり、水素イオンビーム１０８の加速電圧は１〜２００ｋｅＶであり、水素イオンビーム１０８のドープ量は１０^１６イオン／ｃｍ^２〜２ｘ１０^１７イオン／ｃｍ^２である。
次のステップについて図２Ｄを参照する。第２半導体基板２００を用意し、第２半導体基板２００の材料はＩＶ族、ＳｉＧｅ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩＩ族−窒素化合物又はＩＩ−ＶＩ族化合物になり得る。一実施形態において、第２半導体基板２００の材料は単結晶シリコンである。

【0019】

次のプロセスについて図２Ｅを参照する。第２ウェハ２０６用に第２絶縁層２０４を第２半導体基板２００の上面２０２で成長させ、第２絶縁層２０４の材料は二酸化ケイ素、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含み得る。一実施形態において、第２絶縁層２０４の材料は二酸化ケイ素であり、第２絶縁層２０４の厚さは０．０５〜１０ｎｍになり得る。

【0020】

次のステップについて図２Ｆを参照する。第１ウェハ１０６を第２ウェハ２０６に向い合わせで接合する。一実施形態においては、第１ウェハ１０６を第２ウェハ２０６に親水性接合法で接合し、第１ウェハ１０６を第２ウェハ２０６に２００〜４００℃で接合する。
親水性接合法の詳細なステップにはさらに、第１絶縁層１０４及び第２絶縁層２０４を湿潤させるステップと、湿潤した第１絶縁層１０４を湿潤した第２絶縁層２０４と接触させるステップと、第１絶縁層１０４を第２絶縁層２０４に緊密に接合するために第１絶縁層１０４及び第２絶縁層２０４に加圧するステップとが含まれる。

【0021】

次のステップについて図２Ｇを参照する。第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６を重水素雰囲気中でアニールする。一実施形態において、重水素雰囲気の圧力は１０〜１０００トールであり、アニールプロセスは、第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６を６００〜１２００℃まで加熱し、第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６の加熱時間は０．５〜８時間であるステップと、第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６を４００〜６００℃まで冷却し、第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６の冷却時間は３０〜１２０分であるステップとを含む。第１ウェハ１０６及び第２ウェハ２０６のアニール後、水素ドープ層１１２は複数の重水素ドープバブル３００に変化する。

【0022】

次のステップについて図２Ｈを参照する。重水素ドープ層４００を形成するために、第１ウェハ１０６の一部を第２ウェハ２０６から分離し、重水素ドープ層４００は第１絶縁層１０４に接合され、水素又は重水素発生バブル３００はこの重水素ドープ層４００内にある。ウェハの分離はバブル３００の領域で起きやすい。重水素ドープ層４００の重水素濃度は１０^１０原子／ｃｍ^３〜８ｘ１０^１８原子／ｃｍ^３である。

【0023】

第１ウェハ１０６の分離部をさらに化学機械研磨（ＣＭＰ）で処理し、清浄化すると、コスト削減のために第１ウェハ１０６の分離部を再使用し得ることは注目に値する。重水素ドープ層４００に接合された第２ウェハ２０６はさらに６００〜１２００℃まで加熱し得て、第２ウェハ２０６の加熱時間は３０分〜８時間である。

【0024】

ダングリングボンドは高い活性を有することから、捕獲中心が発生して電子が正孔と再結合する場合がある。結果的に、ホットキャリア効果に対する半導体デバイスのレジリエンスが低下する。
本発明は、半導体デバイス製造用のＳＯＩ基板を提供する。このＳＯＩ基板は、半導体デバイスのドレインとソースとの間の寄生容量を低下させることができ、ＳＯＩ基板にドープされた重水素原子（又は重水素イオン）は、ＳＯＩ基板上でのゲート酸化物の成長後、ゲート酸化物とＳＯＩ基板との間の界面へと拡散し得て、重水素原子（又は重水素イオン）は半導体原子に共有結合してダングリングボンドを排除し且つホットキャリア効果に対する半導体デバイスのレジリエンスを上昇させる。さらに、このＳＯＩ基板の製造方法は極めて高い重水素圧力を必要とせず、ＳＯＩ基板の製造コストを大幅に削減できる。

【0025】

開示した原理にしたがった様々な実施形態について説明してきたが、これらの実施形態が単なる例として挙げられたものであり限定的ではないことを理解すべきである。したがって、実施形態例の幅及び範囲は、上記の実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、請求項及び本開示から生じる均等物のみにしたがって定義されるべきである。さらに、記載の実施形態は上記の利点及び特徴を備えたものであるが、出願された請求項の適用を、上記の利点の一部又は全てを達成するプロセス及び構造のみに限るものではない。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】