專利名稱：半導(dǎo)體基片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體基片及其制造方法，更具體地說，涉及在多孔的半導(dǎo)體層上形成的非多孔的半導(dǎo)體層及其形成方法。
本發(fā)明還涉及用作為一主要采用MOSFETs和雙極性晶體管的集成電路基本部分的半導(dǎo)體基片及其形成方法。
在關(guān)于以硅為基底的半導(dǎo)體器件的集成電路(IC)技術(shù)方面，已進(jìn)行了各種，致力于硅-在-絕緣層上的形式的(SOI)結(jié)構(gòu)的研究，其中，單晶硅膜沉積在絕緣層上，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)降低了寄生電容并增強(qiáng)元件絕緣，因此，提高了晶體管的工作速度，降低了功率消耗，提高了集成密度，降低了總成本。
為了形成SOI結(jié)構(gòu)，在1970年代到1980年代初已有由Imai(K.Imai，固態(tài)電子學(xué)24(1981)，p.159)提出的“完全隔絕多孔硅法”(the Fullylsolation by Porous.Silicon(FIPOS))。FXPOS法利用多孔硅的加速氧化現(xiàn)象形成SOl結(jié)構(gòu)，但是存在問題在于，其僅固有地以小島形狀形成表面硅層。
近年來引起世界注意的其中一種SOl形成技術(shù)是晶片結(jié)合技術(shù)，圍繞該技術(shù)已經(jīng)提出各種不同的方法，因?yàn)镾Ol結(jié)構(gòu)使得在表面硅層和掩蔽的氧化硅層的厚度方面以及表面硅層的充分結(jié)晶度方面存在隨機(jī)性。
雖然最初由Nakamura等人提出該結(jié)合方法(利用該方法不需用粘接劑或任何其他中間層就可結(jié)合各晶片)，自從1984年當(dāng)J.B.Lasky等人提出使兩結(jié)合的晶片中之一變薄和在其上制作MOS晶體管的操作時(shí)，對(duì)它的研究已大范圍地進(jìn)行，(J.B.Lasky，S.R.Stiffler，F(xiàn).R.White，和J.R.Abernathey，國際電子的器件會(huì)議技術(shù)匯編(IEEE，紐約，1985)，p.684)。
利用Lasky等人的方法，作為單晶硅晶片的第一晶片摻有高濃度的硼和在其上形成有低濃度的或n-型外延硅層和在n-型外延硅層表面上形成一具有氧化物膜的第二晶片(如果需要)，然后使之彼此緊密接觸，使得由于范德瓦爾力使二晶片彼此結(jié)合。對(duì)二晶片進(jìn)行熱處理以便在其間形成共價(jià)鍵結(jié)合，因此使結(jié)合強(qiáng)度增加到這樣一種程度，即不會(huì)影響器件的制造。然后，利用氫氟酸、硝酸、乙酸的混合液體對(duì)第一晶片在它的背側(cè)進(jìn)行蝕刻，以便選擇性地除去p+硅晶片，使得僅外延硅層保留在第二晶片上，該方法還被稱為單蝕刻終止法。然而，每次對(duì)p+硅的蝕刻率與對(duì)外延硅(p-或n型)的蝕刻率的比低至幾十，因此需要更進(jìn)一步改進(jìn)，以便使在整個(gè)晶片表面上保留的外延硅層厚度均勻。
由此，已設(shè)計(jì)出能夠進(jìn)行兩次選擇性的蝕刻的方法。即，當(dāng)?shù)谝换纬蔀榈?雜質(zhì)-濃度硅晶片基片(在其表面上層積一p++型Si層和一低雜質(zhì)濃度層)時(shí)，然后將該第一晶片結(jié)合到如上所述的第二晶片上。然后，通過研磨、拋光或任何其它機(jī)械方法在它的背側(cè)使第一基片薄化。接著對(duì)第一基片進(jìn)行選擇性的蝕刻，直到掩埋在第一基片中的p++硅層的整個(gè)表面被暴露。在這樣的情況下，該選擇性的蝕刻由于基片的雜質(zhì)-濃度的差別由于使用堿性液體比如乙二胺鄰苯二酚(ethylene diamine pyrocatechol)、氫氧化鉀等而受影響。然后，利用氫氟酸、硝酸、乙酸的混合液體進(jìn)行選擇性蝕刻，以便選擇性地除去暴露的p++硅層，正如利用上述Lasky法的情況一樣，使得僅上述低-雜質(zhì)-濃度單晶硅層轉(zhuǎn)移到第二基片(該方法還被稱為單蝕刻(終止)法)。這種方法通過多次進(jìn)行選擇性的蝕刻，改善整體的蝕刻選擇性，使得在SOl中的表面硅層的厚度更均勻。
然而，可以預(yù)料利用上述基片的雜質(zhì)-濃度或成分的差別的選擇性的蝕刻來薄化一些層，將受到該雜質(zhì)-濃度的深度分布特性的影響。即，如果晶片在結(jié)合后在高的溫度下進(jìn)行熱處理，以便增加結(jié)合強(qiáng)度，在掩蔽層中的雜質(zhì)擴(kuò)散，引起降低膜厚的均一性，以致選擇性的蝕刻效果下降。因此，結(jié)合后必須在800℃或更低的溫度下進(jìn)行熱處理。而且，因?yàn)閿?shù)次蝕刻中的每一次將具有低的蝕刻選擇性，在大量生產(chǎn)的時(shí)候得設(shè)法解決可控性的問題。
與上述方法(其中蝕刻選擇性取決于雜質(zhì)-濃度或成分的差別)相對(duì)比，公開的日文專利申請(qǐng)第5-21338號(hào)利用結(jié)構(gòu)差別以保證選擇性。即，由于每單位體積的表面面積(例如200m2/cm3)的多孔硅結(jié)構(gòu)和非多孔硅之間的差別，這種方法實(shí)現(xiàn)了高達(dá)100,000的蝕刻選擇性，該方法被稱為利用多孔硅利用結(jié)構(gòu)差別的選擇性蝕刻法。利用這種方法，將指定為第一基片的單晶硅用晶片的表面陽極化(anodized)以形成多孔硅，在此之后在其上外延生長一非多孔單晶硅層以便提供第一基片。然后，其結(jié)合到第一基片和按照要求對(duì)其進(jìn)行熱處理，以便提高結(jié)合強(qiáng)度。接著進(jìn)行研磨、拋光或類似操作，除去第一基片的背側(cè)，因此暴露多孔硅層的全部表面。接著，通過蝕刻選擇性地除去多孔硅，導(dǎo)致上述非多孔單晶硅層轉(zhuǎn)移到第二基片上。由于可達(dá)到多達(dá)100,000的高蝕刻選擇性，在這種外延生長的過程中通過蝕刻、映射單晶硅層的均勻度，使所達(dá)到的SOI層厚度的均勻度受到小的損害。即，正像在利用可商用得到的CVD外延生長裝置的情況一樣，這種方法例如對(duì)于SOI-Si層達(dá)到1.5％-3％或更低的晶片內(nèi)的均勻度。這種方法使用多孔硅(作為選擇性蝕刻的材料)作為在FXPOS方法中的選擇性氧化的材料。因此，這種方法并不局限于約56％的孔隙度，但比較可取的是更低的數(shù)值約20％的孔隙度。這里應(yīng)指出，該用于形成SOI結(jié)構(gòu)的方法公開在上述公開的日本專利申請(qǐng)No.5-21338中，由T.Yonehara等人提出，被命名為ELTRAN(商標(biāo))(T.Yonehara，K.Sakaguchi，N.Sato，Appl.Phys.Lett.64(1994)，p.2108)。
此外，由于多孔硅未變成最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)元件，多孔硅的結(jié)構(gòu)變化和粗化而未損害蝕刻選擇性。
Sato等人(即本發(fā)明的發(fā)明人)在1040℃下進(jìn)行外延生長前的熱處理和在900-950℃溫度下外延生長的過程中，利用SiH2Cl2氣體作為源氣體的化學(xué)氣相淀積(CVD)法在多孔物質(zhì)上進(jìn)行外延生長(N.Sato，K.Yamagata，Y.Fujiyama,and T.Yonehara，Proc.of the Seventh Int.Symp.on Silicon mater.Sci.andTech.，Semiconductor silicon，(Pennington，Electrochem.Soc.Inc 1994)，p.443)。
為避免在高溫?zé)崽幚淼倪^程中多孔硅明顯的結(jié)構(gòu)粗化，Sato等人在外延生長步驟之前加入預(yù)氧化步驟，在多孔硅的壁上形成保護(hù)膜，以便幾乎完全抑制在熱處理過程中發(fā)生的多孔硅層結(jié)構(gòu)粗化。例如，在400℃下在氧氣環(huán)境中實(shí)行預(yù)氧化。
利用這種方法的關(guān)鍵因素是如何減少在多孔硅上外延生長非多孔單晶硅的過程中產(chǎn)生的缺陷。因此制作的SOI晶片存在有堆垛層錯(cuò)(stacking Fault)作為主缺陷，據(jù)報(bào)道，在多孔硅上的外延硅層中堆垛層錯(cuò)密度為103-104/cm2。
通常應(yīng)指出，層錯(cuò)缺陷可能降低氧化膜的絕緣強(qiáng)度。這考慮是因?yàn)楫?dāng)金屬雜質(zhì)沉積在圍繞層錯(cuò)缺陷的位錯(cuò)，p-n結(jié)的泄漏電流將增加，因此降低少數(shù)載體的壽命。關(guān)于在多孔物質(zhì)上外延生長的另一些報(bào)告沒有涉及由于較低檢測(cè)(能力)的限制在揭示蝕刻缺陷后通過利用光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)晶缺陷密度小于103/cm2的情況。雖然與大的硅基片相比較，處在1μm2的門控(gate)區(qū)域的103-104/cm2的堆垛層錯(cuò)缺陷的可能性低至0.0001-0.00001，該缺陷密度仍然是高的，希望在制造IC的生產(chǎn)過程中使其降低。為了能實(shí)際應(yīng)用利用上述方法得到的SOI晶片，必須將堆垛層錯(cuò)密度至少降低至1000/cm2。
本發(fā)明的第一目的是提供一種在多孔硅層上具有結(jié)晶缺陷減小的非多孔單晶硅層的半導(dǎo)體基片以及一種用于制造該基片的方法。
本發(fā)明的第二目的是提供一種在絕緣(隔離)層上具有結(jié)晶缺陷減少的非多孔單晶硅層的半導(dǎo)體基片，以及一種用于制造該基片的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于制造半導(dǎo)體基片的方法，包含的步驟有提供一包含多孔硅層的基片，對(duì)該多孔硅層進(jìn)行熱處理，以及在多孔硅層上生長非多孔單晶硅層，其中，該熱處理步驟在不包含非多孔單晶硅層的源氣體的氣氛中實(shí)施，使得因熱處理蝕刻除去硅的厚度(下文稱之為蝕去厚度)不大于2nm，且關(guān)于多孔硅層的表面孔密度的變化率r(由(在熱處理后的表面孔密度)/(在熱處理前的表面孔密度)定義的)滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于制造半導(dǎo)體基片的方法，包含的步驟有提供一包含多孔硅層的第一基片，對(duì)該多孔硅層進(jìn)行熱處理，以及在多孔硅層上生長非多孔單晶硅層，以及使生長在第一基片上的非多孔單晶硅層轉(zhuǎn)移到第二基片上，其中，該熱處理步驟在不包含非多孔單晶硅層的源氣體的氣氛中實(shí)施，使得因熱處理蝕刻除去硅的厚度不大于2nm，以及關(guān)于多孔硅層的表面孔密度的變化率r(由(在熱處理后的表面孔密度)/(在熱處理前的表面孔密度)定義的)滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1。
此外，本發(fā)明特征在于，上述變化率r滿足關(guān)系式(1/100)≤r≤1。
此外，本發(fā)明特征在于，熱處理步驟包含除去多孔硅層表面上的氧化物。


圖1是說明在多孔硅層上生長非多孔單晶硅層的步驟的流程圖；圖2是說明具有加載鎖存小室的外延生長設(shè)備的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖3A，3B和3C是一多孔元件表面中的孔的SEM照片；圖4A，4B和4C是表示多孔元件表面中的孔的狀態(tài)的示意圖；圖5是解釋熱處理時(shí)間和剩余的表面孔密度之間關(guān)系的曲線圖；圖6是解釋剩余的表面孔密度和層錯(cuò)缺陷密度之間關(guān)系的曲線圖；圖7是解釋熱處理溫度和堆垛層錯(cuò)缺陷密度之間關(guān)系的曲線圖；圖8是解釋熱處理時(shí)間和蝕刻厚度之間關(guān)系的曲線圖9A，9B，9C，9D和9E說明根據(jù)本發(fā)明的步驟的示意圖；圖10A，10B，10c，10D和10E是說明根據(jù)本發(fā)明制造SQ1基片的步驟的示意圖；圖11是解釋添加輕微數(shù)量的SiH4時(shí)的熱處理時(shí)間和層錯(cuò)缺陷密度之間關(guān)系的曲線圖；圖12是解釋熱處理溫度和層錯(cuò)缺陷密度之間關(guān)系的曲線圖；以及圖13流程是解釋熱處理時(shí)間和層錯(cuò)缺陷密度之間關(guān)系的曲線圖；參照?qǐng)D1的流程圖解釋用于形成在多孔硅層上的非多孔單晶硅層(外延生長層)的方法。
首先，提供一具有多孔硅層(S1)的基片。接著，在生長非多孔單晶硅層之前，在不包含非多孔單晶硅層的源氣體的氣氛中進(jìn)行對(duì)多孔硅層的熱處理。
這種熱處理被稱為預(yù)-烘焙步驟(S2)，利用這一步驟將例如形成在多孔硅層的表面上本征的氧化物膜除去。
這里應(yīng)指出，上述的“在不包含非多孔單晶硅層的源氣體的氣氛中”的熱處理具體是指，在包含氫氣的還原性氣氛中、包含惰性氣體例如He、Ar、Ne等的氣氛，或者超高真空。
在上述的預(yù)烘焙步驟后，將源氣體引入以便生長非多孔單晶硅層(S3)。這樣，在多孔硅層上生長非多孔單晶硅層。
下面介紹導(dǎo)致本發(fā)明的技術(shù)研究結(jié)果。(實(shí)驗(yàn)1)為了詳細(xì)檢查預(yù)烘焙步驟如何影響在多孔硅層上引起的單晶硅堆垛層錯(cuò)缺陷，本發(fā)明人觀測(cè)了在預(yù)烘焙后在多孔硅層表面中的孔密度如何變化。
這里應(yīng)指出，本發(fā)明人小心地不使水或氧進(jìn)入到用于預(yù)烘焙步驟的裝置中，以便在預(yù)烘焙步驟過程中使其對(duì)孔直徑和孔密度的影響最小化。
具體地說，如下面詳細(xì)介紹的，設(shè)有一加載鎖存小室以便使晶片能進(jìn)出該小室而不會(huì)使反應(yīng)室直接暴露于大氣環(huán)境中。
從反應(yīng)室泄漏的數(shù)量20mTorr/min(毫乇/分)或更少為好，10mTorr/min(毫乇/分)或更少更好。
此外，由氣體供給系統(tǒng)的氣體控制裝置的泄漏數(shù)量0.5磅/平方英寸/24小時(shí)(0.5psi/24h)為好，0.2磅/平方英寸/24小時(shí)(0.2psi/24h)更好。
再者，作為供應(yīng)氣體，高純凈氣體是較好的。具體地說，例如，當(dāng)實(shí)行預(yù)烘焙步驟應(yīng)用H2氣體時(shí)，使用通過氣體提純器的H2氣體，該提純器位于在距該裝置約20米內(nèi)處較好，約10米內(nèi)處更好。作為提純器最好使用一種使氣體通過加熱的鈀擴(kuò)散小室或具有吸收劑的過濾器類型的提純器。
圖2是表示處理裝置示意圖，其中標(biāo)號(hào)的21表示反應(yīng)小室(處理小室)，標(biāo)號(hào)22表示加載鎖存小室，標(biāo)號(hào)32表示運(yùn)送小室(傳送小室)，標(biāo)號(hào)23表示一閘閥，其設(shè)有一個(gè)在反應(yīng)小室21和運(yùn)送小室32之間的間隔；標(biāo)號(hào)24表示一閘閥，其設(shè)有一個(gè)在運(yùn)送小室32和加載鎖存小室22之間的間隔。標(biāo)號(hào)25表示加熱器比如為加熱基片W的燈，標(biāo)號(hào)26表示托襯器(susceptor)，在其上支撐基片W，標(biāo)號(hào)27，28，和33表示抽氣系統(tǒng)用于分別抽空反應(yīng)小室21、加載鎖存小室22、運(yùn)送小室32；標(biāo)號(hào)29表示供氣系統(tǒng)，用于將處理用氣體輸入到反應(yīng)小室21；標(biāo)號(hào)30和34表示供氣系統(tǒng)，用于將氣體分別輸入到運(yùn)送小室32和加載鎖存小室22，以便吹洗其里面或?qū)⑵湓鰤?。?biāo)號(hào)31表示運(yùn)送臂，用于將基片W運(yùn)送進(jìn)出反應(yīng)小室21。標(biāo)號(hào)35表示晶片盒。此外，可以采用這樣一種改型方案，其使加載鎖存小室22和運(yùn)送小室32結(jié)合以容納運(yùn)送臂，而不是使其與運(yùn)送小室32和閘閥24分開。
這里應(yīng)指出，為方便，將利用這樣一種具有加載-鎖存小室的處理裝置進(jìn)行的熱處理稱之為“在系統(tǒng)A中的熱處理”。
在系統(tǒng)A中，反應(yīng)小室中的加熱器可以預(yù)先起動(dòng)以便將托襯器等預(yù)加熱到600-1000℃。
利用這種方法，可以在約10秒內(nèi)將放入反應(yīng)小室的晶片溫度增加到600-1000℃，因此能夠減少溫度上升時(shí)間并且抑制由于這種熱處理引起的在多孔硅層孔狀態(tài)變化的進(jìn)程。
在對(duì)基片僅利用裝備有裝載鎖存小室的裝置進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙步驟)形成多孔硅層后，從反應(yīng)小室將其取出和利用高分辨率的掃描電子顯微鏡(HR-SEM)來觀測(cè)。
通過在HF-C2H5OH-H2O的混合溶液中進(jìn)行陽極化處理制取多孔硅，然后在氧環(huán)境氣體中在400℃下進(jìn)行熱處理持續(xù)一小時(shí)(預(yù)氧化步驟)。然后將其浸漬在1.25％HF水溶液中持續(xù)25秒(HF浸漬步驟)，漂洗、干燥、然后置于在一個(gè)外延生長設(shè)備中。附圖3A表示剛剛在置于該外延生長設(shè)備之前的多孔硅層表面的SEM圖像?？梢杂^察到孔直徑約十納米(nm)，形成的密度為1011/cm2。
附圖3B表示在氫環(huán)境中剛剛在經(jīng)受在950℃、600乇下長2秒鐘的熱處理之后的多孔硅層表面的SEM圖像。孔密度稍微降低但是仍然處在1010/cm2的數(shù)量級(jí)?？字睆綆缀跷醋兓詾槭{米或者附近。
另一方面，觀測(cè)在氫環(huán)境氣體中在1100℃下長2秒時(shí)處理的另一個(gè)多孔硅層表面，其孔密度明顯降低到約106/cm2。剩余的孔如在附圖3C中所表示的，其其中的某些直徑增加達(dá)到40納米。這些的孔直徑增加被認(rèn)為是由于剩余的氧和基片的氧化擴(kuò)大、蝕刻或者表面擴(kuò)散或者相鄰近的孔的合并的結(jié)果。
在附圖3B所示的情況下，在多孔硅層表面上的非多孔單晶硅引起的層錯(cuò)缺陷的密度為1×102/cm2，而在圖3C所示的情況下，密度為2×104/cm2。
關(guān)于預(yù)烘焙步驟，如在公開的9-100197號(hào)日本專利申請(qǐng)中所公開的，據(jù)分析孔被阻隔是由于Si原子的遷移導(dǎo)致的層錯(cuò)缺陷密度的下降。
雖然與其它參數(shù)例如預(yù)烘焙溫度、時(shí)間、在有關(guān)預(yù)烘焙裝置中的氣氛有關(guān)，但這一實(shí)驗(yàn)仍表明孔被阻隔，同時(shí)，產(chǎn)生具有較大直徑的殘留孔，雖然數(shù)量較少。已發(fā)現(xiàn)預(yù)烘焙步驟降低了孔密度但增加了層錯(cuò)缺陷密度，如在圖3C中所表示的。
關(guān)于預(yù)烘焙步驟，如在公開的9-100197號(hào)日本專利申請(qǐng)中所公開的，已發(fā)現(xiàn)孔被阻隔是由于Si原子的遷移，導(dǎo)致層錯(cuò)缺陷密度的下降。
然而，N.Sato等人在Jpn.J.Appl.Phys.35973(1966)中指出，雖然整個(gè)表面上的大多數(shù)孔由于預(yù)烘焙步驟被封閉，殘留孔雖然數(shù)量較少，但仍然是存在的，它們引起層錯(cuò)缺陷。
例如，表面孔的殘留密度為1011/cm2-104/cm2意味著表面孔的99.99999％是封閉的，而孔密度維持為104/cm2。
這一實(shí)驗(yàn)表明，在圖3C中所示的實(shí)例(由于預(yù)烘焙步驟孔密度下降較大)中層錯(cuò)缺陷密度要比在圖3B中所示的實(shí)例(孔密度下降較小)中要大。
這意味著，預(yù)烘焙步驟降低了近于非多孔硅表面的多孔硅層上的孔密度，而同時(shí)，殘留孔的直徑增加，導(dǎo)致不可能預(yù)期層錯(cuò)缺陷密度下降。
即，已發(fā)現(xiàn)預(yù)烘焙步驟降低了多孔表面的孔密度，而同時(shí)，增加了某些孔的直徑。圖4A、4B和4C是分別示意表示圖3A、3B和3C中的SEM圖像。此外，圖5表示在該實(shí)驗(yàn)中利用具有加載鎖存小室的上述裝置得到的多孔硅層表面的殘留孔密度和熱處理時(shí)間之間的關(guān)系。按照該熱處理?xiàng)l件，采用的溫度為950℃，壓力為600乇，和采用氫氣氛。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理時(shí)間推移，殘留孔密度逐漸降低，并在200秒內(nèi)，在多孔層表面的孔密度變成約107/cm2，而對(duì)比起來在熱處理之前為1011/cm2。當(dāng)然，當(dāng)孔密度變成107/cm2時(shí)，產(chǎn)生具有較大直徑的殘留孔，雖然數(shù)量少。(實(shí)驗(yàn)2)本發(fā)明人進(jìn)一步檢查了在預(yù)烘焙步驟之后的殘留孔密度和層錯(cuò)缺陷密度之間的關(guān)系。其結(jié)果表示在圖6中。
利用具有加載鎖存小室的上述裝置實(shí)施預(yù)烘焙步驟，以避免受在這一步驟中使用的裝置中的水和氧的影響。即這是在系統(tǒng)A中的熱處理。
由于在多孔層表面的孔密度為1011/cm2，由圖6中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在預(yù)烘焙步驟之后的殘留孔密度為107/cm2或者更高時(shí)，層錯(cuò)缺陷密度可以明顯地降低。即，當(dāng)在預(yù)烘焙步驟之前和之后的殘留孔密度的變化率r(r＝(在預(yù)烘焙步驟之后的殘留孔密度)/(在預(yù)烘焙步驟之前的殘留孔密度))滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1(最好(1/100)≤r≤1)時(shí)，層錯(cuò)缺陷密度可以降低。特別是當(dāng)(1/100)≤r≤1時(shí)，層錯(cuò)缺陷密度可以明顯降低。
這里應(yīng)指出，接著通過利用顯微鏡觀測(cè)揭示蝕刻的缺陷，可以確定層錯(cuò)缺陷密度。具體地說，利用K2Cr2O7(0.15M)和49％HF的2∶1混合物的溶液作為蝕刻劑(其通常在Secco蝕刻中使用)，用純水稀釋以便降低蝕刻速度，利用Nomarski差分干涉式顯微鏡揭示和觀測(cè)在晶片表面的非多孔單晶硅層中引起的結(jié)晶缺陷，以確定層錯(cuò)缺陷密度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在預(yù)烘焙步驟之后的多孔硅層表面的孔密度的很大變化影響在多孔硅層上的非多孔單晶硅層的層錯(cuò)缺陷密度。
特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入硅源氣體和開始沉積非多孔單晶硅時(shí)，在由于硅的表面擴(kuò)散使表面上的孔變形以及因此孔密度明顯下降之前，層錯(cuò)缺陷降低。
即，本發(fā)明人已首先發(fā)現(xiàn)，通過控制在預(yù)烘焙步驟中形成的孔密度下降在4位數(shù)之內(nèi)，最好在2位數(shù)或其以下，結(jié)晶缺陷密度可以下降至約102/cm2。
順便指出，由于熱處理(預(yù)烘焙步驟)的結(jié)果，一種張應(yīng)力施加在多孔硅層上，因此與單晶硅比較晶格常數(shù)變大。由于這一點(diǎn)，在多孔硅層表面上的殘留孔的周邊，這種張應(yīng)力集中，使晶格常數(shù)更變大，從而由于晶格失配更易引起結(jié)晶缺陷。
當(dāng)孔密度為1011/cm2時(shí)，多孔硅層表面中的平均孔間距離約為30納米。與孔的尺寸10-20納米相比較，這一距離，不是足夠大的，一些孔彼此影響使得在孔的周邊的應(yīng)力集中減輕。在孔密度為1010/cm2時(shí)平均孔間距離約為100納米以及在孔密度為109/cm2時(shí)平均孔間距離約為300納米。人們認(rèn)為，這些距離與孔直徑相比較是足夠大的，使得由于孔間影響在孔的周邊的應(yīng)力集中減輕作用幾乎消除，因此導(dǎo)致在殘留孔部分易引起結(jié)晶缺陷。(實(shí)驗(yàn)3)本發(fā)明人進(jìn)一步檢查了層錯(cuò)缺陷密度和預(yù)烘焙溫度之間的關(guān)系。在圖7中表示了該結(jié)果，“A”表示關(guān)于在系統(tǒng)A中實(shí)施的預(yù)烘焙步驟的數(shù)據(jù)。其時(shí)的壓力為600乇。下面介紹“B-1”和“B-2”的數(shù)據(jù)。
在超過1000℃的高溫下層錯(cuò)缺陷密度處在104/cm2的數(shù)量級(jí)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，然而，當(dāng)溫度降低時(shí)，層錯(cuò)缺陷密度的最小值約出現(xiàn)在950℃下，該密度降低到約102/cm2。即，比較可取的預(yù)烘焙溫度不大于1000℃為宜，不小于880℃和不大于1000℃更好，不小于870℃和不大于970℃尤其好，不小于900℃和不大于950℃最好。
這里應(yīng)指出，預(yù)烘焙溫度和層錯(cuò)缺陷密度之間的關(guān)系并不總是如在圖7中由“A”表示的。與系統(tǒng)A相對(duì)比，利用具有開放反應(yīng)型小室(未裝設(shè)加載鎖存小室)的裝置(下文將利用這種裝置進(jìn)行的熱處理稱之為系統(tǒng)“B”中的熱處理)在760乇的壓力下進(jìn)行相似的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)預(yù)烘焙溫度升高時(shí)，層錯(cuò)缺陷密度降低(系統(tǒng)B-1)。這里應(yīng)指出，在系統(tǒng)B-2中，在生長的起始階段硅源氣體的供應(yīng)速度降低，以便明顯抑制生長速度。與系統(tǒng)B-1相對(duì)比，在系統(tǒng)B-2中，層錯(cuò)缺陷密度降低到約1/3，與溫度無關(guān)，不過與系統(tǒng)B-1相似，僅在熱處理溫度升高時(shí)才能降低層錯(cuò)缺陷密度。關(guān)于系統(tǒng)B參照由Sato等人提出的報(bào)告(N.Sato等人Jpn.Appl.Phys.35(1966)973)。
為何層錯(cuò)缺陷密度可以在更高的熱處理溫度下降低的原因如下。在系統(tǒng)B-1和系統(tǒng)B-2中，在該裝置中出現(xiàn)的較多的氧和水，因此當(dāng)溫度升高時(shí)，由于剩余的氧和水的作用在硅表面上形成氧化硅。
在較低的溫度(1050℃或更低)下，因此形成的氧化硅不能完全除去，使得缺陷密度是高的。然而在足夠高的溫度下，以及持續(xù)充分長的保存時(shí)間，因此形成的氧化硅能完全除去，缺陷密度自然開始降低。
根據(jù)上述可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)烘焙溫度和層錯(cuò)缺陷密度之間的關(guān)系隨環(huán)境例如氧以及水的量而變化。(實(shí)驗(yàn)4)本發(fā)明人為了確定在每個(gè)系統(tǒng)A和B中的反應(yīng)小室內(nèi)出現(xiàn)的氧以及水等的數(shù)量差別，檢測(cè)在熱處理(預(yù)烘焙步驟)過程中蝕去多少硅。其結(jié)果表示在圖8中。
據(jù)F.W.Smith等人在J.Electrochem.Soc.129，1300(1982)和G.Ghidini等人在J.Electrochem.Soc.131，2924(1984)提出的報(bào)告，當(dāng)在系統(tǒng)中出現(xiàn)微量的氧以及水時(shí)，以及其濃度低時(shí)蝕去硅。
另一方面，當(dāng)水等濃度高時(shí)，硅被氧化形成氧化硅。當(dāng)溫度升高時(shí)由此形成的氧化硅與相鄰的硅反應(yīng)，因此被蝕去。即發(fā)生下述反應(yīng)。
總之，在系統(tǒng)中維持的的氧或水在溫度升高的過程中有助于蝕去硅，使得通過檢測(cè)在反應(yīng)小室中殘留的氧和水的數(shù)量可以估算蝕去的數(shù)量。
圖8表示(由于蝕刻在每個(gè)系統(tǒng)A和B中的非多孔單晶硅)厚度下降的數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系。在系統(tǒng)A中，在1100℃和600乇下進(jìn)行熱處理，而在系統(tǒng)B中，在1050℃和760乇下進(jìn)行熱處理，對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)熱處理環(huán)境氣體均為氫氣。通過利用SOI結(jié)構(gòu)和測(cè)量SOI層(即單晶硅層)厚度降低的數(shù)量確定蝕去的厚度。這里應(yīng)指出，為何在系統(tǒng)A和B之間溫度和壓力多少有些不同，其原因是，在各個(gè)裝置之間最佳條件是不同的。
在系統(tǒng)B中，即使按照為零的熱處理時(shí)間(曲線上的截距)，蝕去的厚度也多達(dá)7納米或其以上。這是指當(dāng)要處理的基片被加熱到設(shè)置溫度然后立即冷卻時(shí)的蝕去的厚度。這意味著，僅由于溫度升高，硅膜厚度降低多達(dá)約7納米。另一方面，在系統(tǒng)A中，即使熱處理10分鐘，蝕去的厚度小于2納米。
順便指出，眾所周知，在系統(tǒng)A中，在1100℃而不是在1050℃的設(shè)置溫度下蝕去的厚度隨熱處理時(shí)間的推移而加大。
因此，根據(jù)由于蝕刻使硅氧化形成的硅氧化物的膜厚降低量可以知道在反應(yīng)小室內(nèi)的氧和水的含量差別。
即，在系統(tǒng)A中，在該裝置中僅有很少數(shù)量的氧和水，使得在溫度升高的過程中沒有很多的硅被氧化成硅氧化物，導(dǎo)致蝕去的厚度少。
另一方面，在系統(tǒng)B中，在該裝置中有大量的氧和水，使得蝕去的厚度多。
利用供應(yīng)的氣體的純度、在供應(yīng)管線中水的吸收量、微小的泄漏量、反應(yīng)小室本身的氣密封度以及當(dāng)將基片輸送到其中時(shí)反應(yīng)小室的防染來確定在反應(yīng)小室中的氧和水的數(shù)量。將基片輸送到其中時(shí)反應(yīng)小室按照氧和水的污染度很大程度上受如下引入方式的影響，即基片是通過加載鎖存小室引入反應(yīng)小室(系統(tǒng)A)還是直接引入開放于大氣的反應(yīng)小室。然而即使在系統(tǒng)B的情況下(基片輸送到開放于大氣的反應(yīng)小室)，直到小室中的氣體被充分地置換而無溫度升高，殘留的氧和水的數(shù)量降低，不過效率對(duì)于批量生產(chǎn)來說是不夠的。此外，蝕去厚度受溫度上升到設(shè)置溫度所需要的時(shí)間的影響。當(dāng)基片承載在具有小的熱容量的基片夾持座上時(shí)，溫度升高的速度可以增加。
此外在系統(tǒng)A中，如在圖7中所示，在約900-950℃下，層錯(cuò)缺陷密度取最小值，在溫度高于該值時(shí)，預(yù)烘焙降低殘留孔密度并如上所述增加層錯(cuò)缺陷密度。
另一方面，在850℃(其低于該最小值)下，氫預(yù)烘焙步驟使層錯(cuò)缺陷密度為105/cm2。在這些條件下，利用HR-SEM觀測(cè)在預(yù)烘焙步驟之后的多孔硅表面表明，與圖3A相比較殘留孔的狀態(tài)變化很小。即孔密度沒有降低。據(jù)分析層錯(cuò)缺陷密度高至為105/cm2是因?yàn)楣柩趸锢绫菊鞯难趸锬ぞS持在多孔硅層的表面上。
上述的實(shí)驗(yàn)1-4表明，在這樣一種系統(tǒng)中(上述的實(shí)驗(yàn)1-4中的系統(tǒng)A)，其中在反應(yīng)小室內(nèi)的氧和水的數(shù)量在用于預(yù)烘焙的溫度上升步驟時(shí)以及預(yù)烘焙步驟中降低。通過控制殘留孔密度(由于預(yù)烘焙、預(yù)烘焙溫度、預(yù)烘焙時(shí)間引起的)變化，可以降低層錯(cuò)缺陷密度。
下面將介紹本發(fā)明的各實(shí)施例。(實(shí)施例1)圖9A-9E表示根據(jù)本發(fā)明形成半導(dǎo)體基片的方法。
如在圖9A中所示，提供一基片1，至少在其一自由表面上具有多孔硅層90。
接著如果需要，如在圖9B中所示一簿的保護(hù)膜4形成在多孔單晶硅層(預(yù)氧化)中的孔壁3上。
由于該預(yù)氧化步驟使保護(hù)膜5例如硅氧化物膜形成在多孔硅層表面上，將這一基片浸入到低濃度HF的水溶液中以便除去在多孔硅層表面上的保護(hù)膜(下文稱為“HF浸漬”)。圖9C示意表示被除去后的狀態(tài)的斷面圖。
接著，將其中形成有多孔單晶硅基片置于在外延生長裝置中并按圖9D中所示進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙)，然后在其上形成非多孔單晶硅層6，如圖9E中所示。
在預(yù)烘焙的過程中的條件是這樣的，它們應(yīng)滿足兩個(gè)條件即條件1和條件2，在條件1下，在用于預(yù)烘焙的溫度升高步驟中，多孔硅層的厚度(t)變化即多孔硅層的厚度(t)降低(蝕去厚度te)為2納米或更小，最好為1納米或更??；在條件2下，在多孔硅層的表面孔密度的變化率(r)為(1/10000)≤r≤1，最好(1/100)≤r≤1。關(guān)于條件1，蝕去厚度小于2納米或其以下也是優(yōu)選的，在用于預(yù)烘焙的溫度升高步驟中和預(yù)烘焙步驟中小于1納米或其以下是優(yōu)選的。
蝕去厚度te可以表達(dá)為te＝t0-t1，其中t0是在開始預(yù)烘焙之前的多孔硅層的層厚，t1是在完成預(yù)烘焙之后的多孔硅層的層厚。表面孔密度的變化率(r)可以表達(dá)為如下r＝d1/d0其中d0是在預(yù)烘焙之前的表面孔密度，d1是在預(yù)烘焙之后的表面孔密度。
此外，用于這種熱處理的環(huán)境氣體比較可取的是一種不含有以硅為基的氣體、更可取的是一種包含氫氣或氮?dú)獾倪€原性環(huán)境氣體、惰性環(huán)境氣體或者是超高真空。下面介紹熱處理。
(1)置入裝置中將其表面具有多孔硅層的基片置入反應(yīng)小室(未表示)，在該反應(yīng)小室中抑制殘留的氧和水的數(shù)量。在本發(fā)明中采用的熱處理依據(jù)功能劃分為兩個(gè)步驟即溫度升高步驟和除去本征的氧化膜的步驟。這里應(yīng)指出，本征的氧化膜這里指按非預(yù)期方式在接著HF浸漬步驟的各步驟的過程中形成在多孔硅層表面上的硅氧化物膜，或者在HF浸漬步驟的過程中未除去的氧化膜。
在溫度升高步驟和除去本征的氧化膜的步驟(預(yù)烘焙步驟)中，通過控制在反應(yīng)小室內(nèi)的氧和水的數(shù)量實(shí)現(xiàn)抑制蝕去厚度。抑制在反應(yīng)小室內(nèi)的氧和水的數(shù)量，通過抑制包含在供氣系統(tǒng)內(nèi)的氧和水的數(shù)量和進(jìn)一步通過加載鎖存小室輸送基片進(jìn)出反應(yīng)小室，因此防止反應(yīng)小室的里面與大氣環(huán)境直接接觸，可以有效地實(shí)現(xiàn)抑制在反應(yīng)小室內(nèi)的氧和水的數(shù)量。
此外，有時(shí)按照需要設(shè)置一位于該裝置附近的用于氫氣(作為運(yùn)載氣體)的提純器也是有效的。此外，希望改進(jìn)供氣管線和該小室的氣密封性。如上所述，在兩個(gè)步驟即溫度升高步驟和除去本征的氧化膜的步驟中，通過控制這些因素，可以控制多孔硅層的蝕去厚度達(dá)到2納米或其以下，最好1納米或其以下。
然而，用于抑制蝕去厚度的方法并不局限于上述的方法。
(2)溫度上升步驟將其表面形成有多孔硅層的基片在置入反應(yīng)小室后進(jìn)行加熱。當(dāng)反應(yīng)小室由能透射的材科例如石英制成時(shí)，通過在反應(yīng)小室外側(cè)利用紅外燈照射加熱基片。除了利用紅外燈照射之外，可以采用射頻、電阻加熱等輸入熱量。此防除了石英之外，反應(yīng)小室可以由不銹鋼、SiC或類似材料制成。溫度升高速度越大，氧化/蝕刻就更有效，這是因?yàn)榭梢砸种茪埩舻难鹾退囟壬咚俣葹?℃/秒或更大為宜，5℃/秒或更大更為可取。
當(dāng)沒經(jīng)過加載鎖存小室將基片輸送到反應(yīng)小室時(shí)，在輸送之后，要充分吹洗，在除去摻入到反應(yīng)小室的氧和水之后，將基片加熱進(jìn)行升溫。總之，希望在超高真空或非氧化氣氛中進(jìn)行這種處理。
(3)除去本征的氧化物膜的步驟接著溫度升高步驟，實(shí)施除去本征的氧化物膜的步驟。即通過在氫氣氛中、含氫的還原性氣體中或超高真空中進(jìn)行熱處理除去本征的氧化物膜。在這個(gè)實(shí)例中，多孔硅層上的表面孔密度的變化率r為1/10000或其以上為宜，1/100或其以上更好。這里應(yīng)指出，r的數(shù)值不大于1。
為了實(shí)現(xiàn)上述條件，在熱處理的過程中可達(dá)到的溫度即預(yù)烘焙溫度不小于850℃不大于1000℃為宜，不小于870℃不大于970℃更好。
壓力雖不加特別限制，一般為大氣壓力或其以下，700乇或其以下為宜，100乇或其以下更好。
除了溫度升高步驟以外，熱處理時(shí)間即預(yù)烘焙時(shí)間為200秒或其以下，100秒或其以下為宜，60秒或其以下更好，10秒或其以下尤其好，并且最好在已經(jīng)過該時(shí)間之后立即降低溫度?？傊?，預(yù)烘焙時(shí)間應(yīng)盡可能地短到只要能夠除去本征的氧化物膜即可。
由于利用反應(yīng)將本征的氧化物膜消除變?yōu)闅庀?，如果本征的氧化物膜厚度太大，在多孔硅層表面中或其附近的硅被蝕去。
在HF浸漬步驟之后，在漂洗過程中，直到在漂洗和干燥之后被置入到外延生長裝置中之前、在被置入到外延生長裝置的過程中和在溫度升高步驟的過程中在空氣中形成本征的氧化物膜。實(shí)際上，如果在溫度升高步驟的過程中仍然含有氧和水，由于溫度上升硅被氧化形成硅氧化物膜。結(jié)果，因此形成的硅氧化物與鄰近的硅彼此反應(yīng)，而蝕去硅。
此外，在溫度升高的過程中，形成的硅氧化物膜越厚，為完全除去形成的硅氧化物膜所需的熱處理時(shí)間越長。如果因此使熱處理時(shí)間延長，多孔硅層表面的結(jié)構(gòu)變化將繼續(xù)下去正如下面將介紹的這是不希望發(fā)生的。
根據(jù)本發(fā)明，蝕去厚度應(yīng)當(dāng)為2納米或其以下，1納米或其以下更好。蝕去厚度越小意味著在裝置中硅氧化的程度越小。
如果這種熱處理持續(xù)下去，發(fā)生表面原子的遷移，從而平緩了在多孔硅層表面的微小的不均勻度，因此降低了表面能量，從而消除了大多數(shù)表面孔。然而正如由上述實(shí)驗(yàn)可以看出的，孔密度大的變化極大地增加了殘留孔的孔直徑，望因此希望將孔密度的變化控制在4位數(shù)字或其以下。
由于作用在多孔硅層和非多孔單晶硅層表面之間的應(yīng)力，在多孔硅層表面中的結(jié)晶晶格畸變；因此認(rèn)為，如果表面孔密度降低，這種畸變集中在維持的殘留孔的周邊部分，使得殘留孔部分易于引起可能結(jié)晶缺陷。
根據(jù)本發(fā)明，通過由于熱處理在孔密度降低4位數(shù)字或其以上(最好2位數(shù)字或其以上)之前開始將用于非多孔薄膜的源氣體提供到多孔硅層表面，防止了由于孔密度降低使畸變集中到殘留孔部分，由此抑制了層錯(cuò)缺陷的產(chǎn)生。這種方法在這樣一種環(huán)境氣體中是有效的，即在裝置中的氧和水的數(shù)量降低到這種一種程度以滿足在熱處理過程中蝕去厚度的條件(小至2納米或其以下)。
只要將蝕去厚度限制在上述范圍，使用HF氣體在其它步驟可以除去本征的氧化物物膜。
(4)外延生長在熱處理步驟之后，供應(yīng)源氣體以便隔離(seal)該多孔元件中的孔和形成非多孔單晶層達(dá)到預(yù)期的膜厚。因此可以形成在多孔硅層上的具有降低的層錯(cuò)缺陷密度的非多孔單晶層。當(dāng)非多孔單晶層是單晶硅時(shí)，源氣體包含SiH4(硅烷)、SiH2Cl2(二氯代硅烷)、SiHCl3(三氯代硅烷)、SiCl4(四氯硅烷)、Si2H6(二硅烷)等。
非多孔單晶硅層可以是均相外延生長的硅、異質(zhì)外延生長的硅鍺、碳化硅、砷化鎵、銦磷等。
(多孔硅層)在本發(fā)明中使用的多孔硅基本上與迄今為止所研究的(自從1964年由Uhlir等人公開的并利用陽極化法制取的)多孔硅相同，不過在基片雜質(zhì)、表面取向、制取方法等方面并不局限于此，只要其為多孔硅即可。
當(dāng)利用陽極化法形成多孔硅層時(shí)，陽極化溶液是一種包含氫氟酸作為主要成分的水溶液。由于在陽極化的過程中氣體通常趨于附著到電極或硅的表面，使得多孔層變得不均勻，通常添加例如乙醇或丙醇的醇類，以便擴(kuò)大接觸角，因此增強(qiáng)對(duì)附著的氣泡的清除，從而使陽極化能均勻地進(jìn)行。當(dāng)然，既使沒有醇類也能形成多孔物質(zhì)。當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的多孔硅用于FIPOS法時(shí)，大約56％的孔隙度是適宜的，如用于結(jié)合(bonding)法時(shí)，為50％或其以下(優(yōu)選30％或其以下)較低的孔隙度是適宜的，但并不局限于此。
由于利用上述的蝕刻形成多孔硅層，除了孔透入多孔物質(zhì)的深度之外，該相應(yīng)的表面具有這樣一些淺層的孔，為了表現(xiàn)這種淺層的不均勻性，可以利用場發(fā)射型掃描電子顯微鏡(FESEM)來觀測(cè)。
多孔硅的孔隙度(％)越小會(huì)使多孔物質(zhì)的層錯(cuò)缺陷密度越小。例如通過增加濃度、降低電流密度、或在進(jìn)行陽極化時(shí)提高溫度，可以形成低孔隙度的多孔硅。具體地說，術(shù)語“低孔隙度”是指數(shù)值為10％-30％。
此外，通過僅使硅基片的主表面層或者整個(gè)硅基片成為多孔層可以形成多孔單晶硅層。
(預(yù)氧化)在本發(fā)明中，按照某些需要，在多孔硅層的孔壁上形成保護(hù)膜。由于在多孔硅層中相鄰孔之間的壁是極薄的達(dá)到幾納米到幾十納米，在外延生長的過程中或外延生長層的熱氧化過程中或在結(jié)合之后，在多孔硅層中相鄰的孔由于熱處理可能聚結(jié)、粗化或者甚至中斷。多孔硅層中的孔的聚結(jié)、粗化可能導(dǎo)致選擇性蝕刻率的下降和蝕刻選擇性的惡化。在FIPOS的情況下，孔壁厚度的增加和孔的中斷抑制多孔層氧化的繼續(xù)進(jìn)行，因此，使得難于完全氧化多孔硅層。為了防止這一點(diǎn)，在多孔硅層形成后實(shí)施熱氧化法或類似方法，此便在此前的孔壁上形成薄的保護(hù)膜，因此抑制孔的聚結(jié)和粗化。當(dāng)形成保護(hù)膜時(shí)，特別在利用氧化的情況下，主要是在孔內(nèi)壁側(cè)留下單晶硅區(qū)。因此足以保證幾納米的膜厚。除了硅氧化物膜之外，可以為氮化硅膜。
這里應(yīng)指出，如當(dāng)利用結(jié)合(bonding)法制成SOI基片時(shí)，在結(jié)合后，接續(xù)熱處理的后續(xù)步驟在充分低的溫度下實(shí)施，以抑制多孔物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，這一步驟可以省略。
(HF浸漬)對(duì)經(jīng)過上述預(yù)氧化的多孔硅層可以進(jìn)行HF浸漬處理。
關(guān)于HF浸漬處理，Sato((N.Sato，K.Sakaguchi，K.Yamagata，Y.Fujiyama，and T.Yonehara，Proc.of the Seventh Int.Symp.on silicon Mater.Sci.andTech.，Semiconductor Silicon，(Pennington，The Electrochem.Soc.Inc.，1994)，p.443))指出，通過延長HF浸漬處理時(shí)間，堆垛層錯(cuò)缺陷密度可以降低到約103/cm2。由本發(fā)明人進(jìn)行的另外的實(shí)驗(yàn)表明，在HF浸漬處理的某些情況下，氫氟酸溶液局部地深入到多孔硅內(nèi)部，以便除去由于在側(cè)孔壁上預(yù)氧化形成的很薄的氧化膜。有時(shí)這會(huì)導(dǎo)致在多孔硅層中局部使結(jié)構(gòu)粗化，使得即使利用選擇性蝕刻也不能除去多孔硅，而是以小島形狀遺留下來。即，已發(fā)現(xiàn)，在超過(該為了除去在表面上的本征的氧化物膜至少所需要的)時(shí)間或濃度時(shí)并不總是能優(yōu)化實(shí)施HF浸漬處理。
此外，當(dāng)長時(shí)間進(jìn)行HF浸漬處理時(shí)，在結(jié)合之后采用的某些溫度退火可能使多孔層的粗化繼續(xù)下去，因此，在多孔硅蝕刻之后但留下某些部分未被蝕刻(蝕刻剩余部分)，從而希望將HF浸漬時(shí)間控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)。
在HF浸漬處理之后，可以進(jìn)行漂洗和干燥，以便降低在多孔物質(zhì)的孔中殘留的HF濃度。(通過提供微量的源氣體阻塞孔)。
根據(jù)本發(fā)明，希望在阻塞(sealing)多孔物質(zhì)表面的孔的初始生長階段使用以硅為基的氣體例如SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3、SiCl4等，以及希望按照這樣一種方式設(shè)定源氣體的流量，以便形成20納米/分或其以下的生長速度，10納米/分或其以下較好，2納米/分或其以下更好。這樣進(jìn)一步降低了結(jié)晶缺陷。在采用MBE法或類似方法的情況下，其中由硅源(氣體)提供硅，基片溫度低至800℃或其以下生長速度最好為0.1納米/分。在利用提供微量源氣體的步驟(還被稱為“預(yù)注入步驟”)實(shí)現(xiàn)阻塞孔之后，生長速度不特別限定?？梢园凑张c普通體積的硅生長相同的條件實(shí)施。關(guān)于這一點(diǎn)，在預(yù)注入步驟中的阻塞部分是多孔層中的表面部分。另外，可以按照與提供微量源氣體的上述步驟相同的生長速度繼續(xù)生長，或者可以改變氣體種類，這并不脫開本發(fā)明的范圍。此外，接著提供微量源氣體的步驟的步驟可以是一次中斷供應(yīng)源氣體，然后所需的源氣體以便繼續(xù)生長。在Sato等人的報(bào)告(Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)973)中指出，與常規(guī)的方法相比較，通過在生長的起始階段降低提供微量源氣體SiH2Cl2的速度可以降低層錯(cuò)缺陷密度。然而這種方法與常規(guī)的方法相同方面在于，通過在外延生長之前增加預(yù)烘焙溫度來降低層錯(cuò)缺陷密度，并且與上述方法一樣由于多孔層結(jié)構(gòu)粗化有時(shí)導(dǎo)致蝕刻殘留物增加。本發(fā)明則使其能夠在生長之前在900-950°C下(低于常規(guī)的溫度)進(jìn)行熱處理，因此抑制了多孔層結(jié)構(gòu)粗化。
根據(jù)本發(fā)明，能夠避免采用在常規(guī)方法中的高溫度進(jìn)行熱處理，是利用一在裝置中具有多孔硅層的基片(其中在熱處理過程中已蝕去較少數(shù)量的硅)以便控制在生長之前的熱處理時(shí)間。由于這一點(diǎn)，結(jié)晶缺陷密度可以降低，因此能抑制多孔層結(jié)構(gòu)粗化和中斷孔。
此外，由于能夠獨(dú)立地控制上述生長起始階段的生長溫度、壓力、氣體流量等，可以降低處理溫度，從而抑制多孔層結(jié)構(gòu)粗化，由于多孔硅自身摻有例如硼、磷等這樣一些雜質(zhì)，或者固相擴(kuò)散，或者可以增加生長溫度和硅源氣體的流量，以便加速生長速度，因此在短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)形成厚的非多孔單晶硅層。
此外，要生長的非多孔單晶層如前所述并不局限于硅，而是可以是IV族類型的異質(zhì)外延材料例如SiGe、SiC等或者這樣一種化合物半導(dǎo)體如以GaAs為代表的。此外，在提供微量源氣體的上述步驟中，使用以硅為基的氣體并且然后使用另一種氣體實(shí)現(xiàn)異質(zhì)外延生長也處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
此外，最好在阻塞多孔層表面中的孔的步驟(即預(yù)烘焙/預(yù)注入步驟)之后和在所需膜的生長之前，在高于預(yù)烘焙/預(yù)注入溫度下，在不包含半導(dǎo)體膜的源氣體的氣氛(例如包含氫的還原性氣體)中，對(duì)基片進(jìn)行熱處理。這種熱處理稱之為“內(nèi)部烘焙”。
(實(shí)施例2)下面參照附圖介紹制造半導(dǎo)體基片的一個(gè)實(shí)例，該基片具有一在多孔單晶硅層上的低的層錯(cuò)缺陷密度的非多孔單晶硅層。
具有多孔硅層11的基片10是通過使單晶硅基底元件(圖10A)的至少一側(cè)表面整體地或局部地形成多孔狀制成的。圖10A表示使硅基底元件局部地形成多孔狀的一個(gè)實(shí)例。
進(jìn)行與在實(shí)施例1中限定的熱處理幾乎相同的熱處理，即在用于預(yù)烘焙的溫度升高步驟和預(yù)烘焙步驟中蝕去硅多達(dá)2納米或其以下(最好1納米或其以下)，以及多孔硅層表面孔密度的變化率r為1/10000或者更大(最好1/100或其更大)(圖10B)。然后在多孔單晶硅層上形成非多孔單晶硅層12(圖10C)。
在這個(gè)實(shí)例中，可以在熱處理之前進(jìn)行上述預(yù)氧化或HF浸漬。此外希望在熱處理之后提供微量的源氣體以便實(shí)施孔阻塞步驟即預(yù)注入步驟。
接著，按照這樣一種方式利用結(jié)合法來制造SOI基片，首先在非多孔單晶硅和第二基片的至少其中之一的主表面上形成一絕緣(隔離)層，使它們彼此結(jié)合，將非多孔單晶層定位在里面，因此形成多層結(jié)構(gòu)元件(圖10D)。然后按照某些需要，進(jìn)行熱處理以便增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，再通過實(shí)施選擇性的蝕刻多孔硅之類的除去步驟(圖10E)，以便將在多孔硅上的外延生長層轉(zhuǎn)移到第二基片，因此得到SOI結(jié)構(gòu)。
這里應(yīng)指出，該絕緣層可以是通過將非多孔單晶層表面氧化形成的氧化物膜，或者是形成在第二基片表面上的氧化物膜。
此外，氧化物膜可以形成在非多孔單晶層表面和第二基片表面上。
更進(jìn)一步，形成在多孔硅層上的非多孔單晶層(除了非多孔單晶硅層以外)可以是異質(zhì)外延層表面。
如果第二基片本身為光可透射的絕緣材料例如石英、石英玻璃、塑料或類似物，可以略去絕緣層14。
如果因此達(dá)到的絕緣強(qiáng)度強(qiáng)到足以經(jīng)受后面的步驟，則過程繼續(xù)進(jìn)行到后面的步驟。實(shí)施一種例如研磨的機(jī)械方法或例如蝕刻的化學(xué)方法，除去已經(jīng)形成有多孔層的基片背側(cè)，以露出多孔層。一種可替換方式為，可以將在多孔層內(nèi)的基片背側(cè)部分分開，以露出多孔層?？梢园礄C(jī)械方法通過由邊沿表面插入一個(gè)楔到基片中等或者在注入水時(shí)噴施液體實(shí)現(xiàn)該分開、或者可以利用超聲波或熱應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)。希望能夠通過在多孔層中預(yù)先局部形成具有較低機(jī)械強(qiáng)度的高孔隙的副層，從而易于分開該部分。例如，多孔層可以由孔隙度為10-30％的第一多孔層、第二多孔層(形成在第一多孔層上和具有孔隙度為30-70％)和非多孔單晶層(形成在第二多孔層上)構(gòu)成。
(對(duì)多孔物質(zhì)的選擇性蝕刻)通過選擇性蝕刻除去非多孔單晶層12上遺留下的多孔層。最好選擇性蝕刻劑是HF、H2O2和H2O的液體混合物。為了除去在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣泡，可以將乙醇、異丙或表面活性劑添加到該混合液體中。
本方法抑制多孔層的結(jié)構(gòu)變化和粗化以及孔的中斷，因此降低了在選擇性蝕刻中的選擇性惡化。
這里應(yīng)指出，對(duì)于第二基片(形成在多孔硅層上的非多孔單晶硅層結(jié)合到其上)沒有特別的限制，只要其具有這樣一種光滑度，即其能與非多孔單晶硅層的表面或其上形成的膜緊密結(jié)合。例如，可以使用硅晶片、其上形成有熱氧化的硅膜的硅晶片、例如為石英晶片、藍(lán)寶石晶片或類似的透明基片。當(dāng)欲結(jié)合到一絕緣基片上時(shí)，可以略去絕緣層14。
此外，非多孔單晶硅層本身可以結(jié)合到第二基片上，或者另外可以首先在其上形成一層膜，然后結(jié)合到第二基片上。該欲形成的一層膜可以是硅氧化物或硅氮化物膜，或者是SiGe、SiC的單晶膜，或者是III-V族化合物InP、GaAs、InGaAsP、GaAsAl，或者是II-VI族化合物，或者可以是它們的疊層。
最好在結(jié)合之前徹底地漂洗該結(jié)合表面。漂洗步驟可以是在常規(guī)半導(dǎo)體加工處理時(shí)采用的在先技術(shù)。此外，在結(jié)合之前可以通過利用氮等離子體等照射提高結(jié)合強(qiáng)度。
在結(jié)合之后最好進(jìn)行熱處理，以便提高結(jié)合強(qiáng)度。
(氫退火處理)在除去多孔硅之后，非多孔單晶層12具有的不平整度反映了出現(xiàn)在表面上的在孔和多孔硅的側(cè)壁之間的(分布)周期。這種表面對(duì)應(yīng)于在非多孔單晶硅和多孔硅之間的界面，這兩者均為單晶硅，差別僅在于，具有孔還是不具有孔。通過利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)為代表的拋光方法可以消除表面上的不平整度，以及當(dāng)在含氫的還原性氣氛中進(jìn)行熱處理(稱為氫氣退火處理)時(shí)，可以基本上消除而沒有降低非多孔單晶硅膜的厚度。可以在大氣壓力、高壓、減壓或輕微的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)氫氣退火處理。此外，溫度為由800℃至單晶硅的熔點(diǎn)，最好為900-1350℃。
(硼濃度控制)另一方面，雖然在多孔硅層上的外延層上的結(jié)晶生長在形成p+Si(-0.01Ωcm摻硼的)的情況下要比在使p-Si(-0.01Ωcm摻硼的)陽極化的情況下要好得多，存在這樣一種情況其中在外延生長的過程中高濃的硼自身摻雜到或固相擴(kuò)散到外延的硅層中。擴(kuò)散到外延的硅層中的硼在多孔硅除去之后仍保留下來，使得在控制在SOI的活性層中的雜質(zhì)濃度方面遇到麻煩。為了解決這個(gè)問題，Sato等人提出這樣一種方法(N.Sato和T.Yonehara，Appl.phys.65(1994)，p.1924)，按SOI結(jié)構(gòu)完成的基片在氫氣中退火以便按照低的硼擴(kuò)散速度除去在SOI層表面上的本征的氧化物膜，以及在SOI層中的硼向外擴(kuò)散，以便達(dá)到低的濃度。然而，硼向外延硅層的擴(kuò)散可能引起使硼包含到隱蔽的氧化物膜中，以及使氫退火處理時(shí)間加長，因此使制造成本增加，或者降低對(duì)在隱蔽的氧化物膜中硼濃度的控制能力。為了解放這一問題，在較低的溫度下形成外延層硅對(duì)抑制硼的擴(kuò)散是有效的。根據(jù)本發(fā)明，能夠設(shè)定用于形成外延硅層的適當(dāng)條件，這是因?yàn)樗鼈兛梢元?dú)立于孔的阻塞來設(shè)定。
(FIPOS法)此外，取代結(jié)合法，可以利用FIPOS法來局部除去外延生長層，然后通過氧化處理選擇生地氧化多孔硅，因此形成SOI結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法抑制了多孔硅層的結(jié)構(gòu)變化和粗化以及孔的中斷，因此降低了選擇性氧化過程中的選擇性的惡化。
(異質(zhì)外延)關(guān)于多孔硅層，除了硅以外，由GaAs或另一種化合物半導(dǎo)體或者IV族類型材料例如SiC、SiGe等形成的非多孔單晶硅層可以按異質(zhì)外延方式生長。在異質(zhì)外延過程中，多孔硅用作應(yīng)力減輕材料，因此減輕由于晶格失配引起的應(yīng)力，此外，降低了非多孔單晶硅層的結(jié)晶缺陷密度，還降低了按異質(zhì)外延方式的生長層的缺陷密度。本方法抑制了多孔硅層的結(jié)構(gòu)變化和粗化以及孔的中斷，因此降低了應(yīng)力減輕作用的惡化。
(其它應(yīng)用)由于多孔硅在處理過程中具有除氣作用，通過不是形成上述的SOI結(jié)構(gòu)而是在利用本發(fā)明制成的非多孔單晶硅層中直接形成晶體管和雙極型晶體管，可以制成對(duì)金屬雜質(zhì)等具有高摻雜容許度的多孔基片。
由于本方法與常規(guī)方法相比較，可以降低熱處理溫度(特別是在阻塞孔之前)，故能夠抑制在多孔層中孔的聚結(jié)、膨脹或中斷，因此防止在結(jié)合步驟的后續(xù)步驟中在選擇性地蝕刻多孔層時(shí)選擇性的惡化。提高非多孔單晶硅層的結(jié)晶度，而在除去多孔層時(shí)不會(huì)有蝕刻殘留物。此外FIPOS法不會(huì)降低選擇性氧化多孔層的速度。
下面介紹本發(fā)明的一些具體的實(shí)施例。
(實(shí)例1950℃，600乇，預(yù)烘焙(2秒，120秒)，預(yù)注入，Epi-2微米)1)添加作為p型雜質(zhì)的硼，以便提供具有電阻率為0.015Ωcm+/-0.005Ωcm的CZ6-英寸(100)的硅晶片。
2)將上述硅晶片作為陽極和6英寸直徑的鉑片作為陰極(在硅晶片對(duì)面)配置在一種溶液中，該溶液是將49％HF和乙醇按2∶1的比例混合成的。形成的硅晶片的背側(cè)在另一p+硅晶片的對(duì)面，其間為同一溶液，因此使晶片面向該6英寸的直徑鉑片容許最大距離。在各晶片之間的各種溶液是彼此分開的，因此防止其間導(dǎo)電。在上述硅晶片和鉑片之間按照10mA/cm2的電流密度流過電流持續(xù)12分鐘，以便使硅晶片陽極化，因此在每一表面上形成厚度為12微米的多孔硅層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)1小時(shí)，使其上具有由此形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬?，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片里面留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于晶片載體上時(shí)，再置入葉片型外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室中，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過引入預(yù)先注入的N2氣使小室壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。經(jīng)過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室到處理小室并置于在托襯器上。
6)在將處理小室置于600乇的壓力之后，利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升直到950℃并保持在該溫度下持續(xù)2秒，然后冷卻到750℃，并利用輸送機(jī)械手再次取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。另一個(gè)晶片保持在950℃持續(xù)120秒然后另外進(jìn)行如上所述相同的處理再返回到加載鎖存小室。
7)將加載鎖存小室敞開于大氣并將晶片取出。利用HR-SEM觀測(cè)多孔層表面表明，經(jīng)2秒處理的晶片中的多孔層的表示孔密度為6.8×1010/cm2而經(jīng)120秒處理的晶片中的多孔層的表示孔密度為3.0×109/cm2。由于該試樣在置入外延生長裝置之前的孔密度為9.8×1010/cm2，變化率分別為7/10和3/100。即它們滿足條件2。
8)此外，將預(yù)先提供的SOI基片浸入到HF溶液中，然后用水清洗并干燥，利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)定計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚再進(jìn)行5)和6)中的處理，由加載鎖存小室取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，以便求出在兩個(gè)試樣中僅降低小于1納米的膜厚。即它們滿足條件1。
9)將經(jīng)過上述4)處理的晶片按照與5)相同的方式輸送到外延生長裝置的處理小室。
10)在將處理小室置于600乇的壓力之后，利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升并對(duì)進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙處理)保持在950℃并持續(xù)2秒，然后將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，因此處理該晶片持續(xù)200秒并停止添加SiH4。然后將壓力下降到80乇，溫度降低到900℃，添加SiH2Cl2，使?jié)舛葹?.5％(摩爾計(jì))，由此形成厚度為2微米的非多孔硅單晶硅膜。然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，利用輸送機(jī)械手再次將晶片取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。對(duì)另一晶片在950℃在氫氣氛中持續(xù)120秒進(jìn)行預(yù)烘焙處理，并且另外進(jìn)行與上述相同的處理再返回到加載鎖存小室。這里應(yīng)指出，當(dāng)將SiH4添加使?jié)舛葹?8ppm時(shí)，生長速度為3.3納米/分。此外應(yīng)指出，1％(摩爾計(jì))＝104ppm。
11)為了揭示缺陷對(duì)完成上述處理10)所得的晶片進(jìn)行蝕刻，從而揭示在非多孔單晶硅層中引起的結(jié)晶缺陷，然后利用Nomarski差分式干涉顯微鏡觀測(cè)。因此觀測(cè)的缺陷的層錯(cuò)缺陷百分率為99％或其以上。層錯(cuò)缺陷密度對(duì)于2秒預(yù)烘焙為84/cm2，對(duì)于120秒預(yù)烘焙為260/cm2，因此與在1100℃下120秒預(yù)烘焙處理的層錯(cuò)缺陷密度1.5×104/cm2相比明顯地降低。在較低的缺陷密度的實(shí)例中，特別是對(duì)于在950℃下持續(xù)2秒的實(shí)例，層錯(cuò)缺陷密度已達(dá)到小于100/cm2。(實(shí)例2950℃，600乇，預(yù)烘焙持續(xù)2秒，預(yù)注入，Epi-0.32微米)1)添加作為p型雜質(zhì)的硼，以便提供具有電阻率為0.015Ωcm+/-0.005Ωcm的CZ8-英寸(100)p+的硅晶片。
2)將上述硅晶片作為陽極和6英寸直徑的鉑片作為陰極(在硅晶片對(duì)面)配置在一種溶液中，該溶液是將49％HF和乙醇按2∶1的比例混合成的。形成的硅晶片的背側(cè)在另一p+硅晶片的對(duì)面，其間為同一溶液，因此使晶片面向該6英寸的直徑鉑片形成最大距離。在各晶片之間的各種溶液是彼此分開的，因此防止其間導(dǎo)電。在上述硅晶片和鉑片之間按照10mA/cm2的電流密度流過電流持續(xù)12分鐘，以便使硅晶片陽極化，因此在每一表面上形成厚度為12微米的多孔硅層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中氧化持續(xù)1小時(shí)，使其上因此形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬ぃ柩趸锬H形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片里面留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于一晶片載體上，再置入葉片型外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室中，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先將N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成以用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。通過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升并進(jìn)行預(yù)烘焙保持在950℃并持續(xù)2秒。這時(shí)的狀態(tài)是蝕去厚度小于納米及表面孔密度變化率r為7/10，兩者都滿足在本發(fā)明中規(guī)定的條件1和2。
接著將SiH2Cl2添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，并處理該晶片持續(xù)200秒(生長速度為2.6納米/分)然后將溫度降低到900℃；再添加SiH2Cl2使?jié)舛葹?.5％(以摩爾計(jì))，以便形成厚度為0.32微米的非多孔單晶硅層；然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，再次利用輸送機(jī)械手取出該晶片經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。因此形成平均厚度為0.32微米的非多孔硅單晶硅膜，以及其最大值-最小值＝8納米。
7)將每一其上已外延生長非多孔單晶硅層的晶片置入在立式加熱爐中并在1000℃下在混合氣體(通過燃燒氧和氫形成的水蒸汽和剩余氧的混合氣體)中進(jìn)行熱處理，以便使非多孔單晶硅層表面氧化，因此形成厚度為208納米的硅氧化物膜。
8)在硅半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的清洗作業(yè)線中將每一個(gè)上述的晶片和第二晶片進(jìn)行清洗，然后使它們彼此緩慢地使主表面相互面對(duì)懸掛起來，并在它們的中部加壓使之成一整體。
9)接著將成一整體的二晶片置入在立式加熱爐中并在1100℃下在氧氣氛中進(jìn)行熱處理持續(xù)1小時(shí)。
10)將其上形成有多孔硅的每一晶片的背側(cè)研磨以便露出在整個(gè)晶片表面上的多孔硅。
11)將因此露出的多孔硅層浸入到HF和過氧化氫水溶液的混合溶液中，以便在約2小時(shí)之內(nèi)除去所有的多孔硅，呈現(xiàn)由于非多孔單晶硅層和熱氧化的硅膜引起的在整個(gè)晶片表面上的干涉顏色。
12)將按照上述處理步驟11)完成的晶片在通常用在硅半導(dǎo)體器材生產(chǎn)的清洗作業(yè)線中進(jìn)行清洗并置于在立式氫退火處理加熱爐中并在100％氫氣氛中和在1100℃下持續(xù)4小時(shí)進(jìn)行熱處理。使用的氫氣是往可市售的利用鈀合金連接到該裝置的氫提純器(經(jīng)過長約7米內(nèi)部拋光的不銹鋼管)經(jīng)提純的氫氣。
13)因此制得SOI結(jié)構(gòu)晶片，其中硅氧化物層的厚度為200納米，層疊在第二硅晶片上的單晶硅層的厚度為200納米。153該單晶硅層的平均厚度為201納米，最大值-最小值＝8納米。
14)對(duì)完成上述處理步驟13)的晶片進(jìn)行揭示缺陷的蝕刻，以便除去厚度為130納米的單晶硅層，然后浸入到49％HF的溶液中持續(xù)3小時(shí)。結(jié)果，由于HF通過在單晶硅層(經(jīng)過揭示缺陷蝕刻已蝕刻的)中遺留的結(jié)晶缺陷部分蝕去隱蔽的氧化物膜，利用Nomarski差分式干涉顯微鏡可以易于確定缺陷密度。由此所觀測(cè)的缺陷密度為64/cm2。發(fā)現(xiàn)由于氫退火處理降低了在非多孔單晶硅層中引起的層錯(cuò)缺陷。因此，得到均勻膜厚的和的缺陷密度為100/cm2的薄膜SOI層。(實(shí)例3950℃，600乇，預(yù)烘焙持續(xù)2秒、120秒無預(yù)注入，Epi-0.32微米)1)添加作為p型雜質(zhì)的硼，以便提供具有電阻率為0.015Ωcm+/-0.005Ωcm的CZ6-英寸(100)p+的硅晶片。
2)將上述硅晶片作為陽極和6英寸直徑的鉑片作為陰極(在硅晶片對(duì)面)配置在一種溶液中，該溶液是將49％HF和乙醇按2∶1的比例混合成的。形成的硅晶片的背側(cè)在另一p+硅晶片的對(duì)面，其間為同一溶液，因此使晶片面向該6英寸的直徑鉑片形成最大距離。在各晶片之間的各種溶液是彼此分開的，因此防止其間導(dǎo)電。在上述硅晶片和鉑片之間按照10mA/cm2的電流密度流過電流持續(xù)12分鐘，以便使硅晶片陽極化，因此在每一表面上形成厚度為12微米的多孔硅層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)氧化1小時(shí)，使其上因此形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬?，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片內(nèi)側(cè)留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于一晶片載體上，再置入外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用于式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先將N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。通過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)在將處理小室置于600乇的壓力下之后，利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升并保持在950℃并持續(xù)2秒然后冷卻到750℃，并利用輸送機(jī)械手再次取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。另一個(gè)晶片保持在950℃持續(xù)120秒然后另外進(jìn)行如上所述相同的處理再返回到加載鎖存小室。
7)將加載鎖存小室敞開于大氣并將晶片取出。利用HR-SEM觀測(cè)多孔層表面表明，經(jīng)2秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為6.8×1010/cm2而經(jīng)120秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為3.0×109/cm2。由于該試樣在置入外延生長裝置之前的孔密度為9.8×1010/cm2，變化率γ分別為7/10和3/100。即它們滿足條件2。
8)此外，將預(yù)先提供的SOI基片浸入到HF溶液中，然后用水清洗并干燥，利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)定計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚再進(jìn)行5)和6)中的處理，由加載鎖存小室取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，以便求出在兩個(gè)試樣中僅降低小于1納米的膜厚。即它們滿足條件1。
9)將經(jīng)過上述4)處理的晶片按照與5)相同的方式輸送到外延生長裝置中的處理小室。
10)在將處理小室置于600乇的壓力之后，利用IR燈按照100℃/分的速度上升對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，并進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙處理)以保持在950℃并持續(xù)2秒，然后將壓力降低到80乇，溫度降低到900℃，添加SiH2Cl2，使?jié)舛葹?.5％(摩爾計(jì))，因此形成厚度為2微米的非多孔單晶硅膜。然后將溫度降低到750℃，并利用輸送機(jī)械手再次取出該晶片經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。另一個(gè)晶片在950℃下在氫氣氛環(huán)境中持續(xù)120秒進(jìn)行預(yù)烘焙處理，并且另外進(jìn)行如上所述相同的處理后再返回到加載鎖存小室。
11)為了揭示缺陷對(duì)完成上述處理10)的晶片進(jìn)行蝕刻，從而揭示在非多孔單晶硅層中引起的結(jié)晶缺陷，然后利用Nomarski差分式干涉顯微鏡觀測(cè)。因此觀測(cè)的缺陷的層錯(cuò)缺陷百分率為99％或其以上。層錯(cuò)缺陷密度對(duì)于2秒預(yù)烘焙為170/cm2，對(duì)于120秒預(yù)烘焙為2600/cm2，因此與在1100℃下120秒預(yù)烘焙處理的層錯(cuò)缺陷密度1.5×104/cm2相比明顯地降低。(實(shí)例4950℃，450乇，預(yù)烘焙持續(xù)2秒、120秒，預(yù)注入，Epi-2微米)1)添加作為p型雜質(zhì)的硼，以便提供具有的電阻率為0.015Ωcm+/-0.005Ωcm的CZ6-英寸(100)p+的硅晶片。
2)將上述硅晶片作為陽極和6英寸直徑的鉑片作為陰極(在硅晶片對(duì)面)配置在一種溶液中，該溶液是將49％HF和乙醇按2∶1的比例混合成的。形成的硅晶片的背側(cè)在另一p+硅晶片的對(duì)面，其間為同一溶液，因此使晶片面向該6英寸的直徑鉑片形成最大距離。在各晶片之間的各種溶液是彼此分開的，因此防止其間導(dǎo)電。在上述硅晶片和鉑片之間按照10mA/cm2的電流密度流過電流持續(xù)12分鐘，以便使硅晶片陽極化，因此在每一表面上形成厚度為12微米的多孔硅層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)氧化1小時(shí)，使其上因此形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬?，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片內(nèi)側(cè)留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于一晶片載體上時(shí)，再置入外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先將N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。通過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)在將處理小室置于450乇的壓力下之后，利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升并保持在900℃并持續(xù)2秒然后冷卻到750℃，并利用輸送機(jī)械手再次取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。另一個(gè)晶片保持在900℃持續(xù)120秒然后另外進(jìn)行如上所述相同的處理再返回到加載鎖存小室。
7)將加載鎖存小室敞開于大氣并將晶片取出。利用HR-SEM觀測(cè)多孔層表面表明，經(jīng)2秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為7.8×1010/cm2而經(jīng)120秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為3.0×1010/cm2。由于該試樣在置入外延生長裝置之前的孔密度為9.8×1010/cm2，變化率γ分別為8/10和3/100。即它們滿足條件2。
8)此外，將預(yù)先提供的SOI基片浸入到HF溶液中，然后用水清洗并干燥，利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)定計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚再進(jìn)行5)和6)中的處理，由加載鎖存小室取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，以便求出在兩個(gè)試樣中僅降低小于1納米的膜厚。即它們滿足條件1。
9)將經(jīng)過上述4)處理的晶片按照與5)相同的方式輸送到外延生長裝置中的處理小室。
10)在將處理小室置于450乇的壓力之后，利用IR燈將輸送到托襯器上的晶片按照100℃/分的速度上升進(jìn)行加熱，并進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙處理)以保持在900℃并持續(xù)2秒；然后將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，由此處理該晶片持續(xù)200秒并停止添加SiH4。然后將壓力下降到80乇，溫度降低到900℃，添加SiH2Cl2，使?jié)舛葹?.7％(以摩爾計(jì))，因此形成厚度為2微米的非多孔硅單晶硅膜。然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，利用輸送機(jī)械手再次將晶片取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。對(duì)另一晶片在900℃在氫氣氛中持續(xù)120秒進(jìn)行預(yù)烘焙處理，并且另外進(jìn)行與上述相同的處理再返回到加載鎖存小室。
11)為了揭示缺陷對(duì)完成上述處理步驟10的晶片進(jìn)行蝕刻，從而揭示在非多孔單晶硅層中引起的結(jié)晶缺陷，然后利用Nomarski差分式干涉顯微鏡觀測(cè)。因此觀測(cè)的缺陷的堆垛層錯(cuò)缺陷百分率為99％或其以上。堆垛層錯(cuò)缺陷密度對(duì)于2秒預(yù)烘焙為490/cm2，對(duì)于120秒預(yù)烘焙為350/cm2，因此與在1100℃下120秒預(yù)烘焙處理的堆垛層錯(cuò)缺陷密度1.5×104/cm2相比明顯地降低，使得層錯(cuò)缺陷密度已達(dá)到于1000/cm2。(實(shí)例5870℃，80乇，預(yù)烘焙持續(xù)5秒、60秒，預(yù)注入，Epi-2微米)1)添加作為p型雜質(zhì)的硼，以便提供具有的電阻率為0.015Ωcm+/-0.005Ωcm的CZ6-英寸(100)p+的硅晶片。
2)將上述硅晶片作為陽極和6英寸直徑的鉑片作為陰極(在硅晶片對(duì)面)配置在一種溶液中，該溶液是將49％HF和乙醇按2.1∶1的比例混合成的。形成的硅晶片的背側(cè)在另一p+硅晶片的對(duì)面，其間為同一溶液，因此使晶片面向該6英寸的直徑鉑片形成最大距離。在各晶片之間的各種溶液是彼此分開的，因此防止其間導(dǎo)電。在上述硅晶片和鉑片之間按照10mA/cm2的電流密度流過電流持續(xù)12分鐘，以便使硅晶片陽極化，因此在每一表面上形成厚度為12微米的多孔硅層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)氧化1小時(shí)，使其上因此形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50埃或其以下的氧化物膜，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片里面留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.3％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于一晶片載體上時(shí)，再置入外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先將N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定基片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。通過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)在將處理小室置于80乇的壓力下之后，利用IR燈對(duì)輸送到懸掛器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升到870℃并保持在870℃并持續(xù)5秒然后冷卻到750℃，并利用輸送機(jī)械手再次取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。另一個(gè)晶片保持在870℃持續(xù)60秒然后另外進(jìn)行如上所述相同的處理再返回到加載鎖存小室。
7)將加載鎖存小室敞開于大氣并將晶片取出。利用HR-SEM觀測(cè)多孔層表面表明，經(jīng)5秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為4.1×1010/cm2而經(jīng)60秒處理的晶片中的多孔層的孔密度為1.1×1010/cm2。由于該試樣在置入外延生長裝置之前的孔密度為9.8×1010/cm2，變化率γ分別為4/10和1.1/10。即它們滿足條件2。
8)此外，將預(yù)先提供的SOI基片浸入到HF溶液中，然后用水清洗并干燥，利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)定計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚再進(jìn)行5)和6)中的處理，由加載鎖存小室取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，以便求出在兩個(gè)試樣中僅降低小于1納米的膜厚。即它們滿足條件1。
9)將經(jīng)過上述4)處理的晶片按照與5)相同的方式輸送到外延生長裝置中的處理小室。
10)在將處理小室設(shè)置為80乇的壓力之后，利用IR燈按照100℃/分的速度上升對(duì)輸送到懸掛器上的基片進(jìn)行加熱，并進(jìn)行熱處理(預(yù)烘焙處理)以保持在900℃并持續(xù)2秒，然后將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?5ppm(百萬分率)，由此處理該晶片持續(xù)150秒并停止添加SiH4。然后添加SiH2Cl2，使?jié)舛葹?％(以摩爾計(jì))，因此形成厚度為2微米的非多孔硅單晶硅膜。然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，利用輸送機(jī)械手再次將該晶片取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。對(duì)另一晶片進(jìn)行預(yù)烘焙處理持續(xù)60秒，并且另外進(jìn)行與上述相同的處理再返回到加載鎖存小室。這里應(yīng)指出，當(dāng)添加SiH4使?jié)舛葹?5ppm(百萬分率)時(shí)，生長速度為4.3納米/分。
11)為了揭示缺陷對(duì)完成上述處理10)的晶片進(jìn)行蝕刻，從而揭示在非多孔單晶硅層中引起的結(jié)晶缺陷，然后利用Nomarski差分式干涉顯微鏡觀測(cè)。因此觀測(cè)的缺陷的堆垛層錯(cuò)缺陷百分率為99％或其以上。層錯(cuò)缺陷密度對(duì)于5秒預(yù)烘焙為350/cm2，對(duì)于60秒預(yù)烘焙為630/cm2，因此與在1100℃下120秒預(yù)烘焙處理的層錯(cuò)缺陷密度1.5×104/cm2相比明顯地降低，使得層積缺陷密度已達(dá)到小于1000/cm2。(實(shí)例6950℃，80乇，預(yù)烘焙持續(xù)2秒，預(yù)注入，Epi-0.32微米，再循環(huán))1)提供通過添加作為p型雜質(zhì)的硼得到，具有電阻率為0.015Ωcm+/-0.01Ωcm的CZ8-英寸(100)p+的硅晶片。
2)在HF溶液中將第一單晶硅晶片的表面層陽極化。第一陽極化的條件如下電流密度7ma/cm2陽極化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時(shí)間t(分)多孔硅層厚度×(微米)其它條件如下電流密度50ma/cm2陽極化容液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時(shí)間10(秒)多孔硅層厚度～0.2(微米)第一陽極化時(shí)間變到5分鐘，第一低孔隙度多孔層厚度×變化到5微米。
通過這種陽極化，由于電流密度為50ma/cm2多孔層孔隙度增加，因此形成結(jié)構(gòu)上易碎的高孔隙度多孔層。
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)氧化1小時(shí)，使其上已形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬?，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在晶片里面留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于在晶片載體上時(shí)，再置入外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先將N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。通過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管利用加熱的鈀合金的氫提純器將經(jīng)提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)利用IR燈對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，按照100℃/分的速度上升并進(jìn)行預(yù)烘焙保持在950℃并持續(xù)2秒。接著將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，因此處理該晶片持續(xù)200秒并終止添加SiH4。然后將溫度降低到900℃；再添加SiH2Cl2使?jié)舛葹槭節(jié)舛葹?.5％(摩爾計(jì))，以便形成厚度為0.32微米的非多孔單晶硅層。然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，再次利用輸送機(jī)械手取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。由此形成的平均厚度為0.32微米的非多孔硅單晶硅層具有平均厚度為0.32微米，以及其最大值-最小值＝8納米。在950℃下經(jīng)上述的2秒鐘的熱處理之后，表面孔密度為7.5×1010/cm2在(在熱處理前為9.5×1010/cm2)，滿足了在本發(fā)明中規(guī)定的條件2。
7)將每一其上已外延生長非多孔單晶硅層的晶片置入在立式加熱爐中并在1000℃下在混合氣體(通過燃燒氧和氫形成的水蒸汽和剩余氧的混合氣體)中，以便使非多孔單晶硅層表面氧化，因此形成厚度為208納米的硅氧化物膜。
8)在硅半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的清洗作業(yè)線中將每一個(gè)上述的晶片和第二晶片進(jìn)行清洗然后使它們彼此緩慢地令主表面相互面對(duì)懸掛起來，并在它們的中部加壓使之成一整體。
9)接著將成一整體的二晶片置入在立式加熱爐中并在1100℃下在氧氣氛中進(jìn)行熱處理并持續(xù)1小時(shí)。
10)利用水噴嘴噴射因此成的一整體的二晶片(在其欲分開的側(cè)面上在高孔密度多孔層處)。該分開方法除了注水以外還包含施加壓力、施加拉力、施加剪力、楔入和其它外部施加壓力的方法、應(yīng)用超聲波、加熱、氧化，以便由周邊使多孔硅膨脹在其中施加內(nèi)部壓力，采用脈沖的形式加熱以施加熱應(yīng)力和使之軟化。這些方法都能實(shí)現(xiàn)分開。
11)將因此露出的多孔硅層浸入到HF和過氧化氫水溶液的混合溶液中，以便在約2小時(shí)之內(nèi)除去所有的多孔硅，由于非多孔單晶硅層和熱氧化的硅膜引起的在整個(gè)晶片表面上呈現(xiàn)干涉顏色。
12)將按照上述處理步驟11)完成的晶片在通常用在硅半導(dǎo)體器材生產(chǎn)的清洗作業(yè)線中進(jìn)行清洗并置于在立式氫退火處理加熱爐中并在100％氫氣氛中和在1100℃下持續(xù)4小時(shí)進(jìn)行熱處理。使用的氫氣是經(jīng)利用鈀合金經(jīng)過長約7米內(nèi)部拋光的不銹鋼管連接到該裝置)的市售氫提純器提純的氫氣。
13)因此制得SOI結(jié)構(gòu)晶片，其中硅氧化物層的厚度為200納米，層疊在第二硅晶片上的單晶硅層的厚度為200納米。
該單晶硅層的平均厚度為201納米，最大值-最小值＝8納米。
14)對(duì)完成上述處理步驟13)的晶片進(jìn)行揭示缺陷的蝕刻，以便除去厚度為130納米的單晶硅層，然后浸入到49％HF的溶液中持續(xù)3小時(shí)。結(jié)果，由于HF通過在(經(jīng)過揭示缺陷的蝕刻已蝕刻的)單晶硅層中遺留的結(jié)晶缺陷部分蝕去隱蔽的氧化物膜，利用Nomarski差分式干涉顯微鏡可以易于確定缺陷密度。由此所觀測(cè)的缺陷密度為64/cm2。發(fā)現(xiàn)由于氫退火處理降低了在非多孔單晶硅層中引起的層錯(cuò)缺陷。因此，得到均勻膜厚的和缺陷密度為100/cm2的薄膜SOI層。
順便指出，將預(yù)先形成的SOI結(jié)構(gòu)浸入到HF溶液中，然后用水清洗和干燥，再利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)量計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚，并經(jīng)處理步驟5)進(jìn)行處理和僅進(jìn)行在步驟6)中的預(yù)烘焙處理，再由加載鎖存小室內(nèi)取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)試樣中膜厚僅降低小于1納米。即它們滿足條件1。(實(shí)例7950℃，80乇，預(yù)烘焙持續(xù)2秒，預(yù)注入，Epi-0.32微米，異質(zhì)外延)在用醇類稀釋的溶液中，使厚度為615微米電阻率為0.01Ωcm的4個(gè)p型或n型6直徑英寸(100)單晶硅基片陽極化，因此形成在主表面上的多孔硅層，作為每個(gè)基片的鏡面。
陽極化的條件如下電流密度7ma/cm2陽極化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時(shí)間12(分)多孔硅層厚度10(微米)孔隙度20％
3)接著，在400℃下在氧環(huán)境氣體中持續(xù)1小時(shí)，使其上已形成有多孔硅層的每一晶片氧化。由于這種氧化處理僅形成厚度約50?；蚱湟韵碌难趸锬?，硅氧化物膜僅形成在多孔硅層表面和孔側(cè)壁上，在基片內(nèi)側(cè)留有單晶硅區(qū)。
4)將上述晶片浸漬在稀釋到1.25％的HF水溶液中持續(xù)30秒，然后浸入純水中持續(xù)10分鐘，進(jìn)行溢流漂洗以便除去形成在多孔層表面上的超薄硅氧化物膜。
5)上述晶片當(dāng)置于在晶片載體上時(shí)，再置入外延CVD生長裝置中的加載鎖存小室，在該裝置中用于將晶片設(shè)置在晶片載體上的加載鎖存小室、具有晶片輸送機(jī)械手的輸送小室和處理小室連接起來。利用干式泵對(duì)加載鎖存小室抽氣由大氣壓降到1乇或其以下并且將N2氣注入其中使壓力達(dá)到80乇。通過預(yù)先N2氣注入輸送小室使壓力保持在80乇。將一托襯器置入處理小室，該托襯器由涂布有CVD-SiC的碳制成用于固定晶片。預(yù)先利用IR燈將托襯器加熱到約750℃。經(jīng)過長約10米內(nèi)部拋光的不銹鋼管將應(yīng)用加熱的鈀合金的氫提純器提純的氫氣提供到處理小室中。
利用輸送機(jī)械手輸送晶片由加載鎖存小室經(jīng)過輸送小室輸送到處理小室并置于在托襯器上。
6)利用IR燈按照100℃/分的速度上升對(duì)輸送到托襯器上的晶片進(jìn)行加熱，并保持在950℃進(jìn)行預(yù)烘焙并持續(xù)2秒。接著將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，由此處理該晶片持續(xù)200秒并終止添加SiH4。然后在氫氣氛中將溫度降低到750℃，將該晶片再次利用輸送機(jī)械手取出經(jīng)過輸送小室輸送到加載鎖存小室。因此形成平均厚度為0.03微米的非多孔硅單晶硅層。在熱處理之后，表面孔密度為5.9×1010/cm2在(在熱處理前為8.9×1010/cm2)，滿足了在本發(fā)明中規(guī)定的條件2。
利用MOCVD(金屬有機(jī)氣相沉積)法，在這一多孔硅上1微米厚度內(nèi)按外延生單晶GaAs。生長條件如下源氣體TMG/AsH3/H2氣體壓力80乇溫度700℃利用透射型電子顯微鏡觀測(cè)的斷面的結(jié)果確認(rèn)，沒有引起GaAs層結(jié)晶缺陷，形成具有良好結(jié)晶度的GaAs層。同時(shí)，還確認(rèn)，在它的表面上在GaAs層和多孔硅層之間由硅封閉的形成極為突變的界面。
此外，進(jìn)行揭示缺陷的蝕刻，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)揭示的缺陷密度進(jìn)行計(jì)數(shù)，確定缺陷密度約為10000/cm2。
順便指出，將預(yù)先形成的SOI基片浸入到HF溶液中，然后用水清洗和干燥，再利用光學(xué)干涉型膜厚測(cè)量計(jì)測(cè)量SOI層的膜厚，并經(jīng)處理步驟5)進(jìn)行處理和僅進(jìn)行在步驟6)中的預(yù)烘焙處理，再從加載鎖存小室內(nèi)取出。再次測(cè)量SOI層的膜厚，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)試樣中膜厚僅降低小于1納米。即它們滿足條件1。(實(shí)例8)正如在公開的9-100197號(hào)日本專利申請(qǐng)中所公開的，根據(jù)本發(fā)明的降低結(jié)晶缺陷的效果能夠通過在外延層生長的的起始階段提供微量的硅原子或硅源氣體進(jìn)一步提高。將其上形成有多孔硅層的一些基片置于在一保持在750℃的氫氣氛中的托襯器上(該托襯器由CVD-SiC的碳制成)，氫氣是按照43升/分的流量在600乇的壓力下經(jīng)過加載鎖存小室提供的，按照100℃/分的速度上升到950℃并在這一溫度持續(xù)2秒。在此之后，添加微量的SiH4使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，持續(xù)一段時(shí)間，在此之后，增加硅源氣體的流量，以便形成具有預(yù)期厚度的非多孔單晶硅膜。圖11表示堆垛層錯(cuò)缺陷密度和用于添加微量的SiH4的處理時(shí)間的依存關(guān)系。通過添加微量的SiH4使結(jié)晶缺陷密度可以有效地降低。
在HF、C2H5OH和H2O的混合溶液中通過陽極化形成多孔硅，然后在400℃下的氧氣氛中持續(xù)1小時(shí)對(duì)基片進(jìn)行熱處理。然后將基片浸漬在1.25％的HF水溶液中持續(xù)約25秒，并用水清洗和干燥，再置入外延生長裝置中。172提供微量的原子構(gòu)成的膜或源氣體也具有這樣一種作用即，促進(jìn)除去氧化物因此抑制了由于氧化物引起的缺陷的產(chǎn)生。(實(shí)例9)在加載鎖存型CVD外延生長裝置的反應(yīng)容器中，將由涂布有CVD-SiC的碳制成的托襯器預(yù)先加熱到750℃，將其上形成有多孔硅層的每個(gè)硅晶片經(jīng)過加載鎖存小室置于到該容器中。然后在600乇的壓力下，按照43升/分的流量提供氫氣，使溫度按照100℃/分的速度上升到1100℃并在此溫度持續(xù)2秒，然后，按照100℃/分的速度降低到750℃。經(jīng)過加載鎖存小室將晶片取出。平均直徑約10納米的表面孔的密度由熱處理前的1011/cm2降低為106/cm2，孔直徑增加到20-40納米。在這些狀態(tài)下，接著進(jìn)行上述的熱處理，將硅源氣體添加到氫氣中，以便影響單晶硅層的外延生長，因此形成的層積缺陷密度為104/cm2。另一方面，在這種情況下，將晶片加熱到不是在1100℃的而是在950℃，并在此溫度下持續(xù)2秒鐘，在熱處理之后孔密度的降低其數(shù)量級(jí)最大為一位數(shù)字。此外孔直徑幾乎不再降低。在這種熱處理之后，將硅氣體添加到氫氣中以便影響單晶硅層的外延生長，結(jié)果層積缺陷密度明顯降低到102/cm2，其數(shù)值為在下1100℃熱處理時(shí)的1/100。(實(shí)例10)接著本發(fā)明人檢查了預(yù)烘焙壓力對(duì)于層錯(cuò)缺陷密度的影響。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力對(duì)于硅原子的表面擴(kuò)散和在多孔硅層表面的孔結(jié)構(gòu)變化有嚴(yán)重的影響，其按照這樣一種方式即，壓力越低，出現(xiàn)層錯(cuò)缺陷密度的最小值的溫度越低(圖12)。
作為實(shí)例，采用(100)摻有硼的硅基片，其具有的電阻率為0.013-0.017Ωcm。在一種溶液(該溶液是將49％HF和醇類按1∶1的比例混合成的)中按照電流密度8mA/cm2持續(xù)11分，將每個(gè)基片陽極化，以便形成多孔硅層?？紫抖燃s為20％。然后將基片浸入到1.25％HF的溶液中25秒并用水清洗和干燥。然后在氧氣氛中在400℃下持續(xù)1小時(shí)進(jìn)行熱處理，再浸入到1.25％HF的溶液中持續(xù)這樣一段時(shí)間，以便蝕去例如約5納米的硅氧化物膜，然后用水清洗和干燥。
在裝有加載鎖存小室的反應(yīng)容器中實(shí)現(xiàn)外延生長指在如上所述的系統(tǒng)A中的熱處理。該熱處理在氫氣氛中在80乇的壓力和在600℃下持續(xù)120秒進(jìn)行。將SiH4添加到氫載氣中以便使?jié)舛葹?8ppm(百萬分率)，因此處理該晶片持續(xù)200秒并終止添加SiH4。然后將溫度降低到900℃壓力降低到80乇；因此形成厚度為2微米的外延層；然后確定每次熱處理后的層積缺陷密度。(實(shí)例11)圖13表示層積缺陷密度與預(yù)生長熱處理時(shí)間的依存關(guān)系，是在利用與實(shí)例10相同的工藝流程制得的試樣時(shí)在600乇壓力下在氫氣氛中950℃溫度下形成的。由持續(xù)60秒到持續(xù)超過120秒層積缺陷密度增加兩倍。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在這些條件下實(shí)行熱處理，蝕去的單晶硅厚度是很小的，多孔硅層表面的孔密度最大降低4位數(shù)字，優(yōu)選最大降低2位數(shù)字，可以使形成在多孔層上的非多孔單晶層的層積缺陷密度降低到1000/cm2，甚至降低到100/cm2。
因此，當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于結(jié)合法時(shí)，可以得到均勻膜厚的和極少結(jié)晶缺陷的SOI層。
換句話說，本發(fā)明抑制了形成在外延生長裝置中的多孔表面上的本征的氧化物膜的數(shù)量，因此抑制了孔直徑的擴(kuò)大還降低了用于除去本征的氧化物膜所需的熱處理時(shí)間與溫度，使得非多孔單晶層的形成可以在由于多孔表面中的原子擴(kuò)散明顯阻塞表面孔之前開始，因此得到在多孔硅上堆垛層錯(cuò)缺陷密度小于的1000/cm2的外延層。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體基片的方法，包括下列步驟提供一包含多孔硅層的基片的步驟；對(duì)多孔硅層進(jìn)行熱處理的熱處理步驟；以及在多孔硅層上生長非多孔單晶層的生長步驟，其中熱處理步驟在不包含非多孔單晶層的源氣體的氣氛中進(jìn)行，使得因熱處理而蝕去的硅厚度不大于2納米，且由(熱處理后的表面孔密度)/(熱處理前的表面孔密度)定義的多孔硅層的表面孔密度的變化率r滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1。
2.一種制造半導(dǎo)體基片的方法，包括下列步驟提供一個(gè)包含多孔硅層的第一基片的步驟；對(duì)多孔硅層進(jìn)行熱處理的熱處理步驟；在多孔硅層上生長非多孔單晶層的生長步驟，以及將在第一基片上的非多孔單晶層轉(zhuǎn)移到第二基片上的步驟；其中熱處理步驟在不包含非多孔單晶層的源氣體的氣氛中進(jìn)行，使得因熱處理而蝕去的硅厚度不大于2納米，且由(熱處理后的表面孔密度)/(熱處理前的表面孔密度)定義的多孔硅層的表面孔密度的變化率r滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的非多孔單晶層是以20納米/分或更小的生長速度生長的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的非多孔單晶層是以10納米/分或更小的生長速度生長的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的非多孔單晶層是以2納米/分或更小的生長速度生長的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的變化率r為(1/100)≤r≤1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的被蝕去的厚度為1納米或更小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的非多孔單晶層是非多孔單晶硅層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的非多孔單晶層是SiGe、SiC或一種化合物半導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的將非多孔單晶層轉(zhuǎn)移到第二基片上的步驟包括下列步驟將第一基片和第二基片彼此結(jié)合，并使非多孔單晶層位于里面；以及除去多孔硅層。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的將非多孔單晶層轉(zhuǎn)移到第二基片上的步驟包括下列步驟將第一基片和第二基片彼此結(jié)合，并使非多孔單晶層位于里面；以及在多孔硅層處分開該結(jié)合的元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的將非多孔單晶層轉(zhuǎn)移到第二基片上的步驟包括下列步驟將第一基片和第二基片以其間夾有一絕緣層的方式彼此結(jié)合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中該絕緣層形成在非多孔單晶層和第二基片的至少其中之一上。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的第二基片是一單晶硅基片。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的第二基片是一石英晶片。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中的熱處理步驟包括提高溫度和除去本征的氧化物膜的步驟，其中除去本征的氧化物膜的步驟是在不低于850℃和不高于1000℃的溫度下實(shí)現(xiàn)的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟包括提高溫度和除去本征的氧化物膜的步驟，其中除去本征的氧化物膜的步驟是在200秒或更短的處理時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中在所說的熱處理步驟之前還包括在多孔硅層的孔壁上形成保護(hù)膜的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中在所說的熱處理步驟之前還包括除去在多孔硅層的表面上形成的氧化膜的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的生長步驟先以第一生長速度生長然后以大于第一生長速度的第二生長速度生長。
21.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的加熱步驟和生長步驟是在裝有加載鎖存小室的反應(yīng)容器中實(shí)現(xiàn)的。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的加熱步驟是在比生長步驟時(shí)的壓力更高的壓力下進(jìn)行的。
23.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的多孔硅層通過使非多孔單晶硅的至少一部分陽極化而得到的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的陽極化是用包含氫氟酸、水和乙醇的溶液實(shí)現(xiàn)的。
25.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的包含有多孔硅層的基片以簡并的能級(jí)摻有雜質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟是在含氫的非氧化性氣氛中進(jìn)行的。
27.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟是在含氫氣的還原性氣氛、氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺怏w氣氛中進(jìn)行的。
28.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟是在超高真空中進(jìn)行的。
29.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟是在溫度不低于870℃不高于970℃的條件下進(jìn)行的。
30.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟包含除去在多孔硅層上的氧化物。
31.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造半導(dǎo)體基片的方法，其中所說的熱處理步驟蝕去厚度是為了在設(shè)定溫度下進(jìn)行熱處理而進(jìn)行的加熱過程中達(dá)到的蝕去量。
32.一種半導(dǎo)體基片，包含在多孔單晶硅層上的非多孔單晶硅層，其中非多孔單晶硅層的堆垛層錯(cuò)缺陷的密度為100/平方厘米或其以下，且在形成多孔單晶硅層的過程中形成的孔不是中斷的。
33.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制造的半導(dǎo)體基片。
34.一種形成集成電路的方法，包括用根據(jù)權(quán)利要求32所述的半導(dǎo)體基片來形成集成電路。
全文摘要
公開了一種具有非多孔單晶層的多孔硅層的晶體缺陷減少的半導(dǎo)體基片,及形成該基片的方法。該形成方法包括下列步驟:在不包含非多孔單晶層的源氣體的氣氛中對(duì)多孔硅層進(jìn)行熱處理,以及在多孔硅層上生長非多孔單晶層,其中的熱處理步驟在一定條件下進(jìn)行,使得蝕去的硅厚度為2納米或更小,且由(熱處理后的表面孔密度)/(熱處理前的表面孔密度)定義的多孔硅層的表面孔密度的變化率r滿足關(guān)系式(1/10000)≤r≤1。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1250945SQ99122410
公開日2000年4月19日 申請(qǐng)日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者佐藤信彥 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社