专利名称：制造孔层的方法
制造孔层的方法技术领域和
背景技术：
本发明涉及制造位于氧化物或氮化物绝缘层中的孔的方法。在用于电子、微电子和光电子应用的如(绝缘体上半导体)型结构体等多层结构体的制造中，通常是例如在如硅晶片等半导体材料的晶片之间插入绝缘层。此外，可能需要在绝缘结构体中形成微孔或微泡。这尤其是在要使结构体能够在绝缘层处分离时适用，如文献W0-A-2005/034218中所述。例如，文献"Structural and nuclear characterizations of defects created by noble gas implantation in silicon oxide，，(H. Assaf■等，Nuclear Instruments and Methods,B 253(2006),222-26)描述了一种在氧化硅(SiO2)层中形成微泡以降低该氧化物层的介电常数k的值并因此而降低其电容率的方法。该文献中所描述的这一方法包括利用重稀有气体离子(如氙)注入在硅衬底上形成的SiO2层。所述注入使得在S^2层中形成微泡。然而，该方法需要利用重稀有气体离子，这涉及使用特定离子源和更为昂贵的设备(注入机)。与例如利用氢或氦离子进行的注入相比，利用重离子的注入需要较高的注入能，并对注入的材料产生较多的破坏。此外，使用这样的离子，难以控制离子在氧化物层中的注入深度，并且因此而难以控制微泡延伸至的区域。现在，需要能够以精确而经济的方式在衬底中形成包含孔的绝缘层。
发明内容
本发明的目的在于提供能够在绝缘层中产生孔而不具有上述缺点的解决方案。为此，本发明提出了一种在包含至少一个由可被氧化或氮化的材料形成的衬底的结构体中制造孔层的方法，所述方法包括以下步骤·向所述衬底中注入离子，以在预定平均深度处形成注入离子集中区；·热处理经注入的所述衬底，以在所述注入离子集中区形成孔层；和·通过热化学处理从所述衬底的一个表面起在所述衬底中形成绝缘层，形成的所述绝缘层至少部分延伸至所述孔层中。这样，通过在形成绝缘层之前产生孔层，可以精确地控制孔层的形成，因为注入是在均质衬底中进行，而不必使用如重稀有气体离子等特殊离子来注入。此外，孔层与绝缘层的重叠程度(完全或部分)也可以得到精确控制，因为所需要的只是在衬底中所希望的区域处使绝缘层形成前沿停止。在本发明的一个方面中，通过热化学处理而形成的绝缘层延伸至跨越整个孔层。在本发明的一个实施方式中，表面衬底的热化学处理在氧化性气氛中进行，以形成氧化物绝缘层。在本发明的另一个实施方式中，衬底表面的热化学处理在氮化性气氛中进行，以形成氮化物绝缘层。在本发明的一个特定方面中，在热化学处理过程中将一种或多种掺杂物引入衬底中。特别是，这种或这些掺杂剂可以向绝缘层的孔中引入正电荷或负电荷。本发明还提出了一种制造多层结构体的方法，所述方法至少包括将第一结构体连接到第二结构体上，所述第二结构体包含衬底，所述衬底包含根据本发明的用于形成孔层的方法而形成的孔层和绝缘层。特别是，第一结构体可以包含如硅层等半导体材料层。这样，多层型结构体可以被形成为具有包含孔的隐埋绝缘层。本发明还提供了一种包含由能够被氧化或氮化的材料构成的衬底的复合结构体， 所述结构体还包含通过热化学处理所述衬底的材料而形成的绝缘层，所述绝缘层包含孔层，所述结构体的特征在于，所述层的孔为矩圆形形状，并且所述孔沿同一方向取向。 该绝缘层可以是氧化物或氮化物层。在本发明的一个方面中，孔层的孔容有一种或多种掺杂物，所述掺杂物选自至少 氮、硼、砷、磷、锑、铝、镓、铁、镍和钴。
根据参照附图以非限制性指示进行的以下描述，本发明的特征和优点变得显而易见，附图中 图IA IC是显示根据本发明的一个实施方式在硅衬底中形成孔层和绝缘层的截面示意图； 图2是图IA IC中所进行的步骤的流程图； 图3 5是使用透射电子显微镜拍摄的显微照片，其显示了根据本发明的方法的一个实施方式在硅衬底中形成的微孔层，该衬底随后被氧化；·图6是显示根据本发明的方法的一个实施方式在氧化的硅衬底中形成的微孔的尺寸和分布的图；·图7是根据本发明的一个实施方式的复合结构体的示意图。
具体实施例方式本发明可通用于任何能够利用离子物种注入并能够被氧化和/或氮化的材料。以非限制性实例的方式，以下材料可用于实施本发明的方法·可氧化和/或可氮化的金属和金属合金(铁、锌、铜、钢、钛、锆等)；·结晶半导体材料，如硅、III/V材料(GaAs、GaN等)、锗及其化合物，如SiGe ；·碳化硅(SiC)。下面参照附图IA IC和2描述本发明的方法的一个实施方式，其适用于设计在硅衬底的氧化物层中的孔层。具体而言，本发明的方法包括离子注入、热处理以发展孔和热化学处理以形成氧化物或氮化物层的步骤。例如利用氢(H+)和/或氦(He)离子的衬底的离子注入在注入剂量为1 X IO15原子/cm2 1 X IO19原子/cm2 [原子/平方厘米]和注入能为IOkeV 200keV [千电子伏]的条件下进行。用于在经注入的衬底中发展孔的热处理通常在700°C 1300°C、 优选900°C 1200°C下进行10分钟 20小时、优选1小时 10小时的时间。氧化/氮化热化学处理对于氧化而言通常在70(TC 1300°C下进行，对于氮化而言在900°C 1300°C下进行，处理时间通常为数小时。如图IA所示，所述方法以注入晶片形式的硅衬底101开始，所述晶片具有例如 0. 7mm[毫米]的厚度和50mm 300mm的直径(步骤Si)。在注入过程中，利用离子10，例如He离子，对硅衬底101进行轰击。离子10穿透到衬底101中并在其中预定深度处停止， 在衬底中于预定平均深度处产生注入离子集中区102。对于集中区使用术语“平均深度”， 因为注入的离子通过与硅的晶格的原子连续碰撞而失去其能量，因而它们不是全部在恰好同一深度处停止。换言之，注入离子集中区在衬底中延伸至跨越一定厚度。众所周知，衬底中注入离子集中区的平均深度由注入能决定，因而自然要考虑所使用的离子和被注入的材料的性质。在该区域中离子的集中程度由所采用的注入剂量决定。在此处所述的实例中，注入利用He离子以75keV的注入能和约8X IO16原子/cm2的注入剂量来进行。利用这些注入条件，在从衬底表面起的数百纳米的平均深度处形成注入离子集中区102，该区延伸至跨越约100纳米的厚度。当硅衬底101被注入后，进行热处理或退火以利用注入离子集中区102中的离子所产生的缺陷形成包含微孔或微泡104的层103(图1B，步骤S2)。在此处所描述的实例中， 热处理在950°C的温度进行约8小时的时间。层103具有190nm 220nm[纳米]的厚度。 对于由不同材料形成的衬底和/或对于不同注入物种，用于发展微孔的热处理的温度和时间应进行调整。该方法接下来通过形成氧化硅(SiO2)层105来继续(图1C，步骤。更精确而言，使衬底101从其一侧表面(此处为衬底的被注入表面)起被氧化。为此，对衬底进行热化学处理，所述热化学处理包括将衬底置于保持在预定温度的腔室中，并且使衬底的该表面暴露于氧化性气氛。以非限制性实例的方式，氧化性气氛可以由气态氧(O2)、可选地和氢、和/或氯化氢(HCl)、和/或氩(Ar)构成。氧化性气氛也可以由水蒸气(H2O)、可选地和氢、和/或氯化氢(HCl)、和/或氩(Ar)构成。热化学处理的持续时间取决于欲获得的SW2层105的厚度和氧化前沿向硅衬底 101内推进的速率。可以调整热化学氧化处理的持续时间以使氧化前沿停止在层103内。 在此情况下，微孔同时存在于所形成的氧化物层中和下方的硅衬底的部分中。不过，可以延长持续时间，以使氧化前沿在越过层103处停止，使得所有微孔都包含在氧化物层中。在此处所述的实例中，所形成的氧化物层至少部分地与层103重叠，以使至少一部分微孔104包含在SiA层105中。为此，将硅衬底101在950°C的温度下于主要含有气态氧的气氛中处理3小时的时间。这些处理条件意味着形成厚度s为690nm[纳米]的SW2 层105。进行所述热化学氧化处理的技术和条件对于本领域技术人员而言是公知的，出于简化的目的将不进一步详细描述。如从图IC中可以看出的，获得了结构体100，所述结构体包含位于硅层106上的 SiO2层105，所述硅层106对应于硅衬底101的未被氧化的部分，所述结构体还包含存在于 SiO2层105和硅层106中的隐埋微孔层103。因此，根据本发明，孔分别由能够被氧化或氮化的材料向氧化物层或氮化物层转移。特别是，令人惊讶的是，孔在热化学氧化或氮化处理过程中得以保存。将硅衬底101 的包含微孔104的部分氧化并不会使它们消失，这意味着可以形成绝缘层，此处即氧化物层，该层包含已经在硅衬底中形成的微孔。然而，与仍存在于未氧化的硅衬底部分中的微孔104b相比，存在于SiO2层105中的微孔10 可以改变体积和形状。在氧化过程中，氧化前沿所影响的微孔倾向于随晶轴变化而被氧化或氮化至或强或弱的程度，但孔在处理后仍然存在。对于已进行注入、热处理以发展微孔和氧化的硅衬底在与上述相同的工作条件下进行了微孔的形状、尺寸和密度的测量。微孔层的平均厚度为约200nm。如从图3 5中可以看出的，存在于氧化物层中的微孔为矩圆形或椭圆形形状， 即，它们具有主要以长和宽为特征的细长形状。这些孔具有主要为Inm 30nm的宽度和主要为IOnm 60nm的长度。微孔在氧化物层中的平均密度为1. 2 X IO15孔· cm_3。存在于硅层(未氧化的衬底部分)中的微孔具有截头多面体形状和主要为 25nm 35nm的直径(图3 5)。微孔在硅层中的平均密度为3. 7 X IO15孔· cm—3。微孔在两个层(氧化物层和硅层)中的总平均密度为2. 5 X IO15孔· cm_3。图6说明了微孔在氧化物层中和在硅层中的尺寸分布。如从图6中可以看出的， 存在于硅层中的孔的直径按照高斯分布而分布。离子注入可以利用不同物种来进行。具体而言，可以利用氢和/或氦离子进行。氦的注入具有特别的优点，即可以注入大剂量的离子而不存在使衬底破裂的风险。在本发明的另一个实施方式中，包含所有或部分微孔的氧化物层可以由氮化物层替换。在此情况中，为形成具有微孔的氮化物层，对于能够被注入和氮化的衬底进行上述注入和热处理以发展微孔的步骤。为形成取代氧化物层的氮化物层，在热化学处理过程中，上述热化学处理中所使用的氧化性气氛需要由氮化性气氛代替。氮化性气氛的具体的非限制性实例为包含氮气、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)等的那些气氛。以与热化学氧化处理相似的方式，氮化前沿在衬底中所希望的深度处停止，即，若希望微孔既在氮化层中又在衬底的未氮化部分中则在微孔层内停止，或者若要使所有微孔都包含在氮化层中则于超过微孔层后停止。利用初始的硅衬底，例如，在对衬底注入和热处理以发展微孔之后，通过将衬底暴露于保持在900°C 1300°C的温度的氮气气氛，可以形成氮化硅(Si3N4)层，所述氮化硅层包含所有或部分微孔。根据本发明的方法获得的结构体，即包微孔层和至少部分地延伸至微孔层中的氧化物或氮化物层的衬底可用于许多应用。具体而言，利用由半导体材料(硅、锗等)形成的初始衬底，所述结构体可以连接到第二衬底上，从而形成％01(绝缘体上半导体)型结构体。隐埋的绝缘层于是包含孔。通过将本发明的结构体连接到另一衬底上，可以形成可脱离结构体。包含微孔的氧化物或氮化物层形成在例如机械分离力的作用下可以断裂的弱化界面，例如向微孔中插入刀片并用其施加力来分开衬底。热处理过程中发生不需要的断裂的风险非常低，因为微孔在氧化物或氮化物中不发展或仅发展至很轻微的程度。在本申请中，微孔优选完全包含在氧化物或氮化物层中。因此，提供了高度耐高温因而高度耐受例如互补金属氧化物半导体(CM0Q型电子组件制备(需要900°C左右的温度)的可脱离衬底。由此衬底可以在任何时间以机械或化学方式断裂。例如，氧化物可脱离层的任何残余物之后都可以通过涂布氢氟酸(HF)溶液而除去。本发明也可以用于生产包含低密度绝缘层(氧化物或氮化物)的结构体，所述低密度绝缘层具有低介电常数或者甚至如上所述的功能。微孔有助于降低绝缘层的平均密度，并且它们密封了具有低介电值的气氛。因此这会减少晶片之间的偶合，限制绝缘层的电容率。此外，微孔可以被功能化，特别是通过掺杂而实现。因此，例如，通过在热化学氧化处理中引入氮，可使氮向孔的界面迁移并于其中产生负电荷。通常，可以向孔中引入不同物种，特别是通过在热化学氧化或氮化处理过程中通过掺杂而引入金属。通过向孔中引入导电材料，可以产生带电荷的隐埋氧化物或氮化物层。 还可以通过引入形成导电性或半导电性材料的物种使孔功能化，而形成包含分开的电极 (例如浮栅)的层。具体而言，对孔掺杂和/或功能化可以在氧化/氮化之后(“氧化后(post-ox)”、 “氮化后(post-nitride)”)或者在氧化/氮化本身的过程中使用以下技术中的一种来进行 注入；·氧化/氮化之后在包含例如可使活性物种扩散的特定气体或前体的气氛中退火；·等离子体。掺杂和/或功能化过程中所使用的物种可以选自以下物种中的至少一种·氮(电荷位于孔表面上)；·特别是用来修饰半导体的带谱的如硼、砷、磷、锑、铝、镓等掺杂物；·通过向孔表面迁移而修饰电性质的如铁、镍、钴等金属。也可以设计可使孔功能化的任何其他材料。存在于氧化物或氮化物层中的孔也可以充当用于捕获可引起电干扰的污染物种的陷阱。通过将这种物种捕获在隐埋氧化物或氮化物层中的孔内，即使其远离界面而存在于氧化物或氮化物上方的可用层具有催化性，所述可用层的品质和电性质得到提高。氧化物或氮化物层中的孔也可以充当用于捕获氢原子的陷阱。在此情况下，孔会极大地提高氧化物或氮化物层的储氢能力，在其较薄时尤其如此。氢在氧化物或氮化物中的溶解度非常低，孔的存在意味着保持由此捕获的氢的能力得到提高。在将衬底连接于本发明的结构体时，将氢捕获并保持在包含微孔的氧化物层或氮化物层中意味着在热处理过程中，特别是在用于加固连接界面的热处理过程中，可以避免这两个元件之间的连接界面重新打开。孔也在连接界面处形成，并可以利用由结构体扩散的氢来将其置于压力之下。通过将氢保持在氧化物或氮化物层，其不能达到存在于连接界面处的孔，因此确保了良好的连接完整性。图7说明了根据本发明的方法生产的复合结构体200。复合结构体200是硅衬底， 其包含通过衬底的表面氧化而形成的绝缘S^2层205。复合结构体200还包含对应于硅衬底的未氧化部分的硅层206。该结构体还包含隐埋微孔层203，其完全地存在于绝缘层205 中。根据本发明，该微孔层通过以下方式形成在与上述相似的条件下对衬底进行离子注入和热处理，然后形成绝缘层。如以上所解释的，绝缘层205的形成不会使已经在衬底中形成的孔消失，但修改了其形状。实际上，在氧化(或氮化)前沿进入微孔层后，孔因氧化/氮化步骤中绝缘层生长速率的各向异性所致而全部具有基本上为矩圆形的形状。此外，在绝缘层已形成于微孔层中之后，具有矩圆形形状的孔在其长度方面全部沿相同方向取向。图7中，微孔204全部取向为使其长度竖直。但是，可以获得沿其他方向取向的矩圆形形状的孔，如平行于衬底平面或与其成角度的孔。孔的取向主要取决于氧化 /氮化步骤前衬底所提供的晶体取向。在绝缘层中获得彼此对齐的矩圆形形状的孔的层具有特别的有利之处。当本发明的复合结构体被用于形成可在包含孔的绝缘层处通过机械断裂而脱离的结构体时，所述孔的对齐意味着断裂工艺可以得到更好的控制，并且可以形成连续且规则的断裂线，这意味着断裂后粗糙度会由此而降低。当例如通过对孔掺杂来引入电荷从而将孔功能化时，孔的对齐意味着该层的总体电性质可以得到调整。
权利要求
1.一种在结构体(100)中制造孔层的方法，所述结构体(100)包含至少一个由能够被氧化或氮化的材料形成的衬底(101)，所述方法包括以下步骤 向所述衬底(101)中注入离子(10)，以在预定平均深度处形成注入离子集中区 (102)； 热处理经注入的所述衬底，以在所述注入离子集中区(10 形成孔层(10 ；和 通过热化学处理从所述衬底的一个表面起在所述衬底中形成绝缘层(10 ，形成的所述绝缘层至少部分延伸至所述孔层(103)中。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，通过热化学处理形成的所述绝缘层(20 延伸至跨越整个孔层(203)。
3.如权利要求1或2所述的方法，所述方法的特征在于，所述衬底(101)的材料至少选自以下材料硅、III/V材料、锗和硅-锗，以及碳化硅。
4.如权利要求1 3中任一项所述的方法，所述方法的特征在于，所述衬底的热化学处理在氧化性气氛中进行，以形成氧化物绝缘层(105)。
5.如权利要求1 3中任一项所述的方法，所述方法的特征在于，所述衬底的热化学处理在氮化性气氛中进行，以形成氮化物绝缘层。
6.如权利要求4所述的方法，所述方法的特征在于，所述氧化物绝缘层(105)延伸至所述孔层(10 的上部中，所述孔层的下部位于未氧化的硅衬底中，并且，存在于所述氧化物绝缘层中的孔(104a)基本上为矩圆形形状，其宽度为约Inm 30nm并且长度为IOnm 60nm，而存在于未氧化的衬底中的孔(104b)具有25nm 35nm的直径。
7.如权利要求1 6中任一项所述的方法，所述方法的特征在于，在所述热化学处理过程中向所述衬底中引入一种或多种掺杂物。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法的特征在于，所述一种或多种掺杂物至少选自 氮、硼、砷、磷、锑、铝、镓、铁、镍和钴。
9.一种制造多层结构体的方法，所述方法至少包括将第一结构体连接到第二结构体上，所述第二结构体包含衬底，所述衬底包含根据权利要求1 8中任一项所述的方法形成的孔层和绝缘层。
10.如权利要求9所述的方法，所述方法的特征在于，所述第一结构体包含半导体材料层，并且，所述多层结构体为型。
11.一种复合结构体000)，所述结构体(200)包含由能够被氧化或氮化的材料构成的衬底，所述结构体还包含通过热化学处理所述衬底的材料而形成的绝缘层O05)，所述绝缘层包含孔层003)，所述结构体的特征在于，所述层的孔(204)为矩圆形形状，并且，所述孔沿同一方向取向。
12.如权利要求11所述的结构体，所述结构体的特征在于，所述衬底至少选自以下材料硅、III/V材料、锗和硅-锗，以及碳化硅。
13.如权利要求11或12所述的结构体，所述结构体的特征在于，所述绝缘层(205)为氧化物或氮化物层。
14.如权利要求11 13中任一项所述的结构体，所述结构体的特征在于，所述孔层的孔含有至少选自以下物质的一种或多种掺杂物氮、硼、砷、磷、锑、铝、镓、铁、镍和钴。
15.如权利要求11 14中任一项所述的结构体，所述结构体的特征在于，所述孔层(203)的孔(204)具有约Inm 30nm的宽度和IOnm 60nm的长度。
全文摘要
一种在包含至少一个由可被氧化或氮化的材料形成的衬底(101)的结构体(100)中制造孔层的方法，所述方法包括以下步骤向所述衬底(101)中注入离子(10)，以在预定平均深度处形成注入离子集中区(102)；热处理经注入的所述衬底，以在所述注入离子集中区(102)形成孔层(103)；和通过热化学处理从所述衬底的一个表面起在所述衬底中形成绝缘层(105)，形成的所述绝缘层至少部分延伸至所述孔层(103)中。
文档编号H01L21/762GK102308382SQ201080006485
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年2月10日
发明者迪迪埃·朗德吕 申请人:硅绝缘体技术有限公司