本發(fā)明涉及制造依次包含有用的半導體層、介電層和載體襯底的結構體的方法。其具體涉及用于使所述有用層的表面平滑的方法。這些結構體尤其適用于微電子、微機械、光電子等領域。

背景技術：

現(xiàn)有技術已知有各種實現(xiàn)形成依次包含表面半導體層、介電層和載體襯底的中間結構體的方法。這可能例如是層轉(zhuǎn)移制造方法(例如，已知名為smartcut^tm或eltran^tm的方法)或者氧注入制造方法(以首字母縮寫simox(通過氧注入而分離)所知的方法)的問題。

在后續(xù)的修整步驟期間，所述中間結構體經(jīng)過各種處理以便將表面層轉(zhuǎn)化為具有特別是在平均厚度、厚度均勻性、粗糙度、晶體品質(zhì)等方面的所有預期性質(zhì)的有用層。

這些已知方法尤其被用來制造絕緣體上硅(soi)結構體。在該情形中，將成為有用層的表面層和載體通常由硅以及二氧化硅介電層構成。

這些soi結構體必須滿足非常精確的規(guī)格。對于有用層的最終粗糙度以及有用層和下方介電層的厚度均勻性而言尤其是如此。滿足這些規(guī)格是將要形成在有用層之中或之上的半導體器件的良好運行所需的。

在應用于中間結構體的標準修整處理中，已知有平滑退火處理，其包括使表面層暴露于升至高溫(通常高于1100℃)的惰性或還原性氣氛。這種處理特別是通過表面重構而使暴露于高溫氣氛的層的粗糙度降低。

這些退火操作可以在適合同時處理多個soi結構體的爐中在受控的惰性或還原性氣體流下進行以促進爐中的熱均一性。該氣體經(jīng)過濾以使其極為純凈(雜質(zhì)少于1ppm)，因為任何能與硅反應的污染物(o2、h2o、co2等)都會破壞表面平滑。不完美的平滑由有用層表面的殘留或不均勻粗糙度的程度所表征。

會記住，粗糙度測定通常使用原子力顯微鏡(afm)進行。采用這類裝置，在由afm顯微鏡針尖掃描的表面上測定粗糙度，所述表面為1×1μm²至10×10μm²，較不常見為50×50μm²，或者甚至100×100μm²。也可以通過其它方法來測定表面粗糙度，特別是借助于“霧度”測量。該方法的優(yōu)點特別在于在有用層的整個表面上快速表征粗糙度的均勻性。以ppm測定的這種“霧度”衍生自使用被表征表面的光反射性質(zhì)的方法，并且對應于表面因其微粗糙度而散射的光信號。應指出，本文所公開的“霧度”值以任意單位表達，并且通過相同的方案以及相同的裝置進行測定，在此情形中由klatencorsurfscansp(注冊商標)型儀器測定。

在用于使具有薄表面層的soi結構體的表面平滑的高溫和退火時間范圍內(nèi)，能夠發(fā)生下方氧化物層溶解的現(xiàn)象。該溶解現(xiàn)象特別報道于期刊solidstatephenomena第156-158卷(2010)第69-76頁中出現(xiàn)的文獻o.kononchuck等，“noveltrendsinsoitechnologyforcmosapplications”中。該文獻具體解釋到，在高溫惰性或還原性處理氣氛中，介電層的氧原子能夠擴散穿過表面層并能與其表面反應從而產(chǎn)生揮發(fā)性物種(氣態(tài)一氧化硅，sio)，后者由惰性氣體流攜帶至爐氣氛中。該文獻還解釋到，對于具有薄表面層的soi結構體，穿過表面層的氧擴散受到將揮發(fā)性物種帶離結構體表面的能力的限制，因此上述溶解現(xiàn)象的程度與表面附近的爐氣氛的氣體速度局部關聯(lián)。

如果氣態(tài)一氧化硅(sio)在熱處理期間在淺表層的表面處累積，其因而局部減慢溶解，從而導致最終產(chǎn)品的表面層厚度和介電層厚度的差異，這特別有害。為了限制sio的局部累積，有必要在爐中維持高氣體流，因為sio恰好經(jīng)由爐中循環(huán)的惰性或還原性氣體流而被帶走。

申請人已觀察到，雖然在高溫和高惰性或還原性氣體流的平滑熱處理期間爐中的氣體流的均勻性和純度受到控制，但某些soi結構體具有大于預期水平的“霧度”水平。在這些結構體的邊緣特別是如此，如圖1所示。在有用層上存在高殘留粗糙度的外周區(qū)100：其在圖1的“霧度”分布圖上由更深色的區(qū)域示出，代表更大的粗糙度(注意，分布圖的中央部分具有蝴蝶翅膀形式的較深色區(qū)域，也稱作“霧度十字”，其并非對應于更大的粗糙度而是所使用的測量方法的假象)。外周區(qū)100對于最終產(chǎn)品是一個問題，而對于最終產(chǎn)品，表面粗糙度和在soi結構體表面處的均勻性是關鍵參數(shù)。

因此，根據(jù)現(xiàn)有技術的平滑退火操作使得可以一般性地使soi結構體的表面平滑，從而確保最終soi結構體的良好的厚度均勻性(由于與溶解關聯(lián)的揮發(fā)性物種的充分排空)，但在某些處理過的結構體上會產(chǎn)生具有與最終產(chǎn)品的粗糙度規(guī)格不相容的殘留粗糙度的外周區(qū)100。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

因此，本發(fā)明的一個目的在于提出消除現(xiàn)有技術的缺陷的方法。特別是，本發(fā)明的一個主題是用于使絕緣體上硅結構體表面平滑的方法，該方法使得能夠限制具有殘留粗糙度的外周區(qū)的出現(xiàn)，而不會使表面層和隱埋介電層的厚度均勻性劣化。

本發(fā)明涉及用于使絕緣體上硅結構體平滑的方法，其包括在熱處理期間使所述結構體的表面暴露于惰性或還原性氣體流和高溫，所述方法包括在第一溫度和由第一流速限定的第一氣體流下的第一熱處理步驟。值得注意的是，所述方法在于其還包括在低于第一溫度的第二溫度和由低于第一流速的第二流速限定的第二氣體流下的第二熱處理步驟。

所述方法的第一步驟使得能夠在均勻的溶解現(xiàn)象的同時進行有效的表面平滑。在所述方法的第二步驟期間，也可以進行表面的平滑，并且可以矯正第一步驟期間產(chǎn)生的具有殘留粗糙度的外周區(qū)。第二熱處理的溫度條件使得溶解現(xiàn)象極慢或甚至不存在，這使得可以減小氣體流并因此限制被注入爐內(nèi)的能夠妨礙平滑的污染物(特別是通過創(chuàng)建具有殘留粗糙度的所述外周區(qū))：所述方法的第二步驟因此使得可以改善表面(特別是在外周區(qū)處)的平滑，而不會使表面層和隱埋的介電層的厚度均勻性劣化。

根據(jù)本發(fā)明的有利特性，單獨或組合方式：

·所述方法包括供給包含位于介電層上的薄表面層的soi結構體的前序步驟，所述介電層位于載體襯底上，所述表面層的厚度小于500nm；

·所述第一溫度大于閾值溫度且所述第二溫度低于所述閾值溫度，所述閾值溫度為1150℃至1170℃；

·所述第一溫度為1160℃至1200℃，優(yōu)選為1170℃至1200℃；

·所述第二溫度為1130℃至1170℃，優(yōu)選為1130℃至1160℃；

·所述第二熱處理步驟包括在所述第二溫度保持給定的時長；

·所述保持步驟的時長為1分鐘至2小時；

·所述第二熱處理步驟包括從所述第二溫度開始的0.1℃/分鐘至20℃/分鐘的溫度斜降；

·所述第一流速大于20slm；

·所述第二流速小于15slm；

·所述惰性氣體選自氬氣或氬氣與氫氣的混合物；

·所述第一熱處理步驟和所述第二熱處理步驟在同一熱處理期間連接在一起。

附圖說明

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將從參照附圖的本發(fā)明的以下詳細說明而顯現(xiàn)，其中：

-圖1展示了在包含具有殘留粗糙度的外周區(qū)的soi結構體的表面上測定的“霧度”分布圖；

-圖2展示了根據(jù)smart方法制造soi結構體的步驟；

-圖3展示了在現(xiàn)有技術的平滑方法之后在各個soi結構體上測定的最大粗糙度水平的圖；

-圖4展示了在本發(fā)明的平滑方法之后在各個soi結構體上測定的最大粗糙度水平的圖；

-圖5展示了在本發(fā)明的平滑方法之后在各個soi結構體上測定的最大粗糙度水平的圖。

具體實施方式

圖2展示了根據(jù)smart方法的一個實施方式制造絕緣體上硅(soi)結構體11’的步驟。硅供體襯底1進行熱氧化步驟(圖2a)從而使得soi結構體的將來隱埋的介電層2的尺寸增加。氧化物的厚度可以例如在數(shù)納米至數(shù)百納米之間變化。然后對供體襯底1進行輕離子3的注入(圖2b)。舉例而言，可以以對于將來的硅表面層的所需厚度合適的能量進行氦(1^e16/cm²)和氫(1^e16/cm²)的共注入。注入步驟在供體襯底1中形成隱埋的脆性平面4。然后將經(jīng)注入的供體襯底1與載體襯底5組裝，例如通過分子附著的鍵合(圖2c)。然后，在例如350℃至600℃的溫度范圍的分離退火操作使得隱埋的脆性平面4中的孔洞的尺寸增加，從而導致供體襯底1在該平面4處的分離。然后形成中間soi結構體11(圖2d)：其包括產(chǎn)生自供體襯底1的表面層10，表面層10位于介電層2之上，介電層2自身組裝至載體襯底5。在此階段，表面層10的表面是粗糙的(例如，大約為3至10nmrms——afm測定)。為了使該表面層10與微電子應用兼容，有必要在soi結構體的整個表面上均勻地將其粗糙度降低至大約0.05至0.5nmrms的值(afm測定)。

為此，可以進行各種處理，特別是犧牲氧化和化學機械拋光的步驟。然而，似乎對于襯底上的厚度均勻性至關重要(通常pv(峰-谷)<3nm)的薄表面層10(例如，厚度小于500nm，或者甚至小于300nm)而言，雖然拋光對于降低粗糙度是有效的，但其面臨去除的不均勻性過高而無法與最終soi結構體11’的規(guī)格兼容的問題。

因此，特別有利的是施加平滑熱處理，其使得能夠獲得有用層10’的更大的最終厚度均勻性(圖2e)。

在這些平滑熱處理期間，中間soi結構體11的表面在通常高于1100℃的溫度暴露于惰性或還原性氣體流：在這些條件下，硅原子的表面流動性高并且導致暴露的表面層10的表面的平滑。溫度越高，表面的平滑越有效且越快。結構體所暴露至的惰性或還原性氣氛優(yōu)選由氬氣或氬氣與氫氣的混合物(例如，<1％氫氣)組成。

有利的是，這些熱處理在可以含有多個中間soi結構體11的大型爐中進行。

申請人已觀察到，位于爐中的氣體注入處附近的某些soi結構體具有比在爐中其它部分獲得的“霧度”水平更高的“霧度”水平。這在結構體的邊緣處尤其如此(圖1中所示)。有用層10’上的這些具有高殘留粗糙度的外周區(qū)100對于表面粗糙度及其在soi結構體11’的表面處的均勻性為關鍵參數(shù)的最終產(chǎn)品而言是個問題。

可以在“霧度”分布圖(圖1)上和從平滑處理后的各個soi結構體11’上測定的最大“霧度”值來鑒定出這種殘留粗糙度。圖3在y軸示出了在位于爐中的不同位置(x軸)的結構體上測定的最大“霧度”值。其清楚地顯示，處于位置74至86處的結構體具有與其它位置相比更高的“霧度”水平：特別是，大于0.17(任意單位)的“霧度”水平與目標應用不兼容。

申請人從各種測試中推測，這些具有殘留粗糙度的區(qū)域100(優(yōu)選在soi結構體的邊緣處)是由于這些邊緣暴露于包含污染物(例如，o2、h2o、co2等)(即使量極小)的新鮮氣體所致。具體而言，這類污染物的存在通過在局部妨礙硅原子在表面處的流動性而擾亂了平滑現(xiàn)象。其后外周區(qū)100保留在經(jīng)處理的有用層10’上，所述外周區(qū)中的粗糙度大于預期水平，這使得最終soi結構體11’與目標應用不兼容。

本發(fā)明的使soi結構體11平滑的方法包括在熱處理期間使結構體11的表面暴露于惰性或還原性氣體流和高溫。其包括在第一溫度和由第一流速所限定的第一氣體流下的第一熱處理步驟。在該第一步驟中，表面層10的表面的第一平滑與下方氧化層2的第一溶解一同發(fā)生。第一溫度選自高溫范圍，特別是1160℃至1200℃，優(yōu)選為1170℃至1200℃。因此，這處于硅表面層上的表面平滑有效的熱預算范圍內(nèi)：第一平滑使得能夠在合理的短時間內(nèi)(可以為1200℃時的5分鐘至1170℃時的2小時)在希望的空間頻率的整個范圍(0.1nm至數(shù)微米)降低表面層10的表面處的粗糙度。

如前文所述，在該高溫范圍內(nèi)，可能發(fā)生隱埋氧化層2的溶解現(xiàn)象。為了避免表面層10和介電層2的厚度均勻性的劣化，因此重要的是在平滑退火操作期間維持足以排走由溶解現(xiàn)象形成的sio揮發(fā)性物種的氣體流。

在該第一步驟期間，爐中的氣體流維持在較高的第一流速，以避免與氧化物層2的溶解現(xiàn)象關聯(lián)的揮發(fā)性物種的任何累積。優(yōu)選地，第一氣體流速度大于20slm(標準升/分鐘)。因此，溶解現(xiàn)象足夠均勻，而不會使表面層10和隱埋氧化物層2的厚度均勻性劣化至使其與目標應用不兼容的程度。

本發(fā)明的平滑方法的所述第一熱處理步驟使得能夠在爐中處理的所有結構體上消除表面層10的大部分粗糙度并且實現(xiàn)良好的平均粗糙度水平。然而，特別是在位于爐中的氣體注入處附近的soi結構體上還保留有具有殘留粗糙度的外周區(qū)100：這種局部殘留粗糙度使所述soi結構體與預期規(guī)格不兼容(這些結構體上的最大“霧度”值超過0.17(任意單位))。

因此，本發(fā)明的平滑方法包括在低于第一溫度的第二溫度和由低于第一流速的第二流速所限定的第二氣體流下的第二熱處理步驟。在該第二步驟中，發(fā)生表面層10的表面的第二次平滑。第二溫度低于第一溫度；特別是，其選自1130℃至1170℃，優(yōu)選為1130℃至1160℃。因此，這處于其中表面平滑仍然活躍但溶解現(xiàn)象的動力學極慢的熱預算范圍內(nèi)。表面層10的表面平滑和隱埋的氧化物層2的溶解的現(xiàn)象均是熱力學活躍的，也就是說，溫度越高，這些現(xiàn)象越快。平滑現(xiàn)象的熱動力學由硅原子的表面擴散的活化能(其等于2ev)所限定。溶解現(xiàn)象的熱動力學由氧原子向硅的擴散的活化能(其等于4ev)所限定。因此，溶解比平滑對于溫度敏感得多。因此，在所述方法的第二步驟期間，在溫度低于1170℃、優(yōu)選低于1160℃時，溶解幾乎為零(該現(xiàn)象的速度極低)，而平滑仍然顯著，雖然其具有比在更高溫度時更低的有效性。

在該第二步驟期間，有利的是，爐中的氣體流由較低的第二流速所限定，以便限制與soi結構體表面接觸的污染物的量。優(yōu)選地，第二氣體流速小于15slm(標準升/分鐘)；有利的是，第二流速為大約5slm。溶解速度極慢，從而該步驟期間soi結構體11表面處的sio的累積可忽略不計，因此即使在該低氣體流條件下也不存在層的厚度均勻性的劣化。

申請人出乎意料地觀察到，本發(fā)明的平滑方法的所述第二熱處理步驟使得能夠顯著降低具有殘留粗糙度的外周區(qū)100的粗糙度水平，直至其與最終產(chǎn)品的預期規(guī)格兼容為止。因此，即使第二溫度低于第一溫度，與低氣體流速(第二氣體流)關聯(lián)的污染物的量的減少使平滑現(xiàn)象能夠在外周區(qū)100上以良好的有效性程度發(fā)生。

第一步驟和第二步驟分別在高于閾值溫度的第一溫度和低于閾值溫度的第二溫度進行。在表面層100的厚度優(yōu)選為200nm至500nm的絕緣體上硅結構體的情形中，所述閾值溫度為1150℃至1170℃。對于落在該范圍外的厚度而言，閾值溫度可能實質(zhì)上不同，特別是出于溶解現(xiàn)象對于表面層10的厚度的相關性的原因。

在包含特別是具有不同性質(zhì)的表面層10(例如，sige、碳摻雜硅等)的其它結構體的情形中，所述閾值溫度可能處于完全不同的溫度范圍，因為其依賴于平滑現(xiàn)象(原子的表面擴散)和溶解現(xiàn)象(氧化物透過表面層10的擴散)。

根據(jù)實施本發(fā)明的平滑方法的第一方法，第一熱處理步驟和第二熱處理步驟由兩個不同的退火操作構成，在其間使處理的soi結構體回到環(huán)境溫度。

根據(jù)實施本發(fā)明的平滑方法的第二方法，第一熱處理步驟和第二熱處理步驟在同一退火操作期間連接在一起。根據(jù)第一變型，在第一步驟結束時，例如在維持第一氣體流的同時使溫度遵循從第一溫度到第二溫度的斜降。作為另選，氣體流可以在溫度下降期間逐漸降低，直至達到第二溫度。

然后在第二氣體流下開始第二步驟，并且在第二溫度保持限定的時長。所述時長可以例如從數(shù)分鐘至數(shù)小時變化，特別是5分鐘至2小時。

根據(jù)一個變型，第二步驟在溫度從第一溫度變?yōu)榈诙囟葧r開始。然后，氣體流從第一氣體流變?yōu)榈诙怏w流。第二步驟沒有保持過程，但在從第二溫度開始的例如0.1℃/分鐘至20℃/分鐘的溫度斜降期間進行。

會記住，表面層10的厚度越薄，與溶解現(xiàn)象關聯(lián)的揮發(fā)性物種(sio)的累積越快。因此，soi結構體11的表面層10越薄，且最終產(chǎn)品11’的有用層10’和介電層2的粗糙度和厚度均勻性規(guī)格要求越高，本發(fā)明的平滑方法越有利。優(yōu)選地，本發(fā)明的平滑方法對于小于500nm的表面層是有利的。

現(xiàn)將參照圖4和5對兩個實施例進行描述。

實施例1

對包含300nm表面層10、30nm隱埋氧化物層2和載體襯底5的中間soi結構體11應用本發(fā)明的平滑方法。

第一熱處理步驟和第二熱處理步驟在同一退火操作中連接在一起。

第一熱處理步驟由在第一氬氣流(其體積流速為50slm)下于1175℃(第一溫度)退火135分鐘構成。位于爐中的頂部位置(即，在氣體注入處附近)的soi結構體11具有高“霧度”水平，這與具有殘留粗糙度的外周區(qū)100的存在相關聯(lián)。

圖4的圖在y軸展示出在各個結構體上測定的最大“霧度”值，所述soi結構體11位于爐中的不同位置(x軸上)。點線曲線對應于在等同于所述方法的第一熱處理步驟的退火之后的最大“霧度”值?？梢杂^察到，幾個結構體(尤其是在位置85至110處的那些)具有大于0.15-0.17(任意單位)的最大“霧度”值，這使其與目標應用(其規(guī)格要求小于0.17的最大“霧度”)不兼容。

當完成保持在第一步驟的1175℃后，溫度在第一氬氣流下經(jīng)歷斜降：一旦溫度達到1160℃(第二溫度)則平滑方法的第二熱處理步驟開始；氬氣流然后由5slm的第二體積流速限定。在此情形中，第二步驟包括在第二氣體流下從1160℃開始的溫度斜降。

在爐的出口處，經(jīng)處理的soi結構體11’具有相對于其在第一熱處理步驟前的狀態(tài)極大改善的“霧度”水平；這種改善對應于外周區(qū)100的殘留粗糙度的極大減小，特別是對于位于爐中位置70至110處的soi結構體。實線曲線對應于用本發(fā)明的平滑方法處理的soi結構體的最大“霧度”水平。

有利地觀察到，本發(fā)明的平滑方法降低了所有處理的soi結構體的粗糙度水平，將最大“霧度”水平降至小于0.15(任意單位)的值。

實施例2

對包含300nm表面層10、30nm隱埋氧化物層2和載體襯底5的中間soi結構體11應用本發(fā)明的平滑方法。

第一熱處理步驟由在第一氬氣流(其體積流速為25slm)下于1200℃(第一溫度)退火5分鐘構成。位于爐中的頂部位置(即，在氣體注入處附近)的soi結構體具有高“霧度”水平，這與具有殘留粗糙度的外周區(qū)100的存在相關聯(lián)。

圖5以箱線圖的形式展示出在各個結構體上測定的最大“霧度”值，所述soi結構體位于爐中的不同位置。左邊的箱體對應于在相當于所述方法的第一熱處理步驟的退火之后測定的最大“霧度”值?？梢杂^察到這些“霧度”值在0.18-0.24(任意單位)的范圍內(nèi)高度分散，這使得對應的soi結構體與目標應用(其規(guī)格要求小于0.17(任意單位)的最大“霧度”)不兼容。

本發(fā)明的平滑方法的第二熱處理步驟由在第二氬氣流(其體積流速為5slm)下在1160℃(第二溫度)退火2小時構成。

在爐的出口處，經(jīng)處理的soi結構體11’具有極大改善的“霧度”水平(對應于外周區(qū)100的殘留粗糙度的極大減小)。圖5中右邊的箱體包括在用本發(fā)明的平滑方法處理過的各個soi結構體上測定的最大“霧度”值。據(jù)觀察，所有值均低于0.17(任意單位)，后者是對于目標產(chǎn)品的預期最大“霧度”值。還觀察到最大“霧度”值的分散方面的極為顯著的降低：因此，本發(fā)明的平滑方法明顯降低了所有處理的soi結構體的粗糙度水平。

第一熱處理步驟和第二熱處理步驟可以在同一退火操作期間連接在一起，或由兩個分開的退火操作構成。

當然，本發(fā)明不限于所描述的實施方式和實施例，并且在不脫離權利要求書所限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以引入實施方式變型。