TWI297171B - Method for fabricating a germanium on insulator (geoi) type wafer - Google Patents

Description

1297171 九、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明係關於鍺於絕緣體上（GeOI)型晶圓的製造方 法。 先前技術 除了廣泛普及的矽以外，由於電子和電洞的高移動性 使得鍺成為令人感興趣之半導體裝置用的材料。就像越來 越多矽裝置裝配在矽於絕緣體上（SOI)型晶圓上以防止漏 電一樣，有關裝置長在鍺上也可觀察到相同的趨勢。矽與 錯主要的差異在於事實上，不像安定的二氧化矽，天然的 氧化鍺並非安定到能夠在GeOI型晶圓中扮演介電質的角 色。 為了克服此問題已經有人在先前技藝中提出使用二氧 化石夕之類的層（例如，舉例來說，低溫氧化物（LT〇)，例如 由TEOS或SiEU製成的二氧化矽）、四乙基原矽酸酯（TE〇s) 或尚溫氧化物（HTO)，或非氧化物之類的層（例如，舉例來 說，充當介電質的氮化矽（SisN4)或氮化鍺（Ge3N4))。這些層 通常都藉由低壓化學氣相沈積（LPCVD)或電漿強化化學氣 相沈積（PECVD)而沈積。那些介電質都沈積在整塊鍺晶圓 上或，例如，鍺薄層上，該鍺薄層已經事先提供於於例如， 舉例來說，比鍺晶圓更便宜的矽或碳化矽晶圓等另一型晶 圓上。 然而該輔助介電質的沈積事實上具有下列問題。第 6 1297171 一，辅助層介電質的沈積表示在二氧化矽層與鍺之間的界 面層並未經良好地控制。此界面取決於沈積之前已經在錯 上進行的表面準備作業（例如清潔）。第二，必須進行熱退 火以改良該沈積層的結構及電氣性質。第三，沈積層的粗 糙度與熱成長層相比較高，而且因此變得必須進行研磨以 改良經沈積及退火的氧化物之表面品質。在GeOI晶圓的製 造過程中，當該介電質的表面黏合於處理晶圓時，此表面 品質扮演著重要的角色。 事實上’獲得GeOI型晶圓的典型方法包含下列步驟： a)提供來源基材，像是鍺（Ge)基材或包含磊晶鍺層的基 材，而其中一個主要表面上有經沈積、退火及研磨的介電 層，b)將此結構附著於該處理基材而形成來源-處理-複合 物以及c)藉著由事先產生的預定分裂區之處分開一部分 的來源基材與該來源-處理-複合物的其餘部分，而將錯薄 層連同該介電層轉移到該處理基材上，該預定分裂區基本 上平行於該主要表面。 發明内容

有鐘於上述的問題，所以天然的氧化鍺無法作為Ge〇I 型晶圓上的介電質，而且因此必須沈積、退火並研磨其他 類型的氧化物或氮化物，就此技藝的現況而言GeOI晶圓面 臨著低品質介電膜、低生產量及更進一步的結果每個晶圓 的南成本。 因此本發明的目的在於提供克服上述與介電質有關的 7 1297171 問題之經改良的GeOI型晶圓之製造方法。 本目的利用根據申請專利範圍第1項的製造方法而得 到解決。 在該鍺基材之一主要表面上或中提供氧氮化鍺 (GeOxNy)層能提供下列優點。首先，其提供與此技藝現況 的GeOI晶圓中使用的介電層相比具有非常好的電氣特性 之鍺/氧氮化鍺界面。在此氧氮化鍺界面為Ge〇xNy與 • GeOxNy在其中形成的鍺之間的界面。再者，該氧氮化鍺表 面符合與表面粗糙度、奈米級地形學、側面平坦性及粒子 岔度有關的晶圓黏合標準，而且因此可與該處理基材輕易 地黏合在一起。 先前氧氮化鍺界面良好的電氣將性已經用於鍺為底的 CMOS結構，像是，舉例來說，可由Τ Ν· jaehs〇I1等人，ieee 電子裝置文學，第12卷，第605頁，1991年，及C.〇. Chui 等人’ IEDM 2003技術文摘，第437頁，2003年中得知者。 鲁令人驚訝的是該GeOxNy層也可與GeOI晶圓製造方法的附 著及分開步驟相容，並因此促成整個製造方法並且改良每 個晶圓的成本。 根據一個有利的具體例，該方法可進一步在步驟b)與 c)之間包含在該來源基材内部產生預定分裂區的步驟，進 而提供談氧氮化鍺層及將該來源基材附著於該處理基材的 步驟。這具有該氧氮化鍺與該來源基材的鍺之間的界面定 義良好而且具有良好的電氣特性以確保將組立於該GeOI 晶圓上的裴置能發揮良好的功效。有利地可將例如，舉例 1297171 離子等原子物種植入該來源基材以獲得該預 定分裂區。葬, 胃乂觀察到令人驚訝的是透過彼發生植入的

GeOxNy層並不會喪失其有利的性質。 。、有利地步驟b)可包含下列步驟：氧化該鍺基材或使用 ^來源基材上本來的氧化物，及氮化該氧化鍺而產生該氧 乳化鍺層。特別是熱氧化該鍺基材可能係有利的，相對於 ^沈積層’熱生長的氧化物層具有例如，舉例來說，改良 鲁表面粗糖度等更好的膜特性之優點。除熱氧化之外，還有 其他可用以礼化錯的替代性技術，像是例如電子迴旋共振 電漿氧化或電漿陽極氧化，二者都使用電漿氣氛或氡氣。 二：氧化相比’可改良成長速率及/或降低成長溫度。為了 女疋化製侍的介電質，接著進行該氧化鍺的氮化而終致獲 得具有上述有利特性的安定氮氧化鍺層。 ^圭地步驟b)可包含使用氨、二氧化氮或—氧化氮其 ^者氮化這些成分使得能以簡單的方法氮化，其 φ進#還降低生產成本。或者氮化可藉電聚陽極氮化技術 進行，使用氨、二氧化氮或-氧化氮其中至少-種的電漿。 另一個變化例中，步驟b)可包含藉由快速熱氮化而產 生該氧氮化錯層的步驟。這包含在較短的時間内將經加就 的鍺基材、鍺層或已經氧化的鍺層置^氨氣氣氛中。 ^據變化例，步驟b)可包含植入N(N2離子的步驟。 藉此可用以直接地產生該氧氮化錯層或可用以改變已經形 成的氧氮化鍺層之計量化學。藉由改變劑量及離子能量， 可藉達到計量化學的GeN2〇到非計量化學的响心而獲 1297171 得各種不同的氧氮化鍺，藉以使得在依據最終產物的要求 產生不同類型的氧氮化鍺層時能有增進的自由度。 較佳地步驟b)可進一步地包含清潔該鍺表面的步驟， 特別是藉著使用環狀氟酸（CHF)。清潔該鍺基材的表面將改 良改良該氧氮化錯界面的界面品質，藉以進一步改良該鍺 於絕緣體上型晶圓的電氣特性。 根據較佳具體例，在步驟C)之前厚度約〇埃至2〇埃 籲之氧氮化鍺（GeOxNy)層表面層可藉由電漿活化作用而活 化。藉由施加電漿活化作用，當附著（黏合）到該處理基材 時，可訂製該氧氮化鍺層的表面化學使得能形成比未經活 化的表面可達成的化學鍵結更強的化學鍵結。該電漿活化 作用可為經電漿活化的氮化作用。這導致供最終產物製造 用之退火溫度及退火時間降低。 有利地該處理基材的材料為鍺、矽、二氧化矽於矽上 (熱生長）、碳化矽、钟化鎵或石英其中的一種。利用那些 _與〇6匕小黏合的材料可獲得良好的黏合特性。由於實際上 該氧氮化鍺係長在該鍺晶圓或含鍺層的來源基材本身上， 因此可藉由一次及同一方法而獲得多種不同的鍺於絕緣體 上型晶圓。 根據有利的具體例，該方法可進一步包含在形成該來 源-處理-複合物之前先在該Ge〇xNy層上提供額外層的步 驟’特別是經沈積的二氧切（Si〇2)層。此額外層可用於促 成該附著步驟，其中要黏合的表面為供黏合技術用之更標 準的表面。 1297171 較佳地第二種額外層，特別是Hf〇2或以3、層，可在 提供該額外層之前先提供於該Ge〇xNy層上。此第二種額外 層提供給該GeOI晶圓提高的耐性，特別是對抗化學藥品侵 襲的耐性。在該結構中Ge〇xNy層的角色將可確保良好的電 氣特性。 有利地可在製備該預定分裂區之前先提供該額外層。 這可用於使該預定分裂區的產生最適化，例如可自由地選 用植入離子的能量。 根據變化例可在形成該來源-處理_複合物之前先移除 該額外層，在該例中經沈積的氧化物層的存在並不適用於 埋入式氧化物層之電氣品質。在該來源_處理_複合物的形 成之前先移除該額外層具有在離子植入的期間表面上可能 發生的損傷將不會使最終產物的品質衰退之優點。 再者本發明係關於根據上述方法製造之鍺於絕緣體上 (GeOI)型晶圓。 實施方式 以下將使用智慧切削（Smart Cut)技術說明根據本發明 的鍺於絕緣體上型晶圓之製造方法。然而，其他提供適合 的半導體於絕緣體上之製造方法也適合於本發明。 第la圖舉例說明鍺（Ge)基材1或，其中一個主要表面 上提供有蠢晶鍺層的基材。該來源基材的表面3可在進一 步加工之前先使用例如環狀氟酸（CHF)清潔。 第lb圖舉例說明可為，舉例來說，鍺晶圓、矽晶圓、 1297171 含熱成長二氧化發層的石夕晶圓、碳化石夕晶圓、存在石夕錯正 表面的晶圓或奸化鎵晶圓之處理基材5。最後也可使用石 英型晶圓。來源基材i及處理基材5可具有任何適合的尺 寸或形式，例如，舉例來說，200毫米或3〇〇毫米型晶圓。 #斤第lc圖舉例說明本發明方法的步驟b)，其包含提供 氧氮化鍺層於鍺基材i的主要表面3上或中。&了m 氮化錯層⑺’在此具體例中，藉由氧化鍺基材1的表面層， •至少在鍺基的主要表面3上或中熱成長天然氧化鍺。 這可在含氧的氣氛中在約550t的溫度下達到。接著該氧 化錄層的生長，該氧化鍺層通常都長到達約5⑻埃至 埃範圍内的厚度，特別是約15〇〇埃的厚度。然後進行氮化 步驟，該步驟，舉例來說，在約35〇〇c的溫度下發生，該 溫度在氮化的期間，可能會在含氨（NH3)的氣氛中被提高達 約600°C。至於變化例也可使用二氧化氮或一氧化ι(Ν〇2 或NO)而達到。通常此過程根據要處理的材料厚度耗費約 鲁1〇分鐘到數個小時’並且供形成厚度在約500埃至3〇〇〇 埃範圍内的氧氮化鍺層，特別是約15〇〇埃的厚度。在這些 條件之下獲得主要為化學計量的GeN2〇，然後利用所提出 的方法藉著變化一或多個上述的加工參數也可獲得非計量 化學的氧氮化鍺。利用該熱成長氧化物具有良好的表面特 性而且該氮化作用對表面品質沒有或僅有有限的衝擊，所 以可達到供後續黏合步驟用之良好界面。 若不以加熱的方式生長氧化鍺，也可使用電子迴旋加 速共振電聚技術或電裝極氧化技術生長氧化錯。然後可 12 1297171 在約80°C至400t下進行該氧化物生長，或者獲得與在相 似的生長溫度下的熱氧化作用相比約四倍的較高氧化物生 長速率。再者可額外地將N或乂離子植入氧化鍺或氧氮化 鍺層中。離子的劑量及能量根據想要達到的化學計量及植 入層的厚度而選擇。 根據變化例也可藉由快速熱氮化而獲得約1〇〇埃的氧 氮化鍺層7，而其在於例如將鍺或氧化鍺，加熱到約 • °C，置於氨氣（NH3)氣氛中約丨分鐘。根據本發明另一個變 化例，若該鍺晶圓已經暴露於周圍空氣中，那麼該氡化鍺 也可包含存在該鍺晶圓表面上本來的氧化物（包含數埃到 數十埃之間的厚度）。 如第14圖舉例說明的，在接下來的步驟中，在該來源 基材1内部產生基本上平行於主要表面3的預定分裂區9, 其供有氧氮化鍺層7。在智慧切削技術中這可藉著以預定 能量及劑量將原子物種8 (例如氫離子）植入該來源基材ι •中而達到。此植入通常都透過事先提供的氧氮化鍺層7而 發生。 如第le圖舉例說明的，在再下來的步驟中使該處理基 材5與表面上有氧氮化鍺層7的來源基材丨黏合在一起而 產生來源·處理-複合物11。使該處理基材5的一個主要表 面13與該氧氮化鍺層7的表面15之間發生黏合。當該氧 氮化鍺表面15的品質滿足有關表面粗糙度（典型地在丨〇埃 以下，特別是在5埃以下）、奈米級地形學、側面平坦性及 粒子密度的黏合標準時，就可達到該二基材之間的黏合， 13 1297171 甚至不需事先研磨該氧氮化鍺層7的表面15。這代表著相 對於先前技藝的方法之優點，其中沈積類似二氧化;5夕的氧 化物，然後退火以及最後地CMP研磨。 根據變化例可藉由執行厚度約0埃至20埃的表面層之 電漿活化氮化而進行該氧氮化錯表面層的電漿活化。 第If圖舉例說明分開步驟的結果，在智慧切削技術中 該步驟包含來源-處理-複合物11的熱退火。在退火的期間 _該預定分裂區9將一直變弱直到該來源基材的其餘部分2 i 與該鍺於絕緣體上型晶圓1 7之間完全分開為止，該鍺於絕 緣體上型晶圓17係由該處理基材5、已經經由黏合而自原 始來源基材10轉移到該處理基材5上之該氧氮化鍺層7及 鍺層19組成。原始來源基材的其餘部分21係移除並且可 再作為接下來的鍺於絕緣體上製造方法之來源基材1，之 後再回歸到像SOI智慧切削方法的期間一樣。 利用上述的發明方法，因此可提供有成本效率的鍺於 _絕緣體上型晶圓17，同時，由於該氧氮化鍺層7及其熱界 面朝向該來源基材的鍺晶圓及其黏合界面朝向該處理基材 5的有利特徵，使得該晶圓具有優異的品質。 根據本發明的第二個具體例，示於第2a至2f圖，在 該氧氮化鍺層7與該處理基材5之間提供額外層而藉著使 用更標準的黏合表面，舉例來說經沈積的二氧化矽表面， 促成黏合。該第二個具體例包含如第一個具體例之相同加 工步驟，因此不再複述各步驟而是藉此併入以供參考。具 有如第la至If圖及第2a至2f圖之相同參考編號的元件彼 1297171 此相對應，因此不再複述其性質而是併入以供參考。 根據第二個具體例，舉例說明於第2a圖，在第1 d圖 中舉例說明的加工步驟之前，先在Ge〇xNy層7上沈積二氧 化石夕層23。該層23係舉例來說在某溫度下以TEOS或SiH4 為底藉由PECVD而沈積，該溫度可與鍺相容，其一般都小 於7〇〇°C。該層23可具有約數奈米至數百奈米之範圍内的 尽度。在此例中’該來源-處理-複合物11’，示於第2b圖 中，除了第1 e圖所示的來源·處理·複合物i 1那些以外還包 含層23。 在鍺與氧化物之間的界面仍舊為GeOxNy/Ge界面，如 先前解釋的，其具有非常良好的電氣特性。該GeOxNy層7 與經沈積的二氧化矽層23之間的界面具有較低的品質。然 而’因為此界面離該鍺層19較遠，所以不會損及此層19 的電氣性質。 根據第二個具體例的變化例，在提供該二氧化矽層23 _之前先在該GeOxNy層7上沈積第二種額外層25，舉例來 說，Hf〇2或Si^4 ’如第2c圖中舉例說明的。黏合之後， 就可獲得該來源-處理-複合物11”，示於第2d圖中，與該 來源-處理-複合物11相比其包含一或多個層，第二種額外 層25 〇 事實上，經沈積的一氧化矽具有與一般使用的熱二氧 化石夕不同的性質。具體而s ’經沈積的二氧化石夕對於化學 藥品侵襲，舉例來說氟酸HF，具有低耐性。這在後續在經 轉移的鍺層19中製造裝置的期間會變成一個問題，其中經 15 1297171 沈積的二氧化矽層23將形成該GeOI基材17最終的埋入式 氧化物界面。該額外的Hf〇2或ShN4層25或可提高此耐性。 根據第二個具體例的第二個變化例，在第1 d圖中舉例 說明的離子植入步驟之前先在該GeOxNy層7上沈積該額外 層23，例如二氧化矽層。在該黏合步驟，舉例說明於第^ 圖’之前可能必須先移除此層以改良該埋入式氧化物的品 質’特別是在僅需要熱氧化物以形成該Ge0][基材1 7的埋 _ 入式氧化物之情況下。在此例中，可能有利的是在沈積該 二氧化矽層23之前，先在該GeOxNy層7上沈積Hf02或 SisN4層的第二種額外層25。此層的厚度可由數奈米至數百 奈米。這樣才能在植入步驟之後藉化學藥品侵襲，舉例來 說使用HF，移除經沈積的二氧化矽層，舉例說明於第i d 圖。然後直接地將所得的結構（舉例來說Ge/GeOxNy/ Hf〇2)，舉例說明於第2e圖，黏合於該處理基材5，其表面 13上可能或可此不包含熱二氧化石夕，而形成來源·處理-複 馨合物11”，，舉例說明於第2f圖。 在上述所有變化例中，鍺與該GeOI介電質之間的界 面總是都是鍺/GeOxNy界面。這樣可保護該鍺層7的電氣品 質。 圖式簡單說明 本發明方法的有利具體例將對照圖形說明於下。其係 示於： 第1 a至f圖·根據本發明製造鍺於絕緣體上型晶圓的 16 1297171 方法之第一個具體例，及 第2a至f圖：根據本發明製造鍺於絕緣體上型晶圓的 方法之第二個具體例。 主要元件之符號說明 1.. 鍺基材；3··來源基材的表面；5··處理基材；7..氧氮化鍺層； 8.. 原子物種；9..預定分裂區；10..原始來源基材； 11、11’、11”、11’”··來源-處理-複合物；13··處理基材的主要表面； 15··氧氮化鍺層的表面；17··鍺於絕緣體上型晶圓；19··鍺層； 21·.來源基材的其餘部分；23·.二氧化矽層；25··第二種額外層 17

Claims (1)

1297171 十、申請專利範圍： 1· 一種鍺於絕緣體上（GeOI)型晶圓之製造方法，其包含下 列步驟： > a) 提供鍺（Ge)基材或包含磊晶鍺層的基材作為一來源 基材（1)， b) 在該來源基材（1)之一主要表面上或中提供氡氮化 鍺（GeOxNy)層（7)， c) 將該來源基材（1)附著於一處理基材（5)而形成來源_ ❿處理-複合物（11)，以及 d) 在一預定分裂區（9)分開該來源基材（21)與該來源·處 • 理-複合物（11)藉以產生GeOI型晶圓，該預定分裂區被設 : 於該來源基材（1)内部而且基本上平行於主要表面（3)。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該方法復於步驟1^) 與c)之間包含在該來源基材（丨）内部產生該預定分裂區（9) 的步驟。 _ 3·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中步驟b)可包含 下列步驟： bl)氧化該鍺基材（！）或使用該來源基材（丨）上本來的氧 化物， b2)氮化該氧化鍺而產生該Ge〇xNy層⑺。 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中步驟b)包含使用氨 (NH3)、二氧化氮及一氧化氮其中至少一者來氮化。 5·如申請專利範圍第i或2項之方法，其中步驟b)包含藉 由快速熱氮化而提供該GeOxNy層（7)的步驟bl)。