СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ
METHOD OF PRODUCING STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к способу изготовления структуры, содержащей в определенном порядке опорную подложку, диэлектрический слой, активный слой, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой и диэлектрическим слоем. Настоящее изобретение также относится к структуре, содержащей в определенном порядке опорную подложку, имеющую удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение, диэлектрический слой, активный слой, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой и диэлектрическим слоем.
Такая структура особенно подходит для высокочастотных (ВЧ) применений, другими словами, для применений выше 100 МГц, например радиочастотных (РЧ) применений для интегральных схем с рабочей частотой порядка несколько ГГц, опорная подложка является в высокой степени резистивной, то есть заранее определенное значение удельного сопротивления больше чем 500 Ом⋅см.
Один способ изготовления, известный из уровня техники, в частности из документа FR 2953640 (здесь и далее D1), включает следующие этапы:
a) этап обеспечения донорной подложки, выполненной в указанном полупроводниковом материале;
b) этап формирования области охрупчивания в донорной подложке таким образом, чтобы разграничить первую часть и вторую часть этой донорной подложки на каждой стороне области охрупчивания, при этом первая часть предназначена для формирования активного слоя;
c) этап обеспечения опорной подложки, имеющей удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение;
d) этап формирования разделительного слоя на опорной подложке;
e) этап формирования диэлектрического слоя на первой части донорной подложки и/или на разделительном слое;
f) этап сборки донорной подложки и опорной подложки через промежуточное звено из указанных диэлектрического слоя и разделительного слоя;
g) этап растрескивания донорной подложки по области охрупчивания с обеспечением получения указанной структуры;
h) этап подвергания структуры упрочняющему отжигу по меньшей мере в течение 10 минут после этапа g).
Как указано в D1, упрочняющий отжиг выполняют в течение этапа h) при температуре ниже чем 950°С таким образом, что примененный тепловой баланс не является достаточным для преобразования поликристаллического кремния разделительного слоя в монокристаллический кремний. Очень важно, чтобы разделительный слой не преобразовывался в монокристаллический кремний для того, чтобы сохранять удельное сопротивление структуры, удовлетворительное для РЧ применений.
В D1 подчеркнуто, что ограничение длительности и/или температуры упрочняющего отжига порождает охрупчивание в поверхности контакта, образованной во время этапа f) сборки. D1 устраняет этот недостаток посредством промежуточных обработок, таких как обработка плазмой, способных упрочнять сцепление структуры.
Цель настоящего изобретения состоит в предоставлении альтернативы для того, чтобы обходиться без этих промежуточных обработок.
Для этой цели настоящее изобретение относится к способу изготовления структуры, содержащей в определенном порядке опорную подложку, диэлектрический слой, активный слой, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой и диэлектрическим слоем, причем указанный способ изготовления включает следующие этапы:
a) этап обеспечения донорной подложки выполненной в указанном полупроводниковом материале;
b) этап формирования области охрупчивания в донорной подложке таким образом, чтобы разграничить первую часть и вторую часть этой донорной подложки на каждой стороне области охрупчивания, при этом первая часть предназначена для формирования активного слоя;
c) этап обеспечения опорной подложки, имеющей удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение;
d) этап формирования разделительного слоя на опорной подложке;
e) этап формирования диэлектрического слоя на первой части донорной подложки и/или на разделительном слое;
f) этап сборки донорной подложки и опорной подложки через промежуточное звено из указанных диэлектрического слоя и разделительного слоя;
g) этап растрескивания донорной подложки по области охрупчивания с обеспечением получения указанной структуры;
h) этап подвергания структуры упрочняющему отжигу по меньшей мере в течение 10 минут после этапа g);
указанный способ изготовления примечателен тем, что этап d) выполняют таким способом, что поликристаллический кремний разделительного слоя имеет полностью случайную ориентацию зерен по меньшей мере по части толщины разделительного слоя, обращенного к опорной подложке, и тем, что упрочняющий отжиг выполняют в течение этапа h) при температуре строго выше чем 950°С и ниже чем 1200°С.
Существуют три типа морфологии поликристаллического кремния:
- морфология случайного типа, то есть со случайной ориентацией кристаллографических зерен в любом направлении,
- морфология столбчатого типа, то есть с ориентацией кристаллографических зерен преимущественно в целом по существу вертикальном направлении, обозначенном [111],
- смешанная морфология между случайной морфологией и столбчатой морфологией.
Таким образом, этап d) выполняют в условиях, подходящих для поликристаллического кремния разделительного слоя, проявляющего полностью случайную ориентацию зерен, то есть равноосные зерна по меньшей мере по части толщины разделительного слоя, обращенного к опорной подложке.
В соответствии с одним вариантом реализации этап d) выполняют в условиях, подходящих для поликристаллического кремния разделительного слоя, проявляющего полностью случайную ориентацию зерен по меньшей мере по 10% от толщины разделительного слоя, предпочтительно по меньшей мере по 25% от толщины разделительного слоя.
Заявитель неожиданно обнаружил, что такая морфология для поликристаллического кремния по части разделительного слоя, обращенного к опорной подложке, обеспечивает возможность подвергания структуры упрочняющему отжигу в течение этапа h) с увеличенным тепловым балансом по сравнению с уровнем техники без преобразования поликристаллического кремния разделительного слоя в монокристаллический кремний. Следовательно, с такой морфологией для поликристаллического кремния разделительного слоя возможно выполнять упрочняющий отжиг при температуре строго выше чем 950°С и тем самым исключить промежуточные обработки, такие как обработка плазмой уровня техники.
В соответствии с одним вариантом реализации поликристаллический кремний разделительного слоя имеет полностью случайную ориентацию зерен по существу по всей толщине разделительного слоя.
Таким образом, можно подвергать структуру упрочняющему отжигу в течение этапа h) с максимальным тепловым балансом по сравнению с уровнем техники без преобразования поликристаллического кремния разделительного слоя в монокристаллический кремний.
В соответствии с одним вариантом реализации этап d) включает этап d1) химического осаждения из паровой фазы разделительного слоя при атмосферном давлении и с температурой осаждения между 800°С и 1050°С, предпочтительно 850°С.
Таким образом, такие условия этапа d) делают возможным формирование разделительного слоя с поликристаллическим кремнием, проявляющим полностью случайную ориентацию зерен.
В предпочтительном варианте реализации изобретения этап d1) выполняют со скоростью роста в насыщенном режиме при сокращении активного газа, причем активные газы, предпочтительно, являются трихлорсиланом и водородом с предпочтительным соотношением 1:6.
Таким образом, такие условия особенно предпочтительны для формирования разделительного слоя с поликристаллическим кремнием, проявляющим полностью случайную ориентацию зерен.
В соответствии с одним вариантом реализации упрочняющий отжиг выполняют в течение этапа h) при температуре выше чем 1000°С по меньшей мере в течение 1 часа, предпочтительно при температуре выше чем 1100°С по меньшей мере в течение 2 часов.
Таким образом, такие тепловые балансы могут быть применены к структуре без преобразования поликристаллического кремния разделительного слоя в монокристаллический кремний и обеспечивают возможность упрочнения поверхности контакта, образованной во время этапа f) сборки.
c
В одном варианте реализации разделительный слой имеет толщину, обозначенную е, большую, чем так называемая критическая толщина, обозначенная e, или равную ей, ниже которой структура имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники меньше, чем заранее определенное значение, и выше которой структура имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники больше, чем заранее определенное значение, или равно ему, при этом указанное заранее определенное значение предпочтительно находится в диапазоне между 85 и 105 дБм как абсолютное значение, более предпочтительно равно 90 дБм как абсолютное значение.
Таким образом, заявитель обнаружил, что уровни радиочастотной производительности в понятиях генерации второй гармоники в основном регулируются минимальной толщиной разделительного слоя.
c
c
c
c
c
c
В соответствии с одним вариантом реализации толщина разделительного слоя удовлетворяет следующему соотношению: e≤e≤10 e, предпочтительно e≤e≤5 e, более предпочтительно e≤е≤2 e.
В предпочтительном варианте реализации изобретения заранее определенное значение удельного сопротивления опорной подложки больше или равно 3000 Ом⋅см.
Таким образом, заявитель обнаружил, что благодаря этому значению удельного сопротивления опорной подложки уровни радиочастотной производительности в понятиях затухания и перекрестных искажений независимы от разделительного слоя, тогда как уровни производительности в понятиях генерации второй гармоники остаются в основном регулируемыми толщиной разделительного уровня с зафиксированной удельной проводимостью опорной подложки.
В соответствии с одним признаком указанный способ включает этап термического окисления поликристаллического кремния разделительного слоя до этапа f).
Таким образом, такой сформированный слой оксида может облегчать этап f) сборки, особенно когда сборку выполняют посредством молекулярной адгезии.
В соответствии с одним вариантом реализации опорная подложка содержит разъединяющий слой, подходящий для разъединения системы связей кристаллической структуры между опорной подложкой и разделительным слоем, при этом разделительный слой формируют в течение этапа d) на указанном разъединяющем слое.
Таким образом, разъединяющий слой предотвращает преобразование поликристаллического кремния разделительного слоя в монокристаллический кремний.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, разъединяющий слой является естественным оксидом, полученным из опорной подложки.
Таким образом, заявитель обнаружил, что такой разъединительный слой вполне особенно способствует формированию разделительного слоя из поликристаллического кремния, который имеет полностью случайную ориентацию зерен.
Настоящее изобретение также относится к структуре, содержащей в определенном порядке опорную подложку, имеющую удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение, диэлектрический слой, активный слой, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой и диэлектрическим слоем, при этом указанная структура примечательна тем, что поликристаллический кремний разделительного слоя имеет полностью случайную ориентацию зерен по меньшей мере по части толщины разделительного слоя, обращенного к опорной подложке, а также тем, что поликристаллический кремний разделительного слоя имеет средний размер зерна в диапазоне между 180 нм и 250 нм, предпочтительно между 180 нм и 200 нм. Следует понимать, что понятие «средний размер» означает размер, усредненный по всей толщине разделительного слоя.
Таким образом, такая структура в соответствии с настоящим изобретением имеет превосходную механическую стойкость из-за объединения морфологии случайного типа для поликристаллического кремния разделительного слоя с минимальным размером зерна.
Такая структура в соответствии с настоящим изобретением может быть получена благодаря упрочняющей структуре тепловой обработки, при этом упрочняющую тепловую обработку возможно выполнять при температуре строго выше чем 950°С и ниже чем 1200°С по меньшей мере в течение 10 минут, упрочняющий отжиг возможно выполнять при температуре выше чем 1000°С по меньшей мере в течение 1 часа или даже при температуре выше чем 1100°С по меньшей мере в течение 2 часов.
В предпочтительном варианте реализации изобретения поликристаллический кремний разделительного слоя имеет полностью случайную ориентацию зерен по существу по всей толщине разделительного слоя.
c
В одном варианте реализации разделительный слой имеет толщину, обозначенную е, большую, чем так называемая критическая толщина, обозначенная e, или равную ей, ниже которой структура имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники меньше, чем заранее определенное значение, и выше которой структура имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники больше, чем заранее определенное значение, или равно ему, при этом указанное заранее определенное значение предпочтительно находится в диапазоне между 85 и 105 дБм, как абсолютное значение, более предпочтительно равно 90 дБм как абсолютное значение.
Таким образом, заявитель обнаружил, что уровни радиочастотной производительности в понятиях генерации второй гармоники в основном регулируются минимальной толщиной разделительного слоя.
c
c
c
c
c
c
В соответствии с одним вариантом реализации толщина разделительного слоя удовлетворяет следующим соотношениям: e≤e≤10 e, предпочтительно e≤e≤5 e, более предпочтительно e≤e≤2 e.
В предпочтительном варианте реализации изобретения заранее определенное значение удельного сопротивления опорной подложки больше или равно 3000 Ом⋅см.
Таким образом, заявитель обнаружил, что благодаря этому значению удельного сопротивления опорной подложки уровни радиочастотной производительности в понятиях затухания и перекрестных искажений независимы от разделительного слоя, тогда как уровни производительности в понятиях генерации второй гармоники остаются в основном регулируемыми толщиной разделительного уровня с зафиксированной удельной проводимостью опорной подложки.
Другие признаки и преимущества станут очевидны из нижеследующего описания одного варианта реализации способа в соответствии с настоящим изобретением, данного в качестве неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1A-1G иллюстрированы различные этапы способа изготовления структуры в соответствии с настоящим изобретением,
- на фиг. 2 показан частичный вид указанной структуры с наличием разъединяющего слоя,
- на фиг. 3 показан вариант реализации фиг. 2 с дополнительным разъединяющим слоем,
- на фиг. 4 показан вид в поперечном сечении структуры в соответствии с настоящим изобретением, иллюстрирующей осуществление теста на удельное сопротивление.
Способ изготовления, проиллюстрированный на фиг. 1A-1G, является способом изготовления структуры 3, содержащей в определенном порядке опорную подложку 2, диэлектрический слой 10, активный слой 11, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой 20 из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой 2 и диэлектрическим слоем 10.
Способ изготовления включает этап а), проиллюстрированный на фиг. 1А и заключающийся в обеспечении донорной подложки 1, выполненной в указанном полупроводниковом материале. Полупроводниковый материал донорной подложки 1 может быть кремнием.
Способ изготовления включает этап e), проиллюстрированный на фиг. 1В и заключающийся в формировании диэлектрического слоя 10 на донорной подложке 1. Диэлектрический слой 10 может быть диоксидом кремния. Этот диэлектрический слой 10 может быть образован в результате термического окисления донорной подложки 1 или быть сформирован посредством осаждения обычным способом при помощи одной из технологий химического осаждения из паровой фазы, хорошо известной специалистам в области техники посредством аббревиатур CVD и LPCVD (обозначающих Chemical Vapor Deposition, химическое осаждение из паровой фазы, и Low Pressure Chemical Vapor Deposition, химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении).
Способ изготовления включает этап b), проиллюстрированный на фиг. 1С и заключающийся в формировании области 13 охрупчивания в донорной подложке 1 таким образом, чтобы разграничить первую часть 11 и вторую часть 12 этой донорной подложки 1 на каждой стороне области 13 охрупчивания, при этом первая часть 11 предназначена для формирования активного слоя. Область 13 охрупчивания формируют в течение этапа b) предпочтительно посредством внедрения частиц, таких как водород и/или гелий. Внедрение могут выполнять с одними частицами, такими как водород, и также с множеством частиц, внедренных последовательно, таких как водород и гелий. Параметры внедрения, по существу, дозу и энергию, определяют в соответствии с природой этих частиц и донорной подложки 1.
Способ изготовления включает этап c), проиллюстрированный на фиг. 1D и заключающийся в обеспечении опорной подложки 2, имеющей удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение. Минимальное заранее определенное значение удельного сопротивления обычно составляет 500 Ом⋅см. Опорная подложка 2 может быть выполнена в кремнии. Признаком этой опорной подложки 2 является возможность подвергания ее тепловой обработке, придавая ей удельное сопротивление больше чем 500 Ом⋅см или даже больше чем 1000 Ом⋅см, предпочтительно больше чем 2000 Ом⋅см, более предпочтительно больше чем 3000 Ом⋅см. Эта тепловая обработка может быть реализована во время изготовления опорной подложки 2 или позднее в контексте настоящего способа изготовления. В соответствии с одним альтернативным вариантом реализации опорная подложка 2 может быть выполнена в материале с низким кислородным содержанием для того, чтобы придавать ей удельное сопротивление, большее чем 500 Ом⋅см.
Способ изготовления включает этап d), иллюстрированный на фиг. 1Е и заключающийся в формировании разделительного слоя 20 на опорной подложке 2. Этап d) включает этап d1) химического осаждения из паровой фазы разделительного слоя при атмосферном давлении (то есть осаждения типа PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, усиленное плазмой химическое осаждение из паровой фазы)) и с температурой осаждения между 800°С и 1050°С, предпочтительно 850°С. Этап d1) выполняют со скоростью роста в насыщенном режиме при сокращении активного газа. Таким образом, этап d1) выполняют таким образом, что поликристаллический кремний разделительного слоя 20 имеет полностью случайную ориентацию зерен по всей толщине разделительного слоя 20 или его части или, другими словами, поликристаллический кремний разделительного слоя 20 имеет равноосные зерна по всей толщине разделительного слоя 20 или его части.
Способ изготовления включает этап f), проиллюстрированный на фиг. 1F и заключающийся в сборке донорной подложки 1 и опорной подложки 2 через промежуточное звено из диэлектрического слоя 10 и разделительного слоя 20. Этап f) могут выполнять соединением посредством связующего типа молекулярной адгезии.
c
c
c
c
c
c
c
До этапа f) сборки и после выполняемого при необходимости этапа полировки свободной поверхности разделительного слоя 20 (не иллюстрирован) разделительный слой 20 имеет толщину, обозначенную е, большую, чем так называемая критическая толщина, обозначенная e, или равную ей, ниже которой структура 3 имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники меньше, чем заранее определенное значение, и выше которой структура 3 имеет радиочастотную мощность в понятиях генерации второй гармоники больше, чем заранее определенное значение, или равно ему, при этом указанное заранее определенное значение предпочтительно находится в диапазоне между 85 и 105 дБм как абсолютное значение, более предпочтительно равно 90 дБм как абсолютное значение. Толщина разделительного слоя 20 удовлетворяет следующему соотношению: e≤e≤10 e, предпочтительно e≤e≤5 e, более предпочтительно e≤e≤2 e. В качестве примера критическая толщина разделительного слоя 20 составляет порядка 1 мкм. Когда способ изготовления включает этап термического окисления поликристаллического кремния разделительного слоя 20 до этапа f), критическая толщина разделительного слоя составляет порядка 3,5 мкм. В отсутствие термического окисления поликристаллического кремния разделительного слоя 20 заявитель обнаружил уровень для радиочастотной мощности в понятиях генерации второй гармоники. Другими словами, свыше критической толщины радиочастотная мощность в понятиях генерации второй гармоники по существу равна заранее определенному значению. Следует отметить, что этот уровень не наблюдался в присутствии термического окисления поликристаллического кремния разделительного уровня 20.
Способ изготовления включает этап g), заключающийся в растрескивании донорной подложки 1 по области 13 охрупчивания таким образом, чтобы получить структуру 3, проиллюстрированную на фиг. 1G.
Способ изготовления включает этап h), заключающийся в подвергании структуры 3 упрочняющему отжигу по меньшей мере в течение 10 минут после этапа g); упрочняющий отжиг выполняют в течение этапа h) при температуре строго выше чем 950°С и ниже чем 1200°С. Упрочняющий отжиг могут выполнять в течение этапа h) при температуре выше чем 1000°С по меньшей мере в течение 1 часа, или даже при температуре выше чем 1100°С по меньшей мере в течение 2 часов.
В структуре 3, изображенной на фиг. 1G, поликристаллический кремний разделительного слоя 20 после этапа h) имеет средний размер зерна в диапазоне между 180 нм и 250 нм, предпочтительно между 180 нм и 200 нм, в зависимости от использованного теплового баланса.
Как изображено на фиг. 2, опорная подложка 2 может содержать разъединяющий слой 21, подходящий для разъединения системы связей кристаллической структуры между опорной подложкой 2 и разделительным слоем 20, при этом разделительный слой 20 формируют в течение этапа d) на разъединяющем слое 21. Когда опорная подложка 2 выполнена в кремнии, разъединяющий слой 21 может быть слоем с градиентом концентрации, который имеет параметр сетки, отличный от параметра сетки кремния. Эта разность параметра сетки, например, составляет больше 5%. Этот разъединяющий слой 21 не должен ни при каких обстоятельствах содержать чистый монокристаллический кремний. Разъединяющий слой 21 также может быть выполнен в материале группы IV-IV, таком как SiC или SiGe.
Кроме того, благодаря своим полостям и соединениям зерен разделительный слой 20 обеспечивает следующие возможности:
- улавливание загрязнений, которые создают падение удельного сопротивления (В, Р, Са, Na и т.п.),
- формирование барьера для электрических зарядов, содержащихся под диэлектрическим слоем 10.
Как показано на фиг. 3, также можно формировать дополнительный разъединяющий слой 21 таким образом, что разделительный слой 20 был помещен между двумя разъединяющими слоями 21. Дополнительный разъединяющий слой 21 обеспечивает возможность предотвращения преобразования поликристаллического кремния разделительного слоя 20 в монокристаллический кремний из активного слоя 11, когда активный слой 11 выполнен в монокристаллическом кремнии.
На фиг. 4 целью является тестирование удельного сопротивления структуры, полученной в соответствии с настоящим изобретением.
Это определение параметров выполняют, с одной стороны, с использованием хорошо известного так называемого способа «4РР» (означает «four points probe» method, «четырехзондовый» способ), то есть посредством использования 4 электродов, проходящих через всю структуру.
Второй способ, называемый «SRP», также хорошо известен и обеспечивает возможность построения графика изменения удельного сопротивления, как функции глубины, через угол, как показано на фиг. 4.
Очевидно, что способ реализации настоящего изобретения, описанный выше, ни в коей мере не является ограничивающим. Детали и расширения могут быть добавлены в другие варианты реализации без отхода любым способом от пределов объема настоящего изобретения.