贴合晶片及贴合晶片的制造方法 【技术领域】
本发明涉及使用单晶硅晶片的贴合晶片及其制造方法，特别涉及适用于MIS(MOS)型器件的贴合晶片及其制造方法。
背景技术
利用单晶硅晶片所制作的MIS(金属/绝缘膜/硅)型晶体管的栅极绝缘膜，被要求具有：低泄漏电流特性、低界面态密度、耐高载流子注入性等高性能电气特性、高可靠性。满足这些要求的栅极绝缘膜(主要为氧化硅膜)形成技术，以前是利用使用氧分子和水分子的不低于800℃的热氧化技术。
以往使用具有{100}的硅晶片、或者由{100}倾斜4°左右的面方位的硅晶片时，使用此热氧化技术能获得优良的氧化膜/硅界面特性、氧化膜的耐压特性、泄漏电流特性。这是因为，在{100}面形成的栅极氧化膜的界面态比其它的结晶面低。若在由此以外地其它的面方位形成的硅晶片上，形成使用热氧化技术的栅极氧化膜，则氧化膜/硅界面的界面态密度高，而且，氧化膜的耐压特性、泄漏电流特性不好等，电气特性差。
因此，形成以所谓MOS(金属/氧化硅膜/硅)型晶体管所代表的MIS型半导体器件的硅晶片，在以往所使用的晶片是{100}的晶片、或者具有由{100}倾斜4°左右的面方位的晶片。
近年来，开发出不依赖于硅晶片表面的面方位，而形成优良绝缘膜的手法(参考2000 Symposium on VLSI Technology，Honolulu，Hawaii，June 13th-15th，2000“Advantage of Radical Oxidationfor Improving Reliability of Ultra-Thin Gate Oxide”)。因此，可以说如依据此手法，则不需要将制作MIS型半导体器件的晶片的面方位限定在{100}面。
另一方面，已经清楚MISFET的沟道方向的载流子迁移率，在具有{110}面的晶片的特定方向上，有时迁移率变成不小于两倍，使源漏之间电流值增加。
因此，作为制作MIS型器件的晶片，若利用{110}的单晶硅晶片，通过前述不依赖面方位的优良绝缘膜形成手法来形成栅极绝缘膜，则认为可以制作具有已有技术没有的优异特性的MIS器件。
【发明内容】
可是，{110}的单晶硅晶片，由于其原子排列为1轴对称(2次对称)，故与已有的二轴对称(4次对称)的{100}的单晶硅晶片相比，容易因热处理而翘曲，由本发明人等的实验清楚知道如此并不适用于MIS器件制作工艺。
因此，本发明克服了上述结构上的问题点，其目的在于提供活用{110}的单晶硅晶片而获得具有优异特性的MIS器件的晶片及其制造方法。
为了解决上述问题点，本发明的贴合晶片，至少在单晶硅晶片上积层了单晶硅层，其特征为，所述单晶硅层的结晶面方位为{110}，而且，所述单晶硅晶片的结晶面方位为{100}。
在此情况下，所述单晶硅层的结晶面方位由{110}偏离15°以内，所述单晶硅晶片的结晶面方位由{100}偏离15°以内也可以。
另外，可以在所述单晶硅晶片与所述单晶硅层之间，具有绝缘膜。
再有，优选所述单晶硅层的结晶面方位为(110)，该(110)面的[-110]方向与所述单晶硅晶片的<110>方向平行或者垂直。
本发明的贴合晶片的直径不小于200mm时也特别有效。
本发明的贴合晶片的制造方法，其特征为，至少使结晶面方位为{110}的第1单晶硅晶片与结晶面方位为{100}的第2单晶硅晶片直接或者间隔着绝缘膜来进行贴合，然后使所述第1单晶硅晶片薄膜化。
另外，本发明的贴合晶片的制造方法，至少由第1单晶硅晶片的表面注入氢离子或者稀有气体离子的至少其中一方而在第1单晶硅晶片中形成离子注入层，贴合该第1单晶硅晶片与第2单晶硅晶片，然后在所述离子注入层剥离所述第1单晶硅晶片，其特征为，
所述第1单晶硅晶片使用结晶面方位为{110}的单晶硅晶片，所述第2单晶硅晶片使用结晶面方位为{100}的单晶硅晶片。
这种情况下，优选使注入所述第1单晶硅晶片表面的离子的注入角度由垂直于{110}的方向倾斜而进行注入。
另外，也可以在所述第1单晶硅晶片的表面形成绝缘膜后，通过该绝缘膜进行所述离子注入。再有，也可以在所述第2单晶硅晶片的表面形成绝缘膜后，间隔着该绝缘膜进行与所述第1单晶硅晶片的贴合。
这种情况下，所述第1单晶硅晶片的结晶面方位由{110}偏离15°以内，所述第2单晶硅晶片的结晶面方位由{100}偏离15°以内也可以。
另外，更优选所述第1单晶硅晶片使用结晶面方位为(110)的晶片，贴合成该(11O)面的[-110]方向与所述第2单晶硅晶片的<110>方向平行或者垂直。
本发明的贴合晶片的制造方法，其特征为使用所述第1单晶硅晶片以及第2单晶硅晶片的直径不小于200mm的晶片时，特别有效。
如以上说明那样，若依据本发明，则可以提供在成为形成MOS器件等的活性层的单晶硅层适用能够获得载流子的高迁移率的{110}，且不易产生因热处理所导致的翘曲的贴合晶片。另外，通过使单晶硅层的迁移率变大的方向与支持基板容易劈开的方向一致，也可以具有容易小片化贴合晶片的优点。
【附图说明】
图1(a)～(h)是表示通过本发明的离子注入剥离法而形成的贴合晶片的制造工序的一个例子的流程图。
图2是例示在本发明中使用的第2单晶硅晶片的结晶面方位与定向平面、凹槽的方位。
图3是表示在本发明中使用的第1单晶硅晶片的结晶面方位与可获得高迁移率的方位。
图4是表示实施例所使用的第1以及第2单晶硅晶片的面方位与定向平面的方位。
【具体实施方式】
以下，详细说明本发明的实施方式，但是本发明并不限定于此。
如前所述，很久以前便知道适用于MIS型器件的硅晶片的面方位为{100}，发现此现象的当时的硅晶片的直径只是不大于4英寸(100mm)的小口径。因此，即使其后硅晶片的大口径化向前进展，作为MIS型器件还是只使用{100}的硅晶片，{110}的硅晶片并没有被使用于MIS型器件。
另一方面，近年来由于知道关于MIS型器件的{110}的硅晶片的优越性，因此{110}的硅晶片的利用价值提高。
如上所述，接受不依赖单晶硅晶片的面方位而形成优良绝缘膜的手法被开发出来，以及在具有{110}面的晶片的特定方向上，P沟道型MISFET的迁移率变成2倍以上(N沟道型MISPFET的情况，提升40％以上)，本发明人等构思在{110}的单晶硅晶片上形成前述绝缘膜以制作MISFET。
因此，为了制作在通常的量产工序中几乎未被制作的{110}的单晶硅晶片，决定该MIS器件制作工艺条件，与通常的{100}的单晶硅晶片同时投入热处理工序而做比较时，由以下的实验结果得知：{110}的单晶硅晶片与{100}相比，非常容易翘曲。
<实验条件>
(使用晶片)
准备直径200mm而在面方位以外为相同规格的{110}与{100}的单晶硅晶片。热处理前的翘曲的大小都在10μm以下。
(热处理条件)
横式热处理炉，氮气环境1100℃，1小时，放入取出温度800℃。
<实验结果>
{100}晶片在热处理后，翘曲的大小也维持在10μm以下，与之相对，{110}晶片在热处理后，翘曲大到无法以背面吸附的处理装置加以吸附，翘曲的大小无法测量(数100μm以上)。
由上述实验结果可以理解：在单纯制作{110}的硅晶片，利用该硅晶片来制作MIS型器件时，由于器件制造工艺中的热处理，晶片大为翘曲，无法进行器件制造。该事实是通过此次利用此种直径200mm的大口径晶片的实验而第一次弄清楚。
当然，即使在直径4英寸以下的小口径为主流的时代，根据制造各种各样的器件的目的，有时也制造{110}的硅晶片，但由于是小口之故，结果很幸运，即使施加热处理，也没有翘曲到妨碍继续器件制造工艺的程度。
之后，随着时代的进步，可以制造的硅晶片的直径变大，而且，半导体器件的主流变成MIS型器件，作为集成电路而被使用的硅晶片的面方位几乎都变成{100}的硅晶片。而且，除了一部份用于传感器等的特殊用途外，几乎没有使用{110}的硅晶片。
此种情况到进行前述实验为止，全然不知道直径200mm的{110}的硅晶片，由于在MIS型器件制造工艺中通常所实施的热处理而大为翘曲，使得器件制造变成不可能，另外，在今后成为主流的直径300mm的硅晶片和朝直径大于300mm的大口径化发展的情况下，具有{110}面方位的硅晶片，由于热处理其翘曲变得更大，可以预想会成为器件制造的大的障碍。
因此，本发明人等根据上述实验结果，构想要兼顾{110}的单晶硅晶片对MIS器件的优点，以及{100}的单晶硅晶片在机械强度方面的优点，而贴合这些面方位不同的晶片以构成贴合晶片，来完成本发明。
以下，在本发明中，以通过离子注入剥离法(灵巧切割法(smartcut)(注册商标))的贴合SOI晶片为例，更具体地进行说明，但是本发明并不限定于此。
图1是表示本发明的贴合SOI晶片的制造流程的一个示例。首先，在工序(a)，准备结晶面方位为{110}的被镜面研磨的单晶硅晶片，作为成为形成有器件的单晶硅层的第1单晶硅晶片1。在此情况下，第1单晶硅晶片1的面方位虽正确地优选为{110}，但由前述的MIS器件的迁移率提升、以及栅极绝缘膜/硅的界面位态密度降低的观点出发，容许15°左右的偏离，优选在10°以内，更优选在5°以内。另外，第二单晶硅晶片2是对形成有器件的单晶硅层进行支持的支持基板，若是结晶面方位为{100}的晶片，则面方位通用性高，而且也具有优异的抗翘曲性，故较为理想。在此情况下，相对于{100}，如果偏离在15°以内，优选在10°以内，更优选在5°以内，则对于翘曲的耐受性相当高，与使用{110}的晶片的情况相比，可以降低由于热处理所产生的翘曲。
接着，在工序(b)，至少在一方的晶片(此处是第1单晶硅晶片1)的表面，以数10nm～2μm左右的厚度形成氧化硅膜3，氧化硅膜3作为SOI晶片的绝缘膜(填埋氧化膜)。
在工序(c)，对于在表面已形成氧化膜的第1单晶硅晶片1的单面，注入氢离子或者稀有气体离子，此处为氢离子，在离子的平均进入深度，形成平行于表面的离子注入层(微小气泡层)4。此处，由于第1单晶硅晶片1的面方位为{110}，所以硅原子间的间隙大，所注入的氢离子容易穿隧(channeling)。其结果，所形成的氢离子注入层的浓度分布在深度方向变宽，在其后的剥离工序中，会有不易顺利剥离的问题。在图1的制造流程中，由于在注入氢离子的表面形成氧化膜，所以前述穿隧现象被抑制。因此，虽也可以使注入氢离子的角度垂直于{110}的方向，但是在表面没有形成氧化膜就注入的情况下，优选注入角度由与{110}垂直的方向倾斜而注入。倾斜角度以3～20°左右为佳，另外，在表面形成氧化膜而注入的情况下，若使注入角度由与{110}垂直的方向倾斜而注入，则更可以抑制穿隧现象。
工序(d)是在注入氢离子后的第1单晶硅晶片1的氢离子注入面，间隔着前述氧化硅膜而重叠第2单晶硅晶片2以使之紧密接合的工序，在常温的洁净环境下，通过使2片晶片的表面彼此接触，不使用接合剂等地使晶片彼此接合。
在此情况下，作为第2单晶硅晶片，使用结晶面方位为{100}、其定向平面(或者凹槽)的方位为<110>的晶片(参考图2)，如果贴合为第1单晶硅晶片的迁移率变大的方向(第1单晶硅晶片为(110)时，为[-110]方向、或者与其平行的[1-10]方向，参考图3)与平行或者垂直于该<110>的方向一致时，使在单晶硅层7(SOI层)形成的MIS型晶体管的源漏方向配合<110>，变成容易提升沟道迁移率，另外在进一步小片化所完成的贴合晶片之际，由于第2单晶硅晶片在<110>方向容易劈开，也有容易小片化的优点。
接着，工序(e)是通过以离子注入层4为边界而进行剥离，分离成剥离晶片5与SOI晶片6(单晶硅层7(SOI层)+填埋氧化膜3+第2单晶硅晶片2)的剥离热处理工序，例如，若在惰性气体环境下400～600℃左右的温度下加上热处理，则通过结晶的再排列与气泡的凝集而被分离为剥离晶片5与SOI晶片6。而且，在此剥离状态下的SOI晶片表面的SOI层7，还残留损伤层8。另外，使氢离子注入量极大，在上述常温下的紧密接合工序，通过紧密接合的面的表面处理(等离子体处理)而提高紧密接合强度，从而变成可以进行机械的剥离，有时不一定需要工序(e)的剥离热处理。
在此剥离工序后，在工序(f)进行结合热处理工序。此工序是通过前述工序(d)(e)的紧密接合工序以及剥离热处理工序而紧密接合的晶片彼此的结合力，为了原样在器件工序中使用而较弱，所以作为结合热处理，对SOI晶片6施以高温的热处理以使结合强度变得足够。此热处理例如优选在惰性气体环境下，在1000～1300℃、30分钟至2小时的范围内进行为佳。另外，也可以在高温下进行工序(e)的剥离热处理，而省略工序(f)的结合热处理。
接着，在工序(g)，进行SOI表面的表面粗度的改善以及去除损伤。通常进行称为接触抛光的研磨工序(研磨量在100nm以下)，也可以代替研磨工序，而在氩气体和氢气体等的环境下进行高温退火。另外，通过在进行热氧化后去除该氧化膜的所谓牺牲氧化处理，也可以去除损伤，或者也可以适当组合这些工序。
通过以上的工序，可以获得本发明的贴合晶片。
以下，举本发明的实施例以及比较例而具体加以说明，但是本发明并不限定于这些例子。
(实施例)
对利用柴可拉斯基法(CZ法)所制作的结晶方位<110>、导电型p型、电阻率约10Ω·cm的单晶硅锭进行切割，制作直径200mm、结晶面方位(110)的单晶硅晶片(面方位偏离1°以下)，将其作为第1单晶硅晶片(成为SOI层的晶片)。另外，该第1单晶硅晶片的(110)面的[-110]方向形成定向平面(参考图4(a))。
另外，对利用柴可拉斯基法所制作的结晶方位<100>、导电型p型、电阻率约10Ω·cm的单晶硅锭进行切割，制作直径200mm、结晶面方位(100)的单晶硅晶片(面方位偏离1°以下)，将其当成第2单晶硅晶片(支持基板)。定向平面形成在
方向(参考图4(b))。
使这些晶片依据图1(a)～(h)所示的工序的离子注入剥离法，制造SOI晶片。
首先，依据图1的(a)～(e)剥离第1单晶硅晶片1，获得SOI晶片6。
此时，填埋氧化膜3的厚度设定为400nm，其它的离子注入等主要条件，则如下述：
1)离子注入条件：H+离子、注入能量80keV、注入剂量6.5×1016/cm2、由从垂直于(110)的方向约倾斜7°的方向进行离子注入。
2)剥离热处理条件：N2气体环境下、500℃、30分钟。
如此可以获得SOI晶片6，其具有厚度约300nm的SOI层7。
接着，对于SOI晶片6，在氧化性环境下，进行1100℃、2小时的结合热处理。而且，以氟酸去除在SOI表面形成的氧化膜后，研磨SOI表面约100nm，完全去除损伤，而且，改善表面的表面粗度，完成SOI层厚约100nm的贴合SOI晶片。
已完成的贴合SOI晶片的SOI层的结晶面方位为(110)，但是支持基板的结晶面方位为(100)，所以能够获得贴合SOI晶片的机械强度(对热处理的抗翘曲性)与通常的(100)晶片同等等级。另外，贴合时，使两晶片的定向平面一致而贴合，所以支持基板的容易劈开的方向与在SOI层制作MIS器件时的载流子迁移率高的方向一致，所以在形成矩形的晶片之际，容易加工，能够降低加工损失。这些效果，可以确认在第1单晶硅晶片使用由(110)偏离5～15°的晶片、第2单晶硅晶片使用由(100)偏离5～15°的晶片所制作的贴合SOI晶片中同样可以获得。
另外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式是例示，具有与本发明的权利要求所记载的技术思想实质上相同的结构，能达成同样的作用以及效果的，都包含在本发明的技术范围内。
例如，在上述说明中，是以利用离子注入剥离法来制造贴合晶片的情况为中心进行说明的，但是本发明并不限定于此，例如，也可以利用在贴合2片晶片后，研磨其中一方的晶片以进行薄膜化的方法，以及在一方的晶片的表面形成多孔质层，在该多孔质层的表面形成外延层，贴合该外延层的表面与其它的晶片表面，而在前述多孔质层进行剥离的方法等。
另外，在上述实施例中，作为第1单晶硅晶片使用如下所述的晶片，也可以获得与本实施例同样的效果。该晶片是使用(110)，在该[-110]方向形成定向平面，但是虽非(110)本身，而是利用具有与(110)等效的面方位的晶片，在[-110]方向对{110}具有等效关系的方向上形成定向平面的晶片。
另外，在上述说明中，以制作直径200mm的贴合晶片的情况为例进行了说明，但是本发明并不限定于此，特别是今后300mm或者大于300mm的大直径化的情况下，翘曲比目前还容易更多地发生，所以适用本发明更为有效。