一種絕緣體上矽的製作方法
2023-11-03 11:30:22
專利名稱：一種絕緣體上矽的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種絕緣體上矽的製作方法，更確切地說是涉及一種離子注入結合鍵合減薄的工藝，製備絕緣體上的矽。屬於微電子與固體電子學、矽基集成光電子器件材料的一種製造工藝。
背景技術：
絕緣體上的矽即SOI(Silicon-on-insulator)電路具有高速，低功率，抗輻照等優點，在航空航天，軍工電子，可攜式通訊等方面具有重要的應用背景，被認為是二十一世紀的矽集成電路技術，倍受人們重視(J.P.Colige，Silicon onInsulator Technology，Material to VLSI，Kulwer Academic Publication 1991)。隨著汽車電子集成電路、聲頻功率放大集成電路、照明等的發展，對功率器件的需求越來越廣泛，SOI襯底良好的絕緣性能，使其在功率器件領域的應用前景尤其倍受關注。(F.Udrea，D.Garner，K.Sheng，A.Popescu，H.T.Lim andW.I.Milne，SOI Power Devices，Electronics and Communication EngineeringJournal，Feb.2000，p27)注氧隔離即SIMOX技術以及鍵合減薄技術是目前製備SOI襯底主流技術中的兩種。前者通過向單晶矽圓片中注入高劑量氧離子，高溫退火後形成隱埋絕緣SiO2(BOX)層，從而形成SOI結構。後者是先將一片熱氧化後的矽片和一片光片鍵合，再背面減薄到所需要的厚度形成SOI結構。
SIMOX技術採用的是高能量(20～300keV)、大束流(1017～1018cm-2)的氧離子注入，在矽片中一定深度形成氧的富集區域，再經過高溫退火後形成掩埋在矽中的SiO2，即BOX層。這一工藝形成的SOI圓片，受到注入能量和劑量的限制，BOX以及頂層矽的厚度可以調節的範圍十分有限，很不靈活。BOX最大厚度很難超過400nm，頂層矽的最大厚度也僅大約為300nm左右。並且SIMOX工藝是利用高溫退火，促進氧在矽的內部聚集成核形成BOX層，這就使得BOX的絕緣性能不如熱氧化形成的SiO2。這些缺點限制了SIMOX技術在厚埋層(＞400nm)以及厚的頂層矽(＞300nm)方面的應用。
鍵合減薄工藝是將一片表面帶有熱氧化層的矽片和另一片光片鍵合，並將矽片背面減薄至需要的厚度。這一工藝生產的SOI圓片，雖然BOX的質量可以得到較好的保證，但是頂層矽的厚度很難得到精確的控制。J.W.Neuner採用等離子輔助化學腐蝕的辦法，可以將頂層矽減薄到1μm，平整度控制在±0.1μm的範圍內。(J.W.Neuner，A.M.Ledger，S.K.Schilb，andD.P.Mathur，Improved Uniformity in Bonded SOI wafers with Active Layersfrom 1 to 30μm at High Throuthputs，Proceedings 1998 IEEE International SOIConference，Oct.1998，p.169-170)但是要進一步通過研磨或腐蝕的辦法減薄頂層矽，達到更小的厚度和平整度，難度就更大了。這些缺點也限制了鍵合減薄工藝在均勻性要求高的方面的應用。
在傳統鍵合減薄工藝的基礎上，SOITEC公司引入Unibond技術。這種技術的關鍵步驟之一是通過氫離子注入工藝形成氣泡層(Bubble Layer)，該層在後續的退火工藝中自動裂開(Split)，從而利用裂開層較為精確的控制了拋光前的SOI層均勻性，最終實現了精確控制頂層矽的厚度。
發明內容
本發明提出了一種絕緣體上矽的製作方法，它是一種離子注入結合鍵合減薄製備SOI圓片的生產工藝。注入工藝的優點在於頂層矽薄而且均勻性控制很好，而鍵合減薄工藝的優點是BOX厚度可以在大範圍內調節，而且絕緣性能好。本發明通過兩種工藝的結合，揚長避短，發揮了二者的優勢，可以用來製備高質量的SOI圓片。
本發明包括如下步驟首先利用離子注入工藝形成器件片(如果希望最終產品的頂層矽比較厚，則需對離子注入片進行外延，仍稱為器件片)，將器件片(或氧化後的器件片)和支撐片(或氧化支撐片)鍵合，並在氧氣氣氛中退火加固，再採用研磨加腐蝕的方法腐蝕至器件片的注入層，即自停止層，最後腐蝕去除自停止層並對頂層矽進行精細研磨，形成最終的SOI圓片。最終產品的BOX(埋層絕緣層)和頂層矽的厚度分別由氧化層厚度和器件片的注入深度(或外延厚度)決定。
具體地說，本發明所述的一種絕緣體上的矽的製備方法，包括以下步驟(1)根據對頂層矽厚度(Top Silicon Layer，或Device Layer)的要求，選用相應的離子注入工藝形成後續腐蝕工藝時的自停止層，該片將作為器件片(device wafer)。此外，選擇另外一片矽片作為支撐片(handle Wafer)；(2)根據對埋層(絕緣層)厚度的要求，對器件片或支撐片選擇適當的工藝參數進行適當的絕緣層化處理；(3)將上述器件片和支撐片進行鍵合，並退火加固；(4)單面背面研磨器件片減薄器件片到一定厚度；(5)採用腐蝕方法至器件片的離子注入層完全暴露；(6)除去離子注入層；(7)對剩餘頂層矽精細拋光。
所述的器件片是採用離子注入工藝製備的。所注入的離子可以選擇N離子、O離子、或其他離子；選擇離子的基本原則是該離子注入層可作為化學腐蝕阻擋層。
所述的離子注入能量在10KeV到500KeV間，離子注入劑量在1E15/cm2到1E19/cm2間；所述的優化的離子注入能量在30KeV到250KeV間，離子注入劑量在5E16/cm2到2E18/cm2間；
所述的離子注入可選用比較成熟的SIMOX(Separation-by-OxygenImplantation)氧離子注入機，採用SIMOX工藝。
所述的SIMOX工藝，優化的氧離子注入能量在30KeV到250KeV間，離子注入劑量在5E16/cm2到2E18/cm2間；所述的器件片可經過後續處理(包括高溫退火處理)，處理的目的是使注入層與非注入層界面比較陡峭。
所述的對器件片的後續高溫處理溫度在攝氏600度到攝氏1500度間，氣氛為氧氬或氧氮混合氣氛，其中氧的含量為0％到100％間。
所述的對器件片的後續高溫處理，優化的溫度在攝氏1100度到攝氏1410度間，優化的氧含量為0％到60％間。
所述的腐蝕工藝可以是化學腐蝕，也可以是等離子刻蝕或其它任何可以在離子注入層停止住的腐蝕方法。
可以根據對最終產品對頂層矽厚度的要求，採用外延後的器件片，即在原始離子注入片的頂層矽上生長外延層。外延工藝可採用通常半導體工業中普遍採用的常規工藝。外延可為同質外延，也可為異質外延。外延層可為P型或N型，可摻硼或磷，以及其他摻雜劑。
所述的絕緣層可為二氧化矽(SiO2)，氮化矽(Si3N4)或其它具有絕緣性的物質。
所述的絕緣層化處理即是指生長絕緣層的方法，如生長SiO2的氧化方法，或者Si3N4的氮化方法。
所述的對矽片的氧化工藝可採用集成電路中成熟的氧化製備工藝，如幹氧氧化工藝或幹氧-溼氧-幹氧工藝。
所述的氧化的矽片可選擇器件片或者支撐片。
採用鍵合工藝將器件片和支撐片鍵合。
所述的鍵合工藝可以採用EVG公司的EVG鍵合機，也可以採用其他公司的鍵合機。鍵合一般在室溫下進行，也可採用等離子體輔助室溫鍵合。
所述的退火加固時退火氣氛可為含氧氣氛，可為幹氧、溼氧或含氧的混合氣體。
所述的退火加固的溫度為攝氏500度以上攝氏1400度以下，時間為半小時至15小時。
所述的優化的退化溫度為攝氏1000～1250度，氣氛為溼氧，時間為2小時～6小時。
所述的單面減薄可採用磨片機或其他能夠減薄矽片的設備。減薄器件片厚度為3-15μm。
減薄到一定厚度範圍為1μm～100μm所述的優化的減薄到一定厚度為50μm～90μm所述的的腐蝕方法必須使被腐蝕材料和離子注入層的腐蝕比足夠大，從而實現在離子注入層的自停止。
所述的化學腐蝕矽的腐蝕液為氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(THMA)或其他對離子注入層和矽具有較大的選擇腐蝕比的化學劑。
腐蝕矽時一般選擇稀釋的氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(THMA)。腐蝕液的重量配比一般在1∶1000(化學劑∶去離子水)，腐蝕時需加熱，一般溫度在攝氏25度到攝氏200度間。
所述的優化的腐蝕液的重量配比一般在1∶1到1∶100(化學劑∶去離子水)；優化的腐蝕溫度在攝氏50度到攝氏150度間。
所述的除去離子注入層可選用腐蝕方法，也可直接採用拋光等方法選擇恰當的化學腐蝕劑來腐蝕掉離子注入層時，如果離子注入層為SiO2，則化學腐蝕可採用HF溶液。
所述的HF溶液，濃度範圍是化學劑與去離子水重量比可在1∶1至1∶200間調節。
所述的優化的HF溶液濃度比例為1∶10至1∶100。
頂層精細拋光可選用化學機械拋光機。
注入工藝生產的注入片，可以得到納米量級的頂層矽，最小可達到30nm，而且厚度均勻性可以在較小的範圍(±10nm)內自由調節，這是採用單一的鍵合減薄等工藝達不到的厚度和均勻性。而採用單一鍵合減薄的方法生產的SOI圓片，BOX層是採用熱氧化的辦法製備的，這使得其厚度可以在比較大的範圍內調節。
本發明將兩種工藝的優勢妙地結合在一起，互相彌補，發揮了各自的優點而克服了各自的缺點。採用本發明製備的SOI圓片，BOX採用熱氧化方法製備，絕緣性能良好，厚度均勻可調(厚度可在0～5.0μm間調整)；而頂層矽是從注入片或外延注入片上「移植」過來的，注入片的注入層的自停止作用，有效地保障了在最終精細拋光前頂層矽的厚度和均勻性(拋光前的厚度均勻性可達到±10nm)，而最終SOI層厚度的均勻性在±0.05μm以內。
圖1、依本發明提供的製備SOI的工藝流程(a)離子注入並高溫退火製備器件片(b)氧化支撐片(c)鍵合器件片和支撐片(d)氧化加固鍵合片(e)單面背面研磨器件片減薄器件片到一定厚度(f)採用腐蝕方法至器件片的離子注入層完全暴露(g)除去離子注入層(h)對剩餘頂層矽精細拋光形成最終的SOI片圖2、實施例1的SOI層厚度和均勻性測試結果圖3、實施例2的SOI層厚度和均勻性測試結果
具體實施例方式
下面的兩個具體實施例有助於理解本發明的特徵和優點，但本發明的實施並不僅局限於此實施例實施例1步驟1在原始拋光片A中注入氧離子，能量為170Ke V劑量為7.0E17/cm2，注入後在高溫下退火。退火溫度為攝氏1330度，退火氣氛為含氧的氬氣，氧的比例為0.5％；得到的SIMOX片，表層矽厚度約215±5nm，埋層厚度約150±5nm。
步驟2將矽片B氧化，氧化層厚度約為910±5nm。
步驟3將矽片A和B鍵合併退火後加固。退火溫度為攝氏1150度，水汽氧化，時間為2個小時；步驟4將加固後的A片背面磨片機減薄，剩餘厚度約為15微米。
步驟5將減薄後的片子用KOH腐蝕，腐蝕液濃度為質量比1∶20(去離子水∶KOH)，溫度為攝氏70度，約25分鐘，其後將該片放在1∶10HF中約漂洗30秒鐘步驟6在實施5後，用化學機械拋光機拋掉約140nm基於以上實施後，得到最終的SOI圓片，參數如下SOI層厚度64.1nm，均勻性為±20nm；埋層厚度保持不變，仍為910±10nm。下圖給出了SOI層厚度的均勻性測試數據。
實施例2、步驟1在原始拋光片A中注入氧離子，能量為170KeV，劑量為7.0E17/cm2，注入後在高溫下退火。退火溫度為攝氏1330度，退火氣氛為含氧的氬氣，氧的比例為0.5％；得到的SIMOX片，表層矽厚度約215±5nm，埋層厚度約150±5nm。其後利用外延技術生長外延層約240nm，整個SOI厚度約為500±10nm
步驟2將矽片B氧化，氧化層厚度約為1000±10nm。
步驟3將矽片A和B鍵合併退火後加固。退火溫度為攝氏1150度，水汽氧化，時間為2個小時；步驟4將加固後的A片背面磨片機減薄，剩餘厚度約為15微米。
步驟5將減薄後的片子用KOH腐蝕，腐蝕液濃度為質量比1∶20(去離子水∶KOH)，溫度為攝氏70度，約25分鐘，其後將該片放在1∶10HF中約漂洗30秒鐘步驟6在實施5後，用化學機械拋光機拋掉約200nm基於以上實施後，得到最終的SOI圓片，參數如下SOI層厚度313.4nm，均勻性為±27.7nm；埋層厚度保持不變，為1000±10nm。下圖給出了SOI層的厚度測試數據。
權利要求
1.一種絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於首先利用離子注入工藝形成器件片或對離子注入進行外延形成器件片，然後將器件片或氧化後的器件片和支撐片或氧化支撐片鍵合，並在溼氧氣氛中退火加固，再採用研磨加腐蝕的方法腐蝕至器件片的注入層，腐蝕去除自停止層，並對頂層矽進行精細研磨，形成最終的SOI圓片；最終埋層絕緣層和頂層矽的厚度分別由氧化層厚度和器件片的注入深度或外延層厚度決定。
2.按權利要求1所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於具體包括以下步驟(1)根據對頂層矽厚度的要求，選用注氧隔離技術，選用相應的離子注入工藝形成後續腐蝕工藝時的自停止層，該片將作為器件片；此外，選擇另外一片矽片作為支撐片；注入離子為氮、氧或其他可作為化學腐蝕阻擋層的離子；(2)根據對埋層絕緣層厚度的要求，對器件片或支撐片進行高溫退火、腐蝕或外延生長方法進行絕緣層化處理；其中，高溫處理溫度600-1500℃，氣氛為氧氣和氬氣或氧氣和氮氣混合氣體；腐蝕包括化學腐蝕或等離子刻蝕；(3)將上述器件片和支撐片進行鍵合，並退火加固；退火加固溫度500-1400℃，時間0.5-15h；氣氛為幹氧、溼氧或含氧的混合氣體；(4)單面背面研磨器件片減薄器件片到1-100μm；(5)採用腐蝕方法至器件片的離子注入層完全暴露；(6)採用腐蝕或拋光方法除去離子注入層；(7)對剩餘頂層矽採用化學機械拋光機精細拋光。
3.按權利要求1或2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於離子注入能量在10KeV到500KeV間，離子注入劑量在1E15/cm2到1E19/cm2間。
4.按權利要求1或2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於離子注入能量在30KeV到250KeV間，離子注入劑量在5E16/cm2到2F18/cm2間。
5.按權利要求1所述的絕緣體上矽的製作方法，對器件片的後續高溫處理的溫度在1100-1410℃，氧含量為0％到60％間。
6.按權利要求1所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於根據對最終產品對頂層矽厚度的要求，採用外延後的器件片，即在原始離子注入片的頂層矽上生長外延層，外延工藝可採用通常半導體工業中普遍採用的常規工藝，外延為同質外延或異質外延；外延層為P型或N型，摻雜硼、磷或其他摻雜劑。
7.按權利要求1或2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於鍵合在室溫或採用等離子體輔助室溫鍵合，鍵合採用EVG公司的EVG鍵合機。
8.按權利要求2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於所述的退火加固溫度為1000～1250℃，時間為2小時～6小時；氣氛為溼氧。
9.按權利要求2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於單面減薄採用Grinder或Lapper或其他能夠減薄矽片的設備；減薄器件片厚度為50-90μm。
10.按權利要求1或2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於所述的腐蝕方法必須使被腐蝕材料和離子注入層的腐蝕比足夠大，從而實現在離子注入層的自停止；常用的化學腐蝕矽的腐蝕液為氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨或其他對離子注入層和矽具有較大的選擇腐蝕比的化學劑；腐蝕矽時一般選擇經稀釋的氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨，其腐蝕液的配比是化學劑/去離子水重量比為1∶1000，腐蝕時溫度在25～200℃間。
11.按權利要求1或2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於所述的腐蝕液的重量配比是化學劑/去離子水在1∶1到1∶100；溫度在50～150℃之間。
12.按權利要求2所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於選擇化學腐蝕劑來腐蝕掉離子注入層時，如果離子注入層為SiO2，則化學腐蝕可採用HF溶液；使用的HF溶液，濃度範圍是化學劑與去離子水重量配比1∶1至1∶200間調節。
13.按權利要求11所述的絕緣體上矽的製作方法，其特徵在於所述的HF溶液，濃度範圍為1∶10至1∶100。
全文摘要
本發明涉及一種離子注入和鍵合工藝相結合製備絕緣體上的矽圓片的方法，特徵在於先採用離子注入方法形成一腐蝕阻擋層，然後將器件片和支撐片鍵合在一起，並結合鍵合減薄的方法，減薄器件片反面到一定厚度，再把器件片中的離子注入層作為腐蝕的自停止層，利用化學腐蝕剩餘的器件片厚度到腐蝕自停止層；最後對剩餘的矽層進行精細拋光，形成一種SOI產品。採用該工藝製造的SOI圓片，埋層的厚度可以在很大的範圍內自由調節，且作為自停止層的離子注入層可以精確控制頂層矽的厚度和均勻性，從而提高了頂層矽的厚度均勻性。
文檔編號H01L21/02GK1744298SQ20051002836
公開日2006年3月8日 申請日期2005年7月29日 優先權日2005年7月29日
發明者陳猛 申請人:上海新傲科技有限公司, 陳猛