CN101707188B - 采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，包括如下步骤：提供一支撑衬底以及一键合衬底，所述支撑衬底表面具有绝缘层，所述键合衬底表面具有自停止层，所述自停止层表面具有薄膜半导体层；以薄膜半导体层和绝缘层的暴露表面为键合面将支撑衬底与键合衬底键合；采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀键合衬底的第一腐蚀液，将键合衬底腐蚀除去；采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀自停止层的第二腐蚀液，将自停止层腐蚀除去。本发明的优点在于，采用旋转腐蚀工艺腐蚀支撑衬底和自停止层，可以避免腐蚀液浸入到自停止层和薄膜半导体层而对薄膜半导体层和绝缘层进行腐蚀，因此能够保证最终产品结构的完整性。

Description

采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法

【技术领域】

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法。

【背景技术】

与体硅器件相比，绝缘体上硅(SOI)器件具有高速、低驱动电压、耐高温、低功耗以及抗辐照等优点，备受人们的关注，在材料和器件的制备方面都得到了快速的发展。目前，SOI材料的制备技术主要有注氧隔离技术(SIMOX)和键合减薄技术。其中，由于键合减薄技术具有工艺简单、成本低等优点，因此受到人们的重视，虽然埋氧层厚度连续可调，但是通过研磨或者腐蚀的办法减薄顶层硅，顶层硅的厚度均匀性很难得到精确控制。如P.B.Mumola等在顶层硅厚度为1±0.3μm键合减薄SOI材料的基础上，采用计算机控制局部等离子减薄的特殊办法，将顶层硅减薄到0.1μm，平整度仅能控制在±0.01μm，这也就限制了键合减薄SOI材料在对顶层硅厚度均匀性要求高等方面的应用。而采用SIMOX技术制备的SOI材料，虽然具有优异的顶层硅厚度均匀性，但由于受到注入剂量和能量的限制，埋氧层最大厚度很难超过400nm，并且SIMOX工艺是利用高温退火，促进氧在硅片内部聚集成核而形成连续埋氧层，但是埋氧层中存在的针孔使其绝缘性能不如热氧化形成的SiO2，击穿电压仅6MV/cm左右，这些缺点限制了SIMOX材料在厚埋层(大于400nm)方面的应用。

近期，在结合SIMOX技术和键合减薄技术优点的基础上提出了注氧键合技术，该技术将SIMOX SOI的顶层硅层通过键合技术和两步选择性腐蚀工艺转移到支撑衬底之上。该技术所制备的SOI材料的顶层硅来自于SIMOX器件衬底，因此具有极佳的厚度均匀性；而埋氧层来自于热氧化的支撑衬底，因此具有热氧二氧化硅的绝缘特性。以上工艺可以参考申请号为200510028365.6和200610028767.0的中国专利申请。

采用该技术制备SOI材料的过程中，需要使用两步选择性腐蚀工艺来去除器件衬底经过背面研磨后所剩余的残余硅层以及二氧化硅的腐蚀阻挡层(即SIMOX器件衬底的埋氧层)。在腐蚀液腐蚀的过程中，腐蚀液在局部的腐蚀速率并不均匀，为了保证完全去除该残余硅层和腐蚀阻挡层，需要将该衬底在腐蚀液中过腐蚀。由于该腐蚀阻挡层中有针孔缺陷，使得腐蚀液在过腐蚀残余硅层的过程中将穿透腐蚀阻挡层造成对最终的顶层硅层的腐蚀，从而在顶层硅中形成四方形缺陷；并且，由于SIMOX器件衬底的顶层硅和埋氧层界面附近存在氧含量较高的过渡区域，因此在HF腐蚀液去除该腐蚀阻挡层的过程中，该腐蚀液会对该过渡区域造成腐蚀。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，能够避免发生腐蚀液穿透腐蚀阻挡层的现象，保证最终产品结构的完整性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，包括如下步骤：提供一支撑衬底以及一键合衬底，所述支撑衬底表面具有绝缘层，所述键合衬底表面具有自停止层，所述自停止层表面具有薄膜半导体层；以薄膜半导体层和绝缘层的暴露表面为键合面将支撑衬底与键合衬底键合；采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀键合衬底的第一腐蚀液，将键合衬底腐蚀除去；采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀自停止层的第二腐蚀液，将自停止层腐蚀除去。

作为可选的技术方案，所述键合衬底与薄膜半导体层的材料相同，所述自停止层与绝缘层的材料相同。

作为可选的技术方案，所述键合衬底的材料为单晶硅，第一腐蚀液为四甲基氢氧化铵；键合衬底的旋转速度为每分钟3000至10000周，腐蚀液的温度范围是80℃至100℃。

作为可选的技术方案，所述自停止层的材料为氧化硅，第二腐蚀液为氢氟酸；衬底的旋转速度为每分钟3000至10000周。

作为可选的技术方案，在采用旋转腐蚀工艺除去键合衬底的步骤之前，首先采用研磨工艺减薄键合衬底。

本发明的优点在于，采用旋转腐蚀工艺腐蚀支撑衬底和自停止层，可以避免腐蚀液浸入到自停止层和薄膜半导体层而对薄膜半导体层和绝缘层进行腐蚀，因此能够保证最终产品结构的完整性。

【附图说明】

附图1是本发明所述具体实施方式的实施步骤示意图；

附图2至附图7是本发明所述具体实施方式的工艺示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供一支撑衬底以及一键合衬底，所述支撑衬底表面具有绝缘层，所述键合衬底表面具有自停止层，所述自停止层表面具有薄膜半导体层；步骤S11，以薄膜半导体层和绝缘层的暴露表面为键合面将支撑衬底与键合衬底键合；步骤S12，采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀键合衬底的第一腐蚀液，将键合衬底腐蚀除去；步骤S13，采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀自停止层的第二腐蚀液，将自停止层腐蚀除去。

附图2至附图7所示为本具体实施方式的工艺示意图。

附图2与附图3所示，参考步骤S10，提供一支撑衬底110以及一键合衬底190，所述支撑衬底110表面具有绝缘层111，所述键合衬底190表面具有自停止层191，所述自停止层表面具有薄膜半导体层192。

本具体实施方式中，所述键合衬底190与薄膜半导体层192的材料相同，优选为单晶硅，所述自停止层191与绝缘层111的材料相同，优选为氧化硅。上述情况下，后续的选择性腐蚀步骤中腐蚀液容易通过腐蚀阻挡层而腐蚀到底层，因此尤其需要采用旋转腐蚀工艺。

附图4所示，参考步骤S11，以薄膜半导体层192和绝缘层111的暴露表面为键合面将支撑衬底110与键合衬底键合190。

上述键合工艺是本领域内的常见工艺，此处不再赘述。

附图5所示，参考步骤S12，采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀键合衬底190的第一腐蚀液，将键合衬底190腐蚀除去。

由于支撑衬底190的厚度通常是数百微米以上，为了提高工艺效率，可以在腐蚀之前首先采用研磨工艺减薄键合衬底190。所述研磨工艺可以是包括化学机械抛光工艺在内的任何本领域内常见的研磨减薄工艺。

本具体实施方式中，所述第一腐蚀液为四甲基氢氧化铵(TMAOH)，该溶液对单晶硅与氧化硅的腐蚀选择性较好。由于该步骤将停止在自停止层191的表面，而停止层191的结构不可能是绝对致密的，必然存在一定密度的针孔和穿透性的缺陷，而腐蚀液很容易通过针孔和穿透性缺陷渗透到自停止层191下面的薄膜半导体层192。由于薄膜半导体层192与键合衬底190的材料相同，同为单晶硅，因此薄膜半导体层192也有被腐蚀的危险。

为了避免上述现象的发生，本具体实施方式中采用旋转腐蚀工艺替代传统的浸入式腐蚀工艺。所谓旋转腐蚀工艺，是将腐蚀液采用喷射的方式喷射到键合衬底190中心的表面，并同时旋转键合衬底190，使腐蚀液在旋转离心力的作用下在键合衬底190表面由中央向四周流动。由于旋转腐蚀过程中腐蚀液与衬底具有沿键合衬底190表面方向地相对运动，因此避免了腐蚀液沿垂直键合衬底190表面方向产生的浸入现象。

旋转腐蚀的旋转速度和腐蚀液温度对是本步骤中尤其需要优化的工艺。过慢的旋转速度和过高的温度不利于抑制腐蚀液的浸入现象，而过快的旋转速度和过低的温度会导致腐蚀液迅速的流过衬底的表面而来不及发生化学反应，导致腐蚀速度变慢，因此需要优化旋转速度以获得最佳效果。本步骤中，所述旋转腐蚀工艺中，键合衬底190的旋转速度为每分钟3000至10000周，并优选为4000周；腐蚀液的温度范围是80℃至100℃，并优选为90℃，以上温度下最有利于发挥腐蚀液的活性。

附图6所示，参考步骤S13，采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀自停止层191的第二腐蚀液，将自停止层腐蚀除去191。

本具体实施方式中，所述第二腐蚀液为氢氟酸。

同上一步骤类似，采用旋转腐蚀工艺可以避免腐蚀液浸入薄膜半导体层192而腐蚀到绝缘层111，旋转速度为每分钟3000至10000周，并优选为4000周。

并且，本步骤采用旋转腐蚀工艺的优点还在于能够提高薄膜半导体层192表面的平整度。

在实施了包括上述步骤的工艺之后，能够获得带有绝缘埋层的衬底，所述衬底的结构如附图7所示，包括支撑衬底110、绝缘层111以及薄膜半导体层192。

总之，本具体实施方式采用旋转腐蚀工艺腐蚀支撑衬底190和自停止层191，可以避免腐蚀液浸入到腐蚀目标层的下层，更好地保证最终产品结构的完整性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一支撑衬底以及一键合衬底，所述支撑衬底表面具有绝缘层，所述键合衬底表面具有自停止层，所述自停止层表面具有薄膜半导体层，所述键合衬底的材料为单晶硅，所述自停止层的材料为氧化硅；

以薄膜半导体层和绝缘层的暴露表面为键合面将支撑衬底与键合衬底键合；

采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀键合衬底的第一腐蚀液，所述第一腐蚀液为四甲基氢氧化铵，腐蚀液采用喷射的方式喷射到键合衬底中心的表面，键合衬底的旋转速度为每分钟3000至10000周，将键合衬底腐蚀除去；

采用旋转腐蚀工艺和选择腐蚀自停止层的第二腐蚀液，所述第二腐蚀液为氢氟酸，腐蚀液采用喷射的方式喷射到自停止层中心的表面，衬底的旋转速度为每分钟3000至10000周，将自停止层腐蚀除去。

2.根据权利要求1所述的采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，其特征在于，所述键合衬底与薄膜半导体层的材料相同。

3.根据权利要求1所述的采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，其特征在于，所述自停止层与绝缘层的材料相同。

4.根据权利要求1所述的采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，其特征在于，所述除去键合衬底的工艺旋转腐蚀工艺中，腐蚀液的温度范围是80℃至100℃。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的采用腐蚀工艺形成带有绝缘埋层的衬底的方法，其特征在于，在采用旋转腐蚀工艺除去键合衬底的步骤之前，首先采用研磨工艺减薄键合衬底。

Images