CN102651306A - 一种晶向旋转键合晶片的制备方法 - Google Patents

一种晶向旋转键合晶片的制备方法 Download PDF

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薛忠营
张波
魏星
狄增峰
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Abstract

本发明公开了一种晶向旋转键合晶片的制备方法，该方法包括以下步骤：首先取两片相同晶向的体硅晶片，在其中一片体硅晶片上生长固定组分的SiGe层，在SiGe层上继续外延生长Si膜层形成器件片，另一片体硅晶片作为支撑片；然后将器件片和支撑片的表面都进行疏水处理；再将器件片与支撑片键合，键合时使器件片与支撑片的主参考面错开一定角度；之后从背面研磨键合片中器件片的体硅晶片部分，然后进行第一选择性腐蚀去除器件片的全部体硅晶片部分，到SiGe层停止，再进行第二选择性腐蚀去除SiGe层，留下Si膜层，从而形成晶向旋转键合硅晶片。该方法制作成本较低，顶层硅厚度可调，晶体质量良好。

Description

一种晶向旋转键合晶片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用选择腐蚀工艺制备半导体材料的方法，尤其涉及一种晶向旋转键合晶片的制备方法，更确切的说是一种键合加选择性腐蚀制备顶层硅主参考面同支撑衬底主参考面有一定角度的Si片的工艺，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术
晶向旋转键合(twist-bonded wafer)是指同样型号的两片硅片进行Si-Si键合，但是其键合的主参考面并不完全对齐，而是形成一定的角度。这由于晶向旋转，两个硅片间会有失配位错网络存在，如果这种主参考面旋转的顶层硅厚度只有几十纳米，位错网络可以从顶层硅表面明显观察出来。这种晶向旋转键合片具有一些特殊的应用价值，比如作为“容忍型(compliant substrates)”衬底，可以在其上面继续异质外延晶格常数不一样的其他材料，并且将适配位错等缺陷集中在晶向旋转的超薄顶层硅中，从而提高异质外延材料的质量。这种键合片还可以作为衬底外延制备量子点或者纳米线材料。
目前制备晶向旋转键合片的方法是将一片SOI片同一片硅片键合，然后背面研磨，腐蚀SOI片，得到顶层硅同衬底硅片主参考面具有一定夹角的晶向旋转材料。这种方法已经在文献Huge differences between low-and high-angle twistgrain boundaries：The case of ultrathin(001)Si films bonded to(001)Siwafers(J.L.Rouviere，K.Rousseau，F.Fournel，and H.Moriceau，Appl.Phys.Lett.，vol.77，no.8，pp.1135-1137，2000.)中有过报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种晶向旋转键合晶片的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种晶向旋转键合晶片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取两片具有主参考面的，相同晶向的体硅晶片，在其中一片体硅晶片上生长固定组分的SiGe层，然后在SiGe层上继续外延生长Si膜层形成器件片，另一片体硅晶片作为支撑片待用；
步骤二、将器件片和支撑片的表面都进行疏水处理；
步骤三、将疏水处理后的器件片的Si膜层表面与支撑片键合形成键合片，键合时使器件片与支撑片的主参考面错开；
步骤四、利用研磨技术从背面研磨键合片中器件片的体硅晶片部分，然后进行第一选择性腐蚀去除器件片的全部体硅晶片部分，到SiGe层停止，再进行第二选择性腐蚀去除SiGe层，留下Si膜层，从而形成晶向旋转键合硅晶片。
作为本发明的优选方案，步骤一中的两片体硅晶片具有相同的直径尺寸。
作为本发明的优选方案，步骤一中生长的SiGe层的Ge组分大于或等于20％，小于100％。
作为本发明的优选方案，步骤一中生长的SiGe层的厚度小于应变临界厚度，为100nm以下。
作为本发明的优选方案，步骤二的疏水处理方法为在HF溶液中清洗，或者在H2气氛下高温退火。
作为本发明的优选方案，步骤三中，在键合前，对支撑片和器件片进行等离子处理，或者对支撑片和器件片进行化学机械抛光。
作为本发明的优选方案，步骤三中，在键合后，对键合片进行热处理，以加强键合强度。优选的，热处理时的保护气体含有O2气氛；热处理温度为200-400摄氏度。
作为本发明的优选方案，步骤四中，研磨键合片直至器件片的体硅晶片部分剩余厚度小于等于10微米。
作为本发明的优选方案，步骤四中，利用TMAH化学腐蚀液对键合片进行第一选择性腐蚀，去除器件片的全部体硅晶片部分，并使腐蚀在SiGe层与器件片的体硅晶片部分的界面处停止。
作为本发明的优选方案，步骤四中，第二选择性腐蚀去除SiGe层时，采用H2O2与HF的混合液作为腐蚀液，使腐蚀在SiGe层与外延的Si膜层界面处停止。
作为本发明的优选方案，步骤四之后，对晶向旋转键合硅晶片的Si膜层进行外延，从而使Si膜层增厚。
作为本发明的优选方案，步骤四之后，对晶向旋转键合硅晶片的Si膜层进行热氧化，并且用HF腐蚀热氧化形成的SiO2，从而将Si膜层减薄。
本发明的有益效果在于：该新型的晶向旋转键合晶片制备技术，结合了键合，键合减薄，自停止腐蚀的优点。本发明可以避免使用昂贵的SOI片来制备晶向旋转键合片，而且制备的晶向旋转键合片中顶层Si的厚度决定于外延器件片时外延的Si层厚度，所以其顶层硅厚度可以在大范围内调结，且晶体质量良好。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的外延器件片示意图，1为单晶体硅晶片，2为SiGe层，3为外延的Si膜层，4为包括1，2，3三层的器件片。
图2为本发明实施例中涉及的器件片与支撑片的三维示意图，4为器件片，5为支撑片，6为主参考面，主参考面可能是平边(本图所示)，也可能是缺口。
图3为本发明实施例中涉及的器件片与支撑片键合后的截面示意图。
图4为本发明实施例中涉及的研磨、腐蚀后得到的晶向旋转键合晶片示意图，3与5的主参考面之间有一定的夹角。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
参阅图1-4，本发明提出的晶向旋转键合晶片制备技术，具体实施步骤如下：
首先，在一片单晶体硅晶片1上，采用CVD等技术生长Ge成分固定的SiGe层2，Ge组分大于或等于20％，其厚度应小于应变临界厚度(例如，100nm以下，临界厚度依赖于Ge组分，组分越高，临界厚度越小，临界厚度hc与Ge组分x的关系如下hc≈0.0234/(1+0.04x)2×ln(hc/4))，如果该单晶体硅晶片1表面有SiO2，生长SiGe前先将其去除；然后在SiGe层2上继续外延生长Si薄膜，即Si膜层3，并把该晶片作为键合的器件片4，如图1所示。
用另一片单晶的体硅晶片作为支撑片5，该体硅晶片优选的应当与外延器件片4所用体硅晶片具有同样规格参数，包括同样的直径，同样的晶向。
将器件片4与支撑片5在HF溶液中清洗，使其表面具有疏水特性。可选择的疏水处理还包括在H2气氛下高温退火。
如图2所示，将器件片4与支撑片5的主参考面6错开一定角度后键合在一起，错开的角度可以是0度到360度之间的任意角度值。键合后形成的键合片如图3所示。键合前可以选择对支撑片5和器件片4进行等离子处理，或者对支撑片5和器件片4进行化学机械抛光，以有利于键合工艺的进行。
根据需要，可以选择在一定温度下对键合片进行热处理，以加强键合强度。热加固时保护气体可以含有一定的O2气氛；热处理温度可以在200度-400度之间。
对键合晶片进行研磨，直至器件片4的体硅晶片1部分(硅衬底)剩余一个薄层，如10微米。利用TMAH化学腐蚀液对键合片进行腐蚀，由于选择腐蚀的作用，腐蚀将在SiGe层2与体硅晶片1(硅衬底)的界面处停止。
选择不同的化学腐蚀液，比如H2O2:HF混合液，去除SiGe层2，此时腐蚀将停止在SiGe层2与外延的Si膜层3(顶层硅)界面处。这样，一个晶向旋转键合晶片结构形成，如图4所示。
如果需要，可以选择对顶层硅旋转的硅结构进行外延，得到更厚的顶层硅。
如果需要，也可以选择对形成的顶层硅主参考面旋转的硅结构进行热氧化，并且用HF腐蚀热氧化形成的SiO2，从而将顶层硅减薄。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (14)

1.一种晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、取两片具有主参考面的，相同晶向的体硅晶片，在其中一片体硅晶片上生长固定组分的SiGe层，然后在SiGe层上继续外延生长Si膜层形成器件片，另一片体硅晶片作为支撑片待用；
步骤二、将器件片和支撑片的表面都进行疏水处理；
步骤三、将疏水处理后的器件片的Si膜层表面与支撑片键合形成键合片，键合时使器件片与支撑片的主参考面错开；
步骤四、利用研磨技术从背面研磨键合片中器件片的体硅晶片部分，然后进行第一选择性腐蚀去除器件片的全部体硅晶片部分，到SiGe层停止，再进行第二选择性腐蚀去除SiGe层，留下Si膜层，从而形成晶向旋转键合硅晶片。
2.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤一中的两片体硅晶片具有相同的直径尺寸。
3.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤一中生长的SiGe层的Ge组分大于或等于20％，小于100％。
4.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤一中生长的SiGe层的厚度小于应变临界厚度。
5.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤二的疏水处理方法为在HF溶液中清洗，或者在H2气氛下高温退火。
6.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤三中，在键合前，对支撑片和器件片进行等离子处理，或者对支撑片和器件片进行化学机械抛光。
7.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤三中，在键合后，对键合片进行热处理，以加强键合强度。
8.根据权利要求7所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：热处理时的保护气体含有O2气氛。
9.根据权利要求7所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：热处理温度为200-400摄氏度。
10.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤四中，研磨键合片直至器件片的体硅晶片部分剩余厚度小于等于10微米。
11.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤四中，利用TMAH化学腐蚀液对键合片进行第一选择性腐蚀，去除器件片的全部体硅晶片部分，并使腐蚀在SiGe层与器件片的体硅晶片部分的界面处停止。
12.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤四中，第二选择性腐蚀去除SiGe层时，采用H2O2与HF的混合液作为腐蚀液，使腐蚀在SiGe层与外延的Si膜层界面处停止。
13.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤四之后，对晶向旋转键合硅晶片的Si膜层进行外延，从而使Si膜层增厚。
14.根据权利要求1所述的晶向旋转键合晶片的制备方法，其特征在于：步骤四之后，对晶向旋转键合硅晶片的Si膜层进行热氧化，并且用HF腐蚀热氧化形成的SiO2，从而将Si膜层减薄。
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