CN102832160B - 一种soi硅片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SOI硅片的制备方法，属于SOI晶圆的制备技术领域。该方法针对利用热微波切割法（TM-SOI）获得的SOI（Silicon On Insulator）硅片，采用HCl化学刻蚀去除SOI损伤层和减小粗糙度，获得高质量的SOI硅片。应用本发明方法不但能够去除利用热微波切割法（TM-SOI）制备的SOI（Silicon On Insulator）层表面的损伤层、表面粗糙现象，同时能够获得极高表面平坦度的SOI硅片。

Description

一种SOI硅片的制备方法

技术领域

本发明涉及SOI晶圆的制备技术领域，具体涉及一种改善了SOI层的微粗糙度和平坦度（最大厚度和最小厚度的差）的一种SOI硅片的制备方法。

背景技术

绝缘层硅SOI（Silicon On Insulator），即绝缘体上的硅，是一种在常规的单晶硅硅片内埋置一层起绝缘作用的二氧化硅而形成的新型半导体硅材料。SOI材料有以下突出优点：低功耗；低开启电压；高速；与现有集成电路完全兼容且减少工艺程序；耐高温；抗辐射从而减少软件误差。这些优点使得SOI技术在绝大多数硅基集成电路方面具有极其广泛的应用背景，受到了世界各大集成电路制造商和各国政府的高度重视，被公认为“21世纪的硅基集成电路技术”。

作为SOI晶圆制造方法，TM-SOI是一种基于离子注入剥离法（smart-cut法）的SOI技术，“TM-SOI智能切割法”在中国申报了发明专利，申请号200310123080.1，并获得中国专利局发明专利授权。此方法基本描述如下：在两个硅片之中，至少在其中一方形成氧化膜，并在其中一方的硅片上面注入氢离子或稀有气体离子，从而在该硅片内部形成微小气泡层（离子注入层）后，使该以注入离子的面隔着氧化膜贴合另一方硅片，接着加以退火，使贴合面牢固，然后加以微波热处理，以微小气泡层作为劈开面，将其中一方的晶圆薄膜状地剥离，形成SOI。

应用此方法，劈开面（剥离面）是良好的镜面，也比较容易得到顶层的膜厚均匀性高的SOI硅片。但是，在用离子注入剥离法来制作SOI硅片的情况下，在剥离后的SOI硅片表面，存在因离子注入而造成的损伤层，且表面粗糙现象会变得比通常的硅片的镜面大，因此，当利用离子注入剥离法时，需要去除此种损伤层、表面粗糙现象。

此外为了除去此损伤层，常进行被称为接触抛光（touch polishing）的机械抛光，但由于抛光的去除量不均匀，会产生利用氢离子注入、微波裂片而形成的SOI层的膜厚均匀性恶化的问题。

所以，在微波裂片后，为除去损伤层，减小粗糙度，同时，基于用离子注入剥离法制作SOI硅片表面不同于普通SOI硅片的表面特征，因此，需要探寻新的工艺方法及优化的工艺参数对剥离面进行处理，以获得具备极高平坦度、极小表面粗糙度值的硅片表面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种SOI硅片的制备方法，应用该方法不但能够去除利用热微波切割法（TM-SOI）制备的SOI（Silicon OnInsulator）层表面的损伤层、表面粗糙现象，同时能够获得极高表面平坦度的SOI硅片。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种SOI硅片的制备方法，该方法针对利用热微波切割法（TM-SOI）获得的SOI（Silicon On Insulator）硅片，采用HCl化学刻蚀去除SOI损伤层和减小粗糙度，获得高质量的SOI硅片；具体包括如下步骤：

1）将SOI硅片装入密封反应室；

2）反应室中通入氢气（氢气流速30~100升/分钟），1000～1200℃下加热10~60秒以除去硅片表面氧化层；相关反应式为：2H₂+SiO₂->Si+2H₂O；

3）经步骤2）处理的硅片置于无水HCl气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度800~1200℃，刻蚀时间5~120秒；相关反应式为：

4HCl+Si->SiCl₄+2H₂；

3HCl+Si->SiHCl₃+H₂；

2HCl+Si->SiCl₂+H₂；

4）反应室中通入氢气，除去反应室中的杂质及残余HCl后，自然冷却至室温；

5）反应室中通入氮气，除去其中的氢气后取出硅片。

上述步骤3）中无水HCl气体的纯度>99.999％；无水HCl气体（流速0.3~20升/分钟）。

经上述方法处理后硅片表面腐蚀掉50nm~500nm的薄层。

所述热微波切割法（TM-SOI）具体为：在要成为支撑衬底的基底硅片和要称为SOI层的结合硅片至少其中之一的表面形成氧化膜，然后将氢离子从上述其中之一的硅片表面注入，形成离子注入层，然后隔着上述氧化膜使两片硅片贴合，并加以退火使贴合面牢固，然后施加微波处理使上述离子注入层进行裂片，形成SOI层。但SOI层因离子注入而造成损伤层，且表面粗糙，为解决此问题本发明采用HCl化学刻蚀来实现去除SOI损伤层和减小粗糙度，获得高质量的SOI硅片。

同时，由于HCl不与二氧化硅产生反应，故为保证化学刻蚀的均匀性，利用高温下氢气与二氧化硅发生反应，去除SOI层可能生成的自然氧化层，使HCl化学刻蚀能够顺利进行。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明针对利用热微波切割法（TM-SOI）制备的SOI（Silicon On Insulator）硅片，利用HCl对其表面进行化学刻蚀，相比于机械抛光，节约抛光时间，大幅度提高了生产效率。同时腐蚀在密封腔体进行，避免与外界接触，减少了硅片表面的颗粒，提高了硅片的洁净度。

2、由于本发明是针对利用TM-SOI制备的SOI层进行化学腐蚀，其表面特征不同于普通的SOI硅片表面，因此在化学刻蚀中采用优化的工艺参数对其进行改善。

3、本发明方法中硅片不与过多化学品接触，降低了硅片的受污染的风险，降低了硅片表面的的金属离子浓度。

4、更好的提高硅片表面的粗糙度，平整度。

附图说明

图1为利用热微波切割法获得SOI硅片工艺流程示意图；其中：

图(a)为通过离子注入法在原始硅晶圆片上形成薄膜层和余质层；

图(b)为将原始硅晶圆片与目标硅晶圆片键合形成键合结构体；

图(c)为用加热装置加热形成的键合结构体；

图(d)为对键合结构体施以高频交替电场或磁场照射处理；

图(e)为将薄膜层转移到目标硅晶圆片上，实现薄膜剥离。

图2为将剥离的薄膜表面进行抛光，形成均匀的顶层硅。

图中：01-原始硅晶圆片；02-薄膜层；03-注入离子分离层；04-余质层；05-原始硅晶圆片正表面；06-分子离子；07-目标硅圆片；08-高频交替电场或磁场照射；09-加热装置；10-键合结构体；11-顶层硅薄膜。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明，但本发明并不限定于此实施方案。

利用热微波切割法制备SOI硅片：

其工艺流程示意图如图1所示。先利用离子注入法，将离子或分子离子06对着原始硅圆片01的正表面05注入，形成注入离子分离层03.注入离子分离层03将原始硅圆片01上、下分隔为两区：一个为含有注入离子或分子离子06的注入区域，此为薄膜层02；一个为不含注入离子或分子离子06的区域，其定义为余质层04（图1(a)）。

如图1(b)所示，利用晶圆键合法，并配合适当的表面等离子体处理，是原始硅圆片01与目标硅圆片07的键合面能够获得足够的键合强度，以将原始硅圆片01与目标硅圆片07相接合成一个键合结构体10。

如图1(c)所示，此薄膜分离效应重点在注入离子分离层03的吸收能量能力，故在未激活非热量，如微波，照射时，先将键合结构体10的温度利用加热装置09升温至转变温度，增高注入离子分离层03的微波吸收效率，同时也增高原始硅晶圆片01对微波的吸收，以利转移能量至注入离子分离层03，造成大面积且均匀有效率的薄膜转移。

如图1(d)所示，随后将在稳定转变温度下的原始硅晶圆片01与目标硅晶圆片07的键合结构体10，施以高频交替电场或磁场照射08处理。由于注入的离子、分子离子06或经撞击后分裂产生的离子，会与原始硅晶圆片01原子产生微弱键结生成的原子键结对，因具有阴电性差，产生电偶极，故能对高频交替电场或磁场照射08感应，并且其可与由其他处分裂出来的相同的原子相结合，再度形成气体分子，在该处形成充满气体分子的核种。以这种核种为基地，捕捉在晶格间游移的原子，聚合成气泡。

如图1(e)所示，原始硅晶原片01通过介电常数和损耗因子增加，有效使掺杂源子所产生的载流子在高频交替电场或磁场中感应成伴随电流，快速流动，而产生大量的热能，以非弹性碰撞方式直接转移该热量至周围环绕的注入离子气体分子，快速提升该气体分子动能，将原有气泡造成的体积应变急剧加大。最后形成气泡层，裂片。

对上述制得的SOI硅片进行化学刻蚀：

如图2所示，上述利用热微波切割法制备的SOI硅片在薄膜层02表面状态不佳，需进行抛光，利用ASM外延炉对其进行化学抛光，对其进行表面平坦化处理，得到顶层硅薄膜11。采用该化学抛光方法，可以有效率的得到具有良好的平坦度和粗糙度的表面硅层得到SOI硅片。

实施例1

根据上述热微波切割法得到5个直径200mm的裂片完后的SOI硅片，将其放入ASM外延炉中进行化学法刻蚀，具体步骤如下：

1、反应室中通入氢气（氢气流速30~100升/分钟，纯度≥99.999999%），1100℃下加热10~60秒除去硅片表面氧化层；

2、处理后的硅片置于无水HCl（HCl气体的纯度>99.999％，流速1升/分钟）气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度800~1200℃，刻蚀时间5~60秒；

3、反应室中通入氢气，除去反应室中的杂质及残余HCl后，自然冷却至室温；

4、反应室中通入氮气，除去其中的氢气后取出硅片。

经上述方法处理后硅片表面腐蚀掉50nm~500nm的薄层，量测其总厚度变化（TTV）和均方根微粗糙度粗糙度（rms Microroughness），结果如下表1：

表1

	TTV(μm)	rms(nm)
			1	0.884	0.215
2	0.945	0.145
			3	0.846	0.245
4	0.915	0.312

5	1.245	0.198
			平均值	0.967	0.223

比较例1

与实施例1不同之处在于，对热微波切割法得到的SOI硅片采用CMP方式对其进行抛光，具体采用粗抛+精抛方式，得到5个直径200mm的裂片完后的SOI硅片，量测其总厚度变化（TTV）和均方根微粗糙度粗糙度（rms Microroughness），结果如下表2：

表2

	TTV（μm）	rms（nm）
			1	1.312	0.412
2	1.425	0.542
			3	1.945	0.245
4	0.987	0.421
			5	2.015	0.624
平均值	1.5368	0.4488

从两个表中数据，可以明确看出采用本发明的化学抛光方法得到的总厚度变化和均方根微粗糙度粗糙度均好于CMP的抛光方式。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

1、反应室中通入氢气，1100℃下加热60秒除去硅片表面氧化层；

2、处理后的硅片置于无水HCl（流速1升/分钟）气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度800℃，刻蚀时间20秒；

处理后硅片表面腐蚀掉100nm的薄层，量测其总厚度变化（TTV）和均方根微粗糙度粗糙度（rms Microroughness）平均值分别为：0.7498μm、0.2176nm。均比比较例1中的数值小，因而与比较例1相比能够得到更高品质的硅片。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

1、反应室中通入氢气，1000℃下加热10秒除去硅片表面氧化层；

2、处理后的硅片置于无水HCl（流速1.5升/分钟）气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度1200℃，刻蚀时间5秒；

处理后硅片表面腐蚀掉50nm的薄层，量测其总厚度变化（TTV）和均方根微粗糙度粗糙度（rms Microroughness）平均值分别为：0.8754μm、0.3018nm。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

1、反应室中通入氢气，1200℃下加热20秒除去硅片表面氧化层；

2、处理后的硅片置于无水HCl（流速1.5升/分钟）气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度1120℃，刻蚀时间20秒；

处理后硅片表面腐蚀掉150nm的薄层，量测其总厚度变化（TTV）和均方根微粗糙度粗糙度（rms Microroughness）平均值分别为：0.6871μm、0.2467nm。

以上所述仅为说明本发明的优选实施例，并非用以限定本发明的保护范围；凡其它未脱离发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的专利申请和权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种SOI硅片的制备方法，其特征在于：该方法针对利用热微波切割法获得的SOI硅片，采用无水HCl化学刻蚀去除SOI损伤层和减小粗糙度，获得高质量的SOI硅片；所述无水HCl化学刻蚀包括如下步骤： 

1)将SOI硅片装入密封反应室； 

2)反应室中通入氢气加热10～60秒以除去硅片表面氧化层； 

3)经步骤2)处理的硅片置于无水HCl气氛中刻蚀其表面的硅层；其中，刻蚀温度800～1200℃，刻蚀时间5～120秒； 

4)反应室中通入氢气，除去反应室中的杂质及残余HCl后，自然冷却至室温； 

5)反应室中通入氮气，除去其中的氢气后取出硅片。 

2.根据权利要求1所述的SOI硅片的制备方法，其特征在于：硅片表面刻蚀掉50nm～500nm的薄层。 

3.根据权利要求1所述的SOI硅片的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中无水HCl气体的纯度>99.999％。 

4.根据权利要求1所述的SOI硅片的制备方法，其特征在于：步骤3)中无水HCl气体流速0.3～20升/分钟。 

5.根据权利要求1所述的SOI硅片的制备方法，其特征在于：步骤2)中氢气流速30～100升/分钟，加热温度1000～1200℃。