CN105895632A - 一种晶圆结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆结构及其制作方法。其中，本发明公开的晶圆结构包括至少一个体硅结构部分、至少一个SOI结构部分以及至少一个用来在制作该晶圆结构过程中分隔所述体硅结构部分和SOI结构部分的硅槽。硅槽可以在后续工艺步骤中，用任何合适的填充物来进行填充或是不填充；也可以通过外延生长工艺，在硅槽中生长单晶硅。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶圆结构及其制作方法，尤其是一种用于光电器件或光电集成芯片制作的晶圆结构及其制作方法。
背景技术
晶圆(Wafer)是指生产半导体集成电路(IC)制作所用的载体，其形状为圆形。在晶圆上可以加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定光电性功能的IC产品。
一般意义的晶圆多指单晶硅圆片，又称体硅(Bulk)晶圆，体硅晶圆由普通硅砂拉制提炼，经过溶解、提纯、蒸馏一系列措施制成单晶硅棒，单晶硅棒经过抛光、切片之后就成为了晶圆。体硅晶圆占全球晶圆市场份额约90％。本文中，我们称体硅晶圆的这种结构为体硅结构。
还有一种晶圆是SOI材料的晶圆。所谓SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘层上硅)就是指在绝缘体上形成半导体薄膜，或是在顶层硅和衬底硅之间埋入了一层氧化层。目前，制作SOI材料的工艺技术主要有：1)注氧隔离技术(SIMOX，Separation by Implanted Oxygen)，它是通过向硅中注入大剂量氧离子，然后退火，在薄的单晶硅表面下形成SiO2(二氧化硅)层；2)硅片键合技术(BESOI，Bonding-Etch-back SOI)，它是将两个氧化的硅片键合在一起；3)智能剥离技术(Smart Cut SOI)，它是建立在离子注入和键合两种技术相互结合的基础上来制成SOI。SOI材料具有Bulk无法比拟的优点：可以实现IC中元器件的介质隔离，彻底消除了Bulk的CMOS电路中的寄生闩锁效应；并制成的IC还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压功耗电路等优势；SOI材料还被用来制造光电子器件和MEMS光开关等。目前，SOI晶圆占全球晶圆市场份额约10％。本文中，我们称SOI材料晶圆的这种结构为SOI结构。
近年来，随着硅基集成光学发展，SOI材料以其良好的导波性能在导波光学器件和光电子器件方面获得了越来越广泛的应用，例如热光器件(如硅基热光波导器件，MMI或MZI型光开关等)、电光器件(如基于高速电光调制器的光交叉互连和光分插复用等)以及亚微米波导器件与光纤的耦合。然而，SOI材料经体硅材料加工而成，其体内包含的缺陷有的是从体硅中引入或与体硅中的形态特征类似，如位错、层错等，由于其制备过程复杂，缺陷类型比体硅中要多，同时又由于其特殊的结构使得其表征手段更加困难。其中，SIMOX技术制成的SOI材料会存在一些特殊缺陷，如表面态、界面态及埋氧层硅岛和针孔等，会对器件的电学性能产生很大的影响，尤其是对光电器件或光电集成芯片的电学性能的影响。
本发明公开的一种晶圆结构及其制作方法，制造出一种用于制作光电器件或光电集成芯片的晶圆结构。本发明公开的晶圆结构即可以满足光电器件或光电集成芯片的光学部分对SOI结构晶圆的需要，也可以满足其电学部分对体硅结构晶圆的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶圆结构及其制作方法，避免了在存有特殊缺陷的SOI结构上制作电学器件或集成电路从而对电学性能产生影响，同时又满足了光学器件对SOI结构材料的需要。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种晶圆结构，其特征在于，所述晶圆结构包括至少一个体硅结构部分、至少一个SOI结构部分和至少一个硅槽，所述体硅结构部分与所述SOI结构部分由所述硅槽隔开，所述体硅结构部分与所述SOI结构部分的衬底硅相连。
如上所述的晶圆结构，其特征在于，所述硅槽由任何合适的物质来填充。
如上所述的晶圆结构，其特征在于，采用外延生长工艺在所述晶圆结构表面生长单晶硅材料，使所述硅槽中也生长硅材料，从而填充所述硅槽。
如上所述的晶圆结构，其特征在于，所述硅槽不填充。如上所述的硅槽，其特征在于，所述硅槽的深度要大于所述SOI结构部分的二氧化硅层的深度；所述硅槽的宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。
一种如上所述的晶圆结构的制作方法，其特征在于，包括以下基本步骤：
步骤1：准备起始单晶硅片，所述单晶硅片即为所述体硅结构的初始结构；
步骤2：采用刻蚀工艺，在所述单晶硅片上刻蚀出一个或若干个硅槽，定义出一个或若干个SOI结构部分；
步骤3：沉积掩模物质并去除位于将要制成所述SOI结构部分上方的掩模物质，采用SIMOX工艺技术，将高剂量氧离子注入到所述单晶硅片中即将形成所述SOI结构部分的区域位置以形成氧离子层，所述单晶硅片上未采用SIMOX工艺技术进行处理的部分就是所述体硅结构部分；
步骤4：去除所有掩模物质，然后在超高温退火条件下，氧离子层与单晶硅生成二氧化硅层，从而形成包括顶层硅、二氧化硅层和衬底硅的所述SOI结构部分；
步骤5：清洗步骤4得到的晶圆结构，对所述晶圆结构进行平坦化。
一种如上所述的晶圆结构的制作方法，在进行所述平坦化处理前，还可以采用外延工艺在所述晶圆结构表面上生长单晶硅至所需高度，然后对所述晶圆结构表面进行平坦化，直至所需位置。
如上所述的晶圆结构的制作方法中形成的硅槽，其特征在于，所述硅槽的刻蚀深度要大于所述SOI结构部分的二氧化硅层的深度；所述硅槽的刻蚀宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种晶圆结构以及其制作方法具有这样的有益效果：在同一晶圆片上，满足光电器件或光电集成芯片的光学部分对SOI材料的需要，同时也满足其电学部分对体硅材料的需要，避免了SOI材料表面缺陷对电学性能产生的影响。
附图说明
图1是本发明公开的一种晶圆结构示意图。
图2是本发明公开的一种晶圆结构制作方法的一个实施例流程图。
图3是本发明公开的一种晶圆结构制作方法的另一个实施例流程图。
图4是本发明公开的一种晶圆结构的一个实施例的俯视图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明：
随着硅基集成光学发展，SOI材料以其良好的导波性能在导波光学器件和光电子器件方面获得了越来越广泛的应用。为了解决某些工艺技术制作的SOI材料存在的缺陷对电学性能影响的问题，本发明公开一种晶圆结构及其制作方法。
本文中，我们称体硅晶圆的这种结构为体硅结构；称SOI材料晶圆的这种结构为SOI结构。
图1是本发明公开的一种晶圆结构示意图。如图1所示，本发明公开的晶圆结构100包括了至少一个体硅结构部分1、至少一个SOI结构部分2以及至少一个用来在制作晶圆过程中分隔体硅结构部分和SOI结构部分的硅槽21。体硅结构部分1是由硅(Si)材料11构成。SOI结构2是由衬底硅12、二氧化硅层13和顶层硅14构成。在本发明公开的晶圆结构100中，硅材料11、衬底硅12和全部或部分的顶层硅14都出自于同一单晶硅片，并且二氧化硅层13是通过本发明公开的晶圆结构制作方法来制作而成的。
图2是本发明公开的一种晶圆结构制作方法的一个实施例流程图。其中，本发明公开的晶圆结构制作方法过程中，采用了现有的SIMOX技术，基本工艺制作方法步骤如下：
步骤1：准备起始单晶硅片110，该单晶硅片110即为体硅结构1的初始结构，可以用任何适用的方法制造单晶硅片110。
步骤2：在起始单晶硅片110上合适的位置，采用刻蚀工艺刻蚀出一个或若干个硅槽21，从而定义出了一个或若干个即将形成SOI结构2的区域。
硅槽21刻蚀深度主要由所需二氧化硅层深度位置决定，硅槽21的深度要大于二氧化硅层位置的深度；硅槽21的刻蚀宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。用来刻蚀的掩模板图形可以参照图4俯视图中硅槽21的形状，但不局限于图4俯视图中硅槽21的形状，也可以是其他几何形状或更加复杂的形状。
步骤3：在单晶硅片110上沉积掩模物质22，并去除掩模物质22中位于将要制成SOI结构区域上方的部分。采用SIMOX技术，将高剂量氧离子23注入(剂量约为3*1017-2*1019)到单晶硅片110中形成氧离子层24，其中只有位于要制成SOI结构区域有氧离子层24，其他区域由于掩模物质22的遮挡没有形成隔离层。掩模物质22可以是任何合适的物质材料。
步骤4：去除单晶硅片110上方的所有掩模物质22，然后在超高温退火条件下(温度1350℃，时间1-4h)，氧离子层24和单晶硅材料发生化学反应生成二氧化硅，从而形成了包括顶层硅14、二氧化硅层13和衬底硅12的SOI结构2。
单晶硅片110上的SOI结构2与体硅结构1之间由硅槽21隔离开。在超高温退火条件下，注入的氧离子与硅材料产生化学反应生成二氧化硅，硅材料消耗的厚度占二氧化硅总厚度的0.46倍，意味着每生长成的二氧化硅，就有的硅材料被消耗。如图2所示，SOI结构2的顶层硅14表面的水平高度要略高于体硅结构1的表面高度。刻蚀硅槽21的目的就是防止SIMOX过程中，由于二氧化硅层13的生成导致SOI结构2表面的升高从而破坏了与相邻的体硅结构1的硅材料的晶格排列或是引入晶格缺陷，甚至会使单晶硅片110断裂。刻蚀硅槽21正是本发明公开的晶圆结构及其制作方法的精髓所在，由于硅槽21的存在，才形成了这种既存在体硅结构1部分也存在SOI结构2部分的晶圆结构。
步骤5：在清洗步骤4得到的晶圆结构后(去掉表面微粒和玷污)，对该晶圆结构表面进行平坦化。可以利用化学机械研磨法(CMP)对单晶硅片110表面进行平坦化，直至研磨到体硅结构1的上表面，即磨去SOI结构2中高出体硅结构1表面的硅材料部分。
在另一个实施例中，步骤5也可选择使用填充物25填充步骤2中形成的硅槽21，填充物25可以是任何合适的物质，然后再对硅片表面进行平坦化，直至露出体硅结构1的上表面，即磨去SOI结构2中高出体硅结构1表面的硅材料部分，如图2所示。另外，也可以通过其他任何适用的方法实现硅片表面的平坦化。
图3是本发明公开的一种晶圆结构制作方法的另一个实施例流程图。其中，前4步与图2中的基本工艺制作方法步骤相同，步骤5由另一种工艺方式来实现本发明公开的晶圆结构，基本工艺制作方法步骤如下：
步骤1：准备起始单晶硅片110，该单晶硅片110即为体硅结构1的初始结构，可以用任何适用的方法制造单晶硅片110。
步骤2：在起始单晶硅片110上合适的位置，采用刻蚀工艺刻蚀出一个或若干个硅槽21，从而定义出了一个或若干个即将形成SOI结构2的区域。
硅槽21刻蚀深度主要由所需二氧化硅层深度位置决定，硅槽21的深度要大于二氧化硅层位置的深度；硅槽21的刻蚀宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。用来刻蚀的掩模板图形可以参照图4俯视图中硅槽21的形状，但不局限于图4俯视图中硅槽21的形状，也可以是其他几何形状或更加复杂的形状。
步骤3：在单晶硅片110上沉积掩模物质22，并去除掩模物质22中位于将要制成SOI结构区域上方的部分。采用SIMOX技术，将高剂量氧离子23注入(剂量约为3*1017-2*1019/cm2)到单晶硅片110中形成氧离子层24，其中只有位于要制成SOI结构区域有氧离子层24，其他区域由于掩模物质22的遮挡没有形成隔离层。掩模物质22可以是任何合适的物质材料。
步骤4：去除单晶硅片110上方的所有掩模物质22，然后在超高温退火条件下(温度1350℃，时间1-4h)，氧离子层24和单晶硅材料发生化学反应生成二氧化硅，从而形成了包括顶层硅14、二氧化硅层13和衬底硅12的SOI结构2。
步骤5：在清洗步骤4得到的晶圆结构之后，采用外延工艺(EPI)在单晶硅片110表面上生长外延单晶硅26至所需高度，然后再对硅片表面进行平坦化，直至所需位置，如图3所示。
图4是本发明公开的一种晶圆结构的一个实施例的俯视图。如图所示，体硅结构1部分与SOI结构2部分被硅槽21隔开，以便于工艺制作过程中实现本发明公开的晶圆结构。其中，图中所示硅槽21的俯视形状仅为一个实施例，并不局限于图4中所示的硅槽21的俯视形状，也可以是其他几何形状或是更加复杂的形状。
以上实施方式对本发明进行了详细说明，而非穷尽。本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种晶圆结构，其特征在于，所述晶圆结构包括至少一个体硅结构部分、至少一个SOI结构部分和至少一个硅槽，所述体硅结构部分与所述SOI结构部分由所述硅槽隔开，所述体硅结构部分与所述SOI结构部分的衬底硅相连。
2.根据权利要求1所述的晶圆结构，其特征在于，所述硅槽由任何合适的物质来填充。
3.根据权利要求2所述的晶圆结构，其特征在于，采用外延生长工艺在所述晶圆结构表面生长单晶硅材料，使所述硅槽中也生长硅材料，从而填充所述硅槽。
4.根据权利要求1所述的晶圆结构，其特征在于，所述硅槽不填充。
5.根据权利要求1所述的硅槽，其特征在于，
所述硅槽的深度要大于所述SOI结构部分的二氧化硅层的深度；
所述硅槽的宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。
6.一种根据权利要求1所述的晶圆结构的制作方法，其特征在于，包括以下基本步骤：
步骤1：准备起始单晶硅片，所述单晶硅片即为所述体硅结构的初始结构；
步骤2：采用刻蚀工艺，在所述单晶硅片上刻蚀出一个或若干个硅槽，定义出一个或若干个SOI结构部分；
步骤3：沉积掩模物质并去除位于将要制成所述SOI结构部分上方的掩模物质，采用SIMOX工艺技术，将高剂量氧离子注入到所述单晶硅片中即将形成所述SOI结构部分的区域位置以形成氧离子层，所述单晶硅片上未采用SIMOX工艺技术进行处理的部分就是所述体硅结构部分；
步骤4：去除所有掩模物质，然后在超高温退火条件下，氧离子层与单晶硅生成二氧化硅层，从而形成包括顶层硅、二氧化硅层和衬底硅的所述SOI结构部分；
步骤5：清洗步骤4得到的晶圆结构，对所述晶圆结构进行平坦化。
7.根据权利要求6所述的晶圆结构的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在进行所述平坦化处理前，采用外延工艺在所述晶圆结构表面上生长单晶硅至所需高度，然后对所述晶圆结构表面进行平坦化，直至所需位置。
8.根据权利要求6所述的晶圆结构的制作方法，其特征在于，
所述硅槽的刻蚀深度要大于所述SOI结构部分的二氧化硅层的深度；
所述硅槽的刻蚀宽度可以是任何合适并满足工艺设计规则的宽度。
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