CN108962815B - 一种soi材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种SOI材料的制备方法，涉及半导体材料的制备方法。包括以下步骤：1)在表面覆有SiO2的硅片A中注入低熔点金属离子，形成金属离子富集层；2)将离子注入后的硅片与另一支撑硅片B进行亲水键合；3)将键合后的硅片A、B放入退火炉进行两个阶段热处理；4)对SOI结构进行抛光工艺获取所需镜面状结构。本发明利用离子注入造成金属离子富集层的体积膨胀，引起晶格结构的破坏和相应化学键的断裂，从而造成晶格强度降低；选择合适的热处理过程，使硅片的上表层硅膜转移到另一硅片上，有效降低了硅片分离界面的粗糙度，可获得高质量的SOI结构材料。

Description

一种SOI材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料的制备方法，尤其涉及一种利用离子注入技术制备SOI的方法。
背景技术：
SOI是一种应用于集成电路制造的衬底，一般多为底层硅、中间埋层、顶层硅的三明治结构，最顶层的薄层Si被称为“器件层”，用来制备各种晶体管器件。SOI材料具有高速、低压、低功耗、耐高温抗辐照等特点，基于SOI结构上的器件可以有效减小结电容和漏电流、降低能耗、提高运行速率。
SOI材料的主流制备方法主要有键合-背面腐蚀(Bonding)技术、注氧隔离(SIMOX)技术、注氢智能剥离(Smart-cut)技术和注氧键合(Simbond)技术四种。其中Smart-cut技术将离子注入技术与键合技术结合在一起，以简单的工艺制备出高质量的SOI材料，成为制备SOI材料最具吸引力的方法。Smart-cut技术中对硅片进行氢离子注入，注入的离子通过与硅片中的电子碰撞和核碰撞，能量逐渐消失，速度减小，最终停留在某一深度的层面上 (即损伤层)，然后将注氢的硅片与另一支撑硅片相键合(两片硅片至少有一片表面覆盖掩埋层)，放入退火炉中加热，在加热过程中，注入的离子变成氢分子，逐渐聚集起来形成气泡，随着退火温度的升高或退火时间的延续，气泡密度逐渐增加体积逐渐增大不断生长合并，最终所有的气泡连成一片，在某一温度下破裂，注氢硅片被切割，形成SOI结构，最后升温至1000℃左右，加强支撑硅片与注氢硅片之间的键合强度。
在Smart-cut技术中，损伤层中气泡的形成、膨胀、密度的增加是实现注氢硅片分裂成两部分的关键条件。在注氢上硅片分裂后，由于气泡层的破裂，SOI结构的上顶层硅膜呈现出明显的微粗糙，必须进行严格机械化学抛光才能获得所需的镜面状表面，在此过程中， SOI硅膜厚度大概需要被消耗几百埃。锂，作为最轻的金属，熔点180.7℃，离子半径
Figure BDA0001732413680000011
原子半径
Figure BDA0001732413680000012
相比较H+离子半径
Figure BDA0001732413680000013
原子半径
Figure BDA0001732413680000014
在体硅中，锂离子注入会导致体积膨胀达到原始体积的3-4倍，在形成的金属离子富集层中，将引起晶格结构的破坏和相应化学键的断裂，降低晶格强度。
发明内容：
本发明提出一种金属离子注入制备SOI材料的方法。在上硅片中注入低熔点金属离子，注入的金属离子经过与硅片中的电子碰撞和原子核碰撞后停留在某一金属离子富集层，引起晶格强度降低，然后将离子注入后的上硅片与另一支撑片进行键合后放入退火炉中，在热处理过程中，随着温度的变化，注入的金属离子形成原子态金属，在高温下，低熔点金属融化，在硅片中形成一薄层液态金属熔液，切割分离上硅片，形成SOI结构。
本发明将离子注入技术与晶片键合技术结合起来，使一个硅片上表层硅膜转移到另一硅片上，一定程度上规避由于注氢形成气泡层所带来的破裂分割界面的高粗糙度，有效降低了硅片分离界面的粗糙度，可获得高质量的SOI结构材料。
一种SOI材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一硅片A，在其表面采用氧化法或者PECVD法制备一层SiO2覆盖层，随后对表面覆有SiO2层后的硅片进行金属离子注入，保持真空10-4-10-5Pa下，优选在能量为30-500KeV条件下注入剂量为1015-1017/cm2的低熔点金属离子，使其在SiO2层下面硅片内注入深度为Rp的区域形成金属离子富集层，其中深度Rp为金属离子富集层距离 SiO2层下底面的距离，即SOI结构中的顶层硅厚度，Rp的取值范围优选小于等于1.5μm。在形成的金属离子富集层中，由于金属离子的大量注入，晶格结构遭到破坏，相应的化学键被削弱，晶格强度变低；
(2)提供另一支撑硅片B，该硅片可选择裸硅片或在其单侧表面覆盖SiO2。优选采用四氯化碳、三氯乙烯、丙酮和乙醇对硅片A、B进行仔细清洗表面后，去离子水冲洗多遍，以去除硅片表面油污、有机物、粉尘颗粒及离子注入过程中的碳污染，恢复硅片A、B表面的亲水性，然后进行硅片A与支撑硅片B的亲水键合即将硅片A的SiO2覆盖层与支撑硅片B表面键合，若硅片B表面覆盖SiO2，选择SiO2覆盖面与硅片A键合。硅片A、 B表面的SiO2层即为SOI结构的中间埋层，厚度小于等于3μm；
(3)将步骤(2)键合后的硅片组放入退火炉进行两阶段热处理:在第一阶段保持温度 200-500℃，时间60-180min，使注入的金属离子形成原子态金属，最终在某一温度下熔化，从金属离子富集层处将硅片A分裂成两部分:一部分为富集层上面的SiO2覆盖层和硅薄层键合在支撑硅片B上，另一部分为富集层下面的硅片独立分开来，继续用作步骤(2) 的另一支撑片B或者作为步骤(1)被注入硅片A；第二阶段在较高温度800-1100℃下进行，保持100-140min，目的在于加强上原硅片A富集层上面的SiO2覆盖层和硅薄层与硅片B 之间的键合强度，从而得到SOI结构；
(4)对步骤(3)形成的SOI结构进行抛光工艺获取所需镜面状结构，优选：原硅片 A的分裂界面有一定的粗糙，利用碱性二氧化硅抛光液与硅表面发生化学反应，产生可溶解的硅酸盐，再通过二氧化硅胶粒和抛光布垫与硅片进行机械摩擦作用除去反应产物，在去除硅片表面损伤层的同时清除杂质沾污，达到所需的镜面状表面。
所述注入的金属离子，可为一种或几种离子的混合，如锂、钠、镁、铝等相对原子质量低于硅材料的低熔点金属离子。
本发明提供了一种金属熔化切割半导体材料的方法，将离子注入技术与晶片键合技术相结合，利用离子注入造成金属离子富集层的体积膨胀，引起晶格结构的破坏和相应化学键的断裂，从而造成晶格强度降低；并在硅片键合后，选择合适的热处理过程，使硅片的上表层硅膜转移到另一硅片上，有效降低了硅片分离界面的粗糙度，可获得高质量的SOI结构材料。
附图说明：
附图1为本发明一种SOI材料的制备方法的流程图；
附图2为本发明一种SOI材料的制备方法的的原理示意图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
提供硅片A,利用PECVD在其单侧表面沉积厚度为1μm的SiO2后,将硅片A进行锂离子注入，注入能量450KeV,注入剂量4×1016/cm2；提供另一支撑硅片B，对硅片A、 B进行仔细清洗后进行键合；键合完成后利用退火炉对键合后的硅片组进行两阶段热处理，第一阶段升高温度至230℃，保持120min，使注入的锂离子形成锂团簇，锂团簇不断生长合并成为锂胶体颗粒，最终熔化，从晶格强度降低的金属离子富集层处将硅片A分离成两部分，一部分留在支撑硅片B上形成SOI结构，另一部分进行重复利用；第二阶段在 1100℃高温下进行，保持温度120min左右，加强上硅片A与支撑片B之间的键合强度；最后对形成的SOI结构的顶层硅表面进行CMP抛光获取所需镜面结构。所述单晶薄膜硅片分裂后的硅膜经抛光处理后表面粗糙度不大于2nm。
实施例2
提供硅片A，利用氧化法在硅片A表面氧化厚度为100nm的SiO2后,将硅片A进行锂离子注入，注入能量330KeV,注入剂量4×1017/cm2，提供另一单侧覆盖有SiO2层(厚度大约200-800nm)的支撑硅片B，对硅片A、B进行仔细清洗后，从二者二氧化硅层处进行键合；键合完成后利用退火炉对键合后的硅片组进行两阶段热处理，第一阶段升高温度至500℃，保持60min，使注入的锂离子形成锂团簇，锂团簇不断生长合并成为锂胶体颗粒，最终熔化，从晶格强度降低的金属离子富集层处将硅片A分离成两部分，一部分留在支撑硅片B上形成SOI结构，另一部分进行重复利用；第二阶段在1100℃高温下进行，保持温度120min左右，加强上硅片A与支撑片B之间的键合强度；最后对形成的SOI结构的顶层硅表面进行CMP抛光获取所需镜面结构。

Claims (5)

1.一种SOI材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一硅片A，采用氧化法或PECVD法在其表面制备一层SiO2覆盖层，随后对表面覆有SiO2层后的硅片进行金属离子注入，使其在SiO2层下面硅片内注入深度为Rp的区域形成金属离子富集层，在形成的金属离子富集层中，由于金属离子的大量注入，晶格结构遭到破坏，相应的化学键被削弱，晶格强度变低；
(2)提供另一支撑硅片B，恢复硅片A、B表面的亲水性，然后进行硅片A与支撑硅片B的亲水键合，即将硅片A的SiO2覆盖层与支撑硅片B表面键合；
(3)将步骤(2)键合后的硅片组放入退火炉进行两阶段热处理:在第一阶段保持温度200-500℃，时间60-180min，使注入的金属离子形成原子态金属，最终在某一温度下熔化，从金属离子富集层处将硅片A分裂成两部分:一部分为富集层上面的SiO2覆盖层和硅薄层键合在支撑硅片B上，另一部分为富集层下面的硅片独立分开来，继续用作步骤(2)的另一支撑片B或者作为步骤(1)被注入硅片A；第二阶段在较高温度800-1100℃下进行，保持100-140min，目的在于加强上原硅片A富集层上面的SiO2覆盖层和硅薄层与硅片B之间的键合强度，从而得到SOI结构；
(4)对步骤(3)形成的SOI结构进行抛光工艺获取所需镜面状结构；
对表面覆有SiO2层后的硅片A进行金属离子注入即在能量为30-500KeV条件下注入剂量为1015-1017/cm2的低熔点金属离子，低熔点金属离子为锂、钠、镁、铝离子。
2.根据权利要求1所述的一种SOI材料的制备方法，其特征在于，深度Rp为金属离子富集层距离SiO2层下底面的距离，即SOI结构中的顶层硅厚度，Rp的取值范围小于等于1.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种SOI材料的制备方法，其特征在于，提供另一支撑硅片B，该硅片选择裸硅片或在其单侧表面覆盖SiO2；若其单侧覆有SiO2，选择SiO2覆盖面与硅片A键合，硅片A、B表面的SiO2层也即为SOI结构的中间隐埋层，厚度小于等于3μm。
4.根据权利要求1所述的一种SOI材料的制备方法，其特征在于，采用四氯化碳、三氯乙烯、丙酮和乙醇对硅片A、B进行仔细清洗表面后，去离子水冲洗多遍，以去除硅片表面油污、有机物、粉尘颗粒及离子注入过程中的碳污染，恢复硅片A、B表面的亲水性。
5.根据权利要求1所述的一种SOI材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)为：原硅片A的分裂界面有一定的粗糙，利用碱性二氧化硅抛光液与硅表面发生化学反应，产生可溶解的硅酸盐，再通过二氧化硅胶粒和抛光布垫与硅片进行机械摩擦作用除去反应产物，在去除硅片表面损伤层的同时清除杂质沾污，达到所需的镜面状表面。
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