CN117727687A - 绝缘体上硅及其键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种绝缘体上硅及其键合方法,通过采用等离子工艺处理第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成粗糙表面并进行清洗,从而能够使第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有更多羟基的亲水表面,然后执行真空键合工艺,形成键合界面中氢键增加的键合结构。上述种绝缘体上硅及其键合方法,增强了键合强度,大大减少了剥离后作为顶层硅的第一半导体晶圆表面气泡的出现,使得键合良率得到极大提高,减少了顶层硅脱落不良,对绝缘体上硅产品的总良率有较大提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域,尤其涉及一种绝缘体上硅及其键合方法。
背景技术
绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,简称SOI)是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化层。SOI具有寄生电容小、可减少电流漏电等优势,在绝缘栅型场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,简称MOS)器件、微功耗器件、功率器件、高压器件和双极性器件等方面都有广泛的应用。
绝缘体上硅生产中有一个重要工序为键合,将一衬底硅片加热到1000℃以上以在其表面形成氧化膜绝缘膜,然后将其和另外一片衬底硅片相对放置在一起,两个硅片依靠表面的羟基团相互吸引键合,而后使用剥离技术进行剥离。
参考图1,其为使用常规键合方式制备的薄氧化层绝缘体上硅的示意图。如图1所示,基于注氢技术制备薄氧化层SOI,在顶层硅11和背衬底12之间引入了一层氧化层13。使用现有技术常规的键合方式,在剥离后的顶层硅11表面会出现直径在0.5-3mm的气泡101,这些气泡101流片到最终会破裂,形成圆形顶层硅脱落现象。具体的,当键合前的氧化层13厚度小于1000埃(100纳米)时,剥离后有一定概率会出现顶层硅脱落现象,主要原因是因为氧化层厚度过薄,薄氧化层与背衬底12键合界面的键合强度不足,在剥离前的退火(<800℃)过程中,键合强度不足的地方,残留的空气受热膨胀形成气泡,剥离后可以明显看到顶层硅表面有气泡。
如何避免剥离后出现顶层硅脱落现象,是业界亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种绝缘体上硅及其键合方法,增强薄氧化层与裸硅键合界面的键合强度,减少最终表面的脱落。
为了解决上述问题,本发明提供了一绝缘体上硅及其键合方法,包括以下步骤:提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层;采用等离子工艺处理所述第一半导体晶圆的所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面;对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗,以使所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有羟基的亲水表面;将所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆置入真空腔体内执行真空键合工艺,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面键合,形成键合界面中氢键增加的键合结构。
在一些实施例中,所述的提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层的步骤,还包括:采用热氧化工艺在所述第一半导体晶圆表面形成所述氧化层;对所述第一半导体晶圆执行注氢工艺,以使在所述第一半导体晶圆中形成氢离子起泡层。
在一些实施例中,对所述真空键合工艺形成的所述键合结构进一步执行以下步骤:执行退火剥离工艺,获得绝缘体上硅。
在一些实施例中,所述高温退火工艺的工艺温度小于800摄氏度。
在一些实施例中,所述剥离工艺将所述键合结构从所述氢离子起泡层剥离开。
在一些实施例中,所述的对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗的步骤具体为:采用含有NH4OH的清洗液对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗。
上述技术方案,通过采用等离子工艺处理第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成粗糙表面并进行清洗,从而能够使第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有更多羟基的亲水表面,然后执行真空键合工艺,形成键合界面中氢键增加的键合结构。上述键合方法,增强了键合强度,大大减少了剥离后作为顶层硅的第一半导体晶圆表面气泡的出现,键合良率得到极大提高,减少了顶层硅脱落不良,对绝缘体上硅产品的总良率有较大提升。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为使用常规键合方式制备的薄氧化层绝缘体上硅的示意图;
图2是本发明一实施例提供的绝缘体上硅的键合方法的流程图;
图3~图8是本发明所述的绝缘体上硅的键合方法的主要步骤的器件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请一并参考图2~图8,图2是本发明一实施例提供的绝缘体上硅的键合方法的流程图,图3~图8是本发明所述的绝缘体上硅的键合方法的主要步骤的器件结构示意图。
如图2所示,所述种绝缘体上硅的键合方法,包括以下步骤:步骤S21,提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层;步骤S22,采用等离子工艺处理所述第一半导体晶圆的所述氧化层表面与所述第二半导体晶圆的待键合表面;步骤S23,对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗,以使所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有羟基的亲水表面;步骤S24,将所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆置入真空腔体的内部执行真空键合工艺,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面键合,形成键合界面中氢键增加的键合结构。
参考步骤S21,提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层。在本步骤中,所述氧化层用于形成SOI材料的绝缘层,本实施例中所述氧化层厚度小于100纳米,是薄氧化层。所述第二半导体晶圆表面为裸硅。
在一些实施例中,参阅图3,所述的提供第一半导体晶圆21以及第二半导体晶圆22,所述第一半导体晶圆21表面具有氧化层23的步骤进一步包括:(1)采用热氧化工艺在所述第一半导体晶圆21表面形成所述氧化层23,对所述第一半导体晶圆21的表面进行氧化,所述氧化层23用于形成SOI的绝缘层,本步骤的热氧化工艺在所述第一半导体晶圆21的两面都形成有氧化层,其中,一侧表面的所述氧化层23用于键合,另一侧表面的氧化层未标出;(2)对所述第一半导体晶圆21执行注氢工艺,以使在所述第一半导体晶圆中21形成氢离子起泡层211,本步骤中的注氢工艺根据SOI片顶层硅的厚度需要,在所述第一半导体晶圆21相应位置中注入氢离子,用于剥离SOI片,在适当的加热情况下,可以使所述第一半导体晶圆21从所述氢离子起泡层211完整裂开,进而将所述SOI片剥离。图3中所示的所述第一半导体晶圆21与所述第二半导体晶圆22均为200mm的衬底,所述氧化层23以及所述第二半导体晶圆22一侧的裸硅表面221为待键合表面。
参考步骤S22,采用等离子工艺处理所述第一半导体晶圆的所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面。所述第一半导体晶圆的待键合表面为硅的氧化层表面,所述第二半导体晶圆的待键合表面为裸硅表面。本步骤中采用的等离子工艺采用氮气、氧气、氢气、或者氩气等等离子体分别照射所述第一半导体晶圆以及所述第二半导体晶圆的待键合表面,使得表面得以活化,进而能够增加待键合表面羟基(-OH)的分布密度。
参阅图4,本步骤采用氩气照射所述氧化层23远离所述第一半导体晶圆21的表面以及所述第二半导体晶圆22一侧用于键合的裸硅表面221。如图4所示,经过等离子工艺后,所述第一半导体晶圆21的用于键合的所述氧化层23远离所述第一半导体晶圆21的表面以及所述第二半导体晶圆22的用于键合的裸硅表面221得以活化。
参考步骤S23,将等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆的表面进行清洗,以使所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有羟基的亲水表面。本步骤采用含有氢氧化铵(NH4OH)的清洗液对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆的表面进行清洗,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面生成羟基。在一些实施例中,采用RCA清洗法对所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆的待键合表面进行清洗,所述RCA清洗溶液也包含氢氧化铵。
参阅图5,本步骤中的待键合表面为所述氧化层23以及所述第二半导体晶圆22一侧的用于键合的裸硅表面221。本步骤采用氢氧化铵(NH4OH)对等离子处理后的所述第一半导体晶圆21与所述第二半导体晶圆22的表面进行清洗,用以在待键合表面分布羟基。由于经过步骤S22处理后的待键合表面更加粗糙,因此,经过本步骤清洗后,如图5所示,所述氧化层23远离第一半导体晶圆21的表面以及所述第二半导体晶圆22的用于键合的裸硅表面221的羟基24的分布密度比较高,可以形成更多氢键,增强所述氧化层23与所述第二半导体晶圆22的用于键合的裸硅表面221的键合强度。
参考步骤S24,将所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆置入真空腔体的内部执行真空键合工艺,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面键合,形成键合界面中氢键增加的键合结构。在本步骤中,所述真空腔体的真空度小于10-5Pa,即所述真空腔体为高真空环境。
参阅图6,在真空腔体内,在负压作用下,所述氧化层23远离所述第一半导体晶圆的表面以及所述第二半导体晶圆22的用于键合的裸硅表面221键合,并形成键合结构。参阅图7,形成的所述键合结构包括:所述第一半导体晶圆21、所述氧化层23、以及所述第二半导体晶圆22,其中所述第一半导体晶圆21包括氢离子起泡层211。
在本实施例中,在执行步骤S24后,对所述真空键合工艺形成的所述键合结构进一步执行以下步骤:执行退火剥离工艺,获得绝缘体上硅。在本步骤中,所述退火剥离工艺中的退火温度小于800摄氏度。所述退火温度可以提高所述键合结构的键合强度。
参阅图8,执行退火剥离工艺后,获得由所述第二半导体晶圆22、所述氧化层23、以及顶层硅2101形成的SOI片。本步骤的剥离工艺将图7中所述键合结构从所述氢离子起泡层211处裂开。进一步的,对所述SOI片的表面进行化学机械研磨,可以去掉所述氢离子起泡层211导致的残留损伤,使得所述SOI片提供光滑的表面,用于后续SOI电子器件。所述第一半导体晶圆21剥离后的另一部分远离所述氢离子起泡层211的裂开面的另一表面上也覆盖有氧化层,可以用作其他用途。
基于同一发明构思,本发明还提供了一种绝缘体上硅结构,包括:采用前面所述的绝缘体上硅的键合方法制备形成所述绝缘体上硅结构。即所述绝缘体上硅结构,在于制备过程中采用如下步骤:提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层;采用等离子工艺处理所述第一半导体晶圆的所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面;对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗,以使所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有羟基的亲水表面;将所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆置入真空腔体内执行真空键合工艺,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面键合,形成键合界面中氢键增加的键合结构。采用200mm的衬底给出分组实验结果表明,通过常规方法制备的绝缘体上硅结构的顶层硅表面出现的气泡数超过8个,而通过上述步骤制备的绝缘体上硅结构,顶层硅表面出现的气泡数接近于零,说明薄氧化层与裸硅表面的键合强度得到较大增强,可以明显改善剥离后气泡问题,减少顶层硅脱落问题。
上述技术方案,通过采用等离子工艺处理第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成粗糙表面并进行清洗,从而能够使第一半导体晶圆的氧化层表面以及第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有更多羟基的亲水表面,然后执行真空键合工艺,形成键合界面中氢键增加的键合结构。上述键合方法,增强了键合强度,大大减少了剥离后作为顶层硅的第一半导体晶圆表面气泡的出现,键合良率得到极大提高,减少了顶层硅脱落不良,对绝缘体上硅产品的总良率有较大提升。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅是本发明的优选实施例,并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)
1.一种绝缘体上硅的键合方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层;
采用等离子工艺处理所述第一半导体晶圆的所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面;
对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗,以使所述氧化层表面以及所述第二半导体晶圆的待键合表面形成分布有羟基的亲水表面;
将所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆置入真空腔体内执行真空键合工艺,使得所述氧化层与所述第二半导体晶圆的待键合表面键合,形成键合界面中氢键增加的键合结构。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的提供第一半导体晶圆以及第二半导体晶圆,所述第一半导体晶圆表面具有氧化层的步骤,还包括:
采用热氧化工艺在所述第一半导体晶圆表面形成所述氧化层;
对所述第一半导体晶圆执行注氢工艺,以使在所述第一半导体晶圆中形成氢离子起泡层。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,对真空键合工艺形成的所述键合结构进一步执行以下步骤:
执行退火剥离工艺,获得绝缘体上硅。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述退火剥离工艺中的退火温度小于800摄氏度。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述退火剥离工艺将所述键合结构从所述氢离子起泡层处剥离开。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗的步骤具体为:
采用含有NH4OH的清洗液对等离子处理后的所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆进行清洗。
7.一种绝缘体上硅,其特征在于,采用权利要求1~6任一项所述的方法制备而成。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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