CN117790402A - 一种双埋氧绝缘体上硅晶圆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双埋氧绝缘体上硅晶圆及其制备方法。本发明的双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备方法，包括如下步骤：S1：向第一硅晶圆中注氢，形成第一注氢硅晶圆；S2：采用热氧化法在第二硅晶圆表面生成SiO2层作为第二埋氧层，将第一注氢硅晶圆翻转与第二埋氧层键合；S3：键合后剥离部分第一注氢硅晶圆，随后采用热氧化法在第一注氢硅晶圆表面生成SiO2层作为第一埋氧层；S4：向第三硅晶圆中注氢，形成第二注氢硅晶圆；S5：将第二注氢硅晶圆翻转与第一埋氧层键合，键合后剥离部分第二注氢硅晶圆，制得双埋氧绝缘体上硅晶圆。本发明的制备方法能够制备高质量的薄埋氧层，同时能够精确控制埋氧层的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘体上硅晶圆技术领域，尤其是涉及一种双埋氧绝缘体上硅晶圆及其制备方法。
背景技术
SOI(Silicon-On-Insulator)即绝缘衬底上的硅，其是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层(BOX)，通过在绝缘体上形成半导体薄膜，从而使SOI材料具备了体硅所无法比拟的优点。DSOI(Double Silicon on insulator)即双埋氧绝缘体上硅，其是在SOI的基础上增加了一层埋氧化层。
目前，SOI晶圆主要通过外延工艺生长在硅晶圆表面一层SiO2作为BOX层，然而该方式在制备一些BOX层较薄(BOX层厚度例如5-150nm)的SOI或DSOI晶圆时会受到SiO2外延生长的质量及表面平整度的限制，从而无法制备得到具有很薄BOX层的SOI或DSOI晶圆。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双埋氧绝缘体上硅晶圆及其制备方法，该制备方法能够制备高质量的薄埋氧层，同时能够精确控制埋氧层的厚度。
本发明提供一种双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备方法，包括如下步骤：
S1：向第一硅晶圆中注氢，形成第一注氢硅晶圆；
S2：采用热氧化法在第二硅晶圆表面生成SiO2层作为第二埋氧层，将第一注氢硅晶圆翻转与第二埋氧层键合；
S3：键合后剥离部分第一注氢硅晶圆，随后采用热氧化法在第一注氢硅晶圆表面生成SiO2层作为第一埋氧层；
S4：向第三硅晶圆中注氢，形成第二注氢硅晶圆；
S5：将第二注氢硅晶圆翻转与第一埋氧层键合，键合后剥离部分第二注氢硅晶圆，制得双埋氧绝缘体上硅晶圆。
具体地，步骤S1中，第一硅晶圆的厚度为725μm；注氢时的注氢剂量为5×1016-1×1017离子/cm2，注氢能量为10-80kev，注氢深度为0.2-0.8μm，注氢能量与注氢深度近似呈线性关系。
步骤S2中，第二硅晶圆的厚度为725μm；热氧化法包括：采用立式氧化炉将第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在高温下热氧化生成SiO2。
结合图4所示，热氧化时生成的SiO2层厚度控制方式如下：
Xox＝2.17XSi
即，热氧化时生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSii；其中，Nox为SiO2分子密度，NSi为Si原子密度，Xox为生成的SiO2层厚度，XSi为被热氧化的硅层厚度。
热氧化温度为700-1200℃；热氧化时间与氧化层厚度关系如图5、图6所示；热氧化温度为700℃时，在氧化初始阶段氧化速度较快，后续氧化厚度与时间呈线性关系；第二埋氧层的厚度可以为5-150nm。
此外，步骤S2中，键合包括：先将待键合的两个硅晶圆浸泡水中进行亲水处理，随后进行低温键合；其中，低温键合的温度为110-150℃。先将待键合的两个硅晶圆浸泡水中，晶圆提出水后表面吸附一层水膜即为亲水性处理，吸附的水破坏了硅晶圆表面的Si-O-Si键，并与水形成OH键，随后在110-150℃下，亲水处理后具有OH键的两片晶圆可以发生聚合反应，产生水及Si-O键，即发生键合。
步骤S3中，剥离温度为400-600℃；剥离后的第一注氢硅晶圆的厚度约为注氢时注氢深度的平均值。
此外，步骤S3中，热氧化法包括：采用立式氧化炉使第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在高温下热氧化生成SiO2；其中，热氧化温度为700-1200℃。热氧化时生成的SiO2层厚度控制为：XOX＝2.17XSi；热氧化时间与氧化层厚度关系如图5、图6所示；第一埋氧层的厚度可以为5-150nm。
步骤S4中，第三硅晶圆的厚度为725μm；注氢时的注氢剂量为5×1016-1×1017离子/cm2，注氢能量为10-80kev，注氢深度为0.2-0.8μm。
步骤S5中，键合包括：先将待键合的两个硅晶圆浸泡水中进行亲水处理，随后进行低温键合；其中，低温键合的温度为110-150℃。此外，剥离温度为400-600℃；剥离后的第二注氢硅晶圆的厚度约为注氢时注氢深度的平均值。
本发明还提供一种双埋氧绝缘体上硅晶圆，按照上述制备方法制得。
本发明的制备方法通过特定的热氧化方式制备埋氧层，从而能够在较薄的范围内生长SiO2并保证表面的平整度，制备的埋氧层具有温度梯度小、气流分布均匀、表面颗粒度控制好等特点，有助于高质量氧化制备硅晶圆中的埋氧层，上述特定方式制备的SiO2具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质不受湿度和中等温度热处理的影响，降低了Si表面的悬挂键，使表面态密度减小，能够很好地控制界面陷阱和固定电荷，从而在在制备较薄SiO2层时能够形成更好的表面光滑度、平整度以及均匀性，实现高质量薄埋氧层的精确制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为对照例1中DSOI晶圆的制备工艺流程图；
图2为实施例1中双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备工艺流程图；
图3为立式氧化炉的结构示意图；
图4为热氧化时的厚度控制示意图；
图5为热氧化过程中氧化时间与氧化厚度关系图；
图6为热氧化过程中不同温度与氧化时间对应的氧化厚度。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
结合图2所示，本实施例的双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备方法，步骤如下：
1)硅晶圆注氢
向厚度为725μm的第一硅晶圆中注氢，注氢剂量为5×1016离子/cm2，注氢能量为10kev，注氢深度为0.2μm，形成第一注氢硅晶圆。
2)制作第二埋氧层
如图3所示，采用立式氧化炉将厚度为725μm的第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在700℃的高温下热氧化生成SiO2；结合图4所示，热氧化生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSi；热氧化时间与氧化厚度根据图5获得，热氧化后生成的SiO2层作为第二埋氧层。
3)翻转、键合
先将步骤1)中的第一注氢硅晶圆和步骤2)中形成有第二埋氧层的第二硅晶圆浸泡在水中进行亲水处理，随后将第一注氢硅晶圆翻转与第二埋氧层在110℃下进行低温键合。
4)高温剥离
将步骤3)键合后的第二硅晶圆在400℃下进行高温剥离，在高温下使键合后的上层第一注氢硅晶圆中的氢离子在富集处起泡，使起泡上方区域剥离，剥离后的第一注氢硅晶圆的厚度约为注氢时注氢深度的平均值。
5)制作第一埋氧层
采用立式氧化炉将步骤4)高温剥离后的第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在700℃的高温下热氧化生成SiO2；热氧化生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSi，热氧化时间与氧化厚度根据图5获得，热氧化后生成的SiO2层作为第一埋氧层。
6)硅晶圆注氢
向厚度为725μm的第三硅晶圆中注氢，注氢剂量为5×1016离子/cm2，注氢能量为10kev，注氢深度为0.2μm，形成第二注氢硅晶圆。
7)翻转、键合
先将步骤6)中的第二注氢硅晶圆和步骤5)中形成有第一埋氧层的第二硅晶圆浸泡在水中进行亲水处理，随后将第二注氢硅晶圆翻转与第一埋氧层在110℃下进行低温键合。
8)高温剥离
将步骤7)键合后的第二硅晶圆在400℃下进行高温剥离，在高温下使键合后的上层第二注氢硅晶圆中的氢离子在富集处起泡，使起泡上方区域剥离，制得双埋氧绝缘体上硅晶圆(即新型RFSOI晶圆)。
实施例2
本实施例的双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备方法，步骤如下：
1)硅晶圆注氢
向厚度为725μm的第一硅晶圆中注氢，注氢剂量为1×1017离子/cm2，注氢能量为80kev，注氢深度为0.8μm，形成第一注氢硅晶圆。
2)制作第二埋氧层
如图3所示，采用立式氧化炉将厚度为725μm的第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在700℃的高温下热氧化生成SiO2；热氧化生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSi；热氧化时间与氧化厚度根据图5获得，热氧化后生成的SiO2层作为第二埋氧层。
3)翻转、键合
先将步骤1)中的第一注氢硅晶圆和步骤2)中形成有第二埋氧层的第二硅晶圆浸泡在水中进行亲水处理，随后将第一注氢硅晶圆翻转与第二埋氧层在150℃下进行低温键合。
4)高温剥离
将步骤3)键合后的第二硅晶圆在600℃下进行高温剥离，在高温下使键合后的上层第一注氢硅晶圆中的氢离子在富集处起泡，使起泡上方区域剥离，剥离后的第一注氢硅晶圆的厚度约为注氢时注氢深度的平均值。
5)制作第一埋氧层
采用立式氧化炉将步骤4)高温剥离后的第二硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在700℃的高温下热氧化生成SiO2；热氧化生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSi，热氧化时间与氧化厚度根据图5获得，热氧化后生成的SiO2层作为第一埋氧层。
6)硅晶圆注氢
向厚度为725μm的第三硅晶圆中注氢，注氢剂量为1×1017离子/cm2，注氢能量为80kev，注氢深度为0.8μm，形成第二注氢硅晶圆。
7)翻转、键合
先将步骤6)中的第二注氢硅晶圆和步骤5)中形成有第一埋氧层的第二硅晶圆浸泡在水中进行亲水处理，随后将第二注氢硅晶圆翻转与第一埋氧层在150℃下进行低温键合。
8)高温剥离
将步骤7)键合后的第二硅晶圆在600℃下进行高温剥离，在高温下使键合后的上层第二注氢硅晶圆中的氢离子在富集处起泡，使起泡上方区域剥离，制得双埋氧绝缘体上硅晶圆(即新型RFSOI晶圆)。
对照例1
如图1所示，本对照例除采用外延生长工艺制作第二埋氧层(BOX2)和第一埋氧层(BOX1)之外，其余与实施例1基本相同。
本对照例的外延生长工艺如下：在一个高温气腔内，Si通过700℃高温与H2汽化成为气态的SiH4，气态SiH4与氧气通入另一个腔室，在700℃高温下发生化学反应形成SiO2并淀积在Si晶圆表面。
结果表明：采用本对照例淀积工艺生产的SiO2存在台阶覆盖能力差、表面平整度低、产出率慢等缺点；而采用本发明的高温氧化法可得到具有较少界面陷阱电荷和较少固定电荷的界面以及更光滑的键合表面，BOX层具有良好的特性和可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种双埋氧绝缘体上硅晶圆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：向第一硅晶圆中注氢，形成第一注氢硅晶圆；
S2：采用热氧化法在第二硅晶圆表面生成SiO2层作为第二埋氧层，将第一注氢硅晶圆翻转与第二埋氧层键合；
S3：键合后剥离部分第一注氢硅晶圆，随后采用热氧化法在第一注氢硅晶圆表面生成SiO2层作为第一埋氧层；
S4：向第三硅晶圆中注氢，形成第二注氢硅晶圆；
S5：将第二注氢硅晶圆翻转与第一埋氧层键合，键合后剥离部分第二注氢硅晶圆，制得双埋氧绝缘体上硅晶圆。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，注氢时的注氢剂量为5×1016-1×1017离子/cm2，注氢能量为10-80kev，注氢深度为0.2-0.8μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热氧化法包括：采用立式氧化炉将硅晶圆暴露在富氧环境中，使Si在高温下热氧化生成SiO2。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，热氧化温度为700-1200℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热氧化时生成的SiO2层厚度控制为：Xox＝2.17XSi；其中，Xox为生成的SiO2层厚度，XSi为被热氧化的硅层厚度。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，键合包括：先将待键合的两个硅晶圆浸泡水中进行亲水处理，随后进行低温键合。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，低温键合的温度为110-150℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，剥离温度为400-600℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一硅晶圆、第二硅晶圆和第三硅晶圆的厚度均为725μm。
10.一种双埋氧绝缘体上硅晶圆，其特征在于，按照权利要求1-9任一所述的制备方法制得。
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