CN1681091A - 制备纳米级超薄硅可协变衬底的可控性腐蚀法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体硅微机械加工技术领域，是一种在室温下通过氨水湿法可控性腐蚀来制备超薄纳米级硅可协变衬底。该腐蚀法，包括下列步骤：(a)先对可协变硅衬底片子进行去油处理，稀释氢氟酸漂洗；(b)将(a)步中处理过的可协变硅衬底片子平放于腐蚀容器的底面上；(c)再在腐蚀容器中用氨水水溶液进行超薄腐蚀加工。本发明为解决大失配外延生长提供了一种可行的衬底材料和这种衬底材料的制备方法。而且，该操作工艺简单，操作可控性强，可重复性好，可以多个片子同时处理。

Description

制备纳米级超薄硅可协变衬底的可控性腐蚀法
技术领域
本发明涉及半导体硅微机械加工技术领域，是一种在室温下通过氨水湿法可控性腐蚀来制备超薄纳米级硅可协变衬底。
背景技术
随着微电子和光电子技术的发展，越来越需要把不同的器件集成在一起。器件的集成首先是不同材料的结合，其中面临的主要挑战是材料之间晶格常数和热膨胀系数的差异。由于热失配所引起的应变比晶格失配产生的应变小一个数量级，所以人们主要考虑的是晶格失配。在异质外延生长中应用最广泛的是缓冲层技术，但该技术对小失配体系有明显的效果，而对大失配体系没有明显的作用。
1991年，Lo首次提出了当衬底厚度与外延层厚度相当时，衬底可以协调外延层中的失配应变。具有半绝缘夹层的硅(Si)可协变衬底(SOI)正是一种可以协调失配应变的衬底。可协变硅衬底(SOI)工艺实现的手段比较多，而且能够利用现有的比较成熟的硅工艺，具有低成本实现光电集成的潜在优势。但是制备超薄硅层并不容易，正是限制开展广泛研究的一大障碍。
硅的腐蚀通常分为湿法腐蚀和干法腐蚀两种。湿法腐蚀操作简单易控，是超大规模集成电路工艺常用的腐蚀方法。湿法腐蚀有三大体系：HF-HNO3系统，KOH系统和有机碱腐蚀系统。有机碱有剧毒，不利于安全操作和环境保护。KOH腐蚀是各向异性腐蚀。
HF-HNO3是现在广泛采用的硅(Si)腐蚀系统。由于这个反应是自催化的，所以腐蚀速率取决于二氧化硅(SiO2)形成后被HF除去的能力。刚刚腐蚀的表面上总是覆盖着相当厚的二氧化硅(SiO2)层(30~50)，往往会出现由于局部发热而造成腐蚀过快，导致腐蚀不均匀。在22℃，HF-HNO3的腐蚀速率在0.7～3.0um/min。
以上体系都难以用于纳米级超薄可协变硅衬底(SOI)的制备。因此，发明一种简便可行，具有可操作性，可重复性的制备纳米级超薄可协变硅衬底(SOI)材料的腐蚀方法对于半导体的进一步发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决新型纳米级超薄硅(Si)可协变衬底的减薄加工技术难题，提出了一种制备纳米级超薄硅(Si)可协变衬底的可控性腐蚀加工工艺。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种制备纳米级超薄硅可协变衬底的可控性腐蚀法，其包括下列步骤：
(a)先对可协变硅衬底片子进行去油处理，稀释氢氟酸漂洗；
(b)将(a)步中处理过的可协变硅衬底片子平放于腐蚀容器的底面上；
(c)再在腐蚀容器中用氨水水溶液进行超薄腐蚀加工。
所述的腐蚀法，其所述可协变硅衬底片子，是采用氧离子注入隔离技术，智能剥离技术，硅片键合技术或兰宝石上的硅外延生长得到的。
所述的腐蚀法，其所述可协变硅衬底片子是(100)晶面，为n型或p型。
所述的腐蚀法，其所述可协变硅衬底片子表层硅的原始厚度≤5um。
所述的腐蚀法，其所述可协变硅衬底片子表层硅的原始厚度优选为≤2000，用该腐蚀工艺效果更加显著。
所述的腐蚀法，其所述(c)步，是在室温下进行，工作温度为15℃～32℃。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，当温度低于20℃时，在氨水水溶液中加入适量的KOH溶液。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，腐蚀速度为100~200/min。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，采用秒表记时，通过控制时间来控制腐蚀深度。
所述的腐蚀法，其所述控制时间，时间精度可以控制在15～25秒。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，，将可协变硅衬底片子表层硅的厚度减薄到纳米级，最低减薄到120±50。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，腐蚀精度可控在50±30之间。
所述的腐蚀法，其所述(c)步中，进行适中力度的搅拌或晃动。
所述的腐蚀法，其所述腐蚀容器为石英容器。
本发明为解决大失配外延生长提供了一种可行的衬底材料和这种衬底材料的制备方法。
而且，该操作工艺简单，操作可控性强，可重复性好，可以多个片子同时处理。
附图说明
图1室温氨水可控性腐蚀法制备纳米级超薄硅(Si)可协变衬底的腐蚀加工示意图；
图2室温氨水可控性腐蚀法制备的超薄可协变硅衬底(SOI)片子表面的光学显微图像(4200X)；
图3室温氨水可控性腐蚀法制备的超薄SOI片子表面的；超薄SOI片子的台阶仪厚度分析(表层硅的厚度为～720)
(a)表层硅厚度为～135的超薄SOI片子的原子力显微镜图像，超薄SOI片子的台阶仪厚度分析(表层硅的厚度为～115)；
图4用常规的HNO3+HF系统腐蚀减薄的可协变硅衬底(SOI)表面的光学显微图像。
具体实施方式
本发明一种室温氨水可控性腐蚀法制备纳米级超薄硅(Si)可协变衬底的腐蚀加工工艺。在该腐蚀操作之前，先对可协变硅衬底(SOI)片子进行去油处理，稀释氢氟酸漂洗，再进行超薄腐蚀加工。
请参阅图1所示，其中，一个可进行平面腐蚀的容器1，该容器1可以选用石英容器；将可协变硅衬底(SOI)片子3平放于容器1的底面上；向容器1里注入腐蚀液2，可协变硅衬底(SOI)片子3在腐蚀液中进行腐蚀减薄。
腐蚀液2的主要成分是氨水水溶液。当温度低于20℃时，在腐蚀液2里加入适量的KOH溶液。
可协变硅衬底(SOI)片子可以采用氧离子注入隔离(SIMOX)技术，智能剥离(smart-cut)技术，硅片键合(BESOI)技术及兰宝石上的硅外延生长得到；可协变硅衬底(SOI)的原始表层硅厚度最好控制在5um以内，在2000以内采用该腐蚀工艺效果更加显著。
可协变硅衬底(SOI)片子(100)晶面，可以是n型，也可以是p型；在减薄过程中进行适中力度的搅拌或晃动；腐蚀深度的控制是通过控制时间来达到的；采用秒表记时，时间精度可以控制在15～25秒，腐蚀精度可以控制在50±30。
实施例
采用国外进口可协变硅衬底(SOI)片子，由氧离子注入隔离技术制备。该SOI片子是P型，(100)晶面，表层硅厚度为1600。
去油处理：依次在无水乙醇-丙酮-三氯乙烯-丙酮-无水乙醇中沸煮10～15分钟，用去离子水清洗。
漂洗：在稀释的HF溶液中浸泡15分。漂洗后不必用去离子水清洗，直接进行下一步操作。
腐蚀温度为18℃。腐蚀容器为石英容器。在石英容器中加入4.2％的氨水溶液(3.5％KOH)。将可协变硅衬底(SOI)片子平放在腐蚀液中，进行适中力度的搅拌或晃动，采用秒表记时控制腐蚀深度。
图2是制备的超薄可协变硅衬底(SOI)表面的光学显微图像。表层硅(Si)的厚度分别为(a)腐蚀减薄前，1600；(b)800；(c)600；(d)400；(e)200；(f)135。(注：这些图片进行了对比度强化处理，目的是为了更清楚地看到变化趋势。)可以看到，(b)，(d)和(e)的表面形貌质量与未腐蚀加工前的表面质量相似，没有明显变差。从图中还可以看到，在腐蚀过程中存在一个变化周期。
开始时，随着腐蚀深度的增加，表面形貌变差；当腐蚀到一定阶段，表面形貌又开始变好，在这里400是一个转折点；随后，表面形貌又继续变差。
图3是室温氨水可控性腐蚀法制备的可协变硅衬底(SOI)表面粗糙度分析。其中，(a)当表层硅的厚度为～720的台阶仪厚度分析，可见粗糙度在25左右。(b)表层硅厚度为～135，平均粗糙度为28。(c)表层硅厚度为～115的台阶仪厚度分析，可见粗糙度在80以内。与图2(f)比较，可以看到，当表层硅厚度为135，尽管表面质量有所变差，但粗糙度只有28，仍然是用作外延生长的合格衬底。
图4是用常规的HNO3+HF腐蚀减薄的可协变硅衬底(SOI)表面的光学显微图像。将图4和图2，图3进行比较，可以看到本发明的腐蚀减薄工艺与常规的HNO3+HF腐蚀工艺相比，腐蚀均匀度和表面平整度都有显著的提高。腐蚀减薄后的可协变硅衬底(SOI)片子的表面质量几乎可以与商品可协变硅衬底(SOI)片子的表面质量相比。

Claims (14)

1.一种制备纳米级超薄硅可协变衬底的可控性腐蚀法，其特征在于：包括下列步骤：
(a)先对可协变硅衬底片子进行去油处理，稀释氢氟酸漂洗；
(b)将(a)步中处理过的可协变硅衬底片子平放于腐蚀容器的底面上；
(c)再在腐蚀容器中用氨水水溶液进行超薄腐蚀加工。
2.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述可协变硅衬底片子，是采用氧离子注入隔离技术，智能剥离技术，硅片键合技术或兰宝石上的硅外延生长得到的。
3.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述可协变硅衬底片子是(100)晶面，为n型或p型。
4.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述可协变硅衬底片子表层硅的原始厚度≤5um。
5.根据权利要求1或4所述的腐蚀法，其特征在于：所述可协变硅衬底片子表层硅的原始厚度优选为≤2000，用该腐蚀工艺效果更加显著。
6.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步，是在室温下进行，工作温度为15℃～32℃。
7.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，当温度低于20℃时，在氨水水溶液中加入适量的KOH溶液。
8.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，腐蚀速度为100~200/min。
9.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，采用秒表记时，通过控制时间来控制腐蚀深度。
10.根据权利要求9所述的腐蚀法，其特征在于：所述控制时间，时间精度控制在15～25秒。
11.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，将可协变硅衬底片子表层硅的厚度减薄到纳米级，最低减薄到120±50。
12.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，腐蚀精度可控在50±30之间。
13.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述(c)步中，进行适中力度的搅拌或晃动。
14.根据权利要求1所述的腐蚀法，其特征在于：所述腐蚀容器为石英容器。
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