CN1964024A - 一种多孔硅片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔硅片及其制备方法(Silicon on Porous－silicon，SOP)。本发明所提供的多孔硅片，包括位于正面的硅层和与硅层一体成型的多孔硅层。本发明利用多孔硅电化学加工技术在硅衬底上生长多孔硅能够有效提高衬底电阻率，从而非常适合制备低损耗的射频有源无源器件、微波传输线及射频集成电路等等，所预制而得的新型高品质高阻硅片，能够有效提高电路、器件等各方面性能，而且这种新型硅片解决方案成本低廉，工艺简单，不影响后续电路器件制备，与标准微电子工艺完全兼容。

Description

一种多孔硅片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种背面有多孔硅层的多孔硅片及其制备方法。

背景技术

随着半导体工艺技术的发展，微电子领域经历了重大的变革，目前，集成电路领域已经进入了SOC(System on Chip)时代，集成电路逐渐趋于将功能复杂的不同类型电路集成到单个芯片上，SOC正是集成电路在向集成系统的转变下产生的。同时，随着硅器件尺寸的不断减小，硅基器件和电路的高频性能不断得到提高，硅基混合信号集成电路和射频集成电路等已经成为了SOC的主要应用和解决方案。

值得指出的是，随着器件尺寸的不断缩小，电路的复杂程度、工作频率和集成度也不断提高。当工作频率达到一定程度后(如几百兆或几吉赫兹以上时)，硅衬底的耦合效应以及电路之间的串扰问题对电路性能的影响越来越明显。此外，制备低损耗的射频有源无源器件、微波传输线及射频集成电路通常需要衬底达到一定的要求，满足实际应用的需要。在某些数字、模拟电路共存的电路中，常需要通过一定的隔离方法或技术使得数字、模拟电路工作时互不影响、彼此稳定独立地工作。

为了使衬底达到高阻化并且提高衬底的隔离度，目前已经提出了一种硅衬底的解决方案——SOI技术，SOI技术作为一种全介质的隔离技术被进行了广泛的研究，其对提升硅表面电路和器件的性能做了很大的贡献。所谓SOI(Silicon-On-Insulator)，就是在绝缘体上涂上一层很薄的硅。硅是一种半导体，电子在晶体管中流动时难免会有电子流失，所以在硅中插入一层绝缘体就可以有效地阻止电子的流失，这种绝缘体材料和硅自然是越接近越好，所以二氧化硅就成为理想的选择。在工作时硅片中的晶体管和硅接触的区域会聚集大量的电荷，这样会导致电子传输效率降低，当在硅层中插入二氧化硅时，晶体管和二氧化硅接触的区域不再有电荷出现，使电子的利用率得到提高，整个芯片的工作效率也随之提高。然而，SOI材料是制约SOI技术进入大规模生产领域的一个重要因素，主要问题是其成本昂贵，而且制作设备复杂，制作要求和条件都较高。这些问题严重制约着SOI技术的发展和实际应用。

因此，如果想要从衬底高阻化入手，从根本上解决衬底各方面问题，多孔硅技术作为一种很有潜力的技术被人们提出。目前，多孔硅对于硅衬底的贡献主要在于使衬底高阻化，从而使在多孔硅上制备的电路或者器件有着较好的性能。然而，目前的多孔硅应用主要是正向生长工艺，即在硅片正面生长多孔硅使正面表面层衬底高阻(通常正面多孔硅层厚度很薄)，然后在硅片正面(即在生长多孔硅层的一面)上制备电路或者器件，从而实现电路的隔离或者通过衬底的高阻以提高器件的性能。但是，这样的多孔硅制备过程，既与目前的标准化大生产工艺不兼容，而且硅片已经受到了污染，不利于其他后续器件、电路的加工或者集成，此外还会直接导致电路与衬底间的有害应力。基于以上问题可以看出，目前很难使多孔硅技术应用到实际的集成电路制造和大规模生产中去。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔硅片及其制备方法。

本发明所提供的多孔硅片，包括位于正面的硅层和与硅层一体成型的多孔硅层。

在本发明多孔硅片中，硅层厚度为1-40μm；优选为5-10μm。多孔硅片的厚度为150-800μm。这样，多孔硅层厚度较大，能达到110-800μm之间。

本发明多孔硅片的制备方法，包括如下步骤：

1)将硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，构成阳极氧化的反应结构；所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶液或者氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液；

2)接通电极，加上恒定电流，进行阳极氧化反应，在硅片上形成一多孔硅层，得到所述多孔硅片；所述电流的电流密度为5mA/cm²～100mA/cm²，优选为30mA/cm²。

对于不同电阻率的硅片，在某一电流密度下单位时间的腐蚀深度不同。但是对于给定电阻率的硅片，在固定的电流密度下的腐蚀速率是恒定的，因此可以据此测算所需阳极氧化反应的时间，从而控制生长多孔硅的厚度达到所需的要求。对于实际的硅片，一般其厚度在150μm～800μm(不同的硅片有不同的范围，这里给出的范围是目前工业界常用的硅片厚度)，本发明多孔硅片(Silicon on Porous-silicon，SOP)要求多孔硅层与正表面的距离在1μm～40μm范围内。距离过小将导致进一步正面电路或器件制备的困难，距离过大则不能有效抑制衬底串扰，同时对形成近表面衬底的高阻状态也不能达到预期的效果。实际选用的优选距离值应该根据后续硅片正面制备的电路或器件的类型而定，模拟仿真是一个简便而且有效的方法。但是一般来说，多孔硅层与正表面的距离在5μm时能够满足绝大部分电路和器件的性能要求。

在本发明方法适用于各种类型的硅片，具体来说，对于不同类型(p型或者n型)的裸硅片(指表面尚未加工过的硅片)，甚至对于不同掺杂类型的硅片，本发明方法都能够使用。在不同掺杂类型的硅片上生长多孔硅的难易程度不一样，具体来说，按生长多孔硅从易到难的顺序为：高掺杂的n型硅片＞高掺杂的p型硅片＞低掺杂的p型硅片＞低掺杂的n型硅片。目前，工业界普遍常用的是不同电阻率的p型硅片。

为了增加整个硅片的机械强度以及腐蚀区域的均匀性，所述硅片在进行阳极氧化反应前，在所述硅片靠近阴极的一侧还贴有一层网状膜，所述网状膜上开有多个小孔，所述网状膜由抗氢氟酸腐蚀的材料制成；或者，在所述硅片靠近阴极的一侧先沉积一层Si₃N₄层，并经光刻、刻蚀形成一系列方形孔，所述孔径5～1000μm，优选值为25μm，孔间间隙为1～100μm，优选值为5μm。

在进行腐蚀时，腐蚀液的选择根据硅片的电阻率来确定：

硅片的电阻率小于5Ω·cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶液，氢氟酸与乙醇的体积比为1∶10-10∶1；优选为1∶1。

硅片的电阻率大于5Ω·cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液，氢氟酸与乙醇的体积比为1∶10-10∶1；优选为1∶4。

通过以上工序已经能够制备背向厚膜多孔硅片(SOP)了，同时制备而成的硅片成品在机械强度以及背向均匀性方面均能满足实际的应用需求。为了能使制备而成的背向厚膜多孔硅片(SOP)经得起长时间的放置并进一步增加硅片的可靠性，多孔硅片还经过如下过程处理：

将所述多孔硅片放入加有H₂O₂水溶液的电解槽中，阴极位于所述多孔硅片的多孔硅层一侧，通电进行阳极氧化处理所述多孔硅片；其中，H₂O₂水溶液的质量百分浓度为5％～30％，优选值为10％；通电电流密度为1mA/cm²～10mA/cm²，优选值为4mA/cm²；通电时间为1～30分钟，优选值为15分钟。

应用本发明所得的背向厚膜多孔硅片(SOP)时，直接在硅片正面(即没有多孔硅层的一面)上进行加工，即可得到所需电路或器件。

与SOI片比：由于SOI片生产过程复杂，生产成本昂贵，因此SOI片的制备比较昂贵，本发明背向厚膜多孔硅片(SOP)生产设备简单、成本低廉，而且制备工艺方便，使得整个成品硅片成本大幅下降。此外，背向厚膜多孔硅片(SOP)的硅衬底绝大部分厚度都得到了高阻化，与SOI片的薄SiO₂高阻层相比，由于背向厚膜多孔硅片(SOP)的衬底高阻性能明显优于SOI片，因此，对于正面电路或者器件的性能的改善可以比SOI片更为有效，甚至在某些方面可以达到SOI片无法达到的效果。此外，背向厚膜多孔硅片(SOP)机械强度强、均匀性好、稳定性高，是一种与大规模工业化生产完全兼容的硅片解决方案。

与目前常规多孔硅应用相比：目前的多孔硅应用主要是正向薄层生长工艺，即在硅片正面生长多孔硅使正面表面层衬底高阻，通常该正面多孔硅层厚度很薄，然后在硅片正面(即在生长多孔硅层的一面)上制备电路或者器件。这样的多孔硅制备过程，使得器件或者电路直接制备于正面的多孔硅层上，不但使得硅片已经受到了污染，不利于其他后续器件、电路的加工或者集成，而且与目前的标准化大生产工艺也不兼容，此外还会不可避免地直接导致电路与衬底间的有害应力。

本发明利用多孔硅电化学加工技术在硅衬底背面全片或选择区域地生长厚膜多孔硅层，所生成的多孔硅层能够有效控制与硅片正面的距离，不仅能够有效提高衬底电阻率，而且对进一步正面制备电路不造成任何影响，从而非常适合制备低损耗的射频有源无源器件、微波传输线及射频集成电路等等，能够有效提高电路、器件等各方面性能。用本发明方案制备而成的多孔硅片的高阻特性和对于在其正面制备的电路和器件性能的提升完全能够与目前业内普遍看好的SOI片相媲美，而且相对于SOI片的高成本和复杂的制备工艺，本发明制备多孔硅片工艺简单、成本低廉，不影响后续电路器件制备，其高阻性能比传统多孔硅应用大幅提高，而且与标准的微电子工艺完全兼容，具有非常乐观的应用前景和广泛的应用市场。

附图说明

图1为本发明腐蚀槽的结构示意图；

图2A和图2B为多孔硅片的结构示意图；

图3为预贴膜增加硅片机械强度示意图；

图4为增加多孔硅腐蚀区域均匀性以及硅片机械强度示意图。

具体实施方式

实施例1、背向厚膜多孔硅片(SOP)的制备

1、硅片准备：p型裸硅片，电阻率12Ω·cm，厚度200μm

2、多孔硅的制备：

如图1所示，所用的腐蚀装置包括腐蚀槽1，其上有腐蚀液入口106，腐蚀液107位于腐蚀槽1的内部；硅片101放置于腐蚀槽1的中部，通过硅片支架103固定与腐蚀槽1中；精密恒流电源105与两个铂Pt电极104连接，用于提供电流。通电后，硅片位于阴极一侧的硅片背面102将发生腐蚀作用，在硅片上形成多孔硅层。

所用的腐蚀液配比：HF∶DMF(体积比)＝1∶4

通电电流密度：30mA/cm²

腐蚀时间：135～140分钟

经过如上处理，在硅片上形成多孔硅层，其厚度为195μm；剩余的硅层厚度为5μm。

所得多孔硅片的形状有多种，由所加工的硅片形状来确定，如图2A和图2B所示，多孔硅片(SOP)201的硅片正面202为待制备器件及电路区域，硅片背面204生长厚膜多孔硅层203。

3、背向厚膜多孔硅片(SOP)的后加工

通过以上工序已经能够制备背向厚膜多孔硅片(SOP)了，在机械强度以及背向均匀性方面均能满足实际的应用需求。为了能使制备而成的背向厚膜多孔硅片(SOP)经得起长时间的放置并进一步增加硅片的可靠性，可以在多孔硅片制备成功之后引入如下后加工方案：

即腐蚀完多孔硅后，将电解槽内的腐蚀液倒出，清洗干净后向电解槽中注入H₂O₂水溶液，通电进行阳极氧化。H₂O₂水溶液浓度为5％～30％(质量)，优选值为10％；通电电流密度为1mA/cm²～10mA/cm²，优选值为4mA/cm²；通电时间为1～30分钟，优选值为15分钟。通过该后加工能使多孔硅内侧壁氧化形成SiO₂致密氧化层，SiO₂层性能稳定而且结构致密牢固，因此不但能够使宏观上的整个多孔硅层的结构和性质大大改善，而且也能从硅片内部体区进一步增强全片的机械强度。在上述多孔硅层氧化处理完成后，即可对硅片进行清洗处理，可采用去离子水清洗、丙酮溶液清洗或乙醇溶液清洗，时间为1～20分钟。最后对硅片进行干燥处理，可采用常温自然干燥法或微加热干燥法。

具体的操作条件如下：

H₂O₂水溶液浓度为10％

通电电流密度：4mA/cm²

通电时间：15分钟

清洗硅片：去离子水，10分钟

干燥处理：常温自然干燥。

在所得SOP硅片上和常规硅片上加工电感，得到电感的品质因子与频率的关系曲线，结果如图5，图中，圆圈点为制作在常规硅片上电感的数据，方块点是制作在SOP片上电感的数据。从图中可以明显看出，对比制备于常规硅片上的电感，制备于SOP片上电感的品质因子(Q)的变化量非常大。制备于常规硅片上的电感Q的峰值为4.9(当1.6GHz时)，而制备于SOP片上的电感的峰值变为9.7(当3.6GHz时)，峰值Q的提高超过了100％。从自谐振频率角度来看，制备于常规硅片上电感的自谐振频率为4GHz，而当电感制备于SOP片上时，由于其衬底的损耗和串扰被大大抑制，衬底电阻变大而寄生电容减小，所以最终的自谐振频率提高到了12GHz。由此可见，利用SOP片能够极大提高片上集成电感的品质因子和工作频率。

实施实例2  背向厚膜多孔硅片(SOP)的制备

1、硅片准备：p型裸硅片，电阻率25Ω·cm，厚度150μm

2、多孔硅的制备：

所用的装置与实施例1相同，具体操作条件如下：

腐蚀液配比：HF∶DMF＝1∶10

通电电流密度：50mA/cm²

腐蚀时间：125～128分钟。

经过如上处理，在硅片上形成多孔硅层，其厚度为148μm；剩余的硅层厚度为2μm。

实施实例3  背向厚膜多孔硅片(SOP)的制备

1、硅片准备：p型裸硅片，电阻率3Ω·cm，厚度500μm

为增加多孔硅腐蚀区域均匀性以及硅片机械强度，在硅片背面首先淀积一层Si₃N₄并光刻、刻蚀形成一系列孔：孔径100μm，孔间间隙10μm。

如图4所示，在待生长多孔硅层的硅片背面401上淀积一层Si₃N₄并光刻、刻蚀从而形成的系列方孔402，并形成孔隙403。由于Si₃N₄确保了其覆盖区域不受溶液腐蚀，这样使得之后的多孔硅限定在Si₃N₄层所开口的系列密排孔区域生成，在腐蚀完多孔硅后只要将Si₃N₄层通过一道去除工艺去除即可。通过这种方法获得的背向厚膜多孔硅片不但能保证全片多孔硅的均匀性，而且同样能极大提高背向厚膜多孔硅片(SOP)的机械强度，此外该种方案对于正面各类器件和电路均适用，是一种普适性的提高多孔硅腐蚀区域均匀性以及硅片机械强度的方法。

2、多孔硅的制备：

所用的装置与实施例1相同，具体操作条件如下：

溶液配比HF∶C₂H₅OH(体积比)＝1∶1

通电电流密度：30mA/cm²

腐蚀时间：365～368分钟。

经过如上处理，在硅片上形成多孔硅层，其厚度为490μm；剩余的硅层厚度为10μm。

3、背向厚膜多孔硅片(SOP)的后加工

操作方法同实施例1，具体条件如下：

H₂O₂水溶液浓度为20％(质量)

通电电流密度：8mA/cm²

通电时间：10分钟

清洗硅片：乙醇溶液，10分钟

干燥处理：加温干燥。

实施实例4  背向厚膜多孔硅片(SOP)的制备

1、硅片准备：p型裸硅片，电阻率150Ω·cm，厚度250μm

增加硅片机械强度：在硅片背面预贴一层网状膜，网状膜的材料为聚四氟乙烯，网状膜开有排列整齐的方形小孔，孔径5mm，孔间间隙1mm。

如图3所示，待生长多孔硅层的硅片背面301上贴上一层网状膜，在其背面形成方形孔302和方形孔间隙303，网状膜材料一般选用耐HF的材料，常见的有聚四氟乙烯等。这样，使得硅片背面暴露在腐蚀液部分的区域为一系列孔状区域，在之后的电化学腐蚀中，硅片背面只有在一系列接触腐蚀液的区域(即开孔区域)上生长多孔硅，而被黏附的网状区域由于未被腐蚀保持原状，从而形成有力的硅支架，可以极大增强整个硅片的机械强度。在通常的工艺中，硅片正面制备的电路和器件形成一系列排列整齐的重复单元(Die)，由此，该网状膜可制成与正面单元相互补的网格形状。

2、多孔硅片的制备：

所用的装置与实施例1相同，具体操作条件如下：

溶液配比：HF∶DMF(体积)＝5∶1

通电电流密度：8mA/cm²

腐蚀时间：225～228分钟

经过如上处理，在硅片上形成多孔硅层，其厚度为245μm；剩余的硅层厚度为5μm。

3、背向厚膜多孔硅片(SOP)的后加工

操作方法同实施例1，具体条件如下：

H₂O₂水溶液浓度为30％(质量)

通电电流密度：1mA/cm²

通电时间：20分钟

清洗硅片：去离子水，15分钟

干燥处理：常温自然干燥

实施实例5背向厚膜多孔硅片(SOP)的制备

1、硅片准备：p型裸硅片，电阻率12Ω·cm，厚度750μm

增加多孔硅腐蚀区域均匀性以及硅片机械强度：在硅片背面首先淀积一层Si₃N₄并光刻、刻蚀形成一系列孔：孔径25μm，孔间间隙5μm。

2、多孔硅的制备：

所用的装置与实施例1相同，具体操作条件如下：

溶液配比：HF∶DMF＝1∶3

通电电流密度：35mA/cm²

腐蚀时间：400～405分钟

经过如上处理，在硅片上形成多孔硅层，其厚度为740μm；剩余的硅层厚度为10μm。

3、背向厚膜多孔硅片(SOP)的后加工

操作方法同实施例1，具体条件如下：

H₂O₂水溶液浓度为10％

通电电流密度：6mA/cm²

通电时间：10分钟

清洗硅片：丙酮溶液，20分钟

干燥处理：加热干燥。

Claims (9)

1、一种多孔硅片，包括位于正面的硅层和与硅层一体成型的多孔硅层。

2、根据权利要求1所述的多孔硅片，其特征在于：所述硅层厚度为1-40μm；优选为5-10μm。

3、根据权利要求1或2所述的多孔硅片，其特征在于：所述多孔硅片的厚度为150-800μm。

4、权利要求1所述多孔硅片的制备方法，包括如下步骤：

1)将硅片固定于加有腐蚀液的腐蚀槽中，构成阳极氧化的反应结构；所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶液或者氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液；

2)接通电极，加上恒定电流，进行阳极氧化反应，在硅片上形成一多孔硅层，得到所述多孔硅片；所述电流的电流密度为5mA/cm²～100mA/cm²，优选为30mA/cm²。

5、根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述硅片为高掺杂的n型硅片、高掺杂的p型硅片、低掺杂的p型硅片或低掺杂的n型硅片；所述硅片的厚度为150-800μm。

6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述硅片在进行阳极氧化反应前，在所述硅片靠近阴极的一侧还贴有一层网状膜，所述网状膜上开有多个小孔，所述网状膜由抗氢氟酸腐蚀的材料制成；或者，在所述硅片靠近阴极的一侧先沉积一层Si₃N₄层，并经光刻、刻蚀形成一系列方形孔，所述孔径5～1000μm，优选值为25μm，孔间间隙为1～100μm，优选值为5μm。

7、根据权利要求4-6任一所述的制备方法，其特征在于：所述硅片的电阻率小于5Ω·cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和乙醇的混合溶液，氢氟酸与乙醇的体积比为1∶10-10∶1；优选为1∶1。

8、根据权利要求4-6任一所述的制备方法，其特征在于：所述硅片的电阻率大于5Ω·cm时，所述腐蚀液为氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液，氢氟酸与乙醇的体积比为1∶10-10∶1；优选为1∶4。

9、根据权利要求4-6任一所述的制备方法，其特征在于：所述多孔硅片还经过如下过程处理：

将所述多孔硅片放入加有H₂O₂水溶液的电解槽中，阴极位于所述多孔硅片的多孔硅层一侧，通电进行阳极氧化处理所述多孔硅片；其中，H₂O₂水溶液的质量百分浓度为5％～30％，优选值为10％；通电电流密度为1mA/cm²～10mA/cm²，优选值为4mA/cm²；通电时间为1～30分钟，优选值为15分钟。

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