專(zhuān)利名稱(chēng)：制備納米級(jí)超薄硅可協(xié)變襯底的可控性腐蝕法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體硅微機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，是一種在室溫下通過(guò)氨水濕法可控性腐蝕來(lái)制備超薄納米級(jí)硅可協(xié)變襯底。
背景技術(shù)：
隨著微電子和光電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)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結(jié)合，其中面臨的主要挑戰(zhàn)是材料之間晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異。由于熱失配所引起的應(yīng)變比晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)變小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以人們主要考慮的是晶格失配。在異質(zhì)外延生長(zhǎng)中應(yīng)用最廣泛的是緩沖層技術(shù)，但該技術(shù)對(duì)小失配體系有明顯的效果，而對(duì)大失配體系沒(méi)有明顯的作用。
1991年，Lo首次提出了當(dāng)襯底厚度與外延層厚度相當(dāng)時(shí)，襯底可以協(xié)調(diào)外延層中的失配應(yīng)變。具有半絕緣夾層的硅(Si)可協(xié)變襯底(SOI)正是一種可以協(xié)調(diào)失配應(yīng)變的襯底。可協(xié)變硅襯底(SOI)工藝實(shí)現(xiàn)的手段比較多，而且能夠利用現(xiàn)有的比較成熟的硅工藝，具有低成本實(shí)現(xiàn)光電集成的潛在優(yōu)勢(shì)。但是制備超薄硅層并不容易，正是限制開(kāi)展廣泛研究的一大障礙。
硅的腐蝕通常分為濕法腐蝕和干法腐蝕兩種。濕法腐蝕操作簡(jiǎn)單易控，是超大規(guī)模集成電路工藝常用的腐蝕方法。濕法腐蝕有三大體系HF-HNO3系統(tǒng)，KOH系統(tǒng)和有機(jī)堿腐蝕系統(tǒng)。有機(jī)堿有劇毒，不利于安全操作和環(huán)境保護(hù)。KOH腐蝕是各向異性腐蝕。
HF-HNO3是現(xiàn)在廣泛采用的硅(Si)腐蝕系統(tǒng)。由于這個(gè)反應(yīng)是自催化的，所以腐蝕速率取決于二氧化硅(SiO2)形成后被HF除去的能力。剛剛腐蝕的表面上總是覆蓋著相當(dāng)厚的二氧化硅(SiO2)層(30~50)，往往會(huì)出現(xiàn)由于局部發(fā)熱而造成腐蝕過(guò)快，導(dǎo)致腐蝕不均勻。在22℃，HF-HNO3的腐蝕速率在0.7～3.0um/min。
以上體系都難以用于納米級(jí)超薄可協(xié)變硅襯底(SOI)的制備。因此，發(fā)明一種簡(jiǎn)便可行，具有可操作性，可重復(fù)性的制備納米級(jí)超薄可協(xié)變硅襯底(SOI)材料的腐蝕方法對(duì)于半導(dǎo)體的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決新型納米級(jí)超薄硅(Si)可協(xié)變襯底的減薄加工技術(shù)難題，提出了一種制備納米級(jí)超薄硅(Si)可協(xié)變襯底的可控性腐蝕加工工藝。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種制備納米級(jí)超薄硅可協(xié)變襯底的可控性腐蝕法，其包括下列步驟(a)先對(duì)可協(xié)變硅襯底片子進(jìn)行去油處理，稀釋氫氟酸漂洗；(b)將(a)步中處理過(guò)的可協(xié)變硅襯底片子平放于腐蝕容器的底面上；(c)再在腐蝕容器中用氨水水溶液進(jìn)行超薄腐蝕加工。
所述的腐蝕法，其所述可協(xié)變硅襯底片子，是采用氧離子注入隔離技術(shù)，智能剝離技術(shù)，硅片鍵合技術(shù)或蘭寶石上的硅外延生長(zhǎng)得到的。
所述的腐蝕法，其所述可協(xié)變硅襯底片子是(100)晶面，為n型或p型。
所述的腐蝕法，其所述可協(xié)變硅襯底片子表層硅的原始厚度≤5um。
所述的腐蝕法，其所述可協(xié)變硅襯底片子表層硅的原始厚度優(yōu)選為≤2000，用該腐蝕工藝效果更加顯著。
所述的腐蝕法，其所述(c)步，是在室溫下進(jìn)行，工作溫度為15℃～32℃。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，在氨水水溶液中加入適量的KOH溶液。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，腐蝕速度為100~200/min。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，采用秒表記時(shí)，通過(guò)控制時(shí)間來(lái)控制腐蝕深度。
所述的腐蝕法，其所述控制時(shí)間，時(shí)間精度可以控制在15～25秒。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，，將可協(xié)變硅襯底片子表層硅的厚度減薄到納米級(jí)，最低減薄到120±50。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，腐蝕精度可控在50±30之間。
所述的腐蝕法，其所述(c)步中，進(jìn)行適中力度的攪拌或晃動(dòng)。
所述的腐蝕法，其所述腐蝕容器為石英容器。
本發(fā)明為解決大失配外延生長(zhǎng)提供了一種可行的襯底材料和這種襯底材料的制備方法。
而且，該操作工藝簡(jiǎn)單，操作可控性強(qiáng)，可重復(fù)性好，可以多個(gè)片子同時(shí)處理。


圖1室溫氨水可控性腐蝕法制備納米級(jí)超薄硅(Si)可協(xié)變襯底的腐蝕加工示意圖；圖2室溫氨水可控性腐蝕法制備的超薄可協(xié)變硅襯底(SOI)片子表面的光學(xué)顯微圖像(4200X)；圖3室溫氨水可控性腐蝕法制備的超薄SOI片子表面的；超薄SOI片子的臺(tái)階儀厚度分析(表層硅的厚度為～720)(a)表層硅厚度為～135的超薄SOI片子的原子力顯微鏡圖像，超薄SOI片子的臺(tái)階儀厚度分析(表層硅的厚度為～115)；圖4用常規(guī)的HNO3+HF系統(tǒng)腐蝕減薄的可協(xié)變硅襯底(SOI)表面的光學(xué)顯微圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一種室溫氨水可控性腐蝕法制備納米級(jí)超薄硅(Si)可協(xié)變襯底的腐蝕加工工藝。在該腐蝕操作之前，先對(duì)可協(xié)變硅襯底(SOI)片子進(jìn)行去油處理，稀釋氫氟酸漂洗，再進(jìn)行超薄腐蝕加工。
請(qǐng)參閱圖1所示，其中，一個(gè)可進(jìn)行平面腐蝕的容器1，該容器1可以選用石英容器；將可協(xié)變硅襯底(SOI)片子3平放于容器1的底面上；向容器1里注入腐蝕液2，可協(xié)變硅襯底(SOI)片子3在腐蝕液中進(jìn)行腐蝕減薄。
腐蝕液2的主要成分是氨水水溶液。當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，在腐蝕液2里加入適量的KOH溶液。
可協(xié)變硅襯底(SOI)片子可以采用氧離子注入隔離(SIMOX)技術(shù)，智能剝離(smart-cut)技術(shù)，硅片鍵合(BESOI)技術(shù)及蘭寶石上的硅外延生長(zhǎng)得到；可協(xié)變硅襯底(SOI)的原始表層硅厚度最好控制在5um以?xún)?nèi)，在2000以?xún)?nèi)采用該腐蝕工藝效果更加顯著。
可協(xié)變硅襯底(SOI)片子(100)晶面，可以是n型，也可以是p型；在減薄過(guò)程中進(jìn)行適中力度的攪拌或晃動(dòng)；腐蝕深度的控制是通過(guò)控制時(shí)間來(lái)達(dá)到的；采用秒表記時(shí)，時(shí)間精度可以控制在15～25秒，腐蝕精度可以控制在50±30。
實(shí)施例采用國(guó)外進(jìn)口可協(xié)變硅襯底(SOI)片子，由氧離子注入隔離技術(shù)制備。該SOI片子是P型，(100)晶面，表層硅厚度為1600。
去油處理依次在無(wú)水乙醇-丙酮-三氯乙烯-丙酮-無(wú)水乙醇中沸煮10～15分鐘，用去離子水清洗。
漂洗在稀釋的HF溶液中浸泡15分。漂洗后不必用去離子水清洗，直接進(jìn)行下一步操作。
腐蝕溫度為18℃。腐蝕容器為石英容器。在石英容器中加入4.2％的氨水溶液(3.5％KOH)。將可協(xié)變硅襯底(SOI)片子平放在腐蝕液中，進(jìn)行適中力度的攪拌或晃動(dòng)，采用秒表記時(shí)控制腐蝕深度。
圖2是制備的超薄可協(xié)變硅襯底(SOI)表面的光學(xué)顯微圖像。表層硅(Si)的厚度分別為(a)腐蝕減薄前，1600；(b)800；(c)600；(d)400；(e)200；(f)135。(注這些圖片進(jìn)行了對(duì)比度強(qiáng)化處理，目的是為了更清楚地看到變化趨勢(shì)。)可以看到，(b)，(d)和(e)的表面形貌質(zhì)量與未腐蝕加工前的表面質(zhì)量相似，沒(méi)有明顯變差。從圖中還可以看到，在腐蝕過(guò)程中存在一個(gè)變化周期。
開(kāi)始時(shí)，隨著腐蝕深度的增加，表面形貌變差；當(dāng)腐蝕到一定階段，表面形貌又開(kāi)始變好，在這里400是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；隨后，表面形貌又繼續(xù)變差。
圖3是室溫氨水可控性腐蝕法制備的可協(xié)變硅襯底(SOI)表面粗糙度分析。其中，(a)當(dāng)表層硅的厚度為～720的臺(tái)階儀厚度分析，可見(jiàn)粗糙度在25左右。(b)表層硅厚度為～135，平均粗糙度為28。(c)表層硅厚度為～115的臺(tái)階儀厚度分析，可見(jiàn)粗糙度在80以?xún)?nèi)。與圖2(f)比較，可以看到，當(dāng)表層硅厚度為135，盡管表面質(zhì)量有所變差，但粗糙度只有28，仍然是用作外延生長(zhǎng)的合格襯底。
圖4是用常規(guī)的HNO3+HF腐蝕減薄的可協(xié)變硅襯底(SOI)表面的光學(xué)顯微圖像。將圖4和圖2，圖3進(jìn)行比較，可以看到本發(fā)明的腐蝕減薄工藝與常規(guī)的HNO3+HF腐蝕工藝相比，腐蝕均勻度和表面平整度都有顯著的提高。腐蝕減薄后的可協(xié)變硅襯底(SOI)片子的表面質(zhì)量幾乎可以與商品可協(xié)變硅襯底(SOI)片子的表面質(zhì)量相比。
權(quán)利要求
1.一種制備納米級(jí)超薄硅可協(xié)變襯底的可控性腐蝕法，其特征在于包括下列步驟(a)先對(duì)可協(xié)變硅襯底片子進(jìn)行去油處理，稀釋氫氟酸漂洗；(b)將(a)步中處理過(guò)的可協(xié)變硅襯底片子平放于腐蝕容器的底面上；(c)再在腐蝕容器中用氨水水溶液進(jìn)行超薄腐蝕加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述可協(xié)變硅襯底片子，是采用氧離子注入隔離技術(shù)，智能剝離技術(shù)，硅片鍵合技術(shù)或蘭寶石上的硅外延生長(zhǎng)得到的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述可協(xié)變硅襯底片子是(100)晶面，為n型或p型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述可協(xié)變硅襯底片子表層硅的原始厚度≤5um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的腐蝕法，其特征在于所述可協(xié)變硅襯底片子表層硅的原始厚度優(yōu)選為≤2000，用該腐蝕工藝效果更加顯著。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步，是在室溫下進(jìn)行，工作溫度為15℃～32℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，在氨水水溶液中加入適量的KOH溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，腐蝕速度為100~200/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，采用秒表記時(shí)，通過(guò)控制時(shí)間來(lái)控制腐蝕深度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腐蝕法，其特征在于所述控制時(shí)間，時(shí)間精度控制在15～25秒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，將可協(xié)變硅襯底片子表層硅的厚度減薄到納米級(jí)，最低減薄到120±50。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，腐蝕精度可控在50±30之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述(c)步中，進(jìn)行適中力度的攪拌或晃動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕法，其特征在于所述腐蝕容器為石英容器。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體硅微機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，是一種在室溫下通過(guò)氨水濕法可控性腐蝕來(lái)制備超薄納米級(jí)硅可協(xié)變襯底。該腐蝕法，包括下列步驟(a)先對(duì)可協(xié)變硅襯底片子進(jìn)行去油處理，稀釋氫氟酸漂洗；(b)將(a)步中處理過(guò)的可協(xié)變硅襯底片子平放于腐蝕容器的底面上；(c)再在腐蝕容器中用氨水水溶液進(jìn)行超薄腐蝕加工。本發(fā)明為解決大失配外延生長(zhǎng)提供了一種可行的襯底材料和這種襯底材料的制備方法。而且，該操作工藝簡(jiǎn)單，操作可控性強(qiáng)，可重復(fù)性好，可以多個(gè)片子同時(shí)處理。
文檔編號(hào)C23F1/24GK1681091SQ200410034259
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月5日
發(fā)明者王曉峰, 曾一平, 黃風(fēng)義, 王保強(qiáng), 朱占平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所