專利名稱：采用吸雜工藝制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種制備絕緣體上硅材料的方法，特別涉及一種采用吸雜工藝制備 帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的特征尺寸的減小，對硅單晶中缺陷的控制變得尤其重要。硅片 中的缺陷主要來自兩方面，一方面是晶體生長的過程中產(chǎn)生的原生缺陷，如晶體原生粒子 (COPs)；另一方面是硅片熱處理過程中產(chǎn)生的缺陷，如氧沉淀，這些缺陷如果在硅片表面的 活性區(qū)，將對器件的性能有著破壞作用，使器件失效。此外，硅片在加工和集成電路制造的 過程中不可避免地要受到如Cu、Ni和!^e等金屬的沾污，這些金屬雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散很快， 如果存在于器件的有源區(qū)，將導(dǎo)致器件的失效，因此有效地消除硅片表面的金屬雜質(zhì)是至 關(guān)重要的。氧沉淀及其誘生缺陷可以作為金屬雜質(zhì)的吸雜點(diǎn)，使得金屬雜質(zhì)在缺陷處聚集， 但如果氧沉淀和誘生缺陷出現(xiàn)在器件活性區(qū)，也會影響器件的電學(xué)性能。因此，在器件工藝 中一方面需要在硅片中產(chǎn)生大量的氧沉淀，起到吸雜的作用，另一方面又希望氧沉淀不要 出現(xiàn)在硅片的活性區(qū)，這就是內(nèi)吸雜(Internal Gettering)的基本理念。硅片的內(nèi)吸雜工 藝，通過熱處理，在硅片表面形成低氧及低金屬的潔凈區(qū)域(Denuded hne-DZ)，并且在硅 片體內(nèi)形成氧沉淀和誘生缺陷以吸收金屬雜質(zhì)。經(jīng)過DZ工藝處理的硅片，器件制備在DZ 區(qū)域，能夠有效地提高器件的良率。此外，目前厚膜SOI材料(頂層硅通常大于1 μ m)廣泛的應(yīng)用于高壓功率器件和 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別是在汽車電子、顯示、無線通訊等方面發(fā)展迅速。由于電源 的控制與轉(zhuǎn)換、汽車電子以及消費(fèi)性功率器件方面對惡劣環(huán)境、高溫、大電流、高功耗方面 的要求，使得在可靠性方面的嚴(yán)格要求不得不采用SOI器件。目前厚膜SOI材料的用戶主 要包括美國 Maxim、ADI、TI (USA)，日本 NEC、Toshiba, Panasonic、Denso、TI (Japan)、FUJI、 Omron等，歐洲PhilipS、X_Fab等。在這些SOI材料用戶里面，很大的應(yīng)用主要來源于各種 應(yīng)用中的驅(qū)動電路如Maxim的應(yīng)用于主要為手機(jī)接受段的放大器電路；Panasonic、Tl、 FUJI、ToshikuNEC等主要應(yīng)用在顯示驅(qū)動電路中的掃描驅(qū)動電路；DENSO的應(yīng)用主要在汽 車電子、無線射頻電路等；Toshiki的應(yīng)用甚至在空調(diào)的電源控制電路中；Omron主要在傳 感器方面；ADI也主要在高溫電路、傳感器等；而Wiillips的應(yīng)用則主要是功率器件中的 LDM0S，用于消費(fèi)類電子中如汽車音響、聲頻、音頻放大器等；韓國的Magnchip(Hynix)則為 Kopin生產(chǎn)用于數(shù)碼相機(jī)用的顯示驅(qū)動電路和為LG生產(chǎn)的PDP顯示驅(qū)動電路等。但是，對SOI材料而言，由于埋氧層的存在，若對其進(jìn)行熱處理，埋氧層的氧元素 將會外擴(kuò)散，反而使得其頂層硅內(nèi)氧元素含量升高，因此傳統(tǒng)的吸雜工藝不適合用于SOI 材料，也導(dǎo)致SOI材料的頂層硅不存在該DZ區(qū)域，這樣使得SOI制備的器件良率相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠適用于帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的吸雜工藝。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種采用吸雜工藝制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體 襯底的方法，包括如下步驟提供器件襯底與支撐襯底；在器件襯底的表面形成絕緣層；第 一熱處理步驟，以在器件襯底表面形成結(jié)晶區(qū)域；第二熱處理步驟，溫度低于第一熱處理退 火步驟，以使?jié)崈魠^(qū)域以外的器件襯底中的飽和氧元素積聚成核；將帶有絕緣層的器件襯 底與支撐襯底鍵合，使絕緣層夾在器件襯底與支撐襯底之間；對鍵合界面實施退火加固，使 鍵合界面的牢固程度能夠滿足后續(xù)倒角研磨、減薄以及拋光工藝的要求，同時使前一降溫 步驟中積聚成核的氧元素形成更大的氧沉淀，同時所述氧沉淀能夠吸收潔凈區(qū)域中的金屬 雜質(zhì)；對鍵合后的器件襯底實施倒角研磨、減薄以及拋光。作為可選的技術(shù)方案，所述器件 襯底為單晶硅襯底。作為可選的技術(shù)方案，進(jìn)一步包括如下步驟在對器件襯底實施倒角研磨、減薄以 及拋光工藝之后，對鍵合后界面實施補(bǔ)充退火加固。作為可選的技術(shù)方案，進(jìn)一步包括如下步驟在對器件襯底實施倒角研磨、減薄以 及拋光工藝之前，在支撐襯底暴露出來的表面上形成保護(hù)層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在鍵合前采用吸雜工藝對器件襯底進(jìn)行處理，表面形成潔凈 區(qū)域，隨后將該潔凈區(qū)轉(zhuǎn)移到另一片支撐襯底之上，得到具有高晶體質(zhì)量的鍵合材料。并且 在熱處理器件襯底的工藝中僅采用了兩步熱處理步驟，而將第三步高溫?zé)崽幚聿襟E與后續(xù) 加固鍵合界面的步驟整合成一步，從而降低了工藝復(fù)雜度，節(jié)約了工藝成本并提高了工藝 效率。


附圖1所示是本發(fā)明具體實施方式
的實施步驟流程圖，附圖2A至附圖2E所示是本發(fā)明具體實施方式
的工藝示意圖。
具體實施例方式接下來結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明所述一種采用吸雜工藝制備帶有絕緣埋層的半 導(dǎo)體襯底的方法的具體實施方式
。附圖1所示是本方法的實施步驟流程圖，包括步驟S10，提供器件襯底與支撐襯 底；步驟S11，在器件襯底的表面形成絕緣層；步驟S12，熱處理器件襯底，從而在所述器件 襯底的表面形成潔凈區(qū)域；步驟S13，將帶有絕緣層的器件襯底與支撐襯底鍵合，使絕緣層 夾在器件襯底與支撐襯底之間；步驟S14，對鍵合界面實施退火加固，使鍵合界面的牢固程 度能夠滿足后續(xù)倒角研磨、減薄以及拋光工藝的要求；步驟S15，對鍵合后的器件襯底實施 倒角研磨、減薄以及拋光；步驟S16，對鍵合后界面實施補(bǔ)充退火加固。附圖2A至附圖2E所示是本發(fā)明具體實施方式
的工藝示意圖。附圖2A所示，參考步驟S10，提供器件襯底100與支撐襯底190。所述器件襯底 100用于形成最終產(chǎn)品的器件層，故其材料應(yīng)當(dāng)是常見的半導(dǎo)體材料例如單晶硅，也可以是 其他如化合物半導(dǎo)體等。而支撐襯底190由于僅起到支撐作用，故選材范圍較廣，除了單晶 硅以及常見的化合物半導(dǎo)體材料之外，也可以是藍(lán)寶石甚至可以是金屬襯底。本實施方式 中，器件襯底100與支撐襯底190的材料均為單晶硅。
附圖2B所示，參考步驟S11，在器件襯底100的表面形成絕緣層110。所述絕緣層 110用于形成最終產(chǎn)品的絕緣埋層，其材料可以是氧化硅或者氮化硅等，生長方法可以是化 學(xué)氣相沉積或者熱氧化(用于單晶硅襯底表面形成氧化硅絕緣層)。附圖2C所示，參考步驟S12，熱處理器件襯底100，從而在所述器件襯底100的表 面形成潔凈區(qū)域101。以上步驟可以進(jìn)一步分解為第一和第二熱處理步驟，其中第一熱處理為高溫退火 步驟，第二熱處理為相對低溫退火步驟。高溫退火步驟在器件襯底表面形成結(jié)晶區(qū)域；低溫 退火步驟使?jié)崈魠^(qū)域以外的器件襯底中的飽和氧元素積聚成核?，F(xiàn)有技術(shù)中的吸雜工藝在 低溫退火步驟之后還應(yīng)當(dāng)包括一高溫退火步驟，本實施方式將第三步高溫?zé)崽幚聿襟E與后 續(xù)加固鍵合界面的步驟整合成一步，能夠降低工藝復(fù)雜度，節(jié)約工藝成本并提高工藝效率。具體地說，高溫退火步驟的目標(biāo)溫度為900°C 1400°C范圍內(nèi)的任意一溫度值， 優(yōu)化的目標(biāo)溫度為1250°C，升至目標(biāo)溫度后的持續(xù)退火時間為0. 5 20小時，優(yōu)化為4小 時，升溫速度為0. 5 20°C /分鐘，優(yōu)化的升溫速度為3°C /分鐘，升溫過程中的保護(hù)氣體 優(yōu)化為ArA)2混合氣體可以是其它氣體或者混合氣體，持續(xù)退火的氣氛為隊、Ar (或者其他 惰性氣體)、H2, 02、N2/02混合氣體、kr/02混合氣體、Ar/H2混合氣體以及N2/Ar混合氣體中 的任意一種。第一次升溫以及退火過程中，器件襯底100近表面區(qū)域間隙氧的外擴(kuò)散，該步 驟退火的溫度和時間決定潔凈區(qū)101的寬度，經(jīng)過處理后潔凈區(qū)域101的寬度通常為10 50 μ m0低溫退火步驟的降溫速度為0. 5 20°C /分鐘，優(yōu)化的降溫速度為3°C /分鐘，降 溫的目標(biāo)溫度為500 900°C范圍內(nèi)的任意一溫度值，優(yōu)化的目標(biāo)溫度為750°C，降至目標(biāo) 溫度后的持續(xù)退火時間為0. 5 64小時，優(yōu)化時間為8小時，退火氣氛為無氧氣氛，具體可 以是隊、Ar (或者其他惰性氣體)、吐或者以上氣體的混合氣體。該降溫步驟中，將使?jié)崈?區(qū)域101以外的器件襯底100中飽和氧元素積聚成核。以上步驟Sll與S12的實施順序可顛倒。將步驟Sll首先實施的優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)先生 成的絕緣層110能夠?qū)ζ骷r底100表面形成保護(hù)，并且能夠減短熱處理的時間，從而降低 成本。而步驟Sll在步驟S12之后實施的情況下，在器件襯底100為單晶硅的實施方式中， 可以在低溫退火步驟后實施原位氧化，優(yōu)化的氧化溫度為1050°c。氧化時間由所需要的氧 化層厚度所決定，氧化氣氛為干氧或濕氧，或者是ArA)2混合氣體，氧化后在其表面將形成 一層氧化層，該氧化層可以作為絕緣層110。附圖2D所示，參考步驟S13，將帶有絕緣層110的器件襯底100與支撐襯底190鍵 合，使絕緣層110夾在器件襯底100與支撐襯底190之間。在支撐襯底190為單晶硅襯底的實施方式中，可以選擇在鍵合前對單晶硅支撐襯 底190進(jìn)行研磨和拋光等前處理，以減薄其厚度。以8英寸單晶硅襯底為例，襯底厚度750 微米，襯底總厚度偏差小于4微米，襯底減薄的目標(biāo)厚度為650微米，首先研磨減薄該單晶 硅襯底，研磨設(shè)備優(yōu)選為單面研磨機(jī)，設(shè)備型號為DR； 841型研磨機(jī)，首先粗磨快速減薄， 砂輪轉(zhuǎn)速大于2000rpm，隨后精磨減小研磨造成的損傷，砂輪轉(zhuǎn)速大于2000rpm，研磨后襯 底厚度大于目標(biāo)厚度3微米以上，這里減薄至660微米。對研磨后的支撐襯底190進(jìn)行拋 光，可以是雙面拋光也可以是單面拋光，也可以是雙面+單面拋光，這里優(yōu)化為雙面+單面 拋光。首先雙面拋光，設(shè)備型號為Peter Wolters AC2000型雙面拋光機(jī)，整個拋光過程分為兩步，首先粗拋光、隨后精拋光，總拋光去除量為8微米；隨后采用單面拋光以精確控制 硅片厚度，設(shè)備型號為IPEC 372型單面拋光機(jī)，整個拋光過程同樣分為粗拋光和精拋光兩 步，拋光去除量不大于2微米，經(jīng)過修正后，能夠使襯底總厚度偏差小于1微米。還可以選擇在鍵合前對支撐襯底190進(jìn)行絕緣化處理，使其外表覆蓋一層絕緣抗 腐蝕層，特別是使其背面覆蓋該抗腐蝕層，優(yōu)化絕緣處理工藝為普通氧化工藝即可，也可以 采用PECVD淀積二氧化硅氮化硅等?？垢g層厚度一般為一微米。由于往后的工藝為低溫 加固，支撐襯底190在倒角工藝中可能無法阻擋TMAH溶液的腐蝕，在背面形成很多的腐蝕 坑，因此預(yù)先生成一層絕緣抗腐蝕層，使其有效保護(hù)支撐襯底的背面。對支撐襯底190進(jìn)行前處理后，將器件襯底100和支撐襯底190清洗并鍵合。鍵 合可以是普通的親水鍵合也可以是疏水鍵合，也可以是等離子輔助親水鍵合，優(yōu)選為親水 鍵合和等離子輔助親水鍵合，這里以親水鍵合為例，依次使用SCl和SC2溶液清洗該襯底， 鍵合前，在EVG801鍵合機(jī)上采用旋轉(zhuǎn)清洗器件襯底100和支撐襯底190襯底，以去除表面 可能存在的顆粒并吸附更多的水分子，隨后將器件襯底100和支撐襯底190鍵合在一起。參考步驟S14，對鍵合界面實施退火加固，使鍵合界面的牢固程度能夠滿足后續(xù)倒 角研磨、減薄以及拋光工藝的要求。退火加固溫度為900 1400°C，優(yōu)化的溫度為1150°C， 退火加固時間為0. 5 10小時，優(yōu)化為6小時，升溫速度為0. 5 20°C /分鐘，優(yōu)化的升溫 速度為3°C /分鐘，退火氣氛優(yōu)化為干氧或者濕氧。本步驟還使前一低溫退火步驟中積聚成 核的氧元素形成更大的氧沉淀，同時所述氧沉淀能夠吸收潔凈區(qū)域中的金屬雜質(zhì)。采用以上退火加固條件則無需補(bǔ)充加固的步驟，即無需實施步驟S16。如果在此步 驟中選擇更為溫和的退火條件，則需要在后續(xù)實施步驟S16進(jìn)行補(bǔ)充。例如將退火加固的 溫度選擇在500 1200°C，優(yōu)化為900°C，加固時間為1 10個小時，優(yōu)化為4小時，退火 加固氣氛為N2、Ar (或者其他惰性氣體)、02、N2/02混合氣體、Ar/02混合氣體等。以上更為 溫和的退火條件對鍵合界面的加固效果同樣能夠滿足后續(xù)倒角研磨、減薄以及拋光工藝的 要求。附圖2E所示，參考步驟S15，對鍵合后的器件襯底100實施倒角研磨、減薄以及拋 光。附圖2E為上述工藝實施完畢后的狀態(tài)，需要指出的是，經(jīng)過減薄和拋光等步驟中對去 除量的控制，能夠保證附圖2E中所保留的器件襯底100全部是由潔凈區(qū)域101構(gòu)成。對加固后的器件襯底100進(jìn)行倒角處理，倒角寬度由后續(xù)器件工藝所要求的規(guī)格 決定。研磨后邊緣殘余層厚度為0-150微米，優(yōu)化為100微米。將倒角后的器件襯底100 在TMAH溶液中腐蝕，去除100微米邊緣殘余層。優(yōu)化的辦法是采用旋轉(zhuǎn)腐蝕的辦法，噴灑 TMAH腐蝕液，腐蝕過程中，襯底對在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為100-10000rpm，優(yōu)化為lOOOrpm，TMAH溫度 優(yōu)化為95°C。對加固后的器件襯底100研磨減薄，研磨設(shè)備優(yōu)選為單面研磨機(jī)，設(shè)備型號 為DTO841型研磨機(jī)，首先粗磨快速減薄，砂輪轉(zhuǎn)速大于2000rpm，隨后精磨減小研磨造成的 損傷，砂輪轉(zhuǎn)速大于2000rpm，研磨后器件襯底100厚度應(yīng)當(dāng)大于所制備最終產(chǎn)品的器件層 目標(biāo)厚度3微米以上，這里減薄至剩余器件襯底100厚度為12微米。對研磨后的器件襯底 100進(jìn)行拋光，可以是雙面拋光也可以是單面拋光，也可以是雙面+單面拋光，這里優(yōu)化為 雙面+單面拋光。首先雙面拋光，設(shè)備型號為Peter Wolters AC2000型雙面拋光機(jī)，整個 拋光過程分為兩步，首先粗拋光、隨后精拋光，總拋光去除量為4微米；隨后采用單面拋光 以精確控制硅片厚度，設(shè)備型號為IPEC 372型單面拋光機(jī)，整個拋光過程同樣分為粗拋光和精拋光兩步，拋光去除量不大于2微米。拋光后所保留的器件襯底100全部是由潔凈區(qū) 域101構(gòu)成。步驟S16，對鍵合后界面實施補(bǔ)充退火加固。如果步驟S14中所采用的是較溫和 的退火加固工藝，則需要選擇實施本步驟，以增強(qiáng)支撐襯底190與絕緣層110之間的鍵合強(qiáng) 度，在界面處形成共價鍵。本步驟的退火溫度為900 1400°C，優(yōu)化的退火溫度為1150°C， 退火時間為0. 5 10小時，優(yōu)化為4小時，升溫速度為0. 5-200C /分鐘，優(yōu)化的升溫速度 為3°C /分鐘，退火氣氛優(yōu)化為干氧或者濕氧。對于由單晶硅材料構(gòu)成的器件襯底100而 言，此氧化的過程中，在器件襯底100表面還進(jìn)一步形成了一層氧化層，通過控制氧化層的 厚度可以進(jìn)一步控制所消耗的器件襯底100的厚度，達(dá)到精確控制器件層厚度的目的。退 火后采用HF溶液去除氧化層，得到最終的帶有絕緣埋層的襯底，其器件層由器件襯底100 的潔凈區(qū)域101構(gòu)成。上述技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于，在鍵合前采用吸雜工藝對器件襯底100進(jìn)行處理，表 面形成潔凈區(qū)域101，隨后將該潔凈區(qū)域101轉(zhuǎn)移到另一片支撐襯底190之上，得到具有 高晶體質(zhì)量的鍵合材料。并且在熱處理器件襯底100的工藝中僅采用了兩步熱處理步驟， 而將第三步高溫?zé)崽幚聿襟E與后續(xù)加固鍵合界面的步驟整合成一步，從而降低了工藝復(fù)雜 度，節(jié)約了工藝成本并提高了工藝效率。綜上所述，雖然本發(fā)明已用較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本發(fā) 明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動 與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所申請的專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種采用吸雜工藝制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，包括如下 步驟提供器件襯底與支撐襯底；在器件襯底的表面形成絕緣層；第一熱處理步驟，以在器件襯底表面形成結(jié)晶區(qū)域；第二熱處理步驟，溫度低于第一熱處理退火步驟，以使?jié)崈魠^(qū)域以外的器件襯底中的 飽和氧元素積聚成核；將帶有絕緣層的器件襯底與支撐襯底鍵合，使絕緣層夾在器件襯底與支撐襯底之間； 對鍵合界面實施退火加固，使鍵合界面的牢固程度能夠滿足后續(xù)倒角研磨、減薄以及 拋光工藝的要求，同時使前一降溫步驟中積聚成核的氧元素形成更大的氧沉淀，同時所述 氧沉淀能夠吸收潔凈區(qū)域中的金屬雜質(zhì)；對鍵合后的器件襯底實施倒角研磨、減薄以及拋光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件襯底為單晶硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟在對器件襯底實施 倒角研磨、減薄以及拋光工藝之后，對鍵合后界面實施補(bǔ)充退火加固。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括如下步驟在對器件襯底實施 倒角研磨、減薄以及拋光工藝之前，在支撐襯底暴露出來的表面上形成保護(hù)層。
全文摘要
一種采用吸雜工藝制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，包括提供器件襯底與支撐襯底；在器件襯底的表面形成絕緣層；采用兩步熱處理工藝熱處理器件襯底；將帶有絕緣層的器件襯底與支撐襯底鍵合，使絕緣層夾在器件襯底與支撐襯底之間；對鍵合界面實施退火加固；對鍵合后的器件襯底實施倒角研磨、減薄以及拋光。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在鍵合前采用吸雜工藝對器件襯底進(jìn)行處理，表面形成潔凈區(qū)域，隨后將該潔凈區(qū)轉(zhuǎn)移到另一片支撐襯底之上，得到具有高晶體質(zhì)量的鍵合材料。并且在熱處理器件襯底的工藝中僅采用了兩步熱處理步驟，而將第三步高溫?zé)崽幚聿襟E與后續(xù)加固鍵合界面的步驟整合成一步，從而降低了工藝復(fù)雜度，節(jié)約了工藝成本并提高了工藝效率。
文檔編號H01L21/324GK102130039SQ20101060806
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者葉斐, 張苗, 曹共柏, 林成魯, 王中黨, 王曦, 魏星 申請人:上海新傲科技股份有限公司, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所