專利名稱：一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用選擇腐蝕工藝制備半導(dǎo)體材料的方法，尤其涉及一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，更確切的說是一種鍵合加選擇性腐蝕制備頂層硅主參考面同支撐襯底主參考面有一定角度的Si片的工藝，屬于微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
晶向旋轉(zhuǎn)鍵合(twist-bonded wafer)是指同樣型號(hào)的兩片娃片進(jìn)行Si-Si鍵合，但是其鍵合的主參考面并不完全對(duì)齊，而是形成一定的角度。這由于晶向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)硅片間會(huì)有失配位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)存在，如果這種主參考面旋轉(zhuǎn)的頂層硅厚度只有幾十納米，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)可以從頂層硅表面明顯觀察出來。這種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合片具有一些特殊的應(yīng)用價(jià)值，比如作為 “容忍型(compliant substrates) ”襯底,可以在其上面繼續(xù)異質(zhì)外延晶格常數(shù)不一樣的其他材料，并且將適配位錯(cuò)等缺陷集中在晶向旋轉(zhuǎn)的超薄頂層硅中，從而提高異質(zhì)外延材料的質(zhì)量。這種鍵合片還可以作為襯底外延制備量子點(diǎn)或者納米線材料。目前制備晶向旋轉(zhuǎn)鍵合片的方法是將一片SOI片同一片硅片鍵合，然后背面研磨，腐蝕SOI片，得到頂層硅同襯底硅片主參考面具有一定夾角的晶向旋轉(zhuǎn)材料。這種方法已經(jīng)在文獻(xiàn) Huge differences between low-and high-angle twistgrain boundaries The case of ultrathin (001)Si films bonded to(001)Siwafers(J. L. Rouviere,K. Rousseau，F(xiàn). Fournel, and H. Moriceau，AppI. Phys. Lett.，vol. 77，no. 8，pp. 1135—1137，2000.)中有過報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，包括以下步驟步驟一、取兩片具有主參考面的，相同晶向的體硅晶片，在其中一片體硅晶片上生長(zhǎng)固定組分的SiGe層，然后在SiGe層上繼續(xù)外延生長(zhǎng)Si膜層形成器件片，另一片體硅晶片作為支撐片待用；步驟二、將器件片和支撐片的表面都進(jìn)行疏水處理；步驟三、將疏水處理后的器件片的Si膜層表面與支撐片鍵合形成鍵合片，鍵合時(shí)使器件片與支撐片的主參考面錯(cuò)開；步驟四、利用研磨技術(shù)從背面研磨鍵合片中器件片的體硅晶片部分，然后進(jìn)行第一選擇性腐蝕去除器件片的全部體硅晶片部分，到SiGe層停止，再進(jìn)行第二選擇性腐蝕去除SiGe層，留下Si膜層，從而形成晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟一中的兩片體硅晶片具有相同的直徑尺寸。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟一中生長(zhǎng)的SiGe層的Ge組分大于或等于20%，小于100%。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟一中生長(zhǎng)的SiGe層的厚度小于應(yīng)變臨界厚度，為IOOnm以下。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟二的疏水處理方法為在HF溶液中清洗，或者在H2氣氛下高溫退火。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟三中，在鍵合前，對(duì)支撐片和器件片進(jìn)行等離子處理，或者對(duì)支撐片和器件片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟三中，在鍵合后，對(duì)鍵合片進(jìn)行熱處理，以加強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。優(yōu)選的，熱處理時(shí)的保護(hù)氣體含有O2氣氛；熱處理溫度為200-400攝氏度。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四中，研磨鍵合片直至器件片的體硅晶片部分剩余厚度小于等于10微米。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四中，利用TMAH化學(xué)腐蝕液對(duì)鍵合片進(jìn)行第一選擇性腐蝕，去除器件片的全部體硅晶片部分，并使腐蝕在SiGe層與器件片的體硅晶片部分的界面處停止。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四中，第二選擇性腐蝕去除SiGe層時(shí)，采用H2O2與HF的混合液作為腐蝕液，使腐蝕在SiGe層與外延的Si膜層界面處停止。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四之后，對(duì)晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片的Si膜層進(jìn)行外延，從而使Si膜層增厚。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟四之后，對(duì)晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片的Si膜層進(jìn)行熱氧化，并且用HF腐蝕熱氧化形成的SiO2，從而將Si膜層減薄。本發(fā)明的有益效果在于該新型的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片制備技術(shù)，結(jié)合了鍵合，鍵合減薄，自停止腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以避免使用昂貴的SOI片來制備晶向旋轉(zhuǎn)鍵合片，而且制備的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合片中頂層Si的厚度決定于外延器件片時(shí)外延的Si層厚度，所以其頂層硅厚度可以在大范圍內(nèi)調(diào)結(jié)，且晶體質(zhì)量良好。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中涉及的外延器件片示意圖，I為單晶體硅晶片，2為SiGe層，3為外延的Si膜層，4為包括1，2，3三層的器件片。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中涉及的器件片與支撐片的三維示意圖，4為器件片，5為支撐片，6為主參考面，主參考面可能是平邊(本圖所示)，也可能是缺口。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中涉及的器件片與支撐片鍵合后的截面示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中涉及的研磨、腐蝕后得到的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片示意圖，3與5的主參考面之間有一定的夾角。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟，為了示出的方便附圖并未按照比例繪制。參閱圖1-4，本發(fā)明提出的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片制備技術(shù)，具體實(shí)施步驟如下首先，在一片單晶體硅晶片I上，采用CVD等技術(shù)生長(zhǎng)Ge成分固定的SiGe層2，Ge組分大于或等于20%，其厚度應(yīng)小于應(yīng)變臨界厚度(例如，IOOnm以下，臨界厚度依賴、于Ge組分,組分越高，臨界厚度越小，臨界厚度he與Ge組分x的關(guān)系如下he ^ O. 0234/(1+0. 04x)2Xln(hc/4))，如果該單晶體硅晶片I表面有SiO2,生長(zhǎng)SiGe前先將其去除；然后在SiGe層2上繼續(xù)外延生長(zhǎng)Si薄膜，即Si膜層3，并把該晶片作為鍵合的器件片4，如圖I所示。用另一片單晶的體硅晶片作為支撐片5，該體硅晶片優(yōu)選的應(yīng)當(dāng)與外延器件片4所用體硅晶片具有同樣規(guī)格參數(shù)，包括同樣的直徑，同樣的晶向。將器件片4與支撐片5在HF溶液中清洗，使其表面具有疏水特性。可選擇的疏水處理還包括在H2氣氛下高溫退火。如圖2所示，將器件片4與支撐片5的主參考面6錯(cuò)開一定角度后鍵合在一起，錯(cuò)開的角度可以是O度到360度之間的任意角度值。鍵合后形成的鍵合片如圖3所示。鍵合前可以選擇對(duì)支撐片5和器件片4進(jìn)行等離子處理，或者對(duì)支撐片5和器件片4進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，以有利于鍵合工藝的進(jìn)行。根據(jù)需要，可以選擇在一定溫度下對(duì)鍵合片進(jìn)行熱處理，以加強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。熱加固時(shí)保護(hù)氣體可以含有一定的O2氣氛；熱處理溫度可以在200度-400度之間。對(duì)鍵合晶片進(jìn)行研磨，直至器件片4的體硅晶片I部分(硅襯底)剩余一個(gè)薄層，如10微米。利用TMAH化學(xué)腐蝕液對(duì)鍵合片進(jìn)行腐蝕，由于選擇腐蝕的作用，腐蝕將在SiGe層2與體硅晶片I (硅襯底)的界面處停止。選擇不同的化學(xué)腐蝕液，比如H2O2 = HF混合液，去除SiGe層2，此時(shí)腐蝕將停止在SiGe層2與外延的Si膜層3 (頂層硅)界面處。這樣，一個(gè)晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片結(jié)構(gòu)形成，如圖4所示。如果需要，可以選擇對(duì)頂層硅旋轉(zhuǎn)的硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延，得到更厚的頂層硅。如果需要，也可以選擇對(duì)形成的頂層硅主參考面旋轉(zhuǎn)的硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱氧化，并且用HF腐蝕熱氧化形成的SiO2,從而將頂層硅減薄。 上述實(shí)施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
1.一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、取兩片具有主參考面的，相同晶向的體硅晶片，在其中一片體硅晶片上生長(zhǎng)固定組分的SiGe層，然后在SiGe層上繼續(xù)外延生長(zhǎng)Si膜層形成器件片，另一片體硅晶片作為支撐片待用； 步驟二、將器件片和支撐片的表面都進(jìn)行疏水處理； 步驟三、將疏水處理后的器件片的Si膜層表面與支撐片鍵合形成鍵合片，鍵合時(shí)使器件片與支撐片的主參考面錯(cuò)開； 步驟四、利用研磨技術(shù)從背面研磨鍵合片中器件片的體硅晶片部分，然后進(jìn)行第一選擇性腐蝕去除器件片的全部體硅晶片部分，到SiGe層停止，再進(jìn)行第二選擇性腐蝕去除SiGe層，留下Si膜層，從而形成晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟一中的兩片體硅晶片具有相同的直徑尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟一中生長(zhǎng)的SiGe層的Ge組分大于或等于20%，小于100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟一中生長(zhǎng)的SiGe層的厚度小于應(yīng)變臨界厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟二的疏水處理方法為在HF溶液中清洗，或者在H2氣氛下高溫退火。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟三中，在鍵合前，對(duì)支撐片和器件片進(jìn)行等離子處理，或者對(duì)支撐片和器件片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟三中，在鍵合后，對(duì)鍵合片進(jìn)行熱處理，以加強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于熱處理時(shí)的保護(hù)氣體含有O2氣氛。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于熱處理溫度為200-400攝氏度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟四中，研磨鍵合片直至器件片的體硅晶片部分剩余厚度小于等于10微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟四中，利用TMAH化學(xué)腐蝕液對(duì)鍵合片進(jìn)行第一選擇性腐蝕，去除器件片的全部體硅晶片部分，并使腐蝕在SiGe層與器件片的體硅晶片部分的界面處停止。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟四中，第二選擇性腐蝕去除SiGe層時(shí)，采用H2O2與HF的混合液作為腐蝕液，使腐蝕在SiGe層與外延的Si膜層界面處停止。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟四之后，對(duì)晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片的Si膜層進(jìn)行外延，從而使Si膜層增厚。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，其特征在于步驟四之后，對(duì)晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片的Si膜層進(jìn)行熱氧化，并且用HF腐蝕熱氧化形成的SiO2,從而將Si膜層減薄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種晶向旋轉(zhuǎn)鍵合晶片的制備方法，該方法包括以下步驟首先取兩片相同晶向的體硅晶片，在其中一片體硅晶片上生長(zhǎng)固定組分的SiGe層，在SiGe層上繼續(xù)外延生長(zhǎng)Si膜層形成器件片，另一片體硅晶片作為支撐片；然后將器件片和支撐片的表面都進(jìn)行疏水處理；再將器件片與支撐片鍵合，鍵合時(shí)使器件片與支撐片的主參考面錯(cuò)開一定角度；之后從背面研磨鍵合片中器件片的體硅晶片部分，然后進(jìn)行第一選擇性腐蝕去除器件片的全部體硅晶片部分，到SiGe層停止，再進(jìn)行第二選擇性腐蝕去除SiGe層，留下Si膜層，從而形成晶向旋轉(zhuǎn)鍵合硅晶片。該方法制作成本較低，頂層硅厚度可調(diào)，晶體質(zhì)量良好。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102651306SQ20111004728
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者張波, 張苗, 狄增峰, 薛忠營(yíng), 魏星 申請(qǐng)人:上海新傲科技股份有限公司, 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所