采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法

摘要

一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法，包括：提供器件衬底与支撑衬底；在器件衬底的表面形成绝缘层；采用两步热处理工艺热处理器件衬底；将带有绝缘层的器件衬底与支撑衬底键合，使绝缘层夹在器件衬底与支撑衬底之间；对键合界面实施退火加固；对键合后的器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光。本发明的优点在于，在键合前采用吸杂工艺对器件衬底进行处理，表面形成洁净区域，随后将该洁净区转移到另一片支撑衬底之上，得到具有高晶体质量的键合材料。并且在热处理器件衬底的工艺中仅采用了两步热处理步骤，而将第三步高温热处理步骤与后续加固键合界面的步骤整合成一步，从而降低了工艺复杂度，节约了工艺成本并提高了工艺效率。

权利要求

1.一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤：提供器件衬底与支撑衬底；

在器件衬底的表面形成绝缘层；

第一热处理步骤，器件衬底近表面区域间隙氧的外扩散，以在器件衬底表面形成洁净区域；

第二热处理步骤，温度低于第一热处理退火步骤，以使洁净区域以外的器件衬底中的饱和氧元素积聚成核；

将带有绝缘层的器件衬底与支撑衬底键合，使绝缘层夹在器件衬底与支撑衬底之间；

对键合界面实施退火加固，使键合界面的牢固程度能够满足后续倒角研磨、减薄以及抛光工艺的要求，同时使前一降温步骤中积聚成核的氧元素形成更大的氧沉淀，同时所述氧沉淀能够吸收洁净区域中的金属杂质；

对键合后的器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件衬底为单晶硅衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：在对器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光工艺之后，对键合后界面实施补充退火加固。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：在对器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光工艺之前，在支撑衬底暴露出来的表面上形成保护层。

说明书

采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法

技术领域

[0001] 本发明是关于一种制备绝缘体上硅材料的方法，特别涉及一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法。

背景技术

[0002] 随着集成电路的特征尺寸的减小，对硅单晶中缺陷的控制变得尤其重要。硅片中的缺陷主要来自两方面，一方面是晶体生长的过程中产生的原生缺陷，如晶体原生粒子(COPs)；另一方面是硅片热处理过程中产生的缺陷，如氧沉淀，这些缺陷如果在硅片表面的活性区，将对器件的性能有着破坏作用，使器件失效。此外，硅片在加工和集成电路制造的过程中不可避免地要受到如Cu、Ni和Fe等金属的沾污，这些金属杂质在硅中的扩散很快，如果存在于器件的有源区，将导致器件的失效，因此有效地消除硅片表面的金属杂质是至关重要的。氧沉淀及其诱生缺陷可以作为金属杂质的吸杂点，使得金属杂质在缺陷处聚集，但如果氧沉淀和诱生缺陷出现在器件活性区，也会影响器件的电学性能。因此，在器件工艺中一方面需要在硅片中产生大量的氧沉淀，起到吸杂的作用，另一方面又希望氧沉淀不要出现在硅片的活性区，这就是内吸杂(Internal Gettering)的基本理念。硅片的内吸杂工艺，通过热处理，在硅片表面形成低氧及低金属的洁净区域(Denuded Zone-DZ)，并且在硅片体内形成氧沉淀和诱生缺陷以吸收金属杂质。经过DZ工艺处理的硅片，器件制备在DZ区域，能够有效地提高器件的良率。

[0003] 此外，目前厚膜SOI材料(顶层硅通常大于1μm)广泛的应用于高压功率器件和微机电系统(MEMS)领域，特别是在汽车电子、显示、无线通讯等方面发展迅速。由于电源的控制与转换、汽车电子以及消费性功率器件方面对恶劣环境、高温、大电流、高功耗方面的要求，使得在可靠性方面的严格要求不得不采用SOI器件。目前厚膜SOI材料的用户主要包括美国Maxim、ADI、TI(USA)，日本NEC、Toshiba、Panasonic、Denso、TI(Japan)、FUJI、Omron等，欧洲Philips、X-Fab等。在这些SOI材料用户里面，很大的应用主要来源于各种应用中的驱动电路：如Maxim的应用于主要为手机接受段的放大器电路；Panasonic、TI、FUJI、Toshiba、NEC等主要应用在显示驱动电路中的扫描驱动电路；DENSO的应用主要在汽车电子、无线射频电路等；Toshiba的应用甚至在空调的电源控制电路中；Omron主要在传感器方面；ADI也主要在高温电路、传感器等；而Phillips的应用则主要是功率器件中的LDMOS，用于消费类电子中如汽车音响、声频、音频放大器等；韩国的Magnchip(Hynix)则为Kopin生产用于数码相机用的显示驱动电路和为LG生产的PDP显示驱动电路等。

[0004] 但是，对SOI材料而言，由于埋氧层的存在，若对其进行热处理，埋氧层的氧元素将会外扩散，反而使得其顶层硅内氧元素含量升高，因此传统的吸杂工艺不适合用于SOI材料，也导致SOI材料的顶层硅不存在该DZ区域，这样使得SOI制备的器件良率相对较低。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够适用于带有绝缘埋层的半导体衬底的吸杂工艺。

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法，包括如下步骤：提供器件衬底与支撑衬底；在器件衬底的表面形成绝缘层；第一热处理步骤，以在器件衬底表面形成结晶区域；第二热处理步骤，温度低于第一热处理退火步骤，以使洁净区域以外的器件衬底中的饱和氧元素积聚成核；将带有绝缘层的器件衬底与支撑衬底键合，使绝缘层夹在器件衬底与支撑衬底之间；对键合界面实施退火加固，使键合界面的牢固程度能够满足后续倒角研磨、减薄以及抛光工艺的要求，同时使前一降温步骤中积聚成核的氧元素形成更大的氧沉淀，同时所述氧沉淀能够吸收洁净区域中的金属杂质；对键合后的器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光。作为可选的技术方案，所述器件衬底为单晶硅衬底。

[0007] 作为可选的技术方案，进一步包括如下步骤：在对器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光工艺之后，对键合后界面实施补充退火加固。

[0008] 作为可选的技术方案，进一步包括如下步骤：在对器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光工艺之前，在支撑衬底暴露出来的表面上形成保护层。

[0009] 本发明的优点在于，在键合前采用吸杂工艺对器件衬底进行处理，表面形成洁净区域，随后将该洁净区转移到另一片支撑衬底之上，得到具有高晶体质量的键合材料。并且在热处理器件衬底的工艺中仅采用了两步热处理步骤，而将第三步高温热处理步骤与后续加固键合界面的步骤整合成一步，从而降低了工艺复杂度，节约了工艺成本并提高了工艺效率。

附图说明

[0010] 附图1所示是本发明具体实施方式的实施步骤流程图，

[0011] 附图2A至附图2E所示是本发明具体实施方式的工艺示意图。

具体实施方式

[0012] 接下来结合附图详细介绍本发明所述一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法的具体实施方式。

[0013] 附图1所示是本方法的实施步骤流程图，包括：步骤S10，提供器件衬底与支撑衬底；步骤S11，在器件衬底的表面形成绝缘层；步骤S12，热处理器件衬底，从而在所述器件衬底的表面形成洁净区域；步骤S13，将带有绝缘层的器件衬底与支撑衬底键合，使绝缘层夹在器件衬底与支撑衬底之间；步骤S14，对键合界面实施退火加固，使键合界面的牢固程度能够满足后续倒角研磨、减薄以及抛光工艺的要求；步骤S15，对键合后的器件衬底实施倒角研磨、减薄以及抛光；步骤S16，对键合后界面实施补充退火加固。

[0014] 附图2A至附图2E所示是本发明具体实施方式的工艺示意图。

[0015] 附图2A所示，参考步骤S10，提供器件衬底100与支撑衬底190。所述器件衬底100用于形成最终产品的器件层，故其材料应当是常见的半导体材料例如单晶硅，也可以是其他如化合物半导体等。而支撑衬底190由于仅起到支撑作用，故选材范围较广，除了单晶硅以及常见的化合物半导体材料之外，也可以是蓝宝石甚至可以是金属衬底。本实施方式中，器件衬底100与支撑衬底190的材料均为单晶硅。

[0016] 附图2B所示，参考步骤S11，在器件衬底100的表面形成绝缘层110。所述绝缘层110用于形成最终产品的绝缘埋层，其材料可以是氧化硅或者氮化硅等，生长方法可以是化学气相沉积或者热氧化(用于单晶硅衬底表面形成氧化硅绝缘层)。

[0017] 附图2C所示，参考步骤S12，热处理器件衬底100，从而在所述器件衬底100的表面形成洁净区域101。

[0018] 以上步骤可以进一步分解为第一和第二热处理步骤，其中第一热处理为高温退火步骤，第二热处理为相对低温退火步骤。高温退火步骤在器件衬底表面形成结晶区域；低温退火步骤使洁净区域以外的器件衬底中的饱和氧元素积聚成核。现有技术中的吸杂工艺在低温退火步骤之后还应当包括一高温退火步骤，本实施方式将第三步高温热处理步骤与后续加固键合界面的步骤整合成一步，能够降低工艺复杂度，节约工艺成本并提高工艺效率。

[0019] 具体地说，高温退火步骤的目标温度为900℃～1400℃范围内的任意一温度值，优化的目标温度为1250℃，升至目标温度后的持续退火时间为0.5～20小时，优化为4小时，升温速度为0.5～20℃/分钟，优化的升温速度为3℃/分钟，升温过程中的保护气体优化为Ar/O2混合气体可以是其它气体或者混合气体，持续退火的气氛为N2、Ar(或者其他惰性气体)、H2、O2、N2/O2混合气体、Ar/O2混合气体、Ar/H2混合气体以及N2/Ar混合气体中的任意一种。第一次升温以及退火过程中，器件衬底100近表面区域间隙氧的外扩散，该步骤退火的温度和时间决定洁净区101的宽度，经过处理后洁净区域101的宽度通常为10～50μm。

[0020] 低温退火步骤的降温速度为0.5～20℃/分钟，优化的降温速度为3℃/分钟，降温的目标温度为500～900℃范围内的任意一温度值，优化的目标温度为750℃，降至目标温度后的持续退火时间为0.5～64小时，优化时间为8小时，退火气氛为无氧气氛，具体可以是N2、Ar(或者其他惰性气体)、H2或者以上气体的混合气体。该降温步骤中，将使洁净区域101以外的器件衬底100中饱和氧元素积聚成核。

[0021] 以上步骤S11与S12的实施顺序可颠倒。将步骤S11首先实施的优点在于预先生成的绝缘层110能够对器件衬底100表面形成保护，并且能够减短热处理的时间，从而降低成本。而步骤S11在步骤S12之后实施的情况下，在器件衬底100为单晶硅的实施方式中，可以在低温退火步骤后实施原位氧化，优化的氧化温度为1050℃。氧化时间由所需要的氧化层厚度所决定，氧化气氛为干氧或湿氧，或者是Ar/O2混合气体，氧化后在其表面将形成一层氧化层，该氧化层可以作为绝缘层110。

[0022] 附图2D所示，参考步骤S13，将带有绝缘层110的器件衬底100与支撑衬底190键合，使绝缘层110夹在器件衬底100与支撑衬底190之间。

[0023] 在支撑衬底190为单晶硅衬底的实施方式中，可以选择在键合前对单晶硅支撑衬底190进行研磨和抛光等前处理，以减薄其厚度。以8英寸单晶硅衬底为例，衬底厚度750微米，衬底总厚度偏差小于4微米，衬底减薄的目标厚度为650微米，首先研磨减薄该单晶硅衬底，研磨设备优选为单面研磨机，设备型号为DFG 841型研磨机，首先粗磨快速减薄，砂轮转速大于2000rpm，随后精磨减小研磨造成的损伤，砂轮转速大于2000rpm，研磨后衬底厚度大于目标厚度3微米以上，这里减薄至660微米。对研磨后的支撑衬底190进行抛光，可以是双面抛光也可以是单面抛光，也可以是双面+单面抛光，这里优化为双面+单面抛光。首先双面抛光，设备型号为Peter Wolters AC2000型双面抛光机，整个抛光过程分为两步，首先粗抛光、随后精抛光，总抛光去除量为8微米；随后采用单面抛光以精确控制硅片厚度，设备型号为IPEC 372型单面抛光机，整个抛光过程同样分为粗抛光和精抛光两步，抛光去除量不大于2微米，经过修正后，能够使衬底总厚度偏差小于1微米。

[0024] 还可以选择在键合前对支撑衬底190进行绝缘化处理，使其外表覆盖一层绝缘抗腐蚀层，特别是使其背面覆盖该抗腐蚀层，优化绝缘处理工艺为普通氧化工艺即可，也可以采用PECVD淀积二氧化硅氮化硅等。抗腐蚀层厚度一般为一微米。由于往后的工艺为低温加固，支撑衬底190在倒角工艺中可能无法阻挡TMAH溶液的腐蚀，在背面形成很多的腐蚀坑，因此预先生成一层绝缘抗腐蚀层，使其有效保护支撑衬底的背面。

[0025] 对支撑衬底190进行前处理后，将器件衬底100和支撑衬底190清洗并键合。键合可以是普通的亲水键合也可以是疏水键合，也可以是等离子辅助亲水键合，优选为亲水键合和等离子辅助亲水键合，这里以亲水键合为例，依次使用SC1和SC2溶液清洗该衬底，键合前，在EVG801键合机上采用旋转清洗器件衬底100和支撑衬底190衬底，以去除表面可能存在的颗粒并吸附更多的水分子，随后将器件衬底100和支撑衬底190键合在一起。

[0026] 参考步骤S14，对键合界面实施退火加固，使键合界面的牢固程度能够满足后续倒角研磨、减薄以及抛光工艺的要求。退火加固温度为900～1400℃，优化的温度为1150℃，退火加固时间为0.5～10小时，优化为6小时，升温速度为0.5～20℃/分钟，优化的升温速度为3℃/分钟，退火气氛优化为干氧或者湿氧。本步骤还使前一低温退火步骤中积聚成核的氧元素形成更大的氧沉淀，同时所述氧沉淀能够吸收洁净区域中的金属杂质。

[0027] 采用以上退火加固条件则无需补充加固的步骤，即无需实施步骤S16。如果在此步骤中选择更为温和的退火条件，则需要在后续实施步骤S16进行补充。例如将退火加固的温度选择在500～1200℃，优化为900℃，加固时间为1～10个小时，优化为4小时，退火加固气氛为N2、Ar(或者其他惰性气体)、O2、N2/O2混合气体、Ar/O2混合气体等。以上更为温和的退火条件对键合界面的加固效果同样能够满足后续倒角研磨、减薄以及抛光工艺的要求。

[0028] 附图2E所示，参考步骤S15，对键合后的器件衬底100实施倒角研磨、减薄以及抛光。附图2E为上述工艺实施完毕后的状态，需要指出的是，经过减薄和抛光等步骤中对去除量的控制，能够保证附图2E中所保留的器件衬底100全部是由洁净区域101构成。

[0029] 对加固后的器件衬底100进行倒角处理，倒角宽度由后续器件工艺所要求的规格决定。研磨后边缘残余层厚度为0-150微米，优化为100微米。将倒角后的器件衬底100在TMAH溶液中腐蚀，去除100微米边缘残余层。优化的办法是采用旋转腐蚀的办法，喷洒TMAH腐蚀液，腐蚀过程中，衬底对在旋转，转速为100-10000rpm，优化为1000rpm，TMAH温度优化为95℃。对加固后的器件衬底100研磨减薄，研磨设备优选为单面研磨机，设备型号为DFG841型研磨机，首先粗磨快速减薄，砂轮转速大于2000rpm，随后精磨减小研磨造成的损伤，砂轮转速大于2000rpm，研磨后器件衬底100厚度应当大于所制备最终产品的器件层目标厚度3微米以上，这里减薄至剩余器件衬底100厚度为12微米。对研磨后的器件衬底100进行抛光，可以是双面抛光也可以是单面抛光，也可以是双面+单面抛光，这里优化为双面+单面抛光。首先双面抛光，设备型号为Peter Wolters AC2000型双面抛光机，整个抛光过程分为两步，首先粗抛光、随后精抛光，总抛光去除量为4微米；随后采用单面抛光以精确控制硅片厚度，设备型号为IPEC 372型单面抛光机，整个抛光过程同样分为粗抛光和精抛光两步，抛光去除量不大于2微米。抛光后所保留的器件衬底100全部是由洁净区域101构成。

[0030] 步骤S16，对键合后界面实施补充退火加固。如果步骤S14中所采用的是较温和的退火加固工艺，则需要选择实施本步骤，以增强支撑衬底190与绝缘层110之间的键合强度，在界面处形成共价键。本步骤的退火温度为900～1400℃，优化的退火温度为1150℃，退火时间为0.5～10小时，优化为4小时，升温速度为0.5-20℃/分钟，优化的升温速度为3℃/分钟，退火气氛优化为干氧或者湿氧。对于由单晶硅材料构成的器件衬底100而言，此氧化的过程中，在器件衬底100表面还进一步形成了一层氧化层，通过控制氧化层的厚度可以进一步控制所消耗的器件衬底100的厚度，达到精确控制器件层厚度的目的。退火后采用HF溶液去除氧化层，得到最终的带有绝缘埋层的衬底，其器件层由器件衬底100的洁净区域101构成。

[0031] 上述技术方案的优点在于，在键合前采用吸杂工艺对器件衬底100进行处理，表面形成洁净区域101，随后将该洁净区域101转移到另一片支撑衬底190之上，得到具有高晶体质量的键合材料。并且在热处理器件衬底100的工艺中仅采用了两步热处理步骤，而将第三步高温热处理步骤与后续加固键合界面的步骤整合成一步，从而降低了工艺复杂度，节约了工艺成本并提高了工艺效率。

[0032] 综上所述，虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所申请的专利范围所界定者为准。