CN106409649A - 一种多层soi材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层SOI材料及其制备方法，属于半导体材料制备技术领域。该材料为多层SOI堆叠结构，该堆叠结构的顶层表面与底层表面为硅片，中间部分为硅片与BOX层交替排布方式。制备过程中，通过CMP的方法去除氧化片的应力，使多层SOI的键合可以堆叠上去。表面是氧化片的用HF进行1-5min表面处理，并且等离子激活处理；表面是硅片的用浓H₂SO₄进行1-5min表面处理。这样处理完再进行常温键合，可以用小于500℃的温度低温退火，并且得到非常好的键合质量，边缘在后续减薄过程中损失会小于0.5mm。整个键合过程都是在低温完成的，使多层SOI的器件层没有经过高温不会产生缺陷。

Description

一种多层SOI材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种多层SOI材料及其制备方法。

背景技术

SOI(Silicon On Insulator，绝缘层上的硅)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层(BOX层)，由于其制造工艺复杂和成本高等原因，其技术一直被国外少数国家所垄断，其应用一直在军事、空间和尖端电器等高端产品上居高不下。近年来，随着SOI制造工艺技术的进步、成本的降低，绝缘层硅SOI开始逐步走向商业应用阶段，开拓民用市场，已成为IT业新产品必需的基底材料。尤其进入二十一世纪，绝缘层上硅SOI材料占世界硅半导体材料市场份额逐步加大，大规模应用SOI硅片为电子制造业主流材料的时代已经到来。

如今，消费电子市场引领MEMS市场快速增长，因此现在是性能驱动、成本驱动和尺寸驱动的时代。对于MEMS制造来说，SOI硅片是一种有前途的材料。当CMOS尺寸不断降低，超越CMOS技术的新型器件结构和系统架构不断涌现，使“传统”的SOI不断发展到如今使用的带有空腔的SOI，再发展为带有空腔、沟道隔离和硅通孔的SOI。MEMS结构设计越来越复杂，对SOI层数及质量的要求越来越高。

为了减小封装尺寸增加集成度，对SOI层数的需求也越来越大。而传统SOI的制造技术需要经过多次高温，经过的高温次数越多每层的硅片的质量就会越差。随着层数的增加SOI内部的应力也会增加，使层数的堆叠受到很大的限制。而且一般的键合无法使硅片边缘键合的很好，需要做倒角工艺才能进行减薄，减薄后顶层硅片的直径就会减少3-6mm，这样堆叠的层数越多顶层可使用的面积就越小。如何获得质量很好的器件硅层，而且边缘损失较少的多层SOI是一个非常重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层SOI材料及其制备方法，高质量的器件硅层及较小的边缘损失的N层(3<N<15)SOI的制备方法。通过使用CMP的方法对SOI层进行应力去除，并且使用浓H₂SO₄处理硅片表面及DHF处理氧化片表面，再通过使用等离子激活技术，使常温下就可以进行键合，而且退火温度小于500℃。使用这种方法进行多层SOI堆叠可以获得比较好的器件层质量，堆叠的层数可以达到十几层，而且不需要做边缘倒角，每次键合边缘损失可以小于0.5mm。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多层SOI材料，该材料为多层SOI堆叠结构，其中：该堆叠结构的顶层表面与底层表面为硅片，中间部分为硅片与BOX层(氧化埋层)交替排布方式。所用硅片的晶向选择可以是<100>或<111>，电阻率选择可以是重掺杂到高阻。

所述BOX层为二氧化硅。

所述BOX层厚度为20nm～2μm，多层SOI厚度为1μm～500μm。

所述材料中SOI层数为3～15。

上述多层SOI材料按照如下步骤进行制备：

(1)选取6寸或8寸的硅片，其电阻率和晶向根据实际需求选择，减薄到所需厚度，然后在该硅片的一侧或双侧表面上进行氧化，获得带有氧化层的硅片(二氧化硅作为SOI的BOX层)，氧化可以采用常规工艺；

(2)将步骤(1)制备的带有氧化层的硅片先进行CMP去应力处理，然后用DHF进行1-5min表面处理，再进行等离子激活处理；

(3)准备一个SOI片，其顶层硅和衬底硅的电阻率和晶向根据需求选取，BOX层也可以根据需求选择；SOI片可以采用常规工艺制备，也可以根据需求购买；

(4)对步骤(3)中SOI片用浓H₂SO₄进行表面处理(在120℃进行1-5min处理)；

(5)键合：将步骤(2)处理后的带有氧化层的硅片和步骤(4)处理后的SOI片在常温下键合(硅片的氧化层与SOI片的顶层硅相贴合)，然后进行低温退火，退火温度300℃-500℃，即获得2层结构的SOI材料。

(6)将键合后的两层SOI材料(3层硅层，中间2层BOX层)进行减薄，减薄的厚度可以根据需求自定义；减薄后用浓H₂SO₄在120℃进行1-5min表面处理；取步骤(3)中的SOI片进行氧化，在其表面上制备氧化层(作为SOI的BOX层)，然后对该制备的氧化层先进行CMP去应力处理，然后用DHF进行1-5min表面处理，再进行等离子激活处理；将两层SOI材料与制备有氧化层的SOI片在常温下键合，然后进行低温退火，退火温度300℃-500℃；

(7)重复步骤(6)的工艺过程，直至获得所需层数的SOI材料。

上述步骤中，浓H₂SO₄进行表面处理的温度为120℃，时间为1-5min；等离子激活处理工艺参数为：采用N₂，气体压力0.1-1.0mbar，激活时间1-10s，射频功率55-120W。

本发明的设计原理如下：

本发明制备多层SOI材料的过程中，通过CMP(化学机械抛光)的方法去除氧化片(表面有氧化层)的应力，使多层SOI的键合可以堆叠上去。表面是氧化片的在CMP去应力处理后用HF进行1-5min表面处理，并且等离子激活处理；表面是硅片的用浓H₂SO₄进行1-5min表面处理，但是不进行等离子激活处理。这样处理完再进行常温键合，可以用小于500℃的温度低温退火，并且得到非常好的键合质量，边缘在后续减薄过程中损失会小于0.5mm。整个键合过程都是在低温完成的，使多层SOI的器件层没有经过高温不会产生缺陷。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明可以制造N层SOI材料(3<N<15)，每层的器件层硅晶向、电阻率及厚度可以根据需求自定义，每个SOI层中氧化层厚度可以根据需求自定义。

2.本发明多层SOI器件硅层没有经过高温的过程，不会产生缺陷。

3.本发明多层SOI材料制备过程中，边缘损失小，可以保留大面积的器件层。

附图说明

图1为实施例1工艺流程图。

图2为实施例1制备的多层SOI材料照片。

图3为实施例1制备的多层SOI材料SAM照片。

图4为对比例1制备的多层SOI材料SAM照片。

图5为实施例1中经步骤(4)减薄后SOI片的边缘照片。

图6为对比例3中经步骤(4)减薄后SOI片的边缘照片。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

实施例1：

本实施例为6寸3层SOI材料的制备，过程如下(图1)：

(1)取一片6寸、N型、电阻率4-7ohm.cm、晶向<100>硅片，减薄到400μm。然后进行氧化，氧化层0.5μm。

(2)选择一片6寸SOI：顶层硅厚度是10μm，N型、电阻率8-12ohm.cm、晶向<100>；中间氧化层二氧化硅是0.5μm；衬底硅厚度是675μm，N型、电阻率8-12ohm.cm、晶向<100>。

(3)对步骤(1)中硅片上的氧化层先进行CMP去应力处理(处理时间180秒，抛光压力20KPa)，然后用DHF进行3min表面处理，再进行等离子激活(采用N₂，气体压力0.3mbar，激活时间5s，射频功率75W)。对步骤(2)的SOI片用浓H₂SO₄在120℃处理3min，不进行等离子激活；再将带有氧化层的硅片与SOI片进行常温键合；键合后进行低温退火，退火温度350℃，获得两层复合的SOI片。

(4)对步骤(3)键合后的2层SOI(3层硅层，中间2层BOX层)进行减薄，顶层减薄到10μm。

(5)选一片6寸氧化片(表面有氧化层的硅片)，氧化层厚度是0.5μm，硅片P型，电阻率15-25ohm.cm，晶向<100>。

(6)对步骤(5)的氧化片通过CMP方法进行去应力处理(处理时间180秒，抛光压力20KPa)，然后用DHF进行5min表面处理，再进行等离子激活处理(采用N₂，气体压力0.3mbar，激活时间5s，射频功率75W)。对步骤(4)获得的两层SOI片用浓H₂SO₄在120℃处理5min；再将氧化片和两层SOI片进行常温键合。进行低温退火，退火温度400℃，获得三层SOI片。

(7)对步骤(6)键合后的3层SOI(4层硅层，中间3层BOX层)进行减薄，顶层减薄到10μm。

通过上述步骤制造出了一片6寸3层SOI，图2是做完SEM后的多层照片，图3是最终键合后SAM照片。

对比例1

与实施例1不同之处在于：步骤(3)中，对氧化片不进行CMP去应力处理。

结果：在最终键合后由于应力比较大，键合效果不是很好，有很多的空洞，如图4所示。

对比例2

与实施例1不同之处在于：步骤(3)中，对氧化片进行CMP去应力处理，处理时间为400秒。

结果：氧化片处理时间过长，对氧化层损伤较大，无法进行键合。

对比例3

与实施例1不同之处在于：步骤(3)中，键合前对硅片上的氧化层、SOI片采用常规的亲水处理方法,即先SC1处理，再SC2处理。

结果：经过步骤(4)减薄后边缘不是很规则，必须经过倒角才能得到比较好的边缘质量，边缘损失在1.5-2mm。图5为实例1的边缘照片，图6为对比例3的边缘照片。

Claims (9)

1.一种多层SOI材料，其特征在于：该材料为多层SOI堆叠结构，其中：该堆叠结构的顶层表面与底层表面为硅片，中间部分为硅片与BOX层交替排布方式。

2.根据权利要求1所述的多层SOI材料，其特征在于：所述硅片的晶向选择为<100>或<111>，电阻率选择为重掺杂到高阻。

3.根据权利要求1所述的多层SOI材料，其特征在于：所述BOX层为二氧化硅。

4.根据权利要求1或3所述的多层SOI材料，其特征在于：所述BOX层厚度为20nm～2μm，多层SOI厚度为1μm～500μm。

5.根据权利要求1所述的多层SOI材料，其特征在于：所述材料中SOI层数为3～15。

6.根据权利要求1所述的多层SOI材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)选取6寸或8寸的硅片，减薄到所需厚度后，在其一侧或双侧表面上进行氧化，制备带有二氧化硅氧化层的硅片；

(2)将步骤(1)制备的带有氧化层的硅片先进行CMP去应力处理，然后用DHF进行1-5min表面处理，再进行等离子激活处理；

(3)准备一个SOI片，其顶层硅和衬底硅的电阻率和晶向根据需求选取，BOX层根据需求选择；

(4)对步骤(3)中SOI片用浓H₂SO₄进行表面处理；

(5)键合：将步骤(2)处理后的带有氧化层的硅片和步骤(4)处理后的SOI片在常温下键合，然后进行300℃-500℃条件下退火，即获得2层结构的SOI材料；

(6)将键合后的两层SOI材料进行减薄，减薄后用浓H₂SO₄进行表面处理；取步骤(3)中的SOI片进行氧化，在其表面上制备二氧化硅氧化层，然后对该氧化层先进行CMP去应力处理，然后用DHF进行1-5min表面处理，再进行等离子激活处理；将浓H₂SO₄处理后的两层SOI材料与制备有氧化层的SOI片在常温下键合，然后进行300℃-500℃条件下低温退火；

(7)重复步骤(6)的工艺过程，直至获得所需层数的SOI材料。

7.根据权利要求6所述的多层SOI材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(6)中，所述CMP去应力处理工艺参数为：处理时间150秒-200秒，压力10KPa-35KPa。

8.根据权利要求6所述的多层SOI材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，SOI片采用常规工艺制备或者根据需求购买。

9.根据权利要求6所述的多层SOI材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)和步骤(6)中，浓H₂SO₄进行表面处理的温度为120℃，时间为1‐5min；等离子激活处理工艺参数为：采用N₂，气体压力0.1-1.0mbar，激活时间1-10s，射频功率55-120W。