專(zhuān)利名稱：制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法以及半導(dǎo)體襯底的制作方法
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，特別涉及一種制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法以及半導(dǎo)體襯底。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的特征尺寸的減小，對(duì)硅單晶中缺陷的控制變得尤其重要。硅片中的缺陷主要來(lái)自兩方面，一方面是晶體生長(zhǎng)的過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(huì)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(guò)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(guò)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，也可以通過(guò)在輕摻雜襯底上外延所需要的電阻率的單晶硅層，外延層具有完整的晶格以及極低的氧與金屬含量，同樣可以提升器件的成品率。但是，對(duì)SOI材料而言，由于埋氧層的存在，因此其頂層硅不存在DZ區(qū)域，這樣使得SOI制備的器件良率相對(duì)較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法以及半導(dǎo)體襯底，能夠降低頂層半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度，提高晶格完整性。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法， 包括如下步驟提供第一襯底與第二襯底；在第一襯底表面外延形成器件層；在第二襯底和/或器件層的表面形成絕緣層；以絕緣層和器件層為中間層，將第一襯底和第二襯底鍵合在一起；對(duì)鍵合后的襯底實(shí)施第一退火步驟；去除第一襯底，形成由器件層、絕緣層和第二襯底構(gòu)成的帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底；對(duì)此帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底實(shí)施第二退火步驟，所述第二退火步驟的退火溫度大于第一退火步驟的退火溫度。作為可選的技術(shù)方案，在鍵合前進(jìn)一步包括對(duì)外延形成的器件層進(jìn)行拋光處理的步驟。作為可選的技術(shù)方案，所述第一退火步驟的溫度范圍是100-900°C。作為可選的技術(shù)方案，所述第二退火步驟的溫度范圍是900-1400°C。作為可選的技術(shù)方案，器件層的厚度大于絕緣埋層表面的頂層半導(dǎo)體層的目標(biāo)厚度，去除第一襯底后，進(jìn)一步包括一減薄器件層至目標(biāo)厚度的步驟。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，包括器件層、絕緣層和支撐襯底，所述器件層是通過(guò)外延工藝形成的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，得到的SOI材料頂層硅完全由外延材料組成，與常規(guī)工藝生產(chǎn)的SOI材料頂層半導(dǎo)體層相比其氧元素和金屬含量低，并且晶格完美，無(wú)原生缺陷產(chǎn)生， 能夠大幅度提高器件的良率。


附圖1所示是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述方法的實(shí)施步驟示意圖。附圖2A至附圖2E是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式接下來(lái)結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明所述一種制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法以及半導(dǎo)體襯底的具體實(shí)施方式
。附圖1所示是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述方法的實(shí)施步驟示意圖，包括步驟S100， 提供第一襯底與第二襯底；步驟S110，在第一襯底表面外延形成器件層；步驟S120，在第二襯底和/或器件層的表面形成絕緣層；步驟S130，以絕緣層和器件層為中間層，將第一襯底和第二襯底鍵合在一起；步驟S140，對(duì)鍵合后的襯底實(shí)施第一退火步驟；步驟S150，去除第一襯底，形成由器件層、絕緣層和第二襯底構(gòu)成的帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底；步驟S160， 對(duì)此帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底實(shí)施第二退火步驟，所述第二退火步驟的退火溫度大于第一退火步驟的退火溫度。附圖2A所示，參考步驟S100，提供第一襯底210與第二襯底220。上述兩襯底可以是輕摻雜也可以是重?fù)诫sSi襯底，可以是ρ型也可以是η型摻雜襯底，摻雜劑可以是B、 P、As也可以是別的雜質(zhì)元素。尤其是第二襯底220作為支撐襯底使用，其選擇材料范圍更為廣泛，甚至于不限于是半導(dǎo)體襯底。附圖2B所示，參考步驟S110，在第一襯底210表面外延形成器件層230。此步驟可以是同質(zhì)外延也可以是異質(zhì)外延，為了獲得更高的晶體質(zhì)量，優(yōu)選為同質(zhì)外延，例如在單晶硅的第一襯底210表面外延單晶硅的器件層230。器件層230的厚度應(yīng)當(dāng)略大于絕緣埋層表面的頂層半導(dǎo)體層的目標(biāo)厚度，以便在后續(xù)工藝中能夠進(jìn)行表面拋光處理。對(duì)于單晶硅材料的器件層230而言，如果需要在其表面形成熱氧化的氧化硅絕緣層，還要進(jìn)一步考慮氧化硅工藝對(duì)器件層230的減薄效應(yīng)。附圖2C所示，參考步驟S120，在第二襯底220和/或器件層230的表面形成絕緣層M0，附圖2C所示是在第二襯底220表面形成絕緣層MO的情況，在其他的實(shí)施方式中， 也可以是在器件層230的表面形成絕緣層M0，或者在第二襯底220和器件層230的表面均形成絕緣層。絕緣層240的材料優(yōu)選為氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅，形成工藝可以采用化學(xué)氣相淀積或者熱氧化的方法。尤其對(duì)于單晶硅襯底，優(yōu)選為熱氧化的方法形成氧化硅絕緣層。附圖2D所示，參考步驟S130，以絕緣層240和器件層230為中間層，將第一襯底 210和第二襯底220鍵合在一起。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。優(yōu)化的技術(shù)方案是在鍵合前進(jìn)一步包括對(duì)外延形成的器件層230進(jìn)行拋光處理的步驟。由于外延后存在較多顆粒，此外外延表面存在hillock等缺陷造成表面凸起，這樣對(duì)鍵合存在影響，導(dǎo)致鍵合成品率的降低。因此，優(yōu)化的工藝是對(duì)外延后的器件層230進(jìn)行拋光處理。拋光可以是單面拋光也可以是雙面拋光，這里采用單面拋光，整個(gè)拋光過(guò)程分為兩步，首先粗拋光、隨后精拋光，總拋光去除量為1 μ m。參考步驟S140，對(duì)鍵合后的襯底實(shí)施第一退火步驟。該退火步驟的溫度只需要對(duì)鍵合界面進(jìn)行加固使其滿足后續(xù)研磨等工藝的強(qiáng)度要求即可，溫度范圍可以控制在100至 900°C。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致第一襯底210中的雜質(zhì)向器件層230中擴(kuò)散。由于后續(xù)步驟中得以保留的是器件層230靠近絕緣層240的部分，故在步驟SllO中增大外延形成的器件層230的厚度，可以延長(zhǎng)雜質(zhì)的擴(kuò)散路徑，進(jìn)一步保證后續(xù)步驟中形成的器件層230的保留部分不受到污染。附圖2E所示，參考步驟S150，去除第一襯底210，形成由器件層230、絕緣層240 和第二襯底220構(gòu)成的帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底。如需要倒角，可在步驟S150實(shí)施之前對(duì)第一襯底210和器件層230進(jìn)行倒角處理。去除第一襯底210的步驟可以采用先研磨再拋光的方法。去除第一襯底210之后，頂層半導(dǎo)體層完全由器件層230構(gòu)成。在步驟SllO 中，如果外延形成器件層230的厚度大于目標(biāo)厚度，此步驟還可以進(jìn)一步減薄器件層至目標(biāo)厚度，其優(yōu)點(diǎn)在于可以去除少數(shù)從第一襯底210擴(kuò)散至器件層230中的雜質(zhì)，并提高器件層230表面的平整度。參考步驟S160，對(duì)此帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底實(shí)施第二退火步驟。所述第二退火步驟的退火溫度大于第一退火步驟的退火溫度，溫度范圍可以控制在900至1400°C。該第二次退火的步驟中，由于第一襯底210已經(jīng)被去除，第二襯底220和器件層230之間又具有絕緣層240阻隔，故高溫退火的溫度可以選擇在一個(gè)較高的溫度范圍內(nèi)，不會(huì)使器件層 230受到雜質(zhì)擴(kuò)散的污染。以下給出上述方法的一實(shí)施例。1.提供一個(gè)單晶硅襯底作為器件襯底，可以是輕摻雜也可以是重?fù)诫sSi襯底，可以是P型也可以是η型摻雜襯底，摻雜劑可以是B、P、As也可以是別的雜質(zhì)元素?？紤]到外延過(guò)渡區(qū)的影響(外延過(guò)渡區(qū)就是由于外延層的電阻率可能與襯底電阻率不同，因此存在一定厚度的過(guò)渡區(qū)，外延層才能達(dá)到穩(wěn)定均勻的電阻率)，以及為最終的CMP留出足夠的余量，外延層厚度應(yīng)大于最終的SOI材料頂層硅厚度。如果是同型外延，例如ρ襯底上外延ρ 外延層，如果電阻率匹配，例如10-20 Ω. cm電阻率襯底上外延10-20 Ω. cm，此時(shí)過(guò)渡區(qū)窄， 外延層厚度大于最終頂層硅厚度1 μ m以上即可，如果電阻率不匹配甚至是異型外延(例如 P襯底上外延η型材料)此時(shí)外延過(guò)渡區(qū)寬，通常大于1. 5 μ m，外延層厚度大于最終頂層硅厚度3-5 μ m以上。例如，以最終的SOI材料頂層硅5 μ m為例，外延層厚度為10 μ m。2.由于外延后存在較多顆粒，此外外延表面存在hillock等缺陷造成表面凸起， 這樣對(duì)鍵合存在影響，導(dǎo)致鍵合成品率的降低。因此，優(yōu)化的工藝是對(duì)外延后的器件襯底進(jìn)行拋光處理，當(dāng)然也可以不對(duì)外延后的器件襯底處理，直接與氧化后的硅支撐襯底鍵合，或者也可以直接對(duì)外延后的器件襯底表面進(jìn)行絕緣化處理后與氧化后的硅支撐襯底鍵合。這里優(yōu)化的工藝是對(duì)外延后的器件襯底拋光處理后，再對(duì)其進(jìn)行絕緣化處理。拋光可以是單面拋光也可以是單面拋光，這里采用單面拋光，整個(gè)拋光過(guò)程分為兩步，首先粗拋光、隨后精拋光，總拋光去除量為1 μ m。拋光后，可以將器件襯底直接與氧化后的硅支撐襯底鍵合， 這里優(yōu)化的工藝是對(duì)其進(jìn)行絕緣化處理。可以是PECVD或者LPCVD淀積絕緣層，絕緣介質(zhì)可以是二氧化硅也可以是氮化硅。優(yōu)化工藝是標(biāo)準(zhǔn)的熱氧化工藝，氧化條件可以濕氧也可以是干氧，氧化工藝取決于需要的氧化層厚度，溫度為900-1400°C，優(yōu)化工藝為1050°C，濕氧氧化，氧化層厚度需依據(jù)最終SOI的厚度決定。3.對(duì)Si支撐襯底進(jìn)行處理，單晶硅襯底，以8寸襯底為例，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(hào)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。4.對(duì)研磨后的支撐襯底進(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(hào)為Peter Wolters AC2000型雙面拋光機(jī)，整個(gè)拋光過(guò)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(hào)為IPEC 372型單面拋光機(jī)，整個(gè)拋光過(guò)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(guò)修正后，襯底總厚度偏差小于1微米5.將修正后的單晶硅襯底氧化，氧化條件可以濕氧也可以是干氧，氧化工藝取決于需要的氧化層厚度，溫度為900-1400°C，優(yōu)化工藝為1050°C，濕氧氧化，氧化厚度需依據(jù)最終SOI的厚度決定，即器件襯底和支撐襯底表面的氧化絕緣層厚度之和應(yīng)等于最終的 SOI材料絕緣埋層厚度。6.器件襯底和支撐襯底經(jīng)過(guò)清洗后，將氧化后的器件襯底與氧化或者未氧化的單晶硅襯底鍵合，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)清洗硅襯底，以去除表面可能存在的顆粒并吸附更多的水分子，隨后將支撐襯底和器件襯底鍵合在一起。7.將鍵合好的器件/支撐襯底對(duì)進(jìn)行加固，升溫，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，退火溫度為900-1400°C，優(yōu)化的退火溫度為1150°C，退火時(shí)間為0. 5-40小時(shí)，優(yōu)化為6小時(shí)，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，優(yōu)化為濕氧氣氛。該步驟退火中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)器件襯底和支撐襯底的加固，鍵合界面將形成Si-O共價(jià)鍵。8.對(duì)加固后的襯底對(duì)進(jìn)行倒角處理，倒角寬度由客戶規(guī)格決定。研磨后邊緣殘余硅層厚度為0-150微米，優(yōu)化為100微米。將倒角后的襯底對(duì)在TMAH溶液中腐蝕，去除100 微米邊緣殘余硅層。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(guò)程中，襯底對(duì)在旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為100-10000rpm，優(yōu)化為lOOOrpm，TMAH溫度優(yōu)化為95°C。9.對(duì)加固后的研磨減薄器件襯底，研磨設(shè)備優(yōu)選為單面研磨機(jī)，設(shè)備型號(hào)為DR； 841型研磨機(jī)，首先粗磨快速減薄，砂輪轉(zhuǎn)速大于IOOOrpm，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所制備SOI材料頂層硅目標(biāo)厚度3微米以上， 這里減薄至剩余硅層厚度為10微米。
10.對(duì)研磨后的器件襯底進(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(hào)為Peter Wolters AC2000型雙面拋光機(jī)，整個(gè)拋光過(guò)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至所需要的SOI層的厚度，設(shè)備型號(hào)為IPEC 372型單面拋光機(jī)，整個(gè)拋光過(guò)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，最終SOI層厚度為5微米，此時(shí)SOI材料頂層硅完全由外延硅層組成。綜上所述，雖然本發(fā)明已用較佳實(shí)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(shí)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(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書(shū)所申請(qǐng)的專(zhuān)利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種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 提供第一襯底與第二襯底；在第一襯底表面外延形成器件層；在第二襯底和/或器件層的表面形成絕緣層；以絕緣層和器件層為中間層，將第一襯底和第二襯底鍵合在一起；對(duì)鍵合后的襯底實(shí)施第一退火步驟；去除第一襯底，形成由器件層、絕緣層和第二襯底構(gòu)成的帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底；對(duì)此帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底實(shí)施第二退火步驟，所述第二退火步驟的退火溫度大于第一退火步驟的退火溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，在鍵合前進(jìn)一步包括對(duì)外延形成的器件層進(jìn)行拋光處理的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，所述第一退火步驟的溫度范圍是100-900°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，所述第二退火步驟的溫度范圍是900-1400°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，器件層的厚度大于絕緣埋層表面的頂層半導(dǎo)體層的目標(biāo)厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，其特征在于，去除第一襯底后，進(jìn)一步包括一減薄器件層至目標(biāo)厚度的步驟。
7.一種帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底，包括器件層、絕緣層和支撐襯底，其特征在于，所述器件層是通過(guò)外延工藝形成的。
全文摘要
一種制備帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底的方法，包括如下步驟提供第一襯底與第二襯底；在第一襯底表面外延形成器件層；在第二襯底和/或器件層的表面形成絕緣層；以絕緣層和器件層為中間層，將第一襯底和第二襯底鍵合在一起；對(duì)鍵合后的襯底實(shí)施第一退火步驟；去除第一襯底，形成由器件層、絕緣層和第二襯底構(gòu)成的帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底；對(duì)此帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體襯底實(shí)施第二退火步驟，所述第二退火步驟的退火溫度大于第一退火步驟的退火溫度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，得到的SOI材料頂層硅完全由外延材料組成，與常規(guī)工藝生產(chǎn)的SOI材料頂層半導(dǎo)體層相比其氧元素和金屬含量低，并且晶格完美，無(wú)原生缺陷產(chǎn)生，能夠大幅度提高器件的良率。
文檔編號(hào)H01L21/20GK102299093SQ20111018321
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者仰庶, 張峰, 曹共柏, 王曦, 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