本發(fā)明涉及soi(silicononinsulator，絕緣體上硅)的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米級(jí)超薄膜tm-soi硅片的制備方法。

背景技術(shù)：

soi是一種具有獨(dú)特的“si/絕緣層/si”三層結(jié)構(gòu)的新型硅基半導(dǎo)體材料。它通過絕緣埋層(通常為sio2)實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離，具有寄生電容小，運(yùn)行速度快，漏電小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，其消除了閂鎖效應(yīng)，抑制了襯底的脈沖電流的干擾，減少了軟錯(cuò)誤的發(fā)生。因此，soi得到了廣泛地應(yīng)用。

fdsoi技術(shù)即全耗盡型soi技術(shù)，有些文獻(xiàn)上也寫成etsoi即超薄型soi，具有非常強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，適合20nm及更高級(jí)別制程的移動(dòng)/消費(fèi)電子產(chǎn)品使用。很多高性能應(yīng)用中需要使用fd-soi技術(shù)。

對(duì)于fd-soi，soi中位于頂層的硅層厚度會(huì)減薄至5-20nm，這樣器件工作時(shí)柵極下面溝道位置下方的耗盡層便可充滿整個(gè)硅薄膜層，如此便可消除在其它soi中常見的浮體效應(yīng)。

作為制造soi的方法，tm-soi是一種基于離子注入剝離法(smart-cut法)的soi技術(shù)，“tm-soi智能切割法”在中國(guó)申報(bào)了發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?00310123080.1，并獲得中國(guó)專利局發(fā)明專利授權(quán)。這種tm-soi方式，有效的提高了微波吸收率，加速了薄膜分離。利用此方法，剝離面為良好的鏡面，可以得到頂層的總厚度變化較高的soi硅片。但是，在剝離后的soi硅片膜厚一般在100nm以上，表面粗糙現(xiàn)象會(huì)比通常硅片的鏡面大，無法達(dá)到fd-soi的客戶要求。

如果要完整去除粗糙層和減少膜厚，研磨的厚度需要控制得當(dāng)。若研磨厚度不當(dāng)，有可能會(huì)導(dǎo)致頂層硅膜厚達(dá)不到客戶膜厚的要求。同時(shí)，cmp的粗糙度和 總厚度變化控制能力差，會(huì)產(chǎn)生soi頂層硅表面粗糙和膜厚不均勻的現(xiàn)象。

因此，利用tm-soi技術(shù)，加上cmp方法來制備頂層硅膜厚小于100nm的超薄膜soi材料，要達(dá)到減小粗糙度，控制總厚度變化良好的效果，存在很大的工藝問題和技術(shù)難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種納米級(jí)超薄膜tm-soi硅片的制備方法，該方法既可以改善tm-soi工藝后soi頂層硅表面的粗糙度(<0.2nm)，同時(shí)能夠簡(jiǎn)潔高效的實(shí)現(xiàn)頂層硅厚度小于100nm，總厚度變化<2nm的soi的制備。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種納米級(jí)超薄膜tm-soi硅片的制備方法，該方法是針對(duì)tm-soi制備的soi硅片，采用無水hcl氣體對(duì)其進(jìn)行化學(xué)刻蝕，從而獲得納米級(jí)超薄膜tm-soi硅片；所得納米級(jí)超薄膜tm-soi硅片的頂層硅厚度為10-100nm，頂層硅表面粗糙度小于0.2nm。該方法具體包括如下步驟：

(1)將tm-soi制備的soi硅片裝入密封反應(yīng)室；

(2)反應(yīng)室中通入氫氣(氫氣流速30～100升/分鐘)，1000～1200℃條件下處理10～60秒，原位去除硅片表面自然氧化層及雜質(zhì)；相關(guān)反應(yīng)式為：2h2+sio2—>si+2h2o；

(3)經(jīng)步驟(2)處理的硅片置于無水hcl氣體和氫氣的混合氣氛中刻蝕其表面的硅層；其中，刻蝕溫度800～1200℃，刻蝕時(shí)間30-300s；相關(guān)反應(yīng)式為：

4hcl+si—>sicl4+2h2；

3hcl+si—>sihcl3+h2；

2hcl+si—>sicl2+h2；

(4)反應(yīng)室中通入氫氣，除去反應(yīng)室中的雜質(zhì)及殘余無水hcl氣體后，冷卻至室溫；

(5)反應(yīng)室中充入氮?dú)?，吹走氫氣，即獲得所述超薄膜soi硅片。

步驟(3)刻蝕過程中，h2氣體流速為10-200升/分鐘，無水hcl氣體總流速為0.1-20升/分鐘；所述無水hcl氣體在硅片表面邊緣位置與中心位置的流速分布 比為(1-5)：1。

步驟(3)刻蝕過程中，硅片轉(zhuǎn)速(繞硅片中心旋轉(zhuǎn))為30-120轉(zhuǎn)/分鐘。

所述無水hcl氣體的純度>99.999％。

本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：

本發(fā)明方法針對(duì)利用tm-soi制備的soi硅片進(jìn)行處理，所述tm-soi工藝是在要成為支撐襯底的基底硅片和要成為soi層的結(jié)合硅片至少其中之一的表面形成氧化膜，然后將氫離子從上述其中之一的硅片表面注入，形成離子注入層，然后隔著上述氧化膜使兩片硅片貼合，并加以退火使貼合面牢固，然后施加微波處理使上述離子注入層進(jìn)行裂片，形成soi層。但soi層因表面粗糙，存在總厚度變化和粗糙度未達(dá)到要求的缺點(diǎn)，為解決此問題本發(fā)明采用無水hcl的干法刻蝕工藝，通過控制反應(yīng)溫度、時(shí)間、流速分布、h2流量、無水hcl氣體流量，硅片轉(zhuǎn)速，可以對(duì)soi的頂層硅進(jìn)行所需厚度的減薄，對(duì)總厚度變化和粗糙度能夠?qū)嵤┝己每刂?頂層硅厚度10-100nm，總厚度變化<2nm，粗糙度<0.2nm的超薄膜soi硅片)。這種工藝改進(jìn)有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的超薄膜soi材料提供了質(zhì)量保障。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明方法針對(duì)利用tm-soi制備的soi硅片，為達(dá)到所需的厚度，用無水hcl氣體刻蝕方法對(duì)硅膜進(jìn)行減薄。相比于只進(jìn)行cmp處理，實(shí)現(xiàn)了頂層硅膜厚10-100nm的soi材料的制備，同時(shí)改善頂層硅的粗糙度和總厚度變化(粗糙度可以控制在0.2nm以內(nèi)；總厚度變化可以控制在3nm以內(nèi))。

2、本發(fā)明具有可重復(fù)性，當(dāng)需要再次減薄頂層硅厚度時(shí)，最終頂層硅膜厚10-100nm范圍內(nèi)，可在原soi硅片基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，且保證頂層硅質(zhì)量。

3、本發(fā)明針對(duì)利用tm-soi制備的soi硅片，利用無水hcl氣體對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，相比于機(jī)械拋光，節(jié)約拋光時(shí)間，大幅度提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)腐蝕在密封腔體進(jìn)行，避免與外界接觸，減少了硅片表面的顆粒，提高了硅片的潔凈度。

4、由于本發(fā)明針對(duì)利用tm-soi制備的soi層進(jìn)行化學(xué)腐蝕，其表面特征不同于普通的soi表面，因此在化學(xué)刻蝕中采用優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)其進(jìn)行改善。

附圖說明

圖1為利用tm-soi技術(shù)制備soi硅片工藝流程示意圖；其中：(a)表示通過離子注入法，將離子或分子離子對(duì)著原始硅晶圓片的正表面注入，形成薄膜層和余質(zhì)層；(b)表示將原始硅晶圓片與目標(biāo)硅晶圓片鍵合形成鍵合結(jié)構(gòu)體；(c)表示用加熱裝置加熱形成鍵合結(jié)構(gòu)體；(d)表示對(duì)鍵合結(jié)構(gòu)體施以高頻交替電場(chǎng)或磁場(chǎng)照射處理；(e)表示將薄膜層轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硅晶圓片上，實(shí)現(xiàn)薄膜剝離；(f)表示剝離后的薄膜表面。

圖2表示經(jīng)無水hcl氣體刻蝕后的薄膜表面。

圖3為反應(yīng)室內(nèi)無水hcl氣體在硅片邊緣和中心的流速分布示意圖。

圖中：01-原始硅圓片；02-薄膜層；03-注入離子分離層；04-余質(zhì)層；05-原始硅晶圓片正表面；06-離子或分子離子；07-目標(biāo)硅圓片；08-高頻交替電場(chǎng)或磁場(chǎng)照射；09-加熱裝置；10-鍵合結(jié)構(gòu)體；11-頂層硅薄膜；12-刻蝕減薄的頂層硅薄膜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說明。

圖1(a)-(f)為利用tm-soi技術(shù)制備soi硅片工藝流程示意圖。如圖1(a)所示，先利用離子注入法，將離子或分子離子06對(duì)著原始硅圓片01的正表面05注入，形成注入離子分離層03。注入離子分離層03將原始硅圓片01上、下分隔為兩區(qū)：一個(gè)為含有注入離子或分子離子06的注入?yún)^(qū)域，此為薄膜層02；一個(gè)為不含注入離子或分子離子06的區(qū)域，其定義為余質(zhì)層04。

如圖1(b)所示，利用晶圓鍵合法，并配合適當(dāng)?shù)谋砻娴入x子體處理，是原始硅圓片01與目標(biāo)硅圓片07的鍵合面能夠獲得足夠的鍵合強(qiáng)度，以將原始硅圓片01與目標(biāo)硅圓片07相接合成一個(gè)鍵合結(jié)構(gòu)體10。

如圖1(c)所示，此薄膜分離效應(yīng)重點(diǎn)在注入離子分離層03的吸收能量能力，故在未激活非熱量，如微波，照射時(shí)，先將鍵合結(jié)構(gòu)體10的溫度利用加熱裝置09升溫至轉(zhuǎn)變溫度，增高注入離子分離層03的微波吸收效率，同時(shí)也增高原始硅圓片01對(duì)微波的吸收，以利于轉(zhuǎn)移能量至注入離子分離層03，造成大面積且均勻有效率的薄膜轉(zhuǎn)移。

如圖1(d)所示，隨后將在穩(wěn)定轉(zhuǎn)變溫度下的原始硅圓片01與目標(biāo)硅圓片 07的鍵合結(jié)構(gòu)體10，施以高頻交替電場(chǎng)或磁場(chǎng)照射08處理。由于注入的離子或分子離子06或經(jīng)撞擊后分裂產(chǎn)生的離子，會(huì)與原始硅圓片01原子產(chǎn)生微弱鍵結(jié)生成的原子鍵結(jié)對(duì)，因具有陰電性差，產(chǎn)生電偶極，故能對(duì)高頻交替電場(chǎng)或磁場(chǎng)照射08感應(yīng)，并且其可與由其他處分裂出來的相同的原子相結(jié)合，再度形成氣體分子，在該處形成充滿氣體分子的核種。以這種核種為基地，捕捉在晶格間游移的原子，聚合成氣泡。

如圖1(e)所示，原始硅原片01通過介電常數(shù)和損耗因子增加，有效使摻雜源子所產(chǎn)生的載流子在高頻交替電場(chǎng)或磁場(chǎng)中感應(yīng)成伴隨電流，快速流動(dòng)，而產(chǎn)生大量的熱能，以非彈性碰撞方式直接轉(zhuǎn)移該熱量至周圍環(huán)繞的注入離子氣體分子，快速提升該氣體分子動(dòng)能，將原有氣泡造成的體積應(yīng)變急劇加大。最后形成氣泡層，裂片，如圖1(f)所示。

圖2為薄膜減薄圖。利用干法刻蝕法，在均勻的頂層硅薄膜11上使用無水hcl氣體刻蝕，通入無水hcl氣體和h2氣體(h2作為稀釋氣體)，通過無水hcl氣體與頂層硅的化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、h2流速、無水hcl氣體的流速、無水hcl氣體流速分布(硅片中心和邊緣的無水hcl氣體流速比)、以及硅片轉(zhuǎn)速(硅片在反應(yīng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度)，形成粗糙度小、總厚度變化值小，膜厚達(dá)到要求的刻蝕減薄的頂層硅薄膜12，即納米級(jí)超薄膜tm-soi。

實(shí)施例1

原始硅片為p型，晶格方向(100)，電阻率為10-50ohm/cm，表面覆蓋二氧化硅(sio2)，單面拋光，8”硅晶圓片8片，經(jīng)過劑量為4.0×10¹⁶/cm²，注入能量為200kev，氫分子離子(h2⁺)注入。襯底硅片為p型，晶格方向(100)，電阻率為0.010-0.020ohm-cm，單面拋光硅晶圓片。兩硅晶圓片于室溫經(jīng)等離子體加強(qiáng)鍵合法鍵合為鍵合結(jié)構(gòu)體，置于商用可調(diào)溫度微波爐內(nèi)，以轉(zhuǎn)變溫度設(shè)定為200℃退火處理15分鐘，然后緊接在此溫度下以2.45ghz頻率，1000w輸出功率，15分鐘的微波輻射后，平均厚度為0.2132μm的薄膜剝離出來，形成soi晶圓材料。

取上述制備的soi晶圓材料5片，取其中3片將其置于外延爐反應(yīng)室，具體步驟為：

(1)通入氫氣，氫氣流速30～100升/分鐘，升溫至1100℃，加熱60秒，烘 烤表面，以去除氧化層。

(2)再加熱到1050℃，引入80升/分鐘的h2和1升/分鐘的無水hcl氣體進(jìn)行化學(xué)氣相拋光，基座旋轉(zhuǎn)速度為50轉(zhuǎn)/分鐘(硅片固定在反應(yīng)室內(nèi)基座上)，通入的無水hcl氣體在硅片邊緣和中心的流速分布比為1.5：1(如圖3所示)。

(3)拋光120s后，吹氫氣去除雜質(zhì)及無水hcl氣體后，冷卻至室溫。

(4)重新沖入氮?dú)?，吹走氫氣，取出硅片?/p>

表1為片內(nèi)平均頂層硅膜厚、片內(nèi)頂層總厚度變化(nm)、均方根微粗糙度(rmsmicroroughness)的測(cè)試數(shù)據(jù)：

表1

對(duì)比例1

與實(shí)施例1不同之處在于：

取實(shí)施例1制備的未經(jīng)cmp處理的剩余兩片soi晶圓材料，只對(duì)其進(jìn)行cmp處理，具體采用粗拋+精拋方式，得到2個(gè)裂片后的soi硅片，然后測(cè)試各參數(shù)結(jié)果如表2所示：

表2

通過實(shí)施例1和對(duì)比例1這兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比，可看出本發(fā)明采用的方法總厚 度變化和rms等參數(shù)明顯優(yōu)于只進(jìn)行cmp的方式。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于80升/分鐘的h2和流速2升/分鐘無水hcl氣氛中刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為19.7nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為2.4nm，0.285nm，均比對(duì)比例1中的數(shù)值小，因而與對(duì)比例1相比能夠得到更高品質(zhì)的soi硅片。

實(shí)施例3

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，刻蝕溫度為1100℃，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為20.5nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為2.12nm，0.192nm，均比對(duì)比例1中的數(shù)值小，因而與對(duì)比例1相比能夠得到更高品質(zhì)的soi硅片。

實(shí)施例4

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于h2和無水hcl中，通入的無水hcl氣體在硅片邊緣和中心的流速分布比為2，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為20.3nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為2.43nm，0.212nm，均比對(duì)比例1中的數(shù)值小，因而與對(duì)比例1相比能夠得到更高品質(zhì)的soi硅片。

對(duì)比例2

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于h2和無水hcl中，通入的無水hcl氣體在硅片邊緣和中心的流速分布比為0.5，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為18.5nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為6.2nm，0.395nm，均比實(shí)施例1中的數(shù)值大，因而可看出本發(fā)明采用的方法需要控制通入的無水hcl氣體在硅片邊緣和中心的流速分布比在合適范圍內(nèi)。

對(duì)比例3

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于h2和無水hcl中，加熱溫度為1300℃，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為17.3nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為7.4nm，0.387nm，均比實(shí)施例1中的數(shù)值大，因而可看出本發(fā)明采用的方法需要控制加熱溫度為800-1200℃。

對(duì)比例4

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于h2和無水hcl中，硅片不旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速＝0轉(zhuǎn)/分鐘)，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為18.9nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為9.1nm，0.379nm，均比實(shí)施例1中的數(shù)值大，因而可看出本發(fā)明采用的方法需要控制硅片轉(zhuǎn)速為30-120轉(zhuǎn)/分。

對(duì)比例5

與實(shí)施例1不同之處在于：

步驟(2)中，將硅片置于h2和無水hcl中，h2流速為5升/分鐘，刻蝕其表面硅層。

處理后，頂層硅膜厚為18.5nm，量測(cè)其總厚度變化和均方根微粗糙度平均值分別為6.6nm，0.327nm，均比實(shí)施例1中的數(shù)值大，因而可看出本發(fā)明采用的方法需要控制h2流速為10-200升/分鐘。

以上所述僅為說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍；凡其它未脫離發(fā)明所公開的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在所述的專利申請(qǐng)和權(quán)利要求范圍內(nèi)。