绝缘体上硅及其制备工艺的制作方法

专利名称：绝缘体上硅及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅基集成光电子器件材料及及其制备工艺，具体的说，涉及 一种绝缘体上硅及其制备工艺，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术：
绝缘体上硅(Silicon-on-insulator， SOI)是一种新型的半导体材料，在结构 上主要包括顶层硅、隐埋绝缘层(Buried oxide layer, BOX)和支撑衬底，其中隐 埋绝缘层位于顶层硅和支撑衬底之间。常规的隐埋绝缘层材料为二氧化硅。
离，从本质上减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速、 低功耗运行。随着汽车电子集成电路、声频功率放大集成电路、照明等技术 的发展，对功率器件的需求越来越广泛，绝缘体上硅衬底良好的绝缘性能， 使其在功率器件领域的应用前景受到了广泛的关注。而且含有隐埋绝缘层的 电路具有高速，低功率，抗辐照等优点，在航空航天，军工电子，便携式通 讯等方面都有重要的应用，被认为是二十一世纪的硅集成电路技术。
目前制备绝缘体上硅的两种常用的技术为注氧隔离技术(separation by implanted oxygen, SIMOX)以及键合减薄技术(Bond and Etch-back SOI, BESOI)。
注氧隔离技术通过向单晶硅圆片中注入高剂量氧离子，在硅片中一定深
度形成氧的富集区域，再经过退火后形成掩埋在硅中的Si02层，即隐埋绝缘层
(Buried oxide layer, BOX)。注氧隔离技术注入氧离子的工艺要求注入能量较 高， 一般在20至300keV之间，注入时氧离子的束流很大， 一般束流剂量在1017 至10"cn^之间。采用上述工艺形成的绝缘体上硅，受到注入能量和离子剂量
的限制，隐埋绝缘层以及顶层硅的厚度可以调节的范围十分有限，很不灵活。
隐埋绝缘层的最大厚度很难超过400nm，顶层硅的最大厚度也仅大约为300nm 左右。并且注氧隔离技术是利用退火，促进氧在硅的内部聚集形成隐埋绝缘
层，这就使得隐埋绝缘层的绝缘性能不如热氧化形成的Si02。这些缺点限制了
注氧隔离技术技术在厚隐埋绝缘层(^400nm)以及厚的顶层硅(〉300nm)方面的应用。
键合减薄技术是将一 片表面带有氧化层的硅片和另 一片光片键合，再将 所述光片的背面减薄到所需要的厚度而形成绝缘体上硅的一种技术。这一工 艺生产的绝缘体上硅，虽然隐埋绝缘层的质量可以得到较好的保证，但是顶 层硅的厚度很难得到精确的控制。J. W. Neuner采用等离子辅助化学腐蚀的办 法，可以将顶层硅减薄到l/xm，平整度控制在士0.1gm的范围内。(J.W.Neuner, A.M. Ledger, S.K. Schilb， and D.P.Mathur， Improved Uniformity in Bonded SOI wafers with Active Layers from 1 to 30/mi at High Throuthputs, Proceedings 1998 IEEE International SOI Conference, Oct. 1998, p. 169-170)但是要进一步通过研 磨或腐蚀的办法减薄顶层硅，达到更小的厚度和平整度，难度更大。这些缺 点限制了键合减薄技术在对顶层硅均匀性要求较高方面的应用。
国际公开号为WO2005/074033的专利申请文件中公布了 一种将注氧隔离 技术和键合减薄技术结合起来制备绝缘体上硅的技术。参考附图l所示，首先 在器件片21中注入氧离子形成腐蚀阻挡层13，然后对其表面进行氧化处理形 成表面氧化层12,再将器件片21翻转并和另一片光片22进行键合，键合后， 去除腐蚀阻挡层13外侧的表面氧化层12，然后再在腐蚀阻挡层13上形成另一 个氧化层15，最后使用HF溶液去除氧化层15和腐蚀阻挡层13，形成绝缘体上 硅。采用上述工艺制备的绝缘体上硅虽然隐埋绝缘层的绝缘性能比较好，但 是由于隐埋绝缘层是通过离子注入的方式形成的，由于离子注入的能量有限，
导致隐埋绝缘层的厚度较小，可调节范围也较小；而且顶层硅的厚度也较小， 可调节性差。

发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种绝缘体上硅的制备工艺，采用本 发明提供的制备工艺制备的绝缘体上硅，隐埋绝缘层和顶层硅厚度可在大范 围内调节。
为了解决上述问题，本发明提供了一种绝缘体上硅的制备工艺，包含如 下步骤
在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子；
将含有注入离子的硅片退火，并形成含有绝缘层、表面硅层、腐蚀阻挡
层和衬底硅层的结构，其中绝缘层和衬底硅层位于硅片的外侧，表面硅层与
绝缘层相邻，腐蚀阻挡层与衬底硅层相邻； 在半导体晶片上形成第二绝缘层；
将硅片和半导体晶片键合，其中硅片上的绝缘层和半导体晶片上的第二 绝缘层相接触；
加固键合后的硅片和半导体晶片；
去除衬底^e圭层；
去除腐蚀阻挡层。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的能与硅反应生成绝缘材料的离子 为氮离子或者氧离子。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，进行离子注入时，选用的离子注入能量 在10KeV到500KeV间，离子注入剂量在1E15/cn^到lE19/cn^间。更进一 步，离子注入能量在30KeV到250KeV间，离子注入剂量在5E16/cm2到 2E18/cm2间。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的离子注入时的温度为O'C到700°C。
优选的离子注入温度为l(TC到550°C。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的离子注入的深度为50nrn到 1000nm。优选的离子注入深度为100nm到500nm。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡 材料的离子后，将含有注入离子的硅片进行退火处理，并形成含有绝缘层、 表面硅层、腐蚀阻挡层和衬底硅层的结构，其中绝缘层和衬底硅层位于硅片 的外侧，表面硅层与绝缘层相邻，腐蚀阻挡层与衬底硅层相邻。所述的绝缘 层为退火含有注入离子的硅片后对其进行绝缘化处理形成的第 一绝缘层，所 述的表面硅层为退火含有注入离子的硅片并对其进行绝缘化处理后位于第一 绝缘层和腐蚀阻挡层之间的第 一表面硅层。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，退火后形成的腐蚀阻挡层的厚度为20nm 到500nm,第一绝缘层的厚度为100nm到5000nm,第一表面硅层的厚度为 20nm到400nm。更进一步，退火后形成的腐蚀阻挡层的厚度为50nm到150nm， 第一绝缘层的厚度为50nm到1000nm。
更进一步，上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的表面硅层还可以包括 第一表面硅层和第二表面硅层，所述第二表面硅层是通在第一表面硅层上外 延生长硅形成的；所述的绝缘层还可以为第三绝缘层，所述第三绝缘层是通 过绝缘化处理第二表面硅层形成的。
所述第二表面硅层为同质外延层，厚度为0.2微米到50微米。所述第三 绝缘层为二氧化硅层或者氮化硅层，厚度为100nm到5000nm。
进行退火处理时，退火温度为60(TC到1500°C。优选的退火温度为1100 。C到1350°C。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的退火工艺中，升温速率为0.5°C/ 分钟至10。C/分钟，退火后的降温速率为0.5。C/分钟至10。C/分钟。
上述的绝缘体上硅的制备工艺，所述的退火气氛为为氧气和氩气的混合
气氛或氧气和氮气的混合气氛，或为氧、氮和氩气的混合气氛，其中氧的质
量百分比含量为大于0%小于100%。优选的退火气氛中氧的质量百分比含量 为大于0%小于等子60%。
另选择一个半导体晶片，所述的半导体晶片为硅或者锗或者砷化镓。在 半导体晶片上通过绝缘化处理形成第二绝缘层，并将硅片和半导体晶片键合， 其中硅片上的绝缘层和半导体晶片上的第二绝缘层相接触。所述的第二绝缘 层为二氧化硅层或者氮化硅层。所述第二绝缘层的厚度为100nm到5000nm。 上述的第二绝缘层与第一绝缘层或者第三绝缘层的材料相同。 将硅片和半导体晶片键合的工艺，可以采用目前常规应用的键合机进行 键合。
键合后，进行加固处理。加固键合后的硅片和半导体晶片的工艺为退火 加固。所述的退火加固时退火气氛为含氧气氛。所述的含氧气氛为干氧或者 湿氧或者干氧与湿氧的混合气氛。
退火加固温度为20(TC至1400°C,退火时间为0.1小时至15小时，优选 的退火加固温度为60(TC至1250°C,退火时间为0.5小时至6小时。
退火加固处理之后，进行去除衬底硅层的工艺。作为本发明的一个优选 实施方式，去除衬底硅层的工艺为先减薄衬底硅层、再腐蚀去除衬底硅层。
减薄工艺可以通过薄片机实施，减薄后的衬底硅层的厚度为1/mi至 100/xm，优选的减薄后的衬底硅层的厚度为3/mi至30/mi。
腐蚀去除衬底硅层的腐蚀试剂为质量百分比浓度为0.1 %至50%的氢氧 化钾(KOH)溶液或者四甲基氢氧化铵(THMA)溶液，腐蚀温度为25。C至 200°C。优选的腐蚀试剂为质量百分比浓度为1%至50%的氢氧化钾(KOH) 溶液或者四曱基氢氧化铵(THMA)溶液，腐蚀温度为50。C至150°C。
去除衬底硅层后，进行去除腐蚀阻挡层的工艺。除去腐蚀阻挡层的工艺 为化学机械抛光或者化学腐蚀。优选采用化学腐蚀的工艺清除腐蚀阻挡层。
当腐蚀阻挡层为二氧化硅层时，清除腐蚀阻挡层的化学腐蚀剂为质量百分比
浓度为0.05 %至50 %的HF水溶液。优选的化学腐蚀剂为质量百分比浓度为 0.1 %至10 %的HF水溶液。
去除衬底硅层和腐蚀阻挡层之后，为了使表面硅层的均匀性更好，还可 以抛光表面硅层，抛光表面硅层的工艺为化学机械抛光或者氧化后再化学腐 蚀的工艺。
采用化学机械抛光的方法抛光表面硅层的厚度为5nm至5000nm。优选抛 光去除的表面硅层的厚度为10nm至500nm。
采用氧化后再化学腐蚀的方法抛光第一表面硅层时，去除的表面硅层的 厚度为30nm至500nm。优选抛光去除的表面硅层的厚度为50nm至300nm。
一种绝缘体上硅，包括顶层硅、隐埋绝缘层和支撑衬底，其中隐埋绝缘 层位于顶层硅和支撑衬底之间，其特征在于，所述的隐埋绝缘层由硅片的绝 缘层和半导体晶片的第二绝缘层键合而成。
上述的绝缘体上硅，所述的绝缘层为退火含有注入离子的硅片后对其进 行绝缘化处理形成的第 一绝缘层，所述的顶层硅为退火含有注入离子的硅片 后形成的第一表面硅层。
上述的绝缘体上硅，所述的顶层硅包括退火含有注入离子的硅片后形成 的第一表面硅层和在所述表面硅层上外延生长的第二表面硅层，所述的绝缘 层为在第二表面硅层上形成的第三绝缘层。
上述的绝缘体上硅，所述的隐埋绝缘层厚度为10nm至10000nm。
所述的顶层硅包括退火含有注入离子的硅片后形成的表面硅层和在所述 表面硅层上生长的外延硅层。所述的外延硅层为同质外延层。
上述的绝缘体上硅，所述的顶层硅厚度为20nm至25000nm。
上述的绝缘体上硅，所述的隐埋绝缘层为二氧化硅或者氮化硅。所述硅 片的表面绝缘层为二氧化硅或者氮化硅，所述半导体晶片的表面绝缘层也为
二氧化硅或者氮化硅。
所述的半导体晶片为硅或者锗或者砷化镓。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1、 本发明提供了一种绝缘体上硅，包含的隐埋绝缘层由一硅片的表面绝 缘层和一半导体晶片的表面绝缘层键合而成，厚度可在较大的范围内进行调 整，为10nm至10000nm。
2、 本发明提供的绝缘体上硅的顶层硅可以包括退火含有注入离子的硅片 后形成的表面硅层和在所述表面硅层上同质生长的外延硅层，使顶层硅的厚 度也可在较大的范围内进行调节，为20nm至25000nm。
3、 本发明提供的绝缘体上硅的制备方法，在硅片上通过绝缘化工艺形成 绝缘层(可以是第一绝缘层或者第三绝缘层)，在半导体晶片上通过绝缘化工 艺形成第二绝缘层，将硅片和半导体晶片进行键合后，形成的绝缘体上硅的 隐埋绝缘层为键合在一起的绝缘层和第二绝缘层。采用上述方案，由于形成 的隐埋绝缘层和顶层硅的接触界面是热氧化的界面，质量控制好。同时，不 仅可以减少界面颗粒等缺陷对顶层硅质量的直接影响，还可以减少键合过程 中的其他污染对顶层硅的影响，提高顶层硅的性能。而采用绝缘体上硅制作 器件时，顶层硅是作为器件层使用的，采用本发明提供的方法生成的绝缘体 上硅时，可以提高器件的使用性能。
4、 本发明提供的绝缘体上硅的制备方法，形成的绝缘层的厚度为键合在 一起的第一绝缘层和第二绝缘层的厚度之和或者第三绝缘层和第二绝缘层的 厚度之和，可以根据需要在较大的范围内进行调节。
5、 本发明提供的绝缘体上硅的制备工艺，表面硅层为在第一表面硅层上 外延生长第二表面硅层形成的，厚度可以根据需要在较大的范围内进行调节。 本发明对表面硅层进行抛光的范围较大，在5nm至5000nm之间，因此，可
以全部使用外延生长的第二表面硅层作为表面硅层，而外延生长的表面硅层 质量好。
6、本发明采用去除腐蚀阻挡层并进行抛光的工艺，形成的表面硅层的均 匀性好。


图l现有技术制备绝缘体上硅结构的工艺示意图。
图2A是本发明实施例1在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离
子后的截面结构示意图。
图2B是本发明实施例1退火后形成的硅片截面结构示意图。
图2C是本发明实施例1绝缘化处理后形成的含有第一绝缘层、第一表面
硅层、腐蚀阻挡层和衬底硅层的硅片的截面结构示意图。
图2D是本发明实施例1半导体晶片上形成第二绝缘层后的截面示意图。
图2E是本发明实施例l硅片和半导体晶片键合后的截面示意图。
图2F是本发明实施例1减薄衬底硅层后的结构截面示意图。
图2G是本发明实施例1去除衬底硅层后的结构截面示意图。
图2H是本发明实施例1去除腐蚀阻挡层后的结构截面示意图
图2I是本发明实施例l抛光第一表面硅层结构的截面示意图。
图3A是本发明实施例2在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离
子后的截面结构示意图。
图3B是本发明实施例2退火后形成硅片的截面结构示意图。
图3C是本发明实施例2在第一表面硅层上外延生长第二表面硅层后硅片
的截面结构示意图。
图3D是本发明实施例2第二表面硅层上形成第三绝缘层后的截面结构示意图。
图3E是本发明实施例2半导体晶片上形成第二绝缘层后的截面结构示意
图。
图3F是本发明实施例2键合硅片和半导体晶片后的截面结构示意图。
图3G是本发明实施例2减薄衬底硅层后的截面结构示意图。
图3H是本发明实施例2去除衬底硅层后的截面结构示意图。
图3I是本发明实施例2去除腐蚀阻挡层后的截面结构示意图。
图3J是本发明实施例2表面硅层结构后的截面结构示意图。
图4是本发明实施例1的绝缘体上硅厚度和均匀性测试结果
图5是本发明实施例2的绝缘体上硅层厚度和均匀性测试结果
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做一详细的说明。 本实施例首先给出了一种绝缘体上硅的制备工艺，工艺步骤为在硅片 上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子；将含有注入离子的硅片退火， 并形成含有绝缘层、表面硅层、腐蚀阻挡层和村底硅层的结构，其中绝缘层 和衬底硅层位于硅片的外侧，表面硅层与绝缘层相邻，腐蚀阻挡层与衬底硅 层相邻；在半导体晶片上形成第二绝缘层；将硅片和半导体晶片键合，其中 硅片上的绝缘层和半导体晶片上的第二绝缘层相接触；加固键合后的硅片和 半导体晶片；去除衬底硅层；去除腐蚀阻挡层。作为一种比较优化的技术方 案，去除腐蚀阻挡层后，还可以包括抛光表面硅层的步骤。 实施例1
在本实施例中，表面硅层即为附图2A至21中所示的第一表面硅层113, 绝缘层即为第一绝缘层116。
参考图2A所示，为在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子后 硅片的截面结构示意图，如图中所示，离子注入后，在硅片内形成离子注入 层112，离子注入层112将硅片分为第一表面硅层113和衬底硅层111。在硅 片上注入的能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子为氮离子或者氧离子，也可
以是其它离子如炭离子等， 一般来说，选择注入离子的基本原则是离子注入
之后形成的离子注入层112可作为化学腐蚀的阻挡层，本发明优选的注入离 子为氮离子或者氧离子，最优选的为氧离子。
本发明的离子注入工艺采用目前工艺已经比较成熟的注氧隔离技术 SIMOX(Separation-by-Oxygen Implantation),采用的设备为传统的离子注入才几， 如美国艾必斯科技有限公司(ibis Technology Co., Ltd )生产的ibisl000型离子 注入机。本发明进行氮离子或者氧离子的注入工艺时，离子注入能量在10KeV 到500KeV间，离子注入剂量在lE15/cm^'j 1E19/cn^之间，本发明对于离子 注入的温度不进行过多的限制，离子注入时硅片的温度一般在0。C到700°C， 进行离子注入工艺之后，离子注入的深度为50nm到1000nm。更进一步，本 发明进行氧离子的注入工艺，离子注入能量在30KeV到250KeV间，离子注 入剂量在5E16/cn^到2E18/cm"'司，离子注入温度为1(TC到55(TC，进行离子 注入工艺之后，离子注入的深度为100nm到500nm。
在本发明的一个优选的实施工艺中，采用目前常用的美国艾必斯科技有 限公司(ibis Technology Co. ， Ltd )生产的ibis1000型离子注入机进行氧离子的 注入，离子注入能量为190KeV，离子注入剂量为3.0E17/cm2，离子注入时的 温度为300。C，进行离子注入工艺之后，离子注入的深度为4700埃。
在本发明的另一个实施工艺中，采用改进后的日本真空技术公司生产的 ULVAC-200型号的离子注入机进行氧离子的注入，离子注入能量为50KeV， 离子注入剂量为5.0E15/cm2,离子注入时的温度为30°C，进行离子注入工艺 之后，离子注入的深度为1142埃。
在本发明的又一个实施工艺中，离子注入能量为350KeV，离子注入剂量 为4.0E18/cm2，离子注入时的温度为300°C，进行离子注入工艺之后，离子注 入的深度为8600埃。
此外，本发明还采用了离子注入能量为250Kev，离子注入剂量为
2.0E18/cm2，离子注入时的温度为450。C的工艺进行氮离子的注入，通过上述 的工艺，氮离子注入的深度为5600埃。
上述的离子注入工艺还可以为多步骤多温度的复合注入，也就是说，首 先进行一定剂量的离子注入，随后进行退火处理，之后再次进行离子注入， 并退火处理，上述离子注入、退火的工艺过程可以多次反复进行。采用多步 骤多温度的复合注入可以减少第 一表面硅层中的缺陷数量。
本发明给出 一个多步骤多温度的复合注入的具体的实施方式为首先采 用离子注入能量为200KeV,离子注入剂量为4E15/cn^进行预注入，注入时 的温度为550°C,然后在1300。C下Ar气和02混合气体中进行退火10小时， 其中02含量为10%;然后再采用离子注入能量为200KeV，离子注入剂量为 4E17/cm"主入，注入时的温度为550°C,然后在1300。C下Ar气和02混合气 体中进行退火10小时，其中02含量为10%。
在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子后，将含有注入离子 的硅片进行退火。退火后的结构截面示意图如图2B所示，离子注入层112转 变为腐蚀阻挡层114,腐蚀阻挡层114将硅片分为第一表面硅层113和衬底硅 层111。退火的目的是使注入层与第一表面硅层113和衬底硅层111之间的界 面比较陡峭，使得以后的工艺化学腐蚀容易在界面处停止。
上述退火工艺是在含氧的气氛中进行的，退火时的含氧气氛为氧气和氩 气的混合气氛或者氧气和氮气的混合气氛，其中氧的质量百分比含量在大于 0%小于100%的范围内都可以实现本发明的目的，比较优选的退火气氛中氧 的质量百分比含量为大于0%小于等于60%。
本发明的退火温度为60(TC到1500°C,比较优选的退火温度为IIO(TC到 1350°C。在加热的过程中，环境的升温速率为0.5。C/分钟至1(TC/分钟，退火 后的降温速率为0.5。C/分钟至1(TC/分钟。采用上述温度的目的是为了使注入 的离子和硅的反应充分。
进行退火处理后，形成的腐蚀阻挡层114的厚度为20nm到500nm，第一 表面硅层113的厚度为20nm到400nm。更进一步，退火后形成的腐蚀阻挡层 114的厚度为50nm到400nm。
在本发明的一个实施工艺中，在氧气和氩气的混合气体中进行退火，其 中氧气的质量百分比含量为10%，环境的升温速率为2。C/分钟，将温度升至 800°C，保持10小时，退火后的降温速率为2。C/分钟。处理后，形成的腐蚀 阻挡层114的厚度为60nm,第一表面硅层113的厚度为350nm。
在本发明的另一个实施工艺中，在氧气和氩气的混合气体中进行退火， 其中氧气的质量百分比含量为30%,环境的升温速率为6。C/分钟，将温度升 至1100。C，保持10小时，退火后的降温速率为6。C/分钟。处理后，形成的腐 蚀阻挡层114的厚度为100nm,第一表面珪层113的厚度为200nm。
在本发明的又一个实施工艺中，在氧气和氩气的混合气体中进行退火， 其中氧气的质量百分比含量为60%,环境的升温速率为1(TC/分钟，将温度升 至1400。C，保持10小时，退火后的降温速率为10。C/分钟。处理后，形成的 腐蚀阻挡层114的厚度为150nm,第一表面硅层113的厚度为50nm。
上述的退火工艺还可以通过多步多升降温速率的复合步骤和复合升降温 来实现，例如在氧气和氩气的混合气体中进行退火，其中氧气的质量百分比 含量为60%，环境的升温速率为10。C/分钟，将温度升至1400。C，保持10小 时，在降温过程中，在IOOO至1400。C之间降温速率为5。C/分钟，在800。C至 IOO(TC之间降温速率为10。C/分钟，在600。C至800。C之间降温速率为20°C/ 分钟，在600。C以下随炉降温。
根据离子注入层注入的离子的种类，形成的腐蚀阻挡层114可以是二氧 化硅层或者氮化硅层，也可以是其它硅的绝缘材料，如碳化硅层等。
在上述退火工艺后对硅片进行绝缘化处理，绝缘化处理可以采用半导体 行业上常用的处理工艺，如氧化或者氮化等。绝缘化处理后，硅片形成如图
2C所示的结构，在第一表面硅层113上形成第一绝缘层116，所述的第一绝 缘层116为二氧化硅或者氮化硅，厚度在10nm到5000nm之间。
在本发明的一个实施工艺中，对硅片采用氧化工艺形成第一绝缘层116, 对硅片的氧化工艺可采用集成电路中成熟的氧化制备工艺，如干氧氧化工艺 或者干氧-湿氧-干氧工艺，形成第一绝缘层116的厚度为1000nm。
参考图2D,选择另一半导体晶片121，在半导体晶片121上形成第二绝 缘层122。所述的半导体晶片121可以是任何半导体材料，如硅或者锗或者砷 化镓等半导体材料，所述的第二绝缘层122为氧化硅层或者氮化硅层。在半 导体晶片121上形成第二绝缘层122的工艺可以是现有技术中任何在半导体 上形成绝缘层的工艺，如氧化、氮化或者沉积。形成的第二绝缘层122的厚 度在0.1微米到5微米之间。
在本发明中，对上述晶片进行离子注入、退火和绝缘化处理和对半导体 晶片121进行绝缘化处理的工艺处理顺序没有任何限制，对上述晶片进行离 子注入、退火和绝缘化处理和对半导体晶片121进行绝缘化处理的工艺既可 以同时进行，可以分别单独进行，还可以先处理半导体晶片121或者先处理 硅片。
参考图2E，将上述硅片和半导体晶片121进行键合，如图2E所示，鍵 合后硅片上的第一绝缘层116和半导体晶片121上的第二绝缘层122相接触， 通过键合工艺可以使第一绝缘层116和第二绝缘层122以分子间作用力结合 在一起。由于第一绝缘层116和第二绝缘层122共同构成绝缘体上硅的绝缘 埋层，因此进行键合时，所选择的硅片上的第一绝缘层116和半导体晶片121 上的第二绝缘层122的材料应该相同，同时为二氧化硅层或者氮化硅层。
硅片和半导体晶片121进行键合的工艺为现有技术中常用的4定合工艺， 所采用的设备为艾卫集团(electronic vision group, EV Group)生产EVG键合 机，键合工艺可以在室温下进行，也可采用等离子体辅助室温键合。
将硅片和半导体晶片121进行键合后，进行硅片和半导体晶片121的加 固处理，加固处理可以将上述第一绝缘层116和第二绝》彖层122之间通过化 学键结合在一起。
上述的加固键合后的硅片和半导体晶片121的工艺为退火加固。所述的 退火加固时退火气氛为含氧气氛，所述的含氧气氛为干氧或者湿氧或者干氧 与湿氧的混合气氛。退火加固温度为20(TC至1400°C,退火时间为0.1小时至 15小时，更进一步，优选的退火加固温度为600。C至1250°C，退火时间为0.5 小时至6小时，气氛为干氧-湿氧-干氧。
本发明的一个实施工艺中，在干氧的气氛中进行退火加固，温度为200 'C，退火时间为13小时。
在本发明的一个实施工艺中，在湿氧气氛中进行退火加固，温度为1050 °C,退火时间为6小时。
在本发明的又一个实施工艺中，在干氧与湿氧的混合气氛中进行退火加 固，温度为1250°C,退火时间为0.5小时。
退火加固键合后的硅片和半导体晶片121之后，去除衬底硅层lll。去除 衬底硅层的工艺可以通过下面的两个工艺步骤来实现如图2F所示，先减薄 衬底硅层lll,形成减薄后的衬底硅层117;随后再采用化学腐蚀的方法去除 减薄后的村底硅层117,形成如图2G所示的结构。
减薄衬底硅层111的工艺是通过磨片机或者其它能够减薄硅片的设备实 现。采用减薄工艺减薄后形成的减薄后的衬底硅层117的厚度为lum至 100um,比较优选的减薄后的衬底硅层117的厚度为3um至30um。
化学腐蚀的方法去除减薄后的衬底硅层117的工艺是通过选用质量百分 比浓度为0.1 %至50 %的氢氧化钾(KOH )溶液或者四甲基氢氧化铵(THMA) 溶液作为腐蚀试剂来实现的，腐蚀温度为25。C至200°C。更进一步，优选的 腐蚀试剂为质量百分比浓度为1%至50%的氢氧化钾(KOH)溶液或者四曱
基氩氧化铵(THMA)溶液，腐蚀温度为50。C至150°C。
上述的减薄工艺是通过磨片机来实现的，所使用的磨片机可以是目前半 导体领域常用的任何型号的磨片机。
本发明的一个实施工艺中，先用磨片机减薄衬底硅层111的外侧，减薄 后，形成的减薄后的衬底硅层117的厚度为15um,将减薄后的衬底硅层117 在20(TC的温度条件下，选用质量百分比浓度为5 %的氢氧化钾(KOH )溶液 作为腐蚀试剂，去除减薄后的衬底硅层117。
本发明的另一个实施工艺中，先用磨片机减薄衬底硅层111的外侧，减 薄后，形成的减薄后的衬底硅层117的厚度为30um，将减薄后的衬底硅层117 在5(TC的温度条件下，选用质量百分比浓度为20%的氢氧化钾(KOH)溶液 作为腐蚀试剂，去除减薄后的衬底硅层117。
本发明的又一个实施工艺中，先用磨片机减薄衬底硅层111的外侧，减 薄后，形成的减薄后的衬底硅层117的厚度为80um,将减薄后的衬底硅层117 在150。C的温度条件下，选用质量百分比浓度为40%的四曱基氢氧化铵 (THMA)溶液作为腐蚀试剂，去除减薄后的村底硅层117。
去除衬底硅层111之后，进行去除腐蚀阻挡层114的工艺。清除腐蚀阻挡 层114的工艺为化学机械抛光或者化学腐蚀。采用化学机械抛光的方法去除 腐蚀阻挡层114的工艺为常规的现有技术，在此不作描述。本发明优选的去 除腐蚀阻挡层114的工艺为化学腐蚀的工艺，所选用的工艺也是现有技术中 去除二氧化硅或者氮化硅层的常规技术。本发明给出一个腐蚀阻挡层114为 二氧化硅层的优化工艺，清除腐蚀阻挡层114的化学腐蚀剂为质量百分比浓 度为0.05%至50%的HF水溶液。优选的化学腐蚀剂为质量百分比浓度为0.1 %至10%的HF水溶液。
去除腐蚀阻挡层114之后，为了使第一表面硅层113的表面均匀性更好， 并根据需要对第一表面硅层113的厚度进行调整，因此还包括抛光第一表面
硅层113的工艺步骤，抛光后形成的绝缘体上硅的结构参考图2I所示。
抛光第一表面硅层113的工艺为传统的化学机械抛光法或者氧化后再化 学腐蚀的方法。
化学机械抛光第一表面硅层113的工艺为本领域技术人员熟知的现有技 术。采用化学机械抛光的方法抛光后第一表面硅层113的厚度为30nm至 5000nm。优选抛光的第一表面硅层113的厚度为30nm至300nm。
氧化后再化学腐蚀的工艺也可以采用本领域技术人员熟知的现有技术。 采用氧化第一表面硅层时，去除的第一表面硅层的厚度为30nm至1000nm。 优选去除的第一表面硅层的厚度为30nm至500nm。
图2I所示的结构即为本发明形成的绝缘体上硅的截面结构示意图，包括 半导体晶片121、由第一绝缘层116、第二绝缘层122和第一表面硅层113。 其中半导体晶片121即为绝缘体上硅的支撑衬底，第一绝缘层116和第二绝 缘层122共同构成绝缘体上硅的隐埋绝缘层，第一表面硅层113即为绝缘体 上硅的顶层硅。隐埋绝缘层厚度由第一绝缘层116的厚度和第二绝缘层122 的厚度共同决定。
由于上述的隐埋绝缘层厚度由第一绝缘层116的厚度和第二绝缘层122 的厚度共同决定，因此可以在较大范围内进行调节，为110nm至10000nm, 克服了现有技术形成的绝缘体上硅的隐埋绝缘层厚度不能在较大范围内进行 调节的缺陷。
由于本实施例的方法形成的绝缘体上硅隐埋绝缘层和顶层硅的接触界面 是通过绝缘化处理形成的界面，质量容易控制，性能好。同时，不仅可以减 少界面缺陷对顶层硅质量的直接影响，还可以减少键合过程中环境中的污染 对顶层硅的影响，提高了顶层硅的性能。
结合图2A至图21，以及上述的工艺描述，本实施例给出一个制备绝缘体 上硅的具体实施工艺，如下
在原始硅片中注入氧离子，能量为190KeV，剂量为3.0E17/cm2，注入温 度为500。C,离子注入深度为470nm。注入后在硅片中形成离子注入层112， 注入层112把硅片分为第一表面硅层113和衬底硅层111。
注入后进行退火，退火气氛为Ar气和02的混合气体，其中02含量为 8%;升温速率为5'C/分钟，升温至1330。C后，保持10小时，然后降温速率 为5。C/分钟。退火后，形成的腐蚀阻挡层114为二氧化硅层，厚度为90士5nm。 第一表面硅层113的厚度为230土5nm。
退火后对注入的硅片进行绝缘化处理，采用干氧-湿氧-干氧工艺在第 一表面硅层113外侧形成第一绝缘层116，第一绝缘层116为二氧化硅，厚度 为400 ± 5nm。
在另一半导体晶片121上形成第二绝缘层122,半导体晶片121选用硅片， 第二绝缘层122为二氧化硅层，厚度为600 ± 5nm。
将表面已经绝缘化处理后形成第一绝缘层116的硅片111翻转，和半导体 晶片121进行键合，此时硅片上的第一绝缘层116和半导体晶片121上的第 二绝缘层122相接触，采用艾卫集团(electronic vision group, EV Group )生 产EVG键合机室温下进行键合。
键合后，退火加固硅片和半导体晶片121，退火加固温度为1150°C，退 火时间为3小时，气氛为干氧-湿氧-干氧。
之后，采用磨片机减薄村底硅层111,减薄后的衬底硅层117的厚度为 10um,然后，再采用氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀去除剩余的衬底硅层117， 氢氧化钾(KOH)溶液的质量百分比浓度为10%,腐蚀温度为70°C。
去除衬底硅层111之后，采用HF水溶液去除腐蚀阻挡层114， HF水溶 液浓度为4%。
去除腐蚀阻挡层114后，化学机械抛光第一表面硅层113,抛掉约50nm。 基于以上工艺实施后，得到最终的绝缘体上硅结构如图2I所示。从图中
可以看出，第一表面硅层113作为绝缘体上硅的顶层硅，半导体晶片121作 为绝缘体上硅支撑衬底，隐埋绝缘层位于顶层硅和支撑衬底之间，由硅片的 第一表面绝缘层116和半导体晶片121的第二表面绝缘层122键合而成。
采用美国科天公司(KLA-TENCOR)生产的UV1280SE厚度测试仪对 上述绝缘体上硅片进行表面均匀性测试和绝缘体上硅各层厚度的测试，测试 结果如图4所示，参数如下绝缘体上硅层厚度195.3nm，均匀性为土2.7nm, 隐埋绝缘层厚度为1000士10nm,顶层硅厚度为195.3nm。
实施例2
在本实施例中，表面硅层即为附图3A至3J中所示的第一表面硅层215 和第二表面硅层217之和，绝缘层即为第三绝缘层218。
参考图3A所示，为在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子后 硅片的截面结构示意图，如图中所示，离子注入后，在硅片内形成离子注入 层212，离子注入层212将硅片分为第一表面硅层215和衬底硅层211。在硅 片上注入的能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子为氮离子或者氧离子，也可 以是其它离子如炭离子等， 一般来说，选择注入离子的基本原则是离子注入 之后形成的离子注入层212可作为化学腐蚀的阻挡层，本发明优选的注入离 子为氮离子或者氧离子，最优选的为氧离子。
本发明的离子注入工艺采用目前工艺已经比较成熟的注氧隔离技术 SIMOX(Separation-by-Oxygen Implantation)，采用的设备也为常规的高能离子 注入设备进行离子注入。本发明进行氮离子或者氧离子的注入工艺时，离子 注入能量在10KeV到500KeV间，离子注入剂量在1E15/cn^到1E19/cn^之 间，离子注入时硅片的温度为0。C到700°C,进行离子注入工艺之后，离子注 入的深度为50nm到1000nm。更进一步，本发明进行氧离子的注入工艺，离 子注入能量在30KeV到250KeV间，离子注入剂量在5E16/cn^到2E18/cm2 间，离子注入温度为l(TC到550°C，进行离子注入工艺之后，离子注入的深度为層nm到500nm。
在一个具体的实施方式中，采用目前市场上常规的氧离子注入机进行氧
离子的注入，离子注入能量为280KeV，离子注入剂量为5.0E16/cm2，离子注 入时的温度为55(TC，进行离子注入工艺之后，离子注入的深度为7000埃。
上述的离子注入工艺还可以为多步骤多温度的复合注入，详细的描述以 及具体的实施例为首先采用离子注入能量为200KeV,离子注入剂量为 4E15/cn^进行预注入，注入时的温度为55CTC,然后在130(TC下Ar气和02 混合气体中进行退火10小时，其中02含量为10%;然后再采用离子注入能 量为200KeV,离子注入剂量为4E17/cm"主入，注入时的温度为550°C,然后 在130(TC下Ar气和02混合气体中进行退火10小时，其中02含量为10%。
在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子后，将含有注入离子 的硅片进行退火，退火的目的是使注入层与第一表面硅层215和衬底硅层211 之间的界面比较陡峭，使得以后的工艺化学腐蚀容易在界面处停止。退火后 的结构截面示意图如图3B所示，在硅片内形成腐蚀阻挡层214，腐蚀阻挡层 214将硅片分为第一表面硅层215和衬底硅层211。
上述退火工艺是在含氧的气氛中进行的，退火时的含氧气氛为氧气和氩 气的混合气氛或者氧气和氮气的混合气氛，其中氧的质量百分比含量在大于 0%小于100%的范围内都可以实现本发明的目的，比较优选的退火气氛中氧 的质量百分比含量为大于0%小于等于60%。
本发明的退火温度为60(TC到1500°C，比较优选的退火温度为IIO(TC到 1350°C。在对退火氛围进行加热的过程中，环境的升温速率为0.5。C/分钟至 10。C/分钟，退火后的降温速率为0.5。C/分钟至10。C/分钟。采用上述温度的目 的是为了使注入的离子和硅的反应充分。
退火之后，根据离子注入层注入的离子的种类，形成的腐蚀阻挡层214 可以是二氧化硅层或者氮化硅层，也可以是其它硅的绝缘材料，如碳化硅层
等。
进行退火处理后，形成的腐蚀阻挡层214的厚度为20nm到500nm，第一 表面硅层215的厚度为20nm到400nm。更进一步，所述腐蚀阻挡层214的厚 度为50nm到150nm，第一表面珪层215的厚度为50nm到400nm。
在一个具体的实施方式中，在氧气和氩气的混合气体中进行退火，其中氧气的质量百分比含量为80% ,环境的升温速率为8。C/分钟，将温度升至1200 。C，进行退火处理，退火后的降温速率为8。C/分钟。处理后，形成的腐蚀阻 挡层214的厚度为200nm，第一表面硅层215的厚度为100nm。
上述的退火工艺还可以通过多步多升降温速率的复合步骤和复合升降温 来实现，例如在氧气和氩气的混合气体中进行退火，其中氧气的质量百分比 含量为60%，环境的升温速率为10。C/分钟，将温度升至1400。C，保持10小 时，在降温过程中，在1000至1400。C之间降温速率为5。C/分钟，在800-1000 。C之间降温速率为10。C/分钟，在600至800。C之间降温速率为20。C/分钟，在 600。C以下随炉降温。
参考图3C所示，退火形成图3B所示的结构之后，在第一表面硅层215 上生长外延硅层，形成第二表面硅层217。
在第一表面硅层215上生长外延硅层的工艺也为本领域技术人员熟知的 常规工艺，生长的外延硅可以是P型或N型，可选用硼或磷或者其他物质作 为掺杂剂，生成的外延层为同质外延层。此处，外延生长的第二表面硅层217 的厚度可以在0.2微米至50微米之间，比较优选的厚度范围在0.2微米至25 ;微米之间。
参考图3D所示，通过直接氧化或者氮化第二表面硅层217的方法在第二 表面硅层217的表面形成第三绝缘层218，也可以在第二表面硅层217上沉积 第三绝缘层218，沉积的第三绝缘层218为二氧化硅或者氮化硅。
直接氧化或者氮化第二表面硅层217的方法为为本领域技术人员熟知的
常规工艺，在第二表面硅层217上沉积第三绝缘层218的工艺也可以采用常 规的化学气相沉积的方法。第三绝缘层218的厚度范围在0.1微米到5微米之 间。
参考图3E所示，另外选择一个半导体晶片221，在半导体晶片221上进 行绝缘化处理，形成第二绝缘层222。所述的半导体晶片221可以是由任何材 料制成的，如硅或者锗或者砷化镓等半导体材料，所述的第二绝缘层222为 氧化硅层或者氮化硅层。在半导体晶片221上形成第二绝缘层222的工艺可 以是现有技术中半导体上形成绝缘层的常规工艺，如半导体的氧化、氮化工 艺等。
参考图3F所示，将形成图3E所示结构的硅片和3D所示结构的半导体晶 片221进行键合，如图3F所示，键合后硅片上的第三绝缘层218和半导体晶 片221上的第二绝缘层222相接触，通过键合工艺可以使第三绝缘层218和 第二绝缘层222的原子通过分子间作用力结合在一起。由于第二绝缘层222 和第三绝缘层218共同构成绝缘体上硅的隐埋绝缘层，因此进行键合时，所 选择的硅片上的第三绝缘层218和半导体晶片221上的第二绝缘层222的材 料应该相同，同时为二氧化硅层或者氮化硅层。
硅片和半导体晶片221进行键合的工艺为现有技术中常用的键合工艺， 所采用的设备为艾卫集团(electronic vision group, EV Group )生产EVG键合 机，在室温下进行，也可采用等离子体辅助室温键合。
将形成图3E所示结构的硅片和3D所示结构的半导体晶片221进行键合 后，进行退火加固工艺，加固后，可以将上述第三绝缘层218和第二绝缘层 222之间通过化学键结合在一起。
退火加固时退火气氛为含氧气氛，所述的含氧气氛为干氧或者湿氧或者 干氧与湿氧的混合气氛。退火加固温度为20(TC至1400°C,退火时间为0.1小 时至15小时，更进一步，优选的退火加固温度为60(TC至1250°C，退火时间
为0.5小时至6小时。
在一个具体的实施方式中，在湿氧气氛中进行退火加固，温度为1150°C，
退火时间为6小时。
退火加固4建合后的硅片和半导体晶片221之后，去除衬底硅层211。参照 图3F和图3G,去除衬底硅层211的工艺可以通过下面的两个工艺步骤来实 现为先减薄衬底硅层211，形成减薄后的衬底硅层219;随后再采用化学腐 蚀的方法去除减薄后的衬底硅层219。
减薄衬底硅层211的工艺是通过过磨片机或者其它能够减薄硅片的设备 实现的。采用减薄工艺减薄后形成的减薄后的衬底硅层219的厚度为1/mi至 100pm，比较优选的减薄后的衬底硅层219的厚度为3/mi至30jtmi。
化学腐蚀的方法去除减薄后的衬底硅层219的工艺是通过选用质量百分 比浓度为0.1 %至50 %的氢氧化钾(KOH )溶液或者四曱基氢氧化铵(THMA) 溶液作为腐蚀试剂来实现的，腐蚀温度为25。C至20(TC。更进一步，优选的 腐蚀试剂为质量百分比浓度为1%至50%的氬氧化钾(KOH)溶液或者四曱 基氬氧化铵(THMA)溶液，腐蚀温度为5(TC至15(TC。
在一个具体的实施方式中，先用磨片机减薄衬底硅层211的外侧，减薄 后，形成的减薄后的衬底硅层219的厚度为15um，将减薄后的村底硅层219 在100。C的温度条件下，选用质量百分比浓度为1%的氢氧化钾(KOH)溶液 作为腐蚀试剂，去除减薄后的衬底硅层219。
去除衬底硅层211之后形成如图3H所示的结构，因此，进行去除腐蚀阻 挡层214的工艺。清除腐蚀阻挡层214的工艺为化学机械抛光或者化学腐蚀。 采用化学机械抛光的方法去除腐蚀阻挡层214的工艺为常规的现有技术，在 此不作描述。本发明优选的去除腐蚀阻挡层214的工艺为化学腐蚀的工艺， 所选用的工艺也是现有技术中去除二氧化硅或者氮化硅层的常规技术。本发 明给出一个腐蚀阻挡层214为二氧化硅层的优化工艺，清除腐蚀阻挡层214
的化学腐蚀剂为质量百分比浓度为0.05 %至50 %的HF水溶液。优选的化学 腐蚀剂为质量百分比浓度为0.1 %至10%的HF水溶液。
去除腐蚀阻挡层214之后，形成如图3I和3J所示的结构，第一表面硅层 215和第二表面硅层217共同构成表面硅层220。作为一个优化的技术方案， 为了使表面硅层220厚度达到所要求的厚度，同时使表面更光滑、均匀，还 包括氧化或者化学机械抛光由第一表面硅层215和第二表面硅层217构成的 表面硅层220的工艺步骤。抛光表面硅层220的工艺可以是化学机械抛光或 者采用氧化后化学腐蚀抛光的方法。
采用化学机械抛光的方法抛光去除的表面硅层的厚度为5nm至5000nm。 优选抛光掉的表面硅层的厚度为10nm至500nm。
采用氧化后化学腐蚀抛光的方法抛光表面硅层220时，抛光去除的表面 硅层220的厚度为30nm至1000nm。优选抛光去除的表面硅层的厚度为50nm 至300亂
经过上述工艺，形成的如图3J所示的结构即为本发明形成的绝缘体上硅 的截面结构示意图，包括作为支撑衬底的半导体晶片221,由第三绝缘层218 和第二绝缘层222共同构成的隐埋绝缘层，顶层硅即为图中所述的表面硅层 220,表面硅层220是由抛光后的第一表面硅层215和第二表面硅层217共同 构成的。
本发明形成的隐埋绝缘层的厚度由第三绝缘层218和第二绝缘层222的 厚度共同决定，因此厚度可以在较大范围内进行调节，厚度范围为0.2um至 10um，克服了现有技术的隐藏埋层厚度较薄的缺陷。
由于表面硅层220作为绝缘体上硅的顶层硅，而表面硅层220的厚度为 抛光后的第一表面硅层215和第二表面硅层217的厚度之和，因此，顶层硅 的厚度在20纳米至25微米之间，克服了现有技术顶层硅厚度在可调节范围 小的缺陷。
结合图3A至图3J,以及上述的工艺描述，本发明给出一个制备绝缘体上 硅的具体实施例，如下
在硅片中注入氧离子，能量为190KeV,剂量为2.5E17/cm2，注入温度为 300°C，离子注入深度为420nm。注入后在^^圭片中形成离子注入212，注入层 212把硅片分为表面硅层213和衬底硅层211。
注入后进行退火工艺，退火气氛为Ar气和02的混合气体，其中02含量 为15%;升温速率为15。C/分钟，升温至1330。C后，保持8小时，然后降温速 率为15。C/分钟。退火后，形成的腐蚀阻挡层214为二氧化硅层，厚度为80 ± 5nm。第一表面硅层215的厚度为250 ± 5nm。
之后，在第一表面硅层215上生长同质外延硅，形成第二表面硅层217， 厚度为1.4um。第一表面硅层215和第二表面硅层217共同构成本发明所述的 表面硅层。
将外延后的硅片进行绝缘化处理，采用干氧-湿氧-干氧工艺在第二表 面硅层217外侧形成第三绝缘层218，第三绝缘层218为二氧化硅，厚度为 200 ± 10亂
选择另一个半导体晶片221,所述半导体晶片221为硅片。通过热氧化工 艺在半导体晶片221上形成第二绝缘层222，材料为二氧化硅，厚度为800土 5nm。
将上述表面形成第二绝缘层222的硅片翻转，和半导体晶片221进行键 合，键合时，硅片上的第三绝缘层218和半导体晶片221上的第二绝缘层222 相接触，采用EVG键合机室温下将它们进行键合。
键合后，进行退火加固处理，退火加固温度为1150°C,退火时间为3小 时，气氛为水汽氧化。
退火加固处理之后，采用磨片机减薄衬底硅层211,形成减薄后的衬底硅 层217，厚度为15um。之后，再采用氢氧化钾(KOH)溶液蚀腐剩余的衬底
硅219，氢氧化钾(KOH)溶液的质量百分比浓度为10% ,腐蚀温度为70°C。 去除衬底硅层211之后，釆用HF水溶液去除腐蚀阻挡层214， HF水溶 液浓度为4 % 。为了得到均匀性更好的表面硅层，采用化学机械抛光法对表面 硅层进行抛光处理，抛掉约的厚度为100nm。
基于以上工艺实施后，得到最终的绝缘体上硅结构如图3J所示。从图中 可以看出，第二绝缘层222和第三绝缘层218共同构成绝缘体上硅的隐埋绝 缘层，由抛光后的表面硅层220作为绝缘体上硅的顶层硅，半导体晶片221 作为绝缘体上硅支撑衬底。隐埋绝缘层位于顶层硅和支撑衬底之间，由硅片 的第三表面绝缘层218和半导体晶片的第二表面绝缘层222键合而成。
采用美国科天公司(KLA-Tencor )的UV1280SE厚度测试仪对上述绝缘 体上硅片进行表面均勻性测试和绝缘体上硅各层厚度的测试，测试结果如图5 所示，参数如下均匀性为土21.5nm,隐埋绝缘层厚度为1000 ± 10nm，顶层 硅厚度为1.548um。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，包含如下步骤在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子；将含有注入离子的硅片退火，并形成含有绝缘层、表面硅层、腐蚀阻挡层和衬底硅层的结构，其中绝缘层和衬底硅层位于硅片的外侧，表面硅层与绝缘层相邻，腐蚀阻挡层与衬底硅层相邻；在半导体晶片上形成第二绝缘层；将硅片和半导体晶片键合，其中硅片上的绝缘层和半导体晶片上的第二绝缘层相接触；加固键合后的硅片和半导体晶片；去除衬底硅层；去除腐蚀阻挡层。
2. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的能与 硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子为氮离子或者氧离子。
3. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的绝缘 层为退火含有注入离子的硅片后对其进行绝缘化处理形成的第 一绝缘层， 所述的表面硅层为退火含有注入离子的硅片并对其进行绝缘化处理后位于 第 一绝缘层和腐蚀阻挡层之间的第 一表面硅层。
4. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的表面 硅层包括第一表面硅层和第二表面硅层，所述第二表面硅层是通过在第一 表面硅层上外延生长硅形成的；所述的绝缘层为第三绝缘层，是通过绝缘 化处理第二表面硅层形成的。
5. 根据权利要求4所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述第二表 面硅层为同质外延层；所述第三绝缘层为二氧化硅层或者氮化硅层。
6. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的半导 体晶片为硅或者锗或者砷化镓。
7. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的第二 绝缘层为二氧化硅层或者氮化硅层。
8. 根据权利要求3所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的第二 绝缘层与第 一绝缘层的材料相同。
9. 根据权利要求4所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的第二 绝缘层与第三绝缘层的材料相同。
10. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的去除 衬底硅层的工艺为先减薄衬底硅层、再腐蚀去除减薄后的衬底硅层。
11. 根据权利要求1所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，去除腐蚀阻 挡层后还包括抛光表面硅层的步骤。
12. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于， 离子注入能量在10KeV到500KeV间，离子注入剂量在1E15/cm2到 1E19/cm2间。
13. 根据权利要求12所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，离子注入 能量在30KeV到250KeV间，离子注入剂量在5E16/cm2到2E18/cm2间。
14. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在 于，离子注入时的温度为0。C到700°C。
15. 根据权利要求14所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，离子注入 时的温度为l(TC到550°C。
16. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在 于，离子注入的深度为50nm到1 OOOnm。
17. 根据权利要求16所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，离子注入 的深度为100nm到500nm。
18. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于， 所述的退火温度为60(TC到1500。C。
19. 根据权利要求18所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的退 火温度为1画。C到1350°C。
20. 根据权利要求18或者19所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所 述的退火工艺中，升温速率为0.5。C/分钟至1(TC/分钟，退火后的降温速率 为0.5°(:/分钟至10。C/分钟。
21. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在 于，所述的退火气氛为为氧气和氩气的混合气氛或氧气和氮气的混合气氛， 或为氧、氮和氩气的混合气氛，其中氧的质量百分比含量为大于0%小于 100%。
22. 根据权利要求21所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的退 火气氣中氧的质量百分比含量为大于0%小于等于60%。
23. 根据权利要求3所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的第一 绝缘层的厚度为10nm到5000nm，第一表面硅层的厚度为20nm到400nm。
24. 根据权利要求4所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述第二表 面硅层的厚度为0.2微米到50微米，第三绝缘层的厚度为100nm到 5000nm。
25. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在 于，所述第二绝缘层的厚度为100nm到5000nm。
26. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在 于，采用^^合机将硅片和半导体晶片^fe合。
27. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于， 加固键合后的硅片和半导体晶片的工艺为退火加固。
28. 根据权利要求27所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的退火 加固时退火气氛为含氧气氛。
29. 根据权利要求28所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述的退火 加固时退火气氛为干氧或者湿氧或者干氧与湿氧的混合气氛。
30. 根据权利要求27所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，退火加固温 度为20(TC至1400°C,退火时间为0.1小时至15小时。
31. 根据权利要求30所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，退火加固温 度为60(TC至1250°C,退火时间为0.5小时至6小时。
32. 根据权利要求11所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述减薄后 的衬底硅层的厚度为lum至100um。
33. 根据权利要求32所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述减薄后 的衬底硅层的厚度为3um至30um。
34. 根据权利要求11所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述腐蚀清 除衬底硅层的腐蚀试剂为质量百分比浓度为0.1 %至50%的氢氧化钾(KOH)溶液或者四曱基氢氧化铵(THMA )溶液，腐蚀温度为25。C至200 。C。
35. 根据权利要求34所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，所述腐蚀清 除衬底硅层的腐蚀试剂为质量百分比浓度为1 %至50。/。的氢氧化钾(KOH) 溶液或者四曱基氢氧化铵(THMA)溶液，腐蚀温度为50。C至150°C。
36. 根据权利要求1至11中任一项所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于， 清除腐蚀阻挡层的工艺为化学机械抛光或者化学腐蚀。
37. 根据权利要求36所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，腐蚀阻挡层 为二氧化硅层时，清除腐蚀阻挡层的化学腐蚀剂为质量百分比浓度为0.05 %至50%的HF水溶液。
38. 根据权利要求37所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，腐蚀阻挡层 为二氧化硅层时，清除腐蚀阻挡层的化学腐蚀剂为质量百分比浓度为0.1%至10W的HF水溶液。
39. 根据权利要求38所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，抛光表面硅 层的工艺为化学机械抛光或者氧化后再化学腐蚀。
40. 根据权利要求39所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，化学机械抛 光去除的表面硅层的厚度为5nm至5000nm。
41. 根据权利要求40所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，化学机械抛 光去除的表面硅层的厚度为10nm至500nm。
42. 根据权利要求39所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，氧化后化学 腐蚀去除的表面硅层的厚度为30nm至500nm。
43. 根据权利要求42所述的绝缘体上硅的制备工艺，其特征在于，氧化后化学 腐蚀去除的表面硅层的厚度为50nm至300nm。
44. 一种绝缘体上硅，包括顶层硅、隐埋绝缘层和支撑衬底，其中隐埋绝缘层 位于顶层硅和支撑衬底之间，其特征在于，所述的隐埋绝缘层由硅片的绝 缘层和半导体晶片的第二绝缘层键合而成。
45. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的绝缘层为退火含 有注入离子的硅片后对其进行绝缘化处理形成的第一绝缘层，所述的顶层 硅为退火含有注入离子的硅片后形成的第一表面硅层。
46. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的顶层硅包括退火 含有注入离子的硅片后形成的第一表面硅层和在所述表面硅层上外延生长 的第二表面硅层，所述的绝缘层为在第二表面硅层上形成的第三绝缘层。
47. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的隐埋绝缘层厚度 为110nm至10000nm。
48. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的顶层硅厚度为 20nm至25000nm。
49. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述硅片的表面绝缘层 为二氧化硅或者氮化硅，所述半导体晶片的表面绝缘层为二氧化硅或者氮 化硅。
50. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的隐埋绝缘层为二 氧化硅或者氮化硅。
51. 根据权利要求44所述的绝缘体上硅，其特征在于，所述的半导体晶片为硅 或者锗或者砷化镓。
全文摘要
一种绝缘体上硅的制备工艺，包含如下步骤在硅片上注入能与硅反应生成腐蚀阻挡材料的离子；将含有注入离子的硅片退火，并形成含有绝缘层、表面硅层、腐蚀阻挡层和衬底硅层的结构，其中绝缘层和衬底硅层位于硅片的外侧，表面硅层与绝缘层相邻，腐蚀阻挡层与衬底硅层相邻；在半导体晶片上形成第二绝缘层；将硅片和半导体晶片键合，其中硅片上的绝缘层和半导体晶片上的第二绝缘层相接触；加固键合后的硅片和半导体晶片；去除衬底硅层；去除腐蚀阻挡层。上述方法生成的绝缘体上硅隐埋绝缘层质量高，绝缘性能好，厚度可随意调节，顶层硅厚度的均匀性好。
文档编号H01L21/00GK101101891SQ20061002876
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者猛 陈 申请人:上海新傲科技有限公司;国际O&A半导体制造有限公司