专利名称：多层半导体衬底的制备方法
技术领域：
本发明是关于多层半导体衬底的制备方法，特别涉及低成本、高效率且工艺稳定的多层半导体衬底的制备方法。
背景技术：
集成电路中电源控制等电路广泛使用厚膜外延片，所谓厚膜外延片是指在半导体衬底表面外延一层具有不同电阻率的外延层，改外延层厚度通常大于lOOum。目前主要的外延制备技术采用平板式外延炉制备该类衬底，通过在一半导体衬底上通过外延工艺制备具有不同电阻率的外延层。外延工艺的缺点在于时间长，单炉工艺时间超过2. 5小时，并且生产效率低，制备成本高，片内厚度均勻性仅能控制在5%左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种低成本、高效率且工艺稳定的多层半导体衬底的制备方法。为了解决上述问题，本发明提供了一种多层半导体衬底的制备方法，包括如下步骤提供第一半导体衬底和第二半导体衬底；将第一半导体衬底和第二半导体衬底中的至少一个浸入氧化性溶液或者氧化性气体中，以在表面形成氧化的键合媒介层；以键合媒介层为中间层，将第一半导体衬底和第二半导体衬底键合在一起。作为可选的技术方案，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底由相同的材料构成，且具有不同的电阻率，或者具有不同的导电类型；所述第一半导体衬底和第二半导体衬底的材料为单晶硅。作为可选的技术方案，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底由不同的材料构成，所述清洗的具体的工艺参数是采用氢氟酸溶液清洗1分钟以上，再采用去离子水清洗不超过10分钟。作为可选的技术方案，在键合步骤实施完毕后，进一步包括一对键合界面实施退火的步骤。作为可选的技术方案，在键合步骤实施完毕后，进一步包括减薄第一半导体衬底或者第二半导体衬底的步骤。本发明的优点在于提出了一种多层半导体衬底的制备方法，将第一半导体衬底和 /或第二半导体衬底浸入氧化性溶液或者氧化性气体中形成自然氧化层，并实施键合，此衬底即具有多层结构，且上下两层的电学和晶体学性质由之前的第一半导体衬底和第二半导体衬底决定，所提供的方法具有低成本、高效率且工艺稳定的优点。本发明进一步提出了在键合之后实施退火的步骤，可以进一步促进多层半导体衬底中两层之间在晶格尺度上的融合，从所获得的TEM照片可以明显看到键合界面氧已经消融，晶格是连续的。
附图1是本发明所述具体实施方式
的实施步骤示意图。附图2A至附图2E是本发明所述具体实施方式
的工艺示意图。附图3是本发明所述具体实施方式
中多层半导体衬底在多层界面处的投射电子显微镜(TEM)照片。
具体实施例方式接下来结合附图详细介绍本发明所述一种多层半导体衬底的制备方法的具体实施方式
。附图1所示是本发明所述具体实施方式
的实施步骤示意图，包括步骤S10，提供第一半导体衬底和第二半导体衬底；步骤S11，将第一半导体衬底和第二半导体衬底采用氢氟酸溶液和去离子水冲洗，以在被清洗的表面形成氧化的键合媒介层；步骤S12，以键合媒介层为中间层，将第一半导体衬底和第二半导体衬底键合在一起；步骤S13，对键合界面实施退火；步骤S14，减薄第一半导体衬底或者第二半导体衬底。附图2A至附图2E所示是本具体实施方式
的工艺示意图。附图2A所示，参考步骤S10，提供第一半导体衬底100和第二半导体衬底200。上述两半导体衬底意在分别构成多层半导体衬底的两个不同的半导体层，故第一半导体衬底 100和第二半导体衬底200可以由相同或者不同的材料构成，在两者是相同材料构成的情况下，应当各自具有不同的电阻率，或者具有不同的导电类型，或者在其他晶体学或者电学指标上存在差异。在第一半导体衬底100和第二半导体衬底200的材料相同的情况下，两者的材料例如可以是单晶硅。附图2B所示，参考步骤Sl 1，将第一半导体衬底100和第二半导体衬底200采用氢氟酸溶液和去离子水冲洗，以在表面形成氧化的键合媒介层101。以单晶硅衬底为例，清洗的具体的工艺参数是HF清洗1分钟以上，再采用去离子水清洗不超过10分钟，所获得的键合媒介层的厚度通常是小于0. 5nm的。以上清洗时间和氢氟酸溶液浓度、去离子水中的含氧量、温度以及衬底材料都具有密切关系，需要本领域内技术人员根据实际所获得的氧化层厚度进行调整。一般来说，HF是为了对表面起到清洁作用，增加氢氟酸时间有利于获得清洁的表面，而增加去离子水清洗的时间有利于增加表面氧化的键合媒介层101的厚度。在上述HF清洗和去离子水冲洗之间，还可以进一步包括一氢氧化铵溶液冲洗的步骤和一氯化氢溶液冲洗的步骤，上述两种溶液清洗的目的在于提高表面的清洁度，两种清洗液的浓度以及清洗时间可以通过实验确定，以不明显增厚键合媒介层为宜。本具体实施方式
以第一半导体衬底100为例进行描述，在其他的实施方式中，也可以是在第二半导体衬底200表面形成键合媒介层，或者在第一半导体衬底100和第二半导体衬底200的表面均形成键合媒介层。在将第一半导体衬底100浸入氧化性溶液中，应当在其两个表面均形成键合媒介层，附图2B中为了方便后续步骤的叙述，仅示出了一个表面的键合媒介层101。由于键合媒介层是在氧化性溶液或者氧化性气体中自然形成的，故厚度通常是小于0. 5nm的，附图2B 中为了清晰起见而绘制了一个较厚的键合媒介层101，这并不意味着键合媒介层101与第一半导体衬底100之间的厚度是具有如此的比例关系的，而只是为了方便表述而做出的示意。
附图2C所示，参考步骤S12，以键合媒介层101为中间层，将第一半导体衬底100 和第二半导体衬底120键合在一起。对于两个表面都具有键合媒介层的情况而言，应当根据表面的其他性质，例如是否是抛光的表面来选择键合面，当然对于双面抛光衬底而言可以选取任何一个表面作为键合表面。由于前一步骤中将第一半导体衬底100浸入氧化性溶液或者氧化性气体中，并未对衬底表面带来任何额外的沾污，将其浸入氧化性溶液中甚至还有对表面进行清洁的作用，故本键合步骤可以在步骤Sll实施完毕后立即实施而不必再实施额外的清洗步骤。键合完毕后的第一半导体衬底100和第二半导体衬底200即形成了多层的半导体衬底，在后续减薄并抛光之后，此衬底即具有多层结构，且上下两层的电学和晶体学性质由之前的第一半导体衬底100和第二半导体衬底200决定。如果之前的第一半导体衬底100和第二半导体衬底200具有不同的电导率，则所获得的多层半导体衬底也具有多层的电导率。在步骤Sll实施之前，还可以进一步选择对第一半导体衬底100或第二半导体衬底120的表面进行掺杂，可以选择注入或者扩散的方法实施。掺杂后的第一半导体衬底100 或第二半导体衬底120本身即具有不同电导率的双层结构，再将两者键合在一起，即形成了具有三层(选择其一进行掺杂)甚至四层(两者均进行掺杂)的半导体衬底，对于中间具有重掺杂夹层的三层半导体结构对于IGBT等功率器件尤其具有重要的应用价值。附图2D所示，参考步骤S13，对键合界面实施退火。退火温度优选大于1000°C，以使键合界面在高温加固退火后界面处氧化形成的键合媒介层101消融晶格化，不影响后续器件性能。由于界面处的键合媒介层101是通过自然氧化形成的，厚度较薄，故其中所含有的氧原子可以在退火过程中扩散到晶格中去，被晶格原子稀释，进而使第一半导体衬底100 和第二半导体衬底200的晶格在界面处能够保持连续。附图3是退火后的界面处的投射电子显微镜(TEM)照片，从中可以明显看到键合界面氧已经消融，晶格是连续的。故此退火的步骤可以进一步促进多层半导体衬底中两层之间在晶格尺度上的融合。附图2E所示，参考步骤S14，减薄第一半导体衬底100和第二半导体衬底200。减薄的厚度根据实际应用的需要来确定，通常在晶圆加工的过程中，这个厚度都是由需要此晶圆的客户给定的，减薄可以首先采用机械减薄，再实施化学机械抛光进行表面精加工。在减薄之前还可以进一步根据需要实施倒角工艺。减薄之后，还可以再引入一半导体衬底重复实施上述自然氧化工艺、键合工艺以及掺杂工艺，进一步形成具有更多叠层的半导体衬底。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。
权利要求
1.一种多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤提供第一半导体衬底和第二半导体衬底；将第一半导体衬底和第二半导体衬底中的至少一个进行冲洗，所述冲洗依次包括一氢氟酸溶液冲洗的步骤和一去离子水冲洗的步骤，以在被清洗的表面形成氧化的键合媒介层；以键合媒介层为中间层，将第一半导体衬底和第二半导体衬底键合在一起。
2.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底由相同的材料构成，且具有不同的电阻率。
3.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底由相同的材料构成，且具有不同的导电类型。
4.根据权利要求2或3所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底的材料为单晶硅。
5.根据权利要求4所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液冲洗步骤的清洗时间是1分钟以上，所述去离子水冲洗步骤的清洗时间不超过10分钟。
6.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述第一半导体衬底和第二半导体衬底由不同的材料构成。
7.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，在键合步骤实施完毕后，进一步包括一对键合界面实施退火的步骤。
8.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，在键合步骤实施完毕后，进一步包括减薄第一半导体衬底或者第二半导体衬底的步骤。
9.根据权利要求1所述的多层半导体衬底的制备方法，其特征在于，所述将第一半导体衬底和第二半导体衬底中的至少一个进行冲洗的步骤中，在所述氢氟酸溶液冲洗的步骤和去离子水冲洗的步骤之间，进一步包括一氢氧化铵溶液冲洗的步骤和一氯化氢溶液冲洗的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种多层半导体衬底的制备方法，包括如下步骤提供第一半导体衬底和第二半导体衬底；将第一半导体衬底和第二半导体衬底中的至少一个浸入氧化性溶液或者氧化性气体中，以在表面形成氧化的键合媒介层；以键合媒介层为中间层，将第一半导体衬底和第二半导体衬底键合在一起。
文档编号H01L21/20GK102315096SQ201110238030
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月19日 优先权日2011年8月19日
发明者叶斐, 张峰 申请人:上海新傲科技股份有限公司