专利名称：减薄器件层的方法以及衬底的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种减薄器件层的方法以及衬底的制备方法。
背景技术：
以SOI (Silicon On Insulator,绝缘体上的娃)材料为代表的带有绝缘埋层的半导体衬底材料正越来越成为业界关注的重点。传统的键合SOI材料的生产工艺是在支撑衬底(Handle Wafer)上热生长氧化层，再与另一片器件衬底(Device Wafer)正面键合加固， 最后对器件衬底进行减薄，形成SOI材料。
现有技术的缺点在于，支撑衬底受硅片加工技术限制，很难做到400 μ m以下的厚度，并且支撑衬底与器件衬底的减薄及平坦化成为技术关键瓶颈，往往器件衬底减薄形成的顶层半导体层的均匀性最佳只能做到±0.5μπι的水平，且良率较低，无法突破 + 0. 3 μ nio发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种减薄器件层的方法以及衬底的制备方法，可以提高顶层半导体层的厚度均匀性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种减薄器件层的方法，包括如下步骤提供一复合衬底，所述复合衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层以及绝缘埋层表面的器件层； 采用热氧化法在器件层和支撑层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层；采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度；同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层。
可选的，所述支撑层和器件层的材料均为单晶硅，所述第一和第二热氧化层的材料均为氧化硅。
可选的，所述单面研磨进一步是采用化学机械抛光工艺。
可选的，所述同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层的步骤，进一步是通过腐蚀液同时腐蚀第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层恰好全部被除去时停止。
可选的，所述同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层的步骤，进一步是通过双面研磨法同时研磨第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层恰好全部被除去时停止。所述双面研磨进一步是采用化学机械抛光工艺。
本发明进一步提供了一种衬底的制备方法，包括如下步骤提供一支撑衬底和一器件衬底；在支撑衬底和/或器件衬底表面形成绝缘埋层；以绝缘埋层为中间层，将器件衬底和支撑衬底键合在一起，形成复合衬底，所述支撑衬底为复合衬底的支撑层；减薄器件衬底，形成复合衬底的器件层；采用热氧化法在支撑层和器件层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层；采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度；同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层；减薄器件层。
可选的，所述减薄器件层的步骤，进一步是采用化学机械抛光工艺。
本发明的优点在于，仅采用了一步热氧化工艺，同时在衬底的正面和背面生长热氧化层，既达到了降低器件层厚度的目的，又同时在支撑层表面形成了用来调节厚度的第二热氧化层，并且通过预先减薄器件层表面的第一热氧化层的方法，使得在第一热氧化层被完全去除后，仍然保留有部分第二热氧化层。
附图I所示是本发明所述的减薄器件层的方法具体实施方式
的实施步骤示意图； 附图2A至附图2D所示是附图I所述方法的工艺示意图；附图3所示是本发明所述衬底的制备方法具体实施方式
的实施步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的减薄器件层的方法以及衬底的制备方法的具体实施方式
做详细说明。
首先给出本发明所述的减薄器件层的方法的具体实施方式
。
附图I所示是本具体实施方式
的实施步骤示意图，包括步骤S10，提供一复合衬底，所述复合衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层以及绝缘埋层表面的器件层；步骤S11，采用热氧化法在器件层和支撑层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层；步骤 S12，采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度；步骤S13，同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层。
附图2A至附图2D所示是上述方法的工艺示意图。
附图2A所示，参考步骤S10，提供一复合衬底200，所述复合衬底包括支撑层210、 支撑层210表面的绝缘埋层220以及绝缘埋层220表面的器件层230。所述复合衬底200 可以采用包括智能剥离以及隔离氧离子注入等本领域内任意一种常见的方法获得。支撑层 210和器件层230的材料可以是包括单晶硅在内的任意一种常见的半导体材料。该复合衬底支撑层可以有氧化层，例如经过单面抛光的带有背封的复合衬底，亦可以为没有氧化层， 例如经过双面研磨抛光后的复合衬底。但由于双面抛光相对于传统单面抛光可以获得更佳的平坦度，为了获得更好的器件层230均匀性(一般要小于±0. 3 μ m)，此处优选采用经过双面抛光后的复合衬底，如附图2A所示，该复合衬底正反面均不含氧化层。
附图2B所示，参考步骤S11，采用热氧化法在器件层230和支撑层210的表面形成相同厚度的第一热氧化层241和第二热氧化层242。氧化条件可以湿氧也可以是干氧，氧化工艺取决于需要的氧化层厚度，温度为900-1400°C，优化工艺为1050°C。在支撑层210和器件层230为单晶硅的实施方式中，本步骤氧化后形成的第一热氧化层241和第二热氧化层242的材料为氧化硅。为了进行下一步工艺，氧化厚度需大于最终用户的要求，由于氧化作用，一部分器件层230被减薄。本步骤采用热氧化的方法先行去除一部分的器件层230，可以降低后续采用化学机械抛光工艺的去除量，提高器件层230的平整度。
附图2C所示，参考步骤S12，采用单面研磨法减薄器件层230表面的第一热氧化层241至预定厚度。可以利用现有中的CMP配合氧化层抛光液(例如对于氧化硅可以用含有HF等的各类酸性抛光液)抛光若干分钟(控制速率在O. Γ0. 3 μ m/分钟)，去除一定量的第一热氧化层241，产生正反面氧化层厚度差，通过定量的HF腐蚀后，由于厚度差的存在， 正面第一热氧化层241被部分去除，背面留有一定量的氧化层。
附图2D所示，参考步骤S13，同时减薄器件层230和支撑层210表面的第一热氧化层241和第二热氧化层242，至器件层230表面的第一热氧化层241全部被除去，而支撑层 210表面保留有减薄后的第二热氧化层242。本步骤可以采用湿法腐蚀或者热氧化法实施。 通过腐蚀液同时腐蚀第一热氧化层241和第二热氧化层242，至器件层230表面的第一热氧化层241恰好全部被除去时停止；或者通过双面研磨法同时研磨第一热氧化层241和第二热氧化层242，至器件层230表面的第一热氧化层241恰好全部被除去时停止。所述双面研磨进一步是采用化学机械抛光工艺。背面保留的热氧化层242可以用于抵消支撑层210、绝缘埋层220以及器件层230三者之间的失配应力，从而达到调节衬底整体翘曲度的目的。
本具体实施方式
的优点在于，采用了一步热氧化工艺，同时在衬底的正面和背面生长热氧化层，既达到了降低器件层230厚度的目的，又同时在支撑层210表面形成了用来调节厚度的第二热氧化层242，并且通过预先减薄器件层230表面的第一热氧化层241的方法，使得在第一热氧化层241被完全去除后，仍然保留有部分第二热氧化层242。
接下来结合附图给出本发明所述的衬底的制备方法的具体实施方式
。
附图3所示是本具体实施方式
的实施步骤示意图，包括步骤S300，提供一支撑衬底和一器件衬底；步骤S310，在支撑衬底和/或器件衬底表面形成绝缘埋层；步骤S320，以绝缘埋层为中间层，将器件衬底和支撑衬底键合在一起，形成复合衬底，所述支撑衬底为复合衬底的支撑层；步骤S330，减薄器件衬底，形成复合衬底的器件层；步骤S341，采用热氧化法在支撑层和器件层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层；步骤S342，采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度；步骤S343，同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层；步骤S350，减薄器件层。
步骤S300至步骤S330所示是现有技术中常见的形成具有绝缘埋层衬底的方法， 之中还可以进一步补充衬底厚度修正、研磨倒角等工艺，此处不再赘述。形成具有绝缘埋层的衬底后，通常需要通过化学机械抛光等工艺减薄器件层。其中步骤S330的减薄器件衬底一般是采用研磨或者腐蚀方法，表面粗糙且厚度较难精细控制，仍需实施化学机械抛光等工艺进一步对表面平坦化并精细控制厚度。但化学机械抛光的过程中，会对器件层的厚度造成偏差，且这个偏差是随着时间累加的。故本具体实施方式
进一步实施步骤S341至步骤 S343，采用热氧化的方法首先对器件层实施预先减薄，降低后续化学机械抛光的去除量，从而提高器件层的厚度均匀性。步骤S341至步骤S343的实施请参考前一个具体实施方式
的叙述，此处不再赘述。在实施步骤S341至步骤S343的基础上，再实施步骤S350，较之于在步骤S330之后直接实施步骤S350，可以降低此步骤对器件层的去除量，从而提高器件层的厚度均匀性。
以下给出本发明的一实施例。
I.对Si器件衬底和支撑衬底均进行修正处理，以8寸衬底为例，衬底厚度750 微米，衬底来料总厚度偏差小于4微米，衬底目标厚度为650微米，首先研磨减薄该单晶硅衬底，研磨设备优选为单面研磨机，设备型号为DFG 841型研磨机，首先粗磨快速减薄， 砂轮转速大于2000rpm,随后精磨减小研磨造成的损伤,砂轮转速大于2000rpm,研磨后衬底厚度大于目标厚度10微米以上，这里减薄至670微米，预留20微米的余量。
2.对研磨后的支撑衬底进行抛光，可以是双面抛光也可以是单面抛光，也可以是双面+单面抛光，这里优化为双面+单面抛光。首先双面抛光，设备型号为Peter Wolters AC系列双面抛光机，总抛光去除量约18微米；随后采用单面抛光以精确控制硅片厚度，设备型号为IPEC 472型单面抛光机，整个抛光过程同样分为粗抛光和精抛光两步，抛光去除量约2微米，经过修正后，器件衬底与支撑衬底总厚度偏差小于O. 6微米。
3.可选择的将修正后的单晶硅衬底氧化，可以只氧化器件衬底，也可以只氧化支撑衬底，或者器件和支撑衬底都氧化，其标准为氧化层厚度之和为最终埋氧层厚度。氧化条件可以湿氧也可以是干氧，氧化工艺取决于需要的氧化层厚度，温度为900-1400°C，优化工艺为1050°C，湿氧氧化，氧化厚度需依据最终SOI的埋氧层厚度决定。
4.器件衬底和支撑衬底经过清洗后，将氧化后的器件衬底与氧化或者未氧化的单晶硅衬底键合，键合可以是普通的亲水键合也可以是疏水键合，也可以是等离子辅助亲水键合，优选为亲水键合和等离子辅助亲水键合，这里以亲水键合为例，依次使用SCl和 SC2溶液清洗该衬底，键合前，在EVG801键合机上采用旋转清洗硅衬底，以去除表面可能存在的颗粒并吸附更多的水分子，随后将支撑衬底和器件衬底键合在一起。
5.将键合后的器件衬底与支撑衬底对在扩散炉内加固，使得键合界面形成硅氧共价键，增强键合力，加固温度大于900°C，加固时间大于2小时，退火气氛为湿氧、干氧、氮气或者氧氩混合气体。
6.对氧化加固后的衬底对进行倒角处理，倒角宽度由客户规格决定。研磨后边缘残余硅层厚度为0-150微米，优化为100微米。将倒角后的衬底对在TMAH溶液中腐蚀，去除100微米边缘残余硅层。
7.对倒角后的键合衬底进行研磨处理，研磨设备可以是单面研磨机，也可以是双面研磨机，这里优选为单面研磨机，设备型号为DFG841型研磨机，首先粗磨快速减薄，砂轮转速大于2000rpm，随后精磨减小研磨造成的损伤，砂轮转速大于2000rpm，研磨后衬底厚度大于所制备SOI材料支撑衬底厚度目标值3微米以上，这里减薄至剩余衬底硅层厚度大于目标厚度20微米。
8.去除研磨后衬底的背面氧化层，这里可以根据氧化层实际厚度，用一定浓度的 HF进行腐蚀，一般确保腐蚀速率一般大于每分钟O. I μ m，进而氧化层被去除。
9.对腐蚀后的支撑衬底进行双面同时减薄，以期获得最佳的整体平整度，双面抛光设备型号选为Peter Wolters AC型抛光机,抛光去除量至少大于10 μ m,这里优化去除量为18μπι，可以保证衬底正面、背面获得至少9μπι以上的去除量，可确保顶层硅均匀性在 ±0. 3 μ m 以内。
10.对减薄后的支撑衬底进行再次加固同时进行绝缘化处理，在支撑衬底背面形成绝缘保护层，同时由于氧化作用，一部分顶层硅被氧化，顶层硅大约被减薄O. 3微米微米不等。绝缘层化处理可以是高温氧化。这里是氧化条件可以湿氧也可以是干氧，氧化工艺取决于需要的氧化层厚度，温度为900-1400°C，优化工艺为1050°C，湿氧氧化，为了进行下一步工艺，氧化厚度需大于最终用户的要求。
11.去除绝缘化处理后衬底正面的氧化层，并调整硅片的翘曲度。传统可以通过旋转腐蚀的方法，但是需要专门腐蚀设备且需要对背面氧化层进行保护。这里利用现有 CMP配合氧化层抛光液抛光若干分钟(速率在O. Γ0. 3 μ m/分钟)，去除一定量的氧化层，产生正反面氧化层厚度差，由于厚度差的存在，正面氧化层被完全去除，背面留有一定量的氧化层，并且可以据此调节翘曲度。
12.最终器件衬底减薄在10中所述顶层硅氧化减薄基础上，利用CMP根据目标厚度最终再去除一定量，例如O. 5微米 2微米，由于氧化减薄进一步降低了最终CMP的去除量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种减薄器件层的方法，其特征在于，包括如下步骤 提供一复合衬底，所述复合衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层以及绝缘埋层表面的器件层； 采用热氧化法在器件层和支撑层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层； 采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度； 同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层。
2.根据权利要求I所述的减薄器件层的方法，其特征在于，所述支撑层和器件层的材料均为单晶硅，所述第一和第二热氧化层的材料均为氧化硅。
3.根据权利要求I所述的减薄器件层的方法，其特征在于，所述单面研磨进一步是采用化学机械抛光工艺。
4.根据权利要求I所述的减薄器件层的方法，其特征在于，所述同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层的步骤，进一步是通过腐蚀液同时腐蚀第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层恰好全部被除去时停止。
5.根据权利要求I所述的减薄器件层的方法，其特征在于，所述同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层的步骤，进一步是通过双面研磨法同时研磨第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层恰好全部被除去时停止。
6.根据权利要求5所述的减薄器件层的方法，其特征在于，所述双面研磨进一步是采用化学机械抛光工艺。
7.一种衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 提供一支撑衬底和一器件衬底； 在支撑衬底和/或器件衬底表面形成绝缘埋层； 以绝缘埋层为中间层，将器件衬底和支撑衬底键合在一起，形成复合衬底，所述支撑衬底为复合衬底的支撑层； 减薄器件衬底，形成复合衬底的器件层； 采用热氧化法在支撑层和器件层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层； 采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度； 同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层； 减薄器件层。
8.根据权利要求7所述的衬底的制备方法，其特征在于，所述减薄器件层的步骤，进一步是采用化学机械抛光工艺。
全文摘要
本发明一种减薄器件层的方法以及衬底的制备方法，所述减薄器件层的方法，包括如下步骤提供一复合衬底，所述复合衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层以及绝缘埋层表面的器件层；采用热氧化法在器件层和支撑层表面形成相同厚度的第一和第二热氧化层；采用单面研磨法减薄器件层表面的第一热氧化层至预定厚度；同时减薄器件层和支撑层表面的第一和第二热氧化层，至器件层表面的第一热氧化层全部被除去，而支撑层表面保留有减薄后的第二热氧化层。本发明的优点在于，仅采用了一步热氧化工艺，既达到了降低器件层厚度的目的，又同时在支撑层表面形成了用来调节厚度的第二热氧化层。
文档编号H01L21/3105GK102983074SQ20121050019
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者王文宇, 陈国兴, 曹共柏, 魏星, 郑健 申请人:上海新傲科技股份有限公司