CN102768949A - 带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层、及绝缘埋层表面的器件层；研磨减薄器件层的裸露表面；采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面；采用化学机械抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。本发明通过采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面，除去自然氧化层，进而降低研磨后的CMP工艺对顶层硅总厚度均匀性偏差的影响，提高产品的厚度均匀性。

Description

带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制造领域，尤其涉及一种带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法。

背景技术

体硅以及SOI材料合称为硅基材料，是微电子的基础材料，被广泛应用到集成电路的各个领域。以SOI材料为例，按其顶层硅薄层的厚度，可分为薄膜SOI（顶层硅通常小于1μm）和厚膜SOI（顶层硅通常大于1μm）两大类。薄膜SOI市场95%的应用集中在8英寸和12英寸，其中绝大多数用户为尖端微电子技术的引导者，如IBM、AMD、Motorola、Intel、UMC、TSMC、OKI等。目前供应商为日本信越（SEH）、法国Soitec、日本SUMCO，其中前两家供应了约90%以上的产品。薄膜SOI市场主要的驱动力来自于高速、低功耗产品，特别是微处理器（CPU）应用。这些产品的技术含量高，附加值大，是整个集成电路的龙头。

很多对SOI的报道均集中在以上这些激动人心的尖端应用上，而实际上SOI早期的应用集中在航空航天和军事领域，现在拓展到功率和灵巧器件以及MEMS应用。特别是在汽车电子、显示、无线通讯等方面发展迅速。由于电源的控制与转换、汽车电子以及消费性功率器件方面对恶劣环境、高温、大电流、高功耗方面的要求，使得在可靠性方面的严格要求不得不采用SOI器件。在这些领域多采用厚膜SOI材料，集中在6英寸和8英寸，目前的用户包括美国Maxim、ADI、TI (USA)，日本NEC、Toshiba、Panasonic、Denso、TI (Japan)、FUJI、Omron等，欧洲Philips、X-Fab等。这个领域的特点在于SOI器件技术相对比较成熟，技术含量相对较低，器件的利润也相对降低，对SOI材料的价格比较敏感。在这些SOI材料用户里面，很大的应用主要来源于各种应用中的驱动电路：如Maxim的应用于主要为手机接受段的放大器电路；Panasonic、TI、FUJI、Toshiba、NEC等主要应用在显示驱动电路中的扫描驱动电路；DENSO的应用主要在汽车电子、无线射频电路等；Toshiba的应用甚至在空调的电源控制电路中；Omron主要在传感器方面；ADI也主要在高温电路、传感器等；而Phillips的应用则主要是功率器件中的LDMOS，用于消费类电子中如汽车音响、声频、音频放大器等；韩国的Magnchip(Hynix)则为Kopin生产用于数码相机用的显示驱动电路和为LG生产的PDP显示驱动电路等。

目前，厚膜SOI材料的主要制备技术为键合及背面腐蚀技术(BESOI)，其具有工艺简单、成本低等优点，因此受到人们的重视。BESOI技术首先采用研磨的办法减薄顶层硅，在此过程中在其表面形成一个几微米厚的研磨损伤层。因此，随后需要采用化学机械抛光（CMP）抛光去除损伤层并且降低其表面粗糙度以达到CMOS工艺的要求。而实验表明，抛光会造成SOI的顶层硅厚度均匀性降低，并且CMP去除量越大整个顶层硅均匀性越差。如何降低研磨后的CMP工艺对顶层硅总厚度均匀性偏差的影响，这是本领域内技术人员长期面临但一直无法解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，能够降低研磨后的CMP工艺对顶层硅总厚度均匀性偏差的影响，提高产品的厚度均匀性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层、及绝缘埋层表面的器件层；研磨减薄器件层的裸露表面；采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面；采用化学机械抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。

作为可选的技术方案，所述器件层的材料是单晶硅，所述腐蚀液进一步是含有氟化氢的腐蚀液，所述腐蚀液进一步是HF与HNO₃的混酸溶液，例如可以是硝酸、氢氟酸和醋酸混合溶液。

作为可选的技术方案，腐蚀研磨后表面的步骤中，进一步是采用旋转腐蚀工艺。

作为可选的技术方案，腐蚀研磨后表面的步骤实施完毕后，进一步对腐蚀后表面实施喷酸处理，所述器件层的材料是单晶硅，所述喷酸步骤所采用的酸液为氢氟酸溶液，溶液中氟化氢浓度大于5%。

作为可选的技术方案，所述化学机械抛光工艺进一步包括：采用双面抛光工艺抛光带有绝缘埋层的衬底的两个表面；采用单面抛光工艺抛光器件层表面。

作为可选的技术方案，所述化学机械抛光工艺进一步包括：采用单面抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。

本发明经对研磨工艺的仔细研究发现，研磨减薄的过程中，高速研磨会产生高温，虽然有水冷，但是仍然会在损伤的表面形成一层自然氧化层。故本发明通过采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面，除去自然氧化层，进而降低研磨后的CMP工艺对顶层硅总厚度均匀性偏差的影响，提高产品的厚度均匀性。

附图说明

附图1所示是本发明的具体实施方式的实施步骤流程图。

附图2至附图5是本发明的具体实施方式的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法的具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本具体实施方式的实施步骤流程图，包括：步骤S10，提供一衬底；步骤S11，研磨减薄器件层的裸露表面；步骤S12，采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面；步骤S13，对腐蚀后表面实施喷酸处理；步骤S14，采用化学机械抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。

附图2至附图5是本具体实施方式的工艺流程图。

附图2所示，参考步骤S10，提供一衬底200，所述衬底200包括支撑层201、支撑层201表面的绝缘埋层202、及绝缘埋层202表面的器件层203。其中支撑层201和器件层203的材料可以是包括单晶硅在内的任意中本领域内常见的半导体材料，支撑层201和器件层203的材料可以相同或者不同。绝缘埋层202的材料可以是包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅在内的任意中本领域内常见的绝缘材料。衬底200可以是通过键合等工艺形成的三层结构，其中的器件层203需要减薄到目标厚度。

附图3所示，参考步骤S11，研磨减薄器件层203的裸露表面。研磨设备可以是双面研磨机或单面研磨机，优选为单面研磨机。此工艺会迅速减薄器件层203，但同时也会在器件层203的表面形成研磨损伤，并经对研磨工艺的仔细研究发现，研磨减薄的过程中，高速研磨会产生高温，虽然有水冷，但是仍然会在损伤的表面形成一层自然氧化层220。

附图4所示，参考步骤S12，采用能够腐蚀器件层203的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层203表面，本步骤可以除去自然氧化层220。

自然氧化层220由于是器件层203的材料在高温氧化下形成，故其机械强度与器件层203本身通常是不一致的。在后续的化学机械抛光过程中，抛光液由SiO₂抛浆组成，因此对器件层203表面自然氧化层220的抛光是通过SiO₂的机械研磨来实现，在这个过程中由于自然氧化层220机械强度与器件层203的机械强度不一致的影响，抛光对器件层203的去除量并不均匀，因此抛光后会造成或者器件层203的厚度均匀性降低，并且化学机械抛光时间越长，厚度均匀性越差。

在发现这个问题的基础上，本发明采用了能够腐蚀器件层203的自然氧化层220的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层203表面，保证在实施化学机械抛光之前，器件层203的表面是绝对无任何多余物质的，避免不同物质的机械强度不同对研磨造成影响。本领域技术人员可以根据实际情况选择不同的腐蚀液，例如对于器件层203的材料是单晶硅的情况下，自然氧化层220的材料为二氧化硅，则所述腐蚀液应当是含有氟化氢的腐蚀液，包括HF与HNO₃的混酸溶液，例如可以是硝酸、氢氟酸和醋酸混合溶液，或者可以是HF、HNO₃和H₂O混合物，采用HF与HNO₃的混酸溶液的优点在于该腐蚀液同时是对单晶硅起到各向同性腐蚀的一种腐蚀液，因此在去除自然氧化层220的同时，还能够对器件层203表面起到平坦化的作用，修复机械研磨带来的损伤。并且由于腐蚀液可以继续腐蚀至器件层203剩余一定厚度，毕竟湿法腐蚀是各项同性的腐蚀工艺，因此对均匀性的控制优于抛光，这样可以降低后续的抛光去除量，从而提高器件层203的厚度均匀性。腐蚀方法进一步可以是采用旋转腐蚀工艺。

参考步骤S13，对腐蚀后表面实施喷酸处理。本步骤为可选步骤，可以进一步提高器件衬底203表面的洁净程度。所述器件层203的材料是单晶硅的情况下，所述喷酸步骤所采用的酸液可以是氢氟酸溶液，溶液中氟化氢浓度大于5%。

附图5所示，参考步骤S14，采用化学机械抛光工艺抛光腐蚀后的器件层203表面。本步骤例如可以是首先采用双面抛光工艺抛光衬底200的两个表面，再采用单面抛光工艺抛光器件层203表面。也可以是仅采用单面抛光工艺抛光腐蚀后的器件层203表面。同样的，本步骤中的抛光工艺如果包括粗抛和精细抛光，则在精细抛光前，优化的应采用5%HF酸处理硅片表面。

接下来给出本发明的一个实施例。

步骤一：提供一片单晶硅衬底,重掺杂、轻掺杂或者本征均可。

步骤二：磨单晶硅衬底，研磨设备可以是线切割机、双面研磨机，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，此时单晶硅衬底包含表面损伤层和表面自然氧化层。

步骤三：对该研磨后的单晶硅衬底进行处理，采用含有HF的溶液，该含有HF的溶液优化为对Si具有各向同性腐蚀的腐蚀液(各向异性腐蚀液也可以)，优化为HF与HNO₃混酸体系，以及HF与HNO₃加入其它缓冲剂所形成的腐蚀液，例如HNA混酸(硝酸、氢氟酸和醋酸混合溶液)，HF与HNO₃混合物，HF、HNO₃和H₂O混合物等，优化为HNA腐蚀液，优化的HNA中硝酸应当过量，混酸中成分比HF:HNO₃小于6：1(摩尔比，代表硝酸过量)，优化为小于4.5：1。腐蚀可以采用一般酸槽腐蚀，优化为采用旋转腐蚀，使腐蚀溶液流过单晶硅衬底除去部分以致全部的机械损伤层，也可以过腐蚀去除部分单晶层，因此整个旋转腐蚀过程中，腐蚀去除量优化为4微米，这样就可以减少抛光时的去除量，提高抛光后的硅片均匀性。旋转角速度为每分钟100～5000周是优选的技术参数。小于每分钟100周的速度不足以使反应后的残余物质迅速地脱离表面，大于5000周的转速使得腐蚀液迅速地流经衬底的表面，在表面的停留时间太短，从而与表面发生化学反应不够充分，因此造成了腐蚀液的浪费。

步骤四：本步骤是可选择的，但是优化的对腐蚀过的表面进行喷酸处理，优化为HF酸，浓度大于5%即可，优化为10%。

步骤五：抛光，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。如果是采用，双面+单面抛光，首先双面抛光，设备型号为Peter Wolters AC2000型双面抛光机，整个抛光过程为粗抛光，使用粗抛浆，抛浆与水的比例为1：15，总抛光去除量不小于0.5微米，优化为5微米。

步骤六：采用单面抛光以精确控制硅片厚度，设备型号为IPEC 372型单面抛光机，整个抛光过程分为粗抛光和精抛光两步，采用双面+单面抛光时，粗抛光是可选的过程，也可以不需要。抛光前，优化的应采用5%HF酸处理硅片表面，粗抛光中使用粗抛浆，抛浆与水的比例为1：15，总的抛光去除量不大于8微米，优化为1微米；精抛光中，精抛浆与水的比例为1：30，总的抛光去除量不大于8微米，优化为1微米。如果抛光过程仅使用单面抛光机，则抛光必须采用粗抛光+精抛光的方式进行，粗抛光中使用粗抛浆，抛浆与水的比例为1：15，总的抛光去除量不大于8微米，优化为3微米；精抛光中，精抛浆与水的比例为1：30，总的抛光去除量不大于8微米，优化为1微米。

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。

Claims (9)

1.一种带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一衬底，所述衬底包括支撑层、支撑层表面的绝缘埋层、及绝缘埋层表面的器件层；

研磨减薄器件层的裸露表面；

采用能够腐蚀器件层的自然氧化层的腐蚀液腐蚀研磨后的器件层表面；

采用化学机械抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。

2.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述器件层的材料是单晶硅，所述腐蚀液进一步是含有氟化氢的腐蚀液。

3.根据权利要求2所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述腐蚀液进一步是HF与HNO₃的混酸溶液。

4.根据权利要求3所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述混酸溶液进一步是硝酸、氢氟酸和醋酸混合溶液。

5.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，腐蚀研磨后表面的步骤中，进一步是采用旋转腐蚀工艺。

6.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，腐蚀研磨后表面的步骤实施完毕后，进一步对腐蚀后表面实施喷酸处理。

7.根据权利要求6所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述器件层的材料是单晶硅，所述喷酸步骤所采用的酸液为氢氟酸溶液，溶液中氟化氢浓度大于5%。

8.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述化学机械抛光工艺进一步包括： 采用双面抛光工艺抛光带有绝缘埋层的衬底的两个表面； 采用单面抛光工艺抛光器件层表面。

9.根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的衬底的表面处理方法，其特征在于，所述化学机械抛光工艺进一步包括： 采用单面抛光工艺抛光腐蚀后的器件层表面。

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