CN110323178A - 一种soi晶圆边缘零空洞的工艺制程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，属于SOI晶圆材料制造领域，该方法包括如下步骤：步骤S01、前期准备；步骤S02、晶圆一次磨掉边缘处理；步骤S03、晶圆键合；步骤S04、晶圆一次减薄；步骤S05、晶圆二次磨掉边缘处理；步骤S06、湿法腐蚀边缘剩余硅，使得两张晶圆键合界面无空洞；步骤S07、晶圆二次减薄：通过机械减薄工艺和化学机械研磨工艺，实现最终厚度。本发明采用常温常压下键合方式，采用光学对准原理，对准精度能够保证在50微米以内，本发明在不增加SOI制造成本的情况下实现SOI晶圆在常温常压环境中直接键合时无空洞缺陷，具有非常广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于SOI晶圆材料制造领域，具体涉及一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法。
背景技术
SOI即Silicon on Insulator，基于绝缘体的硅晶片，请参阅图1至图5，一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法。工艺流程包括如下步骤：1、如图1及图2所示，准备两片同尺寸的晶圆A1和晶圆B2，至少一片晶圆表面生长氧化层作为SOI晶圆的掩氧层；2、如图3所示，将最终作为SOI晶圆的那片晶圆A1，表面边缘磨掉宽为2毫米，深度100微米的硅；3、如图4所示，将两片晶圆在室温常压下通过等离子体处理，经过水浴后甩干，通过键合设备进行直接键合，并用低于800℃的温度对键合后晶圆进行热退火，实现两片晶圆键合界面形成共价键；4、如图5所示，将键合后的两片晶圆，晶圆A1通过机械减薄工艺和化学机械研磨工艺，实现最终厚度。
其中步骤3晶圆直接键合时，晶圆边缘由于焦耳-汤姆生效应产生大量空洞。空洞缺陷对于SOI晶圆，是绝对不允许的。现有工艺中普遍使用低压直接键合技术来进行SOI晶圆键合，但是由于需要购置一套低压键合设备，增加了制造成本。有鉴于此，有必要提供一种常温常压下晶圆直接键合法制造SOI晶圆的工艺方法。
发明内容
为了解决现有技术中晶圆直接键合时，晶圆边缘由于焦耳-汤姆生效应产生大量空洞问题，本发明提供了一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤S01、前期准备：准备两片同尺寸的晶圆，一片晶圆作为SOI晶圆二氧化硅层上硅，另一片晶圆作为SOI晶圆硅基，至少一片晶圆表面生长氧化层作为SOI晶圆的掩氧层；
步骤S02、晶圆一次磨掉边缘处理：将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆或表面未生长氧化层的晶圆，表面边缘磨掉宽为1毫米，深度为100微米的硅；
步骤S03、晶圆键合：将两片晶圆在常温常压下通过等离子体处理，处理后经过水浴后甩干，直接键合，并用低于500℃的温度对键合后晶圆进行热退火，
实现两片晶圆键合界面形成共价键，热退火后，使用超声波扫描设备对键合晶圆进行空洞扫描；
步骤S04、晶圆一次减薄：键合后，将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆上的硅层厚度研磨至320微米；
步骤S05、晶圆二次磨掉边缘处理：将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆表面边缘磨掉宽为4毫米，深度300微米的硅，使得作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆边缘硅层预留厚度为20微米；
步骤S06、湿法腐蚀边缘剩余硅：使用浓度为5％的四甲基氢氧化铵将步骤S05中的20微米厚度硅层腐蚀掉，同时去除掉作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆边缘上的空洞，使得两片晶圆键合界面无空洞；
步骤S07、晶圆二次减薄：通过机械减薄工艺和化学机械研磨工艺，实现SOI晶圆最终厚度。
优选地，步骤S01中两片晶圆表面均生长氧化层作为SOI晶圆的掩氧层，且作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆表面通过炉管热氧化法生长100纳米二氧化硅，作为SOI晶圆硅基的晶圆表面通过炉管热氧化法生长500纳米的二氧化硅。
优选地，所述热氧化法中的热氧温度大于1000℃。
上述SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，还包括：在晶圆一次磨掉边缘处理后，将两片晶圆经过第一道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/NH4OH＝1:4:50，使得两片晶圆表面颗粒度为0.2微米的小于20颗，再将两片晶圆经过第二道RCA清洗工艺清洗，去除晶圆表面金属粒子，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/HCl＝1:2:8，使得晶圆整片表面金属数每立方厘米原子数小于5×1010。
进一步，在步骤S02晶圆一次磨掉边缘处理及步骤S05晶圆二次磨掉边缘处理过程中均采用#1500金刚石刀片进行磨边，且刀片转速为每分钟2000转。
其中，所述步骤S03中水浴温度为80℃。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
现有SOI使用键合方法加工工艺，使用低压腔体键合机台将两片晶圆进行硅片键合，腔体内键合使用机械对准，由于使用真空环境直接键合导致对准精度降低，两片同尺寸晶圆的切口对准精度很难达到50微米以内。本发明采用常温常压下键合方式，同时采用光学对准原理，对准精度能够保证在50微米以内。
进一步有益效果为，现有SOI通过键合方法加工的工艺，先将一片晶圆磨边，一般加工工艺的磨边刀片选择精度不够导致晶圆边缘出现崩边或者暗纹，对晶圆内部损伤很大。本发明采用1500#金刚石刀片进行磨边，减少刀片对晶圆的损伤降低颗粒度污染，确保晶圆磨边后边缘光滑。
本发明在不增加SOI制造成本(不用购进专门进行SOI键合的机台)的情况下，实现SOI晶圆在常温常压环境中直接键合时无空洞缺陷，具有非常广阔的市场前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法中晶圆A结构示意图。
图2为一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法中晶圆B结构示意图。
图3为一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法中晶圆A表面边缘磨掉宽为2毫米，深度100微米的硅后的结构示意图。
图4为一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法中晶圆A和晶圆B键合在一起后的组合结构示意图。
图5为一种现有的通过直接键合工艺制造SOI晶圆的方法中键合后的两张晶圆，晶圆A通过机械减薄工艺和化学机械研磨工艺，实现最终厚度的结构示意图。
图6为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第一晶圆结构示意图。
图7为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第二晶圆结构示意图。
图8为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第一晶圆表面通过炉管热氧化法生长100纳米二氧化硅后结构示意图。
图9为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第二晶圆表面通过炉管热氧化法生长500纳米的二氧化硅后结构示意图。
图10为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第一晶圆经一次磨掉边缘后的结构示意图。
图11为本发明的实施例一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法中第一晶圆和第二晶圆键合在一起得到的SOI晶圆半成品结构示意图。
图12为图11中SOI晶圆半成品的第一晶圆经一次减薄后结构示意图。
图13为图12中的SOI晶圆半成品的第一晶圆经二次磨掉边缘后的结构示意图。
图14为图13中的SOI晶圆半成品中第一晶圆经湿法腐蚀边缘剩余硅处理后的结构示意图。
图15为本发明实施例中一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法制得的边缘零空洞的SOI晶圆成品结构示意图。
图中各标记如下：1-晶圆A，2-晶圆B，3-第一晶圆，4-第二晶圆。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，在不脱离权利要求中所阐述的发明机理和范围的情况下，使用者可以对下列参数进行各种改变。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图6至图15所示，一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤S01、前期准备：
如图6及图7所示，准备两片相同尺寸的晶圆，分别为第一晶圆3、第二晶圆4，第一晶圆3和第二晶圆4均采用直拉法或者磁场直拉法生长，低掺杂硼原子(每立方厘米原子数2×1015)，第一晶圆3和第二晶圆4可以是两片直径为200毫米、硅基厚度为725微米及晶向<100>的P型抛光片，也可以是两片直径为300毫米、硅基厚度为775微米及晶向<100>的P型抛光片，但待键合的第一晶圆3和第二晶圆4硅基直径必须相同；
如图8所示，第一晶圆3表面通过炉管热氧化法生长100纳米二氧化硅，如图9所示，第二晶圆4表面通过炉管热氧化法生长500纳米的二氧化硅，热氧温度大于1000℃，但第一晶圆3和第二晶圆4的二氧化硅厚度并不限制于此，可以按照应用要求进行调整，直径200毫米，硅基厚度725微米的晶圆的平坦度达到小于0.7微米；直径300毫米，硅基厚度775微米的晶圆平坦度达到小于0.2微米；
步骤S02、晶圆一次磨掉边缘处理：
如图10所示，将第一晶圆3表面边缘磨掉宽1毫米，深度为100微米的硅，Wafer晶圆磨边工艺使用#1500金刚石刀片，转速每分钟2000转，检查磨边后的第一晶圆3表面光滑零划伤，零暗纹，没有大于4微米的颗粒；
经一次磨掉边缘后，第一晶圆3作为SOI晶圆二氧化硅层上硅，第二晶圆4作为SOI晶圆硅基，将第一晶圆3和第二晶圆4经过第一道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/NH4OH＝1:4:50，清洗后进行测量保证第一晶圆3和第二晶圆4表面颗粒度为0.2微米的小于20颗，再将第一晶圆3和第二晶圆4经过第二道RCA清洗工艺清洗，去除晶圆表面金属粒子，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/HCl＝1:2:8，wafer晶圆整片表面金属数每立方厘米原子数小于5×1010；
步骤S03、晶圆键合：
如图11所示，将两片晶圆在常温常压下通过等离子体处理，经过80℃水浴后甩干，通过键合设备进行直接键合，键合后的晶圆在高温烘箱中，使用低于500℃的温度对键合后晶圆进行热退火，烘箱内填充有氮气或者氧气，作为保护气体，在500℃的工艺温度中热退火1小时后，实现两片晶圆键合界面形成共价键；热退火后，使用超声波扫描设备对键合晶圆进行空洞扫描，扫描精度为5×5微米，键合界面空洞均匀分布在距离晶圆边缘2毫米内；
步骤S04、晶圆一次减薄：
如图12所示，将键合后的两片晶圆，通过机械减薄设备将第一晶圆3的硅由725微米研磨至320微米；
步骤S05、晶圆二次磨掉边缘处理：
如图13所示，将研磨后的第一晶圆3表面边缘磨掉宽为2毫米，深度300微米的硅，在第一晶圆3边缘预留20微米的硅表面；
步骤S06、湿法腐蚀边缘剩余硅：
如图14所示，使用浓度为5％的四甲基氢氧化铵TMAH，温度为80℃，时间1小时的条件下将步骤S05中边缘预留的20微米厚度硅腐蚀掉，同时将第一晶圆3边缘内2毫米处键合空洞去除掉，第一晶圆3和第二晶圆4键合界面无空洞；
步骤S07、晶圆二次减薄，实现最终厚度：
如图15所示，第一晶圆3通过机械减薄工艺研磨至20微米，再通过化学机械研磨CMP工艺，实现最终厚度17微米，表面粗糙度小于1微米。
Claims (6)
1.一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤S01、前期准备：准备两片同尺寸的晶圆，一片晶圆作为SOI晶圆二氧化硅层上硅，另一片晶圆作为SOI晶圆硅基，至少一片晶圆表面生长氧化层作为SOI晶圆的掩氧层；
步骤S02、晶圆一次磨掉边缘处理：将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆或表面未生长氧化层的晶圆，表面边缘磨掉宽为1毫米，深度为100微米的硅；
步骤S03、晶圆键合：将两片晶圆在常温常压下通过等离子体处理，处理后经过水浴后甩干，直接键合，并用低于500℃的温度对键合后晶圆进行热退火，实现两片晶圆键合界面形成共价键，热退火后，使用超声波扫描设备对键合晶圆进行空洞扫描；
步骤S04、晶圆一次减薄：键合后，将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆上的硅层厚度研磨至320微米；
步骤S05、晶圆二次磨掉边缘处理：将作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆表面边缘磨掉宽为4毫米，深度300微米的硅，使得作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆边缘硅层预留厚度为20微米；
步骤S06、湿法腐蚀边缘剩余硅：使用浓度为5％的四甲基氢氧化铵将步骤S05中的20微米厚度硅层腐蚀掉，同时去除掉作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆边缘上的空洞，使得两片晶圆键合界面无空洞；
步骤S07、晶圆二次减薄：通过机械减薄工艺和化学机械研磨工艺，实现SOI晶圆最终厚度。
2.根据权利要求1所述的一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于：步骤S01中两片晶圆表面均生长氧化层作为SOI晶圆的掩氧层，且作为SOI晶圆二氧化硅层上硅的晶圆表面通过炉管热氧化法生长100纳米二氧化硅，作为SOI晶圆硅基的晶圆表面通过炉管热氧化法生长500纳米的二氧化硅。
3.根据权利要求2所述的一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于：所述热氧化法中的热氧温度大于1000℃。
4.根据权利要求1所述的一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于，还包括：在晶圆一次磨掉边缘处理后，将两片晶圆经过第一道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/NH4OH＝1:4:50，使得两片晶圆表面颗粒度为0.2微米的小于20颗，再将两片晶圆经过第二道RCA清洗工艺清洗，去除晶圆表面金属粒子，清洗过程环境温度75℃，配比H2O2/H2O/HCl＝1:2:8，使得晶圆整片表面金属数每立方厘米原子数小于5×1010。
5.根据权利要求1所述的一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于：在步骤S02晶圆一次磨掉边缘处理及步骤S05晶圆二次磨掉边缘处理过程中均采用#1500金刚石刀片进行磨边，且刀片转速为每分钟2000转。
6.根据权利要求1所述的一种SOI晶圆边缘零空洞的工艺制程方法，其特征在于：所述步骤S03中水浴温度为80℃。
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