[發明專利]一種SOI材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810780383.7
• 申請日: 2018-07-17
• 公開（公告）號: CN108962815B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 王智勇;李穎;蘭天;周廣正;黃瑞;代京京
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L21/762
• 分類號: H01L21/762
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種SOI材料的制備方法，涉及半導體材料的制備方法。包括以下步驟：1)在表面覆有SiO₂的硅片A中注入低熔點金屬離子，形成金屬離子富集層；2)將離子注入后的硅片與另一支撐硅片B進行親水鍵合；3)將鍵合后的硅片A、B放入退火爐進行兩個階段熱處理；4)對SOI結構進行拋光工藝獲取所需鏡面狀結構。本發明利用離子注入造成金屬離子富集層的體積膨脹，引起晶格結構的破壞和相應化學鍵的斷裂，從而造成晶格強度降低；選擇合適的熱處理過程，使硅片的上表層硅膜轉移到另一硅片上，有效降低了硅片分離界面的粗糙度，可獲得高質量的SOI結構材料。

技術領域：

本發明涉及一種半導體材料的制備方法，尤其涉及一種利用離子注入技術制備SOI的方法。

背景技術：

SOI是一種應用于集成電路制造的襯底，一般多為底層硅、中間埋層、頂層硅的三明治結構，最頂層的薄層Si被稱為“器件層”，用來制備各種晶體管器件。SOI材料具有高速、低壓、低功耗、耐高溫抗輻照等特點，基于SOI結構上的器件可以有效減小結電容和漏電流、降低能耗、提高運行速率。

SOI材料的主流制備方法主要有鍵合-背面腐蝕(Bonding)技術、注氧隔離(SIMOX)技術、注氫智能剝離(Smart-cut)技術和注氧鍵合(Simbond)技術四種。其中Smart-cut技術將離子注入技術與鍵合技術結合在一起，以簡單的工藝制備出高質量的SOI材料，成為制備SOI材料最具吸引力的方法。Smart-cut技術中對硅片進行氫離子注入，注入的離子通過與硅片中的電子碰撞和核碰撞，能量逐漸消失，速度減小，最終停留在某一深度的層面上 (即損傷層)，然后將注氫的硅片與另一支撐硅片相鍵合(兩片硅片至少有一片表面覆蓋掩埋層)，放入退火爐中加熱，在加熱過程中，注入的離子變成氫分子，逐漸聚集起來形成氣泡，隨著退火溫度的升高或退火時間的延續，氣泡密度逐漸增加體積逐漸增大不斷生長合并，最終所有的氣泡連成一片，在某一溫度下破裂，注氫硅片被切割，形成SOI結構，最后升溫至1000℃左右，加強支撐硅片與注氫硅片之間的鍵合強度。

在Smart-cut技術中，損傷層中氣泡的形成、膨脹、密度的增加是實現注氫硅片分裂成兩部分的關鍵條件。在注氫上硅片分裂后，由于氣泡層的破裂，SOI結構的上頂層硅膜呈現出明顯的微粗糙，必須進行嚴格機械化學拋光才能獲得所需的鏡面狀表面，在此過程中， SOI硅膜厚度大概需要被消耗幾百埃。鋰，作為最輕的金屬，熔點180.7℃，離子半徑原子半徑相比較H+離子半徑原子半徑在體硅中，鋰離子注入會導致體積膨脹達到原始體積的3-4倍，在形成的金屬離子富集層中，將引起晶格結構的破壞和相應化學鍵的斷裂，降低晶格強度。

發明內容：

本發明提出一種金屬離子注入制備SOI材料的方法。在上硅片中注入低熔點金屬離子，注入的金屬離子經過與硅片中的電子碰撞和原子核碰撞后停留在某一金屬離子富集層，引起晶格強度降低，然后將離子注入后的上硅片與另一支撐片進行鍵合后放入退火爐中，在熱處理過程中，隨著溫度的變化，注入的金屬離子形成原子態金屬，在高溫下，低熔點金屬融化，在硅片中形成一薄層液態金屬熔液，切割分離上硅片，形成SOI結構。

本發明將離子注入技術與晶片鍵合技術結合起來，使一個硅片上表層硅膜轉移到另一硅片上，一定程度上規避由于注氫形成氣泡層所帶來的破裂分割界面的高粗糙度，有效降低了硅片分離界面的粗糙度，可獲得高質量的SOI結構材料。

一種SOI材料的制備方法，包括以下步驟：