專利名稱：濕法腐蝕兩步法制備超薄柔性硅襯底的腐蝕工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是半導體技術(shù)，是一種濕法腐蝕兩步法制備超薄硅的腐蝕工藝，可用于減薄具有氧化埋層的硅柔性襯底(SOI)，為大失配外延生長提供了一種可協(xié)調(diào)失配應(yīng)變的襯底材料。
背景技術(shù)：
新型化合物半導體材料，如碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)和氧化鋅(ZnO)等，在高溫、高頻、大功率器件，以及光電子器件方面表現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景。然而它們的單晶材料制備還很困難，進行外延生長又缺乏合適的襯底材料。
常用的襯底有硅和蘭寶石。將碳化硅(SiC)(氮化鎵(GaN)，氧化鋅(ZnO)等)外延生長在蘭寶石(Si)上屬于大失配外延生長，這是由于外延層和襯底之間存在著較大的晶格失配和(或)熱失配。外延層中必然會出現(xiàn)大量的失配位錯，存在較大的殘存應(yīng)力。當外延層較厚時，甚至會出現(xiàn)龜裂。這樣的外延材料是無法用來制備器件的。
具有三明治夾心結(jié)構(gòu)，中間為絕緣層的硅(Si)材料(柔性硅襯底(SOI)材料)為這種大失配外延體系提供了一種可選擇的襯底材料。它的基本思想就是在超薄的柔性硅襯底(SOI)上外延生長碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)或氧化鋅(ZnO)，從而使殘存應(yīng)力由外延層中轉(zhuǎn)移到超薄表層硅(Si)以及下面的絕緣層中。
市場上可提供的柔性硅襯底(SOI)材料的表層硅的厚度最薄也在微米級。所以購買到的柔性硅襯底材料必須進行減薄才能進行下一步的外延生長。
硅的濕法腐蝕有三類1)HNO3-HF系統(tǒng)；2)KOH系統(tǒng)；3)有機堿系統(tǒng)。這三類系統(tǒng)中有機堿有劇毒，不利于安全操作和環(huán)境保護；KOH系統(tǒng)是各向異性腐蝕，腐蝕速度快時容易出現(xiàn)腐蝕坑，難以得到均勻度高的腐蝕表面；盡管HNO3-HF系統(tǒng)是各向同性腐蝕，但隨著腐蝕時間的增加，會出現(xiàn)塌邊現(xiàn)象。
硅干法腐蝕的困難在于設(shè)備復雜，成本高，而且還有機械損傷。
對于柔性硅襯底(SOI)片子，表層硅(Si)的厚度很薄，需要腐蝕均勻度高，腐蝕深度可控的腐蝕工藝。
而目前的硅(Si)腐蝕工藝不適用于對柔性硅襯底的表層硅(Si)進行腐蝕加工，很容易出現(xiàn)腐蝕不均勻的情況，即部分區(qū)域已腐蝕到了氧化絕緣層，而部分區(qū)域還有幾十納米表層硅(Si)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過濕法腐蝕兩步法來制備超薄柔性硅襯底(SOI)，該腐蝕工藝對表面腐蝕均勻。表層硅(Si)的厚度可減薄到50納米左右，可以在其上生長高質(zhì)量的外延膜。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種濕法腐蝕兩步法制備超薄柔性硅襯底的腐蝕工藝，其步驟是(a)對柔性硅襯底片子進行去油處理，去離子水清洗，并經(jīng)稀釋氫氟酸漂洗后，再進行超薄腐蝕加工；(b)先進行酸性腐蝕；(c)再進行堿性腐蝕。
所述的腐蝕工藝，其所述柔性硅襯底片子，其表層硅(Si)厚度為十幾個微米到亞微米級；優(yōu)選在亞微米級到50納米左右的范圍內(nèi)，腐蝕表面的質(zhì)量得到很好的保證。
所述的腐蝕工藝，其所述柔性硅襯底片子的夾層絕緣物是硅(Si)的氧化物。
所述的腐蝕工藝，其所述柔性硅襯底片子，是采用氧離子注入隔離(SIMOX)技術(shù)或智能剝離(smart-cut)技術(shù)制備的。
所述的腐蝕工藝，其所述(b)步的酸性腐蝕，是先將(a)步中處理過的硅襯底片子在HNO3液或用乙酸稀釋過的HNO3液中水浴煮沸1～3分鐘，用去離子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去離子水清洗；重復以上操作2～5次。
所述的腐蝕工藝，其所述(c)步的堿性腐蝕，堿性腐蝕液的配比為KOH/H2O＝5～15g/100ml，腐蝕溫度為30～60℃，腐蝕時間為1～2min。
所述的腐蝕工藝，其所述(c)步的堿性腐蝕，在堿性腐蝕液中加入適量的乙丙醇或正丁醇。
所述的腐蝕工藝，其采用平面腐蝕，在腐蝕過程中，進行適中力度的攪拌或晃動。
所述的腐蝕工藝，其根據(jù)柔性硅襯底片子表面色澤的變化初步判斷腐蝕深度。
所述的腐蝕工藝，其根據(jù)柔性硅襯底片子表面色澤的均勻性初步判斷硅(Si)表面的平整度。
所述的腐蝕工藝，該腐蝕工藝制備的超薄硅(Si)柔性襯底用于進行大失配體系的外延生長。
所述的腐蝕工藝，其所述大失配外延生長是在分子束外延系統(tǒng)，化學氣相淀積系統(tǒng)或金屬有機氣相外延系統(tǒng)中進行。
所述的腐蝕工藝，其所述外延生長的外延層是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)或氧化鋅(ZnO)。
本發(fā)明解決了對柔性硅襯底的表層硅(Si)腐蝕不均勻的情況，而采用先酸后堿的腐蝕工藝來達到均勻腐蝕的目的。
圖1是本發(fā)明濕法腐蝕兩步法制備超薄柔性硅襯底腐蝕工藝示意圖；圖2是本發(fā)明濕法腐蝕兩步法制備超薄柔性硅襯底的表層硅(Si)的光學顯微鏡圖(放大2500倍)；圖3在同樣的生長條件下，不同的襯底上生長的碳化硅(SiC)的對比X射線衍射圖；其中，(a)為硅(Si)襯底，(b)為腐蝕加工過的柔性硅襯底(SOI)；圖4在同樣的生長條件下，不同的襯底上生長的碳化硅(SiC)的對比拉曼散射譜，其中，(a)為硅(Si)襯底，(b)為腐蝕加工過的柔性硅襯底(SOI)；圖5在同樣的生長條件下，不同的襯底上生長的碳化硅(SiC)的截面透射電鏡圖，其中，(a)為硅(Si)襯底，(b)為腐蝕加工減薄后的柔性襯底(SOI)。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種濕法腐蝕兩步法，用于制備超薄硅(Si)柔性襯底(SOI)。在該腐蝕操作之前，先進行去油處理，并經(jīng)去離子水清洗，稀釋氫氟酸漂洗后，再進行超薄腐蝕工藝。
請參閱圖1所示，其中，在反應(yīng)水池5中盛有水1，水1中放有反應(yīng)皿6，反應(yīng)皿6浮于水上，將柔性硅襯底(SOI)片子2水平放在反應(yīng)皿6的底面上。圖1(a)所示是酸性腐蝕時的狀態(tài)，已將酸性腐蝕液3注入反應(yīng)皿6。圖1(b)所示是堿性腐蝕時的狀態(tài)，已將堿性腐蝕液4注入反應(yīng)皿6。
(a)酸性腐蝕。將處理過的柔性硅襯底(SOI)片子2，先在HNO3中水浴煮沸1～3分鐘，取出用去離子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去離子水清洗；重復上述操作2～5次。
(b)堿性腐蝕。采用KOH系統(tǒng)，堿性腐蝕液4的配比是KOH/H2O＝5～15g/100ml(可加入適量的乙丙醇或正丁醇)，反應(yīng)溫度30～60℃。
在腐蝕過程中進行適中力度的攪拌或晃動。
根據(jù)柔性硅襯底(SOI)片子表面色澤的變化來初步判斷腐蝕深度。
根據(jù)柔性硅襯底(SOI)片子表明色澤的均勻性來初步判斷硅(Si)表面的平整度。
大失配外延生長可以在分子束外延系統(tǒng)，化學氣相淀積系統(tǒng)或金屬有機氣相外延系統(tǒng)中進行。
外延層可以是碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)或氧化鋅(ZnO)。
實施例采用進口柔性硅襯底(SOI)片子，由氧離子注入隔離技術(shù)制備，p-型，(100)晶面。
去油處理依次在三氯乙烯—丙酮—無水乙醇中沸煮10～20分鐘，用去離子水清洗。
氫氟酸漂洗在用水稀釋的HF溶液中浸泡10秒。
酸性腐蝕先在HNO3中水浴煮沸2分鐘，用去離子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去離子水清洗；重復以上操作3次。
用去離子水清洗后，進行堿性腐蝕。
堿性腐蝕配比，KOH/H2O＝10g/100ml(可加入適量的乙丙醇或正丁醇)，在35℃下腐蝕1.5min。
在光的干涉效應(yīng)下，腐蝕減薄后的表層硅呈現(xiàn)出色澤均勻的紫紅色(見圖2)，厚度為～600。
用化學氣相淀積技術(shù)，在上述超薄硅(Si)柔性襯底上直接外延生長了晶格失配高達20％，熱失配高達8％，1微米厚的碳化硅(SiC)材料。
對硅(Si)襯底和柔性硅襯底(SOI)上生長的碳化硅(SiC)進行X射線衍射測試，見圖3[(a)為硅(Si)襯底；(b)為柔性硅襯底(SOI)]?？梢钥吹?，柔性硅襯底(SOI)上生長的碳化硅(SiC)的半峰寬(2θ＝0.311)要比硅(Si)襯底上的碳化硅(SiC)的半峰寬(2θ＝0.514)要小得多，而且峰強要強得多。這表明柔性硅襯底(SOI)上外延層的質(zhì)量有明顯提高。
對硅(Si)襯底和柔性硅襯底(SOI)上生長的碳化硅(SiC)進行拉曼散射測試，見圖4[(a)為硅(Si)襯底；(b)為柔性硅襯底(SOI)]。
可以看到，柔性硅襯底(SOI)上碳化硅(SiC)的橫向聲子模的頻移(795cm-1)要比硅(Si)襯底上碳化硅(SiC)的橫向聲子模的頻移(794.38cm-1)更接近于碳化硅(SiC)的橫向聲子模的頻移(796.2cm-1)。這表明，柔性硅襯底(SOI)上生長的碳化硅(SiC)外延層中的殘存應(yīng)力得到了部分釋放，進一步證實了柔性硅襯底(SOI)上生長的外延層的質(zhì)量得到了提高。
圖5(a)是硅襯底上生長的碳化硅(SiC)的截面透射電鏡圖；(b)是柔性襯底(SOI)襯底上生長的碳化硅(SiC)的截面透射電鏡圖。從圖5(a)可以看到碳化硅層中有大量的位錯，橫貫整個外延層；而圖5(b)中只有在界面處有位錯出現(xiàn)，外延層中主要是由于生長工藝和材料本身特點引起的堆垛位錯和孿晶。這表明，在柔性襯底上生長的碳化硅的晶粒完整性要比在硅襯底上生長的碳化硅好得多。
從以上分析可以看到，采用該腐蝕工藝得到了表面平整度均勻的柔性硅襯底(SOI)片子；進一步進行了大失配外延生長，外延層的晶體質(zhì)量有所提高，外延層的殘存應(yīng)力有所降低，失配位錯主要集中在外延層與柔性襯底的界面處。這表明外延層中的殘存應(yīng)力部分地轉(zhuǎn)移到了柔性襯底中。
權(quán)利要求
1.一種濕法腐蝕兩步法制備超薄柔性硅襯底的腐蝕工藝，其特征在于(a)對柔性硅襯底片子進行去油處理，去離子水清洗，并經(jīng)稀釋氫氟酸漂洗后，再進行超薄腐蝕加工；(b)先進行酸性腐蝕；(c)再進行堿性腐蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕工藝，其特征在于所述柔性硅襯底片子，其表層硅(Si)厚度為十幾個微米到亞微米級；優(yōu)選在亞微米級到50納米左右的范圍內(nèi)，腐蝕表面的質(zhì)量得到很好的保證。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕工藝，其特征在于；所述柔性硅襯底片子的夾層絕緣物是硅(Si)的氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕工藝，其特征在于所述柔性硅襯底片子，是采用氧離子注入隔離(SIMOX)技術(shù)或智能剝離(smart-cut)技術(shù)制備的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腐蝕工藝，其特征在于所述(b)步的酸性腐蝕，是先將(a)步中處理過的硅襯底片子在HNO3液或用乙酸稀釋過的HNO3液中水浴煮沸1～3分鐘，用去離子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去離子水清洗；重復以上操作2～5次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腐蝕工藝，其特征在于所述(c)步的堿性腐蝕，堿性腐蝕液的配比為KOH/H2O＝5～15g/100ml，腐蝕溫度為30～60℃，腐蝕時間為1～2min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腐蝕工藝，其特征在于所述(c)步的堿性腐蝕，在堿性腐蝕液中加入適量的乙丙醇或正丁醇。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的腐蝕工藝，其特征在于采用平面腐蝕，在腐蝕過程中，進行適中力度的攪拌或晃動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕工藝，其特征在于該腐蝕工藝制備的超薄硅(Si)柔性襯底用于進行大失配體系的外延生長。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腐蝕工藝，其特征在于所述大失配外延生長是在分子束外延系統(tǒng)，化學氣相淀積系統(tǒng)或金屬有機氣相外延系統(tǒng)中進行。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腐蝕工藝，其特征在于所述外延生長的外延層是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)或氧化鋅(ZnO)。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是半導體技術(shù)，是一種濕法腐蝕兩步法制備超薄硅的腐蝕工藝，可用于減薄具有氧化埋層的硅柔性襯底(SOI)，為大失配外延生長提供了一種可協(xié)調(diào)失配應(yīng)變的襯底材料。該腐蝕工藝，(a)對柔性硅襯底片子進行去油處理，去離子水清洗，并經(jīng)稀釋氫氟酸漂洗后，再進行超薄腐蝕加工；(b)先進行酸性腐蝕；(c)再進行堿性腐蝕。本發(fā)明解決了對柔性硅襯底的表層硅(Si)腐蝕不均勻的情況，而采用先酸后堿的腐蝕工藝來達到均勻腐蝕的目的。
文檔編號H01L21/306GK1697140SQ20041003773
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者王曉峰, 曾一平, 孫國勝, 黃風義, 王雷, 趙萬順 申請人:中國科學院半導體研究所