孫 濤，張偉才

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

SOI（Silicon On Insulator）材料被國(guó)際上公認(rèn)為是21世紀(jì)硅集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)[1]，以其特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，有效地克服了體硅材料的不足。雖然實(shí)現(xiàn)SOI結(jié)構(gòu)的技術(shù)有很多種，但是SDB（Silicon-Silicon Direct Bonding）法依然是迄今為止唯一能獲得厚膜氧化層的方法。SDB法制備SOI片的關(guān)鍵工藝在于頂層硅的減薄技術(shù)，本文就當(dāng)前SDB-SOI晶片的減薄技術(shù)的先進(jìn)性作介紹對(duì)比，歸納總結(jié)各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)劣和發(fā)展趨勢(shì)。

1 SDB-SOI晶片的減薄要求

SDB-SOI晶片的減薄，目的在于獲得規(guī)定厚度均勻性良好的頂層硅，并將頂層硅鏡面化。其不同于普通晶片，SDB-SOI晶片通常有較大的翹曲度，鍵合邊緣脆弱容易開(kāi)裂。其特點(diǎn)是對(duì)加工參數(shù)要求極為苛刻，加工成品率低。

2 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是起源于20世紀(jì)60年代的全局平坦化方法[2]，其加工模型見(jiàn)圖1。化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)對(duì)晶圓的表面平坦化，是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的結(jié)果。首先晶片表面與拋光液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成容易被去除的薄膜，然后在拋光液中的磨料和拋光頭與拋光墊的機(jī)械作用下，去除表面薄膜，露出新的基底材料，新的基底材料再與拋光液反應(yīng)，如此周而復(fù)始以達(dá)到全局平坦化的目的?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是應(yīng)用最廣泛的襯底減薄技術(shù)，也是最早應(yīng)用于SOI片的減薄技術(shù)。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光的加工模型

化學(xué)機(jī)械拋光法在SOI片的減薄中，最重要的參數(shù)是拋光壓力。拋光壓力決定著拋光速率和頂硅的邊緣質(zhì)量。如果拋光壓力過(guò)低，拋光去除速率較小，不利于獲得平整度良好的頂硅層；如果拋光壓力過(guò)高，邊緣處的頂硅容易脫落。另外，材質(zhì)相對(duì)柔軟的拋光墊更適合SOI片的減薄，加工中碎片率較低。

化學(xué)機(jī)械拋光應(yīng)用于SOI片減薄的最大制約因素是頂硅的厚度和均勻性難以被精確控制。加工方式的限制使化學(xué)機(jī)械拋光難以獲得1μm以下的連續(xù)硅膜，造成這種結(jié)果的主要原因是晶片在拋光墊中的彈性形變。而頂硅厚度的均勻性不僅依賴于化學(xué)機(jī)械拋光的精度，而且很大程度上依賴于SOI襯底的平整度[3]。

另外，化學(xué)機(jī)械拋光中的“塌邊”[4]和應(yīng)力引起的翹曲變形[5]同樣是影響頂硅品質(zhì)的重要因素。所以，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)一般只用做厚膜SOI（頂硅厚度＞5μm）的減薄。

3 電化學(xué)減薄技術(shù)

電化學(xué)腐蝕是借助于<100>晶向P型硅和N型硅在腐蝕溶液中極化行為的不同，根據(jù)其鈍化電壓值的不同，選擇適當(dāng)?shù)碾娢唬煤汶娢粌x控制，使之達(dá)到腐蝕自動(dòng)停止在PN結(jié)上的目的[6]。利用自腐蝕停止技術(shù)制備SOI薄膜，在硅片鍵合前，首先要在P型襯底硅上外延或擴(kuò)散一層N型層，形成PN結(jié)。鍵合后，為提高加工效率，首先利用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)將頂部硅減薄至幾十微米，然后以SOI片為工作電極，組成“三電極兩回路”的典型電化學(xué)研究模型，如圖2所示。以KOH溶液為腐蝕液為例，通過(guò)恒電位儀測(cè)量出P型硅和N型硅在溶液中的極化曲線，根據(jù)鈍化電壓的不同，選擇合適的外加電壓，在陽(yáng)極極化的條件下，P型材料不斷被腐蝕，當(dāng)腐蝕到達(dá)PN結(jié)時(shí)，由于外加電壓大于N型硅的鈍化電壓，會(huì)在硅表面生成氧化薄層，腐蝕自動(dòng)停止。

圖2 SOI片腐蝕的電化學(xué)模型

這種減薄方式能夠獲得比化學(xué)機(jī)械拋光更薄的頂部硅層，厚度均勻性也能夠大幅度提高，是國(guó)內(nèi)SDB-SOI減薄的常用方法。但是，電化學(xué)減薄技術(shù)難以將頂部硅層厚度公差范圍控制在0.3μm以下，原因除了透過(guò)埋氧層的漏電流之外，還有環(huán)狀電極內(nèi)外腐蝕速度的差異[7]，因此難以滿足MEMS領(lǐng)域的需求。

4 等離子拋光技術(shù)

等離子拋光技術(shù)是一種無(wú)接觸式干法刻蝕技術(shù)，是一種加工精度極高的表面平坦方法。等離子體拋光裝置主要包括四大子系統(tǒng)，即：等離子體發(fā)生系統(tǒng)、多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、反應(yīng)氣體供給系統(tǒng)、尾氣排放及無(wú)害化處理系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 等離子拋光設(shè)備示意圖

等離子拋光前，通常要測(cè)量出晶片的局部平整度，然后將這些數(shù)值輸入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)晶片表面凸起部分的高度，自動(dòng)控制SF6等離子體的腐蝕時(shí)間和晶片的掃描速度，以保證加工的晶片表面有極高的平整度[8]。SF6等離子體與硅反應(yīng)，生成可揮發(fā)的化合物，其原理如圖4所示。

圖4 硅的等離子拋光示意圖

等離子拋光技術(shù)用于SOI片頂硅的減薄，最大的優(yōu)勢(shì)在于可以獲得均一性非常高的薄層硅膜，加工精度在納米級(jí)。這種減薄技術(shù)的缺陷在于可是速度較慢，生產(chǎn)效率低，一般會(huì)與化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)相結(jié)合使用。

5 智能剝離技術(shù)

智能剝離技術(shù)是一種特殊的SDB-SOI的減薄方式，它是法國(guó)SOITECH公司的專利技術(shù)。鍵合前，對(duì)其中的一片晶片注入H+，在晶片內(nèi)部形成一個(gè)氣泡層。鍵合后，對(duì)晶片進(jìn)行退火處理，晶片內(nèi)部氣泡壓力變大，使得晶片在氣泡層處剝離開(kāi)，一部分與支撐片鍵合在一起，構(gòu)成SOI結(jié)構(gòu)的頂硅，另一部分脫離開(kāi)，還原為獨(dú)立的襯底片。其過(guò)程如圖5所示。

智能剝離過(guò)程中，影響頂硅質(zhì)量的最重要步驟是H+注入過(guò)程和退火過(guò)程。如果H+注入劑量過(guò)大或靶片溫度過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)H+的逸出現(xiàn)象，造成頂硅的孔狀缺陷；如果H+注入劑量過(guò)小，則不能在靶片內(nèi)部形成連續(xù)的氣泡層，難以進(jìn)行剝離。另外，退火溫度的選擇也至關(guān)重要，如果溫度過(guò)高，可能造成局部氣泡壓強(qiáng)過(guò)大，產(chǎn)生局部過(guò)早剝離，使頂硅呈不連續(xù)狀，而溫度過(guò)低則達(dá)不到剝離效果。

由于H+的注入深度及均勻性比較容易控制，所以智能剝離技術(shù)能獲得均一性良好的硅層薄膜，特別適合頂硅厚度在2μm以下的SOI片的制備。這種減薄技術(shù)的另一方面優(yōu)勢(shì)在于剝離掉的硅層，可以繼續(xù)作為襯底片使用，降低了SOI片的制作成本。智能剝離的減薄方式目前已發(fā)展為一種獨(dú)立的SOI形成技術(shù)，極大程度上彌補(bǔ)了SIMOX工藝在頂硅上的缺陷。

圖5 智能剝離示意圖

6 趨勢(shì)與展望

SDB-SOI片的頂層硅質(zhì)量良好，目前尚沒(méi)有其它方法可以超越，所以SDB技術(shù)將在SOI領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間存在并發(fā)展，而SDB-SOI的減薄技術(shù)研究也將會(huì)不斷被推進(jìn)。成本高一直是制約SOI普及應(yīng)用的關(guān)鍵因素，降低成本是必由之路，從這個(gè)角度講，剝離技術(shù)是SOI減薄的發(fā)展趨勢(shì)。

由于SIMOX工藝的日趨成熟，SDB-SOI的減薄技術(shù)，將重點(diǎn)在300 nm、2μm厚度范圍內(nèi)發(fā)展，為納米級(jí)加工，這種減薄技術(shù)的發(fā)展，歸根結(jié)底依賴于減薄設(shè)備的發(fā)展。

[1]考林基JP著，武國(guó)英等譯.SOI技術(shù)——21世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，1993，(1)：2-6.

[2]譚剛，吳嘉麗.硅襯底的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究[J].儀器儀表技術(shù)，2005，26(8)：103-104.

[3]馮建，毛儒焱等.SD B/SO I硅材料頂層硅膜均勻性控制研究[J].微電子學(xué)，2005，35(6)：595-596.

[4]胡永亮，袁巨龍等.雙面研磨拋光中工件表面“塌邊現(xiàn)象”的研究[J].熱加工工藝技術(shù)與工藝研究，2010(2)：76-77.

[5]楊國(guó)渝，馮建.硅-硅鍵合晶片在減薄過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力及影響[J].微電子學(xué)，2002，32(5)：395-396.

[6]張佐蘭.電化學(xué)腐蝕自停止制備SiO2上的Si膜的機(jī)理研究[J].電子工藝技術(shù)，1990(2)：14-15.

[7]陳軍寧，黃慶安.SOI/SDB硅片化學(xué)腐蝕自停止減薄方法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1995(6)：49-50.

[8]張厥宗.硅片加工技術(shù)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2009.