SDB-SOI晶片減薄技術綜述

孫 濤，張偉才

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

SOI（Silicon On Insulator）材料被國際上公認為是21世紀硅集成電路技術的基礎[1]，以其特殊的絕緣結構，有效地克服了體硅材料的不足。雖然實現SOI結構的技術有很多種，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片的關鍵工藝在于頂層硅的減薄技術，本文就當前SDB-SOI晶片的減薄技術的先進性作介紹對比，歸納總結各項技術的優劣和發展趨勢。

1 SDB-SOI晶片的減薄要求

SDB-SOI晶片的減薄，目的在于獲得規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裂。其特點是對加工參數要求極為苛刻，加工成品率低。

2 化學機械拋光技術

化學機械拋光技術是起源于20世紀60年代的全局平坦化方法[2]，其加工模型見圖1。化學機械拋光系統對晶圓的表面平坦化，是化學作用和機械作用相結合的結果。首先晶片表面與拋光液發生化學反應，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，如此周而復始以達到全局平坦化的目的。化學機械拋光是應用最廣泛的襯底減薄技術，也是最早應用于SOI片的減薄技術。

圖1 化學機械拋光的加工模型

化學機械拋光法在SOI片的減薄中，最重要的參數是拋光壓力。拋光壓力決定著拋光速率和頂硅的邊緣質量。如果拋光壓力過低，拋光去除速率較小，不利于獲得平整度良好的頂硅層；如果拋光壓力過高，邊緣處的頂硅容易脫落。另外，材質相對柔軟的拋光墊更適合SOI片的減薄，加工中碎片率較低。

化學機械拋光應用于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機械拋光難以獲得1μm以下的連續硅膜，造成這種結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機械拋光的精度，而且很大程度上依賴于SOI襯底的平整度[3]。

另外，化學機械拋光中的“塌邊”[4]和應力引起的翹曲變形[5]同樣是影響頂硅品質的重要因素。所以，化學機械拋光技術一般只用做厚膜SOI（頂硅厚度＞5μm）的減薄。

3 電化學減薄技術

電化學腐蝕是借助于<100>晶向P型硅和N型硅在腐蝕溶液中極化行為的不同，根據其鈍化電壓值的不同，選擇適當的電位，用恒電位儀控制，使之達到腐蝕自動停止在PN結上的目的[6]。利用自腐蝕停止技術制備SOI薄膜，在硅片鍵合前，首先要在P型襯底硅上外延或擴散一層N型層，形成PN結。鍵合后，為提高加工效率，首先利用化學機械拋光技術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”的典型電化學研究模型，如圖2所示。以KOH溶液為腐蝕液為例，通過恒電位儀測量出P型硅和N型硅在溶液中的極化曲線，根據鈍化電壓的不同，選擇合適的外加電壓，在陽極極化的條件下，P型材料不斷被腐蝕，當腐蝕到達PN結時，由于外加電壓大于N型硅的鈍化電壓，會在硅表面生成氧化薄層，腐蝕自動停止。

圖2 SOI片腐蝕的電化學模型

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

4 等離子拋光技術

等離子拋光技術是一種無接觸式干法刻蝕技術，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，即：等離子體發生系統、多軸聯動工作臺及其運動控制系統、反應氣體供給系統、尾氣排放及無害化處理系統。其結構示意圖見圖3。

圖3 等離子拋光設備示意圖

等離子拋光前，通常要測量出晶片的局部平整度，然后將這些數值輸入到計算機控制系統內，系統根據晶片表面凸起部分的高度，自動控制SF6等離子體的腐蝕時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，生成可揮發的化合物，其原理如圖4所示。

圖4 硅的等離子拋光示意圖

等離子拋光技術用于SOI片頂硅的減薄，最大的優勢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。這種減薄技術的缺陷在于可是速度較慢，生產效率低，一般會與化學機械拋光技術相結合使用。

5 智能剝離技術

智能剝離技術是一種特殊的SDB-SOI的減薄方式，它是法國SOITECH公司的專利技術。鍵合前，對其中的一片晶片注入H+，在晶片內部形成一個氣泡層。鍵合后，對晶片進行退火處理，晶片內部氣泡壓力變大，使得晶片在氣泡層處剝離開，一部分與支撐片鍵合在一起，構成SOI結構的頂硅，另一部分脫離開，還原為獨立的襯底片。其過程如圖5所示。

智能剝離過程中，影響頂硅質量的最重要步驟是H+注入過程和退火過程。如果H+注入劑量過大或靶片溫度過高，會出現H+的逸出現象，造成頂硅的孔狀缺陷；如果H+注入劑量過小，則不能在靶片內部形成連續的氣泡層，難以進行剝離。另外，退火溫度的選擇也至關重要，如果溫度過高，可能造成局部氣泡壓強過大，產生局部過早剝離，使頂硅呈不連續狀，而溫度過低則達不到剝離效果。

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。這種減薄技術的另一方面優勢在于剝離掉的硅層，可以繼續作為襯底片使用，降低了SOI片的制作成本。智能剝離的減薄方式目前已發展為一種獨立的SOI形成技術，極大程度上彌補了SIMOX工藝在頂硅上的缺陷。

圖5 智能剝離示意圖

6 趨勢與展望

SDB-SOI片的頂層硅質量良好，目前尚沒有其它方法可以超越，所以SDB技術將在SOI領域長時間存在并發展，而SDB-SOI的減薄技術研究也將會不斷被推進。成本高一直是制約SOI普及應用的關鍵因素，降低成本是必由之路，從這個角度講，剝離技術是SOI減薄的發展趨勢。

由于SIMOX工藝的日趨成熟，SDB-SOI的減薄技術，將重點在300 nm、2μm厚度范圍內發展，為納米級加工，這種減薄技術的發展，歸根結底依賴于減薄設備的發展。

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

[2]譚剛，吳嘉麗.硅襯底的化學機械拋光技術研究[J].儀器儀表技術，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，2005，35(6)：595-596.

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

[5]楊國渝，馮建.硅-硅鍵合晶片在減薄過程中產生的應力及影響[J].微電子學，2002，32(5)：395-396.

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

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

[8]張厥宗.硅片加工技術[M].北京.化學工業出版社，2009.