专利名称：湿法腐蚀两步法制备超薄柔性硅衬底的腐蚀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是半导体技术，是一种湿法腐蚀两步法制备超薄硅的腐蚀工艺，可用于减薄具有氧化埋层的硅柔性衬底(SOI)，为大失配外延生长提供了一种可协调失配应变的衬底材料。
背景技术：
新型化合物半导体材料，如碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)等，在高温、高频、大功率器件，以及光电子器件方面表现出了十分广阔的应用前景。然而它们的单晶材料制备还很困难，进行外延生长又缺乏合适的衬底材料。
常用的衬底有硅和兰宝石。将碳化硅(SiC)(氮化镓(GaN)，氧化锌(ZnO)等)外延生长在兰宝石(Si)上属于大失配外延生长，这是由于外延层和衬底之间存在着较大的晶格失配和(或)热失配。外延层中必然会出现大量的失配位错，存在较大的残存应力。当外延层较厚时，甚至会出现龟裂。这样的外延材料是无法用来制备器件的。
具有三明治夹心结构，中间为绝缘层的硅(Si)材料(柔性硅衬底(SOI)材料)为这种大失配外延体系提供了一种可选择的衬底材料。它的基本思想就是在超薄的柔性硅衬底(SOI)上外延生长碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)或氧化锌(ZnO)，从而使残存应力由外延层中转移到超薄表层硅(Si)以及下面的绝缘层中。
市场上可提供的柔性硅衬底(SOI)材料的表层硅的厚度最薄也在微米级。所以购买到的柔性硅衬底材料必须进行减薄才能进行下一步的外延生长。
硅的湿法腐蚀有三类1)HNO3-HF系统；2)KOH系统；3)有机碱系统。这三类系统中有机碱有剧毒，不利于安全操作和环境保护；KOH系统是各向异性腐蚀，腐蚀速度快时容易出现腐蚀坑，难以得到均匀度高的腐蚀表面；尽管HNO3-HF系统是各向同性腐蚀，但随着腐蚀时间的增加，会出现塌边现象。
硅干法腐蚀的困难在于设备复杂，成本高，而且还有机械损伤。
对于柔性硅衬底(SOI)片子，表层硅(Si)的厚度很薄，需要腐蚀均匀度高，腐蚀深度可控的腐蚀工艺。
而目前的硅(Si)腐蚀工艺不适用于对柔性硅衬底的表层硅(Si)进行腐蚀加工，很容易出现腐蚀不均匀的情况，即部分区域已腐蚀到了氧化绝缘层，而部分区域还有几十纳米表层硅(Si)。
发明内容
本发明的目的是通过湿法腐蚀两步法来制备超薄柔性硅衬底(SOI)，该腐蚀工艺对表面腐蚀均匀。表层硅(Si)的厚度可减薄到50纳米左右，可以在其上生长高质量的外延膜。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种湿法腐蚀两步法制备超薄柔性硅衬底的腐蚀工艺，其步骤是(a)对柔性硅衬底片子进行去油处理，去离子水清洗，并经稀释氢氟酸漂洗后，再进行超薄腐蚀加工；(b)先进行酸性腐蚀；(c)再进行碱性腐蚀。
所述的腐蚀工艺，其所述柔性硅衬底片子，其表层硅(Si)厚度为十几个微米到亚微米级；优选在亚微米级到50纳米左右的范围内，腐蚀表面的质量得到很好的保证。
所述的腐蚀工艺，其所述柔性硅衬底片子的夹层绝缘物是硅(Si)的氧化物。
所述的腐蚀工艺，其所述柔性硅衬底片子，是采用氧离子注入隔离(SIMOX)技术或智能剥离(smart-cut)技术制备的。
所述的腐蚀工艺，其所述(b)步的酸性腐蚀，是先将(a)步中处理过的硅衬底片子在HNO3液或用乙酸稀释过的HNO3液中水浴煮沸1～3分钟，用去离子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去离子水清洗；重复以上操作2～5次。
所述的腐蚀工艺，其所述(c)步的碱性腐蚀，碱性腐蚀液的配比为KOH/H2O＝5～15g/100ml，腐蚀温度为30～60℃，腐蚀时间为1～2min。
所述的腐蚀工艺，其所述(c)步的碱性腐蚀，在碱性腐蚀液中加入适量的乙丙醇或正丁醇。
所述的腐蚀工艺，其采用平面腐蚀，在腐蚀过程中，进行适中力度的搅拌或晃动。
所述的腐蚀工艺，其根据柔性硅衬底片子表面色泽的变化初步判断腐蚀深度。
所述的腐蚀工艺，其根据柔性硅衬底片子表面色泽的均匀性初步判断硅(Si)表面的平整度。
所述的腐蚀工艺，该腐蚀工艺制备的超薄硅(Si)柔性衬底用于进行大失配体系的外延生长。
所述的腐蚀工艺，其所述大失配外延生长是在分子束外延系统，化学气相淀积系统或金属有机气相外延系统中进行。
所述的腐蚀工艺，其所述外延生长的外延层是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或氧化锌(ZnO)。
本发明解决了对柔性硅衬底的表层硅(Si)腐蚀不均匀的情况，而采用先酸后碱的腐蚀工艺来达到均匀腐蚀的目的。
图1是本发明湿法腐蚀两步法制备超薄柔性硅衬底腐蚀工艺示意图；图2是本发明湿法腐蚀两步法制备超薄柔性硅衬底的表层硅(Si)的光学显微镜图(放大2500倍)；图3在同样的生长条件下，不同的衬底上生长的碳化硅(SiC)的对比X射线衍射图；其中，(a)为硅(Si)衬底，(b)为腐蚀加工过的柔性硅衬底(SOI)；图4在同样的生长条件下，不同的衬底上生长的碳化硅(SiC)的对比拉曼散射谱，其中，(a)为硅(Si)衬底，(b)为腐蚀加工过的柔性硅衬底(SOI)；图5在同样的生长条件下，不同的衬底上生长的碳化硅(SiC)的截面透射电镜图，其中，(a)为硅(Si)衬底，(b)为腐蚀加工减薄后的柔性衬底(SOI)。
具体实施例方式
本发明是一种湿法腐蚀两步法，用于制备超薄硅(Si)柔性衬底(SOI)。在该腐蚀操作之前，先进行去油处理，并经去离子水清洗，稀释氢氟酸漂洗后，再进行超薄腐蚀工艺。
请参阅图1所示，其中，在反应水池5中盛有水1，水1中放有反应皿6，反应皿6浮于水上，将柔性硅衬底(SOI)片子2水平放在反应皿6的底面上。图1(a)所示是酸性腐蚀时的状态，已将酸性腐蚀液3注入反应皿6。图1(b)所示是碱性腐蚀时的状态，已将碱性腐蚀液4注入反应皿6。
(a)酸性腐蚀。将处理过的柔性硅衬底(SOI)片子2，先在HNO3中水浴煮沸1～3分钟，取出用去离子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去离子水清洗；重复上述操作2～5次。
(b)碱性腐蚀。采用KOH系统，碱性腐蚀液4的配比是KOH/H2O＝5～15g/100ml(可加入适量的乙丙醇或正丁醇)，反应温度30～60℃。
在腐蚀过程中进行适中力度的搅拌或晃动。
根据柔性硅衬底(SOI)片子表面色泽的变化来初步判断腐蚀深度。
根据柔性硅衬底(SOI)片子表明色泽的均匀性来初步判断硅(Si)表面的平整度。
大失配外延生长可以在分子束外延系统，化学气相淀积系统或金属有机气相外延系统中进行。
外延层可以是碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)或氧化锌(ZnO)。
实施例采用进口柔性硅衬底(SOI)片子，由氧离子注入隔离技术制备，p-型，(100)晶面。
去油处理依次在三氯乙烯—丙酮—无水乙醇中沸煮10～20分钟，用去离子水清洗。
氢氟酸漂洗在用水稀释的HF溶液中浸泡10秒。
酸性腐蚀先在HNO3中水浴煮沸2分钟，用去离子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去离子水清洗；重复以上操作3次。
用去离子水清洗后，进行碱性腐蚀。
碱性腐蚀配比，KOH/H2O＝10g/100ml(可加入适量的乙丙醇或正丁醇)，在35℃下腐蚀1.5min。
在光的干涉效应下，腐蚀减薄后的表层硅呈现出色泽均匀的紫红色(见图2)，厚度为～600。
用化学气相淀积技术，在上述超薄硅(Si)柔性衬底上直接外延生长了晶格失配高达20％，热失配高达8％，1微米厚的碳化硅(SiC)材料。
对硅(Si)衬底和柔性硅衬底(SOI)上生长的碳化硅(SiC)进行X射线衍射测试，见图3[(a)为硅(Si)衬底；(b)为柔性硅衬底(SOI)]。可以看到，柔性硅衬底(SOI)上生长的碳化硅(SiC)的半峰宽(2θ＝0.311)要比硅(Si)衬底上的碳化硅(SiC)的半峰宽(2θ＝0.514)要小得多，而且峰强要强得多。这表明柔性硅衬底(SOI)上外延层的质量有明显提高。
对硅(Si)衬底和柔性硅衬底(SOI)上生长的碳化硅(SiC)进行拉曼散射测试，见图4[(a)为硅(Si)衬底；(b)为柔性硅衬底(SOI)]。
可以看到，柔性硅衬底(SOI)上碳化硅(SiC)的横向声子模的频移(795cm-1)要比硅(Si)衬底上碳化硅(SiC)的横向声子模的频移(794.38cm-1)更接近于碳化硅(SiC)的横向声子模的频移(796.2cm-1)。这表明，柔性硅衬底(SOI)上生长的碳化硅(SiC)外延层中的残存应力得到了部分释放，进一步证实了柔性硅衬底(SOI)上生长的外延层的质量得到了提高。
图5(a)是硅衬底上生长的碳化硅(SiC)的截面透射电镜图；(b)是柔性衬底(SOI)衬底上生长的碳化硅(SiC)的截面透射电镜图。从图5(a)可以看到碳化硅层中有大量的位错，横贯整个外延层；而图5(b)中只有在界面处有位错出现，外延层中主要是由于生长工艺和材料本身特点引起的堆垛位错和孪晶。这表明，在柔性衬底上生长的碳化硅的晶粒完整性要比在硅衬底上生长的碳化硅好得多。
从以上分析可以看到，采用该腐蚀工艺得到了表面平整度均匀的柔性硅衬底(SOI)片子；进一步进行了大失配外延生长，外延层的晶体质量有所提高，外延层的残存应力有所降低，失配位错主要集中在外延层与柔性衬底的界面处。这表明外延层中的残存应力部分地转移到了柔性衬底中。
权利要求
1.一种湿法腐蚀两步法制备超薄柔性硅衬底的腐蚀工艺，其特征在于(a)对柔性硅衬底片子进行去油处理，去离子水清洗，并经稀释氢氟酸漂洗后，再进行超薄腐蚀加工；(b)先进行酸性腐蚀；(c)再进行碱性腐蚀。
2.根据权利要求1所述的腐蚀工艺，其特征在于所述柔性硅衬底片子，其表层硅(Si)厚度为十几个微米到亚微米级；优选在亚微米级到50纳米左右的范围内，腐蚀表面的质量得到很好的保证。
3.根据权利要求1所述的腐蚀工艺，其特征在于；所述柔性硅衬底片子的夹层绝缘物是硅(Si)的氧化物。
4.根据权利要求1所述的腐蚀工艺，其特征在于所述柔性硅衬底片子，是采用氧离子注入隔离(SIMOX)技术或智能剥离(smart-cut)技术制备的。
5.根据权利要求1或2所述的腐蚀工艺，其特征在于所述(b)步的酸性腐蚀，是先将(a)步中处理过的硅衬底片子在HNO3液或用乙酸稀释过的HNO3液中水浴煮沸1～3分钟，用去离子水清洗；再在HF液中浸泡10秒，用去离子水清洗；重复以上操作2～5次。
6.根据权利要求1或2所述的腐蚀工艺，其特征在于所述(c)步的碱性腐蚀，碱性腐蚀液的配比为KOH/H2O＝5～15g/100ml，腐蚀温度为30～60℃，腐蚀时间为1～2min。
7.根据权利要求1或2所述的腐蚀工艺，其特征在于所述(c)步的碱性腐蚀，在碱性腐蚀液中加入适量的乙丙醇或正丁醇。
8.根据权利要求1或2所述的腐蚀工艺，其特征在于采用平面腐蚀，在腐蚀过程中，进行适中力度的搅拌或晃动。
9.根据权利要求1所述的腐蚀工艺，其特征在于该腐蚀工艺制备的超薄硅(Si)柔性衬底用于进行大失配体系的外延生长。
10.根据权利要求9所述的腐蚀工艺，其特征在于所述大失配外延生长是在分子束外延系统，化学气相淀积系统或金属有机气相外延系统中进行。
11.根据权利要求9所述的腐蚀工艺，其特征在于所述外延生长的外延层是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或氧化锌(ZnO)。
全文摘要
本发明涉及的是半导体技术，是一种湿法腐蚀两步法制备超薄硅的腐蚀工艺，可用于减薄具有氧化埋层的硅柔性衬底(SOI)，为大失配外延生长提供了一种可协调失配应变的衬底材料。该腐蚀工艺，(a)对柔性硅衬底片子进行去油处理，去离子水清洗，并经稀释氢氟酸漂洗后，再进行超薄腐蚀加工；(b)先进行酸性腐蚀；(c)再进行碱性腐蚀。本发明解决了对柔性硅衬底的表层硅(Si)腐蚀不均匀的情况，而采用先酸后碱的腐蚀工艺来达到均匀腐蚀的目的。
文档编号H01L21/306GK1697140SQ20041003773
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月10日 优先权日2004年5月10日
发明者王晓峰, 曾一平, 孙国胜, 黄风义, 王雷, 赵万顺 申请人:中国科学院半导体研究所