[发明专利]一种湿法腐蚀样品的Si衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿法腐蚀样品的Si衬底的方法，尤其涉及一种在SOI晶片的背面湿法腐蚀Si以形成开口的方法。 

背景技术

硅的单晶片（Silicon Wafer）是半导体工业最重要的原料，是制作集成电路（IC,Integrated Circuit）芯片的母板。硅单晶片可以被加工成层状结构的晶片（Engineered Wafer），以获得特殊的电学/光学性能。在所有的层状硅晶片中，最著名的就是绝缘体上硅晶片（SOI,Silicon On Insulator）。它由顶层的单晶硅（几百纳米至几微米），中间层的绝缘体氧化硅（2-4微米）和底层的衬底单晶硅（几百微米）组成。利用氧化硅绝缘层隔断顶层与衬底之间的电气耦合，基于绝缘体上硅晶片的集成电路具有漏电流小、功耗低、驱动电压低、寄生电容小、响应速度快、击穿电压高、耐高温、抗辐射等一系列优点，是新一代集成电路芯片的主流技术。 

绝缘体上硅晶片的另一项重要应用是制作集成光路（PIC，Photonic Integrated Circuit）芯片。利用顶层高折射率介质与中间层低折射率介质形成的光波导，人们可以制作出与集成电路类似的集成光路芯片。集成光路用光波承载信息，能够克服集成电路中电子瓶颈效应对信号处理速度的限制，是未来高速集成信息处理的重要技术。绝缘体上硅晶片与目前以硅为基础的半导体CMOS工艺完全兼容，大大降低了集成光路芯片工业化实现的成本。因此，绝缘体上硅晶片是所有集成光路技术中最受瞩目的一种。 

绝缘体上硅晶片的制作方法大致有如下三种： 

（1）注氧隔离法（SIMOX,Separation by Implantation of Oxygen），如图1所示，将高能的氧离子直接注入硅晶片表面下一定深度，形成氧化硅层，经过高温退火将注入的氧离子分布均匀。注氧隔离法是目前最为成熟的绝缘体上硅制作方法。 

（2）键合和背面腐蚀法（BESOI,Bonding-Etchback SOI），如图2所 示，在一块单晶硅片的表面形成氧化硅，将其与另一块单晶硅高温键合，然后进行反面腐蚀和抛光，消耗两块硅片生成一块绝缘体上硅晶片。 

（3）智能剥离法（Smart Cut），如图3所示，在一块单晶硅的表面形成氧化膜，将高能氢离子注入氧化膜下方一定深度，将这块硅片与另一块目标单晶硅片键合起来，利用热效应在氢离子注入处形成剥落，剥落下来的部分经过抛光形成层状的绝缘体上硅晶片，而另一部分则继续进行“氧化-氢离子注入-键合-剥落”处理，制作下一块绝缘体上硅晶片。 

由上可知，所有的绝缘体上硅晶片都包含一层几微米厚的氧化硅和其下方几百微米厚的单晶硅衬底。在集成光路的设计中，硅衬底是不起作用的，不构成光波导的任何部分。可是，对硅基CMOS工艺而言，这层衬底保证了绝缘体上硅晶片可以被现有的工业标准兼容。而且，衬底提供了芯片所需的机械强度。目前最厚的氧化硅绝缘层只有4微米，氧化层材料的致密性也不是太好，光靠氧化硅绝缘层是无法为光波导回路提供机械支撑的。 

然而，在某些特殊设计的集成光路中，人们希望在芯片的某些区域除掉衬底，以免阻挡光波导层中的器件向下方辐射，如图4中所示。这样一个经过“开窗”处理的绝缘体上硅晶片为立体式的集成光路布局提供了可能，从而可能打破现有集成光路技术局限于二维平面的限制，为高密度集成光路芯片设计提供了新的思路。同时，还希望经过处理后的芯片的主体材料仍然是硅，这样，可以与现有CMOS工业标准兼容。 

为了除去硅衬底，常用的方法有干法刻蚀和湿法腐蚀。干法刻蚀的缺点是需要使用价格昂贵的微加工设备，刻蚀选择比小（小于150），处理过程产生大量有害气体（Cl₂,HBr,HCl等），刻蚀过程无法实时监控。 

湿法腐蚀在设备和时间成本等方面较干法刻蚀有较大优势。湿法腐蚀的刻蚀速度约2-4微米/分钟（沿单晶硅<100>方向，即垂直于绝缘体上硅晶片的方向），对硅和氧化硅的腐蚀选择比为1000:1，腐蚀过程不产生有害气体，而且可以进行实时监控。现有的半导体工艺中常用强碱作为硅薄膜材料的腐蚀剂。由于SOI晶片背面的硅衬底的厚度远大于半导体工艺中常用的硅薄膜的厚度，因此需要提高腐蚀剂的温度来加快腐蚀速度以降低时间成本，但腐蚀硅时常用的抗蚀剂材料，如光刻胶等，难以耐得住高温下的强碱，因此现有的半导体工艺中常用的湿法腐蚀工艺难以用到对SOI晶片的腐蚀中。而且当绝缘体上硅晶片的Si衬底被腐蚀掉以后，晶片顶端 的“硅-氧化硅”形成非常薄的薄膜（几微米厚），极易损坏。 

发明内容