[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种SOI晶圆顶层硅层减薄方法及SOI晶圆。

[0002] 绝缘体上硅(SOI,Silicon on insulator)技术目前已成为多数电子材料领域的主流产品之一，这种特殊的硅基半导体制造技术核心特征是在绝缘体上形成一层薄薄的顶层硅。这种结构使得SOI器件在诸多方面，如低功耗、抗辐射、高速度等方面表现出色，而随着车规级SOI材料车载芯片的集成度愈来愈高，顶层硅层厚度高均匀性显得尤为重要。

[0003] BESOI(Bond and Etch‑back SOI)技术主要通过键合和减薄的方式制造SOI晶圆。首先，将两块硅晶圆键合在一起，然后通过背面减薄的方式得到顶层硅，形成SOI结构，顶层硅薄膜厚度及均匀性的管控是BESOI的核心关键技术，目前，背面研磨(Grinding)和化学机械抛光(CMP)两道工艺为BESOI技术晶圆制造中的关键工艺，研磨将晶圆顶层硅减薄至一定厚度，形成SOI结构，化学机械抛光消除背面研磨带来的应力损伤，提高晶圆均匀性，得到高平整度低粗糙度的晶圆。但当前在对SOI晶圆顶层硅进行减薄时，存在厚度不均匀难以控制，导致器件性能不稳定，局部电子通道的电流密度不一致，热效应不均匀甚至线宽变化等问题。

[0027] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的SOI晶圆顶层硅层减薄方法及SOI晶圆作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。应当认识到，附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种元件的关系。这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件的不同取向。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件下方。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

[0028] 请参见图1，本发明实施例提供一种SOI晶圆顶层硅层减薄方法，包括如下步骤：

[0029] S1，提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括自下向上依次堆叠的衬底硅层、埋氧层和顶层硅层；

[0030] S2，对所述顶层硅层执行研磨工艺，执行所述研磨工艺后，所述顶层硅层边缘区域与所述顶层硅层中间区域的厚度之差为第一厚度A，所述顶层硅层中间区域具有第二厚度B；以及，

[0031] S3，对所述顶层硅层执行化学机械抛光工艺，在对所述顶层硅层执行化学机械抛光工艺时，根据所述第一厚度A及所述第二厚度B的值进行化学机械抛光工艺匹配，在执行所述化学机械抛光工艺后，所述顶层硅层中间区域的厚度为C，B‑C满足：2.5A≤B‑C≤10A。

[0032] 本发明实施例提供的SOI晶圆顶层硅层减薄方法，在对所述顶层硅层执行化学机械抛光工艺时，根据所述第一厚度及所述第二厚度的值进行化学机械抛光工艺匹配，以使得所述化学机械抛光工艺去除的所述顶层硅层的厚度B‑C满足：2.5A≤B‑C≤10A，如此，可以使得最终顶层硅层的厚度均匀性得到有效控制。

[0033] 以下结合图2～图4对上述各步骤作进一步详细描述。

[0034] 首先，执行步骤S1，请参见图2，提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括自下向上依次堆叠的衬底硅层10、埋氧层20和顶层硅层30。所述衬底硅层10和所述顶层硅层30通过所述埋氧层20隔离且键合于一体。此外，所述衬底硅层10的背面，即远离所述顶层硅层30的一面还可具有氧化层40。

[0035] 其中，所述埋氧层20可以通过在所述衬底硅层10和/或所述顶层硅层30的表面执行热氧化工艺和/或等离子体增强化学气体沉积(PECVD)工艺形成。本实施中，较佳的，先通过热干氧氧化工艺形成致密性较高的二氧化硅界面层，再利用湿氧氧化工艺制备相对疏松的二氧化硅层。较佳的，所形成的所述埋氧层20的厚度大于0.2μm且小于2μm。

[0036] 所述衬底硅层10和顶层硅层30的直径可为200mm或300mm，所述衬底硅层10的厚度可为772μm～777μm，所述衬底硅层10和所述顶层硅层30的复合偏角为0.1°～0.5°，厚度极差值小于0.4μm，但本申请并不仅限于此。可以理解，所述复合偏角表征所述衬底硅层10和所述顶层硅层30在键合时的对准程度，若所述衬底硅层10在X方向上相对于所述顶层硅层30偏转的角度为X0，在Y方向上相对于所述顶层硅层30偏转的角度为Y0，则所述复合偏角等
2 2 1/2
于(X0+Y0) 。

[0037] 本实施例中，在将所述衬底硅层10和所述顶层硅层30键合于一体后，还可对键合片进行加固热处理，加固温度为900～1250℃，时间为0.5～3h，气氛为含氧或含氢的惰性气体(Ar、N2、He等)；以及，还可对键合片进行边缘倒角处理及腐蚀处理，通过边缘倒角处理去除顶层硅层30的部分未键合区域，通过边缘腐蚀处理消除边缘损伤。通过加固热处理、边缘倒角处理和边缘腐蚀处理得到如步骤S1中所述的SOI晶圆。

[0038] 其次，执行步骤S2，请参见图3，对所述顶层硅层30执行研磨工艺，执行所述研磨工艺后，所述顶层硅层边缘区域的厚度大于所述顶层硅层中间区域的厚度，所述顶层硅层中间区域具有第二厚度B，所述顶层硅层的边缘区域具有第三厚度D，所述顶层硅层边缘区域与所述顶层硅层中间区域的厚度之差为第一厚度A，A＝D‑B。

[0039] 虽然“中间”和“边缘”并非限制的，但应当可以理解，所述边缘区域是相对于所述中间区域而言的，所述中间区域是指经过硅片中心的区域，所述边缘区域是指硅片表面除所述中间区域以外的区域，且所述边缘区域围绕所述中间区域。实际应用中，所述中间区域和所述边缘区域所占面积大小可以人为定义，但两者相对位置关系不变。作为示例，如图5中所示，当所述顶层硅层30的半径R为150nm时，所述中间区域100可为以所述顶层硅层30的轴心为圆心，半径为10nm的圆形区域，所述边缘区域200可为距离所述顶层硅层30的轴心140nm～147nm的圆周区域。

[0040] 由于一般的，在对晶圆执行研磨工艺时，晶圆中间区域的去除速率大于边缘区域的去除效率，因此，可采取合适的研磨工艺，使得在执行所述研磨工艺后，所述顶层硅层30从边缘位置至中心位置厚度逐渐减小而呈凹型，所述顶层硅层30呈凹型，有助于后续在对所述顶层硅层30进行抛光时，对于所述顶层硅层30形貌的控制。具体而言，所述顶层硅层30呈凹型，可与后续进行抛光时呈凹型分布的压力值(压力从边缘位置至中心位置逐渐增大)形成互补，从而有助于控制所述顶层硅层30的厚度均匀性。

[0041] 可选的，所述研磨工艺使用双轴研磨机完成，通过该双轴研磨机可使得所述顶层硅层30中间区域的去除速率大于所述顶层硅层30边缘区域的去除速率，从而所述顶层硅层30从边缘位置至中心位置厚度逐渐减小而呈凹型。但本申请并不限于此，任何能够使得对于所述顶层硅层30在研磨后呈凹型的研磨工具均在本申请的保护范围之内。

[0042] 接着，执行步骤S3，请参见图4，对所述顶层硅层30执行化学机械抛光工艺，执行所述化学机械抛光工艺时，所述顶层硅层边缘区域的移除速率大于所述顶层硅层中间区域的移除速率。如此，可使得顶层硅层30边缘区域相对于中间区域能够更快地被去除，从而使得所述顶层硅层30的厚度均匀性得到有效控制。

[0043] 在抛光过程中，在对所述顶层硅层30各位置抛光条件相同的情况下，抛光盘对于所述顶层硅层30边缘区域施加的压力大于对于所述顶层硅层30中间区域所施加的压力，因此，可使得在执行所述化学机械抛光工艺时，所述顶层硅层30边缘区域的移除速率大于所述顶层硅层30中间区域的移除速率。

[0044] 假设执行所述研磨工艺后，所述顶层硅层30边缘区域与中间区域的厚度之差为第一厚度A，所述顶层硅层30中间区域的厚度为第二厚度B，执行所述化学机械抛光工艺后，所述顶层硅层30的厚度为第三厚度C。本实施例中，在对所述顶层硅层30执行化学机械抛光工艺时，根据所述第一厚度A及所述第二厚度B的值进行化学机械抛光工艺匹配，以使得所述化学机械抛光工艺去除的所述顶层硅层30的厚度B‑C满足：2.5A≤B‑C≤10A。通过进行该化学机械抛光工艺匹配，可使得执行所述化学机械抛光工艺后，所述顶层硅层30的厚度极差值小于0.2μm，即，所述顶层硅层30的最大厚度与最小厚度的差值小于0.2μm。

[0045] 本发明实施例还提供一种SOI晶圆，所述SOI晶圆利用本发明实施例提供的方法得到，因此，本发明实施例提供的所述SOI晶圆顶层硅层30的厚度极差值小于0.2μm。

[0046] 在一具体示例中，提供两片硅晶圆分别作为器件片和支撑片，以在键合后，分别充当SOI晶圆的顶层硅层30和衬底硅层10，支撑片厚度为775μm，厚度极差值(TTV)为0.2um。将经过热氧化后的器件片和支撑片进行键合，键合后进行热加固处理，加固温度为950℃，时间为2h，加固后的晶圆进行倒角、边缘腐蚀处理，得到SOI晶圆；经过研磨后获得的顶层硅层30厚度极差值(边缘区域与中心区域的厚度差值)为1μm，中心区域厚度为8μm。进行化学机械抛光，根据研磨后厚度分布进行化学机械抛光工艺匹配，抛光后顶层硅层30的中心区域厚度控制为3μm，抛光后顶层硅层30的厚度极差值为0.15μm。

[0047] 在另一具体示例中，提供两片硅晶圆分别作为器件片和支撑片，支撑片厚度为775um，TTV为0.2μm。将经过热氧化后的器件片和支撑片进行键合，键合后进行热加固处理，加固温度为950℃，时间为2h，加固后的晶圆进行倒角、边缘腐蚀处理。经过研磨后获得的顶层硅层30厚度极差值为2μm，中心区域厚度为6μm；进行化学机械抛光，根据研磨后厚度分布进行CMP工艺匹配，抛光后顶层硅中心区域厚度控制为3μm，抛光后顶层硅层30的厚度极差值为0.5μm。

[0048] 在又一具体示例中，提供两片硅晶圆分别作为器件片和支撑片，支撑片厚度为775μm，TTV为0.2um。将经过热氧化后的器件片和支撑片进行键合，键合后进行热加固处理，加固温度为950℃，时间为2h，加固后的晶圆进行倒角、边缘腐蚀处理。经过研磨后获得的顶层硅层30厚度极差值为0.5μm，中心区域厚度为8μm。进行化学机械抛光，根据研磨后厚度分布进行CMP工艺匹配，抛光后顶层硅层30中心区域厚度控制为2μm，抛光后顶层硅层30的厚度极差值为0.4μm。

[0049] 综上所述，本发明实施例提供的SOI晶圆顶层硅层减薄方法包括：提供SOI晶圆，所述SOI晶圆包括自下向上依次堆叠的衬底硅层、埋氧层和顶层硅层；对所述顶层硅层执行研磨工艺，执行所述研磨工艺后，所述顶层硅层边缘区域与所述顶层硅层中间区域的厚度之差为第一厚度A，所述顶层硅层中间区域具有第二厚度B；以及，对所述顶层硅层执行化学机械抛光工艺，在对所述顶层硅层执行化学机械抛光工艺时，根据所述第一厚度A及所述第二厚度B的值进行化学机械抛光工艺匹配，在执行所述化学机械抛光工艺后，所述顶层硅层中间区域的厚度为C，B‑C满足：2.5A≤B‑C≤10A。采用本发明实施例提供的该减薄方法所得到的SOI晶圆，其顶层硅层的厚度均匀性得到了有效控制。

[0050] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。