CN100461367C - 通过多孔硅技术形成构图的绝缘体上硅/悬空硅复合结构 - Google Patents

Abstract

提供一种构图的SOI/SON复合结构及形成该结构的方法。在该SOI/SON复合结构中，构图的SOI/SON结构夹在Si表层与半导体衬底之间。形成该构图的SOI/SON复合结构的方法包括其中将SOI和SON结构一起形成的共有处理步骤。本发明还提供一种用于形成包括掩埋导电/SON结构的复合结构的方法，以及一种用于形成仅包括掩埋的空隙平面的复合结构的方法。

Description

通过多孔硅技术形成构图的绝缘体上硅/悬空硅复合结构

技术领域

本发明涉及半导体复合结构，并且更特别地，涉及包括绝缘体上硅(SOI)结构和悬空硅(SON：silicon-on-nothing)结构的组合的半导体复合结构，在SOI结构中薄硅层即Si表层(Siover-layer)通过绝缘区域而与衬底分开，在SON结构中Si表层通过扩展的空隙平面(void plane)或空气间隙而与衬底分开。本发明还涉及用于形成前述的半导体复合结构的方法。

背景技术

在微电子集成电路(IC)制造中，SOI和SON晶片用于这样的情形，其中特定IC要求使有源器件区域与位于下方的半导体衬底分开并隔离。当物理尺寸和体积相对较小的有源器件区域保持与体积大很多的衬底相接触时，会观察到对器件和电路性能有害的各种效应。例如，可以观察到以下效应：增加的漏电流和结电容、降低的对辐射效应和热效应的抵抗力、增加的短沟道效应以及增加的关于称为闩锁的电破坏的弱点。总之，这些有害效应转变为器件和电路性能的损失以及功耗的增加。

借助于在其上构造了SOI和SON器件和电路的独特半导体材料结构，SOI和SON器件和电路基本上免于经受上述效应并因而被大量需求。

在SOI中，诸如氧化物之类的掩埋绝缘材料的连续层形成在Si表层与半导体衬底之间。掩埋绝缘材料用于使Si表层与衬底电隔离。在称作键合和背蚀刻的SOI(BESOI)的已知方法中，这可以通过在表面上氧化两个起始半导体晶片，在氧化表面处键合两个晶片，以及然后通过从背面向下蚀刻一个晶片并且抛光所蚀刻的晶片以提供适于器件制造的光滑表面来将该晶片减薄为一个薄表层来实现。由于在键合之前将晶片表面氧化到期望的深度，所以可维持对掩埋氧化物形成的非常良好的控制。从而，所得到的掩埋氧化物非常均匀并且几乎可以具有任意期望的厚度。但是，在键合界面处的杂质陷阱以及通过背蚀刻工艺实现薄的均匀Si表层时的困难是现有技术BESOI工艺的主要缺陷。

在称为SIMOX(氧离子注入隔离)的另一种已知方法中，氧离子直接注入到晶片表面中，并且然后所注入的氧离子与Si原子发生反应，以在高温退火后形成掩埋氧化物层。掩埋氧化物层的深度、厚度和均匀性主要依赖于注入的氧的剂量和能量以及随后的退火条件。一般来说，SIMOX工艺提供均匀且具有高质量的掩埋氧化物和Si表层。

在称为FIPOS(多孔氧化硅完全隔离)的又一种已知方法中，使构图的Si表面在含HF的溶液中进行阳极氧化处理，以形成完全围绕未阳极氧化的Si岛的多孔Si。在这种方法中，构图Si岛并在插入到溶液中之前将其转化为抗阳极氧化的类型。由于多孔Si因其极大增加的表面面积而比体Si氧化得快很多，所以在热氧化后多孔Si完全围绕并隔离Si岛。这种现有技术的方法被认为是形成SOI的非常廉价的方式。但是，利用这种现有技术方法，一般难以形成薄且又非常致密的热氧化物。而且，如果周围的氧化多孔Si施加应力，则Si岛会经受位错和层错。

在SON中，扩展的空隙平面或空气间隙形成在Si表层表面之下。但是，必需的是，掩埋的空隙平面的横向尺寸是有限的，原因是如果空隙平面已经扩展为半导体晶片的全部直径，则Si表层和之下的半导体衬底将分隔开。通常，在晶片上的选定位置处形成有限大小的掩埋的空隙平面。

在被称作硅中空的空间(ESS：empty space in silicon)的又一种已知的现有技术方法中，通过在氢气气氛中进行高温退火(这将引起Si原子的表面迁移)在晶片表面上形成拉长的腐蚀坑，并且将这些腐蚀坑转变成掩埋的空隙平面。掩埋的空隙平面和之上的Si表层的面积和厚度由单个腐蚀坑的宽度和深度以及腐蚀坑的间距和数目来确定。

在另一种已知方法中，通过选择性外延生长在半导体晶片表面上淀积SiGe层，在该SiGe层之上形成Si桥，以及然后选择性地蚀刻掉SiGe层，留下空气间隙。在该现有技术方法中，整个过程作为器件制造工艺的一部分并入。

由于用于制造SOI和SON复合物的已知现有技术方法差异很大，并且因为前者涉及掩埋氧化物以及后者涉及空隙，所以至今还没有实现将这两个复合结构结合在单一半导体晶片上。就低功率器件隔离而言，SON复合物优越得多的地方在于，空隙的介电常数通常接近1(最低的可能介电常数)，而典型的掩埋氧化物(诸如SiO₂)的介电常数约为3.9。

但是，除了器件隔离之外，如果适当地构图，则掩埋绝缘区域可以作为背栅电介质执行附加的功能，同时SON可以用作栅格失配外延层(诸如SiGe和GaAs)的适应(compliant)衬底。因而，SOI/SON复合组合物不仅可以改进当前分开利用SOI和SON的微电子应用，而且该复合组合物可以用在目前未知的或者还未实现的许多新的应用中。

发明内容

本发明提供一种用于通过共有工艺(shared process)在单一半导体晶片上形成构图的SOI/SON复合结构的方法。本发明的共有工艺的关键特征是，通过在含HF的溶液中进行电解阳极氧化形成多孔Si层。在一些现有技术SOI方法中，使用多孔Si作为牺牲腐蚀停止层、分裂平面、场氧化区域或完全隔离氧化区域。但是，在本发明中，在形成掩埋绝缘/空隙组合中唯一地利用多孔Si。

同样地，本发明的主要目的在于提供一种包括构图的SOI/SON结构的半导体复合结构。该复合结构可以包括单级或多级SOI和SON结构。在本发明中，在给定层中以SOI和SON的交替图形，彼此相邻地形成构图的SOI/SON结构。

本发明的另一目的在于提供一种用于制造这种含SOI/SON的复合物的方法。

本发明的又一目的在于提供一种用于制造这种含SOI/SON的复合物的方法，该方法包括基本上由SOI和SON两种结构共有的处理步骤。

本发明的又一目的在于SOI/SON结构图形不固定，而可以以任意期望的形状和尺寸形成。

根据本发明的一个方面，提供包括构图的SOI和SON结构的组合的半导体复合结构。具体地说，本发明的半导体复合结构包括：

半导体衬底；

一层或多层构图的掩埋绝缘区域和空隙平面，该掩埋绝缘区域和空隙平面定位得彼此相邻并且在半导体衬底的顶上；以及

预定厚度的Si表层，位于该一层或多层构图的掩埋绝缘区域和空隙平面的顶上。

在本发明的一个实施例中，用掩埋导电区域替换本发明的半导体复合结构的掩埋绝缘区域。在本发明的另一实施例中，本发明的半导体复合结构仅包括空隙平面。在本发明的又一实施例中，本发明的半导体复合结构包括掩埋绝缘区域、掩埋导电区域和空隙平面。

根据本发明的另一方面，提供一种形成上述半导体复合结构的方法。具体地说，本发明的方法包括以下步骤：

(a)在半导体晶片的表面区域中形成一层多孔Si；

(b)在该多孔Si层上形成epi-Si层，其中在该epi-Si层和多孔Si层之间存在界面；

(c)选择性地将离子注入到晶片的预定范围中，以在所述界面处或所述界面附近形成注入区域；以及

(d)在高温下对晶片进行退火，通过与周围的多孔Si层发生反应，使得注入区域转变成掩埋绝缘区域，并且通过孔合并(porecoalescence)，使得未注入的多孔Si转变成掩埋的空隙平面。

在本发明的一些实施例中，其中形成多层垂直叠置的掩埋绝缘/空隙平面，在执行退火步骤(d)之前任意次地重复步骤(a)至(c)。

根据本发明，通过利用在含HF的溶液中执行的电解阳极氧化形成多孔Si层。在HF阳极氧化中，所形成的多孔Si的多孔度主要依赖于所使用的电流和电压、HF浓度以及半导体晶片的掺杂类型和浓度。另外，多孔Si层的厚度依赖于阳极氧化工艺的时间。

如果必要，则在步骤(a)之后可以采用在氢气气氛下的高温的简单退火，以消除在多孔Si层的表面上的开放孔。在又一实施例中，可选的氢退火也可以在退火步骤(d)之后执行。

在一些实施例中，可以采用二氧化硅、氮化硅、光刻胶或其组合的构图掩膜来在晶片中选择性地形成注入区域。在这样的实施例中，构图掩膜具有足够的厚度，该厚度防止离子注入到其中将形成空隙平面的结构区域中。

在本发明的备选方法中，所注入的离子能够在退火时形成掩埋导电区域。在这样的实施例中，注入金属离子并且掩埋导电区域包括金属硅化物。

在本发明的又一备选方法中，提供仅包括掩埋的空隙平面的复合结构。本发明的该方法包括以下步骤：

(i)在半导体晶片的顶上形成抗HF材料(例如光刻胶)的构图掩膜，所述构图掩膜具有一个或多个开口，其使所述半导体晶片的部分露出；

(ii)在所述半导体晶片的所述露出部分的表面区域中形成多孔Si；

(iii)去除所述构图掩膜；

(iv)在包括所述多孔Si的晶片的顶上形成epi-Si；以及

(v)在高温下对晶片进行退火，这通过孔合并将多孔Si转变成掩埋的空隙平面。

在本发明的另一备选方法中，通过在执行引起上述转变的最后的退火步骤之前，任意次地重复上述方法的步骤(a)-(c)和步骤(i)-(iv)，来提供包含并排的绝缘体/空隙平面结构、并排的导体/空隙平面结构和仅空隙平面结构的掩埋层的半导体复合结构。

附图说明

图1是示出本发明的构图SOI/SON复合结构的图示(通过截面视图)。示出了单层的构图SOI和SON。

图2是示出本发明的构图SOI/SON复合结构的图示(通过截面视图)。示出了多层的构图SOI和SON。

图3A-图3D是说明在形成图1所示结构中所使用的本发明的基本处理步骤的图示(通过截面视图)。在这些图中，示出了直到退火步骤为止但不包括退火步骤的处理步骤。

图4A-图4D是说明本发明的备选方法的图示(通过截面视图)。

具体实施方式

本发明提供构图的SOI/SON复合结构及其制造方法，以下将通过参照本申请的附图更详细地对本发明进行描述。在附图中，使用相同的参考标号描述相同和相应的元件。

由于在现有技术中工艺特征的显著差异，将SOI和SON集成到单一半导体晶片上不是普遍的。本发明的优点在于，在共有制造工艺中，在单一半导体晶片上以任意期望的图形并排布置SOI和SON结构。这里使用术语“半导体晶片”来表示包括半导体材料(诸如Si、SiGe、SiC、SiGeC、GaAs、GeAs、InAs、InP和其他类似的III/V化合物半导体)的晶片。术语“半导体晶片”还可以包括绝缘体上硅衬底。

图1说明可以使用本发明方法之一制造的典型的构图SOI/SON复合结构的截面视图。图1所示的构图SOI/SON复合结构包括夹在Si表层30与半导体晶片或衬底10之间的单层的掩埋绝缘区域26和空隙平面27。应注意的是，掩埋绝缘区域26与空隙平面27并排布置。因而，发明的复合结构包含在单一半导体衬底中的一层交替的掩埋绝缘区域(SOI)和空隙平面(SON)。

本发明的构图SOI/SON复合结构的各层的厚度会依赖于在制造该结构时采用的工艺条件而变化。典型地，掩埋绝缘区域和空隙平面的层具有约5nm至约1μm的厚度，更加优选的是约5nm至约200nm的厚度。掩埋绝缘区域和空隙平面的层的厚度取决于器件要求，并且在本发明中可以主要通过调整在HF阳极氧化期间形成的多孔Si层的垂直深度以及所注入离子的剂量来控制。

Si表层30具有单晶结构，并且层30的厚度典型地为约2nm至约1μm，更优选地具有约2nm至约100nm的厚度。Si表层的厚度取决于器件要求并且在本发明中可以通过在热退火期间的epi-Si淀积和Si消耗来控制。衬底10的厚度对于本发明来说是无关紧要的。构图SOI/SON结构的层基本均匀，并且各SOI/SON结构是高质量的。

在本发明的一些实施例中，用掩埋导电区域替代掩埋绝缘区域26。在这样的实施例中，提供构图的掩埋导电/SON复合结构。这种复合结构将类似于以上图1或以下图2所示的结构，除了用掩埋导电材料替代掩埋绝缘区域26之外。

图2示出了包括多层掩埋绝缘区域26和空隙平面27的本发明的构图SOI/SON复合结构，其中该多层的每一层可以唯一地构图，并且不同于之上和之下的层。结构的最底层是衬底10，而所示结构的最顶层是Si表层30’。尽管本发明分别说明了包含一层或两层构图的掩埋绝缘区域和空隙平面的构图SOI/SON复合结构，但是本发明可以在单一复合结构中形成多个这样的构图SOI/SON层。

在图2中，两个掩埋SOI/SON层(26和27)不需要对准，并且它们可以不具有相同的设计。但是，为了清晰起见，图2示出了两个对准的且具有相同设计尺寸的掩埋SOI/SON层。不管给出的说明如何，本发明可以不对准掩埋SOI/SON层，其中每个掩埋区域具有其自己的设计尺寸。

现在将更详细地描述在制造图1和图2所示的构图SOI/SON复合结构中所采用的本发明的处理步骤。首先参照图3A所示的结构。具体地说，图3A所示的结构包括半导体晶片或衬底10，在其表面区域中具有一层多孔Si 12。术语“晶片”和“衬底”在本中请中互换地使用。典型地，半导体晶片为具有任意期望尺寸的含Si的半导体材料。优选地，但不是必须地，半导体晶片需要用p型掺杂原子来进行掺杂。当采用硼掺杂的p型晶片时，晶片的掺杂浓度典型地为约1E15至约1E19原子每立方厘米，更优选地为约5E17至约1E19原子每立方厘米。

多孔Si层12是具有约100nm至约2μm的厚度的薄层，更优选地具有约500nm至约1μm的厚度。多孔Si层12的多孔度为约5％至70％，更优选地具有约10％至约40％的多孔度。多孔Si层典型地形成在半导体晶片10的上表面区域处或半导体晶片10的上表面区域之下。

利用在含HF的溶液中执行的阳极氧化技术，形成多孔Si层12。术语“含HF的溶液”表示HF和诸如烃、乙醇、水等的电解液的混合物。本发明中采用的优选的电解液为浓缩的HF(49wt％ HF+51wt％H₂O)。在含HF的浴槽中执行阳极氧化工艺，在该浴槽中使晶片浸入并且正向偏置。该浴槽还包括反向偏置的电极。

HF阳极氧化是形成多孔Si和诸如Ge和GaAs之类的其他多孔半导体的广泛已知且普遍接受的技术。通过涉及各种HF浓度、电流和电压电平、晶片中的掺杂类型(n型或p型)和掺杂浓度以及阳极氧化时间的适当试验，可以得到适于特定的期望多孔层结构的阳极氧化参数的配方。在本发明中形成多孔Si层时可以采用任意已知的阳极氧化设备，只要该设备设计为允许电流在整个晶片的表面范围上以均匀的密度流过。

根据本发明，并且为了实现上述多孔度，使用100％电解液中约25wt％(重量百分比)至约50wt％的HF浓度来执行HF阳极氧化，更优选的是100％电解液中约40wt％至约50wt％的HF浓度。由于通过电流流动驱动阳极氧化，所以在阳极氧化期间电流通常设定为在期望的密度值处恒定。在阳极氧化工艺期间采用的恒定电流密度为约0.1mA/cm²至约20mA/cm²，更优选的是从约1mA/cm²至约2mA/cm²的阳极氧化电流。根据Si晶片的类型和掺杂密度，在阳极氧化期间驱动电流密度所需的电压典型地从约0.1伏至约10伏，更优选的是从约0.5伏至约5伏的电压。典型地约在室温下执行阳极氧化，时间段为约30秒至约10分钟，更优选的是约1分钟至约5分钟的时间段。

在阳极氧化后，可选地，可以在氢气气氛中在高温下对包含多孔Si层的结构进行简单退火，以基本消除多孔Si表面上的开放孔。具体地说，可选的氢退火在约800℃至约1100℃的温度下以约10分钟至约2小时的时间段执行。更具体地说，可选的氢退火在约850℃至约900℃的温度下以约30分钟至约1小时的时间段执行。氢退火通常利用100％的纯氢气来执行。但是，如果需要，则氢气可以与惰性气体(诸如He、Ar、Xe或其混合物)进行混合。氢气在气体混合物中的量典型地为约50％至约100％。在该可选的预退火步骤期间使用的氢气压力典型地为约10托(Torr)至760托。

已知氢退火用于引起Si原子的表面迁移，使得开放的表面孔基本消除。但是，在高温下，大量孔合并成更大的孔以使表面能量最小化。因此，如果在本发明中利用，则氢退火工艺不应在长的持续时间和过高温度下执行。

接下来，如图3B所示，利用能够生长低缺陷epi-Si层的淀积方法，在多孔Si层12的顶上形成epi-Si层14。在本发明中可以采用的适当淀积方法的说明性示例包括但不限于：化学汽相淀积(CVD)、等离子体辅助CVD、分子束外延淀积等。典型地具有单晶结构的epi-Si层的厚度为约100nm至约1μm，更优选的是约400nm至约600nm的厚度。应注意的是，在多孔Si层和epi-Si层14之间存在界面13。

在本发明的一个实施例中，可以利用诸如低温CVD、旋转涂布等常规淀积工艺，将氧化硅、氮化硅、光刻胶或其任意组合的常规掩膜材料涂覆到epi-Si层14的上表面，并且之后在提供具有一个或多个开口20的构图掩膜18时使用常规的光刻，该开口20使位于下方的epi-Si层14的表面露出。例如在图3C中示出了所得到的包括构图掩膜以及一个或多个开口的结构。应注意的是，在本发明的该步骤期间，典型地形成截面为矩形的图形。光刻步骤包括淀积光刻胶(在二氧化硅和氮化硅的情况下)，使光刻胶曝光成辐射的图形并且利用常规的抗蚀剂显影液使曝光的光刻胶显影。

构图掩膜的厚度可以变化，只要它能够在随后的离子注入步骤期间防止(即，阻止)离子注入到被阻止的区域中。典型地，该掩膜的厚度至少为约500nm或更大，更优选的是约1μm至约3μm的厚度。

接下来，如图3D所示，通过开口20将氧离子22均匀地注入到该结构中，在界面13处或者其附近形成氧注入区域24。更具体地说，形成氧注入区域，使得注入的峰值浓度在epi-Si/多孔Si界面处或比该界面略低。应注意的是，在其中存在构图掩膜的区域中，所注入的氧离子在构图掩膜内停止并且不渗入到位于下方的epi-Si层。相反地，所注入的氧离子渗入到其中不存在掩膜的区域中的结构中。

在本发明中可以利用任意常规的离子注入设备来形成氧注入，并且可以采用任意常规的离子注入条件。例如，可以利用每平方厘米约1×10¹⁶至约2×10¹⁸个原子的氧离子剂量、约50KeV至约10MeV的注入能量、约0.05mA/cm²至约500mA/cm²的离子束电流密度以及约480℃至约650℃的注入温度，来执行氧离子注入。更优选地，可以利用每平方厘米约5×10¹⁶至约2×10¹⁷个原子的氧离子剂量、约150KeV至约300MeV的注入能量、约1.0mA/cm²至约10mA/cm²的离子束电流密度以及约550℃至600℃的注入温度，来执行氧离子注入。这里也包括除以上具体指出的那些离子注入条件之外的其他离子注入条件。该高温注入步骤之后是如在美国专利No.5,930,643、No.6,043,166和No.6,090,689中描述的正常室温注入，在此通过引用的方式包含其内容。

可以在单一步骤中注入氧离子，或者可以采用多个离子注入步骤。注入可以是连续的注入或者也可以采用间断的注入。在本发明的另一实施例中，用氮离子或者氧离子和氮离子的组合来替换氧离子，该氮离子或者氧离子和氮离子的组合能够在执行随后的高温退火工艺时在该结构中形成掩膜绝缘区域。利用本领域技术人员所熟知的包括注入条件的任意离子注入工艺来执行氮离子的注入。

在本发明的一个备选实施例中，所注入的离子是诸如Mo、Ta、W和其他类似耐熔金属的金属离子，当与Si进行合金处理时其具有高于约1300℃的共晶温度。当经受将在下面更详细地描述的随后的高温退火工艺时，这些金属离子能够形成掩埋导电区域。在该实施例中，将形成包含交替的掩埋导电区域和空隙平面的层。

在注入步骤之后，通常利用本领域技术人员熟知的常规剥离工艺，从该结构的表面去除构图掩膜。在其他实施例中，直到执行了退火工艺之后才去除构图掩膜。但是在本发明中优选的是在退火步骤之前去除构图掩膜。

现在执行退火，以便提供例如图1所示的结构。具体地说，在本发明的这点上采用的退火步骤是高温退火，其能够将注入氧区域24转变成掩埋氧化区域26，同时将不包含氧离子的区域转变成空隙平面26。区域26和27之上的层是Si表层30。当采用除氧之外的其他离子时，代替掩埋氧化区域而形成掩埋绝缘区域。当采用导电离子时，代替掩埋氧化区域而形成掩埋导电区域。

在该掩埋氧化物/空隙形成中，消耗多孔Si并且可以通过表面氧化使epi-Si层减薄，当剥离表面氧化物时，导致比初始epi-Si层薄得多的Si表层30。在一些实施例(未示出)中，将表面氧化物留在复合结构上。

根据本发明，通过所注入离子和多孔Si之间的热相互作用，形成掩埋绝缘区域(以及掩埋导电区域)。通过孔合并形成空隙平面。术语“空隙平面”是指存在于Si表层和衬底之间的其中只有空气而没有其他任何东西的间隙。

在约1300℃或更高但低于1415℃的Si熔点的温度下，以约2小时或更长的时间段，来执行高温退火。更优选地，在约1300℃至约1350℃的温度下，以约5小时至约10小时的时间段，来执行高温退火步骤。高温退火可以在100％纯氧气、与惰性气体或N₂或这两者混合的氧气、仅惰性气体或N₂或它们的混合物、或者真空中执行。当采用含氧混合物时，氧气通常以约0.25％至约99.75％的浓度存在，更优选的是约2％至约25％的氧浓度。混合物的剩余部最多100％地是惰性气体或N₂或这两者。

可以利用连续加热法来形成退火步骤，其中采用单一的升温速率(ramp-up rate)和冷却速率(cool down rate)。作为备选，高温退火步骤可以包括各种升温速率、均热处理(soak)和冷却速率。

在高温退火步骤期间，在衬底10中存在的掺杂剂可以从衬底10扩散到Si表层30中。对于给定器件应用，如果在Si表层30中的掺杂浓度水平过高，则可以使图1所示的结构经受后氢退火工艺。后氢退火包括与上述可选的氢退火相同或不同的条件。可以在本发明中采用的优选的后氢退火为在低压(80托或更小)氢气气氛下在1100℃至1150℃的0.25小时至3小时的退火。

在本发明的一些实施例中，在执行高温退火之前可以重复以上在图3A至图3D中概述的处理步骤，以提供例如图2所示的结构。

在本发明的又一实施例中，可以利用本领域技术人员所熟知的处理步骤，用气体、液体或固体填充以上所提供的空隙平面。该气体是除空气之外的气体。

在本发明的又一备选实施例中，可以除去涂覆掩膜并构图掩膜的步骤。在这种情况下，可以使用选择性离子注入工艺，其中仅将离子注入到该结构的预定范围中。

在本发明的另一备选实施例中，用形成空位或空隙而不是孔的工艺替代HF阳极氧化步骤。

在本发明的备选方法中，仅将掩埋的空隙平面形成到半导体晶片中。在图4A至图4D中描述了本发明的该备选方法。

图4A说明在半导体晶片10的表面的顶上形成抗HF的光刻胶18’的构图掩膜之后的结构。构图光刻胶利用上述处理步骤而形成。如同所示，构图光刻胶18’具有一个或多个开口20，其使半导体晶片的部分露出。

接下来，如图4B所示，利用上述HF阳极氧化工艺，在半导体晶片的露出部分中形成多孔Si区域12，并且之后剥离构图光刻胶，以及在包括多孔Si区域12的整个结构的顶上形成epi-Si 14，其与多孔Si区域形成界面13，见图4C。利用上述淀积工艺之一而形成该epi-Si。

然后在高温下对图4C所示的结构进行退火，这通过孔合并使得多孔Si转变成掩埋的空隙平面27。高温退火包括上述条件。例如，在图4D中示出了所得到的结构。如上所述，可以用气体、液体或固体来填充空隙平面。也可以在退火之前通过重复图4A至图4C所示的处理步骤来形成多层空隙平面。

在本发明的附加实施例中，在执行高温退火之前，可以任意次地重复以上在图3A至图3D和图4A至图4C中概述的处理步骤，以提供包含所有的掩埋绝缘区域、导电区域和空隙平面的半导体复合结构。

在可能的情况下，可以将图2中的掩埋绝缘区域、导电区域和空隙平面彼此连接并且通过通孔连接到表面。可以用绝缘材料或导电材料填充通孔或者简单地留作空隙。形成导通孔并用绝缘材料或导电材料对其进行填充的方法和处理步骤是本领域技术人员所熟知的。

尽管已经针对本发明的优选实施例特别地示出和描述了本发明，但本领域技术人员将理解到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行前述以及其它改变。因此并不旨在将本发明限于所描述和所说明的确切形式和细节，而旨在使本发明限于处在所附权利要求的精神和范围内。

Claims (36)

1.一种半导体复合结构，包括：

半导体衬底；

一层或多层构图的掩埋导电区域和空隙平面，所述掩埋导电区域和空隙平面定位得彼此相邻并且在所述半导体衬底的顶上；以及

预定厚度的Si表层，位于所述一层或多层构图的掩埋导电区域和空隙平面的顶上，

其特征在于，所述掩埋导电区域包括注入的耐熔金属离子。

2.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述Si表层具有单晶粒结构。

3.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述Si表层具有2nm至1μm的厚度。

4.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述注入的耐熔金属离子当与Si进行合金处理时具有高于1300℃的共晶温度。

5.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述一层或多层构图的掩埋导电区域和空隙平面的每一层都具有5nm至1μm的厚度。

6.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述空隙平面用液体填充。

7.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述空隙平面用气体填充。

8.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述空隙平面用固体填充。

9.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述半导体衬底为含Si的衬底。

10.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述半导体衬底被掺杂。

11.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述Si表层被掺杂。

12.根据权利要求1所述的半导体复合结构，还包括位于所述Si表层的顶上的表面氧化物。

13.根据权利要求1所述的半导体复合结构，其中所述注入的耐熔金属离子选自Mo、Ta和W。

14.一种形成半导体复合结构的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)在半导体晶片的表面区域中形成一层多孔Si；

(b)在所述多孔Si层上形成epi-Si层，其中在所述epi-Si层和所述多孔Si层之间存在界面；

(c)选择性地将离子注入到所述晶片的预定范围中，以在所述界面处或所述界面附近形成注入区域；以及

(d)在含氧气氛中在一个温度下对所述晶片进行退火，这通过与周围的多孔Si层发生反应，使得所述注入区域转变成掩埋绝缘区域，并且通过孔合并，使得未注入多孔Si转变成掩埋的空隙平面。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括在步骤(a)和(b)之间执行氢退火步骤，以消除在所述多孔Si层中的开放表面孔。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在800℃至1100℃的温度下，以10分钟至2小时的时间段，执行所述氢退火。

17.根据权利要求15所述的方法，其中在100％的纯氢气中或者与惰性气体混合的氢气中，执行所述氢退火。

18.根据权利要求14所述的方法，其中通过在含HF的浴槽中进行电解阳极氧化，而形成所述多孔Si层。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述含HF的浴槽包括电解液。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述浴槽包括在100％电解液中的25wt％至50wt％的HF。

21.根据权利要求18所述的方法，其中使用0.1mA/cm²至20mA/cm²的阳极氧化电流，执行所述电解阳极氧化。

22.根据权利要求18所述的方法，其中在0.5伏至10伏的电压下执行所述电解阳极氧化。

23.根据权利要求18所述的方法，其中在室温下以30秒至10分钟的时间段执行所述电解阳极氧化。

24.根据权利要求14所述的方法，其中通过CVD、等离子体辅助CVD或分子束外延淀积来形成所述epi-Si层。

25.根据权利要求14所述的方法，其中所述选择性离子注入包括使用在所述epi-Si层的顶上形成的构图的光刻胶。

26.根据权利要求14所述的方法，其中所述选择性离子注入包括氧离子注入。

27.根据权利要求14所述的方法，其中所述选择性离子注入包括氮、氮和氧的组合或导电金属的离子注入。

28.根据权利要求26所述的方法，其中使用每平方厘米1×10¹⁶至2×10¹⁸个原子的氧离子剂量，执行所述氧离子注入。

29.根据权利要求26所述的方法，其中以50KeV至10MeV的注入能量执行所述氧离子注入。

30.根据权利要求26所述的方法，其中使用0.05mA/cm²至500mA/cm²的离子束电流密度，执行所述氧离子注入。

31.根据权利要求14所述的方法，还包括在执行步骤(d)之前，任意次地重复步骤(a)至(c)。

32.根据权利要求14所述的方法，其中在1300℃或更高但低于1415℃的Si熔点的温度下，以2小时或更长的时间段，执行所述退火。

33.根据权利要求14所述的方法，其中所述退火气氛包括100％的纯氧气。

34.根据权利要求14所述的方法，其中所述退火气氛包括与惰性气体或氮气或这两者混合的氧气。

35.根据权利要求14所述的方法，其中所述退火气氛包括惰性气体或氮气或这两者的混合物。

36.一种形成包含掩埋SON结构的半导体复合结构的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)在半导体晶片的顶上形成构图光刻胶，所述构图光刻胶具有一个或多个开口，其使所述半导体晶片的部分露出；

(ii)在所述半导体晶片的所述露出部分的表面区域中形成多孔Si；

(iii)去除所述构图掩膜；

(iv)在包括所述多孔Si的所述晶片的顶上形成epi-Si；以及

(v)在高温下对所述晶片进行退火，这使得所述多孔Si转变成掩埋的空隙平面。

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