CN101477963A - 制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子；在单晶硅衬底中注入氧离子；对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理；所述注入缺陷引入离子的步骤在注入氧离子的步骤之前或者之后实施。注入深度与缺陷引入离子的注入深度相同或靠近。本发明的优点在于，缺陷引入离子注入形成的微空洞可以俘获氧离子，提高绝缘埋层的完整性，从而降低形成连续埋层所需氧的注入剂量。降低由于二氧化硅形成过程中的体积膨胀所形成的应力和顶层硅中的缺陷。提高了氧从退火气氛向埋层的扩散效率，提高顶层硅与埋层之间的界面质量，提高埋层的抗击穿性能。
Description
【技术领域】
本发明涉及集成电路材料制备方法，尤其涉及一种制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法。
【背景技术】
绝缘体上的硅即SOI(Silicon—on—insulator)技术具被认为是在亚微米超大集成电路制造中，延续莫尔定律发展速度的关键技术，倍受国内外学术界与工业界的重视。SOI技术发展的基础SOI材料，是近10多年来随着超大集成电路，航空，航天与国防军工，便携式通讯等方面对高速、低功耗，抗辐照微电子器件的需求而迅速发展起来的一种新型的微电子材料。
注氧隔离技术即SIMOX(Seperation—implantation—by—oxygen)是目前制备SOI材料的主要技术之一。该技术通过向单晶硅片中注入高剂量(1.8×1018cm-2)的氧离子，在一定深度处形成氧离子分布，在随后的高温退火中形成SiO2绝缘埋层(BOX层)。但由于传统的SIMOX工艺中，氧注入剂量很大，注入时间过长，导致SIMOX工艺生产效率低，SOI硅片成本过高。同时，大剂量的氧注入在顶层硅(器件层)中产生大量的缺陷和应力，将直接影响到后续器件制造的良率。
近年来低剂量SIMOX技术发展迅速，Nakashima等人(IEICE TRANS.ELECTRON.VOL.E80-C，1997)提出内部热氧化工艺即ITOX(Intern—thermal—oxidation)。通过牺牲器件层(顶层硅)的厚度的方法增加BOX层厚度，从而提高顶层硅和BOX层的界面质量和BOX层的绝缘性能。主要工艺步骤包括三步：低剂量的氧离子注入(3×1017cm-2～4.5×1017cm-2)，高温退火(1300～1350℃)，高温热氧化。该工艺中氧离子注入符合能量与剂量的匹配窗口，经过高温退火形成连续的无硅岛的BOX层，然后在氩气和氧气的混合气氛中进行热氧化。在此过程中表面SiO2层和BOX层同时生长，将大大减少顶层硅的厚度。所以该工艺限制了顶层硅的厚度，不能用于厚顶层硅SOI材料的制备。A.Ogura等提出在退火过程中，通过在高温段采用非常低的升温速率(Appl.Surf.Sci.vol.159-160，104,2000)和退火气氛中较高的氧气含量(Appl.Phys.Lett.，vol.74，2188，1999)实现低剂量SOI的制备。例如，2×1017cm-2氧离子注入，退火过程中1000℃到1340℃温度段采用0.03/min的升温速率和Ar/O2比为100/1的退火气氛条件下制备出了具有连续BOX层的SOI材料。此工艺制备的SOI材料，BOX层形成在由于氧离子注入导致的缺陷层位置(略浅于注入深度)而不同于普通的SIMOX工艺下，BOX层形成在注入深度位置。在该实验结果的基础上，A.Ogura还提出，通过先注入氢(H)、氦(He)至氧离子注入深度的上方，从而在硅片中形成缺陷空洞层，然后在氧气含量较高的退火气氛中热氧化，在升温过程中，高温段采用非常低的升温速率，实现具有连续BOX层的SOI材料的制备。如在4×1017cm-2氦离子注入，退火过程中1200℃到1340℃温度段采用0.02/min的升温速率和Ar/O2比为100/6的退火气氛条件下制备出了具有连续BOX层的SOI材料。此工艺中，缺陷空洞层做为吸收层收集扩散进入硅片的氧原子。此工艺的缺点在于，退火时间超长，不适应工业化生产。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是，提供一种制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，同传统的SIMOX工艺相比，降低形成连续BOX层氧的注入剂量，提高退火工艺中氧内扩散的效率，并且可以避免在获得连续的BOX层的退火工艺中采用极慢的升温速率，缩短退火时间，节约成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子；在单晶硅衬底中注入氧离子；对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理；所述注入缺陷引入离子的步骤在注入氧离子的步骤之前或者之后实施。氧离子的注入深度与缺陷引入离子的注入深度相同。
作为可选的技术方案，注入缺陷引入离子后，对单晶硅衬底进行退火，退火温度范围在550℃～1200℃，退火时间长度小于2小时。
作为可选的技术方案，所述缺陷引入离子选自于氢离子和氦离子所组成的群组中。缺陷引入离子注入剂量的范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2。缺陷引入离子注入能量的范围是10keV～300keV。缺陷引入离子注入的步骤中，衬底的温度小于600℃。
作为可选的技术方案，氧离子的注入剂量的范围是1×1016cm-2～5×1017cm-2。
作为可选的技术方案，氧离子注入的步骤中，衬底的温度的范围是300°C～600℃。
作为可选的技术方案，所述退火步骤中，退火温度范围是1200℃～1350°C。
作为可选的技术方案，所述退火步骤中，退火时间范围是1小时～10小时
作为可选的技术方案，所述退火所采用的气体中含有氧气，还含有氩气和氮气中的一种或两种。
本发明的优点在于，由于氧离子的注入深度与缺陷引入离子的注入深度相同，因此在退火的过程中，缺陷引入离子注入形成的微空洞可以俘获氧离子，促进二氧化硅绝缘埋层的形成于很窄的范围内，提高绝缘埋层的完整性，从而降低形成连续埋层所需氧的注入剂量。微空洞俘获氧离子促进绝缘埋层形成的机制还可以降低由于二氧化硅形成过程中的体积膨胀所形成的应力和顶层硅中的缺陷。同时微空洞提高了氧从退火气氛向埋层的扩散效率，提高顶层硅与埋层之间的界面质量，提高埋层的抗击穿性能。
【附图说明】
附图1所示为本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法的第一具体实施方式实施步骤流程图；
附图2至附图5所示为本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法的第一具体实施方式的工艺示意图；
附图6所示为本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法的第二具体实施方式实施步骤流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法具体实施方式做详细说明。
首先给出本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法的第一具体实施方式。
附图1所示为本具体实施方式的实施步骤流程图，包括：步骤S100，提供单晶硅衬底；步骤S110，在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子；步骤S120，在单晶硅衬底中注入氧离子；步骤S130，对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理。步骤S120中的氧离子的注入深度与步骤S110中缺陷引入离子的注入深度相同或靠近。
附图2至附图5所示为本具体实施方式的工艺示意图。
附图2所示，参考步骤S100，提供单晶硅衬底100。所述单晶硅衬底100是具有(100)晶像的单晶硅衬底。于其他的实施方式中，也可以是具有(111)或者其他晶向的单晶硅衬底。
附图3所示，参考步骤S110，在单晶硅衬底100中注入缺陷引入离子。
缺陷引入离子注入单晶硅衬底100之后，在衬底中离子注入深度所对应的位置形成缺陷离子富集层110。缺陷离子富集层110的表面是由于缺陷引入离子注入破坏了单晶硅的晶格完整性而形成的缺陷层120。
缺陷引入离子选自于氢离子和氦离子所组成的群组中。在采用单一的氢离子或者是氦离子作为缺陷引入离子的情况下，缺陷引入离子注入剂量的范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2，缺陷引入离子注入能量的范围是10keV～300keV，注入过程中衬底的温度小于600℃。在采用氢离子与氦离子混合注入的情况下，两种离子的总注入剂量范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2，两种离子的注入能量范围都是10keV～300keV，注入过程中衬底的温度小于600℃。以上的注入能量、注入剂量以及衬底温度的数值范围均为优选的数值范围。
作为可选技术方案，上述步骤S110实施完毕后，对单晶硅衬底进行退火，退火温度范围在550℃～1200℃，退火时间长度小于2小时。
附图4所示，参考步骤S120，在单晶硅衬底100中注入氧离子。
此步骤中的氧离子的注入深度与步骤S110中缺陷引入离子的注入深度相同或靠近。应当根据缺陷引入离子的注入深度调整氧离子的注入能量，以使两者的注入深度相同或靠近。
此步骤中，氧离子的注入剂量的范围是1×1016cm-2～5×1017cm-2。氧离子注入的步骤中，衬底的温度的范围是300℃～600℃。此步骤实施完毕后，在衬底中形成了富集有缺陷引入离子和氧离子的混合离子层130。
参考步骤S130，对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理。
此步骤中，退火温度范围是1200℃～1350℃，退火时间范围是1小时～10小时，所述退火所采用的气体中含有氧气，还含有氩气和氮气中的一种或两种。
所述退火工艺可以采用一步退火，以一定速率从室温连续升温至最终退火温度，其中升温速率范围10℃/min至50℃/min，也可采用不同的温度段中实施不同的升温速率，如从室温至中间温度采用升温速率范围为10℃/min至50℃/min，其中中间温度范围为700℃至1200℃，然后中间温度升温至最终温度采用升温速率范围为1℃/min至10℃/min，还可采用两步退火工艺，在中间温度(700℃至1200℃)退火1小时至10小时，然后在升至最终温度退火。
由于长时间的退火作用，氧离子富集形成二氧化硅层140，而缺陷引入离子在高温作用下活性增强而从体系中逸出。缺陷层120中由于注入而形成的缺陷在退火的作用下得以恢复，形成顶层硅层150。
具体地说，在退火过程中，注入的缺陷引入离子聚集在缺陷处，利用体积膨胀效应挤出临近晶格的硅原子，形成微空洞，同时氢(H)、氦(He)气体将很快扩散出硅片。微空洞分布范围很广，呈类高斯分布。随着退火温度的升高，位于注入深度处高密度的微空洞，相互联合而不断长大。而在注入深度两侧的微空洞由于密度低，长大缓慢，小于热力学中的临界尺寸，而逐步缩小，消失。这是一个典型的Ostwald熟化的过程，也是形成宽度较窄缺陷空洞层的理论基础。在形成的空洞壁上存在很多硅的悬挂键，这些悬挂键将捕获注入的氧离子，成为SiO2团聚体的形核中心，加速SiO2团聚体的形核和长大。注入的氧离子被限制在混合离子层130中，具有较窄的分布范围，在注入深度处具有较高的氧浓度。缺陷空洞层中的空体积将吸收由于SiO2团聚体形成而产生的体积膨胀效应，减少顶层硅与BOX层界面的应力，提高SOI材料的质量。
附图5所示，为退火气氛中含有氧气的情况下，退火处理完毕后的结构示意图。在退火气氛中含有氧气的情况下，单晶硅衬底的表面由于氧化而形成了覆盖层160，所述覆盖层160的材料是二氧化硅。如果退火中不含有氧气，则覆盖层160是不存在的。覆盖层160可以采用氢氟酸或其他腐蚀液湿法腐蚀除去。
上述步骤实施完毕后，得到绝缘体上的硅材料，包括单晶硅衬底100、二氧化硅层140以及顶层硅层150。由于氧离子的注入深度与缺陷引入离子的注入深度相同，因此在退火的过程中，缺陷引入离子注入形成的微空洞可以俘获氧离子，促进二氧化硅绝缘埋层的形成，提高绝缘埋层的完整性。
接下来给出本发明提供的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法的第二具体实施方式。
附图6所示为本具体实施方式的实施步骤流程图，包括：步骤S200，提供单晶硅衬底；步骤S210，在单晶硅衬底中注入氧离子；步骤S220，在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子；步骤S230，对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理。步骤S210中的氧离子的注入深度与步骤S220中缺陷引入离子的注入深度相同或靠近。
氧离子的注入剂量的范围是1×1016cm-2～5×1017cm-2。氧离子注入的步骤中，衬底的温度的范围是300℃～600℃。
缺陷引入离子选自于氢离子和氦离子所组成的群组中。在采用单一的氢离子或者是氦离子作为缺陷引入离子的情况下，缺陷引入离子注入剂量的范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2，缺陷引入离子注入能量的范围是10keV～300keV，注入过程中衬底的温度小于600℃。在采用氢离子与氦离子混合注入的情况下，两种离子的总注入剂量范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2，两种离子的注入能量范围都是10keV～300keV，注入过程中衬底的温度小于600℃。以上的注入能量、注入剂量以及衬底温度的数值范围均为优选的数值范围。
退火温度范围是1200℃～1350℃，退火时间范围是1小时～10小时，退火所采用的气体选自与氧气、氩气和氮气所组成的群组中。
关于以上步骤的详细解释可以参考前一个具体实施方式的叙述，此处不再赘述。
本具体实施方式中，先注入氧，然后再注入缺陷引入离子的优点在于，由于氧离子注入比缺陷引入离子在注入的过程中会在经过的单晶硅中产生更多、更高密度的空位分布，因此在退火过程中，缺陷引入离子将主要集中在由于氧离子注入所产生的空位区域中并形成高密度空洞层。通过优化工艺条件，缩小缺陷空洞层的宽度，在此注入顺序下所产生的缺陷空洞层将具有更强的氧捕获能力，同时可以避免缺陷离子在氧注入过程，由于衬底加温所造成的外逸。
下面给出本发明的若干实施例。
实施例一
室温下，在硅片中注入氦He+，剂量为4×1016cm-2，能量为45keV，经过1000℃退火1小时形成缺陷空洞层。
将已形成缺陷空洞层的硅片加热至550℃，在160keV的能量下注入氧，剂量为2×1017cm-2，此时氧分布的最大浓度位于空洞层的中间。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例二
室温下，在硅片中注入氢H+，剂量为2×1016cm-2，能量为40keV，经过1000℃退火1小时形成缺陷空洞层。
将已形成缺陷空洞层的硅片加热至550℃，在155keV的能量下注入氧，剂量为2×1017cm-2，此时氧分布的最大浓度位于空洞层的中间。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例三
室温下，在硅片中先注入H+，剂量为4×1015cm-2，能量为40keV，然后注入氦He+，剂量为1×1016cm-2，能量为45keV，经过1000℃退火1小时形成缺陷空洞层。
将已形成缺陷空洞层的硅片加热至550℃，在155keV的能量下注入氧，剂量为2×1017cm-2，此时氧分布的最大浓度位于空洞层的中间。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例四
在硅片中注入氦He+，剂量为4×1016cm-2，能量为45keV，将刚刚注入氦的硅片加热至550℃，在160keV的能量下注入氧，剂量为2×1017cm-2，此时氧分布的最大浓度位于氦分布的最大浓度处。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例五
室温下，在硅片中先注入H+，剂量为4×1015cm-2，能量为40keV，然后注入氦He+，剂量为1×1016cm-2，能量为45keV，将刚刚注入氢&氦的硅片加热至550℃，在160keV的能量下注入氧，剂量为1×1017cm-2，此时氧分布的最大浓度位于氦分布的最大浓度处。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例六
将硅片加热至550℃，在160keV的能量下注入氧，剂量为1×1017cm-2，然后在硅片中注入氦He+，剂量为4×1016cm-2，能量为45keV。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
实施例七
将硅片加热至550℃，在160keV的能量下注入氧，剂量为1×1017cm-2。室温下，在注完氧的硅片中先注入H+，剂量为4×1015cm-2，能量为40keV，然后注入氦He+，剂量为1×1016cm-2，能量为45keV。
在Ar/O2比为100/5的退火气氛中，以20℃/min的升温速率从室温升温至1100℃，保温1小时，5℃/min升温至1340℃，保温3小时。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供单晶硅衬底；
在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子；
在单晶硅衬底中注入氧离子；
对注入缺陷引入离子和氧离子后的单晶硅衬底进行退火处理；
所述注入缺陷引入离子的步骤在注入氧离子的步骤之前或者之后实施，氧离子的注入深度与缺陷引入离子的注入深度相同。
2.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，注入缺陷引入离子后，对单晶硅衬底进行辅助退火。
3.根据权利要求2所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，注入缺陷引入离子后的辅助退火温度范围在550℃～1200℃。
4.根据权利要求2所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，注入缺陷引入离子后的辅助退火时间长度小于2小时。
5.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，所述缺陷引入离子选自于氢离子和氦离子所组成的群组中。
6.根据权利要求5所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，缺陷引入离子注入剂量的范围是1×1015cm-2～5×1017cm-2。
7.根据权利要求5所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，缺陷引入离子注入能量的范围是10keV～300keV。
8.根据权利要求5所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，缺陷引入离子注入的步骤中，衬底的温度小于600℃。
9.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，氧离子的注入剂量的范围是1×1016cm-2～5×1017cm-2。
10.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，氧离子注入的步骤中，衬底的温度的范围是300℃～600℃。
11.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，所述退火步骤中，退火温度范围是1200℃～1350℃。
12.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，所述退火步骤中，退火时间范围是1小时～10小时。
13.根据权利要求1所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，所述退火步骤中，退火所采用的气体中含有氧气。
14.根据权利要求13所述的制作绝缘体上硅材料的隔离氧注入方法，其特征在于，所述退火步骤中进一步含有氩气和氮气中的一种或两种。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN101901780A (zh) * | 2010-06-25 | 2010-12-01 | 上海新傲科技股份有限公司 | 一种绝缘体上锗硅和应变硅材料的制备方法 |
| CN102130038A (zh) * | 2010-12-27 | 2011-07-20 | 上海新傲科技股份有限公司 | 采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法 |
| CN102270599A (zh) * | 2011-08-22 | 2011-12-07 | 北京大学 | 一种用于集成电路制造的场区隔离方法 |
| CN102569429A (zh) * | 2012-02-10 | 2012-07-11 | 上海宏力半导体制造有限公司 | 图像传感器 |
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