CN101532179B - 绝缘体上硅晶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用注氧隔离技术技术、热内氧化技术制造绝缘体上硅晶片的生产工艺，其步骤包括：1.高温第一次注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；2.低温下第二次注入氧离子，引入晶格缺陷层；3.在高温、高氧含量的氧氩气氛中进行热内氧化工艺，加速氧原子的内扩散；4.在低氧含量的氧氩气氛中进行高温退火，以修复缺陷，形成高质量的氧化硅绝缘埋层；5.在HF溶液中漂洗，去除表面氧化层，得到最终的SOI晶片。本发明通过引入晶格缺陷层，提高了氧原子在热内氧化过程中的扩散速度，增加了连续氧化物绝缘埋层的厚度，降低了埋层的针孔密度，从而提高了绝缘体上硅晶片的质量。

Description

绝缘体上硅晶片的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制造工艺，具体是指一种利用热内氧化技术(Internal Thermal Oxidation，即ITOX)提高采用注氧隔离技术(Separation byImplanted Oxygen，即SIMOX)制造绝缘体上硅晶片(SOI)质量的方法。

背景技术

绝缘体上硅(silicon on insulator，即SOI)是集成电路进入深亚微米领域后，能突破传统体硅材料及集成电路限制的新型集成电路技术。与传统体硅晶圆(bulk silicon)相比，绝缘体上硅晶圆制造的器件有源区位于绝缘层上的硅薄膜层内。绝缘层完整的介质隔离避免了体硅器件中存在的大部分寄生效应，因而具有更陡的亚阈值斜率；更高的跨导和电流驱动能力。同时，由于SiO₂绝缘层的全介质隔离，使绝缘体上硅器件具有优良的抗辐照效应、抗单粒子效应和短沟道效应，驱动电压更低、功耗更小。这些特性决定绝缘体上硅技术将是研发高速、低功耗、高可靠性及高集成度的深亚微米超大规模集成电路的主流技术之一。

注氧隔离技术是目前制造绝缘体上硅材料的主要方法之一；其原理是利用强流氧离子注入机将大剂量的高能氧离子从硅晶片的表面注入，在硅晶片表面下方某一深度处形成一层富含氧离子的区域，经1300℃高温退火，使注入硅晶片中的氧离子与硅反应，在硅晶片中形成二氧化硅绝缘埋层。这种二氧化硅绝缘埋层将原有的硅晶片分隔成两部分：经注入的顶部单晶硅薄膜层和底部未经注入的单晶硅衬底。其中，经注入的顶部单晶硅薄膜层是用于制作集成电路“有源区”的部分。

传统的注氧隔离技术技术，由于大剂量、长时间的氧离子注入，会对顶部单晶硅薄膜层造成极大损伤，虽经1300℃高温退火，仍不能完全修复注入所造成的缺陷，缺陷密度高达1×10⁵～1×10⁷cm^-2。因此，为了降低绝缘体上硅晶片顶部单晶硅薄膜层的缺陷，提高晶片器件层质量，又发明了两注两退的方法，即：将一次注入的氧离子量分成两次注入，注入一次退火一次，注入的总剂量不变。两注两退，虽然可以有效降低绝缘体上硅晶片的缺陷密度，但是由于注入次数的增加，退火时间的延长而显著增加了绝缘体上硅晶片的制造成本，延长了制造周期，不利于绝缘体上硅晶片的大规模生产和应用。

为了降低制造成本、缩短制造周期，Aoki等提出了改良低剂量氧离子注入技术：第一次注入能量为165～240keV，注入剂量为0.2×10¹⁸cm^-2～0.3×10¹⁸cm^-2，第二次注入能量为165～240keV，注入剂量0.1×10¹⁵cm^-2～0.1×10¹⁷cm^-2；然后，在1300℃高温下退火，修复材料的内部缺陷。这种方法可在一定程度上节约生产时间和提高材料质量，是一种低成本制造绝缘体上硅晶片的方法(参见美国专利US20070238269)；但仍需改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种绝缘体上硅晶片的制造方法，它在改良低剂量氧离子注入技术的基础上，通过在富含氧气氛的高温条件下退火，可促进氧原子的扩散，使部分氧原子从晶片表面的氧化层慢慢地扩散到晶片内部的埋氧化层中，从而提高顶部单晶硅薄膜的质量，增加埋氧层的厚度，降低埋氧层针孔密度，实现绝缘体上硅晶片质量的提升和制造成本的下降。

本发明的技术方案是，所述绝缘体上硅晶片的制造方法的工艺步骤为：

(1)高温、大剂量氧离子注入：在单晶硅片中注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；注入能量60keV～220keV，注入温度400℃～750℃，注入剂量为0.2×10¹⁸cm^-2～1.8×10¹⁸cm^-2；

(2)低温、小剂量氧离子注入：对经过步骤(1)所述高温、大剂量氧离子注入后的硅晶片进行低温氧离子注入，引入晶格缺陷层；注入温度为20℃～200℃，注入剂量为0.1×10¹⁵cm^-2～0.5×10¹⁶cm^-2；

(3)将经过步骤(2)所述低温、小剂量氧离子注入后的硅晶片在高温、高含氧量的氧氩气氛中退火，进行热内氧化，形成表面氧化层；退火温度为1000℃～1320℃，所述氧氩气氛中氧含量为10at％～50at％；

(4)对经所述热内氧化后的硅晶片进行高温退火，退火温度1330℃～1370℃(优选1350℃)，在氧含量为0.1at％到2at％的氧氩混合气氛或氧氮混合气氛中退火，修复晶格缺陷；

(5)用HF溶液漂掉硅晶片表面氧化层，得到最终的SOI晶片。

本发明方法中，所述高温、大剂量氧离子注入和低温、小剂量氧离子注入可在同一台氧离子注入机上实施；所述热内氧化过程和高温退火可在同一台高温退火炉上完成。

本发明方法中，所述高温、大剂量氧离子注入次数、温度还可根据需要调整。

本发明方法中，首先，利用SIMOX技术，在60keV～220keV的注入能量范围，将氧离子注入硅晶片表面，形成连续埋氧化物层；其次，采用热内氧化(ITOX)技术，进一步提高连续埋氧化物层界面的平整度，增加埋氧化物层厚度，降低埋氧化物层的针孔密度；最后，在热内氧化结束后，经1350℃的高温退火，使得绝缘体上硅晶片顶部单晶硅薄膜层的缺陷重新结晶、有序，修复单晶硅薄膜层的缺陷，获得高质量的绝缘体上硅晶片。

本发明的技术原理是，利用SIMOX技术将氧离子注入硅晶片表面，形成连续埋氧化层，至少包括两次注入过程：第一次氧离子注入是为了形成连续的埋氧化物层，注入温度选择为400℃～750℃；第二次氧离子注入是为了有利于热内氧化工艺时氧原子的扩散，注入温度选择200℃或以下。并且，第一次氧离子注入是形成绝缘体上硅晶片三层结构的重要一步，可实现上层硅薄膜层与体硅衬的完全隔离；第二次氧离子注入是为了增强氧原子的扩散作用，选择低温或常温注入，可以在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，即易在上层硅薄膜层与埋氧化物层之间的区域形成空位、非晶等缺陷。晶格空位缺陷的存在，有利于内热氧化物时氧原子能更快、更多地向“上层硅薄膜层/埋氧化物层”界面扩散，从而提高了连续埋氧化物层的厚度，降低了埋氧化物层的针孔密度。

所述低温或常温注入的结果是为了在硅晶片表面引入晶格空位缺陷，但仍然保持顶层硅膜表面的单晶结构。引入的晶格空位缺陷在后期的高温退火过程中发生重结晶，修复顶层硅膜的缺陷。

本发明中，内热氧化(ITOX)工艺在富氧高温的环境中进行，晶片会从顶层硅膜表面开始氧化、扩散，表面的硅膜被大量消耗而形成氧化层，而降低了上层硅膜厚度；并且，在上层硅膜在被氧气大量消耗的同时，氧原子会通过上层硅膜发生内扩散，不断将氧原子扩散至“上层硅薄膜层/埋氧化物层”界面。同时，由于第二次注入在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，从而加速了氧原子的内扩散行为。内热氧化(ITOX)工艺结束后，最终在绝缘体上硅晶片表面产生很厚的氧化层，从而降低了上层硅膜厚度。

本发明中，硅晶格空位缺陷的引入，允许热内氧化(ITOX)工艺时氧原子在纵向扩散的同时发生横向扩散，加快了氧原子的扩散速率，提高了热内氧化(ITOX)的效果；而且，热内氧化(ITOX)过程会消耗大量晶片表面的硅，减薄了上层硅薄膜的厚度，从而可获得上层硅薄膜厚度达20nm的SOI晶片。

本发明中，热内氧化(ITOX)后，SOI晶片在1330℃～1370℃高温下退火，气氛为低氧含量(0.1at％～2at％)的氧氩或氧氮气氛。退火温度比单晶硅熔点低50℃～80℃，温度越高，硅原子和氧原子越活跃，扩散速度越快，但不能太高。如果退火温度高于1400℃，单晶硅可能熔融，从而完全破坏原有的单晶结构。在此条件下退火，逐步修复上层硅薄膜内的缺陷。

由以上可知，本发明为一种绝缘体上硅晶片的制造方法，它在改良低剂量氧离子注入技术的基础上，通过在富含氧气氛的高温条件下退火，促进氧原子的扩散，使部分氧原子从晶片表面的氧化层慢慢地扩散到晶片内部的埋氧化层中，提高了顶部单晶硅薄膜的质量，增加了埋氧层的厚度，降低了埋氧层针孔密度，有效实现了绝缘体上硅晶片质量的提升和制造成本的下降。

附图说明

图1为常规注氧隔离技术(SIMOX)制造绝缘体上硅晶片流程；

图2为改良低剂量氧离子注入技术制造绝缘体上硅晶片的流程；

图3为利用本发明技术制造绝缘体上硅晶片的流程；

图4(a)为利用改良低剂量氧离子注入技术制造绝缘体上硅晶片的PTEM照片。PTEM照片显示，没有看到明显的与顶部单晶硅薄膜相关的线位错或孪晶等缺陷，说明改良低剂量氧离子注入技术对提高绝缘体上硅晶片质量具有一定的作用。但在顶部单晶硅薄膜与氧化硅绝缘埋层间的界面，宏观上表现出较差的界面平整性，不利于器件的工艺制作。

图4(b)和(c)为图4(a)中“上层硅/绝缘埋层”界面HRTEM照片。高倍率下的HRTEM，查看顶部单晶硅薄膜与氧化硅绝缘埋层的界面情况。从HRTEM照片发现，在图4(b)的界面处存在ΔSFC位错；图4(c)的界面处存在孪晶缺陷，这些缺陷会造成器件的不稳定甚至失效。虽然改良低剂量氧离子注入技术可以帮助提高绝缘体上硅晶片的质量，但是仍然难以消除一些微小的缺陷。

图5(a)为利用本发明技术制造绝缘体上硅晶片的PTEM照片。PTEM照片显示，没有看到与顶部单晶硅薄膜相关的线位错或孪晶等缺陷，氧化硅绝缘埋层也没有观察到硅岛等缺陷。相对于图4(a)，在上层硅与绝缘埋层的交界处，宏观上表现出较好的界面平整性，因此，本发明技术对提高绝缘体上硅晶片质量具有明显的效果。相对于改良低剂量氧离子注入技术，利用本发明制造绝缘体上硅晶片，可以更进一步缩减器件尺寸与功耗，提高器件的运行速度。

图5(b)为图5(a)中“上层硅/绝缘埋层”界面HRTEM照片。根据HRTEM照片，上层硅具有完整的单晶晶格结构，上层硅与绝缘埋层的界面陡直，且在图4(b)的界面处所表现出来的ΔSFC位错、孪晶等缺陷已经消失。因此，利用本发明，对制造的绝缘体上硅具有很好的缺陷修复能力，能够极大地改善上层硅与绝缘埋层的界面质量，满足半导体工艺对上层硅质量的要求。

图6为用本发明技术制造绝缘体上硅晶片退火工艺曲线示意图；

图7为利用本发明技术制造绝缘体上硅晶片的针孔密度照片。针孔密度测试实验是反映SOI晶片绝缘埋层硅通孔密度情况的一种有效手段，对器件影响很大，针孔密度的大小可以从玻璃片上的铜斑点数目反映出来。针孔密度越高，则器件失效的几率就会越大，器件合格率也就越小。图7给出了半片4英寸硅片的孔密度测试结果。从玻璃片上，几乎没有发现铜斑点，说明利用本发明制造的SOI晶片，具有小的针孔密度，对器件的制造更具有可靠性，完全能够满足半导体工艺对隐埋层氧化硅质量的要求。

在图中：

01-硅单晶片，            02-顶部单晶硅薄膜层，

03-富含氧离子层，        04-单晶硅衬底，

05-氧化硅绝缘埋层，      06-表面氧化层，

07-内氧化扩散层，        08-引入晶格缺陷层，

09-氧化硅绝缘埋层。

具体实施方式

下面的实施例有助于理解本发明的特征和优点，但本发明的实施并不仅限于此实施例。

步骤1：在硅单晶片01中注入氧离子，注入能量为175KeV，注入剂量为0.81×10¹⁸cm^-2，注入温度为480℃，注入后形成富含氧离子层03；

步骤2：在第一次注入后，接着进行第二次注入。注入能量为156KeV，注入剂量为0.6×10¹⁵cm^-2，注入温度为120℃；通过低温、低剂量注入，在晶片内部引入了晶格缺陷层08；

步骤3：将二次注入后的晶片进行热内氧化(ITOX)，形成表面氧化层；ITOX的条件：温度为1320℃，气氛为氧含量为35at％的氧、氩混合气体；

步骤4：接着热内氧化(ITOX)工艺进行高温退火，退火温度为1350℃，退火气氛为氧含量为1at％的氧、氩混合气体；经ITOX、高温退火后，形成了很厚的表面氧化层06，顶部单晶硅层02因氧化而减薄；

步骤5：将高温退火后的晶片在10at％HF溶液中漂洗，去掉表面氧化层06，得到最终的SOI晶片。

所制造的SOI晶片参数如下：

顶部单晶硅薄膜层02的厚度为125.4nm，均匀性为±1nm；氧化硅绝缘埋层09的厚度为126.1nm，均匀性为±1.2nm。其中，图5给出了SOI晶片剖面结构照片。图7给出了SOI晶片针孔密度测试结果。

Claims (3)

1.一种绝缘体上硅晶片的制造方法，其特征在于，它的步骤为：

(1)高温、大剂量氧离子注入：在单晶硅片中注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；注入能量60keV～220keV，注入温度400℃～750℃，注入剂量为0.2×10¹⁸cm^-2～1.8×10¹⁸cm^-2；

(2)低温、小剂量氧离子注入：对经过步骤(1)所述高温、大剂量氧离子注入后的硅晶片进行低温氧离子注入，引入晶格缺陷层；注入温度为20℃～200℃，注入剂量为0.1×10¹⁵cm^-2～0.5×10¹⁶cm^-2；

(3)将经过步骤(2)所述低温、小剂量氧离子注入后的硅晶片在高温、高含氧量的氧氩气氛中退火，进行热内氧化，形成表面氧化层；退火温度为1000℃～1320℃，所述氧氩气氛中氧含量为10at％～50at％；

(4)对经所述热内氧化后的硅晶片进行高温退火，退火温度1330℃～1370℃，在氧含量为0.1at％～2at％的氧氩混合气氛或氧氮混合气氛中退火，修复晶格缺陷；

(5)用HF溶液漂掉硅晶片表面氧化层，得到最终的SOI晶片。

2.根据权利要求1所述绝缘体上硅晶片的制造方法，其特征在于，步骤(4)的高温退火温度为1350℃。

3.根据权利要求1所述绝缘体上硅晶片的制造方法，其特征在于，步骤(5)中所述HF溶液浓度为10at％。

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