CN101908472B - 在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，包括如下步骤：提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；选择在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；在绝缘层中注入纳米晶改性离子；通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；实施键合后的退火加固；利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。本发明的优点在于，通过对工艺顺序的巧妙调整，在不影响其他工艺的前提下，将形成纳米晶所采用的离子注入的步骤调整在键合之前实施的，从而不会影响到器件层的晶格完整性，提高了所制备的SOI材料的晶体质量。

Description

在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法

【技术领域】

本发明涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法。

【背景技术】

随着航天技术的飞速发展，应用在辐射环境下的电子学系统越来越多，由于辐射能够造成电子元器件和集成电路性能的退化和改变，从而影响由此组成的电子学系统的可靠性、缩短系统的寿命，严重时甚至会导致任务的失败。对于在轨运行的航天器来讲，辐射将会造成短时功能失效和缩短在轨运行寿命。SOI(绝缘体上的硅：Silicon-On-Insulator或绝缘体上的半导体：Semiconductor-On-Insulator)技术正是为了满足航空航天、导弹和卫星电子系统等空间及军事电子领域的需求而发展起来的一种技术。四十多年来，该技术的发展一直以抗辐射加固的军事和空间应用为背景，其目标是提高战略武器的突防和延长卫星在轨运行寿命。

SOI材料由于绝缘埋层的存在，减小了器件的寄生电容，提高了器件的速度，并且从根本上消除体硅CMOS技术的闭锁效应，单粒子翻转截面较体硅CMOS技术小二个数量级，抗瞬时剂量率的能力提高二个数量级。

但是，另一方面由于其绝缘埋层的存在使得其抗总剂量辐照性能受到限制，这是因为当SOI绝缘埋层受到电离辐照时，辐射感生电荷被俘获在整个埋层。这些辐射感生的陷阱电荷主要呈正电性。这些电荷能够导致n沟晶体管的背沟道界面反型，从而引起部分耗尽(PD)和全耗尽(FD)晶体管的漏电流大幅度增加。对于全耗尽晶体管，正栅晶体管与背栅晶体管有电耦合作用，绝缘埋层中辐射感生正电荷的积累会造成正栅晶体管阈值电压的降低。

目前，SOI材料的抗辐照加固技术主要是利用离子注入技术将硅或其他元素注入SOI材料的绝缘埋层中，在绝缘埋层中产生大量的电子陷阱以补偿辐射在埋层中产生的空穴陷阱电荷来降低埋层中正电荷的数量。但是，SOI材料中注入原子的过程中会造成顶层硅晶格的损伤，降低了顶层硅的晶体质量。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，在绝缘埋层中引入硅纳米晶的同时，能够避免硅离子注入造成的顶层硅晶格损伤，提高所制备的SOI材料的晶体质量。

为了解决上述问题，本发明提供了一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，包括如下步骤：提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；选择在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；在绝缘层中注入纳米晶改性离子；通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；实施键合后的退火加固；利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。

作为可选的技术方案，所述器件衬底的材料为单晶硅，其中的腐蚀自停止层采用氧离子注入的方法形成。

作为可选的技术方案，所述减薄器件衬底的步骤进一步包括：采用湿法腐蚀的方法腐蚀器件衬底至腐蚀自停止层；将腐蚀自停止层除去；研磨保留在绝缘层表面的器件层至目标厚度。

作为可选的技术方案，所述绝缘层的材料为氧化硅，所述纳米晶改性离子的材料选自与硅和锗中的一种或者两种，所述纳米晶改性离子为硅，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～2×10¹⁶cm^-2。

作为可选的技术方案，所述注入的纳米晶改性离子的位置与键合后的绝缘层与器件衬底之间界面之间的距离范围是10nm～700nm。

作为可选的技术方案，所述键合工艺为辅助等离子体处理的亲水键合，键合后加固工艺依次包括两个阶段：第一阶段的温度范围是200℃～800℃，时间范围是0.5小时至5小时，第二阶段的加固温度范围是900℃～1300℃，加固时间是10分钟～6小时。

作为可选的技术方案，所述键合工艺为直接的亲水键合，键合后加固工艺的温度范围是800℃～1400℃，加固时间是10分钟～10小时。

本发明的优点在于，通过对工艺顺序的巧妙调整，在不影响其他工艺的前提下，将形成纳米晶所采用的离子注入的步骤调整在键合之前实施的，从而不会影响到器件层的晶格完整性，提高了所制备的SOI材料的晶体质量。

【附图说明】

附图1是本发明的具体实施方式的实施步骤示意图；

附图2至附图7是本发明的具体实施方式的工艺示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法的具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S100，提供器件衬底和支撑衬底；步骤S101，采用氧离子注入的方法在器件衬底中形成腐蚀自停止层；步骤S110，选择在器件衬底的表面形成绝缘层；步骤S120，在绝缘层中注入纳米晶改性离子；步骤S130，通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；步骤S140，实施键合后的退火加固；步骤S150，利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。

附图2至附图7是本具体实施方式的工艺示意图。

附图2所示，参考步骤S100，提供器件衬底19和支撑衬底10。

支撑衬底10的材料可以是包括单晶硅在内的任何一种本领域内常见的衬底材料，本具体实施方式为单晶硅。

器件衬底19用于在后续步骤中形成顶层半导体层，又称之为器件层，因此该器件衬底19的材料应当是单晶硅或者化合物半导体等常用的单晶半导体材料，本具体实施方式为单晶硅。

附图3所示，参考步骤S101，采用氧离子注入的方法在器件衬底19中形成腐蚀自停止层18。

注入离子可以是氧离子，也可以采用氮氧共注，注入可以是单次注入也可以是多次注入，多次注入时注入能量可以与第一次注入时能量相同，也可以不同。注入剂量的范围是1×10¹⁴cm^-2～2×10¹⁸cm^-2，注入能量为20KeV～500KeV。这里以多次注入为例，第一次注入能量为190KeV，注入剂量为4×10¹⁷cm^-2，注入温度为500℃；第二次注入能量为180KeV，注入剂量为2×10¹⁵cm^-2。注入温度为室温注入。

本实施方式以单晶硅中注入氧离子为例，叙述了在器件衬底19中形成腐蚀自停止层18的方法。在其他的实施方式中，如果选择用离子注入的方法形成腐蚀停止层，还可以根据欲采用的腐蚀工艺选择不同的注入离子，例如在单晶硅中注入硼离子形成浓硼自停止层，也是一种可选的技术方案。

在其他的实施方式中，如果选择采用外延的方法生长腐蚀自停止层，也可以将上述步骤S100和步骤S101合并实施，即采用外延工艺依次形成自停止层，以及自停止层表面的最终产品的器件层，例如在单晶硅衬底表面首先外延一层浓硼的单晶硅作为自停止层，再外延一层低掺杂或者本征的单晶硅层作为最终产品的器件层。上述两步外延实施完毕后方才获得用于键合的器件衬底，也就相当于将上述步骤S100和步骤S101合并实施了。

总之上述步骤S100和步骤S101实施的目的在于获得一个具有腐蚀自停止层18的器件衬底19。

附图4所示，参考步骤S110，选择在器件衬底19的表面形成绝缘层17。

本实施方式采用的是在单晶硅衬底中注入氧离子形成腐蚀自停止层18，因此可以本步骤可以选择将器件衬底19在高温下退火，退火温度为1000℃～1400℃，退火气氛为氧氩混合气氛。退火后的器件衬底，表面覆盖了一层热氧化的二氧化硅层，可以作为绝缘层17。采用热氧化的优点还在于高温下的退火还可以促进注入的氧离子在单晶硅中的聚集，提高腐蚀自停止层18的腐蚀阻挡效果。

在其他未采用单晶硅衬底中注入氧离子形成腐蚀停止层18的实施方式中，也可以选择化学气相沉积等其他方法在器件衬底19的表面形成绝缘层17。

附图5所示，参考步骤S120，在绝缘层17中注入纳米晶改性离子，形成纳米晶层171。

纳米晶改性离子选自于硅离子和锗离子中的一种或两种。本具体实施方式中所述纳米晶改性离子为硅离子，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～2×10¹⁶cm^-2。纳米晶改性离子注入至绝缘层17之中形成了由纳米晶团簇构成的纳米晶层171，能够在绝缘层17中产生大量的电子陷阱，一旦受到放射线的辐射，这些电子陷阱能够补偿辐射在埋层中产生的空穴陷阱电荷来降低埋层中正电荷的数量。

本具体实施方式中，纳米晶改性离子注入位置，即纳米晶层171的位置与绝缘层17和器件衬底19界面之间的距离范围是10nm～700nm为较佳的注入位置，并优选为30nm～70nm，尤其是50nm。在其他的实施方式中，如果绝缘层17是生长在支撑衬底10的表面，则应当控制注入位置与绝缘埋层17自由表面之间的距离范围是30nm～70nm为优，这样能保证在键合之后，注入位置距绝缘层17和器件衬底19界面之间的距离范围是10nm～700nm。在支撑衬底10和器件衬底19的表面都生长绝缘层的实施方式中，则应当根据器件衬底19表面的绝缘层厚度确定纳米晶改性离子应当注入在哪个绝缘层中，以及注入深度是多少，以确保键合之后的注入位置满足上述条件。

由于注入的离子在衬底中不可能严格的分布在某一固定的位置，而是沿着注入的方向呈高斯分布的，因此本说明书中所提到的离子的注入位置应当是离子在注入方向高斯分布的峰值位置，这也是本领域对离子注入深度的一种通常的表述方法。

附图6所示，参考步骤S130，通过绝缘层17将器件衬底19和支撑衬底10键合在一起。

键合可以是亲水键合也可以是疏水键合。亲水键合前可以使用氩或者氧等离子处理衬底表面。优化的键合方式为等离子体处理后采用亲水键合，先使用Ar⁺处理5分钟，随后去离子水清洗表面并甩干，衬底表面吸附有一层水分子。

继续参考步骤S140，实施键合后的退火加固。

键合后，键合衬底对进行加固处理，加固温度为200℃～800℃，优化温度为400℃，加固时间为30分钟～5小时，优化时间为3小时，随后升温进行进一步退火处理激活硅原子成为硅纳米晶，处理温度为900℃～1300℃，处理时间为10分钟到6小时，优化温度为1100℃，退火2小时。如果衬底不采用等离子体处理，直接亲水键合，则加固温度为800℃～1400℃，优化温度为1100℃，退火时间为10分钟到10小时，优化为6小时。

附图7所示，参考步骤S150，利用腐蚀自停止层18将器件衬底19减薄至目标厚度以在绝缘层17表面形成器件层12。

由于器件衬底19中具有腐蚀自停止层18，因此本步骤具体可以采用湿法腐蚀的方法腐蚀器件衬底至腐蚀自停止层，然后将腐蚀自停止层18除去形成保留在绝缘层17表面的器件层12，最后研磨器件层12至目标厚度。

本具体实施方式可以采用TMAH溶液在90℃条件下进行选择性腐蚀，随后采用5％HF溶液去除器件衬底19中的氧化硅腐蚀自停止层18，再采用CMP对器件层12的厚度和表面平整度进行调整。

上述步骤实施完毕后，初步制备出的衬底包括了支撑衬底10、绝缘层17和器件层12，并且绝缘埋层17中含有嵌入纳米晶层171的SOI材料。形成纳米晶层171所采用的离子注入的步骤是在键合之前实施的，因此没有影响到器件层12的晶格完整性。

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 (7)

1.一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；

选择在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；

在绝缘层中注入纳米晶改性离子；

通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起，所述注入的纳米晶改性离子的位置与键合后的绝缘层与器件衬底之间界面之间的距离范围是10nm～700nm；

实施键合后的退火加固；

利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件衬底的材料为单晶硅，其中的腐蚀自停止层采用氧离子注入的方法形成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减薄器件衬底的步骤进一步包括：

采用湿法腐蚀的方法腐蚀器件衬底至腐蚀自停止层；

将腐蚀自停止层除去；

研磨保留在绝缘层表面的器件层至目标厚度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅，所述纳米晶改性离子的材料选自与硅和锗中的一种或者两种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纳米晶改性离子为硅，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～2×10¹⁶cm^-2。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述键合工艺为辅助等离子体处理的亲水键合，键合后加固工艺依次包括两个阶段：第一阶段的温度范围是200℃～800℃，时间范围是0.5小时至5小时，第二阶段的加固温度范围是900℃～1300℃，加固时间是10分钟～6小时。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述键合工艺为直接的亲水键合，键合后加固工艺的温度范围是800℃～1400℃，加固时间是10分钟～10小时。