CN101914758A

CN101914758A - 一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法

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Publication number: CN101914758A
Application number: CN 201010235023
Authority: CN
Inventors: 魏星; 王湘; 杨建�; 张苗; 王曦; 林成鲁
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-15

Abstract

一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底，所述单晶硅衬底具有一光滑的上表面；实施第一次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入；实施第二次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入；在含氧气氛下对单晶硅衬底实施退火；实施第三次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入；在含氧气氛下对单晶硅衬底再次实施退火；重复实施第三次离子注入以及退火的步骤以继续加厚绝缘埋层，至绝缘埋层的厚度达到目标厚度为止。

Description

一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法

【技术领域】

本发明是关于一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，特别涉及一种采用多次氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法。

【背景技术】

SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)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。SOI技术作为一种全介质隔离技术，具有诸多体硅技术不可比拟的优越性，包括：速度快、功耗低、短沟道效应小、集成度高、抗干扰和抗辐射能力强等，正逐渐成为制作高速、低功耗、高集成度和高可靠性超大规模集成电路的主流技术，同时还在高压功率器件、光无源器件、MEMS(Micro-electro-mechanical-Systems，微机电系统)等领域得到广泛应用。业界公认SOI技术是维持Moore定律走势的两大利器之一，被国际上誉为“21世纪的微电子技术”和“新一代硅”。

SOI材料按其顶层硅薄层的厚度，可分为薄膜SOI(顶层硅通常小于1μm)和厚膜SOI(顶层硅通常大于1μm)两大类，不同顶层硅厚度的SOI材料具有不同的应用领域。

目前，SOI材料的制备技术主要有注氧隔离技术(SIMOX)、键合及背面腐蚀技术(BESOI)。其中，由于键合及背面腐蚀技术具有工艺简单、成本低等优点，因此受到人们的重视，虽然埋氧层厚度连续可调，但是通过研磨或者腐蚀的办法减薄顶层硅，顶层硅的厚度均匀性很难得到精确控制，仅能制备厚膜SOI材料。目前，商用键合SOI晶片顶层硅厚度通常大于5μm，厚度均匀性为±0.5μm。采用SIMOX技术制备的SOI材料，顶层硅厚度一般在200nm以内，并且具有优异的顶层硅厚度均匀性，主要面向薄膜应用。目前，获得应用的主要是全剂量SIMOX材料，其制备方法是将剂量为1.8×10¹⁸cm^-2以上的氧离子注入进单晶硅片中，经过高温退火，促进氧在硅片内部聚集成核而形成约400nm厚的连续的二氧化硅绝缘埋层。但是，由于受到大剂量氧离子的轰击，所制备的SOI材料顶层硅质量较差，表现为线位错密度较大等。此外，由于氧元素在二氧化硅内扩散速度大于硅氧化速度，因此其绝缘埋层内形成了硅岛，进而降低了整个绝缘埋层击穿强度。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种SOI材料的制备方法，在保证获得无硅岛的连续埋层的情况下，能够有效地降低注入氧离子的总剂量，以降低生产成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底，所述单晶硅衬底具有一光滑的上表面；实施第一次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，以在单晶硅衬底内部形成注入损伤层；实施第二次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，第二次氧离子注入的注入位置在前一步骤形成的注入损伤层靠近单晶硅衬底上表面一侧的表面，以在注入损伤层的上表面形成缺陷层；在含氧气氛下对单晶硅衬底实施退火，以将注入损伤层转变成绝缘埋层，将缺陷层转变成多晶层；实施第三次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，本步骤中氧离子注入在绝缘埋层内且更靠近绝缘埋层的下界面；在含氧气氛下对单晶硅衬底再次实施退火，以促进第三次注入的氧和硅结合形成氧化硅，从而加厚绝缘埋层，并促进多晶层的硅和氧结合形成绝缘埋层的一部分；重复实施第三次离子注入以及退火的步骤以继续加厚绝缘埋层，至绝缘埋层的厚度达到目标厚度为止。

作为可选的技术方案，第一次氧离子注入的注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～8×10¹⁷cm^-2；第二次氧离子注入的注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2；第三次氧离子注入的注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～1×10¹⁸cm^-2。

作为可选的技术方案，所述的两次退火工艺中，退火的温度为1000～1400℃，退火气氛为氧氩混合气体，退火时间不小于6小时。

作为可选的技术方案，在每一步退火的步骤之后实施腐蚀去除表面热二氧化硅的步骤。

本发明的优点在于，通过多次注入多次退火制备SOI材料，降低了单次注入的剂量，提高了所制备SOI材料的顶层硅晶体质量。由于采用了多次离子注入，彼此互为补充，可以保证所制备的材料绝缘埋层完整并且无硅岛存在，并且第二次和第三次的氧离子注入在界面处使得最终的SOI衬底具有陡峭的顶层硅/绝缘埋层界面。此外，本工艺虽然采用了多次离子注入，但是降低了总的氧离子注入剂量，从而降低了生产成本。

【附图说明】

附图1是本发明的具体实施方式所述方法的实施步骤示意图。

附图2至附图7是本发明的具体实施方式所述方法的工艺流程图。

【具体实施方式】

接下来结合附图详细介绍本发明所述一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法的具体实施方式。

附图1所示是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供单晶硅衬底，所述单晶硅衬底具有一光滑的上表面；步骤S110，实施第一次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，以在单晶硅衬底内部形成注入损伤层；步骤S120，实施第二次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，第二次氧离子注入的注入位置在前一步骤形成的注入损伤层靠近单晶硅衬底上表面一侧的表面，以在注入损伤层的上表面形成缺陷层；步骤S121，在含氧气氛下对单晶硅衬底实施退火，以将注入损伤层转变成绝缘埋层，将缺陷层转变成多晶层；步骤S130，实施第三次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，本步骤中氧离子注入在绝缘埋层内且更靠近绝缘埋层的下界面；步骤S131，在含氧气氛下对单晶硅衬底实施退火，以促进第三次注入的氧和硅结合形成氧化硅，从而加厚绝缘埋层，并促进多晶层的硅和氧结合形成绝缘埋层的一部分。

如实施步骤S130和步骤S131之后，绝缘埋层的厚度仍然没有达到目标厚度，还可以重复实施步骤S130和步骤S131以继续加厚绝缘埋层，至绝缘埋层的厚度达到目标厚度为止。

由于注入离子在衬底中的分布方式是沿着注入方向呈高斯分布的，因此下文所述的注入位置应当是指注入离子高斯分布的峰值位置，这也是本领域内对注入位置的通常定义。

以下附图2至附图7是本具体实施方式所述方法的工艺流程图。

附图2所示，参考步骤S100，提供单晶硅衬底10，所述单晶硅衬底具有一光滑的上表面10a。单晶硅衬底10的与上表面10a相对的下表面并不限制为光滑表面。

附图3所示，参考步骤S110，实施第一次氧离子注入，从单晶硅衬底10的上表面10a注入，以在单晶硅衬底10内部形成注入损伤层11。

本步骤的注入能量范围是20～500KeV间，优化的注入能量为200KeV，注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～8×10¹⁷cm^-2，优化的注入剂量为3×10¹⁷cm^-2，注入温度为100～800℃，优化的注入温度为550℃。注入能量的选择方式是注入能量应在相对应注入剂量的“能量-剂量匹配”窗口附近，以保证其退火后形成连续绝缘埋层，本步骤注入氧离子在硅片内形成注入损伤层。

氧离子注入形成绝缘埋层的“能量-剂量匹配”理论是本领域成熟的理论。这一匹配窗口根据不同的设备会略有不同，本领域内技术人员有能力根据实际情况寻找到匹配的窗口，故此处不再具体叙述如何选择能量和剂量的匹配值。

附图4所示，参考步骤S120，实施第二次氧离子注入，从单晶硅衬底10的上表面10a注入，第二次氧离子注入的注入位置在前一步骤形成的注入损伤层11靠近单晶硅衬底上表面一侧的表面，以在注入损伤层的上表面形成缺陷层12。

本步骤的注入能量在20～500KeV间，优化的注入能量为190KeV，注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2，优化的注入剂量为2×10¹⁵cm^-2，注入温度为室温注入，第二步注入氧离子在注入损伤层11上形成一个缺陷层12。

附图5所示，参考步骤S121，在含氧气氛下对单晶硅衬底10实施退火，以将注入损伤层11转变成绝缘埋层13，将缺陷层12转变成多晶层14。本步骤实施完毕后，在单晶硅衬底10中形成了明确的顶层硅层19，并在顶层硅层19的表面形成热氧化的二氧化硅层18。

本步骤的退火温度为1000～1400℃，优化的退火温度为1350℃，退火气氛为氧氩混合气体，退火时间不小于6小时，在退火过程中可通过增大氧气含量，利用内热氧化原理增厚绝缘埋层13。

在该退火过程中，步骤S120的氧离子注入形成的缺陷层12将会变成多晶层14，促进氧的内扩散，并且有利于释放绝缘埋层13形成过程中体积膨胀所带来的应力，减小顶层硅层19中的位错密度。退火后，形成一SOI衬底，表面覆盖有一热氧化的二氧化硅层18。

在退火过程中多晶层14有可能通过内热氧化工艺氧化成为绝缘埋层13的一部分。优化的办法是通过控制退火时间不要过长，而将此多晶层14保留下来。该多晶层14在下一步注入退火过程中能够成为氧的扩散通道，以促进绝缘埋层13生长增厚，并在该过程中再被氧化成为绝缘埋层13的一部分。

应当通过控制退火的温度和时间保证多晶层14不在此步骤中被氧化，具体的退火温度和时间的选择应当根据前两次注入的能量、剂量以及退火设备的情况进行确定，本领域内技术人员能够通过有限次的实验在前述退火参数的范围内确定更优化的退火的参数，以保留多晶层14用于后续工艺步骤，此处不再详细叙述。

本实施方式中，二氧化硅层18在后续注入的步骤中获得保留，保留二氧化硅层18的优点在于能够在注入氧离子的工艺中对顶层硅层18起到保护作用，避免离子轰击对顶层硅层18的表面造成损伤。

在其他的实施方式中，于步骤S121之后，还可以实施一腐蚀去除表面热二氧化硅层18的步骤。腐蚀除去二氧化硅的优点在于能够增进后续第三次离子注入之后的退火步骤中，气氛中的氧离子能够更有效率地进入到单晶硅衬底10之中。腐蚀可以采用干法或者湿法腐蚀等工艺，此处从略。

附图6所示，参考步骤S130，实施第三次氧离子注入，从单晶硅衬底10的上表面10a注入，本步骤中氧离子注入在绝缘埋层13内且更靠近绝缘埋层13的下界面。此处所述的下界面应当是指绝缘埋层13远离单晶硅衬底10上表面10a的表面。

本步骤中优化的注入能量为200KeV，注入能量选择原则是能够使氧离子注入到绝缘埋层13内，并偏向绝缘埋层13的下界面。注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～1×10¹⁸cm^-2，优化的注入剂量为5×10¹⁷cm^-2，注入温度为100～800℃，优化的注入温度为550℃。

附图7所示，参考步骤S131，在含氧气氛下对单晶硅衬底10再次实施退火，以促进第三次注入的氧和硅结合形成氧化硅，从而加厚绝缘埋层13，并促进多晶层14的硅和氧结合形成绝缘埋层13的一部分。本步骤实施完毕后，增厚了顶层硅层19表面的热氧化的二氧化硅层18。

在步骤S121之后实施了除去二氧化硅层18步骤的具体实施方式中，步骤S131会在顶层硅19的表面再次形成热二氧化硅层。

本步骤的退火温度为1000～1400℃，优化的退火温度为1350℃，退火气氛为氧氩混合气体，退火时间不小于6小时，在本步骤的退火过程中，多晶层14能够成为氧扩散通道，使退火气氛中的氧气通过多晶层14进入绝缘埋层13，以促进绝缘埋层13生长增厚，并且多晶层14在该过程中被氧化成为绝缘埋层13的一部分，并且步骤S130中注入进绝缘埋层13内的氧将与其上下界面的硅反应形成二氧化硅，从而加厚该绝缘埋层13，并且表面二氧化硅层同样增厚。

上述步骤实施完毕后，即获得了最终的SOI衬底。实验表明，采用三次离子注入所获的衬底在绝缘层完整无硅岛，且顶层硅/绝缘埋层界面陡峭。并且从以上叙述可以看出，获得SOI衬底所采用的氧离子的总剂量不超过1.8×10¹⁸cm^-2(第二次离子注入的剂量比另外两次低两个数量级，可以忽略不计)，采用优化的剂量则总剂量更低，因此较现有技术而言节约了注入的总剂量。对于离子注入工艺而言，累计的总剂量是主要的成本考量因素(即使采用目前世界上最先进的大束流离子注入机，如果进行10¹⁸cm^-2数量级的氧离子注入，时间也要长达几个小时)，而更换注入片的时间较注入时间相比并不算长(通常只要十几分钟甚至更短)。因此如果能够降低累计的注入总剂量，即使增加了注入次数，但总体上还是节约了注入机台的占用时间。

需要指出的是，本实施方式所列举的剂量范围并非绝对限制本发明的实施，而是为了说明采用了多次离子注入工艺之后带来的总剂量降低的效果。如果采用其他的设备或者注入条件，离子注入的剂量会随之发生变化。但无论何种情况，采用多次离子注入由于在退火过程中由于气氛中氧的扩散作用而带来的绝缘埋层增厚作用都会使其总剂量小于单次注入。

如实施步骤S130和步骤S131之后，绝缘埋层的厚度仍然没有达到目标厚度，还可以重复实施步骤S130和步骤S131以继续加厚绝缘埋层，至绝缘埋层的厚度达到目标厚度为止。如果反复实施步骤S130和步骤S131，有可能累计的注入剂量会达到甚至超过现有技术的1.8×10¹⁸cm^-2剂量，但是所获得的绝缘埋层的厚度将达到甚至超过400nm的单次注入极限厚度。因此多次注入对绝缘埋层的增厚作用是现有技术无法做到的。

目前，全剂量SIMOX-SOI材料主要制备方法为剂量至少为1.8×10¹⁸cm^-2的氧离子注入进单晶硅片中，经过高温退火，促进氧在硅片内部聚集成核而形成约400nm厚的连续的二氧化硅绝缘埋层。但是，由于受到大剂量氧离子的轰击，所制备的SOI材料顶层硅质量较差，表现为线位错密度较大。此外，由于氧元素在二氧化硅内扩散速度大于硅氧化速度，因此其绝缘埋层内形成了硅岛，进而降低了整个绝缘埋层击穿电压。以上具体实施方式提出的改进的多次注入多次退火工艺用于全剂量SIMOX-SOI材料的工艺，通过多次注入多次退火制备SIMOX-SOI材料，降低了单次注入的剂量，提高了所制备SIMOX-SOI材料的顶层硅晶体质量。由于采用了多次离子注入，彼此互为补充，可以保证所制备的材料绝缘埋层完整并且无硅岛存在，并且第二次和第三次的氧离子注入在界面处使得最终的SOI衬底具有陡峭的顶层硅/绝缘埋层界面。此外，本工艺虽然采用了多次离子注入，但是降低了总的氧离子注入剂量，从而降低了生产成本。

综上所述，虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所申请的专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供单晶硅衬底，所述单晶硅衬底具有一光滑的上表面；

实施第一次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，以在单晶硅衬底内部形成注入损伤层；

实施第二次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，第二次氧离子注入的注入位置在前一步骤形成的注入损伤层靠近单晶硅衬底上表面一侧的表面，以在注入损伤层的上表面形成缺陷层；

在含氧气氛下对单晶硅衬底实施退火，以将注入损伤层转变成绝缘埋层，将缺陷层转变成多晶层；

实施第三次氧离子注入，从单晶硅衬底的上表面注入，本步骤中氧离子注入在绝缘埋层内且更靠近绝缘埋层的下界面；

在含氧气氛下对单晶硅衬底再次实施退火，以促进第三次注入的氧和硅结合形成氧化硅，从而加厚绝缘埋层，并促进多晶层的硅和氧结合形成绝缘埋层的一部分；

重复实施第三次离子注入以及退火的步骤以继续加厚绝缘埋层，至绝缘埋层的厚度达到目标厚度为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一次氧离子注入的注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～8×10¹⁷cm^-2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二次氧离子注入的注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三次氧离子注入的注入剂量为2×10¹⁷cm^-2～1×10¹⁸cm^-2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的两次退火工艺中，退火的温度为1000～1400℃，退火气氛为氧氩混合气体，退火时间不小于6小时。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，在每一步退火的步骤之后实施腐蚀去除表面热二氧化硅的步骤。